(57)【要約】      （修正有）【課題】大きなベースライン圧変動に影響されない高精度の差圧センサーの提供。【解決手段】圧力を受けて撓むダイヤフラム部７ａ、７ｂ及び該ダイヤフラム部の外周縁において該ダイヤフラム部を保持している支持部８ａ、８ｂを含む一対のダイヤフラム１ａ、１ｂと、前記支持部に固定されたディスク状の一対の固定電極３ａ、３ｂと、ディスク状の電極部９及び該電極部の中心から該電極部に対して直角に両側へ延びている軸状突起部１０ａ、１０ｂを含み且つ電極部が前記一対の固定電極の各々と所定距離の隙間を隔てて対向するように、前記軸状突起部によって前記一対のダイヤフラム中心部に固定された可動電極２とを含み、前記可動電極が、前記被対象物によって一対のダイヤフラムのダイヤフラム部に各々印加される圧力の差に応じて前記隙間の距離が変化するように移動可能とし、前記隙間の変化による静電容量の変化に基づいて差圧を検知する差圧センサー。【選択図】図４
2006208225.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力に応じて変形する一対のダイヤフラムを備える差圧センサーであって、各ダイヤフラムは、少なくとも一部が金属で構成され且つ共通の中心軸線を有し、
前記一対のダイヤフラムの間の中心軸線上には、少なくとも一部が金属から成るディスク状の可動電極が設けられ、
前記可動電極の両面中心部は各々軸状に突出していて各々前記ダイヤフラムの中心部に固定されており、
前記可動電極の面に対向して、前記ダイヤフラムの外周部に保持された固定電極を有し、
前記可動電極と前記固定電極の間の静電容量の変化によって差圧を検出するようになされたことを特徴とする差圧センサー。
【請求項２】
請求項１に記載の差圧センサーにおいて、
前記固定電極が、各々、ディスク状の絶縁部材上に設けられた一対の固定電極によって構成されており、該ディスク状の絶縁部材が前記一対のダイヤフラムの外周部に固定されていることを特徴とする差圧センサー。
【請求項３】
請求項２に記載の差圧センサーにおいて、
前記ディスク状の絶縁部材における前記固定電極が設けられた側と反対側の面にももう一つ別の固定電極が設けられている、ことを特徴とする差圧センサー。
【請求項４】
請求項２に記載の差圧センサーにおいて、
前記一対の固定電極が、各々、前記可動電極の前記軸状に突出した部分が貫通する穴を中心に有し、前記ディスク状絶縁部材もまた、各々、前記可動電極の前記軸状に突出した部分が貫通する穴を中心に有している、ことを特徴とする差圧センサー。
【請求項５】
請求項３に記載の差圧センサーにおいて、
前記絶縁部材の前記固定電極が設けられた側と反対側の面に設けられたもう一つ別の固定電極と該もう一つ別の固定電極とこれに対向するダイヤフラムとの間の容量変化に基づいて、差圧出力を補正する機能を設けたことを特徴とする差圧センサー。
【請求項６】
請求項１ないし５のうちのいずれか一の項に記載の差圧センサーにおいて、
前記一対のダイヤフラムの各々は、被検知対象物に接触する面の少なくとも一部がフッ素系ポリマー樹脂によって覆われていることを特徴とする差圧センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体等の差圧計測用のセンサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
液体等の圧力計測センサーには、検出部分が液体によって悪影響を及ぼされないようにダイヤフラム式の圧力センサーが用いられる。差圧を計測する場合には、２個のダイヤフラム式の圧力センサーを用い、それぞれの出力の差から差圧を検出する方法がある。しかしながら、この方法では、２個のセンサーの特性を完全に一致させなければ誤差を生じるという欠点がある。
