JP7396913B2

JP7396913B2 - 圧力測定装置

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Inventors: 智久徳田
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Description

本発明は、圧力測定装置に関する。

例えば、石油、石油化学、化学プラントなどにおいて、プロセス流体の流量、圧力、液位、比重などを測定するために、ピエゾ抵抗式の圧力センサによる圧力測定装置が用いられている（特許文献１参照）。ピエゾ抵抗式の圧力センサは、応答の線形性に優れているが、圧力の小さな領域における感度が低い。この種の圧力センサでは、感度の向上のためには、ダイアフラムをより薄くする対応がある。しかしながら、ダイアフラムを薄くすると、体圧が低下し、また、測定可能な圧力の上限値が低下するなどの問題が発生する。

一方、ピエゾ抵抗式に比べて５０倍以上のゲージファクターを有する歪検出素子が提案されている（特許文献２参照）。この素子は、歪みによって磁化が変化する検知磁性層および参照磁性層を備え、前記検知磁性層と前記参照磁性層とがバリア層を介してトンネル接合した磁気トンネル接合構造を持つものである（磁気トンネル接合素子）。

特許第５２２７７２９号公報特開２０１６－０１４５８１号公報

しかしながら、磁気トンネル接合素子を用いた圧力センサは、圧力値が小さい範囲において、高い感度を有するが、自身の検知範囲外の圧力は、応答の線形性がくずれ、精度よく圧力測定ができないという問題がある。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、圧力の小さい範囲で良好な感度で測定できるともに、より広い圧力範囲で精度よく測定ができるようにすることを目的とする。

本発明に係る圧力測定装置は、圧力センサおよび圧力算出部を備え、圧力センサは、ダイアフラム層と、ダイアフラム層に形成された受圧領域と、受圧領域の外周部のダイアフラム層に設けられ、ピエゾ抵抗効果により受圧領域の歪みを測定するピエゾ歪素子から構成されたピエゾ歪測定部と、ダイアフラム層の受圧領域に設けられ、歪みによって磁化が変化する材料から構成されて受圧領域の歪みを測定する磁気歪素子から構成された磁気歪測定部とを有し、圧力算出部は、ピエゾ歪測定部の測定結果より受圧領域が受けた圧力値を求めるように構成された第１算出機能部と、磁気歪測定部の測定結果より受圧領域が受けた圧力値を求めるように構成された第２算出機能部と、第１算出機能部が求めた圧力値が、設定されている閾値を超えるまでは、第２算出機能部が求めた圧力値を出力し、第１算出機能部が求めた圧力値が、閾値を超えると、第１算出機能部が求めた圧力値を出力するように構成された切替機能部とを有する。

上記圧力測定装置において、ピエゾ歪測定部および磁気歪測定部は、受圧領域の、発生する応力がピークとなる位置に配置されている。

上記圧力測定装置の一構成例において、ピエゾ歪測定部は、受圧領域のピエゾ効果が発生する箇所に配置されている。

上記圧力測定装置の一構成例において、ピエゾ歪測定部は、第１ブリッジ回路を構成する第１ピエゾ歪素子、第２ピエゾ歪素子、第３ピエゾ歪素子、および第４ピエゾ歪素子から構成され、磁気歪測定部は、第２ブリッジ回路を構成する第１磁気歪素子、第２磁気歪素子、第３磁気歪素子、第４磁気歪素子から構成され、磁気歪測定部は、ピエゾ歪測定部とは異なる箇所に配置されている。

上記圧力測定装置の一構成例において、受圧領域は、平面視で円形とされている。

上記圧力測定装置の一構成例において、受圧領域は、平面視で正方形とされている。

以上説明したように、本発明によれば、ダイアフラム層の受圧領域に、ピエゾ歪測定部と磁気歪測定部とを設けるようにしたので、より広い圧力範囲で精度よく測定ができる。

図１Ａは、本発明の実施の形態１に係る圧力測定装置の構成を示す平面図である。図１Ｂは、本発明の実施の形態１に係る圧力測定装置の構成を示す断面図である。図２Ａは、本発明の実施の形態２に係る圧力測定装置の構成を示す平面図である。図２Ｂは、本発明の実施の形態２に係る圧力測定装置の構成を示す断面図である。図３は、本発明の実施の形態３に係る他の圧力測定装置の一部構成を示す平面図である。図４は、本発明の実施の形態に係る圧力測定装置のハードウエア構成を示す構成図である。

