JPH1062331A - 粒子センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 流体中に含まれる粒子の大きさや粒度分布
を、簡易かつ短時間に測定できる粒子センサを提供す
る。 【解決手段】 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２０とを有するセ
ンサ素子１０と、センサ素子１０を固定するハウジング
３０と、流体の入口３２を形成する入口ノズル３３と、
流体の出口３４を形成する出口ノズル３５とを有し、出
口ノズル３５は、センサ素子１０に対して、入口ノズル
３３の反対側に配置され、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、入口ノズル３５か
ら流入した流体がセンサ素子１０に衝突した後、孔部１
８を通過して出口ノズル３５より流出するように構成さ
れた粒子センサであって、当該粒子センサのセンサ素子
１０に衝突する流体の速度を変化させることができるよ
うにした粒子センサ。

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、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、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、潤滑剤中の粒子等を
除去するが、潤滑剤中の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、流体の状態
を管理し、適宜、濾過等の処理をするにおいては、単に
流体中の粒子の存在や濃度を確認できるだけでなく、流
体中に含まれる粒子の大きさや粒度分布についても知る
ことができればより有利である。このため、上記従来の
粒子センサを用いて流体の検出を行うに際しては、セン
サ素子に衝突する流体の速度を一定としておき、粒子の
衝突により発生した信号の振幅（電圧値）の大きさによ
って、衝突した粒子の大きさを判断していた。

【０００７】しかしながら、上記のようにして得られる
信号の振幅の大きさにはバラツキが多く、その精度に欠
けるものであった。また、精度を上げるため測定回数を
増やしてやると、信号処理機械が複雑になったり、測定
時間が長くなるといった問題が生じていた。

【０００８】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、流体中に含ま
れる粒子の大きさや粒度分布を、より簡易かつ短時間に
測定できる粒子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】本発明によれば、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、当該振動部の振動を検出し電気信号に変換
する検出部とを有するセンサ素子と、当該センサ素子を
固定するハウジングと、流体の入口を形成する入口ノズ
ルと、流体の出口を形成する出口ノズルとを有し、当該
出口ノズルは、当該センサ素子に対して、当該入口ノズ
ルの反対側に配置され、当該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、当該入口ノズルから流入
した流体が当該センサ素子に衝突した後、当該孔部を通
過して当該出口ノズルより流出するように構成された粒
子センサであって、当該粒子センサのセンサ素子に衝突
する流体の速度を変化させることができるようにしたこ
とを特徴とする粒子センサ（第１発明）、が提供され
る。

【００１０】また、本発明によれば、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、当該振動部の振動を検出し電気信号に変換する検出
部とを有するセンサ素子と、当該センサ素子を固定する
ハウジングと、流体の入口を形成する入口ノズルと、流
体の出口を形成する出口ノズルとを有し、当該出口ノズ
ルは、当該センサ素子に対して、当該入口ノズルの反対
側に配置され、当該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、当該入口ノズルから流入した流体
が当該センサ素子に衝突した後、当該孔部を通過して当
該出口ノズルより流出するように構成されたセンサを複
数組み合わせてなる粒子センサであって、当該粒子セン
サを構成する各センサのセンサ素子に、流体が異なる速
度で衝突するようにしたことを特徴とする粒子センサ
（第２発明）、が提供される。

【００１１】なお、本発明において、流体の速度とは、
単位時間内に流路を直角に切断する単位断面を通過する
流体の体積をいい、例えばm³/m²・sec（＝m/sec）のよう
な単位で表される値である。

【００１２】

【発明の実施の形態】まず、第１発明に係る粒子センサ
について説明する。図１は本発明に係る粒子センサの基
本構造の一例を示す断面説明図で、図２はそのＡ部を拡
大した図である。センサ内において流体の流れる流路
は、流体の入口３２を形成する入口ノズル３３と、流体
の出口３４を形成する出口ノズル３５と、これらノズル
３３、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。

【００１３】出口ノズル３５は、センサ素子１０に対し
て、入口ノズル３２の反対側に配置されている。また、
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、入口ノズル３３から流入し
た流体が、センサ素子１０に衝突した後、孔部１８を通
過して出口ノズル３５から流出するように、センサ素子
１０の振動部１４が入口ノズル３３で形成される流体の
流れの延長に配置されている。センサ素子１０は、ｏ-
リング等の弾性部材３６、３７を介して、ハウジング３
０の内部に固定されている。

