KR100848447B1 - 압력 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명의 압력센서(10)는 액체나 기체 등의 유체(16)를 충전할 수 있고, 상기 유체(16)에 접하는 면 중 적어도 일부를 초자왜소자로 이루어진 초자왜부재(18)로 형성한 케이싱(12)과, 상기 케이싱(12) 내에 충전한 유체(16)의 압력변동에 기초하는 초자왜부재(18)의 신축에 의한 투자율 또는 잔류 자화량의 변화를 검출하는 검출수단을 구비하여 형성되고, 장치의 소형화를 실현하면서 동시에 단시간에 고감도, 고정밀도의 압력검출이 가능한 것을 특징으로 한다.

Description

압력 센서{PRESSURE SENSOR}

본 발명은 유체의 압력변화를 자왜소자의 신축에 의한 자화율의 변화에 의해 검출하는 압력센서에 관한 것으로, 특히 장치의 소형화를 실현하면서 동시에 단시간으로 고감도, 고정밀도의 압력검출이 가능한 압력 센서에 관한 것이다.

종래, 액체나 기체 등의 유체의 압력변화를 검출 가능하게 한 압력센서 중 하나로서, 유체에 의해 가압된 다이어프램(diaphragm)의 휨(변위)을 전기신호로 변환하여 상기 전기신호에 기초하여 압력변화를 검출하는 다이어프램식 압력센서가 제안되어 있다(예를 들어 일본 공개특허공보 평11-44597호 참조).

그러나, 이들 다이어프램식 압력센서는 다이어프램의 휨에 의해 압력을 검출하므로, 검출에 비교적 긴 시간을 필요로 하는 점에서, 다이어프램의 변위는 일반적으로 비직선 특성을 나타내므로, 고정밀도의 측정이 곤란하다는 문제점이 있었다.

이와 같은 문제점을 해결하는 하나의 수단으로서, 최근 자왜소자를 사용한 압력센서가 주목받고 있다. 상기 자왜소자를 사용한 압력센서는 외부 응력을 부여하면 큰 자화율의 변화를 발생시키는 자왜소자의 특성을 이용한 것으로, 예를 들어 타이어압 검출장치(일본 공개특허공보 평11-287725호 참조) 등의 분야에 적용되고 있다.

도 5에 도시한 바와 같이 상기 타이어압 검출장치에 적용되고 있는 압력센서(1)는 타이어의 내압에 의한 압축력을 푸시로드(2)를 통하여 초자왜 재료(3)에 적용시키고 있다. 그리고, 상기 초자왜 재료(3)의 주위에 배치된 코일(4)에 의해 상기 초자왜 재료(3)의 자화율의 변화를 검출하고, 타이어의 공기압을 측정하고 있다.

그러나, 상기 종래 공지의 압력 센서(1)에서는 측정대상인 타이어의 공기압을 푸시로드(2)를 통하여 초자왜 재료(3)에 작용시키고 있으므로, 공기압의 미소한 변화를 검출하는 것이 곤란하고, 압력측정의 감도나 정밀도가 낮아지는 문제점이 있었다.

또한, 상기 초자왜 재료(3)는 봉형상의 부재로 이루어지고, 그 축방향 단면에서만 푸시로드(2)로부터의 압축력을 받는 구조로 되어 있으므로, 상기 푸시로드(2)의 압축력이 작용하는 면적이 작고 초자왜 재료(3)의 변형량(자화율의 변화)이 작다는 문제점이 있었다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로 장치의 소형화를 실현하면서 동시에 단시간에 고감도, 고정밀도의 압력검출이 가능한 압력센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 발명자는 연구 결과, 유체의 미소한 압력변화를 고감도 또한 고정밀도로 검출할 수 있는 수단을 발견했다.

즉, 다음과 같은 본 발명에 의해 상기 목적을 달성할 수 있다.

(1) 액체나 기체 등의 유체를 충전 가능하게 한 것으로, 상기 유체에 접하는 면의 적어도 일부를 자왜소자로 이루어진 자왜부재로 형성한 케이싱과,

상기 케이싱 내에 충전한 상기 유체의 압력변동에 기초하는 상기 자왜부재의 신축에 의한 투자율 또는 잔류 자화량의 변화를 검출하는 검출수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 압력센서.

