JP2019138681A - 圧力検出装置および圧力検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】圧力検出部を外来異物から保護する。【解決手段】基準空間に対する被測定空間の圧力差を検出する圧力検出装置であって、基準空間の圧力が印加される基準面と、被測定空間の圧力が印加される測定面とを有する圧力検出部と、圧力検出部を収容するケース部と、圧力検出部の基準面を覆って設けられた保護材と、測定面と対向する位置において測定面と離れて配置され、圧力検出部の測定面の少なくとも一部を覆う遮蔽部とを備え、ケース部には、圧力検出部の測定面と被測定空間とを接続する開口部が設けられており、遮蔽部は、開口部に設けられている圧力検出装置を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、圧力検出装置および圧力検出システムに関する。

被測定空間における圧力を検出する圧力検出装置として、ピエゾ抵抗素子が設けられた半導体チップ等の圧力検出部を用いる構造が知られている（例えば、特許文献１）。
特許文献１ 特開平９−１２６９２７号公報

圧力検出装置においては、圧力検出部を外来異物等から保護することが好ましい。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、基準空間に対する被測定空間の圧力差を検出する圧力検出装置を提供する。圧力検出装置は、基準空間の圧力が印加される基準面と、被測定空間の圧力が印加される測定面とを有する圧力検出部を備えてよい。圧力検出装置は、圧力検出部の基準面を覆って設けられた保護材を備えてよい。圧力検出装置は、測定面と対向する位置において測定面と離れて配置され、圧力検出部の測定面の少なくとも一部を覆う遮蔽部を備えてよい。

圧力検出装置は、圧力検出部を収容するケース部を備えてよい。ケース部には、圧力検出部の測定面と被測定空間とを接続する開口部が設けられていてよい。遮蔽部は、開口部に設けられていてよい。

遮蔽部は、ケース部と一体に設けられていてよい。

遮蔽部は、開口部の開口内に配置された本体部を有してよい。遮蔽部は、開口部の縁におけるケース部と、遮蔽部の本体部との間を架橋する架橋部を有してよい。

開口部は、被測定空間に接続される第１開口部分を有してよい。開口部は、第１開口部分と圧力検出部との間に設けられ、第１開口部分よりも開口面積の小さい第２開口部分を有してよい。遮蔽部は、第１開口部分に設けられていてよい。

圧力検出部の測定面と平行な面において、遮蔽部の本体部と、第２開口部分とが同一の大きさを有してよい。

ケース部は、圧力検出部の測定面を支持する支持部を有してよい。支持部に第２開口部分が設けられていてよい。

圧力検出部の測定面と垂直な方向から測定面を観察した場合に、遮蔽部および支持部により、測定面の全体が覆われていてよい。

圧力演出部の測定面と垂直な方向において、遮蔽部の厚みが、支持部の厚みより小さくてよい。

第１開口部分は、遮蔽部が設けられた領域の直径が、遮蔽部が設けられていない領域の直径よりも大きくてよい。

本発明の第２の態様においては、測定対象ガスが流れる搬送部と、搬送部に設けられた第１の態様の圧力検出装置とを備える圧力検出システムを提供する。

圧力検出部の基準面が、搬送部における測定対象ガスの上流側に配置され、測定面が下流側に配置されていてよい。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本発明の一つの実施形態に係る圧力検出装置１００の構造例を示す断面図である。 圧力検出装置１００の上面の概要図である。 圧力検出装置１００の他の例を示す断面図である。 比較例に係る圧力検出装置３００を示す断面図である。 測定対象ガスの圧力を検出する圧力検出システム２００の一例を示す図である。 ケース部１０および遮蔽部２０を形成する工程の一例を示す図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本発明の一つの実施形態に係る圧力検出装置１００の構造例を示す断面図である。圧力検出装置１００は、基準空間１０２に対する被測定空間１０４の圧力差を検出する。一例として基準空間１０２および被測定空間１０４は、気体が流動する空間であるか、または、気体が流動する空間に接続された空間である。

