JP3693890B2 - 変動圧力センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はたとえばフルイディックス式の流体発振器による流量計やカルマン渦流量計において振動圧力を検出するなどの、微小な圧力変動を検出するのに適した変動圧力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
微小な振動圧力を検出することはフルイディック流量計などにおいて行なわれている。フルイディック流量計はたとえば図２に示すような構造をしている。すなわち主噴流ノズル３１とこれの左右に設けられた制御ポート３２、３３とがあり、一方、主噴流ノズル３１からの流れに対向する位置にスプリッターで左右に区分された出力ポート３４、３５が設けられている。そして左右それぞれの出力ポート３４、３５から前記の左右それぞれの制御ポート３２、３３に至る帰還流路３６、３７を設けることによって流体による帰還発振器を構成したものである。この発振器は左右の帰還流路３６、３７の流れが交互に変わることによって発振するが、主噴流ノズル３１からの流体の流量に応じて発振周波数が変化する。このため発振周波数を測定することによって流量を知ることができる。なお図２において３８はフルイディックス内で流体を排出するベントである。
【０００３】
上記フルイディック流量計において、流体の発振周波数を測定する方法としては、左右の帰還流路３６、３７の途中に圧力検出孔３９、４０を設けてここに接続した導管の先に変動圧力センサを取り付けることが行なわれる。左右のそれぞれの帰還流路３６、３７に現われる圧力は交互に極大値をとる、すなわち逆位相となるのでこれらの差圧を測定できるような測定器に結合すれば発振周波数を測定できる。このような用途においては圧力は単に強弱を検知すればよく圧力そのものをアナログ的に測定する必要はない。このため感度が不十分であると流体の流れの乱れなどによるノイズから分離することが困難になり振動周波数の測定が困難になる。
【０００４】
このためフルイディック流量計に使用するための変動圧力センサとしての工夫をしたものが提案されている。特開平５−１６４６３８号公報には変動圧力センサとして用途としてフルイディック流量計やカルマン渦流量計などを考慮したものが記載されている。この変動圧力センサとしては圧電体を使用したものが対象となっており、圧電体として弗化ビニリデンと３弗化エチレンの共重合体からなる厚さ１５μｍの高分子圧電体の両面に極く薄い電極層を設けたものを使用することが実施例に示されている。しかしこの圧電体を単に２個の空隙をもつ容器状のホルダーの間の挟んで変動圧力センサを形成し、その両側に差圧を測定すべき２つの圧力を導入してもノイズなどによって満足な測定ができないとして、色々な工夫がされている。すなわち圧電体フィルムを取付けるに当たって球面状になるようにして感度を向上させるとともに、２個の変動圧力センサを１つのブロックに平行に取付けてそれぞれに差圧を測定すべき２つの圧力を導入している。一方２個の変動圧力センサの上記の圧力を導入したのと反対側同士は連通させてできるだけ感度の向上を図っている。またこのように２つの変動圧力センサを一体に取付けることによって、２つの変動圧力センサに加わる機械的振動の影響を電気回路上でキャンセルさせることも可能になるとしている。
【０００５】
また特開平７−４９９６号公報には流体振動型流量計における流体振動検出センサとしてやはり圧電体を使用した変動圧力センサが記載されている。これによると従来のこの種の変動圧力センサにおいてはたとえばポリ弗化ビニリデン（ＰＶＤＦ）が使用されて来たが、弾性率が大きく、すなわち剛性が大きく、また入手できる素材の厚さが９μｍと厚いものであるため感度が悪くて大きな出力が得られないとしている。これの対策として弾性率が小さい四弗化エチレンと六弗化プロピレンの共重合体からなる１２．５μｍといった厚さの基板の上に、厚さ１μｍ程度のポリ尿素と厚さ０．１μｍ程度の電極層からなる極く薄い圧電体を蒸着により形成させた圧電素子を使用するとしている。このように柔軟な素材を基板として使用し圧電体の厚さを薄くすることにより圧電素子全体を柔軟なものにしたうえで、この場合も前記特開平５−１６４６３８号公報におけるものと同様に圧電素子は半円球状に整形することによって感度を向上させるようにしている。