정전용량형 압력센서

정전용량형 압력센서 {CAPACITANCE TYPE PRESSURE SENSOR}

본 발명은 압력에 의해 변위하는 다이어프램과 고정전극과의 사이의 정전용량의 변화를 검출하여 압력을 측정하는 정전용량형 압력센서에 관한 것이다.

이런 종류의 정전용량형 압력센서로서는, 예를 들면 특허문헌 1이나 도 3에 나타내는 바와 같이, 고정전극이 봉지(封止)유리에 의해서 고정된 센서본체의 일단에 형성된 오목부의 개구 주연부에 다이어프램이 용접에 의해 접합되어 있다.

또, 특허문헌 1에는 도시되어 있지 않지만, 센서본체에 용접된 다이어프램의 수압면(受壓面) 측의 주연부에는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 피측정유로를 형성하는 유로형성부재에 장착되어, 수압면에 유체를 유도하는 플랜지부가 용접에 의해 접합되어 있다. 이와 같이 구성된 정전용량형 압력센서는 플랜지부에 마련된 도입구를 통하여 다이어프램 측으로 유체가 흘러드는 것에 의해서 다이어프램이 당해 유체의 압력에 의해서 변위한다.

그렇지만, 상기와 같이 구성된 것에서는, 센서본체에 다이어프램을 용접할 때에, 센서본체의 열팽창율 및 다이어프램의 열팽창율이 다른 것에 의해서 팽창량이 달라, 용접 후에 있어서 다이어프램 및 센서본체의 사이에 발생하는 열응력에 의해서 변형해 버린다고 하는 문제가 있다. 여기서 양자의 열팽창율을 고려하여 용접하는 것을 생각할 수 있지만, 다이어프램은 단일 재료로 이루어져 열팽창율이 기지(旣知)이지만, 센서본체는 고정전극 및 봉지유리 등의 집합체이기 때문에, 열팽창율이 획일적으로 정해지는 것은 아니다. 그렇다면, 용접시에 그러한 열팽창율을 고려하여 용접하는 것은 지극히 어렵다.

또, 센서본체에 용접된 다이어프램에 플랜지부를 용접하는 경우도 마찬가지로, 양자의 열팽창율의 차이에 의해, 다이어프램 및 플랜지부의 사이에 발생하는 열응력에 의해서 변형해 버린다고 하는 문제가 있다. 여기에서도 양자의 열팽창율을 고려하여 용접하는 것을 생각할 수 있지만, 센서본체에 용접된 다이어프램의 열팽창율은 그것 단체(單體)의 열팽창율과는 다르게 되어 있으며, 용접시에 그러한 열팽창율을 고려하여 용접하는 것은 지극히 어렵다.

상기에서는 센서본체에 다이어프램을 용접한 후에, 당해 다이어프램에 플랜지부를 용접하는 경우에 대해서 기재했지만, 플랜지부에 다이어프램을 용접한 후에 당해 다이어프램에 센서본체를 용접하는 경우에도 동일한 문제가 있다.

그래서 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 센서본체의 열팽창율 및 고정용 부재의 열팽창율에 의해 발생하는 열응력에 의해서, 다이어프램이 변형하는 것을 방지하는 것을 그 주된 과제로 하는 것이다.

