(57)【要約】隔板受圧面の半径方向と円周方向になだらかな波形を施すとしたダイアフラムである。これによって、負荷に伴なう圧力を素材の弾性にのみよることなく、主に曲げからなる圧力に比例して増す変形でもって効果的圧力を緩和し得る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
隔板受圧面の半径方向と円周方向に、なだらかな波形面を施すことにより、受圧面上を三次元波形とし、負荷に伴う応力を効果的に緩和し得るダイアフラム。
【請求項２】
一つの環状凹溝をもつ隔板において、異なる凹形を分割付設し、円周方向になだらかな波形面を施すことにより、環状凹溝全体を三次元波形とした請求の範囲第１項記載の負荷に伴う応力を効果的に緩和し得るダイアフラム。
【請求項３】
同心円状に波形を形成した隔板において、同心円状波形の山部・底部に違形山部・底部を分割付設し、かつ違形山部・底部が等分咬号配設することで、半径方向にある波形の全域で、円周方向になだらかな波形面を施すことにより、受圧面上を三次元波形とした請求の範囲第１項記載の負荷に伴う応力を効果的に緩和し得るダイアフラム。
【請求項４】
応力緩和機能を有する凹状突起及び凸状突起を、隔板外周固定端に向け漸次経大化させ、凹凸均等配置付形し、受圧面を三次元波形とした請求の範囲第１項記載の負荷に伴う応力を効果的に緩和し得るダイアフラム。
【請求項５】
応力緩和機能を有する凸状突起と凸状突起を、隔板外周固定端に向け漸次経大化させ、凸凸均等配置付形し、受圧面を三次元波形とした請求の範囲第１項記載の負荷に伴う応力を効果的に緩和し得るダイアフラム。
【請求項６】
応力緩和機能を有する凹状突起と凸状突起及び、凸状突起と凸状突起が隔板基準面近傍で変化する軌跡で囲繞される部分において、その基周に湾曲ひだを付形した請求の範囲第１，４，５項記載の負荷に伴う応力を効果的に緩和し得るダイアフラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  この発明は、圧力センサー素子、ダイアフラムポンプ、開閉器、調整器、圧力伝送器、振動板等の分野は無論のことであり、高温・高圧で使用される新たな分野へも対応でき、復元力を有しつつも撓み変形量を大きく確保すると共に、長寿命を実現することのできるゴム、樹脂、金属、等の弾性材からなる負荷に伴う応力を素材の弾性のみによることなく、主に曲げからなる圧力に比例して変形する波状形でもって負荷に伴う応力を効果的に緩和し得るダイアフラムに関する。
【背景技術】  ダイアブラムは、当初、平板状の隔板を用い、この隔板の周辺を密閉して取り付けることによって、隔板の両面に作用する圧力の差による隔板の弾性変形を利用して撓むとしたものであった。
すなわち、周辺拘束のダイアフラムは、その両面に働く圧力差によって受圧面が撓むものであり、その撓みでもって圧力の検出を行い、圧力の制御、圧力による操作等の圧力に係る機器に多用される。
つまり、このダイアフラムは差圧と変位との比例関係を応用して、例えば圧力を測定したり、弁の開度を操作するために利用されている。
この撓み変形量を大きく確保するためには、所定の弾性変形が期し得るようにダイアフラム自体の肉厚を薄くするか、その径を大きくしないといけない。しかし、このように肉厚を薄くすれば、耐圧性能の低下を招く。また径を大きくすれば、装置そのものの大型化を招いてしまう。
しかして、ダイアフラムの耐圧を高めようとするとどうしても高剛性にならざるを得ず、変位が犠牲になり、他方、変位を大きくしようとすると剛性を低くする必要があるが、耐圧の面から剛性を低くすることが困難で、低剛性で良いにもかかわらず高剛性とならざるを得ないというように、耐圧との関係で剛性が相反し高変位・低剛性のダイアフラム機能の実現を妨げていた。
このように隔板の弾性変形能にのみ頼る対応では限界があるので、従来より隔板断面に同心円状の波形を付して撓み量の向上を図るとした提案（特開昭５４−１６０９４９号、特開昭５９−２００８６７号、特開平２−５１６６４号、特開平９−２８６６５９号）が数多くなされている。
上記の諸提案はいずれも、それ以前の技術である「波形の振幅が一様であった」又「波形が等しいピッチ、等しい山の高さで構成されたダイアフラム」とある、実際には何ら負荷に伴う応力を効果的に緩和し得ることのない同心円状の波に囚われてなされている。
本発明者は、前記の「波形の振幅が一様」とある従前の技術的常識は何処から（何処で）生じたのかを調査した。
真相の解明は、下記の年次順に列挙の論文、出版物に求めることが出来た。
１）測定機器中に用いられる隔板の参考文献としての「ＮＡＣＡ  Ｒｅｐｔ．１６５，１９２３中のＭ．Ｄ．Ｈｅｒｓｅｙ」の論文。
２）このような膜の撓み理論がＫ．Ｓｔａｎｇｅによって論じられた「Ｉｎｇｒ．−Ａｒｃｈ．，Ｖｏｌ．２，Ｐ．４７，１９３１」
３）「ＴＨＥＯＲＹ  ＯＦ  ＰＬＡＴＥＳ  ＡＮＤ  ＳＨＥＬＬＳ」１９５９
４）「板とシェルの理論＜下＞」１９７３年７月２７日  第１版発行
５）「非線形連続体の有限要素法２」昭和５５年１月２０日  初版発行
６）「現代材料力学」１９８６年８月２０日  初版第１刷
以上の中で「波形の振幅が一様」とある技術紹介は、
「ＴＨＥＯＲＹ  ＯＦ  ＰＬＡＴＥＳ  ＡＮＤ  ＳＨＥＬＬＳ」，Ｐ４０４及び「板とシェルの理論＜下＞」，Ｐ３８０に図２０２（本願図１２）として、断面波形のダイアフラムが提示されてあり、２論文を引用した文として“種々の測定機器でしばしば要求されるように、圧力に比例する撓みを得るために、図２０２（図１）に示されたような波形膜３を採用しなければならぬ。波状の結果として、変形は主に曲げからなっており、そこで変形は圧力に比例して増す。４もし波形が正弦法則に従っており、直径に沿っての波の数が十分大きい（ｎ＞５）ならば、そのときは図１８６の記法を用いると、”・・・と記されている。
一方、「現代材料力学」Ｐ２０３，１０．４「円板の軸対象曲げ」では、“したがって、変形の対称性よりτｒθ＝τｚθ＝０および１０．１節の仮定（ｉｉｉ）よりσｚ＝０であるから、円板内の微小要素ａｂｃｄに作用する応力はσｒ，σθ，τｒｚの３個である。”・・・と明確に記されている。と共に、本願の図１１に示されている。
ちなみにσｒは半径方向に働く垂直応力
σθは円周方向に働く垂直応力
τｒｚは板厚方向に沿った剪断応力
を意味するものであり、以後は半径方向の応力・円周方向の応力・板厚方向の応力と云う。又、『非線形連続体の有限要素法２』のＰ．１３５には、「種々の圧力値に対する円板の有限要素モデルの変形形状」と題する、負荷によって円板が変位していく過程をモデル化している図があり、負荷増大に伴い変位が大きくなるにつれ、半径の伸びと、円周の増大、それと共に板厚が減少していくさまが示されている。
この両方の本には、以上述べた如く半径方向・円周方向・板厚方向の変化が明確に示されているので、整合性を感じるものの、最初に紹介の「板とシェルの理論＜下＞」で論じていることには整合性を感じられない。
そこで、本発明者は、「波形」について検討した。
１）図１２の「板とシェルの理論＜下＞」Ｐ３８０の図２０２として紹介されている、同心円状波形ダイアフラムの断面図として表われる波形。
２）図１３のＹ−Ｙ’側面図として見える波形。
３）図１３のＡ−Ａ’断面図として表われる波形。
なお、上記の図１３は、角状の波付板１を表現している。
２は波付板の側面が表す波形であり、３は板１をＡ−Ａ’方向で切断したときの断面が表現する波形である。この２、３は同じような波形に見えるものの、Ｙ−Ｙ’方向には伸縮の自由度は高いものの、Ｘ−Ｘ’方向には動かない関係の中で作られるＡ−Ａ’方向も伸縮の期待はできない。
これら三種の波形は同一寸法ではないものの、波形を呈している、と云う点では同じであるが、「板とシェルの理論＜下＞」で述べられている。波形の結果として、変形は主に曲げからなっており、そこで変形は圧力に比例して増す。の主張を、そのままに受け入れてしまうと、上記三種の波形は皆同じ機能を果たすことになる。ところが側面図として見える波形と、断面図として表われてくる波形とでは、意味も機能も違ってくるので、上記三種の断面図、側面図に示される波形は皆同じだから、同じ表現・同じ機能を持つのだ、との論を受入れる訳にはいかない。
すなわち波形の背後・波形の向う側にあって見えない部分の状態を含め考察してみると、
１）図１２の「板とシェルの理論＜下＞」Ｐ３８０の図２０２として紹介されている波形の背景は、ダイアフラム理論を引用している以上、“直径に沿っての波の数が十分に大きい（ｎ＞５）ならば”との記述とあわせ考えても、同心円状にある波形のダイアフラムを連想することは当然のことであり、間違いとは思えない。
２）図１３のＹ−Ｙ’側面図として見える波形は、側面図である以上この波形の背後には、側面図に直角の方向、すなわち背景のどこを切り取っても（側面図に平行な位置）同一寸法の波形を表わす。これは角板の波板であり、形状が“波形の結果として、変形は主に曲げからなっており、”とあるので、Ｙ−Ｙ’方向への伸縮は可能であるが、これはあくまでも二次元的な変形であり、後に説明する三次元的変形とは全たく別のものである。
３）図１３のＡ−Ａ’断面波形については、断面図として表われる波形であり、この波形の背景には、このＡ−Ａ’断面に或る角度をもって波板が隠されている。これではいくら断面が波形を呈しているからと云っても、Ａ−Ａ’方向への伸縮を望むことは出来ない。
これと同様ではないものの、図１２の断面波形についても、背景にある複数の円弧波が抗力を発揮するので、図１２の断面左右の方向に伸縮自在である……と云う訳にはいかない。
ついでに、半径方向と円周方向の合成方向に波を付けることで、半径方向の応力と円周方向の応力に、共に対応出来るかの如くに想定した渦巻き状ダイアフラムもあるが、これは「柱」と「梁」の補強材として用いる「筋交い」の如くに、かえって半径方向、円周方向の２つの応力に対し、何等の機能をも発揮することが出来ない。
以上三種の断面図ないし側面図が呈する波形と、その背景を考察した訳だが、いくら波形が同じだからと云っても、その背景がそれぞれ違う以上、常識的に考えてもこの３種が同じ表現・同じ機能を発揮し得るなどとは誰も思わない。
ましてや、引用文中にある“そのときは図１８６の記法を用いると、”……とあるが、図１８６は、章１１、異方性板の曲げ、の項にあり、角板を論じているのであり、図１３と同じ角形の波付板である。この角板の側面図として見える波形が、図１２と同じである……と、波形の同一性のみを捕らえて、角板の理論を円板に押し付けるが如きの手法は、少し乱暴に過ぎるし、誰も適正な論法とは理解しない。