そしてまた同様に２個の変動圧力センサを１つのブロックに一体になるように設けそれぞれに差圧を測定すべき２つの圧力を導入している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記のような従来の変動圧力センサにおいては２個の変動圧力センサを使用したりして構造が複雑であり、また薄い圧電素子を弛ませた状態で使用しているので機構的に弱く、また機械的振動の影響を受けやすい問題がある。一方、出力の大きさを確保するため圧電体の面積を大きくすることも考えられるが、装置が大きくなるとともに、圧電体の動きが鈍くなって高い周波数の測定感度が低下するなどの問題がある。本発明はこのようなことからフィルム状の圧電体を利用しつつ上記のような問題を解決した変動圧力センサを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するものであって、両面に電極層を設けたフィルム状の圧電体を平面状の支持体の片面または両面に貼り合わせたものを少なくとも有する圧電素子を、環状のガスケット縁部の内側が凹部になっている２個の同形状の空隙をもつ容器により両面から挟んで保持したものであって、前記それぞれの空隙をもつ容器の縁部にはガスケット溝が形成されて弾性体ガスケットが収容され、前記弾性体ガスケットは圧電素子を挟み込む前においてガスケット溝の内周壁には接するが外周壁とは空隙を有し、前記空隙をもつ容器により圧電素子を挟んで保持することにより前記弾性体ガスケットはガスケット溝の外周壁に向けて変形して圧電素子を緊張せしめ、前記それぞれの空隙をもつ容器の凹部に設けた流体導入口からの流体圧力の変動に応じて発生する圧電素子の起電力を圧力信号とすることを特徴とする変動圧力センサである。
【０００８】
また上記変動圧力センサにおいて、前記圧電体は厚さ５μｍから４０μｍであること、前記支持体は金属箔もしくは合成樹脂フィルムで、場合によっては導電性を有するものであって、前記電極層うちの一部のものを兼ねていること、前記圧電素子は両外面および周部がプラスチック材例えばＦＥＰなどのフッ素系樹脂の保護層で被覆されているかもしくは、高耐食性の金属フィルムにて、前記保護層の上にさらに保護層を設けること、前記それぞれの空隙をもつ容器の凹部は、導入される流体圧力の差が過大になって一方の凹部の面に沿うに至るまで圧電素子が変形しても、圧電素子が破壊されないよう内面形状を球面にすることも特徴とする。
【０００９】
またさらに、主噴流ノズルと対向して左右の出力ポートを設けるとともに主噴流ノズルの左右に制御ポートを設け、前記左右の出力ポートと左右の制御ポートとをそれぞれ帰還流路により結合した流体帰還発振器において、逆位相の関係にある左右両側の片方づつ２つの変動圧力をそれぞれ上記の変動圧力センサの２つの空隙をもつ容器内に導入し、圧力の振動周波数を測定することによりこれと対応する流量を検知するための変動圧力センサと検出演算回路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である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の変動圧力センサの例を示す断面図である。１は圧電素子であって、２個の空隙をもつ容器２、３により挟まれており、図示しないクランプにより挟んだ状態を保持するように固定されている。４および５はそれぞれ圧力導入孔であって空隙をもつ容器の凹部６、７に流体を導入することにより、圧電素子１が凹部６と７における差圧に応じて変位するようになっている。図中８と９は弾性ガスケットであって圧電素子を保持するものであるが詳細は後述する。また１０は信号を取出すための端子である。
【００１１】
図３および図４はそれぞれ圧電素子１の構成を模式的に示す断面図および平面図例である。図３に示すように２枚の圧電体１１、１２は平面状の支持体１３の両側に接着されている。延伸して製造したフィルムにポーリング処理をして圧電作用を生じるようにしたものである。１４、１５は電極層であって、圧電体フィルムの両面に電極層を形成することによって圧電体が変形したときに発生する起電力を取り出すことができる。電極として両面にあらかじめ両面に薄いＮｉ−Ａｌ膜を蒸着したり、金属粉末含有塗料を塗布した圧電フィルムが市販されているのでこれを使用することもできる。支持体１３はたとえばステンレス鋼などの金属箔などが使用でき、金属の場合それぞれの圧電体の片側の電極層を兼ねさせることができるので、図３の例ではそのようになっている。
