JP2005265713A

JP2005265713A - 圧力測定用治具及びこれを用いた圧力センサ

Info

Publication number: JP2005265713A
Application number: JP2004081047A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Onabeda; 周一女部田
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2004-03-19
Filing date: 2004-03-19
Publication date: 2005-09-29

Abstract

【課題】超磁歪素子を用いた圧力センサの感度を高める。
【解決手段】超磁歪素子１１と、超磁歪素子１１の一部表面を覆う圧力伝達防止部材１２とを備え、圧力伝達防止部材１２は超磁歪素子１１よりもヤング率が大きい。本発明による圧力測定用治具を測定対象である液体や気体等の流体中に位置させると、流体の圧力は、超磁歪素子１１の露出面に対応する方向には直接印加される一方、圧力伝達防止部材１２によって覆われている方向にはほとんど印加されない。これにより、超磁歪素子１１に対して測定対象である流体の圧力が等方的ではなく、異方的に印加されることになるため、圧力変化に応じた透磁率の変化が非常に大きくなり、高感度な圧力測定が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力測定用治具及びこれを用いた圧力センサに関し、特に、超磁歪素子を用いた圧力測定用治具及びこれを用いた圧力センサに関する。

磁界の印加に応じて伸縮する磁歪素子は古くから知られているが、これまでの磁歪素子は変位が小さく、このため実用的に使用されることはほとんどなかった。ところが近年、１５００ｐｐｍ〜２０００ｐｐｍといった非常に変位の大きな磁歪素子（超磁歪素子）が知られるようになり、現在、その様々な利用形態が提案されている。例えば、特許文献１に記載されているように、液体や気体等の流体の圧力変化を検出する圧力センサとして超磁歪素子を利用するといった提案がなされている。
特開平１１−２８７７２５号公報

しかしながら、特許文献１に記載された圧力センサは、外部からの圧力をプッシュロッドを介して超磁歪部材に作用させているため、圧力の微小な変化を検出することが困難であり、検出感度が低くなってしまうといった問題点があった。

したがって、本発明は、流体の圧力変化を高感度に検出可能な圧力センサ及びこのような圧力センサに用いる圧力測定用治具を提供することである。

本発明による圧力測定用治具は、超磁歪素子と、前記超磁歪素子の一部表面を覆う圧力伝達防止部材とを備え、前記圧力伝達防止部材は前記超磁歪素子よりもヤング率が大きいことを特徴とする。また、本発明による圧力センサは、上記圧力測定用治具と、前記超磁歪素子の透磁率の変化を検出する検出手段（コイル等）とを備えることを特徴とする。

本発明による圧力測定用治具を測定対象である液体や気体等の流体中に位置させると、流体の圧力は、超磁歪素子の露出面に対応する方向には直接印加される一方、圧力伝達防止部材によって覆われている方向にはほとんど印加されない。これにより、超磁歪素子に対して測定対象である流体の圧力が等方的ではなく、異方的に印加されることになるため、圧力変化に応じた透磁率の変化が非常に大きくなり、高感度な圧力測定が可能となる。

前記圧力伝達防止部材は、前記超磁歪素子よりもヤング率が３．５倍以上大きいことが好ましい。これによれば、超磁歪素子にかかる圧力の異方性を十分に確保することが可能となる。これを達成するためには、圧力伝達防止部材を金属材料によって構成することが好ましい。

また、本発明による圧力測定用治具は、前記超磁歪素子と前記圧力伝達防止部材との間に配置され、前記圧力伝達防止部材よりもヤング率の小さい緩衝部材をさらに備えることが好ましい。これによれば、超磁歪素子と圧力伝達防止部材との間に隙間が生じにくいことから、高圧下での使用においても高感度な圧力検出を行うことが可能となる。この場合、前記緩衝部材は前記超磁歪素子よりもヤング率が小さいことが好ましい。これを達成するためには、前記緩衝部材を樹脂材料によって構成することが好ましい。

さらに、前記緩衝部材は、前記超磁歪素子側に配置された第１の緩衝部材及び前記圧力伝達防止部材側に配置された第２の緩衝部材を含んでおり、前記第１の緩衝部材の方が前記第２の緩衝部材よりもヤング率が小さいことがより好ましい。これによれば、超磁歪素子と圧力伝達防止部材との間に隙間がより生じにくくなり、その結果、よりいっそうの高圧下での使用においても高感度な圧力検出を行うことが可能となる。