(2) 상기 검출수단은 상기 자왜부재를 둘러싸는 픽업 코일(pickup coil)을 포함하고, 상기 투자율 또는 잔류 자화량의 변화를 상기 픽업 코일의 인덕턴스 변화로서 검출하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 압력센서.

(3) 상기 검출수단은 홀 소자 및 자기 저항 효과 소자 중 한쪽을 포함하고, 상기 투자율 또는 잔류 자화량의 변화를 상기 홀 소자 및 자기 저항 효과 소자 중 한쪽의 기전력 변화로서 검출하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 압력센서.

(4) 상기 케이싱의 일부를 대략 원통형상의 상기 자왜부재에 의해 구성한 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 압력센서.

(5) 상기 자왜부재의 축방향 일단측을 바닥이 있는 것으로 한 것을 특징으로 하는 압력센서.

(6) 상기 케이싱을 상기 대략 원통형상의 자왜부재와, 상기 자왜부재의 축방향 양단 개구부를 덮도록 배치된 대략 원판형상의 한쌍의 덮개체로 구성함과 동시에, 상기 한쌍의 덮개체 중 적어도 한쪽에, 상기 자왜부재의 내측 공간에 상기 유체를 도입하는 통로를 설치한 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 압력센서.

(7) 상기 케이싱의 축방향으로 상기 자왜부재의 내측 공간 및 상기 한쌍의 덮개체를 관통한 상태에서 배치되고, 또한 상기 한쌍의 덮개체를 상기 자왜부재에 대해서 축방향으로 체결 고정하는 볼트를 설치하여 구성되고, 상기 볼트에 상기 통로를 형성한 것을 특징으로 하는 상기 (6)에 기재된 압력센서.

(8) 상기 대략 원통형상의 자왜부재의 영률을 3×10⁶(N/㎠), 상기 자왜부재가 상기 유체로부터 받는 압력을 980(Pa)으로 한 경우에, 상기 자왜부재의 반경방향의 두께를 0.05(㎜)~5(㎜)로 한 것을 특징으로 하는 상기 (4) 내지 (7) 중 어느 하나에 기재된 압력센서.

(9) 상기 자왜부재의 축방향으로 바이어스 자계를 인가할 수 있는 바이어스 자석을 추가로 구비한 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (8) 중 어느 하나에 기재된 압력센서.

(10) 상기 자왜부재의 축방향으로 압축예압을 가하는 예압부재를 설치한 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (9) 중 어느 하나에 기재된 압력센서.

(11) 상기 자왜부재를 초자왜소자를 재료로 하는 초자왜부재로 구성한 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (10) 중 어느 하나에 기재된 압력센서.

도 1은 본 발명의 실시형태의 예에 관한 압력센서의 측단면을 도시한 모식 도,

도 2는 본 발명의 실시형태의 다른 예에 관한 압력센서의 측단면을 도시한 모식도,

도 3은 홀소자를 검출수단으로서 사용한 압력센서의 측단면을 도시한 모식도,

도 4는 자기 저항 효과 소자를 검출수단으로서 사용한 압력 센서의 측단면을 도시한 모식도, 및

도 5는 종래의 압력센서의 측단면을 도시한 모식도이다.

이하, 본 발명의 실시형태의 예를 도면을 참조하여 설명한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시형태의 예에 관한 압력 센서(10)는 케이싱(12)과 픽업코일(검출수단)(14)에 의해 구성되어 있고, 상기 케이싱(12) 내에 충전한 유체(16)의 압력변동을, 픽업코일(14)에 의해 검출하도록 이루어져 있다(후술).

케이싱(12)은 도 1에서 가로방향의 대략 원통형상의 초자왜부재(18), 한쌍의 제 1, 제 2 바이어스 자석(덮개체)(20, 22), 볼트(24), 한 쌍의 너트(26, 28)에 의해 구성되어 있다.

픽업코일(14)은 대략 원통형 형상을 갖고, 도 1에서 가로 방향으로 배치된 초자왜부재(18)의 외측에 이를 둘러싸도록 하여 동축적으로 배치되어 있다.

