JP2012018089A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】簡略な構成で過大圧力による影響を排除することができ、上限圧力の変更調整作業を簡易に行う。
【解決手段】測定対象の流体を収容し、流体の圧力を検出する本体部２と、本体部２内に流体を導入する導入流路３ｈを有する流体導入部３と、を備える圧力センサ１であって、本体部２は、導入流路３ｈの一端と連なる導入孔２１ｈを有する固定部２１と、固定部２１の導入孔２１ｈが形成されている面と対向する面に形成される感圧部２２ｄ、２２ｓを有する可動部２２と、固定部２１と可動部２２とを連結し、本体部２内に収容される流体の圧力に応じて伸縮可能な伸縮連結部２３と、導入流路３ｈに挿通され、流体導入部３の導入口を閉塞可能な蓋部２５ｃを一端に有する棒状体２５と、棒状体２５の他端を可動部２２内に連結支持する支持部２６と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は圧力センサに関する。

従来、圧力センサにおいて、測定対象の圧力を受けて変位するダイヤフラム上にひずみゲージを配置することは広く知られている。このような圧力センサでは、ダイヤフラムを薄くすることで感度を高めることができる。一方、ダイヤフラムを薄くすると、耐圧が低下するため、例えば急激に高圧になった場合にはダイヤフラムに過大な圧力がかかり、破損してしまうおそれがある。したがって、過大な圧力がかかった場合に備え、何らかの保護機構を設ける必要がある。

特許文献１には、圧力の導入口と圧力センサとの間に三ポート電磁弁を設け、過大な圧力がかかった場合に電磁弁を駆動してポートを切り替えることで、圧力センサを過大圧から保護するデジタル圧力計が開示されている。特許文献２および特許文献３には、ダイヤフラムの過度の変形を阻止するストッパー部材として、圧力センサ内に板材や突出部を設けた半導体圧力センサが開示されている。

特開平１０−１９７３７６号公報 特開平１０−１３２６８２号公報 特開平６−３１３７４３号公報

特許文献１に記載の発明では、圧力センサの他に、電磁弁や電磁弁を制御するＣＰＵ等の保護機構が必要となるため、構成が複雑になり、コストが嵩んでしまう。特許文献２および特許文献３に記載の発明では、圧力センサの感圧部に対する上限圧力の設定を変更、調整する場合に、ダイヤフラムの厚さや、ストッパー部材の厚さや長さ等を変更しなければならず、上限圧力の変更調整作業を簡単に行うことができない。

そこで本発明は、簡略な構成で過大圧力による影響を排除することができ、上限圧力の変更調整作業を簡易に行うことができる圧力センサを提供することを目的の一つとする。

本発明にかかる圧力センサは、測定対象の流体を収容し、当該流体の圧力を検出する本体部と、本体部内に流体を導入する導入流路を有する流体導入部と、を備える圧力センサであって、上記本体部は、導入流路の一端と連なる導入孔を有する固定部と、固定部の導入孔が形成されている面と対向する面に形成される感圧部を有する可動部と、固定部と可動部とを連結し、本体部内に収容される流体の圧力に応じて伸縮可能な伸縮連結部と、導入流路に挿通され、流体導入部の開口部を閉塞可能な蓋部を一端に有する棒状体と、棒状体の他端を可動部内に連結支持する支持部と、を備える。

かかる構成により、例えば流体の圧力が大きく上昇した場合、本体部内に収容された流体の圧力に応じて伸縮連結部を伸長させ、可動部を固定部から離れる方向に移動させることができるため、可動部に連結支持された棒状体を長手方向に移動させ、棒状体の蓋部で流体導入部の開口部を閉塞させることが可能となる。これにより、過大圧力による影響を排除することが可能となる。また、棒状体の蓋部の位置を調整することで本体部内に収容される流体の圧力を変更、調整することが可能となる。

上記圧力センサにおいて、上記伸縮連結部は、金属製のベローズ部材であることとしてもよい。これにより、伸縮性を確保しつつ本体部内に流体を確実に密封することが可能となる。また、ベローズの段数を変更することで、伸縮連結部のばね定数を変更することができるため、本体部内に収容する流体の圧力範囲を広範囲で設定可能となる。

上記圧力センサにおいて、上記支持部は、網状の薄板部材であることとしてもよい。これにより、検出精度を低下させることなく、棒状体を可動部に連結支持させることが可能となる。

上記圧力センサにおいて、上記感圧部は、ダイヤフラムと、当該ダイヤフラムのひずみを検出するひずみ検出部と、を含むこととしてもよい。

上記圧力センサにおいて、上記棒状体の蓋部は、少なくとも本体部内に収容される流体の圧力が感圧部に対する所定の上限圧力よりも大きい場合に、流体導入部の開口部を閉塞することとしてもよいし、少なくとも本体部内に収容される流体の圧力が最大測定圧力以下である場合には、流体導入部の開口部を閉塞しないこととしてもよい。

