KR20100135860A - 비결정성 물질로 구성된 멤브레인을 포함하는 압력센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압력 센서(6)에 관한 것이다. 상기 압력센서(6)는 가요성 멤브레인(11)을 포함하며, 멤브레인은 압력을 나타내는 값이 멤브레인(11)의 변형을 기반으로 공급되도록 할 수 있는 전달장치(10)와 협력한다. 상기 멤브레인(11)은 상기 센서(6)의 크기를 최적화하기 위하여 최소한 부분적으로 비결정성 물질로 이루어진다.

Description

비결정성 물질로 구성된 멤브레인을 포함하는 압력센서{PRESSURE SENSOR INCLUDING A MEMBRANE CONTAINING AN AMORPHOUS MATERIAL}

본 발명은 가요성 멤브레인을 사용하는 압력 센서에 관한 것으로, 상기 멤브레인은 압력을 나타내는 값이 상기 멤브레인의 변형을 기초로 공급되어질 수 있는 전달 장치와 협력한다.

멤브레인과 전달장치로 구성되는 압력센서를 가지는 케이스를 포함하는 다이빙 시계가 공지되어 있다. 멤브레인은 외부 압력하에서 전달장치에 작용하여 기계적으로 변형될 수 있다. 이러한 장치는 따라서 예들들어 증폭되기 위해 압력을 표시하는 변형운동을 전달함에 따라 센서가 탐지하는 압력값이 디스플레이되도록 한다. 일반적으로 상기 센서의 멤브레인은 예를들어 구리 및 베릴륨(Cu-Be)으로 구성된 함금과 같은 결정성 물질로 이루어진다.

모든 물질은 그 변형 저항성을 특징으로 하는 탄성율(일반적으로 GPa로 표시)로 불리는 영율 E(young's moudulus)로 특성화된다. 또한 모든 물질은 역시 물질이 가소적으로 변형되는 것 이상의 응력을 나타내는 탄성 한계 σ(일반적으로 GPa로 표시)으로 특성화된다. 따라서 주어진 두께에 대해 탄성 한계에 대한 영률 σe/E의 비율을 서로 구함으로써 물질들을 비교할 수 있다. 따라서 상기 비율이 높을 수록 물질의 탄성변형이 더 커진다.

예를들어 130GPa에 해당하는 영률 E 및 통상 1GPa에 해당하는 탄성한계값을 가지는 구리 및 베릴륨(Cu-Be) 함금과 같은 종래기술에 사용되는 결정성 물질은 0.007에서 시작하는 낮은 σe/E 비율을 제공한다. 상기 결정성 합금 멤브레인은 따라서 제한된 탄성변형을 가진다. 압력센서의 멤브레인의 경우 이것은 제한된 측정범위를 의미한다.

또한, 탄성 한계가 낮기 때문에 변형할 때 멤브레인은 초기 형태를 재개할 수 없는 위험을 가지는 낮은 응력하에서 소성 변형 영역에 접근한다. 상기와 같은 변형을 피하기 위해 멤브레인의 변형이 제한된다. 즉, 멤브레인의 이동 진폭이 의도적으로 제한된다. 전달이동이 증폭되어야한다는 것이 이해된다. 이것은 압력 센서 그리고 압력값의 디스플레이에 이롭지 않은 노이즈를 발생시킨다.

또한, 상기와 같은 압력 센서 멤브레인 또는 시계의 다른 동작 요소를 제조하기 위해 귀한 결정성 금속을 사용하는 것은 상기 금속의 부적절한 기계적 특성을 고려할 때 상상할 수 없다. 실제로, 상기 정밀한 금속은 특히 금, 백금, 팔라듐 및 은의 합금의 경우 0.5 GPa 정도의 낮은 탄성 한계를 가지고 이와는 대조적으로 압력 멤브레인의 제조에 고전적으로 사용되는 결정성 합금의 경우에는 약 1GPA의 탄성 한계를 가진다. 탄성율 측면에서 상기 귀금속의 탄성율은 120 GPa 정도, 약 0.004의 σe/E 비율이 얻어진다. 그러나, 상술한 바와 같이 상기와 같은 멤브레인의 제조를 위해서는 높은 σe/E 비율이 필요하다. 결과적으로 당업자는 상기와 같은 멤브레인의 제조를 위해 상기와 같은 귀금속을 사용하는 것을 권하지 않을 것이다.

