CN102313623B - 静电容型压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种静电容型压力传感器，防止隔膜因由传感器主体的热膨胀率以及固定用构件的热膨胀率产生的热应力而发生变形。静电容型压力传感器包括固定着固定电极(21)的传感器主体(2)、与传感器主体(2)之间形成密闭空间的隔膜构造体(3)、以及以将隔膜构造体(3)的受压部予以包围的方式被接合且将流体引导至受压部的固定用构件(4)。隔膜构造体(3)包括平板状的隔膜主体(31)、设置在隔膜主体(31)的周缘部两侧的热膨胀率已知的第一环状构件(32)以及第二环状构件(33)。

Description

静电容型压力传感器

技术领域

本发明涉及一种静电容型压力传感器(electrostatic capacitance typepressure sensor)，该静电容型压力传感器对因压力而发生位移的隔膜(diaphragm)与固定电极之间的静电容的变化进行检测，从而对压力进行测定。

背景技术

对于此种静电容型压力传感器而言，例如，如专利文献1或图3所示，隔膜借由焊接而接合于传感器主体的一端所形成的凹部的开口周缘部，该传感器主体借由密封玻璃(glass)来固定着固定电极。

另外，虽未图示于专利文献1，但如图3所示，凸缘部借由焊接而接合于隔膜的受压面侧的周缘部，该隔膜的受压面侧的周缘部焊接于传感器主体，所述凸缘部安装于形成被测定流路的流路形成构件，且将流体引导至受压面。对于以所述方式构成的静电容型压力传感器而言，流体经由设置于凸缘部的导入口而流入至隔膜侧，借此，隔膜会因所述流体的压力而发生位移。

然而，以所述方式构成的静电容型压力传感器存在如下的问题，即，当将隔膜焊接于传感器主体时，因传感器主体的热膨胀率以及隔膜的热膨胀率不同，膨胀量会有所不同，在焊接之后，因隔膜以及传感器主体之间产生的热应力而发生变形。此处，可考虑将两者的热膨胀率纳入考虑来进行焊接，隔膜由单一材料构成且热膨胀率已知，但由于传感器主体为固定电极以及密封玻璃等的集合体，因此，无法统一地确定热膨胀率。如此，在焊接时，极难以将所述构件的热膨胀率纳入考虑来进行焊接。

另外，与将凸缘部焊接于传感器主体上所焊接的隔膜的情况同样地，存在如下的问题，即，由于两者的热膨胀率的差异，因隔膜以及凸缘部之间产生的热应力而发生变形。此处，可考虑将两者的热膨胀率纳入考虑来进行焊接，但焊接于传感器主体的隔膜的热膨胀率与其单体的热膨胀率不同，在焊接时，极难以将所述构件的热膨胀率纳入考虑来进行焊接。

在上述内容中虽然记载是将隔膜焊接于传感器主体之后，将凸缘部焊接于所述隔膜的情形，但当将隔膜焊接于凸缘部之后，将传感器主体焊接于所述隔膜时，也存在同样的问题。

现有技术文献

专利文献

专利文献1日本专利早期公开的特开2009-300336号公报

发明内容

因此，本发明是为了解决所述问题点而构成的，本发明的目的之一在于提供一种静电容型压力传感器，可防止隔膜因由传感器主体的热膨胀率以及固定用构件的热膨胀率产生的热应力而发生变形。

即，本发明的静电容型压力传感器对因压力而发生位移的隔膜与固定电极之间的静电容的变化进行检测，从而对压力进行测定。静电容型压力传感器包括：传感器主体，以使所述固定电极露出至一端侧的方式而固定着所述固定电极；隔膜构造体，以与所述传感器主体之间形成密闭空间的方式而接合于所述传感器主体的一端侧；以及固定用构件，以将所述隔膜构造体的受压部予以包围的方式而接合于所述隔膜构造体，安装于形成被测定流路的流路形成构件，将流体引导至所述受压部，所述隔膜构造体包括：形成所述隔膜的平板状的隔膜主体；热膨胀率已知的第一环状构件，接合于所述隔膜主体中的电极侧周缘部，且连接于所述传感器主体的一端侧；以及热膨胀率已知的第二环状构件，接合于所述隔膜主体中的受压侧周缘部，且连接于所述固定用构件。

