JPH08210886A - フルイディック流体素子及びフルイディック流量計及び流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 フルイディック流量計の高流量時のＳ／Ｎを
改善する。 【構成】 フルイディック流体素子４３の各部の寸法関
係を規定して形状を最適化した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、フルイディック流体素
子及びフルイディック流量計及び流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、都市ガスやＬＰＧ(Liquefied Pet
roleum Gas）などの流量を計測する流量計として、フル
イディック流量計が利用されている。このフルイディッ
ク流量計とは、フルイディック流体素子にフルイディッ
ク振動計を接続したものであり、例えば、特開平2-2682
28号公報、特開平2-268229 号公報、特開平2-268230 号
公報、特開平4-203936号公報などに開示されている。

【０００３】ここで、この特開平4-203936号公報に開示
されたフルイディック流量計を第一の従来例として図１
６に基づいて以下に説明する。このフルイディック流量
計１では、フルイディック流体素子２の本体ブロック３
に、ノズル４と流路拡大部５と排出口６とからなる流路
７が形成されている。前記流路拡大部５の内部には、誘
振子８が設けられており、前記流路拡大部５の下面に
は、前記ノズル４と前記誘振子８との近傍に一対の圧力
検出口９が形成されている。

【０００４】つまり、前記フルイディック流体素子２
は、全体が二次元的な対称形状に形成されている。二個
の圧力センサ（図示せず）の各々の圧力導入口と前記フ
ルイディック流体素子２の一対の圧力検出口９とが連結
管（図示せず）などにより個々に接続されている。

【０００５】このような構造において、フルイディック
流体素子２の流路７に流体が流動すると、圧力検出口９
にフルイディック振動の圧力が発生するので、この圧力
に基づいてフルイディック振動計が流体の流量を電気的
に計測する。このフルイディック流量計１は、流体の流
量とフルイディック振動との線形性に着目し、流路拡大
部５に誘振子８を設けることにより、小型化と流量の測
定範囲の拡大とを実現している。

【０００６】一方、本出願人は上述のようなフルイディ
ック流体素子の流路拡大部にエンドブロックを付加し、
誘振子により付加された流動を誘振子の前方に帰還さ
せ、フルイディック振動を増強することを提案した。こ
のフルイディック流量計を第二の従来例として図１７に
基づいて以下に説明する。

【０００７】このフルイディック流量計１０では、フル
イディック流体素子１１の本体ブロック１２に、ノズル
１３と流路拡大部１４と排出口１５とからなる流路１６
が形成されており、前記流路拡大部１４の内部には、誘
振子１７とエンドブロック１８とが流体の流動方向に順
次設けられている。

【０００８】前記流路拡大部１４は、四隅が湾曲した矩
形に形成されており、前記誘振子１７は単純な四角柱状
に形成されている。前記エンドブロック１８は、前記誘
振子１７と対向する中央部１９は平板状に形成され、こ
の中央部１９に連続する両翼部２０が前記誘振子１７を
両側から包囲するような湾曲形状に形成されている。

【０００９】前記流路拡大部１４の下面には、前記ノズ
ル１３と前記誘振子１７との近傍に一対の圧力検出口２
１が形成されており、この圧力検出口２１には圧力セン
サを有するフルイディック振動計（図示せず）が接続さ
れている。

【００１０】このような構造において、このフルイディ
ック流量計１０は、流路拡大部１４の流体がエンドブロ
ック１８により良好に循環されるので、フルイディック
振動が増強されて測定精度が向上する。

【００１１】このようなフルイディック流量計１０をガ
スメータに利用する場合、流量の測定領域を 300〜3000
（Ｌ／Ｈ）とすると、フルイディック振動計の圧力セン
サの信号強度は１〜100 もの割合で変化する。このよう
な割合で変化する信号からフルイディック振動を良好に
検出するためには、図１８に示すように、フルイディッ
ク振動計の圧力センサ２２に、増幅器２３とイコライザ
２４とを介して波形整形回路２５を接続することが一般
的である。この場合、圧力センサ２２の出力信号は、増
幅器２３により増幅され、周波数特性が 12(db／oct)の
イコライザ２４により強度が揃えられ、波形整形回路２
５により整形される。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述のような
回路を実際に製作し、イコライザ２４の出力信号をＦＦ
Ｔ(Fast Fourier Transform)波形として調査したとこ
ろ、図１９に示すように、数ヘルツ程度の周波数の入力
信号とノイズとは殆ど減衰されず、高流量時に低周波の
ノイズを受けやすいことが判明した。

【００１３】このような課題を解決するため、本出願人
はフルイディック振動の周波数領域を数帯域に付加した
フィルタにより、イコライザ２４の出力信号をフィルタ
リングすることを提案した。この場合、高流量時の測定
精度は向上するが、ソフトウェアの負担は増加する。

【００１４】フルイディック流量計のＳ／Ｎ(Signal-to
-Noise ratio）を改善する場合、フルイディック流量計
に発生するノイズを低減するだけでなく、外部から作用
する振動による影響を軽減することも重要である。この
ように外部から作用する振動をキャンセルするフルイデ
ィック流量計が、特開平2-268228号公報、特開平2-2682
29号公報、特開平2-268230号公報等に開示されている。

【００１５】これらの公報に開示されたフルイディック
流量計２６は、図２０に示すように、フルイディック流
体素子２７の一対の圧力検出口２８，２９に接続された
フルイディック振動計３０に特徴がある。このフルイデ
ィック振動計３０は、二個の本体ブロック３１，３２の
内部に形成された空洞が、圧電膜３３，３４により一対
の圧力検出室３５〜３８に分割されている。途中から分
岐した連結管３９により、フルイディック流体素子２７
の一方の圧力検出口２８が、フルイディック振動計３０
の両方の本体ブロック３１，３２の一方の圧力検出室３
６，３７に連結され、同様に、連結管４０により他方の
圧力検出口２９が両方の本体ブロック３１，３２の他方
の圧力検出室３５，３８に連結されている。圧電膜３
３，３４には一個の差動増幅器４１が接続されている。

