JPS63144233A - 振動式トランスジユ−サ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔淘架辷の第１］用分野〕 本発明に、ルリ定光体が接触し工いる棗動板の共去田反
数を測定し″Ｃ神ｊ定流体の密匣またに圧力をヨＩｊ定
イろ公動式トランスジューサ、特ｖｃ振動板をＦＥ、を
振？ｊ子で曲げ（ｂ劾さセろトランスジューサでありて
、測定感度の向上を図ることができる圧電振動子の構収
ｖｃ関する。゛ 〔従来の技術〕 本発明者等に、円板状の機械摂動体と、この機械振動体
の少な（とも−面＠１１にその面に接するように設けた
空洞とこの空洞にがり定流体ン専く流体導入口とからな
る音響振動系とで構成さｊ石複合振動系の共振周波数が
流体４入口ＶＣおけるイナーダンス、ｆなわち測定流体
の密度により変化する現象を利用し王測定流体の密度ま
たは圧力をθ１１定する振動式トランスジューサを既に
提案し１いる（％願昭５０−２３９２２８号参照）。

第５図はこの提案にな７Ｓ愚腔式トランスジューサの要
部の縦断構成図、第６図は妃５図に示したトランスジュ
ーサのブロック構成図である。両図におい℃、目：そゐ
底部１ａの内面（（円叛状圧電蛋動子２が接］固定さｒ
、開口端ＶＣはりばｌｂが設けらまた有底円筒状振動体
で、この呆動俸ｌに厚さＯ，ｌＣｍ）程度の金璃薄膜で
形１ノｌＥさ１℃いる。

圧電振動子２シ：、厚さ０．２Ｃｙｏｓ）桿芝の円板状
デ電基板２ａと、この基板２ａの一面ｖｃ形成した第１
可極２ｂと、基板２ａの他面に形成した第２及び第３ｔ
＋ｆＬ２ｃ、２ｄとで［ＩＩＷさｎ、基板２ａの第１１
椿２ｂ側の面が振動体１０底部！ａに当接させられて固
定され、￥ｊＬ極２ｂと振動体ｌとが電気的ＶＣ接続さ
れている。３は円筒状振動体１と圧１！蛋動子２と・か
らなる機械振動部である。４は開口端側にめねじ４ａを
設けた有底円筒状容器で２この容器の底部４ｂの外面に
は円筒状筒体５の一端が固定さｒ、さらに容器底部４ｂ
には容器４の内部と量体５の内部とを連通させる円形貫
通孔４Ｃが設けｌｌ−１ｔ１工（・る。貫６孔４Ｃは面
体５の内直径シて等しい直径ケ有している。６＆；その
外り１面に役けたおねじ６ａ５めねじ４ａｌＣねじ込む
ことにより又容器４との間につばｌｂ？挟入つげ１撮動
体１を固定するようにした有底円筒状ハウジングで、こ
のハウジングの底部６ｂＶｃ＋ｓｉ通孔６Ｃが設けも１
．またこの底部６ｂの内面には検出回路７を構５！てる
プリント配ｇ！基板８か接着固定されている。９に慢句
体ｌと容器４とで取り囲まｉた第１空洞、１０は振動体
ｌとハウジング６とで取り囲まれた第２仝洞で、空洞９
と１０との間は振動体ＩＫよりて流体密に仕切られ℃い
ろ。１１ａ＋１１ｂ、１１ｃは援動体ｌ、圧ＴＨ蛋動子
２におけろ電極２Ｃ，２ｄのそ第１ぞれを検出回路７　
ＶＣ接続する２４線である。

次に第５図ＶＣ示したトランスジューサの動作を説明す
る。すなわち、まずこのトランスジューサを測定流体１
２内に配置すると９洞９Ｖｃに筒体５を介し１、また空
洞１０には貫通孔６Ｃ？：介し−いずｎも流体１２が侵
入する。そこで検出回路７に電源を投入すると、交流増
＠器１３から交流電圧１３ａが出力されて、この電圧が
王東侶動子２の第２電極２Ｃに印υ口さｉろ。イろと圧
電基板２ａは重圧１３ａの正９Ｖｃ応じ１半径方向に伸
縮イるようＶｃ有成さｒｌ−いるので、振動体ｌの音部
ｌａが該振動体の筒体軸の方向に曲げ撮動乞てろ。

