JP2011033443A - Pressure sensor and method of adjusting the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、流体の圧力に応動するダイヤフラムの変位をホール素子を用いて検出するようにした圧力センサ及びその調整方法に関する。 The present invention relates to a pressure sensor that detects a displacement of a diaphragm that responds to the pressure of a fluid using a Hall element, and an adjustment method thereof.
流体の圧力を検出する際、ダイヤフラムの片方の面にその流体の圧力を導き、ダイヤフラムの他の面に対して付勢されるバネ力に抗してダイヤフラムを移動させる流体の力を圧力として検出することが行われている。流体の圧力によって変位するダイヤフラムにより機械的なスイッチを作動させ、所定の圧力となったことを信号として出力するものや、ダイヤフラムの変位に応じたアナログの出力信号を出力するものが知られている。
ダイヤフラムの変位に応じた大きさの信号を出力するものとして、ピエゾ抵抗(半導体)式圧力センサや静電容量式圧力センサが知られているが、これらは高価である。
また、ダイヤフラムに永久磁石を取り付けておき、前記ダイヤフラムの変位をホール素子を使用して検出するようにした、ホール素子を用いた圧力センサが提案されている(特許文献1〜7)。
When detecting the pressure of the fluid, the pressure of the fluid is guided to one side of the diaphragm, and the force of the fluid that moves the diaphragm against the spring force biased against the other side of the diaphragm is detected as pressure. To be done. There are known ones that actuate a mechanical switch by a diaphragm that is displaced by the pressure of the fluid and output a signal indicating that the pressure has reached a predetermined value, or that output an analog output signal corresponding to the displacement of the diaphragm. .
Piezoresistive (semiconductor) pressure sensors and capacitive pressure sensors are known as devices that output a signal having a magnitude corresponding to the displacement of the diaphragm, but these are expensive.
In addition, pressure sensors using Hall elements have been proposed in which a permanent magnet is attached to the diaphragm and the displacement of the diaphragm is detected using a Hall element (Patent Documents 1 to 7).
ホール素子に作用する磁束密度が増大するとホール素子の出力電圧は上昇する。この出力電圧を検出することにより導入された流体の圧力を測定することができる。このとき、ホール素子に対する磁石の変位とホール素子の出力電圧が直線的な領域において磁石が変位していると、磁石の変位とホール素子の出力は比例関係となり、正確な圧力の検出が可能となる。
ホール素子の出力電圧と磁束密度との間には所定の比例関係が存在するが、磁石の位置とホール素子の出力電圧との関係は、ホール素子及び磁石の個々のばらつき、ホール素子と磁石との距離のばらつきにより各製品個々に異なってくる。このような各種のばらつきがあっても、各製品が一定の圧力と出力電圧特性を有するようにスパン調整を行うことが必要である。
As the magnetic flux density acting on the Hall element increases, the output voltage of the Hall element increases. By detecting this output voltage, the pressure of the introduced fluid can be measured. At this time, if the magnet is displaced in a region where the displacement of the magnet with respect to the Hall element and the output voltage of the Hall element are linear, the displacement of the magnet and the output of the Hall element are in a proportional relationship, and accurate pressure detection is possible. Become.
There is a predetermined proportional relationship between the output voltage of the Hall element and the magnetic flux density, but the relationship between the position of the magnet and the output voltage of the Hall element depends on the individual variations of the Hall element and the magnet, the Hall element and the magnet. Each product will be different due to variations in distance. Even with such various variations, it is necessary to adjust the span so that each product has a constant pressure and output voltage characteristics.
特許文献1(特開昭56−86324号公報)に記載された圧力センサは、ダイヤフラムに連動する磁石とホールICとの距離の変化により圧力を検知するものであり、同じ極が向かい合う第1の永久磁石と第2の永久磁石を備え、微調整ねじ又はキャップにより圧力動作点を設定するようになされている。また、調整抵抗をレーザトリミングすることでも調整可能とされている。
特許文献2(特開平09−170958号公報)に記載された圧力センサは、スパン調整で必要なバネ定数を選定した後に規定のコイルバネを挿入する方法であるが、座のすわり具合やバネ自体のバラツキが大きく、ロードスケール(スパン)が安定しないという問題があった。
特許文献3(特開2000−18997号公報)に記載された圧力センサは、基板上に設置された可変抵抗を調整することでスパン調整を行うが、部品が高価であり、防滴構造をとるために防水塗料を塗布する必要があるため手間ひまがかかり、塗布時にトリマー抵抗器の抵抗値がずれる可能性もある。また、可変抵抗を調整するための調整設備に費用がかかるという問題がある。
特許文献4(特開昭56−155824号公報)、特許文献5(特開平08−327483号公報)及び特許文献6(特開2000−214036公報)に記載された圧力センサは、同極性の一対の磁石を対向させ中間にホール素子を配置した仕様であり、磁石を大小2個使用して磁束密度の調整を行う構造である。また、高価な磁石(希土類ネオジウム、サマリウムコバルト(CoSm)等)を2個使用するため、コスト的な面で問題がある。
特許文献7(特開平08−327484号公報)には、温度ドリフト低減を目的として、磁性体板(鉄板)を備える圧力センサが記載されている。
The pressure sensor described in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 56-86324) detects pressure based on a change in the distance between a magnet interlocked with a diaphragm and a Hall IC, and the first poles facing the same pole A permanent magnet and a second permanent magnet are provided, and a pressure operating point is set by a fine adjustment screw or a cap. Further, adjustment is possible by laser trimming the adjustment resistor.
The pressure sensor described in Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 09-170958) is a method of inserting a prescribed coil spring after selecting a spring constant necessary for span adjustment. There was a problem that the variation was large and the load scale (span) was not stable.
The pressure sensor described in Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-18997) performs span adjustment by adjusting a variable resistor installed on a substrate, but the parts are expensive and have a drip-proof structure. For this reason, it is necessary to apply a waterproof paint, and it takes time and effort, and the resistance value of the trimmer resistor may shift during application. In addition, there is a problem that adjustment equipment for adjusting the variable resistance is expensive.
