JP5810059B2

JP5810059B2 - 圧電型振動センサーおよび漏水検知方法

Info

Publication number: JP5810059B2
Application number: JP2012209321A
Authority: JP
Inventors: 博昭近藤
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2012-09-24
Filing date: 2012-09-24
Publication date: 2015-11-11
Anticipated expiration: 2032-09-24
Also published as: JP2014062868A

Description

この発明は、圧電型振動センサーおよび漏水検知方法に関し、特に、配管からの漏水音の検出に好適な圧電型振動センサーおよびこのような圧電型振動センサーを使用した漏水検知方法に関する。

従来より、圧電素子と錘を用いて構成した圧電型振動センサーが存在する。特許文献１にも記載されているように、圧電型振動センサーは共振型と非共振型に大別される。共振型の振動センサーは測定する周波数帯域に共振周波数を設定するため、特定の周波数において非常に高い感度が得られるが、それ以外の周波数においては感度が低くなるという課題がある。また、特許文献１においては共振の伝達を低減した非共振型の振動センサーが開示されているが、共振を利用していない分、感度を高くするためには錘と圧電素子を大きくする必要が生じる。

また、漏水による水道管の振動をセンサーで検知することが一般になされている。例えば、特許文献２においては圧電素子を内蔵した検出部と剛性材料からなる台座部をゴム材料で連結した圧電型振動センサーが開示されている。これによれば、合成樹脂管に伝わる低周波振動を共振により増幅させることができるとされている。また、水道管路における消火栓等に２個の圧電型振動センサーを設置し、得られた相関波形を解析することで漏水箇所を特定できるとされている。

実公平７−９０１号公報特許第３２２３３３７号公報

しかしながら、従来の圧電型振動センサーにおいては、水道管からの漏水音の検出に適用する場合、水道管における微小な振動に対する感度が充分でなく、消火栓等に設置する圧電型振動センサーの設置スパンが短いために、広域の漏水調査を行おうとすると労力が大きかった。また、漏水音は管の材質や口径によって周波数帯に分布をもっており、圧電型振動センサーによって対象とする管種に得手不得手があった。合成樹脂管であると数十Ｈｚ〜２００Ｈｚの振動検出が有効であるが、金属管であればそれよりも高い周波数の振動を検出することが有効である。

この発明の目的は、様々な水道管の漏水による振動に対して感度を良くすることができ、そのため、設置スパンを長くとれ、より効率的な漏水調査が可能となる圧電型振動センサーおよびこのような圧電型振動センサーを使用した漏水検知方法を提供することにある。

この発明による圧電型振動センサーは、台座、圧電素子、電極および錘を備えた圧電型振動センサーであって、前記圧電素子は単一のフィルム状の高分子圧電材料より構成され、前記圧電素子が複数の区画に分けられて、各区画に、電極および錘がそれぞれ設置されており、前記電極は前記圧電素子の表裏に対となるようにして設けられており、前記錘は各区画の上下面に圧縮力が加わるように配置されており、各区画の共振周波数が異なる値とされていることを特徴とするものである。

各区画の共振周波数を異なる値とするには、圧電素子自体を複数の部分に分割してそれぞれを異なる圧電材料で形成することで可能であるが、圧電素子は単一の構成として、複数の区画に分割された単一の圧電素子の各部に設置される錘および／または電極を変更することによっても可能である。

例えば、圧電素子の複数の区画のいくつかは、弾性定数の異なる圧電材料によって形成されていることがある。この場合、圧電材料として、少なくとも１つの高分子圧電材料を含んでいることが好ましい。

また、複数の錘のいくつかは、重量が異なることがあり、また、複数の電極のいくつかは、大きさが異なることがある。

各区画の共振周波数が異なる値とされていることにより、圧電型振動センサーは、複数の周波数帯域で共振し、これにより、幅広い範囲で良好な感度が得られる。

複数の周波数帯域で共振させるためには、例えば性状の異なる複数個の圧電素子に対して少なくとも一つの錘を積載してやればよい。それぞれの圧電素子に設けた電極から電圧信号を取得することによって幅広い周波数帯での信号を得ることができる。

