JPH052041U - 圧力変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 従来のものに比べ特性、感度の劣化を招かず
に、低価格化、軽量化、加工の容易化、加工の高精度化
を図りつつ、量産化を実現する。 【構成】 導入部１２と受圧ダイヤフラム１３とは、予
め別体に形成する。即ち、導入部１２には、貫通孔１２
ａ、ねじ部１２ｂ、大径開口部１２ｄの他に上記大径開
口部１２ｄを包囲する如く肉薄で同一の高さのリング状
を呈する突状部１２ｅを形成する。一方、受圧ダイヤフ
ラム１３は、圧延加工を施すだけで耐力・引張強さが増
す、例えばステンレス鋼を用いて薄板状に圧延した後円
形状に打抜き加工する。導入部１２の端面の突状部１２
ｅに受圧ダイヤフラム１３を当接し、その周縁部を電子
ビーム溶接により一体的に固着する。上記受圧ダイヤフ
ラム１３の非受圧面側に添着されたひずみゲージによっ
てホイートストンブリッジ回路を形成し、その出力端か
ら印加圧力に対応した電気的出力を取り出す。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、流体を圧力媒体として受圧ダイヤフラムを変形せしめこの受圧ダイ ヤフラムの変形を該ダイヤフラムに添着されたひずみゲージにより検出して印加 圧力に対応する電気信号を得る圧力変換器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

従来、この種の圧力変換器は、例えば図５に示すように構成されていた。 図５において、１は、この圧力変換器を圧力検出対象物としての機器、容器、管 路等に結合固定するとともに該対象物から圧力媒体としての気体、液体等の流体 を導入するための導入部である。

【０００３】 この導入部１は、中心部に流体の導入路である貫通孔１ａを有するとともに、 一端側は外周面に取付部としてのねじ部１ｂを形成し、他端側は該ねじ部１ｂに 対して段差を形成してほぼフランジ状をなしその外周面に同様にしてねじ加工を 施した大径部１ｃとしている。

【０００４】 ２は、円筒状に形成された外筒部であり、その一端は、内周面にねじ加工を施 されたねじ部２ａとなっており、導入部１の大径部１ｃの外周に形成されたねじ 部と螺合され且つ溶接等によって導入部１に溶着されている。

【０００５】 また、外筒部２の中間には、その中空部を閉塞する如く薄板状の受圧ダイヤフ ラム２ｂが一体に形成されている。そして、この受圧ダイヤフラム２ｂの背面（ 受圧面と反対の面）には、受圧ダイヤフラム２ｂとともに変形しその受圧ダイヤ フラム２ｂに印加された圧力を電気信号に変換するひずみゲージ３が接着剤等に より添着されている。 ４は、外筒部２の他端部に固定されひずみゲージ３に電 気的に接続された中継基板である。５は、外筒部２の突出端外周に溶接等により 一端が固着されたケースである。

【０００６】 ６は、一端がケース５の他端に嵌入され前記中継基板４に電気的に接続されて 外部に変換出力（電気信号）を引き出す防水コネクタ、７は、その防水コネクタ ６をケース５に固定するための固定金具、８は、ケース５と防水コネクタ６の結 合部をシールするためのＯリングである。

【０００７】 このような構成で、圧力容器等の前記対象物から前記導入部１を介して導かれ た液体、気体等の流体は、その圧力により受圧ダイヤフラム２ｂを変形させ、該 受圧ダイヤフラム２ｂに添着されたひずみゲージ３がひずみを検知して印加圧力 に対応した電気信号出力を得る。

【０００８】 ところで、この圧力変換器を構成する各部材のうち、受圧ダイヤフラム２ｂを 含む外筒部２は、ステンレス鋼等の棒状鋼材を旋盤等で切削加工することにより 一体に形成されていた。

【０００９】 このように受圧ダイヤフラム２ｂを一体に形成することにより、対象物からの 流体圧に対するひずみゲージ３の出力の関係を線形とし且つヒステリシスを減少 させ、高精度で安定した圧力変換器が得られるのである。

