JP6235362B2

JP6235362B2 - 圧電型振動センサー

Info

Publication number: JP6235362B2
Application number: JP2014024025A
Authority: JP
Inventors: 博昭近藤; 剛司加藤
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2014-02-12
Filing date: 2014-02-12
Publication date: 2017-11-22
Anticipated expiration: 2034-02-12
Also published as: JP2015152337A

Description

この発明は、圧電型振動センサーに関し、特に、水道管、建物配管、工場内配管などからなる各種配管において、流体漏洩を検出する漏洩検出器に適した圧電型振動センサーに関する。

従来より、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１には、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を使用した漏洩検出器が開示されている。

上記従来の圧電型振動センサーを使用した漏洩検出器では、合成樹脂管における微小な振動音に対する感度が充分でなく、消火栓等に設置する漏洩検出器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いという問題があった。

そこで、本発明者は、フィルム状圧電素子に曲げ応力が作用することで圧電素子から電気信号を発生させる振動センサーを提案している（特許文献２など）。

特許第３２２３３３７号公報特願２０１２−２０９３１６

上記特許文献２の圧電型振動センサーによると、合成樹脂管の漏水による振動音などに対しても高い感度を得ることができるが、特に、低周波振動に対するさらなる感度の向上が望まれている。

この発明の目的は、合成樹脂管の漏水による振動音などに対してより一層高い感度を有する圧電型振動センサー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、フィルム状圧電素子と補強材とが積層された積層体を備えており、振動により積層体に曲げ応力が作用することで圧電素子から電気信号を発生させる振動センサーであって、積層体の一方の端部が支持部材に支持されるとともに、積層体の他方の端部に錘が負荷されており、積層体の両端部における補強材と圧電素子とが固定され、積層体の中間部分における補強材と圧電素子とが固定されていないことを特徴とするものである。

補強材に積層された圧電素子には、補強材に曲げが加わることによって引張応力が生じる。これによって圧電素子に電位差が生じる。フィルム状圧電素子は、補強材の片面だけに積層されてもよく、補強材の両面に積層されてもよい。いずれにしろ、補強材とフィルム状圧電素子とは、接する面の前面で固定（例えば接着）されるのではなく、少なくとも一部が固定されていないものとされる。

発生する電位差（起電力）は下記のように表せる。

Ｖ＝Ｆ・ｇ_３１・ｔ／Ａ
ｇ_３１：圧電定数
ｔ：圧電素子の厚み
Ｆ：圧電素子にかかる力
Ａ：圧電素子の面積
この式から分かるように、電位差は圧電素子の面積に反比例する。圧電素子において応力が発生しない部分が多いと起電力が下がる。

例えば、補強材に溝をつけ、フィルム状圧電素子を全面接着した場合、根元付近の溝を跨ぐ部分において集中的に引張応力が発生する。補強材の両端で接着した場合はフィルム状圧電素子の非接着部分全体に引張応力が発生し、起電力を上げることができる。この場合、積層体の両端部分において幅方向に帯状に接着し、接着面積は小さければ小さいほどよい。

支持部材による積層体の支持を片持ち支持として、積層体の自由端部に錘が積載されている場合、バネ定数kは、ｋ＝３ＥＪ／Ｌ^３（Ｊ＝ｂｈ^３／１２）、Ｅ：積層体の弾性定数、Ｊ：断面２次モーメント、Ｌ：長さｂ：幅、ｈ：高さで表され、積層体と錘とからなる系の共振周波数は、ｆｏ＝√（ｋ／Ｍ）／２πで求められる。

配管網の漏洩検査においては、圧電型振動センサーの共振周波数は、低い方が好ましく、変位は大きい方が好ましい。積層体の弾性率が高いと共振周波数は高くなり、変位も小さくなる。

補強材と圧電素子とが接する面の一部を固定しないことにより、圧電素子にかかる引張応力を維持しながら、積層体の弾性率を下げることができ、これにより、共振周波数を低くして、変位を大きくすることができる。

固定方法は、各種の接着剤を用いてもよいし、物理的に補強材と圧電素子をかしめてもよい。

固定する場所は、両端部のみでもよいし、両端部および中央の一部を固定してもよい。

両端部のみを固定した場合は、より低周波に鋭いピークが得られやすい。加えて中央の一部を固定した場合は、両端のみの場合よりもピークが低くなることが多いが、その分、検知周波数帯の広いセンサーが得られやすい。

積層体の一方の端部が支持部材に支持されるとともに、積層体の他方の端部に錘が負荷されており、積層体の両端部における補強材と圧電素子とが固定され、積層体の中間部分における補強材と圧電素子とが固定されていないことがより好ましい。

