JP2020020596A - 振動センサー - Google Patents

Abstract

【課題】振動センサーの組み立て作業を短縮し、生産性を向上する。【解決手段】振動センサーは、薄膜状の有機圧電素子２０の振動の歪みによる電荷の発生を検知することで、振動を検出する。有機圧電素子２０は、第１面２１と、第１面２１の反対側の第２面２３とを有しており、第１面２１に正電荷が偏在し第２面２３に負電荷が偏在するように分極されている。正極プレート３０と陰極プレート４０とは、導電材料製である。正極プレート３０は、第１面２１の周縁部分２８に接触し、第１面２１の中心部分２７とは非接触である。陰極プレート４０は、第２面２３の周縁部分２８に接触し、第２面２３の中心部分２７とは非接触である。【選択図】図５

Description

本開示は、振動センサーに関する。

従来、加速度センサに関し、加速度検出素子および電子回路をセラミック基板に実装し、セラミックカバーをセラミック基板に接着する技術が提案されている（たとえば、特開平７−２３４２４４号公報（特許文献１）参照）。

特開平７−２３４２４４号公報

上記文献に記載の構成では、加速度検出素子と電子回路とは、配線を介して電気的に接続されている。配線の端部を加速度検出素子および電子回路に人が個々に半田付けする手作業が必要であり、生産性が低い。

本開示では、組み立て作業が短縮され生産性が向上した振動センサーが提供される。

本開示に従うと、薄膜状の有機圧電素子を備え、有機圧電素子の振動の歪みによる電荷の発生を検知することで振動を検出する、振動センサーが提供される。有機圧電素子は、第１面と、第１面の反対側の第２面とを有しており、第１面に正電荷が偏在し第２面に負電荷が偏在するように分極されている。振動センサーは、正極プレートと陰極プレートとを備えている。正極プレートと陰極プレートとは、導電材料製である。正極プレートは、第１面の周縁部分に接触し、第１面の中心部分とは非接触である。陰極プレートは、第２面の周縁部分に接触し、第２面の中心部分とは非接触である。

上記の振動センサーにおいて、正極プレートに、有機圧電素子の厚み方向に延び正極プレートを貫通する通気孔が形成されている。

上記の振動センサーは、有機圧電素子、正極プレートおよび陰極プレートを収容する筐体を備えている。

上記の振動センサーは、筐体に取り付けられ、正極プレートと陰極プレートとの両方に電気的に接続する、接続部材を備えている。

上記の振動センサーにおいて、接続部材は、筐体にねじ込みにより取り付けられている。

上記の振動センサーは、筐体に取り付けられ、有機圧電素子、正極プレートおよび陰極プレートを接続部材とともに挟持する、キャップ部を備えている。

上記の振動センサーにおいて、キャップ部は、筐体にねじ込みにより取り付けられている。

上記の振動センサーにおいて、キャップ部は、陰極プレートに接触する接触面を有している。接触面には、通気溝が形成されている。

本開示に従えば、振動センサーの組み立て作業を短縮でき、生産性を向上することができる。

実施形態に基づく振動センサーの斜視図である。 図１に示す振動センサーの正面図である。 図１に示す振動センサーの底面図である。 図１に示す振動センサーの縦断面図である。 図１に示す振動センサーの分解部分断面図である。 センサー部の分解斜視図である。 有機圧電素子の分極を示す模式図である。 有機圧電素子の正電荷パターンの一例を示す模式図である。 有機圧電素子の負電荷パターンの一例を示す模式図である。 実施形態に基づく振動センサーの周波数特性を示すグラフである。 表面電極の第一の例を示す模式図である。 表面電極の第二の例を示す模式図である。 表面電極の第三の例を示す模式図である。

以下、実施形態について図面に基づいて説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。

図１は、実施形態に基づく振動センサー１の斜視図である。図２は、図１に示す振動センサー１の正面図である。図３は、図１に示す振動センサー１の底面図である。図４は、図１に示す振動センサー１の縦断面図である。図５は、図１に示す振動センサー１の分解部分断面図である。図６は、センサー部１０の分解斜視図である。

