JP2699743B2

JP2699743B2 - 圧力センサ

Info

Publication number: JP2699743B2
Application number: JP3349729A
Authority: JP
Inventors: 臣男加藤; 伸子中野; 徹伊藤
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1991-12-10
Filing date: 1991-12-10
Publication date: 1998-01-19
Anticipated expiration: 2013-01-19
Also published as: JPH05164639A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、微小な圧力変動まで検
出でき、出力信号に対する振動等によるノイズの比（以
下ＳＮ比と称する。）が高い、圧電素子を使用した、気
体流量計に用いて最適な圧力センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】圧力センサとしては従来からマノメ―
タ、ブルドン管式、静電容量式、差動トランス式あるい
は半導体ダイヤフラム式など種々のものが知られてい
る。これらは一般的に大きな圧力の検出に用いられてお
り、大型で構造が複雑であったり、高価なものが多い。
また、検出対象の圧力が大きなこともあり、通常、振動
などの外乱によるノイズに対して配慮されていない。そ
のため、微小な圧力まで検出することが要求される用途
には、使用できないか、たとえ使用したとしてもノイズ
の割合が高くなって高精度な検出が困難となる。

【０００３】微小な圧力まで検出できる程好ましい用途
として、たとえば圧力検出を介して流体の流量を検出す
るフルイディック流量計やカルマン渦流量計がある（た
とえば特開昭６０−１８７８１４号公報、特開昭５７−
５４８０９号公報）。また、これら流量計に用いて最適
な、微小圧力変動まで検出可能な圧力センサとして、膜
状の圧電素子を用いた圧力センサが知られている（たと
えは特開昭５７−５４８０９号公報）。上記フルイディ
ック流量計は、特開昭６０−１８７８１４号公報にも示
されているように、流量計素子部において、噴出ノズル
から噴出された流体の主流をコアンダ効果を利用して一
対の隔壁に交互に沿わせ、その流動変化の際に生じる圧
力変動を圧力センサで検出し、流体の流量を該流量に応
じた圧力変動の周波数で検出するようにしたものであ
る。カルマン渦流量計は、特開昭５７−５４８０９号公
報にも示されているように、流量計素子部内に設けられ
た渦発生体により流通流体中にカルマン渦を断続的に発
生させ、カルマン渦が通過する際に生じる圧力変動を圧
力センサで検出し、流体の流量を該流量に応じたカルマ
ン渦発生数で検出するようにしたものである。

【０００４】このような流量計に用いられる圧力センサ
としては、高感度、つまり微弱な圧力変化および広い周
波数域における圧力変化まで検出できる程望ましく、そ
のためには、振動等の外乱に対する対策を施して、ＳＮ
比を相当高くしなければならない。ＳＮ比を高くするた
めに、とくに振動対策を施したものとして、前述の特開
昭５７−５４８０９号公報に開示された圧力センサが知
られている。この圧力センサは、圧電素子として高分子
圧電体を使用し、圧力検出用とノイズ成分補正用とに分
岐したレバ―の両側にそれぞれ圧電素子２枚をバイモル
フ型のように取付け、ノイズ成分補正用圧電素子は周囲
をカバ―して圧力検出用圧電素子と雰囲気を分離したも
のである。ノイズ成分となる振動は、圧力検出用圧電素
子とノイズ成分補正用圧電素子の両方に加わるので、圧
力検出用圧電素子からの出力信号からノイズ成分補正用
圧電素子による信号を差し引けば、原理的には振動に起
因するノイズが除去されることになる。この方法は検出
対象以外のノイズ成分を補正する差動型といわれる最も
一般的な方法である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記圧
力センサの構造においては、ノイズ成分補正用と圧力検
出用の圧電素子はそれぞれ構造や雰囲気が異なるところ
に納められているため、両圧電素子への振動や温度の伝
わりかたがそれぞれ異なり、ノイズ成分を正確にかつ十
分に除去できないという問題がある。とくに、ノイズ成
分補正用圧電素子を隔離しているため、流体の温度変動
に関するノイズ、および絞り弁等から流体全体に伝幡し
てくるノイズ成分は除去され難い。また、機械的に弱い
圧電素子が流体流路中に露出する構造であるので、流体
中の異物などが圧電素子に付着し易いという問題、およ
び製作、取り扱い、実施の過程で圧電素子に損傷あるい
は感度低下を招きやすいという問題がある。