The pressure sensors described in Patent Document 4 (Japanese Patent Laid-Open No. 56-155824), Patent Document 5 (Japanese Patent Laid-Open No. 08-327483) and Patent Document 6 (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-214036) are a pair of the same polarity. This is a structure in which a hall element is disposed in the middle and two magnets are used to adjust the magnetic flux density. Moreover, since two expensive magnets (rare earth neodymium, samarium cobalt (CoSm), etc.) are used, there is a problem in terms of cost.
Patent Document 7 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-327484) describes a pressure sensor including a magnetic plate (iron plate) for the purpose of reducing temperature drift.
上述のように、従来のホール素子を用いた圧力センサにおいては、スパン(出力電圧範囲)の規格内調整を可変抵抗で行っていた。ホール素子を用いた圧力センサは比較的安価であるが、ホール素子の信号を処理するための電子部品と基板が必要であり、回路構成のための費用がかかるという問題があった。
そこで、本発明は、この調整抵抗を廃止し、基板レス及び小型化を図るとともに調整工程の簡略化を実現することができる圧力センサ及びその調整方法を提供することを目的としている。
As described above, in the pressure sensor using the conventional Hall element, the span (output voltage range) is adjusted within the standard with the variable resistor. Although a pressure sensor using a Hall element is relatively inexpensive, there is a problem in that an electronic component and a substrate for processing the signal of the Hall element are necessary, and the cost for circuit configuration is high.
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a pressure sensor and an adjustment method thereof that can eliminate the adjustment resistor, reduce the size of the substrate, reduce the size, and simplify the adjustment process.
上記課題を解決するために、本発明の圧力センサは、被測定流体の流入口を有する継手本体、内部に受圧板が貫入されるガイド室が設けられた上側本体、前記継手本体と上側本体により周縁を挟持されたダイヤフラム、前記ダイヤフラムの上面に前記上側本体のガイド室内に摺動自在に設けられた受圧板、前記受圧板の摺動面に固定された永久磁石、及び、前記上側本体のガイド室の側面に前記永久磁石と対向するように設置された、ホール素子及び該ホール素子の出力を増幅する回路を有するリニアホールICを有し、前記リニアホールICの前記永久磁石側とは反対側に、その中心位置が前記リニアホールICの中心位置と一致するように設けられた空隙を有する磁性体板が装着されているものである。
また、前記磁性体板は、複数枚の樹脂板と1枚の磁性体板とが積層されて構成されたプレートにおける磁性体板とされているものである。
さらに、前記積層された磁性体板の位置が異なる複数のプレートの中から調整工程において選択されたプレートが装着されているものである。
さらにまた、前記空隙の縦方向の長さが異なる複数の磁性体板の中から調整工程において選択された磁性体板が装着されているものである。
In order to solve the above problems, a pressure sensor of the present invention includes a joint body having an inlet for a fluid to be measured, an upper body provided with a guide chamber into which a pressure receiving plate is inserted, and the joint body and the upper body. A diaphragm having a peripheral edge sandwiched, a pressure receiving plate slidably provided in the guide chamber of the upper body on the upper surface of the diaphragm, a permanent magnet fixed to the sliding surface of the pressure receiving plate, and a guide for the upper body A linear Hall IC having a Hall element and a circuit for amplifying the output of the Hall element, disposed on the side surface of the chamber so as to face the permanent magnet, and opposite to the permanent magnet side of the linear Hall IC In addition, a magnetic plate having a gap provided so that the center position thereof coincides with the center position of the linear Hall IC is mounted.
The magnetic plate is a magnetic plate in a plate formed by laminating a plurality of resin plates and a single magnetic plate.
Furthermore, a plate selected in the adjustment step from among a plurality of plates with different positions of the laminated magnetic plates is mounted.
Still further, a magnetic plate selected in the adjusting step from among a plurality of magnetic plates having different lengths in the vertical direction of the gap is mounted.
さらにまた、本発明の圧力センサの調整方法は、被測定流体の流入口を有する継手本体、内部に受圧板が貫入されるガイド室が設けられた上側本体、前記継手本体と上側本体により周縁を挟持されたダイヤフラム、前記ダイヤフラムの上面に前記上側本体のガイド室内に摺動自在に設けられた受圧板、前記受圧板の摺動面に固定された永久磁石、及び、前記上側本体のガイド室の側面に前記永久磁石と対向するように設置された、ホール素子及び該ホール素子の出力を増幅する回路を有するリニアホールICを有する圧力センサの調整方法であって、前記リニアホールICの前記永久磁石側とは反対側に磁性体板を装着して、その圧力センサの出力電圧範囲を測定し、その測定結果が所定の範囲内にないときは、前記磁性体板を変更することによって、前記リニアホールICを通過する磁束の集束度を調整して、その圧力センサの出力電圧範囲を制御するものである。
さらにまた、前記磁性体板は、複数枚の樹脂板と1枚の磁性体板とが積層されて構成されたプレートにおける磁性体板であり、前記リニアホールICを通過する磁束の集束度の調整は、積層されている磁性体板の位置が異なるプレートを装着すること、あるいは、プレートを取り外すことにより、実行されるものである。
さらにまた、前記磁性体板にはその中心位置が前記リニアホールICの中心位置と一致する空隙が設けられており、前記リニアホールICを通過する磁束の集積度の調整は、前記空隙の寸法が異なる磁性体板を装着することにより実行されるものである。
Furthermore, the pressure sensor adjustment method of the present invention includes a joint body having an inlet for a fluid to be measured, an upper body provided with a guide chamber into which a pressure receiving plate is inserted, and the joint body and the upper body. A sandwiched diaphragm, a pressure receiving plate slidably provided on the upper surface of the diaphragm in the guide chamber of the upper body, a permanent magnet fixed to the sliding surface of the pressure receiving plate, and a guide chamber of the upper body A method for adjusting a pressure sensor having a Hall element and a linear Hall IC having a circuit for amplifying an output of the Hall element, which is installed on a side surface so as to face the permanent magnet, the permanent magnet of the linear Hall IC A magnetic plate is attached to the side opposite to the side, the output voltage range of the pressure sensor is measured, and if the measurement result is not within the predetermined range, the magnetic plate is changed. Therefore, by adjusting the focusing degree of the magnetic flux passing through the linear Hall IC, and controls the output voltage range of the pressure sensor.
Furthermore, the magnetic plate is a magnetic plate in a plate configured by laminating a plurality of resin plates and a single magnetic plate, and adjusting the convergence of the magnetic flux passing through the linear Hall IC. Is executed by mounting plates with different positions of the laminated magnetic plates or by removing the plates.
