JP2019056667A - 圧力変化測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】差圧測定の基準となる圧力室内部の圧力および／または温度を安定化させることにより高精度な測定が可能な圧力変化測定装置を提供する。【解決手段】圧力変化測定装置（１）は、開口部（４）を有する回路基板（３）と、前記回路基板の前記開口部を覆うように配置され、第１圧力通過孔（８）を有するセンサ（５）と、前記回路基板のセンサ側に配置され、前記センサを囲む第１圧力室を形成するように構成された第１キャビティ（６）と、前記回路基板のセンサ側において前記第１キャビティを覆うように構成され、前記第１キャビティとの間に中空部（９）を形成する第２キャビティ（７）と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、圧力変化測定装置に関する。

従来、測定対象の圧力変化を測定する装置として、圧力室（内室）と、圧力室内部の圧力と測定対象の圧力との差圧を検出する差圧センサ（ダイヤフラム等）と、測定対象の圧力伝達媒体が圧力室内部に対して流入出できる圧力通過孔とを有する圧力変化測定装置が知られている（例えば、特許文献１）。

図７は、従来技術に係る圧力変化測定装置７１を示す構成図である。圧力変化測定装置７１は、配線７２に接続された回路基板７３と、回路基板の開口部７４を覆うように配置されたセンサ（ダイアフラム）７５と、回路基板上に配置されセンサを囲む圧力室を形成するキャビティ７６とを有する。ダイアフラム７５には圧力感知用のゲージ抵抗が配置され、ダイアフラム７５の一部には圧力通過孔７８が設けられている。

このような圧力変化測定装置において、圧力通過孔７８は非常に小さい構造であり、キャビティ７６に囲まれた圧力室内部への圧力伝達媒体の流動を制限している。さらに、圧力室内部の圧力Ｐｃは、圧力伝達媒体の流入出量によって変化する。そのため、圧力室内部の圧力Ｐｃは、測定対象の圧力（＝外部の圧力）Ｐａの変化に対して遅れて追従する。そこで、圧力室内部の圧力Ｐｃと測定対象の圧力Ｐａとの差圧（Ｐａ−Ｐｃ）を測定することで、測定対象の圧力変化を検知することができる。

特開平２−５２２２９号公報

上述の圧力変化測定装置は、ダイアフラムの膜を薄くして感度を上げた差圧センサである。そのため、外気温度Ｔａが変化した場合や外部からの光（可視光や赤外線など）が入射したときに回路基板の開口部側の開口部や基板を介して熱が伝わり、キャビティに囲まれた圧力室の内部温度Ｔｃが変化する。圧力室の内部温度Ｔｃが変化すると、気体の状態方程式（Ｐｃ×Ｖｃ／Ｔｃ＝一定値）に従い、圧力室内部の圧力Ｐｃが変化する。差圧センサは、圧力室内部の圧力Ｐｃを基準として、外部の圧力Ｐａとの差圧を測定するため、外気温度Ｔａの変化や外部からの光が外乱（ノイズ）となり基準である圧力Ｐｃが変化すると測定誤差が発生する。このように、従来の圧力変化測定装置では、差圧測定の基準となる圧力室内部の圧力は、外気温度や入射光の影響を受けて変化しやすく、高精度な測定が困難であるという問題があった。

この外乱による測定誤差は、特に圧力室の内部温度Ｔｃの変化量や変化速度に依存し、変化量が小さい方が、また変化速度が小さい方が、誤差が小さくなることが分かっている。つまり、圧力室の内部温度Ｔｃをなるべく安定に保つことが必要であり、外気温度Ｔａの急激な変化に対して圧力室の内部温度Ｔｃの変化量や変化速度を小さくする必要がある。回路基板の開口部側では、外部からの熱が開口部を通じてキャビティの内側に伝わりやすく、圧力室の内部温度Ｔｃが変化しやすい。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、差圧測定の基準となる圧力室内部の圧力Ｐｃおよび／または温度Ｔｃを安定化させることにより高精度な測定が可能な圧力変化測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の１態様に係る圧力変化測定装置は、開口部を有する回路基板と、前記回路基板の前記開口部を覆うように配置され、第１圧力通過孔を有するセンサと、前記回路基板のセンサ側に配置され、前記センサを囲む第１圧力室を形成するように構成された第１キャビティと、前記回路基板のセンサ側において前記第１キャビティを覆うように構成され、前記第１キャビティとの間に中空部を形成する第２キャビティと、を備える。

