JP2017181292A

JP2017181292A - 差圧センサモジュール

Info

Publication number: JP2017181292A
Application number: JP2016068579A
Authority: JP
Inventors: 達也塩入; Tatsuya SHIOIRI
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2016-03-30
Filing date: 2016-03-30
Publication date: 2017-10-05

Abstract

【課題】カンチレバー型の差圧センサの出力電圧からノイズ電圧を除去し、流路内における本来の測定対象物である流体による絞り機構前後の圧力差のみを出力電圧として正確に出力できる差圧センサモジュールを提供する。【解決手段】対の開口を介して流路と連結されるバイパス路と、前記バイパス路内に設置され、両面の流体の圧力差に応じて撓み変形すると共にピエゾ抵抗が形成されたカンチレバー部と、前記カンチレバー部の撓み変形に伴う前記ピエゾ抵抗の抵抗変化量を検出し、出力端子に電圧として出力する抵抗検出手段と、前記抵抗検出手段の前記出力端子側に設けられたローパスフィルタと、を有することを特徴とする差圧センサモジュール。【選択図】図１

Description

本発明は、差圧センサモジュールに関し、特にＣＰＡＰ（ＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＰｏｓｉｔｉｖｅＡｉｒｗａｙＰｒｅｓｓｕｒｅ）装置に用いられるカンチレバー型の差圧センサモジュールに関する。

ガス管や水道管内を流れる気体や液体の方向や流量を測定する装置として差圧式流量計が知られている。その原理は、流体が流れる流路内にオリフィス等の絞り機構を設けることにより絞り機構前後に圧力差を発生させ、バイパス路内の差圧センサによりその圧力差を検出した上で電圧として出力し、出力電圧に基づき流体の方向や流量を演算するというものである。
圧力差を検出する差圧センサとして、両面の圧力差に応じて撓み変形するカンチレバーと、そのカンチレバーの変位を測定するピエゾ抵抗を用いた変位測定部を組み合わせたカンチレバー型の差圧センサが知られている（特許文献１参照）。

カンチレバー型の差圧センサの用途としてＣＰＡＰ装置への利用が挙げられる。ＣＰＡＰ装置とはＳＡＳ（睡眠時無呼吸症候群）の治療用装置として注目されており、ブロワーから空気供給管と患者の鼻に装着したマスクを介して空気を送り、患者の呼吸状態に応じた適切な圧力を気道に加える装置である。ＣＰＡＰ装置は、患者の呼吸状態を把握するために、患者の呼吸量の変化に伴う絞り機構前後の圧力差の変動を随時モニタリングできる高感度な差圧センサが必要となる。差圧センサにはいくつかの方式があるが、ピエゾ抵抗を用いたカンチレバー型の差圧センサは感度と応答性に非常に優れているため、ＣＰＡＰ装置への利用に好適である。

特開２０１３−２３４８５３号公報

ここで、カンチレバー型の差圧センサは高感度・高速応答であるため、流路内における本来の測定対象物である流体による絞り機構前後の圧力差の他に、意図しない微妙な振動等による圧力差も拾ってしまうという特徴がある。
ＣＰＡＰ装置の場合、患者の呼吸量の変化に伴う圧力差の変動は一般的には±３Ｐａ程度であり、周波数は１Ｈｚ未満である。一方、ＣＰＡＰ装置に搭載されたブロワーを構成するモーターの回転に起因する空気振動が必然的に発生し、その空気振動による圧力差の変動は±２Ｐａ、周波数は４００〜６００Ｈｚである場合が多い。そのため、差圧センサにより患者の呼吸量をモニタリングする際に、呼吸量の変化に伴う圧力差の変動にモーターの回転による圧力差の変動がノイズとして重畳され、ノイズを含んだままの状態で差圧センサの出力電圧として出力されてしまい、正確なモニタリングが不可能になってしまうことがある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、カンチレバー型の差圧センサの出力電圧からノイズ電圧を除去し、流路内における本来の測定対象物である流体による絞り機構前後の圧力差のみを出力電圧として正確に出力できる差圧センサモジュールを提供することである。

