JPS59174729A - 圧力センサ− - 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、電磁素子を用いて圧力を検知する圧力センサ
ーに関する。特に、少ない機能素子で有効かつ精度の良
い圧力センサーに関する。

従来技術 従来、様々な形式の圧力センサーが提案されているが、
大型であったり、複雑な機構を伴ったシして、コスト的
にも、サイズ的にも、不充分なものであった。圧力セン
サーの用途として、水深計。

気圧計等をあけ、これらとウォッチの複合商品を考えた
場合、圧力センサーとしては、小型に適した原理である
こと、かつ検出の原理２手段が単純であり、無理のない
方法であることが望ましい。

すなわち、量産向きで、小型が容易であることが重要で
ある。

たとえば、１枚の金属ダイヤフラムで圧力を受け、これ
を静′ａ屯ギャップを隔てて背極板を設ける、いわゆる
静電型圧力センサーの場合には、次のような問題がある
。１つは、静電、容量の絶対値全極度に小さくすると、
ノイズや、検出回路と結合した時の洩れ電流に弱くなっ
てし甘う。静゛屯容１４−０は Ｏ＝Σ−・・・・・・（Ａ） で表わされ、（Σ：誘電率、Ｓ：電極而面、ｄ：電極間
隔）、適度の容量Ｃを得るには、電極面積Ｓは小さくで
きない。さらには、ダイヤフラムの変形が一様でないと
、等価な電極面積Ｓが変形によって変化してしまうため
、変位と容量の関［系が複雑となる。又、圧力と容量の
関・係全雫純な比例関係として得るために、１枚のダイ
ヤフラムの両側に電極板を設け、両静電容量の差分をと
る手段も用いられるが、横溝が複雑となるばかりか、検
出回路も、各々を容量を計測し、かつ差をとる回路を必
要とし、複雑化する。

一般に、圧力゛を計測しようとする場合、こｆ′Ｌをダ
イヤフラムで受けると、ダイヤフラムの変位ｘと圧力Ｐ
の関係は Ｘ＝ＡＰ　　（Ａ：比例定数）・・・・・・（Ｂ）で表
わせる。ここでＡは比例定数であり、ダイヤフラムの大
きさ・厚み・ヤング率等で決まる。この−うち厚みに対
しては、その３乗に比例する関係にあり、圧力センサー
の精度をフルスケールに対して仮υに１％としても、厚
みの精度は１０００分の３程度必要となる。ナなわら、
１ｍの厚みのダイヤフラムで６ｎば、３ミクロン以内の
変化しか許されないことになり、極めて加工上難かしく
なる。し次がって圧力センサーとしては、この比例定数
Ａのバラツキを吸収するための調整機能が容易に実現で
きることも、主要なポイントとなる。

さて第１図は、従来の電磁素子：と珀いた圧力センサー
である。第１図において、１けダイヤフラム、２はダイ
ヤフラム１に固着された鉄片である。

３はコイルであり、磁心４を軸として巻かれている。磁
心４と鉄Ｗ２は、適度の空隙を保つよう支持枠５が配置
されている。ダイヤフラム１が圧力を受けると、鉄片２
と磁心４の距離が変化して、コイル３のインダクタンス
が変化する。このような構成においてインダクタンスＬ
は、 ２ Ｌ＝−・・・・・・（０） ｍ の関係がある。磁気抵抗Ｒｍは、一般的に磁路の面積Ｓ
と、磁気ギャップ長を２とするとと表わせる。第１図の
構成では、磁気ギャップ長λが圧力によって変化するこ
とになり、式（Ｂ）　、　（Ｃ）１（Ｄ）　ｋ組み合わ
せるとインダクタンスＩ、　Ｉｒｅ（ｆｌ、ｏ：圧力Ｐ
が０の時の磁気ギャップ長）となる。ｆ′なわちＬと圧
力ｐＨ逆比例の関係になる。第１図の構造に係わらず、
磁気ギャップ長が圧力により変化する構造では、おおよ
そ（Ｅ）式の関係になる。従って、電気回路に丸・いて
、インダクタンスＬを冨、気勺、に直して検出する際、
１１分の１に比例しｆｃ電気量に変換しないと好ましく
ない。

