JP6923405B2 - 圧力変化測定装置 - Google Patents

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５は、従来技術に係る圧力変化測定装置５１を示す構成図である。圧力変化測定装置５１は、配線５２に接続された回路基板５３と、回路基板の開口部５４を覆うように配置されたセンサ（ダイアフラム）５５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５６とを有する。ダイアフラム５５には圧力感知用のゲージ抵抗が配置され、ダイアフラム５５の一部には圧力通過孔５７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５７は非常に小さい構造であり、キャビティ５６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２キャビティと、を備える。

前記第１キャビティの形（容量）と前記第２キャビティの形（容量）は略等しく、前記第１キャビティおよび前記第２キャビティは前記回路基板を挟んで対称に配置されていてもよい。

前記第１キャビティの材質と前記第２キャビティの材質は略等しく、前記第１キャビティおよび前記第２キャビティは前記回路基板を挟んで対称に配置されていてもよい。

前記第２キャビティは、遮光性を有し熱伝導率の低い材質からなっていてもよい。

前記回路基板の一部の厚さが薄くてもよい。

前記第２圧力通過孔は、吸音材または保温材で覆われていてもよい。

前記第２圧力通過孔は２つ以上設けられていてもよい。

前記第２圧力通過孔は、前記第２キャビティの１面に設けられたメッシュ形状であってもよい。

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。 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第１圧力室を形成する第１キャビティ６と、回路基板のセンサと反対側（開口部側）に配置され回路基板の開口部４を覆う第２圧力室を形成する第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に囲まれた第１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、第１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の一部には第１圧力通過孔８が設けられており、第１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に囲まれた第１圧力室の内部と第２キャビティ７に囲まれた第２圧力室の内部との間を流入出できる。第１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に囲まれた第１圧力室内部への圧力伝達媒体の流動を制限している。

また、第２キャビティ７の一部には第２圧力通過孔９が設けられており、第２圧力通過孔９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９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Ｐａ２は、外部の圧力Ｐａと略同じとなる（Ｐａ２≒Ｐａ）。

すなわち、圧力伝達媒体は、第２圧力通過孔９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１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２キャビティ７）を設けていることを特徴とする。第２キャビティ７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２キャビティ７の一部に第２圧力通過孔９が設けられているため、第２キャビティ７に囲まれた第２圧力室の内部の圧力Ｐａ２は、外部の圧力Ｐａ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、第１キャビティ６の形と第２キャビティ７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２キャビティ７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１キャビティ６の材質と第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１キャビティ６の形と第２キャビティ７の形および材質が略等しい場合、第１キャビティ６と第２キャビティ７とを回路基板３を挟んで対称に配置することにより、第１圧力室の内部の温度Ｔｃと第２圧力室の内部の温度Ｔａ２を略等しくすることができる（Ｔｃ≒Ｔａ２）。すなわち、外部の温度Ｔａが変化しても、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。

第１キャビティ６および／または第２キャビティ７は、可視光・近赤外線・遠赤外線などに対し遮光性を有する材質から構成されていてもよい。第１キャビティ６および／または第２キャビティ７は、熱伝導率の低いプラスチックなどの材質から構成されていてもよい。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。

第１キャビティ６および／または第２キャビティ７は、音を遮音する材料・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。

（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、第１キャビティ６および第２キャビティ７の外部において、基板３のセンサ側の面に、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および第２キャビティ７の内部であってもよい。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（ａ）は、本発明の第３実施形態に係る圧力変化測定装置３１を示す構成図であり、図３（ｂ）は、本発明の第３実施形態に係る圧力変化測定装置３２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および３２では、第２圧力通過孔９を覆うように吸音材および／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３（ａ）に示す圧力変化測定装置３１では、吸音材および／または保温材１２が、第２キャビティ７の外側において第２圧力通過孔９を覆っている。また、図３（ｂ）に示す圧力変化測定装置３２では、吸音材および／または保温材１２が、第２キャビティ７の内側において第２圧力通過孔９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。

このような構成により、第３実施形態に係る圧力変化測定装置３１、３２では、第２圧力通過孔９を介した外部と第２圧力室内部との間の熱の伝導（放熱、伝熱）を低減することができる。また第２圧力通過孔９を通って外部から第２圧力室内部へ伝わる音ノイズ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、第２圧力通過孔９の形態が異なる点である。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、第２キャビティ７の左側に第２圧力通過孔９ａ、第２キャビティ７の右側に第２圧力通過孔９ｂが設けられている。このように、第２キャビティ７の左右に第２圧力通過孔９ａ、９ｂを設けることにより、第２キャビティ７の左側の外部と右側の外部で気圧差があったとしても、第２圧力室の内部の圧力Ｐａ２を、外部の圧力Ｐａに略近づけることができる（Ｐａ２≒Ｐａ）。

図４（ｂ）に示す圧力変化測定装置４２では、第２キャビティ７の下部の面にメッシュ状の第２圧力通過孔９ｃが設けられている。このような構成により、第２圧力室の内部の圧力Ｐａ２を、外部の圧力Ｐａに略近づけることができる（Ｐａ２≒Ｐａ）。

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に囲まれた第２圧力室の内部の圧力Ｐａ２を、外部の圧力Ｐａと略近づけることができるため、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、３２、４１、４２、５１ 圧力変化測定装置
２、５２ 配線
３、５３ 回路基板
４、５４ 開口部
５ センサ（カンチレバー）
６ 第１キャビティ
７ 第２キャビティ
８ 第１圧力通過孔
９、９ａ、９ｂ、９ｃ 第２圧力通過孔
１０、１１ 溝
１２ 吸音材・保温材
５５ センサ
５６ キャビティ
５７ 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キャビティの形（容量）と前記第２キャビティの形（容量）は略等しく、前記第１キャビティおよび前記第２キャビティは前記回路基板を挟んで対称に配置されている
   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キャビティの材質と前記第２キャビティの材質は略等しく、前記第１キャビティおよび前記第２キャビティは前記回路基板を挟んで対称に配置されている
   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. 前記第２キャビティは、遮光性を有し熱伝導率の低い材質からなる
   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圧力通過孔は、吸音材または保温材で覆われている
   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. 前記第２圧力通過孔は２つ以上設けられている
   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. 前記第２圧力通過孔は、前記第２キャビティの１面に設けられたメッシュ形状である
   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。

Images