JP2019035693A - 圧力検出装置および圧力センサ - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1に開示される圧力センサは、センサ本体の下面に取り付けられた保護シートを介してセンサ本体に伝達される流体の圧力を検出するものである。
しかしながら、特許文献1に開示される圧力センサは、流体の圧力が低下して保護シートがセンサ本体の下面から引き離される力を受ける場合には、流体の圧力(負圧)に応じた検出値を得ることができない。これは、特許文献1に開示される圧力センサが、センサ本体の下面が押し付けられる力を検出値として得る静電容量タイプあるいは圧電タイプの圧力センサであるからである。そのため、特許文献1に開示される圧力センサは、流体の圧力が負圧となる場合に、流体の圧力を正確に検出することができなかった。
また、流体の圧力が負圧となる場合であっても流体の圧力を正確に検出することができるように圧力検出装置に新たな機構を設ける場合、その機構によって圧力検出の精度が低下することのないように対策する必要がある。
本発明の一態様にかかる圧力検出装置は、流体を導入する流路が形成された流路ユニットと、前記流体の圧力を検出する圧力検出ユニットと、前記流路ユニットを前記圧力検出ユニットに着脱可能に取り付ける取付機構と、を備え、前記流路ユニットが、前記流路を流通する前記流体の圧力を第1面に受けて変位する受圧用ダイヤフラムと、前記受圧用ダイヤフラムの第2面に接合された第1連結部と、を有し、前記圧力検出ユニットが、前記第1連結部から圧力が伝達される第1面を有する圧力検出用ダイヤフラムと、前記圧力検出用ダイヤフラムの第2面の中心部に接合された第2連結部と、前記圧力検出用ダイヤフラムの第2面に接合されるとともにホイートストンブリッジ回路を構成するように接続された4つの歪抵抗部と、を有し、前記第1連結部および前記第2連結部のいずれか一方が磁石により形成されており、前記第1連結部および前記第2連結部のいずれか他方が磁石または磁性体により形成されており、前記取付機構により前記流路ユニットが前記圧力検出ユニットに取り付けられた状態において、前記第1連結部と前記第2連結部とが磁力により吸引された状態で配置され、前記4つの歪抵抗部が前記圧力検出用ダイヤフラムの第2面の前記中心部を除く領域に接合されている。
このように、本発明の一態様にかかる圧力検出装置によれば、流体の圧力が負圧となる場合であっても流体の圧力を正確に検出することを可能とする機構を採用しつつ圧力検出の精度の低下を抑制した圧力検出装置を提供することができる。
圧力検出用ダイヤフラムの中心部に隣接した第1領域は圧力による変位に伴って伸びやすく、第1領域よりも中心部から離間した第2領域は圧力による変位に伴って縮みやすい。第1領域と第2領域のそれぞれに4つの歪抵抗部を配置することにより、圧力検出の精度が向上する。
このようにすることで、4つの歪抵抗部が、第3領域とは異なる第1領域および第2領域に配置される。圧力による半径方向の変形量が大きな領域に歪抵抗部が配置されるため、第1連結部から圧力が伝達された場合に半径方向の変形量が最小となる領域を含む第3領域に歪抵抗部を配置する場合に比べ、圧力検出の精度が向上する。
4つの歪抵抗部を構成する複数の歪抵抗素子を円周方向の異なる位置に配置することにより、圧力検出用ダイヤフラムの変位が中心部を中心とした同一円周上の各位置で異なる場合であっても、変位の差異を複数の歪抵抗素子により平均化して圧力検出の精度の低下を抑制することができる。
使用済みとなって交換される流路ユニットに比較的安価な磁性体を用いることで、圧力検出装置を継続的に使用する際のランニングコストを低減することができる。
以下、本発明の第1実施形態の圧力検出装置100を図面に基づいて説明する。
図1および図2に示すように、本実施形態の圧力検出装置100は、設置面S(図3参照)に締結ボルト(図示略)で取り付けられた圧力検出ユニット10と、流入口21aから流出口21bへ向けた直線状の流通方向に沿って流体を流通させる流路21が内部に形成された流路ユニット20と、流路ユニット20を圧力検出ユニット10に着脱可能に取り付けるナット(取付機構)30とを備える。
