JP2002062175A - コリオリ質量流量コントローラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 チューブ変位の測定方法を改善したコリオ
リ質量流量計測装置を提供する。 【解決手段】 本発明のコリオリ質量流量計測装置に
おいては、駆動装置によってセンサチューブを運動さ
せ、光学検出回路によって運動によるチューブ両端の位
相差を検出し、チューブの位相差が質量流量に線形に変
化することを利用して質量流量を決定する。この構成に
より、位相ずれによる精度負荷を減らすとともに質量流
量計測の感度が向上する。更に、フラットばね等を用い
て変位を調整し得ることから、フロー制御も可能とな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】（発明の属する技術分野）本発明は質量流
量の測定及び制御に関し、特にコリオリ力効果に基づ
き、関連するセンサ、制御及び通信電気部品を有する積
分フロー制御弁を有するような、質量流量の測定及び制
御装置に関する。

【０００２】本出願は、1999年11月1日に出願された米
国特許出願第09/430,881号の一部継続出願であり、米国
特許出願第09/430,881号は1999年6月7日に出願された米
国特許出願第09/326,949号の一部継続出願であり、米国
特許出願第09/326,949号は1998年12月8日に出願された
米国仮特許出願通し番号第60/111,504号の優先権を主張
する。

【０００３】（背景技術）コリオリ力効果に基づく質量
流量測定は、次のような方法で行うことができる。コリ
オリ力は、質量をある確立された方向に動かし、次に方
向を通常フローの確立された方向へのベクトル成分に変
化させる効果を生じさせる。これは次式で表すことがで
きる。

【０００４】

【数１】

【外１】

【０００５】回転系においては、角速度ベクトルは回転
軸に延在するように配置される。「右手の法則」を用い
れば、親指以外の指が回転方向を画定し、伸ばした親指
が角速度ベクトル方向を画定する。典型的なコリオリフ
ローセンサの場合においては、チューブを振動させ、チ
ューブを通過して流体フローが確立される。しばしばチ
ューブは１個又はそれ以上のループの形状をしている。
ループ形状は、ループの異なる点において質量流量ベク
トルが逆方向に向くような形状である。チューブループ
は、例えばＵ字型、長方形、三角形またはΔ（デルタ）
型或いはコイル状とすることができる。ストレートチュ
ーブでは特別な場合に、質量流量ベクトルの方向が１つ
であっても、チューブのアンカーポイントに一致する角
速度ベクトルは同時に２つ存在する。

【０００６】振動系では回転方向が変化するので、角速
度ベクトルの方向が変化する。その結果、あらゆる与え
られた時点において、コリオリの力は逆向きに作用し、
質量流量ベクトル又は角速度ベクトルが逆方向に向けら
れる。角速度ベクトルは振動系に起因して絶えず変化す
るので、コリオリの力も常に変化する。その結果、チュ
ーブの連続往復運動に加えて動的ねじれ運動を発生させ
る。ねじれの大きさは、与えられた角速度に対する質量
流量に比例する。

【０００７】質量流量の測定は、センサチューブを通過
する流体が発生させるコリオリの力に起因するセンサチ
ューブ内のねじれを画定することにより行われる。典型
的な公知の装置においては、コリオリの力が誘導する変
位が最大になると予測されるフローチューブ上の位置に
置かれた磁石とコイルのペアからなるピックオフセンサ
が用いられる。コイル及び磁石は対向する構造体に取り
付けられる。例えば、磁石がチューブに取り付けられ、
コイルが固定パッケージ壁に取り付けられる。コイルは
磁界全体を動き、コイル内に電流を誘導する。この電流
は、コイルに関連する磁石の速度に比例する。これは速
度の測定であるので、速度と、従って信号は、フローチ
ューブが静止点を交差する（零交差）時に最大になる。
コリオリの力が誘導するねじれは、２個の速度センサの
零交差時間の差を測定することにより検出されるような
速度信号において位相ずれを引き起こす。実際問題とし
て、位相ずれは時間計測回路に大きな精度負荷を与え
る。これにより、コリオリ技術を用いた質量流量計測の
最大感度を制限することになり得る。

【０００８】更に、コリオリ技術に基づく公知の装置の
流量は、しばしば多くの用途に対して所望の流量よりも
大きな流量に限定される。更に、既存のコリオリ質量流
量計測装置は、積分フロー制御能力を有しない質量流量
検出を与えるに過ぎず、フロー制御手段はユーザに委ね
られていた。

【０００９】（発明が解決しようとする課題）本発明
は、先行技術に関連する欠点を解決する。

【００１０】本発明は上記の事情に鑑みて成されたもの
であり、その目的は、質量流量計測の感度が向上するよ
うにチューブ変位の測定方法を改善したコリオリ質量流
量計測装置を提供することにある。

【００１１】（課題を解決するための手段）本発明の或
る側面において、コリオリ質量流量センサは、フローチ
ューブと、フローチューブの第１の側面に隣接して配置
された光源と、フローチューブの第２の側面に隣接して
配置された光検出器と、フローチューブを振動させるた
めの、フローチューブに関連して運転可能に配置された
駆動装置を有し、フローチューブが光源と光検出器の間
で画定された経路を通って運動するようにしている。或
る実施例では光源は赤外線を放射し、例えば赤外線フォ
トダイオードと共に用いられる赤外線ＬＥＤを放射す
る。

【００１２】本発明の別の側面においては、フレキシブ
ルチューブコリオリ質量流量センサは、第１及び第２の
端部を有するフレキシブルチューブを有する。フローチ
ューブは通常線形のフロー経路を画定し、駆動装置はフ
ローチューブを始動させるように配置されている。第１
及び第２のピックオフセンサは、フレキシブルチューブ
の第１及び第２の端部に各々配置されている。第１及び
第２のピックオフセンサは各々、フローチューブの運動
に応じて信号を出力する。フローチューブ内では、フロ
ーチューブ内を流れる物質のフローによって確立される
コリオリの力が、第１と第２のピックオフセンサから出
力される信号間の位相ずれを引き起こす。

【００１３】本発明の別の側面においては、コリオリ質
量流量センサは、フローチューブと、フローチューブを
取り付けるフレームと、フレームを振動させるための、
フローチューブに関連して運転可能に配置された駆動装
置と、コリオリの力に起因するフローチューブ内のねじ
れを測定するためにフローチューブに関連して配置され
た少なくとも１個のピックオフセンサとを有する。フレ
ームは例えばシリコンフレームからなり、ステンレス鋼
フローセンサチューブが取り付けられている。

【００１４】（発明の実施の形態）本発明の実施例につ
いて図面を参照して以下に説明する。明快に説明する観
点から、ここでは実際に実施した全ての機能を説明する
ことはしない。実際の実施例の開発において、開発者が
目標を達成するためにシステム関連及び事業関連の制約
に応じて等、実施毎に異なる無数の決定をしなければな
らなかったことは、当然賞賛に値する。更に、そのよう
な開発努力が複雑且つ時間のかかるものであろうことも
理解されようが、しかしそれも本発明を開示することで
利益を受ける分野における通常の知識を有する者のため
に決まりきった手順を踏んでいるにすぎない。

【００１５】図１（ａ）は、本発明の実施例に基づくコ
リオリベースの質量流量センサ及びコントローラを示し
ている。事実上２つの別個の作動システム即ちコリオリ
センサピックアップ・駆動システムＡとアプリケーショ
ン・制御システムＢから構成されている。コリオリセン
サピックアップ・駆動システムは、コリオリセンサ１と
インターフェースをとっている。アプリケーション・制
御システムＢは、ユーザ５に対するインターフェースを
与え、バルブ６等のフロー制御装置へ制御信号を与え
る。

【００１６】センサピックアップ・駆動システムＡの目
的は、相対質量流量をコリオリ力の関数として決定し、
相対密度を共振振動数の関数として決定する目的のため
にコリオリセンサ１の運動を制御及び検出することであ
る。例に挙げるセンサピックアップ・駆動システムＡ
は、以下の３つのデータ値をアプリケーション・制御シ
ステムＢへ与える。 １．「ΔＴ」− 相対質量流量を示すセンサチューブの
一方の側面から他方への位相ラグに関連する時間差。 ２．「振動数」− 測定される物質の相対密度に関連す
るセンサチューブの共振振動数。 ３．「温度」− センサチューブの温度を決定するため
のＲＴＤが測定される。

【００１７】アプリケーション・制御システムＢでは、
較正定数と併せて「ΔＴ」が用いられ、ユーザ５への所
望の質量流量が示される。アプリケーション・制御シス
テムＢではまた、較正定数と併せて「振動数」が用いら
れ、ユーザ５への所望の密度、体積或いはその両方が示
される。「温度」は、質量流量計算及び密度計算の両方
を補正するために用いられる。アプリケーション・制御
システムＢは、ユーザの設定値入力に照らして質量流量
または体積流量の単位出力を用い、フローを所望の設定
値に調整するようなバルブ６を制御する。

【００１８】図１（ｂ）は、本発明の或る側面に基づき
コリオリ質量流量センサを概略的に示すブロック線図で
ある。コリオリ質量流量センサ１は、フローセンサチュ
ーブ２を有し、駆動装置３がチューブ２を振動させるた
めにフローセンサチューブ２に関係して配置されてい
る。変位ゲージ４は、コリオリの力に起因するチューブ
２内のねじれを測定するべくチューブ２に関係して配置
されている。

【００１９】センサチューブ２に用いられる典型的な材
料は、３１６Ｌステンレス鋼である。３１６Ｌステンレ
ス鋼を用いる理由は、３１６Ｌステンレス鋼が多数の物
質からの化学的攻撃に強く、通常のプロセス圧力による
破壊に強く、通常は非汚染であり、コリオリセンサチュ
ーブの望ましい形状に容易に加工できるからである。し
かしながら、３１６Ｌステンレス鋼が全ての用途に対し
て好適であるわけではない。従って、３１６Ｌステンレ
ス鋼の不適用途をカバーするような他のチューブ材料が
入手可能であることが必要である。公知の装置では、３
１６Ｌステンレス鋼に代わる材料としてシリコンが用い
られている。３１６Ｌステンレス鋼に対するシリコンの
特長は、３１６Ｌステンレス鋼で作るセンサチューブよ
りも小さな形状のセンサチューブを作ることが可能なこ
とである。

【００２０】センサチューブ２の材料を選択する際に
は、応力誘導腐食又は強腐食（enhanced corrosion）に
対する耐性も考慮すべきである。応力は、チューブが取
り付けられている曲げアームの底部に発生する。多結晶
物質では、微結晶粒状領域の間の結晶粒界において応力
が物質中の不純物を拡散及び集中させる。多くの場合、
このことは微結晶間の結合を弱め、物質を化学的攻撃に
対してより脆弱なものとする。シリコン又はサファイア
のような単一結晶物質は、多結晶物質と比較するとこの
ように影響を受けることは少ない。

【００２１】３１６Ｌステンレス鋼のような金属は通常
多結晶体であるので、程度の差こそあれこのようなタイ
プの化学的攻撃にはより脆弱である。石英ガラスのよう
なアモルファス物質及び数種のプラスチックも、応力誘
導された化学的攻撃に対してより大きな耐性を有する
が、それは多結晶物質と異なりこれらの物質は結晶粒構
造を有していないからである。基礎をなす材料の使用が
その他の点で魅力的であるならば、化学的攻撃に対して
脆弱なチューブ材料は、チューブ材料の表面改質をする
か、表面に対する腐食または化学的攻撃を最小限にする
ようにコーティングするとよい。

