(57)【要約】【課題】大きな容積変化率を実現できるダイアフラムを提供する。【解決手段】円板状のダイアフラムであって、２つの同心円で外側から外周領域、中間領域、内周領域の３つの領域に区分した場合に、外周領域に１個以上の凸形状の波をすべて同じ向きで形成し、中間領域に１個以上の凸形状の波を前記外周領域の波と逆向きで形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円板状のダイアフラムであって、
２つの同心円で外側から外周領域、中間領域、内周領域の３つの領域に区分し、外周領域に１個以上の凸形状の波をすべて同じ向きで形成し、中間領域に１個以上の凸形状の波を前記外周領域の波と逆向きで形成したことを特徴とするダイアフラム。
【請求項２】
圧力が加わった際に、前記外周領域の波と前記内周領域の波により、断面が略台形状に変化することを特徴とする請求項１に記載のダイアフラム。
【請求項３】
前記内周領域は平面状あるいは円蓋状であることを特徴とする請求項１または２に記載のダイアフラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はダイアフラムの形状に関し、特に、圧力が加わった際に大きな容積変化率を得るための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧力計、差圧計、リモートシール、空気式機器等の機器で円板状の薄板であるダイアフラムが用いられている。図１２は、従来のダイアフラム３００の一例を示しており、図１２（ａ）は、上面図を示し、図１２（ｂ）は、Ａ−Ａ断面図を示している。
【０００３】
本例のダイアフラム３００では、外周付近に外周に沿った凸形状の波３０１が１つ形成されているが、ダイアフラムは、その用途等に応じて種々の形状が提案され、実用化されている。例えば、図１３（ａ）に示した例では、波を形成せずに平らな形状となっており、図１３（ｂ）に示した例では、同心円状に複数の波が形成されている。また、図１３（ｃ）に示した例では、中心が盛り上がった形状となっており、図１３（ｄ）に示した例では、階段状に盛り上がった形状となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平３−２２５２３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ダイアフラムを圧力計等に使用した場合は、加えられた圧力によりダイアフラムが変形することになるが、その特性を示す指標として容積変化率がある。容積変化率は、ダイアフラムに圧力が加わった際のダイアフラムの排除容積を圧力で割った値である。ここで、排除容積は、図１４（ａ）、図１４（ｂ）に示すように、元の形状が圧力によって変化した場合に、ダイアフラムが移動した空間の体積である。
【０００６】
容積変化率が大きい程、柔らかいダイアフラムとなり、計器の中の封入液の圧力温度等による膨張収縮に起因する計測誤差を小さくすることができる。
【０００７】
容積変化率を大きくするためには、ダイアフラムの有効半径を拡大したり、薄板化することが考えられるが、有効半径の拡大は実装上の制約が大きく、また薄板化することは耐久性の点で不利になる。このため従来の有効半径と板厚のままでも大きな容積変化率を実現できる新たなダイアフラムの形状の開発が望まれている。
【０００８】
そこで、本発明は、大きな容積変化率を実現できるダイアフラム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】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明のダイアフラムは、円板状のダイアフラムであって、２つの同心円で外側から外周領域、中間領域、内周領域の３つの領域に区分し、外周領域に１個以上の凸形状の波をすべて同じ向きで形成し、中間領域に１個以上の凸形状の波を前記外周領域の波と逆向きで形成したことを特徴とする。
このダイアフラムは、圧力が加わった際に、前記外周領域の波と前記内周領域の波により、断面が略台形状に変化することができる。
前記内周領域は平面状あるいは円蓋状とすることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、大きな容積変化率を実現できるダイアフラムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態に係るダイアフラムの基本的な形状を説明する図である。
