特開 2022-159096 音叉型機械共振器を備える、流体の特性を感知するための流体センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022159096

(43)【公開日】2022-10-17

(54)【発明の名称】音叉型機械共振器を備える、流体の特性を感知するための流体センサ

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/028 20060101AFI20221006BHJP

【ＦＩ】

G01N29/028

【審査請求】有

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2022051554

(22)【出願日】2022-03-28

(31)【優先権主張番号】21305414.1

(32)【優先日】2021-03-31

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(71)【出願人】

【識別番号】517220508

【氏名又は名称】ティーイー コネクティビティ センサーズ フランス

(74)【代理人】

【識別番号】100100077

【弁理士】

【氏名又は名称】大場 充

(74)【代理人】

【識別番号】100136010

【弁理士】

【氏名又は名称】堀川 美夕紀

(74)【代理人】

【識別番号】100130030

【弁理士】

【氏名又は名称】大竹 夕香子

(74)【代理人】

【識別番号】100203046

【弁理士】

【氏名又は名称】山下 聖子

(72)【発明者】

【氏名】ファビアン ゲラール

(72)【発明者】

【氏名】アントワーヌ シルヴァン

(72)【発明者】

【氏名】ヴァンサン ドゥチェレ

【テーマコード（参考）】

2G047

【Ｆターム（参考）】

2G047AA01

2G047BA04

2G047BB06

2G047BC01

2G047GG32

(57)【要約】      （修正有）

【課題】特に広い温度範囲および／または厳しい環境において、その寿命と信頼性を向上させるために、当技術分野で既知の流体センサをさらに改良する必要がある。
【解決手段】音叉型機械共振器３は、ベース１１と、ベースから突出する少なくとも１つのタイン１５Ａ、１５Ｂとを含み、ベースと少なくとも１つのタインとは圧電材料で形成され、少なくとも１つのタインは、流体に晒されるように構成されている少なくとも２つの電極１７Ａ、１７Ｂ；１９Ａ、１９Ｂを含む。圧電材料はタンタル酸リチウムを含む。
【選択図】図１ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

音叉型機械共振器（３）を備える、感知対象の流体の複数の特性を感知するための流体センサであって、
前記音叉型機械共振器（３）は、ベース（１１）と少なくとも１つのタインとを含み、前記少なくとも１つのタインは、前記少なくとも１つのタインの長手方向に沿って前記ベース（１１）から突出し、
前記ベース（１１）と前記少なくとも１つのタインとは圧電材料で形成され、
前記少なくとも１つのタインは、前記流体に晒されるように構成されている少なくとも２つの電極（１７Ａ、１７Ｂ；１９Ａ、１９Ｂ；１７０Ａ、１７０Ｂ；１９０Ａ、１９０Ｂ）を含む、流体センサにおいて
前記圧電材料はタンタル酸リチウムを含むことを特徴とする、流体センサ。

【請求項2】

前記音叉型機械共振器（３）は２つのタイン（１５Ａ、１５Ｂ）を備え、前記２つのタイン（１５Ａ、１５Ｂ）は、前記２つのタインの長手方向に沿って前記ベース（１１）から突出する、請求項１に記載の流体センサ。

【請求項3】

前記電極（１７Ａ、１７Ｂ；１９Ａ、１９Ｂ；１７０Ａ、１７０Ｂ；１９０Ａ、１９０Ｂ）は、前記タイン（１５Ａ、１５Ｂ）の表面（２１Ａ、２１Ｂ）上もしくは表面（２１Ａ、２１Ｂ）上方に設けられ、または少なくとも部分的に前記タイン（１５Ａ、１５Ｂ）に埋め込まれている、請求項１または２に記載の流体センサ。

【請求項4】

前記電極（１７Ａ、１７Ｂ；１９Ａ、１９Ｂ；１７０Ａ、１７０Ｂ；１９０Ａ、１９０Ｂ）のうちの少なくとも１つは、Ｘ軸を中心とする回転Ｙカットの１１０度～１４０度の結晶カット角を有する、前記タンタル酸リチウムの表面（２１Ａ、２１Ｂ）に設けられている、請求項１から３のいずれか一項に記載の流体センサ。

