JPS61138135A - 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、エアコンの冷媒圧力検出用、自動車のブレー
キオイル圧力検出用等に用いる電歪材料を用いた圧力検
出器に関する。

〔従来の技術〕

従来、電歪材料を用いた圧力検出器については、例えば
、雑誌「センサ技術Ｊ　　（１９８２年５月号の第３９
頁〜第４３頁）に記載されているように、各方面で研究
されている。しかしながら、圧力検出器の実装構造や組
付性などの点でまだ充分ではなかった。また、前記刊行
物の圧力検出器は、逆電歪効果（力が加わると電歪材料
の誘電率が変化すること）を利用して圧力を検知してい
るが、誘電率が温度によって変化するので、電歪素子を
２枚用いて、温度変化を補償している。この場合、急激
な温度変化に対しては、局所的に温度差が生じ、第５図
の様なヒステリシスを生ずるという問題があった。例え
ば、急激な圧力変化の場合、圧力媒体の温度が変化し、
圧力媒体に接している素子と、そうでない素子との間に
温度差が生じ、それによりヒステリシスを生ずるという
問題があった。

〔発明の目的〕

本発明は、上記のような圧力の急激な変化によるヒステ
リシスを解消し、再現性のよい圧力検出器を提供するこ
とを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は２枚の電歪素子を用いて、誘電率の温度変化を
補償すると共に、圧力媒体側の電歪素子と圧力媒体との
間に断熱材を設けることにより前記目的を達成するもの
である。

以下図面に基づいて本発明の実施例について説明する。

第１図は、本発明の圧力検出器の構造を示す断面図であ
る。ｌは受圧素子であり、電歪材料からなるバイモルフ
構造となり、第２．３図に詳細を示す。第２図の１．−
１．１−２はバイモルフを構成する電歪材料であり、Ｐ
’ｂ　（Ｍｇ　＋　３Ｎｂ　２３）０３−ＰｂＴｉ０３
　　Ｂａ　　（Ｚｎ　１３Ｎ’ｂｚ３）０３等の組成を
持つセラミックス等からなり、応力を受けると静電容量
が変化する特゛性がある。１−３．ｌ−４，１−５は金
属薄板であり、前記電歪材料と熱膨張係数の近いコバー
ル等でなり、バイモルフの強度保持、および、内部素子
や電極を保護する機能を有している。１−３．１−５の
金属板は素子の外側面に、１−４は２枚の素子の中間に
固着されている。第３図で１３Ａ、３−４Ａ、１−５Ａ
は前記金属板ｉ３，１−４．１−５とリード・ビン５−
１．５−２．５−３とをそれぞれ接続するための穴を有
する信号取出用の端子部であり、この穴にそれぞれリー
ドビンが挿入された後に半田などで固着される。１−６
．１−７゜１−８．１−９は電歪材料１−１．１−２の
両側に形成された電極で、Ａｇなどの導電ペーストを焼
付けたものである。２Ａは、電歪材料１−１゜１−２を
支える合体である。台座２Ａは、電歪材料と熱膨張係数
が近いことが好ましく、電歪材料１−１．１−２と同一
材質が良い。台座２Ａと電歪材料ｉ−ｔ、ｌ−２は、接
着剤等で貼り合わせる。２Ｂは、台座２Ａを支持するた
めの支持台で、ＡＢＳ樹脂、フェノール樹脂等からなる
。２−１は、台座２Ａと支持台２Ｂの中央にあけ高れた
基準圧力室となる中空面で、この場合大気圧に保持され
、受圧素子ｌの片面と接している。３は樹脂または金属
製のキャップで、受圧室１の上面に被検出圧力を導く導
入口３−１を有する圧力部材３Ａと、このキャップ３を
支持台２Ｂの外周端に例えばかしめなどにより固定する
ための結合部材３Ｂとから構成されている。また圧力導
入部材３Ａの下端面には環状に溝３−２が切ってあり、
この溝３−２に、気密保持のための０リング４が挿入さ
れている。７は、本発明のポイントになる断熱材で、材
質としては、圧力に対して簡単に屈曲する必要があるの
で、樹脂、ゴム等の軟らかいものが適する。断熱材７は
、受圧素子１の上部に設置されており、受圧素子１は、
断熱材７を介して圧力を受けることになる。またＯリン
グ４は、キャップ３の圧力導入部材３Ａで押さえつける
ことにより、断熱材７と、受圧素子１と台座２Ａを一体
化したものとを確実に固定するとともに、被検出圧力側
と基準圧力室側とを気密に分離し、保持している。６は
処理回路部であり、被検出圧力による受圧素子１の容量
変化を電圧の変化などに変換する回路が実装されており
、リードビン５−１゜５−２．５−３と電気的に接続さ
れ支持台２Ｂの一部に配置されている。

