(57)【要約】【課題】より簡易で且つ安価な流体計測センサを提供する。【解決手段】流体計測センサ１０を、圧電素子部２と、圧電素子部２の一方の表面上に設けられた突起部材１とで構成する。圧電素子部２は、圧電部材３、圧電部材３を挟んで対向する位置に形成された一対の第１電極からなる第１電極対、及び、圧電部材３を挟んで対向する位置に形成された一対の第２電極からなり且つ第１電極対に対して第１方向に所定距離だけ離れて形成された第２電極対を有する。そして、突起部材１の圧電素子部２側の面の第１方向の幅が、前記所定距離より大きく、突起部材１の圧電素子部２側の面の中心が、第１及び第２電極対間の中心と同軸上に位置するように構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電部材、該圧電部材を挟んで対向する位置に形成された一対の第１電極からなる第１電極対、及び、該圧電部材を挟んで対向する位置に形成された一対の第２電極からなり且つ前記第１電極対に対して第１方向に所定距離だけ離れて形成された第２電極対を有する圧電素子部と、
前記圧電素子部の一方の表面上に設けられた突起部材とを備え、
前記突起部材の前記圧電素子部側の面の前記第１方向の幅が、前記所定距離より大きく、前記突起部材の前記圧電素子部側の面の中心が、前記第１及び第２電極対間の中心と同軸上に位置する
流体計測センサ。
【請求項２】
前記圧電素子部が、さらに、前記圧電部材を挟んで対向する位置に形成された一対の第３電極からなる第３電極対、及び、前記圧電部材を挟んで対向する位置に形成された一対の第４電極からなり且つ前記第３電極対に対して前記第１方向と直交する第２方向に前記所定距離だけ離れて形成された第４電極対を有し、
前記第３電極対及び前記第４電極対が、前記第１及び第２電極対間の中心に対して対称となる位置に形成されている
請求項１に記載の流体計測センサ。
【請求項３】
前記突起部材を複数備え、
複数の前記突起部材が、前記圧電素子部の前記一方の表面上に配列され、
前記突起部材毎に、前記第１〜第４電極対が設けられている
請求項２に記載の流体計測センサ。
【請求項４】
前記複数の突起部材が、一体的に形成されている
請求項３に記載の流体計測センサ。
【請求項５】
前記突起部材の形状が、前記圧電素子部側の面が正方形である四角錘であり、
前記第１方向が、前記突起部材の前記圧電素子部側の面の一方の対辺方向と一致し、
前記第２方向が、前記突起部材の前記圧電素子部側の面の他方の対辺方向と一致する
請求項２〜４のいずれか一項に記載の流体計測センサ。
【請求項６】
圧電部材、該圧電部材を挟んで対向する位置に形成された一対の第１電極からなる第１電極対、及び、該圧電部材を挟んで対向する位置に形成された一対の第２電極からなり且つ前記第１電極対に対して第１方向に所定距離だけ離れて形成された第２電極対を有する圧電素子部、並びに、前記圧電素子部の一方の表面上に設けられた突起部材を備え、前記突起部材の前記圧電素子部側の面の前記第１方向の幅が、前記所定距離より大きく、前記突起部材の前記圧電素子部側の面の中心が、前記第１及び第２電極対間の中心と同軸上に位置する流体計測センサと、
流体から前記突起部材に加えられた圧力により、前記第１電極対に発生する第１電圧信号と、前記第２電極対に発生する第２電圧信号との第１差信号を生成する差動回路部と、
前記差動回路部で生成した前記第１差信号に基づいて、前記流体の流速及び流向の少なくとも一方を算出する算出部と
を備える流体計測器。
【請求項７】
前記突起部材の形状が、前記圧電素子部側の面が正方形である四角錘であり、
前記圧電素子部が、さらに、前記圧電部材を挟んで対向する位置に形成された一対の第３電極からなる第３電極対、及び、前記圧電部材を挟んで対向する位置に形成された一対の第４電極からなり且つ前記第３電極対に対して前記第１方向と直交する第２方向に前記所定距離だけ離れて形成された第４電極対を有し、
前記第３電極対及び前記第４電極対が、前記第１及び第２電極対間の中心に対して対称となる位置に形成され、
前記第１方向が、前記突起部材の前記圧電素子部側の面の一方の対辺方向と一致し、且つ、前記第２方向が、前記突起部材の前記圧電素子部側の面の他方の対辺方向と一致し、
前記差動回路部が、さらに、前記流体から前記突起部材に加えられた圧力により、前記第３電極対に発生する第３電圧信号と、前記第４電極対に発生する第４電圧信号との第２差信号を生成し、
前記算出部が、前記差動回路部で生成した前記第１及び第２差信号に基づいて、前記流体の流速及び流向の少なくとも一方を算出する
請求項６に記載の流体計測器。
【請求項８】
前記突起部材を複数備え、
複数の前記突起部材が、前記圧電素子部の前記一方の表面上に配列され、
前記突起部材毎に、前記第１〜第４電極対が設けられている
請求項７に記載の流体計測器。
【請求項９】
圧電部材、該圧電部材を挟んで対向する位置に形成された一対の第１電極からなる第１電極対、及び、該圧電部材を挟んで対向する位置に形成された一対の第２電極からなり且つ前記第１電極対に対して第１方向に所定距離だけ離れて形成された第２電極対を有する圧電素子部、並びに、前記圧電素子部の一方の表面上に設けられた突起部材を備え、前記突起部材の前記圧電素子部側の面の前記第１方向の幅が、前記所定距離より大きく、前記突起部材の前記圧電素子部側の面の中心が、前記第１及び第２電極対間の中心と同軸上に位置する流体計測センサと、
流体から前記突起部材に加えられた圧力により、前記第１電極対に発生する第１電圧信号と、前記第２電極対に発生する第２電圧信号との和信号を生成する加算回路部と、
前記加算回路部で生成した前記和信号に基づいて、前記流体の流量を算出する算出部と
を備える流体計測器。
【請求項１０】
前記突起部材の形状が、前記圧電素子部側の面が正方形である四角錘であり、
前記圧電素子部が、さらに、前記圧電部材を挟んで対向する位置に形成された一対の第３電極からなる第３電極対、及び、前記圧電部材を挟んで対向する位置に形成された一対の第４電極からなり且つ前記第３電極対に対して前記第１方向と直交する第２方向に前記所定距離だけ離れて形成された第４電極対を有し、
前記第３電極対及び前記第４電極対が、前記第１及び第２電極対間の中心に対して対称となる位置に形成され、
前記第１方向が、前記突起部材の前記圧電素子部側の面の一方の対辺方向と一致し、且つ、前記第２方向が、前記突起部材の前記圧電素子部側の面の他方の対辺方向と一致し、
前記加算回路部が、前記流体から前記突起部材に加えられた圧力により、前記第１電極対に発生する前記第１電圧信号と、前記第２電極対に発生する前記第２電圧信号と、前記第３電極対に発生する第３電圧信号と、前記第４電極対に発生する第４電圧信号との和信号を生成し、
前記算出部が、前記加算回路部で生成した前記和信号に基づいて、前記流体の流量を算出する
請求項９に記載の流体計測器。
【請求項１１】
前記突起部材を複数備え、
複数の前記突起部材が、前記圧電素子部の前記一方の表面上に配列され、
前記突起部材毎に、前記第１〜第４電極対が設けられている
請求項１０に記載の流体計測器。
【請求項１２】
圧電部材、該圧電部材を挟んで対向する位置に形成された一対の第１電極からなる第１電極対、及び、該圧電部材を挟んで対向する位置に形成された一対の第２電極からなり且つ前記第１電極対に対して第１方向に所定距離だけ離れて形成された第２電極対を有する圧電素子部、並びに、前記圧電素子部の一方の表面上に設けられた突起部材を備え、前記突起部材の前記圧電素子部側の面の前記第１方向の幅が、前記所定距離より大きく、前記突起部材の前記圧電素子部側の面の中心が、前記第１及び第２電極対間の中心と同軸上に位置する流体計測センサと、
流体から前記突起部材に加えられた圧力により、前記第１電極対に発生する第１電圧信号と、前記第２電極対に発生する第２電圧信号との第１差信号を生成する差動回路部と、
前記差動回路部で生成した前記第１差信号に基づいて、前記流体の流速及び流向の少なくとも一方を算出する第１算出部と、
前記第１電圧信号と、前記第２電圧信号との和信号を生成する加算回路部と、
前記加算回路部で生成した前記和信号に基づいて、前記流体の流量を算出する第２算出部と
を備える流体計測器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の例えば流速、流動方向、流量等を計測する流体計測センサ及びそれを備える流体計測器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、気体、液体、蒸気等の流体の流速、流動方向（以下、流向という）及び／又は流量を計測するための種々の流体計測器が開発され、様々な技術分野で適用されている。例えば、種々の流速計、流量計及び流向計が、河川等の監視システム等に用いられている。また、種々の風速計、風向計及び風向計等が例えば気象観測システム等に用いられている。
