CN103080707A - 振动传感器 - Google Patents
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Abstract
本振动传感器的特征在于提供了：压电振动器，其包括振动板以及稳固地固定至振动板的至少一个平面表面的压电元件；以及对从压电振动器输出的信号执行预定处理的信号处理基板。本振动传感器的特征进一步在于：压电振动器和信号处理基板并排布置在大致垂直于压电振动器的振动方向的平面方向上。
Description
技术领域
本发明涉及一种振动传感器，且特别涉及一种采用压电元件的振动传感器。
背景技术
振动传感器广泛用于诸如个人计算机、办公自动化设备等的电子装置、电子装置包括的电子部件等。近年来，振动传感器开始用于许多领域，例如振动特性评估、异常振动检测、抗震设防研究，以及各种工业设备、制造设备，以及诸如建筑物、桥梁等的大型结构。
根据所要测量的对象或利用每一个特征的测量环境，已经研发并采用了各种类型的振动传感器。以下是某些类型的振动传感器：适用于检测待测对象的加速度的接触型压电振动传感器、适用于检测速度的电动态振动传感器、适用于位移非接触检测的涡流振动传感器或电容振动传感器等等。
在这些传感器中，压电振动传感器易于以较小尺寸实现宽带和高灵敏度特性。因此，通过将压电振动传感器安装在诸如个人计算机等的终端中，可预期提高终端价值且另外可建立与网络协作的新的服务。近年来，基于上述原因，压电振动传感器已被开发成能实现更小的尺寸、高灵敏度特性、在宽带中、大规模生产技术的高水准以及低成本。
专利文献1中描述了压电振动传感器装置101的一个示例。图10是专利文献1中描述的压电振动传感器装置101的结构示意图。负载体103附接至检测部分，电极通过为压电体102的两个表面提供的粘合层固定至检测部分。信号处理基板104固定至检测部分并容置于封装中。
封装由壳体105和覆盖壳体105的开口的上部的壳盖体106组成。壳体105和壳盖体106由导电物质制成。检测部分容置于为壳体105提供的凹部中。导电层107提供在固定于检测部分的信号处理基板104的上侧。覆盖信号处理基板104和导电层107的壳盖体106与壳体105在结构上集成在一起。
压电振动传感器装置101的检测部分相当于通过提供在信号处理基板104的上侧的导电层107和由导电材料制成的壳盖体106被双重屏蔽。因此，对于压电振动传感器装置101来说，能显著提高信噪（S/N）比并提高抗噪性质、防水性质以及耐油性质。在专利文献1中描述的压电振动传感器装置101中，因为其能降低其自身重心，因此可提高抗冲击性质并减小串扰。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利申请公开No.H06-201451。
发明内容
本发明解决的问题
然而，专利文献1中描述的振动传感器装置101具有在相同方向上，具体为振动传感器装置101的高度方向（厚度方向）上，叠置负载体103、压电体102、信号处理基板104等的结构。因此，因为振动传感器装置101的尺寸在厚度方向上变得较大，因此专利文献1中描述的振动传感器装置101所存在的问题是其不能组装或安装在终端等中。
本发明的目的是提供一种能解决上述问题的振动传感器。
解决问题的手段
本发明的振动传感器包括具有压电振动器的振动传感器，压电振动器包括振动板和稳固地固定至振动板的至少一个平面表面的压电元件以及对从压电振动器输出的信号执行预定处理的信号处理基板，且其中压电振动器和信号处理基板并排布置在大致与压电振动器的振动方向相垂直的平面方向上。
发明效果
根据本发明的振动传感器，能降低其高度。
附图说明
图1是根据第一示例性实施例的振动传感器1的俯视图。
图2是根据第二示例性实施例的振动传感器1的俯视图。
图3是根据第二示例性实施例的振动传感器1的截面图。
图4是根据第二示例性实施例的振动传感器1的截面图。
