JPH01147330A

JPH01147330A - 圧力センサ

Info

Publication number: JPH01147330A
Application number: JP30581487A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Ishii; 石井　泰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-12-04
Filing date: 1987-12-04
Publication date: 1989-06-09

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】本発明は非円形断面の管の側壁を感圧面として利用し、
管の内外に圧力差を与えたときに生ずるこの感圧面のひ
ずみもしくは変形を検出して電気信号等に変換する、気
体および液体用の圧力センサに係る。

今日広く用いられている圧力センサの一種に。

円形の感圧ダイアフラムのひずみもしくは変形をストレ
ンゲージ等によって検出する方式のものがあるが、この
種の圧力センサの問題点の一つは、上記感圧ダイアフラ
ムの周囲の支持方法である。

すなわち、感圧ダイアプラムの周囲を外側のケースに気
密にかつ信頼性良く固定するためには、複雑な支持機構
と組立の手間を要し、これがセンサの製作コストを高め
る一因となっている。

本発明の圧力センサは、感圧要素として少くとも一部に
非円形な断面の部分を有する管を用い、その感圧管の非
円形断面の部分の管側壁がこの管の内外に圧力差を与え
たときに生ずるひずみもしくは変形を、その管側壁に貼
りつけたストレンゲージや管の外側に設けた変位センサ
等で検出することにより、上記圧力差を電気信号等に変
換するものである。

本発明の目的は、構造が簡単で製作コストの安い圧力セ
ンサを提供することである。これは一般に管をケースや
座金に対して気密的にとりつけることは、ダイアフラム
の場合にくらべて、きわめて筒中であることによる。

第１図において、■は幅ａ、高さｂの四角形断面で有効
長がｌの感圧管で、その先端はキャップ２によって気密
に閉じられている。ｌの他端は座金３に設けられた溝４
にはめられている。１０は接着材であって、管１と溝４
の間の気密を保つ。

被測定圧力は座金にあけられた圧力導入孔５を通して管
ｌの内部に導入される。６は管１の長方形の側壁表面の
ほぼ中央に貼りつけられたストレンゲージで、被測定圧
力によって変形した管側壁゛のひずみを検出する。７は
６に対して直角の方向に貼りつけられたストレンゲージ
で、温度補償用のダミーゲージである。これらのゲージ
からの導線は、端子８を通して外部のひずみ増幅器につ
ながれ、それによってストレンゲージの抵抗変化は被測
定圧力に対応した電気信号に変換される。なお点線で示
した９は保護カバーである。

以上の構造から明らかなように、この圧力センサの感圧
面は管の長方形の側壁で計４面あり、上記実施例ではそ
の１面しか利用していないが、いずれの面の変形をも利
用することができる。この点が本発明が従来の円形ダイ
アフラムを用いた圧力センサなどと根本的に異なる点で
ある。管ｌの内部に正の被測定圧力が導入されると感圧
面が膨らみ、感圧面表面の中央、たとえばストレンゲ−
シロを貼りつけた場所に曲げモーメントによる引張りひ
ずみを生ずるが、最大のひずみは感圧面の短辺に平行な
方向に生ずる。第１図の例では、管１の幅ａの方向が最
大ひずみの方向となるが、その最大ひずみ量ｅは、たと
えばａ＝ｂの場合にはつぎのようになる。

ｅ＝ｃ　（ａ２／４Ｅｔ２）ｐ　　　　　（１）ここで
Ｅは管材のヤング率、ｔは管の肉厚、ｐは被測定圧力を
表わす。またＣは、感圧面の両辺の長さの比ｌｅａによ
って定まる０、６〜ｌの範囲の係数であるが、１／ａ＞
１．５の場合にはほとんど１で一定であり、ｌにはよら
ない。すなわちこの場合には、感圧面の幅の方向に沿っ
て内部の圧力に対抗して曲げモーメントが存在し、その
結果、管壁表面にｅなるひずみを生ずるが、それと直角
な感圧面の長さ方向に沿ってはほとんど曲げモーメント
は存在せず、したがってその方向のひずみ量は非常に小
さい、第１図において、ストレンゲ−シロを感圧面の幅
の方向に配置し、ダミーゲージ７を６に直角な長さ方向
に配置したことは以上の理由による。

感圧面の両辺の比１／ａが１に近いと、上記の係数Ｃは
０．６に近づき、ひずみ量ｅも小さくなるが、それと同
時に、感圧面の長さ方向にも曲げモーメントによるひず
みが生ずる。したがって、ダミーゲージ７を感圧面の長
さ方向に配置することは必ずしも適当とはいえなくなる
。しかしこの場合でも、感圧面にはある方向に沿った曲
げモーメントが常に０となるような場所が必ず存在する
ので、その場所にダミーゲージを貼りつけるようにすれ
ばよい。あるいはダミーゲージを圧力による応力とは無
関係な座金の面などに貼りつけてもよい。いずれにせよ
ダミーゲージは本発明において本質的なものではない。

