流速センサー
【課題】特に複数の感圧素子の一方が他方の圧力変化に影響されることがない流速センサーを提供することを目的としている。
【解決手段】本発明の流速センサー１０は、筐体の収容空間の第１の開口部を封止する第１のダイアフラム２０ａと、収容空間の第２の開口部を封止する第２のダイアフラム２０ｂと、感圧部と一対の基部を有して一対の基部を結ぶ方向を検出軸とする感圧素子４０と、を有し、感圧素子４０は、一対の基部を前記ダイアフラムの支持部に接続し、検出軸はダイアフラムの受圧面に平行であり、第１のダイアフラム２０ａは、流体の流れる方向に向けた動圧導入口から導入された圧力を受圧し、第２のダイアフラム２０ｂは、流体の流れる方向とほぼ直交した方向に向けた静圧導入口から導入された圧力を受圧し、第１及び第２のダイアフラム２０ａ，２０ｂの受圧面側に断熱部６０が設けられたことを特徴としている。
【解決手段】本発明の流速センサー１０は、筐体の収容空間の第１の開口部を封止する第１のダイアフラム２０ａと、収容空間の第２の開口部を封止する第２のダイアフラム２０ｂと、感圧部と一対の基部を有して一対の基部を結ぶ方向を検出軸とする感圧素子４０と、を有し、感圧素子４０は、一対の基部を前記ダイアフラムの支持部に接続し、検出軸はダイアフラムの受圧面に平行であり、第１のダイアフラム２０ａは、流体の流れる方向に向けた動圧導入口から導入された圧力を受圧し、第２のダイアフラム２０ｂは、流体の流れる方向とほぼ直交した方向に向けた静圧導入口から導入された圧力を受圧し、第１及び第２のダイアフラム２０ａ，２０ｂの受圧面側に断熱部６０が設けられたことを特徴としている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に圧電振動素子を感圧素子として用いる流速センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、水圧計、気圧計、差圧計などに圧電振動子を感圧素子として用いた圧力センサーが知られている。圧電振動素子は、例えば、板状の圧電基板上に励振電極や引き出し電極等の電極パターンが形成されて固有の共振周波数で振動する振動部と、振動部の両端に設けられ、ダイアフラムに固定された一対の基部を有し、一対の基部を互いに結ぶ線の方向を力の検出軸とするものである。そして、検出軸の方向に直行する方向から被測定圧力をダイアフラムの受圧部で受圧すると受圧部が撓む。これにより圧電振動子に力が加わると、圧電振動子には検出軸の方向に引張応力が生じるため共振周波数が変化する。共振周波数の変化から被測定圧力の圧力値を検出することができる。
【０００３】
このような圧力センサーの一例として特許文献１の圧力センサーが知られている。特許文献１に開示の圧力センサーは、両端に開口部を有すると共に当該開口部同士が連通する第１のケース部と、該第１のケース部の両端の開口部を密閉して、内部に密閉空間を形成すると共に、外側から中心部に第１接合部と薄肉部と第１保持部と第１中央板部とする第１及び第２のダイアフラム部と、第１及び第２のダイアフラム部の夫々の第１及び第２保持部に搭載された第１及び第２双音叉振動片とから構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２４３２７６号公報
【特許文献２】特開平６−６６６５６号公報
【特許文献３】特開平８−８６７９９号公報
【特許文献４】特開平８−１４６０２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような圧力センサーを用いて河川、堰、ダム、水路等の流体の流速を測定する場合、特許文献２乃至４に開示されているように、流体中に曝される筐体の中に前記圧力センサーを収容し、前記２つのダイアフラムの受圧面に、それぞれ、動圧Ｐａを導入する動圧導入口を供えた第１のキャップと、静圧Ｐｂを導入する静圧導入口を供えた第２のキャップと、を取り付ける構成となる。前述の通りこの圧力センサーは、２つのダイアフラムで夫々受圧した動圧Ｐａと静圧Ｐｂを検出している。
【０００６】
しかし、流体の流速を測定するために流速センサーを水中へ配置するとき、流速センサーの流速検出精度に関して、水中における水温の温度変化に応じて、感圧素子が収容された容器内部の雰囲気の温度が変化する追従性には限界がある。このため、流体の温度と容器内雰囲気の温度との差が生じて、圧力変化に伴う感圧素子の発振周波数を正確に測定することができないという問題があった。流速センサーを水中に配置した後、ハウジング内の温度が安定するまでの所定の間、流速を測定することができなかった。
【０００７】
そこで本発明は、上記従来技術の問題点に着目し、測定環境の温度変化による測定誤差を回避できる流速センサーを提供することを目的としている。また本発明は、測定環境の温度変化の影響を受けずにハウジング内部の温度を設定温度に維持することができる流速センサーを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。
［適用例１］流体の中に曝される筐体と、当該筐体に設けられた第１の収容空間及び第２の収容空間と、前記筐体の先端部に設けられた動圧導入口と、前記筐体の側面部に設けられた静圧導入口と、を備え、前記動圧導入口を前記流体の流れる方向に向け、前記静圧導入口を前記流体の流れる方向とほぼ直交した方向に向けてなる流速センサーであって、前記第１の収容空間の第１の開口部を封止する第１のダイアフラムと、前記第２の収容空間の第２の開口部を封止する第２のダイアフラムと、前記第１の収容空間に収容され、第１の感圧部と、当該第１の感圧部の両端に接続される一対の第１の基部と、を有し、前記一対の第１の基部を結ぶ方向を第１の検出軸とする第１の感圧素子と、前記第２の収容空間に収容され、第２の感圧部と、当該第２の感圧部の両端に接続される一対の第２の基部と、を有し、前記一対の第２の基部を結ぶ方向を第２の検出軸とする第２の感圧素子と、を有し、前記第１の感圧素子は、前記第１の基部を前記第１のダイアフラムの支持部に接続し、前記第１の検出軸は前記第１のダイアフラムの受圧面に平行であり、前記第２の感圧素子は、前記第２の基部を前記第２のダイアフラムの支持部に接続し、前記第２の検出軸は前記第２のダイアフラムの受圧面に平行であり、前記第１のダイアフラムは、前記動圧導入口から導入された圧力を受圧し、前記第２のダイアフラムは、前記静圧導入口から導入された圧力を受圧し、前記第１及び第２のダイアフラムの受圧面側に断熱部が設けられたことを特徴とする流速センサー。
上記構成により、動圧導入口又は静圧導入口から導入された圧力が加わるダイアフラムの受圧面に対して断熱部で熱伝導を遮断して、収容空間の雰囲気の温度が水温の温度変化の影響を受け難くすることができる。感圧素子が水温の温度変化の影響を受けることなく、圧力変化に伴う発振周波数の変化を正確に測定することができる。
【０００９】
［適用例２］前記筐体の側壁に断熱層を設けたことを特徴とする適用例１に記載の流速センサー。
上記構成により、筐体に形成した断熱層で熱伝導を遮断して、側面からの流体の温度変化の影響を回避することができる。従って、温度変化の影響を受けることなく圧力変化に伴う発振周波数の変化を正確に測定することができる。
【００１０】
［適用例３］前記第１の感圧素子は、前記一対の第１の基部の少なくとも何れか一方の基部に一体化された第１の温度検出用感圧素子を有し、前記第２の感圧素子は、前記一対の第２の基部の少なくとも何れか一方の基部に一体化された第２の温度検出用感圧素子を有し、前記第１及び第２の温度検出用感圧素子の検出値に基づいて前記第１及び第２の感圧素子の温度特性を補正する温度補償回路を備えたことを特徴とする適用例１又は適用例２に記載の流速センサー。
これにより、温度変化による誤差を補正して、動圧導入口又は静圧導入口から導入された圧力の圧力検出精度を上げて圧力感度を改善することができる。
【００１１】
