JPH05164639A - Pressure sensor - Google Patents
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- JPH05164639A JPH05164639A JP3349729A JP34972991A JPH05164639A JP H05164639 A JPH05164639 A JP H05164639A JP 3349729 A JP3349729 A JP 3349729A JP 34972991 A JP34972991 A JP 34972991A JP H05164639 A JPH05164639 A JP H05164639A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、微小な圧力変動まで検
出でき、出力信号に対する振動等によるノイズの比（以
下ＳＮ比と称する。）が高い、圧電素子を使用した、気
体流量計に用いて最適な圧力センサに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention is used for a gas flow meter using a piezoelectric element, which can detect even minute pressure fluctuations and has a high ratio of noise due to vibration to an output signal (hereinafter referred to as SN ratio). And optimal pressure sensor.
【０００２】[0002]
【従来の技術】圧力センサとしては従来からマノメ―
タ、ブルドン管式、静電容量式、差動トランス式あるい
は半導体ダイヤフラム式など種々のものが知られてい
る。これらは一般的に大きな圧力の検出に用いられてお
り、大型で構造が複雑であったり、高価なものが多い。
また、検出対象の圧力が大きなこともあり、通常、振動
などの外乱によるノイズに対して配慮されていない。そ
のため、微小な圧力まで検出することが要求される用途
には、使用できないか、たとえ使用したとしてもノイズ
の割合が高くなって高精度な検出が困難となる。2. Description of the Related Art Conventional pressure sensors are
Various types are known, such as a switch, a Bourdon tube type, a capacitance type, a differential transformer type, and a semiconductor diaphragm type. These are generally used for detecting a large pressure, and are large in size, complicated in structure, and expensive.
Further, since the pressure to be detected is large, noise is not usually considered due to disturbance such as vibration. For this reason, it cannot be used in applications requiring detection of even minute pressures, or even if it is used, the proportion of noise becomes high, and high-precision detection becomes difficult.
【０００３】微小な圧力まで検出できる程好ましい用途
として、たとえば圧力検出を介して流体の流量を検出す
るフルイディック流量計やカルマン渦流量計がある（た
とえば特開昭６０−１８７８１４号公報、特開昭５７−
５４８０９号公報）。また、これら流量計に用いて最適
な、微小圧力変動まで検出可能な圧力センサとして、膜
状の圧電素子を用いた圧力センサが知られている（たと
えは特開昭５７−５４８０９号公報）。上記フルイディ
ック流量計は、特開昭６０−１８７８１４号公報にも示
されているように、流量計素子部において、噴出ノズル
から噴出された流体の主流をコアンダ効果を利用して一
対の隔壁に交互に沿わせ、その流動変化の際に生じる圧
力変動を圧力センサで検出し、流体の流量を該流量に応
じた圧力変動の周波数で検出するようにしたものであ
る。カルマン渦流量計は、特開昭５７−５４８０９号公
報にも示されているように、流量計素子部内に設けられ
た渦発生体により流通流体中にカルマン渦を断続的に発
生させ、カルマン渦が通過する際に生じる圧力変動を圧
力センサで検出し、流体の流量を該流量に応じたカルマ
ン渦発生数で検出するようにしたものである。As a preferable application that can detect even a minute pressure, for example, there is a fluidic flowmeter or a Karman vortex flowmeter which detects the flow rate of a fluid through pressure detection (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 60-187814). 57-
54809). A pressure sensor using a film-shaped piezoelectric element is known as an optimal pressure sensor that can detect even minute pressure fluctuations using these flowmeters (for example, JP-A-57-54809). In the fluidic flowmeter, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 60-187814, in the flowmeter element portion, the main flow of the fluid ejected from the ejection nozzle is divided into a pair of partition walls by utilizing the Coanda effect. The pressure sensors are arranged alternately, and pressure fluctuations that occur when the flow changes are detected by a pressure sensor, and the flow rate of the fluid is detected at a frequency of pressure fluctuations corresponding to the flow rate. The Karman vortex flowmeter, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 57-54809, generates a Karman vortex intermittently in a flowing fluid by a vortex generator provided in a flowmeter element section, Is detected by a pressure sensor, and the flow rate of the fluid is detected by the number of Karman vortices generated according to the flow rate.
【０００４】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および広い周
波数域における圧力変化まで検出できる程望ましく、そ
のためには、振動等の外乱に対する対策を施して、ＳＮ
比を相当高くしなければならない。ＳＮ比を高くするた
めに、とくに振動対策を施したものとして、前述の特開
昭５７−５４８０９号公報に開示された圧力センサが知
られている。この圧力センサは、圧電素子として高分子
圧電体を使用し、圧力検出用とノイズ成分補正用とに分
岐したレバ―の両側にそれぞれ圧電素子２枚をバイモル
フ型のように取付け、ノイズ成分補正用圧電素子は周囲
をカバ―して圧力検出用圧電素子と雰囲気を分離したも
のである。ノイズ成分となる振動は、圧力検出用圧電素
子とノイズ成分補正用圧電素子の両方に加わるので、圧
力検出用圧電素子からの出力信号からノイズ成分補正用
圧電素子による信号を差し引けば、原理的には振動に起
因するノイズが除去されることになる。この方法は検出
対象以外のノイズ成分を補正する差動型といわれる最も
一般的な方法である。A pressure sensor used in such a flow meter is desired to have high sensitivity, that is, to detect a weak pressure change and a pressure change in a wide frequency range. To this end, measures against disturbance such as vibration are taken. , SN
The ratio must be quite high. The pressure sensor disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Laid-Open No. 57-54809 is known as a measure against vibration in order to increase the SN ratio. This pressure sensor uses a polymer piezoelectric material as a piezoelectric element, and two piezoelectric elements are attached like a bimorph type on both sides of a lever that branches for pressure detection and noise component correction, for noise component correction. The piezoelectric element covers the surrounding area to separate the pressure detecting piezoelectric element from the atmosphere. Since the vibration that is a noise component is applied to both the pressure detection piezoelectric element and the noise component correction piezoelectric element, it is theoretically possible to subtract the signal from the noise component correction piezoelectric element from the output signal from the pressure detection piezoelectric element. The noise due to vibration will be removed. This method is the most general method called the differential type that corrects noise components other than the detection target.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記圧
力センサの構造においては、ノイズ成分補正用と圧力検
出用の圧電素子はそれぞれ構造や雰囲気が異なるところ
に納められているため、両圧電素子への振動や温度の伝
わりかたがそれぞれ異なり、ノイズ成分を正確にかつ十
分に除去できないという問題がある。とくに、ノイズ成
分補正用圧電素子を隔離しているため、流体の温度変動
に関するノイズ、および絞り弁等から流体全体に伝幡し
てくるノイズ成分は除去され難い。また、機械的に弱い
圧電素子が流体流路中に露出する構造であるので、流体
中の異物などが圧電素子に付着し易いという問題、およ
び製作、取り扱い、実施の過程で圧電素子に損傷あるい
は感度低下を招きやすいという問題がある。However, in the structure of the above pressure sensor, since the piezoelectric elements for noise component correction and the piezoelectric element for pressure detection are housed in different structures and atmospheres, the piezoelectric elements for both piezoelectric elements are different. There is a problem that noise components cannot be accurately and sufficiently removed because vibrations and temperatures are transmitted in different ways. In particular, since the piezoelectric element for correcting the noise component is isolated, it is difficult to remove the noise related to the temperature change of the fluid and the noise component transmitted to the entire fluid from the throttle valve and the like. In addition, since the mechanically weak piezoelectric element is exposed in the fluid flow path, foreign matter in the fluid easily adheres to the piezoelectric element, and the piezoelectric element is not damaged or damaged during the manufacturing, handling, or implementation process. There is a problem that sensitivity is likely to be lowered.
【０００６】このような問題点に対し、先に本出願人に
より、２個の膜状圧電素子を並置し、２個の入口ノズル
から同容積の流体圧力導入経路を介して各圧電素子の各
面にそれぞれ圧力を伝播させ、該圧力を各圧電素子で逆
相にて同時に検出するようにした圧力センサおよびその
圧力センサを用いた気体流量計が提案されている（特願
平１−８９６３３号）。この提案により、振動によるノ
イズは勿論のこと、温度変動や流体全体に伝幡される雑
ノイズ等のノイズを正確に補正できてＳＮ比が高い、か
つ微弱な圧力変動まで検出できる高感度な、しかも構造
が簡単で信頼性の高い圧力センサ、およびその圧力セン
サを用いた高精度な気体流量計が得られた。In order to solve such a problem, the applicant of the present invention previously arranged two film-shaped piezoelectric elements in parallel, and from each of the two inlet nozzles, through each fluid pressure introduction path of the same volume, each piezoelectric element is provided. There has been proposed a pressure sensor in which a pressure is propagated to each surface and the pressure is simultaneously detected by each piezoelectric element in a reverse phase, and a gas flowmeter using the pressure sensor (Japanese Patent Application No. 1-89633). ). With this proposal, it is possible to accurately correct not only noise due to vibration but also noise such as temperature fluctuations and noise transmitted throughout the fluid, which has a high SN ratio, and is highly sensitive to detect even weak pressure fluctuations. Moreover, a highly reliable pressure sensor having a simple structure and a highly accurate gas flow meter using the pressure sensor were obtained.
