JP5958691B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、圧力センサに関する。

従来、高速液体クロマトグラフィー分析装置等の各種分析装置において、分析対象となる試料液が配管を流れる際の圧力を検知して制御部に信号を送るために圧力センサが用いられている。

例えば、試料液中の複数成分を分離分析する手段として汎用される高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）分析装置では、測定結果の信頼性を確保するために、試料液を送液する送液ポンプが予め決められた流速で送液を行うことが非常に重要な事項である。そのため、ＨＰＬＣ分析装置による測定中は、流路である配管に設けられた圧力センサを用いて送液圧力をモニタすることによって、送液が正しく行われているかどうかが判断される。

例えば、引用文献１には、送液圧力を検出する圧力センサと流路切替バルブを流路内に設け、圧力センサが検出した送液圧力に従って、流路切替バルブを適宜に切り替えて圧力変動を抑える制御技術が記載されている。ＨＰＬＣ分析装置におけるポンプの最大使用圧力は４０ＭＰａ程度であるが、最近の超高速液体クロマトグラフ（Ultra High Performance Liquid Chromatography：ＵＨＰＬＣ）分析装置では、より高速・高分離能での分析を可能とするために、１００ＭＰａ以上での高圧送液が行われている。そのため、１００ＭＰａ以上の高圧に適した圧力センサが望まれている。

引用文献１に記載された圧力センサは、被取付部材に締結されるセンサ本体を備え、センサ本体は、被取付部材のねじ穴に螺合する取付ねじ部と、この取付ねじ部の先端側に形成される円筒状の先端軸部と、この先端軸部の先端側に形成される環状のシール座面と、このシール座面から突出する円筒状のシール軸部と、を有し、Ｏリングが、このシール軸部にバックアップリングを介して嵌められており、検出圧力によってＯリングがバックアップリングとシール軸部の外周面とシール穴の内周面に押し付けられて密着し、センサ本体と被取付部材の間を密封する。

また、引用文献２に記載された圧力センサは、半導体の圧力センサ素子と、この圧力センサ素子を収容し保持したセンサケースと、被測定圧を導入する圧力導入筒と、を備え、センサケースがハウジング内に取り付けられている。このセンサケースとハウジングの一方には、接合部分の全周にわたって設けられた凸条が形成されており、センサケースとハウジングの他方には、接合部分の全周にわたって設けられて凸条が嵌合する凹部が形成されている。センサケースとハウジングとの間には、凸条が凹部に嵌合して位置決めされた状態で、充填剤が充填されている。

特開２００７−５７４１８号公報 特開平１０−３１８８６９号公報

しかし、特許文献1のようにネジ締付によってＯリングをシール穴の内周面に押し付ける圧力封止構造では、高圧になるに伴ってより大きな締付トルクが必要となるので、取付ネジ近くに感圧面が位置するフラッシュダイアフラム型圧力センサにおいては、ネジ締付力による変形が感圧部に伝達してしまい、圧力センサの取付前後でゼロ点の出力が大きく変化する問題が発生していた。ここでいうゼロ点とは、圧力センサに大気圧が掛かっている状態のことである。

また、特許文献２のようにセンサケースを樹脂に埋め込んで封止する構造では、装置の組立現場での作業が難しく、さらに、分解不可能となるためメンテナンス性が悪くなるという問題があった。

そこで、本発明は、取付及び分解が容易であり、さらには高圧対応が可能な圧力センサを提供することを課題とする。

前記した課題を解決するために、本発明の圧力センサは、被取付部材に形成された孔部に、前記孔部の底面に配置されたシール部材の前記底面と対向する面と圧接するように取り付けられる圧力センサであって、前記孔部の内周面に形成された雌ネジ部に螺合可能な雄ネジ部を備え、前記シール部材に対向して配置される対向面の径方向において、環状の凹部が２個以上形成されており、２個以上の前記凹部は、当該凹部の径方向幅が前記シール部材の前記底面と対向する面の径方向幅よりも小さく設定されているとともに、前記シール部材の前記底面と対向する面の径方向幅内に配置されていることを特徴とする。

