JP3169110B2 - フルイディック流量計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、都市ガス等のような流
体の流量を測定するのに適するフルイディック流量計に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、都市ガスのような流体の流量を測
定する流量計の一つとしてフルイディック流量計と呼ば
れる流量計がある。この流量計は、管路縮小部、噴出ノ
ズルおよび管路拡大部をこの順に流れ方向に連結し、噴
出ノズルと管路拡大部の境界部に、噴出ノズルの噴出方
向に対してほぼ直角方向に、かつ相対向して一対の制御
ノズルを設け、この一対の制御ノズルのそれぞれと管路
拡大部の下流側とを接続する一対の帰還流路を形成し、
噴出ノズルからの噴流の流動方向変化に起因する圧力変
化を検出するセンサを設け、検出された圧力変化から演
算により流量を求める形式の流量計である。

【０００３】図６は従来のフルイディック流量計の一例
のブロック図である。

【０００４】この流量計は、特開平１−２２７９２５号
公報に開示されたものである。管６１内に一対の第１流
路形成部材６４ａ，６４ｂを管６１の中心軸Ｐに対して
対称に設けて管路縮小部６２と噴出ノズル６３を形成す
る。第１流路形成部材６４ａ，６４ｂで仕切られた下流
側の室が管路拡大部６５になる。管路拡大部６５内に一
対の制御ノズル６６ａ，６６ｂ、一対の隔壁６８ａ，６
８ｂを中心軸Ｐに対して対称に設け、中心軸Ｐにターゲ
ット７２を設け、その下流側に隔壁７１を設ける。一対
の隔壁６８ａ，６８ｂと隔壁７１により帰還流路６７
ａ，６７ｂと排出路７０ａ，７０ｂが形成される。帰還
流路６７ａ，６７ｂでの流体の流れを滑らかにするため
壁６９ａ，６９ｂを設けておく。

【０００５】管６１を流れてきた流体は、管路縮小部６
２に入って流速が高められ、高流速となって、噴出ノズ
ル６３から管路拡大部６５に噴出される。噴出した流体
は、コアンダ効果によって一方の隔壁６８ａに沿って流
れ、帰還流路６７ａに入り、制御ノズル６６ａに帰還流
路６７ａから大きなエネルギーが付与されて、噴出流体
は、反対側の隔壁６８ｂに沿って流れるようになり、帰
還流路６７ｂに入り、今度は反対側の制御ノズル６６ｂ
からの流体エネルギーによって噴出流体は初めに沿った
隔壁６８ａに再び沿って帰還流路６７ａを流れるように
なる。以下同じ動作を繰り返し、噴出ノズル６３からの
流体は隔壁６８ａ，６８ｂに対して交互に沿うようにし
て流れる。ターゲット７２は流体が交互に流動方向を切
替えて一種の振動状態に入ることを誘発し、一旦振動状
態に入ればその振動状態を安定化させる作用をする。帰
還流路６７ａ，６７ｂから外れた流体は排出路７０ａ，
７０ｂから下流側の排出路７０へ流れて行く。

【０００６】帰還流路６７ａ，６７ｂに第１および第２
導圧路７３ａ，７３ｂを設け、圧力センサ７４に接続
し、噴出ノズル６３からの噴流の流動方向変化に起因す
る圧力変化を圧力センサ７４で検出する。圧力センサ７
４は、第１および第２圧電膜７５ａ，７５ｂで仕切られ
た中央室７６ａと第１および第２端部室７６ｂ，７６ｃ
とを有し、第１導圧路７３ａは中央室７６ａと第１端部
室７６ｂに接続され、第２導圧路７３ｂは第２端部室７
６ｃに接続される。中央室７６ａと第１端部室７６ｂの
両方に臨む第１圧電膜７５ａの表裏それぞれからの信号
は第１演算回路７７ａに入力され、ここで差信号が取り
出される。これを第１信号とする。同様に、第２圧電膜
７５ｂの表裏それぞれからの信号は第２演算回路７７ｂ
に入力され、ここで取り出される差信号を第２信号とす
る。第１および第２演算回路７７ａ，７７ｂに流体検出
部７８を接続し、第３演算回路７８ａで第１信号と第２
信号との差信号を取り出し、流量検知手段７８ｂで流量
を算出する。第１演算回路７７ａに異常検出部７９を接
続する。異常検出部７９は地震を感知する第１判定手段
７９ａと異常圧力低下を感知する第２判定手段７９ａ，
７９ｂを有し、これらに第１信号を入力する。地震の大
きさに対する基準値を設定する第１設定手段８０ａと異
常圧力低下に対する基準値を設定する第２設定手段８０
ｂを設け、これを第１および第２判定手段７９ａ，７９
ｂに接続する。第１設定手段８０ａは地震の大きさが基
準値を超えたとき異常信号を発生し、第２設定手段８０
ｂは輸送流体が基準値以下の圧力になったとき異常信号
を発生する。出力手段７９ｃは前記の異常信号のいずれ
かが発生したとき、遮断弁８１を閉じると同時に、警報
器８２を作動させる。