若为如上所述的静电容型压力传感器，则由于将形成隔膜的隔膜主体经由热膨胀率已知的第一环状构件而接合于传感器主体，因此，可减小因传感器主体的热膨胀率而使隔膜产生的热应力。另外，由于将隔膜主体经由热膨胀率已知的第二环状构件而接合于固定用构件，因此，可减小因固定用构件的热膨胀率而使隔膜产生的热应力。因此，可防止隔膜因由传感器主体以及固定用构件的热膨胀率产生的热应力而发生变形。而且，由于将隔膜主体接合于热膨胀率已知的第一环状构件以及第二环状构件，因此，可将所期望的张力施加于隔膜。而且，随着隔膜的薄型化，难以直接将隔膜主体焊接于传感器主体以及固定用构件，但例如在将第一环状构件以及第二环状构件接合于隔膜而制造隔膜构造体之后，将该隔膜构造体接合于传感器主体以及固定用构件，借此，可使传感器的组装变得容易。此时，可借由将第一环状构件以及第二环状构件接合于隔膜主体来使隔膜构造体的强度增加，从而可一面抑制隔膜主体的变形，一面进行接合。

由于第一环状构件以及第二环状构件的热膨胀率已知，因此，为了可积极地利用与隔膜主体的热膨胀率之间的差异来对静电容型压力传感器的测定范围(range)或测定精度进行调整，较为理想的是根据所述第一环状构件的热膨胀率、所述第二环状构件的热膨胀率以及所述隔膜主体的热膨胀率来对所述隔膜的张力进行调整。即，使传感器的测定范围可根据所述第一环状构件的热膨胀率、所述第二环状构件的热膨胀率以及所述隔膜主体的热膨胀率而发生改变。

例如，使第一环状构件的热膨胀率以及第二环状构件的热膨胀率小于隔膜主体的热膨胀率，借此，组装时的隔膜的张力变大，从而可使传感器的测定范围增大。另一方面，使第一环状构件的热膨胀率以及第二环状构件的热膨胀率大于隔膜主体的热膨胀率，借此，组装时的隔膜的张力变小，从而可使传感器的测定范围变小(或使精度提高)。

若所述第一环状构件的热膨胀率与所述第二环状构件的热膨胀率大致相同，则无论传感器主体的热膨胀率或固定用构件的热膨胀率如何，均可尽可能地使隔膜主体产生的变形减小。

发明的效果

根据以所述方式构成的本发明，可防止隔膜因由传感器主体的热膨胀率以及固定用构件的热膨胀率产生的热应力而发生变形。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式的静电容型压力传感器的概略结构图。

图2是主要表示所述实施方式的隔膜构造体的剖面图。

图3是现有的静电容型压力传感器的概略结构图。

符号的说明：

2：传感器主体

3：隔膜构造体

4：固定用构件

5、200：流路形成构件

21：固定电极

22：主体外壳

23：密封构件/玻璃材料

31：隔膜主体

31a：电极侧周缘部

31b：受压侧周缘部

32：第一环状构件

33：第二环状构件

41：凸缘部

42：圆筒部

100：静电容型压力传感器

221：电极固定孔

301：隔膜

301a：受压面/受压部

411：连通路径

L：被测定流路

具体实施方式

以下，参照附图来对本发明的静电容型压力传感器的一个实施方式进行说明。

本实施方式的静电容型压力传感器100是相当于绝对压测量型的全压真空计(total pressure vacuum gauge)的静电容型隔膜真空计，该静电容型压力传感器100对因压力而发生位移的隔膜与固定电极21之间的静电容的位移量进行检测，将该位移量换算成压力，从而测定出压力。再者，换算成压力的静电容与隔膜和固定电极21之间的距离成反比例。

具体而言，如图1所示，所述静电容型压力传感器100包括：传感器主体2、接合于传感器主体2的隔膜构造体3、以及接合于隔膜构造体3的固定用构件4。

传感器主体2是以使固定电极21露出至一端侧即下端部的方式而固定着该固定电极21，该传感器主体2包括：固定电极21；主体外壳(body)22，插入且固定有所述固定电极21；以及密封玻璃等的密封构件23，设置成介于固定电极21以及主体外壳22之间，气密地对固定电极21以及主体外壳22进行密封，且将固定电极21固定于主体外壳22。再者，主体外壳22是由具有耐腐蚀性的不锈钢形成。

