JPS62195538A - 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】

〔発明の属づ゛る技術分野〕 本発明は、流体が接触し℃いる振動板の共振周波数を検
出して該流体の密度やこの密度と関係を有する流体圧力
を測定する振動式トランスジューサ、特に気体のような
低密度流体の？Ｂｌｌ［を安定に測定することのできる
トランスジューサの構成に関する。 〔従来技術と七の問題点〕 振動板の共振周波数を検出して低密度流体の密度を測定
する振動式トランスジューサは、本件出願人により種々
提案されている（たとえば、特願昭６０−２３９２２８
号）。 第７図はこの振動式トランスジューサの縦断面図である
。図において、１はその一面側に０．１〜０、２　（Ｗ
　］程度の厚さを有する円板状圧電振動子２が電気的に
も接続されるように貼着された金属製振動板で、この振
動板は開口端に円環状のりば３を有する有底円筒体４の
底部を構成している。 円筒体４は厚さ０．１（ｍ〕程度の金属薄板製である。 ５は圧電振動子２が円筒体４の底部内面に取り付けられ
た、該圧電振動子２と円筒体４とからなる機械振動子で
ある。６はその底部内面に円筒体４の底部外面が対向す
るようにして該円筒体を収容した有底円筒状ケースで、
このケースの底部には孔断面積Ｓ、の小さい直円筒状音
響管７がケース６外に突出するように貫設されている。 ８はケース６の開口端を被うように該開口端にねじ機構
９によって螺着された有底円筒状ハウジングで、円筒体
４０つば３はハウジング８の開口端とケース６の開口端
とで挾みつけられて固定されている。 １０は上述のような構成によってケース６と機械振動子
５との間に形成された空洞で、この場合っは３とケース
６との当接部は気密に形成されている。そうして空洞ｌ
Ｏは、その円板状の高さｈを小さくすることによって、
この空洞の音響コンプライアンスＣａ、）が機械撮動子
５の機械コンプライアンスＣｍに比べて非常に小さくな
るように形成されている。機械振動子５のはね定数をＫ
ｍとするとＣｍ＝（ｌ／Ｋｍ）の関係があるので、機械
振動子５は、Ｃａｏ＜：Ｃｍの条件を満たすようにする
ために、円筒体４を薄板で形成してＫｍを小さくし、こ
れによってＣｍができるだけ太き（なるように構成され

【いる。１１はハウジング８と機械振動子５との間に形
成された空洞で、１２はハウジング８の底部に設けた後
述の機能を有する貫通孔である。 今、第７図のトランスジューサを空気などの測定流体１
３の中に置くと、この流体は音響管７を通って空洞１０
に導かれ、また貫通孔１２を通って空洞１１に導かれる
。したかつ曵後述する手法によって機械撮動子５を励振
すると、該振動子は両面に測定流体１３が接触した状態
で、振動板１の中央部が図示の状態で上下に変位する曲
げ振動をする。そうしてこの場合、円筒体４の−ｊ面が
ケース６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、また空洞１１および貫通孔１２がいずれ
も大きくて機械振動子５が振動し又も空洞１１内には殆
んど圧力変動を生じないように要部が構成されているの
で、振動系は模式的に第８図のように表される。 第８図において、Ｍｍは機械振動子５の質量、Ｓは振動
子５の底部、すなわち振動板ｌの面積であり、Ｍａは音
響管７内に存在する測定流体１３の質量、Ｃａは空洞１
０における音響容量である。 第８図においては、空洞１０および音響管７内の測定流
体１３で形成された音響振動系１４を機械振動子５に連
なる機械振動系に変換した場合、空洞１０の音響コンプ
ライアンスＣａ、と音響容１ｌＣａとの間Ｋ（１３式の
関係があり、また前述したようにＣａｏはできるだけ小
さくなるように要部が構成されているので、機械振動子
５を励振すると該振動子は（２ｊ式で示される周波数Ｆ
