JPH08327416A

JPH08327416A - 流体振動検出センサ

Info

Publication number: JPH08327416A
Application number: JP7199501A
Authority: JP
Inventors: Yoshiro Miyazaki; 芳郎宮崎
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 1995-03-27
Filing date: 1995-08-04
Publication date: 1996-12-13

Abstract

(57)【要約】【課題】低流量の流量を正確に測定でき、かつ圧電
膜の破損を防ぐ。【解決手段】本体２０に第１及び第２空洞２１ａ，
２１ｂを設け、これに第１及び第２電圧膜２４ａ，２４
ｂと第１及び第２ゴム膜２５ａ，２５ｂを間隔をおいて
設け、第１及び第２圧力検出室２３ａ，２３ｂ、第１及
び第２中間室２６ａ，２６ｂを形成し、本体２０の上を
上蓋１０で密閉して第１及び第２外圧力室１１ａ，１１
ｂを形成する。第１圧力検出室２３ａから第２外圧力室
１１ｂに通じる第１圧力導入管２２ａと、第２圧力検出
室２３ｂから第１外圧力室１１ａに通じる第２圧力導入
管２２ｂを設ける。第１、第２圧力検出室２３ａ，２３
ｂをフルイディック素子３０の第１、第２圧力導出孔３
６ａ，３６ｂに接続し、第１、第２圧力検出室２３ａ，
２３ｂにそれぞれ互いに逆位相の圧力で振動する流体を
導入する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体振動検出セン
サ、特に流体中の圧力振動の周波数を検出して流速や流
量を計測するカルマン渦流量計やフルイディック流量計
などの流量計に用いられる流体振動検出センサに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、流体中の圧力振動の周波数を検出
して流体の流速や流量を計測する流体振動型流量計の一
種としてフルイディック流量計が知られており、例えば
特開平５−３２２６１３号公報、特開平６−２４１８４
３号公報、特開平７−４９９７号公報等にその技術が開
示されている。

【０００３】図１６は従来のフルイディック流量計の一
例のブロック図である。

【０００４】フルイディック流量計は、被測定流体を振
動させるフルイディック素子６０と、このフルイディッ
ク素子６０から取り出される振動流体の圧力を検出して
電気信号に変換する流体振動検出センサ８０と、流体振
動検出センサ８０から出力される電気信号から流量を求
める流量計測器９０からなる。

【０００５】フルイディック素子６０は、流体が流入す
る流入管６１と流体が流出する流出管６２とを有し、例
えばガス配管の途中に設けられる。フルイディック素子
６０の本体の内部には下流に向かって流入口６１から順
に流入室６３、バッフル６４、流路縮小部６５、噴出ノ
ズル６６、流路拡大部６７、圧力導出孔６８ａ，６８
ｂ、ターゲット６９、絞り部７０が形成されている。圧
力導出孔６８ａ，６８ｂには圧力導出管７１ａ，７１ｂ
が接続される。

【０００６】ターゲット６９は、流体の流動方向の切換
えを安定化するために設けられるもので、噴出ノズル６
６からの流体の噴出方向に対して略直角方向に、かつ向
い合うように配置される。バッフル６４は流体の流動方
向の切換えを助けるために設けられるものであるが、こ
れは必ずしも必要ではなく、バッフルを設けないものも
ある。

【０００７】流体は、矢印７１で示すように流入管６１
から流入室６３に入ると、矢印７２ａ，７２ｂで示すよ
うにバッフル６４により左右に分流して流路縮小部６５
に入り、噴出ノズル６６から噴出される。噴出が開始さ
れると、噴出流体はターゲット６９に当たり、左右に分
流する。流体は、まず矢印７３ａで示すように、ターゲ
ット６９の一方の側を流れ始め、コアンダー効果によっ
て絞り部７０へ向かって流れる流体（矢印７３ａ₁）と
流路拡大部６７の側壁に沿って逆流してくる帰還流（矢
印７３ａ₂）とに分かれる。これによって流体に渦流が
発生する。帰還流が圧力導出孔６８ａまで戻り、循環路
が形成されると、次に破線の矢印７３ｂで示すように、
流れが反転し、ターゲット６９の他方の側を流れ始め、
コアンダー効果によって絞り部７０へ向かって流れる流
体（矢印７３ｂ₁）と流路拡大部６７の側壁に沿って逆
流してくる帰還流（矢印７３ｂ₂）とに分かれる。これ
によって流体に渦流が発生する。帰還流が圧力導出孔６
８ｂまで戻り、循環路が形成されると流れが反転し、再
び矢印７３ａで示したように流れ始め、以下同様の動作
が繰り返される。

【０００８】このように流動方向が交互に切り換わるこ
とにより流体は振動し、圧力変化が生じる。その振動周
波数は流体の流量に比例する。圧力導出孔６８ａ，６８
ｂに導圧路８４ａ，８４ｂを接続し、振動流体を流体振
動検出センサ８０に導き、振動流体の圧力変化を検出す
ることによって流量を測定することができる。

【０００９】図１７は図１０に示す従来の流体振動検出
センサの一例の断面図である。

【００１０】本体８２内に二つの凹部８３ａ，８３ｂを
設け、この凹部８３ａ，８３ｂの下部に通じる導圧路８
４ａ，８４ｂを設け、凹部８３ａ，８３ｂの上面に圧電
膜８５ａ，８５ｂを気密に取り付けて圧力検出室８６
ａ，８６ｂを形成する。本体８２の上部に蓋８７を設
け、本体８２と蓋８７との間に外室８８を形成する。圧
電膜８５ａ，８５ｂと圧力検出室８６ａ，８６ｂと外室
８８は圧力センサ８１ａ，８１ｂを構成する。図１０の
フルイディック素子６０の圧力導出孔６８ａ，６８ｂか
ら導出される振動流体は、導圧路８４ａ，８４ｂを通っ
て圧力検出室８６ａ，８６ｂに導入される。外室８８内
の圧力は、圧力検出室８６ａ，８６ｂに作用している静
圧よりも小さな圧力、すなわち、圧力検出室８６ａ，８
６ｂに対して負圧にする。すると、圧電膜８５ａ，８５
ｂは、流量のない時でも外室８８側に凸に変位した状態
にある。負圧の大きさは、振動圧力による圧電膜の変位
が、圧力−変位特性の直線部分の略中心位置となる圧力
となるように設定される。流体が流れると圧電膜８５
ａ，８５ｂが変形してパルス状の電荷を発生する。この
電圧は流量情報電気信号として流量計測器９０へ送られ
る。流量計測器９０はこの電気信号の周波数から流量を
算出して表示などを行う。

