JPH05164638A

JPH05164638A - 圧力センサ

Info

Publication number: JPH05164638A
Application number: JP3349728A
Authority: JP
Inventors: Tomio Kato; 臣男加藤; Masakazu Yamamoto; 昌和山本; Toru Ito; 徹伊藤
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1991-12-10
Filing date: 1991-12-10
Publication date: 1993-06-29

Abstract

(57)【要約】【目的】振動、温度変動、流体全体に伝播されるノイ
ズ等に対して、センサ構造による補正に加えるととも
に、機械的に繊細な圧力検出部に異物が流入することを
防止し、高感度で信頼性の高い圧力センサを提供する。【構成】膜状圧電体の両面に電極層を設けた２個の圧
電素子（２、３）を、同一方向の面が同一の分極極性と
なるように配置し、２個の入口ノズル（39、40）から流
体圧力を、一方の圧電素子の第１の面と他方の圧電素子
の第２の面、および他方の圧電素子の第１の面と一方の
圧電素子の第２の面にそれぞれ導入し、２個の入口ノズ
ル（39、40）に、圧力検出部（４）への異物の流入を防
止する手段（51、52）を設けた圧力センサ（１）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、微小な圧力変動まで検
出でき、出力信号に対する振動等によるノイズの比（以
下ＳＮ比と称する。）が高い、圧電素子を使用した、気
体流量計に用いて最適な圧力センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】圧力センサとしては従来からマノメ―
タ、ブルドン管式、静電容量式、差動トランス式あるい
は半導体ダイヤフラム式など種々のものが知られてい
る。これらは一般的に大きな圧力の検出に用いられてお
り、大型で構造が複雑であったり、高価なものが多い。
また、検出対象の圧力が大きなこともあり、通常、振動
などの外乱によるノイズに対して配慮されていない。そ
のため、微小な圧力まで検出することが要求される用途
には、使用できないか、たとえ使用したとしてもノイズ
の割合が高くなって高精度な検出が困難となる。

【０００３】微小な圧力まで検出できる程好ましい用途
として、たとえば圧力検出を介して流体の流量を検出す
るフルイディック流量計やカルマン渦流量計がある（た
とえば特開昭６０−１８７８１４号公報、特開昭５７−
５４８０９号公報）。また、これら流量計に用いて最適
な、微小圧力変動まで検出可能な圧力センサとして、膜
状の圧電素子を用いた圧力センサが知られている（たと
えは特開昭５７−５４８０９号公報）。上記フルイディ
ック流量計は、特開昭６０−１８７８１４号公報にも示
されているように、流量計素子部において、噴出ノズル
から噴出された流体の主流をコアンダ効果を利用して一
対の隔壁に交互に沿わせ、その流動変化の際に生じる圧
力変動を圧力センサで検出し、流体の流量を該流量に応
じた圧力変動の周波数で検出するようにしたものであ
る。カルマン渦流量計は、特開昭５７−５４８０９号公
報にも示されているように、流量計素子部内に設けられ
た渦発生体により流通流体中にカルマン渦を断続的に発
生させ、カルマン渦が通過する際に生じる圧力変動を圧
力センサで検出し、流体の流量を該流量に応じたカルマ
ン渦発生数で検出するようにしたものである。

【０００４】このような流量計に用いられる圧力センサ
としては、高感度、つまり微弱な圧力変化および広い周
波数域における圧力変化まで検出できる程望ましく、そ
のためには、振動等の外乱に対する対策を施して、ＳＮ
比を相当高くしなければならない。ＳＮ比を高くするた
めに、とくに振動対策を施したものとして、前述の特開
昭５７−５４８０９号公報に開示された圧力センサが知
られている。この圧力センサは、圧電素子として高分子
圧電体を使用し、圧力検出用とノイズ成分補正用とに分
岐したレバ―の両側にそれぞれ圧電素子２枚をバイモル
フ型のように取付け、ノイズ成分補正用圧電素子は周囲
をカバ―して圧力検出用圧電素子と雰囲気を分離したも
のである。ノイズ成分となる振動は、圧力検出用圧電素
子とノイズ成分補正用圧電素子の両方に加わるので、圧
力検出用圧電素子からの出力信号からノイズ成分補正用
圧電素子による信号を差し引けば、原理的には振動に起
因するノイズが除去されることになる。この方法は検出
対象以外のノイズ成分を補正する差動型といわれる最も
一般的な方法である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記圧
力センサの構造においては、ノイズ成分補正用と圧力検
出用の圧電素子はそれぞれ構造や雰囲気が異なるところ
に納められているため、両圧電素子への振動や温度の伝
わりかたがそれぞれ異なり、ノイズ成分を正確にかつ十
分に除去できないという問題がある。とくに、ノイズ成
分補正用圧電素子を隔離しているため、流体の温度変動
に関するノイズ、および絞り弁等から流体全体に伝幡し
てくるノイズ成分は除去され難い。また、機械的に弱い
圧電素子が流体流路中に露出する構造であるので、流体
中の異物などが圧電素子に付着し易いという問題、およ
び製作、取り扱い、実施の過程で圧電素子に損傷あるい
は感度低下を招きやすいという問題がある。

