JPH01197621A - デュアルサイド形圧力センサ - 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】 ［技術分野］ 本発明は、圧力センサに関するものであり、特に、高い
絶対圧力と低い差分圧力との両方を測定するのに使用で
きるデュアルサイド形圧カセンサに関するものである。

差分圧カドランスジューサが、広範な種類の感知部材を
使用して組み立てられてきた。今日最も通常のもののう
ち２つのものがビーム部材に装着された容量性センサお
よびひずみゲージセンサである。容量性センサは第１図
に図示されているように、３つのダイヤフラム２．４．
６を備える。

ダイヤフラム２．６には圧力Ｐ１および圧力Ｐ２が課せ
られ、一つのダイヤフラム４（中央のもの）には圧力が
課せられない。これらのダイヤフラム間の空間８．１０
は誘電性流体で満たされる。その結果、信頼できそして
正確なセンサを形成すべ（電子回路系と一体化可能な２
つの可変キャパシタが形成される。このようなセンサに
付帯する問題が、い（つかの別の手法と同様の正確さを
得ることが困難なことでありまた静圧の影響が問題であ
る（　ＳＡＭＡスタンダードＰＭＣ３１，１を参照され
たい）。

第２図に図示されるひずみゲージビームセンサは差分圧
力感知のための別の普通に使用される技術である。この
ひずみゲージビームセンサは圧力を受容するダイヤフラ
ム１４と結合されるビーム１２を備える。ダイヤフラム
は圧力Ｐ　ＩＰ　ｚが生成する力をビーム１２へ伝送す
る。この力は順次ひずみへ変換されこのひずみはひずみ
ゲージ１６により測定される。最も普通には、このひず
みゲージセンサは、ホイートストンブリッジの半分へ圧
縮性ひずみをまた別の半分へ引張りひずみを課すために
、ホイートストンブリッジ形態でビームへ位置決めされ
る。このタイプのセンサに付随する共通の問題は、製造
が非常に困難で費用のかかることである。

種々の差分圧力応用で稀にしか使用されない別のタイプ
のセンサが、フラットダイヤフラムセンサである。この
センサは、外周が堅固に固定される平坦な円形のプレー
ト部材を備える。感知部材はダイヤフラムへ被着可能な
ある種のひずみ感知要素である。このタイプのセンサは
よく知られておりまた（通常、平方インチ当り１０００
ボンドを越える）高圧力が測定されるときに、ゲージ圧
または絶対圧力を感知するのに最も普通に使用されるも
のである（ステッドマン（Ｓｔｅｄｍａｎ）による米国
特許第３．３４１．７９４号明細書、ヴイック（Ｖｉｃ
ｋ）による米国特許第３．４５６，２２６号明細書、フ
ォノ　ヴイック（Ｖｏｎ　Ｖｉｃｋ）による米国特許第
３，５０５，６３４号明細書を参照されたい）。

差分圧力センサよりも非常に高い圧力レンジがゲージ圧
力または絶対圧力センサにより測定されることが多い。

平坦なダイヤフラムの物理的特性により、大きな膜応力
が形成されるが、これは、圧力が加えられるとき、材料
は湾曲するのでなく伸長していることによるものである
。これにより、変位がダイヤフラムの厚さに関係して増
大する場合に、センサの非直線性を増加せしめる。この
変位対厚さの比「Ｋ」　（以下に因子と呼ぶ）が大略０
．１へ接近すると、センサは非常な非直線性を呈し、直
線性の補償なしには満足できる性能が得られない。この
手法が高圧力でのみ使用される理由は、低圧力が測定さ
れる場合、適当な出力を生成するのにダイヤフラムのひ
ずみはある一定のレベルに維持されねばならないことで
ある。これは、 １、ダイヤフラムの厚さを減少させるかまたは、 ２、ダイヤフラムの半径を増大するか によってのみ行なわれる。

