JP2021156587A - 圧力検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】振動が発生する被測定物の圧力計測を正確に行うことができる圧力検出装置を提供する。【解決手段】被測定物に取り付けられて該被測定物の内部圧力を検出する圧力検出装置２０であって、被測定物の内部圧力を検出する第１圧電素子部３４を有する第１圧力検出部４１と、第１圧力検出部４１の軸方向に配置され、被測定物が発する振動を検出する第２圧電素子部７４を有する第２圧力検出部４２と、第１圧力検出部４１と第２圧力検出部４２との間に配置された中央シャフト部８１と、被測定物に取り付けるための取付部１０とを備え、第２圧力検出部４２を構成する第２圧力伝達部が、穴又は薄肉部を有する板状のダイアフラム７１であるように構成して上記課題を解決した。【選択図】図１７

Description

本発明は、圧力検出装置に関し、さらに詳しくは、振動が生じる被測定物の圧力計測を正確に行うことができる圧力検出装置に関する。

ガスタービンやエンジン等の内燃機関のような高温、高圧及び振動環境下で圧力を検知する装置として、圧電素子を備えた圧力検出装置が知られている。こうした圧力検出装置は、近年、非常に過酷な環境（高温、温度変動、振動、固体伝播音等）中で使用されることも多く、ノイズレベルを最小化して明確で高精度な実効信号を出力することが要求されている。こうした要求に対し、例えば特許文献１，２のような種々の技術が提案されている。

特許文献１には、固体伝播音又はケースひずみの悪影響から測定素子が保護されるとともに、他方で、センサの過熱が回避される圧電型圧力センサが提案されている。この技術は、外部カバーと、圧力受け部側において外部カバーに取り付けられて外部カバーに対して環状隙間を作り出す内部カバーとを含み、ダイアフラムと内部カバーの基体部との間に測定圧電素子が配置されるというものである。

特許文献２には、複数の圧電素子を備えた圧力検出装置において、複数の圧電素子に加わる予荷重の変動を抑制するための技術が提案されている。詳しくは、この圧力検出装置は、複数の圧電素子を並べて配置するとともに、各圧電素子に予荷重が加わる方向に沿って、導電部材、絶縁部材及び他の導電部材を配置する構成を採用した場合に、圧電素子と対向する部位と対向しない部位とで絶縁部材に付与される力の分布にむらが生じ、その結果、予荷重が付加された絶縁部材に割れ（クラック）が生じるという問題を解決した技術であって、その技術内容は、圧電体を用いて一端側から他端側に向かう圧力の変化を検出する複数の圧電素子と、導電性を有し複数の前記圧電素子それぞれの一端側と接触する電極部材と、前記電極部材を介して複数の前記圧電素子を支持する支持部材と、絶縁性を有し前記電極部材と前記支持部材との間に配置され、複数の前記圧電素子と対向しない部位には対向する部位と比べて脆弱な脆弱部が設けられた絶縁部材とを含む構成としている。

特開２００８−１２９０２４号公報 特開２０１８−１０５７１４号公報

図１４は従来の圧力検出装置１１０の代表例であり、図１５は特許文献２で提案された圧力検出装置１２０の例である。これらの圧力検出装置１１０，１２０では、ダイアフラム５１に印加された圧力が台座３７を通じて圧電素子３４に伝達する。圧電素子３４がＬＴＧＡ等の場合、印加された圧力分の＋の電荷と−の電荷が放出され、それぞれの電荷が電極３３を介して装置の外部へ伝達される。しかし、被測定物で発生する振動成分が、圧力印加による圧力成分に重畳して見過ごすことができない大きさである場合、正確な圧力を計測することができないという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、振動が発生する被測定物の圧力計測を正確に行うことができる圧力検出装置を提供することにある。

本発明者は、看過できない振動が発生する被測定物の圧力計測を正確に行うため、円筒形状の圧力検出装置に関し、ダイアフラムを備えた第１圧力検出部と、圧力検出装置の軸方向に第１圧力検出部と並列して配置された第２圧力検出部とを備える構成により、被測定物の振動成分に影響されない圧力計測が実現可能であることを見出し、さらに、小型軽量化とより正確な計測を実現できることを見出して、本発明を完成させた。

本発明に係る圧力検出装置は、被測定物に取り付けられて該被測定物の内部圧力を検出する圧力検出装置であって、前記被測定物の内部圧力を検出する第１圧電素子部及び前記第１圧電素子部の軸方向に配置された第１圧力伝達部を有する第１圧力検出部と、前記第１圧力検出部の軸方向に配置され、前記被測定物が発する振動を検出する第２圧電素子部及び前記第２圧電素子部の軸方向に配置された第２圧力伝達部を有する第２圧力検出部と、前記第１圧力検出部と前記第２圧力検出部との間に配置された中央シャフト部と、前記被測定物に取り付けるための取付部と、を備え、前記第２圧力伝達部が、穴又は薄肉部を有する板状のダイアフラムである、ことを特徴とする。

この発明によれば、被測定物に取り付けられる圧力検出装置は、第１圧力検出部と第２圧力検出部とが中央シャフト部を挟んで軸方向に配置されているので、被測定物に振動が生じた場合に、第１圧電素子部と第２圧電素子部には圧縮と引張がそれぞれ生じる。圧縮と引張は、それぞれの圧電素子部に正負の異なる電荷を生じさせ、その電荷の和を求めることにより、振動による加速度分の圧力検出信号をキャンセルすることができる。その結果、圧力計測を正確に行うことができる。さらに、第２圧力検出部を構成する第２圧力伝達部に穴又は薄肉部を備える低剛性のダイアフラムとしたので、第２圧力伝達部である第２ダイアフラムが動きやすくなり、加速度によって圧力検出装置全体が動こうとする場合であっても、その動きを第２台座にできるだけ伝えないようにして第２台座がその場に留まろうとし易くすることができる。その結果、第２台座がその場に留まろうとして生じる引張が圧電素子に作用するので、圧電素子にマイナス電荷が発生しやすくなり、加速度成分をキャンセルして正確な計測を行うことができる。

本発明に係る圧力検出装置において、前記第２圧力伝達部は、中央部分に穴又は薄肉部を有し、周縁に固定部を有するダイアフラムであることが好ましい。こうしたダイアフラムは、例えば穴や薄肉部のないダイアフラムと比較した場合、低剛性のダイアフラムとして評価できる。

