JPS6275222A - 圧力・差圧伝送器 - 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】 ［発明の技術分野］ 本発明は受圧ダイヤプラムを備えた圧力・差圧伝送器に
関し、ざらに詳しくは、圧力に対する受圧ダイヤフラム
のたわみにの線形性に優れ、その結果検出感度が極めて
高く、しかも、ダイヤフラムとダイヤフラム座との接合
性が良好で両者の間の気密・液密性に優れた圧力−差圧
伝送器に関する。

［発明の技術的背景とその問題点］ 受圧ダイヤプラムを設けた差圧伝送器としては、例えば
、第３図に示すような構成のものが知られている。

図において、高圧側被測定流体が流入する流入流入する
流入口２ａを有するフランジ２とはそれぞれ受圧ダイヤ
フラム３および４を介してケーシング５．６および７に
は上記受圧ダイヤフラム３および４に対向して受圧ダイ
ヤフラム座３Ａ、４Ａが設けられている。上記ケーシン
グ５，１３．７はフランジ１および２に対してシール部
８によって液密にシールされており、また、ケーシング
５．６間には中間ダイヤフラム８が介在されている。そ
してこの中間ダイヤフラム９と前記受圧ダイヤフラム３
によって形成される第１の空間１０（これはケーシング
５両側に形成される）には圧力伝達媒体１２Ａが充填さ
れ、同様に中間ダイヤフラム９と前記受圧ダイヤフラム
４によって形成される第２の空間１１（これはケーシン
グ６両側に形成される）には圧力伝達媒体１２Ｂが充填
されている。また、前記ケーシング７内には半導体感圧
素子１３が設けられていて、この感圧素子１３はそれぞ
れ連通孔１４．１５を介して上記空間ｌｏ、　ｔｔに連
通され、圧力伝達媒体１２Ａおよび１２Ｂで伝達される
差圧力を検知してこれを電気信号に変換し、リード線１
６を介して外部に出力するようになっている。

−に記差圧伝送器において、中間ダイヤフラム９は過大
差圧力を保護する］］的で設けられたものであり、その
剛性が受圧ダイヤフラム３．４の剛性に比べて充分大き
くなるように配慮して設計されている。例えば高圧側に
、低圧側に比べて大きい圧力が加わると、中間ダイヤフ
ラム９は図の右方向に移動し、その撓みによって生じた
容積分だけ受圧ダイヤフラム３が右方向に移動する。受
圧ダイヤフラム４についても同様である。

かかる受圧ダイヤフラム３．４は被測定波体と圧力伝達
媒体１２Ａ　、　１２Ｂを分離するためのもので、円形
であることが一般的であり、また、圧力をできる限り損
失なく伝えるように、剛性が低い材料で構成されること
が望ましい。

一般には中間ダイヤフラム９と受圧ダイヤフラム３．４
の剛性比を５０＝１以ヒに設定すれば、圧力損失率（受
圧ダイヤフラム３．４の外側の差圧が内側に伝達される
際の損失の割合）は３．８％以ｒとなり、実用上差し支
えない程度に向上する。

このように受圧ダイヤフラム３，４の剛性を低く抑える
ためにはダイヤフラムの板厚を可能な限り薄くし、かつ
、全体を例えば波形形状とすることにより有効径をでき
るだけ大きくすることが望ましい。

従来、受圧ダイヤフラムの構成材料としては５ＵＳ３１
８Ｌが一般に使用されていた。しかしながら、剛性を低
下せしめるために、５ＵＳ３１８Ｌの板厚を薄くしよう
としても、材料の加工性および強度の点から、その板厚
は５０μ程度が限界である。さらに、この５ＵＳ３１８
Ｌはダイヤフラム系が小さい場合、圧力損失率が高く、
とくに低圧力下での感度が低く、被測定流体に対する耐
食性が充分でないなどの問題もある。

そのため、最近になって、受圧ダイヤフラムの構成材料
として、高い強度および低い弾性率を有するアモルファ
ス合金が検討されつつある。しかしながら、このアモル
ファス合金よりなる受圧ダイヤフラムの周縁部をケーシ
ングに接合する場合受圧ダイヤフラムで仕切られた内部
空間の気密・液密性を保持するために、従来の５ＵＳ３
１８Ｌ製のダイヤフラムは溶接法によってケーシングに
接合されていたが、アモルファス合金製のダイヤフラム
の場合、結晶化温度以上まで加熱すると直ちに結晶化し
て優れた機械的特性が消失してしまうので溶接法を適用
することができず、そのため、無害性、液密性を維持す
ることが困難であるという不都合がある。さらには、こ
のアモルファス合金よりなる受圧ダイヤフラムにおいて
、圧力に対するダイヤフラムのたわみ漬の直線性を向上
せしめるためには、前述した如き波形形状とすることが
好ましい、しかしながら、アモルファス合金は塑性変形
しにくい材料であるため、かかる形状に加工することが
極めて困難であるという問題が存在する。

