JP5366446B2 - 圧電素子および圧電素子を用いた力センサならびに力センサを用いた流量計 - Google Patents

Description

本発明は、水などの流体の流量を測定するためのカルマン渦流量計に関わり、特に、当該流量計の入力回路を構成する際に用いられる圧電素子および圧電素子を用いた力センサならびに力センサを用いた流量計に関するものである。

流体の流量を測定する装置の一つにカルマン渦式流量計がある。この流量計は、渦発生体によって発生させた渦に起因して、流速に応じた信号を発信する力センサを備えており、当該力センサは圧電素子によって構成されている。

現在、広く利用されている圧電素子にバイモルフ圧電素子がある。このバイモルフ圧電素子は、セラミックスや水晶などからなる２枚の平板状の圧電体により、中間に補強板としてのシム材を挟持した構造を有する。前記シム材は中間電極としての機能も兼ねており、導電性の金属板などが一般的に使用される。

従来のバイモルフ圧電素子は、シリーズ型バイモルフ素子とパラレル型バイモルフ素子に分類される。図２-Ａはシリーズ型バイモルフの素子構造を、図３-Ａはパラレル型バイモルフの素子構造を、それぞれ示している。

なお、以下の説明では、従来のバイモルフ圧電素子を力センサとして利用する場合を例にしているが、バイモルフ圧電素子の用途は力センサに限定されるものではない。また、本明細書中で「分極している」とは圧電性を有していることと同じ意味であり、「分極処理」とは、外部から電界を加えてドメイン・スイッチングを生じさせることで圧電性を持たせる処理を意味する。さらに、「分極方向」とは、力センサの場合において、圧電体に変形を加えた場合に発生する電荷の極性方向を意味するものとする。

図２-Ａにおいて、２枚の平板状の圧電体１２０，１２２は、一方の主面にそれぞれ電
極層１０２，１０４が形成され、もう一方の主面でシム材と呼称される平板状部材１４０に接合される。圧電体１２０，１２２は、厚み方向に分極しており、互いの分極方向Ｐが逆向きになるように積層されている。なお、図中の記号Ｔは圧電体の変形方向を示している。

圧電体１２０，１２２の材料としては、一般に分極処理をして圧電性を持たせたチタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、ニオブ酸鉛などのセラミックスや、単結晶の圧電材料である水晶やニオブ酸リチウム、高分子材料であるＰＶＤＦなどが用いられている。また、シム材１４０は中間電極層としての機能も兼ねており、材料としては、チタン，ステンレス，りん青銅等の金属が用いられている。

図３-Ａにおいて、２枚の平板状の圧電体２２０，２２２は、一方の主面にそれぞれ電
極層２０２，２０４が形成され、もう一方の主面側でシム材と呼称される平板状部材２４０に接合される。圧電体２２０，２２２は、厚み方向に分極しており、互いの分極方向Ｐが同じ向きになるように積層されている。また、電極層２０２，２０４は、導線等によって電気的に接続される。
なお、図中の記号Ｔは圧電体の変形方向を示している。また、圧電体及びシム材の材料に関しては、シリーズ型バイモルフ素子と同様である。

以下に、シリーズ型バイモルフ素子とパラレル型バイモルフ素子から得られる電荷量について説明する。図２-Ｂはシリーズ型バイモルフ素子における発生電荷量を、図３-Ｂはパラレル型バイモルフ素子における発生電荷量を、それぞれ模式的に示したものである。なお、以下の説明において、前記２つのバイモルフ素子は、同材料および同形状の圧電体を備えるものとする。

前記２つのバイモルフ素子の圧電体内に同じ応力を生じさせた場合に得られる電荷量は、パラレル型バイモルフ素子の方が多い。これは、シリーズ型バイモルフ素子ではシム材１４０から電荷を取り出すことができないのに対し、パラレル型バイモルフ素子ではシム材２４０からも電荷を取り出せる構造となっているためである。例えば、図２-Ｂおよび
図３-Ｂにおいて、シリーズ型バイモルフ素子から得られる電荷量を４とした場合に、パ
ラレル型バイモルフ素子から得られる電荷量は８となる。

次に、シリーズ型バイモルフ素子とパラレル型バイモルフ素子におけるノイズ侵入量について説明する。図２-Ｃはシリーズ型バイモルフ素子におけるノイズ侵入量を、図３-Ｃはパラレル型バイモルフ素子におけるノイズ侵入量を、それぞれ模式的に示したものである。なお、以下の説明において、電極層１０２，１０４，２０２，２０４は同一形状であるものとし、またシム材１４０と２４０も同一形状であるものとする。