また、それぞれの圧電素子から得られた信号を単一の波形に合成することもできる。単一の波形に合成し、水道管路網の複数箇所に設置した振動センサーで得られた波形の相関をとることによって、各々のセンサーへの漏水振動の到達時間差から位置を特定することができる。

圧電素子の性状は弾性定数によって変化させることができる。弾性定数は基本的には圧電材料の種類によって変化する材料定数である。この材料定数の異なる圧電材料を用いることで共振周波数を変化させることができる。

圧電素子に錘を積載した系の共振周波数について説明する。

バネ定数ｋ（Ｎ／ｍ）のバネの片端を固定し、片端に質量Ｍ（ｋｇ）の錘をつけたときの共振周波数ｆｏはｆｏ＝√（ｋ／Ｍ）／２πで表せる。

ここで、圧電素子をバネと見なすことができる。バネ定数のｋは圧電素子の弾性定数をＥとすると、ｋ＝Ｅ・Ａ／ｔで表すことができる（Ａは圧電素子の断面積（ｍ^２）、ｔは圧電素子の厚み（ｍ）を表す。）。ポリフッ化ビニリデン（高分子圧電材料）の弾性定数Ｅは２〜５×１０^９（Ｎ／ｍ^２）である。それに対し、ジルコン酸チタン酸鉛（セラミック圧電材料）の弾性定数は、２〜１０×１０^１０（Ｎ／ｍ^２）であり、一桁大きい。

また、異なる素材と組み合わせて弾性定数を変化させることもできる。例えば、高分子系の圧電素子と金属材料を組み合わせると弾性定数を大きくし、共振周波数を大きくすることが可能になる。

それとは別に、圧電素子は各方向への振動が相互に干渉しあうことによって寸法の影響を受ける二つの共振周波数をもつことがある。例えば、矩形圧電素子は、直交する各２辺が逆位相で伸縮する振動モードと、２辺が同位相で振動する振動モードとの二つの振動モードを示す。前者の振動モードの共振周波数は、相対的に低く、後者の振動モードの共振周波数は、相対的に高くなる。このように、形状と振動モードとによって共振周波数を設定することもできる。

また、形状の影響と同様に、電極の配置によって共振周波数を制御することもできる。圧電素子の表面に銀やニッケル銅の金属薄膜を形成して電極とすることができる。例えば、高分子フィルムの圧電素子においては、フィルムの表裏の両面に電極が配置されるが、電極の形状によって圧電素子の実効部分が異なり、共振周波数も変化する。

一般に、高分子系の圧電フィルムは内部損失が大きい。そのため、一つの圧電素子であっても表裏で対となる電極を複数設けるだけで他の電極へのクロストークが小さく、複数の共振周波数を得ることが可能になる。

また、圧電素子の形状が同じであっても、振動を与える方向を変えることで共振周波数を変化させることができる。例えば、圧電素子の上下面に圧縮力を加える方法以外に、フィルムや板状の圧電素子の片端ないしは両端を固定し、曲げ変形を加えることによって電位差を発生させることもできる。

さらに、圧電素子の性状が同じであっても、積載する錘の重量を変化させることで共振周波数を制御することが可能である。

本発明における圧電素子を形成する圧電材料の種類は特に限定されない。例えば、水晶やニオブ酸リチウムなどの単結晶、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸チタン酸鉛、ニオブ酸鉛などのセラミック、ポリフッ化ビニリデンの延伸フィルムや多孔性のポリプロピレン延伸フィルムなどの高分子フィルムが挙げられる。中でも電極の形状等で共振周波数をコントロールしやすい高分子系の圧電フィルムが望ましく、ポリフッ化ビニリデンの延伸フィルムは耐久性が高いために特に好適である。

