JPS5918586B2 - ダイヤフラム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、トランスジューサの分野に関するものであり
、特には変形可能なダイヤフラム感知要素を具備するト
ランスジューサに関するものである。

本願は本件出願人による同日出願の「容量性圧力センサ
」と併用するに特に好適である。

感知要素としてダイヤフラム部材を組込んだ多くの形態
のトランスジ予−サが従来から存在している。

このような感知要素はまた、線型可変差動トランスホー
マ（ＬＶＤＴ）や他の形態の運動変換装置においても使
用されている。

加えて、先行技術の歪みゲージの成る形態のものもこの
ようなダイヤフラムを使用している。

これら用途の実質上すべてにおいて、ダイヤフラム感知
要素は一般に比較的平滑な薄い変位可能な膜部材であり
、縁辺に位置づけられる支持点の間で張渡されることが
多い。

このようなダイヤフラムはその意図する用途において一
般に有効ではあるが、ある温度範囲にわたってセンサの
作動上の性態に制約を加える要素となることが多々ある
。

更にはこの種のセンサに対する感度にも制約を加えるこ
とが多い。

最適の性能を実現する為には、ダイヤフラム型感知要素
は温度に対して寸法的に安定でなければならずまた一様
な感度を提供するものでなければならない。

高い感度を与える為には、ダイヤフラムは変形力に対し
てきわめて敏感でなければならない。

一般に、先行技術の張渡し形ダイヤフラム（０，０００
２インチ厚のオーダのステンレス鋼の薄シートのような
）は、感度及び安定性両方において比較的制限を受ける
。

従って、本発明の目的は、比較的安定でありしかも高感
度を与えるトランスジューサ用の改善されたダイヤフラ
ム型感知要素を提供することである。

本発明の別の目的は、直交する軸線に沿って弾性的に変
位可能な部分を含む改善されたダイヤフラムを提供する
ことである。

簡単に述ると、本発明は、ダイヤフラムがその中央部分
における任意の基準点に対して半径方向及び接線方向両
方に伸長可能であるようにするしわ乃至ひた模様を具備
するダイヤフラム部材を含むダイヤフラムにある。

本発明の一形態において、ダイヤフラム部材は、実質上
平坦な平面部分とその少くとも一側から突出する複数の
しわ部分とを有する。

本発明の別の形態において、しわ部分は平面状部分の両
側から突出するものとしうる。

一般に、この形態を使用して、寸法的な安定な構造が提
供され、しかもこれは構造体を横切って適用される圧力
差に高い感度を示す。

例えば、本発明ニ従って作製されそして容量性トランス
ジューサにおいて使用するに適した金属箔ダイヤフラム
を使用した場合、感度及び安定性における改善は、同等
寸法を有する従来からの平面状ダイヤフラムを使用する
容量性コンデンサと較べて１０倍のオーダである。