［適用例４］前記第１及び第２の収容空間に設置したヒータ抵抗と、前記第１及び第２の温度検出用感圧素子の検出値に基づいて前記第１及び第２の収容空間の室内温度を制御する温度制御回路と、を備えたことを特徴とする適用例３に記載の流速センサー。
上記構成により、第１及び又は第２の収容空間の内部空間を所定の設定温度に維持することができる。従って、温度変化の影響を受けることがなく、圧力変化に伴う発振周波数の変化を正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態に係る流速センサーの構成概略を示す断面図である。
【図２】第１実施形態に係る流速センサーの構成概略を示す部分分解斜視図である。
【図３】本発明の流速センサーを用いた測定方法の説明図である。
【図４】第１実施形態の流速センサーを流体中に設置した一例図である。
【図５】第２実施形態に係る流速センサーの構成概略を示す断面図である。
【図６】第３実施形態に係る流速センサーの構成概略を示す断面図である。
【図７】第３実施形態に係る流速センサーの構成概略を示す部分分解斜視図である。
【図８】第４実施形態に係る流速センサーの構成概略を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の流速センサーの実施形態を添付の図面を参照しながら、以下詳細に説明する。図１は第１実施形態に係る流速センサーの構成概略を示す断面図である。図２は第１実施形態に係る流速センサーの構成概略を示す部分断面斜視図である。第１実施形態に係る流速センサー１０は、ハウジング１２と、ダイアフラム２０と、隔壁１３と、感圧素子４０と、発振回路５０と、キャップ５２と、を主な基本構成としている。
【００１４】
ハウジング１２は、円筒形状の容器であり、両端面に後述する一対のダイアフラム２０の周縁部２０ｅを支持する第１及び第２の開口部１７ａ，１７ｂが設けられている。ハウジング１２は、流体の中に曝される筐体としての役割をなしている。また、ハウジング１２は、内部の中央に端面と平行な隔壁１３を形成している。これにより、ハウジング１２の断面は、図示のように略Ｈ型形状に形成されている。ハウジング１２は、隔壁１３によって容器内が二分割されて、第１及び第２の収容空間１４，１５が形成される。なおハウジング１２は、ステンレス等の金属で形成することが好ましい。隔壁１３は、ハウジング１２と同一の金属で形成することが好ましく、溶接等によりハウジング１２に形成することができる。
【００１５】
ダイアフラム２０は、ハウジング１２の第１及び第２の開口部１７ａ，１７ｂを封止している。ダイアフラム２０は、ハウジング１２の外部に面した一方の主面が受圧面２２となっており、前記受圧面２２が被測定圧力環境（例えば液体）の圧力を受けて撓み変形する薄肉部２０ｃを有し、当該薄肉部２０ｃがハウジング１２内部側又は外部側に撓み変形することにより感圧素子４０に引張力を伝達するものである。ダイアフラム２０は、第１及び第２のダイアフラム２０ａ，２０ｂから構成されている。
【００１６】
第１及び第２のダイアフラム２０ａ，２０ｂは、それぞれ、外部からの圧力によって撓み変形する薄肉部２０ｃと、前記薄肉部２０ｃの外周に前記薄肉部２０ｃよりも厚肉であって、ハウジング１２に形成された開口の内壁に接合し、外部からの圧力により撓み変形しない周縁部２０ｅと、を有している。また薄肉部２０ｃには、薄肉部２０ｃよりも厚肉となる一対の支持部２０ｄが形成されている。一対の支持部２０ｄは、ダイアフラム２０の重心に対して対称となる位置に形成されている。
【００１７】
ダイアフラム２０の材質は、ステンレスのような金属やセラミックなどの耐腐食性に優れたものがよい。例えば金属で形成する場合は、金属母材をプレス加工して形成すればよい。なお、ダイアフラム２０は、液体やガス等により腐食しないように、外部に露出する表面をコーティングしてもよい。例えば、金属製のダイアフラム２０であれば、ニッケルの化合物をコーティングしてもよい。また、周縁部２０ｅとハウジング１２は、溶接等により接続することができる。
【００１８】
感圧素子４０は、感圧部となる振動腕４０ｅとその両端に形成された第１の基部４０ｃと第２の基部４０ｄを有し、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の圧電材料により形成されている。感圧素子４０は第１及び第２の感圧素子４０ａ，４０ｂから構成されている。第１及び第２の感圧素子４０ａ，４０ｂは、それぞれ第１及び第２のダイアフラム２０ａ，２０ｂの一対の支持部２０ｄに接続させている。感圧素子４０は、その長手方向、すなわち第１の基部４０ｃと第２の基部４０ｄを並ぶ検出軸がダイアフラム２０の受圧面と平行になるように配置されている。このように感圧素子４０は一対の支持部２０ｄにより固定されているため、感圧素子４０はダイアフラム２０の変位による力を受けても、検出軸方向以外の方向に曲がることが無いので、検出軸方向の変位がそのまま感圧素子に作用して、感圧素子４０の検出軸方向の感度の低下を抑制することができる。
【００１９】
そして、感圧素子４０の振動腕４０ｅには励振電極（不図示）が形成され、励振電極（不図示）と電気的に接続する電極部（不図示）を有する。感圧素子４０は、後述する発振回路（ＩＣ）５０から供給される交流電圧により、固有の共振周波数で振動する。そして感圧素子４０は、その長手方向から引張応力を受けることにより共振周波数が変動する。本実施形態においては感圧部となる振動腕４０ｅとして双音叉型振動子を適用することができる。双音叉型振動子は、振動腕４０ｅである前記２つの振動ビームに引張応力が印加されると、その共振周波数が印加される応力にほぼ比例して変化するという特性がある。そして双音叉型圧電振動片は、厚みすべり振動子などに比べて、引張応力に対する共振周波数の変化が極めて大きく共振周波数の可変幅が大きいので、わずかな圧力差を検出するような分解能力に優れる圧力センサーにおいては好適である。双音叉型圧電振動子は、引張応力を受けると振動腕の振幅幅が小さくなるので共振周波数が高くなる。
【００２０】
また本実施形態においては２つの振動ビームを有する感圧部のみならず、一本の振動ビーム（シングルビーム）からなる感圧部を適用することができる。感圧部（振動腕４０ｅ）をシングルビーム型の振動子として構成すると、長手方向（検出軸方向）から同一の応力を受けた場合、その変位が２倍になるため、双音叉の場合よりさらに高感度な圧力センサーとすることができる。なお、上述の圧電材料のうち、双音叉型またはシングルビーム型の圧電振動子の圧電基板用としては温度特性に優れた水晶が望ましい。
【００２１】
発振回路５０は、感圧素子４０を発振させる回路である。発振回路５０は第１及び第２の発振回路５０ａ，５０ｂから構成されており、それぞれ隔壁１３の一方及び他方の主面１３ａ，１３ｂに取り付けている。第１及び第２の発振回路５０ａ，５０ｂは、それぞれボンディングワイヤ（不図示）等を介して、第１及び第２の感圧素子４０ａ，４０ｂと電気的に接続し、感圧素子４０を発振させることができる。
【００２２】
キャップ５２は、ハウジング１２と略同一径となるように形成した皿状の容器である。キャップ５２は、第１及び第２のキャップ５２ａ，５２ｂから構成されており、第１及び第２のダイアフラム２０ａ，２０ｂの受圧面２２を覆うようにハウジング１２に取り付けられている。なお、第１及び第２のキャップ５２ａ，５２ｂの取り付け方法は、接続箇所に雄ねじ部と雌ねじ部を形成して螺合する構造や、溶接手段、接着手段等を適用することができる。
【００２３】
第１のキャップ５２ａは、動圧が導入される動圧導入口５４が形成されている。本実施形態の動圧導入口５４は、第１のダイアフラム２０ａの受圧面２２と対向する壁面に１つ形成している。なお、動圧導入口５４は、流体の上流側に向く方向であれば第１のキャップ５２ａのいずれかの場所でよい。第２のキャップ５２ｂは、静圧が導入される静圧導入口５６が形成されている。本実施形態の静圧導入口５６は、第２のダイアフラム２０ｂの受圧面２２と垂直となる壁面に２つ形成している。なお、静圧導入口５６は、動圧が導入されなければ第２のキャップ５２ｂのいずれかの場所でよい。
