JP2002243568A - 圧力検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高精度に圧力の検出を行うことである。 【解決手段】 筒状体２の一端を閉鎖するダイアフラム
２３が、筒状体２の他端から導入された被検出圧力に感
応して変形し、圧力変換器３がこの変形量に応じた検出
信号を出力するように構成され、筒状体２の小径部２１
が相手方部材７に形成された取り付け孔７０１に螺入す
ると座面２０２が相手方部材７に密着して固定されるよ
うにした圧力検出装置において、大径部２２の側面に周
方向に溝２０３を形成して薄肉部２２１を形成すること
により、固定時の締めつけトルクにより発生する応力を
薄肉部２２１に集中せしめて圧力の検出精度の向上を図
るとともに、座面２０２に連なる筒状体２の締結部２２
２の軸方向の厚さを確保して、大径化することなく十分
なシール性を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧力検出装置の計測
精度を向上する構造改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】管路内や容器内の圧力計測において、被
検出圧力を管路や容器から計測用配管を介して圧力検出
器に導入するようにすると、計測用配管の容量による流
体の質量変化で、圧力振動等を正確に捉えることができ
ず、精度の高い圧力計測を目指すには不適当である。そ
こで、管路や容器に直接に取り付けられるようにした圧
力検出装置がある。かかる圧力検出装置の代表例を図５
に示す。圧力検出装置９ａは、筒状体９１を有してお
り、その一端は被検出圧力が導入される圧力導入口９０
１となっており、他端は導入された圧力に感応して変形
するダイアフラム９１３により閉鎖されている。ダイア
フラム９１３の表面には圧力変換器９２が設けられてお
り、ダイアフラム９１３の変形量に応じた検出信号を出
力する。このものでは、筒状体９１の図中下側の小径部
分９１１を管路壁等の相手方部材９ｂの取り付け孔９０
３に螺入し、所定のトルクで締め付けると、環状の座面
９０２が取り付け孔９０３の開口端の外周部９０４と密
着して相手方部材９ｂとの間のシール性を確保するとと
もに取り付け孔９０３に保持される。

【０００３】この時、ダイアフラム９１３の内部には応
力が生じ、圧力の検出誤差となって現れる。特開平１０
−１５３５０９号公報には、ダイアフラムが設けられる
側の筒状体大径部の端面に、ダイアフラムの外周に環状
の凹部を形成して、筒状体大径部に筒状体の軸方向に薄
肉の薄肉部分を設け、締め付けトルクに基因する応力の
影響を前記薄肉部分で吸収するようにした技術がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記特
開平１０−１５３５０９号公報記載の技術では、筒状体
の薄肉部分での剛性を低下させているから、この薄肉部
分位置ではシール性は期待できない。したがって、筒状
体は薄肉部分よりも外周の厚肉部において十分に座面の
面積を確保する必要があり、体格が径方向に大型化す
る。また、装置の取り付けは筒状体大径部の側面にスパ
ナをあてて行うことになるが、スパナが直接あてがわれ
る外周部分が、取り付け穴に螺入する小径部分と剛性の
低い薄肉部分を介して結合しているので、十分な締め付
けトルクを印加しようとすると、薄肉部分を厚めにする
よりなく、結局、締め付けトルクに基因する応力の影響
の吸収効果は十分とはいえない。

【０００５】本発明は前記実情に鑑みなされたもので、
体格が径方向に大型化せず、しかも、締め付けトルクに
よる応力の影響の防止効果の大きい圧力検出装置を提供
することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、一端を被検出圧力が導入される圧力導入口とし他端
を導入された圧力に感応して変形するダイアフラムによ
り閉鎖した筒状体と、前記ダイアフラムの変形量に応じ
た検出信号を出力する圧力変換器とを具備し、かつ、前
記筒状体を一端側が小径の段付き形状として環状の座面
を設けてなり、筒状体の小径部を相手方部材に形成され
た圧力検出装置用の取り付け孔に螺入せしめることによ
り、前記取り付け孔に保持されるとともに前記座面が取
り付け孔の開口端の外周部で相手方部材と密着する圧力
検出装置において、前記筒状体の大径部の側面に周方向
に溝を形成して筒状体に薄肉部を設ける。

【０００７】薄肉部に応力が集中するので、ダイアフラ
ム内部における応力を緩和することができ、圧力の検出
精度を向上することができる。しかも、溝は筒状体の側
面に形成されるので、溝の形成位置をある程度、座面か
ら離れた位置としておけば、座面に連なる部分の剛性は
溝を深く形成することによっては実質的に減じられな
い。したがって径方向に大型化することを防止すること
ができる。また、筒状体は、座面に連なる高剛性の部分
が、取り付け孔に螺入する小径部と直接に結合している
から、溝の深さすなわち薄肉部の薄さとは殆ど無関係に
十分な締め付けトルクにて締め付けが可能となる。

