JP6656021B2 - 流量センサ - Google Patents

Description

本発明は、流路内を通流する流体の流量を測定する流量センサに関する。

このような流量センサとしては、従来から多種多様のものがある。例えば、特許文献１に記載されている熱線式の流量センサが知られている。この流量センサは、熱線と、温度センサとを備え、通電により加熱された熱線が、流速に応じて冷却される際の温度変化を電気抵抗値の変化として検出することで、流体の流量を測定する。
しかし、熱線式の流量センサは、熱線自体の発熱によって流路内に対流が生じ、本来の流体流れに乱れを生じさせることがあるため、特に低速域の流量の計測が困難であった。

他の流量センサとしては、特許文献２に記載されている圧電体を用いたものが知られている。この流量センサは、毛状構造体と、毛状構造体の基部を支持する支持梁と、支持梁に組み込まれた歪みゲージと、支持梁を固定する基板とを備え、流体の流れによる毛状構造体の変形量を圧電体で構成された歪みゲージによって検出することで流体の流量を計測する。

特開２０００−２０６１３４号公報 特開２００２−２２８６７７号公報

熱線式の流量センサでは熱線を加熱し、圧電体を用いた流量センサでは多数の歪ゲージを作動させるため、いずれの流量センサにおいても所定の電力を消費する。また、特許文献２に記載の流量センサは、毛状構造体を流路全体に配置されるため、多数の毛状構造体と歪ゲージとを有して構成される。そのため、流量センサの構造は複雑になり、結果として、流量センサの製作工数が増えてコスト高になることや、流量センサの耐久性が低くなることがある。

そこで、本発明の目的は、簡単で組み立て容易な構成としつつ、低速域においても正確な流量計測が可能な流量センサを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の流量センサの特徴構成は、
管路内を通流する測定流体の流量を測定する流量センサであって、
前記管路内の測定流体の流れ方向を横断する方向に沿って設けられる梁部材と、
前記梁部材に片持ち姿勢で取り付けられ、前記測定流体の流れにより振動する自己励起式の圧電シートと、
前記管路内において前記梁部材よりも上流側であって前記梁部材に対向する位置に設けられる流路制限部と、
前記圧電シートに接続して設けられ、前記測定流体によって前記圧電シートに発生する振動による出力に基づいて前記測定流体の流速を導出する流速導出手段と、を備え、
前記流路制限部は、前記管路を閉塞する管路閉塞体に開口を設けて構成してあり、
前記開口は、スリット状に形成されて前記管路を横断する前記梁部材の方向に直交する長手部分を有する点にある。

上記構成によると、圧電シートは、梁部材に片持ち姿勢で取り付けられているため、その圧電シートは管路の内周面から離間した姿勢に保持される。測定流体内に例えば梁部材のような構造物を設置することで、その下流にカルマン渦流と呼ばれる、交互に並んだ規則正しい渦列が発生することが一般的に知られている。このカルマン渦流によって圧電シートが振動して圧電シートが発電する。圧電シートが発電すると、圧電シートの出力として電圧を検出することができる。これにより、流速導出手段は、圧電シートの出力（電圧）に基づいて測定流体の流速を導出することができ、この流速から測定流体の流量を求めることができる。
ここで、本構成では、梁部材が流路制限部を通流する測定流体の流れを受けてカルマン渦を発生させている。流路制限部を通流する測定流体によって梁部材の上流側の流速が局所的に増大する。そうなると、カルマン渦流が大きくなるため、圧電シートを大きく振動させることができ、結果として圧電シートの振動による出力（電圧）を大きくすることができる。

このように、流路制限部を設けることで、測定流体の流速が低速域であっても圧電シートを十分に振動させることができる。これにより、流量センサは、圧電シートから適正な出力を得ることができるため、低速域においても正確な流量計測が可能となる。
また、管路内の測定流体の流れ方向を横断する方向に沿って設けられる梁部材に、圧電シートを、梁部材に片持ち姿勢で取り付け、梁部材の上流側に流路制限部を備えるだけの簡単な構成でありながら、正確な流量計測を行うことができる。

本構成の如く、流路制限部が管路閉塞体に開口を設けて構成されると、開口によって圧電シートの面部を含む幅広な領域に測定流体を流したり、圧電シートの両面側を含む領域に測定流体を流したりすることができる。こうして、圧電シートの周囲に流路制限部を通流する測定流体が適正に供給されることで、圧電シートは振動し易くなる。また、流路制限部の開口によって、梁部材の上流側の流速を簡易に増大させることができる。
本構成の如く、流路制限部に形成されたスリット状の開口が、管路を横断する梁部材の方向に直交する長手部分を有すると、当該開口を、梁部材を挟んで圧電シートの両面から垂直方向に延出する位置に容易に形成することができる。開口が圧電シートの両面から垂直方向に延出すると、圧電シートの両面側に測定流体を確実に供給することができるため、圧電シートが流体圧を受けて振動し易くなる。

