JP2007212191A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電素子を使用した加速度センサには、圧電素子と層合された振動板の端部又は周辺部を支持し、中心部の歪みを利用するものと、中心部を支持し、端部又は周辺部の歪みを利用するものがある。後者に属するものとして、従来は圧電素子の中心部を一本の支柱によって支持する形が一般的であるが、支柱と圧電素子の接合方法によっては、接合部の機械的強度が低下したり、振動板に歪みが生じたりする問題があった。
【解決手段】 圧電素子と層合された振動板の中心を、上下二本の柱状支点で狹持するようにする。振動板に不必要な歪みが生じることなく、圧電素子の面積を有効に活用できるので、小型高感度で精度の高い加速度センサを得ることができる。
【選択図】
図２

Description

本発明は圧電素子を使用した加速度センサに関するもので、特に微少な超低周波変動の加速度検出に好適な加速度センサに関するものである。

圧電素子を用いる加速度センサは、圧電素子に加わる加速度により圧電素子が変形し、それによって発生する電圧を、信号として検出することが原理となっている。圧電素子が、加速によって変形するためには、圧電素子を空中に支持する必要がある。空中に支持する方法としては、大別して、圧電素子の端部や周辺部を支持し、中央部を可動とするタイプのものと、中央部を支持し、端部や周辺部を可動とするタイプのものがある。圧電素子の圧電係数は有限なので、何れの場合でも加速度を効率よく圧電素子に伝える構造が必要になる。

圧電素子の両端部を支持し、中央部の変形から加速度信号を検出するタイプの例は、特開２０００−３９４４２号公報に記載されている。特開２０００−３９４４２号の例では、四角形の圧電セラミック基板の両端をベースで支持し、中央部を可動とし、中央部には重錘を取り付けて、圧電セラミックの加速度による変形を増加させるようになっている。この例では錘を重くすると感度は上昇するが錘取り付け部の衝撃に対する強度が低下する。それを防ぐため錘取り付け部の面積を大きくすると、圧電素子の変形面積は小さくなり、感度が低下する。また錘取り付け部の面積を変えないで錘を重くするためには、錘を下方に延長する方法もあるが、その場合には前述の衝撃に対する強度低下の問題に加えて、重心が圧電素子の下方にずれてしまい、圧電素子の面方向の加速度に対して錘に倒れ力が働き、定められた方向に対する正確な加速度が検知できなくなる。なお特開２０００−３９４４２号には、圧電セラミック基板をベースに固定する方法についての具体的記載がないが、これをもし通常の接着剤を用いて行うと、圧電セラミック基板の変形が接着剤層で吸収され、ヒステリシスを持つなど感度と精度の低下を免れない。

圧電素子の中心を固定するタイプの例は特開２００２−１１６２２１号公報に記載されている。この例では、リング状圧電素子と層合されて一体になったリング状振動板の中心孔に、一方向から突出した支柱を通し、軸支するようにしている。即ちリング状振動板と支柱は、嵌合，溶接などの手段で固定されている。そのような手段を用いると、振動板や圧電素子をゆがませたり、傘状にベンドさせたりすることになり、信号の歪みや精度低下の原因になる。ゆがみや傘状のベンドを防ぐためには円形振動板を厚くしたり、軸支面積を大にしなければならないので、これも感度低下の原因となる。

特開２０００−３９４４２号公報 特開２００２−１１６２２１号公報

本発明は感度が鋭敏で、出力信号の歪みが少なく、且つ機械的強度の大きい、圧電素子を用いた加速度センサを得ようとするものである。

そのため、本発明の加速度センサでは、円形圧電素子と重ね合わされて一体になった円形金属振動板の中心を、上下二方向から導電性の柱状支点で挟みこむ構造を採用している。

この構造をとることによってゆがみや傘状のベンドが起こりにくく、全方向の衝撃に極めて強い、高感度の加速度センサを得ることができる。

また円形振動板の外周部にリング状の錘を装着しても重心は振動板面上にあるので、錘の重量を可及的に大にすることができる。

更に支点は円形振動板の中心の最も変位の少ない部分にあり、なおかつユニモルフの硬いセラミック部にあるので、微少加速度での歪みの発生がほとんどなく、超低周波変動加速度（微少加速度）の検出に最適である。更に上下二方向の支点における接合部は加速度による変位に対してＰｕｓｈ−Ｐｕｌｌの関係で働き、ヒステリシスの少ない信号が得られる。

この結果、超小型でありながら、インピーダンス変換後の特性として１０Ｖ／Ｇ以上で、低域カットオフ周波数０．０１Ｈｚの加速度センサを得ることができる。

以下本発明の加速度センサについて図面に基づいて説明する。図１は本発明の加速度センサを上から見た上図面で，図２は、図１のＡ−Ａ’線の断面図である。同一部分には同一の符号を付している。１は金属製の振動板で、その上面にはユニモルフ圧電素子２が固着されている。３は振動板２を収納する下側ケースで、振動板２を保護するとともに、外部電界や磁界を遮蔽するため、金属製の材料で作られている。４は上側ケース（蓋体）で下側ケース３に嵌合するか、上置にし固着することによって、下側ケース３と一体になってシールドケース５を形成する。

６は回路基板で、表面にはインピーダンス変換素子７を含む必要な回路（図示せず）が施されている。回路基板６のインピーダンス変換素子７を含む主要部は、シールドケース５の内部に封入され、外部端子８によって信号を外部に導出するようになっている。