図1から図3に示すように、圧力検出ユニット10は、連結部(第2連結部)11と、圧力センサ12と、内部に圧力センサ12を配置する本体部13と、圧力センサ12を本体部13に保持するセンサ保持部14と、圧力センサ12とケーブル19との間で電源および電気信号を伝達するためのセンサ基板15と、圧力センサ12のゼロ点調整を行うためのゼロ点調整スイッチ16と、を備える。
以下では、連結部11を永久磁石とし、連結部23を磁性体とした例について説明する。
圧力センサ12は、連結部23からダイヤフラム12aの第1面12aAに伝達される圧力に応じて変形する歪抵抗部12bの抵抗値の変化に応じた圧力信号を出力する歪式のセンサである。ベース部12cにはダイヤフラム12aと連通する貫通穴が形成されており、ダイヤフラム12aの第2面12aBが大気圧に維持される。そのため、圧力センサ12は、大気圧を基準にしたゲージ圧を検出するセンサとなっている。
図4は、図3に示す圧力検出ユニット10のダイヤフラム12aを軸線Y1に沿って上方からみた図である。図4は、センサ保持部14を省略した図となっている。また、図4は、ダイヤフラム12aを第1面12aA側からみた図であるため、ダイヤフラム12aの第2面12aBに接合される4つの歪抵抗部12b(12bA,12bB,12bC,12bD)が仮想線で示されている。
ゼロ点調整回路は、ゼロ点調整スイッチ16が押下された場合に、その時点で圧力センサ12が出力する圧力信号を基準値(例えば、ゼロ)として設定するように調整する回路である。
図3,6,7に示すように、流路ユニット20は、流入口21aから流出口21bへ向けて軸線Xに沿って延びる流通方向に流体を流通させる流路21と、流路21を流通する流体の圧力を第1面22aに受けて変位するダイヤフラム(受圧用ダイヤフラム)22と、ダイヤフラム22の第2面22bに接合された連結部(第1連結部)23と、を備える。
弾性変形可能な材料(例えば、樹脂材料)により形成されるナット30は、環状溝部22dに向けて押し込まれることにより、環状突起部30bが環状溝部22dに係合した状態となる。
本実施形態の圧力検出装置100によれば、ナット30により流路ユニット20が圧力検出ユニット10に取り付けられた状態において、ダイヤフラム22の第2面22bに接合された連結部23とダイヤフラム12aの第2面12aBの中心部CPに接合された連結部11とが磁力により吸引された状態で配置される。そのため、流路21を流通する流体の圧力が正圧である場合、流体の圧力によりダイヤフラム22に接合された連結部23が流路21側から引き離され、連結部23がダイヤフラム12aの第1面12aAへ向けて押し付けられる。これにより、流体の圧力が正圧としてダイヤフラム12aの第2面12aBに接合された4つの歪抵抗部12bにより検出される。
このように、本実施形態の圧力検出装置100によれば、流体の圧力が負圧となる場合であっても流体の圧力を正確に検出することを可能とする機構を採用しつつ圧力検出の精度の低下を抑制した圧力検出装置100を提供することができる。
ダイヤフラム12aの中心部CPに隣接した第1変位部DP1は圧力による変位に伴って伸びやすく、第1変位部DP1よりも中心部CPから離間した第2変位部DP2は圧力による変位に伴って縮みやすい。第1変位部DP1と第2変位部DP2のそれぞれに4つの歪抵抗部12bを配置することにより、圧力検出の精度が向上する。
次に、本発明の第2実施形態の圧力検出装置について、図面を参照して説明する。
第2実施形態は第1実施形態の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第1実施形態と同様であるものとし、同一の符号を付して説明を省略する。
図9に示すように、本実施形態の歪抵抗部12bAは、歪抵抗素子12bA1と歪抵抗素子12bA2の2つの素子を、中心部CPを中心とした円周方向の異なる位置に配置したものである。同様に、本実施形態の歪抵抗部12bBは、歪抵抗素子12bB1と歪抵抗素子12bB2の2つの素子を、中心部CPを中心とした円周方向の異なる位置に配置したものである。同様に、本実施形態の歪抵抗部12bCは、歪抵抗素子12bC1と歪抵抗素子12bC2の2つの素子を、中心部CPを中心とした円周方向の異なる位置に配置したものである。同様に、本実施形態の歪抵抗部12bDは、歪抵抗素子12bD1と歪抵抗素子12bD2の2つの素子を、中心部CPを中心とした円周方向の異なる位置に配置したものである。