【０００６】このような問題点に対し、先に本出願人に
より、２個の膜状圧電素子を並置し、２個の入口ノズル
から同容積の流体圧力導入経路を介して各圧電素子の各
面にそれぞれ圧力を伝播させ、該圧力を各圧電素子で逆
相にて同時に検出するようにした圧力センサおよびその
圧力センサを用いた気体流量計が提案されている（特開
平２−２６８２３０号公報）。この提案により、振動に
よるノイズは勿論のこと、温度変動や流体全体に伝幡さ
れる雑ノイズ等のノイズを正確に補正できてＳＮ比が高
い、かつ微弱な圧力変動まで検出できる高感度な、しか
も構造が簡単で信頼性の高い圧力センサ、およびその圧
力センサを用いた高精度な気体流量計が得られた。

【０００７】しかしさらに検討を進めた結果、上記先に
提案した圧力センサには、以下のような問題点のあるこ
とが判明した。すなわち、上記先に提案した圧力センサ
においては、２個の膜状圧電素子がそれぞれ所定方向に
変形し、逆相の各圧電素子の出力の和を圧力センサの出
力信号として取り出すことにより高感度な測定を行なう
ことができるものであるが、何らかの原因で、たとえ
ば、圧力センサを流量計に取り付ける工程で誤って片方
の入口ノズルのみに圧力が掛かるような状態にしてしま
った場合等に、膜状圧電素子が望ましくない方向に反転
し、目標とする出力信号が得られず感度が低下すること
があることが判った。

【０００８】本発明の目的は、先に提案した圧力センサ
にさらに改良を加え、２個の膜状圧電素子が反転するこ
となく必ず所定方向に変形するようにし、圧力センサの
高感度な性能を常に確保することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この目的に沿う本発明の
圧力センサは、膜状圧電体の両面に電極層を設けた２個
の圧電素子を、それぞれ２個一対のホルダで両面から挟
持して張設した圧力検出部を備え、前記２個の圧電素子
は同一の方向に向きかつ同一方向の面が同一の分極極性
となるように配置され、前記圧力検出部には流体の圧力
を導入する２個の入口ノズルが設けられ、一方の入口ノ
ズルが第１の流体圧力導入経路を介して一方の圧電素子
の第１の面に連通されるとともに第４の流体圧力導入経
路を介して前記一方の圧電素子の第１の面とは分極極性
が異なる他方の圧電素子の第２の面に連通され、他方の
入口ノズルが第２の流体圧力導入経路を介して前記一方
の圧電素子の第２の面に連通されるとともに第３の流体
圧力導入経路を介して前記他方の圧電素子の第１の面に
連通された圧力センサであって、前記２個の圧電素子
を、前記２個一対のホルダ内に同一方向に湾曲させて張
設するとともに、該２個一対のホルダ内に、圧電素子の
湾曲方向の反転を防止する手段を設けたものからなる。

【００１０】上記反転防止手段は、たとえば、２個一対
のホルダ自身で形成されるか、あるいは、２個一対のホ
ルダ内に設けられたホルダとは別体の部材、たとえば所
定方向に湾曲した網状部材またはブロック状部材から構
成される。

【００１１】この圧力センサは、フルイディック流量計
やカルマン渦流量計からなる気体流量計に用いて最適な
圧力センサであり、圧力センサの上記２個の入口ノズル
が、２個の同面積の導圧用孔を開けたガスケット等を介
して、流通される流体の流量に応じた圧力変動を発生す
る流量計素子部に接続される。

【００１２】この発明において、圧電素子に使用する圧
電体は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）に代表される
セラミック圧電体、高分子圧電体、あるいは高分子にＰ
ＺＴ粉末を混入した複合圧電体等から成る。高分子圧電
体は、たとえば、フッ化ビニリデンと３フッ化エチレン
の共重合体から構成される。その膜厚は、感度、強度、
取扱い性を考慮して選ぶのが好ましい。膜厚は周知の製
膜技術により、容易にかつ高精度に制御可能である。

【００１３】圧電体の両面に設けられる電極層は、アル
ミニウム、銅、金、ニッケル、パラジウム等の材質から
構成され、蒸着、スパッタリング、メッキ等のメタライ
ジング手法により圧電体の面に形成される。各流体圧力
導入経路は、導入されてくる流体が直接的に圧電素子面
に当たらないよう、曲折構造あるいは絞り介在構造とす
ることが望ましい。また、圧電素子の分極極性は、圧電
体製造過程において付与されるが、この付与には周知の
方法が適用できる。圧電素子は、両面がそれぞれ同一の
方向に向くように圧力検出部内に配置されるが、並列的
な配置、直列的な配置のいずれでもよい。

