JPS5945932B2 - 磁石と圧電素子を用いた圧力センサ

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【発明の詳細な説明】本発明は、磁石と圧電素子を使用して被測定圧力を電気
信号に変換する圧力センサに関する。

水晶、ロッシェル塩、チタン酸バリウムなどの圧電素子
は、それらに加わる応力によって起電力もしくは振動周
波数が変化することから、圧力計真空圧針、荷重測定器
、流量測定器などの圧力センサとして利用される。

本発明は、被測定圧力を一対の磁石を同極で対向配置し
た受圧機構及び緩衝用バネを介して圧電素子に作用させ
ることにより、大きな圧力を広範囲に亘って高い精度で
測定するこ々を可能とした圧力センサを提供することを
主たる目的さする。

第１図は本発明の一実施例を示し、圧力もしくは荷重を
直接に測定する圧力センサである。

受圧機構は筒１の底部にスペーサ２で周辺を押えた磁石
３を設け、筒１を案内シリンダとして筒体４を嵌挿する
構成とし、筒体４には磁石３と同極が対向する磁石５を
設け、筒体４を筒１に嵌挿する方向が被測定圧力を加え
る方向さしている。

磁石３と筒体４の底面磁石５間には緩衝用ばね６を介在
して圧電素子７を挾持する圧力−電気変換器を設ける。

圧電素子７の起電力は増幅器８によって適当なレベルま
で増幅して被測定圧力に応じた電気信号として取出す。

こうした構成の受圧機構と圧力−電気変換器を有する圧
力センサとすることにより、磁石３と５とが極間距離の
二乗に反比例した力で互いに反発し、極間距離ｔさ反発
力Ｆさの関係はＦ＝−と２なり、これをグラフに表わすと第２図に示すようになる
。

但しａは磁石３，５によって定まる定数である。

従って磁石、３に加わる被測定圧力（荷重）をＷｌその
ときの極間距離をｔとすると、バネ６に加わる荷重ｆは
（１）式のようになる。

ｆ＝Ｗ−Ｆ＝Ｗ−一・・・・・・・・・（１）２また磁石３に荷重が加わらない状態におけるバネ６の長
さをｔ。

すすると、ｆ＝（ｔｏ−４）・ｂであり、従って１＝１
８−一となる。

但しｂはバネ定数である。

そしてこの式と先の（１）式とからｔを消去してｆさＷ
との関係を求めると（２）式のようになる。

Ｗ＝ａ／（４）２＋ｆ＝・・・（２）ここでバネ６
に加わる荷重ｆは、即ち圧電素子７に印加される圧力で
ある。

このため圧電素子７に印加される圧力ｆとその起電力Ｅ
とが比例関係にある圧電素子を用いれば、ＷとＥ（！：
の関係は（３）式のようになる。

但しＣは比例定数である。ＥＷ＝ａ／（ｔｏ）２＋ −・・・・（３
）ｂｃＣ従って、てこを利用した受圧機構を必要さすることなく
圧電素子７の許容圧力範囲に対する被測定圧力範囲が大
きくなり、広範囲の圧力測定が可能となる。

また、緩衝バネ６は、磁石３に荷重が加わったときに、
圧電素子７に対する衝撃を緩和させるため圧電素子７を
破損することが無くなる。

また、磁石３，５さしては、残留磁束密度が長期間安定
している点、保持力が大きい点、容易且つ安価に作れる
点等から希土類コバルト磁石を用いるこさが好ましい。

第３図は本発明の他の実施例を示し、真空圧針に適用し
た場合である。

同図においては、台板９に一方の磁石３を設け、台板９
に植設した案内棒１０で案内される可動板１１１Ｃ他方
の磁石５を設け、可動板１１と台板９とはベローズ１２
で結合して受圧機構を構成する。

磁石３と５との極間には第１図の場合と同様にばね６を
介在して圧電素子７を設け、圧電素子７の出力を増幅器
８に導く構成にしている。

こうした圧力センサは真空容器１３の孔１３Ａ部分にシ
ール１４を介在して台板９で覆い、真空容器１３内の真
空圧を孔１３Ａ及び台板９の導入に９Ａを通してベロー
ズ１２内に導き、真空圧に応じて可動板１１を容器側に
引張り、圧電素子７を加圧する。

本実施例においても、前述のものと同等の作用効果を奏
する。

以上のように本発明によれば、圧電素子を利用して圧力
を検出すると共に、互に反発する磁極間に緩衝用のバネ
を介して圧電素子を設けた構成としているため、大きな
圧力を広範囲に亘って精度よく測定することができ、し
かも緩衝用のバネを用いていることから圧電素子の破損
を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す側断面図、第２図は反
発力に対する磁石間距離の特性図、第３図は本発明の他
の実施例を示す側断面図である。３．５・・・磁石、６・・・ばね、１・・・圧電素子、
８・・・増幅器、９・・・台板、１０・・・案内棒、１
１・・・可動板、１２・・・ベローズ、１３・・・真空
容器。

【特許請求の範囲】