【００２２】表面改質は、イオン注入、熱拡散、化学反
応又は電気化学反応によって行うことができる。表面改
質は、化学的耐性を有する層を表面に残すような電子又
は分子の化学種の除去、再分配、或いは導入を行うこと
を意図したものである。表面コーティングは、高温で表
面に衝突する蒸気、液体又は粉末からの熱活性めっき
（thermally activated deposition）によって行う。化
学反応性の化学種が例えばレーザからの強烈な光子フラ
ックスやプラズマによっても励起或いはイオン化される
場合には、表面改質はより低温で行う。化学的攻撃に耐
性がある他の物質は、熱ビーム蒸着、電子ビーム蒸着ま
たはイオンスパッタリングによる非反応性の物理蒸着法
によってめっきしてもよい。高エネルギーのイオンビー
ムを用いてスパッタリングを行い、スパッタリングされ
た化学種が化学的に励起或いはイオン化するようにする
場合には、表面との化学反応も行われる。これは或る種
のめっき物質にとっては望ましいことであろう。また、
化学種を加速し、運動エネルギーを用いた化学反応の活
性化或いは強化を可能にすることにより、表面における
化学反応を行わせることもできる。

【００２３】本発明の或る実施例において、コリオリフ
ローセンサチューブ２に用いられるチューブ材料は、オ
ーステナイトステンレス鋼、マルテンサイトステンレス
鋼、高ニッケル合金、チタニウム、ジルコニウム、チタ
ニウムとジルコニウムの合金、特にチタニウム−バナジ
ウム−アルミニウム合金及びジルカロイ（これらは降伏
強さが大きくヤング率が低いため）、シリコン、サファ
イア、炭化珪素、石英ガラス及びプラスチックである。
本発明に基づいて用いられるチューブコーティング材料
は、炭化珪素、ニッケル、クロム、ダイヤモンド、耐火
カーバイド、耐火窒化金属及び耐火酸化金属等である。

【００２４】別の実施例においては、検出チューブは異
なる材料組成のハイブリッド構造から構成され、構造各
部分の最高の材料特性を利用するために機械的に取り付
けられているようなものがある。センサ構造は、例えば
ウェット部分と非ウェット部分に分けられる。ウェット
部分はチューブを流れる流体に適合した材料のチューブ
とすることができ、金属チューブ、セラミックチュー
ブ、シリカチューブ等がこれに含まれる。このようなチ
ューブはフレーム等の振動構造に取り付けられ、振動構
造はコリオリの力を誘導する固有振動モードでチューブ
を運ぶ。振動構造は、振動構造自体をウェットチューブ
が中に嵌め込まれるようなチューブとするか、チューブ
が取り付けられるフレームとすることができる。振動構
造は、ウェットチューブを支持するための形状の梁に形
成することができるような材料から製造し得る。一例と
しては、ウェットチューブを支持する形状をなすように
ウェーハからエッチングされたシリコンが挙げられよ
う。ウェットチューブは、フローを運ぶチューブを形状
し得るステンレス鋼、塑性材料その他の材料から構成し
得る。

【００２５】図２は、本発明の或る実施例に基づくコリ
オリ質量流量センサ１を示す。コリオリ質量流量センサ
１は、実施例においては正弦波信号源からなるような信
号源（図示せず）によって駆動される電磁石１２を有す
る電磁駆動装置１０を用いている。電磁石１２は、セン
サチューブ１６に取り付けられた小さな永久磁石１４の
近傍に配置した。センサチューブ１６は、１つの孔１９
からフローチューブ１６を介して別の孔１９へ流れる流
路を画定するように、第１及び第２の孔１９を有する基
礎１８に結合した。ここに開示されている実施例に示さ
れるセンサチューブ１６は、通常Ｕ字型である。尤も他
の形状、例えばΔ型、長方形、コイル状またはストレー
トチューブを用いてもよい。代替チューブについて以下
に説明する。更に別の実施例も考えられ、そこでは複数
の並列検出チューブが用いられ、冗長性、制御範囲（選
択されたチューブがこの範囲内でバルブにより調節され
る）、より高度な精度等が与えられる。

【００２６】図３に示す実施例は図２に示すものと同様
であるが、静電駆動装置を用いている。静電駆動装置２
０は、センサチューブ１６に取り付けられた小さな絶縁
板２４の近傍に配置された帯電板２２を有する。チュー
ブ１６が誘電体から製造されている場合は、帯電板２２
をチューブ１６の近傍に配置し、絶縁板２４を取り除い
てもよい。ここでもまた、正弦波信号源等の信号源（図
示せず）が帯電板を駆動する。帯電板２２に印加される
電圧は、帯電板２２と絶縁板２４との間に電界を発生さ
せる。電界は絶縁板２４上に表面電荷を発生させる。電
圧極性は帯電板２２上で急速に変化するので、帯電板２
２と絶縁板２４の間の抵抗電界はフローチューブ１６を
振動させるような引力及び斥力を交互に発生させる。

【００２７】図４は、新しい音響駆動装置３０を用いた
コリオリ質量流量センサの別の実施例を示す。音響駆動
装置３０は、チューブ１６の近傍に配置された小さなス
ピーカ３２を有する。スピーカ３２から発生する圧力波
が、チューブ１６を振動させる。

【００２８】図５は、コリオリ質量流量センサ１の更に
別の実施例を示す。図５のコリオリ質量流量センサ１に
は圧電駆動装置４０が用いられている。フローチューブ
の各脚１６には向かい合うように２本の圧電スタック４
２が配置され、結果的に図５に示されるように各脚１６
上に２個のバイモルフが生成されている。チューブ１６
の撓みを生じさせ或いは検出するべく圧電効果及び逆圧
電効果を用いることができる。

【００２９】質量流量の測定は、センサチューブ１６を
通過する流体が発生させるコリオリの力に起因するセン
サチューブ１６内のねじれを画定することにより行われ
る。例えば、よく知られたコリオリ質量流量センサにお
いては、ピックオフセンサは、コリオリの力が誘導する
変位が最大になると予測されるフローチューブ１６上の
位置に置かれた磁石とコイルのペアからなる。コイル及
び磁石は対向する構造体に取り付けられている。例え
ば、磁石がチューブ１６に取り付けられ、コイルが固定
パッケージ壁に取り付けられている。コイルは磁界に出
入りし、コイル内に電流を誘導する。この電流は、コイ
ルに関連する磁石の速度に比例する。これは速度の測定
であるので、速度と、従って信号は、フローチューブ１
６が静止点を交差する（零交差）時に最大になる。コリ
オリの力が誘導するねじれは、２個の速度センサの零交
差時間の差を測定することにより検出されるような速度
信号において位相ずれを引き起こす。実際問題として、
位相ずれは時間計測回路に大きな精度負荷を与える。こ
のことはコリオリ技術を用いた質量流量計測の最大感度
を制限し得る。

【００３０】米国特許第5,555,190号は本出願の譲受人
に譲渡されたものであり、本明細書中で開示しているコ
リオリ質量流量装置と関連して開示されたチューブのよ
うな振動センサチューブの振動数と位相の関係を決定す
るためのデジタル信号処理方法及び装置について開示し
ている。米国特許第5,555,190号全体の引用を以って本
明細書の一部となす。

【００３１】本発明の或る側面は、典型的な時間ベース
の信号調整技術と比べてフロー能力が低く、より直接的
で、且つ回路においてそれほどの精度が要求されないよ
うなフロー測定技術を与えている。図２から４に示され
ている実施例を参照すると、振動するセンサチューブの
変位は容量型ピックオフセンサを用いて測定される。セ
ンサチューブ１６を通過する流体が発生させるコリオリ
の力に起因するセンサチューブ１６内のねじれを測定す
るべく、２個の静電容量変位ゲージ５０がチューブ１６
の形状に対称をなすようにチューブ１６の近傍に配置さ
れている。本発明の或る実施例において、静電容量変位
ゲージ５０は小型化してセンサパッケージ壁又はフロー
センサチューブのループ内に挿入されたセンサブロック
に表面取付した。コリオリの力に起因するセンサチュー
ブ１６内のねじれは、静電容量変位ゲージ５０からの２
つの信号間で位相ずれを引き起こす。これは変位の測定
であるので、信号は変位に正比例する。チューブの各側
の相対変位は、位相ずれとして測定される。ゲージドラ
イバ及び信号調整の電気部品は、チューブ１６の相対変
位を高レベル信号に変換する。高レベル信号は位相ずれ
の機能であり、フローがチューブ１６の中を流れる際に
コリオリ効果を測定するために用いることができる。

【００３２】第１の信号処理技術は、一方の変位ゲージ
５０から参照信号を受信し、他方の変位ゲージ５０から
入力信号を受信するようなロックイン増幅器を用いる。
参照信号または入力信号を発信するのはいずれのゲージ
５０でもよい。ロックイン増幅器からの位相出力は、フ
ローに比例する。図６はロックイン増幅器５２の機能回
路図であり、ロックイン増幅器５２を用いて本発明に基
づくコリオリの力に起因する位相ずれを測定するための
方法を実施することが可能である。信号は、図６に示す
ように左から右に伝わる。左入力１００及び右入力１０
２の信号は、各々左及び右変位ゲージ５０から伝わる。
例えば、左入力１００は参照信号として用いることがで
きる。正弦出力１０３は、左入力１００の信号にフェー
ズロックされた駆動信号である。これは、フローセンサ
チューブ１６を共振させる。右入力１０２は、２個の位
相検出器（ＰＳＤ）１０６内において、左／参照入力１
００の信号及びその９０°位相ずれ信号１０４と混合さ
れる。機能的には、ＰＳＤ１０６は２つの信号を掛け合
わせて高周波成分及び直流成分を生成する。低域フィル
タ１０８は、Ｘ出力１１０及びＹ出力１１２において直
流電圧を発生させるような高周波成分を除去する。Ｘ出
力１１０は参照信号に関係する信号の同相分と呼ばれ、
Ｙ出力１１２は直角分と呼ばれる。同相分及び直角分は
位相を感知するが、次の関係式によってベクトルの大き
さ及び位相成分を分離することが可能である。

【００３３】

【数２】

【００３４】ロックイン増幅器５２からの出力信号と変
位ゲージ５０からの入力信号との関係は、次のように導
かれる。

【００３５】任意の振幅、任意の位相差を有する正弦波
として２つの信号を考える。各信号は次式で表すことが
できる。

【００３６】

【数３】

【００３７】ＰＳＤ１０６の下部では、次のようにな
る。

【００３８】

【数４】

【００３９】この信号は、２倍の振動数で１つの直流電
圧成分及び１つの交流成分を有する。低域フィルタ（Ｌ
ＰＦ）１０８は、残りの交流成分を除去して次式の如く
する。

