JP4172468B2 - 渦巻き型振動検知器 - Google Patents

Description

本発明は、振動を検出する振動検知器あるいは感震器に関する。

従来のこの種の振動検知装置は、特許文献１に記載されているものが一般的であった。図１０に示す従来の振動検知装置１は、収納容器２内のすり鉢状の底部３に保持された球状の重り４と、この重り４の荷重により電気的接点が開閉するスイッチ５からなる構成であった。地震などの振動が収納容器２に伝達されると、球状の重り４はすり鉢状の底部３から上下あるいは左右に移動する。この移動によりスイッチ５の梃子６を押し上げていた荷重伝達棒７に印加されていた球状の重り４の荷重が取り除かれる。この結果、スイッチ５が動作し、電気端子８、９間がオン、オフし、振動が発生したことが検知される構成となっていた。
特開昭６１−１６００２６号公報

しかしながら、上記従来の構成では、振動の有無を検知することができるが、振動の大きさを検知することができなかった。このためボールなどが当たった時に発生する衝撃振動も地震による振動として検知し、誤動作することがあった。また、水平方向の振動、あるいは垂直方向の振動などを区別して検知することもできなかった。

本発明は上記課題を解決するため、同軸状の電極を有する渦巻き型の圧電体と、この圧電体が移動できるよう保持する平板と、前記圧電体の一端を固定する固定部とからなり、前記同軸状の電極は、前記圧電体の内側に位置する内側電極と前記圧電体の外側に位置する外側電極とを有し、前記内側電極が渦巻き型のバネ材で形成する構成とした。この構成により、外部から振動が与えられると固定部を中心として、同軸状の電極を有する渦巻き型の圧電体が平板上を振動し、変形することになる。この渦巻き型圧電体の変形により同軸状の電極に圧電効果により電圧が発生する。この発生した電圧を検知し、振動が発生したことおよび振動の大きさを知ることができ、振動検知器あるいは地震検知器として動作する。

本発明の渦巻き型振動検知器は、同軸状の渦巻き型圧電体が、平板上を振動するよう支持されているので、振動方向とこの振動方向と垂直な方向の振動の周期と大きさとを検知することができる。

本発明は、同軸状の電極を有する渦巻き型の圧電体と、この圧電体を保持する平板と、前記圧電体の一端を固定する固定部とからなる構成とした。この構成により、外部から振動が与えられると固定部を中心として、同軸状の電極を有する渦巻き型の圧電体が平板上を振動し、変形することになる。この渦巻き型圧電体の変形により同軸状の電極に圧電効果により電圧が発生する。この発生した電圧を検知し、振動が発生したことおよび振動の大きさを知ることができ、振動検知器あるいは地震検知器として動作する。

また、同軸状の電極を有する渦巻き型の圧電体と、前記圧電体を固定する渦巻き型の弾性体と、前記弾性体の一端を固定する固定部とからなる構成とした。この構成により、外部から振動が与えられると固定部を中心として、前記渦巻き型の弾性体が、垂直、水平方向に振動する。したがって、前記弾性体に固定されている同軸状の電極を有する渦巻き型の圧電体も垂直、水平方向に振動、変形することになる。この渦巻き型圧電体の垂直、水平方向の変形により同軸状の電極に圧電効果により電圧が発生する。この発生した電圧を検知し、垂直、水平方向の振動が発生したことおよび振動の大きさを知ることができ、振動検知器あるいは地震検知器として動作する。

また、同軸状の電極を有する渦巻き型の圧電体と、前記圧電体の一端を固定する固定部とからなる構成とした。この構成により、外部から振動が与えられると固定部を中心として、前記渦巻き型の圧電体が、垂直、水平方向に振動する。したがって、同軸状の電極に、渦巻き型圧電体の垂直、水平方向への振動、変形に応じて電圧が発生することになる。この発生した電圧を検知し、垂直、水平方向の振動が発生したことおよび振動の大きさを知ることができ、振動検知器あるいは地震検知器として動作する。

また、矩形断面を有する渦巻き型の圧電体と、この圧電体の対向する平面に設けた一対の電極と、この圧電体を保持する平板と、前記圧電体の一端を固定する固定部とからなる構成とした。

この構成により、外部から振動が与えられると固定部を中心として、矩形断面を有する渦巻き型の圧電体が平板上を振動し、変形することになる。この渦巻き型圧電体の変形により矩形断面の対向する平面に設けられた電極に圧電効果により電圧が発生する。この発生した電圧を検知し、振動が発生したことおよび振動の大きさを知ることができ、振動検知器あるいは地震検知器として動作する。