【００１０】

【考案が解決しようとする課題】

しかしながら、このようにして外筒部２を加工する場合、幾つかの問題があっ た。

【００１１】 先ず第１に、外筒部２の加工は、ねじ部２ａのねじ切り加工、受圧ダイヤフラ ム２ｂの切削加工、外周面や端面の切削加工等いわゆる機械加工工数が多いこと 、 第２に、受圧ダイヤフラム２ｂは、薄板状に形成しなければならないとともに極 めて高精度なものを必要とするため切削加工も慎重さを要し且つ長時間を要する こと、 第３に、圧力変換器の組立時、特に導入部１と外筒部２との螺着に際し受圧ダイ ヤフラム２ｂを変形させて変換出力の零点の変動をひきおこす虞れがあり、その 組立作業に非常に慎重を期す必要があること、 さらに第４に、受圧ダイヤフラム２ｂの素材に関する問題がある。

【００１２】 即ち、受圧ダイヤフラム２ｂは、圧力媒体としての液体、流体に対して耐食性 を有することが長期安定性上必要不可欠であり、また、この受圧ダイヤフラム２ ｂにはひずみゲージ３が添着されている関係上その素材としては、高い引張強さ のものが要求される。

【００１３】 従来、受圧ダイヤフラム２ｂとして、１８−８ステンレス鋼等のオーステナイ ト系のステンレス鋼を用いたものがあったが、この場合耐食性の点では問題ない ものの、引張強さの点で多少の問題があった。

【００１４】 また、１８−８ステンレス鋼は、熱処理を施しても硬化せず、弾性材としての ダイヤフラムとしては使用できないが、薄板状に圧延加工することにより著しい 加工硬化性を示すので、この性質を利用して外筒部２を圧延加工してダイヤフラ ムを形成できれば充分使用できるが、その形状からして圧延加工を施すことは事 実上不可能である。

【００１５】 一方、１７−４ＰＨ鋼等の析出硬化型のステンレス鋼を素材として用いた場合 、耐食性および引張強さの双方が充分に満足され極めて高精度の圧力変換器を得 ることが可能であるが、素材自体の価格が高く且つ機械加工も比較的困難である ため、圧力変換器としてのコストが非常にアップするという問題があった。

【００１６】 この問題を回避すべく導入部１の素材を外筒部２の素材と異ったものとすると 、これらの膨脹率が異なる場合には、圧力変換器に温度変化が生じたとき、導入 部１における大径部１ｃのねじ部と外筒部２のねじ部２ａとの螺合部分において 熱ひずみ（熱応力）が発生して受圧ダイヤフラム２ｂが変形して誤差が生じると いう新たな問題が発生する。

【００１７】 従って、導入部１の素材としては、外筒部２と同一、あるいは少なくとも膨脹 率が同じであると見なし得るものを用いる必要があり、例えば外筒部２に１７− ４ＰＨ鋼のような高価なものを用いた場合、導入部も同様にして１７−４ＰＨ鋼 を用いることとなり結局圧力変換器全体のコストを低減させることはできない。

【００１８】 このような状況下において、昨今種々の油圧制御機器等の増加に伴い圧力変換 器の需要も増大し、市場においては、より低価格の圧力変換器が大量に供給され ることが望まれている。

【００１９】 そこで、その対策の１つとしては、導入部１を用いず、外筒部２のねじ部２ａ が対象物に直接取り付けられるように構成して部材を減らし、それによってコス トダウンを図る方法が考えられる。

【００２０】 しかしながら、この方法の場合、導入部１を対象物に螺着する際に、ねじ部２ ａに応力が発生し、その応力が受圧ダイヤフラム２ｂを変形させ、初期変動（イ ニシャル移動）が生じる虞れがある。従って、実用に供するにはいろいろと制約 がある。 また、導入部１と外筒部２とを一体化した部材が製作可能であればよいが、その 形状からして不可能である。

【００２１】 また、他の対策として、この外筒部とダイヤフラムとを図６に示すように別部 材より構成する案も考えられる。

【００２２】 即ち、導入部９は、図５の導入部１と同様のものとし、外筒部１０は、一端側 の内周面にねじ部１０ａを形成し、他端側に内周面側に折り込まれた如き形状の エッジ部１０ｂを形成する。

