JP2012078272A - 衝撃センサ - Google Patents

Abstract

【課題】加工性を良くするため簡易な構造とすること、組立作業における待ち時間を無くし生産性を上げること、修正加工を可能とし、不良廃棄を無くすことにより、歩留りを向上すること、安価なパーツの使用を可能にして、結果として安価な商品を可能にすること、特性のバラツキを無くして品質を一定にすること、周波数特性を良くすることを実現する衝撃センサを提供する。
【解決手段】円形の圧電セラミック板４１が接着された円形の金属板４０の外周部は、その一方面がケース１０の凹溝１５に嵌め込まれた環状のオーリングゴム３０により支持され、他方面がオーリングゴム３０に対して当該外周部を押圧するためにケース２０に設けられた環状の凸部２５により支持されることで、オーリングゴム３０と凸部２５とにより弾性的に挟持される。
【選択図】 図８

Description

本発明は、自動販売機或いはアミューズメント機械等の防犯用として、打撃破壊行為時に発生する衝撃を検出する衝撃センサに関する。

そのような衝撃センサとして、図１８及び図１９に示すような構造のものがある。この衝撃センサは、ケース１００にケース１１０が嵌合により取り付けられ、圧電セラミック板１２１が接着剤によって接着された金属板１２０が内部に配置され、外部に延出されたケーブル１３０のリード線１３１が金属板１２０に、リード線１３２が圧電セラミック板１２１にそれぞれ接続されたものである。

金属板１２０は、ケース１００の内周壁に形成された環状の受け段部１０１に固定されている。詳細には、環状の受け段部１０１に非常に粘度の高いシリコンゴム接着剤１４０を塗布し、この接着剤１４０に金属板１２０の外周部を載せ、接着剤１４０の硬化により金属板１２０が受け段部１０１に接着固定される。

また、図２０〜図２２に示すような構造の衝撃センサもある。この衝撃センサは、ケース２００にケース２１０が嵌合により取り付けられ、圧電セラミック板２２１が接着剤によって接着された金属板２２０及びプリント回路基板２５０が内部に配置され、外部に延出されたケーブル（図示せず）のリード線２３１が金属板２２０に、リード線２３２が圧電セラミック板２２１にそれぞれ接続されたものである（例えば、特許文献１参照）。

この衝撃センサでは、金属板２２０は、ケース２００の内周壁に沿って配置された環状の保持リング２４０で保持されている。詳細には、保持リング２４０の内側に、金属板２２０の外周部を保持するための狭い隙間の溝を全周に亘って形成し、この溝に金属板２２０の外周部を嵌め込むことにより、金属板２２０が保持リング２４０で保持される。この保持リング２４０がケース２００に組み込まれる。

特開２００８−２６７９７７号公報

上記図１８及び図１９に示すような、金属板１２０を接着剤１４０で接着する方式の衝撃センサでは、次のような問題点（１）〜（４）がある。
（１）衝撃センサは、印加される衝撃により圧電セラミック板が振動しなければ、電圧は発生しない。図１７において、圧電セラミック板（図示せず）が接着された金属板３００に、当該金属板３００の直角方向から衝撃が印加された場合の当該金属板３００の動きを示す。この金属板３００が図示のように振動すると、圧電セラミック板は衝撃値に比例した出力電圧を発生する。この出力電圧は印加される衝撃周波数に関係なく、衝撃値に比例する特徴を有している。

従って、受け段部１０１に塗布されるシリコンゴム接着剤１４０は、各衝撃センサごとに塗布量が全く同一で、硬度も等しく、変位応力も同一でなければ、同じ特性のものを作ることができず、それらの条件が揃わない限り衝撃センサの特性がばらつくこととなる。

これに対して、接着時間が短く、作業性が早い瞬間接着剤等は、接着後の硬度が高く、変位応力に対して抵抗が大きいため、印加衝撃に応じて金属板が振動することができない。このため、衝撃の検出ができないことになり、瞬間接着剤等は使用することができない。

