JP6793928B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は圧力センサに関する。

実開平７−２９４３６号公報には、ひずみゲージを用いて内燃機関の筒内圧力を検出する筒内圧力検出装置が開示されている。

しかしながら、ひずみゲージを用いた圧力センサは、計測レンジの上限を高くすると、低圧域における計測精度が悪化するという問題点がある。

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、低圧域における計測精度を維持しつつ、計測レンジの上限を高くすることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様による圧力センサは、圧力を受けて変位するダイヤフラムと、ダイヤフラムによって押圧されてひずみが生じる第１受圧部と、第１受圧部のひずみが所定値以上になったときに、当該第１受圧部と共にダイヤフラムによって押圧されてひずみが生じる第２受圧部と、第１受圧部に取り付けられて当該第１受圧部のひずみを検出する第１ひずみゲージと、第１受圧部のひずみに基づいて、ダイヤフラムに作用する圧力を算出するアンプユニットと、を備える。

本発明のこの態様による圧力センサによれば、低圧域における計測精度を維持しつつ、計測レンジの上限を高くすることができる。

図１は、本発明の第１実施形態による圧力センサの概略斜視図である。 図２は、図１のII-II線に沿う圧力センサの概略断面図である。 図３は、第１受圧部の垂直ひずみが所定値以上となった後の圧力センサの概略断面図である。 図４は、本発明の第１実施形態による圧力センサのダイヤフラムに作用する圧力（計測対象流体の圧力）と、第１受圧部に生じる垂直ひずみと、の関係を示す図である。 図５は、本発明の第１実施形態による計測対象流体の圧力Ｐの算出方法について説明するフローチャートである。 図６は、第１受圧部の垂直ひずみに基づいて、計測対象流体の圧力を算出するためのテーブルである。 図７は、本発明の第２実施形態による計測対象流体の圧力の算出方法について説明するフローチャートである。 図８は、本発明の第３実施形態による圧力センサの概略斜視図である。 図９は、図８のIX-IX線に沿う圧力センサの概略断面図である。 図１０は、本発明の第３実施形態による計測対象流体の圧力の算出方法について説明するフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による圧力センサ１００の概略斜視図である。図２は、図１のII-II線に沿う圧力センサ１００の概略断面図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態による圧力センサ１００は、ハウジング１と、ダイヤフラム２と、第１受圧部３と、第２受圧部４と、ひずみゲージ５と、アンプユニット６と、を備え、気体や液体などの計測対象流体の圧力を検出する。

ハウジング１は、軸方向一端側（図中上側）に開口部を有する筐体である。

ダイヤフラム２は、ハウジング１の開口部を覆うように、ハウジング１に取り付けられる。ダイヤフラム２は、その表面に計測対象流体の圧力Ｐを受けて、軸方向他端側（図中下側）に変位する。

第１受圧部３は、ハウジング１の軸方向に対して略平行に延びる物体であって、ダイヤフラム２が計測対象流体から圧力Ｐを受けたときに、ダイヤフラム２を介して計測対象流体によって押圧されて垂直ひずみが生じるように、ハウジング１の内部に収容される。

第２受圧部４は、ハウジング１の軸方向に対して略平行に延びており、かつハウジング軸方向長さが第１受圧部３のハウジング軸方向長さよりも短い物体であって、ダイヤフラム２が計測対象流体から圧力Ｐを受けたときに、第１受圧部３の垂直ひずみε１が所定値α以上になってから、ダイヤフラム２を介して第１受圧部３と共に計測対象流体によって押圧されて垂直ひずみが生じるように、ハウジング１の内部に収容される。なお第２受圧部４の材質は、第１受圧部３の材質と同様である。

本実施形態では、第１受圧部３の形状を円柱状とし、第２受圧部４の形状を中空円柱状として、第２受圧部４の中空部４２内に第１受圧部３を収容しているが、第１受圧部３及び第２受圧部４の形状や配置方法はこのような実施形態に限られるものではない。例えば、第１受圧部３の形状を板状とし、第２受圧部４の形状を中空板状として本実施形態と同様に配置するようにしても良い。また例えば、第１受圧部３及び第２受圧部４の形状を板状として、それぞれを並べて配置するようにしても良い。

ひずみゲージ５は、第１受圧部３に取り付けられて、第１受圧部３の垂直ひずみε１を検出する。ひずみゲージ５は、センサケーブル７を介してアンプユニット６に接続されており、垂直ひずみε１に応じた出力信号をアンプユニット６に入力する。

アンプユニット６は、ひずみゲージ５の出力信号を増幅させるアンプや、アンプユニット６によって増幅させたひずみゲージ５の出力信号（すなわち垂直ひずみε１）に基づいて、測定対象流体の圧力Ｐを算出するためのＣＰＵ（マイクロプロセッサ）などを一体化したものである。

