(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の素子内流路を有するフルイディック素子を備え、このフルイディック素子へのガスの流通によりガスが前記一対の素子内流路を交互に流通して発生する流体振動を検出することによってガス流量を測定するフルイディック式ガスメータに用いられる流体振動検出センサであって、
一枚のダイヤフラム、このダイヤフラムの中央部分が変位可能となるように空隙を介してダイヤフラムの周縁部を両側から挟持する一対の絶縁部材、これらの一対の絶縁部材と一枚のダイヤフラムとの各々の対向面にそれぞれ形成されて静電容量を生じさせる電極、および前記一対の絶縁部材にそれぞれ形成されて前記空隙に連通するガス導入孔を有して構成された静電容量型センサチップと、この静電容量型センサチップのガス導入孔の各々に前記一対の素子内流路の各一方を連通させる連通路と、前記静電容量型センサチップからの信号を電気的に処理する信号処理回路とを備え、
前記連通路は、センサ収納用ケース内に設けられた流体振動導入室を含んで構成され、
前記静電容量型センサチップは、この流体振動導入室内に収納されかつこの流体振動導入室を略同容積の第一室および第二室に区画する仕切板に設けられ、前記静電容量型センサチップの前記各ガス導入孔は第一室および第二室にそれぞれ導通され、
前記センサ収納用ケース内には、前記信号処理回路を収納する処理回路室と、前記静電容量型センサチップを収納する前記流体振動導入室とが気密分離されて設けられていることを特徴とする流体振動検出センサ。
【請求項２】
請求項１に記載した流体振動検出センサにおいて、前記ダイヤフラムはシリコンからなり、前記空隙は前記ダイヤフラムの中央部分の両面に設けられた凹部により構成されていることを特徴とする流体振動検出センサ。
【請求項３】
請求項２に記載した流体振動検出センサにおいて、前記シリコンには不純物が注入されていることを特徴とする流体振動検出センサ。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれかに記載した流体振動検出センサにおいて、前記連通路は、前記流体振動導入室と、前記一方の素子内流路を前記第一室に連通させる第一の導通路と、前記他方の素子内流路を前記第二室に連通させる第二の導通路とを含み、これらの第一の導通路および第二の導通路は略同形状かつ略同容積に形成されていることを特徴とする流体振動検出センサ。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれかに記載した流体振動検出センサにおいて、
前記仕切板は、前記処理回路室内まで延設されかつ前記信号処理回路が組み込まれる回路基板に兼用され、
前記センサ収納用ケースは金属からなることを特徴とする流体振動検出センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フルイディック素子を用いてガスの流量を測定するフルイディック式ガスメータに利用される流体振動検出センサに関する。
【０００２】
【背景技術】
従来より、都市ガス等のガスの流量を測定するガスメータとしてフルイディック式ガスメータが知られている。フルイディック式ガスメータは、一対の素子内流路を有するフルイディック素子を備え、このフルイディック素子へのガスの流通によりガスが一対の素子内流路を交互に流通して発生する流体振動を検出することによってガス流量を測定するものである。流体振動の検出は、ガスの流れる方向が切り替わることによって生じる圧力変動や流量変動を流体の振動回数で検出することにより行われる。
【０００３】
このような流体の振動回数の検出には、各素子内流路に設けられた圧力センサや流量センサが用いられている（特公平８−３４３１号公報および特公平８−３４３２号公報参照）。フルイディック式ガスメータに用いられる圧力センサとしては、二個の圧電素子を利用したものが公知である（特開平６−１８６１０５号公報参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述の公告公報には、圧力センサの具体的構成は示されていない。ところで、フルイディック発振により発生する圧力変動は、通常、数μｍＨ２Ｏ〜数ｍｍＨ２Ｏ程度の極微圧であるため、流体振動の検出に既存の圧力センサをそのまま用いると出力信号に対するノイズの割合が高くなってしまい、高感度な検出が困難であった。
また、流量センサを用いて流量検出する場合には、熱線式流速センサとノズルとの組み合わせにより流量を求めることが行われているが、熱線式流速センサは電力消費が比較的大きいため、電池で駆動することが多いガスメータの用途では実用できるセンサがなかった。
【０００５】
一方、前述の特開平６−１８６１０５号公報に記載された圧電素子を利用した圧力センサは、圧力そのものではなく圧力変化量を測定するものであるため、極微圧、低周波数の流体振動の検出には不向きであった。とくに、圧力変化量が小さくてゆっくり変化するような流体振動の状態（低周波数状態）、つまりガスメータとしてはガスの使用量がごく少ない状態の検出が困難であった。