このような実情から、一般的には接着硬化後も弾性のあるシリコンゴム等のゴム系の接着剤を使用する必要がある。しかしながら、ゴム系の接着剤は、金属板の接着後数時間は硬化しないので、硬化前に次の作業を行うと金属板が動いたり剥がれたりする。このため、直ぐに次の作業ができず、作業の待ち時間が長くなるだけでなく、塗布・接着等の加工工数が多くなる結果、生産性が悪く非経済的であるという欠点がある。
（２）接着剤１４０を狭小の受け段部１０１に一定量塗布することは、熟練技術者でも非常に困難であり、しかも一定量でなければ印加された衝撃値に対し金属板１２０の一定変位量の振動が得られず、結果として衝撃値と発生電圧との関係も一定とならず、品質のバラツキが非常に大きくなるという欠点がある。
（３）衝撃センサにおいては、一定の衝撃値に対しては周波数に無関係に一定の電圧を発生しなければならないが、使用される接着剤の量は印加される衝撃の周波数特性にも大きな影響を与え、接着剤の量により衝撃周波数によっては一定の衝撃値に対し一定の電圧を発生しないという欠点がある。
（４）塗布した接着剤１４０に金属板１２０を載せた後の接着剤１４０の硬化途中で、金属板１２０が動いて傾いた場合は、金属板１２０の姿勢を修正できず、廃棄しなければならないため、歩留まりが非常に悪いという欠点もある。

また、上記図２０〜図２２に示すような、金属板２２０を保持リング２４０で保持する方式の衝撃センサでは、次のような問題点（５）、（６）がある。
（５）保持リング２４０を作製するための金型を必要とするが、金属板２２０の外周部を嵌め込むための狭い隙間の溝を要するために、成形用金型の費用が非常に高くなるだけでなく、保持リング２４０の成形性が悪いために、保持リング２４０自体が非常に高価になるという欠点がある。
（６）圧電セラミック板２２１が接着された金属板２２０は、印加される衝撃で振動し易いように作られているため、厚みは０．２ｍｍ以下と極めて薄く、加工性や防錆等を考慮して金属板として真鍮板が主に使われる。

この金属板（真鍮板）の外周部を保持リング２４０の内側に設けられた狭い隙間の溝に嵌め込むとき、多少でも金属板に力が加わると、金属板が直ぐ曲がってしまう。金属板が僅かでも変形すると、衝撃センサに衝撃を印加しても金属板３００は図１７のように振動することができず、その結果、衝撃検出の電圧が発生せず、衝撃検出ができないこととなる。

以上記述したように、金属板を接着剤で接着する方式の衝撃センサでは、次の問題点ａ〜ｅがある。
ａ）加工性が悪い。
ｂ）生産性が悪い。
ｃ）歩留まりが悪い。
ｄ）品質のバラツキが大きい。
ｅ）周波数特性が悪い。

また、金属板を保持リングで保持する方式の衝撃センサでは、次の問題点ｆ〜ｈがある。
ｆ）パーツ（特に保持リング）が高価である。
ｇ）組立加工に時間が掛かる。
ｈ）ｆ、ｇの結果として高価格商品となる。

本発明は、そのような問題点ａ〜ｈを解決するため、
Ａ）加工性を良くするため簡易な構造とすること、
Ｂ）組立作業における待ち時間を無くし生産性を上げること、
Ｃ）修正加工を可能とし、不良廃棄を無くすことにより、歩留りを向上すること、
Ｄ）安価なパーツの使用を可能にして、結果として安価な商品を可能にすること、
Ｅ）特性のバラツキを無くして品質を一定にすること、
Ｆ）周波数特性を良くすること、
を実現する衝撃センサを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の衝撃センサは、外周部が支持された導電板と、この導電板に取り付けられた圧電素子板とを備え、導電板に加わる機械的振動を圧電素子板により電気信号として検出するものにおいて、導電板の外周部は、その両面のうち一方面が弾性体により支持され、他方面が弾性体に対して当該外周部を押圧する押圧体又は弾性体により支持されることで、弾性体と押圧体又は一対の弾性体により挟持されることを特徴とする。