で共振して自励撮動を継続する。 Ｃａ６　＝　Ｃａ　／　Ｓ”　　　　　　　　　　　　
　”−（１）ところが（２）式におけるＭａは音響管７
の長さを！、測定流体１３の密度をρとすると（３）式
で表される。 したがって（２）式と（３）式とから周波数Ｆがわかれ
ば密度ρがわかるわけで、第１−図の密度測定装置は後
述の手段によってＦを検出してρを測定するようにした
ものである。 Ｍａ　＝　ｐ　−Ｓ、　ＩＩｌ　　　　　　　　　　　
−曲・（３１第７図のトランスジューサでは周波数１１
は（２）式にもとづいて変化するので、この場合、（２
）式および（３）式かられかるように、ρの変化が（Ｓ
！・Ａ　）／８１倍されてＦを変化させることが明らか
である。故にこのような密度測定装置には＜　ｓ　１・
ｌ）／Ｓｌを犬きくすることによって感度よく測定が行
える利点があり、また（　Ｓ　Ｒ・ｇ　）／８１の大き
い音響管７を設けることによって空気のような低密度流
体に対しても測定を行うことができる利点がある。 ところがこのような音響管７を設けると、測定流体１３
の粘性のために音響抵抗が音響管７内に生じ、この結果
第８図に示した振動系、すなわち機械振動子５と空洞１
０および音響管７内の流体１３で形成された音響振動系
１４とからなる振動系のＱが低下するという現象が発生
する。そうしてこのよっなＱの低下は、前述したように
音響管７におけるｌを大きくしたりＳＩを小さくしたり
して測定感度を大きくしようとする程該音響管における
音響抵抗が太き（なって著しくなるので、第７図のトラ
ンスジューサには、測定感度を上げようとすると前述の
Ｑが低下し℃機械振動子５が安定に自励撮動しな（なり
、この結果安定した密度測定ができないことがあるとい
う問題がある。 〔発明の目的〕 本発明は、上述した既提案のトランスジューサにおける
問題を解消して、安定した測定を行うことができる振動
式トランスジューサを提供ゴー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、振動板と、この振動板
の少なくとも一面側に形成された空ｒｉａｌと、この空
洞に測定流体を導く管状の流体導入孔とを備え、振動板
の共振周仮数を検出して測定流体の密度または圧力を測
定するトランスジューサにおいて、流体尋人孔をホーン
状に形成したもので、このように構成することによって
流体導入孔における音響抵抗か小さくなるようにして、
もって振動板と空洞と流体導入孔とからなる振動系の（
シが低下しないようにして安定した密度測定が行えるよ
うにしたものである。 〔発明の実施例〕 第１図は本発明の一実施例の縦断面図で、第２図は第１
図における要部のブロック図である。第１図および第２
図においｒ１５は、第７図におけるｌ１状音響管７にか
えて一端がケース６に貫設されたラッパ状音響管で、こ
のｆ書管の孔は断面積が断面の位置と共に指数関数的に
変化する指数ホーン状に形成されている。圧″ｄＬ振動
子２は円板状圧電基板１７と、この基板の一面に形成し
た第一電極１８と、基板１７の他面に形成した彫２およ
び第３’！ｉ＆１９．２０とで構成され、電極１８か設
けられた面が円筒体４に貼着されて電極１８と円筒体４
とが′電気的に接続され℃いる。２１は、ハウジング８
の底部同図に貼着された、検出回路１６を構成するプリ
ント配線基板で、この場合検出回路１６と外部回路とを
接続する導線２２が貫通孔１２に貫設されている。２３
は円筒体４および圧電振動子２における電極】９ｔ２０
をそれぞれ検出回路１６に接続する導線である。 次に検出回路１６の構成と動作とを説明する。 すなわち２４は電極１９を介し℃出力電圧を圧電基板１
７に印加する増幅器で、２５は圧電基板１７に発生した
電圧を電極２（１’介して他出して増幅器２４に正帰還
する帰還増幅器である。第１図Ｓよび第２図においては