【０００３】
これらの流体計測器を、その計測原理で分類すると、機械式と電気式とに分類することができる。機械式の流体計測器としては、従来、例えばプロペラ等の回転子を利用したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このタイプの流体計測器では、流速等をプロペラの回転数で換算して計測する。
【０００４】
一方、電気式の流体計測器としては、従来、例えば熱線式の流体計測器が提案されている（例えば、特許文献２参照）。このタイプの流体計測器は、温度依存型の抵抗素子を備えており、この抵抗素子に電流を流した際の抵抗素子の温度をモニターして流体の流速等を計測する。具体的には、発熱した抵抗素子に例えば風等の流体が当たれば、抵抗素子の熱が流体により奪われ、抵抗素子の温度が下がる。熱線式の流体計測器では、このような抵抗素子の温度変化を流速等に換算する。
【０００５】
また、従来、電気式の流体計測器として、圧電素子を用いて風の向き及び強さを計測するセンサも提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１５９６３８号公報
【特許文献２】特開２００３−７５４６１号公報
【特許文献３】米国特許第４，６１５，２１４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のように、従来、種々の流体計測器が様々な分野で適用されているが、実用化されている流体計測器は、一般に、大型で且つ高価なものが多い。
【０００８】
本発明は、上記状況を鑑みなされたものであり、本発明の目的は、より簡易な構成を有し且つ安価な流体計測センサ及びそれを備える流体計測器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の流体計測センサは、圧電素子部と、圧電素子部の一方の表面上に設けられた突起部材とを備える構成とする。また、圧電素子部は、圧電部材、該圧電部材を挟んで対向する位置に形成された一対の第１電極からなる第１電極対、及び、該圧電部材を挟んで対向する位置に形成された一対の第２電極からなり且つ第１電極対に対して第１方向に所定距離だけ離れて形成された第２電極対を有する構成とする。そして、突起部材の圧電素子部側の面の第１方向の幅が、所定距離より大きく、突起部材の圧電素子部側の面の中心が、第１及び第２電極対間の中心と同軸上に位置する構成とする。
【００１０】
本発明の第１の流体計測器は、上記本発明の流体計測センサと、差動回路部と、算出部とを備える構成とし、各部の機能は次の通りである。差動回路部は、流体から突起部材に加えられた圧力により、第１電極対に発生する第１電圧信号と、第２電極対に発生する第２電圧信号との第１差信号を生成する。また、算出部は、差動回路部で生成した第１差信号に基づいて、流体の流速及び流向の少なくとも一方を算出する。
【００１１】
また、本発明の第２の流体計測器は、上記本発明の流体計測センサと、加算回路部と、算出部とを備える構成とし、各部の機能は次の通りとする。加算回路部は、流体から突起部材に加えられた圧力により、第１電極対に発生する第１電圧信号と、第２電極対に発生する第２電圧信号との和信号を生成する。また、算出部は、加算回路部で生成した和信号に基づいて、流体の流量を算出する。
【００１２】
さらに、本発明の第３の流体計測器は、上記本発明の流体計測センサと、差動回路部と、第１算出部と、加算回路部と、第２算出部とを備える構成とし、各部の機能は次の通りとする。差動回路部は、流体から突起部材に加えられた圧力により、第１電極対に発生する第１電圧信号と、第２電極対に発生する第２電圧信号との第１差信号を生成する。第１算出部は、差動回路部で生成した第１差信号に基づいて、流体の流速及び流向の少なくとも一方を算出する。加算回路部は、第１電圧信号と、第２電圧信号との和信号を生成する。そして、第２算出部は、加算回路部で生成した和信号に基づいて、流体の流量を算出する。
【発明の効果】
【００１３】
上述のように、本発明の流体計測センサは、圧電素子部上に、突起部材を設けただけの構成であるので、その構成はより簡易であり、低コストで作製することができる。それゆえ、本発明によれば、より簡易な構成を有し且つ安価な流体計測センサ及びそれを備えた流体計測器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る流体計測センサの概略斜視図である。
【図２】図２（ａ）は、第１の実施形態の圧電素子部の概略上面図であり、図２（ｂ）は、圧電素子部の概略側面図であり、図２（ｃ）は、圧電素子部の概略下面図である。
【図３】図３は、第１の実施形態の流体計測センサの動作を説明するための図である。
【図４】図４は、第１の実施形態の流体計測センサの動作を説明するための図である。
【図５】図５は、第１の実施形態の流体計測センサを用いた流速流向計の概略構成図である。
【図６】図６は、第１の実施形態の流体計測センサを用いた流速流向計の等価回路図である。
【図７】図７は、第１の実施形態の流体計測センサを用いた流量計の概略構成図である。
【図８】図８は、第１の実施形態の流体計測センサを用いた流量計の等価回路図である。
【図９】図９は、流量の計測原理を説明するための図である。
【図１０】図１０は、第１の実施形態の流体計測センサを用いた別の流体計測器の等価回路図である。
【図１１】図１１は、変形例１の流体計測センサの電極構成図である。
【図１２】図１２は、変形例２の流体計測センサの電極構成図である。
【図１３】図１３は、本発明の第２の実施形態に係る流体計測センサの概略斜視図である。
【図１４】図１４（ａ）は、第２の実施形態の流体計測センサの概略側面図であり、図１４（ｂ）は、流体計測センサの概略上面図である。
【図１５】図１５は、第２の実施形態の流体計測センサを用いた流体計測計の概略構成図である。
【図１６】図１６は、変形例３の流体計測センサで用いる突起シートの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明の実施形態を、添付図面を参照しながら以下の順で説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではない。
１．第１の実施形態：流体計測センサ及び流体計測器の基本構成例
２．第２の実施形態：複数の突起部を二次元に配列した流体計測センサ及び流体計測器の構成例
【００１６】
＜１．第１の実施形態＞
［流体計測センサの構成］
図１に、本発明の第１の実施形態に係る流体計測センサ（以下、流体センサという）の概略斜視図を示す。本実施形態の流体センサ１０は、主に、突起部１（突起部材）と、その底面側に設けられた圧電素子部２とで構成される。なお、突起部１は、例えば接着部材等の固定手段（不図示）により、圧電素子部２に接着固定される。
【００１７】
本実施形態の流体センサ１０は、突起部１に流体が当たった際に、流体により突起部１に加えられた圧力が圧電素子部２において電圧信号に変換される。そして、後述する本実施形態の流体計測器（流速流向計及び／又は流量計）は、流体センサ１０で発生した電圧信号に基づいて、流体の状態（流速、流向及び流量）を計測する。
【００１８】
まず、突起部１の構成を説明する。突起部１は、四角錘状（ピラミッド状）の突起部材で構成し、その延在方向は、圧電素子部２の表面の法線方向（図１中のｚ方向）とする。また、本実施形態では、突起部１の底面（圧電素子部２側の面）は正方形とする。なお、突起部１の形状は、四角錘に限定されず、例えば用途等に応じて適宜変更することができる。
【００１９】
例えば、突起部１の形状を円錐、円柱、四角以外の多角錘等で形成してもよい。また、突起部１の底面を例えば長方形にしてもよい。さらに、流体の流動方向が一方向であるような用途に対しては、突起部１を板状部材で構成してもよい。また、突起部１の側面を曲面で構成してもよい。さらに、突起部１の内部は、空洞であってもよいし、空洞でなくてもよい。
【００２０】
なお、本実施形態の流体センサ１０では、流体が突起部１の側面に当たった際の圧力を突起部１の底面を介して圧電素子部２に伝えるので、突起部１の形状は、流体により加えられる圧力を圧電素子部２に伝えやすい形状にすることが好ましい。このような観点では、本実施形態のように、突起部１の形状を、その底面から先端に向かって径が小さくなるような形状にすることが好ましい。なお、突起部１の底面の寸法や突起部１の高さ（図１中のｚ方向の長さ）は、例えば用途等に応じて適宜設定される。
