JPH11506832A - 磁気相対位置トランスデューサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 差圧トランスデューサは、周囲を支持されて平面の導電ダイヤフラムにより隔離された１組の内部チャンバを含む。磁気アセンブリは、ダイヤフラムの中央部分に相対するチャンバ壁面上の少なくとも１つに配置される。磁気アセンブリは、導線、及び好ましくは加えられた圧力差に応答してダイヤフラムの中央部分が基準平面から変位した時に磁気アセンブリのインダクタンスが変化するように、導体とチャンバの間に磁場透過性の電場シールドを含む。トランスデューサは、ダイヤフラムをまたぐ圧力差と共に変化する発信周波数を有する発振器のタンク回路の一部でもよい。

Description

【発明の詳細な説明】 磁気相対位置トランスデューサ発明の背景 本発明は２つの領域間の圧力差、力、位置、速度、加速度のような物理パラメ ータを測定するためのトランスデューサに関する。更に詳細には、本発明の１つ の形態は、入力感知が導電性かつ腐食性の両方または何れか一方の性質を有する 流体に直接接続できるトランスデューサに関する。 他の物の中で、差圧トランスデューサが導管を通る流体の流量の測定に対して 有用であることは、この技術分野で知られている。そのような測定を遂行する１ つの方法は、流路の中に流れを制限する開口プレートを配置し、導管の側壁から の比較的小断面積の管を開口プレートの両側から従来の差圧トランスデューサに 延長することである。一般に、そのような管は、流体が流れる方向に垂直な管軸 に沿って延びる。或いは、第１の管が同じ方法で側壁から延び、側壁から延びて 流体流れの方向に平行な導管の内側に取り付けられた端部を有するピトー管とし て知られる下流の第２の管が上流を向く。後者は、導管内側の静水圧を示す。こ れらの両方の形状に対して、ベルヌーイの定理により、１つの管内の圧力は他の 管内の圧力よりも高い。差圧トランスデューサにより示されるように、２つの管 の圧力差を測定することにより導管を通る流体の流量が計算できる。 流量感知に対するそのようなアプローチの欠点の１つは、静水圧が高い多くの 状況では測定される圧力差は非常に小さく、従って高感度の差圧トランスデュー サが使用されなければならないことである。また、その要求を満たす従来技術の トランスデューサは、非常に高価である。 周囲を支持された導電ダイヤフラムと付近の金属板の間のキャパシタンスの関 数として圧力を測定する、従来型の容量性差圧トランスデューサは多い。これら のトランスデューサは、ダイヤフラムを境に下がる圧力がプレートと相対する部 分のダイヤフラムを移動させ、それによりダイヤフラム部分とプレート間の距離 を変化させるように一般に形成される。ダイヤフラム−プレート構造のキャパシ タンスはダイヤフラム−プレート間の距離に反比例して変化し、圧力はキャパシ タンスに直接関係し、圧力はキャパシタンスから計算できる。そのようなトラン スデューサの１つが、米国特許第５，１５０，２７５号で開示されている。 そのようなトランスデューサ、即ち流体がダイヤフラムの両側と直接接触して 測定され、特に測定される流体が導電性及び腐食性の両方または何れか一方であ るトランスデューサは、「流体−流体」トランスデューサとしての使用には適し ない。導電性流体に関しては、ダイヤフラム−プレート間の流体経路が有効なキ ャパシタを短絡してしまい、測定を不可能にする。非導電性であるが腐食性の流 体に関しては、特に圧力に晒される場合コーティングが役に立たなくなるかもし れず、おそらく危険な状態になるので、濡れた部分の防腐のためのコーティング はプロセス用計器に依存してはならないことが一般的な工学上のルールである。 「計器エンジニアハンドブック」"Instrument Engineer's Handbook",Children Book Company,1982,Rander.Pennsylvania,p.203.を参照されたい。 更に、非導電性で非腐食性の流体に対してさえ、そのような装置の校正はトラ ンスデューサのダイヤフラムに隣接する特定の液体の誘電率に依存するので、容 量型ダイヤフラムトランスデューサは使用が制限される。従って、容量型ダイヤ フラムトランスデューサのほとんどは、測定される流体が直接ダイヤフラムに接 触する多くの「流体−流体」装置には適さない。 従来技術の「流体−流体」型ダイヤフラムトランスデューサは、合計３つのダ イヤフラムを使用する容量型トランスデューサで、その内の２つは外部にあって 一方が流体に接触するように適合され、第３のダイヤフラムは内部にある。装置 は２つの入力を有し、各入力は外部ダイヤフラムの１つと結合する。内部ダイヤ フラムは導電性であり、２つの外部ダイヤフラムの間に配置される。内部ダイヤ フラムは、密閉されたチャンバ内で（シリコンオイルのような）誘電性流体によ り外部ダイヤフラムの１つと結合する。外部ダイヤフラムに加わる圧力はシリコ ンオイルを経由して内部ダイヤフラムに伝達され、入力間の圧力差は内部ダイヤ フラムと感知プレート間のキャパシタンスを測定することにより測られる。内部 ダイヤフラムは入力と直接結合していないので、キャパシタンスの測定は入力に おける流体の種類によって影響されない。その装置は「流体−流体」トランスデ ューサとして機能するが、３つのダイヤフラム及び２つの封止された内部流体チ ャネルを必要とし、かさばり、高価である。 