以下、本発明の実施の形態に係る圧力測定装置について説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１に係る圧力測定装置について、図１Ａ、図１Ｂを参照して説明する。

この圧力測定装置は、圧力センサ１００と圧力算出部１０５とを備える。圧力センサ１００は、ダイアフラム層１０１と、ダイアフラム層１０１に形成された受圧領域１０２とを備える。受圧領域１０２は、例えば、平面視で円形とされている。受圧領域１０２は、ダイアフラム層１０１の一部の領域であり、例えば、ダイアフラム層１０１の平面の法線方向に、撓む（変形する）ことが可能とされている。なお、受圧領域１０２は、平面視の形状を正方形などの多角形とすることもできる。ダイアフラム層１０１は、例えば、基台１１１の上に形成されている。基台１１１には、厚さ方向に基台１１１を貫通する貫通孔１１２が形成されている。基台１１１は、例えば、単結晶シリコンから構成することができる。この場合、受圧領域１０２は、貫通孔１１２の空間により規定される、ダイアフラム層１０１の一部の領域である。

また、圧力センサ１００は、受圧領域１０２の外周部のダイアフラム層１０１に、第１ピエゾ歪素子１０３ａ、第２ピエゾ歪素子１０３ｂ、第３ピエゾ歪素子１０３ｃ、第４ピエゾ歪素子１０３ｄを備える。第１ピエゾ歪素子１０３ａ、第２ピエゾ歪素子１０３ｂ、第３ピエゾ歪素子１０３ｃ、第４ピエゾ歪素子１０３ｄの各々は、ピエゾ抵抗効果により受圧領域１０２の歪みを測定するピエゾ歪測定部となる。ピエゾ歪素子は、受圧領域１０２の、発生する応力がピークとなる位置に配置することができる。また、ピエゾ歪素子は、受圧領域１０２のピエゾ効果が発生する箇所に配置される。

例えば、ダイアフラム層１０１は、主表面を（１００）面とした単結晶シリコンから構成されている。また、単結晶シリコンから構成されているダイアフラム層１０１の所定の箇所に、ｐ型不純物であるホウ素（Ｂ）が導入されたｐ型の領域から構成されるピエゾ抵抗領域により、ピエゾ歪素子が構成できる。

この例では、４つの第１ピエゾ歪素子１０３ａ、第２ピエゾ歪素子１０３ｂ、第３ピエゾ歪素子１０３ｃ、第４ピエゾ歪素子１０３ｄは、受圧領域１０２の周方向に等間隔で配置されている。また、第１ピエゾ歪素子１０３ａと第３ピエゾ歪素子１０３ｃとを結ぶ第１直線と、第２ピエゾ歪素子１０３ｂと第４ピエゾ歪素子１０３ｄとを結ぶ第２直線とは、互いに直交する。第１直線および第２直線は、ダイアフラム層１０１を構成している主表面を（１００）面とした単結晶シリコンの１１０方向とされている。

第１ピエゾ歪素子１０３ａ、第３ピエゾ歪素子１０３ｃは、平面視の形状が、単結晶シリコンの１１０方向に長手方向が延在する長方形に形成され、受圧領域１０２の撓みによって発生する歪みを測定する。この例では、第１ピエゾ歪素子１０３ａ、第３ピエゾ歪素子１０３ｃの平面視の形状は、各々の長手方向の軸が、受圧領域１０２の中心から径方向に向かう直線に平行な長方形とされている。

一方、第２ピエゾ歪素子１０３ｂ、第４ピエゾ歪素子１０３ｄも、平面視の形状が、単結晶シリコンの１１０方向に長手方向が延在する長方形に形成され、受圧領域１０２の撓みによって発生する歪みを測定する。この例では、第２ピエゾ歪素子１０３ｂ、第４ピエゾ歪素子１０３ｄの平面視の形状は、各々の長手方向の軸が、受圧領域１０２の中心から径方向に向かう直線に垂直な長方形とされている。

