JPH06294694A

JPH06294694A - 圧力センサ及びこの圧力センサを用いた流量計

Info

Publication number: JPH06294694A
Application number: JP5081690A
Authority: JP
Inventors: Zenichi Akiyama; 善一秋山
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1993-04-08
Filing date: 1993-04-08
Publication date: 1994-10-21

Abstract

(57)【要約】【目的】精度が良くかつ長期に渡ってその性能を維持
し安価な圧力センサを提供すること。【構成】圧電セラミックスからなる片持ち梁１８と、
この片持ち梁１８の両側にそれぞれ流体が導入される圧
力室１５，１６を形成する圧力室形成体１４と、前記圧
力室１５，１６へ個別に流体を導入する２個の入口ノズ
ル１５ａ，１６ａと、前記片持ち梁１８の歪により生ず
る電気出力を増幅して出力する増幅器２１とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、気体や液体の圧力を測
定する圧力センサ、及び、この圧力センサを用いて気体
や液体の流量を測定する流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】流体、特に気体の流量を精度良く検出で
きる流量計として、流体素子による圧力変動を検出して
流量の測定を行なう流量計、例えばフルイデック流量計
やカルマン渦流量計が知られている。これらは流体素子
に流通される気体に発生する流量に応じた圧力変動現象
等を利用したもので、その圧力変動（変動周波数）を精
密に検出することで流量の計測を行なうものである。し
たがって、このような流量計に用いられる圧力センサと
しては、高感度、つまり微弱な圧力変化及び広い周波数
における圧力変化まで検出できるほど望ましく、かつ、
構造が簡単で安価にしかも容易に作製できることが望ま
しい。従来、この種の流量計に用いられる圧力センサの
代表的なものとして、特開昭５７−１１０９１８号公報
に示されているシリコンダイアフラムを用いた圧力セン
サ、及び、特開平２−２６８２２８号公報に示されてい
るような高分子圧電膜をダイアフラムとして用いた圧力
センサが知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、シリコ
ンダイアフラムを用いた圧力センサには以下のような問
題がある。即ち、シリコンチップ自身は圧電体ではない
のでそれ自身には圧力検出機能がなく、圧力変化をその
歪による抵抗値の変化として検出しなければならず、ブ
リッジ回路等の抵抗変化検出回路を必要とする。また、
シリコンチップは剛体に近く、それをエッチングで加工
する場合薄く加工するのに限度があり、微弱な圧力変化
を検出するのは困難であり、応答速度も遅く、圧力の変
化に対し追従できる周波数範囲は狭い。これらの理由の
ため、従来のシリコンダイアフラムを用いた圧力センサ
では、通常高感度タイプのものでも、０．１ｍｍＨ₂Ｏ
より小さい圧力変動は検出することができず、追従でき
る周波数も数ヘルツ以下であった。

【０００４】また、製造上シリコンダイアフラムの厚さ
の制御が難しく、微弱な圧力変動を検出する圧力センサ
としては感度のバラツキが大きいという問題もある。さ
らに温度変化の影響を大きく受ける抵抗値を検出する方
式であるため、温度補償回路が不可欠であり、通常この
補償回路も同じチップ上に集積して形成するため、製造
に複雑な技術を要し、大規模な製造設備が必要となる。

【０００５】さらに、上述のように製造の難しさ、検
出、補償回路の必要性のため、シリコンダイアフラム式
の圧力センサは通常相当高価なものとなり、特に高感度
のものは著しく高価なものとなっている。

【０００６】この点、高分子圧電膜を用いた圧力センサ
においては、高分子圧電膜自身が発生する電位差を直接
電圧信号として出力することが可能であり、さらに、容
易に薄膜を精度良く製造できるので、安価でかつ精度の
良い圧力センサとなる。

【０００７】ここで、このような圧力センサが利用され
る流量計は一般的に−２０℃〜６０℃の環境で長期に渡
ってその性能を保証しなければならない。ところが、特
開平２−２６８２２８号公報に示されているような高分
子圧電膜、ポリフッ化ビニリデンと３フッ化エチレンと
の共重合体は有機化合物であるため、経年変化等が認め
られる。したがって、微弱な圧力の検出においては高分
子圧電膜では長期に渡っての信頼性という点で不十分で
ある。また、圧電膜の出力の温度特性は、圧電特性（応
力に対し電荷を発生させる性能）の温度特性と弾性コン
プライアンス（材料の軟らかさ）の温度特性との関数で
あるが、高分子圧電膜では両温度特性ともに線形性を示
さず、特に高分子材料であるので温度変化による弾性コ
ンプライアンスの変化が大きく、さらに、使用温度範囲
内に変極点があり、出力が一定とならないという言う欠
点がある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、圧電セラミックスからなる片持ち梁と、この片持ち
梁の両側にそれぞれ流体が導入される圧力室を形成する
圧力室形成体と、前記圧力室へ個別に流体を導入する２
個の入口ノズルと、前記片持ち梁の歪により生ずる電気
出力を増幅して出力する増幅器とを備えた。

