JP2012018120A - デュアル圧力センサ及び流量制御弁 - Google Patents

Abstract

【課題】デュアル圧力センサの校正の要否を適時に判断できるようにする。
【解決手段】第１の温度・圧力特性を有し、流体の圧力を検出する第１の圧力検出素子１６Ａと、第２の温度・圧力特性を有し、前記流体の圧力を検出する第２の圧力検出素子１６Ｂと、第１の圧力検出素子１６Ａの検出値と第２の圧力検出素子１６Ｂの検出値との差分を求める差分演算部１７６と、差分演算部１７６で求められた差分が許容値を超えている場合に校正指示信号を出力する判定部１７８と、を備える。
【選択図】図８

Description

本発明の一態様は、流体の圧力をセンシングする技術に関する。

２つの被測定圧力を検出する圧力センサ（デュアル圧力センサ）として例えば下記特許文献１に記載された技術が知られている。特許文献１に記載のデュアル圧力センサは、２つの感圧ダイヤフラムチップを有し、２つの導圧管から導入された２つの被測定圧力がそれぞれの感圧ダイヤフラムに加えられる。このときの感圧ダイヤフラムの変位を例えば拡散型歪みゲージによって電気信号に変換することにより、被測定圧力に応じた検出信号を得ることができる。

このようなデュアル圧力センサは、２つの被測定圧力を検出できるから両者の差分つまりは差圧を求める差圧センサとしても利用できる。求められる差圧の一例としては、流量制御弁の上流側および下流側の流体の圧力差（つまりは差圧）が挙げられる。なお、流量制御弁の一例としては、下記特許文献２に記載のものが知られている。

特開２００９−３１００３号公報 特開２００９−１１５３０２号公報 特開平６−１０８９９０号公報 特開平１１−３２５５２５号公報

流量制御弁の上流側及び下流側の流体圧力の差分（差圧）は、当該流量制御弁内を流れる流体の流量を求めるのに用いることができる。流量制御を高精度に行なうには、圧力センサの検出精度ができるだけ高い、換言すれば、検出誤差が所定の許容範囲内に収まっていることが望まれる。しかしながら、感圧ダイヤフラムチップを用いたデュアル圧力センサは、ダイヤフラムの物理的な変位を検出する構成であるため、時間経過とともに検出出力が初期時からどうしてもドリフトしてしまう。

このようなドリフトを補償するための圧力センサの校正方法としては、例えば周期的に圧力センサの測定を中断して、校正用に決められた温度環境下で、決められた流体圧力を圧力センサに与え、そのときの圧力センサの出力と当該圧力センサの初期時の同一条件下での検出出力とを比較し、両者の差が許容範囲を超えている場合に、圧力センサの検出出力を補正する手段を調整する方法がある。一例として、差圧・圧力センサの時間経過による補正方法について記載した文献として上記特許文献３及び４がある。

しかしながら、このような校正方法では、圧力センサの校正の要否を判断するために、一時的に本来の圧力測定を中断せざるを得ない。そのため、流体圧力を連続的に、あるいは短周期で測定することが求められる場合には、中断による影響が大きくなる。また、校正時における圧力センサの温度や校正時に圧力センサに与える流体圧力等の諸条件を初期時の条件と同一にするための設備や装置が必要になる。

そこで、本発明の目的の一つは、デュアル圧力センサによる流体圧力の測定を中断しなくても、また、校正のための設備や装置を用いなくても、当該センサの校正の要否を適時に判断できるようにすることにある。

なお、前記目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本発明の他の目的の一つとして位置付けることができる。

本発明のデュアル圧力センサの一態様は、第１の温度・圧力特性を有し、流体の圧力を検出する第１の圧力検出素子と、第２の温度・圧力特性を有し、前記流体の圧力を検出する第２の圧力検出素子と、前記第１の圧力検出素子の検出値と前記第２の圧力検出素子の検出値との差分を求める差分演算部と、前記差分演算部で求められた差分が前記差分に関する許容値を超えている場合に校正指示信号を出力する判定部と、を備える。

ここで、デュアル圧力センサは、前記第１及び第２の温度・圧力特性をそれぞれ表わす第１及び第２の関数の温度変数及び圧力変数を互いに共通とし、前記第１及び第２の圧力検出素子による検出値がそれぞれ前記第１及び第２の関数の解であると仮定して、前記各関数を連立して解くことで、前記流体の圧力を求める圧力演算部と、前記圧力演算部で求められた前記圧力を出力する出力部と、を更に備え、前記第１の圧力検出素子と前記第２の圧力検出素子とが相互に接触した状態で一体化されていてもよい。

また、前記第１の圧力検出素子の特性は、時間経過とともに検出値が大きくなる方向に前記ドリフトが生じる特性であり、かつ、前記第２の圧力検出素子の特性は、時間経過とともに検出値が小さくなる方向に前記ドリフトが生じる特性であり、前記圧力演算部は、前記判定部が前記校正指示信号を出力した場合に、前記第１の関数に所定の負の補正値を加えることと、前記第２の関数に所定の正の補正値を加えることとのいずれか一方又は双方を実施した上で、前記流体の圧力を求めるようにしてもよい。

