JPH0525298B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (a) 技術分野 本発明は、微小差圧変換器に関し、より詳細に
は、２つの圧力導入路を介してそれぞれ導入され
る２系統の被測定流体の微小な圧力差を検出して
電気量に変換する微小差圧変換器に関するもので
ある。

(b) 従来技術 差圧変換器において、２系統の被測定流体の圧
力を受ける一対のダイヤフラム（またはベロー
ズ）内に配設され、該２系統の圧力差に応じた変
形をする起歪部の形式には、大別してダイヤフロ
ムタイプと両端支持梁タイプと片持支持梁タイプ
等がある。

第４図は、従来の差圧変換器の構成を示す断面
図である。

同図において、５１はケーシングで、その内部
には略円柱状の空間が形成され、その受感軸方向
（図において左右方向）両端部には、被測定対象
物に連結される圧力導入部５２，５３が突設さ
れ、その中心部には空間と連通する圧力導入路５
４，５５が形成されている。この空間内の圧力等
入路５４，５５の近傍には、受感軸方向に略直交
するように互いに略平行な１対のダイヤフラム５
６，５７が気密状態で張設されている。

このように、２つのダイヤフラム５６，５７と
ケーシング５１の内壁とで囲まれた部分は、外気
と完全に遮断された密閉室となつている。この密
閉室は、ベローズ５８とこのベローズ５８の端面
部を閉塞する受圧板５９と上記ベローズ５８の他
端を封止状態でケーシング１の内壁に固定するベ
ローズ取付板６０とにより、容積的に２分割され
ている。そして、上記受圧板５９には力伝達棒６
１を介して起歪ダイヤフラム６２が連結されてい
る。この起歪ダイヤフラム６２の両面側周縁部に
は、ひずみゲージSGが図示の場合少なくとも４
枚接着されている。ここで、ベローズ５８、受圧
板５９等によつて区分される左側の密閉室を第１
密閉室６３、右側のそれを第２密閉室６４と称す
ることとなる。これら第１および第２密閉室６３
および６４内には、圧力伝達用の液体が封入され
ている。

このように構成された従来の差圧変換器の動作
について説明する。

第４図の左および右方向からそれぞれ第１の被
測定流体および第２の被測定流体が導入され、そ
れぞれの被測定圧力P₁およびP₂が矢印に示す如
くダイヤフラム５６および５７に印加されると、
それぞれのダイヤフラム５６および５７は、被測
定圧力P₁およびP₂に応じて撓む（変形する。）す
ると第１および第２の密閉型６３および６４の内
部の圧力が変化し、受圧板５９は圧力の高い側か
ら低い側へと移動し両密閉室６３および６４の圧
力が平衡した位置で停止する。この受圧板５９の
移動（変位）に伴つて起歪ダイヤフラム６２が撓
み、その両面側に添着されたひずみゲージSGも
伸びあるいは縮む。これら複数のひずみゲージ
SGをもつホイートストンブリツジ（図示せず）
が組まれており、そのブリツジ出力端から、第
１、第２測定流体の圧力差（P₁−P₂）に対応す
る電気信号を得るようになつている。

しかしながら、このように構成され且つ動作す
る従来の差圧変換器には、次のような欠点があ
る。

第１に２分割された２つの密閉室（第１、第２
密閉室）６３，６４の容積は、同一になるように
設計されるが、加工誤差や組立誤差により現実的
に厳密に同一容積にすることができないため、温
度変化が生じた場合、温度による膨張、収縮によ
り受圧板５９が変位し、これが圧力測定値に混入
し、大きな誤差を与えるという欠点がある。

第２に、仮に、上記第１、第２密閉室６３，６
４間に容積差がないような製品が偶然に得られた
としても、２つの密閉室６３，６４に充填されて
いる圧力伝達用液体（一般にはオイル）の中に、
気泡が混入する可能性が高く、しかもその気泡の
量、即ち空気含有量は、両密閉室６３，６４に等
量とはならず、従つて、両密閉室６３，６４中の
各液体の熱膨張率が異なる結果となり、やはり、
第１、第２密閉室６３，６４間に差圧力が発生
し、これが測定値に混入し誤差を与えるという欠
点がある。

上記、第１および第２の欠点があるということ
は、特に微小差圧を測定する場合に大きな問題と
なる。

第３に、上記第１、第２の欠点を解決すべく、
温度補償を施すには、多大な費用と工数がかか
り、製品価格が大幅に上昇するという問題がある
ほか、必ずしも充分な温度補償をなし得ないとい
う問題がある。

即ち、一般にひずみゲージは、１枚ごとに抵抗
温度係数が異なり、ホイートストンブリツジを構
成した場合、そのアンバランスによつて熱出力を
発生するが、これを補償するため、ブリツジ辺に
適宜な抵抗温度係数を持つ補償抵抗を挿入するこ
とが行われる。しかしながら、この補償は、ひず
みゲートと補償抵抗との間に温度勾配が生じない
場合に限つて有効であるに過ぎない。

