JP3343030B2

JP3343030B2 - センサ素子

Info

Publication number: JP3343030B2
Application number: JP16218796A
Authority: JP
Inventors: 政彦滑川; 和義柴田; 幸久武内
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1996-05-22
Filing date: 1996-06-21
Publication date: 2002-11-11
Anticipated expiration: 2016-06-21
Also published as: US5892143A; CN1173642A; EP0809105A1; EP0809105B1; JPH1038788A; DE69708751D1; ID16941A; US6047590A; US6490911B1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体の粘度、密
度、濃度等を測定するための圧電素子を有するセンサ素
子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、流体の粘度、密度、濃度等を測定
するために、圧電素子などの振動子を用いたセンサ素子
が使用されている。図２０は、このようなセンサ素子の
一例を示したもので、（ａ) は斜視図、（ｂ) はそのVI
−VI断面を部分的に拡大した図である。このセンサ素子
４０は、肉薄の振動部１４を有する基体１２を持つ。振
動部１４の一方の表面には、圧電膜２２と圧電膜２２に
接して設けられる一対の電極２４ａ、２４ｂとを有する
圧電素子２０が固定されており、他方の面は基体内部に
形成された空所（包囲空間）１６に面する。

【０００３】また、センサ素子４０先端部付近には、空
所１６に連通する導入孔１８が設けられており、導入孔
１８から空所１６内に流入した流体が、振動部１４に導
かれるようになっている。圧電素子２０は流体と直接接
触しないように、保護カバー１７によって覆われてい
る。

【０００４】このような構成のセンサ素子４０におい
て、導入孔１８より空所１６内に被測定流体を流入させ
て振動部１４に接触させ、この状態で圧電膜２２に電圧
を印加して振動部１４に振動を与えると、流体の粘度が
大きい場合には、振動部１４の振幅が小さくなり、流体
の粘度が小さい場合には、振動部１４の振幅が大きくな
るので、この振幅に対応する電流を検出することで流体
の粘度を測定することができる。また、流体の粘度が、
流体の密度や流体中の成分の濃度と相関を有する場合に
は、流体の密度、濃度を測定することができる。

【０００５】上記センサ素子の用途の１つとして、セン
サ素子を鉛蓄電池に組み込み、電解液の密度変化を測定
することがある。すなわち、鉛蓄電池はその電解液とし
て硫酸水溶液を使用しているが、この硫酸水溶液の粘度
は密度との相関があるので上記のようなセンサ素子で密
度を検出することができ、また、この電解液の密度は電
池の充放電により変化するので、その密度の変化を測定
することにより電池の充放電状態を知ることができる。

【０００６】図２１は、上記センサ素子４０を鉛蓄電池
内に組み込んだ状態を示したものである。電池の一対の
電極３２ａ、３２ｂの間には、多孔質シート（セパレー
タ）３４が挟まれており、センサ素子４０は、この多孔
質シート３４に埋設される。このような状態でセンサ素
子４０を電池ケース内に収容し、電解液を注入すると、
電解液は多孔質シートに染み込んで電極３２ａ、３２ｂ
間に満たされ、そこから染み出した電解液が導入孔１８
へ進入して空所１６に流入し、振動部１４へと導かれ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
に空所１６に電解液が流入するためには、同時に空所１
６内に存在していた気体が空所１６の外へ排気されるこ
と、すなわち、流入する電解液と置換されることが必要
である。しかしながら、従来のセンサ素子４０において
は、図のように電池に組み込んだ際、空所１６に連通す
る導入孔１８の開口端は、多孔質シート３４と接触した
状態になっているため空所１６内の気体が排気されにく
く、また、導入孔１８への電解液の進入が不規則である
ため、空所１６の内部の気体と電解液が置換されにくい
という問題があった。

【０００８】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
てなされたものであり、空所内の気体と被測定流体との
置換を容易になし得るセンサ素子を提供することを目的
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、振動部
を有する基体と、当該振動部の一方の表面に固定され、
かつ、圧電膜と当該圧電膜に接して設けられる一対の電
極とを有する圧電素子と、当該振動部の他方の面に流体
を導くことができる空所と、当該空所に連通する導入孔
とを有する長手形状のセンサ素子であって、当該センサ
素子の表面に、導入孔周辺からセンサ素子後端部（導入
孔から遠い側の端部）まで実質的に連続して設けられた
突起部によって、少なくとも導入孔のセンサ素子表面側
（流体流入側）開口端をその領域に含み、センサ素子後
端部まで連続する凹部が形成されていることを特徴とす
るセンサ素子、が提供される。

