JP2014174153A - 圧力測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体の圧力を測定する技術を提供する。
【解決手段】液体の圧力を測定する圧力測定装置であって、流路抵抗を有する流路と、流路と連通する所定容積の液体収容室と、液体収容室の圧力を変更する圧力変更部と、流路と液体収容室とに液体を収容した状態で、圧力変更部の動作にともなう液体収容室内の液体の挙動を測定する測定部と、液体の挙動に基づいて、圧力を取得する取得部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体の圧力を測定する技術に関する。

従来、液体の圧力を測定する技術として、例えば、下記特許文献１の技術が知られている。特許文献１には、音叉型圧電振動子のＣＩ値（等価直列抵抗）によって圧力を計測する技術が記載されている。

特開２０１０−８５３７７号公報

しかし、特許文献１の圧力測定の技術においては、ＣＩ値が音叉型圧電振動子の物性特性に大きく依存する。そのため、圧力を正確に測定するには、音叉型振動子の形状や大きさを高精度に制御する必要や、音叉型振動子の電気特性を正確に把握し制御する必要があるなど、製造時に非常に高い精度が要求されるといった問題が指摘されていた。また、使用する際にも頻繁にキャリブレーションを行う必要があるといった問題も指摘されていた。音叉型圧電振動子は、空気中の埃等の影響によっても挙動が変動するため、構造的にも精密な構造が要求されるとともに、使用環境が制限されるといった問題も指摘されていた。これらの問題は、液体の圧力を測定する技術一般に共通する問題であった。その他、液体の圧力を測定する装置においては、小型化、低コスト化、省資源化、製造の容易化、使い勝手の向上等が望まれていた。

本発明は、上述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、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、液体の圧力を測定する圧力測定装置が提供される。この圧力測定装置は、流路抵抗を有する流路と；前記流路と連通する所定容積の液体収容室と；前記液体収容室の圧力を変更する圧力変更部と；前記流路と前記液体収容室とに前記液体を収容した状態で、前記圧力変更部の動作にともなう前記液体収容室内の液体の挙動を測定する測定部と；前記液体の挙動に基づいて、前記液体の圧力を取得する取得部と；を備える。この圧力測定装置によると、圧力変更部による圧力の変更によって生じる液体の挙動に基づいて液体の圧力を測定するので、直接的に圧力を測定する際に必要な構造的制限を回避し、構造を簡易にすることができる。液体の挙動とは、液体の圧力波、流量、流速、移動度など、液体に関する種々のパラメーターから間接的に取得するものとしてもよい。

（２）上記形態の圧力測定装置において、前記液体の挙動は、前記圧力の変更によって、前記液体収容室の液体の圧力波が所定の値になったときから、次に当該所定の値になるまでの期間であるものとしてもよい。この圧力測定装置によると、液体収容室の液体の圧力波が所定の値になったときから、次に当該所定の値になるまでの期間を測定することによって圧力を測定するので、比較的簡易な方法によって液体の圧力を測定することができる。

（３）上記形態の圧力測定装置において、前記液体の挙動は、前記圧力の変更によって、前記液体収容室の液体の圧力波がピークになったときから、次に当該ピークと同じ極性のピークになるまでの期間であるものとしてもよい。すなわち、前記液体の挙動は、前記圧力の変更によって、前記液体収容室の液体の圧力波が極大になったときから、次に前記液体収容室の液体の圧力波が極大になるまでの期間であるものとしてもよい。よって、比較的簡易な方法によって液体の圧力を測定することができる。

（４）上記形態の圧力測定装置において、前記圧力変更部は、圧電素子を備え、前記圧電素子の歪力によって前記液体収容室の圧力を変更するものとしてもよい。この圧力測定装置によると、圧力の変化を電気的に制御することができる。

（５）上記形態の圧力測定装置において、前記圧電素子は、さらに、前記液体収容室の圧力変化によって歪み；前記測定部は、前記圧電素子の歪みに基づいて前記液体の挙動を測定するものとしてもよい。この圧力測定装置によると、液体収容室の液体の圧力の変化と、液体の挙動の測定とを、１つの圧電素子によって行うことができる。

（６）上記実施形態の圧力測定装置において、前記測定部は、前記圧電素子を駆動し、前記圧電素子に流れる電流を検出し、前記圧電素子に流れる電流に基づいて前記液体の挙動を測定するものとしてもよい。この圧力測定装置によれば、比較的容易に液体の挙動を測定することができる。

（７）上記実施形態の圧力測定装置において、前記測定部は、前記圧電素子を駆動する間は前記圧電素子に流れる電流の検出を停止し、前記圧電素子の駆動を終了した後、前記圧電素子に流れる電流を検出するものとしてもよい。この圧力測定装置によれば、圧電素子を駆動する間は圧電素子に流れる電流の検出を停止するので、電流検出による駆動ロスを低減し、消費電力を向上させることができる。また、圧電素子の駆動を終了した後、圧電素子に流れる電流を検出するので、圧電素子の駆動効率に影響を与えずに電流検出のＳ／Ｎ比を向上させることができる。

（８）上記実施形態の圧力測定装置において、前記測定部は、前記圧電素子に流れる電流を測定するための抵抗回路と；前記圧電素子に流れる電流を前記抵抗回路に流すか否かを制御するスイッチ回路と；を備えるものとしてもよい。この圧力測定装置によれば、圧電素子を駆動する間は、圧電素子に流れる電流を抵抗回路に流さないようにし、圧電素子の駆動を終了した後、圧電素子に流れる電流を抵抗回路に流すようにすることで、電流検出を停止するか否かを容易に選択することができる。例えば、スイッチ回路を抵抗回路と並列に接続し、スイッチ回路がオンの時に、圧電素子に流れる電流が抵抗回路に流れないようにしてもよい。また、例えば、スイッチ回路を抵抗回路と直列に接続し、スイッチ回路がオフの時に、圧電素子に流れる電流が抵抗回路に流れないようにしてもよい。