【請求項5】

各タイン（１５Ａ、１５Ｂ）は、略矩形断面を有し、４つの電極（１７Ａ、１７Ｂ；１９Ａ、１９Ｂ；１７０Ａ、１７０Ｂ；１９０Ａ、１９０Ｂ）を含み、各電極（１７Ａ、１７Ｂ；１９Ａ、１９Ｂ；１７０Ａ、１７０Ｂ；１９０Ａ、１９０Ｂ）は、各タイン（１５Ａ、１５Ｂ）の異なる表面上または異なる表面上方に設けられている、請求項１から４のいずれか一項に記載の流体センサ。

【請求項6】

各電極（１７０Ａ、１７０Ｂ、１９０Ａ、１９０Ｂ）は、前記音叉型機械共振器（３）の前記ベース上または前記ベース上方にさらに設けられている、請求項５に記載の流体センサ。

【請求項7】

各電極（１７Ａ、１７Ｂ；１９Ａ、１９Ｂ；１７０Ａ、１７０Ｂ；１９０Ａ、１９０Ｂ）は、略長円形状、特に矩形形状を有し、
前記タイン（１５Ａ、１５Ｂ）の表面上または表面上方に設けられた前記電極（１７Ａ、１７Ｂ；１９Ａ、１９Ｂ；１７０Ａ、１７０Ｂ；１９０Ａ、１９０Ｂ）の一部の、前記タイン（１５Ａ、１５Ｂ）の長手方向に沿った長さ（Ｌ４）は、３ｍｍ～１０ｍｍである、請求項１から６のいずれか一項に記載の流体センサ。

【請求項8】

前記ベース（１１）からの前記タイン（１５Ａ、１５Ｂ）の長手方向への延出に対して横方向に沿った各タイン（１５Ａ、１５Ｂ）の幅（Ｌ３）は、０．５ｍｍ～２ｍｍである、請求項１から７のいずれか一項に記載の流体センサ。

【請求項9】

前記ベース（１１）から各タイン（１５Ａ、１５Ｂ）の自由端（９Ａ、９Ｂ）までの前記音叉型機械共振器（３）の長さ（Ｌ１）が、６ｍｍ～３０ｍｍ、特に１０ｍｍ～１３ｍｍである、請求項１から８のいずれか一項に記載の流体センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、音叉型機械共振器を備える、流体の特性を感知するための流体センサに関する。

【背景技術】

【0002】

流体センサは、当技術分野で公知であり、建設機器、農業車両、油圧システム、風車、もしくは圧縮機などの産業機械または輸送車両に応用されている。流体センサは、流体の品質を決定するのに使用される粘度、濃度、誘電率、または導電率などの１つ以上の流体パラメータを監視するために使用される。流体は、非導電性オイル、例えば、エンジンオイル、トランスミッションおよび車軸オイル、ギヤオイル、パワーステアリングオイル、作動油などのオイルであり得る。各応用は、温度範囲、粘度状態、および機械的要件などの特定の状態を伴う。

【0003】

このような流体センサは、米国特許出願公開第２００６／２１８９９６（Ａ１）号から知られており、クォーツ音叉とタインの電極とを含む共振器を備える。

【0004】

このような共振器は、電圧を印加すると変形し、機械的応力の作用により相互に電気的に分極する。電圧を印加すると、２つのタインが振動し、流体センサが浸漬されている流体の物理化学的特性および電気的特性を示す反応を生じさせる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特に広い温度範囲および／または厳しい環境において、その寿命と信頼性を向上させるために、当技術分野で既知の流体センサをさらに改良する必要がある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明のこの目的は、請求項１に記載の、感知対象の流体の複数の特性を感知するための流体センサによって達成される。流体センサは、音叉型機械共振器を備える。音叉型機械共振器は、ベースと少なくとも１つのタインとを含み、少なくとも１つのタインは、少なくとも１つのタインの長手方向に沿ってベースから突出する。ベースと少なくとも１つのタインとは圧電材料で形成される。少なくとも１つのタインは、流体に晒されるように構成されている少なくとも２つの電極を含む。本発明によれば、圧電材料はタンタル酸リチウムを含む。