本発明に係る圧力検出装置において、前記第１圧力検出部は、前記第１圧力伝達部と、前記第１圧力伝達部の前記軸方向に配置された第１台座と、前記第１台座の前記軸方向に配置された前記第１圧電素子部とを有し、前記第２圧力検出部は、前記第２圧力伝達部と、前記第２圧力伝達部の前記軸方向に配置された第２台座と、前記第２台座の前記軸方向に配置された前記第２圧電素子部とを有し、前記第１圧電素子部及び前記第２圧電素子部は、圧電素子と電極部材とを少なくとも有する。

この発明によれば、振動による加速度が生じた場合に、装置の先端側（前方）に配置された第１台座と後方に配置された第２台座それぞれがその場に留まろうとし、一方の圧電素子部を構成する圧電素子は中央シャフト部の移動により圧縮され、他方の圧電素子部を構成する圧電素子は中央シャフト部の移動により引張られる。各圧電素子の圧縮と引張が台座と中央シャフト部の作用により生じるので、各圧電素子は正負の異なる電荷を出力し、それぞれの電荷の和を求めることにより加速度分の圧力検出信号をキャンセルすることができる。

本発明に係る圧力検出装置において、前記第１圧電素子部及び前記第２圧電素子部は、１又は２以上の同数の圧電素子で構成されている。

この発明によれば、第１圧電素子部と第２圧電素子部をそれぞれ構成する圧電素子が同数なので、各圧電素子で発生する正負の異なる電荷の和をバランスよく求めることができる。なお、第１圧電素子部と第２圧電素子部は、それぞれ３枚の板状圧電素子で均等配置されていることが好ましい。こうすることにより、圧力検出装置への全方向から加わる振動に対しても、加速度分の圧力検出信号をキャンセルすることができ、圧力計測をより正確に行うことができる。

本発明に係る圧力検出装置において、前記取付部が、装置全体の重心位置に配置されている。

この発明によれば、第１圧電素子部と第２圧電素子部の圧縮と引張によって生じる電荷が生じ易くなる。その結果、振動による加速度分の圧力検出信号のキャンセルを効果的に行うことができ、圧力計測をより正確に行うことができる。なお、そうした取付部は、装置全体の重心位置となるように、第１台座と第２台座それぞれの位置と質量が調整される。

本発明によれば、振動が発生する被測定物の圧力計測を正確に行うことができる圧力検出装置を提供することができる。

本発明に係る圧力検出装置の一例を示す外観斜視図である。 図１に示す圧力検出装置の縦断面図である。 図１に示す圧力検出装置の縦断面の斜視図である。 図１に示す圧力検出装置の横断面図である。 絶縁板の一例である。 電極板の一例である。 第２ダイアフラムの一例である。 圧電素子の一例である。 第１台座の一例である。 第２台座の一例である。 第１台座と第２台座と取付部との位置関係及び居質量バランスの説明図である。 取付部に加わる振動に基づいた加速度の態様を示す説明図である。 本発明に係る圧力検出装置の重心位置に関する説明図である。 従来の圧力検出装置の一例を示す縦断面図である。 従来の圧力検出装置の他の一例を示す縦断面図である。 第１圧電素子部と第２圧電素子部を同一構造とした圧力検出装置の一例を示す縦断面図である。 第２ダイアフラムの装着形態の一例を示す斜視図である。 図１７に示す第２ダイアフラムを示す説明図である。

以下、本発明に係る圧力検出装置について、図面を参照しつつ説明する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではない。

［圧力検出装置］
本発明に係る圧力検出装置２０は、被測定物に取り付けられて該被測定物の内部圧力を検出する圧力検出装置である。その構成は、被測定物の内部圧力を検出する第１圧電素子部３４及び第１圧電素子部３４の軸方向Ｘに配置された第１圧力伝達部５１を有する第１圧力検出部４１と、第１圧力検出部４１の軸方向Ｘに配置され、被測定物が発する振動を検出する第２圧電素子部７４及び第２圧電素子部７４の軸方向Ｘに配置された第２圧力伝達部７１を有する第２圧力検出部４２と、第１圧力検出部４１と第２圧力検出部４２との間に配置された中央シャフト部８１と、被測定物に取り付けるための取付部１０とを備え、第２圧力伝達部７１が、穴又は薄肉部を有する板状のダイアフラム（第２ダイアフラム７１）である、ことに特徴がある。

こうした圧力検出装置２０は、第１圧力検出部４１と第２圧力検出部４２とが中央シャフト部８１を挟んで軸方向Ｘに配置されているので、被測定物に振動が生じた場合に、第１圧電素子部３４と第２圧電素子部７４には圧縮と引張がそれぞれ生じる。圧縮と引張は、それぞれの圧電素子部３４，７４に正負の異なる電荷を生じさせ、その電荷の和を求めることにより、振動による加速度分の圧力検出信号をキャンセルすることができる。その結果、圧力計測を正確に行うことができる。

さらに、第２圧力検出部４２を構成する第２圧力伝達部７１を、穴又は薄肉部を有する板状の低弾性のダイアフラム（第２ダイアフラム７１）としたので、第２ダイアフラム７１が動きやすくなり、加速度によって圧力検出装置全体が動こうとする場合であっても、その動きを第２台座７７にできるだけ伝えないようにして第２台座７７がその場に留まろうとし易くすることができる。その結果、第２台座７７がその場に留まろうとして生じる力が圧電素子に作用するので、圧電素子に電荷が発生しやすくなり、加速度成分をキャンセルして正確な計測を行うことができる。

なお、圧力検出装置２０は、図１〜図３に示す代表例では、被測定物の内部圧力を検出する側の検出部３０と、検出部３０の他端側に設けられ、検出部３０の検出信号を外部に設けられた機器（制御装置や解析装置）に出力する出力部６０とを備えている。こうした圧力検出装置２０は、検出部３０側がガスタービンエンジン等の被測定物の内部に露出して燃焼器側に配置され、出力部６０側が被測定物の外部に露出するように配置されている。圧力検出装置２０の全体形状は、図１に示すように、円筒形状で好ましく構成されているが、必ずしも円筒形状でなくてもよく、多角形であってもよい。なお、以下において、「円筒」、「円筒状」又は「円筒形状」とあるのは、円筒形状又は円柱形状の圧力検出装置２０を例にして説明しているためであり、それぞれの形状は特に限定されない。