【００２３】 そして薄肉円板状に形成された受圧ダイヤフラム１１を、導入部９の他端面と それに螺合された外筒部１０のエッジ部１０ｂとの間に挟持する。 このように構成した場合、受圧ダイヤフラム１１は、別部材であるから、受圧ダ イヤフラム１１だけを、例えば１７−４ＰＨ鋼とすることができ、また、安価な １８−８ステンレス鋼に圧延加工を施し加工硬化により引張強さを高めることも 可能であるから、従来より安価な圧力変換器を製作することができる。

【００２４】 しかしながら、このように導入部９に受圧ダイヤフラム１１を、単に挟持せし めただけでは、受圧ダイヤフラム１１の周縁部に応力を生じさせることなく強固 に固定することができないため、ひずみゲージ３の出力におけるヒステリシスが 大きくなってしまい圧力変換器の精度が劣化する。

【００２５】 結局、従来の圧力変換器では、高精度で長期安定性を有する圧力変換器を製作 しようとすると価格も高くなり、逆にコストダウンを図るとその精度が低下して しまうという問題があった。

【００２６】 本考案は、上述した問題点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、 従来のものに比べ特性、感度の劣化を招かずに、低価格化、軽量化、加工の容易 化、加工の高精度化と併せて量産化を実現し得る圧力変換器を提供することにあ る。

【００２７】

【課題を解決するための手段】

本考案は、上記の目的を達成するために、流体を圧力媒体として受圧ダイヤフ ラムを変形せしめ該受圧ダイヤフラムの変形を該受圧ダイヤフラムに添着された ひずみゲージにより検出して印加圧力に対応する電気信号を得る圧力変換器にお いて、圧力検出対象物に結合固定し得るように一端に取付部が形成され且つ前記 圧力検出対象物から前記流体を導くべく一端側から他端側に貫通する導入路が穿 設されさらに前記他端側の端面に前記導入路の出口を包囲する如く肉薄で同一高 さのリング状を呈する突状部が形成された導入部と、少なくとも膨脹率が前記導 入部と略同程度であって熱処理しても硬化せずまたは熱処理しても強度を高めら れないが圧延加工を施すことによって耐力および引張強さを高められる１８−８ ステンレス鋼等の素材をもって前記流体による圧力に感応して変形し得る程度に 薄い板状に形成された受圧ダイヤフラムとからなり、前記導入部の前記突状部と 、予め圧延加工されて耐力および引張強さを増大された前記ダイヤフラムの周縁 部とがプロジェクション溶接、ビーム溶接等の電気溶接手段により溶着されて一 体的に構成されてなることを特徴としたものである。

【００２８】

【作用】

上記のように構成された圧力変換器は、導入部と受圧ダイヤフラムとを別体に 形成して、受圧ダイヤフラムの加工を容易化し、耐力および引張強さの増大を図 るようにしている。

【００２９】 すなわち、受圧ダイヤフラムを別体にし且つ板状のものとすることで、圧延加 工および打抜き加工を可能にして加工を容易化し、大量生産を実現可能にしてい る。

【００３０】 また、受圧ダイヤフラムの素材に、例えば１８−８ステンレス鋼のような熱処 理加工施しても引張強さを増大できないものを用いて、予め受圧ダイヤフラムを 圧延加工することで、耐力および引張強さの増大させるようにしている。

【００３１】 そして、この受圧ダイヤフラムとこれを支持する導入部との固着手段として、 単に溶接をするというのではなく、溶着に際し受圧ダイヤフラムを変形させて変 換出力の零点の変動をひきおこさず、ひずみゲージの加熱による温度上昇を来た さず受圧ダイヤフラムの周縁部に応力を生じさせないようにするため、導入部の 端面に導入路出口を包囲する如く肉薄で同一高さのリング状を呈する突状部を形 成して、その突状部と受圧ダイヤフラムの周縁部とをプロジェクション溶接、電 子ビーム溶接によって溶着するようにしている。

【００３２】

【実施例】

以下、本考案を図示の一実施例に基づき詳細に説明する。 図１は、本考案の一実施例の構成を示す縦断面図である。

【００３３】 同図１において、圧力検出対象物としての容器、管路等に結合固定され、圧力 媒体としての流体を導入する導入部１２は、中心部に流体の導入路である貫通孔 １２ａが形成されるとともに、その一端側外周面には、取付部としてのねじ部１ ２ｂが形成され、他端側には、該ねじ部１２ｂに対して段差をもたせてほぼフラ ンジ状を呈する大径部１２ｃが形成されている。

