JP2020020597A - 振動センサー - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成の振動センサーを提供する。【解決手段】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。有機圧電素子２０は、矩形薄膜状であり、長縁部と短縁部とを有している。支持構造は、有機圧電素子２０の短縁部を支持している。【選択図】図３

Description

本開示は、振動センサーに関する。

従来、振動センサーとして振動により厚み方向にベンディングする弾性表面波素子を用い、このベンディングによる弾性表面波素子の表面に施された入力側電極対と出力側電極対における電極間隔の拡縮変動に応じて周波数変調動作を惹起させ、この変調周波数信号から振動の波形を把握する、振動検出方法が提案されている（たとえば、特開２０００−２３４９５４号公報（特許文献１）参照）。

特開２０００−２３４９５４号公報

上記文献に記載のセンサーにおいてコストを低減するためにはある程度の規模の量産が必要であることから、少量でも安価に生産できる簡易な構成の振動センサーが求められている。

本開示では、簡易な構成の振動センサーが提供される。

本開示に従うと、有機圧電素子と支持構造とを備え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。有機圧電素子は、矩形薄膜状であり、長縁部と短縁部とを有している。支持構造は、有機圧電素子の短縁部を支持している。

上記の振動センサーは、基板をさらに備えている。有機圧電素子は、基板に内蔵されている。

上記の振動センサーにおいて、基板には、基板の外面の一部が窪んで形成された、基板の厚み方向視において矩形状の収容凹部が形成されている。収容凹部の底面は、収容凹部の短辺に沿う底面の縁部分が一段高く形成された段差部を有している。支持構造は、段差部を含んでいる。

上記の振動センサーは、収容凹部内の、有機圧電素子よりも収容凹部の開口部の近くに配置された矩形枠状の枠部材をさらに備えている。支持構造は、枠部材の短辺部分を含んでいる。

上記の振動センサーにおいて、枠部材の長辺部材間の距離は、短縁部の長さよりも大きい。

上記の振動センサーは、収容凹部の段差部に形成された一対の電極をさらに備えている。有機圧電素子の第１面は、一対の電極の一方と電気的に接続されている。有機圧電素子の第２面は、一対の電極の他方と電気的に接続されている。

上記の振動センサーは、収容凹部を塞ぐ蓋部をさらに備えている。

本開示に従えば、簡易な構成の振動センサーを実現することができる。

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分解斜視図である。 図１に示す振動センサーの分解断面図である。 図１に示す振動センサーの断面図である。 有機圧電素子の分極を示す模式図である。 有機圧電素子の平面図である。 基板の平面図である。 枠部材の平面図である。

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の分解斜視図である。図３は、図１に示す振動センサー１の分解断面図である。図４は、図１に示す振動センサー１の断面図である。図１〜４に示されるように、振動センサー１は、有機圧電素子２０と、基板５０と、枠部材８０と、蓋部９０とを主に備えている。

有機圧電素子２０は、図２〜４に示されるように、矩形薄膜状の形状を有している。図５は、有機圧電素子２０の分極を示す模式図である。図３，５に示されるように、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とを有している。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、振動センサー１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予め施すことにより、分極されている。

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６は、有機圧電素子２０の平面図である。図６には、有機圧電素子２０の厚み方向に見た有機圧電素子２０が図示されている。有機圧電素子２０は、矩形の長辺を成す一対の長縁部２５と、矩形の短辺を成す一対の短縁部２６とを有している。図６中に示す長さＬは、短縁部２６の長さを示している。

基板５０は、表面５１と、表面５１の反対側の裏面５２とを有している。基板５０には、裏面５２の一部が窪んで形成された中空空間である収容凹部５３が形成されている。収容凹部５３は、開口部５３Ａにおいて裏面５２に開口している。

図７は、基板５０の平面図である。図７には、裏面５２側から厚み方向に見た基板５０が図示されている。収容凹部５３は、図７に示されるように、基板５０の厚み方向視において矩形状である。収容凹部５３の縁部は、矩形の長辺を成す一対の長辺５４と、矩形の短辺を成す一対の短辺５５とを有している。長辺５４と短辺５５とは互いに直交している。一対の長辺５４は互いに同じ長さを有している。一対の短辺５５は互いに同じ長さを有している。