ところが、差圧変換器においては、上述したひ
ずみゲージの抵抗温度係数のアンバランスによる
熱出力の他に、既述したように第１、第２密閉室
６３，６４間に容積差や、充填される液体に気泡
が含まれるなど構造的な理由による熱出力が生じ
る。前者の熱出力は、予め実験で知り得るもので
あるが、後者のものは、変換器を組み立て、圧力
伝達液を封入した後でないとわからない性質のも
のであるので、補償抵抗はひずみゲージと同じ温
度影響部とみなし得る密閉室６７，６８内で行う
ことができない。つまり、補償は、外部に付設さ
れる端子箱（図示せず）内で行うことになる。

しかしながら、差圧変換器の実際の使用状況と
しては、被測定流体の温度と周囲温度とは異なつ
ている場合が殆んどであり、しかもその温度差は
個々の場合においてまちまちである。従つて、ひ
ずみゲージと補償抵抗との間に温度勾配ができて
補償ができなくなるのである。

第４に、起歪部として、従来は、ダイヤフラ
ム、一文字ビーム、十文字ビーム、片持ビーム等
を採用しているが、このような起歪部において、
微小差圧を検出し得るものを製作することは極め
て困難で、仮に製作し得たとしても非常にコスト
の高いものとなつてしまうという欠点がある。

この欠点を第５図Ａ，ＢおよびＣを参照してさ
らに詳しく説明する。

第５図ＡおよびＢは、従来のダイヤフラム型荷
重変換器の要部構成を示す平面図および同図Ａの
Ｘ−Ｘ線断面図、同図Ｃは、同従来例の曲げ応力
分布図である。荷重変換器は、その原理におい
て、圧力変換器と共通性があるので、以下荷重変
換器を例として説明する。

これらの図において、変換器本体７１を弾性を
有する厚肉円筒状をなす外殻部７２と、この外殻
部７２の中心部の被測定荷重を導入する小径で厚
肉円柱状をなす荷重座７３と、この荷重座７３の
外周と外殻部７２の内周との間にそれぞれの面が
直交するようにして薄肉のダイヤフラムよりなる
起歪部７４が連接されている。而して、この荷重
変換器は、起歪部７４上における荷重座７３の外
周に近い部位と外殻部７２内周に近い部位に、ひ
ずみゲージSGがそれぞれ４枚ずつ、該起歪部７
４の曲げひずみ（応力）を検出し得るようにその
受感方向が定められて接着、その他の手段により
添着された構成となつている。

しかしながら、この形式の荷重変換器は、次の
ような欠点を有している。

即ち、まず第１に、ダイヤフラム式荷重変換器
において低容量のものを製作しようとした場合、
起歪部７４の肉厚を非常に薄くしなければならな
い。ところが、切削加工によつて肉厚を薄くする
ことは非常に困難で、薄くするにも自ずと限界
（現状0.2mm程度が限界とされている）があり且つ
その場合コストが極端に高くなる。一方、肉厚を
ある程度以下に出来ないという制約があることか
ら肉厚はある程度までにして、より低容量のもの
にするには、外殻部７２の内径を大きくして薄肉
部（ダイヤフラム）の曲げ剛性を小さくすればよ
いのであるが、このようにした場合には、次に述
べる問題が派生する。

即ち、起歪部７４の外径が大きくなるからそれ
に伴つて必然的に変換器本体７１の外径が大きく
なり、従つて小型の荷重変換器は事実上製作不可
能となると共に、曲げ剛性を小さくする分、応答
周波数の低下は不可避である。このために動荷重
は測定できないという問題が生じてしまう。ま
た、構造的に薄肉加工に限界を伴うから、結局、
小型で且つ低容量の荷重変換器は現実には製作で
きないという問題がある。

第２に、第５図Ｃの応力分布図に示すように、
起歪部７４の直径方向の応力分布変化が急激であ
り、しかも最大応力の発生する位置にひずみゲー
ジを添着することができないから、ひずみ検出効
率が悪い上、応力変化が急激に低下するから、ひ
ずみゲージ全体として平均検出感度は低下する。
即ち、ひずみ検出効率およびひずみ検出感度が低
いという欠点を有している。

第３に、上述したようにひずみを検出効率が低
くても所要のひずみ検出出力を出力させる必要が
あるため、起歪部（ダイヤフラム）７４には非常
に大きな応力が実質的に発生する。そのため、疲
労寿命が短縮化し、換言すれば、耐久性の悪化、
過負荷許容範囲の狭小化を招き、さらに荷重−ひ
ずみ特性が悪くなり、従つて精度のよい荷重変換
器を得られないという欠点がある。

一方、起歪部として、上述したようなダイヤフ
ラムでなく、例えば十文字状ビームとした場合に
は、ダイヤフラム型と比較して起歪部の肉厚を多
少厚くできる利点があるだけで、直径方向の応力
分布は、ダイヤフラム型の応力分布と殆ど同一で
あり、ダイヤフラム型荷重変換器のもつ、ひずみ
検出効率およびひずみ検出感度が低い、耐久性が
悪い、過負荷許容範囲が狭い、荷重−ひずみ特性
が悪い等の欠点を有している。