前記超磁歪素子は棒状体であることが好ましく、この場合、前記圧力伝達防止部材は前記超磁歪素子の径方向又は軸方向に配置すればよい。これにより、超磁歪素子にかかる圧力の異方性を確保することが可能となる。

このように、本発明では、測定対象である流体の圧力が超磁歪素子に対して異方的に印加されることから、流体の圧力変化を高感度に検出することが可能となる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の好ましい実施形態による圧力測定用治具１０の構造を示す図であり、（ａ）は略断面図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ線に沿った略断面図である。

図１に示すように、本実施形態による圧力測定用治具１０は、円柱状の超磁歪素子１１と、超磁歪素子１１の径方向に配置され、これにより超磁歪素子１１の径方向外周面を覆う圧力伝達防止部材１２とを備えている。超磁歪素子１１の軸方向における端面は圧力伝達防止部材１２に覆われておらず、露出した状態とされている。

超磁歪素子１１は、磁界の印加に応じて変位するとともに、外力による変位に応じて透磁率が変化する超磁歪材料によって構成された円柱状の素子である。使用する超磁歪材料としては、特に限定されるものではないがＴｂ_０．３４−Ｄｙ_０．６６−Ｆｅ_１．９０を中心組成とする超磁歪材料等を用いることができる。超磁歪素子１１のサイズについては、圧力センサに求められる特性等に応じて適宜選択すれば良い。

圧力伝達防止部材１２は、超磁歪素子１１よりもヤング率の大きい材料によって構成されている。例えば、上記組成を有する超磁歪素子１１のヤング率は約２×１０^１０Ｎ／ｍ^２であることから、圧力伝達防止部材１２としては、これよりもヤング率の大きい材料を選択する必要がある。このような材料としては、金属材料を好ましく挙げることができる。超磁歪素子１１と圧力伝達防止部材１２のヤング率の比については特に限定されないが、超磁歪素子１１にかかる圧力の異方性を十分に確保するためには、圧力伝達防止部材１２のヤング率は超磁歪素子１１のヤング率の３．５倍以上であることが好ましい。例えば、アルミニウム（Ａｌ）のヤング率は約７×１０^１０Ｎ／ｍ^２であり、金（Ａｕ）のヤング率は約８×１０^１０Ｎ／ｍ^２であり、銅（Ｃｕ）のヤング率は約１３×１０^１０Ｎ／ｍ^２である。

かかる構成により、本実施形態による圧力測定用治具１０を測定対象である液体や気体等の流体中に位置させると、流体の圧力は、超磁歪素子１１の軸方向には直接印加される一方、超磁歪素子１１の径方向はヤング率の高い圧力伝達防止部材１２によって覆われているため、径方向にはほとんど印加されない。つまり、超磁歪素子１１に対して測定対象である流体の圧力が等方的ではなく、異方的に印加されることになるため、圧力変化に応じた透磁率の変化が非常に大きくなる。

図２は、本実施形態による圧力測定用治具１０を用いた圧力センサ７０の構造を示す略断面図である。

図２に示す圧力センサ７０は、略筒状のケーシング９０の内部に保持された圧力測定用治具１０と、ケーシング９０の周囲に巻回されたコイル１３と、圧力測定用治具１０をケーシング９０内の正しい位置に保持する保持部材１４によって構成されており、ケーシング９０内に導入される流体（液体や気体）９１の圧力変化を検出する。つまり、ケーシング９０内に導入される流体９１の圧力が変化すると、圧力測定用治具１０に含まれる超磁歪素子１１の透磁率が変化することから、コイル１３のインダクダンス値の変化をモニタすれば、流体９１の圧力を検出することが可能となる。そして、本発明では、超磁歪素子１１に印加される圧力が等方的ではなく、異方的であることから、流体９１の圧力変化を高感度に検出することが可能となる。

