(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
並設された入口側ガス配管および出口側ガス配管に取り付けられるとともにフルイディック素子を備えた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、
前記フルイディック素子に生じる流体振動を検出するダイヤフラムを備え、このダイヤフラムは、前記入口側ガス配管および出口側ガス配管を含む面に略垂直に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、前記入口側ガス配管および出口側ガス配管は略平行に並設され、前記ダイヤフラムは、前記入口側ガス配管および出口側ガス配管を含む面に略垂直かつ前記入口側ガス配管および出口側ガス配管と略平行に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３】
請求項１または請求項２に記載した流体振動検出センサにおいて、前記フルイディック素子は前記流体振動を発生する一対の素子内流路を備え、
一枚の前記ダイヤフラム、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、を備え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３に記載した流体振動検出センサにおいて、
前記静電容量型センサチップは、センサ収納用ケースにおける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。
【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】
通常、住宅等で利用される都市ガスは、主管から分岐して地上から立ち上げられた入口側ガス配管からガスメータに入り、出口側ガス配管を介して各世帯のガス設備に供給されている。このガス配管の途中に設けられたガスメータによりガスの積算流量、つまり使用量を計量できるようになっている。
【０００３】
このようなガスメータの一つとして、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の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を流体の振動回数で検出することにより行われる。
【０００４】
流体の振動回数の検出は、一般に、各素子内流路に設けられた圧力センサにより行われている（特公平８−３４３１号公報および特公平８−３４３２号公報参照）。フルイディック発振により発生する圧力変動は数μｍＨ２Ｏ〜数ｍｍＨ２Ｏ程度の極微圧であり、とくに、圧力変動の周波数が低いと非常に小さな圧力しか発生しないので、圧力センサのダイヤフラムは極微圧でも変位するように高感度に形成しなければならない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、フルイディック式ガスメータは、前述したように地上から立ち上げられたガス配管に取り付けられているので、このガス配管を介して地震やトラックの通過、或いは近くの工場等による外部振動の影響を受けやすい。フルイディック式ガスメータに用いられる圧力センサのダイヤフラムは、このような外部振動により変位して振動回数の計数に誤りを生じる虞れがあり、ガスの流量を正確に計量できなかった。
【０００６】
これに対して、二個の圧電素子を用いて外部振動によるノイズを消去するようにした圧力センサが提案されている（特開平６−１８６１０５号公報参照）。しかし、この圧力センサは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、通常、一秒に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、二枚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、振動回数の計数に誤る虞れがあった。とくに、圧力変化量を検出する形式であるため、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極少ない状態での検出が困難であった。
【０００７】
一方、ダイヤフラムを一枚とし、しかも極微圧で低周波数から高周波数までの広範囲の流体振動に対応できるフルイディック式ガスメータ用の流体振動検出センサを本発明者らが開発し、本日同時に特許出願している。
しかし、この新たな流体振動検出センサは、低周波数領域における極微圧の流体振動の検出にも対応できるように、ダイヤフラムの肉厚を極めて薄く形成している。このため、外部振動の影響に対しても敏感である。また、本発明者らが提案した形式に限らず、高感度な流体振動検出用の圧力センサでは同様な問題が起こる可能性がある。
【０００８】
本発明の目的は、簡単な構造で容易に形成でき、かつ、外部振動の影響を受けることなく、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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載した本発明は、並設された入口側ガス配管および出口側ガス配管に取り付けられるとともにフルイディック素子を備えた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、フルイディック素子に生じる流体振動を検出するダイヤフラムを備え、このダイヤフラムは、入口側ガス配管および出口側ガス配管を含む面に略垂直に設けられていることを特徴とする。
【００１０】
このように入口側ガス配管および出口側ガス配管に跨って取り付けられたフルイディック式ガスメータは、入口側ガス配管および出口側ガス配管を含む面と垂直な方向には振動しやすいが、これらを含む面に沿った方向には振動しにくい。
本発明では、ダイヤフラムを入口側ガス配管および出口側ガス配管を含む面に略垂直に設けたので、ダイヤフラムが変位する方向は、入口側ガス配管および出口側ガス配管を含む面に沿った振動しにくい方向となり、外部の振動でダイヤフラムが変位しにくくなるため、地震や車両の通過等による外部振動の影響を回避することができる。
【００１１】
従って、ダイヤフラムを極微圧でも変位するように高感度に形成しても、外部振動による誤動作を低減することができ、極微圧、低周波数の流体振動でも高感度に検出することができる。
また、ダイヤフラムの向きを適正に設定するだけでよいため、簡単な構造で容易に製造することができる。
これらにより、前記目的が達成される。
【００１２】
請求項１に記載の発明において、入口側ガス配管および出口側ガス配管は略平行に並設され、ダイヤフラムは、入口側ガス配管および出口側ガス配管を含む面に略垂直かつ入口側ガス配管および出口側ガス配管と略平行に設けられていることが望ましい（請求項２の発明）。
【００１３】
このように入口側ガス配管および出口側ガス配管が略平行に配設されている場合、これらのガス配管に略平行にダイヤフラムを設置すれば、ダイヤフラムが変位する方向は入口側ガス配管および出口側ガス配管が並んだ方向となるため、ガス配管の長手方向に沿った揺れの影響をも回避できるようになり、略平行な配管の耐振性が大きいことも伴って、ダイヤフラムは外部振動の影響をより受けにくくなる。