(c) 目的 本発明は、上記従来技術に存する問題点に鑑み
なされたもので、その目的とするところは、製作
が容易で且つ従来不可能とされていた超低容量、
超小型、低価格で、差圧検出感度・検出効率が高
く、圧力−ひずみ特性が良好で、精度が高く、し
かも耐久性のある微小差圧変換器を提供すること
にある。

(d) 構成 本発明は、上述の目的を達成させるため、２つ
の圧力導入路を介してそれぞれ導入される２系統
の被測定流体の圧力差を検出して電気量に変換す
る差圧変換器において、内部に空間を有すると共
に該空間と連通するようにしてそれぞれ外方に延
びる上記２つの圧力導入路を有するケーシング部
材と、前記空間内における前記圧力導入路内端近
傍に所定の間隔を存して対峙するようにそれぞれ
張設され内部に密閉室を形成する一対のダイヤフ
ラムまたはベローズ等の可撓性を有する封止膜
と、これら一対の封止膜にそれぞれ連結され互い
に略平行をなす一対の剛性大なる支承部材と、こ
の一対の支承部材の略中間部に臨む前記ケーシン
グ部材と一体または一体的に連接された固定基部
と、この固定基部の中心部から離れた部位に穿設
された孔を緩く貫通するようにして設けられた前
記一対の支承部材同士を互いに連結する剛性大な
る連結部材と、弾性を有する厚肉中空筒の軸方向
中央部に幅狭で一定の深さの周溝を削成すること
によつて軸方向中央部に薄肉円筒部が形成される
と共にこの薄肉円筒部の両側の厚肉円筒部の各外
端から各内端に至る前記中心軸に沿う第１のスリ
ツトを形成することによつて厚肉円弧板部が前記
薄肉円筒部の両側に各一対形成され、さらに両側
の第１のスリツトに挟まれた領域の一対の前記薄
肉円筒部のうち一方の該薄肉円筒部に一端から他
端に達する前記中心軸に沿う第２のスリツトを形
成することによつて離間部が形成され、前記層肉
円弧板部の少なくとも一方の外面を前記中心軸に
沿つて削成することによつて平面部が形成されて
なる２つの変換器本体と、この２つの変換器本体
のそれぞれの前記平面部を前記固定器部の一面側
および他面側に当接し且つそれぞれの前記第２の
スリツトが前記中心軸と直交する受感軸を中心と
して互いに180°ずれた状態で前記２つの変換器本
体を前記密閉室内の前記固定基部にそれぞれ固定
する取付部材とを具備し、前記固定基部に固定さ
れていない側の前記２つの変換器本体の前記厚肉
円弧板部が前記一対の支承部材とそれぞれ当接さ
れ、前記両圧力導入部から導入された被測定流体
の圧力差に対応した電気信号を、前記変換器本体
の前記薄肉円筒部における起歪部に添着されたひ
ずみゲージにより得るように構成したことを特徴
とするものである。

先ず、本発明の構成を説明するに先立つて、本
出願人が先に特願昭61−186399号として特許出願
を行つたひずみゲージ式物理量−電気量変換器の
発明（以下「先願発明」という）が本願発明の主
要部をなすものであるため、この先願発明につい
て説明する。

第３図Ａ〜Ｄは、いずれも上記先願発明に径る
もので、このうち同図Ａは、曲げ型荷重変換器の
全体構成を示す正面図、同図Ｂは、変換器本体の
構成を示す側面図、同図Ｃは、同図ＢのＹ−Ｙ線
断面図、同図Ｄは、同実施例における起歪部の圧
力分布図である。

第３図ＡおよびＢにおいて、１０は全体形状が
略中空円筒状を呈する変換器本体であり、次のよ
うにして形成される。即ち、弾性を有する材料、
例えばニツケル鋼、ニツケル−クロム−モリブデ
ン鋼、ベリリウム−鋼合金、アルミニウム合金、
アンバ（商品名）等のうち、使用目的に適つた材
料を用いて厚肉中空円筒を形成する。この厚肉中
空円筒の中心軸Ｏ−Ｏ方向中央部外周に幅狭（例
えば４mmの幅）で一定の深さ（例えば２mmの深
さ）の周回溝１１を例えば旋盤を用いて削成す
る。この結果、軸方向中央部に薄肉円筒部１２が
形成されると共に、この薄肉円筒部１２の両側、
つまり第３図Ｂにおいて左右両側に厚肉円筒部が
形成されることになる。

次いで、両側の上記各厚肉円筒部の各外端から
各内端に至る中心軸Ｏ−Ｏに沿う一定幅（この例
の場合、４mmの幅）のスリツト（摺割り）１３
ａ，１３ｂを例えばフライス盤を用いて削成す
る。この結果、各側の厚肉内円筒部がスリツト１
３ａ，１３ｂによつてそれぞれ２分割されて、上
記薄肉円筒部１２の両側に各１対の厚肉円弧板部
１４ａ，１４ｂと、１４ｃ，１４ｄが形成される
ことになる。尚、薄肉円筒部１２の内周面は、リ
ーマ等を用いて平滑に仕上げることが望ましい。

