JP2813653B2

JP2813653B2 - 流体振動型流量計における流体振動検出センサ

Info

Publication number: JP2813653B2
Application number: JP14365793A
Authority: JP
Inventors: 芳郎宮崎
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 1993-06-15
Filing date: 1993-06-15
Publication date: 1998-10-22
Anticipated expiration: 2013-10-22
Also published as: JPH074996A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、流体中の圧力振動の周
波数を検出してこの流体の流速や流量を計測するカルマ
ン渦流量計やフルイディック流量計などの流体振動型流
量計に用いられ圧力振動を検出する流体振動検出センサ
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の流体振動検出センサとし
て、フルイディック流量計に適用したものが知られてい
る。この検出センサは、コアンダー効果によって側壁に
沿ってながれる流体の噴出流の一部を帰還流路により噴
出流の基部に帰還させることによって、噴出流の流路を
２値的に切り換えられて生じる、変動周期が等しくかつ
互に逆位相の関係にある２つの振動圧力を圧電膜に導
き、この圧電膜が両圧力によって厚さ方向に変位するこ
とによって両圧力に応じた電圧或いは電荷を圧電膜の表
裏両面間に生じさせるようにしたもので、圧電膜の表裏
両面間に生じた電圧或いは電荷の周波数が流体の流速又
は流量に比例する関係にあるので、この電圧或いは電荷
の周波数を測定することによって流速又は流量を測定す
るようにしたものである。

【０００３】ところで、この流体振動検出センサは、圧
電膜自体から電圧が発生するので外部電源を必要としな
いという利点があり、従来の流体振動検出センサにおい
ては、圧電膜として、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフロラ
イド）又はＰ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）（フッ化ビニリデン
とトリフルオロエチレンの共重合体）にてフイルムを作
成してからポーリング処理したものが採用され、その両
面に電極を形成することによって圧力センサが形成され
ていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の流体振
動検出センサでは、以下のような種々の問題があった。
因みに、圧電膜に加わる圧力Ｐとその変位ζとの関係
は、以下の式のように表される。

【０００５】

【数１】

【０００６】式中、ａは圧電膜の半径、Ｔ₀は圧電膜の
初期張力、ｋは２次元弾性係数である。式中、第２項の
み注目すると、

【０００７】

【数２】

【０００８】となるので、変換ζに比例するセンサ出力
（センサ感度）がセンサ面積ａに比例し、かつ圧電膜の
弾性係数ｋに反比例する。そして、２次元弾性係数ｋは
圧電膜の弾性率Ｃと膜圧Ｄの積、すなわち、ｋ＝Ｃ・Ｄ
である。

【０００９】ところで、上述したように圧電膜として使
用されていたＰＶＤＦの弾性率Ｃは例えば３×１０⁹Ｎ
／ｍ²であるが、ＰＶＤＦの場合、その厚さが実に９μ
ｍと厚いものであるため、弾性率に厚さを乗じた２次元
弾性係数ｋが非常に大きなものとなり、弾性係数ｋに反
比例するセンサ感度が悪いことにより、出力が小さいと
いう問題が生じていた。

【００１０】このため、圧力センサの出力を確保するた
めにはセンサ面積を大きくしなければならないのでセン
サの小型化ができないという問題があった。その他、小
さい出力を増幅する増幅器に負担がかかり、電池駆動す
るものでは消費電流が大きくなって電池寿命を短するの
でメンテナンス上なども問題点があった。

【００１１】また、ＰＶＤＦの場合、上述したように延
伸後にポーリング処理して圧電膜を形成していたため、
感度の良い特殊形状に成形することができないなどの問
題もあった。

