【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の分野】 本発明が関連する技術分野は、一般に約４０，０００ｐｓｉを越える高範囲感度に適した圧力ゲージの分野である。 【０００２】 【発明の背景】 圧力ゲージは、流体圧力値の表示を与える必要のある商業上及び産業上の応用のために無数の異なる環境内で幅広く使用されている。 機器に応じて、圧力の値はデジタル又はアナログの形で表示できる。 ゲージの主要な感知素子は典型的には、これが晒される圧力の変化に応答して予測できる変位を生じる自由端を有するブルドン管である。 典型的には、管の変位は、運動又は増幅器を介して、較正された圧力値のダイアルとは反対側に位置する回転可能な指針に伝達される。 ブルドン管か、ダイアフラム組立体か、等に応じて、感知素子は、ゲージが意図する最高圧力に耐えるように選定される。 ほぼ４０，０００ｐｓｉ以上の遭遇する圧力値は適当な容量の高圧感知素子に要求される高圧と見做される。 【０００３】 【従来技術の説明】 種々の産業上の応用のための大半の圧力ゲージは約１０，０００ｐｓｉまで程度の圧力範囲内で作動できる。 約４０，０００ｐｓｉ以上で作動できる高圧ゲージは典型的には１．５ないし１０巻の感知チューブを特徴とするブルドン管を配置する。 代わりに、弾性変形により加えられる圧力に比例して張力を与えられる細いワイヤを配置したワイヤ周波数ゲージが使用される。 機構は、ワイヤを引っ張り、ワイヤを強制的にその共振周波数にして、そこから電気信号を発生させるように作動する。 高圧力範囲のゲージについての消費者の要求は市場全体に比べて比較的希であり、その生産量は最適量よりも少なく、これが、そのためのコスト及び価格を比較的高くする。 【０００４】 時として「アクチュエータ」と呼ばれる円筒状チューブの形をした感知素子は既知であり、例えば、米国特許１３，４６８号、同第１，４２１，５０１号、同第２，４０９，１６１号、同第３，５６１，３３０号、同第３，９２４，５１９
号及び同第５，０８３，４９８号各明細書に開示されている。 その意図した最終目的にとって良好に作動するように見えるが、これらは、その特殊な細部構造のために、５０００ｐｓｉ又はそれ以下の低圧力応用に最も適し、それ故、高圧力感度を与える圧力ゲージにおけるセンサからなる目的には適さないことを実質上特徴とする。 【０００５】 問題の認識にも拘わらず、高圧範囲で作動できる圧力ゲージのための比較的低コストのセンサを製造する方法は今まで知られていない。 【０００６】 【発明の目的】 それ故、本発明の目的は、約４０，０００ｐｓｉを越える高圧応用における流体圧力の値を感知するための新規なセンサ装置を提供することである。 【０００７】 本発明の別の目的は、晒されている圧力の変化を圧力ゲージ又は他の利用装置の可視のインジケータへ伝達するために可変圧力環境内で作動できるセンサ素子により上記目的を達成することである。 【０００８】 本発明の更なる目的は、従来の同様の目的のセンサ素子に比べてセンサ素子の製造コストを比較的低くする先の目的のようなセンサを与えることである。 【０００９】 【発明の概要】 本発明は実質上４０，０００ｐｓｉを越える流体圧力の圧力値を感知するためのセンサに関する。 特に、本発明は、晒されている高圧に耐えることができ、その高圧の値を、圧力ゲージ、圧力スイッチ等の利用装置の種々の形に信頼をもって変換できる高圧センサ素子の新規な構成に関する。 【００１０】 上述のことは、圧力が加えられていないときは直線形状である所定の長さの閉端チューブにより達成される。 チューブは、チューブ内で偏心的に位置する丸いボアを含む。 チューブは、流体圧力を受け取る一端で固定され、開いており、一方、自由端では、支持されず、閉じていて、支持された端部に入った流体圧力に応答して横方向に変位する。 偏心ボアは典型的には引き抜き加工、ロッドから銃でドリル加工又は旋盤等による偏心旋盤加工される。 ボアの偏心関係は、加えられた圧力に比例する圧力負荷の下で内部曲げ運動をチューブ内に生じさせる。 内部圧力負荷の下で、曲げ運動はチューブの自由端を、チューブのＯＤ（外径）中心線に関してボアが予め位置していた方向とは反対の方向に偏向させる。 好ましい実施の形態においては、チューブの支持されない自由長さはチューブ外径の少なくとも約２０倍であり、予期される高圧で作動するために、比較的小さなヤング弾性係数と好ましくは組み合わされた比較的大きな引張り降伏強さを特徴とする金属組成物により構成される。 同様に、５００−５０００ｐｓｉの低圧応用に対してはエンジニアリングプラスチックで形成することができる。 典型的には、
