JPS58501200A - 容量圧力センサ - 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】 改良された容量圧力センサ 発明の背景 １、発明の分野 本発明は改良された容量圧力センサに関する。

２、従来技術 従来から、多くの容量圧力センシング装置が知られている。

これらの装置は、種々の材料から、種々の方法で製造されている。そのような装 置の利用可能性は、一般に、既知の方法詔よび装置によって制限されている。

例えば、石英のような、電気的に非導伝性材料からセンシングダイアフラムを作 ることは、有益であることが知られている。このことについては、例えば、ドイ ツ国公開公報２０２１４７９号に記述されている。米国特許３９６２９２１号に は、圧力を感知する２枚のダイアプラム３６と３８を用いた容量構造が示されて いる。これらのダイアフラムは「接着によって堅固にされる」が、その接着方法 については開示されていない。米国特許４０８４４３８号には、複数枚のダイア フラムあるいはディスフの接着力法が教示されている。これによれば、「複数の はさみ木・・・・・・・・・」で「予め定められた間隔」が達成されている「予 め定められた曲線になるように周囲を作られた」ディスクが用いられている。こ の１４３８号の米国特許明細書には、次のように記述されている。

１−それから、複数枚のディスクは一緒に押圧され、それらの間隔を置かれた点 近傍の局部的領域に、熱と圧力を加えることによって溶かされる。それから、は さみ木は除去され、周辺輪郭上の残余の点が、該周辺輪郭上の残余の点の近くに あるディスク要素の局部的領域に熱とＥ力を印加することによって、上記と同様 に溶かされる。」 そのようにして作られた構造は内部的なストレスを発生しでいる。しかし、前記 特許明細書の記載によれば、［溶融工程の間に発生する内部ストレス・・・・・ ・」は、焼鈍によって減少させることができる。

独特の方法を有する本発明によれば、この問題を回避することができ、また本発 明の開示から当業者には明らかになるであろう攬々の利点がある。

発明の安約 本発明によれば、圧力を測定するための圧力センサは、圧力を受けると偏向する （歪を生ずる）ダイアフラムを有している。このダイアフラムは、第１の、ある いは基準の圧力が印加される第１の面と、第２の圧力が印加される第２の面とを もっている。ダイアフラムの一部、好ましくは少くともその両面の一方は、第１ の容量の電極を形成するために、導伝性にされている。

基準ディスクは、圧力を伝える伝搬通路をもっており、これによって第１あるい は基準の圧力がダイアフラムに伝達される。基準ディスクは、第１のディスク面 と第２のディスク面とをもっている。基準ディスクの一部、好ましぐは、少くと もその両面の一方、すなわち、第１のディスク面又は第２のディスク面は、また 導伝性を有しており、これによって、第２の、又は基準の容量電極を形成してい る。

基準ディスクおよびダイアフラムは、基準ディスクおよびダイアフラムとほぼ同 じ材料で形成されたスペーサによって互に間隔を保たれている。このスペーサは 、好ましくは、ダイアフラムあるいは基準ディスクのいずれか一方の少くとも一 つの面に、むらのないように、ほゾ均一に配置された周辺リングあるいはリムで ある。その間にスペーサを有するサンドイッチ構造のダイアフラムと前記基準手 段とは、それからその周囲で溶融され、一体化される。

ダイアフラム、基準ディスク手段およびスペーサは、電気的に非導伝性材斜で形 成されているが、ダイアフラムの第１および第２の面の少くとも一方、および基 準ディスクの第１および第２の面の少くとも一方は、少くともそれらの一部が導 伝性になるようζこ、処理又は被覆されており、さらに、容量圧力センサを形成 するように、予め定められた間隔を置いて配置されている。

好ましくは、支持ブロック手段が、その周辺で基準ディスクに融着される。支持 ブロック手段は、所望部分に容量センサを支持するのに使用され、また、センサ に近接して電気的９！木を装着するのにも使用される。

