JPH025255B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、圧力センサに関し、さらに詳しくい
うと容量の変化に基づき圧力の変動を指示する圧
力センサに関する。

容量圧力センサは技術上周知である。この種の
コンデンサは、堅い平坦な導電性表面を有する固
定部材を有しており、これが平行板コンデンサの
一方の板を形成している。他方、金属箔ダイアフ
ラムのような変形可能な導電性部材がコンデンサ
の他方の板を形成している。一般に、ダイアフラ
ムは、中心部分が固定板に相対し実質的にこれに
平行となるように縁部が支持されている。一般
に、センサは平行板コンデンサの形式を有するも
のであるから、センサの容量は、ダイアフラムの
中心部分と固定部材の導電表面間のギヤツプｄに
逆比例する。ダイアフラムの両側に圧力差が存在
し得るように、ダイアフラムの一側上の領域は、
反端側上の領域から密閉されている。

実際には、ダイアフラムの弾性は、特定の関係
のある範囲においてダイアフラムの両側にかゝる
圧力差がダイアフラムの中心部分の変位を生じさ
せるように選択される。これらの圧力差により誘
起される変位は、２板のコンデンサ板間のギヤツ
プｄに対応する変動を生じさせるから、センサコ
ンデンサの容量の変動が生じる。この種のコンデ
ンサは、比較的高感度を得るためには、比較的小
さいギヤツプの変化に応答して高い容量変化を必
要とする。いずれの装置でもこのような感度を得
るためには、公称のギヤツプ寸法および板の平行
が十分に制御されねばならない。したがつて、こ
の種のセンサは、これらの部品が、必要とされる
寸法関係を設定するためきわめて厳密な許容値で
製造されるべきことを必要とする。加えて、構造
および材料は、全使用温度範囲にわたりこの寸法
関係を維持しなければならない。

セトラ・システムズ社により製造されるモデル
237型トランスデユーサのセンサを１例とする従
来のセンサの１形式においては、固定の金属電極
が、非導電性の高温度ガラス部分によりダイアフ
ラム支持部材に関して支持される。この種のガラ
ス、金属電極およびダイアフラム支持膜間の熱膨
張係数には差があるため、温度変化があると、固
定電極およびダイアフラム（すなわちコンデンサ
の電極板）間にギヤツプの変化が生じ、誤つた圧
力読取り値を生じる。加えて、ダイアフラムの両
側の領域間の有効な密閉は、比較的小温度範囲に
おいてしか経済的に維持できない。それゆえ、こ
の種のセンサは、比較的小温度範囲においてのみ
信頼できる圧力読取値を与える。

さらに、この種のセンサの製造にあたつては、
一般に、固定電極をガラス部分中に設定し、次い
で必要なギヤツプおよび平行を得るため導電性部
分を裁断しなければならない（例えばラツピング
により）。したがつて、これらの可変容量圧力セ
ンサは、製造費が比較的高価につく。

さらに、この種のセンサの製造に当つては、一
般に、ガラスが溶融状態にある間に固定電極をガ
ラス部分中に設定する。組立体が冷却するとき、
機械的応力が生じ、これが、普通、所望の初ギヤ
ツプ寸法を変化させ、あるいは容量板間の平行を
劣化させる。組立体の冷却に続いて、厳密なギヤ
ツプおよび平行を再設定するため、固定電極を裁
断することが必要ともなる（例えばラツピングに
より）。これらの処理段階のため、この種のセン
サは、製造が比較的困難であり、相応に高価につ
く。

それゆえ、本発明の目的は、技術上従来周知の
不利益を克服したコンデンサ圧力センサを提供す
ることである。さらに詳しくいうと、本発明の目
的は、比較的広温度範囲にわたり比較的高感度を
維持する圧力センサを提供することである。

