積層型圧電変換子
【課題】本発明は圧電変換子の大きさ、つまり底面積を一定にしたままで、感度低下を極力抑えることができる圧電変換子を提供することを目的とする。
【解決手段】第一導体３を二枚の圧電体で挟み込んでなる圧電素子Ｚを有し、前記二枚の圧電体の第一導体３に対向する表面同士を導通させるための第二導体４を備える積層型圧電変換子Ａ。また、複数個の前記圧電素子Ｚが電気的に並列に接続され、且つそれらが積み重なった状態である積層型圧電変換子Ａ。
【解決手段】第一導体３を二枚の圧電体で挟み込んでなる圧電素子Ｚを有し、前記二枚の圧電体の第一導体３に対向する表面同士を導通させるための第二導体４を備える積層型圧電変換子Ａ。また、複数個の前記圧電素子Ｚが電気的に並列に接続され、且つそれらが積み重なった状態である積層型圧電変換子Ａ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導線の高温化または導線の延長に伴う浮遊容量の増加に起因する感度の低下を防止する圧電変換子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、産業プラント内や製造工場内に配備された装置の欠陥や破壊などを予知または発見するための各種のセンサとして、例えば圧電体のピエゾ効果を応用した圧電変換子が使用されている。
高温で稼働する機器、設備等で用いられる圧電変換子には、高温環境であっても安定した感度を示す高い耐熱性が要求されている。
【０００３】
しかし、従来の圧電変換子に使用されていた圧電体には、強誘電体のバルク体が採用されているので、３００℃程度が作動限界温度であった。従って、３００℃以上の高温な環境下においても安定して作動する圧電変換子の開発が求められていた。
そして近年、窒化アルミニウムに代表されるような、極めて高温な８００℃以上の環境下であっても使用可能な圧電体が開発されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−１２２９４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、圧電変換子と測定装置を接続するために使用される導線は、８００℃以上の高温で使用されると、その導線に内在する静電容量（いわゆる「浮遊容量」という）が急激に大きくなる傾向がある。その結果、周囲の温度が８００℃以上の環境下で圧電変換子を作動させると、急激に感度が低下し、圧電変換子としての使用が不可能になるという問題があった。
【０００５】
図１は、圧電変換子と導線との電気的な接続をモデル化して示した回路図である。なお、ここで圧電変換子が持つ静電容量をＣｃ、導線に内在する浮遊容量をＣｆ、測定電圧、すなわち測定感度をＶとする。
例えば圧電変換子が振動した場合、圧電変換子内部の圧電体の表面に電荷Ｑが発生する。しかし、圧電変換子と圧電変換子に接続されている導線に内在する浮遊容量とは電気的に並列に接続されていることと等価であるため、圧電変換子と浮遊容量とに加わる測定感度Ｖの大きさが等しくなるまで、電荷Ｑは圧電変換子と浮遊容量のそれぞれに移動する。
従って、圧電変換子には電荷Ｑ１が蓄積され、浮遊容量には電荷Ｑ２が蓄積され、その結果として以下の式が成立する。
【０００６】
この式１と式２より
となる。
また、図２の導線の静電容量と温度の関係を示したグラフから分かるように、導線の浮遊容量Ｃｆは約８００℃を越えたあたりの温度から急激に増大する。
すなわち、圧電変換子が持つ静電容量Ｃｃ及び圧電変換子内部の圧電体に発生した電荷Ｑが一定の場合、浮遊容量Ｃｆの急激な増加は測定感度Ｖの低下を意味する。従って、圧電変換子の感度はこの付近の温度で急激に低下することになる。
【０００７】
上記問題を解決する手段の一つが、複数個の圧電体を同一平面上に配置させ、且つこれらの圧電体を電気的に並列に接続させた圧電変換子を用いることである。
すなわち、複数個の圧電体を圧電変換子に備えさせることで、該圧電変換子内部の圧電体の表面に発生する電荷Ｑを増加させることができる。
また同時に、これら圧電体は並列に接続されているので、圧電変換子の静電容量Ｃｃも増加させることができる。
従って、圧電体の数を適宜選択することでＣｃをＣｆに比べて十分に大きくすることができる。その結果、浮遊容量Ｃｆの増加が回路全体の静電容量の大きさＣｃ＋Ｃｆに与える影響を小さくすることができる。なおこのとき、発生電荷Ｑも増加しているため感度が低下することはない。
【０００８】
ただしこの場合、圧電変換子自体の大きさが大きくなり、測定対象物体への配設が困難となる等の問題が生じる。
【０００９】
また、浮遊容量が増加する別の原因として導線の延長もある。元々導線は単位長さあたり所定の浮遊容量を有しているため、導線の延長に伴い、導線に内在する浮遊容量の大きさも増大する。結果、所定の長さ以上の導線を用いた場合にも、圧電変換子の感度を低下させる問題があった。
【００１０】
本発明は上記のような課題背景を基になされたものである。
即ち、圧電変換子の大きさ、つまり底面積を一定にしたままで、感度低下を極力抑えることができる圧電変換子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者はこのような課題背景を考慮し鋭意研究を重ねた結果、第一導体を二枚の圧電体で挟んでなる圧電素子を形成し、且つ該圧電素子の二枚の圧電体の第一導体の対向する表面同士を導通させるための第二導体を備える圧電変換子を用いることで、導線に内在する浮遊容量の増加による影響を極力小さくし、感度を低下させることなく振動等を測定できることを見出し、その知見に基づき本発明を完成させたものである。
【００１２】
すなわち本発明は、（１）導線に接続された圧電変換子であって、第一導体を二枚の圧電体で挟み込んでなる圧電素子を有し、前記二枚の圧電体の第一導体に対向する表面同士を導通させるための第二導体を備える積層型圧電変換子に存する。
【００１３】
また本発明は、（２）複数個の前記圧電素子が電気的に並列に接続され、且つそれらが積み重なった状態である上記（１）記載の積層型圧電変換子に存する。
【００１４】
また本発明は、（３）第二導体が金属板である上記（１）記載の積層型圧電変換子に存する。
【００１５】
また本発明は、（４）複数個の圧電素子が積み重ねられている上記（３）記載の積層型圧電変換子に存する。
【００１６】
また本発明は、（５）圧電体が窒化アルミニウムである上記（１）記載の積層型圧電変換子に存する。
【００１７】
また本発明は、（６）使用される温度が８００℃以上である上記（１）記載の積層型圧電変換子に存する。
【００１８】
また本発明は、（７）前記導線の長さが１ｍ以上である上記（１）記載の積層型圧電変換子に存する。
なお本発明の目的に添ったものであれば上記各（１）〜（７）の発明を適宜組み合わせた構成も採用可能である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る積層型圧電変換子は、第一導体を二枚の圧電体で挟み込んでなる圧電素子を有し、前記二枚の圧電体の第一導体に対向する表面同士を導通させるための第二導体を備えるので、その底面積を一定にしたまま、本発明に係る積層型圧電変換子の静電容量を二枚の圧電体の静電容量の和に増加させることができる。
その結果、導線の高温化や導線の延長に伴って浮遊容量が増加しても、感度を低下させることなく正確に振動等を測定することができる。
【００２０】
また、複数個の圧電素子を電気的に並列に接続し、且つそれらの圧電素子を積み重ねることで、本発明に係る圧電変換子の底面積を一定の大きさに維持したまま、その静電容量を使用環境や測定対象に応じて自在に調節することができる。
