(57)【要約】【課題】  測定精度が高いコリオリ流量計を提供すること。【解決手段】  流管２が直線状であるコリオリ流量計１は、直線状であるステンレス製の流管２と振動体３と支持体５で構成する。振動体３は、半円と直線を組み合わせたリング形状の一体のステンレス製の弾性体６と前記一体のステンレス製の弾性体６に圧電素子４をエポキシ樹脂で接合した構成である。振動体３を構成する一体のリング状のステンレス製の弾性体６は、図に示すように貫通する穴を持つ。この貫通する穴は、流管２ｂとなる。そして、両側のステンレス製の流管２ａ、２ｃは、弾性体６の貫通する穴（流管２ｂ）位置と合わせて溶接により接合して完成された流管２となる。流管２ａは、支持体５ａに溶接され接合される。流管２ｃは、支持体５ｂに溶接され接合される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を流す流管に振動を印加する振動発生手段が、振動体の中心部に空間を持つ構造であることを特徴とするコリオリ流量計。
【請求項２】
流体を流す流管に振動を印加する振動発生手段が、流管と弾性体を接合することにより、振動体の中心部に空間を持つ構造であることを特徴とするコリオリ流量計。
【請求項３】
流体を流す流管が直線状であることを特徴とする請求項１、請求項２に記載のコリオリ流量計。
【請求項４】
流体を流す流管が湾曲状であることを特徴とする請求項１、請求項２に記載のコリオリ流量計。
【請求項５】
流体を流す流管に振動を印加する振動発生手段による駆動振動モードと、流体が流れることにより発生することコリオリ力による振動の検出振動モードが同一であることを特徴とする請求項１、請求項２に記載のコリオリ流量計。
【請求項６】
駆動振動モードと検出振動モードが互いに１／４波長だけ異なることを特徴とする請求項５に記載のコリオリ流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、コリオリ力を利用した質量流量計または密度計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  質量流量を直接求めるコリオリ流量計は、流管内に流れる測定流体に振動を与えた場合に振動した測定流体に作用するコリオリ力が質量流量に比例することを利用した直接質量流量計である。しかしコリオリ力は加振力に対して微少な力であるから、コリオリ流量計には高感度で安定した力計測手段が要求される。【０００３】  通常、コリオリの力はコリオリ力による流管の弾性変形またはひずみとして検出される。このため従来、流管は変形量が大きく取れる湾曲した形状にしていた。湾曲形状のコリオリ流量計は、Ｕ字状に湾曲してなるため、被測定流体がセンサチューブ内を通過する際、センサチューブの形状による圧力損失が生じ易いう問題点もあった。また、湾曲形状のコリオリ流量計は、一般に形状が大きくなるという欠点もある。そして、被測定流体がスラリーである場合は、Ｕ字状の湾曲部にスラリー中の粉体が詰まる虞がある。このため、流管を直管形状とした直管式のコリオリ流量計の開発が行われている。【０００４】  直管式のコリオリ流量計は、加振する流管に単一流管を使用したものと、複数の直管を並列に配置した方式がある。いずれの場合も直管の両端部を支持し、中間部で流管を加振する駆動手段と、駆動手段と支持部との間でコリオリ力による微少な変位またはひずみを検出する手段を有している。【０００５】  このような構成からなる直管式の流管は、通常、駆動手段により支持部を節部とした曲げ基本振動モードとして駆動される。この振動数をω、流速をｖ、単位体積当りの質量をｍとすると、コリオリ力Ｆは振動数ωと流速ｖのベクトル積に比例し、−２ｍ〔ω〕×〔ｖ〕であらわされる。ここで、〔ω〕、〔ｖ〕はベクトルである。以上は、非特許文献１に詳しく記述されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】日本計量機器工業連合会、「流量計測ＡｔｏＺ」、（有）工業技術社、平成７年１１月、ｐ１６１−１７２
【非特許文献２】五十嵐伊勢美ほか、「Ｓｉマイクロマシニング先端技術」、（株）サイエンスフォーラム、１９９２年３月、ｐ８７−１４３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  しかし、両端を節部とした流管は、曲げ基本振動モードの振動数で、コリオリ力により曲げの２次振動モードの振動を発生させる。そのため、駆動振動モードは大きく励起することはできるが、曲げ基本振動モードの固有振動数に比較して通常２倍以上高い固有振動数持つ検出モードの曲げの２次振動モードは、振動変位が小さくなってしまう。【０００８】  また、コリオリ流量計の計測精度を向上させるには、流量を計測する流管の振動を外部に漏らさないことが必要である。