JPH01107113A - 渦流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、測定流体が流れることによって渦発生体に発
生するカルマン渦に起因する交番力の変化の回数から測
定流体の体積流量或いは質ｍ流ｍを測定する渦流量計に
係り、特に微少流量を測定することが出来るように改良
した渦流量計に関する。

〈従来の技術〉 第５図は従来の渦Ｆｆｆｉ計の構成を示す縦断面図であ
る。

１０は円筒状の金属製の流体管路であり、この中に測定
流体が紙面に直角方向に流される。１１はこの流体管′
ｓ１０に直角に設けられた円筒状のノズルである。

１２はノズル１１とは間隔を保って流体管路１０に直角
に挿入された台形断面を持つ柱状の渦発生体であり、そ
の一端は支持棒１３で流体管路１０に支持され、他端は
フランジ部１４でノズル１１にネジ或いは溶接により固
定されている。

１５は渦発生体１２の７ランジ部１４側に設けられた凹
部である。この凹部１５の中にはその底部に台座１６が
、この上に圧電素子１７がそれぞれ配列され、これ等を
押圧棒１８で凹部１５の底部に押圧固定している。　゛ 圧電素子１７はその厚みが０．５〜０．３ｍｍ程度であ
り、その上に流れの方向に対して左右に分割された一対
の電極が配置されている。

以上の構成において、測定流体が流体管路１０に流され
ると渦発生体１２はカルマン渦を発生し、これにより渦
発生体１２の長手方向に直角方向に交番力Ｆを発生する
。この交番力Ｆにより渦発生体１２の中立軸に対して長
手方向の左右にそれぞれ圧縮応力と引張応力がその軸方
向に交互に発生する。

圧ｆｆｉ素子１７はこの圧縮応力と引張応力とを交互に
受けて圧電素子の表面に設けられた一対の電極に交互に
極性の責なる１８荷を発生する。

これ等の電荷は図示しないチャージコンバータで電圧に
変換されて測定流出に対応した周波数の流Ｍ信号として
出力される。

この様な渦流ｍ計は、原理的にゼロ変動がなく、出力が
周波数で取り出すことができ、かつ渦検出素子が測定流
体に直接触れないので信頼性が高く苛酷な条件の流体に
も適用できるなどの各種の利点を有している。

〈発明が解決しようとする問題点〉 しかしながら、この様な従来の渦流量計は以下に説明す
る問題点がある。

この従来の渦流量計の渦発生体は金属を加工して製作す
るので口径が小さくなると必要な加工精度を得ることが
出来ず、また圧電素子それ自体も所定の厚さを必要とし
現在より小さくすることは出来ず、その上に流体管路の
内面の粗さの影響も口径が小さくなると相対的に大きく
なってあられれる。

従って、この従来の渦流量計はこの構成の延長線上で口
径を小ざくして微少流量を測定することが出来るように
することが難しい、という問題がある。

く問題点を解決するための手段〉 この発明は、以上の問題点を解決するために、測定流体
が流れる流体通路と共にこの流体通路と１体の渦発生体
を異方性エツチングで内部に形成したシリコンプレート
と、この渦発生体の表面に形成され測定流体によって発
生する応力を検出して電気信号に変換するピエゾ抵抗ゲ
ージと、シリコンプレートの両面に陽極接合により接合
され測定流体を流すガラスチューブとを具備するように
したものである。

・く作　用〉 流体通路に測定流体が流されてこれにより流体通路に１
体に形成された渦発生体によりカルマン渦が発生され、
このカルマン渦により渦発生体に歪みの変化が生じ、こ
れを渦発生体に１体に形成されたピエゾ抵抗ゲージで電
気信号に変化して測定流体の流量を検出する。

