(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力により変位するダイアフラムと固定電極との間の静電容量の変化を検出して圧力を測定する静電容量型圧力センサであって、
前記固定電極が一端側に露出するように固定されたセンサ本体と、
前記センサ本体の一端側において当該センサ本体との間で密閉空間を形成するように接合されるダイアフラム構造体と、
前記ダイアフラム構造体の受圧部を囲むように当該ダイアフラム構造体に接合され、被測定流路を形成する流路形成部材に取り付けられて、前記受圧部に流体を導く固定用部材とを備え、
前記ダイアフラム構造体が、
前記ダイアフラムを形成する平板状のダイアフラム本体と、
前記ダイアフラム本体における電極側周縁部に接合され、前記センサ本体の一端側に接続される熱膨張率が既知の第１のリング部材と、
前記ダイアフラム本体における受圧側周縁部に接合され、前記固定用部材に接続される熱膨張率が既知の第２のリング部材とを有する静電容量型圧力センサ。
【請求項２】
前記第１のリング部材の熱膨張率、前記第２のリング部材の熱膨張率及び前記ダイアフラム本体の熱膨張率により、前記ダイアフラムの張力が調整されている請求項１記載の静電容量型圧力センサ。
【請求項３】
前記第１のリング部材の熱膨張率と前記第２のリング部材の熱膨張率とが略同一である請求項１又は２記載の静電容量型圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力により変位するダイアフラムと固定電極との間の静電容量の変化を検出して圧力を測定する静電容量型圧力センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の静電容量型圧力センサとしては、例えば特許文献１や図３に示すように、固定電極が封止ガラスによって固定されたセンサ本体の一端に形成された凹部の開口周縁部にダイアフラムが溶接により接合されている。
【０００３】
また、特許文献１には図示されていないが、センサ本体に溶接されたダイアフラムの受圧面側の周縁部には、図３に示すように、被測定流路を形成する流路形成部材に取り付けられて、受圧面に流体を導くフランジ部が溶接により接合されている。このように構成された静電容量型圧力センサは、フランジ部に設けられた導入口を介してダイアフラム側に流体が流れ込むことによってダイアフラムが当該流体の圧力によって変位する。
【０００４】
しかしながら、上記のように構成されたものでは、センサ本体にダイアフラムを溶接する際に、センサ本体の熱膨張率及びダイアフラムの熱膨張率が異なることによって膨張量が異なり、溶接後においてダイアフラム及びセンサ本体の間に生じる熱応力によって変形してしまうという問題がある。ここで両者の熱膨張率を考慮して溶接することが考えられるが、ダイアフラムは単一材料からなり熱膨張率が既知であるが、センサ本体は固定電極及び封止ガラス等の集合体であるため、熱膨張率が画一的に定まるものではない。そうすると、溶接時にそれらの熱膨張率を考慮して溶接することは極めて難しい。
【０００５】
また、センサ本体に溶接されたダイアフラムにフランジ部を溶接する場合も同様に、両者の熱膨張率の違いにより、ダイアフラム及びフランジ部の間に生じる熱応力によって変形してしまうという問題がある。ここでも両者の熱膨張率を考慮して溶接することが考えられるが、センサ本体に溶接されたダイアフラムの熱膨張率はそれ単体の熱膨張率とは異なっており、溶接時にそれらの熱膨張率を考慮して溶接することは極めて難しい。
【０００６】
上記では、センサ本体にダイアフラムを溶接した後に、当該ダイアフラムにフランジ部を溶接する場合について記載したが、フランジ部にダイアフラムを溶接した後に当該ダイアフラムにセンサ本体を溶接する場合にも同様の問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−３００３３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、センサ本体の熱膨張率及び固定用部材の熱膨張率により生じる熱応力によって、ダイアフラムが変形することを防止することをその主たる課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち本発明に係る静電容量型圧力センサは、圧力により変位するダイアフラムと固定電極との間の静電容量の変化を検出して圧力を測定する静電容量型圧力センサであって、前記固定電極が