【００１４】
請求項１または請求項２に記載の発明において、フルイディック素子は流体振動を発生する一対の素子内流路を備え、流体振動検出センサは、ガス導入孔を有する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を有し、静電容量型センサチップは、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、および一対の絶縁部材にそれぞれ形成されて空隙に連通するガス導入孔を有して構成されていることが望ましい（請求項３の発明）。
【００１５】
このように、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れば、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各々ダイヤフラムの両側の空隙に導入される。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、流体振動の周波数を一枚のダイヤフラムで検出できるようになる。
【００１６】
また、ダイヤフラムを一枚とすることにより、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、二枚の特性や受圧環境を同じに形成する必要がない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流体の振動回数の計数を誤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。
【００１７】
また、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。
【００１８】
請求項３に記載した発明において、静電容量型センサチップは、センサ収納用ケースにおける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、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（請求項４の発明）。
【００１９】
このように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、流体を静電容量型センサチップに容易に導入できるうえ、導電性の材料でケースを製作すれば、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、流体の振動回数検出感度の低下を防止できる。
【００２０】
さらに、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、流体振動を一層感度よく検出することができる。
【００２１】
【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が示されている。フルイディック式ガスメータ１０は、地上から略平行に立ち上げられた入口側ガス配管６１および出口側ガス配管６２に取り付けられた本体１０Ａと、この本体１０Ａに取り付けられた流体振動検出センサ２０と、この流体振動検出センサ２０および本体１０Ａを収納する保護ケース１０Ｂとを含んで構成されている。
入口側ガス配管６１は都市ガスやプロパンガス等を供給する図示しない主管（母管）に接続され、本体１０Ａにガスを導入できるようになっている。また、出口側ガス配管６２は図示しない建物のガス配管等に接続され、本体１０Ａから排出されたガスを建物の設備等に供給できるようになっている。
【００２２】
本体１０Ａは、図２に示すように、箱状に形成され、入口側ガス配管６１から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から出口側ガス配管６２へガスを排出する出口部１５とを有して構成されている。
【００２３】
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流体振動検出センサ２０で検出することによってガス流量を計量するようになっている。
【００２４】
本実施形態においては、一対の素子内流路１４Ａ，１４Ｂが入口側ガス配管６１および出口側ガス配管６２を含む面６３（図１，図６参照）に略沿ってこれらのガス配管６１，６２と略平行に並ぶように形成されている。
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の位置とされ、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一対の第一の連通孔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。これらの連通孔５３Ａ，５３Ｂは、その各軸方向が各主噴流路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３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４および図５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５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、これらの各凹部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は、例えば、直径３〜８ｍｍ、深さ５〜１５μｍに形成され、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である。
【００２９】
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。
なお、このダイヤフラム３１は、数μｍＨ２Ｏ程度の極微圧でも変位するように極めて薄く形成され、高感度にされている。
【００３０】
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３参照）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。
【００３１】
図３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。この仕切板４３は、本体１０Ａに形成された一対の連通孔５３Ａ，５３Ｂから立ち上がるように設けられ、入口側ガス配管６１および出口側ガス配管６２を含む面６３（図１，図６参照）に略垂直かつ入口側ガス配管６１および出口側ガス配管６２と略平行に配置されている。
【００３２】
センサ収納用ケース４０の各半割りケース４０Ａ，４０Ｂの中央部には隔壁４０Ｃが設けられ、この隔壁４０Ｃにより、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。
【００３３】
処理回路室４１にはＩＣチップ２１が収納されている。この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。
【００３４】