【００２１】
また、突起部１は、任意の絶縁性材料で形成することができ、例えば絶縁性の樹脂材料（プラスチック）で形成することができる。また、突起部１と圧電素子部２との間に例えば絶縁層等を設けた場合には、突起部１を導電性の材料で形成してもよい。ただし、流体センサ１０のコストや量産性等を考慮した場合には、成形加工可能な樹脂材料で、突起部１を形成することが好ましい。
【００２２】
次に、圧電素子部２の構成を説明する。圧電素子部２は、圧電シート３（圧電部材）と、４つの電極対からなる電極対群４とで構成される。各電極対は、圧電シート３を挟んで対向する位置に配置された一対の電極で構成される。すなわち、本実施形態では、圧電素子部２内に４つの圧電素子が形成される。そして、本実施形態の圧電素子部２では、流体が突起部１に当たった際に加えられる圧力を各圧電素子で電圧信号に変換する。
【００２３】
ここで、圧電素子部２の構成を、図２（ａ）〜（ｃ）を参照しながらより詳細に説明する。なお、図２（ａ）は、圧電素子部２の概略上面図であり、図２（ｂ）は、圧電素子部２の概略側面図であり、そして、図２（ｃ）は、圧電素子部２の概略下面図である。
【００２４】
圧電素子部２は、図２（ｂ）に示すように、主に、圧電シート３と、圧電シート３の突起部１側の表面（以下、上面という）に形成された上部電極群４１と、圧電シート３の突起部１側とは反対側の表面（以下、下面という）に形成された下部電極群４２とで構成される。また、圧電素子部２の表面形状は正方形であり、各辺の長さは、突起部１の底面の一辺と略同じである。そして、圧電素子部２の各辺が、突起部１の底面の対応する各辺と一致するように、突起部１が圧電素子部２上に取り付けられる。
【００２５】
圧電シート３は、加えられた圧力を電圧信号に変換することが可能な圧電材料からなるシート状（フィルム状）部材である。なお、圧電シート３の表面は正方形であり、各辺の長さは、突起部１の底面の一辺と略同じである。
【００２６】
圧電シート３の形成材料としては、従来の圧電センサ等に用いられる圧電材料を用いることができる。例えば、ＰＶＤＦ（Polyvinylidene Difluoride）フィルムセンサ等に用いられるピエゾフィルムや圧電セラミックスなどを圧電シート３の形成材料として用いることができる。また、圧電シート３の厚さは、例えば、約２０〜２００μｍ程度とすることができる。なお、圧電シート３の形成材料及び厚さ等の構成は、これに限定されず、例えば用途や必要とする検出感度等に応じて適宜設定することができる。
【００２７】
上部電極群４１は、図２（ａ）に示すように、４つの二等辺三角形状の上部電極４１Ａ〜４１Ｄ（以下、それぞれ第１上部電極４１Ａ〜第４上部電極４１Ｄという）で構成される。本実施形態では、第１上部電極４１Ａ〜第４上部電極４１Ｄ（第１〜第４電極）は全て同じ形状とする。なお、第１上部電極４１Ａ〜第４上部電極４１Ｄの各底辺の長さは、圧電シート３の辺の長さより短くし、高さは、圧電シート３の辺の半分の長さより短くする。
【００２８】
本実施形態では、第１上部電極４１Ａ及び第２上部電極４１Ｂは、圧電シート３（突起部１の底面）の一方の対辺方向（図２（ａ）中のｘ方向：第１方向）において、互いに所定間隔離れて対向するように配置される。また、この際、第１上部電極４１Ａ及び第２上部電極４１Ｂは、両者の頂角部同士が対向するように配置され、且つ、圧電シート３の中心に対して対称となるように配置される。なお、第１上部電極４１Ａ及び第２上部電極４１Ｂの対向方向における間隔は、例えば約１ｍｍ程度とすることができるが、本発明はこれに限定されず、例えば用途等に応じて適宜設定することができる。
【００２９】
また、本実施形態では、第３上部電極４１Ｃ及び第４上部電極４１Ｄは、第１上部電極４１Ａ及び第２上部電極４１Ｂの対向方向に対して直交する方向（図２（ａ）中のｙ方向：第２方向）において、互いに所定間隔離れて対向するように配置される。また、この際、第３上部電極４１Ｃ及び第４上部電極４１Ｄは、両者の頂角部同士が対向するように配置され、且つ、圧電シート３の中心に対して対称となるように配置される。なお、本実施形態では、第３上部電極４１Ｃ及び第４上部電極４１Ｄの対向方向における間隔は、第１上部電極４１Ａ及び第２上部電極４１Ｂのそれと同じとする。
【００３０】
さらに、本実施形態では、第１上部電極４１Ａ〜第４上部電極４１Ｄを、互いに接しないように配置する。なお、圧電シート３の周回方向に隣り合う上部電極間の距離は、例えば約１ｍｍ程度とすることができるが、本発明はこれに限定されず、例えば用途等に応じて適宜設定することができる。
【００３１】
上述のように各上部電極を圧電シート３の上面に配置することにより、第１上部電極４１Ａ〜第４上部電極４１Ｄからなる上部電極群４１の電極パターンは、図２（ａ）に示すように、圧電シート３の中心から見て、ｘ方向及びｙ方向の両方に対称となる。
【００３２】
各上部電極は、任意の金属材料で形成することができ、例えば、銀や金等で形成することができる。なお、各電極の形成材料は、例えば用途、流体センサ１０の使用環境等を考慮して適宜設定される。また、各上部電極の厚さは、全て同じ厚さであり、例えば約１００μｍ程度とすることができる。ただし、本発明はこれに限定されず、各上部電極の厚さは、例えば用途等に応じて適宜設定することができる。
【００３３】
下部電極群４２は、図２（ｃ）に示すように、４つの二等辺三角形状の下部電極４２Ａ〜４２Ｄ（以下、それぞれ第１下部電極４２Ａ〜第４下部電極４２Ｄという）で構成される。本実施形態では、第１下部電極４２Ａ〜第４下部電極４２Ｄ（第１〜第４電極）は全て同じ形状とする。また、本実施形態では、第１下部電極４２Ａ〜第４下部電極４２Ｄの構成（形状、寸法、形成材料等）は、第１上部電極４１Ａ〜第４上部電極４１Ｄの構成と同じとする。
【００３４】
本実施形態では、第１下部電極４２Ａ及び第２下部電極４２Ｂは、圧電シート３（突起部１の底面）の一方の対辺方向（図２（ｃ）中のｘ方向）において、互いに所定距離離れて対向するように配置される。なお、第１下部電極４２Ａ及び第２下部電極４２Ｂの対向方向における間隔は、第１上部電極４１Ａ及び第２上部電極４１Ｂのそれと同じとする。また、この際、第１下部電極４２Ａ及び第２下部電極４２Ｂは、両者の頂角部同士が対向するように配置され、且つ、圧電シート３の中心に対して対称となるように配置される。
【００３５】
また、本実施形態では、第３下部電極４２Ｃ及び第４下部電極４２Ｄは、第１下部電極４２Ａ及び第２下部電極４２Ｂの対向方向に対して直交する方向（図２（ｃ）中のｙ方向）において、互いに所定間隔離れて対向するように配置される。なお、第３下部電極４２Ｃ及び第４下部電極４２Ｄの対向方向における間隔は、第３上部電極４１Ｃ及び第４上部電極４１Ｄのそれと同じとする。また、この際、第３下部電極４２Ｃ及び第４下部電極４２Ｄは、両者の頂角部同士が対向するように配置され、且つ、圧電シート３の中心に対して対称となるように配置される。
【００３６】
さらに、本実施形態では、第１下部電極４２Ａ〜第４下部電極４２Ｄを、互いに接しないように配置する。
【００３７】
上述のように各下部電極を圧電シート３の下面に配置することにより、第１下部電極４２Ａ〜第４下部電極４２Ｄからなる下部電極群４２の電極パターンは、図２（ｃ）に示すように、圧電シート３の中心から見て、ｘ方向及びｙ方向の両方に対称となる。そして、第１下部電極４２Ａ〜第４下部電極４２Ｄは、圧電シート３を挟んで、それぞれ第１上部電極４１Ａ〜第４上部電極４１Ｄと対向する位置に配置される。
【００３８】
上述のように、圧電シート３を挟んで、上部電極群４１と下部電極群４２とを配置することにより、圧電素子部２内には、４つの圧電素子ＰＡ〜ＰＤが構成される。具体的には、第１上部電極４１Ａ及び第１下部電極４２Ａ（第１電極対）間、第２上部電極４１Ｂ及び第２下部電極４２Ｂ（第２電極対）間、第３上部電極４１Ｃ及び第３下部電極４２Ｃ（第３電極対）間、並びに、第４上部電極４１Ｄ及び第４下部電極４２Ｄ（第４電極対）間に、それぞれ圧電素子ＰＡ〜ＰＤが構成される。
【００３９】
［流体センサの動作］
次に、本実施形態の流体センサの動作を、図３及び４を参照しながら具体的に説明する。なお、図３は、圧電素子部２内の圧電素子ＰＡ及びＰＢの対向方向（図３中のｘ方向）において、流体１００が圧電素子ＰＢ側から圧電素子ＰＡ側に向かって移動（流動）する場合の様子を示す図である。また、図４は、圧電素子部２内の圧電素子ＰＣ及びＰＤの対向方向（図４中のｙ方向）において、流体１００が圧電素子ＰＤ側から圧電素子ＰＣ側に向かって移動する場合の様子を示す図である。