【００２１】
その結果、本発明に係る積層型圧電変換子は、同等の静電容量を持つ従来の圧電変換子に比して、測定対象物体への配設がより容易になる。また、本発明に係る積層型圧電変換子を配設可能な箇所が増加する利点もある。
【００２２】
また、第二導体を金属板にした場合、圧電素子を積み重ねるだけで、圧電素子同士が電気的に並列に接続された状態となるので、本発明に係る積層型圧電変換子の静電容量をより簡便に増加させることができる。
さらに、第二導体を金属板とすることで、圧電素子を外部からの衝撃から守ることもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
〔第一の実施形態〕
本発明の一実施形態を、図面を用いて説明する。本実施形態に係る積層型圧電変換子は、それを構成する圧電体同士を導通させるための導体を備える特殊な構造であるので、上記積層型圧電変換子の底面積を一定の大きさに維持したまま、その静電容量を増加させることができる。
その結果、本実施形態に係る積層型圧電変換子に接続される導線に内在する浮遊容量が、該導線の高温化や延長が原因で増大した場合でも、本実施形態に係る積層型圧電変換子は、感度を低下させることなく測定対象物体の振動等を測定することができる。
【００２４】
図３は、本実施形態に係る積層型圧電変換子の構造を模式的に示した説明図である。図３に示すように、本実施形態に係る積層型圧電変換子Ａは、第一導体３を二枚の圧電体１及び圧電体２で挟んでなる圧電素子Ｚを有する。このとき、圧電体１及び圧電体２はそれぞれの分極方向が相対向するように配置される。
さらに、圧電体１及び圧電体２を導通させるための第二導体４を、圧電体１及び圧電体２の第一導体３と接触している面と対向する面に電気的に接続させて、圧電体１と圧電体２とを導通させる。
そして、電圧を測定するオシロスコープ等の測定器５を第二導体４と第一導体３に接続させ、第一導体３と第二導体４の間の電圧を測定することで測定対象物体の振動等を測定する。
【００２５】
図４は、本実施形態の積層型圧電変換子と電気的に等価な回路図である。なお、図４において、静電容量Ｃ１を持つコンデンサーが圧電体１に相当し、且つ静電容量Ｃ２を持つコンデンサーが圧電体２に相当する。
図４に示すように、圧電体１と、圧電体２とを第二導体４を用いて導通させることで、二つの圧電体、すなわちコンデンサーが並列に接続されたことと等価な状態になる。
その結果、本実施形態に係る積層型圧電変換子の静電容量は圧電体１の静電容量Ｃ１と圧電体２の静電容量Ｃ２の和であるＣ１＋Ｃ２になる。
【００２６】
本実施形態に係る積層型圧電変換子は上記のような構造であるので、圧電素子Ｚを構成する圧電体１及び圧電体２に採用する材質の種類によって、その静電容量の大きさを自由に調節することができる。
従って、本実施形態に係る積層型圧電変換子が、浮遊容量が増大し始める約８００℃以上の環境で使用される場合でも、上記積層型圧電変換子に用いられる圧電体を適切に選定することで、感度を極力低下させることなく測定対象物体の振動等を正確に測定することができる。
【００２７】
また同様に、本実施形態に係る積層型圧電変換子に接続される導線の長さが、測定感度に影響を与える長さである１ｍを超える場合であっても、二枚の圧電体の材質を適切に選定することで、上記積層型圧電変換子の測定感度を低下させることなく測定対象物体の振動等を測定することができる。
【００２８】
そして、圧電素子Ｚは圧電体１と圧電体２とが上下に積み重なった構造であるため、本実施形態に係る積層型圧電変換子の底面積を拡大させることなく、その静電容量を増加させることができる。
【００２９】
圧電体１と圧電体２の材質は特に限定されるものではなく、適宜使用状況に応じて、その材料を変更することが可能である。例えば、８００℃以上の環境で使用する場合には窒化アルミニウム等の耐熱圧電体を用いることが好ましい。
【００３０】
第一導体３として採用される材質は特に限定されるものではなく、例えば高温環境下において使用されることを想定すると、白金、ロジウム等の貴金属ならびにそれらの合金、インコネルに代表されるニッケル基超合金をはじめとする耐熱合金、シリコン、シリコンカーバイド等の材料が採用可能である。
【００３１】
第二導体４として採用される材質は、二つの圧電体を導通させることができる材質であれば特に限定されるものではなく、上記同様に高温環境下での使用が想定される場合は、白金、インコネル等が採用される。
【００３２】
〔第二の実施形態〕
また、複数個の圧電素子Ｚを電気的に並列に接続させ、それらの圧電素子Ｚを積み重ねることで、静電容量の大きさを更に増加させることができる。その結果、本実施形態に係る積層型圧電変換子の感度の低下は、より確実に防止される。
【００３３】
図５は、複数個（図面では二個）の圧電素子を電気的に並列に接続する方法を模式的に示した説明図である。図５に示すように、圧電素子Ｚ１と圧電素子Ｚ２とを積み重ね、第二導体４１と第二導体４２とを電気的に接続させ、第一導体３１と第一導体３２とを導通させることで、圧電素子Ｚ１と圧電素子Ｚ２とは電気的に並列に接続される。
【００３４】
これにより、図６に示すように、本実施形態に係る積層型圧電変換子は４つのコンデンサーが並列接続された回路と等価になる。すなわち、本実施形態に係る積層型圧電変換子の静電容量Ｃは下記式４に示される通り、圧電体１１の静電容量Ｃ１１と、圧電体２１の静電容量Ｃ２１と、圧電体１２の静電容量Ｃ１２と、圧電体２２の静電容量Ｃ２２との和になる。
Ｃ＝Ｃ１１+Ｃ２１+Ｃ１２+Ｃ２２（式４）
同様に、積み重ねる圧電素子の数を増やすことで、本実施形態に係る積層型圧電変換子の静電容量を更に増加させることができる。
【００３５】
〔第三の実施形態〕
図７は、第二導体に金属板を用いた積層型圧電変換子を模式的に示す説明図である。
図７に示す通り、第二導体４として圧電素子Ｚと同じ幅の屈曲した金属板を用い、該金属板を圧電体１及び圧電体２の第一導体３と接触している面と対向する面に接合させることで、圧電素子Ｚの周囲を金属板で覆うことができる。
その結果、圧電素子Ｚは金属板によって外部から加わる衝撃から守られる。
【００３６】
図８は、第二導体に金属板を用いた積層型圧電変換子を、複数個（図面では二個）電気的に並列に接続させた様子を示す模式図である。図８に示すように、第二導体に金属板を用いた圧電素子Ｚ１と、第二導体に金属板を用いた圧電素子Ｚ２とを積み重ねるだけで、両圧電素子は電気的に並列に接続される。
従って、予め第二導体に金属板を用いた静電容量が異なる圧電素子を、複数個作成することで、本実施形態に係る積層型圧電変換子の静電容量を状況に応じて自由に、且つ容易に調節することが可能となる。
【００３７】
〔実施例１〕
次に、本発明の積層型圧電変換子の高温環境下における性能を証明するための試験を行い、その結果を示す。
図９は、実験装置の横からの状態を模式的に示す説明図である。図９に示すように、本実験装置は試験対象である積層型圧電変換子５０と、振動を発生させるための加振センサ５１とで、加振センサ５１が発生させた振動を間接的に圧電変換子に伝えるためのアルミナ板Ｘを挟み込み一体化させたものである。
積層型圧電変換子５０と発生した電圧を測定するためのオシロスコープ５２とを耐熱同軸ケーブル（０．５ｍ）で接続し、また加振センサ５１に振動を発生させるための発信器５３を同軸ケーブルで接続した。
耐熱同軸ケーブル接続後、積層型圧電変換子５０及び加振センサ５１を任意の温度環境を作ることができる図示しない電気炉内に配設した。
【００３８】