上記目的を達成するための本発明の流量センサの特徴構成は、
管路内を通流する測定流体の流量を測定する流量センサであって、
前記管路内の測定流体の流れ方向を横断する方向に沿って設けられる梁部材と、
前記梁部材に片持ち姿勢で取り付けられ、前記測定流体の流れにより振動する自己励起式の圧電シートと、
前記管路内において前記梁部材よりも上流側であって前記梁部材に対向する位置に設けられる流路制限部と、
前記圧電シートに接続して設けられ、前記測定流体によって前記圧電シートに発生する振動による出力に基づいて前記測定流体の流速を導出する流速導出手段と、を備え、
前記流路制限部は、前記管路を閉塞する管路閉塞体に開口を設けて構成してあり、
前記流路制限部の前記開口は、前記圧電シートの両面側に前記測定流体を通流させるとともに、前記圧電シートの一方面側と他方面側の流量が不均等になるように設けてある点にある。

上記構成によると、圧電シートは、梁部材に片持ち姿勢で取り付けられているため、その圧電シートは管路の内周面から離間した姿勢に保持される。測定流体内に例えば梁部材のような構造物を設置することで、その下流にカルマン渦流と呼ばれる、交互に並んだ規則正しい渦列が発生することが一般的に知られている。このカルマン渦流によって圧電シートが振動して圧電シートが発電する。圧電シートが発電すると、圧電シートの出力として電圧を検出することができる。これにより、流速導出手段は、圧電シートの出力（電圧）に基づいて測定流体の流速を導出することができ、この流速から測定流体の流量を求めることができる。
ここで、本構成では、梁部材が流路制限部を通流する測定流体の流れを受けてカルマン渦を発生させている。流路制限部を通流する測定流体によって梁部材の上流側の流速が局所的に増大する。そうなると、カルマン渦流が大きくなるため、圧電シートを大きく振動させることができ、結果として圧電シートの振動による出力（電圧）を大きくすることができる。

このように、流路制限部を設けることで、測定流体の流速が低速域であっても圧電シートを十分に振動させることができる。これにより、流量センサは、圧電シートから適正な出力を得ることができるため、低速域においても正確な流量計測が可能となる。
また、管路内の測定流体の流れ方向を横断する方向に沿って設けられる梁部材に、圧電シートを、梁部材に片持ち姿勢で取り付け、梁部材の上流側に流路制限部を備えるだけの簡単な構成でありながら、正確な流量計測を行うことができる。

本構成の如く、流路制限部が管路閉塞体に開口を設けて構成されると、開口によって圧電シートの面部を含む幅広な領域に測定流体を流したり、圧電シートの両面側を含む領域に測定流体を流したりすることができる。こうして、圧電シートの周囲に流路制限部を通流する測定流体が適正に供給されることで、圧電シートは振動し易くなる。また、流路制限部の開口によって、梁部材の上流側の流速を簡易に増大させることができる。
また、上記のように構成すると、流路制限部の開口を通流し圧電シートへ通流する測定流体の流量は、圧電シートの表面側と裏面側とで不均等になるため、圧電シートの両面側において圧力差が生じる。これにより、圧電シートは振動し易くなる。その結果、低速域においても、流量センサは適正な出力を得ることができ、正確な流速測定を行うことができる。なお、圧電シートの両面側の流量が不均等になる流量制限部は、開口が圧電シートの両面側に亘って連続して形成される一つの開口部であってもよいし、開口が圧電シートの面部を挟んで離間して形成される複数の開口部であってもよい。

前記開口は、スリット状に形成されて前記管路を横断する前記梁部材の方向に沿う長手部分を有してもよい。

本構成によると、流路制限部に形成されたスリット状の開口は、長手部分が梁部材及び圧電シートの面に対して平行となる位置に設けられる。このように流路制限部の開口が配置されると、圧電シートの面部に沿う幅広な領域に測定流体を流し易くなる。これにより、圧電シートの面部が広く測定流体の流れを受けることになり、圧電シートは振動し易くなる。その結果、流量センサは適正な出力を得て正確な流量を計測することができる。

また、上記構成において、前記圧電シートは、長手方向における一端部を前記梁部材に固定するとともに、自由端としての他端部に、おもり部材を付設することができる。

このように、圧電シートの他端部におもり部材を設けると、圧電シートからの出力を増強することができ、ノイズ等に対する圧電シートの出力の分離特性を向上することができる。また、圧電シートにおもり部材を設けることで、圧電シートの変形速度を調整することもできる。