収容凹部５３の底面５６は、表面５１および裏面５２と平行に延びている。底面５６は、段差部５７を有している。収容凹部５３の長辺５４および短辺５５に沿う底面５６の縁部分が一段高く形成されて、段差部５７が設けられている。段差部５７によって取り囲まれた中空の空間が、振動空間６０を形成している。段差部５７は、表面５１および裏面５２と平行に延びている。短辺５５に沿って延びる一対の段差部５７のうちの一方に、一対の電極５８，５９が設けられている。一対の電極５８，５９は、収容凹部５３の短辺に沿って並んで配置されている。

有機圧電素子２０は、収容凹部５３内に収容されている。有機圧電素子２０は、段差部５７上に搭載されている。有機圧電素子２０の短縁部２６の近傍の一部分が、収容凹部５３の底面５６、より具体的には段差部５７に、面接触している。有機圧電素子２０は、段差部５７を除いて収容凹部５３の底面５６とは非接触である。有機圧電素子２０が基板５０の内部に組み付けられた状態で、振動空間６０は、収容凹部５３の底面５６、段差部５７、および有機圧電素子２０に取り囲まれている。有機圧電素子２０の第１面２１と収容凹部５３の底面５６との間に、中空の振動空間６０が形成されている。

図２，６に示されるように、有機圧電素子２０には、有機圧電素子２０を厚み方向に貫通する２つの貫通孔２７，２８が形成されている。有機圧電素子２０の第１面２１は、表面電極１０１を介して、一対の電極５８，５９のうちの一方の電極５８と電気的に接続されている。有機圧電素子２０の第２面２３は、表面電極１０２を介して、一対の電極５８，５９のうちの他方の電極５９と電気的に接続されている。第２面２３と電極５９とは、貫通孔２８の内部に練り半田を塗布し加熱溶融することによって、当該練り半田を介して電気的に接続されてもよい。

図１，２に示されるように、基板５０の表面５１には、接続端子６１と、グラウンド端子６２とが設けられている。接続端子６１は、電極５８と電気的に接続されている。グラウンド端子６２は、電極５９と電気的に接続されている。接続端子６１とグラウンド端子６２とは、基板５０の表面５１上の任意の位置に配置することができる。

接続端子６１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。接続端子６１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。チャージコンバータアンプを基板５０の内部に組み込んだ、チャージコンバータアンプ内蔵型の振動センサー１を構築してもよい。

基板５０には、基板５０を厚み方向に貫通して表面５１から裏面５２に至る、複数（実施形態では１０個）のスルーホール６３が形成されている。スルーホール６３は、その内周面に導電性の材料がたとえばめっきにより形成されたスルーホールビアであってもよい。係る基板５０は、多層銅張基板をエッチングすることにより、作製することができる。

振動センサー１により振動を計測される振動計測対象物への振動センサー１の取り付けに、スルーホール６３を用いることができる。各々のスルーホール６３にピンヘッダを半田付けによって取り付けて、ピンヘッダが基板から突き出している構造とすることによって、振動センサー１をＤＩＰ（Dual Inline Package）モジュール化することができる。この場合、振動センサー１をブレッドボードに容易に取り付けることができる。また振動センサー１の取扱いが容易になる。

枠部材８０は、ガラス基板により形成されている。枠部材８０は、略矩形枠状の外形を有している。図８は、枠部材８０の平面図である。枠部材８０は、矩形の長辺を成す一対の長辺部分８１，８２と、矩形の短辺を成す一対の短辺部分８３，８４と、桟部分８５とを有している。桟部分８５は、短辺部分８３，８４と平行に延在している。桟部分８５は、長辺部分８１に結合された一端と長辺部分８２に結合された他端とを有している。桟部分８５は、一対の短辺部分８３，８４のうち、短辺部分８４により近く配置されている。図３，８に示されるように、長辺部分８１，８２、短辺部分８３および桟部分８５によって取り囲まれた中空の空間が、振動空間８８を形成している。

図８に示す距離Ｄは、枠部材８０の長辺部分８１，８２間の距離を示している。この距離Ｄは、図６に示す有機圧電素子２０の短縁部２６の長さＬよりも、大きくなっている。

図３，４に示されるように、有機圧電素子２０と枠部材８０とは、収容凹部５３内で互いに積層されて、基板５０に内蔵される。基板５０に内蔵された状態で、枠部材８０は、収容凹部５３内の、有機圧電素子２０よりも収容凹部５３の開口部５３Ａの近くに配置されている。枠部材８０と収容凹部５３の底面５６との間に、有機圧電素子２０が介在している。有機圧電素子２０の短縁部２６は、基板５０の段差部５７と、枠部材８０の短辺部分８３，８４および桟部分８５とによって挟まれている。

