JP5862567B2 - 振動センサ - Google Patents

Description

本発明は、振動センサ関し、特に圧電素子を用いた振動センサに関する。

振動センサは、パーソナルコンピュータやＯＡ機器等の電子機器装置、それら電子機器装置を構成する電子部品などに多く使用されている。また近年では、振動センサは、各種産業機器や製造設備、ビルや橋梁等の大型構造物の振動特性評価や異常振動検知、耐震性調査の実施など幅広い分野においても使用され始めている。
振動センサは様々な種類が開発されており、各々の特徴を生かして測定対象物や測定環境に合わせて使用されている。振動センサの種類としては、接触型で測定対象物に生じている加速度の検出に適した圧電型、また速度検出に適した動電型、さらに非接触で変位検出に適した渦電流型や静電容量型等が存在する。
この中でも圧電型の振動センサは小型で広帯域高感度特性を実現しやすい。そのため圧電型の振動センサは、パーソナルコンピュータ等の端末に搭載することで、端末価値を向上させると共にネットワークと連携した新サービスの創出が期待することができる。上記の理由から近年では、小型で広帯域において高感度かつ量産製造技術が高く低コストを目指した圧電型振動センサの開発が進められている。
特許文献１には、圧電型振動センサ装置１０１の一例が記載されている。図１０は特許文献１の圧電型振動センサ装置１０１の構造概略図である。圧電体１０２の両面に設けられた接着層を介して電極が固定された検知部に、荷重体１０３が取り付けられている。また信号処理基板１０４は検知部に固定されてパッケージ内に収納してある。
パッケージは、収納体１０５と収納体１０５の開口上部を覆う収納覆体１０６とで構成されている。収納体１０５及び収納覆体１０６は、導電性物質である。収納体１０５に設けられた凹部には検知部が収納されている。その検知部に固定された信号処理基板１０４の上部には導電層１０７が設けられており、信号処理基板１０４および導電層１０７を覆う収納覆体１０６が収納体１０５と一体化した構造となっている。
圧電型振動センサ装置１０１の検知部は、信号処理基板１０４上部に設けられた導電層１０７と導電性材質から成る収納覆体１０６とによって、等価的に二重シールドされている。そのため、圧電型振動センサ装置１０１は、Ｓ／Ｎ比の著しい向上を図ることができ、耐ノイズ性、耐水性、耐油性が向上することができる。また特許文献１の圧電型振動センサ装置１０１は、重心を低くすることができるため、耐衝撃性を向上しクロストークも低減することができる。

特開平６−２０１４５１

しかしながら、特許文献１に記載された振動センサ装置１０１は、荷重体１０３、圧電体１０２、信号処理基板１０４などが同一方向、具体的には振動センサ装置１０１の高さ（厚み方向）に積層した構造となっている。そのため、特許文献１に記載の振動センサ装置１０１は、厚み方向のサイズが大きくなってしまうため、端末などに組み込んで搭載することができないという問題があった。
本発明の目的は、上述した課題を解決する振動センサを提供することにある。

本発明における振動センサは、振動板と、振動板の少なくとも１つの平面に、固着された圧電素子とを具備する圧電振動子と、圧電振動子から出力された信号に所定の処理を行う信号処理用基板とを備え、圧電振動子と信号処理用基板は、圧電振動子の振動方向とは略垂直の平面方向に並んで配置されていることを特徴とする。

本発明による振動センサは、低背化が可能となる。

図１は、第１の実施形態における振動センサ１の上面図である。
図２は、第２の実施形態における振動センサ１の上面図である。
図３は、第２の実施形態における振動センサ１の断面図である。
図４は、第２の実施形態における振動センサ１の断面図である。
図５は、第３の実施形態における振動センサ１の上面図である。
図６は、第４の実施形態における振動センサ１の上面図である。
図７は、第５の実施形態における振動センサ１の上面図である。
図８は、実施例における振動センサ１のＸ方向加振時のクロストーク特性平均値である。
図９は、実施例における振動センサ１のＹ方向加振時のクロストーク特性平均値である。
図１０は、特許文献１における圧電型振動センサ装置１０１の断面図である。