【００２４】
また、第１及び第２のダイアフラム２０ａ，２０ｂの受圧面には、断熱部６０となるシリコンオイルを塗布している。断熱部６０の形成方法は動圧導入口５４又は静圧導入口５６から充填して形成することができる。またはハウジング１２に第１及び第２のキャップ５２ａ，５２ｂを接続させる前段で、ダイアフラム２０の受圧面に断熱部６０を形成し、その後、第１及び第２のキャップ５２ａ，５２ｂをハウジング１２に取り付けるようにしてもよい。
【００２５】
なお断熱部６０は、シリコンオイルの他にも、熱伝達係数が低く、水と混ざり合うことがなく、ダイアフラム２０の受圧面を覆うことができる物質であれば、これに限らず、シリコン樹脂等を適用しても良い。
【００２６】
上記構成による第１実施形態の流速センサー１０は、ハウジング１２の開口を一対のダイアフラム２０で閉塞し、中央部を隔壁１３で分割している。このため、第１の収容空間１４の内部には、第１のダイアフラム２０ａと第１の感圧素子４０ａが配置され、第２の収容空間１５の内部には、第２のダイアフラム２０ｂと第２の感圧素子４０ｂが配置され、第１及び第２の収容空間１４，１５が互いに分離した密閉空間となる。なお、第１及び第２の収容空間１４，１５の内部は減圧させることにより、感圧素子の測定精度を向上させることができる。
【００２７】
上記構成による第１実施形態の流速センサー１０の作用について以下説明する。図３は本発明の流速センサーを用いた測定方法の説明図である。第１実施形態の流速センサー１０の動圧導入口５４が河川等の水（流体）の流れる方向に向くように安定した状態で設置する。このとき静圧導入口５６は流体の流れる方向とほぼ直交した方向に向いた位置に設置される。流速センサー１０の動圧導入口５４は、開口から第１のキャップ５２ａ内に水が導入されて、室内に生じた圧力が第１のダイアフラム２０ａに加わる。この圧力により、第１の感圧素子４０ａには、引張力が作用し、内部に生じた引張応力で素子の発振周波数が変化する。この変化量を検出することにより圧力を検出することができる。
【００２８】
一方、流速センサー１０の静圧導入口５６は、直線上に２つの開口が形成され、開口から第２のキャップ５２ｂ内に水が流入する。第２のキャップ５２ｂ内では、室内に生じた圧力が第２のダイアフラム２０ｂに加わる。これにより、第２の感圧素子４０ｂには、引張力が作用し、この力により内部に生じた引張応力によって素子の発振周波数が変化する。この変化量を検出することにより圧力を検出することができる。
【００２９】
得られた圧力の差分を求めることにより、動圧が求まり、以下に示すベルヌーイの定理により流体の流速を求めることができる。
流体に大気圧が付加されている場合の流速は、
Ｐａ：動圧導入口から導入され、第１のダイアフラムで受圧する圧力
Ｐｂ：静圧導入口から導入され、第２のダイアフラムで受圧する圧力
Ｐ０：大気圧
Ｐ１：静圧
Ｐ２：動圧
Ｖ：流体の速度
ｇ：重力加速度
ｗ：流体の単位重量
とすると、
【数１】
【数２】
【００３０】
ここで、流体が水であれば、水の密度は１であるから、
ｗ＝１
より、
【数３】
【数４】
従って
【数５】
【００３１】
ここで、動圧孔の形状による補正係数をｋとすると、
流速Ｖは、
【数６】
により求めることができる。
【００３２】
また、流体に大気圧が付加されていない場合の流速は、
【数７】
【数８】
【００３３】
ここで、流体が水であれば、水の密度は１であるから、
ｗ＝１
より、
【数９】
【数１０】
従って
【数１１】
【００３４】
ここで、動圧孔の形状による補正係数をｋとすると、
流速Ｖは、
【数１２】
により求めることができる。
【００３５】
上記構成による第１実施形態の流速センサー１０によれば、センサー本体を水流の中に設置して水温の温度変化が生じた場合、流体と直に接触するダイアフラム２０の受圧面２２から伝わる温度変化が断熱部６０によって遮断されハウジング１２内の収容空間１８へ熱伝導が起こらない。よって動圧と静圧を測定するときに水温の温度変化が生じても断熱部６０を介して熱を遮断することができる。これにより水温の温度変化の影響を感圧素子４０が受けることがなく、圧力変化に伴う発振周波数の変化を正確に測定することができる。
【００３６】
図４は第１実施形態の流速センサーを流体中に設置した一例図である。
図示のように、流速センサー１０は筐体１１０の内部に設けられている。筐体１１０は、全体形状を流線型とし、後端部に尾翼１１２が設けられている。筐体１１０の先端部には、流体の流れる方向に向けて動圧導入口１１４が設けられている。また筐体１１０の側面部には、流体の流れる方向とほぼ直行した方向に向けて静圧導入口１１６が設けられている。一方、流体センサーの第１及び第２のキャップ５２ｃ，５２ｄは、第１又は第２ダイアフラム２０ａ，２０ｂの受圧面と対向する壁面に一つの開口を設けている。動圧導入口１１４には、流速センサー１０の第１のキャップ５２ｃに接続している配管１１８が設けられている。静圧導入口１１６には、流速センサー１０の第２のキャップ５２ｄと接続している配管１１９が設けられている。このような構成による流速センサー１０は、筐体１１０を流体中に曝すと、先端部が上流側を向いて、尾翼１１２側が下流側を向くように配置される。このとき動圧導入口１１４は、流体中の流れに向けて配置され、静圧導入口１１６は、流体の流れに対してほぼ直行した方向に向けて配置され易くなる。従って動圧導入口又は静圧導入口から導入された圧力を第１又は第２ダイアフラム２０ａ，２０ｂで検出することができる。
【００３７】
図５は第２実施形態に係る流速センサーの構成概略を示す断面図である。
第２実施形態に係る流速センサー１００は、ハウジング１２０の側壁に断熱層７０を形成している。その他の構成は第１実施形態に係る流速センサー１０と同一の構成であり、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３８】
第２実施形態の流速センサー１００は、ハウジング１２０の側面に断熱層７０となる円筒状の密閉空間を形成し、この密閉空間内を真空に保持している。このため、ハウジング１２０の内側と外側の間で、真空の密閉空間が断熱材の役割を担って熱伝導が生じない。従って、流速センサー１００の測定環境の温度変化で感圧素子４０の発振周波数の変化が起こることがなく、正確な圧力測定を行うことができる。
【００３９】
上記構成による第２実施形態の流速センサー１００によれば、センサー本体を水流の中に設置して水温の温度変化が生じた場合、流体と直に接触するダイアフラム２０の受圧面２２からの温度変化が断熱部６０によって遮断され、また、ハウジング１２０の側面からの温度変化が断熱層７０によって遮断されて、熱伝導が起こらない。従って動圧と静圧を測定するときに、水温の温度変化が生じてもハウジング１２の断熱部６０、断熱層７０を介して熱を遮断することができる。これにより感圧素子４０が測定環境の温度変化の影響を受けることがなく、圧力変化に伴う発振周波数の変化を正確に測定することができる。
【００４０】
図６は第３実施形態に係る流速センサーの構成概略を示す断面図である。図７は第３実施形態に係る流速センサーの構成概略を示す部分分解斜視図である。第３実施形態に係る流速センサー２００は、第１及び第２の収容空間１４，１５内に温度センサーを取り付けている。その他の構成は、第２実施形態の流速センサー１００の構成と同一であり、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４１】