尚、超磁歪素子１１の透磁率変化をコイルによって検出するのではなく、他の検出手段、例えば、ホール素子等によって検出しても構わない。

図３は、本実施形態による圧力測定用治具１０を用いた他の圧力センサ８０の構造を示す略断面図である。

図３に示す圧力センサ８０は、圧力測定用治具１０と、圧力測定用治具１０の周囲に巻回されたコイル１３と、超磁歪素子１１の軸方向における端面が露出するよう、圧力測定用治具１０及びコイル１３の表面を覆う保護部材１５によって構成されている。図３に示す圧力センサ８０は、例えば、海洋中に沈めることにより深度を測定することが可能である。この場合も、超磁歪素子１１に印加される圧力が等方的ではなく、異方的であることから、周囲の圧力変化（例えば、深度）を高感度に検出することが可能となる。

図４は、本発明の好ましい他の実施形態による圧力測定用治具２０の構造を示す図であり、（ａ）は略断面図、（ｂ）は（ａ）に示すＢ−Ｂ線に沿った略断面図である。

図４に示すように、本実施形態による圧力測定用治具２０は、超磁歪素子１１と圧力伝達防止部材１２との間に緩衝部材２１が配置されている点において、上記実施形態による圧力測定用治具１０と相違している。その他の点については上記実施形態による圧力測定用治具１０と同様であることから、重複する説明は省略する。

緩衝部材２１は、圧力伝達防止部材１２よりもヤング率の小さい材料によって構成されている。これは、超磁歪素子１１と圧力伝達防止部材１２のヤング率の差によって両者の間に隙間が生じ、この隙間に測定対象である流体が侵入するのを防止するためである。つまり、超磁歪素子１１と圧力伝達防止部材１２の隙間に測定対象である流体が侵入すると、超磁歪素子１１に印加される圧力が等方的となり、圧力変化に応じた透磁率の変化が小さくなるからである。

かかる目的をより確実に達成するためには、緩衝部材２１の材料として、超磁歪素子１１よりもヤング率の小さい材料を用いることが好ましい。このような材料としては、樹脂材料を好ましく挙げることができる。超磁歪素子１１と緩衝部材２１のヤング率の比については特に限定されないが、１０倍以上であることが好ましい。例えば、エポキシ樹脂のヤング率は約２×１０^９Ｎ／ｍ^２である。

このように、本実施形態による圧力測定用治具２０では、超磁歪素子１１と圧力伝達防止部材１２との間に隙間が生じにくいことから、高圧下での使用においても高感度な圧力検出を行うことが可能となる。

図５は、本発明の好ましいさらに他の実施形態による圧力測定用治具３０の構造を示す図であり、（ａ）は略断面図、（ｂ）は（ａ）に示すＣ−Ｃ線に沿った略断面図である。

図５に示すように、本実施形態による圧力測定用治具３０は、超磁歪素子１１と圧力伝達防止部材１２との間に第１の緩衝部材３１及び第２の緩衝部材３２が配置されている点において、上記実施形態による圧力測定用治具１０と相違している。その他の点については上記実施形態による圧力測定用治具１０と同様であることから、重複する説明は省略する。

図５に示すように、第１の緩衝部材３１は内側（超磁歪素子１１側）に配置され、第２の緩衝部材３２は外側（圧力伝達防止部材１２側）に配置されており、第１の緩衝部材３１の方が第２の緩衝部材３２よりもヤング率の小さく設定されている。また、第１及び第２の緩衝部材３１，３２のヤング率は、いずれも圧力伝達防止部材１２のヤング率よりも小さく、好ましくは、いずれも超磁歪素子１１のヤング率よりも小さい。かかる構成により、本実施形態による圧力測定用治具３０では、超磁歪素子１１と圧力伝達防止部材１２との間に隙間がより生じにくくなるため、よりいっそうの高圧下での使用においても高感度な圧力検出を行うことが可能となる。

図６は、本発明の好ましいさらに他の実施形態による圧力測定用治具４０の構造を示す略断面図である。

図６に示すように、本実施形態による圧力測定用治具４０は、円柱状の超磁歪素子１１と、超磁歪素子１１の軸方向に配置され、これにより超磁歪素子１１の軸方向外周面を覆う圧力伝達防止部材１２と、超磁歪素子１１と圧力伝達防止部材１２との間に設けられた緩衝部材２１とを備えている。超磁歪素子１１の径方向外周面は圧力伝達防止部材１２に覆われておらず、露出した状態とされている。