〔第１の実施形態〕以下に、本発明を実施するための好ましい形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。
〔構造の説明〕図１に示すように、本実施形態における振動センサ１は、圧電振動子２と、信号処理用基板３とを備えている。
圧電振動子２は、圧電素子５と振動板６とで構成され、振動板６の少なくとも１つの平面に、圧電素子５を固着している。なお振動板６の主面に対向して圧電素子５の主面が固着して接続していることが望ましい。
圧電振動子２と信号処理用基板３とが、圧電振動子２の振動方向、つまり圧電振動子２の厚み方向とは略垂直な平面方向に並んで配置されている。つまり、圧電振動子２と信号処理用基板３は、同一平面上に並んで配置されている。
〔作用・効果の説明〕本実施形態における振動センサ１は、圧電振動子２と信号処理用基板３とを振動検出方向とは略垂直な平面方向に並行配置させることで、振動センサ１の低背化を実現することができる。つまり特許文献１に記載された圧電振動子２と信号処理用基板３とが厚み方向、つまり振動検出方向に積層された構造に比べて、低背化を実現することができる。
また特許文献１のような圧電素子５の振動方向に信号処理用基板３を積層した構造の場合、装置を組み込むときに重心位置のばらつきが生じてしまう。本実施形態における振動センサ１は、圧電振動子２と信号処理用基板３とが、圧電振素子５の振動方向とは略垂直な平面方向に並んで配置されている。そのため、圧電振動子２と信号処理用基板３の配置関係を容易に調整することができるため、組み込み時において振動センサ１の重心位置のばらつきを抑えることができる。主軸感度に対する主軸外感度の比率を示すクロストークの影響を抑えることができる。つまり、圧電振動子２の振動方向に対する、振動方向以外の方向の比率を抑えることができるため、圧電振動子２のばらつきを小さくすることができる。
〔第２の実施形態〕次に、第２の実施形態について図面を用いて説明する。
〔構造の説明〕図２に本実施形態における振動センサ１の上面図である。また図３は、図２のＡ−Ａ′線に沿った断面図である。
図２に示すように、本実施形態における振動センサ１は、圧電振動子２と、信号処理用基板３と、筐体４とを備えている。
圧電振動子２は、圧電素子５と振動板６とで構成されている。圧電素子５は平板形状であり、材質はＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）である。同様に振動板６は、平板形状であり、材質は、りん酸銅などの金属である。なお圧電素子５、振動板６の形状・材質は、上記と同様な効果を実現できるものであれば、これに限定されない。
筐体４は、図３に断面図を示すように、内部に空間を有する略箱形状である。圧電振動子２は、筐体４の内部に設けられており、両端部が導電性の接着材１５などで筐体４に接着固定されている。圧電振動子２は、両端が筐体４に固定されているため、筐体４を支持体とした両持ち梁構造となっている。なお圧電振動子２の主面は、筐体４の主面と平行な位置に設けられている。圧電振動子２と筐体４とを固定する接着材１５は、厚みが５μｍ以下である熱硬化性樹脂であることが好ましい。
本実施形態では、図３に示すように、圧電素子５は、振動板６の筐体４と対向する一方の面に接着材１５などで固定（固着）されている。また電極７は、図２に示すように、少なくとも２つ設けられている。１つは振動板６に設けられており、もう１つは圧電素子５の表面、つまり圧電素子５の振動板６と固定されている面とは反対側の面に設けられている。なお、それぞれの電極７は、信号処理用基板３と配線などにより電気的に接続している。
なお本実施形態は、上記構造に限定されず、図４のように、圧電素子５は振動板６の両面に設けてもよい。上記構造の場合も同様に、電極７は、少なくとも２つ設けられている。１つは振動板６に設けられており、もう１つは圧電素子５の表面、つまり圧電素子５の振動板６と固定されている面とは反対側の面に設けられている。なお、圧電素子５が振動板６の両面に設けられている場合は、電極７はそれぞれの圧電素子５に設けてもよい。電極７は、信号処理用基板３と配線などにより電気的に接続している。
信号処理用基板３は、図２に示すように、少なくとも電荷電圧変換処理部８、フィルタ処理部９、さらにオペアンプ等の信号増幅処理部１０を備えている。電荷電圧変換処理部８は、入力された電荷を低インピーダンスの電圧信号に変換する機能を有している。フィルタ処理部９は、入力された信号から所望の周波数帯域の信号を抽出することで、所望のセンサ計測周波数帯域を設定する機能を有している。信号増幅処理部１０、入力された信号を増幅する機能を有している。信号処理用基板３はケーブル１１を介して外部の計測機器や診断機器などと接続している。
圧電振動子２と信号処理用基板３は、筐体４に対して、同一平面上に並んで配置されている。つまり圧電振動子２の振動方向とは略垂直な平面方向に、圧電振動子２と信号処理用基板３は、並んで配置されている。
〔作用の説明〕次に、本実施形態における作用について説明する。
振動センサ１の筐体４と圧電振動子２は、鉛直方向である検知方向に振動等の外力が加わると、圧電素子５は圧電効果により外力から加わった振動エネルギーを電気エネルギーに変換し電荷を出力する。圧電素子５は、単体ではなく振動板６に固着しているため、外力に応じて屈曲しやすい形状となっており、より多くの電荷を出力することができる。また図４のように、振動板６の両面に圧電素子５を固着した場合は、より多くの電荷を出力することができる。
振動センサ１が検知できる加速度の周波数は、振動センサ１の自己共振周波数により決まる。そして自己共振周波数は、振動センサ１の剛性が高いほど高くなる。そのため、圧電振動子２は、一般の片持ち梁構造に比べて、両端部を筐体４に接着固定した両持ち梁構造であるため、剛性が高くなり高周波帯において自己共振周波数を実現することができる。そのため両持ち梁構造の圧電振動子２は、自己共振周波数を高くすることができ、検出対象の周波数を広帯域化することができる。