第３実施形態に係る流速センサー２００は、圧力検出用の第１及び第２の感圧素子４０ａ，４０ｂに温度検出用感圧素子８０を一体化させている。第１の感圧素子４０ａは、一対の基部４０ｃ、４０ｄの少なくとも何れか一方の基部（本実施形態では基部４０ｄ）と一体的に形成され、第１の収容空間１４の温度変化により共振周波数が変化する第１の温度検出用感圧素子８０ａを備えている。また第２の感圧素子４０ｂは、一対の基部４０ｃ、４０ｄの少なくとも何れか一方の基部（本実施形態では基部４０ｄ）と一体的に形成され、第２の収容空間１５の温度変化により共振周波数が変化する第２の温度検出用感圧素子８０ｂを備えている。このような構成の第１及び第２の温度検出用感圧素子８０ａ，８０ｂには、ダイアフラム２０の可撓部２０ｄの撓みによる応力は加わらない構成としている。なお、第１及び第２の温度検出用感圧素子８０ａ，８０ｂには素子を発振させる発振回路（不図示）がそれぞれ取り付けられている。
【００４２】
また、第１及び第２の収容空間１４，１５には、温度補償回路８２が取り付けられている。温度補償回路８２は、第１及び第２の温度補償回路８２ａ，８２ｂから構成されている。第１及び第２の温度補償回路８２ａ，８２ｂは、隔壁１３の一方及び他方の主面１３ａ，１３ｂに取り付けられている。温度補償回路８２は、第１及び第２の温度検出用感圧素子８０ａ，８０ｂの測定値に基づいて、圧力検出用の第１及び第２の感圧素子４０ａ，４０ｂの温度特性の補正を行っている。なお、温度補償回路８２は、温度検出用感圧素子８０を発振させるための発振回路とともに、発振回路５０と一体に形成した構成としても良い。
【００４３】
上記構成による第３実施形態の流速センサー２００は、動圧導入口又は静圧導入口から導入された圧力を測定する際、第１及び第２の収容空間１４，１５内の温度を第１及び第２の温度検出用感圧素子８０ａ，８０ｂにより検出している。この温度測定値が温度補償回路８２に入力されて、収容容器１４，１５の設定温度又は初期温度と測定温度の差分に基づいて、圧力検出用の第１及び第２の感圧素子４０ａ，４０ｂの周波数温度特性を補正している。
【００４４】
このような第３実施形態の流速センサー２００によれば、温度変化による誤差を補正して、動圧と静圧の圧力検出精度を上げて圧力感度を改善することができる。また、温度センサーの取り付けが容易となり、センサー全体を小型化することができる。
なお、第１実施形態の流速センサー１０に本実施形態の温度検出用感圧素子８０と温度補償回路８２を適用する構成としても良い。
【００４５】
図８は第４実施形態に係る流速センサーの構成概略を示す断面図である。
第４実施形態に係る流速センサー３００は、第１及び第２の収容空間１４，１５内にヒータ抵抗９０及び温度制御回路９２を取り付けている。その他の構成は、第３実施形態の流速センサー２００の構成と同一であり、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４６】
第４実施形態の流速センサー３００は、隔壁１３の一方の主面１３ａに、第１のヒータ抵抗９０ａと第１の温度制御回路９２ａを取り付けている。また隔壁１３の他方の主面１３ｂに、第２のヒータ抵抗９０ｂと第２の温度制御回路９２ｂを取り付けている。ヒータ抵抗９０は、一例としてセラミック抵抗素子を用いることができる。第１の温度制御回路９２ａは、第１のヒータ抵抗９０ａと、第１の温度検出用感圧素子８０ａと、第１の発振回路５０ａと電気的に接続させている。第２の温度制御回路９２ｂは、第２のヒータ抵抗９０ｂと、第２の温度検出用感圧素子８０ｂと、第２の発振回路５０ｂと電気的に接続させている。
【００４７】
上記構成による第４実施形態の流速センサー３００は、ヒータ抵抗９０によって第１及び第２の収容空間１４，１５内部を加熱すると共に、温度検出用感圧素子８０によって第１及び第２の収容空間１４，１５内部の温度を検出している。温度制御回路９２では、測定温度が、予め定めた設定温度の範囲となるようにヒータ抵抗９０のヒータ加熱を制御している。そして、温度補償回路８２では、温度検出用感圧素子８０の測定値に基づいて、前記設定温度の範囲における微小な温度誤差を検知して、感圧素子４０の周波数温度特性を補正している。
これにより、断熱部６０と、断熱層７０によって外部と断熱された第１及び第２の収容空間１４，１５の内部を所定の温度に維持することができる。
【００４８】
このような第４実施形態の流速センサー３００によれば、第１及び第２の収容空間１４，１５の内部空間を所定の設定温度に維持することができる。従って、測定環境の温度変化の影響を受けることがなく、動圧と静圧の圧力変化に伴う発振周波数の変化を正確に測定することができる。またハウジング１２０は、断熱部６０及び断熱層７０により外部からの温度の影響を受け難くなると共に、ヒータ抵抗９０の熱の拡散を抑制することができる。従って、外部の温度変化の影響を受けることがなく、圧力変化に伴う発振周波数の変化を正確に測定することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１０，１００，２００，３００，４００………流速センサー、１２，１２０………ハウジング、１３………隔壁、１３ａ………一方の主面、１３ｂ………他方の主面、１４………第１の収容空間、１５………第２の収容空間、２０………ダイアフラム、２０ａ………第１のダイアフラム、２０ｂ………第２のダイアフラム、２０ｃ………薄肉部、２０ｄ………支持部、２０ｅ………周縁部、２２………受圧面、４０………感圧素子、４０ａ………第１の感圧素子、４０ｂ………第２の感圧素子、４０ｃ………第１の基部、４０ｄ………第２の基部、４０ｅ………振動腕、５０………発振回路、５２………キャップ、５２ａ………第１のキャップ、５２ｂ………第２のキャップ、５４………動圧導入口、５６………静圧導入口、６０………断熱部、７０………断熱層、８０………温度検出用感圧素子、８０ａ………第１の温度検出用感圧素子、８０ｂ………第２の温度検出用感圧素子、８２………温度補償回路、８２ａ………第１の温度補償回路、８２ｂ………第２の温度補償回路、９０………ヒータ抵抗、９０ａ………第１のヒータ抵抗、９０ｂ………第２のヒータ抵抗、９２………温度制御回路、９２ａ………第１の温度制御回路、９２ｂ………第２の温度制御回路。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に圧電振動素子を感圧素子として用いる流速センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、水圧計、気圧計、差圧計などに圧電振動子を感圧素子として用いた圧力センサーが知られている。圧電振動素子は、例えば、板状の圧電基板上に励振電極や引き出し電極等の電極パターンが形成されて固有の共振周波数で振動する振動部と、振動部の両端に設けられ、ダイアフラムに固定された一対の基部を有し、一対の基部を互いに結ぶ線の方向を力の検出軸とするものである。そして、検出軸の方向に直行する方向から被測定圧力をダイアフラムの受圧部で受圧すると受圧部が撓む。これにより圧電振動子に力が加わると、圧電振動子には検出軸の方向に引張応力が生じるため共振周波数が変化する。共振周波数の変化から被測定圧力の圧力値を検出することができる。
【０００３】
このような圧力センサーの一例として特許文献１の圧力センサーが知られている。特許文献１に開示の圧力センサーは、両端に開口部を有すると共に当該開口部同士が連通する第１のケース部と、該第１のケース部の両端の開口部を密閉して、内部に密閉空間を形成すると共に、外側から中心部に第１接合部と薄肉部と第１保持部と第１中央板部とする第１及び第２のダイアフラム部と、第１及び第２のダイアフラム部の夫々の第１及び第２保持部に搭載された第１及び第２双音叉振動片とから構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２４３２７６号公報
【特許文献２】特開平６−６６６５６号公報
【特許文献３】特開平８−８６７９９号公報
【特許文献４】特開平８−１４６０２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような圧力センサーを用いて河川、堰、ダム、水路等の流体の流速を測定する場合、特許文献２乃至４に開示されているように、流体中に曝される筐体の中に前記圧力センサーを収容し、前記２つのダイアフラムの受圧面に、それぞれ、動圧Ｐａを導入する動圧導入口を供えた第１のキャップと、静圧Ｐｂを導入する静圧導入口を供えた第２のキャップと、を取り付ける構成となる。前述の通りこの圧力センサーは、２つのダイアフラムで夫々受圧した動圧Ｐａと静圧Ｐｂを検出している。