また、矩形断面を有する渦巻き型の圧電体と、この圧電体の対向する平面に設けた二対の電極と、この圧電体を固定する渦巻き型の弾性体と、前記弾性体の一端を固定する固定部とからなる構成とした。この構成により、外部から振動が与えられると固定部を中心として、前記渦巻き型の弾性体が、垂直、水平方向に振動する。したがって、前記弾性体に固定されている矩形断面を有する渦巻き型の圧電体も垂直、水平方向に振動、変形することになる。この渦巻き型圧電体の垂直、水平方向の変形により矩形断面に設けられた二対の電極それぞれに、圧電効果により電圧が発生する。この発生したそれぞれの電圧を検知し、垂直、水平方向の振動が発生したことおよびそれぞれの振動の大きさを各々知ることができ、振動検知器あるいは地震検知器として動作する。

また、矩形断面を有する渦巻き型の圧電体と、この圧電体の対向する平面に設けた二対の電極と、この圧電体の一端を固定する固定部とからなる構成とした。この構成により、外部から振動が与えられると固定部を中心として、矩形断面を有する渦巻き型の圧電体が、垂直、水平方向に振動する。したがって、矩形断面に設けられた二対の電極に、矩形断面を有する渦巻き型圧電体の垂直、水平方向への振動、変形に応じてそれぞれの電極に電圧が発生することになる。この発生したそれぞれの電圧を検知し、垂直、水平方向の振動が発生したことおよびそれぞれの振動の大きさを各々独立して知ることができ、振動検知器あるいは地震検知器として動作する。

また、前記矩形断面の矩形比を、所定の感度比となるように構成した。この構成により、垂直方向の振動と水平方向の振動とによる出力電圧を調整することができる。従って、この出力電圧を比較することにより、垂直方向の振動の大きさと、水平方向の振動の大きさとを直接比較することができ、より正確な振動検知器あるいは地震検知器として動作させることができる。

また、前記二対の電極からの信号を、重みをつけて加算した出力信号を有する構成とした。例えば、各々の出力信号をの絶対値の二乗和を出力するように構成すると、３次元の振動の大きさに合致させることができ、地震検知器として有効に動作する。

以下、本発明の実施例を図面にもとづいて説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の感震器１０の外観図を示す。図において、１１は同軸圧電体、１２は同軸状内側電極、１３は同軸状外側電極、１４は同軸圧電体１１の固定端、１５は同軸圧電体１１の他端に設けられた振動検知体、１６は同軸圧電体１１を水平に保持する水平板を示す。図２は、外径約３ｍｍの同軸圧電体１１の要部を示し、内側から順に、同軸状内側電極１２、圧電体１７、同軸状外側電極１３、絶縁被覆１８で構成されている。なお、渦巻き型の圧電体１１の全長は約２０ｍｍで、ＰＶＤＦなどの高分子圧電体で構成した。この圧電体に伸縮・屈曲などの応力を印加することにより内側電極１２と外側電極１３との間に電圧を発生する。

また、水平板１６はテフロン（登録商標）、ガラス、セラミック、金属板など、表面の平滑な板で構成し、同軸状圧電体１１が自由に移動できる構成とした。このような構成の感震器１０に、外部から振動が伝えられると、慣性の大きな振動検知体１５（φ１０ｍｍ、高さ５ｍｍの黄銅）、が水平板１６上を振動することになる。この振動により、固定端１４と振動検知体１５との間にある同軸状圧電体１１は、振動方向あるいは振動方向と垂直な方向に、部分的に屈曲振動が発生し、内側電極１２と外側電極１３との間に電圧出力が得られる。図３に、横軸を時間、縦軸を電圧とするオシロスコープで観測した電圧出力波形１９を示す。この出力電圧を検知することにより、振動の周期と大きさとを検知できる。なお、本実施例において固定端を外周部に、振動検知体を中央部に設定したが、その逆であっても上記と同様の効果は得られる。また、本実施例において振動検知体１５を黄銅で構成したが、余分な同軸圧電体１１をまとめて用いてもよい。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２の感震器２０の外観図を示す。１１は同軸圧電体であり、渦巻き型の板バネで構成した弾性体２１上に接着剤などで固定した。なお、１５は実施例１で示した振動検知体であり、中央部に設け、外周部を固定端１４とした。この構成の感震器２０に外部より振動が伝えられると、振動検知体１５が振動する。この場合、渦巻き型の板バネで構成されているので、振動検知体１５は、特に上下方向によく振動する。この振動により、同軸状の圧電体１１は、全長にわたって屈曲振動することになり、内側電極１２と外側電極１３との間に図５に示すような電圧出力波形２２が、オシロスコープで得られた。出力電圧波形は正負対称であった。この出力電圧波形を検知することにより、振動の周期と大きさを検知することができる。なお、本実施例において固定端を外周部に、振動検知体を中央部に設定したが、その逆であっても上記と同様の効果は得られる。

