JPH06294694A - Pressure sensor and flowmeter employing the same - Google Patents

Pressure sensor and flowmeter employing the same

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JPH06294694A
JPH06294694A JP5081690A JP8169093A JPH06294694A JP H06294694 A JPH06294694 A JP H06294694A JP 5081690 A JP5081690 A JP 5081690A JP 8169093 A JP8169093 A JP 8169093A JP H06294694 A JPH06294694 A JP H06294694A
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JP
Japan
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pressure sensor
pressure
cantilever
flow
fluid
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Application number
JP5081690A
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Japanese (ja)
Inventor
Zenichi Akiyama
善一 秋山
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Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To provide a highly accurate and inexpensive pressure sensor in which the performance can be sustained for a long term. CONSTITUTION:The pressure sensor comprises a cantilever beam 18 of piezoelectric ceramic, a body 14 for forming pressure chambers 15, 16 being fed with fluid on the opposite sides of the cantilever beam 18, two inlet nozzles 15a, 16a for introducing the fluid individually into the pressure chambers 15, 16, and an amplifier 21 for amplifying an electric output induced by the distortion of the cantilever beam 18.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、気体や液体の圧力を測
定する圧力センサ、及び、この圧力センサを用いて気体
や液体の流量を測定する流量計に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a pressure sensor for measuring the pressure of gas or liquid, and a flow meter for measuring the flow rate of gas or liquid using this pressure sensor.

【0002】[0002]

【従来の技術】流体、特に気体の流量を精度良く検出で
きる流量計として、流体素子による圧力変動を検出して
流量の測定を行なう流量計、例えばフルイデック流量計
やカルマン渦流量計が知られている。これらは流体素子
に流通される気体に発生する流量に応じた圧力変動現象
等を利用したもので、その圧力変動(変動周波数)を精
密に検出することで流量の計測を行なうものである。し
たがって、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及び広い周波数
における圧力変化まで検出できるほど望ましく、かつ、
構造が簡単で安価にしかも容易に作製できることが望ま
しい。従来、この種の流量計に用いられる圧力センサの
代表的なものとして、特開昭57−110918号公報
に示されているシリコンダイアフラムを用いた圧力セン
サ、及び、特開平2−268228号公報に示されてい
るような高分子圧電膜をダイアフラムとして用いた圧力
センサが知られている。
2. Description of the Related Art As a flow meter capable of detecting a flow rate of a fluid, particularly a gas with high accuracy, a flow meter which detects a pressure fluctuation by a fluid element to measure the flow rate, for example, a Fruidek flow meter or a Karman vortex flow meter is known. There is. These utilize a pressure fluctuation phenomenon or the like according to the flow rate generated in the gas flowing through the fluid element, and the flow rate is measured by accurately detecting the pressure fluctuation (fluctuation frequency). Therefore, as a pressure sensor used in such a flow meter, it is desirable that it has high sensitivity, that is, it can detect even weak pressure changes and pressure changes in a wide frequency range, and
It is desirable that the structure be simple, inexpensive, and easy to manufacture. Conventionally, as a typical pressure sensor used in this type of flow meter, a pressure sensor using a silicon diaphragm disclosed in JP-A-57-110918 and JP-A-2-268228. A pressure sensor using a piezoelectric polymer film as shown as a diaphragm is known.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、シリコ
ンダイアフラムを用いた圧力センサには以下のような問
題がある。即ち、シリコンチップ自身は圧電体ではない
のでそれ自身には圧力検出機能がなく、圧力変化をその
歪による抵抗値の変化として検出しなければならず、ブ
リッジ回路等の抵抗変化検出回路を必要とする。また、
シリコンチップは剛体に近く、それをエッチングで加工
する場合薄く加工するのに限度があり、微弱な圧力変化
を検出するのは困難であり、応答速度も遅く、圧力の変
化に対し追従できる周波数範囲は狭い。これらの理由の
ため、従来のシリコンダイアフラムを用いた圧力センサ
では、通常高感度タイプのものでも、0.1mmH2
より小さい圧力変動は検出することができず、追従でき
る周波数も数ヘルツ以下であった。
However, the pressure sensor using the silicon diaphragm has the following problems. That is, since the silicon chip itself is not a piezoelectric body, it does not have a pressure detection function itself and must detect a pressure change as a change in resistance value due to its distortion, and a resistance change detection circuit such as a bridge circuit is required. To do. Also,
The silicon chip is close to a rigid body, and when it is processed by etching there is a limit to thin processing, it is difficult to detect weak pressure changes, the response speed is slow, and the frequency range that can follow pressure changes Is narrow. For these reasons, a conventional pressure sensor using a silicon diaphragm is usually 0.1 mmH 2 O even if it is of a high sensitivity type.
Smaller pressure fluctuations could not be detected and the frequency that could be followed was less than a few hertz.

