JP4864266B2 - 光学圧力センサ - Google Patents

Description

【０００１】
発明の背景
本発明は圧力センサに関する。特に、本発明は、光学技術を用いて偏位を測定する圧力センサに関する。
【０００２】
圧力センサは、種々の媒体の圧力を測定するのに使用され、工業、商業および消費者の応用分野において広範囲に使用されている。例えば、工業のプロセス制御においては、圧力センサはプロセス流体の圧力を測定するのに使用されることができる。圧力測定値は、流体の水面（レベル）または流速のような他のプロセス変数を表す式への、一つの入力として使用されることができる。
【０００３】
圧力測定に使用される多数の種々の技術がある。一つの基本的な技術は、偏位可能なダイアフラムの使用を含んでいる。そのような圧力センサにおいては、圧力は、直接または隔離媒体を介してダイアフラムに適用され、該ダイアフラムの偏位が測定される。種々の偏位測定技術が使用されることができる。例えば、ダイアフラムに装着されたストレーンゲージ（歪みゲージ）が偏位の示度を提供することができる。他の技術では、偏位は、印加されている圧力に応じて、測定可能な容量の変化を生ずる。好ましくは、圧力センサは、長寿命で、高い正確さを提供でき、周囲の過度の環境、腐食性流体への露出、振動、衝撃および他の破壊的入力に耐性を有することができる。
【０００４】
偏位を測定するのに使用される技術は、圧力センサに形成されている電気部品に電気接続をすることが必要である。そのような接続は実施するのが困難であり、故障の原因になる可能性がある。さらに、電機部品と同様に付加的な処理自身が、圧力測定のエラーの原因になる可能性がある。
【０００５】
発明の要約
本発明の一つの特徴は、センサのダイアフラムまたは周囲の部材への電気的接続を必要としない圧力センサを提供することにある。
【０００６】
圧力センサは、印加された圧力を感知するように構成されている。ダイアフラムの支持体は、印加された圧力に応答して偏位するダイアフラムに結合されている。可動部材はダイアフラムに結合され、ダイアフラムの偏位に応答して動く。光学干渉要素は可動部材と共に動き、入射光と干渉するように構成されている。この干渉は、可動部材の位置の関数である。一つの特徴においては、可動部材は対向するダイアフラム間に結合されている。この構成では、圧力センサは、高い圧力にさらされた時に破壊される程の影響を受けない。
【０００７】
図面の簡単な説明
図１は、本発明の一実施形態による圧力センサの側断面図である。
図２は、図１の圧力センサ中の一層の平面図である。
図３は、図１の圧力センサ中の他の層の平面図である。
図４は、図１の圧力センサを使用する圧力送信機の簡単化された電気回路図である。
図５は、図１の圧力センサを含む圧力送信機の断面図である。
【０００８】
好ましい実施形態の詳細な説明
光学感知を使用する圧力センサは、図１において１０で示されている。一般的に、圧力センサ１０は内孔１４をもつダイアフラム支持体１２を含む。隔離ダイアフラム（isolator diaphragm）１６Ａおよび１６Ｂは、ダイアフラム支持体１２を間に挟んで対向して装着され、一方図示の実施形態では、部分１８Ａと１８Ｂは、内孔１４中に延びる堅い結合部材を形成するために共に固着されている。さらに、隔離ダイアフラム１６Ａおよび１６Ｂは、開いている環状の空洞２４Ａおよび２４Ｂを形成するために、外側の周辺またはリム２２Ａおよび２２Ｂ上でダイアフラム支持体１２に固定され、また、内孔１４の軸１５の回りに存在する。環状の空洞２４Ａおよび２４Ｂは、各隔離ダイアフラム１６Ａおよび１６Ｂの対向する面間にスペースを提供する。換言すれば、これは、隔離ダイアフラム１６Ａおよび１６Ｂが圧力Ｐ１，Ｐ２の差に応答してダイアフラム支持体１２に対して偏位することを可能にし、偏位の行き過ぎを本来的に保護する。部分１８Ａ、１８Ｂによって構成される堅い結合部材２０は、共に隔離ダイアフラム１６Ａおよび１６Ｂと結合し、差動圧力センサ中に使用されている通常の非圧縮流体の代わりをしている。