（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３の感震器２３の外観図を示す。１１は同軸圧電体であり、渦巻き型のバネ材を内側電極線２４に用い、同軸状圧電体とした。２５は固定端、１５は振動検知体を示す。

このような構成の感震器２３に外部から振動を与えると、振動検知体１５は、上下左右に振動する。

この振動により、同軸状圧電体１１の内側電極２４と外側電極２６との間に振動による電圧が発生する。この発生した電圧を検知することにより、振動の方向と大きさとを検知することができる。この感震器２３の振動検知体１５は、上下左右どの方向にも振動することができるので、どのような方向の外部振動が伝えられても、その振動に応じて振動することができる。従って、同軸状圧電体１１の内側電極２４と外側電極２６との間に発生する電圧さえ検知していれば、すべての振動に対処できることになり、優れた振動検知器として動作することになる。なお、上記実施例において内側電極をバネ材からなる線としたが、矩形断面をもつバネ材で構成してもよい。例えば、縦長の矩形断面のバネ材で構成すれば、上下方向の振動に対する感度を抑え、水平方向の振動に対する感度を大きくすることができる。このように上下方向、水平方向の振動に対する感度を調節することにより、３次元の振動である地震に対し、有効な感震器を提供できる。すなわち、単一の出力電圧を検知するだけで、地震の震度を演算することが可能となる。なお、本実施例において固定端を外周部に、振動検知体を中央部に設定したが、その逆であっても上記と同様の効果は得られる。

（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４の感震器２７の外観図を示す。２８は矩形断面を有する渦巻き型の圧電体を示し、圧電セラミックで構成した。圧電セラミックは、ＰＺＴ、ＰＣＭなどを用いた。２９、３０は渦巻き型圧電セラミックの上面と下面とに設けた電極を示す。３１は渦巻き型圧電セラミックの外周部を固定する固定部を示す。渦巻き型圧電セラミック２８の板厚は約１ｍｍ程度とし、幅は約３ｍｍ、外径は約２０ｍｍとした。３２は振動検知体を示す。このような構成の感震器２７に外部から振動が伝えられると、振動検知体３２は、上下左右に振動することになる。振動検知体３２の上下方向の振動、すなわち上下の電極面に垂直な方向の振動に対し、渦巻き型圧電体が全長にわたって上下同じ方向に撓むことになるので特に大きな感度を有している。従って、振動検知体３２が上下に振動することにより、上面の電極２９と下面の電極３０との間に大きな出力電圧が得られる。この出力電圧を検知することにより、振動の周期と大きさとを検知できる。圧電セラミック２８の板厚を薄くすることにより、より大きく撓み、出力電圧を大きくすることができる。なお、本実施例において固定端を外周部に、振動検知体を中央部に設定したが、その逆であっても上記と同様の効果は得られる。

（実施の形態５）
図８は、本発明の実施の形態５の感震器３３の外観図を示す。３４は矩形断面を有する渦巻き型の圧電体を示し、圧電セラミックで構成した。圧電セラミックは、ＰＺＴ、ＰＣＭなどを用いた。３５、３６は渦巻き型圧電セラミックの上面と下面とに設けた電極を示し、３７、３８は渦巻き型圧電セラミックの内面と外面とに設けた電極を示す。３９は渦巻き型圧電セラミックの外周部を固定する固定部を示す。渦巻き型圧電セラミック３４の板厚は約３ｍｍ程度とし、幅は約１ｍｍ、外径は約２０ｍｍとした。４０は、圧電セラミック３１の中央部に設けた振動検知体を示す。この実施例において、圧電セラミック３４を特に、縦長の矩形断面とし左右方向の振動に対して大きく撓むようにした。このような構成の感震器３３に外部から振動が伝えられると、振動検知体４０は、上下方向および左右方向に振動することになる。振動検知体４０の上下方向の振動、すなわち上下の電極面に垂直な方向の振動に対し、渦巻き型圧電体の全長にわたって上下同じ方向に撓むことになるので、上面電極３５、下面電極３６との間に電圧が発生する。また、左右方向の振動に対して、渦巻き型圧電体の全長にわたって左右方向に撓むことになるので、内側電極３７と外側電極３８との間に電圧が発生することになる。従って、この二つの出力電圧を検知することにより、垂直方向の振動と水平方向の振動とを、振動の周期、大きさを別々に検知することができる。なお、本実施例において固定端を外周部に、振動検知体を中央部に設定したが、その逆であっても上記と同様の効果は得られる。また、圧電セラミックの矩形比を適切に選択することにより、水平方向の振動に対する感度と垂直方向の振動に対する感度をとを、ほぼ同じ程度に合わせることが可能となる。しかも、それぞれの振動に対する感度は、予め設定することもできるので、それぞれの振動の大きさから、例えば地震などの場合には、震度を演算することも可能となる。