各構成要素について説明する。以下において、最先端に位置する第１ダイアフラム５１の側を先端側といい、その逆側のシースケーブル６９の側を後端側という。

［被測定物］
被測定物は、本発明に係る圧力検出装置２０が取り付けられる対象物である。取付は、圧力検出装置２０の取付部１０が、被測定物に設けられた穴に挿入され、その取付部１０が被測定物の壁面に固定されることにより行われる。取り付けられた圧力検出装置２０は、その先端側の第１圧力伝達部５０で内部圧力の変化を検出する。被測定物の例としては、ガスタービンやエンジン等の内燃機関等を挙げることができるが、これらに限定されない。こうした被測定物では、それ自身の振動や、外部からの振動や衝撃を受けた被測定物の振動等により、被測定物の内部圧力と、それ以外の振動成分とを分離できない場合に生じる不正確な測定を解消でき、正確な圧力を計測することができる。

なお、被測定物に取り付けられる圧力検出装置２０は、図１及び図２等に示すように、円筒状であることが好ましいが、被測定物内に挿入できる形態であれば必ずしも円筒状でなくてもよい。圧力検出装置２０は、被測定物の燃焼器に取り付けられ、燃焼器で発生した燃焼圧の検出を行う。

［検出部］
検出部３０は、図２及び図３に示すように、被測定物の内部圧力を検出する側の部分である。検出部３０は、最も先端側に位置する第１圧力伝達部５０と、その第１圧力伝達部５０の軸方向Ｘの後端側に連続して配置される圧力検出部４０とで構成されている。圧力検出部４０は、第１圧力伝達部５０側（先端側）の第１圧力検出部４１と、出力部６０側（後端側）の第２圧力検出部４２とで構成されている。

（第１圧力検出部）
第１圧力検出部４１は、第１圧力伝達部５０と、第１圧力伝達部５０の軸方向Ｘの後端側に配置された第１台座３７と、第１台座３７の軸方向Ｘの後端側に配置された第１圧電素子部３４とを有している。第１圧電素子部３４の軸方向Ｘの両端（先端側と後端側）には、電極部材としての電極板３５，３３がそれぞれ配置されている。電極板３５，３３の第１圧電素子部３４の反対側の位置には、絶縁部材としての絶縁板３６，３２がそれぞれ配置され、電極板３５，３３が他の部材に電気的に接触するのを絶縁している。なお、第１圧力検出部４１を構成する筐体を第１筐体といい、第１圧力検出部と同じ符号４１を用いる。

（第１圧力伝達部）
第１圧力伝達部５０は、最も先端側に設けられ、第１ダイアフラム５１と、第１ダイアフラム５１の後端側に設けられた圧力分散板５２とで構成されている。第１ダイアフラム５１は、第１筐体４１の先端に露出して設けられており、圧力分散板５２は、第１筐体４１の内部に収容されている。

第１ダイアフラム５１は、円板状の部材であり、特に限定されないが、一般的に使用されるダイアフラムと同様のものを採用できる。第１ダイアフラム５１の後端側の面のうち、周縁側の突出部位は第１筐体４１の先端側の面に接触し、中央側の突出部位は圧力分散板５２の先端側の面に接触している。

圧力分散板５２は、円板状の部材であり、特に限定されないが、一般的に使用される圧力分散板と同様のものを採用できる。圧力分散板５２の外径は、図９に示す第１台座３７に設けられた凹部３７２の内径よりもわずかに小さく、その凹部３７２に嵌め込まれている。圧力分散板５２の先端側の面は、第１ダイアフラム５１の後端側且つ中央側の面と接触している。圧力分散板５２の後端側の面のうち、周縁側となる部位は第１台座３７の先端側の凹部３７２に嵌め込まれて接触し、中央側となる部位は第１台座３７の貫通孔３７３（図９参照）に対応した位置となっている。

（第１台座）
第１台座３７は、図２に示すように、第１筐体４１内に、第１圧力伝達部５０の後端側で、絶縁板３６の先端側に設けられている。第１台座３７の形状は特に限定されないが、圧力検出装置２０の形状が上記のように円筒形状である場合には、図９に例示した円筒状の部材を採用することができる。第１台座３７は、先端側の周縁に設けられる縁端部３７１と、縁端部３７１の内側に縁端部３７１よりも後端側に凹む凹部３７２と、凹部３７２を先端側から後端側に貫通する貫通孔３７３とで構成されている。第１台座３７は、その貫通孔３７３に貫通シャフト１５を挿入して接合されている。第１台座３７の後端側の面は、通常は平坦面であり、隣接する絶縁板３６の先端側の面と接触している。

（第１圧電素子部）
第１圧電素子部３４は、第１台座３７の軸方向Ｘの後端側に配置されている。第１圧電素子部３４は、圧電素子と電極部材とで少なくとも構成され、通常は絶縁部材も含まれる。圧電素子の軸方向Ｘの両端（先端側と後端側）には、電極部材がそれぞれ配置され、さらにその電極部材の圧電素子の反対側の位置には、絶縁部材がそれぞれ配置されている。

第１圧電素子部３４は、後述する第２圧電素子部７４と同様、１又は２以上の同数の圧電素子で構成されている。こうした構成にすることにより、第１圧電素子部３４と第２圧電素子部７４が同数なので、各圧電素子で発生する正負の異なる電荷の和をバランスよく求めることができる。なお、第１圧電素子部３４と第２圧電素子部７４は、図４に示すように、それぞれ３枚の板状圧電素子（第１圧電素子３４１、第２圧電素子３４２及び第３圧電素子３４３）で均等配置されていることが好ましい。こうすることにより、圧力検出装置２０への全方向から加わる振動に対しても、加速度分の圧力検出信号をキャンセルすることができ、圧力計測をより正確に行うことができる。

（圧電素子）
圧電素子は、一般的な圧電素子を採用することができる。複数の圧電素子で第１圧電素子部３４を構成する場合には、例えば図８に示す態様の板状の圧電素子を採用することが好ましい。図８に示す圧電素子はその一例であるが、好ましく採用される。ここでは、「第１圧電素子３４１」を例として説明を行う。

