JP2010014572A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】水等の液体の外力を受けるベローズの気泡による影響を回避した圧力センサを提供することを目的としている。
【解決手段】本発明の圧力センサ１０は、ハウジング２０と、ハウジング２０に固定する固定部３２と、固定部３２と支点を介して揺動自在に接続した可撓部３４とからなる力伝達手段３０と、一端を固定部３２に固定し、他端を可撓部３４に固定した感圧素子４０と、可撓部３４の第一の受圧面３５ａに第一の受圧部外壁を接触させた第一ベローズ５０と、第二の受圧部外壁をハウジング２０外に突出させた第二ベローズ６０と、一端を第二ベローズ６０の内部を通して第二ベローズ６０の受圧部内壁に接し、他端を可撓部３４の第二の受圧面３５に接して可撓部３４と第二ベローズ６０の受圧部６２とを接続する力伝達シャフト７０と、を備えたことを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は圧力センサに係り、特にダムや河川の水などの液体圧を測定する圧力センサに関する。

圧電振動素子を感圧素子として使用した圧力センサにより、水圧を検出してダムや河川の水位を測定する方法がある。圧電振動素子は、例えば板状の圧電基盤上に電極パターンが形成され、力の検出方向に検出軸を設定しており、検出軸の方向に圧力が加わると、圧電振動子の共振周波数が変化し、共振周波数の変化から圧力を検出している。

図６は従来の圧力センサの説明図である。図６（１）に示すように従来の圧力センサ１は、ハウジング２内に感圧素子３と、力伝達手段となるカンチレバー４と第一ベローズ５と第二ベローズ６を備え、ハウジング２内を気密に保持している。圧力センサ１は、ハウジング２の側壁に対向するように形成した２つの圧力導入口７ａ，７ｂにそれぞれ第一ベローズ５および第二ベローズ６の開放口を固定している。そして第一ベローズ５および第二ベローズ６の受圧部外壁５ａ，６ａの間にカンチレバー４の可撓部の受圧面４ｃ，４ｄを接着固定させている。一方、カンチレバー４の可撓部４ａと支点９を介して形成された固定部４ｂはハウジング２に固定し、可撓部４ａと固定部４ｂの間に感圧素子３を接着固定させている。そして第一ベローズ５の開放部には大気開放管を備えたコネクタ８ａを接続させている。また第二ベローズ６の開放部には、水圧を作用させるため、一端を水中に挿入した配管を備えたコネクタ８ｂを接続させている。

上記構成による圧力センサ１は、まず圧力導入口７ａ，７ｂよりベローズ５，６に大気圧と水圧が夫々加わると該ベローズの受圧部の有効面積に応じた力がカンチレバー４の可撓部４ａの受圧面４ｃ，４ｄにかかり、大気圧と水圧の差圧に相当する力が支点９を介して感圧素子３に圧縮力もしくは引張力として加わりこの力に応じ感圧素子３の共振周波数が変化する。この変化を検出することにより圧力を測定している。

特許文献１、２には、前述の感圧素子として圧電振動素子を用いた圧力センサが開示されている。
特開平２−２２８５３４号公報 特開２００５−１７０５０号公報

しかしながらダムや河川の水位を測定するために測定対象近傍に配置した圧力センサは、干上がりなどにより水量が減り、圧力センサの取り付け位置よりも水位が下がることがある。そうすると図６（２）に示すように水圧が受圧部に作用するベローズ６内部の水は、外部へ流れ出すか、あるいは蒸発することによりなくなってしまう。そして再び河川の水量が回復した場合に、ベローズ内部に水が導入されるが、このときベローズ内部は完全に水で充満されることがなく、僅かながらの気泡が残存することがある。このようにベローズ内に気泡が残存していると、受圧面に作用する力をカンチレバーを経由して感圧素子に安定して伝達することができないので、圧力測定に誤差を生ずる可能性があるという問題があった。