【０００９】
ダイアフラム支持体１２と隔離ダイアフラム１６Ａおよび１６Ｂとは、外部環境から完全に隔離でき、かつ封じられることのできる内孔１４および環状の空洞２４Ａおよび２４Ｂからなる空洞２６を形成する。該空洞２６の内部は、完全に空にされるか不活性ガスで満たされることができる。しかし、該空洞２６は、空にされる必要はなく、ゲージ圧力のままにされることができる。空洞２６は実質的に隔離されているから、ダイアフラム支持体１２に対する隔離ダイアフラム１６Ａおよび１６Ｂの偏位を測定するために、空洞２６内に装着されている感知要素への環境条件の変化の影響を減ずることになる。さらに、塵埃粒子は空洞２６内に容易に侵入できなくなる。
【００１０】
本発明では、ダイアフラム１６Ａおよび１６Ｂの偏位は光学技術を用いて検出される。図１に示されている例では、光学レシーバ３０が光源３２からの光を受光する。光源３２とレシーバ３０は、センサ１０の反対側に置かれている。ダイアフラム１６Ａおよび１６Ｂの動きは、伝送される光に歪みを発生させることができる。回折格子のような光学部材３４は、光源３２とレシーバ３０間を進行する光の歪みと偏位を増強するために、結合部材２０の位置で、ダイアフラム１６Ａおよび１６Ｂに結合されることができる。一実施形態では、光はセンサ１０から反射され、光源３２とレシーバ３０はそれに応じて配置される。
【００１１】
好ましくは、少なくとも隔離ダイアフラム１６Ａと１６Ｂは、該隔離ダイアフラム１６Ａと１６Ｂが測定されるプロセス流体に直接接触できるように、劣化しない化学的に抵抗性のある材料で作成される。例えば、隔離ダイアフラム１６Ａと１６Ｂは、クロムを含む“サファイア”や“ルビー”のような単結晶のコランダム（corundum）から作成することができる。この材料は実質的に透明であるので、センサ１０は光源３２からの光を送ることができる。前記ダイアフラム支持体１２は、また、隔離ダイアフラム１６Ａと１６Ｂと同じ材料で作ることができ、該ダイアフラム支持体１２は、使用されている材料の融点以下の温度でリム２２Ａと２２Ｂ上で隔離ダイアフラム１６Ａと１６Ｂに直接熔着されることができる。サファイアのような結晶材料が使用される時、圧力センサ１０の構造は、ヒステリスのない弾性体の性質を呈する。さらに、ダイアフラム支持体１２と隔離ダイアフラム１６Ａと１６Ｂとは、同じ材料で形成されるから、熱膨張の異なる割合により誘起されるストレスは最小になる。他の適当な材料として、尖晶石（spinels）、酸化ジルコニウム（zirconia）およびシリコン（silicon）を挙げることができる。シリコンのような材料が使用される時には、酸化物あるいは他の絶縁体が必要になる。
【００１２】
一実施形態では、リム２２Ａと２２Ｂを、それぞれ隔離ダイアフラム１６Ａと１６Ｂに直接接着しようとすると、該接着面の各々を原子的に滑らかにすることが要求される。一つの接着方法は、リム２２Ａ、２２Ｂ上および／または隔離ダイアフラム１６Ａ、１６Ｂの対向面上に、ガラスまたは適当な金属半田（好ましくは、ダイアフラム支持体１２と隔離ダイアフラム１６Ａと１６Ｂとに等しい熱膨張係数を有する）を設けることを含んでいる。真空プレスのような熱と圧力を印加することによって、封じが、リム２２Ａ、２２Ｂと、対応する隔離ダイアフラム１６Ａ、１６Ｂとの間に形成される。該封じは、リム２２Ａ、２２Ｂと、隔離ダイアフラム１６Ａ、１６Ｂとの間に中間層を形成するから、原子的に滑らかな面は必要とされない。
【００１３】