また、圧電素子を二個使用するため、センサの構造が複雑になるうえに、この二個の特性をそろえて同じ受圧環境下に設けなければならないので製造が困難であった。さらに、フルイディック素子においては、一秒間に１〜数１００回程度の振動数でかつ微圧の流体振動が発生するため、二個のダイヤフラムを用いると、ガスのベース圧力の変動等の影響を受けて位相ずれを起こしやすく、計数を誤る虞れがあった。
【０００６】
本発明の目的は、簡単な構造で容易に製造でき、かつ、極微圧、低周波数の流体振動でも高感度に検出できる流体振動検出センサを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一枚のダイヤフラムの両面に各素子内流路における圧力を導入し、その差圧によるダイヤフラムの変位を静電容量の変化として検出することにより、簡易な構造でかつ感度の高い流体振動検出センサを提供し、これにより前記目的を達成しようとするものである。
具体的には、一対の素子内流路を有するフルイディック素子を備え、このフルイディック素子へのガスの流通によりガスが一対の素子内流路を交互に流通して発生する流体振動を検出することによってガス流量を測定するフルイディック式ガスメータに用いられる流体振動検出センサであって、一枚のダイヤフラム、このダイヤフラムの中央部分が変位可能となるように空隙を介してダイヤフラムの周縁部を両側から挟持する一対の絶縁部材、これらの一対の絶縁部材と一枚のダイヤフラムとの各々の対向面にそれぞれ形成されて静電容量を生じさせる電極、および前記一対の絶縁部材にそれぞれ形成されて前記空隙に連通するガス導入孔を有して構成された静電容量型センサチップと、この静電容量型センサチップのガス導入孔の各々に一対の素子内流路の各一方を連通させる連通路と、静電容量型センサチップからの信号を電気的に処理する信号処理回路とを備え、連通路は、センサ収納用ケース内に設けられた流体振動導入室を含んで構成され、静電容量型センサチップは、この流体振動導入室内に収納されかつこの流体振動導入室を略同容積の第一室および第二室に区画する仕切板に設けられ、静電容量型センサチップの各ガス導入孔は第一室および第二室にそれぞれ導通され、センサ収納用ケース内には、信号処理回路を収納する処理回路室と、静電容量型センサチップを収納する流体振動導入室とが気密分離されて設けられていることを特徴とする。
【０００８】
本発明においては、一枚のダイヤフラムを一対の絶縁部材により空隙を介して両側から挟持するとともに、これらの絶縁部材にそれぞれ空隙に連通するガス導入孔を形成して静電容量型センサチップを構成し、ガス導入孔の各々に一対の素子内流路の各一方を連通させる連通路を設けたため、ダイヤフラムの両側の空隙は、ガス導入孔および連通路によりそれぞれ各素子内流路に連通されて、各素子内流路の圧力がダイヤフラムの両側の空隙にそれぞれ導入される。この際、一対の素子内流路には、フルイディック素子へのガスの流通によりガスが交互に流通するため、これらの素子内流路の差圧によってダイヤフラムが交互に反対方向に変形するようになり、流体の振動回数を一枚のダイヤフラムで検出できるようになる。
【０００９】
本発明では、ダイヤフラムを一枚としたため、二個の圧電素子を用いた従来の圧力センサよりも構造を簡略化できるうえに、二枚の特性や受圧環境を同じに形成する必要がなくなるので容易に製造することができる。
さらに、一枚のダイヤフラムで両方の素子内流路の圧力を受圧するので、静電容量型センサチップにおける可動検出部が一箇所になり、ガスのベース圧力が変動しても位相ずれが生じることがなくなるため、極微圧、低周波数の流体振動でも測定値に誤差が生じることなく高感度に検出することができるうえに、位相ずれの補正が不要となる。
【００１０】
そして、一対の絶縁部材と一枚のダイヤフラムとの各々の対向面にそれぞれ静電容量を生じさせる電極を形成したため、流体振動によるダイヤフラムの変位が静電容量の変化として確実に検出できるようになり、流体の振動回数からガスの積算流量を計量することができるうえ、この振動回数の周波数から（瞬時）流量の測定も可能となる。
これらにより、前記目的が達成される。
静電容量型センサチップをセンサ収納用ケースに設けられた流体振動導入室内に収納すれば、ガスをセンサチップ内に簡単に導入できるうえ、外部の電気的なノイズの影響を回避することができる。
また、静電容量型センサチップは流体振動導入室を略同容積の第一室および第二室に区画する仕切板に設けられ、その各ガス導入孔は第一室および第二室にそれぞれ導通されているため、ダイヤフラムの両側の空間が略同容積となり、ダイヤフラムの両面の受圧環境が略同じにすることができるので、ガスのベース圧力の変動等が生じた場合でも、位相のずれを回避することが可能となり、振動回数の検出感度の低下を防止できる。
センサ収納用ケース内に設けられた処理回路室に信号処理回路を収納すれば、静電容量型センサチップからの信号を近接した場所で処理できるようになり、静電容量型センサチップと信号処理回路との間で受ける外部からのノイズの影響を低減することができる。