またベローズ内に水の変わりにオイルを充填して水位を測定する圧力センサにおいても、同様にダムや河川の干上がりにより、水位が減少するとベローズ内のオイルが外部に流出してしまう。したがって上記のベローズ内に気泡が残存する可能性がある。

そこで本発明は、上記従来技術の問題点を解決するため、水等の液体の外力を受けるベローズの気泡による影響を回避した圧力センサを提供することを目的としている。

本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
［適用例１］本発明の圧力センサは、ハウジングと、前記ハウジングに固定する固定部と、前記固定部と支点を介して揺動自在に接続した可撓部とからなる力伝達手段と、一端を前記固定部に固定し、他端を前記可撓部に固定した感圧素子と、前記可撓部の第一の受圧面に第一の受圧部外壁を接触させた第一ベローズと、第二の受圧部外壁を前記ハウジング外に突出させた第二ベローズと、一端を前記第二ベローズの内部を通して前記第二ベローズの受圧部内壁に接し、他端を前記可撓部の第二の受圧面に接して前記可撓部と前記第二ベローズの受圧部とを接続する力伝達シャフトと、を備えたことを特徴とする圧力センサ。

このような特徴を有する圧力センサであれば、水圧を検出するベローズの受圧部外壁をハウジング外に突出させて、ベローズの受圧部と力伝達手段の受圧面とを間接的に接触させることができる。このためダムや河川の干上がりなどにより水位が変動しても、ベローズの受圧部外壁は気泡の影響を受けることがない。したがって気泡による測定誤差の問題が生じることがなく、水位測定を正確に行うことができる。また予めセンサ本体を測定箇所に取り付け、後から水を供給して、センサ本体に水圧を作用させる場合であっても、受圧部外壁で力を受けるため気泡による測定誤差が生じることがない。
［適用例２］前記適用例１に記載の圧力センサにおいて、前記ハウジングは、前記可撓部の前記第二の受圧面と対向する位置に第二ベローズの長手方向に沿って凹陥部を形成し、前記凹陥部から前記第二ベローズの前記第二の受圧部外壁を突出させたことを特徴とする圧力センサ。

このような特徴を有する圧力センサであれば、ハウジングから突出させた第二ベローズの突出量を低減することができる。したがってセンサ本体の小型化を図るとともに、質量の低下によって耐衝撃性を向上させることができる。
［適用例３］前記適用例１に記載の圧力センサにおいて、前記第一ベローズは、開放部が前記可撓部と対向する前記固定部を貫通させて前記ハウジングに固定されていることを特徴とする圧力センサ。

このような特徴を有する圧力センサであれば、力伝達手段を小型化することができる。したがってセンサ本体の小型化および製作コストの低減化につながる。またセンサ本体が軽量化し耐衝撃性が向上する。
［適用例４］前記適用例３に記載の圧力センサにおいて、前記可撓部の同一面側に前記支点を挟んで前記第一ベローズと前記第二ベローズを並列に配置したことを特徴とする圧力センサ。

このような特徴を有する圧力センサであれば、センサ本体を薄型化することができる。したがってセンサ本体の小型化、製作コストの低減化につながる。またセンサ本体が軽量化し耐衝撃性が向上する。
［適用例５］前記ハウジングは、前記第二ベローズを覆うガードを設けたことを特徴とする適用例１乃至適用例４のいずれか１に記載の圧力センサ。

これにより、ハウジング外に突出させた第二ベローズを障害物から保護することができ、かつ、内側の受圧部外壁に水を供給させることができる。従ってベローズの破損を防止し、障害物の接触などによる測定誤差を回避することができる。

本発明の圧力センサの実施の形態について、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。
図１は第１実施形態の圧力センサの説明図である。同図は圧力センサの断面図を示している。

図示のように本発明の圧力センサ１０は、ハウジング２０に、力伝達手段３０と、感圧素子４０と、第一ベローズ５０と、第二ベローズ６０と、力伝達シャフト７０とを備えた構成を基本構成としている。