段差部５７と、短辺部分８３，８４および桟部分８５とは、有機圧電素子２０の短縁部２６を第１面２１と第２面２３との両側から挟持する挟持構造を構成している。挟持構造は、有機圧電素子２０の短縁部２６を支持する支持構造の一例である。挟持構造は、段差部５７を含んでいる。挟持構造は、短辺部分８３，８４を含んでいる。有機圧電素子２０の一対の短縁部２６の一方は、段差部５７と短辺部分８３とによって挟持されている。有機圧電素子２０の一対の短縁部２６の他方は、段差部５７と短辺部分８４および桟部分８５によって挟持されている。

長辺部分８１，８２間の距離Ｄが短縁部２６の長さＬよりも大きいことから、有機圧電素子２０と枠部材８０とが基板５０に内蔵された状態で、有機圧電素子２０の長縁部２５は枠部材８０には非接触である。図７に示されるように、収容凹部５３の長辺５４に沿う段差部５７間の距離も、同じく距離Ｄである。そのため有機圧電素子２０の長縁部２５は、段差部５７にも非接触である。有機圧電素子２０の長縁部２５は、段差部５７と枠部材８０とによって挟持されない。一方、枠部材８０は、収容凹部５３の長辺５４に沿う段差部５７と短辺５５に沿う段差部５７の両方に搭載されており、枠部材８０はその全周において段差部５７によって支持される構成とされている。

蓋部９０は、ガラス基板により形成されている。蓋部９０は、中実の矩形板状の形状を有している。図３，４に示されるように、蓋部９０は、収容凹部５３を塞いでいる。蓋部９０が基板５０に組み付けられた図４に示す状態で、蓋部９０は基板５０の裏面５２と略同一平面上に配置されており、蓋部９０は収容凹部５３の開口部５３Ａを塞いでいる。

枠部材８０は、有機圧電素子２０と蓋部９０との間に介在するスペーサとしての機能を有している。有機圧電素子２０、枠部材８０および蓋部９０が積層されて基板５０に内蔵された状態で、有機圧電素子２０の第２面２３と蓋部９０との間に、中空の振動空間８８が形成されている。

蓋部９０は、任意の方法によって基板５０に固定することが可能である。たとえば、蓋部９０を収容凹部５３内に圧入することによって、蓋部９０を基板５０に固定してもよい。またたとえば、蓋部９０を基板５０に接着することによって、蓋部９０を基板５０に固定してもよい。

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、図３，４に示されるように、矩形薄膜状の有機圧電素子２０と、有機圧電素子２０の短縁部２６を両面側から挟持する挟持構造とを備えている。

実施形態の振動センサー１は、有機圧電素子２０の短縁部２６を挟み込み、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。有機圧電素子２０を両側から挟む簡易な構成で振動センサー１が実現されているので、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。したがって振動センサー１を安価に生産することができる。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、したがって振動を精度よく検出することができる。

矩形薄膜状の有機圧電素子２０が短縁部２６において挟持され、有機圧電素子２０が矩形の長辺方向に振動できる構成とされており、有機圧電素子２０のより自在な振動が許容されている。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に示されるように、有機圧電素子２０は基板５０に内蔵されている。有機圧電素子２０が基板５０に埋め込まれて一体化されており、有機圧電素子２０が外部に露出しない構造とされているので、振動センサー１の物理的衝撃に対する耐性を向上することができる。

また図３，４に示されるように、基板５０には収容凹部５３が形成されており、収容凹部の底面５６は段差部５７を有し、段差部５７は有機圧電素子２０の短縁部２６を挟持する挟持構造を構成している。基板５０を二段階に窪ませて形成した収容凹部５３の縁部分において有機圧電素子２０を挟持する構成であるので、有機圧電素子２０の挟持構造を簡易な構成で実現することができる。有機圧電素子２０と収容凹部５３の底面５６との間に中空の振動空間６０が形成され、有機圧電素子２０は振動空間６０内において自在に振動できる構成であるので、振動センサー１は振動を精度よく検出することができる。