上記の両方ともダイヤフラムのに因子を増加させる。そ
の結果、このセンサは低い圧力範囲で使用されるとき高
い非直線性を示す。

第３図に図示されるようなフラットダイヤフラムセンサ
のための最も普通の構成では、中央の圧縮性の半径方向
のひずみおよびダイヤフラムの外周の接線方向の引張り
ひずみに応答するために、ダイヤフラム２２の一側に４
つのひずみ感知ゲージが配置される。ひずみゲージは、
ブリッジの隣接脚部がトランスジューサ出力に付加的な
影響を生ずる逆符合のひずみを感知するよう、ホイート
ストンブリッジ形態で接続される。この構成に付帯する
問題は、外周に配置されるゲージに、中央のゲージとは
異なる非直線性が課せられることである。これらの非直
線性は符合が逆であるが、異なる大きさであり、Ｋ因子
に応じてブリッジからの非直線性出力が生ずる。

最近、スクリーン印刷されそして焼成された厚膜抵抗を
持つセラミックダイヤフラムが、圧カドランスジューサ
として注目されている（ブルーデン、チアッテ４　（Ｐ
ｒｕｄｅｎｚｉａｔｉ）による米国特許筒４，３１１，
９８０号明細書を参照されたい）。これらのセラミック
／厚膜トランスジューサは、ホイートストンブリッジ形
態に配列された抵抗とともに、以前のトランスジューサ
と非常に類似した態様で設計されている。もしセンサが
低圧力範囲のために使用されるならば、金属またはシリ
コンダイヤフラムの使用に応じて、適当な出力を実現す
るためにに因子が増加されねばならずそして非直線性と
なる。

厚膜抵抗部材は、抵抗部材の領域にわたる平均ひずみの
関数として抵抗が変わる。薄膜形ひずみゲージまたは被
着筒ゲージと異なり、厚膜ゲージは垂直ひずみに敏感で
ある。垂直ひずみは、ダイヤフラムの面に垂直なｒＺＪ
方向に生成するひずみである。厚膜センサについて差分
応用での追加の問題を生み出すのがこの重要な垂直ひず
み感度である。もし、ゲージが、センサからできるだけ
最大限の出力を発生するために、中央の２つのゲージと
外縁近傍の２つのゲージという薄膜ひずみゲージと同様
の態様で配列されるならば、垂直ひずみはセンサのいず
れの側が加圧されるかに応じて変化する。測定される圧
力範囲の中央が偶然ゼロの周囲に置かれると、ゲージが
被着されているセンサの側へ圧力が加えられるとき、結
果的に生ずる出力は、重要なことに、高くなる。圧力が
センサの他側にわたると、出力は減少し、それゆえ非直
線性が高（なってしまう（第４図はこの結果をグラフ図
で図示する）。

ホイートストンブリッジ回路を使用する利益の一つが１
．全て等しい影響が相殺され、出力に影響を与えないで
あろうことである。しかし、もし垂直ひずみ感度が各ゲ
ージ間で一定でないならば影響は等しくなくセンサは不
良となろう。すべてのゲージがセンサの一側にある場合
、この問題を制御するのには、製造者が垂直感度をいく
らか制御しなければならない。

［発明の概要］ 本発明は、上面および底面を有するダイヤフラムを利用
する圧力センサに向けられるものである。ディスクの上
面および底面の両方にひずみゲージが提供される。ひず
みゲージは、薄膜ひずみゲージや被着筒ひすみゲージの
ような知られる任意のタイプのものでよい。ホイートス
トンブリッジ構成のような適当な回路がひずみゲージに
接続される。上面および底面のひずみゲージは、ディス
クの中央近傍またはディスクの外周近傍で、ほぼ同様の
半径方向位置に位置決めされる。

このようにして、２組のゲージには符合が逆であるが事
実上等しい大きさの非直線性条件が課せられる。非直線
性はこうしてブリッジで互いに相殺される。

したがって、本発明の目的は、圧力へ露呈されるダイヤ
フラムな備える圧力センサを提供することである。ダイ
ヤフラムは中央領域と外周領域と上面および底面を有す
る。第１のひずみゲージ対が上面にそして第２のひずみ
ゲージ対が底面に提供される。両方のひずみゲージ対は
上面または底面のいずれかで実質的に同様の半径方向位
置に位置決めされる。