また、処理回路室と流体振動導入室とは気密分離されているため、信号処理回路への接ガスを防止でき、信号処理回路を長期にわたり保護できる。さらに、流体振動導入室が処理回路室の容量の影響を受けることがなくなるので、ダイヤフラムの両側の空間を略同容積の状態に維持できるようになり、位相ずれによる誤差の発生を防止することができ、高い感度で流体振動を検出することができる。
【００１１】
また、ダイヤフラムはシリコンからなることが望ましく、空隙はダイヤフラムの中央部分の両面に設けられた凹部により構成されていることが望ましい。
【００１２】
このように、ダイヤフラムをシリコンにより形成すれば、シリコンは微細加工に適しているため、ダイヤフラムを非常に薄く膜厚数μｍ程度に形成できるようになる。従って、極微圧でもダイヤフラムを正確に変位させることが可能となり、感度を向上できる。さらに、空隙をダイヤフラムの中央部分の両面に設けられた凹部により構成すれば、エッチング等により簡単に凹部を形成できる。
【００１３】
そして、凹部を深さ数μｍ程度として、空隙におけるダイヤフラムと絶縁部材との間の距離を小さく形成すれば、低周波数領域のみならず高周波数領域までの広範囲において振動回数の検出が可能となる。すなわち、小空隙の作用により、流体振動の周波数が上がった場合に、ダイヤフラムの変位に伴う各空隙内のガスの排出が行われにくくなる。フルイディック素子の基本原理として、流体振動により素子内流路に生じる差圧は圧力変動の周波数の二乗に比例して大きくなるが、空隙を薄く形成することにより、一定の周波数を超えると、空隙内のガスが十分に排出されない状態でダイヤフラムに圧力がかかるようになるので、高周波数領域ではダイヤフラムが大きく変位することがなくなってその中央部分だけが小さく変位し、或いは、空隙内のダンパ効果によりダイヤフラム全体の変位が小さくなる。
【００１４】
従って、流体振動の周波数が高くなって高圧となった場合でも、ダイヤフラムが変形しすぎて絶縁部材に接触して検出が不可能になったり、差圧出力が大きくなりすぎて検出信号を処理する回路の負荷が過大になったりすることがなく、流体振動の検出感度の低下を防止することができる。このことは、静電容量型センサチップを高い圧力に対応させる必要がなくなるので、低圧力において高感度に形成することができ、このように圧力変動が数μｍＨ２Ｏ程度の極微圧でも検出することができ、広範囲の周波数において感度よく流体の振動回数を検出できる。
なお、高周波数領域におけるダイヤフラムの変位は、中央部分だけが小さく変位するのか、全体の変位が小さくなるのかは、センサチップを構成する各部寸法の寸法比等の構造的要素により異なるものである。
【００１５】
また、シリコンには不純物が注入されていることが望ましい。
これにより、ダイヤフラムに導電性を付与することが可能となり、ダイヤフラムを電極に兼用できるようになるため、ダイヤフラムの表面に別途電極を設ける手間を省略できる。
【００１８】
さらに、連通路は、流体振動導入室と、一方の素子内流路を第一室に連通させる第一の導通路と、他方の素子内流路を第二室に連通させる第二の導通路とを含み、これらの第一の導通路および第二の導通路は略同形状かつ略同容積に形成されていることが望ましい。
【００１９】
このように第一の導通路と第二の導通路とを略同形状かつ略同容積に形成すれば、各素子内流路から第一室および第二室までの経路が略同じ長さかつ略同容積になるため、この経路の違いによってガスのベース圧力の変動等による位相ずれが発生することがなくなり、流体振動を一層高感度に検出することができる。
【００２０】
仕切板は処理回路室内まで延設されかつ信号処理回路が組み込まれる回路基板に兼用され、センサ収納用ケースは金属からなることが望ましい。
【００２１】
センサ収納用ケースは金属からなるため、外部のノイズを確実に遮断することができる。従って、静電容量型センサチップからの出力信号に対するノイズを確実に除去できるようになるため、ＳＮ比（出力信号に対するノイズの比）を高めることができ、フルイディック発振流体振動が低周波数でその発生圧力変動が数μmＨ2Ｏ程度の極微圧の場合でも、感度よく検出することが可能となる。
【００２２】
仕切板は、処理回路室内まで延設されかつ信号処理回路が組み込まれる回路基板に兼用されているので、この仕切板そのものを静電容量型センサチップと信号処理回路とを接続するための配線とすることができ、電線等を別途配設する必要がなくなり、構造が簡略化できるとともに部品点数を削減できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１には、フルイディック式ガスメータ１０が示され、このフルイディック式ガスメータ１０は、箱状に形成され一部が図示される本体１０Ａと、この本体１０Ａの外面に取り付けられる本実施形態の流体振動検出センサ２０とを備えている。
本体１０Ａは、ガスを導入する入口部１１と、この入口部１１から導入されたガスの流れを整える整流部１２と、整流されたガスを通過させて噴流を発生させるノズル１３と、ノズル１３により噴出させたガスを流体振動させるフルイディック素子１４と、このフルイディック素子１４からガスを排出する出口部１５とを含んで構成されている。