【００１２】よって本発明は、上述した従来の問題点に
鑑み、センサ感度を向上して小型化を可能にした流体振
動型流量計における流体振動検出センサを提供すること
を目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明により成された流体振動型流量計における流体振
動検出センサは、コアンダー効果によって側壁に沿って
ながれる流体の噴出流の一部を帰還流路により噴出流の
基部に帰還させることによって、噴出流の流路を２値的
に切り換えられて生じる、変動周期が等しくかつ互に逆
位相の関係にある第１及び第２の振動圧力を、該振動圧
力により変位する圧電膜により圧力変化を検出し、該検
出により圧電膜が発生する電圧或いは電荷の周波数を測
定して流量を測定する流体振動型流量計における流体振
動検出センサにおいて、前記圧電膜は、電極及び圧電材
料の層を該圧電材料よりも弾性率の小さい基板上に蒸着
して形成されたことを特徴としている。

【００１４】前記圧電材料がポリ尿素であること、前記
基板がフッ素系フイルムからなること、前記圧電膜が電
極及び前記ポリ尿素の層を複数回蒸着した多層構造であ
ること、又は前記基板が半円球状であることを更に特徴
としている。

【００１５】

【作用】上記構成において、流量を測定する流体振動型
流量計における流体振動検出センサが、噴出流の流路を
２値的に切り換えられて生じる、変動周期が等しくかつ
互に逆位相の関係にある第１及び第２の振動圧力を、該
振動圧力により変位する圧電膜により圧力変化を検出す
る。圧電膜が発生する電圧或いは電荷はその変位に比例
する。圧電膜を構成する電極及び圧電材料の層が基板に
共に蒸着され、非常に薄く形成され、しかもその基板に
圧電材料よりも弾性率の小さいものが使用されている。
従って、圧電膜全体はその弾性係数が小さくなり、それ
だけ大きく変位するようになって大きな出力を発生す
る。圧電材料として蒸着可能なポリ尿素が使用されてい
る。

【００１６】基板を形成するフッ素系フイルムは弾性率
が極めて小さく、基板として必要な厚さにしても弾性係
数は、ポリ尿素の層に比べて無視できるものである。圧
電膜が多層構造であるので、それだけ面積が大きくなっ
て大きな出力が得られる。また、基板が半円球状である
ので、圧力によって伸び変形がし易くなって大きな出力
が得られる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は本発明による流体振動検出センサが適用さ
れる流体振動型流量計の一例を示し、同図において、流
体振動型流量計を構成するフルイディック発振器は、例
えば図示しないガス配管の途中に設けられる断面矩形状
の管路１内に構成される。管１内には、管路縮小部２及
び噴出ノズル３を形成する一対の流路形成部材４ａ，４
ｂが管中心軸線Ｐに対して対称に配置され、管路縮小部
２の作用によりガスが噴出ノズル３に円滑に導かれると
共に、噴出ノズル３からは管中心線Ｐを噴出中心として
ガスが噴出されるようにされている。

【００１８】また、管中心軸線Ｐに対して対称に、管路
拡大部５、一対の制御ノズル６ａ，６ｂ、管路拡大部５
の下流側と制御ノズル６ａ，６ｂを各別に連通する一対
の帰還流路７ａ，７ｂ、及び一対の帰還流路７ａ，７ｂ
を区画形成する一対の隔壁８ａ，８ｂが配置されてい
る。管路拡大部５の管中心軸線Ｐ上には、流動方向の切
り換えを安定化するためのターゲット９が配置されてい
る。一対の制御ノズル６ａ，６ｂは、噴出ノズル３の噴
出方向に対して略直角方向にかつ相対向するようにされ
ている。

【００１９】そして、一対の隔壁８ａ，８ｂとの協動で
一対の排出路１０ａ，１０ｂを形成する隔壁１１を、管
路拡大部５の下流側を遮断する状態で設け、両排出路１
０ａ，１０ｂの入口を両帰還流路７ａ，７ｂの入口側に
各別に連通するようにしている。なお、隔壁１１には、
凹部１１ａ，１１ｂが形成されている。また、図には、
管路１、流路形成部材４ａ，４ｂ、隔壁８ａ，８ｂ、タ
ーゲット９及び隔壁１１を別体の部材として示している
が、例えばダイキャスト成形によって一体に形成するこ
とができ、また図示しない蓋体を上方から取り付けるこ
とによって完成される。

