JP6913252B2

JP6913252B2 - 圧力スイッチ

Info

Publication number: JP6913252B2
Application number: JP2020530069A
Authority: JP
Inventors: 史章湯口; 智宏榊原
Original assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Current assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date: 2018-07-09
Filing date: 2019-06-21
Publication date: 2021-08-04
Anticipated expiration: 2039-06-21
Also published as: JPWO2020012917A1; WO2020012917A1

Description

本発明は、圧力スイッチに係り、詳しくは、低圧室および高圧室を有するケースと、低圧室と高圧室とを仕切るダイアフラムと、ダイアフラムの変位に伴って移動する作動部材と、作動部材の移動に伴ってスイッチを切り替える切替手段と、を備えた圧力スイッチに関する。

従来、圧力スイッチとして、金属製のダイアフラムを用いたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された圧力スイッチは、本体ケースとダイアフラムアッセンブリとを備え、本体ケースの内部に固定接点および可動接点を有する検知部が設けられ、この本体ケースの内部が大気側の低圧室とされ、ダイアフラムアッセンブリ側に継手配管が接続されて冷媒（流体）の流路に連通された高圧室が構成され、これらの低圧室および高圧室がダイアフラムによって仕切られている。ダイアフラムは、円板状（皿状）の薄板材を複数枚重ねて構成されるとともに、低圧室側が凹で高圧室側が凸となるドーム状の曲面を有して構成され、その外周縁がダイアフラムアッセンブリのアッパプレートとロアプレートとの間に挟持されている。

また、本体ケースには挿通孔が形成され、挿通孔に挿通されたシャフトがダイアフラムの凹面から検知部の可動片まで延びて設けられている。検知部の可動接点は可動片の先端に設けられ、流体圧力が所定値よりも小さければ可動接点が固定接点と接触し、スイッチがオンの状態（導通状態）になっている。高圧室に継手配管からの圧力が作用すると、ダイアフラムが低圧室（本体ケース）側に変位し、このダイアフラムに押されてシャフトが検知部側に移動する。圧力が所定値を超えると、ダイアフラムの変位量およびシャフトの移動量が大きくなり、シャフトによって可動片が押されて可動接点が固定接点から離隔し、スイッチがオフの状態（非導通状態）になる。このように圧力スイッチでは、測定する流体圧力に応じてダイアフラムが変位することで、スイッチのオン／オフが切り替えられるようになっている。

特開２０１５−１２５８８７号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたような従来の圧力スイッチでは、ダイアフラムが低圧室側に凹となるドーム状の曲面を有しているため、大きな変位量（ストローク）を得るためには、低圧室側に向かってダイアフラムが凹から凸に変形する反転動作を起こさせる必要がある。このような反転動作は、非常に短時間に起きるとともに、流体圧力の増分に対して変位量が極端に大きくなるため、反転動作が起きるときの圧力が狭い範囲に限定され、所望の圧力に対応したダイアフラムを選定するのが難しい。また、加圧時の反転動作の後に減圧されると、逆向きの（低圧室側に向かって凸から凹になる）反転動作が起きるが、これら正負の反転動作における流体圧力に差があることから、スイッチのオン／オフ間の圧力差すなわち入切差（ディファレンシャル）が大きくなってしまう。さらに、ダイアフラムが正負の反転動作を繰り返すと、局部的な変形および応力集中による疲労が蓄積されることから、製品寿命への影響が懸念される。以上のように、反転動作を起こすダイアフラムを用いた圧力スイッチには様々な課題があり、その解決が望まれていた。

本発明の目的は、反転動作を起こさないダイアフラムを用いた場合でも、変位量を大きくし、かつ入切差を小さくして切り替え時の圧力値の精度を高めるとともに、長寿命化を図ることができる圧力スイッチを提供することである。

本発明の圧力スイッチは、低圧室および高圧室を有する本体と、前記低圧室と前記高圧室とを仕切るダイアフラムと、前記ダイアフラムの変位に伴って移動する作動部材と、前記作動部材の移動に伴ってスイッチを切り替える切替手段と、を備えた圧力スイッチであって、前記ダイアフラムは、金属製の薄板材から全体円板状に形成されるとともに、前記低圧室に向かって凸となるドーム状の凸状部と、前記本体に保持される周縁部の被保持部と、を有して構成され、前記作動部材は、前記凸状部に対して前記低圧室の側から当接し、前記ダイアフラムの変位に追従して移動可能に設けられ、前記凸状部を自然状態よりも前記高圧室の側に付勢することで前記ダイアフラムに初期圧縮力を付加する付勢手段を備え、この初期圧縮状態において前記凸状部が前記低圧室の側への凸形状を維持していることを特徴とする。

以上のような本発明によれば、ダイアフラムが低圧室に向かって凸となるドーム状の凸状部を有し、初期圧縮状態において凸状部が低圧室の側への凸形状を維持していることで、ダイアフラムは反転動作を起こさず、ダイアフラムは、常に低圧室の側に凸な形状のままで変位することができる。従って、反転動作による入切差（ディファレンシャル）を小さくすることができるとともに、ダイアフラムにおける局部的な変形や応力集中が生じにくくなり、製品の高圧対応化や長寿命化を図ることができる。また、付勢手段によって凸状部を自然状態よりも高圧室の側に付勢し、ダイアフラムに初期圧縮力を付加することで、この初期圧縮状態から自然状態までの変位量と、自然状態から低圧室の側への変位量（ダイアフラムが伸びる引張側の変位量）と、を併せた合計変位量（総ストローク）を得ることができる。従って、ダイアフラムの総ストロークが大きくなることで、作動部材の移動量も大きくなることから、切替手段による検知動作の確実性が高くなる。さらに、圧力に対するストロークの分解能も細かくなり、検知する圧力値のばらつきを小さく（検知精度を向上）することができる。