第１圧電素子３４１は、図８に示すように、全体として直方体の板状部材である。第１圧電素子３４１は、表面及び裏面となる第１受圧面３４１ａ及び第２受圧面３４１ｂと、互いに対向する側面となる正電荷出力面３４１ｃ及び負電荷出力面３４１ｄとを有している。なお、本実施形態では、正電荷出力面３４１ｃは後端側に、負電荷出力面３４１ｄは先端側それぞれ位置する。こうした第１圧電素子３４１は、圧電体で構成された素子本体３４１１と、素子本体３４１１に対し、第１受圧面３４１ａと正電荷出力面３４１ｃとに跨って形成された正電極膜３４１２と、第２受圧面３４１ｂと負電荷出力面３４１ｄとに跨って形成された負電極膜３４１３とを備えている。

素子本体３４１１は、圧電横効果の圧電作用を示す圧電体（例えば圧電単結晶）を備えている。圧電横効果とは、圧電体の電荷発生軸に対して直交する位置にある応力印加軸に外力を作用させると、電荷発生軸方向の圧電体の表面に電荷が発生する作用をいう。圧電体としては、圧電横効果を有するランガサイト系結晶（ランガサイト、ランガテイト、ランガナイト、ガリウムの一部をアルミニウムで置換したランガテイト（ＬＴＧＡ））や水晶、ガリウムリン酸塩等を例示することができる。正電極膜３１４２及び負電極膜３４１３としては、それぞれ、めっきした金（Ａｕ）等を用いることができる。

第１圧電素子３４１〜第３圧電素子３４３は、それぞれの正電荷出力面３４１ｃを後端側に、それぞれの負電荷出力面３４１ｄを先端側にした状態で、電極板３３と電極板３５とによって挟み込まれて保持されている。そして、これら第１圧電素子３４１〜第３圧電素子３４３は、後端側の電極板３３及び先端側の電極板３５の周方向に沿って並べて配置されている。本発明では、圧電横効果を奏する複数（好ましくは３枚）の圧電素子で構成しているので、全方向（Ｘ方向に限らず、Ｙ方向やＺ方向及びそれらの組み合わせ方向）に発生する加速度に対しても加速度分の圧力を検出することができる。なお、本実施形態では、第１圧電素子部３４を除く各構成要素を用いて第１圧電素子部３４に中心線方向に沿う予荷重を付与し、第１圧電素子３４１〜第３圧電素子３４３を位置決め（固定）している。すなわち、第１圧電素子３４１〜第３圧電素子３４３は、接着等で固定されていない。

第１圧電素子３４１〜第３圧電素子３４３のそれぞれにおいて、後端側の面、すなわち正電荷出力面３４１ｃに設けられた正電極膜３４１２は、後端側の電極板３３の先端側の面と接触している。第１受圧面３４１ａは、第１筐体４１の内周面に対向する態様で配置されている。第２受圧面３４１ｂは、貫通シャフト１５の外周面に対向する態様で配置されている。第１圧電素子３４１〜第３圧電素子３４３は、図４に示すように、互いに空隙を隔てて配置されている。

（電極板）
電極板３５，３３は、電極部材として各圧電素子を両端側から挟んで、第１圧電素子部３４を構成している。電極板３５は、先端側に配置された電極板であり、電極板３３は、後端側に配置された電極板である。これらの電極板３５，３３は同一の形状である。ここでは代表して電極板３３の一例を図６に示し、電極板３５の説明は省略する。図６に示す電極板３３は、先端側からみた斜視図であり、全体として環状の部材である。電極板３３の材質は特に限定されないが、耐熱性及び耐食性に優れたＮｉ−Ｍｏ合金等を好ましく挙げることができる。

電極板３３は、中央部に第３貫通孔３３３が設けられ、その周囲に第１貫通孔３３１及び第２貫通孔３３２が設けられている。第１貫通孔３３１及び第２貫通孔３３２は、第３貫通孔３３３を中心としたとき例えば１２０°等の間隔で配置されている。第１貫通孔３３１には電極ピン３８が挿入し、第２貫通孔３３２には電極ピン３９が挿入し、第３貫通孔３３３には貫通シャフト１５が挿入する。第３貫通孔３３３に挿入した貫通シャフト１５は。電極板３３を保持する。各貫通孔と、そこに挿入される電極ピン３８，３９又は貫通シャフト１５とを絶縁する必要がある場合は、絶縁材を介したり一定隙間を空けたりして挿入される。これらの各貫通孔は、図５に示す絶縁板３２の各貫通孔と重なるように位置決めされている。絶縁板との間の位置決め手段は特に限定されないが、板状部材の一般的な位置決め手段（凹凸係合、穴と突起の組み合わせ）や、各貫通孔に挿入される電極ピン３８，３９又は貫通シャフト１５によって行うことができる。このとき、電極板３３の後端側の面は、絶縁板３２の先端側の面と接触し、電極板３３の外周面は、第１筐体４１の内周面と対向配置されている。

（絶縁板）
絶縁板３６，３２は、絶縁部材として各電極板３５，３３を軸方向Ｘの両側から挟んで、第１圧電素子部３４を構成している。絶縁板３６は、先端側に配置された絶縁板であり、絶縁板３２は、後端側に配置された絶縁板である。これらの絶縁板３６，３２は同一の形状である。ここでは代表して絶縁板３２の一例を図５に示し、絶縁板３６の説明は省略する。図５に示す絶縁板３２は、先端側からみた斜視図であり、全体として環状の部材である。絶縁板３２の材質は特に限定されないが、絶縁性及び耐熱性を有するセラミックス材料（例えばアルミナセラミックス）等を好ましく挙げることができる。