かかる構成によると、ネジによって被取付部材に締結されるので、取付及び分解が容易である。また、対向面に形成された２個以上の環状の凹部にシール部材が入り込むので、高圧に対応可能なシール性能を確保することができるとともに、圧力印加前後におけるゼロ点（圧力センサに大気圧が掛かっている状態）の変動、すなわち、ゼロ点変動を抑えることができる。

２個以上の前記凹部の半数以上は、前記対向面の径方向外側寄りに形成されていること
が望ましい。

かかる構成によると、半数以上の環状の凹部が径方向外側寄りに形成されているので、雄ネジ部による軸方向の力と凹部に作用する反力とによるモーメントを小さくすることができ、圧力印加前後のゼロ点変動を抑えることができる。

また、本発明の圧力センサは、被取付部材に形成された孔部に、前記孔部の底面に配置されたシール部材の前記底面と対向する面と圧接するように取り付けられる圧力センサであって、前記孔部の内周面に形成された雌ネジ部に螺合可能な雄ネジ部を備え、前記シール部材に対向して配置される対向面に、環状の凹部が１個形成されており、１個の前記凹部は、前記対向面の径方向外側寄りに形成されており、１個の前記凹部は、当該凹部の径方向幅が前記シール部材の前記底面と対向する面の径方向幅よりも小さく設定されているとともに、前記シール部材の前記底面と対向する面の径方向幅内に配置されていることを特徴とする。

かかる構成によると、環状の凹部が径方向外側寄りに形成されているので、雄ネジ部による軸方向の力と凹部に作用する反力とによるモーメントを小さくすることができ、圧力印加前後のゼロ点変動を抑えることができる。

前記対向面には、前記凹部として環状のＶ溝が形成されており、前記Ｖ溝の外周側の傾斜面と軸方向との間の角度は、前記Ｖ溝の内周側の傾斜面と軸方向との間の角度よりも小さい構成であってもよい。

かかる構成によると、高圧印加時にシール部材が外周方向へ滑ろうとした場合に凹部の外周側の面によってシール部材が止められ、滑りを抑え、圧力印加前後のゼロ点変動を抑えることができる。

前記孔部は、第一の孔部と、前記第一の孔部に連通するとともに前記被取付部材の表面に開口を有し、前記第一の孔部よりも大径の第二の孔部と、から構成されており、前記シール部材は、前記第二の孔部の底面に配置されており、前記第一の孔部に収容されて圧力を受ける感受部と、前記第二の孔部に収容されるとともに、前記雄ネジ部及び前記対向面を有する取付部と、を備える構成であってもよい。

かかる構成によると、感受部と雄ネジ部とが離間しているので、ネジ締結力による変形の感受部への伝達を低減し、ネジ締結前後におけるゼロ点変動を抑えることができる。

本発明によれば、圧力センサの取付及び分解が容易であり、さらには高圧対応が可能となる。

本発明の第一の参考形態に係る圧力センサを説明するための図であって、（ａ）は圧力センサの部分断面図、（ｂ）は圧力センサを被取付部材に取り付けた状態を示す断面図、（ｃ）は（ｂ）のＸ１部拡大図である。 本発明の第一の実施形態に係る圧力センサを説明するための図であって、（ａ）〜（ｃ）は圧力センサの凹部内にシール部材が入り込む状態を示す断面図である。 本発明の第二の参考形態に係る圧力センサを説明するための図であって、（ａ）は圧力センサを被取付部材に取り付けた状態を示す断面図、（ｂ）は（ａ）のＸ２部拡大図である。 第一の比較例に係る圧力センサを説明するための図であって、（ａ）は圧力センサを被取付部材に取り付けた状態を示す断面図、（ｂ）は（ａ）のＸ３部拡大図である。 第二の比較例に係る圧力センサを説明するための図であって、（ａ）は圧力センサを被取付部材に取り付けた状態を示す断面図、（ｂ）は（ａ）のＸ４部拡大図である。