图5是根据第三示例性实施例的振动传感器1的俯视图。
图6是根据第四示例性实施例的振动传感器1的俯视图。
图7是根据第五示例性实施例的振动传感器1的俯视图。
图8示出在示例中振动被在X方向上施加到振动传感器1时的串扰平均值。
图9示出在示例中振动被在Y方向上施加到振动传感器1时的串扰平均值。
图10是专利文献1中描述的压电振动传感器装置101的截面图。
具体实施方式
【第一实施例】
参考附图在下文中说明本发明的优选示例性实施例。虽然用于实施本发明的技术上的优选限制被应用于下文所述的示例性实施例，但是本发明的范围不限于下文所述的实施例。
【结构说明】
如图1中所示，根据本示例性实施例的振动传感器1包括压电振动器2以及信号处理基板3。
压电振动器2由压电元件5和振动板6组成。压电元件5稳固地固定于振动板6的至少一个主表面上。期望的是压电元件5的主表面被相对地稳固地固定并连接至振动板6的主表面。
压电振动器2和信号处理基板3布置在大致与压电振动器2的振动方向，即压电振动器2的厚度方向，相垂直的平面方向上。换言之，压电振动器2和信号处理基板3并排布置在相同平面上。
【功能和效果说明】
由于采用根据本示例性实施例的振动传感器1，因此压电振动器2和信号处理基板3并排布置在大致与振动检测方向相垂直的平面方向上，因此能降低振动传感器1的高度。换言之，与专利文献1中公开的结构（其中压电振动器2和信号处理基板3叠置在厚度方向上，即振动检测的方向上）相比，其能降低高度。
在专利文献1中公开的结构（其中信号处理基板3叠置在压电元件5的振动方向上）的情况下，在组装装置时，会出现重心位置的变化。在根据本示例性实施例的振动传感器1中，压电振动器2和信号处理基板3并排布置在大致与压电元件5的振动方向相垂直的平面方向上。因此，因为压电振动器2和信号处理基板3之间的布置关系能被容易地调整，因此在组装振动传感器时可抑制振动传感器1的重心位置的变化。指示横轴灵敏度与主轴灵敏度比率的串扰的影响可被抑制。换言之，因为可抑制压电振动器2的不涉及振动方向的方向与振动方向的比率，因此能减小压电振动器2的变化。
【第二示例性实施例】
以下将参考附图说明第二示例性实施例。
【结构说明】
图2是根据本示例性实施例的振动传感器1的俯视图。图3是沿图2中所示的线A–A’截取的截面图。
如图2中所示，根据本示例性实施例的振动传感器1包括压电振动器2、信号处理基板3以及外壳4。
压电振动器2由压电元件5和振动板6组成。压电元件5具有平面形状并由PZT（锆钛酸铅）制成。类似地，振动板6具有平面形状并由诸如磷酸铜等的金属制成。如果能实现与上述效果相同的效果，则压电元件5和振动板6的形状和材料不限于上述形状和材料。
如图3中截面图中所示，外壳4大致为其中包括空间的盒状。压电振动器2设置在外壳4中。压电振动器2的两端都通过导电粘合剂15等粘结并固定至外壳4。因为压电振动器2的两端都固定至外壳4，因此配置为两侧支撑梁结构，其中外壳4用作支撑体。压电振动器2的主表面提供在平行于外壳4的主表面的位置。优选用于将压电振动器2固定于外壳4的粘合剂15由厚度等于或小于5μm的热固性树脂制成。
在本示例性实施例中，如图3中所示，压电元件5通过粘合剂15等稳固地固定于面对外壳4的振动板6的表面之一。如图2中所示，电极7至少设置在两个位置处。一个是设置在振动板6上，而另一个是设置在压电元件5的表面上，即，与固定了振动板6的表面相对的表面上。相应的电极7都通过引线等电连接至信号处理基板3。
本示例性实施例的结构不限于上述结构。如图4中所示，压电元件5可设置在振动板6的两个表面上。在上述结构的情况下，类似地，电极7设置在至少两个位置处。一个是设置在振动板6上，而另一是设置在压电元件5的表面上，即与固定了振动板6的表面相对的表面上。如果压电元件5分别设置在振动板6的两个表面上，则电极7可设置在压电元件5的每一个上。电极7通过引线等电连接至信号处理基板3。