ハウジング２０は、後述する構成要素を収容する箱体であり、箱内を真空又は不活性な雰囲気など気密に保持している。ハウジング２０の側壁には対向する位置に２つの圧力導入口２２ａ、２２ｂを形成している。またハウジングの材質は、一例として熱膨張係数の小さいステンレス等を用いることができる。

力伝達手段３０となるカンチレバーは、固定部３２と可撓部３４をくびれ部３６を介して接続させている。固定部３２は断面Ｌ字型の基部であって一端を可撓部３４と接続させて、他端をハウジング２０に固定している。本実施例では一例として他端をハウジング２０の側壁に固定している。可撓部３４は中央付近で固定部３２と接続した支持片である。可撓部３４と固定部３２との接続箇所には支点となる薄肉のくびれ部３６を形成させている。可撓部３４はくびれ部３６を支点として揺動可能としている。また可撓部３４には、後述する第一ベローズ５０および第二ベローズ６０の受圧部と接触する受圧面３５ａ、３５ｂを備えている。力伝達手段３０の材質は、一例としてリン青銅等を用いることができる。

感圧素子４０は、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の圧電材料を用い、双音叉型圧電振動子、ＳＡＷ共振子、厚みすべり振動子等として形成されたものである。感圧素子４０は、力伝達手段３０の固定部３２と可撓部３４のそれぞれに感圧素子４０の両端部を接続して支持されている。このとき、感圧素子４０は力の検出方向を検出軸として設定しており、感圧素子４０の前記両端部を結ぶ方向は前記検出軸と平行関係にある。また感圧素子４０はハウジング２０に取り付けられた図示しない発振回路と電気的に接続され、発振回路からの交流電圧により固有の共振周波数により振動する。そして感圧素子４０は力伝達手段３０からの伸長（引張り）応力または圧縮応力を受けることにより共振周波数が変動する。特に双音叉型圧電振動片は、厚みすべり振動子などに比べて、伸長・圧縮応力に対する共振周波数の変化が極めて大きく共振周波数の可変幅が大きいので、わずかな圧力差を検出するような分解能力に優れる圧力センサにおいては好適である。双音叉型圧電振動子は、伸長応力を受けると振動腕（振動部）の振幅幅が小さくなるので共振周波数が高くなり、圧縮応力を受けると振動腕（振動部）の振幅幅が大きくなるので共振周波数は低くなる。なお、双音叉型圧電振動子の圧電基板としては温度特性に優れた水晶が望ましい。

第一ベローズ５０および第二ベローズ６０は、一端に開口部（５１、６１）を備え、他端に大気圧または水圧などの外力を受ける受圧部（５２、６２）を形成している。第一ベローズ５０の開口部５１は、ハウジング２０の第一圧力導入口２２ａに固定している。第一ベローズ５０の受圧部外壁５２ａは可撓部３４の第一受圧面３５ａに接着固定している。また第二ベローズ６０の受圧部外壁６２ａは、ハウジング２０の第二圧力導入口２２ｂから外部へ突出させ、開口部６１を第二圧力導入口２２ｂに固定している。ベローズの材質は、一例としてニッケル、リン青銅を用いることができる。

力伝達シャフト７０は、第二ベローズ６０の受圧部内壁６２ｂと、受圧部内壁６２ｂと対向する可撓部３４の第二の受圧面３５ｂの間を接続する一定の剛性を備えたシャフトである。力伝達シャフト７０は、一端を第二ベローズ６０の受圧部内壁６２ｂと接着固定し、他端を第二の受圧面３５ｂに接着固定させている。このため、第二ベローズ６０の受圧部外壁６２ａに作用した圧力を力伝達シャフト７０を介して第二の受圧面３５ｂに伝達することができる。力伝達シャフト７０の材質は、一例としてリン青銅等を用いることができる。