図１０は、本試験に用いた圧電変換子の構造を模式的に示す説明図である。図１０に示すように、Ｓｉ基板６３上に窒化アルミニウム製の圧電体６１（静電容量：２１０ｐＦ）を形成し、Ｓｉ基板の表面のうち圧電体６１が形成された面と反対側の面に白金製で薄膜状の電極６５をＳｉ基板６３の縁から延出するように形成した。
また、同様にＳｉ基板６４上に窒化アルミニウム製の圧電体６２（静電容量：２００ｐＦ）を形成し、Ｓｉ基板の表面のうち圧電体６２が形成された面と反対側の面に白金製で薄膜状の電極６６をＳｉ基板６４上に形成した。なお、圧電体６１と圧電体６２の底面積は同一にした。
【００３９】
そして、圧電体６１と圧電体６２とで白金製の第一導体６０を挟み込んで接合した。Ｓｉ基板６３よりも底面積が大きいアルミナ板Ｘを、Ｓｉ基板６３の電極６５が接合されている側の面に接合した。このとき、第一導体６５も併せてアルミナ板Ｘに接合した。
【００４０】
第二導体として耐熱性の導線を用い、電極６５と電極６６を接続することで、圧電体６１と圧電体６２を導通させ、該導線とオシロスコープ５２とを耐熱同軸ケーブルで接続した。また、電極６０とオシロスコープ５２を耐熱同軸ケーブルで接続した。
【００４１】
図１１は、加振センサの構造を模式的に示す説明図である。図１１に示すように、Ｓｉ基板７０上に窒化アルミニウム製の圧電体７１（静電容量：２００ｐＦ）を形成し、該圧電体７１の上に圧電体７１と同じ底面積を持つ白金製の電極７２を接合する。また、Ｓｉ基板の表面のうち圧電体７１と対向する面に白金製で薄膜状の電極７３を接合する。
Ｓｉ基板７０よりも底面積が大きいアルミナ板ＸにＳｉ基板７０を接合した。このとき電極７３も併せてアルミナ板Ｘに接合した。
【００４２】
次に試験方法について述べる。電気炉内部の温度を１００℃に設定し、電気炉内部の温度が定値に達したことを確認後、圧電変換子及び加振センサを電気炉内に挿入した。
そして、発信器から２００ｋＨｚの電圧信号を加振センサ対して発信し、加振センサに振動を発生させた。加振センサが発生させた振動がアルミナ板を通して圧電変換子に伝え、圧電変換子に電圧を発生させた。その発生させた電圧をオシロスコープで検出し、その結果を記録した。試験結果を表１に示した。
【００４３】
〔実施例２〕
電気炉内の温度を２００℃としたこと以外は全て実施例１と同様の手順で行った。その結果及び実施例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表１に示す。
【００４４】
〔実施例３〕
電気炉内の温度を３００℃としたこと以外は全て実施例１と同様の手順で行った。その結果及び実施例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表１に示す。
【００４５】
〔実施例４〕
電気炉内の温度を４００℃としたこと以外は全て実施例１と同様の手順で行った。その結果及び実施例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表１に示す。
【００４６】
〔実施例５〕
電気炉内の温度を５００℃としたこと以外は全て実施例１と同様の手順で行った。その結果及び実施例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表１に示す。
【００４７】
〔実施例６〕
電気炉内の温度を６００℃としたこと以外は全て実施例１と同様の手順で行った。その結果及び実施例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表１に示す。
【００４８】
〔実施例７〕
電気炉内の温度を７００℃としたこと以外は全て実施例１と同様の手順で行った。その結果及び実施例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表１に示す。
【００４９】
〔実施例８〕
電気炉内の温度を８００℃としたこと以外は全て実施例１と同様の手順で行った。その結果及び実施例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表１に示す。
【００５０】
〔実施例９〕
電気炉内の温度を９００℃としたこと以外は全て実施例１と同様の手順で行った。その結果及び実施例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表１に示す。
【００５１】
〔実施例１０〕
電気炉内の温度を１０００℃としたこと以外は全て実施例１と同様の手順で行った。その結果及び実施例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表１に示す。
【００５２】
〔比較例１〕
加振センサと同一の構造で、且つ実施例１で使用した圧電体と同じ底面積の圧電体を用いて作成した従来の圧電変換子１００を、圧電変換子５０の代わりに用い、実施例１と同一の試験を行った（図１２参照）。その試験結果を表２に実施例１と比較して示す。
【００５３】
〔比較例２〕
電気炉内の温度を２００℃としたこと以外は全て比較例１と同様の手順で行った。その結果及び比較例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表２に示す。
【００５４】
〔比較例３〕
電気炉内の温度を３００℃としたこと以外は全て比較例１と同様の手順で行った。その結果及び比較例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表２に示す。
【００５５】
〔比較例４〕
電気炉内の温度を４００℃としたこと以外は全て比較例１と同様の手順で行った。その結果及び比較例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表２に示す。
【００５６】
〔比較例５〕
電気炉内の温度を５００℃としたこと以外は全て比較例１と同様の手順で行った。その結果及び比較例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表２に示す。
【００５７】
〔比較例６〕
電気炉内の温度を６００℃としたこと以外は全て比較例１と同様の手順で行った。その結果及び比較例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表２に示す。
【００５８】
〔比較例７〕
電気炉内の温度を７００℃としたこと以外は全て比較例１と同様の手順で行った。その結果及び比較例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表２に示す。
【００５９】
〔比較例８〕
電気炉内の温度を８００℃としたこと以外は全て比較例１と同様の手順で行った。その結果及び比較例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表２に示す。
【００６０】
〔比較例９〕
電気炉内の温度を９００℃としたこと以外は全て比較例１と同様の手順で行った。その結果及び比較例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表２に示す。
【００６１】
〔比較例１０〕
電気炉内の温度を１０００℃としたこと以外は全て比較例１と同様の手順で行った。その結果及び比較例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表２に示す。
【００６２】
〔表１〕
【００６３】
〔表２〕
【００６４】
表１及び表２から分かるように、実施例では電気炉内の温度が同軸ケーブルの浮遊容量が急増する温度である８００℃のときの電圧の減衰率は８．９０％である。一方、比較例の場合、電気炉内の温度が８００℃になると電圧の減衰率は３０．１％となる。