そのような過酷な環境で相対位置、速度、加速度、または圧力のような物理パ ラメータを測定する従来技術のトランスデューサを使用すると、類似の困難に出 会う。また、良好な環境でそのようなパラメータを測定するのためのトランスデ ューサでさえ、高価である。 導電物の近接をセンサ内部に配置されたコイルのインダクタンスの関数として 測定する種々の誘導性センサが知られている。そのようなセンサは、導体のイン ダクタンスと導電物に対する導体の近接の間のよく知られた関係に依存する。「 トランスデューサとその素子：設計と応用」"Transducers and Their Elements: Designs and Application",Prentice Hall, New Jersy(1994)を参照されたい。 米国特許第５，３０２，８０９号は、センサと導電物の間の誘電体の存在に対し て多少は敏感なセンサの１つを開示している。このセンサは、コイルと導電物の 間に配置された薄い、導電性の、接地されたシールドを使用することにより機能 する。シールドは、コイルが発生した電場を阻止するのに十分なだけ厚く、コイ ルが発生した磁場を相殺するシールド内で十分な渦電流が発生しないように十分 薄くなければならない。シールドに対する適当な厚さを選択することが困難なの で、このセンサは実際に使用するのが難しい。もしシールドが電場を効果的に阻 止するのに十分なだけ厚ければ、シールドはまた部分的に磁場と干渉し、それに よりセンサの感度を減少させるのに十分なだけ厚い。逆に言えば、もしシールド が磁場と干渉することを避けるのに十分なだけ薄ければ、電場を効果的に阻止す るには薄過ぎ、コイルと導電物の間の誘電体の存在に対してセンサは感度を失う 。 従って、本発明の目的は、過酷な環境での応用に適する低コストのトランスデ ューサを提供することである。 本発明の他の目的は、圧力、位置、速度、加速度、及びその他の類似した物理 パラメータを測定するための改良された磁気トランスデューサを提供することで ある。 本発明の他の目的及び利点は、添付された図及び記述の考察により明らかにな るであろう。発明の要約 本発明の一側面は、圧力差、圧力、位置、速度、加速度、その他を導電性また は腐食性流体が存在しても測定するのに有用な媒体感知磁気位置センサを提供す る。 誘導性センサは、一般にコイルを使用して、導電層の近くに設けられる。導電 性流体環境の中での測定に適する１つの形態では、電場シールドは誘導性センサ と導電層の間に配置され、基準電位に保たれる。誘導性センサとの間の相対運動 は、センサのインダクタンスを利用して間接的に決定され、センサのインダクタ ンスは導電層と誘導性センサの間隔の関数として変化する。多くの物理パラメー タが、この構成により決定される。 １つの形態では、圧力トランスデューサは、内部領域を収納する固体ハウジン グを含む。導電ダイヤフラムは、第１のチャンバをダイヤフラムの一側面で定め 第２のチャンバをダイヤフラムの他の側面で定めるために、基準平面内で内部領 域を横断して周囲を支持される。ダイヤフラムの中央部分は、前記ダイヤフラム を横断して加えられた圧力差に応答して、平面に対して垂直な軸に沿って可動で ある。一方または両方のチャンバは、トランスデューサ外部の接合部と流体結合 する。磁気アセンブリは、チャンバの少なくとも１つの周囲上にダイヤフラムの 中央部分と相対して配置される。磁気アセンブリは、第１の側が１つのチャンバ に面し他の側がダイヤフラムに面する実質的に平らな誘電体を含む。第１の導体 は、誘電体の他の側に配置される。好ましくは、有効に導体が設けられるように 、導体は平面らせん状かつダイヤフラムの基準平面と平行である。 本発明の１つの形態では、タンク回路を形成するためにキャパシタが導線を横 断して接続される。関連する駆動回路を有するタンク回路は、ダイヤフラム中央 部分の相対位置に周波数が関係する発振器を有する。或いは、インダクタンスブ リッジまたは他のインダクタンス感知回路が使用できる。 本発明の１つの形態では、第１の導体及び支持誘電体に加えて、磁気アセンブ リもまた第１の導体（コイル）と導電層（即ち、ダイヤフラム）の間に配置され た電場シールドを含む。電場シールドは、好ましくは円形で実質的に第１の導体 と重なる第２の導体を含み、基準平面と実質的に平行である面内に配置される。 好ましくは、第２の導体は円周状に延びる薄片を有する。或いは、ニッケルのよ うな比較的低い導電率を有する材料の薄膜が、第１の導体をシールドするために 使用できる。 シールドは、基準電位と電気的に結合する。後者の形態は、中程度の導電性流 体がダイヤフラムと磁気アセンブリの間のチャンバ内にある場合に特に有用であ り、シールドはチャンバに隣接する流体と同じ電位に保たれる。 １つのチャンバが主軸に沿って延びる流体導管の内部領域の第１の接合部と流 体結合し、第２のチャンバが流体導管の内部領域の第２の接合部と結合し、第２ の接合部が主軸に沿う第１の方向に第１の接合部から下流である場合、トランス デューサは特に有用である。この形態では、トランスデューサは、導管を通過す る流体の流量を測定するために使用できる。流体は、例えば中程度に導電性、ま たは腐食性である。 本発明の他の形態では、上記型の磁気アセンブリは、磁気アセンブリに関する 物体の相対位置と関係する物理パラメータを測定する導電層を有する如何なる物 体と一緒でも使用できる。 例えば、磁気アセンブリは、物体の相対的な近接、速度、及び加速度を感知す るために使用できる。また、磁気アセンブリは、圧力トランスデューサまたは負 荷セルを作るための米国特許第４，４４８，０８５号に記述される形態で実施で きる。