【００１６】このフルイディック流量計２６では、フル
イディック流体素子２７の内部の流体のフルイディック
振動により圧力検出口２８，２９に作用する圧力が交互
に増減すると、フルイディック振動計３０の圧電膜３
３，３４は相互に反対方向に振動するので、これらの圧
電膜３３，３４の差信号を差動増幅器４１により検出す
る。この時、圧電膜３３，３４の振動方向は相互に反対
であり、一方、フルイディック流量計２６に外部から振
動が作用した場合、この振動は圧電膜３３，３４の両方
に同一方向に作用するので差動増幅器４１により影響は
相殺される。

【００１７】しかし、このような構造のフルイディック
流量計２６は、連結管３９，４０が立体的に交差するの
で、圧力損失や圧力伝達の遅れを発生させることなく小
型化することが困難であり、生産性が低下する。

【００１８】また、上述のようなフルイディック流量計
の圧電膜の材料としては、ＰＶＤＦ(Polyvinylidene Fl
uoride）等の高分子圧電膜やＰＺＴ(Lead Zirco Titana
te）等の圧電セラミックが提案されている。

【００１９】例えば、フルイディック流量計を都市ガス
のメータに利用する場合、その環境温度は最高で60〜80
（℃）にもなると予想される。高分子圧電膜はキュリー
温度が80〜100(℃）程度であるので、上述のようなメー
タに使用すると経時劣化が問題である。上述のような温
度環境でも、圧電セラミックは利用できるが、圧電セラ
ミックは薄型化が困難であるため、必然的に剛性が向上
して低流量の検出精度が低下する。

【００２０】例えば、ＬＰＧのガスメータとして、フル
イディック流量計と熱式フローセンサとを併用し、フル
イディック流量計により高流量を計測し、熱式フローセ
ンサにより低流量を計測する流量計もある。しかし、ヒ
ータを有する熱式フローセンサは消費電力が大きいの
で、この熱式フローセンサを常時駆動しておくことは好
ましくない。

【００２１】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
流体が流入するノズルと流路拡大部と流体が流出する排
出口とを流体の流動方向に順次位置させて流体の流路を
形成し、前記流路拡大部の内部で前記ノズルと対向する
位置に誘振子を配置し、この誘振子から前記排出口に連
通する位置にエンドブロックを配置し、全体を二次元的
な対称形に形成したフルイディック流体素子において、
前記誘振子を前記ノズルに対向する湾曲した凹面を有す
る直径φＲ_Y の円柱状に形成し、前記流路の深さをＤ、
前記ノズルの横幅をＷ_N 、前記流路拡大部の前記ノズル
の両側に位置する二つの角部の曲率半径をＲ_F 、前記流
路拡大部の横幅をＷ_E 、前記ノズルと前記誘振子との間
隔をＬ_Y 、前記誘振子と前記エンドブロックとの間隔を
Ｙ_E 、前記エンドブロックの湾曲した両翼部の前記ノズ
ルに対向する凹面の曲率半径をＲ_W 、前記エンドブロッ
クの両翼部の内幅をＷ_B 、前記エンドブロックの両翼部
と前記流路拡大部との間隔をＳ、前記流路拡大部の前記
排出口の両側に位置する二つの角部の曲率半径をＲ_B 、
前記エンドブロックと前記排出口との距離をＬ_E とした
ときに、 ２Ｗ_N≦Ｄ≦10Ｗ_N 0.5Ｌ_Y≦Ｒ_F≦1.5Ｌ_Y ３Ｒ_F
≦Ｗ_E≦５Ｒ_F Ｗ_N≦φＲ_Y≦２Ｗ_N Ｗ_N≦Ｙ_E≦３Ｗ_N 0.3Ｌ_Y
≦Ｒ_W≦0.7Ｌ_Y ４Ｒ_W≦Ｗ_B≦5.5Ｒ_W Ｗ_N≦Ｓ≦３Ｗ_N ２Ｓ≦
Ｌ_E の関係を満足する。

【００２２】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、ノズルと誘振子との近傍で流路拡大部の上
面か下面かに一対の圧力検出口を形成し、流体の流動方
向における前記ノズルと前記圧力検出口の中心との距離
をＸ、流体の流動方向と直交する方向における前記ノズ
ルの中心と前記圧力検出口の中心との距離をＹ、流体の
流動方向と直交する方向における前記圧力検出口の内幅
をＲとしたときに、 Ｒ≒Ｗ_N Ｘ≒Ｒ／２ Ｙ≒Ｗ_N の関係を満足する。

【００２３】請求項３記載の発明は、本体ブロックの下
面に圧力導入口が開口し、内部に空洞が形成され、この
空洞が圧電膜により前記圧力導入口に連通する圧力検出
室と連通しない圧力参照室とに分割され、前記圧電膜の
信号出力により圧力を検出する圧力センサをフルイディ
ック流体素子の圧力検出口に接続し、一対の前記圧力検
出口の圧力を前記圧力センサで検出し、その出力差によ
りフルイディック振動を検出するフルイディック振動計
を設け、このフルイディック振動計と前記フルイディッ
ク流体素子とからなる。

【００２４】請求項４記載の発明は、請求項３記載の発
明において、板厚が同等の支持基板と圧電セラミックと
を一体に接合して圧電膜を形成した。

【００２５】請求項５記載の発明は、請求項３又は４記
載の発明において、硬化後も弾性を有する接着剤により
空洞の内面に圧電膜を接着した。

【００２６】請求項６記載の発明は、請求項３記載の発
明において、外面から圧力参照室に導通する細孔を本体
ブロックに形成した。

【００２７】請求項７記載の発明は、高流量を計測する
フルイディック流量計と低流量を計測する熱式フローセ
ンサとを有する流量計において、前記フルイディック流
量計の少なくとも一方の圧電膜の出力値に基づいて前記
熱式フローセンサをオンオフするセンサ制御手段を設け
た。