一端側に露出するように固定されたセンサ本体と、前記センサ本体の一端側において当該センサ本体との間で密閉空間を形成するように接合されるダイアフラム構造体と、前記ダイアフラム構造体の受圧部を囲むように当該ダイアフラム構造体に接合され、被測定流路を形成する流路形成部材に取り付けられて、前記受圧部に流体を導く固定用部材とを備え、前記ダイアフラム構造体が、前記ダイアフラムを形成する平板状のダイアフラム本体と、前記ダイアフラム本体における電極側周縁部に接合され、前記センサ本体の一端側に接続される熱膨張率が既知の第１のリング部材と、前記ダイアフラム本体における受圧側周縁部に接合され、前記固定用部材に接続される熱膨張率が既知の第２のリング部材とを有することを特徴とする。
【００１０】
このようなものであれば、ダイアフラムを形成するダイアフラム本体を熱膨張率が既知である第１のリング部材を介してセンサ本体に接合しているので、センサ本体の熱膨張率によりダイアフラムに生じる熱応力を低減することができる。また、ダイアフラム本体を熱膨張率が既知である第２のリング部材を介して固定用部材に接合しているので、固定用部材の熱膨張率によりダイアフラムに生じる熱応力を低減することができる。したがって、センサ本体及び固定用部材の熱膨張率により生じる熱応力によってダイアフラムが変形することを防止することができる。さらに、熱膨張率が既知の第１のリング部材及び第２のリング部材にダイアフラム本体を接合することから、ダイアフラムに所望の張力を与えることができるようになる。その上、ダイアフラムを薄型化するにつれて、センサ本体及び固定用部材に直接ダイアフラム本体を溶接することが難しくなるが、例えばダイアフラムに第１のリング部材及び第２のリング部材を接合してダイアフラム構造体を製造した後に、そのダイアフラム構造体をセンサ本体及び固定用部材に接合することによって、センサの組み立てを容易にすることが可能である。このとき、ダイアフラム本体に第１のリング部材及び第２のリング部材を接合することによってダイアフラム構造体の強度を増すことができ、ダイアフラム本体の変形を抑えながら接合することができる。
【００１１】
第１のリング部材及び第２のリング部材の熱膨張率が既知であることから、ダイアフラム本体の熱膨張率との違いを積極的に利用して、静電容量型圧力センサの測定レンジ又は測定精度を調整可能にするためには、前記第１のリング部材の熱膨張率、前記第２のリング部材の熱膨張率及び前記ダイアフラム本体の熱膨張率により、前記ダイアフラムの張力が調整されていることが望ましい。つまり、前記第１のリング部材の熱膨張率、前記第２のリング部材の熱膨張率及び前記ダイアフラム本体の熱膨張率により、センサの測定レンジが可変となるように構成されている。
【００１２】
例えば、第１のリング部材の熱膨張率及び第２のリング部材の熱膨張率を、ダイアフラム本体の熱膨張率よりも小さくすることによって、組み立て時のダイアフラムの張力が大きくなり、センサの測定レンジを大きくすることができる。一方で、第１のリング部材の熱膨張率及び第２のリング部材の熱膨張率を、ダイアフラム本体の熱膨張率よりも大きくすることによって、組み立て時のダイアフラムの張力が小さくなり、センサの測定レンジを小さくする（または高精度化する）ことができる。
【００１３】
前記第１のリング部材の熱膨張率と前記第２のリング部材の熱膨張率とが略同一であれば、センサ本体の熱膨張率又は固定用部材の熱膨張率に関わらず、ダイアフラム本体に生じる変形を可及的に低減することができる。
【発明の効果】
【００１４】
このように構成した本発明によれば、センサ本体の熱膨張率及び固定用部材の熱膨張率により生じる熱応力によって、ダイアフラムが変形することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る静電容量型圧力センサの模式的構成図である。
【図２】同実施形態のダイアフラム構造体を主として示す断面図である。
【図３】従来の静電容量型圧力センサの模式的構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明に係る静電容量型圧力センサの一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１７】
本実施形態の静電容量型圧力センサ１００は、全圧真空計の絶対圧計測型に該当する静電容量型ダイアフラム真空計であり、圧力により変位するダイアフラムと固定電極２１との間の静電容量の変位量を検出して、その変位量を圧力に換算して圧力を測定するものである。なお、圧力に換算される静電容量は、ダイアフラムと固定電極２１との距離に反比例する。