【０００６】このような問題点に対し、先に本出願人に
より、２個の圧電素子を並置し、２個の入口ノズルから
同容積の流体圧力導入経路を介して各圧電素子の各面に
それぞれ圧力を伝播させ、該圧力を各圧電素子で逆相に
て同時に検出するようにした圧力センサおよびその圧力
センサを用いた気体流量計が提案されている（特願平１
−８９６３３号）。この提案により、振動によるノイズ
は勿論のこと、温度変動や流体全体に伝幡される雑ノイ
ズ等のノイズを正確に補正できてＳＮ比が高い、かつ微
弱な圧力変動まで検出できる高感度な、しかも構造が簡
単で信頼性の高い圧力センサ、およびその圧力センサを
用いた高精度な気体流量計が得られた。

【０００７】しかしさらに検討を進めた結果、上記先に
提案した圧力センサには、以下のような問題点のあるこ
とが判明した。すなわち、上記先に提案した圧力センサ
は、それを流量計に適用する場合、機械的に弱い圧電素
子を流量計素子部内に露出させなくてもよい構造を長所
としているが、流体を流通させる配管内に砂塵や配管の
錆、あるいは配管工事の時に管内に残ったものが風化し
て微小な破片になったものなどが流体と共に圧力センサ
方向へ流れることも予想される。このような状態が生じ
ると、流量計素子部から、圧力センサの２個の入口ノズ
ルを通して、異物が圧力センサの圧力検出部まで到達す
る可能性がある。多量の異物が圧力検出部内に混入する
と、高精度な圧力変動の検出、つまり高精度な流量測定
が困難となるばかりか、圧電素子を損傷し、圧力センサ
の耐久性、信頼性に大きなダメージを与えることにな
る。

【０００８】本発明の目的は、先に提案した圧力センサ
にさらに改良を加え、振動、温度変動、流体全体に伝播
されるノイズ等のセンサ構造による補正に加え、さら
に、機械的に繊細な圧力検出部に異物が流入することを
防止し、高感度で信頼性の高い圧力センサを提供するこ
とにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この目的に沿う本発明の
圧力センサは、膜状圧電体の両面に電極層を設けた２個
の圧電素子を、それぞれ２個一対のホルダで両面から挟
持して張設した圧力検出部を備え、前記２個の圧電素子
は同一の方向に向きかつ同一方向の面が同一の分極極性
となるように配置され、前記圧力検出部には流体の圧力
を導入する２個の入口ノズルが設けられ、一方の入口ノ
ズルが第１の流体圧力導入経路を介して一方の圧電素子
の第１の面に連通されるとともに第４の流体圧力導入経
路を介して前記一方の圧電素子の第１の面とは分極極性
が異なる他方の圧電素子の第２の面に連通され、他方の
入口ノズルが第２の流体圧力導入経路を介して前記一方
の圧電素子の第２の面に連通されるとともに第３の流体
圧力導入経路を介して前記他方の圧電素子の第１の面に
連通された圧力センサであって、前記２個の入口ノズル
に、前記圧力検出部への異物の流入を防止する手段を設
けたものからなる。

【００１０】上記異物流入防止手段は、たとえば、一面
側から他面側へ流体の圧力を伝播する可撓性の膜を張設
することにより、あるいは、流体中の微細な異物まで捕
捉可能なフィルタを設けることにより、構成される。

【００１１】この圧力センサは、フルイディック流量計
やカルマン渦流量計からなる気体流量計に用いて最適な
圧力センサであり、圧力センサの上記２個の入口ノズル
が、２個の同面積の導圧用孔を開けたガスケット等を介
して、流通される流体の流量に応じた圧力変動を発生す
る流量計素子部に接続される。

【００１２】この発明において、圧電素子に使用する圧
電体は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）に代表される
セラミック圧電体、高分子圧電体、あるいは高分子にＰ
ＺＴ粉末を混入した複合圧電体等から成る。高分子圧電
体は、たとえば、フッ化ビニリデンと３フッ化エチレン
の共重合体から構成される。その膜厚は、感度、強度、
取扱い性を考慮して選ぶのが好ましい。膜厚は周知の製
膜技術により、容易にかつ高精度に制御可能である。

【００１３】圧電体の両面に設けられる電極層は、アル
ミニウム、銅、金、ニッケル、パラジウム等の材質から
構成され、蒸着、スパッタリング、メッキ等のメタライ
ジング手法により圧電体の面に形成される。各流体圧力
導入経路は、導入されてくる流体が直接的に圧電素子面
に当たらないよう、曲折構造あるいは絞り介在構造とす
ることが望ましい。また、圧電素子の分極極性は、圧電
体製造過程において付与されるが、この付与には周知の
方法が適用できる。圧電素子は、両面がそれぞれ同一の
方向に向くように圧力検出部内に配置されるが、並列的
な配置、直列的な配置のいずれでもよい。