（９）上記実施形態の圧力測定装置において、前記液体は、容器に収容され；前記液体収容室は、前記流路の一端と連通し；前記流路の他端は、前記容器と接続されているとしてもよい。この圧力測定装置によれば、容器に収容された液体の圧力を測定することができる。

（１０）上記実施形態の圧力測定装置において、前記流路の他端は、前記容器と着脱可能に接続されるとしてもよい。この圧力測定装置によれば、容器に着脱可能なので、簡易に圧力を測定することができる。

上述した本発明の各形態の有する複数の構成要素はすべてが必須のものではなく、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は
全部を達成するために、適宜、前記複数の構成要素の一部の構成要素について、その変更、削除、新たな他の構成要素との差し替え、限定内容の一部削除を行うことが可能である。また、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、上述した本発明の一形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部を上述した本発明の他の形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部と組み合わせて、本発明の独立した一形態とすることも可能である。また、このような形態によれば、装置の小型化や、低コスト化、省資源化、製造の容易化、使い勝手の向上等の種々の課題の少なくとも１つを解決することができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、圧力計、水圧計、水深計、圧力測定システム、圧力測定方法などの形態で実現することができる。

測定システム１０を説明する説明図である。 第１実施形態における駆動回路５０の構成を説明するブロック図である。 圧力信号Ｖｐおよび検出信号ＤＳを例示した説明図である。 負圧期間Ｔと容器２０内の圧力との関係を示す実測結果である。 第２実施形態における駆動回路５０の構成を説明するブロック図である。 駆動回路５０の信号波形を示す図である。 ポンプ室４０の内部圧力の変化を例示した説明図である。 第１期間と容器２０内の圧力との関係を示す実測結果である。 変形例２としての圧力測定装置の態様を示す説明図である。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

Ａ．第１実施形態：
（Ａ１）システム構成：
図１は、本発明の第１実施形態としての圧力測定装置３０を用いた測定システム１０を説明する説明図である。圧力測定装置３０は、液体の圧力を測定する装置である。測定システム１０は、測定対象の液体Ｌｑが収容された容器２０と、圧力測定装置３０とを備える。本実施形態においては、容器２０に収容されている液体Ｌｑは水である。容器２０の内部は、所定の圧力が保たれている。

圧力測定装置３０は、筐体３２と、流路３４と、ダイアフラム３６と、圧電素子３８と、駆動回路５０とを備える。筐体３２は、内部にポンプ室４０を有する。ポンプ室４０は、筐体３２の内壁とダイアフラム３６とによって形成される。流路３４は、容器２０に接続されており、ポンプ室４０と容器２０とを連通している。よって、流路３４およびポンプ室４０には、測定対象の液体Ｌｑ（本実施形態では水）が充満している。ポンプ室４０は、液体Ｌｑを満たすために、測定前からポンプ室４０内に存在する空気を抜くための蓋付きの空気抜き穴を備えるとしてもよい。本実施形態においては、容器２０、および、筐体３２は、非常に固い部材で構成されている。例えば、ステンレス鋼を採用することができる。

圧電素子３８は、一端がダイアフラム３６に、他端が筐体３２の内壁に、それぞれ固定されている。本実施形態では、圧電素子３８として、積層型の圧電素子を用いる。また、それに限ることなく、モノモルフやバイモルフの圧電素子を採用するとしてもよい。圧電素子３８は、駆動回路５０と接続されており、駆動回路５０から印加される駆動信号（電
力）によって伸縮する。圧電素子３８は、伸縮による歪力によってダイアフラム３６を押し引きし、ポンプ室４０の容積を変化させることによって、間接的にポンプ室４０内の水に対して、加圧および減圧を行う。ダイアフラム３６および圧電素子３８が、特許請求の範囲に記載の圧力変更部に対応する。

駆動回路５０は、圧電素子３８に駆動信号を印加するとともに、ポンプ室４０の内部圧力の変化を検出する。具体的には、ポンプ室４０の圧力が変化すると、ダイアフラム３６を介して圧電素子３８に力が加わる。圧電素子３８は、圧電効果によって電圧を発生する。駆動回路５０は、圧電素子３８が発生した電圧を検出することによりポンプ室４０の内部圧力の変化を検出する。後述するように、駆動回路５０は、所定の条件の下で検出したポンプ室４０の内部圧力の変化に基づいて、測定対象である水の挙動を測定する。

図２は、駆動回路５０の構成を説明するブロック図である。駆動回路５０は、駆動波形信号Ｖｉｎを出力する制御部５２と、駆動波形信号Ｖｉｎを増幅率Ｇで増幅して駆動信号Ｖｏｕｔを出力する増幅回路５４と、ポンプ室４０の内部圧力を検出する圧力検出部６０と、検出した内部圧力を所定の閾値と比較する比較部５６と、表示部７０とを備える。圧力検出部６０は、圧電素子３８の駆動電流を検出する電流検出回路６２と、検出した駆動電流を積分する積分回路６４と、積分回路６４の出力と駆動波形信号Ｖｉｎとの差分を出力する減算回路６６を備える。

