(57)【要約】【課題】ノイズに起因する測定値の誤差を排除できる圧力測定装置を提供する。【解決手段】第１の振動子２１、第２の振動子２２および第３の振動子２３をセンサチップ上に設ける。選択部５は、ノイズの影響により第１の振動子２１、第２の振動子２２または第３の振動子２３の共振周波数が変動したことを検出するとともに、ノイズの影響が検出されなかった２つの振動子を選択する。演算部６は、選択された２つの振動子の共振周波数に基づいてセンサチップの変形量を算出する。【選択図】図１
2008128762.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサチップ上の振動子の共振周波数に基づき前記センサチップの変形を捉えることで圧力を測定する圧力測定装置において、
前記センサチップ上に配置される第１の振動子対と、
前記センサチップ上に配置される第２の振動子対と、
ノイズの影響により前記第１の振動子対または前記第２の振動子対を構成する振動子の共振周波数が変動したことを検出する検出手段と、
前記検出手段によりノイズの影響が検出されなかった振動子対を選択する選択手段と、
前記選択手段により選択された振動子対を構成する振動子の共振周波数に基づいて前記センサチップの変形量を算出する算出手段と、
を備えることを特徴とする圧力測定装置。
【請求項２】
センサチップ上の振動子の共振周波数に基づき前記センサチップの変形を捉えることで圧力を測定する圧力測定装置において、
前記センサチップ上に配置される第１の振動子と、
前記センサチップ上に配置される第２の振動子と、
前記センサチップ上に配置される第３の振動子と、
ノイズの影響により前記第１の振動子、前記第２の振動子または前記第３の振動子の共振周波数が変動したことを検出する検出手段と、
前記検出手段によりノイズの影響が検出されなかった２つの振動子を選択する選択手段と、
前記選択手段により選択された２つの振動子の共振周波数に基づいて前記センサチップの変形量を算出する算出手段と、
を備えることを特徴とする圧力測定装置。
【請求項３】
すべての前記振動子の共振周波数は、同時に同一周波数とならないことを特徴とする請求項１または２に記載の圧力測定装置。
【請求項４】
センサチップ上の振動子の共振周波数に基づき前記センサチップの変形を捉えることで圧力を測定する圧力測定方法において、
前記センサチップ上に配置される第１の振動子対と、前記センサチップ上に配置される第２の振動子対と、用い、ノイズの影響により前記第１の振動子対または前記第２の振動子対を構成する振動子の共振周波数が変動したことを検出するステップと、
前記検出するステップによりノイズの影響が検出されなかった振動子対を選択するステップと、
前記選択するステップ手段により選択された振動子対を構成する振動子の共振周波数に基づいて前記センサチップの変形量を算出するステップと、
を備えることを特徴とする圧力測定方法。
【請求項５】
センサチップ上の振動子の共振周波数に基づき前記センサチップの変形を捉えることで圧力を測定する圧力測定方法において、
前記センサチップ上に配置される第１の振動子と、前記センサチップ上に配置される第２の振動子と、前記センサチップ上に配置される第３の振動子と、を用い、
ノイズの影響により前記第１の振動子、前記第２の振動子または前記第３の振動子の共振周波数が変動したことを検出するステップと、
前記検出するステップによりノイズの影響が検出されなかった２つの振動子を選択するステップと、
前記選択するステップにより選択された２つの振動子の共振周波数に基づいて前記センサチップの変形量を算出するステップと、
を備えることを特徴とする圧力測定方法。
【請求項６】
すべての前記振動子の共振周波数は、同時に同一周波数とならないことを特徴とする請求項４または５に記載の圧力測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサチップ上の振動子の共振周波数に基づきセンサチップの変形を捉えることで圧力を測定する圧力測定装置および圧力測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラントに設定される差圧伝送器あるいは圧力伝送器として、振動式圧力センサを用いた圧力測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図４（ａ）は、圧力測定装置に用いられるセンサチップの構成を示す断面図である。センサチップとして機能するシリコン基板１０の表面１１には、第１の振動子１２１と、第２の振動子１２２と、が設けられている。
【０００４】