【００１０】また、本発明によれば、振動部を有する基
体と、当該振動部の一方の表面に固定され、かつ、圧電
膜と当該圧電膜に接して設けられる一対の電極とを有す
る圧電素子と、当該振動部の他方の面に流体を導くこと
ができる空所と、当該空所に連通する導入孔とを有する
長手形状のセンサ素子であって、当該導入孔を複数有
し、当該センサ素子の表面に設けられた突起部によっ
て、一部の導入孔のセンサ素子表面側開口端を少なくと
もその領域に含み、センサ素子後端部まで連続する第一
凹部と、他の一部の導入孔のセンサ素子表面側開口端を
少なくともその領域に含む第二凹部とが形成され、当該
突起部上に蓋部材をかぶせて、当該突起部、蓋部材及び
第一凹部により当該センサ素子の後端部（導入孔から遠
い側の端部）側にのみ開口する筒状空間が形成されると
ともに、当該第一凹部と第二凹部とが隔絶されているこ
とを特徴とするセンサ素子、が提供される。

【００１１】さらに本発明によれば、振動部を有する基
体と、当該振動部の一方の表面に固定され、かつ、圧電
膜と当該圧電膜に接して設けられる一対の電極とを有す
る圧電素子と、当該基体内部に形成され、当該振動部の
他方の面に流体を導くことができる空所と、当該空所に
連通する導入孔を有する長手形状のセンサ素子であっ
て、当該空所は、筒状空間を形成するとともに、当該筒
状空間の一端部において開口する排気孔を有することを
特徴とするセンサ素子、が提供される。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は本発明のセンサ素子の一例
を示したもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）はそのＩ−Ｉ
断面を部分的に拡大した図である。図に示すように、本
発明のセンサ素子１０は、その基本的な構造として、上
記従来のセンサ素子と同様に、振動部１４を有する基体
１２と、振動部１４の一方の表面に固定され、かつ、圧
電膜２２と圧電膜２２に接して設けられる一対の電極２
４ａ、２４ｂとを有する圧電素子２０と、振動部１４の
他方の面に流体を導くことができる空所１６と、空所１
６に連通する導入孔１８とを有する。

【００１３】そして、本発明はこのような基本的構造に
加え、その特徴的な構造として、センサ素子１０の表面
に突起部１３が設けられている。この突起部１３は、導
入孔１８の周辺からセンサ素子後端部（導入孔１８から
遠い側の端部）１０’まで実質的に連続して設けられ、
この突起部１３によって凹部１５が形成されている。凹
部１５は、その凹部形成領域内に、少なくとも導入孔１
８のセンサ素子表面側（流体流入側）開口端を含むとと
もに、センサ素子後端部１０’まで連続的に形成されて
いる。

【００１４】図９は、このセンサ素子１０を鉛蓄電池に
組み込んだ状態を示している。センサ素子１０は、少な
くとも導入孔１８が形成された先端部が、電池の電極３
２ａ、３２ｂ間に挟まれた多孔質シート３４内に埋没す
るよう配置される。この場合、被測定流体たる電解液が
染み込まされた多孔質シート３４は、突起部１３には接
触するが、凹部１５の形成領域にある導入孔１８のセン
サ素子表面側開口端には接触せず、また、突起部１３に
よって、導入孔１８開口端からセンサ素子後端１０’に
向かって、凹部１５と多孔質シート３４の間に筒状空間
が形成される。

【００１５】この筒状空間は、多孔質シートから染み出
した電解液を滞留させて、電解液の導入孔１８への進入
を規定するとともに、いわば排気用のダクトとして機能
する。すなわち、空所１６内の気体は、空所１６への電
解液の流入とともに、導入孔１８から上記筒状空間に排
出され、空所１６内の気体と電解液との置換が容易に行
われる。