上記構成とすることで、受圧領域１０２が撓んだときの、第１ピエゾ歪素子１０３ａおよび第３ピエゾ歪素子１０３ｃと、第２ピエゾ歪素子１０３ｂおよび第４ピエゾ歪素子１０３ｄとの、各々の抵抗値の符号が異なる状態となる。

また、圧力センサ１００は、ダイアフラム層１０１の受圧領域１０２に、第１磁気歪素子１０４ａ、第２磁気歪素子１０４ｂ、第３磁気歪素子１０４ｃ、第４磁気歪素子１０４ｄを備える。第１磁気歪素子１０４ａ、第２磁気歪素子１０４ｂ、第３磁気歪素子１０４ｃ、第４磁気歪素子１０４ｄは、歪みによって磁化が変化する材料から構成されて受圧領域１０２の歪みを測定する磁気歪測定部となる。磁気歪素子は、受圧領域１０２の、発生する応力がピークとなる位置に配置することができる。

第１磁気歪素子１０４ａ、第２磁気歪素子１０４ｂ、第３磁気歪素子１０４ｃ、第４磁気歪素子１０４ｄの各々は、磁気歪素子は、歪みによって磁化が変化する検知磁性層および検知磁性層の参照となる参照磁性層を備え、検知磁性層と参照磁性層とがバリア層を介してトンネル接合し、検知磁性層と参照磁性層との間の抵抗の変化により受圧領域１０２の歪みを測定する。参照磁性層は、例えば、磁化が固定されている層であり、歪みによって磁化が変化しない。

各磁気歪素子の検知磁性層、バリア層、および参照磁性層は、例えば、ダイアフラム層１０１の上に、ダイアフラム層１０１の厚さ方向に積層された状態で配置される。この場合、第１磁気歪素子１０４ａ、第２磁気歪素子１０４ｂは、受圧領域１０２の撓みによって引っ張り歪みが発生する箇所に配置する。例えば、第１磁気歪素子１０４ａ、第２磁気歪素子１０４ｂは、受圧領域１０２の外周部のダイアフラム層１０１に配置する。これらは、引っ張り歪みが、最も大きく発生する箇所（ピークとなる位置）に配置することで、高い感度が得られるようになる。

一方、第３磁気歪素子１０４ｃ、第４磁気歪素子１０４ｄは、受圧領域１０２の撓みによって圧縮歪みが発生する箇所に配置する。例えば、第３磁気歪素子１０４ｃ、第４磁気歪素子１０４ｄは、受圧領域１０２の中央部に配置する。第３磁気歪素子１０４ｃ、第４磁気歪素子１０４ｄは、歪みの発生しない箇所（受圧領域１０２以外）に配置することもできる。

また、第１磁気歪素子１０４ａ、第２磁気歪素子１０４ｂ、第３磁気歪素子１０４ｃ、第４磁気歪素子１０４ｄは、第１ピエゾ歪素子１０３ａ、第２ピエゾ歪素子１０３ｂ、第３ピエゾ歪素子１０３ｃ、第４ピエゾ歪素子１０３ｄとは異なる箇所に配置する。例えば、第１磁気歪素子１０４ａと第３磁気歪素子１０４ｃとを結ぶ第３直線と、第１直線とのなす角は、４５°とすることができる。

上述した圧力測定装置では、まず、第１ピエゾ歪素子１０３ａ、第２ピエゾ歪素子１０３ｂ、第３ピエゾ歪素子１０３ｃ、第４ピエゾ歪素子１０３ｄは、これらを抵抗素子とした第１ブリッジ回路を構成している。第１ブリッジ回路は、一定の電流が流れている状態において受圧領域１０２に応力が発生したとき、発生した応力による各ピエゾ歪素子（ピエゾ抵抗領域）の抵抗値の変化を電圧の変化として出力する。第１ブリッジ回路の各ノードは、ダイアフラム層１０１の図示しない領域の面に形成された配線パターンを介し、図示しない電極に接続されている。

