JPS59500987A - 液体容量型圧力変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、液体−液体の微分容量型圧力変換器に関する。

発明の背景 従来、液体−゛液体圧力変換器は公知であるが、正確で、かつ信頼性の高い、こ の種の圧力変換器をつくることは、大変難しいとさ朴ている。容量型圧力変換器 でも、ガスの圧力を測定するためなら、信頼性の高いものが出来ている。例えば 、その一つが、本発明の出願人に譲渡さｎ、ている、１９８０年６月１０日登録 の米国特許第４．２０７．６０４号明細書に記載さｆている。

しかし、２液体間の圧力を測定しようとすると、問題がいくつか出てくる。先ず 、圧力変換器の極板同士は、０．０　］、　２７ｍｍ　（□インチ）乃至約０． 　］、　ｒｔｒｍ　（１，００００００ 分の数インチ）の間隙を残す程度に、非常に接近しているので、圧力が測定さ１ ゜る流体は、通常、極板の間隙に、簡単には入っていくことはできず、そこを完 全に充たすことができない。また、気泡ができて、その中の空気が、温度変化に 伴って膨張収縮し、誤差の原因となる。また、もし、別体の基準コンデンサーが 用いら１．ていると、変換器自体の大きな容量変化によって、特に、温度などが 変化する条件の下で、変換器の容量を、基準コンデンサーの容量と約９合わせる ととが難しくなる。さらに、ガス充填変換器に比べて、液体が充填される際、固 定コンデンサーに対する可変コンデンサーの比が大きく変化するので、それによ って、装置の補正上に問題がでてくる。

よって、本発明の目的は、低廉で、しかも信頼性の高い液体−液体の容量型圧力 変換器を提供することにある。

発明の要約 本発明の液体−液体圧力変換器は、その極板間に、０．０１２７雁（□インチ） 乃至０５０８ＴＭｌ（−−イン１０００　１０００ チ）程度の非常に狭い間隙を備えており、かっ、この間隙は、低粘度の絶縁流体 で充填される。変換器の極板間の間隙に通じているコンジットにも、絶縁流体が 充填さｎており、かつ、このコンジットは、極薄可撓性蛇腹状膜によって密封さ れている。

第１液体と第２液体との間における圧力差が測定さ肛るため、これら２つの液体 の一方を、蛇腹状膜の反対側に誘導するコンジットが設けら汎ており、丑だ、他 ノコンシットは、圧力変換器のダイヤフラムの外面に、第２の液体を誘導する。

本発明は、次の諸要素を備えてなるものである。

（１）特に、酸化アルミニウム、若しくはガラスのような、ヒステリシスを有し ない適当な絶縁材料で作ら粗ている２つの電極。

（２）　ゴム製の薄い蛇腹を備え、かつ極板間の間隙に通じているコンジット。

（３）　可変コンデンサーがダイヤフラムの中心方向に取シ付けられ、かつ、相 当面積を有する基準コンデンサーがダイヤフラムの周辺近くに取υ付けらｎ、し かも、この両方のコンデンサーの極板の間に、絶縁流体が充填されるようにして 、可変コンデンサーと共に、一方の極板に取り付けられている基準コンデンサー 。

（４）他方の極板よりかなシ厚い絶縁極板、および、この厚目の極板に取り付け らｒているハイブリッド電子回路若しくは他の出力回路。

（５）圧力差が測定さ柱る液体源に、適当なハウジングならびにソール用ガスケ ットｔたはＯ−リングによって、シールされるべく取シ付けられている内部変換 器装置。

本発明によって得らｎる利点は、可変コンデンサーに対する基準コンデンサーの 比が、新しい液体が充填された変換器に対しても、空気が充填されていたシ、空 洞になっている時の装置に対しても、殆んど同じであるという事実に基いている 。

また、０．０２５４陥（−インチ）乃至約０．１　ｍｍ０００ （ｚｏｏｏ分の数インチ）程度の開きしがない２つの極板間の間隙を、気泡が生 じないように完全に充填することにより、また、周囲に同等のオイル間隙を有す る基準コンデンサー及び可変コンデンサーを提供することによって、直線性から の不要な偏差、温度安定性ならびに液体−液体容量型圧力変換器に見られた多く の難題が、解消できる。

本発明の他の目的、特徴及び利益は、以下に述べる詳細説明と添付の図面ンζよ って、明白になると思う。

図面の簡単な説明 第１図は、本発明による液体−液体変換器を示す細′断面図である１ 第２図は、中央導電性被覆と共に、第１図の装置に用いられているダイヤフラム を示す平面図である。