【０００７】しかしさらに検討を進めた結果、上記先に
提案した圧力センサには、以下のような問題点のあるこ
とが判明した。すなわち、上記先に提案した圧力センサ
においては、２個の膜状圧電素子がそれぞれ所定方向に
変形し、逆相の各圧電素子の出力の和を圧力センサの出
力信号として取り出すことにより高感度な測定を行なう
ことができるものであるが、何らかの原因で、たとえ
ば、圧力センサを流量計に取り付ける工程で誤って片方
の入口ノズルのみに圧力が掛かるような状態にしてしま
った場合等に、膜状圧電素子が望ましくない方向に反転
し、目標とする出力信号が得られず感度が低下すること
があることが判った。However, as a result of further studies, it was found that the above-proposed pressure sensor had the following problems. In other words, in the above-proposed pressure sensor, the two film-shaped piezoelectric elements are deformed in the respective predetermined directions, and the sum of the outputs of the piezoelectric elements of opposite phase is taken out as the output signal of the pressure sensor, thereby achieving high sensitivity. It is possible to perform measurement, but if for some reason, for example, the pressure sensor is mistakenly placed in a state where pressure is applied to only one of the inlet nozzles in the process of attaching it to the flow meter, the It has been found that the piezoelectric element may be inverted in an undesired direction, the target output signal may not be obtained, and the sensitivity may be lowered.
【０００８】本発明の目的は、先に提案した圧力センサ
にさらに改良を加え、２個の膜状圧電素子が反転するこ
となく必ず所定方向に変形するようにし、圧力センサの
高感度な性能を常に確保することにある。An object of the present invention is to further improve the previously proposed pressure sensor so that the two film-shaped piezoelectric elements are always deformed in a predetermined direction without being inverted, and the high sensitivity performance of the pressure sensor is improved. It is always to secure.
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段】この目的に沿う本発明の
圧力センサは、膜状圧電体の両面に電極層を設けた２個
の圧電素子を、それぞれ２個一対のホルダで両面から挟
持して張設した圧力検出部を備え、前記２個の圧電素子
は同一の方向に向きかつ同一方向の面が同一の分極極性
となるように配置され、前記圧力検出部には流体の圧力
を導入する２個の入口ノズルが設けられ、一方の入口ノ
ズルが第１の流体圧力導入経路を介して一方の圧電素子
の第１の面に連通されるとともに第４の流体圧力導入経
路を介して前記一方の圧電素子の第１の面とは分極極性
が異なる他方の圧電素子の第２の面に連通され、他方の
入口ノズルが第２の流体圧力導入経路を介して前記一方
の圧電素子の第２の面に連通されるとともに第３の流体
圧力導入経路を介して前記他方の圧電素子の第１の面に
連通された圧力センサであって、前記２個の圧電素子
を、前記２個一対のホルダ内に同一方向に湾曲させて張
設するとともに、該２個一対のホルダ内に、圧電素子の
湾曲方向の反転を防止する手段を設けたものからなる。According to the pressure sensor of the present invention for this purpose, two piezoelectric elements each having an electrode layer provided on both sides of a film-shaped piezoelectric body are sandwiched by two pairs of holders from both sides. And the two piezoelectric elements are arranged so as to face in the same direction and have the same polarization polarity on the surfaces in the same direction, and the pressure of the fluid is introduced into the pressure detecting section. Two inlet nozzles are provided, one inlet nozzle communicates with the first surface of the one piezoelectric element via the first fluid pressure introducing path, and the other inlet nozzle via the fourth fluid pressure introducing path. The first surface of the one piezoelectric element is communicated with the second surface of the other piezoelectric element having a different polarization polarity, and the other inlet nozzle is connected to the second surface of the other piezoelectric element through the second fluid pressure introduction path. And the third fluid pressure introduction path Is a pressure sensor communicated with the first surface of the other piezoelectric element, wherein the two piezoelectric elements are bent in the same direction in the pair of holders and stretched. The pair of holders is provided with means for preventing the piezoelectric element from being reversed in the bending direction.
【００１０】上記反転防止手段は、たとえば、２個一対
のホルダ自身で形成されるか、あるいは、２個一対のホ
ルダ内に設けられたホルダとは別体の部材、たとえば所
定方向に湾曲した網状部材またはブロック状部材から構
成される。The inversion prevention means is formed of, for example, a pair of two holders themselves, or a member provided inside the pair of two holders and separate from the holder, for example, a net shape curved in a predetermined direction. It is composed of a member or a block-shaped member.
【００１１】この圧力センサは、フルイディック流量計
やカルマン渦流量計からなる気体流量計に用いて最適な
圧力センサであり、圧力センサの上記２個の入口ノズル
が、２個の同面積の導圧用孔を開けたガスケット等を介
して、流通される流体の流量に応じた圧力変動を発生す
る流量計素子部に接続される。This pressure sensor is an optimal pressure sensor for use in a gas flow meter consisting of a fluidic flow meter and a Karman vortex flow meter, and the two inlet nozzles of the pressure sensor are two of the same area. It is connected to a flow meter element section that generates pressure fluctuations according to the flow rate of the fluid that is circulated, through a gasket having a pressure hole.
【００１２】この発明において、圧電素子に使用する圧
電体は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）に代表される
セラミック圧電体、高分子圧電体、あるいは高分子にＰ
ＺＴ粉末を混入した複合圧電体等から成る。高分子圧電
体は、たとえば、フッ化ビニリデンと３フッ化エチレン
の共重合体から構成される。その膜厚は、感度、強度、
取扱い性を考慮して選ぶのが好ましい。膜厚は周知の製
膜技術により、容易にかつ高精度に制御可能である。In the present invention, the piezoelectric body used for the piezoelectric element is a ceramic piezoelectric body represented by lead zirconate titanate (PZT), a polymer piezoelectric body, or a polymer containing P.
It is composed of a composite piezoelectric material mixed with ZT powder. The polymeric piezoelectric body is made of, for example, a copolymer of vinylidene fluoride and ethylene trifluoride. The film thickness depends on sensitivity, strength,
It is preferable to select it in consideration of handleability. The film thickness can be easily and highly accurately controlled by a known film forming technique.
【００１３】圧電体の両面に設けられる電極層は、アル
ミニウム、銅、金、ニッケル、パラジウム等の材質から
構成され、蒸着、スパッタリング、メッキ等のメタライ
ジング手法により圧電体の面に形成される。各流体圧力
導入経路は、導入されてくる流体が直接的に圧電素子面
に当たらないよう、曲折構造あるいは絞り介在構造とす
ることが望ましい。また、圧電素子の分極極性は、圧電
体製造過程において付与されるが、この付与には周知の
方法が適用できる。圧電素子は、両面がそれぞれ同一の
方向に向くように圧力検出部内に配置されるが、並列的
な配置、直列的な配置のいずれでもよい。The electrode layers provided on both sides of the piezoelectric body are made of a material such as aluminum, copper, gold, nickel and palladium, and are formed on the surface of the piezoelectric body by a metallizing method such as vapor deposition, sputtering and plating. It is desirable that each fluid pressure introduction path has a bent structure or a throttle interposition structure so that the introduced fluid does not directly contact the piezoelectric element surface. Further, the polarization polarity of the piezoelectric element is given in the process of manufacturing the piezoelectric body, and a well-known method can be applied to this. The piezoelectric elements are arranged in the pressure detection unit so that both surfaces thereof face in the same direction, but they may be arranged in parallel or in series.
【００１４】[0014]
【作用】上記のような圧力センサにおいては、ある圧力
取出口から取出された流体の圧力が、一方の入口ノズ
ル、第１の流体圧力導入経路、第４の流体圧力導入経路
を介して、一方の圧電素子の第１の面および他方の圧電
素子の第２の面に同時に導入され、別の圧力取出口から
取出された同じ流体の圧力が、他方の入口ノズル、第２
の流体圧力導入経路、第３の流体圧力導入経路を介して
一方の圧電素子の第２の面および他方の圧電素子の第１
の面に同時に導入され、両面間の差圧により生じる各圧
電素子の変形によって分極量が変化し、それによって生
じる圧電体両面間の電位差が電極層を介して出力され
る。両圧電素子は両者出力の和が増幅回路等に入力さ
れ、信号処理により、流量に比例する周波数信号として
取り出される。In the pressure sensor as described above, the pressure of the fluid taken out from a certain pressure outlet is passed through one inlet nozzle, the first fluid pressure introducing path, and the fourth fluid pressure introducing path to the one side. Of the same fluid that is simultaneously introduced into the first surface of the piezoelectric element and the second surface of the other piezoelectric element and taken out from another pressure outlet,
Through the third fluid pressure introducing path and the second surface of the one piezoelectric element and the first piezoelectric element of the other piezoelectric element.