このように本実施形態による圧力センサ１００は、第１受圧部３の垂直ひずみε１に基づいて、ダイヤフラム２に作用する圧力、すなわち計測対象流体の圧力Ｐを検出するにあたって、まず第１受圧部３によって計測対象流体の圧力Ｐを受け止め、次に第１受圧部３と第２受圧部４とによって計測対象流体の圧力Ｐを受け止めることができるように構成される。以下、このように構成した理由について説明する。

ダイヤフラム２に作用する圧力、すなわち計測対象流体の圧力をＰ、ダイヤフラム２と第１受圧部３との接触面３１の面積（以下「第１接触面積」という。）をＡ１、第１受圧部３のヤング率をＥ１とすると、第１受圧部３の垂直ひずみε１は、下記式（１）の通り表すことができる。

ε１＝Ｐ／（Ｅ１・Ａ１） …（１）

ここで、垂直ひずみε１が所定の降伏値ε１_{ｙｉｅｌｄ}以上になると、第１受圧部３が塑性変形してしまうため、圧力センサ１００の計測レンジの上限値Ｐ_ｍａｘは、下記式（２）の通り表される降伏圧力Ｐ_{ｙｉｅｌｄ}未満にする必要がある。

Ｐ_{ｙｉｅｌｄ}＝ε１_{ｙｉｅｌｄ}・Ｅ１・Ａ１ …（２）

降伏値ε１_{ｙｉｅｌｄ}、及びヤング率Ｅ１は、第１受圧部３の材質等によって定まる所定値なので、圧力センサ１００の計測レンジの上限値Ｐ_ｍａｘを高くするには、第１接触面積Ａ１を大きくすれば良いことになる。

しかしながら、第１接触面積Ａ１を大きくすると、式（１）から明らかなように、計測対象流体の圧力Ｐに対する垂直ひずみε１の変化率が小さくなる。その結果、計測対象流体の圧力Ｐの変化に対する圧力センサ１００の感度が低下してしまい、計測対象流体の圧力Ｐが低いときの圧力センサ１００の計測精度が悪化することになる。このように、ひずみゲージ５を使用した圧力センサ１００は、計測レンジの上限を高くすると、低圧域における計測精度が悪化するという問題がある。

そこで本実施形態では、まず第１受圧部３によって計測対象流体の圧力Ｐを受け止め、第１受圧部３の垂直ひずみε１が所定値α以上になってから、第１受圧部３と第２受圧部４とによって計測対象流体の圧力Ｐを受け止めることができるように圧力センサ１００を構成したのである。

これにより、図３に示すように、計測対象流体の圧力Ｐが高くなって第１受圧部３の垂直ひずみε１が所定値α以上となった後は、ダイヤフラム２が第１受圧部３の接触面３１と第２受圧部４の接触面４１のそれぞれと接触することになる。そのため、ダイヤフラム２と第２受圧部４との接触面４１の面積（以下「第２接触面積」という。）をＡ２とすると、垂直ひずみε１が所定値α以上となってからの第１受圧部３の垂直ひずみε１は、下記式（３）の通り表すことができる。

ε１＝α＋Ｐ／｛Ｅ１・（Ａ１＋Ａ２）｝ …（３）

このように、第１受圧部３と第２受圧部４とによって段階的に計測対象流体の圧力Ｐを受け止めるようにすることで、垂直ひずみε１が所定値α以上となってからは、第１接触面積Ａ１が、第２接触面積Ａ２の分だけ増加したものとみなすことができる。そのため、圧力センサ１００の計測レンジの上限値Ｐ_ｍａｘを高くすることができる。一方で、垂直ひずみε１が所定値α未満の間は、ダイヤフラム２は第１受圧部３とだけ接触しているので、計測対象流体の圧力Ｐに対する垂直ひずみε１の変化率が低下することもない。

したがって本実施形態による圧力センサ１００によれば、低圧域における計測精度を維持しつつ、計測レンジの上限を高くすることができる。

図４は、本実施形態による圧力センサ１００のダイヤフラム２に作用する圧力、すなわち計測対象流体の圧力Ｐと、第１受圧部３に生じる垂直ひずみε１と、の関係を示す図である。

図４に示すように、第１受圧部３の垂直ひずみε１が所定値α未満の領域（低圧域）では、ダイヤフラム２は第１受圧部３の接触面３１とのみ接触しているので、計測対象流体の圧力Ｐに対する垂直ひずみε１の変化率が大きくなる。そのため、低圧域における計測精度を維持することができる。