上記したように、ｌｅａが１に近いと、すなわち感圧面
が正方形に近いと、ひずみｌｅも小さくなる。したがっ
て感圧管を短くして圧力センサを小さくするという要請
がない限り、感圧管をある程度長くして長方形の感圧面
となるようにするのが得策である。長方形感圧面を用い
ることの利点はこのほかにももう一つある。前述したよ
うに、１／ａ＞１．５の場合には感圧面の長さ方向に沿
ってはほとんど曲げモーメントが存在しないが、このこ
とは感圧管１の根元および先端の処理方法が感圧面中央
部表面のひずみ量ｅにほとんど影響しないことをも意味
する。したがって、たとえば感圧管１を溝４にはめ接着
材１０で固定する際に、接着材が感圧面の上に多少はみ
だしたりしても差支えなく、それだけ、製作上の許容度
が大きくなる。これに対し、正方形の感圧面の場合には
、感圧管ｌの根元と先端の部分の処理条件が一定でない
と、製作された圧力センサのゲインが不揃いになる。

第２図は本発明圧力センサで用いられる感圧管の断面形
を各種水したものである。（ａ）、　（ｂ）、（Ｃ）は
角形のものの例で、（ａ）は第１図の実施例で示した四
角形断面、（ｔ））　、　（Ｃ）はそれぞれ三角形断面
、菱形断面である。（ｄ）　、　（ｅ）　、　（ｆ）は
偏平な管の断面の例で、このうち（ｄ）の断面形の感圧
管を用いた実施例については、第３図および第４図にお
いて詳述する。また（ｅ）、（ｆ）はそれぞれ楕円形断
面、半月形断面であるが、これらは曲面の感圧面を有す
る例でもある。（ｇ）は角形断面の一種である星形断面
で、この種の感圧管を用いた実施例は第５図において説
明する。（ｈ）　、　（ｉ）はそれぞれＨ形断面、Ｉ形
断面であり、これらは断面形の一部に偏平な部分がある
という意味で偏平管の一種とみなされるが、（ｄ）　、
　（ｅ）　、　（ｆ）に示したような単純な偏平管とは
異なった特有の効果があり、それについては第６図によ
って説明する。

これらの断面に共通する性質は、管の内部に正圧力が作
用したとき管の周囲に沿って曲げモーメントが発生して
円形断面に近づく方向に変形し、その結果、管の側壁表
面にたとえば（１）式のような大きなひずみを生ずるこ
とである。このことは第２図に示した断面形のものに限
らず、一般に非円形断面の管についていえることである
。これに対し円形断面の管の内部に正圧力が作用した場
合には、側壁に曲げモーメントは発生せず、管の半径を
ｒとするとき、単にその円周の接線方向にｅ’　＝　（
ｒ／Ｅｔ　）ｐ　　　　　　　　　（２）なる大きさの
引張りひずみを生ずるだけである。

これを曲げモーメントによって生ずる引張りひずみ、た
とえば（１）式のｅと比較すると、ｅ′はｅにくらべて
はるかに小さく、したがってｅ′を直接ストレンゲージ
等によって検出することはそれだけ困難になる。

以上の説明においては、正の被測定圧力が感圧管１の内
部に導入されるとしたが、この被測定圧力は負であって
も差支えない。この場合には感圧面中央部表面には圧縮
ひずみを生じ、したがってストレンゲージの抵抗変化の
極性も反転する。また感圧管１の内部を真空に引いて閉
じると、この圧力センサは外部の大気圧を測定する絶対
圧計になる。このように被測定圧力を感圧管の外部に作
用させる場合もある。要するに、被測定圧力ｐは感圧管
の内外に作用する差圧である。

第３図は偏平な管の一種を用いた実施例で、この場合に
はひずみ増幅器などの電子回路も感圧管と同じケースに
収められている。１１は円形断面の管の中程の長さｌの
部分を偏平におしつぶしてえられた感圧管で、その先端
はキャップ１２によって気密に閉じられ、また他端は座
金１３に設けられた取付孔１４にはめ込まれている。被
測定圧力は座金にあけられた圧力導入孔１５を通して管
１１の内部に導入される。１６は偏平におしつぶされた
部分の管側壁表面のほぼ中央に貼りつけられたストレン
ゲージで、１７は１６に対して直角の方向に貼りつけら
れたダミーゲージである。この実施例の場合には裏側の
感圧面にもストレンゲージ１６′とダミーゲージ１７′
が貼りつけられており、これら４つのゲージが電気的ブ
リッジの４辺を形成するように詰綿されている。　　１
８は座金１３の溝２１にはめ込まれて固定された基板で
、その上に電子回路２０．２０’等が載せられており、
ストレンゲージによるブリッジの電圧を増幅し、被測定
圧力に対応した電気信号をリード線（図示せず）を通し
て外部に出力する。なお点線で示した１９は保護カバー
であるが、防振の目的で、感圧面の膨らみに影響を与え
ない程度の軟らかさを有するシリコンゴム等を１９の内
部に充填する場合もある。

