JP3272654B2 - 圧力センサー用膜および膜型圧力センサー - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、圧力センサー用
薄膜およびこれを装備した膜型圧力センサーに関し、更
に詳しくは、平坦な中央面と、この中央面と同心に設け
られていて外径方向端部を構成する環状取付け面と、こ
の中央面を環状取付け面に連結する概して平坦でない環
状連結面とを備えたタイプの圧力センサー用薄膜、およ
び、ベースと、該ベースに形成された溝部と、この溝部
に水密に取り付けられて該溝部壁との間に作動時には流
体で満たされている流体室を形成する薄膜と、および該
薄膜の流体室とは反対側に形成されていて作動時には圧
力を測定すべき流体で満たされる被測定物空間とを備え
たタイプの膜型圧力センサーに関する。

【０００２】

【従来の技術】膜型圧力センサーは、圧力応答装置を、
特定の理由で、被測定物に接触させることができないよ
うな場合に使用される。例えば、被測定物が腐食性であ
り、直接接触させると装置を腐食させるような場合、被
測定物の粘性が高く、装置のデッドスペースでの圧力伝
達が害されるような場合、あるいは、被測定物が結晶化
あるいは重合化し易く、装置との連結部を詰らせてしま
うような場合、等である。膜型圧力センサーの上記用途
は、若干の例を示すものであり、これが全てではない。

【０００３】圧力に応答する装置とは、大方の用途で
は、被測定物の過剰圧力を測定し表示する圧力ゲージを
いうが、プレッシャートランジューサー、プレッシャー
スエッチ、あるいは差圧測定装置等であってもよい。以
下では、圧力ゲージをもって、膜型圧力センサーに連結
されていて被測定物の圧力が該膜型圧力センサーにより
伝えられる圧力応答装置の一例とする。

【０００４】従来の膜型圧力センサーは、環状の結合面
で囲まれた浅い溝部を有するベースを備えていて、環状
の取り付け面を有する一般には円形状をした膜が、ハン
ダ付けその他の方法で前記環状の液封用結合面に取り付
けられている。このようにして、溝部壁と膜との間に作
動時に適当な充填液で満たされる流体室が形成されてい
る。この流体室は、導管を介してプレッシャーゲージに
連結されていて、該ゲージにより流体室内の充填液の圧
力が測定され、表示されるようにしてある。膜型圧力セ
ンサー内の前記膜の前記流体室とは反対側には、被測定
物で満たされる被測定物スペースが、該膜により流体室
とは隔離されて形成されている。

【０００５】被測定物スペースからの圧力がこの弾性膜
に作用することで該膜にゆがみが生じる。膜型圧力セン
サーがプレッシャーゲージに固着されていないとする
と、前記膜の変位に対応する体積の流体が流体室から漏
れ出ることになる。この流体の体積を、通常、膜型圧力
センサーの作用体積という。

【０００６】膜型圧力センサーの作動モードの表示に
は、測定物室内の圧力ｐに対する作用体積△Ｖの関係を
示す特性△Ｖ(ｐ）が用いられる。この特性としては、
装置に起因する測定誤差を極力少なくするために、測定
圧力の範囲内においては、可能な限り一様な勾配である
こと、即ち、可能な限り直線関係であることが求められ
る。低い圧力を、即ち低称呼圧力において、精度よく測
定するする必要がある場合には、特性の勾配を、その線
形域において比較的大きなものとし、低圧の下でも大き
な作用体積が得られるようにすることが必要である。膜
型圧力センサーの特性の直線域でのこの勾配を、通常、
Ｋ因子と称している。

【０００７】膜型圧力センサーの特性曲線は、本質的に
はその膜により決まる。平坦な膜構造の場合には低圧で
急勾配を示す特性が得られるが、特性の直線性が悪いの
で膜型圧力センサー用としては不適である。