前記第１キャビティと前記第２キャビティの少なくとも１つは、遮光性を有する材質から形成されていてもよい。

前記第１キャビティと前記第２キャビティの少なくとも１つは、他の構成に比べて熱容量が大きい材質から形成されていてもよい。

前記回路基板の一部の厚さが薄くてもよい。

前記第２キャビティの外側または内側は、吸音材および／または保湿剤で覆われていてもよい。

前記第２キャビティは、弾性体から形成されていてもよい。

前記圧力変化測定装置は、前記中空部の内部に配置され、前記中空部の内部の温度を測定する温度計と、前記第２キャビティの外側に配置され、前記第２キャビティの温度調整を行う温度調整素子と、を更に備えてもよい。

前記圧力変化測定装置は、前記回路基板のセンサと反対側に配置され、前記開口部を覆う第２圧力室を形成するように構成され、第２圧力通過孔を有する第３キャビティを更に備えてもよい。

本発明の各態様に係る圧力変化測定装置および圧力変化測定方法によれば、差圧測定の基準となる圧力室内部の圧力Ｐｃおよび／または温度Ｔｃを安定化させることが可能となる。これにより、高精度な圧力変化測定が可能な圧力変化測定装置および圧力変化測定方法を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る圧力変化測定装置を示す構成図である。 本発明の第２実施形態に係る圧力変化測定装置を示す構成図である。 本発明の第３実施形態に係る圧力変化測定装置を示す構成図である。 本発明の第４実施形態に係る圧力変化測定装置を示す構成図である。 本発明の第５実施形態に係る圧力変化測定装置を示す構成図である。 本発明の第６実施形態に係る圧力変化測定装置を示す構成図である。 従来技術に係る圧力変化測定装置を示す構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る圧力変化測定装置について詳細に説明する。

（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態に係る圧力変化測定装置の構成について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る圧力変化測定装置１を示す構成図である。圧力変化測定装置１は、配線２に接続された回路基板３と、回路基板の開口部４を覆うように配置されたセンサ５と、回路基板のセンサ側に配置されセンサを囲む圧力室を形成する第１キャビティ６と、回路基板のセンサ側に圧力室を囲むように形成された第２キャビティ７とを有する。

センサ５は、第１キャビティ６に囲まれた圧力室の内部の圧力Ｐｃと外部の圧力（＝測定対象の圧力Ｐａ）との差圧（Ｐａ−Ｐｃ）を検出する。センサ５は、例えば、圧力室の内部の圧力と外部の圧力との差圧に応じて変形するように構成されたカンチレバーを備えていてもよい。センサ５の一部には圧力通過孔８が設けられており、圧力通過孔８を介して圧力伝達媒体が、第１キャビティ６に囲まれた圧力室の内部と外部との間を流入出できる。圧力通過孔８は非常に小さい構造であり、第１キャビティ６に囲まれた圧力室内部への圧力伝達媒体の流動を制限している。

第１キャビティ６と第２キャビティ７との間には中空部９が形成される。中空部９の内部は真空であってもよい。第２キャビティ７がない場合は、外部からの熱や光が第１キャビティ６のみを介して圧力室内部へと伝わる。それに対し、第１キャビティ６の周りに第２キャビティ７を設けることにより、外部からの熱や光は、まず第２キャビティ７を介して中空部９を伝わり、それから第１キャビティ６を介して圧力室内部へと伝わる。

このように、第１キャビティ６の周りに第２キャビティ７を設けることにより、第１キャビティ６と第２キャビティ７との間の中空部９が断熱効果及び遮光効果を有し、外部から圧力室内部へと伝わる熱や光が低減される。すなわち、外気の温度変化が圧力室内部に伝わりにくくなる。これにより、圧力室の内部の温度Ｔｃの変動が緩やかになるため、圧力室の内部の温度Ｔｃが安定し、高精度な圧力変化測定が可能となる。

なお、第１キャビティ６の材質と第２キャビティ７の材質とは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。また、第１キャビティ６と第２キャビティ７の少なくとも１つは、遮光性を有する材質から形成されているのが好ましい。例えば、外側の第２キャビティ７は、可視光・近赤外線・遠赤外線などに遮光性があり熱伝導性の低いプラスチックなどの材質から形成されていてもよい。このようにすることで、第２キャビティ７の遮光性と断熱性により、圧力室の内部への熱の伝達を抑えることできる。

また、第１キャビティ６と第２キャビティ７の少なくとも１つは、熱容量が大きい材質から形成されていてもよい。例えば、内側の第１キャビティ６は、熱伝導性が高いが熱容量が大きい金属などの材質から形成されていてもよい。キャビティの熱容量が大きいことで、外部から内部への熱の伝わり方が緩やかになり、圧力室の内部の温度Ｔｃの変動を緩やかにすることできる。これにより、測定誤差を低減し、高精度な圧力変化測定が可能になる。