Are simultaneously introduced into the surface of the piezoelectric element, the amount of polarization changes due to the deformation of each piezoelectric element caused by the pressure difference between the both surfaces, and the potential difference between the two surfaces of the piezoelectric body caused thereby is output via the electrode layer. The sum of the outputs of both piezoelectric elements is input to an amplifier circuit or the like, and is extracted as a frequency signal proportional to the flow rate by signal processing.
【００１５】この圧力センサにおける検出においては、
（イ）圧電素子の両側に同時に流体圧力を導き、その差
圧を検出する構造であること、（ロ）実質的に同一構造
で同一雰囲気中に２個の圧電素子を並設したこと、によ
り極めて正確にノイズ成分が除去される。In the detection by this pressure sensor,
(A) The structure in which the fluid pressure is simultaneously introduced to both sides of the piezoelectric element and the differential pressure is detected, and (b) the two piezoelectric elements are arranged side by side in the same atmosphere with substantially the same structure. The noise component is removed very accurately.
【００１６】まず、一個の圧電素子の両面に流体圧を同
時に導くので、同一の測定対象流体に対して２個の入口
ノズルをそれぞれ異なる測定位置へと接続することよ
り、流体全体の圧力変動（ノイズ成分）については圧電
素子両面に同時に導きつつ一方の経路からはその測定位
置に対応する局部的な圧力変動を導くことができる。流
体全体の圧力変動は２個の圧電素子の両面に同時に伝達
されるので、この変動成分によって２個の圧電素子が同
一の変形をして圧電素子自身で流体全体の圧力変動によ
る電位差が消去され、両面間の差圧成分に対応した電位
差および差圧発生回数に対応した周波数の信号が出力さ
れる。また、流体全体の温度変動に対しても同様であ
り、各圧電素子の両面に同時に温度変動が伝達されるの
で、この変動成分によって２個の圧電素子は同一の変形
をして圧電素子自身で温度変動によるノイズ成分は自動
的に消去される。したがって、この圧力センサをフルイ
ディク流量計やカルマン渦流量計の流量計素子部に接続
することにより、ノイズとなり得る流体全体の変動成分
を自動的に消去しつつ、流体振動による圧力変動成分あ
るいはカルマン渦による圧力変動成分のみを高精度で検
出できるようになる。First, since the fluid pressure is simultaneously introduced to both surfaces of one piezoelectric element, the pressure fluctuations of the entire fluid can be obtained by connecting two inlet nozzles to different measurement positions for the same fluid to be measured. The noise component) can be simultaneously guided to both surfaces of the piezoelectric element, and local pressure fluctuation corresponding to the measurement position can be guided from one path. Since the pressure fluctuation of the entire fluid is simultaneously transmitted to both surfaces of the two piezoelectric elements, the fluctuation component causes the two piezoelectric elements to undergo the same deformation and the piezoelectric element itself erases the potential difference due to the pressure fluctuation of the entire fluid. A signal having a frequency corresponding to the potential difference corresponding to the differential pressure component between the two surfaces and the number of times of differential pressure generation is output. The same applies to temperature fluctuations of the entire fluid, and temperature fluctuations are simultaneously transmitted to both surfaces of each piezoelectric element, so the two piezoelectric elements undergo the same deformation due to this fluctuation component, and the piezoelectric elements themselves are deformed. Noise components due to temperature fluctuations are automatically deleted. Therefore, by connecting this pressure sensor to the flow meter element of a fluidic flow meter or Karman vortex flow meter, the fluctuation component of the entire fluid that may cause noise is automatically deleted, while the pressure fluctuation component due to fluid vibration or the Karman vortex Only the pressure fluctuation component due to can be detected with high accuracy.
【００１７】そして、分極極性が同一方向となるように
配設されたそれぞれの圧電素子の、互に異なる分極極性
の面に同一経路からの圧力が導入されるので、両圧電素
子の変形方向は逆相となり、両者の和として出力するこ
とにより、上記流体全体の変動に起因するノイズ成分が
除去された出力信号が、圧電素子１枚の場合に比べ２倍
も高い感度で得られることになる。Since the pressures from the same path are introduced to the surfaces of the respective piezoelectric elements arranged so that their polarization polarities are the same, the directions of deformation of both piezoelectric elements are different. By outputting as the sum of the opposite phases and the noise component resulting from the fluctuation of the entire fluid, the output signal can be obtained with twice as high sensitivity as in the case of one piezoelectric element. .
【００１８】また、圧力センサや流量計全体の振動に起
因するノイズ成分は、２個の圧電素子並設構造により略
完全に除去される。２個の圧電素子は同一方向に向けて
配置されているので両圧電素子が同時に同じ条件で振動
する。上述の如く、両圧電素子は測定対象圧力を互に逆
相で同時に検出するが、両圧電素子に振動が加わった場
合、その振動によって、一方の圧電素子に上記検出圧力
を減ずる方向の変形力が加わったたとすると、他方の圧
電素子には必ず同じ大きさで検出圧力を増加させる方向
の変形力が働く。圧力検出部からの出力としては、両圧
電素子の逆相の検出出力の和としてとり出されるので、
結局上記振動に伴うノイズ成分は自動的に消去されるこ
とになり、測定対象圧力のみが、前述の如く２倍の感度
で検出される。Further, the noise component caused by the vibration of the pressure sensor and the flow meter as a whole is almost completely removed by the two piezoelectric element juxtaposed structures. Since the two piezoelectric elements are arranged in the same direction, both piezoelectric elements vibrate simultaneously under the same conditions. As described above, both piezoelectric elements simultaneously detect the pressure to be measured in opposite phases, but when vibration is applied to both piezoelectric elements, the vibration causes a deformation force in the direction in which one of the piezoelectric elements reduces the detected pressure. Is applied, a deforming force in the direction of increasing the detected pressure always acts on the other piezoelectric element with the same magnitude. The output from the pressure detector is the sum of the opposite phase detection outputs of both piezoelectric elements.
Eventually, the noise component associated with the vibration is automatically erased, and only the pressure to be measured is detected with double sensitivity as described above.
【００１９】さらに本発明の圧力センサでは、膜状の圧
電素子が、２個一対のホルダ内に同一方向に湾曲するよ
うに張設されるが、各膜状圧電素子に対して、反転防止
手段が設けられているので、各膜状圧電素子は流体圧力
が導入された際所定の範囲内で圧力に応じて変形され
る。したがって、上述の高感度測定機能が常に維持さ
れ、高精度でかつ信頼性の高い流量測定が可能になる。Further, in the pressure sensor of the present invention, the film-shaped piezoelectric elements are stretched in a pair of holders so as to be curved in the same direction. Is provided, each of the film-shaped piezoelectric elements is deformed according to the pressure within a predetermined range when the fluid pressure is introduced. Therefore, the above-mentioned high-sensitivity measurement function is always maintained, and highly accurate and reliable flow rate measurement becomes possible.
【００２０】[0020]
【実施例】以下に、本発明の望ましい実施例を図面を参
照して説明する。図１ないし図５は本発明の一実施例に
係る圧力センサを、図10は上記圧力センサをフルイディ
ック流量計に使用した場合の例を示している。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT A preferred embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 to 5 show a pressure sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 10 shows an example in which the pressure sensor is used in a fluidic flowmeter.
【００２１】図１において、１は本発明の一実施例に係
る圧力センサ全体を示しており、該圧力センサ１は、２
個の圧電素子２、３を有する圧力検出部４と、電気的信
号処理回路５（図１０に図示）を備えている。２個の圧
電素子２、３は、２個一対のホルダ12、13および14、15
で両面から挟持されて中央部が変形可能に張設されてい
る。圧電素子２、３は、図２に拡大して示すように、圧
電材料からなる膜状の圧電体６、７の両面に、耐腐食性
の良いアルミニウム、銅、金、ニッケル、パラジウム等
の金属からなる電極層８、９および10、11を蒸着、スパ
ッタリング、メッキ等により形成して構成されている。
この２個の圧電素子２、３の平面形状は、本実施例では
円形とされているが、これに限定されない。圧電体６、
７の材質としては、種々の圧電材料が適用可能である
が、本実施例では、フッ化ビニリデンと３フッ化エチレ
ンの共重合体からなる高分子圧電材料を使用した。高分
子圧電膜の厚さは、感度、強度、取扱い易さを考慮して
決められるが、本実施例では15μｍとした。ただし本発
明に係る圧力センサは、勿論液体用のものも含み、測定
対象液体に応じて高分子圧電膜の厚さ、後述の電極部等
の構造を適宜選択すればよい。また、図示は省略する
が、測定対象流体、圧力変動の大きさによっては、薄い
金属又はゴム製ダイヤフラムに高分子圧電膜を張り付
け、全体が補強された高分子圧電膜として扱うことも可
能である。In FIG. 1, reference numeral 1 denotes an entire pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
A pressure detection unit 4 having individual piezoelectric elements 2 and 3 and an electric signal processing circuit 5 (illustrated in FIG. 10) are provided. The two piezoelectric elements 2 and 3 consist of two pairs of holders 12, 13 and 14, 15
It is clamped from both sides and stretched so that the central part can be deformed. As shown in an enlarged view in FIG. 2, the piezoelectric elements 2 and 3 are formed on both surfaces of film-shaped piezoelectric bodies 6 and 7 made of a piezoelectric material, and are made of a metal such as aluminum, copper, gold, nickel, or palladium having good corrosion resistance. The electrode layers 8, 9 and 10, 11 are formed by vapor deposition, sputtering, plating or the like.