Furthermore, the magnetic plate is provided with a gap whose center position coincides with the center position of the linear Hall IC, and the adjustment of the degree of integration of magnetic flux passing through the linear Hall IC is performed by adjusting the dimension of the gap. It is executed by mounting different magnetic plates.
このような本発明の圧力センサ及びその調整方法によれば、リニアホールICのみの使用に対し、プレート装着によりスパン調整が可能となる。さらに、角孔付プレートの装着により平行磁界を作り出すことでより安定した状態(位置バラツキをキャンセル)でのスパン調整が可能となり、直線性を含めた特性の精度が向上する。
調整抵抗などの調整のための電子回路をなくすことができ、構造をシンプル化することができたため、コストダウン、サイズダウンの効果を奏することができる。
また、むき出しの基板品よりも耐環境性、耐久性に優れた圧力センサを実現することができる。防滴性の低い基板に比べ、比較的防滴構造にしやすい等の特徴もある。
さらに、スパン調整法がシンプルであり、複雑な調整設備を必要としない。
さらにまた、トータルコストの低減、調整抵抗の防水塗布によるズレを防ぎ品質が安定するという効果もある。
According to the pressure sensor and the adjustment method of the present invention as described above, the span can be adjusted by mounting the plate for the use of only the linear Hall IC. Further, by creating a parallel magnetic field by mounting a plate with a square hole, span adjustment can be performed in a more stable state (position variation is canceled), and the accuracy of characteristics including linearity is improved.
Since the electronic circuit for adjustment such as the adjustment resistor can be eliminated and the structure can be simplified, the effects of cost reduction and size reduction can be achieved.
In addition, it is possible to realize a pressure sensor that is more excellent in environmental resistance and durability than a bare substrate product. There are also features such as a relatively easy drip-proof structure compared to a substrate with low drip-proof properties.
Furthermore, the span adjustment method is simple and does not require complicated adjustment equipment.
Furthermore, there is an effect that the total cost is reduced and the quality is stabilized by preventing the adjustment resistor from being shifted due to the waterproof coating.
図1は、本発明の圧力センサの第1の実施の形態の構成を示す図であり、(a)はこの実施の形態の圧力センサの断面図、(b)は(a)のA−A線断面図、(c)は側面図である。なお、本発明の圧力センサは、例えば、炊飯器用の微圧センサとして用いられる。
この図において、10は継手本体、20はダイヤフラム、30は上側本体である。前記継手本体10の底面の中央には被測定流体を導入するための導入口を有する継手部11が備えられており、また、継手本体10の上面には段部12が形成されている。前記ダイヤフラム20は、例えば硬度の高いシリコーンゴム製であり、中心部に受圧板支持部21、その周囲にドーナツ状で肉厚に形成されたバネ力付与部22、周縁部にフランジ部23が形成されている。図示するように、前記継手本体10の上面に形成されている段部12に、前記上側本体30の下端フランジ部31の下面の突出部が嵌合しており、継手本体10の段部12と上側本体30の下端フランジ部31とにより前記ダイヤフラム20のフランジ部23が挟持されて固定されている。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a first embodiment of a pressure sensor according to the present invention, where (a) is a cross-sectional view of the pressure sensor of this embodiment, and (b) is an A-A view of (a). Line sectional drawing and (c) are side views. In addition, the pressure sensor of this invention is used as a fine pressure sensor for rice cookers, for example.
In this figure, 10 is a joint body, 20 is a diaphragm, and 30 is an upper body. A
前記上側本体30の内部には略円筒状のガイド室32が設けられている。ガイド室32の壁面の一部は平坦部33とされており、該平坦部33にリニアホールIC34が取り付けられている。リニアホールIC34は、ホール素子と該ホール素子の出力信号を増幅する増幅回路を1パッケージ化したICであり、ホール素子から出力される磁界の大きさに比例したアナログ信号を増幅した信号を出力する。該リニアホールIC34からのアナログ出力信号は外部接続端子35から装置外部に出力される。
前記上側本体30のガイド室32内には略円筒状の受圧板24が図中上下方向に摺動自在に配置されている。受圧板24の下端は前述したダイヤフラム20の受圧板支持部21上に固定されている。この受圧板24の前記ガイド部32の前記平坦部33に対向する部分は平坦部25とされており、両者の嵌合によって、受圧板24は回転することなく上下動可能となっている。そして、受圧板24の平坦部25の前記上側本体30のガイド室32の平坦部33に配置されたリニアホールIC34に対向する位置に永久磁石26が固定されている。この永久磁石(以下、単に「磁石」とよぶ。)26として、例えば、Nd(ネオジウム)又はCoSm(サマリウムコバルト)などの透磁率が一定の磁石が用いられる。
A substantially
In the
また、前記上側本体30の前記リニアホールIC34が取り付けられている位置の外側には、長方形箱形形状のプレート収納部36が設けられている。プレート収納部36には、磁性体板を有するプレート40が収納され、該プレート40は上部本体30に設けられた凹部37に装着される。これにより、リニアホールIC34の磁石26と反対側にプレート40が装着されることとなる。後述するように、本発明においては、複数の種類のプレートが準備されており、この圧力センサの調整時にその個体に最も適した種類のプレートが選択されて前記プレート収納部36に収納され、上側本体30の凹部37に接着や熱溶着などにより固着される。なお、プレート40が装着されない場合もある。
前記受圧板24の上端面は、上側本体30の上部に螺合した調整ねじ28に支持されたコイルバネ27により押圧され、ダイヤフラム20の前記バネ力付与部22によるバネ力と釣り合うようになされている。なお、調整ねじ28により磁石26の初期位置を調整することができる。
また、前記ガイド室32には、空気抜き孔38が設けられており、前記ダイヤフラム20と前記上側本体30の内部により形成される領域Bを大気圧に保持するようにしている。
Further, a rectangular box-shaped
The upper end surface of the
The
図2は、本発明の第1の実施の形態において用いられる複数種類のプレート40の一例を示す図である。