本発明の他の目的は、高忠実性であり、廉価で
あり、製造容易な容量圧力センサを提供すること
である。

簡単に述べると、本発明の容量圧力センサは、
底部の中心で支持体に結合されたカツプ状の、す
なわち凹面状の金属基部材を含む。基部材は、縁
部から延び出るフランジ部分を有しており、そし
てこのフランジは、円形の凹部を除きほゞ平坦で
ある。比較的薄い変形可能な導電性ダイアフラム
が、基部材のフランジ間に配置される。基部材の
フランジと相補性の形状の表面を備えるクランプ
リングがダイアフラムおよびフランジの縁部に固
定され、ダイアフラムがフランジに引張状態でク
ランプされる。

電極組立体が、基部材およびダイアフラム組立
体により形成される閉鎖空間内において支持体に
固定される。電極組立体は、平坦部分を有する導
電性電極および誘電体支持部材を含む。支持部材
は、電極の平坦部分が基部材のフランジに対して
平行であり該フランジから予定距離ｄだけ変位さ
れるように基支持体に結合される。この形態で、
ダイアフラムおよび電極の平坦部分は、平行板コ
ンデンサを形成する。ダイアフラムは、圧力差に
応答して変位され、容量に対応する変化を生じ
る。コンデンサへの電気的接続は、１方の板へは
基部材へ直接接続により、そして電極の平坦部分
により形成される板へは基部材を貫通する接続線
により行なわれる。

本発明の１形式においては、支持体が、基部材
を貫通し、基部材およびダイアフラム組立体によ
り形成される閉鎖空間の外側の領域に延びてい
る。この形式においては、第１の圧力口を、基部
材中に閉鎖空間の内部に通ずるように設け、ダイ
アフラムの内表面上の圧力の制御を可能にしてい
る。さらに、全基部材およびダイアフラム組立体
上にハウジングを設けることができるが、この場
合、ハウジングは、ダイアフラムの外表面上の圧
力の制御を可能にするため第２の圧力口を含む。
本発明の形態によれば、高許容度の部品および複
雑な組立操作は最小であり、唯一の精密な組立作
業は、基部材のフランジに関する電極の最初の整
列のみである。この段階は、室温で固体材料だけ
しか含まないから、生ずる機械的応力は最小であ
る。さらに、ガラス−金属シールがないから、温
度係数の不一致に起因する問題はない。したがつ
て、本発明は、高感度広温度範囲の容量圧力セン
サを提供し得るものである。

本発明の好ましい方法においては、まず、誘電
体支持部材および電極を、電極の平坦部分が基部
材のフランジから予定された距離距間されて平行
となるように、基部材および支持体に取り付け
る。次いで、ダイアフラムを、基部材のフランジ
の凹部と重なるようにフランジ上に置く。次い
で、クランプ部材を、ダイアフラムを挾むように
フランジ中に押し込む。次いで、クランプ部材
を、例えば一連のスポツト溶接によりフランジに
固定する。本発明のある形式のものにおいては、
ダイアフラムおよびフランジ間に密封材料を含ま
せる。この結果、ダイアフラムは基部材上に縁部
で支持され、半径方向において引張り状態に維持
される。

本発明の他の形式では、上述の形式の主要部材
を含み、さらに、基部材のフランジと相補形状の
周辺フランジを有する凹面状上部部材を含んでい
る。フランジは、ある形式においては、円形凹部
を含むことができ、他の形式においては実質的に
平坦とし得る。

以下、図面を参照して本発明を好ましい具体例
について説明する。

第１図において、容量圧力センサ１０は、好ま
しくはステンレススチールより成る包囲圧力ハウ
ジング１１を含む。ハウジング１１は、ハウジン
グ１１の内部と連通する圧加１２を含む。可変コ
ンデンサ（参照番号１３により総括的に指示され
る）は、ハウジング１１内に配置されてハウジン
グに取り付けられる。このコンデンサ１３は、カ
ツプ状基部材１４を含む。基部材１４は、中心底
部で支持体１６に結合される。支持体１６は、基
部材１４の中心軸線１４ａに沿つて延在する。コ
ンデンサ１３は、支持体１６の雄ねじ部分上に螺
合するナツト１５ａおよび１５ｂによりハウジン
グ１１内に位置づけられる。基部材１４は、その
縁部から延び出るフランジ部分１８を含む。フラ
ンジ部分１８は、円形凹部１８ａを除きほゞ平坦
である。本発明の他の形式においては、凹部１８
ａは「負」向きとし得る。すなわち、隆起、すな
わちフランジ１８の平坦部から上向きに突出した
ものとできる。好ましい形式においては、基部材
１４は、球状部分を含む成形ステンレススチール
より成る。この形式は、低価格の堅い基部材を提
供する。他の具体例においては、基部材１４は、
例えば機械加工により製造された円筒カツプ状を
有するものとし得る。