【００４０】
流体１００が圧電素子ＰＢ側から圧電素子ＰＡ側に向かって移動する場合（図３の場合）、圧電素子ＰＡ〜ＰＤと対向する突起部１の４つの側面（以下、対向側面という）のうち、圧電素子ＰＣ及びＰＤの各対向側面は、流体１００の流動方向（図４中のｘ方向）と平行になるので、これらの側面に加わる圧力は同じになる。それゆえ、圧電素子ＰＣ及びＰＤにそれぞれ発生する電圧信号ＶＣ及びＶＤ（第３及び第４電圧信号）は同じ値になる。
【００４１】
一方、圧電素子ＰＡ及びＰＢの各対向側面は、その面内方向が流体１００の流動方向と交差するので、圧電素子ＰＡ及びＰＢの各対向側面に加わる圧力は、圧電素子ＰＣ及びＰＤの各対向側面に加わる圧力と異なる。その結果、圧電素子ＰＡ及びＰＢにそれぞれ発生する電圧信号ＶＡ及びＶＢ（第１及び第２電圧信号）は、圧電素子ＰＣ及びＰＤにそれぞれ発生する電圧信号ＶＣ及びＶＤと異なった値となる。
【００４２】
さらに、流体１００の流動方向において、圧電素子ＰＢの対向側面は、圧電素子ＰＡの対向側面より上流側に位置するので、圧電素子ＰＢの対向側面に加わる圧力は、圧電素子ＰＡの対向側面のそれより大きくなる。この結果、圧電素子ＰＡに発生する電圧信号ＶＡは、圧電素子ＰＢに発生する電圧信号ＶＢと異なる。
【００４３】
すなわち、図３に示すように、流体１００が圧電素子ＰＢ側から圧電素子ＰＡ側に向かって移動する場合には、圧電素子ＰＡ〜ＰＤでそれぞれ発生する電圧信号ＶＡ〜ＶＤの間には、ＶＡ≠ＶＢ≠ＶＣ＝ＶＤという関係が生じる。
【００４４】
また、流体１００が圧電素子ＰＤ側から圧電素子ＰＣ側に向かって移動する場合（図４の場合）、圧電素子ＰＡ及びＰＢの各対向側面は、流体１００の流動方向（図４中のｙ方向）と平行になるので、これらの側面に加わる圧力は同じになる。それゆえ、圧電素子ＰＡ及びＰＢにそれぞれ発生する電圧信号ＶＡ及びＶＢは同じ値になる。
【００４５】
一方、圧電素子ＰＣ及びＰＤの各対向側面は、その面内方向が流体１００の流動方向と交差するので、圧電素子ＰＣ及びＰＤの各対向側面に加わる圧力は、圧電素子ＰＡ及びＰＢの各対向側面に加わる圧力と異なる。その結果、圧電素子ＰＣ及びＰＤにそれぞれ発生する電圧信号ＶＣ及びＶＢは、圧電素子ＰＡ及びＰＢにそれぞれ発生する電圧信号ＶＡ及びＶＢと異なった値となる。
【００４６】
さらに、流体１００の流動方向において、圧電素子ＰＤの対向側面は、圧電素子ＰＣの対向側面より上流側に位置するので、圧電素子ＰＤの対向側面に加わる圧力は、圧電素子ＰＣの対向側面のそれより大きくなる。この結果、圧電素子ＰＣに発生する電圧信号ＶＣは、圧電素子ＰＤに発生する電圧信号ＶＤと異なる。
【００４７】
すなわち、図４に示すように、流体１００が圧電素子ＰＤ側から圧電素子ＰＣ側に向かって移動する場合には、圧電素子ＰＡ〜ＰＤでそれぞれ発生する電圧信号ＶＡ〜ＶＤの間には、ＶＡ＝ＶＢ≠ＶＣ≠ＶＤという関係が生じる。
【００４８】
上述のように、電圧信号ＶＡ〜ＶＤ（第１〜第４電圧信号）間の大小関係は、圧電シート３の面内における、流体１００の流体センサ１０に対する相対的な流向に依存して変化する。なお、各電圧信号ＶＡ〜ＶＤの大きさは、流体１００から流体センサ１０に加えられる圧力、すなわち、流体１００の流速または流量により変化する。
【００４９】
本実施形態の流体センサ１０では、上述のように、流体センサ１０に当たる流体１００の流動状態（流速、流向、流量等）に応じて、圧電素子ＰＡ〜ＰＤのそれぞれで発生する電圧信号ＶＡ〜ＶＤが変化する。それゆえ、本実施形態では、流体センサ１０内の４つの圧電素子ＰＡ〜ＰＤのそれぞれで発生する電圧信号ＶＡ〜ＶＤを検出することにより、流体１００の流動状態を計測（検出）することができる。
【００５０】
［流速流向計の構成］
次に、本実施形態の流体センサ１０を用いて流体の流速及び流向を計測する流体計測器（以下、流速流向計という）の構成例を説明する。図５に、本実施形態の流速流向計の概略構成を示す。なお、図５には、説明を簡略化するため、流体の速度及び流向の検出に必要な構成部のみを示す。
【００５１】
流速流向計２０は、流体センサ１０と、差動回路部２１と、流速流向算出部２４（算出部）とを備える。流体センサ１０は、図１で説明した本実施形態の流体センサ１０であるので、ここでは、その説明は省略する。なお、図５では、説明を簡略化するため、流体センサ１０としては、圧電素子部２のみを示す。また、図５では、圧電素子部２の第１上部電極４１Ａ〜第４上部電極４１Ｄと差動回路部２１との間の配線を実線で示し、第１下部電極４２Ａ〜第４下部電極４２Ｄ（図５では不図示）と差動回路部２１との間の配線を点線で示す。
【００５２】
差動回路部２１は、主に、２つの差動増幅器２２及び２３（以下、それぞれ第１差動増幅器２２及び第２差動増幅器２３という）で構成される。
【００５３】
本実施形態では、第１差動増幅器２２の「−」極性の入力端子は、第１上部電極４１Ａ及び第４下部電極４２Ｄに接続される。また、第１差動増幅器２２の「＋」極性の入力端子は、第２上部電極４１Ｂ及び第３下部電極４２Ｃに接続される。なお、本発明はこれに限定されず、第１差動増幅器２２の「−」極性の入力端子に第２上部電極４１Ｂ及び第３下部電極４２Ｃを接続し、「＋」極性の入力端子に第１上部電極４１Ａ及び第４下部電極４２Ｄを接続してもよい。
【００５４】
第１差動増幅器２２は、圧電素子ＰＡで発生する電圧信号ＶＡと、圧電素子ＰＢで発生する電圧信号ＶＢとの差分信号Ｘ＿ｏｕｔ（第１差信号）を生成する。すなわち、第１差動増幅器２２は、図５中のｘ方向に沿って配置された２つの圧電素子で発生する各電圧信号の差分信号を生成する。そして、第１差動増幅器２２の出力端子は、流速流向算出部２４に接続されており、第１差動増幅器２２は、生成した差分信号Ｘ＿ｏｕｔを流速流向算出部２４に出力する。
【００５５】
一方、第２差動増幅器２３の「−」極性の入力端子は、第３上部電極４１Ｃ及び第１下部電極４２Ａに接続される。また、第２差動増幅器２３の「＋」極性の入力端子は、第４上部電極４１Ｄ及び第２下部電極４２Ｂに接続される。なお、本発明はこれに限定されず、第２差動増幅器２３の「−」極性の入力端子に第４上部電極４１Ｄ及び第２下部電極４２Ｂを接続し、「＋」極性の入力端子に第３上部電極４１Ｃ及び第１下部電極４２Ａを接続してもよい。
【００５６】
第２差動増幅器２３は、圧電素子ＰＣで発生する電圧信号ＶＣと、圧電素子ＰＤで発生する電圧信号ＶＤとの差分信号Ｙ＿ｏｕｔ（第２差信号）を生成する。すなわち、第２差動増幅器２３は、図５中のｙ方向に沿って配置された２つの圧電素子で発生する各電圧信号の差分信号を生成する。そして、第２差動増幅器２３の出力端子は、流速流向算出部２４に接続されており、第２差動増幅器２３は、生成した差分信号Ｙ＿ｏｕｔを流速流向算出部２４に出力する。
【００５７】
流速流向算出部２４は、例えばマイクロコンピュータ（マイクロプロセッサ）等（不図示）で構成され、差動回路部２１から出力された２つの差分信号Ｘ＿ｏｕｔ及びＹ＿ｏｕｔに基づいて、流体の流速及び流向を算出する。なお、流体の流速及び流向の具体的な算出手法については、後で説明する。
【００５８】
なお、本実施形態の流速流向計２０では、流速流向算出部２４で算出した流体の流速及び流向の表示、並びに、流体の流速及び流向のデータ記憶は外部機器で行ってもよい。また、流速流向計２０が、流速流向算出部２４で算出した流体の流速及び流向を表示する表示部、並びに／又は、流体の流速及び流向のデータを記憶するメモリ部を備えていてもよい。
【００５９】
また、図５に示す例では、流体の流速及び流向の両方を測定する流体計測器の例を説明したが、本発明はこれに限定されない。図５に示す流体計測器２０を、流体の流速及び流向の一方のみを計測する流体計測器として用いてもよい。
【００６０】
ここで、図６に、本実施形態の流速流向計２０の等価回路を示す。なお、流体センサ１０内に形成される各圧電素子は、等価回路では、電圧源で表わされ、図６中に記載の各電圧源の極性「＋」及び「−」は、それぞれ、各圧電素子の上部電極及び下部電極の端子に対応する。
【００６１】
流速流向計２０の等価回路では、図６に示すように、流体センサ１０は、圧電素子ＰＡ〜ＰＤに対応する４つの電圧源をブリッジ回路に接続した構成になる。そして、圧電素子ＰＡの電圧源の「＋」側端子と圧電素子ＰＤの電圧源の「−」側端子との接続点が、第１差動増幅器２２の「−」極性の入力端子に接続される。また、圧電素子ＰＢの電圧源の「＋」側端子と圧電素子ＰＣの電圧源の「−」側端子との接続点が、第１差動増幅器２２の「＋」極性の入力端子に接続される。また、圧電素子ＰＣの電圧源の「＋」側端子と圧電素子ＰＡの電圧源の「−」側端子との接続点が、第２差動増幅器２３の「−」極性の入力端子に接続される。そして、圧電素子ＰＤの電圧源の「＋」側端子と圧電素子ＰＢの電圧源の「−」側端子との接続点が、第２差動増幅器２３の「＋」極性の入力端子に接続される。
