JP3299131B2 - 粒子センサ - Google Patents

粒子センサ

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、流体中の固体粒子
を検出するための粒子センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】液体又は気体の流体中に固体粒子が混在
するとき、その固体粒子の存在を検出することが求めら
れる場合がある。特に、固体粒子が流体中に本来、混在
すべきではないのにも拘わらず混在し、その流体の作用
を阻害する場合、固体粒子の検出が重要になる。
【０００３】例えば、自動車のエンジン又は重機械のエ
ンジンなどの内燃機関は、ガソリン、軽油等を動力源と
するが、これらの内燃機関はエンジンオイル等の潤滑剤
を用いて、エンジン等の回転面や摺動面の摩擦抵抗及び
磨耗を低減する。しかし、内燃機関の使用に伴って、磨
耗により金属粉等の固体粒子が生じて、潤滑剤に混入
し、回転面及び摺動面の磨耗を早めることがある。通常
は、オイルフィルター等の濾過器により、潤滑剤中の固
体粒子等を除去するが、潤滑剤中の固体粒子を検出する
ことにより、潤滑剤の状態をより詳細にモニターするこ
とができる。
【０００４】また、エンジンなどの内燃機関に限らず、
変速機などの動力伝達機構、油圧サーボバルブなどの油
圧配管系、工業的な圧延加工、プレス加工などに用いら
れる作動油、洗浄油などについても、その流体中の固体
粒子及び／又はこれらの油の粘度等を中心として、流体
の状態を管理することは重要である。更に、大気中の浮
遊粒子の存在、その濃度等も、大気汚染の程度をモニタ
ーするうえで重要である。例えば、工場における排煙中
の浮遊粒子を検出することである。
【０００５】このような流体中の固体粒子を検出するた
めのセンサとして、特開平７−３０１５９４号公報に
は、圧電膜を用いたセンサ素子を有する粒子センサが開
示されている。このセンサでは、流体中の固体粒子が、
圧電膜を有する検出部又は検出部を載置する振動部に衝
突することにより、振動部及び検出部が振動し、圧電膜
がこの振動を電気信号に変換し、圧電膜を挟んでいる電
極がこの電気信号を出力する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な粒子センサを用いた固体粒子の検出において、対象と
なる流体がオイル等の液体である場合、流体中には固体
粒子のほかに泡も含まれいることが多く、その泡が衝突
した際にも振動部が振動し、その振動による信号が検出
部から出力される。流体中の固体粒子の濃度を正確に知
るためには、このような泡の衝突による振動から生じる
信号（以下、「泡信号」という）と、固体粒子の衝突に
よる振動から生じる信号（以下、「粒子信号」という）
とを区別する必要がある。
【０００７】固体粒子の衝突による振動は、一般に図１
４に示す信号波形のような、センサ素子の持つ一次共振
点の振動として現れ、一方、泡の衝突による振動は、多
くの場合、図１５に示す信号波形ような、センサ素子の
持つ一次共振点の振動よりも周波数の低い長周期振動と
して現れる。
【０００８】しかしながら、泡の衝突によっても、図１
６や図１７に示すような、センサ素子の持つ一次共振振
動を伴う振動が発生する場合が少なからずある。このよ
うな一次共振振動を伴う泡の衝突による振動は、固体粒
子の衝突による振動と区別することが困難であるため、
従来の粒子センサでは、泡信号を粒子信号と誤って認識
することあり、このことがセンサの精度を低下させる一
因となっていた。
【０００９】なお、泡の衝突による一次共振振動と固体
粒子の衝突による振動とを区別する方法として、両者の
一次共振振動の立ち上がり時間の違いや、泡の衝突によ
る一次共振振動に混在する一次共振振動より周波数の低
い振動成分の有無から判断する方法も考えられたが、区
別が不完全であるという問題があった。
【００１０】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであり、その目的とするところは、粒子信号を泡
信号から分離でき、固体粒子に対する感度が向上した高
精度の粒子センサを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、流体の
入口と出口とを有する流路、及び当該流路中に配置さ
れ、流体中の固体粒子の衝突に対して感応できる程度の
質量を有する振動部と該振動部の振動を検出し電気信号
に変換する検出部とを含むセンサ素子を有する粒子セン
サであって、センサ素子の持つ一次共振点よりも周波数
の高い振動を選択的に検出する手段を備えたことを特徴
とする粒子センサ、が提供される。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明者は、固体粒子の衝突によ
る振動と、泡の衝突による振動とを明確に区別すべく、