제 1, 제 2 바이어스 자석(20, 22)은 대략 원판형상의 자성 부재로 이루어지 고, 대략 원통형상의 초자왜부재(18)의 축(L1) 방향 양단 개구부를 각각 덮고 또한 밀착하여 배치되어 있다.

이와 같이, 케이싱(12) 내에는 초자왜부재(18)의 더욱 내측에, 그 내주면(18A)과, 제 1, 제 2 바이어스 자석(20, 22)의 축방향 한 단면(20A, 22A)에 의해 규정되는 내측 공간(12A)이 형성되어 있다.

볼트(24)는 상기 내측공간(12A) 및 제 1, 제 2 바이어스 자석(20, 22)의 볼트 구멍(20B, 22B)을, 도 1에서의 좌우 방향으로 관통하여 배치함과 동시에, 그 축방향 양단으로부터 나사 결합된 한쌍의 너트(26, 28)를 통하여 제 1, 제 2 바이어스 자석(20, 22)을 초자왜부재(18)에 대해서 축(L1) 방향으로 체결하여 고정하고 있다. 그 결과, 상기 초자왜부재(18)에는 제 1, 제 2 바이어스 자석(20, 22)에 의해 축(L1) 방향으로, 압축 예압이 가해짐과 동시에 바이어스 자계가 인가되고, 초자왜부재(18)의 자화율 변화의 증대에 의한 압력센서(10)의 효율 향상이 가능한 구조로 되어 있다.

또한, 초자왜부재(18)의 축방향 양단면(18B, 18C)과, 이와 접촉하는 제 1, 제 2 바이어스 자석(20, 22)의 한 단면(20A, 22A) 사이에는 대략 링형상의 패킹(29A, 29B)이 각각 설치되어 있다. 또한, 볼트(24)의 반경방향 외주면(24C)과, 이들이 관통하는 제 1, 제 2 바이어스 자석(20, 22)의 볼트 구멍(20B, 22B)의 내주면 사이에는 대략 링형상의 패킹(29C, 29D)이 각각 설치되어 있다. 이와 같이, 케이싱(12)의 내측 공간(12A)은 패킹(29A~29D)에 의해 높은 기밀성이 확보되고, 케이싱(12) 내에 유체(16)가 충전 가능한 구조로 이루어져 있다.

볼트(24)의 축방향 중앙부 부근에는 상기 볼트(24)를 직경 방향으로 관통하는 관통구멍(24A)이 형성되고, 또한 축방향 일단측(도면 중의 우측)으로부터 관통구멍(24A)까지는 축방향으로 연통구멍(24B)이 형성되어 있다. 즉, 케이싱(12)의 내측 공간(12A)은 이들 볼트(24)의 관통구멍(24A) 및 연통구멍(24B)를 통하여 케이싱(12) 밖과 연통되어 있고, 케이싱(12) 밖의 유체(16)를 케이싱(12)의 내측공간(12A)에 도입할 수 있는 구조로 되어 있다.

초자왜부재(18)는 초자왜소자를 재료로서 사용하고 있다. 또한, 「초자왜소자」라는 것은, 희토류 원소 및/또는 특정의 천이금속 등을 주성분(예를 들어, 테르븀, 디스프로슘, 철 등)으로 하는 분말 소결 합금 또는 단결정 합금으로 만들어진 자왜소자를 말하고, 상기 초자왜소자는 외부 응력을 받아 변형되면 큰 자화율의 변화를 발생시키는 특성을 갖고 있다. 픽업코일(14)은 이와 같은 초자왜부재(18)의 변형(신축)에 의해 발생하는 투자율 또는 잔류 자화량의 변화를, 픽업코일(14)의 인덕턴스의 변화로서 검출 가능하다.

다음에, 본 발명의 실시형태의 예에 관한 압력센서(10)의 작용에 대해서 설명한다.