【００２８】

【作用】請求項１記載の発明は、フルイディック流体素
子の各部の寸法の関係を規定し、高流量時の低周波ノイ
ズに対するＳ／Ｎを向上させた。

【００２９】請求項２記載の発明は、圧力検出口の形状
とノズルに対する位置とを最適化し、流体の流動が 150
〜3000(Ｌ／Ｈ)の場合のＳ／Ｎを向上させた。

【００３０】請求項３記載の発明は、フルイディック流
体素子の二個の圧力検出口に接合した圧力センサによ
り、フルイディック振動により発生する静圧を各々測定
し、その差信号よりフルイディック振動を検出するもの
であり、圧力センサの圧力導入口とフルイディック流体
素子の圧力検出口とが短絡する極めて簡単な構造で、フ
ルイディック振動計が小型かつ低価格に実現できた。

【００３１】請求項４記載の発明は、一体に接合されて
圧電膜を形成する支持基板と圧電セラミックとの板厚が
同等なので、圧電膜の湾曲により圧電セラミックが面方
向に変形する度合いが大きく感度が増大する。

【００３２】請求項５記載の発明は、空洞の内面に圧電
膜を接着した接着剤が弾性を有するので、圧電膜が周辺
支持の状態で本体ブロックの空洞に装着される。

【００３３】請求項６記載の発明は、外面から圧力参照
室に導通する細孔を本体ブロックに形成したことによ
り、この本体ブロックの外部と内部とに空気が流通して
温度差が発生しない。

【００３４】請求項７記載の発明は、フルイディック流
量計の少なくとも一方の圧電膜の出力値に基づいて熱式
フローセンサをオンオフするセンサ制御手段を設けたこ
とにより、このセンサ制御手段はフルイディック流量計
の圧電膜の出力値から流体の流動の有無を判断できるの
で、流体の流動時のみ熱式フローセンサをオンする。

【００３５】

【実施例】本発明の第一の実施例を図１ないし図１４に
基づいて以下に説明する。なお、本実施例で示すフルイ
ディック流量計４２に関し、前述したフルイディック流
量計１０と同一の部分は、同一の名称及び符号を利用し
て詳細な説明は省略する。

【００３６】まず、本実施例のフルイディック流量計４
２では、図１ないし図３に示すように、フルイディック
流体素子４３の誘振子４４が、直径φＲ_Y の円柱状に形
成されており、ノズル１３に対向する位置に湾曲した凹
面４５が形成されている。

【００３７】そして、本実施例のフルイディック流体素
子４３は、以下の関係を満足する形状に各部が形成され
ている。つまり、図１に示すように、流路１６の深さを
Ｄ、ノズル１３の横幅をＷ_N 、流路拡大部１４のノズル
１３の両側に位置する二つの角部４６の曲率半径を
Ｒ_F 、流路拡大部１４の横幅をＷ_E 、ノズル１３と誘振
子４４との間隔をＬ_Y 、誘振子４４とエンドブロック１
８との間隔をＹ_E 、エンドブロック１８の湾曲した両翼
部２０の凹面の曲率半径をＲ_W 、エンドブロック１８の
両翼部２０の内幅をＷ_B 、エンドブロック１８の両翼部
２０と流路拡大部１４との間隔をＳ、流路拡大部１４の
排出口１５の両側に位置する二つの角部４７の曲率半径
をＲ_B 、エンドブロック１８と排出口１５との距離をＬ
_E としたときに、 ２Ｗ_N≦Ｄ≦10Ｗ_N 0.5Ｌ_Y≦Ｒ_F≦1.5Ｌ_Y ３Ｒ_F
≦Ｗ_E≦５Ｒ_F Ｗ_N≦φＲ_Y≦２Ｗ_N Ｗ_N≦Ｙ_E≦３Ｗ_N 0.3Ｌ_Y
≦Ｒ_W≦0.7Ｌ_Y ４Ｒ_W≦Ｗ_B≦5.5Ｒ_W Ｗ_N≦Ｓ≦３Ｗ_N ２Ｓ≦
Ｌ_E が成立する。

【００３８】さらに、図２に示すように、流体の流動方
向におけるノズル１３と圧力検出口２１の中心との距離
をＸ(mm)、流体の流動方向と直交する方向におけるノズ
ル１３の中心と圧力検出口２１の中心との距離をＹ(m
m)、流体の流動方向と直交する方向における圧力検出口
２１の内幅をＲ(mm)としたときに、 Ｒ＝Ｗ_N±1.0(mm) Ｘ＝(Ｒ／２)±1.0(mm) Ｙ＝
Ｗ_N±1.5(mm) として、 Ｒ≒Ｗ_N Ｘ≒Ｒ／２ Ｙ≒Ｗ_N の関係を満足している。なお、圧力検出口２１は円形に
形成されているので、その内幅Ｒは直径φＲである。

【００３９】また、図３及び図４に示すように、前記フ
ルイディック流体素子４３の上面には、フルイディック
振動計４８が固定されている。このフルイディック振動
計４８の構造を以下に説明する。まず、一個の本体ブロ
ック４９の内部に一対の円筒形の空洞５０が形成されて
おり、これらの空洞５０に各々連通する圧力導入口５１
の各々が前記本体ブロック４９の下面に開口している。
一対の前記空洞５０の内周面には、略中央の高さに一対
の圧電膜５２が水平に接着されており、これら一対の圧
電膜５２により、一対の前記空洞５０が一対の圧力参照
室５３と一対の圧力検出室５４とに各々分割されてい
る。

