JP2003083829A - 圧力センサ - Google Patents

圧力センサ

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の圧力センサは、ベローズやヒンジ機構
などの機能部品のため製造コストが上昇し高価であっ
た。また、金属製の揺動アームと振動子とは熱膨張係数
が異なるので、温度変化により熱歪みを発生し、これが
振動子に不要な応力として作用するので被測定圧力以外
により振動子の共振周波数が変化し、正確な圧力測定が
できない問題もあった。本発明は、安価であり、熱歪み
が無く正確な測定が可能な圧力センサを提供することを
目的とする。 【解決手段】 少なくとも圧電振動子を2枚の圧電ダイ
ヤフラムによりサンドイッチ状に挟んで構成した感圧素
子と、発振回路とを備え、前記感圧素子の表面に測定す
べき圧力を直接導くことにより発生する前記圧電振動子
に係わる共振周波数の変化を前記発振回路を介して測定
し、この測定結果に基づき前記測定すべき圧力のレベル
を算定するようにしたことを特徴とする圧力センサであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は圧電振動子を用いる
圧力センサに関し、特に複雑な機構部品を不要とする構
造の圧力センサに関する。
【0002】
【従来の技術】従来より圧電振動子、例えば、水晶振動
子に応力を加えると共振周波数が変化する性質を利用し
た圧力センサが実用化されている。
【0003】図5は、水晶振動子を用いた従来の圧力セ
ンサの構成例を示す要部断面図である。この例に示す圧
力センサは、水晶振動子としての双音叉振動子51と、圧
力を力に変換するためのベローズ52と、この圧力の力を
双音叉振動子51に伝達する揺動アーム53及びこれを支持
する支持体54とを真空状態のステンレスケース55内部に
配置するとともに、双音叉振動子51を励振するための発
振回路56をステンレスケース55外部側面に備えて構成さ
れる。
【0004】ベローズ52は、金属薄板から成るじゃばら
構造体であって、一種のバネとして機能するものであ
り、これによりケース55内部を外気と遮断している。
【0005】図6は、双音叉振動子51の構造を示す斜視
図である。この例に示す双音叉振動子は、時計用の音叉
振動子を2つ結合したような構造をもち、2本の振動ビー
ム61と保持部62とから成る。
【0006】以下、図6を参照しつつ図5に示した圧力セ
ンサの機能について説明する。まず、被測定圧力Pがベ
ローズ52に流入すると、ベローズ52はこの圧力を有効面
積に応じた力に変換して揺動アーム53に伝達する。この
力は支持体54の支点54aまわりのモーメントFとして双音
叉振動子51に到達し、振動子の軸方向(図6の矢印方向)
に応力を生じさせる。周知のように振動子の軸方向に応
力が生じると振動子の共振周波数が変化するので、これ
を発振回路56を介して測定すれば、共振周波数の変化に
応じた応力の発生源である圧力値を算出することができ
る。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述した
ような従来の圧力センサにおいては以下に示すような問
題点があった。つまり、圧力センサを構成する機構部品
であるベローズは、アルミブロックを削り出して型を作
り、これにニッケルメッキを施した後、このアルミの型
のみを溶かし除去してニッケル材のじゃばら構造体とす
るものである。従って、ベローズは製造に複雑な加工工
程を必要とするので高価となる。また、揺動アームとそ
の下部に配置された支持体は、幅1mm以下の支点54aを介
して一体の金属ブロックから削り出し加工により製造さ
れるヒンジ構造を有するので、加工が難しくこの製造費
用も高価となる。以上の理由により、従来の圧力センサ
は製造コストが上昇し高価となるので、普及の障害とな
っていた。さらに、金属製の揺動アームと双音叉振動子
とは熱膨張係数が異なるので、温度変化により熱歪みを
発生し、これが振動子に不要な応力として作用するので
被測定圧力以外でも振動子の共振周波数が変化し、正確
な圧力測定ができない問題もあった。本発明は、上述し
た従来の圧力センサに関する問題を解決するためになさ
れたもので、ベローズやヒンジ構造などの複雑な機構部
品を必要とせず安価であるとともに、熱歪みが無く正確
な測定が可能な圧力センサを提供することを目的とす
る。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係わる圧力センサの請求項1記載の発明
は、少なくとも圧電振動子を2枚の圧電ダイヤフラムに
よりサンドイッチ状に挟んで構成した感圧素子と、発振
回路とを備え、前記感圧素子の表面に測定すべき圧力を
導くことにより前記圧電振動子に生ずる共振周波数の変
化を前記発振回路を介して測定し、この測定結果に基づ
き前記測定すべき圧力のレベルを算出するようにした。
本発明に係わる圧力センサの請求項2記載の発明は、少
なくとも貫通孔を有するベースと、該ベース上面に立設
