JP2006078393A - ケーブル状圧電素子を用いた振動検知センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 正確な振動の検出、測定を要する種々の機器、分野に応用可能な振動検出センサを提供する。
【解決手段】 振動検知センサ１００は、基板２と、当該基板２に、少なくともその一端において直接接続されたケーブル状圧電素子１とを備える。ケーブル状圧電素子１は、その径方向に沿って、芯電極３と、その周囲に配置された圧電体５と、その周囲に配置された外側電極７と、その周囲に配置された被覆層９とを備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、ケーブル状圧電素子を用いた振動検知センサに関する。

地震の検出をするための感震器等、感圧センサとして、種々のものが知られている。これらの振動検知機において、所定の圧電体を用いるものが知られている。

例えば、特許文献１は、プリント基板に揺動可能に立設した圧電素子を有する感振センサを開示している。

上述の圧電素子は、外部から震動が加わると変形し、その外周面に取り付けられた二つの電極間に生じた電圧の工程に基づいて震度を算出するものである。

特開２００１−１０８５１６号公報

しかしながら、上述の感振センサでは、プリント基板上に圧電素子が立設またはプリント基板から圧電素子が吊り下げられている。この構成下においては、センサの取り付け方向の自由度が規制されてしまう。また、所定の高さを持つため、当該高さに対応した空間を確保することが必要となる。更に、水平方向の振動検知の精度に問題があると考えられる。

本発明は、取り付けの自由度を確保しつつ、精度の高い振動検知を可能とする振動検知センサを提供する。

本発明の振動検知センサは、基板と、当該基板に、少なくともその一端において直接接続されたケーブル状圧電素子とを備える。そして、当該ケーブル状圧電素子はその径方向に沿って、芯電極と、当該芯電極の周囲に配置された圧電体と、当該圧電体の周囲に配置された外側電極と、当該外側電極の周囲に配置された被覆層とを備える。

ケーブル状圧電素子は曲げ部を有するように形成され、また、その少なくとも一部に重りを固定してもよい。

ケーブル状圧電素子を、基板の主平面と実質的に平行な面内において略円形となるよう曲げ、基板に対する固定端とは逆側の開放端に固定された重りを設けてもよい

また、ケーブル状圧電素子を、その両端部が互いに略並行に配置して基板に接続し、当該両端部の中間部を略円形に形成してもよい。

また、ケーブル状圧電素子をコイル状に形成し、基板から略垂直に延設することができる。一方、ケーブル状圧電素子を基板から離れるにつれコイル径が拡大するよう、コイル状に形成し、基板から延設させてもよい。

一方、基板内に通孔を形成し、ケーブル状圧電素子を当該通孔内において、基板の主平面と実質的に平行になるよう基板に接続し、基板への固定端とは逆側の開放端に重りを固定してもよい。または、ケーブル状素子を略Ｕ字形状に曲げ、その両端において基板に固定してもよい。

基板及びケーブル状圧電素子を所定の筐体に収納するようにしてもよい。

また、基板の下面からケーブル状圧電素子が吊り下げられて下方向に延びるよう、ケーブル状圧電素子を基板に接続してもよい。

ケーブル状圧電素子に、形状保持特性を持たせることができる。圧電体は樹脂と圧電性セラミックスから構成することができる

本発明の振動検知センサは、感震器、流量計測器、、電動カート、電動車椅子などに用いることができる。

本発明の振動検知センサは、種々の形状を採用し得る所定のケーブル状圧電素子を用いるため、取り付け方向、取り付け場所、取り付け空間等にとらわれず、自由度の高い取り付け方法を確保することができる。従って、センサを用いた機器の設計自由度も増すこととなる。更に、本発明の振動検知センサによれば、予め振動方向を緻密に特定することなしに、精度の高い検知を行うことが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を、以下に図面を参照しながら説明する。実施の形態の説明において、同一構成並びに作用効果を奏するところには同一符号を付し、重複した説明を行わないものとする。

（実施の形態１）
本発明の振動検知センサの実施の形態の一例を図５に示す。本実施形態における振動検知センサ１００は、基板２と当該基板２上に配置されたケーブル状圧電素子１より構成される。基板２に、ケーブル状圧電素子１は、少なくともその一端（固定端）において直接接続され、他の一端（開放端）は開放されている。

振動検知センサ１００は、感震器その他振動を検知するためのセンサとして使用される。本実施形態においては、ケーブル状圧電素子１は直線状であり、基板２から略垂直に延設されている。