【００１４】

【作用】上記のような圧力センサにおいては、ある圧力
取出口から取出された流体の圧力が、一方の入口ノズ
ル、第１の流体圧力導入経路、第４の流体圧力導入経路
を介して、一方の圧電素子の第１の面および他方の圧電
素子の第２の面に同時に導入され、別の圧力取出口から
取出された同じ流体の圧力が、他方の入口ノズル、第２
の流体圧力導入経路、第３の流体圧力導入経路を介して
一方の圧電素子の第２の面および他方の圧電素子の第１
の面に同時に導入され、両面間の差圧により生じる各圧
電素子の変形によって分極量が変化し、それによって生
じる圧電体両面間の電位差が電極層を介して出力され
る。両圧電素子は両者出力の和が増幅回路等に入力さ
れ、信号処理により、流量に比例する周波数信号として
取り出される。

【００１５】この圧力センサにおける検出においては、
（イ）圧電素子の両側に同時に流体圧力を導き、その差
圧を検出する構造であること、（ロ）実質的に同一構造
で同一雰囲気中に２個の圧電素子を並設したこと、によ
り極めて正確にノイズ成分が除去される。

【００１６】まず、一個の圧電素子の両面に流体圧を同
時に導くので、同一の測定対象流体に対して２個の入口
ノズルをそれぞれ異なる測定位置へと接続することよ
り、流体全体の圧力変動（ノイズ成分）については圧電
素子両面に同時に導きつつ一方の経路からはその測定位
置に対応する局部的な圧力変動を導くことができる。流
体全体の圧力変動は２個の圧電素子の両面に同時に伝達
されるので、この変動成分によって２個の圧電素子が同
一の変形をして圧電素子自身で流体全体の圧力変動によ
る電位差が消去され、両面間の差圧成分に対応した電位
差および差圧発生回数に対応した周波数の信号が出力さ
れる。また、流体全体の温度変動に対しても同様であ
り、各圧電素子の両面に同時に温度変動が伝達されるの
で、この変動成分によって２個の圧電素子は同一の変形
をして圧電素子自身で温度変動によるノイズ成分は自動
的に消去される。したがって、この圧力センサをフルイ
ディク流量計やカルマン渦流量計の流量計素子部に接続
することにより、ノイズとなり得る流体全体の変動成分
を自動的に消去しつつ、流体振動による圧力変動成分あ
るいはカルマン渦による圧力変動成分のみを高精度で検
出できるようになる。

【００１７】そして、分極極性が同一方向となるように
配設されたそれぞれの圧電素子の、互に異なる分極極性
の面に同一経路からの圧力が導入されるので、両圧電素
子の変形方向は逆相となり、両者の和として出力するこ
とにより、上記流体全体の変動に起因するノイズ成分が
除去された出力信号が、圧電素子１枚の場合に比べ２倍
も高い感度で得られることになる。

【００１８】また、圧力センサや流量計全体の振動に起
因するノイズ成分は、２個の圧電素子並設構造により略
完全に除去される。２個の圧電素子は同一方向に向けて
配置されているので両圧電素子が同時に同じ条件で振動
する。上述の如く、両圧電素子は測定対象圧力を互に逆
相で同時に検出するが、両圧電素子に振動が加わった場
合、その振動によって、一方の圧電素子に上記検出圧力
を減ずる方向の変形力が加わったたとすると、他方の圧
電素子には必ず同じ大きさで検出圧力を増加させる方向
の変形力が働く。圧力検出部からの出力としては、両圧
電素子の逆相の検出出力の和としてとり出されるので、
結局上記振動に伴うノイズ成分は自動的に消去されるこ
とになり、測定対象圧力のみが、前述の如く２倍の感度
で検出される。

【００１９】さらに本発明の圧力センサでは、膜状の圧
電素子が、２個一対のホルダ内に同一方向に湾曲するよ
うに張設されるが、各膜状圧電素子に対して、反転防止
手段が設けられているので、各膜状圧電素子は流体圧力
が導入された際所定の範囲内で圧力に応じて変形され
る。したがって、上述の高感度測定機能が常に維持さ
れ、高精度でかつ信頼性の高い流量測定が可能になる。

【００２０】

【実施例】以下に、本発明の望ましい実施例を図面を参
照して説明する。図１ないし図５は本発明の一実施例に
係る圧力センサを、図10は上記圧力センサをフルイディ
ック流量計に使用した場合の例を示している。