この衝撃センサでは、金属板を接着剤で接着する方式や金属板を保持リングで保持する方式の上記従来の衝撃センサに比べて、導電板の外周部が弾性体と押圧体又は一対の弾性体により挟持されるので、振動に対する抵抗が無く、導電板が印加衝撃で自由に振動できる。これにより、圧電素子板は衝撃値に応じた出力電圧を発生し、しかも衝撃周波数が変化しても、衝撃値が一定であれば一定の出力電圧を発生することが可能となる。

また、組立時の接着剤使用による接着剤硬化の待ち時間が無いため生産性が良くなる。その上、接着剤等を使用せずに弾性体の弾性を利用して金属板の外周部の少なくとも一方面を挟持するため、組立作業における導電板の姿勢修正も簡易且つ可能であり、製品歩留まりの向上も図ることができる。

この衝撃センサにおいて、弾性体は、当該衝撃センサのケーシング内に配置された環状のものであることが好ましい。すなわち、弾性体が環状であることで、導電板の外周部の少なくとも一方面が全周に亘って弾性体により支持されることになるので、導電板が印加衝撃により全体に亘ってより均一に振動するようになる。

弾性体が環状であることに応じて、押圧体も、当該衝撃センサのケーシングに一体に設けられた環状の凸部であることが好ましい。押圧体を使用する場合に、押圧体も環状であることで、導電板の外周部の他方面が全周に亘って押圧体により支持されることになるので、導電板が印加衝撃により全体に亘ってより均一に振動することに寄与する。

或いは、弾性体を衝撃センサのケーシング内に配置し、押圧体をケーシングに一体に設ける構成以外に、ケーシング内に配置されるとともに、導電板の外周部を支持する環状の支持部材を備え、この支持部材が、外周部の一方面を支持する弾性体と他方面を支持する押圧体、又は両面をそれぞれ支持する一対の弾性体を有する構成であってもよい。この場合、組立作業では導電板を取り付けた支持部材をケーシング内に組み込むことになる。

上記に関連して、弾性体は、導電板の外周部に対して線接触する形状であることが好ましい。具体的に弾性体は、横断面形状が円形であるか、導電板の外周部に対して先鋭形状である。

この弾性体の形状に応じて、押圧体も、導電板の外周部に対して線接触する形状であることが好ましい。具体的に押圧体は、導電板の外周部に対面する部分の横断面形状が半円形である。

なお、本発明において、導電板は導電性を有するものであれば特定されず、例えば真鍮で作製された金属板を使用する。また、圧電素子板は導電板に加わる機械的振動（印加衝撃）により電圧を発生するものであれば特定されず、例えば圧電セラミック板を使用する。一般的には汎用品として、予め圧電セラミック板が接着された真鍮製の金属板を使用する。

（１）導電板の外周部が弾性体と押圧体又は一対の弾性体により僅かの押圧力で弾性的に挟持されることにより、導電板が印加衝撃で自由に振動できるので、次の効果イ、ロが得られる。
イ）品質にバラツキが無い。
ロ）周波数特性が良い。
（２）導電板の外周部が弾性体と押圧体又は一対の弾性体により僅かの押圧力で弾性的に挟持されるので、次の効果ハ〜ヘが得られる。
ハ）ケーシングへの組込時に導電板に力を加えることが無く、またそれにより導電板を曲げてしまうことが無いため、不良品が発生しない。
ニ）生産過程での待ち時間が無く、生産性が良い。
ホ）弾性体として例えば安価な市販品のオーリングゴムを使用できるため、金型等の初期投資を必要とせず、製品価格も安くなる。
ヘ）生産上熟練の必要が無く、誰でも組立が可能となる。