また図３，４に示されるように、矩形枠状の枠部材８０の短辺部分８３，８４が、有機圧電素子２０の短縁部２６を挟持する挟持構造を構成している。簡単な形状であり作製が容易な枠部材８０で有機圧電素子２０を挟持する構成であるので、有機圧電素子２０の挟持構造を簡易な構成で実現することができる。枠部材８０によって取り囲まれた中空の振動空間８８が形成され、有機圧電素子２０は振動空間８８内において自在に振動できる構成であるので、振動センサー１は振動を精度よく検出することができる。

また図６〜８に示されるように、枠部材８０の長辺部分８１，８２間の距離Ｄは、有機圧電素子２０の短縁部２６の長さＬよりも大きい。係る構成により、有機圧電素子２０がその短縁部２６において枠部材８０と段差部５７とによって挟持され、かつ長縁部２５は挟持されない構造を、確実に実現することができる。

また図２，７に示されるように、段差部５７に一対の電極５８，５９が形成されており、有機圧電素子２０の第１面２１と第２面２３とは、電極５８，５９にそれぞれ電気的に接続されている。有機圧電素子２０の第１面２１は、段差部５７に表面電極１０１が押し当てられることにより電極５８に電気的に接続され、第２面２３は、表面電極１０２および練り半田を介して電極５９に電気的に接続される構成とすることができる。このようにすれば、第１面２１を電極５８に、第２面２３を電極５９に、簡易にかつ確実に電気的に接続することができる。

また図３，４に示されるように、蓋部９０は、収容凹部５３を塞いでいる。有機圧電素子２０が基板５０と蓋部９０とによって覆われる構造であるので、有機圧電素子２０への物理的な衝撃またはノイズの伝達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。図１，４に示されるように、有機圧電素子２０、枠部材８０および蓋部９０が基板５０に内蔵された構造物の外形を、基板５０の表面５１および裏面５２から突き出る構造を有しない板状とすることで、振動センサー１を薄型で簡易な構成とすることができる。

実施形態では、有機圧電素子２０の短縁部２６を支持する支持構造として、短縁部２６を第１面２１と第２面２３との両側から挟持する挟持構造について説明した。短縁部２６を支持する支持構造は、実施形態の挟持構造に限られるものではない。たとえば短縁部２６を段差部５７に接着することで、短縁部２６を支持する支持構造を形成してもよい。またたとえば、シール材を用いたキャップによって支持構造を形成してもよい。

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、２０ 有機圧電素子、２１ 第１面、２３ 第２面、２５ 長縁部、２６ 短縁部、２７，２８ 貫通孔、５０ 基板、５１ 表面、５２ 裏面、５３ 収容凹部、５３Ａ 開口部、５４ 長辺、５５ 短辺、５６ 底面、５７ 段差部、５８，５９ 電極、６０，８８ 振動空間、６１ 接続端子、６２ グラウンド端子、６３ スルーホール、８０ 枠部材、８１，８２ 長辺部分、８３，８４ 短辺部分、８５ 桟部分、９０ 蓋部、Ｄ 距離、Ｌ 長さ。

Claims (7)

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、長縁部と短縁部とを有する、矩形薄膜状の有機圧電素子と、
   前記有機圧電素子の前記短縁部を支持する支持構造と、を備える、振動センサー。
2. 前記有機圧電素子を内蔵する基板をさらに備える、請求項１に記載の振動センサー。
3. 前記基板には、前記基板の外面の一部が窪んで形成された、前記基板の厚み方向視において矩形状の収容凹部が形成されており、
   前記収容凹部の底面は、前記収容凹部の短辺に沿う前記底面の縁部分が一段高く形成された段差部を有し、
   前記支持構造は、前記段差部を含む、請求項２に記載の振動センサー。
4. 前記収容凹部内の、前記有機圧電素子よりも前記収容凹部の開口部の近くに配置された矩形枠状の枠部材をさらに備え、
   前記支持構造は、前記枠部材の短辺部分を含む、請求項３に記載の振動センサー。
5. 前記枠部材の長辺部材間の距離は、前記短縁部の長さよりも大きい、請求項４に記載の振動センサー。
6. 前記収容凹部の前記段差部に形成された一対の電極をさらに備え、
   前記第１面は、前記一対の電極の一方と電気的に接続され、前記第２面は、前記一対の電極の他方と電気的に接続される、請求項３〜５のいずれか１項に記載の振動センサー。
7. 前記収容凹部を塞ぐ蓋部をさらに備える、請求項３〜６のいずれか１項に記載の振動センサー。

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