The planar shape of the two piezoelectric elements 2 and 3 is circular in the present embodiment, but is not limited to this. Piezoelectric body 6,
Various piezoelectric materials can be applied as the material of No. 7, but in the present embodiment, a polymeric piezoelectric material made of a copolymer of vinylidene fluoride and ethylene trifluoride was used. The thickness of the polymer piezoelectric film is determined in consideration of sensitivity, strength and easiness of handling, but in this embodiment, it is set to 15 μm. However, the pressure sensor according to the present invention includes, of course, a liquid sensor, and the thickness of the polymer piezoelectric film and the structure such as an electrode portion described later may be appropriately selected according to the liquid to be measured. Although not shown, depending on the fluid to be measured and the magnitude of pressure fluctuation, it is possible to attach a polymer piezoelectric film to a thin metal or rubber diaphragm and treat it as a reinforced polymer piezoelectric film as a whole. .
【００２２】圧電素子２、３の周縁部は、両側から、電
極層８、９および10、11を介してホルダ12、13および1
4、15によって挾持されている。各ホルダに保持された
圧電素子２、３は、両面がそれぞれ同一の方向に向くよ
うに並設されており、かつ同一方向の面がそれぞれ同一
の分極極性になるように配置されている。ホルダ12、1
3、14、15は、その全体又は表面がたとえば真ちゅう等
の導電体で構成され、各電極層８、９、10、11にそれぞ
れ電気的に接続されて各圧電素子の出力端子として機能
する。ホルダ12と13、14と15間は、圧電体６、７によっ
て絶縁されている。The peripheral portions of the piezoelectric elements 2 and 3 are holders 12, 13 and 1 from both sides via electrode layers 8, 9 and 10, 11.
Held by 4, 15. The piezoelectric elements 2 and 3 held by the respective holders are arranged in parallel so that both surfaces thereof face in the same direction, and the surfaces in the same direction have the same polarization polarity. Holder 12, 1
3, 14, 15 are wholly or entirely formed of a conductor such as brass, and are electrically connected to the respective electrode layers 8, 9, 10, 11 to function as output terminals of the respective piezoelectric elements. The holders 12 and 13, 14 and 15 are insulated by the piezoelectric bodies 6 and 7.
【００２３】この２個一対のホルダ12、13および14、15
で、圧電素子２、３は、図３および図４に示すように挟
持され、張設される。平面形状が円形の圧電素子２、３
は、その周縁部でホルダに挟持されるが、このホルダの
圧電素子挟持面12a 、13a および14a 、15a はそれぞ
れ、同一方向に同一角度θで傾斜する傾斜面に形成され
ている。傾斜角θは、傾斜角θと圧力センサの出力との
試験結果から、最大の出力が得られた７°の角度を採用
している。ただし、この傾斜角は、圧電素子２、３の材
質、厚み、剛性等により、圧力センサの出力が最大にな
るよう適宜決定すればよい。圧電素子２、３は、組込
前、つまり両ホルダ12、13または14、15に挟持される前
は、図３に示すように、単なるフラットな膜として形成
されている。そして傾斜面12a 、13a および14a 、15a
を有する両ホルダ12、13および14、15に挟持されると、
図４に示すように、圧電素子２、３周縁部が傾斜面12
a、13aおよび14a 、15a に沿って強制的に変形されるた
め、圧電素子２、３全体は、ダイヤフラム状（図示の形
状）、あるいは半球状になり、その状態で張設される。This pair of two holders 12, 13 and 14, 15
Then, the piezoelectric elements 2 and 3 are sandwiched and stretched as shown in FIGS. 3 and 4. Piezoelectric elements 2 and 3 having a circular planar shape
Is sandwiched by the holder at its peripheral portion, and the piezoelectric element sandwiching surfaces 12a 1, 13a and 14a 1, 15a of the holder are formed as inclined surfaces inclined in the same direction at the same angle θ. As the inclination angle θ, an angle of 7 °, which gives the maximum output from the test results of the inclination angle θ and the output of the pressure sensor, is adopted. However, this inclination angle may be appropriately determined depending on the material, thickness, rigidity, etc. of the piezoelectric elements 2 and 3 so that the output of the pressure sensor is maximized. The piezoelectric elements 2 and 3 are formed as a simple flat film, as shown in FIG. 3, before being assembled, that is, before being sandwiched between the holders 12, 13 or 14, 15. And slopes 12a, 13a and 14a, 15a
When sandwiched between both holders 12, 13 and 14, 15 having
As shown in FIG. 4, the piezoelectric element 2 and the peripheral edge portion of the piezoelectric element 3 are inclined surfaces
Since it is forcibly deformed along a, 13a and 14a, 15a, the entire piezoelectric element 2, 3 becomes a diaphragm shape (shape shown) or a hemispherical shape, and is stretched in that state.
【００２４】なお、予めダイヤフラム状や半球状に成形
した圧電素子を使用し、それを注意深く両ホルダに挟持
させることによっても同様にその形状に維持され、感度
も保たれる。By using a piezoelectric element previously formed in a diaphragm shape or a hemispherical shape and carefully holding it between both holders, the shape is maintained and the sensitivity is maintained.
【００２５】圧電素子２、３は、図４において、上方に
向けて湾曲するように張設されるが、この湾曲方向が反
転しないように、反転防止手段51が設けられる。本実施
例では、反転防止手段51は、ホルダ12、13および14、15
自身によって、とくにホルダ12、14自身によって形成さ
れている。すなわち、ホルダ12、14の傾斜面12a 、14a
以外の圧電素子２、３への対向面が、張設された圧電素
子２、３の湾曲形状に沿う形状に膨出するように形成さ
れ、圧電素子２、３は膨出部51（反転防止手段）により
機械的に反対側には湾曲できない構造となっている。こ
の圧電素子２、３の両面側には、圧力室16、17、18、19
が形成され、各圧力室16、17、18、19はそれぞれ対応す
る前室20、21、22、23に連通している。The piezoelectric elements 2 and 3 are stretched so as to bend upward in FIG. 4, but inversion preventing means 51 is provided so that the bending direction is not inverted. In this embodiment, the inversion prevention means 51 includes holders 12, 13 and 14, 15
It is formed by itself, in particular by the holders 12, 14 themselves. That is, the inclined surfaces 12a, 14a of the holders 12, 14
The surfaces facing the other piezoelectric elements 2 and 3 are formed so as to bulge in a shape along the curved shape of the stretched piezoelectric elements 2 and 3. By the means), the structure is such that it cannot be mechanically bent to the opposite side. Pressure chambers 16, 17, 18, 19 are provided on both sides of the piezoelectric elements 2, 3.
Is formed, and each pressure chamber 16, 17, 18, 19 communicates with the corresponding front chamber 20, 21, 22, 23.
【００２６】反転防止手段としては、上記構造に限定さ
れず、他の構造を採ってもよい。たとえば図６、７に示
すように、ホルダ52、53に張設される圧電素子２の両面
側あるいは下面側に、ホルダ52、53とは別体の網状部材
（たとえば金網）54、55を設け、金網54、55で画成され
る湾曲空間外への圧電素子２の変形を防止し、それによ
って圧電素子２の反転を防止するようにしてもよい。ま
た、図８、９に示すように、ホルダ56、57のうち少なく
とも一方のホルダ56内に、該ホルダ56とは別体のブロッ
ク状部材58を設け、ブロック状部材58によって圧電素子
２の反転を防止するようにしてもよい。The inversion prevention means is not limited to the above structure, and other structures may be adopted. For example, as shown in FIGS. 6 and 7, mesh members (for example, wire mesh) 54 and 55, which are separate from the holders 52 and 53, are provided on both surfaces or the lower surface of the piezoelectric element 2 stretched over the holders 52 and 53. Alternatively, the piezoelectric element 2 may be prevented from being deformed outside the curved space defined by the metal nets 54 and 55, thereby preventing the piezoelectric element 2 from being inverted. Further, as shown in FIGS. 8 and 9, at least one of the holders 56, 57 is provided with a block-shaped member 58 which is separate from the holder 56, and the piezoelectric element 2 is inverted by the block-shaped member 58. May be prevented.
【００２７】反転防止手段をホルダ自身によって形成す
るか、ホルダとは別体の部材によって構成するかは、製
作の容易性を考慮して決めればよい。ホルダ自身によっ
て形成する方法は、ホルダを切削加工する場合製作しや
すいが、射出成形やダイキャストなどでホルダを製作す
る場合には厚みを均一にしにくいためホルダが小さいと
材料の流れが悪くなり製作しにくくなることがある。別
体の部材によって構成する方法は、成形、加工とも容易
に行なうことができるが、部材の付加が必要になる。Whether the inversion prevention means is formed by the holder itself or is formed by a member separate from the holder may be determined in consideration of easiness of manufacturing. The method of forming by the holder itself is easy to make when cutting the holder, but when making the holder by injection molding or die casting, it is difficult to make the thickness uniform, so if the holder is small, the flow of material deteriorates It may be difficult to do. The method of forming by a separate member can be easily performed by molding and processing, but it requires addition of a member.
