JPH09138192A - 多要素粒子センサ及び信号処理電子装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】粒子センサ素子と測定ノイズを除去する信号処
理回路とからなるセンサ装置を提供し、流体中の粒子径
及び粒径分布を高精度に測定する。 【解決手段】センサ装置１は、流体流れの中心３を決め
る流体ノズル４と、固体粒子との衝突に応答するために
十分に小さい質量を有するとともに、素子の振動を電気
信号に変換する装置を含んでいるダイアフラム部１４
ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄを形成した凹部１８ａ、１
８ｂ、１８ｃ、１８ｄを有する基板１２上に、粒子及び
泡の衝撃を電気信号に変換するためのセンサ素子２０
ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを設置した装置１０とから
成り、第一センサ素子２０ａを流体流れの中心３上に設
置し、第二センサ素子２０ｂ、第三センサ素子２０ｃ、
第四センサ素子２０ｄを流体流れの中心３から徐々に外
側の位置へ設置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、センサ素子、及
び、多数の検出面を有するセンサ素子を備えた粒子セン
サに関する。該センサ素子は、流体中の粒子を検出する
ための、圧電膜を有する。多数の検出面によって流体中
の粒子の平均径を測ることができる。

【０００２】液体又はガスである流体が、固体粒子を含
んでいる場合、粒子の寸法は勿論のこと、粒子の存在を
検出することが、時として必要である。特に、粒子が、
流体の機能を妨げるように、流体中に望ましくなく存在
する場合、粒子を検出することと、相対粒子径を決定す
ることと、泡や他の粒子でない信号と粒子を区別するこ
とが重要になる。

【０００３】例えば、車のエンジンや重機のエンジン等
の内燃機関は、動力源としてガソリンや軽油を使用す
る。これらの内燃機関は、エンジンの回転面又は摺動面
上の、摩擦抵抗及び摩耗を減少させるために潤滑剤を用
いる。内燃機関において、摩擦により生じた金属粉等の
粒子が潤滑剤に混ざり、回転面又は摺動面の摩擦を促進
することもある。潤滑剤内の粒子は、一般的に、オイル
フィルター等のフィルターにより除去される。潤滑剤の
状態は、潤滑剤内の粒子の検出と粒径測定とにより、よ
り詳細に監視できる。流体中の粒子径の測定は重要であ
り、それは摩耗率が、摩耗を起こす粒子径に関連付けら
れるためである。したがって、摩耗を起こす大きさの粒
子よりも、より多くの摩耗を起こさない大きさの粒子は
許容される。

【０００４】流体中の粒子検出に使用される一つの従来
の方法は、間に所定寸法の間隙を有するように配置され
た一対の電極を使用し、電極間の電気抵抗を監視するも
のである。この方法によれば、金属粒子が両方の電極に
接触すると電極間の電気抵抗が減少することで粒子を検
出する。しかし、この方法は、電極間の間隙よりも小さ
い粒子を検出できず、また、電気絶縁性の粒子を検出で
きない。また、他の方法では、検出器に蓄積された金属
粒子等の粒子の量を検出するために、電磁石などで検出
ユニットに磁場を発生させる。しかし、この方法は強磁
性でない粒子を検出できず、その精度に限界がある。

【０００５】更に、また他の方法では、流体内の粒子の
量を検出するために、流体中の粒子の量が流体を通る光
の透過率と関連づけられる。しかしながら、流体の透過
率は、常に一定とは限らず、入射光窓や検出光窓の汚れ
が測定精度に悪影響を及ぼし、これにより、センサの耐
久性が限られる。米国特許出願第 08/443,464 号は、振
動部に圧電膜を設置した粒子センサを開示しており、該
圧電膜は、粒子によって生じた振動を電気信号に変換す
る。これにより、米国特許出願第 08/443,464 号の内容
は、引例によりそこへ組み込まれている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、そのセンサ素
子は、液体中の泡の衝突によって電気信号を発生するエ
ラーを生ずるかもしれない。従って、固体粒子による電
気信号と泡による電気信号とを区別することが望まれ
る。さらに、いくつかの応用において、液体中の泡を検
出することが望まれる。例えば、変速機内の作動流体に
は泡がないことが好ましい。これは、泡によって動力伝
達に対して液体が効果的に作用しなくなるからである。
泡の存在を監視することは、動力伝達の円滑で効率的な
操作を確実にする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、上述の
諸問題を解決し、低コストのセンサ素子と優れた検出精
度、粒子径測定能力、および耐久性を有する粒子センサ
とを提供することにある。本発明の目的の一つは、流体
中の異物である固体粒子を検出し、流体中の粒子の平均
粒径を測定するための、センサ素子を提供することであ
る。該センサ素子は、それぞれが固体粒子の衝突に応答
するために十分に小さい質量を有する多数のダイヤフラ
ムセンサ素子と、振動を検出するために、ダイヤフラム
部の振動を電気信号に変換する装置とを有する。その多
数の素子は、異なる大きさの粒子が選択的に異なる素子
に衝突するように、流体の流路中に設置されている。特
に、第一素子は、流体の流路の中心線上に設置されてい
る。一方、第二素子とその他の付加的素子は、流体の流
路の中心から外して設置されている。

【０００８】本発明の他の目的は、信頼性を向上させた
多素子センサを提供することにある。信頼性は、多数の
素子を使用することによって向上する。それぞれの素子
のどれかが損傷を受けたり、または摩耗したときは、残
りの素子が機能し続けるため、精度は低下するが、セン
サは全体として機能し続ける。

