JP6894804B2 - 圧力検出装置および圧力センサ - Google Patents
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Description
本発明は、流路ユニットを圧力検出ユニットに着脱可能に取り付ける取付機構を備えた圧力検出装置および圧力センサに関する。
従来、薬液等の液体を流通させる流路が形成されたボディと、保護シートを介して受圧面に伝達される液体の圧力を検出するセンサ本体とが一体化されたインライン型圧力センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。
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。
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。
特許文献１に開示される圧力センサは、流体の圧力により保護シートがセンサ本体の下面に押し付けられる場合には、流体が保護シートを押し付ける圧力に応じた検出値を得ることができる。
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。
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。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、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および圧力センサを提供することを目的とする。
本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
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。
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。
本発明の一態様にかかる圧力検出装置によれば、取付機構により流路ユニットが圧力検出ユニットに取り付けられた状態において、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、流体の圧力により受圧用ダイヤフラムに接合された第１連結部が流路側から引き離され、第１連結部が圧力検出用ダイヤフラムの第１面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圧力検出用ダイヤフラムの第２面に接合された４つの歪抵抗部により検出される。また、流路を流通する流体の圧力が負圧である場合、流体の圧力により受圧用ダイヤフラムの第２面に接合された第１連結部が流路側へ引き寄せられ、第１連結部が磁力で連結した第２連結部を流路側へ引き寄せる。これにより、流体の圧力が負圧として圧力検出用ダイヤフラムの４つの歪抵抗部により検出される。
また、４つの歪抵抗部が圧力検出用ダイヤフラムの第２面の中心部を除く領域に接合されているため、第２連結部との接合により変位が抑制された圧力検出用ダイヤフラムの中心部に歪抵抗部を配置する場合に比べ、圧力検出の精度の低下を抑制することができる。
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。
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。
本発明の一態様にかかる圧力検出装置においては、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領域に配置されていてもよい。
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。
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。
本発明の一態様にかかる圧力検出装置においては、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んでいてもよい。
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。
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。
本発明の一態様にかかる圧力検出装置においては、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てもよい。
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。
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。
本発明の一態様にかかる圧力検出装置においては、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てもよい。
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。