【００３４】 この大径部１２ｃの直径より小さく貫通孔１２ａの直径よりも大きな直径を有 し、上記他端面から所定の深さに達する大径開口部１２ｄが形成されている。

【００３５】 そして、上記導入部１２の他端側の端面に、貫通孔１２ａの出口と連通する大 径開口部１２ｄを包囲する如く肉薄で同一の高さのリング状を呈する突状部１２ ｅが形成されている。

【００３６】 一方、受圧ダイヤフラム１３は、導入部１２とは別体に圧延加工され少なくと も膨脹率が前記導入部１２と略同程度の素材をもって前記流体による圧力に感応 して変形し得る程度に薄い円板状に形成されている。

【００３７】 そして、組立てに際し、上記導入部１２の他端面に突出形成した突状部１２ｅ に受圧ダイヤフラム１３の周縁部を当接し、その状態で導入部１２と受圧ダイヤ フラム１３を押圧している電極１４との間に大電流（数百〜数十ＫＡ程度）を通 電させる。

【００３８】 すると、この電流は、突状部１２ｅと受圧ダイヤフラム１３との接触面、すな わち接触面積の少ないリング状に接している部分を通るため突状部１２ｅの一部 および受圧ダイヤフラム１３の当接部が溶融する。

【００３９】 その結果、導入部１２と受圧ダイヤフラム１３とが溶着し一体化され且つ導入 部１２の他端側が閉塞される。このような抵抗溶接法によれば、極めて短時間で 溶接でき、また溶接時に発生する熱は局部的であるため熱影響、残留応力による 受圧ダイヤフラム１３の変形あるいは特性の変化が殆んどない。

【００４０】 図２は、電気溶接の他の方法を説明するための模式的断面図である。この図に 示すものは、電子ビーム溶接（ＥＢＷ）法と称され、電子銃１５によって真空中 で数万Ｖの高電圧で加速された電子線（電子ビーム）が受圧ダイヤフラム１３に 当ると局部的に衝撃熱が生じ、この熱によって受圧ダイヤフラム１３から導入部 １２の突状部１２ｅにかけ楔状に溶融が進み、その結果、導入部１２と受圧ダイ ヤフラム１３とが溶着される。

【００４１】 この電子ビーム溶接によれば、抵抗溶接の場合のように被溶接体が導体である 必要がなく、短時間で、しかも極めて局部的に溶接が行え、溶着も強固なものと することができ、また、抵抗溶接と同様に熱影響、残留応力も極めて少ない。

【００４２】 このようにして導入部１２に溶着された受圧ダイヤフラム１３のうち、流体圧 を受ける受圧面と反対の面（背面）には、図３および図４に示すように、４枚の ひずみゲージＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４が、受圧ダイヤフラム１３の中心線に直交 する線上に添着される。

【００４３】 これらのひずみゲージＧ１〜Ｇ４のうち、受圧ダイヤフラム１３の周縁寄り位 置に添着されたひずみゲージＧ１，Ｇ４は、図４に示すように、受圧ダイヤフラ ム１３が流体圧を受けたときの圧縮ひずみを検知し、また受圧ダイヤフラム１３ の中心寄り位置に添着されたひずみゲージＧ２，Ｇ３は、引張ひずみを検知する 。

【００４４】 そして、これらのひずみゲージＧ１〜Ｇ４は、例えば、圧縮ひずみを検知する ひずみゲージＧ１，Ｇ４を対辺とし、さらに、引張ひずみを検知するひずみゲー ジＧ２，Ｇ３を他の対辺とするようにホイートストンブリッジが組まれ、このブ リッジの入力端にブリッジ電源を印加することによりその出力端から流体圧に対 応した電気信号を得ることができる。