【００２４】
フルイディック素子１４は、従来一般のフルイディック式ガスメータ（例えば、特開平７−２３４１４０号公報参照）と同様に、一対の素子内流路１４Ａ，１４Ｂを含んで構成されている。素子内流路１４Ａは、ノズル１３噴出口から出口部１５まで延びる主噴流路１６Ａおよびこの主噴流路１６Ａから分岐してノズル１３噴出口側に帰還するフィードバック流路１７Ａを備え、素子内流路１４Ｂも同様な主噴流路１６Ｂおよびフィードバック流路１７Ｂを備えている。
このようなフルイディック素子１４にガスが流通すると、ガスが一対の素子内流路１４Ａ，１４Ｂを交互に流通するようになり、この流通方向の切り替わりにより発生する流体振動を液体振動検出センサ２０で検出することによってガス流量を測定するようになっている。
なお、フルイディック素子１４は、本実施形態の構造に限定されず、既存の各種フルイディック素子を用いることができる。
【００２５】
流体振動検出センサ２０の本体１０Ａへの取付けは、本体１０Ａの外面におけるフルイディック素子１４内の流れに対し対称な位置とされ、流体振動検出センサ２０は、本体１０の壁面を貫通して設けられた第一の連通孔５３Ａおよび第二の連通孔５３Ｂを介して素子内流路１４Ａ，１４Ｂの各主噴流路１６Ａ，１６Ｂに連通されている。これらの第一および第二の連通孔５３Ａ，５３Ｂは、その各軸方向が主噴流路１６Ａ，１６Ｂの流れに対して直交するように設けられ、互いに略同形状かつ略同容積に形成されている。
【００２６】
流体振動検出センサ２０は、図２に示すように、各主噴流路１６Ａ，１６Ｂの圧力変動を検知する静電容量型センサチップ３０と、この静電容量型センサチップ３０からの信号を電気的に処理する信号処理回路であるＩＣチップ２１と、これらの静電容量型センサチップ３０およびＩＣチップ２１を収納するセンサ収納用ケース４０とを備えている。
【００２７】
静電容量型センサチップ３０は、図３および図４にも示すように、一枚のダイヤフラム３１、このダイヤフラム３１の中央部分が変位可能となるように空隙３２を介してダイヤフラム３１の周縁部を両側から挟持する一対の絶縁部材３３、これらの一対の絶縁部材３３のダイヤフラム３１との対向面にそれぞれ形成された電極３４（図４では厚さを強調して図示）、および一対の絶縁部材３３にそれぞれ形成されて空隙３２に連通するガス導入孔３５を有して構成されている。
【００２８】
ダイヤフラム３１はシリコンからなり、ダイヤフラム３１の中央部分の両面には、空隙３２を構成する平面形状円状の凹部３２Ａがエッチング等により形成され、これらの凹部３２Ａの底面により第一の面３１Ａおよび第二の面３１Ｂが形成されている。凹部３２Ａの寸法は、例えば、直径３〜８ｍｍ、深さ５〜１５μｍである。この凹部３２Ａが設けられたダイヤフラム３１の中央部分の厚さは、例えば、３〜８μｍであり、このようにダイヤフラム３１を極めて薄く形成することにより、低圧力に対して高感度となるようにされている。
ダイヤフラム３１のシリコンには燐（Ｐ）やボロン（Ｂ）等の不純物が拡散法やイオン打ち込み法等により注入されて導電性を有するようにされ、ダイヤフラム３１の第一の面３１Ａおよび第二の面３１Ｂと絶縁部材３３の電極３４とによって静電容量が生じるようにされている。従って、ダイヤフラム３１の第一の面３１Ａおよび第二の面３１Ｂは電極として構成されている。
【００２９】
ダイヤフラム３１を挟持する絶縁部材３３は、耐熱ガラス等のガラスにより形成されている。この絶縁部材３３に設けられた電極３４およびダイヤフラム３１は、後に詳述するセンサ収納用ケース４０内に配置された回路基板兼用の仕切り板４３（図２参照）とボンディングワイヤ３６により電気的に接続されている。
【００３０】
図２に戻って、センサ収納用ケース４０は、半割りの最中の皮状に形成されて互いに向かい合わせとされた一対の金属製（例えば、アルミニウム、鉄、銅、黄銅等）の半割りケース４０Ａ，４０Ｂからなり、これらの半割りケース４０Ａ，４０Ｂはパッキン１９を介して本体１０Ａに取り付けられている。一対の半割りケース４０Ａ，４０Ｂの中間には、プリント基板等から形成されて回路基板と兼用される仕切板４３が介装されている。
【００３１】
また、各半割りケース４０Ａ，４０Ｂの中央部に設けられた隔壁４０Ｃにより、センサ収納用ケース４０には処理回路室４１と流体振動導入室４２とが気密分離されて設けられている。すなわち、流体振動導入室４２の周囲において、仕切板４３と半割りケース４０Ａ，４０Ｂとの間にはエラストマ等からなるシール材４４が介装され、流体振動導入室４２が、外部、具体的には、本体１０Ａ側の外気および処理回路室４１側から気密分離されている。
【００３２】
処理回路室４１にはＩＣチップ２１が収納されている。ＩＣチップ２１は、仕切板４３の処理回路室４１内まで延設された部分に組み込まれ、仕切板４３の所定の配線パターンと電気的に接続されている。これにより、静電容量型センサチップ３０からの電気信号は、回路基板である仕切板４３を介してＩＣチップ２１に伝達されるようになっている。