また、この圧力測定装置では、第１磁気歪素子１０４ａ、第２磁気歪素子１０４ｂ、第３磁気歪素子１０４ｃ、第４磁気歪素子１０４ｄは、これらを抵抗素子とした第２ブリッジ回路を構成している。第１磁気歪素子１０４ａ、第２磁気歪素子１０４ｂ、第３磁気歪素子１０４ｃ、第４磁気歪素子１０４ｄに対して外部磁場を印加している状態で、受圧領域１０２に応力が発生したとき、発生した応力による各磁気トンネル接合素子の抵抗値の変化を、電圧の変化として出力する。

なお、磁気歪素子は、歪みによって磁化が変化する検知磁性層、非磁性材料から構成された非磁性層、および検知磁性層の参照となる参照磁性層がこれらの順に積層され、非磁性層の平面に平行な方向の抵抗の変化により受圧領域１０２の歪みを測定するものとすることもできる。この場合、ピエゾ歪素子の構成と同様に、４つの第１磁気歪素子、第２磁気歪素子、第３磁気歪素子、第４磁気歪素子を用いることができる。また、この場合、第１磁気歪素子、第３磁気歪素子の平面視の形状は、各々の長手方向の軸が、受圧領域１０２の中心から径方向に向かう直線に平行な長方形とし、第２ピエゾ歪素子、第４ピエゾ歪素子の平面視の形状は、各々の長手方向の軸が、受圧領域１０２の中心から径方向に向かう直線に垂直な長方形とすることができる。

圧力算出部１０５は、第１算出機能部１０６、第２算出機能部１０７、および切替機能部１０８を備える。第１算出機能部１０６は、上述したピエゾ歪測定部の測定結果より受圧領域１０２が受けた圧力値を求める。第２算出機能部１０７は、磁気歪測定部の測定結果より受圧領域１０２が受けた圧力値を求める。

切替機能部１０８は、第１算出機能部１０６が求めた圧力値が、設定されている閾値を超えるまでは、第２算出機能部１０７が求めた圧力値を出力し、第１算出機能部１０６が求めた圧力値が、閾値を超えると、第１算出機能部１０６が求めた圧力値を出力する。閾値は、磁気歪測定部（磁気歪素子）の応答が線形となる範囲を元に決定しておく。

上述した実施の形態１に係る圧力測定装置によれば、ピエゾ歪測定部により求めた圧力値が、設定されている閾値より小さい範囲では、磁気歪測定部により求めた圧力値が選択（出力）され、ピエゾ歪測定部により求めた圧力値が大きい範囲では、ピエゾ歪測定部により求めた圧力値が選択（出力）されるので、圧力の小さい範囲で良好な感度で測定できるともに、より広い圧力範囲で精度よく測定ができるようになる。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２に係る圧力測定装置について、図２Ａ、図２Ｂを参照して説明する。

この圧力測定装置は、圧力センサ１００ａと圧力算出部１０５ａを備える。圧力センサ１００ａは、ダイアフラム層１０１と、ダイアフラム層１０１に形成された受圧領域１０２とを備える。また、圧力センサ１００ａは、第１ピエゾ歪素子１０３ａ、第２ピエゾ歪素子１０３ｂ、第３ピエゾ歪素子１０３ｃ、第４ピエゾ歪素子１０３ｄを備える。また、この圧力測定装置は、第１磁気歪素子１０４ａ、第２磁気歪素子１０４ｂ、第３磁気歪素子１０４ｃ、第４磁気歪素子１０４ｄを備える。これらの構成は、前述した実施の形態１と同様である。

また、圧力センサ１００ａは、ダイアフラム層１０１の受圧領域１０２の周囲に、第１副受圧領域２０２ａ、第２副受圧領域２０２ｂ、第３副受圧領域２０２ｃ、および第４副受圧領域２０２ｄが形成されている。例えば、第２副受圧領域２０２ｂおよび第４副受圧領域２０２ｄは、図２Ｂに示すように、基台１１１に形成された空洞１１３ｂ、空洞１１３ｄにより規定される、ダイアフラム層１０１の一部の領域である。第１副受圧領域２０２ａおよび第３副受圧領域２０２ｃも同様である。なお、図２Ｂは、図２Ａの受圧領域１０２の中央部を通る線における断面を示している。第１副受圧領域２０２ａ、第２副受圧領域２０２ｂ、第３副受圧領域２０２ｃ、および第４副受圧領域２０２ｄの各々は、平面視で、隣り合う辺の長さが異なる長方形とされている。