【００６２】
［流速及び流向の算出手法］
次に、本実施形態の流速流向計２０の流速流向算出部２４における流速及び流向の算出手法を簡単に説明する。
【００６３】
まず、流速流向算出部２４は、差動回路部２１から出力された２つの差分信号Ｘ＿ｏｕｔ及びＹ＿ｏｕｔに基づいて、流体の流速及び流向に関するパラメータを下記の２式により求める。
【００６４】
【数１】
2011080844.tif 000003
【００６５】
【数２】
2011080844.tif 000004
【００６６】
なお、上記式２中の括弧内のＹ＿ｏｕｔ／Ｘ＿ｏｕｔは、Ｘ＿ｏｕｔ／Ｙ＿ｏｕｔとしてもよい。
【００６７】
上述のように、本実施形態の流体センサ１０では、流体センサ１０に当たる流体の相対的な流向及び流速に応じて、圧電素子ＰＡ〜ＰＤでそれぞれ発生する電圧信号ＶＡ〜ＶＤの大きさ及び大小関係が変化する。それゆえ、上記式１及び式２でそれぞれ示す流速パラメータ及び流向パラメータもまた、流体センサ１０に当たる流体の相対的な流向及び流速に応じて変化する。
【００６８】
次いで、流速流向算出部２４は、予め用意された上記流速パラメータ及び流向パラメータと流体の流動状態（流速、流向等）との対応関係を示す情報テーブル等を参照して、算出した流速パラメータ及び流向パラメータに対応する流体の流速及び流向を求める。本実施形態の流速流向計２０では、このようにして、流体の流速及び流向を算出する。
【００６９】
なお、流体の実際の流動状態と、流動パラメータ（流速パラメータ及び流向パラメータ）との対応関係を示す情報テーブル等のデータの参照手法については、計測時に、流速流向算出部２４が、情報テーブル等のデータが予め記憶された外部機器からそのデータを読み込むようにしてもよい。また、流速流向算出部２４がメモリ部を有し、該メモリ部に流体の流動状態と流動パラメータとの対応関係を示す情報テーブル等を記憶しておいてもよい。
【００７０】
［流量計の構成］
図５及び６に示す例では、本実施形態の流体センサ１０を流速流向計２０に適用した例を説明したが、本発明はこれに限定されない。本実施形態の流体センサ１０は、例えば、スラリー（固体微粒子を含む流体）内の固体微粒子の流量や、時間的に不連続に流動する流体の流量（例えば雨量等）などを計測する流量計（流体計測器）にも適用することができる。
【００７１】
図７に、本実施形態の流量計の概略構成を示す。なお、図７には、説明を簡略化するため、流量の検出に必要な構成部のみを示す。また、図７において、図５に示す流速流向計２０と同じ構成には同じ符号を付して示す。
【００７２】
流量計３０は、流体センサ１０と、加算回路部３１と、流量算出部３４（算出部）とを備える。流体センサ１０は、図１で説明した本実施形態の流体センサ１０であるので、ここでは、その説明は省略する。なお、図７では、説明を簡略化するため、流体センサ１０としては、圧電素子部２のみを示す。また、図７では、圧電素子部２の第１上部電極４１Ａ〜第４上部電極４１Ｄと加算回路部３１との間の配線を実線で示し、第１下部電極４２Ａ〜第４下部電極４２Ｄ（図７では不図示）と加算回路部３１との間の配線を点線で示す。
【００７３】
加算回路部３１は、フィルタ回路部３２と、加算器３３とを備える。
【００７４】
フィルタ回路部３２は、コンデンサ３２ａ及び抵抗３２ｂからなるハイパスフィルタを複数有する。具体的には、フィルタ回路部３２は、加算回路部３１の入力端子と同数（４つ）のハイパスフィルタで構成される
【００７５】
各ハイパスフィルタ内のコンデンサ３２ａの入力端子（フィルタ回路部３２の入力端子）は、流体センサ１０の４つの出力端子（電圧信号ＶＡ〜ＶＤの出力端子）のうちの対応する出力端子に接続される。また、コンデンサ３２ａの出力端子は、抵抗３２ｂの一方の端子に接続されるとともに、加算器３３の対応する入力端子に接続される。さらに、抵抗３２ｂの他方の端子は接地される。
【００７６】
なお、後述するように、例えば、スラリー内の固体微粒子や時間的に不連続に流動する流体（以下、不連続流体という）の流量は、流体センサ１０から出力されるパルス状の電圧信号に基づいて算出する。それゆえ、本実施形態では、加算器３３の前段に複数のハイパスフィルタからなるフィルタ回路部３２を設け、パルス状の電圧信号に対する低周波数域のノイズの影響を除去する。
【００７７】
加算器３３は、フィルタ回路部３２を介して入力される電圧信号ＶＡ〜ＶＤ（第１〜第４電圧信号）を加算する。そして、加算器３３の出力端子は、流量算出部３４に接続されており、加算器３３は、生成した加算信号（和信号）を流量算出部３４に出力する。
【００７８】
流量算出部３４は、例えばマイクロコンピュータ（マイクロプロセッサ）等（不図示）で構成され、加算回路部３１から出力された電圧信号ＶＡ〜ＶＤの加算信号に基づいて、流体の流量を算出する。なお、流体の流量の具体的な算出手法については、後で説明する。
【００７９】
また、本実施形態の流量計３０では、流量算出部３４で算出した流量の表示、並びに、流量のデータ記憶は外部機器で行ってもよいし、流量計３０が、流量算出部３４で算出した流体の流量を表示する表示部、並びに／又は、流体の流量データを記憶するメモリ部を備えていてもよい。
【００８０】
ここで、図８に、本実施形態の流量計３０の等価回路を示す。なお、流体センサ１０内に形成される各圧電素子は、等価回路では、電圧源で表わされ、図８中に記載の各電圧源の極性「＋」及び「−」は、それぞれ、各圧電素子の上部電極及び下部電極の端子に対応する。
【００８１】
流量計３０の等価回路では、図８に示すように、圧電素子ＰＡ〜ＰＤに対応する４つの電圧源をブリッジ回路に接続した構成になる。そして、圧電素子ＰＡの電圧源の「＋」側端子と圧電素子ＰＤの電圧源の「−」側端子との接続点が、加算回路部３１の電圧信号ＶＡの入力端子に接続される。また、圧電素子ＰＢの電圧源の「＋」側端子と圧電素子ＰＣの電圧源の「−」側端子との接続点が、加算回路部３１の電圧信号ＶＢの入力端子に接続される。また、圧電素子ＰＣの電圧源の「＋」側端子と圧電素子ＰＡの電圧源の「−」側端子との接続点が、加算回路部３１の電圧信号ＶＣの入力端子に接続される。さらに、圧電素子ＰＤの電圧源の「＋」側端子と圧電素子ＰＢの電圧源の「−」側端子との接続点が、加算回路部３１の電圧信号ＶＤの入力端子に接続される。
【００８２】
［流量の算出手法］
次に、本実施形態の流量計３０の流量算出部３４における流量の算出手法を簡単に説明する。
【００８３】
不連続流体が流体センサ１０の突起部１に当たると、その時間帯だけ流体センサ１０に圧力が加わるので、流体センサ１０の各圧電素子から出力される電圧信号もその時間帯だけ増大する。すなわち、不連続流体が流体センサ１０の突起部１に当たった場合、流体センサ１０の各圧電素子からはパルス状の電圧信号が出力される。それゆえ、この場合、加算回路部３１から出力される電圧信号ＶＡ〜ＶＤの加算信号（和信号）も、パルス状の不連続な電圧信号となる。
【００８４】
図９に、不連続流体が流体センサ１０の突起部１に当たった際に、加算回路部３１から出力される加算信号の信号波形例を示す。なお、図９の横軸は時間であり、縦軸は加算信号の信号レベルを示す。
【００８５】
不連続流体が流体センサ１０の突起部１に当たった場合、上述のように、不連続流体が流体センサ１０の突起部１に当たった時間帯にのみパルス状の信号３５が現れる。このような信号波形において、パルス状の信号３５の発生間隔ΔＴ、及び、パルス状の信号３５の信号幅Δτは、不連続流体の流量に依存して変化する。具体的には、不連続流体の流量が大きくなると、パルス状の信号３５の発生間隔ΔＴは狭くなり、パルス状の信号３５の信号幅Δτは大きくなる。
【００８６】
そこで、流量算出部３４は、予め用意されたパルス状の信号３５の発生間隔ΔＴ及び信号幅Δτ（波形パラメータ）と、不連続流体の流量との対応関係を示す情報テーブル等を参照して、算出した加算信号の波形パレメータに対応する流量を求める。本実施形態の流量計３０では、このようにして、流体の流量を算出する。
【００８７】
なお、流体の実際の流量と、波形パラメータ（パルス状の信号３５の発生間隔ΔＴ及び信号幅Δτ）との対応関係を示す情報テーブル等のデータの参照手法については、計測時に、流量算出部３４が、情報テーブル等のデータが予め記憶された外部機器からそのデータを読み込むようにしてもよい。また、流量算出部３４がメモリ部を有し、該メモリ部に流体の流量と波形パラメータとの対応関係を示す情報テーブル等を記憶しておいてもよい。
【００８８】