渦流量計に用いられた圧電素子において、ノイズは、電圧を帯びた測定流体と電極層との間に電気容量が発生することで電極層へ侵入する。電気容量は、電極層と測定流体とが近接する部分の面積に比例するから、一方の主面が露出する上面および下面の電極層と、両方の主面が圧電体などに固着される中間の電極層とでは、ノイズ侵入量は異なる。

例えば、図２-Ｃにおいて、測定流体と電極層との電位差をＶ、測定流体と電極層１０
２，１０４との間の電気容量をそれぞれＣ１０２，Ｃ１０４、電極層１０２，１０４から侵入するノイズ量をそれぞれＮ１０２，Ｎ１０４とすると、
Ｎ１０２＝Ｖ×Ｃ１０２
Ｎ１０４＝Ｖ×Ｃ１０４
の関係式が成立し、
Ｃ１０２≒Ｃ１０４
であるから、
Ｎ１０２≒Ｎ１０４
となり、電極層１０２，１０４から侵入するノイズ量は略同一となる。

一方、図３-Ｃにおいて、測定流体と電極層との電位差をＶ、測定流体と電極層２０２
，２０４との間の電気容量をそれぞれＣ２０２，Ｃ２０４、中間電極層も兼ねるシム材２４０との間の電気容量をＣ２４０、電極層２０２，２０４から侵入するノイズ量をそれぞれＮ２０２、シム材２４０から侵入するノイズ量をＮ２４０とすると、
Ｎ２０２＝Ｖ×（Ｃ２０２＋Ｃ２０４）
Ｎ２４０＝Ｖ×Ｃ２４０
の関係式が成立し、
Ｃ２０２≒Ｃ２０４≠Ｃ２４０
であるから、
Ｎ２０２≠Ｎ２４０
となり、電極層２０２とシム材２４０から侵入するノイズ量は異なる。

圧電素子において、各極性における同相ノイズの侵入量が略同一であれば、差動アンプ回路において同相ノイズをキャンセルすることができる。例えば、特許文献１には、圧電
素子を備えた渦流量計の入力回路において、同相ノイズが差動アンプ回路によりキャンセルされるように構成された入力回路が開示されている。
特開平１１−２５８０１７号公報 特開平４−３４６０３４号広報

しかしながら、シリーズ型バイモルフ素子では、各極性におけるノイズ侵入量が略同一となるため、前記差動アンプ回路によって同相ノイズのキャンセルが容易であるが、一方、パラレル型バイモルフ素子では、各極性におけるノイズ侵入量が異なるため、前記差動アンプ回路での同相ノイズのキャンセルは困難である。

このため、特許文献２には、パラレル型バイモルフ素子を備えたカルマン渦流量計において、圧電体をシールドすることによってノイズを除去する手段が、本出願人によって開示されている。しかし、特許文献２に記載のノイズ除去手段は、用途によってはシールドを設けられない場合がある。

本発明は、パラレル型バイモルフ素子のように高出力を得、かつシリーズ型バイモルフ素子のように差動アンプ回路での同相ノイズの除去が容易な、圧電素子を提供することを目的とする。

本発明は、前述したような従来技術における課題および目的を達成するために発明されたものであって、本発明の圧電素子は、
２つの積層体と当該２つの積層体の主面間に挟まれて固着されるシム材とから構成される圧電素子であって、
前記シム材は絶縁性の材料からなり、
前記積層体は、少なくとも１つ以上の圧電体と、当該圧電体の両主面を挟持するように電極層が積層して構成され、
前記シム材が前記２つの積層体に挟まれて固着された状態において、
圧電体またはシム材を介して隣り合って対向する電極層の電気的極性が各々逆となるように、前記圧電体が配置されていることを特徴とする。

上記発明において、前記圧電体は厚み方向に分極していることが好ましい。

また、上記発明において、本発明の圧電素子は、
前記シム材が前記２つの積層体に挟まれて固着された状態において、
電極層または電極層とシム材を介して隣り合って対向する圧電体の分極方向が各々逆方向となるように前記圧電体が配置されることで、圧電体またはシム材を介して隣り合って対向する電極層の電気的極性が各々逆となることを特徴とする。

