JPS63241447A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明＆工１周頒固定１〕振動板ｎ該周縁を除く部分が
振動板り厚さ方向に振動する場合（以後こワ］振動を振
動板グ】曲げ撮動ということがある。）の共振周波数を
検出することによって％撮動板に接触している流体Ｑ】
密度または圧力を測定する振動式トランスジューサ、特
に温度誤差り少ないトランスジューサに関する。

〔従来の技術〕

第８図は本出願人が既に出願している。上述した振動式
トランスジューサＱ】−例Ｌｒ）要部を縦断して示した
構成図、第９図は第８図に示した圧電邊動子２′Ｉ）構
成図で、第９図（５）、０はそれぞれ裏面図１表面図、
第９図０は前記回国におけろＸ−Ｘ断面図である（特願
昭６１−７第２９１９Ｆ５８号明細書参照）。

第８図及び第９図において、ｌはその底部１ａり〕内面
にリング状圧電振動子２が接層固定され、開口端にはっ
ば！ｂが設けられた有底円筒状の金属薄板製振動体で、
圧電伽動子２は圧電材料膜力円環板状圧電基板２ａと、
こＤ基板０裏面に形成した第１電極２ｂと、基板２ａ力
表面に形成した第２及び第３電極２ｃ＋２ｄとで構成さ
れ℃いる。

そうして振動子２は、第１電極２ｂが振動体１り〕底部
１８に電気的Ｖｃ導通ずるように、４電性接着剤によっ
て該底部に固７Ｊさせられている。３は振動体１と振動
子２とからなる機械振動子で、４は有底円筒状に形成さ
れそり】底部４　ａ　７）外面に筒体５ｎ一端が固定さ
れた容器、６はそり】外側面に設けたおねじ６ａを容器
４り】開口端に設けためねじ４ｂにねじ込むことによつ
℃、振動体１７）つばｌｂを容器４内に設けた段差部４
ＣＩＣ締めつけ″ｃ按械振動子３を容器４内に固定する
と共に、容器４に蓋をするようにしたハウジングである
。７．８は１機械振動子３が上述グ】ように容器４内に
固定されろことによつ又、振動子３と容器４グ】底部４
ａとり】間に形成された第１空洞、振ｎ子３とハウジン
グ６とり】間に形成された第２空洞で、容器底部４８に
は第１空洞７と筒体５内とを連通させる貫通孔４ｄが設
けられ、ハウジングｆｉｖｃも貫通孔６ｂが設けられ℃
いる。９は振動子２　Ｋ設けた第２及び第３電極２Ｃ＋
　２ｄと振動体ｌとがそれぞれ４１１０ａ、１０ｂ、Ｉ
Ｏｃを介して接続され、以下に説明するような（ｇ号９
ａを出力するようにした検出回路で、導線１０ａ−１０
Ｃは貫通孔６ｂＶｃ貞設されている。検出回路９＆ユ第
１０図に示すようＶｃｍ成されている。

次に上述り］トランスジューサＤ拗咋な第１０図に示し
たブロック構成図を併用して説明する。ｆなわち、まず
こりトランスジューサを測定流体１１内に配置すると、
空洞７にＧ′：ｃ筒体５及び貫通孔４ｄ？介して、空洞
８には貫通孔ｆｉｂ７ａ’介してそれぞれ流体１１が流
入する。そこで検出回路９に電源ゲ投入すると、交流増
幅回路１２から交流電圧１２ａが出力されてこり】電圧
が圧電退動子２′））第２電極ＺＣＶｃ印加され、こ０
ため振動体ｉＬｎ底部１ａがそり〕半径方向に伸縮する
ように圧・敵撮動子２により℃駆動さｉる結果１機械振
動子３が底部ｌａ’７）厚さ方向に曲げ振動をすること
ＶＣなる。すると、こび〕曲げ振動に伴う圧電基板２　
ａ　７）歪みによりて該歪みに応じた交流電圧１３が振
動子２の電極２ｄと２ｂと１】間に生じ、この電圧１３
＆：帰還回路１４を介して増幅回路１２に正帰還される
。