以下、図面を参照しつつ本発明について具体的に説明す
る。

第１及び２Ａ図は、本発明に従うダイヤフラム要素１０
を示す。

ダイヤフラム１０は、０．０００２インチのオーダの厚
さを有するアルミニウムのような円形の金属箔である。

この箔は、実質上平面状であるが、一側から突出する多
数のしわを含んでいる。

第１図において、しわ部分は短線によって示されている
。

例示の具体例において、しわ部分はダイヤフラムの平面
状部分から単一方向に即ち一側にのみ突出する。

しかし、別の具体例において、しわ部分の幾つかはダイ
ヤフラムの一側に突出しそして他のものは反対側に飛び
出るようにすることもできる。

第１図において、しわ部分は実質上平面状の部分からの
乱れであると考えられよう。

しかし、比較的高密度のしわ模様を有する具体例におい
ては、ここでいう平面状部分は厳密には平面ではなくむ
しろしわ部分の両端が突出する基部を表す。

また別の具体例においては、しわ分布はしわ部分が基部
へ言及することなくともしわとして丁度記載しうるよう
な密度でありうる。

例えば、第２Ｂ図は中位の密度のしわ模様を有するダイ
ヤフラムの断面を示す。

破線１４は、例示目的の為「しわ部分（破線上方）」と
「平面状部分（破線下方）」とを分画する例示的な基準
線である。

この例において、線１４の下側の部分は、厳密には平面
でないが、「平面状」と呼ばれる。

第２Ａ図のもつと低密度の模様において示されるように
、「平面状部分１線１４の下側）」は厳密に平面状態に
近い。

第２Ｃ図は比較的高密度のしわ模様を示す。

本発明の幾つかの形態において、ダイヤフラムは僅かに
ドーム状とされうるので、しわ部分はダイヤフラムの球
状部分から突出するような場合もある。

しかし、そのような具体例において、ドームの曲率半径
はしわ寸法に較べて比較的大きい。

従って、球状部分はここで言う平面状部分の範囲に含ま
れるとみなされる。

第１図の構造において、ダイヤフラム１０におけるしわ
部分はダイヤフラム表面全体に無秩序に配向されている
。

第２図はダイヤフラム１０のしわ部分の一つを通しての
箔の断面を示す。

例えば、使用に際して、ダイヤフラム１０は前記出願に
おいて開示されたような容量性圧力センサ内において半
径方向張力下で張渡されて縁辺を支持される。

このようなセンサにおいて、ダイヤフラム１０の中央部
分は、ダイヤフラムを横切っての圧力差の変化に応答し
てダイヤスラム支持縁辺の平面に垂直方向に比較的容易
に変位できる。

本発明の構造を使用すると、ダイヤフラム中央部分の変
位は圧力差についての高度に再現性のある関数である。

更に、この反覆性は温度に対して比較的一定である。

、一般に、本グイヤフラム１０は同様の厚さの従来から
の平面状ダイヤプラムに較べて時間及び温度両方に関し
て感度及び安定性において１０倍良好である。

ダイヤフラム１゛０におけるしわ部分の各々は平面状部
分の平面における関連する主軸に沿って真直ぐに伸びて
いる。

別の具体例においては、シワ部分の少くとも幾つかは平
面状部分の平面における曲状基準線に沿って曲状に伸延
しうる。

第１図のダイヤフラム１０は、次の順次しての段階によ
り形成されうる。

先ず、ゴムシートのような平面状弾性材料が引伸された
弾性部材が一平面に載るよう２つの直交方向に延伸され
る。

その後、比較的薄い金属箔が延伸弾性部材に接触して平
坦に載るよう延伸された弾性部材の表面に摩擦結合され
る。

箔は、例えば、弾性部材の表面に軽く接合されうるし、
また別様には比較的高いガス圧により延伸弾性部材に接
面状態に押付けて保持されうる。

その後、弾性部材上の止着具が解放されて弾性部材はそ
の非伸長状態に戻される。

弾性部材がその状態に戻るに際して、箔と弾性部材との
間の摩擦結合は箔を低エネルギー模様にしわ寄らせ、そ
の結果箔は比較的平面状の部分と複数のしわ部分を有す
るようになる。

その後、箔部材は、タイヤフラム部材から分離され（例
えば、箔部材をダイヤフラムに押付けている側から高圧
の空気の適用を除くことにより）そして生成するしわ付
き箔はトランスジューサ用感知要素として使用されうる
。

本発明に従いダイヤフラムを形成する第２の方法に従え
ば、薄い金属箔が２つの縁辺支持された平面状弾性部材
（ゴムシートのような）間にサンドインチ形態で位置づ
げられ、サンドイッチの外側で一方のシートに隣りあっ
て圧力Ｐ１．２つのシート間の圧力Ｐ２及びサンドイッ
チの外側で他方のシートに隣りあって圧力Ｐ３が適用さ
れる。

最初、Ｐ１＝Ｐ２でありそしてＰｌ及びＰ２は共にＰ３
より高い。

その後、ＰｌがＰ２を越える（結局Ｐ３を越える）よう
圧力が調整され、サンドインチの引伸しをもたらす。

圧力はその後、Ｐ１＝Ｐ３（この場合Ｐ１及びＰ３は共
にＰ２を越える）となるよう調整される。

この段階はシートを元の非伸長位置に戻す。

シートが収縮するに際して、箔との摩擦接触（この段階
中に相対的に低い圧力Ｐ２により引起される）が箔をし
わ寄せする。

最終段階として圧力Ｐ ｌ ｓ Ｐ ２及びＰ３は均等
化され、シートは分離されそして基ダイヤフラムが取出
される。

上記成形方法はいずれも比較的低エネルギー形態の箔を
もたらすことが理解されよう。

その結果、本発明のダイヤフラムは、その中央部分の変
位に基いて動作しそして縁辺支持ダイヤスラムを利用す
る前記出願に開示された容量性圧カセンサ或いは他の先
行技術のダイヤプラム式容量性圧力センサにおいて使用
するに好適である。