【００１４】図３は、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。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。

【００１５】図１において、入口ノズル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衝突する。この
際に、流体中の粒子が振動部１４又は検出部２０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に衝突した後、孔部１８を抜け、
出口ノズル３５を通じて外部に流出する。このセンサで
は、流体中の粒子が、圧電膜を有する検出部２０又は検
出部２０を載置する振動部１４に衝突することにより、
振動部１４及び検出部２０が振動し、圧電膜２２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２
４、２６がこの電気信号を出力する。

【００１６】第１発明の粒子センサは、上記のような基
本構造を有するものであるが、更にその特徴として、当
該粒子センサのセンサ素子に衝突する流体の速度を変化
させることができるようにされている。センサ素子に衝
突する流体の速度が早いほど、その流体中に含まれる粒
子がセンサ素子に衝突する際の衝撃が大きくなるので、
より小さな粒子まで検出できる。したがって、センサ素
子に衝突する流体の速度を変えることにより、センサで
検出可能な最小粒子径が変化する。

【００１７】このようなセンサ素子に衝突する流体の速
度を変化させることができるセンサを用い、センサ素子
に様々な速度で流体を衝突させることにより、それら各
速度においてセンサで検出可能な最小粒子径以上の大き
さの粒子の存在を確認できる。各速度で検出可能な最小
粒子径を予め求めておけば、各速度におけるセンサの検
出信号の発生の有無という単純な比較で、流体に含まれ
る粒子の大きさを素早く検知できる。そして、一定時間
内における各速度での検出粒子数を調べることにより、
流体中に含まれる粒子の粒度分布を知ることができる。

【００１８】次に、第１発明の粒子センサにおいて、粒
子センサのセンサ素子に衝突する流体の速度を変化させ
るための具体的手段と、それらの手段を用いた粒子セン
サの構成を例示する。

【００１９】まず、粒子センサのセンサ素子に衝突する
流体の速度を変化させるための第１の手段として、粒子
センサの入口ノズルのセンサ外に通じる流路を複数に分
岐させるとともに、各分岐路に開閉弁を備え、当該開閉
弁の開閉の組み合わせにより、粒子センサのセンサ素子
に衝突する流体の速度を変化させることが挙げられる。
図４は、このような手段を用いて構成した粒子センサの
一例を示している。この粒子センサは、入口ノズルのセ
ンサ４０外に通じる流路を、分岐路４１と４２の２つに
分岐させ、各分岐路に開閉弁４３、４４を備えたもの
で、これら開閉弁４３と４４の開閉の組み合わせによ
り、粒子センサのセンサ素子に衝突する流体の速度を変
化させることができる。

【００２０】例えば、本例において、分岐路４１と分岐
路４２の内径を同じとした場合は、開閉弁４３、４４
のうちのどちらか一方を開としたときと、開閉弁４
３、４４の両方を開としたときとで２種類の流体速度が
得られる。また、分岐路４３と分岐路４４の内径を異な
るものとした場合は、開閉弁４３のみを開としたとき
と、開閉弁４４のみを開としたときと、開閉弁４
３、４４の両方を開としたときとで３種類の流体速度が
得られる。

【００２１】粒子センサのセンサ素子に衝突する流体の
速度を変化させるための第２の手段として、粒子センサ
の出口ノズルのセンサ外に通じる流路を複数に分岐させ
るとともに、各分岐路に開閉弁を備え、当該開閉弁の開
閉の組み合わせにより、粒子センサのセンサ素子に衝突
する流体の速度を変化させることが挙げられる。図５
は、このような手段を用いて構成した粒子センサの一例
を示している。この粒子センサは、出口ノズルのセンサ
４５外に通じる流路を、分岐路４６と４７の２つに分岐
させ、各分岐路に開閉弁４８、４９を備えたもので、こ
れら開閉弁４８と４９の開閉の組み合わせにより、粒子
センサのセンサ素子に衝突する流体の速度を変化させる
ことができる。