比較的薄い変形可能な導電性ダイアフラム２０
が、その縁部がフランジ１８に重なるように基部
材１４上に張られる。

本発明の１形式において、ダイアフラム２０
は、0.0002〜0.030インチの範囲の厚さを有する
ステンレススチールとし得る。ダイアフラムは、
金属箔、または例えば導電性フイルムが付着され
た非導電性材料とし得る。

センサは、さらに、凹部１８ａを含むフランジ
１８の上面の形状と相補形状の下面を有するクラ
ンプリング２４を含む。クランプリング２４は、
ダイアフラム２０およびフランジ１８の縁部に固
定され、それにより基部材１４およびダイアフラ
ム２０により形成される組立体内に閉鎖空間２６
を設定する。ある形式の具体例においては、ダイ
アフラム２０およびフランジ１８間に従来形式の
密封コンパウンドを使用する場合もある。

代わりに、ダイアフラム２０に対する保護「ハ
ウジング」は、フランジ１８の外半径と一致する
半径を有する金属板の上部部材により形成しても
よい。この場合、この板は、リング２４の上部に
取り付けられたエラストマ材料（ダウコーニング
により製造されるRTVのような）の輪により支
持される。

センサ１０は、さらに、空間２６内に、支持体
１６に取り付けられた電極支持部材３０および平
坦表面を有する関連する電極３２を含む。支持部
材３０は、セラミツク材料のような誘電体材料で
あり、平坦な輪状上面を有している。電極３２
は、その上面上の薄い金属膜である。フイルム
は、例えば、誘電体支持部材３０上に熱的付着ま
たは蒸着され得る。例示の具体例において、支持
部材３０は、支持体１６のストツプ部材３４を受
容するための中心凹部領域を有しており、また導
電性フイルムは輪状リングの型を有しており、動
作中ダイアフラム１０の中心領域のほぼ球状に起
因する非直線性を最小にする。

本具体例においては、基支持体１６は、ねじが
切られており、上部ストツプ部材３４を有してい
る。この形態の場合、電極３２およびダイアフラ
ム２０間の（軸線１４ａに沿う）公称ギヤツプｄ
は、ナツト３５および基部材１４および電極支持
体３０間のスペーサ（もし必要ならば）を使つて
設定できる。

本発明にしたがえば、電極支持部材３０および
ダイアフラム支持体（基部材１４）は、支持体１
６に中心取付けされており、ギヤツプｄの寸法に
対する熱膨張差の影響を最小にしている。１４，
１６および３０間の接触領域は、ギヤツプに対す
る熱膨張の影響を最小にし、かつ熱的応力を最小
にするため小さいのが好ましい。

リード３６が、外部から絶縁物３８および４０
を貫通して電極３２に電気的に接続されている。
好ましい具体例において、ダイアフラム２０に対
する外部からの電気的接続は、支持体１６により
（基部材１４を経て）行なわれる。これらの２つ
の電気的接続は、従来のコンデンサ測定回路で利
用され、電極３２およびダイアフラム２０と関連
する容量を表わす信号を供給することができる。

他の具体例においては、ダイアフラム２０およ
び電極３２に対する電気的接続は異なるものとし
得る。例えば、電極３２および支持部材３０およ
び支持体１６は一体の金属構造とし得るが、この
場合基部材１４は、支持体１６から絶縁される。
この具体例においては、支持体１６および基部材
１４に電気的接続をなし得る。この状態において
は、基部材１６は、空間２６への圧力口となる中
心チヤンネル１６ａを備えている。

