JPWO2007018088A1 - 静電容量型圧力計のダイヤフラム取付構造 - Google Patents

静電容量型圧力計のダイヤフラム取付構造 Download PDF

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Abstract

この発明は、製作容易でコストの上昇を抑えつつ、溶接不良及び熱歪の発生を抑制して計測精度の向上を達成することができる静電容量型圧力計のダイヤフラム取付構造を提供するものである。この発明は、筒状ケースの一端開口側に流体圧受圧用のダイヤフラムが張設されているとともに、このダイヤフラムの受圧面とは反対側の筒状ケース内には該ダイヤフラムの撓み変位を電気容量の変化として取り出す固定側電極が設けられている静電容量型圧力計において、前記ダイヤフラムの外周縁部分を中央部分よりも肉厚に形成し、この肉厚外周縁部分を熱溶融させて前記筒状ケースの一端開口周りの端面部に溶接し固着している。

Description

本発明は、例えばマスフローコントローラにおけるマスフローセンサとして用いられる圧力計等のように、筒状ケースの一端開口側に流体圧受圧用のダイヤフラムが張設されているとともに、このダイヤフラムの受圧面とは反対側の筒状ケース内には該ダイヤフラムの撓み変位を電気容量の変化として取り出す固定側電極が設けられている静電容量型圧力計のダイヤフラム取付構造に関する。
この種の静電容量型圧力計のダイヤフラムとしては、精度の高い圧力計測が行えるようにするために、通常、２５〜１２５μｍ範囲で全体が０．１ｍｍ以下の均一な厚さの薄膜が用いられる。また、その直径も１インチ（２５．４ｍｍ）程度と非常に小さい。
このような薄膜かつ小径のダイヤフラムを筒状ケースに固定状態に取り付けるにあたって、従来一般には、ダイヤフラムの薄い外周縁部を筒状ケースの一端開口周りの端面部にティグ（Ｔｉｇ）溶接などにより直接固着する手段が採用されていた。
しかし、上記のように肉厚の薄い外周縁部を筒状ケースの端面部に溶接し固着する一般的な手段の場合は、溶接固着対象となる筒状ケースの開先容積とダイヤフラムの外周縁部の開先容積との差により、筒状ケース側が溶け難く、ダイヤフラム側が溶け易いために、溶接箇所の溶け込みが不均一となって、溶接不良を発生しやすく、それだけ製品歩留まりの悪化を招きやすい。また、肉厚の薄いダイヤフラム側においては、外周縁部が急速に熱溶融されて溶接熱がダイヤフラムの中央部に向かって進行することになるが、その溶接熱の進行具合がダイヤフラムの全周で一様でなく、周方向でばらつくために、溶接外周縁部の内周に該外周縁部と非相似形の環状皺等の熱歪が発生し、この熱歪に起因してダイヤフラムの撓み変位量に悪影響を及ぼし、その結果、所定の圧力計測精度を確保することができないという問題がある。
このような溶接不良や熱歪の発生は、溶接スキルの向上により、ある程度まで減少させることが可能であるものの、生産技術の観点からみると、歩留まりの悪化や生産コストの上昇の原因となり、また、精巧な計測精度を確保するまでには到底至ることができない。
そこで、従来、静電容量型圧力計のダイヤフラムとして、その外周縁部を除く中央部をプレス加工することにより、中央部の全域に放射状あるいは多重同心状の波や皺を予め積極的に形成したダイヤフラムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
米国特許第４，４３４，２０３号明細書
上記特許文献１に示すようなダイヤフラムによれば、その中央部に形成されている放射状あるいは多重同心状の波や皺の表面積が十分に大きいために、ダイヤフラムの外周縁部を筒状ケースの端面部に溶接する際、中央部に向かって進行する溶接熱を効率よく放熱してその進行を食い止め、これによって、周方向で不均一な熱歪の発生を抑制することが可能であるものの、開先容積の差による溶接箇所の溶け込みの不均一化に伴う溶接不良の発生及びそれを原因とする計測精度の低下は避けられない。加えて、ダイヤフラム自体に予め放射状あるいは多重同心状の波や皺をプレス加工等によって形成するといった複雑な製作工数の増加と、溶接スキルの向上を必要不可欠とすることによる歩留まりの悪化とから、静電容量型圧力計全体の製作コストが高価になるという問題があった。