実施形態に係る衝撃センサの平面図である。 同衝撃センサの一方のケースの平面図（ａ）、及び該ケースの断面図（ｂ）である。 同衝撃センサの一方のケースの側面図（ａ）、及び該ケースの内側の平面図（裏面図）（ｂ）である。 同衝撃センサの他方のケースの内側の平面図（裏面図）（ａ）、及び（ａ）のＡ−Ａ線での断面図（ｂ）である。 同衝撃センサの他方のケースの側面図（ａ）、及び該ケースの表側の平面図（ｂ）である。 同衝撃センサを一方向から見たときの平面図（ａ）、その側面図（ｂ）、及びその断面図（ｃ）である。 同衝撃センサを別方向から見たときの平面図（ａ）、その側面図（ｂ）、及びその断面図（ｃ）である。 同衝撃センサにおいて金属板の外周部の支持構造部分の一例を示す要部拡大断面図である。 同衝撃センサにおいて金属板の外周部の支持構造部分の別例を示す要部拡大断面図である。 同衝撃センサにおいて金属板の外周部の支持構造部分の更に別例を示す要部拡大断面図である。 同衝撃センサにおいて金属板の外周部の支持構造部分の更に別例を示す要部拡大断面図である。 同衝撃センサにおいて環状の支持部材を用いた場合の当該支持部材における金属板の外周部の支持構造部分を示す要部拡大断面図である。 同衝撃センサにおいて弾性体として用いたオーリングゴムの一例を示す平面図（ａ）、その側面図（ｂ）、及び（ａ）のＢ−Ｂ線での断面図（ｃ）である。 同衝撃センサにおいて弾性体として用いたオーリングゴムの別例を示す平面図（ａ）、その側面図（ｂ）、及び（ａ）のＣ−Ｃ線での断面図（ｃ）である。 同衝撃センサにおいて弾性体として用いたオーリングゴムの更に別例を示す平面図（ａ）、その側面図（ｂ）、及び（ａ）のＤ−Ｄ線での断面図（ｃ）である。 同衝撃センサにおいて金属板と弾性体及び押圧体との接触線、又は金属板と一対の弾性体との接触線を示す金属板の平面図（ａ）、及び裏面図（ｂ）である。 圧電セラミック板が接着された金属板が印加衝撃により振動するときの様子を示す側面図である。 従来例に係る衝撃センサの断面図である。 図１８に示す衝撃センサの分解斜視図である。 別の従来例に係る衝撃センサの一部破断平面図（ａ）、及び（ａ）のＥ−Ｅ線での断面図（ｂ）である。 図２０に示す衝撃センサにおける金属板の保持構造部分の拡大断面図である。 図２０に示す衝撃センサにおける金属板の保持構造部分の斜視図（ａ）、及びその保持構造部分における金属板の斜視図（ｂ）である。

以下、実施の形態により、この発明を更に詳細に説明する。

図１〜図５において、実施形態に係る衝撃センサは、平面視円形状のケース１０と、当該ケース１０に嵌合により取り付けられる平面視円形状のケース２０とでケーシングが構成されるものである。

ケース１０は、当該衝撃センサを他の構造体に取り付けるためのネジ挿通孔１１，１２を有するとともに、当該ケース１０から外部に延出されたケーブル１７を挿通するためのケーブル挿通溝１３を有する。このケース１０の内部底面には、弾性体としての後記オーリングゴム３０を嵌め込むための環状の凹溝１５が形成されている〔図２の（ｂ）参照〕。また、ケース１０の内部は、その内径が圧電素子板としての後記圧電セラミック板４１が接着された導電板としての後記金属板４０の外径よりも僅かに大きい寸法に設定されており、図２の（ｂ）より明らかなように内部底面は平坦面になっている。

ケース２０は、ケース１０内部の凹溝１５に対応して、内側に押圧体としての略環状の凸部２５を有するとともに、ケーブル１７を挿通するためのケーブル挿通溝２３を有する。このケース２０をケース１０に取り付けることで、双方のケーブル挿通溝１３，２３によりケーブル挿通孔が形成される。

略環状の凸部２５は、後記のように金属板４０の外周部に対して線接触する形状（先端部が横断面半円形）であり、ケース２０をケース１０に取り付けたときにケース１０の凹溝１５と対向する。また、凸部２５は、より良好な検出特性を得るにはできるだけ完全な環状であることが好ましいが、実際にはケーブル１７を通すために一部が不連続になっている。