【００１８】
具体的にこのものは、図１に示すように、センサ本体２と、センサ本体２に接合されるダイアフラム構造体３と、ダイアフラム構造体３に接合される固定用部材４とを備えている。
【００１９】
センサ本体２は、固定電極２１が一端側である下端部に露出するように固定されたものであり、固定電極２１と、当該固定電極２１が挿入して固定される本体ボディ２２と、固定電極２１及び本体ボディ２２の間に介在して設けられて、それらを気密に封止して本体ボディ２２に対して固定電極２１を固定する封止ガラス等の封止部材２３とを備えている。なお、本体ボディ２２は、耐食性を有するステンレス鋼により形成されている。
【００２０】
固定電極２１は、金、白金又はチタン等の簡単に腐食しない金属からなる導体から形成されるものである。本実施形態の固定電極２１は、本体ボディ２２に形成された電極固定孔２２１に挿入されるため、概略円柱形状をなす。また、固定電極２１の後端部には、静電容量の変化を検出するためのリード線（不図示）が接続されている。このリード線は、センサ本体２の例えば上部に形成された出力端子に接続されている。なお、この出力端子は、静電容量の変化量を圧力信号に変換する演算部（図示しない）が接続される。
【００２１】
ダイアフラム構造体３は、センサ本体２の一端側である下端部において、当該センサ本体２との間で密閉空間を形成するように接合されるものである。
【００２２】
具体的にダイアフラム構造体３は、図２に示すように、ダイアフラム３０１を形成する平板状のダイアフラム本体３１と、当該ダイアフラム本体３１における電極側周縁部３１ａに設けられる第１のリング部材３２と、ダイアフラム本体３１における受圧側周縁部３１ｂに設けられる第２のリング部材３３とを有している。
【００２３】
ダイアフラム本体３１は、固定電極２１のダイアフラム３０１側を向く端面である一端面とともにコンデンサを構成する円板形状をなすものである。このダイアフラム本体３１は、外部の微小な圧力変化により弾性変形するものであり、耐食性及び耐熱性に優れた金属薄板である。本実施形態のダイアフラム本体３１は、主成分をニッケル、コバルトとし、タングステン、モリブデン、チタン、クロム等を含むニッケル−コバルト合金から形成された薄板である。膜の厚みは、外部の圧力変化に対する感度を上げるために例えば数十μｍである。なお、ダイアフラム本体３１は、主成分をニッケルとし、鉄、クロム、ニオブ等を含むニッケル合金から形成された薄板としても良い。
【００２４】
第１のリング部材３２は、ダイアフラム本体３１の電極側周縁部３１ａにおいて、ダイアフラム本体３１と同心円状に設けられるものであり、ダイアフラム本体３１の外径と概略同一外径を有する円環形状をなすものである。この第１のリング部材３２の一端面（図２では下面）はダイアフラム本体３１の電極側周縁部３１ａに溶接により接合される。また第１のリング部材３２におけるダイアフラム本体３１接合面とは反対側の面（図２では上面）が、センサ本体２の本体ボディ２２の一端面周縁部において、固定電極２１と同心円状に溶接により接合される。この第１のリング部材３２は、耐食及び耐熱性に優れ、導電性を有し、熱膨張率が既知の金属から形成されており、本実施形態では主成分をニッケルとし、鉄、クロム、ニオブ等を含むニッケル合金により形成されている。
【００２５】
第２のリング部材３３は、ダイアフラム本体３１の受圧側周縁部３１ｂにおいて、ダイアフラム本体３１と同心円状に設けられるものであり、ダイアフラム本体３１の外径と概略同一外径を有する円環形状をなすものである。この第２のリング部材３３の一端面（図２では上面）はダイアフラム本体３１の受圧側周縁部３１ｂに溶接により接合される。また第２のリング部材３３におけるダイアフラム本体３１接合面とは反対側の面（図２では下面）が固定用部材４の円筒部４２の端面に溶接により接合される。この第２のリング部材３３は、第１のリング部材３２と同様、耐食及び耐熱性に優れ、導電性を有し、熱膨張率が既知の金属から形成されており、本実施形態では主成分をニッケルとし、鉄、クロム、ニオブ等を含むニッケル合金により形成されている。
【００２６】