また、好ましくは、装置を包囲するために、隔壁を有する筐体が使用される。ま た、適当な結合手段が、第１と第２の圧力を提供する流体を分離するため、およ び筐体から支持ブロックに支持を提供するための圧力障壁を構成している。この ような実施例では、筐体の一方の端部に、第１と第２の圧力の少くとも一方をダ イアフラムに結合するために、孔（ボート）が設けられている。

この発明では、その一方の面でのみ、その端部に隣接して支持又は押え付けられ ているダイアフラムの加速誘導偏向と、その両面の端部で支持又は押え付けられ ている基準ディスクの応答との差を、厚さの差が、少なくとも幾分かは補償する ように、ダイアフラムと基準ディスクの厚さの寸法が適当に決定されている。

また、実施例では、温度倹矧手段がダイアフラム、基準ディスク又は支持ブ、ロ ック手段の少くとも一つの上に支持されている。そして、圧力を表わす容量信号 の温度補償を行なっている。

それらの間にスペーサを有するダイアフラムおよび基準ディスクの周縁を、支持 ブロックと共に溶融させることは、従来技術の多くの欠点を解消し、下記の説明 から明らかになるであろう多くの利点をもたらす。

図面の簡単な説明 第１図は、容量圧力センサの実施例のＦｒ面図であり、支持ブロックおよび筐体 は本発明に従って作られている。

第２図は、その上にスペーサを有するダイアフラム又は基準ディスク手段の上面 図である。

第３図は、第２図の実施例の平面３−３に沿って切られた断面図である。

第４図は、本発明のスペーサの上面図である。

第５図は、第４図の平面５−５に沿って切られた断面図である。

第１図の実施例の説明 第１図は、ダイアフラム１２　、基準ディスク１４　およびスペーサ１６を含む トランスデユーサ１０を示す。スペーサ１６は第２，３図にさらに良く開示され ている。ダイアフラム１２は、好ましくは、電気的に非導伝性で、低ヒステリシ スの弾性を有する材料を、光学研磨した、平坦なディスクから形成されている。

基準ディスク１４は、好ましくは、同様の方法で形成されている。ダイアフラム １２は、第１の面１８と第２の面２０をもっている。

好ましくは、感知されるべき圧力は、第２の面２ｏに印加される。また、差圧測 定のための圧力又は基準圧力は、第１の面１８１ｒ印加される。しかし、ゲージ 圧、絶対圧力又は差圧力のような全ての圧力測定が、熟練した技術者には明らか な変形によって行なわれることができる。基準ディスク　１４は、第１のディス ク面２６と第２のディスク面２Ｂを有している。基準ディスク１４は、また、好 ましくは、ディスク面２６　と２８を横切る第１の貫通孔３２を有している。

好ましくは、クロムのような導伝性材料が）ダイアフラム１２　の面（１８，２ ０）　の少くとも一面、および基準ディスク１４のディスク面（２６，２８）の 少くとも一面の、それぞれの中央部に、スパッタリングによって付着されている 。導伝材料の一具体例は、１８Ａおよび２８Ａ　で示されている。そのような導 伝材料が基準ディスク１４上に付着される時、第１の貫通孔３２の内壁にも付着 し、基準ディスク１４　の導伝材料２８Ａ　に、適当に電気接続がなされる。

第２図および第３図ｔＣおける符号は、サフィックスＡを除いては、第１図に付 された。符号と同一である。ダイアフラム１２Ａ　（図示されているように）、 あるいはダイアフラム１２Ａと同一の基準ディスク１４の、いずれか一方あるい は両方の周辺に、スペーサ１６Ａ　が設けられる。このスペーサ１６Ａは、ダイ アフラム１２および基準ディスク１４と実質的に同一の材料から形成されている 。スペーサ１６Ａは、前記ダイアフラム１２Ａおよび基準ディスク１４上に、ス パッタリン　。

