JPH0248851B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、流体圧力を電気信号へ変換する圧
力発信器に関する。より詳しく言えば、二系統の
流体間の圧力差を受けて電気信号を発生させる差
圧センサを用い、この圧力センサを過剰な流体圧
から保護するための過負荷保護手段を備えた差圧
発信器に関する。

〔従来の技術〕

ウエーバらによる米国特許第3712143号に示さ
れているように、動作範囲において変位が極僅か
なセンサを用いた差圧変換器すなわち発信器はよ
く知られている。このような発信器における代表
的なセンサは、歪検出用半導体ウエハであつて、
被測定流体の圧力差に応じた物理的変位を上記ウ
エハに生ぜしめるように、両面に流体圧力を与え
る手段を備えている。

このような差圧発信器は一対のバリアダイアフ
ラムを備えており、一方のバリアダイアフラムの
一方の面の流体室は、第１の圧力を有する流体か
ら圧力を受け、他方のバリアダイアフラムの一方
の面の同様な流体室は、第２の圧力を有する流体
から圧力を受ける。各バリアダイアフラムの他方
の面側の各内室には、非圧縮流体（以下、「封入
液」という。）が充填されている。これらの封入
液は、センサウエハの相対応する面と流体通路を
通して連通する。このウエハは、封入液の二系統
の圧力の差に応じた量だけ変位し、この変位に応
じた電気信号を出力する。従つて、この出力は、
封入液の差圧、すなわち、被測定流体の差圧に対
応する。このような発信器は、通常、過負荷保護
手段を備え、ウエハを破壊するほどの過剰な差圧
入力によつてウエハが過剰に変位するのを防いで
いる。

従来開発されてきた過負荷保護手段は、センサ
ウエハの両変位方向において、同じかまたは近似
した過負荷保護を与えるものであつた。

しかしながら、このようなセンサウエハは、過
負荷保護要件が対称でなく、予め定められた比率
の過負荷、すなわち、変位方向によつて過負荷保
護が異なるようにする必要があることが分かつ
た。従来の過負荷保護は、センサウエハの最小変
位耐圧に基づいて与えられるものであつた。

従つて、大きな変位耐圧を持つ方に対しては、
自ずと過剰な保護を与える結果となつた。

また、過負荷保護が必要とされる以前に、所望
の入力圧力範囲に耐えるに適する最小レベルの変
位耐圧を有する一層丈夫なウエハを必要とした。

このような訳で、過負荷保護と保護されるセン
サ間の不一致を過大なままにした状態で使うので
はなく、センサウエハの過負荷保護をその必要と
される比率に一致させて与えることが望まれる。

〔本発明の概要〕

本発明の目的は、差圧センサの要件に合つた過
負荷保護を有する改良された差圧発信器を提供す
ることにある。

この目的を達成するために、本発明に係る差圧
発信器ば、２枚のバリアダイアフラム間のハウジ
ング内の中央空室に制御ダイアフラムを有し、そ
の各面にバリアダイアフラムの対応する面からの
圧力が伝達される差圧発信器は、制御ダイアフラ
ムのそれぞれの面に過負荷スレシユホールドバイ
アス力を与える２つの圧力印加手段、すなわち、
バイアス手段を具備する。

従つて、制御ダイアフラムは、両バイアス手段
間に位置する。このバイアス手段により、制御ダ
イアフラムの移動量に関し、一方の方向への移動
量が他の方向へのそれより大きくなるように、所
定の比率でバイアス力が与えられる。

〔実施例〕

本発明をよりよく理解するために、一実施例を
具体的に表す過負荷保護手段を有する差圧発信器
の断面図を参照しながら、以下詳細に説明する。
図において、差圧発信器は、圧力受入ヘツド２と
遠隔圧力センサカプセル４を具備しており、これ
らヘツドとカプセル間は一対の流体搬送用のキヤ
ピラリチユーブ６，８により連結されている。こ
のカプセル４は、内部室を形成する一対のカプセ
ルブロツク１０，１２を含む。

半導体センサウエハからなるダイアフラム１４
によりこの内部室は二分され、分割された各室は
分離された封入液を有する。図示しない通常の変
位／電気信号変換手段がダイアフラム１４上に設
けられ、ダイアフラム１４に印加される差圧を表
す大きさの電気信号を発生する。この変位／電気
信号変換手段は、カプセル４の壁に設けられた流
体封止シールを貫通する引出導線１６により、電
気機器例えば記録計２０に接続される。