次に、本発明の実施形態及び参考形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

＜第一の参考実施形態＞
図１に示すように、本発明の第一の参考形態に係る圧力センサ１Ａは、被取付部材３０に形成された孔部３１に取り付けられて、被取付部材３０内の流体の圧力を検出するセンサである。

＜被取付部材＞
被取付部材における孔部３１は、圧力センサ１Ａが取り付けられる部位であって、小径の第一の孔部３１ａと、大径の第二の孔部３１ｂと、から構成される。第一の孔部３１ａの底面には、圧力検出対象である流体が流通可能な、さらに小径の第三の孔部３２が連通している。第二の孔部３１ｂは、第一の孔部３１ａに連通するとともに被取付部材３０の表面に開口を有している。第三の孔部３２、第一の孔部３１ａ及び第二の孔部３１ｂは、同軸に形成されている。また、第二の孔部３１ｂの内周面には、雌ネジ部３１ｂ１が形成されている。

＜シール部材＞
第二の孔部３１ｂの底面には、環状のシール部材（環状のガスケット、Ｏリング等）４０が配置されている。シール部材４０は、弾性材料（ゴム、樹脂等）又は軟質金属（銅、アルミ等）から形成されている。シール部材４０の内径は、第一の孔部３１ａの内径よりも大きく、シール部材４０の外径は、第二の孔部３１ｂの内径よりも小さい。

＜圧力センサ＞
圧力センサ１Ａは、頭部１０と、収容部２０と、を備える。頭部１０は、圧力センサ１Ａが孔部３１に取り付けされた際に孔部３１から露出する部分であり、スパナかけが可能な形状（例えば、六角形状）を呈する。収容部２０は、圧力センサ１Ａが孔部３１に取り付けられた際に孔部３１に収容される部分であり、有底円筒形状を呈する。収容部２０は、感受部２１と、取付部２２Ａと、を備える。かかる収容部２０は、シール部材４０よりも硬い金属から一体に形成されている。

感受部２１は、有底円筒の底面に相当しており、その先端部が第一の孔部３１ａに収容され、第三の孔部３２を介して第一の孔部３１ａに流通した流体の圧力を感受する部位である。感受部２１の外径は、第一の孔部３１ａの内径よりも小さい。感受部２１の内側面には、歪みゲージ２３が取り付けられており、歪みゲージ２３に電気的に接続された信号線２４は、頭部１０を介して外部に延設されている。すなわち、圧力センサ１Ａにおいて、感受部２１によって感受された流体の圧力は、歪みゲージ２３によって電気信号に変換され、かかる電気信号が信号線２４を介して外部装置へ出力される。

取付部２２Ａは、有底円筒の筒面に相当しており、感受部２１と同軸であるとともに感受部２１よりも大径に形成されている。取付部２２Ａの外周面には雄ネジ部２２ａが形成されているとともに、取付部２２Ａの環状底面（対向面）には２個の凸部２２ｂ，２２ｂが形成されている。取付部２２Ａの外径は、第二の孔部３１ｂの内径とほぼ同一である。

２個の凸部２２ｂ，２２ｂは、対向面の径方向に離間して配列されており、それぞれ全周にわたって同一形状に形成された環状を呈するとともに、断面視Ｖ字形状を呈する。感受部２１の外周縁、取付部２２Ａの外周縁（すなわち、雄ネジ部２２ａ）、及び、２個の凸部２２ｂ，２２ｂは、同心円である。大径である外側の凸部２２ｂは、径方向外側寄り、すなわち、対向面の径方向中間地点よりも外周面側に形成されており、小径である内側の凸部２２ｂは、径方向内側寄り、すなわち、対向面の径方向中間地点よりも内周面側に形成されている。凸部２２ｂの先端角度は、６０°である。なお、凸部２２ｂの内周側の面と軸方向との間の傾斜角度α１と凸部２２ｂの外周側の面と軸方向との間の傾斜角度α２とは、それぞれ３０°である。凸部２２ｂの先端角度を６０°前後に設定した理由は、シール部材４０への食い込みやすさと強度のバランスがとれるためである。かかる凸部２２ｂの先端角度は、適宜変更可能である。

