(57)【要約】【課題】気室の体積変化により圧力平衡を図る構成であっても、設置安定性、外乱への耐性、および保管耐久性を備えたセンサ素子を提供する。【解決手段】励振部１２ａを有する圧電振動板１２と、圧電振動板１２により封止されると共に、励振部１２ａの一方の面を覆う空間を備えたケース１４と、ケース１４に付帯され、前記空間に連通すると共に外部空間に対する開放部を設けた調整領域１８ｂを有する圧力調整部１８と、前記開放部を封止すると共に、前記外部空間の圧力変化に起因して前記空間側に位置する調整領域１８ｂ内の容積を変化させるように動作する可動封止部材２０と、を備えたことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
励振部を有する圧電振動板と、
前記圧電振動板により封止されると共に、前記励振部の一方の面を覆う空間を備えたケースと、
前記ケースに付帯され、前記空間に連通すると共に外部空間に対する開放部を設けた調整領域を有する圧力調整部と、
前記開放部を封止すると共に、前記外部空間の圧力変化に起因して前記空間側に位置する前記調整領域内の容積を変化させるように動作する可動封止部材と、を備えたことを特徴とするセンサ素子。
【請求項２】
前記可動封止部材は、非水溶性と粘性、および流動性を備えた流体により構成されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ素子。
【請求項３】
前記調整領域には、螺旋状に隔壁が設けられていることを特徴とする請求項２に記載のセンサ素子。
【請求項４】
前記開放部には、水溶性の封止膜が設けられていることを特徴とする請求項２または３に記載のセンサ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動を利用した充填物検知を行うためのセンサ素子に係り、特に、高圧条件下における充填物検知に好適なセンサ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
振動を利用した充填物の検知は例えば、建設現場等において、コンクリートを打設する際、視認が難しい箇所にコンクリートが充填されているか否かを検知する事などに利用されている。こうした検知作業に用いられるセンサ素子は、図７に示すように、凹陥部３を備えたケース２と、この凹陥部３を封止するように備えられた圧電振動板４を基本として構成されている。そして、圧電振動板４を振動させた際の周波数特性に基づき、圧電振動板４に接触している物質を特定し、充填状況の判断が成される。
【０００３】
このような構成のセンサ素子１は、大気圧環境下における使用は良好である。一方で、水中など、圧電振動板４に負荷される圧力が大きくなる環境下においては、ケース２の内側と外側の圧力差により圧電振動板４に歪みが生じ、周波数特性が変化して、圧電振動板４に接触している物質の特定が困難となる場合がある。
【０００４】
こうした問題は、水中スピーカなどにおいても生じ得る問題である。特許文献１には図８に示すように、気室を構成する凹陥部３と連通する気室５をケース２の背面に、伸縮可能なゴム膜で形成するという技術が開示されている。特許文献１に開示されている技術は、水中スピーカに関するものであるが、センサ素子１Ａをこのような構成とした場合には、外部の圧力の上昇に伴いゴム膜で形成した気室５が収縮し、圧電振動板４の外側と内側（凹陥部３により構成された気室）との圧力が平衡することとなる。これにより、圧電振動板４に対する歪みが解消され、物質の特定が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開平０４−０５９６９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に開示されているような構成のセンサ素子では、凹陥部により構成される気室以外の気室における体積変化が大きい。このため、ゴム膜により気室を形成した場合には設置が困難になると共に、不安定になる虞がある。また、ゴム膜の破損や、局所的な押圧力の付与による圧力平衡の乱れ、長期保管によるゴム膜の劣化など、実用性の上で様々な問題が挙げられていた。
【０００７】
そこで本発明では、上記問題を解決し、気室の体積変化により圧力平衡を図る構成であっても、設置安定性、外乱への耐性、および保管耐久性を備えたセンサ素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】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明に係るセンサ素子は、励振部を有する圧電振動板と、前記圧電振動板により封止されると共に、前記励振部の一方の面を覆う空間を備えたケースと、前記ケースに付帯され、前記空間に連通すると共に外部空間に対する開放部を設けた調整領域を有する圧力調整部と、前記開放部を封止すると共に、前記外部空間の圧力変化に起因して前記空間側に位置する前記調整領域内の容積を変化させるように動作する可動封止部材と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、上記のような特徴を有するセンサ素子において前記可動封止部材は、非水溶性と粘性、および流動性を備えた流体により構成すると良い。このような特徴を有する事によれば、可動封止部材の移動経路の断面積や形状に関わらず、封止部材としての役割を果たす事が可能となる。