【図２】下面側から圧力が加わった場合のダイアフラムの形状を説明する図である。
【図３】従来のダイアフラムの形状の変化を説明する図である。
【図４】断面図と排除容積とを説明する図である。
【図５】Ｌ１の長さを変化させたときの排除容積の変化を示す図である。
【図６】加える圧力を変化させたときの排除容積の変化を示す図である。
【図７】外側の波と内側の波の変形について説明する図である。
【図８】本実施形態のダイアフラムが取り得る形状について説明する図である。
【図９】外周領域に形成する波と中間領域に形成する波の個数の例を示す図である。
【図１０】外周領域に形成する波と中間領域に形成する波の形状の例を示す図である。
【図１１】内周領域の形状の例を示す図である。
【図１２】従来の円板状のダイアフラムの一例を示す図である。
【図１３】従来のダイアフラムの例を示す図である。
【図１４】ダイアフラムの排除容積を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るダイアフラム１００の基本的な形状を説明する図である。図１（ａ）は、上面図を示し、図１（ｂ）は、Ａ−Ａ断面図を示している。
【００１３】
本図に示すようにダイアフラム１００は、同心円の凸形状の波が２つ形成されており、それぞれの向きが逆になっている。すなわち外側の波１１１は上方向に凸となっており、内側の波１２１は下方向に凸となっている。後述するように、ダイアフラム１００を２つの同心円で３つの領域に区分して、外側の波１１１を含む領域を外周領域１１０と称し、内側の波１２１を含む領域を中間領域１２０と称し、その内側を内周領域１３０と称する（図８参照）。
【００１４】
逆向きの波を有する形状をしているため、ダイアフラム１００は、下面側から圧力が加わった場合、図２に示すように、外側の波１１１と内側の波１２１の部分で折れ曲がり、内側の波１２１の内側が持ち上げられることにより、断面が台形状に変化することになる。すなわち、外側の波１１１と内側の波１２１の間の領域が立ち上がって台形の斜面（脚）となる。
【００１５】
ここで、図３（ａ）に示すような半径Ｒ０の従来のダイアフラム３００では、下面側から圧力が加わると、図３（ｂ）に示すように、中心部分が盛り上がった形状に変形する。このとき、半径Ｒ０がＬに伸びたとする。なお、一般に、盛り上がり量は半径に対して十分小さいため、断面は三角形に近似させることができる。
【００１６】
この場合、図４（ａ）に示す三角形Ｇを中心軸で回転させたときの円錐の体積が排除容積Ｖ１となる。これに対し、本実施形態のダイアフラム１００では、図２に示したように台形の脚となる斜面が形成されるため、図４（ｂ）に示すような四角形Ｇ１と三角形Ｇ２とを組み合わせた形状を中心軸で回転させたときの円錐台の体積が排除容積Ｖ２となる。ここで、ダイアフラム１００が形成する四角形Ｇ１の横辺の長さをＬ１とし、三角形の斜辺の長さをＬ２とする。
【００１７】
同じ圧力が加わったときのダイアフラムの伸び量が同じであるとして、Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２という条件の下で、Ｌ１の中心からの長さを０からＲ０まで変化させると、本実施形態のダイアフラム１００による円錐台形状の排除容積Ｖ２は、図５に示すように変化する。Ｌ１の中心からの長さが０の場合の排除容積Ｖ２が、従来のダイアフラムによる円錐形状の排除容積Ｖ１と等しくなる。
【００１８】
本図に示されるように、ダイアフラム１００による円錐台状の排除容積Ｖ２は、Ｌ１の長さが半径Ｒ０に近い領域以外では、従来の円錐形状の排除容積Ｖ１よりも大きくなっている。このため、従来のダイアフラムより大きな容積変化率を得ることができる。特に、Ｌ１の長さが中心から半径の５５％程度の長さを頂点に５０％〜６０％程度で最も排除容積Ｖ２が大きくなっている。ただし、Ｌ１の長さは、この割合に拘泥する必要はない。
【００１９】
図６は、加える圧力を変化させたときの排除容積の変化を示している。本図では傾きが容積変化率を示すことになる。本図に示されるように、特に領域Ａにおいて、加えられる圧力の変化に対して排除容積Ｖ２が大きく変化しており、高い容積変化率が実現される。この領域Ａで、図２に示したように外側の波１１１と内側の波１２１との間の領域が斜めに立ち上がる形状となる。