【0007】

他の圧電材料と比べて、タンタル酸リチウムは、音叉型機械共振器、したがって流体センサをより堅牢にする機械的特性をもたらす。したがって、より信頼性の高い流体センサを提供することができる。加えて、タンタル酸リチウムは、センサの寿命を延ばすことができるように化学的に安定しているという利点を有する。

【0008】

流体センサを、様々な有利な実施形態によって、さらに改良することができる。実施形態は、従属請求項に開示される。

【0009】

一実施形態によれば、音叉型機械共振器は２つのタインを含むことができ、２つのタインは、２つのタインの長手方向に沿ってベースから突出する。

【0010】

一実施形態によれば、電極は、タインの表面上もしくは表面上方に（タインの表面に、もしくはタインの表面の上方に、ｏｎ ｏｒ ｏｖｅｒ ａ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｉｎｅ（ｓ））設けることができ、または少なくとも部分的にタインに埋め込まれる。

【0011】

このような電極配置により、圧電材料の外側により大きい電界を発生させることができる。したがって、流体の特性を測定しながら、流体パラメータの測定に対する圧電材料の影響を低減させることができる。さらに、この配置により、流体の電気抵抗率を測定することができる。

【0012】

一実施形態によれば、電極のうちの少なくとも１つを、Ｘ軸を中心とする回転Ｙカットの１１０度～１４０度の結晶カット角を有する、タンタル酸リチウムの表面に設けることができる。

【0013】

この範囲の表面配向を使用すると、流体センサの反応は、温度に対する感度が低くなる。したがって、それにより、広い温度範囲にわたる液体センサの使用が可能になる。

【0014】

一実施形態によれば、各タインは、略矩形断面を有することができ、４つの電極を含み、各電極は、各タインの異なる表面上または異なる表面上方に設けられる。

【0015】

この電極配置は、デバイスの感度を向上させることができる。

【0016】

一実施形態によれば、各電極を、音叉型機械共振器のベース上またはベース上方にさらに設けることができる。

【0017】

この電極配置も、装置の感度を向上させることができる。実際に、このような電極は、電極がタイン上またはタイン上方にのみ設けられる場合と同様のタインの励振を有する。

【0018】

一実施形態によれば、各電極は、略長円形状、特に矩形形状を有することができ、タインの表面上または表面上方に設けられた電極の一部の、タインの長手方向に沿った長さは、３ｍｍ～１０ｍｍであってよい。

【0019】

電極を、タイン上またはタイン上方にのみ設けることができる。変形形態において、電極を、タイン上またはタイン上方に、かつ少なくとも部分的にベース上またはベース上方に設けてもよい。いずれの場合も、本発明によれば、タイン上またはタイン上方に設けられた電極の一部の長さは、３～１０ｍｍである。

【0020】

音叉型機械共振器の電極の寸法が大きいため、したがって、電極が設けられるタインの長さが長いため、高粘度状態、すなわち５０ｃＰ～最大２０，０００ｃＰであっても共振信号の検出が可能になる。これは、各電極の長さが、減衰した信号の回復を回避することができるように十分に大きいからである。実際に、タインの長さは、オイルなどの高粘度流体によって引き起こされるせん断力に対抗するのに十分に大きい。タインは、十分な大きさの電極により、圧電効果によって励振される。

【0021】

一実施形態によれば、ベースからのタインの長手方向への延出に対して横方向に沿った各タインの幅は、０．５ｍｍ～２ｍｍであってよい。

【0022】

タインの幅が広いことによって、当技術分野の共振器と比べて、タインは機械的応力に対する耐性が高くなる。したがって、流体センサの堅牢性が向上し、その寿命および信頼性が向上する。

【0023】

また、各タインの幅が、減衰した信号の回復を回避するのに十分な大きさであるため、高粘度状態であっても共振信号の検出を向上させ、粘性流体の高せん断力に対抗することにも寄与する。