즉 본 발명에 관한 정전용량형 압력센서는, 압력에 의해 변위하는 다이어프램과 고정전극과의 사이의 정전용량의 변화를 검출하여 압력을 측정하는 정전용량형 압력센서로서, 상기 고정전극이 일단 측으로 노출하도록 고정된 센서본체와, 상기 센서본체의 일단 측에서 당해 센서본체와의 사이에 밀폐공간을 형성하도록 접합되는 다이어프램 구조체와, 상기 다이어프램 구조체의 수압부를 둘러싸도록 당해 다이어프램 구조체에 접합되며, 피측정유로를 형성하는 유로형성부재에 장착되어, 상기 수압부에 유체를 유도하는 고정용 부재를 구비하고, 상기 다이어프램 구조체가 상기 다이어프램을 형성하는 평판 모양의 다이어프램 본체와, 상기 다이어프램 본체에서의 전극 측 주연부에 접합되며, 상기 센서본체의 일단 측에 접속되는 열팽창율이 기지인 제1 링부재와, 상기 다이어프램 본체에서의 수압 측 주연부에 접합되고, 상기 고정용 부재에 접속되는 열팽창율이 기지인 제2 링부재를 가지는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 것으로 하면, 다이어프램을 형성하는 다이어프램 본체를 열팽창율이 기지인 제1 링부재를 통하여 센서본체에 접합하고 있으므로, 센서본체의 열팽창율에 의해 다이어프램에 발생하는 열응력을 저감할 수 있다. 또, 다이어프램 본체를 열팽창율이 기지인 제2 링부재를 통하여 고정용 부재에 접합하고 있으므로, 고정용 부재의 열팽창율에 의해 다이어프램에 발생하는 열응력을 저감할 수 있다. 따라서, 센서본체 및 고정용 부재의 열팽창율에 의해 발생하는 열응력에 의해서 다이어프램이 변형하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 열팽창율이 기지인 제1 링부재 및 제2 링부재에 다이어프램 본체를 접합하기 때문에, 다이어프램에 소망의 장력을 줄 수 있도록 된다. 게다가, 다이어프램을 박형화함에 따라, 센서본체 및 고정용 부재에 직접 다이어프램 본체를 용접하는 것이 어려워지지만, 예를 들면 다이어프램에 제1 링부재 및 제2 링부재를 접합하여 다이어프램 구조체를 제조한 후에, 그 다이어프램 구조체를 센서본체 및 고정용 부재에 접합함으로써, 센서의 조립을 용이하게 하는 것이 가능하다. 이 때, 다이어프램 본체에 제1 링부재 및 제2 링부재를 접합함으로써 다이어프램 구조체의 강도를 높일 수 있고, 다이어프램 본체의 변형을 억제하면서 접합할 수 있다.

제1 링부재 및 제2 링부재의 열팽창율이 기지이기 때문에, 다이어프램 본체의 열팽창율과의 차이를 적극적으로 이용하여, 정전용량형 압력센서의 측정 레인지 또는 측정 정밀도를 조정 가능하게 하기 위해서는, 상기 제1 링부재의 열팽창율, 상기 제2 링부재의 열팽창율 및 상기 다이어프램 본체의 열팽창율에 의해, 상기 다이어프램의 장력이 조정되고 있는 것이 바람직하다. 즉, 상기 제1 링부재의 열팽창율, 상기 제2 링부재의 열팽창율 및 상기 다이어프램 본체의 열팽창율에 의해, 센서의 측정 레인지가 가변이 되도록 구성되어 있다.

예를 들면, 제1 링부재의 열팽창율 및 제2 링부재의 열팽창율을 다이어프램 본체의 열팽창율보다도 작게 함으로써, 조립시의 다이어프램의 장력이 커져, 센서의 측정 레인지를 크게 할 수 있다. 한편, 제1 링부재의 열팽창율 및 제2 링부재의 열팽창율을 다이어프램 본체의 열팽창율보다도 크게 함으로써, 조립시의 다이어프램의 장력이 작아져, 센서의 측정 레인지를 작게 하는(또는 고정밀화하는) 경우가 생긴다.

상기 제1 링부재의 열팽창율과 상기 제2 링부재의 열팽창율이 대략 동일하면, 센서본체의 열팽창율 또는 고정용 부재의 열팽창율에 관계없이, 다이어프램 본체에 발생하는 변형을 가급적으로 저감할 수 있다.

이와 같이 구성한 본 발명에 의하면, 센서본체의 열팽창율 및 고정용 부재의 열팽창율에 의해 발생하는 열응력에 의해서, 다이어프램이 변형하는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시형태에 관한 정전용량형 압력센서의 모식적 구성도이다.
도 2는 동일한 실시형태의 다이어프램 구조체를 주로 나타내는 단면도이다.
도 3은 종래의 정전용량형 압력센서의 모식적 구성도이다.

이하에, 본 발명에 관한 정전용량형 압력센서의 일실시형태에 대해서, 도면을 참조하여 설명한다.