ここに、同心円状の波形を想定しておきながら、その断面が波形を示すからと云って、事情の異なる角板の波形理論を適用すると云う致命的な誤りの不自覚が解明された。
本発明は叙上の知得に基づき、図１１に示されるところの半径方向の応力、円周方向の応力、板厚方向の応力の全てを同時に緩和する負荷に伴う応力を効果的に緩和し得るダイアフラムを提供することを目的としている。
【発明の開示】
上記目的を達成するための本発明の基本的な考え方を、図１，２をもって説明する。
図１ａは、既述した図１１で紹介の「半径方向に働く垂直応力σｒ」を示している。この半径方向に対する応力緩和の手段として図２ａで示す如くに、同心円状に波形を付した。図１ｂは、「円周方向に働く垂直応力σθ」を示している。この円周方向に対する応力緩和の手段として図２ｂで示す如くに、円周上に外方広がりの波形を付した。この二方向に対する緩和手段は図１３の波付け角板のＸ−Ｘ’を平面上で円周方向にまるめたものと、Ｙ−Ｙ’を平面上で円周方向にまるめたものに相当し、共に二次元的波形であるが、図１ｃは半径方向と円周方向の混合した応力図であり、この図１ｃの応力に対応する応力緩和の手段は図２ｃの如くに、同心円状の波形と円周上に外方広がりを持った波形を合成した波形とすることで、はじめて三次元波形となる。負荷の発生と共に、このダイアフラム受圧面上に付勢された三次元波形の各部で、三次元的変形が可能となる。
又、形状的な応力集中を起こさずに済むならば、図１１で紹介の「板厚方向に沿った剪断応力τｒｚ」に対し、負荷応力を最少にすることで、大きな変位を実現すると共に高い耐圧力を発揮する。
すなわち、この板厚方向の応力緩和は、半径方向と円周方向の応力緩和能力が正常に機能することにより副次的に達成されるものであり、ここで応力緩和は完結される。
表現の大小に惑わされることなく、すべての弾性材料に等しく起こる基本的な応力を材料力学的な視点で捉え、本来あるべきダイアフラムとは……という命題を解き明かそうとしているのであるから、材質を特定するものではない。
以上をもって半径方向と円周方向と板厚方向の３つの応力にはすべて対応するものである。
すなわち、請求の範囲１の本発明は、ダイアフラム受圧面の半径方向と円周方向に、なだらかな波形面を施すことにより、受圧面上を三次元波形とした。
請求の範囲２の本発明は、一つの環状凹溝をもつダイアフラムにおいて、異なる凹形を分割付設し、円周方向になだらかな波形面を施すことにより、環状凹溝全体を三次元波形とした。
請求の範囲３の本発明は、同心円状に波形を形成したダイアフラムにおいて、同心円状波形の山部・底部に違形山部・底部を分割付設し、かつ違形山部・底部が等分咬合配設することで、半径方向にある波形の全域で、円周方向になだらかな波形面を施すことにより、受圧面上を三次元波形とした。
請求の範囲４の本発明は、応力緩和機能を有する凹凸状突起を、ダイアフラム外周固定端に向け漸次径大化させ、凹凸均等配置付形し、受圧面上を三次元波形とした。
請求の範囲５の本発明は、応力緩和機能を有する凸状突起を、ダイアフラム外周固定端に向け漸次径大化させ、凸凸均等配置付形し、受圧面上を三次元波形とした。
請求の範囲６の本発明は、応力緩和機能を有する凹凸状突起からなる、凹凸及び凸凸がダイアフラム基準面近傍で変化する軌跡で囲繞される部分において、その基周に湾曲ひだを付形し、受圧面を三次元波形とした。
しかして、本発明にあっては、ダイアフラム受圧面内の負荷により発生する、応力場にあるすべての応力に対応する、半径方向のなだらかな波形と円周方向にあるなだらかな波形とで発現する、三次元波形の各部が自立性・独自性を持ちつつも、全体として調和のある集合体として機能し、受圧面の各部で三次元的変形を可能とし、大きな変位と高い耐圧力を発揮する。
【図面の簡単な説明】  図１ａ〜ｃは、ダイアフラム受圧面に働く応力の方向についての解説図である。
図２ａ〜ｃは、図１ａ〜ｃに示される応力の緩和手段を施す請求の範囲１に記載の本発明の基本要領説明図である。
図３ａ，ｂは、請求の範囲２に記載の本発明のダイアフラムの平面図、ａ図中Ａ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線断面合成図である。
図４ａ，ｂは図３ａ，ｂに対応して本発明のダイアフラムを示す俯瞰図である。
図５ａ，ｂは、請求の範囲３に記載の本発明のダイアフラムの平面図、ａ図中Ａ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線断面合成図である。
図６ａ，ｂは、図５ａ，ｂに対応して本発明のダイアフラム俯瞰図である。
図７は、請求の範囲４に記載の本発明のダイアフラムの平面図である。
図８は、請求の範囲５に記載の本発明のダイアフラムの平面図である。
図９は、請求の範囲６に記載の本発明のダイアフラムの平面図である。
図１０は、図７，８の異なる実施態様説明図である。
図１１は、「現代材料力学」Ｐ２０３，１０．４“円板の軸対称曲げ”の項の説明図である。
図１２は、「板とシェルの理論＜下＞」Ｐ３８０の図２０２の図面である。
図１３は、角状波付板の側面波形、断面波形についての説明図である。
図１４ａ〜ｃは、本発明手当てと従来手段との対比試験用試料の寸法図で、ａは、平板状ダイアフラム、ｂは、従来の同心円状波形ダイアフラム、ｃは、本発明要領を施したダイアフラムを夫々示す。
図１５は、図１ａ〜ｃに示した試料の圧力と撓み量の関係グラフである。
【発明を実施するための最良の形態】  本発明をより詳細に説述するために、添付の図面に従ってこれを説明する。
図２ｃは、請求の範囲１記載の本発明を示す。
ダイアフラム受圧面５の半径方向波形４及び円周方向波形４を合成することで、三次元波形４’が施される。
負荷により発生するすべての応力に対応し、応力緩和機能を有する三次元波形４’の各部がそれぞれに自立性・独自性を持ち、全体として調和する。
すなわち、負荷に伴う半径方向に働く垂直応力σｒ，円周方向に働く垂直応力σθ，板厚方向に沿った剪断応力τｒｚを、効果的に緩和することにより、大きな変位と高い耐圧力を発揮するにとどまらず、精度を高め耐久力を増すことで、信頼度と安全度を高めるものである。
図３，４は、請求の範囲２に記載の本発明を示す。
このものは、振動板用、圧力応動用等に用いられる。振動部７、センタープレート固定部７と、外周固定部８との間に、一つの環状凹溝９をもつ隔板であり、異なる凹形１０を分割付設し、円周方向になだらかな波形面を施すことにより、異なる凹形９，１０よりなる環状凹溝全体を三次元波形とした。
図５，６は、請求の範囲３に記載の本発明を示す。
ｃ−ｃ断面でなる同心円状に波形１１を形成したダイアフラムにおいて、同心円状波形の山部１２、底部１３に違形山部１２’・底部１３’が等分咬合配設することで、半径方向にある波形の全域で円周方向になだらかな波形面を施すことにより、受圧面上を三次元波形とした。
図７は、請求の範囲４に記載の本発明を示す。
図中の実線模様は、ダイアフラム基準面近傍で凹状突起ａと凸状突起ｂの変化する軌跡であり、ｃは前記軌跡で囲繞される部分を示す。応力緩和機能を有する凹状突起ａ及び凸状突起ｂを、隔板外周固定端に向け漸次経大化させ、凹ａ、凸ｂを均等配置付形し、受圧面を三次元波形とした。
図８は、請求の範囲５に記載の本発明を示す。
図中の実線模様は、ダイアフラム基準面近傍で凸状突起ｂ・ｂの変化する軌跡であり、ｃは前記軌跡で囲繞される部分を示す。応力緩和機能を有する凸状突起ｂ・ｂを、隔板外周固定端に向け漸次経大化させ、凸ｂ・ｂを均等配置付形し、受圧面を三次元波形とした。
図９は、請求の範囲６に記載の本発明を示す。
図７、図８にある、ダイアフラム基準面近傍で凹状突起ａと凸状突起ｂ及び凸状突起ｂ・ｂが変化する軌跡で囲繞されるｃ部の基周に、湾曲ひだを付形することで、応力緩和能力の向上を計ったものである。
図７、図８における実線模様が中心を通る曲線から成ることに対し、図１０は中心を通らない曲線から成る場合の例を示したものであり、図５ａ、図７〜図１０中にある中央無付形部１４は、中央部では多少の変形こそあれ、上下に移動するだけなので、中心まで全付形をしても、投資と効果の関係で判断される部分であり、どちらを選択しようとも大局には影響のない部分である。
また、凹ａと凸ｂまたは凸ｂ・ｂの変化域にあっては、適宜なＲをもって形成し、ダイアフラム受圧面に配設された波形が、波形付勢のゆえに応力集中のない、なだらかな三次元波形とすることは無論のことである。
以上本実施例について詳述してきたが、本発明はこの特定の実施例に限定されるものでもなく、本発明の精神を逸脱しない、いろいろな変化をなし得ることはもちろんであり、ダイアフラムの形にとらわれるべきものでもない。
従来技術と本発明との対比試験を以下の如く行った。
図１４ａ〜ｃは、基本形としての平板状のもの、従来の同心円状波のもの、本発明の三次元波形のものの寸法図であり、受圧面板厚は皆０．６ｍｍで同一である。
材質は、あえて不適切なＰＣ／ＡＢＳ樹脂を採用した。この材質はダイアフラム用樹脂ではない。何故ならば、本件はダイアフラム受圧面に三次元的波形状を付勢することで、形状的変形、しかも三次元的変形を可能にすることで、「負荷に伴う応力を効果的に緩和できるダイアフラム」を創造することにある。なお、この受圧面に付勢した三次元的形状面に、形状が故の応力集中の箇所があってはならない。
このような意味で、強く、しかも柔らかい芯のないＡＢＳに流動性があり、しかも芯がある（少し硬い）ＰＣが配合されている樹脂を使うことで、初期目的とする形状的欠点を捜し出すことができる・・・という意味があるので、ダイアフラムには不適であるという指摘こそが本件にあっては意味を持たないものである。
これ等の試料ａ、ｂ、ｃの圧力−撓み関係を図１５に示す。
結果は、ａについては弾性のみに頼る故の圧力に比例するも撓みに限界を呈すること、ｂについては、応力対応不全で比例し得ずに撓みも頭打ちになることが如実に示された。
これに比し、ｃについては、比例関係を持続しながらの撓みの増大を継続する様子が確認された。
更に、叙上の結果を詳しく解説する。
平板のダイアフラムは、受圧面に何等の工夫・工作がなされていないので、受圧面は負荷と共に半径方向、円周方向には引っ張り力が働き、変位と共に板厚は減少していく。当然のことながら、変位・耐圧共に、この三種のダイアフラムにあっては、一番低いものになる。
