TWI476386B - 靜電容型壓力感測器 - Google Patents

Description

靜電容型壓力感測器

本發明是有關於一種靜電容型壓力感測器(electrostatic capacitance type pressure sensor)，該靜電容型壓力感測器對因壓力而發生位移的隔膜(diaphragm)與固定電極之間的靜電容的變化進行檢測，從而對壓力進行測定。

對於此種靜電容型壓力感測器而言，例如，如專利文獻1或圖3所示，隔膜藉由焊接而接合於感測器主體的一端所形成的凹部的開口周緣部，該感測器主體藉由密封玻璃(glass)來固定著固定電極。

另外，雖未圖示於專利文獻1，但如圖3所示，凸緣部藉由焊接而接合於隔膜的受壓面側的周緣部，該隔膜的受壓面側的周緣部焊接於感測器主體，所述凸緣部安裝于形成被測定流路的流路形成構件，且將流體引導至受壓面。對於以所述方式構成的靜電容型壓力感測器而言，流體經由設置於凸緣部的導入口而流入至隔膜側，借此，隔膜會因所述流體的壓力而發生位移。

然而，以所述方式構成的靜電容型壓力感測器存在如下的問題，即，當將隔膜焊接于感測器主體時，因感測器主體的熱膨脹率以及隔膜的熱膨脹率不同，膨脹量會有所不同，在焊接之後，因隔膜以及感測器主體之間產生的熱應力而發生變形。此處，可考慮將兩者的熱膨脹率納入考慮來進行焊接，隔膜由單一材料構成且熱膨脹率已知，但由於感測器主體為固定電極以及密封玻璃等的集合體，因此，無法統一地確定熱膨脹率。如此，在焊接時，極難以將所述構件的熱膨脹率納入考慮來進行焊接。

另外，與將凸緣部焊接於感測器主體上所焊接的隔膜的情況同樣地，存在如下的問題，即，由於兩者的熱膨脹率的差異，因隔膜以及凸緣部之間產生的熱應力而發生變形。此處，可考慮將兩者的熱膨脹率納入考慮來進行焊接，但焊接於感測器主體的隔膜的熱膨脹率與其單體的熱膨脹率不同，在焊接時，極難以將所述構件的熱膨脹率納入考慮來進行焊接。

在上述內容中雖然記載是將隔膜焊接於感測器主體之後，將凸緣部焊接於所述隔膜的情形，但當將隔膜焊接於凸緣部之後，將感測器主體焊接於所述隔膜時，也存在同樣的問題。

[先行技術文獻]

[專利文獻]

[專利文獻1]日本專利早期公開的特開2009-300336號公報

因此，本發明是為了解決所述問題點而構成的，本發明的目的之一在於提供一種靜電容型壓力感測器，可防止隔膜因由感測器主體的熱膨脹率以及固定用構件的熱膨脹率產生的熱應力而發生變形。

即，本發明的靜電容型壓力感測器對因壓力而發生位移的隔膜與固定電極之間的靜電容的變化進行檢測，從而對壓力進行測定。靜電容型壓力感測器包括：感測器主體，以使所述固定電極露出至一端側的方式而固定著所述固定電極；隔膜構造體，以與所述感測器主體之間形成密閉空間的方式而接合於所述感測器主體的一端側；以及固定用構件，以將所述隔膜構造體的受壓部予以包圍的方式而接合於所述隔膜構造體，安裝于形成被測定流路的流路形成構件，將流體引導至所述受壓部，所述隔膜構造體包括：形成所述隔膜的平板狀的隔膜主體；熱膨脹率已知的第一環狀構件，接合於所述隔膜主體中的電極側周緣部，且連接於所述感測器主體的一端側；以及熱膨脹率已知的第二環狀構件，接合於所述隔膜主體中的受壓側周緣部，且連接於所述固定用構件。