そこで外部に振動が漏れないようにするため、流管の振動と逆位相の振動をするカウンタチューブを設け、流管とカウンタチューブの振動を打ち消し合い振動を外部に漏らさないようにする。しかし流管とカウンタチューブの両方に流体を流す必要があり、流管とカウンタチューブの両方に等しく流体を分流しなければならないが、正確に分流することは困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  本発明は、流体を流す流管に振動を与える振動体が、弾性体に駆動源を有するものであり、振動体の中心部に空間を持つコリオリ流量計とするものである。【００１０】  本発明はまた、流体を流す流管に振動を与える振動体が、流管と弾性体を接合するものであり、かつ流管または弾性体に駆動源を有し、振動体の中心部に空間を持つコリオリ流量計するものである。【００１１】  上記のコリオリ流量計で流管を直線状とするものである。【００１２】  上記のコリオリ流量計で流管を湾曲状とするものである。【００１３】  流体を流す流管に振動を印加する振動発生装置による駆動振動モードと、流体が流れることにより発生することコリオリ力による振動の検出振動モードを同一にするコリオリ流量計とするものである。【００１４】  駆動振動モードと検出振動モードが互いに１／４波長だけ異なるコリオリ流量計とするものである。
【発明の効果】
【００１５】  本発明の直管状のコリオリ流量計は、高精度に流体の質量流量を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施の形態のコリオリ流量計の斜視図である。
【図２】図１の用いた圧電素子の斜視図である。
【図３】図１に示すコリオリ流量計の駆動振動モードおよび検出振動モードを説明する図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態のコリオリ流量計の平面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態のコリオリ流量計の側面図である。
【図６】図１に示すコリオリ流量計の駆動振動モードおよび検出振動モードを説明する図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態のコリオリ流量計の平面図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態のコリオリ流量計の側面図である。
【図９】本発明の第４の実施の形態のコリオリ流量計の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】  第１の実施の形態である基本的な構成を図１の斜視図を用いて説明する。
【００１８】  流管２が直線状であるコリオリ流量計１は、直線状であるステンレス製の流管２と振動体３と支持部５で構成する。そして振動体３は、半円と直線を組み合わせたリング形状の一体のステンレス製の弾性体６と前記一体のステンレス製の弾性体６に圧電素子４をエポキシ樹脂で接合した構成である。
【００１９】  振動体３を構成する一体のリング状のステンレス製の弾性体６は、図に示すように貫通する穴を持つ。この貫通する穴は、流管２ｂとなる。そして、両側のステンレス製の流管２ａ、２ｃは、弾性体６の貫通する穴（流管２ｂ）位置と合わせて溶接により接合して完成された流管２となる。
【００２０】  流管２ａは、支持部５ａに溶接され接合される。そして、支持部５ａには流管２ａの内径と一致する貫通する穴が設けられる。流管２ｃは、支持部５ｂに溶接され接合される。そして、支持部５ｂには流管２ｃの内径と一致する貫通する穴が設けられる。
【００２１】  ステンレス製の弾性体６に接合する圧電素子４について説明する。圧電素子４は鉛系圧電セラミックであり板厚方向に分極されている。図２の斜視図を用いて圧電素子４について詳しく説明する。図２（ａ）は、流管２を振動させるための駆動用の圧電素子４ａである。矢印は分極方向を示し、斜線は電極７ａを示す。例えば圧電素子４ａは、分極ごとに３分割したものをエポキシ樹脂で接合した後、電極７ａを設けることにより作成する。
【００２２】  図２（ｂ）は、コリオリ力による流管２の振動を検出する圧電素子４ｂである。矢印は分極方向を示す。斜線は電極７ｂ、７ｃを示す。電極７ｂと電極７ｃは、分離されている。また、圧電素子４ａ、４ｂとも図４の表側をステンレス製の弾性体６に接合した状態での表側と同じである。以上は、圧電素子４として鉛系圧電セラミックとして説明したが薄膜圧電素子、有機系圧電フィルム、水晶などでもよいことはもちろんである。
【００２３】  次にコリオリ流量計１の駆動振動モードと検出振動モードについて図３を用いて説明する。駆動モードを図中に記入した実線で示す。振動体は、実線で示すように直線部で１．５波長、半円部で１．５波長それぞれが２箇所あるので合計６波長分の曲げ振動が紙面と平行方向に励起される振動モードである。