【００２０】以上の構成により、噴出ノズル３からのガ
ス噴出が開始されると、コアンダー効果によって噴出ガ
スは一方の隔壁８ａに沿って流れ、これによって渦流が
発生するため、その隔壁８ａ側に位置する制御ノズル６
ａに帰還流路７ａから大きな流体エネルギが供給され
る。これが噴出ノズル３から噴出している噴出ガスに作
用して噴出ガスを反対側の隔壁８ｂに沿って流し、これ
によって渦流を発生させる。よって、今度は反対側の制
御ノズルからの流体エネルギによって噴出ガスは始めの
隔壁８ａに沿って再び流れるようになり、以後噴出ノズ
ル３からの噴出ガスが隔壁８ａ，８ｂに対して交互に沿
って流れるようになる。なお、この噴出ガスの流動方向
の切り換えによる流体振動は、その周期が噴出ガス量の
増大に対して定量的相関をもって短くなる。

【００２１】上述した流体振動によって帰還流路に至る
管路拡大部５中の流路に圧力変化を生じさせ、これを検
出することによって流量を測定することができるが、こ
のために管路拡大部５の上記流路が形成される管中心軸
線Ｐに対して対称な位置に圧力導出孔１２ａ，１２ｂを
あけ、この圧力導出孔１２ａ，１２ｂから導出した圧力
を導圧路１３ａ，１３ｂを通じて流体振動検出センサ１
４に導いている。検出センサ１４は、導圧路１３ａ，１
３ｂを通じて導入した圧力に応じてパルス状の電気信号
を発生し、これを流量計測器１５に送出する。流量計測
器１５は検出センサ１４からのパルス状の電気信号の周
波数から流量を算出して表示などを行う。

【００２２】図２は本発明による流体振動検出センサの
蓋体２１内に組み込まれた一実施例を示し、図１につい
て上述した圧力導出孔１２ａ，１２ｂ、導圧路１３ａ，
１３ｂが蓋体２１に形成されている。蓋体２１にはま
た、導圧路１３ａ，１３ｂを通じて導入した圧力が導か
れる圧力検出室２２ａ，２２ｂが形成されている。圧力
検出室２２ａ，２２ｂは、導圧路１３ａ，１３ｂが底部
に連通されて蓋体２１に形成された凹部２２ａ₁，２２
ｂ₁の開口に、圧電膜からなる圧力センサ２２ａ ₂，２
２ｂ₂が流体密に取り付けられることによって形成され
ている。圧電膜からなる圧力センサ２２ａ₂，２２ｂ₂
により仕切られた凹部２２ａ₁，２２ｂ₁の外側には、
図示しない導管により、流路に圧力変化の影響を受けな
い部分に連通された一定の圧力の空所Ｓが形成されてい
る。

【００２３】図３（ａ）は圧力センサ２２₂の具体的な
構成の一例を示し、同図において、２２₂₁は低弾性率を
有する基板であり、この基板としては弾性率４９ｋｇｆ
／ｍｍ²のフッ素系の高分子材料、例えば東レ社からト
ヨフロンＦＥＰの商品名で販売されているフッ素フイル
ム（四フッ化エチレンと六フッ化プロピレンの共重合
体）からなる例えば厚さ１2.５μｍの電気絶縁性のフイ
ルムが使用される。２２ ₂₂は基板２２₂₁の上面に例えば
蒸着によって形成された例えば厚さ0.１μｍの例えばア
ルミニウムなどからなる電極層である。２２₂₃は電極層
２２₂₂の上面に蒸着法によって形成された例えば厚さ１
μｍの圧電特性をもった弾性率2.２×１０ ⁹Ｎ／ｍ²の
ポリ尿素層である。２２₂₄はポリ尿素層２２₂₃を挟んで
電極層２２ ₂₂と対向するように例えば蒸着により形成さ
れた例えば厚さ0.１μｍの例えばアルミニウムなどから
なる電極層である。

