JP2011080844A - Fluid measuring sensor and fluid measuring instrument - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、流体の例えば流速、流動方向、流量等を計測する流体計測センサ及びそれを備える流体計測器に関する。 The present invention relates to a fluid measurement sensor that measures, for example, a flow velocity, a flow direction, a flow rate, and the like of a fluid, and a fluid measuring instrument including the fluid measurement sensor.
従来、例えば、気体、液体、蒸気等の流体の流速、流動方向(以下、流向という)及び/又は流量を計測するための種々の流体計測器が開発され、様々な技術分野で適用されている。例えば、種々の流速計、流量計及び流向計が、河川等の監視システム等に用いられている。また、種々の風速計、風向計及び風向計等が例えば気象観測システム等に用いられている。 Conventionally, for example, various fluid measuring instruments for measuring the flow velocity, the flow direction (hereinafter referred to as the flow direction) and / or the flow rate of a fluid such as gas, liquid, and vapor have been developed and applied in various technical fields. . For example, various velocimeters, flow meters, and flow direction meters are used for monitoring systems such as rivers. Various anemometers, anemometers, anemometers, and the like are used in, for example, weather observation systems.
これらの流体計測器を、その計測原理で分類すると、機械式と電気式とに分類することができる。機械式の流体計測器としては、従来、例えばプロペラ等の回転子を利用したものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。このタイプの流体計測器では、流速等をプロペラの回転数で換算して計測する。 If these fluid measuring instruments are classified according to their measurement principles, they can be classified into mechanical and electrical types. As a mechanical fluid measuring device, one using a rotor such as a propeller has been proposed (for example, see Patent Document 1). In this type of fluid measuring device, the flow velocity or the like is converted by the rotation speed of the propeller and measured.
一方、電気式の流体計測器としては、従来、例えば熱線式の流体計測器が提案されている(例えば、特許文献2参照)。このタイプの流体計測器は、温度依存型の抵抗素子を備えており、この抵抗素子に電流を流した際の抵抗素子の温度をモニターして流体の流速等を計測する。具体的には、発熱した抵抗素子に例えば風等の流体が当たれば、抵抗素子の熱が流体により奪われ、抵抗素子の温度が下がる。熱線式の流体計測器では、このような抵抗素子の温度変化を流速等に換算する。 On the other hand, for example, a hot wire type fluid measuring device has been conventionally proposed as an electric fluid measuring device (see, for example, Patent Document 2). This type of fluid measuring instrument includes a temperature-dependent resistance element, and measures the flow velocity of the fluid by monitoring the temperature of the resistance element when a current is passed through the resistance element. Specifically, if a fluid such as wind hits the heated resistance element, the heat of the resistance element is taken away by the fluid, and the temperature of the resistance element decreases. In a hot wire type fluid measuring instrument, such a temperature change of the resistance element is converted into a flow velocity or the like.
また、従来、電気式の流体計測器として、圧電素子を用いて風の向き及び強さを計測するセンサも提案されている(例えば、特許文献3参照)。 Conventionally, a sensor that measures the direction and strength of wind using a piezoelectric element has been proposed as an electric fluid measuring instrument (see, for example, Patent Document 3).
上述のように、従来、種々の流体計測器が様々な分野で適用されているが、実用化されている流体計測器は、一般に、大型で且つ高価なものが多い。 As described above, conventionally, various fluid measuring instruments have been applied in various fields. However, fluid measuring instruments in practical use are generally large and expensive.
本発明は、上記状況を鑑みなされたものであり、本発明の目的は、より簡易な構成を有し且つ安価な流体計測センサ及びそれを備える流体計測器を提供することである。 The present invention has been made in view of the above situation, and an object of the present invention is to provide a fluid measurement sensor having a simpler configuration and at a low cost, and a fluid measurement instrument including the same.
上記課題を解決するために、本発明の流体計測センサは、圧電素子部と、圧電素子部の一方の表面上に設けられた突起部材とを備える構成とする。また、圧電素子部は、圧電部材、該圧電部材を挟んで対向する位置に形成された一対の第1電極からなる第1電極対、及び、該圧電部材を挟んで対向する位置に形成された一対の第2電極からなり且つ第1電極対に対して第1方向に所定距離だけ離れて形成された第2電極対を有する構成とする。そして、突起部材の圧電素子部側の面の第1方向の幅が、所定距離より大きく、突起部材の圧電素子部側の面の中心が、第1及び第2電極対間の中心と同軸上に位置する構成とする。 In order to solve the above problems, the fluid measurement sensor of the present invention is configured to include a piezoelectric element portion and a protruding member provided on one surface of the piezoelectric element portion. In addition, the piezoelectric element portion is formed at a position facing the piezoelectric member, a first electrode pair including a pair of first electrodes formed at positions facing each other with the piezoelectric member interposed therebetween, and a position facing the piezoelectric member. The second electrode pair is formed of a pair of second electrodes and formed at a predetermined distance from the first electrode pair in the first direction. The width in the first direction of the surface of the protruding member on the piezoelectric element portion side is larger than a predetermined distance, and the center of the surface of the protruding member on the piezoelectric element portion side is coaxial with the center between the first and second electrode pairs. It is set as the structure located in.
本発明の第1の流体計測器は、上記本発明の流体計測センサと、差動回路部と、算出部とを備える構成とし、各部の機能は次の通りである。差動回路部は、流体から突起部材に加えられた圧力により、第1電極対に発生する第1電圧信号と、第2電極対に発生する第2電圧信号との第1差信号を生成する。また、算出部は、差動回路部で生成した第1差信号に基づいて、流体の流速及び流向の少なくとも一方を算出する。 The first fluid measuring instrument of the present invention is configured to include the fluid measuring sensor of the present invention, a differential circuit unit, and a calculating unit, and the function of each unit is as follows. The differential circuit unit generates a first difference signal between a first voltage signal generated in the first electrode pair and a second voltage signal generated in the second electrode pair by pressure applied to the protruding member from the fluid. . The calculation unit calculates at least one of the flow velocity and the flow direction of the fluid based on the first difference signal generated by the differential circuit unit.
また、本発明の第2の流体計測器は、上記本発明の流体計測センサと、加算回路部と、算出部とを備える構成とし、各部の機能は次の通りとする。加算回路部は、流体から突起部材に加えられた圧力により、第1電極対に発生する第1電圧信号と、第2電極対に発生する第2電圧信号との和信号を生成する。また、算出部は、加算回路部で生成した和信号に基づいて、流体の流量を算出する。 Moreover, the 2nd fluid measuring device of this invention is set as the structure provided with the fluid measurement sensor of the said this invention, an addition circuit part, and a calculation part, and the function of each part is as follows. The adding circuit unit generates a sum signal of the first voltage signal generated in the first electrode pair and the second voltage signal generated in the second electrode pair by the pressure applied from the fluid to the protruding member. The calculation unit calculates the fluid flow rate based on the sum signal generated by the addition circuit unit.
さらに、本発明の第3の流体計測器は、上記本発明の流体計測センサと、差動回路部と、第1算出部と、加算回路部と、第2算出部とを備える構成とし、各部の機能は次の通りとする。差動回路部は、流体から突起部材に加えられた圧力により、第1電極対に発生する第1電圧信号と、第2電極対に発生する第2電圧信号との第1差信号を生成する。第1算出部は、差動回路部で生成した第1差信号に基づいて、流体の流速及び流向の少なくとも一方を算出する。加算回路部は、第1電圧信号と、第2電圧信号との和信号を生成する。そして、第2算出部は、加算回路部で生成した和信号に基づいて、流体の流量を算出する。 Furthermore, a third fluid measuring instrument of the present invention is configured to include the fluid measuring sensor of the present invention, a differential circuit unit, a first calculation unit, an addition circuit unit, and a second calculation unit, and each unit The functions are as follows. The differential circuit unit generates a first difference signal between a first voltage signal generated in the first electrode pair and a second voltage signal generated in the second electrode pair by pressure applied to the protruding member from the fluid. . The first calculation unit calculates at least one of the fluid flow velocity and the flow direction based on the first difference signal generated by the differential circuit unit. The adder circuit unit generates a sum signal of the first voltage signal and the second voltage signal. The second calculation unit calculates the fluid flow rate based on the sum signal generated by the addition circuit unit.
上述のように、本発明の流体計測センサは、圧電素子部上に、突起部材を設けただけの構成であるので、その構成はより簡易であり、低コストで作製することができる。それゆえ、本発明によれば、より簡易な構成を有し且つ安価な流体計測センサ及びそれを備えた流体計測器を提供することができる。 As described above, since the fluid measurement sensor of the present invention has a configuration in which a protruding member is provided on the piezoelectric element portion, the configuration is simpler and can be manufactured at low cost. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a fluid measurement sensor that has a simpler configuration and is inexpensive and a fluid measurement instrument including the fluid measurement sensor.
以下に、本発明の実施形態を、添付図面を参照しながら以下の順で説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではない。
1.第1の実施形態:流体計測センサ及び流体計測器の基本構成例
2.第2の実施形態:複数の突起部を二次元に配列した流体計測センサ及び流体計測器の構成例
Embodiments of the present invention will be described below in the following order with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not limited to the following examples.
1. 1. First embodiment: Basic configuration example of fluid measurement sensor and fluid measurement device Second embodiment: configuration example of fluid measuring sensor and fluid measuring instrument in which a plurality of protrusions are two-dimensionally arranged
<1.第1の実施形態>
[流体計測センサの構成]
図1に、本発明の第1の実施形態に係る流体計測センサ(以下、流体センサという)の概略斜視図を示す。本実施形態の流体センサ10は、主に、突起部1(突起部材)と、その底面側に設けられた圧電素子部2とで構成される。なお、突起部1は、例えば接着部材等の固定手段(不図示)により、圧電素子部2に接着固定される。
<1. First Embodiment>
[Configuration of fluid measurement sensor]
FIG. 1 is a schematic perspective view of a fluid measurement sensor (hereinafter referred to as a fluid sensor) according to a first embodiment of the present invention. The fluid sensor 10 of the present embodiment is mainly composed of a protrusion 1 (protrusion member) and a piezoelectric element portion 2 provided on the bottom surface side thereof. The protruding
本実施形態の流体センサ10は、突起部1に流体が当たった際に、流体により突起部1に加えられた圧力が圧電素子部2において電圧信号に変換される。そして、後述する本実施形態の流体計測器(流速流向計及び/又は流量計)は、流体センサ10で発生した電圧信号に基づいて、流体の状態(流速、流向及び流量)を計測する。
In the fluid sensor 10 of the present embodiment, when a fluid hits the
まず、突起部1の構成を説明する。突起部1は、四角錘状(ピラミッド状)の突起部材で構成し、その延在方向は、圧電素子部2の表面の法線方向(図1中のz方向)とする。また、本実施形態では、突起部1の底面(圧電素子部2側の面)は正方形とする。なお、突起部1の形状は、四角錘に限定されず、例えば用途等に応じて適宜変更することができる。
First, the configuration of the
例えば、突起部1の形状を円錐、円柱、四角以外の多角錘等で形成してもよい。また、突起部1の底面を例えば長方形にしてもよい。さらに、流体の流動方向が一方向であるような用途に対しては、突起部1を板状部材で構成してもよい。また、突起部1の側面を曲面で構成してもよい。さらに、突起部1の内部は、空洞であってもよいし、空洞でなくてもよい。
For example, you may form the shape of the
なお、本実施形態の流体センサ10では、流体が突起部1の側面に当たった際の圧力を突起部1の底面を介して圧電素子部2に伝えるので、突起部1の形状は、流体により加えられる圧力を圧電素子部2に伝えやすい形状にすることが好ましい。このような観点では、本実施形態のように、突起部1の形状を、その底面から先端に向かって径が小さくなるような形状にすることが好ましい。なお、突起部1の底面の寸法や突起部1の高さ(図1中のz方向の長さ)は、例えば用途等に応じて適宜設定される。
In the fluid sensor 10 of the present embodiment, the pressure when the fluid hits the side surface of the
また、突起部1は、任意の絶縁性材料で形成することができ、例えば絶縁性の樹脂材料(プラスチック)で形成することができる。また、突起部1と圧電素子部2との間に例えば絶縁層等を設けた場合には、突起部1を導電性の材料で形成してもよい。ただし、流体センサ10のコストや量産性等を考慮した場合には、成形加工可能な樹脂材料で、突起部1を形成することが好ましい。
Further, the protruding
次に、圧電素子部2の構成を説明する。圧電素子部2は、圧電シート3(圧電部材)と、4つの電極対からなる電極対群4とで構成される。各電極対は、圧電シート3を挟んで対向する位置に配置された一対の電極で構成される。すなわち、本実施形態では、圧電素子部2内に4つの圧電素子が形成される。そして、本実施形態の圧電素子部2では、流体が突起部1に当たった際に加えられる圧力を各圧電素子で電圧信号に変換する。
Next, the configuration of the piezoelectric element unit 2 will be described. The piezoelectric element portion 2 is composed of a piezoelectric sheet 3 (piezoelectric member) and an
ここで、圧電素子部2の構成を、図2(a)〜(c)を参照しながらより詳細に説明する。なお、図2(a)は、圧電素子部2の概略上面図であり、図2(b)は、圧電素子部2の概略側面図であり、そして、図2(c)は、圧電素子部2の概略下面図である。 Here, the configuration of the piezoelectric element portion 2 will be described in more detail with reference to FIGS. 2A is a schematic top view of the piezoelectric element portion 2, FIG. 2B is a schematic side view of the piezoelectric element portion 2, and FIG. 2C is a piezoelectric element portion. 2 is a schematic bottom view of FIG.