第３図は、変換器の基準コンデンサー及び可変コン７′：ザーの一部を形成ごて いる１可心導電性被覆と共に、第７図の厚目極板の・内面紫示すＸＶ−面区でち る、１第１図は、Ｖ神器の心臓部を形成する２つの絶縁極板θ１４）を不する液 体−液体変換器の縦断面を示すものである。

極板＋Ｉ’ｌ’ｌθＡ）ｄｌ、低いヒス子すニースと、優殺だ安定性を有す″勺 適当な絶縁：ｔｙ４　ｆｉがら作り、ｎている１、使用される代表的な材料は、 セラミックまたはガラスである。本実施例においては、極板ＨＱ４）に酸化アル ミニウムを円形状に加工して使用している。

極板θ２１Ｑ（イ）は、それぞれダイヤフラムとして作用するように、相当薄く なっている。即ち、第１図に示すように、極板α２は比較的厚く、他方の極板Ｑ ４）は、それが単一のダイヤフラムとして作用し、がっ、表面の圧力に変化が生 じると、撓みを起こすように、相当薄くなっている。

酸化アルミニウムを使用する際、ダイヤフラムＱ４）の］　００００４インチと し、かつ、その直径を、３１．７５ｍ＋ｎ（＋−！−インチ）程度とする。こｎ らについては、】９８ｏ年６月１．０ＩＥｌ登録の米国特許第４，２０７，６０ ４号、１９８０年１０月１４日登録の米国特許第４，２２７．４１９号、並びに １９８２年５月１１日登録の米国特許第４．．３２９，７３２号の各・明細書を 参照さｎたい。

本発明の出願人に譲渡されている、以上３つの特許明細書には、本明細書の第１ 図に示されているような容量型変換器について、可成り詳細に記載さねでいるが 、そｎ、らは、主に、ガス圧の測定用のものとなっている。しかし、少なくとも その一つがダイヤフラムとなっている、２つの極板を組み立てるに尚って、前述 の米国特許が開示していることは、参考になる。

第１図に示されているように、２つの絶縁極板（１２０４１は、離隔して設けら ｎｌ、かつ、ガラスフリットαｅの周辺層ニよって、互いにシールさｎている。

ガラスフリツ）　Ｑ６１は、２つの異なる融点を有するガラス粒子でつくられて いる。

ガラスフリット中の２つのガラスが有する融点の中間温度で、ガラスフリットを 溶融すると、２つの極板ＨＱ４）は、高い力の融点を持つガラスフリットの粒子 の寸法に応じて、正確に離隔される。極板（１２１（１４＋同士の間隙は、０． ０１２７ｍｙｎ（□インチ）から約０．５０８１１ｍ０００ （」（インチ）である。よく使わｎる間隙は、０．０２５４０００ ｇｍ　（震−インチ）から、０．０５０８謳（−一インチ）１０００　１０００ である。

極板ＱＺ　Ｑ４１の内部対向面には、導電材料の薄い被覆が施されている。この 被覆は、極板の表面に形成さｎｌ、かつ溶融さ八る。この被覆は、導電ペースト 状をなし、かつ場合によっては、酸化スズで形成することができる。

第２図及び第３図によく示さｎているように、ダイヤフラム０４）は、単一の大 きな面積を有する概ね円形の導電性被覆側を備えている。一方、厚目の極板０渇 の内面は、中央に導電性被覆■と、その周囲に外側同軸導電性被覆（２２）とを 備えている。第２図示の、ダイヤンラには、ガラス７リツトの被覆が設けらｒて おり、後に、そｎは、第１図示のシール部αｅを提供するべく溶融さｎる。

市販のペースト状ガラスフリットは、第２図及び第３図に示さ九ているように、 外周部ｔ１６１　Ｑ６）に施され、次に、例えば、３７８Ｃ乃至４８．］Ｃ’（ １００Ｆ〜１２１）の温度で乾燥し、最後に、溶融される。その結果、２００が 形成さｎる。

導電部（Ｉ４）■０りは、通常、ペースト状の導電材料を酸化アルミニウム面に 施し、次に、前述した如く、極板を高温で溶融することによって、作成さｎる。

第１図に示されているように、アセンブリは、ハウジング部材ｅ−１１（２６１ を備えている。これらは、アルミニウムを用いて形成さｎるが、高品質の強化プ ラスチックを用いることもできる。