【００２２】上記以外に、粒子センサのセンサ素子に衝
突する流体の速度を変化させるため手段として、例え
ば、図６のように、センサ素子５１の入口ノズル側にポ
ンプ５０を設け、このポンプ５０の吐出量を変化させる
ことにより、センサ素子に衝突する流体の速度を変化さ
せることが挙げられる。また、センサの入口ノズル又は
出口ノズルの径を適時変化させたり、入口ノズルの下端
部（センサ素子側の開口端部）とセンサ素子との距離を
適時変化させたりして、センサ素子に衝突する流体の速
度を変化させるようにしてもよい。なお、第１発明にお
いて、粒子センサのセンサ素子に衝突する流体の速度を
変化させるため手段、及び粒子センサの構成は、上記し
たものに限られるものではない。

【００２３】次に、第２発明に係る粒子センサについて
説明する。第２発明の粒子センサは、先に説明した図１
〜３に示すような基本構造を有するセンサを複数組み合
わせて構成され、各センサのそれぞれのセンサ素子に流
体が異なる速度で衝突するようにしたものである。セン
サ素子に衝突する流体の速度が早いほど、その流体中に
含まれる粒子がセンサ素子に衝突する際の衝撃が大きく
なるので、より小さな粒子まで検出できる。したがっ
て、各センサのセンサ素子に衝突する流体の速度を変え
ることにより、各センサで検出可能な最小粒子径が異な
るものとなる。

【００２４】このような検出可能な最小粒子径が異なる
複数のセンサに流体を流すことにより、それら各センサ
において検出可能な最小粒子径以上の大きさの粒子の存
在を確認できる。各センサで検出可能な最小粒子径を予
め求めておけば、各センサにおける検出信号の発生の有
無という単純な比較で、流体に含まれる粒子の大きさを
素早く検知できる。そして、一定時間内における各セン
サの検出粒子数を調べることにより、流体中に含まれる
粒子の粒度分布を知ることができる。

【００２５】次に、第２発明の粒子センサにおいて、各
センサのセンサ素子に流体が異なる速度で衝突するよう
にするための具体的手段と、それらの手段を用いた粒子
センサの構成を例示する。

【００２６】まず、各センサのセンサ素子に流体が異な
る速度で衝突するようにするための第１の手段として、
各センサの入口ノズルの内径が異なるようにすることが
挙げられる。すなわち、センサ素子に送り込まれる流体
の量が一定ならば、入口ノズルの内径が小さい方が流体
の速度は速くなる。図７は、このような手段を用いて構
成した粒子センサの一例を示している。この粒子センサ
は、図２に示す入口ノズル３３の内径Ｄが相異なる第１
センサ５５、第２センサ５６及び第３センサ５７を直列
的に組み合わせて構成したものである。

【００２７】なお、第１センサ〜第３センサのいずれ
も、入口ノズル３３の下端部（センサ素子側の開口端
部）とセンサ素子との距離Ｈは０．１ｍｍとした。各セ
ンサにおける入口ノズルの内径Ｄ、入口ノズル下端部で
の流体の速度、検出可能な最小粒子径（流体中に含まれ
る粒子がＡｌ₂Ｏ₃粒子である場合）は、表１に示すとお
りであった。

【００２８】この粒子センサでは、粒子径２５μｍ以上
のＡｌ₂Ｏ₃粒子は、第１センサ５５、第２センサ５６及
び第３センサ５７のいずれにも検出され、１０μｍ以上
２５μｍ未満のＡｌ₂Ｏ₃粒子は、第２センサ５６及び第
３センサ５７で検出され、５μｍ以上１０μｍ未満のＡ
ｌ₂Ｏ₃粒子は、第３センサ５７でのみ検出される。これ
ら第１〜第３センサにおいて一定時間内に検出された粒
子の数を調べれば、流体中に含まれる粒子の粒度分布を
知ることができる。

【００２９】

【表１】

【００３０】各センサのセンサ素子に流体が異なる速度
で衝突するようにするための第２の手段として、各セン
サの入口ノズル下端部とセンサ素子との距離が異なるよ
うにすることが挙げられる。図８は、このような手段を
用いて構成した粒子センサの一例を示している。この粒
子センサは、図２に示す入口ノズル３３の下端部とセン
サ素子との距離Ｈが相異なる第１センサ５８及び第２セ
ンサ５９を直列的に組み合わせて構成したものである。

【００３１】なお、第１センサ、第２センサとも、入口
ノズル３３の内径Ｄは３ｍｍφとし、入口ノズル３３の
下端部での流体の速度は５ｍ／ｓｅｃとなるようにし
た。各センサにおける入口ノズルの下端部とセンサ素子
との距離Ｈ、検出可能な最小粒子径（流体中に含まれる
粒子がＡｌ₂Ｏ₃粒子である場合）は、表２に示すとおり
であった。