【０００８】請求項２記載の発明では、請求項１の発明
の構成において、前記溝は全周に形成する。

【０００９】筒状体が薄肉部により座面側とダイアフラ
ム側とに完全に分かれるので、締め付けトルクによる応
力の影響が殆どダイアフラムに現れないようにすること
ができる。また、加工も容易である。

【００１０】請求項３記載の発明では、請求項２記載の
圧力検出装置において、前記筒状体の軸方向の前記溝の
位置を、前記薄肉部の変形がダイアフラム内部の応力を
シフトせしめる作用によりダイアフラム内部の応力が略
０となる位置に設定する。

【００１１】締めつけトルクを印加することで、ダイア
フラム内部に応力が発生する。一方、この時、筒状体の
薄肉部では他の部位に比して大きな変形が生じるので、
ダイアフラム内部の応力に影響をおよぼす。このダイア
フラム内部の応力への影響は、ダイアフラム内部の応力
をシフトせしめる作用であることが発明者らによって確
認された。そしてこの作用の程度は薄肉部位置したがっ
て溝形成位置に依存するから、ダイアフラム内部の応力
を減じてダイアフラム内部の応力が略０となる溝形成位
置が存在する。しかして、かかる位置に溝を形成するこ
とで圧力の検出精度をさらに向上することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面にしたがい、本発明の
圧力検出装置について説明する。図１は、管路壁に取り
付けられた状態の本発明の圧力検出装置の断面構造を示
している。圧力検出装置１は相手方部材である管路壁７
を貫通する取り付け孔７０１に保持されており、管路内
の被検出圧力を計測用配管を介さずに実質的に直接検出
するようになっている。圧力検出装置１の全長は２２ｍ
ｍで、管路壁７から突出する部分が１７．２ｍｍの小型
のものである。圧力検出装置１はバネ鋼でなる筒状体２
を備えている。筒状体２は一端が開口して圧力導入口２
０１としてあり、他端壁の中央部が０．１ｍｍの厚さの
ダイアフラム２３としてある。ダイアフラム２３は筒状
体２の材料となる丸棒の軸線に反って穿孔して筒状とす
る際に底部を０．１ｍｍ残すことで得られる。ダイアフ
ラム２３は筒内側の面と筒外側の面との差圧に応じて撓
み変形し、その変形量が圧力導入口２０１から導入され
る被検出圧力に応じたものとなる。

【００１３】筒状体２の他端面には、圧力変換器３が形
成されている。圧力変換器３は、図２に示すように、歪
みゲージ３１および温度補償用の温度ゲージ３２等から
なる。本実施形態では、筒状体２の他端面に直接成膜す
る製造方法により、歪みゲージ３１を構成する４つの抵
抗パターン３０１，３０２，３０３，３０４、温度ゲー
ジ３２を構成する測温抵抗パターン３０５、配線パター
ン３０６，３０７，３０８，３０９および取出電極パタ
ーン３１０，３１１，３１２，３１３，３１４が形成さ
れている。抵抗パターン３０１〜３０４の形成位置はダ
イアフラム２３の領域内に設定され、測温抵抗パターン
３０５の形成位置はダイアフラム２３の変形による温度
の検出誤差を生じないようにダイアフラム２３の領域外
に設定される。但し、測温抵抗パターン３０５はダイア
フラム温度を代表し得るようにできるだけダイアフラム
２３の近傍に形成するのが望ましい。

【００１４】歪みゲージ３１は、前記４つの抵抗パター
ン３０１〜３０４が配線パターン３０６〜３０９により
互いに接続されてブリッジ回路を形成しており、取出電
極パターン３１０，３１１間に所定の電圧を印加して取
出電極パターン３１２，３１３間から検出信号としての
電圧を得る、図３に示すような広く知られた検出回路を
つくるようになっている。

【００１５】歪みゲージ３１の検出信号および温度ゲー
ジ３２の検出信号は図示しない専用検出回路を構成する
ＣＰＵに入力し、ＣＰＵで、歪みゲージ３１の検出信号
をメモリに予め記憶された温度特性補正用のデータに基
づいて補正し、被検出圧力の検出結果を得る。