本実施形態による圧力測定用治具４０では、測定対象である流体の圧力が超磁歪素子１１の径方向には直接印加される一方、超磁歪素子１１の軸方向にはほとんど印加されない。これにより、上記各実施形態と同様、超磁歪素子１１に対して測定対象である流体の圧力が等方的ではなく、異方的に印加されることになることから、圧力変化に応じた透磁率の変化が非常に大きくなり、流体の圧力変化を高感度に検出することが可能となる。

図７は、本発明の好ましいさらに他の実施形態による圧力測定用治具５０の構造を示す図であり、（ａ）は略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すＤ−Ｄ線に沿った略断面図である。

図７に示すように、本実施形態による圧力測定用治具５０は、平板状の超磁歪素子１１と、超磁歪素子１１を収容するバスタブ状の圧力伝達防止部材１２とを備えており、超磁歪素子１１の一平面は圧力伝達防止部材１２に覆われておらず、露出した状態とされている。

本実施形態による圧力測定用治具５０においても、測定対象である流体の圧力が超磁歪素子１１の所定方向（厚み方向）には直接印加される一方、超磁歪素子１１の他の方向（平面方向）にはほとんど印加されない。これにより、上記各実施形態と同様、超磁歪素子１１に対して測定対象である流体の圧力が等方的ではなく、異方的に印加されることになることから、圧力変化に応じた透磁率の変化が非常に大きくなり、流体の圧力変化を高感度に検出することが可能となる。

本発明は、以上説明した実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

本発明の好ましい実施形態による圧力測定用治具１０の構造を示す図であり、（ａ）は略断面図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ線に沿った略断面図である。圧力測定用治具１０を用いた圧力センサ７０の構造を示す略断面図である。圧力測定用治具１０を用いた他の圧力センサ８０の構造を示す略断面図である。本発明の好ましい他の実施形態による圧力測定用治具２０の構造を示す図であり、（ａ）は略断面図、（ｂ）は（ａ）に示すＢ−Ｂ線に沿った略断面図である。本発明の好ましいさらに他の実施形態による圧力測定用治具３０の構造を示す図であり、（ａ）は略断面図、（ｂ）は（ａ）に示すＣ−Ｃ線に沿った略断面図である。本発明の好ましいさらに他の実施形態による圧力測定用治具４０の構造を示す略断面図である。本発明の好ましいさらに他の実施形態による圧力測定用治具５０の構造を示す図であり、（ａ）は略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すＤ−Ｄ線に沿った略断面図である。

符号の説明

１０，２０，３０，４０，５０圧力測定用治具
１１超磁歪素子
１２圧力伝達防止部材
１３コイル
１４保持部材
１５保護部材
２１緩衝部材
３１第１の緩衝部材
３２第２の緩衝部材
７０，８０圧力センサ
９０ケーシング
９１流体

Claims

超磁歪素子と、前記超磁歪素子の一部表面を覆う圧力伝達防止部材とを備え、前記圧力伝達防止部材は前記超磁歪素子よりもヤング率が大きいことを特徴とする圧力測定用治具。
前記圧力伝達防止部材は、前記超磁歪素子よりもヤング率が３．５倍以上大きいことを特徴とする請求項１に記載の圧力測定用治具。
前記圧力伝達防止部材は、金属材料によって構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力測定用治具。
前記超磁歪素子と前記圧力伝達防止部材との間に配置され、前記圧力伝達防止部材よりもヤング率の小さい緩衝部材をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧力測定用治具。
前記緩衝部材は、前記超磁歪素子よりもヤング率が小さいことを特徴とする請求項４に記載の圧力測定用治具。
前記緩衝部材は、樹脂材料によって構成されていることを特徴とする請求項５に記載の圧力測定用治具。
前記緩衝部材は、前記超磁歪素子側に配置された第１の緩衝部材及び前記圧力伝達防止部材側に配置された第２の緩衝部材を含んでおり、前記第１の緩衝部材の方が前記第２の緩衝部材よりもヤング率が小さいことを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の圧力測定用治具。
前記超磁歪素子は棒状体であり、前記圧力伝達防止部材は前記超磁歪素子の径方向に配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の圧力測定用治具。
前記超磁歪素子は棒状体であり、前記圧力伝達防止部材は前記超磁歪素子の軸方向に配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の圧力測定用治具。
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の圧力測定用治具と、前記超磁歪素子の透磁率の変化を検出する検出手段とを備えることを特徴とする圧力センサ。
前記検出手段がコイルであることを特徴とする請求項１０に記載の圧力センサ。