絶縁板３２は、中央部に第３貫通孔３２３が設けられ、その周囲に第１貫通孔３２１及び第２貫通孔３２２が設けられている。第１貫通孔３２１及び第２貫通孔３２２は、第３貫通孔３２３を中心としたとき例えば１２０°等の間隔で配置されている。第１貫通孔３２１には電極ピン３８が挿入し、第２貫通孔３２２には電極ピン３９が挿入し、第３貫通孔３２３には貫通シャフト１５が挿入する。第３貫通孔３２３に挿入した貫通シャフト１５は、絶縁板３２を保持する。絶縁板３２は絶縁性があり、そこに挿入される電極ピン３８，３９又は貫通シャフト１５との絶縁は既に行われているが、必要に応じて一定隙間を空けて挿入される。これらの各貫通孔は、図６に示す電極板３３の各貫通孔と重なるように位置決めされている。電極板との間の位置決め手段は上記同様、特に限定されないが、板状部材の一般的な位置決め手段（凹凸係合、穴と突起の組み合わせ）や、各貫通孔に挿入される電極ピン３８，３９又は貫通シャフト１５によって行うことができる。このとき、絶縁板３２の先端側の面は、電極板３３の後端側の面と接触し、絶縁板３２の外周面は、第１筐体４１の内周面と対向配置されている。なお、絶縁板３２の先端側の面には、図５に示すように、例えば１２０°等間隔で放射状に３つの溝部（第１溝部３２４、第２溝部３２５、第３溝部３２６）が必要に応じて形成されていてもよい。

（電極ピン）
電極ピン３８，３９の形状は特に限定されないが、図２及び図３に記載のように、全体として円筒状且つ棒状の部材であり、先端側が電極板３３に接続されるとともに後端側が出力部６０側に突出する電極ピン３８と、先端側が電極板３５に接続されるとともに後端側が出力部６０側に突出する電極ピン３９である。これらの電極ピン３８，３９は、電極板３３や絶縁板３２がそれぞれ有する第１貫通孔３３１,３２１と第２貫通孔３３２，３２２に挿入されている。さらに、これらの電極ピン３８，３９は、中央シャフト部８１と、第２圧力検出部４２と、第２台座７７と、第２ダイアフラム７１とにそれぞれ設けられた貫通孔を貫通して、ケーブル６１，６２にそれぞれ接続されている。接続は、図２に例示するように、スリーブ６３，６４の内部で接続されている。これらの電極ピン３８，３９は、例えば図２の符号７８，８２，８３の絶縁材７８，８３等によって、他の部材に短絡しないように必要に応じて絶縁されている。

なお、図２の例では、電極ピン３８は、第１圧電素子部３４を構成する電極板３３と第２圧電素子部７４を構成する電極板７５に電気的に接続されている。一方、電極ピン３９は、第１圧電素子部３４を構成する電極板３５と第２圧電素子部７４を構成する電極板７３に電気的に接続されている。こうした電極ピン３８，３９は、第１圧電素子部３４で生じた電荷と第２圧電素子部７４で生じた電荷をキャンセルできるように、電極ピン３８は第１圧電素子部３４の後端側の電極板３３と第２圧電素子部７４の後端側の電極板７５とを電気的に接続し、電極ピン３９は第１圧電素子部３４の先端側の電極板３５と第２圧電素子部７４の先端側の電極板７３とを電気的に接続している。こうした接続方式により、第１圧電素子部３４と第２圧電素子部７４とで発生する異なる電荷を重畳させて打ち消し合うようにすることができ、加速度成分のキャンセルを実現することができる。

（貫通シャフト）
貫通シャフト１５は、図２に示すように、圧力検出装置２０の中央を、第１台座３７から第２台座７７まで貫通するシャフトである。その形状は特に限定されないが、円柱状のシャフトであることが好ましい。この貫通シャフト１５は、電極板３５，３３及び絶縁板３６，３２の中央に設けられた各第３貫通孔を貫通するとともに、その各第３貫通孔等で位置決めれている。なお、貫通シャフト１５の材質は特に限定されないが、耐熱性及び耐酸化性に優れたＮｉ−Ｃｒ合金等を挙げることができる。

（中央シャフト部）
中央シャフト部８１は、図２に示すように、第１圧力検出部４１と第２圧力検出部４２との間に配置された構造部材である。中央シャフト部８１により、第１圧力検出部４１と第２圧力検出部４２とは一定の距離で配置されることになる。その距離となる軸方向Ｘの長さは特に限定されないが、第１圧電素子部３４の軸方向Ｘの長さの１／２から１／１程度とすることができる。中央シャフト部８１の外周は、図２の例では圧力検出装置２０の外周と同じである。この中央シャフト部８１には、図１３に示すように、取付部１０を兼ねていてもよい。

（第２圧力検出部）
第２圧力検出部４２は、中央シャフト部８１を間に介して、第１圧力検出部４１の軸方向Ｘの後端側に配置され、先端側（第１圧力検出部４１の側）から、第２圧電素子部７４と、第２台座７７と、第２圧力伝達部（第２ダイアフラム７１）とを有している。第２圧電素子部７４の軸方向の両端（先端側と後端側）には、電極部材としての電極板７３，７５がそれぞれ配置されている。電極板７３，７５の第２圧電素子部７４の反対側の位置には、絶縁部材としての絶縁板７２，７６がそれぞれ配置され、電極板７３，７５が他の部材に電気的に接触するのを絶縁している。なお、第２圧力検出部４２を構成する筐体を第２筐体といい、第２圧力検出部と同じ符号４２を用いる。

（第２圧電素子部、電極板、絶縁板）
第２圧電素子部７４は、図２に示すように、上記した第１圧電素子部３４と同じ構造としてもよいし、構造原理を同じくした異なるサイズとしてもよい。また、電極板７３，７５及び絶縁板７２，７６も、上記した電極板３５，３３及び絶縁板３６，３２と同じ構造としてもよいし、構造原理を同じくした異なるサイズとしてもよい。第２圧電素子部７４を構成する各圧電素子、電極板７３，７５及び絶縁板７２，７６は、上記した第１圧電素子部３４を構成する各圧電素子、電極板３５，３３及び絶縁板３６，３２と同じ構造原理であるので、ここでは、これらの説明を省略する。

図１６は、第２圧電素子部７４を第１圧電素子部３４と同じ構造且つ同じ寸法にした例である。第１圧電素子部３４と第２圧電素子部７４とを同一構造とすることにより、効率的な製造が可能で、且つ低コストで製品バラツキの低減も実現できる。特に、第１圧電素子部３４と第２圧電素子部７４とをそれぞれ構成する各圧電素子及び電極板の全てを同一構造とし、電極板を絶縁するために設けられる絶縁板も全て同一構造とすることが好ましい。特に完全に左右対称構造とすることが好ましい。