このため憑動子２の第３１１極２ｄと第１電極２ｂとの
間に正直基板２ａの歪みに応じた交流電圧１４が発生す
るが、この電圧１４は出力電圧１５８を交流増幅器１３
ＶＣ正帰還する帰還回路１５１Ｃ入力されるようＶＣな
っているので、結局、Ｓ動体の底部１ａは、第１窒洞９
と貫通孔４Ｃと筒体５の内部とからなる連通空所に導入
さｎた測定流体１’　２にもとづく第１音響振動系１６
と１機械振動部３と、第２空洞ＩＱ、？貫通孔６Ｃとか
ちなろ連通空所ｖｃ２４人された測定流体２にもとづく
第２音響蛋動系１７と、でイ４成された複合感動系１８
の固有令動数Ｆで共秀イろ曲げ型動状態を継続して自励
憑動を−（７−０ところが、この場合の振動ａＦは後述
ｆ不よつＶＣ測定流体１２の密度ρに対応してぃ１かつ
：Ｓ！、流這田１３Ｈの周波数に一致しているので、結
局出力層８Ｅ１３２の周波ａを知ることによって前記密
度ρをが１１定し得ろことになる。１９＋！。

？１ＩＥＥ１３ａが入力され該電圧の周波数に等しいパ
ルス周波数のパルス列信号！９ａ７出力して憑動数Ｆの
５１１足が′δ８に行えろようにした出力Ｉ回路である
。検出回路７は上述した増幅器１３と帰還回路１５と出
力回路１９とで構成さｔｌｌ（・ろ。

次ＶＣ憑動数Ｆが密度ρの関数であること？説明イる。

さ″Ｃ第５図のトランスジューサに、上述したように、
機械振動系とし・ての機械振Ｖ部３と、第１及び第２音
響振動系１ｆ４．１７とからなる複合振動系１８である
から、この振動系１８を表す電気的等価回路％ユ両ｆ＠
振動系ＩＦ１．１７を機械振動系に″換算し″Ｃ第７図
のようになる。第７図において％Ｍｍ、Ｃｍは蚕動部３
の有効質敬、コンプライアンスで　％ｌ　ａ　ｌ　ｋｌ
　２体５内の流体１２のイナータンス、Ｃａ１に第１空
洞９内の流体１２の音響容量、Ｍａ２４貫通孔６Ｃ内の
流体１２のイナーダンス、　Ｃ：ａ２は第２空洞ｌＯ内
の流体１２の音？容量である。またａ、、ａ、）１音１
系１ｆｉ、１７１Ｃおける各定数を機械系の定数ＶＣ変
換ｆ７−ための変換係数である。そうして上述した音響
谷％１Ｃａｘ。

Ｃａ２．イナータンスＭａ１．へｔａ２はそれぞれ（１
１式及び（２）式のようＶＣ表さｉろ。ここｖｃＶ、、
Ｖ、にそれぞれ空洞９．１０の各容積、Ｃ）丁膏速％　
／、１　、Ｓｌはそれぞれ筒体５の長さ、孔断面積で、
ｚ？、”ｔはそれぞれ貫通孔６Ｃの長さ、孔断面積であ
る。

Ｃａ＋＝−Ｖ、／（ρｃ２）、　　Ｎｔａ１＝−（ρｚ
＋）／Ｓ、　　、−・−ｆｉｌＣａ２＝＝Ｖ、／（ρＣ
）、　Ｍａ２＝（ρｚり／８．　　・−・・・−＋２１
さ１第５図のトランスジューサは第７図のようｉｃ表さ
れるが、この場合、音ｑ＃容量Ｃａｚを太き（しかりイ
ナータンスＭａｚｙ小さくすると共に、Ｃａ２とＭａｚ
とからなる振動系の共振周波数Ｆａ２がＣｍとＭｍとか
らなる摂動系の共秀周ｔｆｊＩｅｉ、Ｆｍ　よりも十分
低（なるようＩ’（要部が構成さね−いるので、第７図
は第８１ｉ４のようＶｃｖＩ舞換えらｉろ。