【００２４】上述の圧電特性をもったポリ尿素層２２₂₃
は、例えば、真空中で４，４′−ジアミノジフェニルメ
タンと４，４′−ジフェニルメタンジイソシアネートと
からなる原料モノマーを蒸発させ、これらを電極層２２
₂₂及び基板２２₂₁上の所定の領域上で蒸着重合させてポ
リ尿素膜を形成し、このポリ尿素膜にポーリング処理を
施すことにより形成される。ポーリング処理は、ポリ尿
素膜を高温度に加熱した状態でポリ尿素膜に１００〜２
００ＭＶ／ｍ程度の電界を所定時間印加した後、室温ま
で徐冷することで行われる。

【００２５】上述したように、弾性率の小さな基板２２
₂₁上に蒸着によって極めて薄いポリ尿素層２２₂₃を形成
して圧力センサ２２₂を構成しているので、弾性率に厚
さを乗じた圧力センサの２次元弾性係数が小さくなる。
よって、２次元弾性係数に対して反比例関係にある検出
センサの出力、すなわち感度が増大するようになる。

【００２６】図３（ａ）について上述した圧力センサ２
２₂では、ポリ尿素層２２₂₃は単層であるが、図３
（ｂ）に示すように、電極層２２₂₂、ポリ尿素層２２₂₃
及び電極層２２₂₄をａ〜ｇの順に蒸着によって交互に繰
り返し形成することによって多層にすることができる。
この構造の場合、ポリ尿素層２₂₃の面積が３倍になるの
で、３層分のポリ尿素層２２₂₃の厚さをできるだけ抑え
るように調整し、弾性係数を抑えるようにすることによ
って、出力を大幅に増大することができる。なお、図３
（ｃ）は図３（ａ）及び（ｂ）の圧力センサ２２₂の上
面を示している。

【００２７】上述した実施例では、圧力センサの圧電膜
は平面状に取り付けられているが、図３（ｄ）に示すよ
うに、予め半円球状に成形することにより、より大きな
出力が得られるようになる。これは、出力が膜の伸びに
より得られ、半円球状の場合、流体振動による圧力ｐが
加わったとき、図３（ｅ）に示すように膜の横方向の伸
びが全ての方向に伝わるためである。なお、ポリ尿素層
２₂₃は蒸着により形成されるので、基板２２₂₁を予め半
円球状に成形しおけるが、延伸を必要とするＰＶＤＦで
はこのような形状のものは得られない。

【００２８】圧力センサ２２₂を構成する圧電膜を圧力
検出室２２ａ，２２ｂに取り付けるには、図４に示すよ
うに取付具２３を使用して行う。その具体的な例を、ポ
リ尿素よりも十分に弾性率の小さな基板として、フッ素
系の高分子フイルムを使用した場合について以下説明す
る。まず、図５（ａ）に示すように、金属リング２３ａ
上に厚いフッ素系フイルム２３ｂを数分間の加熱により
熱溶着し、続いて厚いフッ素系フイルム２３ｂの上に基
板２２₂₁となる薄いフッ素系フイルムを数秒間の加熱に
より熱溶着することによって、フイルムリングを得る。

【００２９】その後、薄いフッ素系フイルムからなる基
板２２₂₁上に、電極層２２₂₂、ポリ尿素層２２₂₃及び電
極層２２₂₄を蒸着して形成して圧力センサ組立体を得
る。そしてその後、図５（ｂ）に示すように、外リング
２３ｃ内に圧力センサ組立体を流体密に嵌合させ、続い
て電極層２２₂₂及び２２₂₄にそれぞれ電気接触する電極
用リング２４ａ，２４ｂを嵌合し、この電極用リング２
４ａ，２４ｂにリード線をそれぞれ接続することにより
完成する。

