JPH01170824A - 圧力検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は圧電振動子を圧力検出素子として用いる圧力検
出器に関するものであり、さらに詳しくはこの圧力検出
素子がこの圧力検出素子を収納する圧力応動型容器に機
械的に非抵触の状態で気密封止され、外部圧力の変動に
よりこの圧力応動型容器の容積が変動し、この容積変動
に伴う内部気圧変動を圧力検出素子の共振周波数等の電
気的特性の変化により外部圧力を検出する方式の圧力検
出器に関するものである。

周囲雰囲気の圧力の変化を検出する代表的な圧力検出素
子として、屈曲振動モード、輪郭振動モードで振動する
水晶振動子があげられる。これら水晶振動子の電気的特
性（例えは共振周波数、あるいはクリスタルインピーダ
ンス）は周囲雰囲気の圧力変化により略直線的に変化す
る特性を有しており、この特性を利用して圧力の測定を
行う。

−船釣には水晶振動子表面の電極膜の保護等のため、こ
の圧力検出素子である水晶振動子を直接被測定気圧下に
置かず、ベローズ等の圧力応動型容器内に設置し、この
容器内の内部気圧変動を検出する。この為、圧力応動型
容器外の圧力を如何に効率よく容器内に伝えるかが−っ
の解決課題であり、また圧力検出器としての特性向上の
着目点でもあった。

尚、本発明でいう「応動」なる詔は、外からの働きかけ
に対して作動することを意味する。

（従来技術とその問題点） 従来技術を一般的な圧力検出器の構造を示す第１図とと
もに説明する。第１図は圧力検出器１の内部断面の模式
図である。圧力検出器１は全体として円柱形状であり、
圧力応動型容器であるベローズ２と、基台３と、圧力検
出素子４とからなる。

外部圧力変化により伸縮応動するベローズ２の内部には
圧力検出素子である音叉型水晶振動子４を有して、大気
圧の不活性ガスが充填された状態で基台３と気密封止さ
れている。尚、基台３と音叉型水晶振動子４とはシール
材５で接続されている。

第２図に示すように圧力検出器１に外部圧力Ｐが加わる
とベローズ２が圧縮され、ベローズ２の内部気圧が上昇
する。この気圧の上昇に応じて音叉型水晶振動子４の共
振周波数が略直線的に低下し、よってこの変化量を検出
して外部圧力を測定する。

（特開昭５７−ｉａｅＩａｏ号参照） しかしながら、上記構造の場合、圧力検出器に高い圧力
がかかり、ベローズが最大圧縮された場合でも、このベ
ローズ自体の厚みの為、圧力検出器内の容積は非圧縮時
の１／２〜１／３程度にしかならない。従ってベローズ
に弾性がないと仮定した場合、この圧力検出器の圧力の
測定範囲は基準圧力（例えば１気圧）から２〜３気圧に
限られてしまう。実際上は上記圧縮量（１／２〜１／３
の容積変化）と同じ圧縮量でより高い圧力を測定する為
に、弾性を有する（すなわちバネ定数を有する）ベロー
ズを用い圧力測定範囲を拡大させることが可能であるが
、圧力測定範囲を拡大しようとするあまり、バネ定数を
大きくすると、一定の外部圧力変化に対するベローズの
圧縮量が小さくなりすぎるととがあった。そうすると圧
力検出器内部の気圧変化が小さくなり、圧力検出素子で
検出する内部気圧に対する周波数変化量あるいはクリス
タルインピーダンスの変化量（以下感度という）が減少
し、比較的小さな外部圧力変動は検出しなくなることが
あった。４ このように圧力応動型容器を介して外部圧力を測定した
場合、この容器分の機械的損失があるために圧力検出素
子自体の感度が減じられる。よって圧力検出器としての
感度並びに分解能が低下すると言う問題点を有していた
。そして圧力検出素子自体の感度並び乙こ圧力検出器の
容積を一定とした場合、圧力検出器の圧力測定範囲の拡
大と感度の向上は相反する関係にあり、従って、従来の
構成では高感度で小型の圧力検出器を得ることができな
いという問題点を有していた。

（発明の目的） 本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、
以下の事項を実現する圧力検出器を提供することを目的
とするものである。

■、圧力検出素子自体の持つ感度を向上させて圧力検出
器の出力とすることにより、圧力測定の分解能を向上さ
せる。

■、小型化しても圧力測定範囲を狭めないで圧力検出器
の感度を向上させる。

■、同じく小型化しても感度を低下させないで圧力測定
範囲を広げる。

（発明の構成） 本発明による圧力検出器は、圧力応動型容器に気密封止
された気体の圧力変動を検出する圧電振動子を有する圧
力検出器において、非加圧状態時にこの気体を大気圧を
越える気圧に設定したことを特徴とするものである。

（発明の作用） 例えば圧電振動子の感度と使用温度が一定で、容積比（
大気圧下の容積と最大圧縮時の容積）が３：１のベロー
ズを用いた場合、大気圧にて気密封止したベローズの内
部気圧は最高３気圧までしか上昇しない。ところが内部
気圧を２気圧にて気密封止し、上と同じ伸縮量があフた
場合、内部気圧は６気圧になり、内部気圧の変化は大気
圧封止　　　・の２気圧に較べて、２気圧封止の場合４
気圧と２倍となる。これはボイル・シャルルの法則から
も明らかである。よって同じ容積変化でも圧電振動子の
検出する感度は２倍となる。