ケーブル状圧電素子１は、図１に示す構造を有する。径方向の中心に芯電極（中心電極）３と、この芯電極３の周囲に、圧電体を構成する、圧電セラミックスであるピエゾ素子材料（複合圧電体層）５を被覆し、さらに複合圧電体層５の周囲に外側電極７を配設し、さらに外側電極７の周囲に形状保持特性を有するコイルばね１１を配設し、最外周をＰＶＣ（塩化ビニル樹脂）等の被覆層９で被覆して形成したものである。このケーブル状圧電素子１はコイルばね１１のため優れた形状保持特性を有し、変形時の変形加速度に応じた出力信号を発生する。圧電セラミックスとしては、例えば、チタン酸鉛、又はチタン酸ジルコン酸鉛の焼結粉体やニオブ酸ナトリウム等の非鉛系圧電セラミック焼結粉体を用いる。本実施形態のケーブル状圧電素子１は、圧電ケーブルとしてはフレキシブル性があるので、どんな形状にも成形できる。そして、このケーブルに形状保持特性をももたせたので、多様な形状に成形保持することが可能となる。ただし、特に実施の形態１の様にケーブル状圧電素子１を直線状のまま用いる場合、形状保持特性は重要ではないため、コイルばね１１は必須のものではない。

上記ケーブル状圧電素子１は、使用温度が１２０℃まで可能な出願人独自開発の耐熱性を有する樹脂系材料を複合圧電体層５に用いており、従来の代表的な高分子ピエゾ素子材料（一軸延伸ポリ弗化ビニリデン）やピエゾ素子材料（クロロプレンと圧電セラッミック粉末のピエゾ素子材料）の最高使用温度である９０℃より高い温度域(１２０℃以下)で使用できる。そして、複合圧電体層５がフレキシブル性を有する樹脂と圧電性セラミックから構成され、また、コイル状金属中心電極及びフィルム状外側電極から成るフレキシブル電極を用いて構成しており、通常のビニールコード並みのフレキシブル性を有している。

複合圧電体層５は、樹脂系材料と、１０μｍ以下の圧電性セラミック粉末の複合体とから構成され、振動検出特性はセラミックにより、またフレキシブル性は樹脂によりそれぞれ実現している。本複合圧電体層５は樹脂系材料として塩素系ポリエチレンを用い、高耐熱性（１２０℃）と容易に形成できる柔軟性を実現すると共に架橋する必要のない簡素な製造工程を可能とするものである。

このようにして得られたケーブル状圧電素子１は、複合圧電体層５を成形したままでは、圧電性能を有しないので、複合圧電体層５に数ｋＶ/ｍｍの直流高電圧を印加することにより、複合圧電体層５に圧電性能を付与する処理（分極処理）を行うことが必要である。複合圧電体層５にクラックなどの微少な欠陥が内在する場合、その欠陥部で放電して両電極間が短絡し易くなるので、充分な分極電圧が印加できなくなるが、本発明では一定長さの複合圧電体層５に密着できる補助電極を用いた独自の分極工程を確立することにより、欠陥を検出・回避して分極を安定化でき、これにより数１０ｍ以上の長尺化も可能になる。

また、ケーブル状圧電素子１においては、芯電極３にコイル状金属中心電極を、外側電極７にフィルム状電極（アルミニウム−ポリエチレンテレフタレート−アルミニウムの三層ラミネートフィルム）を用い、これにより複合圧電体層５と電極の密着性を確保すると共に、外部リード線の接続が容易にでき、フレキシブルなケーブル状実装構成が可能になる。

芯電極３は、銅−銀合金コイル、外側電極７はアルミニウム−ポリエチレンテレフタレート−アルミニウムから成る三層ラミネートフィルム、複合圧電体層５はポリエチレン系樹脂＋圧電性セラミック粉末、外皮は熱可塑性プラスチック、これにより、比誘電率は５５、電荷発生量は１０−１３Ｃ（クーロン）/ｇｆ、最高使用温度は１２０℃となる。

さらに、本発明のケーブル状圧電素子１においては、コイルばね１１が、外側電極７の外側に巻きつけられている。コイルばね１１は、ケーブル状圧電素子１の径方向における外側電極７と被覆層９の間に配置されている。このコイルばね１１は、ケーブル状圧電素子１を所定形状に保持する形状保持部材を構成する。

コイルばね１１の素材としては、以下の線材を用いることができるが、これらの線材には限定されない。
ＷＣ（８０Ｃ）（硬鋼線）； ＳＷＰＡ，ＳＷＰＢ（ピアノ線）；
ＳＷＯＳＭ−Ｂ（シリマン）； ＳＷＯＳＣ−Ｖ（クロシリ）；
ＳＵＳ３０４−ＷＰＢ，ＳＵＳ３１６−ＷＰＡ（ステンレス）；
ＢｓＷ（黄銅線）； ＰＢＷ（リン青銅）