【０００８】請求項１の包括部分に記載の特徴を有する
膜は知られている。この従来の膜は、その端部に環状の
取付け面、中央部に平坦な中央面部、そして該取付け面
と中央面部との間に平坦でない環状の結合面部を有して
いる。なお、ここでは、膜の種々の部位または部分がゼ
ロでない体積を有する塊をなすものであっても、それら
の膜部分を「面部」と称する、平坦な膜に対して従来使
用されている用語を使用することとする。膜面に垂直に
測定した膜の厚さが膜面内の膜寸法に比較して非常に小
さいので、この「面部」という名称は妥当なものであ
る。従来の膜においては、その結合面部は、その径方向
断面が波形をした同心の環状波形でなっている。いわゆ
る波形膜とするこの設計の場合には、高い直線特性が得
られるが、波形の数とその高さを増加させることで直線
性を改善さている分、膜の固さが同時に増大し、従っ
て、Ｋ因子、即ち、特性の勾配が小さくなる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、前記従来
の膜を改良し、直線性に優れ且つ大きい勾配を有する、
即ち、高いＫ因子の特性を有する膜を提供することを目
的とする。また、同時に、上記改善された膜を備えた膜
型圧力センサーを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、上記の
目的は、請求項１に係る膜、及び請求項１２に係る膜型
圧力センサーにより達成される。

【００１１】即ち、本発明の膜の場合には、請求項１の
総括部に示された特徴に加えて、前記結合面が、一つの
環状平面部とこれの径方向内方に連なる一つの切頭円錐
形段面とで構成された少なくとも一つの環状段部で構成
され、該環状平面部と中央面部とが互いに平行な平面上
にあり、中央面部の平面に対して垂直方向に測った各段
面の高さが該段部の幅に比べて極めて小さくされてい
る。ここで、極めて小さい高さとは、実質的には該段部
の幅の０．２％から２．５％の範囲の高さである。

【００１２】この段面部分の切頭円錐面形状としては、
各段面とこれに隣接する平面部との間が丸みをもって移
行するものでも、また、該切頭円錐形状に僅かな弓型を
付与したものであってもよい。

【００１３】本発明の膜の場合には、全作用面、即ち、
取付け面部で囲まれた面は、互いに平行な種々の平面内
にある平面部と各平面部を連結する極めて高さの低い一
つ以上の段面部でなっている。中央面部に連なっている
この段面部の径は、該中央面部の面からの距離が増加す
るにつれて大きくなっている。一個以上の段部が設けら
れる場合には他の段部についても同様である。

【００１４】膜を本発明に従い構成する場合には、直線
性が大で且つ直線域での勾配が急な、即ち、Ｋ因子の大
なる特性の膜を得ることができる。本発明の膜の場合、
他の類似の波形膜のＫ因子に比較して１０倍ほど大きな
Ｋ因子を得ることができる。更に、本発明の膜は、存在
する少なくとも一つの段部がその安定化に寄与するの
で、平坦な膜とは著しく違って、その中立位置が安定で
ある。

【００１５】 請求項１２に記載の膜型圧力センサーの
場合には、その膜の構造により、膜型圧力センサーの流
体室を小さく設計することができ、該流体室内の伝達液
の体積を少なくできる。このことは、温度に起因する測
定誤差を低減させる上で有効である。

【００１６】本発明の膜の有利な形態では、環状段部の
数を少なくとも２個、望ましくは少なくとも３個とす
る。段部を３個とする場合に特に有利であった。

【００１７】２個以上の環状段部を設ける場合には、中
央面部の平面と各環状面部の平面との間の間隔が径方向
外方に進むに連れてだんだん大きくなるように設計され
る。また、各段面の高さは、実質的に等しくすることが
有利であることも判明している。