同心円状の波形ダイアフラムは、半径方向には波形が工作・工夫されているが、円周方向には何等の工夫・工作はされていない。受圧面では負荷と共に、波状の変形として半径方向では撓もうとするものの、半径のどの点を通る総べての円周上で引っ張り力が働き、変位を阻害する。よって耐圧力はあるが、変位は想像するよりもはるかに少ない。
本発明のダイアフラムは、半径方向に働く垂直応力（σｒ）、円周方向に働く垂直応力（σθ）そして板厚方向に沿った剪断応力（τｒｚ）を容易に理解出来る内容が含まれている。
ａ）半径方向に働く垂直応力（図１−ａ）の対応策としては、
同心円状に波付けされた図２−ａの工夫をもって半径方向の応力緩和手段とする。
ｂ）円周方向に働く垂直応力（図１−ｂ）の対応策としては、
円周状に波付けされた図２−ｂの工夫をもって円周方向の応力緩和手段とする。
ｃ）受圧面上にある３ヶの応力の内、以上の二応力σｒ、σθ（図１−ｃ）の対応策としては、
同心円状に波付けされた図２−ａと円周上に波付けされた図２−ｂを合成したところの、図２−ｃをもって二応力の緩和手段とする。
このような工夫・工作をされたダイアフラムが負荷と共に挙動していく過程を考察してみよう。
ａ）負荷が掛ると同時に、半径方向と円周方向の緩和能力が発揮され、「板とシェルの理論＜下＞」Ｐ３８０にある“波状の結果として、変形は主に曲げからなっており、そこで変形は圧力に比例して増す”との引用文そのままの変位をする。
但し、引用文中で意味するところと、本件発明品の意味するところの、最大の相違点は、
半径方向のみの緩和能力しか提案していない引用文に対し、本件発明品は半径方向と円周方向の両方に対して緩和能力を持っていることである。
この違いが、円周方向には何等の緩和能力を持たない、同心円状の波形ダイアフラムが表現するＢグラフである。一方にしか緩和能力を持たないが故に、負荷が掛り始めると同時に、緩和能力を持たない他方で変位・変形にブレーキを掛け、負荷と共にこのブレーキは増大していくが、両方に緩和能力を持つ本件発明品では、グラフの示す如くに圧力と変位は正しく比例の関係をもって変位していく。
ｂ）半径方向と円周方向の双方に緩和能力を持つと云っても、その能力は全ったく等しいと云うことでは無く、負荷が高まり変位が進んで行くと、ついにはどちらか一方の緩和能力は使い切られてしまう。この状態になるともはや波状の変形よりは、引っ張り変形へと処理形態が移行してゆき、ブレーキはどんどんと強くなり、グラフはもはや比例の関係を示さなくなる。
ｃ）変位と共にブレーキは強く働くが、形状的工夫による応力集中が無い間は、耐圧力を発揮するもののついには破壊へと至る。
ｄ）ここで大事なことは、“波状の結果として、変形は主に曲げからなっており”……と云う部分であり、半径方向と円周方向の応力緩和の能力が適切であれば、受圧面内での変形は、半径方向と円周方向にある波状変形によって可能となっており、板厚方向でのダメージは最小に押えることが出来る、すなわち、受圧面上の各所で三次元的変形をもって変位可能にすることが、副次的に板厚減少を押え、結果として高変位・高耐圧を可能とする。
【産業上の利用の可能性】
以上のように、本発明にかかるダイアフラムは、負荷に伴う応力を素材の弾性にのみよることなく、主に曲げからなる圧力に比例して増す変形でもって効果的に緩和し得るとしたので、撓み代を確保するために受圧面の半径方向と円周方向に波形を施した圧力センサー素子、ダイアフラムポンプ、開閉器、調整器、圧力伝送器、振動板等の分野は無論のこと。
本発明にかかる隔板はゴム、樹脂、金属等の弾性材から成るものであり、材質に拘ることなく、大きな変位と高い耐圧力を発揮することで、精度を高め長寿命を実現し、高温・高圧・耐蝕……と、いまだ到達し得ていない時限を目指すことで、未踏分野の産業機器出現に技術関与の出来ることを願うものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年12月3日(2004.12.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】  明細書
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周一平面上に、受圧面外周半径ａ部と周辺固定部とが存する隔板にあって、負荷変形する領域に、夫々が互いに独立したなだらかな窪み、若しくはなだらかな盛り上りを、ダイアフラム基準面近傍で均等配置付形し、隣合うなだらかな窪み若しくはなだらかな盛り上りが、それぞれになだらかに連なり合う三次元波面とした受圧面の外周半径ａ部で三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定部に連なる部位の円周方向を無付形とした、負荷に伴う応力を効果的に緩和するダイアフラム。
【請求項２】
受圧面全面が負荷変形する隔板にあって、夫々が互いに独立したなだらかな窪みとなだらかな盛り上りが、受圧面外周半径ａ部に向け漸次径大化させる要領にて、ダイアフラム基準面近傍で均等配置付形し、隣合うなだらかな窪みとなだらかな盛り上りが、それぞれになだらかに連なり合う三次元波面とした受圧面の外周半径ａ部で三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定部に連なる部位の円周方向を無付形とした、請求項１記載のダイアフラム。
【請求項３】
受圧面全面が負荷変形する隔板にあって、夫々が互いに独立したなだらかな盛り上りとなだらかな盛り上りが、受圧面外周半径ａ部に向け漸次径大化させる要領にて、ダイアフラム基準面近傍で均等配置付形し、隣合うなだらかな盛り上りとなだらかな盛り上りが、それぞれになだらかに連なり合う三次元波面とした受圧面の外周半径ａ部で三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定部に連なる部位の円周方向を無付形とした、請求項１記載のダイアフラム。
【請求項４】
夫々が互いに独立したなだらかな窪みとなだらかな盛り上り、若しくはなだらかな盛り上りとなだらかな盛り上りを、受圧面外周半径ａ部に向け漸次径大化させる要領にて均等配置付形した隔板にあって、ダイアフラム基準面近傍で変化する軌跡で囲繞される部分において、その基周に湾曲ひだを付形しつつも、隣合うなだらかなひだ付き窪みとなだらかなひだ付き盛り上り、若しくは隣合うなだらかなひだ付き盛り上りとなだらかなひだ付き盛り上りが、それぞれになだらかに連なり合う三次元波面とした受圧面の外周半径ａ部で三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定部に連なる部位の円周方向を無付形とした、請求項１、２、３記載のダイアフラム。
【請求項５】
同心円状に波形を形成した隔板にあって、環状山部・環状谷部に違形山部・違形谷部が均等分割付設され、高さの違うなだらかな盛り上りと深さの違うなだらかな窪みが、半径方向について、より高い盛り上りの隣りはより浅い窪み、より深い窪みの隣りはより低い盛り上りの要領に互い違いに繰り返す態様に均等分割付設し、この結果、隣接の環状山部、環状谷部のダイアフラム基準面での変化する軌跡が互いに喰い込み合うものとし、それぞれになだらかに連なり合う三次元波面とした受圧面の外周半径ａ部で三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定部に連なる部位の円周方向を無付形とした、請求項１記載のダイアフラム。
【請求項６】
受圧面内にセンタープレート固定部を有する隔板にあって、周辺固定部とセンタープレート固定部との間に一つの環状谷部を設け、当該環状谷部に違形谷部が均等分割付設され、深さの違うなだらかな窪みが、円周方向になだらかに連なり合う三次元波面の環状谷部とし、受圧面の外周半径ａ部、及びセンタープレート固定部の双方に三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定部及びセンタープレート固定部に連なる相方の部位の円周方向を無付形とした、請求項１記載のダイアフラム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧力センサー素子、ダイアフラムポンプ、開閉器、調整器、圧力伝送器等の分野は無論のことであり、高温・高圧で使用される新たな分野へも対応でき、復元力を有しつつも撓み変形量を大きく確保すると共に、長寿命を実現することのできるゴム、樹脂、金属、等の弾性材からなる負荷に伴う応力を素材の弾性のみによることなく、主に曲げからなる圧力に比例して変形するなだらかな三次元波面のなす断面波形をもって負荷に伴う応力を効果的に緩和し得るダイアフラムに関する。
【０００２】
ダイアフラムは、当初、平板状の隔板を用い、この隔板の周辺を密閉して取り付けることによって、隔板の両面に作用する圧力の差による隔板の弾性変形を利用して撓むとしたものであった。
すなわち、周辺拘束のダイアフラムは、その両面に働く圧力差によって受圧面が撓むものであり、その撓みでもって圧力の検出を行い、圧力の制御、圧力による操作等の圧力に係る機器に多用される。
つまり、このダイアフラムは差圧と変位との比例関係を応用して、例えば圧力を測定したり、弁の開度を操作するために利用されている。
この撓み変形量を大きく確保するためには、所定の弾性変形が期し得るようにダイアフラム自体の肉厚を薄くするか、その径を大きくしないといけない。しかし、このように肉厚を薄くすれば、耐圧性能の低下を招く。また径を大きくすれば、装置そのものの大型化を招いてしまう。
しかして、ダイアフラムの耐圧を高めようとするとどうしても高剛性にならざるを得ず、変位が犠牲になり、他方、変位を大きくしようとすると剛性を低くする必要があるが、耐圧の面から剛性を低くすることが困難で、低剛性で良いにもかかわらず高剛性とならざるを得ないというように、耐圧との関係で剛性が相反し高変位・低剛性のダイアフラム機能の実現を妨げていた。
このように隔板の弾性変形能にのみ頼る対応では限界があるので、従来より隔板受圧面上に同心円状の種々な波形を付して撓み量の向上を図るとした提案（特開昭５４-１６０９４９号、特開昭５９−２００８６７号、特開平９−２８６６５９号）が数多くなされている。
【０００３】
「同心円状の波形」が好適であるとする根拠は、『THEORY OF PLATES
AND SHELLS』1959 SECOND EDITIONのＰ４０４及び『板とシェルの理論＜下＞』１９７３年７月２７日第１版発行のＰ３８０に図２０２（本願図１２）として、外周半径ａなる断面波形のダイアフラムが提示されてあり、２論文を引用した文として「種々の測定機器でしばしば要求されるように、圧力に比例する撓みを得るために、図２０２に示されたような波形膜３を採用しなければならぬ。波状の結果として、変形は主に曲げからなっており、そこで変形は圧力に比例して増す。４」としていた業界の認識によったものと解される。