下側ケース３の内面中心部には、下側の柱状支点９ａが柱状に突出されており、振動板１を下側から支持している。回路基板６の、柱状支点９ａに対面する部分には、上側の柱状支点９ｂが植立されており、圧電素子２を上方から押さえ込むようになっている。柱状支点９ａ，９ｂは導電性の材料で作られているので柱状支点９ｂは、圧電素子２で発生した電圧をインピーダンス変換素子７に導く電極の働きを兼ねている。また柱状支点９ａは下側ケース３に導電的に接続されているので、アース側電極を兼ねることになる。なお、温度特性を向上させるためには、柱状支点９ａ，９ｂを同材料、同長とすることが望ましい。

１０は振動板１の外周を取り囲むように取り付けたリング状の重錘であり、感度の上昇、或いは加速度の検知範囲の調整などのため、必要に応じて取り付けられる。

以上の構成による本発明の加速度センサは、微少な加速度即ち超低周波変動加速度の検出に優れていることから、下記のような用途に好適である。

加速度センサを直接、間接に地表面に置くことにより、地表面の微弱な上下動、水平動が検知できるので、地殻の変動のような地震の前兆現象を捉えることができる。

建物内に設置することにより、微弱地震や風が当たったときの建物の揺れを計測できるので、建築上の必要データの計測や統計データを得ることができる。
図３は通常の家屋１階に、本発明の加速度センサを設置し、強風時（風速約２５ｍ／秒）の家屋の横揺れを計測したグラフである。縦軸は出力電圧（Ｖ），横軸は時間（秒）で表わしている。このグラフから家屋は３０秒間に約５回位の超低周波の揺れを起こしていることが計測できる。本発明の加速度センサを例えはビルの各階に設置し、有線又は無線により、信号を伝送すれば建物全体の揺れの解析が可能となる。また各階の柱やコンセントの位置は共通している場合が多いので、加速度センサをコンセントに差し込むように構成し、出力した揺れは電力線を利用して伝送するようにすれば、一垂直軸上での水平動を同期観測でき、分析結果から建物の揺れ診断や、揺れ防止対策に利用することができる。

本発明の加速度センサを人体に装着すれば、呼吸に伴う０．１〜０．５Ｈｚの腹部の膨張、収縮を加速度として検出することができる。また呼吸の周波数の約１０倍程度の周波数の心拍も、心拍による人体の揺れの加速度として検出できる。図４は、本発明の加速度センサをシャツの胸ポケットに入れ、その出力を記録したグラフである。縦軸は電圧（Ｖ）横軸は時間（秒）で表わしている。１０秒間に約２回の呼吸周期Ｂと、約１０回の心拍周期Ｐが重畳された形で表わされており、これを分離することにより、夫々の信号を独立して得ることができる。従って医療用機器の呼吸，心拍のセンサとして用いることができる。

本発明の加速度センサは医療用期器である重心動揺計にも用いることができる。人体は０．１Ｈｚ以上２０Ｈｚ以下の範囲で手ぶれ、筋肉振動などによるマイクロバイブレーションを起こしており、これは精神現象など自律神経機能の働きでも影響を受けることが判っている。従来の重心動揺計は、平板下の複数ケ所に圧力センサを設置し、平板上に人体を立たせて、重心の動揺を計測していた。本発明の加速度センサを、直立させた人体の複数ケ所、例えば四肢に装着させることで、平板なしに人体の動揺を計測できる。従って緊張感を緩和し、精神的に安定した状態で計測をすることが可能になる。図４は人体１ケ所に取り付けた本発明の加速度センサの出力を示すグラフである。縦軸を前後方向、横軸を左右方向への揺れに伴う加速度センサの出力電圧の変化を表わしたもので、本発明の加速度センサが人体動揺のような超低周波の微弱信号を検出する重心動揺計に応用可能なことを示している。

以上本発明の加速度センサの代表的実施例について述べたが、これ以外にも船舶のローリングの測定や、いわゆる低周波公害といわれる低周波振動の計測など広い範囲に応用できることは言うまでもない。
また実施例においては図面に基づいて上下関係を説明したが、上下関係が逆になっても実施が可能なことは当然である。

本発明の加速度センサの上面図 図１のＡ−Ａ’線の断面図 本発明の加速度センサを用いて建物の揺れを測定したグラフ 本発明の加速度センサを用いて人体の呼吸，心拍を測定したグラフ 本発明の加速度センサを用いて人体の動揺を測定したグラフ

符号の説明

１・・・金属製の振動板，２・・・ユニモルフ圧電素子，３・・・下側ケース，４・・・上側ケース（蓋体），５・・・シールドケース，６・・・回路基板，７・・・インピーダンス変換素子，８・・・外部端子，９ａ・・・下側柱状支点，９ｂ・・・上側柱状支点，１０・・・重錘

Claims (2)

1. 導電材料で作られ円筒状の閉鎖空間を形成するシールドケース、
   前記シードルケースの内側の下面中央部に突起状に設けられた導電性材料で作られた下側の柱状支点、
   前記密閉空間の上側に配置されたインピーダンス変換素子を有する回路基板、
   前記回路基板の前記下側の柱状支点に対する部分に突起状に設けられた導電性材料で作られた上側の柱状支点、
   上面に圧電素子を導電的に貼り合わせた円板状の導電性の振動板、
   とりよりなり、
   前記振動板を前記下側の柱状支点と前記上側の柱状支点で挟むように支持してなる加速度センサ。
2. 請求項１の加速度センサにおいて、振動板の外周に沿ってリング状の重錘を取り付けた加速度センサ。