固定用部材４は、ダイアフラム構造体３の受圧部（ダイアフラム３０１の受圧面３０１ａ）を囲むように設けられ、被測定流路Ｌを形成する流路形成部材２００に取り付けられて、受圧部３０１ａに流体を導くものである。この固定用部材４は、流路形成部材２００に固定され、被測定流路Ｌに連通する連通路４１１が形成されたフランジ部４１と、当該フランジ部４１の連通路４１１の開口を囲むように形成された円筒部４２とを有する。そして、この円筒部４２の上端面に、前記第２のリング部材３３が溶接により接合される。なお、固定用部材４は、耐食及び耐熱性を有するステンレス鋼により形成されている。
【００２７】
しかして本実施形態の静電容量型圧力センサ１００は、センサ本体２の熱膨張率及び固定用部材４の熱膨張率とダイアフラム本体３１の熱膨張率が異なるものであり、第１のリング部材３２の熱膨張率と第２のリング部材３３の熱膨張率とを同一としている。具体的には、第１のリング部材３２と第２のリング部材３３とを同一の材料から形成することによって、両者の熱膨張率を同一としている。
【００２８】
センサ本体２の熱膨張率（線膨張率）は、その主たる材質がステンレス鋼であるため、約１６×１０−６［１／℃］と考えられる。同様に固定用部材４の熱膨張率（線膨張率）は、約１６×１０−６［１／℃］である。また、ダイアフラム本体３１の熱膨張率（線膨張率）は、ニッケル−コバルト合金により形成されているため、約１２×１０−６［１／℃］である。そして、第１のリング部材３２及び第２のリング部材３３は、ニッケル合金により形成されているため、約１１．５×１０−６［１／℃］である。このように第１のリング部材３２及び第２のリング部材３３の熱膨張率を、センサ本体２の熱膨張率及び固定用部材４の熱膨張率よりもダイアフラム本体３１の熱膨張率に近づけているので、ダイアフラム本体３１の熱膨張率が、センサ本体２の熱膨張率及び固定用部材４の熱膨張率と違うことにより生じ得る熱応力を可及的に低減することができる。
【００２９】
最後に静電容量型圧力センサ１００の組み立て方法の一例について簡単に説明する。
【００３０】
まず、本体ボディ２２に形成された電極固定孔２２１に円筒形状をなすガラス材２３とともに固定電極２１を挿入する。そして、図示しない治具により本体ボディ２２に対してガラス材２３及び固定電極２１を固定し、炉内で加熱してガラス材２３を融解させて、本体ボディ２２に固定電極２１をガラス融着により固定する。
【００３１】
一方、圧延加工により形成された金属薄板を切断することにより得られた円板状のダイアフラム本体３１の一方の面に第１のリング部材３２を、他方の面に第２のリング部材３３を、それぞれ同心円状となるようにレーザ溶接、電子ビーム溶接又はアーク溶接等により溶接してダイアフラム構造体３を形成する。このとき、ダイアフラム本体３１に溶接される第１のリング部材３２及び第２のリング部材３３は、熱膨張率が既知であり、当該熱膨張率を考慮した溶接が可能となり、ダイアフラム３０１の変形を低減することができるとともに、ダイアフラム３０１を所望の張力にすることが可能である。
【００３２】
なお、ダイアフラム本体３１の熱膨張率と第１のリング部材３２の熱膨張率及び第２のリング部材３３の熱膨張率と違いによりダイアフラム３０１の張力を調整することに加えて、ダイアフラム本体３１に第１のリング部材３２及び第２のリング部材３３を接合するに際して、別途設けたハロゲンランプ等の加熱源によりダイアフラム本体３１を加熱してダイアフラム本体３１を膨張させることにより、接合時の第１のリング部材３２及び第２のリング部材３３とダイアフラム本体３１との熱膨張量を調整して、接合後のダイアフラム３０１の張力を調整することもできる。
【００３３】
その後、ダイアフラム構造体３の第１のリング部材３２をセンサ本体２の一端側にレーザ溶接、電子ビーム溶接又はアーク溶接等により溶接して接合する。また、ダイアフラム構造体３の第２のリング部材３３を固定用部材４の円筒部４２にレーザ溶接、電子ビーム溶接又はアーク溶接等により溶接して接合する。このようにして、静電容量型圧力センサ１００が組み立てられる。
【００３４】
＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態の静電容量型圧力センサ１００によれば、ダイアフラム３０１を形成するダイアフラム本体３１を熱膨張率が既知である第１のリング部材３２を介してセンサ本体２に接続しているので、センサ本体２の熱膨張率によりダイアフラム本体３１に生じる熱応力を低減することができる。また、ダイアフラム本体３１を熱膨張率が既知である第２のリング部材３３を介して固定用部材４に接続しているので、固定用部材４の熱膨張率によりダイアフラム本体３１に生じる熱応力を低減することができる。したがって、センサ本体２及び固定用部材４の熱膨張率により生じる熱応力によってダイアフラム３０１が変形することを防止することができる。さらに、熱膨張率が既知の第１のリング部材３２及び第２のリング部材３３にダイアフラム本体３１を接合することから、ダイアフラム３０１に所望の張力を与えることができるようになる。その上、ダイアフラム３０１を薄型化するにつれて、センサ本体２及び固定用部材４に直接ダイアフラム本体３１を溶接することが難しくなるが、本発明のように第１のリング部材３２及び第２のリング部材３３により挟み込む構成にすることによって、センサ１００の組み立てを容易にすることが可能である。