図面の簡単な説明 図１は、本発明によるトランスデューサの斜視図である。 図２は、入力ポートにおける圧力が等しい図１のトランスデューサの部分断面 略図である。 図３は、入力ポートにおける圧力が異なる図１のトランスデューサの部分断面 略図である。 図４は、本発明の流体計測システムの略図である。 図５は、図１〜図３の実施例で使用される典型的ならせん状導線の平面図であ る。 図６Ａ〜図６Ｄは、図１〜図３の実施例で使用される典型的な電磁場シールド の平面図を示す。 図７及び図８は、本発明による他の形態の部分断面略図を示す。 図９は、本発明による圧力センサの断面図を示す。 図１０は、本発明による近接、速度及び加速度の両方または何れか一方のセン サを示す。好ましい実施例の説明 図１は、本発明による圧力トランスデューサ１０の一実施例を示す。図２及び 図３は、発振器駆動回路網５２、変換器回路網５８、及び伝達関数形成回路網５ ９を有するトランスデューサ１０の部分断面略図を示す。 図２は、周囲を支持された可撓な導電性（例えば、ステンレススチール）ダイ ヤフラム１６により分離された２つの内部チャンバ１２、１４を定める内壁１１ Ａ、１１Ｂを有する固体で、好ましくは導電性の本体１１を含むトランスデュー サ１０を示す。好ましい実施例では、チャンバ１２、１４を定める内壁１１Ａ、 １１Ｂは半球形または凹形であるが、他の形状も使用できる。 トランスデューサ１０は、チャンバ１２に対する入力ポート１８及びチャンバ １４に対する入力ポート２０を有する。それらのポート各々は、圧力差が測定さ れる関連領域に結合できる。 トランスデューサ１０はまた、内壁１１Ａ内の対応する円形開口部内部に配置 された円板状の非導電性ベース部材２４を有する磁気アセンブリ２２も含む。領 域１２に面するベース部材２４の表面２４ａは、領域１２との境界となる内壁１ １Ａの一部を形成する。アセンブリ２２は更に、電気絶縁層３２の一側面上に配 置され、順番に電場シールド３４上に重なり、絶縁層３２の他の側面またはベー ス部材２４の表面２４ｂに付着した平面らせん状導線３０を含む。導線３０の両 端３０ａ、３０ｂは、端子４０、４２と各々結合する。セラミック材料１７（例 えば、約１０の比誘電率を有するアルミナ）は、センサ本体１１内の正しい位置 に配置された磁気アセンブリを支持する。セラミック材料１７はまた、導線３０ を通る電流により発生する磁場からの磁束を支持する領域も提供する。シールド ３４は、らせん状導線３０に関連する電場が領域１２を通過することを相当に減 少させるか阻止し、そのことにより、らせん状導線３０とダイヤフラム１６間の 漏れキャパシタンスを減少させ、更に磁場を領域１２に導く。キャパシタ２８が 端子４０、４２を横断して接続される。 ダイヤフラム１６及び導線３０は、インダクタンスＬを有する誘導性センサを 形成する。インダクタンスＬ及びキャパシタ２８は、タンク回路５０を形成する 。タンク回路５０は、端子４０、４２を経由して外部の発振器駆動回路網５２に 接続し、好ましくは１５ＭＨｚ帯で動作する高周波発振器である発振器５６を形 成する。タンク回路５０の一実施例では、キャパシタ４０及び発振器駆動回路網 ５２が、導線３０に隣接する絶縁層３２に実装された表面実装部品を使用して実 施される。この配置は、それらの部品の導線内の寄生容量及び寄生インダクタン スを減少させる。 図２は、チャンバ１２内の圧力がチャンバ１４内の圧力と等しい状態を示す。 その状態では、ダイヤフラム１６は実質的に平面である。図３は、チャンバ１２ 内の圧力（Ｐ１）がチャンバ１４内の圧力（Ｐ２）より高く、ダイヤフラム１６ を磁気アセンブリ２２から離れる方向に湾曲させるトランスデューサ１０の部分 断面略図を示す。チャンバ１２内の圧力がチャンバ１４内の圧力より低い時、ダ イヤフラムは反対方向に湾曲する。本発明のように内壁１１Ａ、１１Ｂは半球状 であるので、ダイヤフラム１６の撓みに対して過圧限界を提供する。 図示された形状では、タンク回路５０はインダクタＬ及びキャパシタ２８の値 により一部は決定される共振周波数（ｆ）を有する。共振周波数はまた、ダイヤ フラム１６と導線３０間の相互インダクタンスに一部依存し、相互インダクタン スはダイヤフラム１６と導線３０間の距離に一部依存する。タンク回路５０の共 振周波数が１５ＭＨｚのように十分高く、ダイヤフラム１６が十分厚く（例えば 、Ｔ＝０．００２〜０．００５インチ）、らせん状導線３０内の電流からの磁場 がダイヤフラム１６の表面付近に表皮効果渦電流を引き起こし、結果的にダイヤ フラムは磁場シールドのように作用し、従って導線とダイヤフラムの間の磁場に 対する体積限界を定める。ダイヤフラム１６が磁気アセンブリ２２（更に詳細に は、らせん状導線）の方向または反対方向に湾曲する時、磁場が存在する体積は 変化し、結果として磁気エネルギー密度が変化する。ダイヤフラム１６が磁気ア センブリ２２の方向に湾曲する時、実効インダクタンスＬは減少し、そのことが タンク回路５０の共振周波数を高くする。ダイヤフラム１６が反対方向に湾曲す る時、Ｌは増加し、タンク回路５０の共振周波数を低くする。 チャンバ１２、１４内の圧力差がダイヤフラム１６の位置に影響し、ダイヤフ ラム１６の位置がタンク回路５０の共振周波数に影響するので、共振器駆動回路 網５２及びタンク回路５０により形成される共振器５６の共振周波数を測定する ことによりチャンバ１２、１４の圧力差を決定できる。 図２、図３もまた、変換器回路網５８及び関連する伝達関数形成回路網５９を 含む。