今、第８図において％（３）式で表される角周波数ω　
ＶＣ対し１（４）式が成立イろように音響フンブライア
ンス（Ｃａ１／ａ−）及びｆｗ’１ｆｆｌ（Ｂ＋”−Ｍ
ａｌ）を選ぶと、この角周波数ωｎＶｃ対して第８図に
第９図のようＶＣ書き換えらｔ′１石。第９図からω。

が第９図に示した回路の共振９周波数であることが明ら
かである。　　− ωＩ＝Ｃ１７１０ｍ−（Ｍｍ−４−ａげ−Ｍａ　１）　
！　）−・−（３＋１　／　Ｉ　ωｎ−（Ｃａｌ／ａ　
？）　ｌ　＞＞　ωＨ・（ａｌ”　・Ｍａｌ　）・−・
−＋４１（３）式及び（４）式から（５）式が得らｆす
るが、密度湿り定の感度を適正Ｋｆろために、ゴう常（
６）式の条件が成立τろようにな？ているので、（５）
式と（６）式とからＣ７）式が得られる。

・・・・・・（５） ａ、”　ｓＭａｔ　＊＝　Ｍｍ　　　　　　　　−・・
−・ｆｆｉ）Ｃｍ＞＞　（Ｃａｌ／ａ、ｔ）　　　　　
　　−・−・＋７１このため第５図に示したトランスジ
ューサにおいては、（６）式のほか（７）式が成立する
ように要部が構成さｆ１″Ｃいて、この結果（５）式を
介し工（４）式が成立てるようになり℃いろ。したがク
エこの場合複合振動系１８の電気的等価回路＆１第９図
で表されることになって、結局撮動系１８は（３）式の
ω。に対応した共振周波数Ｆで自励振ｔＪｈを続けるこ
とになる。ところがω。は（３）式と＋１１式とから密
度ρの関数であることが四らかである。したがって第５
図及び第６図に示した・トランスジューサにおい′ｃｙ
ｌ、検出回路７から出力さｒる信号ｔ９ａのパルス周波
数にもとづい″Ｃ測定流体！２の密度ρを測定すること
ができろわけである。

〔発明が解決しようとてる問題点〕

第５図に示したトランスジューサは、上述のようＶＣ構
成さｎているので簡単なｍｉで密度測定な行うことがで
きろ利点はある肝印圧ｘｉ動子２を円板状としているた
め機械振動部３の有効質ｔＭｍが大きくなって、この結
果（３）式かられかるように密度測定の感度が低いとい
う問題点がある。

本発明の目的に、＠械振動部３の有効’；ｄ　＠　Ｍ　
ｍ？小さくてることにより密Ｖ測定の感度を昼（するこ
とｖｃある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決するために１本発明によハば。

振動板と、前記Ｓ動板の少な（とも−面側にその面に接
して前記摂動板の他面ＩＩ］ｆｌに直接連通しないよう
に形成した空洞と、前記究洞に測定流体？導入″ｆ７Ｓ
流体得入口とをイ〜え、前記摂動板と前記空洞及び前記
流体導入口ＶＣ４か１だ前記測定り体とからなろ撮動系
の共蛋周疲数？：咋出Ｌ”（前記測定流体の密度または
圧力欠測定イるものにおい王。

ＩＩ］紀振動板の少なくとも一部の面にリング状王可振
動子を固着し、前記田１退勤子によりｑｉＪ記振動板を
曲げ振動させるものとする。

〔作用〕

Ｓ動板の曲げ振動？：駆動する圧電撮動子？リング状Ｖ
Ｃ′ｆると、摂動板と王ＩＥ振動子とからなる機械磯動
部の質階１．圧［嵌動子を円板にした場合よりも減少イ
ろ。このため（３１式かられかるように密度測定の感度
が向上する。