この図に示す例では、プレート40は、図示するように、いずれも中央部に横長の角孔44が形成された1枚の磁性体板41と2枚の樹脂板42及び43とが積層された構造とされている。磁性体板41としては、透磁率が高い材料であれば良いのであるが、ここでは、鉄板(SPCC)を用いるものとして説明する。(以下、磁性体板を単に「鉄板」とよぶ。)そして、図2の(a)に示す第1の種類のプレート(プレート I )は、一番右側が鉄板41とされており、(b)に示す第2の種類のプレート(プレート II)は中央が鉄板41とされており、(c)に示す第3の種類のプレート(プレートIII)は一番左側が鉄板41とされている。
このプレート40を前記プレート収納部36に挿入し、上側本体30の凹部37に装着することにより、プレート40は、前記角孔44の中心位置が、前記リニアホールIC34の中心位置と一致する位置に装着される。
この3種類のプレート(プレート I、プレート II、プレートIII)のうちのいずれかを選択して前記プレート収納部36に装着することにより、前記リニアホールIC34と鉄板41との間の距離を選択することが可能となる。
FIG. 2 is a diagram showing an example of a plurality of types of
In the example shown in this figure, the
By inserting the
A distance between the
このように構成された圧力センサ1において、前記継手本体10に設けられた継手部11を被測定流体を導入する管に接続する。管内に被測定流体が存在していないときは、前記受圧板24は、前記ダイヤフラム20自体が有するバネ力によって、コイルバネ27及び受圧板24の自重に抗して所定の初期位置を維持している。管内に流体が存在し領域Aに流体が導入されると、流体圧がダイヤフラム20の下側に作用し、受圧板24を上昇させる。これにより、前記磁石26も上昇し、その変位が磁束密度の変化として前記リニアホールIC34により検出され、これにより流体の圧力を検出することができる。
In the pressure sensor 1 configured as described above, the
図3の(a)、(b)及び(c)は、それぞれ、最大加圧状態、磁石変位ゼロ位置及び大気圧状態の各状態における前記圧力センサの状態を示す断面図であり、(d)は磁電変換特性を示す図、(e)は変位出力特性を示す図である。
本発明においては、磁石26は着磁方向が図中上下方向となるように取り付けられており、リニアホールIC34中のホール素子は、磁石のN極とS極の境界付近の実装面に垂直な磁界成分のみを検出するようにされている。N極とS極の境界では検出する磁界がゼロとなり、この近傍では磁石の移動に対して磁束密度がリニアに変化するため直線性のよい出力を得ることができる。
(A), (b), and (c) of FIG. 3 are sectional views showing the state of the pressure sensor in each of a maximum pressure state, a magnet displacement zero position, and an atmospheric pressure state, respectively. Is a diagram showing magnetoelectric conversion characteristics, and (e) is a diagram showing displacement output characteristics.
In the present invention, the
図3の(a)に示すように、大気圧状態(C)では、前述のように、ダイヤフラム20のバネ力とコイルバネ27により押圧された受圧板24とが釣り合って、磁石26の中心位置がリニアホールIC34の中心位置よりも0.5mm下がった位置(変位量−0.5mm)となっている。このとき、この圧力センサでは、リニアホールIC34の磁束密度が−23 [mT]、出力電圧が1.0 [V]となる。
図3の(b)に示す磁石変位ゼロ位置(B)では、変位量(リニアホールICの中心位置に対する磁石の中心位置)が0mmであり、そのときの磁束密度が0[mT]、出力電圧が2.5 [V]となる。
図3の(c)に示す最大加圧時(A)には、ダイヤフラム20の中心部及び受圧板24が上昇して磁石26の中心位置がリニアホールIC34の中心位置よりも0.5mm上の位置(変位量が+0.5mm)となり、磁束密度が23 [mT]、出力電圧が4.0 [V]となる。
これにより、図3の(d)の磁電変換特性及び(e)の変位出力特性に示すように、直線性の良好な部分を用いて、流体の圧力に応動した出力電圧から流体圧力を検出することができる。
As shown in FIG. 3A, in the atmospheric pressure state (C), as described above, the spring force of the
In the magnet displacement zero position (B) shown in FIG. 3B, the displacement amount (the center position of the magnet with respect to the center position of the linear Hall IC) is 0 mm, the magnetic flux density at that time is 0 [mT], and the output voltage Becomes 2.5 [V].
At the time of maximum pressurization (A) shown in FIG. 3C, the central portion of the
As a result, as shown in the magnetoelectric conversion characteristics of FIG. 3D and the displacement output characteristics of FIG. 3E, the fluid pressure is detected from the output voltage that responds to the fluid pressure using the portion with good linearity. be able to.
しかしながら、前述のように、磁石の位置とホール素子の出力電圧との関係は、ホール素子及び磁石の個々のばらつき、ホール素子と磁石との距離のばらつきにより各製品個々に異なってくるため、各製品が一定の圧力と出力電圧特性を有するようにスパン調整を行うことが必要である。
そこで、本発明においては、個々の圧力センサの特性に応じて、その個体に最も適したプレートを選択して装着すること、あるいは、プレートを装着しないことにより、調整抵抗を用いることなく、スパン調整を行う。
However, as described above, the relationship between the position of the magnet and the output voltage of the Hall element varies depending on each product due to individual variations of the Hall element and the magnet, and variations in the distance between the Hall element and the magnet. It is necessary to adjust the span so that the product has a certain pressure and output voltage characteristics.
Therefore, in the present invention, according to the characteristics of each pressure sensor, the plate most suitable for the individual is selected and mounted, or the plate is not mounted, thereby adjusting the span without using an adjustment resistor. I do.
図4は、前記プレートが装着されていない場合、及び、異なる種類のプレートが装着された場合における圧力センサの動作特性について説明するための図である。
図4の(a)は前記図1の(a)と同じく本発明の圧力センサの断面図、(b)、(c)、(d)及び(e)は、それぞれ、プレートを装着しない場合、プレート I を装着した場合、プレート IIを装着した場合、及び、プレートIIIを装着した場合におけるリニアホールIC34を通過する磁力線について説明する図、(f)は前記(b)〜(e)の各場合における磁電変換特性(磁束密度に対する磁石の変位及び出力電圧特性)を示す図、(g)は前記(b)〜(e)の各場合における変位出力特性(磁石の変位に対する出力電圧及び磁束密度特性)を示す図である。
FIG. 4 is a diagram for explaining the operating characteristics of the pressure sensor when the plate is not mounted and when different types of plates are mounted.