この発明の圧電型振動センサーによると、圧電素子が複数の区画に分けられて、各区画に、電極および錘がそれぞれ設置されており、各区画の共振周波数が異なる値とされているので、圧電型振動センサーは、複数の周波数帯域で共振し、これにより、幅広い範囲で良好な感度が得られる。したがって、様々な水道管（合成樹脂管であってもよく、金属管であってもよい）の漏水による振動に対して感度を良くすることができ、そのため、設置スパンを長くとれ、より効率的な漏水調査が可能となる。

図１は、この発明による圧電型振動センサーが使用される一例としての水道管路網の監視装置を模式的に示す図である。図２は、この発明によるこの発明による圧電型振動センサーの１実施形態を模式的に示す正面図である。図３は、この発明によるこの発明による圧電型振動センサーの１実施形態を模式的に示す平面図である。図４は、圧電素子の弾性定数を変化させる構成の１例を示す図で，（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。図５は、圧電素子の形状が同じで異なる振動モードが存在する１例を示す図である。

この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。

図１は、この発明による圧電型振動センサーが使用される一例としての水道管路網の監視装置を示している。

水道管路網の監視装置(1)は、複数の管(3)および複数の継手(4)(5)で構成された水道管路網）(2)と、Ａ，ＢおよびＣで示す箇所において各継手(4)(5)に設けられた圧電型振動センサー(6)と、各圧電型振動センサー(6)にそれぞれ接続された無線通信機(7)と、各無線通信機(7)から送られてくる情報を受け取って表示する表示装置(8)とを備えている。

水道管路網(2)内を流体が流れると、管(3)および継手(4)(5)には、流体から作用する力によって、微細な振動や歪みが生じる。これに伴って、継手(4)(5)に設けられた各圧電型振動センサー(6)に付与される圧力が変動し、各圧電型振動センサー(6)において、圧力変動が電荷信号に変換される。

圧電型振動センサー(6)は、図２および図３に示すように、鉄製の台座(11)と、台座(11)に支持されかつ複数の区画（図示の例では６つの区画）(12a)(12b)(12c)(12d)(12e)(12f)に分割されたフィルム状の圧電素子(12)と、圧電素子(12)の各区画(12a)(12b)(12c)(12d)(12e)(12f)にそれぞれ設置された複数（図示の例では６つ）の上側電極(13a)(13b)(13c)(13d)(13e)(13f)および複数（図示は６つのうちの３つのみ）の下側電極(14a)(14b)(14c)と、各上側電極(13a)(13b)(13c)(13d)(13e)(13f)にそれぞれ１つずつ配置された錘(15a)(15b)(15c)(15d)(15e)(15f)とを備えている。

台座(11)の上面には、下側電極(14a)(14b)(14c)と台座(11)との間を絶縁する絶縁フィルム(16)が貼り付けられている。

上側電極(13a)(13b)(13c)(13d)(13e)(13f)および下側電極(14a)(14b)(14c)には、それぞれ、上側リード線(17a)(17b)(17c)(17d)(17e)(17f)および下側リード線(18a)(18b)(18c)(18d)(18e)(18f)が接続されている。

圧電素子(12)は、１枚のポリフッ化ビニリデン製の圧電フィルムによって形成されている。圧電素子(11)の両面に銀ペーストが塗布されることで、上下で対になるように金属薄膜からなる上側電極(13a)(13b)(13c)(13d)(13e)(13f)および下側電極(14a)(14b)(14c)が形成されている。上側電極(13a)(13b)(13c)(13d)(13e)(13f)および下側電極(14a)(14b)(14c)は方形状とされており、第３の上下電極(13c)(14c)を除いた上下電極(13a)(13b)(13d)(13e)(13f)(14a)(14b)は、同一面積であり、第３の上下電極(13c)(14c)は、これらの上下電極(13a)(13b)(13d)(13e)(13f)(14a)(14b)に比べて、各辺の長さが大きくなされている。