この際、前記付勢手段の付勢力を調節する調節手段をさらに備えることが好ましい。

この構成によれば、調節手段によって付勢手段の付勢力を調節し、自然状態から初期圧縮状態までの初期変位量を増減させることで、ダイアフラムのストロークを調節することができ、検知する圧力値の範囲を調整することができる。従って、ダイアフラムの仕様は同一であっても、低圧から高圧までの広い圧力検知範囲に対応可能な圧力スイッチが構成できる。また、ダイアフラムの加工精度等による剛性のばらつきがある場合であっても、調節手段によって付勢手段の付勢力を調節することで、所定の圧力値に合せてダイアフラムのストロークを調節することができ、検知精度を向上させることができる。

また、前記作動部材の移動を前記切替手段に伝達する伝達部材をさらに備え、前記伝達部材は、支点を中心に回動可能に設けられ、前記作動部材に対する作用点から前記支点までの第１作用距離よりも、前記切替手段に対する作用点から前記支点までの第２作用距離の方が大きく設定されていることが好ましい。

この構成によれば、支点を中心に回動可能な伝達部材によって作動部材の移動を切替手段に伝達するとともに、第１作用距離よりも第２作用距離の方が大きく設定されていることで、作動部材の移動量（すなわち、ダイアフラムのストローク）を増幅して切替手段に伝達することができる。従って、前述のようにダイアフラムの総ストロークが大きくなることに加えて、伝達部材を介して移動量が拡大されることで、切替手段で検知する圧力値の範囲が拡大できるとともに、より一層検知精度を向上させることができる。なお、第１作用距離および第２作用距離は、それぞれ梃子における力点またな作用点と支点との間のモーメント・アーム（支点から力のベクトルに直交する垂線の距離）を意味し、梃子の原理によって、作動部材の移動（または、作動部材からの力）が伝達部材を介して切替手段に増幅された移動量として（力は減縮されて）伝達される構成となっている。

さらに、前記付勢手段は、前記伝達部材を介して前記作動部材を前記ダイアフラムに向かって付勢し、前記伝達部材における前記付勢手段に対する作用点から前記支点までの第３作用距離が前記第１作用距離よりも大きく設定されていることが好ましい。

この構成によれば、付勢手段が伝達部材を介して作動部材をダイアフラムに向かって付勢するとともに、第３作用距離が第１作用距離よりも大きく設定されていることで、付勢手段の付勢力を増幅して作動部材からダイアフラムに伝達することができ、比較的小さな付勢力を有する付勢手段を用いることで圧力スイッチの小型化を図ることができる。なお、第３作用距離は、作用点（付勢手段からの力点）と支点との間のモーメント・アームを意味し、梃子の原理によって、付勢手段の付勢力が伝達部材を介して作動部材に増幅されて伝達される構成となっている。

また、前記ダイアフラムが初期圧縮状態を超えて前記高圧室の側に変位することを規制する変位規制手段をさらに備えることが好ましい。この際、前記作動部材を挿通させる挿通孔を有した保持部材をさらに備え、変位規制手段は、作動部材に設けられて拡径された拡径部と、前記保持部材と、で構成され、前記作動部材が前記ダイアフラムに向かって変位した際に、前記拡径部が前記保持部材に当接することで、この当接位置を超えた前記作動部材および前記ダイアフラムの移動が規制されることが好ましい。

この構成によれば、変位規制手段によってダイアフラムの変位を規制することで、初期圧縮状態を超えて高圧室の側に大きく変位すること防ぎ、ダイアフラムの凸状部が反転動作することが防止できる。さらに、初期圧縮状態で変位が規制されたダイアフラムに対して付勢手段の付勢力をさらに加え、この追加付勢力を変位規制手段に支持させるようにすることで、変位規制手段に作用する追加付勢力の分だけダイアフラムの変位開始圧力を高めることができる。従って、同一仕様のダイアフラムを用いた場合であっても、より高圧領域の圧力検知に対応させることができ、圧力スイッチの適応範囲を拡大することができる。

さらに、前記ダイアフラムが自然状態から初期圧縮状態まで変位する初期変位量が全変位量の半分以上に設定されていることが好ましい。

この構成によれば、ダイアフラムの初期変位量が全変位量の半分以上に設定されていることで、付勢手段がない場合と比較して、ダイアフラムのストロークを倍以上に拡大することができ、切替手段のオン／オフの動作を確実なものにすることができる。

また、前記ダイアフラムは、１枚の薄板材で構成されるか、または複数枚の薄板材を重ねて構成されることが好ましい。

この構成によれば、１枚の薄板材でダイアフラムを構成した場合には、構造が簡単化できるとともに、ヒステリシスによる入切差を小さくすることができる。一方、複数枚の薄板材を重ねてダイアフラムを構成した場合には、ダイアフラムの剛性および強度が高まることで、より高圧の圧力検知に対応させることが可能となる。

本発明の圧力スイッチによれば、ダイアフラムが反転動作を起こさないことにより、入切差を小さくして切り替え時の圧力値の検知精度を高めるとともに、製品の長寿命化を図ることができ、さらに、付勢手段によって初期圧縮力を付加することで、ダイアフラムのストロークが大きくなって圧力値の検知範囲を拡大することができる。

本発明の第１実施形態に係る圧力スイッチを示す断面図である。前記圧力スイッチの動作を示す断面図である。前記圧力スイッチの動作を示す断面図である。（Ａ）〜（Ｃ）は、前記圧力スイッチのダイアフラムの動作を示す拡大断面図である。前記圧力スイッチにおける伝達部材の機構を示す図である。前記ダイアフラムに作用する圧力とストロークの関係を示すグラフである。前記圧力スイッチにおける変位規制手段を示す図である。前記変位規制手段の変形例を示す図である。前記変位規制手段の他の変形例を示す図である。本発明の第２実施形態に係る圧力スイッチを示す断面図である。本発明の変形例に係る圧力スイッチを示す断面図である。変形例の圧力スイッチにおける伝達部材の機構を示す図である。