圧力検出装置１００は、ケース部１０、圧力検出部５０、保護材７０および遮蔽部２０を備える。圧力検出部５０は、基準空間１０２の圧力が印加される基準面５２と、被測定空間１０４の圧力が印加される測定面５４とを有する。一例として圧力検出部５０は、ピエゾ抵抗素子およびダイアフラムが形成された半導体チップである。当該半導体チップは、半導体基板においてダイアフラムにより薄膜化された薄膜部にピエゾ抵抗素子を設けている。薄膜部の一方の主面が基準面５２であり、他方の主面が測定面５４に対応する。基準空間１０２および被測定空間１０４の圧力差に応じて薄膜部が歪むことで、ピエゾ抵抗素子の抵抗値が変化する。当該抵抗値の変化により、基準空間１０２に対する被測定空間１０４の相対的な圧力を検出できる。

本明細書では、圧力検出部５０の基準面５２および測定面５４と平行な面における２つの直交軸をＸ軸およびＹ軸とする。また、基準面５２および測定面５４と垂直な軸をＺ軸とする。

ケース部１０は、圧力検出部５０を収容する。一例としてケース部１０は樹脂等の絶縁材料で形成されている。ケース部１０は、全体が一体に形成されていてよく、複数の部分が組み合わされていてもよい。ケース部１０には、圧力検出部５０の基準面５２を基準空間１０２に露出させる開口部１６と、測定面５４を被測定空間１０４に露出させる開口部３０とが設けられている。

保護材７０は、圧力検出部５０の基準面５２を覆って設けられている。本例の保護材７０は、開口部１６の内部に充填されている。保護材７０は、ゲル状材料を硬化させることで形成してよい。保護材７０は、基準空間１０２の圧力を、圧力検出部５０に伝達できる程度に弾性を有する。保護材７０の弾性係数は、ケース部１０の弾性係数より大きくてよい。

本例の圧力検出装置１００は、ワイヤー部７２および配線部７４を更に備える。配線部７４は、ケース部１０に固定された導電部材である。配線部７４の少なくとも一部分は、ケース部１０の内部に埋め込まれていてよく、少なくとも一部分はケース部１０の外部に露出していてもよい。ワイヤー部７２は、圧力検出部５０と配線部７４とを電気的に接続する。本例のワイヤー部７２は、圧力検出部５０の基準面５２に設けられたパッド等と、配線部７４とを接続している。配線部７４およびワイヤー部７２により、圧力検出部５０と外部の回路とを電気的に接続する。保護材７０は、ワイヤー部７２の周囲にも設けられている。つまり保護材７０は、ワイヤー部７２を封止している。

本例においては、圧力検出部５０の測定面５４の少なくとも一部の領域は、保護材７０により覆われていない。つまり測定面５４の少なくとも一部の領域は、被測定空間１０４と連続する空間に面していている。

圧力検出部５０により、基準面５２側の空間と測定面５４側の空間が分離されているので、保護材７０を基準面５２側の空間と、測定面５４側の空間の両方に設けようとすると、一方の空間に保護材７０を塗布および硬化させてから、他方の空間に保護材７０を塗布および硬化させることになる。このため、圧力検出装置１００の製造コストが高くなってしまう。図１に示す圧力検出装置１００は、基準面５２側だけに保護材７０を形成するので、製造コストを低減できる。また、基準面５２にワイヤー部７２を接続しているので、保護材７０によりワイヤー部７２も保護できる。

遮蔽部２０は、圧力検出部５０の測定面５４と対向する位置において、測定面５４と離れて配置されている。つまり、遮蔽部２０と測定面５４との間には、被測定空間１０４と連続する空間２２が設けられている。測定面５４において、ダイアフラムが形成された領域の少なくとも一部は、空間２２と接していることが好ましい。遮蔽部２０が測定面５４の少なくとも一部を覆うことで、被測定空間１０４から飛来する異物が、測定面５４に直接衝突することを抑制できる。また、空間２２を設けることで、被測定空間１０４の圧力を、測定面５４に伝達できる。