4 (a) is a cross-sectional view of the pressure sensor of the present invention, similar to FIG. 1 (a), and FIGS. 4 (b), (c), (d) and (e) are respectively the case where no plate is mounted, The figure explaining the magnetic field lines passing through the
図4の(b)は、前記プレート40が装着されていない場合の磁石26から発せられリニアホールIC34を通過する磁力線を説明するための図であり、左側に前記断面図のプレート収納部36近傍を拡大して示し、右側に、この場合に磁石26から発せられリニアホールIC34を通過する磁力線を示している
この図に示すように、プレート40が装着されていない場合(プレートとの距離が無限大であることと等価)は、磁力線が最も広がっており、磁力線の集束は無いものということができる。この場合は、後述する(c)のプレート I を装着した場合と比較して出力電圧の範囲(スパン)が小さくなる。
FIG. 4B is a diagram for explaining magnetic lines of force that are emitted from the
図4の(c)は、プレート I を装着した場合を示す図である。このプレート I を装着した状態が基準状態とされる。図示するように、この場合にはプレート40中の鉄板41がリニアホールIC34から最も遠い位置となるように装着されており、磁石26からの磁力線の集束の度合いは他のプレートを装着した場合と比較して小さいということができる。
図4の(d)は、プレート IIを装着した場合を示す図である。この場合には、プレート40の中央部に鉄板41が位置しており、(c)のプレート I の場合よりもリニアホールIC34に近い位置に鉄板41が装着されていることとなる。この場合の磁束の集束度は中程度ということができ、スパンは前記(c)の場合よりも増加する。
図4の(e)は、プレートIIIを装着した場合を示す図である。この場合にはプレート40中の鉄板41がリニアホールIC34に最も近い位置になるように装着されている。これにより、磁石26からの磁束の集束度は最も大きくなり、すなわち、ホール素子を通過する磁束密度が他の場合よりも大きくなり、スパンは最も大きくなる。
FIG. 4C is a diagram showing a case where the plate I is mounted. The state where this plate I is attached is the reference state. As shown in the figure, in this case, the
(D) of FIG. 4 is a figure which shows the case where plate II is mounted | worn. In this case, the
(E) of FIG. 4 is a figure which shows the case where plate III is mounted | worn. In this case, the
以上の結果、図4(f)の磁電変換特性において、プレート I を装着した場合(図中 I )よりも、プレートを装着しない場合(図中、無)は磁束密度に対する磁石の変位の傾きが大きくなる。また、プレート IIを装着した場合(図中、 II)はプレート I を装着した場合よりも磁束密度に対する磁石の変化の傾きが小さくなり、プレートIIIを装着した場合(図中、III)はさらに傾きが小さくなる。
そして、図4(g)の変位出力特性において、プレートを装着しない場合(図中、無)はプレート I を装着した場合(図中、 I )よりも、磁石の変位に対する出力電圧の傾きが小さくなる。また、プレート IIを装着した場合(図中、 II)はプレート I を装着した場合よりも磁石の変位に対する出力電圧の傾きが大きくなり、プレートIIIを装着した場合(図中、III)はさらに傾きが大きくなる。
このように、プレート I を装着した場合を基準とし、特性を評価した後にプレートを取り外すか、あるいは、プレート II又はプレートIIIに変更することにより、特性のバラツキを吸収して要求されている特性となるように調整することができる。
As a result of the above, in the magnetoelectric conversion characteristics of FIG. 4 (f), the inclination of the displacement of the magnet with respect to the magnetic flux density is greater when the plate is not attached (None in the figure) than when the plate I is attached (I in the figure). growing. In addition, when plate II is attached (II in the figure), the inclination of the change of the magnet with respect to the magnetic flux density is smaller than when plate I is attached, and when plate III is attached (III in the figure), it is further inclined. Becomes smaller.
In the displacement output characteristics of FIG. 4 (g), the slope of the output voltage with respect to the displacement of the magnet is smaller when the plate is not attached (none in the figure) than when the plate I is attached (I in the figure). Become. When plate II is attached (II in the figure), the slope of the output voltage relative to the displacement of the magnet is larger than when plate I is attached, and when plate III is attached (III in the figure), it is further inclined. Becomes larger.
In this way, based on the case where plate I is installed, the characteristic is evaluated after removing the plate or changing to plate II or plate III after evaluating the characteristic, and the required characteristic is absorbed. Can be adjusted.
図5は、磁石と空隙を有する鉄板との間の距離を変化させたときの磁束密度分布をシミュレーションした結果を示す図である。
この図において、(a)はリニアホールIC34と鉄板との距離と磁束密度の関係のシミュレーション結果を示すグラフ、(b)〜(e)はリニアホールIC34と鉄板との距離が3.2mm、3.5mm、4.2mm及び鉄板が無い場合の各場合における磁束密度分布のシミュレーション結果を示す図である。
この図に示すように、鉄板とリニアホールICとの距離が小さくなるほど、集束した磁束がリニアホールICを通過することとなり、(a)に示すように、磁石変位に対する磁束密度の変化の傾きが大きくなっていることがわかる。すなわち、前記図4の(g)に示した結果が裏付けられる。
このように、空隙を設けた鉄板の設置位置、すなわち、鉄板とリニアホールICとの間の距離に応じて、ホール素子により検出される磁束の集束度が変化し、スパンを調整することができる。
FIG. 5 is a diagram showing a result of simulating the magnetic flux density distribution when the distance between the magnet and the iron plate having a gap is changed.
In this figure, (a) is a graph showing a simulation result of the relationship between the distance between the
As shown in this figure, as the distance between the iron plate and the linear Hall IC becomes smaller, the converged magnetic flux passes through the Linear Hall IC, and as shown in FIG. You can see that it is getting bigger. That is, the result shown in FIG.
Thus, the convergence of the magnetic flux detected by the Hall element changes according to the installation position of the iron plate provided with a gap, that is, the distance between the iron plate and the linear Hall IC, and the span can be adjusted. .