なぜなら、変位Ｘが小ζい範囲でＬの変化も小さく、変
位Ｘが太きくなると、Ｌの変化も太きくなる傾向にある
ため、圧力の高い時と、低い時での分解能に差を生ずる
ためである。Ｌの逆数に比例′Ｊ−る電気量としては、
交流定電千を印加し、コイルに流れる電流を計ｉＹ！Ｉ
Ｉする手段が考え得るが、小型携帯様器のように、論理
回路主体の装置において正弦波を発生させることは不得
意である。又、（Ｄ＋式は理想的な式でるり、現実に、
（Ｉ−１）式のような逆比例の関係を満足させることは
、極めて困難である。第１図の例においても、磁路が複
雑であり、多方にも才り磁束が流れ、変位Ｘによって等
価な磁路の断面積が変化したり、あるい（は、俤、気ギ
ヤ・ノブが縮まると、磁路ゆ４６束が相乗的に増すため
、実効、き磁率が変化してしまうという問題を生ずる。

かかる問題から、結果として （１）変位量が大きくなると種々の非線形項が混入する
ため、微小変位の範囲でしか計測できない。

（２）　　インダクタンスと圧力の関係が逆比例するた
め、後の検出回路が複雑になる。

という状況であった。つ搾り、インダクタンスの絶対値
に対して、圧力によって変化する素が十烙りと検出回路
の精度を上げる必要があり、小波携帯機器のように低い
電子で動作されるものに訃いては、憤かしい問題となる
。

発明の目的 本発明に、特に小型の電″Ｆ−機器に組み込む場合に、
簡単な原理に９１：す、高い検出種度を有する田カセン
サーを提供することにある。

発明の構成および笑施例 第２図以下Ｃよ、本発明による実だ１ｆｉｌを示すもの
であり、第２図は、圧力センサー全体の構造を示し、第
３図は磁気回路部の構造を示す。１第４図はインダクタ
ンスを電圧量に変換し検出する検出回路であり、第５Ｌ
２］は第４図の動作を説明する、倍号図である。本発明
は、第４図の回路と、第２図の構造が結合さ第１て始め
て有効Ｋ１９作−ｒる。

まず第２図において、６は圧力を受けるダイヤフラムで
あり、その周辺はケース１１に、気密性にもって固着さ
れる。又、ダイヤフラム６の略中央には、磁性体７が結
合されている。ダイヤフラム６は丹銅等の絞り−やすい
材料から々す、断面形状ｔよ波型に成形されている。か
かる形状にすることにより、圧力とたわみの関係は、大
変形に対しても比例関係が保たれる。磁性体７はパーマ
ロイ。

鉄等からなり、リング形状に成形されるとともに一部に
切り欠きを有し、８気ギヤツプ８を造っている。

コイル９は略円盤状に成形され、その下端は支持台１５
に固着され、上端は前記磁性体７の磁気ギャップ８に挿
入さｆｌ、る。ケース１１は、ダイヤフラム１、および
支持台１５を支持し、両者の相対位ｆｔ！ｔｅ保持する
。１２はケース１１に設けた圧力導入孔、１４は支持台
に設けた背面孔、１０は支持台１５の下面に取り付けら
れ、コイル９の端末が固着さゴする端子状である。

以上の構全により、ダイヤフラム６に圧力Ｐがかかると
、磁性体７のコイル９に対する相対位置がｅ　化し、結
果としてコイル９のインダクタンスが変化する。この様
子を、第３図によりさらに説明を加える。