【0004】また、製造上シリコンダイアフラムの厚さ
の制御が難しく、微弱な圧力変動を検出する圧力センサ
としては感度のバラツキが大きいという問題もある。さ
らに温度変化の影響を大きく受ける抵抗値を検出する方
式であるため、温度補償回路が不可欠であり、通常この
補償回路も同じチップ上に集積して形成するため、製造
に複雑な技術を要し、大規模な製造設備が必要となる。
Further, it is difficult to control the thickness of the silicon diaphragm in manufacturing, and there is a problem that the sensitivity of the pressure sensor for detecting a weak pressure fluctuation is large. Furthermore, since this method detects the resistance value that is greatly affected by temperature changes, a temperature compensation circuit is indispensable. Normally, this compensation circuit is also integrated and formed on the same chip, so complicated technology is required for manufacturing. , Large-scale manufacturing equipment is required.

【0005】さらに、上述のように製造の難しさ、検
出、補償回路の必要性のため、シリコンダイアフラム式
の圧力センサは通常相当高価なものとなり、特に高感度
のものは著しく高価なものとなっている。
Further, as described above, the manufacturing difficulty, the necessity of the detection and compensation circuits usually make the silicon diaphragm type pressure sensor considerably expensive, especially the highly sensitive one. ing.

【0006】この点、高分子圧電膜を用いた圧力センサ
においては、高分子圧電膜自身が発生する電位差を直接
電圧信号として出力することが可能であり、さらに、容
易に薄膜を精度良く製造できるので、安価でかつ精度の
良い圧力センサとなる。
In this respect, in the pressure sensor using the polymer piezoelectric film, the potential difference generated by the polymer piezoelectric film itself can be directly output as a voltage signal, and the thin film can be easily manufactured with high accuracy. Therefore, the pressure sensor is inexpensive and has high accuracy.

【0007】ここで、このような圧力センサが利用され
る流量計は一般的に−20℃〜60℃の環境で長期に渡
ってその性能を保証しなければならない。ところが、特
開平2−268228号公報に示されているような高分
子圧電膜、ポリフッ化ビニリデンと3フッ化エチレンと
の共重合体は有機化合物であるため、経年変化等が認め
られる。したがって、微弱な圧力の検出においては高分
子圧電膜では長期に渡っての信頼性という点で不十分で
ある。また、圧電膜の出力の温度特性は、圧電特性(応
力に対し電荷を発生させる性能)の温度特性と弾性コン
プライアンス(材料の軟らかさ)の温度特性との関数で
あるが、高分子圧電膜では両温度特性ともに線形性を示
さず、特に高分子材料であるので温度変化による弾性コ
ンプライアンスの変化が大きく、さらに、使用温度範囲
内に変極点があり、出力が一定とならないという言う欠
点がある。
Here, a flow meter using such a pressure sensor must generally guarantee its performance over a long period of time in an environment of -20 ° C to 60 ° C. However, since the polymer piezoelectric film and the copolymer of polyvinylidene fluoride and ethylene trifluoride as disclosed in JP-A-2-268228 are organic compounds, secular change or the like is observed. Therefore, in the detection of weak pressure, the piezoelectric polymer film is insufficient in terms of long-term reliability. Further, the temperature characteristic of the output of the piezoelectric film is a function of the temperature characteristic of the piezoelectric characteristic (the ability to generate an electric charge in response to stress) and the temperature characteristic of the elastic compliance (softness of the material). Both temperature characteristics do not show linearity, and since it is a polymer material in particular, the change in elastic compliance due to temperature change is large, and furthermore, there is an inflection point within the operating temperature range, and the output is not constant.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明で
は、圧電セラミックスからなる片持ち梁と、この片持ち
梁の両側にそれぞれ流体が導入される圧力室を形成する
圧力室形成体と、前記圧力室へ個別に流体を導入する2
個の入口ノズルと、前記片持ち梁の歪により生ずる電気
出力を増幅して出力する増幅器とを備えた。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a cantilever made of piezoelectric ceramics, and pressure chamber forming bodies for forming pressure chambers into which fluid is introduced on both sides of the cantilever, respectively. Introduce fluid individually into the pressure chamber 2
Each inlet nozzle and an amplifier for amplifying and outputting an electric output generated by the distortion of the cantilever are provided.

【0009】請求項2記載の発明では、請求項1記載の
発明における片持ち梁を、バイモルフ構造とした。
According to the invention of claim 2, the cantilever in the invention of claim 1 has a bimorph structure.

【0010】請求項3記載の発明では、請求項1記載の
発明における片持ち梁を、ユニモルフ構造とした。
According to the invention of claim 3, the cantilever in the invention of claim 1 has a unimorph structure.

【0011】請求項4記載の発明では、請求項1記載の
発明における片持ち梁を、モノモルフ構造とした。
According to the invention of claim 4, the cantilever in the invention of claim 1 has a monomorph structure.

【0012】請求項5記載の発明では、流体素子による
圧力変動を圧力センサで検出して流量の測定を行なう流
量計において、前記圧力センサを請求項1,2,3又は
4記載の圧力センサとした。
In a fifth aspect of the present invention, in a flowmeter for measuring a flow rate by detecting a pressure fluctuation due to a fluid element with a pressure sensor, the pressure sensor is the pressure sensor according to the first, second, third or fourth aspect. did.

