JPH06241852A

JPH06241852A - 流量／粘度の測定方法および測定装置

Info

Publication number: JPH06241852A
Application number: JP4733893A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Okada; 和廣岡田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-02-12
Filing date: 1993-02-12
Publication date: 1994-09-02

Abstract

(57)【要約】【目的】単純な測定原理に基づく新規な流量／粘度の
測定方法と、この測定方法を用いた小型軽量でコストの
低い測定装置と、を提供する。【構成】流体管１００の内壁に金属製の振動板１０の
一端を固定する。振動板１０の上面には圧電素子２０を
接合し、その上面には、励振用電極２１および測定用電
極２２を接合する。振動板１０の下面には圧電素子３０
を接合し、その下面には、励振用電極３１および測定用
電極３２を接合する。電圧供給部１５から電極２１，３
１に交流電圧Ｅを供給すると、圧電素子２０，３０は図
の横方向に伸縮し、振動板１０が振動する。その振動変
位は、電極２２，３２に発生する電圧として、電圧測定
部１６で検出される。流量は、振動板１０の上方向の振
幅と下方向の振幅の差により求まり、粘度は、振動板１
０の振幅の平均値あるいは位相遅延により求まる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は流量および粘度の測定方
法および測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】流量や粘度は、流体を取り扱うための基
本的な物理量であり、これらの値を測定するための装置
は種々の分野で利用されている。一般的に利用されてい
る流量測定装置としては、流路中にオリフィス、ノズ
ル、ベンチュリ管などの絞りを設け、この絞りの前後に
おける圧力差に基づいて流量を測定する差圧式流量計
や、流体を一定の容積をもった回転子に導き、この回転
子の回転数に基づいて流量を測定する容量式流量計が知
られている。また、流路内に浮かべたフロートに作用す
る力に基づいて流量を求めるフロート式、ファラデーの
電磁誘導の法則を用いる電磁式、超音波の伝播速度を利
用する超音波式、カルマン渦の発生周波数を求めるカル
マン式、などの測定装置も利用されている。一方、粘度
測定装置としては、粘性体中に挿入した回転子の受ける
トルクを測定する方式、特殊形状のフロートの位置を測
定する方式、粘性体中に挿入した振動片の振動減衰時間
を測定する方式、などが知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来知
られている流量測定方法あるいは粘度測定方法は、いず
れも測定原理が複雑であり、小型軽量でコストの低い測
定装置を実現するのが困難であるという問題がある。

【０００４】そこで本発明は、単純な測定原理に基づく
新規な流量／粘度の測定方法と、この測定方法を用いた
小型軽量でコストの低い測定装置と、を提供することを
目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】

(1) 本願発明に係る流量測定方法は、一端が固定され
た振動板を測定対象となる流れの中に入れ、この振動板
の自由端を流れの方向に沿って振動させるためのエネル
ギーを与え、この振動板の第１の方向についての振幅と
第２の方向についての振幅とを測定し、この両振幅の差
に基づいて流量を求めるようにしたものである。

【０００６】(2) 本願発明に係る粘度測定方法は、一
端が固定された振動板を測定対象となる粘性体中に入
れ、この振動板の自由端を粘性体中で振動させるための
周期的なエネルギーを与え、この振動板の周期的な振動
変位を測定し、測定した振動変位の振幅、あるいは、与
えた周期的なエネルギーと発生した周期的な振動変位と
の位相差、に基づいて粘性体の粘度を求めるようにした
ものである。

【０００７】(3) 本願発明に係る流量測定装置は、上
述の流量測定方法を実施するために、一端が固定された
振動板と、この振動板の自由端を流れの方向に沿って振
動させる励振手段と、この振動板の第１の方向について
の振幅と第２の方向についての振幅とを測定する振幅測
定手段と、これら両振幅の差に基づいて流量を求める流
量検出手段と、を設けたものである。

【０００８】(4) 本願発明に係る粘度測定装置は、上
述の粘度測定方法を実施するために、一端が固定された
振動板と、この振動板の自由端を振動させるための周期
的なエネルギーを与える励振手段と、この振動板の周期
的な振動変位を測定する振動変位測定手段と、を設けた
ものである。

【０００９】(5) 本願発明に係る流量／粘度測定装置
は、一端が固定された振動板と、この振動板の上面に下
面が固着された第１の圧電素子と、振動板の下面に上面
が固着された第２の圧電素子と、第１の圧電素子の上面
の第１の部分に設けられた第１の励振用電極と、第１の
圧電素子の上面の第２の部分に設けられた第１の測定用
電極と、第２の圧電素子の下面の第１の部分に設けられ
た第２の励振用電極と、第２の圧電素子の下面の第２の
部分に設けられた第２の測定用電極と、第１の圧電素子
の下面と第１の励振用電極との間および第２の圧電素子
の上面と第２の励振用電極との間に交流電圧を供給する
電圧供給部と、第１の圧電素子の下面と第１の測定用電
極との間および第２の圧電素子の上面と第２の測定用電
極との間に発生する電圧を測定する電圧測定部と、を設
けたものである。

【００１０】

【作用】一端が固定された振動板を流体中に入れ、こ
の振動板の自由端を振動させる。この流体が静止してい
る場合、すなわち、流れていない場合、振動板は中心位
置に対して両方向に同じ振幅で振動するはずである。と
ころが、流体が流れを生じている場合は、振動板の両方
向の振幅に差が生じることになる。なぜなら、振動板が
流れに逆らう方向に変位しようとすると、流体の流れに
よる反発力を受けるため、流体が静止している場合に比
べて振幅は小さく抑えられてしまう。逆に、振動板が流
れと同じ方向に変位しようとすると、流体の流れによる
推進力を受けるため、流体が静止している場合に比べて
振幅は大きくなる。こうして、振動板には両方向へ同じ
振幅の振動を起こさせるためのエネルギーを供給してい
るにもかかわらず、振動板の実際の振幅は両方向で差が
生じ、この差は流量が多くなればなるほど大きくなる。
したがって、この両方向での振幅の差に基づいて流量を
測定することが可能になる。