図１〜６に示されるように、振動センサー１は、センサー部１０を備えている。センサー部１０は、有機圧電素子２０と、正極プレート３０と、陰極プレート４０とを有している。振動センサー１はさらに、筐体５０と、底キャップ６０と、接続部材７０とを備えている。

有機圧電素子２０は、図４〜６に示されるように、円形薄膜状の形状を有している。有機圧電素子２０は、図５に示されるように、第１面２１と、第１面２１の反対側の第２面２３とを有している。有機圧電素子２０は、円形の中心付近の中心部分２７と、円形の外周縁付近の周縁部分２８とを有している。

正極プレート３０は、導電性の材料、たとえば銅に代表される金属材料で形成されている。図６に示されるように、正極プレート３０は、円板形状の本体部３１を有している。正極プレート３０は、本体部３１の中心部から突出する円筒形状の円筒突部３２と、本体部３１の周縁部から円筒突部３２とは反対方向に突出する円環形状の円環突部３３とを有している。円環突部３３は、その先端に当接面３８を有している。中空の凹空間３４が、円環突部３３によって周囲を取り囲まれて、形成されている。

円筒突部３２の内部には、嵌合孔３５が形成されている。嵌合孔３５は、正極プレート３０を厚み方向に貫通している。本体部３１には、通気孔３６が形成されている。通気孔３６は、正極プレート３０を厚み方向に貫通している。センサー部１０が組み立てられた状態で、通気孔３６は、有機圧電素子２０の厚み方向に延びている。

図４に示されるように、正極プレート３０、より具体的には当接面３８は、有機圧電素子２０の第１面２１の周縁部分２８に接触している。正極プレート３０は、有機圧電素子２０の第１面２１の中心部分２７とは非接触である。凹空間３４によって、有機圧電素子２０の第１面２１と、正極プレート３０の本体部３１との間に、中空の振動空間が形成されている。

陰極プレート４０は、導電性の材料、たとえば銅に代表される金属材料で形成されている。図６に示されるように、陰極プレート４０は、全体として円環状の形状を有している。陰極プレート４０は、搭載面４１と、搭載面４１の反対側の当接面４８と、内周面４２と、外周面４３とを有している。搭載面４１と当接面４８とは平坦な形状である。内周面４２と外周面４３とは、円筒状の形状を有している。中空の中心空間４５が、内周面４２によって周囲を取り囲まれて、形成されている。

図４に示されるように、陰極プレート４０、より具体的には当接面４８は、有機圧電素子２０の第２面２３の周縁部分２８に接触している。陰極プレート４０は、有機圧電素子２０の第２面２３の中心部分２７とは非接触である。中心空間４５によって、有機圧電素子２０の第２面２３と陰極プレート４０とによって規定される、中空の振動空間が形成されている。

センサー部１０において、正極プレート３０と陰極プレート４０とは、有機圧電素子２０を両側から挟んで支持している。有機圧電素子２０の周縁部分２８は、正極プレート３０および陰極プレート４０によって支持されている。他方、有機圧電素子２０の中心部分２７は、正極プレート３０および陰極プレート４０によって支持されておらず、正極プレート３０および陰極プレート４０に対する中心部分２７の相対移動が可能に構成されている。有機圧電素子２０は、少なくともその中心部分２７が、振動可能に構成されている。

センサー部１０（有機圧電素子２０、正極プレート３０および陰極プレート４０）は、図４に示されるように、筐体５０の内部に収容されている。筐体５０は、図５に示されるように、全体として中空筒状の形状を有している。筐体５０の内部には、センサー部１０を収容する収容空間５１と、収容空間５１よりも小径の小径空間５２と、収容空間５１よりも大径の大径空間５４とが、形成されている。

振動センサー１が組み立てられた状態で、正極プレート３０の通気孔３６は、有機圧電素子２０の第１面２１側の振動空間と収容空間５１とを連通している。当該振動空間は、通気孔３６を介して、収容空間５１と連通している。