（第２台座）
第２台座７７は、図２及び図１０に示すように、第２筐体４２内に、第２ダイアフラム７１の先端側で、絶縁板７６の後端側に配置されている。第２台座７７の形状は特に限定されないが、圧力検出装置２０の形状が上記のように円筒形状である場合には、図１０に例示した円筒状の部材を採用することができる。第２台座７７の先端側の面は、図１０（Ａ）に示すように、通常は平坦面であり、その中央に貫通シャフト１５が貫通する第３貫通孔７７３を有している。さらに、その第３貫通孔７７３の外周には、電極ピン３８，３９がそれぞれ貫通する第１貫通孔７７１と第２貫通孔７７２を有し、それら貫通孔７７１，７７２は第３貫通孔７７３を中心としたとき例えば１２０°等の間隔で配置されている。

一方、第２台座７７の後端側の面は、図１０（Ｂ）に示すように、中央に貫通シャフト１５が貫通する第３貫通孔７７３を有し、その第３貫通孔７７３の外周には、電極ピン３８，３９がそれぞれ貫通する第１貫通孔７７１と第２貫通孔７７２を有している。なお、後端側の面では、図１０（Ｂ）に示すような凸状段差部７７４が設けられていてもよいし、図７に示す第２ダイアフラム７１との位置決めに利用される凹状段差部７７５，７７６が設けられていてもよいが、各貫通孔７７１，７７２，７７３が設けられているだけで段差のない平坦面であってもよい。

（第２ダイアフラム）
第２ダイアフラム７１は、図７、図１７及び図１８に示すように、第２台座７７の軸方向Ｘの後端側に配置された第２圧力伝達部である。この第２ダイアフラム７１は、比較的薄いものであることが好ましく、その厚さは特に限定されないが、一例として、０．５〜１．５ｍｍ程度の厚さとすることができる。薄い厚さの第２ダイアフラム７１は、加速度成分をキャンセルして正確な計測を行う上で効果的である。こうした第２ダイアフラム７１には、電極ピン３８，３９がそれぞれ貫通する第１貫通孔７１１と第２貫通孔７１２を有している。これら貫通孔７１１，７１２は、上記した各貫通孔と同様、所定の配置角度（例えば１２０°等）で配置されている。また、第２ダイアフラム７１のいずれかの位置には、第２台座７７の位置決め突起（図１０において図示していない。）に挿入する位置決め穴７１４が設けられていることが好ましい。また、第２ダイアフラム７１は、その周縁で装置に固定され、それよりも後端側から予荷重が加えられている。

（低剛性の第２ダイアフラム）
本発明に係る圧力検出装置２０において、圧力検出装置２０に加速度が加わった場合に、取付部１０（フランジ）がその加速度で動き、第２台座７７を含めて圧力検出装置全体が動こうとする。この場合において、第２ダイアフラム７１の剛性が大きいと、第２ダイアフラム７１と一緒に第２台座７７も動くことになってしまい、第２台座７７はその場に留まり難くなる。その結果、第２台座７７がその場に留まろうとして生じる力が第２圧電素子部７４に作用しないので、第２圧電素子部７４に電荷が発生せず、加速度成分をキャンセルできずに正確な計測を行えない。

第２台座７７をその場に留める手段として、第２台座７７を重くすることも可能であるが、装置全体が大型化して軽量化や小型化ができなかったり、測定精度の点でも課題が生じたりしやすい。本発明では、第２ダイアフラム７１の剛性を小さくした。こうすることにより、第２ダイアフラム７１が動きやすくなり、加速度によって圧力検出装置全体が動こうとする場合であっても、その動きを第２台座７７にできるだけ伝えないようにして第２台座７７がその場に留まろうとし易くすることができる。その結果、第２台座７７がその場に留まろうとして生じる力が第２圧電素子部７４に作用するので、第２圧電素子部７４に電荷が発生し、加速度成分をキャンセルして正確な計測を行うことができる。

第２ダイアフラム７１の剛性を小さくする手段は特に限定されないが、例えば、図１８に示すように、その中央に中央穴７１３を空けて全体を軽量化した板状のダイアフラムを例示できる。軽量化は、中央穴７１３を空ける以外の方法でも可能であり、例えば、中央部分に厚さを薄くした薄肉部を設けたり、全体の厚さを薄くしたり、中央以外の部分に穴や薄肉部を空けたりする等、剛性を小さくした板状のダイアフラムであれば他の手段であってもよい。第２ダイアフラム７１は、その周縁で装置に固定され、それよりも後端側から予荷重が加えられている。なお、低剛性とは、例えば穴が空いていないダイアフラムと比較して評価でき、厚さを厚くしたダイアフラムと比較して評価できる。

図１７及び図１８に示す第２ダイアフラム７１は、第２台座７７に係合して位置決めを容易にする構造形態である。図１７及び図１８の符号７１５，７１６は係合部であり、この係合部７１５，７１６が、図１０に示す第２台座７７の凹状段差部７７５，７７６にそれぞれ係合する。

［出力部］
出力部６０は、検出部３０の後端側に設けられ、検出部３０の検出信号を外部に設けられた機器（制御装置や解析装置）に出力する部分である。この出力部６０は、電極ピン３８に接続される第１ケーブル６１と、電極ピン３９に接続される第２ケーブル６２とを備えている。ケーブル用筐体６５は、第１ケーブル６１及び第２ケーブル６２を内部に収容するものであり、符号６６は接続アダプタであり、符号６７は接続リングであり、いずれも出力部を形成する構造部材である。

（取付部とその重心位置の調整）
取付部１０は、被測定物に取り付けるための部材である。取付部１０は、図１１に示すように、装置全体の重心位置に配置されていることが好ましい。こうすることにより、第１圧電素子部３４と第２圧電素子部７４の圧縮と引張によって生じる電荷が生じ易くなる。その結果、振動による加速度分の圧力検出信号のキャンセルを効果的に行うことができ、圧力計測をより正確に行うことができる。

圧力検出装置２０の原理としては、第１圧力検出部４１及び第２圧力検出部４２は、振動による加速度が生じた場合に、装置の先端側（先方）に配置された第１台座３７と後端側（後方）に配置された第２台座７７それぞれがその場に留まろうとし、第１圧力検出部４１と第２圧力検出部４２の一方の圧電素子は中央シャフト部８１の移動により圧縮され、他方の圧電素子は中央シャフト部の移動により引張られる。各圧電素子の圧縮と引張が台座（第１台座３７と第２台座７７）と中央シャフト部８１の作用により生じるので、各圧電素子は正負の異なる電荷を出力し、それぞれの電荷の和を求めることにより加速度分の圧力検出信号をキャンセルすることができる。