【００１６】圧力変換器３が形成された筒状体２を上方
から覆って封止キャップ５１およびカバー５２が設けて
ある。封止キャップ５１は、筒状体２の周縁部にて筒状
体２に溶接されている。封止キャップ５１により閉鎖さ
れたダイアフラム２３の上方の空間は真空封止されて圧
力変換器３により絶対圧の計測を可能としている。

【００１７】また、カバー５２には歪みゲージ３１や温
度ゲージ３２を前記専用検出回路と接続するためのシー
ルドケーブル４２が貫通しており、取出電極パターン３
１０〜３１４上にボンディングされたリード部４１と導
通している。シールドケーブル４２は、これが挿通する
カバー５２の筒状部５２１がかしめられてカバー５２に
しっかりと固定されている。また、封止キャップ５１と
カバー５２の間は図示はしていないが樹脂モールドされ
ている。これにより、カバー５２内におけるリード部４
１等の断線や真空封止の劣化に対する耐性を高めてい
る。

【００１８】本発明の特徴部分である筒状体２の形状に
ついて説明する。筒状体２は段付き形状で、一端側の
４．８ｍｍの部分が小径部２１としてあり、他端側の
８．２ｍｍの部分が大径部２２としてある。小径部２１
には、取り付け孔７０１に形成されためねじと螺合する
Ｍ５のおねじ２１１が形成されている。圧力検出装置１
の取り付け時には、小径部２１の外周に図例のようにシ
ール部材としてφ８×φ５．２×ｔ１の銅製のパッキン
６が予め遊嵌される。筒状体大径部２２の下端に位置す
る環状の段面２０２は、小径部２１が取り付け孔７０１
に螺入したとき、実質的な取り付け孔７０１の開口端の
外周であるパッキン６の上端面６１に密着するシール座
面２０２となる。

【００１９】筒状体２の大径部２２には、その側面の全
周に環状の溝２０３が形成してあり、溝２０３形成位置
が径方向に薄肉の薄肉部２２１となっている。溝２０３
は旋盤により削ることで形成し得る。溝２０３の幅（筒
状体２の軸線方向）は２ｍｍで、深さ（筒状体２の径方
向）は２ｍｍであり、また、溝２０３の形成位置はシー
ル座面２０２から約３．４ｍｍの位置としてある。

【００２０】本圧力検出装置１の作動について説明す
る。圧力検出装置１は筒状体２の小径部２１を取り付け
穴７０１に螺入することで取り付けられる。この時の締
めつけトルクはスパナ等を用いてかけ得る。筒状体２の
大径部２２は、薄肉部２２１の下方でシール座面２０２
に連なる厚肉の部分２２２が平行に面とりしてあり、こ
こにスパナをあてがうようになっている（以下、前記厚
肉の部分を締結部という）。スパナによる締めつけ時に
は、シール座面２０２が管路壁７側から押圧力を受ける
ので、ダイアフラム２３を含む大径部２２に応力が発生
する。

【００２１】この応力は剛性の低い薄肉部２２１に集中
し、ダイアフラム２３における応力が緩和される。これ
により計測誤差を防止することができる。

【００２２】しかも、薄肉部２２１の形成位置をある程
度ダイアフラム２３側にもってくれば（具体例ではシー
ル座面２０２から３．４ｍｍの位置）、管路壁７との間
にパッキン６を挟み込む締結部２２２の軸方向の厚さ
を、シール座面２０２の全面について十分に確保するこ
とができるので、シール性を損なうことがなく、径方向
の体格が大きくなることを回避することができる。

【００２３】また、圧力検出装置１の取り付け孔７０１
への取り付けは、締結部２２２にて締め付けトルクをか
けるので、薄肉部２２１に負担がかかることはない。し
たがって、溝２０３を深く形成して薄肉部２２１の厚さ
を薄くしても、締めつけトルクが制約されず、溝の形成
による応力緩和と、十分な締めつけトルクによるシール
性の確保とを両立することができる。薄肉部２２１の厚
さはケーブルの張力や被検出圧力等を考慮した上限を越
えない限り薄くすることができる。