圧電素子５から出力された電荷は、信号処理用基板３に入力される。信号処理用基板３の内部では、入力された電荷がまず電荷電圧変換処理部８に入力される。電荷電圧変換処理部８は、圧電素子５から入力された電荷を、低インピーダンスの電圧信号に変換して、フィルタ処理部９に出力する。フィルタ処理部９は、電荷電圧変換処理部８から入力された電圧信号を所望の周波数帯域において抽出し、信号増幅処理部１０に出力する。信号増幅処理部１０は、フィルタ処理部９から入力された電圧信号の増幅を行う。
信号処理用基板３は、信号増幅処理部１０から出力された電圧信号をケーブル１１を介して、外部の計測機器や診断機器などに出力する。
〔効果の説明〕次に、本実施形態における効果について説明する。
本実施形態における振動センサ１は、圧電振動子２と信号処理用基板３とを振動検出方向とは略垂直な平面方向に並行配置させることで、振動センサ１の低背化を実現することができる。つまり特許文献１に記載された圧電振動子２と信号処理用基板３とが厚み方向、つまり振動検出方向に積層された構造に比べて、低背化を実現することができる。
また本実施形態における振動センサ１は、圧電振動子２と信号処理用基板３とが、圧電振素子５の振動方向とは略垂直な平面方向に並んで配置されている。そのため、圧電振動子２と信号処理用基板３の配置関係を容易に調整することができるため、組み込み時において振動センサ１の重心位置のばらつきを抑えることができる。その結果、主軸感度に対する主軸外感度の比率を示すクロストークの影響を抑えることができる。つまり、圧電振動子２の振動方向に対する、振動方向以外の方向の比率を抑えることができるため、圧電振動子２のばらつきを小さくすることができる。
また本実施形態における振動センサ１は、圧電振動子２および信号処理用基板３の重量を略同等とすることで振動センサ１の重心位置を安定させることができ、圧電振動子２のばらつきをさらに抑制することができる。さらに圧電振動子２または信号処理用基板３のどちらかが不具合となり交換の必要が生じた場合、速やかにどちらか一方を交換することができ、製造性と保守性が向上する。
また本実施形態における振動センサ１は、厚みが５μｍ以下の熱硬化性樹脂の接着材１５を使用することで電気的特性を向上させることができ、適用すべき接着材１５の選定範囲が広がり高品質で低コストの振動センサ１を実現できる。
〔第３の実施形態〕次に第３の実施形態について説明する。図５は、本実施形態の振動センサの上面図である。
〔構造の説明〕本実施形態が第２の実施形態と異なる点は、図５に示すように、錘１２が圧電振動子２の振動板６上に配置されている点である。それ以外の構造、接続関係は、第１の実施形態と同様である。つまり、第３の実施形態の振動センサ１は、圧電振動子２と、信号処理用基板３と、筐体４とを備えている。
なお図５に記載の振動センサ１は、振動板６の圧電素子５が配置された同じ表面に、錘１２を配置している。なお錘１２は、振動板６の圧電素子５が配置された反対の面に、配置してもよい。また錘１２は、複数設けられており、圧電素子５に対して対称にそれぞれ配置されている。
〔作用・効果の説明〕第３実施形態における振動センサ１は、圧電素子５に対して対称に錘１２をそれぞれ配置することで、圧電振動子２の振動を増幅させ、出力電荷を増やすことができる。
また圧電振動子２は、圧電素子５に対して対称に錘１２が配置されているため、圧電振動子２自体の振動姿態を安定させることができる。その結果、圧電振動子２と信号処理用基板３との質量バランスを調整することができ、安定した振動を実現することができる。
〔第４の実施形態〕次に第４の実施形態について説明する。図６は、本実施形態の振動センサの上面図である。
〔構造の説明〕本実施形態が第２の実施形態と異なる点は、図６に示すように信号処理用基板３と外部機器１４との間にスイッチ１３を設けている点である。それ以外の構造、接続関係は、第１の実施形態と同様である。つまり、第２の実施形態の振動センサ１は、圧電振動子２と、信号処理用基板３と、筐体４とを備えている。
本実施形態における振動センサ１は、信号処理用基板３と外部機器１４との間にスイッチ１３を設けている。圧電振動子２に振動が加わり、出力する電荷が所定の値以上になると、スイッチ１３が動作して信号処理用基板３上の電荷電圧変換処理部８、フィルタ処理部９、信号増幅処理部１０などの電子部品へ給電を開始する。
〔作用・効果の説明〕本実施形態における振動センサ１は、圧電振動子２に加わった振動が電気エネルギーに変換され、圧電振動子２から出力される電荷が所定の値以上になったときに、スイッチが動作する。スイッチが動作すると、外部機器１４が信号処理用基板３上の電荷電圧変換処理部８、フィルタ処理部９、信号増幅処理部１０に給電を開始する。電荷電圧変換処理部８、フィルタ処理部９、信号増幅処理部１０は、外部機器１４から給電が行われると、入力された電荷に対して信号処理を開始する。
つまり振動センサ１は、ある一定以上の振動が発生しない限り、スイッチ１３が動作しないため、環境振動など、周囲のわずかな振動では電子部品が稼動せず、振動センサ１の駆動消費電力を抑えることができる。
〔第５の実施形態〕次に第５の実施形態について説明する。
〔構造の説明〕本実施形態が第２の実施形態と異なる点は、図７に示すように被測定対象機器がパーソナルコンピュータ等に搭載される記憶装置の場合、信号処理用基板３に接続するケーブル１１の長さを５ｃｍ以下とした点である。それ以外の構造、接続関係は、第１の実施形態と同様である。つまり、第２の実施形態の振動センサ１は、圧電振動子２と、信号処理用基板３と、筐体４とを備えている。
〔作用・効果の説明〕本実施形態における振動センサ１は、被測定対象機器がパーソナルコンピュータ等に搭載される記憶装置の場合、信号処理用基板３に接続するケーブル１１の長さを５ｃｍ以下とすることでパーソナルコンピュータ等の内部機器雑音の影響を受けにくく高い信号対雑音比を実現できる。