このようにして形成された変換器本体１０のう
ち、両側のスリツト１３ａと１３ｂとによつて挟
まれた領域の薄肉円筒部１２が起歪部１５とされ
ている。

また、中心軸Ｏを中心として起歪部１５から
90°ずれた角度位置における上記両側の層肉円弧
板部１４ａおよび１４ｃが、荷重導入部１６とさ
れ、この荷重導入部１６から180°ずれた角度位置
における層肉円弧板部１４ｂおよび１４ｄが荷重
支承部１７とされている。第３図Ａ〜Ｃにおいて
は、荷重導入部１６を上部に、荷重支承部１７を
下部に配置した例を示してあるが、必ずしもこの
ような姿勢（配置）で用いなければならないわけ
ではなく、例えば横方向（水平方向）荷重を検出
しようとする場合には、第３図Ａの状態から90°
倒した姿勢で配置されることになる。

上記起歪部１５の周側および外周側には、起歪
部１５の曲げひずみを検出し得るように、その受
感軸方向が設定された複数のひずみゲージSGが
接着、蒸着、スパツタリング、溶着その他の適宜
な手段により添着されている。このようにして添
着された複数枚（この例の場合４枚）のひずみゲ
ージSGでホイートストンブリツジ（図示省略）
が形成される。

尚、厚肉円弧板部１４ａ，１４ｃにおける荷重
導入部１６と略線接触状態で当接しているのは、
荷重の印加を受ける荷重座１８であり、同様に厚
肉円弧板部１４ｂ，１４ｄにおける荷重支承部１
７と略線接触状態で当接しているのは、不動部に
配設された荷重支承座１９である。

而して、図示は省略したが、変換器本体１０
は、特にひずみゲージSGの吸湿による酸化、絶
縁抵抗の低下を防ぐため、変換器ケースに収納さ
れ、一般に外気を遮断するためのシーリング手段
が施される、尚、図中、符号ｌを付した部材は、
ひずみゲージSGのゲージタブに接続されたゲー
ジリードである。

次に、上述のように構成された先願発明に係る
実施例の作用につき説明する。

変換器本体１０の荷重導入部１６に荷重座１８
を介してその荷重軸Ｎ−Ｎ方向に、例えば圧縮荷
重が印加されると、変換器本体１０のうち、起歪
部１５以外の部分は、起歪部１５に比較して厚肉
とされて剛性が充分高く設定されているため、殆
どひずみ（変形）を生ずることなく、薄肉円筒部
１２の起歪部１５が弾性変形（曲率が変化）して
ひずみが発生する。その結果、上記圧縮荷重によ
つて起歪部１５に印加荷重に比例した曲げモーメ
ントが作用し、曲げ応力が発生する。

変換器本体１０の荷重導入部１６に荷重Ｗが作
用したときの曲げモーメントMbは、起歪部１５
（薄肉円筒部１２）の外径をＤ、内径をｄとすれ
ば、次式で与えられる。

Mb＝Ｗ（Ｄ＋ｄ）／８ ……(1) 従つて曲げ応力∂bは、次の(2)式で与えられる。

∂b＝3W（Ｄ＋ｄ）／4b・t² ……(2) ここで、ｂは、起歪部１５の幅、ｔは、起歪部
１５の肉厚である。

上記先願発明に係る実施例の起歪部１５におけ
る円周方向の曲げ応力分布は、第３図Ｄに示す通
り非常に緩やかな曲線状を呈している。この図か
ら分るように、曲げ応力の最大εbmaxと、最小
εbminの差は、非常に小さく、ひずみゲージの検
出範囲からみれば、無視できる程度である。従つ
て、既述したダイヤフラム型やクロスビーム型の
変換器のように、ひずみゲージSGの検出範囲で
の応力の急峻な変化はないから、ひずみゲージ
SGに局部的な高ひずみが発生することがないの
で、検出ひずみレベルが高く、平均した高感度の
ひずみ検出ができる。既述したように、ダイヤフ
ラム型、クロスビーム型の応力分布は、起歪部の
ひずみ検出範囲外のところに非常に高い応力が発
生するから、変換器の機械強度を考慮すると、高
応力の部位の応力を低下させると、当然にひずみ
検出範囲のひずみレベルも低下する。これに対
し、上記実施例の荷重変換器における起歪部１５
の最大応力は、起歪部１５のひずみ検出範囲の中
心にあり、しかもひずみ検出範囲のひずみレベル
は、略一定と考えてよいから、高感度のひずみ検
出ができ、起歪部１５の他の部位は応力レベルが
低いから繰返し荷重に対しても充分耐久性のある
高感度で、精度のよい荷重変化器を得ることがで
きる。

水に、上記先願発明によつて、如何に変換器の
小型化、低容量化が実現できるかについて説明す
る。

即ち、先願発明による変換器は、厚肉中空円筒
に周回溝１１と、スリツト１３ａ，１３ｂを加工
するだけでよいから、中空円筒を小さく、且つそ
の起歪部１５を形成する薄肉円筒部１２の軸方向
長さを短くすることにより、容易に小型で低容量
の変換器を製作できる。ちまり、従来のダイヤフ
ラム型やクロスビーム型の荷重変換器の大きさと
対比した場合には、超小型といえる程小型化でき
る。