【００４０】

【数５】

【００４１】ＰＳＤ１０６の上部では、次のようにな
る。

【００４２】

【数６】

【００４３】ここで、cosωt＝sin(ωt＋90°) より、
余弦乗数が得られる。

【００４４】

【数７】

【００４５】ここで再び直流成分及び交流成分を有する
信号が得られたわけであるが、ＬＰＦ１０８を通過した
後では次式のようになる。

【００４６】

【数８】

【００４７】式１及び式２より、大きさＲ及び位相角θ
は次のように計算される。

【００４８】

【数９】

【００４９】以上の計算は、好適なデジタルまたはアナ
ログの処理装置１２０で実行できる。ベクトル位相は質
量流量に比例する。

【００５０】本発明の実施例に基づく別の方法では、一
方の変位ゲージ５０から参照信号及び１つの入力信号を
受信し、他方の変位ゲージ５０から第２の入力信号を受
信するような２チャンネルロックイン増幅器が必要であ
る。ロックイン増幅器は、ハードウエア、ソフトウエ
ア、または両者の組合せによって実現される。２つの入
力信号の差は、参照信号に対照して測定される。ロック
イン増幅器からの合成位相出力は、フローに比例する。
図７は、２チャンネルロックイン増幅器５４の機能回路
図である。信号は図６に示されている回路におけるもの
と同様の方法で伝わり、同様の明瞭度を有する。左入力
１００は、ここでも参照信号として用いられる。図６と
同様に、正弦出力１０３は、左入力１００の信号にフェ
ーズロックされた駆動信号である。図７の例では、右入
力１０２の信号から左入力１００の信号を減算し、２個
の位相検出器（ＰＳＤ）１０６内において左／参照入力
１００の信号及びその９０°位相ずれ信号１０４と混合
する。内部機能は、図６のロックイン増幅器５２と同様
である。

【００５１】ロックイン増幅器５４からの出力信号と変
位ゲージ５２からの入力信号との関係は、次に示す式を
用いて導くことができる。計算は、好適なデジタルまた
はアナログの処理装置１２０で実行できる。

【００５２】任意の振幅、任意の位相差を有する正弦波
として２つの信号を考える。各信号は次式で表すことが
できる。

【００５３】

【数１０】

【００５４】ここで、低雑音差動増幅器１１４からの出
力は、Ｖ_ref −V_right である。

【００５５】ＰＳＤ１０６の下部では、次のようにな
る。

【００５６】

【数１１】

【００５７】この信号は、２倍の振動数で１つの直流電
圧成分及び１つの交流成分を有する。低域フィルタ（Ｌ
ＰＦ）１０８が残りの交流成分を除去し、次式が得られ
る。

【００５８】

【数１２】

【００５９】ＰＳＤ１０６の上部では、次のようにな
る。

【００６０】

【数１３】

【００６１】ここで、cosωt＝sin(ωt＋90°) より、
余弦乗数が得られる。

【００６２】

【数１４】

【００６３】ここで再び直流成分及び交流成分を有する
信号が得られたわけであるが、ＬＦＰ１０８を通過した
後では次式のようになる。

【００６４】

【数１５】

【００６５】式１及び式２より、大きさＲ及び位相角θ
は次のように計算される。

【００６６】

【数１６】

【００６７】θはもはや位相角ではないが、左入力信号
及び右入力信号の位相角度及び振幅の関数のアークタン
ジェントである。この式を分析すると、θはφの強力な
関数であることが分かる。実際、入力信号の相対振幅に
よってこの関数の強度を制御することができる。これは
図８のグラフで説明することができ、図８のＡ及びＢ
は、各々左信号及び右信号の振幅である。２つの振幅が
近づくにつれて、ロックイン増幅器の出力θに対する感
度が高くなる。たとえその差が２％以内であるような振
幅に対しても、φに対するθの感度は標準ロックイン増
幅器の感度と比べて約１００倍である。

【００６８】図９は、本発明に基づきコリオリの力が誘
導する位相ずれを測定するための別の方法に用いられる
デュアルロックイン増幅器５６の機能的回路図である。
信号が動く方法及び定義は、既に開示したものと同様で
ある。左入力１００もまた参照信号として用いられる。
既に開示したものと同様に、正弦信号１０３は駆動信号
であり、左入力１００の信号にフェーズロックされてい
る。この場合、左入力１００の信号は、上部ロックイン
増幅器５８における２個の位相検出器（ＰＳＤ）１０６
において左入力１００の信号及びその９０°位相ずれし
た信号と混合される。底部ロックイン増幅器６０では、
右入力１０２の信号は、２個の位相検出器（ＰＳＤ）１
０６において左入力１００の信号及びその９０°位相ず
れした信号と混合される。位相ずれしていないＰＳＤ１
０６及び位相ずれしたＰＳＤ１０６からの対をなす出力
は、低雑音差動増幅器１１４において微分される。信号
の直流成分は、低域フィルタ１０８を通過して通常のロ
ックイン増幅器出力を与える。好適なデジタルまたはア
ナログの処理装置１２０によって実行される計算は、図
７に関連して概説した方法と同様であるが、作動順序は
異なる。図７の２チャンネルロックイン技術において、
僅かな差がある２個の高レベル信号が減算される。次に
低レベル信号が高レベル信号と乗算されるが、この乗算
がアナログ回路における雑音或いはデジタル回路におけ
る丸め誤差を生じさせ得る。図９のデュアルロックイン
技術において、まずハイレベル信号が乗算されて、次に
振幅の近似している乗算結果の信号が減算されて低騒音
出力が生じる。

【００６９】極めて大きな振幅の雑音に埋もれた低レベ
ル信号の測定には、ロックイン増幅器を使用することが
最も有名である。ロックイン増幅器は、極めて狭い帯域
フィルタとして作用し、このような測定をなし遂げてい
る。信号及び騒音は、参照正弦波及び余弦波が乗算さ
れ、次に低域フィルタを通過して参照振動数が除去され
る。乗算及びフィルタ動作の結果、複素数ベクトル（ｘ
＋ｉｙ）で表される直流信号が得られる。参照振動数と
対象信号（signal of interest）との位相差は、atan
（y/x）によって決定することができる。

【００７０】コリオリの力の測定に関して、同一振動数
の２個の信号間の位相差は重要である。これはデュアル
ロックイン増幅器を用いて行うことができ、各増幅器は
図１０に示すように同一の参照振動数で駆動される。図
１０に示す機能回路図において、左入力信号１００及び
右入力信号１０２は、参照振動数発生装置１１４が与え
る参照正弦波及び余弦波と乗算される。入力信号１０
０、１０２は、ＰＳＤ１０６において正弦信号及び余弦
信号と混合され、次に図６、図７及び図９に関連して説
明したように５次ベッセルＩＩＲ低域フィルタ１４８を
通過する。上記の乗算及びフィルタプロセスは、左入力
信号１００および右入力信号１０２において実行され、
参照振動数に対する各信号の位相差出力Ｘ、Ｙを生じさ
せる。２個の出力信号ＸとＹの差は、２個の入力信号１
００と１０２の位相差を表す。コリオリ質量流量の場合
は、この位相差は質量流量１５２の表示を表す。

【００７１】ロックイン増幅器を用いてコリオリ質量流
量に関連する極端に小さな位相差を測定する場合には、
参照振動数を対象信号に合うように調整する必要があ
る。参照信号が対象信号にそれほど近似していなけれ
ば、極低振動数の交流信号が低域フィルタ１４８の出力
に現れるであろう。コリオリセンサの振動数は、質量流
量、温度、密度及び圧力と共に変化し、測定プロセスを
更に複雑にしている。

【００７２】入力信号１００、１０２の１つからの出力
ベクトルを処理することによって、参照振動数を正確に
調整することができる。まず、出力ベクトルの導関数を
計算する。出力ベクトルの導関数は、２つの連続する出
力ベクトル間の複素差分を計算することにより算出でき
る。次に元の出力ベクトルを９０°回転させ、このベク
トルのドット積及び導関数を計算すると、参照振動数発
生装置１４４に与えられるエラー信号１５０が求められ
る。参照振動数を下げるか、上げるか、変化させない必
要がある場合には、エラー信号１５０は各々負、正、或
いはゼロである。

【００７３】参照振動数の調整量は位相測定の精度によ
るが、一般に調整が緻密であればあるほど精度は高くな
る。精度は、多数の出力サンプルに対する標準偏差を計
算して決定される。しかしながら、信号振動数において
ステップの変化がある場合には、参照振動数のより緻密
な調整（小さなステップの変化）は好ましくない。参照
振動数発生装置１４４が目的の振動数を発生させるまで
に長時間を要するためである。信号振動数が頻繁にステ
ップを変える場合には、ＰＩＤまたは適応アルゴリズム
を用いて、より応答の良い方法で参照振動数を調整する
ことができる。

【００７４】別の実施例においては、静電容量変位プロ
ーブ５０を圧電アクチュエータに取り付けることができ
る。圧電アクチュエータは、まず静電容量変位プローブ
５０を３次元に配列する。更に、本明細書に開示されて
いる２チャンネルロックイン増幅器又はデュアルロック
イン増幅器の方法を用いる場合は、圧電アクチュエータ
がフローセンサの感度を動的に調整することができ、従
ってセンサの範囲を拡張させることができる。

【００７５】このような動的位置決め（dynamic positi
oning）、特に静電容量変位プローブに関連するフロー
センサの位置決めによって、製作のばらつきを埋め合わ
せることができる。動的位置決めはまた、様々な成分の
相対熱膨張に起因する寸法のずれを埋め合わせる。２チ
ャンネルロックイン増幅器又はデュアルロックイン増幅
器と組み合わせて用いることにより、動的位置決めは２
個の変位信号を非常に近づけてフローに対する可変感度
を与えることができる。高いフロー条件に対しては低い
感度が用いられ、拡張された低いフロー条件に対しては
高い感度が用いられ、従って、フロー測定のダイナミッ
クレンジを広げる。

【００７６】本発明の実施例は、更に静電容量測定技術
を向上させ、特に静電容量変位プローブの新たな幾何学
的配列を向上させる。通常或る物体の変位は静電容量変
位プローブへの垂直線の寸法として測定される。変位は
また、静電容量変位プローブに対する接線方向の寸法と
しても測定される。図１１を参照すると、２枚の板１３
０を近接して並べ、板１３０の間に一定のギャップ１３
２を設け、図１１に示すような運動（矢印１３６で示
す）に対して接線方向の平面に、センサチューブ１３４
の近傍に配置することによって変位を特定することがで
きる。或る実施例では、板１３０を同じ位置に設置し、
センサチューブ１３４を大地電位に設置するものもあ
る。ギャップに対して垂直線方向への運動１３６が予測
されるようにして板１３０の間のギャップ１３２を直接
覆うようにセンサチューブ１３４を配置すれば、センサ
チューブ１３４のサイクル運動によってチューブ１３４
が２枚の板１３０のいずれか一方に接近するであろう。
相対静電容量は、各板１３０とセンサチューブ１３４の
間で測定される。センサチューブ１３４が２枚の板１３
０の何れか一方またはもう一方に向かって運動するにつ
れて静電容量に寄与する総面積が変化するので、相対静
電容量が測定される。

【００７７】図１２に示されるように、ギャップ１３２
がセンサチューブ１３４の間を斜めに貫く形状のものも
ある。このような形状では、板１３０の平面に対してセ
ンサチューブ１３４を配置する精度が低下する。センサ
チューブ１３４のアライメントの不備は、ギャップ１３
２が平行である場合と比較すると信号においてより小さ
な不整合を生じさせる。