ケース１０，２０が一体に取り付けられた状態を示す図６、図７において、ケース１０内部には、円形の圧電セラミック板（圧電素子板）４１が接着剤により接着された円形の金属板（導電板）４０が配置されている。この金属板４０の外周部は、その一方面がケース１０内部の凹溝１５に嵌め込まれた環状のオーリングゴム（弾性体）３０により支持され、他方面がオーリングゴム３０に対して当該外周部を押圧するケース２０内側の凸部２５により支持されることで、オーリングゴム３０と凸部２５により挟持される。なお、図面には特に示していないが、金属板４０及び圧電セラミック板４１には、ケーブル１７のリード線がそれぞれ接続されている（図１８、図１９参照）。

金属板４０の外周部の支持構造部分の一例を図８に拡大して示すように、ケース１０にはケース２０を取り付けるための環状の嵌合溝１９が形成され、ケース２０にはその嵌合溝１９に対応する環状の圧入部２９が形成されている。圧入部２９を嵌合溝１９に嵌合させることで、ケース２０がケース１０に取り付けられる。また、上記の通り、金属板４０の外周部は、その一方面がオーリングゴム３０により支持され、他方面が凸部２５により支持されることで、オーリングゴム３０と凸部２５により弾性的に挟持される。

ケース１０，２０を一体に取り付けた状態では、ケース２０の凸部２５は、ケース１０の内周壁に沿って延び、ケース１０のオーリングゴム３０に対向する。このときの凸部２５の先端とオーリングゴム３０との間隔は、金属板４０の厚さよりも若干小さい。従って、金属板４０の外周部が凸部２５とオーリングゴム３０とにより挟持されたとき、オーリングゴム３０が僅かに圧縮されることで、その反作用として当該外周部には適度の押圧力が加わるようになっている。

図８に示す例では、金属板４０の外周部の一方面に対してオーリングゴム３０が、他方面に対して凸部２５がそれぞれ設けられているが、両面に対してオーリングゴムを設けた例を図９に示す。図９では、ケース１０の凹溝１５にオーリングゴム３０が配置されている点は図８と同様であるが、ケース２０に設けられた凸部２５ａの先端に形成された凹溝２６に別のオーリングゴム３１が嵌め込まれている点が異なる。この例では、金属板４０の外周部の両面（一方面及び他方面）が一対のオーリングゴム３０，３１により挟持される。

図１０の例では、金属板４０の外周部の両面が一対のオーリングゴム３０，３１で挟持される点は図９と同様であるが、図９の凸部２５ａはケース２０に設けられておらず、凹溝２６がケース２０の内面に直接形成されている。

図１１の例では、ケース１０に凸部１６が設けられ、ケース２０に形成された凹溝２６にオーリングゴム３０が嵌め込まれている。

図８〜図１１の例は、凸部とオーリングゴム又は一対のオーリングゴムがケース１０，２０（ケーシング）に設けられた場合であるが、図１２に示すような形態の支持部材５０を別途備えていてもよい。この支持部材５０は、金属板４０の外周部の支持構造部分を別部品として有するものであり、ケース１０，２０で構成されるケーシング内に配置される。この支持部材５０は、金属板４０の外周部の一方面を支持するオーリングゴム３０を嵌め込む環状の凹溝５１を有する部分５０Ａと、金属板４０の他方面を支持する凸部５２を有する部分５０Ｂとからなる。この支持部材５０を使用する場合、部分５０Ａのオーリングゴム３０上に金属板４０を載せ、これに部分５０Ｂを取り付ける。取付は例えば、部分５０Ａ，５０Ｂを互いに圧入するか、又は部分５０Ａ，５０Ｂの嵌合部を溶剤で溶着するかし、部分５０Ａ，５０Ｂを一体化した支持部材５０をケーシング内に組み込むことで、衝撃センサを組み立てることができる。