如图2中所示，信号处理基板3至少包括电荷电压转换处理单元8、滤波器处理单元9以及诸如运算放大器的信号放大处理单元10等等。电荷电压转换处理单元8具有将输入的电荷转换成具有低阻抗的电压信号的功能。滤波器处理单元9具有通过从输入的信号中提取在期望的频带中的信号而设定期望的传感器测量频带的功能。信号放大处理单元10具有放大输入的信号的功能。信号处理基板3通过电缆11连接至外部测量装置、诊断装置等。
压电振动器2和信号处理基板3在相同平面上并排布置至外壳4。换言之，压电振动器2和信号处理基板3并排布置在大致与压电振动器2的振动方向相垂直的平面方向上。
【功能说明】
以下将说明本示例性实施例的功能。
如果诸如振动等的外力在垂直方向的检测方向上被施加至振动传感器1中的外壳4和压电振动器2，则压电元件5将由外力施加的振动能通过压电效应转换为电能并输出电荷。因为压电元件5不单独设置而是稳固地固定至振动板6，因此压电元件5具有容易被外力弯曲的形状并能输出更多的电荷。如图4中所示，如果压电元件5稳固地固定至振动板6的两个表面，则其能输出更多的电荷。
振动传感器1所能检测到的加速度的频率由振动传感器1的自共振频率决定。振动传感器1的刚度越大，则自共振频率越高。因此，因为压电振动器2具有两侧支撑的梁结构且其中其两端都粘结并固定至外壳4，因此与常用的一侧支撑的梁结构相比，其刚度变得较大且其能实现较高的自共振频率。因此，在具有两侧支撑的梁结构的压电振动器2中，自共振频率会较高且用于检测的频带宽度会较宽。
从压电元件5输出的电荷被输入至信号处理基板3。在信号处理基板3内，首先，输入的电荷被输入至电荷电压转换处理单元8。电荷电压转换处理单元8将从压电元件5输入的电荷转换为具有低阻抗的电压信号并将其输出至滤波器处理单元9。滤波器处理单元9提取在期望的频带中的从电荷电压转换处理单元8输入的电压信号并将其输出至信号放大处理单元10。信号放大处理单元10放大从滤波器处理单元9输入的电压信号。
信号处理基板3将从信号放大处理单元10输出的电压信号通过电缆11输出至外部测量装置、诊断装置等。
【效果说明】
以下将说明本示例性实施例的效果。
在根据本示例性实施例的振动传感器1中，可通过在大致与振动检测的方向相垂直的平面方向上并排布置压电振动器2和信号处理基板3而降低振动传感器1的高度。即，与专利文献1中说明的结构（其中压电振动器2和信号处理基板3在厚度方向上，即振动检测方向上叠置）相比，振动传感器1的高度可被降低。
在根据本示例性实施例的振动传感器1中，压电振动器2和信号处理基板3并排布置在大致与压电元件5的振动方向相垂直的平面方向上。因此，因为压电振动器2和信号处理基板3之间的布置关系可被容易地调整，因此在组装振动传感器1时可抑制其重心位置的变化。因此，可抑制指示横轴灵敏度与主轴灵敏度比率的串扰的影响。换言之，因为压电振动器2的不涉及振动方向的方向与振动方向的比率可被抑制，因此能减小压电振动器2的变化。
在根据本示例性实施例的振动传感器1中，通过使压电振动器2的重量与信号处理基板3的重量彼此相等，可使振动传感器1中的重心位置稳定且可进一步抑制压电振动器2的变化。此外，如果压电振动器2和信号处理基板3中的一者发生故障并需要将其置换，则可迅速地置换其中一者。因此，可提高可制造性和可维修性。
在根据本示例性实施例的振动传感器1中，通过采用厚度等于或小于5μm的由热固性树脂制成的粘合剂15，可提高电气特性，可扩大要被施加的粘合剂15的选择范围，且可实现具有高质量和低成本的振动传感器1。
【第三示例性实施例】
以下将说明第三示例性实施例。图5是该示例性实施例的振动传感器的俯视图。
【结构说明】
本示例性实施例与第二示例性实施例的不同点在于如图5中所示，配重物12布置在压电振动器2的振动板6上。除上述不同点之外，该结构以及连接关系都与第一示例性实施例中所述相同。即，第三示例性实施例的振动传感器1配备有压电振动器2、信号处理基板3以及外壳4。