【０００６】
しかし、流体の流速を測定するために流速センサーを水中へ配置するとき、流速センサーの流速検出精度に関して、水中における水温の温度変化に応じて、感圧素子が収容された容器内部の雰囲気の温度が変化する追従性には限界がある。このため、流体の温度と容器内雰囲気の温度との差が生じて、圧力変化に伴う感圧素子の発振周波数を正確に測定することができないという問題があった。流速センサーを水中に配置した後、ハウジング内の温度が安定するまでの所定の間、流速を測定することができなかった。
【０００７】
そこで本発明は、上記従来技術の問題点に着目し、測定環境の温度変化による測定誤差を回避できる流速センサーを提供することを目的としている。また本発明は、測定環境の温度変化の影響を受けずにハウジング内部の温度を設定温度に維持することができる流速センサーを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。
［適用例１］流体の中に曝される筐体と、当該筐体に設けられた第１の収容空間及び第２の収容空間と、前記筐体の先端部に設けられた動圧導入口と、前記筐体の側面部に設けられた静圧導入口と、を備え、前記動圧導入口を前記流体の流れる方向に向け、前記静圧導入口を前記流体の流れる方向とほぼ直交した方向に向けてなる流速センサーであって、前記第１の収容空間の第１の開口部を封止する第１のダイアフラムと、前記第２の収容空間の第２の開口部を封止する第２のダイアフラムと、前記第１の収容空間に収容され、第１の感圧部と、当該第１の感圧部の両端に接続される一対の第１の基部と、を有し、前記一対の第１の基部を結ぶ方向を第１の検出軸とする第１の感圧素子と、前記第２の収容空間に収容され、第２の感圧部と、当該第２の感圧部の両端に接続される一対の第２の基部と、を有し、前記一対の第２の基部を結ぶ方向を第２の検出軸とする第２の感圧素子と、を有し、前記第１の感圧素子は、前記第１の基部を前記第１のダイアフラムの支持部に接続し、前記第１の検出軸は前記第１のダイアフラムの受圧面に平行であり、前記第２の感圧素子は、前記第２の基部を前記第２のダイアフラムの支持部に接続し、前記第２の検出軸は前記第２のダイアフラムの受圧面に平行であり、前記第１のダイアフラムは、前記動圧導入口から導入された圧力を受圧し、前記第２のダイアフラムは、前記静圧導入口から導入された圧力を受圧し、前記第１及び第２のダイアフラムの受圧面側に断熱部が設けられたことを特徴とする流速センサー。
上記構成により、動圧導入口又は静圧導入口から導入された圧力が加わるダイアフラムの受圧面に対して断熱部で熱伝導を遮断して、収容空間の雰囲気の温度が水温の温度変化の影響を受け難くすることができる。感圧素子が水温の温度変化の影響を受けることなく、圧力変化に伴う発振周波数の変化を正確に測定することができる。
【０００９】
［適用例２］前記筐体の側壁に断熱層を設けたことを特徴とする適用例１に記載の流速センサー。
上記構成により、筐体に形成した断熱層で熱伝導を遮断して、側面からの流体の温度変化の影響を回避することができる。従って、温度変化の影響を受けることなく圧力変化に伴う発振周波数の変化を正確に測定することができる。
【００１０】
［適用例３］前記第１の感圧素子は、前記一対の第１の基部の少なくとも何れか一方の基部に一体化された第１の温度検出用感圧素子を有し、前記第２の感圧素子は、前記一対の第２の基部の少なくとも何れか一方の基部に一体化された第２の温度検出用感圧素子を有し、前記第１及び第２の温度検出用感圧素子の検出値に基づいて前記第１及び第２の感圧素子の温度特性を補正する温度補償回路を備えたことを特徴とする適用例１又は適用例２に記載の流速センサー。
これにより、温度変化による誤差を補正して、動圧導入口又は静圧導入口から導入された圧力の圧力検出精度を上げて圧力感度を改善することができる。
【００１１】
［適用例４］前記第１及び第２の収容空間に設置したヒータ抵抗と、前記第１及び第２の温度検出用感圧素子の検出値に基づいて前記第１及び第２の収容空間の室内温度を制御する温度制御回路と、を備えたことを特徴とする適用例３に記載の流速センサー。
上記構成により、第１及び又は第２の収容空間の内部空間を所定の設定温度に維持することができる。従って、温度変化の影響を受けることがなく、圧力変化に伴う発振周波数の変化を正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態に係る流速センサーの構成概略を示す断面図である。
【図２】第１実施形態に係る流速センサーの構成概略を示す部分分解斜視図である。
【図３】本発明の流速センサーを用いた測定方法の説明図である。
【図４】第１実施形態の流速センサーを流体中に設置した一例図である。
【図５】第２実施形態に係る流速センサーの構成概略を示す断面図である。
【図６】第３実施形態に係る流速センサーの構成概略を示す断面図である。
【図７】第３実施形態に係る流速センサーの構成概略を示す部分分解斜視図である。
【図８】第４実施形態に係る流速センサーの構成概略を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の流速センサーの実施形態を添付の図面を参照しながら、以下詳細に説明する。図１は第１実施形態に係る流速センサーの構成概略を示す断面図である。図２は第１実施形態に係る流速センサーの構成概略を示す部分断面斜視図である。第１実施形態に係る流速センサー１０は、ハウジング１２と、ダイアフラム２０と、隔壁１３と、感圧素子４０と、発振回路５０と、キャップ５２と、を主な基本構成としている。
【００１４】
ハウジング１２は、円筒形状の容器であり、両端面に後述する一対のダイアフラム２０の周縁部２０ｅを支持する第１及び第２の開口部１７ａ，１７ｂが設けられている。ハウジング１２は、流体の中に曝される筐体としての役割をなしている。また、ハウジング１２は、内部の中央に端面と平行な隔壁１３を形成している。これにより、ハウジング１２の断面は、図示のように略Ｈ型形状に形成されている。ハウジング１２は、隔壁１３によって容器内が二分割されて、第１及び第２の収容空間１４，１５が形成される。なおハウジング１２は、ステンレス等の金属で形成することが好ましい。隔壁１３は、ハウジング１２と同一の金属で形成することが好ましく、溶接等によりハウジング１２に形成することができる。
【００１５】
ダイアフラム２０は、ハウジング１２の第１及び第２の開口部１７ａ，１７ｂを封止している。ダイアフラム２０は、ハウジング１２の外部に面した一方の主面が受圧面２２となっており、前記受圧面２２が被測定圧力環境（例えば液体）の圧力を受けて撓み変形する薄肉部２０ｃを有し、当該薄肉部２０ｃがハウジング１２内部側又は外部側に撓み変形することにより感圧素子４０に引張力を伝達するものである。ダイアフラム２０は、第１及び第２のダイアフラム２０ａ，２０ｂから構成されている。
【００１６】
第１及び第２のダイアフラム２０ａ，２０ｂは、それぞれ、外部からの圧力によって撓み変形する薄肉部２０ｃと、前記薄肉部２０ｃの外周に前記薄肉部２０ｃよりも厚肉であって、ハウジング１２に形成された開口の内壁に接合し、外部からの圧力により撓み変形しない周縁部２０ｅと、を有している。また薄肉部２０ｃには、薄肉部２０ｃよりも厚肉となる一対の支持部２０ｄが形成されている。一対の支持部２０ｄは、ダイアフラム２０の重心に対して対称となる位置に形成されている。
【００１７】
ダイアフラム２０の材質は、ステンレスのような金属やセラミックなどの耐腐食性に優れたものがよい。例えば金属で形成する場合は、金属母材をプレス加工して形成すればよい。なお、ダイアフラム２０は、液体やガス等により腐食しないように、外部に露出する表面をコーティングしてもよい。例えば、金属製のダイアフラム２０であれば、ニッケルの化合物をコーティングしてもよい。また、周縁部２０ｅとハウジング１２は、溶接等により接続することができる。