【００１１】また、一端が固定された振動板を測定対象
となる粘性体中に入れ、この振動板の自由端を粘性体中
で振動させるための周期的なエネルギーを与える。この
エネルギー供給により、振動板は粘性体中で振動するこ
とになる。ところが、振動板が粘性体中で変位するため
には、粘性体を押しのけて動く必要があり、粘性体によ
る抵抗を受けることになる。この抵抗は粘性体の粘度が
高いほど大きい。このため、振動板の振幅は、粘度が高
いほど小さくなり、粘度が低いほど大きくなる。したが
って、振動板の振幅に基づいて粘度を測定することが可
能になる。また、この粘性体から受ける抵抗の影響によ
り、振動板が実際に振動変位を生じる時点は、周期的な
エネルギーの供給を受けた時点よりも遅れることにな
り、その遅れ時間は、粘性体の粘度が高くなればなるほ
ど大きくなる。したがって、振動板に与えた周期的なエ
ネルギーと、振動板に発生した周期的な振動変位との位
相差、に基づいて粘性体の粘度を求めることが可能にな
る。

【００１２】

【実施例】以下、本発明を図示する実施例に基づいて詳
述する。

【００１３】§１．流量測定方法はじめに、本発明による流量測定方法の基本原理を図１
および図２に基づいて説明する。いま、図１に側断面を
示すような円筒状の流体管１００を流れる流体の流量を
測定する場合を考える。ここで、平板状の振動板１０を
用意し、その一端を流体管１００の内壁に埋設する。図
１において、振動板１０の左端は流体管１００の内壁に
埋設固定されているが、右端は自由端となっている。こ
の状態で、この振動板１０の自由端を上下に振動させる
ための何らかのエネルギーを供給したものとする。すな
わち、振動板１０は図に一点鎖線で示すように下方向に
変位を生じた後、実線で示すような基準位置に戻り、更
に、二点鎖線で示すように上方向に変位を生じた後、実
線で示すような基準位置に戻る。このような運動が繰り
返して行われるように、何らかのエネルギーを継続的に
供給するのである。ここで、この振動の振幅を考えるた
めに、振動板１０の自由端側の所定点Ｐの位置に着目す
ると、基準位置Ｐ０を中心として、下端位置Ｐａと上端
位置Ｐｂとの間を往復運動することになる。すなわち、
下方向への振幅Ｄａと上方向への振幅Ｄｂとは同じにな
るはずである（ここでは、振動板１０に対する重力の作
用は無視することにする）。

【００１４】ところが、図２に示すように、この流体管
１００内を図の上から下の方向に向かって流体が流れて
いたとすると、振動板１０の振動態様は異なってくる。
すなわち、振動板１０が下方向に変位する場合は、流体
の流れと同じ方向に動けばよいので、流体の流れに基づ
く推進力を受け、振幅Ｄａは大きくなる。これに対し
て、振動板１０が上方向に変位する場合は、流体の流れ
に逆らって動く必要があるので、流体の流れに基づく抵
抗力を受け、振幅Ｄｂは小さくなる。これは、振動板１
０を上方向に動かすために供給されるエネルギーの一部
は、流れの抵抗力のために消耗されてしまうことにな
り、逆に、振動板１０を下方向に動かすために供給され
るエネルギーには、流れの推進力によるエネルギーが加
わって作用することになるためである。したがって、上
方向と下方向とで、供給するエネルギーが同じであって
も、実際に生じる振幅に差が生じてくるのである。

【００１５】本発明の基本原理は、このような性質を利
用して、流体の流量を測定することにある。下方向の振
幅Ｄａと上方向の振幅Ｄｂとを検出することができれ
ば、両者の差（Ｄａ−Ｄｂ）は流量を示す値となる。す
なわち、流量が多くなればなるほど、ＤａとＤｂとの差
は大きくなるので、差の絶対値が流量に比例する。ま
た、差の符号は流れの向きを示すものとなる。たとえ
ば、図１に示すように、（Ｄａ−Ｄｂ）＝０の場合は、
流れがないことを示し、図２に示すように、（Ｄａ−Ｄ
ｂ）＞０の場合は、図の上から下へ向かう方向の流れを
示し、逆に、（Ｄａ−Ｄｂ）＜０の場合は、図の下から
上へ向かう方向の流れを示す。

【００１６】§２．流量測定装置２．１圧電素子の利用上述の測定方法を実現するための測定装置としては、種
々の構成のものが考えられる。なぜなら、一端が固定さ
れた振動板１０の自由端を、流れの方向に沿って振動さ
せるためのエネルギーを供給する励振手段としては様々
なものを用いることができるし、この振動板１０の振動
変位を測定する振動変位測定手段、あるいは振幅Ｄａ，
Ｄｂを測定する振幅測定手段としても様々なものを用い
ることができるからである。たとえば、励振手段として
は、モータなどを用いて機械的に振動板１０を振動させ
る構造のものを用いてもよいし、振動板１０を鉄板など
で構成しておき、これを電磁石を用いて振動させる構造
のものを用いてもよい。また、振動変位測定手段（振幅
測定手段：振動変位の最大値が振幅に相当する）として
は、光学的に振動板１０の位置を検出するものや、磁気
的に振動板１０の位置を検出するものを用いてもよい。

【００１７】しかしながら、この励振手段や振動変位測
定手段として、構造の複雑なものを用いたのでは、小型
軽量でコストの低い測定装置を提供するという本願目的
を達成することはできない。本願発明者は、上述の測定
方法に適した小型で軽量な低コストの流量測定装置を着
想したのである。以下、この流量測定装置の構造を詳述
する。この流量測定装置の特徴は、励振手段および振動
変位測定手段として、いずれも圧電素子を用いるように
した点にある。

