JP2012002688A

JP2012002688A - デュアル物理量センサ

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Publication number: JP2012002688A
Application number: JP2010138333A
Authority: JP
Inventors: Akio Kasai; 彰男葛西
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2012-01-05
Anticipated expiration: 2030-06-17
Also published as: CN102288357B; US20110308321A1; US8443675B2; CN102288357A; KR20110137744A; KR101257592B1; JP5548531B2

Abstract

【課題】部品点数やコストを削減する。
【解決手段】第１被測定対象の圧力を検出する圧力センサ３Ａと、第２被測定対象の圧力を検出する圧力センサ３Ｂと、圧力センサ３Ａおよび圧力センサ３Ｂの温度を検出する温度センサ４と、圧力センサ３Ａの検出信号から温度変化による変動分を除外する補正を実行し、当該補正後の信号を第１被測定対象の測定信号として出力する第１補正部と、圧力センサ３Ｂの検出信号から温度変化による変動分を除外する補正を実行し、当該補正後の信号を第２被測定対象の測定信号として出力する第２補正部と、を備え、温度センサ４を、圧力センサ３Ａおよび圧力センサ３Ｂと相互に接触した状態で一体化する。
【選択図】図１

Description

本発明はデュアル物理量センサに関する。

下記特許文献１には、被測定対象の圧力を２つの圧力センサでそれぞれ検出するデュアル圧力センサが開示されている。この特許文献１のデュアル圧力センサは、例えば、下記特許文献２に記載されている流量制御弁の弁本体に取り付け、差圧センサとして使用することができる。この場合に、デュアル圧力センサは、弁体より上流側の流体圧力と弁体より下流側の流体圧力とをそれぞれ検出し、流量制御弁を制御する流量測定装置に出力する。流量測定装置は、上流側の流体圧力と下流側の流体圧力との差圧に基づいて流量制御弁の流路内を流れる流体の流量を算出する。

ところで、圧力センサには、出力値が使用時の温度に応じて変動する温度特性を有するものがある。このような温度特性を有する圧力センサを用いて流体の流量を精度良く算出するためには、圧力センサの出力値を的確に温度補正し、出力値から温度変化による変動分を除外する必要がある。このため、特許文献１では、２つの圧力センサにそれぞれ温度センサを搭載し、この温度センサの検出温度を用いて各圧力センサの検出値を補正している。

特開２００９−３１００３号公報特開２００９−１１５３０２号公報

上述したように特許文献１のデュアル圧力センサは、１つのデュアル圧力センサに対して２つの温度センサを備える必要があるため、部品点数やコストの削減に対する要求に応えることが難しかった。

そこで本発明は、部品点数やコストを削減することができるデュアル物理量センサを提供することを目的の一つとする。

本発明にかかるデュアル物理量センサは、第１被測定対象の物理量を検出する第１物理量検出素子と、第２被測定対象の物理量を検出する第２物理量検出素子と、第１物理量検出素子および第２物理量検出素子の温度を検出する温度検出素子と、第１物理量検出素子の検出信号から温度変化による変動分を除外する補正を実行し、当該補正後の信号を第１被測定対象の測定信号として出力する第１補正部と、第２物理量検出素子の検出信号から温度変化による変動分を除外する補正を実行し、当該補正後の信号を第２被測定対象の測定信号として出力する第２補正部と、を備え、温度検出素子は、第１物理量検出素子および第２物理量検出素子と相互に接触した状態で一体化されている。

かかる構成により、一つの温度検出素子を、第１物理量検出素子および第２物理量検出素子と相互に接触した状態で一体化することができるため、第１物理量検出素子および第２物理量検出素子の温度を一つの温度検出素子で検出することが可能となる。