【００７８】或いはギャップ１３２は、図１３に示すよ
うに鋸歯形模様である場合もある。鋸歯形は斜めのギャ
ップ１３２に対して改良されたものとなっている。ギャ
ップ１３２が平行であれ斜めであれ、ギャップ１３２に
関係するセンサチューブ１３４が角度アライメントの不
備により２枚の板１３０の間に静電容量の変化率に差異
を生じさせ、このことが２つの信号間の位相において好
ましくない変化を生み出すであろう。鋸歯形模様は、セ
ンサチューブ１３４のあらゆる角度アライメントの不備
を平均させ、より対称的な信号を与える。

【００７９】図１４、図１５及び図１６は、本発明の１
実施例に基づく例として容量ピックオフセンサを備えた
低フローコリオリ質量流量コントローラ２００を示して
いる。コリオリ質量流量コントローラ２００は、フロー
センサ部分２０２及びフロー制御部分２０４を有する。
質量流量コントローラ２００に対する内部または外部の
処理装置は、設定値または所望の質量流量の表示を受け
取る。設定値をフローセンサ部分２０２が示す実際の質
量流量と比較し、偏差を求める。フロー制御部分２０４
はバルブを有し、バルブを操作することで流量を調整
し、偏差を最小にする。特定の制御機構を実行すること
は、本発明の開示の利益を受ける当業者が行う日常的な
作業であるので、ここでは実施の詳細について詳述しな
い。

【００８０】フローセンサ部分２０２は、ケーシング２
０５により囲まれ、ループ状に曲げられたセンサチュー
ブ２０６、駆動装置２０８、及び２個のピックオフセン
サ２１０を有する。ピックオフセンサ２１０は、センサ
チューブ２０６の逆側に配置され、センサチューブ２０
６の側面の変位を測定する。

【００８１】既存のコリオリ装置のセンサは通常、溶接
された金属のハウジング内に設置されていた。ハウジン
グ内のセンサチューブには、変位センサまたは速度セン
サが取り付けられ、これらのセンサはフィードスルーを
介してハウジング外部の電気部品に接続された電線を用
いてセンサチューブに取り付けられていた。このような
装置におけるセンサチューブは、比較的大型であり、約
１００Ｈｚの共振振動数を有する。本発明の実施例のよ
うにより小さなセンサチューブに対する共振振動数は幾
分高くなり、２００Ｈｚ以上のオーダーになる。振動数
が増大するにつれて、センサケーシングの内部大気条件
に起因する粘性減衰効果が大きくなる。ケーシングを排
気し、真空に適合する材質を利用することによって、粘
性減衰を減少させ或いはゼロにすることが可能である。
従って、図で示したような実施例において、センサチュ
ーブ２０６が真空センサケーシング２０７内に設置され
ている。

【００８２】センサチューブ２０６は、チューブのルー
プの脚を結ぶ線に直交する方向の弾性曲げを可能にする
ように設計された。ループは、ループの中心線付近で弾
性ねじれを生じさせるのに十分な幅を有する。低フロー
におけるコリオリの力を測定するため、センサチューブ
２０６の質量を最小にする必要がある。チューブを小さ
くし、しかも拡張圧力において流体を保持できるように
する必要があるので、チューブサイズの決定は重大であ
る。チューブ２０６との接触またはチューブ２０６への
質量負荷によってコリオリの力が抑制できるので、ピッ
クオフセンサ２１０を非接触とすることが望ましい。

【００８３】ピックオフセンサ技術には、容量型、磁気
的、圧電性、及び光学的技術がある。圧電ひずみゲージ
変位センサは、チューブに接触するが、変位が最小でひ
ずみが最大となるようなループの下部と接触する。こう
することでチューブの振動への影響を最小にするであろ
う。光学技術には、レーザまたは白光干渉変位技術、三
角測量技術、多重内部反射及びビーム掩蔽技術が含まれ
る。磁気変位技術には、ホール効果、渦電流、可変磁気
抵抗及び磁気抵抗技術が含まれる。

【００８４】容量型ピックオフセンサ技術は、チューブ
変位を測定するために必要な感度を有し、非接触で、磁
気駆動装置に影響されないので、図１４〜１６に示した
ような実施例に用いられている。容量型ピックオフセン
サ２１０は、各々少なくとも１枚の導電板３００を有
し、導電板は与えられた電位に接続され、導電板間のギ
ャップを画定するべくフローセンサチューブ２０６の近
傍に配置されている。導電板３００とフローセンサチュ
ーブ２０６との間の静電容量は、フローセンサチューブ
２０６が振動する際の導電板３００及びフローセンサチ
ューブ２０６の相対運動によって変化する。

【００８５】図１４〜１６に示したような実施例におい
て、図１１〜１３に関連して説明したように、導電板は
第１及び第２の板からなる。或る実施例においては、図
１３に示すような鋸歯形の板が用いられている。容量型
ピックオフセンサ２１０は、組み込まれたセンサブロッ
ク３０１にアセンブルされている。センサブロック３０
１は、プレスピン３０２によりケーシング２０７の後壁
を寸法的に参照して、ケーシング２０７に合わせてサイ
ズを決定した。容量型ピックオフセンサ２１０の導電板
３００は、寄生静電容量を最小にする保護層と、センサ
ブロック３０１にはんだ付けするための裏板とを供給す
るような多層プリント回路板上で作製される。容量型ピ
ックオフセンサ２１０は、真空で作動することが要求さ
れるので、図で示したような実施例では低ガス放出材料
が用いられている。標準繊維ガラス材料は、真空には適
合しない。望ましい材料特性は、真空に適合し、はんだ
付けが可能で、低ガス放出結合で多層に接着でき、単一
保護層デザインに対して一定の低誘電率を有することで
ある。或る実施例では、市販のＤＲＵＯＩＤが用いられ
ている。

【００８６】容量型ピックオフセンサ２０８を有するセ
ンサブロック３０１は、センサチューブ２０６との間隔
を最適化するように調整することが可能である。調整
は、放電加工したヒンジ板を用いて行う。テーパ止めネ
ジは、容量型ピックオフセンサの線運動及び角運動を起
こすべくギャップを拡げる。更に、容量型ピックオフセ
ンサの導電板３００は接触パッドを有し、接触パッドに
よって電線をはんだ付けしたり、センサブロックの正面
にプリント回路板３０３を電線接続したりすることが可
能になる。センサブロックは、センサケーシング２０７
外部の容量型変位電気部品と連動する気密封止電気コネ
クタを用いて、容量型ピックオフセンサ２１０と相互に
連結されている。

【００８７】駆動装置２０８は、チューブ２０６を曲げ
モード振動に駆動し、振動を生じさせる。図に示したよ
うな実施例において、駆動装置２０８は、センサチュー
ブ２０６にはんだ付けされた小さな磁石３０４と、磁石
３０４に交互に出入りする小さな電磁コイル３０６を有
する。図１６に示す実施例においては、非希土類磁石、
特にニッケルめっきされたサマリウムコバルト磁石が用
いられている。サマリウムコバルト磁石は、重量比に対
して強い磁力を有する。実施例では、磁石の重量は約２
０ｍｇである。磁極がチューブの好適な変位方向に平行
をなすように、磁石３０４はセンサチューブ２０６の上
中心部に配置する。

【００８８】コイル３０６は、センサケーシング２０７
の外部に配置され、回路板２０９に結合される。センサ
ケーシング２０７は非磁性であるので、磁界へ透過す
る。コイル３０６は、環状デザインとは全く異なり、開
路型である。本実施例におけるコイル３０６は、少なく
とも１ｍＨのインダクタンスを有する市販のパワーイン
ダクタである。コイル３０６の中心軸は、磁石３０４の
表面に垂直になるように調整する。フェーズロックルー
プ（ＰＬＬ）機能を介するコイル駆動回路へのフィード
バックとしての、容量型ピックオフセンサの１つからの
信号を用いて、センサチューブ２０６を共振させる。Ｐ
ＬＬ機能は、電気回路として或いはソフトウエアにおい
て実行される。

【００８９】基礎部分２１２は、フロー入口２１４及び
フロー出口２１６を画定する。センサチューブ２０６を
基礎部分２１２上に取り付け、フローが入口からセンサ
チューブ２０６、フロー制御部２０４を介してセンサフ
ロー出口２１６へという流路で流れるようにする。フロ
ー制御部２０４は、バルブコイル２２８及びコイルカバ
ー２３０を内部に配置したメータ本体２２２を含む。バ
ルブ軸（stem）２３２及びプランジャ２３４はバルブコ
イル２２８内に配置し、バルブ本体２３６はメータ本体
２２２にシール２３８で結合する。弁座２４０、ばね２
４２及びオリフィス２４４は、バルブ本体２３６内に配
置する。端受２２４、２２５は、フロー制御部２０４の
いずれかの端部に配置する。メータ本体２２２と端受２
２４との間、及びバルブ本体２３６と端受２２５との間
は、シール２２６で結合する。或る実施例において、シ
ール２２６は電鋳ニッケルシールからなる。

【００９０】例として示すような実施例において、コリ
オリ質量流量コントローラ２００は、次のようにアセン
ブルした。メータ本体２２２及びセンサケーシング２０
７は、ベースプレート３１０、中柱３１２及びセンサチ
ューブ２０６と同様、センサチューブ２０６をセンサケ
ーシング２０７の壁に寸法的に参照するような取付具に
よって所定位置にアセンブルし、保持した。残りの部分
は、プレスピン３３０により割り出した。これらの部分
は、単一のユニットとしてロウ付けした。磁石３０４
は、センサチューブ２０６にはんだ付けした。センサブ
ロック３０１をアセンブルし、プレスピン３０２を用い
てセンサケーシング２０７内に取り付けた。プレスピン
３０２は、センサケーシング２０７の背面から約０．５
ｍｍ延在させた。気密封止コネクタ３２０は、センサケ
ーシング２０７の裏面の開口３２２に押し込んだ。セン
サブロックプレスピン３０２及び気密封止コネクタ３２
０は、レーザまたは電子ビーム溶接してリーク密封を与
えた。カバー３２４は、真空環境でセンサケーシング２
０７の正面を覆うように配置し、所定位置にレーザまた
は電子ビーム溶接し、真空密封環境を与えた。

【００９１】次に、残りのバルブ部品及び端受ブロック
２２４、２２５をメータ本体２２２にアセンブルした。
電鋳ニッケルシール２２６を用いても、エストラマーＯ
リングを較正に用いた後でニッケルシールに交換しても
よい。完全なアセンブリ上で電気部品をアセンブルし、
取り付けた。Ｏリング３３２はベースプレート３１０上
に取り付け、ケーシング２０５をＯリングシール３３２
に下向きに押し付けた。ベースプレート３１０上のカム
錠を回転させ、ケーシング２０５を下にロックした。Ｏ
リング３３４は、電気部品カバーキャップ３３６に取り
付けた。電気部品キャップ３３６は、ユーザインターフ
ェースコネクタ３３８に被せた。電気部品キャップ３３
６は、ケーシング２０５上からＯリングシールに影響を
与えるような位置に嵌めた。次にアセンブルした質量流
量コントローラ２００を試験し、較正した。