【００１８】たとえば、一般的に知られているＰＺＴセ
ラミックス（チタン酸鉛とジルコン酸鉛との固溶体）の
ような圧電素子では、所望の方向に圧電効果が得られる
ような分極処理が可能である。すなわち、所望の方向に
電圧を印加した場合に所望の方向に力が発生するような
性質をもつように分極処理を行うことが可能であり、逆
に、所望の方向に力を加えた場合に所望の方向に電圧が
発生するような性質をもつように分極処理を行うことが
可能である。そこで、次のような性質をもった圧電素子
を用意する。すなわち、図３に示すようなブロック状の
圧電素子であって、その天面Ｓ_Ｔに「＋」、底面Ｓ_Ｂに
「−」の極性の電圧を印加した場合に、その右面Ｓ_Ｒお
よび左面Ｓ_Ｌを外側へ伸ばす方向への力Ｆ＋が発生する
性質をもった圧電素子を用意する。このような圧電素子
では、印加する電圧の極性を変えると、発生する力の方
向も逆転する。すなわち、図４に示すように、その天面
Ｓ_Ｔに「−」、底面Ｓ_Ｂに「＋」の極性の電圧を印加し
た場合には、その右面Ｓ_Ｒおよび左面Ｓ_Ｌを内側へ縮め
る方向への力Ｆ−が発生する性質をもつ。以上は、電圧
を印加した場合に力が発生する性質であるが、逆に、力
を加えた場合に電圧が発生する性質（本来的には、電荷
が発生する性質であるが、天面Ｓ_Ｔあるいは底面Ｓ_Ｂの
面積をＳ、両面の間隔をｄ、圧電素子の誘電率をεとす
れば、天面Ｓ_Ｔおよび底面Ｓ_Ｂに発生する電荷Ｑと両面
間に発生する電圧Ｖとの間には、Ｖ＝Ｑ・（ｄ／εＳ）
なる関係が得られるので、本明細書では、発生する電荷
Ｑを電圧Ｖとしてとらえることにする）は次のようにな
る。まず、図３に示すように、その右面Ｓ_Ｒおよび左面
Ｓ_Ｌを外側へ伸ばす方向への力Ｆ＋を加えると、その天
面Ｓ_Ｔに「＋」、底面Ｓ_Ｂに「−」の極性の電圧が発生
する。また、図４に示すように、その右面Ｓ_Ｒおよび左
面Ｓ_Ｌを内側へ縮める方向への力Ｆ−を加えると、その
天面Ｓ_Ｔに「−」、底面Ｓ_Ｂに「＋」の極性の電圧が発
生する。

【００１９】２．２励振手段としての利用さて、上述のような性質をもった圧電素子を、振動板１
０に対する励振手段として用いた例を説明する。図５に
示すように、振動板１０の上面に、上述した特性をもっ
た圧電素子２０を接合し、更に、その上に電極２５を接
合する。ここで、振動板１０としては、金属板などの導
電性をもった材料を用い、振動板１０と圧電素子２０と
の間の接合および圧電素子２０と電極２５との間の接合
は、いずれも電気的に良好な接触状態が保てるような接
合を行うようにする。一方、振動板１０の下面側にも、
同様に圧電素子３０と電極３５を接合する。この様子
は、図６の断面図に明瞭に示されている。ここで、圧電
素子２０，３０の配置に留意すべきである。図６に示す
Ｓ_Ｔ，Ｓ_Ｂ，Ｓ_Ｒ，Ｓ_Ｌは、図３あるいは図４に示す圧
電素子の各面を示している。要するに、圧電素子２０の
底面Ｓ_Ｂが振動板１０の上面に接合され、圧電素子３０
の天面Ｓ_Ｔが振動板１０の下面に接合されている状態と
なっている。このような配置を行っておけば、後述する
ように、振動板１０を励振するために都合がよい。

【００２０】さて、このような構成において、図７ある
いは図８に示すように、交流電圧Ｅを発生することので
きる電圧供給部１５を用意し、振動板１０と電極２５と
の間、および振動板１０と電極３５との間、にそれぞれ
交流電圧Ｅを印加する。図７は、振動板１０側が
「−」、各電極２５，３５側が「＋」となった瞬間の状
態を示しており、図８は、振動板１０側が「＋」、各電
極２５，３５側が「−」となった瞬間の状態を示してい
る。まず、図７に示す状態から説明する。この図におい
て圧電素子２０への印加電圧の極性に着目すると、天面
Ｓ_Ｔに「＋」、底面Ｓ_Ｂに「−」の電圧が印加されてい
るので、図３に示すように、右面Ｓ_Ｒおよび左面Ｓ_Ｌが
外側に伸びる方向の力Ｆ＋が作用することになる。一
方、圧電素子３０への印加電圧の極性に着目すると、天
面Ｓ_Ｔに「−」、底面Ｓ_Ｂに「＋」の電圧が印加されて
いるので、図４に示すように、右面Ｓ_Ｒおよび左面Ｓ_Ｌ
が内側に縮む方向の力Ｆ−が作用することになる。した
がって、振動板１０の上面には図の左右に伸びる方向の
力が作用し、下面には図の左右に縮む方向の力が作用す
る。その結果、振動板１０全体としては、図７に示すよ
うに下方に反る状態となる。

【００２１】これに対し、印加電圧の極性が反転する
と、図８に示すように、振動板１０の反りの方向も反転
する。すなわち、図８において圧電素子２０への印加電
圧の極性に着目すると、天面Ｓ_Ｔに「−」、底面Ｓ_Ｂに
「＋」の電圧が印加されているので、図４に示すよう
に、右面Ｓ_Ｒおよび左面Ｓ_Ｌが内側に縮む方向の力Ｆ−
が作用することになる。一方、圧電素子３０への印加電
圧の極性に着目すると、天面Ｓ_Ｔに「＋」、底面Ｓ_Ｂに
「−」の電圧が印加されているので、図３に示すよう
に、右面Ｓ_Ｒおよび左面Ｓ_Ｌが外側に伸びる方向の力Ｆ
＋が作用することになる。したがって、振動板１０の上
面には図の左右に縮む方向の力が作用し、下面には図の
左右に伸びる方向の力が作用する。その結果、振動板１
０全体としては、図８に示すように上方に反る状態とな
る。

【００２２】実際には、電圧供給部１５によって供給さ
れる交流電圧Ｅは、正弦波曲線を描くように滑らかに変
化してゆくため、振動板１０は図７に示す状態と図８に
示す状態とを交互に繰り返すことになる。すなわち、交
流電圧Ｅの供給により、振動板１０を振動させることが
できる。供給する交流電圧Ｅの周波数および電圧を一定
に保っておけば、振動板１０を振動させるために与えら
れるエネルギーは常に一定である。このように、振動板
１０の上下にそれぞれ圧電素子を配置するという単純な
構造により、振動板１０を振動させることができるよう
になる。もっとも、圧電素子は必ずしも上下に設ける必
要はなく、上方だけあるいは下方だけに設けるようにし
ても、振動板１０を振動させることは可能である。ただ
し、安定した振動を行わせるためには、上下に圧電素子
を設けるのが好ましい。なお、図７および図８において
は、説明の便宜上、交流電圧Ｅを供給するための配線が
図の右方（自由端側）に描かれているが、実際の配線
は、図の左方（固定端側）から行うのが好ましい。