また、圧力センサ１００ａは、第１副受圧領域２０２ａに、第１副ピエゾ歪素子２０３ａ、第２副ピエゾ歪素子２０３ｂが設けられている。また、第２副受圧領域２０２ｂに、第１副磁気歪素子２０４ａ、第２副磁気歪素子２０４ｂが設けられている。また、第３副受圧領域２０２ｃに、第３副ピエゾ歪素子２０３ｃ、第４副ピエゾ歪素子２０３ｄが設けられている。また、第４副受圧領域２０２ｄに、第３副磁気歪素子２０４ｃ、第４副磁気歪素子２０４ｄが設けられている。

第１副ピエゾ歪素子２０３ａ、第２副ピエゾ歪素子２０３ｂ、第３副ピエゾ歪素子２０３ｃ、第４副ピエゾ歪素子２０３ｄは、第１ピエゾ歪素子１０３ａ、第２ピエゾ歪素子１０３ｂ、第３ピエゾ歪素子１０３ｃ、第４ピエゾ歪素子１０３ｄと同様であり、ピエゾ抵抗領域を備える素子である。

第１副磁気歪素子２０４ａ、第２副磁気歪素子２０４ｂ、第３副磁気歪素子２０４ｃ、第４副磁気歪素子２０４ｄは、第１磁気歪素子１０４ａ、第２磁気歪素子１０４ｂ、第３磁気歪素子１０４ｃ、第４磁気歪素子１０４ｄと同様である。

実施の形態２では、受圧領域１０２により差圧測定部を構成し、第１副受圧領域２０２ａおよび第３副受圧領域２０２ｃにより第１静圧測定部を構成し、第２副受圧領域２０２ｂおよび第４副受圧領域２０２ｄにより、第２静圧測定部を構成する（特許文献１参照）。

ここで、第１副ピエゾ歪素子２０３ａ、第１副磁気歪素子２０４ａ、第３副ピエゾ歪素子２０３ｃ、第３副磁気歪素子２０４ｃの各々は、第１副受圧領域２０２ａ、第２副受圧領域２０２ｂ、第３副受圧領域２０２ｃ、第４副受圧領域２０２ｄの各々の中央に配置されている。また、第１副ピエゾ歪素子２０３ａ、第３副ピエゾ歪素子２０３ｃは、平面視で長方形の副受圧領域１０２の長手方向に沿って設けられている。

また、第２副ピエゾ歪素子２０３ｂ、第２副磁気歪素子２０４ｂ、第４副ピエゾ歪素子２０３ｄ、第４副磁気歪素子２０４ｄの各々は、第１副受圧領域２０２ａ、第２副受圧領域２０２ｂ、第３副受圧領域２０２ｃ、第４副受圧領域２０２ｄの各々のエッジに配置されている。また、第２副ピエゾ歪素子２０３ｂ、第４副ピエゾ歪素子２０３ｄは、平面視で長方形の副受圧領域１０２の長手方向に沿って設けられている。

また、圧力算出部１０５ａは、第１算出機能部１０６、第２算出機能部１０７、切替機能部１０８ａ、第１補正機能部１０９、および第２補正機能部１１０を備える。第１算出機能部１０６、第２算出機能部１０７は、前述した実施の形態１と同様である。

第１補正機能部１０９は、第１副受圧領域２０２ａおよび第３副受圧領域２０２ｃにより構成される第１静圧測定部の測定結果より、第１算出機能部１０６が求めた圧力値を補正する。また、第２補正機能部１１０は、第２副受圧領域２０２ｂおよび第４副受圧領域２０２ｄにより構成される第２静圧測定部の測定結果より、第２算出機能部１０７が求めた圧力値を補正する。

また、実施の形態２において、切替機能部１０８ａは、まず、第１補正機能部１０９により補正された圧力値が、設定されている閾値を超えるまでは、第２補正機能部１１０により補正された圧力値を出力する。一方、切替機能部１０８ａは、第１補正機能部１０９により補正された圧力値が、閾値を超えると、第１補正機能部１０９により補正された圧力値を出力する。