上記デュアル物理量センサにおいて、第１物理量検出素子および第２物理量検出素子の温度を同等にする発熱器を、さらに備えることとしてもよい。

これにより、被測定対象またはデュアル物理量センサの周辺温度が変化した場合であっても、発熱器の発熱により、温度変化による影響を排除できるレベルにまで第１物理量検出素子および第２物理量検出素子の温度を上昇させることができるため、物理量の検出精度を向上させることが可能となる。

上記デュアル物理量センサにおいて、温度検出素子の検出温度が予め定められた所定温度となるように発熱器の発熱量を制御する発熱制御部を、さらに備えることとしてもよい。

これにより、例えば、第１物理量検出素子および第２物理量検出素子が損傷する温度にまで上昇することがないように、発熱器の発熱量を抑制することが可能となる。

本発明によれば、部品点数やコストを削減することができるデュアル物理量センサを提供することができる。

実施形態におけるデュアル圧力センサの片側断面図である。図１に示すII−II線矢視方向断面図である。実施形態におけるデュアル圧力センサの機能構成図である。第１変形例におけるデュアル圧力センサの機能構成図である。第２変形例におけるデュアル圧力センサの機能構成図である。第３変形例におけるデュアル圧力センサの機能構成図である。

本発明の実施形態について説明する。以下の図面の記載では、同一または類似の部分を同一または類似の符号で表す。ただし、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明と照らし合わせて判断すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれる。

本実施形態では、デュアル物理量センサとして、例えば、２つの圧力センサを有するデュアル圧力センサについて説明する。なお、物理量は圧力に限定されず、他の物理量にも同様に適用できる。

図１は、実施形態におけるデュアル圧力センサ１の片側断面図であり、図２は、図１に示すII−II線矢視方向断面図である。デュアル圧力センサ１は、気密容器２と、２つの圧力センサ３Ａ、３Ｂと、温度センサ４と、ヒータ５と、基板６と、制御回路７とを含んで構成される。

気密容器２は、合成樹脂等によって形成される容器本体２１および蓋体２２を有する。以下の記述では、気密容器２のうち、蓋体２２のある側を上方とし、容器本体２１がある側を下方とする。容器本体２１は、上方に開口する有底箱型の容器である。容器本体２１の底板には、２つの圧力センサ３Ａ、３Ｂに対応して挿通孔２１ｈがそれぞれ形成されている。蓋体２２は、容器本体２１の上面にシール部材（不図示）を介してねじ止め固定されることで、容器本体２１の開口部を気密に密封する。

容器本体２１の内部には、２つの圧力センサ３Ａ、３Ｂが互いに密接して並設され、これら圧力センサ３Ａ、３Ｂの上面に温度センサ４が設けられている。圧力センサ３Ａ、３Ｂと温度センサ４とは、相互に接触した状態で一体化されている。このように、２つの圧力センサ３Ａ、３Ｂ同士を互いに密接させておくことで、圧力センサ３Ａ、３Ｂ間の温度差を生じ難くすることができる。

圧力センサ３Ａ、３Ｂは、それぞれの導入孔３ｈから取り込まれる被測定対象の圧力をそれぞれ検出する。被測定対象としては、例えば、水やガス等の流体が該当する。圧力センサ３Ａ、３Ｂとしては、例えば、ダイヤフラム（薄肉感圧部）が形成された半導体基板（シリコン）と、この半導体基板に不純物またはイオンの打ち込み技術によって形成される拡散型歪みゲージとを有する公知の半導体圧力センサが該当する。拡散型歪みゲージは、ダイヤフラムの被測定圧力による歪みを、ピエゾ抵抗効果を利用して検出し、電気信号に変換する。圧力センサ３Ａ、３Ｂは、出力のゲインやオフセットが使用温度に応じて変化するという温度特性を有する。