【００３２】

【表２】

【００３３】各センサのセンサ素子に流体が異なる速度
で衝突するようにするための第３の手段として、各セン
サの流体の出口側の流路抵抗が異なるようにすることが
挙げられる。この流体の出口側の流路抵抗の調整は、例
えば、各センサの出口ノズル側にバルブを設け、その開
閉度を変えることにより行うことができる。図９は、こ
のような手段を用いて構成した粒子センサの一例を示し
ている。この粒子センサは、第１センサ６０、第２セン
サ６１及び第３センサ６２を並列的に組み合わせ、それ
ぞれの出口ノズル側にバルブ６３、６４、６５を設け、
これらバルブの開閉度により、各センサにおける流体の
出口側の流路抵抗が異なるように構成したものである。

【００３４】なお、第１〜第３センサのいずれも、入口
ノズルの内径Ｄは３ｍｍφとし、入口ノズルの下端部と
センサ素子との距離Ｈは０．２ｍｍとした。各センサに
おける入口ノズル下端部での流体の速度、検出可能な最
小粒子径（流体中に含まれる粒子がＡｌ₂Ｏ₃粒子である
場合）は、表３に示すとおりであった。

【００３５】

【表３】

【００３６】各センサのセンサ素子に流体が異なる速度
で衝突するようにするための第４の手段として、各セン
サのセンサ素子に至る流体の流路抵抗が異なるようにす
ることが挙げられる。このセンサ素子に至る流体の流路
抵抗の調整は、例えば、各センサの入口ノズルの形状や
入口ノズル内面の表面粗さを変えることにより行うこと
ができる。図１０は、このような手段を用いて構成した
粒子センサの一例を示している。この粒子センサは、第
１センサ６６及び第２センサ６７を並列的に組み合わ
せ、それぞれのセンサ素子に至る流体の流路抵抗が異な
るように構成したものである。

【００３７】なお、第１センサ、第２センサとも、入口
ノズルの内径Ｄは２ｍｍφとし、入口ノズルの下端部と
センサ素子との距離Ｈは１ｍｍとした。各センサにおけ
る入口ノズル下端部での流体の速度、検出可能な最小粒
子径（流体中に含まれる粒子がＡｌ₂Ｏ₃粒子である場
合）は、表４に示すとおりであった。

【００３８】

【表４】

【００３９】各センサのセンサ素子に流体が異なる速度
で衝突するようにするための第５の手段として、各セン
サのセンサ素子に単位時間当たりに送り込まれる流体の
量が異なるようにすることが挙げられる。このセンサ素
子に送り込まれる流体の量の調整は、例えば、各センサ
の入口ノズル側にポンプを設けることにより行うことが
できる。図１１は、このような手段を用いて構成した粒
子センサの一例を示している。この粒子センサは、第１
センサ６８及び第２センサ６９を並列的に組み合わせ、
それぞれの入口ノズル側にポンプ７０、７１を設け、こ
れらポンプにより、第１センサと第２センサに単位時間
当たりに異なる量の流体が送り込まれるように構成した
ものである。

【００４０】なお、第１センサ、第２センサとも、入口
ノズルの内径Ｄは１ｍｍφとし、入口ノズルの下端部と
センサ素子との距離Ｈは０．５ｍｍとした。各センサに
おける入口ノズル下端部での流体の速度、検出可能な最
小粒子径（流体中に含まれる粒子がＡｌ₂Ｏ₃粒子である
場合）は、表５に示すとおりであった。

【００４１】

【表５】

【００４２】上記第１〜第５の手段のうち、特に、第１
〜第３の手段は、簡便でセンサ素子に衝突する流体の速
度を効果的に変化させることができる。また、第３〜第
５の手段は、粒子センサを構成する各センサにおいて、
流体が衝突するセンサ素子表面付近におけるセンサ各部
の配置、寸法が同じにできるため、流体の流れの状態を
常に一定にでき、衝突する粒子の速度のみを変化させる
ことができるため、粒径判断の機構が簡単にできる。