【００２１】図１において、１は本発明の一実施例に係
る圧力センサ全体を示しており、該圧力センサ１は、２
個の圧電素子２、３を有する圧力検出部４と、電気的信
号処理回路５（図１０に図示）を備えている。２個の圧
電素子２、３は、２個一対のホルダ12、13および14、15
で両面から挟持されて中央部が変形可能に張設されてい
る。圧電素子２、３は、図２に拡大して示すように、圧
電材料からなる膜状の圧電体６、７の両面に、アルミニ
ウム、銅、金、ニッケル、パラジウム等の金属からなる
電極層８、９および10、11を蒸着、スパッタリング、メ
ッキ等により形成して構成されている。この２個の圧電
素子２、３の平面形状は、本実施例では円形とされてい
るが、これに限定されない。圧電体６、７の材質として
は、種々の圧電材料が適用可能であるが、本実施例で
は、フッ化ビニリデンと３フッ化エチレンの共重合体か
らなる高分子圧電材料を使用した。高分子圧電膜の厚さ
は、感度、強度、取扱い易さを考慮して決められるが、
本実施例では15μｍとした。ただし本発明に係る圧力セ
ンサは、勿論液体用のものも含み、測定対象液体に応じ
て高分子圧電膜の厚さ、後述の電極部等の構造を適宜選
択すればよい。また、図示は省略するが、測定対象流
体、圧力変動の大きさによっては、薄い金属又はゴム製
ダイヤフラムに高分子圧電膜を張り付け、全体が補強さ
れた高分子圧電膜として扱うことも可能である。

【００２２】圧電素子２、３の周縁部は、両側から、電
極層８、９および10、11を介してホルダ12、13および1
4、15によって挾持されている。各ホルダに保持された
圧電素子２、３は、両面がそれぞれ同一の方向に向くよ
うに並設されており、かつ同一方向の面がそれぞれ同一
の分極極性になるように配置されている。ホルダ12、1
3、14、15は、その全体又は表面がたとえば真ちゅう等
の導電体で構成され、各電極層８、９、10、11にそれぞ
れ電気的に接続されて各圧電素子の出力端子として機能
する。ホルダ12と13、14と15間は、圧電体６、７によっ
て絶縁されている。

【００２３】この２個一対のホルダ12、13および14、15
で、圧電素子２、３は、図３および図４に示すように挟
持され、張設される。平面形状が円形の圧電素子２、３
は、その周縁部でホルダに挟持されるが、このホルダの
圧電素子挟持面12a 、13a および14a 、15a はそれぞ
れ、同一方向に同一角度θで傾斜する傾斜面に形成され
ている。傾斜角θは、傾斜角θと圧力センサの出力との
試験結果から、最大の出力が得られた７°の角度を採用
している。ただし、この傾斜角は、圧電素子２、３の材
質、厚み、剛性等により、圧力センサの出力が最大にな
るよう適宜決定すればよい。圧電素子２、３は、組込
前、つまり両ホルダ12、13または14、15に挟持される前
は、図３に示すように、単なるフラットな膜として形成
されている。そして傾斜面12a 、13a および14a 、15a
を有する両ホルダ12、13および14、15に挟持されると、
図４に示すように、圧電素子２、３周縁部が傾斜面12
a、13aおよび14a 、15a に沿って強制的に変形されるた
め、圧電素子２、３全体は、ダイヤフラム状（図示の形
状）、あるいは半球状になり、その状態で張設される。

【００２４】なお、予めダイヤフラム状や半球状に成形
した圧電素子を使用し、それを注意深く両ホルダに挟持
させることによっても同様にその形状に維持され、感度
も保たれる。

【００２５】圧電素子２、３は、図４において、上方に
向けて湾曲するように張設されるが、この湾曲方向が反
転しないように、反転防止手段51が設けられる。本実施
例では、反転防止手段51は、ホルダ12、13および14、15
自身によって、とくにホルダ12、14自身によって形成さ
れている。すなわち、ホルダ12、14の傾斜面12a 、14a
以外の圧電素子２、３への対向面が、張設された圧電素
子２、３の湾曲形状に沿う形状に膨出するように形成さ
れ、圧電素子２、３は膨出部51（反転防止手段）により
機械的に反対側には湾曲できない構造となっている。こ
の圧電素子２、３の両面側には、圧力室16、17、18、19
が形成され、各圧力室16、17、18、19はそれぞれ対応す
る前室20、21、22、23に連通している。

【００２６】反転防止手段としては、上記構造に限定さ
れず、他の構造を採ってもよい。たとえば図６、７に示
すように、ホルダ52、53に張設される圧電素子２の両面
側あるいは下面側に、ホルダ52、53とは別体の網状部材
（たとえば金網）54、55を設け、金網54、55で画成され
る湾曲空間外への圧電素子２の変形を防止し、それによ
って圧電素子２の反転を防止するようにしてもよい。ま
た、図８、９に示すように、ホルダ56、57のうち少なく
とも一方のホルダ56内に、該ホルダ56とは別体のブロッ
ク状部材58を設け、ブロック状部材58によって圧電素子
２の反転を防止するようにしてもよい。