本発明による圧力センサの調整方法について説明する。
従来と同様にして、前記図1に示した圧力センサの組み立てが終了したものとする。ただし、この時点では、前記プレート収納部36に基準となるプレート I を仮に取り付けておく。
この状態で、前記調整ねじ28を調整し、その圧力センサの特性を測定する。
その結果、出力電圧範囲が所定の範囲内に入っているときには、そのまま、プレート I を上側本体30に固定して、調整作業を終了する。
一方、出力電圧範囲が所定の範囲内に入っていないときは、前記プレート I を取り外し、あるいは、他のプレート II又はプレートIIIに取り替えて、特性の測定を行う。その結果、出力電圧範囲が所定の範囲内に入っている場合には、プレートが取り外されているときはそのまま、プレートが取り付けられているときはそのプレートを上側本体30に固定して、調整作業を終了する。
このようにして、電子回路を使用すること無く、精度の調整、すなわちスパンの調整を行うことができる。
A method for adjusting a pressure sensor according to the present invention will be described.
Assume that the assembly of the pressure sensor shown in FIG. However, at this point, the reference plate I is temporarily attached to the
In this state, the adjusting
As a result, when the output voltage range is within the predetermined range, the plate I is fixed to the
On the other hand, when the output voltage range is not within the predetermined range, the plate I is removed or replaced with another plate II or plate III to measure the characteristics. As a result, when the output voltage range is within the predetermined range, the plate is fixed to the
In this way, accuracy adjustment, that is, span adjustment can be performed without using an electronic circuit.
図6を用いて、本発明によるスパン調整についてより具体的に説明する。
圧力センサに要求される精度が、例えば、常温におけるオフセット精度要求が±6%FS(full scale)、感度の精度要求が+12%FS/−8%FSであるとする。
感度誤差の要因としては、(1)センサ(ホール素子)と磁石間の距離(1mmで100%Span、50μmずれると5%FS)、(2)磁石の磁束密度のバラツキ(透磁率、磁石サイズ)±3%FS、(3)バネ荷重(+4%FS/−2%FS)、(4)センサ感度(センサの実力±5%FS)などがある。
最大合計誤差は、5+3+4+5=17%、5+3+2+5=−15%より、31%Span生じる計算になる。この例では、感度精度要求は+12%/−8%まで許されているので、+5%/−7%の調整範囲が有れば、要求精度に入れることが理論上可能である。
本発明のように鉄板を挿入することによる感度の制御は+10%程度が限界であるので、設計目標値を−5%下げたポイントに設定し、実測値が目標値よりも不足した場合、鉄板を挿入することで感度を許容範囲内に調整することが可能となる。
すなわち、図6に示すように、許容範囲を超えている場合に、本発明による機械的な方法を用いて補償を行うことにより、許容範囲内の精度とすることができる。
The span adjustment according to the present invention will be described more specifically with reference to FIG.
Assume that the accuracy required for the pressure sensor is ± 6% FS (full scale) for offset accuracy at room temperature and + 12% FS / −8% FS for sensitivity accuracy.
Factors of sensitivity error are as follows: (1) Distance between sensor (Hall element) and magnet (100% Span at 1 mm, 5% FS when shifted 50 μm), (2) Magnetic flux density variation (permeability, magnet size) ) ± 3% FS, (3) spring load (+ 4% FS / −2% FS), (4) sensor sensitivity (sensor ability ± 5% FS), and the like.
The maximum total error is 5% + 3 + 4 + 5 = 17%, and 5 + 3 + 2 + 5 = −15%. In this example, the sensitivity accuracy requirement is allowed up to +12% /-8%, so if there is an adjustment range of +5% /-7%, it is theoretically possible to enter the required accuracy.
Since the control of sensitivity by inserting an iron plate as in the present invention is limited to about + 10%, the design target value is set to a point that is lowered by -5%, and when the actual measurement value is insufficient than the target value, It becomes possible to adjust the sensitivity within an allowable range by inserting.
That is, as shown in FIG. 6, when the tolerance is exceeded, the accuracy within the tolerance can be achieved by performing compensation using the mechanical method according to the present invention.
なお、上記においては、プレート I 〜プレートIIIの3種類のプレートを準備し、そのいずれかのプレートを装着するか、あるいは、プレートを装着しないかによりスパン調整を行う場合について説明したが、これに限られることは無く、準備するプレートの種類は任意である。例えば、いずれか1種類のプレートのみを準備しておき、プレートを取り付けないで(あるいは取り付けて)特性の測定を行い、その結果に応じて、プレートを取り付ける(あるいは取り外す)ようにしてもよい。 In the above description, the case of preparing three types of plates, Plate I to Plate III, and adjusting the span depending on whether one of the plates is attached or not attached is described. There is no limitation, and the type of plate to be prepared is arbitrary. For example, only one type of plate may be prepared, the characteristics may be measured without (or attached) the plate, and the plate may be attached (or removed) according to the result.
ここで、前記角孔44の寸法について、図7を参照して説明する。
図7の(a)は前述した図1の(b)と同じく本発明の圧力センサの上部断面図、(b)はその磁石26とプレート40の部分を拡大して示す図である。
磁石26の横寸法をA、角孔40の横寸法をXとしたとき、角孔40の横寸法Xは、横方向の磁界の乱れが発生しないように、磁石26の左右端からそれぞれ磁石幅(A)以上あるようにすること、すなわち、X≧A+(2A)とすることが望ましい。例えば、磁石幅(A)が2mmの場合、角孔40の横寸法(X)は6mm以上とすればよい。
Here, the dimensions of the
7A is an upper cross-sectional view of the pressure sensor of the present invention, similar to FIG. 1B described above, and FIG. 7B is an enlarged view of the
Assuming that the horizontal dimension of the
図7の(c)は前述した図1の(a)と同じく本発明の圧力センサの断面図、(d)はその磁石26とプレート40の部分を拡大して示す図である。
磁石26の縦寸法をB、角孔44の縦寸法をYとしたとき、角孔44の縦寸法Yには特に規定は無いが、目安として磁石26のストローク量(前記図2に示した例では1mm)程度の寸法は有った方がよく、一方、磁石26の縦寸法(B)の1/2未満に抑えることが望ましい。以上のことから、磁石26の縦寸法(B)が4mmのとき、角孔44の縦寸法(Y)は、1mm〜2mm程度とすればよい。
7C is a cross-sectional view of the pressure sensor of the present invention, similar to FIG. 1A described above, and FIG. 7D is an enlarged view of the
When the vertical dimension of the
次に、本発明の圧力センサの第2の実施の形態について説明する。
前述した本発明の第1の実施の形態においては、リニアホールIC34と鉄板(SPCC)41との間の距離が異なるように異なる種類のプレート I 〜プレートIIIのいずれかを選択してスパン調整を行うものであったが、この実施の形態においては、設けられている角孔44の縦方向(磁石26の着磁方向と同一方向)の寸法が異なる複数種類のプレートから選択したものを装着することにより、第1の実施の形態の場合と同様にスパン調整を行う。
Next, a second embodiment of the pressure sensor of the present invention will be described.