そうして、この正帰還は１機械振動子３を含む後述の機
械撮動系１５と増幅回路１２と帰還回路１４とからなる
電気・機械撮動系０自励振動を継続させるように行われ
るＤで、結局１機械振動子３は、該振動子３と、筒体５
内と貫通孔４ｄと空洞７とからなる音響振動系１６と、
空洞８と貫通孔６ｂとからなる音Ｖ損動系１７と、で構
成された前述力機械娠動系１５９）固有振動数Ｆで共振
する曲げ撮動を継続することＫなろ。１８は交流電圧１
２ａが入力され、該電圧の周波数忙等してパルス周波数
Ｄパルス列信号１８ａを出力てろようにしたパルス列信
号発生回路である。

信号発生回路１８は上述グ〕ように構成されているり〕
で出力信号１８ａ’７１パルス周波数は上述′７′）振
動数Ｆに等しくなろが、こＯＦは機械撮動系１５Ｄ固有
振動数であるから測定流体１１’）密度ρに対応した値
となつ工いる。したがってＦＹ知ることによつ℃ρを知
ることができるわけで％　１９は。

この原理にもとづき、入力されるパルス列信号１８ａＶ
ｃ対して所定り〕演算を行って、密度ρに比例した信号
を出力信号９ａとして出力するようにした演算回路であ
る。第８図では各部が上述７】ように動作するｎで、結
局、検出回路の出力信号９ａによって流体１１の密度ρ
または該流体の圧力を測定することができることＫなる
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

第８図のトランスジューサ＆了、上述のように構成され
ているので、圧電系動子２が円板状に形成されたトラン
スジューサにおけ４）よりも機械振動子３の質４ｆｔの
方が小さくなっていて、この結果、前述した特願昭６１
−第２９１９６８号明細書に記したように、密度またに
圧力のηＩ［定、感度が円板状圧電振動子ケ用いた場合
よりも高いという利点がある。

しかしながら、この場合、嵌動子２がリング状に形成さ
れ工いろとはいえ、膨張係数の異なる撮動子２と邊動体
底部１ａとが接着剤な介し工、なお広い範囲にわたって
接合されているので、測定流体１１の温度変化によつ″
Ｃｆａ械呈動子３ｖｃ大きい熱変形が生じ、このような
熱変形が生じろと機械低動系１５の固有振動数Ｆが変化
するので、結局。

第８図のトランスジューサは（ｇ号９ａヶ用いた密度ま
たは圧力の測定結果に大きい＠度誤差が含まれろことが
あるという問題点があることになる。

本発明の目的は、機械摂動子３の熱変形が小さくなるよ
うにして、上述の温度誤差が小さくなるようにすること
にある。

ｃ問題点を解決するための手段〕 上記問題点？解決するために１本発明によれば。

周縁が固定された振動板とこの振創板の少なくとも一面
に固着されて前記掻動板の前記周縁を除（部分が前記振
動板の厚さ方向に撮動するように前記振動板を駆動する
振動板駆動部とからなる機械振動子を備え、前記機械振
動子とこの機械振動子に接触１−るようにした測定流体
とからなる振動系の共感周波数を検出し工この検出結果
から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。

前記振動板駆動部を複数１固の起歪性を有する駆動素子
をリング状に配置して形成し、かつ隣接する前記駆動素
子は全く分離されているようするかまたに薄い連結部？
介して連結されているようにするかして振動式トランス
ジューサを構成するものとする。

〔作用〕

上述のように構成すると、振動板と振動板駆動部を構成
する駆動素子との間に熱膨張係数の差が存在し工も、こ
の膨張係数差と測定流体の温度変化とｖｃ起因して生じ
ろ機械振動子に対する熱変形力が振動板駆動部をリング
状の一個の駆動素子で形成した場合に比べて小さくなる
ので、この結果機械振動子における熱変形量が小さくな
って、結局温度誤差の小さい振動式トランスジューサが
得られることになる。

〔実施例〕

第１図は第２図に示した振動式トランスジューサ２４の
要部説明図、第２図は本発明の一実施例の要部を縦断し
１示した構成図、第３図は第１図及び第２図に示した振
動板駆動部２０の構成図で、第３図（２）は平面図、第
３図■は第３図（２）におけるＹ−Ｙ断面図である。