【００１１】図１６に示したフルイディック素子６０と
図１７に示した流体振動検出センサ８０とは、外形を直
方体に作り、フルイディック素子６０の圧力導出孔６８
ａ，６８ｂの真上に流体振動検出センサ８０の導圧路８
４ａ，８４ｂが位置するように形成すると、図１８に示
すように重ね合わせることができ、便利である。

【００１２】図１９は図１６に示す流量計測器の中の流
量情報信号情報処理回路の一例の回路図である。

【００１３】圧電膜８５ａ，８５ｂで発生した電荷は、
電荷増幅器９１ａ，９１ｂにそれぞれ入力される。入力
された電荷は，容量Ｃ₁，Ｃ₂が並列接続された電荷増
幅器９１ａ，９１ｂにより増幅され、電圧に変換されて
出力される。この電圧が差動増幅器９２に入力され、こ
こで電荷増幅器９１ａ，９１ｂで発生した電圧の差がと
られる。流体の圧力振動は、圧力検出室８６ａ，８６ｂ
において交互に起こるため、差電圧をとることにより出
力が２倍になる。外部的な振動は圧電膜に対して同じ方
向に乗るので差動増幅によって打ち消し合う。また、電
気的なノイズも差動増幅によって打ち消し合うのでノイ
ズの少ない出力が得られるという利点がある。得られた
差電圧は、フィルタ９３で余分な周波数がカットされ、
比較回路９４に入力される。比較回路９４でしきい値電
圧Ｖ₀と比較され、しきい値電圧Ｖ₀との差電圧が流量
情報信号として出力される。比較回路９４では、振動し
ている電圧からしきい値電圧Ｖ₀を超える電圧をパルス
として取り出す。１秒間当たりのパルス数が振動流体の
周波数ｆ（Ｈｚ）として計測される。そして、図示され
ていないが、次段のカウンタおよび演算回路から計測さ
れた周波数から流量を求める。

【００１４】次に、図１６に示すフルイディック流量計
の動作について説明する。

【００１５】図２０は図１６のフルイディック素子から
出力される振動流体の圧力波形図である。

【００１６】フルイディック素子６０において、流体の
流動方向が交互に切り換わることにより流体は振動し、
圧力変化が生じる。その振動波形は正確には求められて
いないが、図２０に示すように、ほぼ三角形に近い形を
していると考えられている。圧力導出孔６８ａ，６８ｂ
に導圧路８４ａ，８４ｂを接続し、圧力導出孔６８ａ，
６８ｂから取り出される振動流体の圧力をＰ₁，Ｐ₂、
振動の中心値をＰ₀₀とする。流体の流動方向は交互に切
り換わっているから、Ｐ₁とＰ₂とは位相が１８０°ず
れていて、互いに逆位相となっている。このような波形
の振動流体が図１７の流体振動検出センサ８０の導圧路
８４ａ，８４ｂを通って圧力検出室８６ａ，８６ｂに導
入される。

【００１７】図２１は振動流体が導入された流体振動検
出センサの断面図である。

【００１８】外室８８内の圧力Ｐ₀で表し、導圧路８４
ａに導入される流体の圧力をＰ₁、導圧路８４ｂに導入
される流体の圧力をＰ₂で表すものとする。図１７で説
明したように、外室８８内の圧力は、圧力検出室８６
ａ，８６ｂに作用している静圧よりも小さな圧力、すな
わち、圧力検出室８６ａ，８６ｂに対して負圧にしてい
るから、Ｐ₁，Ｐ₂＞Ｐ₀で、圧電膜８５ａ，８５ｂは
外室８８側に凸に変位している。圧力Ｐ₁が中心値（静
圧値）Ｐ₀₀に対して正、Ｐ₂が中心値Ｐ₀₀に対して負で
あるとき、圧電膜８５ａは、外室８８側に凸に大きく変
位する。これに対して圧電膜８５ｂは外室８８側に凸に
小さく変位する。圧力Ｐ₁が中心値Ｐ₀₀に対して負、Ｐ
₂が中心値Ｐ₀₀に対して正になったときはこれと逆にな
る。

【００１９】図２２は図１６に示すフルイディック流量
計における周波数と流量との関係を示す相関図である。

【００２０】この型のフルイディック流量計において
は、流体の流量Ｑ（ l／ｈ）と流体の振動周波数ｆ（Ｈ
ｚ）との間には次の比例式が成立する。Ｑ＝ｋ×ｆ …（１）ここで、ｋは比例係数である。従って、ｋの値を予め求
めておけば、周波数ｆから流量Ｑを求めることができ
る。図２２に示すように、流量の大きい範囲では実測値
が一直線上に綺麗に並び、実験値が式（１）と良く一致
するので、この型のフルイディック流量計は、測定精度
の高い流量計であることが分かる。しかしながら、流量
Ｑが小さくなってくると、ノイズが入ってきて、周波数
ｆの測定が段々難しくなり、正確な流量の測定が難しく
なってくる。周波数測定が難しくなるのは流量約７０ l
／ｈ（５Ｈｚ）あたりからで、流量約５６ l／ｈ（４Ｈ
ｚ）あたりになると測定できなくなるという問題が起こ
ってくる。次に、これを説明しよう。