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。
本発明の一態様にかかる圧力センサは、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ている。
本発明の一態様にかかる圧力センサによれば、４つの歪抵抗部が圧力検出用ダイヤフラムの第２面の中心部を除く領域に接合されているため、第２連結部との接合により変位が抑制された圧力検出用ダイヤフラムの中心部に歪抵抗部を配置する場合に比べ、圧力検出の精度の低下を抑制することができる。
本発明によれば、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および圧力センサを提供することができる。
〔第１実施形態〕
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。
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。
本実施形態の圧力検出装置１００において、流路ユニット２０は、ナット３０によって圧力検出ユニット１０に取り付けられる。圧力検出装置１００は、流路ユニット２０がナット３０によって圧力検出ユニット１０に取り付けられて一体化した状態で、設置面Ｓに取り付けられている。
図３に示すように、流路ユニット２０の流入口２１ａには流体を流入口２１ａへ流入させる流入側配管（図示略）が取り付けられ、流路ユニット２０の流出口２１ｂには流出口２１ｂから流出する流体を流通させる流出側配管（図示略）が取り付けられる。流入口２１ａから流出口２１ｂへ向けた流路２１を流通する流体の圧力は、圧力検出ユニット１０によって検出される。ここで、流体とは、例えば、血液や透析液等の液体である。
図３に示すように、圧力検出ユニット１０は、設置面Ｓに取り付けられる本体部１３を備える。図２および図３に示すように、圧力検出ユニット１０の本体部１３には、内部に配置される圧力センサ１２と外部の制御装置（図示略）とを電気的に接続するケーブル１９が、ケーブル取付ナット１９ａを介して取り付けられている。
次に、図１から図３を参照して圧力検出ユニット１０について詳細に説明する。図１から図３に示す圧力検出ユニット１０は、ダイヤフラム（圧力検出用ダイヤフラム）１２ａに伝達される圧力を検出する装置である。
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。
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。
連結部１１は、軸線Ｙ１に沿って円筒状に形成される永久磁石であり、例えば、ネオジム等により形成されている。連結部１１は、接着剤（例えば、エポキシ樹脂系接着剤）によって圧力センサ１２のダイヤフラム１２ａの第２面１２ａＢに接合されている。図３に示すように、連結部１１のダイヤフラム１２ａと接合される端面は、軸線Ｙ１に直交する平面上に配置される平面形状となるように形成されている。連結部１１は、永久磁石の磁力により磁性体である連結部２３を引きつけて接触した状態を維持する。流路ユニット２０が有する連結部２３については後述する。
なお、以上の説明では、連結部１１を永久磁石とし、連結部２３を磁性体としたが、他の態様であってもよい。例えば、連結部１１と連結部２３の双方を永久磁石としてもよい。また、連結部１１を磁性体とし、連結部２３を永久磁石としてもよい。以上のように、本実施形態の圧力検出装置１００は、連結部１１および連結部２３のいずれか一方が磁石により形成されており、連結部１１および連結部２３のいずれか他方が磁石または磁性体により形成されているものとする。
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。
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。
図３に示すように、圧力センサ１２は、耐腐食性のある材料（例えば、サファイア）により薄膜状に形成されるダイヤフラム（圧力検出用ダイヤフラム）１２ａと、ダイヤフラム１２ａの第２面１２ａＢに接合される歪抵抗部１２ｂと、ダイヤフラム１２ａを保持するベース部１２ｃとを有する。
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。
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。
ここで、ダイヤフラム１２ａの第２面１２ａＢに接合される歪抵抗部１２ｂについて説明する。
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。
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。
