JPH0814516B2 - 圧力検出器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は圧電振動子を圧力検出素子として用いる圧力
検出器に関するものであり、さらに詳しくはこの圧力検
出素子がこの圧力検出素子を収納する圧力応動型容器に
機械的に非抵触の状態で気密封止され、外部圧力の変動
によりこの圧力応動型容器の容積が変動し、この容積変
動に伴う内部気圧変動を圧力検出素子の共振周波数等の
電気的特性の変化により外部圧力を検出する方式の圧力
検出器に関するものである。

周囲雰囲気の圧力の変化を検出する代表的な圧力検出
素子として、屈曲振動モード，輪郭振動モードで振動す
る水晶振動子があげられる。これら水晶振動子の電気的
特性（例えば共振周波数、あるいはクリスタルインピー
ダンス）は周囲雰囲気の圧力変化により略直線的に変化
する特性を有しており、この特性を利用して圧力の測定
を行う。一般的には水晶振動子表面の電極膜の保護等の
ため、この圧力検出素子である水晶振動子を直接被測定
気圧下に置かず、ベローズ等の圧力応動型容器内に設置
し、この容器内の内部気圧変動を検出する。この為、圧
力応動型容器外の圧力を如何に効率よく容器内に伝える
かが一つの解決課題であり、また圧力検出器としての特
性向上の着目点でもあった。

尚、本発明でいう「応動」なる語は、外からの働きか
けに対して作動することを意味する。

（従来技術とその問題点） 従来技術を一般的な圧力検出器の構造を示す第１図と
ともに説明する。第１図は圧力検出器１の内部断面の模
式図である。圧力検出器１は全体として円柱形状であ
り、圧力応動型容器であるベローズ２と、基台３と、圧
力検出素子４とからなる。外部圧力変化により伸縮応動
するベローズ２の内部には圧力検出素子である音叉型水
晶振動子４を有して、大気圧の不活性ガスが充填された
状態で基台３と気密封止されている。尚、基台３と音叉
型水晶振動子４とはシール材５で接続されている。第２
図に示すように圧力検出器１に外部圧力Ｐが加わるとベ
ローズ２が圧縮され、ベローズ２の内部気圧が上昇す
る。この気圧の上昇に応じて音叉型水晶振動子４の共振
周波数が略直線的に低下し、よってこの変化量を検出し
て外部圧力を測定する。（特開昭57-136130号参照） しかしながら、上記構造の場合、圧力検出器に高い圧
力がかかり、ベローズが最大圧縮された場合でも、この
ベローズ自体の厚みの為、圧力検出器内の容積は非圧縮
時の1/2〜1/3程度にしかならない。従ってベローズに弾
性がないと仮定した場合、この圧力検出器の圧力の測定
範囲は基準圧力（例えば１気圧）から２〜３気圧に限ら
れてしまう。実際上は上記圧縮量（1/2〜1/3の容積変
化）と同じ圧縮量でより高い圧力を測定する為に、弾性
を有する（すなわちバネ定数を有する）ベローズを用い
圧力測定範囲を拡大させることが可能であるが、圧力測
定範囲を拡大しようとするあまり、バネ定数を大きくす
ると、一定の外部圧力変化に対するベローズの圧縮量が
小さくなりすぎることがあった。そうすると圧力検出器
内部の気圧変化が小さくなり、圧力検出素子で検出する
内部気圧に対する周波数変化量あるいはクリスタルイン
ピーダンスの変化量（以下感度という）が減少し、比較
的小さな外部圧力変動は検出しなくなることがあった。

このように圧力応動型容器を介して外部圧力を測定し
た場合、この容器分の機械的損失があるために圧力検出
素子自体の感度が減じられる。よって圧力検出器として
の感度並びに分解能が低下すると言う問題点を有してい
た。そして圧力検出素子自体の感度並びに圧力検出器の
容積を一定とした場合、圧力検出器の圧力測定範囲の拡
大と感度の向上は相反する関係にあり、従って、従来の
構成では高感度で小型の圧力検出器を得ることができな
いという問題点を有していた。

（発明の目的） 本発明は上記問題点を解決するためになされたもの
で、以下の事項を実現する圧力検出器を提供することを
目的とするものである。

Ｉ、圧力検出素子自体の持つ感度を向上させて圧力検出
器の出力とすることにより、圧力測定の分解能を向上さ
せる。

II、小型化しても圧力測定範囲を狭めないで圧力検出器
の感度を向上させる。

III、同じく小型化しても感度を低下させないで圧力測
定範囲を広げる。

（発明の構成） 本発明による圧力検出器は、圧力応動型容器に気密封
止された気体の圧力変動を検出する圧電振動子を有する
圧力検出器において、非加圧状態時にこの気体を大気圧
を越える気圧に設定したことを特徴とするものである。

（発明の作用） 例えば圧電振動子の感度と使用温度が一定で、容積比
（大気圧下の容積と最大圧縮時の容積）が3:1のベロー
ズを用いた場合、大気圧にて気密封止したベローズの内
部気圧は最高３気圧までしか上昇しない。ところが内部
気圧を２気圧にて気密封止し、上と同じ伸縮量があった
場合、内部気圧は６気圧になり、内部気圧の変化は大気
圧封止の２気圧に較べて、２気圧封止の場合４気圧と２
倍となる。これはボイル・シャルルの法則からも明らか
である。よって同じ容積変化でも圧電振動子の検出する
感度は２倍となる。