本発明によれば、簡略な構成で過大圧力による影響を排除することができ、上限圧力の変更調整作業を簡易に行うことができる圧力センサを提供することができる。

実施形態における圧力センサの正面図である。 実施形態における圧力センサの正面断面図である。 図１に示すIII−III線矢視方向断面図である。 実施形態における圧力センサの動作を説明するための模式図である。 実施形態における圧力センサの動作を説明するための模式図である。 実施形態における圧力センサの動作を説明するための模式図である。

本発明の実施形態について説明する。以下の図面の記載では、同一または類似の部分を同一または類似の符号で表す。ただし、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明と照らし合わせて判断すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれる。

図１〜図３を参照して、実施形態における圧力センサの構成について説明する。図１は、圧力センサの正面図であり、図２は、圧力センサの正面断面図であり、図３は、図１に示すIII−III線矢視方向断面図である。

圧力センサ１は、本体部２と、流体導入部３とで大略構成される。本体部２は、測定対象となる流体を収容し、この流体の圧力を検出する。測定対象の流体としては、例えば、水やガス等が該当する。流体導入部３は、本体部２内に流体を導入する導入流路３ｈを有する。

本体部２は、流体を収容する固定部２１、可動部２２および伸縮連結部２３と、流体の流入を制限する棒状体２５と、棒状体２５の一端を可動部２２に連結させて支持する支持部２６と、を有する。

固定部２１は凹部を有し、凹部の中心部には導入孔２１ｈが形成される。導入孔２１ｈは、流体導入部３の導入流路３ｈの一端と連なる。

可動部２２は凹部を有し、凹部の底面は、固定部２１の凹部の底面と対向する。可動部２２の凹部の底面には、流体の圧力を検出する感圧部が形成される。感圧部は、ダイヤフラム２２ｄとひずみ検出部２２ｓとを含む。ひずみ検出部２２ｓは、ダイヤフラム２２ｄのひずみを、ピエゾ抵抗効果を利用して検出し、電気信号に変換する。ひずみ検出部２２ｓとしては、例えば、不純物またはイオンの打ち込み技術によってダイヤフラム２２ｄ上に形成可能な拡散型ひずみゲージを用いることができる。

伸縮連結部２３は、固定部２１と可動部２２とを連結し、本体部２内に収容される流体の圧力に応じて伸縮する。伸縮連結部２３は、例えば、金属製のベローズ部材で形成する。伸縮連結部２３を金属製のベローズ部材で形成することで、伸縮性を確保しつつ本体部２内に流体を確実に密封することが可能となる。また、ベローズの段数を変更することで、伸縮連結部２３のばね定数を変更することができるため、本体部２内に収容する流体の圧力範囲を広範囲で設定可能となる。

棒状体２５は、その一部が導入流路３ｈに挿通される。導入流路３ｈから外側に突出した棒状体２５の端部には、蓋部２５ｃが形成される。蓋部２５ｃは、流体導入部３の導入口（開口部）と密着することで、導入口を閉塞する。棒状体２５の蓋部２５ｃ側とは反対側に位置する端部は、支持部２６によって支持される。

支持部２６は、例えば、網状の薄板部材で形成する。支持部２６は、可動部２２の凹部の開放側を覆う状態で配置され、支持部２６の外周縁部と可動部２２の凹部の開放側の内周縁部とで接合される。支持部２６が棒状体２５の一端を支持することで、棒状体２５を可動部２２内に連結支持することができる。これにより、可動部２２が伸縮連結部２３の伸縮に応じて移動すると、棒状体２５が可動部２２の移動に合わせて長手方向に移動する。

本実施形態における圧力センサ１は、感圧部に対する所定の上限圧力の設定を変更、調整する場合に、蓋部２５ｃの位置を調整することで対応できる。所定の上限圧力としては、例えば、ダイヤフラム２２ｄの最大耐圧を設定することができるが、これに限定されず、最大測定圧力から最大耐圧の間で任意に設定することができる。以下に、蓋部２５ｃの位置を調整する際の具体的な方法について説明する。

伸縮連結部２３のばね定数をｋｖ、ダイヤフラム２２ｄの表面積をＳｄ、被測定流体の圧力をＰとし、圧力Ｐ＝０のときの棒状体２５の蓋部２５ｃの位置を基準位置とした場合、この基準位置からの移動距離Ｄ（図４参照）は、以下の式（１）で表せる。
Ｄ＝Ｓｄ×Ｐ／ｋｖ … （１）