【０００４】
その一方で、他の文献『現代材料力学』１９８６年８月２０日初版第１刷のＰ２０３,
１０.４  円板の軸対称曲げ  には、「したがって、変形の対称性よりτrθ＝τzθ＝０および１０.１節の仮定（iii）よりσz＝０であるから、円板内の微小要素ａｂｃｄに作用する応力はσr, σθ, τrzの３個である。」と記されていると共に、Ｐ２０４の図１０.６に図示されている（本願の図１１）。
【０００５】
さらに、Ｐ２０８  （ii）周辺固定の円板の場合には、「最大曲げモーメントは周辺における半径方向曲げモーメントであり、」との記述と共に、曲げモーメントの式Ｍｒ，Ｍθにより、半径方向に働く垂直応力を１としたときに円周方向に働く垂直応力が幾つになるかを計算すると、軸中心では１：１であり外周半径ａでは１：νとなり、円周方向に働く垂直応力は軸中心から外周半径ａに向け漸減する。すなわち外周半径ａ部での円周方向に働く垂直応力はポワソン比分しかないということであり、他方『非線形連続体の有限要素法２』昭和５５年１月２０日初版発行  Ｐ１３５  図１８.３７  種々の圧力値に対する円板の有限要素モデルの変形形状  （本願の図１３）では、負荷増大に伴い半径が伸長し、任意半径ｒでの周長が増えると共に板厚の減少するさまが示されている。つまり、周辺を固定され等分布荷重を受ける隔板においては、半径方向に働く垂直応力σr・円周方向に働く垂直応力σθ・板厚方向に沿った剪断応力σrzの三応力が厳然と存するのだという原理原則があり、この三応力に対応する際に遵守すべきこととして、外周半径ａ部円周方向には何等形状的工夫をしてはならないとの事実が解明されていた。
【０００６】
ここに、隔板受圧面上に同心円状の種々な波形を付して、撓み量の向上を図るとした提案がいかに不十分なものであるかを図１，２をもって説明する。
図１ａは、既述した図１１で紹介の「半径方向に働く垂直応力σr」を示しているものであり、この半径方向に対する応力緩和の手段として図２ａで示す如くに、同心円状に波形を付した従来技術であり、波形を変えようが、ピッチを変えようが半径方向に働く垂直応力の緩和手段でしかなく、図１ｂで示す「円周方向に働く垂直応力σθ」に対する応力緩和手段がとられていないということであり、従来技術では根元的解決には不十分なのである。
【０００７】
一方、「円周方向に働く垂直応力」の存在に気付いたJohn R.Zavodaにより、アメリカ合衆国特許番号No.4,375,182号とカナダ国特許No.1,157,289号によって、図２ａと図２ｂを合成させた図２ｃの如きの提案がなされている。
一見合理的に見えるものの、その内容を精査すると致命的欠陥を内包していることに気付く。この発想根拠は図１３に示す如きのものであり、「ダイアフラムの膨らんだ位置の表面は、静止状態の表面より大きいことは明白である。ダイアフラムの表面のこの拡大は、円周方向にダイアフラムの組織を引き伸ばす」とあり、「放射状ウェーブに相当する分だけ、受圧面すなわち受圧感度は増す。」とあるが、この様な理論は無く思い込みと錯覚により、図２ｂで示すような外周半径ａ部で最大波高となる放射状波形を付勢した結果、「ダイアフラム周辺は、段差を介してリング状フランジ部を形成する。」とした、断面「鍔付き梯形」とせざるを得ないダイアフラム形状となると共に、図２ｂで示す波形すなわち「放射状リブ付形」が補剛リブとなって、既述の「最大曲げモーメントは周辺における半径方向曲げモーメントであり、」とする指摘を黙殺することになり、従来技術の性能にも及ばない提案となっている。
又、「２３：放射状ウェーブによるダイアフラム周辺部のリップ部」という突出部を外周半径ａ部に等分配設することで、応力集中と製造不可能と思えるが如きの不都合を招来しているのである。
【従来の技術】
【特許文献１】特開昭５４−１６０９４９号公報
【特許文献２】特開昭５９−２００８６７号公報
【特許文献３】特開平９−２８６６５９号公報
【非特許文献１】『THEORY OF PLATES AND SHELLS』1959
SECOND EDITIONのＰ４０４
【非特許文献２】『板とシェルの理論＜下＞』１９７３年７月２７日第１版発行のＰ３８０の図２０２
【非特許文献３】『現代材料力学』１９８６年８月２０日初版第１刷のＰ２０３，Ｐ２０４，Ｐ２０８
【非特許文献４】『非線形連続体の有限要素法２』昭和５５年１月２０日初版発行  Ｐ１３５  図１８.３７  種々の圧力値に対する円板の有限要素モデルの変形形状
【特許文献４】アメリカ合衆国特許番号No.4,375,182号公報
【特許文献５】カナダ国特許No.1,157,289号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は叙上の知得に基づき、図１１に示されるところの負荷に伴う半径方向に働く垂直応力σr、円周方向に働く垂直応力σθ、板厚方向に沿った剪断応力σrzの三応力を効果的に緩和すると共に、前記「最大曲げモーメントは周辺における半径方向曲げモーメントである」とする条件に支障なく対応し得ると共に、「変形は主に曲げからなっており、そこで変形は圧力に比例して増す。４」とする。負荷と変位との比例関係の持続性に優れる高変位・低剛性かつ高耐圧力・高耐久性を兼備える。本来こうあるべきと思える理想のダイアフラムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のダイアフラムは、受圧面外周半径ａ部（以後外周半径部という）と周辺固定部を周一平面上に連ねると共に、負荷変形する領域に、夫々が互いに独立したなだらかな窪み、若しくはなだらかな盛り上りを、ダイアフラム基準面近傍で均等配置付形し、隣合うなだらかな窪み若しくはなだらかな盛り上りが、それぞれに連なり合う三次元波面とした受圧面の外周半径部及び中央平坦部で三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定端及び中央平坦部に連なる部位の円周方向を無付形としたものである。
応力場にある総ての応力に対応し得る自立性と独立性を持つ、互いに独立したなだらかな窪み若しくはなだらかな盛り上りが、半径方向に働く垂直応力と円周方向に働く垂直応力に対する緩和機能を発揮し、なだらかな波形の変形により、板厚方向に沿った剪断応力をも緩和することになる。
なだらかな波形は「変形は主に曲げからなっており、そこで変形は圧力に比例して増す。４」とする条件を満すと共に、受圧面の外周半径部を円周方向に無付形とし、周辺固定部と周一平面上に連ねることにより「最大曲げモーメントは周辺における半径方向曲げモーメントであり、」とする指摘に対しても十分対応出来、三次元波面をなだらかに収束し中央平坦部に連ねることで、応力集中を起こすことの無い。本提案の目的を実現するための技術的要求を実現することが可能である。
【００１０】
本発明では、受圧面全面が負荷変形する隔板にあって、夫々が互いに独立したなだらかな窪みとなだらかな盛り上りが、受圧面外周半径部に向け漸次径大化させる要領にて、ダイアフラム基準面近傍で均等配置付形し、隣合うなだらかな窪みとなだらかな盛り上りが、それぞれになだらかに連なり合う三次元波面とした受圧面の外周半径部で三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定部に連なる部位の円周方向を無付形とすることが出来る。
【００１１】
本発明では、受圧面全面が負荷変形する隔板にあって、夫々が互いに独立したなだらかな盛り上りとなだらかな盛り上りが、受圧面外周半径部に向け漸次径大化させる要領にて、ダイアフラム基準面近傍で均等配置付形し、隣合うなだらかな盛り上りとなだらかな盛り上りが、それぞれになだらかに連なり合う三次元波面とした受圧面の外周半径部で三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定部に連なる部位の円周方向を無付形とすることが出来る（なだらかな盛り上りは隔板を反転させるとなだらかな窪みとなる）。
【００１２】
本発明では、夫々が互いに独立したなだらかな窪みとなだらかな盛り上り、若しくはなだらかな盛り上りとなだらかな盛り上りを、受圧面外周半径部に向け漸次径大化させる要領にて均等配置付形した隔板にあって、ダイアフラム基準面近傍で変化する軌跡で囲繞される部分において、その基周に湾曲ひだを付形しつつも、隣合うなだらかなひだ付き窪みとなだらかなひだ付き盛り上り、若しくは隣合うなだらかなひだ付き盛り上りとなだらかなひだ付き盛り上りが、それぞれになだらかに連なり合う三次元波面とした受圧面の外周半径部で三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定部に連なる部位の円周方向を無付形とすることが出来る。
【００１３】
本発明では、同心円状に波形を形成した隔板にあって、環状山部・環状谷部に違形山部・違形谷部が均等分割付設され、高さの違うなだらかな盛り上りと深さの違うなだらかな窪みが、円周方向にそれぞれなだらかに連なり合うと共に、なだらかな盛り上りとなだらかな窪みがダイアフラム基準面近傍で変化する軌跡が等分咬合し、それぞれになだらかに連なり合う三次元波面とした受圧面の外周半径部で三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定部に連なる部位の円周方向を無付形とすることが出来る。
【００１４】
本発明では、受圧面内にセンタープレート固定部を有する隔板にあって、周辺固定部とセンタープレート固定部との間に一つの環状谷部を設け、当該環状谷部に違形谷部が均等分割付設され、深さの違うなだらかな窪みが、円周方向になだらかに連なり合う三次元波面の環状谷部とし、受圧面の外周半径部、及びセンタープレート固定端部の相方に三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定部及びセンタープレート固定部に連なる相方の部位の円周方向を無付形とすることが出来る。（環状谷部は隔板を反転させると環状山部となる）。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明をより詳細に説明するに当り、図１２を説明する。