【０００９】本発明の更なる別の目的は、主に第一セラ
ミック材から成る圧電膜からそれぞれが成る多数の素子
を有する検出ユニットで、第一電極が圧電膜の外表面の
少なくとも一部を被覆し、第二電極が圧電膜の内表面の
少なくとも一部を被覆しているものと、主に第二セラミ
ック材から成る振動部で、第二電極が振動部の少なくと
も一部に接触するように検出ユニットが振動部に設置さ
れているものと、振動部が振動するように振動部を保持
する固定部と、を有するセンサ素子において、検出ユニ
ット、及び／又は、振動部が流体中の固体粒子と接触し
て振動し、圧電膜がその振動を電気信号に変換するセン
サ素子を提供することにある。それぞれのセンサ素子の
振動部は、粒子が衝突したときだけに振動し、こうし
て、素子が衝突されることによる検出方法を提供するこ
とにある。

【００１０】振動部と固定部は、一体構造を有するセラ
ミック基板の一部であってもよく、そのセラミック基板
には、振動部が薄板形状またはダイヤフラム形状を有す
るように、空洞が形成されていることが好ましい。第一
セラミック材は、ジルコン酸鉛、ニオブ酸マグネシウム
鉛、ニオブ酸ニッケル鉛、ニオブ酸亜鉛鉛、ニオブ酸マ
ンガン鉛、スズ酸アンチモン鉛、チタン酸鉛、チタン酸
バリウムから成るグループから選ばれた、少なくとも１
つの材料から成ることが好ましい。流体は潤滑剤が好ま
しい。圧電膜は、1-100μmの厚さを有することが好まし
く、振動部は、1-100μmの厚さを有することが好まし
い。振動部は、安定化酸化ジルコニウムから成ることが
好ましい。

【００１１】本発明の更に別の目的は、(a) 主に第一セ
ラミック材から成る圧電膜を有する検出ユニットであっ
て、第一電極が圧電膜の外表面の少なくとも一部を被覆
し、第二電極が圧電膜の内表面の少なくとも一部を被覆
している検出ユニットと、主に第二セラミック材から成
る振動部であって、第二電極が振動部の少なくとも一部
に接触するように、検出ユニットが振動部に設置されて
いる振動部と、その振動部が振動するように振動部を保
持する固定部と、を有する１セットのセンサ素子であっ
て、検出ユニット、及び／又は、振動部が流体中の固体
粒子に接触して振動したときに、圧電膜がその振動を電
気信号に変換する１セットのセンサ素子と、(b) 検出ユ
ニットを覆う保護カバーとを有する粒子センサを提供す
ることにある。

【００１２】本発明の更に別の目的は、センサを刺激す
る流体中の泡によって発生する信号を除去するための電
子回路を提供することにある。電子回路は、第一増幅器
と、第一帯域フィルターと、時間遅延発生器と、第二帯
域フィルターと、信号ゲートとを有する。特に、その電
子回路は、電気信号の大きさを増幅させる増幅器と、電
気信号の高周波数成分の包絡線に近似させるための包絡
線検出手段と、電気信号の立上り時間を第一所定値と比
較するために、電気信号の立上り時間を検出するための
立上り時間検査器を含むものであって、立上り時間が第
一所定値より短い場合、立上り時間検査器が電気信号を
出力する立上り時間検査器と、第二所定時間内の電気信
号の低周波数成分の存在を検出するための検出手段であ
って、それにより、低周波数成分が存在するときは、電
気信号は泡によるものと帰属される。更に、本発明は、
流体中の粒子によって誘発された電気信号と、流体中の
泡によって誘発された電気信号とを区別する方法を提供
する。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は、４つの素子から成るセン
サ１の例示的構造図である。流体は、パイプ４の中を矢
印Ｆの方向へ流れる。粒子の軌道２は、素子２０ｂ（中
心の流線３から２番目の素子）に当たっている。それぞ
れの素子に当たっている粒子の数は、流体中の粒子の平
均径を計算するのに使用でき、それ故、潤滑剤としての
流体の質を見積もるのに使用できる。

【００１４】図１において、装置１０は、振動部１４
ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄを付与するための凹部１８
ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄが形成されたセラミック基
板１２を有する。複数の検出ユニット２０ａ、２０ｂ、
２０ｃ、２０ｄは、セラミック基板１２の振動部１４
ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ上で、凹部１８ａ、１８
ｂ、１８ｃ、１８ｄの反対側に設置されている。しか
し、検出ユニットは、凹部１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１
８ｄ内に設置されていてもよい。センサ素子は、振動部
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄのうちの１つと、その
振動部に対応する検出ユニットとを有する。それぞれの
検出ユニット２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄは、振動
を電気信号に変換するための圧電膜を有する。

【００１５】図１において、装置１０は、入り口４によ
り形成された流体の流線の中心３から離れるように配置
されている。それぞれの検出ユニット２０ａ、２０ｂ、
２０ｃ、２０ｄは、装置１０に向かって異なる道筋を通
って進む粒子に衝突される。ある特定の粒子が進む道筋
は、粒子の出発点や、粒子の大きさや、流体特性や、流
速によって決定される。

【００１６】図１において、検出ユニット２０ａは、全
ての大きさの粒子が検出ユニット２０ａに当たるように
流れの中心３に配置されている。より大きい粒子は、流
れの中心３に隣接した検出ユニット２０ｂに当たりやす
く、一方、より小さい粒子は、流れの中心３から離れた
検出ユニット２０ｄに当たりやすい。検出ユニット２０
ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄのすべてからの電気信号が
合計されると、総合的な電気信号は、検出ユニット２０
ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄに当たっている全ての粒子
の平均径を表わす。他方、検出ユニット２０ａ、２０
ｂ、２０ｃ、２０ｄのそれぞれの電気信号が別個に処理
されると、粒子径の分布が得られる。