各錘(15a)(15b)(15c)(15d)(15e)(15f)は、第２の錘(15b)と第３の錘(15c)とが同じ重量とされ、他の錘（第１の錘(15a)、第４の錘(15d)、第５の錘(15e)および第６の錘(15f)）は、それぞれ異なる重量とされている。各錘(15a)(15b)(15c)(15d)(15e)(15f)の重量は、具体的には、第４の錘(15d)＜第１の錘(15a)＜第５の錘(15e)＜第６の錘(15f)＜第２の錘(15b)＝第３の錘(15c)とされている。

この実施形態によると、台座(11)に様々な周波数で振動を伝えた際、上側電極(13a)(13b)(13c)(13d)(13e)(13f)および下側電極(14a)(14b)(14c)にそれぞれ繋がった上下リード線(17a)(17b)(17c)(17d)(17e)(17f)(18a)(18b)(18c)(18d)(18e)(18f)の出力電圧を計測すると、それぞれ異なった周波数で出力が大きくなり、それぞれ異なる共振周波数を持つことが分かった。また、この際、圧電素子(12)の各区画(12a)(12b)(12c)(12d)(12e)(12f)のそれぞれ電極(13a)(13b)(13c)(13d)(13e)(13f)(14a)(14b)(14c)から得られる共振周波数は、第４の区画(12d)＜第１の区画(12a)＜第５の区画(12e)＜第６の区画(12f)＜第２の区画(12b)＜第３の区画(12c)となる。すなわち、錘(15a)(15b)(15c)(15d)(15e)(15f)の大きさのいくつかが異なるようになされるとともに、さらに、電極(13a)(13b)(13c)(13d)(13e)(13f)(14a)(14b)(14c)の大きさのいくつかが異なるようになされることで、異なる共振周波数が得られており、共振周波数の制御が可能となっている。

なお、高分子からなる圧電材料は、セラミック系の圧電素子と比較して圧電出力定数が高い。例えば、ポリフッ化ビニリデンの圧電出力定数ｇ_３３が３００×１０^−３（Ｖｍ／Ｎ）程度であることに対し、ジルコン酸チタン酸鉛の圧電出力定数ｇ_３３は２０×１０^−３（Ｖｍ／Ｎ）程度である。これは、高分子系の圧電材料の方が一定の力Ｆをかけた時に出力電圧Ｖが高いことを示している。

Ｖ＝Ｆ・ｇ_３３・ｔ／Ａ
Ｖ：出力電圧ｇ_３３：圧電出力定数Ｆ：圧電材料にかかる力ｔ：厚みＡ：断面積
したがって、上記圧電素子(12)の材料としては、高分子系の圧電材料がより好ましい。

なお、上記において、圧電素子(12)は単一の圧電フィルムによって形成され、圧電素子(12)の各区画(12a)(12b)(12c)(12d)(12e)(12f)に設置される錘(15a)(15b)(15c)(15d)(15e)(15f)および電極(13a)(13b)(13c)(13d)(13e)(13f)(14a)(14b)(14c)の大きさを異なるものとすることによって、圧電素子(12)の各区画(12a)(12b)(12c)(12d)(12e)(12f)の共振周波数が異なるものとされているが、圧電素子(12)の各区画(12a)(12b)(12c)(12d)(12e)(12f)のそれぞれ（少なくとも１つ）が異なる材料で形成されていてもよい。このようにすることで、より広い範囲の共振周波数を得ることができる。

また、圧電素子(12)の各区画(12a)(12b)(12c)(12d)(12e)(12f)の共振周波数を変化させるには、圧電素子(12)と異なる素材とを組み合わせて弾性定数を変化させることによっても得ることができる。例えば、図４に示すように、高分子系の圧電素子(21)と金属材料(22)を組み合わせると弾性定数を大きくし、共振周波数を大きくすることが可能になる。図４において、金属材料からなる正方形状の板(22)に、正方形状の貫通孔(22a)が形成されて、貫通孔(22a)を埋めるように高分子系の圧電素子(21)が嵌め入れられている。