また、上記構成において、前記おもり部材は、前記圧電シートの一方面側に設けることができる。
上記構成の圧電シートは、カルマン渦によって発生する偏流を受けて振動する。このため、圧電シートはシート面の両側のうち一方の側に振れ易く、圧電シートの振動が不安定になることがある。そこで、本構成では、おもり部材を圧電シートの一方面側に設けている。このように構成すると、圧電シートにおいてシート面の一方の側に対しては、おもり部材が付勢力として作用し、他方の側に対してはおもり部材が抵抗力として作用する。これにより、圧電シートを適正に振動させることができ、圧電シートから安定した出力を得ることができる。

上記目的を達成するための本発明の流量センサの特徴構成は、
管路内を通流する測定流体の流量を測定する流量センサであって、
前記管路内の測定流体の流れ方向を横断する方向に沿って設けられる梁部材と、
前記梁部材に片持ち姿勢で取り付けられ、前記測定流体の流れにより振動する自己励起式の圧電シートと、
前記管路内において前記梁部材よりも上流側であって前記梁部材に対向する位置に設けられる流路制限部と、
前記圧電シートに接続して設けられ、前記測定流体によって前記圧電シートに発生する振動による出力に基づいて前記測定流体の流速を導出する流速導出手段と、を備え、
前記圧電シートは、長手方向における一端部を前記梁部材に固定するとともに、自由端としての他端部に、おもり部材を付設してあり、
前記おもり部材は、前記圧電シートの一方面側に設けてある点にある。

上記構成によると、圧電シートは、梁部材に片持ち姿勢で取り付けられているため、その圧電シートは管路の内周面から離間した姿勢に保持される。測定流体内に例えば梁部材のような構造物を設置することで、その下流にカルマン渦流と呼ばれる、交互に並んだ規則正しい渦列が発生することが一般的に知られている。このカルマン渦流によって圧電シートが振動して圧電シートが発電する。圧電シートが発電すると、圧電シートの出力として電圧を検出することができる。これにより、流速導出手段は、圧電シートの出力（電圧）に基づいて測定流体の流速を導出することができ、この流速から測定流体の流量を求めることができる。
ここで、本構成では、梁部材が流路制限部を通流する測定流体の流れを受けてカルマン渦を発生させている。流路制限部を通流する測定流体によって梁部材の上流側の流速が局所的に増大する。そうなると、カルマン渦流が大きくなるため、圧電シートを大きく振動させることができ、結果として圧電シートの振動による出力（電圧）を大きくすることができる。

このように、流路制限部を設けることで、測定流体の流速が低速域であっても圧電シートを十分に振動させることができる。これにより、流量センサは、圧電シートから適正な出力を得ることができるため、低速域においても正確な流量計測が可能となる。
また、管路内の測定流体の流れ方向を横断する方向に沿って設けられる梁部材に、圧電シートを、梁部材に片持ち姿勢で取り付け、梁部材の上流側に流路制限部を備えるだけの簡単な構成でありながら、正確な流量計測を行うことができる。
このように、圧電シートの他端部におもり部材を設けると、圧電シートからの出力を増強することができ、ノイズ等に対する圧電シートの出力の分離特性を向上することができる。また、圧電シートにおもり部材を設けることで、圧電シートの変形速度を調整することもできる。
上記構成の圧電シートは、カルマン渦によって発生する偏流を受けて振動する。このため、圧電シートはシート面の両側のうち一方の側に振れ易く、圧電シートの振動が不安定になることがある。そこで、本構成では、おもり部材を圧電シートの一方面側に設けている。このように構成すると、圧電シートにおいてシート面の一方の側に対しては、おもり部材が付勢力として作用し、他方の側に対してはおもり部材が抵抗力として作用する。これにより、圧電シートを適正に振動させることができ、圧電シートから安定した出力を得ることができる。

また、前記圧電シートを、少なくともそのシート表面の一部が水平方向に沿う姿勢で、前記梁部材に片持ち姿勢で取り付けることもできる。

上記構成によると、圧電シートは、少なくともそのシート表面の一部が水平方向に沿う姿勢で、梁部材に片持ち姿勢で取り付けることにより、圧電シートの変形、復帰に伴う振動を誘導しやすく、安定した高出力が得られやすいことを、本発明者らは実験により明らかにしている。

具体的には、少なくともシート表面の一部を水平方向に沿う姿勢とすることによって、その圧電シートが自重で下方に垂れようとする動きと、測定流体の流れにより圧電シートが上方へ跳ね上げられる動きとが、測定流体の断続的な流れにより振動として現れる。この振動は、梁部材に片持ち姿勢で取り付ける構造に起因するものであり、梁部材に対する取り付け構造が簡便に得られやすいことから、この振動状態も規格化されやすく、取り付け構造による個体差が生じにくく、安定した出力特性を有するものとして得られやすくなる原因となっているものと考えられる。