【0024】

一実施形態によれば、ベースから各タインの自由端までの音叉型機械共振器の長さは、６ｍｍ～３０ｍｍ、特に１０ｍｍ～１３ｍｍであってよい。

【0025】

したがって、従来技術と比べて、全体的により長い音叉型機械共振器が得られ、これにより、共振器の長さが、減衰した信号を回復する必要をなくすのに十分な大きさであるため、高粘度状態であっても共振信号の検出がより読み取りやすくなり、粘性流体の高せん断力に対抗する。

【0026】

本発明のいくつかの実施形態を示すために、添付図面が本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を成す。これらの図面は明細書と共に本発明の原理を説明する役割を果たす。図面は、本発明を形成し使用する方法の好ましい例および代替例を示すためのものに過ぎず、本発明を図示し記載する実施形態のみに限定するものと解釈すべきでない。さらに、実施形態のいくつかの態様は、個々にまたは異なる組合せで本発明による解決策を形成することができる。したがって、以下に記載の実施形態を、単独でまたは任意の組合せで考慮することができる。さらなる特徴および利点が、添付図面に示す本発明の様々な実施形態の以下のより詳細な説明から明らかになろう。図中、同一の参照符号は同一の要素を示す。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1a】本発明の第１の実施形態による音叉型機械共振器を備える流体センサの概略斜視図である。

【図1b】本発明の第２の実施形態による音叉型機械共振器を備える流体センサの概略斜視図である。

【図2】切断面Ｃによる、図１ａに示す流体センサの断面図である。

【図3】本発明の第３の実施形態による流体センサの断面図である。

【図4】本発明の第４の実施形態による流体センサの断面図である。

【図5】Ｘ軸に対する回転Ｙカットの１１０度～１４０度のタンタル酸リチウムの結晶カット角における、温度に応じたタンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウムの弾性コンプライアンス／圧電効果を表す図である。

【図6】標準の音叉型装置および本発明による流体センサについての、５０ｃＰ～２，０００ｃＰの粘度範囲における周波数に応じたインピーダンスを表す。

【発明を実施するための形態】

【0028】

以下で、添付図面を参照しながら本発明について説明する。図面では、当業者に周知の詳細により本開示を曖昧にしないように、説明のみを目的として、様々な構造、システム、および装置が概略的に示される。それにもかかわらず、添付図面は、本開示の説明のための例について記載および説明するために含まれている。本明細書で使用される単語および語句は、関連技術の当業者によるそれらの単語および語句の理解に一貫した意味を有するものとして理解および解釈されるべきである。本明細書の用語または語句の一貫した使用によって、用語または語句の特殊な定義、すなわち当業者によって理解される通常または慣例の意味とは異なる定義が示唆されることを意図するものではない。

【0029】

図１ａは、本発明の第１の実施形態による音叉型機械共振器３を備える流体センサ１を示す。

【0030】

流体センサ１を、図１ａに示されていない支持体に取り付けて、既知の組立方法により、流体において維持することができる。使用時に、流体センサ１は、流体の特性を感知するために少なくとも部分的に流体に浸漬される。流体は、産業機械用または輸送車両用のオイルであってよい。

【0031】

音叉型機械共振器３は、図１ａに示すデカルト座標のＸ軸に沿って、一方の第１の自由端７から反対側の第２の自由端９Ａ、９Ｂまでの長さＬ１を有する本体５を含む。

【0032】

本体５は、デカルト座標のＸ軸に沿って、自由端７から本体５の接合領域１３まで延びるベース１１を含む。

【0033】

図１ａに示す実施形態において、接合領域１３から、２つのタイン１５Ａ、１５Ｂが、タイン１５Ａ、１５Ｂの長手方向に沿って対応する自由端９Ａ、９Ｂまで互いに別々に延びる。別の実施形態（図示せず）において、単一のタインのみが、音叉型機械共振器３の本体５の接合領域１３から延びることができる。さらなる一実施形態（図示せず）において、３つ以上のタインが、機械共振器３の本体５の接合領域１３から延びることができる。