【００１４】

【作用】上記のような圧力センサにおいては、ある圧力
取出口から取出された流体の圧力が、一方の入口ノズ
ル、第１の流体圧力導入経路、第４の流体圧力導入経路
を介して、一方の圧電素子の第１の面および他方の圧電
素子の第２の面に同時に導入され、別の圧力取出口から
取出された同じ流体の圧力が、他方の入口ノズル、第２
の流体圧力導入経路、第３の流体圧力導入経路を介して
一方の圧電素子の第２の面および他方の圧電素子の第１
の面に同時に導入され、両面間の差圧により生じる各圧
電素子の変形によって分極量が変化し、それによって生
じる圧電体両面間の電位差が電極層を介して出力され
る。両圧電素子は両者出力の和が増幅回路等に入力さ
れ、信号処理により、流量に比例する周波数信号として
取り出される。

【００１５】この圧力センサにおける検出においては、
（イ）圧電素子の両側に同時に流体圧力を導き、その差
圧を検出する構造であること、（ロ）実質的に同一構造
で同一雰囲気中に２個の圧電素子を並設したこと、によ
り極めて正確にノイズ成分が除去される。

【００１６】まず、一個の圧電素子の両面に流体圧を同
時に導くので、同一の測定対象流体に対して２個の入口
ノズルをそれぞれ異なる測定位置へと接続することよ
り、流体全体の圧力変動（ノイズ成分）については圧電
素子両面に同時に導きつつ一方の経路からはその測定位
置に対応する局部的な圧力変動を導くことができる。流
体全体の圧力変動は２個の圧電素子の両面に同時に伝達
されるので、この変動成分によって２個の圧電素子が同
一の変形をして圧電素子自身で流体全体の圧力変動によ
る電位差が消去され、両面間の差圧成分に対応した電位
差および差圧発生回数に対応した周波数の信号が出力さ
れる。また、流体全体の温度変動に対しても同様であ
り、各圧電素子の両面に同時に温度変動が伝達されるの
で、この変動成分によって２個の圧電素子は同一の変形
をして圧電素子自身で温度変動によるノイズ成分は自動
的に消去される。したがって、この圧力センサをフルイ
ディク流量計やカルマン渦流量計の流量計素子部に接続
することにより、ノイズとなり得る流体全体の変動成分
を自動的に消去しつつ、流体振動による圧力変動成分あ
るいはカルマン渦による圧力変動成分のみを高精度で検
出できるようになる。

【００１７】そして、分極極性が同一方向となるように
配設されたそれぞれの圧電素子の、互に異なる分極極性
の面に同一経路からの圧力が導入されるので、両圧電素
子の変形方向は逆相となり、両者の和として出力するこ
とにより、上記流体全体の変動に起因するノイズ成分が
除去された出力信号が、圧電素子１枚の場合に比べ２倍
も高い感度で得られることになる。

【００１８】また、圧力センサや流量計全体の振動に起
因するノイズ成分は、２個の圧電素子並設構造により略
完全に除去される。２個の圧電素子は同一方向に向けて
配置されているので両圧電素子が同時に同じ条件で振動
する。上述の如く、両圧電素子は測定対象圧力を互に逆
相で同時に検出するが、両圧電素子に振動が加わった場
合、その振動によって、一方の圧電素子に上記検出圧力
を減ずる方向の変形力が加わったたとすると、他方の圧
電素子には必ず同じ大きさで検出圧力を増加させる方向
の変形力が働く。圧力検出部からの出力としては、両圧
電素子の逆相の検出出力の和としてとり出されるので、
結局上記振動に伴うノイズ成分は自動的に消去されるこ
とになり、測定対象圧力のみが、前述の如く２倍の感度
で検出される。

【００１９】さらに本発明の圧力センサでは、流量測定
の際に、配管内等を流れている流体中に異物が混入して
いたとしても、それら異物が流量計素子部から圧力セン
サの２個の入口ノズルを通して圧力検出部内に流入する
ことが防止される。すなわち、２個の入口ノズル部に
は、異物流入防止手段が設けられているので、異物が圧
力センサ方向に流動したとしても、入口ノズル部で阻止
され、機械的に繊細な圧力検出部に到達することは防止
される。この異物流入防止手段は、圧力伝播可能な隔
膜、又はフィルタ等から構成されるので、流体流量測定
に必要な流体の変動圧力はそのまま圧力検出計へと伝播
されるが、不要な異物はその通過が阻止される。したが
って、高精度な変動圧力検出性能は維持されつつ、異物
の流入が防止されることになり、流量の高精度測定が達
成されつつ、圧力センサの耐久性、信頼性が向上され
る。

【００２０】

【実施例】以下に、本発明の望ましい実施例を図面を参
照して説明する。図１ないし図７は本発明の一実施例に
係る圧力センサを、図13は上記圧力センサをフルイディ
ック流量計に使用した場合の例を示している。