また、少なくともシート表面の一部を水平方向に沿う姿勢であるから、その圧電シートが自重で下方に垂れようとする動きにねじれが生じにくく、測定流体の断続的な流れにより安定した振動を生起しやすい。

そのため、管路内の測定流体の流れ方向を横断する方向に沿って設けられる梁部材に、圧電シートを、上記適切な姿勢で取り付ける簡単な構成とするだけで、流量センサにおいて正確で高い出力を得ることができる。

したがって、簡単な構成で、組み立て容易で、低速域においても正確な流量計測が可能な流量センサを提供することができた。

流量センサの概略図 測定流体の流れ方向視の梁部材と流路制御部とを示す図 第２実施形態の流路制限部を示す図 圧電シートの変形例を示す図 試験装置の模式図 出力電圧の時間変化を示すグラフ 電圧変化の中央値をゼロにシフトしたグラフ 電圧変化と流量との関連を示すグラフ 実施例２に用いる試験体１〜４の構成を示す表 実施例２に用いた試験体３及び４の流路制限部を示す図 試験体１における電圧変化と流量との関連を示すグラフ 試験体２における電圧変化と流量との関連を示すグラフ 試験体３における電圧変化と流量との関連を示すグラフ 試験体４における電圧変化と流量との関連を示すグラフ 流量センサの感度と流路制限部の配置との関連を示すグラフ 流量センサの感度とおもり部材との関連を示すグラフ 別実施形態の圧電シートを示す図 別実施形態の圧電シートを示す図

以下に、本発明に係る流量センサについて説明する。なお、以下に好適な実施形態を記すが、これら実施形態はそれぞれ、本発明をより具体的に例示するために記載されたものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々変更が可能であり、本発明は、以下の形態に限定されるものではない。

本発明の実施形態に係る流量センサ１は、たとえば、各家庭や事業所等に供給される都市ガスが配管内を通流する流速を測定し、その流速から流量を求めるものであり、図１に示すように、測定流体３が流れる管路２に取り付けて設けられる。

流量センサ１は、管路２内に、梁部材４と、自己励起式の圧電シート５と、流路制限部６と、を備える。梁部材４は、管路内の測定流体３の流れ方向を横断する方向に沿って設けられる。圧電シート５は、測定流体３の流れによって周期的に振動して電力を発生する自己励起式であり、梁部材４に片持ち姿勢で取り付けられる。流路制限部６は管路２内において梁部材４よりも上流側であって梁部材４に対向する位置に設けられる。

管路２の外部には、電圧検出手段９と流速導出手段１０が設けられる。電圧検出手段９は圧電シート５に接続して設けられ、圧電シート５の振動によって発生する電圧を検出する。
電圧検出手段９は流速導出手段１０に接続され、流速導出手段１０が電圧検出手段９からの出力に基づいて測定流体３の流速を導出する。

梁部材４は、管路２を管径方向に水平に横断する樹脂製の棒状体からなり、管路２の周壁に両端を接着固定して設けられる。圧電シート５は、たとえば、ポリフッ化ビニリデンに代表される強誘電性高分子からなり、より具体的には、例えば、ピエゾフィルム（（株）東京センサ製の商品名）からなり、振動することにより自己励起して高電圧の電力を発生する特性を備えている。圧電シート５は、たとえば、薄膜化により柔軟性に優れ、かつ、耐水性や耐衝撃性などを備えた短冊状のシートである。圧電シート５は、一端部となる短辺が梁部材４の長手方向に沿い、かつ、圧電シート５が振動する必要長さ以上の長辺が、梁部材４の下流側において管路２に流通する測定流体３の流れ方向に沿う姿勢で、梁部材４に接着により取り付けられる。こうして、圧電シート５は、シート面に直交する方向での両側に、測定流体３が通流する構成となっている。

具体的には、内径３２ｍｍのガス供給配管に対しては、圧電シート５として、厚さが４０μｍであって、短辺５ｍｍ、長辺４０〜８０ｍｍの短冊状に形成されたピエゾフィルムを用いる。圧電シート５は、長辺が測定流体３の流れ方向に沿う姿勢で、かつ、少なくともそのシート表面の一部が水平方向に沿う姿勢で梁部材４に一方の短辺部分が取り付けられる。図１の構成では、圧電シート５のシート表面が測定流体３の流れ方向に沿う水平姿勢となるように取り付けられる。

図２に示すように、流路制限部６は、測定流体３の流れ方向に垂直に配置される板状の管路閉塞体７にスリット状の開口８が設けられて構成されている。開口８は、管路２を横断する梁部材４の方向に沿う長手部分を有する。すなわち、開口８は梁部材４の長手方向に平行に形成されており、開口８において梁部材４の長手方向に直交する方向の幅は梁部材４の幅よりも大きい。

