JP7436218B2

JP7436218B2 - 圧力センサ

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Publication number: JP7436218B2
Application number: JP2020010740A
Authority: JP
Inventors: 祐希瀬戸; 里奈小笠原; 悠祐新村
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2020-01-27
Filing date: 2020-01-27
Publication date: 2024-02-21
Anticipated expiration: 2040-01-27
Also published as: JP2021117110A

Description

本発明は、流体等の圧力を検出するダイアフラムを用いた圧力センサ、特にサニタリー用圧力センサに関するものである。

ダイアフラムを用いた圧力センサ（以下、単に「圧力センサ」と称する。）は、測定対象である流体（以下、「被測定流体」と称する。）の圧力が、ダイアフラムおよび非圧縮性流体（例えばオイル）を介してセンシング部へと伝達され、または、ダイアフラムの機械的変位がセンシング部へと伝達されたのち、当該センシング部から出力される電気信号（例えば、電圧信号）の形で検出されるように構成されている。当該構成の圧力センサは、様々な分野の製造装置等に用いられるため、高温の流体を測定する環境下で使用されることも少なくない。このため、高温の被測定流体に接するダイアフラムとセンシング部とを離間する構造や、ガラス等の断熱部材を用いて熱的に絶縁する構造（熱的に隔離する構造）をもつ圧力センサが提案されている。

例えば、特許文献１には、接液ダイアフラム（１１３）が設けられた接液ボディ（１１１）と圧力センサが設けられた圧力カプセルユニット（１）とが、連通管（１２）を介在させる形で互いに離間した構造の差圧測定装置が記載されている。この差圧測定装置においては、被測定流体の圧力が、連通管（１２）の内部に封入された非圧縮性流体（オイル等）を介して、接液ダイアフラムから圧力センサへと伝達されるように構成されている。

また、特許文献２には、高温のプロセス流体（被測定流体）が接する隔離ダイアフラムアセンブリ（３５６）と圧力センサ（３５８）が配設された送信機（３５０）とが、充填流体導管（３３４）を介在させる形で互いに離間した構造の送信機（３５０）が記載されている。この送信機（３５０）においては、特許文献１に記載の差圧測定装置と略同様に、被測定流体の圧力が、充填流体導管（３３４）の内部に封入された充填流体を介して、隔離ダイアフラムアセンブリ（３５６）から圧力センサ（３５８）へと伝達されるよう構成されている。

さらに、特許文献３には、熱伝導率の小さなガラスからなる３つの支持部材（２ａ、２ｂ，２ｃ）を通じてダイアフラム（３）とセンシング部（半導体チップ１）とを熱的に分離する構造のサニタリー用圧力センサ（１００）が記載されている。このサニタリー用圧力センサにおいては、衛生面への配慮から、上記特許文献１および特許文献２の装置と異なり、ダイアフラムとセンシング部との間に非圧縮性流体（オイル等）を介在させない構造、いわゆるオイルフリー構造を採用している。このため、このサニタリー用圧力センサにおいては、被測定流体の圧力を受けて変形するダイアフラムの変位量から圧力を検出するように構成されている。具体的には、ダイアフラムが被測定流体の圧力を受けて変形すると、この変形が３つの支持部材（２ａ、２ｂ，２ｃ）を通じて効率的にセンシング部（半導体チップ１）に伝えられるように構成されている（より具体的には、半導体チップ１が、支持面３Ｂに直接設けられている場合に比べて大きく歪むように構成されている）。

ここで、圧力センサまたはこれを備える装置に対しては、所望の測定精度が得られるように、製品出荷の際に圧力センサまたは装置全体を均熱化した状態でキャリブレーションを行うのが一般的である。このため、使用中に圧力センサまたは装置の各部に温度差が生じると（例えば、ダイアフラムとセンシング部との間に温度差が生じると）、上記出荷時のキャリブレーションに基づいた入力値（すなわち、被測定流体の圧力値）と出力値（すなわち、センシング部から出力される電気信号の値）との相関関係にズレが生じる（例えばゼロ点シフトが生じる）。このため、上記特許文献１に記載の差圧測定装置および特許文献２に記載の送信機では、異なる部位に複数の温度センサを配設し、これら温度センサによって検出された各所の温度を用いて圧力センサを温度補償する（ゼロ点シフト等を是正する）ように構成されている。例えば、特許文献１に記載の差圧測定装置においては、圧力カプセルユニット（１）に取り付けられた受圧カプセル温度センサによって検出された温度と接液ボディ（１１１）に取り付けられた接液温度センサ（１３）によって検出された温度とに基づいて、上記圧力センサの温度補償が行われるように構成されている。また、特許文献２に記載の送信機（３５０）においては、圧力センサ（３５８）およびその他の部位に固定された複数の温度センサ（３７２、３８０、３８２、３８４、３８６）によって検出された複数の温度を用いて圧力センサ（３５８）の温度補償が行われるように構成されている。