【００２７】反転防止手段をホルダ自身によって形成す
るか、ホルダとは別体の部材によって構成するかは、製
作の容易性を考慮して決めればよい。ホルダ自身によっ
て形成する方法は、ホルダを切削加工する場合製作しや
すいが、射出成形やダイキャストなどでホルダを製作す
る場合には厚みを均一にしにくいためホルダが小さいと
材料の流れが悪くなり製作しにくくなることがある。別
体の部材によって構成する方法は、成形、加工とも容易
に行なうことができるが、部材の付加が必要になる。

【００２８】反転防止手段を構成するホルダ、あるいは
ホルダとは別体の部材の材質は、有機、無機を問わない
が、熱的安定性や耐薬品性が良いものを選択することが
望ましい。例えば、ステンレスやニッケル等の金属、Ｐ
ＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）やフッ素樹脂等の
プラスチックなどがある。また、ホルダとは別体の部材
として、金網やブロック状部材の他に、多孔質あるいは
長繊維のもので脆くないものを用いてもよい。たとえば
長繊維のステンレスやＰＥＴ、多孔質セラミックなどを
用いることが可能である。

【００２９】さて、圧電素子２、３は、図５に示すよう
に圧接狭持されている。図示例は、圧電素子２について
示しているが、圧電素子３に対しても同様の構造となっ
ている。圧電素子２は、ホルダ12、13によって両面側か
ら挟持され、下側のホルダ12は、スペーサ24、電極板25
を介して支持され、電極板25は四角頭を有する（回り止
めを施した）ねじ26を介して固定されている。上側のホ
ルダ13は、電極板27を介してばね28によって付勢されて
おり、ばね28の付勢力を利用して圧電素子２が両ホルダ
12、13間に圧接挟持されている。電極板27は、四角頭を
有するねじ29により、上記圧接方向の自由度をもたせつ
つ、位置固定されている。ねじ29は、圧力検出部４内か
ら気体が洩れないようにするためのＯリング49、ワッシ
ヤ30、ナット31を介して基板32の蓋33に固定されてい
る。各ねじ29に、ナット34を介して回路基板35が固定さ
れており、この回路基板35上に、電気的信号処理回路５
が組み込まれている。図１における36、37は、該回路５
の電源入力端子を、38は該回路5 からの出力端子をそれ
ぞれ示している。これら入出力端子36、37、38は、シー
ルドケースの蓋46にハーメチックシールを施して端子部
から気体が洩れないようにしている。なお、圧電素子
２、３の一方の電極板25、25又は27、27同士が、ねじ29
を介して回路基板35上で電気的に接続され、他方の電極
板27、27又は25、25については、その一方が電気的信号
処理回路５への入力として該回路５に接続されている。

【００３０】圧力検出部４は、ホルダ12、13および14、
15を収納、保持する基板32、第２の流体圧力導入経路43
の一部および第４の流体圧力導入経路45の一部が形成さ
れた基板の蓋33、流体の圧力を導入する２個の入口ノズ
ル39、40が形成されたシールドケース41で囲まれてい
る。シールドケース41と基板32、基板32とその蓋33、お
よびシールドケース41とその蓋46とは、変形Ｏリングを
介して内部からの漏れがないように接合されている。基
板32、その蓋33は絶縁性が良く、機械的強度が高いエポ
キシ樹脂やポリアセタ―ル樹脂等のエンジニアリングプ
ラスチックで構成されればよく、本実施例ではポリブチ
レンテレフタレート樹脂（ＰＢＴ樹脂）で構成されてい
る。

【００３１】一方の入口ノズル39は、前室20、圧力室16
を介して圧電素子２の第１の面に連通するとともに、連
通路47、前室23、圧力室19を介して他方の圧電素子３の
分極極性の異なる面（第２の面）に連通している。した
がってこれら前室20から圧力室16までの経路は、本発明
でいう第１の流体圧力導入経路42を構成しており、連通
路47から圧力室19までの経路は第４の流体圧力導入経路
45を構成している。他方の入口ノズル40は、前室22、圧
力室18を介して圧電素子３の他面（第１の面）に連通す
るとともに、連通路48、前室21、圧力室17を介して圧電
素子２の他面（第２の面）に連通している。したがっ
て、これら前室22から圧力室18までの経路は、第３の流
体圧力導入経路44を構成しており、連通路48から圧力室
17までの経路は、第２の流体圧力導入経路43を構成して
いる。