さらに、上記発明において、本発明の圧電素子は、
前記シム材が前記２つの積層体に挟まれて固着された状態において、
電極層を介して隣り合って対向する圧電体の分極方向が各々逆方向で、かつ電極層とシム材を介して隣り合って対向する圧電体の分極方向が同じ方向となるように前記圧電体が配置されることで、圧電体またはシム材を介して隣り合って対向する電極層の電気的極性が各々逆となることを特徴とする。

上記発明において、前記２つの積層体が備える圧電体を各々１つとすることで、素子全体として２つの圧電体を備えたバイモルフ素子を構成することができる。

また、上記発明において、前記シム材は圧電体と同材料で構成されているのが好ましく、特にセラミックスまたは単結晶の圧電材料または高分子材料からなることが好ましい。

さらに、上記発明において、前記電極層の主面の面積は略同一であることが好ましく、特に前記電極層の形状も略同一であることが好ましい。また、前記電極層が前記圧電体または前記シム材に印刷されることにより形成されることが好ましく、さらに、前記シム材が前記２つの積層体に挟まれて固着された状態において、前記シム材の主面に接する電極層の一部が露出していることが好ましい。

また、上記発明において、前記電極層の各々が、圧電体またはシム材を介して隣り合って対向する電極層とは導通されず、かつ、圧電体またはシム材を介して隣り合って対向する電極層以外の電極層に導通されることで、全体として、陽極電極層群と陰極電極層群との２つの電極層のグループを形成することが好ましい。

また、本発明の力センサは、
２つのチャージアンプ回路と、
前記チャージアンプ回路からの信号を受ける差動アンプ回路とを備え、
前記圧電素子の陽極電極層群と陰極電極層群からの信号をそれぞれチャージアンプ回路に入力するように構成されていることを特徴とする。

また、本発明の渦流量計は、
管状の流路内に設けられた渦発生体と、
前記渦発生体で発生した渦を検知する受力体と、
前記受力体内に埋設された上記発明にかかる力センサとを備えることを特徴とする。

本発明によれば、発生した電荷の取り出し面を広くとることができるので、パラレル型バイモルフ素子のような高出力を得ることができる。また、電極層の面積および形状を略同一とすることで、各極性におけるノイズ侵入量が同じになるため、シリーズ型バイモルフのように差動アンプ回路での同相ノイズの除去が容易となり、Ｓ／Ｎ（シグナル−ノイズ比）を向上させることができる。

以下、図面を参照しながら本発明について説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。なお、以下の説明では、本発明にかかる圧電素子を力センサとして利用する場合を想定しているが、本発明の圧電素子の用途は力センサに限定されるものではない。

図１-Ａは、本発明における圧電素子１ａの素子構造を示す図である。
平板状の圧電体２０は、一方の主面に電極層２、もう一方の主面に電極層４が形成され、全体として１つの積層体３２を構成する。同様に、平板状の圧電体２２は、一方の主面に電極層６、もう一方の主面に電極層８が形成され、全体としてもう１つの積層体３４を構成する。なお、電極層は、圧電体の主面に例えばメッキ法やスクリーン印刷法などによって形成されるが、圧電体が電極層に挟んで固着されていればよく、その形成方法は特に限定されない。

前記２つの積層体３２，３４の主面間に、絶縁性の材料からなる平板状のシム材４０を挟さんで固着する。積層体３２，３４とシム材４０とは接着剤などによって固着すること
が可能であるが、例えば絶縁物を積層体の一方の主面にスクリーン印刷することによってシム材４０を形成することも可能であり、その方法は特に限定されない。なお、圧電体２０，２２は、厚み方向に分極しており、前記２つの積層体を圧電体の分極方向Ｐが逆向きになるように積層する。また、互いに電極層または電極層とシム材を介して隣接して対向していない電極層２と６、および４と８とを導線等によって電気的に接続して、互いに導通された極性の異なる２つの電極層のグループ、すなわち、陽極電極層群と陰極電極層群を形成する。なお、図中の記号Ｔは圧電体の変形方向を示している。