（発明の実施例） 第１の実施例 本発明による実施例を説明する。

圧力検出器の構成については第１図とともに従来技術
の項で説明した構成と略同じである。すなわち圧力検出
器１は全体として円柱形状であり、圧力応動型容器であ
る一端が開口した金属製のベローズ２と、このベローズ
２の開口部と接続される金属製の基台３と、この基台３
に設置される圧力検出素子４とからなる。そして、この
ベローズ２内は大気圧を越えるArが封入されており、ベ
ローズ２の開口部23と基台のフランジ部31は抵抗溶接、
半田付け等の手段にて気密封止されている。圧力検出素
子４は、この実施例では屈曲振動を行なわしめるよう電
極配置された（図面では電極配置は省略している）音叉
型水晶振動子であり、シール材５にて基台３に固着され
る。

次にベローズ２内を大気圧以上に設定する方法につき
説明する。第１図に示すように基台３には圧電振動子挿
入孔32に並んで銅製の細管６が貫通固定されている。上
記圧力検出器は通常大気圧下で組み立てられる。そして
上記圧力検出器を一度真空雰囲気中におき、その後その
雰囲気をArに置換し大気圧にまで上昇させる。次に、こ
の圧力検出器１の細管６をレギュレータ（図示せず）を
介してArが充填された圧力ボンベ（図示せず）に接続
し、所望の圧力にまで気圧を上昇させ、この時点で細管
６の外部側の例えばＡ部を機械的に潰し、この潰した部
分以下を切り取る。そして、この切り取り部分は半田等
の封止材（図示せず）にて気密封止を確実にする。

次に、圧力検出器内を大気圧とした場合（A₁で示す）
と、大気圧以上（具体的には２気圧、B₁で示す）とした
場合の感度を比較した実験データを示す。実験モデルは
上記実施例で説明した構造と基本的には同じであるが、
ベローズの山数等の一部が異なっているところがある。
尚、実験条件は以下のとおりであり、この実験結果を第
３図に示す。

上記実験は圧力検出器の内部気圧以外を同一条件とし
た場合の外部圧力に対する周波数変化を示したものであ
るが、この実験から明らかなように内部気圧を大気圧以
上に設定すると感度は格段に向上している。尚、第３図
のグラフにおいて、両者とも加圧量が増加するにつれ、
周波数変化量（感度）も増加しているが、最後のところ
でその増加が鈍化している。これは増加が鈍化した時点
で、ベローズが最大圧縮されたことを示している。

第２の実施例 次に、他のベローズを用いた場合の感度を比較した実
験データを示す。尚、基本的な構造は第１の実施例と同
じであり、詳細な実験条件は以下の通りである。この実
験結果を第４図に示す。

上記実験は、第１の実施例に示した実験に較べて、ベ
ローズのバネ定数等を異ならせるとともに封入気圧も異
ならせている。第４図に示すグラフから、大気圧をわず
かに越える1.3気圧でもベローズのバネ定数を小さく設
計すると、感度の差は歴然と表われることが分かる。

上記２実施例の各々の実験結果では、圧力検出器の感
度が封入気圧に比例した値になっていない。これは容積
変化率がベローズのバネ定数と内部気体のバネ定数の両
者に依存しているからであり、逆に言えば、同じ容積変
化をさせるためには、内部圧力を大気圧とした場合と、
たとえば２気圧とした場合とでは後者のほうが大きな外
部圧力を必要とするからである。しかしこれは所望の設
計条件にあわせてベローズのバネ定数を適宜決定すれば
よく、これにより容積変化率も等しくすることができ
る。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、圧力
検出器の所望の外形寸法，圧力測定範囲，感度に応じ
て、上記表に示した条件を有機的に取り込み、設計条件
を決定すればよいことは言うまでもない。

尚、実施例に圧力検出素子である圧電振動子として音
叉型水晶振動子を取り上げたが、これに限られるもので
はなく、他の振動モードの振動子であってもよい。また
圧力応動型容器としてベローズを取り上げたが、例えば
ダイヤフラムなどを用いてもよい。

（発明の効果） 本発明によれば発明の作用の項でも説明したように、
圧力検出素子である圧電振動子の感度と使用温度が一定
である場合、圧力検出器の内圧を大気圧以上とすると、
内部気圧が大気圧の場合に較べて容積変化に対する圧力
変化の比率が大きくなる為、結果として圧電振動子の検
出する感度は大幅に向上する。

よって、圧力検出器を小型化しても圧力測定範囲を狭
めることなく感度を向上させることができるし、またそ
の逆に感度を低下させることなく圧力測定範囲を拡げる
こともできる。また上記実験結果でも明らかなように内
部気圧以外を同じ条件で製造したような場合、圧力測定
範囲並びに感度の両者が向上する。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明に関する圧力検出器を示す図、第２図は
第１図の圧力検出器が加圧された状態を示す図、第３図
は感度の比較を示すグラフである。第４図は他の実施例
による感度の比較を示すグラフである。 １……圧力検出器 ２……ベローズ（圧力応動型容器） ３……基台 ４……圧力検出素子（音叉型水晶振動子）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧力応動型容器に気密封止された気体の圧
   力変動を検出する圧電振動子を有する圧力検出器におい
   て、非加圧状態時にこの気体を大気圧を越える気圧に設
   定したことを特徴とする圧力検出器。