鋭意研究したところ、固体粒子の衝突による振動には、
その立ち上がり部分に、センサ素子の持つ一次共振点よ
りも周波数の高い振動成分が混在しており、これが固体
粒子の衝突による振動に特有のものであることが判明し
た。本発明は、このような知見に基づいてなされたもの
であり、泡の衝突による振動にはほとんど含まれず、固
体粒子の衝突による振動に含まれる、センサ素子の持つ
一次共振点よりも周波数の高い振動を選択的に検出する
手段を備えたことにより、粒子信号を泡信号から分離す
ることができる。
【００１３】以下、本発明の実施形態を図面を参照しな
がら詳細に説明する。図１は、粒子センサの基本構造の
一例を示した説明図である。本例において、流体の流れ
る流路は、流体の入口３２を形成するノズル３３と、流
体の出口３４を形成するノズル３５と、これらノズル３
３、３５が固定され、ノズル３３、３５の間においてセ
ンサ素子１０を収容するハウジング３０とから構成され
ている。センサ素子１０は、ｏ-リング等の弾性部材３
６、３７を介して、ハウジング３０の内部に固定されて
いる。なお、センサ素子１０のハウジングへの固定手段
は弾性部材に限定されるものではなく、ネジ止め、接着
等であってもよい。
【００１４】図１の粒子センサは、センサ素子１０に対
して、出口３４が入口３２の反対側に配置され、かつセ
ンサ素子１０の振動部１４の周囲の少なくとも一部に孔
部１８が形成されており、入口３２から流入した流体が
孔部１８を流れて出口３４から流出するように、センサ
素子１０の振動部１４が入口３２で形成される流体の流
れの延長に配置された構造となっている。このような構
造の粒子センサは、軸流粒子センサと称され、センサ素
子の持つ一次共振点よりも周波数の高い振動を比較的検
出しやすいため本発明を適用するのに好ましいが、他の
構造であってもよい。
【００１５】図２は、センサ素子の一例を示す平面図
(ａ)と、そのＩ−Ｉ断面図(ｂ)である。センサ素子は、
流体中の固体粒子の衝突に対して感応できる程度の質量
を有する振動部１４と振動部１４の振動を検出し電気信
号に変換する検出部（変換装置）２０とを含む。
【００１６】本例において、振動部１４は肉薄の板形状
で、該振動部１４が振動できるようにこれを固定する固
定部１６と一体となって基体１２を構成している。基体
１２には、振動部１４が肉薄になるように空所（凹部）
１７が形成されており、空所１７の反対側の振動部１４
の表面１４ｓに検出部２０が設けられている。また、振
動部１４の周囲に、基体１２をその厚さ方向に貫通する
ようにして一対の孔部１８が形成されている。
【００１７】なお、振動部１４は、図のようにその全周
が固定部に保持されている必要はなく、振動部１４の少
なくとも一部分が保持されていればよい。例えば、振動
部１４の周囲の一端部のみが、固定部１６にいわゆる片
持ち状態で保持されていてもよい。空所１７は、図のよ
うな凹部に限られず閉塞空間としてもよい。また、図１
の例では、空所（凹部）は出口３４側に形成されている
が、入口３２側に形成されていてもよい。更に、図１の
例では、検出部２０が振動部１４に対して入口３２側に
配置されているが、検出部２０が振動部１４に対して出
口３４側に配置されていてもよい。
【００１８】孔部１８の数、形状等には特に制限はない
が、一対の孔部１８は互いに同一の形状であり、振動部
１４を軸方向に貫く仮想的な平面に対して、対称的に配
置されていることが好ましい。基体１２の形状は板状が
好ましいが、特に限定されず、用途に応じて適宜選ばれ
る。
【００１９】振動部１４は、固体粒子や泡が衝突した際
に、検出部２０とともに上下方向、すなわち検出部２０
及び空所１７の方向に振動する。この振動に好適な形状
のため、振動部１４は、板形状であることが好ましい。
振動部１４の厚さは１〜１００μｍであることが好まし
い。厚さが１００μｍを超えると感度が低下し、厚さが
１μｍ未満では機械的強度が低下する。
【００２０】振動部１４の構成材料としては、本発明の
センサにより固体粒子の検出が行われる種々の流体に接
触しても変性しないような化学的安定性の高いものが好
ましく、具体的にはセラミックスであることが好まし
い。例えば、安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニ
ア、マグネシア、ムライト、窒化アルミニウム、窒化珪
素、ガラス等を用いることができる。固定部１６は、振
動部１４と同一の材料で構成してもよいし、異なる材料
で構成してもよい。
【００２１】検出部２０は、圧電膜２２と、圧電膜２２
を挟む第一電極２４及び第二電極２６を有する。第一電
極２４は、圧電膜の外表面２２ｓの少なくとも一部を被
覆し、第二電極２６は、振動部１４の表面１４ｓの少な
くとも一部を被覆する。圧電膜２２は、微視的には、応
力に対応して誘電分極を生じ、巨視的には、応力に応じ
て、電気信号、例えば、電荷又は電圧を出力する。この