変換器回路網５８は、発振器５６の発信周波数を他の形態に変換する。回 路網５８は、例えば、周波数−電圧変換器、周波数−電流変換器、または周波数 −デジタル符号器である。回路網５９は、トランスデューサ１０に対する形成回 路網である。例えば、回路網５９は、出力５９ａにおいてダイヤフラム１６をま たぐ圧力差または圧力差の平方根に比例する信号を発生できるが、或いは、記述 するように他の関係も作ることができる。例えば、温度効果、またはトランスデ ューサの非線形性の補正に対する信号の発生を含むことができる。回路網５９は 、特性伝達関数を有する回路として、或いは、プロセッサ、マイクロプロセッサ 、または他のデジタルコンピュータの形態を使用して実施できる。 図４は、導管６０を通る液体の流量を測定するシステム内に形成されたトラン スデューサ１０を示し、導管６０内では液体は矢印６１により示される方向に流 れる。ポート２０は、導管６０内の静的な流体圧を指示するピトー管６２に接続 される。ポート１８は、流れの方向６１に垂直に導管６０の内側に取り付けられ た開口端６６を有する管６４に接続される。ベルヌーイの定理及び淀み圧力のた めに、チャンバ１２内の圧力はチャンバ１４内の圧力よりも低く、その圧力差は 流体の流量に依存する。従って、共振器５６の共振周波数を測定することにより 流量が測定できる。 図５は典型的ならせん状導線３０の平面図を示し、図６Ａ〜図６Ｄは４つの異 なるシールド３４を示す。素子３４、３０は、好ましくは絶縁層３２の反対側に 配置され、シールド３４は好ましくは部分３４ａが導線３０に重なるように導線 ３０と実質的に重なる中央部分３４ａを含む。シールド３４は更に、１本または 複数のリード線３４ｃにより中央部分３４ａに電気的に接続された外部分３４ｂ を含む。シールド３４の電位は、外部分３４ｂを所望する電位（例えば、グラウ ンド）に結合することにより簡単に制御できる。 中央部分３４ａは少なくとも１つの不導体領域または高抵抗領域３４ｄを含む ので、矢印３４ｅにより図６Ｄで示されるように、シールド３４は電流経路の全 周は支持しない。そのような経路は１つまたは複数の不導体領域３４ｄにより遮 断されるので、経路に従って矢印３４ｅにより示される如何なる電流もシールド ３４を完全には周回しない。（レンツの法則で記述されるように、導線３０によ り生成された磁場はシールド３４内で渦電流を生成しようとし、渦電流は導線３ ０により生成された磁場を相殺しようとする磁場を作り出すので、）もしシール ドが電流経路の全周を支持しなければ、シールドは導線３０により発生される磁 場と破壊的に干渉し、そのことによりトランスデューサの感度を減少させる。シ ールドはまた、渦電流を最小にするためにニクロムのような抵抗材料で構成され る。 図６Ａ〜図６Ｃに示されるように、中央部分３４ａは電気的接続を含み、放射 状に広がり、一般にパイ型のセグメントを含む。各セグメントは複数の円周状に 延びるアーチ型の薄片を含み、それにより渦電流の全周は支持しない導電性配置 （即ち、電場シールド）を提供する。本発明の他の実施例では、異なる数のセグ メントを固体または薄片の何れの形状で使用してもよい。好ましくは、シールド ３４は導電性流体に対してチャンバ１２、１４と等電位に維持され、さもなけれ ばグラウンド電位に維持される。 本発明の他の好ましい実施例では、４層磁気アセンブリ２２は０．８インチの 直径を有する円板状プリント基板から作られる。その構成では、絶縁層２４、３ ２は０．００５インチのガラス繊維エポキシ板であり、素子３０は厚さ０．００ １５インチの銅のような導体である。シールド素子３４はまた銅のような導体で あり、動作周波数における表皮深さのオーダかそれ以上の厚さを有することがで きる。１０ＭＨｚでは、銅の表皮深さは約０．０００７５インチであるので、こ の動作周波数に対してシールド３４は約０．０００７５インチ〜０．００１５イ ンチの厚さを有することができるが、或いは、シールド３４は表皮深さより薄く てもよい。薄片の形状では、個々の薄片が好ましくは表皮深さのオーダの幅を有 する。ポリイミド、セラミック、ＰＴＦＥ、またはアルミナ−ガラス成分のよう な他の材料も絶縁材料に使用できる。ダイヤフラム１６は厚さ０．００５インチ を有するステンレススチールのシートであり、センサ本体１１はステンレススチ ールから構成され、（等圧、即ちＰ１＝Ｐ２において）ダイヤフラム１６と絶縁 層２４の間の距離は約０．０２０インチである。例えば、鉄、アルミニウム、白 金のような他の導電材料もダイヤフラムに対して使用できる。 特にシールド３４は選択の問題であり、図６Ａ及び図６Ｂのシールドは図５の らせん状導線に関して特に効果的である。 トランスデューサ１０は、特に電気絶縁性または中程度に導電性の液体（例え ば、塩水のような電解質、または或る種のオイル）、または腐食性の液体（例え ば、硫黄酸化物）、または両方の液体に対して液体−液体トランスデューサとし てうまく機能する。 本発明は、らせん状に巻かれた導線と関連して記述されてきた。当業者は、磁 場を発生することができる他の形状の導体も類似の性能を提供することを理解す るであろう。実施例として、環状のコイル、ほぼ「Ｓ」字型の導線、ほぼ「Ｃ」 字型の導線、または３次元らせん状導線を使用して導体は形成される。所定の形 状の導線３０に対して、シールド３４は好ましくは導線３０と実質的に重なる部 分を有して形成される。更に、図示された実施例は、等圧条件（即ち、Ｐ１＝Ｐ ２）のために、ダイヤフラムの面と実質的に平行な平面内に広がる導線３０を示 してきた。