図４（ｂ）は、圧力測定装置の測定系を示すブロック図である。第１の振動子１２１の出力には増幅回路１３１が接続され、増幅回路１３１からの正帰還路１３１ａを設けることで、第１の振動子１２１は所定の共振周波数で自励発振を継続する。その共振周波数はカウンタ１４１で測定され、算出部１０６に与えられる。同様に、第２の振動子１２２の出力には増幅回路１３２が接続され、増幅回路１３２からの正帰還路１３２ａを設けることで、第１の振動子１２２は所定の共振周波数で自励発振を継続する。その共振周波数はカウンタ１４２で測定され、算出部１０６に与えられる。
【０００５】
演算部１０６は２つの共振周波数に基づいてシリコン基板１０の変形量、すなわち圧力を算出する。
【０００６】
図４（ｃ）は、シリコン基板１０の変形量と、第１の振動子１２１および第２の振動子１２２の共振周波数との関係を示す図である。各振動子の共振周波数は、シリコン基板１０の変形量の増加に従って、増加または減少する。
【０００７】
シリコン基板１０の変形量は、シリコン基板１０で仕切られた領域間の圧力差、すなわち、圧力ＰHおよび圧力ＰLの差（図４（ａ）参照）に予め対応付けられている。また、圧力差（圧力ＰH−圧力ＰL）は予め、２つの振動子の共振周波数ｆ１，ｆ２の関数Ｆ（ｆ１，ｆ２）で定義されている。すなわち、
圧力ＰH−圧力ＰL
＝Ｆ（ｆ１，ｆ２）
である。演算部１０６は、関数Ｆを用いて、圧力ＰH−圧力ＰLを算出する。
【特許文献１】特公平７−１０４２１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上記圧力測定装置では、電気的なノイズを印加すると、そのノイズの影響により振動子の共振周波数がずれる場合がある。このように、ずれが生じた周波数を用いて差圧や圧力を算出すると、測定値に誤差が生じるという問題がある。
【０００９】
本発明の目的は、ノイズに起因する測定値の誤差を排除できる圧力測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の圧力測定装置は、センサチップ上の振動子の共振周波数に基づき前記センサチップの変形を捉えることで圧力を測定する圧力測定装置において、前記センサチップ上に配置される第１の振動子対と、前記センサチップ上に配置される第２の振動子対と、ノイズの影響により前記第１の振動子対または前記第２の振動子対を構成する振動子の共振周波数が変動したことを検出する検出手段と、前記検出手段によりノイズの影響が検出されなかった振動子対を選択する選択手段と、前記選択手段により選択された振動子対を構成する振動子の共振周波数に基づいて前記センサチップの変形量を算出する算出手段と、を備えることを特徴とする。
この圧力測定装置によれば、ノイズの影響が検出されなかった振動子対を選択し、選択された振動子対を構成する振動子の共振周波数に基づいてセンサチップの変形量を算出するので、ノイズに起因する測定値の誤差を排除できる。
【００１１】
本発明の圧力測定装置は、センサチップ上の振動子の共振周波数に基づき前記センサチップの変形を捉えることで圧力を測定する圧力測定装置において、前記センサチップ上に配置される第１の振動子と、前記センサチップ上に配置される第２の振動子と、前記センサチップ上に配置される第３の振動子と、ノイズの影響により前記第１の振動子、前記第２の振動子または前記第３の振動子の共振周波数が変動したことを検出する検出手段と、前記検出手段によりノイズの影響が検出されなかった２つの振動子を選択する選択手段と、前記選択手段により選択された２つの振動子の共振周波数に基づいて前記センサチップの変形量を算出する算出手段と、を備えることを特徴とする。
この圧力測定装置によれば、ノイズの影響が検出されなかった２つの振動子を選択し、選択された２つの振動子の共振周波数に基づいてセンサチップの変形量を算出するので、ノイズに起因する測定値の誤差を排除できる。
【００１２】
すべての前記振動子の共振周波数は、同時に同一周波数とならないようにすることができる。
【００１３】
本発明の圧力測定方法は、センサチップ上の振動子の共振周波数に基づき前記センサチップの変形を捉えることで圧力を測定する圧力測定方法において、前記センサチップ上に配置される第１の振動子対と、前記センサチップ上に配置される第２の振動子対と、用い、ノイズの影響により前記第１の振動子対または前記第２の振動子対を構成する振動子の共振周波数が変動したことを検出するステップと、前記検出するステップによりノイズの影響が検出されなかった振動子対を選択するステップと、前記選択するステップ手段により選択された振動子対を構成する振動子の共振周波数に基づいて前記センサチップの変形量を算出するステップと、を備えることを特徴とする。
この圧力測定方法によれば、ノイズの影響が検出されなかった振動子対を選択し、選択された振動子対を構成する振動子の共振周波数に基づいてセンサチップの変形量を算出するので、ノイズに起因する測定値の誤差を排除できる。
【００１４】