以上のケーブル状圧電素子１は、一例として以下の工程により製造される。最初に塩素化ポリエチレンシートと４０〜７０体積％の圧電セラミックス（ここでは、チタン酸ジルコン酸鉛）粉未がロール法によりシート状に均一に混合される。このシートを細かくペレット状に切断した後、これらのペレットは芯電極３と共に、連続的に押し出されて複合圧電体層（分極処理前のピエゾ素子材料）５を形成する。そして、補助電極をこの複合圧電体層の外周に接触させて前記補助電極と芯電極３との間に高電圧を印加させて分極処理を行う。それから、外側電極７が複合圧電体層の周囲に巻き付けられる。更にコイルばね１１が外側電極７の周囲に巻き付けられた後、外側電極７、コイルばね１１を取り巻いて被覆層９も連続的に押し出される。このようにして製造されたケーブル状圧電素子１は、図５のような直線状態でも使用できるが、図７等に示されたような種々の形状に加工される場合に特に好適である。

上記塩素化ポリエチレンに圧電セラミックス粉体を添加するとき、前もって、圧電セラミックス粉体をチタン・カップリング剤の溶液に浸漬・乾燥することが好ましい。この処理により、圧電セラミックス粉体表面が、チタン・カップリング剤に含まれる親水基と疎水基で覆われる。親水基は、圧電セラッミクス粉体同士の凝集を防止し、また、疎水基は塩素化ポリエチレンと圧電セラミックス粉体との濡れ性を増加する。この結果、圧電セラミックス粉体は、塩素化ポリエチレン中に均一に、最大７０体積％までに多量に添加することができる。上記チタン・カップリング剤溶液中の浸漬に代えて、塩素化ポリエチレンと圧電セラミックス粉体のロール時にチタン・カップリング剤を添加することにより、上記と同じ効果の得られることが見出された。この処理は、特別にチタン・カップリング剤溶液中の浸漬処理を必要としない点で優れている。このように、塩素化ポリエチレンは、圧電セラミックス粉体を混合する際のバインダー樹脂としての役割も担っている。

本実施形態の場合、芯電極３には、銅系金属による単線導線を使用している。また、外側電極７には、高分子層の上にアルミ金属膜の接着された帯状電極を用い、これをピエゾ素子材料５の周囲に巻き付けた構成としている。そして、高分子層としては、ポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）を用い、この上にアルミ薄膜を接着した電極は、商業的にも量産されて、安価であるので、外側電極７として好ましい。この電極を外部の制御回路等に接続する際には、例えば、加締めや、ハトメにより接続することができる。また、外側電極７のアルミ薄膜の周りに金属単線コイルや金属編線を制御回路等の接続用に半田付けする構成としてもよく、半田付けが可能となるので、作業の効率化が図れる。なお、ケーブル状圧電素子１を外部環境の電気的雑音からシールドするために、外側電極７は部分的に重なるようにして複合圧電体層の周囲に巻き付けることが好ましい。

被覆層９としては、前述の塩化ビニル樹脂よりも断熱性及び防水性に優れたゴム材料を使用することもできる。このゴム材料とは、接触する物品の押圧力で複合圧電体層５が変形し易いように、複合圧電体層５よりも柔軟性及び可撓性の高いものが良い。車載部品として耐熱性、耐寒性を考慮して選定し、具体的には、−３０℃〜８５℃で可撓性の低下が少ないものを選定することが好ましい。このようなゴム材料として、例えば、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、シリコンゴム（Ｓｉ）、熱可塑性エラストマー等を用いればよい。以上のような構成により、ケーブル状圧電素子１の最小曲率は、半径５ｍｍまで可能になり、また、塩化ビニルと比較して、更に優れた断熱性及び防水性を確保することができる。

上記のように、ケーブル状圧電素子１の複合圧電体が塩素化ポリエチレンの有する可撓性と圧電セラミックスの有する高温耐久性とを併せ持つので、圧電体としてポリフッ化ビニリデンを用いた従来の圧電センサのような高温での感度低下がなく、高温耐久性がよい上、ＥＰＤＭのようなゴムのように成形時に加硫工程が不要なので生産効率がよいという利点が得られる。

図２はケーブル状圧電素子１の変形例であり、この例では、図１のコイルばね１１に代えて、板ばね１３が外側電極７に隣接して配置されている。従って、板ばね１１は、ケーブル状圧電素子１の径方向における外側電極７と被覆層９の間に配置されている。この板ばね１３は、ケーブル状圧電素子１を所定形状に保持する形状保持部材を構成し、コイルばね１１と同等の効果を奏する。