グ、真空めっき、蒸着あるいは他の既知の付着工程によって、付着される。

そのような材料の付着は、連続した途切れのない所望の厚さの、一様な層を形成 するように制御される。スペーサ１６は、又、ダイアフラム１２あるいは基準デ ィスク１４の中央部を、エツチング、研磨あるいは機械研削して、その周辺部に 隆起を形成することによっても作られることができる。凹面形状の研磨輪郭を使 うこともできる。この方法が使用される時には、電気的な導伝材＄１１８Ａおよ び　２８Ａは、そのような工程の後に塗布される。

第４図、第５図において、サフィックスＢを除いて、各符号は、前の第１図に付 された符号と同一である。ここでも亦。

スペーサはダイアフラム１２　と基準ディスク１４　との間に配置された環状の リング１６Ｂであることができる。スペーサ１６は、種々の適当な幾何学的な形 状であってもよいが、好ましくは、ダイアフラム１２と基準ディスク１４との間 に、連続的で、かつ一様な間隔を形成できるようなものがよい。

面２６および２８を貫通する第２の貫通孔３４が、基準ディスグー４に穿設され る。この第２の貫通孔３４は、貫通孔３２のように、そこを通って電気的につな がるようには作られていない。第２の貫通孔３４　の内壁は非導伝性であシ、こ の孔は、ダイアフラム１２のａｌの面１８の導伝材ａ　ＩＳ＊への電気的接続手 段の１１どなっている。

ダイアフラム１２と基準ディスク１４の間にスペーサ１６を配置して、トーチあ るいは他の熱発生手段のような適当な熱発生器でダイアフラム１２、基準ディス ク１４およびスペーサ１６の周辺を加熱する。そして、これらの三者を一緒に溶 かして容量センサ４０が作られる。好ましくは、そのような溶融は、容量センサ ４０の中に不所望のストレスが発生するのを回避するために、実質的に不均一で ない一様な方法で行なわれる。容量センサ４０は、第１の貫通孔３２および第２ の貫通孔３４を除いて、ダイアフラム　１２、基準ディスク１４およびスペーサ １６によって完全に包囲された空所４０Ａを形成している。

ダイアフラム１２、基準ディスク１４およびスペーサ１６が、溶融されたシリカ から作られる時、これらの周辺部の温度は、約１６００℃赴に上げられ、これに よって均質で等方性の材料で形成された容量センサ４０が作られる。ガラスのよ うな他の非導伝性、かつ良弾性の材料を使用することもできる。

この製造方法の一つの利点は、この方法はダイアフラム１２を基準ディスク　１ ４に接着するのｉど、ガラス′フリット′、′粘着剤′あるいは他の接着材料の ような異質の材料を必要としないので、材料の低ヒステリシス弾性特性が保持さ れることである。

トランスデユーサ１０の他の好ましい実施例は、好ましくは、ダイアフラム１２ 、基準ディスク１４およびスペーサ１６と同一の材料の、大きな質屋のディスク から形成されている支持ブロック４２を、さらに含んでいる。支持ブロック４２ は、符号４４で示されているように、その周囲に、好ましくはテーパあるいはス テップが形成されており、また、センサ４０上に配置できるように、フンター（ ｃｏｎｔｏｕｒ）が付けられている。第１の面４６　はダイアモンド研削のよう な方法によって、機械的に削り出されておシ、その結果、基準ディスク１４の第 １のディスク面２６の中央部とは接触せず、また、それらの周辺部では、基準デ ィスク１４と係合するようにされている。

支持ブロック４２の第１の貫通孔５０が、表面６０から、この孔および基準ディ スク１４の第２の孔３４を通して、ダイアフラム１２の第１の面１８上の導伝材 ′Ｉ４１８Ａ　に接続される、第１の＠気す−ド線５２のために、設けられてい る。