そして、第１受圧部３の垂直ひずみε１が所定値α以上の領域（中高圧域）では、ダイヤフラム２が第１受圧部３の接触面３１と第２受圧部４の接触面４１のそれぞれと接触することになるので、計測対象流体の圧力Ｐに対する垂直ひずみε１の変化率が小さくなり、その結果、垂直ひずみε１が降伏値ε１_{ｙｉｅｌｄ}に至るまでにダイヤフラム２を介して第１受圧部３に作用させることのできる計測対象流体の圧力Ｐの上限が高くなる。そのため、圧力センサ１００の計測レンジの上限を高くすることができる。なお中高圧域では、低圧域と比較して微小な圧力変動が起こることは少ないので、計測対象流体の圧力Ｐに対する垂直ひずみε１の変化率は小さくなるものの、計測精度に与える影響は少ない。

図５は、アンプユニット６による本実施形態に係る計測対象流体の圧力Ｐの算出方法について説明するフローチャートである。

ステップＳ１において、アンプユニット６は、ひずみゲージ５の出力信号、すなわち第１受圧部３の垂直ひずみε１を読み込む。

ステップＳ２において、アンプユニット６は、予め作成された図４と同様の関係を示す図６のテーブルを参照し、第１受圧部３の垂直ひずみε１に基づいて、計測対象流体の圧力Ｐを算出する。

以上説明した本実施形態による圧力センサ１００は、圧力を受けて変位するダイヤフラム２と、ダイヤフラム２によって押圧されて垂直ひずみ（ひずみ）が生じる第１受圧部３と、第１受圧部３の垂直ひずみε１が所定値α以上になったときに、当該第１受圧部３と共にダイヤフラム２によって押圧されて垂直ひずみが生じる第２受圧部４と、第１受圧部３に取り付けられて当該第１受圧部３の垂直ひずみε１を検出する第１ひずみゲージ５と、第１受圧部３の垂直ひずみε１に基づいて、ダイヤフラム２に作用する圧力、すなわち計測対象流体の圧力Ｐを算出するアンプユニット６と、を備える。

これにより、低圧域における計測精度を維持しつつ、計測レンジの上限を高くすることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による圧力センサ１００について説明する。本実施形態による圧力センサ１００は、アンプユニット６による計測対象流体の圧力Ｐの算出方法が第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。

第１実施形態では、図６のテーブルを作成するために、垂直ひずみε１と計測対象流体の圧力Ｐとの関係を予め実験等で求めておく必要があるので、工数が必要となって圧力センサ１００が高価になるおそれがある。そこで本実施形態では、数式を用いて計測対象流体の圧力Ｐを算出する。

図７は、本実施形態によるアンプユニット６の計測対象流体の圧力Ｐの算出方法について説明するフローチャートである。

ステップＳ２１において、アンプユニット６は、第１受圧部３の垂直ひずみε１が所定値α以下か否かを判定する。アンプユニット６は、垂直ひずみε１が所定値α以下であれば、ステップＳ２２の処理に進む。一方でアンプユニット６は、垂直ひずみε１が所定値αよりも大きければ、ステップＳ２３の処理に進む。

ステップＳ２２において、アンプユニット６は、式（１）を変形した下記式（４）に基づいて、計測対象流体の圧力Ｐを算出する。

Ｐ＝ε１・Ｅ１・Ａ１ …（４）

ステップＳ２３において、アンプユニット６は、式（３）を変形した下記式（５）に基づいて、計測対象流体の圧力Ｐを算出する。

Ｐ＝（ε１−α）｛Ｅ１・（Ａ１＋Ａ２）｝ …（５）

以上説明した本実施形態による圧力センサ１００によれば、第１実施形態と同様の効果が得られるほか、工数を削減できるので、圧力センサ１００を安価にすることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による圧力センサ１００について説明する。本実施形態による圧力センサ１００は、第１受圧部３に加えて第２受圧部４にもひずみゲージ５を取り付けた点が第１実施形態と相違すると共に、さらにアンプユニット６による計測対象流体の圧力Ｐの算出方法が第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。

なお以下の説明では、区別を容易にするため、第１受圧部３に取り付けられたひずみゲージのことを「第１ひずみゲージ」という。一方で第２受圧部４に取り付けられたひずみゲージのことを「第２ひずみゲージ」という。

図８は、本発明の第２実施形態による圧力センサ１００の概略斜視図である。図９は、図８のIX-IX線に沿う圧力センサ１００の概略断面図である。

図８、及び図９に示すように、本実施形態による圧力センサ１００は、第１実施形態において説明したハウジング１、ダイヤフラム２、第１受圧部３、第２受圧部４、第１ひずみゲージ５、及びアンプユニット６に加えて、第２ひずみゲージ８を備える。