【００１６】本発明において、センサ素子表面に設けら
れる突起部１３の高さｈは、０．１ｍｍ以上であること
が好ましく、０．３ｍｍ以上であることがより好まし
い。また突起部１３によって形成される凹部１５の幅ｗ
は０．１ｍｍ以上であることが好ましく、０．５ｍｍ以
上であることがより好ましい。なお突起部１３の高さ
ｈ、凹部１５の幅ｗは、それぞれセンサ素子１０の長手
方向に対して一定である必要はない。センサ素子先端部
分（導入孔１８周辺）の突起部の高さは、センサの応答
性にとっては高い方が好ましいが、一方、導入孔１８へ
の電解液の導入に対しては低い方が好ましい。

【００１７】図２は凹部１５の幅に変化をつけた実施例
であり、図３は凹部１５が分岐するように突起部１３を
設けた実施例である。空所１６内の気体の排気を考えれ
ば、凹部の幅を広くして、筒状空間の断面積を大きくす
ることが好ましいが、凹部の幅を広くし過ぎると、凹部
内に多孔質シートが入り込んで、かえって筒状空間の断
面積が減少するおそれがある。図３のように、凹部１５
を分岐させれば、分岐部の個々の幅は狭くして多孔質シ
ートの入り込みを防ぎつつ、各分岐部における筒状空間
の断面積の合計を大きくすることができる。

【００１８】図９に示すように、本発明のセンサ素子１
０を電池に組み込む場合には、多孔質シート３４にセン
サ素子１０の全体を埋め込まず、その後端部（導入孔１
８から遠い側の端部）１０’が、電解液の存在しない空
間部に位置するようにすることが好ましい。凹部１５
は、センサ素子の後端部１０’まで連続的に形成されて
いるので、このようにセンサ素子１０の後端部１０’を
電解液の存在しない空間に位置させることにより、空所
１６から電解液の非存在空間まで連続する通路ができ、
空所１６内の気体の排気がより容易に行われる。

【００１９】また、図１０のように、センサ素子の一表
面を電池の電極に接触させた状態で組み込んでもよい。
この例では、センサ素子１０の突出部１３を設けた側の
表面を電極３２ａに接触させており、この場合には電極
３２ａの内表面、突起部１３及び凹部１５により筒状空
間が形成される。なお、図１０とは逆に、突起部１３が
形成されていない側のセンサ素子表面を電極に接触させ
た状態で組み込んでもよいが、突起部１３の高さが一定
の場合には、上記のように突起部１３を電極に接触させ
て配置した方が、空間部分を確保しやすいので好まし
い。

【００２０】更に、本発明では、図４の斜視図（ａ) 及
びそのII−II断面における部分拡大図（ｂ) のように、
突起部１３上に蓋部材１９をかぶせ、突起部１３、蓋部
材１９及び凹部１５により筒状空間を形成するようにし
てもよい。このような構成にすると、例えば電池に組み
込んだ際に凹部に多孔質シートが入り込んで空間を塞ぐ
ようなことがなく、排気用の空間が確実に保たれ、セン
サ素子の配置の自由度も増す。

【００２１】なお、センサ素子１０の先端部の位置と蓋
部材１９の先端部の位置は、必ずしも一致している必要
はなく、図５のように両者の先端部の位置にずれがあっ
てもよいが、導入孔１８の少なくとも一部は、蓋部材１
９によって素子下面側からみて覆われていることが好ま
しい。また、蓋部材１９と基体１２とによって形成され
る先端部の開口は、必ずしも図に示される先端部に限定
されず、先端部横側に設けられていてもよく、より好ま
しくは、複数の導入孔の配置に沿う方向に当該開口が設
けられることが望ましい。また、当該開口部の厚みは、
導入孔に比べて小さくすることが、被測定流体の導入に
対しては好ましい。

【００２２】また、蓋部材１９は必ずしも均一な厚みで
ある必要はなく、例えば、図６の斜視図（ａ) 及びその
III −III 断面における部分拡大図（ｂ) のように、蓋
部材１９のセンサ素子先端部側の厚みを薄くなるように
してもよい。この場合には、センサ素子先端部に形成さ
れる筒状空間の長さを変化させる際の加工がしやすくな
る。

【００２３】更にまた、本発明によれば、より確実かつ
容易に空所内の気体と電解液との置換ができるセンサ素
子として、図７の斜視図（ａ) 及びそのIV−IV断面図
（ｂ) に示すような構造のセンサ素子が提供される。こ
のセンサ素子１０でも、前述のセンサ素子と同様に、セ
ンサ素子表面に突起部１３を設け凹部を形成する。ただ
し、本センサ素子では、第一凹部１５ａと第二凹部１５
ｂという連続しない２つの凹部が形成される。