尚、第２図で電極１−６．１−７．１−８．１−９の大
きさについては、受圧素子１が応力を受けて歪む場合、
中央部と、周辺部では、応力の方向が反対となる。即ち
、受圧素子ｌの上面では、中央部で圧縮、周辺部では伸
張応力、受圧素子１の下面では、その逆の応力がかかる
ため、受圧素子１に前面電極を施した場合、感度が低下
する。

従って、中央部のみに電極を施せば、受圧素子１の上面
は、圧縮、下面は伸張応力のみが静電容量の変化に影響
し、感度が良い。電極１−６．１−７．１−８．１−９
の直径は、中空部２−・ｌの直径の６割程度が良い。

次に、本発明の圧力検出器の作用を、第１図。

第４図、第５図及び第６図を用いて説明する。

まず、第１図に於いて、前記支持台２Ｂと台座２への中
空部２−１は大気圧に保持され、かつ圧力導入口３−１
も大気圧の場合、受圧素子１には圧力が印加されないた
め受圧素子１は歪まない。

この時の電歪素子１−１と１−２の静電容ｆｔｃ＋。

とＣ２０をそれぞれリードビン５−１．５−３、および
５−２．５−３から取出し、静電容量の変化分ΔＣ＝Ｃ
ｌ０　　Ｃ２０を処理回路部６で演算処理して、この値
を基準値とする。

次に、圧力導入口３−１に圧力Ｐ１が印加された場合受
圧素子１には大気圧をＰｏとすれば、Ｐ＝Ｐ　＋−Ｐａ
　　（Ｐ　Ｉ＞Ｐｏ）の差圧が加わり受圧素子１は下方
に変形を受ける。この時の電歪素子１−１．１−２の静
電容量は、それぞれＣＩＯが（Ｃｏｏ＋ΔＣｌ０）、Ｃ
２０が（Ｃ２０−ΔＣ２０＞となる。従ってΔＣ＝（Ｃ
ｏｏ＋八〇ｏへ）（Ｃ２０−八〇２０）＝　（Ｃｏ　０
−Ｃ２０）＋（ΔＣＩＯ＋ΔＣ２０）となる。通常、電
歪素子１−１と１−２の厚さと面積を同一とし、ＣＩＯ
＃Ｃ２ｏ、ΔＣｌ０−ΔＣ２０とするため、ΔＣ共２Δ
ＣＩＯとなる。このΔＣを電圧値の変化Δ■に処理回路
６にて変換する。従って圧力導入口３−１の圧力Ｐ菫の
変化がΔＣの変化、すなわちΔ■の変化として検出され
る。

ここで、本発明の断熱材７がない場合について説明する
。電歪素子１．−１．１−２は、本来、応力に比例して
静電容量が変化する。すなわち、圧力ｐ＋にΔＣＩＯが
比例するので、ΔＶ＝ａＭ・Ｐ＋（ａは比例定数１、Ｍ
は電歪定数）の関係が成り立つ。しかし、電歪定数は、
通常、強誘電体材料の相転移温度付近を使うだめ、静電
容量の温度特性が大きい。静電容量の温度特性は、第４
図のようになっている。圧力Ｐ１が急変した場合、例え
ば、圧力が上昇した場合、空気温度が上昇し、電歪素子
１−１．１−２の温度も上昇する。ここで、温度領域が
、第４図のＡにある場合、電歪素子１−１．１−２の静
電容量は減少し、ＣＩＯは（Ｃ＋　ｏ＋ΔＣｏｏ−ΔＣ
ＩＴ）、Ｃ２０は（Ｃ２０−ΔＣ２０−ΔＣ２Ｔ）にな
り、ΔＣ；２ΔＣｌ０−（ΔＣ＋ｖ−ΔＣ２Ｔ）となる
。空気温度の上昇が急な場合には、電歪素子１−１の方
が１−２り温度が上がり、ΔＣＩＴ＞ΔＣ２Ｔとなる。