【００２１】図２３は図１９の処理回路から取出された
流量情報信号の波形図である。

【００２２】図２３は図１９の処理回路のフィルタ９３
の出力端子９３ａから出力される流量情報信号の波形を
示したもので、図２３（ａ）は流体振動周波数が約５Ｈ
ｚ、図２３（ｂ）は流体振動周波数が約４Ｈｚのときの
波形を示す。図１９の処理回路の比較回路９４におい
て、しきい値電圧Ｖ₀を０Ｖに設定すると、図２３
（ａ）では０Ｖを超える電圧のみが比較回路９４から出
力されるので、最初の０．８秒間では０Ｖを超えるパル
ス数は３となり、ｆ＝３／０．８ｓ＝３．７５Ｈｚが測
定され、次の０．８秒間では０Ｖを超えるパルスは数は
４となり、ｆ＝４／０．８ｓ＝５Ｈｚが測定されるとい
うように、測定される周波数が変動し、不安定になる。
しきい値電圧Ｖ₀を−１０ｍＶに設定すると、最初の
０．８秒間では検出されなかったパルスが検出される代
わりにノイズもパルスとして検出されるので、例えば、
最初の０．８秒間ではｆ＝６／０．８ｓ＝７．５Ｈｚが
測定されるというように、測定された周波数値に信頼が
おけなくなる。

【００２３】流体の流量を更に低くしたとき、例えば流
量約６０ l／ｈ（周波数≒４Ｈｚ）にしたときは、図２
３（ｂ）に示すように、ノイズが大幅に増え、振動の中
心値（図２０のＰ₀₀に相当）も変動するので、基準しき
い値電圧Ｖ₀をどこに設定しても周波数が測定できなく
なり、流量測定が不可能になる。

【００２４】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来の流体振動検出センサを使用するフルイディック流
量計では、低流量のときにはノイズが大きくなるのみな
らず振動の中心値も変動するので、低流量時の流量測定
ができないという問題がある。また、圧電膜の耐圧が約
６．８６５ｋＰａ（７００ｍｍＨ₂Ｏ）程度であるた
め、何らかの理由により異常圧力が圧電膜に印加された
場合圧電膜が破損してしまうという問題もある。（なお
上記数値は多少幅を持つものであるが、通常、長期使用
を考慮すると、常用では約４．９ｋＰａ（５００ｍｍＨ
₂Ｏ）以下で用いることが好ましい。）

【００２５】本発明の目的は、流量情報信号のノイズと
振動の中心値変動とを低減し、被測定流体の流量が低く
ても流量を正確に測定でき、また異常圧力が印加されて
も圧電膜の破損を防ぐことのできる流体振動型流量計用
の流体振動検出センサを提供することにある。

【００２６】

【課題を解決するための手段】本発明は、本体に間隔を
おいて設けられた第１および第２空洞と、この第１、第
２空洞の一部をそれぞれ仕切るように設けられた第１お
よび第２圧電膜と、前記本体に接続されるフルイディッ
ク素子と前記第１、第２圧電膜との間に形成され、前記
フルイディック素子の第１および第２圧力導出孔にそれ
ぞれ通じる第１および第２圧力検出室と、前記第１、第
２空洞内に前記第１、第２圧電膜と間隔をおいて設けら
れ前記第１、第２圧電膜とで第１および第２中間室をそ
れぞれ形成する第１および第２弾性膜と、前記本体の上
を密閉して前記第１、第２弾性膜との間にそれぞれ第１
および第２外圧力室を形成する上蓋と、前記第１圧力検
出室から前記第２外圧力室に通じるように設けられた第
１圧力導入管と、前記第２圧力検出室から前記第１外圧
力室に通じるように設けられた第２圧力導入管とを備え
たことを特徴とする。

【００２７】本発明は、前記第１および第２弾性膜がゴ
ムからなることを特徴とする。

【００２８】本発明は、前記第１および第２圧力検出室
にそれぞれ互いに反対位相の圧力で振動する流体が導入
されることを特徴とする。

【００２９】本発明は、前記第１および第２中間室の圧
力が被測定流体の静止圧力と同等かそれより高い圧力で
あることを特徴とする。

【００３０】本発明は、前記第１、第２圧力導入管が、
前記本体の下面に設けられ一端が前記第１および第２圧
力検出室にそれぞれつながる溝と、この溝の他端から前
記本体の上面まで貫通し、かつ前記第１、第２外圧力室
に通じる孔とをふくんで構成されることを特徴とする。

【００３１】本発明は、上記第１圧電膜と第１弾性膜と
の間、及び、第２圧電膜と第２弾性膜との間に、それぞ
れメッシュを有することを特徴とする。

【００３２】本発明は、上記第１圧電膜及び第２圧電膜
の外周部のみがコーティングにより補強されていること
を特徴とする。

【００３３】

【発明の実施の形態】本発明では、第１圧力検出室に流
体の第１圧力Ｐ₁を、第２圧力検出室に流体の第２圧力
Ｐ₂を導入し、第１圧電膜に第１圧力Ｐ₁を、第２圧電
膜に第２圧力Ｐ₂を第１弾性膜に第２圧力Ｐ₂を、第２
弾性膜に第１圧力Ｐ₁を印加して、第１および第２圧電
膜で第１圧力Ｐ₁と第２圧力Ｐ₂との差に依存して変形
して電荷を発生するようにしている。中間室は第１圧力
Ｐ₁と第２圧力Ｐ₂の両方の圧力を受けて体積と圧力が
変化し、その変化で圧電膜と弾性膜とを変形している。
変形量は第１圧力Ｐ₁と第２圧力Ｐ₂との差に依存す
る。第１圧力Ｐ₁と第２圧力Ｐ₂とが逆位相であれば、
圧電膜の変形量は大きくなり、発生電圧が高くなり、検
出感度が高くなる。第１、第２弾性膜は第１圧力Ｐ₁ま
たは第２圧力Ｐ₂を受けて変形してから中間室を押す
が、このときスパイク状ノイズは弾性膜または中間室で
大部分吸収してしまうので、発生電圧のノイズは大変小
さいものとなる。また、異常圧力が印加されても弾性膜
と中間室で一旦受け止め、衝撃を吸収するから圧電膜の
破損が低減される。

【００３４】上記作用を持たせるために、第１および第
２弾性膜はゴムで作るのがよい。

【００３５】第１および第２圧電膜の変形量は第１圧力
Ｐ₁と第２圧力Ｐ₂との差に依存するから、第１および
第２圧力検出室には互いに反対位相の圧力で振動する流
体を導入し、圧電膜に発生する電荷を高くして検出感度
を高くする。