本発明の第１実施形態に係る圧力スイッチについて、図１〜図８を参照して説明する。本実施形態の圧力スイッチ１は、図１に示すように、全体箱状のケース２と、ケース２の上部に設けられるマイクロスイッチ３と、ケース２の下部に固定されるダイアフラムアッセンブリ４と、を備える。さらに、圧力スイッチ１は、ダイアフラムアッセンブリ４に対して上下方向に進退自在に支持された作動部材５と、作動部材５の移動をマイクロスイッチ３に伝達する伝達部材６と、後述するダイアフラム４４を付勢して初期圧縮力を付加する付勢手段としてのコイルばね７と、コイルばね７の付勢力を調節する調節手段としての調節ねじ８と、を備える。

ケース２は、上方に開口した金属製の箱体であって、四方を囲む側面部２１と、側面部２１に連続した下面部２２と、を備えている。下面部２２の中央には、開口部２３が設けられ、この開口部２３を通してダイアフラムアッセンブリ４に継手部材Ｐが接続されている。下面部２２内面には、箱状の副ケース２４が固定され、この副ケース２４と下面部２２とで囲まれた内部にダイアフラムアッセンブリ４が支持されている。副ケース２４は、下方に開口した金属製の箱体であって、その下端部の係合片２４ａがケース２の下面部２２に係合することでケース２に固定される。副ケース２４の上面には、作動部材５を挿通させる貫通孔２４ｂが設けられている。このようなケース２の内部には、大気に開放された低圧室２Ａと、後述するダイアフラムアッセンブリ４におけるダイアフラム４４と底板部材４５との間の高圧室２Ｂと、が構成されている。

マイクロスイッチ３は、ケース２に固定されるスイッチ本体３１と、スイッチ本体３１とケース２との間に設けられるカバー３２と、スイッチ本体３１とカバー３２とで囲まれた内部に設けられる切替手段３３と、を備える。切替手段３３は、スイッチ本体３１に支持されて上下に対向して設けられる一対の固定端子３４，３５と、上下の固定端子３４，３５間を移動自在に設けられる可動端子３６と、可動端子３６をスイッチ本体３１に支持する板ばねからなる導通部材３７と、可動端子３６を上方または下方のいずれかに付勢する作動ばね３８と、上側の固定端子３４の位置を調節するための調節ねじ３９と、を備える。このマイクロスイッチ３は、上側の固定端子３４に可動端子３６が当接してこれらが導通される低圧状態と、下側の固定端子３５に可動端子３６が当接してこれらが導通される高圧状態と、を検出し、この導通状態の違いによってスイッチを切り替えるように構成されている。

ダイアフラムアッセンブリ４は、ケース２の下面部２２と副ケース２３との間に支持される上保持板４１および下保持板４２と、上保持板４１と下保持板４２との間に保持されるスペーサ４３、ダイアフラム４４および底板部材４５と、を備える。上保持板４１は、全体円盤状に形成されるとともに、その中心部を上下に貫通して作動部材５を挿通させて上下に案内する挿通孔４１ａを有して形成されている。下保持板４２は、全体円筒状に形成されるとともに、スペーサ４３、ダイアフラム４４および底板部材４５を保持するための段部４２ａと、上向きに延びて上保持板４１を加締め固定するためのかしめ片４２ｂと、を有して形成されている。ダイアフラムアッセンブリ４は、上保持板４１と下保持板４２の段部４２ａとの間にスペーサ４３、ダイアフラム４４および底板部材４５を挟み、かしめ片４２ｂを内側に向かって加締めることで、ダイアフラム４４および底板部材４５の周縁部が上保持板４１と下保持板４２の間に保持されている。

ダイアフラム４４は、複数枚の金属製薄板材を重ねて全体円板状に形成されるとともに、上方である低圧室に向かって凸となるドーム状の凸状部４４ａと、上保持板４１および下保持板４２に保持される周縁部の被保持部４４ｂと、を有して構成されている。底板部材４５は、全体円板状の金属板材から中央部が下方に向かって膨らんだ皿状に形成され、その中央部には継手部材Ｐが固定される貫通孔４５ａが形成されている。ダイアフラム４４と底板部材４５は気密性および耐圧性を確保できるように溶接等により互いに接合され、ダイアフラム４４と底板部材４５との間に、継手部材Ｐからの高圧流体が導入される高圧室２Ｂが設けられている。一方、ダイアフラム４４と上保持板４１との間の空間は、挿通孔４１ａを通してケース２の内部に連通された低圧室２Ａとなっている。従って、ダイアフラム４４は、高圧室２Ｂが大気圧よりも高圧になると上方に伸びるように変位し、高圧室２Ｂの圧力が下がると下方に変位するようになっている。そして、ケース２、上保持板４１、下保持板４２および底板部材４５によって、本発明の本体が構成され、この本体の内部に設けられる低圧室２Ａと高圧室２Ｂとがダイアフラム４４によって仕切られている。

作動部材５は、円柱状部材であって、上保持板４１の挿通孔４１ａに挿通され、上下方向に進退自在に支持されている。作動部材５の上下端部には面取りが設けられ、下端部がダイアフラム４４の凸状部４４ａの中心に当接するように設けられ、ダイアフラム４４の変位に伴って作動部材５が上下に移動するように構成されている。

伝達部材６は、それぞれ金属板材から形成された第１伝達部材６１および第２伝達部材６２で構成され、第１伝達部材６１がケース２内部に設けられた軸２５に回動自在に支持されている。第１伝達部材６１は、その一端側（図の左側）から順に、コイルばね７が接続される第１接続部６１ａと、軸２５に支持される支点部６１ｂと、作動部材５の上端部に当接する当接部６１ｃと、第２伝達部材６２に接続される第２接続部６１ｄと、を有して構成されている。第２伝達部材６２は、第２接続部６１ｄから上方に延び、カバー３２に設けられた挿通孔３２ａを通してマイクロスイッチ３の内部に挿入されている。第２伝達部材６２の上端部は、マイクロスイッチ３の作動ばね３８に当接して設けられている。