圧電素子部2は、図2(b)に示すように、主に、圧電シート3と、圧電シート3の突起部1側の表面(以下、上面という)に形成された上部電極群41と、圧電シート3の突起部1側とは反対側の表面(以下、下面という)に形成された下部電極群42とで構成される。また、圧電素子部2の表面形状は正方形であり、各辺の長さは、突起部1の底面の一辺と略同じである。そして、圧電素子部2の各辺が、突起部1の底面の対応する各辺と一致するように、突起部1が圧電素子部2上に取り付けられる。
As shown in FIG. 2B, the piezoelectric element portion 2 mainly includes a
圧電シート3は、加えられた圧力を電圧信号に変換することが可能な圧電材料からなるシート状(フィルム状)部材である。なお、圧電シート3の表面は正方形であり、各辺の長さは、突起部1の底面の一辺と略同じである。
The
圧電シート3の形成材料としては、従来の圧電センサ等に用いられる圧電材料を用いることができる。例えば、PVDF(Polyvinylidene Difluoride)フィルムセンサ等に用いられるピエゾフィルムや圧電セラミックスなどを圧電シート3の形成材料として用いることができる。また、圧電シート3の厚さは、例えば、約20〜200μm程度とすることができる。なお、圧電シート3の形成材料及び厚さ等の構成は、これに限定されず、例えば用途や必要とする検出感度等に応じて適宜設定することができる。
As a material for forming the
上部電極群41は、図2(a)に示すように、4つの二等辺三角形状の上部電極41A〜41D(以下、それぞれ第1上部電極41A〜第4上部電極41Dという)で構成される。本実施形態では、第1上部電極41A〜第4上部電極41D(第1〜第4電極)は全て同じ形状とする。なお、第1上部電極41A〜第4上部電極41Dの各底辺の長さは、圧電シート3の辺の長さより短くし、高さは、圧電シート3の辺の半分の長さより短くする。
As shown in FIG. 2A, the upper electrode group 41 includes four isosceles triangular
本実施形態では、第1上部電極41A及び第2上部電極41Bは、圧電シート3(突起部1の底面)の一方の対辺方向(図2(a)中のx方向:第1方向)において、互いに所定間隔離れて対向するように配置される。また、この際、第1上部電極41A及び第2上部電極41Bは、両者の頂角部同士が対向するように配置され、且つ、圧電シート3の中心に対して対称となるように配置される。なお、第1上部電極41A及び第2上部電極41Bの対向方向における間隔は、例えば約1mm程度とすることができるが、本発明はこれに限定されず、例えば用途等に応じて適宜設定することができる。
In the present embodiment, the first
また、本実施形態では、第3上部電極41C及び第4上部電極41Dは、第1上部電極41A及び第2上部電極41Bの対向方向に対して直交する方向(図2(a)中のy方向:第2方向)において、互いに所定間隔離れて対向するように配置される。また、この際、第3上部電極41C及び第4上部電極41Dは、両者の頂角部同士が対向するように配置され、且つ、圧電シート3の中心に対して対称となるように配置される。なお、本実施形態では、第3上部電極41C及び第4上部電極41Dの対向方向における間隔は、第1上部電極41A及び第2上部電極41Bのそれと同じとする。
In the present embodiment, the third
さらに、本実施形態では、第1上部電極41A〜第4上部電極41Dを、互いに接しないように配置する。なお、圧電シート3の周回方向に隣り合う上部電極間の距離は、例えば約1mm程度とすることができるが、本発明はこれに限定されず、例えば用途等に応じて適宜設定することができる。
Further, in the present embodiment, the first
上述のように各上部電極を圧電シート3の上面に配置することにより、第1上部電極41A〜第4上部電極41Dからなる上部電極群41の電極パターンは、図2(a)に示すように、圧電シート3の中心から見て、x方向及びy方向の両方に対称となる。
By arranging each upper electrode on the upper surface of the
各上部電極は、任意の金属材料で形成することができ、例えば、銀や金等で形成することができる。なお、各電極の形成材料は、例えば用途、流体センサ10の使用環境等を考慮して適宜設定される。また、各上部電極の厚さは、全て同じ厚さであり、例えば約100μm程度とすることができる。ただし、本発明はこれに限定されず、各上部電極の厚さは、例えば用途等に応じて適宜設定することができる。 Each upper electrode can be formed of an arbitrary metal material, and can be formed of, for example, silver or gold. Note that the material for forming each electrode is appropriately set in consideration of, for example, the application and the usage environment of the fluid sensor 10. The thicknesses of the upper electrodes are all the same, and can be about 100 μm, for example. However, this invention is not limited to this, The thickness of each upper electrode can be suitably set, for example according to a use etc.
下部電極群42は、図2(c)に示すように、4つの二等辺三角形状の下部電極42A〜42D(以下、それぞれ第1下部電極42A〜第4下部電極42Dという)で構成される。本実施形態では、第1下部電極42A〜第4下部電極42D(第1〜第4電極)は全て同じ形状とする。また、本実施形態では、第1下部電極42A〜第4下部電極42Dの構成(形状、寸法、形成材料等)は、第1上部電極41A〜第4上部電極41Dの構成と同じとする。
As shown in FIG. 2C, the lower electrode group 42 includes four isosceles triangular lower electrodes 42A to 42D (hereinafter, referred to as first lower electrode 42A to fourth lower electrode 42D, respectively). In the present embodiment, the first lower electrode 42A to the fourth lower electrode 42D (first to fourth electrodes) all have the same shape. In the present embodiment, the configurations (shape, dimensions, forming material, etc.) of the first lower electrode 42A to the fourth lower electrode 42D are the same as the configurations of the first
本実施形態では、第1下部電極42A及び第2下部電極42Bは、圧電シート3(突起部1の底面)の一方の対辺方向(図2(c)中のx方向)において、互いに所定距離離れて対向するように配置される。なお、第1下部電極42A及び第2下部電極42Bの対向方向における間隔は、第1上部電極41A及び第2上部電極41Bのそれと同じとする。また、この際、第1下部電極42A及び第2下部電極42Bは、両者の頂角部同士が対向するように配置され、且つ、圧電シート3の中心に対して対称となるように配置される。
In the present embodiment, the first lower electrode 42A and the second lower electrode 42B are separated from each other by a predetermined distance in one opposite side direction (the x direction in FIG. 2C) of the piezoelectric sheet 3 (the bottom surface of the protrusion 1). Are arranged to face each other. The interval in the facing direction of the first lower electrode 42A and the second lower electrode 42B is the same as that of the first
また、本実施形態では、第3下部電極42C及び第4下部電極42Dは、第1下部電極42A及び第2下部電極42Bの対向方向に対して直交する方向(図2(c)中のy方向)において、互いに所定間隔離れて対向するように配置される。なお、第3下部電極42C及び第4下部電極42Dの対向方向における間隔は、第3上部電極41C及び第4上部電極41Dのそれと同じとする。また、この際、第3下部電極42C及び第4下部電極42Dは、両者の頂角部同士が対向するように配置され、且つ、圧電シート3の中心に対して対称となるように配置される。
In the present embodiment, the third lower electrode 42C and the fourth lower electrode 42D are orthogonal to the opposing direction of the first lower electrode 42A and the second lower electrode 42B (the y direction in FIG. 2C). ) Are arranged so as to face each other at a predetermined interval. Note that the distance between the third lower electrode 42C and the fourth lower electrode 42D in the facing direction is the same as that of the third
さらに、本実施形態では、第1下部電極42A〜第4下部電極42Dを、互いに接しないように配置する。 Furthermore, in the present embodiment, the first lower electrode 42A to the fourth lower electrode 42D are arranged so as not to contact each other.
上述のように各下部電極を圧電シート3の下面に配置することにより、第1下部電極42A〜第4下部電極42Dからなる下部電極群42の電極パターンは、図2(c)に示すように、圧電シート3の中心から見て、x方向及びy方向の両方に対称となる。そして、第1下部電極42A〜第4下部電極42Dは、圧電シート3を挟んで、それぞれ第1上部電極41A〜第4上部電極41Dと対向する位置に配置される。
By arranging the lower electrodes on the lower surface of the
上述のように、圧電シート3を挟んで、上部電極群41と下部電極群42とを配置することにより、圧電素子部2内には、4つの圧電素子PA〜PDが構成される。具体的には、第1上部電極41A及び第1下部電極42A(第1電極対)間、第2上部電極41B及び第2下部電極42B(第2電極対)間、第3上部電極41C及び第3下部電極42C(第3電極対)間、並びに、第4上部電極41D及び第4下部電極42D(第4電極対)間に、それぞれ圧電素子PA〜PDが構成される。
As described above, by arranging the upper electrode group 41 and the lower electrode group 42 with the
[流体センサの動作]
次に、本実施形態の流体センサの動作を、図3及び4を参照しながら具体的に説明する。なお、図3は、圧電素子部2内の圧電素子PA及びPBの対向方向(図3中のx方向)において、流体100が圧電素子PB側から圧電素子PA側に向かって移動(流動)する場合の様子を示す図である。また、図4は、圧電素子部2内の圧電素子PC及びPDの対向方向(図4中のy方向)において、流体100が圧電素子PD側から圧電素子PC側に向かって移動する場合の様子を示す図である。
[Operation of fluid sensor]
Next, the operation of the fluid sensor of the present embodiment will be specifically described with reference to FIGS. 3 shows that the fluid 100 moves (flows) from the piezoelectric element PB side to the piezoelectric element PA side in the opposing direction of the piezoelectric elements PA and PB in the piezoelectric element portion 2 (the x direction in FIG. 3). It is a figure which shows the mode of a case. FIG. 4 shows a state in which the fluid 100 moves from the piezoelectric element PD side to the piezoelectric element PC side in the facing direction of the piezoelectric elements PC and PD in the piezoelectric element portion 2 (y direction in FIG. 4). FIG.
流体100が圧電素子PB側から圧電素子PA側に向かって移動する場合(図3の場合)、圧電素子PA〜PDと対向する突起部1の4つの側面(以下、対向側面という)のうち、圧電素子PC及びPDの各対向側面は、流体100の流動方向(図4中のx方向)と平行になるので、これらの側面に加わる圧力は同じになる。それゆえ、圧電素子PC及びPDにそれぞれ発生する電圧信号VC及びVD(第3及び第4電圧信号)は同じ値になる。
When the fluid 100 moves from the piezoelectric element PB side toward the piezoelectric element PA side (in the case of FIG. 3), among the four side surfaces (hereinafter referred to as opposing side surfaces) of the
一方、圧電素子PA及びPBの各対向側面は、その面内方向が流体100の流動方向と交差するので、圧電素子PA及びPBの各対向側面に加わる圧力は、圧電素子PC及びPDの各対向側面に加わる圧力と異なる。その結果、圧電素子PA及びPBにそれぞれ発生する電圧信号VA及びVB(第1及び第2電圧信号)は、圧電素子PC及びPDにそれぞれ発生する電圧信号VC及びVDと異なった値となる。 On the other hand, since the in-plane direction of each opposing side surface of the piezoelectric elements PA and PB intersects the flow direction of the fluid 100, the pressure applied to each opposing side surface of the piezoelectric elements PA and PB is different from each opposing side of the piezoelectric elements PC and PD. Different from the pressure applied to the side. As a result, the voltage signals VA and VB (first and second voltage signals) generated in the piezoelectric elements PA and PB are different from the voltage signals VC and VD generated in the piezoelectric elements PC and PD, respectively.
さらに、流体100の流動方向において、圧電素子PBの対向側面は、圧電素子PAの対向側面より上流側に位置するので、圧電素子PBの対向側面に加わる圧力は、圧電素子PAの対向側面のそれより大きくなる。この結果、圧電素子PAに発生する電圧信号VAは、圧電素子PBに発生する電圧信号VBと異なる。 Further, since the opposing side surface of the piezoelectric element PB is positioned upstream of the opposing side surface of the piezoelectric element PA in the flow direction of the fluid 100, the pressure applied to the opposing side surface of the piezoelectric element PB is that of the opposing side surface of the piezoelectric element PA. Become bigger. As a result, the voltage signal VA generated in the piezoelectric element PA is different from the voltage signal VB generated in the piezoelectric element PB.
すなわち、図3に示すように、流体100が圧電素子PB側から圧電素子PA側に向かって移動する場合には、圧電素子PA〜PDでそれぞれ発生する電圧信号VA〜VDの間には、VA≠VB≠VC=VDという関係が生じる。 That is, as shown in FIG. 3, when the fluid 100 moves from the piezoelectric element PB side toward the piezoelectric element PA side, the voltage signal VA to VD generated by the piezoelectric elements PA to PD, respectively, A relationship of ≠ VB ≠ VC = VD occurs.