駆動回路５０は、ポンプ室４０の内部圧力を示す圧力信号Ｖｐを、以下のようにして検出する。制御部５２は、駆動波形信号Ｖｉｎを出力する。駆動波形信号Ｖｉｎは増幅回路５４で増幅され、駆動信号Ｖｏｕｔとして圧電素子３８に印加される。このとき、圧電素子３８には、駆動信号Ｖｏｕｔに対応する駆動電流Ｉｏｕｔが流れ込む。圧電素子３８の他端には、電流検出に用いる抵抗ｒが接続されている。抵抗ｒの他端は接地されている。電流検出回路６２は、駆動電流Ｉｏｕｔによって生じる抵抗ｒ端子間の電位差を、抵抗ｒの抵抗値で除算することによって電流信号Ｖｉに変換し、積分回路６４に入力する。積分回路６４は、入力された電流信号Ｖｉを積分器で積分することによって、圧電素子３８に蓄えられた電荷量に対応する値である電荷信号Ｖｑを出力する。

圧電素子３８に流れる駆動電流Ｉｏｕｔ（電流信号Ｖｉ）は圧電素子３８の変位速度に比例する。よって、圧電素子３８に蓄えられる電荷量（電荷信号Ｖｑ）は、圧電素子３８の変位に比例している。圧電素子３８が自由に伸縮可能な状態では、圧電素子３８の変位は駆動信号にほぼ比例する。一方、ポンプ室４０で内部圧力が変化すると、ダイアフラム３６を介して圧電素子３８が圧力の変化を受ける。このとき、圧電素子３８は受けた圧力の変化に比例して伸縮する（変位が変わる）ため、ポンプ室４０の圧力変化を受けた場合の圧電素子３８の変位と、本来の圧電素子３８の変位との差（圧力を受けていないときとの差）は、圧電素子３８が受けた圧力（ポンプ室４０の内部圧力）に比例する。

圧力検出部６０は、積分回路６４の積分器で得られた電荷信号Ｖｑを圧電素子３８の等価静電容量ｃ及び増幅回路５４の増幅率Ｇで除算して電圧信号Ｖｘを取得する。圧力検出部６０は、圧電素子３８の実変位に対応する電圧信号Ｖｘと、駆動波形信号Ｖｉｎとの差分を減算回路６６で算出することによって、ポンプ室４０の内部圧力に対応した圧力信号Ｖｐを取得する。

圧力検出部６０は、取得した圧力信号Ｖｐを、比較部５６に入力する。比較部５６は、所定の閾値と比較することにより、２値化された検出信号ＤＳを生成して、制御部５２に入力する。制御部５２は、ルックアップテーブルＬＵＴを備えている。制御部５２は、入力された検出信号ＤＳとルックアップテーブルＬＵＴに基づいて水の圧力を取得する。そして、取得した圧力値を表示部７０に、ユーザーが視認可能に表示する。なお、ルックア
ップテーブルＬＵＴ、および、検出信号ＤＳに基づいて圧力を取得する方法については後述する。

（Ａ２）圧力振動：
図３は、駆動信号Ｖｏｕｔを圧電素子３８に印加したときに、圧力検出部６０で得られた圧力信号Ｖｐ、および、比較部５６で得られた検出信号ＤＳを例示した説明図である。図３（ａ）は、圧電素子３８に印加する駆動信号Ｖｏｕｔを示している。図３（ｂ）は、圧力検出部６０で得られた圧力信号Ｖｐを示している。図３（ｃ）は、比較部５６で得られた検出信号ＤＳを示している。

図３（ａ）に示すように、本実施形態においては、制御部５２から１パルスのＶｉｎを出力し、圧電素子３８に駆動信号Ｖｏｕｔを印加する。圧電素子３８は、駆動信号Ｖｏｕｔの電圧（駆動電圧）が上昇すると伸張し、ダイアフラム３６を介してポンプ室４０の液体Ｌｑを加圧する。その結果、図３（ｂ）に示すように、駆動信号Ｖｏｕｔの電圧が立ち上がるとともに、ポンプ室４０の内部圧力が急激に上昇する。駆動電圧が最大電圧で保たれている間は、圧電素子３８の変位は変わらない。このため、ポンプ室４０の液体Ｌｑと容器２０の液体との間に圧力差が生じ、ポンプ室４０から容器２０に液体Ｌｑが流出する（図１参照）。ポンプ室４０の内部圧力は、液体Ｌｑが容器２０に流出するに従って減少する。このとき、流路３４のイナータンスによって流路３４を通過する液体Ｌｑに慣性力が働き、ポンプ室４０から容器２０へ液体Ｌｑが流れ続けようとする。その結果、ポンプ室４０の内部圧力は容器２０の圧力より低い圧力（負圧）となり、更にポンプ室４０の内部圧力が測定対象の液体Ｌｑ（本実施形態では水）の飽和蒸気圧付近にまで低下すると、キャビテーションが生じ、内部圧力がほぼ一定で保たれる。なお、イナータンスについては、後で詳しく説明する。

そして、ポンプ室４０は、内部圧力が負圧になると、容器２０から液体Ｌｑを吸入する。従って、容器２０からポンプ室４０へ液体Ｌｑが流入する。この場合も、上記説明したように流路のイナータンスに基づく慣性力によって、容器２０からポンプ室４０へ液体Ｌｑが流れ続けようとする。従って、図３（ｂ）に示すように、ポンプ室４０の内部圧力は上昇する。このように、流路３４のイナータンスに起因する慣性力によって、ポンプ室４０の内部圧力は振動する。図３（ｂ）から分かるように、ポンプ室４０の内部圧力の振動は所定の周期を有する。