〈実施例〉 以下、本発明の実施例について図面に基づき説明する。

第１図は本発明の１実施例の構成を示す断面図である。

第１図（イ）は流体通路部分の中心の軸方向断面を示す
断面図、第１図（ロ）は（イ）に示ずＡ−Ａ′断面を示
す断面図である。

１９は所定の厚みを持つ外形が矩形状のシリコンプレー
トであり、このシリコンプレート１９の上方部の内部に
は矩形状の流体通路２０が異方性エツチングにより打ち
抜き形成され、その中央には上下にこの流体通路２０を
遮るように断面が台形状の渦発生体２１が形成されてい
る。

渦発生体２１の上下はこの渦発生体２１より細い結合部
２２．２３で流体通路２０と１体に結合されている。こ
の渦発生体２１は測定流体Ｑの流れの上流側でｄ、下流
側でｄ−（ｄ＞ｄ−）、厚みがｈの柱状をなしている。

渦発生体２１の結合部２２或いは２３の近傍にはピエゾ
抵抗ゲージ２４が例えば拡散などの半導体技術により形
成されている。

この流体通路２０の下方のシリコンプレート１９の表面
には、このピエゾ抵抗ゲージ２４で渦発生体２１の歪み
が変換された電気信号を信号処理する信号処理回路２５
が集積回路技術で形成されている。

以上のようにして各種の要素がエツチング或いは半導体
プロセスにより形成されたシリコンプレート１９は、そ
の流体通路２０が覆われるように両側からパイレックス
ガラスなどで出来たガラスチューブ２７．２８を用いて
陽極接合などにより接合され渦流量計２９が形成される
。

次に、この様な渦流量計を製造する方法について第２図
を用いて説明する。

第２図（イ）はシリコン基板に回路素子などを形成する
工程を示す。シリコン基板３０には最終的に多数のシリ
コンプレート１９を形成する領域３１ｎ　（ｎ−１，２
、・・・）が区切られており、各領域３１ｎごとにピエ
ゾ抵抗ゲージ２４と信号処理回路２５が各々半導体プロ
セスによって形成される。

第２図（ロ）では異方性エツチングにより各領域３１ｎ
に渦発生体２１、流体通路２０をそれぞれ形成する。こ
の領域の一部の渦発生体の断面部分２を（ロ）−に拡大
して示す。シリコン基板２９の上面には流体通路２０に
対応する部分を除いてマスク３２が施されて異方性エツ
チングがなされる。

異方性エツチングで渦発生体２１が形成された後では、
渦発生体２１のテーバ部とシリコン基板の下面とで出来
るエツジ部Ｅは極めてシャープとなり、これは渦の生成
に重要な流れの剥離点となるので安定な渦を発生させる
のに寄与する。

第２図（ハ）はダイシングの工程を示す。第２図（イ）
、（ロ）で作られた多数のシリコンプレート１９はこの
ダイシング工程により切り出され、この切り出されたシ
リコンプレート１９はピエゾ抵抗ゲージ２４、渦発生体
２１、流体通路２０、信号処理回路２５などが内蔵され
ている。

第２図（ホ）は接合工程を示す。シリコンプレート１９
の両側には、（ニ）に示すガラスチューブ２７および２
８を流体通路２０をＩＩ塞するように陽極接合などによ
り接合して渦流量側２９を作る。

このようにして作られた渦流ｍ計２９は、第２図（ホ）
に示すようにその周囲を絶縁物３３などでモールドして
完成される。

以上の製造方法から判るように、本渦流量計は半導体技
術を駆使することによって大量にかつ安価に製造するこ
とができるのである。

次に、このようにして製造された第１図に示す渦ａｍ計
の動作について第３図に示す説明図を用いて説明する。

測定流体Ｑが流体通路２０にガラスチューブ２８を介し
て流入すると、渦発生体２１でカルマン渦が発生し渦発
生体２１の長手方向に直角に周期的に渦放出に伴なう揚
力Ｌ（第３図（イ））が発生する。この揚力りにより、
渦発生体２１の結合部２２には第３図（ロ）に示すよう
に捩じれの応力τが発生し、これをピエゾ抵抗ゲージ２
４で検出して電気信号に変換する。