様々の他の具体例において、ダイヤフラムは電気的に非
電導性とされて、例えば中央部分の位置が光学的に検出
されうる。

他の形態において、ダイヤプラムは非電導性とされうる
が、例えば電導性皮膜を付着する等して一表面に電導性
領域を含むようにされる。

本発明の後者の形態においては、電導性皮膜の一部は、
外部測定機器への電気的接続を可能とするようダイヤス
ラムの周縁まで延長される。

これら及び他の形態において、本発明は前記出願に記載
した容量性センサ以外の多くの機器において有用な「ソ
フト」ダイヤフラムを提供する。

例えば、本発明は成る種の先行技術の歪みゲージ及びス
イッチにおける従来型式のダイヤフラムと置換するの忙
使用される。

また別に、ダイヤフラムは２つの流体を分画するのに使
用でき、この場合圧力差が流体間境界を横切って伝達さ
れることが重要である。

第３〜６図は本発明の別の形態を示す。

第３図において、ダイヤフラム１０と同様のダイヤスラ
ムの一部が示され、ここではしわ部分はダイヤスラム平
面状の基準曲線に沿って曲状に伸びている。

第４図は、真直ぐなしわ部分が各互いに６０゜ずれる平
面状部分の３曲線の一つと実質上整列するような模様を
有するダイヤスラムの一部領域を示す。

この模様は、しわ部分によって定義される多数の正三角
形と六角形部分を有する靴底模様を与える。

第５図は、別のダイヤフラム具体例の一部を示し、ここ
では真直ぐなしわ部分が直交する２本の軸線の一方と整
列している。

多数の方形域がダイヤフラム面内にしわ部分によって定
義される。

第６図は、ダイヤフラムがしわ部分によって形成される
多数の同心ジグザグリング模様を含む具体例を示す。

この具体例において、ジグザグ模様は不連続である。

即ち各ジグザグリングは一対の継合された直線状しわ部
分を含むそしてこれらしわ部分対力鱗りの対に継合され
ていない。

他の具体例として、これら対さえも断続されうる。

第１〜１３図は、本発明の教示に従うまた別のしわ模様
を有するダイヤフラムの平面図を示す。

これら図面のすべてにおいて、ダイヤフラムは番号１０
Ｆｃよって全体を示されそしてその縁辺部分が番号１２
によって表示されている。

第７〜１０図のダイヤフラムのしわ部分は全般に連続し
た同心ジグザグリングしわ部分（即ち各ジグザグリング
は互いに両端で隣りあうものに繋がる比較的短い直線状
しわ部分から構成される）を含んでいる。

第７及び１０図のダイヤフラムは模様中の空白部を埋め
る一部のＶ形乃至シェブロン形しわ部分を更に含んでい
る。

第１図のダイヤフラムのしわ模様の順次するリングは隣
りあウリングと実質上等距離であり、ダイヤフラム中心
から半径方向距離の増大に伴いリング内角を順次増大し
ている。

第８，９及び１０図のダイヤフラムのしわ模様のリング
の各々の内角はダイヤフラム中心からの距離と無関係に
一定で、それぞれ１２０°、９０°及び９０°である。

別の形態において、ダイヤフラムは多数の入れ子犬の放
射状に伸びるジグザグしわ部分を含みうる。

これら形態のすべてと関連して、ダイヤフラム１０のし
わ模様におけるいずれの領域もダイヤフラムの中央部分
内の任意の点を含めてダイヤフラム上のある点に対して
半径方向及び接線方向いずれにも伸縮自在である。

第１１図は無秩序な高密度しわ模様例を示す。

第１２及び１３図は、線状のジグザグしわ部分を含むし
わ模様を有する本発明の追加具体例の一部を示す。

第１２図において、しわ部分は連続しそして第１３図に
おいてしわ部分は断続している。

第１２及び１３図の形態の好ましい例において、しわピ
ーク（即ち第１２図に示すジグザグ線）間の角度は９０
°であり、しわピーク間の溝表面によって形成される角
度は９０°であり、そしてしわピークの各々でピーク表
面によって形成される角度は９０°である。

他の具体例において、しわ部分は様々の配向軸線に沿っ
て形成されうる。

上記具体例において、しわ模様は、所望のしわ模様を表
す乱れ部分を除いて平面を有するダイによって創生され
うる。

先ず箔がダイに接面して置かれる。

その後、箔をダイによって定義される形状に押し付ける
のに高圧ガスが使用される。

別法としては、箔は液圧プレスのマンドレルによって推
進されるゴムパッドによりダイに押付けられる。

例えば、０．２７ミルの３０３ステンレス鋼から作製さ
れた第１０図の形態の１．フインチ径感知要素は、２５
ミルの巾と５〜１０ミルの深さを有し互いに２５ミル離
されるしわ模様溝を具備するダイでもって作製しうる。