温度センサ４は、圧力センサ３Ａ、３Ｂの温度を検出する。ヒータ５は、圧力センサ３Ａ、３Ｂの周囲を予め定めた所定温度でムラなく暖める。所定温度は、被測定対象が取り得る温度範囲の上限よりも少し高い温度に設定することが好ましい。例えば、被測定対象が取り得る温度範囲が７℃〜６５℃である場合には、その上限である６５℃よりも少し高い７０℃〜７５℃位に設定する。これにより、外気温の変化等によって被測定対象やデュアル圧力センサの周辺温度が変化した場合であっても、ヒータ５の発熱により、温度変化による影響を排除できるレベルにまで圧力センサ３Ａ、３Ｂの温度を上昇させることができるため、圧力センサ３Ａ、３Ｂ間に温度差が生ずる事態を抑止することができる。それゆえに、圧力値の検出精度を向上させることが可能となる。

制御回路７は、基板６上に設けられ、デュアル圧力センサ１の各部の動作を制御する。制御回路７は、以下に記述するデュアル圧力センサ１の各機能を実現する。図３を参照して、実施形態におけるデュアル圧力センサ１の機能構成について説明する。

図３に示すように、デュアル圧力センサ１は、ヒータ部７１と、第１圧力検出部７２Ａと、第２圧力検出部７２Ｂと、温度検出部７３と、第１補正部７４Ａと、第２補正部７４Ｂと、を有する。なお、図３は、デュアル圧力センサ１の後段に、流体の流量を測定する流量測定装置１００を設けた場合の構成例を示している。

ヒータ部７１は、ヒータ５を駆動させ、圧力センサ３Ａ、３Ｂを予め定めた所定温度に暖める。

第１圧力検出部７２Ａは、圧力センサ３Ａから検出信号を取得し、取得した検出信号を第１補正部７４Ａに出力する。第２圧力検出部７２Ｂは、圧力センサ３Ｂから検出信号を取得し、取得した検出信号を第２補正部７４Ｂに出力する。

温度検出部７３は、温度センサ４から検出温度を取得し、取得した検出温度を第１補正部７４Ａおよび第２補正部７４Ｂに出力する。

第１補正部７４Ａは、温度検出部７３から取得した検出温度に基づいて、第１圧力検出部７２Ａから取得した検出信号を補正し、補正後の信号を第１測定信号として流量測定装置１００に出力する。第２補正部７４Ｂは、温度検出部７３から取得した検出温度に基づいて、第２圧力検出部７２Ｂから取得した検出信号を補正し、補正後の信号を第２測定信号として流量測定装置１００に出力する。

第１補正部７４Ａおよび第２補正部７４Ｂは、それぞれ、セレクタ部Ａ１、Ｂ１、Ａ／Ｄ変換部Ａ２、Ｂ２、補正演算部Ａ３、Ｂ３および補正式記憶部Ａ４、Ｂ４を有する。セレクタ部Ａ１、Ｂ１は、例えば、マルチプレクサであり、第１圧力検出部７２Ａまたは第２圧力検出部７２Ｂと温度検出部７３とからそれぞれ信号を受信し、いずれかの信号を選択してＡ／Ｄ変換部Ａ２、Ｂ２に出力する。

Ａ／Ｄ変換部Ａ２、Ｂ２は、セレクタ部Ａ１、Ｂ１から受信したアナログ信号をデジタル信号に変換して補正演算部Ａ３、Ｂ３に出力する。補正演算部Ａ３、Ｂ３は、Ａ／Ｄ変換部Ａ２、Ｂ２から受信したデジタル信号に対応する圧力値を、補正式記憶部Ａ４、Ｂ４に記憶されている補正式を用いて補正処理を実行し、補正処理後の圧力値に対応する信号を測定信号として流量測定装置１００に出力する。補正式としては、例えば、温度を変数とする一次式や二次式等を用いることができる。補正式は、例えば、予め実験等を行って温度ごとに基準温度からの温度変化による圧力値の変動を求め、この変動分を検出信号から除外できるような式を準備する。つまり、補正処理は、第１圧力検出部７２Ａまたは第２圧力検出部７２Ｂの検出信号から温度変化による変動分を除外する補正を行う処理となる。

