JPH06201419A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 減算演算処理により外部からの振動の影響を
除去することができ、かつ膜を振動させることなく雑音
を除去することができ、その結果、膜の生産時の個体
差、経年劣化の個体差の影響を受けない雑音除去能力が
保証され、また、計測流量がゼロのときに管路内の雑音
に対して膜を動かさないようにして、膜の弾性劣化を抑
制し、耐久性を向上させることができる圧力センサを提
供すること。 【構成】 フルイディック素子１７を使用する流体振動
型流量計の圧力センサ１０であって、該フルイディック
素子の流れの方向に対して対称位置に設けられた導圧孔
２４ａ、２４ｂの圧力を識別できる同一平面上もしくは
平行平面上に配置された気密性の高い２個の膜３２ａ、
３２ｂと、前記導圧孔のそれぞれから前記膜の片面ずつ
に到達する導圧路とを具備し、前記導圧路は前記導圧孔
の圧力差により前記両膜が互いに逆向きに変形するよう
構成され、それぞれの膜について膜の両面からそれぞれ
の導圧孔に到る部分の導圧路を等長かつ同体積にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は流体振動型流量計に使用
する圧力センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、流体振動型流量計に例えば実開平
１ー５８１１９に開示されるような２膜式の圧力センサ
が使用されている。

【０００３】この流体振動型流量計に流体振動検出素子
または圧力発生素子としてフルイディック素子が広く使
用されている。フルイディック素子のノズルから噴出し
た流体はコアンダ効果により側壁に沿って流れ、この偏
流による圧力上昇をノズル出口にフィードバックする
と、流れの偏りが反対側に切り替わる。これらの現象が
繰り返され流体振動が発生する。この流体振動の周波数
はフルイディック素子を通過する流体の流量に比例す
る。フルイディック素子内の流体振動検出端に流体の流
れ方向に対称的に導圧孔が設けられている。

【０００４】図１１は従来の２膜式の圧力センサの概略
構成を示す図である。

【０００５】図１１において、２枚の圧電性フィルム
２、３を利用して圧力室１の中を中央室４とこれを挟む
外室５、６の３室に仕切り、一方の導圧孔の導圧管７ａ
は中央室４に、他方の導圧孔の導圧管７ｂは外室５、６
にそれぞれ連通し、正と負の流体振動（圧力）により膜
が変位するように設定し、例えば２枚の膜の変位方向が
別々の場合は正常な流体振動すなわち検出圧力と判定し
て電圧を出力し、同一方向の場合は外部振動と判定して
電圧を出力しないようにすることにより、外部振動によ
る測定誤差を一切排除するようになっている。換言すれ
ば、この圧力センサの２個の膜は検出圧力には逆相に動
き、外部からの振動には同相に動き、減算演算処理で振
動成分の除去を行うものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、検出部
位やこれに連結された流体管路内に流れがある場合に、
渦や摩擦による雑音の発生は不可避である。この雑音は
前述の２膜式の圧力センサにおいても除去することがで
きない。また、膜の個体差を無くすことは難しく、演算
処理部に調整機能を持たせても完全に除去することは困
難である。また、管路の一部に常に流れのある場合、例
えばガス管の流量計測の場合には、個々の膜は休みなく
振動してしまい寿命の点で不利である。さらに、経年劣
化による膜の弾性の変化や汚れの付着が不均一に生じた
場合は、改めて調整を行わない限り、雑音除去能力が低
下するという欠点がある。

【０００７】本発明は上述の点にかんがみてなされたも
ので、減算演算処理により外部からの振動の影響を除去
することができ、かつ膜を振動させることなく雑音を除
去することができ、その結果、膜の生産時の個体差、経
年劣化の個体差の影響を受けない雑音除去能力が保証さ
れ、また、計測流量がゼロのときに管路内の雑音に対し
て膜を動かさないようにして、膜の弾性劣化を抑制し、
耐久性を向上させることができる圧力センサを提供する
ことを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、フルイディック素子を使用する流体振動型流
量計の圧力センサであって、該フルイディック素子の流
れの方向に対して対称位置に設けられた導圧孔の圧力を
識別できる同一平面上もしくは平行平面上に配置された
気密性の高い２個の膜と、前記導圧孔のそれぞれから前
記膜の片面ずつに到達する導圧路とを具備し、前記導圧
路は前記導圧孔の圧力差により前記両膜が互いに逆向き
に変形するよう構成され、それぞれの膜について膜の両
面からそれぞれの導圧孔に到る部分の導圧路が等長かつ
同体積であることを特徴とする。また、本発明は前記導
圧路が対称であることを特徴とする。