板ばね１３の素材としては、例えば以下の板ばねを用いることができるが、これらの板ばねには限定されない。
ＳＫ５（ 一般的な板バネ）；
ＳＵＳ３０１−ＣＳＰ３／４Ｈ，ＳＵＳ３０４−ＣＳＰ３／４Ｈ（ステンレス）

図３はケーブル状圧電素子１の変形例であり、この例では、図１、図２のコイルばね１１、板ばね１３の如き独立した形状保持部材は設けられていない代わりに、形状保持特性を有する芯電極３ａ及び／又は被覆層９ａが用いられている。芯電極３ａ及び／又は被覆層９ａは、コイルばね１１、板ばね１３と同等の効果を奏する。

特に板ばね１３の如き単純な部材の場合、応力印加による変形と、保持されていた形状への回復時の変形が、ある程度一定の状況になるので、出力が安定して得られる。更に、次回の応力印加時に形状が回復していれば、再現性のある出力が得られる。

本例において、芯電極３ａは例えば形状記憶合金によって構成することができる。変形を加えても、ある一定温度以上に加熱すれば元の形に戻る合金を形状記憶合金といい、合金の温度を上げていって、低温側の結晶構造と高温側の結晶構造が入れ替わる際に形状も元に戻る。その時の温度は（変態点）は、通常２０℃〜１００℃の間である。材質は、ニッケルとチタンの合金を用いることができるが、金属の種類は特に限定されない。

また、本例において、被覆層９ａは例えば熱収縮チューブによって構成することができる。熱収縮チューブの素材としてポリオレフィン、硬質収縮性塩化ビニールを用いることができるが、特に限定はされない。

芯電極３ａ及び被覆層９ａのうち、いずれに形状保持特性を持たせても良く、また、双方に形状保持特性を持たせてもよい。

図４に示すように、ケーブル状圧電素子１の出力信号から、振動の有無を検出する制御回路１５には、振動をユーザーに知らせるブザー５１と、このブザー５１の動作を制御するブザー制御部５３が装備されて、振動検知センサシステムを構成する。制御回路１５は、一般的に図４の基板２上にパターニングによって形成されている。

制御回路１５は、ケーブル状圧電素子１の断線を検出する際に使用する分圧用抵抗体５５、ケーブル状圧電素子１からの出力信号から所定の周波数成分のみを通過させる濾波部５７、濾波部５７からの出力信号に基づきケーブル状圧電素子１への物体の接触を判定する判定部５９、断線検出用抵抗体３３と分圧用抵抗体５５により形成される電圧値からケーブル状圧電素子１の芯電極３と外側電極７の断線異常を判定する異常判定部６１を備えている。また、芯電極３と外側電極７を制御回路１５に接続し、ケーブル状圧電素子１からの出力信号を制御回路１５に入力する信号入力部６３と、判定部５９からの判定信号を出力する信号出力部６５とは、隣接して制御回路１７内に配設してある。信号出力部６５には、制御回路１５への電源ラインとグランドラインも接続されている。さらに、制御回路１５は、信号入力部６３と信号出力部６５との間に設けられ高周波信号をバイパスするコンデンサ等のバイパス部６７を有している。また、制御回路１５を通じて電力を供給する電源７３が設けられている。ブザー制御部５３、電源７３は、コネクタ３９により、制御回路１５の信号出力部６５に接続されている。

制御回路１５は、外来の電気的ノイズを除去するためシールド部材で全体を覆って電気的にシールドしてある。また、外側電極７は制御回路１５のシールド部材と導通し、ケーブル状圧電素子１も電気的にシールドされている。なお、上記回路の入出力部に貫通コンデンサやＥＭＩフィルタ等を付加して強電界対策を行っても良い。

基板２には通常のプリント基板などを用いることができ、特に限定はされない。また、基板２とケーブル状圧電素子１の接続方法も特に限定はされない。基板２には種々の汎用のプリント基板などを用いることができる。

図２４は、ケーブル状圧電素子１に加わる荷重とセンサ出力特性を示す線図である。出願人がケーブル状圧電素子１の荷重とセンサ出力の関係を実験した結果、ケーブル状圧電素子１に（ａ）のような曲げ荷重を加えたとき、センサ出力が（ｂ）のような現象になることを突きとめた。