［好ましい実施例の詳細な説明］ 、第８ａ図〜第８Ｃ図および第１０ａ図〜第１０ｃ図を
参照すると、本発明を具現化せる、上面および底面を有
するダイヤフラムを備える圧力センサが図示されている
。ひずみゲージ対が、ダイヤフラム部材で実質的に同様
の半径方向位置で、上面および底面の両方に提供される
。２つのひずみゲージ対をブリッジへ接続することによ
リ、ひずみゲージの非直線性の応答は、ダイヤフラムの
上面と底面との間で、大きさが等しく符合が逆なので、
正確な圧力測定が得られる。

もしフラットダイヤフラムセンサが媒体ないし低い範囲
の差分圧力のための現実的な解決とされるならば、解決
されねばならない第１の問題は、ｒＫＪ因子が非常に高
いときに生ずる高い非直線性という物理的特性である。

あらかじめ決定された出力が実現されねばならずまたセ
ンサの機械的大きさは、直線性の要求および出力要求に
依存して、一定の限度内でのみ変化されるから、機械的
大きさに依存しない別の解決が必要とされた。

この問題に対する解決を見出すのに、第１のステップは
、−側にホイートストンブリッジ回路が配置される平坦
なダイヤフラムセンサが非直線性を示す理由を正確に認
定することであった。

半径方向および接線方向の非直線性は任意の点のひずみ
に関係することが解った。その結果生成されるグラフ図
は、ダイヤフラムについて、ひずみ分布グラフと非常に
似ている（第５図および第６図参照）。第５図で５０％
〜７０％半径での極端な半径方向の非直線性は、この領
域での非常に小さなひずみにより生ずる計算誤りの結果
である。この特性により、半径方向ゲージは接線方向ゲ
ージが経験するものとは別の大きな非直線性を経験する
。これらのひずみゲージがホイートストンブリッジ態様
で配置される場合、これらの値が一緒に加えられる。ゲ
ージは非直線性の種々の値を測定しているので、これら
の値は組み合わさってに因子に応じて重要となるある全
体の値となる（第７図参照）。

本発明の目的は、Ｋ因子とほとんど独立のセンサを提供
することである。この目標を実現するために、各ゲージ
に課される非直線性は符合が逆で大きさが事実上等しく
なければならない。別の非直線性の解析を通じて、ひず
みは、逆符合とともに、上から下まで非常に類似する大
きさを示す。

これが、上記の両方の条件をまさに満足する状態である
。

これは、平坦なダイヤフラムセンサで、ひずみゲージに
ついて新規な配列を与えるものである。

もし、ホイートストンブリッジの半分がダイヤフラムの
中央にまた別の半分がこれと同様の半径位置で反対側に
配置されたならば、ゲージのうち２つのゲージには圧縮
性ひずみがそしてもう２つには引張りひずみが課される
。これらのゲージについて２つの最も有利な場所は、ダ
イヤフラムの中央または外周の近傍であろう。平均ひず
みは、中央でより大きくセンサの出力はより大きいであ
ろうからである。もしゲージが外周近傍にある場合には
、ゲージはより雑音に対してより強く作られよう。フラ
ットダイヤフラムホイートストンブリッジセンサのこの
設計は、薄膜ひずみゲージ、被着筒ゲージ、半導電性ゲ
ージおよび厚膜ゲージのような種々のひずみ感知部材で
行なうことができる。