次に第１実施形態に係る圧力センサの作用について以下説明する。
圧力センサ１０の第一圧力導入口２２ａに大気開放管７４の一端に形成したコネクタ７５を接続させる。また第二ベローズ６０の受圧部６２は、水圧を作用させるため、センサ本体を水中に配置させる。このとき大気開放管７４の他端は水上に露出させている。また第二ベローズ６０はハウジング２０から突出させているため、外表面が水中に曝される。そして水による圧力Ｐが第二ベローズ６０の受圧部外壁６２ａに加わると、第二ベローズ６０の受圧部６２の有効面積Ｓ２に応じた力Ｆ（＝Ｐ×Ｓ２）が、第二ベローズ６０の受圧部内壁６２ｂに接触する力伝達シャフト７０を介して可撓部３４の第二の受圧面３５ｂに加わる。一方、第一ベローズ５０の受圧部５２には、大気開放管７４を介して大気圧Ｐｏが加わっており、第一ベローズ５０の受圧部５２の有効面積Ｓ１に応じた力Ｆｏ（＝Ｐｏ×Ｓ１）が可撓部３４の第一の受圧面３５ａに加わっている。この結果、力伝達シャフト７０の他端を介して、圧力測定の対象となる水より加わった圧力Ｐと大気圧による圧力Ｐｏの差圧に相当する力（＝｜Ｆ−Ｆｏ｜）が力伝達手段３０の支点（くびれ部３６）を介して、感圧素子４０に圧縮力、或いは引張り力として加わる。感圧素子４０に圧縮力、或いは引張り力が加わると、感圧素子４０には応力が生じ、前記応力の大きさに応じて共振周波数が変化するので、その共振周波数を測定することにより、圧力Ｐの大きさを検出することができる。

このように本発明の圧力センサ１０は、第二ベローズ６０の受圧部６２をハウジング２０外に突出させているため、第二ベローズ６０の受圧部外壁６２ａに水圧を直に作用させることができる。よって従来技術のようなベローズ内に気泡が残存して測定誤差が生じることがない。

またハウジング２０から突出させた第二ベローズ６０の周囲を覆うガード９０を形成するとよい。ガード９０は、障害物が第二ベローズ６０に接触するのを防止するとともに、第二ベローズ６０と水が接触できるように一定の剛性を備えた金属性の網状、格子状の柵等により形成することができる。

図２は第２実施形態の圧力センサの説明図である。前記第一実施形態の圧力センサ１０は、ハウジング２０から第二ベローズ６０の受圧部外壁６２ａを突出させている。このようなハウジング２０から第二ベローズ６０を一部分だけ突出させた構造は、障害物と接触し易い構造である。

そこで第２実施形態の圧力センサ１００は、図示のようにセンサ本体のハウジング１２０の一部に凹陥部８０を設けている。凹陥部８０は第二ベローズ６０と対向する位置に第二ベローズ６０の長手方向に沿って形成している。そしてこの凹陥部８０の開口から第二ベローズ６０の受圧部外壁６２ａを突出させ、開口部を凹陥部８０の縁に接着固定している。また力伝達シャフト１７０は、第一実施形態に比べ、第二ベローズ６０の突出量が減少しているため、シャフト長さを短くできる。その他の構成は第一実施形態と同様の構成であり、詳細な説明を省略する。

また凹陥部８０には、ハウジング１２０の断面矩形形状の外周に沿ったガード１９０を形成するとよい。ガード１９０は、ステンレス製の網目状に形成し、内側の第二ベローズ６０に水を供給し易いようにするとともに、所定の剛性を保持するようにするとよい。

このような第２実施形態の圧力センサ１００によれば、ハウジング１２０からの第二ベローズ６０の突出量を減らすことができる。したがって、第二ベローズ６０の破損や対衝撃性を低減することができる。

図３は第３実施形態の圧力センサの説明図である。同図（１）は圧力センサの断面図を示し、（２）は力伝達手段の斜視図を示している。ダムや河川の水中に配置する圧力センサは、センサ本体が大きいと、障害物と接触する確率が高くなる。圧力センサは障害物と接触することによって、本体が破損するばかりでなく、振動によって測定誤差が生じることがある。