본 발명은 적용되는 최대 응력에 관해 안전한 마진을 가지는 한편 더욱 두드러진 변형 진폭를 가능하게 하는 더욱 신뢰성있는 멤브레인을 제안함으로써 상술한 종래기술의 문제점을 해결하는 압력센서에 관한 것이다.

선택적으로, 본 발명은 더 작은 크기에 대해 균일한 변형 진폭을 허용하는 멤브레인을 제안한다.

이를 기초로 본 발명은 멤브레인이 상기 센서의 크기를 최적화하기 위하여 최소한 부분적으로 비결정성 금속 합금으로 이루어지며 금속합금이 최소한 하나의 고가 형태 요소 또는 금, 백금, 팔라듐, 레늄, 루테늄, 은, 이리듐 또는 오스뮴을 포함하는 리스트에 포함되는 상기 합금 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 상술한 압력센서에 관한 것이다.

상기 센서의 바람직한 실시예는 종속항 2 내지 8항에 서술된다.

놀랍게도, 비결정 형태의 귀금속은 본 발명에 따른 멤브레인과 같이 부분 제조될 수 있는 높은 σe/E 비율을 가진다.

또한, 본 발명은 역시 상술한 바와 같은 멤브레인을 가지는 압력센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 시계에 관한 것이다. 상기 시계의 바람직한 실시예는 종속항 제 10항의 주제이다. 본 발명의 따른 시계의 목적, 장점 및 특징은 첨부된 도면으로 도시되고 비제한적인 예시로 주어진 본 발명의 하나이상의 실시예의 하기되는 상세한 설명에서 더욱 명백해진다.

도 1은 본 발명에 따른 멤브레인을 포함하는 시계의 개략적 단면도.

도 2은 외부압력이 가해질 때 본 발명에 따른 멤브레인을 포함하는 시계의 개략적인 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 멤브레인의 바람직한 실시예의 개략도.

도 4는 상기 바람직한 실시예에 따른 멤브레인을 포함하는 시계.

도 5는 결정성 물질 및 비결정성 물질에 대한 변형 곡선.

본 발명에 따른 멤브레인의 첫번째 장점은 상당히 흥미로운 탄성 특징을 가진다는 것이다. 실제로, 비결정성 금속의 경우, σe/E 비율이 탄성 한계 σe의 증가에 따라 증가된다. 따라서 금속이 그 초기 형태를 재개하지 않는 응력이 증가된다. 상기와 같은 σe/E 비율의 개선은 따라서 더욱 두드러진 변형을 허용한다. 이것은 멤브레인의 측정범위가 증가되는지 아니면, 상기 멤브레인의 크기가 균등한 측정 범위에 따라 감소되는지에 따라 멤브레인의 크기를 최적화할 수 있도록 한다.

비결정성 금속의 다른 장점은 상당히 더 높은 가치를 가지는 복잡한 형태의 부분 디자인이 가능하도록 형태가 이루어질 수 있는 새로운 가능성을 가진다는 것이다. 실제로 비결정성 금속은 특히 유연한 특성을 가지는 반면, 각 합금에 내재된 주어진 온도 범위(Tx-Tg)(여기서 Tx: 결정화 온도, Tg: 유리 전이 온도)에서 비결정을 유지한다. 따라서, 이들을 비교적 낮은 응력하에서 중간온도로 형태를 만들 수 있다. 합금의 점도가 상당히 감소하고 이에 따라 상기 합금이 미세한 주형에서 주조되기 때문에 이것은 매우 정밀하게 복재되는 미세한 형태가 가능하다.