とき、圧電膜は、その厚さ方向に屈曲変位が発現するも
のであることが好ましい。
【００２２】圧電膜２２は、固体粒子や泡が第一電極２
４及び／又は振動部１４に接触するとき、振動部１４と
ともに、圧電膜２２の膜厚さの方向に振動し、この振動
が圧電膜２２に応力を加える。第一電極２４及び第二電
極２６は、圧電膜２２の電気信号を、リード２８及びリ
ード２９を通じて、端子パッドに出力する。
【００２３】圧電膜の厚さは、１〜１００μｍであるこ
とが好ましい。厚さが１００μｍを超えると感度が低下
し、厚さが１μｍ未満では信頼性が確保し難い。圧電膜
には、好適には、圧電性セラミックスを用いることがで
きるが、電歪セラミックス又は強誘電体セラミックスで
あってもよく、更には、分極処理が必要な材料であって
も、必要がない材料であってもよい。
【００２４】圧電膜に用いるセラミックスとしては、例
えば、ジルコン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケ
ルニオブ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、
アンチモンスズ酸鉛、チタン酸鉛、マンガンタングステ
ン酸鉛、コバルトニオブ酸鉛、チタン酸バリウム等、又
はこれらの何れかを組み合わせた成分を含有するセラミ
ックスが挙げられる。例えば、マグネシウムニオブ酸鉛
とジルコン酸鉛とチタン酸鉛との組成比が２０：３７：
４３付近の場合、キュリー点が高く、また圧電特性が優
れており、センサの材料に適している。上記セラミック
スに、更に、ランタン、カルシウム、ストロンチウム、
モリブデン、タングステン、バリウム、ニオブ、亜鉛、
ニッケル、マンガン等の酸化物、若しくはこれらの何れ
かの組み合わせ、又は他の化合物を、適宜、添加したセ
ラミックスを用いてもよい。例えば、マグネシウムニオ
ブ酸鉛と、ジルコン酸鉛と、チタン酸鉛とからなる成分
を主成分とし、更にランタンやストロンチウムを含有す
るセラミックスを用いることが好ましい。
【００２５】第一電極及び第二電極は、用途に応じて適
宜な厚さとするが、０．１〜５０μｍの厚さであること
が好ましい。第一電極は、室温で固体であって、導電性
の金属で構成されていることが好ましい。例えば、アル
ミニウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、
銅、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジウ
ム、銀、スズ、タンタル、タングステン、イリジウム、
白金、金、鉛等を含有する金属単体又は合金が挙げられ
る。
【００２６】第二電極は、白金、ルテニウム、ロジウ
ム、パラジウム、イリジウム、チタン、クロム、モリブ
デン、タンタル、タングステン、ニッケル、コバルト等
の高融点の金属を含有する単体又は合金からなることが
好ましい。第二電極は、圧電膜の熱処理の時に高温に晒
される場合があるので、高温酸化雰囲気に耐えられる金
属であることが好ましいからである。また、これらの高
融点金属と、アルミナ、酸化ジルコニウム、酸化ケイ
素、ガラス等のセラミックスとを含有するサーメットで
あってもよい。
【００２７】図１において、ノズル３３を通じてハウジ
ング３０内に流入してきた流体は、矢印で示すように、
振動部１４及び振動部１４に載置された検出部２０に流
れを遮られるような状態でこれらに接触する。この際
に、流体中の固体粒子又は泡が振動部１４又は検出部２
０に衝突し、振動部１４及び検出部２０が振動する。流
体は振動部１４及び検出部２０に接触した後、孔部１８
を抜け、ノズル３５を通じて外部に流出する。
【００２８】図４(ａ)は上記のような構成の粒子センサ
（センサ素子の持つ一次共振点は３２０ｋＨｚ）で検出
された粒子信号の実波形であり、図４(ｂ)はそれを周波
数成分解析して得られたグラフである。また、図５(ａ)
は同センサで検出された泡信号の実波形で、図５(ｂ)は
それを周波数成分解析して得られたグラフである。これ
らの図からわかるように、粒子信号の波形にはセンサ素
子の持つ一次共振点（０．３２ＭＨｚ）よりも周波数の
高い振動が含まれ、一方、泡信号の波形にはそのような
振動がほとんど含まれていない。
【００２９】本発明は、上記のような粒子センサにおい
て、センサ素子の持つ一次共振点よりも周波数の高い振
動を選択的に検出する手段を備えたものである。センサ
素子の持つ一次共振点よりも周波数の高い振動を選択的
に検出する手段としては、例えば、高域フィルタの使用
を挙げることができる。すなわち、センサ素子の持つ一
次共振点よりも周波数の高い振動を選択的に通過させる
ことができる高域フィルタを備え、これに検出部から出
力された信号を通すことで、粒子信号のみを選択的に検
出できる。
【００３０】図７は、図６に示す粒子信号を高域フィル
タに通して得られた波形であり、センサ素子の持つ一次