圧力センサ１の最大測定圧力をＰｍとした場合に、最大測定圧力Ｐｍ時における上記基準位置からの移動距離Ｄｍは、以下の式（２）で表せる。
Ｄｍ＝Ｓｄ×Ｐｍ／ｋｖ … （２）

ダイヤフラム２２ｄの破壊圧力をＰｄとした場合に、破壊圧力Ｐｄ時における上記基準位置からの移動距離Ｄｄは、以下の式（３）で表せる。
Ｄｄ＝Ｓｄ×Ｐｄ／ｋｖ … （３）

ここで、配管９１を流れる流体の圧力Ｐが圧力センサ１の測定範囲内（０以上、最大測定圧力Ｐｍ以下）に収まるときには、流体の圧力Ｐがダイヤフラム２２ｄに加わるように、流体導入部３の導入口と棒状体２５の蓋部２５ｃとの間に隙間を設ける必要がある。一方、配管９１を流れる流体の圧力Ｐが上限圧力以上であるときには、流体の圧力Ｐがダイヤフラム２２ｄに加わることがないように、流体導入部３の導入口と棒状体２５の蓋部２５ｃとを密着させる必要がある。

これら二つの条件を満たすためには、圧力Ｐ＝０のときの流体導入部３の導入口と棒状体２５の蓋部２５ｃとの間の隙間（距離）をＤａとした場合に、以下の式（４）の関係を成立させればよい。
Ｄｍ＜Ｄａ＜Ｄｄ … （４）

この場合、蓋部２５ｃが上記基準位置から“Ｄａ”移動したときに、流体導入部３の導入口と棒状体２５の蓋部２５ｃとが密着することとなり、密着した瞬間の圧力は、上記式（１）より、“Ｄａ×ｋｖ／Ｓｄ”となる。

上記式（４）の関係を成立させると、圧力Ｐが、導入口と蓋部２５ｃとが密着した瞬間の圧力以上である間は、棒状体２５の蓋部２５ｃが流体導入部３の導入口を閉塞する状態を維持させることができる。すなわち、棒状体２５の蓋部２５ｃは、圧力Ｐが“Ｄａ×ｋｖ／Ｓｄ”以上である場合に、流体導入部３の導入口を閉塞することになる。つまり、“Ｄａ×ｋｖ／Ｓｄ”が上限圧力に相当することとなる。

以上より、感圧部に対する上限圧力の設定が変更、調整された場合には、上記式（４）の関係が成立するように、蓋部２５ｃの位置を調整すればよい。これにより、圧力Ｐが、上限圧力である“Ｄａ×ｋｖ／Ｓｄ”に到達した時点で流体導入部３の導入口を蓋部２５ｃで閉塞させることができ、この上限圧力よりも大きな圧力がダイヤフラム２２ｄにかかることを抑止することができる。なお、蓋部２５ｃの位置を調整する場合には、例えば、棒状体２５と支持部２６との連結点をずらしながら調整することとしてもよいし、棒状体２５自体の長さを変更して調整することとしてもよい。

次に、図４〜図６を参照して、実施形態における圧力センサ１の動作について説明する。図４〜図６に示す圧力センサ１は、流体が流れる配管９１に、シール部材９２を介して取り付けられている。図４は、流体の圧力が測定範囲内に収まるときの圧力センサ１の状態を示す図である。図５は、流体の圧力が上限圧力を超えたときの圧力センサ１の状態を示す図である。図６は、流体の圧力が上限圧力以下に低下したときの圧力センサ１の状態を示す図である。

図４に示すように、流体の圧力Ｐが測定範囲内に収まるときには、流体導入部３の導入口と棒状体２５の蓋部２５ｃとの間には隙間が設けられるため、配管９１を流れる流体の圧力Ｐと圧力センサ１の本体部２内に導入された流体の圧力Ｐは一致する。したがって、この場合に、圧力センサ１は、配管９１を流れる流体の圧力Ｐを測定することになる。

続いて、図４に示す状態から流体の圧力Ｐが上昇すると、圧力Ｐの上昇に応じて伸縮連結部２３が伸長し、この伸長に合わせて可動部２２および棒状体２５が移動する。図４では、可動部２２および棒状体２５が紙面の上方向に移動することになる。

続いて、図５に示すように、流体の圧力Ｐが上限圧力を超えると、棒状体２５の蓋部２５ｃが流体導入部３の導入口と密着する。これにより、流体導入部３の導入口が棒状体２５の蓋部２５ｃによって閉塞されるため、配管９１を流れる流体が圧力センサ１の本体部２内に流れ込む事態を抑止できる。したがって、上限圧力よりもさらに大きな破壊圧力Ｐｄがダイヤフラム２２ｄにかかる事態を確実に防止することができる。なお、流体導入部３の導入口が閉塞されている間、圧力センサ１は配管９１を流れる流体の圧力Ｐを測定できない。したがって、この間に、圧力センサ１が測定した圧力は無効となる。