【００４０】そこで、前記フルイディック振動計４８の
本体ブロック４９と前記フルイディック流体素子４３の
本体ブロック１２とが一体に接合され、前記フルイディ
ック流体素子４３の一対の圧力検出口２１の各々に、前
記フルイディック振動計４８の一対の圧力導入口５１が
個々に連通している。これらの圧力導入口５１は、一対
の前記圧力検出室５４に各々導通している。なお、前記
圧力参照室５３は構造的に密閉されているので、前記圧
電膜５２の結露などを防止するため、露点が−20（℃）
以下の乾燥空気が封入されている。

【００４１】前記圧電膜５２は、図５に示すように、支
持基板５５と圧電板５６と電極層５７とを順次積層した
円盤状に形成されている。前記支持基板５５は、前記本
体ブロック４９の空洞５０を密閉する半径Ｒ１の円盤状
に形成されており、前記圧電板５６と前記電極層５７と
は、前記支持基板５５より一回り小さい半径Ｒ２の円盤
状に形成されている。また、前記支持基板５５と前記圧
電板５６とは、同等の板厚に形成されており、この板厚
は、具体的には30〜250(μm)、好ましくは30〜50（μm)
である。なお、前記支持基板５５は真鍮からなるが、そ
の材料としては、42アロイなどの合金やステンレスも利
用可能である。また、圧電板５６は、ジルコン酸チタン
酸鉛系を主体とするＰＺＴ系の圧電セラミックからな
る。

【００４２】そして、前記圧電膜５２の支持基板５５
は、その片面の端部の位置で前記本体ブロック４９の空
洞５０の内面に接着されており、この接着は硬化後も弾
性を有するシリコン系ゴム接着剤による。

【００４３】このような構成において、フルイディック
流体素子４３の流路１６を流体が流動すると、図６に示
すように、この流体にフルイディック振動が発生して一
対の圧力検出口２１に作用する流体の圧力が交互に増減
する。すると、フルイディック振動計４８の一対の圧力
検出室５４に作用する流体の圧力も交互に増減して一対
の圧電膜５２が交互に上下するので、これらの圧電膜５
２の出力信号を差動増幅器４１により差動増幅すること
により流体の流量が測定される。

【００４４】本実施例のフルイディック流量計４２で
は、図１に基づいて説明したように、フルイディック流
体素子４３の形状が最適化されているので、流量測定の
Ｓ／Ｎが測定領域の略全域で良好である。このため、本
出願人は、本実施例のフルイディック流量計４２と前述
したフルイディック流量計１，１０とを実際に試作し、
低周波ノイズと信号強度とのＳ／Ｎを各種流量で測定し
た。

【００４５】この測定結果を図７に示す。図中、Ｇ２が
第一の従来例のフルイディック流量計１の測定結果、Ｔ
Ｇが第二の従来例のフルイディック流量計１０の測定結
果、ＳＶが本実施例のフルイディック流量計４２の測定
結果である。同図から明白であるように、本実施例のフ
ルイディック流量計４２は、測定領域の略全域で従来の
フルイディック流量計１，１０よりＳ／Ｎが良好であ
り、特に高流量時のＳ／Ｎが向上している。

【００４６】しかも、図２に基づいて説明したように、
圧力検出口２１の位置と寸法も最適化されているので、
さらに流量測定のＳ／Ｎが改善されている。このため、
本出願人は、本実施例の圧力検出口２１の位置や寸法を
変更したフルイディック流量計（図示せず）を実際に試
作して圧力信号を測定した。

【００４７】流体の流動方向と直交する方向におけるノ
ズル１３の中心と圧力検出口２１の中心との距離Ｙを変
更した場合の測定結果を図８に示す。まず、距離Ｙを短
縮して圧力検出口２１を図２におけるＡ点に形成したと
ころ、図８（ａ）に示すように、圧力信号の出力は増大
したが、圧力信号の波形に二つのピークが発生した。こ
れはフルイディック振動を往復の両方で検出してしまう
ためである。つぎに、距離Ｙを延長して圧力検出口２１
を図２におけるＢ点に形成したところ、図８（ｂ）に示
すように、圧力信号の出力が低下し、波形が正弦波に近
似しなくなった。これはフルイディック振動による流動
が拡散して流速が低下することと、乱流が発生すること
に起因する。

【００４８】また、流体の流動方向におけるノズル１３
と圧力検出口２１の中心との距離Ｘを変更したところ、
この距離Ｘの増加に従って信号出力は単調に低下した
が、この信号出力は誘振子４４の直前では急激に増加し
た。これは誘振子４４により流体の流動が急角度に偏向
される際に圧力が増加することに起因する。

【００４９】さらに、圧力検出口２１の直径φＲを変更
したところ、この直径φＲの増加により信号出力は増大
してから減少した。圧力信号の出力増大は、圧力検出口
２１に圧力を作用させる流体の容量が増加することに起
因しており、出力減少は、圧力検出口２１が有効な流動
の横幅より拡大されると、圧力検出口２１に圧力を作用
させない流体の容量が増加することに起因している。

【００５０】そして、上述のような直径φＲと距離Ｘと
距離Ｙとを各種に変更してフルイディック振動計４８の
出力信号のＳ／Ｎを測定したところ、図９に示すように
なり、最高のＳ／Ｎから、これの 90(％）程度までを好
ましいＳ／Ｎの範囲とすると、圧力検出口２１の最適な
内径φＲ(mm)と位置Ｘ，Ｙ(mm)とは、ノズル１３の内幅
をＷ_n とすると、 Ｒ＝Ｗ_N±1.0(mm) Ｘ＝(Ｒ／２)±1.0(mm) Ｙ＝
Ｗ_N±1.5(mm) となった。