【００１８】
感圧素子４０は、感圧部となる振動腕４０ｅとその両端に形成された第１の基部４０ｃと第２の基部４０ｄを有し、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の圧電材料により形成されている。感圧素子４０は第１及び第２の感圧素子４０ａ，４０ｂから構成されている。第１及び第２の感圧素子４０ａ，４０ｂは、それぞれ第１及び第２のダイアフラム２０ａ，２０ｂの一対の支持部２０ｄに接続させている。感圧素子４０は、その長手方向、すなわち第１の基部４０ｃと第２の基部４０ｄを並ぶ検出軸がダイアフラム２０の受圧面と平行になるように配置されている。このように感圧素子４０は一対の支持部２０ｄにより固定されているため、感圧素子４０はダイアフラム２０の変位による力を受けても、検出軸方向以外の方向に曲がることが無いので、検出軸方向の変位がそのまま感圧素子に作用して、感圧素子４０の検出軸方向の感度の低下を抑制することができる。
【００１９】
そして、感圧素子４０の振動腕４０ｅには励振電極（不図示）が形成され、励振電極（不図示）と電気的に接続する電極部（不図示）を有する。感圧素子４０は、後述する発振回路（ＩＣ）５０から供給される交流電圧により、固有の共振周波数で振動する。そして感圧素子４０は、その長手方向から引張応力を受けることにより共振周波数が変動する。本実施形態においては感圧部となる振動腕４０ｅとして双音叉型振動子を適用することができる。双音叉型振動子は、振動腕４０ｅである前記２つの振動ビームに引張応力が印加されると、その共振周波数が印加される応力にほぼ比例して変化するという特性がある。そして双音叉型圧電振動片は、厚みすべり振動子などに比べて、引張応力に対する共振周波数の変化が極めて大きく共振周波数の可変幅が大きいので、わずかな圧力差を検出するような分解能力に優れる圧力センサーにおいては好適である。双音叉型圧電振動子は、引張応力を受けると振動腕の振幅幅が小さくなるので共振周波数が高くなる。
【００２０】
また本実施形態においては２つの振動ビームを有する感圧部のみならず、一本の振動ビーム（シングルビーム）からなる感圧部を適用することができる。感圧部（振動腕４０ｅ）をシングルビーム型の振動子として構成すると、長手方向（検出軸方向）から同一の応力を受けた場合、その変位が２倍になるため、双音叉の場合よりさらに高感度な圧力センサーとすることができる。なお、上述の圧電材料のうち、双音叉型またはシングルビーム型の圧電振動子の圧電基板用としては温度特性に優れた水晶が望ましい。
【００２１】
発振回路５０は、感圧素子４０を発振させる回路である。発振回路５０は第１及び第２の発振回路５０ａ，５０ｂから構成されており、それぞれ隔壁１３の一方及び他方の主面１３ａ，１３ｂに取り付けている。第１及び第２の発振回路５０ａ，５０ｂは、それぞれボンディングワイヤ（不図示）等を介して、第１及び第２の感圧素子４０ａ，４０ｂと電気的に接続し、感圧素子４０を発振させることができる。
【００２２】
キャップ５２は、ハウジング１２と略同一径となるように形成した皿状の容器である。キャップ５２は、第１及び第２のキャップ５２ａ，５２ｂから構成されており、第１及び第２のダイアフラム２０ａ，２０ｂの受圧面２２を覆うようにハウジング１２に取り付けられている。なお、第１及び第２のキャップ５２ａ，５２ｂの取り付け方法は、接続箇所に雄ねじ部と雌ねじ部を形成して螺合する構造や、溶接手段、接着手段等を適用することができる。
【００２３】
第１のキャップ５２ａは、動圧が導入される動圧導入口５４が形成されている。本実施形態の動圧導入口５４は、第１のダイアフラム２０ａの受圧面２２と対向する壁面に１つ形成している。なお、動圧導入口５４は、流体の上流側に向く方向であれば第１のキャップ５２ａのいずれかの場所でよい。第２のキャップ５２ｂは、静圧が導入される静圧導入口５６が形成されている。本実施形態の静圧導入口５６は、第２のダイアフラム２０ｂの受圧面２２と垂直となる壁面に２つ形成している。なお、静圧導入口５６は、動圧が導入されなければ第２のキャップ５２ｂのいずれかの場所でよい。
【００２４】
また、第１及び第２のダイアフラム２０ａ，２０ｂの受圧面には、断熱部６０となるシリコンオイルを塗布している。断熱部６０の形成方法は動圧導入口５４又は静圧導入口５６から充填して形成することができる。またはハウジング１２に第１及び第２のキャップ５２ａ，５２ｂを接続させる前段で、ダイアフラム２０の受圧面に断熱部６０を形成し、その後、第１及び第２のキャップ５２ａ，５２ｂをハウジング１２に取り付けるようにしてもよい。
【００２５】
なお断熱部６０は、シリコンオイルの他にも、熱伝達係数が低く、水と混ざり合うことがなく、ダイアフラム２０の受圧面を覆うことができる物質であれば、これに限らず、シリコン樹脂等を適用しても良い。
【００２６】
上記構成による第１実施形態の流速センサー１０は、ハウジング１２の開口を一対のダイアフラム２０で閉塞し、中央部を隔壁１３で分割している。このため、第１の収容空間１４の内部には、第１のダイアフラム２０ａと第１の感圧素子４０ａが配置され、第２の収容空間１５の内部には、第２のダイアフラム２０ｂと第２の感圧素子４０ｂが配置され、第１及び第２の収容空間１４，１５が互いに分離した密閉空間となる。なお、第１及び第２の収容空間１４，１５の内部は減圧させることにより、感圧素子の測定精度を向上させることができる。
【００２７】
上記構成による第１実施形態の流速センサー１０の作用について以下説明する。図３は本発明の流速センサーを用いた測定方法の説明図である。第１実施形態の流速センサー１０の動圧導入口５４が河川等の水（流体）の流れる方向に向くように安定した状態で設置する。このとき静圧導入口５６は流体の流れる方向とほぼ直交した方向に向いた位置に設置される。流速センサー１０の動圧導入口５４は、開口から第１のキャップ５２ａ内に水が導入されて、室内に生じた圧力が第１のダイアフラム２０ａに加わる。この圧力により、第１の感圧素子４０ａには、引張力が作用し、内部に生じた引張応力で素子の発振周波数が変化する。この変化量を検出することにより圧力を検出することができる。
【００２８】
一方、流速センサー１０の静圧導入口５６は、直線上に２つの開口が形成され、開口から第２のキャップ５２ｂ内に水が流入する。第２のキャップ５２ｂ内では、室内に生じた圧力が第２のダイアフラム２０ｂに加わる。これにより、第２の感圧素子４０ｂには、引張力が作用し、この力により内部に生じた引張応力によって素子の発振周波数が変化する。この変化量を検出することにより圧力を検出することができる。
【００２９】
得られた圧力の差分を求めることにより、動圧が求まり、以下に示すベルヌーイの定理により流体の流速を求めることができる。
流体に大気圧が付加されている場合の流速は、
Ｐａ：動圧導入口から導入され、第１のダイアフラムで受圧する圧力
Ｐｂ：静圧導入口から導入され、第２のダイアフラムで受圧する圧力
Ｐ０：大気圧
Ｐ１：静圧
Ｐ２：動圧
Ｖ：流体の速度
ｇ：重力加速度
ｗ：流体の単位重量
とすると、
【数１】
【数２】
【００３０】
ここで、流体が水であれば、水の密度は１であるから、
ｗ＝１
より、
【数３】
【数４】
従って
【数５】
【００３１】
ここで、動圧孔の形状による補正係数をｋとすると、
流速Ｖは、
【数６】
により求めることができる。
【００３２】
また、流体に大気圧が付加されていない場合の流速は、
【数７】
【数８】
【００３３】
ここで、流体が水であれば、水の密度は１であるから、
ｗ＝１
より、
【数９】
【数１０】
従って
【数１１】
【００３４】
ここで、動圧孔の形状による補正係数をｋとすると、
流速Ｖは、
【数１２】
により求めることができる。
【００３５】