本発明の圧力測定方法は、センサチップ上の振動子の共振周波数に基づき前記センサチップの変形を捉えることで圧力を測定する圧力測定方法において、前記センサチップ上に配置される第１の振動子と、前記センサチップ上に配置される第２の振動子と、前記センサチップ上に配置される第３の振動子と、を用い、ノイズの影響により前記第１の振動子、前記第２の振動子または前記第３の振動子の共振周波数が変動したことを検出するステップと、前記検出するステップによりノイズの影響が検出されなかった２つの振動子を選択するステップと、前記選択するステップにより選択された２つの振動子の共振周波数に基づいて前記センサチップの変形量を算出するステップと、を備えることを特徴とする。
この圧力測定装置によれば、ノイズの影響が検出されなかった２つの振動子を選択し、選択された２つの振動子の共振周波数に基づいてセンサチップの変形量を算出するので、ノイズに起因する測定値の誤差を排除できる。
【００１５】
すべての前記振動子の共振周波数は、同時に同一周波数とならないようにすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の圧力測定装置によれば、ノイズの影響が検出されなかった振動子対を選択し、選択された振動子対を構成する振動子の共振周波数に基づいてセンサチップの変形量を算出するので、ノイズに起因する測定値の誤差を排除できる。
【００１７】
本発明の圧力測定装置によれば、ノイズの影響が検出されなかった２つの振動子を選択し、選択された２つの振動子の共振周波数に基づいてセンサチップの変形量を算出するので、ノイズに起因する測定値の誤差を排除できる。
【００１８】
本発明の圧力測定方法によれば、ノイズの影響が検出されなかった振動子対を選択し、選択された振動子対を構成する振動子の共振周波数に基づいてセンサチップの変形量を算出するので、ノイズに起因する測定値の誤差を排除できる。
【００１９】
本発明の圧力測定方法によれば、ノイズの影響が検出されなかった２つの振動子を選択し、選択された２つの振動子の共振周波数に基づいてセンサチップの変形量を算出するので、ノイズに起因する測定値の誤差を排除できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図１〜図３を参照して、本発明による圧力測定装置の一実施形態について説明する。
【００２１】
図１は、本実施形態の圧力測定装置に用いられるセンサチップの構成を示す図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線断面図である。
【００２２】
図１に示すように、センサチップとして機能するシリコン基板１０の表面１１には、第１の振動子２１と、第２の振動子２２と、第３の振動子２３と、が設けられている。
【００２３】
図２は、本実施形態の圧力測定装置の測定系を示すブロック図である。
【００２４】
図２に示すように、第１の振動子２１の出力には増幅回路３１が接続され、増幅回路３１からの正帰還路３１ａを設けることで、第１の振動子２１は所定の共振周波数で自励発振を継続する。その共振周波数はカウンタ４１で測定され、検出手段および選択手段を構成する選択部５に与えられる。
【００２５】
第２の振動子２２の出力には増幅回路３２が接続され、増幅回路３２からの正帰還路３２ａを設けることで、第２の振動子２２は所定の共振周波数で自励発振を継続する。その共振周波数はカウンタ４２で測定され、選択部５に与えられる。
【００２６】
第３の振動子２３の出力には増幅回路３３が接続され、増幅回路３３からの正帰還路３３ａを設けることで、第３の振動子２３は所定の共振周波数で自励発振を継続する。その共振周波数はカウンタ４３で測定され、選択部５に与えられる。
【００２７】
選択部５は、第１の振動子２１、第２の振動子２２および第３の振動子２３から２つの振動子を選択し、それらの共振周波数を演算部６に与える。
【００２８】
演算部６は選択部５から与えられた共振周波数に基づいてシリコン基板１０の変形量、すなわち圧力を算出する。演算部６は算出手段を構成する。
【００２９】
図３は、シリコン基板１０の変形量と、第１の振動子２１、第２の振動子２２および第３の振動子２３の共振周波数との関係を示す図である。
【００３０】
図３に示すように、各振動子の共振周波数は、シリコン基板１０の変形量の増加に従って、増加または減少する。しかし、第１の振動子２１、第２の振動子２２および第３の振動子２３の共振周波数は同時に同一周波数をとることはない。
【００３１】
次に、圧力測定の手順について説明する。
【００３２】