【００３３】
流体振動導入室４２は、前述の仕切板４３によりその内部を略同容積の第一室４２Ａおよび第二室４２Ｂに区画され、かつ、仕切板４３に設けられた貫通孔４３Ａを介して第二室４２Ｂ側と第一室４２Ａ側とが連通するようにされている。
このような流体振動導入室４２の第一室４２Ａには静電容量型センサチップ３０が収納されている。この静電容量型センサチップ３０は、仕切板４３の第一室４２Ａ側の面にシリコーン樹脂等の接着剤４５により接着されている。静電容量型センサチップ３０の取付けに当たっては、台座等を介して仕切板４３に接合してもよい。
また、第一室４２Ａは、静電容量型センサチップ３０が配置されるため、その静電容量型センサチップ３０の体積分だけ第二室４２Ｂより若干大きく形成されている。
【００３４】
流体振動導入室４２の第一室４２Ａと本体１０Ａに形成された第一の連通孔５３Ａとは、半割りケース４０Ａを貫通して形成された第一の導通孔５４Ａにより連通され、これらの第一の連通孔５３Ａおよび第一の導通孔５４Ａを含んで第一室４２Ａと一方の主噴流路１６Ａとを連通させる第一の導通路５１が構成されている。また、第二室４２Ｂと第二の連通孔５３Ｂとは、半割りケース４０Ｂを貫通して形成された第二の導通孔５４Ｂにより連通され、これらの第二の連通孔５３Ｂおよび第二の導通孔５４Ｂを含んで第二室４２Ｂと他方の主噴流路１６Ｂとを連通させる第二の導通路５２が構成されている。
第一および第二の導通路５１，５２を構成する一対の導通孔５４Ａ，５４Ｂは互いに略同形状かつ同容積に形成され、これにより、第一の導通路５１および第二の導通路５２は略同形状かつ略同容積になっている。
【００３５】
第一室４２Ａおよび第二室４２Ｂは静電容量型センサチップ３０の各絶縁部材３３のガス導入孔３５にそれぞれ導通されている。すなわち、第二室４２Ｂは、仕切板４３の貫通孔４３Ａを通じて仕切板４３側の絶縁部材３３に設けられたガス導入孔３５に導通されている。ここで、静電容量型圧力センサチップ３０を仕切板４３に接着する接着剤４５は、仕切板４３および絶縁部材３３の間の空間を貫通孔４３Ａおよびガス導入孔３５の全周にわたって完全に密閉するものとなっており、前述のシール材４４の作用とも相俟って第一室４２Ａと第二室４２Ｂとは互いに連通しないようにされている。
従って、静電容量型センサチップ３０のガス導入孔３５の各々と一対の主噴流路１６Ａ，１６Ｂとの各一方とは、流体振動導入室４２、第一の導通路５１および第二の導通路５２を含んで構成される連通路５０を介して連通されることとなる。
【００３６】
このような本実施形態のフルイディック式ガスメータ１０の流体振動検出センサ２０は、次のようにしてフルイディック素子１４による流体振動を検出する。
フルイディック素子１４にガスが流通し、ガスの流れが一方の主噴流路１６Ａ側（第一の連通孔５３Ａ側）に切り替わったとき、第一連通孔５３Ａ近傍の流体圧力は第二の連通孔５３Ｂ近傍よりも低くなり、また、他方の主噴流路１６Ｂ側（第二の連通孔５３Ｂ側）に切り替わると、第二の連通孔５３Ｂ近傍の流体圧力は第一の連通孔５３Ａ近傍よりも低くなる。ここで、第一の連通孔５３Ａはセンサ２０の第一の導通孔５４Ａに繋がっており、第二の連通孔５３Ｂは第二の導通孔５４Ｂに繋がっている。
【００３７】
この際、一方の主噴流路１６Ａ側を流れているガス流が他方の主噴流路１６Ｂ側に切り替わる原理は、一方の主噴流路１６Ａを流れているガス流の一部が、フィードバック流路１７Ａに沿って帰還し、ノズル１３からのガス流を他方の主噴流路１６Ｂ側に押しやることによって行われるものである。同様に、他方の主噴流路１６Ｂを流れるガス流も、一方の主噴流路１６Ａのガス流に切り替わることとなる。この交互の切り替わりの速度、すなわち、切り替わりの周波数は、ガス流の速度に比例している。
【００３８】
第一の連通孔５３Ａ近傍の圧力は、第一の導通路５１、第一室４２Ａおよびガス導入孔３５を介してダイヤフラム３１の第一の面３１Ａに導入され、第二の連通孔５３Ｂ近傍の圧力は、第二の導通路５２、第二室４２Ｂ、貫通孔４３Ａおよびガス導入孔３５を介してダイヤフラム３１の第二の面３１Ｂに導入される。従って、主噴流路１６Ａ，１６Ｂの差圧により、ダイヤフラム３１は第一の面３１Ａ側と第二の面３１Ｂ側とに交互に変位するようになり、このダイヤフラム３１の変位により、ダイヤフラム３１と各電極３４との間に生じる静電容量の変化が仕切板４３を介してＩＣチップ２１に送られて処理され、ガス流の切り替わりの回数、すなわち、振動回数に応じてガスの積算流量が計量される。このとき、一枚のダイヤフラム３１の両面である第一の面３１Ａおよび第二の面３１Ｂにそれぞれ主噴流路１６Ａ，１６Ｂの圧力が同時に導入され、その差圧に応じてダイヤフラム３１が変位するので、ガスのベース圧力の変動があっても、一枚のダイヤフラム３１において相殺され、誤動作することがない。
【００３９】