上述のように、図５に示す例では、本実施形態の流体センサ１０を流速流向計２０に適用する例を説明し、図７に示す例では、流体センサ１０を流量計３０に適用する例を説明したが、本発明はこれに限定されない。本実施形態の流体センサ１０を、流体の流速、流向及び流量が全て計測可能な流体計測器に適用することもできる。
【００８９】
図１０に、本実施形態の流体センサ１０を用いて流体の流速、流向及び流量を計測する流体計測器の構成例を示す。なお、図１０において、図５に示す流速流向計２０及び図７に示す流量計３０の構成と同じ構成には、同じ符号を付して示す。
【００９０】
流体計測器５０は、流体センサ１０と、流体センサ１０の出力端子に接続された差動回路部２１と、差動回路部２１の出力端子に接続された流速流向算出部２４（第１算出部）と、流体センサ１０の出力端子に接続された加算回路部３１と、加算回路部３１の出力端子に接続された流量算出部３４（第２算出部）とを備える。
【００９１】
なお、流体センサ１０は図１で説明した本実施形態の流体センサ１０と同様の構成である。差動回路部２１及び流速流向算出部２４は、図５で説明した流速流向計２０のそれらと同様の構成である。また、加算回路部３１及び流量算出部３４は、図７で説明した流量計３０のそれらと同様の構成である。
【００９２】
図１０に示す流体計測器５０では、流体センサ１０の電圧信号ＶＡ〜ＶＣの４つの出力端子に対して、差動回路部２１の４つの入力端子と、加算回路部３１の４つの入力端子とが並列に接続される。このような回路構成にすることにより、差動回路部２１及び流速流向算出部２４の回路系からは、上述した流速及び流向の算出手法と同様にして、流体の流速及び流向が出力される。一方、加算回路部３１及び流量算出部３４の回路系からは、上述した流量の算出手法と同様にして、流量が出力される。
【００９３】
上述した本実施形態の流体センサ１０及び種々の流体計測器では、次のような効果が得られる。
【００９４】
本実施形態の流体センサ１０は、圧電素子部２上に突起部１を設けただけの簡易な構成であるので、低コストで作製することができる。それゆえ、本実施形態によれば、より簡易な構成有し且つ安価な流体センサ１０及びそれを供える流体計測器を提供することができる。
【００９５】
さらに、本実施形態の流体センサ１０では、上述した流体の流動状態（流速、流向、流量等）の算出原理（算出手法）から明らかなように、突起部１の大きさとは無関係に流体の流動状態を検出することができるので、より小型の流体センサを提供することができる。
【００９６】
また、従来の例えばプロペラ等の回転子を利用した流速流向計では、最低でも、回転子が１回転しなければ流体の流速及び流向が測定できない。さらに、従来の流量計では、所定時間内に流れる流体の量を直接測定して流量を求める。すなわち、これらの従来の流体計測器では、リアルタイムで流体の状態を計測することは困難である。それに対して、本実施形態の流体計測器では、流体センサ１０から時々刻々（例えば数ｍｓｅｃ以下の間隔で）出力される電圧信号に基づいて、流体の流速、流向及び流量を求めることができる。それゆえ、本実施形態の流体計測器では、従来に比べて、よりリアルタイムで流体の流動状態を計測することができる。
【００９７】
［変形例１］
上記第１の実施形態では、圧電素子部２の圧電シート３の寸法を突起部１の底面のそれと略同じとし、突起部１で上部電極群４１全体を覆うような構成を説明した。また、上記第１の実施形態では、上部電極群４１及び下部電極群４２をそれぞれ構成する４つの電極の形状を二等辺三角形とする例を説明した。しかしながら、圧電シート及び電極の構成（例えば形状、寸法等）は、これに限定されず、例えば用途等に応じて適宜変更できる。変形例１では、圧電シート及び電極の構成の一変形例を示す。
【００９８】
図１１に、変形例１の流体センサの圧電素子部の概略上面図を示す。なお、図１１中の点線６４は、圧電素子部６０上に配置される突起部の底面の辺部を示す。ただし、この例では、突起部は、上記第１の実施形態の突起部１と同様の構成とする。また、この例の流体センサでは、突起部１の底面６４の中心と、圧電シート６３の中心とが同軸上に配置されるように突起部１が圧電素子部６０の上面に配置される。
【００９９】
圧電素子部６０は、主に、圧電シート６３と、圧電シート６３の上面に形成された４つの上部電極６１Ａ〜６１Ｄ（第１上部電極〜第４上部電極）と、圧電シート６３の下面に形成された４つの下部電極（不図示）とで構成される。
【０１００】
圧電シート６３は、第１の実施形態の圧電シート３と同様の材料及び厚さで形成される。また、この例では、圧電シート６３の表面形状は、正方形とし、その一辺の長さは、突起部１の底面６４（正方形）の対角方向の長さ以上とする。
【０１０１】
第１上部電極６１Ａ〜第４上部電極６１Ｄは、表面が正方形状の金属膜で形成され、全て同じ形状とする。そして、第１上部電極６１Ａ〜第４上部電極６１Ｄの各辺の長さは、圧電シート６３の一辺の半分の長さより短くする。
【０１０２】
また、この例では、第１上部電極６１Ａ及び第２上部電極６１Ｂは、圧電シート６３の一方の対角方向（図１１中のｘ方向）において、互いに所定間隔離れて対向するように配置される。この際、第１上部電極６１Ａ及び第２上部電極６１Ｂは、両者の角部同士が対向するように配置され、且つ、圧電シート６３の中心に対して対称となるように配置される。
【０１０３】
一方、第３上部電極６１Ｃ及び第４上部電極６１Ｄは、圧電シート６３の他方の対角方向（図１１中のｙ方向）において、互いに所定間隔離れて対向するように配置される。また、この際、第３上部電極６１Ｃ及び第４上部電極６１Ｄは、両者の角部同士が対向するように配置し、且つ、圧電シート６３の中心に対して対称となるように配置する。なお、第３上部電極６１Ｃ及び第４上部電極６１Ｄの対向方向における間隔は、第１上部電極６１Ａ及び第２上部電極６１Ｂのそれと同じとする。
【０１０４】
さらに、図１１に示す例では、第１上部電極６１Ａ〜第４上部電極６１を、互いに接しないように配置する。なお、図１１に示す例では、第１上部電極６１Ａ〜第４上部電極６１Ｄを、圧電シート６３の４つの角にそれぞれ配置する。
【０１０５】
上述のように各上部電極を配置することにより、第１上部電極６１Ａ〜第４上部電極６１からなる上部電極群の電極パターンは、圧電シート６３の中心から見て、ｘ方向及びｙ方向の両方に対称となる。
【０１０６】
なお、圧電シート６３の下面に形成された図示しない４つの下部電極は、第１上部電極６１Ａ〜第４上部電極６１Ｄの構成と同じ構成を有し、圧電シート６３を挟んで、第１上部電極６１Ａ〜第４上部電極６１Ｄと対向する位置にそれぞれ配置される。
【０１０７】
上述のように、圧電シート６３を挟んで、第１上部電極６１Ａ〜第４上部電極６１Ｄとそれらに対応する４つの下部電極とを配置することにより、圧電素子部６０内には、第１の実施形態と同様に、４つの圧電素子ＰＡ〜ＰＤが構成される。
【０１０８】
上述のように流体センサを構成することにより、第１の実施形態と同様に、流体センサに当たる流体の流動状態（例えば、流速、流向及び流量）に応じて、圧電素子ＰＡ〜ＰＤのそれぞれで発生する電圧信号ＶＡ〜ＶＤの大きさ及び大小関係が変化する。それゆえ、この例の流体センサ及びそれを用いた流体計測器においても、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１０９】
さらに、この例では、圧電素子部６０の表面寸法が、突起部１の底面６４の寸法以上となるので、突起部１の設置がより容易になる。
【０１１０】
［変形例２］
上記第１の実施形態では、圧電素子部内に４つの圧電素子を形成する例を説明したが、本発明はこれに限定されず、圧電素子部内に設ける圧電素子の数は、例えば用途等に応じて適宜設定できる。なお、上述した差分信号を用いる流体計測器（流速流向計）では、圧電素子部内に設ける圧電素子の数は、偶数であることが好ましい。また、流体の流動方向が主に一方向であるような用途に対しては、圧電素子部内に設ける圧電素子の数を２個にしてもよい。変形例２では、その一例を説明する。
【０１１１】
図１２に、変形例２の流体センサの圧電素子部の概略上面図を示す。圧電素子部６５は、主に、圧電シート６８と、圧電シート６８の上面に形成された２つの上部電極６６Ａ及び６６Ｂ（第１上部電極及び第２上部電極）と、圧電シート６８の下面に形成された２つの下部電極（不図示）とで構成される。
【０１１２】
なお、この例では、流体センサの突起部は、上記第１の実施形態の突起部１（図１）と同様の構成とする。また、この例では、突起部１の底面の中心と、圧電シート６８の中心とが同軸上に配置されるように、突起部１が圧電素子部６５の上面に配置される。さらに、突起部１の底面の各辺と、それに対応する圧電素子部６５の各辺とが一致するように、突起部１が圧電素子部６５の上面に配置される。