遮蔽部２０は、測定面５４においてケース部１０等の部材で覆われていない領域の全体と重なるように設けられることが好ましい。これにより、測定面５４の全体を保護できる。遮蔽部２０は、測定面５４のうちダイアフラムが形成された領域の全体と重なるように設けられていてもよい。なおＺ軸方向から測定面５４を見た場合に、遮蔽部２０により隠されている領域を、遮蔽部２０と重なる領域とする。

上述したようにケース部１０には、圧力検出部５０の測定面５４と被測定空間１０４とを接続する開口部３０が設けられている。遮蔽部２０は、開口部３０に設けられていてよい。遮蔽部２０の少なくとも一部の領域が、開口部３０の内部に設けられていてもよい。開口部３０の内部とは、開口部３０の内壁により挟まれた空間を指す。

ケース部１０は、筒状部１２を有してよい。筒状部１２は、ケース部１０の面において、被測定空間１０４の方向に突出して設けられている。本例の筒状部１２は、開口部３０の周囲を囲む筒状の壁である。

本例の開口部３０は、第１開口部分３４および第２開口部分３２を有する。第１開口部分３４は、被測定空間１０４に接続される。つまり第１開口部分３４は、開口部３０のうち、最も被測定空間１０４に近い部分を含む。第１開口部分３４のＸＹ面における大きさ（例えば直径）は、Ｚ軸方向のいずれの位置においても同一であってよく、異なっていてもよい。つまり第１開口部分３４の内壁３５は、Ｚ軸と平行であってよく、Ｚ軸に対して傾きを有していてもよい。第１開口部分３４は、被測定空間１０４に近いほど開口面積が大きくなってもよい。開口面積とは、ＸＹ面における面積を指す。

第２開口部分３２は、第１開口部分３４と圧力検出部５０との間に設けられ、第１開口部分３４よりも開口面積が小さい。第２開口部分３２は、開口部３０のうち、最も圧力検出部５０に近い部分を含む。第２開口部分３２のＸＹ面における大きさ（例えば直径）は、Ｚ軸方向のいずれの位置においても同一であってよく、異なっていてもよい。つまり第２開口部分３２の内壁３３は、Ｚ軸と平行であってよく、Ｚ軸に対して傾きを有していてもよい。第２開口部分３２は、圧力検出部５０に近いほど開口面積が大きくなってもよい。

本例において第１開口部分３４および第２開口部分３２の境界における開口部３０には、段差３７が設けられている。段差３７は、ＸＹ面において開口部３０の中心方向に突出して設けられている。つまり第１開口部分３４および第２開口部分３２の境界において、開口部３０の開口面積は不連続にステップ状に変化している。

本例の遮蔽部２０は、第１開口部分３４に設けられている。これにより、遮蔽部２０と、開口部３０の内壁との間に距離を確保することが容易になる。このため、遮蔽部２０の横を通り、被測定空間１０４と圧力検出部５０とを接続する空間２３を容易に設けることができる。

また、第１開口部分３４の開口面積が大きいので、空間２３を確保しつつ第２開口部分３２を遮蔽部２０で覆うことが容易になる。これにより、圧力検出部５０を保護することが容易になる。遮蔽部２０は、ＸＹ平面において第２開口部分３２と同一の大きさの部分を有してよい。これにより第２開口部分３２の全体を覆うことができ、圧力検出部５０を保護できる。

本例のケース部１０は、圧力検出部５０の測定面５４を支持する支持部１４を有する。測定面５４の端部は、支持部１４に固定されている。測定面５４の端部とは、ダイアフラムが設けられていない領域である。