（１）すなわち、時刻ｔ０ではケーブル状圧電素子１に荷重が加わっていないときは、センサ出力は２（Ｖ）を示している。（２）時刻ｔ１でケーブル状圧電素子１に一定方向に曲げ荷重を加えると、加わった瞬間からセンサ出力は４（Ｖ）に増加したあと直ぐに反転して０（Ｖ）になり、その後再び２（Ｖ）に戻る。（３）そのあと、曲げたままにしていてもセンサ出力は２（Ｖ）を示したままである。（４）時刻ｔ３でケーブル状圧電素子１を元の状態に戻すと、その瞬間からセンサ出力は０．８（Ｖ）に減少したあと、直ぐに反転して２．２（Ｖ）になり、その後再び２（Ｖ）に戻る。

また、同じ条件下で、上記（２）の実験のとき、曲げ方向を（２）の実験のときの曲げ方向に対して１８０度逆方向に曲げたら、センサ出力は０（Ｖ）に減少したあと直ぐに反転して４（Ｖ）になり、その後再び２（Ｖ）に戻った。

さらに、同じ条件下で、上記（２）の実験のとき、速く曲げたら、（２）の実験のときと比べてセンサ出力が大きくなり、ゆっくり曲げたらセンサ出力は小さくなった。

この曲げ方向に対して１８０度逆方向に曲げても同じ結果が生じた。すなわち、速く曲げたら大きく振れ、ゆっくり曲げたら少ししか振れなかった。この結果、１本のケーブル状圧電素子１で前後の曲げ方向と曲げ加速度が分かるので、ケーブル状圧電素子１を用いることによりとアナログ入力装置が得られることとなる。

（実施の形態２）
図６に示された本実施形態の振動検知センサ１１０においては、図５の構成に加え、ケーブル状圧電素子１の最上端部に重り４が固定されている。この構成により、ケーブル状圧電素子１の振動に対する感度を向上させることができる。重り４は、例えば任意の樹脂材料により得ることができ、熱でケーブル状圧電素子１に固定することができる。また、ケーブル状圧電素子１は、一般的に所定の端部処理がなされる。この端部処理は、断線検知抵抗（図４の断線検出用抵抗体３３に相当）を所定のモールド樹脂により封止することにより得てもよい。図２０はこのような端部処理の例を示す。芯電極３ａに所定の抵抗体１０がワイヤ１６によって接続され、芯電極３、抵抗体１０が、他の熱収縮チューブ２１により被覆されている。ただしワイヤ１６の端部２３は熱収縮チューブ２１から露出している。さらに、モールド樹脂１２により端部、とりわけ熱収縮チューブ２１の周囲からケーブルにかけての部分が封止されている。このモールド樹脂１２は導電樹脂材料より構成されており、ワイヤ１６の端部２３と外側電極７を電気的に導通させる役割を果たす。モールド樹脂１２が導電性をもたないものであれば、熱収縮チューブ２１の周囲を導電テープなどで被覆しつつ、ワイヤ１６の端部２３と外側電極７を導通させてもよい。

（実施の形態３）
図７に示された本実施形態の振動検知センサ１２０においては、ケーブル状圧電素子１が、全体的にＵ字形状に曲げられ、その両端が基板２に接続固定されている。ケーブル状圧電素子１は少なくともその一箇所において曲げ部を有する。曲げ部では圧電体に所定の張力がかかった状態となっており、振動検知感度が向上する。また、曲げ部を構成することで、省スペースで圧電体の長さを確保できる。圧電体が長いほど、振動検知による圧電体の全体の歪み量が増え、起電力も増大し、信号出力が向上する。本実施形態では曲げ部はＵ字形状であり、いわゆる湾曲形状であるが、後述する「屈曲」の概念をも含む。

図２１には、曲げ部としての屈曲部を設けたケーブル状圧電素子１を基板２上に設けた種々の例を示す。図示の例ではホルダー１４が、ケーブル状圧電素子１に密着され、当該素子を支持した状態で、基板２上に取り付けられている。このホルダー１４は、ケーブル状圧電素子１の形状保持に寄与し、圧電素子１が基板２から延びた状態を維持する。この場合、ケーブル状圧電素子１自体に形状保持特性をもたせる必要は必ずしもない。

図２１（ａ）、図２１（ｂ）の例では、ケーブル状圧電素子１とホルダー１４各々に互いに対応した屈曲部が設けられている。図２１（ａ）では鈍角であり、図２１（ｂ）では直角である。図２１（ｃ）の例では、ホルダー１４に屈曲部が設けられておらず、ケーブル状圧電素子１が直角に屈曲されている。 図２１（ｄ）の例では、ケーブル状圧電素子１に屈曲部が設けられておらず、ホルダー１４が屈曲されている。この屈曲角度に対応した所定角度をもって、ケーブル状圧電素子１が基板２上に保持されている。