若為如上所述的靜電容型壓力感測器，則由於將形成隔膜的隔膜主體經由熱膨脹率已知的第一環狀構件而接合於感測器主體，因此，可減小因感測器主體的熱膨脹率而使隔膜產生的熱應力。另外，由於將隔膜主體經由熱膨脹率已知的第二環狀構件而接合於固定用構件，因此，可減小因固定用構件的熱膨脹率而使隔膜產生的熱應力。因此，可防止隔膜因由感測器主體以及固定用構件的熱膨脹率產生的熱應力而發生變形。而且，由於將隔膜主體接合於熱膨脹率已知的第一環狀構件以及第二環狀構件，因此，可將所期望的張力施加於隔膜。而且，隨著隔膜的薄型化，難以直接將隔膜主體焊接於感測器主體以及固定用構件，但例如在將第一環狀構件以及第二環狀構件接合於隔膜而製造隔膜構造體之後，將該隔膜構造體接合於感測器主體以及固定用構件，借此，可使感測器的組裝變得容易。此時，可藉由將第一環狀構件以及第二環狀構件接合於隔膜主體來使隔膜構造體的強度增加，從而可一面抑制隔膜主體的變形，一面進行接合。

由於第一環狀構件以及第二環狀構件的熱膨脹率已知，因此，為了可積極地利用與隔膜主體的熱膨脹率之間的差異來對靜電容型壓力感測器的測定範圍(range)或測定精度進行調整，較為理想的是根據所述第一環狀構件的熱膨脹率、所述第二環狀構件的熱膨脹率以及所述隔膜主體的熱膨脹率來對所述隔膜的張力進行調整。即，使感測器的測定範圍可根據所述第一環狀構件的熱膨脹率、所述第二環狀構件的熱膨脹率以及所述隔膜主體的熱膨脹率而發生改變。

例如，使第一環狀構件的熱膨脹率以及第二環狀構件的熱膨脹率小於隔膜主體的熱膨脹率，借此，組裝時的隔膜的張力變大，從而可使感測器的測定範圍增大。另一方面，使第一環狀構件的熱膨脹率以及第二環狀構件的熱膨脹率大於隔膜主體的熱膨脹率，借此，組裝時的隔膜的張力變小，從而可使感測器的測定範圍變小(或使精度提高)。

若所述第一環狀構件的熱膨脹率與所述第二環狀構件的熱膨脹率大致相同，則無論感測器主體的熱膨脹率或固定用構件的熱膨脹率如何，均可盡可能地使隔膜主體產生的變形減小。

[發明的效果]

根據以所述方式構成的本發明，可防止隔膜因由感測器主體的熱膨脹率以及固定用構件的熱膨脹率產生的熱應力而發生變形。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

以下，參照附圖來對本發明的靜電容型壓力感測器的一個實施方式進行說明。

本實施方式的靜電容型壓力感測器100是相當於絕對壓測量型的全壓真空計(total pressure vacuum gauge)的靜電容型隔膜真空計，該靜電容型壓力感測器100對因壓力而發生位移的隔膜與固定電極21之間的靜電容的位移量進行檢測，將該位移量換算成壓力，從而測定出壓力。再者，換算成壓力的靜電容與隔膜和固定電極21之間的距離成反比例。

具體而言，如圖1所示，所述靜電容型壓力感測器100包括：感測器主體2、接合於感測器主體2的隔膜構造體3、以及接合於隔膜構造體3的固定用構件4。

感測器主體2是以使固定電極21露出至一端側即下端部的方式而固定著該固定電極21，該感測器主體2包括：固定電極21；主體外殼(body)22，插入且固定有所述固定電極21；以及密封玻璃等的密封構件23，設置成介於固定電極21以及主體外殼22之間，氣密地對固定電極21以及主體外殼22進行密封，且將固定電極21固定於主體外殼22。再者，主體外殼22是由具有耐腐蝕性的不銹鋼形成。

固定電極21是由包含金、鉑或鈦等的不易受腐蝕的金屬的導體形成。本實施方式的固定電極21為了插入至形成於主體外殼22的電極固定孔221，因此，大致呈圓柱形狀。另外，用以對靜電容的變化進行檢測的導線(未圖示)連接於固定電極21的後端部。該導線連接於感測器主體2的例如形成於上部的輸出端子。再者，該輸出端子連接著將靜電容的變化量轉換為壓力信號的運算部(未圖示)。

隔膜構造體3是以與所述感測器主體2之間形成密閉空間的方式，接合於感測器主體2的一端側即下端部。

具體而言，如圖2所示，隔膜構造體3包括：形成隔膜301的平板狀的隔膜主體31、設置於所述隔膜主體31中的電極側周緣部31a的第一環狀構件32、以及設置於隔膜主體31中的受壓側周緣部31b的第二環狀構件33。