図１２中の図２０２は、前述の『板とシェルの理論＜下＞』Ｐ３８０に示されている図であり、図２ａに示す同心円状波形を持つダイアフラムを矢視で表わされるところの断面と同等のものであり、１９３１年K.Stangeによる「撓み理論」によって提案されたものある。
本願記述の周辺固定とは斜線で挟持される部位であり、受圧面とは軸を中心とし外周半径ａで成る等分布荷重を受ける面を示す。この周辺固定部と受圧面は外周半径ａ部で周一平面上に連なっているものであり、本願隔板の基本構成である。
K.Stange及びM.D.Herseyに対し畏敬の念を持つと同時に、図１２中の図２０２が示す隔板の初期圧力応動性能を認めつつも、半径方向に働く垂直応力に対応するだけでは不十分とする立場を堅持し、添付の図面に従ってこれを説明する。
【００１６】
本発明のダイアフラムは、受圧面外周半径部と周辺固定部を周一平面上に連ねると共に、負荷変形する領域に、夫々が互いに独立したなだらかな窪み、若しくはなだらかな盛り上りを、ダイアフラム基準面近傍で
均等配置付形し、隣合うなだらかな窪み若しくはなだらかな盛り上りが、それぞれ連なり合う三次元波面とした受圧面の外周半径部及び中央平坦部で三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定部及び中央平坦部に連なる部位の円周方向を無付形としたものであるが、図７は、受圧面全面が負荷変形する隔板にあって、なだらかな窪みａと、なだらかな盛り上りｂを、受圧面外周半径部６方向に漸次径大化させる要領にて均等配置付形し、受圧面上をなだらかな三次元波面とし、図５、ｂで示されているように外周半径部６及び中央平坦部１４の周部４で三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定部８及び中央平坦部１４で周一平面上に連ねたものを示す。
【００１７】
図７中の実線模様は、ダイアフラム基準面近傍でなだらかは窪みａと、なだらかな盛り上りｂの変化する軌跡であり、ｃは前記軌跡で囲繞される部分を示す。
図中１４は、中央無付形を示し、中央部では多少の変形こそあれ軸方向に移動するだけなので、軸中心まで付形しようとも投資と効果の関係で判断される部分であり、どちらを選択しようとも大局には影響のない部分である。
図８は、受圧面全面が負荷変形する隔板にあって、なだらかな盛り上りｂとｂを受圧面外周半径部６方向に漸次径大化させる要領にて均等配置付形し、受圧面上をなだらかな三次元波面とし、外周半径部６及び中央平坦部１４の周部４で三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定部８及び中央平坦部１４で周一平面に連ねたものを示す。他は図７と同じである。
図７、図８は、いずれも既述の課題である。「最大曲げモーメントは周辺における半径方向曲げモーメントは周辺における半径方向曲げモーメントであり、」に対して「外周半径方向に漸次径大化させると共に、三次元波面を外周半径部になだらかに収束し、周辺固定部で周一平面上に連なる」をもって、配慮したものである。
【００１８】
図９は、上記図７、図８における、夫々が互いに独立したなだらかな窪みａとなだらかな盛り上りｂ、若しくはなだらかな盛り上りｂとｂが、ダイアフラム基準面近傍で変化する軌跡で囲繞される部分ｃにおいて、その基周に湾曲ひだを付形し変形量の増大をもって、応力緩和能力の向上を計ったものである。
図中６は外周半径部であり、８は周辺固定部を示し、４は中央平坦部１４の周部である。
【００１９】
図５・図６は、同心円状波形１１を形成した隔板において、環状山部２・環状谷部３に、高さの違うなだらかな盛り上り１２・１２´（１２＞１２´）と深さの違うなだらかな窪み１３・１３´（１３＞１３´）が半径方向について互い違いに繰り返す（１２の隣りは１３´、１３の隣りは１２´の要領）態様に均等分割付設され、この結果、隣接の環状山部２、環状谷部３のダイアフラム基準面での変化する軌跡が互いに食い込み合うものとし、それぞれなだらかに連なり合う三次元波面とした受圧面外周半径部６、及び中央平坦部１４の周部４で三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定部８及び中央平坦周部１４に連なる部位の円周方向を無付形としたものである。
図中の周辺固定部８及び中央平坦部４は適宜なＲを持って受圧面と連なり、応力集中の無きものとすることは無論のこと、同心円状波形ダイアフラムを用いての本発明実施例であり、既述した図２ｃの考えの不都合無き遂行形となる。
【００２０】
図３・図４は、周辺固定部８とセンタープレート固定部７との間に一つの環状谷部５をもつ隔板にあって、当該環状谷部５に深さの違うなだらかな窪み９・１０が均等分割付設され、深さの違うなだらかな窪み９・１０が円周方向になだらかに連なり合う三次元波面の環状谷部５´とし、受圧面外周半径部６及びセンタープレート固定端部４´で、環状の三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定部８及びセンタープレート固定部７に連なる部位の円周方向を無付形としたものである。
図中の周辺固定部８とセンタープレート固定部７は適宜なＲを持って環状の受圧面と連なり、応力集中の無きものとすることは無論のこと、環状溝５´の円周方向についても応力緩和能力を発揮し得る本発明実施例であり、既述した図２ｃの考えの不都合無き遂行形となる。
【００２１】
以上本実施例について詳述してきたが、本発明はこの特定の実施例に限定されるものでもなく、本発明の精神を逸脱しない、いろいろな変化をなし得ることはもちろんであり、ダイアフラムの形にとらわれるべきものでもない。
【００２２】
従来技術と本発明との対比試験を以下の如く行った。
図１４ａ〜ｃは、基本形としての平板状のもの、従来の同心円状波形のもの、本発明の三次元波面のものの寸法図であり、受圧面板厚は皆０．６ｍｍで同一である。
材質は、あえて不適切なＰＣ／ＡＢＳ樹脂を採用した。この材質はダイアフラム用樹脂ではない。何故ならば、本件はダイアフラム受圧面になだらかな三次元波面を付勢することで、形状的変形、しかも三次元変形を可能にすることで、「負荷に伴う応力を効果的に緩和できるダイアフラム」を創造することにある。なお、この受圧面に付勢した三次元波面に、形状が故の応力集中の箇所があってはならない。
このような意味で、強く、しかも柔らかい芯のないＡＢＳに流動性があり、しかも芯がある（少し硬い）ＰＣが配合されている樹脂を使うことで、初期目的とする形状的欠点を捜し出すことができる・・・という意味があるので、ダイアフラムには不適であるという指摘こそが本件にあっては意味を持たないものである。
【００２３】
これ等の試料ａ、ｂ、ｃの圧力−撓み関係を図１５に示す。
結果は、ａについては弾性のみに頼る故の圧力に比例するも撓みに限界を呈すること、ｂについては、応力対応不全で比例し得ずに撓みも頭打ちになることが如実に示された。
これに比し、ｃについては、比例関係を持続しながらの撓みの増大を継続する様子が確認された。
【００２４】
更に、叙上の結果を各ダイアフラムごとに詳しく解説する。
ａ）平板のダイアフラムは、受圧面に何等の工夫・工作がなされていないので、受圧面は負荷と共に半径方向、円周方向には引っ張り力が働き、変位と共に板厚は減少していく。当然のことながら、変位・耐圧共に、この三種のダイアフラムにあっては、一番低いものであり、平板のダイアフラムが表現するものがグラフＡである。
ｂ）同心円状波形ダイアフラムは、半径方向には応力緩和の工作・工夫はされてものの、円周方向には何等の工夫・工作はされていない。
一方しか緩和能力を持たないが故に、負荷が掛かりしばらくは比例の関係を維持するものの、ついには緩和能力を持たない円周方向で変位・変形にブレーキを掛けてしまい、負荷増大と共にこのブレーキは増大する。耐圧力はあるが、変位量は想像するよりもはるかに少ないものであり、同心円状の波形ダイアフラムが表現するものがグラフＢである。
ｃ）本発明のダイアフラムは、半径方向に働く垂直応力（σr）、円周方向に働く垂直応力（σθ）板厚方向に沿った剪断応力（σrz）の総てに応力緩和の工作・工夫がされている。
初期負荷からある程度の負荷までは、半径方向と円周方向の応力緩和能力が発揮され、比例の関係をもって変位していくが、その能力は全ったく等しいと云うことでは無く、負荷が高まり変位が進んで行くと、ついにはどちらか一方の応力緩和能力は使い切られてしまう。この状態になるともはや波形状の変形よりは、引っ張り変形へと処理形態が移行してゆき、ブレーキはどんどんと強くなり、グラフはもはや比例の関係を示さなくなるものの、形状的工夫による応力集中が無い間は、耐圧力を発揮するもののついには破壊へと至るものであり、本発明のダイアフラムが表現するものがグラフＣである。
【００２５】
ここで大事なことは、「波状の結果として、変形は主に曲げからなっており」であり「最大曲げモーメントは周辺における半径方向曲げモーメントであり、」とする二点であり、受圧面の負荷変形する領域をなだらかな三次元波面とし、外周半径部でこの三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定部に周一平面上で連ねることにより、半径方向と円周方向にある波状変形が可能となると共に、周辺固定端半径方向にある最大曲げモーメントに対しても、理想的に対応出来る。
すなわち、受圧面上の各所で三次元変形をもって変位可能にすることが、副次的に板厚方向に沿った剪断応力を最小に押え、結果として高変位・高耐圧・高耐久力を可能とする。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように、本発明にかかるダイアフラムは、負荷に伴う応力を素材の弾性にのみよることなく、主に曲げからなる圧力に比例して増す変形でもって効果的に緩和し得るとしたので、撓み代を確保するために受圧面の半径方向と円周方向になだらかな波形を施した圧力センサー素子、ダイアフラムポンプ、開閉器、調整器、圧力伝送器等の分野は無論のこと。
本発明にかかる隔板はゴム、樹脂、金属等の弾性材から成るものであり、材質に拘ることなく、大きな変位と高い耐圧力を発揮することで、精度を高め長寿命を実現し、高温・高圧・耐蝕……と、いまだ到達し得ていない次元を目指すことで、未踏分野の産業機器出現に技術貢献の出来ることを願うものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１ａ〜ｃは、ダイアフラム受圧面に働く応力の方向についての解説図である。