図１から図３のような圧電素子と異なる従来の圧電素子は、形状保持特性を有さず、それ自体が弾性を有するため、たとえ素子を所望形状に変形した上で固定しても、依然として元の形状に回復しようとする性質（残存形状回復性）を素子は保っている。そのため、所定の力を外部から素子に印加した際、力の印加による変形から生ずる出力（正しい出力）のみならず、形状回復性により生ずる出力も生じ得る。この形状回復性により生ずる出力は、変形態様、固定方法によって種々の値をとるため、固定配置された素子の出力が、安定的に得られないという問題があった。

一方、本実施形態のケーブル状圧電素子１中のコイルばね１１は、一度所定形状に加工された後は、当該形状を保持する形状保持特性を有する。従って、ケーブル状圧電素子１自体が形状保持特性を有することとなる。すなわち、ケーブル状圧電素子１を図７のようなＵ字形状に変形しても、依然として元の形状に回復しようとする性質（残存形状回復性）は実質的にゼロとなる。従って、所定の力を外部から素子に印加した際、形状回復性により生ずる出力はゼロ、または実質的にゼロとなる。言い換えると、印加された力のみによる正しい出力が安定的に得られるようになる。ここで「実質的にゼロ」とは実用上問題ないレベルで正しい出力が得られる程度に、残存形状回復性により生ずる出力がごくわずかであることをいう。

（実施の形態４）
図８に示された本実施形態の振動検知センサ１３０においては、図７の構成に加え、ケーブル状圧電素子１の曲がり部分、とくに曲がり部分の頂点部分に重り４が固定されている。この構成により、ケーブル状圧電素子１の振動に対する感度を向上させることができる。

（実施の形態５）
図９に示された本実施形態の振動検知センサ１４０においては、Ｕ字形状のケーブル状圧電素子１の基板２への固定端とは逆側の開放端に重り４が固定されている。そして、振動印加時には、ケーブル状圧電素子１の変形に伴い、重り４が基板２に貫通形成された通孔２ａ中を振動するよう、ケーブル状圧電素子１の曲率が全体に渡って調整され、通孔２ａの位置も調整されている。この構成により、ケーブル状圧電素子１の振動に対する感度を向上させることができる。

（実施の形態６）
図１０に示された本実施形態の振動検知センサ１５０においては、ケーブル状圧電素子１の基板２に対する固定端とは逆側の開放端に重り４が固定されている。そして、ケーブル状圧電素子１は、基板２の主平面と実質的に平行な面内において、略円形となるよう曲げられている。この構成においても、ケーブル状圧電素子１の振動に対する感度を向上させることができる。

（実施の形態７）
図１１に示された本実施形態の振動検知センサ１６０においては、ケーブル状圧電素子は、１）基板２に固定され、互いに略並行に配置された略並行端部１ｂ，１ｂと、２）両端部１ｂの間に存在し、実質的に円形に形成された中央円形部１ａを備える。

（実施の形態８）
図１２に示された本実施形態の振動検知センサ１７０においては、ケーブル状圧電素子１はコイル状に形成され、基板２から略垂直に延設されている。この構成においても、ケーブル状圧電素子１の振動に対する感度を向上させることができる。

（実施の形態９）
図１３に示された本実施形態の振動検知センサ１８０においては、ケーブル状圧電素子１はコイル状に形成され、基板２から離れるにつれコイル径が拡大されている。そして、基板２への固定端とは逆側の開放端に重り４が固定されている。この構成においても、ケーブル状圧電素子１の振動に対する感度を向上させることができる。

（実施の形態１０）
図１４に示された本実施形態の振動検知センサ１９０においては、基板２に略矩形状の通孔２ｂが形成され、通孔２ｂ内で振動可能なように、ケーブル状圧電素子１が基板２に固定されている。ケーブル状圧電素子１は、基板２の主平面と実質的に平行になるよう、通孔２ｂ内において延設されている。そして、基板２への固定端とは逆側の開放端に重り４が固定されている。この構成においても、ケーブル状圧電素子１の振動に対する感度を向上させることができる。

（実施の形態１１）
図１５に示された本実施形態の振動検知センサ２００においては、図１４と同様、基板２に略矩形状の通孔２ｂが形成され、通孔２ｂ内で振動可能なように、ケーブル状圧電素子１が基板２に固定されている。ケーブル状圧電素子１は、基板２の主平面と実質的に平行になるよう、通孔２ｂ内において延設されている。そして、ケーブル状圧電素子１は略Ｕ字形状に曲げられ、その両端において基板２に固定されている。