【００２１】図１において、１は本発明に係る圧力セン
サ全体を示しており、該圧力センサ１は、２個の圧電素
子２、３を有する圧力検出部４と、電気的信号処理回路
５（図１３に図示）を備えている。２個の圧電素子２、
３は、２個一対のホルダ12、13および14、15で両面から
挟持されて中央部が変形可能に張設されている。圧電素
子２、３は、図２に拡大して示すように、圧電材料から
なる膜状の圧電体６、７の両面に、耐腐食性の良いアル
ミニウム、銅、金、ニッケル、パラジウム等の金属から
なる電極層８、９および10、11を蒸着、スパッタリン
グ、メッキ等により形成して構成されている。この２個
の圧電素子２、３の平面形状は、本実施例では円形とさ
れているが、これに限定されない。圧電体６、７の材質
としては、種々の圧電材料が適用可能であるが、本実施
例では、フッ化ビニリデンと３フッ化エチレンの共重合
体からなる高分子圧電材料を使用した。高分子圧電膜の
厚さは、感度、強度、取扱い易さを考慮して決められる
が、本実施例では15μｍとした。ただし本発明に係る圧
力センサは、勿論液体用のものも含み、測定対象液体に
応じて高分子圧電膜の厚さ、後述の電極部等の構造を適
宜選択すればよい。また、図示は省略するが、測定対象
流体、圧力変動の大きさによっては、薄い金属又はゴム
製ダイヤフラムに高分子圧電膜を張り付け、全体が補強
された高分子圧電膜として扱うことも可能である。

【００２２】圧電素子２、３の周縁部は、両側から、電
極層８、９および10、11を介してホルダ12、13および1
4、15によって挾持されている。各ホルダに保持された
圧電素子２、３は、両面がそれぞれ同一の方向に向くよ
うに並設されており、かつ同一方向の面がそれぞれ同一
の分極極性になるように配置されている。ホルダ12、1
3、14、15は、その全体又は表面がたとえば真ちゅう等
の導電体で構成され、各電極層８、９、10、11にそれぞ
れ電気的に接続されて各圧電素子の出力端子として機能
する。ホルダ12と13、14と15間は、圧電体６、７によっ
て絶縁されている。

【００２３】この２個一対のホルダ12、13および14、15
で、圧電素子２、３は、図３および図４に示すように挟
持され、張設される。平面形状が円形の圧電素子２、３
は、その周縁部でホルダに挟持されるが、このホルダの
圧電素子挟持面12a 、13a および14a 、15a はそれぞ
れ、同一方向に同一角度θで傾斜する傾斜面に形成され
ている。傾斜角θは、傾斜角θと圧力センサの出力との
試験結果から、最大の出力が得られた７°の角度を採用
している。ただし、この傾斜角は、圧電素子２、３の材
質、厚み、剛性等により、圧力センサの出力が最大にな
るよう適宜決定すればよい。圧電素子２、３は、組込
前、つまり両ホルダ12、13または14、15に挟持される前
は、図３に示すように、単なるフラットな膜として形成
されている。そして傾斜面12a 、13a および14a 、15a
を有する両ホルダ12、13および14、15に挟持されると、
図４に示すように、圧電素子２、３周縁部が傾斜面12
a、13aおよび14a 、15a に沿って強制的に変形されるた
め、圧電素子２、３全体は、ダイヤフラム状（図示の形
状）、あるいは半球状になり、その状態で張設される。

【００２４】なお、予めダイヤフラム状や半球状に成形
した圧電素子を使用し、それを注意深く両ホルダに挟持
させることによっても同様にその形状に維持され、感度
も保たれる。

【００２５】圧電素子２、３の両面側には、圧力室16、
17、18、19が形成されている。各圧力室16、17、18、19
はそれぞれ対応する前室20、21、22、23に連通してい
る。

【００２６】圧電素子２、３は、図５に示すように圧接
狭持されている。図示例は、圧電素子２について示して
いるが、圧電素子３に対しても同様の構造となってい
る。圧電素子２は、ホルダ12、13によって両面側から挟
持され、下側のホルダ12は、スペーサ24、電極板25を介
して支持され、電極板25は四角頭を有する（回り止めを
施した）ねじ26を介して固定されている。上側のホルダ
13は、電極板27を介してばね28によって付勢されてお
り、ばね28の付勢力を利用して圧電素子２が両ホルダ1
2、13間に圧接挟持されている。電極板27は、四角頭を
有するねじ29により、上記圧接方向の自由度をもたせつ
つ、位置固定されている。ねじ29は、圧力検出部４内か
ら気体が洩れないようにするためのＯリング49、ワッシ
ヤ30、ナット31を介して基板32の蓋33に固定されてい
る。各ねじ29に、ナット34を介して回路基板35が固定さ
れており、この回路基板35上に、電気的信号処理回路５
が組み込まれている。図１における36、37は、該回路５
の電源入力端子を、38は該回路5 からの出力端子をそれ
ぞれ示している。これら入出力端子36、37、38は、シー
ルドケースの蓋46にハーメチックシールを施して端子部
から気体が洩れないようにしている。なお、圧電素子
２、３の一方の電極板25、25又は27、27同士が、ねじ29
を介して回路基板35上で電気的に接続され、他方の電極
板27、27又は25、25については、その一方が電気的信号
処理回路５への入力として該回路５に接続されている。