特開平９－２２９８００号公報特許第４９６４１３１号公報特開２０１７－１２０２１４号公報

ところで、使用中（作動中）にダイアフラムが高温の被測定流体に直接さらされる圧力センサにおいては、ダイアフラムおよびこれを支持・固定するハウジングに大きな熱エネルギが入力し（以下、この事象を「熱衝撃」と称する。）、これら部位に温度分布が生じる。この熱衝撃に起因した温度分布は、被測定流体の圧力とは無関係にダイアフラムを変形させる（以下、この熱衝撃に起因した変形を、「熱変形」または「熱衝撃変形」と称することがある。）。このダイアフラムの熱衝撃変形は、被測定流体の圧力に依存しない出力変動を圧力センサにもたらし、測定誤差を生じさせる。当該熱衝撃による出力変動は、特許文献３に記載のサニタリー用圧力センサのような、ダイアフラムの変形（機械的変位）から圧力を検出するように構成されたオイルフリー構造の圧力センサにおいて特に顕著に現れる。また、当該事象は、衛生管理に関する法規制の厳格化が図られている現状において、早急に解消しなければならない技術課題の１つである。

しかしながら、特許文献１に記載の差圧測定装置、特許文献２に記載の送信機および特許文献３に記載のサニタリー用圧力センサにおいては、一部でセンシング部の温度特性に関する温度補償を行っているものの、ダイアフラムの熱衝撃に起因した出力変動を抑制して測定誤差を是正する手段が備わっていない。このため、これら特許文献に記載の装置または圧力センサにおいては、上記出力変動を抑制することが依然として課題となっている。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ダイアフラムの熱衝撃に起因した出力変動を抑制することで測定精度の高い圧力センサ、特に、オイルフリー構造を採用するサニタリー用圧力センサを提供することにある。

上記課題を解決するための本発明に係る圧力センサ（１）は、被測定流体の圧力を受ける第１主面（接液面１１）およびこの第１主面の反対側に位置する第２主面（センサ保持面１２）を有するダイアフラム（１０）と、前記ダイアフラムの外周縁（１０ａ）を支持するハウジング（２０）と、前記第２主面に配設され、前記ダイアフラムの変形を検出してこの変形の大きさに応じて変化する第１の値（変形電圧値Ｖｒ）を出力するセンシング部（３０）と、前記１主面および前記第２主面の少なくとも一つの面に配設された温度センサ（温度測定部４０）と、前記温度センサが検出する第２の値（ダイアフラム１０の温度Ｔ１０）を用いて前記第１の値を補正する補正部（５０）と、を備えることを特徴とする。

上記圧力センサにおいて、前記センシング部が、前記ダイアフラムとの間で熱的に絶縁された状態で前記第２主面に固定されるように構成してもよい。

また、上記圧力センサにおいて、前記温度センサが、前記第２主面の外周縁部に配設されるように構成してもよい。

さらに、上記圧力センサにおいて、前記補正部が、前記第２の値を用いて前記ダイアフラムの熱変形に起因する前記センシング部からの出力の変動分を第３の値（熱衝撃変形電圧値Ｖｈ）として算出するように構成された出力変動値算出部（５１）と、この第３の値を用いて前記第１の値を補正するように構成された出力値補正部（５２）とを備えるように構成してもよい。

また、上記圧力センサにおいて、前記出力値補正部が、前記第２の値に前記定数を乗じることで前記第３の値を算出するように構成してもよい。

さらに、上記圧力センサにおいて、前記定数が、複数の温度領域ごとに定められるように構成してもよい。

また、上記圧力センサにおいて、前記出力変動値算出部が、前記複数の温度領域から前記第２の値に対応する温度領域を選択し、この温度領域に対応する前記定数に基づいて前記第３の値を算出するように構成してもよい。