（実施の形態１２）
図１６に示された本実施形態の振動検知センサ２１０は、図７の振動検知センサ１２０が、筐体１９５内に収納されて形成されている。ケーブル状圧電素子１は変形可能なため、筐体１９５は小型のものでも良い。また筐体の３次元軸方向の壁に沿って圧電素子１を取り付けると、より厳密な３次元各方向の振動を検知することが可能となる。また、筐体をシールドケースで構成することで、センサへのノイズをキャンセルすることができる。他の総ての振動検知センサも筐体内に配置することができる。

（実施の形態１３）
図１７に示された本実施形態の振動検知センサ２２０においては、基板２から下方向に図８のケーブル状圧電素子１が吊り下げられて、基板２に固定されている。従って、図８の振動検知センサ１３０が、上下さかさまにひっくり返された形態を有する。他の振動検知センサも同様に、上下反対の状態で使用することができる。

（応用例）
図１８は、本発明の振動検知センサを流量計測器に利用した例を示す。本実施形態では、図５の振動検知センサ１００が流路２３０内に配置されている。水等の媒体の流れＡがケーブル状圧電素子１に衝突し、その度合いから流量を測定することができる。

一方、図１９は、本発明の振動検知センサを電動カートに利用した例を示す。本実施形態では、電動カート２４０の下部の空間２４５内に、上述のいずれかの振動検知センサが配置されている。乗員が電動カート２４０に触れたり、載ったりしたときに生ずる振動を振動検知センサは検知し、電動カート２４０のメイン電源のオン・オフを行う。

また、走行中に生ずる振動に連動して、車体のライトや運転モニタの如きカートの各種照明をオン・オフするように制御してもよい。これによりバッテリの消耗を減らして省電力を達成し、消し忘れを防止することも可能となる。また、振動が検知されなくても、所定時間（例えば一時停止中など）はオンの状態で保持したり、待機状態とすることで、一時停止の場合、再度走行しても即座に対応できる。

人体がカートに乗ろうとする際に生ずる振動、例えばハンドルをさわるとか、シートに腰掛ける等の行動に伴って、生ずる振動の生起を検出して各種照明をオンするような構成としても良く、利便性を更に向上させることもできる。

以上述べた流量計測器、電動カートは応用の例示にすぎず、その他、振動、圧力、応力を検知する製品、電動車椅子などに本発明の振動検知センサが適用できることは言うまでもない。

図２２は、ケーブル状圧電素子１を基板２に取り付ける方法の例を示したものである。取り付け金具１８は、図２２（ａ）に示すように、上側かしめ部１８ａ、下側かしめ部１８ｂ、底部１８ｃを有し、図２２（ｂ）に示すように、基板２上に底部１８ｃを介して配置される。そして図２２（ｃ）に示すように、上側かしめ部１８ａにより、被覆層９がかしめられ、下側かしめ部１８ｂにより外側電極７がかしめられる。これにより、ケーブル状圧電素子１が、基板２上に固定される。

図２３は、ケーブル状圧電素子１を基板２に取り付ける方法の他の例を示したものである。アンテナ用取り付けコネクタ２０が、図２３（ａ）に示すように、ケーブル状圧電素子１の先端に取り付けられ、図２２（ｂ）に示すように、ケーブル状圧電素子１が、基板２上に固定される。すなわち、アンテナの取り付け部品として用いられる一般的なコネクタを流用することも可能である。アンテナ用取り付けコネクタ２０を金属にて構成した場合、外側電極７とは接触するが、芯電極３とは接触しない。

本発明の振動検知センサにおいては、種々の形状を採用し得る所定のケーブル状圧電素子を採用している。従って、高い振動検知精度を確保しつつ、それ自体設計の自由度を確保しつつ、小型化も可能な振動検知センサが提供される。この振動検知センサは、取り付け方向、取り付け場所、取り付け空間等の制約を受けず、自由度の高い取り付け方法を達成し得る。また、センサを用いた機器の設計自由度も増すこととなる。更に、本発明の振動検知センサによれば、予め振動方向を特定することなく、任意の取り付け状態においても、取り付け精度の高い検知を行うことが可能となる。

以上、本発明の各種実施形態を説明したが、本発明は前記実施形態において示された事項に限定されず、特許請求の範囲及び明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者がその変更・応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

