JP3145590B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、たとえば、ジェット
エンジンの空燃比（燃料流量に対する供給空気流量の割
合）を決定する際の空気圧の計測等、各種圧力の精密計
測に用いられ、円筒振動子に加えられる圧力によりその
固有振動数が変化することにより、空気等の流体の圧力
を検出する円筒振動式の圧力センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】図３は従来の圧力センサ１の構成例を表
す正断面図である。この図において、円筒振動子２は、
恒弾性合金からなり、上面２ａ1が閉じられた薄肉の円
筒部２ａと、この円筒部２ａの下部にこの円筒部２ａと
同軸で一体に形成された円筒状の基部２ｂとから構成さ
れている。円筒振動子２の円筒部２ａは、自身と同軸で
その径が基部２ｂの径と同一の円筒状のハウジング３の
内側に嵌合されている。円筒部２ａの上面２ａ1がハウ
ジング３の上部開口３ａを塞ぎ、基部２ｂの上面２ｂ1
がハウジング３の下部開口３ｂを塞ぐことにより、円筒
振動子２とハウジング３との空隙４が真空室を構成して
いる。また、円筒振動子２の基部２ｂの上面２ｂ1近傍
には、溝２ｃ1が形成されている。この溝２ｃ1には、２
組の圧電素子７ａ1,７ａ2および圧電素子７ｂ1,７ｂ2が
取り付けられている。圧電素子７ａ1と圧電素子７ａ2、
および圧電素子７ｂ1と圧電素子７ｂ2とは、それぞれ互
いに対向する位置に取り付けられおり、また、各組の取
り付け位置は互いに直交している。なお、図３には、圧
電素子７ａ1,７ａ2のみが図示されている。

【０００３】また、円筒振動子２の基部２ｂの内側に
は、断面略十字状の圧力ポート５の円筒部５ａが、基部
２ｂの下面から中央略上部に至るまで挿入されている。
圧力ポート５は、上記円筒部５ａと、この円筒部５ａの
下部にこの円筒部５ａと同軸で一体に形成された台部５
ｂおよび基部５ｃとから構成されている。圧力ポート５
の内側には、圧力ポート５が円筒振動子２の基部２ｂ内
側に嵌合された際に、円筒振動子２の内側に連通する連
通孔５ｄが形成されている。この連通孔５ｄは、基部５
ｃの下面５ｃ1から基部５ｃと台部５ｂとの接続部近傍
までは大径の円柱状、上記接続部近傍はテーパ状、上記
接続部近傍から円筒部５ａの上面５ａ1までは小径の円
柱状である。

【０００４】さらに、圧力ポート５において、円筒部５
ａの上面５ａ1近傍の外周面には、溝５ａ2が形成されて
いる。この溝５ａ2には、２組のＯリング６ａ1,６ａ2お
よび６ｂ1,６ｂ2が取り付けられている。Ｏリング６ａ1
とＯリング６ａ2、およびＯリング６ｂ1とＯリング６ｂ
2とは、それぞれ互いに対向する位置に取り付けられて
おり、また、各組の取付位置は互いに直交している。な
お、図３には、Ｏリング６ａ1，６ａ2のみが図示されて
いる。この圧力センサ１には、圧力ポート５の基部５ｃ
の下面５ｃ1側から（図中の矢印方向）検出すべき圧力
が加えられる。

【０００５】次に、上述した圧力センサ１を適用した圧
力計測装置の構成について図４を参照して説明する。図
４に示す圧力計測装置は、圧力トランスデューサ７と、
受信計８とから構成されている。圧力トランスデューサ
７において、圧力センサ１の圧電素子７ａ1および７ａ2
が増幅器９の入力端に接続され、圧電素子７ｂ1が増幅
器９の出力端に接続されることにより共振回路を構成
し、圧力センサ１の円筒振動子２を自励振させる。この
円筒振動子２の固有振動数は、加えられた圧力に比例し
て変化するので、その固有振動数に応じた固有振動数信
号Ｓfが圧電素子７ｂ2から取り出されて受信計８に供給
される。また、圧力トランスデューサ７のベース部分に
は、温度補償用の温度センサ１０が組み込まれており、
検出した温度に対応した温度信号Ｓtを受信計８に供給
する。

【０００６】次に、受信計８において、カウンタ１１
は、圧力トランスデューサ７から供給された固有振動数
信号Ｓfをカウントしてそのカウント値をＣＰＵ（中央
処理装置）１２に供給する。いっぽう、アナログ／デジ
タル（Ａ／Ｄ）コンバータ１３は、圧力トランスデュー
サ７から供給された温度信号Ｓtをデジタルの温度デー
タに変換した後、ＣＰＵ１２に供給する。これにより、
ＣＰＵ１２は、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）１４に記
憶された制御プログラムを実行して、上記カウント値お
よび温度データに基づいて、図３に示す、圧力ポート５
の基部５ｃの下面５ｃ1側から加えられた圧力を算出
し、表示器１５に表示する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した円
筒振動式の圧力センサ１においては、既に説明したよう
に、円筒振動子２の固有振動数が加えられた圧力に比例
して変化することを利用しているので、圧力の変化に対
して円筒振動子２の固有振動数が直線的に変化しなけれ
ばＣＰＵ１２において圧力が正確に算出されない。たと
えば、この圧力センサ１をジェットエンジンの空気圧計
測に用いた場合、空気圧が精度よく検出されなければ空
燃比が誤って決定される虞れがあり、ひいてはジェット
エンジンの加熱等重大な障害を発生させる要因となって
しまう。