【００２４】なお、締めつけトルクを印加することでダ
イアフラム内部に応力が発生する。。一方、この時、筒
状体大径部２２の薄肉部２２１では他の部位に比して大
きな変形が生じるので、ダイアフラム内部の応力に影響
をおよぼす。図４は発明者らがこのダイアフラム内部の
応力への影響を計算により求めた結果で、ダイアフラム
内部における応力の大きさと溝２０３の形成位置（図中
では、シール座面２０２−溝２０３間距離で示してい
る）との関係を示している。具体的な数値は溝２０３の
形成位置を除き、前記具体例と同じである。溝２０３の
形成位置がダイアフラム２３側にゆくほどダイアフラム
内部における応力が圧縮方向にシフトしていくのが認め
られる。そしてシール座面−溝間距離が３．４ｍｍを越
えると応力は引っ張り応力から圧縮応力に反転する。な
お、溝２０３が非形成の場合（比較例）は２．５ＭＰａ
の応力がダイフラム内部に発生する。したがって、本具
体例のごとくシール座面−溝間距離を３．４ｍｍとする
ことで、圧力の検出精度をきわめて高いものとすること
ができる。前記具体例の出力誤差は０．０６％ＦＳであ
り、前記比較例の１％ＦＳと比較すると、計測精度が大
幅に向上する。

【００２５】なお、前記図４より知られるごとく、溝２
０３位置が応力０の位置になくとも最大１０^-2ＭＰａ程
度しかなく、溝２０３が非形成の比較例の２．５ＭＰａ
と比較すると相当の応力緩和作用を発揮する。したがっ
て、要求される圧力計測精度によっては、必ずしも、溝
２０３の形成位置を応力０の位置とする必要はない。

【００２６】なお、応力が０になる位置は溝２０３の幅
によって調整自在であり、溝２０３の幅が大きいほどシ
ール座面２０２側（図４中左側）にシフトする。形状等
について要求される仕様に応じて適宜、設定し得る。

【００２７】なお、溝２０３は筒状体２の側面の全周に
形成しているが、要求される応力緩和作用によっては、
溝２０３の非形成部を周方向に略等間隔に設けてもよ
い。

【００２８】また、圧力変換器３を構成する歪みゲージ
３１は抵抗パターン３０１〜３０４がブリッジ回路を形
成する構成としているが、必ずしもこれに限定されるも
のではないし、ダイアフラム２３の撓みで抵抗値が変化
する構成のものである必要もない。ダイアフラム２３の
撓み量を検出し得るものであれば用いられ得る。

【００２９】また、圧力検出装置の全体形状等、本発明
の趣旨に反しない限り、任意である。例えば、筒状体
を、前記締結部位置が小径部と略同径の筒状体本体と、
該筒状体本体と同軸に設けられて筒状体本体と螺結する
ナット状の締結部材とにより構成してもよい。かかる構
成でも、締結部材の上方に実質的に溝が周方向に形成さ
れることになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧力検出装置の断面図である。

【図２】前記圧力検出装置のダイアフラム上に形成され
るパターンのレイアウト図である。

【図３】前記圧力検出装置の歪みゲージにより形成され
る検出回路図である。

【図４】前記圧力検出装置の作動を示すグラフである。

【図５】従来の圧力検出装置の代表例を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 圧力検出装置 ２ 筒状体 ２０１ 圧力導入口 ２０２ シール座面 ２０３ 溝 ２１ 小径部 ２２ 大径部 ２２１ 薄肉部 ２２２ 締結部 ２３ ダイアフラム ３ 圧力変換器 ３１ 歪みゲージ ３２ 温度ゲージ ４１ リード部 ４２ シールドケーブル ５１ 封止チャップ ５２ カバー ６ パッキン ６１ 上端面（外周部） ７ 管路壁（相手方部材） ７０１ 取り付け孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 橋川 淳 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 野本 久徳 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 尾関 竜哉 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 2F055 AA40 BB20 CC02 DD20 EE15 FF02 FF23 GG25 GG31 HH03 HH05

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一端を被検出圧力が導入される圧力導入
   口とし他端を導入された圧力に感応して変形するダイア
   フラムにより閉鎖した筒状体と、前記ダイアフラムの変
   形量に応じた検出信号を出力する圧力変換器とを具備
   し、かつ、前記筒状体を一端側が小径の段付き形状とし
   て環状の座面を設けてなり、筒状体の小径部を相手方部
   材に形成された圧力検出装置用の取り付け孔に螺入せし
   めることにより、前記取り付け孔に保持されるとともに
   前記座面が取り付け孔の開口端の外周部で相手方部材と
   密着する圧力検出装置において、 前記筒状体の大径部の側面に周方向に溝を形成して筒状
   体に薄肉部を設けたことを特徴とする圧力検出装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の圧力検出装置において、
   前記溝は全周に形成した圧力検出装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の圧力検出装置において、
   前記筒状体の軸方向の前記溝の位置を、前記薄肉部の変
   形がダイアフラム内部の応力をシフトせしめる作用によ
   りダイアフラム内部の応力が略０となる位置に設定した
   圧力検出装置。