압력센서(10)의 케이싱(12)(의 내측 공간(12A))내에 압력의 검출대상인 액체나 기체 등의 유체가 충전되면, 상기 유체(16)에 접하는 초자왜부재(18)의 내주면(18A) 및 제 1, 제 2 바이어스 자석의 한 단면(20A, 22A)에 유체(16)의 압력이 가해진다. 그리고, 상기 유체(16)로부터의 압력에 의해, 케이싱(12)에 변형이 발생하여 대략 원통형상의 초자왜부재(18)는 반경방향으로 신장함과 동시에, 축방향으 로 수축하게 된다. 그 결과, 픽업코일(14)의 내측 공간에 차지하는 초자왜부재(18)의 용적이 변화됨과 동시에, 상기 초자왜부재(18)의 투자율 또는 잔류 자화량이 변화된다. 따라서, 상기 투자율 또는 잔류 자화율의 변화를 픽업코일(14)의 인덕턴스값의 변화로서 검출하는 것으로, 유체(16)의 압력변화를 검출할 수 있다.

본 발명의 실시형태의 예에 관한 압력센서(10)에 의하면 액체나 기체 등의 유체(16)의 압력을, 다른 부재를 통하지 않고 직접, 초자왜부재(18)에 작용시키는 것이 가능해지므로, 종래는 검출이 곤란했던 유체(16)의 미소한 압력변화를 검출하는 것이 가능하고 고감도, 고정밀도의 압력검출이 가능하다. 또한, 초자왜부재(18)는 외부 응력에 대한 응답이 빠른 초자왜소자를 재료로 하고 있으므로, 단시간에서의 압력검출이 가능하다.

또한, 압력센서(10)는 픽업코일(14)을 구비하고, 초자왜부재(18)의 투자율 또는 잔류 자화량의 변화를 상기 픽업코일(14)의 인덕턴스 변화로서 검출하고 있으므로, 간이한 구조이면서 압력변화의 검출이 용이하다.

또한, 케이싱(12)의 일부를 거의 원통형상의 초자왜부재(18)로 구성하고, 초자왜부재(18)의 내주면(18A)을 유체(16)에 접하는 구조로 하고 있으므로, 초자왜부재(18)와 유체(16)의 접촉면적을 증대시키는 것이 가능하고 보다 고정밀도, 고감도의 압력검출이 가능하다.

또한, 거의 원통형상의 초자왜부재(18)의 반경방향의 두께는 초자왜부재(18)의 영률을 3×10⁶(N/㎠), 상기 초자왜부재(18)가 유체(16)로부터 받는 압력을 980(Pa)으로 한 경우에 0.05(㎜)~5(㎜) 정도로 하는 것이 바람직하다.

또한, 압력 센서(10)는 초자왜부재(18)에 바이어스 자계를 인가 가능한 제 1, 제 2 바이어스 자석(20, 22)을 구비하고 있으므로, 온도 특성의 향상을 실현할 수 있다. 보다 구체적으로는 초자왜부재(18)의 축(L1) 방향으로 바이어스 자계를 인가함으로써, 주위 온도 변화에 따른 픽업 코일(14)의 인덕턴스 변화가 적어지므로, 온도특성의 향상에 따라 압력검출의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

상기 실시형태의 예에서는 케이싱(12)의 일부를 대략 원통형상의 초자왜부재(18)로 구성했지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 액체나 기체 등의 유체를 충전 가능하고, 상기 유체에 접하는 면의 적어도 일부를 자왜소자로 이루어진 자왜 부재로 형성한 케이싱이면 좋다. 따라서, 예를 들어 도 2에 도시한 압력 센서(30)와 같이 축방향 일단측(도면 중의 좌측)을 바닥이 있는 것으로 한 대략 원통형상의 초자왜부재(38)를 사용하여 케이싱(32)을 형성해도 좋다. 이 경우에는 케이싱(32) 내의 내측 공간(32A)의 기밀성의 향상이 용이해지고, 또한 패킹 등의 시일 부재의 부품수를 삭감할 수 있다.

또한, 케이싱(12)을 구성하는 초자왜부재(18)의 덮개체로서, 한쌍의 유자성 제 1, 제 2 바이어스 자석(20, 22)을 사용했지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 자성을 갖지 않는 부재를 사용해도 좋다.

상기 실시형태의 예에서는 초자왜부재(18)의 투자율 또는 잔류 자화량의 변화를 픽업코일(14)의 인덕턴스 변화로서 검출했지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 (초)자왜부재의 투자율 또는 잔류 자화량의 변화를 검출 가능한, 다른 검출수단을 적용해도 좋다. 따라서, 예를 들어 도 3에 도시한 압력센서(40)와 같이, 홀소자(42)를 검출수단으로 하여 투자율 또는 잔류 자화량의 변화를 상기 홀소자(42)의 기전력 변화로서 검출해도 좋다.