また、実施例において電気炉内の温度が１０００℃のときの減衰率が５４．２％であるのに対し、比較例の場合の減衰率は７９．４％である。
以上のことより、本発明の圧電変換子は同軸ケーブルの浮遊容量が増大する高温下であっても感度を低下させることなく正確に測定することが可能であることが分かる。
【００６５】
〔実施例１１〕
実施例１で、圧電変換子とオシロスコープとを接続する同軸ケーブルの長さを変化させて測定試験を行う。
実施例１と同一の実験装置を用い、圧電変換子５０とオシロスコープ５２とを接続する同軸ケーブルの長さを０．４０ｍとし、電気炉内部の温度を２５℃としたこと以外は全て実施例１と同様の手順で行った。その試験結果を表３に示す。
【００６６】
〔実施例１２〕
同軸ケーブルの長さを１．５ｍとしたこと以外は全て実施例１１と同様の手順で行った。その試験結果及び実施例１１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表３に示す。
【００６７】
〔実施例１３〕
同軸ケーブルの長さを２．９ｍとしたこと以外は全て実施例１１と同様の手順で行った。その試験結果及び実施例１１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表３に示す。
【００６８】
〔実施例１４〕
同軸ケーブルの長さを５．７ｍとしたこと以外は全て実施例１１と同様の手順で行った。その試験結果及び実施例１１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表３に示す。
【００６９】
〔実施例１５〕
同軸ケーブルの長さを１２ｍとしたこと以外は全て実施例１１と同様の手順で行った。その試験結果及び実施例１１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表３に示す。
【００７０】
〔実施例１６〕
同軸ケーブルの長さを２５ｍとしたこと以外は全て実施例１１と同様の手順で行った。その試験結果及び実施例１１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表３に示す。
【００７１】
〔実施例１７〕
同軸ケーブルの長さを５３ｍとしたこと以外は全て実施例１１と同様の手順で行った。その試験結果及び実施例１１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表３に示す。
【００７２】
〔比較例１１〕
比較例１で用いた従来の圧電型の圧電センサ用いたこと以外は全て実施例１１と同様の手順で行った。その試験結果を表４に示す。
【００７３】
〔比較例１２〕
同軸ケーブルの長さを１．５ｍとしたこと以外は全て比較例１１と同様の手順で行った。その試験結果及び比較例１１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表４に示す。
【００７４】
〔比較例１３〕
同軸ケーブルの長さを２．９ｍとしたこと以外は全て比較例１１と同様の手順で行った。その試験結果及び比較例１１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表４に示す。
【００７５】
〔比較例１４〕
同軸ケーブルの長さを５．７ｍとしたこと以外は全て比較例１１と同様の手順で行った。その試験結果及び比較例１１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表４に示す。
【００７６】
〔比較例１５〕
同軸ケーブルの長さを１２ｍとしたこと以外は全て比較例１１と同様の手順で行った。その試験結果及び比較例１１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表４に示す。
【００７７】
〔比較例１６〕
同軸ケーブルの長さを２５ｍとしたこと以外は全て比較例１１と同様の手順で行った。その試験結果及び比較例１１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表４に示す。
【００７８】
〔比較例１７〕
同軸ケーブルの長さを５３ｍとしたこと以外は全て比較例１１と同様の手順で行った。その試験結果及び比較例１１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表４に示す。
【００７９】
〔表３〕
【００８０】
〔表４〕
表３及び表４から分かるように、本発明の圧電変換子は、接続される同軸ケーブルの長さが長くなったとしても、その感度を極力低下させることなく測定可能である。
【００８１】
以上、本発明について説明したが、本発明はその目的を逸脱しない範囲で、これらの形態に囚われることなく、自由に実施の形態を変えても良い。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】図１は、圧電変換子と同軸ケーブルとの電気的な接続を示した回路図である。
【図２】図２は、同軸ケーブルの静電容量と温度の関係を示したグラフである。
【図３】図３は、本発明の構造を示した模式図である。
【図４】図４は、本発明の圧電変換子と等価な回路図である。
【図５】図５は、複数個の圧電素子を電気的に並列に接続する方法を示した模式図である。
【図６】図６は、複数個の圧電素子を電気的に並列に接続した場合と等価な回路図である。
【図７】図７は、第二導体に金属板を用いた積層型圧電変換子を模式的に示す説明図である。
【図８】図８は、第二導体に金属板を用いた圧電素子を複数個並列に接続させた様子を示す模式図である。
【図９】図９は、実施例で使用した実験装置を模式的に示す説明図である。
【図１０】図１０は、本試験に用いた圧電変換子の構造を模式的に示す説明図である。
【図１１】図１１は、加振センサの構造を模式的に示す説明図である。
【図１２】図１２は、比較例で使用した実験装置を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００８３】
１ 圧電体
２ 圧電体
３ 第一導体
３１ 第一導体
３２ 第一導体
４ 第二導体
４１ 第二導体
４２ 第二導体
５ 測定器
５０ 積層型圧電変換子
５１ 加振センサ
５２ オシロスコープ
５３ 発信器
６０ 第一導体
６１ 圧電体
６２ 圧電体
６３ Ｓｉ基板
６４ Ｓｉ基板
６５ 電極
６６ 電極
７０ Ｓｉ基板
７１ 圧電体
７２ 電極
７３ 電極
Ｘ アルミナ板
Ｚ 圧電素子
Ｚ１ 圧電素子
Ｚ２ 圧電素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導線の高温化または導線の延長に伴う浮遊容量の増加に起因する感度の低下を防止する圧電変換子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、産業プラント内や製造工場内に配備された装置の欠陥や破壊などを予知または発見するための各種のセンサとして、例えば圧電体のピエゾ効果を応用した圧電変換子が使用されている。
高温で稼働する機器、設備等で用いられる圧電変換子には、高温環境であっても安定した感度を示す高い耐熱性が要求されている。
【０００３】
しかし、従来の圧電変換子に使用されていた圧電体には、強誘電体のバルク体が採用されているので、３００℃程度が作動限界温度であった。従って、３００℃以上の高温な環境下においても安定して作動する圧電変換子の開発が求められていた。
