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圧力センサ（圧力計）にはどんな種類がある？原理や特徴を徹底解説！

2023.10.09更新

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この記事を書いた人

長谷川

FREE AID編集部機電系専門ライター Div.
アナログ回路設計・営業を経験した後ライター＆ディレクターとして独立。
電気電子・ITジャンルを得意とし、正確で分かりやすい情報の発信を行っています。

圧力計や圧力センサには様々な種類がありますが、その違いをご存じでしょうか。本記事では、各種圧力計の仕組みや特徴を、測定原理ごとに説明します。

この記事の目次

圧力センサと圧力計の違い

まず前提として、圧力センサと圧力計の違いをお伝えしましょう。圧力センサと圧力計は、どちらも圧力を測定する装置のことで、基本的な役割は同じです。大きく異なるのは計測結果の出力方法で、圧力計は測定した圧力を使って直接計器の目盛りを動かしますが、圧力センサでは測定結果をデジタル信号で出力します。

かつてはプラントにおける水圧測定などの用途が多かったため、圧力計が一般的に使われていました。ただ、最近は圧力センサが小型化・高性能化したのに伴い、IoTなどあらゆる用途で大量に使われだしたため、圧力センサの方が主流となっています。

圧力計の種類

それでは、圧力計や圧力センサの種類とそれぞれの仕組み、特徴を紹介していきましょう。まずは圧力計を2種類紹介します。

液柱式圧力計（マノメータ）

圧力差によって液面が移動する、非常に簡単な原理を用いた圧力計です。液体を入れる管の形状により、U字管圧力計や単管圧力計、傾斜管圧力計といった種類があります。測定原理は単純であり、片方に基準となる圧力を加え、もう片方に測定対象となる圧力を加えます。すると、圧力差によってU字管内部の液体が動くので、その液面の位置をもとに圧力が計算できます。

機械式圧力計

機械式圧力計は、機械的な特性を活かして圧力を測定する手法で、主要な圧力計として古くから使われてきた手法です。ここでは主な種類である「ブルドン管式」「ダイアフラム式」「ベローズ式」の3つを紹介します。

ブルドン管式

「ブルドン管」と呼ばれる、曲がった楕円形のパイプ管を使って圧力を測定する手法です。圧力計にかかる圧力が増加すると、ブルドン管内部の空気圧が増加します。すると、楕円形のパイプが円形に戻ろうとし、同時にパイプの曲がりが直線になるような力が働くのです。

ここで、圧力計の針はパイプ先端につながっており、パイプ曲がりの変化に合わせて針が回るようになっています。この仕組みにより、圧力変化に合わせて目盛りが動くため、圧力が測定できます。

ダイアフラム式

ダイアフラム圧力計は、薄い膜（ダイアフラム）を使って圧力を検知する方法です。基本的にはブルドン管式と構造は似ており、ブルドン管の代わりにダイアフラムのたわみを使って圧力計の針を動かす仕組みとなっています。ダイアフラムには特殊な金属材料やセラミック、テフロンなどが使用できるので、ブルドン管などでは腐食してしまうような溶液などで使用できるのがメリットです。

ベローズ式

ベローズ（蛇腹）管が圧力によって伸び縮みするという特性を活かした圧力計です。ばねをベローズ管に取り付け、その動きに連動してはかりの針が回るように設計することで、圧力を可視化します。ベローズ管は圧力に対する感度が高いため、ブルドン管やダイアフラムを使った方式より高精度な測定が可能です。

圧力センサの種類

続いて、圧力センサの種類を紹介します。

歪ゲージ式

物体の伸び縮みを電気信号として出力する「歪ゲージ」を使った方式です。ダイアフラムなど、圧力を受けて変形する部品に歪ゲージを取り付け、抵抗値の変化を読み取ることで圧力を測定します。

歪ゲージには、抵抗線を使った一般的な歪ゲージ以外にも、金属薄膜や半導体を使った方式もあります。金属薄膜は温度変化に強い、半導体ゲージは感度が高いなどの特徴があるので、用途や求める精度に合わせた選定が必要です。

静電容量式

ダイアフラムの変形を静電容量の変化として捉え、電気信号に変換する方式です。ダイアフラムと平行に固定電極を設置し、ダイアフラムとの距離の変化を静電容量として検知します。歪ゲージ式より非常に高精度な測定が行えるほか、圧力の大きい用途でも使え、耐衝撃性などにも優れるといった特徴があります。

圧電式

素子が変形した際、変形量に応じて電荷を生み出す「圧電素子」を使って圧力を検知する方式です。応答性が非常によく、微小な変化や高速な振動が生じた際も高精度に測定できます。また、圧電体にはセラミック材料が使われるため、高温環境への耐性が高く、剛性にも優れているといった特徴もあります。

光学式

ダイアフラムで圧力を受け、変形量をLEDと光ファイバを用いて測定することで圧力を検知する方式です。測定に電流を使わないため、電磁波ノイズが大きい場所での測定に向いています。また、価格こそ高いものの耐環境性能に非常に優れ、小型で設置場所も柔軟に選べることから、他のセンサでは耐えられない特殊な用途で数多く使われています。

まとめ

今回は、圧力計・圧力センサの主な種類と、仕組みなどを解説しました。圧力計はアナログな方法で、圧力センサはデジタル信号で圧力を表示する装置のことを指します。

今回は主要な6種類の測定方式を紹介しましたが、他にも様々な測定手法があり、用途に応じて使い分けが行われています。特に特殊な用途で使う場合は、測定原理によって生じる特徴を理解し、選定を行うのが重要です。

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