上記構成による第１実施形態の流速センサー１０によれば、センサー本体を水流の中に設置して水温の温度変化が生じた場合、流体と直に接触するダイアフラム２０の受圧面２２から伝わる温度変化が断熱部６０によって遮断されハウジング１２内の収容空間１８へ熱伝導が起こらない。よって動圧と静圧を測定するときに水温の温度変化が生じても断熱部６０を介して熱を遮断することができる。これにより水温の温度変化の影響を感圧素子４０が受けることがなく、圧力変化に伴う発振周波数の変化を正確に測定することができる。
【００３６】
図４は第１実施形態の流速センサーを流体中に設置した一例図である。
図示のように、流速センサー１０は筐体１１０の内部に設けられている。筐体１１０は、全体形状を流線型とし、後端部に尾翼１１２が設けられている。筐体１１０の先端部には、流体の流れる方向に向けて動圧導入口１１４が設けられている。また筐体１１０の側面部には、流体の流れる方向とほぼ直行した方向に向けて静圧導入口１１６が設けられている。一方、流体センサーの第１及び第２のキャップ５２ｃ，５２ｄは、第１又は第２ダイアフラム２０ａ，２０ｂの受圧面と対向する壁面に一つの開口を設けている。動圧導入口１１４には、流速センサー１０の第１のキャップ５２ｃに接続している配管１１８が設けられている。静圧導入口１１６には、流速センサー１０の第２のキャップ５２ｄと接続している配管１１９が設けられている。このような構成による流速センサー１０は、筐体１１０を流体中に曝すと、先端部が上流側を向いて、尾翼１１２側が下流側を向くように配置される。このとき動圧導入口１１４は、流体中の流れに向けて配置され、静圧導入口１１６は、流体の流れに対してほぼ直行した方向に向けて配置され易くなる。従って動圧導入口又は静圧導入口から導入された圧力を第１又は第２ダイアフラム２０ａ，２０ｂで検出することができる。
【００３７】
図５は第２実施形態に係る流速センサーの構成概略を示す断面図である。
第２実施形態に係る流速センサー１００は、ハウジング１２０の側壁に断熱層７０を形成している。その他の構成は第１実施形態に係る流速センサー１０と同一の構成であり、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３８】
第２実施形態の流速センサー１００は、ハウジング１２０の側面に断熱層７０となる円筒状の密閉空間を形成し、この密閉空間内を真空に保持している。このため、ハウジング１２０の内側と外側の間で、真空の密閉空間が断熱材の役割を担って熱伝導が生じない。従って、流速センサー１００の測定環境の温度変化で感圧素子４０の発振周波数の変化が起こることがなく、正確な圧力測定を行うことができる。
【００３９】
上記構成による第２実施形態の流速センサー１００によれば、センサー本体を水流の中に設置して水温の温度変化が生じた場合、流体と直に接触するダイアフラム２０の受圧面２２からの温度変化が断熱部６０によって遮断され、また、ハウジング１２０の側面からの温度変化が断熱層７０によって遮断されて、熱伝導が起こらない。従って動圧と静圧を測定するときに、水温の温度変化が生じてもハウジング１２の断熱部６０、断熱層７０を介して熱を遮断することができる。これにより感圧素子４０が測定環境の温度変化の影響を受けることがなく、圧力変化に伴う発振周波数の変化を正確に測定することができる。
【００４０】
図６は第３実施形態に係る流速センサーの構成概略を示す断面図である。図７は第３実施形態に係る流速センサーの構成概略を示す部分分解斜視図である。第３実施形態に係る流速センサー２００は、第１及び第２の収容空間１４，１５内に温度センサーを取り付けている。その他の構成は、第２実施形態の流速センサー１００の構成と同一であり、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４１】
第３実施形態に係る流速センサー２００は、圧力検出用の第１及び第２の感圧素子４０ａ，４０ｂに温度検出用感圧素子８０を一体化させている。第１の感圧素子４０ａは、一対の基部４０ｃ、４０ｄの少なくとも何れか一方の基部（本実施形態では基部４０ｄ）と一体的に形成され、第１の収容空間１４の温度変化により共振周波数が変化する第１の温度検出用感圧素子８０ａを備えている。また第２の感圧素子４０ｂは、一対の基部４０ｃ、４０ｄの少なくとも何れか一方の基部（本実施形態では基部４０ｄ）と一体的に形成され、第２の収容空間１５の温度変化により共振周波数が変化する第２の温度検出用感圧素子８０ｂを備えている。このような構成の第１及び第２の温度検出用感圧素子８０ａ，８０ｂには、ダイアフラム２０の可撓部２０ｄの撓みによる応力は加わらない構成としている。なお、第１及び第２の温度検出用感圧素子８０ａ，８０ｂには素子を発振させる発振回路（不図示）がそれぞれ取り付けられている。
【００４２】
また、第１及び第２の収容空間１４，１５には、温度補償回路８２が取り付けられている。温度補償回路８２は、第１及び第２の温度補償回路８２ａ，８２ｂから構成されている。第１及び第２の温度補償回路８２ａ，８２ｂは、隔壁１３の一方及び他方の主面１３ａ，１３ｂに取り付けられている。温度補償回路８２は、第１及び第２の温度検出用感圧素子８０ａ，８０ｂの測定値に基づいて、圧力検出用の第１及び第２の感圧素子４０ａ，４０ｂの温度特性の補正を行っている。なお、温度補償回路８２は、温度検出用感圧素子８０を発振させるための発振回路とともに、発振回路５０と一体に形成した構成としても良い。
【００４３】
上記構成による第３実施形態の流速センサー２００は、動圧導入口又は静圧導入口から導入された圧力を測定する際、第１及び第２の収容空間１４，１５内の温度を第１及び第２の温度検出用感圧素子８０ａ，８０ｂにより検出している。この温度測定値が温度補償回路８２に入力されて、収容容器１４，１５の設定温度又は初期温度と測定温度の差分に基づいて、圧力検出用の第１及び第２の感圧素子４０ａ，４０ｂの周波数温度特性を補正している。
【００４４】
このような第３実施形態の流速センサー２００によれば、温度変化による誤差を補正して、動圧と静圧の圧力検出精度を上げて圧力感度を改善することができる。また、温度センサーの取り付けが容易となり、センサー全体を小型化することができる。
なお、第１実施形態の流速センサー１０に本実施形態の温度検出用感圧素子８０と温度補償回路８２を適用する構成としても良い。
【００４５】
図８は第４実施形態に係る流速センサーの構成概略を示す断面図である。
第４実施形態に係る流速センサー３００は、第１及び第２の収容空間１４，１５内にヒータ抵抗９０及び温度制御回路９２を取り付けている。その他の構成は、第３実施形態の流速センサー２００の構成と同一であり、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４６】
第４実施形態の流速センサー３００は、隔壁１３の一方の主面１３ａに、第１のヒータ抵抗９０ａと第１の温度制御回路９２ａを取り付けている。また隔壁１３の他方の主面１３ｂに、第２のヒータ抵抗９０ｂと第２の温度制御回路９２ｂを取り付けている。ヒータ抵抗９０は、一例としてセラミック抵抗素子を用いることができる。第１の温度制御回路９２ａは、第１のヒータ抵抗９０ａと、第１の温度検出用感圧素子８０ａと、第１の発振回路５０ａと電気的に接続させている。第２の温度制御回路９２ｂは、第２のヒータ抵抗９０ｂと、第２の温度検出用感圧素子８０ｂと、第２の発振回路５０ｂと電気的に接続させている。
【００４７】
上記構成による第４実施形態の流速センサー３００は、ヒータ抵抗９０によって第１及び第２の収容空間１４，１５内部を加熱すると共に、温度検出用感圧素子８０によって第１及び第２の収容空間１４，１５内部の温度を検出している。温度制御回路９２では、測定温度が、予め定めた設定温度の範囲となるようにヒータ抵抗９０のヒータ加熱を制御している。そして、温度補償回路８２では、温度検出用感圧素子８０の測定値に基づいて、前記設定温度の範囲における微小な温度誤差を検知して、感圧素子４０の周波数温度特性を補正している。