【００３２】さらに本実施例では、２個の圧電素子２、
３に対して、各入口ノズル39、40、および流体圧力導入
経路42、44、流体圧力導入経路43、45の配置と、圧力検
出部４の内部構造が、ほぼ同形対称に構成されている。

【００３３】この圧力検出部４と電気的信号処理回路５
とは、それらが商用電源等からの電磁誘導ノイズを受け
ないように電気的良導体である金属などからなるシ―ル
ドを兼ねたケ―ス41に収納されている。回路における電
源のマイナス電極とケ―ス41とは、図示していないがね
じ、ナット、ワッシャを介して接続されている。また、
配線材や電子部品が動くことにより発生するノイズを防
ぐためにエポキシ系の充填材でケ―ス41とそれらを固定
し、内部に余分な隙間がないようにして圧力センサ１が
構成されている。

【００３４】上記のような構成を有する圧力センサの作
用を、前述の圧力センサ１について、該圧力センサ１を
フルイディック気体流量計に用いた場合の構成および作
用とともに以下に説明する。

【００３５】図10は、圧力センサ１をフルイディック流
量計に適用した場合の構成を示しており、図中60がフル
イディック流量計における流量計素子部を示している。
流量計素子部60を、矢印の方向に測定対象気体が流通さ
れる。61は流路縮小部で、その先端の噴出ノズル62から
流速の増大された噴流が噴出される。噴流の主流は、コ
アンダ効果により、流路拡大部63を構成する一対の隔壁
64、65のいずれか一方の壁面に沿って流れるが、該壁面
流は反射翼69に沿って方向転換されて制御ノズル66（又
は67）から上記噴出ノズル62からの噴流に直交するよう
に指向され、噴出ノズル62からの噴流がもう一方の隔壁
に沿って流れるよう力が作用する。これがくり返される
ため気体は隔壁64、65に対し交互に沿うように流れ、こ
の流動変化に対応して流量計素子部60内に圧力変動が生
じる。上記流動変化の周波数は気体流量に比例している
ので、圧力変動の周波数を検出することにより流量を測
定できる。なお、図における68は、噴流をいずれか一方
の隔壁に効率よくふり向けるためのタ―ゲット、70は流
れを誘導するための誘導板である。

【００３６】上記のような流量計素子部60内に、内圧取
出口71、72が設けられ、内圧取出口71、72がガスケット
73（耐薬品性のあるゴムがよい）を介して圧力センサ１
の入口ノズル39、40にそれぞれ接続される。

【００３７】流量計素子部60の内部で流れが内圧取出口
71側に切替ったとき、内圧取出口71近傍の流体圧力は内
圧取出口72近傍よりも低くなり、逆に流れが内圧取出口
72側に切替ると、内圧取出口72近傍の流体圧力の方が低
くなる。この内圧取出口71における圧力（Ｐ１）が、ガ
スケット73、入口ノズル39、第１の流体圧力導入経路42
および第４の流体圧力導入経路45を介して、圧電素子２
の第１の面と圧電素子３の第２の面に導入され、内圧取
出口72における圧力（Ｐ２）が、ガスケット73、入口ノ
ズル40、第２の流体圧力導入経路43および第３の流体圧
力導入経路44を介して圧電素子２の他面（第２の面）と
圧電素子３の他面（第１の面）に導入される。両圧電素
子２、３にはＰ１とＰ２の圧力が交互に加わり、その圧
力変動による圧電素子の変形によって分極量が変化し、
それによって圧電体自身の両面に電位差が生じる。両圧
電素子２、３の出力の和が電気的処理回路５に送られ、
処理されて出力端子36、37から圧力変動検出信号として
取り出される。

【００３８】上記検出においては、圧電素子の両面に同
時に流体圧力が導入され、その差圧が各圧電素子で検出
される方式であるので、流体全体に生じた圧力変動およ
び温度変動によるノイズ成分は、それらが圧電素子の両
面に同時に加わることからノイズ成分によって圧電素子
は同一の変形をして、ノイズ成分は圧電素子自身におい
て、自動的に消去されることになる。そして、上記ノイ
ズの消去された測定対象圧力の検出出力は、両圧電素子
２、３からの出力の和として取り出されるので、一枚の
場合に比べ、２倍の感度で取り出され、極めて高精度な
検出が可能となる。