図４に示す中心部ＣＰは、平面視が円形のダイヤフラム１２ａの第２面１２ａＢの中心領域であり、連結部１１の端面が接着剤により接合される部分である。中心部ＣＰは、軸線Ｙ１から半径ｒ１となる円周の内側の領域である。図４に示す変位部ＤＰは、軸線Ｙ１から半径ｒ１となる円周の外側かつ軸線Ｙ１から半径ｒ２となる円周の内側の領域である。変位部ＤＰは、流路ユニット２０の連結部２３からダイヤフラム１２ａに圧力が伝達された場合に軸線Ｙ１に沿って変位する部分である。図４に示す固定部ＦＰは、ベース部１２ｃとセンサ保持部１４により挟まれるとともに接着剤（接着ガラス）によりベース部１２ｃに接合される部分である。固定部ＦＰは、流路ユニット２０の連結部２３からダイヤフラム１２ａに圧力が伝達されても変位しない部分である。
図４に示すように、本実施形態の４つの歪抵抗部１２ｂは、ダイヤフラム１２ａの第２面１２ａＢの変位部ＤＰに接合されている。変位部ＤＰは、中心部ＣＰおよび固定部ＦＰを除いた領域である。４つの歪抵抗部１２ｂを、中心部ＣＰを除く領域に接合しているのは、連結部２３からダイヤフラム１２ａに圧力が伝達されても中心部ＣＰが殆ど変位しないからである。中心部ＣＰが殆ど変位しないのは、ダイヤフラム１２ａの第２面１２ａＢの中心部ＣＰが、連結部１１と接着剤により接合されているためである。
図５は、４つの歪抵抗部１２ｂを金属配線により接続して構成されたホイートストンブリッジ回路を示す。４つの歪抵抗部１２ｂの抵抗値は、ダイヤフラム１２ａに伝達される圧力による歪によって変化する。ダイヤフラム１２ａに圧力が伝達され、４つの歪抵抗部１２ｂの抵抗値が変化すると、入力電圧Ｖｉｎに対する出力電圧Ｖｏｕｔの値が変化する。この出力電圧Ｖｏｕｔの値がセンサ基板１５により流体の圧力に変換される。
図４および図５に示すように、本実施形態の圧力検出ユニット１０において、ホイートストンブリッジ回路の４辺のうち対向する２辺に配置される一対の歪抵抗部１２ｂＢ，１２ｂＤは、変位部ＤＰのうち中心部ＣＰに隣接した領域である第１変位部（第１領域）ＤＰ１に配置される。図４に示す第１変位部ＤＰ１は、軸線Ｙ１から半径ｒ１となる円周の外側かつ軸線Ｙ１から半径ｒ３となる円周の内側の領域である。第１変位部ＤＰ１は、ダイヤフラム１２ａが伝達される圧力により変位する場合に、歪抵抗部１２ｂが半径方向に沿って伸びる領域である。
また、図４および図５に示すように、本実施形態の圧力検出ユニット１０において、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辺に配置される一対の歪抵抗部１２ｂＡ，１２ｂＣは、変位部ＤＰのうち第１変位部ＤＰ１よりも中心部ＣＰから離間した領域である第２変位部（第２領域）ＤＰ２に配置される。図４に示す第２変位部ＤＰ２は、軸線Ｙ１から半径ｒ３となる円周の外側かつ軸線Ｙ１から半径ｒ２となる円周の内側の領域である。第２変位部ＤＰ２は、ダイヤフラム１２ａが伝達される圧力により変位する場合に、歪抵抗部１２ｂが半径方向に沿って縮む領域である。
センサ保持部１４は、軸線Ｙ１回りに円筒状に形成される部材である。センサ保持部１４は、上端の内径が圧力センサ１２の外径よりも小さいため、圧力センサ１２が上方へ抜けないように保持することができる。センサ保持部１４は、ベース部１２ｃに対して接着剤（接着ガラス）により接合されたダイヤフラム１２ａの固定部ＦＰを保持する。
センサ基板１５は、圧力センサ１２が出力する圧力信号を増幅する増幅回路（図示略）と、増幅回路により増幅された圧力信号をケーブル１９の圧力信号線（図示略）に伝達するインターフェース回路と、ケーブル１９を介して外部から供給される電源電圧を圧力センサ１２へ伝達する電源回路（図示略）と、ゼロ点調整スイッチ１６が押下された場合にゼロ点調整を行うゼロ点調整回路（図示略）等を備える。
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。
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２は、図１に示す圧力検出装置１００から流路ユニット２０を取り外した状態を示す図である。図２に示すように、圧力検出ユニット１０に流路ユニット２０が取り付けられていない状態においては、圧力センサ１２のダイヤフラム１２ａが外部へ露出した状態となっている。
次に、図３，６，７を参照して流路ユニット２０について詳細に説明する。図６は、図１に示す流路ユニットの背面図である。図７は、図１に示す流路ユニットの底面図である。
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。
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。
ダイヤフラム２２は、耐腐食性のある材料（例えば、シリコーン樹脂材料）により薄膜状に形成される部材である。ダイヤフラム２２は軸線Ｙ２を中心軸とした平面視円形に形成される部材であり、その外周縁部が流路２１に接着あるいは溶着により取り付けられている。そのため、流路２１へ導入された流体は、流路２１から外部へ流体が流出することがない。ダイヤフラム２２は、薄膜状に形成されているため、流路２１に導入された流体の圧力によって変形する。