アルミニウム部材Ｃ４）は、中央コンジット（２８１を備え、かつ、その圧力が 検知される一力の液体が、コンジットを介して、ダイヤフラムＯａに与えらする 。ダイヤフラム０４）の外面の周囲に設けらｎている部材０４１をシールするた め、０−リング（至）が取シ付けら八ている。

アルミニウムで形成さｎている外側円筒金属部材Ｇｚは、内方に屈曲した上縁及 び下縁を有し、これによって、ハウジング部材（２４１（イ）を有するアセンブ リは、所定の位置に支持さ九、かつセンサーＱ２　ａａと係合する。２つのＯ− リング０４）（ト）は、ハウジング部材Ｑ４）＠に対し、部材Ｏ２をシールして いる。

ハウジング部材２６）は、オネジ（支）付きの筒部を備え、かつ、その圧力が測 定さ九る第２の液体源は、オネジ（２）を利用して接続される。

オネジ■付きの筒部の内側には、インサート（４０！が設けらｎている。こ九は 、）・ウジング部材Ｑｅのショルダー＋４６１　Ｋ　対ｔ、　テ、コンジット（ ４（１）内のゴム製蛇腹部材（４２１を、適切に支持している。インサート（４ ０１は、オネジ（至）を有する筒部の屈曲内縁（４８１によって、適切に支持さ ｎている。

コンジット（４４）は、ハウジング部材価）の開口（５０）を介し、かつ、イン サート６４）の中央開口５ｚを介して、極板ｔ１２１　Ｑ４１同士の間隙に連絡 しており、かつ、センサーである厚目極板０りを貫通している開口（イ）と、整 合している。インサート５４）は、Ｑ　＋　ＩＪソングハ）によって、極板Ｑ２ １の上面をシールし、かつ、Ｏ−リング−によって、ハウジング部材ｃ２ｅに対 し、開口６〔の周囲をシールしている。

使用に際しては、極板Ｑ３　Ｑ４）の間の間隙全体、および、チャンネルＱ４１ 　ｆ５０）　５２（ト）の中を、空洞とし、次に、そこへ、低粘度のシリコンオ イルを注入し、極板１１２　Ｑ４１の間にできる間隙、及びコンジット部（４４ ）へ通ずる通路を完全に充填する。次に、ゴム製蛇腹部材（４りを挿入し、締付 部材（４Ｇによって、ゴム製蛇腹部材（４’ｌ＋の周囲を密封可能に押止し、リ ップ＋４１を変形することによって固着する。

極板Ｑ２）　Ｑ４）の間の間隙が非常に狭いために、このような手順を踏むこと になる。即ち、間隙が狭いので、もし、そこを空洞にしないで、液体を、通路（ ４４１５０）　Ｃ５２（イ）に直接穴ｎでしまうと、細かい気泡が、極板（１２ ＋　Ｑ４）の間の間隙に閉じ込められてしまうことになる。この気泡は、温度変 化によって膨張し、圧力表示に悪い影響を与える。

極板間の間隙は、予め空洞にさ、ｎ、その結果、清浄になっているため、全くガ スの影響を無視できるところから、この間隙を、「無ガス清浄ゾーン」と呼んで いる。

センサーの内部ゾーンを、低粘度のシリコンオイル若しくは他の適当な絶縁性液 体で充填した後、装置を取シ付け、次に、圧力差が測定される２つの液体を、装 置頂部にあるオネジ（至））封筒部と、ハウジング部材（２勢から下方に伸長し ているコンジットｗとに接続する。

コンジツ）　ｃ！８１を囲んでいる部材Ｃ４）の下方伸長部の外面は、螺刻さｎ ている。２つの流体の圧力が、ダイヤフラムＯａに直接作用すると、その撓みに よって、圧力差が直接的に測定できる。

ダイヤフラムＯａに撓みが生じると、通常の導電性被覆ＯＱと極板θ２の中央被 覆（イ）とによって構成さｉている可変コンデンサーの容量は増加する。一方、 通常の極板ＯＱと外側導電性被覆０２）から成る基準コンデンサーの容量は、僅 かに増加する。

例えば、米国特許第４，２２７．４１９号明細書に記載されているように、基準 の固定コンデンサーと可変コンデンサーを用い、入力圧、即ち、前記両コンデン サーの間に生ずる容量差によって、容量センサーに与えられる圧力差を測定する のが普通である。

このような機能を達成する回路については、前記米国特許第４，２２７，４１． ９号明細書の第４図に、ブロック図（４）として示さｊ−ており、更に詳しくは 、同明細書の第８図に示さｎている。