【００２７】圧力検出部４は、ホルダ12、13および14、
15を収納、保持する基板32、第２の流体圧力導入経路43
の一部および第４の流体圧力導入経路45の一部が形成さ
れた基板の蓋33、流体の圧力を導入する２個の入口ノズ
ル39、40が形成されたシールドケース41で囲まれてい
る。シールドケース41と基板32、基板32とその蓋33、お
よびシールドケース41とその蓋46とは、変形Ｏリングを
介して内部からの漏れがないように接合されている。基
板32、その蓋33は絶縁性が良く、機械的強度が高いエポ
キシ樹脂やポリアセタ―ル樹脂等のエンジニアリングプ
ラスチックで構成されればよく、本実施例ではポリブチ
レンテレフタレート樹脂（ＰＢＴ樹脂）で構成されてい
る。

【００２８】一方の入口ノズル39は、前室20、圧力室16
を介して圧電素子２の第１の面に連通するとともに、連
通路47、前室23、圧力室19を介して他方の圧電素子３の
分極極性の異なる面（第２の面）に連通している。した
がってこれら前室20から圧力室16までの経路は、本発明
でいう第１の流体圧力導入経路42を構成しており、連通
路47から圧力室19までの経路は第４の流体圧力導入経路
45を構成している。他方の入口ノズル40は、前室22、圧
力室18を介して圧電素子３の他面（第１の面）に連通す
るとともに、連通路48、前室21、圧力室17を介して圧電
素子２の他面（第２の面）に連通している。したがっ
て、これら前室22から圧力室18までの経路は、第３の流
体圧力導入経路44を構成しており、連通路48から圧力室
17までの経路は、第２の流体圧力導入経路43を構成して
いる。

【００２９】さらに本実施例では、２個の圧電素子２、
３に対して、各入口ノズル39、40、および流体圧力導入
経路42、44、流体圧力導入経路43、45の配置と、圧力検
出部４の内部構造が、ほぼ同形対称に構成されている。

【００３０】この圧力検出部４と電気的信号処理回路５
とは、それらが商用電源等からの電磁誘導ノイズを受け
ないように電気的良導体である金属などからなるシ―ル
ドを兼ねたケ―ス41に収納されている。回路における電
源のマイナス電極とケ―ス41とは、図示していないがね
じ、ナット、ワッシャを介して接続されている。また、
配線材や電子部品が動くことにより発生するノイズを防
ぐためにエポキシ系の充填材でケ―ス41とそれらを固定
し、内部に余分な隙間がないようにして圧力センサ１が
構成されている。

【００３１】２個の入口ノズル39、40には、本実施例で
は各入口ノズル39、40の入口側には、一面側から他面側
へ流体の圧力を伝播可能な可撓性を有する、異物流入防
止手段としての膜51、52が張設されている。膜51、52
は、入口ノズル39、40を完全に閉じるように、シールド
ケース41表面に形成された凹部53、54の座面に貼着され
ている。膜51、52の中央部の可撓性によって、膜外面に
伝播されてきた変動圧力が、膜の反対面から各入口ノズ
ル39、40内を介して圧電素子２、３を有する圧力検出部
４へと伝播される。

【００３２】膜51、52のより具体的な構造は、図６、図
７に示すようになっている。膜51、52は、圧力を敏感に
伝播できるよう薄膜から構成されており、圧力変動に応
じて感度よく変形できるよう、図示の如くダイヤフラム
形状に形成されている。また、入口ノズル39、40の径を
比較的大きくとり、膜51、52がその中央部で圧力により
容易に変形できるようになっている。膜の材質として
は、有機、無機を問わない。しかし、熱的安定性や耐薬
品性が良いものを選択することが望ましい。例えば、ス
テンレスやニッケル等の金属薄膜、ＰＥＴ（ポリエチレ
ンテレフタレート）やフッ素樹脂等のプラスチック薄膜
などがある。本実施例ではＰＥＴの薄膜を用いている。

【００３３】膜の取付方法としては、膜を張ってそれを
押さえ具で圧接する方法と膜を接着剤で直接固定する方
法とがある。いずれの方法を採用するかはその圧力セン
サを使用する環境条件で定めれば良い。また、膜は、一
枚の膜で両入口ノズルを遮蔽するように、張設されても
よく、本実施例の如く、各入口ノズルに対し、それぞれ
専用の膜を設けるようにしてもよい。図８ないし図11
に、膜の取付方法について、各変形例を示す。

【００３４】図８に示す例では、シールドケース90に、
入口ノズル91、92共通の座ぐり凹部93が設けられ、該凹
部93内に１枚の薄膜94が設けられている。膜94は、入口
ノズル91、92に対応する部分については変形が許容され
るように押さえ具95で固定されている。図９に示す例で
は、図８の例に比べ、膜が入口ノズル91用の膜96と入口
ノズル92用の膜97とに分割されている。図10に示す例で
は、膜98がシールドケース99の表面に、接着剤で直接貼
着されている。膜98の感度をよくするため（変形し易く
するため）、入口ノズル 100、101 の膜隣接部分が拡径
されている。図11に示す例では、図10の例に比べ、２分
割された膜 102、103 がシールドケース99の外面に貼着
されている。このように、膜形状、膜の取付方、膜取付
部の構造については、各種採り得る。