支持ブロック４２の第２の貫通孔５４は、導伝路５９から、０ この孔を通して、基準ディスク１４の第１の面２６上の電気導伝材料　２８Ａに 接続される、第２の電気リード線５６のために、あけられている。

支持ブロック４２は、それから、容量センサ４０が溶融されると同時に、Ｘ準デ ィスク１４に融着される。支持ブロック４２の孔５０と５４、および基準ディス ク１４の孔３２．！−３４は、また、第１の圧力を、ダイアフラム１２の第１の 而１８に伝える働きをしている。

１つの実施例において、ダイアフラム１２と基準ディスク１４は、各々厚さＤｌ とＲＤＩを有している。ここに、ＲＤＩは、基準ディスクとダイアフラムの支持 構造の差を補償するために、Ｄｌよシ小さい。基準ディスク１４は、その両面の 周辺で、十分に支持又は押え付けられている。ダイアフラム１２詔よびスペーサ １６は、その周辺で、基準ディスク１４の一方の面を押え付けており、支持ブロ ック４ｚ　は他方の面を押え付けている。ダイアフラム１２　は、その周辺の一 方の面でのみ、基準ディスク１４　によって、支持又は押え付けられている。

その結果、ダイアフラム１２に垂直な成分をもつ力である横断加速力に対して、 ダイアフラム１２と基準ディスク　１４１ とが異なった応答をひき起すようになる。基準ディスク１４が、十分に押え付け られたダイアフラムとして応答するのζご対し、ダイアフラム１２は、典型的に は、両面で支持又は押え付けられたダイアフラムｌζ比べて、僅かに多く偏向す る（歪む）。そのため、基準ディスク１４　の厚さは・加速によって誘導される どんなエラーも完全に補償するように調節することができる。

回路導通路５９は、好ましくは、エツチングやディポジッチングのような既知の 電子製造技術を使用して、支持ブロック４２の表面６０上（Ｃ１形成又は描かれ る。適当な付勢・検知手段６２は、好ましくは、センサ４ｏを電気的に付勢する ための、少くとも一対のダイオードよシ構成され、またセンサ４０からの電気信 号の検知のために、回路導通路５９に結合されている。温度検知手段６４が、所 望に応じて、回路導通路５９に結合されている。温度検知手段６４は、支持ブロ ック４２、ダイアフラム１２又は基準ディスク１４　の温度を測定するのに使用 される。

センサ４０　と支持ブロック４２は、実質的に一様な材料を介して熱的に結合さ れているので、支持ブロック４２の温度はセンサ４０の温度に大変近い。温度検 知手段６４は、外部２ から電力を受け、圧力に依存する容量変化に応じて、感知された電気信号を温度 の変化に対して補償するための出力を外部に提供する。

この発明の好ましい実施例においては、温度検知手段６４は、支持ブロック手段 ４２上に直接堆積された薄膜あるいは厚膜の抵抗体である。また、回路導通路５ ９は、望まれる通りに、温度検知手段６４に結合されている。適当な外部ＩＪ− ド線８４は回路導通路５９に結合されている。温度検知手段６４は、また、サー ミスタあるいは他の温度検知手段であってもよい。リード線８４は温度検知手段 ６４に電力を供給し、そして感知された温度を表わす電気信号を出方する。

しかし、本発明の他の実施例ｊＣおいては、温度検知手段６４は、ダイアフラム １２あるいは゛基準ディスク１４　の少くとも一つの上ζご直接付着されている 。そして、適当なリード線は、温度検知手段６４から回路導通路５９に結合され ている。回路導通路５９は、さらに、外部に端子を有する適当なリード線８４に 接続されている。同様に、付勢および検知手段６２はダイアフラム１２あるいは 基準ディスク１４の上に、望まれる通りに、装着されている。

環状のストレス伝達防止用装着リング７ｏは、センサ４゜３ および支持ブロック手段４２を、高い熱膨張率を有する金属ケースから低い熱膨 張率を有する支持ブロック材料へ、熱膨張のストレスを伝達することのないよう な、所望位置に取付けるようイζ、支持ブロック手段４２　に結合されている。