実施例について説明する。以下、各構成要素の寸法と材質について説明する。振動センサ１の寸法は、長さが約８．５ｍｍ、幅が約８．５ｍｍ、厚みが約３ｍｍとする。圧電振動子２の寸法は、長さが約５ｍｍ、幅が約３ｍｍ、厚みが０．６２ｍｍとする。圧電素子５の寸法は、長さが約４．５ｍｍ、幅が約２．５ｍｍ、厚みが０．５ｍｍとする。信号処理用基板３は長さが約５ｍｍ、幅が約３．２ｍｍ、厚みが１ｍｍとする。振動板６の材質はりん青銅、圧電素子５の材質はＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）である。上述の寸法や材質はこれに限定するものではない。
次に本実施例における振動センサ１の主軸感度に対する主軸外感度の比率を示すクロストーク特性評価を行った。クロストーク特性評価は、加振器上に振動センサ１を配置し、加振器の加振方向と振動センサ１の主軸外検知方向とを一致させて出力感度の調査を行った。
圧電振動子２の厚み方向を主軸感度方向とする。主軸外感度方向は、圧電振動子２の長手方向（Ｘ方向）および圧電素子５の短手方向（Ｙ方向）とした。上記の場合、振動センサ１を加振した際のクロストークを計測した。
なお本実施例は、圧電振動子２と信号処理用基板３とを筐体４に対して、同一平面上に並んで配置している。つまり圧電振動子２の主軸感度方向である振動方向とは略垂直な平面方向に、圧電振動子２と信号処理用基板３は、並んで配置されている。つまり、圧電振動子２と信号処理用基板３は、同一平面上に並んで配置されている。
一方、比較例として、圧電振動子２と信号処理用基板３を主軸感度方向である振動方向に積層して配置された、特許文献１に記載の構造についても、クロストーク特性評価を実施した。
各構造について、サンプル数１０個について評価を行った。図８に示す実験結果は振動センサ１のＸ方向加振時におけるサンプル数５個のクロストーク特性平均値である。また図９に示す実験結果は、振動センサのＹ方向加振時におけるサンプル数５個のクロストーク特性平均値である。周波数帯域１００Ｈｚから１０ＫＨｚにおいて、本実施例の構造におけるクロストーク特性は、比較例と比べて格段にクロストーク特性が向上していることが分かる。
上記結果より、振動センサ１は圧電振動子２と信号処理用基板３とを振動検出方向とは略垂直な筐体４の平面方向に並行配置させることで低背化を実現でき、またクロストーク特性のばらつきが小さく格段に向上していることが分かる。
以上、本発明を上記実施の形態及び実施例に即して説明したが、本発明は、上記実施の形態、及び実施例の構成のみに限定されるものでなく、本発明の範囲内で当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことはもちろんである。
なお、この出願は、２０１０年８月２４日に出願された日本出願特願２０１０−１８７０１６を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１ 振動センサ
２ 圧電振動子
３ 信号処理用基板
４ 筐体
５ 圧電素子
６ 振動板
７ 電極
８ 電荷電圧変換処理部
９ フィルタ処理部
１０ 信号増幅処理部
１１ ケーブル
１２ 錘
１３ スイッチ
１４ 外部機器
１５ 接着材
１０１ 圧電型振動センサ装置
１０２ 圧電体
１０３ 荷重体
１０４ 信号処理基板
１０５ 収納体
１０６ 収納覆体
１０７ 導電層