【００２０】
また、本実施形態のダイアフラム１００では、断面が円錐台形状に変形したときに、図７に示すように２つの波のそれぞれの裾野部分が開くように変形し、波の頂点付近の応力が最も大きくなる。従来のダイアフラムでは固定端部に発生する応力が最も大きかったのに対して、本実施形態のダイアフラム１００では、波の裾野部分に生じる外に開く力が固定端に生じる応力を抑制する力として働くため、固定端に生じる応力はそれほど大きくならず実装上有利になる。
【００２１】
なお、排除容積Ｖ２を大きくするためには、圧力が加わった場合に、断面が台形状に変形すれば足りるため、本実施形態のダイアフラム１００は、図１に示した形状に限られない。そこで、本実施形態のダイアフラム１００が取り得る形状について説明する。以下では、図８に示すように、円状のダイアフラム１００を、２つの同心円で３つの領域に区分して、外側から外周領域１１０、中間領域１２０、内周領域１３０とする。
【００２２】
本実施形態のダイアフラム１００では、外周領域１１０に１または複数個の凸形状の波を形成し、中間領域１２０に１または複数個の凸形状の波を形成する。このとき、外周領域１１０に含まれる各波はすべて同じ向きとし、中間領域１２０に含まれる各波もすべて同じ向きとする。そして、外周領域１１０に含まれる波と、中間領域１２０に含まれる波とは逆向きとする。
【００２３】
下側の圧力の方が高くなることが想定される場合には、外周領域１１０の波を上向きとし、中間領域１２０の波を下向きとすることが好ましい。外周領域１１０の最内側の波と中間領域１２０の最外側の波との間は、台形の斜辺となる部分であるため、ある程度の間隔があることが望ましいが必須ではない。外周領域１１０に含まれる波の数と、中間領域１２０に含まれる波の数とは異なっていてもよい。
【００２４】
このため、例えば、図９（ａ）に示すように外周領域１１０に上向きの１つの波１１１を形成し、中間領域１２０に下向きの２つの波１２１ａ、１２１ｂを形成したり、図９（ｂ）に示すように外周領域１１０に上向きの２つの波１１１ａ、１１１ｂを形成し、中間領域１２０に下向きの２つの波１２１ａ、１２１ｂを形成することができる。
【００２５】
また、波の形状は、半円状でなくてもよい。例えば、図１０（ａ）に示すように、三角形状としたり、図１０（ｂ）に示すように、四角形状としてもよい。外周領域１１０の波と中間領域１２０の波とで形状や大きさを異ならせてもよい。これらの形状や大きさは、加工のしやすさや耐久性能、測定対象の特性等に応じて適宜選択することができる。外周領域１１０あるいは中間領域１２０内に複数個の波を形成した場合は、それぞれの波の形状や大きさを異ならせてもよい。また、外周領域１１０と中間領域１２０との間の台形の斜面となる面は、水平でなくてもよく、例えば、図１０（ｃ）に示すように斜めになっていてもよい。さらには、外周領域１１０に形成された最外周の波の外端が固定端となっていてもよい。
【００２６】
内周領域１３０の形状は必ずしも水平でなくてもよく、一律の厚さでなくてもよい。例えば、図１１（ａ）に示すように円蓋状に盛り上がっていたり、図１１（ｂ）に示すように厚みを変化させるようにしてもよい。内周領域１３０の形状は、加工のしやすさや耐久性能、測定対象の特性等に応じて適宜選択することができる。
【００２７】
ダイアフラム１００は、金属材料に限られず、プラスチック、セラミック等、薄膜状のあらゆる材料を用いることができる。また、ダイアフラム１００は、差圧圧力伝送器の過大圧機構を構成するダイアフラム、接液ダイアフラム、ダイアフラムシール等種々の目的に用いることができ、中心付近にカンチレバーを取り付けることにより空気式のコントローラに適用することもできる。さらには、ダイアフラム１００が変形することにより動作が行なわれるダイアフラムポンプ、コンプレッサー、バルブ等に用いる隔壁機構その他の装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００２８】
１００…ダイアフラム、１１０…外周領域、１１１…波、１２０…中間領域、１２１…波、１３０…内周領域
【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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