【０１１３】
圧電シート６８は、第１の実施形態の圧電シート３と同様の材料及び厚さで形成される。また、この例では、圧電シート６８の表面形状は、正方形とし、その一辺の長さは、圧電素子部６５上に配置される突起部１の一辺の長さと略同じにする。
【０１１４】
第１上部電極６６Ａ及び第２上部電極６６Ｂは、ともに表面が長方形状の金属膜で形成され、同じ寸法を有する。そして、第１上部電極６６Ａ及び第２上部電極６６Ｂのそれぞれにおいて、長辺の長さは圧電シート６８の一片の長さと同じとし、短辺の長さは圧電シート６８の一辺の半分の長さより短くする。
【０１１５】
また、この例では、第１上部電極６６Ａ及び第２上部電極６６Ｂは、圧電シート６８の一方の対辺方向（図１２中のｘ方向）において、互いに所定間隔離れて対向するように配置される。この際、第１上部電極６６Ａ及び第２上部電極６６Ｂは、両者の一方の長辺同士が対向するように配置され、且つ、圧電シート６８の中心に対して対称となるように配置される。なお、第１上部電極６６Ａ及び第２上部電極６６Ｂの対向方向における間隔は、例えば約１ｍｍ程度とすることができるが、本発明はこれに限定されず、例えば用途等に応じて適宜設定することができる。
【０１１６】
また、圧電シート６８の下面に形成された図示しない２つの下部電極は、第１上部電極６６Ａ及び第２上部電極６６Ｂの構成と同じ構成を有し、圧電シート６８を挟んで、第１上部電極６６Ａ及び第２上部電極６６Ｂと対向する位置にそれぞれ配置される。
【０１１７】
上述のようにして圧電シート６８を挟んで、第１上部電極６６Ａ及び第２上部電極６６Ｂとそれらに対応する２つの下部電極とを配置することにより、圧電素子部６５内には、２つの圧電素子ＰＡ及びＰＢが構成される。
【０１１８】
このような構成の流体センサは、流体が第１上部電極６６Ａ及び第２上部電極６６Ｂの対向方向（図１２中のｘ方向）にのみ流動する用途に適用可能である。このような用途に対しては、第１の実施形態と同様に、流体センサに当たる流体の流動状態（例えば、流速、流向及び流量）に応じて、圧電素子ＰＡ及びＰＢでそれぞれ発生する電圧信号ＶＡ及びＶＢの大きさ及び大小関係が変化する。それゆえ、この例の流体センサ及びそれを用いた流体計測器では、上述した用途において、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１１９】
＜２．第２の実施形態＞
上記第１の実施形態では、一つのシート状の圧電素子部上に、１つの突起部を設けた流体センサの例を説明したが、本発明はこれに限定されず、一つのシート状の圧電素子部上に、複数の突起部を設けてもよい。第２の実施形態では、そのような構成の一例を説明する。
【０１２０】
［流体計測センサの構成］
図１３に、本発明の第２の実施形態に係る流体センサの概略斜視図を示す。本実施形態の流体センサ７０は、主に、複数の突起部７１ａ（突起部材）からなる突起群７１と、突起群７１の下部に設けられた圧電素子部７２とで構成される。
【０１２１】
複数の突起部７１ａは、圧電素子部７２の一方の表面（図１３では上面）上に２次元に規則的に配列される。この際、隣り合う突起部７１ａの底面の対向する辺同士が接するように配置される。さらに、圧電素子部７２の外周端に設けられる複数の突起部７１ａは、その底面の圧電素子部７２の外周端側の辺が対応する圧電素子部７２の辺と一致するように配置される。すなわち、この例の流体センサ７０では、複数の突起部７１ａが、圧電素子部７２の全面に渡って、２次元に敷き詰められた構成となる。
【０１２２】
各突起部７１ａは、全て同じ構成であり、第１の実施形態の流体センサ１０（図１）で用いた突起部１と同様の構成である。また、突起部７１ａは、第１の実施形態の突起部１と同様の形成材料で形成することができる。なお、各突起部７１ａの底面及び高さの寸法は、例えば圧電素子部７２の寸法、突起部１の配列数に応じて適宜設定される。例えば、圧電素子部７２の外周寸法を５０〜１００ｍｍ×５０〜１００ｍｍとし、突起部７１ａを１０個×１０個で配列する場合を考えると、突起部７１ａの底面の一辺の寸法は例えば約５〜１０ｍｍとなる。この場合、突起部７１ａの高さ（図１３中のｚ方向の長さ）も、例えば約５〜１０ｍｍとすることができる。
【０１２３】
なお、ここでは、突起部７１ａの形状を、第１の実施形態と同様に、四角錘とするが、本発明はこれに限定されない。突起部７１ａの形状は、例えば用途等に応じて適宜変更することができる。
【０１２４】
例えば、突起部７１ａの形状を円錐、円柱、四角以外の多角錘等で形成してもよい。また、突起部７１ａの底面を例えば長方形にしてもよい。流体の流動方向が一方向であるような用途に対しては、突起部７１ａを板状部材で構成してもよい。また、突起部７１ａの側面を曲面で構成してもよい。さらに、突起部７１ａの内部は、空洞であってもよいし、空洞でなくてもよい。
【０１２５】
なお、本実施形態の流体センサ７０では、流体が突起部７１ａの側面に当たった際の圧力を突起部７１ａの底面を介して圧電素子部７２に伝えるので、突起部７１ａの形状は、流体から加えられた圧力を圧電素子部７２に伝えやすい形状にすることが好ましい。このような観点では、本実施形態のように、突起部７１ａの形状を、その底面から先端に向かって径が小さくなるような形状にすることが好ましい。
【０１２６】
また、突起部７１ａの配列数及び配列形態は、例えば用途等に応じて適宜設定される。例えば、突起部７１ａの一方の方向の配列数と、他方の方向の配列数が異なっていてもよいし、突起部７１ａを１次元状に配列してもよい。また、突起部７１ａをランダムに配列してもよい。さらに、異なる構成（形状、寸法等）の突起部を配列してもよい。
【０１２７】
次に、本実施形態の圧電素子部２の構成を、図１４（ａ）及び（ｂ）を用いて説明する。なお、図１４（ａ）は、本実施形態の流体センサ７０の概略側面図であり、図１４（ｂ）は、流体センサ７０の概略上面図である。ただし、図１４（ａ）及び（ｂ）では、説明を簡略化するため、圧電素子部７２の一つの角部付近の構成のみを示す。
【０１２８】
圧電素子部７２は、主に、圧電シート７３（圧電部材）と、圧電シート７３の上面（突起部７１ａ側の表面）に形成された上部電極群７４と、圧電シート７３の下面に形成された下部電極群７５とで構成される。
【０１２９】
圧電シート７３は、第１の実施形態の流体センサ１０（図１）で用いた圧電シート３と同様に、加えられた圧力を電圧信号に変換することが可能な圧電材料からなるシート状（フィルム状）部材で形成される。圧電シート７３の表面は正方形であり、各辺の長さは、（突起部７１ａの底面の一辺）×（一方向の突起部７１ａの配列数）と略同じである。また、圧電シート７３の形成材料及び厚さは、第１の実施形態の圧電シート３と同様の材料及び厚さで形成することができる。なお、圧電シート７３の形成材料及び厚さ等の構成は、例えば用途や必要とする検出感度等に応じて適宜設定することができる。
【０１３０】
上部電極群７４は、図１４（ｂ）に示すように、複数の上部電極部７６で構成され、各上部電極部７６は、突起部７１ａ毎に設けられる。各上部電極部７６は、４つの二等辺三角形状の第１上部電極７６Ａ〜第４上部電極７６Ｄから構成される。
【０１３１】
第１上部電極７６Ａ〜第４上部電極７６Ｄ（第１〜第４電極）の構成は、第１の実施形態の流体センサ１０で用いた第１上部電極４１Ａ〜第４上部電極４１Ｄ（図２（ａ））と同様の構成である。また、これらの上部電極と、それに対応する突起部７１ａとの配置関係は、第１の実施形態（図１）の第１上部電極４１Ａ〜第４上部電極４１Ｄと突起部１との配置関係と同様である。なお、本実施形態では、第１上部電極７６Ａ及び第２上部電極７６Ｂを、圧電素子部７２の一方の対辺方向（図１４（ｂ）ではｘ方向：第１方向）に沿って互いに所定間隔だけ離れて形成し、第３上部電極７６Ｃ及び第４上部電極７６Ｄは、圧電素子部７２の他方の対辺方向（図１４（ｂ）ではｙ方向：第２方向）に沿って互いに所定間隔だけ離れて形成する。
【０１３２】
また、下部電極群７５は、複数の下部電極部（不図示）で構成され、各下部電極部は、突起部７１ａ毎に設けられる。各下部電極部の構成は、上部電極部７６と同様の構成（形状、寸法、形成材料等）である。また、各下部電極部は、対応する上部電極部７６と、圧電シート７３を挟んで対向する位置に配置される。すなわち、各下部電極部は、４つの二等辺三角形状の下部電極（不図示：第１〜第４電極）で構成され、その４つの下部電極は、圧電シート７３を挟んで第１上部電極７６Ａ〜第４上部電極７６Ｄとそれぞれ対向する位置に配置される。