【００３５】図12は、本発明の他の実施例に係る圧力セ
ンサの、異物流入防止手段を示している。本実施例で
は、異物流入防止手段はフィルタ 111、112 から構成さ
れている。シールドケース113 に設けられた入口ノズル
114、115 の流体入口側（ケース表面側）に凹部 116、
117 （座ぐり）が形成され、該凹部 116、117 内にそれ
ぞれフィルタ 111、112 が設けられている。フィルタ 1
11、112 は、本実施例では、接着剤で固定されている
が、圧入、あるいは押さえ具を用いて固定する方法でも
よい。

【００３６】フィルタ 111、112 の濾過精度（メッシ
ュ）は、微細な異物まで捕捉できるよう高精度のものが
好ましいが、圧力損失が大きくなりすぎないよう配慮す
ることが好ましい。また、フィルタの材質としては、有
機、無機を問わない。しかし、熱的安定性や耐薬品性が
良いものを選択することが望ましい。素材の形状として
は多孔質あるいは長繊維のもので脆くないものが良い。
例えば、長繊維のステンレスや、ＰＥＴ（ポリエチレン
テレフタレート）等の合成樹脂、多孔質セラミック等の
フィルタがある。本実施例では長繊維のＰＥＴで製作さ
れたフィルタを用いている。

【００３７】上記のような構成を有する圧力センサの作
用を、前述の圧力センサ１について、該圧力センサ１を
フルイディック気体流量計に用いた場合の構成および作
用とともに以下に説明する。

【００３８】図13は、圧力センサ１をフルイディック流
量計に適用した場合の構成を示しており、図中60がフル
イディック流量計における流量計素子部を示している。
流量計素子部60を、矢印の方向に測定対象気体が流通さ
れる。61は流路縮小部で、その先端の噴出ノズル62から
流速の増大された噴流が噴出される。噴流の主流は、コ
アンダ効果により、流路拡大部63を構成する一対の隔壁
64、65のいずれか一方の壁面に沿って流れるが、該壁面
流は反射翼69に沿って方向転換されて制御ノズル66（又
は67）から上記噴出ノズル62からの噴流に直交するよう
に指向され、噴出ノズル62からの噴流がもう一方の隔壁
に沿って流れるよう力が作用する。これがくり返される
ため気体は隔壁64、65に対し交互に沿うように流れ、こ
の流動変化に対応して流量計素子部60内に圧力変動が生
じる。上記流動変化の周波数は気体流量に比例している
ので、圧力変動の周波数を検出することにより流量を測
定できる。なお、図における68は、噴流をいずれか一方
の隔壁に効率よくふり向けるためのタ―ゲット、70は流
れを誘導するための誘導板である。

【００３９】上記のような流量計素子部60内に、内圧取
出口71、72が設けられ、内圧取出口71、72がガスケット
73（耐薬品性のあるゴムがよい）を介して圧力センサ１
の入口ノズル39、40にそれぞれ接続される。

【００４０】流量計素子部60の内部で流れが内圧取出口
71側に切替ったとき、内圧取出口71近傍の流体圧力は内
圧取出口72近傍よりも低くなり、逆に流れが内圧取出口
72側に切替ると、内圧取出口72近傍の流体圧力の方が低
くなる。この内圧取出口71における圧力（Ｐ１）が、ガ
スケット73、入口ノズル39、第１の流体圧力導入経路42
および第４の流体圧力導入経路45を介して、圧電素子２
の第１の面と圧電素子３の第２の面に導入され、内圧取
出口72における圧力（Ｐ２）が、ガスケット73、入口ノ
ズル40、第２の流体圧力導入経路43および第３の流体圧
力導入経路44を介して圧電素子２の他面（第２の面）と
圧電素子３の他面（第１の面）に導入される。両圧電素
子２、３にはＰ１とＰ２の圧力が交互に加わり、その圧
力変動による圧電素子の変形によって分極量が変化し、
それによって圧電体自身の両面に電位差が生じる。両圧
電素子２、３の出力の和が電気的処理回路５に送られ、
処理されて出力端子36、37から圧力変動検出信号として
取り出される。

【００４１】上記検出においては、圧電素子の両面に同
時に流体圧力が導入され、その差圧が各圧電素子で検出
される方式であるので、流体全体に生じた圧力変動およ
び温度変動によるノイズ成分は、それらが圧電素子の両
面に同時に加わることからノイズ成分によって圧電素子
は同一の変形をして、ノイズ成分は圧電素子自身におい
て、自動的に消去されることになる。そして、上記ノイ
ズの消去された測定対象圧力の検出出力は、両圧電素子
２、３からの出力の和として取り出されるので、一枚の
場合に比べ、２倍の感度で取り出され、極めて高精度な
検出が可能となる。

