JPH0823536B2

JPH0823536B2 - 圧電素子応用センサ

Info

Publication number: JPH0823536B2
Application number: JP63301230A
Authority: JP
Inventors: 浩二吉野; 隆柏本; 公明山口; 功笠井
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1988-11-29
Filing date: 1988-11-29
Publication date: 1996-03-06
Anticipated expiration: 2011-03-06
Also published as: JPH02147827A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、圧電素子の焦電効果を利用した圧電素子応
用センサに関するものであり、特に電子レンジなどの調
理機器関係の自動化用センサに関するものである。

従来の技術従来、代表的な電子レンジのあたため自動的化用セン
サである湿度センサは、第６図に示すようにセンサチッ
プ22、ヒータ23、樹脂ベース24、メッシュカバー25、端
子26で構成されている。センサチップ22は湿度によりそ
の抵抗値が変化するので基準電圧とその抵抗値で決まる
電圧との比較によって、電子レンジの温度検出を行い、
急激な湿度変化があれば食品から水蒸気が出始めたと判
断してあたため終了を判定していた。ヒータ23は、湿度
センサを電子レンジに用いた場合、食品のガス、油等に
よりセンサチップ22が汚れるのでリフレッシュをするた
めのものであり、メッシュカバー25は防風用で、ヒータ
23の省電力化のために用いている。（ナショナルテクニ
カルレポートVOL.29 No.3 JAN 1983）発明が解決しようとする課題しかしながら上記のように湿度センサを用いると、調
理中に食品中のガスや油などがセンサチップ22に付着し
て検出感度が落ちてくるため、一回の調理毎にリフレッ
シュ加熱処理用のヒータ23でセンサチップ22の付着物を
蒸発させなければならず、余分な電力やコストが発生す
る上、抵抗両端の電圧を制御信号として用いているの
で、数多く生産する場合に、各構成要素であるセンサチ
ップ22の抵抗や、その他の抵抗、電源電圧のばらつき等
が制御電圧信号のばらつきに結び付くことになり、管理
が困難であった。

また、従来の湿度センサの代わりに圧電素子を用いる
方法もあるが、圧電素子の出力である分極電流は微小で
あり、制御する場合には増巾器が必要であり、またその
極性によっては出力が正方向に大きく出たり負方向に大
きく出るものがある。さらに、圧電素子の汚れや絶縁劣
化を防ぐために金属板を用いているが、調理機器に使用
する場合、湿気や水蒸気で金属板が調理機器のケースや
オーブン等とショート状態となる課題があった。

さらに、圧電素子自体が湿気や水蒸気にさらされると
リーク電流が増えたり、烈火につながる問題があった。

そこで、本発明は圧電素子の出力を大きく取出し、回
路とのマッチングをとることを第１の目的としている。

第２の目的は圧電素子の出力を正確に処理出来ること
にある。

第３の目的は圧電素子を保護することにある。

課題を解決するための手段上記圧電素子上の少なくとも二つの電極と、前記電極
のうち第一の電極と電気的に接続され、前記圧電素子と
熱的に接続され、赤外線が透過せず、導電性を有する材
料からなる板体と、前記電極のうち少なくとも第二の電
極に接続されたリード線とを有し、前記板体を介して前
記圧電素子に正の温度変化が加わった時に、前記第一の
電極を基準電位として前記第二の電極に正の電圧が発生
する構成としている。また上記第２の目的を達成するた
めに、本発明の圧電素子応用センサは、圧電素子と、前
記圧電素子上の少なくとも二つの電極と、前記電極のう
ち第一の電極と電気的に接続され、前記圧電素子と熱的
に接続され、赤外線が透過せず、導電性を有する材料か
らなる板体と、前記電極のうち少なくとも第二の電極に
接続されたリード線とを有し、前記第一の電極をグラン
ド電位とする構成としている。さらに上記第３の目的を
達成するために、本発明の圧電素子応用センサは、圧電
素子と、前記圧電素子上の少なくとも二つの電極と、前
記電極のうち第一の電極と電気的に接続され、前記圧電
素子と熱的に接続され、赤外線が透過せず、導電性を有
する材料からなる板体と、前記電極のうち少なくとも第
二の電極に接続されたリード線とを有し、前記板体の片
側面上で前記圧電素子、前記電極、前記リード線の導出
部を樹脂で一体にモールドする構成としている。

作用本発明によると、赤外線が透過せず導電性を有する板
体を介して圧電素子に正の温度変化を加えると、板体と
電気的に接続された第一の電極を基準電位として第二の
電極に正の電圧が発生するので、調理機器で食品を加熱
するとき、加熱が進んで食品が水蒸気を発生しはじめる
と、高温の水蒸気が板体に当たり板体を介して圧電素子
に正の温度変化を与えるので、それに応じて圧電素子か
らの出力を正の電圧として得ることができる。また本発
明によると、赤外線が透過せず導電性を有する板体と電
気的に接続された第一の電極をグランド電位とするの
で、板体を調理機器のケースやオーブン等と同じくグラ
ンド電位にすることができる。また本発明によると、赤
外線が透過せじ導電性を有する板体の片側面上で圧電素
子、電極、リード線の導出部を樹脂で一体にモールドす
るので、板体の他の面全体を有効に使って水蒸気を当て
ることができる。また、板体の他の面で水蒸気や食品カ
スなどを受ければモールドしている面は水蒸気や食品カ
スから保護される。