【００１２】
上記のように圧電体フィルムを支持体に貼りつけるのは圧電素子に加わる圧力に応じて大きな出力を得るためである。本発明の変動圧力センサにおいては圧電素子に流体圧力が加わると主としてたわみによる曲げ力発生し、この場合曲げの外側の面には引張力が加わる一方、内側の面には圧縮力が加わる。しかし圧電体フィルムは引張力を加えたときに良く反応し、特に製造時の圧延方向に引張られると大きな起電力を生ずる一方、圧縮力に対してはあまり大きな起電力を発生しない特性を有する。したがって単に１枚の圧電体フィルムを圧電素子として使用した場合、主として外側の面だけの引張力に対応した起電力が発生することになる。これに対し図５は本発明における支持体と圧電体フィルムの関係を説明する断面図である。この図に示すように支持体２１に圧電体フィルム２２、２３を貼りつけた場合、曲げによって矢印のような力が加わり、曲げの外側の圧電体フィルム２２は厚さ全体が引張られて大きな起電力を発生できる。
【００１３】
このようなことから支持体は圧電体フィルムより大きな曲げ剛性を有することにより、曲がりが生じたときに表面にある圧電体フィルムに十分な緊張力を発生させるようなものが好ましい。このことから支持体としては前記のような例えば金属箔などは好適である。またポリ弗化エチレンなどのプラスチックフィルムなども使用できる。一方、圧電体の厚さは出力の大きさなどの性能上から４０μｍ以下が好ましい。
【００１４】
圧電体フィルムは支持体の片面のみであっても測定すべき圧力の範囲によっては使用可能であるが、両面に設けてこれら両方の起電力を加えるようにするのが感度が大きくなってより好ましい。このように圧電素子は上記のように両面に電極層を設けたプラスチックフィルムの圧電体を、支持体の少なくとも片面に貼り合わせたものを必須の要素とするものであるが、図３および図４に示すようにさらに機構的な保護や電気絶縁性の維持や向上のため、両外面および周部をプラスチック材の保護層１６で被覆することが好ましい。保護層の材質としてはたとえばポリプロピレンやＰＥＴなどが使用できる。なお保護層は圧電素子の周部の断面から水分が侵入したりするのを防止する目的もあるので、電極層１４、１５などと結ぶ端子１０はあらかじめ接続した状態で保護層１６を設けるのが好ましい。
【００１５】
上記のようにして製作された圧電素子１は、図１に示したように環状の縁部の内側が凹部になっている２個の同形状の空隙をもつ容器２、３により両面から挟んで保持される。それぞれの空隙をもつ容器には圧力導入孔４、５が設けられており、たとえば図２に示したようなフルイディク流量計の場合であれば、左右の帰還流路３６、３７に設けた検出孔３９、４０からの導管をそれぞれ接続して差圧を測定するようにする。なお上記空隙をもつ容器２、３の凹部６、７の形状は導入される流体圧力の差が過大になって一方の凹部の面に沿うに至るまで圧電素子１が変形しても、圧電素子が破壊されない内面形状になっていることが望ましい。すなわちたとえば空隙をもつ容器の内部を円柱状の空間にするよりも、図６に示したように浅く緩やかな凹面にすることが望ましい。
【００１６】
上記のように２個の空隙をもつ容器を組立てるにさいして、本発明においては圧電素子に緊張力を与えつつ保持するための手段を講じる。図６は変動圧力センサとして組立てる前の１個の空隙をもつ容器２（または３）の状態を示す断面図である。図中８（または９）はゴム製のＯリングであって溝２０内に収容されており、２個の空隙をもつ容器２、３を合わせて組立てたとき、Ｏリング８、９間で圧電素子を固定保持すると共にそれぞれの空隙をもつ容器の凹部の気密状態を形成する。上記Ｏリング８（９）は図６に示した組立て前の状態において溝２０の内周壁２０１には接するが外周壁２０２とは空隙を有する状態になっている。そして２個の空隙をもつ容器２、３により圧電素子１を挟んで保持することによりＯリング８、９は溝の外周壁に向けて変形して圧電素子を緊張せしめる。上記のような圧電素子を緊張させる効果を発揮させるためにはＯリングは一般的な使用方法におけるよりも潰し代を大きくとると良く、なるべくリング径に比較して太径のものを使用するとよい。
【００１７】