共振点よりも周波数の高い振動の波形を選択的に通過さ
せ現している。一方、図８は泡信号を高域フィルタに通
した場合を示したものであるが、泡の衝突による振動に
は、大部分の場合、センサ素子の持つ一次共振点よりも
周波数の高い振動が含まれていないので、高域フィルタ
を通過できる振動成分がなく、図７のような波形は現れ
ない。このように、高域フィルタを使用することによ
り、粒子信号を泡信号から分離することができる。
【００３１】なお、このように高域フィルタを用いた場
合には、振動部の構造等により、センサ素子の持つ一次
共振点よりも周波数の高い振動が発生しにくいとき、例
えば、センサ素子の持つ一次共振点よりも周波数の高い
振動が１〜２回で収束してしまうようなときでも、図９
のようにその信号を選択的に検出することができる。
【００３２】また、センサ素子の持つ一次共振点よりも
周波数の高い振動を選択的に検出する別の手段として、
その一次共振点が４００ｋＨｚ以下、好ましくは３００
ｋＨｚ以下となるようなセンサ素子を備えることが挙げ
られる。このようなセンサ素子を備えると、固体粒子が
衝突した際にセンサ素子の持つ一次共振点よりも周波数
の高い振動が出現しやすくなる。上記のようなセンサ素
子は、その寸法や材料、振動部の形状等を適宜選択する
ことで得ることができる。例えば、振動部をアスペクト
比６以下の板形状とする、すなわち検出部を載置してい
ない状態のセンサ素子を示した図３において、振動部１
４の長辺の長さＡと短辺の長さＢの比（Ａ／Ｂ）を６以
下にすると、センサ素子の持つ一次共振点よりも周波数
の高い振動が出現しやすくなる。
【００３３】図１０及び図１２は上記のようなセンサ素
子を備えたセンサにて得られた、粒子信号の波形を示し
たものであり、一方、図１１及び図１３は同センサにて
得られた、泡信号（一次共振振動を伴うもの）の波形を
示したものである。それぞれの図を比較してわかるよう
に、図１０及び図１２には、振動の立ち上がりの部分
に、図１１及び図１３に存在しない、センサ素子の持つ
一次共振点よりも周波数の高い振動が現れている。
【００３４】なお、先述の高域フィルタを用いた場合に
は、センサ素子の持つ一次共振点よりも周波数の高い振
動が発生しにくい状況においても、僅かに発生した当該
振動を検出することがある程度可能であるが、上記のよ
うに所定の周波数の一次共振点をもつようなセンサ素子
を備え、センサ素子の持つ一次共振点よりも周波数の高
い振動が出現しやすくした上で、更に高域フィルタを用
いるようにすると、より明確に当該振動を検出できるの
で好ましい。
【００３５】ところで、泡信号の中にもセンサ素子の持
つ一次共振点よりも周波数の高い振動が含まれる場合が
あるが、この場合においても、そのような振動を含む泡
信号は、後述の実施例に示すように、全泡信号のうちの
１割程度であるので、センサ素子の持つ一次共振点より
も周波数の高い振動を選択的に検出すれば、ほぼ正確に
粒子信号を泡信号から分離できる。
【００３６】また、同じく後述の実施例に示すように、
上記１割程度の泡信号も、その多くはセンサ素子の持つ
一次共振点の周波数の２倍未満の周波数の振動しか持た
ず、センサ素子の持つ一次共振点の周波数の３倍以上の
周波数の振動を持った泡信号はほとんど存在しない。一
方、粒子信号は、センサ素子の持つ一次共振点の周波数
の２倍以上の周波数の振動を含み、少なくともセンサ素
子の持つ一次共振点の周波数の３〜５倍の範囲に含まれ
る周波数成分を、ほとんどすべての粒子信号が有してい
る。
【００３７】したがって、より高い精度で粒子信号を泡
信号から分離しようとするときは、センサ素子の持つ一
次共振点の周波数の２倍以上の周波数の振動を選択的に
検出するようにするのが好ましく、センサ素子の持つ一
次共振点の周波数の３倍以上の周波数の振動を選択的に
検出するようにすると更に確実に分離できる。
【００３８】なお、高周波ノイズ低減の観点から、選択
的に検出する振動には、その周波数の上限を設定するこ
とが好ましく、具体的には上限値を１０ＭＨｚ以下、よ
り好ましくは５ＭＨｚ以下、更に好ましくは２ＭＨｚ以
下とする。ただし、この上限値をあまり低くし過ぎる
と、検出する信号の周波数範囲が狭くなって検出信号の
振幅が小さくなってしまうので、検出信号の振幅と高周
波ノイズの両方を考慮して適宜選択するのがよい。
【００３９】次に、センサ素子の製造方法を説明する。
基体は、グリーンシート又はグリーンテープである成形
層を、熱圧着等で積層し、次いで、焼結することで一体
化できる。例えば、図２の基体１２では、２層のグリー
ンシート又はグリーンテープを積層するが、その第二層
に、空所１７に対応する所定形状の貫通孔を積層前に予
め設けておけばよい。また、成形型を用いる加圧成形、
鋳込み成形、射出成形等によって、成形層を作成し、切
削、研削加工、レーザー加工、プレス加工による打ち抜
き等の機械加工により、空所等を設けてもよい。成形層
は、互いに同一の厚さである必要はないが、焼結による