【００３９】また、外乱として振動が加わった場合、そ
の加振力は両圧電素子２、３に同時に同方向の力として
作用する。圧電素子２、３の流体圧力導入による変形方
向は互に逆方向とされているが、上記加振力による２個
の圧電素子の変形代は、変形を増加、減少させる方向に
関して、同一方向となる。したがって、このノイズ成分
による出力の増減は、両圧電素子２、３の出力を加算す
る段階で自動的に消去される。

【００４０】また、音圧によるノイズについては、伝播
されてくる音圧によって、各圧電素子２、３は、同時に
その厚み方向に同一量だけ変形する。したがって、この
ノイズ成分による出力の増減は、両圧電素子２、３の出
力を加算する段階で自動的に消去される。その結果、音
圧によるノイズも自動的に消去され、測定対象の圧力変
動が極めて高精度で検出される。

【００４１】さらに本実施例では、このノイズ除去効果
をさらに高めるために、２個の圧電素子２、３に対し
て、入口ノズル39、40、各流体圧力導入経路の配置と圧
力検出部の構造がほぼ同形対称に構成されている。

【００４２】次に、圧力検出部４における膜状圧電素子
２、３の反転防止について説明する。図３、４に示した
例では、圧電素子２、３が所定方向とは逆の方向（図４
における下向き方向）に反転しようとしても、ホルダ1
2、14自身によって形成された膨出部51（反転防止手
段）があるため、機械的に反転は阻止される。図６、７
に示した例では、金網54により、図８、９に示した例で
は、ブロック状部材58により、それぞれ反転が阻止され
る。したがって、圧電素子２、３は必ず所定方向に湾曲
し、その湾曲方向を保ちつつ、導入されてきた変動圧力
によって変形し、該圧力およびその周波数に応じた信号
を出力する。その結果、圧電素子反転による感度低下は
完全に防止され、前述の高感度検出機能が常時維持され
る。したがって、高精度な流量測定が保証される。

【００４３】図11は、本発明による圧力センサをカルマ
ン渦流量計に使用した場合の例を示している。図11にお
いて、80はカルマン渦流量計の流量計素子部を示してお
り、81は渦発生体を示している。図の矢印の方向に流れ
てきた流体は、渦発生体81に当たることにより、その後
流に断続的にカルマン渦82を発生させる。このカルマン
渦82の通過部分に、一方の内圧取出口83が設けられ、他
方の内圧取出口84は流量計素子部80の内壁面部に設けら
れている。両内圧取出口83、84は、ガスケット85を介し
て圧力センサ１の入口ノズル39、40に接続される。その
他の構成は前述の実施例に示した構成に準じる。

【００４４】このようなカルマン渦流量計においては、
流体の流量に比例して単位時間当りのカルマン渦の発生
数が変化し、内圧取出口83部におけるカルマン渦通過数
を計測することにより流量が検出される。カルマン渦通
過の際の圧力変動が、内圧取出口83、ガスケット85、入
口ノズル39を介して両圧電素子２、３の片面側に導入さ
れ、内圧取出口84、ガスケット85、入口ノズル40を介し
て通過流体全体の圧力および圧力変動が両圧電素子２、
３の他面側に導入される。両圧電素子２、３の出力の和
としてカルマン渦通過による圧力変動のみが精度よく検
出され、高感度、高精度の流量測定が可能になる。その
他の作用は前述のフルイディック流量計の場合に準じ
る。

【００４５】以上の説明はフルイディック流量計、カル
マン渦流量計について行ったが、他の流量計であっても
圧力変動検出を必須とするものであれば本発明による圧
力センサの適用が可能である。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の圧力セン
サによるときは、同一方向の面が同一の分極極性となる
ように配置した２個の圧電素子の一方の面に一方の入口
ノズルからの圧力を加え、他方の面には他方の入口ノズ
ルからの圧力を同時に加え、両面間の差圧をとることに
より圧力変動、温度変動によるノイズ成分を自動的に消
去するとともに、両圧電素子の出力の和をとることによ
り検出精度を２倍に高め、さらに２個の圧電素子を積極
的に同一条件に並置してあるため、振動によるノイズも
自動的に消去できる。そして、両圧電素子に対し反転防
止手段を設けて、圧電素子が所定の範囲内で圧力に応じ
て変形するようにしたので、常時、上記の高感度圧力検
出が保証され、流量測定の精度が維持される。