［発明の目的］ 本発明は従来のかかる問題を解消し、アモルファス合金
よりなる受圧ダイヤフラムを備えた圧の気密・液密性が
高く、シかも、圧力に対する該受圧ダイヤフラムのたわ
み量の直線性が良好で、とくに低圧力領域で感度が高い
圧力・差圧伝送器の提供を目的とする。

［発明の概要］ 木発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねる
中で、前述したようにケーシングに接合されたアモルフ
ァス合金よりなる受圧ダイヤフラムの表面の少なくとも
該ケーシングとの接合部に低融点合金層を形成すると、
該低融点合金層を介して、例えば５ＵＳ３１１３Ｌより
なるケーシングと低温にて接合することができるという
着想を得た。また、さらには、ダイヤフラムの全表面に
上述の低融点合金層を形成すると、該アモルファス合金
よりなる受圧ダイヤフラムを塑性変形せしめることが容
易となるという事実を見出し、本発明を完成・　　する
に到った。

すなわち、本発明の圧力・差圧伝送器は、ケーシングに
接合されたアモルファス合金よりなる受圧ダイヤフラム
と、被測定流体の圧力を検出してそれを電気信号に変換
して外部に出力する感圧素子とを備えた圧力・差圧伝送
器において、該受圧ダイヤフラム表面の少なくとも該接
合部に低融点本発明の圧力・差圧伝送器は、前述したよ
うにその受圧ダイヤフラムの構成に特徴を有するもので
ある。

まず、受圧ダイヤフラムを構成するアモルファス合金と
しては、金属−半金属系、金属−金属系のいずれであっ
てもよい、金属−半金属系のものとしては、一般式： ％式％（１） で示されるものがあげられる。但し、式（１）において
、にはＦｅ、　Ｇｏ、　Ｎｉ、　Ｃｕよりなる群から選
ばれる少なくとも１種の元素を表わし、ＴはＴｉ、　Ｚ
ｒ、Ｉｆ、　Ｖ　、　Ｗｂ、　Ｔａ、　Ｃｒ、　Ａｕ、
　Ａｇ、　Ｎｏ、Ｗ　、　Ｍｎ、　Ｒｅ、Ｒｕ、　Ｒｈ
、　Ｉｒ、　Ｐｔ、　Ｐｄ、　Ｓｎ、　Ｐｂ、　Ｓｂ、
旧、Ｙ、希土類元素よりなる群から選ばれる少なくとも
１種の元素を表わし、ＺはＢ、Ｐ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃ，Ａ
ＪＬよりなる群から選ばれる少なくとも１種を表わす。

また、ａは０≦ａ≦０．３を満足する数であり、ｍ゛　
　は１０≦ｍ≦４０を満足する数である。式（１）にお
いて、Ｔは結晶化温度の向上および耐食性の改善に有効
な元素であり、０．０１≦ａ≦０．１５程度であるこ゛
　　とが好ましい。一方、Ｚは非晶質化に寄与する元“
　　素であり、ＢあるいはＰは必須である。また、と１
３、。、６７、Ｇｅ、。、４゜ｔｔア−ｅｔｖ−ｙ　ｙ
　ｘｈ＊ｖ＞ｕ□　　晶化温度を高めるとともに、縦弾
性係数を低減□　　し、その結果、強靭性と低弾性をあ
わせもつ材料、　　を得る。ために有効である。このと
き、ｌがｌＯ未満゛　　もしくは４０を超える場合は非
晶質化が困難とな：　　る。