ここで、図３（ｂ）に示すように、圧電素子３８への駆動信号Ｖｏｕｔの印加に伴うポンプ室４０の内部圧力の１回の上昇と下降とからなる圧力振動の波を第１波と呼ぶ。その後の第１波に続く圧力振動の波を、第２波、第３波、第４波・・・・と言ったように呼ぶ。図３（ｃ）に示すように、検出信号ＤＳは、ポンプ室４０の圧力振動の波（第１波、第２波・・・等）に対応した信号となる。各圧力振動に対応した検出信号ＤＳのパルスを、第１パルス、第２パルス・・・と言ったように呼ぶ。

図３（ｃ）に示したように、検出信号ＤＳの第１パルスに続いて第２パルスが検出された場合、第１パルスが発生してから第２パルスが発生するまでの期間の長さは、容器２０内の液体Ｌｑの圧力に関する情報を有している。圧力信号Ｖｐの第２波は、流路３４内をポンプ室４０から容器２０に向かって流れる液体Ｌｑが、ポンプ室４０と容器２０との圧力差によってポンプ室４０に引き戻されることによって発生する。従って、ポンプ室４０と容器２０との圧力差が大きくなると、ポンプ室４０が容器２０内の液体Ｌｑを引き戻す力が大きくなるので、第２波が早く発生し、結果として、検出信号ＤＳにおける第２パルスも早く発生する。

図３（ｂ）から分かるように、第１波の発生後から第２波の発生までは、ポンプ室４０
内は概ね液体Ｌｑの飽和蒸気圧となっている。また、ポンプ室４０は、容器２０と連通する以外に液体Ｌｑの出入りがないので、第２波が発生するまでの期間にポンプ室４０の圧力が大きく変動することはない。このため、第１波が終了してから第２波が発生するまでの期間（以下、負圧期間Ｔとも呼ぶ）における容器２０とポンプ室４０との圧力差は、容器２０内の圧力が主に決定している。具体的には、容器２０内の圧力が高くなるにつれて、負圧期間Ｔは短くなる。換言すれば、負圧期間Ｔが短いほど、容器２０の圧力が高いと言うことができる。また、実験から、第１波が発生してから終了するまでの時間、すなわち、第１パルスのパルス幅は、ポンプ室４０の圧力に依存せず、ほとんど変化しないことが確かめられた。

次に、ポンプ室４０における負圧期間が容器２０の圧力に依存していることを実測によって示す。具体的には、容器２０内の圧力が高くなるにつれて、負圧期間は短くなることを示す。図４は、第１パルスから第２パルスまでの負圧期間Ｔと、容器２０内の圧力との関係を示す実測結果である。図４のグラフの横軸が負圧期間Ｔ、縦軸が容器２０の圧力となる。この実験においては、容器２０の圧力は、別個に設けた圧力計によって測定する。図４に示すように、容器２０の圧力が高くなるにつれて、負圧期間Ｔは短くなっていることが分かる。すなわち、負圧期間Ｔを検出することによって、測定対象の液体Ｌｑ（本実施形態においては容器２０）の圧力を検出することができる。

（Ａ３）圧力測定：
圧力測定装置３０は、上記説明した図４のグラフに対応するルックアップテーブルＬＵＴを制御部５２に格納している（図２参照）。すなわち、制御部５２は、負圧期間Ｔの各値と、測定対象の圧力の実測に基づく値とを対応付けたルックアップテーブルＬＵＴを備える。実際に測定対象の液体Ｌｑの圧力を測定する際には、制御部５２は、圧電素子３８に対して１パルスの駆動信号Ｖｏｕｔを印加して、ポンプ室４０内に圧力振動を発生させ、検出した検出信号ＤＳから負圧期間Ｔを抽出する。そして、取得した負圧期間ＴをルックアップテーブルＬＵＴに入力する。制御部５２は、負圧期間Ｔに対応してルックアップテーブルＬＵＴから出力される圧力の値を取得する。

その後、制御部５２は、取得した圧力の値を、ユーザーに視認可能に表示部７０に表示する。制御部５２は、水、所定の油、所定の有機溶媒など、種々の液体についてのルックアップテーブルＬＵＴを備えるとしてもよい。各液体について、負圧期間Ｔと測定対象の液体Ｌｑの圧力との相関を実測しルックアップテーブルを生成することによって実現することが可能である。

次に、本実施形態の説明に用いたイナータンスについて説明する。イナータンスとは、流路の特性値である。具体的には、流路の一端に圧力が加わったことによって流路内の流体が流れようとするときの、流体の流れやすさを示している。例えば、断面積がＳで、長さがＬの流路に、密度の流体（本実施形態では液体Ｌｑ）が満たされており、流路の一端に圧力Ｐ（両端での圧力差）が加わったものとする。流路内の流体にはＰ×Ｓの力が作用する。その結果、流路内の液体Ｌｑが流れ出す。流体の加速度をａとすると、下記式（１）の運動方程式が成り立つ。

流路を流れる体積流量をＱ、流路を流れる流体の流速をｖとすると、下記式（２）および式（３）が得られる。

式（２）および式（３）から下記式（４）を得ることができる。

式（４）は、同じ圧力Ｐが加わるのであれば、（ρ×Ｌ／Ｓ）が小さくなるほど、ｄＱ／ｄｔが大きくなる（すなわち、流速が大きく変化すること）を表している。この（ρ×Ｌ／Ｓ）がイナータンスと呼ばれる値である。以上、イナータンスについて説明した。