固定电极21是由包含金、铂或钛等的不易受腐蚀的金属的导体形成。本实施方式的固定电极21为了插入至形成于主体外壳22的电极固定孔221，因此，大致呈圆柱形状。另外，用以对静电容的变化进行检测的导线(未图示)连接于固定电极21的后端部。该导线连接于传感器主体2的例如形成于上部的输出端子。再者，该输出端子连接着将静电容的变化量转换为压力信号的运算部(未图示)。

隔膜构造体3是以与所述传感器主体2之间形成密闭空间的方式，接合于传感器主体2的一端侧即下端部。

具体而言，如图2所示，隔膜构造体3包括：形成隔膜301的平板状的隔膜主体31、设置于所述隔膜主体31中的电极侧周缘部31a的第一环状构件32、以及设置于隔膜主体31中的受压侧周缘部31b的第二环状构件33。

隔膜主体31是与固定电极21的朝向隔膜301侧的端面即一端面一起构成静电容器(condenser)的呈圆板形状的构件。该隔膜主体31是因外部的微小的压力变化而发生弹性变形，且耐腐蚀性以及耐热性优异的金属薄板。本实施方式的隔膜主体31是由以镍、钴为主成分且包含钨、钼、钛、铬等的镍-钴合金形成的薄板。为了使相对于外部的压力变化的感度提高，膜的厚度例如为数十微米。再者，隔膜主体31也可为由以镍为主成分且包含铁、铬、铌等的镍合金形成的薄板。

第一环状构件32是与隔膜主体31呈同心圆状地设置于隔膜主体31的电极侧周缘部31a，且呈具有与隔膜主体31的外径大致相同的外径的圆环形状。该第一环状构件32的一端面(图2中的下表面)借由焊接而接合于隔膜主体31的电极侧周缘部31a。另外，第一环状构件32的与隔膜主体31接合的面的相反侧的面(图2中的上表面)，借由焊接而与固定电极21呈同心圆状地接合于传感器主体2的主体外壳22的一端面周缘部。该第一环状构件32是由耐腐蚀性以及耐热性优异，具有导电性且热膨胀率已知的金属形成，在本实施方式中，该第一环状构件32是由以镍为主成分且包含铁、铬、铌等的镍合金形成。

第二环状构件33是与隔膜主体31呈同心圆状地设置于隔膜主体31的受压侧周缘部31b，且呈具有与隔膜主体31的外径大致相同的外径的圆环形状。该第二环状构件33的一端面(图2中的上表面)借由焊接而接合于隔膜主体31的受压侧周缘部31b。另外，第二环状构件33的与隔膜主体31接合的面的相反侧的面(图2中的下表面)，借由焊接而接合于固定用构件4的圆筒部42的端面。该第二环状构件33与第一环状构件32同样地，是由耐腐蚀性以及耐热性优异，具有导电性且热膨胀率已知的金属形成，在本实施方式中，该第二环状构件33是由以镍为主成分且包含铁、铬、铌等的镍合金形成。

固定用构件4设置成将隔膜构造体3的受压部(隔膜301的受压面301a)予以包围，该固定用构件4安装于形成被测定流路L的流路形成构件200，将流体引导至受压部301a。所述固定用构件4包括：凸缘部41，固定于流路形成构件200，且形成有连通于被测定流路L的连通路径411；以及圆筒部42，形成为将所述凸缘部41的连通路径411的开口予以包围。而且，所述第二环状构件33借由焊接而接合于所述圆筒部42的上端面。再者，固定用构件4是由具有耐腐蚀性以及耐热性的不锈钢形成。

然后，本实施方式的静电容型压力传感器100的传感器主体2的热膨胀率以及固定用构件4的热膨胀率与隔膜主体31的热膨胀率不同，第一环状构件32的热膨胀率与第二环状构件33的热膨胀率相同。具体而言，由于第一环状构件32与第二环状构件33是由相同的材料形成，因此，两者的热膨胀率相同。