収縮が同じ程度になるようにしておくことが好ましい。
【００４０】セラミックスからなる振動部１４に、検出
部２０を形成する方法としては、金型を用いたプレス成
形法又はスラリー原料を用いたテープ成形法等によって
圧電体を成形し、この焼結前の圧電体を、焼結前の基体
における振動部に、熱圧着で積層し、同時に焼結して、
基体と圧電体とを形成する方法がある。この場合には、
電極は後述する膜形成法により、基体又は圧電体に予め
形成しておく必要がある。
【００４１】圧電膜の焼結温度は、これを構成する材料
によって適宜定められるが、一般には、８００〜１４０
０℃であり、好ましくは、１０００〜１４００℃であ
る。この場合、圧電膜の組成を制御するために、圧電膜
材料の蒸発源の存在下に焼結することが好ましい。
【００４２】一方、膜形成法では、振動部１４に、第二
電極２６、圧電膜２２、及び第一電極２４をこの順序に
積層して、検出部２０を形成する。公知の膜形成法、例
えば、スクリーン印刷のごとき厚膜法、ディッピング等
の塗布法、イオンビーム、スパッタリング、真空蒸着、
イオンプレーティング、化学蒸着法（ＣＶＤ）、メッキ
等の薄膜法等が適宜用いられるが、これらに何等限定さ
れるものではない。この中では、スクリーン印刷法が安
定に製造することができるので好ましい。
【００４３】第二電極２６、リード２８、２９及び端子
パッドは、スクリーン印刷によって、同時に印刷塗布す
ることができる。また、圧電膜２２は、好ましくは、ス
クリーン印刷、ディッピング、塗布等によって形成す
る。これらの手法は、圧電膜の材料からなるセラミック
粒子を主成分とするペーストやスラリーを用いて、基体
上に膜形成することができ、良好な圧電体特性が得られ
る。
【００４４】また、このように圧電膜を膜形成法によっ
て形成すると、接着剤を用いることなく、検出部と振動
部とを一体的に接合することができるため、信頼性、再
現性に優れ、更に、集積化しやすいことから、特に好ま
しい。また、そのような膜の形状は、適当なパターンを
形成してもよい。スクリーン印刷法、フォトリソグラフ
ィ法等によって、パターン形成してもよく、また、レー
ザー加工法、スライシング、超音波加工等の機械加工法
を用い、不必要な部分を除去してパターン形成してもよ
い。
【００４５】そして、このようにして基体上に形成され
たそれぞれの膜（２２、２４、２６）は、各膜の形成の
都度、熱処理して、基体と一体構造となるようにしても
よく、又は、これらの膜を形成した後に、これらの膜を
同時に熱処理して、各膜を基体に一体的に接合せしめて
もよい。なお、薄膜法により第一電極又は第二電極を形
成する場合には、これらの電極を一体化するためには、
必ずしも熱処理を必要としない。
【００４６】孔部１８は、基体製造時に同時にグリーン
シート若しくはグリーンテープ又は成形型により得られ
た成形層に対して、切削加工、研削加工、プレス加工等
により打ち抜く等の機械加工をすることにより形成して
もよい。すなわち、孔部の形状に対応して、グリーンシ
ート等を機械加工すればよい。また、基体焼結後にレー
ザー加工、切削加工、超音波加工等の機械加工により孔
部を形成してもよい。更にまた、検出部形成後に同様の
加工法により形成してもよい。
【００４７】以上、振動部の振動を検出し電気信号に変
換する検出部（変換装置）としては、圧電膜の圧電作用
を利用する例を中心に説明した。しかし、上記検出部は
圧電作用を利用するものには限られない。例えば、電磁
誘導作用を利用するようにしてもよく、この場合の検出
部は、振動部に設けられるコイルと、このコイルに流れ
る電気信号を検出する電気回路と、当該コイルに磁場を
形成する磁石（電磁石であってもよい。）とを有する。
振動部と共にコイルが振動する際に、電磁誘導によりコ
イルに電流が流れ、この電流を電気回路が検出する。
【００４８】また、静電容量変化を利用する場合には、
検出部は、振動部の表面に設けた一対の電極と、この電
極に挟まれた誘電体と、電極に接続する電子回路を有
し、この特定の空間に荷電される静電容量を電子回路に
より検出する。
【００４９】振動部に投光し、受光部での光の入射変化
を利用する場合には、検出部は、光ダイオード等の振動
部に投光するデバイスと、振動部で反射した光量を測定
するデバイスとを有する。反射した光量を測定するデバ
イスとしては、光センサー等を用いることができる。振
動部が振動するに従って、振動部で反射する光量が変化
し、その光量変化を測定する。
【００５０】導体の歪に対する電気抵抗変化を利用する
場合には、検出部は、振動部の表面に設けた導体と、こ
の導体に接続する電子回路を有する。振動部とともに導
体が振動する際に、振動により導体が歪み、抵抗が変化
するので、電気回路でこの抵抗変化を検出する。
【００５１】半導体の歪に対する電気抵抗変化を利用す
る場合には、検出部は、振動部の表面に設けた半導体
と、この半導体に接続する電子回路を有する。振動部と