圧電体２０，２２の材料としては、従来のバイモルフ素子と同様に、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、ニオブ酸鉛などのセラミックスや、単結晶の圧電材料である水晶やニオブ酸リチウム、高分子材料であるＰＶＤＦなどを用いることができるが、これら以外でも圧電性を有する物質であればよく、特に限定されない。また、シム材の材料も絶縁性の物質であればよく特に限定されないが、圧電体と同じ材料を用いることが、圧電体とシム材の熱膨張係数が等しくなり、圧電素子の耐熱性を向上させ得るため、好ましい。例えば、圧電体にセラミックスを用いる場合は、シム材には分極処理をしていないセラミックスを用いることができ、圧電体に単結晶の圧電材料を用いる場合は、シム材には圧電体と結晶方位（分極方向）が異なるように前記圧電材料を配置して用いることができる。

図１-Ｂは、本発明における圧電素子の発生電荷量を模式的に示したものである。なお
、以下の説明において、図１-Ｂにおける圧電体の材料および形状は、図２-Ｂおよび図３-Ｂの圧電体と同材料、同形状であるものとする。

本発明にかかる圧電素子の圧電体内に、図２-Ｂおよび図３-Ｂの圧電体内と同じ応力を生じさせた場合に得られる電荷量は、図３-Ｂと同じく８である。これは、シム材４０と
接する電極層４，６からも電荷を取り出すことができるためであり、本発明の圧電素子は、パラレル型バイモルフ素子と同様の高出力を得ることができる。

図１-Ｃは、本発明における圧電素子のノイズ侵入量を模式的に示したものである。な
お、以下の説明において、電極層２，４，６，８の形状は、全て同一形状であるものとする。

図１-Ｃにおいて、測定流体と電極層との電位差をＶ、測定流体と電極層２，４，６，
８との間の電気容量をそれぞれＣ２，Ｃ４，Ｃ６，Ｃ８、電極層２および６から侵入するノイズ量をＮ２、電極層４および８から侵入するノイズ量をＮ４とすると、
Ｎ２＝Ｖ×（Ｃ２＋Ｃ６）
Ｎ４＝Ｖ×（Ｃ４＋Ｃ８）
の関係式が成立し、
Ｃ２≒Ｃ８およびＣ４≒Ｃ６
であるから、
Ｎ２≒Ｎ４
となり、電極層２および６と、電極層４および８から侵入するノイズ量は略同一となる。したがって、本発明の圧電素子は、シリーズ型バイモルフ素子と同様に差動アンプ回路での同相ノイズの除去が容易である。

図４〜図６は、本発明の圧電素子にかかる圧電体の変形方向Ｔと分極方向Ｐとの関係を示したものである。図４（Ａ）は作用力Ｆによって圧電素子１ｂが主面水平方向に曲げ変形した状態を、図５（Ａ）は作用力Ｆによって主面垂直方向に圧電素子１ｃが圧縮変形した状態を、図６（Ａ）は作用力Ｆによって圧電素子１ｄが主面垂直方向に引張変形した状態を、それぞれ示している。なお、以下の説明において、圧電体の分極方向Ｐは圧電体の
厚み方向とするが、特に厚み方向に限定されるものではない。

図４の圧電素子１ｂが主面水平方向に曲げ変形した状態において、圧電体２０は主面水平方向に伸長変形が生じ、一方、圧電体２２は主面水平方向に圧縮変形が生ずる。このとき、図４（Ｂ）に示すように、伸長変形が生じる圧電体２０では、分極方向Ｐ側の電極層４が陰極となり、分極方向Ｐの逆側の電極層２が陽極となる。一方、圧縮変形が生じる圧電体２２では、分極方向Ｐ側の電極層６が陽極となり、分極方向Ｐの逆側の電極層８が陰極となる。

図５の圧電素子１ｃが主面垂直方向に圧縮変形した状態においては、圧電体２０，２２ともに主面水平方向に伸長変形が生じる。このとき、図５（Ｂ）に示すように、分極方向Ｐ側の電極層４，８が陰極となり、分極方向Ｐの逆側の電極層２，６が陽極となる。

図６の圧電素子１ｄが主面垂直方向に引張変形した状態においては、圧電体２０，２２ともに主面水平方向に圧縮変形が生じる。このとき、図６（Ｂ）に示すように、分極方向Ｐ側の電極層４，８が陽極となり、分極方向Ｐの逆側の電極層２，６が陰極となる。