本発明に係る差圧センサモジュールは、差圧センサモジュールにおいて、対の開口を介して流路と連結されるバイパス路と、前記バイパス路内に設置され、両面の流体の圧力差に応じて撓み変形すると共にピエゾ抵抗が形成されたカンチレバー部と、前記カンチレバー部の撓み変形に伴う前記ピエゾ抵抗の抵抗変化量を検出し、出力端子に電圧として出力する抵抗検出手段と、前記抵抗検出手段の前記出力端子側に設けられたローパスフィルタと、を有することを特徴とする。

本発明に係る差圧センサモジュールによれば、差圧センサモジュールにおいて、対の開口を介して流路と連結されるバイパス路と、前記バイパス路内に設置され、両面の流体の圧力差に応じて撓み変形すると共にピエゾ抵抗が形成されたカンチレバー部と、前記カンチレバー部の撓み変形に伴う前記ピエゾ抵抗の抵抗変化量を検出し、出力端子に電圧として出力する抵抗検出手段と前記抵抗検出手段の前記出力端子側に設けられたローパスフィルタと、を有することにより、絞り機構前後の圧力差から意図しない圧力差を除去し、流路内における本来の測定対象物である流体による圧力差のみを出力電圧として正確に出力できる。

本発明に係る差圧センサモジュールは、前記ローパスフィルタの遮断周波数が１Ｈｚ以上であってもよい。

本発明に係るＣＰＡＰ装置は、ＣＰＡＰ装置において、ブロワーと、マスクと、前記ブロワーと前記マスクを繋ぐ流路と、前記流路内に設けられた絞り機構と、前記絞り機構を跨ぐように前記流路と連結された差圧センサモジュールと、を有し、前記差圧センサモジュールは、対の開口を介して前記流路と連結されるバイパス路と、前記バイパス路内に設置され、両面の流体の圧力差に応じて撓み変形すると共にピエゾ抵抗が形成されたカンチレバー部と、前記カンチレバー部の撓み変形に伴う前記ピエゾ抵抗の抵抗変化量を検出し、出力端子に電圧として出力する抵抗検出手段と前記抵抗検出手段の前記出力端子側に設けられたローパスフィルタと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、流路内における本来の測定対象物である流体による絞り機構前後の圧力差のみを出力電圧として正確に出力できる差圧センサモジュールを提供できる。

図１は、本発明の実施形態における差圧センサモジュールを利用した流量測定システムの全体構成を示す断面図である。図２は、本発明の実施形態における差圧検出素子の平面図である。図３は、本発明の実施形態における差圧センサモジュールを利用した流量測定システムの等価回路を示す回路図である。図４は、本発明の実施形態における差圧センサモジュールを利用したＣＰＡＰ装置の全体構成を示す断面図である。（ａ）（ｂ）図５（ａ）（ｂ）は、本発明の実施形態における差圧センサモジュールを利用したＣＰＡＰ装置において、ローパスフィルタが存在する場合としない場合の出力電圧を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本実施形態における差圧センサモジュール１０を利用した流量測定システム１の全体構成を示す断面図である。

本実施形態における流量測定システム１は、図１に示すように、主流路１００を流れる流体の方向と流量を測定するシステムであり、主流路１００と、主流路１００に装着された差圧センサモジュール１０と、から構成される。差圧センサモジュール１０は、差圧検出素子４０を備えたセンサ本体２０と、差圧検出素子４０へ電圧を供給する電源７０と、差圧検出素子４０の出力端子側に設けられたローパスフィルタ８０と、ローパスフィルタ８０からの出力電圧に基づき流体の方向と流量を演算する演算手段９０と、を有する。また、センサ本体２０は、差圧検出素子４０の他に、流体を入力する入力ポート３０と、本体部５０と、流体を出力する出力ポート６０と、を備える。入力ポート３０、本体部５０及び出力ポート６０によりバイパス路を構成する。差圧検出素子４０は入力ポート３０側と出力ポート６０側の差圧、すなわち主流路１００内に設けられたオリフィス１０１の前後に発生した圧力差を検出し、電圧として出力する。但し、オリフィス１０１が存在しなくても圧力差は発生するので、オリフィス１０１は必須ではない。

主流路１００を流れる流体の一例としては、例えば、空気等の気体を例示することができるが、液体であってもよい。なお、図１では、流体が主流路１００内を左側から右側に向かって流れている状況を図示しているが、流体の流れる方向は特にこれに限定されず、流体が主流路１００内を右側から左側に向かって流れる場合もある。