取付部１０を装置全体の重心位置とするためには、取付部１０の位置と、第１台座３７及び第２台座それぞれの位置や質量とを調整する。図１１は、取付部１０の位置と、第１台座３７及び第２台座７７の質量との調整形態の説明図である。図１１（Ａ）は、第１台座３７及び第２台座７７を同じ質量とし、その中間位置に取付部１０を設けてバランスをとった例であり、図１１（Ｂ）は、第１台座３７を軽くし、第２台座７７を重くして、第２台座７７よりに取付部１０を設けてバランスをとった例であり、図１１（Ｃ）は、第１台座３７を重くし、第２台座７７を軽くして、第１台座３７よりに取付部１０を設けてバランスをとった例である。このように、第１台座３７及び第２台座７７の質量により、取付部１０の設置位置を調整してバランスをとることが好ましい。逆に言えば、取付部１０の位置により第１台座３７と第２台座７７の質量を調整することが好ましい。

図１２及び図１３は、バランスをとって取付部１０を設けた例である。こうすることにより、第１圧電素子部３４と第２圧電素子部７４とは正負の異なる電荷を出力し、それぞれの電荷の和を求めることにより加速度分の圧力検出信号をキャンセルすることができる。この場合において、図１２中の矢印のＸ方向に加速度を与えた場合、第１圧電素子部３４では後端側のＸ方向に対してマイナス値（引張応力）になり、第２圧電素子部７４では後端側のＸ方向に対してプラス値（圧縮応力）になる。そして、そのマイナス値とプラス値との和を、振動により生じた加速度分の圧力信号として、その圧力信号を実際の測定圧力から差し引くことで、より正確な測定圧力とすることができる。

取付部１０は、通常、図１〜図３、図１２及び図１３に示すように、一定幅のフランジ形である。こうしたフランジ形の取付部１０において、図１３に示すように、取付部１０の先端側の端面１１は、円周方向（Ｙ、Ｚ軸）の加速度感度に影響し易く、後端側の端面１２は、先端側の方向（前方）に移動する固有値が低下し易い。したがって、取付部１０の位置は、できるだけ後端側の方向（後方）に設けることが好ましいということができるが、そうすると圧力検出装置２０全体の重心位置が後方になってしまう。そのため、図１１に示すように、第１台座３７と第２台座７７の質量をそれぞれ調整して、軸方向Ｘの加速度感度を上げてより正確な加速度成分を算出することにより、加速度分の圧力検出信号をキャンセルすることができる。

また、第２ダイアフラム７１については、第２ダイアフラム７１と第２台座７７との接触面積を小さくすることが好ましいと言える。こうすることで、フランジ形の取付部１０の後端側の端面１２と第２台座７７との距離が近い場合であっても、加速度受けた際に第２台座７７が取付部１０に追随して動き易くなってしまい、第２圧電素子部７４で検出する圧力値が大きくなってしまう。そのため、第２ダイアフラム７１と第２台座７７とをできるだけ小さい面積で接触させることにより、第２圧電素子部７４で検出する圧力値を抑えることが可能になる。その結果、フランジ形の取付部１０の後端側の端面１２が第２台座７７に近くなった場合でも、より正確な加速度成分を算出でき、第１台座３７と第２台座７７の質量調整も容易になるというメリットがある。

（解析例）
表１は、加速度成分をキャンセルした結果を示した。表１の結果は、図１２に示す圧力検出装置２０において、フランジ形の取付部１０を被測定物に固定し、Ｘ方向（後端側）又はＹ方向（径方向）に１Ｇの加速度を加え、第１圧電素子部３４と第２圧電素子部７４を構成する第１圧電素子〜第３圧電素子それぞれのＸ方向の平均応力（マイナス値、プラス値）を算出し、それぞれ加算し、表１の右端の蘭には最終的に加算した値を示した。なお、この解析は、第１台座３７と第２台座７７の質量を同じとし、フランジ形の取付部１０を図１２に示すように、圧力検出装置２０の重心位置とした場合の結果である。

表１の結果より、軸方向（Ｘ方向）に加速度を加えた場合には、第１圧電素子部３４を構成する第１圧電素子３４１〜第３圧電素子３４３それぞれは、Ｘ方向の圧縮応力によりマイナスの加速度成分が生じた。一方、第２圧電素子部７４を構成する第１圧電素子７４１〜第３圧電素子７４３それぞれは、Ｘ方向の引張応力によりプラスの加速度成分が生じた。これらを加算することで、対応する３つの圧電素子（第１圧電素子３４１と第１圧電素子７４１、第２圧電素子３４２と第２圧電素子７４２、第３圧電素子３４３と第３圧電素子７４３）の和の平均値として０．００６ｋＰａ／Ｇという小さい値が得られ、第１圧電素子部３４と第２圧電素子部７４でそれぞれ生じた加速度成分をキャンセルすることができることがわかった。

また、径方向（Ｙ方向）に加速度を加えた場合には、第１圧電素子部３４を構成する第１圧電素子３４１はＸ方向の引張応力によりプラスの加速度成分が生じ、第２圧電素子と第３圧電素子はＸ方向の圧縮応力によりマイナスの加速度成分が生じた。一方、第２圧電素子部７４を構成する第１圧電素子７４１はＸ方向の圧縮応力によりマイナスの加速度成分が生じ、第２圧電素子７４２と第３圧電素７４３子はＸ方向の引張応力によりプラスの加速度成分が生じた。これらを加算することで、対応する３つの圧電素子（第１圧電素子３４１と第１圧電素子７４１、第２圧電素子３４２と第２圧電素子７４２、第３圧電素子３４３と第３圧電素子７４３）の和の平均値として０．００９ｋＰａ／Ｇという小さい値が得られ、第１圧電素子部３４と第２圧電素子部７４でそれぞれ生じた加速度成分をキャンセルすることができることがわかった。