【0013】[0013]

【作用】請求項1記載の発明によれば、流体が入口ノズ
ルを介して各圧力室内に導入されると、各圧力室に導入
された圧力の差により片持ち梁が変形する。即ち、各圧
力室に導入された流体の圧力に変動があった場合、その
変動のうち各圧力室に共通する変動成分は互いに打ち消
しあいキャンセルされ、共通しない変動成分だけにより
片持ち梁が変形する。このようにして片持ち梁が変形す
ると、この片持ち梁は圧電セラミックスにより形成され
ているので、変形に応じた電圧信号が出力される。即
ち、圧電セラミックス自身から信号が発生することによ
り、シリコンダイアフラムを用いた圧力センサのように
抵抗変化検出回路等の検出回路の必要がない。また、圧
電セラミックスはテープキャスティング法等の周知のシ
ート製造技術により容易に薄くかつ精度良く製造できる
ので、これらの製造技術で薄く形成すれば柔軟かつ軽量
となり、微弱な圧力変化でも歪を生じ、高い周波数にも
良く追従し、かつ、個体間の感度のバラツキも小さいも
のとなる。
According to the invention described in claim 1, when the fluid is introduced into each pressure chamber through the inlet nozzle, the cantilever is deformed due to the difference in pressure introduced into each pressure chamber. That is, when the pressure of the fluid introduced into each pressure chamber fluctuates, the fluctuation components common to the pressure chambers among the fluctuations cancel each other out, and the cantilever is deformed only by the non-common fluctuation components. . When the cantilever is deformed in this way, since the cantilever is made of piezoelectric ceramics, a voltage signal according to the deformation is output. That is, since a signal is generated from the piezoelectric ceramics themselves, there is no need for a detection circuit such as a resistance change detection circuit unlike a pressure sensor using a silicon diaphragm. In addition, since piezoelectric ceramics can be easily manufactured thinly and accurately with well-known sheet manufacturing techniques such as tape casting method, if they are thinly formed by these manufacturing techniques, they are flexible and lightweight, and even if a slight pressure change causes distortion, they are high. The frequency is tracked well, and the variation in sensitivity between individuals is small.

【0014】また、圧電セラミックスは無機物であるた
め経年変化が小さい。さらに、使用温度範囲において弾
性コンプライアンスがほぼ一定であり出力の温度特性が
圧電特性の温度特性だけの関数となり、この圧電特性の
温度特性も添加物の添加やキュリー点の高い適切な組成
を選択することで使用温度範囲においてほぼ一定とな
り、出力の温度特性が一定となる。
Further, since the piezoelectric ceramic is an inorganic substance, its aging is small. Furthermore, the elastic compliance is almost constant in the operating temperature range, and the temperature characteristic of the output becomes a function of only the temperature characteristic of the piezoelectric characteristic. For the temperature characteristic of the piezoelectric characteristic, addition of additives and selecting an appropriate composition with a high Curie point are also selected. As a result, the temperature characteristic of the output becomes constant in the operating temperature range.

【0015】請求項2記載の発明によれば、片持ち梁を
バイモルフ構造としたことで、出力が増大する。
According to the second aspect of the present invention, the cantilever has a bimorph structure, so that the output is increased.

【0016】請求項3記載の発明によれば、片持ち梁を
ユニモルフ構造としたことで、耐久性が向上し、出力の
ドリフトの小さいものとなる。
According to the third aspect of the invention, since the cantilever has a unimorph structure, the durability is improved and the output drift is reduced.

【0017】請求項4記載の発明によれば、片持ち梁を
モノモルフ構造としたことで、耐久性が向上し、出力の
ドリフトの小さいものとなる。
According to the invention described in claim 4, since the cantilever has a monomorph structure, the durability is improved and the output drift is reduced.

【0018】請求項5記載の発明によれば、流体素子に
よる圧力変動を検出する圧力センサを請求項1,2,3
又は4記載の圧力センサとしたので、この圧力センサに
より微小な圧力変動も精密に検出され、高周波数の変動
も正確に検出される。このため、広い範囲でかつ正確に
流量を検出することができる。
According to the fifth aspect of the present invention, there is provided a pressure sensor for detecting a pressure fluctuation caused by the fluid element.
Alternatively, since the pressure sensor described in 4 is used, minute pressure fluctuations are accurately detected by this pressure sensor, and fluctuations at high frequencies are also accurately detected. Therefore, the flow rate can be detected accurately in a wide range.

【0019】[0019]

【実施例】本発明の第一の実施例を図1ないし図4に基
づいて説明する。本実施例は、フルイデック流量計に適
用したものである。このフルイデック流量計は図2に示
すように、流入管1から排出管2を結ぶ流路上に、セッ
トリングスペース3、流路縮小部4、ジェットノズル
5、流路拡大部6を順に設け、かつ、前記流路拡大部6
中には前記ジェットノズル5に対向させて誘振子7を設
け、その背後にエンドブロック8を設けて流体素子9が
形成されている。そして、このエンドブロック8の背後
は排出スペース10とされている。さらに、このフルイ
デック流量計には前記ジェットノズル5の中心線を対称
軸とした二個所の圧力を外部に導く圧力取出口11,1
2が前記ジェットノズル5の下流付近に流れと直角に設
けられている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. This embodiment is applied to a fluidic flow meter. As shown in FIG. 2, this fluidic flow meter is provided with a set ring space 3, a flow channel contracting unit 4, a jet nozzle 5, and a flow channel expanding unit 6 in this order on a flow channel connecting the inflow pipe 1 and the discharge pipe 2, and , The flow path expanding portion 6
Inside thereof, an exciter 7 is provided so as to face the jet nozzle 5, and an end block 8 is provided behind it to form a fluid element 9. A discharge space 10 is provided behind the end block 8. Further, in this fluidic flow meter, pressure outlets 11 and 1 for guiding pressures at two points with the center line of the jet nozzle 5 as an axis of symmetry to the outside are provided.
2 is provided near the downstream of the jet nozzle 5 at right angles to the flow.