隔膜主體31是與固定電極21的朝向隔膜301側的端面即一端面一起構成靜電容器(condenser)的呈圓板形狀的構件。該隔膜主體31是因外部的微小的壓力變化而發生彈性變形，且耐腐蝕性以及耐熱性優異的金屬薄板。本實施方式的隔膜主體31是由以鎳、鈷為主成分且包含鎢、鉬、鈦、鉻等的鎳-鈷合金形成的薄板。為了使相對於外部的壓力變化的感度提高，膜的厚度例如為數十微米。再者，隔膜主體31也可為由以鎳為主成分且包含鐵、鉻、鈮等的鎳合金形成的薄板。

第一環狀構件32是與隔膜主體31呈同心圓狀地設置於隔膜主體31的電極側周緣部31a，且呈具有與隔膜主體31的外徑大致相同的外徑的圓環形狀。該第一環狀構件32的一端面(圖2中的下表面)藉由焊接而接合於隔膜主體31的電極側周緣部31a。另外，第一環狀構件32的與隔膜主體31接合的面的相反側的面(圖2中的上表面)，藉由焊接而與固定電極21呈同心圓狀地接合於感測器主體2的主體外殼22的一端面周緣部。該第一環狀構件32是由耐腐蝕性以及耐熱性優異，具有導電性且熱膨脹率已知的金屬形成，在本實施方式中，該第一環狀構件32是由以鎳為主成分且包含鐵、鉻、鈮等的鎳合金形成。

第二環狀構件33是與隔膜主體31呈同心圓狀地設置於隔膜主體31的受壓側周緣部31b，且呈具有與隔膜主體31的外徑大致相同的外徑的圓環形狀。該第二環狀構件33的一端面(圖2中的上表面)藉由焊接而接合於隔膜主體31的受壓側周緣部31b。另外，第二環狀構件33的與隔膜主體31接合的面的相反側的面(圖2中的下表面)，藉由焊接而接合於固定用構件4的圓筒部42的端面。該第二環狀構件33與第一環狀構件32同樣地，是由耐腐蝕性以及耐熱性優異，具有導電性且熱膨脹率已知的金屬形成，在本實施方式中，該第二環狀構件33是由以鎳為主成分且包含鐵、鉻、鈮等的鎳合金形成。

固定用構件4設置成將隔膜構造體3的受壓部(隔膜301的受壓面301a)予以包圍，該固定用構件4安裝于形成被測定流路L的流路形成構件200，將流體引導至受壓部301a。所述固定用構件4包括：凸緣部41，固定于流路形成構件200，且形成有連通於被測定流路L的連通路徑411；以及圓筒部42，形成為將所述凸緣部41的連通路徑411的開口予以包圍。而且，所述第二環狀構件33藉由焊接而接合於所述圓筒部42的上端面。再者，固定用構件4是由具有耐腐蝕性以及耐熱性的不銹鋼形成。

然後，本實施方式的靜電容型壓力感測器100的感測器主體2的熱膨脹率以及固定用構件4的熱膨脹率與隔膜主體31的熱膨脹率不同，第一環狀構件32的熱膨脹率與第二環狀構件33的熱膨脹率相同。具體而言，由於第一環狀構件32與第二環狀構件33是由相同的材料形成，因此，兩者的熱膨脹率相同。

由於感測器主體2的主要材質為不銹鋼，因此，考慮該感測器主體2的熱膨脹率(線性膨脹率)約為16×10^-6 [1/℃]。同樣地，固定用構件4的熱膨脹率(線性膨脹率)約為16×10^-6 [1/℃]。另外，由於隔膜主體31是由鎳-鈷合金形成，因此，該隔膜主體31的熱膨脹率(線性膨脹率)約為12×10^-6 [1/℃]。而且，由於第一環狀構件32以及第二環狀構件33是由鎳合金形成，因此，該第一環狀構件32以及第二環狀構件33的熱膨脹率(線性膨脹率)約為11.5×10^-6 [1/℃]。如此，將第一環狀構件32以及第二環狀構件33的熱膨脹率設為感測器主體2的熱膨脹率以及固定用構件4的熱膨脹率與隔膜主體31的熱膨脹率之間的值，借此，可盡可能地使因隔膜主體31的熱膨脹率與感測器主體2的熱膨脹率以及固定用構件4的熱膨脹率不同而可能產生的熱應力減小。