In the first embodiment of the present invention described above, span adjustment is performed by selecting one of different types of plates I to III so that the distance between the
図8は、本発明の第2の実施の形態について説明するための図であり、(a)は前記図1の(a)と同じく圧力センサの断面図、(b)、(c)、(d)及び(e)は、それぞれ、プレート40を装着しない場合、プレート I を装着した場合、プレート IIを装着した場合、及び、プレートIIIを装着した場合におけるリニアホールIC34を通過する磁力線について説明する図、(f)は前記(b)〜(e)の各場合における磁電変換特性(磁束密度に対する磁石の変位及び出力電圧特性)を示す図、(g)は前記(b)〜(e)の各場合における変位出力特性(磁石の変位に対する出力電圧及び磁束密度特性)を示す図である。
FIG. 8 is a diagram for explaining a second embodiment of the present invention, in which (a) is a cross-sectional view of the pressure sensor, similar to (a) of FIG. 1, (b), (c), ( d) and (e), respectively, describe magnetic lines of force that pass through the
この実施の形態においては、図4の(c)〜(e)に示すように、プレート40の鉄板(SPCC)41に形成されている角孔44の縦方向の寸法(隙間の大きさ)が異なる3種類のプレート40(プレート I 、プレート II及びプレートIII)が用いられる。各プレート中の鉄板41とリニアホールIC34との間の距離は一定とされている。
そして、プレート I の隙間の大きさをa、プレート IIの隙間の大きさをb、プレートIIIの隙間の大きさをcとしたとき、c<b<aとなるようにしている。そして、隙間の大きさが最も大きいプレート I を基準のプレートとする。
図示するように、プレートの隙間が小さいほど、リニアホールIC34を通過する磁束の集束度は高くなる。これにより、図4の(f)及び(g)に示すように、プレートの隙間が小さくなるほど、スパン(出力電圧の範囲)が大きくなる。また、(b)のプレート40を装着しない場合は、磁束の集束度が小さくなり、スパンが小さくなる。
In this embodiment, as shown in FIGS. 4C to 4E, the vertical dimension (size of the gap) of the
Then, when the size of the gap of the plate I is a, the size of the gap of the plate II is b, and the size of the gap of the plate III is c, c <b <a. The plate I with the largest gap is taken as the reference plate.
As shown in the figure, the smaller the gap between the plates, the higher the degree of convergence of the magnetic flux passing through the
図9は、鉄板の間に形成された空隙(隙間)の大きさを変化させたときの磁束密度分布をシミュレーションした結果を示す図である。
この図において、(a)は隙間を0.1mm、0.4mm、1.0mmとした場合及び鉄板(SPCC)を装着しなかった場合における磁石の変位に対する磁束密度の関係のシミュレーション結果を示すグラフ、(b)〜(e)は、鉄板の隙間の大きさが、1.0mm、0.4mm、0.1mm及び鉄板無しの角場合における磁束密度分布のシミュレーション結果を示す図である。
この図に示すように、隙間の大きさが小さい場合ほど磁束の集束度が高くなっている、すなわち、(e)、(b)、(c)、(d)の順で磁束の集束度が高くなっていることがわかる。
FIG. 9 is a diagram illustrating a result of simulating the magnetic flux density distribution when the size of the gap (gap) formed between the iron plates is changed.
In this figure, (a) is a graph showing a simulation result of the relationship of magnetic flux density to displacement of the magnet when the gap is 0.1 mm, 0.4 mm, and 1.0 mm and when the iron plate (SPCC) is not mounted, (b (E)-(e) is a figure which shows the simulation result of magnetic flux density distribution in case the magnitude | size of the clearance gap between iron plates is 1.0 mm, 0.4 mm, 0.1 mm, and a corner without an iron plate.
As shown in this figure, the smaller the gap is, the higher the magnetic flux is focused. That is, the magnetic flux is focused in the order of (e), (b), (c), and (d). You can see that it is getting higher.
このように、プレートに形成する角孔44の縦方向の長さ(隙間の大きさ)が異なる1枚又は複数枚のプレートから選択したプレートを装着したり、あるいは、プレートを装着しないことにより、前述した第1の実施の形態の場合と同様に、スパン調整をすることができる。 In this way, by mounting a plate selected from one or a plurality of plates having different lengths (gap sizes) in the vertical direction of the square holes 44 formed in the plate, or by not mounting the plate, As in the case of the first embodiment described above, span adjustment can be performed.
図8においては、角孔の縦方向の長さが異なるプレートにおける鉄板の位置は固定していたが、前記図4の場合と同様に、さらに、鉄板の位置も変化させるようにしてもよい。例えば、図8(e)のプレートIIIを、図4の(e)のように鉄板の位置が最もリニアホールIC34に近くなるように装着してもよい。これにより、よりきめの細かい調整を行うことが可能となる。
In FIG. 8, the position of the iron plate on the plates having different lengths in the vertical direction of the square holes is fixed, but the position of the iron plate may be changed as in the case of FIG. 4. For example, the plate III in FIG. 8E may be mounted so that the position of the iron plate is closest to the
なお、上述した各実施の形態においては、プレート40に角孔44を形成するようにしていたが、これに限られることは無い。
例えば、角孔44に代えてスリット状の空隙を設けるようにしてもよい。
図10の(a)は前述のように角孔44を形成したプレートを示す図であり、(b)は角孔に変えてスリット状の空隙を形成したプレートの構成例を示す図である。(b)に示すように、空隙Yを隔てて配置された2枚の長板を用いて前述した各種のプレートを構成するようにしても良い。
あるいは、角孔44に代えて、楕円形など他の形状の孔部を形成するようにしても良い。
さらに、孔又は空隙ではなく、透磁率が1に近い媒質の部分を備えた鉄板を備えるようにしてもよい。
In each of the above-described embodiments, the square holes 44 are formed in the
For example, a slit-shaped gap may be provided instead of the
FIG. 10A is a diagram showing a plate in which square holes 44 are formed as described above, and FIG. 10B is a diagram showing a configuration example of a plate in which slit-like gaps are formed instead of square holes. As shown in (b), the above-described various plates may be configured by using two long plates arranged with a gap Y therebetween.
