JPS62112032A - 振動式トランスジユ−サ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、曲げ振動する固体振動体を含む振動系の共振
周波数を検出して該振動体の両面に接触している流体の
密度または圧力を測定する振動式トランスジューサ、特
に製作の容易なセンサ部の構成に関する。

〔従来技術とその問題点〕

振動系の共振周波数にもとづいて流体密度の測定を行う
装置としては第５図に示した米国特許第３、　ｆ’ｉ７
７、０ｆｉ７号明細書記載のものが公知である。

第５図において、１は測定流体２が流れる流路３内に配
置される円管状測定管、Ｇは測定流体２の流動方向で、
測定管１は通常その軸方向と流動方向Ｇとがほぼ一致す
るように配置される。４は測定管ｌの軸を含むようにし
て両側縁で測定管１の内面に固定された矩形板状の振動
子で、５は軸が振動子４の板面にほぼ垂直になるように
して一端に測定管ｌが固定され、他端に円筒状接続箱６
が固定された筒体である。筒体５には測定管ｌを上述の
よ５に流路３内に設置するための取り付けねじ７が設げ
られている。第５図においては、図示していない機構を
介して、振動子４が、その測定管ｌに固定されていない
縁が円弧状に湾曲する曲げ振動の自励振動を継続するよ
うに構成されているので、振動子４は該振動子を含む振
動系の共振周波数Ｆｎで振動する。測定管ｌが流路３内
に配置されると測定流体２が測定管ｌを貫流するので。

この場合振動子４が上述のような曲げ振動をすると振動
子４に接触している流体２も振動し、この結果振動子４
を含む振動系の質量が振動子４に付随して振動する流体
２の質量分だけ増加したことになり、したがって前記共
振周波数Ｆｎが振動子４に流体が接触していない場合と
は異なった値になる。すなわち周波数Ｆｎは（１）式で
表され、この場合Ｍは振動子４の質量、Ｋは振動子４の
ばね定数１Ｍｔは前述した質量増加分としての流体２０
（１）式においてに、Ｍは流体２の性質によらない定数
であり、またＭｔは流体２の密度に対応しているので、
この（１）式から振動数Ｆｎを測定することによって流
体２の密度を測定しうる。第５図においてはこのよ５１
Ｃ１て密度測定を行うよりに要部が構成されている。

第５図では上述のようにして密度測定を行うが。

この場合ばね定数にや質ｆＩｋＭは、振動子４の形状・
寸法等によって定まる定数であるから、寸法のばらつき
等のために振動子４を製作する都度異なった値となる。

すなわちに、Ｍはそれぞれ完全な定数ではな（てばらつ
いた値となる。したがって上述のような密度測定装置に
は、（１１式による密度演算の際に、Ｍの値にそれぞれ
所定の基準値を採用した場合、に、Ｍの容性のばらつき
にもとづく測定誤差、換言すれば器差が存在する。この
ため上述の密度測定装置には、高精度の測定を行おうと
する場合、前述の器差を除くために装置ごとに予めに、
Ｍの値を正確に測定しておきこの測定値を用いて密度演
算をする必要があるので、測定操作が面倒であるという
問題がある。振動子４の加工精度を上げてに、Ｍのばら
つきを少くすれば上述の器差を小さくすることができる
ので、高精度測定の際の前述した測定操作上の面倒さを
なくすることができるが、今度は、振動子４の加工精度
を、通常±１〜士２〔チ〕とされている密度測定の精度
よりも一桁程度低くする必要があるので。

振動子４の製作が困難になるという問題が生じる。

また、内燃機関等の吸入空気の密度あるいは圧力を検出
して該吸入空気量の補正を行い正しい質世流着を測定す
るというような用途に第５図の測定装置を適用しようと
した場合、内燃機関が通常使用される大気圧附近では、
器差の全くないことを要求されるので、このような用途
だはばらつき坐あるに、Ｍを有する上述の密度測定装置
は適用し難いという問題もある。