した一つの側面に凹部を有する圧電ブロックと、圧電振
動子を2枚の圧電ダイヤフラムによりサンドイッチ状に
挟んで構成した感圧素子と、発振回路とを備え、前記圧
電ブロックには前記側面の凹部と底面部とを貫通するL
型貫通孔が形成されており、前記側面の凹部開口面に前
記感圧素子を配置し、前記ベースの貫通孔と圧電ブロッ
クのL型貫通孔とを介して前記感圧素子の表面に測定す
べき圧力を導くことにより前記圧電振動子に生ずる共振
周波数の変化を前記発振回路を介して測定し、この測定
結果に基づき前記測定すべき圧力のレベルを算出するよ
うにした。本発明に係わる圧力センサの請求項3記載の
発明は、請求項1または請求項2記載の圧力センサにおい
て、上面に円環状凹部を有する第1の圧電ダイヤフラム
と、所定寸法を有する圧電振動子と、下面に円環状凹部
を有する第2の圧電ダイヤフラムとを前記円環状凹部が
前記圧電振動子を介して対面するように順次積層して前
記感圧素子を構成した。本発明に係わる圧力センサの請
求項4記載の発明は、請求項1、請求項2または請求項3記
載の圧力センサにおいて、前記圧電振動子として双音叉
振動子を用いるようにした。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、図示した実施の形態例に基
づいて本発明を詳細に説明する。図1は本発明に係わる
圧力センサの実施の形態例を示す要部断面図である。こ
の例に示す圧力センサは、金属台座11の凹陥部11a上に
後述する構造の感圧素子12を配置し、これをOリング13
を介して下面に凹陥部14aを有する金属スペーサ14にて
固定するとともに、前記金属台座11の凹陥部11aの下部
には圧力導入孔15aを有する第1のコネクタ15を、金属ス
ペーサ14の凹陥部14aの上部には大気導入孔16aを有する
第2のコネクタ16をそれぞれ配置する。また、金属台座1
1の上方にはリード線17を介して感圧素子12に接続され
た発振回路18を備え、これを発振回路の出力端子18aが
突出するようにケース19にて覆う。
【0010】図2は、本発明に係わる圧力センサにおい
て用いる感圧素子12の構造を示す図であり、同図(a)は
平面透視図、同図(b)はA-A´断面図である。この例に示
す感圧素子12は、上面に円環状凹部21aを有する第1の水
晶(圧電)ダイヤフラム21と、所定寸法の双音叉振動子
(圧電振動子)22と、下面に円環状凹部23aを有する第2の
水晶(圧電)ダイヤフラム23とを前記2つの円環状凹部21
a、23aの各開口面が前記双音叉振動子22を介して対面す
るように順次積層して構成される。
【0011】図3は、本発明に係わる圧力センサにおい
て用いる感圧素子12の動作を説明する図である。
【0012】以下、図2、図3を参照しつつ図1に示した
本発明に係わる圧力センサの動作について説明する。ま
ず、被測定圧力P1を第1のコネクタ15の圧力導入孔15aを
介して感圧素子12の下面に、大気圧P2を第2のコネクタ1
6の大気導入孔16aを介して感圧素子12の上面にそれぞれ
導く。この機能により被測定圧力P1から大気圧P2の影響
を除去することができる。この際に、感圧素子12は、被
測定圧力P1と大気圧P2との差の圧力を受けて、例えば図
3(b)に示すように変形する。このとき、感圧素子12の内
部に配置された双音叉振動子22も同時に変形し、図3(c)
に示すように引っ張り応力Bを振動子の軸方向に生じ
る。
【0013】上述したように双音叉振動子22の軸方向に
応力が生じると振動子の共振周波数が変化するので、こ
れを発振回路18の出力端子18aを介して測定すれば、共
振周波数の変化に応じた応力の発生源である圧力値P1を
算出することができる。
【0014】要するに本発明に係わる圧力センサは、双
音叉振動子22を円板状の水晶ダイヤフラムにより挟んだ
構造とすることにより、被測定圧力を直接感圧素子12に
導くようにしたので、従来のようにベローズやヒンジ構
造などの複雑な機構部品を必要とせず、従って、安価に
製造することができる。また、感圧素子12の振動子とダ
イヤフラムとを同一材質(水晶)を用いて構成したので、
温度変化に対して熱膨張係数の違いによる熱歪みに基づ
く振動子への応力が発生せず、正確な圧力測定が可能と
なる。
【0015】ところで、図1に示した圧力センサにおい
ては、感圧素子12の内部において熱歪みは発生しないも
のの、水晶ダイヤフラムと金属台座11との間には熱膨張
係数の違いにより図示したA方向に熱歪みが発生し 、こ
れが振動子に伝達して僅かに軸方向応力を振動子に発生
させる。
【0016】図4は、本発明に係わる圧力センサの変形
実施例を示す要部断面図である。この例に示す圧力セン
サは、圧力導入孔41aを有する金属ベース41上に側面に
凹部42aを備える水晶ブロック42を立設し、前記圧力導
入孔41aと凹部42aとをL型貫通孔43により貫通するとと
もに、凹部42aの開口面に接着剤44を用いて感圧素子12
を金属ベース41に対して垂直に取付し、金属ベース41上