このようにすることで、4つの歪抵抗部12bが、第3変位部DP3とは異なる第1変位部DP1および第2変位部DP2に配置される。圧力による半径方向の変形量が大きな領域に歪抵抗部12bが配置されるため、連結部23から圧力が伝達された場合に半径方向の変形量が最小となる領域を含む第3変位部DP3に歪抵抗部12bを配置する場合に比べ、圧力検出の精度が向上する。
4つの歪抵抗部12bを構成する複数の歪抵抗素子を円周方向の異なる位置に配置することにより、ダイヤフラム12aの変位が中心部CPを中心とした同一円周上の各位置で異なる場合であっても、変位の差異を複数の歪抵抗素子により平均化して圧力検出の精度の低下を抑制することができる。
11 連結部(第2連結部)
12 圧力センサ
12a ダイヤフラム(圧力検出用ダイヤフラム)
12aA 第1面
12aB 第2面
12b 歪抵抗部
12c ベース部
13 本体部
14 センサ保持部
15 センサ基板
16 ゼロ点調整スイッチ
17 雄ねじ
19 ケーブル
19a ケーブル取付ナット
20 流路ユニット
21 流路
21a 流入口
21b 流出口
22 ダイヤフラム(受圧用ダイヤフラム)
22a 第1面
22b 第2面
22d 環状溝部
23 連結部(第1連結部)
30 ナット(取付機構)
30a 雌ねじ
30b 環状突起部
100 圧力検出装置
CP 中心部
DP 変位部
DP1 第1変位部(第1領域)
DP2 第2変位部(第2領域)
DP3 第3変位部(第3領域)
FP 固定部
S 設置面
X,Y1,Y2 軸線
Claims (6)
- 流体を導入する流路が形成された流路ユニットと、
前記流体の圧力を検出する圧力検出ユニットと、
前記流路ユニットを前記圧力検出ユニットに着脱可能に取り付ける取付機構と、を備え、
前記流路ユニットが、
前記流路を流通する前記流体の圧力を第1面に受けて変位する受圧用ダイヤフラムと、
前記受圧用ダイヤフラムの第2面に接合された第1連結部と、を有し、
前記圧力検出ユニットが、
前記第1連結部から圧力が伝達される第1面を有する圧力検出用ダイヤフラムと、
前記圧力検出用ダイヤフラムの第2面の中心部に接合された第2連結部と、
前記圧力検出用ダイヤフラムの第2面に接合されるとともにホイートストンブリッジ回路を構成するように接続された4つの歪抵抗部と、を有し、
前記第1連結部および前記第2連結部のいずれか一方が磁石により形成されており、前記第1連結部および前記第2連結部のいずれか他方が磁石または磁性体により形成されており、
前記取付機構により前記流路ユニットが前記圧力検出ユニットに取り付けられた状態において、前記第1連結部と前記第2連結部とが磁力により吸引された状態で配置され、
前記4つの歪抵抗部が前記圧力検出用ダイヤフラムの第2面の前記中心部を除く領域に接合された圧力検出装置。 - 前記ホイートストンブリッジ回路の4辺のうち対向する2辺の位置に配置される一対の前記歪抵抗部が前記中心部に隣接した第1領域に配置され、前記ホイートストンブリッジ回路の4辺のうち他の対向する2辺の位置に配置される一対の前記歪抵抗部が前記第1領域よりも前記中心部から離間した第2領域に配置される請求項1に記載の圧力検出装置。
- 前記圧力検出用ダイヤフラムの第2面には、前記第1領域よりも前記中心部から離間し、かつ前記第2領域よりも前記中心部に近接した第3領域が設けられており、
前記第3領域は、前記第1連結部から圧力が伝達された場合に半径方向の変形量が最小となる領域を含む請求項2に記載の圧力検出装置。 - 前記4つの歪抵抗部のそれぞれが複数の歪抵抗素子を有し、
前記複数の歪抵抗素子が前記中心部を中心とした円周方向の異なる位置に配置されている請求項1または請求項2に記載の圧力検出装置。 - 前記第1連結部が磁性体により形成されており、
前記第2連結部が磁石により形成されている請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の圧力検出装置。 - 圧力が伝達される第1面を有する圧力検出用ダイヤフラムと、
前記圧力検出用ダイヤフラムの第2面の中心部に接合された磁石または磁性体により形成される連結部と、
前記圧力検出用ダイヤフラムの第2面に接合されるとともにホイートストンブリッジ回路を構成するように接続された4つの歪抵抗部と、を有し、
前記4つの歪抵抗部が前記圧力検出用ダイヤフラムの第2面の前記中心部を除く領域に接合された圧力センサ。
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