そこで第３実施形態の圧力センサ２００は、図示のように力伝達手段２３０を小型化し、センサ本体の小型化を図っている。すなわち第３実施形態の力伝達手段２３０であるカンチレバーは、断面Ｌ字型の固定部２３２と、固定部２３２と支点となるくびれ部２３６を介して接続する可撓部２３４からなり、カンチレバー本体の断面形状をコ字型に形成している。そして可撓部２３４の第一の受圧面３５ａと対向する固定部２３２を開口し、第一の受圧面３５ａに第一ベローズ５０の受圧部外壁５２を接着固定させ、第一ベローズ５０の開口部５１を前記開口を貫通させて、ハウジング２２０の第一圧力導入口２２２ａに接着固定させている。一方、可撓部２３４の第二の受圧面３５ｂと対向するハウジング２２０の第二圧力導入口２２２ｂから第二ベローズ６０の受圧部外壁６２ａを突出させている。そして第二の受圧面３５ｂと対向する第二ベローズ６０の受圧部内壁６２ｂの間には、力伝達シャフト２７０を取り付け、受圧部内壁６２ｂと第二の受圧面３５ｂを接続させている。

このような第３実施形態の圧力センサ２００によれば、力伝達手段２３０よりも一回り大きくハウジング２２０を形成できるため、センサ本体を小型化し、製作コストを低減化することができる。したがって耐衝撃性を向上させることができ、障害物と接触する確率が低く、精度良い測定が行える。

なおハウジング２２０から突出させた第二ベローズ６０は第一実施形態と同様にガード２９０を取り付けてもよい。これにより第二ベローズ６０の破損を防止することができる。

図４は第４実施形態の圧力センサの説明図である。同図（１）は圧力センサの断面図を示し、（２）は力伝達手段の斜視図を示している。第４実施形態の圧力センサは、第３実施形態の圧力センサと同様にセンサ本体の小型化を図っている。

すなわち第４実施形態の圧力センサ３００は、図示のように第一ベローズ５０と第二ベローズ６０とを可撓部３３４の同一面に並列配置した構成としている。第４実施形態の力伝達手段３３０となるカンチレバーは、断面Ｌ型の固定部３３２とし、一端をハウジング３２０に固定し、他端を板状の可撓部３３２の中央付近で接続させている。可撓部３３４は、固定部３３２との接続部分を薄肉に形成して支点となるくびれ部３３６を形成している。可撓部３３４はくびれ部３３６を介して揺動することができる。第４実施形態の可撓部３３４は固定部３３２が接続する面を受圧面としている。可撓部３３４は、支点を挟んで感圧素子４０側を第一の受圧面３３５ａとし、他端側を第二の受圧面３３５ｂとしている。第一の受圧面３３５ａと対向する固定部３３２を開口し、第一の受圧面３３５ａに第一ベローズ５０の受圧部外壁５２を接着固定させ、第一ベローズ５０の開口部５１を前記開口を貫通させて、ハウジング３２０の第一圧力導入口３２２ａに接着固定させている。

一方、可撓部３３４の第二の受圧面３３５ｂと対向するハウジング３２０には凹陥部３８０を形成してある。凹陥部３８０は第二の受圧面３３５ｂと対向する面を開口して第二圧力導入口３２２ｂを形成してある。この第二圧力導入口３２２ｂから第二ベローズ６０の受圧部外壁６２ａを突出させている。そして第二の受圧面３３５ｂと対向する第二ベローズ６０の受圧部内壁６２ｂの間には、力伝達シャフト３７０を取り付け、受圧部内壁６２ｂと第二の受圧面３３５ｂを接続させている。

このような第４実施形態の圧力センサ３００によれば、センサ本体のハウジング３２０を薄型化することができる。したがって障害物との接触の確率が少なくなる。また質量を減らすことによって耐衝撃性を向上させることができる。

なお第二実施形態と同様に、凹陥部３８０には、断面矩形のハウジング３２０に沿ってガード３９０を設けるように構成してもよい。これによりハウジング３２０から突出させた第二ベローズ６０と障害物の接触による破損、測定誤差を防止することができる。