由于传感器主体2的主要材质为不锈钢，因此，考虑该传感器主体2的热膨胀率(线性膨胀率)约为16×10-6[1/℃]。同样地，固定用构件4的热膨胀率(线性膨胀率)约为16×10-6[1/℃]。另外，由于隔膜主体31是由镍-钴合金形成，因此，该隔膜主体31的热膨胀率(线性膨胀率)约为12×10-6[1/℃]。而且，由于第一环状构件32以及第二环状构件33是由镍合金形成，因此，该第一环状构件32以及第二环状构件33的热膨胀率(线性膨胀率)约为11.5×10-6[1/℃]。如此，将第一环状构件32以及第二环状构件33的热膨胀率设为传感器主体2的热膨胀率以及固定用构件4的热膨胀率与隔膜主体31的热膨胀率之间的值，借此，可尽可能地使因隔膜主体31的热膨胀率与传感器主体2的热膨胀率以及固定用构件4的热膨胀率不同而可能产生的热应力减小。

最后，简单地对静电容型压力传感器100的组装方法的一例进行说明。

首先，将固定电极21与呈圆筒形状的玻璃材料23一起插入至形成于主体外壳22的电极固定孔221。接着，借由未图示夹具来将玻璃材料23以及固定电极21固定于主体外壳22，在炉内进行加热而使玻璃材料23熔解，借由玻璃熔接来将固定电极21固定于主体外壳22。

另一方面，以分别成为同心圆状的方式，借由激光焊接(laserwelding)、电子束焊接(electron beam welding)或电弧焊接(arc welding)等来将第一环状构件32焊接于圆板状的隔膜主体31的一个面，将第二环状构件33焊接于圆板状的隔膜主体31的另一个面，从而形成隔膜构造体3，所述圆板状的隔膜主体31是将由圧延加工形成的金属薄板予以切断而获得。此时，焊接于隔膜主体31的第一环状构件32以及第二环状构件33的热膨胀率已知，可进行考虑了该热膨胀率的焊接，从而可使隔膜301的变形减小，并且可使隔膜301达到所期望的张力。

再者，除了根据隔膜主体31的热膨胀率与第一环状构件32的热膨胀率以及第二环状构件33的热膨胀率的差异来对隔膜301的张力进行调整之外，也可在将第一环状构件32以及第二环状构件33接合于隔膜主体31时，借由另外设置的卤素灯(halogen lamp)等的加热源来对隔膜主体31进行加热而使隔膜主体31膨胀，借此来对接合时的第一环状构件32以及第二环状构件33与隔膜主体31的热膨胀量进行调整，从而对接合之后的隔膜301的张力进行调整。

然后，借由激光焊接、电子束焊接或电弧焊接等来将隔膜构造体3的第一环状构件32焊接且接合于传感器主体2的一端侧。另外，借由激光焊接、电子束焊接或电弧焊接等来将隔膜构造体3的第二环状构件33焊接且接合于固定用构件4的圆筒部42。如此，静电容型压力传感器100被组装。

本实施方式的效果

根据以所述方式构成的本实施方式的静电容型压力传感器100，经由热膨胀率已知的第一环状构件32来将形成隔膜301的隔膜主体31连接于传感器主体2，因此，可减小因传感器主体2的热膨胀率而使隔膜主体31产生的热应力。另外，由于经由热膨胀率已知的第二环状构件33来将隔膜主体31连接于固定用构件4，因此，可减小因固定用构件4的热膨胀率而使隔膜主体31产生的热应力。因此，可防止隔膜301因由传感器主体2以及固定用构件4的热膨胀率产生的热应力而发生变形。而且，由于将隔膜主体31接合于热膨胀率已知的第一环状构件32以及第二环状构件33，因此，可将所期望的张力施加于隔膜301。而且，随着隔膜301的薄型化，难以直接将隔膜主体31焊接于传感器主体2以及固定用构件4，但如本发明般，设为借由第一环状构件32以及第二环状构件33来夹持着所述隔膜主体31的构成，借此，可使传感器100的组装变得容易。