【０００３】
一方、ＵＳＰ６６４０６４０Ｂ２やＵＳＰ６４３１００３Ｂ１に記載されているように、互いに対向する２個のダイヤフラムを設け、その間をロッドで接続することにより差圧を検出する方法がある。この方法によれば、一方のダイヤフラムに印加される圧力が他方のダイヤフラムに伝えられるので、それらの差分だけの検出を行うことができる。これらの方法の最大の問題点は、圧力に応じて変形するダイヤフラムにピエゾ抵抗素子を設け、該ピエゾ抵抗素子の抵抗値の差を出力とするか、変形するダイヤフラムと対向させて電極を設けてこれらの間の静電容量の変化を検出して出力とするため、双方のダイヤフラムに印加される圧力が大きく上昇すると、図１に示すようにダイヤフラムに複雑な変形が生ずる。このとき、それぞれの変形量は本来検出しようとする差圧の変形量を大きく超える。例えば差圧５０ＫＰａフルスケールの差圧センサーをラインベース圧３００ＫＰａで使用する場合、図１に示した変形は、それぞれのダイヤフラムに設けたピエゾ素子抵抗或いは静電容量に大きな影響を与える。これらの影響は、ダイヤフラムの双方で発生するが、その影響を完全に一致させることは極めて困難であるため、センサーのゼロ出力が容易にシフトする。またこのように変形するダイヤフラムにピエゾ抵抗素子を直接設ける方式や同じく変形するダイヤフラムの静電容量変化を直接的に電気的に変換する方式では、精度の高い微妙な差圧の検出が困難となる。（特許文献１及び２参照）
【特許文献１】ＵＳＰ６６４０６４０Ｂ２
【特許文献２】ＵＳＰ６４３１００３Ｂ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ダイヤフラムの変形量の検出には、一般的にダイヤフラムの一部に構成したピエゾ素子の抵抗値の変化を検出する方式と、ダイヤフラムを金属とし、これに対向して設置した電極とによって構成される静電容量の変化を検出するコンデンサ方式とがある。コンデンサ方式は電気系がやや複雑になるが、コンデンサ方式は原理的に熱雑音の発生が無く温度的にも安定しているため、高精度のダイヤフラム式圧力計に適している。
【０００５】
図２は、コンデンサ方式による差圧センサーの従来例の動作説明図である。金属製のダイヤフラムＤ１、Ｄ２に対向してディスク状電極Ｅ１，Ｅ２が設置され、コンデンサＣ１、Ｃ２が構成されている。この例では、圧力Ｐ１、Ｐ２の差をコンデンサＣ１、Ｃ２の静電容量値の差として検出することが意図されている。
【０００６】
ところが、コンデンサＣ１、Ｃ２の静電容量の圧力による変化を詳細に検討した結果、図３に示すようなコンデンサ出力の変化とゼロ点シフトとを示すことが判明した。この結果から、ダイヤフラムの両端に印加される圧力の上昇によって、コンデンサＣ１、Ｃ２の静電容量が変化し、この静電容量の変化量が２個のダイヤフラム間で微妙に異なることから、２個のダイヤフラムに印加される圧力が同じであっても各ダイヤフラムの変形が微妙に異なり、コンデンサＣ１、Ｃ２の電気容量が同じにはならず、結果的に出力が変化してしまうためであることが判明した。
【０００７】
本発明は、このような従来の差圧センサーにおける問題点を解決し、大きなベースライン圧の変動にも影響されず微妙な差圧を高精度で検出することができるダイヤフラム式差圧センサーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明においては、圧力に応じて変形する一対のダイヤフラムを備える差圧センサーにおいて、各ダイヤフラムが少なくとも一部が金属で構成され且つ共通の中心軸線を有するようにし、前記一対のダイヤフラムの間の中心軸線上には、少なくとも一部が金属から成るディスク状の可動電極を設ける。
【０００９】
前記可動電極の両面中心部は各々軸状に突出していて各々前記ダイヤフラムの中心部に固定されるようにする。
