JPH0521476B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明は、振動体の共振周波数を検出して該振
動体に接触している流体の密度または圧力を測定
する振動式トランスジユーサに好適に使用し得る
圧電振動子に関する。

【従来の技術】

上述のような振動式トランスジユーサについ
て、本件出願人は、既に、金属製基体の少なくと
も一面側に該面に対向する空洞と該空洞に測定流
体を導く筒体とを設け、金属製基体を該基体に接
着した圧電基板で駆動して曲げ振動させるトラン
スジユーサを提案している（特願昭60−239228号
参照）。

【発明が解決しようとする問題点】

このトランスジユーサは、空洞および筒体の大
きさと金属製基体の弾性とを適宜設定することに
よつて低密度流体に対しても精度のよい測定が行
える利点があるが、金属製基体の駆動をこの基体
に接着した圧電基板で行つているので、金属製基
体と圧電基板との各熱膨張係数に差があると温度
変動に伴つて金属製基体がそり返るという現象が
発生する。したがつて上記のようなトランスジユ
ーサでは、金属製基体および圧電基板の両熱膨張
係数を−40℃〜＋120℃というような広い温度範
囲にわたつて一致させることは困難であるから、
広い温度範囲で使用すると大きい測定誤差が発生
するという問題がある。 そこで、本発明は、上述の点に鑑みてなされ、
広い使用温度範囲にわたつて測定誤差の小さい圧
電振動子を提供することを目的とする。

【問題点を解決するための手段】 このような目的を達成するために、本発明は、
第１の圧電基板と第２の圧電基板とを積層して接
合し、第１の圧電基板を固定保持し、第２の圧電
基板を電気的に駆動することによつて、この積層
した第１、第２の圧電基板に屈曲振動を行わせる
ことを特徴とする。 すなわち、第１図に本発明の原理構成を示すよ
うに、第１の圧電基板１と第２の圧電基板２とが
積層して接合され、第１の圧電基板１の周縁部が
固定部２３に固定される。第１の圧電基板１と第
２の圧電基板２との間には電極７が設けられ、こ
の電極７はアース接続される。第１の圧電基板１
の他面には電極４が設けられ、また第２の圧電基
板２の他面には電極１６が設けられる。 この場合、第１の圧電基板１は大径の円板（も
しくは楕円板）に形成されてその周縁部が固定部
２３に固定され、第２の圧電基板２は小径の円板
に形成され、そして、第２の圧電基板２は電極
７，１６間に交流電圧を印加すると、半径方向に
伸縮するように構成されている。 なお、第１の圧電基板１の周縁部の固定は全周
に亘つて行う必要はない。

【作用】

しかして、増幅器２１によつて交流電圧を第２
の圧電基板２の電極７，１６間に印加すると、第
２の圧電基板２が半径方向に伸縮する。第２の圧
電基板２にこのような伸縮が生じると、第１の圧
電基板１は周縁が固定されているのでこれに曲げ
モーメントが作用し、第１の圧電基板１はその面
に垂直方向に振動する。一方、第１の圧電基板１
にも分極処理を施しておくと、電極７，４間には
この振動に応じた交流電圧が発生する。この交流
電圧は第１の圧電基板１および第２の圧電基板２
から成る圧電振動子とこの圧電振動子に接する媒
体の付加質量とで定まる機械的共振周波数にて第
２の圧電基板２への印加交流電圧に対し90°位相
が進む性質を有する。それゆえこの位相を補償し
て第２の圧電基板２に正帰還回路２２を介して正
帰還することにより、第１の圧電基板１および第
２の圧電基板２から成る圧電振動子はその共振周
波数で自励振動することになる。