【００１０】
また、上記のような特徴を有するセンサ素子において前記調整領域には、螺旋状に隔壁が設けられているようにすると良い。このような特徴を有する事によれば、調整領域において可動封止部材が移動する距離を稼ぐことができる。
【００１１】
さらに、上記のような特徴を有するセンサ素子において前記開放部には、水溶性の封止膜が設けられているようにすることが望ましい。このような特徴を有する事によれば、可動封止部材を非水溶性、および流動性を備えた流体により構成した場合に、当該物質が劣化する事を防ぐことができる。これにより、長期保管による性能の劣化を防ぐ事が可能となる。また、調整領域への塵埃の混入を防ぐ事も可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
上記のような特徴を有するセンサ素子によれば、気室の体積変化により圧力平衡を図る構成であっても、設置安定性、外乱への耐性、および保管耐久性を良好に保つことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態に係るセンサ素子の側断面の構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係るセンサ素子の平面構成を示す図である。
【図３】図１におけるＡ−Ａ断面の構成を示す図である。
【図４】第１の実施形態に係るセンサ素子の変形例を示す図である。
【図５】第２の実施形態に係るセンサ素子の側断面の構成を示す図である。
【図６】図５におけるＢ−Ｂ断面の構成を示す図である。
【図７】従来のセンサ素子の側断面の構成を示す図である。
【図８】センサ素子の外部にゴム膜による気室を備えた様子を示す側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明のセンサ素子に係る実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態は、本発明を実施する上での好適な形態の一部に過ぎず、その機能を逸脱しない範囲において、形態を変化させた場合であっても、本発明の一部とみなすことができる。
【００１５】
［第１の実施形態］
まず、図１から図３を参照して、第１の実施形態に係るセンサ素子１０の構造について説明する。本実施形態に係るセンサ素子１０は、圧電振動板１２と、ケース１４、および圧力調整部１８を基本として構成されている。圧電振動板１２は、所定の電圧の印加により振動が励起される励振部１２ａを備えた基板である。圧電振動板１２には、電圧の印加を行うと共に、励起された振動を検出するためのケーブル２２が接続されている。このような構成の圧電振動板１２では、検出された振動の周波数特性を解析することで、圧電振動板１２に接している物質の特定を行うことができる。
【００１６】
ケース１４は、圧電振動板１２を支持すると共に、励振のための空間を確保するための要素である。ケース１４には、凹陥部１６が設けられており、この凹陥部１６を前記圧電振動板１２により封止することで、凹陥部１６が励振するための空間を構成することとなる。このため、凹陥部１６により構成される空間は、少なくともその開口部が、圧電振動板１２を構成する励振部１２ａの一方の面を覆う面積を備えるようにする。本実施形態に係るセンサ素子１０では、凹陥部１６の底面に、ケース１４の背面へ抜ける貫通孔１６ａが形成されている。貫通孔１６ａを介して、凹陥部１６により構成される空間と、圧力調整部における調整領域との空間的な連通を図るためである。
【００１７】
圧力調整部１８は、凹陥部１６により構成された空間の圧力と、圧電振動板１２の外部の圧力との平衡を図るための要素である。圧力調整部１８は、内部に空間を有する箱体により構成され、少なくともその一部に、外部空間に対する開放部１８ａを設けた調整領域１８ｂを備えている。本実施形態の場合、調整領域１８ｂには、図３に示すような螺旋状の隔壁１８ｃを設けている。そして、隔壁１８ｃの中央（螺旋の終端）空間に、凹陥部１６の底面に形成した貫通孔１６ａと連通する貫通孔１８ｄが形成されている。また、外部空間に対する開放部１８ａは、螺旋の始端となる部位に設けられている。
【００１８】
螺旋状の隔壁１８ｃにより構成される調整領域１８ｂ（螺旋空間）には、その始端側に、可動封止部材２０が設けられている。可動封止部材２０は、螺旋状の隔壁１８ｃに沿って螺旋空間を摺動可能な封止部材であり、螺旋空間中において、貫通孔１８ｄが設けられている空間と、開放部１８ａが設けられている空間とを隔てるための要素である。可動封止部材２０の具体例としては、一例として非水溶性ゲルなどの粘性体を挙げる事ができる。可動封止部材２０自体が形態変化可能な構成とすることで、角部を有するような螺旋空間であっても、封止状態を確保したまま移動が可能となる。
【００１９】
このような構成の圧力調整部１８は、箱体として構成され、内部空間に螺旋状の隔壁１８ｃを備える事より、外部からの押圧等の外乱によっても、その形態が変化しづらい。また、螺旋空間を可動封止部材２０が移動することで、貫通孔１８ｄに連通する調整領域１８ｂの体積を変化させるため、圧電振動板１２の内部と外部における圧力の平衡を図る場面においても、その外観上の形態に変化が無い。