【0034】

２つのタイン１５Ａ、１５Ｂは、デカルト座標のＸ軸に沿ってベース１１から突出する。したがって、タイン１５Ａ、１５Ｂの長手方向は、図１ａに示すデカルト座標のＸ軸に平行である。

【0035】

図１ａに示す実施形態において、タイン１５Ａ、１５Ｂは矩形断面を有する。変形形態において、タインの断面は平行六面体の断面に対応する。

【0036】

第１の実施形態において、タイン１５Ａ、１５Ｂは、デカルト座標のＸ軸に対して互いに対称である。変形形態において、タイン１５Ａ、１５Ｂは非対称であってよい。

【0037】

参照数字に続く文字「Ａ」は、図１ａに示す左のタインを指し、文字「Ｂ」は図１ａに示す右のタインを指す。

【0038】

図１ａに示す長さＬ２は、接合領域１３と自由端９Ａ、９Ｂとの間の長さを表し、すなわち、Ｌ２はタイン１５Ａ、１５Ｂの長さを示す。

【0039】

各タイン１５Ａ、１５Ｂは幅Ｌ３を有する。寸法Ｌ１～Ｌ３については、表１を参照してさらに後述する。

【0040】

各タイン１５Ａ、１５Ｂは電極１７Ａ、１７Ｂ、１９Ａ、１９Ｂを備える。電極１７Ａ、１７Ｂ、１９Ａ、１９Ｂは、ベース１１から２つのタイン１５Ａ、１５Ｂの長手方向に沿って、すなわちデカルト座標のＸ軸に沿って、長さＬ４の長円形状を有する。

【0041】

変形形態において、電極１７Ａ、１７Ｂ、１９Ａ、１９Ｂは矩形形状を有することができる。

【0042】

単一のタイン（図示せず）を含む音叉型機械共振器の実施形態において、単一のタインは、単一のタインの表面に、もしくは単一のタインの表面上方に、２つの電極を備えてもよく、または、少なくとも部分的に単一のタインに埋め込まれた２つの電極を備えてもよい。

【0043】

図１に示す第１の実施形態において、２つの電極１７Ａ、１７Ｂ（または１９Ａ、１９Ｂ）が、タイン１５Ａ（またはタイン１５Ｂ）の表面２１Ａ（または表面２１Ｂ）上あるいは表面２１Ａ（または表面２１Ｂ）上方に設けられている。変形形態において、電極１７Ａ、１７Ｂ、１９Ａ、１９Ｂを、少なくとも部分的にタイン１５Ａ、１５Ｂに埋め込むことができる。

【0044】

第２の実施形態において、図１ｂに示すように、電極１７０Ａ、１７０Ｂ、１９０Ａ、１９０Ｂが、タイン１５Ａ、１５Ｂの長手方向に沿って延長されて、音叉型機械共振器３のベース１１上または音叉型機械共振器３のベース１１上方にさらに設けられている。図１ｂの第２の実施形態において、長さＬ４は、タイン１５Ａ、１５Ｂ上またはタイン１５Ａ、１５Ｂ上方に設けられた各電極１７０Ａ、１７０Ｂ、１９０Ａ、１９０Ｂの一部の長さに対応する。言い換えると、第２の実施形態において、長さＬ４は、各電極１７０Ａ、１７０Ｂ、１９０Ａ、１９０Ｂの全長に対応しない。

【0045】

したがって、図１ａおよび図１ｂに示す両実施形態において、長さＬ４は、タイン１５Ａ、１５Ｂ上またはタイン１５Ａ、１５Ｂ上方の電極１７Ａ、１７Ｂ、１７０Ａ、１７０Ｂ、１９Ａ、１９Ｂ、１９０Ａ、１９０Ｂの一部の長さを表し、すなわち、電極１７Ａ、１７Ｂ、１７０Ａ、１７０Ｂ、１９Ａ、１９Ｂ、１９０Ａ、１９０Ｂの一部の長さは、接合領域１３とタイン１５Ａ、１５Ｂの自由端９Ａ、９Ｂとの間を構成する。