図７〜図９は、３つの圧電体を備える積層体を有する圧電素子にかかる圧電体の変形方向Ｔと分極方向Ｐとの関係を示したものである。図７は、図４（Ｂ）と同様に、圧電素子１ｅが主面水平方向に曲げ変形した状態における圧電体の変形方向Ｔと分極方向Ｐの関係を、図８は、図５（Ｂ）と同様に、圧電素子１ｆが主面垂直方向に圧縮変形した状態における圧電体の変形方向Ｔと分極方向Ｐの関係を、図９は、図６（Ｂ）と同様に、圧電素子１ｇが主面垂直方向に引張変形した状態における圧電体の変形方向Ｔと分極方向Ｐの関係を、それぞれ示したものである。

図７の圧電素子１ｅが主面水平方向に曲げ変形した状態において、圧電体２０，２２，２４は水平方向に伸長変形が生じ、一方、圧電体２６，２８，３０は主面水平方向に圧縮変形が生ずる。このとき、伸長変形が生じる圧電体２０，２２，２４では、分極方向Ｐ側の電極層４，８が陰極となり、分極方向Ｐの逆側の電極層２，６が陽極となる。一方、圧縮変形が生じる圧電体２６，２８，３０では、分極方向Ｐ側の電極層１０，１４が陽極となり、分極方向Ｐの逆側の電極層１２，１６が陰極となる。

すなわち、圧電素子１ｅが主面水平方向に曲げ変形した状態においては、電極層４，６，１２，１４または電極層８，１０とシム材４０を介して隣り合って対向する圧電体２０と２２，２２と２４，２４と２６，２６と２８，２８と３０の分極方向Ｐが各々逆方向となるように圧電体が配置されることで、圧電体２０，２２，２４，２６，２８，３０またはシム材４０を介して隣り合って対向する電極層２と４，４と６，６と８，８と１０，１０と１２，１２と１４，１４と１６の電気的極性が各々逆となる。

図８の圧電素子１ｆが主面垂直方向に圧縮変形した状態においては、圧電体２０，２２，２４，２６，２８，３０ともに主面水平方向に伸長変形が生じる。このとき、分極方向Ｐ側の電極層４，８，１２，１６が陰極となり、分極方向Ｐの逆側の電極層２，６，１０，１４が陽極となる。

図９の圧電素子１ｇが主面垂直方向に引張変形した状態においては、圧電体２０，２２，２４，２６，２８，３０ともに主面水平方向に圧縮変形が生じる。このとき、分極方向Ｐ側の電極層４，８，１２，１６が陽極となり、分極方向Ｐの逆側の電極層２，６，１０，１４が陰極となる。

すなわち、圧電素子１ｆが主面垂直方向に圧縮変形した状態、および圧電素子１ｇが主
面垂直方向に引張変形した状態においては、電極層４，６，１２，１４を介して隣り合って対向する圧電体２０と２２，２２と２４，２６と２８，２８と３０の分極方向Ｐが各々逆方向で、かつ電極層８、１０とシム材４０を介して隣り合って対向する圧電体２４と２６の分極方向が同じ方向となるように、圧電体２０，２２，２４，２６，２８，３０が配置されることで、圧電体２０，２２，２４，２６，２８，３０またはシム材４０を介して隣り合って対向する電極層２と４，４と６，６と８，８と１０，１０と１２，１２と１４，１４と１６の電気的極性が各々逆となる。

なお、ここでは圧電素子の変形状態の代表的な例として、曲げ変形、圧縮変形、引張変形を挙げたが、本発明はこれに限定されるものではない。圧電素子の変形状態に応じて、圧電体またはシム材を介して隣り合って対向する電極層の電気的極性が各々逆となるように、圧電体が配置されていればよい。

図１０（Ａ）は本発明における力センサ５０の等価回路図、図１０（Ｂ）は圧電素子1
ａの説明図である。力センサ５０は、センサ部５２と差動増幅部５４とに大別される。センサ部５２は、本発明の圧電素子を備え、例えば、後述する渦発生体によって生ずるカルマン渦に起因して発生する変動圧力を検出するよう構成されている。差動増幅部５４は、圧電素子１ａの陽極電極層群と陰極電極層群からの信号をそれぞれ受ける２つのチャージアンプ回路６０，７０と、この２つのチャージアンプ回路６０，７０の出力の差分をとる差動アンプ回路８０とを備えている。

チャージアンプ回路６０は、反転入力端子が圧電素子１ａに接続され、非反転入力端子が接地された演算増幅器６２と、演算増幅器６２の出力端子と反転入力端子との間に接続されたコンデンサ６４、抵抗６６により構成されている。チャージアンプ回路７０も、チャージアンプ回路６０と同様の構成となっており、共に圧電素子１ａで発生した電荷を電圧に変換するものである。