流量測定装置１００は、第１補正部７４Ａから出力された第１測定信号と、第２補正部７４Ｂから出力された第２測定信号との差分を求めることで、圧力センサ３Ａ、３Ｂ間の差圧を算出する。この差圧は、例えばデュアル圧力センサ１を流量制御弁の弁本体に取り付けた場合を例にすると、以下のように用いることができる。なお、この場合には、圧力センサ３Ａおよび圧力センサ３Ｂを、弁体の上流側の流体圧力および下流側の流体圧力をそれぞれ測定できるように配置する。

流量制御弁の流路内を流れる流体の流量Ｑは、弁体の上流側流路と下流側流路との間の流体の圧力差ΔＰと、弁体の開度で定まる流量係数（Ｃｖ値）とを用い、下記式（１）によって算出することができる。なお、下記式（１）のＡは定数である。

Ｑ＝Ａ＊Ｃｖ＊√ΔＰ・・・・（１）

つまり、流量測定装置１００で算出した差圧を上記式（１）のΔＰに代入することで、流体の流量Ｑを算出することができ、この流量Ｑに応じて弁体の開度を制御することができる。

デュアル圧力センサ１を流量制御弁に取り付けた場合、デュアル圧力センサ１および流量測定装置１００は、例えば、以下のように動作する。

最初に、弁体より上流側の被測定圧力が圧力センサ３Ａのダイヤフラムに印加され、弁体より下流側の被測定圧力が圧力センサ３Ｂのダイヤフラムに印加されると、各圧力センサ３Ａ、３Ｂのダイヤフラムは、印加された圧力に応じて歪み、この歪みにより拡散型歪みゲージの出力電圧が変化する。

続いて、第１圧力検出部７２Ａおよび第２圧力検出部７２Ａは、出力電圧の変化に基づいてそれぞれの圧力を測定し、測定結果を検出信号として第１補正部７４Ａまたは第２補正部７４Ｂに出力する。この場合、ダイヤフラムには気密容器２内の圧力が基準圧力として印加されているため、各圧力センサ３Ａ、３Ｂの出力電圧は、それぞれの被測定圧力に相当する絶対圧の出力電圧となる。

続いて、第１補正部７４Ａおよび第２補正部７４Ｂは、温度検出部７３から取得した検出温度を用いて、検出信号に対応する圧力値の補正処理をそれぞれ実行し、その実行結果を測定信号として流量測定装置１００にそれぞれ出力する。

続いて、流量測定装置１００は、デュアル圧力センサ１から受信した各測定信号に対応する圧力値を用いて差圧ΔＰを算出し、算出した差圧ΔＰを上記式（１）に代入して演算することで、流量制御弁を流れる流体の流量Ｑを算出する。

上述したように、本実施形態におけるデュアル圧力センサによれば、温度センサ４を、圧力センサ３Ａ、３Ｂと相互に接触した状態で一体化することができるため、圧力センサ３Ａ、３Ｂの温度を一つの温度センサ４で検出することが可能となる。

[変形例]
本発明を、上述した実施形態によって説明したが、この開示の一部をなす記述および図面は、この発明を限定するものではない。この開示から当業者には様々な代替の実施形態や運用技術等が明らかになるはずである。

例えば、上述した実施形態では、ヒータ５を設けているが、ヒータ５を省略してもよい。この第１変形例におけるデュアル圧力センサ１の機能構成を、図４に示す。図４に示すように、第１変形例におけるデュアル圧力センサ１は、図３に示す実施形態におけるヒータ部７１を含まない点で上記実施形態におけるデュアル圧力センサ１と異なる。