【００３０】なお、基板２２₂₁の固定に熱溶着を採用
し、かつ熱溶着に際し厚いフッ素系フイルム２３ｂを使
用する理由は、このフッ素系フイルムに接着剤を使用す
ることができず、また薄いフッ素系フイルムからなる基
板２２₂₁を直接金属リング２３ａに熱溶着すると、フイ
ルムを溶かしてしまうことになるからである。

【００３１】図６は、図３（ｂ）について上述した３層
構造の圧電膜を使用して構成した検出センサの流体振動
周波数−出力特性を従来のＰＶＤＦを使用したものと比
較して示すグラフであり、出力レベルが１〜１ｋHzの範
囲で少なくとも５db以上の改善が図れることが判った。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、電
極及びポリ尿素からなる圧電材料の層が共に蒸着され、
非常に薄く形成され、しかもその基板に圧電材料よりも
弾性率の小さいものが使用され、圧電膜全体はその弾性
係数が小さくなり、それだけ大きく変位するようになっ
て大きな出力を発生することができる。

【００３３】基板を形成するフッ素系フイルムは、弾性
率が極めて小さく、ポリ尿素からなる圧電材料の層に比
べて無視できるので基板として都合がよい。電極及び圧
電材料であるポリ尿素の層が基板に共に蒸着され形成さ
れるので、圧電膜の多層構造がとれ、また基板の半円球
形状がとれるようになって、大きな出力が得られるよう
になる。

【００３４】よって、センサ感度が向上してセンサの小
型化が可能になるなどの効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による流体振動検出センサが適用される
流体振動型流量計の一例を示す図である。

【図２】本発明による流体振動検出センサの一実施例を
示す図である。

【図３】本発明による流体振動検出センサの圧力センサ
の各種の例を示す図である。

【図４】本発明による流体振動検出センサの圧力センサ
の取付構造の概略を示す図である。

【図５】図４の取付構造の具体例を示す図である。

【図６】本発明による流体振動検出センサの出力特性を
従来例と比較して示すグラフである。

【符号の説明】

２２₂ 圧電膜（圧力センサ）２２₂₁ 基板（フッ素系フイルム）２２₂₂，２２₂₄ 電極層２２₂₃ 圧電材料の層（ポリ尿素層）

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】コアンダー効果によって側壁に沿ってな
がれる流体の噴出流の一部を帰還流路により噴出流の基
部に帰還させることによって、噴出流の流路を２値的に
切り換えられて生じる、変動周期が等しくかつ互に逆位
相の関係にある第１及び第２の振動圧力を、該振動圧力
により変位する圧電膜により圧力変化を検出し、該検出
により圧電膜が発生する電圧或いは電荷の周波数を測定
して流量を測定する流体振動型流量計における流体振動
検出センサにおいて、前記圧電膜は、電極及び圧電材料の層が、該圧電材料よ
りも弾性率の小さい基板上に蒸着して形成されたことを
特徴とする流体振動型流量計における流体振動検出セン
サ。
【請求項２】前記圧電材料がポリ尿素であることを特
徴とする請求項１記載の流体振動型流量計における流体
振動検出センサ。
【請求項３】前記基板がフッ素系フイルムからなるこ
とを特徴とする請求項１又は２記載の流体振動型流量計
における流体振動検出センサ。
【請求項４】前記圧電膜が、前記電極及び前記ポリ尿
素の層を複数回蒸着した多層構造であることを特徴とす
る請求項１〜３記載の流体振動型流量計における流体振
動検出センサ。
【請求項５】前記基板が半円球状であることを特徴と
する請求項１〜４記載の流体振動型流量計における流体
振動検出センサ。