圧電シート５には２本のリード線１１が接続され、リード線１１の端子１１ａが、管路２の外部へ取り出される状態で設けられる。リード線１１の端子１１ａには、２本のケーブル１２を介して電圧検出手段９が接続されている。つまり、電圧検出手段９が、２本のリード線１１とケーブル１２を介して圧電シート５に電気的に接続して設けられている。電圧検出手段９は、圧電シート５の振動による出力に基づいて圧電シート５の電圧を求めるように構成され、その電圧検出手段９に対して、流速導出手段１０が接続されている。

このような構成により、管路２に測定流体３を通流させると、その圧電シート５が自重で下方に垂れようとする動きと、測定流体３の流れを受けて圧電シート５が上方に跳ね上げられる動きとが、測定流体３の断続的な流れにより振動として現れる。そして、その振動に基づき、圧電シート５による電圧出力が得られる。

流速導出手段１０は、予め計測された圧電シート５の電圧と測定流体３の流速との関係データを記憶しており、電圧検出手段９から送信される圧電シート５の電圧データに基づいて測定流体３の流速（もしくは、さらに管径を考慮して流量）を導出するように構成されている。

〔第２実施形態〕
図３に示すように、流路制限部６の開口８は、管路２を横断する梁部材４の方向に直交する長手部分を有して形成されている。すなわち、開口８は梁部材４の長手方向に対して直交して形成されている。こうすると、スリット状の開口８は、梁部材４を挟んで圧電シート５の両面に対して垂直方向に延出する位置に形成することができる。開口８が圧電シート５の両面から垂直方向に延出すると、圧電シート５の両面側に測定流体３を確実に供給することができるため、圧電シート５が流体圧を受けて振動し易くなる。

開口８は、測定流体３の流れ方向視において梁部材４を挟んで２つの開口部８Ａ，８Ｂに仕切られている。図３に示す例では、２つの開口部８Ａ，８Ｂの流路面積が均等になるように開口８が配置されている。本実施形態において、開口８は、２つの開口部８Ａ，８Ｂの流路面積が不均等になるよう配置してもよい（図１０参照）。つまり、流路制限部６の開口８は、圧電シート５の両面側に測定流体を通流させるとともに、圧電シート５の一方面側と他方面側の流量が不均等になるように設けられる。こうすると、流路制限部６に開口８を通流し圧電シート５へ通流する測定流体の流量は、圧電シート５の表面側と裏面側とで不均等になるため、圧電シート５の両面側において圧力差が生じる。これにより、圧電シート５は振動し易くなる。その結果、低速域においても、流量センサ１は適正な出力を得ることができ、正確な流量計測を行うことができる。なお、第１実施形態の開口８についても、梁部材４によって仕切られた２つの開口部の流路面積を不均等に配置することは可能である。

〔圧電シートの変形例〕
上記の実施形態において、図４に示すように、圧電シート５の長手方向における一端部を梁部材４に固定するとともに、自由端としての他端部に、おもり部材５ａを付設してもよい。図４に示す例では、圧電シート５の一方面側（上面側）におもり部材５ａが設けられている。このようにすると、圧電シート５の振動特性をおもり部材５ａの重さにより調整でき、結果として、適切な流量範囲で識別性の高い電圧出力を得られるように流量センサ１の感度を調整することができる。

（実施例１）
図５に示すように、内径３２ｍｍのガス供給配管（管路２）を鉛直方向に配置し、管路２内に、厚さ４０μｍ、短辺５ｍｍ、長辺７０ｍｍの短冊状の圧電シート５（株式会社クレハ製、ピエゾフィルム）を梁部材４に取付けて配置した。梁部材４は、２ｍｍ×２ｍｍ×４０ｍｍの直方体であって例えば樹脂で構成されている。圧電シート５の自由端（鉛直方向の下端）に５０mgのおもり部材５ａを敷設した。

梁部材４の上流側には流路制限部６を配置した。流路制限部６は、直径３２ｍｍの樹脂製の円板状の管路閉塞体７に３０ｍｍ×８ｍｍのスリット状の開口８を備える。

管路２の下流端に吸気ファンを配置し、この吸気ファンを用いて梁部材４及び圧電シート５を設置した配管（管路２）内を吸引し、送風速度を変化させてセンサ応答性を評価した。管路２を流れる測定流体３の実速度（単位時間あたりの流量）は圧電シート５の下流側に設置した風速計によって計測した。