本明細書の第１図において、この回路（６４）を示し、また、この回路（財）か ら出ているリード線（６６）を示しである。

ハイブリッド電子チップの回路（６４）に対する接続部は、第３図示の場所（６ ８１（７０＋から出ており、かつ、そｎは、ガラスフリットゾーン（１６）の下 を通って、通路σ２Ｑ４）に沿って伸び、それぞ扛、導電性被覆ａＯ）［２２＋ に達している。

厚目の極板０２）に設けらｉた小孔によって、場所［Ｆ］ね６０）から集積回路 チップ（６４）までのリード線を通すことができる。

従来、基準コンデンサーは、主として分離して使われ、従って、センサーの極板 間の間隙に充填さｎた流体に物理的に触れることはなかった。このような状態で は、可変コンデンサーでの条件と比較されるべき基準コンデンサーに、異なる条 件が与えられるため、基準容量に対する可変容量の比が、温度によって急激に変 わることがある。従って、圧力センサーの補正が、極めて難しくなる。

しかし、本発明によｎば、基準容量と可変容量が、同じ接触状態の下に置かｎ、 かつ絶縁流体によって離隔されている場合には、直線からのこのようなずれとか 、他の関連する問題点は避けられる。

本明細書の第１図、第２図および第３図により説明してきたセンサーを使用し、 テストを実施した。その結果を、表Ｉ及び表Ｈに示す。

このテストは、５つのセンサーを用いて行なった。

シリコンオイルを充填する前に、まず、これらのセンサーのテストを行ない、次 に、シリコンオイル充填後、再びテストを行々つだ。充填後のテスト結果におい て、最初の欄は、圧力を変えて２４時間運転したものであり、次の欄は、更にそ の後２４時間、つまり充填後４８時間運転したものである。

表１及び表Ｈの結果は、５つのテスト用圧力センサーについて得られた測定値を 平均したものである。

（以下余白） 表　Ｉ 表■から明らかな゛ように、間隙が絶縁流体で充填さｎていると、可変コンデン サー及び基準コンデンサーに対する容量の絶対値は、そ九ぞれ、約２５倍ずつ変 化している。

しかし、表■をみると、容量比は、オイル充填の前後で、殆んど変化していない 。このように変化が少ないことは、回路を作ったり、圧力装置を補正する点で、 極めて有効である。従って、空気、若しくは異々る誘電率の液体を使用しても、 その回路を変える必要がない。寸だ、時間が経過しても、その値が、殆んど一定 で、しかも安定しているのも興味深いところである。

また、第１図に示されているダイヤフラムＱ４）は、実際の厚さより多少厚い程 度であシ、捷だ、導電性被覆０（至）（７Ｑｊ　（２２＋についても同じく云え る。興味の持てるとととして、液体−液体圧力変換器は化学反応装置に使うこと ができる。これによって、２つの密閉チャンバ若シくは容器の間の圧力差を測定 することができる。一つの代表的な使い方として、フィルターにかかる圧力、つ まり、フィルターに粒子が詰まる際に生ずる圧力を監視することができる。

更に、基準コンデンサー及び可変コンデンサーは、概ね等しい面積及び値を持っ ており、その結果、圧力差ゼロの状態では、この両者の容量値の比は、はぼ１と 々る。このことは、関連の出力電子回路の調整に好都合で、しかも、変換器が極 板の間に異々る誘電材料を有している際に、一致性が得られる点でも都合がよい 。

本発明は、上に述べてきた詳細説明、ならびに添付の図面に示された内容に限定 さｎるものではない。つｔｂ、第１図示のインサート５４）を別個に用いる代わ シに、それを部材ＣＯに組み込んでもよく、また、第１図、第２図および第３図 の構造に使用さｎている酸化アルミニウムの円形極板の代わシに、前に引例とし て挙げた米国特許第４，３２９，７３２号明細書に紹介されているような方形ガ ラス極板を使用することもでき、更に、電子チップ（財）に関し説明してきた構 造以外の出力回路を使うこともできる。