【０００９】請求項２記載の発明では、請求項１記載の
発明における片持ち梁を、バイモルフ構造とした。

【００１０】請求項３記載の発明では、請求項１記載の
発明における片持ち梁を、ユニモルフ構造とした。

【００１１】請求項４記載の発明では、請求項１記載の
発明における片持ち梁を、モノモルフ構造とした。

【００１２】請求項５記載の発明では、流体素子による
圧力変動を圧力センサで検出して流量の測定を行なう流
量計において、前記圧力センサを請求項１，２，３又は
４記載の圧力センサとした。

【００１３】

【作用】請求項１記載の発明によれば、流体が入口ノズ
ルを介して各圧力室内に導入されると、各圧力室に導入
された圧力の差により片持ち梁が変形する。即ち、各圧
力室に導入された流体の圧力に変動があった場合、その
変動のうち各圧力室に共通する変動成分は互いに打ち消
しあいキャンセルされ、共通しない変動成分だけにより
片持ち梁が変形する。このようにして片持ち梁が変形す
ると、この片持ち梁は圧電セラミックスにより形成され
ているので、変形に応じた電圧信号が出力される。即
ち、圧電セラミックス自身から信号が発生することによ
り、シリコンダイアフラムを用いた圧力センサのように
抵抗変化検出回路等の検出回路の必要がない。また、圧
電セラミックスはテープキャスティング法等の周知のシ
ート製造技術により容易に薄くかつ精度良く製造できる
ので、これらの製造技術で薄く形成すれば柔軟かつ軽量
となり、微弱な圧力変化でも歪を生じ、高い周波数にも
良く追従し、かつ、個体間の感度のバラツキも小さいも
のとなる。

【００１４】また、圧電セラミックスは無機物であるた
め経年変化が小さい。さらに、使用温度範囲において弾
性コンプライアンスがほぼ一定であり出力の温度特性が
圧電特性の温度特性だけの関数となり、この圧電特性の
温度特性も添加物の添加やキュリー点の高い適切な組成
を選択することで使用温度範囲においてほぼ一定とな
り、出力の温度特性が一定となる。

【００１５】請求項２記載の発明によれば、片持ち梁を
バイモルフ構造としたことで、出力が増大する。

【００１６】請求項３記載の発明によれば、片持ち梁を
ユニモルフ構造としたことで、耐久性が向上し、出力の
ドリフトの小さいものとなる。

【００１７】請求項４記載の発明によれば、片持ち梁を
モノモルフ構造としたことで、耐久性が向上し、出力の
ドリフトの小さいものとなる。

【００１８】請求項５記載の発明によれば、流体素子に
よる圧力変動を検出する圧力センサを請求項１，２，３
又は４記載の圧力センサとしたので、この圧力センサに
より微小な圧力変動も精密に検出され、高周波数の変動
も正確に検出される。このため、広い範囲でかつ正確に
流量を検出することができる。

【００１９】

【実施例】本発明の第一の実施例を図１ないし図４に基
づいて説明する。本実施例は、フルイデック流量計に適
用したものである。このフルイデック流量計は図２に示
すように、流入管１から排出管２を結ぶ流路上に、セッ
トリングスペース３、流路縮小部４、ジェットノズル
５、流路拡大部６を順に設け、かつ、前記流路拡大部６
中には前記ジェットノズル５に対向させて誘振子７を設
け、その背後にエンドブロック８を設けて流体素子９が
形成されている。そして、このエンドブロック８の背後
は排出スペース１０とされている。さらに、このフルイ
デック流量計には前記ジェットノズル５の中心線を対称
軸とした二個所の圧力を外部に導く圧力取出口１１，１
２が前記ジェットノズル５の下流付近に流れと直角に設
けられている。