生成ダイヤフラムの中央部分は０．００１５ ｐｓｉの
圧力差に対して５ミル偏位する高感度のものである。

また別の具体例において、上記しわ模様の様々の組合せ
が同じダイヤフラムにおいて一緒に使用されうる。

しかし、すべての形態において、すべてのしわ軸線が少
くとも一つのしわ部分により横断されるダイヤフラムの
表面上に存在することが好ましい。

以上、本発明の様々の具体例について説明したが、本発
明の範囲内で多くの改変を為しうろことを銘記されたい
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従うダイヤフラムの一例の平面図であ
る。 第２Ａ図は第１図の２Ａ−２Ａ線に沿う断面図である。 第２Ｂ図は中密度しわ部分を有するダイ千“プラムの断
面図である。 第２Ｃ図は高密度しわ部分を有するダイヤフラムの断面
図である。 第３〜１３図は本発明の様々の具体例のダイヤフラムし
わ模様を示す上面図である。 １０：ダイヤフラム、１２：縁辺。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 実質上非弾性の構造材料から成る薄いダイヤフラム
   部材から成るダイヤフラムであって、ダイヤフラムを横
   切っての圧力差に応答してダイヤプラムにほぼ垂直な方
   向に変位するダイヤフラムにおいて、 該ダイヤフラム部材が、表面の実質部分にわたって位置
   づけられそして任意の一方向において僅かの距離にわた
   って伸長する多数の短いしわから成りそして該しわの各
   々が該ダイヤフラム部材の厚さより大きいがダイヤフラ
   ム面から大きく突出しないほぼ同一の振巾を有すると共
   に、ダイヤフラム面忙載る任意の軸線に沿って発生した
   応力が多くのしわを横断するようダイヤフラム部材全体
   にわたってしわ配向を変化された低エネルギー成形しわ
   模様を含み、 前記しわ構造及び配向によって、ごく小サナ圧力差によ
   ってさえも前記ダイヤフラム部材中に誘起された応力を
   解放するよう前記しわが容易に引伸され、以ってダイヤ
   フラム部材がその中央部における任意の基準点に対して
   半径方向及び接線方向両方に伸長しうろことを特徴とす
   るダイヤプラム。 ２ しわが規則性のない無秩序な態様で位置づけられて
   いる特許請求の範囲第１項記載のダイヤフラム。 ３ しわの各々がほぼ直線状である特許請求の範囲第２
   項記載のダイヤフラム。 ４ しわの各々が曲線状である特許請求の範囲第２項記
   載のダイヤプラム。 ５ しわが互いにずらされた複数の平行軸線群に沿って
   位置づけられる特許請求の範囲第１項記載のダイヤフラ
   ム。 ６ 軸線群が３つありそして互いに６０°ずらされてい
   る特許請求の範囲第５項記載のダイヤフラム。 γ 軸線群が２つありそして互いに９００ずらされてい
   る特許請求の範囲第５項記載のダイヤフラム。 ８ しわが複数の連続乃至不連続ジグザグリング模様を
   なして配列される特許請求の範囲第１項記載のダイヤス
   ラム。 ９ リング模様の各々の交互しての内角が９０゜である
   特許請求の範囲第８項記載のダイヤフラム。 １０ １Ｊング模様の各々の交互しての内角が１２０゜
   である特許請求の範囲第８項記載のダイヤフラム。 １１リング模様間の間隔が実質上一定である特許請求の
   範囲第８項記載のダイヤプラム。 １２ 中央部分が電導性表面を有する特許請求の範囲
   第１項記載のダイヤフラム。 １３ ダイヤフラム部材が中央部分が実質上平面状に
   なるようダイヤフラムを支持するに適した周縁部分を含
   む特許請求の範囲第１項記載のダイヤフラム。 １４シわがダイヤフラム部材の一側から突出する特許請
   求の範囲第１項記載のダイヤフラム。 １５シわがダイヤプラム部材の両側から突出する特許請
   求の範囲第１項記載のダイヤフラム。 １６ ダイヤフラムがトランスジューサ用ダイヤフラ
   ムである特許請求の範囲第１項記載のダイヤフラム。