【０００８】しかしながら、上述した従来の圧力センサ
１においては、圧力に対する上記固有振動数の特性が圧
力の検出範囲内で直線的な特性からはずれてしまうポイ
ントがある。ここで、図５に、図３に示す圧力センサ１
の測定精度の一例を表す。図５において、psiaはヤード
・ポンド法における圧力の単位であり、１気圧で１５．
５psiaである。また、図５において、フルスーケル誤差
とは、圧力センサ１に加えた圧力値（圧力基準器の計測
値）から圧力センサ１によって実際に計測され、算出さ
れた圧力値を減算して得られた値を１気圧の値（１５．
５psia）で除算し、その結果を百分率で表したものであ
る。図５において、点Ａで示すポイント、すなわち、圧
力センサ１に約１３psiaの圧力が加えられた場合、フル
スケール誤差が直線性（フルスケール誤差０）から約−
０．０２％ずれている。この約−０．０２％のフルスケ
ール誤差は、上記ジェットエンジンの空気圧計測におい
ては決して小さい値ではない。この発明は、このような
背景の下になされたもので、高精度で圧力を検出できる
圧力センサを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明は、上面が閉じ
られ、下面が開口した薄肉の円筒部を有する円筒振動子
と、前記円筒振動子と同軸の円筒状であり、その内側に
前記円筒振動子の前記円筒部が嵌合されて前記円筒振動
子との空隙が真空室を構成するハウジングと、前記円筒
振動子の内側にその円筒部が挿入されるとともに、その
内側に、前記円筒振動子の内側をその下面開口部を介し
て外部と連通させる連通孔が形成された圧力ポートとを
有し、前記圧力ポートの下面開口部に加えられる圧力の
変化に応じて前記円筒振動子の固有振動数が変化する圧
力センサにおいて、前記円筒振動子の内側と前記圧力ポ
ートの上面とによって形成される空間に発生する定在波
の振動数が前記円筒振動子の前記固有振動数の変化範囲
外となるように、前記圧力ポートの円筒部の長さ、ある
いは前記円筒振動子の内壁の厚さを設定することを特徴
としている。

【００１０】

【作用】上記構成によれば、圧力ポートの下面開口部に
加えられた検出すべき圧力は、圧力ポートの連通孔を介
して、円筒振動子の円筒部に加えられる。円筒振動子
は、圧力ポートの下面開口部に加えられた検出すべき圧
力の変化に応じてその固有振動数が変化する。このと
き、円筒振動子の内側と圧力ポートの上面とによって形
成される空間に発生する定在波の振動数は、該固有振動
数の変化範囲外となる。

【００１１】

【実施例】この発明の一実施例について説明する前に、
上述した課題を解決するための基本的な考え方について
説明する。上記〔発明が解決しようとする課題〕の項で
説明した、円筒振動子２の圧力−固有振動数特性の直線
性からの逸脱の原因は種々考えられるが、その１つとし
て、図３に示す円筒振動子２の内側と圧力ポート５の円
筒部５ａの上面５ａ1とによって形成される空間（これ
を気柱という）に発生する定在波の振動数（以下、気柱
振動数という）が上記円筒振動子２の固有振動数の変化
範囲内に存在することが挙げられる。

【００１２】ここで、上記気柱振動数による円筒振動子
２の固有振動数への影響について考察する。まず、気柱
振動数ｆは、圧力センサ１の気柱の長さＬ（mm）（図３
参照）と空気中の音速ｖ（m/s）とにより、一般的に、
（１）式で表される。 ｆ＝ｖ／２Ｌ・・・（１） また、音速ｖは、温度ｔ（゜Ｃ）により、（２）式で表
される。 ｖ＝３３１．５＋０．６１ｔ・・・（２）

【００１３】今、気柱の長さＬが３２mm、周囲温度が２
０゜Ｃとすると、（１）および（２）式より、気柱振動
数ｆは、 ｆ＝（３３１．５＋０．６１×２０）／（２×３２×１
０^-3） ≒５３７０（Ｈｚ） となる。なお、気柱の直径は８mmである。以上得られた
気柱振動数ｆは基本振動数であるから、その整数ｎ倍の
振動数（ｎ×ｆ）も存在するはずである。たとえば、基
本振動数ｆの２倍の振動数２ｆは、（２×５３７０＝１
０７４０）（Ｈｚ）となる。いっぽう、図５に示した圧
力−フルスケール誤差特性の点Ａ、すなわち、圧力が約
１３psiaの場合の円筒振動子２の固有振動数は、別途求
めた、円筒振動子２の圧力−固有振動数特性より、１０
７４５Ｈｚであった。以上からわかるように、気柱振動
数ｆの２倍の振動数２ｆと、フルスケール誤差が約−
０．０２％の時の円筒振動子２の固有振動数とはほぼ一
致する。これにより、気柱振動数ｆが円筒振動子２の固
有振動数に対して何らかの影響を与えていることがわか
る。