第６図は、磁性体とコイルとの位置、関係を示したもの
であり、第３図（ａ）は、第２図における磁性体７と、
コイル９の関係を示す。磁性体７の磁路の形成する平面
と、コイル９の電流の流れる平面は、互いに直角をなす
よう配置されている。コイル９はドーナツ状の円盤ｆ！
：外しているが、巻線は断面均一に、円周方向に巻がれ
ている１、第３図（ｂ）は、別の実砲例であり、１５は
ダイヤフラムに固着される磁性体であり、角型形状に成
形されている。１６は、基板上にエッチラグによって多
数の導電パターンが形成さカ、起、エッチラグコイルで
ある。磁路と′電流の向きは、第３図（ａ）と回様直角
をなしている。このような配置により、磁性体７、もし
くは１５が上下すると、＆Ｂ路と鎖交するコイルの巻数
が変化し、インダクタンスが変化する。式（０）に示し
たように、インダクタンスは、磁気抵抗Ｆｔｍと、それ
と鎖交するコイル巻数Ｎで決まるが、本例においては、
巻数Ｎを変化させてＬを変えることになる、ダイヤフラ
ム６の変位Ｘと圧力の関係が、比例直線的であり、式（
Ａ）を満足するとし、磁路と鎖交する巻数Ｎは Ｎ＝ａｘ−）−ｂ　　　ａ：単位長さ当りの巻数・・・
（Ｆ）圧力が０のとき、磁 路と鎖交する巻数 の関係が表わせるため、インダクタンスＬと圧力Ｐの関
係は となる。圧力が印加されてない時のインダクタンスＬを
、計測する最小検出範囲の値に比し充分低く設定するこ
とにより、式ＣＧ）におけるｂの値は小さくなり、結局
、式（Ｇ）は となシ、°圧力Ｐの２乗に比例したインダクタンスＬを
得ることができる。

第４図は、インダクタンスＬの平方根に比例した電圧を
出力する検出回路例である。図において、２０は圧力を
検知するコイルであり、トランジスタ２１、′及び抵抗
２２と電源に対し直列に接続されている。他方、コンデ
ンサ２４、トランジスタ２５も、電源に対し直列接続さ
れている。両トランジスタ２１．２５のコレクタ端子は
ダイオード２３を介して接続され、ダイオード２３は、
トランジスタ２１のコレクタ端から電流が流れる向きに
接続されている。抵抗２２め一端、すなわち、トランジ
スタ２１のエミッタ端子は、比較回路２７の一方の入力
端子に接続される。又、抵抗２９、及び可変抵抗２８は
、電源に対し直列接続され、その接続点は比較回路２７
の・他方の入力端に接続される。比較回路２７の出力は
、“フリップフロップ２６のリセット端子に接続され、
該フリップフロップ２６の出力端は前記トランジスタ２
１０ペースに接続される。フリップフロップ２６０入力
端に信号φｌが入力されるとともに、トランジスタ２５
のペースには信号φ２が入力される。トランジスタ２５
のコレクタ端子、すなわち、コンデンサ２４の一端は出
力信号として、Ａ−Ｄコンバータ３０に入力される。

第５図は、第４図における回路の入力信号と出力信号を
示し７’Ｃ図であシ、第５図妊もとづいて動作を説明す
る。φ１はフリップフロップ２６に入力される信号であ
る。所望の圧力を計測する場合、φｌの信号が入力され
ると、そのパルスによりフリップフロップ２６の出力Ｑ
はハイレベルとなる。

これによりトランジスタ２１は導通し、コイル２０に通
電しはじめる、この通電により、抵抗２２０両端の電圧
は次第に上昇する。抵抗２９、及び２８の分圧比で決ま
る電圧よりも、抵抗２２に生ずる電圧が上廻ると、コン
パレータ２７の出力はハイレベルになる。該出力は、フ
リップフロップ２６のリセット端子に入力されており、
該フリップフロップ２６の出力はロウとなり、トランジ
スタ２１は非導通となる。コイル２０に流れる電流の遮
断により、該コイル２０には逆起電圧が誘起される。該
電圧はダイオード２５全通してコンデンサ２４にチャー
ジされる。所定の期間を隔て信号φ２が入力されると、
トランジスタ２５が導通し、コンデンサ２４をディスチ
ャージする。