在图5中所示的振动传感器1中，配重物12布置在与布置了压电元件5的振动板6的表面相同的表面上。配重物12可布置在与布置了压电元件5的振动板6的表面相对的表面上。可对称于压电元件5分别设置并布置多个配重物12。
【功能和效果说明】
在根据第三示例性实施例的振动传感器1中，通过对称于压电元件5布置配重物12，可放大压电振动器2的振动并提高输出电荷。
因为配重物12对称于压电振动器2中的压电元件5进行布置，因此可使得压电振动器2自身的振动模式稳定。因此可调整压电振动器2和信号处理基板3之间的质量平衡并能实现稳定的振动。
【第四示例性实施例】
以下将说明第四示例性实施例。图6是本示例性实施例的振动传感器的俯视图。
【结构说明】
第四示例性实施例的结构与第二示例性实施例的结构相比的不同点在于，如图6中所示，开关13设置在信号处理基板3和外部装置14之间。除上述不同点之外，其结构和连接关系都与第一示例性实施例相同。即，根据第二示例性实施例的振动传感器1配备有压电振动器2、信号处理基板3以及外壳4。
在根据本示例性实施例的振动传感器1中，开关13设置在信号处理基板3和外部装置14之间。如果振动施加至压电元件2且输出的电荷变得大于或等于预定值，则开关13运行并开始将电力提供至信号处理基板3上的诸如电荷电压转换处理单元8、滤波器处理单元9、信号放大处理单元10等的电子部件。
【功能和效果说明】
在根据本示例性实施例的振动传感器1中，施加至压电振动器2的振动转换成电能，且如果从压电振动器2输出的电荷变得大于或等于预定值，则开关运行。当开关运行时，外部装置14开始将电力提供至信号处理基板3上的电荷电压转换处理单元8、滤波器处理单元9以及信号放大处理单元10。如果电力从外部装置14提供，则电荷电压转换处理单元8、滤波器处理单元9以及信号放大处理单元10开始执行用于输入的电荷的信号处理。
即，因为开关13在出现超过某一预定量的振动时才运行，因此电子部件不会因为其周围的诸如环境振动等的较小的振动而运行。因此可抑制振动传感器1的驱动功耗。
【第五示例性实施例】
以下将说明第五示例性实施例。
【结构说明】
本示例性实施例与第二示例性实施例的不同点在于如果待测装置是安装在个人计算机等中的存储装置，则连接至信号处理基板3的电缆11的长度应等于或小于5cm，如图7中所示。除了上述不同点之外，其结构和连接关系都与第一示例性实施例相同。即，第二示例性实施例的振动传感器1配备有压电振动器2、信号处理基板3以及外壳4。
【功能和效果说明】
在根据本示例性实施例的振动传感器1中，如果待测装置是安装在个人计算机等中的存储装置，则连接至信号处理基板3的电缆11的长度应等于或小于5cm。通过这种方式，因为不受诸如个人计算机等的装置内部噪声的影响，因此能实现高信噪比。
【示例】
以下将说明示例。以下将在下文中说明各个部件的尺寸和材料。振动传感器1的尺寸约为8.5mm长、约8.5mm宽以及约3mm厚。压电振动器2的尺寸约为5mm长、约3mm宽以及0.62mm厚。压电元件5的尺寸约为4.5mm长、约2.5mm宽以及0.5mm厚。信号处理基板3的尺寸约为5mm长、约3.2mm宽以及1mm厚。振动板6的材料是磷青铜且压电元件5的材料是PZT（锆钛酸铅）。尺寸和材料不限于上述那些。
以下评估串扰特性，其指示根据本示例的振动传感器1的横轴灵敏度与主轴灵敏度的比率。在串扰特性的评估中，已经在振动传感器1布置在加振器上且振动传感器1中的横轴检测的方向设定为对应于加振器的振动方向的情况下，研究了输出灵敏度。
压电振动器2的厚度方向设定为主轴灵敏度方向。横轴灵敏度方向设定为压电振动器2的较长方向（X方向）以及压电元件5的较短方向（Y方向）。在上述情况下，当振动施加至振动传感器1时，已经测量了串扰。
在本示例中，压电振动器2和信号处理基板3在外壳4中并排布置在相同平面上。即，压电振动器2和信号处理基板3并排布置在大致与为压电振动器2的主轴灵敏度方向的振动方向相垂直的平面方向上。换言之，压电振动器2和信号处理基板3并排布置在相同平面上。