【００２４】また、このセンサ素子１０は、導入孔を複
数有し、第一凹部１５ａは、その複数の導入孔のうちの
一部の導入孔１８ａのセンサ素子表面側開口端を少なく
ともその領域に含み、センサ素子後端部（導入孔から遠
い側の端部）１０’まで連続的に形成されている。一
方、第二凹部１５ｂは、他の一部の導入孔１８ｂのセン
サ素子表面側開口端を少なくともその領域に含むように
形成されている。

【００２５】突起部１３上には、蓋部材１９がかぶせら
れ、突起部１３、蓋部材１９及び第一凹部１５ａにより
筒状空間が形成される。この筒状空間はセンサ素子の後
端部１０’側にのみ開口する。第一凹部１５ａと第二凹
部１５ｂとは不連続的に形成され、突起部１３及び蓋部
材１９により隔絶されている。

【００２６】このようなセンサ素子１０を、その後端部
１０’が電解液の存在しない空間部に位置するように電
池に組み込んで、電解液を注入すると、第二凹部１５ｂ
には、多孔質シートから染み出した電解液が滞留し、導
入孔１８ｂに進入して空所１６内に流入するが、前記の
突起部１３、蓋部材１９及び第一凹部１５ａにより形成
された筒状空間には、電解液が入り込まない。したがっ
て、導入孔１８ａは電解液によって塞がれることがな
く、導入孔１８ｂからの空所１６への電解液の流入に伴
って、空所１６内の気体は導入孔１８ａを通じて確実に
前記筒状空間に排気される。

【００２７】すなわち、このセンサ素子では、複数の導
入孔を、電解液を空所１６に導くための導入孔１８ｂ
と、空所１６内の気体を排気するための導入孔１８ａと
に分け、役割分担させることによって、空所内の気体と
電解液との置換を、より確実かつ容易に行えるようにし
ている。

【００２８】図８は、このセンサ素子の別の構成例を示
す斜視図（ａ) 及びそのＶ−Ｖ断面における部分拡大図
（ｂ）であり、第一凹部１５ａと第二凹部１５ｂをセン
サ素子１０の長手方向に配置し、各凹部形成領域にそれ
ぞれ１つずつ導入孔１８ａ、１８ｂのセンサ素子表面側
開口端が含まれるように構成されている。

【００２９】次に、本発明では、図１１〜１６に示すよ
うに、空所が筒状空間を形成するとともにその一端部に
おいて開口する排気口を有する構造のセンサ素子とする
こともできる。この構造のセンサ素子１０においては、
基体１２内部に形成された空所１６が筒状空間を形成し
ており、この空所１６（筒状空間）の一端部において開
口する排気孔２６を有するものである。なお、２８は空
所１６内に流体を導入するための導入孔を示す。なお、
図１１〜１５において、（ａ）は平面図、（ｂ）はＢ−
Ｂ断面図、（ｃ）はＡ−Ａ断面図であり、図１６では、
（ａ）は平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図、（ｃ）はＡ−
Ａ断面図、（ｄ）はＡ’−Ａ’断面図である。

【００３０】このようなセンサ素子１０を、その後端部
１０’が電解液の存在しない空間部に位置するように鉛
畜電池に組み込んで、電解液を注入すると、電解液は、
導入孔２８から流入し、空所１６内の気体は、空所１６
への電解液の流入とともに、空所１６内の筒状空間を上
昇し、筒状空間の上端部において開口する排気孔２６か
ら外部に排出される。

【００３１】図１１は、空所が筒状空間を形成するセン
サ素子の基本構造を示しており、空所１６が単純な筒状
空間を形成している例である。図１２のセンサ素子は、
空所１６として、圧電素子２０に対応する部分２７とそ
れ以外の部分２９、２９’との境界部に絞り部３６を形
成した例を示す。図１３〜１４のセンサ素子は、それぞ
れ図１２の変形例を示しており、図１３では、空所１６
のうち、圧電素子２０に対応する部分以外の部分２９、
２９’の横断面を、圧電素子２０に対応する部分２７に
比して拡大した例を示し、図１４では、空所１６のう
ち、導入孔２８に連通する部分２９’の横断面を拡大
し、排気孔２６に連通する部分２９の横断面を縮小した
例を示す。