【００４５】 ところで、受圧ダイヤフラム１３は、その形状が平板状であるため、導入部１ ２と少なくとも膨脹係数が等しいとみなせるものであれば種々の材質のものを素 材に選び圧延によって形成することができる。 例えば、導入部１２として１８−８ステンレス鋼の棒材を切削加工したものを用 い、受圧ダイヤフラム１３としてこの１８−８ステンレス鋼を圧延により冷間加 工したものを用いるようにすることができる。

【００４６】 因に、この１８−８ステンレス鋼の機械的性質について対比してみると、棒材 のままの場合、耐力が２１ｋｇｆ／mm²、引張強さが５３ｋｇｆ／mm²にすぎない が、これを圧延することによって耐力が４８ｋｇｆ／mm²、引張強さが８０ｋｇ ｆ／mm²となる。従って、棒材の場合、受圧ダイヤフラム１３としては引張強さ の点で従来より問題があったが、これを圧延したものは引張強さが増大するので 、何ら問題がない。

【００４７】 さらに、素材の価格を重視しないならば、導入部１２および受圧ダイヤフラム １３として１７−４ＰＨ鋼等の析出硬化型のステンレス鋼を用いてもよい。 因に、この１７−４ＰＨ鋼の機械的性質は、耐力が１２０ｋｇｆ／mm²、引張強 さが１３４ｋｇｆ／mm²と高いので、出力のより大きな変換器を製作することが できる。

【００４８】 上述のように構成された実施例によれば、受圧ダイヤフラム１３は、流体の導 入部１２と別体にしかも平板状に形成することができるため、圧延、研摩等によ り自在に、しかも極めて高精度な受圧ダイヤフラム１３を製作することができる 。

【００４９】 また、上述した実施例では、受圧ダイヤフラム１３を、これを支持する導入部 １２と別体とし、溶接により固着する方法を採用した。

【００５０】 そのため、単に溶接をするというのではなく、導入部１２の端面にリング状の 突状部１２ｅを形成し、その突状部１２ｅと受圧ダイヤフラム１３の周縁部とを 抵抗溶接またはビーム溶接等により溶着する方法を採用したので、受圧ダイヤフ ラム１３を熱の影響や残留応力の少ない状態で導入部１２に強固に固着すること ができ、また、受圧ダイヤフラム１３のひずみと流体圧との間の非直線性は、ほ ぼ従来と同等の特性のものが得られ、またヒステリシス特性は、若干悪化するも ののその程度は誤差の範囲内にとどめることができた。

【００５１】 さらに本実施例の有利な点は、導入部１２および受圧ダイヤフラム１３の製作 工程においても工数の削減および時間の短縮を図ることができる点である。

【００５２】 即ち、従来のもの（図５）の如く導入部１にねじ部を形成する必要がなく、ま た、外筒部２を時間のかかる旋盤により切削する必要がなく、特に受圧ダイヤフ ラム１３は、加工時間が切削加工に比べ極めて速い圧延材の打抜きによる加工に よって製作できるから、その加工時間を大幅に短縮することができ、安価な素材 を用いることができることと相俟ってコストを大幅に低減することができる。

【００５３】 因に、１８−８ステンレス鋼を素材として用いた場合、本実施例の圧力変換器 は、従来のものに対し１／５〜１／３のコストで製作可能である。

【００５４】 また、導入部１２および受圧ダイヤフラム１３の素材として前述した１７−４ ＰＨ鋼等の析出硬化型ステンレス鋼を用いた場合には、定格出力が大きく、しか もヒステリシス特性の小さな圧力変換器とすることができる。

【００５５】 この場合、素材としての析出硬化型ステンレス鋼が高価であるためコスト高と なることは否めないが、製作工数の減少および受圧ダイヤフラム１３の製作時間 は大幅に短縮されるから圧力変換器全体としては従来品に比して安価なものとす ることができる。

【００５６】 さらに、図５に示す従来の圧力変換器における外筒部２を薄肉化しあるいは不 用化し得るからその分軽量化を図ることもできる。

【００５７】 尚、本考案は、上述した実施例のみに限定されるものではなく、その要旨を逸 脱しない範囲内において種々の変形、置換等が可能であることはいうまでもない 。

【００５８】 例えば、導入部１２と受圧ダイヤフラム１３との溶接の方法としては、上述し たもの以外にも熱の影響や残留応力を受圧ダイヤフラム１３に与えないものであ れば他の溶接方法を用いて溶着を行うようにしてもよい。