【実施例】

次に本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説
明する。 第２図は本発明の一実施例の断面図、第３図は
第２図のＡ−Ａ断面図、第４図は第２図の矢印Ｂ
方向から示した概略図である。 しかして、これらの図において、１は厚さ0.1
mm程度の圧電材料製薄板から成る円板状の第１の
圧電基板であり、一方の面１ａにはほぼ同心状に
電極４が設けられている。第１の圧電基板１の他
面１ｂには、特に第３図から明らかなように、こ
の第１の圧電基板１に設けられたスルーホール５
を介して電極４に電気的に接続された電極１５
と、この電極１５とは電気的に絶縁された電極６
と、両電極１５，６と電気的に絶縁されかつ第１
の圧電基板１の他面１ｂのほぼ全面を覆う電極７
とが設けられている。 この電極７上には、厚さ0.1mm程度の圧電材料
製薄板から成る円板状の第２の圧電基板２が積層
して接合されている。この第２の圧電基板２は第
１の圧電基板１と同一材料にて形成されている。
さらに、電極７上には、第２の圧電基板２を取囲
むように円環状のスペーサ３が接合されている。
第２の圧電基板２の一面２ａにはスルーホール８
を介して前記電極６と接続した電極１６がほぼ同
心状に設けられる。円環状スペーサ３は圧電基板
２と同一の材料にて厚さも等しく形成され、その
一面３ａにはスルーホール９を介して電極６と接
続された電極１７と、スルーホール１０を介して
電極１５と接続された電極１８とが形成されてい
る。また、この電極１７，１８を除いた部分には
スルーホール１１を介して電極７と接続された電
極１９が設けられている。このようにして、立体
的に積層した第１の圧電基板１の面１ａに設けた
電極４、第１の圧電基板１の他面１ｂに設けた電
極７、および、第２の圧電基板２の面２ａに設け
た電極１６が円環状スペーサ３の一面にそれぞれ
スルーホール５，１０，８，９，１１を介して導
出される。 １２はこのように第１の圧電基板１、第２の圧
電基板２、スペーサ３で構成された圧電振動子で
ある。このような圧電振動子１２を製作するには
例えばセラミツクスの多層配線基板の製作技術を
応用することが可能である。すなわち、グリーン
シート法により製作した薄膜から成る第１の圧電
基板１、第２の圧電基板２、スペーサ３の各面１
ａ，１ｂ，２ａ，３ａにスクリーン印刷により電
極パターンを形成し、所定形状に打抜いた後積層
してセラミツクスの焼結と電極の焼付けを同時に
行い、第１の圧電基板１と第２の圧電基板２およ
びスペーサ３との機械的接合と各電極間の電気的
接合を同時に行う。このようにして接合形成した
振動子１２の電極４と７、および６と７の間にそ
れぞれ直流電界を加えていわゆる分極処理を施す
ことにより、第１の圧電基板１および第２の圧電
基板２は圧電性を有することになる。ただし、ス
ペーサ３はその上下面にスルーホール１１を介し
て導通する電極７，１９があるので分極はされな
い。 第５図は第２図ないし第４図に示した圧電振動
子を用いて流体の密度もしくは圧力を測定する振
動式トランスジユーサを構成した一例を示す。こ
の第５図において、１３はこの振動子１２を保持
するためのハウジングで、振動子１２を形成する
圧電材料とほぼ熱膨張係数が等しいNi−Fe合金
材料からなる。このハウジング１３はその段差部
１３ａでスペーサ３に設けた電極１９とハンダ付
けまたは導電性接着剤等の接合手段を用いて電気
的に接続されるとともに、振動子１２を保持して
いる。ハウジング１３には電極１７および１８に
対応した開口２３および２４が設けられており、
この電極１７，１８とは絶縁されている。また、
段差部１３ａの深さは振動子１２の厚さｈよりも
若干深くなつており、振動子１２が突出しない構
造となつている。２５および２６は前記電極１７
および１８に接続したリード線である。２７は底
部２７ａの外面に筒体２８の一端が固定された容
器で、底部２７ａには筒体２８の内部に連通する
貫通孔２７ｃが設けられており、開口側の面２７
ｂがハウジング１３の端面と気密に接合され、振
動子１２の電極４との間にわずかな空隙が残され
る。なお、この容器２７ハウジング１３と同材料
で形成されている。この容器２７と底部２７ａと
圧電振動子１２との間に形成された空洞２９と、
筒体２８内との媒質によつて音響振動系が構成さ
れるが、空洞２９の媒質のバネ定数を十分大きく
することによつて筒体２８内の媒質の質量のみが
振動子１２の付加質量として作用するよう構成し
てある。２１は電極１７，６，１６を介して交流
電圧を第２の圧電基板２に加える増幅器、２２は
第１の圧電基板１に発生した電圧を電極４，１
５，１８を介して検出して増幅器２１に正帰還す
る帰還回路である。 第２の圧電基板２は前述のように電極７，１６
間に交流電圧を印加すると半径方向に伸縮するよ
うに構成されている。第２の圧電基板２にこのよ
うな伸縮が生じると、第１の圧電基板１に曲げモ
ーメントが加わるので、第１の圧電基板１はその
面に垂直方向に振動する。一方、第１の圧電基板
１も前述のように分極処理を施してあるので、電
極７，４間にこの振動に応じた交流電圧が発生す
る。この交流電圧は第１の圧電基板１および第２
図の圧電基板２からなる圧電振動子１２と筒体２
８内の媒質の付加質量で定まる機械的共振周波数
で、圧電基板２に印加した交流電圧に対し90°位
相が進む性質をもつので、この位相を補償して第
２の圧電基板２に正帰還することにより、圧電振
動子１２はその共振周波数で自励振動をすること
になる。それゆえ、この周波数を検出回路２０に
て計測すれば媒質の付加質量すなわち密度（また
は圧力）を計測できる。 この振動式トランスジユーサにおいては、既に
説明したように振動子を構成する第１の圧電基板
１を圧電基板２と同一材料にて構成しており、か
つ、同一条件で分極処理を施すので、第１の圧電
基板１と第２の圧電基板２との間の熱膨張率の差
を広い温度範囲に亘つて無くすことができ、両者
の熱膨張差に伴う、所謂バイメタル状変形による
振動子１２の共振周波数の変化を防止することが
でき、精度よく密度を計測することができる。ま
た、この振動式トランスジユーサにおいては、圧
電基板２に交流電圧を印加するための電極および
圧電基板１の振動を検出するための電極とリード
線部をパターン形成し、それぞれをスルーホール
で接続することによつて一つの平面上でかつ振動
子１２の固定部分となる周縁部分に引き出すよう
にしてあるので、電気的に接続することが容易で
かつリード線の振動への影響が無くなる。なお、
以上の説明では、振動子に接触している流体の密
度または圧力を検出する振動式トランスジユーサ
に関するものであつたが、この振動子の応用は本
実施例に限定されるものでなく、圧電振動子を用
いた形式の装置、たとえば積層型圧電アクチユエ
ータ、圧電ブザー、圧電スピーカ等にも適用でき
る。