【００１８】本発明の有利な形態としては、膜の径方向
断面における中央面部の周囲点と全ての環状面部の外周
側の点とが、全て一つの外接円上に並ぶようにすること
もできる。膜をこのように設計する場合には、中央面部
の面積と環状面部の面積とが、高い直線性と高いＫ因子
という望ましい特性組合せを得る上で、特に望ましく調
和の取れたものとなる。Ｒを外接円の半径とし、Ｈを、
径方向最外側に位置する環状面部の外周点により限定さ
れる前記外接円の円弧の高さとするときのＲ／Ｈの値が
３００から１２００の間、特には６００から１２００の
間の範囲内に入るようにすることが望ましい。

【００１９】また、本発明の有利な形態としては、中央
面部、取付け面部、および段部をいすれも環状とし、膜
を円形膜とする。本発明は、しかしながら、円形でない
膜、例えば、楕円形の膜および長方形の膜にも適用可能
である。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の膜のその他の特徴および
利点は、本発明の代表的な実施例についての図面を参照
しての以下の説明で明らかにされる。

【００２１】図１に概略を示す膜型圧力センサー２は、
実質的に円形の円盤状ベース４と、薄い段付き膜６と、
および同様に実質的に円形の円盤状フランジ８でなる。
図示の実施例においては、薄い段付き膜６は、円形の外
形をなす円形膜として設計されている。

【００２２】ベース４は、図１においてその底部に位置
する側の中央部に浅い溝部を有していて、その溝部は、
図１で下方に突出する環状フランジ１０に囲まれてい
る。膜６の環状の取付け面１２（図２および３を参照）
は、環状フランジ１０に気密を保持するようにハンダ付
けされている。このようにして、溝部の壁と膜６とで浅
い流体室１４の境壁が構成されている。ベース４の浅溝
の底部は膜６のためのベッドを形成しており、該ベッド
も、図１に示されているように、膜６を補足する段付き
形状にしてある。

【００２３】フランジ８は、ボルト等によりベース４に
一体に取つけられており、その上部は膜６の取付け面部
１２および環状フランジ部１０に気密状態で対接してい
る。なお、この部分には、必要により、シール部材を別
に配設してもよい。フランジ８の中央部には、膜６によ
って流体室から隔離された被測定物空間１６が形成され
ている。被測定物空間１６は、フランジ８の孔１８を通
して、圧力を測定すべき被測定物を導くシステムに連結
可能にしてある。

【００２４】流体室１４は、中央孔２０を介して導管２
２に連結され、導管には例えばバーボン管型圧力ゲージ
等の圧力ゲージ２４（縮小して示す）が連結されてい
る。

【００２５】作動時には、流体室１４、孔２０、導管２
２、および圧力ゲージ２４の測定要素部分は適当な充填
液で満たされている。更に、測定時には、被測定物空間
１６は、圧力を測定すべき被測定物で満たされている。
被測定物空間１６の被測定物の圧力は、膜６により流体
室１４内の充填液に伝えられ、したがって、充填液の圧
力を測定し且つ表示する圧力ゲージ２４によって、被測
定物空間１６内の被測定物の圧力が同時に測定され、表
示される。

【００２６】以下に、上記の膜型圧力センサー２の膜６
について、図２および３を参照して、更に詳しく説明す
る。ここで、図２は、図１において膜６を底部から見た
図であり、図３は、膜６の径方向断面を示す。図３で
は、膜６は図１における装着状態に対して反転した状態
で示されている。したがって、膜６が膜型圧力センサー
に装着された状態では、図３での膜の上面側は、被測定
物空間１６に対向しており、図３での膜の下側面は、流
体室１４に対向している。

【００２７】図３に膜を拡大して示す。垂直方向の寸法
は、膜６の水平方向の寸法に比較して実際よりも大きく
拡大して描いてある。膜６の厚さについても同様であ
る。図３は、厚さ０．１ｍｍで、取付け面１２で限定さ
れる圧力作用面の直径Ｄが８２ｍｍの膜の垂直方向の寸
法を誇張して拡大して描いた拡大図である。