この実施例の感圧管は、第１図の実施例の場合とは異な
り、本来円形の断面の管の一部を偏平におしつぶして感
圧面を作っているが、これには二つの特有の効果がある
。

第一には、第３図の感圧管１１は根元と先端の部分が円
形管のままであるが、円形管は、第１図の１のような四
角形断面のものにくらべて、座金へのとりつけやキャッ
プによる先端のシーリングがさらに簡単になることであ
る。

第二には、感圧管１１が黄銅などの金属材料でできてお
り、その内部に正の過大圧力が作用したとき、管の偏平
部分は膨らんで塑性変形し、結局もとの円形断面に戻り
、そこでそれ以上の変形が止まることである。この性質
は過大圧力が加わる不測時におけるセンサの信頼性に関
連して重要である。第１図のように、四角形断面の感圧
管を座金の溝にはめ込んだような構造では、過大圧力が
加えられた場合に、溝の角に当たる部分に応力集中を生
じ、そこに亀裂を生ずるおそれがある。

第４図はストレンゲージのかわりに電気容量式の変位セ
ンサを用い、感圧面の膨らみ変形もしくはへこみ変形を
検出する方式の実施例である。

すなわち感圧管３１の中程の偏平断面部分を挟むように
容量式変位センサ３６および３６′を基板３０の上に配
置し、その偏平断面部分の側壁と変位センサの電極３７
および３７′との間のギヤツブ距＃ｄおよびｄ′を検出
する。そして電子回路３８．３８’　、　３９．３９′
によってｄ＋ｄ’を算出することにより上記偏平断面部
分の側壁、すなわち感圧面の膨らみの変位を求め、それ
によって感圧管３１の内部の圧力を知るものである。ま
た本実施例において、容量式変位センサ３６および３６
′は、光学式の変位センサなどにおきかえることが可能
である。なお３２および３３は感圧管３１を基板３０に
固定する取付金具である。

本実施例の一つの特徴は、感圧管３１の先端が閉じられ
ておらず、作動流体は流入口３４から入って流出口３５
から出ていることである。このように、感圧管が流体の
導管を兼ねることができるという特徴は本発明圧力セン
サに共通のもので、第１図、第３図あるいは第６図の実
施例においても、キャップ２、キャップ１２あるいはキ
ャップ５２をとって、感圧管内部を作動流体が流れるよ
うにすることはなんら問題ない。

第４図の実施例においては、感圧管３１は、その根元と
先端の部分は円形断面であるが、そこから中程に向って
徐々に偏平断面に絞られていく形状になっている。この
場合感圧面として作用する管壁の範囲は明確ではないが
、少くとも感圧面は長方形ではなく＠ａは徐々に変化し
ていく。またその部分の管の断面形も一定ではない。し
かしながら、これらのことは本発明の本質をなんら損う
ものではない。

第５図は星形断面の感圧管を用いた実施例である。感圧
管４１は本来円形断面の管で、その中程の長さｌの部分
が星形断面に成形されており、その部分が電気容量式変
位センサ４６の円筒状電極４７の中を貫通している。感
圧管４１は取付金具４２．４３により、変位センサ４６
および電子回路４８．４９とともに、基板４０の上に固
定されている。作動流体は流入口４４から入って流出口
４５から出ていくが、この流体の圧力が増加すると、感
圧管４１の星形断面の部分はその断面積が増加する方向
に変形し、その変形は変位センサの電極４７とその中を
貫通する感圧管４１との間の電気容量の変化として検知
され、電子回路４８．４９により電気信号に変換される
。

第６図はＨ形断面の感圧管の一例で、第３図の装置にお
いて感圧管１１のかわりに使用するものである。すなわ
ち本来は円形断面の管５１の中程の長さＬの部分をＨ形
に成形して感圧管となし、その部分の２つの側壁の表面
にストレンゲージ１６．１６’およびダミーゲージ１７
．１７′　（図示せず）が貼りつけられている。また５
１の先端はキャップ５２によって閉じられている。この
感圧管５１を第３図の装置において感圧管１１のかわり
に座金１３に固定し、上記のストレンゲージと電子回路
２０．２０′とを結線して管５１の内外に作用する被測
定圧力を電気信号に変換する。