共に半導体が振動する際に、振動により半導体が歪み、
抵抗が変化するので、電気回路でこの抵抗変化を検出す
る。
【００５２】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に
説明するが、本発明はこれらの実施例によって制限され
るものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で広く
解釈されるべきである。
【００５３】（実施例１）図１に示すような基本構造を
有する粒子センサであって、そのセンサ素子１０の持つ
一次共振点が３２０ｋＨｚであるものを作製した。な
お、センサ素子１０は、厚さ０．３ｍｍの部分安定化ジ
ルコニアからなる基体１２を有し、振動部１４は、厚さ
が１０μｍで、図３に示す長辺の長さＡが２ｍｍ、短辺
の長さＢが０．５ｍｍ（アスペクト比Ａ／Ｂ＝４）で同
じく部分安定化ジルコニアからなり、この振動部１４の
周囲に２ｍｍ×１．５ｍｍの四角形の孔部１８が２つ形
成されている。また、図２に示す圧電膜２２は厚さが２
０μｍで、ランタン及びストロンチウムを含有するマグ
ネシウムニオブ酸鉛とジルコン酸鉛とチタン酸鉛とから
なり、第１電極２４は厚さが０．３μｍで金からなり、
第２電極２６は厚さが５μｍで白金からなるものであ
る。
【００５４】このような粒子センサを用い、次のように
して、粒子信号と泡信号の周波数成分の調査を行った。
まず、１μｍ程度のろ過性能を有するろ紙でこして得ら
れた固体粒子の混在していないオイルと、固体粒子の混
在するオイルとを、粒子センサにオイル流量２．３リッ
トル／分、オイル圧力４ｋｇｆ／ｃｍ2で各々別々に流
して、前者では泡信号を、後者では粒子信号を出力させ
た。固体粒子としては、１〜５０μｍ程度の大きさの金
属粒子を用いた。そして、それぞれの信号を増幅器で増
幅し、これを高域フィルタに通した後の信号をオシロス
コープで観察した。このようにして、高域フィルタの遮
断周波数Ｆｃを様々に変えながら、各遮断周波数Ｆｃに
おいて、粒子センサから出力された全信号数に対して、
高域フィルタ通過後にオシロスコープで検出された信号
数の割合を求めた。この結果を図１８に示した。
【００５５】図１８より、遮断周波数Ｆｃがセンサ素子
の持つ一次共振点の周波数に等しい３２０ｋＨｚ（０．
３２ＭＨｚ）のときには、高域フィルタ通過後に約１０
％の泡信号しか検出されないことがわかる。すなわち、
泡信号の約９０％はセンサ素子の持つ一次共振点よりも
低い周波数成分しか持たないことになる。また、遮断周
波数Ｆｃが７００ｋＨｚ（０．７ＭＨｚ）のときには高
域フィルタ通過後に検出される泡信号が存在しないの
で、上記約１０％の泡信号もせいぜい７００ｋＨｚ未満
（センサ素子の持つ一次共振点の周波数の約２倍未満）
の周波数成分しか持たないことになる。
【００５６】一方、粒子信号については、遮断周波数Ｆ
ｃが１．５ＭＨｚのときまで、すべての粒子信号が高域
フィルタ通過後に検出され、遮断周波数Ｆｃが１．８Ｍ
Ｈｚのときに８４％の信号が高域フィルタ通過後に検出
された。これより、すべての粒子信号は、最低でも１．
５〜１．８ＭＨｚ（センサ素子の持つ一次共振点の周波
数の約５倍）の周波数成分を含むことになる。また、遮
断周波数Ｆｃが６ＭＨｚのときに、高域フィルタ通過後
に検出される粒子信号が存在しないので、粒子信号に含
まれる周波数成分は、高いものでも５ＭＨｚ程度であ
る。
【００５７】以上より、センサ素子の持つ一次共振点よ
りも高い周波数の振動を選択的に検出すれば、ほぼ正確
に粒子信号を泡信号から分離することができることがわ
かる。また、センサ素子の持つ一次共振点の周波数〜そ
の２倍未満の周波数の成分を含む泡信号が、１０％程度
あるので、それによる粒子信号と泡信号との誤認を低減
するためには、センサ素子の持つ一次共振点の周波数の
２倍以上の周波数の振動を選択的に検出すればよい。更
に確実に粒子信号を泡信号から分離するためには、セン
サ素子の持つ一次共振点の周波数の３倍以上の周波数の
振動を選択的に検出すればよい。また、高周波ノイズ低
減の観点から、選択的に検出する振動に上限を設定する
のが好ましいが、粒子信号に含まれる周波数成分などを
考慮すると、その上限値は１０ＭＨｚ程度とするのがよ
い。
【００５８】（実施例２）上記実施例１と同じ粒子セン
サを用い、オイル流量を１．６リットル／分、２．３リ
ットル／分、３．２リットル／分に変化させて（オイル
圧力は一定＝４ｋｇｆ／ｃｍ2）、それぞれ実施例１と
同様に粒子信号と泡信号の周波数成分の調査を行い、そ
の結果を図１９に示した。
【００５９】（実施例３）上記実施例１と同じ粒子セン
サを用い、オイル圧力を２．４ｋｇｆ／ｃｍ2、４ｋｇ
ｆ／ｃｍ2、６ｋｇｆ／ｃｍ2に変化させて（オイル流量
は一定＝２．３リットル／分）、それぞれ実施例１と同
様に粒子信号と泡信号の周波数成分の調査を行い、その
結果を図２０に示した。