【発明の効果】

以上に説明したように、本発明によれば、振動
子を従来のごとく金属製基体に駆動用圧電金属製
基板を接合したものとは異なり、第１の圧電基板
で形成した基体と駆動用の第２の圧電基板とを接
合して構成したので、第１の圧電基板から成る基
体と駆動用の第２の圧電基板との間の膨張差をほ
ぼ同一にすることができ、熱膨張率の差による熱
変形に伴う振動子の共振周波数の変化を防止でき
る。 また、本発明によれば、２層に積層した圧電基
板の電極とこの電極に電圧を印加するための電極
およびこの電極から電圧を取り出すためのリード
電極とを両圧電基板に形成したスルーホールを介
して一方の圧電基板の一つの平面上でかつ振動子
の固定部となる周縁部に引き出すように構成した
ので、回路部との接続を従来のように直接振動し
ている部品からリード線によつて引き出すのと異
なり、リード線の質量や共振等によつて振動子の
共振周波数の変動がなくかつ製作コストも低減で
きる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理構成図、第２図は本発明
の一実施例の断面図、第３図は第２図のＡ−Ａ断
面図、第４図は第２図の矢印Ｂ方向から示した概
略図、第５図は第２図ないし第４図に示した実施
例を用いた振動式トランスジユーサの概略断面図
である。 １……第１の圧電基板、２……第２の圧電基
板、４，７，１６……電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 第１の圧電基板と第２の圧電基板とを積層し
   て接合し、前記第１の圧電基板を固定保持し、前
   記第２の圧電基板を電気的に駆動することによ
   り、この積層した第１および第２の圧電基板に屈
   曲振動を行わせることを特徴とする圧電振動子。