【0020】また、このフルイデック流量計には流路拡
大部6で発生する圧力変動を検出する圧力センサ13が
前記圧力取出口11,12に接続されて設けられてい
る。この圧力センサ13は、まず、図1に示すように圧
力室形成体である立方体状の圧力室形成殻14(図では
仮想線で示す)が設けられている。この圧力室形成殻1
4は、内部を二分してその両側に圧力室15、16を形
成する隔壁板17が設けられており、この隔壁板17に
沿わせて片持ち梁18が設けられている。前記隔壁板1
7には前記圧力室15,16を連通させる貫通穴17a
が前記片持ち梁18の自由端の形状に沿わせて形成され
ている。そして、前記圧力室15,16は、前記片持ち
梁18の自由端に対向した入口ノズル15a、16aが
それぞれ設けられており、この入口ノズル15a,16
aを介して前記圧力取出口11,12にそれぞれ接続さ
れている。ここで、前記片持ち梁18は、長さL=5m
m、板厚t=100μ、密度ρ=7.9g/cm3、弾性定
数s11=16×10~122/N、圧電定数d31=300
pC/Nの短冊状の圧電セラミックス板19を、図3に
示すように矢印で示す分極方向を互いに違えて貼り合わ
せたバイモルフ構造としている。この構造での変位δと
発生電界Vとの関係及び共振周波数fは次式 δ=(3/4)d31(L2/(2t)2)V f=0.158(2t/L2)√(1/ρs11) で示される。
Further, the fluidic flowmeter is provided with a pressure sensor 13 for detecting a pressure fluctuation generated in the flow passage expanding portion 6 connected to the pressure outlets 11 and 12. As shown in FIG. 1, the pressure sensor 13 is first provided with a cubic pressure chamber forming shell 14 (shown by an imaginary line in the drawing) which is a pressure chamber forming body. This pressure chamber forming shell 1
4 is provided with a partition plate 17 that divides the interior into two and forms pressure chambers 15 and 16 on both sides thereof, and a cantilever 18 is provided along the partition plate 17. The partition plate 1
7 is a through hole 17a for communicating the pressure chambers 15 and 16 with each other.
Are formed along the shape of the free end of the cantilever 18. The pressure chambers 15 and 16 are provided with inlet nozzles 15a and 16a facing the free ends of the cantilever 18, respectively.
The pressure outlets 11 and 12 are connected via a. Here, the cantilever 18 has a length L = 5 m.
m, plate thickness t = 100 μ, density ρ = 7.9 g / cm 3 , elastic constant s 11 = 16 × 10 to 12 m 2 / N, piezoelectric constant d 31 = 300
A strip-shaped piezoelectric ceramics plate 19 of pC / N has a bimorph structure in which the polarization directions indicated by arrows are different from each other as shown in FIG. The relationship between the displacement δ and the generated electric field V and the resonance frequency f in this structure are as follows: δ = (3/4) d 31 (L 2 / (2t) 2 ) V f = 0.158 (2t / L 2 ). It is shown by √ (1 / ρs 11 ).

【0021】また、前記圧電セラミックス板19は材質
的には、例えばジルコン酸チタン酸鉛(PZT)やジル
コン酸チタン酸ランタン鉛(PLZT)等の鉛系複合酸
化物やチタン酸バリウム等の複合酸化物、及びこれらの
派生系セラミックス、またはニオブ酸リチウム、ニオブ
酸タンタリウム等が適用できるが、本実施例ではPZT
系を適用している。なお、この圧電セラミックス板19
の両面には、電極層20が形成されている。
The piezoelectric ceramic plate 19 is made of a material such as lead zirconate titanate (PZT) or lead lanthanum zirconate titanate (PLZT), or a complex oxide such as barium titanate. As the material, ceramics derived from these materials, lithium niobate, tantalum niobate, or the like can be applied, but in this embodiment, PZT is used.
The system is applied. The piezoelectric ceramic plate 19
The electrode layers 20 are formed on both surfaces of the.

【0022】そして、この圧力センサ13には図1に示
すように増幅器21が一体として設けられている。この
増幅器21は、前記圧電セラミックス板19の両電極層
20間に生ずる電位差を増幅して出力するものである。
The pressure sensor 13 is integrally provided with an amplifier 21 as shown in FIG. The amplifier 21 amplifies and outputs a potential difference generated between both electrode layers 20 of the piezoelectric ceramic plate 19.