また、流体100が圧電素子PD側から圧電素子PC側に向かって移動する場合(図4の場合)、圧電素子PA及びPBの各対向側面は、流体100の流動方向(図4中のy方向)と平行になるので、これらの側面に加わる圧力は同じになる。それゆえ、圧電素子PA及びPBにそれぞれ発生する電圧信号VA及びVBは同じ値になる。 When the fluid 100 moves from the piezoelectric element PD side toward the piezoelectric element PC side (in the case of FIG. 4), the opposing side surfaces of the piezoelectric elements PA and PB are in the flow direction of the fluid 100 (the y direction in FIG. 4). ), The pressure applied to these sides is the same. Therefore, the voltage signals VA and VB generated in the piezoelectric elements PA and PB, respectively, have the same value.
一方、圧電素子PC及びPDの各対向側面は、その面内方向が流体100の流動方向と交差するので、圧電素子PC及びPDの各対向側面に加わる圧力は、圧電素子PA及びPBの各対向側面に加わる圧力と異なる。その結果、圧電素子PC及びPDにそれぞれ発生する電圧信号VC及びVBは、圧電素子PA及びPBにそれぞれ発生する電圧信号VA及びVBと異なった値となる。 On the other hand, since the in-plane direction of each opposing side surface of the piezoelectric elements PC and PD intersects the flow direction of the fluid 100, the pressure applied to each opposing side surface of the piezoelectric elements PC and PD is opposite to each of the piezoelectric elements PA and PB. Different from the pressure applied to the side. As a result, the voltage signals VC and VB generated at the piezoelectric elements PC and PD, respectively, have different values from the voltage signals VA and VB generated at the piezoelectric elements PA and PB, respectively.
さらに、流体100の流動方向において、圧電素子PDの対向側面は、圧電素子PCの対向側面より上流側に位置するので、圧電素子PDの対向側面に加わる圧力は、圧電素子PCの対向側面のそれより大きくなる。この結果、圧電素子PCに発生する電圧信号VCは、圧電素子PDに発生する電圧信号VDと異なる。 Further, since the opposing side surface of the piezoelectric element PD is located upstream of the opposing side surface of the piezoelectric element PC in the flow direction of the fluid 100, the pressure applied to the opposing side surface of the piezoelectric element PD is that of the opposing side surface of the piezoelectric element PC. Become bigger. As a result, the voltage signal VC generated in the piezoelectric element PC is different from the voltage signal VD generated in the piezoelectric element PD.
すなわち、図4に示すように、流体100が圧電素子PD側から圧電素子PC側に向かって移動する場合には、圧電素子PA〜PDでそれぞれ発生する電圧信号VA〜VDの間には、VA=VB≠VC≠VDという関係が生じる。 That is, as shown in FIG. 4, when the fluid 100 moves from the piezoelectric element PD side toward the piezoelectric element PC side, the voltage signals VA to VD generated by the piezoelectric elements PA to PD are VA. = VB ≠ VC ≠ VD.
上述のように、電圧信号VA〜VD(第1〜第4電圧信号)間の大小関係は、圧電シート3の面内における、流体100の流体センサ10に対する相対的な流向に依存して変化する。なお、各電圧信号VA〜VDの大きさは、流体100から流体センサ10に加えられる圧力、すなわち、流体100の流速または流量により変化する。
As described above, the magnitude relationship between the voltage signals VA to VD (first to fourth voltage signals) changes depending on the relative flow direction of the fluid 100 with respect to the fluid sensor 10 in the plane of the
本実施形態の流体センサ10では、上述のように、流体センサ10に当たる流体100の流動状態(流速、流向、流量等)に応じて、圧電素子PA〜PDのそれぞれで発生する電圧信号VA〜VDが変化する。それゆえ、本実施形態では、流体センサ10内の4つの圧電素子PA〜PDのそれぞれで発生する電圧信号VA〜VDを検出することにより、流体100の流動状態を計測(検出)することができる。 In the fluid sensor 10 of the present embodiment, as described above, the voltage signals VA to VD generated in the piezoelectric elements PA to PD according to the flow state (flow velocity, flow direction, flow rate, etc.) of the fluid 100 that hits the fluid sensor 10, respectively. Changes. Therefore, in the present embodiment, the flow state of the fluid 100 can be measured (detected) by detecting the voltage signals VA to VD generated by the four piezoelectric elements PA to PD in the fluid sensor 10. .
[流速流向計の構成]
次に、本実施形態の流体センサ10を用いて流体の流速及び流向を計測する流体計測器(以下、流速流向計という)の構成例を説明する。図5に、本実施形態の流速流向計の概略構成を示す。なお、図5には、説明を簡略化するため、流体の速度及び流向の検出に必要な構成部のみを示す。
[Configuration of flow velocity direction meter]
Next, a configuration example of a fluid measuring device (hereinafter referred to as a flow velocity direction meter) that measures the fluid flow velocity and flow direction using the fluid sensor 10 of the present embodiment will be described. FIG. 5 shows a schematic configuration of the flow velocity direction meter of the present embodiment. FIG. 5 shows only components necessary for detecting the fluid velocity and flow direction for the sake of simplicity.
流速流向計20は、流体センサ10と、差動回路部21と、流速流向算出部24(算出部)とを備える。流体センサ10は、図1で説明した本実施形態の流体センサ10であるので、ここでは、その説明は省略する。なお、図5では、説明を簡略化するため、流体センサ10としては、圧電素子部2のみを示す。また、図5では、圧電素子部2の第1上部電極41A〜第4上部電極41Dと差動回路部21との間の配線を実線で示し、第1下部電極42A〜第4下部電極42D(図5では不図示)と差動回路部21との間の配線を点線で示す。
The flow velocity direction meter 20 includes a fluid sensor 10, a
差動回路部21は、主に、2つの差動増幅器22及び23(以下、それぞれ第1差動増幅器22及び第2差動増幅器23という)で構成される。
The
本実施形態では、第1差動増幅器22の「−」極性の入力端子は、第1上部電極41A及び第4下部電極42Dに接続される。また、第1差動増幅器22の「+」極性の入力端子は、第2上部電極41B及び第3下部電極42Cに接続される。なお、本発明はこれに限定されず、第1差動増幅器22の「−」極性の入力端子に第2上部電極41B及び第3下部電極42Cを接続し、「+」極性の入力端子に第1上部電極41A及び第4下部電極42Dを接続してもよい。
In the present embodiment, the “−” polarity input terminal of the first
第1差動増幅器22は、圧電素子PAで発生する電圧信号VAと、圧電素子PBで発生する電圧信号VBとの差分信号X_out(第1差信号)を生成する。すなわち、第1差動増幅器22は、図5中のx方向に沿って配置された2つの圧電素子で発生する各電圧信号の差分信号を生成する。そして、第1差動増幅器22の出力端子は、流速流向算出部24に接続されており、第1差動増幅器22は、生成した差分信号X_outを流速流向算出部24に出力する。
The first
一方、第2差動増幅器23の「−」極性の入力端子は、第3上部電極41C及び第1下部電極42Aに接続される。また、第2差動増幅器23の「+」極性の入力端子は、第4上部電極41D及び第2下部電極42Bに接続される。なお、本発明はこれに限定されず、第2差動増幅器23の「−」極性の入力端子に第4上部電極41D及び第2下部電極42Bを接続し、「+」極性の入力端子に第3上部電極41C及び第1下部電極42Aを接続してもよい。
On the other hand, the “−” polarity input terminal of the second
第2差動増幅器23は、圧電素子PCで発生する電圧信号VCと、圧電素子PDで発生する電圧信号VDとの差分信号Y_out(第2差信号)を生成する。すなわち、第2差動増幅器23は、図5中のy方向に沿って配置された2つの圧電素子で発生する各電圧信号の差分信号を生成する。そして、第2差動増幅器23の出力端子は、流速流向算出部24に接続されており、第2差動増幅器23は、生成した差分信号Y_outを流速流向算出部24に出力する。
The second
流速流向算出部24は、例えばマイクロコンピュータ(マイクロプロセッサ)等(不図示)で構成され、差動回路部21から出力された2つの差分信号X_out及びY_outに基づいて、流体の流速及び流向を算出する。なお、流体の流速及び流向の具体的な算出手法については、後で説明する。
The flow velocity flow
なお、本実施形態の流速流向計20では、流速流向算出部24で算出した流体の流速及び流向の表示、並びに、流体の流速及び流向のデータ記憶は外部機器で行ってもよい。また、流速流向計20が、流速流向算出部24で算出した流体の流速及び流向を表示する表示部、並びに/又は、流体の流速及び流向のデータを記憶するメモリ部を備えていてもよい。
In the flow velocity / direction meter 20 of the present embodiment, the display of the fluid flow velocity and the flow direction calculated by the flow velocity
また、図5に示す例では、流体の流速及び流向の両方を測定する流体計測器の例を説明したが、本発明はこれに限定されない。図5に示す流体計測器20を、流体の流速及び流向の一方のみを計測する流体計測器として用いてもよい。 Moreover, although the example shown in FIG. 5 demonstrated the example of the fluid measuring device which measures both the flow velocity and flow direction of a fluid, this invention is not limited to this. The fluid measuring instrument 20 shown in FIG. 5 may be used as a fluid measuring instrument that measures only one of the flow velocity and the flow direction of the fluid.
ここで、図6に、本実施形態の流速流向計20の等価回路を示す。なお、流体センサ10内に形成される各圧電素子は、等価回路では、電圧源で表わされ、図6中に記載の各電圧源の極性「+」及び「−」は、それぞれ、各圧電素子の上部電極及び下部電極の端子に対応する。 Here, FIG. 6 shows an equivalent circuit of the flow velocity direction meter 20 of the present embodiment. Each piezoelectric element formed in the fluid sensor 10 is represented by a voltage source in the equivalent circuit, and the polarities “+” and “−” of each voltage source shown in FIG. It corresponds to the terminal of the upper electrode and lower electrode of the element.
流速流向計20の等価回路では、図6に示すように、流体センサ10は、圧電素子PA〜PDに対応する4つの電圧源をブリッジ回路に接続した構成になる。そして、圧電素子PAの電圧源の「+」側端子と圧電素子PDの電圧源の「−」側端子との接続点が、第1差動増幅器22の「−」極性の入力端子に接続される。また、圧電素子PBの電圧源の「+」側端子と圧電素子PCの電圧源の「−」側端子との接続点が、第1差動増幅器22の「+」極性の入力端子に接続される。また、圧電素子PCの電圧源の「+」側端子と圧電素子PAの電圧源の「−」側端子との接続点が、第2差動増幅器23の「−」極性の入力端子に接続される。そして、圧電素子PDの電圧源の「+」側端子と圧電素子PBの電圧源の「−」側端子との接続点が、第2差動増幅器23の「+」極性の入力端子に接続される。
In the equivalent circuit of the flow velocity direction meter 20, as shown in FIG. 6, the fluid sensor 10 has a configuration in which four voltage sources corresponding to the piezoelectric elements PA to PD are connected to a bridge circuit. The connection point between the “+” side terminal of the voltage source of the piezoelectric element PA and the “−” side terminal of the voltage source of the piezoelectric element PD is connected to the input terminal of the “−” polarity of the first
[流速及び流向の算出手法]
次に、本実施形態の流速流向計20の流速流向算出部24における流速及び流向の算出手法を簡単に説明する。
[Calculation method of flow velocity and flow direction]
Next, a method of calculating the flow velocity and the flow direction in the flow velocity flow
まず、流速流向算出部24は、差動回路部21から出力された2つの差分信号X_out及びY_outに基づいて、流体の流速及び流向に関するパラメータを下記の2式により求める。
First, based on the two difference signals X_out and Y_out output from the
なお、上記式2中の括弧内のY_out/X_outは、X_out/Y_outとしてもよい。 Note that Y_out / X_out in parentheses in the above equation 2 may be X_out / Y_out.