図２は本実施形態における差圧検出素子４０の平面図である。以下に、図２を参照しながら、差圧検出素子４０の構成について説明する。

この差圧検出素子４０は、シリコンウェハをベース部材としたＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）素子であり、図２に示すように、スリット４２を設けることにより上下方向に撓むカンチレバー部４１が形成されている。後述するように、カンチレバー部４１の表面には複数のピエゾ抵抗と複数の固定抵抗を連結させたブリッジ回路４３が形成され、カンチレバー部４１の弾性変形に伴って各ピエゾ抵抗の抵抗値が変化する。さらに、ブリッジ回路４３と電気的に接続された配線４４及び電極４５〜４８が形成されている。配線４４及び電極４５〜４８により抵抗検出手段４９を構成する。

主流路１００を図１に示す方向に流体が流れている場合、オリフィス１０１の前後に圧力差が発生し、上流に位置する入力ポート３０側の圧力と比較して下流の出力ポート６０側の圧力が相対的に低くなる。こうした入力ポート３０と出力ポート６０間の圧力差によって差圧検出素子４０のカンチレバー部４１が弾性変形し、各ピエゾ抵抗に歪みが生じる。具体的には、図１に示す方向に流体が流れている場合には、差圧検出素子４０のカンチレバー部４１は下向きに撓む。当然ながら、流体の流れが大きいほどオリフィス１０１の前後に発生する圧力差も大きくなる。それに伴いカンチレバー部４１の変形が大きくなり、各ピエゾ抵抗の歪みが増大し、抵抗値の変化も大きくなる。

図３の等価回路に示すように、カンチレバー部４１の表面に形成されたブリッジ回路４３は、複数のピエゾ抵抗４３Ａ、４３Ｂと複数の固定抵抗４３Ｃ、４３Ｄを連結させた構成である。各ピエゾ抵抗４３Ａ、４３Ｂと各固定抵抗４３Ｃ、４３Ｄ間は導電層等により電気的に接続される。そして、ブリッジ回路４３と配線４４を介して電気的に接続された電極４５〜４８はセンサ本体２０から外部に導出している。なお、図１に示す例では１つの電極のみが図示されているが、実際には、図２に示すように、４つの電極４５〜４８が差圧検出素子４０に設けられている。

また、差圧検出素子４０の電極４５、４８は電源７０に接続されている。電源７０はブリッジ回路４３を印加する直流電源である。一方、主流路１００内を流れる流体の方向と大きさは、電極４６、４７間の電位差として反映される。その電位差は出力電圧としてローパスフィルタ８０を通過することによりノイズ電圧が除去され、さらに演算手段９０へ出力される。演算手段９０は、ノイズ電圧が除去された出力電圧に基づき流体の方向と流量を演算する。

ここで、前述したように、カンチレバー型の差圧センサは高感度・高速応答であるため、主流路１００内における本来の測定対象物である流体によるオリフィス１０１の前後の圧力差の他に、意図しない微妙な振動等による圧力差も拾ってしまうことがある。ローパスフィルタ８０は、差圧検出素子４０の出力電圧からその様なノイズ電圧を除去する。

また、図３に示されたローパスフィルタ８０は簡単なＣＲ回路であるが、高性能なローパスフィルタ８０を実現するために、より複雑な回路であってもよい。

図４は、本発明の実施形態における差圧センサモジュール１０を利用したＣＰＡＰ装置２００の全体構成を示す断面図である。ＣＰＡＰ装置２００は、ＣＰＡＰ本体２１０と、ＣＰＡＰ本体２１０に装着された差圧センサモジュール１０と、から構成される。差圧センサモジュール１０の構造及び作用は図２のものと同様である。ＣＰＡＰ本体２１０は、ブロワー２２０と、ブロワー制御手段２５０と、マスク２３０と、ブロワー２２０とマスク２３０を繋ぐ空気供給管２４０と、空気供給管２４０内に設けられたオリフィス２４１と、から構成される。但し、図１と同様に、オリフィス２４１が存在しなくても圧力差は発生するので、オリフィス２４１は必須ではない。