【００６０】上記実施例２及び実施例３の結果を示す図
１９及び図２０より、粒子センサを流れるオイルの流量
や圧力を変えても、高域フィルタ通過後の信号検出割合
はほとんど変化しないことがわかった。
【００６１】（実施例４）振動部１４の長辺の長さＡが
２ｍｍ、短辺の長さＢが０．３ｍｍ（アスペクト比Ａ／
Ｂ＝６．７）であって、一次共振点の周波数が６１０ｋ
Ｈｚであるようなセンサ素子１０を有する粒子センサを
用いた以外は、上記実施例１と同様にして、粒子信号と
泡信号の周波数成分の調査を行い、その結果を図２１に
示した。
【００６２】図２１より、遮断周波数Ｆｃがセンサ素子
の持つ一次共振点の周波数に等しい６１０ｋＨｚ（０．
６１ＭＨｚ）のときには、高域フィルタ通過後に約８％
の泡信号しか検出されないことがわかる。すなわち、泡
信号の約９２％はセンサ素子の持つ一次共振点よりも低
い周波数成分しか持たないことになる。また、遮断周波
数Ｆｃが１．２ＭＨｚのときには高域フィルタ通過後に
検出される泡信号が存在しないので、上記約８％の泡信
号もせいぜい１．２ＭＨｚ未満（センサ素子の持つ一次
共振点の周波数の約２倍未満）の周波数成分しか持たな
いことになる。一方、粒子信号については、遮断周波数
Ｆｃが０．７ＭＨｚのときまで、すべての粒子信号が高
域フィルタ通過後に検出され、遮断周波数Ｆｃが１０Ｍ
Ｈｚのときに、高域フィルタ通過後に検出される粒子信
号が存在しなくなる。
【００６３】以上より、センサ素子の形状を変えて、セ
ンサ素子の持つ一次共振点の周波数を変化させても、泡
信号の約９割はセンサ素子の持つ一次共振点の周波数よ
りも低い周波数成分しか持たず、残りの約１割の泡信号
もセンサ素子の持つ一次共振点の周波数の２倍未満の周
波数成分しか持たないことがわかる。なお、粒子信号の
高域フィルタ通過後の検出割合が１００％となる最大の
遮断周波数Ｆｃが、実施例１に比して実施例４が低いの
は、センサ素子の振動部のアスペクト比の違いによるも
のである。すなわち、振動部のアスペクト比が小さいほ
ど、高い周波数の振動が出現しやすくなる。
【００６４】なお、固体粒子として、大きさが５０μｍ
以上の粒子や、セラミックス等の他の材料の粒子を使用
した場合でも、前述と同様な周波数特性を持つ粒子信号
が得られた。
【００６５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
固体粒子の衝突による振動に特有のセンサ素子の一次共
振点よりも周波数の高い振動を選択的に検出できるの
で、泡信号を粒子信号と誤って認識する割合が低減し、
センサの精度が向上する。また、粒子信号を泡信号から
分離することができるので、泡信号を排除することによ
り相対的に固体粒子に対する感度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】粒子センサの基本構造の一例を示す説明図であ
る。
【図２】センサ素子の一例を示す説明図で、(ａ)が平面
図、(ｂ)がそのＩ−Ｉ断面図である。
【図３】振動部の形状を表すため、検出部を載置しない
状態で示したセンサ素子の平面図である。
【図４】(ａ)は固体粒子の衝突による振動で生じた信号
の波形図であり、(ｂ)はそれを周波数成分解析して得ら
れたグラフである。
【図５】(ａ)は泡の衝突による振動で生じた信号の波形
図であり、(ｂ)はそれを周波数成分解析して得られたグ
ラフである。
【図６】固体粒子の衝突による振動で生じた信号の波形
図である。
【図７】固体粒子の衝突による振動で生じた信号を高域
フィルタに通して得られた波形図である。
【図８】泡の衝突による振動で生じた信号を高域フィル
タに通して得られた波形図である。
【図９】固体粒子の衝突による振動で生じた信号を高域
フィルタに通して得られた波形図である。
【図１０】一次共振点が４００ｋＨｚ以下となるような
センサ素子を備えた粒子センサにて得られた、固体粒子
の衝突による振動で生じた信号の波形図である。
【図１１】一次共振点が４００ｋＨｚ以下となるような
センサ素子を備えた粒子センサにて得られた、泡の衝突
による振動で生じた信号の波形図である。
【図１２】一次共振点が４００ｋＨｚ以下となるような
センサ素子を備えた粒子センサにて得られた、固体粒子
の衝突による振動で生じた信号の波形図である。
【図１３】一次共振点が４００ｋＨｚ以下となるような
センサ素子を備えた粒子センサにて得られた、泡の衝突
による振動で生じた信号の波形図である。
【図１４】固体粒子の衝突による振動（センサ素子の持
つ一次共振点の振動）で生じた信号の波形図である。
【図１５】泡の衝突による振動（センサ素子の持つ一次
共振点の振動よりも周波数の低い長周期振動）で生じた
信号の波形図である。
【図１６】泡の衝突による振動（センサ素子の持つ一次
共振点の振動を伴う振動）で生じた信号の波形図であ
る。
【図１７】泡の衝突による振動（センサ素子の持つ一次
共振点の振動を伴う振動）で生じた信号の波形図であ