筐体５０は、底面５８を有している。底面５８は、振動センサー１が組み立てられた状態で、振動センサー１の底面の一部をなしている。大径空間５４は、収容空間５１よりも底面５８に近く配置されている。小径空間５２は、収容空間５１よりも底面５８から離れて配置されている。

筐体５０は、小径空間５２の内周面をなす係合面５３と、大径空間５４の内周面をなす係合面５５とを有している。係合面５３，５５には、雌ねじが形成されている。

底キャップ６０は、底面６８を有している。底面６８は、筐体５０の底面５８と同様に、振動センサー１が組み立てられた状態で、振動センサー１の底面の一部をなしている。振動センサー１が組み立てられた状態で、筐体５０の底面５８と底キャップ６０の底面６８とは、ほぼ同一平面上に配置されている。

底面６８の一部が窪んで、取付穴６１と、締付穴６２とが形成されている。図１，３に示されるように、取付穴６１は、底面６８の中心部に形成されている。締付穴６２は、２つ形成されており、一対の締付穴６２が取付穴６１を挟む位置に形成されている。取付穴６１と、２つの締付穴６２とは、それらの中心点が一直線上に並ぶように、形成されている。

底キャップ６０は、底キャップ６０の外周面をなす係合面６３を有している。係合面６３には、雄ねじが形成されている。係合面６３は、筐体５０の係合面５５に係合している。底キャップ６０は、筐体５０にねじ込みにより取り付けられている。底キャップ６０を筐体５０に対して回転させることにより、底キャップ６０は筐体５０に嵌合している。たとえば一対の締付穴６２に治具を挿入して回転させることにより、底キャップ６０を回転させて筐体５０にねじ込むことができる。

底キャップ６０は、接触面６４を有している。図４に示されるように、振動センサー１が組み立てられた状態で、接触面６４は陰極プレート４０に接触している。陰極プレート４０は接触面６４に搭載されている。底キャップ６０は、接触面６４に対して突出する支持突部６５を有している。振動センサー１が組み立てられた状態で、支持突部６５は陰極プレート４０の中心空間４５内に配置されている。支持突部６５が中心空間４５に嵌め合わされることにより、陰極プレート４０と底キャップ６０との位置決めがなされるとともに、振動センサー１の中心軸への陰極プレート４０の位置決めが可能とされている。

支持突部６５と接触面６４とに亘って、通気溝６６が形成されている。通気溝６６は、振動センサー１が組み立てられた状態で、有機圧電素子２０の第２面２３側の振動空間と収容空間５１とを連通している。当該振動空間は、通気溝６６を介して、収容空間５１と連通している。有機圧電素子２０の第１面２１側の振動空間と、第２面２３側の振動空間とは、収容空間５１を介して、互いに連通している。

接続部材７０は、図４に示されるように、芯部７１と、絶縁筒部７２と、外鞘部７３とを有している。芯部７１は、導電材料製であり、接続部材７０を貫通している。振動センサー１が組み立てられた状態で、芯部７１の一端は外部に露出しており、芯部７１の他端は正極プレート３０の嵌合孔３５に嵌合している。芯部７１は、正極プレート３０と電気的に接続されている。絶縁筒部７２は、樹脂に代表される絶縁材料で形成されている。絶縁筒部７２は、芯部７１と外鞘部７３との間に介在しており、芯部７１と外鞘部７３とを電気的に絶縁している。

外鞘部７３は、導電材料製である。外鞘部７３は、係合面７４を有している。係合面７４には、雄ねじが形成されている。係合面７４は、筐体５０の係合面５３に係合している。接続部材７０は、筐体５０にねじ込みにより取り付けられている。接続部材７０を筐体５０に対して回転させることにより、接続部材７０は筐体５０に嵌合している。外鞘部７３は、筐体５０を介して、底キャップ６０と電気的に接続されている。外鞘部７３は、筐体５０および底キャップ６０を介して、陰極プレート４０と電気的に接続されている。芯部７１が正極プレート３０の嵌合孔３５に嵌合することで、振動センサー１の中心軸への正極プレート３０の位置決めが可能とされている。