当業者は、もし導線３０がダイヤフラムに関して異なる方向を向いて も本発明はうまく機能するであろうことを理解するであろう。 誘電的に安定した非導電性流体の圧力の測定に対しては、本発明はシールド３ ４（必要ならば絶縁層３２も）無しで使用できる。その状況では、もし電場が領 域１２を通過しても問題ではない。電場シールド無しの実施例が、図７に示され ている。 図８は、図１〜図３と類似しているがトランスデューサ１０’が（チャンバ１ ２に関連する磁気アセンブリ２２に加えて）チャンバ１４に関連する磁気アセン ブリ２２’を含む実施例を示す。この構成は、実行インダクタンスＬ（アセンブ リ２２）、Ｌ’（アセンブリ２２’）が相補的である「プッシュープル」モード で容易に使用できる。或いは、インダクタンスブリッジまたは他の回路がインダ クタンスＬ、Ｌ’の差を感知するために使用できる。 図示された実施例は、分割された領域に対するダイヤフラムの両側のチャンバ を結合させるポートを有する差圧トランスデューサを示すが、本発明は、例えば ポートの１つを排気し、それにより密閉された基準圧チャンバを作り出すことに よって、（基準圧力に関して）絶対圧を測定するためにも使用できる。 本発明のトランスデューサはまた、例えば誘導性センサと厚さＴの導電層間の 相対運動の感知のような、更に一般的な実施例でも使用できる。例えば、図９は 、米国特許第４，４４８，０８５号でほぼ示されるが、本発明の誘導性センサを 含む典型的な圧力センサ８０を示す。更に詳細には、センサ８０は延ばされた２ つのアーム８２、８４を含む。アーム８２は自由端８２Ａ及び固定端８２Ｂを含 み、アーム８４は自由端８４Ａ及び固定端８４Ｂを含む。相対し、実質的に平行 で、感知軸８８に沿ってギャップｇだけ離され、軸８８に沿う相対運動に対して 束縛されるように自由端８２Ａ、８４Ａの相対する面を配置する可撓性支持体８ ６により、固定端８２Ｂ、８４Ｂは結合される。相対する面の１つ８２Ａは、上 記形状の軸８８に対して直角に配置されたコイル３０を含み、他の相対する面８ ４Ａは、厚さＴで軸８８に対して直角に配置された導電領域１６を含む。動作中 、圧力Ｆがアーム８４に相対するアーム８２に加わる時、ギャップｇは狭くなり 、その結果インダクタンスが変化し、インダクタンスの変化は上記の方法で決定 される。インダクタンスの変化は加えられた圧力を表す。電場シールド３４（図 示されていない）はギャップの領域に電場が無いよう制限するために使用できる ので、測定は導電流体内で行える。 図１０は、近接、速度と加速度の両方または何れか一方の測定に適した本発明 の実施例９０を示す。その実施例では、被測定物９２は、その表面９２Ａにおい て導電性である。センサ９４はコイル３０を含む。この構成を用いて、コイル３ ０の両端におけるインダクタンスを利用することにより、軸９６に沿う距離を決 定できる。また、誘電的に不安定な流体内または導電性流体内での使用に対して 、シールド３４（図示されていない）が使用できる。 本発明の全形状は、誘電的に安定した非導電性流体の環境でシールド無しで機 能する。 本発明は、ダイヤフラム１６のような導電層の相対位置を決定するために、導 線３０のインダクタンスＬの測定と関連して記述されてきた。当業者は、インピ ーダンス（即ち、レジスタンス、キャパシタンス、インダクタンス、またはこれ らの組み合わせ）も導電層の相対位置を示すこと、及び本発明によるトランスデ ューサが導線３０のインピーダンスの測定により動作できることを理解するであ ろう。 以上、本発明の好ましい実施例について図示し記載したが、特許請求の範囲に よって定められる本発明の範囲から逸脱することなしに種々の変形および変更が なし得ることは、当業者には明らかであろう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．関連するインダクタンスの値により特徴づけられ、延長された導体及び隣接 する導電層の一側面が発生する磁束がその側面に実質的に束縛されるように前記 導電層が磁場シールドを設け、前記インダクタンスの値が前記導電層と前記延長 された導体の間の距離の関数であり、前記インダクタンスの値は前記距離が減少 すれば減少し前記距離が増加すれば増加する前記延長された導体と、 前記導体と前記導電層の間に配置され、導電素子の中央部分の回りに全円周で はない電流経路を有する前記導電素子と、 前記導電素子を予め定められた電位に保持するための手段とから成ることを特 徴とする、前記導電層への距離を測定するためのセンサ。 ２．周波数ｆで前記延長された導体内で交流電流を作り出し、それにより前記延 長された導体内の交流電流に応答して磁場シールドが発生し、表皮効果渦電流が 前記磁場シールドに応答して前記導電層内で発生する手段を更に含むことを特徴 とする、請求項１記載のセンサ。 ３．前記延長された導体がコイルから成ることを特徴とする、請求項１記載のセ ンサ。 ４．前記コイルがらせん状であることを特徴とする、請求項３記載のセンサ。 ５．前記コイルが環状であることを特徴とする、請求項３記載のセンサ。 ６．前記コイルが軸に垂直な平面に実質的に配置され、前記コイルを前記導電素 子に接続することを特徴とする、請求項３記載のセンサ。 ７．