また、前記可動電極の面に対向して、前記ダイヤフラムの外周部に保持された固定電極を設け、前記可動電極と前記固定電極の間の静電容量の変化によって差圧を検出するようにしている。
【００１０】
前記固定電極は、各々、ディスク状の絶縁部材上に設けられた一対の固定電極によって構成され、該ディスク状の絶縁部材が前記一対のダイヤフラムの外周部に固定されるようにするのが好ましい。
【００１１】
更に、前記ディスク状の絶縁部材における前記固定電極が設けられた側と反対側の面にももう一つ別の固定電極が設けられても良い。
前記一対の固定電極は、各々、前記可動電極の前記軸状に突出した部分が貫通する穴を中心に有し、前記ディスク状絶縁部材もまた、各々、前記可動電極の前記軸状に突出した部分が貫通する穴を中心に有しているのが好ましい。
【００１２】
更に、前記絶縁部材の前記固定電極が設けられた側と反対側の面に設けられたもう一つ別の固定電極は、該もう一つ別の固定電極とこれに対向するダイヤフラムとの間の容量変化に基づいて差圧出力を補正するために使用することができる。
【００１３】
前記一対のダイヤフラムの各々は、被検知対象物に接触する面の少なくとも一部がフッ素系ポリマー樹脂によって覆われるようにしても良い。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の差圧センサーにおいては、従来の差圧センサーのようにダイヤフラム自体がコンデンサの電極を形成しているのではなく、両方のダイヤフラム間に配置された可動電極がコンデンサの電極を形成している。従って、可動電極は、ダイヤフラムによって両側から等しい力で押されているため、たとえダイヤフラムが変形しても、可動電極の位置は変化しない。従って、可動電極と固定電極間のコンデンサＣ１、Ｃ２の静電容量に変化が生じない。このため、ライン圧の大幅な変化が生じた場合にもゼロ出力は極めて安定しており、精度の高い計測が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の差圧センサーを好ましい実施形態により詳細に説明する。図４は、本発明の差圧センサーの最も好ましい実施形態を示す断面図であり、図５は、その分解断面図である。図４において、１ａ、１ｂは外形が同じ一組の金属製のダイヤフラムである。ダイヤフラム１ａ、１ｂは、各々、中心部に筒状の突起部６ａ、６ｂを備え、該突起部６ａ、６ｂの周囲に、薄く且つ平らな環状のダイヤフラム部７ａ、７ｂを有し、更に該ダイヤフラム部７ａ、７ｂの周囲に筒状の支持部８ａ、８ｂを有している。ダイヤフラム１ａ、１ｂの材質は、機械寿命の点からＮｉ系合金或いはＴｉ系合金であるのが好ましいが、セラミック等の非金属材料によって構成することもできる。ダイヤフラム１ａ、１ｂの中心の突起部６ａ、６ｂには金属製の可動電極２が圧入固着されている。可動電極２は、ディスク状の電極部９の中心部両面に軸状突起部１０ａ、１０ｂを備えた形状を有し、２つの軸状突起部１０ａ、１０ｂの中心には、ダイヤフラム１ａ、１ｂの突起６ａ、６ｂが各々圧入される穴が設けられている。４ａ、４ｂは、絶縁材料によって形成された絶縁ディスクである。絶縁ディスク４ａ、４ｂは、各々、中心に可動電極２の軸状突起部１０ａ、１０ｂが貫通する穴が開けられたディスク形状を有している。絶縁ディスク４ａ、４ｂの片面には、同じく中心に可動電極２の軸状突起部１０ａ、１０ｂが貫通する穴が開けられた金属製の固定電極３ａ、３ｂが接着されている。更に、絶縁ディスク４ａ、４ｂは、各々、外周にフランジ部１１ａ、１１ｂを有し、該フランジ部１１ａ、１１ｂにおいて、ダイヤフラム１ａ、１ｂの支持部８ａ、８ｂに固着されている。図４に明確に示されているように、絶縁ディスク４ａ、４ｂが固着されたダイヤフラム１ａ、１ｂは、固定電極３ａ、３ｂが、各々、可動電極２の電極部９に対向するような形態で可動電極２の軸状突起部１０ａ、１０ｂ内に上下から圧入されて固定される。ダイヤフラム１ａ、１ｂの外周接合部はスポット溶接で接合されている。固定電極３ａ、３ｂにはリード線５ａ、５ｂが電気的に接続されており、リード線５ａ、５ｂは、ダイヤフラム１ａ、１ｂに設けられた開口部からセンサー外部へと取り出される。