さらに、本発明の流量制御弁の一態様は、内部に流路を有する弁本体と、前記弁本体内で動作することで前記流路を通過する流体の流量を制御する弁体とを有する流量制御弁において、前記弁本体内の前記弁体よりも上流側の流路を流れる流体を前記弁本体の外周面へ導く上流側流体圧力導出路と、前記弁本体内の前記弁体よりも下流側の流路を流れる流体を前記弁本体の外周面へ導く下流側流体圧力導出部と、上述した構成を具備する第１及び第２のデュアル圧力センサと、を備え、前記第１のデュアル圧力センサは、前記上流側流体圧力導出路を介して前記第１のデュアル圧力センサの第１及び第２の圧力検出素子のそれぞれに前記流体を伝達可能に前記弁体本体の外周面に設けられ、前記第２のデュアル圧力センサは、前記下流側流体圧力導出路を介して前記第２のデュアル圧力センサの第１及び第２の圧力検出素子のそれぞれに前記流体を伝達可能に前記弁本体の外周面に設けられる。

本発明の一態様によれば、デュアル圧力センサの校正の要否を適時に判断できる。その際、当該判断のために流体圧力の測定を中断しなくてもよい。また、校正のための特別な設備や装置を用いなくてもよい。

一実施形態に係るデュアル圧力センサの一例を示す模式的な正面図である。 図１に例示するデュアル圧力センサの模式的な平面図である。 図１に例示するデュアル圧力センサの模式的な側面図である。 図２のII−II線断面図である。 図４のIII−III線平面図である。 図４に例示する構造の変形例を示す断面図である。 図１〜図６に例示するデュアル圧力センサを適用可能な流量制御弁の一例を示す断面図である。 図４及び図７に例示する出力補正・校正回路の一例を示すブロック図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ただし、以下に説明する実施形態は、あくまでも例示であり、以下に明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。即ち、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形（各実施例を組み合わせる等）して実施することができる。また、以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付して表している。図面は模式的なものであり、必ずしも実際の寸法や比率等とは一致しない。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ていることがある。

（一実施形態）
図１、図２及び図３は、それぞれ、一実施形態に係るデュアル圧力センサの模式的な正面図、平面図及び側面図であり、図４は図２のII−II線断面図、図５は図４のIII−III線平面図である。これらの図において、デュアル圧力センサ１は、例示的に、気密容器２と、気密容器２の内部に収納された２つの圧力センサユニット３Ａ及び３Ｂと、基板４と、を備えている。

図１〜図４に例示するように、気密容器２は、開口部を有する有底箱型のケース７と、ケース７の開口部を気密に覆う蓋体８とを有する。蓋体８は、例示的に、図４に示すように凹陥部１２を有する平板状に形成され、ケース７の開口部に図示を省略したシール部材を介して固定（例えばネジ止め）される。これにより、ケース７の開口部を気密に密封して、内部に一定圧力の圧力基準室９（図４参照）を形成することができる。なお、ケース７及び蓋体８は、それぞれ例えば合成樹脂によって成形することができる。また、蓋体８の凹陥部１２とは反対側の面には、図２〜図４に例示するように、外部信号線１３の一端を接続可能なコネクタ部１４を設けることができる。

ケース７は、例示的に、図４に示すように、底板７ａと、底板７ａの各辺に沿って立設された４つの側板７ｂ〜７ｅとを備えた矩形箱型に形成され、内部（圧力基準室９）に２つの圧力センサユニット３Ａ及び３Ｂを互いの側面が相互に接するように並設することができる。

図５に例示するように、ケース７の内面の４つの各隅角部と、対向する長辺側の側板７ｄ及び７ｅの内面の長手方向中央部分とには、圧力センサユニット３Ａ及び３Ｂを位置決めする三角柱状の位置決め用突出部１０をそれぞれ設けてもよい。また、図４に例示するように、底板７ａには、２つの挿通孔１１ａ及び１１ｂを圧力センサユニット３Ａ及び３Ｂに対応して形成することができる。

圧力センサユニット３Ａ及び３Ｂは、互いに同じ構成とすることができ、例示的に、圧力センサユニット３Ａ（３Ｂ）は、図４に示すように、台座１５Ａ（１５Ｂ）と、感圧ダイヤフラムチップ１６Ａ（１６Ｂ）と、各感圧ダイヤフラムチップ１６Ａ及び１６Ｂに共通の出力補正・校正回路１７と、を備える。

図４に示すように、台座１５Ａ（１５Ｂ）は、例示的に、台座本体１５Ａ−１（１５Ｂ−１）と、コネクタ部１４から離れる方向に台座本体１５Ａ−１（１５Ｂ−１）から突設した圧力導入部１５Ａ−２（１５Ｂ−２）とを有する。台座本体１５Ａ−１（１５Ｂ−１）と圧力導入部１５Ａ−２（１５Ｂ−２）とは、例えば合成樹脂等によって一体的に形成することができる。

台座本体１５Ａ−１（１５Ｂ−１）は、内部に連通路２１ａ（２１ｂ）を有しており、当該連通路２１ａ（２１ｂ）から感圧ダイヤフラムチップ１６Ａ（１６Ｂ）に被測定圧力Ｐ１（Ｐ２）を導く小孔２２ａ（２２ｂ）が形成されている。台座本体１５Ａ−１（１５Ｂ−１）における連通路２１ａ（２１ｂ）の容積を大きく形成することにより、被測定圧力Ｐ１（Ｐ２）の急激な変動を吸収、緩和し、感圧ダイヤフラムチップ１６Ａ（１６Ｂ）のダイヤフラムが破損することを抑制できる。

圧力導入部１５Ａ−２（１５Ｂ−２）は、例えば内面が円筒形状の圧力導入孔２３ａ（２３ｂ）を有しており、圧力導入孔２３ａ（２３ｂ）は、台座本体１５Ａ−１（１５Ｂ−１）の連通路２１ａ（２１ｂ）に連通している。これにより、連通路２１ａ（２１ｂ）及び小孔２２ａ（２２ｂ）を介して感圧ダイヤフラムチップ１６Ａ（１６Ｂ）に被測定圧力Ｐ１（Ｐ２）を導くことができる。