なお、第１圧電素子部３４と第２圧電素子部７４を構成する第１圧電素子〜第３圧電素子それぞれが圧力を受けて出力される電荷の単位は、ｃ／ｂａｒである。先端側の第１圧電素子部３４と後端側の第２圧電素子部７４とが両方配置されている本発明に係る圧力検出装置２０の場合と、先端側の第１圧電素子部３４だけが配置されている図１４及び図１５に示す従来型の圧力検出装置１１０，１２０の場合とを比較すると、本発明に係る圧力検出装置２０では、表１に示すように、軸方向（Ｘ方向）の加速度成分は０．００６ｋＰａ／Ｇであり、径方向（Ｙ方向：円周方向）の加速度成分は０．００９ｋＰａ／Ｇとなり、効果的なキャンセルを実現できた。一方、図１５に示す従来型の圧力検出装置１２０では、軸方向（Ｘ方向）の加速度成分は、（−０．８５６ｋＰａ／Ｇ）＋（−０．８８６ｋＰａ／Ｇ）＋（−０．８８０ｋＰａ／Ｇ）＝−２．６２２ｋＰａ／Ｇ、であり、径方向（Ｙ方向：円周方向）の加速度成分は、（＋０．５３０ｋＰａ／Ｇ）＋（−０．２６８ｋＰａ／Ｇ）＋（−０．２９９ｋＰａ／Ｇ）＝−０．０３７ｋＰａ／Ｇ、であった。これらの新旧の圧力検出装置を比較すると、軸方向（Ｘ方向）の加速度成分は、０．００６／２．６２２＝１／４３７となり、径方向（Ｙ方向：円周方向）の加速度成分は、０．００９／０．０３７＝１／４．１となり、それぞれ改善されていることがわかった。

このように、本発明に係る圧力検出装置２０の構成とすることにより、被測定物で生じる加速度成分をほぼゼロに抑えることができているので、被測定物の内部圧力値を正確に測定することができることになる。特に、第２圧力検出部４２を構成する第２ダイアフラム７１を低剛性のダイアフラムとしたので、第２ダイアフラム７１が動きやすくなり、加速度によって圧力検出装置全体が動こうとする場合であっても、その動きを第２台座７７にできるだけ伝えないようにして第２台座７７がその場に留まろうとし易くすることができる。その結果、圧電素子に電荷が発生しやすくなり、加速度成分をキャンセルして正確な計測を行うことができる。

１０ 取付部
１１ 先端側の端面
１２ 後端側の端面
１５ 貫通シャフト
２０ 圧力検出装置
３０ 検出部
３２ 絶縁板
３２１ 第１貫通孔
３２２ 第２貫通孔
３２３ 第３貫通孔
３２４ 第１溝
３２５ 第２溝
３２６ 第３溝
３３ 電極板
３３１ 第１貫通孔
３３２ 第２貫通孔
３３３ 第３貫通孔
３４ 圧電素子部
３４１ 第１圧電素子
３４１ａ 第１受圧面
３４１ｂ 第２受圧面
３４１ｃ 正電荷出力面
３４１ｄ 負電荷出力面
３４１１ 素子本体
３４１２ 正電極膜
３４１３ 負電極膜
３４２ 第２圧電素子
３４３ 第３圧電素子
３５ 電極板
３６ 絶縁板
３７ 第１台座
３７１ 縁端部
３７２ 凹部
３７３ 貫通孔
３８ 第２電極ピン
３９ 第１電極ピン
４０ 圧力検出部
４１ 第１圧力検出部（先端側圧力検出部）
４２ 第２圧力検出部（後端側圧力検出部）
５０ 第１圧力伝達部
５１ 第１ダイアフラム
５２ 圧力分散板
６０ 出力部
６１ ケーブル
６２ ケーブル
６３ スリーブ
６４ スリーブ
６５ ケーブル用筐体
６６ 接続アダプタ
６７ 接続リング
６９ シースケーブル
７１ 第２圧力伝達部（第２ダイアフラム）
７１１ 第１貫通孔
７１２ 第２貫通孔
７１３ 穴中央
７１４ 位置決め穴
７２ 絶縁板
７３ 電極板
７４ 第２圧力素子部
７４１ 第１圧電素子
７４２ 第２圧電素子
７４３ 第３圧電素子
７５ 電極板
７６ 絶縁板
７７ 第２台座
７７１ 第１貫通孔
７７２ 第２貫通孔
７７３ 第３貫通孔
７７４ 凸状段差部
７７５ 凹状段差部
７７６ 凹状段差部
７７９ 突起
７８ 絶縁材
８１ 中央シャフト部
８２ 絶縁材
８３ 位置決めスリーブ

Claims (5)

1. 被測定物に取り付けられて該被測定物の内部圧力を検出する圧力検出装置であって、
   前記被測定物の内部圧力を検出する第１圧電素子部及び前記第１圧電素子部の軸方向に配置された第１圧力伝達部を有する第１圧力検出部と、前記第１圧力検出部の軸方向に配置され、前記被測定物が発する振動を検出する第２圧電素子部及び前記第２圧電素子部の前記軸方向に配置された第２圧力伝達部を有する第２圧力検出部と、前記第１圧力検出部と前記第２圧力検出部との間に配置された中央シャフト部と、前記被測定物に取り付けるための取付部と、を備え、前記第２圧力伝達部が、穴又は薄肉部を有する板状のダイアフラムである、ことを特徴とする圧力検出装置。
2. 前記第２圧力伝達部は、中央部分に前記穴又は前記薄肉部を有し、周縁に固定部を有する請求項１に記載の圧力検出装置。
3. 前記第１圧力検出部は、前記第１圧力伝達部と、前記第１圧力伝達部の前記軸方向に配置された第１台座と、前記第１台座の前記軸方向に配置された前記第１圧電素子部とを有し、
   前記第２圧力検出部は、前記第２圧力伝達部と、前記第２圧力伝達部の前記軸方向に配置された第２台座と、前記第２台座の前記軸方向に配置された前記第２圧電素子部とを有し、
   前記第１圧電素子部及び前記第２圧電素子部は、圧電素子と電極部材とを少なくとも有する、請求項１又は２に記載の圧力検出装置。
4. 前記第１圧電素子部及び前記第２圧電素子部は、１又は２以上の同数の圧電素子で構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧力検出装置。
5. 前記取付部が、装置全体の重心位置に配置されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧力検出装置。
   
   
   

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