内部空洞領域を定める固体ハウジングと、 ダイヤフラムの一側面上の第１のチャンバと前記ダイヤフラムの他の側面上の 第２のチャンバを定めるために前記内部空洞領域内で周囲を支持され、それによ り前記ダイヤフラムの中央部分が前記ダイヤフラムをまたいで加えられた異なる 圧力に応答して動くことができ、前記中央部分が前記導電層である前記ダイヤフ ラムと、 前記第１及び第２のチャンバの１つを前記センサ外部の第１の領域に流体結合 させるための手段を含む第１のポートとを更に含み、 前記導電素子が前記第１のチャンバの周囲に配置され、前記ダイヤフラムの前 記中央部分と相対することを特徴とする、請求項１記載のセンサ。 ８．第１及び第２のチャンバの他の１つを前記センサ外部の第２の領域に流体結 合させるための手段を含む第２のポートを更に含むことを特徴とする、請求項７ 記載のセンサ。 ９．前記第１のポートを主軸に沿って延びる流体導管の内部の第１の接合部と結 合させるための手段と、前記第２のポートを前記流体導管の内部の第２の接合部 と結合させるための手段とを含み、前記第２の接合部は前記主軸に沿う方向に前 記第１の接合部から下流にあることを特徴とする、請求項８記載のセンサ。 １０．周波数ｆで前記延長された導体内で交流電流を作り出し、それにより前記 延長された導体内の交流電流に応答して磁場シールドが発生し、表皮効果渦電流 が前記磁場シールドに応答して前記導電層内で発生する手段を更に含むことを特 徴とする、請求項７記載のセンサ。 １１．前記第１及び第２のチャンバの他の１つを前記センサ外部の第２の領域に 流体結合させるための手段を含む第２のポートと、 前記第１のポートを主軸に沿って延びる前記流体導管の内部の第１の接合部と 結合させるための手段と、前記第２のポートを前記流体導管の内部の第２の接合 部と結合させるための手段とを更に含み、前記第２の接合部は前記主軸に沿う方 向に前記第１の接合部から下流にあることを特徴とする、請求項７記載のセンサ 。 １２．前記延長された導体と前記導電素子の間に第１の誘電体部材を更に含むこ とを特徴とする、請求項７記載のセンサ。 １３．前記導電素子と前記１つのチャンバの間に第２の誘電体部材を更に含むこ とを特徴とする、請求項７記載のセンサ。 １４．前記延長された導体がらせん状コイルであることを特徴とする、請求項７ 記載のセンサ。 １５．前記導電素子が円形の形状を有し、前記コイルと実質的に重なることを特 徴とする、請求項１４記載のセンサ。 １６．前記導電素子が複数の円周状薄片を含むことを特徴とする、請求項１５記 載のセンサ。 １７．前記導電素子が複数の放射状薄片を含むことを特徴とする、請求項１５記 載のセンサ。 １８．前記チャンバの一方の前記ダイヤグラムが凹型であることを特徴とする、 請求項７記載のセンサ。 １９．前記チャンバの両方の前記ダイヤグラムが凹型であることを特徴とする、 請求項１８記載のセンサ。 ２０．前記導体の前記第１の端及び前記第２の端の間のインダクタンスを表す信 号を発生するための手段を更に含み、前記信号は前記ダイヤフラムをまたいで加 えられた前記圧力差に対応することを特徴とする、請求項７記載のセンサ。 ２１．前記導体の前記インダクタンス値を表す信号を発生するための手段を更に 含み、前記信号は前記ダイヤフラムをまたいで加えられた前記圧力差に対応する ことを特徴とする、請求項７記載のセンサ。 ２２．自由端及び固定端を有する第１の延長された固体部材と、 自由端及び固定端を有する第２の延長された個体部材と、 前記第１及び第２の固体部材の前記固定端と結合し、それにより前記第１及び 第２の固体素子の前記自由端及び固定端が各々がセンサ支持表面を含み、前記セ ンサ支持表面が互いに相対して実質的に平行であり、ギャップｇだけ互いに間隔 を開け、貫通する共通のセンサ軸に沿う相対運動に束縛され、前記センサ軸に対 して直角である可撓素子とを含む弾性構造を更に含み、 前記導電層が前記センサ支持表面の１つに配置され、前記延長された導体が前 記センサ支持表面の他の１つに配置されることを特徴とする、請求項１記載のセ ンサ。 ２３．前記導体の前記インダクタンス値を表す信号を発生する手段を更に含み、 前記信号は前記センサ軸の方向に前記第１及び第２の固体素子に加えられた圧力 差に対応することを特徴とする、請求項２２記載のセンサ。 ２４．前記導体のインピーダンスを表す信号を発生する手段を更に含み、前記信 号は前記センサ軸の方向に前記第１及び第２の固体素子に加えられた圧力差に対 応することを特徴とする、請求項２２記載のセンサ。 ２５．周波数ｆで前記延長された導体を流れる交流電流を発生するための手段を 更に含み、それにより前記延長された導体を流れる前記交流電流に応答して磁場 を発生し、前記磁場に応答して表皮効果渦電流が前記導電層内に発生することを 特徴とする、請求項２２記載のセンサ。 ２６．前記延長された導体がらせん状コイルから成ることを特徴とする、請求項 ２２記載のセンサ。 ２７．前記延長された導体の前記インダクタンス値を表す信号を発生する手段を 更に含み、前記信号は 前記延長された導体と前記導電層の間の距離と、 前記延長された導体と前記導電層の間の速度と、 前記延長された導体と前記導電層の間の加速度とから成るグループからのパラ メータに対応することを特徴とする、請求項１記載のセンサ。 ２８．前記延長された導体の前記インピーダンス値を表す信号を発生する手段を 更に含み、前記信号は 前記延長された導体と前記導電層の間の距離と、 前記延長された導体と前記導電層の間の速度と、 前記延長された導体と前記導電層の間の加速度とから成るグループからのパラ メータに対応することを特徴とする、請求項１記載のセンサ。 ２９．第１端及び第２端の間にキャパシタンスを提供するために前記延長された 導体の前記第１端及び前記第２端の間に結合する容量的手段を更に含むことを特 徴とする、請求項１記載のセンサ。 ３０．前記容量的手段が前記導体の近くに実装された表面実装キャパシタから更 に成ることを特徴とする、請求項２９記載のセンサ。 ３１．前記導体の第１端及び第２端の間のインピーダンスを表す信号を発生する ために前記容量的手段に結合されるプロセッサ手段を更に含むことを特徴とする 、請求項２９記載のセンサ。 ３２．前記プロセッサ手段がデジタルプロセッサを含むことを特徴とする、請求 項３１記載のセンサ。 ３３．関連するインダクタンスの値により特徴づけられ、延長された導体及び隣 接する導電層の一側面が発生する磁束がその側面に実質的に束縛されるように前 記導電層が磁場シールドを設け、前記インダクタンスの値が前記導電層と前記延 長された導体の間の距離の関数であり、前記インダクタンスの値は前記距離が減 少すれば減少し前記距離が増加すれば増加する前記延長された導体と、 内部空洞領域を定める固体ハウジングと、 ダイヤフラムの一方の側面で第１のチャンバを定めダイヤフラムの他の側面で 第２のチャンバを定めるために前記内部空洞領域内で周囲を支持され、それによ り前記ダイヤフラムの中央部分が前記ダイヤフラムをまたいで加えられる異なる 圧力に応答して可動であり、前記中央部分が前記導電層である前記ダイヤフラム と、 前記第１及び第２のチャンバの１つを前記センサの第１の外部領域と流体結合 するための手段を含む第１のポートとから成ることを特徴とする、前記導電層へ の距離を測定するためのセンサ。 ３４．周波数ｆで前記延長された導体を流れる交流電流を発生するための手段を 更に含み、それにより前記延長された導体を流れる前記交流電流に応答して磁場 を発生し、前記磁場に応答して表皮効果渦電流が前記導電層内に発生することを 特徴とする、請求項３３記載のセンサ。 ３５．前記第１及び第２のチャンバの他の１つを前記センサの第２の外部領域と 流体結合するための手段を含む第２のポートと、 前記第１のポートを主軸に沿って延びる流体導管の内部の第１の接合部と結合 させるための手段と、前記第２のポートを前記流体導管の内部の第２の接合部と 結合させるための手段とを更に含み、 前記第２の接合部は前記主軸に沿う方向に前記第１の接合部から下流にあるこ とを特徴とする、請求項３３記載のセンサ。 ３６．前記延長された導体がらせん状コイルであることを特徴とする、請求項３ ３記載のセンサ。 ３７．前記延長された導体がら環状コイルであることを特徴とする、請求項３３ 記載のセンサ。 ３８．前記第１及び第２のチャンバの他の１つを前記センサの第２の外部領域と 流体結合させるための手段を更に含むことを特徴とする、請求項３３記載のセン サ。 ３９．前記第１のポートを主軸に沿って延びる流体導管の内部の第１の接合部と 結合させるための手段と、前記第２のポートを前記流体導管の内部の第２の接合 部と結合させるための手段とを更に含み、 前記第２の接合部は前記主軸に沿う方向に前記第１の接合部から下流にあるこ とを特徴とする、請求項３８記載のセンサ。 ４０．前記導体と前記導電層の間に配置され、前記導電素子の中心部分の周りで 前記導電素子が実質的には全周を保持しない電流経路を含む前記導電素子と、 前記導電素子を予め定められた電位に保持する手段とを更に含むことを特徴と する、請求項３３記載のセンサ。 ４１．前記導電素子が円形の形状を有し、前記延長された導体と実質的に重なる ことを特徴とする、請求項４０記載のセンサ。 ４２．前記導電素子が複数の円周状薄片を含むことを特徴とする、請求項４１記 載のセンサ。 ４３．前記導電素子が複数の放射状薄片を含むことを特徴とする、請求項４１記 載のセンサ。 ４４．前記チャンバの一方の前記ダイヤグラムが凹型であることを特徴とする、 請求項３３記載のセンサ。 ４５．前記チャンバの両方の前記ダイヤグラムが凹型であることを特徴とする、 請求項４４記載のセンサ。 ４６．前記延長された導体の前記インダクタンス値を表す信号を発生するための 手段を更に含み、前記信号は前記ダイヤフラムをまたいで加えられた前記圧力差 に対応することを特徴とする、請求項３３記載のセンサ。 ４７．関連するインダクタンスの値により特徴づけられ、延長された導体及び隣 接する導電層の一側面が発生する磁束がその側面に実質的に束縛されるように前 記導電層が磁場シールドを設け、前記インダクタンスの値が前記導電層と前記延 長された導体の間の距離の関数であり、前記インダクタンスの値は前記距離が減 少すれば減少し前記距離が増加すれば増加する前記延長された導体と、 前記導体と前記導電層の間に配置され、導電素子の中央部分の回りに全円周で はない電流経路を有する前記導電素子と、 自由端及び固定端を有する第１の延長された固体部材と、 自由端及び固定端を有する第２の延長された個体部材と、 前記第１及び第２の固体部材の前記固定端と結合し、それにより前記第１及び 第２の固体素子の前記自由端及び固定端が各々がセンサ支持表面を含み、前記セ ンサ支持表面が互いに相対して実質的に平行であり、ギャップｇだけ互いに間隔 を開け、貫通する共通のセンサ軸に沿う相対運動に束縛され、前記センサ軸に対 して直角である可撓素子とを含む弾性構造を更に含み、 前記導電層が前記センサ支持表面の１つに配置され、前記延長された導体が前 記センサ支持表面の他の１つに配置されることを特徴とする、前記導電層への距 離を測定するためのセンサ。 ４８．