본 실시형태의 정전용량형 압력센서(100)는 전압(全壓) 진공계의 절대압 계측형에 해당하는 정전용량형 다이어프램 진공계이며, 압력에 의해 변위하는 다이어프램과 고정전극(21)과의 사이의 정전용량의 변위량을 검출하여, 그 변위량을 압력으로 환산하여 압력을 측정하는 것이다. 또한, 압력에 환산되는 정전용량은 다이어프램과 고정전극(21)과의 거리에 반비례한다.

구체적으로 이것은, 도 1에 나타내는 바와 같이, 센서본체(2)와, 센서본체(2)에 접합되는 다이어프램 구조체(3)와, 다이어프램 구조체(3)에 접합되는 고정용 부재(4)를 구비하고 있다.

센서본체(2)는 고정전극(21)이 일단 측인 하단부로 노출하도록 고정된 것이며, 고정전극(21)과 당해 고정전극(21)이 삽입하여 고정되는 본체바디(22)와, 고정전극(21) 및 본체바디(22)의 사이에 개재하여 마련되어, 그들을 기밀하게 봉지하여 본체바디(22)에 대해서 고정전극(21)을 고정하는 봉지유리 등의 봉지부재(23)를 구비하고 있다. 또한, 본체바디(22)는 내식성을 가지는 스테인리스강에 의해 형성되어 있다.

고정전극(21)은 금, 백금 또는 티탄 등의 간단하게 부식하지 않는 금속으로 이루어지는 도체로 형성되는 것이다. 본 실시형태의 고정전극(21)은 본체바디(22)에 형성된 전극 고정구멍(221)에 삽입되기 때문에, 개략 원기둥 형상을 이룬다. 또, 고정전극(21)의 후단부에는 정전용량의 변화를 검출하기 위한 리드선(미도시)이 접속되어 있다. 이 리드선은 센서본체(2)의 예를 들면 상부에 형성된 출력단자에 접속되어 있다. 또한, 이 출력단자는 정전용량의 변화량을 압력신호로 변환하는 연산부(도시생략)가 접속된다.

다이어프램 구조체(3)는 센서본체(2)의 일단 측인 하단부에서, 당해 센서본체(2)와의 사이에 밀폐공간을 형성하도록 접합되는 것이다.

구체적으로 다이어프램 구조체(3)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 다이어프램(301)을 형성하는 평판 모양의 다이어프램 본체(31)와, 당해 다이어프램 본체(31)에서의 전극 측 주연부(31a)에 마련되는 제1 링부재(32)와, 다이어프램 본체(31)에서의 수압 측 주연부(31b)에 마련되는 제2 링부재(33)를 가지고 있다.

다이어프램 본체(31)는 고정전극(21)의 다이어프램(301) 측을 향하는 단면인 일단면과 함께 콘덴서를 구성하는 원판 형상을 이루는 것이다. 이 다이어프램 본체(31)는 외부의 미소한 압력변화에 의해 탄성변형하는 것으로, 내식성 및 내열성이 뛰어난 금속박판이다. 본 실시형태의 다이어프램 본체(31)는 주성분을 니켈, 코발트로 하고, 텅스텐, 몰리브덴, 티탄, 크롬 등을 포함하는 니켈-코발트 합금으로 형성된 박판이다. 막의 두께는 외부의 압력변화에 대한 감도를 올리기 위해서 예를 들면 수십 ㎛이다. 또한, 다이어프램 본체(31)는 주성분을 니켈로 하고, 철, 크롬, 니오브 등을 포함하는 니켈 합금으로 형성된 박판으로 해도 된다.

제1 링부재(32)는 다이어프램 본체(31)의 전극 측 주연부(31a)에서, 다이어프램 본체(31)와 동심원상에 마련되는 것으로, 다이어프램 본체(31)의 외경과 개략 동일 외경을 가지는 원환(圓環)형상을 이루는 것이다. 이 제1 링부재(32)의 일단면(도 2에서는 하면)은 다이어프램 본체(31)의 전극 측 주연부(31a)에 용접에 의해 접합된다. 또 제1 링부재(32)에서의 다이어프램 본체(31) 접합면과는 반대 측의 면(도 2에서는 상면)이 센서본체(2)의 본체바디(22)의 일단면 주연부에서, 고정전극(21)과 동심원상에 용접에 의해 접합된다. 이 제1 링부재(32)는 내식 및 내열성이 뛰어나고 도전성을 가지며, 열팽창율이 기지인 금속으로 형성되어 있고, 본 실시형태에서는 주성분을 니켈로 하고, 철, 크롬, 니오브 등을 포함하는 니켈 합금에 의해 형성되어 있다.