本例の支持部１４は、接着剤７６および固定部６０を介して圧力検出部５０と接続されている。固定部６０は、支持部１４よりも、圧力検出部５０との熱膨張係数の差が小さい材料で形成されてよい。一例として支持部１４は樹脂で形成され、固定部６０はガラスで形成され、圧力検出部５０はシリコン基板に形成されている。これにより、ケース部１０の熱膨張等による歪みが圧力検出部５０に伝搬することを抑制できる。固定部６０は、支持部１４よりも弾性係数の小さい材料で形成されていてもよい。

支持部１４に囲まれた領域に、第２開口部分３２の少なくとも一部が設けられてよい。つまり支持部１４は、第１開口部分３４の内壁３５よりも、開口部３０の中心方向に突出して設けられている。この場合、支持部１４の側壁が、第２開口部分３２の内壁３３の一部となる。Ｚ軸方向から測定面５４を観察した場合に、遮蔽部２０および支持部１４により、測定面５４の全体が覆われていてよい。遮蔽部２０は、支持部１４が設けられた領域における第２開口部分３２と同一の大きさを有してよい。

また、固定部６０に囲まれた領域に、第２開口部分３２の少なくとも一部が設けられてもよい。固定部６０の側壁６２は、支持部１４の側壁よりも、開口部３０の中心方向に突出して設けられてよい。つまり固定部６０が設けられた領域の第２開口部分３２の開口面積は、支持部１４が設けられた領域の第２開口部分３２の開口面積よりも小さくてよい。遮蔽部２０は、固定部６０が設けられた領域の第２開口部分３２よりも広い領域を覆っていてよい。

また、遮蔽部２０は、異物を遮蔽できればよいので、Ｚ軸方向における厚みは小さくてよい。一例として遮蔽部２０のＺ軸方向における厚みＴ１は、支持部１４における厚みＴ２より小さくてよい。これにより、支持部１４における強度を確保できる。また、遮蔽部２０を薄くすることで、空間２２を確保することが容易になる。遮蔽部２０の厚みＴ１は、遮蔽部２０における最大の厚みを用いてよい。支持部１４における厚みＴ２は、内壁３３における厚みを用いてよい。

図２は、圧力検出装置１００の上面の概要図である。図２におけるＡ−Ａ断面が、図１に示した断面に対応する。本例の遮蔽部２０は、本体部２４と架橋部２６とを有する。本体部２４は、開口部３０の開口内に配置されている。一例として本体部２４は、ＸＹ面において、第２開口部分３２（図２では、第２開口部分３２の内壁３３を示している）と同一の大きさおよび形状を有している。

架橋部２６は、開口部３０の縁におけるケース部１０と、遮蔽部２０の本体部２４との間を架橋する。本例の架橋部２６は、第１開口部分３４の内壁３５におけるケース部１０と、遮蔽部２０の本体部２４とを接続している。本例では、ＸＹ面における本体部２４の外周に沿って、複数の架橋部２６が離散的に配置されている。２つの架橋部２６の間には、空間２３が設けられる。図１に示したように空間２３は、空間２２と接続されている。これにより、被測定空間１０４と、圧力検出部５０とを接続する。

架橋部２６は、本体部２４により覆われていない第１開口部分３４の領域のうち、半分より小さい領域に設けられてよい。つまり、ＸＹ面における架橋部２６の面積の総和は、空間２３の面積の総和より小さくてよい。また、Ｚ軸方向において、架橋部２６と本体部２４の厚みは同一であってよく、異なっていてもよい。

遮蔽部２０は、ケース部１０と一体に形成されていてもよい。本例では、架橋部２６および本体部２４が、ケース部１０と同一の材料で連続的に形成されている。ケース部１０と遮蔽部２０とを一体に形成することで、遮蔽部２０を薄く形成しつつ、遮蔽部２０の強度を確保できる。

図３は、圧力検出装置１００の他の例を示す断面図である。本例における第１開口部分３４は、Ｚ軸方向において遮蔽部２０が設けられた位置における開口領域の直径が、Ｚ軸方向において遮蔽部２０が設けられていない位置における開口領域の直径よりも大きい。具体的には、第１開口部分３４の内壁３５は、遮蔽部２０と対向する領域に窪み部３９を有する。ＸＹ面において、窪み部３９が設けられた第１開口部分３４の直径は、窪み部３９が設けられていない第１開口部分３４の直径よりも大きい。このような構造によって、空間２３を更に確保しやすくなる。