実施例以下、本発明の一実施例を添付図面に基づいて説明す
る。第１図は圧電素子応用センサ１の構成を示してい
る。（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）を上から見た図で
ある。チタン酸鉛系の圧電素子２に一対の蒸着された電
極３が施され、電極３の一端は接着剤４で金属板５上に
電気的に接触し、接着されている。

ここで圧電素子２と金属板５とは電極３、接着剤４を
介して熱を伝えやすい構成としている。電極３からは出
力部のリード６、７が導出され、各リードは電気的に絶
縁されている。樹脂８は、環境湿度の影響を防ぐため、
圧電素子２、電極３、接着剤４、リード６、７の導出
部、金属板５の片側面上で圧電素子２の接着面付近等
を、透湿性の無いモールド材で一体に封止している。こ
のような圧電素子応用センサ１を電子レンジであたため
自動化用センサとして使用する場合、食品から発生した
水蒸気は第１図（ａ）の下から金属板５に当たり、金属
板５、接着剤４、電極３を介して圧電素子２に湿度変化
を伝達する。リード６、７のどちらが基準電位になるか
については第２図で説明する。

第２図（ａ）で縦軸は圧電素子応用センサに加えられ
る温度変化、横軸は時間である。（ａ）図はオン時に、
圧電素子応用センサに正の温度変化を加えた場合、圧電
素子の極性によって（ｂ）図、又は（ｃ）図の様なセン
サ出力Vsが得られる。この発明においては、（ｂ）図の
出力が得られる様に基準電位を選ぶこととしている。
（ｂ）図であれば、圧電素子応用センサに正の温度変化
が加えられた場合、センサ出力としての正の電圧を発生
し、後続の処理回路として安価な単電源増巾回路を用い
た場合マッチングがとれることが判る。

第３図には圧電素子の分極のメカニズムを示してい
る。圧電素子２、電極３は、平常状態では分極によって
正負の電荷でつり合っている。ところが外部から温度変
化ΔＴが加わると、圧電素子の焦電効果によってこの分
極が崩されてリード部に分極電流を発生する。ここでリ
ード部を抵抗８でショートすると、その抵抗８の両端に
電圧Vsが取出せるのである。図中負の電荷を発生する側
を基準電位とするというのが、本発明の第一の請求項に
対応するものである。

第４図は本発明の圧電素子応用センサを電子レンジに
使用する場合の具体構成例である。食品９を入れる加熱
室10と、食品９を高周波加熱するマグネトロン11、被加
熱室排気部12に取付けた圧電素子応用センサ１、マグネ
トロン11を冷却する冷却ファン13、冷却ファン13の風を
一部加熱室10へ送風するダクト14、圧電素子応用センサ
１の出力信号により各種機器動作を制御する制御器15等
で構成されている。

食品９の加熱終了検知は以下のように行われる。加熱
室10内に食品９が配され、マグネトロン11の冷却風の一
部は、冷却ファン13によりダクト14を介して加熱室10内
に導かれる。冷却風の一部を実矢線16で、食品９から発
生する水分等の気体を点矢線17で示している。冷却風の
一部16と、食品９から発生する水分等の気体17は、排気
部12を通って加熱室10の外部へ排出される。この時圧電
素子応用センサ１は、図示していないが金属板が排気部
12を向くように上向きに構成しており、食品９から発生
する水分等の気体17と金属板との間に熱の授受があり、
金属板、接着剤、電極を介して圧電素子にΔＴの温度変
化を与え、それに応じて圧電素子応用センサ１は出力信
号を発生する。この出力信号により制御器15はマグネト
ロン11や冷却ファン13の動作を制御する。以上が、加熱
終了検知の概要であるが、電子レンジは本来アースをと
る物なので、加熱室10やボディカバー18、その他の部品
の電位がグランド電位となっている。圧電素子応用セン
サ１は、第１図のように、金属板５が一方の電極と電気
的に接触状態にあり、水蒸気をまともに受ける構成とな
っている。ここで問題となるのは、金属板５と電子レン
ジ本体のショートの問題である。通常は金属板５と電子
レンジ本体は電気的オープンであっても、水滴が附着す
ることでショート状態になるおそれがある。このため金
属板５のあらかじめグランド電位にしておくと言うの
が、本発明の第二の請求項に対応するのである。第４図
中で金属板と同電位のリード６をグランド電位としてお
り、金属と電子レンジ本体が電気的にショートしても圧
電素子応用センサの性能になんら影響はない。

第５図は、制御器15の構成を示す具体例である。圧電
素子応用センサ１の出力は、制御器15に入ると、低域通
過フィルタ19で60Hzの雑音を排除し、単電源増巾器20で
信号を制御しやすいレベルまで上げ、マイコン21にA/D
入力する。マイコン21は、信号の大きさやパルス巾等
で、食品の調理状態を知り、マグネトロン11や冷却ファ
ン13への制御信号を与えるわけである。