本発明の圧電素子は緊張させずに弛んだ状態で２個の空隙をもつ容器間に挟んでフルイディクス流量計からの圧力を掛けてみると、ほとんど出力を生じない。すなわち上記のように圧電素子を緊張して保持することは、本発明においてはフルイディクス流量計のような小さな差圧の検出を目的とする限り必須の要件である。先に従来の技術について説明したように、この種の変動圧力センサにおいては本発明とは逆に圧電素子を故意に弛ませて曲面にして取り付けたり、あらかじめ球面に整形したものを取り付けることがしばしば行なわれており、加えられた圧力を圧電体の伸びに効率よく変換させて検出感度を向上させるようにしている。この点において本発明は逆のやり方をしていることになる。
【００１８】
なぜこのような差異が生じるかということであるが、従来の変動圧力センサにおいてはプラスチックフィルムの圧電素子は弾性率ができるだけ小さな、すなわち柔軟な材質なものを選択するとともに、できるだけ薄いものにしてわずかな圧力で圧電素子が大きく変形するようにして出力を確保することを指向している。これに対して本発明においては、圧電材フィルムは金属箔のようなこれよりも剛性のある支持体に貼り付けられており、圧力を受けてもこれらが重ね合わされた圧電素子全体の変形は小さい。しかし支持体の曲げ変形によってその表面の圧電フィルムは張力を受けて、圧電素子全体の少ない曲げ変形にもかかわらず比較的大きな出力を発生できる。このような効果を得るためには、圧電素子の中立状態からの微小な曲がりに対しても不感帯なしに出力を発生させる必要がある。このため圧力が掛けられたときバックラッシュを生ずることなく圧電フィルムの張力が変化するようにあらかじめ張力をかけるのである。
【００１９】
本発明のような圧電素子の取り付け方法をとることによって、どちらの面からの流体圧力に対しても同じ感度で出力が得られる利点もある。したがって図１の示した１個の変動圧力センサの両側それぞれの空隙をもつ容器２、３に差圧を測定すべき２つの圧力を導入することができる。すなわち従来の弛ませた圧電素子の取り付け方法の場合、凹側の面からの圧力に対してのみ大きな出力が得られるので、前記従来技術について説明したように２個の変動圧力センサを使用してその凹側の面にそれぞれ２つの圧力を導入することが行なわれる。また従来の弛ませた取り付け方法の場合、外部振動によって圧電素子が容易に振動してノイズとなるので、上記のように２個の変動圧力センサを使用してこれらを平行な位置関係になるようにして一つのブロックに取り付けて振動の影響をキャンセルすることも行なわれる。すなわち２個の変動圧力センサを、２つの圧力に対しては差圧を出力し、振動による出力はキャンセルするように圧力の導入方向と２つの出力間の接続方向とを定める。しかし本発明の変動圧力センサにおいては圧電素子は緊張されているので振動の影響を受け難く、このような手段をとる必要がない。
【００２０】
上記のようにして組み立てた変動圧力センサからの電気信号は増幅器に送られて増幅されたのち周波数を測定されるが、これらの電気回路としては公知のものを使用しうる。図１に示した変動圧力センサの場合、増幅器としては差動入力アンプを使用し、これの正相入力端子と逆相入力端子にそれぞれ２つの電極層を接続し、接地（中点）端子に電極を兼ねた支持体を接続すればよい。
【００２１】
【実施例】
図１および図３、図４に示した本発明の変動圧力センサを製作した。約２０μｍの厚さのステンレス鋼の箔を支持体１３として、両面に９μｍの厚さのポリ弗化ビニリデンの圧電体フィルム１１、１２を接着し、さらにこれの両面にＮｉ−Ａｌ合金をスパッタリングして電極層１４、１５とした。電極層の厚みは十分の数μｍ程度であり極く薄い。両面と周部にさらにポリプロピレンの保護層１６を設けて、支持体１３と２つの電極層１４、１５と接続する端子１０を設けたのち、圧電素子１を完成させた。圧電素子の厚さは約８０μｍで直径は約２０ｍｍである。
【００２２】