【００１７】図２は、装置１０の部分拡大断面図であ
り、図４の B-B' 線における断面図でもある。図２は、
センサ素子の代表例であり、振動部１４ｃと、それに対
応する検出ユニット２０ｃとを図示している。その他の
振動部と検出ユニットは、構造や、形状や、材料や、構
成技術に関して同じでもよい。図３は、図２に示されて
いる装置１０の部分透視図であり、圧電膜２２の一部
と、上側電極２４ｃの一部が、わかりやすくするために
省略されている。図４は、図２に示されている装置１０
の部分的な上部面の図である。

【００１８】図２と図３に関し、装置１０は、基板１２
と、振動部１４ｃ上に配置された検出ユニット２０ｃと
を有する。基板１２は一体構造を有する。振動部１４ｃ
と固定部１６とは、基板１２の一部である。検出ユニッ
ト２０ｃは、振動部１４ｃの上側に設置されている。固
定部１６は、振動部１４ｃを囲むように振動部１４ｃの
下側に位置する。しかし、本発明では振動部と固定部が
その構造体の一部である必要はない。例えば、金属固定
部は、独立したセラミック製の振動部に固定されてもよ
い。固定部が金属で作られている場合、固定部に結合し
ている振動部の表面は、金属被覆層がはんだ付けにより
固定部に接着されるように、金属被覆されていてもよ
い。あるいは、振動部が固定部の凹部と共に加圧されて
もよい。ステンレス鋼や鉄等の金属が、固定部に用いら
れてもよい。

【００１９】基板１２には、振動部１４ｃが薄板、又
は、ダイヤフラム形状を有するように、凹部１８ｃが設
けられている。検出ユニット２０ｃは、凹部１８ｃの位
置に対応するように配置されている。しかし、本発明は
凹型に限定されない。例えば、ダイヤフラムが作られる
ように閉空洞が形成されてもよい。

【００２０】センサ素子１０が粒子を検出すると、振動
部１４ｃは検出ユニット２０ｃと垂直に、すなわち、検
出ユニット２０ｃの方向、又は、空洞１８ｃの方向に振
動する。振動部１４ｃは、板状であることが、振動に適
する形状であるため好ましい。この場合、板状の厚さ
は、好ましくは、1-100μm 、より好ましくは、3-50μ
m、更に好ましくは、5-20μm である。振動部１４ｃ
は、振動部が熱により変質するのを避けるため、高温に
耐えられる材料で作られていることが好ましい。これ
は、検出ユニット２０ｃが、間に（高温に耐えられない
有機接着剤等の）材料を何も用いずに、振動部１４ｃ上
に直接に設置されるためである。そのような場合、圧電
膜２２が形成されるとき、振動部１４ｃも使われる高温
によって損傷を受けないべきである。センサ素子がオイ
ル等の潤滑剤に対して使用されるとき、振動部が潤滑剤
に含まれる有機溶剤に接触すること、又は、潤滑剤が、
酸性若しくは塩基性に変化することが時々起こる。従っ
て、振動部は、化学的に安定な材料で作られることが好
ましい。

【００２１】振動部１４ｃの少なくとも一部を被覆して
いる第二電極や、第一電極と第二電極とに接続されてい
るリード線やリード端子等は、全て電気伝導性があるた
め、振動部１４ｃは、電気絶縁体で作られることが好ま
しい。従って、振動部１４ｃは、ガラスのようなセラミ
ックで被覆された良好な高温特性を有する金属で作られ
ていてもよい。振動部は、セラミックで作られているこ
とが最も好ましい。例えば、安定化酸化ジルコニウム、
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、ガラス等が振動部に好適に用
いられる。安定化酸化ジルコニウムは、たとえ振動部が
薄くても機械的強度と靭性とが高く、圧電膜や電極等と
の化学反応性が低いために好ましい。

【００２２】安定化酸化ジルコニウムは、安定化ジルコ
ニアと部分安定化ジルコニアとを含む。安定化酸化ジル
コニウムは、例えば、立方晶構造を有するため、相転移
を起こさない。他方、安定化されていない酸化ジルコニ
ウムは、約 1000 ℃で、単斜晶構造と正方晶構造間での
相転移を起こす。この相転移は、亀裂を発生させる場合
がある。安定化酸化ジルコニウムは、酸化カルシウム、
酸化マグネシウム、酸化イットリウム、酸化スカンジウ
ム、酸化イッテルビウム、酸化セリウム、又は、希土類
酸化金属等の安定化剤を、1-30モル％含んでいる。安定
化剤は、振動部の機械的強度を高めるために、酸化イッ
トリウムを含むことが好ましい。安定化剤に含まれる酸
化イットリウムの量は、1.5-6モル％が好ましく、2-4モ
ル％がより好ましい。更に、主な結晶相は、正方晶系、
又は、正方晶系と立方晶系の混合系に属するものがよ
い。

【００２３】振動部１４ｃを構成するセラミックは、酸
化硅素を 0.5-5重量％含むことが好ましく、1-3重量％
含むことがより好ましい。これは、熱処理によって検出
ユニット２０ｃを形成する際に、酸化硅素が振動部１４
ｃと検出ユニット２０ｃ間の過度な反応を防ぐからであ
る。振動部１４ｃがセラミックから成る場合、多数の粒
子で構成される。平均粒径は、0.05-2μm が好ましく、
0.1-1μm がより好ましい。

【００２４】固定部１６は、振動部１４ｃの少なくとも
一部、又は、振動部１４ｃの周囲の少なくとも一部を固
定する。図１に示されている実施形態において、固定部
はセラミックから成るのが好ましい。固定部１６のセラ
ミック材料は、振動部のものと同じでも異なってもよ
い。安定化酸化ジルコニウム、ムライト、酸化アルミニ
ウム、酸化マグネシウム、窒化アルミニウム、窒化珪
素、ガラス等が振動部１４ｃと同様、固定部を構成する
セラミックとして好適である。