図５において、流体振動によりフルイディック素子１４の一対の主噴流路１６Ａ，１６Ｂのノズル１３噴出口近傍に生じる差圧は、実線Ａで示されるように、流体振動の周波数の二乗に比例して大きくなる。一方、静電容量型センサチップ３０そのものの構造に基づく周波数特性は、破線Ｂで示されるように、低周波数領域（例えば１０Ｈｚ前後迄）では一定の出力特性を示すが、ある一定周波数（前述の１０Ｈｚ前後）を超えると出力特性は周波数に反比例して低下するようになる。これは、流体振動の周波数が上がると、空隙３２におけるダイヤフラム３１と絶縁部材３３との間の距離が短いことにより、ダイヤフラム３１の変位に伴う各空隙３２内のガスの排出が行われにくくなり、ダイヤフラム３１は、その中央部のみが、或いは全体が小さく変位、振動し、あたかもダイヤフラム３１の剛性が増したような挙動をすることとなって、静電容量型センサチップ３０そのものの周波数特性が減衰するからである。しかし、高周波数領域では、実線Ａで示されるように、フルイディック素子１４に生じる差圧は二乗に比例して大きくなるので、静電容量型センサチップ３０そのものの出力特性が低下しても流体振動検出センサ２０から出力される信号は、図５中一点鎖線Ｃで示されるように、実線Ａと破線Ｂとを合成したものとなり、流体振動検出センサ２０の出力Ｃの増加が抑えられる。
【００４０】
このことは、流体振動検出センサ２０としては好都合な特性であり、広帯域の周波数の測定が可能となることを意味する。すなわち、仮に、静電容量型センサチップの特性が周波数の増加に拘わらず一定であるとすると、ダイヤフラムは周波数の増加にともなって大きく振動し、ダイヤフラムが絶縁部材に接触してノイズを生じたり、極端な場合、ダイヤフラムを破損する虞れも生ずることとなる。一方高周波数領域における高圧の振動に対応できるようにダイヤフラムの剛性を増加させると、当然のことながら低周波数領域における極微圧の振動に対するダイヤフラムの振動、換言すると微圧の検出感度が低下して測定が困難となる。従って、センサチップそのものの出力特性が周波数に拘わらず一定であると、低周波の小さな差圧に対応しようとすると高周波の大きな差圧に対応できず、一方、高周波の大きな差圧に対応しようとすると低周波の小さな差圧に対応できない、測定帯域の狭いものとなってしまう。
これに対し、本実施形態の流体振動検出センサ２０では、ある一定周波数以上の高周波数領域では、ダイヤフラム３１の剛性があたかも大きくなったようになるため、１Ｈｚ或いはそれ以下の低周波数領域における小さな差圧を検出可能なように剛性の小さいダイヤフラム３１としても、より高い周波数、例えば、数１００Ｈｚまで検出が可能となる。
【００４１】
このような本実施形態によれば、以下のような効果がある。
すなわち、ダイヤフラム３１を一枚としたため、二枚のダイヤフラムを用いた従来の圧力センサよりも構造を簡略化できるうえに、二枚の特性や受圧環境を同じに形成する必要がなくなるので容易に製造することができる。
さらに、一枚のダイヤフラム３１で両方の主噴流路１６Ａ，１６Ｂの圧力を受圧するので、静電容量型センサチップ３０における可動検出部が一箇所になり、ガスのベース圧力の変動による位相ずれが生じることがなくなるため、極微圧、低周波数の流体振動でも誤動作なく高感度に検出することができるうえに、位相ずれの補正が不要となる。
【００４２】
そして、一対の絶縁部材３３のダイヤフラム３１との対向面にそれぞれ静電容量を生じさせる電極３４を形成したため、流体振動によるダイヤフラム３１の変位が静電容量の変化として確実に検出できるようになり、流体の振動回数からガスの積算流量を計量することができる。
【００４３】
また、ダイヤフラム３１をシリコンにより形成したため、ダイヤフラム３１の中央の受圧部分を例えば膜厚３〜８μｍというように非常に薄く形成することができる。従って、極微圧でもダイヤフラム３１を変位させることが可能となり、検出感度を向上できる。さらに、空隙３２をダイヤフラム３１の中央部分の両面に設けられた凹部３２Ａにより構成したため、エッチング等により簡単に凹部３２Ａを形成できる。
【００４４】
そして、凹部３２Ａを、例えば深さ５〜１５μｍとして空隙３２におけるダイヤフラム３１と絶縁部材３３との間の距離を小さく形成したので、流体振動が一定の周波数を超えると、センサチップ３０内のガスの抜けが周波数に追従しなくなり、その中央部だけが、或いは全体が小さく変位するようになり、ダイヤフラム３１が大きく変位することがなくなる。従って、流体振動が高周波数の場合でも検出でき、しかも、静電容量型センサチップ３０を高い圧力に対応させて高剛性にする必要がなくなるので、低圧力において高感度に形成することができる。その結果、圧力変動が数μｍＨ２Ｏ程度の極微圧でも確実に検出することができるため、ガス流量が少ない場合でも流体振動が検出でき、正確に流量を測定できる。
【００４５】
また、シリコンには不純物が注入されているため、ダイヤフラム３１に導電性を付与することができ、ダイヤフラム３１を電極に兼用できるようになるので、ダイヤフラム３１の表面に別途電極を設ける手間を省略できる。
【００４６】
さらに、静電容量型センサチップ３０をセンサ収納用ケース４０の流体振動導入室４２内に収納したので、流体振動を容易に静電容量型センサチップ３０に伝えることができる。