まず、選択部５はカウンタ４１、カウンタ４２およびカウンタ４３から与えられた共振周波数に基づき、電気的なノイズの影響を受けていない振動子を２つ選択する。振動子の選択に際しては、カウンタ４１、カウンタ４２またはカウンタ４３から得られる共振周波数の変動が一定値以下の振動子を選択する。通常、ノイズの影響を受ける場合には、カウンタで測定される周波数が急激に変動する。このため、一定値以上の変動が検出された場合には、ノイズの影響を受けているものと判断する。例えば、カウンタ４１、カウンタ４２またはカウンタ４３で２回にわたりサンプリングされた周波数の差が一定値以下の振動子を選択することで、ノイズの影響を排除できる。
【００３３】
上記のように、第１の振動子２１、第２の振動子２２および第３の振動子２３の共振周波数は同時に同一周波数をとることはないため、２つ以上の振動子が同時にノイズの同一周波数成分の影響を受けることがない。したがって、２つ以上の振動子が同時にノイズの影響を受け、圧力測定ができなくなる可能性を小さくすることができる。
【００３４】
次に、演算部６は、選択部５で選択された２つの振動子の共振周波数に基づいて、シリコン基板１０の変形量を算出する。
【００３５】
シリコン基板１０の変形量は、シリコン基板１０で仕切られた領域間の圧力差、すなわち、圧力ＰHおよび圧力ＰLの差（図１（ｂ）参照）に予め対応付けられている。また、圧力差（圧力ＰH−圧力ＰL）は予め、２つの振動子の共振周波数の関数として定義されている。
【００３６】
すなわち、第１の振動子２１の共振周波数をｆ１、第２の振動子２２の共振周波数をｆ２、第３の振動子２３の共振周波数をｆ３、とし、振動子の組み合わせに応じた関数を、Ｆａ、Ｆｂ、およびＦｃとすると、
圧力ＰH−圧力ＰL
＝Ｆａ（ｆ１，ｆ２）
＝Ｆｂ（ｆ１，ｆ３）
＝Ｆｃ（ｆ２，ｆ３）
である。
【００３７】
演算部６は、選択された振動子に応じ、関数Ｆａ、Ｆｂ、またはＦｃのいずれかを用いて、圧力ＰH−圧力ＰLを算出する。例えば、第１の振動子２１および第２の振動子２２が選択されれば、関数Ｆａを用いて圧力差を算出する。第１の振動子２１および第３の振動子２３が選択されれば、関数Ｆｂを用いて圧力差を算出する。同様に、第２の振動子２２および第３の振動子２３が選択されれば、関数Ｆｃを用いて圧力差を算出する。このように、どの組み合わせで振動子が選択されても、圧力差を算出することができる。
【００３８】
以上のように、本実施形態の圧力測定装置によれば、３つの振動子をセンサチップに配置し、３つの振動子から得られる３つの共振周波数のうち、ノイズの影響を受けない２つの周波数を選択し、これら選択された周波数に基づいて圧力差を算出している。このため、ノイズによって１つの振動子が影響を受けても、残りの振動子から得られる発振周波数によって、常に正確な圧力差を算出することができる。なお、４つ以上の振動子をセンサチップに配置してもよい。
【００３９】
振動子を選択する際のアルゴリズムは自由に設定できる。例えば、通常時に使用する２つの振動子を予め定めておき、いずれかの振動子がノイズの影響を受けた場合には、その振動子に代えて予備の振動子から得られる周波数を用いることもできる。
【００４０】
また、ノイズの影響を検出するに際して、個々の振動子の共振周波数の変動を捉える代りに、最終的に算出される圧力の変動を捉えてもよい。例えば、複数の振動子の組み合わせによる圧力算出を並行して実行し、短期間での圧力の変動が一定値以上の算出結果が得られる場合に、ノイズの影響と判断することもできる。この場合、複数の算出結果のうち、一定値以上の変動がない算出結果を正しいものとして採用すればよい。
【００４１】
本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、差圧伝送器、圧力伝送器に限定されることなく、センサチップ上の振動子の共振周波数に基づきセンサチップの変形を捉えることで圧力を測定する場合に、広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】一実施形態の圧力測定装置に用いられるセンサチップの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線断面図。
【図２】圧力測定装置の測定系を示すブロック図。
【図３】シリコン基板の変形量と振動子の共振周波数との関係を示す図。
【図４】従来の装置を示す図であり、（ａ）はセンサチップの構成を示す断面図、（ｂ）は測定系を示すブロック図、（ｃ）はシリコン基板の変形量と振動子の共振周波数との関係を示す図。
【符号の説明】
【００４３】
５      選択部（検出手段、選択手段）
６      演算部（算出手段）
２１    第１の振動子
２２    第２の振動子
２３    第３の振動子
【図１】
2008128762.tif 000003
【図２】
2008128762.tif 000004
【図３】
2008128762.tif 000005
【図４】
2008128762.tif 000006