さらに、上記圧力センサにおいて、前記センシング部が、非圧縮性流体を介さずに前記変形を検出するように構成してもよい。

なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の参照符号を括弧付きで記載している。

本発明によれば、ダイアフラムの熱衝撃に起因した出力変動が抑制されることで測定精度の高い圧力センサ、特に、オイルフリー構造を採用する高精度なサニタリー用圧力センサを提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る圧力センサの断面図である。図２は、本発明の実施の形態に係る圧力センサおよびこれと接続する配管との接続構造を示す断面図である。図３は、本発明の実施の形態に係る圧力センサの構成を示す機能的ブロック図である。図４は、本発明の実施の形態に係る圧力センサが備えるハードウェア資源の構成を示す図である。図５は、本発明の実施の形態に係る圧力センサの一部を構成するセンシング部が含むひずみゲージを示す回路図である。図６は、熱衝撃が加わった際の圧力センサ各所の温度の時間応答を示す図である。図７は、本発明の実施の形態に係る圧力センサを用いて補正圧力値を算出する過程を示すフロー図である。図８は、熱衝撃が加わった際のセンシング部から出力される電圧値の時間応答を、本発明の実施の形態に係る圧力センサと従来技術に係る圧力センサとで比較した図である。図９は、補正電圧値を算出するために用いられる定数を確定する方法を示す概要図である。図１０は、本発明の実施の形態に係る圧力センサを用いて補正圧力値を算出する過程を示すフロー図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図１ないし図１０に基づいて説明する。なお、説明文中の左右方向、前後方向および上下方向は、図１に示されたＸ、ＹおよびＺ軸に沿った方向、もしくは図２に示された圧力センサ１または配管Ｈの紙面に対する奥行き方向、上下方向および左右方向としてそれぞれ定義する。なお、各図は概念図であって、それぞれに示された内容は、実際の圧力センサと必ずしも一致するものではない。

〔圧力センサの構成〕
はじめに、圧力センサ１の構成を、図１および図３に基づいて説明する。この圧力センサ１は、図１に示すように、被測定流体Ｆの圧力Ｐを受圧して変形する（たわむ）ダイアフラム１０と、このダイアフラム１０の外周縁１０ａに接続してこれを支持するハウジング２０と、ダイアフラム１０の変形量に応じて変化する所定の電気的数値（例えば、電圧値。この電気的数値は、特許請求の範囲に記載の「第１の値」に相当する。）を出力するセンシング部３０と、ダイアフラム１０の温度（このダイアフラム１０の温度は、特許請求の範囲に記載の「第２の値」に相当する。）を測定する温度測定部４０とを備えている。また、圧力センサ１は、図３に示すように、演算処理部として、補正部５０と圧力算出部６０とから構成された制御部７０をさらに備えている。

[ダイアフラム１０]
ダイアフラム１０は、被測定流体Ｆから圧力Ｐを受けて変形する薄膜状の要素であって、図１に示すように、円板状の薄板部材として形成されている。ダイアフラム１０は、その外周縁１０ａが、ハウジング２０の内側、より具体的には、後述するハウジング２０の開口部２１を画成する内周側壁面２１ａと、例えば溶接によって接合されている。これにより、ダイアフラム１０は、図２に示すように、ハウジング２０の内側に形成された空間（後述する空間２０Ｖ）と、被測定流体Ｆが流出入する配管Ｈの内部空間ＨＶとを隔絶する薄膜状の隔壁を形成している。

ダイアフラム１０の下面は、被測定流体Ｆと接して圧力Ｐを受ける接液面１１（この接液面１１は、特許請求の範囲に記載の「第１主面」に相当する。）を形成し、また、ダイアフラム１０の上面は、センシング部３０が配設されるセンサ保持面１２（このセンサ保持面１２は、特許請求の範囲に記載の「第２主面」に相当する。）を形成している。センサ保持面１２は、例えば、大気圧を受ける受圧面としても機能する。

[ハウジング２０]
ハウジング２０は、図１に示すように、内側に開口部２１が開口する略円筒状のケーシング要素であって、ダイアフラム１０と同様に耐食性の高い材料、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、チタンまたはセラミックスから形成されている。ハウジング２０は、図１および図２に示すように、その下部に、配管Ｈのフェルールフランジ部Ｈｆと接合するフェルールフランジ部２０ｆが、半径方向外側に向かって突出するように設けられている。圧力センサ１と配管Ｈとは、例えば、互いに重なり合うフェルールフランジ部２０ｆとフェルールフランジ部ＨｆとがクランプＣによって上下方向に挟持される構造（いわゆる、フェルール継手構造）により、互いが連結している。

開口部２１の内周側壁面２１ａは、上述したように、その下部でダイアフラム１０の外周縁１０ａと接合し、ダイアフラム１０（より具体的には、ダイアフラム１０のセンサ保持面１２）と共に円柱状の空間２０Ｖを形成している。この空間２０Ｖは、被測定流体Ｆが流出入する配管Ｈの内部空間ＨＶと隔絶されており、例えば大気と連通している。空間２０Ｖの内側には後述するセンシング部３０が配置されている。

[センシング部３０]
センシング部３０は、ダイアフラム１０の上記変形を検出し、その大きさ（変形量）に応じて数値が変化する電圧信号（この電圧信号の数値は、特許請求の範囲に記載の「第１の値」に相当する。）を時系列的に逐次出力する機能部である。この電圧信号の数値を、以下、「変形電圧値Ｖｒ」と称することとする。

センシング部３０は、例えば図１に示すように、ダイアフラム１０のセンサ保持面１２に立設された支持部材３１と、この支持部材３１を通じて所定の位置に固定された半導体チップ３２とから構成されている。