【００２５】凹部１８ｃの形状は、限定されない。凹部
の水平方向、又は、垂直方向の断面は、例えば、円、楕
円、正方形と長方形とを含む多角形、又は、これらの組
み合わせによる複合形であってもよい。しかし、形状が
多角形等の場合、鋭いエッジを除去して、角を丸めるこ
とが好ましい。検出ユニット２０ｃは、圧電膜２２と、
圧電膜２２の外表面２２ｓの少なくとも一部を覆う第一
電極２４と、圧電膜の内表面２２ｔの少なくとも一部を
覆う第二電極２６とを有する。第二電極２６は、振動部
１４ｃの外面１４ｓの少なくとも一部を被覆している。

【００２６】圧電膜２２は、微視的には誘電分極を生
じ、巨視的には電気信号、例えば、応力に応じた電荷又
は電圧を出力する。この場合、圧電膜には厚さ方向に撓
曲変位が生じることが好ましい。粒子が、第一電極、及
び／又は、振動部に接触するとき、圧電膜２２は、振動
部１４ｃと共に振動する。この振動が、圧電膜２２に加
えられる応力を生ずる。

【００２７】圧電膜の厚さは、好ましくは1-100μmであ
り、より好ましくは5-50μmであり、更に好ましくは5-3
0μmである。圧電性セラミックは、圧電膜に好適に用い
られる。圧電膜は、電歪を有するセラミック、又は、強
誘電性を有するセラミックであってもよい。更に、分極
処理を必要とする材料と、分極処理を必要としない材料
の、両方とも目的にかなう。

【００２８】圧電膜のセラミックは、例えば、ジルコン
酸鉛、ニオブ酸マグネシウム鉛、ニオブ酸ニッケル鉛、
ニオブ酸亜鉛鉛、ニオブ酸マンガン鉛、スズ酸アンチモ
ン鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウム、又は、それらの
組み合わせでもよい。セラミックは、主成分として、こ
れらから成る化合物を50重量％以上含んでいてもよい。
ジルコン酸鉛を含むセラミックは、好適に用いられる。
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や、これらの組み合わせや、他
の化合物も、上述のセラミックに好適に加えられてもよ
い。例えば、主成分としてニオブ酸マグネシウム鉛と、
ジルコン酸鉛と、チタン酸鉛とから成り、更に、ランタ
ンとストロンチウムとを含む成分を含むセラミックを用
いることが好ましい。

【００２９】圧電膜は、緻密であっても多孔質であって
もよい。圧電膜が多孔質の場合、気孔率は40 ％以下が
好ましい。圧電膜は、一層から成るものでも二層以上か
ら成る積層膜でもよい。圧電膜が積層構造を有する場
合、それぞれの層は水平に配置されても、垂直に配置さ
れてもよい。検出ユニットを、振動部の片側だけでな
く、両側に設置することも可能である。

【００３０】図３において、第一電極２４ｃと第二電極
２６とは、リード線２８ｃと３０ｃを介して、端子パッ
ド３２ｃと３４ｃに、圧電膜２２からの電気信号を出力
する（図４も参照のこと）。第一電極２４ｃは、接続部
２５ｃにより、リード線２８ｃに接続されている。接続
部２５ｃは、圧電膜２２に接触し、第二電極２６とリー
ド線３０ｃには接触しない。第二電極２６と、リード線
２８ｃと、リード線３０ｃと、端子パッド３２ｃと、端
子パッド３４ｃは、後述される薄膜形成法により、同時
に形成されることに注意してほしい。

【００３１】第一電極と第二電極のそれぞれが、その用
途により好適な厚さを有する。しかし、0.1 - 50 μm
が好ましい。第一電極は、室温で固体であり、電気伝導
性を有する金属であることが好ましい。例えば、アルミ
ニウム、チタニウム、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、又は、これらの合金が使われても
よい。言うまでもなく、第一電極は、これらの元素をど
んな組み合わせで含んでいてもよい。白金、ロジウム、
パラジウム等の白金族に属する金属、又は、銀−白金、
もしくは、白金−パラジウム等のこれらの合金は、第一
電極の材料の主成分として、好適に用いられる。銅、
銀、金は、耐久性を有するためにより好ましい。

【００３２】第二電極は、白金、ルテニウム、ロジウ
ム、パラジウム、イリジウム、チタニウム、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、又は、それらの合金等の、高融点を有する金属を含
む単体から成ることが好ましい。言うまでもなく、第二
電極は、高融点を有するこれらの金属をどんな組み合わ
せでもよい。白金、ロジウム、パラジウム等の白金族に
属する金属、又は、銀−白金、若しくは、白金−パラジ
ウム等のこれらの金属を含む合金は、第二電極の材料の
主成分として、好適に用いられる。第二電極は圧電膜の
熱処理の間、時々高温にさらされるため、高温で酸化雰
囲気に対して耐性を有する金属が第二電極に使われる。

【００３３】第二電極に好適に用いられる材料は、高融
点を有する金属と、アルミナ、酸化ジルコニウム、酸化
硅素、又は、ガラス等のセラミックとからなるサーメッ
トでもよい。基板の形状は特に限定されず、用途により
選択される。基板の形状は平板状が好ましい。しかし、
円筒型または管状であってもよい。

【００３４】図５はセンサ素子１０を含む粒子センサ４
０の断面図である。センサ素子１０は、ねじ部４１によ
り（図示されていない）壁に取り付けることができ、そ
れにより、検出ユニット２０上に設置された端部１０ａ
は、壁から突き出て計測される流体に接触している。ね
じ部４１は、ハウジング４２に接続されている。あるい
は、ねじ部４１とハウジング４２が、一体に結合してい
てもよい。衝撃吸収部材４３は、センサ素子１０に対し
てハウジング４２の内側に設置されている。