ＣＰＡＰ装置２００は、まず、差圧センサモジュール１０により患者の呼吸状態をモニタリングする。そして、演算手段９０により演算された患者の呼吸状態を示す空気供給管２４０内の流体の方向と流量は、ブロワー制御手段２５０へ出力される。ブロワー制御手段２５０は、一定時間内の空気供給管２４０内の流体の方向と流量の変化を過渡解析することにより「正常」、「イビキ」、「低呼吸」、「無呼吸」等の判定を行なう。その後、ブロワー２２０を制御することにより呼吸状態に応じた適切な圧力をマスク２３０を介して患者の気道に加える。

この様に、本発明の実施形態におけるＣＰＡＰ装置２００は、患者の呼吸状態について、ノイズが除去された正確なモニタリングを実現することにより、誤動作を排除することができる。差圧センサモジュール１０の出力電圧からノイズ電圧を除去し、患者の呼吸による出力電圧のみを抽出するためのローパスフィルタ８０の遮断周波数は、ＣＰＡＰ装置２００の設計思想にもよるが、１〜１００Ｈｚである。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

以下に、本発明をさらに具体化した実施例により本発明の効果を確認した。実施例では、本発明の実施形態で説明した図４に示すようなＣＰＡＰ装置２００を作製した。

図５（ａ）及び（ｂ）は、ＣＰＡＰ装置２００を用いて人の呼吸をモニタリングした時のグラフである。図５（ａ）及び（ｂ）の横軸はサンプリングカウントを示す。図５（ａ）の縦軸はローパスフィルタ８０を含まない場合の差圧検出素子４０の出力電圧であり、図５（ｂ）の縦軸は遮断周波数３Ｈｚのローパスフィルタ８０を含む場合のそのローパスフィルタ８０からの出力電圧である。

さらに、出力電圧の振幅におけるプラス側は息を吸うことにより発生する差圧に対応し、マイナス側は吐くことによる差圧である。ここで、振幅全体がプラス側にシフトしているのはブロワーからの空気供給が定常的に行なわれているためである。

図５（ａ）及び（ｂ）に示される通り、ローパスフィルタ８０が存在することによりノイズ電圧が除去されていることは明らかである。従って、実施例におけるローパスフィルタ８０を含むＣＰＡＰ装置２００は、流体の方向と流量について正確なモニタリングが可能であることが確認された。

１…流量測定システム
１０…差圧センサモジュール
２０…センサ本体
３０…入力ポート
４０…差圧検出素子
４１…カンチレバー部
４２…スリット
４３…ブリッジ回路
４３Ａ、４３Ｂ…ピエゾ抵抗
４３Ｃ、４３Ｄ…固定抵抗
４４…配線
４５〜４８…電極
４９…抵抗検出手段
５０…本体部
６０…出力ポート
７０…電源
８０…ローパスフィルタ
９０…演算手段
１００…主流路
１０１…オリフィス
２００…ＣＰＡＰ装置
２１０…ＣＰＡＰ本体
２２０…ブロワー
２３０…マスク
２４０…空気供給管
２４１…オリフィス
２５０…ブロワー制御手段

Claims

差圧センサモジュールにおいて、
対の開口を介して流路と連結されるバイパス路と、
前記バイパス路内に設置され、両面の流体の圧力差に応じて撓み変形すると共にピエゾ抵抗が形成されたカンチレバー部と、
前記カンチレバー部の撓み変形に伴う前記ピエゾ抵抗の抵抗変化量を検出し、出力端子に電圧として出力する抵抗検出手段と、
前記抵抗検出手段の前記出力端子側に設けられたローパスフィルタと、を有する
ことを特徴とする差圧センサモジュール。
前記ローパスフィルタの遮断周波数は１Ｈｚ以上である
ことを特徴とする請求項１に記載の差圧センサモジュール。
ＣＰＡＰ装置において、
ブロワーと、
マスクと、
前記ブロワーと前記マスクを繋ぐ流路と、
前記流路内に設けられた絞り機構と、
前記絞り機構を跨ぐように前記流路と連結された差圧センサモジュールと、を有し、
前記差圧センサモジュールは請求項１〜２に記載の差圧センサモジュールである
ことを特徴とするＣＰＡＰ装置。