底キャップ６０と接続部材７０とは、センサー部１０、すなわち有機圧電素子２０、正極プレート３０および陰極プレート４０を、上下から挟み持っている。底キャップ６０と接続部材７０とを筐体５０にねじ込んで取り付けることにより、有機圧電素子２０、正極プレート３０および陰極プレート４０が上下から加締められて、振動センサー１の組立が完了する。振動センサー１が組み立てられた状態で、接続部材７０は正極プレート３０に係合し、底キャップ６０は陰極プレート４０に係合している。有機圧電素子２０は、底キャップ６０および接続部材７０には非接触である。有機圧電素子２０の上下には、中空の振動空間が確保されている。

図７は、有機圧電素子２０の分極を示す模式図である。図７に示されるように、有機圧電素子２０は、第１面２１に正電荷が偏在し、第２面２３に負電荷が偏在するように、分極されている。

有機圧電素子２０は、センサー部１０を組み立てる前に、公知のコロナ処理などの任意の分極処理を施すことにより、分極されている。つまり、分極処理が予め施された有機圧電素子２０が、正極プレート３０および陰極プレート４０とともに組み立てられて、センサー部１０を構成している。

有機圧電素子２０の第１面２１には、表面電極１０１が接合されている。有機圧電素子２０の第２面２３には、表面電極１０２が接合されている。第１面２１に接続した表面電極１０１は、プラス極である。第２面２３に接続した表面電極１０２は、マイナス極である。表面電極１０１，１０２は、導電性材料の箔の状態が望ましい。たとえば、一般に市販されている導電性の銅箔テープを有機圧電素子２０の第１面２１および第２面２３に貼り付けて、表面電極１０１，１０２を形成してもよい。または、銀コート銅などの導電性フィラーが含まれている導電塗料を有機圧電素子２０の第１面２１および第２面２３に塗布することで、表面電極１０１，１０２を形成してもよい。

図８は、有機圧電素子２０の正電荷パターン２２の一例を示す模式図である。図８に示される有機圧電素子２０は、第１面２１の全面に亘って正電荷パターン２２が形成されている。有機圧電素子２０の中心部分２７から周縁部分２８の全体に亘って均一に、正電荷が分布している。

図９は、有機圧電素子２０の負電荷パターン２４の一例を示す模式図である。図９に示される有機圧電素子２０は、第２面２３の全面に亘って負電荷パターン２４が形成されている。有機圧電素子２０の中心部分２７から周縁部分２８の全体に亘って均一に、負電荷が分布している。

図８，９に示されるような、全面に電荷が存在している有機圧電素子２０は、素材を強い電場中において分極処理を施すことにより、作製することができる。したがって作製が容易である。

図１０は、実施形態に基づく振動センサー１の周波数特性を示すグラフである。図１０に示すグラフは、横軸が周波数（単位：Ｈｚ）を表し、縦軸が振動センサー１の出力（単位：ｄＢ）を表す。実施形態に基づく振動センサー１は、有機圧電素子２０が用いられており、有機圧電素子２０の自重による振動の歪みによる電荷の発生を検知することで、振動を検出する。たとえば底キャップ６０の取付穴６１にマグネットプレートを取り付けたり、取付穴６１にボルトを取り付けたりすることで、振動センサー１を振動計測対象物に取り付けることができる。

有機圧電素子２０は、石英などの無機材料を用いた圧電素子と比較して、柔らかい。そのため実施形態に基づく振動センサー１は、図１０に示されるように低周波寄りに特性が出る。有機圧電素子２０を用いた振動センサー１は、低い周波数の振動から計測することができる。

図１１は、表面電極の第一の例を示す模式図である。表面電極１０１は、図８に示すような有機圧電素子２０の第１面２１の全体に亘って分布する正電荷パターン２２の一部を覆うように、形成されてもよい。表面電極１０２は、図９に示すような有機圧電素子２０の第２面２３の全体に亘って分布する負電荷パターン２４の一部を覆うように、形成されてもよい。たとえば図１１に示されるように、有機圧電素子２０の中心部分２７を覆う円形状の電極部分と、周縁部分２８を覆う円環形状の電極部分と、これら２つの電極部分をつなぐ一対の直線状の電極部分とを有するような、軸対称の表面電極１０１としてもよい。