以上のように、本発明の振動検知センサは、正確な振動の検出、測定を要する種々の機器、分野に応用することが可能である。

ケーブル状圧電素子で、形状保持部材としてコイルばねを用いた例の図 ケーブル状圧電素子で、形状保持部材として板ばねを用いた例の図 ケーブル状圧電素子で、芯電極及び／又は被覆層に形状保持特性を持たせた例の図 ケーブル状圧電素子を用いた振動検知センサシステムの概要図 本発明の実施の形態１の振動検知センサを示す図 本発明の実施の形態２の振動検知センサを示す図 本発明の実施の形態３の振動検知センサを示す図 本発明の実施の形態４の振動検知センサを示す図 本発明の実施の形態５の振動検知センサを示す図 本発明の実施の形態６の振動検知センサを示す図 本発明の実施の形態７の振動検知センサを示す図 本発明の実施の形態８の振動検知センサを示す図 本発明の実施の形態９の振動検知センサを示す図 本発明の実施の形態１０の振動検知センサを示す図 本発明の実施の形態１１の振動検知センサを示す図 本発明の実施の形態１２の振動検知センサを示す図 本発明の実施の形態１３の振動検知センサを示す図 本発明の振動検知センサを流量測定器に応用した例を示す図 本発明の振動検知センサを電動カートに応用した例を示す図 ケーブル状圧電素子に端部処理を施した例を示す図 ケーブル状圧電素子を支持するホルダーを基板上に設けた種々の例を示す図 ケーブル状圧電素子と基板を接続する方法を示す図 ケーブル状圧電素子と基板を接続する他の方法を示す図 ケーブル状圧電素子に加わる荷重とセンサ出力特性を示す線図

符号の説明

１ ケーブル状圧電素子
２ 基板
３ 芯電極
４ 重り
５ 複合圧電体層
７ 外側電極
９ 被覆層
１１ コイルばね
１３ 板ばね
１５ 制御回路
１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０，１７０，１８０，
１９０，２００，２１０，２２０ 振動検知センサ

Claims (13)

1. 基板と、
   当該基板に、少なくともその一端において直接接続されたケーブル状圧電素子とを備える振動検知センサであって、
   当該ケーブル状圧電素子はその径方向に沿って、
   芯電極と、
   当該芯電極の周囲に配置された圧電体と、
   当該圧電体の周囲に配置された外側電極と、
   当該外側電極の周囲に配置された被覆層とを備える、振動検知センサ。
2. 請求項１記載の振動検知センサであって、
   前記ケーブル状圧電素子は曲げ部を有する、振動検知センサ。
3. 請求項１又は２記載の振動検知センサであって、
   前記ケーブル状圧電素子の少なくとも一部に重りが固定された、振動検知センサ。
4. 請求項１記載の振動検知センサであって、
   前記ケーブル状圧電素子は、
   前記基板の主平面と実質的に平行な面内において略円形となるよう曲げられ、前記基板に対する固定端とは逆側の開放端に固定された重りを有する、振動検知センサ。
5. 請求項１記載の振動検知センサであって、
   前記ケーブル状圧電素子は、
   その両端部が互いに略並行に配置された状態で、前記基板に接続され、前記両端部の中間部が略円形に形成された、振動検知センサ。
6. 請求項１記載の振動検知センサであって、
   前記ケーブル状圧電素子はコイル状に形成され、前記基板から略垂直に延設されている、振動検知センサ。
7. 請求項１記載の振動検知センサであって、
   前記ケーブル状圧電素子はコイル状に形成されて前記基板から延設され、前記基板から離れるにつれコイル径が拡大されている、振動検知センサ。
8. 請求項１記載の振動検知センサであって、
   前記基板内に通孔が形成され、前記ケーブル状圧電素子が当該通孔内において、前記基板の主平面と実質的に平行になるよう前記基板に接続され、前記基板への固定端とは逆側の開放端に重りが固定されている、振動検知センサ。
9. 請求項１記載の振動検知センサであって、
   前記基板内に通孔が形成され、前記ケーブル状圧電素子が当該通孔内において、前記基板の主平面と実質的に平行になるよう前記基板に接続され、略Ｕ字形状に曲げられ、その両端において基板に固定されている、振動検知センサ。
10. 請求項１ないし９のいずれか１項記載の振動検知センサであって、
    前記基板及び前記ケーブル状圧電素子を収納する筐体を更に備える、振動検知センサ。
11. 請求項１ないし９のいずれか１項記載の振動検知センサであって、
    前記基板の下面から前記ケーブル状圧電素子が吊り下げられて下方向に延びるよう、前記ケーブル状圧電素子が前記基板に接続されている、振動検知センサ。
12. 請求項１記載の振動検知センサであって、
    前記ケーブル状圧電素子が、形状保持特性を有する、振動検知センサ。
13. 請求項１ないし１２のいずれか１項記載の振動検知センサであって、
    前記圧電体が樹脂と圧電性セラミックスから構成された、振動検知センサ。

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