【００２８】反転防止手段を構成するホルダ、あるいは
ホルダとは別体の部材の材質は、有機、無機を問わない
が、熱的安定性や耐薬品性が良いものを選択することが
望ましい。例えば、ステンレスやニッケル等の金属、Ｐ
ＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）やフッ素樹脂等の
プラスチックなどがある。また、ホルダとは別体の部材
として、金網やブロック状部材の他に、多孔質あるいは
長繊維のもので脆くないものを用いてもよい。たとえば
長繊維のステンレスやＰＥＴ、多孔質セラミックなどを
用いることが可能である。The material of the holder or the member separate from the holder constituting the inversion prevention means may be organic or inorganic, but it is desirable to select a material having good thermal stability and chemical resistance. For example, metals such as stainless steel and nickel, P
Examples include plastic such as ET (polyethylene terephthalate) and fluororesin. Further, as a member separate from the holder, in addition to a wire mesh or a block-shaped member, a porous or long-fiber member that is not brittle may be used. For example, long-fiber stainless steel, PET, porous ceramics or the like can be used.
【００２９】さて、圧電素子２、３は、図５に示すよう
に圧接狭持されている。図示例は、圧電素子２について
示しているが、圧電素子３に対しても同様の構造となっ
ている。圧電素子２は、ホルダ12、13によって両面側か
ら挟持され、下側のホルダ12は、スペーサ24、電極板25
を介して支持され、電極板25は四角頭を有する（回り止
めを施した）ねじ26を介して固定されている。上側のホ
ルダ13は、電極板27を介してばね28によって付勢されて
おり、ばね28の付勢力を利用して圧電素子２が両ホルダ
12、13間に圧接挟持されている。電極板27は、四角頭を
有するねじ29により、上記圧接方向の自由度をもたせつ
つ、位置固定されている。ねじ29は、圧力検出部４内か
ら気体が洩れないようにするためのＯリング49、ワッシ
ヤ30、ナット31を介して基板32の蓋33に固定されてい
る。各ねじ29に、ナット34を介して回路基板35が固定さ
れており、この回路基板35上に、電気的信号処理回路５
が組み込まれている。図１における36、37は、該回路５
の電源入力端子を、38は該回路5 からの出力端子をそれ
ぞれ示している。これら入出力端子36、37、38は、シー
ルドケースの蓋46にハーメチックシールを施して端子部
から気体が洩れないようにしている。なお、圧電素子
２、３の一方の電極板25、25又は27、27同士が、ねじ29
を介して回路基板35上で電気的に接続され、他方の電極
板27、27又は25、25については、その一方が電気的信号
処理回路５への入力として該回路５に接続されている。Now, the piezoelectric elements 2 and 3 are pressed and sandwiched as shown in FIG. Although the illustrated example shows the piezoelectric element 2, the piezoelectric element 3 has a similar structure. The piezoelectric element 2 is sandwiched by the holders 12 and 13 from both sides, and the lower holder 12 has a spacer 24 and an electrode plate 25.
, And the electrode plate 25 is fixed via screws 26 having a square head (rotated). The upper holder 13 is urged by a spring 28 via an electrode plate 27, and the piezo-electric element 2 uses the urging force of the spring 28 to move both holders.
It is clamped by pressure between 12 and 13. The electrode plate 27 is fixed in position by a screw 29 having a square head, while having the degree of freedom in the pressure contact direction. The screw 29 is fixed to the lid 33 of the substrate 32 via an O-ring 49, a washer 30, and a nut 31 for preventing gas from leaking from the pressure detecting portion 4. A circuit board 35 is fixed to each screw 29 via a nut 34, and the electrical signal processing circuit 5 is mounted on the circuit board 35.
Is built in. Reference numeral 36 and 37 in FIG.
The power input terminal of the circuit 5 and the output terminal 38 of the circuit 5 are shown. The input / output terminals 36, 37, 38 are hermetically sealed to the lid 46 of the shield case to prevent gas from leaking from the terminals. In addition, one of the electrode plates 25, 25 or 27, 27 of the piezoelectric elements 2, 3 is screwed by the screw 29.
Of the other electrode plate 27, 27 or 25, 25 is connected to the circuit 5 as an input to the electric signal processing circuit 5.
【００３０】圧力検出部４は、ホルダ12、13および14、
15を収納、保持する基板32、第２の流体圧力導入経路43
の一部および第４の流体圧力導入経路45の一部が形成さ
れた基板の蓋33、流体の圧力を導入する２個の入口ノズ
ル39、40が形成されたシールドケース41で囲まれてい
る。シールドケース41と基板32、基板32とその蓋33、お
よびシールドケース41とその蓋46とは、変形Ｏリングを
介して内部からの漏れがないように接合されている。基
板32、その蓋33は絶縁性が良く、機械的強度が高いエポ
キシ樹脂やポリアセタ―ル樹脂等のエンジニアリングプ
ラスチックで構成されればよく、本実施例ではポリブチ
レンテレフタレート樹脂（ＰＢＴ樹脂）で構成されてい
る。The pressure detector 4 includes holders 12, 13 and 14,
A substrate 32 for accommodating and holding 15 and a second fluid pressure introduction path 43
Of the substrate and a part of the fourth fluid pressure introduction path 45 are surrounded by a substrate lid 33 and a shield case 41 in which two inlet nozzles 39, 40 for introducing the fluid pressure are formed. . The shield case 41 and the substrate 32, the substrate 32 and the lid 33 thereof, and the shield case 41 and the lid 46 thereof are joined to each other via a deformed O-ring so as not to leak from the inside. The substrate 32 and its lid 33 may be made of engineering plastic such as epoxy resin or polyacetal resin having good insulation and high mechanical strength. In this embodiment, it is made of polybutylene terephthalate resin (PBT resin). ing.
【００３１】一方の入口ノズル39は、前室20、圧力室16
を介して圧電素子２の第１の面に連通するとともに、連
通路47、前室23、圧力室19を介して他方の圧電素子３の
分極極性の異なる面（第２の面）に連通している。した
がってこれら前室20から圧力室16までの経路は、本発明
でいう第１の流体圧力導入経路42を構成しており、連通
路47から圧力室19までの経路は第４の流体圧力導入経路
45を構成している。他方の入口ノズル40は、前室22、圧
力室18を介して圧電素子３の他面（第１の面）に連通す
るとともに、連通路48、前室21、圧力室17を介して圧電
素子２の他面（第２の面）に連通している。したがっ
て、これら前室22から圧力室18までの経路は、第３の流
体圧力導入経路44を構成しており、連通路48から圧力室
17までの経路は、第２の流体圧力導入経路43を構成して
いる。One of the inlet nozzles 39 has a front chamber 20 and a pressure chamber 16
Via the communication passage 47, the front chamber 23, and the pressure chamber 19 to the surface of the other piezoelectric element 3 having a different polarization polarity (the second surface). ing. Therefore, the path from the front chamber 20 to the pressure chamber 16 constitutes the first fluid pressure introduction path 42 in the present invention, and the path from the communication passage 47 to the pressure chamber 19 is the fourth fluid pressure introduction path.
It comprises 45. The other inlet nozzle 40 communicates with the other surface (first surface) of the piezoelectric element 3 through the front chamber 22 and the pressure chamber 18, and also through the communication passage 48, the front chamber 21, and the pressure chamber 17. 2 communicates with the other surface (second surface). Therefore, the path from the front chamber 22 to the pressure chamber 18 constitutes the third fluid pressure introduction path 44, and the communication passage 48 to the pressure chamber
The path to 17 constitutes the second fluid pressure introduction path 43.
【００３２】さらに本実施例では、２個の圧電素子２、
３に対して、各入口ノズル39、40、および流体圧力導入
経路42、44、流体圧力導入経路43、45の配置と、圧力検
出部４の内部構造が、ほぼ同形対称に構成されている。Further, in this embodiment, two piezoelectric elements 2,
3, the arrangement of the inlet nozzles 39, 40, the fluid pressure introduction paths 42, 44, and the fluid pressure introduction paths 43, 45 and the internal structure of the pressure detection unit 4 are configured substantially symmetrically.
【００３３】この圧力検出部４と電気的信号処理回路５
とは、それらが商用電源等からの電磁誘導ノイズを受け
ないように電気的良導体である金属などからなるシ―ル
ドを兼ねたケ―ス41に収納されている。回路における電
源のマイナス電極とケ―ス41とは、図示していないがね
じ、ナット、ワッシャを介して接続されている。また、
配線材や電子部品が動くことにより発生するノイズを防
ぐためにエポキシ系の充填材でケ―ス41とそれらを固定
し、内部に余分な隙間がないようにして圧力センサ１が
構成されている。The pressure detector 4 and the electric signal processing circuit 5
Are housed in a case 41 which also serves as a shield made of metal, which is an electrically good conductor, so that they are not subjected to electromagnetic induction noise from a commercial power source or the like. The negative electrode of the power source in the circuit and the case 41 are connected via screws, nuts and washers, which are not shown. Also,
In order to prevent noise generated due to movement of wiring materials and electronic parts, the case 41 and the case 41 are fixed to each other with an epoxy-based filling material, and the pressure sensor 1 is configured so that there is no extra gap inside.