支持部材３１は、例えばガラス（具体的には、ホウケイ酸ガラス（パイレックス、登録商標））のような熱絶縁材料から形成されている。これにより、半導体チップ３２が、ダイアフラム１０との間で熱的に絶縁された状態（断熱状態）で所定の位置に固定されることとなる。支持部材３１は、図２に示すように、３本の構造体３１ａ、３１ｂ、３１ｃから構成されている。これら構造体３１ａ、３１ｂ、３１ｃは、いずれも角柱状の同一形状を呈している。

半導体チップ３２は、例えば平面視多角形状に形成され、Ｓｉ等の半導体材料から成る基板Ｂと、この基板Ｂの上に配設されたひずみゲージ３２ａとから構成されている。

ひずみゲージ３２ａは、図５に示すように、例えば４つの抵抗（例えば拡散抵抗）Ｒ１～Ｒ４を備えたホイートストンブリッジ回路から構成され、ダイアフラム１０の変形を、以下のようにして変形電圧値Ｖｒの形で検出する。すなわち、ダイアフラム１０が変形すると、支持部材３１（具体的には、構造体３１ａ、３１ｂ、３１ｃ）を介してその表面（センサ保持面１２）に固設された抵抗素子Ｒ１ないしＲ４の長さが変形（伸縮）して、その抵抗値Ｒが増減する。この抵抗値Ｒの変化を、一定の電流Ｉが流れた上記ホイートストンブリッジ回路を用いて、互いが並列に接続された２組の抵抗対（抵抗素子Ｒ１と抵抗素子Ｒ２とからなる抵抗対および抵抗素子Ｒ３と抵抗素子Ｒ４とからなる抵抗対）の接点間（接点Ａと接点Ｂとの間）における電圧値（変形電圧値Ｖｒ）の変化として検出する。

なお、センシング部３０が配設される位置、換言すれば、支持部材３１が立設される位置は、ダイアフラム１０（センサ保持面１２）が最も大きく変形する領域（以下、この部分を、「変形領域」と称することがある。）の内側にあることが好ましい。ここで、上記構成のダイアフラム１０において、被測定流体Ｆの圧力Ｐを受けたときに最も大きく変形する部分は、中央部である。このため、センシング部３０がダイアフラム１０（センサ保持面１２）の中央部に固定されるよう、例えば構造体３１ａ、３１ｂ、３１ｃのうちの１本（構造体３１ｂ）が当該中央部に配設され、残りの２本（構造体３１ａ、３１ｃ）が当該中央部に対して略点対称となる位置に配設されている。

[温度測定部４０]
温度測定部４０は、接液面１１およびセンサ保持面１２の少なくとも一面に貼設された１つの熱電対４１から構成されている。この熱電対４１を通じて、ダイアフラム１０の所定の位置における温度Ｔ１０が時系列的に逐次測定される。

上記所定の位置は、一例として、被測定流体Ｆの圧力Ｐが印加された状態においてダイアフラム１０が最も大きく変形する領域、すなわち、センシング部３０が配設されている変形領域の内側にある。これにより、センシング部３０が検出する変形領域の温度を測定することができる。

また、上記所定の位置は、別の例として、変形領域の外側、すなわち、ダイアフラム１０の外周縁１０ａの近傍にある。これにより、熱電対４１を設けたことによるダイアフラム１０の変形への影響（変形を阻害する影響）を小さく抑えることができる。ここで、薄板部材からなることでその熱容量が小さな仕様のダイアフラムにおいては、温度分布が殆ど生じない。このため、当該仕様のダイアフラムにおいては、外周縁１０ａの近傍に熱電対４１を配設することが望ましい。

[補正部５０]
制御部７０を構成する補正部５０は、センシング部３０を通じて検出されたダイアフラム１０の変形量に応じた変形電圧値Ｖｒと、温度測定部４０を通じて測定されたダイアフラム１０の温度Ｔ１０とから、熱衝撃に起因した出力変動が除去された補正電圧値Ｖｃを算出する演算部である。本実施の形態の補正部５０は、例えば図３に示すように、出力変動値算出部５１と出力値補正部５２とから構成されている。

出力変動値算出部５１は、温度測定部４０を通じて測定されたダイアフラム１０の温度Ｔ１０と後述する比例定数ａとを用いて、熱衝撃に起因した出力変動に相当する電圧値（以下、この電圧値を「熱衝撃変形電圧値Ｖｈ」と称する。この熱衝撃変形電圧値Ｖｈは、特許請求の範囲に記載の「第３の値」に相当する。）を算出する演算部である。出力変動値算出部５１は、温度測定部４０と電気的に接続されており、この温度測定部４０から出力される信号ＳＴ１０を受信することで、温度Ｔ１０に関する情報を取得する。

出力値補正部５２は、熱衝撃変形電圧値Ｖｈと変形電圧値Ｖｒとから、熱衝撃に起因した出力変動が除去された補正電圧値Ｖｃを求める演算部である。出力値補正部５２は、センシング部３０と電気的に接続されており、このセンシング部３０から出力される信号ＳＶｒを受信することで、変形電圧値Ｖｒに関する情報を取得する。