そして近年、窒化アルミニウムに代表されるような、極めて高温な８００℃以上の環境下であっても使用可能な圧電体が開発されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−１２２９４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、圧電変換子と測定装置を接続するために使用される導線は、８００℃以上の高温で使用されると、その導線に内在する静電容量（いわゆる「浮遊容量」という）が急激に大きくなる傾向がある。その結果、周囲の温度が８００℃以上の環境下で圧電変換子を作動させると、急激に感度が低下し、圧電変換子としての使用が不可能になるという問題があった。
【０００５】
図１は、圧電変換子と導線との電気的な接続をモデル化して示した回路図である。なお、ここで圧電変換子が持つ静電容量をＣｃ、導線に内在する浮遊容量をＣｆ、測定電圧、すなわち測定感度をＶとする。
例えば圧電変換子が振動した場合、圧電変換子内部の圧電体の表面に電荷Ｑが発生する。しかし、圧電変換子と圧電変換子に接続されている導線に内在する浮遊容量とは電気的に並列に接続されていることと等価であるため、圧電変換子と浮遊容量とに加わる測定感度Ｖの大きさが等しくなるまで、電荷Ｑは圧電変換子と浮遊容量のそれぞれに移動する。
従って、圧電変換子には電荷Ｑ１が蓄積され、浮遊容量には電荷Ｑ２が蓄積され、その結果として以下の式が成立する。
【０００６】
この式１と式２より
となる。
また、図２の導線の静電容量と温度の関係を示したグラフから分かるように、導線の浮遊容量Ｃｆは約８００℃を越えたあたりの温度から急激に増大する。
すなわち、圧電変換子が持つ静電容量Ｃｃ及び圧電変換子内部の圧電体に発生した電荷Ｑが一定の場合、浮遊容量Ｃｆの急激な増加は測定感度Ｖの低下を意味する。従って、圧電変換子の感度はこの付近の温度で急激に低下することになる。
【０００７】
上記問題を解決する手段の一つが、複数個の圧電体を同一平面上に配置させ、且つこれらの圧電体を電気的に並列に接続させた圧電変換子を用いることである。
すなわち、複数個の圧電体を圧電変換子に備えさせることで、該圧電変換子内部の圧電体の表面に発生する電荷Ｑを増加させることができる。
また同時に、これら圧電体は並列に接続されているので、圧電変換子の静電容量Ｃｃも増加させることができる。
従って、圧電体の数を適宜選択することでＣｃをＣｆに比べて十分に大きくすることができる。その結果、浮遊容量Ｃｆの増加が回路全体の静電容量の大きさＣｃ＋Ｃｆに与える影響を小さくすることができる。なおこのとき、発生電荷Ｑも増加しているため感度が低下することはない。
【０００８】
ただしこの場合、圧電変換子自体の大きさが大きくなり、測定対象物体への配設が困難となる等の問題が生じる。
【０００９】
また、浮遊容量が増加する別の原因として導線の延長もある。元々導線は単位長さあたり所定の浮遊容量を有しているため、導線の延長に伴い、導線に内在する浮遊容量の大きさも増大する。結果、所定の長さ以上の導線を用いた場合にも、圧電変換子の感度を低下させる問題があった。
【００１０】
本発明は上記のような課題背景を基になされたものである。
即ち、圧電変換子の大きさ、つまり底面積を一定にしたままで、感度低下を極力抑えることができる圧電変換子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者はこのような課題背景を考慮し鋭意研究を重ねた結果、第一導体を二枚の圧電体で挟んでなる圧電素子を形成し、且つ該圧電素子の二枚の圧電体の第一導体の対向する表面同士を導通させるための第二導体を備える圧電変換子を用いることで、導線に内在する浮遊容量の増加による影響を極力小さくし、感度を低下させることなく振動等を測定できることを見出し、その知見に基づき本発明を完成させたものである。
【００１２】
すなわち本発明は、（１）導線に接続された圧電変換子であって、第一導体を二枚の圧電体で挟み込んでなる圧電素子を有し、前記二枚の圧電体の第一導体に対向する表面同士を導通させるための第二導体を備える積層型圧電変換子に存する。
【００１３】
また本発明は、（２）複数個の前記圧電素子が電気的に並列に接続され、且つそれらが積み重なった状態である上記（１）記載の積層型圧電変換子に存する。
【００１４】
また本発明は、（３）第二導体が金属板である上記（１）記載の積層型圧電変換子に存する。
【００１５】
また本発明は、（４）複数個の圧電素子が積み重ねられている上記（３）記載の積層型圧電変換子に存する。
【００１６】
また本発明は、（５）圧電体が窒化アルミニウムである上記（１）記載の積層型圧電変換子に存する。
【００１７】
また本発明は、（６）使用される温度が８００℃以上である上記（１）記載の積層型圧電変換子に存する。
【００１８】
また本発明は、（７）前記導線の長さが１ｍ以上である上記（１）記載の積層型圧電変換子に存する。
なお本発明の目的に添ったものであれば上記各（１）〜（７）の発明を適宜組み合わせた構成も採用可能である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る積層型圧電変換子は、第一導体を二枚の圧電体で挟み込んでなる圧電素子を有し、前記二枚の圧電体の第一導体に対向する表面同士を導通させるための第二導体を備えるので、その底面積を一定にしたまま、本発明に係る積層型圧電変換子の静電容量を二枚の圧電体の静電容量の和に増加させることができる。
その結果、導線の高温化や導線の延長に伴って浮遊容量が増加しても、感度を低下させることなく正確に振動等を測定することができる。
【００２０】
また、複数個の圧電素子を電気的に並列に接続し、且つそれらの圧電素子を積み重ねることで、本発明に係る圧電変換子の底面積を一定の大きさに維持したまま、その静電容量を使用環境や測定対象に応じて自在に調節することができる。
【００２１】
その結果、本発明に係る積層型圧電変換子は、同等の静電容量を持つ従来の圧電変換子に比して、測定対象物体への配設がより容易になる。また、本発明に係る積層型圧電変換子を配設可能な箇所が増加する利点もある。
【００２２】
また、第二導体を金属板にした場合、圧電素子を積み重ねるだけで、圧電素子同士が電気的に並列に接続された状態となるので、本発明に係る積層型圧電変換子の静電容量をより簡便に増加させることができる。
さらに、第二導体を金属板とすることで、圧電素子を外部からの衝撃から守ることもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
〔第一の実施形態〕
本発明の一実施形態を、図面を用いて説明する。本実施形態に係る積層型圧電変換子は、それを構成する圧電体同士を導通させるための導体を備える特殊な構造であるので、上記積層型圧電変換子の底面積を一定の大きさに維持したまま、その静電容量を増加させることができる。
その結果、本実施形態に係る積層型圧電変換子に接続される導線に内在する浮遊容量が、該導線の高温化や延長が原因で増大した場合でも、本実施形態に係る積層型圧電変換子は、感度を低下させることなく測定対象物体の振動等を測定することができる。
【００２４】
図３は、本実施形態に係る積層型圧電変換子の構造を模式的に示した説明図である。図３に示すように、本実施形態に係る積層型圧電変換子Ａは、第一導体３を二枚の圧電体１及び圧電体２で挟んでなる圧電素子Ｚを有する。このとき、圧電体１及び圧電体２はそれぞれの分極方向が相対向するように配置される。
さらに、圧電体１及び圧電体２を導通させるための第二導体４を、圧電体１及び圧電体２の第一導体３と接触している面と対向する面に電気的に接続させて、圧電体１と圧電体２とを導通させる。
そして、電圧を測定するオシロスコープ等の測定器５を第二導体４と第一導体３に接続させ、第一導体３と第二導体４の間の電圧を測定することで測定対象物体の振動等を測定する。