【０００７】この流量計は、管路拡大部６５をどの大き
さに設定するかにより都市ガスの家庭用ガスメータある
いは工場用ガスメータとなる。例えば１５０〜３０００
１／ｈの流量の都市ガスが計測できる大きさに設定すれ
ば、家庭用ガスメータとして使用することができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上説明した従来のフ
ルイディック流量計では、流量変化を圧電素子で検出す
る方式をとっているため、圧力検出用素子の価格が高い
こと、検出用素子と流量検出回路との集積化が難しいこ
と、圧力検出用素子としての圧電素子の都市ガスに対す
る耐腐食性が低いこと等の問題があった。

【０００９】本発明の目的は、圧力検出用素子の都市ガ
スに対する耐腐食性が大きく、圧力検出用素子と流量検
出回路との集積化が容易で、小型化及び低価格化が可能
なフルイディック流量計提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、管路縮小部と
噴出ノズルと管路拡大部をこの順に流体の流れ方向に連
結し、前記噴出ノズルと管路拡大部の境界部に、前記噴
出ノズルの噴出方向に対してほぼ直角方向に、かつ相対
向して一対の制御ノズルを設け、この一対の制御ノズル
のそれぞれと前記管路拡大部の下流側を接続する一対の
帰還流路を形成し、前記噴出ノズルからの噴流の流動方
向変化に起因する圧力変化を検出するセンサを設け、検
出された圧力変化から流量を求める流量検知部を備えた
フルイディック流量計において、前記センサは、シリコ
ン基板の一面に不純物を拡散して形成した二つの拡散領
域からなる下部電極と、前記拡散領域に対応する反対側
の面を選択エッチングして形成した二つの薄肉部と二つ
の厚肉部とからなるシリコンのダイアフラムと、前記拡
散領域に対応する上部ガラス板の下面の位置をエッチン
グして形成した二つの凹部と、該凹部に形成した上部電
極と、前記厚肉部に対応する下部ガラス板の位置をエッ
チングして形成した二つの通気孔とを有し、前記上部ガ
ラス板、前記シリコン基板及び前記下部ガラス板を重ね
合わせて接合して一体化集積し、前記下部電極及び前記
上部電極と、前記下部電極及び前記上部電極とにより、
被測定流体による周期的な圧力変動を受けて変動する容
量をそれぞれ形成する二つの静電容量型圧力センサで構
成されていることを特徴とする。

【００１１】

【００１２】

【００１３】

【００１４】

【作用】本発明では、前記噴出ノズルからの噴流の流動
方向変化に起因する圧力変化を検出するセンサに静電容
量型圧力センサを用いた。静電容量型圧力センサは、シ
リコン基板の一面に不純物を拡散して形成した二つの拡
散領域からなる下部電極と、前記拡散領域に対応する反
対側の面を選択エッチングして形成した二つの薄肉部及
び二つの厚肉部からなるシリコンのダイアフラムと、前
記拡散領域に対応する上部ガラス板の下面の位置をエッ
チングして形成した二つの凹部と、該凹部に形成した上
部電極と、前記厚肉部に対応する下部ガラス板の位置を
エッチングして形成した二つの通気孔とを有し、前記上
部ガラス板、前記シリコン基板及び前記下部ガラス板を
重ね合わせて接合して一体化集積し、前記下部電極及び
前記上部電極と、前記下部電極及び前記上部電極とによ
り、被測定流体による周期的な圧力変動を受けて変動す
る容量をそれぞれ形成してなるので、都市ガスに対する
耐腐食性が大きいシリコンとガラスとで作られ、上部電
極は都市ガスに触れない構造になっているから、都市ガ
スに対する耐腐食性が大きく、高信頼性、長寿命の圧力
検出用素子となる他、従来の圧電素子と比べ、集積回路
化も容易であり、低価格で製造できる。