【００４７】
そして、流体振動導入室４２を仕切板４３により略同容積の第一室４２Ａおよび第二室４２Ｂに区画し、この仕切板４３の第一室４２Ａ側の面に静電容量型センサチップ３０を設けて、第一室４２Ａを静電容量型センサチップ３０の体積分だけ第二室４２Ｂよりも大きく形成したので、ダイヤフラム３１の両側の空間が同容積となり、第一の面３１Ａおよび第二の面３１Ｂの受圧環境を同じにすることができるため、ガスのベース圧力の変動等が生じた場合でも、位相のずれを確実に回避することができ、検出感度の低下を防止できる。
【００４８】
さらに、第一の導通路５１と第二の導通路５２とを略同形状かつ略同容積に形成したので、各主噴流路１６Ａ，１６Ｂから第一室４２Ａおよび第二室４２Ｂまでの経路が略同じ長さかつ略同容積になり、この経路の違いによってガスのベース圧力の変動等による位相ずれが発生することがなくなり、流体振動を一層高感度に検出することができる。
【００４９】
そして、ＩＣチップ２１をセンサ収納用ケース４０内に設けられた処理回路室４１に収納したので、静電容量型センサチップ３０からの信号を近接した場所で処理できるようになり、静電容量型センサチップ３０とＩＣチップ２１との間で受ける外部からのノイズの影響を低減することができる。また、センサ収納用ケース４０を金属により形成したため、外部の電気的なノイズを確実に遮断することができる。従って、静電容量型センサチップ３０からの出力信号に対するノイズを確実に除去できるようになるため、ＳＮ比を高めることができ、フルイディック発振流体振動の低周波数における発生圧力変動が数μｍＨ２Ｏ程度の極微圧の場合でも感度よく検出することができる。
【００５０】
さらに、処理回路室４１と流体振動導入室４２とを気密分離したため、ＩＣチップ２１への接ガスの影響を回避でき、ＩＣチップ２１を長期にわたって保護でき、安定作動させることができる。また、流体振動導入室４２は処理回路室４１の容量の影響を受けることがなく、ダイヤフラム３１の両側の空間を最小かつ略同容積の状態に維持できるようになるので、位相ずれによる誤差を防止することができ、高い感度で流体振動を検出することができる。
さらに、仕切板４３を処理回路室４１内まで延設し、ＩＣチップ２１を組み込む回路基板に兼用したので、仕切板４３そのものを静電容量型センサチップ３０とＩＣチップ２１とを接続するための配線とすることができ、電線等を別途配設する必要がなくなり、構造が簡略化できるとともに部品点数を削減できる。
【００５１】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形なども本発明に含まれる。
前記実施形態では、連通路５０は流体振動導入室４２を含んで構成されていたが、この流体振動導入室４２はなくてもよく、例えば、図６に示すように、連通路５０を一対の連通管５５により構成し、主噴流路１６Ａ，１６Ｂの圧力を直接ダイヤフラム３１の第一の面３１Ａおよび第二の面３１Ｂに導いてもよい。これらの連通管５５を同容積、同形状に形成すれば、前記実施形態と略同様な作用、効果を奏することができる。しかし、連通管５５と絶縁部材３３との接合部分の気密処理が困難なため、流体振動導入室４２を設けることが好ましい。
【００５２】
また、前記実施形態では、第一室４２Ａを静電容量型センサチップ３０の体積分だけ第二室４２Ｂよりも大きく形成してダイヤフラム３１の両側の空間を同容積にしたが、静電容量型センサチップ３０の体積を無視して、半割りケース４０Ａ，４０Ｂを同形状かつ同容積とし、第一室４２Ａを第二室４２Ｂと同容積に形成してもよい。なお、図２中、鎖線で囲まれた部分を示す符号１４０は、第一室４２Ａを第二室４２Ｂと同容積に形成した場合の内壁を示す。この際、静電容量型センサチップ３０と略同体積かつ略同形状のダミー１３０（図２参照）を第二室４２Ｂに配置して第一室４２Ａおよび第二室４２Ｂの空間を同容積としてもよい。このダミー１３０は、第二の面３１Ｂへの圧力の導入を妨げないように第二の導通路５２および貫通孔４３Ａから離れた位置に設けることが好ましい。
【００５３】
さらに、図７および図８に示すように、静電容量型センサチップ３０を仕切板４３にはめ込んで設けてもよい。これによれば、ダイヤフラム３１の両側の空間を同形状かつ同容積に形成することができる。この際、図８の仕切板４３は、鎖線で示すように、複数枚に分割して静電容量型センサチップ３０を挟持するようにしてもよい。
或いは、図９に示すように、静電容量型センサチップ３０を仕切板４３の片側からはめ込むようにしてもよく、これによれば静電容量型センサチップ３０を簡単に設置できる。
【００５４】
前記実施形態では、空隙３２はダイヤフラム３１に形成した凹部３２Ａにより構成されていたが、図１０に示すように、絶縁部材３３に設けた凹部３２Ｂにより空隙３２を構成してもよい。
【００５５】