【0046】

図１ａの第１の実施形態において、長さＬ４は、電極１７Ａ、１７Ｂ、１９Ａ、１９Ｂの全長にさらに対応するが、図１ｂの第２の実施形態においては、長さＬ４は、電極１７０Ａ、１７０Ｂ、１９０Ａ、１９０Ｂの一部にのみ対応する。

【0047】

図２に示す、切断面Ｃによる流体センサ１の断面図に示すように、電極１７Ａ、１９Ａ（または電極１７Ｂ、１７Ｂ）は、タイン１５Ａ（またはタイン１５Ｂ）の表面２１Ａ（または表面２１Ｂ）上あるいは表面２１Ａ（または表面２１Ｂ）上方に設けられた貴層ＮＢによって形成される。好ましい変形形態において、貴層ＮＢは金の層である。

【0048】

貴層ＮＢは、１０ｎｍ～６００ｎｍの厚さｔ１を有する。特に、貴層ＮＢは２００ｎｍの厚さを有する。

【0049】

図２に示すように、貴層ＮＢの下および表面２１Ａ、２１Ｂ上または表面２１Ａ、２１Ｂ上方に、厚さｔ２のクロムまたはチタンの薄い接着層を設けることができる。このような接着層は、５ｎｍ～４０ｎｍの厚さを有することができる。接着層は、タイン１５Ａ、１５Ｂの圧電材料に対する貴層ＮＢの接着性を向上させる。それにより、流体センサ１の積層の堅牢性が向上する。したがって、化学的応力または機械的応力（熱衝撃、振動、機械的衝撃など）による剥離または損傷を減らすことができる。

【0050】

図１ａに示すように、電極１７Ａ、１７Ｂは、それぞれの導電路（例えばリード線）２５Ａ、２５Ｂを介して共通の第１のコンタクトパッド２３に電気的に接続され、したがって、互いに共通して電気的に連通している。

【0051】

同様に、電極１９Ａ、１９Ｂは、それぞれの導電路（例えばリード線）２９Ａ、２９Ｂを介して共通の第１のコンタクトパッド２７に電気的に接続され、したがって、互いに共通して電気的に連通している。

【0052】

タイン１５Ａに位置する電極１７Ａは、タイン１５Ｂに位置する電極１７Ｂおよびコンタクトパッド２３に電気的に接続される。

【0053】

同様に、タイン１５Ａに位置する電極１９Ａは、タイン１５Ｂに位置する電極１９Ｂおよびコンタクトパッド２７に電気的に接続される。

【0054】

コンタクトパッド２３、２７を使用して、電極１７Ａ、１７Ｂ、１９Ａ、１９Ｂを流体センサ１の制御ユニット（図示せず）に電気的に接続する。

【0055】

図３および図４は、本発明による電極配置の２つの実施形態を示す。

【0056】

図３に示す第３の実施形態において、各タイン１５Ａ、１５Ｂは２つの電極１７Ａ、１７Ｂ、１９Ａ、１９Ｂを含む。

【0057】

電極１７Ａは、タイン１５Ａの表面２１Ａ上または表面２１Ａ上方に設けられる。電極１７Ｂは、タイン１５Ｂの表面３１Ａ上または表面３１Ａ上方に設けられる。

【0058】

電極１９Ａは、タイン１５Ａの表面３１Ａ上または表面３１Ａ上方に設けられる。電極１９Ｂは、タイン１５Ｂの表面２１Ｂ上または表面２１Ｂ上方に設けられる。

【0059】

表面３１Ａ、３１Ｂは、デカルト座標のＹ軸に沿った表面２１Ａ、２１Ｂとは反対側である。

【0060】

単一のタイン（図示せず）を含む音叉型機械共振器の実施形態において、単一のタインは、単一のタインの両面上または両面上方に２つの電極を備えてもよい。３つ以上のタインを含む音叉型機械共振器の実施形態（図示せず）についても同様である。