一方、金属−金属系のものとしては、一般式：％式％（
２） 号　　で示されるものがあげられる。但し、式（２）に
お１　　いて、Ｘ′はＦｅ、　Ｇｏ、　Ｎｉから選ばれ
る少なくとも１１　　種の元素を表わし、Ｎ”はＶ、　
Ｏｒ、　Ｍｎ、　Ｃｕ、Ｎｏ、・ｉ 、１Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｗ、Ｒｅ、！「、Ｐｔ、　Ａｕ
よりなる群から□ ｊＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａよりなる群から選ばれ
る少なくとも１種の元素を表わし、ＹはＳｉ、　Ｂ　、
　Ｐ、Ｃ、Ｇｅよりなる群から選ばれる少なくとも１種
の元素を表わす、また、！、！および２は、それぞれ、
０．０１≦Ｘ≦０．２０．６≦ｙ≦２５および０≦２≦
ｌＯを満足する数である０式（２）において、「は主と
して耐熱性、ｊａ械的特性の向上に有効であり、なかで
も、　Ｃｒ、Ｃｕ、Ｒｈ、　Ｐｄ、　Ｒｕ、　Ａｇ。

Ｉｔ、　ＰｔおよびＡｕは耐食性の他片にも寄与する元
素である。

かかるアモルファス合金において、耐環境性を考慮する
と非磁性材料であることが好ましく、具体的には、例え
ば金属−半金属系ではＮｉ基のアモルファス合金が好適
である。さらに、アモルファス合金の縦弾性係数が１５
，０００ｋｇ／ｓ層２以下の場合にその圧力伝達性が向
−ヒするが、この縦弾性係数があまりに低いと剛性が過
度に低くなって構造材として充分な機械的強度が発現し
ないという不都合があるため、好ましくは２，０００〜
１５，０００ｋｇ／園腸２程度である。

ついで、上記のアモルファス合金により構成された受圧
ダイヤフラムの表面に形成される低融点合金層の材料と
しては、とくに制限されるものではなく１例えば、通常
のはんだ材料を使用することができる。この低融点合金
の融点は、使用するアモルファス合金の結晶化温度より
低いことは言うまでもないが、あまりに低いと接合強度
が低下するので、例えば、融点が１４０℃以上のものが
好ましい、具体例としては、　Ｉｎ−９ｂ、　Ｓｎ　−
Ｉｎ。

Ｂｉ　−Ｉｎ、　Ｓｎ　−Ｃｄ　−Ｐｂ、　Ｓｎ　−Ｐ
ｂ　−Ｉｎ、Ｓｎ　−Ｐｂ　−Ｂｉ、Ｉｎ−Ｐｂ、　５
ｎ−Ｐｂ系の合金があげられる。

°　さらに、かかる低融点合金層をアモルファス合金よ
りなる受圧ダイヤフラム表面に形成する場合、アモルフ
ァス合金と低融点合金層との密着性を向上せしめ、かつ
、低融点合金層を均一なものとするために１両者の間に
金属メッキ層を介在させることが好ましい、このような
金属としてはとくに限定されるものではないが、例えば
Ｃｕ、　Ａｕなどをあげることができる。このような受
圧ダイヤフラムにあっては、各層の層厚はとくに制限さ
れるものではないが、受圧ダイヤフラムの板厚も含めて
トータルで２０〜５０−程度であることが好ましい。

この受圧ダイヤフラム表面には、少なくとも。

その接合部に上記の低融点合金層が形成されていればよ
い、すなわち、第１図に示すように、受圧ダイヤフラム
３０表面において、ケーシング５および７（第３図）と
の接合部はその周縁部３０ａであるため、この領域に上
記の低融点合金層を形成する。なお、かかる受圧ダイヤ
フラム３０を第３図に示したような圧力・差圧伝送器に
組み込む場合は、ケーシング５および７の接合面にも同
様に低融点合金層を形成しておくと、両者の接合強度を
高めるうえで有効である。

さらに、この受圧ダイヤフラムの全表面にわたって上記
低融点合金層を形成すると、前述したように、ダイヤプ
ラムを塑性変形せしめることが可能となるため、このダ
イヤプラムを例えば波形形状に加工し、受圧ダイヤプラ
ムの有効径を大きくすることができるため、圧力に対す
る受圧ダイヤフラムのたわみ量の直線性を高めるうえで
非常に効果的である。具体的には、例えば、円形のダ・
イヤフラムにおいて、中心から半径方向外方に向って同
心円状に波形が形成された構成とすることが好ましい。

なお、アモルファス合金とケーシングの接合時の熱によ
り良好に接合されてもアモルファス合金がたわむ場合が
あり、これをなくすために予め結晶化温度以下の温度で
脆化を起こさない程度の熱処理を行なうことが好ましい
［発明の実施例］ 実施例１ Ｎｉ７ａＳｉ＋ｏＢｔ２よりなる組成のアモルファス合
金を幅Ｓｏｗｍ、板厚３０戸のＥ１帯としたのち、予め
、２００°Ｃで５時間熱処理したのち、表面にＣｕメッ
キを施して、厚さ　２ＩＬＩＩのＣｕメッキ層を形成し
た。このアモルファス合金薄帯をエツチングすることに
より直径５０ｍｍφの円形に加工したのち、表面のＣｕ
メッキ層上にＰｂ−３ｎ系はんだよりなる厚さ　５戸の
低融点合金層を形成した。