【図２】
図２ａ〜ｃは、図１ａ〜ｃに示される応力の緩和手段を施す概念図である。
【図３】
図３ａ，ｂは、本発明の一実施形態のダイアフラムの平面図、ａ図中Ａ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線断面合成図である。
【図４】
図４ａ，ｂは図３ａ，ｂに対応して本発明のダイアフラムを示す俯瞰図である。
【図５】
図５ａ，ｂは、本発明の一実施形態のダイアフラムの平面図、ａ図中Ａ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線断面合成図である。
【図６】
図６ａ，ｂは、図５ａ，ｂに対応して本発明のダイアフラム俯瞰図である。
【図７】
図７は、本発明の一実施形態のダイアフラムの平面図である。
【図８】
図８は、本発明の一実施形態のダイアフラムの平面図である。
【図９】
図９は、本発明の一実施形態のダイアフラムの平面図である。
【図１０】
図１０は、図７，８の異なる実施態様説明図である。
【図１１】
図１１は、『現代材料力学』Ｐ２０３，１０.４  円板の軸対称曲げの項の説明図である。
【図１２】
図１２は、『板とシェルの理論＜下＞』Ｐ３８０の図２０２の図面である。
【図１３】
図１３は、『非線形連続体の有限要素法２』のＰ１３５の図面である。
【図１４】
図１４ａ〜ｃは、本発明手当てと従来手段との対比試験用試料の寸法図で、ａは、平板状ダイアフラム、ｂは、従来の同心円状波形ダイアフラム、ｃは、本発明要領を施したダイアフラムを夫々示す。
【図１５】
図１５は、図１４ａ〜ｃに示した試料の圧力と撓み量の関係グラフである。
【手続補正書】
【提出日】平成17年5月18日(2005.5.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】手続補正書
【補正対象項目名】手続補正１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】  明細書
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧力センサー素子、ダイアフラムポンプ、開閉器、調整器、圧力伝送器等の分野は無論のことであり、高温・高圧で使用される新たな分野へも対応でき、復元力を有しつつも撓み変形量を大きく確保すると共に、長寿命を実現することのできるゴム、樹脂、金属、等の弾性材からなる負荷に伴う応力を素材の弾性のみによることなく、主に曲げからなる圧力に比例して変形するなだらかな三次元波面のなす断面波形をもって負荷に伴う応力を効果的に緩和し得るダイアフラムに関する。
【０００２】
ダイアフラムは、当初、平板状の隔板を用い、この隔板の周辺を密閉して取り付けることによって、隔板の両面に作用する圧力の差による隔板の弾性変形を利用して撓むとしたものであった。
すなわち、周辺拘束のダイアフラムは、その両面に働く圧力差によって受圧面が撓むものであり、その撓みでもって圧力の検出を行い、圧力の制御、圧力による操作等の圧力に係る機器に多用される。
つまり、このダイアフラムは差圧と変位との比例関係を応用して、例えば圧力を測定したり、弁の開度を操作するために利用されている。
この撓み変形量を大きく確保するためには、所定の弾性変形が期し得るようにダイアフラム自体の肉厚を薄くするか、その径を大きくしないといけない。しかし、このように肉厚を薄くすれば、耐圧性能の低下を招く。また径を大きくすれば、装置そのものの大型化を招いてしまう。
しかして、ダイアフラムの耐圧を高めようとするとどうしても高剛性にならざるを得ず、変位が犠牲になり、他方、変位を大きくしようとすると剛性を低くする必要があるが、耐圧の面から剛性を低くすることが困難で、低剛性で良いにもかかわらず高剛性とならざるを得ないというように、耐圧との関係で剛性が相反し高変位・低剛性のダイアフラム機能の実現を妨げていた。
このように隔板の弾性変形能にのみ頼る対応では限界があるので、従来より隔板受圧面上に同心円状の種々な波形を付して撓み量の向上を図るとした提案（特開昭５４-１６０９４９号、特開昭５９−２００８６７号、特開平９−２８６６５９号）が数多くなされている。
【０００３】
「同心円状の波形」が好適であるとする根拠は、『THEORY OF PLATES AND SHELLS』1959 SECOND EDITIONのＰ４０４及び『板とシェルの理論＜下＞』１９７３年７月２７日第１版発行のＰ３８０に図２０２（本願図１２）として、外周半径ａなる断面波形のダイアフラムが提示されてあり、２論文を引用した文として「種々の測定機器でしばしば要求されるように、圧力に比例する撓みを得るために、図２０２に示されたような波形膜３を採用しなければならぬ。波状の結果として、変形は主に曲げからなっており、そこで変形は圧力に比例して増す。４」としていた業界の認識によったものと解される。
【０００４】
その一方で、他の文献『現代材料力学』１９８６年８月２０日初版第１刷のＰ２０３, １０.４  円板の軸対称曲げ  には、「したがって、変形の対称性よりτrθ＝τzθ＝０および１０.１節の仮定（iii）よりσz＝０であるから、円板内の微小要素ａｂｃｄに作用する応力はσr, σθ, τrzの３個である。」と記されていると共に、Ｐ２０４の図１０.６に図示されている（本願の図１１）。
【０００５】
さらに、Ｐ２０８  （ii）周辺固定の円板の場合には、「最大曲げモーメントは周辺における半径方向曲げモーメントであり、」との記述と共に、曲げモーメントの式Ｍｒ，Ｍθにより、半径方向に働く垂直応力を１としたときに円周方向に働く垂直応力が幾つになるかを計算すると、軸中心では１：１であり外周半径ａでは１：νとなり、円周方向に働く垂直応力は軸中心から外周半径ａに向け漸減する。すなわち外周半径ａ部での円周方向に働く垂直応力はポワソン比分しかないということであり、他方『非線形連続体の有限要素法２』昭和５５年１月２０日初版発行  Ｐ１３５  図１８.３７  種々の圧力値に対する円板の有限要素モデルの変形形状  （本願の図１３）では、負荷増大に伴い半径が伸長し、任意半径ｒでの周長が増えると共に板厚の減少するさまが示されている。つまり、周辺を固定され等分布荷重を受ける隔板においては、半径方向に働く垂直応力σr・円周方向に働く垂直応力σθ・板厚方向に沿った剪断応力σrzの三応力が厳然と存するのだという原理原則があり、この三応力に対応する際に遵守すべきこととして、外周半径ａ部円周方向には何等形状的工夫をしてはならないとの事実が解明されていた。
【０００６】
ここに、隔板受圧面上に同心円状の種々な波形を付して、撓み量の向上を図るとした提案がいかに不十分なものであるかを図１，２をもって説明する。
図１ａは、既述した図１１で紹介の「半径方向に働く垂直応力σr」を示しているものであり、この半径方向に対する応力緩和の手段として図２ａで示す如くに、同心円状に波形を付した従来技術であり、波形を変えようが、ピッチを変えようが半径方向に働く垂直応力の緩和手段でしかなく、図１ｂで示す「円周方向に働く垂直応力σθ」に対する応力緩和手段がとられていないということであり、従来技術では根元的解決には不十分なのである。
【０００７】
一方、「円周方向に働く垂直応力」の存在に気付いたJohn R.Zavodaにより、アメリカ合衆国特許番号No.4,375,182号とカナダ国特許No.1,157,289号によって、図２ａと図２ｂを合成させた図２ｃの如きの提案がなされている。
一見合理的に見えるものの、その内容を精査すると致命的欠陥を内包していることに気付く。この発想根拠は図１３に示す如きのものであり、「ダイアフラムの膨らんだ位置の表面は、静止状態の表面より大きいことは明白である。ダイアフラムの表面のこの拡大は、円周方向にダイアフラムの組織を引き伸ばす」とあり、「放射状ウェーブに相当する分だけ、受圧面すなわち受圧感度は増す。」とあるが、この様な理論は無く思い込みと錯覚により、図２ｂで示すような外周半径ａ部で最大波高となる放射状波形を付勢した結果、「ダイアフラム周辺は、段差を介してリング状フランジ部を形成する。」とした、断面「鍔付き梯形」とせざるを得ないダイアフラム形状となると共に、図２ｂで示す波形すなわち「放射状リブ付形」が補剛リブとなって、既述の「最大曲げモーメントは周辺における半径方向曲げモーメントであり、」とする指摘を黙殺することになり、従来技術の性能にも及ばない提案となっている。
又、「２３：放射状ウェーブによるダイアフラム周辺部のリップ部」という突出部を外周半径ａ部に等分配設することで、応力集中と製造不可能と思えるが如きの不都合を招来しているのである。
【従来の技術】
【特許文献１】特開昭５４−１６０９４９号公報
【特許文献２】特開昭５９−２００８６７号公報
【特許文献３】特開平９−２８６６５９号公報
【非特許文献１】『THEORY OF PLATES AND SHELLS』1959
SECOND EDITIONのＰ４０４
【非特許文献２】『板とシェルの理論＜下＞』１９７３年７月２７日第１版発行のＰ３８０の図２０２
【非特許文献３】『現代材料力学』１９８６年８月２０日初版第１刷のＰ２０３，Ｐ２０４，Ｐ２０８
【非特許文献４】『非線形連続体の有限要素法２』昭和５５年１月２０日初版発行  Ｐ１３５  図１８.３７  種々の圧力値に対する円板の有限要素モデルの変形形状
【特許文献４】アメリカ合衆国特許番号No.4,375,182号公報
【特許文献５】カナダ国特許No.1,157,289号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は叙上の知得に基づき、図１１に示されるところの負荷に伴う半径方向に働く垂直応力σr、円周方向に働く垂直応力σθ、板厚方向に沿った剪断応力σrzの三応力を効果的に緩和すると共に、前記「最大曲げモーメントは周辺における半径方向曲げモーメントである」とする条件に支障なく対応し得ると共に、「変形は主に曲げからなっており、そこで変形は圧力に比例して増す。４」とする。負荷と変位との比例関係の持続性に優れる高変位・低剛性かつ高耐圧力・高耐久性を兼備える。本来こうあるべきと思える理想のダイアフラムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のダイアフラムは、受圧面外周半径ａ部（以後外周半径部という）と周辺固定部を周一平面上に連ねると共に、負荷変形する領域に、夫々が互いに独立したなだらかな窪み、若しくはなだらかな盛り上りを、ダイアフラム基準面近傍で均等配置付形し、隣合うなだらかな窪み若しくはなだらかな盛り上りが、それぞれに連なり合う三次元波面とした受圧面の外周半径部及び中央平坦部で三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定端及び中央平坦部に連なる部位の円周方向を無付形としたものである。