センサヘツド２は、例えば、ネジ穴２４のよう
な流体入力圧力を受け入れる手段、すなわち、接
続手段を有する第１の板部材２２を持つ。第２の
板部材２６は、第１の板部材２２に隣接して設け
られ、第１の板部材との間に、第１のバリアダイ
アフラム２８を持つ。このダイアフラム２８の一
方の面とこれに相対する第１の板部材２２の凹面
とで、第１の空室３０を形成し、ダイアフラム２
８の他方の面とこれに相対する第２の板部材２６
の凹面とで、第２の空室３１を形成する。同様な
構造は、センサヘツド２の反対側にも設けられ、
流体入力圧力を受け入れる手段３４を持つ第３の
板部材３２、第４の板部材３６および第２のバリ
アダイアフラム３８を含む。ダイアフラム３８は
第３の板部材３２と第４の板部材３６との間に位
置し、第３の板部材３２との間に第３の空室４０
を、第４の板部材３６との間に第４の空室４２を
形成する。制御ダイアフラム４４は、第２の板部
材２６と第４の板部材３６との間に配置され、第
２の板部材２６との間に第１の内部空室４６を、
第４の板部材３６との間に第２の内部空室４８を
形成する。第１の封入液（図示しない）が、空室
３１，４６を満たし、同様な第２の封入液が、空
室４２，４８を満たす。第１の圧力印加用スペー
サ５０は、第１の内部空室４６内に配置され、ダ
イアフラム４４の対向面とは接触するが、第２の
板部材２６の対向面とは離れて隙間を持つ。

第１の皿ばね状（Belleville）ワツシヤ５２が、
上記隙間に配置され、ばね圧力をダイアフラム４
４に加える。スペーサ５０の複数の孔により、封
入液は空室４６とダイアフラム４４間を動く。第
１の流体通路５６により、第１の封入液は空室３
１と４６間を移動でき、第２の流体通路５７によ
り、第１の封入液は空室４６とキヤピラリチユー
ブ６間を動く。このキヤピラリチユーブ６は、ヘ
ツド２とカプセル４とを連通する。

同様な構造が、ヘツド２の制御ダイアフラム４
４の反対側にも設けられる。すなわち、第２の圧
力印加スペーサ５８が、第２の内部空室４８内に
配置され、ダイアフラム４４の対向面とは接触す
るが、第４の板部材３６の対向面とは離れて隙間
を持つ。第２の皿ばね状（Belleville）ワツシヤ
６０が、上記隙間に配置され、ばね圧力を第１の
皿ばね状ワツシヤ５２とは逆の方向からダイアフ
ラム４４に加える。スペーサ５８の複数の孔によ
り、封入液は空室４８とダイアフラム４４間を動
く。第３の流体通路６４により、第２の封入液は
空室４２と４８間を移動でき、第４の流体通路６
５により、第２の封入液は空室４８とキヤピラリ
チユーブ８間を動く。このキヤピラリチユーブ８
は、ヘツド２とカプセル４とを連通する。

第２の板部材２６と第４の板部材３６には、上
記スペーサ５０，５８をそれぞれ収容するための
開口、すなわち、凹みが設けられる。これらの凹
みの直径は異なるため、部材２６と３６は対称形
状ではない。この直径の差異により、直径の小さ
い方の板部材に形成される円周段部は、直径の大
きい方の板部材に収容されるスペーサの周縁部と
対向する。例えば、部材２６のスペーサ５０を収
容する凹みの直径の方が小さいとすると、第１の
内部空室４６の外側角部である段部６６は、空室
４８内のスペーサ５８の周縁部と対向し、この段
部６６により過負荷保護の動作に違いが生じる。
更に詳しく言えば、段部６６がスペーサ５８に対
するストツパとして働いて、スペーサ５８が部材
２６の方に動くのを阻止する。空室４８の封入液
は、この時、孔６２を通りダイアフラム４４とス
ペーサ５０を動かす。他方、空室４６の封入液が
過剰圧力状態にあると、ワツシヤ６０のばね圧に
抗してスペーサ５０、ダイアフラム４４およびス
ペーサ５８を動かす。溶着ビード６８はダイアフ
ラム３８と隣接部材とを結合するための代表的な
手段として示されているが、ヘツドアツセンブリ
を構成する積層体構造は、他の適当な手段、例え
ば、上記各板部材の積層体を貫通するナツトやボ
ルト（図示しない）で係止される。