図において、信号ｖ１は抵抗２２の両端の電圧を示し、
信号Ｖ、はコンデンサ２４の両端の電圧を示している。

コイル２０に電流工を流し、これを急激に遮断した時に
、これと並列に接続されたコンデンサに発生する電圧Ｖ
は、 となる。すなわち、電流工と容量Ｃを一定に保つと、発
生する電圧はインダクタンスＬの平方根に比例する。コ
イル２０のインダクタンスしは圧力に応じて変化し、流
れる電流の時定数は変化するが、抵抗２２の端子電圧を
コンパレータ２７で検出することにより、所定の電流に
達した時、トランジスタ２１ｔｌ−オフするため、（１
）式における醒流工は一定に保ｆｃれる。又、コイル２
０に発生した逆起電圧は、ダイオード２３全通してコン
デンサ２４にチャージされるが、ダイオード２３により
コンデンサ２４から逆に電流が流れ出すことはなく、図
中Ｖ？に示すように、トランジスタ２５が導通するまで
一定の電圧を保持する。従って、この電圧をＡ−Ｄコン
バータ３０によシデイジタル信号化して、圧力を検知す
ることができる。

すなわち、コンデンサ２４に生ずる電圧■は、（Ｉ）式
で表わされ、（１）式に、（Ｈ）式を代入すると、とな
り、圧力Ｐに比例した電圧Ｖが得られる。ここで比例定
数Ａは、ダイヤフラム６の厚ミノバラツキ等により太き
くバラツクことかあるが、第４図の可変抵抗２８を調整
することにより、上式（Ｊ）の工を変えることができ、
結果として（Ｊ）式全体の圧力Ｐにかかる比例定数（感
度）を調整することができる。

発明の効果 以上のように本発明によれば、圧力に応じた出力電圧を
得ることができる。本発明では、磁気回踏部は、ダイヤ
フラム６、磁性体７．コイル９の３点で構成され、コイ
ルと磁気回路の鎖交数が変化する簡単な原理に基づいて
お９、簡単な構成で精度の良い結果が得られる。特に、
式（、ｙ）Ｋおける磁気抵抗Ｒｍが磁性体片７だけで決
まるため、磁気ギャップを変化させ、磁気抵抗Ｒｍが変
化する形式のものに比し、より高い精度を得ることがで
きる。本願は磁気回路構成の単純化により、圧力の２乗
に比例したインダクタンスの変化を得るが第４図に示す
検出回路において、インダクタンスの平方根に比例する
出力電圧を容易に得ることができる。結果として、圧力
に１次比例する出力電圧が得られ、汎用性のあるＡ−Ｄ
コンバータによυ圧力をディジタル表示できる。本願の
構成、原理により、従来に比し少ない部品９回路構成で
、小型で精度の良い圧力センサーを実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の圧力センサー構造図であり、第２図は本
発明による圧力センサーの構造を示す。 第３図は本発明による圧力センサーの磁気回路構成を示
す図である。 第４図は本発明による圧力センサーの検出回路を示し、
第５図は第４図の回路の信号を示す図である。 ６°°°ダイヤフラム　　　７・・・磁性体８・・・磁
気ギャップ　　　９・・・コイル１０・・・基　＠　　
　　　１１・・・ケース１２・・・圧力導入孔　　　１
３・・・支持台１４・・・背□面孔　　　　　１５・・
・磁性体１６・・・エツチングコイル 以　　　上 出願人　株式会社　第二精工舎 第４図 ど／ 第、５図 ・２−一月一−−−−一−ヨ］−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 圧力を受けてたわむダイヤプラム、該ダイヤプラムの変
   位を受けてインダクタンスが変化する磁気回路部、該イ
   ンダクタンスの変化を、電圧の変化に変換する検出回路
   とで少々ぐとも構成される圧力センサーにおいて、前記
   磁気回路部は、コイルと、磁性体とを有し、コイルと磁
   性体との相対位置が変化することによりインダクタンス
   が変化し、その変化割合に、位置変化の２東に比例して
   インダクタンスが変化する如く構成され、前記検出回路
   は、前記コイルに流すｔ４流をスイッチングする回路、
   及びコイルに流す電流のピーク値を一定に保つよう訓）
   ６１１する回路、及びコイルに誘起される′［に圧を定
   電圧として保持する回路とにより構成され、前記コイル
   のインダクタンスの平方根に比例した電圧全出力するこ
   と全特徴とした圧力センサー。