図１２は、表面電極の第二の例を示す模式図である。またたとえば、図１２に示されるように、有機圧電素子２０の周縁部分２８を覆う円環形状の電極部分と、中心部分２７を覆う十字状の電極部分とを有するような、軸対称の表面電極１０１としてもよい。

図１３は、表面電極の第三の例を示す模式図である。図１２に示される表面電極１０１が第１面２１に接合されている場合、有機圧電素子２０を厚み方向に見てその表面電極１０１と重なるように表面電極１０２を設けてもよい。または図１３に示されるように、表面電極１０２を、図１２に示される表面電極１０１と同じ形状とし、表面電極１０１の十字と表面電極１０２の十字とを角度を４５°ずらして配置してもよい。

上述した説明と一部重複する部分もあるが、本実施形態の特徴的な構成を列挙すると以下のようになる。実施形態の振動センサー１は、有機圧電素子２０と、正極プレート３０と、陰極プレート４０とを備えている。有機圧電素子２０は、図７に示されるように、第１面２１に正電荷が偏在し第２面２３に負電荷が偏在するように、分極されている。正極プレート３０および陰極プレート４０は、図４に示されるように、有機圧電素子２０の周縁部分２８に接触し、有機圧電素子２０の中心部分２７とは非接触である。

実施形態の振動センサー１は、圧縮型、ビーム型、シェア型などの従来の圧電型センサーとは構造が異なり、有機圧電素子２０の周縁部分２８を正極プレート３０と陰極プレート４０とで挟み込み、有機圧電素子２０自身の振動の歪みにより電荷を発生する。振動センサー１が簡単な構造であり、半田付けによる接合が不要とされているので、振動センサー１の組み立て作業を短縮でき、生産性を向上することができる。従来構造の振動センサーと比較して、振動センサー１が軽量化されているので、振動センサー１の自重が振動計測対象物の振動に及ぼす影響が低減されており、したがって振動をより精度よく検出することができる。

また図４〜６に示すように、正極プレート３０には、通気孔３６が形成されている。有機圧電素子２０と正極プレート３０との間には、有機圧電素子２０の振動を許容するための振動空間が形成される。この振動空間を密閉空間とせずに通気孔３６を介して収容空間５１と連通する構成とすることで、振動空間内で空気が圧縮されて有機圧電素子２０の振動特性に影響することを抑制できる。したがって、実施形態の振動センサー１は、振動をより精度よく検出することができる。

また図４に示すように、有機圧電素子２０、正極プレート３０および陰極プレート４０は、筐体５０に収容されている。センサー部１０が筐体５０によって覆われる構造であるので、センサー部１０への物理的な衝撃などの外乱の影響で振動センサー１の動作特性が変動することを低減できる。したがって、振動センサー１の精度をより向上することができる。

また図４に示すように、接続部材７０は、筐体５０に取り付けられており、正極プレート３０および陰極プレート４０に電気的に接続されている。接続部材７０を介して、振動センサー１による振動計測対象物の振動の検出結果を外部に出力することができる。接続部材７０を介して、陰極プレート４０を接地接続することができる。接続部材７０の芯部７１をチャージコンバータに接続するように構成すれば、チャージコンバータで電荷信号を電圧信号に変換して、振動の検出結果を電圧として出力することができる。接続部材７０として、１０−３２コネクタなどの安価に入手可能な市販品を使用することができ、この場合、振動センサー１の製造コストを低減することができる。

また接続部材７０は、筐体５０にねじ込みにより取り付けられている。接続部材７０を回転させる動作だけで接続部材７０の取り付けができ、特殊工具が必要なく半田付けの必要もないので、振動センサー１の組み立て作業を短縮することができる。

また図４に示すように、底キャップ６０は、筐体５０に取り付けられており、接続部材７０とともにセンサー部１０を挟持している。底キャップ６０と接続部材７０とによってセンサー部１０を両側から挟む簡単な構造で、振動センサー１を実現することができる。