【0023】このような構成において、まず、流路上流
側からの管状の流れはセットリングスペース3で2次元
的な流れに整流され、流路縮小部4によりさらに整流さ
れて円滑にジェットノズル5に向かう。そして、ジェッ
トノズル5で整流されたジェット流は、誘振子7に当た
ることにより左右(図2では上下)に分れるが、エンド
ブロック8に至るまでの流路拡大部6の空間において、
ある流量を越えると誘振子7の背後にできる渦の不安定
性によって、左又は右に偏った流れを形成する。そのた
め、エンドブロック8にぶつかった流れは、エンドブロ
ック8前面に沿い、ついで、流路拡大部6の内壁6aに
沿ってジェットノズル5の出口に達し、ジェット流に直
角的にぶつかる。このため、その脇から帰還した流れに
よってジェット流の方向を最初の偏流とは反対方向に偏
らせる。これにより、反対側では再び同様のことが起こ
り、結果としてジェットノズル5を出る流れは左右へ交
互に偏る。この偏流の振動数は、流量の増加に対して直
線的に増加するので、この振動数を計測することで流量
を測定することができる。
In such a construction, first, the tubular flow from the upstream side of the flow path is rectified into a two-dimensional flow in the set ring space 3 and further rectified by the flow path contracting section 4 to smoothly jet the nozzle 5. Head to. Then, the jet flow rectified by the jet nozzle 5 is divided into left and right (upper and lower in FIG. 2) by hitting the exciter 7, but in the space of the flow path expanding portion 6 up to the end block 8,
Above a certain flow rate, due to the instability of the vortex formed behind the exciter 7, a flow that is biased to the left or right is formed. Therefore, the flow colliding with the end block 8 reaches the outlet of the jet nozzle 5 along the front surface of the end block 8 and then along the inner wall 6a of the flow path expanding portion 6, and collides with the jet flow at a right angle. Therefore, the direction of the jet flow is biased in the direction opposite to the initial drift by the flow returning from that side. As a result, the same thing happens again on the opposite side, and as a result, the flow exiting the jet nozzle 5 is alternately biased to the left and right. Since the frequency of this drift increases linearly with the increase in the flow rate, the flow rate can be measured by measuring this frequency.

【0024】ここで、このフルイデック流量計では、偏
流の振動は、圧力取出口11,12付近の交互の圧力変
動として圧力センサ13の各圧力室15,16に導かれ
ている。このため、各圧力室15,16間の差圧により
片持ち梁18が振動し、圧電セラミックス板19の両電
極層20間に歪に応じた電位差が生じ出力される。そし
てこの出力が増幅器21で増幅されてから出力される。
この出力は偏流の振動に応じで変動している。即ち、こ
の出力の変動から偏流の振動数を求め、流量を求めるこ
とができる。また、このフルイデック流量計ではノイズ
成分となる流体全体の圧力の変動は各圧力室15,16
間で同値であるので、互いに打ち消しあい自動的にキャ
ンセルされることになる。このため、偏流の振動数によ
る圧力変動だけを検出することになり正確に流量を求め
ることができる。
Here, in this fluidic flow meter, the vibration of the uneven flow is introduced into the pressure chambers 15 and 16 of the pressure sensor 13 as alternating pressure fluctuations near the pressure outlets 11 and 12. Therefore, the cantilever 18 vibrates due to the pressure difference between the pressure chambers 15 and 16, and a potential difference corresponding to the strain is generated between both electrode layers 20 of the piezoelectric ceramic plate 19 and output. Then, this output is amplified by the amplifier 21 and then output.
This output fluctuates according to the vibration of the nonuniform flow. That is, the flow rate can be obtained by obtaining the frequency of the nonuniform flow from the fluctuation of the output. Further, in this fluidic flow meter, fluctuations in the pressure of the fluid as a noise component are caused by the pressure chambers 15 and 16 respectively.
Since they have the same value, they cancel each other and are automatically canceled. Therefore, only the pressure fluctuation due to the frequency of the uneven flow is detected, and the flow rate can be accurately obtained.

【0025】ここで、この圧電セラミックス板19は、
200℃以上にキュリー温度を持ち、キュリー温度以下
での自発分極は特に使用温度範囲においてフラットな好
特性を示している。このため、このフルイデック流量計
では環境温度に影響されることなく正確な流量の測定を
行なうことができる。また、圧電セラミックス板19は
無機物であるので経年変化が小さく、このため、このフ
ルイデック流量計は長期に渡って一定の性能を維持する
ことができる。
Here, the piezoelectric ceramic plate 19 is
It has a Curie temperature of 200 ° C. or higher, and spontaneous polarization below the Curie temperature shows a good flat characteristic particularly in the operating temperature range. Therefore, the fluidic flow meter can accurately measure the flow rate without being affected by the ambient temperature. Further, since the piezoelectric ceramic plate 19 is an inorganic substance, its change over time is small, and therefore, this fluidic flowmeter can maintain a constant performance for a long period of time.