上述のように、本実施形態の流体センサ10では、流体センサ10に当たる流体の相対的な流向及び流速に応じて、圧電素子PA〜PDでそれぞれ発生する電圧信号VA〜VDの大きさ及び大小関係が変化する。それゆえ、上記式1及び式2でそれぞれ示す流速パラメータ及び流向パラメータもまた、流体センサ10に当たる流体の相対的な流向及び流速に応じて変化する。
As described above, in the fluid sensor 10 of the present embodiment, the magnitudes and magnitude relationships of the voltage signals VA to VD generated by the piezoelectric elements PA to PD, respectively, according to the relative flow direction and flow velocity of the fluid hitting the fluid sensor 10. Changes. Therefore, the flow velocity parameter and the flow direction parameter shown by the above-described
次いで、流速流向算出部24は、予め用意された上記流速パラメータ及び流向パラメータと流体の流動状態(流速、流向等)との対応関係を示す情報テーブル等を参照して、算出した流速パラメータ及び流向パラメータに対応する流体の流速及び流向を求める。本実施形態の流速流向計20では、このようにして、流体の流速及び流向を算出する。
Next, the flow velocity flow
なお、流体の実際の流動状態と、流動パラメータ(流速パラメータ及び流向パラメータ)との対応関係を示す情報テーブル等のデータの参照手法については、計測時に、流速流向算出部24が、情報テーブル等のデータが予め記憶された外部機器からそのデータを読み込むようにしてもよい。また、流速流向算出部24がメモリ部を有し、該メモリ部に流体の流動状態と流動パラメータとの対応関係を示す情報テーブル等を記憶しておいてもよい。
As for a data reference method such as an information table indicating a correspondence relationship between the actual flow state of the fluid and the flow parameters (flow velocity parameter and flow direction parameter), the flow velocity flow
[流量計の構成]
図5及び6に示す例では、本実施形態の流体センサ10を流速流向計20に適用した例を説明したが、本発明はこれに限定されない。本実施形態の流体センサ10は、例えば、スラリー(固体微粒子を含む流体)内の固体微粒子の流量や、時間的に不連続に流動する流体の流量(例えば雨量等)などを計測する流量計(流体計測器)にも適用することができる。
[Configuration of flow meter]
In the example shown in FIGS. 5 and 6, the example in which the fluid sensor 10 of the present embodiment is applied to the flow velocity direction meter 20 has been described, but the present invention is not limited to this. The fluid sensor 10 according to the present embodiment includes, for example, a flow meter (for example, a flow rate of solid fine particles in a slurry (a fluid containing solid fine particles), a flow rate of fluid that discontinuously flows (for example, rainfall), and the like. (Fluid measuring instrument).
図7に、本実施形態の流量計の概略構成を示す。なお、図7には、説明を簡略化するため、流量の検出に必要な構成部のみを示す。また、図7において、図5に示す流速流向計20と同じ構成には同じ符号を付して示す。 In FIG. 7, schematic structure of the flowmeter of this embodiment is shown. FIG. 7 shows only components necessary for detecting the flow rate for the sake of simplicity. In FIG. 7, the same components as those in the flow velocity direction meter 20 shown in FIG.
流量計30は、流体センサ10と、加算回路部31と、流量算出部34(算出部)とを備える。流体センサ10は、図1で説明した本実施形態の流体センサ10であるので、ここでは、その説明は省略する。なお、図7では、説明を簡略化するため、流体センサ10としては、圧電素子部2のみを示す。また、図7では、圧電素子部2の第1上部電極41A〜第4上部電極41Dと加算回路部31との間の配線を実線で示し、第1下部電極42A〜第4下部電極42D(図7では不図示)と加算回路部31との間の配線を点線で示す。
The flow meter 30 includes the fluid sensor 10, an addition circuit unit 31, and a flow rate calculation unit 34 (calculation unit). Since the fluid sensor 10 is the fluid sensor 10 of the present embodiment described with reference to FIG. 1, the description thereof is omitted here. In FIG. 7, only the piezoelectric element portion 2 is shown as the fluid sensor 10 in order to simplify the description. In FIG. 7, the wiring between the first
加算回路部31は、フィルタ回路部32と、加算器33とを備える。
The adder circuit unit 31 includes a filter circuit unit 32 and an
フィルタ回路部32は、コンデンサ32a及び抵抗32bからなるハイパスフィルタを複数有する。具体的には、フィルタ回路部32は、加算回路部31の入力端子と同数(4つ)のハイパスフィルタで構成される
The filter circuit unit 32 includes a plurality of high-pass
各ハイパスフィルタ内のコンデンサ32aの入力端子(フィルタ回路部32の入力端子)は、流体センサ10の4つの出力端子(電圧信号VA〜VDの出力端子)のうちの対応する出力端子に接続される。また、コンデンサ32aの出力端子は、抵抗32bの一方の端子に接続されるとともに、加算器33の対応する入力端子に接続される。さらに、抵抗32bの他方の端子は接地される。
The input terminal of the
なお、後述するように、例えば、スラリー内の固体微粒子や時間的に不連続に流動する流体(以下、不連続流体という)の流量は、流体センサ10から出力されるパルス状の電圧信号に基づいて算出する。それゆえ、本実施形態では、加算器33の前段に複数のハイパスフィルタからなるフィルタ回路部32を設け、パルス状の電圧信号に対する低周波数域のノイズの影響を除去する。
As will be described later, for example, the flow rate of the solid fine particles in the slurry and the fluid that discontinuously flows in time (hereinafter referred to as discontinuous fluid) is based on the pulsed voltage signal output from the fluid sensor 10. To calculate. Therefore, in the present embodiment, the filter circuit unit 32 including a plurality of high-pass filters is provided in the previous stage of the
加算器33は、フィルタ回路部32を介して入力される電圧信号VA〜VD(第1〜第4電圧信号)を加算する。そして、加算器33の出力端子は、流量算出部34に接続されており、加算器33は、生成した加算信号(和信号)を流量算出部34に出力する。
The
流量算出部34は、例えばマイクロコンピュータ(マイクロプロセッサ)等(不図示)で構成され、加算回路部31から出力された電圧信号VA〜VDの加算信号に基づいて、流体の流量を算出する。なお、流体の流量の具体的な算出手法については、後で説明する。
The flow
また、本実施形態の流量計30では、流量算出部34で算出した流量の表示、並びに、流量のデータ記憶は外部機器で行ってもよいし、流量計30が、流量算出部34で算出した流体の流量を表示する表示部、並びに/又は、流体の流量データを記憶するメモリ部を備えていてもよい。
In the flow meter 30 of the present embodiment, the display of the flow rate calculated by the flow
ここで、図8に、本実施形態の流量計30の等価回路を示す。なお、流体センサ10内に形成される各圧電素子は、等価回路では、電圧源で表わされ、図8中に記載の各電圧源の極性「+」及び「−」は、それぞれ、各圧電素子の上部電極及び下部電極の端子に対応する。 Here, FIG. 8 shows an equivalent circuit of the flow meter 30 of the present embodiment. Each piezoelectric element formed in the fluid sensor 10 is represented by a voltage source in an equivalent circuit, and the polarity “+” and “−” of each voltage source shown in FIG. It corresponds to the terminal of the upper electrode and lower electrode of the element.
流量計30の等価回路では、図8に示すように、圧電素子PA〜PDに対応する4つの電圧源をブリッジ回路に接続した構成になる。そして、圧電素子PAの電圧源の「+」側端子と圧電素子PDの電圧源の「−」側端子との接続点が、加算回路部31の電圧信号VAの入力端子に接続される。また、圧電素子PBの電圧源の「+」側端子と圧電素子PCの電圧源の「−」側端子との接続点が、加算回路部31の電圧信号VBの入力端子に接続される。また、圧電素子PCの電圧源の「+」側端子と圧電素子PAの電圧源の「−」側端子との接続点が、加算回路部31の電圧信号VCの入力端子に接続される。さらに、圧電素子PDの電圧源の「+」側端子と圧電素子PBの電圧源の「−」側端子との接続点が、加算回路部31の電圧信号VDの入力端子に接続される。 As shown in FIG. 8, the equivalent circuit of the flow meter 30 has a configuration in which four voltage sources corresponding to the piezoelectric elements PA to PD are connected to a bridge circuit. The connection point between the “+” side terminal of the voltage source of the piezoelectric element PA and the “−” side terminal of the voltage source of the piezoelectric element PD is connected to the input terminal of the voltage signal VA of the adder circuit unit 31. Further, the connection point between the “+” side terminal of the voltage source of the piezoelectric element PB and the “−” side terminal of the voltage source of the piezoelectric element PC is connected to the input terminal of the voltage signal VB of the adding circuit unit 31. Further, the connection point between the “+” side terminal of the voltage source of the piezoelectric element PC and the “−” side terminal of the voltage source of the piezoelectric element PA is connected to the input terminal of the voltage signal VC of the adding circuit unit 31. Further, the connection point between the “+” side terminal of the voltage source of the piezoelectric element PD and the “−” side terminal of the voltage source of the piezoelectric element PB is connected to the input terminal of the voltage signal VD of the adding circuit unit 31.
[流量の算出手法]
次に、本実施形態の流量計30の流量算出部34における流量の算出手法を簡単に説明する。
[Flow rate calculation method]
Next, a flow rate calculation method in the flow
不連続流体が流体センサ10の突起部1に当たると、その時間帯だけ流体センサ10に圧力が加わるので、流体センサ10の各圧電素子から出力される電圧信号もその時間帯だけ増大する。すなわち、不連続流体が流体センサ10の突起部1に当たった場合、流体センサ10の各圧電素子からはパルス状の電圧信号が出力される。それゆえ、この場合、加算回路部31から出力される電圧信号VA〜VDの加算信号(和信号)も、パルス状の不連続な電圧信号となる。
When the discontinuous fluid hits the
図9に、不連続流体が流体センサ10の突起部1に当たった際に、加算回路部31から出力される加算信号の信号波形例を示す。なお、図9の横軸は時間であり、縦軸は加算信号の信号レベルを示す。
FIG. 9 shows a signal waveform example of the addition signal output from the addition circuit unit 31 when the discontinuous fluid hits the
不連続流体が流体センサ10の突起部1に当たった場合、上述のように、不連続流体が流体センサ10の突起部1に当たった時間帯にのみパルス状の信号35が現れる。このような信号波形において、パルス状の信号35の発生間隔ΔT、及び、パルス状の信号35の信号幅Δτは、不連続流体の流量に依存して変化する。具体的には、不連続流体の流量が大きくなると、パルス状の信号35の発生間隔ΔTは狭くなり、パルス状の信号35の信号幅Δτは大きくなる。
When the discontinuous fluid hits the
そこで、流量算出部34は、予め用意されたパルス状の信号35の発生間隔ΔT及び信号幅Δτ(波形パラメータ)と、不連続流体の流量との対応関係を示す情報テーブル等を参照して、算出した加算信号の波形パレメータに対応する流量を求める。本実施形態の流量計30では、このようにして、流体の流量を算出する。
Therefore, the flow
なお、流体の実際の流量と、波形パラメータ(パルス状の信号35の発生間隔ΔT及び信号幅Δτ)との対応関係を示す情報テーブル等のデータの参照手法については、計測時に、流量算出部34が、情報テーブル等のデータが予め記憶された外部機器からそのデータを読み込むようにしてもよい。また、流量算出部34がメモリ部を有し、該メモリ部に流体の流量と波形パラメータとの対応関係を示す情報テーブル等を記憶しておいてもよい。
Note that a method for referring to data such as an information table indicating the correspondence between the actual flow rate of the fluid and the waveform parameters (the generation interval ΔT and the signal width Δτ of the pulse-like signal 35) is as follows. However, the data may be read from an external device in which data such as an information table is stored in advance. Further, the flow
上述のように、図5に示す例では、本実施形態の流体センサ10を流速流向計20に適用する例を説明し、図7に示す例では、流体センサ10を流量計30に適用する例を説明したが、本発明はこれに限定されない。本実施形態の流体センサ10を、流体の流速、流向及び流量が全て計測可能な流体計測器に適用することもできる。 As described above, in the example illustrated in FIG. 5, an example in which the fluid sensor 10 according to the present embodiment is applied to the flow velocity direction meter 20 will be described. In the example illustrated in FIG. 7, the fluid sensor 10 is applied to the flow meter 30. However, the present invention is not limited to this. The fluid sensor 10 of the present embodiment can also be applied to a fluid measuring instrument that can measure all of the fluid flow velocity, flow direction, and flow rate.
図10に、本実施形態の流体センサ10を用いて流体の流速、流向及び流量を計測する流体計測器の構成例を示す。なお、図10において、図5に示す流速流向計20及び図7に示す流量計30の構成と同じ構成には、同じ符号を付して示す。 In FIG. 10, the structural example of the fluid measuring device which measures the flow velocity, flow direction, and flow volume of a fluid using the fluid sensor 10 of this embodiment is shown. In FIG. 10, the same components as those of the flow velocity direction meter 20 shown in FIG. 5 and the flow meter 30 shown in FIG.
流体計測器50は、流体センサ10と、流体センサ10の出力端子に接続された差動回路部21と、差動回路部21の出力端子に接続された流速流向算出部24(第1算出部)と、流体センサ10の出力端子に接続された加算回路部31と、加算回路部31の出力端子に接続された流量算出部34(第2算出部)とを備える。
The fluid measuring instrument 50 includes a fluid sensor 10, a
なお、流体センサ10は図1で説明した本実施形態の流体センサ10と同様の構成である。差動回路部21及び流速流向算出部24は、図5で説明した流速流向計20のそれらと同様の構成である。また、加算回路部31及び流量算出部34は、図7で説明した流量計30のそれらと同様の構成である。
The fluid sensor 10 has the same configuration as the fluid sensor 10 of the present embodiment described with reference to FIG. The
図10に示す流体計測器50では、流体センサ10の電圧信号VA〜VCの4つの出力端子に対して、差動回路部21の4つの入力端子と、加算回路部31の4つの入力端子とが並列に接続される。このような回路構成にすることにより、差動回路部21及び流速流向算出部24の回路系からは、上述した流速及び流向の算出手法と同様にして、流体の流速及び流向が出力される。一方、加算回路部31及び流量算出部34の回路系からは、上述した流量の算出手法と同様にして、流量が出力される。
In the fluid measuring instrument 50 shown in FIG. 10, the four input terminals of the
上述した本実施形態の流体センサ10及び種々の流体計測器では、次のような効果が得られる。 In the fluid sensor 10 and various fluid measuring instruments of the present embodiment described above, the following effects can be obtained.