【０００９】

【作用】フルイディック素子の２つの導圧孔から各膜
（ダイアフラムまたは圧電性フィルム）の表裏に到達す
るまでの導圧経路を等長、同体積にしたので、管路内の
騒音が各膜の両側に同時、同相、同レベルに伝わるので
膜は動かず雑音は検知しない。また、検出圧力成分には
逆相に振れ、外部からの振動成分には同相に振れるよう
に２枚の膜を配置したので、減算演算処理により外部か
らの振動の影響を除去することができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明を図面に基づいて説明する。

【００１１】図９は本発明の圧力センサを適用した流体
流量計の概略構成を示す図である。この流体流量計はフ
ルイディック素子１７を使用したフルイディック流量計
である。流路の入口１１から流入し、ノズル１２から噴
出した気体がコアンダ効果により、側壁１３ａ、１３ｂ
に沿った流れになる。この流れがフィードバック流路１
４ａまたは１４ｂに到達すると、圧力がノズル１２に伝
わり流れを切り替える。この切り替えは交互に発生し、
流量に比例した周波数をもつ流体振動になる。１５はタ
ーゲット、１６は出口である。１８はフルイディック素
子１７を形成するケース本体である。ターゲット１５の
下流側に流体振動検出端１４が設けられ、この流体振動
検出端１４の両端に上記フィードバック流路１４ａ、１
４ｂが設けられている。

【００１２】流体振動はフィードバック流路１４ａ、１
４ｂに開口する一対の導圧孔２４ａ、２４ｂからそれぞ
れ導圧管１９ａ、１９ｂにより圧力センサ１０に導か
れ、電気信号に変換されて電子回路２１に伝えられる。
同時に、ノズル１２に配置された熱式フローセンサ２２
により流速が検出され、電気信号に変換されて電子回路
２１に伝えられる。この電気信号は、電子回路２１にお
いて、予め測定された両センサの線形性（信号と流量の
対応の直線性）が逆転する流量で良い方に切り替えら
れ、演算処理され、流量積算値として表示器２３に表示
される。２２ａはノズル１２に配置された整流板であ
る。

【００１３】図１０は本発明の圧力センサに接続される
電子回路のブロック図である。

【００１４】図１０において、電子回路２１はアナログ
アンプ、波形整形回路、信号判定回路、コンバータ、ク
ロック制御回路、カウンタ、電気制御回路、マイクロコ
ンピュータ及び電源により構成されている。

【００１５】図１は本発明の圧力センサの概略構成を示
す図である。

【００１６】図１に示す本発明の圧力センサ１０は、ダ
イアフラムの両側が開放されているマイク、例えばエレ
クトレットコンデンサマイクのダイアフラム（以下マイ
クと略称する）を膜として使用したものであり、そのセ
ンサユニット篋体３１の内部は２個の圧力室３６、３７
に分割され、これらの圧力室３６、３７にそれぞれマイ
ク３０ａ、３０ｂが嵌め込まれている。この実施例にお
いて、マイク３０ａ、３０ｂは同じものを使用してい
る。また、各室３６、３７は前述の各マイクのダイアフ
ラム３２ａとダイアフラム３２ｂにより、それぞれ室３
６ａ、３６ｂと室３７ａ、３７ｂに仕切られている。ダ
イアフラム３２ａとダイアフラム３２ｂは同一平面上に
配置され、気密性の高いものである。

【００１７】室３６ａの圧力導入口３５ａにフルイディ
ック素子１７の導圧孔２４ａから導圧管１９ａを通じて
流体圧力Ｐ が導入され、この流体圧力は室３６ａから
流路３３ａを通じて室３７ｂに導入される。また、室３
６ｂの圧力導入口３５ｂにフルイディック素子１７の導
圧孔２４ｂから導圧管１９ｂを通じて流体圧力Ｐ が導
入され、この流体圧力は室３６ｂから流路３３ｂを通じ
て室３７ａに導入される。