【０１３３】
上述のように、圧電シート７３を挟んで、上部電極群７４と下部電極群７５とを配置することにより、圧電素子部７２内には、突起部７１ａ毎に、４つの圧電素子ＰＡ〜ＰＤが構成される。具体的には、第１上部電極７６Ａとそれに対向する下部電極と（第１電極対）の間、第２上部電極７６Ｂとそれに対向する下部電極と（第２電極対）の間、第３上部電極７６Ｃとそれに対向する下部電極と（第３電極対）の間、並びに、第４上部電極７６Ｄとそれに対向する下部電極と（第４電極対）の間に、それぞれ圧電素子ＰＡ〜ＰＤが構成される。
【０１３４】
すなわち、この例の流体センサ７０では、突起部７１ａ毎に、上記第１の実施形態の流体センサ１０（図１）と同等の構成のセンサ素子７７が形成される。それゆえ、各センサ素子７７は、第１の実施形態の流体センサ１０と同様に動作し、各センサ素子７７に当たる流体の状態（流速、流向及び流量）に応じて、各センサ素子７７を構成する圧電素子ＰＡ〜ＰＤでそれぞれ発生する電圧信号ＶＡ〜ＶＤが変化する。そして、この例の流体センサ７０では、各センサ素子７７で検出される電圧信号ＶＡ〜ＶＤを用いて、流体の流動状態（流動方向、流速、流量等）を計測（検出）する。
【０１３５】
［流体計測器の構成］
次に、本実施形態の流体センサ７０を適用した流体計測器の構成を説明する。図１５に、本実施形態の流体計測器の概略構成を示す。なお、図１５には、第１の実施形態で説明した種々の流体計測器（図５、７及び１０）と異なる構成部のみを示す。
【０１３６】
本実施形態の流体計測器８０は、流体センサ７０と、平均化回路部８１とを備える。なお、流体計測器８０を流速流向計として用いる場合には、第１の実施形態で説明した流速流向計２０（図５）と同様に、流体計測器８０は、さらに、平均化回路部８１の出力側に、差動回路部２１と、流速流向算出部２４（算出部）とを備える。また、この場合、流体計測器８０は、流速流向算出部２４で算出した流体の流速及び流向を表示する表示部、並びに／又は、流体の流速及び流向のデータを記憶するメモリ部を備えていてもよい。
【０１３７】
また、流体計測器８０を流量計として用いる場合には、第１の実施形態で説明した流量計３０（図７）と同様に、流体計測器８０は、さらに、平均化回路部８１の出力側に、加算回路部３１と、流量算出部３４（算出部）とを備える。また、この場合、流体計測器８０は、流量算出部３４で算出した流体の流量を表示する表示部、並びに／又は、流体の流量のデータを記憶するメモリ部を備えていてもよい。
【０１３８】
さらに、流体計測器８０を、流体の流速、流向及び流量が計測可能な流体計測器として用いる場合には、第１の実施形態で説明した流体計測器５０（図１０）と同様に、流体計測器８０は、さらに、平均化回路部８１の出力側に、差動回路部２１と、流速流向算出部２４（第１算出部）と、加算回路部３１と、流量算出部３４（第２算出部）とを備える。また、この場合、流体計測器８０は、計測した流動状態（流速、流向及び流量）を表示する表示部、並びに／又は、流体の流動状態のデータを記憶するメモリ部を備えていてもよい。
【０１３９】
本実施形態の流体センサ７０では、上述のように、センサ素子７７毎に４つの電圧信号ＶＡ〜ＶＤが出力される。それゆえ、複数のセンサ素子７７からなる流体センサ７０からは、図１５に示すように、センサ素子７７の数と同数の電圧信号ＶＡが平均化回路部８１に並列出力される。また同様に、流体センサ７０からは、センサ素子７７の数と同数の電圧信号ＶＢ〜ＶＤがそれぞれ平均化回路部８１に並列出力される。
【０１４０】
平均化回路部８１は、流体センサ７０から出力される、センサ素子７７の数と同数の電圧信号ＶＡを平均して平均電圧信号ＶＡｍを算出する。また、平均化回路部８１は、流体センサ７０から出力される、センサ素子７７の数と同数の電圧信号ＶＢを平均して平均電圧信号ＶＢｍを算出する。また、平均化回路部８１は、流体センサ７０から出力される、センサ素子７７の数と同数の電圧信号ＶＣを平均して平均電圧信号ＶＣｍを算出する。さらに、平均化回路部８１は、流体センサ７０から出力される、センサ素子７７の数と同数の電圧信号ＶＤを平均して平均電圧信号ＶＤｍを算出する。そして、平均化回路部８１は、算出した４つの平均電圧信号ＶＡｍ〜ＶＤｍを、差動回路部２１及び／又は加算回路部３１の対応する４つの入力端子にそれぞれ出力する。
【０１４１】
その後、流体計測器８０は、平均化回路部８１から出力された４つの平均電圧信号ＶＡｍ〜ＶＤｍに基づいて、第１の実施形態と同様にして、流体の流速、流向及び／又は流量を算出する。本実施形態では、このようにして、流体の流速、流向及び／又は流量を計測する。
【０１４２】
上述した本実施形態の流体センサ７０及び流体計測器８０では、次のような効果が得られる。
【０１４３】
本実施形態の流体センサ７０は、圧電素子部７２上に複数の突起部７１ａを設けただけの簡易な構成であるので、低コストで作製することができる。それゆえ、本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、より簡易な構成有し且つ安価な流体センサ７０及びそれを供える流体計測器を提供することができる。
【０１４４】
また、本実施形態では、圧電素子部７２上に配置する各突起部７１ａの寸法をより小さくすることができる。それゆえ、流体センサ７０の厚さをより薄く（シート化）することができ、流体センサ７０の小型化を図ることができる。
【０１４５】
また、本実施形態の流体計測器８０では、第１の実施形態と同様に、流体センサ７０から時々刻々（例えば数ｍｓｅｃ以下の間隔で）出力される電圧信号に基づいて、流体の流速、流向及び流量を求めることができる。それゆえ、本実施形態の流体計測器では、従来に比べて、よりリアルタイムで流体の流動状態を計測することができる。
【０１４６】
さらに、本実施形態では、複数のセンサ素子７７から出力される電圧信号を平均化して、流体の状態（流速、流向、流量等）を算出する。それゆえ、本実施形態では、外乱（ノイズ）の影響をより低減することができ、より高精度で流体の状態（流速、流向、流量等）を計測することができる。
【０１４７】
［変形例３］
上記第２の実施形態では、一つの圧電素子部７２上に複数の突起部７１ａを２次元に配列する構成例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、第１の実施形態の流体センサ１０を複数用意し、その複数の流体センサ１０を２次元に配列してもよい。また、例えば、複数の突起部を一体化した一枚の突起シートを、一つの圧電素子部７２上に配置してもよい。その一例（変形例３）を図１６に示す。
【０１４８】
図１６は、変形例３の流体センサで用いる突起シートの概略断面図である。なお、図１６では、説明を簡略化するため、突起シート９０の一部の断面を示す。
【０１４９】
突起シート９０は、その一方に表面に複数の突起部９１（突起部材）が連続的に形成される。この例では、隣接する突起部９１において対向する側面の底辺付近が、所定の厚さｔの接続部９２で連結される。なお、接続部９２の厚さｔは、できる限り薄くすることが好ましい。例えば、接続部９２の厚さΔｔは、約２０〜１００μｍで形成することができる。
【０１５０】
この例の構成では、突起シート９０は、従来の成形手法を用いて作製することができる。そして、この例の構成では、突起シート９０を圧電素子部上に貼り付けるだけで、圧電素子部上に複数の突起部９１を規則的に配列させることができる。それゆえ、この例では、流体センサをより低コストで且つより容易に作製することができる。
【符号の説明】
【０１５１】
１，７１ａ…突起部、２，７２…電圧素子部、３…圧電シート、４…電極対群、１０，７０…流体センサ、２０…流速流向計、２１…差動回路部、２２，２３…差動増幅器、２４…流速流向算出部、３０…流量計、３１…加算回路部、３２…フィルタ回路部、３３…加算器、３４…流量算出部、４１，７４…上部電極群、４１Ａ，７６Ａ…第１上部電極、４１Ｂ，７６Ｂ…第２上部電極、４１Ｃ，７６Ｃ…第３上部電極、４１Ｄ，７６Ｄ…第４上部電極、４２，７５…下部電極群、４２Ａ…第１下部電極、４２Ｂ…第２下部電極、４２Ｃ…第３下部電極、４２Ｄ…第４下部電極、５０，８０…流体計測器、７１…突起群、７６…上部電極部、７７…センサ素子、８１…平均化回路、ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤ…圧電素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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