Claims (9)

1. 振動板と
   前記振動板の少なくとも１つの平面に、固着された圧電素子とを具備する圧電振動子と、
   前記圧電振動子から出力された電荷に所定の処理を行う信号処理用基板とを備え、
   前記圧電振動子と前記信号処理用基板は、前記圧電振動子の振動方向とは略垂直な平面方向に並んで配置され、
   前記圧電振動子と信号処理用基板の重量が略同等であることを特徴とする振動センサ。
2. 前記圧電振動子と前記信号処理用基板とを内部に設けている筐体を備え、
   前記圧電振動子の両端部は、前記筐体に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の振動センサ。
3. 前記信号処理用基板は、
   入力された電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換処理部と
   入力された前記電圧信号のうち所望の周波数帯域の信号の抽出を行うフィルタ処理部と
   前記フィルタ処理部から出力された前記電圧信号を増幅させる信号増幅処理部とを備えていることを特徴とする請求項１乃至２のいずれか一項に記載の振動センサ。
4. 前記振動板と、前記圧電素子に、それぞれ電極を設けており、
   前記電極を介して、前記圧電振動子と前記信号処理用基板とが電気的に接続していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の振動センサ。
5. 前記振動板に錘が配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の振動センサ。
6. 前記錘は、前記振動板に少なくとも２つ設けられており、前記圧電素子に対して対称の位置に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の振動センサ。
7. 前記圧電振動子と前記筐体とは、接着材により固定されており、
   前記接着材の厚さが５μｍ以下であることを特徴とする請求項２乃至６のいずれか一項に記載の振動センサ。
8. 前記信号処理用基板はスイッチを備え、
   前記スイッチは、前記圧電振動子から入力される電荷が所定の値以上であるときに、前記信号処理用基板の給電を開始することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の振動センサ。
9. 前記信号処理用基板はケーブルを介して外部装置と電気的に接続しており、
   前記ケーブルの長さは、５ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の振動センサ。