コイルばね７は、引張ばねであって、伝達部材６の第１接続部６１ａに下端部が係止されるとともに、上端部は端部部材７１に固定され、この端部部材７１は、調節ねじ８を介してケース２とスイッチ本体３１との間に設けられた固定板８１に取り付けられている。調節ねじ８は、端部部材７１に螺合しており、調節ねじ８の頭部は、固定板８１に当接するとともに、スイッチ本体３１の孔を介して外部上方から操作可能になっている。この調節ねじ８を操作して回転させることで、端部部材７１と固定板８１との距離を変更することができ、これによりコイルばね７の付勢力（張力）が調整されるようになっている。このようなコイルばね７の付勢力は、伝達部材６を介して作動部材５に伝達され、作動部材５が下方に付勢されることで、作動部材５が当接するダイアフラム４４の凸状部４４ａが下方に押圧され、これによってダイアフラム４４に初期圧縮力が付加される。

以上の圧力スイッチ１の動作について、図２〜図５も参照して説明する。図２は、高圧室２Ｂの圧力が所定値よりも低い低圧状態における圧力スイッチ１を示す図である。図３は、高圧室２Ｂの圧力が所定値を超えた高圧状態における圧力スイッチ１を示す図である。なお、図１は、低圧状態と高圧状態の中間となる中間状態を示す図である。また、図４（Ａ）は、ダイアフラム４４の自然状態を示し、図４（Ｂ）は、ダイアフラム４４の初期圧縮状態を示し、図４（Ｃ）は、ダイアフラム４４の最大伸び状態を示している。

先ず、図２および図４（Ｂ）に示すように、低圧状態においてコイルばね７の付勢力が伝達部材６を介して伝達されると、伝達部材６の第２伝達部材６２が下方に移動するとともに、作動部材５によって凸状部４４ａが下方に押圧されてダイアフラム４４が下方に変位する。第２伝達部材６２が下方に位置することから、マイクロスイッチ３の可動端子３６が作動ばね３８によって上向きに付勢されて上側の固定端子３４に当接し、これにより低圧状態であることが検出される。一方、ダイアフラム４４は、図４（Ａ）の自然状態から下方に初期変位量δ_１だけ変位し、この変位量に応じた初期圧縮力が付加される。このような初期圧縮状態において、ダイアフラム４４の凸状部４４ａは、高圧室２Ｂの側に反転することなく、低圧室２Ａの側への凸形状が維持されている。

次に、高圧室２Ｂの圧力が上昇してダイアフラム４４に圧力が作用すると、図１に示すように、ダイアフラム４４の変位に伴って作動部材５が上方に移動し、伝達部材６が支点部６１ｂを中心に回動し、この伝達部材６を介して第２伝達部材６２が上方に移動するとともに、伝達部材６を介してコイルばね７が伸ばされて付勢力が増大する。第２伝達部材６２が上方に移動しても、マイクロスイッチ３の作動ばね３８の撓みが一定量に達するまでは、作動ばね３８によって上向きに付勢された可動端子３６が上側の固定端子３４に当接し、これにより低圧状態であることが検出され続ける。

さらに、高圧室２Ｂの圧力が上昇して所定値を超えると、図３に示すように、ダイアフラム４４の変位の増大に伴って第２伝達部材６２がさらに上方に移動し、撓みが一定量を超えた作動ばね３８が反転して下向きの付勢力が可動端子３６に作用し、可動端子３６が下側の固定端子３５に当接する。可動端子３６と下側の固定端子３５とが導通されることで、圧力が所定値を超えて高圧状態に切り替わったことがマイクロスイッチ３によって検出される。ここで、高圧室２Ｂの圧力が所定値よりも低下して第２伝達部材６２が下方に移動し始めたとしても、作動ばね３８は即座に逆反転せず若干の遅れをもって逆反転する。すなわち、圧力上昇時の作動位置（作動ばね３８の反転位置）の変位および圧力は、圧力下降時の作動位置（作動ばね３８の逆反転位置）の変位および圧力よりも若干大きくなるように、作動ばね３８の形状および付勢力が設定されている。

次に、高圧室２Ｂの圧力が所定の圧力値を超えて上昇し続けると、ダイアフラム４４は、図４（Ａ）に示す自然状態の変位となり、さらに、図４（Ｃ）に示す最大伸び状態（図４（Ａ）の自然状態から上方に距離δ_２だけ変位した状態）に向かって変位する。この間、マイクロスイッチ３の可動端子３６が下側の固定端子３５に当接して高圧状態であることが検出され続ける。一方、高圧室２Ｂの圧力が下降すると、ダイアフラム４４は、コイルばね７の付勢力によって自然状態よりも下方に変位し、圧力下降時の作動位置まで変位したときに作動ばね３８が逆反転し、図１に示すように、作動ばね３８によって可動端子３６が上向きに付勢され、可動端子３６が上側の固定端子３４に当接することで、低圧状態であることがマイクロスイッチ３によって検出される。さらに、高圧室２Ｂの圧力が下降すると、ダイアフラム４４は、コイルばね７の付勢力によって図２に示す初期圧縮状態に向かって変位し、マイクロスイッチ３によって低圧状態であることが検出され続ける。