【００９２】例として示すようなコリオリ質量流量コン
トローラ２００は、幾つかの利点を供与するモジュラー
設計を有する。上記のように、フロー本体（ケーシング
２０５の下端とベースプレート３１０との間）及びユー
ザインターフェースキャップ（ケーシング２０５の上端
と電気部品キャップ３３６との間）においてＯリングシ
ールに影響を与えるように電気部品パッケージを設計し
た。電気部品キャップ３３６は、電気部品を検出し、制
御するべく、コリオリ質量流量コントローラ２００及び
その内部のユーザインターフェースボード３４０と相互
に接続されている。電気部品キャップ３３６及びユーザ
インターフェースボード３４０は共にユーザの電気部品
に接続するためのインターフェースを画定する。このこ
とは、ユーザ装置毎に異なる検出、制御の電気部品及び
ケーシングを設計する必要がなく、ユーザの要求通りの
インターフェースを柔軟に形成する。

【００９３】例えば種々のインターフェースキャップ
は、装置即ちIP-65/NEMA 4Xコンプライアントを与える
べくシール及び電線管を有し得る。そのような装置４０
０の例を図１８に示す。対照的に、図１４〜１６に示す
実施例は、ユーザインターフェースボード３４０に接続
されたコネクタ３４２を有する。図１８に示すように、
電気部品キャップ３３７を拡張し、特定の用途のために
要求される追加部品のための空間を与えている。

【００９４】Ｏリングシールケーシング２０５の別の機
能は、第３の流体を保持することである。センサチュー
ブ２０６が第１の流体を保持し、センサケーシング２０
７が第２の流体を保持する。

【００９５】制御される気泡が流体内に存在する場合、
既存のバルブでは、プランジャ周辺の環状開口がバルブ
出口への気泡の通路を制限していた。気泡は、液体のフ
ローが制限されてフロー制御が失われるような場所への
環状開口の入口に集まる。環状開口を拡げると、バルブ
コイルからのプランジャの空間が増加し、それによって
磁気回路の磁界強さが弱められ、また流体が生じさせる
水力に対してバルブを開閉するために必要な慣性力が弱
められる。従って、図示されるコリオリ質量流量コント
ローラ２００では、プランジャ２３４を通すような丸孔
２４６が設けられる。丸孔２４６は、気泡の形状及びサ
イズに適合するものとし、気泡がより滑らかにバルブを
通過するようにする。このようにして、気泡がフローを
制限する可能性を最小にする。プランジャ２３４の中心
を通過するような孔２４６は、水力に対してバルブを開
閉するための力が維持すべく、磁気回路に対するあらゆ
る影響を最小にする。

【００９６】典型的な既存のバルブでは、バルブプラン
ジャは、オリフィスのランドに押し付けられた時にフロ
ーに対するシールを形成するような変形可能な材料から
製造した固定座を有していた。常時閉のソレノイドバル
ブの場合、ばね釣り合いにより弁座に対して力を生じさ
せることで、ソレノイド作用によってオリフィスランド
から弁座を揚げるようにすることが可能であった。常時
開のソレノイドバルブの場合、ソレノイド作用により弁
座に対して力を生じさせて均衡を取ることで、磁界が取
り除かれた時、ばねによってオリフィスから弁座を揚げ
るようにすることが可能であった。弁座の材料は、弾
性、可塑性、または延性の金属とすることができる。

【００９７】繰り返し使用可能とすべく、通常シールは
塑性変形よりも弾性変形であることが好ましい。或い
は、弁座及びランドに硬質材料を用いてもよいが、弁座
とランドとの間で表面をぴたりと合わせることを含めて
非常に厳格な許容差を以って製造する。この方法は非常
に費用がかかる。プランジャにおける磁力は変位に対し
線形でないため、弁座とランドの空間はバルブ操作に重
大である。常時開のバルブの場合、弁座がランドと逆に
動かされる時に最大の力を与え、また開口位置で最大の
フローを与えるために、プランジャのノーマル位置と、
従ってランドに関係する弁座のノーマル位置とを最適化
する必要がある。常時閉のバルブの場合、ランドに対す
る弁座の力はばねによって与えられる。ばねの力は、水
力に対してバルブを閉にするのに十分な力とする必要が
ある。更に、最大のフローを得るのに十分な距離までは
磁力によって弁座をランドから揚げられるように、最小
の力にもする必要がある。

【００９８】既存の装置では、ランドまたは弁座の下に
シムを置いたり、オリフィス部品に調整ネジを用いたり
等、種々の手段を用いて弁座とランドの間の空間が調整
されてきた。しかしながら、図１７（ａ）に示すよう
に、通常オリフィスの調整ネジはオリフィス本体２５０
とバルブ本体２５２との間をシールしておらず、ねじ山
２５６の間に漏れ経路２５４を残す。このような調整ネ
ジでは、流体が漏れないようにねじ山２５６をシールす
る必要がある。Ｏリングやガスケット等の分離シールに
よりねじ山２５６をシールする。

【００９９】本発明の或る側面に基づき、オリフィス２
４４及びランドの少なくとも一方は、精密オリフィスの
ねじ部品に機械加工するのに適した、ＶＥＳＰＥＬ（登
録商標）等の塑性材料から製造する。図１７（ｂ）の実
施例に示すように、オリフィス本体２５０とバルブ本体
２５２との間に締りばめ２５８ができるようにねじ山２
５６を大き目に機械加工し、このように分離シール（Ｏ
リングまたはガスケット）を不要にする。これでオリフ
ィスランドは、弁座２４０及びプランジャ２３４の設計
及び製作（図１５及び１６参照）を単純化するような変
形可能な部材となった。

【０１００】しかしながら、本発明は特定のプランジャ
構造に限定する必要はない。或る実施例では、バルブに
代えてポンプが用いられる。例えば、流体制御の目的で
計量型ポンプを用いてもよい。特に、複数の圧電チュー
ブ部分を有する圧電ポンプを用いることができる。異な
るチューブ部分を圧縮または膨張させるような方法で圧
電チューブ部分を制御するので、圧電チューブ部分は流
体のフローを望ましいように制御することを可能にす
る。

【０１０１】図１９は、本発明の更に別の側面に基づ
き、例として示されるようなコリオリ質量流量検出装置
を示している。図に示すコリオリ質量流量検出装置５０
０は、チューブの変位を測定して、チューブを流れる質
量流量に起因するコリオリの力を検出するための代替構
造を有する。光源５１０は、変位が最大になると予測さ
れるフローチューブ５０２上部または上部付近に配置し
た。そしてフォトダイオード或いは他の光検出器５１２
は、チューブ５０２の逆側に光源５１０と向き合うよう
に配置した。光検出器５１２は、光検出器５１２から受
信した信号を処理するようなセンサ電子部品に接続され
ている。センサ電子部品はデジタル信号処理装置を備え
ることができ、そのようなデジタル信号処理装置として
は例えば米国特許第5,555,190号に開示されている信号
処理方法や図６〜１１に示した実施例に照らして本明細
書中で開示されているロックイン増幅器が挙げられる。
別の実施例も考えられ、例えば受信した信号を最小２乗
法による位相決定を用いて対照と比較するような、モー
ド検出または正弦波カーブフィッティングが用いられ
る。

【０１０２】或る実施例において、光源５１０及び光検
出器５１２は、光学検出プリント回路板（ＰＣＢ）上に
実現された光学検出回路の一部である。光源５１０及び
光検出器５１２は、センサチューブ５０２の運動を検出
するための赤外線ＬＥＤ及びフォトダイオードからな
る。図１９に示すように、２セットのＬＥＤ５１０及び
フォトダイオード５１２があり、１セットがセンサチュ
ーブ５０２の片側を検出する。

【０１０３】図２０は、図１９に示す光学コリオリ質量
流量検出装置５００を備えたコリオリ質量流量コントロ
ーラの一部を概略的に示すブロック線図である。光学コ
リオリ質量流量検出装置５００は、光学検出ＰＣＢ５２
０の一部を構成する。光学検出ＰＣＢ５２０は、光学駆
動ＰＣＢを介してマザーボードＰＣＢ５２６上のセンサ
ピックオフ・駆動回路５２４へ左出力信号５２１及び右
出力信号５２２（センサチューブ５０２の左及び右部分
に対応する）を与える。アプリケーション・制御回路５
２８もマザーボードＰＣＢ５２６上で実行される。デジ
タル信号処理（ＤＳＰ）ＰＣＢ５３０は、ＤＳＰ処理装
置５３２と、フラッシュＥＥＰＲＯＭ５３４と、高速Ｓ
ＲＡＭ５３６と、論理・監視回路５３８とを有する。本
発明の１実施例においては、５０ＭＨｚで作動するテキ
サスインスツルメント社のTMS320C32処理装置がＤＳＰ
処理装置５３２として機能している。ＲＴＤ５４２は、
センサチューブ温度を測定するために光学駆動ＰＣＢを
介してセンサピックオフ・駆動回路５２４へ出力を与え
る。センサピックオフ・駆動回路５２４は、センサチュ
ーブ５０２の振動を制御するための駆動コイル５１３へ
も出力信号を与える。

【０１０４】チューブ５０２の共振振動数で正弦波によ
って駆動されるコイル５１３を用いて、チューブを振動
させる（図１９に示すように紙面に出し入れする）。コ
イル５１３が作り出す磁力（例えば図１４〜１６に関連
して既述した実施例に用いられているような１ｍＨイン
ダクタ）は、センサチューブ５０２に取り付けられた磁
石５１４上でプッシュプルを行い、運動させる。チュー
ブ５０２が振動する際、ＬＥＤ５１０からフォトダイオ
ード５１２に達する赤外線の光の量は、センサチューブ
５０２が光路を往復運動するにつれて増減する。光学検
出回路が光の振動をチューブの位置を表す電圧に変換す
る。

【０１０５】チューブ５０２が振動するにつれて、セン
サチューブ５０２の左側及び右側の運動を表す２つの正
弦波として光学検出回路の出力が現れる。センサチュー
ブ５０２を流れる質量流量がない場合、センサチューブ
５０２の左側及び右側は同位相であるので、２つの正弦
波はゼロフローを示す同位相である。センサチューブ５
０２を流れる質量流量が増加するにつれて、センサチュ
ーブ５０２の左側と右側の運動間の位相差は（質量流量
に線形に）増加する。

【０１０６】センサピックオフ・駆動回路５２４は、光
学検出ＰＣＢ出力５２１、５２２からセンサ駆動信号を
生成する。従って、センサチューブ５０２、光学ピック
オフ５１０、５１２及び駆動コイル／磁石システム５１
３、５１４は、センサチューブ５０２の機械特性によっ
て決定される振動数で振動するような閉じた系を構成す
る。この概念は、機械的物体（センサチューブ５０２）
の代わりにクリスタルを用いた高周波発生器に類似して
いる。

【０１０７】センサピックオフ・駆動回路５２４のＤＳ
Ｐ ＰＣＢ４３０及び関連する電子部品は、左及び右セ
ンサチューブ出力５２１、５２２を、センサチューブ５
０２の左側と右側間の実際の位相差を表す数値に変換す
る。この位相差は質量流量を表す。

【０１０８】図２１に示すように、センサピックオフ・
駆動回路５２４は、ステレオＡ／Ｄ変換器５５０を有す
る。センサチューブ５０２の左側と右側間の実際の位相
差を測定し、センサチューブ５０２の振動数を測定し、
固有センサチューブ５０２の駆動レベルを決定するため
に、ステレオＡＤ変換器５５０を用いて光学検出ＰＣＢ
５２０から左出力５２１及び右出力５２２のサンプルを
取る。ＲＴＤ Ａ／Ｄ変換器５５２は、ＲＴＤ５４２か
らの出力を受信し、ＲＴＤによってセンサチューブ５０
２の温度を測定する。乗算Ｄ／Ａ変換器を用いてセンサ
チューブの駆動レベルを調整する。ステレオＡＤ変換器
５５０、ＲＴＤ Ａ／Ｄ変換器５５２及び乗算Ｄ／Ａ変
換器は、ＤＳＰ ＰＣＢ４３０によって制御される。