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には静電容量型センサチップ３０が収納されている。
静電容量型センサチップ３０は、ダイヤフラム３１が仕切板４３と略平行になるように仕切板４３の第一室４２Ａ側の面に台座４５を介して台座４５の全周が気密になるよう接着剤等で接合されている。これにより、ダイヤフラム３１は、図６にも示すように、入口側ガス配管６１および出口側ガス配管６２を含む面６３に略垂直かつ入口側ガス配管６１および出口側ガス配管６２と略平行に配置される。
【００３５】
静電容量型センサチップ３０の各絶縁部材３３に設けられたガス導入孔３５のうち一方、すなわち、仕切板４３とは反対側のガス導入孔３５は、第一室４２Ａに直接導通され、他方、すなわち、仕切板４３側のガス導入孔３５は、仕切板４３の貫通孔４３Ａおよび台座４５内を通じて第二室４２Ｂに導通されている。
【００３６】
流体振動導入室４２の第一室４２Ａおよび第二室４２Ｂと、本体１０Ａに形成された第一および第二の連通孔５３Ａ，５３Ｂとは、半割りケース４０Ａ，４０Ｂに設けられた第一の導通孔５４Ａおよび第二の導通孔５４Ｂによりそれぞれ連通されている。これらの第一および第二の導通孔５４Ａ，５４Ｂは、第一室４２Ａおよび第二室４２Ｂからそれぞれ第一および第二の連通孔５３Ａ，５３Ｂに向かって斜めに延びて形成され、互いに略同形状かつ同容積に形成されている。
【００３７】
このように互いに連通された第一の導通孔５４Ａおよび第一の連通孔５３Ａ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、第二の導通孔５４Ｂおよび第二の連通孔５３Ｂ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。これらの第一および第二の導通路５１，５２は略同形状かつ略同容積になっている。
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と、第一の導通路５１および第二の導通路５２とを含む連通路５０を介して連通されることとなる。
【００３８】
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、第一の連通孔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。
【００３９】
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。
【００４０】
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のノズル１３噴出口近傍に生じる差圧により、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、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のノズル１３噴出口近傍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。
【００４１】
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、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、低周波領域（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、その中央部のみが小さく変位、振動し、或いは、空隙３２内のダンパ効果によりダイヤフラム３１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、高周波領域では、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からの出力の増加が抑えられる。
【００４２】
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、換言すると極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、低周波数領域の小さな差圧に対応しようとすると高周波数領域における大きな差圧に対応できず、一方、高周波数領域における大きな差圧に対応しようとすると低周波数領域における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の極微圧の振動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。
【００４３】
また、地震や車両の通過等により外部振動が生じても、フルイディック式ガスメータ１０は、入口側ガス配管６１および出口側ガス配管６２を含む面６３に沿った方向にはほとんど振動しないので、入口側ガス配管６１および出口側ガス配管６２を含む面６３に略垂直に配置されたダイヤフラム３１は外部の振動により変位することがほとんどない。
【００４４】
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、略平行に並設された入口側ガス配管６１および出口側ガス配管６２を含む面６３にダイヤフラム３１が略垂直となるように静電容量型センサチップ３０を仕切板４３に設けたので、ダイヤフラム３１が変位する方向は、入口側ガス配管６１および出口側ガス配管６２を含む面６３に沿った振動しにくい方向となり、外部の振動でダイヤフラム３１が変位しにくくなるため、地震や車両の通過等による振動の影響を回避することができる。
【００４５】
さらに、ダイヤフラム３１を入口側ガス配管６１および出口側ガス配管６２に略平行としたため、ダイヤフラム３１が変位する方向は入口側ガス配管６１および出口側ガス配管６２が並んだ方向となり、ガス配管６１，６２の長手方向に沿った揺れの影響をも回避できるようになり、略平行に並設されたガス配管６１，６２の耐振性が大きいことも伴って、ダイヤフラム３１は外部振動の影響をより受けにくくなる。
【００４６】
従って、ダイヤフラム３１を極微圧でも変位するように高感度に形成しても、外部の振動による検出誤差を低減することができ、極微圧、低周波数の流体振動でも高感度に検出することができる。
また、一枚のダイヤフラム３１の向きを適正に設定するだけでよいため、二個の圧電素子を用いてノイズを低減する従来の圧力センサよりも構造を簡略化できるうえに、二個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。
【００４７】
さらに、一枚のダイヤフラム３１で両方の主噴流路１６Ａ，１６Ｂのノズル１３噴出口近傍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検出誤差を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。
【００４８】
また、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。
【００４９】
さらに、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。