続いて、図６に示すように、流体の圧力Ｐが下降して測定範囲内に戻ると、本体部２内に密封されている流体の圧力が、配管９１を流れる流体の圧力Ｐよりも大きくなるため、本体部２内に収容された流体が棒状体２５の蓋部２５ｃを押し下げて、流体導入部３の導入口を開放する。棒状体２５の蓋部２５ｃは、伸縮連結部２３の短縮に応じて流体導入部３の導入口から離れる方向（図６では紙面の下方向）に移動する。これにより、流体導入部３の導入口と棒状体２５の蓋部２５ｃとの間に再び隙間が設けられるため、圧力センサ１は、配管９１を流れる流体の圧力Ｐを測定できるようになる。

上述したように、本実施形態における圧力センサ１によれば、流体の圧力が上限圧力よりも大きく上昇した場合には、本体部２内に収容された流体の圧力に応じて伸縮連結部２３を伸長させ、可動部２２を固定部２１から離れる方向に移動させることができるため、可動部２２に連結支持された棒状体２５を可動部２２とともに長手方向に移動させて、棒状体２５の蓋部２５ｃで流体導入部３の導入口を閉塞させることができる。

これにより、圧力センサ１の他に保護機構を設けることなく、簡略な構成で過大圧から感圧部を保護することができる。また、棒状体２５の蓋部２５ｃの位置を調整することで本体部２内に収容される流体の上限圧力を変更、調整することができるため、感圧部に対する上限圧力の変更調整作業を簡易にすることができる。

一方、流体の圧力が上限圧力以下に低下した場合には、本体部２内に収容された流体の圧力が、配管を流れる流体の圧力よりも大きくなるため、本体部２内に収容された流体が棒状体２５の蓋部２５ｃを押し下げて流体導入部３の導入口を開放させることができる。これにより、配管９１を流れる流体の圧力Ｐが圧力センサ１の測定範囲内に収まるときには、流体の圧力を確実に測定させることが可能となる。

[変形例]
本発明を、上述した実施形態によって説明したが、この開示の一部をなす記述および図面は、この発明を限定するものではない。この開示から当業者には様々な代替の実施形態や運用技術等が明らかになるはずである。

例えば、上述した実施形態では、支持部２６を網状の薄板部材で形成しているが、これに限定されない。本体部２内に流入した流体がダイヤフラム２２ｄに印加する際に、ひずみ検出部２２ｓによる検出精度が著しく低下してしまう程、抵抗を生ずる部材でなければ、他の部材で支持部２６を形成することとしてもよい。

１…圧力センサ、２…本体部、３…流体導入部、３ｈ…導入流路、２１…固定部、２１ｈ…導入孔、２２…可動部、２２ｄ…ダイヤフラム、２２ｓ…ひずみ検出部、２３…伸縮連結部、２５…棒状体、２５ｃ…蓋部、２６…支持部、９１…配管、９２…シール部材。

Claims (6)

1. 測定対象の流体を収容し、当該流体の圧力を検出する本体部と、
   前記本体部内に前記流体を導入する導入流路を有する流体導入部と、を備える圧力センサであって、
   前記本体部は、
   前記導入流路の一端と連なる導入孔を有する固定部と、
   前記固定部の前記導入孔が形成されている面と対向する面に形成される感圧部を有する可動部と、
   前記固定部と前記可動部とを連結し、前記本体部内に収容される前記流体の圧力に応じて伸縮可能な伸縮連結部と、
   前記導入流路に挿通され、前記流体導入部の開口部を閉塞可能な蓋部を一端に有する棒状体と、
   前記棒状体の他端を前記可動部内に連結支持する支持部と、
   を備えることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記伸縮連結部は、金属製のベローズ部材であることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
3. 前記支持部は、網状の薄板部材であることを特徴とする請求項１または２記載の圧力センサ。
4. 前記感圧部は、ダイヤフラムと、当該ダイヤフラムのひずみを検出するひずみ検出部と、を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧力センサ。
5. 前記棒状体の蓋部は、少なくとも前記本体部内に収容される前記流体の圧力が前記感圧部に対する所定の上限圧力よりも大きい場合に、前記流体導入部の開口部を閉塞することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧力センサ。
6. 前記棒状体の蓋部は、少なくとも前記本体部内に収容される前記流体の圧力が最大測定圧力以下である場合には、前記流体導入部の開口部を閉塞しないことを特徴とする請求項５記載の圧力センサ。

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