도 1 및 2는 시계(1)의 유리(4)를 지지하는 베젤(3)이 고정되는 부분구조(2)로 구성된 다이빙 시계의 단면도이다. 부분구조(2)에 고정되는 디스플레이 유닛(5)은 역시 유리(4)아래에 배치된다.

시계(1)는 부분구조(2)에 타이트하게 고정되는 중간 섹션(8)에 타이트하게 고정되는 베이스(7)에 의해 닫히며, 따라서 케이스를 형성한다. 상기 시계는 역시 케이스(21) 내부에 위치하는 압력 센서(6)를 포함한다.

압력센서(6)는 밀봉된 공동(9)을 형성하도록 장착된 멤브레인(11)과 마찬가지로 전달장치(10)를 포함한다. 상기 멤브레인(11)은 시계(1)의 케이스(21) 내부에 위치되고 그 주위에서 지지수단(12)에 고정된다. 이것은 멤브레인(11)의 유리한 변형을 보장할 수 있도록 한다. 예시적으로, 지지수단(12)은 중간 부분(8)에 고정된다. 멤브레인(11)이 외부 환경과 접촉하는 것을 보장하기 위해, 케이스(21)의 베이스(7)가 몇개의 오리피스(13)로 관통된다. 상기 오리피스들(13)은 도 2에 도시된 바와 같이 압력이 멤브레인(11)의 다른 측면과 다를 경우 멤브레인이 변형될 수 있도록 한다. 또한, 케이스(21)의 베이스(7)는 압력 측정이 필요하지 않을 때, 오리피스(13)를 차단하기 위해 적절히 클리핑함으로써 고정될 수 있는 제거가능한 커버(14)로 끼워질 수 있다. 이것은 압력센서(6)를 보호한다.

압력센서의 작동을 위해, 전달장치(10)가 상기 멤브레인(11)과 결합하여 사용된다. 따라서 밀봉된 공동(9)과 외부 환경사이의 압력사이의 효과에 따라 멤브레인(11)이 더 크거나 작게 변형될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이 실제로 외부 압력이 밀봉딘 공동(9) 내부의 압력보다 크면, 멤브레인(11)이 밀봉된 공동(9)의 부피를 억제하기 위해 변형된다.

멤브레인(11)의 상기와 같은 변형은 초기 위치에 대해 멤브레인(11)이 위치를 탐지하는 전달장치(10)에 영향을 준다. 상기 초기 위치는 멤브레인(11)의 일측면의 압력이 동일할 때이다. 한번 탐지되면, 전달장치(10)는 예를들어 기계ㅓㄱ운동으로 멤브레인(11)의 상기 변형을 전달한다.

상기 장치(10)에 의해 전달된 압력을 나타내는 상기 운동은 증폭될 수 있고, 디스플레이 장치(5)에 의해 사용된다. 상기 디스플레이 장치는 변형을 나타내는 운동을 변환하는 수단을 사용하고, 따라서 압력을 깊이 값으로 변환한다. 상기 장치(5)는 압력 센서(6)에 의해 측정된 깊이를 디스플레이한다. 물론 상기 압력은 피에조 전기 변환기와 같은 다른 수단으로 탐지될 수도 있다. 또한, 고도계 또는 날씨 예보 기능과 같이 상기 압력을 이용하는 다른 기능도 가능하다.

센서(6)의 구성요소는 따라서 멤브레인의 변위에 대해 의도하는 범위의 측정을 한정하는 미리설정된 부하 설명서를 사용하여 조정된다. 의도하는 범위의 측정은 예를들어 10m의 깊이와 같이 탐지되고 디스틀레이되기 원하는 최대 압력값을 나타낸다. 멤브레인(11)의 변위는 상기 멤브레인(11)이 형성할 수 있는 최대 변형을 한정한다 따라서 멤브레인의 특성은 두 개의 값을 기초로 한정된다. 상기 멤브레인은 크기(현재 예시되는 원형 멤브레인(11)의 경우 직경과 두께) 및 이것이 만들어지는 물질로 특성화된다.