感圧ダイヤフラムチップ（以下、「圧力センサ」ともいう）１６Ａ及び１６Ｂは、いずれも温度に応じて出力値である流体の検出圧力が変動する（例えば、温度が高くなるほどセンサ出力値が大きくなる傾向にある）出力特性を有する圧力検出素子（圧力センサ）の一例である。感圧ダイヤフラムチップ１６Ａ及び１６Ｂのそれぞれは、例示的に、感圧部（ダイヤフラム）が形成された半導体基板（シリコン）と、拡散型歪みゲージとを備える。

拡散型歪みゲージは、前記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。拡散型歪みゲージの出力信号は、基板４（図４参照）の電気回路に例えばボンディングワイヤ２５ａ（２５ｂ）を介して電気的に接続される。

感圧ダイヤフラムチップ１６Ａ（１６Ｂ）は、台座本体１５Ａ−１（１５Ｂ−１）の例えば基板４側の面に設けることができ、台座本体１５Ａ−１（１５Ｂ−１）に設けられた小孔２２ａ（２２ｂ）を通じて被測定圧力Ｐ１（Ｐ２）がダイヤフラムの一方の面に印加される。ダイヤフラムの他方の面には、気密容器２内の圧力が基準圧力として印加される。

上述した構成を備えた圧力センサユニット３Ａ及び３Ｂは、例えば図５に示すように、ケース７内において、台座本体１５Ａ−１及び１５Ｂ−１がケース内面と位置決め用突出部１０（図５参照）とによって位置決めされる。これにより、互いに対向する側面２０ａどうしが接触し、残り３つの側面２０ｂ〜２０ｄがケース７の内面にそれぞれ接触し、台座本体１５Ａ−１及び１５Ｂ−１の底面が底板７ａの内面に接触する。このように、２つの台座本体１５Ａ−１及び１５Ｂ−１の側面２０ａどうしを互いに接触させておくことで、２つの台座１５Ａ及び１５Ｂの温度、ひいては圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂの温度を等しくすることができる。

各台座１５Ａ及び１５Ｂの圧力導入部１５Ａ−２及び１５Ｂ−２は、図４に例示するように、底板７ａの対応する挿通孔１１ａ及び１１ｂを介してケース７から突出し、対応する導圧管２４Ａ及び２４Ｂにそれぞれ接続することができる。

基板４は、圧力センサユニット３Ａ及び３Ｂと共にケース７内に収容され、例えば複数個の止めねじによって位置決め用突出部１０に固定され、リード線２８が蓋体８のコネクタ部１４に接続される。

次に、図４中に示す出力補正・校正回路１７は、例えば基板４の前記電気回路の一部を成し、感圧ダイヤフラムチップ１６Ａ及び１６Ｂによって検出された各被測定圧力を基に、温度補正された被測定圧力を求める。その際、本例のデュアル圧力センサ１は、温度補正のために圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂの個々の温度を実測しなくてもよい。その代わりに、デュアル圧力センサ１は、所定の演算により感圧ダイヤフラムチップ１６Ａ及び１６Ｂの温度を検出することができる。また、当該出力補正・校正回路１７は、感圧ダイヤフラムチップ１６Ａ及び１６Ｂの時間経過とともに生じる出力特性のドリフトを検出して、その校正の要否を判定することができる。これらの温度検出及び校正要否判定の詳細については後述する。

（感圧ダイヤフラムチップの取り付け構造の変形例）
図６に例示するように、感圧ダイヤフラムチップ１６Ａ及び１６Ｂの一方（例えば感圧ダイヤフラムチップ１６Ａ）は、連通路２１ａ（２１ｂ）の内壁面側に設けてもよい。例えば、小孔２２ａと連通する流路を有する台座（例えばガラス製の台座）１６０ａを連通路２１ａの内壁面側に設け、当該台座（以下、「チップ台座」とも称する）１６０ａの開放端側に感圧ダイヤフラムチップ１６Ａを設けることができる。なお、図６において、既述の符号と同一符号を付した部分は、特に断らない限り、既述の部分と同一若しくは同様の部分である。

連通路２１ａの内壁面側に設けた感圧ダイヤフラムチップ１６Ａと基板４上の電気回路との電気的な接続は、図６中に例示するように、１又は複数のボンディングワイヤ１６１及び導体ピン１６２の組を用いて行なうことができる。導体ピン１６２は、台座本体１５Ａ−１の基板４側に設けられた貫通孔１５１を通じて基板４へ延在し、例えば基板４に半田付け（符号１６３参照）により固定することができる。導体ピン１６２が貫通する貫通孔１５１は、例示的に、ガラスハーメチックシール１５２によりシールすることができる。当該シール１５２によって、連通路２１ａから圧力基準室９に流体が漏れ出して圧力基準室９の圧力が変動することを回避することができる。

また、連通路２１ａは、例えばダイヤフラム２１１ａを設けることで、図６の紙面上下方向に２つの空間に分割することができる。一方の分割空間は、圧力導入孔２３ａと連通しており、当該圧力導入孔２３ａを通じて流体が流入することでダイヤフラム２１１ａに被測定圧力Ｐ１が加わる。感圧ダイヤフラムチップ１６Ａを内包する他方の分割空間には、例示的に、液体（封入液）２１２ａを充填（封入）することができる。封入液２１２ａには、耐熱性、耐寒性、耐水性、電気特性等に優れたシリコンオイル等の絶縁油を用いることができる。