発明の効果以上のように本発明によれば以下の効果が得られる。

（１）板体を介して急激な温度変化が加わった時に圧電
素子が電圧を発生するので、たとえば食品の加熱による
急激な水蒸気の発生などを検出できる効果がある。

よって、調理器の湿度センサのように、食品の加熱終
了を検知できる効果がある。

また、水蒸気や食品カスにさらされても急激な温度変
化さえ検出できれば良いので、扱い安く良好な検知性能
を維持できるので信頼性が高い効果がある。

さらに、電極の材料については、赤外線に対して透過
するとか透過しないとか限定する必要はなく、汎用性が
高い効果がある。

（２）板体を介して圧電素子に正の温度変化が加わった
時に、板体と電気的に接続された第一の電極を基準電位
として第二の電極に正の電圧が発生する構成であるた
め、出力を正の電圧として得るのが容易で、以降の処理
回路の構成を簡単化できる効果がある。たとえば調理器
のセンサとして使用すると、食品の加熱による水蒸気の
発生で必ず正の温度変化を板体に与えるので、常に正の
電圧として信号を処理すればよく、出力反転用の制御部
品が不要になり、増幅器を一段減らしたりできる効果が
ある。また部品を削減できれば、部品のばらつきの影響
を抑えたり信頼性を向上させる効果がある。よって検知
性能が安定するのでセンサとしての性能向上の効果があ
る。さらに調理の自動化用センサとして使用すれば、調
理の出来映えが良くなる効果がある。

（３）赤外線が透過せず導電性を有する板体と電気的に
接続された第一の電極をグランド電位とする構成である
ため、板体を調理機器のケースやオーブン等の同じくグ
ランド電位にすることができる。よって、板体に水蒸気
が当たって調理機器のケースやオーブン等のショートし
ても、板体もケースもオーブンももともとグランド電位
であり、第一の電極を基準にして常に正確に出力を取り
出せる効果がある。よって安全性、信頼性を向上できる
効果がある。

（４）赤外線が透過せず導電性を有する板体の片側面上
で圧電素子、電極、リード線の導出部を樹脂で一体にモ
ールドする構成であり、板体の他の面全体を有効に使っ
て水蒸気を当てることができる。よって、水蒸気による
温度変化を正確に検出できるため、センサとしての検知
性能が向上する効果がある。

また、板体の他の面で水蒸気や食品カスなどを受けれ
ばモールドしている面は水蒸気や食品カスから保護され
る。水蒸気や食品カスによる圧電素子や電極の劣化を防
ぎ、安全性や信頼性を高めることができるという効果が
ある。

さらに、モールドのための樹脂材料が少なくて済む効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図a,bは本発明の一実施例を示す圧電素子応用セン
サの断面図、および平面図、第２図は同圧電素子応用セ
ンサに加えられる温度変化とそれに対するセンサ出力を
示す特性図、第３図は圧電素子の分極状態を示す模式
図、第４図は圧電素子センサを電子レンジに用いた場合
の構成図、第５図は制御器内部を示すブロック図、第６
図は従来の湿度センサの一部切欠斜視図である。１……圧電素子応用センサ、２……圧電素子、３……電
極、５……金属板、６、７……リード。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者笠井功大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (56)参考文献特開平１−253644（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電素子と、前記圧電素子上の少なくとも
二つの電極と、前記電極のうち第一の電極と電気的に接
続され、前記圧電素子と熱的に接続され、赤外線が透過
せず、導電性を有する材料からなる板体と、前記電極の
うち少なくとも第二の電極に接続されたリード線とを有
し、前記板体を介して前記圧電素子に正の温度変化が加
わった時に、前記第一の電極を基準電位として前記第二
の電極に正の電圧が発生する構成とした圧電素子応用セ
ンサ。
【請求項２】圧電素子と、前記圧電素子上の少なくとも
二つの電極と、前記電極のうち第一の電極と電気的に接
続され、前記圧電素子と熱的に接続され、赤外線が透過
せず、導電性を有する材料からなる板体と、前記電極の
うち少なくとも第二の電極に接続されたリード線とを有
し、前記第一の電極をグランド電位とする構成とした圧
電素子応用センサ。
【請求項３】圧電素子と、前記圧電素子上の少なくとも
二つの電極と、前記電極のうち第一の電極と電気的に接
続され、前記圧電素子と熱的に接続され、赤外線が透過
せず、導電性を有する材料からなる板体と、前記電極の
うち少なくとも第二の電極に接続されたリード線とを有
し、前記板体の片側面上で前記圧電素子、前記電極、前
記リード線の導出部を樹脂で一体にモールドする構成と
した圧電素子応用センサ。
【請求項４】第一の電極を圧電素子の信号を処理する単
電源増幅回路の基準電位と電気的に接続する構成とした
特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか１項に記
載の圧電素子応用センサ。