以上のような圧力スイッチ１の動作において、伝達部材６による伝達機構を図５に基づいて説明する。図５は、伝達部材６における第１伝達部材６１の機構を示す図であり、図中Ａ点が支点部６１ｂおよび軸２５の位置を示し、図中Ｂ点が第１接続部６１ａの位置を示し、図中Ｃ点が当接部６１ｃの位置を示し、図中Ｄ点が第２接続部６１ｄの位置を示している。コイルばね７の伸縮および付勢力と、作動部材５の上下移動およびダイアフラム４４の変位および弾性力（圧縮力および引張力）と、第２伝達部材６２の上下移動とは、伝達部材６が梃子として機能することで相互に伝達される。すなわち、図５に示すように、伝達部材６の回転中心であるＡ点（支点部６１ｂおよび軸２５）と、作動部材５への作用点であるＣ点（当接部６１ｃ）と、は第１作用距離Ｌ１だけ離れている。Ａ点と、第２伝達部材６２の接続部であるＤ点（第２接続部６１ｄ）と、は第２作用距離Ｌ２だけ離れている。Ａ点と、コイルばね７の力点であるＢ点（第１接続部６１ａ）と、は第３作用距離Ｌ３だけ離れている。ここで、作用距離とは、梃子における力点や作用点と支点との間のモーメント・アーム（支点から力のベクトルに直交する垂線の距離）を意味する。

第２作用距離Ｌ２は、第１作用距離Ｌ１よりも大きく（Ｌ１＜Ｌ２）設定されている。従って、ダイアフラム４４の変位によってＣ点（当接部６１ｃ）が上下移動する移動量よりも、Ｄ点（第２接続部６１ｄ）の移動量が大きくなり、ダイアフラム４４の変位が第１伝達部材６１により増幅されて第２伝達部材６２からマイクロスイッチ３に伝達されるようになっている。また、第３作用距離Ｌ３は、第１作用距離Ｌ１よりも大きく（Ｌ１＜Ｌ３）設定されている。従って、コイルばね７の付勢力によってＢ点（第１接続部６１ａ）が引き上げられる距離よりも、Ｃ点（当接部６１ｃ）および作動部材５を介してダイアフラム４４を下方に変位させる移動量が小さくなり、かつ、コイルばね７の付勢力が増幅されてダイアフラム４４に伝達されるようになっている。

次に、圧力スイッチ１の動作中において、ダイアフラム４４に作用する高圧室２Ｂの圧力と変位量（ストローク）の関係を図６に基づいて説明する。図６は、ダイアフラム４４に作用する圧力とストロークの関係を示すグラフである。初期圧縮状態にあるダイアフラム４４に対して高圧室２Ｂの圧力が上昇し始めると、ダイアフラム４４が上方（低圧室２Ａの側）へ変位し始め、ある圧力からダイアフラム４４の変位が増大し、自然状態（変位量δ_０）になるまでの圧縮領域においては比較的大きな傾きでダイアフラム４４の変位が増加していく。この圧縮領域では、高圧室２Ｂの圧力による上向きの力に、ダイアフラム４４の圧縮力による上向きの力が加わり、これらを合わせた上向きの力がコイルばね７からの付勢力と釣り合うことから、相対的にダイアフラム４４の変位が大きくなり、圧力変化に対する変位量の変化率（グラフの傾き）が大きくなっている。

さらに、高圧室２Ｂの圧力が上昇し、ダイアフラム４４が自然状態を超えて伸び領域に入ると、圧力変化に対する変位量の変化率が若干小さくなりつつも、ダイアフラム４４の変位が増大していく。この伸び領域では、高圧室２Ｂの圧力による上向きの力に対し、ダイアフラム４４の引張力による下向きの力が差し引かれ、小さくなった上向きの力がコイルばね７からの付勢力と釣り合うことから、圧縮領域の場合と比較して圧力変化に対する変位量の変化率（グラフの傾き）が小さくなっている。その後、さらに高圧室２Ｂの圧力が上昇すると、ダイアフラム４４が弾性限界に近づくことで変位量の変化率が小さくなる。弾性限界を超えた塑性領域で変位を繰り返すと耐久性が損なわれるため、ダイアフラム４４の最大伸び状態（最大ストローク位置）の全変位量δ_ｍａｘが規定されている。全変位量δ_ｍａｘは、図４にも示すように、初期圧縮状態から自然状態（変位量δ_０）までの初期変位量δ_１と、自然状態から最大伸び状態までの変位量δ_２と、を加えたもの（δ_ｍａｘ＝δ_１＋δ_２）となっている。そして、初期変位量δ_１は、全変位量δ_ｍａｘに対して半分以上（δ_１＞δ_ｍａｘ／２、すなわち、δ_１＞δ_２）となるように設定されている。

次に、高圧室２Ｂの圧力が下降すると、ダイアフラム４４が下方（高圧室２Ｂの側）に変位して変位量が減少する。この際、ヒステリシスが生じ、圧力上昇時よりも低圧側に遷移した軌道を描くことになる。なお、圧力下降時における伸び領域および圧縮領域の圧力変化に対する変位量の変化率（グラフの傾き）は、圧力上昇時と同様であり、圧縮領域における変化率の方が伸び領域における変化率よりも大きくなっている。また、前述したマイクロスイッチ３の作動タイミングとしては、図６において、圧力上昇時に作動ばね３８が反転する作動位置および圧力下降時に作動ばね３８が逆反転する作動位置のいずれも圧縮領域にあり、圧力上昇時の作動位置の方が圧力下降時の作動位置よりも変位量が大きくなっている。なお、マイクロスイッチ３の作動タイミングとしては、伸び領域において作動ばね３８が作動するように設定されていてもよい。

なお、本実施形態の圧力スイッチ１は、図７〜図９に示すようなダイアフラム４４の変位を規制する変位規制手段９を備えていてもよい。図７は、圧力スイッチ１における変位規制手段９を示す図である。図８は、変位規制手段９の変形例を示す図である。図９は、変位規制手段９の他の変形例を示す図である。