【００４３】また、上記第１〜第５の手段は任意に組み
合わせることも可能である。例えば、図１２に示す粒子
センサは、入口ノズルの内径、入口ノズル下端部とセン
サ素子との距離、及び流体の出口側の流路抵抗の組み合
わせにより、第１センサ７２、第２センサ７３、第３セ
ンサ７４、第４センサ７５及び第５センサ７６の各セン
サ素子に衝突する流体の速度が異なるようにしたもので
ある。第４センサ７５及び第５センサ７６の出口ノズル
側には、バルブ７７、７８を設けて、それぞれのセンサ
の出口側の流路抵抗を調整している。第１〜第５センサ
の詳細は表６に示すとおりであった。

【００４４】

【表６】

【００４５】なお、第２発明において、各センサのセン
サ素子に流体が異なる速度で衝突するようにするための
手段、及び粒子センサの構成は、上記したものに限られ
るものではない。粒子センサを構成するセンサの数、各
センサのセンサ素子に衝突する流体の速度、各センサ間
の検出可能な最小粒子径の差などは、流体やそれに含ま
れる粒子の種類、測定の目的等に応じて適宜設定すれば
よい。また、本発明の粒子センサを用いて粒子の大きさ
を検出するに当たり、更に従来の信号の振幅の大きさで
粒子の大きさを判断する手法を組み合わせてもよく、こ
れによってより細かな粒径の判断が可能になる。

【００４６】次に、本発明の粒子センサに用いられるセ
ンサ素子の各部の構成を詳しく説明する。センサ素子１
０の基体１２には、振動部１４が肉薄になるように空所
１７が形成され、また、振動部１４の周囲には孔部１８
が形成される。

【００４７】振動部１４は、図のようにその全周が固定
部１６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、空所と
して凹部を形成する場合、凹部は出口３４側に形成され
てもよいし、入口３２側に形成されてもよい。更に、検
出部２０は振動部１４に対して入口３２側に配置されて
もよいし、振動部１４に対して出口３４側に配置されて
もよい。

【００４８】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。

【００４９】振動部１４は、粒子が衝突した際に、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１
４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。

【００５０】振動部１４の構成材料としては、本発明の
粒子センサにより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。

【００５１】検出部２０は、圧電膜２２と、圧電膜２２
を挟む第１電極２４及び第２電極２６を有する。第１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２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。

【００５２】圧電膜２２は、粒子が第１電極２４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１電極２４及び第２電極２６
は、圧電膜２２の電気信号を、リード２８及びリード２
９を通じて、端子パッドに出力する。

【００５３】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。

【００５４】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、２０：３
７：４３近辺の成分は、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。

【００５５】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。

【００５６】第１電極及び第２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１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。

【００５７】第２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２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。

【００５８】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、図のように空所１７として凹部が形
成される基体１２では、二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。

【００５９】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。

【００６０】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。

【００６１】一方、膜形成法では、振動部１４に、第２
電極２６、圧電膜２２、及び第１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。

【００６２】第２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。

【００６３】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。

【００６４】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１電極又は第２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。

【００６５】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。

【００６６】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、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。

【００６７】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。

【００６８】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。

【００６９】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。

【００７０】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。

【００７１】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。

【００７２】

【発明の効果】以上説明したように、第１発明に係るセ
ンサにおいては、センサ素子に衝突する流体の速度を変
化させることができるようにして、検出可能な最小粒子
径を変えられるようにしたことにより、センサ素子に衝
突する流体の速度を様々に設定し、それら各速度におい
てセンサで検出可能な最小粒子径以上の大きさの粒子の
存在を確認できる。したがって、各速度で検出可能な最
小粒子径を予め求めておけば、各速度におけるセンサの
検出信号の発生の有無という単純な比較で、流体に含ま
れる粒子の大きさを素早く検知できる。そして、一定時
間内における各速度での検出粒子数を調べることによ
り、流体中に含まれる粒子の粒度分布を知ることができ
る。

【００７３】また、第２発明に係る粒子センサにおいて
は、センサ素子に衝突する流体の速度を変えて、検出可
能な最小粒子径が異なるようにした複数のセンサを組み
合わせたことにより、それら各センサで検出可能な最小
粒子径以上の大きさの粒子の存在を確認できる。したが
って、各センサで検出可能な最小粒子径を予め求めてお
けば、各センサにおける検出信号の発生の有無という単
純な比較で、流体に含まれる粒子の大きさを素早く検知
できる。そして、一定時間内における各センサの検出粒
子数を調べることにより、流体中に含まれる粒子の粒度
分布を知ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】センサの基本構造の一例を示す説明図である。