〔実施例〕

第１図囚は本発明の第１実施例の縦断構成図で、本図の
ｌ！５図と太き（異なる所に、検出回路７が第２窒洞１
０の外部に配置されていることと、第５図に示した王Ｉ
ｔ振動子２に対応イろ圧環釡動子２０が駆１図（Ｂ、）
〜（Ｂ、）ＶＣ示したようにリング状に形成されている
ことである。そうＬ”（第１図（Ｂ＋）、　（Ｂｔ）、
　ＣＨｓ）＋ｓそれぞｎｉ動子２０の裏面図、側面図１
表面図ケ示しており１図示したように、振動子２０ｔ１
厚さ０．０５〜０．２　Ｃ咽）程度の円環板状をしたＰ
ＺＴ系セラミックス裂基板２０ａと、基板２０ａ（り裏
ｌｆ］ＶＣ設けた円ＰＲ摸状ｓｚｔ極２０ｂと、基板２
０ａの表［ｆｉＶｃ設けた一部に切り欠きを有する円環
膜状第２１１祢２０Ｃと、基＠２０ａＯ表面における前
記切り欠きの部分に設けた第３１！極２０ｄとで′１４
４放され、電極２０ｂ、２０Ｃは（・ずれも基板２０ａ
と同心状に形成されている。

そうして撮動子２０は電極２０ｂがＳ動体１の底部！ａ
内面に電気的１Ｃ接続されるようにして底部１ａＶｃ固
定さｔ′Ｉ″Ｃいろ。この固定はたとえば銀粒子を混入
したエポキシ系の導電性接着剤を用いて行われろ。なお
この場合、振動体ｌは圧電振動子２０と熱膨張係数かは
ぼ等しい厚さ０．０５〜Ｏ，ｌＣｗ：１穆度の鉄・ニッ
ケル合金で形成されていて、振動体ｌと撮動子２０との
間の熱膨張係数の差にもとづ（底部１ａの変形が生じな
いように考慮されている。２１は振動子２０と振動体ｌ
とからなる機械振動部である。

第１図においては振動子２０が上述のようＶｃ１１Ｉｔ
成さｊでいるので、機械振動部２１の質ｔは、撮動子２
０のかわりに該振動子の外径及び厚さのそねぞれＶｃ＊
シい外径及び厚さｔ有する円板状圧電振動子２を用いた
第５図の機械振動部３の質量よりも小さくなる。したが
って（３）式かられかるように、検出回路７を空洞１０
の外部に配置した場合の第５図における複合振動系１８
の共逗周波数に比べて該振動系１８に対応する第１図の
場合の複合振動系２２の共振周波数が高くなる。また（
３１式から明らかなように、振動系２２の共振周波数の
。

測定流体１２の密度゛ρに関イる変化率が、Ｓ動体１８
の場合よりも大弾くなる。すなわち第５図のトランスジ
ユーサを用いる場合よりも第１図のトランスジユーサを
用いろ場合の方が密度測定の感度が向上する。

鍋２図＆了上述の事柄を確認するために行った実験結果
説明図で１本図は測定流体１２の密度ρとこの密度ρに
応じて変化する複合振動系１８及び２２の共振周妹数Ｆ
との関係乞示し１いろ。Ｈに振動子２０Ｙ用いた場合の
特性線、工は撮動子２を用いた場合の特性線で、もちろ
んこれらの特性線は、振動系１８．２２における要緊定
数を撮動子２．２０の形状を除い″Ｃ″ｆベニ等Ｌ＜し
て冥験を行った結果得たものである。第２図から、※動
子をリング状ＩＣ′ｆると共振周波数Ｆが高くなりかつ
密度測定の感度が向上τろことが明らかである。

第１図において振動体の底部１３に曲げ振動をさせる駆
動力は圧［振動子２０の半径方向の伸縮力であるから、
この場合円板状撮動子２を用いた時よりも底部ｔｘｔ’
ｃ対するも動力が弱くなり工底部Ｈａの撮動振幅が減少
することになるが、−万円頃板状感動子２０を用いると
振動子２を用いた場合よりも底部Ｈａの曲げ剛性が小さ
くなるので。

このような原因からすれば底１ｆｌｉ１！ｌの振動振幅
は増大することになる。第３図にこの点について行った
実験結果説明図で１本図をユ、第３図Ｂに示したように
振動体ｌの内径ンＥ、振動子２０の外径’ｔＤ、撮動子
２００円墳の幅を０．１・Ｅとして。