なお、図１２に示す支持部材５０は、基本的に図８に示す支持構造部分を有するものであるが、勿論、図９〜図１１に示す支持構造部分を有するものであっても構わない。

また、上記実施形態では、オーリングゴム３０，３１は、いずれも図１３に示すように断面形状が円形のオーリングゴム３０Ａである。この場合、オーリングゴム３０Ａは金属板４０の外周部に対して円形状に線接触することになる。また、オーリングゴムは金属板４０の外周部に対して線接触するのであれば、外周部に対して先鋭形状であってもよく、この例が図１４に示す５角形の断面形状のオーリングゴム３０Ｂである。更には、多少の特性を犠牲にしてもよいのであれば、図１５に示す四角形の断面形状のオーリングゴム３０Ｃでも構わない。

上記のように構成した衝撃センサであれば、金属板４０の外周部が凸部とオーリングゴム又は一対のオーリングゴムで挟持されるので、挟持状態では、金属板４０の外周部の一方面と凸部又はオーリングゴムとの接触部分は、図１６の（ａ）に一点鎖線で示すように円形状の線６０となり、多方面と凸部又はオーリングゴムとの接触部分も、図１６の（ｂ）に一点鎖線で示すように円形状の線６１となる。

すなわち、金属板４０の外周部は、円形状の線６０，６１に沿って一方面と多方面の両面から押圧支持されることになる。これにより、金属板４０は、当該金属板４０に直角に印加される衝撃に対し自由に振動することができる。従って、金属板４０の振動に対する抵抗が無く、金属板４０は印加される衝撃値に応じて振動し、圧電セラミック板４１は衝撃値に比例した出力電圧を発生する。また、印加される衝撃周波数にも影響されないので、出力電圧の周波数特性を非常に良くすることが可能となる。

なお、凸部やオーリングゴムは、前記のようにできるだけ環状であることが好ましいが、検出特性に大して影響が及ばないのであれば、例えば複数（２〜４）つの円弧状のもので構成しても差し支えない。

１０，２０ ケース
１５，２６ 凹溝
１６，２５，２５ａ 凸部（押圧体）
３０，３１ オーリングゴム（弾性体）
３０（Ａ〜Ｃ） オーリングゴム（弾性体）
４０ 金属板（導電板）
４１ 圧電セラミック板（圧電素子板）
５０ 支持部材
５１ 凹溝
５２ 凸部
６０，６１ 円形状の接触線（線接触部分）

Claims (8)

1. 外周部が支持された導電板と、この導電板に取り付けられた圧電素子板とを備え、導電板に加わる機械的振動を圧電素子板により電気信号として検出する衝撃センサにおいて、
   前記導電板の外周部は、その両面のうち一方面が弾性体により支持され、他方面が前記弾性体に対して当該外周部を押圧する押圧体又は弾性体により支持されることで、前記弾性体と前記押圧体又は一対の前記弾性体により挟持されることを特徴とする衝撃センサ。
2. 前記弾性体は、当該衝撃センサのケーシング内に配置された環状のものであることを特徴とする請求項１記載の衝撃センサ。
3. 前記押圧体は、当該衝撃センサのケーシングに一体に設けられた環状の凸部であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の衝撃センサ。
4. 当該衝撃センサのケーシング内に配置されるとともに、前記導電板の外周部を支持する環状の支持部材を備え、この支持部材は、前記外周部の一方面を支持する前記弾性体と他方面を支持する前記押圧体、又は両面をそれぞれ支持する一対の前記弾性体を有することを特徴とする請求項１記載の衝撃センサ。
5. 前記弾性体は、前記導電板の外周部に対して線接触する形状であることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４記載の衝撃センサ。
6. 前記弾性体は、横断面形状が円形であることを特徴とする請求項５記載の衝撃センサ。
7. 前記弾性体は、前記導電板の外周部に対して先鋭形状であることを特徴とする請求項５記載の衝撃センサ。
8. 前記押圧体は、前記導電板の外周部に対して線接触する形状であることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６又は請求項７記載の衝撃センサ。

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