ここで、第１キャビティ６の熱容量が大きいとは、中空部９に含まれる気体、回路基板３、第２キャビティ７などの熱容量より大きいことを意味する。また、圧力室の内部の温度Ｔｃの変動とは、温度の変化量および／または変化のスピードを意味する。

なお、上述の例では、外側の第２キャビティ７は、可視光・近赤外線・遠赤外線などに遮光性があり熱伝導性の低いプラスチックなどの材質から形成され、内側の第１キャビティ６は、熱伝導性が高いが熱容量が大きい金属などの材質から形成されている例について説明したが、外側の第２キャビティ７と内側の材質と第１キャビティ６の材質は逆であってもよい。

第１キャビティ６および／または第２キャビティ７は、音を遮音する材質・構造を有していてもよい。このような構成により、外部から圧力室内部への外乱（音ノイズ）を低減することができ、センサ５の周囲の環境をさらに安定させることができる。

このように、本発明の第１実施形態に係る圧力変化測定装置では、キャビティを２重構造にしていることを特徴とする。このような構成により、断熱効果及び遮光効果を高め、外力ノイズを低減している。従って、圧力室の内部の温度Ｔｃが安定し、高精度な圧力変化測定を可能としている。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る圧力変化測定装置の構成について説明する。図２は、本発明の第２実施形態に係る圧力変化測定装置２１を示す構成図である。図１に示す第１実施形態に係る圧力変化測定装置１との違いは、第２実施形態に係る圧力変化測定装置２１では、基板の一部に溝１０、１１を設けている点である。他の構成については、図１に示す第１実施形態に係る圧力変化測定装置１と同じであるので、説明は省略する。

図２に示す例では、基板３のセンサ側の面において、第１キャビティ６および第２キャビティ７の間に、溝１０、１１が設けられている。このように基板３の一部に溝１０、１１を設けることにより、この部分の熱抵抗を大きくし、外部から基板を伝わって圧力室内部へ伝わる熱伝導を抑えることができる。すなわち、このような構成により、第２実施形態に係る圧力変化測定装置２１では、外部から圧力室内部への熱をさらに遮断することができ、センサ５の周囲における温度環境を均一にすることができる。

なお、溝の位置は、基板３のセンサ側の面でなくてもよいし、第１キャビティ６の内側や第２キャビティ７の外側であってもよい。また、溝の数は２つに限定されない。また、基板に設けるのは溝でなくてもよく、基板の一部の厚さが薄い構造であれば同様の効果が得られる。ここで、基板３には、フレキシブル基板を用いてもよい。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る圧力変化測定装置の構成について説明する。図３は、本発明の第３実施形態に係る圧力変化測定装置３１を示す構成図である。図１に示す第１実施形態に係る圧力変化測定装置１との違いは、第３実施形態に係る圧力変化測定装置３１では、回路基板のセンサと反対側（開口部側）にもキャビティ（第３キャビティ１７）を設けている点である。他の構成については、図１に示す第１実施形態に係る圧力変化測定装置１と同じであるので、説明は省略する。

図３に示すように、回路基板３のセンサと反対側（開口部側）には、第３キャビティ１７が設けられており、第２圧力室を形成している。第３キャビティ１７の一部には第２圧力通過孔１８が設けられており、第２圧力通過孔１８を介して圧力伝達媒体が第２圧力室の内部と外部との間を流入出できる。ここで、第２圧力通過孔１８の大きさ（面積）は、第１圧力通過孔８の大きさ（面積）以上であることが好ましい。このような構成により、第２圧力室の内部の圧力は、外部の圧力と略同じとなる。

すなわち、圧力伝達媒体は、第２圧力通過孔１８を介して外部と第２圧力室の内部との間を流入出し、さらに第１圧力通過孔８を介して第２圧力室の内部と第１キャビティ６に囲まれた第１圧力室の内部との間を流入出する。第１圧力室の内部の圧力Ｐｃは、圧力伝達媒体の流入出量によって変化する。圧力室内部の圧力Ｐｃは、測定対象の圧力（＝外部の圧力）Ｐａの変化に対して遅れて追従する。そこで、圧力室内部の圧力Ｐｃと測定対象の圧力Ｐａとの差圧（Ｐａ−Ｐｃ）を測定することで、測定対象の圧力変化を検知することができる。