応力場にある総ての応力に対応し得る自立性と独立性を持つ、互いに独立したなだらかな窪み若しくはなだらかな盛り上りが、半径方向に働く垂直応力と円周方向に働く垂直応力に対する緩和機能を発揮し、なだらかな波形の変形により、板厚方向に沿った剪断応力をも緩和することになる。
なだらかな波形は「変形は主に曲げからなっており、そこで変形は圧力に比例して増す。４」とする条件を満すと共に、受圧面の外周半径部を円周方向に無付形とし、周辺固定部と周一平面上に連ねることにより「最大曲げモーメントは周辺における半径方向曲げモーメントであり、」とする指摘に対しても十分対応出来、三次元波面をなだらかに収束し中央平坦部に連ねることで、応力集中を起こすことの無い。本提案の目的を実現するための技術的要求を実現することが可能である。
【００１０】
本発明では、受圧面全面が負荷変形する隔板にあって、夫々が互いに独立したなだらかな窪みとなだらかな盛り上りが、受圧面外周半径部に向け漸次径大化させる要領にて、ダイアフラム基準面近傍で均等配置付形し、隣合うなだらかな窪みとなだらかな盛り上りが、それぞれになだらかに連なり合う三次元波面とした受圧面の外周半径部で三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定部に連なる部位の円周方向を無付形とすることが出来る。
【００１１】
本発明では、受圧面全面が負荷変形する隔板にあって、夫々が互いに独立したなだらかな盛り上りとなだらかな盛り上りが、受圧面外周半径部に向け漸次径大化させる要領にて、ダイアフラム基準面近傍で均等配置付形し、隣合うなだらかな盛り上りとなだらかな盛り上りが、それぞれになだらかに連なり合う三次元波面とした受圧面の外周半径部で三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定部に連なる部位の円周方向を無付形とすることが出来る（なだらかな盛り上りは隔板を反転させるとなだらかな窪みとなる）。
【００１２】
本発明では、夫々が互いに独立したなだらかな窪みとなだらかな盛り上り、若しくはなだらかな盛り上りとなだらかな盛り上りを、受圧面外周半径部に向け漸次径大化させる要領にて均等配置付形した隔板にあって、ダイアフラム基準面近傍で変化する軌跡で囲繞される部分において、その基周に湾曲ひだを付形しつつも、隣合うなだらかなひだ付き窪みとなだらかなひだ付き盛り上り、若しくは隣合うなだらかなひだ付き盛り上りとなだらかなひだ付き盛り上りが、それぞれになだらかに連なり合う三次元波面とした受圧面の外周半径部で三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定部に連なる部位の円周方向を無付形とすることが出来る。
【００１３】
本発明では、同心円状に波形を形成した隔板にあって、環状山部・環状谷部に違形山部・違形谷部が均等分割付設され、高さの違うなだらかな盛り上りと深さの違うなだらかな窪みが、円周方向にそれぞれなだらかに連なり合うと共に、なだらかな盛り上りとなだらかな窪みがダイアフラム基準面近傍で変化する軌跡が等分咬合し、それぞれになだらかに連なり合う三次元波面とした受圧面の外周半径部で三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定部に連なる部位の円周方向を無付形とすることが出来る。
【００１４】
本発明では、受圧面内にセンタープレート固定部を有する隔板にあって、周辺固定部とセンタープレート固定部との間に一つの環状谷部を設け、当該環状谷部に違形谷部が均等分割付設され、深さの違うなだらかな窪みが、円周方向になだらかに連なり合う三次元波面の環状谷部とし、受圧面の外周半径部、及びセンタープレート固定端部の相方に三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定部及びセンタープレート固定部に連なる相方の部位の円周方向を無付形とすることが出来る。（環状谷部は隔板を反転させると環状山部となる）。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明をより詳細に説明するに当り、図１２を説明する。
図１２中の図２０２は、前述の『板とシェルの理論＜下＞』Ｐ３８０に示されている図であり、図２ａに示す同心円状波形を持つダイアフラムを矢視で表わされるところの断面と同等のものであり、１９３１年K.Stangeによる「撓み理論」によって提案されたものある。
本願記述の周辺固定とは斜線で挟持される部位であり、受圧面とは軸を中心とし外周半径ａで成る等分布荷重を受ける面を示す。この周辺固定部と受圧面は外周半径ａ部で周一平面上に連なっているものであり、本願隔板の基本構成である。
K.Stange及びM.D.Herseyに対し畏敬の念を持つと同時に、図１２中の図２０２が示す隔板の初期圧力応動性能を認めつつも、半径方向に働く垂直応力に対応するだけでは不十分とする立場を堅持し、添付の図面に従ってこれを説明する。
【００１６】
本発明のダイアフラムは、受圧面外周半径部と周辺固定部を周一平面上に連ねると共に、負荷変形する領域に、夫々が互いに独立したなだらかな窪み、若しくはなだらかな盛り上りを、ダイアフラム基準面近傍で
均等配置付形し、隣合うなだらかな窪み若しくはなだらかな盛り上りが、それぞれ連なり合う三次元波面とした受圧面の外周半径部及び中央平坦部で三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定部及び中央平坦部に連なる部位の円周方向を無付形としたものであるが、図７は、受圧面全面が負荷変形する隔板にあって、なだらかな窪みａと、なだらかな盛り上りｂを、受圧面外周半径部６方向に漸次径大化させる要領にて均等配置付形し、受圧面上をなだらかな三次元波面とし、図５、ｂで示されているように外周半径部６及び中央平坦部１４の周部４で三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定部８及び中央平坦部１４で周一平面上に連ねたものを示す。
【００１７】
図７中の実線模様は、ダイアフラム基準面近傍でなだらかは窪みａと、なだらかな盛り上りｂの変化する軌跡であり、ｃは前記軌跡で囲繞される部分を示す。
図中１４は、中央無付形を示し、中央部では多少の変形こそあれ軸方向に移動するだけなので、軸中心まで付形しようとも投資と効果の関係で判断される部分であり、どちらを選択しようとも大局には影響のない部分である。
図８は、受圧面全面が負荷変形する隔板にあって、なだらかな盛り上りｂとｂを受圧面外周半径部６方向に漸次径大化させる要領にて均等配置付形し、受圧面上をなだらかな三次元波面とし、外周半径部６及び中央平坦部１４の周部４で三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定部８及び中央平坦部１４で周一平面に連ねたものを示す。他は図７と同じである。
図７、図８は、いずれも既述の課題である。「最大曲げモーメントは周辺における半径方向曲げモーメントは周辺における半径方向曲げモーメントであり、」に対して「外周半径方向に漸次径大化させると共に、三次元波面を外周半径部になだらかに収束し、周辺固定部で周一平面上に連なる」をもって、配慮したものである。
【００１８】
図９は、上記図７、図８における、夫々が互いに独立したなだらかな窪みａとなだらかな盛り上りｂ、若しくはなだらかな盛り上りｂとｂが、ダイアフラム基準面近傍で変化する軌跡で囲繞される部分ｃにおいて、その基周に湾曲ひだを付形し変形量の増大をもって、応力緩和能力の向上を計ったものである。
図中６は外周半径部であり、８は周辺固定部を示し、４は中央平坦部１４の周部である。
【００１９】
図５・図６は、同心円状波形１１を形成した隔板において、環状山部２・環状谷部３に、高さの違うなだらかな盛り上り１２・１２´（１２＞１２´）と深さの違うなだらかな窪み１３・１３´（１３＞１３´）が半径方向について互い違いに繰り返す（１２の隣りは１３´、１３の隣りは１２´の要領）態様に均等分割付設され、この結果、隣接の環状山部２、環状谷部３のダイアフラム基準面での変化する軌跡が互いに食い込み合うものとし、それぞれなだらかに連なり合う三次元波面とした受圧面外周半径部６、及び中央平坦部１４の周部４で三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定部８及び中央平坦周部１４に連なる部位の円周方向を無付形としたものである。
図中の周辺固定部８及び中央平坦部４は適宜なＲを持って受圧面と連なり、応力集中の無きものとすることは無論のこと、同心円状波形ダイアフラムを用いての本発明実施例であり、既述した図２ｃの考えの不都合無き遂行形となる。
【００２０】
図３・図４は、周辺固定部８とセンタープレート固定部７との間に一つの環状谷部５をもつ隔板にあって、当該環状谷部５に深さの違うなだらかな窪み９・１０が均等分割付設され、深さの違うなだらかな窪み９・１０が円周方向になだらかに連なり合う三次元波面の環状谷部５´とし、受圧面外周半径部６及びセンタープレート固定端部４´で、環状の三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定部８及びセンタープレート固定部７に連なる部位の円周方向を無付形としたものである。
図中の周辺固定部８とセンタープレート固定部７は適宜なＲを持って環状の受圧面と連なり、応力集中の無きものとすることは無論のこと、環状溝５´の円周方向についても応力緩和能力を発揮し得る本発明実施例であり、既述した図２ｃの考えの不都合無き遂行形となる。
【００２１】
以上本実施例について詳述してきたが、本発明はこの特定の実施例に限定されるものでもなく、本発明の精神を逸脱しない、いろいろな変化をなし得ることはもちろんであり、ダイアフラムの形にとらわれるべきものでもない。
【００２２】
従来技術と本発明との対比試験を以下の如く行った。
図１４ａ〜ｃは、基本形としての平板状のもの、従来の同心円状波形のもの、本発明の三次元波面のものの寸法図であり、受圧面板厚は皆０．６ｍｍで同一である。