【００４７】本発明の圧力センサによれば、検出可能な
最小圧力変動幅としては0.0001〜0.1 mmＨ₂Ｏと非常に
小さくなり、さらに小さくすることも可能となる。ま
た、ＳＮ比は0.0001mmＨ₂Ｏで20ｄＢ、0.1 mmＨ₂Ｏで
60ｄＢと非常に高い。このため、従来では検出が出来な
かった気体や液体の微小な圧力変動を周囲のノイズに影
響されないで検出できるようになった。現状までの技術
では0.1 mmＨ₂Ｏ程度の微小圧力変動はかなり大掛かり
か、あるいは高価な設備でないと測定が出来なかった
が、本発明品は極めて小型のセンサに構成でき、簡単
に、フルイディック流量計やカルマン渦流量計のみなら
ず、他の計器や、機械の一部に組み込んで使用すること
ができるので、広範な分野での利用が期待できる。ま
た、機械的に弱い圧電素子が露出していないので、圧電
素子の損傷あるいは感度低下を招くことがなく、耐久性
が高く、寿命も長い。しかも、上記圧電素子の反転防止
手段により、高感度検出状態が常時保証されるので、信
頼性も高い。さらに構造が簡単であり、製作に高度な技
術が要求される部位がないので安価に製作できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る圧力センサの断面図で
ある。

【図２】図１の圧力センサの圧電素子部の拡大部分断面
図である。

【図３】図１の圧力センサにおける圧電素子取付け前の
拡大部分分解断面図である。

【図４】図３の圧電素子の取付け後の縦断面図である。

【図５】図１の圧力センサにおける圧電素子挟持部の拡
大分解縦断面図である。

【図６】図１とは別の反転防止手段を有する圧力センサ
の圧電素子取付け前の拡大部分分解断面図である。

【図７】図６の圧電素子の取付け後の縦断面図である。

【図８】図１とはさらに別の反転防止手段を有する圧力
センサの圧電素子取付け前の拡大部分分解断面図であ
る。

【図９】図８の圧電素子の取付け後の縦断面図である。

【図１０】図１の圧力センサをフルイディック流量計に
使用した場合の概略構成図である。

【図１１】図１の圧力センサをカルマン渦流量計に使用
した場合の概略構成図である。

【符号の説明】

１圧力センサ２、３圧電素子４圧力検出部５電気的信号処理回路６、７圧電体８、９、10、11 電極層 12、13、14、15、52、53、56、57 ホルダ 16、17、18、19 圧力室 20、21、22、23 前室 32 基板 33 蓋 35 回路基板 36、37 入力端子 38 出力端子 39、40 入口ノズル 41 シールドケース 42 第１の流体圧力導入経路 43 第２の流体圧力導入経路 44 第３の流体圧力導入経路 45 第４の流体圧力導入経路 46 蓋 47、48 連通路 49 Ｏリング 51 膨出部（反転防止手段） 54、55 ホルダとは別体の網状部材（反転防止手段） 58 ホルダとは別体のブロック状部材（反転防止手段） 60 流量計素子部 61 流路縮小部 62 噴出ノズル 63 流路拡大部 64、65 隔壁 66、67 制御ノズル 68 タ―ゲット 69 反射翼 70 誘導板 71、72 内圧取出口 73 ガスケット 80 カルマン渦流量計の流量計素子部 81 渦発生体 82 カルマン渦 83、84 内圧取出口 85 ガスケット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平２−268230（ＪＰ，Ａ) 特開平４−147027（ＪＰ，Ａ) 特開平４−127027（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−187814（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−54809（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】膜状圧電体の両面に電極層を設けた２個
の圧電素子を、それぞれ２個一対のホルダで両面から挟
持して張設した圧力検出部を備え、前記２個の圧電素子
は同一の方向に向きかつ同一方向の面が同一の分極極性
となるように配置され、前記圧力検出部には流体の圧力
を導入する２個の入口ノズルが設けられ、一方の入口ノ
ズルが第１の流体圧力導入経路を介して一方の圧電素子
の第１の面に連通されるとともに第４の流体圧力導入経
路を介して前記一方の圧電素子の第１の面とは分極極性
が異なる他方の圧電素子の第２の面に連通され、他方の
入口ノズルが第２の流体圧力導入経路を介して前記一方
の圧電素子の第２の面に連通されるとともに第３の流体
圧力導入経路を介して前記他方の圧電素子の第１の面に
連通された圧力センサであって、前記２個の圧電素子
を、前記２個一対のホルダ内に同一方向に湾曲させて張
設するとともに、該２個一対のホルダ内に、圧電素子の
湾曲方向の反転を防止する手段を設けたことを特徴とす
る圧力センサ。
【請求項２】反転防止手段が、前記２個一対のホルダ
自身で構成されている請求項１の圧力センサ。
【請求項３】反転防止手段が、前記２個一対のホルダ
とは別体の部材から構成されている請求項１の圧力セン
サ。