本実施形態の流体センサ10は、圧電素子部2上に突起部1を設けただけの簡易な構成であるので、低コストで作製することができる。それゆえ、本実施形態によれば、より簡易な構成有し且つ安価な流体センサ10及びそれを供える流体計測器を提供することができる。
Since the fluid sensor 10 of the present embodiment has a simple configuration in which the protruding
さらに、本実施形態の流体センサ10では、上述した流体の流動状態(流速、流向、流量等)の算出原理(算出手法)から明らかなように、突起部1の大きさとは無関係に流体の流動状態を検出することができるので、より小型の流体センサを提供することができる。
Furthermore, in the fluid sensor 10 of this embodiment, as is clear from the calculation principle (calculation method) of the fluid flow state (flow velocity, flow direction, flow rate, etc.) described above, the fluid flow regardless of the size of the
また、従来の例えばプロペラ等の回転子を利用した流速流向計では、最低でも、回転子が1回転しなければ流体の流速及び流向が測定できない。さらに、従来の流量計では、所定時間内に流れる流体の量を直接測定して流量を求める。すなわち、これらの従来の流体計測器では、リアルタイムで流体の状態を計測することは困難である。それに対して、本実施形態の流体計測器では、流体センサ10から時々刻々(例えば数msec以下の間隔で)出力される電圧信号に基づいて、流体の流速、流向及び流量を求めることができる。それゆえ、本実施形態の流体計測器では、従来に比べて、よりリアルタイムで流体の流動状態を計測することができる。 Further, in a conventional flow velocity meter using a rotor such as a propeller, for example, the fluid flow velocity and flow direction cannot be measured unless the rotor rotates once. Further, in the conventional flow meter, the flow rate is obtained by directly measuring the amount of fluid flowing within a predetermined time. That is, with these conventional fluid measuring instruments, it is difficult to measure the fluid state in real time. On the other hand, in the fluid measuring instrument of the present embodiment, the fluid flow velocity, flow direction, and flow rate can be obtained based on the voltage signal that is output from the fluid sensor 10 every moment (for example, at intervals of several milliseconds or less). Therefore, in the fluid measuring instrument of the present embodiment, it is possible to measure the fluid flow state in real time compared to the conventional case.
[変形例1]
上記第1の実施形態では、圧電素子部2の圧電シート3の寸法を突起部1の底面のそれと略同じとし、突起部1で上部電極群41全体を覆うような構成を説明した。また、上記第1の実施形態では、上部電極群41及び下部電極群42をそれぞれ構成する4つの電極の形状を二等辺三角形とする例を説明した。しかしながら、圧電シート及び電極の構成(例えば形状、寸法等)は、これに限定されず、例えば用途等に応じて適宜変更できる。変形例1では、圧電シート及び電極の構成の一変形例を示す。
[Modification 1]
In the first embodiment, the configuration in which the size of the
図11に、変形例1の流体センサの圧電素子部の概略上面図を示す。なお、図11中の点線64は、圧電素子部60上に配置される突起部の底面の辺部を示す。ただし、この例では、突起部は、上記第1の実施形態の突起部1と同様の構成とする。また、この例の流体センサでは、突起部1の底面64の中心と、圧電シート63の中心とが同軸上に配置されるように突起部1が圧電素子部60の上面に配置される。
FIG. 11 shows a schematic top view of the piezoelectric element portion of the fluid sensor of the first modification. Note that a dotted
圧電素子部60は、主に、圧電シート63と、圧電シート63の上面に形成された4つの上部電極61A〜61D(第1上部電極〜第4上部電極)と、圧電シート63の下面に形成された4つの下部電極(不図示)とで構成される。 The piezoelectric element unit 60 is mainly formed on the piezoelectric sheet 63, four upper electrodes 61 </ b> A to 61 </ b> D (first upper electrode to fourth upper electrode) formed on the upper surface of the piezoelectric sheet 63, and the lower surface of the piezoelectric sheet 63. And four lower electrodes (not shown).
圧電シート63は、第1の実施形態の圧電シート3と同様の材料及び厚さで形成される。また、この例では、圧電シート63の表面形状は、正方形とし、その一辺の長さは、突起部1の底面64(正方形)の対角方向の長さ以上とする。
The piezoelectric sheet 63 is formed with the same material and thickness as the
第1上部電極61A〜第4上部電極61Dは、表面が正方形状の金属膜で形成され、全て同じ形状とする。そして、第1上部電極61A〜第4上部電極61Dの各辺の長さは、圧電シート63の一辺の半分の長さより短くする。 The first upper electrode 61A to the fourth upper electrode 61D are formed of a metal film having a square surface, and all have the same shape. Then, the length of each side of the first upper electrode 61 </ b> A to the fourth upper electrode 61 </ b> D is shorter than half the length of one side of the piezoelectric sheet 63.
また、この例では、第1上部電極61A及び第2上部電極61Bは、圧電シート63の一方の対角方向(図11中のx方向)において、互いに所定間隔離れて対向するように配置される。この際、第1上部電極61A及び第2上部電極61Bは、両者の角部同士が対向するように配置され、且つ、圧電シート63の中心に対して対称となるように配置される。 In this example, the first upper electrode 61A and the second upper electrode 61B are arranged so as to face each other at a predetermined interval in one diagonal direction of the piezoelectric sheet 63 (the x direction in FIG. 11). . At this time, the first upper electrode 61 </ b> A and the second upper electrode 61 </ b> B are disposed so that the corner portions thereof are opposed to each other and are symmetrical with respect to the center of the piezoelectric sheet 63.
一方、第3上部電極61C及び第4上部電極61Dは、圧電シート63の他方の対角方向(図11中のy方向)において、互いに所定間隔離れて対向するように配置される。また、この際、第3上部電極61C及び第4上部電極61Dは、両者の角部同士が対向するように配置し、且つ、圧電シート63の中心に対して対称となるように配置する。なお、第3上部電極61C及び第4上部電極61Dの対向方向における間隔は、第1上部電極61A及び第2上部電極61Bのそれと同じとする。 On the other hand, the third upper electrode 61C and the fourth upper electrode 61D are arranged so as to face each other with a predetermined distance in the other diagonal direction of the piezoelectric sheet 63 (y direction in FIG. 11). At this time, the third upper electrode 61 </ b> C and the fourth upper electrode 61 </ b> D are disposed so that the corner portions thereof are opposed to each other and are symmetrical with respect to the center of the piezoelectric sheet 63. Note that the distance between the third upper electrode 61C and the fourth upper electrode 61D in the facing direction is the same as that of the first upper electrode 61A and the second upper electrode 61B.
さらに、図11に示す例では、第1上部電極61A〜第4上部電極61を、互いに接しないように配置する。なお、図11に示す例では、第1上部電極61A〜第4上部電極61Dを、圧電シート63の4つの角にそれぞれ配置する。 Furthermore, in the example shown in FIG. 11, the first upper electrode 61A to the fourth upper electrode 61 are arranged so as not to contact each other. In the example shown in FIG. 11, the first upper electrode 61 </ b> A to the fourth upper electrode 61 </ b> D are arranged at four corners of the piezoelectric sheet 63, respectively.
上述のように各上部電極を配置することにより、第1上部電極61A〜第4上部電極61からなる上部電極群の電極パターンは、圧電シート63の中心から見て、x方向及びy方向の両方に対称となる。 By disposing each upper electrode as described above, the electrode pattern of the upper electrode group including the first upper electrode 61A to the fourth upper electrode 61 is both in the x direction and the y direction when viewed from the center of the piezoelectric sheet 63. It becomes symmetrical.
なお、圧電シート63の下面に形成された図示しない4つの下部電極は、第1上部電極61A〜第4上部電極61Dの構成と同じ構成を有し、圧電シート63を挟んで、第1上部電極61A〜第4上部電極61Dと対向する位置にそれぞれ配置される。 The four lower electrodes (not shown) formed on the lower surface of the piezoelectric sheet 63 have the same configuration as that of the first upper electrode 61A to the fourth upper electrode 61D, and the first upper electrode is sandwiched between the piezoelectric sheets 63. 61A to the fourth upper electrode 61D are arranged at positions facing each other.
上述のように、圧電シート63を挟んで、第1上部電極61A〜第4上部電極61Dとそれらに対応する4つの下部電極とを配置することにより、圧電素子部60内には、第1の実施形態と同様に、4つの圧電素子PA〜PDが構成される。 As described above, by arranging the first upper electrode 61A to the fourth upper electrode 61D and the four lower electrodes corresponding to the first upper electrode 61A to the fourth upper electrode 61D with the piezoelectric sheet 63 interposed therebetween, Similar to the embodiment, four piezoelectric elements PA to PD are configured.
上述のように流体センサを構成することにより、第1の実施形態と同様に、流体センサに当たる流体の流動状態(例えば、流速、流向及び流量)に応じて、圧電素子PA〜PDのそれぞれで発生する電圧信号VA〜VDの大きさ及び大小関係が変化する。それゆえ、この例の流体センサ及びそれを用いた流体計測器においても、第1の実施形態と同様の効果が得られる。 By configuring the fluid sensor as described above, each of the piezoelectric elements PA to PD is generated according to the flow state (for example, the flow velocity, the flow direction, and the flow rate) of the fluid that hits the fluid sensor, as in the first embodiment. The magnitudes and magnitude relationships of the voltage signals VA to VD to be changed change. Therefore, also in the fluid sensor of this example and the fluid measuring instrument using the fluid sensor, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
さらに、この例では、圧電素子部60の表面寸法が、突起部1の底面64の寸法以上となるので、突起部1の設置がより容易になる。
Furthermore, in this example, since the surface dimension of the piezoelectric element portion 60 is equal to or larger than the dimension of the
[変形例2]
上記第1の実施形態では、圧電素子部内に4つの圧電素子を形成する例を説明したが、本発明はこれに限定されず、圧電素子部内に設ける圧電素子の数は、例えば用途等に応じて適宜設定できる。なお、上述した差分信号を用いる流体計測器(流速流向計)では、圧電素子部内に設ける圧電素子の数は、偶数であることが好ましい。また、流体の流動方向が主に一方向であるような用途に対しては、圧電素子部内に設ける圧電素子の数を2個にしてもよい。変形例2では、その一例を説明する。
[Modification 2]
In the first embodiment, the example in which four piezoelectric elements are formed in the piezoelectric element portion has been described. However, the present invention is not limited to this, and the number of piezoelectric elements provided in the piezoelectric element portion depends on, for example, the application. Can be set as appropriate. In the fluid measuring instrument (flow velocity direction meter) using the differential signal described above, the number of piezoelectric elements provided in the piezoelectric element section is preferably an even number. For applications where the fluid flow direction is mainly one direction, the number of piezoelectric elements provided in the piezoelectric element portion may be two. In the second modification, an example will be described.
図12に、変形例2の流体センサの圧電素子部の概略上面図を示す。圧電素子部65は、主に、圧電シート68と、圧電シート68の上面に形成された2つの上部電極66A及び66B(第1上部電極及び第2上部電極)と、圧電シート68の下面に形成された2つの下部電極(不図示)とで構成される。 FIG. 12 shows a schematic top view of the piezoelectric element portion of the fluid sensor of the second modification. The piezoelectric element portion 65 is mainly formed on the piezoelectric sheet 68, two upper electrodes 66A and 66B (first upper electrode and second upper electrode) formed on the upper surface of the piezoelectric sheet 68, and the lower surface of the piezoelectric sheet 68. And two lower electrodes (not shown).
なお、この例では、流体センサの突起部は、上記第1の実施形態の突起部1(図1)と同様の構成とする。また、この例では、突起部1の底面の中心と、圧電シート68の中心とが同軸上に配置されるように、突起部1が圧電素子部65の上面に配置される。さらに、突起部1の底面の各辺と、それに対応する圧電素子部65の各辺とが一致するように、突起部1が圧電素子部65の上面に配置される。
In this example, the protrusion of the fluid sensor has the same configuration as the protrusion 1 (FIG. 1) of the first embodiment. In this example, the
圧電シート68は、第1の実施形態の圧電シート3と同様の材料及び厚さで形成される。また、この例では、圧電シート68の表面形状は、正方形とし、その一辺の長さは、圧電素子部65上に配置される突起部1の一辺の長さと略同じにする。
The piezoelectric sheet 68 is formed with the same material and thickness as the
第1上部電極66A及び第2上部電極66Bは、ともに表面が長方形状の金属膜で形成され、同じ寸法を有する。そして、第1上部電極66A及び第2上部電極66Bのそれぞれにおいて、長辺の長さは圧電シート68の一片の長さと同じとし、短辺の長さは圧電シート68の一辺の半分の長さより短くする。 Both the first upper electrode 66A and the second upper electrode 66B are formed of a metal film having a rectangular surface, and have the same dimensions. In each of the first upper electrode 66A and the second upper electrode 66B, the length of the long side is the same as the length of one piece of the piezoelectric sheet 68, and the length of the short side is half the length of one side of the piezoelectric sheet 68. shorten.