図示の実施形態では、ダイアフラム支持体１２は、平坦な面４２Ａおよび４２Ｂで固定される理想的な基体４０Ａおよび４０Ｂをそれぞれ含んでいる。各基体４０Ａと４０Ｂは、内孔１４を形成するために互いに整列された各孔４４Ａと４４Ｂを含んでいる。環状の空洞２４Ａと２４Ｂは、基体４０Ａおよび４０Ｂ上に、外側の面より低く、かつ孔４４Ａ、４４Ｂの周囲に、くぼみ面４６Ａ、４６Ｂを作成することにより形成される。
【００１４】
図２および図３は、それぞれ、基体４０Ａおよび隔離ダイアフラム１６Ａの平面図を示す。基体４０Ａと４０Ｂは同一であり、同様に隔離ダイアフラム１６Ａと１６Ｂは同一である。このように、二つの独特の構成（すなわち、隔離ダイアフラム１６Ａ、１６Ｂ、および基体４０Ａ、４０Ｂ）が、圧力センサ１０を形成するために製造され組み立てられることが必要である。基体４０Ａと４０Ｂは、また１個の部材を形成する一体構成であっても良い。この場合には、面接着剤４２Ａおよび４２Ｂは必要とされない。当業者には察知できるように、要求があれば、基体４０Ａと４０Ｂは１個のブロックで形成でき、隔離ダイアフラム１６Ａと１６Ｂは環状の空洞２４Ａと２４Ｂを形成するために対応するリムを有するようにすることができる。
【００１５】
もし圧力センサ１０がサファイアまたは他の類似の結晶体部材から形成されるなら、適当な製造方法は、隔離ダイアフラム１６Ａと１６Ｂ、および基体４０Ａと４０Ｂ（または、もし基体４０Ａと４０Ｂが一体に完全に結合されているなら、ダイアフラム支持体１２）を第１に微細機械で加工することを含む。適当な微細機械加工技術（micromachining techniques）は、乾または湿の化学エッチング、およびイオンまたは超音波フライス削り技術を含む。回折格子３４は、適当な技術を用いて、部材２０上に直接作成したり、貼り付けたり、くっつけたりすることができる。
【００１６】
圧力センサ１０は、隔離ダイアフラム１６Ａを基体４０Ａに固着し、次いで隔離ダイアフラム１６Ｂを基体４０Ｂに固着することにより、組み立てることができる。基体４０Ａと４０Ｂは、それから面４２Ａと４２Ｂに沿って固着されることができ、部分１８Ａを部分１８Ｂに固着することによって、結合部材２０が形成される。後で一体に接着される別個の独立した基体４０Ａと４０Ｂを用いると、その構成の各々、すなわち隔離ダイアフラム１６Ａと１６Ｂ、および基体４０Ａと４０Ｂが、ただその一方の側で加工されればよいという理由で、特別な利点がある。
【００１７】
隔離ダイアフラム１６Ａと１６Ｂは好ましくは上記の理由で実質的に同一であるのがよいが、もし望まれるなら、隔離ダイアフラム１６Ａと１６Ｂは異なる加工をされることができる。例えば、部分１８Ａと１８Ｂは、その一方が内孔１４の中に延びるまたは内孔１４から外に延びるというように、異なる長さにすることができる。
【００１８】
光源３２は光ファイバとして図示されているが、発光ダイオード、レーザダイオード等を含む他の光源も使用されることができる。光源３２は、また部材２０に近接して配置されることができる。例えば、光学チャンネルは、面４２Ａと４２Ｂの間を、部材２０に近い位置まで延ばすことができる。同様に、レシーバ３０はセンサ１０の近くに置かれることができ、または光は例えば光ファイバを通ってレシーバ３０まで導かれることができる。さらに、コヒーレント光を提供するための偏光子または光学部品のような適当な光学装置が、光源と圧力センサ１０との間に置かれることができる。圧力センサ１０に入る光は、コヒーレントであっても非コヒーレントであってもよい。
【００１９】
結合部材２０の動きは、レシーバ３０で受光される光の変化に基づいて検出されることができる。受光された光の感知された変化は、圧力センサ１０に印加された差圧を決定するのに使用されることができる。一般に、光は圧力センサ１０の側面から入り、すなわち光は部材２０の偏位に垂直なベクトル成分を持つであろう。さらに、センサ１０を作成するために使用される部材は、光源３２より提供される光に少なくとも一部が透明であるべきである。部材２０は、可動部材を構成しているが、他の形状および向きが本発明では使用されることができる。一つの特徴では、部材２０は、印加圧力に応答して動くいかなる構造であってもよい。一般に、部材２０は、部材２０がダイアフラムの偏位に応答して動くように、ダイアフラムから直接形成されるか、またはダイアフラムに結合されることが必要である。部材２０はダイアフラムと一体に形成されてもよいし、適当な技術によりダイアフラムに結合される別部材から形成されてもよい。