【００５０】
また、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その中央部分、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で比較的差圧が大きい場合でも検出できる。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、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、ガス流量が少ない場合でも正確に流量を測定できる。
【００５１】
そして、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。
【００５２】
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、流体振動を静電容量型センサチップ３０に容易に伝えることができる。
【００５３】
また、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を設けたので、ダイヤフラム３１の両側の空間が略同容積となり、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。
【００５４】
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、流体振動を一層感度よく検出することができる。
【００５５】
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。
【００５６】
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、位相ずれによる誤動作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。
また、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。
【００５７】
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、静電容量型センサチップ３０をそのダイヤフラム３１が入口側ガス配管６１および出口側ガス配管６２を含む面６３に略垂直かつ入口側ガス配管６１および出口側ガス配管６２と略平行になるように設けたが、例えば、ダイヤフラム３１が入口側ガス配管６１および出口側ガス配管６２を含む面６３に略垂直かつ入口側ガス配管６１および出口側ガス配管６２と略直交するように設けてもよい。つまり、ダイヤフラム３１の向きは入口側ガス配管６１および出口側ガス配管６２を含む面６３に略垂直とされていればよく、実施にあたって適宜設定すればよい。
【００５８】
前記実施形態では、入口側ガス配管６１および出口側ガス配管６２は地上から略平行に立ち上がって並設されていたが、略平行でなくてもよく、例えば、互いに直交する方向に設けられていてもよい。要するに、入口側ガス配管６１および出口側ガス配管６２を含む面６３が外部振動を抑制できるような配置であれば、これらのガス配管６１，６２の配置は任意である。
【００５９】
前記実施形態では、本体１０Ａにおいて素子内流路１４Ａ，１４Ｂは入口側ガス配管６１および出口側ガス配管６２と略平行な方向に並んで形成されていたが、例えば、図７に示すように、素子内流路１４Ａ，１４Ｂの並ぶ方向は入口側ガス配管６１および出口側ガス配管６２と直交する方向であってもよく、つまり、素子内流路１４Ａ，１４Ｂは図２に示した状態から入口側ガス配管６１および出口側ガス配管６２を含む面６３に沿って９０°回転した状態に形成されていてもよい。このようにすれば、図８にも示すように、一対の素子内流路１４Ａ，１４Ｂの並ぶ方向が第一室４２Ａおよび第二室４２Ｂの並ぶ方向と一致するため、センサ２０の各導通孔５４Ａ，５４Ｂを斜めに（図３参照）形成する必要がなくなり、第一の導通路５１および第二の導通路５２を直線的に形成できる。従って、第一の導通路５１および第二の導通路５２を一層短く形成できるため、各主噴流路１６Ａ，１６Ｂの圧力を円滑に導入できるとともに導通孔５４Ａ，５４Ｂを簡単に形成できる。
【００６０】
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。
【００６１】
また、前記実施形態の第一および第二の導通孔５４Ａ，５４Ｂは、第一および第二の連通孔５３Ａ，５３Ｂから第一室４２Ａまたは第二室４２Ｂまで斜めに直線的に形成されていたが、例えば、各連通孔５３Ａ，５３Ｂから第一室４２Ａまたは第二室４２Ｂに向かって湾曲して形成してもよく、一対の導通孔５４Ａ，５４Ｂが略同形状かつ略同容積であれば、その具体的な形状は実施に当たって適宜設定すればよい。
【００６２】
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。
【００６３】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明によれば、ダイヤフラムを入口側ガス配管および出口側ガス配管を含む面に略垂直に設けたので、ダイヤフラムが変位する方向は、入口側ガス配管および出口側ガス配管を含む面に沿った振動しにくい方向となり、外部の振動でダイヤフラムが変位しにくくなるため、地震や車両の通過等による外部振動の影響を回避することができる。
【００６４】
従って、ダイヤフラムを極微圧でも変位するように高感度に形成しても、外部の振動による誤動作を低減することができ、極微圧、低周波数の流体振動でも高感度に検出することができる。
また、ダイヤフラムの向きを適正に設定するだけでよいため、簡単な構造で容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す斜視図。
【図２】前記実施形態のフルイディック素子を含む本体の要部を示す断面図。
【図３】前記実施形態の流体振動検出センサを示す断面図。
【図４】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５】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６】前記実施形態の入口側ガス配管および出口側ガス配管とダイヤフラムとの位置関係を示す模式図。
【図７】本発明の他のフルイディック素子を含む本体の要部を示す断面図。
【図８】本発明の他の流体振動検出センサを示す断面図。
【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
３１  ダイヤフラム
３２  空隙
３３  絶縁部材
３４  電極
３５  ガス導入孔
３０  静電容量型センサチップ
４０  センサ収納用ケース
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
６１  入口側ガス配管
６２  出口側ガス配管
【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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