【０１０９】再び図２０を参照されたい。光学駆動ＰＣ
Ｂ５４０は、光学検出ＰＣＢ５２０の左出力５２１及び
右出力５２２を減衰し、ＡＣ結合させると同時に、駆動
信号出力の位相を９０°ずらすように機能する。更に、
光学駆動ＰＣＢ５４０は、ＲＴＤ５４２とマザーボード
ＰＣＢ５２６上のセンサピックオフ・駆動回路５２４と
の電気接続を与える。

【０１１０】信号フローについて考察することによっ
て、光学駆動ＰＣＢ５４０の目的が更に分類され、セン
サチューブ５０２が共振振動数でどのように駆動される
かが説明される。センサチューブ５０２の運動は、光学
検出ＰＣＢ５２０によって２つの正弦波（左出力５２１
及び右出力５２２）を生成する。これらの信号は、光学
駆動ＰＣＢ５４０へ送られ、そこでＤＣオフセットを除
去するためにＡＣ結合され、マザーボードＰＣＢ５２６
上のセンサピックオフ・駆動回路５２４のステレオＡ／
Ｄ変換器５５０の入力に適した振幅まで減衰されて振幅
を減らされる。

【０１１１】センサピックオフ・駆動回路５２４はこれ
らの信号の緩衝増幅器として働き、ステレオＡ／Ｄ変換
器５５０を用いてこれらの信号のサンプルを取り、更に
駆動ゲインを調整するために乗算Ｄ／Ａ変換器５５４に
よって左出力５２１も与える。乗算Ｄ／Ａ変換器５５４
を通過した後に信号は光学駆動ＰＣＢ５４０へフィード
バックされる。光学駆動ＰＣＢ５４０では、センサ駆動
コイル５１３へ信号が与えられる前に９０°位相遅れが
誘導される。機械的発振器は共振において（コイル５１
３及び磁石５１４を経由して）システムへのエネルギー
フィードバックがチューブ５０２の運動から位相が９０
°ずれていることを必要とするので、９０°位相シフト
回路が必要である。

【０１１２】当業者に自明なように、減衰、ＡＣ結合及
び９０°位相ずれは光学検出ＰＣＢ５２０またはマザー
ボードＰＣＢ５２６に組み込むことが可能である。しか
しながら、別個のＰＣＢにおいてこれらの機能を実行す
ることによって、光学検出ＰＣＢ５２０及び光学駆動Ｐ
ＣＢ５４０はシステムから除去され、別の質量流量セン
サがマザーボードＰＣＢ５２６に直結され得る。マザー
ボードＰＣＢ５２６におけるピックオフ入力及び駆動出
力は、実行される特定の質量流量センサの対応する入力
及び駆動系と互換性がなければならず、或いは好適なイ
ンターフェースを与えなければならない。

【０１１３】典型的な先行技術コリオリセンサピックオ
フは速度を検出する磁石及びコイルを用いていた（ピッ
クオフ出力振幅は零交差において最大になる）ので、公
知のコリオリ質量流量センサは駆動出力において９０°
位相ずれを必要としなかった。それに対して、本明細書
中で開示している光学または容量ピックオフセンサは位
置を検出する（ピックオフ出力振幅はピークにおいて最
大になる）。速度は位置から導かれるものであり、正弦
関数からは余弦関数が導かれるものであり、正弦関数は
９０°位相ずれした余弦関数であるので、速度を検出す
るピックオフにおける９０°位相ずれは当然発生する。

【０１１４】センサチューブ５０２の振動を開始させる
ために、駆動ゲインは通常よりかなり多く増加される。
通常存在する暗振動は、センサチューブ５０２を主とし
て共振振動数において振動させる。この小さな運動は光
学ピックオフ５１０、５１２によって検出され、センサ
チューブ５０２をより大きな振幅で（高ゲイン駆動回路
を経由して）駆動するために用いられる。センサチュー
ブ５０２の振動が所望の振幅に達したら、駆動回路は正
常ゲインに切り換えられ、ＤＳＰ ＰＣＢ５３０は乗算
ＤＡ変換器５５４を経由してセンサチューブの振幅制御
を引き継ぐ。センサチューブ５０２は、センサチューブ
駆動振幅の能動制御がない場合には、振動を止めるか制
御不能で振動するかのいずれかであろう。

【０１１５】ＤＳＰ ＰＣＢ５３０によって計算される
位相差、センサチューブ振動数及びセンサチューブ温度
は、図の例では４８００ボーの直列リンクを経由してア
プリケーション・制御回路５２８へ伝送される。

【０１１６】図２２は、アプリケーション・制御回路の
側面を概略的に示す図である。マザーボードＰＣＢ５２
６には、アプリケーション・制御回路５２８のための回
路構成が含まれている。ユーザインターフェース（Ｕ
Ｉ）ＰＣＢ５６０は、マザーボードＰＣＢ５２６へプラ
グ接続することができる。マザーボードＰＣＢ５２６
は、マイクロコントローラ５６２と、フラッシュＥＥＰ
ＲＯＭ５６４と、高速ＳＲＡＭ５６６と、論理・監視回
路５６８とを有する。或る実施例では、モトローラ68LC
302マイクロコントローラを用いて、２５ＭＨｚで実行
している。マイクロコントローラ５６２は、 １．アナログ設定値入力及びアナログバルブオーバーラ
イド入力５７０を検出するために用いるＡ／Ｄ変換器
と、 ２．アナログフロー信号５７２を出力するために用いる
Ｄ／Ａ変換器と、 ３．バルブ制御信号５７４を出力するために用いるＤ／
Ａ変換器とを制御する。

【０１１７】図２２に示すユーザインターフェースＰＣ
Ｂ５６０はマザーボードＰＣＢ５２６にオプションで追
加されるものであり、マザーボードＰＣＢ５２６は様々
な交信プロトコルを規定する。ここまでで説明した電子
部品は全て交信に特異的なものではない。様々な交信プ
ロトコルとの互換性を得るために、マザーボードＰＣＢ
５２６へプラグ接続し得る共通ユーザインターフェース
ＰＣＢ形成要素を用いて、一意のユーザインターフェー
スＰＣＢ５６０が各所望のプロトコルに与えられる。

【０１１８】例えば、共通交信プロトコルはＨＡＲＴプ
ロトコルである。アナログ／ＨＡＲＴユーザインターフ
ェースＰＣＢは、マザーボードＰＣＢ５２６上に既に存
在する０（１）〜５Ｖ入力及び出力に加えて０（４）〜
２０ｍＡの設定値入力及びフロー出力を与える。ＨＡＲ
Ｔ物理層もこのバージョンに存在し、１３ＶＤＣから３
０ＶＤＣ主電力入力の容量を有する独立供給電力が与え
られる。

【０１１９】図２３は、ＨＡＲＴインターフェース５８
０を示す図である。好適なキャリアを用いてフロー出力
信号（０（４）〜２０ｍＡ）５８２を変調し、ＨＡＲＴ
交信プロトコルを出力信号上で伝送及び受信できるよう
にする。ＨＡＲＴプロトコルは、データを監視する目的
のため、また装置を較正及び構成するためのコリオリ質
量流量コントローラとのデジタルインターフェースを与
える。フロー出力信号５８２（０（４）〜２０ｍＡ）
は、電流に加えて電圧のフローを監視するための０
（１）〜５Ｖ信号５８４にも変換される。

【０１２０】設定値入力は、電流５８６または電圧５８
８の入力間で選択するためのジャンパ線を与える。設定
値入力は、電圧に変換され（電流入力が選択された場
合）、マザーボードＰＣＢ５２６へ送られ、マザーボー
ドＰＣＢ設定値入力５７０へ直結される。マザーボード
ＰＣＢ５２６専用コンフィギュレーション上でフロー出
力信号５７２のために用いられる信号は、ＨＡＲＴイン
ターフェース５８０上で変換され、密度出力信号５９０
として解読される。バルブオーバーライド入力５７０
は、マザーボードＰＣＢ５２６のバルブオーバーライド
入力へも直結される。

【０１２１】マザーボードＰＣＢ５２６専用コンフィギ
ュレーションは、供給電力の戻りと全ての信号の戻り間
で共通接地を共有する。電力は、＋１５ＶＤＣ及び接地
を用いて供給される。入力出及び力信号のためのマザー
ボードＰＣＢコネクタ上に接地接続が別々に存在する
が、これらは電気的には同じ点である。

【０１２２】マザーボードＰＣＢ５２６への＋１５ＶＤ
Ｃ入力電圧５７６は、＋１５ＶＤＣを必要とする全ての
部品上で直接用いられる。＋１５ＶＤＣは、２台のＤＣ
-ＤＣ切換変換器を駆動するためにも用いられる。１台
は＋１５ＶＤＣを＋５ＶＤＣに変換するために、もう１
台は＋１５ＶＤＣを−９ＶＤＣに変換するために用いら
れる。例として挙げた本発明に基づくコリオリ質量流量
コントローラにおいて、全ての電気・電子回路（バルブ
を含む）は３つの電圧源（＋１５ＶＤＣ、−９ＶＤＣ、
＋５ＶＤＣ）を用いて動力が供給される。シャシ接地と
電力／信号接地間の唯一の接続は、並列の１Ｍ抵抗器及
び０．０１ｕＦコンデンサである。

【０１２３】ＨＡＲＴインターフェース５８０を追加す
ることによって、供給電力入力５７６を分離する。ＨＡ
ＲＴインターフェースの入力電圧範囲は＋１３〜３０Ｖ
ＤＣであり、内部電圧源及び接地から完全に分離されて
いる。１３〜３０ＶＤＣ（図中の符号５９２）を１５Ｖ
ＤＣに変換するＤＣ-ＤＣ変換器は、絶縁を与える。絶
縁は、ガルヴァーニ電気（主電力移動）または光学的
（フィードバック）絶縁である。ＤＣ-ＤＣ変換器の出
力は、電気的に絶縁された＋１５ＶＤＣ及び接地であ
る。

【０１２４】図２４（ａ）及び（ｂ）は、光学ピックオ
フセンサを備えた本発明に基づくコリオリ質量流量コン
トローラのフローセンサ部分６００である。図２４
（ａ）及び（ｂ）に示すフローセンサ部分６００は、図
１４〜１６に示したコントローラ２００のような質量流
量コントローラにおいて使用するのに適している。事実
上図２４（ａ）及び（ｂ）のフローセンサ部分６００
は、図１４〜１６のフローセンサ部分２０２の位置で実
行され得る。フローセンサ部分６００は、磁石６０４が
取り付けられたフローセンサチューブ６０２を含む。赤
外線ＬＥＤ６０６及びフォトダイオード６０８は、光学
検出ＰＣＢ６１０へ結合し、フローセンサチューブ６０
２のいずれかの側面に配置した。フローセンサチューブ
６０２、磁石６０４、ＬＥＤ６０６、フォトダイオード
６０８及びＰＣＢ６１０は全てハウジング６１２内に配
置し、ハウジング６１２にはカバー６１４を取り付けて
ある。１ｍＨインダクタはコイル６１６として機能し、
チューブを駆動する。コイル６１６はハウジング６１２
の外部に配置した。