【００１４】そこで、この発明は、気柱振動数ｆをその
整数倍の振動数も含めて円筒振動子の固有振動数の変化
範囲外となるように圧力センサを構成することにより、
圧力センサの、圧力変化に対する固有振動数変化の直線
性を改善できるのではないかという考えに基づいてなさ
れた。

【００１５】以下、図面を参照して、この発明の実施例
について説明する。図１はこの発明の一実施例における
圧力センサ２１の構成を表す正断面図であり、この図に
おいて、図３の各部に対応する部分には、同一の符号を
付け、その説明を省略する。この図に表す圧力センサ２
１においては、圧力ポート５の円筒部５ａの上面５ａ1
に円筒部５ａと同一径の円筒状の延長部材２２が新たに
取り付けられている。延長部材２２の内側には、圧力ポ
ート５の内側に形成された連通孔５ｄと同一径の連通孔
２２ａが形成されており、この連通孔２２ａおよび連通
孔５ｄを介して円筒振動子２の内側と外部とが連通す
る。この圧力センサ２１は、図４に示す圧力計測装置に
おいて、圧力センサ１の代わりに用いられて圧力計測に
使用されるが、その動作については、〔従来の技術〕の
項で説明した動作とほぼ同様であるので、その説明を省
略する。

【００１６】ここで、実験データを以下に示す。上記圧
力センサ２１の気柱振動数ｆは、気柱の長さＬを１３
（mm）（図１参照）とし、測定時の周囲温度を２０（゜
Ｃ）とすると、上記（１）および（２）式より、 ｆ＝（３３１．５＋０．６１×２０）／（２×１３×１
０^-3） ≒１３２１９（Ｈｚ） となる。以上得られた気柱振動数ｆは基本振動数である
から、その整数ｎ倍の振動数（ｎ×ｆ）も存在するが、
基本振動数ｆがすでに、従来の圧力センサ１において問
題となった、圧力が約１３psiaの場合の円筒振動子２の
固有振動数（１０７４５Ｈｚ）を越えているので、整数
ｎ倍の振動数（ｎ×ｆ）は、何等影響を及ぼさない。こ
こで、図２に、圧力センサ２１について、図５に示した
圧力−固有振動数特性を求めた場合と同様の方法で測定
した結果の一例を示す。図２と図５とを比較してわかる
ように、図２において、図５の点Ａに対応するポイント
のフルスケール誤差は、ほぼ０である。すなわち、上述
した一実施例による構成により、圧力センサの、圧力変
化に対する固有振動数変化の直線性が改善されている。

【００１７】以上、この発明の実施例を図面を参照して
詳述してきたが、具体的な構成は、この実施例に限られ
るものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設
計の変更等があってもこの発明に含まれる。たとえば、
上述した一実施例においては、圧力ポート５の円筒部５
ａの上面５ａ1に延長部材２２を取り付けた例を示した
が、これに限定されず、円筒部５ａと延長部材２２とを
一体に構成したり、あるいは、円筒振動子２の円筒部２
ａの上部の厚さを厚くしてもよい。要するに、気柱振動
数ｆがその整数倍の振動数も含めて円筒振動子の固有振
動数の変化範囲外となるような構成であればどのような
ものでもよい。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、広範囲にわたって測定精度を向上させることができ
るという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例による圧力センサ２１の構
成を表す正断面図である。

【図２】圧力センサ２１の圧力−フルスケール誤差特性
の一例を表す図である。

【図３】従来の圧力センサ１の構成例を表す正断面図で
ある。

【図４】圧力センサを適用した圧力検出装置の構成例を
表すブロック図である。

【図５】圧力センサ１の圧力−フルスケール誤差特性の
一例を表す図である。

【符号の説明】

１，２１ 圧力センサ ２ 円筒振動子 ３ ハウジング ５ 圧力ポート ２２ 延長部材

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上面が閉じられ、下面が開口した薄肉の
   円筒部を有する円筒振動子と、前記円筒振動子と同軸の
   円筒状であり、その内側に前記円筒振動子の前記円筒部
   が嵌合されて前記円筒振動子との空隙が真空室を構成す
   るハウジングと、前記円筒振動子の内側にその円筒部が
   挿入されるとともに、その内側に、前記円筒振動子の内
   側をその下面開口部を介して外部と連通させる連通孔が
   形成された圧力ポートとを有し、前記圧力ポートの下面
   開口部に加えられる圧力の変化に応じて前記円筒振動子
   の固有振動数が変化する圧力センサにおいて、 前記円筒振動子の内側と前記圧力ポートの上面とによっ
   て形成される空間に発生する定在波の振動数が前記円筒
   振動子の前記固有振動数の変化範囲外となるように、前
   記圧力ポートの円筒部の長さ、あるいは前記円筒振動子
   の内壁の厚さを設定することを特徴とする圧力センサ。