【００２８】膜６は、通常、膜型圧力センサーの用途に
適する特殊材料、例えば、チタニウム、ハステロイ（ニ
ッケルを５５％以上含むニッケル−モリブデン−鉄合
金）、モネル（３０〜４０％の銅を含むニッケル−銅合
金）、インコネル（耐熱性ニッケル基合金）あるいはタ
ンタル、で作られる。図２および３に示す形状は平坦な
円形素材をスタンピングすることで得られる。本発明で
は成型方法は本質的なものではないので、ここでは更に
詳しい説明は省略する。膜６は、図３に破線で示す中心
線に関して回転対称をなして成型されている。

【００２９】図２および３に示すように、膜６は、その
周囲の点が円２８にある平坦で円形な中央面部２６を有
する。径方向外方に向けて、第一の切頭円錐形段面３０
が中央面２６に連なり、段部面３０はその径方向外方
で、外周点が円３４内に有る平坦な第一環状面部３２に
連なっている。第一段面３０と第一環状面部３２とで第
一環状段部３６を形成している。第一環状面部３２に
は、その径方向外方に向けて、第二の切頭円錐形段面３
８が連なっており、その径方向外方で、外周点が円４２
に有る第二の平坦な環状面部４０に連なっている。第二
の段面３８と第二の環状面部４０とで第二段部４４を形
成している。第二環状面部４０には、その径方向外方に
向けて、第三の切頭円錐形段面４６が連なっていて、こ
れが径方向外方に向けて、外周点が円５０に位置する第
三の平坦な環状面部４８へと変化している。この第三の
段部面４６と第三の環状面部４８とで第三の段部５２が
構成されている。取付け面１２は、図示の実施例では断
面Ｓ字形に成型された端部を有しているが、平坦に成型
したものでもよく、これが第三の環状面部４８に連なっ
ている。

【００３０】切頭円錐形段面３０、３８および４６とそ
れぞれの近接する平坦面との間は、丸みをもって連なっ
ている。各切頭円錐形段面３０、３８及び４６の直径は
中央面２６の平面から離れるに従い大きくなっており、
従って、各切頭円錐形段面は、環状面に連なって一つの
段部を形成する環状面への移行点で最大直径となってい
る。

【００３１】上記の如く膜６を設計する場合、中央面２
６の平面と第一環状面部３２の面との間の距離ａ１は、
中央面２６の平面と第二環状面４０の面との間の距離ａ
２より小さく、また、この距離ａ２は、中央面２６の平
面と第三環状面部４８の面との間の距離ａ３より小さ
い。即ち、中央面２６の平面と各環状面３２、４０およ
び４０の面との間の距離は、径方向外方に進に従い大き
くなっている。

【００３２】三個の段部３６、４４及び５２で中央面部
２６と環状取付け部１２とを連結する一つの連結結合面
５４を構成している。圧力の作用を受ける膜６の面、即
ち、その作用面は、中央面部２６と３個の段部３６、４
４および５２で構成され、したがって、直径Ｄの円５０
で外周が限定された範囲である（図３参照）。

【００３３】第一の段面３０は、中央面部２６の平面に
垂直に測って、高さｈ１を有し、これは前記距離ａ１に
等しい。第二段面３８の高さはｈ２、第三段面４６の高
さはｈ３であり、これらの高さは全体でもそれぞれの段
部３６、４４あるいは５２の幅に比べれば非常に小さ
い。ここで、段部の幅は対応する段部を内周側および外
周側から限定する各円の半径の差である。図示の実施で
は、各高さｈ１、ｈ２およびｈ３を等しくしている。ま
た、高さｈ１は第一段部３６の幅の１．４３％、高さｈ
２は第二段部４４の幅の１．５％、高さｈ３は第三段部
５２の幅の１．９４％としている。