また、荷重容量の低容量化についても、周回溝
１１の加工時の切込み量を深くして、溝幅ｂを狭
くすればよい。

而して、上記製作要領によれば、安価にしかも
容易に、小型、低容量の荷重変換器を提供するこ
とができる。

また、応答周波数について述べると、従来のダ
イヤフラム型、クロスビーム型は、既述したよう
に容量を低くするには、その構造上、曲げ剛性を
低下させるという手段を揺らざるを得ず、そのた
め必然的に応答周波数が低下したが、本実施例に
よれば、容易に高い応答周波数で低容量の荷重変
換器が得られる。

ところで、上述のように構成され且つ作用する
先願発明においても、低容量化が可能であるもの
の、例えば、数ｇの荷重あるいは0.01Kg／cm²オー
ダーの圧力を検出できる荷重変換器あるいは圧力
変換器（微小差圧変換器）を製作することは極め
て困難乃至は不可能であり、コストが著しく嵩む
要因をなしていた。例えば、上記先願発明に係る
ものは、起穿部の厚みをダイヤフラム型のものよ
り肉薄（例えば0.1mm程度）に旋削可能であるが、
その旋削作業は容易ではなく、熟練作業者であつ
ても不良品を出す虞れがあり、コスト的に著しく
不利を伴うものである。また、低容量化のために
上記起歪部１５の幅ｂを小さくするにしても、そ
こに添着するひずみゲージSGの大きさに制約が
あるので、この面でも限界がある。

本発明は、このような事情を考慮してなされた
ものであり、以下に、全体の構成については、第
１図を参照し、要部である変換器本体の構成につ
いては、第２図Ａ，Ｂ，Ｃ，ＤおよびＥを参照し
つつ詳しく説明する。

先ず、第１図において、１は、全体形状が厚肉
円筒状を呈するケーシング部材であり、その内部
には円柱状の空間１ａが形成され、その受感軸方
向（この図の場合、左右方向）両端部には、被測
定対象物（例えば圧力カタンク等）に連結される
圧力導入部１ｂ，１ｃがそれぞれ突設され、その
中心部（受感軸と略一致する部位）には空間１ａ
と連通する圧力導入路１ｄ，１ｅがそれぞれ形成
されている。この空間１ａ内の圧力導入路１ｄ，
１ｅの各近傍には、受感軸方向に略直交しつ且つ
所定の間隔を対して対峙するように１対の可撓性
のある封止膜、この例の場合１対のダイヤフラム
２ａ，２ｂがその周縁部２ｃ，２ｄをケーシング
１の空間１ａ内壁に例えば溶接等の手段により気
密状に固着された状態で張設されている。

このように、空間１ａのうち、２つのダイヤフ
ラム２ａ，２ｂとケーシング部材１の内壁とで囲
まれた領域は、外気と完全に遮断された密封室１
ｆとなつている。

上記１対のダイヤフラム２ａ，２ｂの内方近傍
には、該ダイヤフラム２ａ，２ｂと略平行をなす
ように、一対の剛性大なる板状の支承部材３ａ，
３ｂが、連結軸４ａ，４ｂを介してダイヤフラム
２ａ，２ｂに連結されている。これら一対の支承
部材３ａ，３ｂが配設された中間部を横切るよう
にケーシング部材１の空間１ａ内壁に一体または
一体的に連接された板状の固定基部５が配設され
ている。この固定基部５には、中心部位に１つの
貫通孔５ａが、中心から離れた部位に２つの貫通
孔５ｂがそれぞれ穿設されている。この固定基部
５の上部の貫通孔５ｂには、剛性大なる連結部材
としての連結ロツド６が緩く挿通されており、そ
の連結ロツド６は、各端部が、上記１対の支承部
材３ａ，３ｂに強固に固着され、一対の支承部材
３ａ，３ｂ同士を互いに連結している。

而して、固定基部５両端側には、後に詳しくは
説明するが、変換基本体２０および３０が、上記
貫通孔５ａに挿通された取付部材としてのねじ２
９によつて固定されている。変換器本体２０およ
び３０の他部は、後に詳しく説明するが、１対の
支承部材３ａおよび３ｂに、当接された状態で連
結軸４ａおよび４ｂに形成されたねじ部によつて
一体的に連結されている。

ここで、変換器本体２０および３０のさらに詳
しい構成について、第２図Ａ〜Ｅを参照して説明
する。

第２図Ａは、第１図に示す実施例中に用いられ
ている曲げ型の変換器変体の構成を示す正面図、
同図Ｂは、同じく側面図、同図Ｃは、同図Ｂを一
部省略して示すＱ−Ｑ線断面図、同図ＤおよびＥ
は、それぞれ同実施例における起歪部の応力分布
図である。