【００１６】
このように構成されたセンサーは、可動電極２と固定電極３ａ、３ｂとの間に各々コンデンサＣ１、Ｃ２を形成し、圧力の差をコンデンサＣ１、Ｃ２の静電容量の値の差として検出することが意図されている所謂コンデンサー方式の差圧センサーである。可動電極２は、電気的にダイヤフラム１ａ、１ｂと接続されているので、ダイヤフラムの外部とリード線５ａ、５ｂ間の静電容量を計測することでコンデンサＣ１、Ｃ２の静電容量値を計測する。
【００１７】
上記の構成を有するセンサーにおいて、可動電極２は、可動電極２と固定電極３ａ、３ｂとの各々の間隔が等しくなるように固定電極３ａ、３ｂの中間位置に配置されており、ダイヤフラム１ａ、１ｂのダイヤフラム部７ａ、７ｂの面に対する圧力の印加が無いときには、それぞれの静電容量は等しくなる。ダイヤフラム１ａ、１ｂに各々圧力Ｐ１、Ｐ２が印加されると、それぞれの圧力の差に応じて、可動電極２が図面４において上方又は下方に移動し、静電容量Ｃ１、Ｃ２に差が生じる。この差を、キャパシタンス・ブリッジ回路で検出することにより、差圧の計測が可能となる。
【００１８】
次に、ダイヤフラム部７ａ、７ｂの両方のダイヤフラム部の面に印加される圧力が、例えば３００ｋＰａ程度の高いレベルまで増加した場合には、各ダイヤフラムは、図１に示した従来の差圧センサーと同様の変形を生ずる。しかしながら、本発明の差圧センサーにおいては、従来の差圧センサーのようにダイヤフラム自体がコンデンサの電極を形成しているのではなく、両方のダイヤフラム１ａ、１ｂの間に配置された可動電極２がコンデンサの電極を形成している。このような配置とされている可動電極２は、ダイヤフラム１ａ、１ｂによって両側から等しい力で押されているため、たとえダイヤフラム１ａ、１ｂが変形しても、可動電極２の位置は変化しない。従って、可動電極２と固定電極３ａ、３ｂ間のコンデンサの静電容量Ｃ１、Ｃ２に変化が生じない。このため、ライン圧の大幅な変化が生じた場合にもゼロ出力は極めて安定しており、精度の高い計測が可能となる。
【００１９】
図６ａは、本発明による差圧センサーにおけるコンデンサＣ１及びＣ２の各出力並びに該差圧センサーのゼロ点のシフト状態の測定結果を示したグラフである。図３に示した従来技術による差圧センサーの場合と比較すると、コンデンサＣ１、Ｃ２の出力に殆ど変化が無く、それらの差から検出されるゼロ点もかかる圧力が増大してもシフトが殆ど無く極めて安定している。
【００２０】
更に、図６ｂは本発明による差圧センサーの差圧計測結果を示すグラフであるが、この図からわかるように、本発明の差圧センサーにおいてはゼロ出力が安定しているため、差圧に対する十分な感度を得ることができる。
【００２１】
図６ｃは、従来のダイヤフラムの変形を直接静電容量の変化として検出する方式と、本実施例のセンサー感度を示すデータである。本発明の方式によれば、ダイヤフラム中心の最大変位量が構成するコンデンサの距離として反映されるので、コンデンサの変化量が大きくセンサー感度は、従来方式に比べ、数倍以上改善される。
【００２２】