【００３６】第１および第２中間室の圧力を被測定流体
の静止圧力と同等かそれより高い圧力にしておくと、圧
電膜は流体の振動振幅に近い振幅で変形し、被測定流体
の静止圧力が高くても圧電膜が変形し過ぎることがな
く、圧電膜の破損を防ぐことができる。また、圧電膜に
異常圧力が印加されても中間室の圧力と異常圧力との差
が小さくなり、さらに弾性膜と中間室で圧力の一部を吸
収するから圧電膜の破損を低減することができる。

【００３７】上記と同様に、第１、第２圧力導入管を、
本体の下面に掘られ第１および第２圧力検出室にそれぞ
れつながる溝と、この溝の端部から本体の上面に達し第
１、第２外圧力室にそれぞれ通じる孔とを含んで構成す
ると、フルイディック流量計をコンパクトにすることが
できる。

【００３８】

【発明例】図１は本発明の一実施例の断面図である。

【００３９】この一実施例は、流体振動検出センサ２０
とフルイディック素子３０とを組合わせものである。流
体振動検出センサ２０の本体に第１空洞２１ａ、第２空
洞２１ｂを設け、この第１、第２空洞２１ａ，２１ｂに
それぞれ第１圧電膜２４ａ、第２圧電膜２４ｂを設けて
仕切る。流体振動検出センサ２０の下に設けられるフル
イディック素子３０と第１圧電膜２４ａ、第２圧電膜２
４ｂとの間に第１圧力検出室２３ａ、第２圧力検出室２
３ｂが形成される。第１、第２空洞２１ａ，２１ｂに第
１圧電膜２４ａ、第２圧電膜２４ｂと間隔をおいて第１
ゴム膜２５ａ、第２ゴム膜２５ｂを設けて仕切り、第１
中間室２６ａ、第２中間室２６ｂを形成する。第１、第
２空洞２１ａ，２１ｂの上に上蓋１０を設けて密閉して
第１外圧力室１１ａ、第２外圧力室１１ｂを形成する。
上蓋１０の下面には第１、第２外圧力室１１ａ，１１ｂ
を形成するための凹部を設けておく。第１圧力検出室２
３ａから第２外圧力室１１ｂに通じる第１圧力導入管２
２ａを設け、第２圧力検出室２３ｂから第１外圧力室１
１ａに通じる第２圧力導入管２２ｂを設ける。第１、第
２圧力検出室２３ａ，２３ｂを流体振動発振素子として
のフルイディック素子３０の第１、第２圧力導出管３６
ａ，３６ｂに接続する。フルイディック素子３０の下部
を下蓋５０で覆う。

【００４０】第１、第２ゴム膜２５ａ，２５ｂの厚さ
は、設計により異なるが、例えば０．３ｍｍ程度のもの
が選ばれる。この実施例では、弾性膜としてゴム膜を用
いたが、ゴムの代わりに薄い金属箔のような他の弾性体
を用いることもできる。

【００４１】第１、第２中間室２６ａ，２６ｂに圧力Ｐ
₀の圧力を導入し、第１および第２圧力検出室２３ａ，
２３ｂにそれぞれ互いに反対位相の圧力Ｐ₁，Ｐ₂で振
動する流体を導入する。この振動流体の圧力をＰ₁，Ｐ
₂、振動の中心値をＰ₀₀とする。第１、第２中間室２６
ａ，２６ｂの圧力Ｐ₀は任意に定められるが、この実施
例の場合、Ｐ₀＞Ｐ₀₀に設定するものとする。従って、
流体が静止している状態では静止圧はＰ₀₀であるから、
第１、第２圧電膜２４ａ，２４ｂおよび第１、第２ゴム
膜２５ａ，２５ｂは外側に凸に張り出す。

【００４２】図２は図１の実施例の斜め下方から見た分
解斜視図、図３は図１の実施例の斜め上方から見た分解
斜視図である。

【００４３】図２、図３に示すように、この実施例は、
上蓋１０、流体振動検出センサ２０、フルイディック素
子３０、下蓋５０の４つの部分からなる。図２に示すよ
うに、流体振動検出センサ２０の本体に孔をあけて第１
空洞２１ａ、第２空洞２１ｂを形成し、この第１、第２
空洞２１ａ，２１ｂの下方にそれぞれ第１圧電膜２４
ａ、第２圧電膜２４ｂを設けて第１、第２空洞２１ａ，
２１ｂを仕切る。ゴム・パッキング２９で第１、第２空
洞２１ａ，２１ｂの周囲を仕切って、フルイディック素
子３０の上面と第１、第２圧電膜２４ａ，２４ｂとの間
に第１圧力検出室２３ａ、第２圧力検出室２３ｂを形成
する。流体振動検出センサ２０の本体の下面に一端が第
１、第２空洞２１ａ，２１ｂにつながる溝２２ａ₁，２
２ｂ₁を形成し、この溝の他端に下面から上面に貫通す
る孔２２ａ₂，２２ｂ₂を形成する。溝２２ａ₁，２２
ｂ₁はフルイディック素子３０の第１、第２圧力導出孔
３６ａ，３６ｂに通じる。これにより第１、第２圧力導
出孔３６ａ，３６ｂを通ってくる流体の振動圧力Ｐ₁，
Ｐ₂は、溝２２ａ₁，２２ｂ₁、第１、第２圧力検出室
２３ａ、２３ｂを通って第１、第２圧電膜２４ａ，２４
ｂに印加される。第１、第２空洞２１ａ，２１ｂ内の上
方に第１ゴム膜２５ａ、第２ゴム膜２５ｂを設けて第
１、第２空洞２１ａ，２１ｂをそれぞれ仕切り、第１、
第２中間室（図示されず、図１参照）を形成する。本体
上面に、流量計測器を収納するための凹部２７と第１、
第２圧電膜２４ａ，２４ｂからのリード線２８を通すた
めの溝を形成する。

