JPH0431731A - 差圧測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、小形化が容易で、センタダイアフラムの中央
部が変形する恐れがなく、センタダイアフラムの両面の
耐圧に応じた差圧範囲を測定できる差圧測定装置に関す
るものである。

〈従来の技術〉 第４図は従来より一般に使用されている従来例の構成説
明図で、例えば、特開昭５５−１２２１２６号に示され
ている。

図において、ハウジング１の両側に高圧側フランジ２、
低圧側フランジ３が溶接等によって固定されており、両
フランジ２．３には測定せんとする圧力Ｐ、の高圧流体
の導入口４、圧力ｐＬの低圧流体の導入口５が設けられ
ている。ハウジング１内に圧力測定室６が形成されてお
り、この圧力測定室６内に受圧ダイアフラム７とシリコ
ンダイアフラム８が設けられている。受圧ダイアプラム
７とシリコンダイアフラム８はそれぞれ別個に圧力測定
室６の壁に固定されており、受圧ダイアフラム７とシリ
コンダイアフラム８の両者でもって圧力測定室６を２分
している。受圧ダイアフラム７は、ダイアフラム７Ａと
孔７０を有するダイアフラム７Ｂの２枚から構成されて
いる。勿論ダイアフラムの数は３枚以上でもよく、また
、穴の計は小さい方が好ましく、その数には制限は無い
。

孔７０は平坦な面に形成した方が加工上有利である。ダ
イアフラム７Ａと７Ｂの間隙は出来るだけ小さくなるよ
うにし、差圧ΔＰ（＝圧力ＰＨ−圧力ＰＬ）がダイアフ
ラム７Ａ側から作用した時、即座に２枚のダイアフラム
７Ａ、７Ｂで受けるようにする。また、ダイアフラム７
Ａと７Ｂは類似の形状に形成し、両ダイアフラム間で形
成する空間を少なくするようにする。ダイアフラム７Ａ
と対向する圧力測定室６の壁６Ｂには、ダイアプラム７
Ａ、７Ｂと類似の形状のバックプレートが形成されてい
る。このバックプレート６Ａ、６Ｂは、圧力測定室６の
容積を減少させるのに有効である。

シリコンダイアフラム８は全体が単結晶のシリコン基板
から形成されている。シリコン基板の一方の面にボロン
等の不純物を選択拡散して４つのストレンゲージ８０を
形成し、他方の面を機械加工、エツチングし、全体が凹
形のダイアフラムを形成する。４つのストレインゲージ
８０は、シリコンダイアフラム８が差圧ΔＰを受けてた
わむ時、２つが引張り、２つが圧縮を受けるようになっ
ており、これらがホイートストン・ブリッジ回路に接続
され、抵抗変化が差圧ΔＰの変化として検出される。

ハウジング１は一般にステンレス鋼で作られており、シ
リコンダイアフラム８とではがなりの熱膨脹係数の違い
がある。このためハウジング１とシリコンダイアフラム
８との間に、シリコンと大体同じ熱膨脹係数を有する中
空の支持体９を設け、シリコンダイアフラム８を圧力測
定室６内に突出させるようにする。支持＃９に硬土ガラ
ス等の耐熱ガラスを使えば、シリコンダイアフラム８、
支持体９、ハウジング１の３陽極結合法で接合出来、各
部材間の接着面の滑りのない強固な接着が出来る。

ハウジング１と高圧側フランジ２、および低圧側フラン
ジ３との間に、圧力導入室１０．１１が形成されている
。この圧力導入室１０．１１内に隔液ダイアフラム１２
，１３を設け、この隔液ダイアフラム１２，１３と対向
するハウジング１の壁１０Ａ、ＩＩＡに隔液ダイアフラ
ム１２，１３と類似の形状のバックプレートが形成され
ている。

隔液ダイアフラム１２，１３とバックプレート１０Ａ、
ＩＩＡとで形成される空間と、圧力測定室６は、連通孔
１４，１５を介して導通している。

そして、隔液ダイアフラム１２，１３間にシリコンオイ
ル等の封入液１０１，１０２が満たされ、この封入液が
連遁口１６．１７を介してシリコンダイアフラム８の上
下面にまで至っている、封入液１０１，１０２は受圧ダ
イアフラム７とシリコンダイアフラム８とによって２分
されているが、その量がほぼ均等になるように配慮され
ている。