封入液２１２ａは、被測定圧力Ｐ１がダイヤフラム２１１ａに加わったときのダイヤフラム２１１ａの変形に応じて被測定圧力Ｐ１を感圧ダイヤフラムチップ１６Ａに伝達することができる。つまり、圧力導入孔２３ａを通じて連通路２１ａに導入された被測定圧力Ｐ１は、ダイヤフラム２１１ａ及び封入液２１２ａを通じて間接的に感圧ダイヤフラムチップ１６Ａに伝達される。したがって、感圧ダイヤフラムチップ１６Ａ及びその配線（ボンディングワイヤ１６１や導体ピン１６２）を保護しつつ、被測定圧力Ｐ１を適切に感圧ダイヤフラムチップ１６Ａに伝達することができる。

なお、他方の感圧ダイヤフラムチップ１６Ｂの台座本体１５Ｂ−１に対する取り付け構造は、図４に例示した構造でもよいし、図６中に例示するように、台座１６０ａと同一若しくは同様の台座１６０ｂを介して取り付ける構造としてもよい。また、連通路２１ｂの内部構造についても、図４に例示した構造でもよいし、図６中に例示するように、連通路２１ａの内部構造と同様の構造にしてもよい。

すなわち、連通路２１ｂをダイヤフラム２１１ｂによって２つの空間に分割するとともに、感圧ダイヤフラムチップ１６Ｂ側の分割空間に封入液２１２ｂを封入する。封入液２１２ｂは、連通路２１ａにおける封入液２１２ａと同一若しくは同様のものでよい。封入液２１２ｂは、小孔２２ｂ及び台座（チップ台座）１６０ｂの内部空間を満たしており、ダイヤフラム２１１ｂの変形に応じた圧力を小孔２２ｂ及び台座（チップ台座）１６０ｂの内部空間を通じて感圧ダイヤフラムチップ１６Ｂのダイヤフラムに伝達することができる。したがって、圧力導入孔２３ｂを通じて流体が流入しダイヤフラム２１１ｂに被測定圧力Ｐ２が加わってダイヤフラム２１１ｂが変形すると、当該変形に応じて被測定圧力Ｐ２を感圧ダイヤフラムチップ１６Ｂのダイヤフラムに間接的に伝達することができる。

以上のように圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂをなすダイヤフラム（以下、「センサダイヤフラム」ともいう。）に対する被測定圧力Ｐ１及びＰ２の圧力導入構造をそれぞれダイヤフラム２１１ａ及び２１１ｂを介した間接的な圧力導入構造にしておくことで、被測定圧力の測定環境（条件）を揃えることができ、測定環境（導入構造）の相違による誤差をできるだけ小さくすることができる。

ここで、圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂの基板４と電気的に接続されている側の面をそれぞれ表面と位置付けた場合、図６に例示するように圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂの表面を互いに反対方向に向けて取り付けた構造では、一方の圧力センサ１６Ａ（センサダイヤフラム）は、表面から被測定圧力Ｐ１を受け、他方の圧力センサ１６Ｂ（センサダイヤフラム）は、裏面から被測定圧力Ｐ２を受けることになる。

したがって、センサダイヤフラムの時間経過に応じて圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂの出力特性に生じるドリフト方向を互いに異なる方向（例示的に、逆方向）とすることができる。その結果、ドリフト方向が同一方向（正又は負の方向）である場合に比して、両圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂの出力の差分の変化が検出し易くなる（検出感度が向上する）ので、後述するように当該差分と所定の閾値との比較に基づく圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂの校正の要否を判定し易くすることができる。

以上のように構成されたデュアル圧力センサ１は、例えば弁本体内を流れる流体の流量を制御する流量制御弁と組み合わせて、弁本体内を流れる流体の流量を測定することができる。なお、流体は、気体（ガス）でもよいし、液体でもよい。流量制御弁の流路内を流れる流体の流量Ｑは、弁体の一次側（上流側）流路と二次側（下流側）流路中の流体の差圧と、弁体の開度で決まる流量係数（Ｃｖ）とから次式（１）によって算出することができる。

Ｑ＝Ａ・Ｃｖ・√ΔＰ ・・・・（１）
ただし、Ａは定数、ΔＰは流体の上流側と下流側の圧力差である。

当該式（１）による流量計測は、固定オリフィスを用いた差圧式流量計測に比べて、弁体の開度に応じて絞り効果が変わるために幅広い流量の測定が可能である。また、流量制御弁部の配管圧力が判るため、流量を測定する他に圧力異常などの診断にその情報を利用することもできる。

（デュアル圧力センサの適用例）
図７は、上述したデュアル圧力センサ１を適用可能な流量制御弁１００の一例を示す断面図である。流量制御弁１００は、例示的に、上流側及び下流側に配置された一対のシートリングによって弁体（ボールプラグ）を回動自在に支持するフローティングタイプの二方ボールバルブからなる流量制御弁である。フローティングタイプの弁は、全閉時に弁体が上流側流体圧によって下流側シートリングに押し付けられることにより、弁体と下流側シートリングとの接触によってシールを図ることができる。

流量制御弁１００は、例示的に、内部が流体１０２の流路１０３を形成する弁本体１０１と、弁本体１０１の内部において流路１０３を開閉する弁体１０４と、を有する。弁体１０４は、例えば弁軸１０７を有するボール形状の弁体であり、弁本体１０１内部で水平面内において弁軸１０７を中心に回動可能に配設されている。

弁体１０４は、例えば中空体であり、内部を流体１０２が通過できるよう流入側開口部と流出側開口部とを有している。弁軸１０７は、図示を省略したアクチュエータ等によって駆動されることにより、弁体１０４を矢印θ方向に所定の角度範囲（例えば９０°等）内で回動可能である。