【００２４】  次にコリオリ流量計１の検出振動モードについても図３を用いて説明する。検出モードを図中の振動体３と流管２に記入した２点鎖線で示す。振動体３は、２点鎖線で示すように合計６波長分の曲げ振動が紙面と平行方向に励起される振動モードである。
【００２５】  駆動モードと検出モードの振動モードは同一であり、駆動振動モードと検出振動モードは１／４波長分だけ振動の節または振動の腹の位置差がある。そして駆動振動モードと検出振動モードは１／４波長分だけ振動の時間的位相差がある。
【００２６】  ここで、コリオリ流量計１の流量測定について説明する。振動体３に６波長の曲げ振動を励起するために圧電素子４ａの電極間にリード線を通じて６波長の曲げ振動の固有振動数の電圧を印加する。また、駆動振動モードの固有振動数を検出することにより流体の密度を測定することができる。
【００２７】  流体が図３の実線で示す６波長の曲げ振動モードで振動する流管２中を流れることにより、流体にコリオリ力が発生し、検出モードの振動が発生する。検出の振動モードは駆動振動モードと同一であり、検出振動モードは、駆動振動モードと１／４波長分だけ振動の節または振動の腹の位置差がある。また、駆動振動モードと検出振動モードは１／４波長分だけ振動の時間的位相差がある。
【００２８】  検出モードの振動を検出するため、検出振動モードの位置に合わせて圧電素子４ｂを接合されている。図３の２点鎖線で示す検出モードの振動を検出するために圧電素子４ｂの電極７ｂと電極７ｃに接続したリード線とアース線間の電圧を測定する。
【００２９】  圧電素子４ｂの分極方向は同じであり、電極７ｂ部分と電極７ｃ部分の振動方向が逆であるので、電極７ｂ部分の発生電圧から電極７ｃ部分の発生電圧を引くことにより、検出モードの電圧を計測することにより質量流量を検出する。また、電極７ｂ部分と電極７ｃ部分の位置では、駆動振動モードにおいては振動位相が同相であるので、電極７ｂ部分の発生電圧から電極７ｃ部分の発生電圧を引くことにより駆動モードの発生電圧をキャンセルすることができる。このことにより検出電圧のＳＮ比を高めることができる。
【００３０】  また、歪みを検出する圧電素子は、コイルと磁石からなる電磁ピックアップに比較して一般に小型、軽量化できるため、流管２に取り付けたときの流管２のメカニカルＱの現象を少なくできる。また、コイルと磁石のように２つの部分に分かれることがないので、構造が簡単だけでなく、漏れ磁界によって検出信号が歪むという問題も発生しない。
【００３１】  圧電素子では、流管２の曲げモーメントに比例した信号が得られる。したがって、速度を検出する電磁ピックアップとは異なった質量流量に比例した位相差（時間差）が検出される。圧電素子を両端が単純支持構造となっている直管状の流管２を質量流量計の振動検出手段として用いると、得られる質量流量に比例した位相差（時間差）は、電磁ピックアップに比べて大きくなる。したがって、流量計測の精度を高めることができる。
【００３２】  以上に説明したように、駆動振動モードと検出振動モードが同一であるため感度の大きい質量流量を計測できる。また、検出する信号には、駆動振動モードを検出しない構成になっているため、ＳＮ比が高くなる。さらに、振動が、リング状の振動体に閉じ込められるため、外部への振動漏れが小さくなる。
【００３３】  第２の実施の形態である基本的な構成を図４の平面図、図５の側面図を用いて説明する。
【００３４】  流管２が曲線状のコリオリ流量計１は、チタン合金製の流管２の上下に圧電素子４をエポキシ樹脂により接合して作成した振動体３と、その振動体３を溶接した支持部５により構成される。ここで圧電素子４ａ、４ｂは駆動用であり、圧電素子４ｃ、４ｄと圧電素子４ｅ、４ｆは検出用である。
【００３５】  圧電素子４ａ、４ｂは、曲げ振動を励起するために、一方が伸びているとき、他方が縮む。このようにして曲げ振動を励起する。同様に圧電素子４ｃ、４ｄと圧電素子４ｅ、４ｆも一方が伸びているとき、他方が縮む。
【００３６】  流管２は、曲管である。直管に比較すると、流管２にコリオリ力が作用する割合が大きいため感度が高くなる。
【００３７】  コリオリ流量計１の駆動振動モードについて図６を用いて説明する。駆動振動モードを図中の実線で示す。実線がリング状の振動体３の中心線より外側は、紙面に対して垂直に上に変位していることを示す。実線がリング状の振動体３の中心線より内側は、紙面に対して垂直に下に変位していることを示す。つまり、紙面に対して垂直方向に３次の曲げ振動モードである。