【００３４】上記のような構成を有する圧力センサの作
用を、前述の圧力センサ１について、該圧力センサ１を
フルイディック気体流量計に用いた場合の構成および作
用とともに以下に説明する。The operation of the pressure sensor having the above structure will be described below together with the structure and operation of the pressure sensor 1 when the pressure sensor 1 is used in a fluidic gas flowmeter.
【００３５】図10は、圧力センサ１をフルイディック流
量計に適用した場合の構成を示しており、図中60がフル
イディック流量計における流量計素子部を示している。
流量計素子部60を、矢印の方向に測定対象気体が流通さ
れる。61は流路縮小部で、その先端の噴出ノズル62から
流速の増大された噴流が噴出される。噴流の主流は、コ
アンダ効果により、流路拡大部63を構成する一対の隔壁
64、65のいずれか一方の壁面に沿って流れるが、該壁面
流は反射翼69に沿って方向転換されて制御ノズル66（又
は67）から上記噴出ノズル62からの噴流に直交するよう
に指向され、噴出ノズル62からの噴流がもう一方の隔壁
に沿って流れるよう力が作用する。これがくり返される
ため気体は隔壁64、65に対し交互に沿うように流れ、こ
の流動変化に対応して流量計素子部60内に圧力変動が生
じる。上記流動変化の周波数は気体流量に比例している
ので、圧力変動の周波数を検出することにより流量を測
定できる。なお、図における68は、噴流をいずれか一方
の隔壁に効率よくふり向けるためのタ―ゲット、70は流
れを誘導するための誘導板である。FIG. 10 shows a configuration in which the pressure sensor 1 is applied to a fluidic flow meter, and 60 in the figure shows a flow meter element portion in the fluidic flow meter.
Gas to be measured is circulated through the flowmeter element unit 60 in the direction of the arrow. Reference numeral 61 is a flow path contracting portion, and a jet flow having an increased flow velocity is jetted from a jet nozzle 62 at the tip thereof. Due to the Coanda effect, the main flow of the jet flow is a pair of partition walls that form the flow passage expanding portion 63.
It flows along one of the wall surfaces of either 64 or 65, but the wall surface flow is redirected along the reflecting vane 69 and directed so as to be orthogonal to the jet from the jet nozzle 62 from the control nozzle 66 (or 67). Then, a force acts so that the jet flow from the jet nozzle 62 flows along the other partition wall. Since this is repeated, the gas flows alternately along the partition walls 64 and 65, and a pressure fluctuation occurs in the flowmeter element unit 60 in response to this flow change. Since the frequency of the flow change is proportional to the gas flow rate, the flow rate can be measured by detecting the frequency of pressure fluctuation. In the figure, 68 is a target for efficiently directing the jet flow to one of the partition walls, and 70 is a guide plate for guiding the flow.
【００３６】上記のような流量計素子部60内に、内圧取
出口71、72が設けられ、内圧取出口71、72がガスケット
73（耐薬品性のあるゴムがよい）を介して圧力センサ１
の入口ノズル39、40にそれぞれ接続される。Internal pressure outlets 71 and 72 are provided in the flow meter element portion 60 as described above, and the internal pressure outlets 71 and 72 are gaskets.
Pressure sensor 1 through 73 (preferably rubber with chemical resistance)
Are connected to the inlet nozzles 39 and 40, respectively.
【００３７】流量計素子部60の内部で流れが内圧取出口
71側に切替ったとき、内圧取出口71近傍の流体圧力は内
圧取出口72近傍よりも低くなり、逆に流れが内圧取出口
72側に切替ると、内圧取出口72近傍の流体圧力の方が低
くなる。この内圧取出口71における圧力（Ｐ１）が、ガ
スケット73、入口ノズル39、第１の流体圧力導入経路42
および第４の流体圧力導入経路45を介して、圧電素子２
の第１の面と圧電素子３の第２の面に導入され、内圧取
出口72における圧力（Ｐ２）が、ガスケット73、入口ノ
ズル40、第２の流体圧力導入経路43および第３の流体圧
力導入経路44を介して圧電素子２の他面（第２の面）と
圧電素子３の他面（第１の面）に導入される。両圧電素
子２、３にはＰ１とＰ２の圧力が交互に加わり、その圧
力変動による圧電素子の変形によって分極量が変化し、
それによって圧電体自身の両面に電位差が生じる。両圧
電素子２、３の出力の和が電気的処理回路５に送られ、
処理されて出力端子36、37から圧力変動検出信号として
取り出される。Inside the flowmeter element 60, the flow is the internal pressure outlet
When switching to the 71 side, the fluid pressure in the vicinity of the internal pressure outlet 71 becomes lower than in the vicinity of the internal pressure outlet 72, and conversely the flow becomes the internal pressure outlet.
When switched to the 72 side, the fluid pressure near the internal pressure outlet 72 becomes lower. The pressure (P1) at the internal pressure outlet 71 is the gasket 73, the inlet nozzle 39, and the first fluid pressure introduction path 42.
And the piezoelectric element 2 via the fourth fluid pressure introduction path 45.
The pressure (P2) at the internal pressure outlet 72, which is introduced to the first surface of the piezoelectric element 3 and the second surface of the piezoelectric element 3, the gasket 73, the inlet nozzle 40, the second fluid pressure introduction path 43, and the third fluid pressure. It is introduced into the other surface (second surface) of the piezoelectric element 2 and the other surface (first surface) of the piezoelectric element 3 through the introduction path 44. The pressures P1 and P2 are alternately applied to the two piezoelectric elements 2 and 3, and the amount of polarization changes due to the deformation of the piezoelectric element due to the pressure variation,
As a result, a potential difference is generated on both sides of the piezoelectric body itself. The sum of the outputs of both piezoelectric elements 2 and 3 is sent to the electrical processing circuit 5,
It is processed and taken out from the output terminals 36 and 37 as a pressure fluctuation detection signal.
【００３８】上記検出においては、圧電素子の両面に同
時に流体圧力が導入され、その差圧が各圧電素子で検出
される方式であるので、流体全体に生じた圧力変動およ
び温度変動によるノイズ成分は、それらが圧電素子の両
面に同時に加わることからノイズ成分によって圧電素子
は同一の変形をして、ノイズ成分は圧電素子自身におい
て、自動的に消去されることになる。そして、上記ノイ
ズの消去された測定対象圧力の検出出力は、両圧電素子
２、３からの出力の和として取り出されるので、一枚の
場合に比べ、２倍の感度で取り出され、極めて高精度な
検出が可能となる。In the above detection, the fluid pressure is simultaneously introduced to both surfaces of the piezoelectric element, and the differential pressure is detected by each piezoelectric element. Therefore, the noise component due to the pressure variation and temperature variation generated in the entire fluid is eliminated. Since they are added to both sides of the piezoelectric element at the same time, the piezoelectric element undergoes the same deformation due to the noise component, and the noise component is automatically erased in the piezoelectric element itself. Since the detection output of the pressure to be measured from which the noise has been removed is taken out as the sum of the outputs from both piezoelectric elements 2 and 3, it is taken out with double the sensitivity as compared with the case of one sheet, which is extremely highly accurate. Various detections are possible.
【００３９】また、外乱として振動が加わった場合、そ
の加振力は両圧電素子２、３に同時に同方向の力として
作用する。圧電素子２、３の流体圧力導入による変形方
向は互に逆方向とされているが、上記加振力による２個
の圧電素子の変形代は、変形を増加、減少させる方向に
関して、同一方向となる。したがって、このノイズ成分
による出力の増減は、両圧電素子２、３の出力を加算す
る段階で自動的に消去される。When vibration is applied as a disturbance, the exciting force acts on both piezoelectric elements 2 and 3 simultaneously as a force in the same direction. Although the deformation directions of the piezoelectric elements 2 and 3 due to the introduction of the fluid pressure are opposite to each other, the deformation margins of the two piezoelectric elements due to the above-mentioned vibration force are the same in the directions of increasing and decreasing the deformation. Become. Therefore, the increase / decrease in the output due to this noise component is automatically erased at the stage of adding the outputs of both piezoelectric elements 2 and 3.
【００４０】また、音圧によるノイズについては、伝播
されてくる音圧によって、各圧電素子２、３は、同時に
その厚み方向に同一量だけ変形する。したがって、この
ノイズ成分による出力の増減は、両圧電素子２、３の出
力を加算する段階で自動的に消去される。その結果、音
圧によるノイズも自動的に消去され、測定対象の圧力変
動が極めて高精度で検出される。Regarding the noise due to the sound pressure, the piezoelectric elements 2 and 3 are simultaneously deformed by the same amount in the thickness direction due to the propagated sound pressure. Therefore, the increase / decrease in the output due to this noise component is automatically erased at the stage of adding the outputs of both piezoelectric elements 2 and 3. As a result, the noise due to the sound pressure is also automatically deleted, and the pressure fluctuation of the measurement target is detected with extremely high accuracy.