【００２０】また、このフルイデック流量計には流路拡
大部６で発生する圧力変動を検出する圧力センサ１３が
前記圧力取出口１１，１２に接続されて設けられてい
る。この圧力センサ１３は、まず、図１に示すように圧
力室形成体である立方体状の圧力室形成殻１４（図では
仮想線で示す）が設けられている。この圧力室形成殻１
４は、内部を二分してその両側に圧力室１５、１６を形
成する隔壁板１７が設けられており、この隔壁板１７に
沿わせて片持ち梁１８が設けられている。前記隔壁板１
７には前記圧力室１５，１６を連通させる貫通穴１７ａ
が前記片持ち梁１８の自由端の形状に沿わせて形成され
ている。そして、前記圧力室１５，１６は、前記片持ち
梁１８の自由端に対向した入口ノズル１５ａ、１６ａが
それぞれ設けられており、この入口ノズル１５ａ，１６
ａを介して前記圧力取出口１１，１２にそれぞれ接続さ
れている。ここで、前記片持ち梁１８は、長さＬ＝５m
m、板厚ｔ＝１００μ、密度ρ＝７．９ｇ／cm³、弾性定
数ｓ₁₁＝１６×１０~¹²ｍ²／Ｎ、圧電定数ｄ₃₁＝３００
ｐＣ／Ｎの短冊状の圧電セラミックス板１９を、図３に
示すように矢印で示す分極方向を互いに違えて貼り合わ
せたバイモルフ構造としている。この構造での変位δと
発生電界Ｖとの関係及び共振周波数ｆは次式 δ＝（３／４）ｄ₃₁（Ｌ²／（２ｔ）²）Ｖｆ＝０．１５８（２ｔ／Ｌ²）√（１／ρｓ₁₁）で示される。

【００２１】また、前記圧電セラミックス板１９は材質
的には、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）やジル
コン酸チタン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ）等の鉛系複合酸
化物やチタン酸バリウム等の複合酸化物、及びこれらの
派生系セラミックス、またはニオブ酸リチウム、ニオブ
酸タンタリウム等が適用できるが、本実施例ではＰＺＴ
系を適用している。なお、この圧電セラミックス板１９
の両面には、電極層２０が形成されている。

【００２２】そして、この圧力センサ１３には図１に示
すように増幅器２１が一体として設けられている。この
増幅器２１は、前記圧電セラミックス板１９の両電極層
２０間に生ずる電位差を増幅して出力するものである。

【００２３】このような構成において、まず、流路上流
側からの管状の流れはセットリングスペース３で２次元
的な流れに整流され、流路縮小部４によりさらに整流さ
れて円滑にジェットノズル５に向かう。そして、ジェッ
トノズル５で整流されたジェット流は、誘振子７に当た
ることにより左右（図２では上下）に分れるが、エンド
ブロック８に至るまでの流路拡大部６の空間において、
ある流量を越えると誘振子７の背後にできる渦の不安定
性によって、左又は右に偏った流れを形成する。そのた
め、エンドブロック８にぶつかった流れは、エンドブロ
ック８前面に沿い、ついで、流路拡大部６の内壁６ａに
沿ってジェットノズル５の出口に達し、ジェット流に直
角的にぶつかる。このため、その脇から帰還した流れに
よってジェット流の方向を最初の偏流とは反対方向に偏
らせる。これにより、反対側では再び同様のことが起こ
り、結果としてジェットノズル５を出る流れは左右へ交
互に偏る。この偏流の振動数は、流量の増加に対して直
線的に増加するので、この振動数を計測することで流量
を測定することができる。

【００２４】ここで、このフルイデック流量計では、偏
流の振動は、圧力取出口１１，１２付近の交互の圧力変
動として圧力センサ１３の各圧力室１５，１６に導かれ
ている。このため、各圧力室１５，１６間の差圧により
片持ち梁１８が振動し、圧電セラミックス板１９の両電
極層２０間に歪に応じた電位差が生じ出力される。そし
てこの出力が増幅器２１で増幅されてから出力される。
この出力は偏流の振動に応じで変動している。即ち、こ
の出力の変動から偏流の振動数を求め、流量を求めるこ
とができる。また、このフルイデック流量計ではノイズ
成分となる流体全体の圧力の変動は各圧力室１５，１６
間で同値であるので、互いに打ち消しあい自動的にキャ
ンセルされることになる。このため、偏流の振動数によ
る圧力変動だけを検出することになり正確に流量を求め
ることができる。