図７に示す変位規制手段９は、ケース２の側面部２１に設けられた開口部２１ａと、伝達部材６の第１伝達部材６１の一端側から延びる延出部６１ｅと、によって構成されている。すなわち、延出部６１ｅが開口部２１ａに挿通され、コイルばね７の付勢力によって第１伝達部材６１の一端側が上方に引き上げられ、作動部材５を介してダイアフラム４４が下方に変位した際に、延出部６１ｅが開口部２１ａの上端縁に当接し、この当接位置を超えた移動が規制される。従って、コイルばね７の付勢力を大きくしたとしても、当接位置に対応した変位よりも大きくダイアフラム４４が変位することがなく、すなわち当接位置によって決まる変位がダイアフラム４４の初期圧縮状態となる。一方、高圧室２Ｂの圧力上昇によってダイアフラム４４が上方に変位する際には、コイルばね７の付勢力との釣り合いによって変位量が決まることから、コイルばね７の付勢力を大きくすることで、検出対象の流体圧力を高圧側に設定することができるようになっている。

図８に示す変位規制手段９は、作動部材５に設けた拡径部としてのストッパ５１と、保持部材としての上保持板４１の上面と、によって構成されている。すなわち、コイルばね７の付勢力によって作動部材５が下方に押し下げられ、この作動部材５に押圧されてダイアフラム４４が下方に変位した際に、ストッパ５１が上保持板４１の上面に当接し、この当接位置を超えた移動が規制される。従って、コイルばね７の付勢力を大きくしたとしても、当接位置に対応した変位よりも大きくダイアフラム４４が変位することがなく、すなわち当接位置によって決まる変位がダイアフラム４４の初期圧縮状態となる。一方、高圧室２Ｂの圧力上昇によってダイアフラム４４が上方に変位する際には、コイルばね７の付勢力との釣り合いによって変位量が決まることから、コイルばね７の付勢力を大きくすることで、検出対象の流体圧力を高圧側に設定することができるようになっている。

図９に示す変位規制手段９は、高圧室２Ｂ内部の底板部材４５に設けられるストッパ９１と、ダイアフラム４４の下面と、によって構成されている。すなわち、コイルばね７の付勢力によって作動部材５が下方に押し下げられ、この作動部材５に押圧されてダイアフラム４４が下方に変位した際に、ストッパ９１がダイアフラム４４の下面に当接し、この当接位置を超えた変位が規制される。従って、コイルばね７の付勢力を大きくしたとしても、当接位置に対応した変位よりも大きくダイアフラム４４が変位することがなく、すなわち当接位置によって決まる変位がダイアフラム４４の初期圧縮状態となる。一方、高圧室２Ｂの圧力上昇によってダイアフラム４４が上方に変位する際には、コイルばね７の付勢力との釣り合いによって変位量が決まることから、コイルばね７の付勢力を大きくすることで、検出対象の流体圧力を高圧側に設定することができるようになっている。

以上の本実施形態によれば、ダイアフラム４４が上方（低圧室２Ａ）に向かって凸となるドーム状の凸状部４４ａを有し、初期圧縮状態において凸状部４４ａが低圧室２Ａの側への凸形状を維持していることで、ダイアフラム４４は反転動作を起こさず、ダイアフラム４４は、常に低圧室２Ａの側に凸な形状のままで変位することができる。従って、反転動作による大きな入切差が生じないことで、スイッチ切り替え時の圧力値の検知精度を高めることができるとともに、ダイアフラム４４における局部的な変形や応力集中が生じにくくなり、製品の高圧対応化や長寿命化を図ることができる。

また、コイルばね７の付勢力によってダイアフラム４４を自然状態よりも下方（高圧室２Ｂの側）にさせ、ダイアフラム４４に初期圧縮力を付加することで、この初期圧縮状態から自然状態までの初期変位量δ_１と、自然状態から低圧室２Ａの側への変位量δ_２と、を併せた全変位量δ_ｍａｘを得ることができる。従って、ダイアフラム４４の全変位量δ_ｍａｘが大きくなることで、検知する圧力値の範囲を拡大することができるとともに、検知の分解能を高めて検知精度の向上を図ることができる。また、ダイアフラム４４の初期変位量δ_１が全変位量δ_ｍａｘの半分以上に設定されていることで、コイルばね７による初期圧縮力が付加されていない場合と比較して、ダイアフラム４４のストロークを倍以上に拡大することができる。

調節ねじ８によってコイルばね７の付勢力を調節し、自然状態から初期圧縮状態までの初期変位量を増減させることで、ダイアフラム４４のストロークを調節することができ、検知する圧力値の範囲を調整することができる。従って、ダイアフラム４４の仕様は同一であっても、低圧から高圧までの広い圧力検知範囲に対応可能な圧力スイッチ１が構成できる。また、ダイアフラム４４の加工精度等による剛性のばらつきがある場合であっても、調節ねじ８によってコイルばね７の付勢力を調節することで、所定の圧力値に合せてダイアフラム４４のストロークを調節することができ、検知精度を向上させることができる。

また、図７〜図９に示すような変位規制手段９を備えていれば、変位規制手段９によってダイアフラム４４の変位を規制することで、初期圧縮状態を超えて高圧室２Ｂの側に大きく変位すること防ぎ、ダイアフラム４４の凸状部４４ａが反転動作することが防止できる。さらに、初期圧縮状態で変位が規制されたダイアフラム４４に対してコイルばね７の付勢力をさらに加え、この追加付勢力を変位規制手段９に支持させるようにすることで、変位規制手段９に作用する追加付勢力の分だけダイアフラム４４の変位開始圧力を高めることができる。従って、同一仕様のダイアフラム４４を用いた場合であっても、より高圧領域の圧力検知に対応させることができ、圧力スイッチ１の適応範囲を拡大することができる。

伝達部材６の回動によって作動部材５の移動をマイクロスイッチ３に伝達する際に、第１作用距離Ｌ１よりも第２作用距離Ｌ２の方が大きく設定されていることで、作動部材５の移動量（すなわち、ダイアフラム４４の移動量）を増幅してマイクロスイッチ３に伝達することができる。従って、ダイアフラム４４の全変位量δ_ｍａｘが大きくなることに加えて、伝達部材６を介して移動量が拡大されることで、マイクロスイッチ３を確実に動作させることができる。また、第３作用距離Ｌ３が第１作用距離Ｌ１よりも大きく設定されていることで、コイルばね７の付勢力を増幅して作動部材５からダイアフラム４４に伝達することができ、比較的小さな付勢力を有するコイルばね７を用いることで圧力スイッチ１の小型化を図ることができる。