第２図ＡおよびＢにおいて、２０および３０
は、先願発明に係る変換器本体１０とその材質、
基体的な構成は共通している。即ち、周回溝２１
および３１、一対の第１のスリツト２３ａ，２３
ｂおよび３３ａ，３３ｂ、２対の厚肉円弧板部２
４ａ〜２４ｂおよび３４ａ３４ｄ等は、第３図
Ａ，Ｂにおいて説明した同一名称のものとほぼ同
様であるので、その説明は省略し、先願の変換器
と相違する部材または部分について説明する。２
２および３２は、薄肉円筒部であるが、第２のス
リツト２２ａおよび３２ａが形成されて断面略Ｃ
字状および断面略逆Ｃ字状を呈しているため、厳
密には薄肉切穴円筒部と称するべきものである。
そして、上記第２のスリツト２２ａおよび３２ａ
は、両側の第１のスリツト２３ａおよび３３ａと
２３ｂおよび３３ｂとに挟まれた領域の一対の前
記薄肉円筒部２２および３２のうち一方の薄肉円
筒部２２および３２に一端から他端にかけて中心
軸O₁およびO₂に沿つて削成されており、その結
果離間部が形成されている。従つて、ひずみゲー
ジSGは、第３図Ａ，Ｂの例の場合と異なり、離
間部（即ちスリツト２２ａおよび３２ａ）が形成
されていない側の起歪部２５および３５の内周側
および外周側に添着されている。

本変換器の場合、一方の力導入部１６は、上側
の変換器本体２０の厚肉円弧部２４ａ，２４ｃの
頭頂部（即ち、中心軸O₁を中心として起歪部２
５から90°ずれた角度位置における厚肉円弧板部
２４ａ，２４ｃの部分）に設定され、他方の力導
入部１７は、下側の変換器本体３０の厚肉円弧板
部３４ｂ，３４ｄの下側に凸の頭頂部に設定され
る。

そして、変換器本体２０および３０の他方の厚
肉円弧板部２４ｂ，２４ｄおよび３４ａ，３４ｃ
は、中心軸O₁およびO₂にそれぞれ沿う平面状に
削成されて平面部２４ｅおよび３４ｅが形成され
ている、 ２つの変換器本体２０および３０は、上記平面
部２４ｅおよび３４ｅは、上記固定基部５の両面
に当接され且つそれぞれの第２のスリツト２２ａ
および３２ａが中心軸O₁およびO₂と直交する受
感軸Ｐ−Ｐを中心として互いに180°ずれた関係に
なるようにして固定基部５を間に挟んで重ね合わ
された状態で、取付部材によつて一体的に連結さ
れている。即ち、この取次部材は、半円柱状座金
２８に挿通された皿ねじ２９を薄肉円筒部２２お
よび３２に穿設された通し孔に挿通し、半円柱状
ナツト３８と螺合することにより上記２つの厚肉
円弧板部２４ｂ，２４ｄおよび３４ａ，３４ｃを
固定基部５に一体的に連結する機能を果す。

尚、支承部材３ａには、上述したように連結軸
４ａに形成された雄ねじが半円柱状ナツト２７に
螺合されることにより変換器本体２０が連結され
ている。また、支承部材３ｂにも連結軸４ｂに形
成された雄ねじが半円柱状ナツト３７に螺合され
ることにより変換器本体３０が連結されている。

次に、上述のように構成された実施例の作用に
つき説明する。

第１図の左および右方向の圧力導入路から第１
の測定流体および第２の被測定流体が導入され、
それぞれ２系統の被測定圧力P₁およびP₂が矢印
に示す如くダイヤフラム２ａおよび２ｂに印加さ
れると、それぞれのダイヤフラム２ａおよび２ｂ
は、被測定圧力P₁およびP₂の圧力差により、つ
まり圧力の高い側から低い側へ膨出するように撓
み、圧力が平衡した位置で安定する。

すると、このダイヤフラム２ａおよび２ｂに連
結軸４ａおよび４ｂを介して連結された支承部材
３ａおよび３ｂも連結ロツド６と共に、圧力の高
い側から低い側へと移動（変位）する。この支承
部材３ａおよび３ｂの移動（変位）に伴つて変換
器本体２０および３０の起歪部２５および３０が
撓み、その両面側に添着されたひずみゲージSG
も伸びあるいは縮む。これら複数のひずみゲージ
をもつてホイーストンブリツジ回路が組まれてお
り、そのブリツジ出力端から、第１、第２測定流
体の圧力差（｜P₁−P₂｜）に対応する電気信号
を得るようになつている。

ここで、変換器本体２０および３０の作用につ
き、第２図Ａ〜Ｅを参照して、より詳しく説明す
る。

上部の変換器本体２０および３０の力導入部１
６および１７に支承部材３ａおよび３ｂを介して
その受感軸Ｐ−Ｐ方向に、例えば互いに接近する
向きの力が印加されると、変換器本体２０および
３０のうち、起歪部２５および３５以外の部分
は、起歪部２５および３５に比較して厚肉とさ
れ、剛性が高く設定されているため、殆どひずみ
（変形）を生ずることなく薄肉円筒部２２および
３２の起歪部２５および３５が弾性変形（極率が
変化）してひずみが発生する。その結果、上記圧
縮方向の力によつて起歪部２５および３５に作用
力に比例した曲げモーメントが作用し曲げ応力が
生ずる。