図５は第５実施形態の圧力センサの説明図である。圧力センサはハウジングと力伝達手段を異種材料により構成すると、使用環境の温度変化等により線膨張係数の差による熱ひずみが発生する。このため感圧素子に応力が加わり、正確な圧力測定を行うことができない。

そこで第５実施形態の圧力センサ４００は、第一実施形態で示す圧力センサを基本構成として、図示のような感圧素子４０の他端を固定する固定部材９２を力伝達手段４３０と別に独立して形成している。その他の構成は第一実施形態と同様の構成であり、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。力伝達手段４３０は、固定部４３２と可撓部４３４をくびれ部４３６を介して接続させている。固定部４３２は、一端を可撓部４３４と接続させて、他端をハウジング４２０に固定している。固定部材９２は、可撓部４３４と対向するハウジング４２０の側面の間に固定部４３２と並べて配置し、一端を側面に接着固定させている。そして感圧素子４０は、一端を可撓部４３４に固定し、他端を固定部材９２に固定している。また固定部材９２は、圧力センサの外形及び各部材の寸法を考慮して、温度変化による熱歪みの影響が感圧素子に及ばないように適宜材料及び寸法を設定することができる。
このような第５実施形態の圧力センサによれば、熱歪みの影響を受けない圧力センサを提供することができる。

第１実施形態の圧力センサの説明図である。 第２実施形態の圧力センサの説明図である。 第３実施形態の圧力センサの説明図である。 第４実施形態の圧力センサの説明図である。 第５実施形態の圧力センサの説明図である。 従来の圧力センサの説明図である。

符号の説明

１………圧力センサ、２………ハウジング、３………感圧素子、４………カンチレバー、５………第一ベローズ、６………第二ベローズ、７………圧力導入口、８………コネクタ、１０、１００、２００、３００、４００………圧力センサ、２０、１２０、２２０、３２０、４２０………ハウジング、２２………圧力導入口、３０、２３０、３３０、４３０………力伝達手段、３２、２３２、３３２、４３２………固定部、３４、２３４、３３４、４３４………可撓部、３５………受圧面、３６、２３６、３３６、４３６………くびれ部、４０………感圧素子、５０………第一ベローズ、５１、６１………開口部、５２、６２………受圧部、６０………第二ベローズ、７０、２７０、３７０………力伝達シャフト、７４………大気開放管、７５………コネクタ、８０、３８０………凹陥部、９０、１９０、２９０、３９０………ガード、９２………固定部材。

Claims (5)

1. ハウジングと、
   前記ハウジングに固定する固定部と、前記固定部と支点を介して揺動自在に接続した可撓部とからなる力伝達手段と、
   一端を前記固定部に固定し、他端を前記可撓部に固定した感圧素子と、
   前記可撓部の第一の受圧面に第一の受圧部外壁を接触させた第一ベローズと、
   第二の受圧部外壁を前記ハウジング外に突出させた第二ベローズと、
   一端を前記第二ベローズの内部を通して前記第二ベローズの受圧部内壁に接し、他端を前記可撓部の第二の受圧面に接して前記可撓部と前記第二ベローズの受圧部とを接続する力伝達シャフトと、
   を備えたことを特徴とする圧力センサ。
2. 前記請求項１に記載の圧力センサにおいて、
   前記ハウジングは、前記可撓部の前記第二の受圧面と対向する位置に第二ベローズの長手方向に沿って凹陥部を形成し、
   前記凹陥部から前記第二ベローズの前記第二の受圧部外壁を突出させたことを特徴とする圧力センサ。
3. 前記請求項１に記載の圧力センサにおいて、
   前記第一ベローズは、開放部が前記可撓部と対向する前記固定部を貫通させて前記ハウジングに固定されていることを特徴とする圧力センサ。
4. 前記請求項３に記載の圧力センサにおいて、
   前記可撓部の同一面側に前記支点を挟んで前記第一ベローズと前記第二ベローズを並列に配置したことを特徴とする圧力センサ。
5. 前記ハウジングは、前記第二ベローズを覆うガードを設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１に記載の圧力センサ。

Images