【００３５】センサ素子１０の端部１０ａは、保護カバ
ー４４で覆われている。保護カバー４４は、保護カバー
４４内へ流体が流れるように、複数の貫通孔を有する。
センサ素子１０の一方の端部１０ｂがワイヤー４６に接
続されているため、端子パッド３２と３４上の電気信号
は、線４７と４８とに送られる。センサ素子１０の端部
１０ｂと、ワイヤー４６とは、ケーシング４５中に挿入
されている。ケーシング４５の一端部は、端部部材４９
によって密閉される。線４７と４８とが端部部材４９を
貫通している。

【００３６】本発明のセンサ素子１０の製造方法を以下
に述べる。グリーンシート又はグリーンテープの成形層
は、熱圧着により積層され、次いで、焼結されて一体型
基板が得られる。例えば、図１の基板１２では三層のグ
リーンシート、又はグリーンテープが積層されている。
第二層は、空洞１８ａ−ｄを形成するように、所定の形
状の貫通孔が前もって形成される。層は、プレス成形、
鋳込み成形、射出成形等により、形成されてもよい。空
洞は、切断、研削加工、レーザー加工、プレスによる打
抜き加工等の機械加工により形成される。各層が同じ厚
さである必要はない。しかし、それぞれの層が、焼結の
際、同じ収縮率を有することが好ましい。

【００３７】空洞が開いている（すなわち、凹状）場
合、グリーンシート、又はグリーンテープは、焼結前に
凹部に対応する形状を有するように成形されてもよい。
あるいは、空洞は焼結後に機械加工によって形成されて
もよい。検出ユニット２０ｃをセラミック振動部１４ｃ
上に形成する方法について述べる。圧電体は、型を用い
たプレス成形や、スラリーを用いたテープ形成等により
形成される。焼結前に、圧電体は熱プレスにより、基板
の振動部上に積層される。次に、この積層体は互いに接
着された基板と圧電体とを形成するように焼結される。
この方法は、後述する膜成形法の一つにより、電極２６
が基板上に前もって形成されることを必要とする。

【００３８】圧電膜の焼結温度は、膜を構成する材料に
依存し、好適に決定されるが、一般的には800℃-1400℃
で、好ましくは1000℃-1400℃である。圧電膜は、圧電
膜の組成を制御するために、圧電膜材料のための蒸発源
の存在下で焼結されるのが好ましい。

【００３９】他方、膜を形成する方法においては、第二
電極２６、圧電膜２２ｃ、第一電極２４ｃは、この順で
振動部１４ｃ上に積層され、検出ユニット２０を形成す
る。膜の形成方法は、従来のもので、例えば、スクリー
ン印刷、浸漬等の厚い膜を形成する技術や、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、化学気相蒸着（ＣＶＤ）、めっき等の薄い膜を形成
する技術による。しかし、膜を形成する方法はこれらの
方法に限定されない。第二電極２６と、リード線２８ｃ
と、リード線３０ｃと、端子パッド３２ｃと、端子パッ
ド３４ｃは、スクリーン印刷により基板に同時に塗布さ
れる。圧電膜２２は、スクリーン印刷、浸漬、コーティ
ング等により形成されることが好ましい。これらの方法
は、圧電膜材料のセラミック粉末を主成分として含むペ
ースト、又は、スラリーを用いるので、圧電膜２２は、
優れた圧電特性を有する検出ユニット２０ｃと共に、基
板上に形成される。これらの膜形成方法の一つにより圧
電膜を形成するのに、接着剤は必要なく、そして、検出
ユニットと振動部は一体に接続されることができる。従
って、そのような方法は優れた信頼性、優れた再生産
性、容易な集積化の見地から特に好ましい。そのような
膜の形状は、好適にかたどられればよい。形状は、スク
リーン印刷、もしくは、写真平版等の方法によって、又
はレーザー加工、スライス加工、超音波加工等の、機械
加工により不要部分を除去することによって形成され
る。

【００４０】圧電膜や、第一電極や、第二電極の形状
は、全く限定されておらず、用途に応じてどのような形
状を採用してもよい。例えば、三角形や、四角形等の多
角形、円や、楕円等の湾曲形、円環形、櫛形、格子形、
又はこれらの組み合わせによる特殊形状でもよい。基板
にある形で形成された、膜２２、２４ｃ、２６のそれぞ
れは、膜と基板が一体化されるように、それぞれの膜が
形成される度に、別々に熱処理を施してもよい。あるい
は、それらの膜と基板とが一体的に接続されるように、
それらの膜を同時に熱処理してもよい。第一電極、又
は、第二電極が薄膜形成方法によって形成される場合、
これらの電極を統合するために常に熱処理が必要とは限
らない。

【００４１】センサ素子の典型的応答は、図６、図７、
図８のスケッチに、特性的に示されている。高周波数包
絡線を有する望ましい粒子信号応答は、図６に示されて
いる。具体的に言えば、図６は、オイル中の異物粒子か
らの一撃の典型である。望ましくない疑似信号の２つの
異なるタイプが、図７と図８に示されている。これらの
疑似信号は、おそらく、外部のセンサ振動や流体中の気
泡によって発生する。第一の信号タイプと他の２つのタ
イプとを区別することが、下に述べる電子技術の目的で
ある。

【００４２】本発明に従えば、粒子センサ素子は、図６
のような信号が検出されたときのみ出力し、図７や図８
の信号に類型化される信号を無視する。図６の粒子波形
と図８の泡の応答との主な違いは、後者が初期の急激な
高周波振動に続く低周波変動を含んでいることである。
両波形は始めは殆ど同じであり、従って、どちらのタイ
プの信号が発生したかについての決定は、信号が発せら
れた後、一定時間が経過するまでできない。