この結果、第５図に示すように、本来、温度変動がなけ
れば、図中の点線部分を通るが、温度変動のため、図中
Ａの部分を通る。また圧力は保持されれば、温度は一様
になるので、ΔＣＩＴ−ΔＣ２丁に近づいてゆくので、
図中Ｂの部分を通る。圧力が減少する場合には、上昇と
逆の現象となり、図中Ｃの部分を通る。

ここで、断熱材７を設ければ、例えば圧力上昇時にも、
電歪素子１−１．１−２の温度上昇は小さく、温度差も
小さくなるので、２ΔＣ，ｏ＞＞（ΔＣＩＴ−ΔＣ２Ｔ
）となるので、第５図の点線の部分を通るようになる。

尚、本実施例に従って試作した結果、圧力印加パターン
を第６図のようにしたところ、ヒステリシスの最大幅は
、断熱材７がない場合、圧力で１゜３５ｋｇ／ｃｎｆあ
り、断熱材７として、板厚１ｆｌのニトリルゴムを用い
た場合、ヒステリシスは、はぼ０、　ｋ＋ｒ　／　ｃｎ
！であった。尚、電歪素子１−１．１−２の板厚は０．
２ｍｍ、中空部２−１の径は８龍で行った。

第１図に示した、Ｏリング４と断熱材７を一体化しても
良い。また第１図に示した、断熱材７を板状のものを設
置するのではなく、ゴム等をモールドしても良い。さら
に、台座２Ａを省略し、支持台２Ｂに受圧素子ｌに直接
貼り付けても良い。

この場合、支持台２Ｂの材質としては、電歪素子１−４
．１−２の熱膨張係数に近い、コバール等が望ましい。

さらに別の実施例として、第７．８図に示すように、金
属板１−３．１−５をリング状にし、電極１−６．ｌ−
９に突起１−６Ａ、１−９Ａを設けて金属板１−３と電
極１−６、金属板１−５と電極１−９の導通を確保して
も良い。

また、第２肥において、電極１−６と１−７゜１−８と
１−９どちらか一方を全面電極としても同じである。尚
、電極を全面としても、感度は低下するが、基本的特性
は同じである。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明は被検出圧力により弾性歪を
生ずる受圧素子として２枚の電歪材料からなる薄板にて
構成されるバイモルフ素子と、この受圧素子を支持し、
かつこの受圧素子の一方の面に接する基準圧力室を有す
る支持台と、前記受圧素子の他面に被検出圧力を導入す
る圧力導入部材を備えた圧力検出器において、被検出圧
力を受圧素子より軟らかい断熱部材を介して受圧素子に
印加するように構成したので、急激な圧力変化によって
もヒステリシスはなく、再現性のよい圧力検出が可能と
なるという優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の断面図、第２図は受圧素
子１の断面図、第３図は受圧素子の上面図、第４図は受
圧素子静電容量の温度特性図、第５図は受圧素子の出力
特性図、第６図は圧力印加パターンを示す特性図、第７
図は受圧素子の第２実施例を示す断面図、第８図は第２
実施例受圧素子の上面図である。 ■・・・受圧素子、２Ａ・・・台座、２Ｂ・・・支持台
、３・・・キャップ、４・・・０リング、６・・・処理
回路部、７・・・断熱材。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被検出圧力により弾性歪を生ずる受圧素子として２枚の
   電歪材料からなる薄板にて構成されるバイモルフ素子と
   、この受圧素子を支持し、かつこの受圧素子の一方の面
   に接する基準圧力室を有する支持台と、前記受圧素子の
   他面に被検出圧力を導入する圧力導入部材を備えた圧力
   検出器に於いて、被検出圧力を受圧素子より軟らかい断
   熱部材を介して受圧素子に印加するようにしたことを特
   徴とする圧力検出器。