このように、本発明の第３実施形態に係る圧力変化測定装置では、回路基板のセンサと反対側（開口部側）にもキャビティ（第３キャビティ１７）を設けていることを特徴とする。第３キャビティ１７を設けることにより、開口部４や回路基板３を介して、回路基板の開口部側の外部から第１圧力室の内部への伝熱を断熱し、かつ回路基板の開口部側の外部から第１圧力室の内部への光（可視光や赤外線など）を遮光することができる。従って、第１圧力室の内部の温度Ｔｃが安定する。

また、第３キャビティ１７の一部に第２圧力通過孔１８が設けられているため、第３キャビティ１７に囲まれた第２圧力室の内部の圧力は、外部の圧力と略同じになっている。これにより、高精度な圧力変化測定を可能としている。

なお、図３の例では、第２キャビティ７の形と第３キャビティ１７の形は略同じであるが、第２キャビティ７の形と第３キャビティ１７の形は同じであってもよいし、異なっていてもよい。また、第１キャビティ５の形と第３キャビティ１７の形は同じであってもよいし、異なっていてもよい。また、第１キャビティ６に囲まれた第１圧力室の容量と第３キャビティ１７に囲まれた第２圧力室の容量は同じであってもよいし、異なっていてもよい。また、第３キャビティ１７の材質と第１キャビティ６および／または第２キャビティ７の材質は同じであってもよいし、異なっていてもよい。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に係る圧力変化測定装置の構成について説明する。図４（ａ）は、本発明の第４実施形態に係る圧力変化測定装置４１を示す構成図であり、図４（ｂ）は、本発明の第４実施形態に係る圧力変化測定装置４２を示す構成図である。図１に示す第１実施形態に係る圧力変化測定装置１との違いは、第４実施形態に係る圧力変化測定装置４１および４２では、中空部９または第２キャビティ７の外側に吸音材および／または保温材１２が設けられている点である。他の構成については、図１に示す第１実施形態に係る圧力変化測定装置１と同じであるので、説明は省略する。

図４（ａ）に示す圧力変化測定装置４１では、吸音材および／または保温材１２が、第２キャビティ７の内側の中空部９を埋めるように配置されている。また、図４（ｂ）に示す圧力変化測定装置４２では、吸音材および／または保温材１２が、第２キャビティ７の外側の全体を覆っている。ここで、吸音材および／または保温材１２は通気性がある材質である。

吸音材は、空気の振動を抑制し、音ノイズを低減する。吸音材は、例えば、多孔質の材質、スポンジ、グラスウールなどであってもよい。これらの材質は、空気を含んで空気の対流を防ぐ効果があるので、保温材としても機能し断熱効果も有する。

このような構成により、第４実施形態に係る圧力変化測定装置４１、４２では、第２キャビティ７を介した外部から圧力室内部への熱の伝導（放熱、伝熱）を低減することができる。また第２キャビティ７を介して外部から圧力室内部へ伝わる音ノイズ（空気の振動）を低減することができる。このようにして、センサ５の周囲の環境をさらに安定させることができる。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態に係る圧力変化測定装置の構成について説明する。図５は、本発明の第５実施形態に係る圧力変化測定装置５１を示す構成図である。図１に示す第１実施形態に係る圧力変化測定装置１との違いは、第５実施形態に係る圧力変化測定装置５１では、第２キャビティ７を弾性体から形成された第２キャビティ７ａとしている点である。他の構成については、図１に示す第１実施形態に係る圧力変化測定装置１と同じであるので、説明は省略する。

第２キャビティ７ａを形成する弾性体は、例えばゴムなどの遮光性を有する弾性体である。第２キャビティ７ａは外力によって変形しても構わない。すなわち、第１キャビティ６と第２キャビティ７ａとの間の中空部９の容積は変わってもよい。しかし、第１キャビティ６に囲まれた圧力室の容積は一定である必要がある。

弾性体から形成された第２キャビティ７ａを用いることで、第２キャビティ７ａが外力を吸収し、内側の第１キャビティ６の変形を妨げる効果がある。これにより、圧力室の内部の環境が安定し、さらに高精度な圧力変化測定を可能としている。

（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態に係る圧力変化測定装置の構成について説明する。図６は、本発明の第６実施形態に係る圧力変化測定装置６１を示す構成図である。図１に示す第１実施形態に係る圧力変化測定装置１との違いは、第６実施形態に係る圧力変化測定装置６１では、第２キャビティ７の内側に温度計１３を設け、第２キャビティ７の外側に温度調整素子１４および温度制御部１５を設けている点である。他の構成については、図１に示す第１実施形態に係る圧力変化測定装置１と同じであるので、説明は省略する。