典型的な歯車運動よりも小さな運動に頼るため、電子機器の如き応用にとって適する。 【００１１】 上述の利点は多く、そのうち、少なくとも、（イ）同様の目的の普通のブルドン管に比べて、典型的に必要な配管が約５０％少なくなり、（ロ）同様の目的の普通のブルドン管の通常の製造に比べて、少なくとも３つの高価な製造工程が排除され、（ハ）最終的な信頼性のために一体の先端区分となる自由端を介することなく終端するチューブボアを与え、（ニ）このような応用にとって典型的に必要とされる真に丸い横断面を有するのブルドン管の形成の困難性を排除し、（ホ）完全に硬化したチューブ又はロッドで製造を開始する機会を与える。 【００１２】 上述のことは、従来技術で現在利用されている同様の構成に比べて、センサ素子の製造において実質的なコスト節約を与えることができることを認識できよう。 【００１３】 本発明の上述の特徴及び利点は、その他の優れた態様と共に、図面に関連しての以下の詳細な説明を読むことにより、当業者によって更に認識できよう。 【００１４】 【好ましい実施の形態の説明】 以下の説明において、明細書及び図面全体にわたって、同様の部品はそれぞれ同じ符号で示す。 図面は必ずしも寸法を示すものではなく、ある図面においては、明瞭のために部品を誇張して示す。 【００１５】 ここで、図面を参照すると、図１、２には、例えば本出願人に係る米国特許第４，５４５，２５６号明細書に示したようなケース即ちハウジング１４を有する圧力ゲージ１０を示す。 ハウジング１４内に含まれたダイアル面１６及び指針１
８はクリスタル２０で覆われ、指針はダイアル面１６の前面で変位できる。 また、ケース１０内には、本発明に係るセンサ素子１２が含まれ、このセンサ素子は閉じた変位可能な端部４０を有する。 センサは好ましくは、比較的小さなヤング弾性係数と組合わさって比較的大きな引張り降伏強さを示すものから選択された金属により形成される。 このような金属を例示すれば、インコネル(Inconel) ７
１８、インコネルＸ−７５０、Ｋ−５００モネル(Monel) 、インコネル７０６等である。 同様に、５００−５０００ｐｓｉで作動できるようにガラス補強体、グラファイト又はミネラルを含むエンジニアリングプラスチックを利用することができる。 【００１６】 作動の目的のため、図１−５に明示するように、センサ素子１２はチューブの中心線３２から距離「ｅ」（図５）だけ片寄った中心線３４を有する長手方向のボア３６を含むように構成される。 ボア３６は、チューブの内側で、自由端４０
の下方の下表面３８において終端し、そこに一体の閉鎖体を画定する。 この構成は比較的厚い壁６４（図５）に対向する比較的薄い壁６２を生じさせる。 ゲージ１０内に設置されるときに、センサ素子１２はゲージのソケット２８に２４において溶着される固定の即ち静止の端部を有し、流体入口２６への剛直な漏洩防止接続を提供する。 ソケット２８はゲージを利用すべき装置内に設置されるようになっている。 センサ素子の自由端４０はブラケット４２に固定され、このブラケットは横アーム４４に固定される。 アームは複数の開口７４を備え、増幅器のセクターアーム５０の細長い溝穴４８へ延びるリンク４６を支持するために、開口の１つが選択される。 アーム５０は支持板５４のピン５２のまわりで枢動するように支持され、かつ、その末端に、指標シャフト６０上の歯車５８と係合する歯５６を具備する。 理解できるように、シャフト６０の回転がダイアル板１６の反対側で指針１８の変位を生じさせる。 【００１７】 特に図３を参照すると、センサ１２は回転瞬間中心６６を決めるための自由端４０の運動を示す特定のデータセットのＣＡＤプロットとして示される。 運動設計及び変位を選択するために必要な瞬間回転中心を特定するために、チューブの自由端４０に取り付けられ、これに横断方向で装着された円形ディスク６８を含むようにＡＮＳＹＳ（登録商標名）ソフトウエアモデルを利用した。 【００１８】 ディスク上の２つの対向する点（点「Ａ」に対しては、ｘ＝−．１１７８、ｙ
＝． ０７１４、点「Ｂ」に対しては、ｘ＝−． １１７８、ｙ＝−． ０８１６）のために運動の大きさ及び方向を提供することにより、及び、各々の中間点から垂直に突出する直線ベクトルとしてこれらを延ばすことにより、回転瞬間中心６６
がこれら２つの突出線の交点にあることを観察できよう。 これから、チューブ１