바람직하게, 본 발명에 따라, 멤브레인(11)은 비결정성 또는 부분적인 비결정성 물질로 구성된다. 특히, 금속 유리 즉, 비졀정 금속 합금이 멤브레인(11)을 형성하는데 사용된다.

실제로, 상기 비결정성 금속 합금의 변형에 관한 장점은 제조하는 동안 상기 비결정성 물질을 형성하는 원자가 결정성 물질의 경우에서와 같이 특정 구조로 배열되지 않는다는 사실에 있다. 따라서, 결정성 물질과 비결정성 물질의 영률이 동일하다고 할 지라도, 탄성 한계 σe는 다르다. 실제로, 비결정성 물질은 도 5에 도시된 바와 같이, 둘과 동일한 비율을 가진 결정성물질의 탄성 한계보다 더 높은 탄성한계 σea 로 구별된다. 상기 도 5는 비결정성 물질(덤선) 및 결정성 물질을 대한 변형 ε의 함수로써 응력 σ의 곡선을 도시한다. 이것은 비결정성 물질이 탄성 한계 σe에 도달하기 전에 더 높은 응력을 받을 수 있다는 것을 의미한다.

먼저, 상기 멤브레인(11)은 비결정성 물질로 이루어지고 따라서 압력센서(6)의 신뢰성이 결정성 물질로 이루어진 멤브레인(11)에 비해 개선될 수 있도록 한다. 실제로, 탄성 한계 σea는 더 높으며, 이것은 소성 영역이 더 많이 사라지고 따라서 멤브레인의 소성 변형의 위험이 감소한다는 것을 의미한다.

또한, 상기와같이 더 높은 응역을 탄성적으로 견디는 능력은 더 많은 범위의 측정을 가능하게 한다. 또한, 바람직하게 비결정성 물질로 이루어진 멤브레인(11)의 경우 그 크기는 역시 동일한 응력이 균등한 변위를 커버하기 위해 중심에 가해질때 최적화될 수 있다. 실제로, 멤브레인(11)의 크기는 그 변형을 수정한다. 따라서 직경이 증가하면 멤브레인의 이론적 변위가 증가한다 .또한 두께가 증가하면, 멤브레인(11)의 이론적 변위가 감소한다. 바람직하게, 탄성한계가 증가하는 경우, 탄성변형 없이 멤브레인(11)에 가해질 수 있는 응력이 역시 증가한다. 따라서 직경과 두께를 감소함으로써 동일한 운동 진폭을 보유할 수 있게 된다.

상기 물질 자체에 대해, 먼저, σe/E 비율이 더 높을 수록, 센서가 더 효과적이라는 점에 주목할 수 있다. 바람직하게 0.01이 보다 높은 σe/E 비율이 압력 센서 멤브레인(11)의 형태에 대해 가장 적절한 물질이다. 이는 역시 σe/E 비율과는 별도로 E 의 값이 특정 한계보다 더 높게 선택될 수 있어 압력 센서가 허용가능한 공간 내에 포함될 수 있도록 한다 상기 한계는 50GPa로 조절되는 것이 바람직하다. 몇 가지 특징이 고려될 수 있다 .따라서, 마모 저항이 고려될 수 있고, 비자기 특성은 특히 다이빙 시계에 적합하다. 여기서 사용될 수 있는 비결정성 물질의 예시가 인용될 수 있다.

따라서, 예시적으로, 영률 E 가 150GPa에 달하고 탄성 한계가 σe= 1.9GPa에 달하는 Zr41Ti14Cu12Ni10Be23은 σe/E 비율=0.018을 가지고, 영률 E 가 98GPa에 달하고 탄성 한계가 σe=1.4GPa에 달하는 Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.3은 σe/E 비율=0.014를 가진다.