【００３８】  次にコリオリ流量計１の検出振動モードについて同じく図６を用いて説明する。検出振動モードを図中の点線で示す。点線がリング状の振動体３の中心線より外側は、紙面に対して垂直に上に変位していることを示す。点線がリング状の振動体３の中心線より内側は、紙面に対して垂直に下に変位していることを示す。つまり、紙面に対して垂直方向に３次の曲げ振動モードである。
【００３９】  駆動振動モードも検出振動モードも同じ、紙面に対して垂直方向に３次の曲げ振動モードである。そして、駆動振動モードと検出振動モードは、振動位相が１／４波長分だけ異なる。
【００４０】  ここで、コリオリ流量計１の流量測定について説明する。振動体３に３波長の曲げ振動を励起するために圧電素子４ａの電極間にリード線を通じて３波長の曲げ振動の固有振動数の電圧を印加する。また、駆動振動モードの固有振動数を検出することにより流体の密度を測定することができる。
【００４１】  流体が図６の実線で示す３波長の曲げ振動モードで振動する流管２中を流れることにより、流体にコリオリ力が発生し、図６の点線で示す検出モードの振動が発生する。検出の振動モードは駆動振動モードと同一であり、検出振動モードは、駆動振動モードと１／４波長分だけ振動の節または振動の腹の位置差がある。また、駆動振動モードと検出振動モードは１／４波長分だけ振動の時間的位相差がある。
【００４２】  図６の実線で示す駆動モードの振動を励起するために圧電素子４ａ、４ｂの電極に接続したリード線とアース線に電圧を印加する。検出モードの振動を検出するため、検出振動モードの位置に合わせて圧電素子４ｃ、４ｄと圧電素子４ｅ、４ｆが接合されている。
【００４３】  圧電素子４ｃ、４ｄと圧電素子４ｅ、４ｆは、曲げ振動の方向が同じであるなら、同じ位相の電圧を発生するように配置されている。したがって、圧電素子４ｃ、４ｄと圧電素子４ｅ、４ｆは、曲げ振動の方向が異なる検出モードにおいては、圧電素子４ｃ、４ｄの発生電圧から圧電素子４ｅ、４ｆの発生電圧の差を測定することにより検出モードの電圧を計測する。ことにより質量流量を測定する。また、駆動振動モードにおいては振動位相が同相であるので、圧電素子４ｃ、４ｄの発生電圧から圧電素子４ｅ、４ｆの発生電圧の差を測定することにより駆動モードの発生電圧をキャンセルすることができる。
【００４４】  以上に説明したように、駆動振動モードと検出振動モードが同一であるため感度の大きい質量流量を計測できる。また、検出する信号には、駆動振動モードを検出しない構成になっているため、ＳＮ比が大きくなる。さらに、振動が、リング状の振動体に閉じ込められるため、外部への振動漏れが小さくなる。そして、流管を曲管にすることで感度を高めることができる。
【００４５】  第３の実施の形態である基本的な構成を図７の平面図、図８の側面図を用いて説明する。今まで、振動発生手段と振動検出手段として圧電素子を用いた例について説明したが、他の手段でもよく、例えばマグネットとコイルを用いる電磁効果を用いることもできる。第１の実施の形態について振動発生手段と振動検出手段に電磁効果を用いたものを図７の平面図と図８の側面図を使用して説明する。
【００４６】  コリオリ流量計１の構成は、図１と振動発生手段と振動検出手段を除いて同一である。振動発生手段は、駆動用マグネット８ａ、８ｂ、８ｃと駆動用コイル９ａ、９ｂ、９ｃで構成する。駆動用マグネット８ｂと駆動用コイル９ｂと、駆動用マグネット８ａ、８ｃと駆動用コイル９ａ、９ｃは、逆位相の振動を発生させる。
【００４７】  振動検出手段は、検出用マグネット８ｄ、８ｅと検出用コイル９ｄ、９ｅで構成する。検出用コイル９ｄの発生する電圧または電流と検出用コイル９ｅの発生する電圧または電流の差を計測することにより質量流量を測定する。
【００４８】  第４の実施の形態について振動発生手段と振動検出手段に静電効果を用いたものを図９の平面図を使用して説明する。静電効果を用いるものは、小型のものに適する。
【００４９】  流管２が直線状のコリオリ流量計１の構成は、シリコン基板をエッチング、接合することなどにより作成する。シリコン基板１０の加工方法、接合方法については、非特許文献２に詳しく記述してある。
【００５０】  流管２が直線状のコリオリ流量計１の構成は、図１と同様であり、振動発生手段と振動検出手段に静電効果を用いたものである。また、図を簡単にするため振動発生手段と振動検出手段を省略した。
【００５１】  以上に説明したように、電磁効果、静電効果を用いても、所望の駆動モードと検出モードを実現できる。
【符号の説明】
【００５２】１    コリオリ流量計
２    流管
３    振動体
４    圧電素子
５    支持部
６    弾性体
７    電極
８    マグネット
９    コイル
１０  シリコン基板
【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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