【００２３】２．３振動変位測定手段（振幅測定手
段）としての利用図６に示すように配置された圧電素子２０，３０は、上
述したように励振手段として利用することもできるが、
振動変位測定手段としても利用することができる。たと
えば、図６に示す構造体に対して、何らかの外力を与え
た場合に、各圧電素子２０，３０にどのような電圧が発
生するかを考えてみる。まず、図９に示すように、振動
板１０の自由端を下方に変位させるような力Ｆ_Ｄを与
え、振動板１０を下方に反らせた状態を考える。この場
合、圧電素子２０に対しては、図の左右方向に伸ばす力
Ｆ＋が加わるため、電極２５には「＋」の電圧が、振動
板１０には「−」の電圧が、それぞれ発生する。一方、
圧電素子３０に対しては、図の左右方向に縮める力Ｆ−
が加わるため、電極３５には「＋」の電圧が、振動板１
０には「−」の電圧が、それぞれ発生する。ここで、振
動板１０に接続された出力端子Ｔ０の電位を基準電位と
すれば、電極２５に接続された出力端子Ｔ１には正の電
圧Ｖ１が発生し、電極３５に接続された出力端子Ｔ２に
は正の電圧Ｖ２が発生することになる。これとは逆に、
図１０に示すように、振動板１０の自由端を上方に変位
させるような力Ｆ_Ｕを与え、振動板１０を上方に反らせ
た状態を考える。この場合、圧電素子２０に対しては、
図の左右方向に縮める力Ｆ−が加わるため、電極２５に
は「−」の電圧が、振動板１０には「＋」の電圧が、そ
れぞれ発生する。一方、圧電素子３０に対しては、図の
左右方向に伸ばす力Ｆ＋が加わるため、電極３５には
「−」の電圧が、振動板１０には「＋」の電圧が、それ
ぞれ発生する。したがって、出力端子Ｔ０の電位を基準
電位とすれば、出力端子Ｔ１には負の電圧Ｖ１が発生
し、出力端子Ｔ２には負の電圧Ｖ２が発生することにな
る。

【００２４】ここで、振動板１０が上下に振動していた
場合を考えると、図９に示す状態と図１０に示す状態と
を交互に繰り返すことになり、発生する電圧Ｖ１および
電圧Ｖ２は、そのときの振動板１０の変位を示す値とな
る。すなわち、電圧Ｖ１，Ｖ２が正の最大値をとったと
きには、振動板１０が最下位置に変位した状態を示し、
電圧Ｖ１，Ｖ２が負の最大値をとったときには、振動板
１０が最上位置に変位した状態を示す。したがって、図
１に示すような振動状態における下方向の振幅Ｄａは、
電圧Ｖ１，Ｖ２の正の最大値によって求めることがで
き、上方向の振幅Ｄｂは、電圧Ｖ１，Ｖ２の負の最大値
によって求めることができる。こうして、出力端子Ｔ
０，Ｔ１，Ｔ２の電位をモニタすることにより、振動板
１０の振動変位あるいは振幅（振動変位の正負両極点に
おける値）を測定することが可能になる。なお、電圧Ｖ
１も電圧Ｖ２も、振動板１０の変位が大きくなるほどそ
の絶対値は大きくなる。したがって、Ｖ１とＶ２とのい
ずれの電圧値を振動変位の測定値として用いてもかまわ
ない。別言すれば、圧電素子２０または３０のいずれか
一方だけを用いても、振動変位の測定は可能である。し
かしながら、本実施例では、測定精度を向上させるため
に、圧電素子２０および３０の双方を用い、その出力電
圧である電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との和Ｖ＝Ｖ１＋Ｖ２をも
って、振動変位を示す検出電圧Ｖとして取り扱うように
している。

【００２５】実際には、振動板１０は上下に振動するこ
とになるので、検出電圧Ｖは正弦波曲線を描くように滑
らかに変化することになる。なお、図９および図１０に
おいては、説明の便宜上、出力端子Ｔ０〜Ｔ２を取り出
すための配線が図の右方（自由端側）に描かれている
が、実際の配線は、図の左方（固定端側）から行うのが
好ましい。

【００２６】２．４流量測定装置の構成上述したように、圧電素子は励振手段として利用するこ
ともできるし、振動変位測定手段として利用することも
できる。そこで、振動板１０に励振手段としての圧電素
子と、振動変位測定手段としての圧電素子とを設けるよ
うにすれば、「振動板１０を励振させ、そのときの実際
の変位（振幅）を測定する」という機能をもった装置が
実現できる。ただ、装置構成をできるだけ簡素化するた
め、１つの圧電素子の一部を励振手段として利用し、他
の一部を振動変位測定手段として利用する構成をもった
実施例を以下に述べる。図１１は、このような構成をも
った流量測定装置の一実施例の斜視図である。振動板１
０の上面には圧電素子２０が接合され、下面には圧電素
子３０が接合されている（図では、便宜上、振動板１０
の下面の構成要素については、分離した状態で描いてあ
る）。ここまでの構成は、図６に示す装置と同様であ
り、各圧電素子の配置特性も図６に示す装置と同じであ
る。ただ、圧電素子２０の上面には２種類の電極が形成
されており、圧電素子３０の下面にも２種類の電極が形
成されている。すなわち、圧電素子２０の上面には、励
振用電極２１と測定用電極２２とが接合され、圧電素子
３０の下面には、励振用電極３１と測定用電極３２とが
接合されている。

【００２７】図１２は、この流量測定装置を、流体管１
００の内壁に取り付けた状態を示す上面図である。励振
用電極２１（および３１）は、図のようにＵ字型をして
おり、測定用電極２２（および３２）は、図のようにＩ
字型をしている。そして、励振用電極２１と振動板１０
とによって挟まれた圧電素子２０のＵ字型部分と、励振
用電極３１と振動板１０とによって挟まれた圧電素子３
０のＵ字型部分と、が励振手段として利用されることに
なり、励振用電極２２と振動板１０とによって挟まれた
圧電素子２０のＩ字型部分と、励振用電極３２と振動板
１０とによって挟まれた圧電素子３０のＩ字型部分と、
が振動変位測定手段として利用されることになる。