【００４３】このように、実行されなければならない仕
事の順序は、(1) 信号のスタートを検出すること、(2)
一定時間待つこと、(3) この時間内の信号中に低周波数
が存在すれば、それを感知すること、(4) もし、低周波
数が感知されなければ、粒子の存在を知らせること、で
ある。

【００４４】本発明の一実施態様において、これらの仕
事は次のように実行される。鋭く上昇する振幅信号のス
タートが感知されると、双安定のフリップフロップがセ
ットされる。同時に、一定持続タイマーが始動する。こ
のタイマーが動いている間に、低周波数の成分が感知さ
れると、フリップフロップは消去（リセット）される。
タイマーが、セットされた時間に達すると、フリップフ
ロップの状態は粒子の存在を報告するかしないかを知ら
せる。もし、フリップフロップがセットされたままであ
るなら、粒子の存在が報告されることになる。

【００４５】図７のような、ゆっくり立ち上がる疑似信
号は、信号の包絡線が短時間に最初の最大値に達する場
合にのみ双安定のフリップフロップがセットされること
が必要とされることにより、無視される。この理由によ
り、開始後の短時間内、すなわち、ある設定されたしき
い値レベルを超えた後の短時間内に最高点に達しないそ
れらの信号を、無視する回路が含まれている。例えば、
粒子として報告されるために、信号は信号到達後、8 μ
s 未満内に最高振幅に達しなければならず、その後、20
0μs期間内に低周波数エネルギー（50kHz以下）をほと
んど有していない。

【００４６】これらの必要条件を満たすための回路構成
のブロック図が、図９に示されている。ブロックの詳細
を示す概略図が、図１０と、図１１と、図１２に示され
ている。図９のブロック図は、一連の識別機能を絵形式
で示している。増幅後の圧電センサの出力が、包絡線検
出器と低域フィルターとの双方に同時に作動することに
注意してほしい。

【００４７】包絡線検出器からの信号は、開始後8μs以
内に最高点に達する信号のみに応答する立上り時間検査
器に送られる。その検査器の出力は、フリップフロップ
をセットし、200μsの遅延タイマーを初期化する。も
し、タイマーの作動中、圧電信号中に低周波数信号が存
在すると、その信号は低域フィルターを通り、フリップ
フロップをリセットする。そうでない場合は、フリップ
フロップはセットされたままである。このように、タイ
マーが作動し始めると、フリップフロップの状態は、図
６または図８のような波形が検出されたことを示す。粒
子の存在は、時間切れパルスとフリップフロップがセッ
トされていることの両方の論理的組み合わせによって報
告される。

【００４８】これらの機能を満足するために用いられる
回路構成の典型例は、図１０、図１１、図１２に示され
ている。これらの図中の副回路は、周知の信号造形方法
から成り、当業者により容易に認識されるべきものであ
る。これらの回路のそれぞれの作動の簡単な説明をす
る。図１０は、図９の包絡線検出器の回路構成を示す。
包絡線検出器は、圧電センサ信号の高周波数成分の包絡
線の近似を形成する。図６、図７、図８の波形に応答し
て、この回路から出る典型的出力は、これらの図中、そ
れぞれ太線で描かれている。回路は、高域フィルター５
０と、全波整流器５１と、ピーク追従器５２と、最後
に、最初の高周波数成分を除去する低域フィルター５３
を含む。

【００４９】図１１は、図９の立上り時間検査回路構成
を示す。この回路構成は、入力が最大（ピーク）値に達
するに必要とする時間を検出し、その時間を8μsの遅延
と比較することによって作動する。最大値は、入力信号
の勾配が最初に０になる時である。入力の勾配に比例す
る電圧は、微分回路（本質的に高域フィルター）を使っ
て得られ、ゼロの入力の勾配の時間は、その微分がゼロ
を通る時間である。このように、アースに対し、微分器
の比較器の出力が、入力信号の勾配に極性を与える。回
路は、高域微分フィルター５４と３つの比較器５５、５
６、５７を含む。

【００５０】一定時間の遅延を発生させる一つの方法
は、充電するコンデンサがある設定された電位レベルに
達する時間を感知することである。この技術はこの実行
で２回用いられる。最初は、図１１で8μsの遅延を発生
させるため、そして次は、図１２で200 sの遅延（後述
する）を発生させるためである。

【００５１】図で説明すれば、図１１で、包絡線検出信
号の開始は、しきい値レベルでバイアスをかけられた比
較器５６によって検出される。入力がしきい値より低い
間、比較器５６は、充電コンデンサをダイオードを通っ
てアース近くに固定し続ける。入力がしきい値を超える
とき、比較器５６は陽性になり、充電コンデンサ５８の
電位が上がる。増加率は、周知のＲＣ充電指数方程式に
よって制御される。充電コンデンサ５８の電位は、充電
コンデンサ５８が8μs内に達する電位に適切にバイアス
をかけられてもう一つの比較器５７に付与される。この
ように、8μsの時間の遅延の後、比較器５７の出力はハ
イからローへ移る。

【００５２】8μs遅延の比較器５７と、勾配検出比較器
５５とは、ＮＡＮＤゲートで接続されている。それか
ら、ＮＡＮＤゲートの出力は、入力包絡線の勾配がゼロ
になる時から開始後8μs まで低い信号である。もし、
入力包絡線が8μs以内にピークにならないと、ＮＡＮＤ
ゲートからは何の出力もない。こうして、図７で特徴づ
けられた信号は無視される。ＮＡＮＤゲートからの信号
は、「仮の粒子」のしるしと考えてもよい。