また、この例では、第1上部電極66A及び第2上部電極66Bは、圧電シート68の一方の対辺方向(図12中のx方向)において、互いに所定間隔離れて対向するように配置される。この際、第1上部電極66A及び第2上部電極66Bは、両者の一方の長辺同士が対向するように配置され、且つ、圧電シート68の中心に対して対称となるように配置される。なお、第1上部電極66A及び第2上部電極66Bの対向方向における間隔は、例えば約1mm程度とすることができるが、本発明はこれに限定されず、例えば用途等に応じて適宜設定することができる。 Further, in this example, the first upper electrode 66A and the second upper electrode 66B are arranged so as to face each other at a predetermined distance in one opposite side direction (the x direction in FIG. 12) of the piezoelectric sheet 68. At this time, the first upper electrode 66 </ b> A and the second upper electrode 66 </ b> B are disposed so that one of the long sides thereof is opposed to each other and is symmetric with respect to the center of the piezoelectric sheet 68. The distance between the first upper electrode 66A and the second upper electrode 66B in the facing direction can be, for example, about 1 mm. However, the present invention is not limited to this, and is appropriately set according to the application, for example. Can do.
また、圧電シート68の下面に形成された図示しない2つの下部電極は、第1上部電極66A及び第2上部電極66Bの構成と同じ構成を有し、圧電シート68を挟んで、第1上部電極66A及び第2上部電極66Bと対向する位置にそれぞれ配置される。 Further, two lower electrodes (not shown) formed on the lower surface of the piezoelectric sheet 68 have the same configuration as that of the first upper electrode 66A and the second upper electrode 66B, and the first upper electrode is sandwiched between the piezoelectric sheets 68. 66A and the second upper electrode 66B are disposed at positions facing each other.
上述のようにして圧電シート68を挟んで、第1上部電極66A及び第2上部電極66Bとそれらに対応する2つの下部電極とを配置することにより、圧電素子部65内には、2つの圧電素子PA及びPBが構成される。 By arranging the first upper electrode 66A and the second upper electrode 66B and the two lower electrodes corresponding to the first upper electrode 66A and the second upper electrode 66B with the piezoelectric sheet 68 interposed therebetween as described above, two piezoelectric elements are provided in the piezoelectric element portion 65. Elements PA and PB are configured.
このような構成の流体センサは、流体が第1上部電極66A及び第2上部電極66Bの対向方向(図12中のx方向)にのみ流動する用途に適用可能である。このような用途に対しては、第1の実施形態と同様に、流体センサに当たる流体の流動状態(例えば、流速、流向及び流量)に応じて、圧電素子PA及びPBでそれぞれ発生する電圧信号VA及びVBの大きさ及び大小関係が変化する。それゆえ、この例の流体センサ及びそれを用いた流体計測器では、上述した用途において、第1の実施形態と同様の効果が得られる。 The fluid sensor having such a configuration is applicable to an application in which the fluid flows only in the facing direction (the x direction in FIG. 12) of the first upper electrode 66A and the second upper electrode 66B. For such an application, as in the first embodiment, the voltage signal VA generated in each of the piezoelectric elements PA and PB according to the flow state (for example, the flow velocity, the flow direction, and the flow rate) of the fluid that hits the fluid sensor. And the magnitude and magnitude relationship of VB changes. Therefore, in the fluid sensor of this example and the fluid measuring instrument using the fluid sensor, the same effects as those of the first embodiment can be obtained in the above-described application.
<2.第2の実施形態>
上記第1の実施形態では、一つのシート状の圧電素子部上に、1つの突起部を設けた流体センサの例を説明したが、本発明はこれに限定されず、一つのシート状の圧電素子部上に、複数の突起部を設けてもよい。第2の実施形態では、そのような構成の一例を説明する。
<2. Second Embodiment>
In the first embodiment, the example of the fluid sensor in which one protrusion is provided on one sheet-like piezoelectric element has been described. However, the present invention is not limited to this, and one sheet-like piezoelectric element is provided. A plurality of protrusions may be provided on the element portion. In the second embodiment, an example of such a configuration will be described.
[流体計測センサの構成]
図13に、本発明の第2の実施形態に係る流体センサの概略斜視図を示す。本実施形態の流体センサ70は、主に、複数の突起部71a(突起部材)からなる突起群71と、突起群71の下部に設けられた圧電素子部72とで構成される。
[Configuration of fluid measurement sensor]
FIG. 13 is a schematic perspective view of a fluid sensor according to the second embodiment of the present invention. The fluid sensor 70 of the present embodiment is mainly composed of a projection group 71 composed of a plurality of projections 71a (projection members) and a piezoelectric element portion 72 provided below the projection group 71.
複数の突起部71aは、圧電素子部72の一方の表面(図13では上面)上に2次元に規則的に配列される。この際、隣り合う突起部71aの底面の対向する辺同士が接するように配置される。さらに、圧電素子部72の外周端に設けられる複数の突起部71aは、その底面の圧電素子部72の外周端側の辺が対応する圧電素子部72の辺と一致するように配置される。すなわち、この例の流体センサ70では、複数の突起部71aが、圧電素子部72の全面に渡って、2次元に敷き詰められた構成となる。 The plurality of protrusions 71 a are regularly arranged in a two-dimensional manner on one surface (the upper surface in FIG. 13) of the piezoelectric element portion 72. Under the present circumstances, it arrange | positions so that the edge | side where the bottom face of the adjacent protrusion part 71a opposes may contact | connect. Further, the plurality of protrusions 71 a provided at the outer peripheral end of the piezoelectric element portion 72 are arranged so that the sides on the outer peripheral end side of the piezoelectric element portion 72 on the bottom surface thereof coincide with the sides of the corresponding piezoelectric element portion 72. In other words, the fluid sensor 70 of this example has a configuration in which the plurality of protrusions 71 a are two-dimensionally spread over the entire surface of the piezoelectric element portion 72.
各突起部71aは、全て同じ構成であり、第1の実施形態の流体センサ10(図1)で用いた突起部1と同様の構成である。また、突起部71aは、第1の実施形態の突起部1と同様の形成材料で形成することができる。なお、各突起部71aの底面及び高さの寸法は、例えば圧電素子部72の寸法、突起部1の配列数に応じて適宜設定される。例えば、圧電素子部72の外周寸法を50〜100mm×50〜100mmとし、突起部71aを10個×10個で配列する場合を考えると、突起部71aの底面の一辺の寸法は例えば約5〜10mmとなる。この場合、突起部71aの高さ(図13中のz方向の長さ)も、例えば約5〜10mmとすることができる。
Each of the protrusions 71a has the same configuration, and is the same configuration as the
なお、ここでは、突起部71aの形状を、第1の実施形態と同様に、四角錘とするが、本発明はこれに限定されない。突起部71aの形状は、例えば用途等に応じて適宜変更することができる。 In addition, although the shape of the projection part 71a is a square weight here as in the first embodiment, the present invention is not limited to this. The shape of the protrusion 71a can be appropriately changed according to, for example, the use.
例えば、突起部71aの形状を円錐、円柱、四角以外の多角錘等で形成してもよい。また、突起部71aの底面を例えば長方形にしてもよい。流体の流動方向が一方向であるような用途に対しては、突起部71aを板状部材で構成してもよい。また、突起部71aの側面を曲面で構成してもよい。さらに、突起部71aの内部は、空洞であってもよいし、空洞でなくてもよい。 For example, the shape of the protrusion 71a may be formed of a cone, a cylinder, a polygonal pyramid other than a square, or the like. Further, the bottom surface of the protrusion 71a may be rectangular, for example. For applications in which the fluid flow direction is one direction, the protrusion 71a may be formed of a plate-like member. Moreover, you may comprise the side surface of the projection part 71a with a curved surface. Furthermore, the inside of the protrusion 71a may be a cavity or may not be a cavity.
なお、本実施形態の流体センサ70では、流体が突起部71aの側面に当たった際の圧力を突起部71aの底面を介して圧電素子部72に伝えるので、突起部71aの形状は、流体から加えられた圧力を圧電素子部72に伝えやすい形状にすることが好ましい。このような観点では、本実施形態のように、突起部71aの形状を、その底面から先端に向かって径が小さくなるような形状にすることが好ましい。 In the fluid sensor 70 of the present embodiment, the pressure when the fluid hits the side surface of the protrusion 71a is transmitted to the piezoelectric element portion 72 via the bottom surface of the protrusion 71a. It is preferable that the applied pressure has a shape that can easily be transmitted to the piezoelectric element portion 72. From such a viewpoint, it is preferable that the shape of the protruding portion 71a is such that the diameter decreases from the bottom surface toward the tip as in the present embodiment.
また、突起部71aの配列数及び配列形態は、例えば用途等に応じて適宜設定される。例えば、突起部71aの一方の方向の配列数と、他方の方向の配列数が異なっていてもよいし、突起部71aを1次元状に配列してもよい。また、突起部71aをランダムに配列してもよい。さらに、異なる構成(形状、寸法等)の突起部を配列してもよい。 Further, the number and arrangement of the protrusions 71a are appropriately set according to, for example, the application. For example, the number of the protrusions 71a arranged in one direction may be different from the number of the protrusions 71a arranged in the other direction, or the protrusions 71a may be arranged one-dimensionally. Further, the protrusions 71a may be arranged at random. Furthermore, you may arrange | position the projection part of a different structure (a shape, a dimension, etc.).
次に、本実施形態の圧電素子部2の構成を、図14(a)及び(b)を用いて説明する。なお、図14(a)は、本実施形態の流体センサ70の概略側面図であり、図14(b)は、流体センサ70の概略上面図である。ただし、図14(a)及び(b)では、説明を簡略化するため、圧電素子部72の一つの角部付近の構成のみを示す。 Next, the configuration of the piezoelectric element portion 2 of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 14 (a) and 14 (b). 14A is a schematic side view of the fluid sensor 70 of the present embodiment, and FIG. 14B is a schematic top view of the fluid sensor 70. However, in FIGS. 14A and 14B, only the configuration in the vicinity of one corner of the piezoelectric element portion 72 is shown to simplify the description.
圧電素子部72は、主に、圧電シート73(圧電部材)と、圧電シート73の上面(突起部71a側の表面)に形成された上部電極群74と、圧電シート73の下面に形成された下部電極群75とで構成される。 The piezoelectric element portion 72 is mainly formed on the piezoelectric sheet 73 (piezoelectric member), the upper electrode group 74 formed on the upper surface of the piezoelectric sheet 73 (surface on the protruding portion 71a side), and the lower surface of the piezoelectric sheet 73. A lower electrode group 75 is included.
圧電シート73は、第1の実施形態の流体センサ10(図1)で用いた圧電シート3と同様に、加えられた圧力を電圧信号に変換することが可能な圧電材料からなるシート状(フィルム状)部材で形成される。圧電シート73の表面は正方形であり、各辺の長さは、(突起部71aの底面の一辺)×(一方向の突起部71aの配列数)と略同じである。また、圧電シート73の形成材料及び厚さは、第1の実施形態の圧電シート3と同様の材料及び厚さで形成することができる。なお、圧電シート73の形成材料及び厚さ等の構成は、例えば用途や必要とする検出感度等に応じて適宜設定することができる。
The piezoelectric sheet 73 is a sheet (film) made of a piezoelectric material capable of converting an applied pressure into a voltage signal, like the
上部電極群74は、図14(b)に示すように、複数の上部電極部76で構成され、各上部電極部76は、突起部71a毎に設けられる。各上部電極部76は、4つの二等辺三角形状の第1上部電極76A〜第4上部電極76Dから構成される。 As shown in FIG. 14B, the upper electrode group 74 includes a plurality of upper electrode portions 76, and each upper electrode portion 76 is provided for each protrusion 71a. Each upper electrode portion 76 includes four isosceles triangular first upper electrode 76A to fourth upper electrode 76D.