【００３２】図１５のセンサ素子は、空所１６に連通す
る導入孔２８を、筒状空間の下端部でなく、下端部横側
に設けた例を示す。図１６のセンサ素子は、図１２にお
いて、絞り部３６の横断面をさらに縮小した例である。
このように、圧電素子２０に対応する部分２７とそれ以
外の部分２９、２９’との境界部に絞り部３６を設ける
ことにより、部分２７内の流体が振動などの外部環境の
変化に影響を受けにくいため、センサ機能をより確実に
保持することができる。

【００３３】図１１〜１６に示すセンサ素子によれば、
空所が筒状空間を形成する構造としたので、図１〜８に
示すような突起部を設けた構造、あるいは突起部及び蓋
部材を設けた構造に比べて製造工程が簡略化するという
利点があるほか、導入孔２８から空所１６を経て排気孔
２６に至る流体の流路形状が直線的になるため、空所１
６内の気体の排除がより容易になる。

【００３４】さらに、図１１〜１６に示すセンサ素子は
図１〜８に示すセンサ素子に比べ、流体の流路抵抗の制
御が容易になる。すなわち、図１〜８に示すセンサ素子
では、導入孔１８の径と導入孔１８を構成する部材の厚
みにより、流路抵抗を制御する場合、低粘性の液体を測
定するためには導入孔１８の径を小さくし、部材の厚み
を大きくする必要があった。しかしながら、加工精度の
点から導入孔１８の径を小さくすることには限界があ
り、またセンサ素子を薄くすることができないという問
題があった。一方、図１１〜１６に示すセンサ素子にお
いては、流路抵抗を規定する空所１６は、基体１２内に
形成された筒状空間であるため、対象となる流体の粘度
などの特性に合わせて、その断面積および長さを調節し
て流路抵抗を制御することが容易であり、特に流路抵抗
を大きくするため長くした場合においてもセンサ素子を
薄くすることができる。

【００３５】図１７〜１９は、空所１６を内部に形成す
る基体１２を構成する層構造として、図１１〜１６に示
すセンサ素子より１層厚くした４層構造とした例を示し
ている。なお、図１７〜１９において、（ａ）は平面
図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図、（ｃ）はＡ−Ａ断面図であ
る。図１１〜１６に示すセンサ素子では、通常、基体１
２を構成する層構造として、一部が圧電素子２０を固定
する振動部１４となる薄板層の第１層４２と、積層焼成
後に空所１６となる窓部を有する第２層４４と、窓部を
覆蔽する第３層４６とからなる３層構造を採用してい
る。この場合には、薄板層の第１層４２の上に、窓部を
有する第２層４４が形成されており、強度の弱い第１層
４２により、第２層４４、第３層４６を保持することに
なる。そこで、図１７〜１９に示すセンサ素子において
は、薄板層である第１層４２の上に、圧電素子２０に対
応する部分２７のみに窓部（積層焼成後に空所１６とな
る）を有する第２層５０を介在させ、次いで第２層５０
の上に、当該空所１６に連通する窓部（積層焼成後に筒
状空間となる）を有する第３層５２を積層し、さらに第
３層５２上に、筒状空間となる当該窓部を覆蔽する第４
層５４を積層した。この構成とすることにより、薄板層
である第１層４２の上には、圧電素子２０に対応する部
分２７以外は、バックアップ層として機能する第２層５
０を有するため、センサ素子全体の強度、耐久性が向上
したものが得られる。

【００３６】図１７のセンサ素子は、空所１６に連通す
る窓部を有する第３層５２として、当該窓部と空所１６
に連通する部分のみを空間とした例で、図１８のセンサ
素子は、空所１６に連通する窓部を有する第３層５２と
して、当該窓部と、圧電素子２０に対応する部分とを空
間とし、かつ当該窓部と圧電素子２０に対応する部分と
の間に細い連通空間を有するようにした例である。さら
に、図１９のセンサ素子は、空所１６に連通する窓部を
有する第３層５２として、当該窓部と空所１６に連通す
る部分のみを空間とするとともに、当該窓部を覆蔽する
第４層５４として、圧電素子２０に対応する部分を覆蔽
せず、空所１６への導入孔２８を形成した例を示してい
る。