【００２０】
回折格子または他の光学干渉要素３４は、部材２０上に担持されることができる。光学干渉要素３４の動きは、圧力を決定するのに使用される検知可能な光の変化を生ずる。一実施形態では、部材２０または要素３４は、光を反射することができる。そのような実施形態では、センサ３０は、光源３２と対向して配置される必要がない。例えば、光は光源３２に向かって逆方向に反射されることができ、もし該光源３２が光ファイバであるなら、該光を遠くに置かれた光センサ３０まで導くことができる。前記部材の動きは、光の変化を生ずる現象に基づいて検出されることができる。これらは、例えば、干渉パターン、強度変化、位相シフト、偏光変化などであり得る。さらに、干渉要素３４は、部材２０中に、部材２０を通る光の速度を変える空隙のような部材を作ることにより構成することができる。
【００２１】
１以上の圧力を感知する多数の光学センサが使用されることができる。一つの技術では、光は、センサ１０の一方の側から反射要素を具備するダイアフラム面のようなダイアフラムに指向される。例えば、図１のダイアフラム１６Ａと１６Ｂは、反射面であることができる。そのような実施形態では、該面の動きは、光ビームの変位を発生する。ダイアフラムはそれ自身可動部材２０からなり、反射要素はダイアフラム自身か、ダイアフラムに設けられた要素のいずれか一方である。偏位要素は、偏位に従って変化する反射光中に干渉パターンを形成することができる。
【００２２】
図４は、圧力センサ１０を具備したプロセス送信機６０の簡単化された回路図である。センサ１０は、簡単化された形で示されており、２つの圧力Ｐ１とＰ２を受け取る。上記のように、光学干渉要素３４は、圧力Ｐ１とＰ２の差に応答して動く。送信機６０は、２線プロセス制御ループ６２に結合されている。ループ６２は、単に一例として示されており、センサ１０又は送信機６０は他の環境で使用されることができる。ループ６２は、例えば、電源と、センサ１０により測定された圧力Ｐ１とＰ２に関する情報を運ぶプロセス制御ループから構成することができる。一例のループは、ＨＡＲＴ（登録商標）スタンダードおよびＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（登録商標）フィールドバススタンダードのような工業標準（standards）によるループを含む。ループ６２は、制御室６４のような遠隔位置に結合される。制御室６４は、抵抗６４Ａおよび電圧源６４Ｂのような電気回路の形式で示されている。一実施形態では、ループ６２は、送信機６０中のＩ／Ｏ回路６６によって圧力Ｐ１とＰ２に関連して制御される電流Ｉを流す。ある構成では、送信機６０は、ループ６２から完全に受信される電力を基に、Ｉ／Ｏ回路６６により生成される電力を用いて電力を供給される。この電力は、送信機６０に完全に電力を供給するために使用される。前処理回路６８はレシーバ３０からの出力を受信し、マイクロプロセッサ７０へ、センサ１０中のダイアフラムの偏位と光学干渉要素３４の動きに関連する入力を応答的に提供する。マイクロプロセッサ７０は、クロック７２により決定されたレートで、かつメモリ７４に記憶されている命令に従って動作する。前処理回路６８は、光学干渉要素３４の動きに応答してレシーバ３０で受光された光の変化のために、レシーバ３０からの出力の変化を検出できる回路のタイプであれば何でもよい。