圧電シート５が測定流体３の流速に応じて振動することで圧電シート５に起電力が生じる。この起電力により得られる出力電圧値の推移を電圧計測装置（グラフテック社製のデジタルロガー）によって取得した。出力電圧値はサンプル時間内に複数回測定する。本実施例では出力電圧値は、サンプリング間隔を１００msecにして２分間取得した。取得したデータのうち初めの１分間のデータは除き、後の１分間のデータについてのみ解析を行った。図６に、電圧計測装置で計測した出力電圧値の推移を示す。解析においては、１００msecごとの電圧変化の絶対値を平均化した値（６００ポイントの平均値）をその流速での信号値とした。

図６のグラフでは、出力電圧値は中央値が０Vの一定の振幅を有した定常波を示しておらず、出力電圧値が正電圧の側および負電圧の側の一方に偏っていることが理解される。これは、圧電シート５が梁部材４に対してオフセットして振動しているためである。この現象は、圧電シート５の周辺領域である裏面側と表面側に発生する偏流によるものと考えられる。この出力電圧値（振幅）をそのまま流量センサ１の電圧値（信号値）にした場合には、単位時間あたりの流量（流速）と出力電圧値との相関が減少することになるため、結果としてセンサの感度・ダイナミックレンジが小さくなると考えられる。

そこで、出力電圧値の変化量の絶対値を平均して算出した値を電圧値（信号値）として採用した。図７は、オフセットした出力電圧値を補正した後の出力電圧値の推移を示す。図７では、中央値（０Ｖ）から正電圧の側の値と負電圧の側の値がほぼ同じ振幅になった出力電圧値が示されている。

当該演算により得られた電圧値（信号値）と、風速計によって計測した測定流体３の流量との相関データを図８に示した。
図８のグラフには、電圧値が流量に対して線形の比例関係にあることが示されており、当該演算方法によって圧電シート５の振動による出力電圧に基づく流量計測方法が簡便かつ安定的なものであることが明らかになった。

流体内に構造物（例えば梁部材４）を設置することで、その下流にカルマン渦流と呼ばれる、交互に並んだ規則正しい渦列が発生することが一般的に知られている。
カルマン渦流の発生周波数は次式で表される。
ｆ(周波数)＝St（ストローハル数）× V（流体の平均速度）／ d（構造物（梁部材４）の幅（径））・・・（１）

上記の式（１）から理解されるように、流体の速度に比例して、発生するカルマン渦の周波数（または数）が増加する。そのため、流路制限部６を構造物（梁部材４）に近接して配置し、構造物（梁部材４）に向かう流体の流速を局所的に増加させることで、結果としてカルマン渦の発生周波数を増加させることができる。

ピエゾフィルムなどの圧電体（圧電シート５）は、その先端のたわみ角度に比例して、起電力が生じる。流量センサ１は、上記のように構造物（梁部材４）に近接して流路制限部６を配置することで、カルマン渦の周波数が増加する。これにより、圧電体の周囲（表・裏面）での流体の循環が大きくなり、結果的に偏流が生じることで圧電体に変形を伴う振動が発生して起電力が生じる。

圧電体の振動は偏流によって生じているため、単振動でなく、一定の方向にオフセットを有した定常波であると考えられる。このため、発生する起電力（電圧）そのものを計測するよりも、単位時間あたりの電圧変化量の絶対値を平均化する演算を行う。この演算により、オフセットした電圧値が除去されるようになるため、測定流体３の流速値と演算後の電圧値とは比例関係を示す線形で表すことができたものと考えられる。

(実施例２)
センサ応答感度を向上することを目的として、流路制限部６と梁部材４の配置およびおもり部材５ａの効果を確認するために、図９に示す試験体１〜４を用い、実施例１と同じ試験装置による試験を行った。

試験に使用した圧電シート５は、実施例１と同じ圧電フィルム（クレハ製）とし、構造体の形状も同じとした。なお、フィルムの形状は短辺８ｍｍ、長辺７０ｍｍに変更した。

図９の表に示す配置１は、図１及び図２に示すように、流路制限部６の開口８の長手方向が梁部材４及び圧電シート５に対して平行に設置するものである。このように配置することで、圧電シートの周辺（裏面と表面）での流体速度は向上する。しかしながら、裏面と表面での速度差は生じないと考えられる。

図９の表に示す配置２は、図１０に示すように、流路制限部６の開口８の長手方向が、梁部材４・圧電シート５と直交するように配置し、且つ、梁部材４・圧電シート５により間仕切りされた開口８の開口部８Ａ，８Ｂの流路面積の比が均等にならない構成とした。具体的には、開口部８Ａと開口部８Ｂとの流路面積の比を１：２（６０mm²：１２０mm²）とし、開口８を通過した流体速度が、開口部８Ｂを基準として開口部８Ａにおいて２倍になるようにした。