さらに、第一の導通路５１および第二の導通路５２は、略同形状かつ同容積に形成しなくてもよく、例えば、図１１に示すように、静電容量型センサチップ３０を第一の導通路５１および第二の導通路５２に直交する向きに配置してもよい。この場合、ＩＣチップ２１は、センサ収納用ケース４０の外方に設けられた処理回路室４１内に設けた回路基板６１に組み込み、この回路基板６１と流体振動導入室４２の仕切板４３とを金属製の端子６２により電気的に接続すればよい。なお、図１１中、符号６３は本体１０Ａへの取付用孔、符号６４はＩＣチップ２１を覆う金属製のシールドカバーであり、他の符号は図１から図４に示す実施形態の対応する符号と同一もしくは相当する構成を示している。
このように流体振動検出センサ２０を構成すれば、流体振動検出センサ２０が本体１０Ａから大きく突出することがなくなり、フルイディック式ガスメータ１０全体の小型化を図ることができる。
【００５６】
前記実施形態では、ダイヤフラム３１を形成するシリコンには不純物を注入したが、注入しなくてもよく、この場合には、ダイヤフラム３１の各絶縁部材３３との対向面に、それぞれ静電容量起生のための電極を設ければよい。
また、ダイヤフラム３１の材質はシリコンに限定されず、例えば、金属等の導電性を有する材料により形成してもよく、或いは、セラミックス等の無機材料により形成してもよく、更には、これら以外の材質により形成してもよい。
【００５７】
前記実施形態では、センサ収納用ケース４０内に処理回路室４１を設けたが、処理回路室４１はなくてもよく、ＩＣチップ２１を他のケース等に収納してもよい。しかし、静電容量型センサチップ３０との距離が大きくなってしまい、ノイズを拾いやすくなるため、近接して配置することが好ましい。
そして、センサ収納用ケース４０の材質は、金属に限定されず、プラスチック、セラミック、その他の材質により形成してもよい。しかし、ノイズ除去のためには金属製とすることが好ましい。
【００５８】
前記実施形態では、流体振動導入室４２の第一室４２Ａおよび第二室４２Ｂは、第一および第二の導通路５１，５２によってそれぞれ各主噴流路１６Ａ，１６Ｂのノズル１３噴出口近傍に連通されていたが、例えば、主噴流路１６Ａ，１６Ｂにおける他の位置に連通されていてもよく、或いは、各フィードバック流路１７Ａ，１７Ｂに連通されていてもよい。要するに、素子内流路１４Ａ，１４Ｂを交互に流通して発生する流体振動を検出できれば、フルイディック素子１４において第一室４２Ａおよび第二室４２Ｂに連通される位置は任意である。
【００５９】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明によれば、ダイヤフラムを一枚とすることで、二枚のダイヤフラムを用いた従来の圧力センサよりも構造を簡略化できるうえに、二枚の特性や受圧環境を同じに形成する必要がなくなるので容易に製造することができる。
さらに、一枚のダイヤフラムで両方の素子内流路の圧力を受圧するので、静電容量型センサチップにおける可動検出部が一箇所になり、ガスのベース圧力の変動による位相ずれが生じることがなくなるため、極微圧、低周波数の流体振動でも計数に誤りが生じることなく高感度に検出することができるうえに、位相ずれの補正が不要となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の要部を示す断面図。
【図２】前記実施形態の流体振動検出センサを示す断面図。
【図３】前記実施形態の静電容量型センサチップの一部を断面して示す斜視図。
【図４】前記実施形態の静電容量型センサチップを示す断面図。
【図５】前記実施形態の流体振動により生じる一対の主噴流路のノズル噴出口近傍の差圧、静電容量型センサチップそのものの構造による周波数特性、および流体振動検出センサの出力を示すグラフ。
【図６】本発明の他の連通路の実施形態を示す断面図。
【図７】本発明の静電容量型センサチップの設置構造の他の実施形態を示す断面図。
【図８】本発明の静電容量型センサチップの設置構造のさらに他の実施形態を示す断面図。
【図９】本発明の静電容量型センサチップの設置構造のさらにまた他の実施形態を示す断面図。
【図１０】本発明の他の静電容量型センサチップの実施の形態を示す断面図。
【図１１】本発明の他の流体振動検出センサの実施の形態を示す断面図。
【符号の説明】
１０  フルイディック式ガスメータ
１４  フルイディック素子
１４Ａ，１４Ｂ  素子内流路
１６Ａ，１６Ｂ  主噴流路
１７Ａ，１７Ｂ  フィードバック流路
２０  流体振動検出センサ
２１  信号処理回路であるＩＣチップ
３０  静電容量型センサチップ
３１  ダイヤフラム
３２Ａ  凹部
３２  空隙
３３  絶縁部材
３４  電極
３５  ガス導入孔
４０  センサ収納用ケース
４１  処理回路室
４２  流体振動導入室
４２Ａ  第一室
４２Ｂ  第二室
４３  仕切板
５０  連通路
５１  第一の導通路
５２  第二の導通路
５３Ａ  第一の連通孔
５３Ｂ  第二の連通孔
５４Ａ  第一の導通孔
５４Ｂ  第二の導通孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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