【００３７】なお、上述した本発明のセンサ素子におい
ては、圧電素子２０の部分が、相対的に下方となる位置
に配置されることが好ましい。すなわち、圧電素子部分
をセンサ素子において相対的に下方となるように配置す
ると、センサ素子を電池に組み込む場合、電解液の量が
少量でも圧電素子部分を満たすことができること、電解
液が吸い出されても圧電素子部分が空になるのは最後に
なり電解液が抜けにくいこと、さらに、圧電素子部分よ
り上の部分に生じる電解液と筒状空間の壁面との付着力
が吸い出す力に対する抗力として働くため、電解液が抜
けにくいことなどの利点がある。

【００３８】以上、本発明のセンサ素子を鉛蓄電池に組
み込んだ場合を例に説明したが、本発明のセンサ素子は
この用途に限定されるものではなく、他の種類の電池に
組み込んだり、電池への組み込み以外の用途に用いても
よい。当然、被測定流体も電解液に限定されるものでは
なく、酸塩基溶液、各種水溶液、有機溶剤を使った溶
液、有機溶剤そのものなどの様々な流体の各種流体特性
の測定に利用できる。

【００３９】次に、本発明のセンサ素子の各部の構成
を、更に詳しく説明する。本発明において、基体１２に
は、振動部１４が肉薄になるように、空所１６が形成さ
れ、更に、空所１６に連通する導入孔１８が形成され
る。空所１６の形状は特に制限されない。

【００４０】振動部１４は、振動に好適な形状のため、
板形状であることが好ましく、この場合、板の厚さは、
１〜１００μｍであることが好ましく、３〜５０μｍが
更に好ましく、５〜２０μｍが更になお好ましい。厚さ
が１００μｍを超えると感度が低下し、厚さが１μｍ未
満のときには機械的強度が低下する。

【００４１】振動部１４の一方の表面（空所１６に面す
る側と反対の面）には、圧電素子２０が固定される。圧
電素子２０は、圧電膜２２と、圧電膜２２に接して設け
られる一対の電極２４ａ、２４ｂを有する。一対の電極
２４ａ、２４ｂを介して、電圧を圧電膜２２に印加する
と、誘電分極を生じ、圧電素子２０が振動部１４と共に
圧電膜２２及び振動部１４の厚さ方向に屈曲振動する。

【００４２】圧電膜２２の厚さは、１〜１００μｍであ
ることが好ましく、５〜５０μｍが更に好ましく、５〜
３０μｍが更になお好ましい。厚さが１００μｍを超え
ると感度が低下し、厚さが１μｍ未満のときには信頼性
が確保し難い。

【００４３】圧電膜２２は、緻密質であっても、多孔質
であってもよく、多孔質のときは、気孔率が４０％以下
であることが好ましい。また、圧電膜２２は、１層から
なるものであってもよいし、２層以上の積層構造であっ
てもよい。２層以上の積層構造であるときは、各層は横
設してもよいし、また、立設してもよい。電極２４ａ、
２４ｂ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。

【００４４】圧電素子２０は、通常、保護カバー１７で
覆われる。硫酸等の強酸、水酸化ナトリウム水溶液等の
強アルカリの流体を測定する場合に、この保護カバー１
７により圧電素子２０とこれらの流体とを隔離すること
ができる。

【００４５】本発明のセンサ素子では、圧電素子に電圧
を印加して圧電素子及び振動部を振動させ、振動部に接
触する流体を振動させる。そして、圧電素子の圧電膜が
この振動を電気信号に変換し、圧電膜に接して設けられ
る電極を介してこの電気信号を出力する。例えば、圧電
素子２０に電圧を印加し、圧電素子２０及び振動部１４
を、流体に接触させながら屈曲振動させる。

【００４６】そして、圧電素子２０の電極２４ａ、２４
ｂを介して電流を検出することにより、圧電素子のイン
ピーダンス、位相、抵抗、リアクタンス、アドミッタン
ス、コンダクタンス、サセプタンス、インダクタンス、
キャパシタンス、損失係数等の値、並びに、この値に対
応する周波数（共振周波数）の値などに関する情報が得
られる。これらの情報は、流体の粘度等の特性に相関が
あるので、かかる流体の特性を検出し得る。