【００２５】ここで、この圧電セラミックス板１９は、
２００℃以上にキュリー温度を持ち、キュリー温度以下
での自発分極は特に使用温度範囲においてフラットな好
特性を示している。このため、このフルイデック流量計
では環境温度に影響されることなく正確な流量の測定を
行なうことができる。また、圧電セラミックス板１９は
無機物であるので経年変化が小さく、このため、このフ
ルイデック流量計は長期に渡って一定の性能を維持する
ことができる。

【００２６】さらに、このフルイデック流量計の圧電セ
ラミックス板１９は上述したように周知の技術で容易に
薄膜を精度良く製造することができるので、柔軟かつ軽
量な膜とすることができ、このため、微弱な圧力を精度
良く検出することができると共に、高周波数にも良く追
従することができる。より具体的には、従来のシリコン
ダイアフラムを用いた圧力センサが高感度タイプのもの
でも０．１ｍｍＨ₂Ｏ程度の圧力変動までしか検出する
ことができないのに対し、本実施例の圧力センサ１３で
は０．００１ｍｍＨ₂Ｏ程度の微小な圧力変動でも十分
な交番的電界の発生を認めることができる。さらに、従
来のシリコンダイアフラムを用いた圧力センサの追従周
波数が数Ｈｚ以下であるのに対し、本実施例の圧力セン
サ１３では本実施例の条件の基で片持ち梁１８の共振周
波数は３．６ｋＨｚ近傍となる。つまり、その共振周波
数に至るまでは正確に追従することができ従来のシリコ
ンダイアフラムを用いた圧力センサに比べ格段に向上し
ている。即ち、本実施例のフルイデック流量計は低い流
速から高い流速まで広範囲の測定ができることになる。

【００２７】ここに、本実施例のフルイデック流量計に
２００リットル／ｈで流体を流したときの出力波形を図
４に示す。図から明らかなようにはっきりとした波形を
形成しており、正確な測定ができることがわかる。

【００２８】また、このフルイデック流量計の圧電セラ
ミックス板１９は歪により直接電圧信号を出力するの
で、歪による抵抗の変化を検出するもののように抵抗変
化検出回路や温度補償回路が不用であり、加えて、上述
したように容易に製造できるので、流量計を安価なもの
とすることができる。

【００２９】なお、本実施例の圧電セラミックス板１９
は、分極方向を違えて貼り合わせたが図５に示すように
分極方向を同じにして貼り合わせても良い。このような
構造とすると変位δと発生電界Ｖとの関係は次式 δ＝（３／２）ｄ₃₁（Ｌ²／（２ｔ）²）Ｖで示される。

【００３０】さらに、圧電セラミックス板１９だけでは
腰がない場合等には図６に示すように弾性板２２を基材
としてその表面に圧電セラミックス板１９を貼り付けて
片持ち梁１８を形成しても良い。

【００３１】つぎに、本発明の第二の実施例を図７に基
づいて説明する。なお、前記第一の実施例で示した部分
と同一部分は同一符号を用いて示し、詳細な説明も省略
する。（以下の実施例でも同様とする）。本実施例の流
量計は構成的には前記実施例と同様であるが、圧力セン
サ１３の片持ち梁１８が図７に示すようにユニモルフ構
造とされている。材質的にはＺカットニオブ酸リチウム
単結晶を６００℃付近で熱処理を行ない膜厚方向に対し
分極方向を異なるように配置させたものを適用してい
る。なお、加工に際してはダイヤモンドカッターを使用
した。

【００３２】このような構成において、本実施例の流量
計の圧力センサ１３の感度は、０．０１ｍｍＨ₂Ｏとな
り前記実施例の圧力センサに比べ若干の感度の低下があ
るが、圧電セラミックス板１９の接合がないため、工程
が簡略化し、かつ、高信頼のものとすることができる。

【００３３】つづいて、本発明の第三の実施例を図８に
基づいて説明する。本実施例の流量計は構成的には前記
第一の実施例と同様であるが、圧力センサ１３の片持ち
梁１８が図８に示すようにモノモルフ構造とされてい
る。このモノモルフ構造とは、半導体と金属を接触させ
ると電子のエネルギーバンド構造に、ショットキー型の
障壁が形成され、この状態で電圧を掛けると、障壁はど
ちらかの接合部で高く不均一になり、そして電界に比例
した歪により屈曲するものである。即ち、歪に応じた電
界を発生し、障壁の為に発生する電圧は不均一となり、
両電極２０間に電位差を生じるものである。本実施例で
は、材質的にはＰＬＺＴ系セラミックスＰｂ_0.97Ｌａ
_0.09(Ｚｒ_0.52Ｔｉ_0.45)_0.9925Ｏ₃ にＢｉを添加して半
導体化したものを適用している。また、モノモルフ構造
は、ショットキー障壁に余分な電流が流れるため、ユニ
モルフ構造に比べ若干の感度低下が見られる。このため
本実施例では片持ち梁の長さＬを２５mmとし、板厚ｔを
２００μとした。