【００３４】図示の実施例の膜６の径方向断面、従っ
て、図３に示す断面において、中央面部２６の外周点お
よび全ての環状面部３２、４０および４８の径方向外方
の周点は、全て半径Ｒの共通の外接円上に位置してい
る。ここで、半径Ｒは、最外周部に位置する環状面部、
即ち、第三環状面部４８の外周点により限定される前記
外接円部分（円弧）の高さに比べ非常に大きい。図示の
実施例の場合には、Ｒ／Ｈは１０００であり、Ｒ／Ｈの
望ましい範囲である３００〜１２００の範囲内にある。
膜６はその中心線を軸とする回転対称に設計されている
ので、各径断面での前記各外接円の半径は同一の半径Ｒ
である。したがって、中央面部２６を限定する円２８お
よび各環状面部を径方向外方から限定する円３４、４２
および５０は、すべての径断面で等しい外接円の半径Ｒ
を半径とする球上に位置している。

【００３５】中央面部２６の平面上に投影される膜の各
面部の面積は、投影面において、即ち、中央面部の平面
上において、図示の実施例の場合、次の通りの面積率と
なっている。即ち、中央面部２６の面積は膜の作用面の
面積の１０％、第一段面３０の面積は膜の作用面の面積
の５％、第一環状面部３２の面積は膜の作用面の面積の
１３％、第二段面３８の面積は膜の作用面の面積の７
％、第二環状面部４０の面積は膜の作用面の面積の１７
％、第三段面４６の面積は膜の作用面の面積の１０％、
第三環状面部４８の面積は膜の作用面の面積の２２％で
ある。なお、取付け面部１２の面積は膜の作用面の面積
の１６％である。勿論、本発明は、図２および３に基づ
いて述べた実施例の具体的な細部に制限されるものでは
ない。

【００３６】本発明は圧力センサー用の膜に関する。そ
の膜は、平坦な中央面部を有すると共に、これと同心の
一個の環状の取付け面部と、中央面部を該端部面に連結
する平坦でない結合面部とを備えている。この結合面部
は少なくとも一つの環状段部でなり、該環状段部は一個
の環状面部とこれに半径方向内方で連なる一個の切頭円
錐形段面とでなっている。環状面部と中央面部とは互い
に平行な面内にあり、中央面の平面に対して垂直に測っ
た段面の高さは対応する段部の幅に比べて非常に小さく
されている。このような段付き構造をなす膜を使用する
ことにより、高い直線性を有し、且つ、直線域での直線
の勾配の大きい特性を有する膜型圧力センサーを得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の膜型圧力センサーの概要を示
す一部切欠き側面図である。

【図２】図２は、本発明の膜の実施例を示す平面図であ
る。

【図３】図３は、図２に示す膜の径方向断面図で、拡大
して示す。

【符号の説明】

４ ベース ６ 膜（圧力センサー用膜） ８ ブランジ １０ 環状フランジ １２ 環状の取付け面部 １４ 流体室 １６ 被測定物空間 １８ 孔 ２０ 中央孔 ２２ 導管 ２４ 圧力ゲージ ２６ 中央面部 ３０ 第一切頭円錐形段面 ３２ 第一環状面部 ３６ 第一環状段部 ３８ 第二切頭円錐形段面 ４０ 第二環状面部 ４４ 第二環状段部 ４６ 第三切頭円錐形段面 ４８ 第三環状面部 ５２ 第三環状段部 ５４ 環状結合面部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クルト ノイベック ドイツ連邦共和国、ディ−63897 ミル テンベルグ アム トールベンゲルト 44 (72)発明者 ロベルト シュベーゲール ドイツ連邦共和国、ディ−63911 クリ ンゲンベルグ アンカーガッセ 11 (56)参考文献 特開 昭58−210534（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−213739（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−38576（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−201035（ＪＰ，Ｕ) 特表 昭58−501093（ＪＰ，Ａ) 米国特許5542300（ＵＳ，Ａ) 米国特許2568238（ＵＳ，Ａ) 国際公開94／14042（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 7/08