【００４１】さらに本実施例では、このノイズ除去効果
をさらに高めるために、２個の圧電素子２、３に対し
て、入口ノズル39、40、各流体圧力導入経路の配置と圧
力検出部の構造がほぼ同形対称に構成されている。Further, in this embodiment, in order to further enhance the noise removing effect, the arrangement of the inlet nozzles 39 and 40, the fluid pressure introducing paths, and the structure of the pressure detecting portion for the two piezoelectric elements 2 and 3. Are configured to have almost the same shape and symmetry.
【００４２】次に、圧力検出部４における膜状圧電素子
２、３の反転防止について説明する。図３、４に示した
例では、圧電素子２、３が所定方向とは逆の方向（図４
における下向き方向）に反転しようとしても、ホルダ1
2、14自身によって形成された膨出部51（反転防止手
段）があるため、機械的に反転は阻止される。図６、７
に示した例では、金網54により、図８、９に示した例で
は、ブロック状部材58により、それぞれ反転が阻止され
る。したがって、圧電素子２、３は必ず所定方向に湾曲
し、その湾曲方向を保ちつつ、導入されてきた変動圧力
によって変形し、該圧力およびその周波数に応じた信号
を出力する。その結果、圧電素子反転による感度低下は
完全に防止され、前述の高感度検出機能が常時維持され
る。したがって、高精度な流量測定が保証される。Next, prevention of inversion of the film-shaped piezoelectric elements 2 and 3 in the pressure detection unit 4 will be described. In the example shown in FIGS. 3 and 4, the piezoelectric elements 2 and 3 are arranged in a direction opposite to the predetermined direction (see FIG.
Holder 1
Since there is a bulging portion 51 (reversal preventing means) formed by 2 and 14 itself, reversal is mechanically prevented. 6 and 7
In the example shown in FIG. 6, the wire mesh 54 and in the examples shown in FIGS. Therefore, the piezoelectric elements 2 and 3 always bend in a predetermined direction, and while keeping the bending direction, they are deformed by the introduced fluctuating pressure and output a signal according to the pressure and its frequency. As a result, the decrease in sensitivity due to the piezoelectric element inversion is completely prevented, and the above-described high-sensitivity detection function is always maintained. Therefore, highly accurate flow rate measurement is guaranteed.
【００４３】図11は、本発明による圧力センサをカルマ
ン渦流量計に使用した場合の例を示している。図11にお
いて、80はカルマン渦流量計の流量計素子部を示してお
り、81は渦発生体を示している。図の矢印の方向に流れ
てきた流体は、渦発生体81に当たることにより、その後
流に断続的にカルマン渦82を発生させる。このカルマン
渦82の通過部分に、一方の内圧取出口83が設けられ、他
方の内圧取出口84は流量計素子部80の内壁面部に設けら
れている。両内圧取出口83、84は、ガスケット85を介し
て圧力センサ１の入口ノズル39、40に接続される。その
他の構成は前述の実施例に示した構成に準じる。FIG. 11 shows an example in which the pressure sensor according to the present invention is used in a Karman vortex flowmeter. In FIG. 11, reference numeral 80 indicates the flow meter element portion of the Karman vortex flow meter, and 81 indicates the vortex generator. The fluid flowing in the direction of the arrow in the figure hits the vortex generator 81 to intermittently generate Karman vortices 82 in the subsequent flow. One internal pressure outlet 83 is provided at the passage of the Karman vortex 82, and the other internal pressure outlet 84 is provided on the inner wall surface portion of the flowmeter element portion 80. Both internal pressure outlets 83, 84 are connected to the inlet nozzles 39, 40 of the pressure sensor 1 via a gasket 85. Other configurations are the same as those shown in the above-mentioned embodiment.
【００４４】このようなカルマン渦流量計においては、
流体の流量に比例して単位時間当りのカルマン渦の発生
数が変化し、内圧取出口83部におけるカルマン渦通過数
を計測することにより流量が検出される。カルマン渦通
過の際の圧力変動が、内圧取出口83、ガスケット85、入
口ノズル39を介して両圧電素子２、３の片面側に導入さ
れ、内圧取出口84、ガスケット85、入口ノズル40を介し
て通過流体全体の圧力および圧力変動が両圧電素子２、
３の他面側に導入される。両圧電素子２、３の出力の和
としてカルマン渦通過による圧力変動のみが精度よく検
出され、高感度、高精度の流量測定が可能になる。その
他の作用は前述のフルイディック流量計の場合に準じ
る。In such a Karman vortex flowmeter,
The number of Karman vortices generated per unit time changes in proportion to the flow rate of the fluid, and the flow rate is detected by measuring the number of Karman vortex passages at the internal pressure outlet 83. The pressure fluctuation when passing through the Karman vortex is introduced to one side of both piezoelectric elements 2 and 3 through the internal pressure outlet 83, the gasket 85, and the inlet nozzle 39, and the internal pressure outlet 84, the gasket 85, and the inlet nozzle 40. The pressure of the whole passing fluid and the pressure fluctuation are both piezoelectric elements 2,
3 is introduced on the other side. As the sum of the outputs of both piezoelectric elements 2 and 3, only the pressure fluctuation due to the Karman vortex passage is accurately detected, and highly sensitive and highly accurate flow rate measurement is possible. Other functions are similar to those of the fluidic flowmeter described above.
【００４５】以上の説明はフルイディック流量計、カル
マン渦流量計について行ったが、他の流量計であっても
圧力変動検出を必須とするものであれば本発明による圧
力センサの適用が可能である。Although the above description has been made on the fluidic flowmeter and the Karman vortex flowmeter, the pressure sensor according to the present invention can be applied to other flowmeters as long as pressure fluctuation detection is essential. is there.
【００４６】[0046]
【発明の効果】以上説明したように、本発明の圧力セン
サによるときは、同一方向の面が同一の分極極性となる
ように配置した２個の圧電素子の一方の面に一方の入口
ノズルからの圧力を加え、他方の面には他方の入口ノズ
ルからの圧力を同時に加え、両面間の差圧をとることに
より圧力変動、温度変動によるノイズ成分を自動的に消
去するとともに、両圧電素子の出力の和をとることによ
り検出精度を２倍に高め、さらに２個の圧電素子を積極
的に同一条件に並置してあるため、振動によるノイズも
自動的に消去できる。そして、両圧電素子に対し反転防
止手段を設けて、圧電素子が所定の範囲内で圧力に応じ
て変形するようにしたので、常時、上記の高感度圧力検
出が保証され、流量測定の精度が維持される。As described above, when the pressure sensor of the present invention is used, one of the two piezoelectric elements arranged so that the surfaces in the same direction have the same polarization polarity is connected to one of the inlet nozzles. The pressure from the other inlet nozzle is applied to the other surface at the same time, and the noise component due to pressure fluctuation and temperature fluctuation is automatically eliminated by taking the differential pressure between the two surfaces, and at the same time, The detection accuracy is doubled by taking the sum of the outputs, and since the two piezoelectric elements are positively arranged side by side under the same condition, noise due to vibration can be automatically eliminated. Further, since the inversion prevention means is provided for both the piezoelectric elements so that the piezoelectric elements are deformed according to the pressure within a predetermined range, the above-mentioned highly sensitive pressure detection is always guaranteed, and the accuracy of flow rate measurement is improved. Maintained.
【００４７】本発明の圧力センサによれば、検出可能な
最小圧力変動幅としては0.0001〜0.1 mmＨ2 Ｏと非常に
小さくなり、さらに小さくすることも可能となる。ま
た、ＳＮ比は0.0001mmＨ2 Ｏで20ｄＢＶ、0.1 mmＨ2 Ｏ
で60ｄＢＶと非常に高い。このため、従来では検出が出
来なかった気体や液体の微小な圧力変動を周囲のノイズ
に影響されないで検出できるようになった。現状までの
技術では0.1 mmＨ2 Ｏ程度の微小圧力変動はかなり大掛
かりか、あるいは高価な設備でないと測定が出来なかっ
たが、本発明品は極めて小型のセンサに構成でき、簡単
に、フルイディック流量計やカルマン渦流量計のみなら
ず、他の計器や、機械の一部に組み込んで使用すること
ができるので、広範な分野での利用が期待できる。ま
た、機械的に弱い圧電素子が露出していないので、圧電
素子の損傷あるいは感度低下を招くことがなく、耐久性
が高く、寿命も長い。しかも、上記圧電素子の反転防止
手段により、高感度検出状態が常時保証されるので、信
頼性も高い。さらに構造が簡単であり、製作に高度な技
術が要求される部位がないので安価に製作できる。According to the pressure sensor of the present invention, the minimum detectable pressure fluctuation range is 0.0001 to 0.1 mmH 2 O, which is extremely small, and can be further reduced. Furthermore, SN ratio 20dBV in 0.0001mmH 2 O, 0.1 mmH 2 O
It is very high at 60 dBV. For this reason, it has become possible to detect minute pressure fluctuations of gas or liquid that could not be detected conventionally without being affected by ambient noise. With the technology up to the present, minute pressure fluctuations of about 0.1 mmH 2 O are quite large, or measurement was not possible without expensive equipment. However, the product of the present invention can be configured as an extremely small sensor, and the fluidic flow rate can easily It can be used not only in the meter and Karman vortex flowmeter, but also in other instruments and part of the machine, so it can be expected to be used in a wide range of fields. Further, since the mechanically weak piezoelectric element is not exposed, the piezoelectric element is not damaged or the sensitivity is not lowered, and the durability is high and the life is long. Moreover, since the high-sensitivity detection state is always guaranteed by the inversion prevention means of the piezoelectric element, the reliability is high. Furthermore, the structure is simple, and there are no parts that require high technology for manufacturing, so that it can be manufactured at low cost.