特に、本実施例のものは、薄肉円筒部２２およ
び３２の各一個所が第２のスリツト２２ａおよび
３２ａによつて切欠かれているので、同一の作用
力に対して起歪部２５および３５により大きな曲
げモーメントが作用し曲げ応力が発生する。

因みに、第３図Ｂ，Ｃに示したものと同じ符号
Ｄ，ｄ，ｂ，ｔ，Ｗを用いると、本実施例の変換
器の曲げモーメントMb′および曲げ応力∂b′は、
次の(3)、(4)式で与えられる。

Mb′＝Ｗ（Ｄ＋ｄ）／４ (3) ∂b′＝3W（Ｄ＋ｄ）／2b・t² (4) 上記(1)式と、(3)式、上記(2)式と(4)式とを対比し
てみると、本実施例の変換器は、先願発明の変換
器に対し、同じ寸法（外径Ｄ、内径ｄ、幅b.肉厚
ｔ）でも、２倍の出力感度を有することになる。
換言すれば、同じ出力感度であるならば、例えば
起歪部２５および３５の肉厚を厚くすることがで
きるわけであり、旋削加工が容易となり、ひいて
は製作コストを大幅に低減化できることになる。

そして、上記実施例のものは、第２のスリツト
２２ａおよび３２ａそれぞれ形成されているの
で、各変換器本体２０および３０は、単独で不均
衡な変位をするが、両者を第２図Ａ示すように、
受感軸Ｐに対して、互いに180°反対側に配設して
一体化されているため、支承部材３ａ，３ｂに受
感軸Ｐ方向の圧縮力（引張力でも同じ）が印加さ
れたとき、力導入部１６および１７は、受感軸Ｐ
−Ｐ線上に沿つて移動する。従つて、第２のスリ
ツト２２ａ，３２ａを設けたことによる差圧測定
の精度に悪影響はない。

そして、上述した第３図に示した先願の変換器
の有する利点は、すべて有している。

また、上記実施例の差圧変換器においては、密
閉室１ｆ内に充填された圧力伝達用流体中に気泡
が混入していても、温度変化に伴う膨張、収縮に
よる影響が測定置に及ばないという利点がある。

即ち、例えば、温度が上り圧力伝達用流体が膨
張した場合につま検討してみると、ダイヤフラム
２ａおよび２ｂは、それぞれ外方に膨出するよう
に変形しようとするが、その両者の中心部は、連
結軸４ａ、支承部材３ａ、連結ロツド６、支承部
材３ｂおよび連結軸４ｂを順に介して剛なる状態
で互いに連結されているため、両支承部材３ａ，
３ｂ間における間隔は、一応不変とみなすことが
できる。万一、連結ロツド６が伸びて支承部材３
ａおよび３ｂが互いに離間するように僅かに変位
したとすると、変換器本体２０および３０の起歪
部２５および３５はその曲率半径が増大するよう
に変形する。ところが、各起歪部２５および３５
に添着されたひずみゲージSGにより、適宜なホ
イールストンブリツジを組むことによつて両変換
器本体２０および３０が、上述の膨張時のように
共に引張られたとき（収縮時のように共に圧縮さ
れたときも同様は、互いに電気的にキヤンセルせ
しめ、一方、差圧変換器としての作動のように一
方の変換器本体（例えば２０）が引張られ、他方
の変換器本体（例えば３０）が圧縮されたとき
は、支承部材３ａおよび３ｂの変位（移動）に応
じた電気信号をホイールストンブリツジの出力端
から取り出すことができる。

因に、このような機能を持たせたホイールスト
ンブリツジの組み方としては、例えば、起歪部２
５の外周と起歪部３５の内周に添着されたひずみ
ゲージをそれぞれブリツジの対辺に接続し、起歪
部２５の内周と起歪部３５の外周に添着されたひ
ずみゲージを上記対辺に隣り合う他方の対辺にそ
れぞれ接続すればよい。

尚、本発明は、上述し且つ図面に示した実施例
に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱
しない範囲で種々変形して実施できるものであ
る。

例えば、被測定流体を受けてこれを力に変換す
る手段として上記実施例においては、ダイヤフラ
ム２ａ，２ｂを用いた例を示したが、これをベロ
ーズに代えてもよいし、さらには、ダイヤフラム
とベローズを併用してもよい。

また、ケーシング部材１を一個の部材として示
したが、製作上の便宜、コスト上の事情等によつ
て、適宜に分割した形式のものを製作し、最終的
に、溶接（例えばTIG溶接、電子ビーム溶接等）
によつて密に連接するようにしてもよい。

また、ひずみゲージは、実施例においては、起
歪部１５および３５の外周面と内周面の両側に添
着した例につき説明したが、起歪部１５および３
５の内周面のみ、または外周面のみに添着するよ
うにしてもよい。