以上説明したように、圧力測定装置３０は、容器２０とポンプ室４０との間における圧力振動を利用して測定対象の液体Ｌｑの圧力を測定することができる。よって、圧力測定装置３０においては、圧電素子３８に駆動信号を印加してポンプ室４０と容器２０との間に圧力振動を発生させ、ポンプ室４０の内部圧力の変化を取得することができれば、測定対象の液体Ｌｑの圧力を測定することができる。上述のように、ポンプ室４０の内部圧力は液体Ｌｑの飽和蒸気圧なので、測定対象の液体Ｌｑの圧力との差に応じて変化する「負圧期間」は飽和蒸気圧からの相対圧を測定していることになる。従って、「負圧期間」は圧電素子の特性バラツキに影響を受けにくいので、圧電素子のキャリブレーションを必須としない。また、簡易な構造によって圧力測定を行うことができる。結果として、圧力を測定する際に、外部の誇りや、温度変化など、圧力測定装置３０の外部の変化に影響を受けにくい耐久性の高い構成とすることが可能である。よって、比較的劣悪な測定環境においても圧力測定が可能であるので、工業用に最適な圧力計とすることができる。例えば、液体を収容する工業用のタンクや、工業用の液体流路としての配管には、通常、温度計の挿入用の貫通孔や、ドレイン抜き用の貫通孔が設けられている。このような貫通孔に圧力測定装置３０の流路３４を接続することによって、タンク内や配管内の圧力を測定することが可能となる。また、本実施形態においては、１つの圧電素子３８で、ポンプ室４０の加圧と、ポンプ室４０の内部圧力の測定を行うので、それぞれ別個の素子や装置によって行う場合と比較して、構造の簡易化、小型化、低コスト化を実現することができる。

特許請求の範囲との対応関係としては、ポンプ室４０が特許請求の範囲に記載の液体収容室に対応する。ダイアフラム３６および圧電素子３８が、特許請求の範囲に記載の圧力変更部に対応する。液体Ｌｑの圧力振動が、特許請求の範囲に記載の液体の挙動に対応する。圧電素子３８および駆動回路５０が、特許請求の範囲に記載の測定部に対応する。駆動回路５０（制御部５２）が、特許請求の範囲に記載の取得部に対応する。

Ｂ．第２実施形態：
（Ｂ１）システム構成：
本発明の第２実施形態としての圧力測定装置３０を用いた測定システム１０の構成は、第１実施形態（図１）と同様であるので、その図示及び説明を省略する。ただし、第２実施形態では、駆動回路５０の構成が第１実施形態と異なる。

図５は、第２実施形態における駆動回路５０の構成を説明するブロック図である。また、図６は、駆動回路５０の信号波形を示す図である。駆動回路５０は、駆動波形信号Ｖｉ
ｎを出力する制御部５２と、駆動波形信号Ｖｉｎを増幅率Ｇで増幅して駆動信号Ｖｏｕｔを出力する増幅回路５４と、ポンプ室４０の内部圧力の変化速度を検出する圧力変化速度検出部８０と、検出した内部圧力の変化速度を所定の閾値Ｖｔｈと比較する比較部５６と、表示部７０とを備える。圧力変化速度検出部８０は、圧電素子３８の駆動電流を検出する電流検出回路８２と、検出した駆動電流を示す電圧信号からＤＣ成分と高周波ノイズを除去するためのバンドパスフィルター８４を備える。

駆動回路５０は、ポンプ室４０の内部圧力の変化速度を示す信号Ｖｉｘを、以下のようにして検出する。制御部５２は、駆動波形信号Ｖｉｎを出力する。駆動波形信号Ｖｉｎは増幅回路５４で増幅され、駆動信号Ｖｏｕｔとして圧電素子３８に印加される。このとき、圧電素子３８には、駆動信号Ｖｏｕｔに対応する駆動電流Ｉｏｕｔが流れ込む。圧電素子３８の他端には、電流検出に用いる抵抗ｒとスイッチｓｗが接続されている。抵抗ｒの他端とスイッチｓｗの他端はともに接地されている。スイッチｓｗは制御信号Ｖｓｗの電圧レベルに応じてオン／オフするスイッチであり、例えば、ＭＯＳトランジスターのゲートに制御信号Ｖｓｗを入力することで実現することができる。

制御部５２は、制御信号Ｖｓｗの電圧レベルを制御してスイッチｓｗがオンしている時に駆動波形信号Ｖｉｎを出力し、これにより、圧電素子３８には、駆動信号Ｖｏｕｔが印加されて駆動電流Ｉｏｕｔが流れ込む。制御部５２は、駆動波形信号Ｖｉｎの出力を終了した後、スイッチｓｗをオフする。図６（ａ）に、駆動信号Ｖｏｕｔ、駆動電流Ｉｏｕｔ及び制御信号Ｖｓｗの波形の一例を示す。

電流検出回路８２は、スイッチｓｗがオンしている間は駆動電流Ｉｏｕｔとスイッチｓｗのオン抵抗により発生する電位差を、スイッチｓｗがオフしている間は駆動電流Ｉｏｕｔによって生じる抵抗ｒ端子間の電位差を、それぞれ電流信号Ｖｉに変換し、バンドパスフィルター８４に入力する。図６（ｂ）に、電流信号Ｖｉの波形の一例を示す。

バンドパスフィルター８４は、入力された電流信号Ｖｉに含まれる所望の周波数帯域の信号を通過させ、電流信号Ｖｉｘを出力する。このバンドパスフィルター８４の周波数帯域は、ポンプ室４０の圧力振動の周波数帯域が含まれるように設定される。図６（ｃ）に、電流信号Ｖｉｘ及び比較部５６の閾値Ｖｔｈの波形の一例を示す。