【００２８】図１３は、この流量測定装置を、流体管１
００の内壁に取り付けた状態を示す側断面図である。こ
こで、励振手段を構成する励振用電極２１，３１に対し
ては、振動板１０の電位を基準として、電圧供給部１５
から交流電圧Ｅを供給する。一方、振動変位測定手段を
構成する測定用電極２２，３２については、それぞれ出
力端子Ｔ１，Ｔ２を接続する。また、振動板１０には出
力端子Ｔ０を接続し、この出力端子Ｔ０を基準電圧とし
たときの出力端子Ｔ１の電圧Ｖ１および出力端子Ｔ２の
電圧Ｖ２が、電圧測定部１６において測定される。この
ように、Ｕ字型の励振用電極２１，３１と、Ｉ字型の測
定用電極２２，３２と、により、圧電素子の領域を分割
して利用するようにしたため、単一の圧電素子が、励振
手段と振動変位測定手段とを兼ねることになる。すなわ
ち、電圧供給部１５から供給される交流電圧Ｅによっ
て、励振用電極２１，３１には「＋」，「−」の電圧が
交互に印加されることになり、図７および図８に示す原
理に基づき、振動板１０は上下方向に振動することにな
る。一方、この振動板１０が振動すると、図９および図
１０に示す原理に基づき、測定用電極２２，３２には
「＋」，「−」の電圧が交互に発生することになり、こ
の電圧は電圧測定部１６において検出される。こうし
て、振動板１０を振動させるためのエネルギーを供給す
るとともに、このエネルギーを受けて発生した実際の振
動の変位を測定することが可能になる。なお、圧電素子
の領域の分割の仕方は、この例のようにＵ字型とＩ字型
とに分ける方法に限定されるものではない。たとえば、
図１４に示すように、同じ矩形をした励振用電極２６と
測定用電極２７とを並列配置して、圧電素子の領域分割
を行ってもかまわない。ただし、与えられたエネルギー
をできるだけ効率良く振動に変換し、そのときの振動変
位をできるだけ感度よく測定するという点においては、
上述したＵ字型とＩ字型とに分ける方法が優れている。

【００２９】さて、この図１３に示す流量測定装置の動
作を考えてみる。いま、電圧供給部１５によって、図１
５(a) に示すような正弦波曲線に沿って周期的に変化す
る印加電圧Ｅを励振用電極２１，３１に与えた場合を考
える。時刻ｔ０〜ｔ１の期間を前半周期、時刻ｔ１〜ｔ
２の期間を後半周期、と呼ぶことにすれば、前半周期の
点Ｑａにおいて、励振用電極２１，３１には「＋」の最
大電圧が印加され、振動板１０は図７に示すように、下
方に最大変位した状態になる。また、後半周期の点Ｑｂ
において、励振用電極２１，３１には「−」の最大電圧
が印加され、振動板１０は図８に示すように、上方に最
大変位した状態になる。したがって、振動板１０の変位
Ｄを同じ時間軸上のグラフで示すと、図１５(b) に実線
で示すような正弦波曲線となる。すなわち、前半周期に
おいて振動板１０は下方に変位し、後半周期において振
動板１０は上方に変位する。このような振動状態におい
て、電圧測定部１６では、出力端子Ｔ０の電位に対する
出力端子Ｔ１の電位を示す電圧Ｖ１と、出力端子Ｔ０の
電位に対する出力端子Ｔ２の電位を示す電圧Ｖ２との和
として、検出電圧Ｖが求められる。この検出電圧Ｖは、
前半周期に振動板が下方に変位した状態では、図９に示
すように正の値となり、後半周期に振動板が上方に変位
した状態では、図１０に示すように負の値となる。した
がって、検出電圧Ｖを同じ時間軸上のグラフで示すと、
図１５(c) に実線で示すような正弦波曲線となる。

【００３０】ところで、以上の議論は、流体管１００内
に流体の流れがない場合の議論である。別言すれば、振
動板１０の上方向への変位と下方向への変位とが、全く
同じ条件で実現される場合の議論である（前述したよう
に、振動板１０に作用する重力の影響は無視する）。と
ころが、流体管１００内に流体の流れがある場合には、
図２で説明したように、流れに逆らう上方向の変位は抑
制され、流れに向かった下方向の変位は助長されること
になる。その結果、下方向の振幅Ｄａは増大し、上方向
の振幅Ｄｂは減少することは既に述べたとおりである。
したがって、図１３の上から下へ向かう方向に流れが存
在する場合には、図１５(b) に示す変位Ｄは、破線に示
すように偏ったものとなる。その結果、図１５(c) に示
す検出電圧Ｖも、破線に示すように偏ったものとなる。
ここで、電圧測定部１６において、前半周期に得られる
検出電圧の最大値Ｖａ（絶対値：下方向の振幅Ｄａに対
応）と、後半周期に得られる検出電圧の最大値Ｖｂ（絶
対値：上方向の振幅Ｄｂに対応）と、の差ΔＶを、ΔＶ
＝Ｖａ−Ｖｂなる演算で求めることにすれば、ΔＶは流
量を示す値となる。なぜなら、流量が多くなればなるほ
ど、ＶａとＶｂとの差が大きくなるからである。また、
流れの方向が、図の下から上へと逆転した場合には、Δ
Ｖの符号も逆転するので、ΔＶによって流量だけでなく
流れの方向も認識することができる。以上が、この流量
測定装置の動作原理である。

【００３１】もっとも、上述の測定装置は本発明による
流量測定方法を実施することができる装置の一構成例で
あり、本発明はこの他にも種々の態様で実現可能であ
る。たとえば、振動板１０として、上述の実施例では、
金属などの導電性の材料を用いている。これは、振動板
１０を共通の電極として利用することができるために便
利であるが、振動板１０としては絶縁体を用いることも
可能である。この場合は、振動板１０の表面に導電性の
層を形成すればよい。