【００５３】図１２は、図９の低域フィルターと、フリ
ップフロップと、遅延時間のブロックの回路構成を示
す。センサ信号中の低周波数成分を調べる間の、仮の粒
子のしるしの後の待機200μsの過程を実行する回路構成
について、これから説明する。ＲＣ充電曲線に基づく時
間遅延回路が採用されていることに注意してほしい。比
較器７５のバイアス同様、コンデンサ７０に付随する抵
抗器の値は、200μsの遅延時間を生じるように選択され
る。このタイマーは、図１１の回路からの「仮の粒子」
パルスによって開始される。200μsパルスの終わりに、
時間切れパルス回路７６により、短い「時間切れ」パル
スが形成される。この機能は、論理的競争状態を造り出
すように、ここでは変換装置とＮＡＮＤゲートを用いて
実行される。時間切れパルス回路７６は、ＮＡＮＤへの
両方の入力がハイである時の短い時間に、入力信号の上
昇端上に負のパルスを確実に発生させる。

【００５４】「仮の粒子」パルスは、双安定性フリップ
フロップ８０をもセットする。（２つの交差接続された
ＮＡＮＤゲートから成る）双安定性フリップフロップの
簡単な実行を示す。前述したように、圧電センサからの
出力は、低域フィルター８１にもかけられるが、ここで
活性フィルターSallen-Key 回路により実行される。こ
のフィルターの出力は、ノイズレベルよりいくらか上に
バイアスをかけられた窓比較器８２にかけられる。も
し、圧電センサ出力中に低周波数成分があれば、それは
低域フィルター８１を通過して、比較器８２の応答を引
き起こす。これが、今度は、フリップフロップ８０をリ
セットする。最後に、200μs時間切れパルスは、フリッ
プフロップ８０の出力とＡＮＤされる。もし、フリップ
フロップ８０がリセットされなかったら、ＡＮＤゲート
の出力は図６の信号と類似した信号が受信されたことを
示すものである。

【００５５】本発明は、ある好ましい実施態様につい
て、ここに述べられてきたが、添付の請求項の範囲内
で、種々の変更が可能である。例えば、本発明の使用
は、内燃機関に限定されない。潤滑剤は、トランスミッ
ションや、油圧サーボ系等油圧の配管システムや、圧延
や、プレス作業等の動力を伝達する機構としても用いら
れる。本発明は、これらの分野以上のすべてにおいて流
体中の粒子を感知するために用いられる。

【００５６】更に、圧電センサについて、ここに述べら
れてきたが、ほかのタイプのセンサも用いることができ
る。例えば、電磁誘導センサと、電気容量センサも用い
ることができる。更に、光放射ダイオードや光トランジ
スタも、流体中の粒子に接触して振動する振動部のライ
トオフを伝達し、検出するために使われることもでき
る。検出された光量の変化は、振動部への粒子の接触を
示す。また更に、センサ素子は、電気抵抗が粒子接触し
た時に変化する半導体素子の形式をとることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 センサの例示的構造断面図である。

【図２】 本発明によるセンサ素子の部分拡大断面図で
あり、図４の B-B' 線における断面図でもある。

【図３】 図２のセンサ素子の部分透視図である。

【図４】 図２のセンサ素子の部分透視図である。

【図５】 本発明の粒子センサの断面図である。

【図６】 圧電素子の典型的応答の特性略図である。

【図７】 圧電素子の典型的応答の特性略図である。

【図８】 圧電素子の典型的応答の特性略図である。

【図９】 粒子信号とスプリアス信号とを区別するため
に使用される回路構成のブロック図である。

【図１０】 図９のブロックの詳細を示す概略図であ
る。

【図１１】 図９のブロックの詳細を示す概略図であ
る。

【図１２】 図９のブロックの詳細を示す概略図であ
る。

【符号の説明】

１…センサ、２…軌道、３…中心、４…パイプ、１０…
装置（センサ素子）、１２…セラミック基板、１４ａ，
ｂ，ｃ，ｄ…振動部、１４ｓ…外面、１６…固定部、１
８ａ，ｂ，ｃ，ｄ…凹部（空洞）、２０ａ，ｂ，ｃ，ｄ
…検出ユニット、２２…圧電膜、２２ｓ…圧電膜の外表
面、２２ｔ…圧電膜の内表面、２４…第一電極、２４ｃ
…上側電極（第一電極）、２５ｃ…接続部、２６…第二
電極、２８ｃ…リード線、３０ｃ…リード線、３２ｃ…
端子パッド、３４ｃ…端子パッド、４０…粒子センサ、
４１…ねじ部、４２…ハウジング、４３…衝撃吸収部
材、４４…保護カバー、４５…ケーシング、４６…ワイ
ヤー、４７…線、４８…線、４９…端部部材、５０…高
域フィルター、５１…全波整流器、５２…ピーク追従
器、５３…低域フィルター、５４…高域微分フィルタ
ー、５５…比較器、５６…比較器、５７…比較器、５８
…充電コンデンサ、７０…コンデンサ、７５…比較器、
７６…時間切れパルス回路、８０…フリップフロップ、
８１…低域フィルター、８２…比較器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヒュー エフ． フローバッハ アメリカ合衆国、94025 カリフォルニア 州、 メンロ パーク 404−69、 ラヴ ェンズウッド アヴェニュー 333、 エ スアールアイ インターナショナル内 (72)発明者 ジョセフ エス． エッカール アメリカ合衆国、94025 カリフォルニア 州、 メンロ パーク 404−69、 ラヴ ェンズウッド アヴェニュー 333、 エ スアールアイ インターナショナル内 (72)発明者 ロナルド イー． ペルリン アメリカ合衆国、94025 カリフォルニア 州、 メンロ パーク 404−69、 ラヴ ェンズウッド アヴェニュー 333、 エ スアールアイ インターナショナル内 (72)発明者 ジョン ピー． マアロウ アメリカ合衆国、94025 カリフォルニア 州、 メンロ パーク 404−69、 ラヴ ェンズウッド アヴェニュー 333、 エ スアールアイ インターナショナル内 (72)発明者 武内 幸久 愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号 日 本碍子株式会社内 (72)発明者 柴田 和義 愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号 日 本碍子株式会社内