感圧管５１の内部に被測定圧力ｐが導入されたとき、Ｈ
形断面の部分の゛側壁中央部表面、すなわちストレンゲ
ージ１６．１６′の場所の管の幅方向に生ずるひずみｅ
は、Ｈ形断面の幅をａ、高さをｂ、管の厚みをｈとする
とき、α；ｂでかつｈ（ａの場合には近似的につぎのよ
うになる。

ｅ＝ｃ　（３ａ２／４Ｅｔ２）Ｆ　　　　　（３）ここ
でＥは管材のヤング率、ｔは管の肉厚で、またＣはＨ形
断面の部分の長さｌと幅ａとの比Ｌ／ａによって定まる
係数で、１／ａ＞１．５の場合にはほとんどｌである。

感圧管５１においてストレンゲージ１６および１６′を
貼りつけた場所は、このＨ形断面において最大のひずみ
を生ずる場所であり、このことがＨ形断面の一つの特徴
である。第３図の単純な偏平断面の感圧管１１において
は、管内に正圧力が作用したとき、最大のひずみはその
偏平断面のエツジ表面に生ずる圧縮ひずみであり、スト
レンゲージを貼りつけた感圧面中央部表面に生ずる引張
りひずみは、その絶対値において、上記の最大ひずみの
１７２に過ぎない。したがって管材の弾性限界などによ
り、その材料に与えうる最大ひずみｅｌが定められたと
き、感圧管１１では、ストレンゲージによって検出され
るひずみ量はｅ１／２に制限される。これに対しＨ形断
面の感圧管５１では、与えうる最大ひずみｅｌまでスト
レンゲージによる変換範囲として利用することができ、
それだけ圧力センサとしての感度を高めることができる
。なお、第２図（ｉ）に示したＩ形断面の感圧管におい
ても同様の効果がある。

以上を要するに、本発明の木質は、圧力センサの感圧要
素は円形ダイアフラムであるという常識的な概念から脱
却し、角形断面もしくは偏平断面など、非円形断面の管
の側壁を感圧面として利用するところにある。その結果
として、従来のものにくらべてより簡単な構造で製作コ
ストの安い圧力センサを実現し、さらに感圧要素である
管が流体導管を兼ねることもできるなど、種々の特有な
効果を生ずるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は四角形の断面の管を用いた実施例、第２図は本
発明圧力センサで用いられる感圧管の断面形の例、第３
図は偏平断面の管の一種を用いた実施例、第４図は電気
容量式変位センサを用いた実施例、第５図は星形断面の
感圧管を用いた実施例、第６図はＨ形断面の感圧管の例
である。 ■−−−〜四角形断面の感圧管、２−一一一キャップ、
３−−−一座金、４−一一一取付溝、５−一一一圧力導
入孔、６−−−−ストレンゲージ、７−−−−ダミーゲ
ージ、８−一−一端子、９−一一一保護カパー、１０−
−−一接着材、１１−−−−一部が偏平断面の感圧管、
１２−−−−キャップ、１３−−−一座金、１４−−−
一取付孔、１５−−−−圧力導入孔、１６．１６’−−
−−ストレンゲージ、１７．１７’−−−−ダミーゲー
ジ、１８−−−一基板、１９−−−一保護カバー、　　
２０．２０’　−−−一電子回路、２Ｌ−−−一取付溝
、３０−−−一基板、　　３１−−−−一部が偏平断面
の感圧管、３２．３３−−−一取付金具、３４−−−一
流体流入口、３５−−−一流体流出口、３６．３６’−
−−一電気容量式変位センサ、３７．３７’−−−一変
位センサの電極、　　３８．３８′、３９．３９’−−
−一電子回路、４０−−−一基板、４１−一一一一部が
星形断面の感圧管、４２．４３−−−一取付金具、４４
−−一流体流出口、４５−−−一流体流出口、４６−−
−−電気容遍式変位センサ、４７−−−−変位センサの
円筒状電極、　　４８．４９−−−一電子回路、５１−
−−−一部がＨ形断面の感圧管、５２−−−−キャップ
・

Claims

【特許請求の範囲】

少くとも一部に非円形な断面の部分を有する感圧管と、
上記感圧管の非円形な断面の部分の管側壁のひずみもし
くは変形を検出する手段とからなり、上記感圧管の内外
に圧力差を与えたときに生ずる上記管側壁のひずみもし
くは変形を上記手段で検出することにより上記圧力差に
対応した信号をうることを特徴とする圧力センサ。