差動アンプ回路８０は、反転入力端子が抵抗８３を介してチャージアンプ回路６０に接続され、非反転入力端子が抵抗８４を介してチャージアンプ回路７０に接続された演算増幅器８２と、演算増幅器８２の出力端子と反転入力端子との間に接続された抵抗８５と、演算増幅器８２の非反転入力端子と接地との間に接続された抵抗８６により構成されている。

上記のとおり、圧電素子１ａからの信号（電荷）をそれぞれチャージアンプ回路６０，７０で受けることで、リード線５０やシム材４０による電荷の損失を回避でき、高精度の信号を得ることができる。また、チャージアンプ回路からの信号を受ける差動アンプ回路８０を備えることで、同相ノイズをキャンセルすることができ、低ノイズの出力信号８１を得ることができる。

図１１は、本発明における渦流量計の縦断面図である。渦流量計９０は、測定管路９２と、その管路内に渦発生体９４および受力体９６を備え、受力体９６には穴が設けられており、その中に本発明の圧電素子が埋設されている。また、受力体９６は弾性体からなり、渦発生体９４で発生した渦を検知できるように渦発生体９４の下流側に所定の間隔をおいて配置される。なお、受力体は発生した渦を検知できる配置および構造であれば、例えば渦発生体と一体構造であってもよい。以上の構成において、測定管路に測定流体が流されると渦発生体９４によりカルマン渦が発生する。このカルマン渦に起因して受力体９６に変動圧力を作用させ、圧電素子（圧電体）に応力を生じさせる。そして、圧電素子（圧電体）に発生した電荷を検出信号としてリード線５５で取り出し、図１０（Ａ）に示す回路５０の差動増幅部５４に入力するよう構成されている。

表１は、図１０（Ａ）および図１１において、渦流量計９０の受力体９６に本発明の圧電素子１ａ、および従来のバイモルフ素子１００，２００を埋設した場合に得られた出力信号８１の測定結果である。実施例では本発明の圧電素子１ａを、比較例１では従来のシリーズ型バイモルフ素子１００を、比較例２では従来のパラレル型バイモルフ素子２００を、それぞれ埋設している。

試験１では、渦流量計９０の測定管路９２に所定の流量を流した場合に得られる出力信号８１の振幅を測定した。試験２では、測定管路９２に所定のノイズを印加した場合に得られる出力信号８１の振幅を測定した。なお、実施例と比較例１および比較例２とでは、埋設した圧電素子を除いて、全て同じ条件下で試験を行っている。

試験１および試験２の測定結果を表１に示す。なお、試験１では、測定値が大きい方が高出力を得られることを意味し、試験２では、測定値が小さい方が差動アンプ回路で同相ノイズがキャンセルされていることを意味する。

試験１の結果より、実施例の測定値が１．３６Ｖｒｍｓなのに対して比較例２の測定値が１．２３Ｖｒｍｓであった。一方、比較例1の測定値は０．５６Ｖｒｍｓと実施例の半
分以下となっており、本発明の圧電素子は、パラレル型バイモルフ素子と同等もしくはそれ以上の高出力が得られることを確認した。また、試験２の結果より、実施例の測定値が２．０３ｍＶｒｍｓなのに対して比較例１の測定値が４．１２ｍＶｒｍｓであった。一方、実施例２の測定値は３３．３４Ｖｒｍｓと実施例の約１６倍となっており、本発明の圧電素子は、シリーズ型バイモルフ素子と同程度もしくはそれ以上に同相ノイズの除去が容易に行えることを確認した。

このように、本発明の圧電素子を用いた流量計は、高出力であり、かつ、ノイズの低減された信号を得ることができるため、Ｓ／Ｎを向上させることができ、精度の高い流量計とすることができる。

図１２、図１３は、本発明における圧電素子の実施例である。電気的に接続された２つの電極層のグループ（図１２、図１３では電極層２，６と４，８）と外部との容量結合が同じになるように、電極層の面積および形状が同じになるように構成している。なお、実施例では圧電素子の形状を矩形としているが、圧電素子の形状は例えば円形などであってもよく、特に形状は限定されない。

このように、陽極電極層群及び陰極電極層群と外部との容量結合を揃えることによって、容量結合に起因するノイズをキャンセルし、信号精度の高い圧電素子とすることができる。このため、Ｓ／Ｎを向上させることができ、本発明の圧電素子を力センサや流量計に用いた場合にも、精度を向上させることができる。