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平坦な中央面部（２６）、該中央面部
   （２６）と同心に配されていて膜（６）の外周端部を構
   成している環状取付け面部（１２）、および該中央面部
   （２６）を該端部（１２）に連結する全体としては平坦
   でない環状結合面部（５４）を備えた圧力センサー用膜
   であって、前記結合面部（５４）が、一つの平坦な環状
   面部（３２、４０、４８）と該環状面部（３２、４０、
   ４８）に径方向内方で連なる一つの切頭円錐形段面（３
   ０、３８、４６）とでなる少なくとも一個の環状段部
   （３６、４４、５２）で構成されていて、該環状面部
   （３２、４０、４８）と該中央面部（２６）とが互いに
   平行な面上に有り、前記中央面部（２６）の面に直交す
   る方向で、測定した各断面（３０、３８、４６）の高さ
   （ｈ１、ｈ２、ｈ３）が段部（３６、４４、５２）の幅
   の０．２％から２．５％の範囲内にある圧力センサー用
   膜。
2. 【請求項２】 前記環状段部（３６、４４、５２）の個
   数が少なくとも２個である前記請求項１に記載の圧力セ
   ンサー用膜。
3. 【請求項３】 前記環状段部（３６、４４、５２）の個
   数が少なくとも３個である前記請求項１に記載の圧力セ
   ンサー用膜。
4. 【請求項４】 前記中央面部（２６）の面と前記環状面
   部（３２、４０、４８）の面との間の距離（ａ１、ａ２、
   ａ３）が、径方向外方に進むに連れて大きくなってい
   る、前記請求項２または３に記載の圧力センサー用膜。
5. 【請求項５】 前記段面（３０、３８、４６）の前記各
   高さ（ｈ１、ｈ２、ｈ３）が、実質的に等しくされてい
   る、前記請求項４に記載の圧力センサー用膜。
6. 【請求項６】 膜（６）の各径断面において、前記中央
   面部（２６）の外周点と全ての環状面部（３２、４０、
   ４８）の外周点とが、一つの外接円上に位置している、
   前記請求項２から５のいずれかに記載の圧力センサー用
   膜。
7. 【請求項７】 Ｒを、前記外接円の半径とし、Ｈを、径
   方向最外周部に位置する環状面部（４８）の径方向外周
   点で限定される前記外接円素片（円弧）の高さとすると
   き、Ｒ／Ｈの値が３００から１２００の範囲になるよう
   に構成されている、前記請求項６に記載の圧力センサー
   用膜。
8. 【請求項８】 前記Ｒ／Ｈの値が６００から１０００の
   範囲になるように構成されている、前記請求項７に記載
   の圧力センサー用膜。
9. 【請求項９】 前記中央面部（２６）、取付け面部（１
   ２）および段部（３６、４４、５２）が、環状をなして
   いる前記請求項１から８のいずれかに記載の圧力センサ
   ー用膜。
10. 【請求項１０】 前記取付け面部（１２）が平坦であ
    る、前記請求項１から９のいずれかに記載の圧力センサ
    ー用膜。
11. 【請求項１１】 前記取付け面部（１２）が型打加工さ
    れた端部を有する、前記請求項１から９のいずれかに記
    載の圧力センサー用膜。
12. 【請求項１２】 ベース（４）、ベースに形成された溝
    部、該ベースに水密に取付けられて該溝部の壁面との間
    に作動時に充填液で満たされる流体室（１４）を構成す
    る薄膜（６）、および薄膜（６）の前記流体室（１４）
    とは反対側に設けられて作動時に被測定液で満たされる
    被測定物空間（１６）とを備えた膜型圧力センサーであ
    って、該膜（６）が請求項１から１１のいずれかに記載
    の膜である膜型圧力センサー。