【００２５】
図４は、本実施形態の積層型圧電変換子と電気的に等価な回路図である。なお、図４において、静電容量Ｃ１を持つコンデンサーが圧電体１に相当し、且つ静電容量Ｃ２を持つコンデンサーが圧電体２に相当する。
図４に示すように、圧電体１と、圧電体２とを第二導体４を用いて導通させることで、二つの圧電体、すなわちコンデンサーが並列に接続されたことと等価な状態になる。
その結果、本実施形態に係る積層型圧電変換子の静電容量は圧電体１の静電容量Ｃ１と圧電体２の静電容量Ｃ２の和であるＣ１＋Ｃ２になる。
【００２６】
本実施形態に係る積層型圧電変換子は上記のような構造であるので、圧電素子Ｚを構成する圧電体１及び圧電体２に採用する材質の種類によって、その静電容量の大きさを自由に調節することができる。
従って、本実施形態に係る積層型圧電変換子が、浮遊容量が増大し始める約８００℃以上の環境で使用される場合でも、上記積層型圧電変換子に用いられる圧電体を適切に選定することで、感度を極力低下させることなく測定対象物体の振動等を正確に測定することができる。
【００２７】
また同様に、本実施形態に係る積層型圧電変換子に接続される導線の長さが、測定感度に影響を与える長さである１ｍを超える場合であっても、二枚の圧電体の材質を適切に選定することで、上記積層型圧電変換子の測定感度を低下させることなく測定対象物体の振動等を測定することができる。
【００２８】
そして、圧電素子Ｚは圧電体１と圧電体２とが上下に積み重なった構造であるため、本実施形態に係る積層型圧電変換子の底面積を拡大させることなく、その静電容量を増加させることができる。
【００２９】
圧電体１と圧電体２の材質は特に限定されるものではなく、適宜使用状況に応じて、その材料を変更することが可能である。例えば、８００℃以上の環境で使用する場合には窒化アルミニウム等の耐熱圧電体を用いることが好ましい。
【００３０】
第一導体３として採用される材質は特に限定されるものではなく、例えば高温環境下において使用されることを想定すると、白金、ロジウム等の貴金属ならびにそれらの合金、インコネルに代表されるニッケル基超合金をはじめとする耐熱合金、シリコン、シリコンカーバイド等の材料が採用可能である。
【００３１】
第二導体４として採用される材質は、二つの圧電体を導通させることができる材質であれば特に限定されるものではなく、上記同様に高温環境下での使用が想定される場合は、白金、インコネル等が採用される。
【００３２】
〔第二の実施形態〕
また、複数個の圧電素子Ｚを電気的に並列に接続させ、それらの圧電素子Ｚを積み重ねることで、静電容量の大きさを更に増加させることができる。その結果、本実施形態に係る積層型圧電変換子の感度の低下は、より確実に防止される。
【００３３】
図５は、複数個（図面では二個）の圧電素子を電気的に並列に接続する方法を模式的に示した説明図である。図５に示すように、圧電素子Ｚ１と圧電素子Ｚ２とを積み重ね、第二導体４１と第二導体４２とを電気的に接続させ、第一導体３１と第一導体３２とを導通させることで、圧電素子Ｚ１と圧電素子Ｚ２とは電気的に並列に接続される。
【００３４】
これにより、図６に示すように、本実施形態に係る積層型圧電変換子は４つのコンデンサーが並列接続された回路と等価になる。すなわち、本実施形態に係る積層型圧電変換子の静電容量Ｃは下記式４に示される通り、圧電体１１の静電容量Ｃ１１と、圧電体２１の静電容量Ｃ２１と、圧電体１２の静電容量Ｃ１２と、圧電体２２の静電容量Ｃ２２との和になる。
Ｃ＝Ｃ１１+Ｃ２１+Ｃ１２+Ｃ２２（式４）
同様に、積み重ねる圧電素子の数を増やすことで、本実施形態に係る積層型圧電変換子の静電容量を更に増加させることができる。
【００３５】
〔第三の実施形態〕
図７は、第二導体に金属板を用いた積層型圧電変換子を模式的に示す説明図である。
図７に示す通り、第二導体４として圧電素子Ｚと同じ幅の屈曲した金属板を用い、該金属板を圧電体１及び圧電体２の第一導体３と接触している面と対向する面に接合させることで、圧電素子Ｚの周囲を金属板で覆うことができる。
その結果、圧電素子Ｚは金属板によって外部から加わる衝撃から守られる。
【００３６】
図８は、第二導体に金属板を用いた積層型圧電変換子を、複数個（図面では二個）電気的に並列に接続させた様子を示す模式図である。図８に示すように、第二導体に金属板を用いた圧電素子Ｚ１と、第二導体に金属板を用いた圧電素子Ｚ２とを積み重ねるだけで、両圧電素子は電気的に並列に接続される。
従って、予め第二導体に金属板を用いた静電容量が異なる圧電素子を、複数個作成することで、本実施形態に係る積層型圧電変換子の静電容量を状況に応じて自由に、且つ容易に調節することが可能となる。
【００３７】
〔実施例１〕
次に、本発明の積層型圧電変換子の高温環境下における性能を証明するための試験を行い、その結果を示す。
図９は、実験装置の横からの状態を模式的に示す説明図である。図９に示すように、本実験装置は試験対象である積層型圧電変換子５０と、振動を発生させるための加振センサ５１とで、加振センサ５１が発生させた振動を間接的に圧電変換子に伝えるためのアルミナ板Ｘを挟み込み一体化させたものである。
積層型圧電変換子５０と発生した電圧を測定するためのオシロスコープ５２とを耐熱同軸ケーブル（０．５ｍ）で接続し、また加振センサ５１に振動を発生させるための発信器５３を同軸ケーブルで接続した。
耐熱同軸ケーブル接続後、積層型圧電変換子５０及び加振センサ５１を任意の温度環境を作ることができる図示しない電気炉内に配設した。
【００３８】
図１０は、本試験に用いた圧電変換子の構造を模式的に示す説明図である。図１０に示すように、Ｓｉ基板６３上に窒化アルミニウム製の圧電体６１（静電容量：２１０ｐＦ）を形成し、Ｓｉ基板の表面のうち圧電体６１が形成された面と反対側の面に白金製で薄膜状の電極６５をＳｉ基板６３の縁から延出するように形成した。
また、同様にＳｉ基板６４上に窒化アルミニウム製の圧電体６２（静電容量：２００ｐＦ）を形成し、Ｓｉ基板の表面のうち圧電体６２が形成された面と反対側の面に白金製で薄膜状の電極６６をＳｉ基板６４上に形成した。なお、圧電体６１と圧電体６２の底面積は同一にした。
【００３９】
そして、圧電体６１と圧電体６２とで白金製の第一導体６０を挟み込んで接合した。Ｓｉ基板６３よりも底面積が大きいアルミナ板Ｘを、Ｓｉ基板６３の電極６５が接合されている側の面に接合した。このとき、第一導体６５も併せてアルミナ板Ｘに接合した。
【００４０】
第二導体として耐熱性の導線を用い、電極６５と電極６６を接続することで、圧電体６１と圧電体６２を導通させ、該導線とオシロスコープ５２とを耐熱同軸ケーブルで接続した。また、電極６０とオシロスコープ５２を耐熱同軸ケーブルで接続した。
【００４１】
図１１は、加振センサの構造を模式的に示す説明図である。図１１に示すように、Ｓｉ基板７０上に窒化アルミニウム製の圧電体７１（静電容量：２００ｐＦ）を形成し、該圧電体７１の上に圧電体７１と同じ底面積を持つ白金製の電極７２を接合する。また、Ｓｉ基板の表面のうち圧電体７１と対向する面に白金製で薄膜状の電極７３を接合する。
Ｓｉ基板７０よりも底面積が大きいアルミナ板ＸにＳｉ基板７０を接合した。このとき電極７３も併せてアルミナ板Ｘに接合した。
【００４２】
次に試験方法について述べる。電気炉内部の温度を１００℃に設定し、電気炉内部の温度が定値に達したことを確認後、圧電変換子及び加振センサを電気炉内に挿入した。
