JPS62118238A - 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１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撮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４図に示した米国特許第３．６７７．０
６７号明細書記載のものが公知である。

第４図において、ｌ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ｌ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５Ｋし
て両側縁で測定管ｌ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１を上述の
ように流路３内に設置するための取り付けねじ７が設け
られている。第４図においては１図示していない機構を
介して、振動子４が、その測定管ＩＫ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１が流路３内
に配置されると測定流体２が測定管１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ρ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、には振動子４の
ばね定数、Ｍｔは前述した質量増加分としての流体２の
（１）弐においてに、Ｍは流体２０性質によらない定数
でありまたＭＬ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の密度を測定しうろことが明らかで、第４図において
はこのようにして密度測定を行うように要部が構成され
ている。

第４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量Ｍ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１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つた値となる。すな
わちに、Ｍはそれぞれ完全な定数ではなくてばらついた
値となる。したがって上述のような密度測定装置には、
（１）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６僅のばらつきにも
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ｉ＋を定装置には、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該装置ととに予めに
、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
をなくか すること棲できるが、今度は、振動子４の加工精度を１
通常±ｌ−１：２　（Ｔｏ　）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量流量を測定する
というような用途に第４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、このような用途に
はばらつきのあるに、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。

〔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
動式トランスジユーサにおける問題を解消して、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ユーサを提供するこ
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、振動板を弾性支持機構
により支持し、かつ、その弾性支持機構の弾性を連続に
変化させ得る弾性可変手段を設けたので、振動板の質量
やこの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Ｋもとづくトランスジユーサの器差
が、弾性可変手段を用いて弾性支持機構の弾性を変える
ことによって容易に除去されるようＫ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ユーサを適用し
た密度測定装置の一実施例におけるセンサ部の構成図で
、第１図（２）は縦断面図、同図■は同図囚におけるＸ
−Ｘ断面図である。また第２図はその一実施例のブロッ
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の内面に圧電振動子９が接着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、該振動体
８は厚さ０．１〔■〕程度の弾性を有する金属襄薄板で
形成されている。圧電撮動子９は、厚さＯ０１〜０゜２
〔端〕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９Ｃ，９ｄとで構成され、第１１極９ｂが設
けられた面が底部８８に当接させられて電極９ｂと振動
体８とが電気的に接続されている。１０は振動体８と圧
電振動子９とからなる振動素子である。振動体８のつば
８ｂはモールド加工等によって樹脂製のリング状枠５１
Ｋ一体的に埋めこまれている。１１は開口端側の内面に
めねじｔｔａを設けた有底円筒状の容器で、この容器１
１の底部ｔｔｂには円形貫通孔ｔｔｃが設けられている
。１２はその軸が貫通孔ｔｔｃと同軸になるようにして
一端が容器の底部ｔｔｂ外面に流体密に固定されだ円筒
状筒体で、この筒体１２と貫通孔ｔｔｃとは内径が等し
く形成されている。ｌｉｄは容器１１の内壁に設けた円
形の段差部、ｔｔｅは段差部ｔｔｃｉの側壁から突出さ
せた複数個の突起である。

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、このハウジングには底部に孔径の大きい貫通孔
１３ｂが設けられ、またハウジング１３内には円周方向
に山と谷とが交互に連なる波形をしたリング状の押さえ
ばね５２が収められている。周縁に枠５１が取り付けら
れた振動素子ｌＯは、ハウジング１３を容器１１のめね
じ１１ａ［ねじ込むことによって枠５１が押さえばね５
２を介して段差部ｔｔｄの底部に押しつけられて、容器
１１内に固定されている。すなわちこの場合。

振動体の底部８ａはその周縁が、いずれも弾性を有する
該周縁および振動体の側壁８Ｃおよび振動体のつは８ｂ
と枠５１とからなる弾性支持機構１８を介して段差部１
１ｄＫ固定されている。５４は。

段差部ｔｔｃｌ内に配置された枠５１を、容器１１の側
方から円弧状押さえ部材５３を介して突起１１ｅに押し
付けるようにした押しねじである。ｌｌｆは、押さえ部
材５３が枠５１の円周方向にずれるのを防止するために
、該押さえ部材の一部が配置されるように段差部ｔｔｃ
ｌの側壁に設けた切り欠きである。１４は振動素子１０
と容器１１との間に形成された第１空所、１５は振動素
子１０とハウジング１３との間に形成された第２空所で
、空所１４と１５とは枠５１と振動素子１０とによって
流体密に隔離されている。また第１空所１４は、振動体
底部８ａと容器底部ｔｔｂとの間の寸法を短くすること
によって、空所１４の後に説明する音響容量ができるだ
け小さくなるように関係要部が構成されている。１６は
上述の各部からなるセンサ部、１７はセンサ部１６とは
別に設けた検出回路で、振動子９に設げた電極９Ｃ，９
ｄおよび振動体８と検出回路７とは第１図には示してい
ない電線で接続されている。

次に振動素子１０の動作、および検出回路１７の構成と
動作とを説明する。２１は電極９Ｃを介して出力電圧を
圧電基板９３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
いては振動素子１０が上述のように構成され、かつ圧電
基板９ａは電極ｇｂ、ｇｃ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、振動体８の底部
８ａは、該底部周縁が弾性支持機４ｇ１８を介して容器
１１の段差部ｔｔｃｌに固定された状態で、振動体８０
筒体軸の方向に曲がる曲げ振動をする。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２
１に正帰還されるので、結局振動素子１０は該振動素子
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、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のパルス列信号２４ａを出力す
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いる
。