【００４７】本発明において、振動部１４を有する基体
１２は、セラミックスからなることが好ましい。例え
ば、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、ガラス等を用いることができる。安定化され
た酸化ジルコニウムは、振動部が薄くても機械強度が高
いこと、靱性が高いこと、圧電膜及び電極と化学反応性
が小さいこと等のため、好ましい。

【００４８】突起部１３、保護カバー１７、蓋部材１９
の材質は、特に限定されず、例えば基体１２と同材質と
することができる。基体１２、突起部１３、保護カバー
１７、蓋部材１９は、それぞれの部材を成形後、組み合
わせて焼結することにより一体化されていてもよいし、
各構成部材間、若しくは一部の構成部材間が、ガラスや
有機接着剤などで接着されていてもよい。

【００４９】圧電膜２２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い。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。

【００５０】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。

【００５１】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。

【００５２】電極２４ａ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。

【００５３】電極２４ｂ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。電極２４ｂ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。

【００５４】次に、本発明のセンサ素子の素子本体の製
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１の基体１２
では、３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１６となるように所定形状
の貫通孔を積層前に予め設けておけばよい。

【００５５】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。

【００５６】振動部１４に、圧電素子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、焼結前の基板における振動部に、
熱圧着で積層し、同時に焼結して、基板と圧電体とを形
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、基板又は圧電体に予め形成しておく必要が
ある。

【００５７】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。

【００５８】一方、膜形成法では、振動部１４に、電極
２４ｂ、圧電膜２２、及び電極２４ａをこの順序に積層
して、圧電素子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。

【００５９】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、圧電素子と振動部と
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、集積化し易いことから、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。

【００６０】そして、このようにして基板状に形成され
たそれぞれの膜（２２、２４ａ、２４ｂ）は、各膜の形
成の都度、熱処理して、基板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、各膜が基板に一体的に接合せし
めてもよい。なお、薄膜法により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。

【００６１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
被測定流体を振動部に接触させるための空所において、
空所内の気体と被測定流体が置換しやすく、被測定流体
を空所内に容易に導入することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るセンサ素子の一実施例を示す説明
図で、（ａ) が斜視図、（ｂ) がそのＩ−Ｉ断面の部分
拡大図である。

【図２】本発明に係るセンサ素子の他の実施例を示す斜
視図である。

【図３】本発明に係るセンサ素子の他の実施例を示す斜
視図である。

【図４】本発明に係るセンサ素子の他の実施例を示す説
明図で、（ａ) が斜視図、（ｂ) がそのII−II断面の部
分拡大図である。

【図５】本発明に係るセンサ素子の他の実施例を示す部
分拡大断面図である。

【図６】本発明に係るセンサ素子の他の実施例を示す説
明図で、（ａ) が斜視図、（ｂ) がそのIII −III 断面
の部分拡大図である。

【図７】本発明に係るセンサ素子の他の実施例を示す説
明図で、（ａ) が斜視図、（ｂ) がそのIV−IV断面の部
分拡大図である。

【図８】本発明に係るセンサ素子の他の実施例を示す説
明図で、（ａ) が斜視図、（ｂ) がそのＶ−Ｖ断面の拡
大図である。

【図９】本発明に係るセンサ素子を電池に組み込んだ状
態を示す断面図である。

【図１０】本発明に係るセンサ素子を電池に組み込んだ
状態を示す断面図である。

【図１１】本発明に係るセンサ素子の他の実施例を示す
説明図で、（ａ）は平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図、
（ｃ）はＡ−Ａ断面図である。

【図１２】本発明に係るセンサ素子の他の実施例を示す
説明図で、（ａ）は平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図、
（ｃ）はＡ−Ａ断面図である。

【図１３】本発明に係るセンサ素子の他の実施例を示す
説明図で、（ａ）は平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図、
（ｃ）はＡ−Ａ断面図である。

【図１４】本発明に係るセンサ素子の他の実施例を示す
説明図で、（ａ）は平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図、
（ｃ）はＡ−Ａ断面図である。

【図１５】本発明に係るセンサ素子の他の実施例を示す
説明図で、（ａ）は平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図、
（ｃ）はＡ−Ａ断面図である。