【0061】

図４に示す第４の実施形態において、各タイン１５Ａ、１５Ｂは４つの電極１７Ａ～１７Ｄ、１９Ａ～１９Ｄを含む。

【0062】

電極１７Ａ、１７Ｂおよび１７Ｃ、１７Ｄは、接続されていても接続されていなくてもよい。

【0063】

電極１９Ａ、１９Ｂおよび１９Ｃ、１９Ｄは、接続されていても接続されていなくてもよい。

【0064】

各電極１７Ａ、１７Ｂ、１９Ａ、１９Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄ、１９Ｃ、１７Ｄは、各タイン１５Ａ、１５Ｂの異なる表面２１Ａ、３１Ａ、２１Ｂ、３１Ｂ、３９Ｂ、３７Ｂ、３７Ａ、３９Ａ上または異なる表面２１Ａ、３１Ａ、２１Ｂ、３１Ｂ、３９Ｂ、３７Ｂ、３７Ａ、３９Ａ上方に設けられる。各タイン１５Ａ、１５Ｂについて、表面３７Ａ、３７Ｂは、デカルト座標のＹ軸に沿った表面３９Ａ、３９Ｂとは反対側である。

【0065】

単一のタイン（図示せず）を含む音叉型機械共振器の実施形態において、単一のタインは、単一のタインの表面上または表面上方に４つの電極を備えてもよい。３つ以上のタインを含む音叉型機械共振器の実施形態（図示せず）についても同様である。

【0066】

本発明の任意の実施形態において、電極１７Ａ、１７Ｂ、１９Ａ、１９Ｂは、センサ１が浸漬されている流体に晒されるように構成されている。したがって、電極１７Ａ、１７Ｂ、１９Ａ、１９Ｂは、流体センサ１が浸漬されている流体に直接表面接触する。

【0067】

電極１７Ａ、１７Ｂ、１９Ａ、１９Ｂ（１７Ｃ、１７Ｄ、１９Ｃ、１９Ｄ）により電圧を印加すると、各タイン１５Ａ、１５Ｂの自由端９Ａ、９Ｂは、流体において、音叉型機械共振器３のベース１１に対して変位することができる。したがって、対のタイン１５Ａ、１５Ｂを、音叉型機械共振器３の振動アームとも呼ぶこともできる。タイン１５Ａ、１５Ｂの振動により、流体センサ１が浸漬されている流体の物理化学的特性および電気的特性を示す反応を生じさせることができる。

【0068】

使用時に、電極１７Ａ、１７Ｂ、１９Ａ、１９Ｂ（１７Ｃ、１７Ｄ、１９Ｃ、１９Ｄ）は流体に晒され、音叉型機械共振器３の圧電材料の内外に電界を発生させることができる。流体に電界が発生するので、流体センサ１は、粘度、濃度、および誘電率に加えて、流体の電気抵抗率を測定することができる。

【0069】

図４に示す電極（１７Ａ、１７Ｂ、１９Ａ、１９Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄ、１９Ｃ、１９Ｄ）の配置により、図１ａ、図１ｂ、図２、および図３の実施形態よりも、音叉型機械共振器３の圧電材料の外側にさらに大きい電界を発生させることができ、流体センサ１は流体の電気抵抗率を測定するのにさらに適したものになる。

【0070】

本発明によれば、音叉型機械共振器３の本体５は、圧電材料としてタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）を含む。タンタル酸リチウムは圧電効果を示し、よって音叉型機械共振器に使用することができる。タンタル酸リチウムの使用は、その有利な機械的特性のため、ニオブ酸リチウムまたはクォーツから形成された音叉型機械共振器に比べて、流体センサ１をより堅牢にする。したがって、流体センサ１の信頼性が向上する。

【0071】

さらに、タンタル酸リチウムは化学的に安定している。したがって、このような流体センサ１の寿命を、最新技術から既知の音叉装置に対して有利に延ばすことができる。

【0072】

好ましい実施形態において、電極１７Ａ、１７Ｂ、１９Ａ、１９Ｂが設けられる圧電材料の表面２１Ａは、Ｘ軸を中心とする回転Ｙカットの１１０度～１４０度の結晶カット角を有し、タインのひずみはＸ軸に沿っている。