〔動作〕

この発明の差圧発信器は、流体入力圧力を受け
入れる手段２４，３４を通して与えられる入力流
体差圧をセンサウエハ１４によつて電気信号振幅
に変換するセンサカプセル４へ与える。過大な流
体入力圧がヘツド２に印加され、対応する反対側
のワツシヤのばね力を上回ると、ダイアフラム４
４はこの過負荷圧力を吸収しようとして動く。ワ
ツシヤ５２，６０は一定の力領域で動作するよう
に調整されワツシヤのばね力は適当な比率で、例
えば、ワツシヤ６０のばね力が、ワツシヤ５２の
ばね力より大きい値で、与えられる。

ダイアフラム４４の撓み曲線は、皿ばね状のワ
ツシヤの適当な設計で調整される。かくして、過
負荷差圧レベルを越えると、ワツシヤのばね力を
上回り、ダイアフラム４４はヘツド２の過大な圧
力側の封入液を吸収しようとして変位し、この動
きは高圧側のバリアダイアフラムが対向する板部
材の面に着座するまで続く。バリアダイアフラム
が着座すると、センサ４に伝達される差圧はそれ
以上増加しない。バリアダイアフラムは、制御ダ
イアフラム４４および関連のスペーサとワツシヤ
が移動量の限界値に達しないうちに、着座するよ
うになつており、関係する空室の大きさを適当に
選ぶことによつて達成される。過負荷差圧を対称
にするために、例えば、ワツシヤ６０のばね力
は、ワツシヤ５２のばね力の２倍に設定される。

いずれにせよ、スペーサ５０，５８が動く方
向、すなわち、高い方の圧力が流体入力圧力を受
け入れる手段２４に与えられた場合における方向
への過負荷保護は、次式で与えられる。

ΔP＝（F2−F1）／Ａ ここで、F2：ワツシヤ６０のばね圧、 F1：ワツシヤ５２のばね圧、 Ａ：スペーサ５０に面したダイアフラムの面積。

逆の過負荷状態、すなわち、高い方の圧力が流
体入力圧力を受け入れる手段３４に与えられた場
合の過負荷差圧はF1／Ａに等しい。

このように、この過負荷保護手段によつて与え
られる過負荷保護は非対称、すなわち、所定の比
率で与えられる。所定の比率は、個々のセンサウ
エハの要件に過負荷保護を合わせるべく、ばね圧
とダイアフラムの面積を選定することにより、得
ることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、制御ダ
イアフラムに手を加えることなく、このダイアフ
ラムを挟んで位置する各バイアス手段のバイアス
力を調整して与えることにより、圧力センサの要
件にマツチした過負荷保護を有する改良された差
圧発信器が実現できる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例である差圧発信器の断面
図である。 ２…ヘツド、４…カプセル、６，８…キヤピラ
リチユーブ、１４…ダイアフラム、２２，２６，
３２，３６…板部材、２８，３８…バリアダイア
フラム、４４…制御ダイアフラム、４６，４８…
空室、５０，５８…スペーサ、５２，６０…皿ば
ね状ワツシヤ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 過負荷保護手段と、一方向の変位に対する過
   負荷耐圧が逆方向の変位に対する過負荷耐圧と異
   なる差圧センサ手段を含む差圧発信器において、 該差圧発信器は、 第１の圧力信号を受け入れる第１入口と第２の
   圧力信号を受け入れる第２入口とを備えた中央空
   室を有するハウジングと、 上記過負荷保護手段として、上記第１の信号と
   第２の信号とを分離するため、上記ハウジングの
   中央空室内において該空室を第１内室と第２内室
   とに分割する制御ダイアフラム手段と、該第１内
   室に設けられ、第１の圧力信号により生じる力の
   方向である第１の方向へバイアス力を与えて制御
   ダイアフラム手段を撓ませる第１のバイアス手段
   および該第２内室に設けられ、第２の圧力信号に
   より生じる力の方向であるが、第１の方向とは逆
   の方向へバイアス力を与えて上記ダイアフラムを
   撓ませる第２のバイアス手段からなる過負荷保護
   手段と、 上記差圧センサ手段として、上記第１および第
   ２の圧力信号間の差圧に比例した電気信号を出力
   するが、上記第１および第２の方向からの圧力に
   対して異なる過負荷耐圧を有する半導体ウエハか
   らなる差圧センサ手段とからなり、 上記第１および第２のバイアス手段の各バイア
   ス力の設定により、上記半導体ウエハに予め定め
   られた非対称な比率でバイアス力を与えるように
   したことを特徴とする差圧発信器。