【図１】本発明の一実施例に係る圧力センサの断面図で
ある。FIG. 1 is a cross-sectional view of a pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
【図２】図１の圧力センサの圧電素子部の拡大部分断面
図である。FIG. 2 is an enlarged partial sectional view of a piezoelectric element portion of the pressure sensor of FIG.
【図３】図１の圧力センサにおける圧電素子取付け前の
拡大部分分解断面図である。3 is an enlarged partial exploded sectional view of the pressure sensor of FIG. 1 before attachment of a piezoelectric element.
【図４】図３の圧電素子の取付け後の縦断面図である。4 is a vertical cross-sectional view after the piezoelectric element of FIG. 3 is attached.
【図５】図１の圧力センサにおける圧電素子挟持部の拡
大分解縦断面図である。5 is an enlarged exploded vertical cross-sectional view of a piezoelectric element holding portion in the pressure sensor of FIG.
【図６】図１とは別の反転防止手段を有する圧力センサ
の圧電素子取付け前の拡大部分分解断面図である。FIG. 6 is an enlarged partial exploded cross-sectional view of a pressure sensor having an inversion prevention means different from that of FIG. 1 before a piezoelectric element is attached.
【図７】図６の圧電素子の取付け後の縦断面図である。7 is a vertical cross-sectional view after the piezoelectric element of FIG. 6 is attached.
【図８】図１とはさらに別の反転防止手段を有する圧力
センサの圧電素子取付け前の拡大部分分解断面図であ
る。FIG. 8 is an enlarged partial exploded cross-sectional view of a pressure sensor having a reversal preventing means different from that of FIG. 1 before a piezoelectric element is attached.
【図９】図８の圧電素子の取付け後の縦断面図である。9 is a vertical sectional view after the piezoelectric element of FIG. 8 is attached.
【図１０】図１の圧力センサをフルイディック流量計に
使用した場合の概略構成図である。FIG. 10 is a schematic configuration diagram when the pressure sensor of FIG. 1 is used in a fluidic flow meter.
【図１１】図１の圧力センサをカルマン渦流量計に使用
した場合の概略構成図である。11 is a schematic configuration diagram when the pressure sensor of FIG. 1 is used in a Karman vortex flowmeter.
１ 圧力センサ ２、３ 圧電素子 ４ 圧力検出部 ５ 電気的信号処理回路 ６、７ 圧電体 ８、９、10、11 電極層 12、13、14、15、52、53、56、57 ホルダ 16、17、18、19 圧力室 20、21、22、23 前室 32 基板 33 蓋 35 回路基板 36、37 入力端子 38 出力端子 39、40 入口ノズル 41 シールドケース 42 第１の流体圧力導入経路 43 第２の流体圧力導入経路 44 第３の流体圧力導入経路 45 第４の流体圧力導入経路 46 蓋 47、48 連通路 49 Ｏリング 51 膨出部（反転防止手段） 54、55 ホルダとは別体の網状部材（反転防止手段） 58 ホルダとは別体のブロック状部材（反転防止手段） 60 流量計素子部 61 流路縮小部 62 噴出ノズル 63 流路拡大部 64、65 隔壁 66、67 制御ノズル 68 タ―ゲット 69 反射翼 70 誘導板 71、72 内圧取出口 73 ガスケット 80 カルマン渦流量計の流量計素子部 81 渦発生体 82 カルマン渦 83、84 内圧取出口 85 ガスケット 1 Pressure Sensor 2, 3 Piezoelectric Element 4 Pressure Detector 5 Electrical Signal Processing Circuit 6, 7 Piezoelectric Body 8, 9, 10, 11 Electrode Layer 12, 13, 14, 15, 52, 53, 56, 57 Holder 16, 17, 18, 19 Pressure chamber 20, 21, 22, 23 Front chamber 32 Substrate 33 Lid 35 Circuit board 36, 37 Input terminal 38 Output terminal 39, 40 Inlet nozzle 41 Shield case 42 First fluid pressure introduction path 43 Second Fluid pressure introduction route 44 Third fluid pressure introduction route 45 Fourth fluid pressure introduction route 46 Lids 47, 48 Communication passage 49 O-ring 51 Bulging part (inversion prevention means) 54, 55 Reticulate separate from holder Member (reversal prevention means) 58 Block-shaped member (reversal prevention means) that is separate from the holder 60 Flowmeter element part 61 Flow path reduction part 62 Jet nozzle 63 Flow path expansion part 64, 65 Partition wall 66, 67 Control nozzle 68 ― Get 69 Reflective blade 70 Guide plates 71, 72 Internal pressure outlet 73 Gasket 80 Flow meter element part of Karman vortex flowmeter 81 Vortex generation Body 82 Karman vortex 83, 84 Internal pressure outlet 85 Gasket
Claims (3)
の圧電素子を、それぞれ２個一対のホルダで両面から挟
持して張設した圧力検出部を備え、前記２個の圧電素子
は同一の方向に向きかつ同一方向の面が同一の分極極性
となるように配置され、前記圧力検出部には流体の圧力
を導入する２個の入口ノズルが設けられ、一方の入口ノ
ズルが第１の流体圧力導入経路を介して一方の圧電素子
の第１の面に連通されるとともに第４の流体圧力導入経
路を介して前記一方の圧電素子の第１の面とは分極極性
が異なる他方の圧電素子の第２の面に連通され、他方の
入口ノズルが第２の流体圧力導入経路を介して前記一方
の圧電素子の第２の面に連通されるとともに第３の流体
圧力導入経路を介して前記他方の圧電素子の第１の面に
連通された圧力センサであって、前記２個の圧電素子
を、前記２個一対のホルダ内に同一方向に湾曲させて張
設するとともに、該２個一対のホルダ内に、圧電素子の
湾曲方向の反転を防止する手段を設けたことを特徴とす
る圧力センサ。1. A pressure detecting portion, comprising two piezoelectric elements each having an electrode layer provided on both sides of a film-shaped piezoelectric body, sandwiched between two pairs of holders from both sides, and provided with tension. The elements are arranged so as to face in the same direction and have the same polarization polarity in the same direction, and the pressure detecting portion is provided with two inlet nozzles for introducing the pressure of the fluid. The polarization polarity is different from that of the first surface of the one piezoelectric element communicated with the first surface of the one piezoelectric element via the first fluid pressure introduction path and the fourth surface of the one piezoelectric element via the fourth fluid pressure introduction path. The second surface of the other piezoelectric element is communicated with, and the other inlet nozzle is communicated with the second surface of the one piezoelectric element via the second fluid pressure introducing path, and the third fluid pressure introducing path is also provided. Via a pressure sensor connected to the first surface of the other piezoelectric element via The two piezoelectric elements are bent and stretched in the holder of the pair of two in the same direction, and the inversion of the bending direction of the piezoelectric element is prevented in the pair of holders of the two. A pressure sensor, characterized in that it is provided with means for performing.
自身で構成されている請求項１の圧力センサ。2. The pressure sensor according to claim 1, wherein the inversion prevention means is composed of the pair of two holders themselves.
とは別体の部材から構成されている請求項１の圧力セン
サ。3. The pressure sensor according to claim 1, wherein the inversion prevention means is constituted by a member separate from the pair of holders.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3349729A JP2699743B2 (en) | 1991-12-10 | 1991-12-10 | Pressure sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3349729A JP2699743B2 (en) | 1991-12-10 | 1991-12-10 | Pressure sensor |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8241290A Division JPH09119876A (en) | 1996-08-23 | 1996-08-23 | Pressure sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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| JPH05164639A true JPH05164639A (en) | 1993-06-29 |
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Family
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Family Applications (1)
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2699743B2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014190755A (en) * | 2013-03-26 | 2014-10-06 | Asahi Kasei Medical Co Ltd | Pressure chamber |
-
1991
- 1991-12-10 JP JP3349729A patent/JP2699743B2/en not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014190755A (en) * | 2013-03-26 | 2014-10-06 | Asahi Kasei Medical Co Ltd | Pressure chamber |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2699743B2 (en) | 1998-01-19 |
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