弁本体１０１の内部において、弁体１０４の上流側には、弁体１０４の外周面に接するよう上流側シートリング６３が配設され、弁体１０４の下流側には、弁体の外周面に接するよう下流側シートリング６５が配設されている。シートリング６３及び６５のそれぞれは、流路１０３の一部を成す中空構造を有しており、弁体１０４の前記開口部とそれぞれ連通する状態において流体１０２が弁体１０４の上流側から弁体１０４内部の流路を通過して弁体１０４の下流側へ流れる。弁体１０４の回動動作（回動角度）が制御されることによって、弁体１０４の上流側から下流側へ流路１０３を通過する流体の流量を制御することができる。

上流側シートリング６３は上流側リテーナ６４によって、下流側シートリング６５は下流側リテーナ６６によって、それぞれ弁本体１０１内において保持されている。上流側リテーナ６４には、内周面と外周面とを貫通する貫通孔５０が周方向に複数（例えば４つ）設けられており、当該貫通孔５０に、弁体１０４へ向かう流体１０２の一部が流入する。

下流側リテーナ６６にも、内周面と外周面とを貫通する貫通孔５１が周方向に複数（例えば４つ）設けられており、当該貫通孔５１に、弁体１０４から流出した流体１０２の一部が流入する。

上流側リテーナ６４の貫通孔５０は、例えば上流側シートリング６３近傍で弁本体１０１の肉厚内に内外を半径方向に貫通するように形成された２つの貫通孔２４Ａ及び２４Ｂとそれぞれ連通している。したがって、上流側リテーナ６４の貫通孔５０に流入した流体１０２は、弁体１０４よりも上流側の２つの貫通孔２４Ａ及び２４Ｂにそれぞれ伝達される。別言すれば、貫通孔５０と弁体１０４よりも上流側の２つの貫通孔２４Ａ及び２４Ｂの組とは、弁体１０４よりも上流側の流路を流れる流体１０２を弁本体外周面へ導く上流側流体圧力導出路の一例を成す。

一方、下流側リテーナ６６の貫通孔５１は、例えば下流側シートリング６５近傍で弁本体１０１の肉厚内に内外を半径方向に貫通するように形成された２つの貫通孔２４Ａ及び２４Ｂとそれぞれ連通している。したがって、下流側リテーナ６６の貫通孔５１に流入した流体１０２は、弁体１０４よりも下流側の２つの貫通孔２４Ａ及び２４Ｂにそれぞれ伝達される。別言すれば、貫通孔５１と弁体１０４よりも下流側の２つの貫通孔２４Ａ及び２４Ｂの組とは、弁体１０４よりも下流側の流路を流れる流体１０２を弁本体外周面へ導く下流側流体圧力導出路の一例を成す。

上流側の２つの貫通孔２４Ａ及び２４Ｂに対応して第１のデュアル圧力センサ１−１を、下流側の２つの貫通孔２４Ａ及び２４Ｂに対応して第２のデュアル圧力センサ１−２を、それぞれ弁本体１０１に設けることができる。デュアル圧力センサ１−１及び１−２は、いずれも図１〜図５（又は図１〜図４及び図６）に例示した構成を有し、両者を区別しない場合には単に「デュアル圧力センサ１」と表記する。

この場合、図４（又は図５）及び図７から明らかなように、弁本体１０１において、弁体１０４よりも上流側に設けられた２つの貫通孔２４Ａ及び２４Ｂは、第１のデュアル圧力センサ１−１における圧力導入部１５Ａ−２及び１５Ｂ−２にそれぞれ接続される導圧管として機能する。同様に、弁体１０４よりも下流側に設けられた２つの貫通孔２４Ａ及び２４Ｂは、第２のデュアル圧力センサ１−２における圧力導入部１５Ａ−２及び１５Ｂ−２にそれぞれ接続される導圧管として機能する。

これにより、上流側流体圧力導出路の一例を成す貫通孔５０と２つの貫通孔（導圧管）２４Ａ及び２４Ｂとを通じて導かれた流体１０２の圧力Ｐ１が第１のデュアル圧力センサ１−１の圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂ（感圧ダイヤフラムチップ）のそれぞれに印加される。また、下流側流体圧力導出路の一例を成す貫通孔５１と２つの貫通孔２４Ａ及び２４Ｂとを通じて導かれた流体１０２の圧力Ｐ２が第２のデュアル圧力センサ１−２の圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂ（感圧ダイヤフラムチップ）のそれぞれに印加される。

圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂの各ダイヤフラムは、ダイヤフラムの片側面に印加された圧力Ｐ１又はＰ２に応じて変形し、この変形により拡散型歪みゲージの出力電圧が変化することで、圧力Ｐ１又はＰ２が検出される。なお、ダイヤフラムの反対面側には気密容器２内の圧力が基準圧力として印加されているので、各圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂの出力電圧は、それぞれ被測定圧力に相当する出力電圧となる。

デュアル圧力センサ１−１及び１−２をそれぞれ成す圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂの出力電圧は、それぞれ例えば基板４に設けられた出力補正・校正回路１７に送られる。各デュアル圧力センサ１−１及び１−２の出力補正・校正回路１７は、圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂの出力電圧を基に、温度補正された出力電圧を求める。当該出力電圧は、例えば外部信号線１３を介してデュアル圧力センサ１−１及び１−２に接続されている流量算出部６１（図７参照）に与えられる。