또한, 도 4에 도시한 압력 센서(50)와 같이 자기 저항 효과 소자(52)를 검출수단으로 하여 투자율 또는 잔류 자화량의 변화를 상기 자기 저항 효과 소자(52)의 기전력 변화로서 검출해도 좋다.

또한, 상기 실시형태의 예에서는 압력센서(10)를 초자왜소자로 이루어진 초자왜부재(18)로 구성했지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 자왜소자로 이루어진 자왜부재를 사용해도 좋다.

본 발명의 압력센서는 장치의 소형화를 실현하면서 동시에 단시간에서 고감도, 고정밀도의 압력검출이 가능하다는 우수한 효과를 갖는다.

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10. 일부에 자왜소자를 포함하는 원통 형상의 자왜부재와, 상기 자왜부재의 축방향 양단 개구부를 덮도록 배치된 원판 형상의 한쌍의 덮개체에 의해 구성되고, 액체를 충전 가능한 케이싱과, 상기 케이싱내에 충전한 상기 유체의 압력 변동에 기초한 상기 자왜부재의 신축에 의한 투자율 또는 잔류 자화량의 변화를 검출하는 검출 수단을 구비하고,

    또한, 상기 케이싱의 축방향으로 상기 자왜부재의 내측 공간 및 상기 한쌍의 덮개체를 관통한 상태로 배치되고, 또한 상기 한쌍의 덮개체를 상기 자왜부재에 대해 축방향으로 조여 부착하여 고정하는 볼트를 설치하여 이루어지고, 이 볼트에 상기 자왜부재의 내측 공간에 상기 유체를 도입하는 통로를 형성한 것을 특징으로 하는 압력 센서.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 상기 검출수단은 상기 자왜부재를 둘러싸는 픽업 코일을 포함하고, 상기 투자율 또는 잔류자화량의 변화를 상기 픽업 코일의 인덕턴스 변화로서 검출하도록 된 것을 특징으로 하는 압력 센서.
12. 제 10 항에 있어서,

    상기 검출수단은 홀소자 또는 자기 저항 효과 소자로부터 선택된 한쪽을 포함하고, 상기 투자율 또는 잔류 자화량의 변화를 상기 선택된 한쪽의 기전력 변화로서 검출하도록 한 것을 특징으로 하는 압력센서.
13. 제 10 항에 있어서,

    상기 원통형상의 자왜부재의 영률을 3×10⁶(N/㎠), 상기 자왜부재가 상기 유체로부터 받는 압력을 980(Pa)로 한 경우에, 상기 자왜부재의 반경방향의 두께를 0.05(㎜)~5(㎜)로 한 것을 특징으로 하는 압력센서.
14. 제 11 항에 있어서,

    상기 원통형상의 자왜부재의 영률을 3×10⁶(N/㎠), 상기 자왜부재가 상기 유체로부터 받는 압력을 980(Pa)로 한 경우에, 상기 자왜부재의 반경방향의 두께를 0.05(㎜)~5(㎜)로 한 것을 특징으로 하는 압력센서.
15. 제 12 항에 있어서,

    상기 원통형상의 자왜부재의 영률을 3×10⁶(N/㎠), 상기 자왜부재가 상기 유체로부터 받는 압력을 980(Pa)로 한 경우에, 상기 자왜부재의 반경방향의 두께를 0.05(㎜)~5(㎜)로 한 것을 특징으로 하는 압력센서.
16. 제 10 항 내지 제 15 항중 어느 한 항에 있어서,있어서,

    또한, 상기 자왜부재의 축방향으로 바이어스 자계를 인가할 수 있는 바이어스 자석을 추가로 구비한 것을 특징으로 하는 압력센서.
17. 제 11 항 내지 제 15 항중 어느 한 항에 있어서,

    상기 자왜부재를 초자왜소자를 재료로 하는 초자왜부재에 의해 구성한 것을 특징으로 하는 압력 센서.
18. 제 16 항에 있어서,

    상기 자왜부재를 초자왜소자를 재료로 하는 초자왜부재에 의해 구성한 것을 특징으로 하는 압력 센서.
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