제2 링부재(33)는 다이어프램 본체(31)의 수압 측 주연부(31b)에서, 다이어프램 본체(31)와 동심원상에 마련되는 것으로, 다이어프램 본체(31)의 외경과 개략 동일 외경을 가지는 원환형상을 이루는 것이다. 이 제2 링부재(33)의 일단면(도 2에서는 상면)은 다이어프램 본체(31)의 수압 측 주연부(31b)에 용접에 의해 접합된다. 또 제2 링부재(33)에서의 다이어프램 본체(31) 접합면과는 반대 측의 면(도 2에서는 하면)이 고정용 부재(4)의 원통부(42)의 단면에 용접에 의해 접합된다. 이 제2 링부재(33)는, 제1 링부재(32)와 마찬가지로, 내식 및 내열성이 뛰어나고 도전성을 가지며, 열팽창율이 기지인 금속으로 형성되어 있고, 본 실시형태에서는 주성분을 니켈로 하고, 철, 크롬, 니오브 등을 포함하는 니켈 합금에 의해 형성되어 있다.

고정용 부재(4)는 다이어프램 구조체(3)의 수압부(다이어프램(301)의 수압면(301a))를 둘러싸도록 마련되고, 피측정유로(L)를 형성하는 유로형성부재(200)에 장착되어, 수압부(301a)에 유체를 유도하는 것이다. 이 고정용 부재(4)는 유로형성부재(200)에 고정되고, 피측정유로(L)에 연통하는 연통로(411)가 형성된 플랜지부(41)와, 당해 플랜지부(41)의 연통로(411)의 개구를 둘러싸도록 형성된 원통부(42)를 가진다. 그리고, 이 원통부(42)의 상단면에 상기 제2 링부재(33)가 용접에 의해 접합된다. 또한, 고정용 부재(4)는 내식 및 내열성을 가지는 스테인리스강에 의해 형성되어 있다.

그러나 본 실시형태의 정전용량형 압력센서(100)는 센서본체(2)의 열팽창율 및 고정용 부재(4)의 열팽창율과 다이어프램 본체(31)의 열팽창율이 다른 것으로, 제1 링부재(32)의 열팽창율과 제2 링부재(33)의 열팽창율을 동일하게 하고 있다. 구체적으로는, 제1 링부재(32)와 제2 링부재(33)를 동일한 재료로 형성함으로써, 양자의 열팽창율을 동일하게 하고 있다.

센서본체(2)의 열팽창율(선팽창율)은 그 주된 재질이 스테인리스강이기 때문에, 약 16 × 10 ^-6 [1/℃]으로 생각된다. 마찬가지로 고정용 부재(4)의 열팽창율(선팽창율)은 약 16 × 10 ^-6 [1/℃]이다. 또, 다이어프램 본체(31)의 열팽창율(선팽창율)은 니켈-코발트 합금에 의해 형성되어 있기 때문에, 약 12 × 10 ^-6 [1/℃]이다. 그리고, 제1 링부재(32) 및 제2 링부재(33)는 니켈 합금에 의해 형성되어 있기 때문에, 약 11.5 × 10 ^-6 [1/℃]이다. 이와 같이 제1 링부재(32) 및 제2 링부재(33)의 열팽창율을 센서본체(2)의 열팽창율 및 고정용 부재(4)의 열팽창율보다도 다이어프램 본체(31)의 열팽창율에 가깝게 하고 있으므로, 다이어프램 본체(31)의 열팽창율이 센서본체(2)의 열팽창율 및 고정용 부재(4)의 열팽창율과 다름으로써 생길 수 있는 열응력을 가급적으로 저감할 수 있다.