本具体例においては、ダイアフラム２０は、半
径方向に引つ張られた状態で縁部で支持される。
本発明では、ダイアフラム２０の固定および引張
りは単一の段階で遂行し得る。好ましい製造方法
においては、まず、基部材１４および電極支持部
材３０を組み立て、電極３２の平坦部分が平坦フ
ランジ１８に平行に予定された距離ｄだけ離間さ
れるようにする。次いで、ダイアフラム２０をフ
ランジ１８上に張り、クランプリング２４を、フ
ランジ１８（および凹部１８ａ）に嵌合するよう
に押圧する。次いで点溶接または他の適当な技術
によりクランプリングを固定する。リング２４を
凹部１８ａと嵌合させる過程において、ダイアフ
ラム２０は、半径方向において引張り状態となる
ように変形される。本発明の他の形式において
は、特に実質的に平坦なダイアフラムを有するも
のにおいては、フランジ１８およびクランプリン
グ２４は実質的に平坦な対向面を有してよい（す
なわち円形の凹部はない）。本発明のさらに他の
形式においては、フランジ１８およびリング２４
の相補形状の面は円錐形状のような型を有しても
よい。

フランジ１８が平坦である場合、他の組立方法
として、次の段階でダイアフラムを半径方向に引
張り状態でフランジ１８に取り付けることができ
る。まず、フランジ１８を底部から支持するジグ
内に基部材１４を設定し、支持体１６を下方に引
つ張り、部材１６を若干変形させる。ダイアフラ
ム２０をフランジ１８上に位置づけ、クランプリ
ング２４をダイアフラム２０およびフランジ１８
上に位置づける。次いでリング２４をフランジ１
８に溶着し、ダイアフラムを固定する。次いで、
支持体１６を解放すると、部材１６はその原形状
に戻り、それによりダイアフラム２０を半径方向
において引張り状態に置く。

本発明のある形式（例えば、ダイアフラム２０
がひだパターンを有する金属箔である場合）、ダ
イアフラムは引張り状態下でフランジ１８に固定
される必要はなく、フランジ１８上に配置して固
定すればよい。

第２図は、第１図の具体例に類似の本発明の他
のセンサ４８を示す。第２図において、第１図の
形態において対応する部品を有する部材は、同じ
参照番号により指示される。第２図の他の具体例
は、凹面状の上部部材５０を含む。上部部材５０
は、基部材１４のフランジ１８の上面に対して相
補形状を有する下面を備える輪状の周知フランジ
５２を有する。図示のように、フランジ１８およ
び５２の対向面は平坦であるが、他の形式におい
ては、これらのフランジは相補形状の円形凹部ま
たは隆起を備えることができる。第２図において
は、ナツト１５ａおよび１５ｂがセンサ４８を
（圧加１２により）外側支持部材６０に固定する。
部材６０はまた、センサ４８に対するハウジング
としても働き、入力圧力をチヤンネル１６ａを経
てダイアフラム２０および基部材１４間の領域に
結合する入口１６を含む。この形式においては、
リード３６は、部材６０内に取り付けた測定回路
６２に接続できる。第１図のカツプリング３８お
よび４０に対応する貫通カツプリングの要はな
い。上部部材５０は、上部空間を形成する。ま
た、上部部材５０は、ダイアフラムに対して負の
過圧保護、物理的保護の作用をし、またセンサの
感知ギヤツプ形成部材を隔絶する装置を取り付け
る部材を提供する。電極支持部材３０および電極
３２は、正の過圧保護の作用をする。