材質は、あえて不適切なＰＣ／ＡＢＳ樹脂を採用した。この材質はダイアフラム用樹脂ではない。何故ならば、本件はダイアフラム受圧面になだらかな三次元波面を付勢することで、形状的変形、しかも三次元変形を可能にすることで、「負荷に伴う応力を効果的に緩和できるダイアフラム」を創造することにある。なお、この受圧面に付勢した三次元波面に、形状が故の応力集中の箇所があってはならない。
このような意味で、強く、しかも柔らかい芯のないＡＢＳに流動性があり、しかも芯がある（少し硬い）ＰＣが配合されている樹脂を使うことで、初期目的とする形状的欠点を捜し出すことができる・・・という意味があるので、ダイアフラムには不適であるという指摘こそが本件にあっては意味を持たないものである。
【００２３】
これ等の試料ａ、ｂ、ｃの圧力−撓み関係を図１５に示す。
結果は、ａについては弾性のみに頼る故の圧力に比例するも撓みに限界を呈すること、ｂについては、応力対応不全で比例し得ずに撓みも頭打ちになることが如実に示された。
これに比し、ｃについては、比例関係を持続しながらの撓みの増大を継続する様子が確認された。
【００２４】
更に、叙上の結果を各ダイアフラムごとに詳しく解説する。
ａ）平板のダイアフラムは、受圧面に何等の工夫・工作がなされていないので、受圧面は負荷と共に半径方向、円周方向には引っ張り力が働き、変位と共に板厚は減少していく。当然のことながら、変位・耐圧共に、この三種のダイアフラムにあっては、一番低いものであり、平板のダイアフラムが表現するものがグラフＡである。
ｂ）同心円状波形ダイアフラムは、半径方向には応力緩和の工作・工夫はされてものの、円周方向には何等の工夫・工作はされていない。
一方しか緩和能力を持たないが故に、負荷が掛かりしばらくは比例の関係を維持するものの、ついには緩和能力を持たない円周方向で変位・変形にブレーキを掛けてしまい、負荷増大と共にこのブレーキは増大する。耐圧力はあるが、変位量は想像するよりもはるかに少ないものであり、同心円状の波形ダイアフラムが表現するものがグラフＢである。
ｃ）本発明のダイアフラムは、半径方向に働く垂直応力（σr）、円周方向に働く垂直応力（σθ）板厚方向に沿った剪断応力（σrz）の総てに応力緩和の工作・工夫がされている。
初期負荷からある程度の負荷までは、半径方向と円周方向の応力緩和能力が発揮され、比例の関係をもって変位していくが、その能力は全ったく等しいと云うことでは無く、負荷が高まり変位が進んで行くと、ついにはどちらか一方の応力緩和能力は使い切られてしまう。この状態になるともはや波形状の変形よりは、引っ張り変形へと処理形態が移行してゆき、ブレーキはどんどんと強くなり、グラフはもはや比例の関係を示さなくなるものの、形状的工夫による応力集中が無い間は、耐圧力を発揮するもののついには破壊へと至るものであり、本発明のダイアフラムが表現するものがグラフＣである。
【００２５】
ここで大事なことは、「波状の結果として、変形は主に曲げからなっており」であり「最大曲げモーメントは周辺における半径方向曲げモーメントであり、」とする二点であり、受圧面の負荷変形する領域をなだらかな三次元波面とし、外周半径部でこの三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定部に周一平面上で連ねることにより、半径方向と円周方向にある波状変形が可能となると共に、周辺固定端半径方向にある最大曲げモーメントに対しても、理想的に対応出来る。
すなわち、受圧面上の各所で三次元変形をもって変位可能にすることが、副次的に板厚方向に沿った剪断応力を最小に押え、結果として高変位・高耐圧・高耐久力を可能とする。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように、本発明にかかるダイアフラムは、負荷に伴う応力を素材の弾性にのみよることなく、主に曲げからなる圧力に比例して増す変形でもって効果的に緩和し得るとしたので、撓み代を確保するために受圧面の半径方向と円周方向になだらかな波形を施した圧力センサー素子、ダイアフラムポンプ、開閉器、調整器、圧力伝送器等の分野は無論のこと。
本発明にかかる隔板はゴム、樹脂、金属等の弾性材から成るものであり、材質に拘ることなく、大きな変位と高い耐圧力を発揮することで、精度を高め長寿命を実現し、高温・高圧・耐蝕……と、いまだ到達し得ていない次元を目指すことで、未踏分野の産業機器出現に技術貢献の出来ることを願うものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１ａ〜ｃは、ダイアフラム受圧面に働く応力の方向についての解説図である。
【図２】
図２ａ〜ｃは、図１ａ〜ｃに示される応力の緩和手段を施す概念図である。
【図３】
図３ａ，ｂは、本発明の一実施形態のダイアフラムの平面図、ａ図中Ａ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線断面合成図である。
【図４】
図４ａ，ｂは図３ａ，ｂに対応して本発明のダイアフラムを示す俯瞰図である。
【図５】
図５ａ，ｂは、本発明の一実施形態のダイアフラムの平面図、ａ図中Ａ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線断面合成図である。
【図６】
図６ａ，ｂは、図５ａ，ｂに対応して本発明のダイアフラム俯瞰図である。
【図７】
図７は、本発明の一実施形態のダイアフラムの平面図である。
【図８】
図８は、本発明の一実施形態のダイアフラムの平面図である。
【図９】
図９は、本発明の一実施形態のダイアフラムの平面図である。
【図１０】
図１０は、図７，８の異なる実施態様説明図である。
【図１１】
図１１は、『現代材料力学』Ｐ２０３，１０.４  円板の軸対称曲げの項の説明図である。
【図１２】
図１２は、『板とシェルの理論＜下＞』Ｐ３８０の図２０２の図面である。
【図１３】
図１３は、『非線形連続体の有限要素法２』のＰ１３５の図面である。
【図１４】
図１４ａ〜ｃは、本発明手当てと従来手段との対比試験用試料の寸法図で、ａは、平板状ダイアフラム、ｂは、従来の同心円状波形ダイアフラム、ｃは、本発明要領を施したダイアフラムを夫々示す。
【図１５】
図１５は、図１４ａ〜ｃに示した試料の圧力と撓み量の関係グラフである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】手続補正書
【補正対象項目名】手続補正２
【補正方法】追加
【補正の内容】
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周一平面上に、受圧面外周半径ａ部と周辺固定部とが存する隔板にあって、負荷変形する領域に、夫々が互いに独立したなだらかな窪み、若しくはなだらかな盛り上りを、ダイアフラム基準面近傍で均等配置付形し、隣合うなだらかな窪み若しくはなだらかな盛り上りが、それぞれになだらかに連なり合う三次元波面とした受圧面の外周半径ａ部で三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定部に連なる部位の円周方向を無付形とした、負荷に伴う応力を効果的に緩和するダイアフラム。
【請求項２】
受圧面全面が負荷変形する隔板にあって、夫々が互いに独立したなだらかな窪みとなだらかな盛り上りが、受圧面外周半径ａ部に向け漸次径大化させる要領にて、ダイアフラム基準面近傍で均等配置付形し、隣合うなだらかな窪みとなだらかな盛り上りが、それぞれになだらかに連なり合う三次元波面とした受圧面の外周半径ａ部で三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定部に連なる部位の円周方向を無付形とした、請求項１記載のダイアフラム。
【請求項３】
受圧面全面が負荷変形する隔板にあって、夫々が互いに独立したなだらかな盛り上りとなだらかな盛り上りが、受圧面外周半径ａ部に向け漸次径大化させる要領にて、ダイアフラム基準面近傍で均等配置付形し、隣合うなだらかな盛り上りとなだらかな盛り上りが、それぞれになだらかに連なり合う三次元波面とした受圧面の外周半径ａ部で三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定部に連なる部位の円周方向を無付形とした、請求項１記載のダイアフラム。
【請求項４】
夫々が互いに独立したなだらかな窪みとなだらかな盛り上り、若しくはなだらかな盛り上りとなだらかな盛り上りを、受圧面外周半径ａ部に向け漸次径大化させる要領にて均等配置付形した隔板にあって、ダイアフラム基準面近傍で変化する軌跡で囲繞される部分において、その基周に湾曲ひだを付形しつつも、隣合うなだらかなひだ付き窪みとなだらかなひだ付き盛り上り、若しくは隣合うなだらかなひだ付き盛り上りとなだらかなひだ付き盛り上りが、それぞれになだらかに連なり合う三次元波面とした受圧面の外周半径ａ部で三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定部に連なる部位の円周方向を無付形とした、請求項１、２、３記載のダイアフラム。
【請求項５】
同心円状に波形を形成した隔板にあって、環状山部・環状谷部に違形山部・違形谷部が均等分割付設され、高さの違うなだらかな盛り上りと深さの違うなだらかな窪みが、半径方向について、より高い盛り上りの隣りはより浅い窪み、より深い窪みの隣りはより低い盛り上りの要領に互い違いに繰り返す態様に均等分割付設し、この結果、隣接の環状山部、環状谷部のダイアフラム基準面での変化する軌跡が互いに喰い込み合うものとし、それぞれになだらかに連なり合う三次元波面とした受圧面の外周半径ａ部で三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定部に連なる部位の円周方向を無付形とした、請求項１記載のダイアフラム。
【請求項６】
受圧面内にセンタープレート固定部を有する隔板にあって、周辺固定部とセンタープレート固定部との間に一つの環状谷部を設け、当該環状谷部に違形谷部が均等分割付設され、深さの違うなだらかな窪みが、円周方向になだらかに連なり合う三次元波面の環状谷部とし、受圧面の外周半径ａ部、及びセンタープレート固定部の双方に三次元波面をなだらかに収束し、周辺固定部及びセンタープレート固定部に連なる相方の部位の円周方向を無付形とした、請求項１記載のダイアフラム。
【国際調査報告】
2004003407.tif 000018
2004003407.tif 000019