本発明は上述の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、製作容易でコストの上昇を抑えつつ、溶接不良及び熱歪の発生を抑制して計測精度の向上を達成することができる静電容量型圧力計のダイヤフラム取付構造を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明に係る静電容量型圧力計のダイヤフラム取付構造は、筒状ケースの一端開口側に流体圧受圧用のダイヤフラムが張設されているとともに、このダイヤフラムの受圧面とは反対側の筒状ケース内には該ダイヤフラムの撓み変位を電気容量の変化として取り出す固定側電極が設けられている静電容量型圧力計において、前記ダイヤフラムの外周縁部分を中央部分よりも肉厚に形成し、この肉厚外周縁部分を熱溶融させて前記筒状ケースの一端開口周りの端面部に溶接し固着していることを特徴とするものである。
ここで、この発明において、前記ダイヤフラムの肉厚外周縁部分を、該ダイヤフラムの厚みの中央を対称の中心として表裏対称形状に形成すること（請求項２）が好ましく、さらに、ダイヤフラムの外周縁部分を、溶接対象となる筒状ケースの開先容積と等しいまたは略等しい容積を有する肉厚に形成すること（請求項３）が好ましい。
上記のような特徴構成を採用した本発明によれば、ダイヤフラムの外周縁部分の肉厚化によって十分な溶接代（溶け込み代）を持たせることが可能で、該外周部分を均一に溶け込ませて低い溶接スキルの下でもミスなく容易かつ確実に溶接することができるだけでなく、溶接熱がダイヤフラムの中央部へ向けて進行することに伴う熱歪の発生も極力抑制して所定の撓み変位量を確保することができ、これによって、圧力計測精度の向上を達成することができる。しかも、ダイヤフラムの製造にあたっては、マスキング工程とエッチング工程を増やすだけで外周縁部分のみが肉厚化された薄膜のダイヤフラムを容易に製造することができる。したがって、ダイヤフラムの製造コストの低減化と、高い溶接スキルを要さずとも溶接不良を生じることなく確実容易に溶接できることが相乗じて、全体の製作コストの上昇をできるだけ抑制しつつ、計測精度の高い静電容量型圧力計を得ることができるという効果を奏する。
特に、ダイヤフラムの外周縁部分を、溶接対象の筒状ケースの開先容積と等しいまたは略等しい容積を持つ肉厚に形成することにより、溶接箇所の溶け込み量を均一かつ安定化して撓み変位量の安定した高精度な静電容量型圧力計を歩留まりよく製作し、コストの一層の低減を図ることができる。
本発明に係る静電容量型圧力計の一例を示す断面図である。 同上静電容量型圧力計のダイヤフラムの拡大縦断面図である。 同上ダイヤフラムの平面図である。 同上ダイヤフラム外周縁部分の溶接状態を示す要部の拡大断面図である。 静電容量型圧力計のダイヤフラム外周縁部分の他の例を示す要部の拡大断面図である。
符号の説明
１ 静電容量型圧力計
２ 円筒状ケース
２ｅ 開口周りの端面部
３ ダイヤフラム
３ａ 肉厚外周縁部分
３ｂ 中央部分
４ 固定側電極
ｔ 中央部分の厚み
ｔ１ 外周縁部分の厚み
ｓｃ． 対称の中心
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る静電容量型圧力計の一例を示す断面図であり、この静電容量型圧力計１は、ステンレス鋼等の耐腐食性素材から構成された円筒状ケース２の一端開口側にガス等の流体圧受圧用のダイヤフラム３が張設されているとともに、このダイヤフラム３の受圧面とは反対側の円筒状ケース２内の中央部には該ダイヤフラム３の撓み変位を電気容量の変化として取り出す固定側の電極４が設けられている。
上記静電容量型圧力計１は、圧力計取付ブロック５に形成された凹状空間６内に前記ダイヤフラム３が流体圧検出ポート１１に対向するように挿入配置されるとともに、円筒状ケース２の他端側に一体形成されて外方へ突出する環状フランジ部７と前記凹状空間６の開口端側周部に形成された環状段部８との間に金属ガスケット等のシールリング９を介在させた上で、環状押え部材１０及び締め付けボルト１４を介して前記環状フランジ部７を環状段部８に押圧した状態で圧力計取付ブラケット５に締付け固定して用いられる。
そして、上記の使用態様において、前記流体圧検出ポート１１の流体圧力がダイヤフラム３に加わって該ダイヤフラム３が流体圧力に比例して撓み変位したとき、その撓み変位量が電気容量の変化として前記固定側電極４から取り出され、静電容量型圧力計１とは別に設けられた電気回路で処理されてガスなどの流体圧力が計測される。