次に、本発明の第２実施形態に係る圧力スイッチについて、図１０を参照して説明する。図１０は、本発明の第２実施形態に係る圧力スイッチ１Ａを示す断面図である。圧力スイッチ１Ａは、前記第１実施形態の圧力スイッチ１と比較して、ケース２に対するマイクロスイッチ３およびダイアフラムアッセンブリ４の配置が異なるとともに、伝達部材６およびコイルばね７の構成が相違している。以下、第１実施形態との相違点について詳しく説明し、共通の構成については同一符号を付して説明を省略または簡略する。

圧力スイッチ１Ａにおいて、ケース２の左右一方の側面部２１にマイクロスイッチ３が設けられ、ケース２の下面部２２にダイアフラムアッセンブリ４が設けられている。すなわち、ダイアフラムアッセンブリ４におけるダイアフラム４４の変位方向と、ダイアフラム４４の変位による作動部材５の移動方向と、は上下方向になっており、マイクロスイッチ３における切替手段３３の作動方向は左右方向となっている。また、マイクロスイッチ３の調節ねじ３９は、図１０の左側方から操作可能に設けられている。

伝達部材６は、第１伝達部材６１が全体Ｌ字形に形成され、ダイアフラムアッセンブリ４の上方に対向する位置に軸２５に支持される支点部６１ｂと、作動部材５の上端部に当接する当接部６１ｃとが設けられ、マイクロスイッチ３の側方に対向する位置にコイルばね７が接続される第１接続部６１ａと、第２伝達部材６２に接続される第２接続部６１ｄとが設けられている。コイルばね７は、伝達部材６の第１接続部６１ａに左端部が係止されるとともに、右端部は端部部材７１に固定され、この端部部材７１は、調節ねじ８を介してケース２の右側の側面部２１に取り付けられている。すなわち、コイルばね７は、左右方向に伸縮可能に設けられ、調節ねじ８は、図１０の右側方から操作可能に設けられている。

以上の圧力スイッチ１Ａは、第１実施形態の圧力スイッチ１と同様に動作し、第１実施形態と同様の作用、効果を奏することができる。すなわち、ダイアフラム４４の反転動作による大きな入切差が生じないことで、スイッチ切り替え時の圧力値の検知精度を高めることができるとともに、ダイアフラム４４における局部的な変形や応力集中が生じにくくなり、製品の高圧対応化や長寿命化を図ることができる。さらに、ダイアフラム４４の全変位量δ_ｍａｘが大きくなることで、検知する圧力値の範囲を拡大することができるとともに、検知の分解能を高めて検知精度の向上を図ることができる。

さらに、本実施形態の圧力スイッチ１Ａによれば、マイクロスイッチ３がケース２の側面部２１に設けられるとともに、コイルばね７が左右方向に伸縮可能に設けられていることで、圧力スイッチ１Ａ全体の高さ寸法を抑制することができる。また、マイクロスイッチ３の調節ねじ３９およびコイルばね７の調節ねじ８が圧力スイッチ１Ａの側方から操作可能に設けられていることで、圧力スイッチ１Ａの上方に他の機器や配管類がある場合でも設置することができ、省スペース化を図ることができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。例えば、前記実施形態では、圧力スイッチ１，１Ａとして、ケース２にマイクロスイッチ３およびダイアフラムアッセンブリ４が取り付けられた構造であり、ケース２とダイアフラムアッセンブリ４の上保持板４１、下保持板４２および底板部材４５によって本体が構成されていたが、このような構成に限定されるものではなく、低圧室と高圧室とを仕切ってダイアフラムが設けられる適宜な構造を有した本体であればよい。また、前記実施形態では、低圧室２Ａが大気に開放された空間であったが、これに限らず、密閉されて大気圧よりも低圧または高圧に設定された空間によって低圧室が構成されていてもよい。

また、前記実施形態の圧力スイッチ１，１Ａは、伝達部材６を備え、この伝達部材６を介して作動部材５の移動をマイクロスイッチ３に伝達するとともに、コイルばね７の付勢力を作動部材５からダイアフラム４４に伝達する構成であったが、このような伝達部材を省略してもよい。あるいは、作動部材５の移動をマイクロスイッチ３に伝達する部分と、コイルばね７の付勢力をダイアフラム４４に伝達する部分と、を別々の部材で構成してもよい。また、伝達部材６は、ダイアフラム４４の変位を増幅してマイクロスイッチ３に伝達する構成であったが、ダイアフラム４４の変位量と同じだけの移動量をマイクロスイッチ３に伝達する構成であってもよい。また、伝達部材６は、コイルばね７の付勢力を増幅してダイアフラム４４に伝達する構成であったが、コイルばね７の付勢力を増幅せずに直接ダイアフラム４４に伝達する構成であってもよい。

また、前記実施形態では、切替手段として、一対の固定端子３４，３５、可動端子３６、導通部材３７および作動ばね３８を有したマイクロスイッチ３を採用したが、これに限らず、切替手段としては、ダイアフラムおよび作動部材に変位に伴ってスイッチ（状態）を切り替えるものであればよく、その構造や構成は任意のものが利用可能である。例えば、一対の固定端子３４，３５間を可動端子３６が移動して導通状態を切り替えるものに限らず、回転体や搖動体、スライド体等が移動することで導通状態が切り替わるものであってもよいし、光学的な切替手段が利用されてもよい。