【００４４】上蓋１０には流体振動検出センサ２０の上
面に設けられた流量計測器収納用凹部２７に対応して孔
１５があけられる。また、上蓋１０の下面には第１、第
２空洞２１ａ，２１ｂに対応して凹部１２ａ，１２ｂを
設け、第１、第２ゴム膜２５ａ，２５ｂとで第１および
第２外圧力室１１ａ，１１ｂを形成する。この凹部１２
ａ，１２ｂに一端がつながり、他端が流体振動検出セン
サ２０の本体の孔２２ａ₂，２２ｂ₂につながる溝１３
ａ，１３ｂを設ける。流体振動検出センサ２０の本体に
設けられた溝２２ａ₁と孔２２ａ₂と溝１３ｂとで第１
圧力導入管２２ａを構成し、溝２２ｂ₁と孔２２ｂ₂と
溝１３ａとで第２圧力導入管２２ｂを構成する。溝と孔
を図示する形に設けることにより第１圧力導入管２２ａ
と第２圧力導入管２２ｂとを流体振動検出センサ２０の
本体の上下の各面で交差することなく形成することがで
きる。凹部１２ａ，１２ｂと溝１３ａ，１３ｂの周囲に
ゴム・パッキング１４を設ける。上蓋１０を流体振動検
出センサ２０の上面に重ね、ねじ１６で固定する。これ
により、凹部１２ａ，１２ｂと溝１３ａ，１３ｂの周囲
はゴム・パッキング１４で密閉され、第１、第２外圧力
室１１ａ，１１ｂが形成される。

【００４５】フルイディック素子３０は、図１６で説明
したものとほぼ同じである。フルイディック素子３０の
本体には流体が流入する流入管４１と流体が流出する流
出管４２が取り付けられる。フルイディック素子３０の
本体の下面に下流に向かって流入口４１から順に流入室
３１、バッフル３２、流路縮小部３３、噴出ノズル３
４、流路拡大部３５、第１、第２圧力導出孔３６ａ，３
６ｂ、ターゲット３７、絞り部３８が形成されている。
第１、第２圧力導出孔３６ａ，３６ｂは第１、第２圧力
検出室２３ａ，２３ｂに接続する。フルイディック素子
３０の上面は平坦面でねじ孔３９があけられる。

【００４６】下蓋５０の上面にフルイディック素子３０
の流入室３１、流路縮小部３３、流路拡大部３５、絞り
部３８を囲むようにゴム・パッキング５１を設ける。下
蓋５０はねじ１６でフルイディック素子３０に取り付け
られる。これにより、図１に示す実施例が作られる。

【００４７】次に、この実施例の動作について説明す
る。

【００４８】図４は図１の実施例の動作を説明するため
の断面図である。

【００４９】第１および第２中間室２６ａ，２６ｂ内の
圧力をＰ₀とし、フルイディック素子３０から送られて
くる流体は、図２０に示したものと同じで、互いに反対
位相で振動し、かつＰ₀＞Ｐ₀₀とする。従って、静止圧
時では第１、第２圧電膜２４ａ，２４ｂおよび第１、第
２ゴム膜２５ａ，２５ｂは外側に凸に張り出している。

【００５０】図４（ａ）に示すように、圧力Ｐ₁＞Ｐ₀
＞Ｐ₂である期間では、第１圧電膜２４ａは流体圧力Ｐ
₁により第１中間室２６ａ側に押されて曲率が小さくな
ると同時に第１中間室２６ａ内の圧力は初期のＰ₀より
大きくなる。このときＰ₂＜Ｐ₀₀＜Ｐ₀であるから第１
ゴム膜２５ａは第１外圧力室１１ａ側に凸に大きく張り
出す。第１ゴム膜２５ａが張り出すことにより第１中間
室２６ａ内の圧力Ｐ0は下がり圧力Ｐ₁、Ｐ₂、圧電膜
とゴム膜の張力＋Ｐ₀が平衡する形に変形する。一方、
圧力Ｐ₁は第２外圧力室１１ｂで第２ゴム膜２５ｂを押
すので第２ゴム膜２５ｂの曲率が小さくなり、Ｐ₂＜Ｐ
₀₀＜Ｐ₀であるから第２圧電膜２４ｂは第２圧力検出室
２３ｂ側に凸に大きく張り出す。第２圧電膜２４ｂは圧
力Ｐ₁で押されると同時に圧力Ｐ₂で第２圧力検出室２
３ｂ側に引っ張られる形になるから、図２１で説明した
従来品と比べて変形量が大きくなる。変形量が大きくな
ると発生電荷も高くなり、圧力検出感度が高くなる。こ
のことは、低流量でも高感度で検出可能となることを示
している。

【００５１】図４（ｂ）に示すように、圧力Ｐ₁＝Ｐ₂
＝Ｐ₀₀となった時点では、Ｐ₀＞Ｐ ₀₀であるから、第
１、第２圧電膜２４ａ，２４ｂ、第１、第２ゴム膜２５
ａ，２５ｂは初期状態（図１）に戻る。

【００５２】図４（ｃ）に示すように、圧力Ｐ₂＞Ｐ₀
＞Ｐ₁である期間では、図４（ａ）と左右が逆となった
形になる。従って、今度は第１圧電膜２４ａが大きく変
形し、発生電荷が高くなる。第１圧電膜２４ａが大きく
変形するときは第２圧電膜２４ｂの変形は小さく、第２
圧電膜２４ｂが大きく変形するときは第１圧電膜２４ａ
の変形は小さくなるから、図１９の処理回路のフィルタ
９３の端子９３ａから出力される電圧は三角形に近い波
形となる。