Ｃ発明の目的〕 本発明は、上述したような従来の密度測定装置つまり振
動式トランスジューサにおげろ問題を解消して５器差の
除去を容易に行うことができ、この結果振動子の加工精
度等を特別に高くしなくても高精度の密度測定を容易に
行うことのできる振動式トランスジューサを提供するこ
とを目的とする。

〔発明の要点〕

本発明は、上記目的達成のため、振動板の少なくとも一
方の面側に、その面に対向して、前記振動板の他方の面
側と流体的に流通しないように形成された空洞と、この
空洞に流体を導く筒体とがら成る音響撮動系を設け、そ
の節体を長さ可変に構成したので、儀動板の質量や振動
板固定部のばね定数にばらつきが存在しても、これらの
ばらつきにもとづくトランスジューサの器差が筒体の長
さを変えることによって容易に除去されるようにして、
この結果、振動板の加工精度等を特別に高くしなくても
高精度の振動式トランスジューサが容易に得られるよう
にしたものである。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明による振動式トランスジ二−サを適用し
た密度測定装置の第１実施例における要部の縦断面図、
第２図はその第１実施例のブロック構成図である。第１
図および第２図において。

８は底部８ａの内面に圧電撮動子９が接層固定され開口
端にはつば８ｂが設けられた有底円筒状の振動体で、該
撮動体８は厚さ０．Ｌ［ｍ〕程度の金属製薄板で形成さ
れている。ＩＩＥ電振励振動子９厚さ０．１〜０．２１
：＋＋ｍ〕の円板状圧電基板９ａと該基板９ａの一面に
形成した第１電極９ｂと基板９ａの他面に形成した第２
および第３電極９Ｃ１９ｄとで構成され、第１屯極９ｂ
が設けられた面が底部８ａに当接させられて電極９ｂと
振動体８とが「バ気的に接続されている。１０は振動体
８と圧電振動子９とからなる振動板である。１１は開口
端側の内面にめねじｌｌａを設けた有底円筒状の容器で
、この容器１１の底部１１ｂには円形貫通孔ｔｔｃが設
けられている。１２は、一端が容器１１の底部１１ｂ外
部に流体密に固定され他端側内面にめねじが形成された
円筒状第１筒体１２ａと、外面におねじが形成されて第
１筒体Ｌ２ａの内面めねじにねじ込まれた円筒状第２筒
体Ｌ２ｂとからなる筒体で、この筒体１２は測定流体２
を貫通孔１１ｃを介して容器ＩＩ内に導くように配置さ
れている。この場合第２筒体Ｌ２ｂの内径は貫通孔ｉｔ
ｃの内径にほぼ等しくなるように各部が構成されている
。

１３は外側面におねじ１３ａを設けた有底円筒状ハウジ
ングである。振動体８は、おねじ１３ａをめねじｉｔａ
にねじ込むことによってっば８ｂがハウジング１３と容
Ｂ１１の段差部とで挾みつけられて、ハウジング１３と
容器１１とで形成される内部空所内に固定されている。

１４は振動板１０と容器１１とで形成された第１空所、
１５は振動板１０とハウジング１３とで形成された第２
空所で、ハウジング１３の底部１３ｂには貫通孔ｔ６．
ｌｆｉが設けられ、さらに該底部１３ｂの内面には検出
回路エフを構成するプリント配線基板１８が接宥固定さ
れている。第１空所１４と第２空所１５とは振動板１０
によって流体密に＠離されており、また第１空所１４は
、振動体底部８ａと容器底部１　ｌ　ｂとの間の寸法を
短くすることによって、該空所１４の後に説明する斤響
容１ができるだけ小さくなるように関係要部が構成され
ている。

１９ａは検出回路１７と空所１５外の回路とを接続する
ために空所Ｉ５から貫通孔１６を介して引き出された導
線で、１９ｂ、’１９ｃ、１９ｄは振動体８、圧電振動
子９における電極９Ｃ，９ｄのそれぞれを検出回路１７
に接続するリード線である。