ある感知技術は、一例として、光源３２からの出力を使用することができる。さらに、光源３２は、マイクロプロセッサ７０によって制御されまたは調整されることができる。マイクロプロセッサ７０は、また受信信号を、ダイアフラムの偏位、印加圧力、またはプロセス流体の流速またはプロセス流体レベルのようなもっと高等なプロセス変数に変換するのに必要な計算をすることができる。図４の送信機６０のための回路図は、説明のためのみに提供されたものであり、他の実施形態は当業者により実施されることができる。現実には、種々の構成要素は別個に独立したものでなく、またハードウェア、ソフトウェア、またはこれらの結合で実施できる。
【００２３】
図５は、本発明による圧力センサ１０を含む送信機１００の断面図である。送信機１０は、圧力センサをプロセス流体に結合するための一つの可能な形状を説明するために、簡単化された形式で図示されている。本発明の圧力センサは、プロセス流体と直接接触して、あるいは適当な技術を用いてプロセス流体から隔離して使用されることができる。本発明は、任意のタイプの圧力センサを使用することができる。送信機１００は、本発明の実施形態によればセンサ１０を含む。さらに、送信機１００は、筐体８２の中身を、過酷な環境から保護するのに適したでこぼこした容器である筐体８２を含んでいる。プロセス圧力Ｐ_LとＰ_Hは、それぞれダイアフラム８４と８６に結合され、そのような圧力は、充満流体８８，管９０を通ってセンサ１０へ運ばれる。図示されているように、前処理回路６８は、センサ１０に結合され、差圧を示す回路８０へ信号を供給する。回路８０は、マイクロプロセッサ７０（図４に図示）およびＩ／Ｏ回路６６（また、図４に図示）のような適当な回路を含むことができる。コネクタ６２は軸点まで延び、送信機１００が上述のように、プロセス制御ループ６２に結合される。プロセス制御ループ６２は、送信機１００へ動作エネルギを供給することができる。さらに、プロセス制御ループ６２は、例えば、ＨＡＲＴ（登録商標）プロトコルおよびＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（登録商標）フィールドバスプロトコルのような適当なプロセス制御プロトコルに従って作動することができる。
【００２４】
本発明は好ましい実施形態を参照して説明されたが、当業者は、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、形状及び細部において変形できることを認識すべきである。“optical”および“light”なる用語がここでは用いられたが、これらの用語は、不可視光の波長を含む任意の波長を含むものである。さらに、センサは差圧、ゲージ圧または絶対圧を測定するのに使用されることができる。
【図面の簡単な説明】
【図４】 図１の圧力センサを使用する圧力送信機の簡単化された電気回路図である。
【符号の説明】
１０……圧力センサ、１２……ダイアフラム支持体、１４……内孔、１５……軸、１６Ａ，１６Ｂ……隔離ダイアフラム、１８Ａ，１８Ｂ……部分、２０……結合部材、２２Ａ，２２Ｂ……リム、２４Ａ，２４Ｂ……環状の空洞、２６……空洞、３０……レシーバ、３２……光源、３４……光学干渉要素、４０Ａ，４０Ｂ……基体、４２Ａ，４２Ｂ……平坦な面、４４Ａ，４４Ｂ……孔、４６Ａ，４６Ｂ……くぼみ面、Ｐ１，Ｐ２……圧力

Claims (15)

1. ダイアフラム支持体（１２）によって支持され、印加圧力に応答して偏倚するように構成されたダイアフラムを有し、該ダイアフラムの偏倚を光学的に検知して印加圧力を感知する圧力センサであって、
   前記ダイアフラム支持体（１２）は、光学干渉要素（３４）を通って入射光が通るように少なくとも一部が透明であり、
   前記ダイアフラムが、第１のダイアフラム（１６Ａ）と、前記ダイアフラム支持体（１２）を間に挟んで前記第１のダイアフラム（１６Ａ）に対向して配置される第２のダイアフラム（１６Ｂ）とからなり、