機械振動子５が上述のように構成され、かつ圧電基板］
７は電極１９．１８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、基板１７にこ
のような伸縮か生じると振動板ｌは円筒体４の筒体軸の
方向に曲げ振動をする。この結果電極２０．１８間に基
板１７の伸縮歪みに応じた交流電圧が発生し℃、この電
圧が帰還増幅器２５を介して増幅器２４に正帰還される
ので、結局機械振動子５はこの振動子とこれに接する流
体とを言む振動系の固有ａｍ数Ｆ１で共振する自励振動
を継続する。したかつ℃増幅器２４の出力交流を圧２４
ａの周波数は固有振動数１１１１に等しくなる。２６は
、電圧信号２４ａが入力され、この信号に対して行う後
段の信号処理をやり易くっ−るようにしたインピーダン
ス変換回路で、２７は変換回路２６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２７ａ′ｆ
ｔ出力する波形整形回路である。検出回路１６は、上述
した増幅器２４と帰還増幅器２５とインピーダンス変換
回路２６と波形整形回路２７とこれら各部を塔載したプ
リント配線基板２１とで構成されている。 第１図および第２図においてはトランスジューサが上述
のように構成されているので、このトランスジューサを
測定流体１３内に配置して機械振動子５を自励振動させ
ると、波形整形回路２７からは、空洞１０内の流体１３
と音響管１５内の流体１３とからなる音響振動系２８と
、機械振動子５と、で形成された振動系２９の共振周波
数に等しい周波数のパルス列信ｎ　２７　ａが出力され
る。 そうしてこの場合の振動系２９の電気的等価回路は、ｔ
ｑＩ振動系２８を機械畿動系に変換して、第３図β）の
ように表される。第３図（５）は第８図に対応した振動
系２９の模式図で、この場合も第８図におけると同様に
、（１）式によって得られる空洞１゜の音響コンプライ
アンスＣａＯが、機械振動子５の機械コンプライアンス
Ｃｍよりも非常に小さくなるように要部が構成されてい
る。第３図において、Ｍｂは音響管１５内における流体
１３の質量、αは音響振動系２８におけるｔＷインピー
ダンスを機械振動系のインピーダンスに変換するための
変換定数で、ルは機械振動系のインピーダンスに変換さ
れた音響振動系２８における音響抵抗である。 第１図の振動式トランスジューサでは振動系２９が第３
図（Ｂ）の等価回路で表されるが、この回路の共振周波
数ＦＩが（４）式のようになることは明らかである。 故に検出回路１６から出力されるパルス列信号２７ａの
周波数はこのＦ、に等しくなる。したがって第１図のト
ランスジューサにおい℃は、信号２７ａのパルス周波数
を測定することによつ℃測定流体１３の密度が測定でき
ることになる。第３図（ＢＩの等価回路におい℃、もし
も抵抗Ｈが大きい値であると振動系２９のＱが低下し℃
密度測定が不安定になる恐れがあるか、第３図における
凡は指数ホーン状音響管１５における音響抵抗にもとづ
くものであるから、該音響管におげろカットオフ周波数
以下では、比の値は音響管が直円筒状になっている第７
図のトランスジューサの場合の値に比ぺてかなり小さい
値になる。したかつて第３図に示した振動系２９のＱは
第８図に示し１こ対応する振動系のＱ、Ｊ：りも太き（
なるので、第１図のトランスジューサでは機械振動子５
０目励振動か不安定になることかなく、この結果安定し
た＠度測定が行えることになる。 第４図は第１図および第７図のトランスジューサに対し
て行った第１実験結果説明図で、第４図は測定流体１３
の密度と（４）式に示した共振周波数ＦＫとの関係を示
している。図におけるＧは第１図のトランスジューサの
場合の特性線、Ｈは第７図のトランスジューサの場合の
特性線であって、第４図は、１０管の形状が異なつ℃い
ても要部寸法を適宜加減することによって特性音の傾き