前記延長された導体の前記インダクタンス値を表す信号を発生するための 手段を更に含み、前記信号は前記第１及び第２の固体部材をまたいで前記センサ 軸の方向に加えられた前記圧力差に対応することを特徴とする、請求項４７記載 のセンサ。 ４９．周波数ｆで前記延長された導体内で交流電流を作り出し、それにより前記 交流電流により作り出され前記導電層の少なくとも一部分を貫く磁場に応答して 表皮効果渦電流が前記導電層内で発生することを特徴とする、請求項４７記載の センサ。 ５０．前記延長された導体がらせん状コイルであることを特徴とする、請求項４ ７記載のセンサ。 ５１．内部空洞領域を定める固体ハウジングと、 ダイヤフラムの一側面上の第１のチャンバと前記ダイヤフラムの他の側面上の 第２のチャンバを定めるために前記内部空洞領域内で周囲を支持され、それによ り前記ダイヤフラムの中央部分が前記ダイヤフラムをまたいで加えられた異なる 圧力に応答して基準平面に垂直な軸に沿って動くことができ、前記ダイヤフラム の一側面に隣接する磁束が前記側面に束縛されるように前記ダイヤフラムが磁場 を作り出す前記導電ダイヤフラムと、 前記第１のチャンバの周囲に配置され、前記ダイヤフラムの前記中央部分と相 対する第１の磁気アセンブリとから成り、前記第１の磁気アセンブリは、 前記第１のチャンバに面し前記ダイヤフラムと相対する第１の側面と、前記第 １の側面と相対する第２の側面を有する誘電体部材と、 前記第１の導体の第１の端と前記第１の導体の第２の端との間にあり、前記誘 電体材料の前記第２の側面に隣接する第１の導体を含むインダクタとを含み、前 記インダクタは関連するインダクタンス値により特性を決められ、前記インダク タンス値は前記ダイヤフラムと前記インダクタの間の距離の関数であり、前記イ ンダクタンス値は前記距離の減少に応答して減少し、前記距離の増加に応答して 増加する前記インダクタと、 前記第１及び第２のチャンバの１つを前記トランスデューサの第１の外部領域 に流体結合するための手段を含む第１のポートとを含むことを特徴とする、差圧 トランスデューサ。 ５２．前記第１及び第２のチャンバの他の１つを前記トランスデューサの第２の 外部領域に流体結合するための手段を含む第２のポートを更に含むことを特徴と する、請求項５１記載の差圧トランスデューサ。 ５３．前記第１のポートを主軸に沿って延びる流体導管の内部領域の第１の接合 点と流体結合させる手段と、 前記第２のポートを前記流体導管の内部領域の第２の接合点と流体結合させる 手段とを含み、 前記第２の接合点は前記主軸に沿う方向に前記第１の接合点から下流にあるこ とを特徴とする、請求項５１記載の差圧トランスデューサ。 ５４．前記第１の導体がらせん状で前記基準平面の近くに配置されることを特徴 とする、請求項５１記載の差圧トランスデューサ。 ５５．前記第１の導体と前記誘電体部材との間に配置される電場シールドを含み 、前記電場シールドと前記第１の導体との間に非導電層を含み、前記電場シール ドは電場の貫通を防ぎ磁場の貫通を許容するために有効であることを特徴とする 、請求項５１記載の差圧トランスデューサ。 ５６．前記電場シールドが導電性で、実質的に全周ではない電流経路を含むこと を特徴とする、請求項５５記載の差圧トランスデューサ。 ５７．前記第１の導体がらせん状で前記ダイヤフラムの近くに配置されることを 特徴とする、請求項５６記載の差圧トランスデューサ。 ５８．前記電場シールドが円形の形状を有し前記ダイヤフラムの近くに配置され た前記第１の導体と実質的に重なる第２の導体を含み、基準電位と電気的に結合 されることを特徴とする、請求項５７記載の差圧トランスデューサ。 ５９．前記第２の導体が複数の円周状薄片を含むことを特徴とする、請求項５８ 記載の差圧トランスデューサ。 ６０．前記第２の導体が複数の放射状薄片を含むことを特徴とする、請求項５８ 記載の差圧トランスデューサ。 ６１．前記チャンバの一方の前記ダイヤグラムが凹型であることを特徴とする、 請求項５６記載の差圧トランスデューサ。 ６２．前記チャンバの両方の前記ダイヤグラムが凹型であることを特徴とする、 請求項６１記載の差圧トランスデューサ。 ６３．前記チャンバの一方の前記ダイヤグラムが凹型であることを特徴とする、 請求項５１記載の差圧トランスデューサ。 ６４．前記チャンバの両方の前記ダイヤグラムが凹型であることを特徴とする、 請求項６３記載の差圧トランスデューサ。 ６５．前記第１端及び第２端を横断して結合されたキャパシタを更に含むことを 特徴とする、請求項５１記載の差圧トランスデューサ。 ６６．駆動回路網を更に含み、それにより前記駆動回路網、前記キャパシタ、前 記第１の導体、及び前記ダイヤフラムが発信器を形成することを特徴とする、請 求項６５記載の差圧トランスデューサ。 ６７．前記第１の導体の前記第１の端と前記第２の導体の前記第２の端の間のイ ンピーダンスを表す信号を発生するための前記発信器に結合されたプロセッサ手 段を更に含むことを特徴とする、請求項６６記載の差圧トランスデューサ。 ６８．前記プロセッサ手段がデジタルプロセッサを含むことを特徴とする、請求 項６７記載の差圧トランスデューサ。 ６９．前記第２のチャンバの周囲に配置され、前記ダイヤフラムの中央部分と相 対する第２に磁気アセンブリを含み、前記第２の磁気アセンブリは、 前記第２のチャンバに面する第１の側面を有し、実質的に平面で、第２の側面 が前記第１の側面に相対する第２の誘電体部材と、 前記第２の導体の第１の端と前記第２の導体の第２の端との間にあり、前記第 ２の誘電体部材の前記第２の側面に隣接する第２のインダクタとを含むことを特 徴とする、請求項５１記載の差圧トランスデューサ。