（発明の実施例） 第１の実施例 本発明による実施例を説明する。

圧力検出器の構成については第１図とともに従来技術の
項で説明した構成と略同じである。すなわち圧力検出器
１は全体として円柱形状であり、圧力応動型容器である
一端が開口した金属製のベローズ２と、とのベローズ２
の開口部と接続される金属製の基台３と、この基台３に
設置される圧力検出素子４とからなる。そして、このベ
ローズ２内は大気圧を越えるＡｒが封入されており、ベ
ローズ２の開口部２３と基台のフランジＦｊＰＪ３１は
抵抗溶接、半田付は等の手段にて気密封止されている。

圧力検出素子４は、との実施例では屈曲振動を行なわし
めるよう電極配置された（図面では電極配置は省略して
いる）音叉型水晶振動子であり、シール材５にて基台３
に固着される。

次にベローズ２内を大気圧以上に設定する方法につき説
明する。第１図に示すように基台３には圧電振動子挿入
孔３２に並んで銅製の細管６が貫通固定されている。上
記圧力検出器は通常大気圧下で組み立てられる。そして
上記圧力検出器を一度真空雰囲気中ことおき、その後そ
の雰囲気をＡ「に置換し大気圧にまで上昇させる。次に
、乙の圧力検出器１の細管６をレギュレータ（図示せず
）を介してＡｒが充填された圧力ボンベ（図示せず）に
接続し、所望の圧力にまで気圧を上昇させ、この時点で
細管６の外部側の例えはＡ部を機楯的に消し、この消し
た部分以下を切り取る。そして、この切り取り部分は半
田等の封止材（図示せず）にて気密封止を確実にする。

次に、圧力検出器内を大気圧とした場合（Ａｒで示す）
と、大気圧以上（具体的には２気圧、Ｂ１で示す）とし
た場合の感度を比較した実験データを示す。実験モデル
は上記実施例で説明した構造と基本的には同じであるが
、ベローズの山数等の一部が異なっているところがある
。尚、実験条件は以下のとおりであり、この実験結果を
第３図に示す。

※２５℃で直接加圧した場合の値 上記実験は圧力検出器の内部気圧以外を同一条件とした
場合の外部圧力に対する周波数変化を示したものである
が、この実験から明らかなように内部気圧を大気圧以上
に設定すると感度は格段に向上している。尚、第３図の
グラフにおいて、両者とも加圧量が増加するにつれ、周
波数変化量（感度）も増加しているが、最後のところで
その増加が鈍化している。これは増加が鈍化した時点で
、ベローズが最大圧縮されたことを示している。

第２の実施例 次に、他のベローズを用いた場合の感度を比較した実験
データを示す。尚、基本的な構造は第１の実施例と同じ
であり、詳細な実験条件は以下の通りである。この実験
結果を第４図に示す。

※２５℃で直接加圧した場合の値 上記実験は、第１の実施例に示した実験に較べて、ベロ
ーズのバネ定数等を異ならせるとともに封入気圧も異な
らせている。第４図に示すグラフから、大気圧をわずか
に越える１、３気圧でもベローズのバネ定数を小さく設
計すると、感度の差は歴然と表われることが分かる。

上記２実施例の各々の実験結果では、圧力検出器の感度
が封入気圧に比例した値になっていない。

これは容積変化率がベローズのバネ定数と内部気体のバ
ネ定数の両者に依存しているからであり、逆に言えは、
同じ容積変化をさせるためには、内部圧力を大気圧とし
た場合と、たとえは２気圧とした場合とでは後者のほう
が大きな外部圧力を必要とするからである。しかしこれ
は所望の設計条件にあわせてベローズのバネ定数を適宜
決定すればよく、これにより容積変化率も等しくするこ
とができる。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、圧力検
出器の所望の外形寸法、圧力測定範囲、感度に応じて、
上記表に示した条件を有機的に取り込み、設計条件を決
定すれはよいことは言うまでもない。

尚、実施例に圧力検出素子である圧電振動子として音叉
型水晶振動子を取り上げたが、これに限られるものでは
なく、他の振動モードの振動子であってもよい。また圧
力応動型容器としてベローズを取り上げたが、例えはダ
イヤプラムなどを用いてもよい。

（発明の効果） 本発明によれは発明の作用の項でも説明したように、圧
力検出素子である圧電振動子の感度と使用温度が一定で
ある場合、圧力検出器の内圧を大気圧以上とすると、内
部気圧が大気圧の場合に較べて容積変化に対する圧力変
化の比率が大きくなる為、結果として圧電振動子の検出
する感度は大幅に向上する。

よって、圧力検出器を小型化しても圧力測定範囲を狭め
ることなく感度を向上させることができるし、またその
逆に感度を低下させることなく圧力測定範囲を拡げるこ
ともできる。また上記実験結果でも明らかなように内部
気圧以外を同じ条件で製造したような場合、圧力測定範
囲並びに感度の両者が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に関する圧力検出器を示す図、第２図は
第１図の圧力検出器が加圧された状態を示す図、第３図
は感度の比較を示すグラフである。 第４図は他の実施例による感度の比較を示すグラフであ
る。 １・・・圧力検出器 ２・・・ベローズ（圧力応動型容器） ３・・・基台

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 圧力応動型容器に気密封止された気体の圧力変動を検出
   する圧電振動子を有する圧力検出器において、非加圧状
   態時にこの気体を大気圧を越える気圧に設定したことを
   特徴とする圧力検出器。