そして、発信器から２００ｋＨｚの電圧信号を加振センサ対して発信し、加振センサに振動を発生させた。加振センサが発生させた振動がアルミナ板を通して圧電変換子に伝え、圧電変換子に電圧を発生させた。その発生させた電圧をオシロスコープで検出し、その結果を記録した。試験結果を表１に示した。
【００４３】
〔実施例２〕
電気炉内の温度を２００℃としたこと以外は全て実施例１と同様の手順で行った。その結果及び実施例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表１に示す。
【００４４】
〔実施例３〕
電気炉内の温度を３００℃としたこと以外は全て実施例１と同様の手順で行った。その結果及び実施例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表１に示す。
【００４５】
〔実施例４〕
電気炉内の温度を４００℃としたこと以外は全て実施例１と同様の手順で行った。その結果及び実施例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表１に示す。
【００４６】
〔実施例５〕
電気炉内の温度を５００℃としたこと以外は全て実施例１と同様の手順で行った。その結果及び実施例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表１に示す。
【００４７】
〔実施例６〕
電気炉内の温度を６００℃としたこと以外は全て実施例１と同様の手順で行った。その結果及び実施例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表１に示す。
【００４８】
〔実施例７〕
電気炉内の温度を７００℃としたこと以外は全て実施例１と同様の手順で行った。その結果及び実施例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表１に示す。
【００４９】
〔実施例８〕
電気炉内の温度を８００℃としたこと以外は全て実施例１と同様の手順で行った。その結果及び実施例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表１に示す。
【００５０】
〔実施例９〕
電気炉内の温度を９００℃としたこと以外は全て実施例１と同様の手順で行った。その結果及び実施例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表１に示す。
【００５１】
〔実施例１０〕
電気炉内の温度を１０００℃としたこと以外は全て実施例１と同様の手順で行った。その結果及び実施例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表１に示す。
【００５２】
〔比較例１〕
加振センサと同一の構造で、且つ実施例１で使用した圧電体と同じ底面積の圧電体を用いて作成した従来の圧電変換子１００を、圧電変換子５０の代わりに用い、実施例１と同一の試験を行った（図１２参照）。その試験結果を表２に実施例１と比較して示す。
【００５３】
〔比較例２〕
電気炉内の温度を２００℃としたこと以外は全て比較例１と同様の手順で行った。その結果及び比較例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表２に示す。
【００５４】
〔比較例３〕
電気炉内の温度を３００℃としたこと以外は全て比較例１と同様の手順で行った。その結果及び比較例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表２に示す。
【００５５】
〔比較例４〕
電気炉内の温度を４００℃としたこと以外は全て比較例１と同様の手順で行った。その結果及び比較例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表２に示す。
【００５６】
〔比較例５〕
電気炉内の温度を５００℃としたこと以外は全て比較例１と同様の手順で行った。その結果及び比較例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表２に示す。
【００５７】
〔比較例６〕
電気炉内の温度を６００℃としたこと以外は全て比較例１と同様の手順で行った。その結果及び比較例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表２に示す。
【００５８】
〔比較例７〕
電気炉内の温度を７００℃としたこと以外は全て比較例１と同様の手順で行った。その結果及び比較例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表２に示す。
【００５９】
〔比較例８〕
電気炉内の温度を８００℃としたこと以外は全て比較例１と同様の手順で行った。その結果及び比較例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表２に示す。
【００６０】
〔比較例９〕
電気炉内の温度を９００℃としたこと以外は全て比較例１と同様の手順で行った。その結果及び比較例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表２に示す。
【００６１】
〔比較例１０〕
電気炉内の温度を１０００℃としたこと以外は全て比較例１と同様の手順で行った。その結果及び比較例１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表２に示す。
【００６２】
〔表１〕
【００６３】
〔表２〕
【００６４】
表１及び表２から分かるように、実施例では電気炉内の温度が同軸ケーブルの浮遊容量が急増する温度である８００℃のときの電圧の減衰率は８．９０％である。一方、比較例の場合、電気炉内の温度が８００℃になると電圧の減衰率は３０．１％となる。
また、実施例において電気炉内の温度が１０００℃のときの減衰率が５４．２％であるのに対し、比較例の場合の減衰率は７９．４％である。
以上のことより、本発明の圧電変換子は同軸ケーブルの浮遊容量が増大する高温下であっても感度を低下させることなく正確に測定することが可能であることが分かる。
【００６５】
〔実施例１１〕
実施例１で、圧電変換子とオシロスコープとを接続する同軸ケーブルの長さを変化させて測定試験を行う。
実施例１と同一の実験装置を用い、圧電変換子５０とオシロスコープ５２とを接続する同軸ケーブルの長さを０．４０ｍとし、電気炉内部の温度を２５℃としたこと以外は全て実施例１と同様の手順で行った。その試験結果を表３に示す。
【００６６】
〔実施例１２〕
同軸ケーブルの長さを１．５ｍとしたこと以外は全て実施例１１と同様の手順で行った。その試験結果及び実施例１１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表３に示す。
【００６７】
〔実施例１３〕
同軸ケーブルの長さを２．９ｍとしたこと以外は全て実施例１１と同様の手順で行った。その試験結果及び実施例１１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表３に示す。
【００６８】
〔実施例１４〕
同軸ケーブルの長さを５．７ｍとしたこと以外は全て実施例１１と同様の手順で行った。その試験結果及び実施例１１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表３に示す。
【００６９】
〔実施例１５〕
同軸ケーブルの長さを１２ｍとしたこと以外は全て実施例１１と同様の手順で行った。その試験結果及び実施例１１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表３に示す。
【００７０】