上述した実施の形態２によれば、静圧測定部における発生応力を、効率よく測定することができる。この結果、静圧の測定感度を高くすることができる。また、実施の形態２によれば、静圧補正機能部で算出部で求めた圧力値を補正するので、静圧の影響が差圧・圧力に影響するなどのことにより、出力のゼロ点がシフトするというクロストークと呼ばれる問題が、抑制できるようになる。

上述した実施の形態２においても、圧力値が小さい範囲では、磁気歪測定部により圧力が測定され、圧力値が大きい範囲では、ピエゾ歪測定部により圧力が測定されるので、圧力の小さい範囲で良好な感度で測定できるともに、より広い圧力範囲で精度よく測定ができるようになる。

ところで、受圧領域は、平面視で正方形とすることもできる。平面視で正方形とした受圧領域１０２ａによる圧力センサ１００ｂについて、図３を参照して説明する。

圧力センサ１００ｂは、ダイアフラム層１０１と、ダイアフラム層１０１に形成された受圧領域１０２ａとを備える。受圧領域１０２ａは、平面視で正方形とされている。この正方形の各辺は、ダイアフラム層１０１を構成している主表面を（１００）面とした単結晶シリコンの１１０方向とされている。

また、圧力センサ１００ｂは、第１ピエゾ歪素子１２３ａ、第２ピエゾ歪素子１２３ｂ、第３ピエゾ歪素子１２３ｃ、第４ピエゾ歪素子１２３ｄを備える。第１ピエゾ歪素子１２３ａと第２ピエゾ歪素子１２３ｂとの組は、平面視正方形とされた受圧領域１０２ａの第１辺１６１の中央部に配置されている。また、第３ピエゾ歪素子１２３ｃと第４ピエゾ歪素子１２３ｄとの組は、平面視正方形とされた受圧領域１０２ａの第２辺１６２の中央部に配置されている。第２辺１６２は、第１辺１６１に隣り合う辺である。

また、圧力センサ１００ｂは、前述同様に、第１磁気歪素子１２４ａ、第２磁気歪素子１２４ｂ、第３磁気歪素子１２４ｃ、第４磁気歪素子１２４ｄを備える。第１磁気歪素子１２４ａは、平面視正方形とされた受圧領域１０２ａの第４辺１６４の中央部に配置されている。また、第２磁気歪素子１２４ｂは、平面視正方形とされた受圧領域１０２ａの第３辺１６３の中央部に配置されている。第３辺１６３は、第３辺１６３に隣り合い、第１辺１６１に対向する辺である。第４辺１６４は、第１辺１６１および第３辺１６３に隣り合い、第２辺１６２に体躯する辺である。

また、前述同様に、ダイアフラム層１０１の受圧領域１０２ａの周囲に、第１副受圧領域２０２ａ、第２副受圧領域２０２ｂ、第３副受圧領域２０２ｃ、および第４副受圧領域２０２ｄが形成されている。

第１副受圧領域２０２ａ、および第３副受圧領域２０２ｃは、第１辺１６１の中点と第３辺１６３の中点とを通る第１直線１５１の上に配置されている。また、第２副受圧領域２０２ｂおよび第４副受圧領域２０２ｄは、第２辺１６２の中点と第４辺１６４の中点とを通る第１直線１５２の上に配置されている。

第１直線１５１の上には、第１ピエゾ歪素子１２３ａと第２ピエゾ歪素子１２３ｂとの組が配置されている。言い換えると、第１副受圧領域２０２ａは、受圧領域１０２ａの中心から見て、第１ピエゾ歪素子１２３ａと第２ピエゾ歪素子１２３ｂとの組が配置されている延長線上に配置されている。また、第１直線１５１の上には、第２磁気歪素子１２４ｂが配置されている。言い換えると、第４副受圧領域２０２ｄは、受圧領域１０２ａの中心から見て、第２磁気歪素子１２４ｂが配置されている延長線上に配置されている。