圧力センサ１Ａを被取付部材３０に取り付ける際には、作業者は、シール部材４０を第二の孔部３１ｂの底面に配置した後に、圧力センサ１Ａを部分的に孔部３１に挿入した状態でスパナによって頭部１０を保持し、圧力センサ１Ａを回転させる。雄ネジ部２２ａが雌ネジ部３１ｂ１に螺合することによって、圧力センサ１Ａは、回転しながら孔部３１内に進入していき、感受部２１が第一の孔部３１ａに収容され、取付部２２Ａの対向面がシール部材４０の上面に圧接し、２個の凸部２２ｂ，２２ｂがシール部材４０に食い込む。また、シール部材４０の下面が第二の孔部３１ｂの底面に圧接し、圧力センサ１Ａと孔部３１との間が、シール部材４０によって密封される。

本発明の第一の参考形態に係る圧力センサ１Ａは、ネジによって被取付部材３０に締結されるので、取付及び分解が容易である。また、圧力センサ１Ａは、対向面に形成された２個の凸部２２ｂ，２２ｂがシール部材４０に食い込むので、高圧に対応可能なシール性能を確保することができるとともに、圧力印加前後におけるゼロ点（圧力センサに大気圧が掛かっている状態）の変動、すなわち、ゼロ点変動を抑えることができる。また、圧力センサ１Ａは、感受部２１と雄ネジ部３１ｂとが離間しているので、ネジ締結力による変形の感受部２１への伝達を低減し、ネジ締結前後におけるゼロ点変動を抑えることができる。

＜第一の実施形態＞
続いて、本発明の第一の実施形態に係る圧力センサについて、第一の参考形態に係る圧力センサ１Ａとの相違点を中心に説明する。

図２に示すように、本発明の第一の実施形態に係る圧力センサ１Ｂは、取付部２２Ａに代えて取付部２２Ｂを備える。取付部２２Ｂは、２個の凸部２２ｂ，２２ｂに代えて、２個の凹部２２ｃ，２２ｃを備える。

２個の凹部２２ｃ，２２ｃは、対向面の径方向に連続して配列されており、それぞれ全周にわたって同一形状に形成された環状を呈するとともに、断面視Ｖ字形状を呈するＶ溝である。感受部２１の外周縁、取付部２２Ａの外周縁（すなわち、雄ネジ部２２ａ）、及び、２個の凹部２２ｃ，２２ｃは、同心円である。２個の凹部２２ｃ，２２ｃのうち、少なくとも大径である外側の凹部２２ｃは、径方向外側寄り、すなわち、対向面の径方向中間地点よりも外周面側に形成されていることが望ましく、本実施形態では、２個の凹部２２ｃ，２２ｃが対向面の径方向中間地点よりも外周面側に形成されている。凹部２２ｃの溝角度は、６０°である。なお、凹部２２ｃの内周側の面と軸方向との間の傾斜角度β１は６０°であり、凹部２２ｃの外周側の面と軸方向との間の傾斜角度β２は、０°である。かかる凹部２２ｃの溝角度は、適宜変更可能である。

圧力センサ１Ｂを被取付部材３０に取り付ける際には、作業者は、シール部材４０を第二の孔部３１ｂの底面に配置した後に、圧力センサ１Ｂを部分的に孔部３１に挿入した状態でスパナによって頭部１０を保持し、圧力センサ１Ｂを回転させる。雄ネジ部２２ａが雌ネジ部３１ｂ１に螺合することによって、圧力センサ１Ｂは、回転しながら孔部３１内に進入していき、感受部２１が第一の孔部３１ａに収容され、取付部２２Ｂの対向面がシール部材４０の上面に圧接し、２個の凹部２２ｃ，２２ｃにシール部材４０が入り込む（図２（ａ）→（ｂ）→（ｃ））。

本発明の第一の実施形態に係る圧力センサ１Ｂは、対向面に形成された２個の凹部２２ｃ，２２ｃにシール部材４０が入り込むので、高圧に対応可能なシール性能を確保することができるとともに、圧力印加前後のゼロ点変動を抑えることができる。また、圧力センサ１Ｂは、β１＞β２であるので、高圧印加時にシール部材４０が外周方向へ滑ろうとした場合に凹部２２ｃ，２２ｃの外周側の面によってシール部材４０が止められ、滑りを抑え、圧力印加前後のゼロ点変動を抑えることができる。