[圧力算出部６０]
制御部７０を構成する圧力算出部６０は、補正部５０によって補正された補正電圧値Ｖｃに対応する補正圧力Ｐｃを、例えば所定の較正曲線を用いて時系列的に算出する演算部である。較正曲線に関するデータは、例えば後述する記憶装置７２に記憶・保存されている。

[制御部７０]
出力変動値算出部５１および出力値補正部５２からなる補正部５０と圧力算出部６０とから構成される制御部７０は、例えば図４に示すように、ＣＰＵ７１、メモリ等の記憶装置７２、インターフェース７３およびバス７４といったハードウェア資源を備える。当該ハードウェア資源は、ハウジング２０と物理的に離間した位置に配設されている。補正部５０および圧力算出部６０における各演算は、上記ハードウェア資源と記憶装置７２内に記憶された所定の演算プログラムとが協働することによって実行される。

〔第１の補正方法〕
次に、本実施の形態に係る圧力センサ１において、熱衝撃に起因した出力変動を抑制するために実施される第１の補正方法について、図６および図７に基づいて説明する。以下の説明では、便宜上、装置の清浄性を保つために定期的に実施される蒸気洗浄によって圧力センサ１に熱衝撃が加えられた場面を想定して説明する。ただし、この補正方法は、蒸気洗浄時に限って適用されるわけではなく、例えば、通常動作時において生じ得る被測定流体Ｆの温度変化に起因した出力変動に対しても適用することができる。

[補正の原理]
まず、補正の原理、具体的には、熱衝撃に起因した出力変動（熱衝撃変形電圧値Ｖｈ）の算出に関する基本的な考え方を説明する。

本実施の形態に係る圧力センサ１およびこれを備える装置において、清浄性を保持するために定期的に行われる蒸気洗浄が実施されると、配管Ｈ内へ高温・高圧の蒸気が導入されることとなる。このとき、接液面１１を通じて熱衝撃を受けるダイアフラム１０は、図６中の線図６Ａ（実線）で示すように、その温度Ｔ１０が急激に上昇する。ここで、図６の縦軸は温度[℃]であり、同横軸は時間[ｓｅｃ]である。

ここで、金属材料等からなる部材の熱変形の程度（熱変形量）は、一般的に温度に比例し、材料の熱膨張率（線膨張率）が温度に依存しない場合には、熱変形量は温度の一次関数として表すことができる。このため、当該場合においては、熱衝撃を受けたダイアフラム１０は、その温度Ｔ１０の増減に対して一定の割合で変化する熱衝撃変形を伴って変形し、センシング部３０は、この熱衝撃変形を含むダイアフラム１０の変形を検出して変形電圧値Ｖｒを出力することになると解することができる。

ところで、上記理解のもとでは、変形電圧値Ｖｒを出力するセンシング部３０が、例えば自身の温度Ｔ３０に基づいてその温度特性を補償するように構成されている場合、温度補償だけでなく熱衝撃に起因した出力変動を抑制するための補正に対しても、当該温度Ｔ３０を用いることができる。

しかしながら、ダイアフラム１０とセンシング部３０とは、互いに近接しつつも、異なる材料からなり、また、本実施の形態においては、互いの間に熱伝導率の小さなガラスからなる支持部材３１が介在している。このため、蒸気洗浄による熱衝撃を受けた際のダイアフラム１０の温度Ｔ１０とセンシング部３０の温度Ｔ３０とは、必ずしも一致しない。事実、本実施の形態においては、センシング部３０の温度Ｔ３０が、図６中の線図６Ｂ（破線）で示すように、ダイアフラム１０の温度Ｔ１０に遅れて徐々に上昇していく。このため、センシング部３０の温度Ｔ３０に基づいて上記出力変動を抑制するための補正を行った場合、上記タイムラグに起因した誤差（ドリフト）が生じることとなる。

そこで、本発明者等は、熱衝撃に起因した出力変動を抑制するための補正を実施するにあたり、変形する側の機械要素であるダイアフラム１０の温度Ｔ１０を用いることが有用との考えに至った。具体的には、ダイアフラム１０の熱衝撃変形量の大きさ（熱衝撃変形量）がその温度Ｔ１０の一次関数として表すことができるとした場合、換言すれば、ダイアフラム１０の熱膨張率（線膨張率）が温度に依存することなく一定であるとした場合、上記熱衝撃変形量に対応する熱衝撃変形電圧値Ｖｈは、ダイアフラム１０の温度Ｔ１０の一次関数として表すことができるとの考えに至った。当該理解によれば、熱衝撃変形電圧値Ｖｈは、関係式Ｖｈ＝ａ×Ｔ１０（ａは特許請求の範囲に記載の「定数」に相当する。以下、左記関係式を「関係式α」と称する。）から算出できることとなる。