마지막으로 정전용량형 압력센서(100)의 조립방법의 일례에 대해서 간단하게 설명한다.

우선, 본체바디(22)에 형성된 전극 고정구멍(221)에 원통 형상을 이루는 유리재(23)와 함께 고정전극(21)을 삽입한다. 그리고, 도시하지 않은 치구(治具)에 의해 본체바디(22)에 대해서 유리재(23) 및 고정전극(21)을 고정하고, 노(爐) 내에서 가열하여 유리재(23)을 융해시켜, 본체바디(22)에 고정전극(21)을 유리 융착에 의해 고정한다.

한편, 압연 가공에 의해 형성된 금속박판를 절단함으로써 얻어진 원판 모양의 다이어프램 본체(31)의 한쪽의 면에 제1 링부재(32)를, 다른 쪽의 면에 제2 링부재(33)를 각각 동심원상이 되도록 레이저 용접, 전자빔 용접 또는 아크 용접 등에 의해 용접하여 다이어프램 구조체(3)를 형성한다. 이 때, 다이어프램 본체(31)에 용접되는 제1 링부재(32) 및 제2 링부재(33)는, 열팽창율이 기지이며, 당해 열팽창율을 고려한 용접이 가능하게 되어, 다이어프램(301)의 변형을 저감할 수 있음과 아울러, 다이어프램(301)을 소망의 장력으로 하는 것이 가능하다.

또한, 다이어프램 본체(31)의 열팽창율과 제1 링부재(32)의 열팽창율 및 제2 링부재(33)의 열팽창율과 차이에 의해 다이어프램(301)의 장력을 조정하는 것에 더하여, 다이어프램 본체(31)에 제1 링부재(32) 및 제2 링부재(33)를 접합할 때, 별도로 마련한 할로겐 램프 등의 가열원에 의해 다이어프램 본체(31)를 가열하여 다이어프램 본체(31)를 팽창시킴으로써, 접합시의 제1 링부재(32) 및 제2 링부재(33)와 다이어프램 본체(31)와의 열팽창량을 조정하여, 접합 후의 다이어프램(301)의 장력을 조정할 수도 있다.

그 후, 다이어프램 구조체(3)의 제1 링부재(32)를 센서본체(2)의 일단 측에 레이저 용접, 전자빔 용접 또는 아크 용접 등에 의해 용접하여 접합한다. 또, 다이어프램 구조체(3)의 제2 링부재(33)를 고정용 부재(4)의 원통부(42)에 레이저 용접, 전자빔 용접 또는 아크 용접 등에 의해 용접하여 접합한다. 이와 같이 하여, 정전용량형 압력센서(100)가 조립된다.

<본 실시형태의 효과>

이와 같이 구성한 본 실시형태의 정전용량형 압력센서(100)에 의하면, 다이어프램(301)을 형성하는 다이어프램 본체(31)를 열팽창율이 기지인 제1 링부재(32)를 통하여 센서본체(2)에 접속하고 있으므로, 센서본체(2)의 열팽창율에 의해 다이어프램 본체(31)에 발생하는 열응력을 저감할 수 있다. 또, 다이어프램 본체(31)를 열팽창율이 기지인 제2 링부재(33)를 통하여 고정용 부재(4)에 접속하고 있으므로, 고정용 부재(4)의 열팽창율에 의해 다이어프램 본체(31)에 발생하는 열응력을 저감할 수 있다. 따라서, 센서본체(2) 및 고정용 부재(4)의 열팽창율에 의해 발생하는 열응력에 의해서 다이어프램(301)이 변형하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 열팽창율이 기지인 제1 링부재(32) 및 제2 링부재(33)에 다이어프램 본체(31)를 접합하기 때문에, 다이어프램(301)에 소망의 장력을 줄 수 있게 된다. 게다가, 다이어프램(301)을 박형화함에 따라, 센서본체(2) 및 고정용 부재(4)에 직접 다이어프램 본체(31)를 용접하는 것이 어려워지지만, 본 발명과 같이 제1 링부재(32) 및 제2 링부재(33)에 의해 사이에 두는 구성으로 함으로써, 센서(100)의 조립을 용이하게 하는 것이 가능하다.