【００５９】 また、導入部１２および受圧ダイヤフラム１３の素材としては、ステンレス鋼 以外であっても耐触性があり引張強さが高いものであれば他の素材を使用するの は自由である。

【００６０】

【考案の効果】

以上詳述したように本考案によれば、受圧ダイヤフラムは、流体の導入部と別 体にし、しかも平板状であるため板材を厚延するだけの簡単な加工で高精度に大 量に且つ安価に製作でき、しかも比較的安価な１８−８ステンレス鋼のような素 材でも予め圧延加工を施すだけで耐力および引張強さの大きな受圧ダイヤフラム を安価に製作し得る圧力変換器を提供することができる。

【００６１】 また、本考案によれば、受圧ダイヤフラムと、これを支持する導入部とを別体 とし、溶接により固着する方法を採用したが、単に溶接をするというのではなく 、圧力変換器特有の問題点を解消しつつ、即ち、溶着に際し受圧ダイヤフラムを 変形させて変換出力の零点の変動をひきおこさず、ひずみゲージの加熱による温 度上昇を来たさず、受圧ダイヤアラムの周縁部に応力を生じさせることがないと いう諸条件を満足させるべく、導入部の端面に導入路出口を包囲する如く肉薄で 同一高さのリング状を呈する突状部を形成し、その突状部と受圧ダイヤフラムの 周縁部とをプロジェクション溶接、電子ビーム溶接等の溶接によって溶着する手 段を採ったので、受圧ダイヤフラムを熱の影響や残留応力の少ない状態で導入部 に強固に固着することができる。

【００６２】 また受圧ダイヤフラムのひずみと流体圧との間の非直線性においてほぼ従来と 同等のものが得られ、またヒステリシス特性は若干悪化するもののその程度は誤 差の範囲内にとどめ得る圧力変換器を提供することができる。

【００６３】 また、本考案によれば、従来例のように、ダイヤフラムを形成してなる厚肉で 剛性の高い外筒部を省略することができるから、その分軽量で、低価格の圧力変 換器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の一実施例の構成を示す縦断面図であ
る。

【図２】本考案の加工方法の一例を説明するための部分
断面図である。

【図３】図１に示す実施例の作用を説明するための背面
図である。

【図４】図１に示す実施例の作用を説明するための部分
縦断面図である。

【図５】従来の圧力変換器の一例を示す縦断面図であ
る。

【図６】従来の圧力変換器の欠点を一部改良するために
考えられた参考例の構成を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１２ 導入部 １２ａ 貫通孔 １２ｂ ねじ部 １２ｃ 大径部 １２ｄ 大径開口部 １２ｅ 突状部 １３ 受圧ダイヤフラム １４ 電極 １５ 電子銃 Ｇ１〜Ｇ４ ひずみゲージ

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 【請求項１】 流体を圧力媒体として受圧ダイヤフラム
   を変形せしめ該受圧ダイヤフラムの変形を該受圧ダイヤ
   フラムに添着されたひずみゲージにより検出して印加圧
   力に対応する電気信号を得る圧力変換器において、圧力
   検出対象物に結合固定し得るように一端に取付部が形成
   され且つ前記圧力検出対象物から前記流体を導くべく一
   端側から他端側に貫通する導入路が穿設されさらに前記
   他端側の端面に前記導入路の出口を包囲する如く肉薄で
   同一高さのリング状を呈する突状部が形成された導入部
   と、少なくとも膨脹率が前記導入部と略同程度であって
   熱処理しても硬化せずまたは熱処理しても強度を高めら
   れないが圧延加工を施すことによって耐力および引張強
   さを高められる１８−８ステンレス鋼等の素材をもって
   前記流体による圧力に感応して変形し得る程度に薄い板
   状に形成された受圧ダイヤフラムとからなり、前記導入
   部の前記突状部と、予め圧延加工されて耐力および引張
   強さを増大された前記ダイヤフラムの周縁部とがプロジ
   ェクション溶接、ビーム溶接等の電気溶接手段により溶
   着されて一体的に構成されてなることを特徴とする圧力
   変換器。