上記のように構成され、また、上記のように使用される静電容量型圧力計１におけるダイヤフラム３は、その外周縁部分３ａがその中央部分３ｂよりも肉厚に形成されている。具体的には、図２及び図３に示すように、中央部分３ｂの厚みｔが２５〜１２５μｍの範囲で均一に形成されているのに対して、外周縁部分３ａが、中央部分３ｂの厚みｔの中央を対称の中心ｓｃ．として表裏対称形状で全体の厚みｔ１が５００μｍ程度の肉厚に形成されている。
このように形成されたダイヤフラム３は、図４に明示するように、その肉厚外周縁部分３ａを環状の中間溶材１２を介して前記円筒状ケース２の一端開口周りの端面部２ｅに押し当てられ、この状態で、図４の一点鎖線で囲んだ領域の全周を熱溶融するようにＴｉｇ溶接することによって、前記円筒状ケース２の一端開口周りの端面部２ｅに固着される。
このとき、ダイヤフラム３の外周縁部分３ａが十分な溶け込み代を持つ肉厚に形成されているため、溶接箇所の全周に亘って均一な溶け込み量を安定よく確保することが可能であり、これによって、溶接不良を発生することなく確実容易に溶接し固着できるとともに、溶接熱が薄肉の中央部分３ｂに向かって進行することもほとんどなく熱歪の発生を抑制可能であり、これによって、中央部分３ｂの撓み変位量を所定どおり確保して圧力計測精度の向上を達成することができる。
特に、ダイヤフラム３の外周縁部分３ａを、図４にも示したように、溶接対象となる円筒状ケース２の一端開口周りの端面部２ｅ近くの外周面部に設けられるＶ字形の開先溝１３よりも一端開口側の開先容積と等しいまたは略等しい容積を有する程度の肉厚に形成することが好ましい。この場合は、ダイヤフラム３の外周縁部分３ａと円筒状ケース２の端面部２ｅとの溶接部分の溶け込みが均等となり、かつ、溶け込み量が全周に亘って安定するために、熱歪の発生がより低減され圧力計測精度の一層の向上を図ることができる。
また、前記ダイヤフラム３の外周縁部分３ａの肉厚化は、大きな薄板材からマスキングとエッチングで複数のダイヤフラム３を抜き出すという一般的な製造に際して、マスキング工程とエッチング工程を増やすだけで可能であり、前述の特許文献１に示すようなダイヤフラムに比べて製造が容易で製造コストの低減を図ることができる。
なお、上記実施の形態では、ダイヤフラム３の外周縁部分３ａを、中央部分３ｂの厚みｔの中央を対称の中心ｓｃ．として表裏対称形状に形成したもので示したが、図５に示すように、中央部分３ｂの表裏いずれか一方のみに肉厚を増加させた非対称形状に形成したものであってもよい。
本発明に係る静電容量型圧力計のダイヤフラム取付構造は、製作容易でコストの上昇を抑えつつ、溶接不良及び熱歪の発生を抑制して計測精度の向上を達成することができるので、例えばマスフローコントローラにおけるマスフローセンサとして用いられる圧力計等のように、筒状ケースの一端開口側に流体圧受圧用のダイヤフラムが張設されているとともに、このダイヤフラムの受圧面とは反対側の筒状ケース内には該ダイヤフラムの撓み変位を電気容量の変化として取り出す固定側電極が設けられている静電容量型圧力計に適用することができる。

Claims (3)

  1. 筒状ケースの一端開口側に流体圧受圧用のダイヤフラムが張設されているとともに、このダイヤフラムの受圧面とは反対側の筒状ケース内には該ダイヤフラムの撓み変位を電気容量の変化として取り出す固定側電極が設けられている静電容量型圧力計において、
    前記ダイヤフラムの外周縁部分を中央部分よりも肉厚に形成し、この肉厚外周縁部分を熱溶融させて前記筒状ケースの一端開口周りの端面部に溶接し固着していることを特徴とする静電容量型圧力計のダイヤフラム取付構造。
  2. 前記ダイヤフラムの肉厚外周縁部分が、該ダイヤフラムの厚みの中央を対称の中心として表裏対称形状に形成されている請求項１に記載の静電容量型圧力計のダイヤフラム取付構造。
  3. 前記ダイヤフラムの外周縁部分が、溶接対象である筒状ケースの開先容積と等しいまたは略等しい容積を有する肉厚に形成されている請求項１または２に記載の静電容量型圧力計のダイヤフラム取付構造。

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