封入液１０１，１０２の量は、周囲の温度変化の影響を
出来るだけ少なくする上で少ない方が好ましいが、バッ
クプレート６Ａ、６Ｅ１．ＩＯＡ、１１Ａが封入液量を
少なくするのに役立っている。

隔液ダイアフラム１２，１３のスチフネスは、圧力に対
する応答性、および封入液の熱膨張を吸収する上で小さ
い方が好ましい。受圧ダイアフラム７と隔液ダイアフラ
ム１２．１３との間には、隔液ダイアフラム１２，１３
がバックプレート１０Ａ、ＩＩＡに当接する前に受圧ダ
イア、フラム７がバックプレート６Ａ、６Ｂに当接しな
いような関係にしておく。

かかる差圧変換器において、導入口４．５から圧力Ｐ、
の被測定流体、圧力ＰＬの被測定流体がハウジング１内
に導入された場合、流体の圧力ＰＨ，ＰＬはそれぞれ隔
液ダイアフラム１２１３を介して封入液１０１，１０２
に伝達され、シリコンダイアフラム８により両流体の差
圧ΔＰ＝ＰＨＰＬＩが検出される事になる。

この時、Ｐ　Ｈ＞　Ｐ　Ｌとすると、隔液ダイアフラム
１２および受圧ダイアフラム７は図の右方に移動する。

そして、圧力測定室６の左側半分の容積変化量をＡＶＨ
，ＡＰＨ＝ＰＨ−ＰＬ　、！：すルト、ΔＰ）ｌとΔＶ
１．１の関係は第５図のイとなる。すなわち、ΔＰＨの
増加と共にＡＶＨも増加するが、ａ点（ΔＰ　Ｉ　＋Δ
Ｖ＋）を境にＡＶＨは増加しない、このａ点が隔液ダイ
アフラム１２がバックプレート１０ａに当接した時点で
あり、それ以上隔液ダイアフラム１２が右方へ移動しな
いためＡＶＨは増加せず、またシリコンダイアフラム８
にもΔＰ７以上の圧力は加わらないことになる。

同様に、ｐＬ＞ｐＨ１Δｐ、、＝＝ｐｔ−ＰＨ１圧力測
定室６の右半分の容積変化量をΔＶＬとすると、ＡＰＬ
とΔｖＬの関係は第５図の口となる。

ｂ点（ΔＰ２．ΔＶ２）は隔液ダイアフラム１３がバッ
クプレート１１Ａに当接した時点である。

第５図から理解出来るように、シリコンダイアフラムの
強度が強い方に対しては大きい差圧ΔＰ１、または弱い
方に対しては小さい差圧ΔＰ２が加わるようにすること
ができ、ΔＰ１〜ΔＰ２の広い範囲の差圧を検出するこ
とができる。また、シリコンダイアフラムには、ΔＰ、
あるいはΔＰ２以上の圧力が加わらないなめ、測定流体
の圧力に関係なく差圧測定が可能となる。受圧ダイアフ
ラムが１枚でしかも高低圧両流体に対するスチフネスが
同一の場合、ΔＰＨとＡＶＨの関係は第５図の八となる
。すなわち、ダイアプラム１枚では、圧力方向が変って
もΔＰとΔＶの関係は同じである。しかも、ｖＨとＶ［
はほぼ均等であるがら、ΔＰｌ＝ΔＰ２となり、きわめ
て狭い範囲の差圧しか測定できない。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、この様な装置においては、過大な差圧が
印加された時に、隔液ダイアフラムが変位し、バックプ
レートに密着する事によって、差圧測定装置にそれ以上
の圧力が印加しない構造であるが、 隔液ダイアフラムとバックプレー１〜との間には、一定
量の封入液１０１，１０２が必要であるため、受圧ダイ
アフラムの変位は一定量の変位ω。以上必要である。

一方、ダイアフラムの応力６と圧力Ｐとの関係は、下式
に表され、 ６＝β（ａ２／ｌ’）Ｐ １＝（β（ａ２／６）Ｐ）１１２ ６：発生応力 β：係数 ａ：ダイアフラムの直径 ｔ：板厚 Ｐ二圧力 第６図に示す如く、ダイアフラムが塑成変形しないよう
に、応力６ｍａｘを制限すると、圧力が高いときは、板
厚が厚くなる。この時の板厚をｔ２とする。