本発明において用いられている寸法は、使用さ九るそれぞれの圧力範囲に応じ、 また、利用されるさまざまな材料に応じて変えることができる。従って、本発明 は、上で述べてきた構造に何ら限定されることはない。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ＋１１　第１及び第２の液体間の圧力差を測定する容量型圧力センサーにおいて 、 少なくとも一つがダイヤフラムとなっている第１及び第２の平伏絶縁極板と、 互いに、０．０１２７ｍｍ（」Ｌインチ）乃至０５０８０００ ｍ（□インチ）程度に離隔され、かつ、ダイヤフ０００ ラムにかかる圧力が変化する際、互いに近づいたり、遠ざかったりする自由な運 動ができるように、中心から離隔して設けられている狭いゾーンに沿って、互い にシールされている極板を取シ付けるだめの装置と、 極板の中心方向に設けら九、かつ圧力差に応じて和尚に変化する可変コンデンサ ーと、狭いゾーンの近くで、極板の中心部よシ外力に設けられ、かつ容量の変化 に応じ、僅かに充電されるようになっている基準コンデンサーとを形成するため 、極板の対向部の内面に導電性被覆を備えている装置と、第１の液体を、ダイヤ フラムの外側に接触誘導させるだめの装置と、 薄い蛇腹状膜を備えているコンジットと、極板と導電性被覆との間隙に完全に充 填され、更に、コノジットの蛇腹状膜のところまで充填され、かつそれと係合し ている低粘度絶縁流体と、第２の液体を、蛇腹の反対側に誘導するだめの装置と から成り、 そｎによって、センサーの容量変化が、第１及び第２の液体間の圧力差を直接表 示するようになっていることを特徴とする容量型圧力センサー。 （２）　低粘度流体が、シリコンオイルであることを特徴とする請求の範囲第（ ］）項に記載の容量型圧力センサ（３）可変コンデンサー及び基準コンデンサー が、概ね同面積の導電性被覆を有し、従って、ダイヤフラムにかかる圧力差ゼロ において、概ね同じ容量を有することを特徴とする請求の範囲第（１１項に記載 の容量型圧力センサー。 （４）　極板同士の間隙が、０．１２７ｍｍ（□インチ）以０００ 下であることを特徴とする請求の範囲第（１）項に記載の容量型圧力センサー。 （５）　極板が、酸化アルミニウムで作られていることを特徴とする請求の範囲 第（１）項に記載の容量型圧力センサー。 （６）極板が、ガラスで作られていることを特徴とする請求の範囲第（１）項に 記載の容量型圧力センサー。 （７）一方の極板が、ダイヤフラムとなっている他方の薄い極板よシ、少なくと も数倍厚くなっておシ、かつ、極板が一緒に取シ付けられ、かつそｎを互いにシ ールしているゾーンに隣接し、しかもその内側で、厚目極板を貫通している孔が 、コンジットに設けらハでいることを特徴とする請求の範囲第（１）項に記載の 容量型圧力センサー。 （８）厚目極板に取シ付けられた出力電子回路チップを、更に有していることを 特徴とする請求の範囲第（７）項に記載の容量型圧力センサー。 （９）　蛇腹状膜が、薄いゴム製であることを特徴とする請求の範囲第（＋）項 に記載の容量型圧力センサー。 ００）極板同士の間隙が、無ガス清浄ゾーンとなっているととを特徴とする請求 の範囲第（１）項に記載の容量型圧力センサー。 （ＩＩ）　第１液体及び第２液体間の液圧差を測定する容量型圧力センサーの製 造方法であって、 少なくとも一つがダイヤフラムに々つている第１及び第２の絶縁極板に対し、前 記極板が組み立てられる際、基準コンデンサー及び可変コンデンサーが形成さｎ るべく導電性被覆を施す段階と、ガラスフリットから形成されている周辺部を溶 融することによって、極板上の導電性被覆同士が凡そインチ）程度離隔するよう に、少なくとも一つがダイヤフラムになっている第１及び第２の絶縁極板を組み 立てる段階と、 極板と導電性被覆との間にできる間隙を空洞にする段階と、 極板同士の間隙にまで及んでいるコンジットを提供する段階と。 予め空洞化されている極板間の狭小な間隙が、気泡を含まない絶縁流体によって 完全に充填され、更に、該絶縁流体が前記コンジットの中まで導かｎ４ように、 該間隙に低粘度の絶縁流体を注入する段階と、 低粘度流体と接するようにして、コン−ジットに、薄くて、しかも可撓性に富ん だ蛇腹状膜を取付ける段階と、 第１の流体を、蛇腹状膜の反対側に接触させるための装置を提供する段階と、 第２の流体を、ダイヤフラムの外側に接触させるための装置を提供する段階とか ら成り、それによって、ダイヤフラムが偏ると、その結果体ずる容量変化が、第 １及び第２の液体間の圧力差を示すようになっていることを特徴とする容量型圧 力センサーの製造方法。