最後，簡單地對靜電容型壓力感測器100的組裝方法的一例進行說明。

首先，將固定電極21與呈圓筒形狀的玻璃材料23一起插入至形成於主體外殼22的電極固定孔221。接著，藉由未圖示夾具來將玻璃材料23以及固定電極21固定於主體外殼22，在爐內進行加熱而使玻璃材料23熔解，藉由玻璃熔接來將固定電極21固定於主體外殼22。

另一方面，以分別成為同心圓狀的方式，藉由鐳射焊接(laser welding)、電子束焊接(electron beam welding)或電弧焊接(arc welding)等來將第一環狀構件32焊接於圓板狀的隔膜主體31的一個面，將第二環狀構件33焊接於圓板狀的隔膜主體31的另一個面，從而形成隔膜構造體3，所述圓板狀的隔膜主體31是將由圧延加工形成的金屬薄板予以切斷而獲得。此時，焊接於隔膜主體31的第一環狀構件32以及第二環狀構件33的熱膨脹率已知，可進行考慮了該熱膨脹率的焊接，從而可使隔膜301的變形減小，並且可使隔膜301達到所期望的張力。

再者，除了根據隔膜主體31的熱膨脹率與第一環狀構件32的熱膨脹率以及第二環狀構件33的熱膨脹率的差異來對隔膜301的張力進行調整之外，也可在將第一環狀構件32以及第二環狀構件33接合於隔膜主體31時，藉由另外設置的鹵素燈(halogen lamp)等的加熱源來對隔膜主體31進行加熱而使隔膜主體31膨脹，借此來對接合時的第一環狀構件32以及第二環狀構件33與隔膜主體31的熱膨脹量進行調整，從而對接合之後的隔膜301的張力進行調整。

然後，藉由鐳射焊接、電子束焊接或電弧焊接等來將隔膜構造體3的第一環狀構件32焊接且接合於感測器主體2的一端側。另外，藉由鐳射焊接、電子束焊接或電弧焊接等來將隔膜構造體3的第二環狀構件33焊接且接合於固定用構件4的圓筒部42。如此，靜電容型壓力感測器100被組裝。

＜本實施方式的效果＞

根據以所述方式構成的本實施方式的靜電容型壓力感測器100，經由熱膨脹率已知的第一環狀構件32來將形成隔膜301的隔膜主體31連接於感測器主體2，因此，可減小因感測器主體2的熱膨脹率而使隔膜主體31產生的熱應力。另外，由於經由熱膨脹率已知的第二環狀構件33來將隔膜主體31連接於固定用構件4，因此，可減小因固定用構件4的熱膨脹率而使隔膜主體31產生的熱應力。因此，可防止隔膜301因由感測器主體2以及固定用構件4的熱膨脹率產生的熱應力而發生變形。而且，由於將隔膜主體31接合於熱膨脹率已知的第一環狀構件32以及第二環狀構件33，因此，可將所期望的張力施加於隔膜301。而且，隨著隔膜301的薄型化，難以直接將隔膜主體31焊接於感測器主體2以及固定用構件4，但如本發明般，設為藉由第一環狀構件32以及第二環狀構件33來夾持著所述隔膜主體31的構成，借此，可使感測器100的組裝變得容易。

＜其他變形實施方式＞

再者，本發明並不限於所述實施方式。

例如，所述實施方式的靜電容型壓力感測器100的感測器主體2的主體外殼22、第一環狀構件32、第二環狀構件33、隔膜主體31、以及固定用構件4分別由不同的材質構成，但也可藉由共同的材質(例如不銹鋼)來形成全部的所述構件。此時，隔膜主體31仍接合於第一環狀構件32以及第二環狀構件33，因此，無需考慮感測器主體2的熱膨脹率，而且可減小由感測器主體2使隔膜產生的變形。

另外，也可藉由對第一環狀構件32的熱膨脹率、第二環狀構件33的熱膨脹率以及隔膜主體31的熱膨脹率進行選擇，來對包含隔膜主體31的隔膜的張力進行調整。就所述實施方式的情況而言，由於第一環狀構件32以及第二環狀構件33的熱膨脹率大於隔膜主體31的熱膨脹率，因此，可使隔膜的張力減小，從而可使測定範圍減小(使感度提高)。另一方面，藉由使第一環狀構件32以及第二環狀構件33的熱膨脹率小於隔膜主體31的熱膨脹率，可使隔膜的張力增大，從而可使測定範圍增大。