【００３２】２．５検出電圧Ｖを容易に求めるための
工夫これまで、図１１に示す実施例の動作について述べてき
たが、ここでは、これを少し変形した実施例を開示して
おく。すなわち、図１１に示す実施例における圧電素子
２０を、図１６に示すような圧電素子４０に置換するの
である。圧電素子４０は、その一部分の圧電特性が他の
部分に対して逆転しているという性質を有する。圧電素
子２０および３０は、既に述べたように、図３および図
４に示すような圧電特性を有していた。ところが、圧電
素子４０の圧電特性は、図１６に示すように、外側のＵ
字型の部分４１（励振用電極２１に対応する部分）につ
いては、図３および図４に示すような圧電特性を有して
いるが、内側のＩ字型の部分４２（測定用電極２２に対
応する部分）については、天地の関係を逆にした圧電特
性を有している。別言すれば、Ｕ字型の部分４１の上面
には、図３および図４に示す圧電素子の天面Ｓ_Ｔに相当
する面が位置するが、Ｉ字型の部分４２の上面には、図
３および図４に示す圧電素子の底面Ｓ_Ｂに相当する面が
位置している。前述したように、圧電素子の圧電特性
は、分極処理を施すときの条件によって自由に設定する
ことができるので、このような部分的に異なる圧電特性
をもった圧電素子４０を形成することは可能である。

【００３３】この実施例の特徴は、振動板１０の上方に
設ける圧電素子として、上述したような圧電素子４０を
用いる点にある。振動板１０の下方に設ける圧電素子と
しては、前述の実施例と同様に圧電素子３０を用いる。
さて、圧電素子４０の励振手段としての機能に関して
は、前述の実施例と全く同じである。なぜなら、励振手
段として機能するＵ字型の部分４１の圧電特性は、前述
の実施例と全く同じであるからである。ところが、圧電
素子４０の振動変位測定手段としての機能に関しては、
前述の実施例とは測定結果の極性が逆転することにな
る。これを具体的に説明しよう。たとえば、振動板１０
が下方に変位を生じた場合、これまでの実施例で用いて
きた圧電素子２０の場合には、図９に示すような電圧Ｖ
１，Ｖ２が、出力端子Ｔ１，Ｔ２に得られる。ところ
が、圧電素子４０の場合には、特性が逆転しているた
め、図１７に示すように、電圧Ｖ１の向きが逆転するこ
とになる。このように、電圧Ｖ１の向きを逆転させてお
くと、振動変位の検出電圧であるＶを求めるための演算
処理が簡単になるというメリットが得られる。上述の実
施例では、検出電圧Ｖは、Ｖ＝Ｖ１＋Ｖ２なる演算によ
り求められる。ところが、この実施例では、図１７に示
すように、出力端子Ｔ１の電位に対する出力端子Ｔ２の
電位を求めれば、求めた電位がそのまま検出電圧Ｖとな
る。したがって、Ｖ＝Ｖ１＋Ｖ２なる演算は不要になる
のである。装置構成をできるだけ簡素化する上では、こ
のような工夫は非常に効果的である。

【００３４】§３．粘度測定方法前節では、具体的な流量測定装置の構造について述べて
きた。ところが、この流量測定装置は、粘度の測定にも
応用できる。以下、その方法について詳述する。いま、
図１１に示す測定装置（断面図は、図１３に示されてい
る）を、図１８に示すように、粘性体中に浸して用いる
場合を考える。すなわち、容器５０内に粘性体６０を満
たし、上から蓋５１を被せる。そして、前述の測定装置
の振動板１０の固定端側を蓋５１に埋設して固定する。
振動板１０および各電極２１，２２，３１，３２には、
図１３に示す配線と全く同様の配線が施されているもの
とする。この状態で、電圧供給部１５から励振用電極２
１，３１に交流電圧Ｅを供給すれば、振動板１０は図の
方向ＡおよびＢに振動することになる。そして、振動板
１０の実際の振動変位は、測定用電極２２，３２に発生
する電圧を検出することにより求めることができる。

【００３５】ところで、粘性体６０の粘度は、この振動
板１０の振動に対する抵抗力を与える要因となる。すな
わち、粘性体６０の粘度が高ければ高いほど、振動板１
０の運動は粘性体６０によって妨げられる。具体的に
は、粘性体６０の粘度は、振動板１０の振動状態に、２
とおりの態様で影響を与える。第１の態様は、振幅の減
衰である。振動板１０に供給する周期的な励振エネルギ
ーが一定であっても、粘性体６０の粘度が高ければ、振
動板１０の移動に大きなエネルギーを消耗するため、結
果的に振幅は抑制されてしまう。したがって、振動板１
０の振幅を測定すれば、粘度を求めることができる。第
２の態様は、応答性の遅延である。たとえば、振動板１
０をＡの方向に変位させるためのエネルギーを供給した
としても、粘性体６０の粘度が高ければ、実際の振動板
１０の変位は与えられた励振エネルギーに直ちに追従す
ることはできず、応答性に遅れが生じる。この遅れは、
粘性体６０の粘度が高くなればなるほど大きくなる。し
たがって、振動板１０の振動変位の遅れを測定すれば、
粘度を求めることができる。

【００３６】このような原理に基づく粘度測定方法を具
体例に即して説明する。いま、電圧供給部１５によっ
て、図１９(a) に示すような正弦波曲線に沿って周期的
に変化する印加電圧Ｅを励振用電極２１，３１に与えた
場合を考える。この場合、前半周期の点Ｑａにおいて、
励振用電極２１，３１には「＋」の最大電圧が印加さ
れ、振動板１０は図１８の方向Ａに最大変位した状態に
なる。また、後半周期の点Ｑｂにおいて、励振用電極２
１，３１には「−」の最大電圧が印加され、振動板１０
は図１８の方向Ｂに最大変位した状態になる。したがっ
て、振動板１０の変位Ｄを同じ時間軸上のグラフで示す
と、図１９(b) に実線で示すような正弦波曲線となる。
このような振動状態において、電圧測定部１６で得られ
る検出電圧Ｖは、前半周期に振動板が方向Ａに変位した
状態では正の値となり、後半周期に振動板が方向Ｂに変
位した状態では負の値となる。したがって、検出電圧Ｖ
を同じ時間軸上のグラフで示すと、図１９(c) に実線で
示すような正弦波曲線となる。