また、圧電シート５がカルマン渦により変形した後、慣性力により元の形状に戻る作用を確認するために、圧電シート５の自由端（鉛直方向の下端）に５０mgのおもり部材５ａを敷設した。

試験体１〜４に基づく電圧変化と単位時間当たりの流量（流速）との相関関係を、実施例1の図７と同様の形で、図１１〜図１４のグラフにまとめた。試験体１による試験結果は図１１に示し、試験体２による試験結果は図１２に示す。同様に、試験体３による試験結果は図１３に示し、試験体４による試験結果は図１４に示す。図１１〜図１４の全てにおいて、電圧変化と単位時間あたりの流量（流速）との間に線形の比例関係を確認することができた。

さらに、図１５及び図１６において、電圧変化の平均値の傾きを試験体１〜４の特徴要因ごとに比較した。図１５は、流路制限部６の配置による電圧変化の平均値の傾きを比較したグラフである。図１５に示されるように、配置１（試験体１及び２）よりも配置２（試験体３及び４）方が応答感度（傾き）は大きくなった。この結果については、流路制限部６の開口８は、梁部材４に平行に配置するよりも、梁部材４に直交させ、且つ開口部８Ａ，８Ｂの面積比を非均等にした方が、圧電シート５の周辺に速度差が生じ、偏流が大きくなって圧電シート５の変形速度が大きくなったものと考えられる。

図１６は、圧電シート５におもり部材５ａを設置した場合（錘有）と設置しない場合（錘無）とで電圧変化の平均値の傾きを比較したグラフである。図１６に示されるように、錘有（試験体２，４）の方が錘無（試験体１，３）よりもが応答感度（傾き）は大きくなった。錘を敷設することで慣性力を利用し、変形速度(元の形状に戻ろうとする状態)を早めることができると推察される。ただし、図１６に示すおもり部材の有無による応答感度（傾き）の差は、流路制限部６の配置変更による応答感度（傾き）の差よりも小さい。

〔別実施形態〕
（１）上記実施形態では、圧電シート５の振動を電圧検出手段９によって電圧として検出し、この電圧に基づいて流速導出手段１０が測定流体３の流速を導出する例を示したが、電圧検出手段９に代えて圧電シートにより発生する電力の周波数を検出する周波数検出手段を用い、検出された周波数に基づいて流速導出手段１０が測定流体３の流速を導出してもよい。

（２）流路制限部６の開口８に対して、流路制限部６の上流側の測定流体３を案内する流路案内部を設けてもよい。流路案内部は、流路に沿って設けられ開口８に対して徐々に流路が狭くなるように構成される。こうすると、管路２内の測定流体３が流路制限部６の開口８にスムーズに供給されて通流するため、測定流体３の流れが安定する。上記実施形態では、流路案内部は、例えば一対の面部材で構成され、下流側の端部が開口８の対向する長手部分に接続される。下流側に位置する一対の端部は、一方が他方よりも流路の下流側寄りに配置されてもよい。こうすると、圧電シート５に対して偏流が生じ易くなる。

（３）上記実施形態では、流路制限部６の開口８として１つの開口部を設ける例を示したが、流路制限部６の開口８は複数の開口部によって構成されていてもよい。開口８が複数の開口部を有する場合には、圧電シート５の両面側に連続して対向する開口部と圧電シート５の面部の一方側のみに対向する開口部のうち何れか一方のみによって開口８を構成してもよいし、これらの開口部が混在する開口８であってもよい。

（４）上記実施形態では、圧電シート５を短冊状に形成したが、梁部材４に対して取り付けられる一端部の長さが、その一端部を梁部材４に取り付けた状態における一端部から、自由端となる他端部までの長さよりも長い方形であってもよく、寸法比率は、上述のものに限るものではない。また、方形でなくても、ペナント型でもよく、さらに図１７に示すように立体的に屈曲した形状としてあってもよい。立体的に屈曲させることにより、圧電シート５が電力を出力する好適な流速範囲を調整することができる。

（５）上記実施形態では、単数の圧電シート５の例を示したが、複数の圧電シート５を備えてもよく、複数の圧電シート５は、電気的に直列に接続してもよいし、並列に接続しても良い。図１８に異なる形状に形成した３枚の圧電シート５１〜５３を梁部材４の長手方向に順に設けた流量センサ１を示す。圧電シート５１は梁部材４に沿う幅が最も小さく流路に沿う長さが最も長い。圧電シート５２は梁部材４に沿う幅が圧電シート５１よりも大きく流路に沿う長さが圧電シート５１よりも短い。圧電シート５３は梁部材４に沿う幅が圧電シート５２と同じで流路に沿う長さが最も短い。