圧電素子３８に流れる駆動電流Ｉｏｕｔ（電流信号Ｖｉｘ）は圧電素子３８の変位速度に比例する。ポンプ室４０で内部圧力が変化すると、ダイアフラム３６を介して圧電素子３８が圧力の変化を受ける。このとき、圧電素子３８は受けた圧力の変化に比例して伸縮する（変位が変わる）ため、圧電素子３８の変位速度はポンプ室４０の内部圧力の変化速度に比例する。要するに、電流信号Ｖｉｘは、ポンプ室４０の内部圧力の変化速度を示す信号である。従って、電流信号Ｖｉｘが所定の基準電圧の時に、ポンプ室４０の内部圧力の変化速度が０、すなわち、ポンプ室４０の内部圧力がピーク（極大又は極小）となる。ここで、増幅回路５４によって圧電素子３８を駆動している間は、電流信号Ｖｉｘが基準電圧よりも高い時は圧電素子３８が伸びる方向なので、ポンプ室４０の内部圧力が上昇中の状態に対応している。電流信号Ｖｉｘが基準電圧よりも低い時は圧電素子が縮む方向なので、ポンプ室４０の内部圧力が上昇中の状態に対応している。よって、電流信号Ｖｉｘが基準電圧に対して正から負に切り替わる時点でポンプ室４０の内部圧力が極大値となることを示している。また、増幅回路５４によって圧電素子３８を駆動していないとき、電流信号Ｖｉｘが基準電圧よりも低い時は圧電素子３８が縮む方向なので、ポンプ室４０の内部圧力が上昇中の状態に対応している。一方、電流信号Ｖｉｘが基準電圧よりも高い時は圧電素子３８が伸びる方向なのでポンプ室４０の内部圧力が低下中の状態に対応しているので、電流信号Ｖｉｘが基準電圧に対して負から正に切り替わる時点でポンプ室４０の内部圧力が極大値となることを示している。

圧力変化速度検出部８０は、取得した電流信号Ｖｉｘを、比較部５６に入力する。比較部５６は、所定の閾値ｖｔｈと比較することにより、２値化された検出信号ＤＳを生成して、制御部５２に入力する。この閾値ｖｔｈは、ポンプ室４０の内部圧力の変化速度が０になる時の電流信号Ｖｉｘの電圧（基準電圧）と一致させる。図６（ｄ）に、検出信号ＤＳの波形の一例を示す。図６（ｄ）に示すように、検出信号ＤＳには、ポンプ室４０の圧力振動による複数のパルス（第１パルス、第２パルス・・・）が含まれる。

制御部５２は、ルックアップテーブルＬＵＴを備えている。制御部５２は、入力された検出信号ＤＳとルックアップテーブルＬＵＴに基づいて水の圧力を取得する。そして、取得した圧力値を表示部７０に、ユーザーが視認可能に表示する。

（Ｂ２）圧力測定：
図７は、駆動信号Ｖｏｕｔを圧電素子３８に印加したときのポンプ室４０の内部圧力の変化を例示した説明図である。図７（ａ）は、圧電素子３８に印加する駆動信号Ｖｏｕｔを示している。図７（ｂ）は、ポンプ室４０の内部圧力の変化を示している。ポンプ室４０の内部圧力の変動については、すでに第１実施形態（図３）で説明したので、ここでは説明を省略する。本実施形態でも、第１実施形態と同様に、圧電素子３８への駆動信号Ｖｏｕｔの印加に伴うポンプ室４０の内部圧力の１回の上昇と下降とからなる圧力振動の波を第１波、その後の第１波に続く圧力振動の波を、第２波、第３波、第４波・・・・と言ったように呼ぶことにする。

すでに説明したように、ポンプ室４０の圧力振動の第１波が終了してから第２波が発生するまでの期間（負圧期間）が短いほど、容器２０の圧力が高い。従って、圧力振動の第１波のピーク点（極大点）と第２波のピーク点（極大点）との間の時間（以下、「第１期間」という）も、負圧期間を含むため、第１期間と容器２０の圧力との間には相関があると考えられる（図７（ｂ）参照）。図８は、第１期間と、容器２０内の圧力との関係を示す実測結果である。図８のグラフの横軸が第１期間、縦軸が容器２０の圧力となる。この実験においては、容器２０の圧力は、別個に設けた圧力計によって測定する。図８に示すように、容器２０の圧力が高くなるにつれて、第１期間は短くなっていることが分かる。すなわち、第１期間を検出することによって、測定対象の液体Ｌｑ（本実施形態においては容器２０）の圧力を検出することができる。

圧力測定装置３０は、上記説明した図８のグラフに対応するルックアップテーブルＬＵＴを制御部５２に格納している（図５参照）。すなわち、制御部５２は、第１期間の各値と、測定対象の圧力の実測に基づく値とを対応付けたルックアップテーブルＬＵＴを備える。実際に測定対象の液体Ｌｑの圧力を測定する際には、制御部５２は、圧電素子３８に対して１パルスの駆動信号Ｖｏｕｔを印加して、ポンプ室４０内に圧力振動を発生させ、検出した検出信号ＤＳから第１期間を抽出する。そして、取得した第１期間をルックアップテーブルＬＵＴに入力する。制御部５２は、第１期間に対応してルックアップテーブルＬＵＴから出力される圧力の値を取得する。第１期間は、検出信号ＤＳの第１パルスが検出されてから第１パルスの検出が終了するまでの時間に対応する（図６（ｄ）参照）。