図４は、比較例に係る圧力検出装置３００を示す断面図である。圧力検出装置３００は、圧力検出装置１００の構成に対して、遮蔽部２０に代えて保護材８０を備える。保護材８０は、圧力検出部５０の測定面５４を覆う。保護材７０および８０により、圧力検出部５０の基準面５２および測定面５４を保護できる。

しかし、上述したように、保護材７０および８０を設ける場合、一方の保護材の塗布および硬化を完了させた後に、他方の保護材の塗布および硬化を行うことになる。このため、保護材を設けるための工程が煩雑になり、低コスト化が困難になる。

これに対して、図１から図３において説明した圧力検出装置１００によれば、保護材８０を設けていないので、低コスト化が容易である。また、遮蔽部２０を設けることで、被測定空間１０４から直線的に飛来する異物が、圧力検出部５０に直接衝突することを防ぐことができる。仮に遮蔽部２０等に衝突した異物が圧力検出部５０に異物が到達しても、圧力検出部５０に到達する異物の運動エネルギーを小さくできる。また、保護材７０を設けることで、ワイヤー部７２等の電気的な接続部分を保護することができる。

図５は、測定対象ガスの圧力を検出する圧力検出システム２００の一例を示す図である。圧力検出システム２００は、測定対象ガスが流れる搬送部１１０と、搬送部１１０に設けられた圧力検出装置１００とを備える。一例として搬送部１１０は、測定対象ガスが流れるガス管２０２に接続されており、ガス管に流れるガスの一部を取り込んで圧力を検出する。

図５の例では、ガス管２０２の内部には、測定対象ガスに含まれる異物を除去するフィルター２０４が設けられている。本例の搬送部１１０は、ガス管２０２におけるフィルター２０４よりも上流側の空間を基準空間１０２として圧力検出部５０の基準面５２に接続し、フィルター２０４よりも下流側の空間を被測定空間１０４として圧力検出部５０の測定面５４に接続する。フィルター２０４よりも上流側の空間と下流側の空間との圧力差を検出することで、フィルター２０４の目詰まりを検出できる。

また、圧力検出部５０の基準面５２が、搬送部１１０（またはガス管２０２）における測定対象ガスの上流側に配置されており、測定面５４が、搬送部１１０（またはガス管２０２）における下流側に配置されている。本例では、測定対象ガスの上流側のほうが、下流側よりも異物が多くなりやすい。このため、保護材７０により封止されている基準面５２を上流側に配置することで、圧力検出部５０を適切に保護できる。

図６は、ケース部１０および遮蔽部２０を形成する工程の一例を示す図である。本例では、ケース部１０および遮蔽部２０を、抜き型を用いて一体に形成する。これにより、遮蔽部２０の強度を向上できる。

準備段階Ｓ３１０において、抜き型３０２および３０４を準備する。図６の例では、遮蔽部２０の近傍の構造を形成する抜き型３０２および３０４を示している。抜き型３０２は、所定の幅Ｗを有する突出部を有する。また、抜き型３０４は、抜き型３０２の突出部とＸＹ面における形状が同一の窪み部３０６を有する。

形成段階Ｓ３１２において、抜き型３０２の突出部を、抜き型３０４の窪み部３０６の途中まで挿入して、樹脂等を注入する。窪み部３０６において、抜き型３０２が挿入されずに残った空間に樹脂等が注入されることで、遮蔽部２０の本体部２４が形成される。また、抜き型３０２の周囲に樹脂が注入されることで、ケース部１０の支持部１４等が形成される。