【0073】

この結晶カット範囲（すなわち、Ｘ軸を中心とする回転Ｙカットの１１０度～１４０度の結晶カット角）において、図５の曲線により示すように、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）によってもたらされる圧電効果は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）に比べて温度依存性が低い。したがって、流体センサ１を、広範囲の温度状態および粘度状態で使用することができる。

【0074】

その結果、タンタル酸リチウムを圧電材料として含む流体センサ１は、クォーツから形成された共振器を備える既知の流体センサよりも、特に広い温度範囲および／または厳しい環境において寿命および信頼性が向上する。

【0075】

一実施形態（図示せず）において、本体５は、所望の用途に応じて、異なる材料、したがって、タンタル酸リチウムと、クォーツ、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、ニオブ酸リチウム、ベルリナイト、または酸化亜鉛のうちの１つ以上との組合せを含むことができる。例えば、所望の用途に応じて、窒化ケイ素、炭化ケイ素、または酸化ケイ素などの非圧電材料を含む異なる材料の多層から、タインを形成することができる。

【0076】

厳しい環境、特に高粘度状態、好ましくは５０ｃＰ超～最大２０，０００ｃＰの粘度範囲における寿命および信頼性をさらに向上させるために、流体センサ１は以下の寸法（下記の表１参照）を有する。表１の寸法Ｌ１～Ｌ４は、図１ａおよび図１ｂに関して前述した寸法に対応する。

【0077】

【表1】

【0078】

タンタル酸リチウムを含む流体センサ１のより大きい寸法Ｌ１～Ｌ４は、より小さいサイズの既知の音叉よりも堅牢な流体センサ１を実現することに加えて、高粘度流体状態でより高品質の共振信号を示す流体センサ１を提供する。図６は、標準の音叉型装置（Ｌ１＝６ｍｍ、Ｌ２＝４ｍｍ、およびＬ３＝０．５ｍｍを有する）ならびに表１に開示した寸法を有する本発明による流体センサ１についての、５０ｃＰ～２，０００ｃＰの粘度範囲における周波数に応じたインピーダンスを表す。したがって、図６に示すように、流体センサ１のサイズは、実際には、特に高粘度流体状態、すなわち５０ｃＰ～最大２０，０００ｃＰで共振信号が減衰することを避けるのに十分に大きい。

【0079】

上記で定義された寸法Ｌ１～Ｌ４は、単一のタインまたは３つ以上のタインを備える流体センサの実施形態（図示せず）にも当てはまる。

【0080】

実施形態について特定の例に関連して説明したが、本発明は限定されるものではなく、本発明の範囲から逸脱することなく、開示した実施形態に多数の変更を加えることができる。したがって、様々な実施形態および例は、開示した特定の形態に限定されることを意図したものではない。むしろ、様々な実施形態および例は、特許請求の範囲に含まれる修正および代替形態を包含しており、個々の特徴を互いに自由に組み合わせて、本発明によるさらなる実施形態または例を得ることができる。

【符号の説明】

【0081】

１ 流体センサ
３ 音叉型機械共振器
５ 本体
７ 自由端
９Ａ、９Ｂ 自由端
１１ ベース
１３ 接合領域
１５Ａ、１５Ｂ タイン
１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄ 電極
１７０Ａ、１７０Ｂ 電極
１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ、１９Ｄ 電極
１９０Ａ、１９０Ｂ 電極
２１Ａ、２１Ｂ 表面
２３ コンタクトパッド
２５Ａ、２５Ｂ 導電路
２７ コンタクトパッド
２９Ａ、２９Ｂ 導電路
３１Ａ、３１Ｂ 表面
３７Ａ、３７Ｂ 表面
３９Ａ、３９Ｂ 表面
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４ 長さ
ｔ１、ｔ２ 厚さ
ＮＢ 貴層

【図1a】

【図1b】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【外国語明細書】