図８に示すように流路ユニット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は、流路ユニット２０の連結部２３が圧力検出ユニット１０のダイヤフラム１２ａの第１面１２ａＡに接触した状態となる。連結部２３は、流路２１を流通する流体の圧力をダイヤフラム１２ａに伝達する。
連結部２３は、軸線Ｙ１に沿って円筒状に形成される磁性体であり、ＪＩＳ規格にて規定されるＳ４５Ｃ等の鉄材によって形成されている。連結部２３は、接着剤（例えば、エポキシ樹脂系接着剤）によってダイヤフラム２２の圧力検出ユニット１０側の第２面２２ｂに接合されている。連結部２３は、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、永久磁石である連結部１１の磁力により吸引された状態で配置される。
図３に示すように、流路ユニット２０の下端側の外周面には、軸線Ｙ２回りに延びる無端状の環状溝部２２ｄが形成されている。一方、ナット３０の内周面には、軸線Ｙ２回りに延びる無端状の環状突起部３０ｂが形成されている。
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。
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。
図３に示すように環状突起部３０ｂが環状溝部２２ｄに係合した状態において、環状突起部３０ｂの外周面と環状溝部２２ｄの内周面との間には、微小な隙間が設けられる。そのため、ナット３０は、圧力検出ユニット１０に取り付けられた状態で、軸線Ｙ１回りに相対的に回転可能となっている。これにより、作業者は、圧力検出ユニット１０を設置面Ｓに固定した状態で、ナット３０を軸線Ｙ１回りに回転させることが可能である。
図３に示すように、ナット３０は、軸線Ｙ２回りに延びる雌ねじ３０ａが内周面に形成された円環状の部材である。ナット３０は、雌ねじ３０ａを圧力検出ユニット１０に形成される雄ねじ１７に締結し、あるいはその締結を解除することにより、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機構である。
作業者は、流路ユニット２０を把持しながら、ナット３０を軸線Ｙ１回りに締結方向（図１，図２に「ＬＯＣＫ」で示す方向）に回転させることにより、ナット３０の雌ねじ３０ａと圧力検出ユニット１０の雄ねじ１７を締結する。ナット３０の雌ねじ３０ａと圧力検出ユニット１０の雄ねじ１７とを締結することにより、連結部２３がダイヤフラム１２ａの第１面１２ａＡに徐々に近付いて最終的にダイヤフラム１２ａの第１面１２ａＡに接触し、図８に示す状態となる。
以上説明した本実施形態の圧力検出装置１００が奏する作用および効果について説明する。
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。
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。
また、流路２１を流通する流体の圧力が負圧である場合、流体の圧力によりダイヤフラム２２の第２面２２ｂに接合された連結部２３が流路２１側へ引き寄せられ、連結部２３が磁力で連結した連結部１１を流路２１側へ引き寄せる。これにより、流体の圧力が負圧としてダイヤフラム１２ａの４つの歪抵抗部１２ｂにより検出される。
また、４つの歪抵抗部１２ｂがダイヤフラム１２ａの第２面１２ａＢの中心部ＣＰを除く領域に接合されているため、連結部１１との接合により変位が抑制されたダイヤフラム１２ａの中心部ＣＰに歪抵抗部１２ｂを配置する場合に比べ、圧力検出の精度の低下を抑制することができる。
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。
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。
また、本実施形態の圧力検出装置１００においては、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歪抵抗部１２ｂＢ，１２ｂＤが中心部ＣＰに隣接した第１変位部ＤＰ１に配置され、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歪抵抗部１２ｂＡ，１２ｂＣが第１変位部ＤＰ１よりも中心部ＣＰから離間した第２変位部ＤＰ２に配置されている。
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。
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。
また、本実施形態の圧力検出装置１００においては、連結部２３が磁性体により形成されており、連結部１１が磁石により形成されている。使用済みとなって交換される流路ユニット２０に比較的安価な磁性体を用いることで、圧力検出装置１００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。
〔第２実施形態〕
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。