第２キャビティ７の内側、すなわち中空部９に設けられた温度計１３は、中空部９の内部の温度を測定する。第２キャビティ７の外側に設けられた温度調整素子１４は、第２キャビティ７を冷却・加熱することにより、第２キャビティ７の温度調整を行う。温度調整素子１４は例えばペルチェなどのモジュールである。温度制御部１５は、温度計１３の測定値に基づいて温度調整素子１４を制御することにより、中空部９の内部の温度をコントロールする。

このような構成により、中空部９の内部の温度を一定値に保つことができる。すなわち、外部の温度には影響されず、中空部９の内部の温度を安定させることができる。これにより、中空部９に接した第１キャビティ６に囲まれた圧力室の内部の温度も安定させることができ、高精度な圧力変化測定を可能としている。

上述の例では、圧力室の内部の温度を直接コントロールするのではなく、中空部９の内部の温度が一定値に保たれるように、外側の第２キャビティ７の温度調整を行っている。この場合、内側の第１キャビティ６の温度調整を行う場合と比較して、第１キャビティ６の大きさや材質などの自由度が得られる効果がある。

なお、上述の第６実施形態に係る圧力変化測定装置６１の構成に加え、第３実施形態に係る圧力変化測定装置３１のように、回路基板のセンサと反対側（開口部側）に第３キャビティを設けてもよい。これにより、回路基板の開口部側から圧力室の内部への伝熱を断熱し、かつ回路基板の開口部側の外部から圧力室の内部への光（可視光や赤外線など）を遮光することができる。従って、圧力室の内部の温度をさらに安定させることができ、さらに高精度な圧力変化測定を可能としている。

本明細書において「前、後ろ、上、下、右、左、垂直、水平、縦、横、行および列」などの方向を示す言葉は、本発明の装置におけるこれらの方向を説明するために使用している。従って、本発明の明細書を説明するために使用されたこれらの言葉は、本発明の装置において相対的に解釈されるべきである。

本明細書において使用している「大体」、「約」、「略」等の程度を表わす言葉は、最終結果が著しくは変わらない範囲において、合理的な範囲のばらつきがあることを意味する。従って、「略等しい」という言葉は、「完全に等しい」場合も含む。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態およびその変形例に限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付のクレームの範囲によってのみ限定される。

１、２１、３１、４１、４２、５１、６１、７１ 圧力変化測定装置
２、７２ 配線
３、７３ 回路基板
４、７４ 開口部
５ センサ（カンチレバー）
６ 第１キャビティ
７、７ａ 第２キャビティ
８ 圧力通過孔、第１圧力通過孔
９ 中空部
１０、１１ 溝
１２ 吸音材・保湿剤
１３ 温度計
１４ 温度調整素子
１５ 温度制御部
１７ 第３キャビティ
１８ 第２圧力通過孔
７５ センサ
７６ キャビティ
７８ 圧力通過孔

Claims (8)

1. 開口部を有する回路基板と、
   前記回路基板の前記開口部を覆うように配置され、第１圧力通過孔を有するセンサと、
   前記回路基板のセンサ側に配置され、前記センサを囲む第１圧力室を形成するように構成された第１キャビティと、
   前記回路基板のセンサ側において前記第１キャビティを覆うように構成され、前記第１キャビティとの間に中空部を形成する第２キャビティと、
   を備えることを特徴とする圧力変化測定装置。
2. 前記第１キャビティと前記第２キャビティの少なくとも１つは、遮光性を有する材質から形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧力変化測定装置。
3. 前記第１キャビティと前記第２キャビティの少なくとも１つは、他の構成に比べて熱容量が大きい材質から形成されている
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧力変化測定装置。
4. 前記回路基板の一部の厚さが薄い
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の圧力変化測定装置。
5. 前記第２キャビティの外側または内側は、吸音材および／または保湿剤で覆われている
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の圧力変化測定装置。
6. 前記第２キャビティは、弾性体から形成されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の圧力変化測定装置。
7. 前記中空部の内部に配置され、前記中空部の内部の温度を測定する温度計と、
   前記第２キャビティの外側に配置され、前記第２キャビティの温度調整を行う温度調整素子と、
   を更に備えることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の圧力変化測定装置。
8. 前記回路基板のセンサと反対側に配置され、前記開口部を覆う第２圧力室を形成するように構成され、第２圧力通過孔を有する第３キャビティ
   を更に備えることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の圧力変化測定装置。

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