図７は、本発明の差圧センサーにおける絶縁ディスクの別の実施形態を示す図である。この実施形態による絶縁ディスク４には、Ｎｉメッキによって固定電極３ａ’が形成されていると共に、裏面すなわちダイヤフラム１ａと対向する面にもＮｉメッキにより固定電極３ａ’’が設けられている。固定電極３ａ’、３ａ’’は、各々、固定電極３ａ’側に設けたリード端子１２a、１２bから外部にリード線によって電気的に接続される。このような構成の絶縁ディスク４を使用すれば、可動電極２と固定電極３ａ’との間のコンデンサの他に、ダイヤフラム１ａと固定電極３ａ’’との間にもコンデンサが形成され、該コンデンサの静電容量の変化を検出することにより、ラインベース圧の変化を検出することができる。従って、必要に応じて、ラインベース圧の信号に基づいて差圧信号を補正することが可能となる。
【００２３】
図８は、ダイヤフラムの別の実施形態を示す断面図であり、ダイヤフラム１ａ’の表面にフッ素系ポリマー樹脂１３をコーティングしたしたものである。この実施形態によれば、反応性の高い薬液等の圧力計測にも当該差圧センサーを使用することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
以上、本発明の差圧センサーを好ましい実施形態によって説明したが、本発明の着想概念の範囲を逸脱することなく種々の変更例及び変形例が当業者にとって明らかであり、これらの変更例及び変形例の全てが本発明の範囲に包含されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、従来技術によるダイヤフラムによる差圧センサーの圧力による変形状態を示す断面図である。
【図２】図２は、コンデンサ方式の従来技術による差圧センサーの動作説明図である。
【図３】図３は、コンデンサ方式の従来技術による差圧センサーにおけるコンデンサＣ１、Ｃ２の圧力による電気容量の変化及びゼロ点シフトを示すグラフである。
【図４】図４は、本発明の差圧センサーの最も好ましい実施形態を示す断面図である。
【図５】図５は、図４に示された本発明の差圧センサーの分解断面図である。
【図６ａ】図６ａは、本発明による差圧センサーにおけるコンデンサＣ１及びＣ２の各出力並びにゼロ点のシフト状態の測定結果を示したグラフである。
【図６ｂ】図６ｂは、本発明による差圧センサーの差圧計測結果を示すグラフである。
【図６ｃ】図６ｃは、従来のダイヤフラムの変形を直接静電容量の変化として検出する方式と、本発明によるセンサーの感度とを示すグラフである。
【図７】図７は、本発明の差圧センサーにおける絶縁ディスクの別の実施形態を示す図である。
【図８】図８は、ダイヤフラムの別の実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１ａ、１ｂ  ダイヤフラム、            ２  可動電極、
３ａ、３ｂ  固定電極          ３ａ’、３ａ’’  固定電極、
４ａ、４ｂ  絶縁ディスク、    ５ａ、５ｂ  リード線、
６ａ、６ｂ  突起部、          ７ａ、７ｂ  ダイヤフラム部、
８ａ、８ｂ  支持部、                  ９  電極部、
１０ａ、１０ｂ  軸状突起部、  １１ａ、１１ｂ  フランジ部、
１２ｃ、１２ｄ  リード端子、        １３  フッ素系ポリマー樹脂、
【図１】
2006208225.tif 000003
【図２】
2006208225.tif 000004
【図４】
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【図５】
2006208225.tif 000006
【図７】
2006208225.tif 000007
【図８】
2006208225.tif 000008
【図３】
2006208225.tif 000009
【図６ａ】
2006208225.tif 000010
【図６ｂ】
2006208225.tif 000011
【図６ｃ】
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