另一方面，作为比较示例，也已经评估了专利文献1中说明的结构的串扰特性，其中压电振动器2和信号处理基板3叠置并布置在主轴灵敏度方向的振动方向上。
对于每一结构评估十个样本。图8中所示的实验结果表示在振动传感器1的X方向上施加振动的5个样本的串扰特性平均值。此外，图9中所示的实验结果表示在振动传感器的Y方向上施加振动的5个样本的串扰特性平均值。
可以理解，在100Hz至10KHz的频带中，根据本示例的结构的串扰特性与比较例相比得到明显提升。
由上述结果可以理解，可通过将压电振动器2和信号处理基板3并排布置在大致与振动检测方向相垂直的外壳4的平面方向上降低振动传感器1的高度，可使得串扰特性的变化较小且可明显提高串扰特性。
已经根据上述示例性实施例和示例说明了本发明。但是，本发明不限于上述示例性实施例和示例的结构。显然，本领域技术人员在本发明的范围内进行的各种改变和改进也包括在本发明范围内。
本申请基于2010年8月24日提交的日本专利申请No.2010-187016并要求其优先权，在此将其全部公开内容并入作为参考。
附图标记列表
1 振动传感器
2 压电振动器
3 信号处理基板
4 外壳
5 压电元件
6 振动板
7 电极
8 电荷电压转换处理单元
9 滤波器处理单元
10 信号放大处理单元
11 电缆
12 配重物
13 开关
14 外部装置
15 粘合剂
101 压电振动传感器装置
102 压电体
103 负载体
104 信号处理基板
105 壳体
106 壳盖体
107 导电层
Claims (10)
1.一种振动传感器，包括：
压电振动器，包括振动板以及稳固地固定至所述振动板的至少一个平面表面的压电元件；
信号处理基板，对从所述压电振动器输出的电荷执行预定处理；以及
其中所述压电振动器和所述信号处理基板并排布置在大致与所述压电振动器的振动方向相垂直的平面方向上。
2.根据权利要求1所述的振动传感器，
其中所述振动传感器包括在其中容置所述压电振动器和所述信号处理基板的外壳，以及
所述压电振动器的两端都固定至所述外壳。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的振动传感器，
其中所述压电振动器的重量和所述信号处理基板的重量彼此相等。
4.根据权利要求1、2和3中任一项所述的振动传感器，
其中所述信号处理基板包括：
将输入的电荷转换成电压信号的电荷电压转换处理单元，
在输入的所述电压信号中提取期望的频带中的信号的滤波器处理单元，以及
放大从所述滤波器处理单元输出的所述电压信号的信号放大处理单元。
5.根据权利要求1、2、3和4中任一项所述的振动传感器，进一步包括设置在所述振动板和所述压电元件上的电极，其中
所述压电振动器通过所述电极电连接至所述信号处理基板。
6.根据权利要求1、2、3、4和5中任一项所述的振动传感器，其中
在所述振动板上布置配重物。
7.根据权利要求6所述的振动传感器，
其中至少两个所述配重物设置在所述振动板上且相对于所述压电元件对称地布置。
8.根据权利要求2、3、4、5、6和7中任一项所述的振动传感器，其中
所述压电振动器通过粘合剂固定至所述外壳且所述粘合剂的厚度等于或小于5μm。
9.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7和8中任一项所述的振动传感器，其中
所述信号处理基板包括开关，以及
如果从所述压电振动器输入的电荷大于或等于预定值，则所述开关开始将电力提供至所述信号处理基板。
10.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7、8和9中任一项所述的振动传感器，其中
所述信号处理基板通过电缆电连接至外部装置且所述电缆的长度等于或小于5cm。
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