   前記第１のダイアフラム（１６Ａ）の偏倚に前記第２のダイアフラム（１６Ｂ）が応答して動くように、前記第１のダイアフラム（１６Ａ）および前記第２のダイアフラム（１６Ｂ）に結合される可動部材（２０）を備え、
   前記ダイアフラム支持体（１２）が、一方の面から他方の面へ貫通して形成される内孔（１４）と、前記第１のダイアフラム（１６Ａ）および第２のダイアフラム（１６Ｂ）を支持するリム（２２Ａ、２２Ｂ）と、前記内孔（１４）および前記リム（２２Ａ、２２Ｂ）の間にあって該ダイアフラム支持体（１２）の両面に形成され、前記第１のダイアフラム（１６Ａ）および第２のダイアフラム（１６Ｂ）の偏倚を許容する環状の空洞を形成する環状のくぼみ面（４６Ａ、４６Ｂ）を含み、
   前記可動部材（２０）が、前記ダイアフラム支持体（１２）の内孔（１４）中に延びているとともに、
   前記可動部材（２０）に結合され、入射光と干渉するように構成され、該干渉が該可動部材の位置の関数である前記光学干渉要素（３４）と、
   前記内孔（１４）の一側方に向けて設けられ、該ダイアフラム支持体を通して前記光学干渉要素（３４）に光を導くように構成される光源（３２）と、
   前記内孔（１４）を挟んで前記ダイアフラム支持体（１２）の他方側に設けられ、前記光源（３２）からの光を受光する光学レシーバ（３０）とをさらに備えており、
   前記可動部材（２０）が、前記第１のダイアフラム（１６Ａ）と一体に形成される部分（１８Ａ）および前記第２のダイアフラム（１６Ｂ）と一体に形成される部分（１８Ｂ）を含み、該二つの部分（１８Ａ、１８Ｂ）の、互いに対向する面同士が固着されている圧力センサ。
2. 請求項１の圧力センサであって、
   前記光学干渉要素が前記可動部材の動きの方向に垂直なベクトル成分をもつ光と干渉するように構成されている圧力センサ。
3. 請求項１の圧力センサであって、
   前記光学干渉要素が反射要素からなる圧力センサ。
4. 請求項１の圧力センサであって、
   前記光学レシーバが、前記光学干渉要素によって反射された光を受光する圧力センサ。
5. 請求項４の圧力センサであって、
   前記光源と前記光学レシーバの少なくとも一方が光ファイバを含む圧力センサ。
6. 請求項１の圧力センサであって、
   前記印加圧力は差圧である圧力センサ。
7. 請求項１の圧力センサであって、
   前記印加圧力は絶対圧力である圧力センサ。
8. 請求項１の圧力センサであって、
   前記印加圧力はゲージ圧力である圧力センサ。
9. 請求項１の圧力センサであって、
   前記ダイアフラム支持体は、サファイアからなる圧力センサ。
10. 請求項１の圧力センサであって、
    前記第１のダイアフラムおよび第２のダイアフラムが前記ダイアフラム支持体の前記リムに対して直接溶着されている圧力センサ。
11. 請求項１の圧力センサであって、
    前記光が可視光からなる圧力センサ。
12. 請求項１の圧力センサであって、
    前記第１及び第２のダイアフラムは、印加圧力を提供するプロセス流体と直接接触している圧力センサ。
13. 請求項１の圧力センサであって、
    前記第１及び第２のダイアフラムは、隔離流体によって、プロセス流体から隔離されている圧力センサ。
14. 請求項１〜１３のいずれかに記載の圧力センサによって感知された圧力に関連する送信機出力を提供する出力部と、
    前記送信機出力を、２線プロセスループに結合するように構成されたＩ／Ｏ回路とからなるプロセス送信機。
15. 請求項１４のプロセス送信機において、
    送信機中の回路はプロセス制御ループから完全に電力を供給されるプロセス送信機。

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