また、圧電素子(21)は各方向への振動が相互に干渉しあうことによって寸法の影響を受ける二つの共振周波数をもつことを利用することもできる。例えば、図５に矩形圧電素子(21)の二つの振動モードを示す。それぞれの振動は異なる共振周波数を持つ。このように、形状によって共振周波数を設定することもできる。図５（ａ）の振動モードは、直交する各２辺が逆位相で伸縮する（縦長の長方形(21A)と横長の長方形(21B)とに変形する）面積変化の小さな振動で、共振周波数が低い。それに対し図５（ｂ）の振動モードは２辺が同位相で振動する（小さい正方形(21C)と大きい正方形(21D)とに変形する）面積振動で共振周波数が高い。面積振動の共振周波数は一辺の長さに反比例する。

また、圧電素子の上下面に圧縮力を加える方法以外に、フィルムや板状の圧電素子の片端ないしは両端を固定し、曲げ変形を加えることによって電位差を発生させることもできる。

圧電素子に錘を積載した系の共振周波数については、バネ定数ｋ（Ｎ／ｍ）のバネの片端を固定し、片端に質量Ｍ（ｋｇ）の錘をつけたときの共振周波数ｆｏはｆｏ＝√（ｋ／Ｍ）／２πで表せる。ここで、圧電素子をバネと見なすことができる。バネ定数のｋは圧電素子の弾性定数をＥとすると、ｋ＝Ｅ・Ａ／ｔで表すことができる（Ａは圧電素子の断面積（ｍ^２）、ｔは圧電素子の厚み（ｍ）を表す。）。

圧電素子の片端を固定する場合、バネ定数kは下記のように表される。

ｋ＝３ＥＪ／Ｌ^３（Ｊ＝ｂｈ^３／１２）
Ｅ：圧電材料の弾性定数Ｊ：断面２次モーメントＬ：長さｂ：幅ｈ：高さ
圧電素子の両端を固定する場合、バネ定数kは下記のように表される。

ｋ＝１９２ＥＪ／Ｌ^３（Ｊ＝ｂｈ^３／１２）
これらのバネ定数算出式と共振周波数の算出式より、圧電型振動センサー(6)の圧電素子(12)の各区画(12a)(12b)(12c)(12d)(12e)(12f)の共振周波数を所望の値に設定することができる。

(6)：圧電型振動センサー
(11)：台座
(12)：圧電素子
(12a)(12b)(12c)(12d)(12e)(12f)：区画
(13a)(13b)(13c)(13d)(13e)(13f)：上側電極
(14a)(14b)(14c)：下側電極
(15a)(15b)(15c)(15d)(15e)(15f)：錘

Claims

台座、圧電素子、電極および錘を備えた圧電型振動センサーであって、前記圧電素子は単一のフィルム状の高分子圧電材料より構成され、前記圧電素子が複数の区画に分けられて、各区画に、電極および錘がそれぞれ設置されており、前記電極は前記圧電素子の表裏に対となるようにして設けられており、前記錘は各区画の上下面に圧縮力が加わるように配置されており、各区画の共振周波数が異なる値とされていることを特徴とする圧電型振動センサー。
複数の錘のいくつかは、重量が異なることを特徴とする請求項１に記載の圧電型振動センサー。
複数の電極のいくつかは、大きさが異なることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電型振動センサー。
複数の電極から得られた振動波形を合成し、一つの波形として出力することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧電型振動センサー。
水道管または水道管に接続された水道の構成部品に対し、請求項１〜４のいずれかに記載の圧電型振動センサーを設置し、漏水によって発生する管の振動を検知することを特徴とする漏水検知方法。