第２直線１５２の上には、第１磁気歪素子１２４ａが配置されている。言い換えると、第２副受圧領域２０２ｂは、受圧領域１０２ａの中心から見て、第１磁気歪素子１２４ａが配置されている延長線上に配置されている。また、第２直線１５２の上には、第３ピエゾ歪素子１２３ｃと第４ピエゾ歪素子１２３ｄとの組が配置されている。言い換えると、第３副受圧領域２０２ｃは、受圧領域１０２ａの中心から見て、第３ピエゾ歪素子１２３ｃと第４ピエゾ歪素子１２３ｄとの組が配置されている延長線上に配置されている。

また、前述同様に、第１副受圧領域２０２ａに、第１副ピエゾ歪素子２０３ａ、第２副ピエゾ歪素子２０３ｂが設けられている。また、第２副受圧領域２０２ｂに、第１副磁気歪素子２０４ａ、第２副磁気歪素子２０４ｂが設けられている。また、第３副受圧領域２０２ｃに、第３副ピエゾ歪素子２０３ｃ、第４副ピエゾ歪素子２０３ｄが設けられている。また、第４副受圧領域２０２ｄに、第３副磁気歪素子２０４ｃ、第４副磁気歪素子２０４ｄが設けられている。

第１副ピエゾ歪素子２０３ａ、第２副ピエゾ歪素子２０３ｂ、第３副ピエゾ歪素子２０３ｃ、第４副ピエゾ歪素子２０３ｄは、第１ピエゾ歪素子１２３ａ、第２ピエゾ歪素子１２３ｂ、第３ピエゾ歪素子１２３ｃ、第４ピエゾ歪素子１２３ｄと同様であり、ピエゾ抵抗領域を備える素子である。

第１副磁気歪素子２０４ａ、第２副磁気歪素子２０４ｂ、第３副磁気歪素子２０４ｃ、第４副磁気歪素子２０４ｄは、第１磁気歪素子１２４ａ、第２磁気歪素子１２４ｂ、第３磁気歪素子１２４ｃ、第４磁気歪素子１２４ｄと同様である。

前述同様に、受圧領域１０２ａにより差圧測定部を構成し、第１副受圧領域２０２ａ、第２副受圧領域２０２ｂ、第３副受圧領域２０２ｃ、および第４副受圧領域２０２ｄにより、静圧測定部を構成する（特許文献１参照）。

ここで、第１副ピエゾ歪素子２０３ａ、第１副磁気歪素子２０４ａ、第３副ピエゾ歪素子２０３ｃ、第３副磁気歪素子２０４ｃの各々は、第１副受圧領域２０２ａ、第２副受圧領域２０２ｂ、第３副受圧領域２０２ｃ、第４副受圧領域２０２ｄの各々の中央に配置されている。また、第１副ピエゾ歪素子２０３ａ、第３副ピエゾ歪素子２０３ｃは、平面視で長方形の副受圧領域の長手方向に沿って設けられている。

また、第２副ピエゾ歪素子２０３ｂ、第２副磁気歪素子２０４ｂ、第４副ピエゾ歪素子２０３ｄ、第４副磁気歪素子２０４ｄの各々は、第１副受圧領域２０２ａ、第２副受圧領域２０２ｂ、第３副受圧領域２０２ｃ、第４副受圧領域２０２ｄの各々のエッジに配置されている。また、第２副ピエゾ歪素子２０３ｂ、第４副ピエゾ歪素子２０３ｄ、平面視で長方形の副受圧領域の長手方向に沿って設けられている。

圧力センサ１００ｂにおいても、静圧測定部における発生応力を、効率よく測定することができる。この結果、静圧の測定感度を高くすることができる。

なお、上述した実施の形態に係る圧力測定装置の圧力算出部は、図４に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit；中央演算処理装置）３０１と主記憶装置３０２と外部記憶装置３０３とネットワーク接続装置３０４となどを備えたコンピュータ機器とし、主記憶装置３０２に展開されたプログラムによりＣＰＵ３０１が動作する（プログラムを実行する）ことで、上述した各機能が実現されるようにすることもできる。上記プログラムは、上述した実施の形態で示した圧力算出部の機能をコンピュータが実行するためのプログラムである。ネットワーク接続装置３０４は、ネットワーク３０５に接続する。また、各機能は、複数のコンピュータ機器に分散させることもできる。