【００３４】このような構成において、本実施例の流量
計の圧力センサ１３の片持ち梁１８の共振周波数は２５
０Ｈｚとなり、感度はＬ＝５mmの場合に比べ０．００１
ｍｍＨ₂Ｏ向上した。また、圧電セラミックス板１９の
接合がないため、工程が簡略化し、かつ、高信頼のもの
とすることができる。

【００３５】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、各圧力室
間の差圧により片持ち梁が変形することになるので、各
圧力室に導入された流体の圧力に変動があった場合、そ
の変動のうち各圧力室に共通する変動成分をキャンセル
し、共通しない変動成分だけを検出することができ、さ
らに、この圧力センサは、圧電セラミックスにより片持
ち梁を形成したので、抵抗変化検出回路や温度補償回路
の必要がなく、加えて、圧電セラミックスは周知の技術
で容易に即ち安価に製造できるため、安価に構成するこ
とができ、さらに、圧電セラミックスは、使用温度範囲
において出力の温度特性が一定であり、加えて、周知の
技術で薄膜を精度良く製造でき、しかも、無機物である
ため経年変化が小さく、これらのため、この圧力センサ
は環境温度に影響されることなく微弱な圧力でも精度良
くかつ感度良く圧力を検出することができ、しかもこの
性能を長期に渡って維持することができる等の効果を有
する。

【００３６】請求項２記載の発明によれば、片持ち梁を
バイモルフ構造としたので、出力を増大させることがで
き、また、出力を一定とすれば小型化することができ
る。

【００３７】請求項３記載の発明によれば、片持ち梁を
ユニモルフ構造としたので、バイモルフ形に比べ、貼り
合わせ工程が省略でき、さらに、電界発生量のドリフト
を小さくすることができ、加えて、耐久性を向上させる
ことができる。

【００３８】請求項４記載の発明によれば、片持ち梁を
モノモルフ構造としたので、バイモルフ形に比べ、貼り
合わせ工程が省略でき、さらに、電界発生量のドリフト
を小さくすることができ、加えて、耐久性を向上させる
ことができる。

【００３９】請求項５記載の発明によれば、流体素子に
よる圧力変動を圧力センサで検出して流量の測定を行な
う流量計において、前記圧力センサを請求項１，２，３
又は４記載の圧力センサとしたので、環境温度に影響さ
れることなく正確な流量測定を行なうことができ、長期
に渡って一定の性能を保つことができ、低流量から高流
量まで広い範囲で流量の測定を精度良く行なうことがで
き、しかも安価に構成することができる等の効果を有す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例の圧力センサを示す透視
図である。

【図２】フルイデック流量計を示す平面図である。

【図３】バイモルフ形の片持ち梁を示す側面図である。

【図４】出力波形を示すグラフである。

【図５】変形例を示す側面図である。

【図６】変形例を示す側面図である。

【図７】本発明の第二の実施例を示す側面図である。

【図８】本発明の第三の実施例を示す側面図である。

【符号の説明】

９流体素子１４圧力室形成体１５，１６圧力室１５ａ，１６ａ入口ノズル１８片持ち梁１９圧電セラミックス２１増幅器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電セラミックスからなる片持ち梁と、
この片持ち梁の両側にそれぞれ流体が導入される圧力室
を形成する圧力室形成体と、前記圧力室へ個別に流体を
導入する２個の入口ノズルと、前記片持ち梁の歪により
生ずる電気出力を増幅して出力する増幅器とを備えたこ
とを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】片持ち梁をバイモルフ構造としたことを
特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【請求項３】片持ち梁をユニモルフ構造としたことを
特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【請求項４】片持ち梁をモノモルフ構造としたことを
特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【請求項５】流体素子による圧力変動を圧力センサで
検出して流量の測定を行なう流量計において、前記圧力
センサを請求項１，２，３又は４記載の圧力センサとし
たことを特徴とする流量計。