上記圧電素子１を２個の空隙をもつ容器２、３間に挟んで変動圧力センサを形成したが、Ｏリング８、９としては呼び径１４ｍｍのＪＩＳ規格Ｐ１４を使用し、図６に示したように組み立て前の状態において溝２０の内周壁２０１には接するが外周壁２０２とは空隙を有するようにした。なお空隙をもつ容器はプラスチック（ＰＥＴ）製である。この変動圧力センサを測定回路に接続し、図２に示したフルイディック流量計の圧力検出孔３９、４０に接続配管したところ良好に周波数を測定できた。なお比較のためＯリング８、９が組み立て前の状態において溝の外周壁には接するが内周壁とは空隙を有するような溝を形成した空隙をもつ容器を製作した。この場合組立てた状態で圧電素子１に弛みが生じたが、フルイディック流量計と接続しても全く圧力の変化を検出できなかった。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の変動圧力センサによれば、フルイディック流量計における圧力振動数の計測など微小な差圧の測定が高感度でノイズの影響なくできる。このような微圧を測定するための圧電体を使用した装置の場合、従来は本発明におけるものよりもずっと薄い圧電素子を使用し、２個の変動圧力センサを使用していたが、本発明においては比較的厚い圧電体のため丈夫であり、また１個の変動圧力センサで済むので構造が簡単になる。なお上記説明においてはフルイディクス流量計への適用を中心に述べたが、本発明の変動圧力センサはカルマン渦を利用した渦式流量計等の流体振動流量計や、さらには流量計以外の微圧測定の用途にも適用できることは当然である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の変動圧力センサの例を示す断面図
【図２】フルイディック流量計の構造の例を示す図
【図３】圧電素子の構成を模式的に示す断面図
【図４】圧電素子の構成を模式的に示す平面図
【図５】本発明における支持体と圧電体フィルムの関係を説明する断面図
【図６】変動圧力センサとして組立てる前の１個の空隙をもつ容器の状態を示す断面図
【符号の説明】
１ 圧電素子
２、３ 空隙をもつ容器
４、５ 圧力導入孔
６、７ 凹部
８、９ 弾性ガスケット（Ｏリング）
１０ 端子
１１、１２ 圧電体
１３ 支持体
１４、１５ 電極層
１６ 保護層
２０ 溝
２０１ 内周壁
２０２ 外周壁
２１ 支持体
２２、２３ 圧電体フィルム
３１ 主噴流ノズル
３２、３３ 制御ポート
３４、３５ 出力ポート
３６、３７ 帰還流路
３８ ベント
３９、４０ 圧力検出孔
４１ 変動圧力センサ
４２ 検出演算回路

Claims (6)

1. 両面に電極層を設けた圧電効果をもつフィルム状の圧電体を平面状の支持体の片面または両面に貼り合わせたものを少なくとも有する圧電素子を、環状の縁部の内側が凹部になっている２個の空隙をもつ容器により両面から挟んで保持したものであって、前記それぞれの空隙をもつ容器の縁部にはガスケット溝が形成されて弾性体ガスケットが収容され、前記弾性体ガスケットは圧電素子を挟み込む前においてガスケット溝の内周壁には接するが外周壁とは空隙を有し、前記空隙をもつ容器により圧電素子を挟んで保持することにより前記弾性体ガスケットは溝の外周壁に向けて変形して圧電素子を緊張せしめ、前記それぞれの空隙をもつ容器の凹部に設けた流体導入口からの流体圧力の変動に応じて発生する圧電素子の起電力を圧力信号とすることを特徴とする変動圧力センサ。
2. 前記圧電体は厚さ５μｍから４０μｍであることを特徴とする請求項１記載の変動圧力センサ。
3. 前記支持体は金属箔もしくは合成樹脂フィルムであって、支持体が導電性を有する場合は前記電極層うちの一部のものを兼ねていることを特徴とする請求項１または２に記載の変動圧力センサ。
4. 前記圧電素子は両外面および周部がプラスチック材の保護層で被覆されているかもしくは高耐食性の金属フィルムにて前記保護層の上にさらに保護層を設けることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の変動圧力センサ。
5. 前記それぞれの空隙をもつ容器の凹部は、導入される流体圧力の差が過大になって一方の凹部の面に沿うに至るまで圧電素子が変形しても、圧電素子が破壊されないよう内面形状を球面状にすることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の変動圧力センサ。
6. 主噴流ノズルと対向して左右の出力ポートを設けるとともに主噴流ノズルの左右に制御ポートを設け、前記左右の出力ポートと左右の制御ポートとをそれぞれ帰還流路により結合した流体帰還発振器において、逆位相の関係にある左右両側の片方づつ２つの振動圧力をそれぞれ請求項１ないし５に記載の変動圧力センサの２つの空隙をもつ容器内に導入し、圧力の振動周波数を測定することによりこれと対応する流量を検知することを特徴とするフルイディック流量計。

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