（実施の形態６）
図９は、本発明の実施の形態６の渦巻き型圧電セラミックからなるの感震器３３の信号出力ブロック図を示す。３４は圧電セラミックの断面を示し、３５、３６は上下面の電極を、３７、３８は内側、外側電極を示す。３９、４０は増幅器を示し、圧電セラミック３４に発生した電圧を増幅する。増幅器３９で増幅された電圧出力（Ｖｐ）と、増幅器４０で増幅された電圧出力（Ｖｈ）とは、演算出力器４１で合成され、合成出力（Ｖｏｕｔ）を信号端子４２に出力する。演算出力器４１では、それぞれの電圧出力（Ｖｐ）、（Ｖｈ）を、（１）加算したり、あるいは重みを付けて加算したり、（２）絶対値を加算したり、あるいは絶対値を重みを付けて加算したり、（３）二乗値を加算したり、あるいは二乗値を重みを付けて加算したり、（４）それぞれの積を演算したり、（５）それぞれの二乗値の積を演算したりする機能を有する。例えば、それぞれの電圧出力（Ｖｐ）、（Ｖｈ）の二乗値を重みを付けて加算した値を、さらに対数変換した出力にすると、振動の大きさ、例えば、地震の震度などと非常に近い値とすることが可能となる。

以上の説明から明らかなように本発明の実施の形態の渦巻き型振動検知器と感震器によれば次の効果が得られる。

（１）同軸状の渦巻き型圧電体が、水平板上を振動するよう支持されているので、水平方向の振動の周期と大きさとを検知することができる。

（２）同軸状の圧電体が、渦巻き型の弾性体に固定されているので、上下方向の振動の周期と大きさとを検知することができる。

（３）同軸状の圧電体で渦巻き型を構成しているので、上下方向および左右方向の振動の周期と大きさとを検知することができる。

（４）矩形断面を有する圧電体で渦巻き型を構成し、上下の面に電極を有しているので上下方向の振動の周期と大きさとを検知することができる。

（５）矩形断面を有する圧電体で渦巻き型を構成し、上下の面および内側、外側の面に二対の電極を有しているので上下方向および左右方向の振動の周期と大きさとを、独立して検知することができる。

（６）矩形断面を有する圧電体で渦巻き型を構成し、上下の面および内側、外側の面に二対の電極を有しているので上下方向および左右方向の振動による電圧出力を、演算合成し出力するので、地震の震度に応じた出力とすることができる。

以上のように、本発明に係る渦巻き型振動検知器は、振動を検出する振動検知器あるいは感震器に適用でき、地震の検出に有効となる。

本発明の実施の形態１における渦巻き型感震器の外観斜視図 同感震器の同軸圧電体を示す外観斜視図 同感震器の電圧出力波形図 本発明の実施の形態２における渦巻き型感震器の外観斜視図 同感震器の電圧出力波形図 本発明の実施の形態３における渦巻き型感震器の外観斜視図 本発明の実施の形態４における渦巻き型感震器の外観斜視図 本発明の実施の形態５における渦巻き型感震器の外観斜視図 本発明の実施の形態６における渦巻き型感震器の回路図 従来の感震器を示す図

符号の説明

１０、２０、２３、２７、３３ 感震器
１１ 同軸圧電体
１２ 同軸状内側電極
１３ 同軸状外側電極
１４、２５ 固定端
１５、３２、４０ 振動検知体
１６ 水平板
１７、２８、３４ 圧電体
２１ 弾性体
２４ 内側電極線
２６ 外側電極
２９、３５ 上面電極
３０、３６ 下面電極
３１、３９ 固定部
３７ 内面電極
３８ 外面電極

Claims (3)

1. 同軸状の電極を有する渦巻き型の圧電体と、この圧電体が移動できるよう保持する平板と、前記圧電体の一端を固定する固定部とを有する渦巻き型振動検知器において、前記同軸状の電極は、前記圧電体の内側に位置する内側電極と前記圧電体の外側に位置する外側電極とを有し、前記内側電極が渦巻き型のバネ材で形成された渦巻き型振動検知器。
2. 同軸状の電極を有する渦巻き型の圧電体と、前記圧電体を固定する渦巻き型の弾性体と、前記弾性体の一端を固定する固定部とからなる渦巻き型振動検知器において、前記同軸状の電極は、前記圧電体の内側に位置する内側電極と前記圧電体の外側に位置する外側電極とを有し、前記内側電極が渦巻き型のバネ材で形成された渦巻き型振動検知器。
3. 同軸状の電極を有する渦巻き型の圧電体と、前記圧電体の一端を固定する固定部とを有する渦巻き型振動検知器において、前記同軸状の電極は、前記圧電体の内側に位置する内側電極と前記圧電体の外側に位置する外側電極とを有し、前記内側電極が渦巻き型のバネ材で形成された渦巻き型振動検知器。