而且，所述實施方式的組裝方法是在對隔膜構造體3進行組裝之後，將該隔膜構造體3焊接於感測器主體2的方法，但也可將第一環狀構件32焊接於感測器主體2之後，將隔膜主體31焊接於所述第一環狀構件32，然後，將第二環狀構件33焊接於隔膜主體31，接著將固定用構件4焊接於所述第二環狀構件33。另外，也可將第二環狀構件33焊接於固定用構件4之後，將隔膜主體31焊接於所述第二環狀構件33，然後，將第一環狀構件32焊接於隔膜主體31，接著將感測器主體2焊接於所述第一環狀構件32。

而且，也可考慮將第一環狀構件的熱膨脹率設為感測器主體的熱膨脹率與隔膜主體的熱膨脹率之間的值。如此，可盡可能地使因感測器主體的熱膨脹率與隔膜主體的熱膨脹率的差異而產生的隔膜的變形減小。同樣地，為了盡可能地使因固定用構件的熱膨脹率與隔膜主體的熱膨脹率的差異而產生的隔膜的變形減小，可考慮將第二環狀構件的熱膨脹率設為固定用構件的熱膨脹率與隔膜主體的熱膨脹率之間的值。

在所述實施方式中，隔膜主體的熱膨脹率與第一環狀構件、第二環狀構件的熱膨脹率不同，但也可使隔膜主體的熱膨脹率、第一環狀構件的熱膨脹率以及第二環狀構件的熱膨脹率大致相同。根據該構成，隔膜主體與第一環狀構件、第二環狀構件的溫度影響相同，可盡可能地使隔膜主體自第一環狀構件、第二環狀構件承受的熱應力而產生的應變減小。借此，可使測定精度提高。

此外，本發明並不限於所述實施方式，當然可在不脫離本發明的宗旨的範圍內進行各種變形。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

2．．．感測器主體

3．．．隔膜構造體

4．．．固定用構件

5、200．．．流路形成構件

21．．．固定電極

22．．．主體外殼

23．．．密封構件/玻璃材料

31．．．隔膜主體

31a．．．電極側周緣部

31b．．．受壓側周緣部

32．．．第一環狀構件

33．．．第二環狀構件

41．．．凸緣部

42．．．圓筒部

100．．．靜電容型壓力感測器

221．．．電極固定孔

301．．．隔膜

301a．．．受壓面/受壓部

411．．．連通路徑

L．．．被測定流路

圖1是本發明的一個實施方式的靜電容型壓力感測器的概略構成圖。

圖2是主要表示所述實施方式的隔膜構造體的剖面圖。

圖3是以往的靜電容型壓力感測器的概略構成圖。

2．．．感測器主體

3．．．隔膜構造體

4．．．固定用構件

200．．．流路形成構件

21．．．固定電極

22．．．主體外殼

23．．．密封構件/玻璃材料

31．．．隔膜主體

32．．．第一環狀構件

33．．．第二環狀構件

41．．．凸緣部

42．．．圓筒部

100．．．靜電容型壓力感測器

221．．．電極固定孔

301．．．隔膜

411．．．連通路徑

L．．．被測定流路

Claims (3)

1. 一種靜電容型壓力感測器，對因壓力而發生位移的隔膜與固定電極之間的靜電容的變化進行檢測，從而對壓力進行測定，該靜電容型壓力感測器包括：感測器主體，以使所述固定電極露出至一端側的方式而固定著所述固定電極；隔膜構造體，以與所述感測器主體之間形成密閉空間的方式而接合於所述感測器主體的一端側；以及固定用構件，以將所述隔膜構造體的受壓部予以包圍的方式而接合於所述隔膜構造體，安裝于形成被測定流路的流路形成構件，將流體引導至所述受壓部，所述隔膜構造體包括：形成所述隔膜的平板狀的隔膜主體；熱膨脹率已知的第一環狀構件，接合於所述隔膜主體中的電極側周緣部，且連接於所述感測器主體的一端側；以及熱膨脹率已知的第二環狀構件，接合於所述隔膜主體中的受壓側周緣部，且連接於所述固定用構件。
2. 如申請專利範圍第1項所述的靜電容型壓力感測器，其中根據所述第一環狀構件的熱膨脹率、所述第二環狀構件的熱膨脹率以及所述隔膜主體的熱膨脹率來對所述隔膜的張力進行調整。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的靜電容型壓力感測器，其中所述第一環狀構件的熱膨脹率與所述第二環狀構件的熱膨脹率大致相同。