【００５１】なお、本実施例のフルイディック流量計４
２では、圧力検出口２１を単純な円形に形成することを
示したが、本発明は上記実施例に限定されるものではな
く、楕円形や矩形や多角形なども可能であり、この場
合、圧力検出口の内幅Ｒは、Ｙ方向の内幅となる。ま
た、ノズル１３の内面はＸ方向と平行に形成されている
必要があり、ノズル１３の開口から角部４６に連通する
流路拡大部１４の内面はＹ方向と平行に形成されている
必要がある。さらに、フルイディック流体素子４３の圧
力検出口２１とフルイディック振動計４８の圧力導入口
５１との形状と位置とを一致させることにより、流体の
流量を最適な効率で計測できるが、例えば、圧力検出口
２１と圧力導入口５１とが一致しない場合には、これら
を連通させる流路部材（図示せず）をフルイディック流
体素子４３とフルイディック振動計４８とに介在させる
ことになる。

【００５２】さらに、本実施例のフルイディック流量計
４２は、図５に示すように、圧電膜５２の圧電板５６が
キュリー温度の高い圧電セラミックであるＰＺＴからな
るので、都市ガスやＬＰＧのガスメータが設置されてい
る環境下で使用されても、経時劣化を懸念する必要がな
い。しかも、この圧電膜５２は、真鍮製の半径Ｒ１の支
持基板５５とＰＺＴ製の半径Ｒ２の圧電板５６とを同等
の板厚として一体に接合した構造なので、圧電板５６の
単体で圧電膜５２を形成した構造に比較して全体が薄く
大きく形成されており、流体の圧力により支持基板５５
を湾曲させて圧電板５６を面方向に伸縮させることがで
きるので、圧電板５６の単体で圧電膜５２を形成した構
造に比較して感度が十倍以上に改善されている。

【００５３】さらに、圧電膜５２の支持基板５５は、硬
化後も弾性を有するシリコン系ゴム接着剤により、その
片面の端部の位置で本体ブロック４９の空洞５０の内面
に接着されているので、この部分は位置固定であるが角
度は可変自在である。つまり、圧電膜５２は、周辺支持
の状態で空洞５０に装着されているので、周辺固定の場
合に比較して出力強度が向上している。

【００５４】このため、本出願人は支持基板５５と圧電
板５６との板厚の比率と半径の比率とを各種に変更した
圧電膜５２を製作し、これを周辺支持と周辺固定との状
態で本体ブロック４９の空洞５０に接着し、一定圧力で
の出力電圧を測定した。支持基板５５と圧電板５６との
板厚の比率を一対一とし、半径の比率を各種に変更した
場合の、周辺支持の測定結果を図１０（ａ）に示し、周
辺固定の測定結果を図１０（ｂ）に示す。また、支持基
板５５と圧電板５６との板厚を各種に組み合わせた場合
の測定結果を図１１に示す。

【００５５】図１０（ａ)(ｂ）から明白であるように、
圧電膜５２は周辺固定に比較して周辺支持の方が出力強
度が良好である。周辺支持の場合、図１０（ａ）に示す
ように、圧電膜５２の出力強度は支持基板５５と圧電板
５６との半径の比率Ｒ２／Ｒ１に略比例して増大し、Ｒ
２／Ｒ１≒0.85で略飽和して最高となるので、Ｒ２／Ｒ
１＝0.85〜1.0 であることが望ましい。また、周辺固定
の場合は、図１０（ｂ）に示すように、圧電膜５２の出
力強度はＲ２／Ｒ１≒0.75でピークとなるので、Ｒ２／
Ｒ１＝0.65〜0.75であることが望ましい。

【００５６】また、図１１から明白であるように、圧電
膜５２の出力強度は、支持基板５５の板厚が薄いほど良
好であり、圧電板５６の板厚は支持基板５５と同等の場
合に良好である。つまり、支持基板５５と圧電板５６と
の板厚は同等で薄いほど良好であり、実用範囲としては
30〜250(μm)程度であり30〜 50(μm)が望ましい。

【００５７】なお、ここでは真鍮製の支持基板５５を使
用した場合の結果を示したが、これを他の金属で製作し
ても同様な結果となることを本出願人は確認している。

【００５８】また、本実施例のフルイディック流量計４
２では、図５に示すように、支持基板５５と圧電板５６
と電極層５７とを順次積層した単純な構造で圧電膜５２
を形成したが、本発明は上記実施例に限定されるもので
はなく、図１２に示すように、ガラスエポキシ樹脂など
からなる絶縁性の支持基板５８上に、電極層５９と圧電
板５６と電極層６０とを順次積層して圧電膜６１を形成
することも可能である。この場合、圧電膜５２と同様
に、圧電板５６の全面に電極層５９，６０を成膜するこ
とも可能であるが、図１３に示すように、電極層５９，
６０を複数のセグメントに分割して接続を直列とし、圧
電膜６１の出力強度を向上させることも可能である。

【００５９】また、本実施例のフルイディック流量計４
２は、図２０に基づいて前述した従来例のフルイディッ
ク流量計２６と同様に、同一方向に配置された一対の圧
電膜５２の差信号によりフルイディック振動を検出する
ので、全体に作用する振動は一対の圧電膜５２に同相に
作用して差動増幅器４１の差動増幅により相殺される。
しかし、本実施例のフルイディック流量計４２では、フ
ルイディック振動計４８とフルイディック流体素子４３
とが一体に接合されており、圧電膜５２により圧力参照
室５３と分割された圧力検出室５４のみが圧力検出口２
１に導通しているので、複雑な構造の連結管は必要でな
く、構造が単純で小型化されている。

【００６０】本実施例のフルイディック流量計４２で
は、フルイディック振動計４８とフルイディック流体素
子４３とが一体に接合されているので、外部から作用す
る振動に対する出力信号のＳ／Ｎが良好である。このた
め、本実施例のフルイディック流量計４２と従来のフル
イディック流量計２６とを実際に試作して性能を比較し
た。

【００６１】まず、フルイディック信号のＳ／Ｎを各種
流量で測定したところ、図１４（ａ）に示すように、同
等な結果となった。これは、本実施例のフルイディック
流量計４２の圧電膜５２が高感度なことに起因してい
る。