流量算出部６１では、デュアル圧力センサ１−１及び１−２のそれぞれから受信した温度補正済みの被測定圧力Ｐ１及びＰ２を減算して、両者の差圧ΔＰ（Ｐ１−Ｐ２）を求め、当該差圧ΔＰを前記の式（１）に代入して演算処理することにより、流量制御弁１００を流れる流体の流量Ｑを測定する。なお、弁体１０４の開度は、例えば図７に示す弁開度検出部６０にて検出することができる。したがって、流量算出部６１は、当該検出された開度によって式（１）で用いる流量係数Ｃｖを決定することができる。

（出力補正・校正処理）
次に、上述した出力補正・校正回路１７によるデュアル圧力センサ１の出力の補正処理と校正処理とについて詳述する。

図８は、出力補正・校正回路１７の具体例を示すブロック図である。図８に示す出力補正・校正回路１７は、例示的に、出力補正系の一例として、各圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂのそれぞれに対応したアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）１７１及び１７２と、出力補正用の記憶部１７３と、圧力演算部１７４と、演算結果出力部１７５と、を備える。また、校正処理系の一例として、出力補正・校正回路１７は、差分演算部１７６と、差分許容値記憶部１７７と、校正要否判定部１７８と、校正信号送信部１７９と、を追加的に備えることができる。校正処理系には、校正用補正値記憶部１８０を追加的に設けることもできる。

（出力補正系）
ＡＤＣ１７１及び１７２は、それぞれ対応する圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂの出力（圧力検出信号）をデジタル信号に変換する。ＡＤＣ１７１及び１７２によって得られたデジタル信号（Ｓ１及びＳ２）のそれぞれは、圧力演算部１７４と差分演算部１７６とに入力される。なお、デジタル信号は、プリアンプ等で所定の信号レベルに増幅した上で圧力演算部１７４及び１７６に入力するようにしてもよい。

記憶部１７３は、一方の圧力センサ１６Ａの出力特性に関する情報と、他方の圧力センサ１６Ｂの出力特性に関する情報とを記憶する。ここで、圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂの出力特性は、いずれも被測定圧力及び温度に依存して変動する（例えば、温度が高いほど検出圧力が高くなる傾向にある）から、圧力及び温度を変数とする関数により表わすことができる。

したがって、圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂの出力特性（温度・圧力特性）は、両圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂが同じ流体１０２の同じ部分の圧力を測定し、かつ、両圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂの温度が同一（同一とみなせる場合も含む）であれば、共通の圧力変数Ｐ及び温度変数Ｔを用いて関数ｆ１（Ｐ，Ｔ）及び関数ｆ２（Ｐ，Ｔ）とそれぞれ表わすことができる。

この点、本例において、１つのデュアル圧力センサ１−１（又は１−２）を成す両圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂは、図６に例示したように、それぞれ同じ上流側（下流側）の流体１０２の圧力を被測定圧力とし、かつ、図５に例示したように、互いに接触した状態で一体化されているから同一温度と扱うことができる。よって、記憶部１７３に記憶される「温度・圧力特性に関する情報」は、関数ｆ１（Ｐ，Ｔ）及び関数ｆ２（Ｐ，Ｔ）をそれぞれ定める定数と位置付けることができる。

関数ｆ１（Ｐ，Ｔ）及び関数ｆ２（Ｐ，Ｔ）は、圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂの出力特性をそれぞれ正確に表わせている必要は無く、例えば一次式や二次式、あるいはそれ以上の高次式によって近似された関数（近似式）によって表わされても構わない。例えば、それぞれ流体１０２が取り得る温度範囲内の複数の温度で予め実測した個々の圧力データを基に計算（例えばフィッティング）することで関数ｆ１及びｆ２を求めることができる。なお、前記定数は、関数ｆ１及びｆ２の別に、記憶部１７３の記憶領域（アドレス）を分けて記憶してもよいし、記憶部１７３を２個用意し、それぞれの関数に対応する別々の記憶部１７３に記憶してもよい。記憶部１７３には、例えばＥＥＰＲＯＭを用いることができる。

圧力演算部１７４は、各ＡＤＣ１７１及び１７２の出力であるデジタル信号Ｓ１及びＳ２と、記憶部１７３に記憶された関数ｆ１及びｆ２をそれぞれ定める定数とに基づいて、関数ｆ１及び関数ｆ２を連立して解くことで、温度補正（補償）された被測定圧力Ｐを求める。例示すると、圧力演算部１７４は、下記の式（２）及び式（３）を連立して解くことで、圧力Ｐ及び温度Ｔの双方を求めることができる。

Ｓ１＝ｆ１（Ｐ，Ｔ） …（２）
Ｓ２＝ｆ２（Ｐ，Ｔ） …（３）

すなわち、一方の圧力センサ１６Ａの出力値（検出値）Ｓ１が当該圧力センサ１６Ａの温度・圧力特性を表わす関数ｆ１の解であり、他方の圧力センサ１６Ｂの出力値（検出値）Ｓ２が当該圧力センサ１６Ｂの温度・圧力特性を表わす関数ｆ２の解であると仮定して、両関数ｆ１及びｆ２を連立して解くことで、温度センサを用いずに、温度補正された流体圧力Ｐの検出値を得ることができる。

なお、上流側のデュアル圧力センサ１−１の圧力演算部１７４によって求められた補正済み圧力Ｐの検出値は上流側流体圧力Ｐ１の検出信号として位置付けられ、下流側のデュアル圧力センサ１−２の圧力演算部１７４によって求められた補正済み圧力Ｐの検出値は下流側流体圧力Ｐ２の検出信号として位置付けられる。