センサ１０および４８を差動センサとして動作
させるため、口１２は第１の圧力源に接続され、
支持体１６内の中心チヤンネル１６ａは他の圧力
源に接続される。差動圧力があると、ダイアフラ
ム２０は電極３２に接近離間するようにたわまさ
れる。ダイアフラム２０および電極３２間の距離
にこのような変化があると、これら両部材間の容
量は変わる。この容量は、従来の容量測定装置
（図示せず）により、リード３６および支持体１
６間で測定される。センサ１０および４８は、口
１６または支持体１６のチヤンネル１６ａのいず
れかを密封し、密封されない口を圧力が測定され
た領域に結合することにより絶対圧力センサとし
て使用できる。前と同様、圧力は、ダイアフラム
２０および電極３２間のギヤツプと関連する容量
の変化を測ることにより感知される。電極３２お
よびその支持部材３０ならびに基部材１４が支持
体１６により支持される中心取付け構造のため
（金属基部材１４とセラミツク電極支持部材間３
０の接触面積は比較的小さい）、取付け応力から
生ずる変形は排除され、誤りの源となる取付け応
力や熱膨張差により惹起される応力は取り除かれ
る。

第３図は、本発明の他のセンサ７０を示してい
る。センサ７０は、センサ４８の上部部材５０が
センサ４８の基部材に実質的に類似の上部部材で
置き代えられた以外、第２図のセンサ４８に類似
である。第３図において、第２図の具体例の部品
に対応する部品は、同一の参照番号で指示され
る。センサ４８の底部組立体の部材に対応するセ
ンサ７０の上部組立体の部材は、サフイツクス
「ａ」を伴なう同じ参照番号により指示される。
このように、センサ７０は、２つの平坦な（隣接
して配置された）導電性表面３２および３２ａ間
に存しかつ両者から離間された（それぞれギヤツ
プｄおよびd′だけ離間された）導電性中心膜２０
を含む。電気リード線３６および３６ａおよびダ
イアフラム２０の周囲に結合されたリード線は、
米国特許第4054833号に開示されるもののような
容量感知手段で利用できる。

以上の説明から、本発明の諸目的が達成され、
製造簡単かつ動作が確実な容量圧力センサが開示
されたことが分ろう。さらに、開示されたセンサ
は、熱変動および機械的取付け応力により導入さ
れる誤差に感じ難いものである。