물론, 알러지 상태의 합금고 같은 흥미있는 다른 특성이 있다. 실제로, 알러지 요소를 포함하는 합금을 종종 사용하는 결정성 또는 비결정성 물질이냐에 주목할 수 있다. 예를들어 어떤 형태의 합금은 코발트, 베릴륨 또는 니켈을 포함한다. 따라서 본 발명에 따른 멤브레인(11)의 변이형이 합러지 요소를 포함하지 않는 합금을 사용하여 형성될 수 있다 또한, 알러지 요소가 존재하나 알러지 반응을 일으키지 않는 것이 제공될 수도 있다. 이를 위해 상기 알러지 요소를 포함하는 멤브레인(11)이 멤브레인(11)이 마모될 때 이를 방출하지 않도록 할 수 있다.

본 발명의 다른 변형예에 따라 멤브레인(11)이 고귀한 물질로 이루어질 수 있다. 실제로, 결정 상태에서 금이나 백과 같은 귀금속은 너무 물러서 유연하고 강한 멤브레인(11)을 형성하지 못하나, 이들이 금속유리 형태 즉, 비결정상태에서 상기 귀금속은 압력센서를 위한 멤브레인(11)을 제조하는데 사용될 수 있는 반면 호화롭고 미학적인 즐거움을 주는 외관을 이루도록 한다.

백금 850(Pt 850)과 금 750(Au 750)은 상기 멤브레인(11)의 제조에 바람직한 귀금속이다. 물론, 백금, 레늄, 루테늄, 로듐, 은, 이리듐 및 오스뮴과 같은 다른 귀금속이 역시 사용될 수 있다.

비결정성 금속 합금은 쉽게 형성될 수 있다는 것에 주목할 수 있다. 실제로 비결정성 금속은 유연한 특성을 가지는 반면 각 합금에 내재된 주어진 온도 범위(Tx-Tg)에서 비결정으로 남아있다. 따라서 이들을 비교적 낮은 응력 및 너무 높지 않은 온도에서 형성할 수 있다.

상기 공정은 비결정성 프리폼을 고열형성하여 구성된다. 상기 프리폼은 오븐에서 비결정성 합금을 형성하는 금속 요소를 용융시킴으로써 달성된다. 상기와 같은 용융은 산소로 합금이 가능한한 낮게 오염되도록 조절된다. 한번 상기 요소가 용융되면 멤브레인(11)에 근접한 크기를 가지는 디스크로 반마감형태로 주조되고, 비결정 상태를 유지하도록 급속냉각된다. 한번 프리폼이 만들어지면, 마감된 부분을 얻을 수 있도록 고열형성이 수행된다. 상기 고열형성은 전체적 또는 부분적으로 비결정 구조를 달성하기 위해 결정된 시간동안 Tg와 Tx사이의 온도범위에서 가압함으로써 수행된다. 이것은 비결정성 금속의 탄성 특징을 얻기 위해 수행된다. 멤브레인(11)의 마지막 형성의 다른 단계는 다음과 같다.:

a) 선택된 온도로 멤브레인(11)의 네거티브 폼을 가지는 매트릭스를 가열하고,

b) 뜨거운 매트릭스들 사이의 비결정성 금속 디스크를 삽입하고,

c) 비결정성 금속 디스크상에 상기 형태를 복제하기 위해 매트릭스에 폐쇄력(closing force)을 가하고,

d) 선택된 최대 기간동안 기다리고,

e) 매트릭스들을 열고

f) Tg 이하로 멤브레인(11)을 급속 냉각하고,

g) 매트릭스들로부터 멤브레인(11)을 제거한다.

상기 형성 방법은 합금의 점도가 매우 감소하고 이것이 주형의 상세한 부분까지 주조될 수 있기 때문에, 미세한 형태가 높은 정밀도로 복제되도록 한다.