<그 외의 변형 실시형태>

또한, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다.

예를 들면, 상기 실시형태의 정전용량형 압력센서(100)는 센서본체(2)의 본체바디(22), 제1 링부재(32), 제2 링부재(33), 다이어프램 본체(31), 고정용 부재(4)가 각각 다른 재질로 이루어진 것이었지만, 그들 모두를 공통의 재질(예를 들면 스테인리스강)에 의해 형성해도 된다. 이때도 역시 다이어프램 본체(31)는 제1 링부재(32) 및 제2 링부재(33)에 접합되므로, 센서본체(2)의 열팽창율을 고려할 필요가 없고, 또 센서본체(2)가 다이어프램에 주는 변형을 저감할 수 있다.

또, 제1 링부재(32)의 열팽창율, 제2 링부재(33)의 열팽창율 및 다이어프램 본체(31)의 열팽창율을 선택함으로써, 다이어프램 본체(31)로 이루어지는 다이어프램의 장력을 조정할 수도 있다. 제1 링부재(32) 및 제2 링부재(33)의 열팽창율을 다이어프램 본체(31)의 열팽창율보다도 크게 함으로써, 다이어프램의 장력을 작게 할 수 있어, 측정 레인지를 작게 할(고감도화할) 수 있다. 한편, 제1 링부재(32) 및 제2 링부재(33)의 열팽창율을 다이어프램 본체(31)의 열팽창율보다도 작게 함으로써, 다이어프램의 장력을 크게 할 수 있어, 측정 레인지를 크게 할 수 있다.

또한, 상기 실시형태의 조립방법은 다이어프램 구조체(3)를 조립한 후에 센서본체(2)에 용접하는 것이었지만, 센서본체(2)에 제1 링부재(32)를 용접한 후에, 당해 제1 링부재(32)에 다이어프램 본체(31)를 용접하고, 그 후, 다이어프램 본체(31)에 제2 링부재(33)를 용접하며, 당해 제2 링부재(33)에 고정용 부재(4)를 용접하도록 구성해도 된다. 또, 고정용 부재(4)에 제2 링부재(33)를 용접한 후에, 당해 제2 링부재(33)에 다이어프램 본체(31)를 용접하고, 그 후, 다이어프램 본체(31)에 제1 링부재(32)를 용접하며, 당해 제1 링부재(32)에 센서본체(2)를 용접하도록 구성해도 된다.

게다가, 제1 링부재의 열팽창율을 센서본체의 열팽창율과 다이어프램 본체의 열팽창율과의 사이의 값으로 하는 것도 생각할 수 있다. 이것으로 하면, 센서본체의 열팽창율과 다이어프램 본체의 열팽창율과의 차이에 의해 발생하는 다이어프램의 변형을 가급적으로 저감할 수 있다. 이와 같이 하여, 고정용 부재의 열팽창율과 다이어프램 본체의 열팽창율과의 차이에 의해 발생하는 다이어프램의 변형을 가급적으로 저감하기 위해서는, 제2 링부재의 열팽창율을 고정용 부재의 열팽창율과 다이어프램 본체의 열팽창율과의 사이의 값으로 하는 것을 생각할 수 있다.

상기 실시형태에서는 다이어프램 본체의 열팽창율과 제1, 제2 링부재의 열팽창율이 다른 구성이었지만, 다이어프램 본체의 열팽창율, 제1 링부재의 열팽창율 및 제2 링부재의 열팽창율이 대략 동일하게 되도록 구성해도 된다. 이 구성에 의해, 다이어프램 본체와 제1, 제2 링부재와의 온도 영향이 동일하게 되어, 다이어프램 본체가 제1, 제2 링부재로부터 받는 열응력에 의한 변형을 가급적으로 작게 할 수 있다. 이것에 의해 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.

그 외, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 변형이 가능한 것은 말할 필요도 없다.

100 … 정전용량형 압력센서 2 … 센서본체
21 … 고정전극 3 … 다이어프램 구조체
301 … 다이어프램 31 … 다이어프램 본체
32 … 제1 링부재 33 … 제2 링부재
4 … 고정용 부재 L … 피측정유로
5 … 유로형성부재