これにより、断熱部６０と、断熱層７０によって外部と断熱された第１及び第２の収容空間１４，１５の内部を所定の温度に維持することができる。
【００４８】
このような第４実施形態の流速センサー３００によれば、第１及び第２の収容空間１４，１５の内部空間を所定の設定温度に維持することができる。従って、測定環境の温度変化の影響を受けることがなく、動圧と静圧の圧力変化に伴う発振周波数の変化を正確に測定することができる。またハウジング１２０は、断熱部６０及び断熱層７０により外部からの温度の影響を受け難くなると共に、ヒータ抵抗９０の熱の拡散を抑制することができる。従って、外部の温度変化の影響を受けることがなく、圧力変化に伴う発振周波数の変化を正確に測定することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１０，１００，２００，３００，４００………流速センサー、１２，１２０………ハウジング、１３………隔壁、１３ａ………一方の主面、１３ｂ………他方の主面、１４………第１の収容空間、１５………第２の収容空間、２０………ダイアフラム、２０ａ………第１のダイアフラム、２０ｂ………第２のダイアフラム、２０ｃ………薄肉部、２０ｄ………支持部、２０ｅ………周縁部、２２………受圧面、４０………感圧素子、４０ａ………第１の感圧素子、４０ｂ………第２の感圧素子、４０ｃ………第１の基部、４０ｄ………第２の基部、４０ｅ………振動腕、５０………発振回路、５２………キャップ、５２ａ………第１のキャップ、５２ｂ………第２のキャップ、５４………動圧導入口、５６………静圧導入口、６０………断熱部、７０………断熱層、８０………温度検出用感圧素子、８０ａ………第１の温度検出用感圧素子、８０ｂ………第２の温度検出用感圧素子、８２………温度補償回路、８２ａ………第１の温度補償回路、８２ｂ………第２の温度補償回路、９０………ヒータ抵抗、９０ａ………第１のヒータ抵抗、９０ｂ………第２のヒータ抵抗、９２………温度制御回路、９２ａ………第１の温度制御回路、９２ｂ………第２の温度制御回路。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の中に曝される筐体と、
当該筐体に設けられた第１の収容空間及び第２の収容空間と、
前記筐体の先端部に設けられた動圧導入口と、
前記筐体の側面部に設けられた静圧導入口と、
を備え、
前記動圧導入口を前記流体の流れる方向に向け、
前記静圧導入口を前記流体の流れる方向とほぼ直交した方向に向けてなる流速センサーであって、
前記第１の収容空間の第１の開口部を封止する第１のダイアフラムと、
前記第２の収容空間の第２の開口部を封止する第２のダイアフラムと、
前記第１の収容空間に収容され、第１の感圧部と、当該第１の感圧部の両端に接続される一対の第１の基部と、を有し、前記一対の第１の基部を結ぶ方向を第１の検出軸とする第１の感圧素子と、
前記第２の収容空間に収容され、第２の感圧部と、当該第２の感圧部の両端に接続される一対の第２の基部と、を有し、前記一対の第２の基部を結ぶ方向を第２の検出軸とする第２の感圧素子と、
を有し、
前記第１の感圧素子は、前記第１の基部を前記第１のダイアフラムの支持部に接続し、前記第１の検出軸は前記第１のダイアフラムの受圧面に平行であり、
前記第２の感圧素子は、前記第２の基部を前記第２のダイアフラムの支持部に接続し、前記第２の検出軸は前記第２のダイアフラムの受圧面に平行であり、
前記第１のダイアフラムは、前記動圧導入口から導入された圧力を受圧し、
前記第２のダイアフラムは、前記静圧導入口から導入された圧力を受圧し、
前記第１及び第２のダイアフラムの受圧面側に断熱部が設けられたことを特徴とする流速センサー。
【請求項２】
前記筐体の側壁に断熱層を設けたことを特徴とする請求項１に記載の流速センサー。
【請求項３】
前記第１の感圧素子は、前記一対の第１の基部の少なくとも何れか一方の基部に一体化された第１の温度検出用感圧素子を有し、
前記第２の感圧素子は、前記一対の第２の基部の少なくとも何れか一方の基部に一体化された第２の温度検出用感圧素子を有し、
前記第１及び第２の温度検出用感圧素子の検出値に基づいて前記第１及び第２の感圧素子の温度特性を補正する温度補償回路を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の流速センサー。
【請求項４】
前記第１及び第２の収容空間に設置したヒータ抵抗と、
前記第１及び第２の温度検出用感圧素子の検出値に基づいて前記第１及び第２の収容空間の室内温度を制御する温度制御回路と、
を備えたことを特徴とする請求項３に記載の流速センサー。
【請求項１】
流体の中に曝される筐体と、
当該筐体に設けられた第１の収容空間及び第２の収容空間と、
前記筐体の先端部に設けられた動圧導入口と、
前記筐体の側面部に設けられた静圧導入口と、
を備え、
前記動圧導入口を前記流体の流れる方向に向け、
前記静圧導入口を前記流体の流れる方向とほぼ直交した方向に向けてなる流速センサーであって、
前記第１の収容空間の第１の開口部を封止する第１のダイアフラムと、
前記第２の収容空間の第２の開口部を封止する第２のダイアフラムと、
前記第１の収容空間に収容され、第１の感圧部と、当該第１の感圧部の両端に接続される一対の第１の基部と、を有し、前記一対の第１の基部を結ぶ方向を第１の検出軸とする第１の感圧素子と、
前記第２の収容空間に収容され、第２の感圧部と、当該第２の感圧部の両端に接続される一対の第２の基部と、を有し、前記一対の第２の基部を結ぶ方向を第２の検出軸とする第２の感圧素子と、
を有し、
前記第１の感圧素子は、前記第１の基部を前記第１のダイアフラムの支持部に接続し、前記第１の検出軸は前記第１のダイアフラムの受圧面に平行であり、
前記第２の感圧素子は、前記第２の基部を前記第２のダイアフラムの支持部に接続し、前記第２の検出軸は前記第２のダイアフラムの受圧面に平行であり、
前記第１のダイアフラムは、前記動圧導入口から導入された圧力を受圧し、
前記第２のダイアフラムは、前記静圧導入口から導入された圧力を受圧し、
前記第１及び第２のダイアフラムの受圧面側に断熱部が設けられたことを特徴とする流速センサー。
【請求項２】
前記筐体の側壁に断熱層を設けたことを特徴とする請求項１に記載の流速センサー。
【請求項３】
前記第１の感圧素子は、前記一対の第１の基部の少なくとも何れか一方の基部に一体化された第１の温度検出用感圧素子を有し、
前記第２の感圧素子は、前記一対の第２の基部の少なくとも何れか一方の基部に一体化された第２の温度検出用感圧素子を有し、
前記第１及び第２の温度検出用感圧素子の検出値に基づいて前記第１及び第２の感圧素子の温度特性を補正する温度補償回路を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の流速センサー。
【請求項４】
前記第１及び第２の収容空間に設置したヒータ抵抗と、
前記第１及び第２の温度検出用感圧素子の検出値に基づいて前記第１及び第２の収容空間の室内温度を制御する温度制御回路と、
を備えたことを特徴とする請求項３に記載の流速センサー。
【図２】
【図３】
【図４】
【図７】
【図１】
【図５】
【図６】
【図８】
【図３】
【図４】
【図７】
【図１】
【図５】
【図６】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１８９３４９（Ｐ２０１２−１８９３４９Ａ）
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５１０５６（Ｐ２０１１−５１０５６）
【出願日】平成２３年３月９日（２０１１．３．９）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月９日（２０１１．３．９）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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