第1上部電極76A〜第4上部電極76D(第1〜第4電極)の構成は、第1の実施形態の流体センサ10で用いた第1上部電極41A〜第4上部電極41D(図2(a))と同様の構成である。また、これらの上部電極と、それに対応する突起部71aとの配置関係は、第1の実施形態(図1)の第1上部電極41A〜第4上部電極41Dと突起部1との配置関係と同様である。なお、本実施形態では、第1上部電極76A及び第2上部電極76Bを、圧電素子部72の一方の対辺方向(図14(b)ではx方向:第1方向)に沿って互いに所定間隔だけ離れて形成し、第3上部電極76C及び第4上部電極76Dは、圧電素子部72の他方の対辺方向(図14(b)ではy方向:第2方向)に沿って互いに所定間隔だけ離れて形成する。
The configurations of the first upper electrode 76A to the fourth upper electrode 76D (first to fourth electrodes) are the same as the first
また、下部電極群75は、複数の下部電極部(不図示)で構成され、各下部電極部は、突起部71a毎に設けられる。各下部電極部の構成は、上部電極部76と同様の構成(形状、寸法、形成材料等)である。また、各下部電極部は、対応する上部電極部76と、圧電シート73を挟んで対向する位置に配置される。すなわち、各下部電極部は、4つの二等辺三角形状の下部電極(不図示:第1〜第4電極)で構成され、その4つの下部電極は、圧電シート73を挟んで第1上部電極76A〜第4上部電極76Dとそれぞれ対向する位置に配置される。 The lower electrode group 75 includes a plurality of lower electrode portions (not shown), and each lower electrode portion is provided for each protrusion 71a. The structure of each lower electrode part is the same structure (shape, dimension, forming material, etc.) as the upper electrode part 76. Each lower electrode portion is disposed at a position facing the corresponding upper electrode portion 76 with the piezoelectric sheet 73 interposed therebetween. That is, each lower electrode portion is composed of four isosceles triangular lower electrodes (not shown: first to fourth electrodes), and the four lower electrodes sandwich the piezoelectric sheet 73 with the first upper electrode 76A. To the fourth upper electrode 76D.
上述のように、圧電シート73を挟んで、上部電極群74と下部電極群75とを配置することにより、圧電素子部72内には、突起部71a毎に、4つの圧電素子PA〜PDが構成される。具体的には、第1上部電極76Aとそれに対向する下部電極と(第1電極対)の間、第2上部電極76Bとそれに対向する下部電極と(第2電極対)の間、第3上部電極76Cとそれに対向する下部電極と(第3電極対)の間、並びに、第4上部電極76Dとそれに対向する下部電極と(第4電極対)の間に、それぞれ圧電素子PA〜PDが構成される。
As described above, by arranging the upper electrode group 74 and the lower electrode group 75 with the piezoelectric sheet 73 interposed therebetween, four piezoelectric elements PA to PD are provided in the piezoelectric element portion 72 for each protrusion 71a. Composed. Specifically, between the first upper electrode 76A and the lower electrode facing it (first electrode pair), between the second
すなわち、この例の流体センサ70では、突起部71a毎に、上記第1の実施形態の流体センサ10(図1)と同等の構成のセンサ素子77が形成される。それゆえ、各センサ素子77は、第1の実施形態の流体センサ10と同様に動作し、各センサ素子77に当たる流体の状態(流速、流向及び流量)に応じて、各センサ素子77を構成する圧電素子PA〜PDでそれぞれ発生する電圧信号VA〜VDが変化する。そして、この例の流体センサ70では、各センサ素子77で検出される電圧信号VA〜VDを用いて、流体の流動状態(流動方向、流速、流量等)を計測(検出)する。 That is, in the fluid sensor 70 of this example, a sensor element 77 having the same configuration as that of the fluid sensor 10 of the first embodiment (FIG. 1) is formed for each protrusion 71a. Therefore, each sensor element 77 operates in the same manner as the fluid sensor 10 of the first embodiment, and configures each sensor element 77 according to the state (flow velocity, flow direction, and flow rate) of the fluid that hits each sensor element 77. Voltage signals VA to VD generated by the piezoelectric elements PA to PD change, respectively. The fluid sensor 70 of this example measures (detects) the fluid flow state (flow direction, flow velocity, flow rate, etc.) using the voltage signals VA to VD detected by the sensor elements 77.
[流体計測器の構成]
次に、本実施形態の流体センサ70を適用した流体計測器の構成を説明する。図15に、本実施形態の流体計測器の概略構成を示す。なお、図15には、第1の実施形態で説明した種々の流体計測器(図5、7及び10)と異なる構成部のみを示す。
[Configuration of fluid measuring instrument]
Next, the configuration of a fluid measuring instrument to which the fluid sensor 70 of the present embodiment is applied will be described. FIG. 15 shows a schematic configuration of the fluid measuring instrument of the present embodiment. FIG. 15 shows only components different from the various fluid measuring instruments (FIGS. 5, 7 and 10) described in the first embodiment.
本実施形態の流体計測器80は、流体センサ70と、平均化回路部81とを備える。なお、流体計測器80を流速流向計として用いる場合には、第1の実施形態で説明した流速流向計20(図5)と同様に、流体計測器80は、さらに、平均化回路部81の出力側に、差動回路部21と、流速流向算出部24(算出部)とを備える。また、この場合、流体計測器80は、流速流向算出部24で算出した流体の流速及び流向を表示する表示部、並びに/又は、流体の流速及び流向のデータを記憶するメモリ部を備えていてもよい。
The fluid measuring instrument 80 of this embodiment includes a fluid sensor 70 and an
また、流体計測器80を流量計として用いる場合には、第1の実施形態で説明した流量計30(図7)と同様に、流体計測器80は、さらに、平均化回路部81の出力側に、加算回路部31と、流量算出部34(算出部)とを備える。また、この場合、流体計測器80は、流量算出部34で算出した流体の流量を表示する表示部、並びに/又は、流体の流量のデータを記憶するメモリ部を備えていてもよい。
When the fluid measuring device 80 is used as a flow meter, the fluid measuring device 80 is further provided on the output side of the averaging
さらに、流体計測器80を、流体の流速、流向及び流量が計測可能な流体計測器として用いる場合には、第1の実施形態で説明した流体計測器50(図10)と同様に、流体計測器80は、さらに、平均化回路部81の出力側に、差動回路部21と、流速流向算出部24(第1算出部)と、加算回路部31と、流量算出部34(第2算出部)とを備える。また、この場合、流体計測器80は、計測した流動状態(流速、流向及び流量)を表示する表示部、並びに/又は、流体の流動状態のデータを記憶するメモリ部を備えていてもよい。
Further, when the fluid measuring device 80 is used as a fluid measuring device capable of measuring the flow velocity, flow direction, and flow rate of the fluid, the fluid measuring device is similar to the fluid measuring device 50 (FIG. 10) described in the first embodiment. Further, on the output side of the averaging
本実施形態の流体センサ70では、上述のように、センサ素子77毎に4つの電圧信号VA〜VDが出力される。それゆえ、複数のセンサ素子77からなる流体センサ70からは、図15に示すように、センサ素子77の数と同数の電圧信号VAが平均化回路部81に並列出力される。また同様に、流体センサ70からは、センサ素子77の数と同数の電圧信号VB〜VDがそれぞれ平均化回路部81に並列出力される。
In the fluid sensor 70 of the present embodiment, four voltage signals VA to VD are output for each sensor element 77 as described above. Therefore, from the fluid sensor 70 including a plurality of sensor elements 77, the same number of voltage signals VA as the number of sensor elements 77 are output in parallel to the averaging
平均化回路部81は、流体センサ70から出力される、センサ素子77の数と同数の電圧信号VAを平均して平均電圧信号VAmを算出する。また、平均化回路部81は、流体センサ70から出力される、センサ素子77の数と同数の電圧信号VBを平均して平均電圧信号VBmを算出する。また、平均化回路部81は、流体センサ70から出力される、センサ素子77の数と同数の電圧信号VCを平均して平均電圧信号VCmを算出する。さらに、平均化回路部81は、流体センサ70から出力される、センサ素子77の数と同数の電圧信号VDを平均して平均電圧信号VDmを算出する。そして、平均化回路部81は、算出した4つの平均電圧信号VAm〜VDmを、差動回路部21及び/又は加算回路部31の対応する4つの入力端子にそれぞれ出力する。
The averaging
その後、流体計測器80は、平均化回路部81から出力された4つの平均電圧信号VAm〜VDmに基づいて、第1の実施形態と同様にして、流体の流速、流向及び/又は流量を算出する。本実施形態では、このようにして、流体の流速、流向及び/又は流量を計測する。
Thereafter, the fluid measuring instrument 80 calculates the flow velocity, flow direction and / or flow rate of the fluid based on the four average voltage signals VAm to VDm output from the averaging
上述した本実施形態の流体センサ70及び流体計測器80では、次のような効果が得られる。 In the fluid sensor 70 and the fluid measuring instrument 80 of the present embodiment described above, the following effects are obtained.
本実施形態の流体センサ70は、圧電素子部72上に複数の突起部71aを設けただけの簡易な構成であるので、低コストで作製することができる。それゆえ、本実施形態によれば、第1の実施形態と同様に、より簡易な構成有し且つ安価な流体センサ70及びそれを供える流体計測器を提供することができる。 Since the fluid sensor 70 of this embodiment has a simple configuration in which a plurality of protrusions 71a are provided on the piezoelectric element portion 72, the fluid sensor 70 can be manufactured at low cost. Therefore, according to the present embodiment, similarly to the first embodiment, it is possible to provide a fluid sensor 70 having a simpler configuration and at a low cost, and a fluid measuring instrument including the fluid sensor 70.
また、本実施形態では、圧電素子部72上に配置する各突起部71aの寸法をより小さくすることができる。それゆえ、流体センサ70の厚さをより薄く(シート化)することができ、流体センサ70の小型化を図ることができる。 In the present embodiment, the size of each protrusion 71a arranged on the piezoelectric element portion 72 can be further reduced. Therefore, the thickness of the fluid sensor 70 can be further reduced (made into a sheet), and the fluid sensor 70 can be downsized.
また、本実施形態の流体計測器80では、第1の実施形態と同様に、流体センサ70から時々刻々(例えば数msec以下の間隔で)出力される電圧信号に基づいて、流体の流速、流向及び流量を求めることができる。それゆえ、本実施形態の流体計測器では、従来に比べて、よりリアルタイムで流体の流動状態を計測することができる。 Further, in the fluid measuring instrument 80 of the present embodiment, as in the first embodiment, the fluid flow velocity and flow direction are based on the voltage signal output from the fluid sensor 70 every moment (for example, at intervals of several milliseconds or less). And the flow rate can be determined. Therefore, in the fluid measuring instrument of the present embodiment, it is possible to measure the fluid flow state in real time compared to the conventional case.
さらに、本実施形態では、複数のセンサ素子77から出力される電圧信号を平均化して、流体の状態(流速、流向、流量等)を算出する。それゆえ、本実施形態では、外乱(ノイズ)の影響をより低減することができ、より高精度で流体の状態(流速、流向、流量等)を計測することができる。 Furthermore, in this embodiment, the voltage signals output from the plurality of sensor elements 77 are averaged to calculate the fluid state (flow velocity, flow direction, flow rate, etc.). Therefore, in this embodiment, the influence of disturbance (noise) can be further reduced, and the fluid state (flow velocity, flow direction, flow rate, etc.) can be measured with higher accuracy.
[変形例3]
上記第2の実施形態では、一つの圧電素子部72上に複数の突起部71aを2次元に配列する構成例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、第1の実施形態の流体センサ10を複数用意し、その複数の流体センサ10を2次元に配列してもよい。また、例えば、複数の突起部を一体化した一枚の突起シートを、一つの圧電素子部72上に配置してもよい。その一例(変形例3)を図16に示す。
[Modification 3]
In the second embodiment, the configuration example in which the plurality of protrusions 71a are two-dimensionally arranged on one piezoelectric element portion 72 has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, a plurality of fluid sensors 10 according to the first embodiment may be prepared, and the plurality of fluid sensors 10 may be arranged two-dimensionally. Further, for example, a single protruding sheet obtained by integrating a plurality of protruding portions may be arranged on one piezoelectric element portion 72. An example (Modification 3) is shown in FIG.
図16は、変形例3の流体センサで用いる突起シートの概略断面図である。なお、図16では、説明を簡略化するため、突起シート90の一部の断面を示す。 FIG. 16 is a schematic cross-sectional view of a protruding sheet used in the fluid sensor of the third modification. In FIG. 16, a partial cross section of the protruding sheet 90 is shown to simplify the description.
突起シート90は、その一方に表面に複数の突起部91(突起部材)が連続的に形成される。この例では、隣接する突起部91において対向する側面の底辺付近が、所定の厚さtの接続部92で連結される。なお、接続部92の厚さtは、できる限り薄くすることが好ましい。例えば、接続部92の厚さΔtは、約20〜100μmで形成することができる。 The protrusion sheet 90 has a plurality of protrusions 91 (protrusion members) formed continuously on one surface thereof. In this example, the vicinity of the bottoms of the side surfaces facing each other in the adjacent protrusions 91 are connected by the connection part 92 having a predetermined thickness t. Note that the thickness t of the connecting portion 92 is preferably as thin as possible. For example, the thickness Δt of the connecting portion 92 can be formed to be about 20 to 100 μm.
この例の構成では、突起シート90は、従来の成形手法を用いて作製することができる。そして、この例の構成では、突起シート90を圧電素子部上に貼り付けるだけで、圧電素子部上に複数の突起部91を規則的に配列させることができる。それゆえ、この例では、流体センサをより低コストで且つより容易に作製することができる。 In the configuration of this example, the protruding sheet 90 can be manufactured using a conventional molding method. In the configuration of this example, the plurality of protrusions 91 can be regularly arranged on the piezoelectric element portion simply by sticking the protrusion sheet 90 on the piezoelectric element portion. Therefore, in this example, the fluid sensor can be manufactured at a lower cost and more easily.