【0026】さらに、このフルイデック流量計の圧電セ
ラミックス板19は上述したように周知の技術で容易に
薄膜を精度良く製造することができるので、柔軟かつ軽
量な膜とすることができ、このため、微弱な圧力を精度
良く検出することができると共に、高周波数にも良く追
従することができる。より具体的には、従来のシリコン
ダイアフラムを用いた圧力センサが高感度タイプのもの
でも0.1mmH2O程度の圧力変動までしか検出する
ことができないのに対し、本実施例の圧力センサ13で
は0.001mmH2O程度の微小な圧力変動でも十分
な交番的電界の発生を認めることができる。さらに、従
来のシリコンダイアフラムを用いた圧力センサの追従周
波数が数Hz以下であるのに対し、本実施例の圧力セン
サ13では本実施例の条件の基で片持ち梁18の共振周
波数は3.6kHz近傍となる。つまり、その共振周波
数に至るまでは正確に追従することができ従来のシリコ
ンダイアフラムを用いた圧力センサに比べ格段に向上し
ている。即ち、本実施例のフルイデック流量計は低い流
速から高い流速まで広範囲の測定ができることになる。
Further, as described above, the piezoelectric ceramic plate 19 of the fluidic flowmeter can be easily manufactured as a thin film by a well-known technique with high precision, and thus can be a flexible and lightweight film. It is possible to detect a weak pressure with high accuracy and follow a high frequency well. More specifically, even if the conventional pressure sensor using a silicon diaphragm is a high-sensitivity type, it can detect only a pressure fluctuation of about 0.1 mmH 2 O, whereas the pressure sensor 13 of the present embodiment. It is possible to recognize the generation of a sufficient alternating electric field even with a minute pressure fluctuation of about 0.001 mmH 2 O. Further, while the follow-up frequency of the pressure sensor using the conventional silicon diaphragm is several Hz or less, in the pressure sensor 13 of this embodiment, the resonance frequency of the cantilever 18 is 3. It will be around 6 kHz. In other words, the resonance frequency can be accurately tracked, which is significantly improved as compared with the conventional pressure sensor using the silicon diaphragm. That is, the fluidic flowmeter of the present embodiment can measure a wide range from low flow velocity to high flow velocity.

【0027】ここに、本実施例のフルイデック流量計に
200リットル/hで流体を流したときの出力波形を図
4に示す。図から明らかなようにはっきりとした波形を
形成しており、正確な測定ができることがわかる。
FIG. 4 shows an output waveform when a fluid is flowed at 200 liters / hour in the fluidic flowmeter of this embodiment. As can be seen from the figure, a clear waveform is formed and accurate measurement can be performed.

【0028】また、このフルイデック流量計の圧電セラ
ミックス板19は歪により直接電圧信号を出力するの
で、歪による抵抗の変化を検出するもののように抵抗変
化検出回路や温度補償回路が不用であり、加えて、上述
したように容易に製造できるので、流量計を安価なもの
とすることができる。
Further, since the piezoelectric ceramic plate 19 of this fluidic flowmeter directly outputs a voltage signal due to strain, a resistance change detecting circuit and a temperature compensating circuit are unnecessary like those for detecting a change in resistance due to strain. Since it can be easily manufactured as described above, the flow meter can be made inexpensive.

【0029】なお、本実施例の圧電セラミックス板19
は、分極方向を違えて貼り合わせたが図5に示すように
分極方向を同じにして貼り合わせても良い。このような
構造とすると変位δと発生電界Vとの関係は次式 δ=(3/2)d31(L2/(2t)2)V で示される。
The piezoelectric ceramic plate 19 of this embodiment is used.
In the above, the polarization directions were different, but the polarization directions may be the same as shown in FIG. With such a structure, the relationship between the displacement δ and the generated electric field V is expressed by the following equation δ = (3/2) d 31 (L 2 / (2t) 2 ) V.

【0030】さらに、圧電セラミックス板19だけでは
腰がない場合等には図6に示すように弾性板22を基材
としてその表面に圧電セラミックス板19を貼り付けて
片持ち梁18を形成しても良い。
Further, in the case where the piezoelectric ceramic plate 19 alone is not sufficient, as shown in FIG. 6, the piezoelectric plate 19 is attached to the surface of the elastic plate 22 as a base material to form the cantilever 18. Is also good.

【0031】つぎに、本発明の第二の実施例を図7に基
づいて説明する。なお、前記第一の実施例で示した部分
と同一部分は同一符号を用いて示し、詳細な説明も省略
する。(以下の実施例でも同様とする)。本実施例の流
量計は構成的には前記実施例と同様であるが、圧力セン
サ13の片持ち梁18が図7に示すようにユニモルフ構
造とされている。材質的にはZカットニオブ酸リチウム
単結晶を600℃付近で熱処理を行ない膜厚方向に対し
分極方向を異なるように配置させたものを適用してい
る。なお、加工に際してはダイヤモンドカッターを使用
した。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The same parts as those shown in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. (The same applies to the following examples). The flow meter of the present embodiment is structurally similar to the above embodiments, but the cantilever 18 of the pressure sensor 13 has a unimorph structure as shown in FIG. The material used is a Z-cut lithium niobate single crystal that is heat-treated at around 600 ° C. and arranged so that the polarization direction is different from the film thickness direction. A diamond cutter was used for processing.