に配置した発振回路18と感圧素子12とをリード線17によ
り接続した後、これらを上部に大気導入孔45aを有する
ケース45にて覆うようにした。なお、感圧素子12として
は図2に示したものを用いた。
【0017】この例に示す圧力センサは、以下のように
機能する。即ち、被測定圧力P1を圧力導入孔41aを介し
て感圧素子12の下面12aに、大気圧P2を大気導入孔45aを
介して感圧素子12の上面12bにそれぞれ導く。この機能
により被測定圧力P1から大気圧P2の影響を除去すること
ができる。この際に、感圧素子12は、被測定圧力P1と大
気圧P2との差の圧力を受けて、例えば図3(b)に示すよう
に変形する。このとき、感圧素子12の内部に配置された
双音叉振動子22も同時に変形し、図3(c)に示すように引
っ張り応力Bを振動子の軸方向に生じる。
【0018】上述したように双音叉振動子22の軸方向に
応力が生じると振動子の共振周波数が変化するので、こ
れを発振回路18の出力端子18aを介して測定すれば、共
振周波数の変化に応じた応力の発生源である圧力値P1を
算出することができる。
【0019】ここで、金属ベース41と水晶ブロック42と
は熱膨張係数が異なるので、温度変化に対して図示した
A方向に熱歪みを発生し、これを感圧素子12に伝える
が、感圧素子12におけるA方向の熱歪みは振動子の軸方
向(図示したB方向)とは異なるので、この熱歪みにより
発生する応力によって共振周波数は変化しない。従っ
て、熱歪みよる振動子への共振周波数に係わる応力の発
生を防止できるので、正確な圧力測定が可能となる。
【0020】
【発明の効果】本発明は以上説明したように2枚の水晶
ダイヤフラムにより振動子をサンドイッチ状に挟んで感
圧素子を構成するので、被測定圧力を直接感圧素子に導
くことが可能となり、その結果、複雑な機構部品を不要
として安価に製造できるとともに、振動子とダイヤフラ
ムとを同一材質としたので温度変化に対して熱歪みを発
生させず、従って、振動子に不要な応力を生じないので
正確な圧力測定が可能な圧力センサを提供する上で著効
を奏す。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わる圧力センサの構造を示す要部断
面図
【図2】本発明に係わる圧力センサにおいて用いる感圧
素子の構造を示す図
【図3】本発明に係わる圧力センサにおいて用いる感圧
素子の動作を説明する図
【図4】本発明に係わる圧力センサの変形実施例を示す
要部断面図
【図5】従来の圧力センサの構造を示す要部断面図
【図6】感圧素子に用いる双音叉振動子の構造を説明す
る斜視図
【符号の説明】
11・・金属台座 11a・・金属台座の凹陥部 12・・感圧素子 13・・Oリング 14・・金属スペーサ 14a・・金属スペーサの凹陥部 15・・第1のコネクタ 15a・・圧力導入孔 16・・第2のコネクタ 16a・・大気圧導入孔 17・・リード線 18・・発振回路 18a・・出力端子 19・・ケース

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも圧電振動子を2枚の圧電ダイ
    ヤフラムによりサンドイッチ状に挟んで構成した感圧素
    子と、発振回路とを備え、 前記感圧素子の表面に測定すべき圧力を導くことにより
    前記圧電振動子に生ずる共振周波数の変化を前記発振回
    路を介して測定し、この測定結果に基づき前記測定すべ
    き圧力のレベルを算出するようにしたことを特徴とする
    圧力センサ。
  2. 【請求項2】 少なくとも貫通孔を有するベースと、該
    ベース上面に立設した一つの側面に凹部を有する圧電ブ
    ロックと、圧電振動子を2枚の圧電ダイヤフラムにより
    サンドイッチ状に挟んで構成した感圧素子と、発振回路
    とを備え、 前記圧電ブロックには前記側面の凹部と底面部とを貫通
    するL型貫通孔が形成されており、前記側面の凹部開口
    面に前記感圧素子を配置し、 前記ベースの貫通孔と圧電ブロックのL型貫通孔とを介
    して前記感圧素子の表面に測定すべき圧力を導くことに
    より前記圧電振動子に生ずる共振周波数の変化を前記発
    振回路を介して測定し、この測定結果に基づき前記測定
    すべき圧力のレベルを算出するようにしたことを特徴と
    する圧力センサ。
  3. 【請求項3】 上面に円環状凹部を有する第1の圧電ダ
    イヤフラムと、所定寸法を有する圧電振動子と、下面に
    円環状凹部を有する第2の圧電ダイヤフラムとを前記円
    環状凹部が前記圧電振動子を介して対面するように順次
    積層して前記感圧素子を構成したことを特徴とする請求
    項1または請求項2記載の圧力センサ。
  4. 【請求項4】 前記圧電振動子として双音叉振動子を用
    いたことを特徴とする請求項1、請求項2または請求項3
    記載の圧力センサ。
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