このようにして得た受圧ダイヤプラム２枚を第３図に示
した差圧伝送器のケーシング５．６および７に接合する
ことにより本発明の差圧伝送器を完成した。なお、この
ときケーシング５，８．７の各接合部にも同様の低融点
合金層を設けた。かかる差圧伝送器において、圧力伝達
媒体としてＨｅガスを封入し、前記差圧伝送器を真空容
器内に保持後の、もれＤｅｌを測定することにより、耐
リーク試験を行なった。その結果、リーク度は　１．８
Ｘ　ｌｏ−８ＡＴＭ　＊　ｃｃ／ｓｅｅ以下であり、装
置として要求されるリーク度をヒ分満足する値であった
。なお、本実施例において、低融点合金として、Ｉｎ−
Ｐｂに代えて、Ｉｎ　−Ｓｂ、　Ｂｉ　−Ｉｎ、ρｂ−
１ｎなどを使用したところ、−上記と同様の良好な耐リ
ーク性を備えていることが確認された。

実施例２ 上記実施例１と同様の組成を有するアモルファス合金薄
帯表面にＣｕメッキを施したのち、エツチングして直径
５５１１■φの円形状とした。ついでＣｕメッキ層上に
Ｐｂ−５ｎ系はんだ層を形成し、さらに、前述したよう
な同心円状の波形加工を施して直径５０ｍｍφの受圧ダ
イヤフラムを得た。

このようにして得た受圧ダイヤフラム２枚を第３図に示
した差圧伝送器のケーシング５．８および７に接合する
ことにより本発明の差圧伝送器を完成した。

かかる差圧伝送器において、差圧に対するダイヤプラム
（例えば３）の移動容積を調べて、その結果を第２図に
実線で示した。

なお、比較のために、従来使用されていた５ｕｓ３ｔｅ
ｔ、（板厚５０μ）よりなる受圧ダイヤフラムお′よび
Ｎｉ７ｅＳｉ＋ｏＢｔ２よりなり波形が形成されておら
ず偏平な受圧ダイヤフラムを使用して、それぞれ上記実
施例２と同様にして差圧伝送器を製作し。

差圧に対するダイヤフラムの移動容積を調べ、結果を第
２図に破線および１点鎖線で示した０図より明らかに、
本発明に係るダイヤフラムは線形性に優れ、また、高感
度であることがわかる。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、本発明の圧力・差圧伝
送器は、アモルファス合金よりなる受圧ダイヤフラムが
ケーシングに極めて気密・液密に接合されており、しか
も、受圧ダイヤフラムを波形形状とすることにより、差
圧に対するダイヤプラムのたわみ量、すなわち、移動容
積の直線性に優れるとともに、とくに、低差圧領域での
応答性が良好であるため、その工業的価値は極めて大で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の圧力・差圧伝送器に使用する受圧ダイ
ヤフラムの構成を示す平面図、第２図は本発明の圧力働
差圧伝送器の特性を示す図、第３図は圧力・差圧伝送器
の一般的構造を示す縦断面図である。 ３．４．３０・・・受圧ダイヤフラム、１３・・・感圧
素子、 ３０ａ・・・低融点金属層（接合部）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ケーシングに接合されたアモルファス合金よりなる
   受圧ダイヤフラムと、被測定流体の圧力を検出してそれ
   を電気信号に変換して外部に出力する感圧素子とを備え
   た圧力・差圧伝送器において、 該受圧ダイヤフラム表面の少なくとも該接合部に低融点
   合金層が形成されていることを特徴とする圧力・差圧伝
   送器。 ２、該アルモファス合金は、予め結晶化温度以下で熱処
   理されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載の圧力・差圧伝送器。 ３、該受圧ダイヤフラム表面全面に低融点合金層が形成
   されている特許請求の範囲第１項記載の圧力・差圧伝送
   器。 ４、該受圧ダイヤフラム表面と該低融点合金層との間に
   、金属メッキ層が介在せしめられている特許請求の範囲
   第１項または第３項に記載の圧力・差圧伝送器。 ５、該受圧ダイヤフラムが波形形状とされている特許請
   求の範囲第３項または第４項に記載の圧力・差圧伝送器
   。