【０１２５】或いは、センサチューブ、駆動装置及びピ
ックオフセンサを全てエンクロージャ内に含めるか、コ
イルに加えて或いはコイルの代わりに選択された部品を
エンクロージャの外部に配置してもよい。例えば或る実
施例では、エンクロージャを画定する窓を有するエンク
ロージャを備えている。これによって、光源、フォトダ
イオード、またはその両方をエンクロージャの外部に配
置することができる。また別の実施例では、例えば光フ
ァイバーケーブルを用いてセンサ電子部品がエンクロー
ジャから離隔した。これは例えばコリオリ質量流量検出
器が危険環境下で用いられている場合に望ましいものと
なり得る。

【０１２６】上記に開示したように、赤外線フォトダイ
オードに適合した赤外線ＬＥＤ光源から光源及び検出器
を構成しうる。フォトダイオード活性表面のサイズはチ
ューブの直径に近似しているが、それより僅かに大き
い。チューブが振動するにつれてＬＥＤとフォトダイオ
ード間の経路を通って動き、ＬＥＤから光を明滅する。
チューブが静止している時にＬＥＤと検出器間の光の径
路が部分的に破壊されるようにチューブを配置すること
ができる。チューブが振動しながら静止点付近を動くに
つれて、検出器に届く光は検出器からの正弦波出力を最
大または最小で与えることになる。コリオリ力に誘導さ
れるフロー効果に起因する位相差のために、チューブの
各側からの相対出力を測定することが可能である。

【０１２７】本明細書において示したように、フロー検
出チューブは様々な材料から製造することができる。更
に、フロー検出チューブは材料のハイブリッドからなる
こともある。そのようなハイブリッド構造の一例を図２
５に示す。シリコンフレーム７０２及びステンレス鋼チ
ューブ７０４を有するコリオリ質量流量センサ７００の
図で示してある。コリオリ質量流量センサ７００は更に
クランプ７０６及びセンサ７０８も有し、これらも全て
シリコンで製造されている。補助的な材料を用いること
もでき、例えばクランプ７０６を金属、ガラス、塑性材
料、セラミック等から製造することができる。薄いシリ
コンアーム７１０がフレーム７０２から延びており、セ
ンサチューブ７０４の両側に取り付けられている。

【０１２８】センサ７０８は圧電抵抗器であり、センサ
チューブ７０４の両側に取り付けられた各シリコンアー
ム７１０の底部にあるホイートストンブリッジに実装さ
れている。センサ７０８は事実上歪みゲージであり、シ
リコンアーム７１０の曲げによって誘導される歪みを測
定する。第１のホイートストンブリッジ７２０を図２６
（ａ）に示す。ホイートストンブリッジ７２０は、各ア
ーム７１０の底部に実装されている。ホイートストンブ
リッジ７２０は通常シリコンでも実装されており、シリ
コンフレーム７０２に付着させたか或いは埋め込んだも
のである。ホイートストンブリッジ７２０は、４つのブ
リッジ抵抗器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を有し、このうち
Ｒ１及びＲ４は可変圧電抵抗器である。ホイートストン
ブリッジ７２０は、励起供給接続Ｖsと、シングルリタ
ーンＧＮＤと、センサ出力信号接続−Ｖout及び＋Ｖout
を更に有する。

【０１２９】図２６（ｂ）は第２のホイートストンブリ
ッジ７２２を示す図であり、ホイートストンブリッジ７
２２は２つのアーム７１０間に実装され、２つのアーム
７１０間の差歪みを決定する。ホイートストンブリッジ
７２２においては、抵抗器Ｒ１及びＲ２が可変圧電抵抗
器である。フローは差歪みに正比例する。２個の分離信
号から位相を抜き出す必要はない。

【０１３０】本発明の別の側面は、ストレートセンサチ
ューブを備えたコリオリフロー測定装置に関与し、フロ
ーチューブは通常線形のフロー経路を画定する。図２７
は、本発明に基づくストレートチューブフローセンサ４
５０を概略的に示した図である。先ず、圧電駆動装置４
５４をチューブ４５２の各端部に取り付けることによっ
て、通常の垂直偏極モードでチューブ４５２を始動させ
ることが可能である。或る実施例において、圧電駆動装
置は圧電ユニモルフからなり、圧電層がチューブ４５２
の片側に取り付けられている。別の実施例では、これ以
外の圧電駆動装置、例えば圧電バイモルフを用いること
も考えられる。

【０１３１】逆側は、センサ４５６として作用する圧電
抵抗層または圧電層のいずれかを取り付けることができ
る。同期に始動される１組のユニモルフ４５４は、共振
モードにおいてチューブを駆動する。フローはチューブ
４５２を通って確立されるので、コリオリの力は圧電セ
ンサ４５６上で相対歪みをシフトさせ、出力信号中に位
相ずれを生成する。

【０１３２】別のストレートチューブコリオリセンサ４
５１を図２８に概略的に示す。２人縄跳びと同様に円偏
極モードでストレートチューブ４５２を始動させること
が可能である。コリオリの力を誘導する質量流量ベクト
ルの成分は、チューブ４５２のラインに垂直である。チ
ューブ４５２の各端部は、回転方向または回転の逆方向
に向いたコリオリの力を受けることになる。これがチュ
ーブ４５２の逆の端部において位相ずれを引き起こすこ
とになる。チューブは、例えばチューブ４５２の中心に
磁石４６０を配置し、２個の直交する電磁石コイル４６
２を用いて磁石４６０を円振動させることによって始動
させ得る。各駆動信号は９０°の位相差を有する。セン
サ４５６は、チューブ４５２のいずれかの端部に配置す
る。或いは、チューブ４５２の３分の１の位置における
駆動コイル４６２及び磁石４６０と同様に、直交してセ
ンサ４５６を配置することもできる。センサ４５６は、
ある程度はチューブ材料によって、事実上光学センサ、
容量型センサまたは電磁石センサとすることができる。

【０１３３】磁石４６０及びコイル４６２で駆動する装
置に代わるものとして、別の実施例ではチューブの各端
部に取り付けられた傾斜型圧電アクチュエータがこのモ
ードのための駆動装置として働く。公知の傾斜型圧電ア
クチュエータは通常、光学鏡の位置を動的に調整するた
めに用いられる。チューブを円偏極で駆動するために圧
電スタックは３つの正弦波信号によって駆動され、各々
が隣接する正弦波信号から１２０°進めた位相を有す
る。これは３相モータ駆動に類似したものとなり得る。
傾斜型圧電アクチュエータは任意の鏡と比較して通常高
価で大きいので、本発明においては以下の代替装置を用
いている。

【０１３４】フラット圧電ユニモルフは、上記の３スタ
ックアクチュエータよりかなり廉価である。フラット圧
電ユニモルフは通常低い電位で等価変位に到達すること
ができ、スタックアクチュエータよりもかなり小さい。
例として傾斜型アクチュエータ４７０、４７１を図２９
（ａ）、（ｂ）に概念的に示す。傾斜型アクチュエータ
４７０は３アームのフラット渦巻ばね４７４を、傾斜型
アクチュエータ４７１は４アームのフラット渦巻ばね４
７５を備えている。圧電装置は、フラット渦巻ばね４７
４、４７５の各アーム４７６上に構成した。図の例でば
ね４７４は、ばね４７４、４７５の外部環状構造４７８
付近の各アーム４７６上に構成された圧電ユニモルフ４
７２を有する。圧電または圧電抵抗センサは、ばね４７
４の、圧電抵抗アクチュエータ４７２と逆側に取り付け
た。センサは、チューブ各端部のセンサ間の相対位相を
検出する。

【０１３５】従って、ユニモルフ４７２に電圧を印加す
ることによって各アーム４７６の変位が生じる。上記の
３スタック傾斜型アクチュエータを用いて行うのと同様
に３アームのばね４７４を用いてユニモルフ４７２を３
相の正弦波によって駆動し、結果的に通常円駆動運動を
生じさせる。４アームのばね４７５は構造がより複雑で
あるが、始動は更に簡単である。４アーム構造には、３
相駆動装置に代えて２相駆動装置が必要とされる。各駆
動信号は、２つの対向するアーム４７６に与えられる。
運動は、信号をアナログオシロスコープへのｘ、ｙ入力
へ与えること及びリサジュー図形を観察することと相似
である。２つの信号が同一振幅で、９０°位相ずれして
いる場合には、結果的に円になる。

【０１３６】フラット渦巻ばね４７４、４７５には、図
２７に関連して開示したシート型ユニモルフ４５４には
ない利点がある。ばね４７４は、シート型ユニモルフ４
５４において必要とされるような直径の変更を必要とし
ないで垂直変位を調節し得るのである。チューブの遠心
力の増加によって駆動されるようなセンサ信号振幅の増
加によって更に密度を測定することが可能である。この
モードの始動によって、より柔軟にチューブ材料が選択
できる。チューブを共振構造とする必要はない。ちょう
ど２人縄跳びをする如く連続して振動させるようにする
ことが可能であるので、システムは共振である必要はな
い。

【０１３７】以上に開示した特定の実施例は例証にすぎ
ず、本発明は、本明細書の開示の利益を有する当業者に
自明な同等の別の形態で、改変を加えて実施することが
可能である。更に、本発明の請求項によって画定される
以外の構成またはデザイン等の詳細に、何らかの制限を
加えることは意図されていない。従って、本発明の範囲
及び精神から逸脱することなく、本明細書に開示した特
定の実施例の置換及び部分的な変更が可能であり、様々
な改変が考えられることは容易に理解できよう。本発明
が保護を求める範囲は、請求項に記載の通りである。

【０１３８】

【発明の効果】以上述べたように、本発明のコリオリ質
量流量計測装置においては、チューブの運動による位相
差を検出して質量流量を決定することから、位相ずれに
よる精度負荷を減らすとともに質量流量計測の感度が向
上する。更に、フラットばね等を用いて変位を調整し得
ることから、フロー制御も可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は（ａ）及び（ｂ）からなり、共に本発明
の或る側面に基づきコリオリ質量流量センサを概略的に
示すブロック線図である。

【図２】本発明に基づき電磁駆動装置を用いたコリオリ
質量流量センサを示す図である。

【図３】本発明に基づき静電駆動装置を用いたコリオリ
質量流量センサを示す図である。

【図４】本発明に基づき音響駆動装置を用いたコリオリ
質量流量センサを示す図である。

【図５】本発明に基づき圧電駆動装置を用いたコリオリ
質量流量センサを示す図である。

【図６】本発明に基づきコリオリの力が引き起こす位相
ずれを測定するためのロックイン増幅器の回路図であ
る。

【図７】本発明に基づきコリオリの力に起因する位相ず
れを測定するための２チャンネルロックイン増幅器の回
路図である。

【図８】本発明に基づく信号処理方法を用いたセンサチ
ューブ位置検出器からの入力信号の大きさの関係を示す
グラフである。

【図９】本発明に基づきコリオリの力が引き起こす位相
ずれを測定するためのデュアルロックイン増幅器の回路
図である。

【図１０】本発明に基づきコリオリの力に起因する位相
ずれを測定するためのデュアルロックイン増幅器であっ
て、参照振動数の調整を含むデュアルロックイン増幅器
の回路図である。