【００１８】したがって、フルイディック素子１７の導
圧孔２４ａの流体圧力はダイアフラム３２ａの片面と、
ダイアフラム３２ｂの他面に作用する。また、フルイデ
ィック素子１７の導圧孔２４ｂの流体圧力はダイアフラ
ム３２ｂの他面と、ダイアフラム３２ｂの片面に作用す
る。その結果、フルイディック素子１７の導圧孔２４
ａ、２４ｂの流体圧力に差があれば、ダイアフラム３２
ａ、３２ｂは逆向きにまったく同様に変形する。

【００１９】本発明の圧力センサにおいて、フルイディ
ック素子１７の導圧孔２４ａ、２４ｂからそれぞれダイ
アフラム３２ａ、ダイアフラム３２ｂに達するまでの全
距離を合計したものを導圧路と稱すると、２本の導圧路
はフルイディック素子１７の両導圧孔２４ａ、２４ｂの
圧力差により圧力センサ１０のダイアフラム３２ａとダ
イアフラム３２ｂが逆向きにまったく同様に変形するよ
う配置され、２本の導圧路の長さは等長でかつ同体積と
なるように構成されている。

【００２０】上記構成になる本発明の圧力センサ１０は
次のような動作を行う。

【００２１】図５は本発明の圧力センサの流量計測時に
おける動作と出力をフルイディック素子１７の内部にお
けるガスの流れの状態と関連して説明する図である。

【００２２】図５（ａ−１）、（ａ−２）、（ａ−
３）、（ａ−４）は圧力センサ１０がそれぞれ状態１、
状態２、状態３、状態４に在るときのフルイディック素
子１７の内部におけるガスの流れの状態を示す図であ
る。ガスの流れは状態１、状態２、状態３、状態４の順
序で繰り変えされる。なお、ガスの流れは鎖線で示され
ている。また、フルイディック素子１７の導圧孔２４
ａ、２４ｂにおける流体の圧力、したがって、これらに
それぞれ連通した圧力センサ１０の圧力導入口３５ａ、
３５ｂの圧力をそれぞれＰ 、Ｐ として示している（図
９参照）。

【００２３】図５（ｂ−１）、（ｂ−２）、（ｂ−
３）、（ｂ−４）は状態１、状態２、状態３、状態４に
おける、マイク３０ａのダイアフラム３２ａ及びマイク
３０ｂのダイアフラム３２ｂの動きを示す図である（図
１参照）。ダイアフラム３２ａとダイアフラム３２ｂの
動きも状態１、状態２、状態３、状態４の順序で繰り変
えされる。状態２と状態４において、マイク３０ａのダ
イアフラム３２ａ及びマイク３０ｂのダイアフラム３２
ｂは変形していない。しかし、状態１において、マイク
３０ａのダイアフラム３２ａ右方向に変形し、マイク３
０ｂのダイアフラム３２ｂは左方向に変形している。す
なわち、両ダイアフラムが逆向きに変形するように構成
されている。状態３において、両ダイアフラムの変形方
向は状態１の場合とまったく逆になっている（図１、２
参照）。

【００２４】図５（ｃ）は圧力センサ１０の出力を示す
図である。横軸に時間ｔを、縦軸に出力ｖをとり、点線
はマイク３０ａの出力、鎖線はマイク３０ｂの出力、実
線は圧力センサ１０の出力を示す。これらの曲線の横軸
上の各位置はそれぞれ状態１、状態２、状態３、状態４
に対応する。