その後、制御部５２は、取得した圧力の値を、ユーザーに視認可能に表示部７０に表示する。制御部５２は、水、所定の油、所定の有機溶媒など、種々の液体についてのルックアップテーブルＬＵＴを備えるとしてもよい。各液体について、第１期間と測定対象の液体Ｌｑの圧力との相関を実測しルックアップテーブルを生成することによって実現することが可能である。

以上説明したように、第２実施形態の圧力測定装置３０は、第１実施形態と同様に、容
器２０とポンプ室４０との間における圧力振動の共振を利用して測定対象の液体Ｌｑの圧力を測定することができる。上述のように、ポンプ室４０の内部圧力は液体Ｌｑの飽和蒸気圧なので、測定対象の液体Ｌｑの圧力との差に応じて変化する「負圧期間」は飽和蒸気圧からの相対圧を測定していることになる。従って、「負圧期間」は圧電素子の特性バラツキに依存しないので、圧電素子のキャリブレーションを必要としない。また、簡易な構造によって圧力測定を行うことができる。結果として、圧力を測定する際に、外部の誇りや、温度変化など、圧力測定装置３０の外部の変化に影響を受けにくい耐久性の高い構成とすることが可能である。よって、比較的劣悪な測定環境においても圧力測定が可能であるので、工業用に最適な圧力計とすることができる。例えば、液体を収容する工業用のタンクや、工業用の液体流路としての配管には、通常、温度計の挿入用の貫通孔や、ドレイン抜き用の貫通孔が設けられている。このような貫通孔に圧力測定装置３０の流路３４を接続することによって、タンク内や配管内の圧力を測定することが可能となる。また、本実施形態においては、１つの圧電素子３８で、ポンプ室４０の加圧と、ポンプ室４０の内部圧力の測定を行うので、それぞれ別個の素子や装置によって行う場合と比較して、構造の簡易化、小型化、低コスト化を実現することができる。

さらに、第２実施形態の圧力測定装置３０では、圧電素子３８に駆動信号Ｖｏｕｔを印加する時は、スイッチｓｗをオンすることで、抵抗ｒ端子間の電位差が０となるので（実際には、スイッチｓｗのオン抵抗によりわずかに電位差が生じることもある）、圧電素子３８の端子間の電位差が駆動信号Ｖｏｕｔの電圧とほぼ一致し、圧電素子３８に駆動電流Ｉｏｕｔを無駄なく流すことができる。また、圧電素子３８に駆動信号Ｖｏｕｔを印加した後は、スイッチｓｗをオフすることで、抵抗ｒ端子間の電位差に応じた電流信号Ｖｉが得られる。従って、第２実施形態の圧力測定装置３０によれば、抵抗ｒの抵抗値によらず圧電素子３８の駆動ロスを低減し、消費電力効率を向上させることができるとともに、抵抗ｒの抵抗値を大きくすることで検出のＳ／Ｎ比を向上させることができる。

Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
（Ｃ１）変形例１：
上記各実施形態においては、容器２０内に収容された水の圧力を測定するとしたが、測定対象の液体Ｌｑは密閉された容器に収容されている場合に限らず、配管や、開放された容器に収容されているとしてもよい。このような場合にでも、圧力測定装置３０は、液体Ｌｑの圧力を測定することが可能である。

（Ｃ２）変形例２：
圧力測定装置３０の態様は、図１に示した態様に限らず、種々の態様を採用することができる。図９は、変形例２としての圧力測定装置の態様を示す説明図である。図示するように流路３４の先端が鋭利な形状をしており、容器２０に突き刺して使用する態様となっている。測定対象の液体Ｌｑが収容されている容器２０には、流路３４を突き刺して容器２０の内部と連通させるため挿入部２２が設けられている。挿入部２２は、肉厚のゴム部材からなる。流路３４を抜いた後に形成された挿入部２２の穴は、ゴム部材の弾性力により塞がれる。

図示するように、圧力測定装置３０は、表示部７０と、測定の開始のためのスタートボタンや、測定値の記録を指示するための操作ボタンなど、種々の操作ボタン７２を有する。表示部７０には、測定された圧力の値がユーザーに視認可能に表示される。圧力測定装置３０をこのような態様とすることで、ユーザーは簡易に容器２０に収容されている液体Ｌｑの圧力を測定することができる。

（Ｃ３）変形例３：
上記各実施形態においては、圧電素子３８が、圧力振動を生じさせるとともに、ポンプ室４０の内部圧力を測定したが、それぞれ、別個の圧電素子を用いてもよい。つまり、圧力測定装置３０は、圧力差発生部としての圧電素子と、測定部としての圧電素子とを、各々、別個に備えるとしてもよい。また、上記実施形態においては、圧力差発生部として圧電素子を採用したが、圧電素子に換えて磁歪素子など、ポンプ室４０と容器２０との間に圧力差を生じさせることが可能な素子や装置を用いるとしてもよい。磁歪素子は歪みによる変位が大きいので、より大きい圧力振動を生じさせることができる。このようにしても、上記各実施形態と同様の効果を得ることができる。

（Ｃ４）変形例４：
上記各実施形態においては、ルックアップテーブルＬＵＴを用いて負圧期間Ｔあるいは第１期間から液体Ｌｑの圧力を取得するとしたが、他の方法によって、圧力を取得するとしてもよい。例えば、図４のグラフに示す負圧期間Ｔあるいは第１期間と圧力との相関を示す所定の関数を用いるとしてもよい。制御部５２が、負圧期間Ｔあるいは第１期間を所定の関数に代入して液体Ｌｑの圧力を算出することにより実現することができる。