【図１１】本発明に基づく容量型変位プローブの第１の
実施例を示す図である。

【図１２】本発明に基づく容量型変位プローブの第２の
実施例を示す図である。

【図１３】本発明に基づく容量型変位プローブの第３の
実施例を示す図である。

【図１４】本発明の１実施例に基づくコリオリ質量流量
コントローラの斜視図である。

【図１５】図１４に示すコリオリ質量流量コントローラ
の断面図である。

【図１６】図１５に示すコリオリ質量流量コントローラ
の分解組立図である。

【図１７】図１７は（ａ）及び（ｂ）からなり、（ａ）
は先行技術のねじ込みバルブ接続を、（ｂ）は本発明に
基づくシールねじ込みバルブ接続を示す図である。

【図１８】本発明の別の側面に基づくコリオリ質量流量
コントローラの１実施例の斜視図である。

【図１９】本発明の１実施例に基づく光学ピックオフセ
ンサを用いたコリオリ質量流量装置を示す図である。

【図２０】図１９に示す光学ピックオフセンサを用いた
コリオリ質量流量装置を示すブロック線図である。

【図２１】本発明の或る側面に基づきセンサピックオフ
・駆動回路の一部を示すブロック線図である。

【図２２】本発明の或る側面に基づきアプリケーション
・制御回路の一部を示すブロック線図である。

【図２３】本発明に基づきコリオリ質量流量コントロー
ラのためのＨＡＲＴインターフェースの一部を概念的に
示すブロック線図である。

【図２４】図２４は（ａ）及び（ｂ）からなり、（ａ）
は本発明の１実施例に基づくコリオリ質量流量コントロ
ーラのフロー検出部分の正面図、（ｂ）は側面図であ
る。

【図２５】本発明の１実施例に基づくハイブリッドコリ
オリ質量流量検出チューブを示す図である。

【図２６】図２６は（ａ）及び（ｂ）からなり、図２５
に示すハイブリッドチューブ構造のための圧電抵抗セン
サとして機能するホイートストンブリッジを示す図であ
る。

【図２７】本発明に基づきストレートチューブフローセ
ンサを概略的に示すブロック線図である。

【図２８】本発明に基づき別のストレートチューブフロ
ーセンサを概略的に示すブロック線図である。

【図２９】図２９は（ａ）及び（ｂ）からなり、本発明
に基づき例として示す傾斜型圧電アクチュエータを概略
的に示す図である。

【符号の説明】

１、５００、７００ コリオリ質量流量センサ ２、１６、１３４、２０６、４５２、５０２、６０２、
７０４ チューブ ３、１０、２０、３０、４０、２０８、４５４ 駆動装
置 ４、５０ 変位ゲージ ５ ユーザ ６、２３６ バルブ １２ 電磁石 １４、３０４、４６０、５１４、６０４ 磁石 １８ 基礎 １９、２４６ 孔 ２２ 帯電板 ２４ 絶縁板 ３２ スピーカ ４２ 圧電スタック ５２、５４、１１４ 増幅器 １００、１０２、１０３、１０４、１１０、１１２、１
５０、５２１、５２２、５７０、５７２、５７４、５８
２、５８４、５９０ 信号 １０６ 位相検出器 １０８、１４８ 低域フィルタ １２０ 処理装置 １３０ 板 １３２ ギャップ １３６ 運動方向 １４４ 参照振動数発生装置 ２００ コリオリ質量流量コントローラ ２０２、６００ フローセンサ部分 ２０４ フロー制御部分 ２０５ ケーシング ２０７ センサケーシング ２０８、２１０ ピックオフセンサ ２１２ 基礎部分 ２１４ フロー入口 ２１６ フロー出口 ２２２ メータ本体 ２２４、２２５ 端受 ２２６ シール ２２８、３０６、４６２、５１３、６１６ コイル ２３０ コイルカバー ２３２ バルブ軸 ２３４ プランジャ ２３８ シール ２４０ 弁座 ２４２、４７４、４７５ ばね ２４４、２５０ オリフィス ２５２ バルブ ２５４ 漏れ経路 ２５６ ねじ山 ２５８ 締りばめ ３００ 導電板 ３０１ センサブロック ３０２、３３０ プレスピン ３０３、４３０、５２０、５２６、５３０、５４０、５
６０、６１０ プリント回路板 ３１０ ベースプレート ３１２ 中柱 ３２０ 気密封止コネクタ ３２４、６１４ カバー ３３２、３３４ Ｏリング ３３６、３３７ 電気部品キャップ ３３８ ユーザインターフェースコネクタ ３４０ ユーザインターフェースボード ３４２ コネクタ ４００ 装置 ４５０、４５１ ストレートチューブフローセンサ ４５４、４７２ ユニモルフ ４５６、７０８ センサ ４７０、４７１ 傾斜型アクチュエータ ４７６、７１０ アーム ４７８ 外部環状構造 ５１０、６０６ 光源（ＬＥＤ） ５１２、６０８ 光検出器（フォトダイオード） ５２４ センサピックオフ・駆動回路 ５２８ アプリケーション・制御回路 ５３２ ＤＳＰ処理装置 ５３４、５６４ フラッシュＥＥＰＲＯＭ ５３６、５６６ 高速ＳＲＡＭ ５３８、５６８ 論理・監視回路 ５４２ ＲＴＤ ５５０ ステレオＡ／Ｄ変換器 ５５２ ＲＴＤ Ａ／Ｄ変換器 ５５４ 乗算Ｄ／Ａ変換器 ５６２ マイクロコントローラ ５７６、５８８、５９２ 電圧 ５８０ ＨＡＲＴインターフェース ５８６ 電流 ６１２ ハウジング ７０２ フレーム ７０６ クランプ ７２０、７２２ ホイートストンブリッジ Ａ コリオリセンサピックアップ・駆動システム Ｂ アプリケーション・制御システム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョセフ・シー・ディル アメリカ合衆国ペンシルベニア州18969・ テルフォード・クーパスロード 623 (72)発明者 ティモシー・ダブリュ・スコット アメリカ合衆国ペンシルベニア州19446・ ランスデイル・ウェントワースドライブ 138 (72)発明者 ジェフリー・エル・ホワイトリー アメリカ合衆国ペンシルベニア州18951・ クエイカータウン・ディアウッドレーン・ 369 Ｆターム(参考） 2F035 JA02

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コリオリ質量流量センサであって、 フローチューブと、 前記フローチューブの第１の側面に近接して設置された
   光源と、 前記フローチューブの第２の側面に近接して設置された
   光検出器と、 前記フローチューブを振動させるために前記フローチュ
   ーブに関連して動作可能に設置された駆動装置とからな
   り、 前記フローチューブが前記光源と前記光検出器間で画定
   された経路を通って運動することを特徴とするコリオリ
   質量流量センサ。
2. 【請求項２】 前記光源が、赤外線を放射することを
   特徴とする請求項１に記載のコリオリ質量流量センサ。
3. 【請求項３】 前記光源が、赤外線ＬＥＤからなるこ
   とを特徴とする請求項２に記載のコリオリ質量流量セン
   サ。
4. 【請求項４】 前記検出器板が、フォトダイオードか
   らなることを特徴とする請求項３に記載のコリオリ質量
   流量センサ。
5. 【請求項５】 前記フォトダイオードが、前記フロー
   チューブの直径より大きな活性表面を画定することを特
   徴とする請求項４に記載のコリオリ質量流量センサ。
6. 【請求項６】 前記光源が、振動するフローチューブ
   の変位が最大になる点に前記フローチューブに関連して
   設置されていることを特徴とする請求項１に記載のコリ
   オリ質量流量センサ。
7. 【請求項７】 前記光源が、前記フローチューブが静
   止している際に前記光源と前記光検出器間で画定された
   経路内で前記フローチューブが部分的に配置されるよう
   に、前記フローチューブに関連して設置されていること
   を特徴とする請求項１に記載のコリオリ質量流量セン
   サ。
8. 【請求項８】 コリオリ質量流量センサであって、 フローチューブと、 前記フローチューブが取り付けられたフレームと、 前記フレームを振動させるために前記フレームに関連し
   て動作可能に設置された駆動装置と、 コリオリの力に起因する前記フローチューブ内のねじれ
   を測定するために前記フローチューブに関連して設置さ
   れた少なくとも１個のピックオフセンサからなることを
   特徴とするコリオリ質量流量センサ。
9. 【請求項９】 前記フレームがチューブから構成さ
   れ、該チューブ内に前記フローチューブが設置されてい
   ることを特徴とする請求項８に記載のコリオリ質量流量
   センサ。
10. 【請求項１０】 前記フローチューブと前記フレーム
    が、異なる材料から製造されていることを特徴とする請
    求項８に記載のコリオリ質量流量センサ。
11. 【請求項１１】 前記フローチューブが、ステンレス
    鋼から製造されていることを特徴とする請求項１０に記
    載のコリオリ質量流量センサ。
12. 【請求項１２】 前記フローチューブが、塑性材料か
    ら製造されていることを特徴とする請求項１０に記載の
    コリオリ質量流量センサ。
13. 【請求項１３】 前記フレームが、シリコンから製造
    されていることを特徴とする請求項１０に記載のコリオ
    リ質量流量センサ。
14. 【請求項１４】 コリオリ質量流量センサであって、 通常線形のフロー経路を画定するような、第１及び第２
    の端部を有するフレキシブルフローチューブと、 前記フローチューブを始動させるように配置された駆動
    装置と、 前記フレームを振動させるために前記フレームに関連し
    て動作可能に設置された駆動装置と、 前記フローチューブの前記第１及び第２の端部に各々設
    置された第１及び第２のピックオフセンサからなり、 前記各第１及び第２のピックオフセンサが前記フローチ
    ューブの運動に応じて信号を出力し、前記フローチュー
    ブを通過する物質のフローによって確立されるコリオリ
    の力が前記第１及び第２のピックオフセンサによって出
    力された前記信号間で位相ずれを引き起こすことを特徴
    とするコリオリ質量流量センサ。
15. 【請求項１５】 前記駆動装置が、前記フローチュー
    ブを垂直偏極モードで始動させることを特徴とする請求
    項１４に記載のコリオリ質量流量センサ。
16. 【請求項１６】 前記駆動装置が、前記フローチュー
    ブを円偏極モードで始動させることを特徴とする請求項
    １４に記載のコリオリ質量流量センサ。
17. 【請求項１７】 前記駆動装置が、前記フローチュー
    ブの前記第１及び第２の端部に各々動作可能に設置され
    た第１及び第２の圧電ユニモルフからなることを特徴と
    する請求項１４に記載のコリオリ質量流量センサ。
18. 【請求項１８】 前記駆動装置が、 複数のアームを確定するフラットばねと、 複数の圧電装置からなり、 前記アーム毎に１つの圧電装置が取り付けられているこ
    とを特徴とする請求項１４に記載のコリオリ質量流量セ
    ンサ。
19. 【請求項１９】 前記圧電装置が、電源に各々接続さ
    れていることを特徴とする請求項１８に記載のコリオリ
    質量流量センサ。
20. 【請求項２０】 前記圧電装置が、圧電ユニモルフか
    らなることを特徴とする請求項１８に記載のコリオリ質
    量流量センサ。