演算結果出力部１７５は、圧力演算部１７４によって求められた圧力Ｐ及び温度Ｔのうち、少なくとも圧力Ｐの情報を検出結果として出力する。当該検出結果は、例えば、流量算出部６１に与えられる。したがって、流量算出部６１には、各デュアル圧力センサ１−１及び１−２の演算結果出力部１７５から温度補正済みの検出圧力Ｐ１及びＰ２が少なくとも受信される。流量算出部６１による圧力Ｐ１及びＰ２に基づく流量算出法については既述のとおりである。

なお、演算結果出力部１７５は、圧力Ｐとともに圧力演算部１７４で求められた温度Ｔを外部（例えば流量算出部６１）に出力することもできる。温度Ｔを受信した流量算出部６１は、当該温度Ｔと前記の式（１）により求めた流量とに基づいて、流量制御弁１００の流路１０３を流れる流体１０２の熱量を算出することも可能になる。また、受信した温度Ｔは、例えば当該温度Ｔの情報を所定の外部表示器（図示省略）等に出力して、圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂの温度情報としてオペレータ等のユーザに提示することも可能である。また、当該温度情報を所定の温度制御に用いることも可能である。

（校正処理系）
一方、図８において、差分演算部１７６は、圧力センサ１６Ａの出力信号Ｓ１と圧力センサ１６Ｂの出力信号Ｓ２との差分を演算する。差分許容値記憶部１７７は、当該差分についての閾値である所定の許容値（ｅ）を記憶する。当該許容値ｅは、下記の適切な校正要否判定を実施する上で適当な値（理論値や実験に基づく値等）に設定することができる。

校正要否判定部１７８は、差分演算部１７６で求められた差分の絶対値（｜Ｓ１−Ｓ２｜）と、差分許容値記憶部１７７に記憶された許容値ｅとを比較して、差分が許容値ｅを超えているかどうかを判定する。差分が許容値ｅを超えていれば（｜Ｓ１−Ｓ２｜＞ｅ）、校正要否判定部１７８は、デュアル圧力センサ１の校正が必要であると判定し、校正指示信号を校正信号送信部１７９に出力する。

校正信号送信部１７９は、校正要否判定部１７８から校正指示信号を受けると、当該校正指示信号をデュアル圧力センサ１の外部（例えば図７に例示する警報部６２）へ出力する。校正指示信号を受けた警報部６２は、警報情報を生成する。警報情報は、例えば所定の外部表示器（図示省略）等に出力されて、デュアル圧力センサ１−１（１−２）の校正が必要性であることをオペレータ等のユーザに提示する。

このように、本実施形態によれば、デュアル圧力センサ１を成す２つの圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂの出力信号Ｓ１及びＳ２の一方又は双方に時間経過によるドリフトが生じ、両信号Ｓ１及びＳ２の差分が許容値（ｅ）を超えると、校正が必要であると判断してその旨をオペレータ等のユーザに知らせることができる。このとき、圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂのどちらの出力信号のドリフトが大きいかは判別できなくても、校正が必要である時期（タイミング）は適時に発信することが可能となる。したがって、適時な校正機会を得ることができ、デュアル圧力センサ１の定期的な校正コストの低減を図ることができる。

また、デュアル圧力センサ１の校正の要否を判断するために、本来の圧力測定を一時的に中断する必要もない。したがって、圧力測定、ひいては流量測定、流量制御等を連続的に実施することができる。さらには、校正時における圧力センサの温度や校正時に圧力センサに与える流体圧力等の諸条件を初期時の条件と同一にするための設備や装置も不要である。

また、この方法により、圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂのどちらか一方が故障した場合も検出できる。例えば、所定の故障検出閾値（＞許容値ｅ）を設定（例えば記憶部１７７に記憶）しておき、出力信号Ｓ１及びＳ２の差分が当該故障検出閾値を超えている場合に、圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂのどちらか一方に異常が生じたと判定することができる。

（自動校正機能）
なお、校正要否判定部１７８による判定結果（校正指示信号）は、圧力演算部１７４に与えることもできる。校正指示信号を受けた圧力演算部１７４は、時間経過に伴う検出圧力のドリフトを校正する補正値（負の補正値−Ｃ１又は正の補正値＋Ｃ２）を校正用補正値記憶部１８０から読み出して、当該補正値−Ｃ１／＋Ｃ２によってドリフトの校正を行なう（自動校正機能）。

例えば、圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂの出力信号のドリフト特性を予め調べておき、時間経過とともに出力信号Ｓ１（又はＳ２）が大きくなるドリフト特性をもつ圧力センサ１６Ａ（又は１６Ｂ）については負の補正値−Ｃ１を関数ｆ１（又はｆ２）に加える。一方、時間経過とともに出力信号Ｓ２（又はＳ１）が小さくなる特性をもつ圧力センサ１６Ｂ（又は１６Ａ）については、正の補正値＋Ｃ２を関数ｆ２（又はｆ１）に加える。このようなドリフト補正は、関数ｆ１及びｆ２の一方又は双方について実施することができる。これにより、圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂの出力信号のドリフトによる誤差を小さくすることができ、デュアル圧力センサ１の自動校正が可能となる。

圧力演算部１７４は、このように補正した関数ｆ１及びｆ２を用いて圧力Ｐ及び温度Ｔを求めることで、圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂのドリフト特性による圧力検出精度の低下を抑制することができる。ここで、２つの圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂの出力信号のドリフト特性は、例えば、時間経過とともに出力信号Ｓ１及びＳ２のドリフト方向が同じ方向（正又は負の方向）である特性でも構わないが、図６の変形例に示したように、構造的に互いに異なる（例えば逆の）ドリフト方向となるように設定しておけば、両圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂの出力の差分の変化が検出し易くなる（検出感度が向上する）。したがって、校正要否判定部１７８での当該差分と許容値（ｅ）との比較に基づく圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂの校正の要否を判定し易くすることができる。