２が溶接部２４のまわりで屈曲する傾向を有するが、先端４０の有効運動はチューブの長手方向の長さに沿ったほぼ半分であることを確認できる。 【００１９】 図６ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅは、データの中間セットがベースライン状態を表すような５つの感度プロットをグラフ的に示す。 すべてのグラフは５０，０００ｐｓ
ｉの圧力負荷のためのインコネル７１８チューブ（Ｅ＝２９，８００，０００ｐ
ｓｉ）を使用して作った。 【００２０】 このデータに基づき、次のことが観察できる。 （１）両方の長さは自由端運動において最大効果を与える、（２）半径ｒ１、ｒ２の変化及び偏心度は感度において同様の効果を与える、（３）アーム４４の長さの変化は自由端運動に一層少ない影響を与える、（４）応力の見地からは、チューブ円周上の最も薄い地点での壁厚は、一層大なるボア寸法とは反対に、一層大なる偏心量を与えるのに良好である。 【００２１】 目的を達成するためのセンサ１２の構成における基本的な寸法上のパラメータは次の通りである。 （１）チューブ１２の外径（ＯＤ）に対するチューブ１２の長さの比率は好ましくは約３０／１から６０／１までである。 【００２２】 （２）外径（ＯＤ）に対するチューブの内径（ＩＤ）の比率は好ましくは約３５％／１から６５％／１までとすべきである。 （３）チューブのボア３６の内径（ＩＤ）に対するボアの中心線３４の片寄りは好ましくは約１５％／１から４０％／１の範囲とすべきである。 【００２３】 上述のように、センサ素子１２のための構成材料は好ましくは比較的小さなヤング弾性係数と組合わさって比較的大きな引張り降伏強さを有する選択された組成物を必要とする。 ４０，０００ｐｓｉを越える圧力について目標となる商業的な応用に対しては、潜在的な降伏強さは少なくとも約１５０，０００ｐｓｉとすべきであり、弾性係数は理想的には約２６，０００，０００ｐｓｉとすべきである。 これらの目的に適するものは、注意すべき条件付で以下に列挙する材料及び特性である。 【００２４】 材料 引張り降伏強さ 弾性係数 （ｐｓｉ＊） （ｐｓｉ） インコネル７１８ 181,000 29,800,000 インコネルＸ−７５０ 163,000 31,000,000 Ｋ−５００モネル 150,000 26,000,000 インコネル７０６ 143,000 30,400,000 ベリリウム銅 182,000 18,500,000 ３１６ステンレス鋼 42,000 28,000,000 ７０７５−Ｔ６アルミニウム 73,000 10,400,000 ＊は適用可能な場合の時効硬化 ３１６ステンレス鋼及びアルミニウムの如き低強度金属は、仕上がったチューブの最大圧力範囲がチューブの強度に関連して減少するような場合にのみこのような応用に対して利用できる。 ３１６ステンレス鋼及び７０７５−Ｔ６アルミニウムチューブのための最大圧力範囲はそれぞれ、約１０，０００ｐｓｉ及び１７
，０００ｐｓｉだと思われる。 ベリリウム銅は、硬い状態での伸びの不足及び完全硬化状態での突然の破壊の危険性のため、一層適当ではない。 アルミニウムも、既知のプロセス及び大気腐食危険性のため、一層適当ではない。 前に述べたようなエンジニアリングプラスチックはまた、約５００ｐｓｉから５０００ｐｓｉ
までの間の圧力に対して利用できる。 【００２５】 ここで、図７を参照すると、チューブの実質的な長さを延びるチューブ外部のまわりの対向した平行の側平坦部７０、７２を備えたチューブ１２の別の横断面を示す。 平坦部はボアの偏心方向に平行に機械加工され、センサ１２において、
図５に示すその他の点で同じ構成に比べて、運動感度を約６％増大させ、作動応力を１５％減少させる。 【００２６】 図８には、深さＬ３に銃でドリル加工され、ベース２８において一時的にシールされたセンサチューブ１２のための較正装置を示す。 ブラケット４２は４３でチューブの自由端４０に溶着され、横方向のアーム４４は４５（ブラケット４４
のための通常の位置）でブラケット４２に一時的に保持される。 所望の作動範囲の約１０％ないし２０％である所定の圧力が加えられ、選択された開口７４の運動が監視され、測定される。 応答が直線的で予測可能であるため、チューブ端部２６をソケット２８の内方へ伸ばす入れ子式の伸長（先端の運動はＬ１の平方に比例する）を、入口ベース２８に関するＬ１を確立するために、正確に計算できる。 その時点で、チューブの入口端部２６を普通に適当にトリミングして、余剰の長さを除去することができる。 次いで、チューブ１２を適所に溶接又はろう付けし、その後は、アーム４４を典型的には±０．５インチ（約１２．７ｍｍ）上方又は下方へ滑らせて、リンク４６への入力運動を更に改良できる。 その結果、