＜第二の参考形態＞
続いて、本発明の第二の参考形態に係る圧力センサについて、第一の参考形態に係る圧力センサ１Ａとの相違点を中心に説明する。

図３に示すように、本発明の第二の参考形態に係る圧力センサ１Ｃは、取付部２２Ａに代えて取付部２２Ｃを備える。取付部２２Ｃは、２個の凸部２２ｂ，２２ｂに代えて、１個の凸部２２ｂを備える。

凸部２２ｂは、径方向外側寄り、すなわち、対向面の径方向中間地点よりも外周面側に形成されている。かかる凸部２２ｂは、取付部２２Ｃの外周面にできるだけ近い位置に形成されていることが望ましい。

本発明の第二の参考形態に係る圧力センサ１Ｃは、凸部２２ｂが径方向外側寄りに形成されているので、雄ネジ部２２ａによる軸方向の力と凸部２２ｂに作用する反力とによるモーメントを小さくすることができ、圧力印加前後のゼロ点変動を抑えることができる。

なお、このような考え方は、第一の参考形態及び第一の実施形態にも適用されている。すなわち、環状の凸部２２ｂが２個形成されている場合には、２個の凸部２２ｂ，２２ｂのうち少なくとも１個が対向面の径方向中間地点よりも外周面側に形成されていることが望ましく、環状の凹部２２ｃが２個形成されている場合には、２個の凹部２２ｃ，２２ｃのうち少なくとも１個が対向面の径方向中間地点よりも外周面側に形成されていることが望ましい。これによって、雄ネジ部２２ａによる軸方向の力と各凸部２２ｂ又は各凹部２２ｃに作用する反力の合力とによるモーメントを小さくすることができる。かかる観点によると、凸部２２ｂ又は凹部２２ｃが２個以上形成されている場合には、複数の凸部２２ｂ又は凹部２２ｃの半数以上が対向面の径方向中間地点よりも外周面側に形成されていることが望ましい。

＜実施例＞
続いて、本発明の実施例について説明する。実施例１（参考例）として、本発明の第一の参考形態に係る圧力センサ１Ａを作製した。また、実施例２として、本発明の第一の実施形態に係る圧力センサ１Ｂを作製した。また、比較例１として、図４に示す圧力センサ１Ｄを作製した。圧力センサ１Ｄは、取付部２２Ａに代えて径方向中間地点に１個の凸部２２ｂが形成された取付部２２Ｄを備える。比較例１における凸部２２ｂの断面形状は、実施例１における凸部２２ｂと同様である。また、比較例２として、図５に示す圧力センサ１Ｅを作製した。圧力センサ１Ｅは、取付部２２Ａに代えて径方向中間地点に１個の凹部２２ｃが形成された取付部２２Ｅを備える。比較例２における凹部２２ｃの断面形状は、Ｖ溝であり、凹部２２ｃの溝角度は、９０°である。なお、凹部２２ｃの内周側の面と軸方向との間の傾斜角度β１は４５°であり、凹部２２ｃの外周側の面と軸方向との間の傾斜角度β２は、４５°である。

各実施例及び比較例において、２個ずつのサンプルを作製した。シール性能に関しては、各サンプルで1回ずつ測定を行った結果を表１に示す。同じ種類のサンプルでは、いずれも同じ結果を示した。

ゼロシフト量に関しては、各サンプルで２回ずつ測定を繰り返し、変化量の最小値と最大値を調べた結果を表１に示す。

表１の上段２行には、所定の締付トルクで圧力センサを試験治具に取り付けて圧力を印加したときに、圧力封止部（シール部材及び対向面）の気密性が維持された最大圧力を示す。同じく下段２行には、圧力センサを取り付ける前と、所定の締付トルクで締め付けた後のゼロ点における出力値の差をフルスケール出力に対する割合で示している。この割合をゼロシフト量と呼ぶ。また、ゼロシフト量変化の確認試験では、条件を同じにするために、すべてのサンプルにおいて締付トルクを３０N・ｍに統一した。