【0032】このような構成において、本実施例の流量
計の圧力センサ13の感度は、0.01mmH2Oとな
り前記実施例の圧力センサに比べ若干の感度の低下があ
るが、圧電セラミックス板19の接合がないため、工程
が簡略化し、かつ、高信頼のものとすることができる。
In such a structure, the pressure sensor 13 of the flow meter of this embodiment has a sensitivity of 0.01 mmH 2 O, which is slightly lower than that of the pressure sensor of the above embodiment, but the piezoelectric ceramic plate 19 Since there is no joining, the process can be simplified and highly reliable.

【0033】つづいて、本発明の第三の実施例を図8に
基づいて説明する。本実施例の流量計は構成的には前記
第一の実施例と同様であるが、圧力センサ13の片持ち
梁18が図8に示すようにモノモルフ構造とされてい
る。このモノモルフ構造とは、半導体と金属を接触させ
ると電子のエネルギーバンド構造に、ショットキー型の
障壁が形成され、この状態で電圧を掛けると、障壁はど
ちらかの接合部で高く不均一になり、そして電界に比例
した歪により屈曲するものである。即ち、歪に応じた電
界を発生し、障壁の為に発生する電圧は不均一となり、
両電極20間に電位差を生じるものである。本実施例で
は、材質的にはPLZT系セラミックスPb0.97La
0.09(Zr0.52Ti0.45)0.99253 にBiを添加して半
導体化したものを適用している。また、モノモルフ構造
は、ショットキー障壁に余分な電流が流れるため、ユニ
モルフ構造に比べ若干の感度低下が見られる。このため
本実施例では片持ち梁の長さLを25mmとし、板厚tを
200μとした。
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The flowmeter of this embodiment is structurally similar to that of the first embodiment, but the cantilever 18 of the pressure sensor 13 has a monomorph structure as shown in FIG. With this monomorph structure, when a semiconductor and a metal are brought into contact with each other, a Schottky-type barrier is formed in the electron energy band structure.When a voltage is applied in this state, the barrier becomes high and uneven at either junction. , And is bent by strain proportional to the electric field. That is, an electric field corresponding to the strain is generated, and the voltage generated due to the barrier becomes non-uniform,
A potential difference is generated between both electrodes 20. In this embodiment, the material is PLZT ceramic Pb 0.97 La.
A material obtained by adding Bi to 0.09 (Zr 0.52 Ti 0.45 ) 0.9925 O 3 to form a semiconductor is applied. Further, in the monomorph structure, an extra current flows through the Schottky barrier, so that the sensitivity is slightly reduced as compared with the unimorph structure. Therefore, in this embodiment, the length L of the cantilever is set to 25 mm and the plate thickness t is set to 200 μ.

【0034】このような構成において、本実施例の流量
計の圧力センサ13の片持ち梁18の共振周波数は25
0Hzとなり、感度はL=5mmの場合に比べ0.001
mmH2O向上した。また、圧電セラミックス板19の
接合がないため、工程が簡略化し、かつ、高信頼のもの
とすることができる。
In such a structure, the resonance frequency of the cantilever 18 of the pressure sensor 13 of the flowmeter of this embodiment is 25.
0Hz, sensitivity is 0.001 compared to L = 5mm
mmH 2 O improved. Further, since the piezoelectric ceramic plate 19 is not joined, the process can be simplified and the reliability can be improved.

【0035】[0035]

【発明の効果】請求項1記載の発明によれば、各圧力室
間の差圧により片持ち梁が変形することになるので、各
圧力室に導入された流体の圧力に変動があった場合、そ
の変動のうち各圧力室に共通する変動成分をキャンセル
し、共通しない変動成分だけを検出することができ、さ
らに、この圧力センサは、圧電セラミックスにより片持
ち梁を形成したので、抵抗変化検出回路や温度補償回路
の必要がなく、加えて、圧電セラミックスは周知の技術
で容易に即ち安価に製造できるため、安価に構成するこ
とができ、さらに、圧電セラミックスは、使用温度範囲
において出力の温度特性が一定であり、加えて、周知の
技術で薄膜を精度良く製造でき、しかも、無機物である
ため経年変化が小さく、これらのため、この圧力センサ
は環境温度に影響されることなく微弱な圧力でも精度良
くかつ感度良く圧力を検出することができ、しかもこの
性能を長期に渡って維持することができる等の効果を有
する。
According to the invention described in claim 1, since the cantilever is deformed by the pressure difference between the pressure chambers, when the pressure of the fluid introduced into each pressure chamber fluctuates. , The fluctuation component common to each pressure chamber can be canceled and only the non-common fluctuation component can be detected. Furthermore, since this pressure sensor has a cantilever formed of piezoelectric ceramics, it detects resistance change. In addition, there is no need for a circuit or a temperature compensating circuit, and since piezoelectric ceramics can be manufactured easily by known technology, that is, at low cost, they can be constructed at low cost. In addition to having constant characteristics, a thin film can be manufactured with high precision by well-known technology, and since it is an inorganic substance, its change over time is small. Also can be detected accurately and sensitively pressure weak pressure without, moreover have an effect and the like can be maintained over the performance long.