【００４２】また、外乱として振動が加わった場合、そ
の加振力は両圧電素子２、３に同時に同方向の力として
作用する。圧電素子２、３の流体圧力導入による変形方
向は互に逆方向とされているが、上記加振力による２個
の圧電素子の変形代は、変形を増加、減少させる方向に
関して、同一方向となる。したがって、このノイズ成分
による出力の増減は、両圧電素子２、３の出力を加算す
る段階で自動的に消去される。

【００４３】また、音圧によるノイズについては、伝播
されてくる音圧によって、各圧電素子２、３は、同時に
その厚み方向に同一量だけ変形する。したがって、この
ノイズ成分による出力の増減は、両圧電素子２、３の出
力を加算する段階で自動的に消去される。その結果、音
圧によるノイズも自動的に消去され、測定対象の圧力変
動が極めて高精度で検出される。

【００４４】さらに本実施例では、このノイズ除去効果
をさらに高めるために、２個の圧電素子２、３に対し
て、入口ノズル39、40、各流体圧力導入経路の配置と圧
力検出部の構造がほぼ同形対称に構成されている。

【００４５】次に、圧力検出部４への異物流入防止につ
いて説明する。膜51、52が入口ノズル39、40を完全に閉
じるように張設されているので、この部分で、たとえ微
細な異物であっても完全に遮蔽され、異物が圧力検出部
４へ到達することは防止される。一方、膜51、52は可撓
性を有し、かつ変形可能に張設されているので、膜51、
52の外面側に伝播されてきた流体圧力は、膜51、52の変
形を介して膜51、52の内面側に伝達され、圧力検出部４
の各圧電素子２、３へと伝達されて上述の高精度な測定
が行われる。

【００４６】この隔膜方式の異物流入防止手段を用いる
場合には、異物流入防止に加え、副次的な機能として、
圧力センサが気体用に製作されている場合において、測
定対象流体を液体に変えても、隔膜以降に液体が流入す
ることがないので、そのまま使用したり圧力センサ内部
の材質などを変えることなく液体用の圧力センサを製作
したりすることが可能である。

【００４７】また、異物流入防止手段としてフィルタ 1
11、112 を用いる場合には、測定対象流体の圧力検出部
４への流通を許容しつつ、したがって伝播されてくる流
体圧力をそのまま圧力検出部４へ伝えつつ、該流体に混
入していた異物が入口ノズル部でフィルタ 111、112 に
捕捉される。この場合にも、圧電素子２、３に悪影響を
与えるような異物の侵入は防止されるので、前述の高精
度な測定が確保される。

【００４８】さらにフィルタ方式の異物流入防止手段を
用いる場合には、測定対象流体や測定環境（流体や流路
の汚れ状況など）に応じてフィルタのメッシュを設定で
きるので、異物流入防止効果と高精度測定とを巧みにバ
ランスさせることが可能である。

【００４９】図14は、本発明による圧力センサをカルマ
ン渦流量計に使用した場合の例を示している。図14にお
いて、80はカルマン渦流量計の流量計素子部を示してお
り、81は渦発生体を示している。図の矢印の方向に流れ
てきた流体は、渦発生体81に当たることにより、その後
流に断続的にカルマン渦82を発生させる。このカルマン
渦82の通過部分に、一方の内圧取出口83が設けられ、他
方の内圧取出口84は流量計素子部80の内壁面部に設けら
れている。両内圧取出口83、84は、ガスケット85を介し
て圧力センサ１の入口ノズル39、40に接続される。その
他の構成は前述の実施例に示した構成に準じる。

【００５０】このようなカルマン渦流量計においては、
流体の流量に比例して単位時間当りのカルマン渦の発生
数が変化し、内圧取出口83部におけるカルマン渦通過数
を計測することにより流量が検出される。カルマン渦通
過の際の圧力変動が、内圧取出口83、ガスケット85、入
口ノズル39を介して両圧電素子２、３の片面側に導入さ
れ、内圧取出口84、ガスケット85、入口ノズル40を介し
て通過流体全体の圧力および圧力変動が両圧電素子２、
３の他面側に導入される。両圧電素子２、３の出力の和
としてカルマン渦通過による圧力変動のみが精度よく検
出され、高感度、高精度の流量測定が可能になる。その
他の作用は前述のフルイディック流量計の場合に準じ
る。

【００５１】以上の説明はフルイディック流量計、カル
マン渦流量計について行ったが、他の流量計であっても
圧力変動検出を必須とするものであれば本発明による圧
力センサの適用が可能である。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の圧力セン
サによるときは、同一方向の面が同一の分極極性となる
ように配置した２個の圧電素子の一方の面に一方の入口
ノズルからの圧力を加え、他方の面には他方の入口ノズ
ルからの圧力を同時に加え、両面間の差圧をとることに
より圧力変動、温度変動によるノイズ成分を自動的に消
去するとともに、両圧電素子の出力の和をとることによ
り検出精度を２倍に高め、さらに２個の圧電素子を積極
的に同一条件に並置してあるため、振動によるノイズも
自動的に消去できる。そして、入口ノズルに設けた異物
遮蔽手段により、異物が圧電素子部に到達することが防
止されるので、圧電素子の損傷等が防止され高い耐久性
が保証されるとともに、上記高精度測定が維持される。