次に検出回路１７の構成と動作とを説明する。

２Ｉは電極９Ｃを介して出力電圧を圧電基板９ａに印加
する増幅器で、２２は圧電基板９ａに発生した電圧を電
極９ｄを介して検出して増幅器２１に正帰還する帰還回
路である。第１図および第２図においては振動板ＩＯが
上述のように構成され、かつ圧電基板９ａは電＠１．９
ｂ、９ｃ間に交流電圧が印加されると半径方向に伸縮す
るように構成されているので、圧電基板９ａにこのよう
な伸縮が発生すると撮動体８の底部８ａは該振動体の筒
体軸の方向に振動する。この結果再び電極９ｄ、９ｂ間
に圧電基板９ａの歪みに応じた交流電圧が発生して、こ
の電圧が帰還回路２２を介して増幅器２１に正帰還され
るので、結局振動板１０は該振動板の固有振動数Ｆで振
動する共振状態を継続して自励振動をする。２３は固有
振動数Ｆに等しい周波数を有する増幅器２１の出力交流
電圧２１ａが入力され、該電圧に対して行う後述の信号
処理をやり易くするインピーダンス変換回路である。

２４は変換回路２３の出力信号に対して波形整形を行っ
て周波数Ｆのパルス列１言号２４ａを出力゛〈る波形整
形回路である。検出回路１７は、上述した増幅器２１と
帰還回路２２とインピーダンス変換回路２３と波形整形
回路２４とこれら各部を塔載したプリント配線基板１８
とで構成されている。

２５は信号２４ａが入力され該信号を構成するパルス列
の周波数Ｆに対応した信号を演算部２６に出力する信号
変換回路で、演算部２６は信号変換回路２５の出力信号
が入力されると後述の演算式にもとづく演算を行って密
度信号２６ａを出力するように構成されて（・る。

第１図および第２図においては各部が上述のように構成
されているので、第１図の部分を測定流体２内に配置す
ると、空所１４には筒体１２を介して、また空所１５に
は貫通孔１６を介していずれも流体２が侵入するので、
この状態で振動板１０を上述のようにして自助振動させ
ると、該振動板は測定流体２が導入された第１空所１４
および貫通孔ｔｔｃおよび筒体１２の内部と、振動板１
０とからなる振動系２７の共振周波数で振動する。

したがって波形整形回路２４から出力されるパルス列信
号２４ａの周波数Ｆは振動系２７の共振周波数に等しく
なる。第２図に示した２８は、圧電振動子９と噴出回路
１７と信号変換回路２５とからなり、上述のようにして
振動系２７の共振周波数Ｆを検出する周波数検出部であ
る。

次に振動板１０の撮動態様を第３図をも併用して説明す
る。すなわち第１図においては、振動体８の側ｘｙＢｃ
は容器１１の内側面と非常に狭い間隙を介して対向する
ように構成され、また空所１５の容積ならびに貫通孔１
６の合計開口面積は、振動板１０が上述のように振動し
ても空所１５内には殆ど圧力変動が生じないように構成
されているので、第１図の振動系２７は模式的に第３図
（イ）のように表される。第３図（２）においてＭｍは
振動板１０の質量、Ｓは振動体８の底部８ａの面積、Ｃ
ｍは振動板１０のばね定数Ｋｍに対応するコンプライア
ンスで、Ｃｍ＝１／Ｋｍ　の関係があり％Ｍａは筒体１
２内に存在する測定流体２の質１ｉ、Ｃａは空所１４に
おける音響容量である。音響容量Ｃａは（２）式で表さ
れる。ここにＷは空所１４の容積、Ｘ、ρはそれぞれ流
体２中の音速、流体２の密度である。

