JP4936909B2 - 流体特性測定装置の使用方法 - Google Patents
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Description
本発明の圧電/電歪膜型振動子(圧電/電歪膜型センサ)は、薄肉ダイヤフラム部と、その薄肉ダイヤフラム部の周縁に一体的に架設された厚肉部と、を有し、それら薄肉ダイヤフラム部及び厚肉部によって、流体を含有可能な空洞であって外部に連通する空洞を形成してなるセラミック基体を備える。更に、圧電/電歪膜型振動子は、膜状の圧電/電歪体と、その圧電/電歪体を挟んだ一対の膜状の電極と、が前記セラミック基体の薄肉ダイヤフラム部の外表面上に通常の膜形成法によって順次積層・配設されてなる一体構造を有する。
セラミック基板の材質としては、耐熱性、化学的安定性及び絶縁性を有する材質が好ましい。これは、後述するように電極と圧電/電歪膜とを一体化する際に、熱処理する場合があること、センサ素子としての圧電/電歪膜型素子が液体の特性をセンシングする場合、その液体が導電性及び腐食性等を有する場合があるためである。かかる観点から使用できるセラミックスとしては、安定化された酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、ムライト、窒化アルミニウム、窒化珪素及びガラス等を例示することができる。これらの内、安定化された酸化ジルコニウムは薄肉ダイヤフラム部を薄く形成した場合にも機械的強度を高く保てること、靭性に優れることなどから、セラミックス基体の材料として好適に使用することができる。
このようなセラミック基板の表面上に、下部電極が形成されている。かかる下部電極は、セラミック基板の一方の端から、薄肉ダイヤフラム部上の、圧電/電歪膜が形成されるべき大きさと同等、又は、圧電/電歪膜が形成されるべき大きさより小さい所定の大きさで形成される。
圧電/電歪膜は、下部電極に跨るようにして、また、下部電極を覆う大きさで形成されている。圧電/電歪膜の材料は、圧電/電歪効果を示す材料であればいずれの材料でもよい。このような材料として、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛及びチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の鉛系セラミック圧電/電歪材料や、チタン酸バリウム及びこれを主成分とするチタバリ系セラミック強誘電体や、ポリ弗化ビニリデン(PVDF)に代表される高分子圧電体や、(Bi0.5Na0.5)TiO3に代表されるBi系セラミック圧電体や、Bi層状セラミックを挙げることができる。もちろん、圧電/電歪特性を改善した、これらの混合物及び固溶体、並びに、これらに添加物を添加せしめたものが用いられうることは言うまでもない。PZT系圧電体は、圧電特性が高く、高感度検出が可能なセンサの材料として好適に用いられる。
さらに、このようにして形成された圧電/電歪膜の上に、上部電極が、圧電/電歪膜を跨って連続的に形成されている。この上部電極の材質には、圧電/電歪膜との接合性の高い導電性材料が用いられる。上部電極は下部電極と同様の膜形成法により形成される。さらに、上部電極は、膜形成後必要に応じて熱処理され、圧電/電歪膜と接合され、一体構造とされる。このような熱処理がかならずしも必要でないことは下部電極と同様である。
実施例1に係る流体センサにおいて、圧電/電歪膜型素子にピーク電圧が±150Vの電圧(即ち、その圧電/電歪膜型素子の抗電圧を超える電圧)で、周波数100Hzの正弦波電圧信号(以下、電圧信号1a)を上記電源により30秒印加した。その後、センサ特性を確保するため、再分極処理を目的として上記電源により+150Vの正方向直流電圧(以下、電圧信号2)を5秒印加した。その後、温度センサにて、圧電/電歪膜型素子の表面温度と流路内の流体温度が上昇することを確認した。また、圧電/電歪膜型素子の温度上昇が確認された状態において、圧電/電歪膜型素子の振動を励起する駆動電圧信号(以下、電圧信号3)を上記電源により印加した。その結果、圧電/電歪膜型素子の温度上昇が無い場合と比較して、圧電/電歪膜型素子(薄肉ダイヤフラム部)の変位量が増加することが分かった。したがって、電圧信号1aを印加することにより、流路内の流体温度上昇による流体抵抗の低減と、圧電/電歪膜型素子の変位量増加による流体排出効果の向上が可能になったと言える。即ち、流路内の気泡の排出を効果的に行うことが可能である。
実施例2に係る流体センサにおいて、圧電/電歪膜型素子にピーク電圧が±150Vの電圧(即ち、その圧電/電歪膜型素子の抗電圧を超える電圧)で、圧電/電歪膜型素子および流体で構成される共振周波数である10kHzの正弦波電圧信号(以下、電圧信号1b)を上記電源により10秒印加した。その後、センサ特性を確保するため、再分極処理を目的として+150Vの正方向直流電圧(電圧信号2)を上記電源により5秒印加した。その後、温度センサにて、圧電/電歪膜型素子の表面温度と流路内の流体温度が実施例1で示した場合と比較して、さらに上昇することを確認した。さらに、圧電/電歪膜型素子に電圧信号1bを印加している時間において、素子の大きな変位が得られる。したがって、電圧信号1bを印加することにより、流路内の流体温度上昇による流体抵抗の更なる低減と、圧電/電歪膜型素子の変位量増加による更なる流体排出効果の向上が可能になったと言える。即ち、流路内の気泡の排出を効果的に行うことが可能である。
Claims (4)
- 薄肉ダイヤフラム部と、その薄肉ダイヤフラム部の周縁に一体的に架設された厚肉部と、を有し、それら薄肉ダイヤフラム部及び厚肉部によって流体を含有可能な空洞であって外部に連通する空洞を形成してなるセラミック基体、
膜状の圧電/電歪体とその圧電/電歪体を挟んだ一対の膜状の電極とを含み、その圧電/電歪体とその一対の膜状の電極とが前記セラミック基体の前記薄肉ダイヤフラム部の外表面上に積層されてなる圧電/電歪素子、
前記圧電/電歪素子を駆動する電源、及び、
薄肉ダイヤフラム部の振動に伴う電気的定数の変化を検出する電気的定数監視手段、
を備え、
その圧電/電歪素子の駆動に連動して前記セラミック基体の薄肉ダイヤフラム部が振動することに伴う前記電気的定数の変化を検出することにより流体の特性を検出する圧電/電歪膜型センサを用いた流体特性測定装置の使用方法であって、
前記電気的定数監視手段で前記電気的定数の変化を検出する前に、前記圧電/電歪素子に正弦波電圧信号を所定時間印加することを特徴とする流体特性測定装置の使用方法。 - 請求項1記載の流体特性測定装置の使用方法において、
前記正弦波電圧信号のピーク値の大きさが、前記圧電/電歪素子の抗電圧を超えることを特徴とする流体特性測定装置の使用方法。 - 請求項1又は請求項2に記載の流体特性測定装置の使用方法において、
前記正弦波電圧信号の周波数は、前記圧電/電歪素子及び前記流体で構成される共振周波数であることを特徴とする流体特性測定装置の使用方法。 - 請求項1又は請求項2に記載の流体特性測定装置の使用方法において、
前記正弦波電圧信号の周波数は、前記薄肉ダイヤフラム部の共振1次モードであることを特徴とする流体特性測定装置の使用方法。
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