第１図ないし第３図において、第８図ないし第１０図に
示した振動式トランスジューサと異なる主な点は、Ｓ＠
体底部１ａに曲げ撮動をさせるために圧電撮動子２に対
応して振動板駆動部２０が設げられていることで、この
４駆動部２０は６個の円弧状駆動素子２１Ｙ振動体底部
１ａ内面ＶＣ該底面の中心に対して同心となるリング状
に配置し℃形成さ１でいろ。そうして駆動素子２１は、
それぞ７″Ｌ１円弧状に形成した圧電材料製の圧電基板
２１ａと、この基板の表面及び裏面の各々に形成した電
極ｚｉｂ・　２１Ｇとで構成され、電極２ＩＣと振動体
底部ｌａとが電気的［２ｊ！通するように導電性接着剤
を用いて該底部１ａに固層させられている。２２は隣接
ｆる駆ａ索子２１の電極２１ｂ。

２１ｂｆＸ：接続する接続線で、振動板駆動部２０にお
いては、５個の電極２１ｂが接続線２２によって同一′
５位になるように接続されてさらに４線１０ａ？介し玉
検出回路９ＶＣ接続され、残る一個の電極２１ｂが導線
１ｏｂｅ介して検出回路９に接続されている。第１図及
び第２１文に示したトランスジューサ２４におい又も、
碌動体１は導線１０ｃにより℃検出回路９Ｖｃ接続され
℃いろ。圧電基板２１ａを構成する圧°心材料としＣは
、この場合ｐｂ（Ｚｒ’ｌ”１）Ｏｓ系圧電セラミック
スを用いＣ（・るが、ＺｎＯセラミックスを用い又もよ
い。２３は上述した振動板駆動部２０と接続線２２と振
動体ｌとからなる機械振動子である。

第２図に示した摂動式トランスジューサ２４では、その
各部が上述のようＩＣ構成され℃いるので。

第８図のトランスジューサにおけると［ゴｊ様に秦動体
底部１ａが振動板駆動部２０　ＶＣよって曲げ撮動な行
うように駆動され、この曲げ振４１１はそれぞれｆ、ｌ
Ｉ定流体１１が導入された音響撮動系ｌＧ及び１７と機
械振動子２３とからなろ低動系２５の固有邊動数ｖｃ等
しい周波数で行わ４ろので、検出回路の出力信号９ａは
流体ｌ！の密度に応じた信号となる。故ＶＣ％この場合
も、信号９ａによって流体１１の密度または圧力を測定
することができる。そうして、トランスジューサ２４に
おい’ｃ　ｈｓ　、振動体底部Ｈａの曲げ振動が５個の
分（征された。自動素子２１で、駆動されて、第９図の
ような一個のリング状圧電振動子２で駆動されるように
は？、Ｃつていｔ【いので、素子２１と振動体底部ｌａ
とにおける各膨張係数の差と測定流体１１の温度変化と
に起因して生じる機械振動子２３Ｖｃ対する熱変形力は
、同様にして第８図の機械掘動子３Ｖｃ働く熱変形力よ
りも小さいことが明らかである。したがって振動式トラ
ンスジューサを第１図ないし第３図に示したように構成
すると１機械振動子２３に生じる熱変形が小さくなるの
で％測定結果における温度誤差炉部さくなる。

第４図は、第８図のトランスジューサにおいて容器底部
４ａと筒体５とを取り外して空洞７を開放状態にした試
料Ｒと、第２図のトランスジューサ２４Ｖｃおいて前記
と同様にＬ″′Ｃ孕洞７を開放状態にした試料Ｖとにつ
い１行りた実験結果説明図で１本図は、両試料Ｒ，Ｖを
いずれも２０℃の空気中において機械振動子３及び２３
の各曲げ振動をそれぞれ共振状態ＫＬだ時の該曲げ振動
の周波数Ｆ’ｔｏと、前記空気の温度をｔ℃にして同様
の共振状態を得た時の振動子３及び２３の各曲げ振動の
周波数Ｆｔとをそれぞれ測定し１作成したものである。