【００１５】

【００１６】

【００１７】

【００１８】

【実施例】図１は本発明の一実施例のブロック図、図２
は図１のフルイディック素子の斜視図である。

【００１９】流量計に圧力室１を設け、圧力室１に流入
管２と流出管３を接続する。圧力室１内に一対の流路形
壁５ａ，５ｂを圧力室１の中心軸に対して対称に設けて
管路縮小部６と噴出ノズル７を形成すると同時にセット
リングスペース４を形成する。流路形成壁５ａ，５ｂで
仕切られた下流側の室が管路拡大部８になる。管路拡大
部８内に一対の制御ノズル９ａ，９ｂ、一対の隔壁１０
ａ，１０ｂを中心軸に対して対称に設け、中心軸に誘振
子１２を設け、その下流部に隔壁１１を設ける。一対の
隔壁１０ａ，１０ｂと隔壁１１により帰還流路１３ａ，
１３ｂと排出液路１４ａ，１４ｂが形成される。

【００２０】流入管２から流れてきた流体は、セットリ
ングスペース４に入り、ここで整流され、次に管路縮小
部６に入って流速が高められ、高流速となって噴出ノズ
ル７から管路拡大部８に噴出される。噴出した流体は、
コアンダ効果によって一方の隔壁１０ａに沿って流れ、
帰還流路１３ａに入り、制御ノズル９ａによる流路案内
によって反対側の隔壁１０ｂに沿って流れるようにな
り、帰還流路１３ｂに入り、今度は反対側の制御ノズル
９ｂによる流路案内によって噴出流体は始めに沿った隔
壁１０ａに再び沿って帰還流路１３ａを流れるようにな
る。以下同じ動作を繰り返し、噴出ノズル７からの流体
は隔壁１０ａ，１０ｂに対して交互に沿うようにして流
れる。誘振子１２は、流体が交互に流動方向を切替えて
一種の振動状態に入ることを誘発し、一旦振動状態に入
ればその振動状態を安定化させる作用をする。帰還流路
１３ａ，１３ｂから外れた流体は、排出流路１４ａ，１
４ｂから下流側の排出管３へ流れていく。

【００２１】隔壁１１に一対の導圧路１５ａ，１５ｂを
設け、圧力検出回路２１に接続する。圧力検出回路２１
は二つの圧力センサ２３ａ，２３ｂから成る。圧力検出
回路２１の出力を流量演算回路２２に接続する。流量演
算回路２２は、比較回路２４と波形整形回路２５と演算
回路２６と出力回路２７とから成る。一対の導圧路１５
ａ，１５ｂを二つの圧力センサ２３ａ，２３ｂに接続
し、噴出ノズル７からの噴流の流動方向変化に起因する
圧力変化を圧力センサ２３ａ，２３ｂで検出する。圧力
センサ２３ａ，２３ｂからの信号は比較回路２４に入力
され、ここで差信号が取り出される。波形整形回路２５
は、この差信号を整形して矩形波にする。演算回路２６
はこの矩形波から流量を算出する。出力回路２７は算出
された流量値を出力端子２８に出力する。

【００２２】図３は図１の圧力センサの断面図である。

【００２３】シリコン基板３１の一面に不純物を拡散し
て二つの拡散領域３２ａ，３２ｂを形成して下部電極と
する。この拡散領域３２ａ，３２ｂに対応する反対側の
面を選択エッチングして二つの薄肉部３３ａ，３３ｂと
二つの厚肉部３４ａ，３４ｂを形成してシリコンのダイ
アフラムを形成する。厚肉部３４ａ，３４ｂの厚さはシ
リコン基板３１の厚さよりも薄くする。拡散領域３２
ａ，３２ｂに対応する上部ガラス板３５の下面の位置を
エッチングして二つの凹部３６ａ，３６ｂを形成し、そ
こに上部電極３７ａ，３７ｂを形成する。厚肉部３４
ａ，３４ｂに対応する下部ガラス板３８の位置をエッチ
ングして二つの通気孔３９ａ，３９ｂを形成する。上部
ガラス板３５とシリコン基板３１と下部ガラス板３８と
を重ね合わせ、陽極接合法で接合して二つの静電容量型
圧力センサ２３ａ，２３ｂが一体化集積された圧力セン
サを形成する。この圧力センサは都市ガスに対する耐腐
食性が大きいシリコンとガラスとで作られ、上部電極３
７ａ，３７ｂは都市ガスに触れない構造になっているか
ら、都市ガスに対する耐腐食性が大きく、高信頼性、長
寿命の圧力検出用素子となる。