比例定数ａは、例えば以下のようにして確定することができる。すなわち、ダイアフラム１０の温度Ｔ１０が異なる２つの事象において、被測定流体Ｆが非接触であるときの変形電圧値Ｖｒ´を測定することで比例定数ａを算出することができる。例えば、第１の事象に係る温度Ｔ１０_１および変形電圧値Ｖｒ´_１と、第２の事象に係る温度Ｔ１０_２および変形電圧値Ｖｒ´_２とが定まれば、関係式ａ＝δＶｒ´／δＴ１０＝（Ｖｒ´_２－Ｖｒ´_１）／（Ｔ１０_２－Ｔ１０_１）（以下、「関係式β」と称する。）から比例定数ａを算出することができる。ここで、第１の事象に係る温度Ｔ１０_１および変形電圧値Ｖｒ´_１と第２の事象に係る温度Ｔ１０_２および変形電圧値Ｖｒ´_２とは、例えば製品出荷前の検査工程等において測定することができる。これら測定値を上記関係式に代入することで比例定数ａが算出され、これを記憶装置７２に記憶・保存しておくことで、熱衝撃変形電圧値Ｖｈを算出する際に用いる比例定数ａを確定することができる。

[補正プロセス]
次に、熱衝撃変形を補正するプロセスを、図７に基づいて説明する。この補正プロセスは、ステップＳ１０ないしＳ６０によって実行される。ここで、ステップＳ１０およびＳ２０は、並列的に実行され、ステップＳ３０ないしＳ６０は、これらステップＳ１０およびＳ２０に続いて順次実行されるように構成されている。

まず、圧力センサ１を構成するセンシング部３０によって、ダイアフラム１０の変形に対応する変形電圧値Ｖｒを検出する（ステップＳ１０）。この変形電圧値Ｖｒは、上述したように、信号ＳＶｒの形で温度測定部４０から補正部５０、より具体的には、補正部５０の一部を構成する出力値補正部５２へと送信される。

ここで、ダイアフラム１０の変形は、被測定流体Ｆの圧力Ｐに起因した変形と熱衝撃変形とを含んでいる。このため、ダイアフラム１０の変形に対応する変形電圧値Ｖｒは、流体Ｆの圧力Ｐに起因した出力成分（以下、「流体圧力電圧値Ｖｐ」と称する。）と熱衝撃変形に起因した出力成分（熱衝撃変形電圧値Ｖｈに相当）との合算値（Ｖｒ＝Ｖｐ＋Ｖｈ）となる。

ステップＳ１０と並行して、圧力センサ１を構成する温度測定部４０を通じて、ダイアフラム１０の温度Ｔ１０を測定する（ステップＳ２０）。この温度Ｔ１０に関する情報は、上述したように、信号ＳＴ１０の形で温度測定部４０から補正部５０、より具体的には、補正部５０の一部を構成する出力変動値算出部５１へと送信される。

つづいて、ダイアフラム１０の温度Ｔ１０に関する情報を受信した補正部５０、より具体的には、補正部５０の一部を構成する出力変動値算出部５１において、熱衝撃変形電圧値Ｖｈが算出される（ステップＳ３０）。熱衝撃変形電圧値Ｖｈは、上述したように、上記関係式α、すなわち、Ｖｈ＝ａ×Ｔ１０から近似的に算出される。比例定数ａには、上記方法によって確定された値が用いられる。

ステップＳ３０を通じて熱衝撃変形電圧値Ｖｈが算出されると、補正部５０、より具体的には、補正部５０の一部を構成する出力値補正部５２において、この熱衝撃変形電圧値ＶｈとステップＳ１０によって検出された変形電圧値Ｖｒとを用いて、関係式Ｖｃ＝Ｖｒ―Ｖｈから熱衝撃に起因した出力変動が除去された補正電圧値Ｖｃが算出される（ステップＳ４０）。

ステップＳ４０を通じて補正電圧値Ｖｃが算出されると、圧力算出部６０において、補正電圧値Ｖｃに対応する補正圧力値Ｐｃが算出される（ステップＳ５０）。補正圧力値Ｐｃは、例えば圧力センサ１の製品特性、より具体的には、センシング部３０を構成する半導体チップ３２の製品特性である電圧値および圧力に関する較正曲線を用いて算出される。較正曲線に関するデータは、上述したように、例えば記憶装置７２に記憶・保存されている。

以上のステップＳ１０ないしステップＳ５０は、圧力センサ１が備え付けられた装置が停止するまで繰り返され、装置が停止することによって終了する（ステップＳ６０）。ステップＳ１０ないしステップＳ５０は、極短い周期で繰り返され、これにより、略リアルタイムで補正電圧値Ｖｃが算出されることとなる。