本図から、分割駆動素子２１を用いた方が温度誤差の小
さいトランスジューサとなることが明らかである。なお
、この実験は、試料Ｒ，Ｖ共Ｖｃモ動体底部Ｈａの内径
を２４［閣）、振動子２の外径またはこの外径に対応す
る１駆動部２００寸法を２３〔■〕、振動子２の内径ま
たはこの内径に対応する駆動部２０の寸法を１８　ＣＭ
　：ｌとして行ったものである。

第５図は第４図とをユ異なる実験結果説明図で、この実
験は上記試料Ｒ，Ｖを共に図示ような温度の経時変化を
する空気中に放置しておき、しかる後図示した時点で第
４図におけろと同様な曲げ振動の周波数の測定を行って
作成したものである。

図中のＦ！＋ｌ　Ｉ　Ｆ　ｔは第４図におけろものと同
様な意味を有し℃いる。第５図によっても１分割駆動素
子２１を用いると密度または圧力測定における温度誤差
が小さくなるということが明らかである。

第６図は前述の振動板駆動部２０とに異なる振動板駆動
部２６の表面図で、この場合駆動部２６を構成する６個
の駆動素子２７は、円環状パターンを該パターンの中心
からの距離が零でない所定の値を有する直線状分割線で
分割して得たような形状に形成されている。第２図にお
いて振動体底部１ａを上記のような駆動部ｚ６で駆動す
るようにしても、前述した熱変形を小さくしうることは
明らかであるが、駆動部２ｆｔＫは、さらに、素子２７
を上記のような形状にしているので底部ｌａに対する駆
動力が駆動部２０におけるよりも大きくなる利点がある
。

第７図はさらに前述とは異なる振動板駆動部２８の構成
図で、同図（Ａ）を丁表面図、同図■）１個面図である
。この場合駆動部２８をヱ円頂板状圧電基板２８ａな有
しているが、この基板２８ａＶＣは該基板の中心を通る
三本の直線に沿うようにして溝２９が設けられ、この結
果基板２８ａは溝２９ｒｃよりて形成された６個の肉薄
部２８ａ１と顔部２８ａ１に隣る６個の肉厚部２８ａ２
とで構成され℃いる。

そうして肉厚部２８ａ２の表面ＶＣ電極２１ｂが設けら
れ、基板２８Ｈの裏面にリング状に電極２８ｂが設けら
れている。振動板駆動部２８は上述のようＶＣ構成され
工いろので、第２図のトランスジューサにおい″Ｃ％駆
動部２０のかわりに駆動部２８を用いて電極２８ｂ側を
拶動体底部１ａＫ固漸し−Ｃ第１図のような配線を行え
ば、トランスジューサ２４におけると同様にし又流体１
１の密度または圧力を測定しうろことが明らかである。

そうして、この場合駆動部２８においては肉厚部２８ａ
２が厚さの薄い肉薄部２８ａｌで連結さねているので、
駆動部２８と振動体ｌとからなる機械振動子に生じる前
述の熱変形力が、第２図の場合よりは大きいが第８図の
場合よりは小さくなって、この結果温度誤差の小さいト
ランスジ為−サが得られることになる。駆ｔＪＪ部２８
を採用すると６個の肉厚部２８ａ２が分離されていない
ので、振動式トランスジューサの製作が楽に行えること
になる。

上述の各実施例においＣ）工、振動板駆動部を６個の円
弧状駆動素子をリング状に配ｆｄして形ｂｌｊ、Ｌ　。

かつ隣接する駆動素子が全（分離されているよう［１−
ろかまたは薄い連結部を介し工連結されているようにし
、その５え、さらに、上記６個のうちの５個の駆動素子
によつ１振動体底部１ａの曲げ振動を駆動して残る１個
の駆動素子の部分の電極で電圧検出を行うようにしたが
１本発明は上述のような駆動重子の個数並びに形状に限
定されるものでな（、振動体底部１ａの曲げ振動を駆動
する駆動素子の個数及び電圧検出を行う電極が設けられ
ている駆動素子の個数はそれぞれ上記の個数とＩ１異な
る個数であってもよく、またこねらの駆動素子の形状が
短冊状であってもよいものである。