Alternatively, instead of the square holes 44, holes having other shapes such as an ellipse may be formed.
Furthermore, you may make it provide the iron plate provided with the part of the medium whose magnetic permeability is close to 1 instead of a hole or a space | gap.
さらにまた、上述した実施の形態においては、角孔又は空隙を有する鉄板を備えたプレートを用いていたが、角孔または空隙を設けないようにしてもよい。
図11は、この実施の形態におけるプレートの例を示す図であり、図11の(a)に示すプレート I は、鉄板41が図中一番右側に配置されており、この方向で前記プレート収納部36に装着したときリニアホールIC34から鉄板41までの距離が他のプレートと比較して最も遠くなる。(b)に示すプレート II は、鉄板41が中心部に配置されており、リニアホールIC34から鉄板41までの距離が中間的な値となる。(c)に示すプレート III は、鉄板41が図中一番左側に配置されており、この方向で前記プレート収納部36に装着したとき、リニアホールIC34から鉄板41までの距離が他のプレートと比較して最も近くなる。
リニアホールIC34と鉄板41との距離が異なることにより、磁石からの磁束密度の集束度が異なることとなるため、(a)〜(c)で示すプレートのいずれかを選択して装着するかあるいはプレートを装着しないようにすることにより、リニアホールICからの出力電圧の範囲を変更することができ、前述の実施の形態と同様に、スパン調整を行うことができる。ただし、この場合には、角孔44を形成した場合に比べて調整量が少なくなる。
Furthermore, in the above-described embodiment, a plate including an iron plate having a square hole or a gap is used, but a square hole or a gap may not be provided.
FIG. 11 is a view showing an example of a plate in this embodiment. In the plate I shown in FIG. 11A, an
When the distance between the
上述した実施の形態においては、2枚の樹脂板42及び43と1枚の鉄板41を積層した構成とされたプレートを例にとって説明したが、これに限られることはなく、3枚以上の樹脂板と1枚の鉄板41を積層した構成のプレートを用いるようにしてもよい。これにより、さらにきめ細かくスパン調整を行うことが可能となる。
In the above-described embodiment, the description has been given by taking as an example a plate in which two
10:継手本体、11:継手部、12:段部、20:ダイヤフラム、21:受圧板支持部、22:バネ力付与部、23:フランジ部、24:受圧板、25:平坦部、26:永久磁石、27:コイルバネ、28:調整ねじ、30:上側本体、31:フランジ部、32:ガイド室、33:平坦部、34:リニアホールIC、35:外部接続端子、36:プレート収納部、37:凹部、40:プレート、41:磁性体板(鉄板)、42,43:樹脂板,44:角孔 10: Joint body, 11: Joint part, 12: Step part, 20: Diaphragm, 21: Pressure receiving plate support part, 22: Spring force applying part, 23: Flange part, 24: Pressure receiving plate, 25: Flat part, 26: Permanent magnet, 27: coil spring, 28: adjustment screw, 30: upper body, 31: flange part, 32: guide chamber, 33: flat part, 34: linear Hall IC, 35: external connection terminal, 36: plate storage part, 37: recessed portion, 40: plate, 41: magnetic plate (iron plate), 42, 43: resin plate, 44: square hole
Claims (7)
内部に受圧板が貫入されるガイド室が設けられた上側本体、
前記継手本体と上側本体により周縁を挟持されたダイヤフラム、
前記ダイヤフラムの上面に前記上側本体のガイド室内に摺動自在に設けられた受圧板、
前記受圧板の摺動面に固定された永久磁石、及び、
前記上側本体のガイド室の側面に前記永久磁石と対向するように設置された、ホール素子及び該ホール素子の出力を増幅する回路を有するリニアホールICを有し、
前記リニアホールICの前記永久磁石側とは反対側に、その中心位置が前記リニアホールICの中心位置と一致するように設けられた空隙を有する磁性体板が装着されていることを特徴とする圧力センサ。 A joint body having an inlet for a fluid to be measured;
An upper body provided with a guide chamber into which the pressure receiving plate is inserted;
A diaphragm having a periphery sandwiched between the joint body and the upper body;
A pressure receiving plate slidably provided in the guide chamber of the upper body on the upper surface of the diaphragm;
A permanent magnet fixed to the sliding surface of the pressure plate, and
A linear Hall IC having a Hall element and a circuit for amplifying the output of the Hall element, installed on the side surface of the guide chamber of the upper body so as to face the permanent magnet;
On the opposite side of the linear Hall IC from the permanent magnet side, a magnetic plate having a gap provided so that the center position thereof coincides with the center position of the linear Hall IC is mounted. Pressure sensor.
前記リニアホールICの前記永久磁石側とは反対側に磁性体板を装着して、その圧力センサの出力電圧範囲を測定し、
その測定結果が所定の範囲内にないときは、前記磁性体板を変更することによって、前記リニアホールICを通過する磁束の集束度を調整して、その圧力センサの出力電圧範囲を制御することを特徴とする圧力センサの調整方法。 A joint body having an inlet for a fluid to be measured, an upper body provided with a guide chamber into which a pressure receiving plate is inserted, a diaphragm sandwiched at the periphery by the joint body and the upper body, and the upper body on the upper surface of the diaphragm A pressure receiving plate slidably provided in the guide chamber, a permanent magnet fixed to the sliding surface of the pressure receiving plate, and a side surface of the guide chamber of the upper body so as to face the permanent magnet. A method of adjusting a pressure sensor having a linear Hall IC having a Hall element and a circuit for amplifying the output of the Hall element,
Attach a magnetic plate on the side opposite to the permanent magnet side of the linear Hall IC, measure the output voltage range of the pressure sensor,
When the measurement result is not within a predetermined range, the focus of the magnetic flux passing through the linear Hall IC is adjusted by changing the magnetic plate, and the output voltage range of the pressure sensor is controlled. A pressure sensor adjustment method characterized by the above.
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