図１４は、本発明における圧電素子の別の実施例である。圧電体２０，２２およびシム材４０の主面に、銀などを含むペースト状の電極材料をスクリーン印刷により印刷し、焼
成することで、電極層を形成している。なお、電極層２，４，６，８とリード線５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄとは半田付けにより接続され、リード線５５ａと５５ｃ、および５５ｂと５５ｄとは導通されている。この際、シム材の主面に形成された電極層４及び６は、リード線５５ｂ，５５ｃとの接続を容易にするため、その一部の面が圧電体２０，２２からはみ出て露出している。

このように、電極層を印刷して形成することにより、金属製の電極板を接着して電極層を形成する場合と比べて、電極層を含む積層体の剛性を小さくすることができる。このため、外部からの作用力を効率よく圧電体に伝達することができるため、圧電素子から得られる電荷量が増加し、高出力の信号を得ることができる。したがって、Ｓ／Ｎを向上させることができ、本発明の圧電素子を力センサや流量計に用いた場合にも、精度を向上させることができる。

図１５、図１６は、本発明における圧電素子の更に別の実施例である。図１、図１２、図１３、図１４は、２つの電極層と１つの圧電体とを備えた積層体で構成された圧電素子を例にしたが、本発明にかかる圧電素子の積層体が備える圧電体の数は２つ以上であってもよい。図１５は、２つの圧電体を備える積層体にかかる圧電素子を、図１６は、３つの圧電体を備える積層体にかかる圧電素子を示している。

このように、積層体が備える圧電体の数を増やすことによって、圧電素子から得られる電荷量が増加し、高出力の信号を得ることができる。このため、Ｓ／Ｎを向上させることができ、本発明の圧電素子を力センサや流量計に用いた場合にも、精度を向上させることができる。

以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれに限定されることなく、例えば、流量計のみならず、自動車のカーナビゲーションやエアバッグシステムなどに用いられる傾斜計、自動車のバック・コーナーセンサー、歩数計のカウント源、医用診断装置やマッサージ器などの超音波発生源、魚群探知機やソナーなどの水中探査源などに用いてもよいなど、本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

図１-Ａは、本発明における圧電素子の素子構造を示す図である。 図１-Ｂは、本発明における圧電素子の発生電荷量を模式的に示した図である。 図１-Ｃは、本発明における圧電素子のノイズ侵入量を模式的に示した図である。 図２-Ａは、従来のシリーズ型バイモルフの素子構造を示す図である。 図２-Ｂは、従来のシリーズ型バイモルフ素子の発生電荷量を模式的に示した図である。 図２-Ｃは、従来のシリーズ型バイモルフ素子のノイズ侵入量を模式的に示した図である。 図３-Ａは、従来のパラレル型バイモルフの素子構造を示す図である。 図３-Ｂは、従来のパラレル型バイモルフ素子の発生電荷量を模式的に示した図である。 図３-Ｃは、従来のパラレル型バイモルフ素子のノイズ侵入量を模式的に示した図である。 図４は、本発明の圧電素子が主面水平方向に曲げ変形した状態における圧電体の変形方向Ｔと分極方向Ｐとの関係を示した図である。 図５は、本発明の圧電素子が主面垂直方向に圧縮変形した状態における圧電体の変形方向Ｔと分極方向Ｐとの関係を示した図である。 図６は、本発明の圧電素子が主面垂直方向に引張変形した状態における圧電体の変形方向Ｔと分極方向Ｐとの関係を示し図である。 図７は、本発明における３つの圧電体を備える積層体を有する圧電素子が、主面垂直方向に圧縮変形した状態における圧電体の変形方向Ｔと分極方向Ｐとの関係を示した図である。 図８は、本発明における３つの圧電体を備える積層体を有する圧電素子が、主面垂直方向に圧縮変形した状態における圧電体の変形方向Ｔと分極方向Ｐとの関係を示した図である。 図９は、本発明における３つの圧電体を備える積層体を有する圧電素子が、主面垂直方向に引張変形した状態における圧電体の変形方向Ｔと分極方向Ｐとの関係を示した図である。 図１０は、本発明における力センサの等価回路図である。 図１１は、本発明における渦流量計の縦断面図である。 図１２は、本発明における圧電素子の実施例を示した図である。 図１３は、本発明における圧電素子の実施例を示した図である。 図１４は、本発明における圧電素子の別の実施例を示した図である。 図１５は、本発明における圧電素子の更に別の実施例を示した図である。 図１６は、本発明における圧電素子の更に別の実施例を示した図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ，１ｉ，１ｊ，１ｋ，１ｌ 本発明にかかる圧電素子
２，４，６，８，１０，１２，１４，１６ 電極層
２０，２２，２４，２６，２８，３０ 圧電体
３２，３４ 積層体
４０ シム材
５０ 力センサ
５２ センサ部
５４ 差動増幅部
５５，５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄ リード線
６０，７０ チャージアンプ回路
６２，７２，８２ 演算増幅器
６４，７４ コンデンサ
６６，７６，８３，８４，８５，８６ 抵抗
８０ 差動アンプ回路
８１ 出力信号
９０ 渦流量計
９２ 測定管路
９３ 流路方向
９４ 渦発生体
９６ 受力体
１００ シリーズ型バイモルフ素子
２００ パラレル型バイモルフ素子
１０２，１０４，２０２，２０４ 電極層
１２０，１２２，２２０，２２２ 圧電体
１４０，２４０ シム材
Ｆ 作用力
Ｐ 分極方向
Ｔ 変形方向