〔第１の補正方法の効果〕
本実施の形態に係る圧力センサ１によれば、図８に示すように、蒸気洗浄時の熱衝撃に起因した出力変動を略全て除去することができる。ここで、図８は、センシング部３０からの出力される電圧値（変形電圧値Ｖｒ）に含まれる出力変動の時間応答を示した図であり、縦軸は、熱衝撃に起因した出力変動を表し、横軸は時間を表す。図中の線図８Ａ（実線）は、補正がないときの出力変動を示し、同線図８Ｃ（一点鎖線）は、ダイアフラム１０の温度Ｔ１０を用いて補正した本実施の形態に係る圧力センサ１における出力変動を示す。同線図８Ｂ（破線）は、関係式α中のＴ１０に代えてセンシング部３０の温度Ｔ３０を用いて補正したときの出力変動を示す。線図８Ｂと線図８Ｃとを比較すると、線図８Ｃにおいては、上述したように、出力変動が略全て除去されているが、線図８Ｂにおいては、ダイアフラム１０の温度Ｔ１０とセンシング部３０の温度Ｔ３０との間のタイムラグに起因して十分に出力変動が除去されずに残存していることが解る。

このように、第１の補正方法を用いた本実施の形態に係る圧力センサ１によれば、ダイアフラム１０に温度測定部４０を配設し、また、補正部５０を構成する各種演算処理プログラムを既存の制御装置等に付加するだけの簡易かつ単純な構造・構成によって、熱衝撃に起因した出力変動（熱衝撃変形電圧値Ｖｈ）を効果的に除去することができる。これによって、例え熱衝撃等が印加される使用環境にあっても、常に高い精度で流体圧力の測定が可能な圧力センサ１を提供することができる。

〔第２の補正方法〕
次に、第２の補正方法を、図９および図１０に基づいて説明する。この第２の補正方法は、ダイアフラム１０の熱膨張率（線膨張率）に温度依存性がある場合を想定したものであり、この関係で比例定数ａの確定方法が上記第１の補正方法と相違する。

[比例定数ａの確定手法]
第２の補正方法において用いられる比例定数ａは、以下のようにして算出される。すなわち、圧力センサ１の使用温度領域ＴＲを、所定の温度範囲ＴＷで所定の数ｎ（ｎ＞１）の領域に分割する。この分割された温度領域Ｓｋ（ｋ＝１、２、・・・ｎ）における温度Ｔ１０の最小値Ｔ１０-ｋ（ｋ＝１、２、・・・ｎ）およびこれに対応する変形電圧値Ｖｒ´ｋ（ｋ＝１、２、・・・ｎ）と、温度Ｔ１０の最大値Ｔ１０-ｋ＋１（ｋ＝１、２、・・・ｎ）およびこれに対応する変形電圧値Ｖｒ´ｋ＋１（ｋ＝１、２、・・・ｎ）をそれぞれ測定する。これら測定値を関係式βに代入して各温度領域Ｓｋの比例定数ａｋ（ｋ＝１、２、・・・ｎ）を算出する。
上記確定方法に関し、使用温度領域ＴＲが－５０℃から２５０℃、温度範囲ＴＷが５０℃および分割数ｎが６のときの概要を図９に示す。

これら算出された比例定数ａｋは、温度領域Ｓｋに関連付けられて（より具体的には、ダイアフラム１０の温度Ｔ１０の最小値Ｔ１０ｋと同温度Ｔ１０の最大値Ｔ１０ｋ＋１とに関連付けられて）、例えば記憶装置７２にデータＤとして記憶・保存される。

[補正プロセス]
図１０に、第２の補正方法における補正プロセスを示す。この補正プロセスは、以下に述べるステップＳ２５が新たに設けられた点が第１の補正方法における補正プロセスと相違し、その他は同一である。

ステップＳ２５では、従前のステップＳ２０で測定されたダイアフラム１０の温度Ｔ１０に関する情報に基づいて比例定数ａｋが確定される。すなわち、温度Ｔ１０に関する情報を受信した補正部５０、より具体的には、補正部５０の一部を構成する出力変動値算出部５１において、記憶装置７２に記憶・保存されているデータＤが読み出され、上記温度Ｔ１０が含まれる温度領域Ｓｋが認定される。さらに、この温度領域Ｓｋに対応する比例定数ａｋがデータＤの中から選択され、その値が確定される。

なお、ステップＳ２０を通じて測定されたダイアフラム１０の温度Ｔ１０が、隣り合う２つの温度領域Ｓｋ、Ｓｋ＋１／Ｓｋ－１、Ｓｋに含まれる（跨る）場合には、いずれか一方の分割領域に対応する比例定数ａｋを選択してもよいし、２つの分割領域に対応する２つの比例定数ａｋの平均値として確定してもよい。