【００５３】第１、第２中間室２６ａ，２６ｂの圧力Ｐ
₀をＰ₀＝Ｐ₀₀にすれば、図４（ｄ）に示すように、圧
力Ｐ₁＝Ｐ₂＝Ｐ₀₀となった時点では、第１、第２圧電
膜２４ａ，２４ｂ、第１、第２ゴム膜２５ａ，２５ｂは
平坦で平行な形になり、第１、第２圧電膜２４ａ，２４
ｂの変形は振動圧力の振幅にのみ依存し、被測定流体の
絶対圧力に無関係となる。従って、被測定流体の絶対圧
力が高くても圧電膜を破損させることはない。また、被
測定流体の絶対圧力が低くて圧電膜を変形させる力は圧
力Ｐ₁とＰ₂との差、すなわち、振動流体の振幅の２倍
の大きさの力であるので、被測定流体の絶対圧力が低く
ても振幅さえ大きければ十分に高い感度で測定可能とな
る。このことは、本発明の流体振動検出センサが被測定
流体の絶対圧力の高低にかかわらず使用可能であること
を示している。

【００５４】図５は図１に示す実施例を用いたフルイデ
ィック流量計の信号処理回路から出力される流量情報信
号の波形図であり、図５（ａ）は振動周波数５Ｈｚ、図
５（ｂ）は振動周波数約４Ｈｚのときの電圧波形図であ
る。

【００５５】図１に示す実施例に図１９に示した信号処
理回路を接続し、フィルタ９３の端子９３ａから出力を
取り出す。

【００５６】図５（ａ）に示すように、流量約７０ l／
ｈ（振動周波数５Ｈｚ）では、ノイズが大変少なく、形
が揃った電圧波形が得られる。このような波形の場合、
しきい値Ｖ₀を５ｍＶに設定しても０Ｖに設定しても、
比較回路９４から１．６秒間にパルス数８が得られ、振
動周波数ｆ＝８／１．６ｓ＝５Ｈｚが求められる。この
計測値は正確で、かつ安定した値である。

【００５７】ノイズが大幅に減少したのは、ゴム膜２５
ａ，２５ｂを設け、中間室２６ａ，２６ｂを設けたため
と考えられる。図４（ａ）に示すように、圧力Ｐ₁で第
２ゴム膜２５ｂを押すとき、スパイク状のノイズは印加
時間が短いから第２ゴム膜２５ｂに吸収されてしまい第
２中間室２６ｂを押すに到らないか、あるいはゴム膜で
ノイズを完全に吸収できなくてノイズの一部が残ったと
しても、中間室の圧力変化の際にノイズが吸収されてし
まうためと考えられる。

【００５８】流量を更に小さくして、流量約６０ l／ｈ
（≒４Ｈｚ）にすると、図５（ｂ）に示すように、ノイ
ズが少しく増え、振動の中心値が少し変動するが、形が
揃った電圧波形が得られる。図５（ｂ）で、しきい値を
２ｍＶに設定するとパルス数が１７、振動周波数ｆ＝１
７／４．０ｓ＝４．２５Ｈｚとなり、図２２から流量約
６０ l／ｈが得られる。このことから、本発明の流体振
動検出センサは流量６０ l／ｈの低流量でも高感度で正
確に計測できることが証明された。従来品は流量７０ l
／ｈで計測値が不安定であったから、本発明の流体振動
検出センサは測定可能範囲が広がったことになる。

【００５９】図６はフルイディック素子の圧力導出孔の
選択された位置を示す断面図である。

【００６０】このフルイディック素子３０は図２、図３
に示したものと同じである。図５に示したデータは圧力
導出孔を図６のＭＰ₀₁点とＭＰ₀₂点に設定して測定した
ものである。圧力導出孔の位置を変えると流体振動の波
形がどのように変わるかを調べるために、圧力導出孔の
位置をフルイディック素子の中心線Ｃに沿って流体の上
流れから下流に向かって順にＭＰ₁，ＭＰ₂，ＭＰ₃と
図示するように設定する。流体振動の測定には２つの圧
力導出孔が必要なので、一方をＭＰ₀₁点に固定し、他方
をＭＰ₁，ＭＰ₂，ＭＰ₃と変えて測定することにす
る。ＭＰ₀₁−ＭＰ ₁での測定を行うときは、ＭＰ₂，Ｍ
Ｐ₃は塞がれている。以下同様に、ＭＰ₂が選ばれたと
きはＭＰ₁，ＭＰ₃が塞がれ、ＭＰ₃が選ばれたときは
ＭＰ₁，ＭＰ₂が塞がれる。

【００６１】図７は図６に示すフルイディック素子の圧
力導出孔の位置をＭＰ₀₁−ＭＰ₁点に設定したときの流
量情報信号の電圧波形図であり、図７（ａ）は振動周波
数５Ｈｚ、図７（ｂ）は振動周波数約４Ｈｚのときの電
圧波形図である。

【００６２】図７（ａ）に示すように、振動周波数５Ｈ
ｚ（流量約７０ l／ｈ）では、ノイズが大変少なく、形
が揃った電圧波形が得られる。しきい値Ｖ₀を２〜４ｍ
Ｖに設定すると１．６秒間にパルス数８が得られ、振動
周波数ｆ＝８／１．６ｓ＝５Ｈｚが求められ、圧力導出
孔がＭＰ₀₁−ＭＰ₀₂点の図５（ａ）と同等の結果が得ら
れる。又、図７（ｂ）に示すように、振動周波数４Ｈｚ
では、しきい値Ｖ₀を４ｍＶに設定すると４．０秒間の
パルス数１７、ｆ＝４．２５Ｈｚが得られ、ＭＰ₁点で
もＭＰ₀₁−ＭＰ₀₂と同様な結果が得られる。

【００６３】図８は図６に示すフルイディック素子の圧
力導出孔の位置をＭＰ₀₁−ＭＰ₂点に設定したときの流
量情報信号の電圧波形図であり、図８（ａ）は振動周波
数約５Ｈｚ、図８（ｂ）は振動周波数約４Ｈｚのときの
電圧波形図である。

【００６４】図８（ａ）に示すように、流量約７０ l／
ｈ（≒５Ｈｚ）では、ノイズが大変少なく、形が揃った
電圧波形が得られる。しきい値Ｖ₀を２〜５ｍＶに設定
すると１．６秒間にパルス数９が得られ、振動周波数ｆ
＝９／１．６ｓ＝５．６２５Ｈｚが求められ、圧力導出
孔がＭＰ₀₁−ＭＰ₀₂点の図５（ａ）と異なった結果が得
られる。また、図８（ｂ）に示すように、振動周波数４
Ｈｚで、しきい値Ｖ₀を４ｍＶに設定すると４．０秒間
のパルス数１７、ｆ＝４．２５Ｈｚが得られ、ＭＰ₂点
でもＭＰ₀₁−ＭＰ₀₂と同様な結果が得られる。