振動子２０の外径Ｄ＝に変化させた時の底ｆｌｌｌＨの
中央部の変位ＮとＤとの関係を特性線Ｊとして第３１囚
に示したものであり、また第１図のトランスジユーサに
おいて微動子２０１’（かえて＠動子２を用いた時の該
振動子２の外径りと底部１ａの中央部変位Ｎとの関係？
特性線にとして駆３図因に示したものである。第３１囚
から、撮動子２０の場合、変位Ｎ　ｈｓ　Ｄ　＝　０．
５Ｅ　−０，７Ｅ　ｏ程度で最大値となり、かつこの最
大値は振動子２の場合の最大値と同程度かまたは若干大
きい値であることが明らかである。つまり第３図（Ａ）
は、田！’Ｊ動子をリング状にした場合、底部１ａのＳ
幅が小さくなることはなく、むしろ円板状振動子を採用
した場合よりも底部１ａの振幅が大きくなることがある
ことを示している。

なお第１図における複合振動系２２の共振周波数は、【
３）式から明らかなよ’５１’ｒ、機械振動部２１のコ
ンプライアンスＣｍ　ｖｃよつ１変化する。そうし１０
ｍは振動部２１における曲げ剛性を表すもので、振動部
２１における各部寸法、各部材質のほか底部Ｈａと振動
子２０との間の接着剤の物性によって変化する。・した
かりて多くの機械振動部２１を実作イろに際しては、上
記接着剤の厚さや該接着剤における気泡の存在状態等の
ばらつきを少なくしエコンアライアンスＣｍの均一化ン
図る必要があるが、第１図においては、振動子２０がリ
ング状と１ｆ−）Ｃい１該振動子２０の振動体底部１ａ
Ｖｃ対する接触面積が小さいので、多数の機械振動部２
１．つまり多数のトランスジューサを製作イろ場合、接
着剤の厚さや該接着剤中の気泡の存在状態等のばらつき
ｔ少（することができエコンプライアンスＣｍの均一化
を図ることが容易である。またリング状の王ｍｉ動子２
０を用いろと。

接ｆ刑ケ介し工生じろ振動子２０と振動体底部１ａとの
間の接触面積が少ないので％機械損動部２１の曲げ剛性
が大部分蛋動体ｌの寸法及び材料できまることになり、
この結果トランスジューサの温度／＃！ｆ住のばらつき
が少な（なる利点がある。

第４図に本発明のＦ！２実施例の説明図で、第４７囚に
岐ＷＴｍｂＱ図、第４図（Ｂ＋）、第４図（Ｂ、）はそ
れ七ね第４７囚に示した王ｉ！振動子２３０表面図、裏
面図である。第４７囚の第１１囚と！ｉ％なる所に振動
体底部１ａの空洞９側１’（第２圧電振動子２３が、空
洞ｌＯ側に設けた前述の圧ｉ振動子２０と同様に、接層
固定さｉていることで、この場合去動子２３．ｆ！、第
４図（Ｂ、）及びＣｋ３ｔ）Ｋ、示シタように、振動子
２０における基板２０ａと閤様な寸法及び材料構成の円
墳板状圧電材料製基板２３ａと、基板２３ａの裏面に該
基板と同心状に設けた表 円墳膜状第１電極２３ｂと、基板２３ａの斧面に該基板
と同心状に設けた円項曝状纂２１ヒ傷２３Ｃとで構成さ
れ、！！極２３ｂが振動体底部１ａに電気的に接続さね
ろよ°うにし″Ｉ：ｔ！ｌ底部Ｈａに置市されている。

そうして振動子２３におけろ第２電極２３Ｃと振動子２
０ＶＣおけろ第２１極２０Ｃとが、空洞９とｌＯとの間
の気密性を破ることなく、リード線２４によつ″′Ｃ接
続さｉている。第４図（Ａｔに示したトランスジューサ
を１上述のようＶＣｇｆｆｉＱされているので、このト
ランスジューサによつ℃も第１１囚に示したトランスジ
ューサにおけろと同様にして感度よく密度測定を行うこ
とができろことは明らかであるが、承４図囚で）：振動
子２０と２３とで振動体底部Ｈａを駆動し又いろので、
これらの振動子を第１図への場合よりも低い電圧で動作
させろことが可能である。また第４７囚でに、振動体底
部Ｈａをその両面から王ｔｇ動子２０．２３で駆動し℃
いて底部１ａと罹動子２０．２３との間の熱膨張係数の
差にもとづく熱変形が防止されろよ５ｖｃなり℃いるの
で、トランスジューサの温度特性のばらつきを一層改菩
イる利点がある。