また、上述した実施形態ではヒータ５の発熱量を制御していないが、圧力センサ３Ａ、３Ｂの温度が予め設定した所定温度を維持するように、温度検出部７３の検出温度を用いてヒータ５の発熱量をフィードバック制御することとしてもよい。この第２変形例におけるデュアル圧力センサ１の機能構成を、図５に示す。図５に示すように、第２変形例におけるデュアル圧力センサ１は、図３に示す実施形態における各部に加え、ヒータ制御部７５をさらに含む点で上記実施形態におけるデュアル圧力センサ１と異なる。ヒータ制御部７５は、温度検出部７３の検出温度が、予め設定した所定温度になるように、ヒータ５の発熱量を制御する。これにより、例えば、圧力センサ３Ａ、３Ｂが損傷する温度にまで上昇することがないように、ヒータ５の発熱量を抑制することが可能となる。

上記第２変形例においてヒータ５の発熱量をフィードバック制御すると、圧力センサ３Ａ、３Ｂの温度は所定温度に維持され、その結果、圧力センサ３Ａ、３Ｂの圧力値を補正する際に用いる補正式の変数も所定温度に維持されることになる。したがって、この場合には、変数を所定温度で固定した補正式を用いて圧力値を補正することとしてもよい。この第３変形例におけるデュアル圧力センサ１の機能構成を、図６に示す。図６に示すように、第３変形例におけるデュアル圧力センサ１は、図３に示す実施形態における各部に加え、ヒータ制御部７５をさらに含み、温度検出部７３の検出温度を第１補正部７４Ａおよび第２補正部７４Ｂに入力しない点で上記実施形態におけるデュアル圧力センサ１と異なる。ヒータ制御部７５は、上記第２変形例と同様に、温度検出部７３の検出温度が予め設定した所定温度になるように、ヒータ５の発熱量を制御する。また、補正式記憶部Ａ４、Ｂ４に記憶する補正式の変数には所定温度を予め設定しておく。これにより、補正式を簡素化することができるため、補正式の記憶領域を削減することが可能となる。

１…デュアル圧力センサ、２…気密容器、３Ａ、３Ｂ…圧力センサ、３ｈ…導入孔、４…温度センサ、５…ヒータ、６…基板、７…制御回路、２１…容器本体、２１ｈ…挿通孔、２２…蓋体、７１…ヒータ部、７２Ａ…第１圧力検出部、７２Ｂ…第２圧力検出部、７３…温度検出部、７４Ａ…第１補正部、７４Ｂ…第２補正部、７５…ヒータ制御部、１００…流量測定装置、Ａ１、Ｂ１…セレクタ部、Ａ２、Ｂ２…Ａ／Ｄ変換部、Ａ３、Ｂ３…補正演算部、Ａ４、Ｂ４…補正式記憶部。

Claims

第１被測定対象の物理量を検出する第１物理量検出素子と、
第２被測定対象の物理量を検出する第２物理量検出素子と、
前記第１物理量検出素子および前記第２物理量検出素子の温度を検出する温度検出素子と、
前記第１物理量検出素子の検出信号から温度変化による変動分を除外する補正を実行し、当該補正後の信号を前記第１被測定対象の測定信号として出力する第１補正部と、
前記第２物理量検出素子の検出信号から温度変化による変動分を除外する補正を実行し、当該補正後の信号を前記第２被測定対象の測定信号として出力する第２補正部と、を備え、
前記温度検出素子は、前記第１物理量検出素子および前記第２物理量検出素子と相互に接触した状態で一体化されていることを特徴とするデュアル物理量センサ。
前記第１物理量検出素子および前記第２物理量検出素子の温度を同等にする発熱器を、さらに備えることを特徴とする請求項１記載のデュアル物理量センサ。
前記温度検出素子の検出温度が予め定められた所定温度となるように前記発熱器の発熱量を制御する発熱制御部を、さらに備えることを特徴とする請求項１または２記載のデュアル物理量センサ。
前記第１補正部および前記第２補正部は、前記温度検出素子の検出温度を用いて前記補正を実行することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のデュアル物理量センサ。
前記第１補正部および前記第２補正部は、前記所定温度を用いて前記補正を実行することを特徴とする請求項３記載のデュアル物理量センサ。