【００６５】図９は図６に示すフルイディック素子の圧
力導出孔の位置をＭＰ₀₁−ＭＰ₃点に設定したときの流
量情報信号の電圧波形図であり、図９（ａ）は振動周波
数約５Ｈｚ、図９（ｂ）は振動周波数約４Ｈｚのときの
電圧波形図である。

【００６６】図９（ａ）に示すように、流量約７０ l／
ｈ（≒５Ｈｚ）では、ノイズが大変少なく、形が揃った
電圧波形が得られる。しきい値Ｖ₀を５ｍＶに設定する
と１．６秒間にパルス数９が得られ、振動周波数ｆ＝９
／１．６ｓ＝５．６２５Ｈｚが求められ、図８（ａ）と
同様の結果が得られる。また、図９（ｂ）に示すよう
に、流量約６０ l／ｈ（≒４Ｈｚ）では、しきい値Ｖ₀
を３ｍＶに設定すると４．０秒間のパルス数１６、ｆ＝
４Ｈｚが得られ、ＭＰ₃点でもＭＰ₀₁−ＭＰ₀₂と同様な
結果が得られる。このように、低流量でデータが安定す
るので、圧力導出孔は図６のＭＰ₀₁点とＭＰ₀₂点、及び
ＭＰ₀₁−ＭＰ₁〜ＭＰ₃またはＭＰ₀₂−ＭＰ₁〜ＭＰ₃
のどれかに設定するのが良い。

【００６７】以上示した電圧波形のいずれもノイズが大
幅に減少しており、中間室とゴム膜を設けた効果が大き
いことが示された。また、図２、図３に示したように、
流体振動検出センサとフルイディック素子とを４つの部
分で構成し、第３、第４圧力導入管２２ｃ，２２ｄの一
部を溝で形成したので、非常にコンパクトなフルイディ
ック流量計が得られる。

【００６８】なお、前述のように、圧力異常が発生して
上記流量計に高圧力がかかった場合、圧電膜とゴム膜内
が生じた場合、第１、第２中間室２６ａ，２６ｂ内の圧
力Ｐ ₀により、圧電膜の破損が防止される。ここで、圧
電膜の破壊をより確実に防止するために、この圧電膜と
ゴム膜との距離（クリアランス）を小さくすれば、異常
圧力時にこの圧電膜とゴム膜とが変形して図１０に示す
ように接触して、それ以上の変形を互いに防止する。

【００６９】ここで、図１１は圧電膜の変形状態を示す
図であって、直径１６ｍｍの圧電膜に３００〜１０００
ｍｍＨ₂Ｏの圧力が加わったときの各部位の変位量を示
すものであり、図１２はゴム膜で同様に調べたときの各
部位の変位量を示すものである。

【００７０】これら両図より、常用圧力とされる５００
ｍｍＨ₂Ｏでの中央の変位量は、圧電膜で０．６ｍｍ程
度、ゴム膜では１ｍｍ程度であり、従って両者の距離、
すなわちクリアランスを１．６ｍｍ程度とすれば、５０
０ｍｍＨ₂Ｏ超の異常圧力が流量計に加えられたときに
も、５００ｍｍＨ₂Ｏと同様の変位量に抑えることがで
きることとなる。

【００７１】しかし、クリアランスを小さくすると、セ
ンサ出力が小さくなる傾向が見られることが判り、更に
詳しくこのクリアランスの及ぼす影響について検討を行
った。

【００７２】すなわち、クリアランスを２ｍｍ、５ｍ
ｍ、６．５ｍｍと変化させたときの流体振動周波数とセ
ンサ出力との関係を図１３に示す。

【００７３】図１３より、クリアランスを６．５ｍｍと
した場合、全ての周波数において、クリアランスが２ｍ
ｍの場合より高出力を得ることができることが判った。

【００７４】しかし、このようにクリアランスを６．５
ｍｍとした場合には、上述の異常圧力での破損防止効果
が得られない。そこで、検討の結果、図１４（ａ）に示
すようにメッシュ（多孔板、図１４（ｂ）参照）４０を
第１、第２中間室２６ａ，２６ｂ内に設置することで解
決することができた。なお、この場合、メッシュと圧電
膜との距離は０．６ｍｍとすることで、最大変位量を、
常用圧力である５００ｍｍＨ₂Ｏでの変位量と同等とす
ることが可能である。

【００７５】このメッシュは開口率（全体面積に対する
孔部の面積の比率）が３０％以上であれば、センサの感
度を低下させることがない。ここで、クリアランスを
６．５ｍｍとして、開口率３４％の多孔板を用いたとき
には、図１４でのクリアランス６．５ｍｍでの場合と全
く同じ出力が得られた。このような対策によって、セン
サの破損を防止しながらその出力を大きくすることが可
能となり、そのＳ／Ｎ比の向上によって流量測定におけ
る誤差が減少した。

【００７６】なお、クリアランスが小さいときには異常
圧力時にこの圧電膜とゴム膜とが変形して図１０に示す
ように接触してそれ以上の変形が互いに防止され、クリ
アランスを大きくしたときには上述のようにメッシュを
併用することで同様の結果を得ることができる。しかし
ゴム膜、或いはメッシュと接触して破壊防止されるのは
圧電膜の中央部だけであり、これらの対策を行っても、
圧電膜の周辺での破損を防止することはできなかった。

【００７７】そこで、この圧電膜の周辺での破壊を防止
するために、その周辺部に補強のためのコーティングを
行った。図１５にフッ化エチレン樹脂のコーティングを
施した圧電膜を示す。このように中央部にコーティング
を施さない部分（図中符号Ａ）その周囲にコーティング
を施した部分（図中符号Ｂ）を設けることによって、圧
電膜全体をコーティングしたときに生じるセンサの検出
特性の低下を伴うことなく、完全な破損防止が可能とな
った。