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。
第１実施形態の圧力検出装置１００は、ホイートストンブリッジ回路を構成する４つの歪抵抗部１２ｂＡ，１２ｂＢ，１２ｂＣ，１２ｂＤを、それぞれ単一の歪抵抗素子とするものであった。それに対して本施形態の圧力検出装置は、ホイートストンブリッジ回路を構成する４つの歪抵抗部１２ｂＡ，１２ｂＢ，１２ｂＣ，１２ｂＤを、それぞれ複数の歪抵抗素子から構成するものである。
図９は、第２実施形態の圧力検出ユニットのダイヤフラム１２ａを軸線Ｙ１に沿って上方からみた図であり、第１実施形態の図４と同じ方向からみた図である。
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。
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。
図９に示すように、本実施形態の圧力検出ユニットにおいて、ホイートストンブリッジ回路の４辺のうち対向する２辺に配置される一対の歪抵抗部１２ｂＢ（１２ｂＢ１，１２ｂＢ２），１２ｂＤ（１２ｂＤ１，１２ｂＤ２）は、変位部ＤＰのうち中心部ＣＰに隣接した領域である第１変位部（第１領域）ＤＰ１に配置される。第１変位部ＤＰ１は、ダイヤフラム１２ａが伝達される圧力により変位する場合に、歪抵抗部１２ｂが半径方向に沿って伸びる領域である。
図９に示すように、本実施形態の圧力検出ユニットにおいて、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辺に配置される一対の歪抵抗部１２ｂＡ（１２ｂＡ１，１２ｂＡ２），１２ｂＣ（１２ｂＣ１，１２ｂＣ２）は、変位部ＤＰのうち第１変位部ＤＰ１よりも中心部ＣＰから離間した領域である第２変位部（第２領域）ＤＰ２に配置される。第２変位部ＤＰ２は、ダイヤフラム１２ａが伝達される圧力により変位する場合に、歪抵抗部１２ｂが半径方向に沿って縮む領域である。
図９に示すように、ダイヤフラム１２ａの第２面１２ａＢには、第１変位部ＤＰ１よりも中心部ＣＰから離間し、かつ第２変位部ＤＰ２よりも中心部ＣＰに近接した第３変位部ＤＰ３が設けられている。第３変位部ＤＰ３は、軸線Ｙ１に対して半径ｒ４より大きく半径ｒ５よりも小さい範囲の領域である。図９に示すように、第３変位部ＤＰ３には、歪抵抗部１２ｂが配置されていない。
第３変位部ＤＰ３は、連結部２３からダイヤフラム１２ａに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。ホイートストンブリッジ回路を構成する歪抵抗部１２ｂが配置されない第３変位部ＤＰ３を設けたのは、ダイヤフラム１２ａに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に歪抵抗部１２ｂを配置することによる圧力検出の精度の低下を抑制するためである。
なお、歪抵抗素子１２ｂＡ１および歪抵抗素子１２ｂＡ２のそれぞれの抵抗値は、第１実施形態の歪抵抗部１２ｂ（１２ｂＡ，１２ｂＢ，１２ｂＣ，１２ｂＤ）の抵抗値と同じである。そのため、歪抵抗素子１２ｂＡ１と歪抵抗素子１２ｂＡ２の２つの素子を直列に接続して得られる合成抵抗値は、第１実施形態の歪抵抗部１２ｂＡの抵抗値の２倍となる。図５に示すホイートストンブリッジ回路の入力電圧Ｖｉｎを第１実施形態と同じとした場合、歪抵抗素子１２ｂＡ１および歪抵抗素子１２ｂＡ２に流れる電流が１／２となる一方で合成抵抗値が２倍となる。そのため、ダイヤフラム１２ａの変位量が同じであれば、ホイートストンブリッジ回路の出力電圧Ｖｏｕｔは第１実施形態と同じになる。そのため、第１実施形態と同じセンサ基板を用いることが可能となる。
本実施形態の圧力検出装置によれば、ダイヤフラム１２ａの第２面１２ａＢには、第１変位部ＤＰ１よりも中心部ＣＰから離間し、かつ第２変位部ＤＰ２よりも中心部ＣＰに近接した第３変位部（第３領域）ＤＰ３が設けられており、第３変位部ＤＰ３は、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。
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。
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。
本実施形態の圧力検出装置によれば、４つの歪抵抗部１２ｂのそれぞれが複数の歪抵抗素子を有し、複数の歪抵抗素子が中心部ＣＰを中心とした円周方向の異なる位置に配置されている。
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。
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。
１０ 圧力検出ユニット
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
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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