実施例１，２では、シール性能及びゼロシフト量について、満足のいく結果が得られた。比較例１では、シール性能は問題なかったが、ゼロシフト量のばらつきの範囲が大きすぎた。ゼロシフト量のばらつきは、１％以下程度が望ましい。比較例２では、実施例１，２よりも低いシール性能を示し、ゼロシフト量も一番大きかった。また、実施例１の凸部を有する封止構造の方が実施例２の凹部（Ｖ溝）を有する封止構造よりも低い締付トルクで同じシール性能を示した。締付トルクが小さくて済む方が感受部への影響が少なくなるので、実施例１の構造の方がより望ましいといえる。

以上、本発明の実施形態及び参考形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、第一の参考形態において、雄ネジ部２２ａと同心円である３個以上の凸部２２ｂが形成されていてもよく、第一の実施形態において、雄ネジ部２２ａと同心円である３個以上の凹部２２ｃが形成されていてもよい。また、雄ネジ部２２ａと同心円である１個以上の凸部２２ｂと１個以上の凹部２２ｃとがともに形成されている構成であってもよい。また、第二の参考形態において、第二の実施形態として、１個の凸部２２ｂに代えて雄ネジ部２２ａと同心円である１個の凹部２２ｃが形成されている構成であってもよい。また、圧力センサにおける圧力の検出手法は、歪みゲージ２３によるものに限定されない。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 圧力センサ
２１ 感受部
２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ 取付部
２２ａ 雄ネジ部
２２ｂ 凸部
２２ｃ 凹部
３０ 被取付部材
３１ 孔部
３１ａ 第一の孔部
３１ｂ 第二の孔部
３１ｂ１ 雌ネジ部
４０ シール部材

Claims (5)

1. 被取付部材に形成された孔部に、前記孔部の底面に配置されたシール部材の前記底面と対向する面と圧接するように取り付けられる圧力センサであって、
   前記孔部の内周面に形成された雌ネジ部に螺合可能な雄ネジ部を備え、
   前記シール部材に対向して配置される対向面の径方向において、環状の凹部が２個以上形成されており、
   ２個以上の前記凹部は、当該凹部の径方向幅が前記シール部材の前記底面と対向する面の径方向幅よりも小さく設定されているとともに、前記シール部材の前記底面と対向する面の径方向幅内に配置されている
   ことを特徴とする圧力センサ。
2. ２個以上の前記凹部の半数以上は、前記対向面の径方向外側寄りに形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 被取付部材に形成された孔部に、前記孔部の底面に配置されたシール部材の前記底面と対向する面と圧接するように取り付けられる圧力センサであって、
   前記孔部の内周面に形成された雌ネジ部に螺合可能な雄ネジ部を備え、
   前記シール部材に対向して配置される対向面に、環状の凹部が１個形成されており、
   １個の前記凹部は、前記対向面の径方向外側寄りに形成されており、
   １個の前記凹部は、当該凹部の径方向幅が前記シール部材の前記底面と対向する面の径方向幅よりも小さく設定されているとともに、前記シール部材の前記底面と対向する面の径方向幅内に配置されている
   ことを特徴とする圧力センサ。
4. 前記対向面には、前記凹部として環状のＶ溝が形成されており、
   前記Ｖ溝の外周側の傾斜面と軸方向との間の角度は、前記Ｖ溝の内周側の傾斜面と軸方向との間の角度よりも小さい
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の圧力センサ。
5. 前記孔部は、
   第一の孔部と、
   前記第一の孔部に連通するとともに前記被取付部材の表面に開口を有し、前記第一の孔部よりも大径の第二の孔部と、
   から構成されており、
   前記シール部材は、前記第二の孔部の底面に配置されており、
   前記第一の孔部に収容されて圧力を受ける感受部と、
   前記第二の孔部に収容されるとともに、前記雄ネジ部及び前記対向面を有する取付部と、
   を備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の圧力センサ。

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