【００３７】ところで、以上の議論は、粘性体６０の粘
度が０である場合の議論である。別言すれば、振動板１
０を真空中で振動させた場合の議論である。実際には、
振動板１０の振動は、粘性体６０による抵抗を受けるた
め、図１９(b) に示す変位Ｄは、破線に示すように振幅
が小さくなるとともに、Δｔだけの位相遅れを生じるこ
とになる。その結果、図１９(c) に示す検出電圧Ｖも、
破線に示すようなものとなる。ここで、電圧測定部１６
において、前半周期に得られる検出電圧の最大値Ｖａ
（絶対値：Ａ方向の振幅Ｄａに対応）と、後半周期に得
られる検出電圧の最大値Ｖｂ（絶対値：Ｂ方向の振幅Ｄ
ｂに対応）と、の平均値Ｖａｂ＝（Ｖａ＋Ｖｂ）／２ま
たは和Ｖｓｕｍ＝（Ｖａ＋Ｖｂ）を演算で求めれば、こ
の平均値Ｖａｂまたは和Ｖｓｕｍは、粘性体６０の粘度
を示す値となる（Ｖａだけ、またはＶｂだけを求め、こ
れを粘度を示す値として用いることもできるが、測定精
度を向上させるためには、このような平均値や和を求め
るのが好ましい）。以上の方法は、振動板１０の振幅Ｄ
ａ，Ｄｂに基づいて粘度を測定するものであるが、位相
遅れΔｔに基づいて粘度を測定することもできる。すな
わち、電圧測定部１６において、図１９(c) に破線で示
すような検出電圧Ｖの時間的変化を記録し、この検出電
圧Ｖのカーブと、図１９(a) に示す印加電圧Ｅのカーブ
と、の位相差Δｔを求めれば、このΔｔを粘度を示す値
として用いることができる。

【００３８】また、この装置を、流量と粘度との両方を
測定するための装置として用いることも可能である。た
とえば、図１３に示す流量測定装置において、流体管１
００内を流れる流体が粘性体であった場合には、図２０
のグラフに示すような結果が得られる。すなわち、流量
０、粘度０という仮想の状態においては、図２０(a)に
示すような印加電圧Ｅを供給して振動板１０を振動させ
た場合、図２０(b) に実線で示すような変位Ｄが生じ、
図２０(c) に実線で示すような検出電圧Ｖが得られるこ
とになる。ところが実際には、流量および粘度が所定の
値をもつため、変位Ｄは図２０(b) に破線で示すよう
に、粘度に応じて振幅の平均値が低減するとともに位相
遅れΔｔが生じ、かつ、流量に応じて下方向の振幅Ｄａ
と上方向の振幅Ｄｂとに差が生じることになる。同様
に、実際の検出電圧Ｖは、図２０(c)に破線で示すよう
に、粘度に応じて振幅の平均値が低減するとともに位相
遅れΔｔが生じ、かつ、流量に応じて下方向の振幅を示
す電圧値Ｖａと上方向の振幅を示すＶｂとに差が生じる
ことになる。したがって、流量は、Ｖａ−Ｖｂなる差を
求めることによって得られ、粘度は、（Ｖａ＋Ｖｂ）／
２なる平均値Ｖａｂまたは位相差Δｔを求めることによ
って得られることになる。

【００３９】

【発明の効果】以上のとおり本発明に係る流量／粘度の
測定方法によれば、振動板を流体中あるいは粘性体中で
振動させる周期的なエネルギーを供給し、そのときの振
動板の実際の振動態様を検出することにより流量や粘度
の測定を行うようにしたため、単純な測定原理に基づく
測定が可能になり、装置の小型軽量化を図ることがで
き、コストの低い測定装置が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本原理を説明するための図であり、
流体管内に流体が存在しない状態での振動板１０の振動
態様を示している。

【図２】本発明の基本原理を説明するための図であり、
流体管内を上から下へ流体が流れている状態での振動板
１０の振動態様を示している。

【図３】本発明に係る測定装置において用いられる圧電
素子の特性を示す図である。

【図４】図３に示す圧電素子に与える電圧の極性を反転
させたときの特性を示す図である。

【図５】振動板１０の励振手段あるいは振動変位測定手
段として、圧電素子を利用した構造体を示す斜視図であ
る。

【図６】図５に示す構造体の側断面図である。

【図７】図５に示す構造体に交流電圧Ｅを印加したとき
の一時点の状態を示す図である。

【図８】図５に示す構造体に交流電圧Ｅを印加したとき
の別な一時点の状態を示す図である。

【図９】図５に示す構造体を下方向に反らせたときに発
生する電圧を示す図である。

【図１０】図５に示す構造体を上方向に反らせたときに
発生する電圧を示す図である。

【図１１】本発明の一実施例に係る流量／粘度測定装置
の構造を示す斜視図である。

【図１２】図１１に示す測定装置の上面図である。

【図１３】図１１に示す測定装置の側断面図およびこれ
に用いる回路図である。

【図１４】図１１に示す測定装置についての電極パター
ンを変更した実施例の上面図である。

【図１５】図１１に示す測定装置による流量測定の原理
を説明するグラフである。

【図１６】図１１に示す測定装置についての圧電素子特
性を変更した実施例の斜視図である。

【図１７】図１６に示す測定装置の動作を説明する図で
ある。

【図１８】図１１に示す測定装置を粘度測定装置として
用いた例を示す側断面図である。

【図１９】図１１に示す測定装置による粘度測定の原理
を説明するグラフである。

【図２０】図１１に示す測定装置による流量と粘度の同
時測定の原理を説明するグラフである。

【符号の説明】

１０…振動板１５…電圧供給部１６…電圧測定部２０…圧電素子２１…励振用電極２２…測定用電極２５…電極２６…励振用電極２７…測定用電極３０…圧電素子３１…励振用電極３２…測定用電極３５…電極４０…圧電素子４１…Ｕ字型の部分４２…Ｉ字型の部分５０…容器５１…蓋６０…粘性体１００…流体管Ｄ，Ｄａ，Ｄｂ…変位（振幅）Ｖ，Ｖａ，Ｖｂ…検出電圧Ｅ…印加電圧Ｆ_Ｄ…下方向の外力Ｆ_Ｕ…上方向の外力Ｆ＋…左右の面を外側へ伸ばす力Ｆ−…左右の面を内側へ縮める力Ｓ_Ｔ…圧電素子の天面Ｓ_Ｂ…圧電素子の底面Ｓ_Ｒ…圧電素子の右面Ｓ_Ｌ…圧電素子の左面Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２…出力端子 Δｔ…位相遅延