なお、上記ドリフト補正は、両圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂの検出出力の差分が許容値（ｅ）以下となって校正指示信号が出力されなくなるまで、繰り返し行なうことができる。したがって、両圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂの出力差分が許容範囲外となっても、自動的に許容範囲内に収まるように校正を実施することができる。その結果、人為的な校正を不要にでき、流量計測や流量制御は中断せずに実施することが可能である。

また、圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂのドリフト特性を互いに異ならせる方法は、図６に例示したような構造的な変形に限られない。例えば図４に例示した構造に、ドリフト特性が互いに異なる圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂを設けることで上記と同等の作用効果を得るようにしてもよい。

１，１−１，１−２…デュアル圧力センサ、２…気密容器、３Ａ，３Ｂ…圧力センサユニット、４…基板、７…ケース、７ａ…底板、７ｂ〜７ｅ…側板、８…蓋体、９…圧力基準室、１０…位置決め用突出部、１１ａ，１１ｂ…挿通孔、１２…凹陥部、１３…外部信号線、１４…コネクタ部、１５Ａ，１５Ｂ…台座、１５Ａ−１，１５Ｂ−１…台座本体、１５Ａ−２，１５Ｂ−２…圧力導入部、１６Ａ，１６Ｂ…感圧ダイヤフラムチップ（圧力検出素子；圧力センサ）、１７…出力補正・校正回路、２０ａ〜２０ｄ…側面、２１ａ，２１ｂ…連通路、２２ａ，２２ｂ…小孔、２３ａ，２３ｂ…圧力導入孔、２４Ａ，２４Ｂ…貫通孔（導圧管）、２５ａ，２５ｂ，１６１…ボンディングワイヤ、２８…リード線、５０，５１，１５１…貫通孔、６０…弁開度検出部、６１…流量算出部、６２…警報部、６３…上流側シートリング、６４…上流側リテーナ、６５…下流側シートリング、６６…下流側リテーナ、１００…流量制御弁、１０１…弁本体、１０２…流体、１０３…流路、１０４…弁体、１０７…弁軸、１５２…ガラスハーメチックシール、１６０ａ，１６０ｂ…台座（チップ台座）、１６２…導体ピン、１７１，１７２…アナログ−デジタルコンバータ（ＡＤＣ）、１７３…記憶部、１７４…圧力演算部、１７５…演算結果出力部、１７６…差分演算部、１７７…差分許容値記憶部、１７８…校正要否判定部、１７９…校正信号送信部、１８０…校正用補正値記憶部、２１１ａ，２１１ｂ…ダイヤフラム、２１２ａ，２１２ｂ…封入液

Claims (4)

1. 第１の温度・圧力特性を有し、流体の圧力を検出する第１の圧力検出素子と、
   第２の温度・圧力特性を有し、前記流体の圧力を検出する第２の圧力検出素子と、
   前記第１の圧力検出素子の検出値と前記第２の圧力検出素子の検出値との差分を求める差分演算部と、
   前記差分演算部で求められた差分が前記差分に関する許容値を超えている場合に校正指示信号を出力する判定部と、
   を備えた、
   デュアル圧力センサ。
2. 前記第１及び第２の温度・圧力特性をそれぞれ表わす第１及び第２の関数の温度変数及び圧力変数を互いに共通とし、前記第１及び第２の圧力検出素子による検出値がそれぞれ前記第１及び第２の関数の解であると仮定して、前記各関数を連立して解くことで、前記流体の圧力を求める圧力演算部と、
   前記圧力演算部で求められた前記圧力を出力する出力部と、を更に備え、
   前記第１の圧力検出素子と前記第２の圧力検出素子とが相互に接触した状態で一体化されている、請求項１記載のデュアル圧力センサ。
3. 前記第１の圧力検出素子の特性は、時間経過とともに検出値が大きくなる方向に前記ドリフトが生じる特性であり、かつ、前記第２の圧力検出素子の特性は、時間経過とともに検出値が小さくなる方向に前記ドリフトが生じる特性であり、
   前記圧力演算部は、
   前記判定部が前記校正指示信号を出力した場合に、前記第１の関数に所定の負の補正値を加えることと、前記第２の関数に所定の正の補正値を加えることとのいずれか一方又は双方を実施した上で、前記流体の圧力を求める、請求項２に記載のデュアル圧力センサ。
4. 内部に流路を有する弁本体と、前記弁本体内で動作することで前記流路を通過する流体の流量を制御する弁体とを有する流量制御弁において、
   前記弁本体内の前記弁体よりも上流側の流路を流れる流体を前記弁本体の外周面へ導く上流側流体圧力導出路と、
   前記弁本体内の前記弁体よりも下流側の流路を流れる流体を前記弁本体の外周面へ導く下流側流体圧力導出部と、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の構成を具備する第１及び第２のデュアル圧力センサと、を備え、
   前記第１のデュアル圧力センサは、前記上流側流体圧力導出路を介して前記第１のデュアル圧力センサの第１及び第２の圧力検出素子のそれぞれに前記流体を伝達可能に前記弁体本体の外周面に設けられ、
   前記第２のデュアル圧力センサは、前記下流側流体圧力導出路を介して前記第２のデュアル圧力センサの第１及び第２の圧力検出素子のそれぞれに前記流体を伝達可能に前記弁本体の外周面に設けられた、流量制御弁。

Images