〔実施例１６〕
同軸ケーブルの長さを２５ｍとしたこと以外は全て実施例１１と同様の手順で行った。その試験結果及び実施例１１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表３に示す。
【００７１】
〔実施例１７〕
同軸ケーブルの長さを５３ｍとしたこと以外は全て実施例１１と同様の手順で行った。その試験結果及び実施例１１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表３に示す。
【００７２】
〔比較例１１〕
比較例１で用いた従来の圧電型の圧電センサ用いたこと以外は全て実施例１１と同様の手順で行った。その試験結果を表４に示す。
【００７３】
〔比較例１２〕
同軸ケーブルの長さを１．５ｍとしたこと以外は全て比較例１１と同様の手順で行った。その試験結果及び比較例１１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表４に示す。
【００７４】
〔比較例１３〕
同軸ケーブルの長さを２．９ｍとしたこと以外は全て比較例１１と同様の手順で行った。その試験結果及び比較例１１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表４に示す。
【００７５】
〔比較例１４〕
同軸ケーブルの長さを５．７ｍとしたこと以外は全て比較例１１と同様の手順で行った。その試験結果及び比較例１１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表４に示す。
【００７６】
〔比較例１５〕
同軸ケーブルの長さを１２ｍとしたこと以外は全て比較例１１と同様の手順で行った。その試験結果及び比較例１１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表４に示す。
【００７７】
〔比較例１６〕
同軸ケーブルの長さを２５ｍとしたこと以外は全て比較例１１と同様の手順で行った。その試験結果及び比較例１１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表４に示す。
【００７８】
〔比較例１７〕
同軸ケーブルの長さを５３ｍとしたこと以外は全て比較例１１と同様の手順で行った。その試験結果及び比較例１１で示した電圧を基準とした電圧の減衰率を表４に示す。
【００７９】
〔表３〕
【００８０】
〔表４〕
表３及び表４から分かるように、本発明の圧電変換子は、接続される同軸ケーブルの長さが長くなったとしても、その感度を極力低下させることなく測定可能である。
【００８１】
以上、本発明について説明したが、本発明はその目的を逸脱しない範囲で、これらの形態に囚われることなく、自由に実施の形態を変えても良い。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】図１は、圧電変換子と同軸ケーブルとの電気的な接続を示した回路図である。
【図２】図２は、同軸ケーブルの静電容量と温度の関係を示したグラフである。
【図３】図３は、本発明の構造を示した模式図である。
【図４】図４は、本発明の圧電変換子と等価な回路図である。
【図５】図５は、複数個の圧電素子を電気的に並列に接続する方法を示した模式図である。
【図６】図６は、複数個の圧電素子を電気的に並列に接続した場合と等価な回路図である。
【図７】図７は、第二導体に金属板を用いた積層型圧電変換子を模式的に示す説明図である。
【図８】図８は、第二導体に金属板を用いた圧電素子を複数個並列に接続させた様子を示す模式図である。
【図９】図９は、実施例で使用した実験装置を模式的に示す説明図である。
【図１０】図１０は、本試験に用いた圧電変換子の構造を模式的に示す説明図である。
【図１１】図１１は、加振センサの構造を模式的に示す説明図である。
【図１２】図１２は、比較例で使用した実験装置を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００８３】
１ 圧電体
２ 圧電体
３ 第一導体
３１ 第一導体
３２ 第一導体
４ 第二導体
４１ 第二導体
４２ 第二導体
５ 測定器
５０ 積層型圧電変換子
５１ 加振センサ
５２ オシロスコープ
５３ 発信器
６０ 第一導体
６１ 圧電体
６２ 圧電体
６３ Ｓｉ基板
６４ Ｓｉ基板
６５ 電極
６６ 電極
７０ Ｓｉ基板
７１ 圧電体
７２ 電極
７３ 電極
Ｘ アルミナ板
Ｚ 圧電素子
Ｚ１ 圧電素子
Ｚ２ 圧電素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導線に接続された圧電変換子であって、第一導体を二枚の圧電体で挟み込んでなる圧電素子を有し、前記二枚の圧電体の第一導体に対向する表面同士を導通させるための第二導体を備えることを特徴とする積層型圧電変換子。
【請求項２】
複数個の前記圧電素子が電気的に並列に接続され、且つそれらが積み重なった状態であることを特徴とする請求項１記載の積層型圧電変換子。
【請求項３】
第二導体が金属板であることを特徴とする請求項１記載の積層型圧電変換子。
【請求項４】
複数個の圧電素子が積み重ねられていることを特徴とする請求項３記載の積層型圧電変換子。
【請求項５】
圧電体が窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項１記載の積層型圧電変換子。
【請求項６】
使用される温度が８００℃以上であることを特徴とする請求項１記載の積層型圧電変換子。
【請求項７】
前記導線の長さが１ｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の積層型圧電変換子。
【請求項１】
導線に接続された圧電変換子であって、第一導体を二枚の圧電体で挟み込んでなる圧電素子を有し、前記二枚の圧電体の第一導体に対向する表面同士を導通させるための第二導体を備えることを特徴とする積層型圧電変換子。
【請求項２】
複数個の前記圧電素子が電気的に並列に接続され、且つそれらが積み重なった状態であることを特徴とする請求項１記載の積層型圧電変換子。
【請求項３】
第二導体が金属板であることを特徴とする請求項１記載の積層型圧電変換子。
【請求項４】
複数個の圧電素子が積み重ねられていることを特徴とする請求項３記載の積層型圧電変換子。
【請求項５】
圧電体が窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項１記載の積層型圧電変換子。
【請求項６】
使用される温度が８００℃以上であることを特徴とする請求項１記載の積層型圧電変換子。
【請求項７】
前記導線の長さが１ｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の積層型圧電変換子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００７−３１１４８１（Ｐ２００７−３１１４８１Ａ）
【公開日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１３７８８１（Ｐ２００６−１３７８８１）
【出願日】平成１８年５月１７日（２００６．５．１７）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月１７日（２００６．５．１７）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
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