Claims (14)

1. ２つの積層体と当該２つの積層体の主面間に挟まれて固着されるシム材とから構成されるセンサ用圧電素子であって、
   前記シム材は絶縁性の材料からなり、
   前記積層体は、少なくとも１つ以上の圧電体と、当該圧電体の両主面を挟持するように電極層が積層して構成され、
   前記シム材が前記２つの積層体に挟まれて固着された状態において、
   圧電体またはシム材を介して隣り合って対向する電極層の電気的極性が各々逆となるように、前記圧電体が配置され、
   少なくとも前記シム材の主面に形成された前記電極層から電気的信号を得るように構成されていることを特徴とする圧電素子。
2. 前記圧電体が厚み方向に分極していることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
3. 前記シム材が前記２つの積層体に挟まれて固着された状態において、
   電極層または電極層とシム材を介して隣り合って対向する圧電体の分極方向が各々逆方向となるように前記圧電体が配置されることで、圧電体またはシム材を介して隣り合って対向する電極層の電気的極性が各々逆となることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電素子。
4. 前記シム材が前記２つの積層体に挟まれて固着された状態において、
   電極層を介して隣り合って対向する圧電体の分極方向が各々逆方向で、かつ電極層とシム材を介して隣り合って対向する圧電体の分極方向が同じ方向となるように前記圧電体が配置されることで、圧電体またはシム材を介して隣り合って対向する電極層の電気的極性が各々逆となることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電素子。
5. 前記２つの積層体が備える圧電体が各々１つであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の圧電素子。
6. 前記シム材が前記圧電体と同じ材料で構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の圧電素子。
7. 前記シム材がセラミックスまたは単結晶の圧電材料または高分子材料からなることを特徴とする請求項６に記載の圧電素子。
8. 前記各々の電極層の主面の面積が略同一であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の圧電素子。
9. 前記各々の電極層の形状が略同一であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の圧電素子。
10. 前記電極層が前記圧電体または前記シム材に印刷されることにより形成されることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の圧電素子。
11. 前記シム材が前記２つの積層体に挟まれて固着された状態において、
    前記シム材の主面に接する電極層の一部が露出していることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の圧電素子。
12. 前記電極層の各々が、圧電体またはシム材を介して隣り合って対向する電極層とは導通されず、かつ、圧電体またはシム材を介して隣り合って対向する電極層以外の電極層に導通されることで、全体として、陽極電極層群と陰極電極層群との２つの電極層のグループを形成し、
    前記陽極電極層群及び前記陰極電極層群からそれぞれ電気的信号を得るように構成されていることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の圧電素子。
13. 請求項１２に記載の圧電素子を有する力センサであって、
    ２つのチャージアンプ回路と、
    前記チャージアンプ回路からの信号を受ける差動アンプ回路とを備え、
    前記圧電素子の陽極電極層群と陰極電極層群からの信号をそれぞれチャージアンプ回路に入力するように構成されていることを特徴とする力センサ。
14. 流路内に設けられた渦発生体と、
    前記渦発生体で発生した渦を検知する受力体と、
    前記受力体内に埋設された請求項１３に記載の力センサとを備えることを特徴とする渦流量計。

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