Ｃａ　＝Ｗ　／　（Ｘ’　−ρ）　　　　　−−−−−
−（２）第１図においては％前述したように、振動体底
部８ａと容器底部ｉｔｂとの間の寸法、すなわち第３図
（２）に示した空所１４の高さｈを短くすることによっ
て音響容量Ｃａができるだけ小さくなるように要部が構
成されており、また測定感度を上げるために筒体１２内
の断面積または貫通孔１１Ｃの断面積Ｓ、が共に振動体
底部８ａの面積Ｓに比べてかなり小さく形成されていて
、この結果空所１４における流体２の質量ならびに筒体
１２内の音響容量が共に無視しうるようになっている。

それゆえ、第３図（２）に示した感動系２７は、測定流
体２で満たされた１貫通孔ｔｔｃを含む空所Ｉ４と筒体
１２内部とからなる音響振動系を機械振動系に変換して
、第３図■に示した電気的等価回路で表すことができる
。ここにＭａＯ，ＣａＯはそれぞれ（３）式で表される
質量、音響コンプライアンスである。

Ｃａｏ＝Ｃａ／Ｓ” 撮動の角周波数をωとして、第１図においては（４）式
が成立するように要部が構成されているので。

第３図０は同メ０のように書き直され、第３図Ｏの回路
の共振周波数をＦとすると（５）式が成立する。

すなわち、第１図においては振動板ｌＯは（５）式で表
される共振周波数Ｆで振動し、このため第２図に示した
波形整形回路の出力信号２４ａを構成するパルス列の周
波数Ｆは、筒体１２内にある測定流体２の質量Ｍａに応
じた周波数になる。質量Ｍａは測定流体２の密度ρに対
応しているので、（５）式から明らかなように周波数Ｆ
を知ることによって流体２の密度ρを知ることができる
わけで。

第２図の演算％ｉ２６は（５）式にもとづく演算を行っ
て密度ρに相当した賢度信号２６ａを出力するように構
成されている。

第１図および第２図に示した密度測定装置は上述のよう
にして密度測定を行うものであるから、この場合も振動
板ｌＯの質量Ｍｍ、　　コンプライアンスＣｍは、いず
れも該振動板を構成する振動体８や圧電振動子９の形状
・寸法等によって振動板ＩＯごとに異なった値になる。

このためこのような密度測定装置には、（５）式から明
らかなようにｒ由１１゜Ｃｍの容性のばらつきに伴う器
差が存在しうるごとになる。ところが一方、（５）式か
ら明らかなように筒体１２内の測定流体２の質量Ｍａ　
ｂ″−変化すると周波数Ｆも変化するので、密度測定装
置にＭ　ｍ＋Ｃｍのばらつきに起因する器差が存在して
振動板１０が所定の流体密度に対応する所定の周波数で
共振していない場合、質量Ｍａを変化させることによっ
て振動板１０が前記所定周波数で共振するようにするこ
とができる。すなわちこの場合質量Ｍａを変化させるこ
とによって器差を除くことができるわけで、第１図にお
いては第２筒体Ｌ２ｂの第１＠体１２ａに対するねじ込
み長さを加減することによって質−１１１Ｍａを連続的
に変えることができるので、器差の除去が容易に行える
ことになる。したがって、このような密度測定装置を、
たとえば、前述した内燃機関の吸入空気密度の測定に適
用する場合、該内燃機関が通常使用される２０’Ｃ，７
６０ｍｍＨｇの空気状態で第２筒体１２ｂのねじ込み長
さを加減して振動板１０の共振周波数Ｆが所定値になる
ようにすると、振動板１０の加工精度を特別に高くして
質量ＭｍやコンプライアンスＣｍの各ばらつきを極度に
小さくするようにしなくても、前記空気状態で器差の全
くない密度測定装置が容易に得られることになる。