また、前記実施形態では、ダイアフラム４４として、複数枚の金属製薄板材を重ねて構成されたものを採用したが、これに限らず、ダイアフラムは、１枚の金属製薄板材によって構成されたものであってもよい。１枚の金属製薄板材によって構成されたダイアフラムによれば、構造が簡単化できるとともに、ヒステリシスによる入切差を小さくすることができる。

また、前記実施形態では、付勢手段として、引張ばねであるコイルばね７を例示したが、付勢手段は、図１１に示すような圧縮ばねとしてのコイルばね７ａや、板ばね等で構成されてもよい。図１１は、本発明の変形例に係る圧力スイッチ１を示す断面図である。図１２は、変形例の圧力スイッチ１における伝達部材６の機構を示す図である。図１１に示すように、コイルばね７ａは、その上下端部に端部部材７２，７３を有し、伝達部材６の第１接続部６１ａに下側の端部部材７３が当接し、上側の端部部材７２に調節ねじ８の先端が当接している。従って、調節ねじ８を操作することで、コイルばね７ａの付勢力（押圧力）が調整され、その付勢力が伝達部材６を介して作動部材５に伝達され、作動部材５を介してダイアフラム４４に初期圧縮力が付加される。

伝達部材６の第１伝達部材６１において、図１２にも示すように、作動部材５の上端部に当接する当接部６１ｃ（Ｃ点）は、軸２５に支持される支点部６１ｂ（Ａ点）よりもコイルばね７ａに押圧される第１接続部６１ａ（Ｂ点）の側に設けられている。Ａ点とＣ点との距離（第１作用距離Ｌ１）と、Ａ点とＤ点（第２接続部６１ｄ）との距離（第２作用距離Ｌ２）とは、第２作用距離Ｌ２が第１作用距離Ｌ１よりも大きく（Ｌ１＜Ｌ２）設定されている。また、Ａ点とＢ点との距離（第３作用距離Ｌ３）は、第１作用距離Ｌ１よりも大きく（Ｌ１＜Ｌ３）設定されている。従って、コイルばね７ａの付勢力によってＢ点が押し下げられる距離よりも、Ｃ点および作動部材５を介してダイアフラム４４を下方に変位させる移動量が小さくなり、かつ、コイルばね７ａの付勢力が増幅されてダイアフラム４４に伝達されるようになっている。

また、マイクロスイッチ３は、前記実施形態と異なる動作によって低圧状態と高圧状態を検出するように構成されている。具体的には、コイルばね７ａの付勢力によってダイアフラム４４が下方に変位した初期圧縮状態（低圧状態）において、第２伝達部材６２が上方に位置することから、マイクロスイッチ３の可動端子３６が作動ばね３８によって下向きに付勢されて下側の固定端子３５に当接し、これにより低圧状態であることが検出される。一方、高圧室２Ｂの圧力が上昇すると、ダイアフラム４４の上方への変位に伴って第２伝達部材６２が下方に移動し、圧力が所定値を超えると作動ばね３８が反転して上向きの付勢力が可動端子３６に作用し、可動端子３６が上側の固定端子３４に当接し、これにより圧力が所定値を超えて高圧状態に切り替わったことが検出される。このような変形例の圧力スイッチ１によっても前記実施形態と同様の効果を奏することができる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本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本発明に含まれる。

１，１Ａ圧力スイッチ
２ケース
２Ａ低圧室
２Ｂ高圧室
５作動部材
６伝達部材
７，７ａコイルばね（付勢手段）
８調節ねじ（調節手段）
９変位規制手段
３３切替手段
４４ダイアフラム
４４ａ凸状部
４４ｂ被保持部

Claims

低圧室および高圧室を有する本体と、前記低圧室と前記高圧室とを仕切るダイアフラムと、前記ダイアフラムの変位に伴って移動する作動部材と、前記作動部材の移動に伴ってスイッチを切り替える切替手段と、を備えた圧力スイッチであって、
前記ダイアフラムは、金属製の薄板材から全体円板状に形成されるとともに、前記低圧室に向かって凸となるドーム状の凸状部と、前記本体に保持される周縁部の被保持部と、を有して構成され、
前記作動部材は、前記凸状部に対して前記低圧室の側から当接し、前記ダイアフラムの変位に追従して移動可能に設けられ、
前記凸状部を自然状態よりも前記高圧室の側に付勢することで前記ダイアフラムに初期圧縮力を付加する付勢手段を備え、この初期圧縮状態において前記凸状部が前記低圧室の側への凸形状を維持していることを特徴とする圧力スイッチ。
前記付勢手段の付勢力を調節する調節手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の圧力スイッチ。
前記作動部材の移動を前記切替手段に伝達する伝達部材をさらに備え、
前記伝達部材は、支点を中心に回動可能に設けられ、前記作動部材に対する作用点から前記支点までの第１作用距離よりも、前記切替手段に対する作用点から前記支点までの第２作用距離の方が大きく設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力スイッチ。
前記付勢手段は、前記伝達部材を介して前記作動部材を前記ダイアフラムに向かって付勢し、前記伝達部材における前記付勢手段に対する作用点から前記支点までの第３作用距離が前記第１作用距離よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項３に記載の圧力スイッチ。
前記ダイアフラムが初期圧縮状態を超えて前記高圧室の側に変位することを規制する変位規制手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧力スイッチ。
前記作動部材を挿通させる挿通孔を有した保持部材をさらに備え、
変位規制手段は、作動部材に設けられて拡径された拡径部と、前記保持部材と、で構成され、前記作動部材が前記ダイアフラムに向かって変位した際に、前記拡径部が前記保持部材に当接することで、この当接位置を超えた前記作動部材および前記ダイアフラムの移動が規制されることを特徴とする請求項５に記載の圧力スイッチ。
前記ダイアフラムが自然状態から初期圧縮状態まで変位する初期変位量が全変位量の半分以上に設定されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の圧力スイッチ。
前記ダイアフラムは、１枚の薄板材で構成されるか、または複数枚の薄板材を重ねて構成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の圧力スイッチ。