好ましくは、装着リング７０は、ニッケルー鉄合金のような、低膨張のしなやか な材料から形成されている。そして、この装着リング７０は、半田付けによって 回路導通路５９　の一部に結合され、たやすく近づきつる接地接続を提供してい る。

好ましくは円筒状である筐体７１は、ステンレススチールのような耐圧力材料か ら作られているのが望ましい。好ましくは、筐体７１　は、二つの部分で作られ ている。その−っはダイアフラム１２に圧力を伝達するために設けられている孔 ７６を除き、第１の端部　７４で閉じている円筒部分７２である。筐体７１は、 第２の端部８０では開いている。第１の端部７４はまた、孔７６を覆うフィルタ ７８８支持するための適当な凹所７７をもっている。

装着リング７０は、符号８２の所で、それに取付けられたセンサ４０および支持 ブロック手段４２と一緒に、円筒部分７２上に置かれるように形成されている。

リード線８４　と鬼はガラスヘッダ８７の中にある８８と　８８Ａのような複数 の４ 絶縁管を通夛、適当な位置で半田付けされている。そして、半田は圧力障壁を形 成する。リード線８４と８４Ａ　は適当な外部の電源、および温度検知手段６４ と容量検知手段６２の読み出し回路に、それぞれ接続されている。

カバー８６は筐体７１のふたを形成している。カバー８６は、部分８２の上に置 かれ、それからカバー　８６、装着リング７０および筺体７１の円筒部分７２は 、好ましくは、溶接によって一緒に接着される。通常のピンチオフ管９２は、カ バー　８６内の孔９４の適当な場所で、ろう付けあるいは溶接されている。一つ の好ましい実施例においては、それから、カバー８６、装着リング７０および支 持ブロック手段４２の表面６０は空所９８を形成している。空所９８は、希望に 応じて、圧力を加えられたケあるいは排気されたりする。その後、ピンチオフ管 ９２は封じられ、その空所は基準となる圧力あるいは真空に保持される。

第１図の実施例は、以下のような動作をする。測定されるべき圧力は孔７６を通 って印加される。液体あるいは気体のような圧力は、ダイアフラム１２をその圧 力に応じて歪ませる。これによって、基準ディスク１４とダイアフラム１２　と の間の間隔は変化する。基準ディスク１４の少くとも一方の５ 面、およびダイアフラム１２の少くとも一方の面は、その上に付着された導伝材 １１８Ａと２８Ａをもっているから、これによって電気的な容量が形成されてい る。

このような容量を形成する二つの電極板の間隔は、ダイアフラム１２の偏向また は歪みによって変化させられるから、センサ４０の容量の変化が発生する。この 容量の変化は、リード線５２と５６、付勢および検知手段６２、ならびにリード 線８４Ａを通って流れる電気信号に変化を生じさせる。その、ような電気信号の 変化は、外部で、周知の手段によって測定される。

トランスデユーサ１０に印加される温度変化（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ）は、孔７６ を通って、また筐体７１および装着リング７０を通ってセンサ４０に伝わる。図 示されている構造の故に、および同じ材料を溶融してセンサ４０を形成するが故 に、さらには支持ブロック手段４２をセンサ４０に付着するための溶融の故に、 トランスデユーサ１０の構成要素は、そのような過渡的な温度変化に、まんべん なくさらされる。このために、圧力を表わす容量信号がこのような過渡的な温度 変化から受ける影響は減じられる。

装着リング７０は、筐体７１から支持ブロック手段４２と６ センサ４０への熱伝導路を提供している。温度検知手段６４は、支持ブロック手 段４２の導伝路５９上に置かれている。

支持ブロック手段４２、ダイアフラム　１２、基準ディスク１４、およびスペー サ１６の熱伝達特性の故に、温度検知手段６４によって感知された温度はセンサ ４０のｈｅを表わす。したがって、既知の方法によって、出力容量信号の適当な 温度補償を行なうことができる。