【００６２】つまり、従来のフルイディック流量計２６
は流体のフルイディック振動の差圧を検出するが、本実
施例のフルイディック流量計４２は流体のフルイディッ
ク振動の絶対圧を検出するので、ダイナミックレンジが
拡大されてＳ／Ｎが低下することになる。より具体的に
は、ＬＰＧメータの場合、流体の静圧は300(mmH₂O)であ
るのに対し、フルイディック振動により発生する差圧は
0.03〜3.0(mmH₂O)であるので、差圧を検出する従来のフ
ルイディック流量計２６のダイナミックレンジは 100程
度で良いのに対し、絶対圧を検出する本実施例のフルイ
ディック流量計４２のダイナミックレンジは 10000程度
となる。しかし、本実施例のフルイディック流量計４２
は、前述のように圧電膜５２が高感度であるので、結果
的に従来と同様なＳ／Ｎを得ることができた。

【００６３】つぎに、外部振動が作用した場合のフルイ
ディック信号のＳ／Ｎを測定した。この場合、外部振動
の周波数は40(Hz)、流体の流量は1000(L／H)とした。す
ると、図１４（ｂ）に示すように、本実施例のフルイデ
ィック流量計４２は従来のフルイディック流量計２６よ
り良好な結果となった。これは、フルイディック流体素
子４３にフルイディック振動計４８が一体に接合されて
いるので、全体に作用する振動がフルイディック振動計
４８の一対の圧電膜５２に完全に同相に作用することに
起因している。

【００６４】なお、本実施例のフルイディック流量計４
２では、一対の空洞５０が形成された一個の本体ブロッ
ク４９からフルイディック振動計４８を形成し、これを
フルイディック流体素子４３に接合することにより、単
純な構造で良好なＳ／Ｎを実現している。しかし、本発
明は上記実施例に限定されるものではなく、例えば、空
洞５０が各々形成された一対の本体ブロックからフルイ
ディック振動計（図示せず）を形成し、これをフルイデ
ィック流体素子４３に接合することも可能である。

【００６５】また、本実施例のフルイディック流量計４
２では、フルイディック振動計４８の圧力参照室５３が
密閉されているので、露点が−20(℃)以下の乾燥空気を
封入して結露を防止することを示したが、本発明は上記
実施例に限定されるものではなく、例えば、外部から圧
力参照室５３の各々に導通する細孔を本体ブロック４９
に形成して結露を防止することも可能である。この場
合、外部から細孔を介して圧力参照室５３の各々に作用
する空気振動も同一位相なので相殺されるが、細孔に金
網などを充填して空気振動の影響を軽減することが望ま
しい。

【００６６】つぎに、本発明の第二の実施例を図１５に
基づいて以下に説明する。まず、本実施例の流量計であ
るＬＰＧメータ６２は、第一の実施例として前述したフ
ルイディック流量計４２を、熱式フローセンサ６３と共
に有している。

【００６７】フルイディック流量計４２の一対の圧電膜
５２には差動増幅器４１が接続されており、この差動増
幅器４１には、波形整形回路２５とカウンタ６４とを介
してＣＰＵ(Central Processing Unit）６５の流量変換
器６６が接続されている。前記熱式フローセンサ６３に
は、駆動制御回路６７が接続されており、この駆動制御
回路６７にはＡ／ＤＣ（Analog／Digital Convertor)６
８を介して前記ＣＰＵ６５の流量変換器６９が接続され
ている。このＣＰＵ６５の内部で前記流量変換器６６，
６９はセレクタ７０に接続されており、このＣＰＵ６５
のセレクタ７０に別体のディスプレイ７１が接続されて
いる。

【００６８】また、前記フルイディック流量計４２の一
対の圧電膜５２の一方に増幅器７２が接続されており、
この増幅器７２は前記ＣＰＵ６５の流量判断器７３に接
続されている。この流量判断器７３は前記ＣＰＵ６５の
内部でパルス発生器７４に接続されており、このパルス
発生器７４が前記駆動制御回路６７に接続されている。
これらの回路により、前記フルイディック流量計４２の
一方の圧電膜５２の出力値に基づいて前記熱式フローセ
ンサ６３をオンオフするセンサ制御手段が形成されてい
る。

【００６９】このような構成において、本実施例のＬＰ
Ｇメータ６２は、流体であるＬＰＧのガスボンベからガ
ス器具に至る配管に設けられ、ＬＰＧの流量を検出して
ディスプレイ７１に表示する。この時、高流量はフルイ
ディック流量計４２により検出し、低流量は熱式フロー
センサ６３により検出することにより、ＬＰＧの流量を
広範囲で高感度に検出する。

【００７０】そして、本実施例のＬＰＧメータ６２で
は、フルイディック流量計４２の一方の圧電膜５２の出
力値に基づいて熱式フローセンサ６３をオンオフするこ
とにより、ＬＰＧが使用されて流動する場合のみ熱式フ
ローセンサ６３を駆動する。このため、熱式フローセン
サ６３は、ヒータを有するために消費電力が大きいが、
ＬＰＧが流動する場合のみ駆動されるので、全体の消費
電力が低減されている。

【００７１】より詳細には、ＬＰＧメータ６２に作用す
るＬＰＧの圧力は一般的に300(mmH₂O)程度であるが、ガ
ス器具の弁が開放されると、ＬＰＧの圧力は瞬間的に低
下してから上昇し、ガス器具の弁が閉止されると、ＬＰ
Ｇの圧力は瞬間的に上昇する。

【００７２】このため、本実施例のＬＰＧメータ６２
は、フルイディック流量計４２の圧電膜５２の出力信号
からＬＰＧの流動の有無を判断したＣＰＵ６５が熱式フ
ローセンサ６３のオンオフを制御することにより、消費
電力が大きい熱式フローセンサ６３はＬＰＧの流動時の
み駆動して全体の消費電力を低減する。