また、上述した圧力算出部は、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）などのプログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ：Programmable Logic Device）により構成することも可能である。例えば、ＦＰＧＡのロジックエレメントに、記憶部、第１算出機能部、第２算出機能部、切替機能部、や第１補正機能部、および第２補正機能部の各々を回路として備えることで、圧力算出部として機能させることができる。記憶回路、第１算出回路、第２算出回路、切替回路、第１補正回路、第２補正回路の各々は、所定の書き込み装置を接続してＦＰＧＡに書き込むことができる。また、ＦＰＧＡに書き込まれた上記の各回路は、ＦＰＧＡに接続した書き込み装置により確認することができる。

以上に説明したように、本発明によれば、ダイアフラム層の受圧領域に、ピエゾ歪測定部と磁気歪測定部とを設けるようにしたので、より広い圧力範囲で精度よく測定ができるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１００…圧力センサ、１０１…ダイアフラム層、１０２…受圧領域、１０３ａ…第１ピエゾ歪素子、１０３ｂ…第２ピエゾ歪素子、１０３ｃ…第３ピエゾ歪素子、１０３ｄ…第４ピエゾ歪素子、１０４ａ…第１磁気歪素子、１０４ｂ…第２磁気歪素子、１０４ｃ…第３磁気歪素子、１０４ｄ…第４磁気歪素子、１０５…圧力算出部、１０６…第１算出機能部、１０７…第２算出機能部、１０８…切替機能部、１１１…基台、１１２…貫通孔。

Claims

圧力センサおよび圧力算出部を備え、
前記圧力センサは、
ダイアフラム層と、
前記ダイアフラム層に形成された受圧領域と、
前記受圧領域の外周部の前記ダイアフラム層に設けられ、ピエゾ抵抗効果により前記受圧領域の歪みを測定するピエゾ歪素子から構成されたピエゾ歪測定部と、
前記ダイアフラム層の前記受圧領域に設けられ、歪みによって磁化が変化する材料から構成されて前記受圧領域の歪みを測定する磁気歪素子から構成された磁気歪測定部と
を有し、
前記圧力算出部は、
前記ピエゾ歪測定部の測定結果より前記受圧領域が受けた圧力値を求めるように構成された第１算出機能部と、
前記磁気歪測定部の測定結果より前記受圧領域が受けた圧力値を求めるように構成された第２算出機能部と、
前記第１算出機能部が求めた圧力値が、設定されている閾値を超えるまでは、前記第２算出機能部が求めた圧力値を出力し、前記第１算出機能部が求めた圧力値が、前記閾値を超えると、前記第１算出機能部が求めた圧力値を出力するように構成された切替機能部と
を有することを特徴とする圧力測定装置。
請求項１記載の圧力測定装置において、
前記ピエゾ歪測定部および前記磁気歪測定部は、前記受圧領域の、発生する応力がピークとなる位置に配置されていることを特徴とする圧力測定装置。
請求項１または２記載の圧力測定装置において、
前記ピエゾ歪測定部は、前記受圧領域のピエゾ効果が発生する箇所に配置されていることを特徴とする圧力測定装置。
請求項１～３のいずれか１項に記載の圧力測定装置において、
前記ピエゾ歪測定部は、第１ブリッジ回路を構成する第１ピエゾ歪素子、第２ピエゾ歪素子、第３ピエゾ歪素子、および第４ピエゾ歪素子から構成され、
前記磁気歪測定部は、第２ブリッジ回路を構成する第１磁気歪素子、第２磁気歪素子、第３磁気歪素子、第４磁気歪素子から構成され、
前記磁気歪測定部は、前記ピエゾ歪測定部とは異なる箇所に配置されている
ことを特徴とする圧力測定装置。
請求項１～４のいずれか１項に記載の圧力測定装置において、
前記受圧領域は、平面視で円形とされていることを特徴とする圧力測定装置。
請求項１～４のいずれか１項に記載の圧力測定装置において、
前記受圧領域は、平面視で正方形とされていることを特徴とする圧力測定装置。