ステップＳ２５に続くステップＳ３０では、第１の補正方法におけるプロセスと同様に、上記確定された比例定数ａｋと温度Ｔ１０とから熱衝撃電圧値Ｖｈが算出され、ステップＳ４０ないしステップＳ６０へとつづくことなる。

〔第２の補正方法の効果〕
第２の補正方法を用いた圧力センサ１は、上記データＤを記憶装置７２に記憶・保存しておく点で第１に補正方法を用いた圧力センサ１と異なるが、ハードウェア等の基本的な構造・構成は、双方で同一である。したがって、第２の補正方法を用いた圧力センサ１は、第１の補正方法を用いた圧力センサ１と同様に、簡易かつ単純な構造・構成によって、熱衝撃に起因した出力変動（熱衝撃変形電圧値Ｖｈ）を効果的に除去することができる。

また、第２の補正方法を用いた圧力センサ１によれば、ダイアフラム１０が熱膨張率（線膨張率）に温度依存性のある材料からなり、かつ温度変化の激しい環境下で圧力センサ１が使用される場合であっても、分割された温度領域Ｓｋごとに熱衝撃に起因した出力変動を適格に除去することができる。これにより、蒸気洗浄をはじめとする様々な使用環境下で圧力センサ１に熱衝撃が加わっても、その略全てのケースにおいて、熱衝撃に起因した出力変動を適格に除去し、当該出力変動によってもたらされる測定誤差を低減することができる。

以上、本発明に係る実施の形態を説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、明細書および図面に直接記載のない構成であっても、本発明の作用・効果を奏する以上、本発明の技術的思想の範囲内である。さらに、上記記載および各図で示した実施の形態は、その目的および構成等に矛盾がない限り、互いの記載内容を組み合わせることも可能であり、さらには既存の技術と組み合わせることもできる。

例えば、上記実施の形態においては、ダイアフラム変形による圧力検出手法（センシング原理）として、ひずみゲージ３２ａを含む半導体チップ３２（半導体ひずみゲージ式）を用いているが、これに限定されるわけではなく、例えば、静電容量式、金属歪みゲージ式、抵抗ゲージをスパッタ等により成膜した方式を用いた圧力検出手法（センシング原理）であってもよい。

また、センシング部３０を、自身の温度Ｔ３０、または自身の温度Ｔ３０とダイアフラム１０の温度Ｔ１０とに基づいて温度特性を補正する（温度補償する）ように構成してもよい。このとき、センシング部３０は、自身の温度Ｔ３０を測定するための温度センサ（例えば熱電対）を備えていてもよい。温度特性の補正（温度補償）は、例えば既知の方法を用いて行われる。

１…圧力センサ、１０…ダイアフラム、１１…接液面、１２…センサ保持面、２０…ハウジング、３０…センシング部、３１…支持部材、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ…構造体、３２…半導体チップ、４０…温度測定部、４１…熱電対、５０…補正部、５１…出力変動値算出部、５２…出力値補正部、６０…圧力算出部、７０…制御部、ａ…比例定数、Ｓｋ…温度領域。

Claims

被測定流体の圧力を受ける第１主面およびこの第１主面の反対側に位置する第２主面を有するダイアフラムと、
前記ダイアフラムの外周縁を支持するハウジングと、
前記第２主面に配設され、前記ダイアフラムの変形を検出してこの変形の大きさに応じて変化する第１の値を出力するセンシング部と、
前記１主面および前記第２主面の少なくとも一つの面に配設された温度センサと、
前記温度センサが検出する第２の値を用いて前記第１の値を補正する補正部と、
を備え、
前記センシング部は、前記ダイアフラムとの間で熱的に絶縁された状態で前記第２主面に固定されている圧力センサ。
請求項１に記載の圧力センサにおいて、
前記温度センサは、前記第２主面の外周縁部に配設されている圧力センサ。
請求項１または２に記載の圧力センサにおいて、
前記補正部は、前記第２の値を用いて前記ダイアフラムの熱変形に起因する前記センシング部からの出力の変動分を第３の値として算出するように構成された出力変動値算出部と、この第３の値を用いて前記第１の値を補正するように構成された出力値補正部とを備える圧力センサ。
請求項３に記載の圧力センサにおいて、
前記出力値補正部は、前記第２の値に定数を乗じることで前記第３の値を算出するように構成されている圧力センサ。
請求項４に記載の圧力センサにおいて、
前記定数は、複数の温度領域ごとに定められている圧力センサ。
請求項５に記載の圧力センサにおいて、
前記出力変動値算出部は、前記複数の温度領域から前記第２の値に対応する温度領域を選択し、この温度領域に対応する前記定数に基づいて前記第３の値を算出するように構成されている圧力センサ。
請求項１ないし６のいずれか１つに記載の圧力センサにおいて、
前記センシング部は、非圧縮性流体を介さずに前記変形を検出する構造である圧力センサ。