【００７３】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、誘振子をノズル
に対向する湾曲した凹面を有する直径φＲ_Y の円柱状に
形成し、流路の深さをＤ、ノズルの横幅をＷ_N 、流路拡
大部のノズルの両側に位置する二つの角部の曲率半径を
Ｒ_F 、流路拡大部の横幅をＷ_E、ノズルと誘振子との間
隔をＬ_Y 、誘振子とエンドブロックとの間隔をＹ_E 、エ
ンドブロックの湾曲した両翼部のノズルに対向する凹面
の曲率半径をＲ_W 、エンドブロックの両翼部の内幅をＷ
_B 、エンドブロックの両翼部と流路拡大部との間隔を
Ｓ、流路拡大部の排出口の両側に位置する二つの角部の
曲率半径をＲ_B 、エンドブロックと排出口との距離をＬ
_E としたときに、 ２Ｗ_N≦Ｄ≦10Ｗ_N 0.5Ｌ_Y≦Ｒ_F≦1.5Ｌ_Y ３Ｒ_F
≦Ｗ_E≦５Ｒ_F Ｗ_N≦φＲ_Y≦２Ｗ_N Ｗ_N≦Ｙ_E≦３Ｗ_N 0.3Ｌ_Y
≦Ｒ_W≦0.7Ｌ_Y ４Ｒ_W≦Ｗ_B≦5.5Ｒ_W Ｗ_N≦Ｓ≦３Ｗ_N ２Ｓ≦
Ｌ_E の関係を満足することにより、フルイディック流体素子
の形状を最適化することができるので、高流量時の低周
波に対するフルイディック信号のＳ／Ｎを改善すること
ができ、高流量時の測定精度が良好なフルイディック流
量計を得ることができる。

【００７４】請求項２記載の発明は、ノズルと誘振子と
の近傍で流路拡大部の上面か下面かに一対の圧力検出口
を形成し、流体の流動方向におけるノズルと圧力検出口
の中心との距離をＸ、流体の流動方向と直交する方向に
おけるノズルの中心と圧力検出口の中心との距離をＹ、
流体の流動方向と直交する方向における圧力検出口の内
幅をＲとしたときに、 Ｒ≒Ｗ_N Ｘ≒Ｒ／２ Ｙ≒Ｗ_Ｎ の関係を満足することにより、圧力検出口の形状と位置
とを最適化することができるので、フルイディック信号
のＳ／Ｎを改善することができ、測定精度が良好なフル
イディック流量計を得ることができる。

【００７５】請求項３記載の発明は、本体ブロックの下
面に圧力導入口が開口し、内部に空洞が形成され、この
空洞が圧電膜により圧力導入口に連通する圧力検出室と
連通しない圧力参照室とに分割され、圧電膜の信号出力
により圧力を検出する圧力センサをフルイディック流体
素子の圧力検出口に接続し、一対の圧力検出口の圧力を
圧力センサで検出し、その出力差によりフルイディック
振動を検出するフルイディック振動計を設け、このフル
イディック振動計とフルイディック流体素子とからなる
ことにより、外部から作用する振動に対するフルイディ
ック信号のＳ／Ｎを改善することができ、測定精度が良
好なフルイディック流量計を得ることができる。

【００７６】請求項４記載の発明は、板厚が同等な支持
基板と圧電セラミックとを一体に接合して圧電膜を形成
したことにより、圧電膜に作用する圧力を支持基板の湾
曲により圧電セラミックの面方向の伸縮に変換すること
ができるので、単純な構造で高感度な圧電膜を得ること
ができる。

【００７７】請求項５記載の発明は、硬化後も弾性を有
する接着剤により空洞の内面に圧電膜を接着したことに
より、圧電膜を周辺支持と同様な構造で本体ブロックの
空洞に装着することができるので、単純な構造で高感度
な圧電膜を得ることができる。

【００７８】請求項６記載の発明は、外面から圧力検出
室と圧力参照室とに各々導通する細孔を本体ブロックに
形成したことにより、この本体ブロックの外部と内部と
に空気が流通して温度差が発生しないので、圧力参照室
の結露を防止することができる。

【００７９】請求項７記載の発明は、フルイディック流
量計の少なくとも一方の圧電膜の出力値に基づいて熱式
フローセンサをオンオフするセンサ制御手段を設けたこ
とにより、フルイディック流量計の圧電膜の出力値から
流体の流動の有無を判断し、流体の流動時のみ熱式フロ
ーセンサを駆動することができるので、全体の消費電力
を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のフルイディック流体素子を
示す平面図である。

【図２】拡大した要部を示す平面図である。

【図３】フルイディック流量計を示す分解斜視図であ
る。

【図４】フルイディック流量計を示す縦断正面図であ
る。

【図５】圧電膜を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面
図である。

【図６】フルイディック振動計に差動増幅器を接続した
状態を示す模式図である。

【図７】各種流量における低周波ノイズと信号強度との
Ｓ／Ｎを示す特性図である。

【図８】ノズルと圧力検出口との距離Ｙを変更した場合
の圧力信号を示し、（ａ）は距離Ｙを短縮した場合の特
性図、（ｂ）は距離Ｙを延長した場合の特性図である。

【図９】ノズルに対する圧力検出口の直径φＲと距離Ｘ
と距離Ｙとを各種に変更した場合の出力信号のＳ／Ｎを
示し、（ａ）は直径φＲを変更した場合の特性図、
（ｂ）は距離Ｘを変更した場合の特性図、（ｃ）は距離
Ｙを変更した場合の特性図である。

【図１０】圧電膜の支持基板と圧電板との半径の比率を
各種に変更した場合の出力電圧を示し、（ａ）は周辺支
持の場合の特性図、（ｂ）は周辺固定の場合の特性図で
ある。