【００５３】本発明の圧力センサによれば、検出可能な
最小圧力変動幅としては0.0001〜0.1 mmＨ₂Ｏと非常に
小さくなり、さらに小さくすることも可能となる。ま
た、ＳＮ比は0.0001mmＨ₂Ｏで20ｄＢＶ、0.1 mmＨ₂Ｏ
で60ｄＢＶと非常に高い。このため、従来では検出が出
来なかった気体や液体の微小な圧力変動を周囲のノイズ
に影響されないで検出できるようになった。現状までの
技術では0.1 mmＨ₂Ｏ程度の微小圧力変動はかなり大掛
かりか、あるいは高価な設備でないと測定が出来なかっ
たが、本発明品は極めて小型のセンサに構成でき、簡単
に、フルイディック流量計やカルマン渦流量計のみなら
ず、他の計器や、機械の一部に組み込んで使用すること
ができるので、広範な分野での利用が期待できる。ま
た、機械的に弱い圧電素子が露出しておらず、かつ異物
流入防止手段により、微細な異物であってもそれが圧力
検出部に到達することが防止されるので、圧電素子の損
傷あるいは感度低下を招くことがなく、耐久性、信頼性
が高く、寿命も長い。さらに構造が簡単であり、製作に
高度な技術が要求される部位がないので安価に製作でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る圧力センサの断面図で
ある。

【図２】図１の圧力センサの圧電素子部の拡大部分断面
図である。

【図３】図１の圧力センサにおける圧電素子取付け前の
拡大部分分解断面図である。

【図４】図３の圧電素子の取付け後の縦断面図である。

【図５】図１の圧力センサにおける圧電素子挟持部の拡
大分解縦断面図である。

【図６】図１の圧力センサにおける異物流入防止手段と
しての膜の拡大平面図である。

【図７】図６の膜の断面図である。

【図８】図１とは別の異物流入防止手段を有する圧力セ
ンサの部分断面図である。

【図９】図８の異物流入防止手段の変形例を示す圧力セ
ンサの部分断面図である。

【図１０】異物流入防止手段のさらに別の変形例を示す
圧力センサの部分断面図である。

【図１１】異物流入防止手段のさらに別の変形例を示す
圧力センサの部分断面図である。

【図１２】図１とは別の異物流入防止手段を有する圧力
センサの部分断面図である。

【図１３】図１の圧力センサをフルイディック流量計に
使用した場合の概略構成図である。

【図１４】図１の圧力センサをカルマン渦流量計に使用
した場合の概略構成図である。

【符号の説明】１圧力センサ２、３圧電素子４圧力検出部５電気的信号処理回路６、７圧電体８、９、10、11 電極層 12、13、14、15 ホルダ 16、17、18、19 圧力室 20、21、22、23 前室 32 基板 33 蓋 35 回路基板 36、37 入力端子 38 出力端子 39、40、91、92、 100、 101、 114、 115 入口ノズル 41、90、99、113 シールドケース 42 第１の流体圧力導入経路 43 第２の流体圧力導入経路 44 第３の流体圧力導入経路 45 第４の流体圧力導入経路 46 蓋 47、48 連通路 49 Ｏリング 51、52、94、96、97、98、 102、 103 異物流入防止手
段としての膜 53、54、93、 116、 117 凹部 60 流量計素子部 61 流路縮小部 62 噴出ノズル 63 流路拡大部 64、65 隔壁 66、67 制御ノズル 68 タ―ゲット 69 反射翼 70 誘導板 71、72 内圧取出口 73 ガスケット 80 カルマン渦流量計の流量計素子部 81 渦発生体 82 カルマン渦 83、84 内圧取出口 85 ガスケット 95 押さえ具 111 、112 異物流入防止手段としてのフィルタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】膜状圧電体の両面に電極層を設けた２個
の圧電素子を、それぞれ２個一対のホルダで両面から挟
持して張設した圧力検出部を備え、前記２個の圧電素子
は同一の方向に向きかつ同一方向の面が同一の分極極性
となるように配置され、前記圧力検出部には流体の圧力
を導入する２個の入口ノズルが設けられ、一方の入口ノ
ズルが第１の流体圧力導入経路を介して一方の圧電素子
の第１の面に連通されるとともに第４の流体圧力導入経
路を介して前記一方の圧電素子の第１の面とは分極極性
が異なる他方の圧電素子の第２の面に連通され、他方の
入口ノズルが第２の流体圧力導入経路を介して前記一方
の圧電素子の第２の面に連通されるとともに第３の流体
圧力導入経路を介して前記他方の圧電素子の第１の面に
連通された圧力センサであって、前記２個の入口ノズル
に、前記圧力検出部への異物の流入を防止する手段を設
けたことを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】異物流入防止手段が、一面側から他面側
へ流体の圧力を伝播する膜からなる請求項１の圧力セン
サ。
【請求項３】異物流入防止手段がフィルタからなる請
求項１の圧力センサ。