また上述の各実施例においては振動体底部Ｈａを駆動す
るために圧電振動子、つまり電歪性を有する駆動素子な
用いたが１本発明を工、前配電歪性駆動素子にかえ″Ｃ
，Ｓ歪性のよっな起歪性を有する駆動素子を用いてもよ
いことは明らかである。

〔発明の効果〕

上述したようＶＣ１本発明においては、周縁が固定され
た撮動板とこの振動板の少なくとも−ｃｌｉｌｉＶｃ固
着され″Ｃ振動板の周縁を除く部分が振動板の厚さ方向
に振動するようＫｆｆｉ動板を駆動する振動板駆動部と
からなる機械振動子な備え、前記機械振動子とこの機械
振動子に接触″ｆろようにした測定流体とからなる振動
系の共掘周波数を検出し工この検出結果から測定流体の
密度または圧力を測定するものにおいて、振動板駆動部
？：複数個の起歪性を有する円弧状駆動素子をリング状
に配置し℃形成し、かつ隣接する駆動素子は全く分離さ
れているようするかまたは薄い連結部を介して連結され
ているようにするかし工部動式トランスジューサを構成
した。

このため、上述のように構成すると、振動板と摂動板！
ｊＡｔＭ部を構成する駆動素子との間に熱膨張係数の差
が存在しても、この膨張係数差と測定流体の温度変化と
に起因して生じる機械振動子に対する熱変形力が振動板
駆動部をリング状の一個の駆動素子で形成した場合に比
ベニ小さくなるので、この結果、本発明においては１機
械振動子における熱変形量が小さくなり″ｃ１結局結局
温度差４差さい伝動式トランスジューサが得られる効果
があることになる。また本発明においＣは、振動板駆動
Ｓを構成する複数個の駆動素子が剛体的に結合されてい
ないので、振動板駆動部にセラミックスが用いられ℃い
ても、振動式トランスジューサに急激な温度変化が加え
ろまた場合ＩＣ該セラミックスに割れが生じろようなこ
とを工ないという効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の要部説明図、第２図は第１
図に装部を示した実施例の構成図、第３図は第１図及び
第２図に示した振動板駆動部の構成図で、第３図面に平
面図、第３図■は第３図〜ＶｃＳけるＹ−ＹＭ面図であ
る。第４図、第５図は異なる実験結果′ａ明因、第６図
、第７図はそれぞれ第３図とは異なる振動板駆動部の構
成説明図で。 第７図（５）は表面図、第７□□□Ｂ）は側面図である
。第８図は従来の振動式トランスジューサの構成図。 第９図は第８図に示した王゛鑞振動子の構成図で。 第９図（２）は裏面図、第９図Ｃ）　ｉ＠Ｌ表面図、第
９図Ｂ）は第９図四におけるＸ−Ｘ断面図である。第１
０図を１第８図に示した振動式トランスジューサのブロ
ック構成図である。 １ａ・・・・・・損動体底ｇ、ｔｂ・・・・・・つば、
２・・・・・・圧電振動子、３．２３・・・・・・機械
振動子、　　１１・・・・・・測定流体。 １５．２５・・・・・・振動系、　２０．２６．２８・
・・・・・振動板駆動部、２１．２７・・・・・・駆動
素子、２４・・・・・・振動式トランスジューサ、２８
ａ１・・・・・・肉薄部。 、°） イ′ヱ人イｒ理士　山　口　　巌　　ゞ′。 箋　　１！！１ 駕　　２　　図 （４）　　　　　　　　　＜８） 箋　　３　　口 １ｂ 箋　　　６　　図 〔Ａン　　　　　　　　　　（８〕 菖　　　ｑ　　口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 周縁が固定された振動板とこの振動板の少なくとも一面
   に固着されて前記振動板の前記周縁を除く部分が前記振
   動板の厚さ方向に振動するように前記振動板を駆動する
   振動板駆動部とからなる機械振動子を備え、前記機械振
   動子とこの機械振動子に接触するようにした測定流体と
   からなる振動系の共振周波数を検出してこの検出結果か
   ら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、前記振動板駆動部を複数個の起歪性を有する駆動素
   子をリング状に配置して形成し、かつ隣接する前記駆動
   素子が全く分離されているようするかまたは薄い連結部
   を介して連結されているようにするかしたことを特徴と
   する振動式トランスジューサ。