また底キャップ６０は、筐体５０にねじ込みにより取り付けられている。底キャップ６０を回転させる動作だけで底キャップ６０の取り付けができ、特殊工具が必要なく半田付けの必要もないので、振動センサー１の組み立て作業を短縮することができる。

また図５に示すように、底キャップ６０は、陰極プレート４０に接触する接触面６４を有している。接触面６４には通気溝６６が形成されている。有機圧電素子２０と陰極プレート４０との間には、有機圧電素子２０の振動を許容するための振動空間が形成される。この振動空間を密閉空間とせずに通気溝６６を介して収容空間５１と連通する構成とすることで、振動空間内で空気が圧縮されて有機圧電素子２０の振動特性に影響することを抑制できる。したがって、実施形態の振動センサー１は、振動をより精度よく検出することができる。

これまでの実施形態の説明においては、有機圧電素子２０が円形薄膜状である例について説明したが、有機圧電素子２０の形状は円形に限られず、任意の形状が可能である。正極プレート３０の当接面３８、および陰極プレート４０の当接面４８は、円環形状に限られず、たとえば円環の一部が切り欠かれた形状であっても構わない。但し当接面３８，４８を円環形状に形成すれば、異方性がなく、有機圧電素子２０が振動するときに軸対称で安定して電荷を発生させることができる。

以上、実施形態について説明を行なったが、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本開示に係る振動センサーは、機械または工場などの振動計測対象物に多数の振動センサーを取り付けて、振動計測対象物の振動の傾向を時系列で検証して予知保全に使う用途に、好適に適用され得る。

１ 振動センサー、１０ センサー部、２０ 有機圧電素子、２１ 第１面、２２ 正電荷パターン、２３ 第２面、２４ 負電荷パターン、２７ 中心部分、２８ 周縁部分、３０ 正極プレート、３１ 本体部、３２ 円筒突部、３３ 円環突部、３４ 凹空間、３５ 嵌合孔、３６ 通気孔、３８，４８ 当接面、４０ 陰極プレート、４１ 搭載面、４２ 内周面、４３ 外周面、４５ 中心空間、５０ 筐体、５１ 収容空間、５２ 小径空間、５３，５５，６３，７４ 係合面、５４ 大径空間、５８，６８ 底面、６０ 底キャップ、６１ 取付穴、６２ 締付穴、６４ 接触面、６５ 支持突部、６６ 通気溝、７０ 接続部材、７１ 芯部、７２ 絶縁筒部、７３ 外鞘部。

Claims (8)

1. 第１面と、前記第１面の反対側の第２面とを有し、前記第１面に正電荷が偏在し前記第２面に負電荷が偏在するように分極された、薄膜状の有機圧電素子と、
   前記第１面の周縁部分に接触し、前記第１面の中心部分とは非接触である、導電材料製の正極プレートと、
   前記第２面の周縁部分に接触し、前記第２面の中心部分とは非接触である、導電材料製の陰極プレートとを備え、
   前記有機圧電素子の振動の歪みによる電荷の発生を検知することで振動を検出する、振動センサー。
2. 前記正極プレートに、前記有機圧電素子の厚み方向に延び前記正極プレートを貫通する通気孔が形成されている、請求項１に記載の振動センサー。
3. 前記有機圧電素子、前記正極プレートおよび前記陰極プレートを収容する筐体を備える、請求項１または２に記載の振動センサー。
4. 前記筐体に取り付けられ、前記正極プレートと前記陰極プレートとの両方に電気的に接続する接続部材を備える、請求項３に記載の振動センサー。
5. 前記接続部材は、前記筐体にねじ込みにより取り付けられている、請求項４に記載の振動センサー。
6. 前記筐体に取り付けられ、前記有機圧電素子、前記正極プレートおよび前記陰極プレートを前記接続部材とともに挟持する、キャップ部を備える、請求項４または５に記載の振動センサー。
7. 前記キャップ部は、前記筐体にねじ込みにより取り付けられている、請求項６に記載の振動センサー。
8. 前記キャップ部は、前記陰極プレートに接触する接触面を有し、
   前記接触面には、通気溝が形成されている、請求項６または７に記載の振動センサー。

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