【００２０】
ケース１４と、圧力調整部１８とは、一体形成する構成としても良いが、別個に形成した上で接合部材２４を介して接合する構成としても良い。両者を接合する場合には、その接合面に接着剤や液体ガスケット等を塗布する構成としても良いが、緩衝材を備えた両面テープなどを用いても良い。接合部材２４をテープ材とした場合には、緩衝材を備える事により、接合面間に凹凸があった場合でも、隙間の発生による浸水等を防ぐことが可能となる。
【００２１】
また、螺旋空間の始端に位置する開放部１８ａには、水溶性の封止膜２６を備えておくと良い。封止膜２６を備える事によれば、可動封止部材２０を構成する非水溶性ゲルの水分が蒸発する事を防ぐことにより、長期保管による性能の劣化を防ぐ事が可能となる。また、調整領域１８ｂへの塵埃の混入を防ぐ事も可能となる。なお、封止膜２６を水溶性とすることで、水中等、水分を含む領域へセンサ素子１０を投入する事により、封止膜２６が溶解し、可動封止部材２０が作動可能な状態となる。
【００２２】
［作用・効果］
このような構成のセンサ素子１０は、例えば水中で使用する場合、外部の圧力が上昇する事に伴い、可動封止部材２０が螺旋空間を終端側（貫通孔１８ｄに近付く方向：図３において矢印Ａで示す方向）に移動する。可動封止部材２０の移動により、調整領域における螺旋空間の貫通孔１８ｄを有する側の空間の圧力が上昇する。これに伴い、貫通孔１８ｄと貫通孔１６ａを介して連通されている凹陥部１６により構成されている空間の圧力も上昇し、圧電振動板１２を介して隔てられている外部空間と、凹陥部１６により構成される空間（内部空間）との圧力の平衡を図ることができる。
【００２３】
これにより、高圧環境下においても、圧電振動板１２の歪みを抑制することができ、振動に基づく接触物質の検知が可能となる。また、圧力調整部１８を箱体により構成したことより、設置状態の安定化を図ることができる。また、ゴム膜等に比べて破損や、経年的な劣化（硬化）が生じる確率を下げることができる。さらに、ゴム膜により圧力調整部１８を構成する場合に比べて、センサ素子１０の保管も容易となる。
【００２４】
［変形例］
上記実施形態では、調整領域１８ｂに設ける隔壁１８ｃの平面形態を矩形状の螺旋とするように示した。しかしながら、螺旋空間を構成する隔壁１８ｃの平面形態は、矩形状に限定されるものではない。すなわち、図４に平面形態を示すように、ほぼ円形状に配置した隔壁１８ｃにより、螺旋空間を構成するようにしても良い。
【００２５】
螺旋空間を構成する隔壁１８ｃの平面形態を円形状とすることによれば、螺旋空間に構成される角部を減らすことができる。このため、調整領域１８ｂを移動する可動封止部材２０の形態変化が少なくなる（角部では、空間の有効断面積が大きくなるため封止状態を維持するには、大きな形態変化が生じる）。このため、可動封止部材２０の動きがスムーズなものとなり、外部圧力と内部圧力との均衡を図る上での即応性が向上する。
【００２６】
［第２の実施形態］
次に、図５、図６を参照して、第２の実施形態に係るセンサ素子１０Ａの構造について説明する。本実施形態に係るセンサ素子１０Ａの基本構成は、上述した第１の実施形態に係るセンサ素子１０と同様である。よって、その機能を同一とする箇所には、図面に同一符号を附して詳細な説明は省略することとする。
【００２７】
第１の実施形態に係るセンサ素子１０との相違点は、圧力調整部１８の形態にある。すなわち、第１の実施形態に係るセンサ素子１０では、圧力調整部１８の調整領域１８ｂ内に隔壁１８ｃを配置し、螺旋空間を構成し、この螺旋空間内を可動封止部材２０が移動する形態としていた。これに対し、本実施形態に係るセンサ素子１０Ａでは、圧力調整部１８を長尺な箱体により構成し、調整領域１８ｂの体積と、可動封止部材２０の移動距離を稼いでいる。
【００２８】
圧力調整部１８をこのような形態とした場合であっても、調整領域１８ｂに配置された可動封止部材２０は、外部空間からの圧力を受ける事により、第１の実施形態に係るセンサ素子１０と同様に貫通孔１８ｄが配置される側へと移動し、ケース１４の内部と外部の圧力の均衡が図られることとなる。
【００２９】
なお、圧力調整部１８を延設する場合、延設方向をケーブル２２の配置方向と一致させることで、センサ素子１０Ａの小型化を図ることができる。また、上記実施形態において、調整領域１８ｂを構成する通路の断面積は、可動封止部材２０の粘性と、予め定めた許容圧力等に基づいて定めるようにすると良い。調整領域１８ｂを構成する通路の断面積は、外部からの圧力（例えば水圧）を受けた可動封止部材２０が分子間力（表面張力）による形状維持が可能な程度の面積とすると良い。
【符号の説明】
【００３０】
１０，１０Ａ………センサ素子、１２………圧電振動板、１２ａ………励振部、１４………ケース、１６………凹陥部、１６ａ………貫通孔、１８………圧力調整部、１８ａ………開放部、１８ｂ………調整領域、１８ｃ………隔壁、１８ｄ………貫通孔、２０………可動封止部材、２２………ケーブル、２４………接合部材、２６………封止膜。
【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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