、つまり密度測定の感度を等しくすることかできること
を示している。 第５図は第１図および第７図のトランスジューサに対し
て行った第２実験結果説明図で、この第５図における特
性線■は、第３図い）に示した電源端子３０．３１から
共振回路側を見たインピーダンスと周波数との関係を示
し、第５図における特性線Ｗは、第７図のトランスジュ
ーサの場合の上記に対応したインピーダンスと密度との
関係を示している。これらの実験では圧電振動子２にお
ける駆動電極間靜電容電が各共振回路に並列に接続され
ることになるので、特性線■、Ｗにはいずれの場合にも
周波数変化に伴って直列共振状態と並列共振状態とが引
き続いて現れているが、図から明らかな工うにインピー
ダンスの変化状態は特性線■の方がＷに比べて大きくか
つ急峻である。したかつてこの実験結果は、第１図のト
ランスジューサにおける振動系２９のＱの方が、第７図
のトランスジューサにおける対応する振動糸のＱよりも
大きいことを示している　　ことになる。故に第４図お
よび第５図によっても、音響管１５を採用することによ
って、測定感度を低下させることなく安定した測定を行
うことのできる撮動式トランスジューサが得られること
が明らかである。 第６図は本発明の第２実施例の縦断面図で、本図の第１
図と異なる所は音＃管１５にかえて円錐ホーン状の孔を
有する音響管３１が設けられ℃いる点である。音響管３
１を採用すると振動系における前述したＱが音響管１５
の場合よりも若干小さくなることを本発　者等は実験に
より明らかにし℃いるか、音響管３１は音響管１５より
も孔の加工が容易であるから、第６図のトランスジュー
サには製作がやり易いという利点がある。 上述の各実施例においては、機械振動子５に連なる音ｔ
＃振動系は、たとえば振動系２８のように振動板ｌの片
方の面側に設けられているものとしたが、本発明は、こ
のような実施態様に限定されるものではなく、前記音響
振動系は振動板の両方の面側に設けられているよ５にし
てもよいものであり、勿論この場合ホーン状の流体尋人
孔を有する音響管が振動板の両面側に配置されることに
なるのは当然である。 〔発明の効果〕 上述したＪ、５に、本発明におい′Ｃは、撮動板と、こ
の撮動板の少な（とも−面側に形成された空洞と、この
空洞に測定流体を導（管状の流体導入孔とを備え、流体
導入孔をホーン状に形成したので、このように構成する
ことによって流体導入孔における音響抵抗が小さくなり
、この結果振動板と空洞と流体導入孔とからなる振動系
のＱの低下が少なくなるので、本発明には安定した密夏
測定か行える効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の縦断面図、第２図は第１
図における要部のブロック図、第３図（５）および第３
図（Ｂ）はそれぞれ第１図における奈動糸の模式図およ
び電気的等価回路図、第４図は第１冥ｍ結果説明図、第
５図は第２実験結果説明図、第６図は本発明の第２実施
例の縦断面図、第７図は本件出願人によつ℃既に提案さ
れている畿動式トランスジューサの縦断面図、第８図は
第７図における振動系の４莫弐図である。 １・・・・・・振動板、７，１５．３２・・・・・・音
響管、１０゜席　　１　　口 駕　　２Ｉ！１ ′＠　　３　　図 ８　６　　圀 １　４　　図 ■ Ｖｌ　　Ｓ　　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 振動板と、この振動板の少なくとも一面側に該振動板の
   他面側に直接連通しないように形成されかつ音響コンプ
   ライアンスが前記振動板の機械コンプライアンスに比べ
   て小さく形成された空洞と、前記空洞に測定流体を導く
   小断面積管状の流体導入孔とを備え、前記流体導入孔を
   ホーン状に形成したことを特徴とする振動式トランスジ
   ューサ。