また、密閉室１ｆ内に非圧縮性流体を添した場
合について示したが、耐圧が低いものにあつて
は、該流体を充填しなくてもよい。

(e) 効果 以上詳述したように、本発明によれば、従来不
可能とされていた超低容量化、超小型化、低価格
化、量産化が実現でき、差圧検出感度、検出効率
が極めて高く、起歪部のひずみ特性が良好で、特
に、空間内に気泡が混入していても従来例のよう
な温度影響を受けることがなく、温度補償も容易
で、しかも耐久性があり、微小な圧力差を高精度
に検出し得る微小差圧変換器を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る微小差圧変換器の一実
施例の全体構成を示す断面図、第２図Ａ〜Ｅは、
いずれも本発明に係るもので、このうち第２図Ａ
は、同実施例中の要部である変換器本体の部分を
詳しく示す正面図、同図Ｂは、その側面図、同図
Ｃは、同図ＢのＱ−Ｑ線矢視方向断面図、同図Ｄ
およびＥは、それぞれ同実施例における起歪部の
応力分布図、第３図Ａ〜Ｄは、いずれも先願発明
に係るもので、このうち同図Ａは、曲げ型荷重変
換器の一実施例の全体構成を示す正面図、同図Ｂ
は、先願発明の要部である変換器本体の構成を示
す側面図、同図Ｃは、同図ＢのＹ−Ｙ線矢視方向
断面図、同図Ｄは、同例における起歪部の応力分
布図、第４図は、従来の差圧変換器の一例を示す
断面図、第５図ＡおよびＢは、従来のダイヤフラ
ム型荷重変換器の要部構成を示す平面図および同
図ＡのＸ−Ｘ線矢視方向断面図、同図Ｃは、同従
来例の曲げ応力分布図である。 １……ケーシング部材、１ａ……空間、１ｂ，
１ｃ……圧力導入部、１ｄ，１ｅ……圧力導入
路、１ｆ……密閉室、２ａ，２ｂ……ダイヤフラ
ム、３ａ，３ｂ……支承部材、４ａ，４ｂ……連
結軸、５……固定基部、５ａ，５ｂ……貫通孔、
６……連結ロツド、１６，１７……力導入部、２
０，３０……変換器本体、２１，３１……周回
溝、２２，３２……薄肉円筒部、２２ａ，３２ａ
……第２のスリツト、２３ａ，２３ｂ，３３ａ，
３３ｂ……第１のスリツト、２４ａ〜２４ｄ，３
４ａ〜３４ｄ……厚肉円弧板部、２４ｅ，３４ｅ
……平面部、２５，３５……起歪部、２７，３
７，３８……半円柱状ナツト、２９……ねじ、
SG……ひずみゲージ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ２つの圧力導入路を介してそれぞれ導入され
   る２系統の被測定体の圧力差を検出して電気量に
   変換する差圧変換器において、内部に空間を有す
   ると共に空間と連通するようにしてそれぞれ外方
   に延びる上記２つの圧力導入路を有するケーシン
   グ部材と、前期空間内における前記圧力導入路内
   端近傍に所定の間隔を存して対峙するようにそれ
   ぞれ張設され内部に密封室を形成する一対のダイ
   ヤフラムまたはベローズ等の可撓性を有する防止
   膜と、これら一対の封止膜にそれぞれ連結され互
   いに略平行をなす一対の剛性大なる支承部材と、
   この一対の支承部材の略中間部に臨む前記ケーシ
   ング部材と一体または一体的に連接された固定基
   部と、この固体基部の中心部から離れた部位に穿
   設された孔を緩く貫通するようにして設けられ前
   記一対の支承部材同士を互いに連結する剛性大な
   る連結部材と、弾性を有する厚肉中空円筒の軸方
   向中央部に幅狭で一定の深さの周回溝を削成する
   ことによつて軸方向中央部に薄肉円筒部が形成さ
   れると共にこの薄肉円筒部の両側の厚肉内筒部の
   各外端から各内端に至る前記中心軸に沿う第１の
   スリツトを形成することによつて厚肉円弧板部が
   前記薄肉円筒部の両側に各一対形成され、さらに
   両側の第１のスリツトに挟まれた領域の一対の前
   記薄肉円筒部のうち一方の該薄肉円筒部に一端か
   ら他端に達する前記中心軸に沿う第２のスリツト
   を形成することによつて離間部が形成され、前記
   厚肉円弧板部の少なくとも一方の外面を前記中心
   軸に沿つて削成することによつて平面部が形成さ
   れてなる２つの変換器本体と、この２つの変換器
   本体のそれぞれの前記平面部を前記固体基部の一
   面側および他面側に当接し且つそれぞれの前記第
   ２のスリツトが前記中心軸と直交する受感軸を中
   心として互いに180°ずれた状態で前記２つの変換
   器本体を前記密閉室内の前記固定基部にそれぞれ
   固定する取付部材とを具備し、前記固定基部に固
   定されていない側の前記２つの変換器本体の前記
   厚肉円弧板部が前記一対の支承部材とそれぞれ当
   接され、前記両圧力導入部から導入された被測定
   底流体の圧力差に対応した電気信号を、前記変換
   本体の前記薄肉円筒部における起歪部に添着され
   たひずみゲージにより得るように構成したことを
   特徴とする微小差圧変換器。