【００２４】図４は図１の圧力検出回路の等価回路図で
ある。

【００２５】図３に示した二つの静電容量型圧力センサ
２３ａ，２３ｂの拡散領域（下部電極）３２ａと上部電
極３７ａとが一つの容量Ｃ₁ を形成し、拡散領域（下部
電極）３２ｂと上部電極３７ｂとが一つの容量Ｃ₂ を形
成する。容量Ｃ₁ ，Ｃ₂ に高抵抗Ｒ₁ ，Ｒ₂ を介して電
源Ｖに接続する。容量Ｃ₁ ，Ｃ₂ は高抵抗Ｒ₁ ，Ｒ₂と
電源Ｖにより微小電流で充電されて一定電圧となるが、
被測定流体による周期的な圧力変動を受けると容量
Ｃ₁ ，Ｃ₂ が変動する。この変動により容量Ｃ₁ ，Ｃ₂
の端子電圧が周期的に変化する。この電圧を比較回路２
４に入力する。比較回路２４は入力された電圧の差を取
り、差圧値として出力する。波形整形回路２５は比較回
路２４の出力値を矩形波に波形整形して出力する。

【００２６】図５は図１の流量形の各部に現れる信号の
波形図である。

【００２７】流体は管路拡大部８内で交互に流動方向が
切替わる動作をしているから、二つの静電容量型圧力セ
ンサ２３ａ，２３ｂに印加される圧力Ｐ₁ ，Ｐ₂ は互い
に位相が１８０°ずれた正弦波となる（図５（ａ），
（ｂ））。従って、圧力センサ２３ａ，２３ｂから出力
される電圧Ｖ_C1，Ｖ_C2は圧力Ｐ₁ ，Ｐ₂ に比例した正弦
波となる（図５（ｃ），（ｄ））。比較回路２４で電圧
Ｖ_C1とＶ_C2との差を取り、波形整形回路２５で波形整形
すると、ピーク電圧Ｖ₀ の矩形波が得られる（図５
（ｅ））。演算回路２６はこの矩形波から流量を求め
る。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、圧力
検出用素子に都市ガスに対する耐腐食性が大きなシリコ
ンとガラスを用いて製造した静電容量型圧力センサを採
用したので、都市ガスに対する耐腐食性が大きく、圧力
検出用素子並びに流量演算回路の集積化が容易で、小型
化および低価格化が可能なフルイディック流量計を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のブロック図である。

【図２】図１のフルイディック素子の斜視図である。

【図３】図１の圧力センサの断面図である。

【図４】図１の圧力検出回路の等価回路図である。

【図５】図１の流量計の各部に現れる信号の波形図であ
る。

【図６】従来のフルイディック流量計の一例のブロック
図である。

【符号の説明】

１ 圧力室 ２ 流入管 ３ 流出管 ４ セットリングスペース ５ａ，５ｂ 流路形成壁 ６ 管路縮小部 ７ 噴出ノズル ８ 管路拡大部 ９ａ，９ｂ 制御ノズル １０ａ，１０ｂ 隔壁 １１ 隔壁 １２ 誘振子 １３ａ，１３ｂ 帰還流路 １４ａ，１４ｂ 排出流路 １５ａ，１５ｂ 導圧路

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 管路縮小部と噴出ノズルと管路拡大部を
   この順に流体の流れ方向に連結し、前記噴出ノズルと管
   路拡大部の境界部に、前記噴出ノズルの噴出方向に対し
   てほぼ直角方向に、かつ相対向して一対の制御ノズルを
   設け、この一対の制御ノズルのそれぞれと前記管路拡大
   部の下流側を接続する一対の帰還流路を形成し、前記噴
   出ノズルからの噴流の流動方向変化に起因する圧力変化
   を検出するセンサを設け、検出された圧力変化から流量
   を求める流量検知部を備えたフルイディック流量計にお
   いて、 前記センサは、 シリコン基板の一面に不純物を拡散して形成した二つの
   拡散領域からなる下部電極と、 前記拡散領域に対応する反対側の面を選択エッチングし
   て形成した二つの薄肉部と二つの厚肉部とからなるシリ
   コンのダイアフラムと、 前記拡散領域に対応する上部ガラス板の下面の位置をエ
   ッチングして形成した二つの凹部と、 該凹部に形成した上部電極と、 前記厚肉部に対応する下部ガラス板の位置をエッチング
   して形成した二つの通気孔とを有し、 前記上部ガラス板、前記シリコン基板及び前記下部ガラ
   ス板を重ね合わせて接合して一体化集積し、前記下部電
   極及び前記上部電極と、前記下部電極及び前記上部電極
   とにより、被測定流体による周期的な圧力変動を受けて
   変動する容量をそれぞれ形成する二つの静電容量型圧力
   センサで構成されているこ とを特徴とするフルイディッ
   ク流量計。