상기 방법의 장점은 수축되어 굳지않고 사출성형에 의한 것보다 더 낮은 온도에서 더욱 정밀한 부분이 형성될 수 있다는 점이다.

물론, 사출성형과 같은 다른 형태의 형성 공정도 가능하다. 상기 공정은 결정 또는 비결정 상태중의 어떤 하나에서도 바(bar)와 같은 어떤 형태로든 오븐에서 금속요소를 용융시킴으로써 달성되는 합금을 주조하는 것으로 구성된다.

어떠한 형태의 상기 합금 부분도 마지막 부분을 형성하는 주형으로 사출되도록 다시 용융된다. 한번 주형이 가득차면, 합금의 결정화를 피하기 위해 Tg이하로 급속히 냉각되고, 비결정성 또는 반비결정성 금속으로 이루어진 멤브레인(11)이 얻어진다. 따라서, 의도하는 형태에 따라 멤브레인(11)을 형성할 수 있다. 예를들어, 그 두께와 그 직경과 동일한 방법으로 그 특성을 변형시키기 위하여 멤브레인(11)의 특성을 형성할 수 있다. 예시에 따라, 도 3 및 4에서 도시된 바와 같이, 사인곡선 형태를 얻기 위하여 멤브레인을 주조할 수 있다. 상기와 같은 형태는 멤브레인(11)의 형태가 강성과 마찬가지로 증가할 수 있도록 한다. 상기 멤브레인(11)은 따라서, 더 단단하게 변형된다. 상기 섹션의 배치는 역시 물질의 탄성 변형이 압력의 함수로 선형화되게 한다. 따라서 상기 선형화는 멤브레인(11)의 변형을 압력 값으로 변환하는 방법을 단순화하는데 도움이 된다.

당업자에게 자명한 다양한 변형 또는 개선 또는 결합이 첨부된 도면으로 한정된바와 같이 본 발명으로부터 벗어나지 않고 상술한 본 발명의 다른 실시예에 적용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예들들어 멤브레인은 다른 형태를 가진다.

Claims (10)

1. 압력을 나타내는 값이 멤브레인의 변형을 기반으로 공급될 수 있도록 하는 전달장치(10)와 협력하는 가요성 멤브레인(11)을 포함하고, 상기 멤브레인(11)은 상기 센서의 크기를 최적화하기 위해 최소한 부분적으로 비정형 금속 합금으로 이루어지는 압력센서(6)에 있어서,
   상기 금속 합금이 금, 백금, 팔라듐, 레늄, 루테늄, 로듐, 은, 이리듐 또는 오스뮴을 포함하는 하나이상의 고가의 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서.
2. 제 1항에 있어서, 상기 멤브레인(11)이 완전한 비결정성 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압력센서.
3. 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 금속이 0.01 이상의 영률에 따른 탄성 한계 비율을 가지는 것을 특징으로 하는 압력센서.
4. 제 3항에 있어서, 상기 물질이 50 GPa 이상의 열율을 가지는 것을 특징으로 하는 압력센서.
5. 전항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물질이 알러지 요소를 방출하지 않는 것을 특징으로 하는 압력센서.
6. 전항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멤브레인(11)이 원반형이고 그 주위에서 상기 센서에 고정되는 것을 특징으로 하는 압력센서.
7. 전항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멤브레인(11)이 그 변형 표면을 증가시키기 위해 비직선형태를 가지는 것을 특징으로 하는 압력센서.
8. 제 7항에 있어서, 상기 멤브레인의 형태가 하나 이상의 사인곡선 부분을 가지는 것을 특징으로 하는 압력센서.
9. 제 1항 내지 8항에 따른 압력 센서(6)를 포함하는 것을 특징으로 하는 시계.
10. 제 9항에 있어서, 상기 시계가 깊이 측정 기능을 수행하도록 압력을 나타내는 값을 깊이 값으로 변환하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시계.

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