第８ａ図〜第８Ｃ図に図示されているように、ダイヤフ
ラム１０′は第１のひずみゲージ対１４′を担持する上
面１２′を有する。ディスク１０の底面１６は、第２の
ひずみゲージ対１８′を担持する。ひずみゲージ１４’
および１８′は、差分圧力測定トランスジェーサを形成
するために、ホイートストンブリッジ態様で接続できる
。第９図は、上側および下側のゲージについての非直線
性の応答が互いにどのようにしてして相殺されて実質的
に直線性の出力値が発生するかを図示する。圧力ゲージ
１４′および１８′は、ディスク１０′でほぼ同様の半
径方向位置にて、ディスク１０′の上面および底面の中
央領域近傍に位置決めされる。

第１０ａ図〜第１０ｃ図は本発明の別の例を図示してお
り、ディスク２０には上面２２を備え、上面２２は、デ
ィスクの外周近傍に位置決めされる第１のひずみゲージ
対２４を担持する。同様の態様で、第２のひずみゲージ
対２８がディスク２０の底面にそして上側のゲージ２４
と同様の半径方向位置にて提供される。第１１図は上側
および下側のひずみゲージについての非直線性特性の相
殺を図示している。

ひずみゲージを形成する厚膜抵抗についての全抵抗変化
は、 ｄＲ／Ｒ＝ＣｘＥｘ　＋　ＣｙＥｙ　＋　ＣＪｚ＋　Ｅ
ｌｆ　７　Ｅｙ−Ｅｘから求められる。ただし、ここで
、 Ｃ，、Ｃ，、Ｃ，抵抗についての長手軸線方向、横方向
およびおよび垂直方向のひずみ についての抵抗率係数である。

Ｅ８、Ｅ２、Ｅ８　　　抵抗についての長手軸線方向、
横方向およびおよび垂直方向のひずみ である。

垂直ひずみについての抵抗率係数「Ｃ８」が重要である
ので、すべてのゲージが一側に配置されるフラットダイ
ヤフラムセンサは、垂直ひずみ感度が制御されなければ
、ダイヤフラムのいずれの側部に圧力が印加されるに応
じて、異なる出力を与えよう。

従来技術の項で説明した第２の問題は厚膜ゲージの垂直
ひずみ感度であった。この特性により、厚膜フィルム／
セラミックダイヤフラムセンサの差分応用での使用が困
難なものとなる。しかし、デュアルサイド形ホイートス
トンブリッジの手法は、その対称性により、この問題を
できるだけ最小限なものとする。被測定圧力範囲の中央
部がゼロの周囲に置かれるとき、ホイートストンブリッ
ジの半分には常に直接の圧力が課されているので、垂直
ひずみ感度は問題ではない。それゆえ、垂直感度の厳し
い制御はもはや不必要である。

本発明による最も重要な利益は、ここに、新規な構成に
よる、フラットダイヤフラムセンサの直線性が変位対厚
さの比（Ｋ因子）に依存しないことである。このことが
、差分圧カドランスジューサの設計者に意味するものは
、センサの直線性に悪影響を与えることな（、フラット
ダイヤフラムの物理的大きさを変更することにより、適
当な出力を得るのに必要な適当なレベルまでひずみを高
めることができることである。この結果、製造費用が廉
価で製造が簡単なフラットダイヤフラムセンサが小から
中および高レンジまですべての圧力レンジに使用できる
。