【００７８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、圧電
膜と弾性膜とで中間室を形成し、圧電膜と弾性膜とに互
いに反対位相で振動する流体の圧力を印加して圧電膜の
変形を大きくし、圧電膜に発生する電荷が高くなるよう
にすると共に、弾性膜と中間室とでノイズを吸収するよ
うにしたので、検出感度が高く、低流量でも正確に流量
測定できる流体振動検出センサを得ることができる。

【００７９】また、中間室の圧力を流体の静止圧力かそ
れ以上に設定したので、異常圧力が印加されても弾性膜
と中間室とで吸収するようにしたので、圧電膜が破損し
難い流体振動検出センサを得ることができる。

【００８０】さらに、流体振動検出センサとフルイディ
ック素子とを４つの部分で構成し、第３、第４圧力導入
管の一部を溝で形成したので、非常にコンパクトなフル
イディック流量計が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の断面図である。

【図２】図１の実施例の斜め下方から見た分解斜視図で
ある。

【図３】図１の実施例の斜め上方から見た分解斜視図で
ある。

【図４】図１の実施例の動作を説明するための断面図で
ある。

【図５】本発明の実施例で測定された流体振動を表す電
圧波形図である。

【図６】フルイディック素子の圧力導出孔の選択された
位置を示す断面図である。

【図７】図６に示すフルイディック素子の圧力導出孔の
位置をＭＰ₀₁−ＭＰ₁点に設定したときの流量情報信号
の電圧波形図である。

【図８】図６に示すフルイディック素子の圧力導出孔の
位置をＭＰ₀₁−ＭＰ₂点に設定したときの流量情報信号
の電圧波形図でである。

【図９】図６に示すフルイディック素子の圧力導出孔の
位置をＭＰ₀₁−ＭＰ₃点に設定したときの流量情報信号
の電圧波形図である。

【図１０】圧力異常時での圧電膜とゴム膜との状況を示
す図である。

【図１１】圧力が加わったときの圧電膜の変形を示す図
である。

【図１２】圧力が加わったときの圧電膜の変形を示す図
である。

【図１３】クリアランスのセンサ出力への影響を示す図
である。

【図１４】（ａ）メッシュの使用状況を示す図である。（ｂ）上記メッシュを示した図である。

【図１５】周辺部にコーティングを施した圧電膜を示す
図である。

【図１６】従来のフルイディック流量計の一例のブロッ
ク図である。

【図１７】従来のフルイディック流量計に使用される流
体振動検出センサの一例の断面図である。

【図１８】従来のフルイディック素子と流体振動検出セ
ンサとを重ねたフルイディック流量計の一例の斜視図で
ある。

【図１９】図１６に示す流量計測器の中の流量情報信号
処理回路の一例の回路図である。

【図２０】図１６のフルイディック素子から出力される
振動流体の圧力波形図である。

【図２１】振動流体が導入された流体振動検出センサの
断面図である。

【図２２】図１６に示すフルイディック流量計における
周波数と流量との関係を示す相関図である。

【図２３】図１９に示す処理回路から取出された流量情
報信号の電圧波形図である。

【符号の説明】

１０上蓋１１ａ第１外圧力室１１ｂ第２外圧力室２０流体振動検出センサ２１ａ第１空洞２１ｂ第２空洞２２ａ第１圧力導入管２２ｂ第２圧力導入管２３ａ第１圧力検出室２３ｂ第２圧力検出室２４ａ第１圧電膜２４ｂ第２圧電膜２５ａ第１ゴム膜２５ｂ第２ゴム膜２６ａ第１中間室２６ｂ第２中間室３０フルイディック素子３６ａ第１圧力導出孔３６ｂ第２圧力導出孔４０メッシュ５０下蓋Ａコーティングのない部分Ｂコーティングされている部分

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】本体に間隔をおいて設けられた第１およ
び第２空洞と、この第１、第２空洞の一部をそれぞれ仕
切るように設けられた第１および第２圧電膜と、前記本
体に接続されるフルイディック素子と前記第１、第２圧
電膜との間に形成され、前記フルイディック素子の第１
および第２圧力導出孔にそれぞれ通じる第１および第２
圧力検出室と、前記第１、第２空洞内に前記第１、第２
圧電膜と間隔をおいて設けられ前記第１、第２圧電膜と
で第１および第２中間室をそれぞれ形成する第１および
第２弾性膜と、前記本体の上を密閉して前記第１、第２
弾性膜との間に第１および第２外圧力室をそれぞれ形成
する上蓋と、前記第１圧力検出室から前記第２外圧力室
に通じるように設けられた第１圧力導入管と、前記第２
圧力検出室から前記第１外圧力室に通じるように設けら
れた第２圧力導入管とを備えたことを特徴とする流体振
動検出センサ。
【請求項２】前記第１および第２弾性膜がゴムからな
ることを特徴とする請求項１記載の流体振動検出セン
サ。
【請求項３】前記第１および第２圧力検出室にそれぞ
れ互いに反対位相の圧力で振動する流体が導入されるこ
とを特徴とする請求項１記載の流体振動検出センサ。
【請求項４】前記第１および第２中間室の圧力が被測
定流体の静止圧力と同等かそれより高い圧力であること
を特徴とする請求項１記載の流体振動検出センサ。
【請求項５】前記第１、第２圧力導入管が、前記本体
の下面に設けられ一端が前記第１および第２圧力検出室
にそれぞれつながる溝と、この溝の他端から前記本体の
上面まで貫通し、かつ前記第１および第２外圧力室に通
じる孔とを含んで構成されることを特徴とする請求項１
記載の流体振動検出センサ。
【請求項６】上記第１圧電膜と第１弾性膜との間、及
び、第２圧電膜と第２弾性膜との間に、それぞれメッシ
ュを有することを特徴とする請求項１乃至請求項５のい
ずれかに記載の流体振動検出センサ。
【請求項７】上記第１圧電膜及び第２圧電膜の外周部
のみがコーティングにより補強されていることを特徴と
する請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の流体振動
検出センサ。