こうすることで、３枚の圧電シート５は、圧電シート５１が高感度、圧電シート５２が中感度、圧電シート５３が低感度のシートとなる。こうした感度の異なる圧電シート５１〜５３を直列に接続して振幅電圧の総和を計測することで、振幅電圧の変位幅を抑えることができるため、高速域の測定流体３の流量を計測し易くなる。

（６）上記実施形態では、圧電シート５からの出力は、直接リード線１１の端子１１ａから電圧検出手段９に対して取り出す形態とした。これに代えて、出力増幅器を介して赤外線発光素子等に取り出し、その赤外線発光素子からの無線出力を介して、電圧検出手段９、流速導出手段１０が、圧電シート５からの出力に基づいて、測定流体３の流速を導出する構成とすることもできる。

なお、上述の例では、測定流体３を都市ガスとして、ガスヒートポンプに流通される都市ガスの流量を測定するものとして流量センサ１を構成し、０．５ｍ／秒〜３．０ｍ／秒の流速を測定するのに特に好適な例を示したが、測定流体３の種別、流速範囲に応じて圧電シート５の出力特性を設計することができる。

本発明の流量センサは、組み立て容易であり、正確な流量測定が可能であるため、たとえば、ガス供給配管における流量測定に利用することができる。

１ ：流量センサ
２ ：管路
３ ：測定流体
４ ：梁部材
５ ：圧電シート
５ａ ：おもり部材
６ ：流路制限部
８ ：開口
８Ａ，８Ｂ：開口部
９ ：電圧検出手段
１０ ：流速導出手段
１１ ：リード線
１１ａ ：端子
１２ ：ケーブル

Claims (7)

1. 管路内を通流する測定流体の流量を測定する流量センサであって、
   前記管路内の測定流体の流れ方向を横断する方向に沿って設けられる梁部材と、
   前記梁部材に片持ち姿勢で取り付けられ、前記測定流体の流れにより振動する自己励起式の圧電シートと、
   前記管路内において前記梁部材よりも上流側であって前記梁部材に対向する位置に設けられる流路制限部と、
   前記圧電シートに接続して設けられ、前記測定流体によって前記圧電シートに発生する振動による出力に基づいて前記測定流体の流速を導出する流速導出手段と、を備え、
   前記流路制限部は、前記管路を閉塞する管路閉塞体に開口を設けて構成してあり、
   前記開口は、スリット状に形成されて前記管路を横断する前記梁部材の方向に直交する長手部分を有する流量センサ。
2. 管路内を通流する測定流体の流量を測定する流量センサであって、
   前記管路内の測定流体の流れ方向を横断する方向に沿って設けられる梁部材と、
   前記梁部材に片持ち姿勢で取り付けられ、前記測定流体の流れにより振動する自己励起式の圧電シートと、
   前記管路内において前記梁部材よりも上流側であって前記梁部材に対向する位置に設けられる流路制限部と、
   前記圧電シートに接続して設けられ、前記測定流体によって前記圧電シートに発生する振動による出力に基づいて前記測定流体の流速を導出する流速導出手段と、を備え、
   前記流路制限部は、前記管路を閉塞する管路閉塞体に開口を設けて構成してあり、
   前記流路制限部の前記開口は、前記圧電シートの両面側に前記測定流体を通流させるとともに、前記圧電シートの一方面側と他方面側の流量が不均等になるように設けてある流量センサ。
3. 前記開口は、スリット状に形成されて前記管路を横断する前記梁部材の方向に沿う長手部分を有する請求項２に記載の流量センサ。
4. 前記圧電シートは、長手方向における一端部を前記梁部材に固定するとともに、自由端としての他端部に、おもり部材を付設してある請求項１〜３のいずれか一項に記載の流量センサ。
5. 前記おもり部材は、前記圧電シートの一方面側に設けてある請求項４に記載の流量センサ。
6. 管路内を通流する測定流体の流量を測定する流量センサであって、
   前記管路内の測定流体の流れ方向を横断する方向に沿って設けられる梁部材と、
   前記梁部材に片持ち姿勢で取り付けられ、前記測定流体の流れにより振動する自己励起式の圧電シートと、
   前記管路内において前記梁部材よりも上流側であって前記梁部材に対向する位置に設けられる流路制限部と、
   前記圧電シートに接続して設けられ、前記測定流体によって前記圧電シートに発生する振動による出力に基づいて前記測定流体の流速を導出する流速導出手段と、を備え、
   前記圧電シートは、長手方向における一端部を前記梁部材に固定するとともに、自由端としての他端部に、おもり部材を付設してあり、
   前記おもり部材は、前記圧電シートの一方面側に設けてある流量センサ。
7. 前記圧電シートを、少なくともそのシート表面の一部が水平方向に沿う姿勢で、前記梁部材に片持ち姿勢で取り付けてある請求項１〜６のいずれか一項に記載の流量センサ。

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