【００２５】図６は本発明の圧力センサ１０の流量計測
時すなわち正常な流体振動時における動作と出力を説明
する図である。

【００２６】図６（ａ）はフルイディック素子１７の導
圧孔２４ａに連通している室３６ａと室３７ｂの圧力変
化を示す図で、横軸に時間、縦軸に圧力を示す。図６
（ｂ）はフルイディック素子１７の導圧孔２４ｂに連通
している室３６ｂと室３７ａの圧力変化を示す図で、横
軸に時間、縦軸に圧力を示す。図６（ｃ）はマイク３０
ａのダイアフラム３２ａの変形を示す図で、横軸に時
間、縦軸に変形を示す。図６（ｄ）はマイク３０ｂのダ
イアフラム３２ｂの変形を示す図で、横軸に時間、縦軸
に変形を示す。図６（ｅ）はマイク３０ａの出力を示す
図で、横軸に時間、縦軸に出力を示す。図６（ｆ）はマ
イク３０ｂの出力を示す図で、横軸に時間、縦軸に出力
を示す。図６（ｇ）は図６（ｅ）のマイク３０ａの出力
と図６（ｆ）のマイク３０ｂの出力を減算して得られる
圧力センサ１０の出力を示す図で、横軸に時間、縦軸に
出力を示す。

【００２７】図６（ａ）、（ｂ）に示すようにダイアフ
ラムの両側で差圧が生じるため、この差圧に応じて図６
（ｃ）、（ｄ）に示すようにダイアフラムが変形し、図
６（ｅ）、（ｆ）に示すように前記変形に応じて電圧が
発生し、減算処理により図６（ｇ）に示すような出力電
圧が得られる。

【００２８】図７は本発明の圧力センサ１０の外部振動
キャンセル時の動作と出力を説明する図である。また、
図７（ａ）〜（ｇ）はそれぞれ図６（ａ）〜（ｇ）に対
応する図である。図７（ａ）、（ｂ）に示すように圧力
変動は無くても、図７（ｃ）、（ｄ）に示すように振動
が両方のダイアフラムを同様に変形させるため、図７
（ｅ）、（ｆ）に示すように同様の電圧が生じ、図７
（ｇ）に示すように減算処理で出力電圧はゼロになる。

【００２９】図８は本発明の圧力センサ１０の雑音キャ
ンセル時の動作と出力を説明する図である。図８（ａ）
はフルイディック素子１７の導圧孔２４ａに連通してい
る室３６ａと導圧孔２４ｂに連通している室３６ｂの圧
力変化を示す図で、横軸に時間、縦軸に圧力を示す。図
８（ｂ）はフルイディック素子１７の導圧孔２４ａに連
通している室３７ｂと導圧孔２４ｂに連通している室３
７ａの圧力変化を示す図で、横軸に時間、縦軸に圧力を
示す。また、図８（ｃ）〜（ｇ）はそれぞれ図６（ｃ）
〜（ｇ）及び図７（ｃ）〜（ｇ）に対応する図である。
図８（ａ）、（ｂ）に示すようにダイアフラムの両側に
同様に雑音が伝わるため、図８（ｃ）、（ｄ）に示すよ
うにダイアフラムは変形せず（この時点で雑音は除去さ
れる）、図８（ｅ）、（ｆ）に示すように電圧は生じな
い（したがって、２個のダイアフラムの感度が異なって
いても差し支えない）ので、図８（ｇ）に示すように出
力電圧も生じない。

【００３０】図２は本発明の圧力センサの別の実施例の
概略構成を示す図である。

【００３１】図２の圧力センサは、圧力導入口３５ａ、
３５ｂがそれぞれ流路３３ａ、３３ｂの中央位置に開通
されている点において、上記実施例と異なるのみであ
り、その他の点はすべて図１の実施例と同一である。図
２のように構成することにより、圧力センサの２個の導
圧路がまったく対称となり、圧力センサの効果を一層確
実にし且つ高めることができる。

【００３２】次に本発明の圧力センサに使用される膜に
ついて説明する。

【００３３】本発明の圧力センサに、双指向性または単
一指向性マイクや圧電素子が使用されている。

【００３４】図３は単一指向性エレクトレットコンデン
サマイクのダイアフラムを膜として使用した圧力センサ
の一部の略図である。

【００３５】図３において、ダイアフラム５２とエレク
トレットバックプレート５３をケース５４に嵌装したマ
イク５５となり、そのダイアフラム５２が膜となりセン
サユニット篋体５１の内部を二つに仕切り、その各室に
フルイディック素子の流れの方向に対して対称位置に設
けられた２つの導圧孔の圧力が導入され、ダイアフラム
５２が変形される。ダイアフラム５２とエレクトレット
バックプレート５３から信号出力が取り出されるように
なっている。なお、図３において、エレクトレットバッ
クプレート５３がダイアフラム５２の片側のみに配置さ
れているが、このエレクトレットバックプレート５３と
その配線は微小なので影響を無視することができる。