一方、ダイアフラムの応力６と変位ωとの比６／ωと板
厚ｔとの関係は、下式に表され、６／ω＝Ｋ　（Ｅ／ａ
’　）ｔ ６：発生応力 ω：変位 に：係数 Ｅ：弾性係数 ａ：ダイアフラムの直径 ｔ：板厚 第７図に示す如く、板厚ｔが厚くなるとダイアフラムの
応力と変位との比６／ωが、０点から０点へと大きくな
る。つまり、一定の変位ω０を得る為には、応力６が大
きくなってしまい、ダイアフラムの塑成変形が生じる問
題があった。また、これを防止する為にはダイアフラム
の直径ａを大きくする必要がある。

したがって、小形化が困離である。

本発明は、この問題点を、解決するものである６本発明
の目的は、小形化が容易で、センタダイアフラムが塑成
変形する恐れがなく、センタダイアフラムの両面の耐圧
に応じた差圧範囲を測定できる差圧測定装置を提供する
にある。

〈問題を解決するための手段〉 この目的を達成するために、本発明は、内部に封入液が
満たされたハウジングと、該ハウジングの両側に設けら
れた一対の隔液ダイアフラムと、該隔液ダイアフラムが
一定以上ハウジング側に変位しないように設けられた移
動阻止手段と、前記ハウジング内に設けられた圧力−電
気変換素子を有するシリコンダイアフラムと、前記ハウ
ジングに設けられたセンタダイアフラムと、該センタダ
イアフラムに一面が接して設けられた環状の板ばねと、
前記センタダイアフラムの前記環状の板ばねの中央穴部
分に対応する部分の該センタダイアフラムに設けられた
円板状の板ばねとを具備し、前記シリコンダイアフラム
およびセンタダイアフラムにより前記封入液を２分する
ようにしたことを特徴とする差圧測定装置を構成したも
のである。

〈作用〉 以上の構成において、高圧側から過大圧が印加した場合
には、環状の板ばねとセンタダイアフラムは密着し、環
状の板ばねは、環状の板ばねと円板の板ばねが受けた力
を受は変位する。一方、円板の板ばねも変形する。これ
らの変位が一定以上になると、隔液ダイアプラムがバッ
クプレートに密着し、これ以上の圧力は印加されない。

この場合、環状の板ばねの応力は、環状であるので、従
来例の円板状の場合に比べて、同じ変位量において比較
すると大幅に低減する。

したがって、環状の板ばねは小さな直径にする事ができ
、かつ、塑成変形する恐れも少ない。

低圧側から過大圧が印加した場合には、センタダイアフ
ラムが、環状の板ばねより離れ、全体としてのばね定数
が小さくなるため、高圧側に比べて小さい圧力で、隔液
ダイアプラムがバックプレトに密着する。

以下、実施例に基づき詳細に説明する。

〈実施例〉 第１図は本発明の一実施例の要部構成説明図である。

図において、第４図と同一記号の構成は同一機能を表わ
す。

以下、第４図と相違部分のみ説明する。

２１は、ハウジング１に設けられたセンタダイアフラム
である。

２２は、センタダイアフラム２１に一面が接して設けら
れた環状の板ばねである。

２３は、環状の板ばね２２の中央穴部分２２１に対応す
るセンタダイアフラム２１の部分の、塑成変形を防止す
るようにセンタダイアフラム２１に設けられた円板状の
板はねである。

以上の構成において、第２図に示す如く、低圧側から過
大圧が印加された場合には、環状の板ばね２２とセンタ
ダイアフラム２１は密着し、環状の板ば）１２２は、環
状の板ばね２２と円板の板ばね２３が受けた力を受は変
位する。一方、円板の板ばね２３も変形する。これらの
変位が一定以上になると、隔液ダイアフラム１２がバッ
クプレト１０Ａに密着しこれ以上の圧力は印加されない
。