第４図は本発明による振動式トランスジューサを適用し
た密度測定装置の第２実施例における要部縦断面図で１
本図は第１図に対応した図である。

第４図の第１図と異なる主な所は、振動板１０の圧電撮
動子９が取り付けられている側にも、空所１４と筒体１
２どの各々に対応する空所；３２と筒体２９とが設けら
れていることである。この場合振動板１０と共に空所３
２を形成する第１図のハウジング１３に対応する有底円
筒状容器３０は、その底部３０ｂが、該底部３０ｂと振
動板１０との間の寸法を短くすることによって空所３２
の音響容量を小さくするために、圧電振動子９の近傍ま
で持ち上げられ、そして、該振動子９の各電極は、底部
３０ｂに貫設した端子３１を介して空所３２および１４
外に設けた検出回路１７に接続されている。筒体２９は
、筒体１２と同様に、一端が容器３０の底部３０ｂ外面
に流体密に固定され内面にめねじが設けられた外部筒体
２９ａとこの外部筒体内にねじ込まれた内部筒体２９ｂ
とで構成され、かつ底部３０ｂに設げた円形貫通孔３０
Ｃを介して測定流体２を空所３２に導入しうるように配
置されている。筒体２９においても内部筒体２９ｂの内
径は貫通孔３０Ｃの直径に等しくなっている。

第４図においては各部が上記のように構成されているの
で、検出回路１７と信号変換回路２５と演算部２６とを
除く図示の部分を測定流体２中に配置して振動板１０を
振動させた場合、この振動知付随して振動して振ｆｌｌ
板１ｏの質量に付加されることになる測定流体２の質量
が％第１図においては殆ど筒体１２内の流体質量である
のに対して、第４図においては殆ど筒体１２内の流体質
量と筒体２９内の流体質量との和になる。このため本図
のような密度測定装置を用いると、（５）式かられかる
ように、第１図および第２図に示した密度測定装置の場
合よりも感度の高い測定が行えることになるが、この場
合既述したように筒体２９が長さ可変に構成されている
ので、筒体１２．２９のいずれを用いても前述した質ｉ
Ｍｍ、コンプライアンスＣｍにもとづく器差を除くこと
ができることになる。

上記実施例の説明忙おいては密Ｖ測定について述べたが
、本発明による感動式トランスジューサが圧力測定にも
適用しうるものであることは説明するまでもなく明らか
である。

〔発明の効果〕

上述したように、本発明においては、振動板の少なくと
も一方の面側に、その面に対向して、前記振動板の他方
の面側と流体的に流通しないように形成された空洞と、
この空洞に流体を導く筒体とから成る音響振動系を設け
、その節体を長さ可変に構成したので、振動板の質量や
ばね定数にばらつきが存在しても、これらのばらつきに
もとづくトランスジューサの器差が長さ可変の筒体によ
って容易に除去される結果、振動板の加工精度等を特別
に高くしなくても高精ｉ動式トランスジエーサが容易に
得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例における要部縦断面図、第
２図は第１図に要部を示した実施例のブロック構成図、
第３図は第１図における振動系の振動態様説明図で、第
３図（３）は振動系の模式図。 第３図０および第３図０はそれぞれ異なる電気的等価回
路図である。第４図は本発明の第２実施例における要部
縦断面図、第５図は従来の密度測定装置の斜視図である
。 ２・・・・・・測定流体、１０・・・・・・振動板、Ｌ
Ｌ、３０・・・・・・容器、ｔｔｂ、３ｏｂ・・・・・
・容器底部、１１ｃ、３０ｃ・・・貫通孔、１２．２９
・・・・・・筒体、１４．３２・・・・・・空所、２６
・・・・・・演算部、２７・・・・・・振動系、２８・
・・・・・周波数構１　１　　閃 男　　２　　ｍ 第　　　３　　口 顎　　４　　閉 １　５　　凹

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 曲げ振動する振動板の共振周波数を検出してその振動板
   の両面に接触する流体の密度または圧力を測定する振動
   式トランスジューサにおいて、前記振動板の少なくとも
   一方の面側に、その面に対向して、前記振動板の他方の
   面側と流体的に流通しないように形成された空洞と、こ
   の空洞に前記流体を導く筒体とからなる音響振動系を設
   け、その筒体を長さ可変に構成したことを特徴とする振
   動式トランスジューサ。