【００３６】図４は圧電性フィルムを膜として使用した
圧力センサの一部の略図である。

【００３７】図４において、圧電性フィルム６５は両面
に電極層６２、６２を有する圧電体６３がケース６４に
嵌装されたものである。圧電性フィルム６５が膜とな
り、センサユニット篋体６１の内部を二つに仕切り、そ
の各室にフルイディック素子の２つの導圧孔の圧力が導
入され、電極層６２、６２から信号出力が取り出される
ようになっている。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明においては
フルイディック素子を使用する流体振動型流量計の圧力
センサであって、該フルイディック素子の流れの方向に
対して対称位置に設けられた導圧孔の圧力を識別できる
同一平面上もしくは平行平面上に配置された気密性の高
い２個の膜と、前記導圧孔のそれぞれから前記膜の片面
ずつに到達する導圧路とを具備し、前記導圧路は前記導
圧孔の圧力差により前記両膜が互いに逆向きに変形する
よう構成され、それぞれの膜について膜の両面からそれ
ぞれの導圧孔に到る部分の導圧路が等長かつ同体積に形
成されたので、次のような優れた効果が得られる。 （１）流量計測時の検出圧力には逆相に動き、外部から
の振動には同相に動き、減算演算処理で振動成分の除去
を行うことができる。 （２）膜を振動させることなく雑音を除去することがで
き、その結果、膜の生産時の個体差、経年劣化の個体差
の影響を受けない雑音除去能力が保証される。 （３）計測流量がゼロのときに管路内の雑音に対して膜
を動かさないようにして、膜の弾性劣化を抑制し、耐久
性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧力センサの概略構成を示す図であ
る。

【図２】本発明の別の実施例の概略構成を示す図であ
る。

【図３】単一指向性エレクトレットコンデンサマイクの
ダイアフラムを膜として使用した圧力センサの一部の略
図である。

【図４】圧電性フィルムを膜として使用した圧力センサ
の一部の略図である。

【図５】本発明の圧力センサの流量計測時における動作
と出力をフルイディック素子内部におけるガスの流動状
態と関連して説明する図である。

【図６】本発明の圧力センサの流量計測時における動作
と出力を説明する図である。

【図７】本発明の圧力センサの外部振動キャンセル時の
動作と出力を説明する図である。

【図８】本発明の圧力センサの雑音キャンセル時の動作
と出力を説明する図である。

【図９】本発明の圧力センサを適用した流体流量計の概
略構成を示す図である。

【図１０】本発明の圧力センサに接続される電子回路の
ブロック図である。

【図１１】従来の２膜式の圧力センサの概略構成を示す
図である。

【符号の説明】

１０ 圧力センサ １７ フルイディック素子 ２４ａ 導圧孔 ２４ｂ 導圧孔 ３２ａ 膜 ３２ｂ 膜

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 フルイディック素子を使用する流体振動
   型流量計の圧力センサであって、該フルイディック素子
   の流れの方向に対して対称位置に設けられた導圧孔の圧
   力を識別できる同一平面上もしくは平行平面上に配置さ
   れた気密性の高い２個の膜と、前記導圧孔のそれぞれか
   ら前記膜の片面ずつに到達する導圧路とを具備し、前記
   導圧路は前記導圧孔の圧力差により前記両膜が互いに逆
   向きに変形するよう構成され、それぞれの膜について膜
   の両面からそれぞれの導圧孔に到る部分の導圧路が等長
   かつ同体積であることを特徴とする圧力センサ。
2. 【請求項２】 前記導圧路が対称であることを特徴とす
   る請求項１に記載の圧力センサ。
3. 【請求項３】 前記膜が圧電性フィルムであることを特
   徴とする請求項１または請求項２に記載の圧力センサ。
4. 【請求項４】 前記膜がダイアフラムの両側が開放され
   ているマイクのダイアフラムであることを特徴とする請
   求項１または請求項２に記載の圧力センサ。