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一端が固定された振動板を測定対象とな
る流れの中に入れ、この振動板の自由端を流れの方向に
沿って振動させるためのエネルギーを与え、前記振動板
の第１の方向についての振幅と第２の方向についての振
幅とを測定し、前記両振幅の差に基づいて流量を求める
ことを特徴とする流量の測定方法。
【請求項２】一端が固定された振動板と、この振動板
の自由端を流れの方向に沿って振動させる励振手段と、
前記振動板の第１の方向についての振幅と第２の方向に
ついての振幅とを測定する振幅測定手段と、前記両振幅
の差に基づいて流量を求める流量検出手段と、を備える
ことを特徴とする流量測定装置。
【請求項３】請求項２に記載の流量測定装置におい
て、振動板に固着された圧電素子と、この圧電素子に交
流電圧を供給する電圧供給部と、によって励振手段を構
成したことを特徴とする流量測定装置。
【請求項４】請求項２に記載の流量測定装置におい
て、振動板の第１の面に固着された第１の圧電素子と、
振動板の第２の面に固着された第２の圧電素子と、これ
ら両圧電素子のそれぞれに交流電圧を供給する電圧供給
部と、によって励振手段を構成し、供給した交流電圧の
前半周期においては、前記第１の圧電素子が前記第１の
面に沿った方向に伸びるとともに前記第２の圧電素子が
前記第２の面に沿った方向に縮むように、供給した交流
電圧の後半周期においては、前記第１の圧電素子が前記
第１の面に沿った方向に縮むとともに前記第２の圧電素
子が前記第２の面に沿った方向に伸びるように、前記両
圧電素子を配置したことを特徴とする流量測定装置。
【請求項５】請求項２に記載の流量測定装置におい
て、振動板に固着された圧電素子と、この圧電素子によ
って発生する電圧を測定する電圧測定部と、によって振
幅測定手段を構成したことを特徴とする流量測定装置。
【請求項６】請求項２に記載の流量測定装置におい
て、振動板の第１の面に固着された第１の圧電素子と、
振動板の第２の面に固着された第２の圧電素子と、これ
ら両圧電素子によって発生する電圧を測定する電圧測定
部と、によって振幅測定手段を構成し、前記両圧電素子
の発生電圧の和に基づいて振幅を測定することを特徴と
する流量測定装置。
【請求項７】一端が固定された振動板を測定対象とな
る粘性体中に入れ、この振動板の自由端を前記粘性体中
で振動させるためのエネルギーを与え、前記振動板の振
幅を測定することにより前記粘性体の粘度を求めること
を特徴とする粘度の測定方法。
【請求項８】一端が固定された振動板を測定対象とな
る粘性体中に入れ、この振動板の自由端を前記粘性体中
で振動させるための周期的なエネルギーを与え、前記振
動板の周期的な振動変位を測定し、前記周期的なエネル
ギーと前記周期的な振動変位との位相差に基づいて前記
粘性体の粘度を求めることを特徴とする粘度の測定方
法。
【請求項９】一端が固定された振動板と、この振動板
の自由端を振動させるための周期的なエネルギーを与え
る励振手段と、前記振動板の周期的な振動変位を測定す
る振動変位測定手段と、を備えることを特徴とする粘度
測定装置。
【請求項１０】請求項９に記載の粘度測定装置におい
て、振動板に固着された圧電素子と、この圧電素子に交
流電圧を供給する電圧供給部と、によって励振手段を構
成したことを特徴とする粘度測定装置。
【請求項１１】請求項９に記載の粘度測定装置におい
て、振動板の第１の面に固着された第１の圧電素子と、
振動板の第２の面に固着された第２の圧電素子と、これ
ら両圧電素子のそれぞれに交流電圧を供給する電圧供給
部と、によって励振手段を構成し、供給した交流電圧の
前半周期においては、前記第１の圧電素子が前記第１の
面に沿った方向に伸びるとともに前記第２の圧電素子が
前記第２の面に沿った方向に縮むように、供給した交流
電圧の後半周期においては、前記第１の圧電素子が前記
第１の面に沿った方向に縮むとともに前記第２の圧電素
子が前記第２の面に沿った方向に伸びるように、前記両
圧電素子を配置したことを特徴とする粘度測定装置。
【請求項１２】請求項９に記載の粘度測定装置におい
て、振動板に固着された圧電素子と、この圧電素子によ
って発生する電圧を測定する電圧測定部と、によって振
動変位測定手段を構成したことを特徴とする粘度測定装
置。
【請求項１３】請求項９に記載の粘度測定装置におい
て、振動板の第１の面に固着された第１の圧電素子と、
振動板の第２の面に固着された第２の圧電素子と、これ
ら両圧電素子によって発生する電圧を測定する電圧測定
部と、によって振動変位測定手段を構成し、前記両圧電
素子の発生電圧の和に基づいて粘度を測定することを特
徴とする粘度測定装置。
【請求項１４】一端が固定された振動板と、この振動
板の上面に下面が固着された第１の圧電素子と、前記振
動板の下面に上面が固着された第２の圧電素子と、前記
第１の圧電素子の上面の第１の部分に設けられた第１の
励振用電極と、前記第１の圧電素子の上面の第２の部分
に設けられた第１の測定用電極と、前記第２の圧電素子
の下面の第１の部分に設けられた第２の励振用電極と、
前記第２の圧電素子の下面の第２の部分に設けられた第
２の測定用電極と、前記第１の圧電素子の下面と前記第
１の励振用電極との間および前記第２の圧電素子の上面
と前記第２の励振用電極との間に交流電圧を供給する電
圧供給部と、前記第１の圧電素子の下面と前記第１の測
定用電極との間および前記第２の圧電素子の上面と前記
第２の測定用電極との間に発生する電圧を測定する電圧
測定部と、を備えることを特徴とする流量／粘度測定装
置。
【請求項１５】請求項１４に記載の流量／粘度測定装
置において、振動板を導電性の材料で構成し、第１の圧
電素子の下面と第２の圧電素子の上面と振動板とを導通
状態にしたことを特徴とする流量／粘度測定装置。