【図２】図１のＡ部の拡大図である。

【図３】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４】第１発明に係る粒子センサの構成の一例を示す
概要図である。

【図５】第１発明に係る粒子センサの構成の一例を示す
概要図である。

【図６】第１発明に係る粒子センサの構成の一例を示す
概要図である。

【図７】第２発明に係る粒子センサの構成の一例を示す
概要図である。

【図８】第２発明に係る粒子センサの構成の一例を示す
概要図である。

【図９】第２発明に係る粒子センサの構成の一例を示す
概要図である。

【図１０】第２発明に係る粒子センサの構成の一例を示
す概要図である。

【図１１】第２発明に係る粒子センサの構成の一例を示
す概要図である。

【図１２】第２発明に係る粒子センサの構成の一例を示
す概要図である。

【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１電極、２６…第２電極、２８…リ
ード、２９…リード、３０…ハウジング、３２…入口、
３３…入口ノズル、３４…出口、３５…出口ノズル、３
６，３７…弾性部材

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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、当該振動部の振動を
   検出し電気信号に変換する検出部とを有するセンサ素子
   と、 当該センサ素子を固定するハウジングと、 流体の入口を形成する入口ノズルと、 流体の出口を形成する出口ノズルとを有し、 当該出口ノズルは、当該センサ素子に対して、当該入口
   ノズルの反対側に配置され、 当該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、 当該入口ノズルから流入した流体が当該センサ素子に衝
   突した後、当該孔部を通過して当該出口ノズルより流出
   するように構成された粒子センサであって、 当該粒子センサのセンサ素子に衝突する流体の速度を変
   化させることができるようにしたことを特徴とする粒子
   センサ。
2. 【請求項２】 当該粒子センサの入口ノズルのセンサ外
   に通じる流路が複数に分岐するとともに、各分岐路に開
   閉弁を備え、当該開閉弁の開閉の組み合わせにより、粒
   子センサのセンサ素子に衝突する流体の速度を変化させ
   る請求項１記載の粒子センサ。
3. 【請求項３】 当該粒子センサの出口ノズルのセンサ外
   に通じる流路が複数に分岐するとともに、各分岐路に開
   閉弁を備え、当該開閉弁の開閉の組み合わせにより、粒
   子センサのセンサ素子に衝突する流体の速度を変化させ
   る請求項１記載の粒子センサ。
4. 【請求項４】 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、当該振動部の振動を
   検出し電気信号に変換する検出部とを有するセンサ素子
   と、 当該センサ素子を固定するハウジングと、 流体の入口を形成する入口ノズルと、 流体の出口を形成する出口ノズルとを有し、 当該出口ノズルは、当該センサ素子に対して、当該入口
   ノズルの反対側に配置され、 当該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、 当該入口ノズルから流入した流体が当該センサ素子に衝
   突した後、当該孔部を通過して当該出口ノズルより流出
   するように構成されたセンサを複数組み合わせてなる粒
   子センサであって、 当該粒子センサを構成する各センサのセンサ素子に、流
   体が異なる速度で衝突するようにしたことを特徴とする
   粒子センサ。
5. 【請求項５】 各センサのセンサ素子に、流体が異なる
   速度で衝突するようにするために、各センサの入口ノズ
   ルの内径が異なるようにした請求項４記載の粒子セン
   サ。
6. 【請求項６】 各センサのセンサ素子に、流体が異なる
   速度で衝突するようにするために、各センサの入口ノズ
   ル下端部とセンサ素子との距離が異なるようにした請求
   項４記載の粒子センサ。
7. 【請求項７】 各センサのセンサ素子に、流体が異なる
   速度で衝突するようにするために、各センサの流体の出
   口側の流路抵抗が異なるようにした請求項４記載の粒子
   センサ。
8. 【請求項８】 各センサのセンサ素子に、流体が異なる
   速度で衝突するようにするために、各センサのセンサ素
   子に至る流体の流路抵抗が異なるようにした請求項４記
   載の粒子センサ。
9. 【請求項９】 各センサのセンサ素子に、流体が異なる
   速度で衝突するようにするために、各センサのセンサ素
   子に単位時間当たりに送り込まれる流体の量が異なるよ
   うにした請求項４記載の粒子センサ。