本発明の別の利益は、被測定圧力範囲がゼロと交差する
場合に、垂直ひずみに対する厚膜抵抗の高い感度は直線
性の問題を生成しないことである。これにより、セラミ
ック／厚膜センサの差分応用における使用が可能であり
、この場合、別の手法よりも非常に廉価でありまたより
信頼性が高いことが証明される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、３つのダイヤフラムな備える従来の容量性セ
ンサの模式図である。 第２図は、従来のひずみゲージビームセンサの模式図で
ある。 第３図は、ダイヤフラムの一面に与えられ、ブリッジ接
続されるひずみゲージの平面図である。 第４図は、ダイヤフラムに与えられる厚膜ゲージについ
ての入力対出力をプロットし、この種のひずみゲージの
非直線性の応答を図示するグラフ図である。 第５図は、接線方向および半径方向のひずみの両方につ
いて、非直線特性を図示する、平坦なダイヤフラムにつ
いて半径のパーセント表示に対してスパンのパーセント
表示における偏差をプロットしたグラフ図である。 第６図は、ダイヤフラムの半径方向および接線方向の両
方のひずみおよび上面および底面の両方について、ひず
み分布を図示するため、パーセント表示の半径に対して
マイクロひずみをプロットするグラフ図である。 第７図は、ゲージがセンサの中央または外周近傍のいず
れかに配置される、フラットダイヤフラムセンサの非直
線性を図示するために、シングルサイド形ゲージについ
て、パーセント表示のスパン対偏差を図示するグラフ図
である。 第８ａ図は、ダイヤフラムの上面および底面の両方で、
ダイヤフラムの中央領域近傍にゲージを有する本発明に
よる圧力センサの側面図である。 第８ｂ図は、第８ａ図のダイヤフラムの上面図である。 第８ｃ図は、第８ａ図のダイヤフラムの底面図である。 第９図は、第８ａ図〜第８ｃ図の圧力センサについて、
スパンのパーセント表示を偏差に対してプロットしたグ
ラフ図である。 第１０ａ図は、ダイヤフラムの上面および底面で、上面
及び底面の周辺領域近傍にひずみゲージを付帯するダイ
ヤフラムを有する本発明による圧力センサの側面図であ
る。 第１０ｂ図は、第１０ａ図の圧力センサの上面図である
。 第１０ｃ図は、第１０ａ図の圧力センサの底面図である
。 第１１図は、第１０ａ図〜第１０ｃ図についての実施例
のパーセント表示のスパンに対し偏差をプロットしたグ
ラフ図である。 図中の各参照番号が示す主な名称を以下に挙げる。 ２．４．６：ダイヤフラム ８．１０　：空間 １０′　　　：ダイヤフラム（ディスク）（第８図） １２　　　　：ビーム １２′　　　：上面（第８図） １４　　　：ダイヤフラム １４′　　　：（第１の）ひずみ（圧力）ゲージ対（第
８図） １６　　　コひずみゲージ １６′　　　：底面（第８図） １８’　　　　：（第２の）ひずみ（圧力）ゲージ対（
第８図） ２０　　　　：ディスク ２２　　　：ダイヤフラム ２２　　　：上面 ２４　　　：　（第１の、上側の）ひずみゲージ対２６
　　　：底面 ２８　　　：　（第２の）ひずみゲージ対ＦＩＧ、１ （促東仇材”ｒ） ＦＩＧ、２ （イ先東キ（３行） ＦＩＧ、　３ ＦＩＧ、４ 入力 Ｉｆ−に＠Ｊ０！、啄べ°（）） ＦＩＧ、６ ％午１ｔ Ｌ乙）り１晴、 ム下１９・１キ手練巧伽びＴ−鰺 ％スハ０ノ ＦＩＧ、　９ （デシアル？づ１゛カオ大アーリ） フラット９イ１フラｔｙ　ｔンブの俳直井、智（牛ｉ−
％スノＪン

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）測定されるべき圧力への暴露のため上面および底
   面を有するダイヤフラムと、 ダイヤフラムのある選択される半径方向位置で前記上面
   に固定される第１の一対のひずみゲージと、 ほぼ前記選択される半径方向位置にて、前記底面に固定
   される第２の一対のひずみゲージとを備え、それにより
   、前記ダイヤフラムに、圧力が課されるとき、前記ひず
   みゲージの前記第１の対および第２の対の非直線性応答
   は符合が逆で実質的に大きさが等しい圧力センサ。
2. （２）前記半径方向位置はダイヤフラムの中央近傍であ
   る請求項第１項記載の圧力センサ。
3. （３）前記の選択される半径方向位置は前記ダイヤフラ
   ムの外周近傍である請求項第１項記載の圧力センサ。
4. （４）ひずみゲージの前記第１の対および第２の対は互
   いにほぼ整列されておりそして前記上面および底面で同
   様の領域の請求項第１項記載の圧力センサ。