る。
【図１８】実施例１の結果を示すグラフである。
【図１９】実施例２の結果を示すグラフである。
【図２０】実施例３の結果を示すグラフである。
【図２１】実施例４の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…センサ素子、１２…基体、１４…振動部、１６…
固定部、１７…凹部、１８…孔部、２０…検出部、２２
…圧電膜、２４…第一電極、２６…第二電極、２８…リ
ード、２９…リード、３０…ハウジング、３２…入口、
３３…ノズル、３４…出口、３５…ノズル、３６…弾性
部材、３７…弾性部材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−29675（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−46597（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−280634（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−18884（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−274731（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−94758（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−61920（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−282373（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−98311（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−332852（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 15/02 G01V 9/00 H01L 41/08 H02N 2/00

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 流体の入口と出口とを有する流路、及び
    当該流路中に配置され、流体中の固体粒子の衝突に対し
    て感応できる程度の質量を有する振動部と該振動部の振
    動を検出し電気信号に変換する検出部とを含むセンサ素
    子を有する粒子センサであって、センサ素子の持つ一次
    共振点よりも周波数の高い振動を選択的に検出する手段
    を備えたことを特徴とする粒子センサ。
  2. 【請求項２】 センサ素子に対して、出口が入口の反対
    側に配置され、かつセンサ素子の振動部の周囲の少なく
    とも一部に孔部が形成されており、当該入口から流入し
    た流体が当該孔部を流れて当該出口から流出するよう
    に、当該センサ素子の当該振動部が当該入口で形成され
    る流体の流れの延長に配置された請求項１記載の粒子セ
    ンサ。
  3. 【請求項３】 センサ素子の持つ一次共振点よりも周波
    数の高い振動を選択的に検出する手段として、高域フィ
    ルタを備えた請求項１記載の粒子センサ。
  4. 【請求項４】 センサ素子の持つ一次共振点よりも周波
    数の高い振動を選択的に検出する手段として、その一次
    共振点が４００ｋＨｚ以下となるようなセンサ素子を備
    えた請求項１記載の粒子センサ。
  5. 【請求項５】 センサ素子の持つ一次共振点よりも周波
    数の高い振動として、当該一次共振点の周波数の２倍以
    上の周波数の振動を選択的に検出する手段を備えた請求
    項１記載の粒子センサ。
  6. 【請求項６】 センサ素子の持つ一次共振点よりも周波
    数の高い振動として、当該一次共振点の周波数の３倍以
    上の周波数の振動を選択的に検出する手段を備えた請求
    項１記載の粒子センサ。
  7. 【請求項７】 センサ素子の持つ一次共振点よりも周波
    数の高い振動として、上限１０ＭＨｚ以下の周波数の振
    動を選択的に検出する手段を備えた請求項１記載の粒子
    センサ。
  8. 【請求項８】 センサ素子の持つ一次共振点よりも周波
    数の高い振動として、上限５ＭＨｚ以下の周波数の振動
    を選択的に検出する手段を備えた請求項１記載の粒子セ
    ンサ。
  9. 【請求項９】 センサ素子の持つ一次共振点よりも周波
    数の高い振動として、上限２ＭＨｚ以下の周波数の振動
    を選択的に検出する手段を備えた請求項１記載の粒子セ
    ンサ。
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