本発明は、好ましい実施例に関して述べられたが、当業者には、種々の変形がこ の発明の範囲を出ることなしに行なわれうろことは明らかであろう。

７ ＦＩＧ、　１ ＦＩＧ、　２　ＦＩＧ、　３ ＦＩＧ、　４　ＦＩＧ、　５ 国際調査報告

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．　第１の圧力が印加される第１の面と、第２の圧力が印加される第２の面と をもち、少くともその一部が第１の容量の電極を形成する導伝性（ごなっている ところの、圧力によって偏向を受けるダイアフラム、 該ダイアフラムの一つの面へ第１の圧力を伝達するための通路と、第１のディス ク面と、第２のディスク面とをもち、その一部が、前記第１の容量電極と電気的 に協動する基準容量電極を形成するように導伝性になっている基準ディスク、お よび、 前記基準ディスクから所定の間隔だけ離して、その端部近くでダイアフラムを支 持するスペーサからなり、前記スペーサは前記ダイアフラムや基準ディスクと実 質的に同じ材料から形成され、かつそれらの間に配置され、さらにスペーサ、ダ イアプラムおよび基準ディスクは一緒に溶着されていることを特徴とする圧力測 定装置。 λ　前記スペーサが、ダイアフラムあるいは基準ディスクの少くとも一方の周辺 に隣接して、一体的−ご形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項記載 の装置。 ３、前記支持ブロック手段は、基準ディスクの周辺近くで、８ 該基準ディスクに融着されており、また咳支持ブロック手段はダイアフラムの第 １の面へ第１の圧力を伝達するための孔をもち、また、該支持ブロック手段がダ イアフラムと基準ディスクのための支持体になっていることを特徴とする請求 ４、装置を包囲し、ダイアフラムの第２の面へ第２の圧力を伝達するための孔を もつ筐体と、該筐体へ支持ブロック手段を固着するための装着リングとを、さら に有することを特徴とする前記請求の範囲第３項記載の装置。 ５、　咳装着リングが、前記筐体と共に、第１と第２の圧力を分離するための圧 力遮蔽壁を構成していることを特微走する前記請求の範囲第４項記載の装置。 ６、　ダイアフラムの端部は、その一方の面でのみ支持手段に支持されるのに対 し、他方、基準ディスクの端部は、その両面で基準ディスクに支持されることに よって惹起される、加速減変差を少くとも一部は補償するように、基準ディスク の厚さはダイアプラムの厚さに関連ずけられていることを特徴とする前記請求の 範囲第３項記載の装置。 ７、　ダイアフラム、基準ディスク、スペーサおよび支持手段が、同一の、電気 的に非導伝性材料によって作られている９ ことを特徴とする請求 ＆　前記ダイアプラム、基準ディスク、およびスペーサは電気的に非導通の材料 によって作られ、該ダイアプラムと基準ディスクの導伝部分は、電気的に非導通 の部分の上に導伝材料を付着することによって形成されたことを特徴とする前記 請求の範囲第３項記載の装置。 ９、　面をもつ基準ディスクの中に孔があけられており、また、その面には基準 ディスクの導伝性部分に適当な回路を電気的ｌζ接続するためのメッキ層がある ことを特徴とする前記請求の範囲第８項記載の装置。 １０、支持ブロック手段が、その上に作製された回路導通路と、そのような導通 路から、ダイアフラムおよび基準ディスクのそれぞれの上の導伝材料へ接続され る適当なリード線とをもつようにしたことを特徴とする前記請求の範囲第９項記 載の装置。 １１　温度検知手段が、支持ブロック手段、ダイアフラムおよび基準ディスクの 少くとも一つの上に、これらの温度を検知するために置かれていることを特徴と する前記請求の範囲第３項記載の装置。 ０