本例では、遮蔽部２０の本体部２４のＸＹ面における大きさと、支持部１４で囲まれる空間（図１における第２開口部分３２に相当する）の大きさとが同一になる。本例によれば、簡単な工程で、第２開口部分３２の全体を覆う遮蔽部２０を、ケース部１０と一体に形成できる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１０・・・ケース部、１２・・・筒状部、１４・・・支持部、１６・・・開口部、２０・・・遮蔽部、２２・・・空間、２３・・・空間、２４・・・本体部、２６・・・架橋部、３０・・・開口部、３２・・・第２開口部分、３３・・・内壁、３４・・・第１開口部分、３５・・・内壁、３７・・・段差、３９・・・窪み部、５０・・・圧力検出部、５２・・・基準面、５４・・・測定面、６０・・・固定部、６２・・・側壁、７０・・・保護材、７２・・・ワイヤー部、７４・・・配線部、７６・・・接着剤、８０・・・保護材、１００・・・圧力検出装置、１０２・・・基準空間、１０４・・・被測定空間、１１０・・・搬送部、２００・・・圧力検出システム、２０２・・・ガス管、２０４・・・フィルター、３００・・・圧力検出装置、３０２・・・抜き型、３０４・・・抜き型、３０６・・・窪み部

Claims (12)

1. 基準空間に対する被測定空間の圧力差を検出する圧力検出装置であって、
   前記基準空間の圧力が印加される基準面と、前記被測定空間の圧力が印加される測定面とを有する圧力検出部と、
   前記圧力検出部の前記基準面を覆って設けられた保護材と、
   前記測定面と対向する位置において前記測定面と離れて配置され、前記圧力検出部の前記測定面の少なくとも一部を覆う遮蔽部と
   を備える圧力検出装置。
2. 前記圧力検出部を収容するケース部を更に備え、
   前記ケース部には、前記圧力検出部の前記測定面と前記被測定空間とを接続する開口部が設けられており、
   前記遮蔽部は、前記開口部に設けられている
   請求項１に記載の圧力検出装置。
3. 前記遮蔽部は、前記ケース部と一体に設けられている
   請求項２に記載の圧力検出装置。
4. 前記遮蔽部は、
   前記開口部の開口内に配置された本体部と、
   前記開口部の縁における前記ケース部と、前記遮蔽部の前記本体部との間を架橋する架橋部と
   を有する請求項２または３に記載の圧力検出装置。
5. 前記開口部は、
   前記被測定空間に接続される第１開口部分と、
   前記第１開口部分と前記圧力検出部との間に設けられ、前記第１開口部分よりも開口面積の小さい第２開口部分と
   を有し、
   前記遮蔽部は、前記第１開口部分に設けられている
   請求項４に記載の圧力検出装置。
6. 前記圧力検出部の前記測定面と平行な面において、前記遮蔽部の前記本体部と、前記第２開口部分とが同一の大きさを有する
   請求項５に記載の圧力検出装置。
7. 前記ケース部は、前記圧力検出部の前記測定面を支持する支持部を有し、
   前記支持部に前記第２開口部分が設けられている
   請求項５または６に記載の圧力検出装置。
8. 前記圧力検出部の前記測定面と垂直な方向から前記測定面を観察した場合に、前記遮蔽部および前記支持部により、前記測定面の全体が覆われている
   請求項７に記載の圧力検出装置。
9. 前記圧力検出部の前記測定面と垂直な方向において、前記遮蔽部の厚みが、前記支持部の厚みより小さい
   請求項７または８に記載の圧力検出装置。
10. 前記第１開口部分は、前記遮蔽部が設けられた領域の直径が、前記遮蔽部が設けられていない領域の直径よりも大きい
    請求項５から９のいずれか一項に記載の圧力検出装置。
11. 測定対象ガスが流れる搬送部と、
    前記搬送部に設けられた、請求項１から１０のいずれか一項に記載の圧力検出装置と
    を備える圧力検出システム。
12. 前記圧力検出部の前記基準面が、前記搬送部における前記測定対象ガスの上流側に配置され、前記測定面が下流側に配置されている
    請求項１１に記載の圧力検出システム。

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