溶接後に寸法Ｌ１を確立する際のいかなる誤差をも補償できる。 リンクへの出力運動はＬ１のみならず、ボアの内側終端部からアーム４４の最終取り付け点までの距離＋Ｌ１の合成寸法によっても影響を受ける。 ライターの「デッドスペース」は増幅器として作用し、同じ増分距離だけボアを延ばすのとほぼ同じ程度の効果がある。 最後に、リンク４６のために複数の離間した取り付け開口を設けたことにより、直線及び空動きへの影響として第３及び最終の運動調整を提供する。
感度についてのチューブのテストが終わった後、チューブ１２の底部を適当にトリミングして、余剰の長さを除去することができる。 【００２７】 代わりに、チューブ１２をソケット２８と一体的に機械加工することが可能であり、チューブ及びソケットが一体的に形成されていると否とに拘わらず、所定のレベルへのその出力の微調整のために、それをケース１０に取り付ける前にゲージ運動に関してチューブを選択的に回転させることができる。 【００２８】 図９、１０に明示するように、圧力ゲージ内で光学的に使用するためのインジケータ７６の別の端面図を示す。 インジケータ７６は弓状の透明窓８０の背後の弓状のダイアル板７８と、変位可能な指針８３とを有する。 指針はブラケット８
６を介してセンサチューブ１２の変位可能な自由端４０に接続されたヒンジ８４
のまわりで枢動するアーム８２を有する。 センサチューブ１２により受け取られた圧力変化に応答して、自由端４０が変位し、指針アーム８２をヒンジ８４のまわりで枢動させ、ダイアル板７８の前面で指針の端部８３を垂直に変位させる。 【００２９】 上述の説明により、晒されている流体圧力に予測可能に応答でき、圧力ゲージ、スイッチ機構等の圧力作動器具を含む種々の利用装置に便利に使用できる新規なセンサ素子が開示される。 センサ素子は４０，０００ｐｓｉを越える高圧において特に有利であるが、約５００ｐｓｉからそれ以上の低圧でも経済的に利用できる。 センサそれ自体は、高圧範囲で作動できるセンサ素子及び圧力ゲージの製造についての長年の問題を解決しながら、公称生産コストを招くように比較的単純な構成を有する。 当業者なら、一層単純な目的のために利用される従来の構成に比べて、この単純さは容易に明白となろう。 【００３０】 多くの変更が上述の構成内で可能であり、本発明の多くの明白に幅広く異なる実施の形態が本発明の要旨を逸脱することなく可能であるので、図面及び明細書に含まれるすべての事項は例示であって、限定を意図しないものと解釈すべきである。 【図面の簡単な説明】 【図１】 本発明のセンサ素子を組み込んだ圧力ゲージの部分断面垂直立面図である。 【図２】 図１の実質上２−２線に沿って見た圧力ゲージの前立面図である。 【図３】 一定の寸法のチューブのための回転瞬間中心の端位置を確かめるためにチューブの自由端に剛直に取り付けられた丸いディスクに加えられた圧力の下での運動を示すＣＡＤプロットである。 【図４】 図３のセンサの閉じた自由端の部分破断拡大断面図である。 【図５】 図２の実質上５−５線における拡大断面図である。 【図６】 図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）、図６（ｄ）及び図６（ｅ）は、種々の寸法的なチューブパラメータのための先端運動及び応力特性を示すグラフである。 【図７】 随意の断面変形例における図５と同様の断面図である。 【図８】 受け取られている流体圧力の値に関連するセンサ変位を較正する方法を示す図である。 【図９】 別のゲージインジケータの概略断面立面図である。 【図１０】 図９のインジケータの前立面図である。 【手続補正書】特許協力条約第１９条補正の翻訳文提出書 【提出日】平成１２年４月１９日（２０００．４．１９） 【手続補正１】 【補正対象書類名】明細書 【補正対象項目名】特許請求の範囲 【補正方法】変更 【補正内容】 【特許請求の範囲】 【請求項１７】 上記センサ素子が約４０，０００ｐｓｉを越える圧力で作動できることを特徴とする請求項１６に記載の器具。 【手続補正書】 【提出日】平成１３年５月７日（２００１．５．７） 【手続補正１】 【補正対象書類名】図面 【補正対象項目名】図３ 【補正方法】変更 【補正内容】 【図３】 【手続補正２】 【補正対象書類名】図面 【補正対象項目名】図６ 【補正方法】変更 【補正内容】 【図６】 |