【図１１】支持基板と圧電板との板厚を各種に組み合わ
せた場合の出力電圧を示す特性図である。

【図１２】圧電膜の一変形例を示す側面図である。

【図１３】一変形例の圧電膜の電極を示す平面図であ
る。

【図１４】（ａ）は各種流量におけるフルイディック信
号のＳ／Ｎを示す特性図、（ｂ）は外部振動に対するフ
ルイディック信号のＳ／Ｎを示す特性図である。

【図１５】本発明の第二の実施例を示すブロック図であ
る。

【図１６】第一の従来例のフルイディック流量計を示す
平面図である。

【図１７】第二の従来例のフルイディック流量計を示す
平面図である。

【図１８】フルイディック流量計に接続する回路を示す
ブロック図である。

【図１９】フルイディック流量計の出力信号を示す特性
図である。

【図２０】第三の従来例のフルイディック流量計を示す
模式図である。

【符号の説明】

１２ 本体ブロック １３ ノズル １４ 流路拡大部 １５ 排出口 １６ 流路 １８ エンドブロック ２１ 圧力検出口 ４２ フルイディック流量計 ４３ フルイディック流体素子 ４４ 誘振子 ４５ 凹面 ４６，４７ 角部 ４８ フルイディック振動計 ４９ 本体ブロック ５０ 空洞 ５１ 圧力導入口 ５２，６１ 圧電膜 ５３ 圧力参照室 ５４ 圧力検出室 ５５，５８ 支持基板 ５６ 圧電セラミック ６２ 流量計 ６３ 熱式フローセンサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 秋山 善一 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 高宮 敏行 東京都品川区南大井６−16−10 リコー精 器株式会社内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体が流入するノズルと流路拡大部と流
   体が流出する排出口とを流体の流動方向に順次位置させ
   て流体の流路を形成し、前記流路拡大部の内部で前記ノ
   ズルと対向する位置に誘振子を配置し、この誘振子から
   前記排出口に連通する位置にエンドブロックを配置し、
   全体を二次元的な対称形に形成したフルイディック流体
   素子において、 前記誘振子を前記ノズルに対向する湾曲した凹面を有す
   る直径φＲ_Y の円柱状に形成し、前記流路の深さをＤ、
   前記ノズルの横幅をＷ_N 、前記流路拡大部の前記ノズル
   の両側に位置する二つの角部の曲率半径をＲ_F 、前記流
   路拡大部の横幅をＷ_E 、前記ノズルと前記誘振子との間
   隔をＬ_Y 、前記誘振子と前記エンドブロックとの間隔を
   Ｙ_E 、前記エンドブロックの湾曲した両翼部の前記ノズ
   ルに対向する凹面の曲率半径をＲ_W 、前記エンドブロッ
   クの両翼部の内幅をＷ_B 、前記エンドブロックの両翼部
   と前記流路拡大部との間隔をＳ、前記流路拡大部の前記
   排出口の両側に位置する二つの角部の曲率半径をＲ_B 、
   前記エンドブロックと前記排出口との距離をＬ_E とした
   ときに、 ２Ｗ_N≦Ｄ≦10Ｗ_N 0.5Ｌ_Y≦Ｒ_F≦1.5Ｌ_Y ３Ｒ_F
   ≦Ｗ_E≦５Ｒ_F Ｗ_N≦φＲ_Y≦２Ｗ_N Ｗ_N≦Ｙ_E≦３Ｗ_N 0.3Ｌ_Y
   ≦Ｒ_W≦0.7Ｌ_Y ４Ｒ_W≦Ｗ_B≦5.5Ｒ_W Ｗ_N≦Ｓ≦３Ｗ_N ２Ｓ≦
   Ｌ_E の関係を満足することを特徴とするフルイディック流体
   素子。
2. 【請求項２】 ノズルと誘振子との近傍で流路拡大部の
   上面か下面かに一対の圧力検出口を形成し、流体の流動
   方向における前記ノズルと前記圧力検出口の中心との距
   離をＸ、流体の流動方向と直交する方向における前記ノ
   ズルの中心と前記圧力検出口の中心との距離をＹ、流体
   の流動方向と直交する方向における前記圧力検出口の内
   幅をＲとしたときに、 Ｒ≒Ｗ_N Ｘ≒Ｒ／２ Ｙ≒Ｗ_N の関係を満足することを特徴とする請求項１記載のフル
   イディック流体素子。
3. 【請求項３】 本体ブロックの下面に圧力導入口が開口
   し、内部に空洞が形成され、この空洞が圧電膜により前
   記圧力導入口に連通する圧力検出室と連通しない圧力参
   照室とに分割され、前記圧電膜の信号出力により圧力を
   検出する圧力センサをフルイディック流体素子の圧力検
   出口に接続し、一対の前記圧力検出口の圧力を前記圧力
   センサで検出し、その出力差によりフルイディック振動
   を検出するフルイディック振動計を設け、このフルイデ
   ィック振動計と前記フルイディック流体素子とからなる
   ことを特徴とするフルイディック流量計。
4. 【請求項４】 板厚が同等の支持基板と圧電セラミック
   とを一体に接合して圧電膜を形成したことを特徴とする
   請求項３記載のフルイディック流量計。
5. 【請求項５】 硬化後も弾性を有する接着剤により空洞
   の内面に圧電膜を接着したことを特徴とする請求項３又
   は４記載のフルイディック流量計。
6. 【請求項６】 外面から圧力参照室に導通する細孔を本
   体ブロックに形成したことを特徴とする請求項３記載の
   フルイディック流量計。
7. 【請求項７】 高流量を計測するフルイディック流量計
   と低流量を計測する熱式フローセンサとを有する流量計
   において、前記フルイディック流量計の少なくとも一方
   の圧電膜の出力値に基づいて前記熱式フローセンサをオ
   ンオフするセンサ制御手段を設けたことを特徴とする流
   量計。