【図１６】本発明に係るセンサ素子の他の実施例を示す
説明図で、（ａ）は平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図、
（ｃ）はＡ−Ａ断面図、（ｄ）はＡ’−Ａ’断面図であ
る。

【図１７】本発明に係るセンサ素子の他の実施例を示す
説明図で、（ａ）は平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図、
（ｃ）はＡ−Ａ断面図である。

【図１８】本発明に係るセンサ素子の他の実施例を示す
説明図で、（ａ）は平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図、
（ｃ）はＡ−Ａ断面図である。

【図１９】本発明に係るセンサ素子の他の実施例を示す
説明図で、（ａ）は平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図、
（ｃ）はＡ−Ａ断面図である。

【図２０】従来のセンサ素子の一例を示す説明図で、
（ａ) が斜視図、（ｂ) がそのVI−VI断面の部分拡大図
である。

【図２１】従来のセンサ素子を電池に組み込んだ状態を
示す断面図である。

【符号の説明】

１０…センサ素子、１２…基体、１３…突起部、１４…
振動部、１５…凹部、１５ａ…第一凹部、１５ｂ…第二
凹部、１６…空所、１７…保護カバー、１８…導入孔、
１８ａ…導入孔（排気用）、１８ｂ…導入孔（流体導入
用）、１９…蓋部材、２０…圧電素子、２２…圧電膜、
２４ａ，２４ｂ…電極、２６…排気孔、２８…導入孔、
３２ａ，３２ｂ…電極、３４…多孔質シート、３６…絞
り部、４０…センサ素子（従来品）、４２…第１層、４
４…第２層、４６…第３層、５０…第２層、５２…第３
層、５４…第４層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平８−201265（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−228169（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−144233（ＪＰ，Ａ) 特開平８−285756（ＪＰ，Ａ) 国際公開93／6452（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 11/00 - 11/16 G01L 1/10 G01N 9/00 H01L 41/08

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】振動部を有する基体と、当該振動部の一方の表面に固定され、かつ、圧電膜と当
該圧電膜に接して設けられる一対の電極とを有する圧電
素子と、当該振動部の他方の面に流体を導くことができる空所
と、当該空所に連通する導入孔とを有する長手形状のセンサ
素子であって、当該センサ素子の表面に、導入孔周辺からセンサ素子後
端部まで実質的に連続して設けられた突起部によって、
少なくとも導入孔のセンサ素子表面側開口端をその領域
に含み、センサ素子後端部まで連続する凹部が形成され
ていることを特徴とするセンサ素子。
【請求項２】当該突起部上に蓋部材をかぶせ、当該突
起部、蓋部材及び凹部により筒状空間を形成した請求項
１記載のセンサ素子。
【請求項３】振動部を有する基体と、当該振動部の一方の表面に固定され、かつ、圧電膜と当
該圧電膜に接して設けられる一対の電極とを有する圧電
素子と、当該振動部の他方の面に流体を導くことができる空所
と、当該空所に連通する導入孔とを有する長手形状のセンサ
素子であって、当該導入孔を複数有し、当該センサ素子の表面に設けら
れた突起部によって、一部の導入孔のセンサ素子表面側
開口端を少なくともその領域に含み、センサ素子後端部
まで連続する第一凹部と、他の一部の導入孔のセンサ素
子表面側開口端を少なくともその領域に含む第二凹部と
が形成され、当該突起部上に蓋部材をかぶせて、当該突
起部、蓋部材及び第一凹部により当該センサ素子の後端
部側にのみ開口する筒状空間が形成されるとともに、当
該第一凹部と第二凹部とが隔絶されていることを特徴と
するセンサ素子。
【請求項４】振動部を有する基体と、当該振動部の一方の表面に固定され、かつ、圧電膜と当
該圧電膜に接して設けられる一対の電極とを有する圧電
素子と、当該基体内部に形成され、当該振動部の他方の面に流体
を導くことができる空所と、当該空所に連通する導入孔を有する長手形状のセンサ素
子であって、当該空所は、筒状空間を形成するとともに、当該筒状空
間の一端部において開口する排気孔を有することを特徴
とするセンサ素子。
【請求項５】当該空所は、当該圧電素子に対応する部
分とそれ以外の部分との境界部に、絞り部を形成した請
求項４記載のセンサ素子。