この場合、環状の板ばねの応力２２は、環状であるので
、従来例の円板状のダイアフラム７Ｂの場合に比較して
、同じ変位量において比較すると大幅に低減する。

したがって、環状の板ばね２２は、小さな直径にする事
ができ、かつ、塑成変形する恐れも少ない。

低圧側から過大圧が印加した場合には、センタダイアフ
ラム２１が、環状の板ばね２２より離れ、全体としての
ばね定数が小さくなるため、高圧側に比べて小さい圧力
で、隔液ダイアフラム１３がバックプレート１１Ａに密
着する。

この結果、 （１）センタダイアフラム２１が一定の変位をするため
の応力を小さく抑える事が出来るので、■センタダイア
フラム２１の直径を、−従来例に比べて小さな直径で設
計出来る。

したがって、小型の差圧測定装置が得られる。

■センタダイアフラム２１と板ばねの塑成変形を生ずる
恐れがなく、安定した差圧測定装置が得られる。

（２）高圧側が高い圧力まで測定でき、低圧側は低圧力
で過大圧保護機構が働く構造が得られる事は、第４図従
来例と同様である。

なお、前述の実施例においては、センタダイアフラム２
１と板ばね２２は平板であるものについて説明したが、
これに限ることはなく、例えば、波形でも良い事は勿論
である。

〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明は、内部に封入液が満たさ
れたハウジングと、該ハウジングの両側に設けられた一
対の隔液ダイアフラムと、該隔液ダイアフラムが一定以
上ハウジング側に変位しないように設けられた移動阻止
手段と、前記ハウジング内に設けられた圧力−電気変換
素子を有するシリコンダイアプラムと、前記ハウジング
に設けられたセンタダイアフラムと、該センタダイアフ
ラムに一面が接して設けられた環状の板ばねと、前記セ
ンタダイアフラムの前記環状の板ばねの中央穴部分に対
応する部分の該センタダイアフラムに設けられた円板状
の板ばねとを具備し、前記シリコンダイアフラムおよび
センタダイアフラムにより前記封入液を２分するように
したことを特徴とする差圧測定装置を構成した。

この結果、 （１）センタダイアフラムが一定の変位をするための応
力を小さく抑える事が出来るので、■センタダイアフラ
ムの直径を従来例に比べて小さな直径で設計出来る為、
小型の差圧測定装置が得られる。

■センタダイアフラムと板ばねの塑成変形を生ずる恐れ
がなく、安定した差圧測定装置が得られる。

（２）高圧側が高い圧力まで測定でき、低圧側は低圧力
で過大圧保護機構が働く構造が得られる事は、従来例と
同様である。

従って、本発明によれば、小形化が容易で、センタダイ
アフラムの中央部が変形する恐れがなく、センタダイア
フラムの両面の耐圧に応じた差圧範囲を測定できる差圧
測定装置を実現することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の要部構成説明図、第２図、
第３図は第１図の動作説明図、第４図は従来より一般に
使用されている従来例の構成説明図、第５図、第６図、
第７図は第４図の動作説明図である。 １・・・ハウジング、２・・・高圧側フランジ、３・・
・低圧側フランジ、４．５・・・導入口、６・・・圧力
測定室、６Ａ、６Ｂ、ＩＯＡ、ＩＩＡ・・・バックプレ
ート、８・・・シリコンダイアフラム、９・・・支持体
、１０゜１１・・・圧力同人室、１２．１３・・・隔液
ダイアフラム、１４，１５．１６．１７・・・連通口、
７０・・・孔、８０・・・ストレインゲージ、２１・・
・センタダイアフラム、２２・・・環状の板ばね、２２
１・・・中央部分、２３・・・板ばね。 岑断− り≧

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 内部に封入液が満たされたハウジングと、 該ハウジングの両側に設けられた一対の隔液ダイアフラ
   ムと、 該隔液ダイアフラムが一定以上ハウジング側に変位しな
   いように設けられた移動阻止手段と、前記ハウジング内
   に設けられた圧力−電気変換素子を有するシリコンダイ
   アフラムと、 前記ハウジングに設けられたセンタダイアフラムと、 該センタダイアフラムに一面が接して設けられた環状の
   板ばねと、 前記センタダイアフラムの前記環状の板ばねの中央穴部
   分に対応する部分の該センタダイアフラムに設けられた
   円板状の板ばねと を具備し、 前記シリコンダイアフラムおよびセンタダイアフラムに
   より前記封入液を２分するようにしたことを特徴とする
   差圧測定装置。