（Ｃ５）変形例５：
上記各実施形態においては、負圧期間Ｔで測定できる液体Ｌｑの圧力は、液体Ｌｑの飽和蒸気圧からの相対圧としているが、予め液体Ｌｑの飽和蒸気圧を予め取得することにより、液体Ｌｑの絶対圧を測定することも可能である。

（Ｃ６）変形例６：
上記各実施形態においては、液体Ｌｑとして水を採用したが、それに限ることなく、所定の油（例えば、シリコンオイル）や、所定の有機溶媒（例えば、アルコール）など、種々の液体を採用することができる。この場合、制御部５２が、水に加え、所定の油、所定の有機溶媒など、種々の液体についてのルックアップテーブルＬＵＴを備えることで実現可能である。

（Ｃ７）変形例７：
上記各実施形態においては、圧力変更部として、圧電素子３８およびダイアフラム３６を採用したが、それに限らず、ポンプ室４０の圧力を変更させることができる種々の構成を採用することができる。例えば、ポンプ室４０に外部から液体を注入することによって、ポンプ室４０の圧力を変更するとしてもよい。そのほか、ポンプ室４０内にレーザー射出部を備え、ポンプ室４０内の水にレーザーを照射することによって気泡を発生させ、この気泡によって圧力を変更するとしてもよい。このようにしても、上記各実施形態と同様の効果を得ることができる。

（Ｃ８）変形例８：
上記第２実施形態においては、圧電素子３８の端子とグランドとの間に抵抗ｒとスイッチｓｗを並列に接続し、スイッチｓｗがオンの時に、圧電素子３８に流れる電流が抵抗ｒに流れるようにしたが、圧電素子３８の端子とグランドとの間に抵抗ｒとスイッチｓｗを直列に接続し、スイッチｓｗがオフの時に、圧電素子３８に流れる電流が抵抗ｒに流れるようにしてもよい。

（Ｃ９）変形例９：
上記各実施形態においては、圧電素子３８に正パルスの駆動信号Ｖｏｕｔを印加し、圧電素子３８を伸張させてポンプ室４０の内部圧力を上昇させることで圧力振動を発生させているが、圧電素子３８に負パルスの駆動信号Ｖｏｕｔを印加し、圧電素子３８を縮小さ
せてポンプ室４０の内部圧力を低下させることで圧力振動を発生させてもよい。

上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１０…測定システム
２０…容器
２２…挿入部
３０…圧力測定装置
３２…筐体
３４…流路
３６…ダイアフラム
３８…圧電素子
４０…ポンプ室
５０…駆動回路
５２…制御部
５４…増幅回路
５６…比較部
６０…圧力検出部
６２…電流検出回路
６４…積分回路
６６…減算回路
７０…表示部
７２…操作ボタン
８０…圧力変化速度検出部
８２…電流検出回路
８４…バンドパスフィルター
Ｌｑ…液体
ＬＵＴ…ルックアップテーブル

Claims (10)

1. 液体の圧力を測定する圧力測定装置であって、
   流路抵抗を有する流路と、
   前記流路と連通する所定容積の液体収容室と、
   前記液体収容室の圧力を変更する圧力変更部と、
   前記流路と前記液体収容室とに前記液体を収容した状態で、前記圧力変更部の動作にともなう前記液体収容室内の液体の挙動を測定する測定部と、
   前記液体の挙動に基づいて、前記液体の圧力を取得する取得部と
   を備える圧力測定装置。
2. 請求項１記載の圧力測定装置であって、
   前記液体の挙動は、前記圧力の変更によって、前記液体収容室の液体の圧力波が所定の値になったときから、次に当該所定の値になるまでの期間である
   圧力測定装置。
3. 請求項１記載の圧力測定装置であって、
   前記液体の挙動は、前記圧力の変更によって、前記液体収容室の液体の圧力波がピークになったときから、次に当該ピークと同じ極性のピークになるまでの期間である
   圧力測定装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の圧力測定装置であって、
   前記圧力変更部は、圧電素子を備え、前記圧電素子の歪力によって前記液体収容室の圧力を変更する
   圧力測定装置。
5. 請求項４記載の圧力測定装置であって、
   前記圧電素子は、さらに、前記液体収容室の圧力変化によって歪み、
   前記測定部は、前記圧電素子の歪みに基づいて前記液体の挙動を測定する
   圧力測定装置。
6. 請求項３または請求項４記載の圧力測定装置であって、
   前記測定部は、
   前記圧電素子を駆動し、前記圧電素子に流れる電流を検出し、前記圧電素子に流れる電流に基づいて前記液体の挙動を測定する
   圧力測定装置。
7. 請求項６記載の圧力測定装置であって、
   前記測定部は、
   前記圧電素子を駆動する間は前記圧電素子に流れる電流の検出を停止し、前記圧電素子の駆動を終了した後、前記圧電素子に流れる電流を検出する
   圧力測定装置。
8. 請求項７記載の圧力測定装置であって、
   前記測定部は、
   前記圧電素子に流れる電流を測定するための抵抗回路と、前記圧電素子に流れる電流を前記抵抗回路に流すか否かを制御するスイッチ回路と、を備える
   圧力測定装置。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の圧力測定装置であって、
   前記液体は、容器に収容され、
   前記液体収容室は、前記流路の一端と連通し、
   前記流路の他端は、前記容器と接続されている
   圧力測定装置。
10. 請求項９に記載の圧力測定装置であって、
    前記流路の他端は、前記容器と着脱可能に接続される
    圧力測定装置。