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ｔａｂを介していずれも流体２が侵入するので
、この状態で振動素子１０を上述のようにして自励振動
させると、該振動素子は測定流体２が導入された第１空
所１４および貫通孔１１ｃおよび筒体１２の内部と、振
動素、子１０と１弾性支持機構１８とからなる振動系２
７の共振周波数で振動する。したがって波形整形回路２
４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と検出回路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。

次に振動素子１０の振動態様を第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の側壁８Ｃ
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Ｌ
３ｂの開口面積は、振動素子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
囚のように表される。第３図へにおいてＭｍは振動素子
１０の質量、Ｓは振動体８の底部８ａの面積、　Ｃｍは
振動素子１０のばね定数Ｋｍに対応するコンプライアン
スで、Ｃｍ＝　１７Ｋｍの関係があり、Ｍａは筒体１２
内に存在する測定流体２の質＠、Ｃａは空所１４におけ
る音響容量である。音響容＠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”　・Ｉ　）　　　　・−・−（
２）第１図においては、前述したように、振動体底部８
ａと容器底部１１ｂとの間の寸法、すなわち第３図（２
）に示した９所１４の高さｈを短くすることＫ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、また測定感度な上げるために筒体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ＳＫ庇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）に示した振動系２７は、測定流で 体２第満たされた１貫通孔ｔｉｃを含む空所１４と筒体
１２内部とからなる音響振動系を機械撮動系に変換して
、第３□□□ｅＫ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。

撮動の角周波数をωとして、第１図においては（４１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は同図００ように書き直され、第３図００回路
の共振周波数をＦとすると（５）式が成立する。

Ｆ＝ω／２π すなわち、第１図においては振動素子１０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
演算部２６は（５）式にもとづく演算を行って密度ρに
相当した密度信号２ｆｉａ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
Ｋして密度測定を行うものであるから。

この場合も撮動素子ＩＯの質量Ｍｍ、　　コンブライア
ンスＣｍは、いずれも該振動素子を構成する振動体８や
圧電撮動子９の形状・寸法等によって振動素子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Ｍｍ、Ｃｍの各個の
ばらつきに伴う器差が存在しうろことになる。ところが
この密度測定装置では、第１図に示した押しねじ５４に
よって押さえ部材５３０枠５１に対する押圧力を増すと
、枠５１が変形して撮動体の底部８ａが空所１４側に凸
に湾曲する曲率が増加すると共に弾性支持機構１８の弾
性が変化し、この結果振動素子１０のコンプライアンス
Ｃｍが小さくなるので（５）式における共振周波数Ｆが
大きくなる。すなわちこの場合、押しねじ５４によって
共振周波数Ｆを連続的に変えることができるので、第１
図および第２図に示した密度測定装置に当初Ｃｍ、Ｍｍ
のばらつきにもとづく器差が存在して振動素子１０が所
定の流体密度に対応する所定の周波数で振動していな（
ても、押しねじ５４による押圧力を変えることＫよって
振動素子１０が前記所定周波数で共振するよ５にするこ
とができる。すなわち、コンプライアンスＣｍは弾性支
持機構１８の弾性に対応しているので、押しねじ５４に
よって弾性支持機構１８の弾性を調整することにより容
易に器差を除くことができ、したがって振動素子ｌＯの
加工精度等を特別に高くして質４１Ｍｍ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
ても高精度の測定を行わせることができる。第１図の１
９は枠５１と押さえ部材５３と押しねじ５４とからなり
、上述のようにして弾性支持機構１８の弾性を変化させ
る弾性可変手段である。

上述の実施例においては容器１１に筒体１２を設けたが
、本発明は、空所１４における音響容量Ｃａならびに流
体質量が小さく形成され、かつ貫通孔ｔｔｃにおける断
面積Ｓ、ならびに音響容量が小さく形成され、かつ（４
）式が成立するようになっていれば筒体１２はなくても
よいものである。

また本発明においては、振動素子１０が必ずしも上述の
ように構成される必要はなく、振動体の底部８ａを圧電
撮動子９とは異なる適当な駆動機構によって撮動体８の
筒体軸方向に振動させられる剛体板とし、この剛体振動
板を支持機構１８とは異なる適当な構成の弾性支持機構
を介して容器１１に固定するようにしても差し支えない
ものである。

この弾性支持機構が弾性可変手段を有しているものであ
ることは当然である。なお上述においては密度測定につ
いて説明したが１本発明は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１本発明においては、振動板を弾性支持
機構により支持し、かつ、その弾性支持機構の弾性を連
続に変化させ得る弾性可変手段を設けたので、振動板の
質量やこの振動板支持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１弾性可変手段を用いて弾性支持機構の弾性を変
えること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度の振動式トランス
ジュ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図は本発明の一実施例における要部構成図で囚図は
縦断面図、ａ３図は（２）図におけるＸ−Ｘ断゛面図で
ある。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図における撮動系の振動態様説明
図で、第３図（２）は振動系の模式図、第３図■および
第３図０はそれぞれ異なる電気的等価回路図、第４図は
従来の密度測定装置の斜視図である。 ２・・・・・・測定流体％　８ａ・・・・・・撮動体の
底部、　　１１・・・容器、ＩＩＣ・・・・・・貫通孔
、１４・・・・・・空所、１６・・・・・・　センサ部
、１８・・・・・・弾性支持機構、１９・・・・・・弾
性可変手段、２６・・・・・・演算部、２７・・・・・
・撮動系、２８　・・・・・・周波数検出部。 清１足＝ｔ１本 プ １　１　　口 算　　４　　閃

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、前記振動板を弾性支持機
   構により支持し、かつ、その弾性支持機構の弾性を連続
   に変化させ得る弾性可変手段を設けたことを特徴とする
   振動式トランスジューサ。