其他变形实施方式

再者，本发明并不限于所述实施方式。

例如，所述实施方式的静电容型压力传感器100的传感器主体2的主体外壳22、第一环状构件32、第二环状构件33、隔膜主体31、以及固定用构件4分别由不同的材质构成，但也可借由共同的材质(例如不锈钢)来形成全部的所述构件。此时，隔膜主体31仍接合于第一环状构件32以及第二环状构件33，因此，无需考虑传感器主体2的热膨胀率，而且可减小由传感器主体2使隔膜产生的变形。

另外，也可借由对第一环状构件32的热膨胀率、第二环状构件33的热膨胀率以及隔膜主体31的热膨胀率进行选择，来对包含隔膜主体31的隔膜的张力进行调整。就所述实施方式的情况而言，由于第一环状构件32以及第二环状构件33的热膨胀率大于隔膜主体31的热膨胀率，因此，可使隔膜的张力减小，从而可使测定范围减小(使感度提高)。另一方面，借由使第一环状构件32以及第二环状构件33的热膨胀率小于隔膜主体31的热膨胀率，可使隔膜的张力增大，从而可使测定范围增大。

而且，所述实施方式的组装方法是在对隔膜构造体3进行组装之后，将该隔膜构造体3焊接于传感器主体2的方法，但也可将第一环状构件32焊接于传感器主体2之后，将隔膜主体31焊接于所述第一环状构件32，然后，将第二环状构件33焊接于隔膜主体31，接着将固定用构件4焊接于所述第二环状构件33。另外，也可将第二环状构件33焊接于固定用构件4之后，将隔膜主体31焊接于所述第二环状构件33，然后，将第一环状构件32焊接于隔膜主体31，接着将传感器主体2焊接于所述第一环状构件32。

而且，也可考虑将第一环状构件的热膨胀率设为传感器主体的热膨胀率与隔膜主体的热膨胀率之间的值。如此，可尽可能地使因传感器主体的热膨胀率与隔膜主体的热膨胀率的差异而产生的隔膜的变形减小。同样地，为了尽可能地使因固定用构件的热膨胀率与隔膜主体的热膨胀率的差异而产生的隔膜的变形减小，可考虑将第二环状构件的热膨胀率设为固定用构件的热膨胀率与隔膜主体的热膨胀率之间的值。

在所述实施方式中，隔膜主体的热膨胀率与第一环状构件、第二环状构件的热膨胀率不同，但也可使隔膜主体的热膨胀率、第一环状构件的热膨胀率以及第二环状构件的热膨胀率大致相同。根据该构成，隔膜主体与第一环状构件、第二环状构件的温度影响相同，可尽可能地使隔膜主体自第一环状构件、第二环状构件承受的热应力而产生的应变减小。借此，可使测定精度提高。

此外，本发明并不限于所述实施方式，当然可在不脱离本发明的宗旨的范围内进行各种变形。

Claims (3)

1.一种静电容型压力传感器，对因压力而发生位移的隔膜与固定电极之间的静电容的变化进行检测，从而对压力进行测定，该静电容型压力传感器包括：

传感器主体，以使所述固定电极露出至一端侧的方式而固定着所述固定电极；

隔膜构造体，以与所述传感器主体之间形成密闭空间的方式而接合于所述传感器主体的一端侧；以及

固定用构件，以将所述隔膜构造体的受压部予以包围的方式而接合于所述隔膜构造体，安装于形成被测定流路的流路形成构件，将流体引导至所述受压部，

所述传感器主体包括：

所述固定电极；

固定有所述固定电极的主体外壳；及

密封构件，设置成介于固定电极与主体外壳之间，气密地对固定电极以及主体外壳进行密封，且将固定电极固定于主体外壳，

所述隔膜构造体包括：

形成所述隔膜的平板状的隔膜主体；

热膨胀率已知的第一环状构件，接合于所述隔膜主体中的电极侧周缘部，且连接于所述传感器主体的一端侧；以及

热膨胀率已知的第二环状构件，接合于所述隔膜主体中的受压侧周缘部，且连接于所述固定用构件。

2.根据权利要求1所述的静电容型压力传感器，其中

根据所述第一环状构件的热膨胀率、所述第二环状构件的热膨胀率以及所述隔膜主体的热膨胀率来对所述隔膜的张力进行调整。

3.根据权利要求1或2所述的静电容型压力传感器，其中

所述第一环状构件的热膨胀率与所述第二环状构件的热膨胀率大致相同。