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体流れの中心を決める流体ノズルと、
   粒子、及び、泡のうちの一つの衝撃を電気信号に変換す
   るための複数のセンサ素子とから成り、流体中の粒子、
   及び、泡のうち少なくとも一つを検出するように適応さ
   せたセンサ装置であって、第一センサ素子が第二センサ
   素子よりも流体流れの中心により近いように設置されて
   いるセンサ装置。
2. 【請求項２】 該センサ素子が列状に設置されているこ
   とを特徴とする、請求項１記載のセンサ装置。
3. 【請求項３】 該センサ素子の各々が、固体粒子との衝
   突に応答するために十分に小さい質量を有するダイアフ
   ラムと、振動を検出するために該ダイアフラムの素子の
   振動を電気信号に変換する装置と、を含むことを特徴と
   する、請求項１記載のセンサ装置。
4. 【請求項４】 センサ素子の各々が、 主に第一セラミック材からなる圧電膜と、該圧電膜の外
   表面の少なくとも一部を覆う第一電極と、該圧電膜の内
   表面の少なくとも一部を覆う第二電極とから成る検出ユ
   ニットと、 固体粒子との衝突に応答するために十分に小さい質量を
   有し、第二セラミック材から本質的に成る振動部であっ
   て、該第二電極が該振動部の少なくとも一部に被覆され
   るように該振動部上に該検出ユニットが設置された振動
   部と、 を有するセンサ装置であって、流体中の固体粒子及び泡
   のうちの一つが検出ユニット及び該振動部のうちの一つ
   にぶつかると、該圧電膜が、その結果の振動を電気信号
   に変換することを特徴とする、請求項１記載のセンサ装
   置。
5. 【請求項５】 該センサを複数の粒子に対応する電気信
   号や、平均粒径や粒径分布を計算するために使用される
   電気信号を、発生させるように適合させたことを特徴と
   する、請求項１記載のセンサ装置。
6. 【請求項６】 該センサを複数の粒子に対応する電気信
   号や、所定の寸法よりも大きい粒子の数を計算するため
   に使用される電気信号を、発生させるように適合させた
   ことを特徴とする、請求項１記載のセンサ装置。
7. 【請求項７】 流体中の粒子及び泡のうちの少なくとも
   一つを検出するように適合させたセンサ装置であって、 粒子の衝撃を、高周波数成分を含む電気信号に変換する
   センサ素子と、 (1) 電気信号の大きさを増幅する増幅器と、(2) 電気信
   号の高周波数成分の包絡線の近似を形成する包絡線検出
   装置と、(3) 第一の所定値に対する電気信号の立上り時
   間を検出するための立上り時間検査器であって、立上り
   時間が第一の所定値よりも短いときに、電気信号を出力
   する該立上り時間検査器と、(4) 所定時間内の該電気信
   号の低周波数成分の存在を検出する検出手段とからな
   り、低周波数成分が存在しないときには電気信号が粒子
   によって誘発され、低周波数成分が存在するときは電気
   信号が泡により誘発されることを示す回路からなること
   を特徴とするセンサ装置。
8. 【請求項８】 該検出手段が低域フィルターとフリップ
   フロップとを有することを特徴とする、請求項７記載の
   センサ装置。
9. 【請求項９】 該センサ素子が、固体粒子との衝突に応
   答するための十分に小さい質量を有するダイアフラム素
   子と、振動を検出するために該ダイアフラム素子の振動
   を電気信号に変換するための装置とを有することを特徴
   とする、請求項７記載のセンサ装置。
10. 【請求項１０】 該センサ素子が、 主に第一セラミック材から成る圧電膜と、該圧電膜の外
    表面の少なくとも一部を被覆する第一電極と、該圧電膜
    の内表面の少なくとも一部を被覆する第二電極と、を有
    する検出ユニットと、 固体粒子との衝突に応答するための十分に小さい質量を
    有し、主に第二セラミック材からなる振動部において、
    該第二電極が該振動部の少なくとも一部に被覆されるよ
    うに振動部上に該検出ユニットが設置されている振動部
    と、 を有するセンサ装置であって、流体中の固体粒子と泡の
    うちの一つが該検出ユニットと該振動部のうちの一つに
    当たると、該圧電膜が振動を電気信号に変換することを
    特徴とする、請求項７記載のセンサ装置。
11. 【請求項１１】 第一所定値に対する電気信号の高周波
    数成分の立上り時間を比較するために、該電気信号の高
    周波数成分の立上り時間を検出することと、第二所定時
    間中の電気信号の低周波数成分の存在を検出することか
    らなり、 低周波数成分が存在しないときは電気信号が粒子によっ
    て誘発され、低周波成分が存在するときは電気信号が泡
    により誘発されるとする段階からなることを特徴とす
    る、流体中の粒子によって誘発された電気信号と泡によ
    って誘発された電気信号とを区別する方法。
12. 【請求項１２】 立上り時間の電気信号を検出する段階
    が、電気信号の高周波数成分の包絡線の近似を形成する
    段階を含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. 【請求項１３】 第一所定時間中の電気信号の高周波数
    成分の存在を検出し、第二所定時間中の電気信号の低周
    波数成分を検出することからなり、 低周波数成分が存在しないときは電気信号が粒子によっ
    て誘発され、低周波成分が存在するときは電気信号が泡
    により誘発されるとする段階からなることを特徴とす
    る、流体中の粒子によって誘発された電気信号と泡によ
    って誘発された電気信号とを区別する方法。