この場合、渦発生体２１の寸法比をｈ／ｄ−０゜９５程
度、テーバ角θ−５５°程度（但し、ｔａｎθ−２ｈ／
（ｄ−ｄｌ）にすると安定な渦が形成される。

ピエゾ抵抗ゲージ２４で変換され流速に比例して周期的
に変化する電気信号は信号処理回路２５で増幅され、流
量に比例した渦信号として外部に出力される。

渦発生体２１の幅ｄは口径りが小さくなるにしたがって
小さくなるが、シリコンの微細加工ではｄが１ｍｍのオ
ーダでも十分な１１１１が得られるので、ｄ／Ｄ中０．
２８とすると、口径りが４ｍｍ程洩は容易に製作するこ
とができる。

なお、第１図に示す実施例では、ピエゾ抵抗ゲージ２４
の出力の電気信号を同一のシリコンプレート１９上に形
成した信号処理回路２５で処理しているが、この信号処
理回路は別体として構成しても良い。

また、第１図に示す実施例では検出寸べき応力を捩じれ
による応力でとして求めているが、これに限られず第４
図に示ず様に構成しても良い。

渦発生体を第４図（イ）に示す様にその両端３４ａ、３
４ｂに第３図に示す様なくびれた結合部２２．２３を持
たない渦発生体３４としてその表面にピエゾ抵抗ゲージ
２４を形成する。

′−そして、ピエゾ抵抗ゲージ２４は交番揚力しに起因
する曲げモーメントＭ（第４図（ロ））による曲げ応力
σ、或いは交番抗力Ｒに起因する曲げモーメント（第４
図（ロ））による曲げ応力σが検出できるような位置に
選定し、この位置で曲げ応力σを検出するようにしても
良い。

シリコンプレート１９にはピエゾ抵抗ゲージと共に温度
センサを形成することにより、温度も同時に測定し温度
補償に用いると温度誤差がより小さくなる。

また、ピエゾ抵抗ゲージ２４からの信号の周波数ｆは流
速をＶとすればｆＯ：Ｖであり、その振幅Ｓは流体の密
度をρとすれば５ｏｃｐＶ’となる。

従って、信号処理回路２５でＳ／ｆなる演算を実行すれ
ばＳ／ｆｏｅρＶとなり、質量流ｍρＶを容易に求める
こともできる。

〈発明の効果〉 以上、実施例と共に具体的に説明したように本発明によ
れば、同一のシリコンプレートに渦発生体、流体通路、
ピエゾ抵抗ゲージなどがシリコンの微細加工技術により
形成されているので、コストの安い大量生産が可能であ
り、しかもこれ等の寸法の精度が良く小形で微少流層ま
で安定に測定できる。

４、図面のｗ！ＪＩＩＩな説明 第１図は本発明の１実施例の構成を示す断面図、第２図
は第１図に示す渦流量計を製造する製造方法の工程を示
す工程図、第３図は第１図に示す実施例の動作を説明す
る説明図、第４図は第１図に示ず渦発生体とは異なる構
成の渦発生体の変形実施例を示す説明図、第５図は従来
の渦流量計の構成を示寸断面図である。

１０・・・流体管路、１２・・・渦発生体、１７・・・
圧電素子、１９・・・シリコンプレート、２０・・・流
体通路、２１・・・渦発生体、２４・・・ピエゾ抵抗ゲ
ージ、２５・・・信号処理回路、２７．２８・・・ガラ
スチューブ、２９・・・渦流量計、３０・・・シリコン
基板。

第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 測定流体が流れる流体通路と共にこの流体通路と１体の
   渦発生体を異方性エッチングで内部に形成したシリコン
   プレートと、この渦発生体の表面に形成され前記測定流
   体によって発生する応力を検出して電気信号に変換する
   ピエゾ抵抗ゲージと、前記シリコンプレートの両面に陽
   極接合により接合され前記測定流体を流すガラスチュー
   ブとを具備することを特徴とする渦流量計。