技術に精通したものであれば、本発明の変化、
変更を思いつくことができるものであることを理
解されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の容量圧力センサの具体例の断
面図、第２図および第３図は本発明の容量圧力セ
ンサの他の具体例の断面図である。 １０：容量圧力センサ、１１：ハウジング、１
２：圧力口、１３：可変コンデンサ、１４：基部
材、１６：支持体、１６ａ：チヤンネル、１８：
フランジ、２０：導電性ダイアフラム、２４：ク
ランプリング、２６：閉鎖空間、３０：電極支持
部材、３２：電極、３６，３８：カツプリング。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 導電性の中心部分を有するダイアフラムと、
   中心軸線（第１中心軸線）を有し、該中心軸線に
   垂直な平面（第１平面）内に存する縁部を有し、
   該縁部からフランジが延び出ている凹面状基部材
   と、前記ダイアフラム周囲が実質的に前記平面内
   にあるように前記ダイアフラム周囲を前記フラン
   ジに固定する手段と、前記基部材の中心を貫通し
   て前記中心軸線に沿つて延在し、ほぼ中心軸線に
   て該基部材に結合された基支持体と、前記支持体
   に固定され、前記ダイアフラムからギヤツプｄだ
   け離間され該ダイアフラムに実質的に平行で実質
   的に平坦な導電性表面を有する（第１電極）とを
   含む容量圧力センサ。 ２ 前記ダイアフラムの前記中心部分が半径方向
   において引張り状態にあり、前記基部材のフラン
   ジが円形凹部を有し、前記固定手段が、前記フラ
   ンジに対して相補形状の表面を有するクランプリ
   ング、および前記フランジおよび前記クランプリ
   ングの前記相補形状の表面を前記ダイヤフラム周
   囲の両側に結合する手段を含む特許請求の範囲第
   １項記載の容量圧力センサ。 ３ 第２の中心軸線を有し、該第２中心軸線に垂
   直な第２の平面内にある縁部を有し、該縁部から
   フランジが延び出ている凹面状の上部部材を備
   え、前記上部部材フランジと前記基部材フランジ
   とが相補形状の表面を有しており、前記固定手段
   が、前記フランジの前記相補形状の表面を、前記
   ダイアフラムを包囲するように、前記ダイアフラ
   ム周囲の両側に結合する手段を含み、前記第１お
   よび第２中心軸線が同軸である特許請求の範囲第
   １項記載の容量圧力センサ。 ４ 前記支持体が、前記包囲空間内において前記
   基部材の中心線に沿つて延在し、そして前記第１
   電極の前記平坦表面を前記中心軸線に沿つて調節
   できるように位置づける手段を含む特許請求の範
   囲第１項記載の容量圧量センサ。 ５ 前記上部部材の中心から前記第２中心軸線の
   回りに拡がる上部電極支持体と、前記上部電極支
   持体に結合され、前記ダイアフラムからギヤツプ
   d′だけ離間され、該ダイアフラムから実質的に平
   行で実質的に平坦な導電性表面を有する第２の電
   極とを含む特許請求の範囲第３項記載の容量圧力
   センサ。 ６ 前記第２電極の前記平坦表面を前記第２中心
   軸線に沿つて調節できるように位置づける手段を
   含む特許請求の範囲第５項記載の容量圧力セン
   サ。 ７ 前記上部電極支持体が電気的に不導電性であ
   る特許請求の範囲第５項記載の容量圧力センサ。 ８ 前記支持体に取り付けられ、前記基部材およ
   びダイアフラムを包囲するハウジングを備える特
   許請求の範囲第１項記載の容量圧力センサ。 ９ 前記ダイアフラムおよび前記上部部材間の領
   域を予定された圧力に維持する手段を含む特許請
   求の範囲第３項記載の容量圧力センサ。 １０ 前記基部材フランジが円形凹部を含む特許
   請求の範囲第１、３または８項記載の容量圧力セ
   ンサ。 １１ 前記第１電極が、誘電体支持部材、および
   その実質的に平坦な表面上に位置づけられた前記
   平坦な導電性表面を提供する比較的薄い導電性フ
   イルムを含む特許請求の範囲第１または３項記載
   の容量圧量センサ。 １２ 中心の導電性部分を有し圧力に応動するダ
   イアフラムと、ほぼ凹面状でかつ剛性であり、周
   囲に前記ダイアフルムを保持して包囲空間を形成
   するよう適合された手段を含む、ダイアフラム支
   持手段と、実質的に平坦な導電性部分、および支
   持のための絶縁手段を有し、前記空間内に配置さ
   れた電極部材と、前記電極支持手段を前記ダイア
   フラム支持手段にその中心で取り付ける手段とを
   含んでおり、前記電極部材の前記導電性部分が、
   前記ダイアフラムの前記導電性部分から実質的に
   平行に容量を形成するように離間されており、前
   記電極およびダイアフラムの前記導電性部分と関
   連する容量が、ダイアフラムにかかる圧力差に実
   質的に逆比例するように構成されている容量圧力
   センサ。 １３ 前記ダイアフラムを半径方向において引張
   り状態において保持する手段を含み、該保持手段
   が、前記ダイアフラム支持手段の縁部に存する実
   質的に平坦なフランジと、該フランジと対応する
   形状の表面を有する輪状のクランプリングと、該
   リングとフランジを前記ダイアフラム周囲の両面
   に固定する手段とを含み、前記クランプリング
   が、該リングと前記フランジ間に前記ダイアフラ
   ムを配して前記フランジに嵌合するように押圧さ
   れるとき、前記ダイアフラムが半径方向において
   応力を受けるようになされている特許請求の範囲
   第１２項記載の容量圧力センサ。 １４ 前記フランジが円形凹部を含む特許請求の
   範囲第１３項記載の容量圧力センサ。 １５ 前記輪状のクランプリングが、該リングの
   一縁部に結合された凹面上の上部部材を含む特許
   請求の範囲第１３項記載の容量圧力センサ。