1,71a…突起部、2,72…電圧素子部、3…圧電シート、4…電極対群、10,70…流体センサ、20…流速流向計、21…差動回路部、22,23…差動増幅器、24…流速流向算出部、30…流量計、31…加算回路部、32…フィルタ回路部、33…加算器、34…流量算出部、41,74…上部電極群、41A,76A…第1上部電極、41B,76B…第2上部電極、41C,76C…第3上部電極、41D,76D…第4上部電極、42,75…下部電極群、42A…第1下部電極、42B…第2下部電極、42C…第3下部電極、42D…第4下部電極、50,80…流体計測器、71…突起群、76…上部電極部、77…センサ素子、81…平均化回路、PA,PB,PC,PD…圧電素子
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記圧電素子部の一方の表面上に設けられた突起部材とを備え、
前記突起部材の前記圧電素子部側の面の前記第1方向の幅が、前記所定距離より大きく、前記突起部材の前記圧電素子部側の面の中心が、前記第1及び第2電極対間の中心と同軸上に位置する
流体計測センサ。 A piezoelectric member, a first electrode pair composed of a pair of first electrodes formed at positions facing each other across the piezoelectric member, and a pair of second electrodes formed at a position opposed to each other across the piezoelectric member A piezoelectric element having a second electrode pair formed at a predetermined distance from the first electrode pair in a first direction;
A protrusion member provided on one surface of the piezoelectric element portion,
The width of the surface of the protruding member on the piezoelectric element portion side in the first direction is larger than the predetermined distance, and the center of the surface of the protruding member on the piezoelectric element portion side is between the first and second electrode pairs. Fluid measurement sensor located on the same axis as the center.
前記第3電極対及び前記第4電極対が、前記第1及び第2電極対間の中心に対して対称となる位置に形成されている
請求項1に記載の流体計測センサ。 The piezoelectric element portion further includes a third electrode pair including a pair of third electrodes formed at positions facing each other across the piezoelectric member, and a pair formed at positions facing each other across the piezoelectric member. A fourth electrode pair comprising a fourth electrode and formed apart from the third electrode pair by a predetermined distance in a second direction orthogonal to the first direction;
The fluid measurement sensor according to claim 1, wherein the third electrode pair and the fourth electrode pair are formed at positions symmetrical with respect to a center between the first and second electrode pairs.
複数の前記突起部材が、前記圧電素子部の前記一方の表面上に配列され、
前記突起部材毎に、前記第1〜第4電極対が設けられている
請求項2に記載の流体計測センサ。 A plurality of the protruding members;
A plurality of the protruding members are arranged on the one surface of the piezoelectric element portion,
The fluid measurement sensor according to claim 2, wherein the first to fourth electrode pairs are provided for each protrusion member.
請求項3に記載の流体計測センサ。 The fluid measurement sensor according to claim 3, wherein the plurality of protruding members are integrally formed.
前記第1方向が、前記突起部材の前記圧電素子部側の面の一方の対辺方向と一致し、
前記第2方向が、前記突起部材の前記圧電素子部側の面の他方の対辺方向と一致する
請求項2〜4のいずれか一項に記載の流体計測センサ。 The shape of the protruding member is a square pyramid whose surface on the piezoelectric element portion side is a square,
The first direction coincides with one opposite side direction of the surface of the protruding member on the piezoelectric element portion side,
The fluid measurement sensor according to any one of claims 2 to 4, wherein the second direction coincides with the opposite side direction of the surface of the protruding member on the piezoelectric element portion side.
流体から前記突起部材に加えられた圧力により、前記第1電極対に発生する第1電圧信号と、前記第2電極対に発生する第2電圧信号との第1差信号を生成する差動回路部と、
前記差動回路部で生成した前記第1差信号に基づいて、前記流体の流速及び流向の少なくとも一方を算出する算出部と
を備える流体計測器。 A piezoelectric member, a first electrode pair composed of a pair of first electrodes formed at positions facing each other across the piezoelectric member, and a pair of second electrodes formed at a position opposed to each other across the piezoelectric member And a piezoelectric element portion having a second electrode pair formed at a predetermined distance in the first direction with respect to the first electrode pair, and a protruding member provided on one surface of the piezoelectric element portion. The width in the first direction of the surface of the protruding member on the piezoelectric element portion side is larger than the predetermined distance, and the center of the surface of the protruding member on the piezoelectric element portion side is the first and second electrode pairs. A fluid measurement sensor located coaxially with the center between,
A differential circuit that generates a first difference signal between a first voltage signal generated in the first electrode pair and a second voltage signal generated in the second electrode pair by pressure applied to the protruding member from the fluid. And
A fluid measuring instrument comprising: a calculation unit that calculates at least one of a flow velocity and a flow direction of the fluid based on the first difference signal generated by the differential circuit unit.
前記圧電素子部が、さらに、前記圧電部材を挟んで対向する位置に形成された一対の第3電極からなる第3電極対、及び、前記圧電部材を挟んで対向する位置に形成された一対の第4電極からなり且つ前記第3電極対に対して前記第1方向と直交する第2方向に前記所定距離だけ離れて形成された第4電極対を有し、
前記第3電極対及び前記第4電極対が、前記第1及び第2電極対間の中心に対して対称となる位置に形成され、
前記第1方向が、前記突起部材の前記圧電素子部側の面の一方の対辺方向と一致し、且つ、前記第2方向が、前記突起部材の前記圧電素子部側の面の他方の対辺方向と一致し、
前記差動回路部が、さらに、前記流体から前記突起部材に加えられた圧力により、前記第3電極対に発生する第3電圧信号と、前記第4電極対に発生する第4電圧信号との第2差信号を生成し、
前記算出部が、前記差動回路部で生成した前記第1及び第2差信号に基づいて、前記流体の流速及び流向の少なくとも一方を算出する
請求項6に記載の流体計測器。 The shape of the protruding member is a square pyramid whose surface on the piezoelectric element portion side is a square,
The piezoelectric element portion further includes a third electrode pair including a pair of third electrodes formed at positions facing each other across the piezoelectric member, and a pair formed at positions facing each other across the piezoelectric member. A fourth electrode pair comprising a fourth electrode and formed apart from the third electrode pair by a predetermined distance in a second direction orthogonal to the first direction;
The third electrode pair and the fourth electrode pair are formed at positions symmetrical with respect to the center between the first and second electrode pairs;
The first direction coincides with one opposite side direction of the surface of the protruding member on the piezoelectric element portion side, and the second direction is the other opposite side direction of the surface of the protruding member on the piezoelectric element portion side. Matches
The differential circuit section further includes a third voltage signal generated in the third electrode pair and a fourth voltage signal generated in the fourth electrode pair due to pressure applied from the fluid to the protruding member. Generating a second difference signal;
The fluid measuring device according to claim 6, wherein the calculation unit calculates at least one of a flow velocity and a flow direction of the fluid based on the first and second difference signals generated by the differential circuit unit.
複数の前記突起部材が、前記圧電素子部の前記一方の表面上に配列され、
前記突起部材毎に、前記第1〜第4電極対が設けられている
請求項7に記載の流体計測器。 A plurality of the protruding members;
A plurality of the protruding members are arranged on the one surface of the piezoelectric element portion,
The fluid measuring instrument according to claim 7, wherein the first to fourth electrode pairs are provided for each protruding member.
流体から前記突起部材に加えられた圧力により、前記第1電極対に発生する第1電圧信号と、前記第2電極対に発生する第2電圧信号との和信号を生成する加算回路部と、
前記加算回路部で生成した前記和信号に基づいて、前記流体の流量を算出する算出部と
を備える流体計測器。 A piezoelectric member, a first electrode pair composed of a pair of first electrodes formed at positions facing each other across the piezoelectric member, and a pair of second electrodes formed at a position opposed to each other across the piezoelectric member And a piezoelectric element portion having a second electrode pair formed at a predetermined distance in the first direction with respect to the first electrode pair, and a protruding member provided on one surface of the piezoelectric element portion. The width in the first direction of the surface on the piezoelectric element portion side of the protruding member is larger than the predetermined distance, and the center of the surface on the piezoelectric element portion side of the protruding member is the first and second electrode pairs. A fluid measurement sensor located coaxially with the center between,
An adder circuit for generating a sum signal of a first voltage signal generated in the first electrode pair and a second voltage signal generated in the second electrode pair by a pressure applied to the protruding member from a fluid;
A fluid measuring instrument comprising: a calculating unit that calculates a flow rate of the fluid based on the sum signal generated by the adding circuit unit.
前記圧電素子部が、さらに、前記圧電部材を挟んで対向する位置に形成された一対の第3電極からなる第3電極対、及び、前記圧電部材を挟んで対向する位置に形成された一対の第4電極からなり且つ前記第3電極対に対して前記第1方向と直交する第2方向に前記所定距離だけ離れて形成された第4電極対を有し、
前記第3電極対及び前記第4電極対が、前記第1及び第2電極対間の中心に対して対称となる位置に形成され、
前記第1方向が、前記突起部材の前記圧電素子部側の面の一方の対辺方向と一致し、且つ、前記第2方向が、前記突起部材の前記圧電素子部側の面の他方の対辺方向と一致し、
前記加算回路部が、前記流体から前記突起部材に加えられた圧力により、前記第1電極対に発生する前記第1電圧信号と、前記第2電極対に発生する前記第2電圧信号と、前記第3電極対に発生する第3電圧信号と、前記第4電極対に発生する第4電圧信号との和信号を生成し、
前記算出部が、前記加算回路部で生成した前記和信号に基づいて、前記流体の流量を算出する
請求項9に記載の流体計測器。 The shape of the protruding member is a square pyramid whose surface on the piezoelectric element portion side is a square,
The piezoelectric element portion further includes a third electrode pair including a pair of third electrodes formed at positions facing each other across the piezoelectric member, and a pair formed at positions facing each other across the piezoelectric member. A fourth electrode pair comprising a fourth electrode and formed apart from the third electrode pair by a predetermined distance in a second direction orthogonal to the first direction;
The third electrode pair and the fourth electrode pair are formed at positions symmetrical with respect to the center between the first and second electrode pairs;
The first direction coincides with one opposite side direction of the surface of the protruding member on the piezoelectric element portion side, and the second direction is the other opposite side direction of the surface of the protruding member on the piezoelectric element portion side. Matches
The adding circuit unit is configured to generate the first voltage signal generated in the first electrode pair by the pressure applied to the projecting member from the fluid, the second voltage signal generated in the second electrode pair, Generating a sum signal of a third voltage signal generated at the third electrode pair and a fourth voltage signal generated at the fourth electrode pair;
The fluid measuring device according to claim 9, wherein the calculation unit calculates a flow rate of the fluid based on the sum signal generated by the addition circuit unit.
複数の前記突起部材が、前記圧電素子部の前記一方の表面上に配列され、
前記突起部材毎に、前記第1〜第4電極対が設けられている
請求項10に記載の流体計測器。 A plurality of the protruding members;
A plurality of the protruding members are arranged on the one surface of the piezoelectric element portion,
The fluid measuring instrument according to claim 10, wherein the first to fourth electrode pairs are provided for each protruding member.
流体から前記突起部材に加えられた圧力により、前記第1電極対に発生する第1電圧信号と、前記第2電極対に発生する第2電圧信号との第1差信号を生成する差動回路部と、
前記差動回路部で生成した前記第1差信号に基づいて、前記流体の流速及び流向の少なくとも一方を算出する第1算出部と、
前記第1電圧信号と、前記第2電圧信号との和信号を生成する加算回路部と、
前記加算回路部で生成した前記和信号に基づいて、前記流体の流量を算出する第2算出部と
を備える流体計測器。 A piezoelectric member, a first electrode pair composed of a pair of first electrodes formed at positions facing each other across the piezoelectric member, and a pair of second electrodes formed at a position opposed to each other across the piezoelectric member And a piezoelectric element portion having a second electrode pair formed at a predetermined distance in the first direction with respect to the first electrode pair, and a protrusion member provided on one surface of the piezoelectric element portion. The width in the first direction of the surface on the piezoelectric element portion side of the protruding member is larger than the predetermined distance, and the center of the surface on the piezoelectric element portion side of the protruding member is the first and second electrode pairs. A fluid measurement sensor located coaxially with the center between,
A differential circuit that generates a first difference signal between a first voltage signal generated in the first electrode pair and a second voltage signal generated in the second electrode pair by pressure applied to the protruding member from the fluid. And
A first calculation unit that calculates at least one of a flow velocity and a flow direction of the fluid based on the first difference signal generated by the differential circuit unit;
An adder circuit for generating a sum signal of the first voltage signal and the second voltage signal;
A fluid measuring instrument comprising: a second calculation unit that calculates a flow rate of the fluid based on the sum signal generated by the addition circuit unit.
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JP (1) | JP2011080844A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103018477A (en) * | 2012-12-12 | 2013-04-03 | 中南大学 | Device for measuring wind speed and direction |
-
2009
- 2009-10-06 JP JP2009232780A patent/JP2011080844A/en active Pending
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CN103018477A (en) * | 2012-12-12 | 2013-04-03 | 中南大学 | Device for measuring wind speed and direction |
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