【００３５】
＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
【００３６】
例えば、前記実施形態の静電容量型圧力センサ１００は、センサ本体２の本体ボディ２２、第１のリング部材３２、第２のリング部材３３、ダイアフラム本体３１、固定用部材４がそれぞれ異なる材質からなるものであったが、それらすべてを共通の材質（例えばステンレス鋼）により形成しても良い。このときもやはりダイアフラム本体３１は第１のリング部材３２及び第２のリング部材３３に接合されるので、センサ本体２の熱膨張率を考慮する必要がなく、またセンサ本体２がダイアフラムに与える変形を低減することができる。
【００３７】
また、第１のリング部材３２の熱膨張率、第２のリング部材３３の熱膨張率及びダイアフラム本体３１の熱膨張率を選択することによって、ダイアフラム本体３１からなるダイアフラムの張力を調整することもできる。第１のリング部材３２及び第２のリング部材３３の熱膨張率をダイアフラム本体３１の熱膨張率よりも大きくすることにより、ダイアフラムの張力を小さくすることができ、測定レンジを小さくすること（高感度化すること）ができる。一方、第１のリング部材３２及び第２のリング部材３３の熱膨張率を、ダイアフラム本体３１の熱膨張率よりも小さくすることにより、ダイアフラムの張力を大きくすることができ、測定レンジを大きくすることができる。
【００３８】
さらに、前記実施形態の組み立て方法は、ダイアフラム構造体３を組み立てた後にセンサ本体２に溶接するものであったが、センサ本体２に第１のリング部材３２を溶接した後に、当該第１のリング部材３２にダイアフラム本体３１を溶接し、その後、ダイアフラム本体３１に第２のリング部材３３を溶接し、当該第２のリング部材３３に固定用部材４を溶接するように構成しても良い。また、固定用部材４に第２のリング部材３３を溶接した後に、当該第２のリング部材３３にダイアフラム本体３１を溶接し、その後、ダイアフラム本体３１に第１のリング部材３２を溶接し、当該第１のリング部材３２にセンサ本体２を溶接するように構成しても良い。
【００３９】
その上、第１のリング部材の熱膨張率をセンサ本体の熱膨張率とダイアフラム本体の熱膨張率との間の値とすることも考えられる。これならば、センサ本体の熱膨張率とダイアフラム本体の熱膨張率との違いにより生じるダイアフラムの変形を可及的に低減することができる。同様にして、固定用部材の熱膨張率とダイアフラム本体の熱膨張率との違いにより生じるダイアフラムの変形を可及的に低減するためには、第２のリング部材の熱膨張率を、固定用部材の熱膨張率とダイアフラム本体の熱膨張率との間の値とすることが考えられる。
【００４０】
前記実施形態では、ダイアフラム本体の熱膨張率と第１、第２のリング部材の熱膨張率とが異なる構成であったが、ダイアフラム本体の熱膨張率、第１のリング部材の熱膨張率及び第２のリング部材の熱膨張率とが略同一となるように構成しても良い。この構成により、ダイアフラム本体と第１、第２のリング部材との温度影響が同じとなり、ダイアフラム本体が第１、第２のリング部材から受ける熱応力によるひずみを可及的に小さくすることができる。これにより測定精度を向上させることができる。
【００４１】
その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４２】
１００・・・静電容量型圧力センサ
２    ・・・センサ本体
２１  ・・・固定電極
３    ・・・ダイアフラム構造体
３０１・・・ダイアフラム
３１  ・・・ダイアフラム本体
３２  ・・・第１のリング部材
３３  ・・・第２のリング部材
４    ・・・固定用部材
Ｌ    ・・・被測定流路
５    ・・・流路形成部材
【図１】
0005714395.tif 000002
【図２】
0005714395.tif 000003
【図３】
0005714395.tif 000004