第２ひずみゲージ８は、第２受圧部４に取り付けられて、第２受圧部４の垂直ひずみε２を検出する。第２ひずみゲージ８は、センサケーブルを介してアンプユニット６に接続されており、垂直ひずみε２に応じた出力信号をアンプユニット６に入力する。

ところで、第１受圧部３の製造誤差や経時劣化等によって、第１受圧部３の垂直ひずみε１が所定値αになっても、ダイヤフラム２が第２受圧部４と接触しなくなるおそれがある。また逆に、第１受圧部３の垂直ひずみε１が所定値αになる前に、すでにダイヤフラム２が第２受圧部４と接触してしまうおそれもある。

このような状況になると、前述した第１実施形態や第２実施形態による計測対象流体の圧力Ｐの算出方法では、垂直ひずみε１が所定値α近傍の値を取る領域において、計測対象流体の圧力Ｐの計測精度が低下することになる。

そこで本実施形態では、第２受圧部４に第２ひずみゲージ８を取り付けたのである。第２受圧部４に第２ひずみゲージ８を取り付けることで、第２受圧部４にひずみが生じた時点を知ることができる。すなわち、ダイヤフラム２が第２受圧部４と接触して、第２受圧部４がダイヤフラム２を介して計測対象流体によって押圧され始めた時点を知ることができる。

そのため前述した第２実施形態において、第２受圧部４にひずみが生じた時点で計測対象流体の圧力Ｐの算出式を変更するようにすれば、垂直ひずみε１が所定値α近傍の値を取る領域における計測対象流体の圧力Ｐの計測精度の低下を抑制することができる。

図１０は、本実施形態によるアンプユニット６の計測対象流体の圧力Ｐの算出方法について説明するフローチャートである。

ステップＳ３１において、アンプユニット６は、第２ひずみゲージ８の出力信号、すなわち第２受圧部４の垂直ひずみε２を読み込む。

ステップＳ３２において、アンプユニット６は、第２受圧部４の垂直ひずみε２がゼロより大きいか否か、すなわちダイヤフラム２が第２受圧部４と接触して、第２受圧部４がダイヤフラム２を介して計測対象流体によって押圧され始めたか否かを判定する。アンプユニット６は、第２受圧部４の垂直ひずみε２がゼロであれば、ステップＳ２２の処理に進む。一方でアンプユニット６は、垂直ひずみε１が所定値αよりも大きければ、ステップＳ２３の処理に進む。

以上説明した本実施形態による圧力センサ１００は、第２受圧部４に取り付けられて当該第２受圧部４の垂直ひずみε２（ひずみ）を検出する第２ひずみゲージ８をさらに備え、アンプユニット６は、第２受圧部４の垂直ひずみε２に基づいて、ダイヤフラム２に作用する圧力、すなわち計測対象流体の圧力Ｐの計算方法を変更するように構成されている。

これにより、前述した第１実施形態、及び第２実施形態と同様の効果が得られるほか、第１受圧部３の製造誤差や経時劣化等によって、第１受圧部３の垂直ひずみε１が所定値αになっても、ダイヤフラム２が第２受圧部４と接触しなくなったり、また逆に、第１受圧部３の垂直ひずみε１が所定値αになる前に、すでにダイヤフラム２が第２受圧部４と接触するようになったりしたとしても、計測対象流体の圧力Ｐを精度良く測定することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば上記の各実施形態では、第１受圧部３、及び第２受圧部４の２つの受圧部を備えていたが、第２受圧部４の後に計測対象流体の圧力Ｐを受ける受圧部をさらに設けるようにしても良い。すなわち段階的に圧力を受ける受圧部を３つ以上設けるようにしても良い。

２ ダイヤフラム
３ 第１受圧部
４ 第２受圧部
５ ひずみゲージ（第１ひずみゲージ）
６ アンプユニット
８ 第２ひずみゲージ
１００ 圧力センサ

Claims (1)

1. 圧力を受けて変位するダイヤフラムと、
   前記ダイヤフラムによって押圧されてひずみが生じる第１受圧部と、
   前記第１受圧部のひずみが所定値以上になったときに、当該第１受圧部と共に前記ダイヤフラムによって押圧されてひずみが生じる第２受圧部と、
   前記第１受圧部に取り付けられて当該第１受圧部のひずみを検出する第１ひずみゲージと、
   前記第２受圧部に取り付けられて当該第２受圧部のひずみを検出する第２ひずみゲージと、
   前記第１受圧部のひずみに基づいて、ダイヤフラムに作用する圧力を算出するアンプユニットと、
   を備え、
   前記アンプユニットは、
   前記第２受圧部のひずみに基づいて、前記ダイヤフラムに作用する圧力の計算方法を変更する、
   圧力センサ。

Images