上述の実施例においてに圧ＩＥ掘拗子の基板ＶｃＰＺＴ
系セラミックスを用いたが、本発明でニ該基ｇｉｃＺｎ
ｏの単結晶ケ用いてもよく、また該基板に圧電性のもの
ではなくて磁歪性を有でろ材料を用いても差し支えない
。

〔発明の効果〕

上述したように１本発明においＣに、振動板と、前記振
動板の少なくとも一面側にその面に接して前記振動板の
他面ｇｌｌｌＶｃ石接遅通ヒないように形成した空洞と
、＠記空洞に測定流体を導入τろ流体導入口と′？：備
え、振動板と空洞及び流体尋人口に導かｉたＩｌ！ｌＩ
定流体とからなる撮動系の共磁周波斂？噴出し″Ｃ測定
流体の密度または圧力を測定ｆろトランスジューサにお
いて、振動板の少な（とも一方の面にリング状圧電Ｓ動
子をτ層し、前記王電碌動子により振動板を曲げ義絶さ
せろようにしたので、振動板と圧ＷＬ振動子とからなろ
機械撮動部の！量が円板状王電振、動子を用いた従来ト
ランスジ為−サにおけろ機械振動部の質量よりも小さく
たつ工、密度測定の感度が向上する効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の説明図で、第１図ＣＡＩ
　ｔｔ　ｇ断構成図、　第ｒ　図（Ｂ、）、　（Ｂ、）
、　（Ｂ、）ノ各図＆ゴ第１図囚におけろ圧電振動子の
裏面図、僻面図、表面図である。第２図、第３図１丁第
１図囚に示したトランスジューサに係わる異なる実験結
果駁明図で％第３１囚は特性線図、第３図０は第３７囚
の説明図である。第４図に本発明の第２実施例の説明図
で、第４図ＣＡｌｆ丁縦断構成図、＄４図（ＢＩ）、　
（Ｂｔ）に第４７囚における圧ｉ振動子の裏面図１表面
図である。第５図は従来のＳ動式トランスジューサの縦
断構匠図、鷹６図は第５図のブロック構成図、第７図に
ｆ４４５図ておけろ複合多動系の寅気的等価回路図、第
８図、第９Ｖに第７図からの異なる変形図である。 １・・・・・・振動体、ｌａ・・・・・・振動体底部、
　　２．２０．２３・・・・・・王ｔＳ動子、５・・・
・・・筒体、６Ｃ・・・・・・貫通孔、　９・・・・・
・ＷＩＪｌ空洞、　　１０・・・・・・第２′ｇ！洞、
　　１２・・・・・・測定流体、１８．２２・・・・・
・複合摂動系。 ニ則ｉ流坏 （Ａン ＣＦｈン（Ｂｚ）Ｃ５０） １　１　　ｌ ’！２ｆ！１ １八　　　　　コ　　　　ジク 坦　　　　　　坦 （ｌｆｈ）　　　　　　　　　　　　　　（ε２）箋　
　４　　閏 箋　　５　　の 箋　　Ｇ　　に 箋　　７　　口 箋　　δ　　図 箋　　？　　口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 振動板と、前記振動板の少なくとも一面側にその面に接
   して前記振動板の他面側に直接連通しないように形成し
   た空洞と、前記空洞に測定流体を導入する流体導入口と
   を備え、前記振動板と前記空洞及び前記流体導入口に導
   かれた前記測定流体とからなる振動系の共振周波数を検
   出して前記測定流体の密度または圧力を測定するものに
   おいて、前記振動板の少なくとも一方の面にリング状圧
   電振動子を固着し、前記圧電振動子により前記振動板を
   曲げ振動させることを特徴とする振動式トランスジュー
   サ。