【0036】請求項2記載の発明によれば、片持ち梁を
バイモルフ構造としたので、出力を増大させることがで
き、また、出力を一定とすれば小型化することができ
る。
According to the second aspect of the invention, since the cantilever has a bimorph structure, the output can be increased, and if the output is constant, the size can be reduced.

【0037】請求項3記載の発明によれば、片持ち梁を
ユニモルフ構造としたので、バイモルフ形に比べ、貼り
合わせ工程が省略でき、さらに、電界発生量のドリフト
を小さくすることができ、加えて、耐久性を向上させる
ことができる。
According to the invention of claim 3, since the cantilever has a unimorph structure, the bonding step can be omitted as compared with the bimorph type, and further, the drift of the amount of electric field generated can be reduced. Therefore, durability can be improved.

【0038】請求項4記載の発明によれば、片持ち梁を
モノモルフ構造としたので、バイモルフ形に比べ、貼り
合わせ工程が省略でき、さらに、電界発生量のドリフト
を小さくすることができ、加えて、耐久性を向上させる
ことができる。
According to the invention as set forth in claim 4, since the cantilever has a monomorph structure, the bonding step can be omitted as compared with the bimorph type, and further, the drift of the amount of electric field generated can be reduced. Therefore, durability can be improved.

【0039】請求項5記載の発明によれば、流体素子に
よる圧力変動を圧力センサで検出して流量の測定を行な
う流量計において、前記圧力センサを請求項1,2,3
又は4記載の圧力センサとしたので、環境温度に影響さ
れることなく正確な流量測定を行なうことができ、長期
に渡って一定の性能を保つことができ、低流量から高流
量まで広い範囲で流量の測定を精度良く行なうことがで
き、しかも安価に構成することができる等の効果を有す
る。
According to a fifth aspect of the present invention, in the flowmeter for measuring the flow rate by detecting the pressure fluctuation due to the fluid element by the pressure sensor, the pressure sensor is provided in the first, second, and third aspects.
Since the pressure sensor described in 4 is used, accurate flow rate measurement can be performed without being affected by environmental temperature, constant performance can be maintained over a long period, and a wide range from low flow rate to high flow rate can be maintained. The flow rate can be measured with high accuracy, and the cost can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第一の実施例の圧力センサを示す透視
図である。
FIG. 1 is a perspective view showing a pressure sensor according to a first embodiment of the present invention.

【図2】フルイデック流量計を示す平面図である。FIG. 2 is a plan view showing a fluidic flow meter.

【図3】バイモルフ形の片持ち梁を示す側面図である。FIG. 3 is a side view showing a bimorph-shaped cantilever.

【図4】出力波形を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing an output waveform.

【図5】変形例を示す側面図である。FIG. 5 is a side view showing a modified example.

【図6】変形例を示す側面図である。FIG. 6 is a side view showing a modified example.

【図7】本発明の第二の実施例を示す側面図である。FIG. 7 is a side view showing a second embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第三の実施例を示す側面図である。FIG. 8 is a side view showing a third embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

9 流体素子 14 圧力室形成体 15,16 圧力室 15a,16a 入口ノズル 18 片持ち梁 19 圧電セラミックス 21 増幅器 9 Fluid Element 14 Pressure Chamber Forming Body 15, 16 Pressure Chamber 15a, 16a Inlet Nozzle 18 Cantilever 19 Piezoelectric Ceramics 21 Amplifier

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 圧電セラミックスからなる片持ち梁と、
この片持ち梁の両側にそれぞれ流体が導入される圧力室
を形成する圧力室形成体と、前記圧力室へ個別に流体を
導入する2個の入口ノズルと、前記片持ち梁の歪により
生ずる電気出力を増幅して出力する増幅器とを備えたこ
とを特徴とする圧力センサ。
1. A cantilever made of piezoelectric ceramics,
Pressure chamber forming bodies that form pressure chambers into which fluid is introduced on both sides of the cantilever, two inlet nozzles that individually introduce fluid into the pressure chambers, and electricity generated by distortion of the cantilever. A pressure sensor comprising: an amplifier that amplifies and outputs an output.
【請求項2】 片持ち梁をバイモルフ構造としたことを
特徴とする請求項1記載の圧力センサ。
2. The pressure sensor according to claim 1, wherein the cantilever has a bimorph structure.
【請求項3】 片持ち梁をユニモルフ構造としたことを
特徴とする請求項1記載の圧力センサ。
3. The pressure sensor according to claim 1, wherein the cantilever has a unimorph structure.
【請求項4】 片持ち梁をモノモルフ構造としたことを
特徴とする請求項1記載の圧力センサ。
4. The pressure sensor according to claim 1, wherein the cantilever has a monomorph structure.
【請求項5】 流体素子による圧力変動を圧力センサで
検出して流量の測定を行なう流量計において、前記圧力
センサを請求項1,2,3又は4記載の圧力センサとし
たことを特徴とする流量計。
5. A flow meter for measuring a flow rate by detecting a pressure fluctuation due to a fluid element with a pressure sensor, wherein the pressure sensor is the pressure sensor according to claim 1, 2, 3 or 4. Flowmeter.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006075222A (en) * 2004-09-07 2006-03-23 Samii Kk Game machine

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