圧力センサーとは
圧力センサー (英語: Pressure sensor)とは、気体や液体などの圧力を計測する装置です。
測定部が圧力によって生じる変化を、電気信号に変換して圧力を出力します。代表的な測定部はゲージ式です。
ゲージ式の圧力センサーには、半導体ゲージやひずみゲージ、金属薄膜などが使用されます。測定時の圧力の基準は大気圧や絶対圧、任意の基準に設定できる種類もあります。
圧力センサーの使用用途
圧力センサーは、多くの産業プロセスで、配管や装置内の圧力の測定に使用されます。
圧力の大きさの範囲やどの様な気体や液体のもとで使用するか、使用する温度、耐久性などを考慮し、適切な圧力センサーを選定する必要があります。
圧力センサーの使用例は、下記のように多方面で使用されています。
- 液体の充填装置における液体の圧力測定
- プラントにおけるパイプ内を流れる液体や気体の圧力測定
- 圧力への反応性の高い物質を使用する装置内での圧力制御のための圧力測定
- 圧力センサーマットへの応用
- 自動車・産業機械・航空宇宙・医療などへの応用
圧力センサーの原理
ゲージ式の圧力センサーは、ダイアフラムの変形を検出して圧力を測定します。検出方法には半導体ゲージ式、ひずみゲージ式、金属薄膜式などの種類があります。
ダイアフラムの表面に4個のゲージ抵抗を配置し、圧力によってダイアフラムが変形すると電気抵抗値が変化します。４個のゲージ抵抗をブリッジ回路に組んで抵抗の変化を電圧として出力します。
1. 半導体ゲージ式圧力センサー
半導体ゲージ式圧力センサーは、半導体自体をダイアフラムとし、ピエゾ効果と言って半導体が圧力を受けると電気抵抗が変化するという性質を利用して圧力を測定します。圧力に対する抵抗値の変化が他方式にくらべ非常に大きく、堅牢なダイアフラムを作成できるため、装置の耐久性が高いことが特徴です。
2. ひずみゲージ式圧力センサー
ひずみゲージ式圧力センサーは、ひずみゲージをダイアフラムの裏側に貼り付け、ゲージ抵抗値の変化を測定します。ひずみゲージは、変形すると電気抵抗が変化するという金属の性質を利用してひずみを測定する装置で、ひずみと圧力を対応させることで圧力の出力が可能になります。
3. 金属薄膜式圧力センサー
金属薄膜式圧力センサーは、ダイアフラム上に金属薄膜を形成し、圧力によって変形した金属薄膜の電気抵抗の変化を測定することで圧力を測定します。ひずみゲージ式よりも高感度で高温下でも使用できることが特徴です。
4. ゲージ式以外の圧力センサー
ゲージ式の圧力センサーのほかに、静電容量式、光ファイバー式、振動式などの圧力センサーがあります。
静電容量式は、固定された電極とダイアフラム電極との間の静電容量を検出する方式です。圧力の変化に応じて変形するダイアフラムの変位量を静電容量の変化として計測し，圧力に換算します。複数のガス種や混合ガスの圧力を測定するのに適しています。
光ファイバー式は、ダイアフラムに圧力がかかると、光ファイバー先端の回折格子が変形し、反射する光の波長の変化を測定します。高温・高精度の測定ができ、溶融樹脂の圧力や身体内の血圧測定などに使われます。
振動式は、シリコンのダイアフラムチップに振動子を設け、圧力によりダイアフラムが変形すると、振動子の固有振動数が変化します。振動数の変化を検出して圧力に換算します。高精度・高感度・高分解能などの特徴があります。
圧力センサーの応用例
1. 圧力センサーマット
圧力センサーの応用例の一つとして圧力センサーマットがあります。圧力センサーマットは床などに敷くことを想定しており、薄いマット状になっていることが一般的です。
圧力センサーマットの用途例は、セキュリティーが高い部屋への立ち入り検知や工場での危険な場所への立ち入り検知などが考えられます。立ち入り者が圧力センサーマットを踏めば、圧力センサーが検知した情報を元にブザーを鳴らしたり、ランプを点灯させることが可能です。
また、施設の部屋や自宅の玄関などに圧力センサーマットを設置しておくことで、認知症の方の外出するタイミングを把握することが出来ます。
2. 自動車用圧力センサー
自動車用圧力センサーは、燃費などを向上させるために、液体や気体などの圧力を精密に測定するセンサーとして使用されています。自動車で使用される圧力センサーは、小型で精度の高い測定が行え、かつ過酷な使用環境で使われるため、ピエゾ抵抗を用いた半導体ゲージ式圧力センサーが多く使用されています。
自動車用圧力センサーは、使用温度が-30℃～150℃、使用箇所によっては300℃を超える温度まで確実に長期的に高精度な動作が求められます。また、ディーゼルエンジンは燃料と空気の混合気体を非常に高い圧力で圧縮する必要があることから、圧力センサーは200MPaという非常に高い圧力まで高精度に測定できる能力が要求されます。
参考文献
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jjspe1986/52/4/52_4_610/_pdf
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jjsass1969/34/388/34_388_269/_pdf
https://www.jstage.jst.go.jp/article/oubutsu1932/45/12/45_12_1159/_pdf
https://www.creact.co.jp/item/tactilus-mat
https://www.takex-eng.co.jp/ja/products/item/1496/
https://clicccar.com/2020/03/24/962804/