補強材は、両面が平坦面であってもよいが、補強材に曲げ変形を助長するための溝が設けられていることが好ましい。溝は、補強材の片面にだけ設けられてもよく、補強材の両面に設けられてもよい。積層体は、略長方形状をなし、溝は、幅方向にのびるものが複数設けられていることがより好ましい。

複数の溝を設けることで、補強材の曲げ剛性を十分に下げることができて、補強材の密度を高くして感度を上げることが容易となり、感度向上効果が得やすいものとなる。

積層体は、その一部のみが台座に支持されて、錘が積層体の台座に支持されていない部分に負荷されているものとされ、これにより、積層体には、振動によって曲げ応力が作用する。具体的には、フィルム状の圧電素子とシート状の補強材とを積層した積層体の片端ないしは両端（好ましくは片端）を支持し、錘の負荷によって圧電素子に曲げ変形（弾性変形）を加えることによって電気信号（電流や電位差）を発生させるようにすればよい。曲げ応力を作用させることで、圧電素子のバネ定数が小さくなり、共振周波数が低くなる。また、積層体を曲げ変形させることで圧電素子に大きな応力が生じ、これに伴って、圧電素子で得られる電気信号も大きなものとなる。

フィルム状の圧電素子に面方向に引張応力や圧縮応力が加わると厚み方向に電位差が発生する。フィルム状の圧電素子においては、引張応力をかけた時と、引張応力から解放されて圧縮応力が加わった時とで電位差の生じる方向が異なる。つまり、交流電気に変換される。積層体に曲げ応力が加わった時、積層体の中立軸より一側の面では引張応力がかかり、他側の面では圧縮応力がかかる。中立軸は応力がゼロの位置であり、中立軸より離れるほど引張応力や圧縮応力は大きくなる。

ここで、中立軸が圧電素子の厚み内に位置した場合、同一圧電素子の内部で引張応力を受ける部分と圧縮応力を受ける部分とに分かれてしまい、電流や電位差を相殺して急激に信号強度が低下する。圧電素子が補強材の上下の少なくとも一方の面に積層されている構成では、圧電素子の位置が積層体の中立軸から離れることになり、電気信号出力（感度）を大きくすることができる。

こうして、フィルム状圧電素子と補強材との積層体とすることで、感度を上げることができる。

圧電型振動センサーの振動部分の構成をフィルム状圧電素子と補強材とが積層された積層体とするに際し、感度に影響する因子のうち、積層体の曲げ剛性は、小さい方が好ましく、また、圧電素子の厚みは、厚い方が好ましい。また、補強材の密度は高い方が好ましい。

補強材に、曲げ変形を助長するための複数の溝が設けられているものでは、補強材の曲げ剛性が小さくなることで感度を上げ、これにより、補強材の密度を高くすることが可能とされ、補強材の密度および曲げ剛性の両方ともが、感度向上に寄与するようになされる。したがって、感度が大幅に向上する
補強材は、金属で形成されており、フィルム状圧電素子は、高分子材料で形成されていることが好ましい。すなわち、補強材としては、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）などの合成樹脂として、曲げ剛性が大きくなることを防ぐこともできるが、金属とすることで、補強材の密度を高くして、感度を上げることが可能であり、この際、デメリットとなる曲げ剛性の増大を複数の溝を設けることで解消し、これにより、より大きい感度向上の効果を得ることができる。金属は、例えば、銅とされるが、これに限定されるものではなく、適宜な金属材料を使用することができる。

圧電素子は、セラミック材料とすることもでき、セラミック材料の場合には、スパッタリング等の方法を用いてガラス基板上にチタン酸バリウムやジルコン酸チタン酸鉛（PZT）などの圧電体を製膜することでシート状のセラミック製圧電素子とすることが好ましい。

ただし、補強材と固定されていない部分が多いと、圧電素子にかかる歪が大きくなる。したがって、柔軟性をもつ高分子圧電材料の方が、衝撃力が加わった時の強度が高い点で優れている。

高分子圧電材料は特に限定されないが、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が挙げられる。中でも、ポリフッ化ビニリデンは耐久性が高く、好適である。フィルムの厚みは、特に限定されるものではなく、「シート」と称されている厚みのものであってもよい。例えばポリフッ化ビニリデンの延伸フィルムでは、厚みが１００μｍ程度であり、感度を高めるために、上下両面に薄膜電極が設けられた複数枚のフィルム状圧電素子からなる積層構造とすることが好ましい。圧電素子を積層構造とすることで、引張応力や圧縮応力を受けるフィルム状圧電素子の面積を大きくすることができ、高い出力が得られる。

補強材の厚みを圧電素子の厚みよりも大きいものとして、かつ、補強材の曲げ弾性率が圧電素子の曲げ弾性率より大きいものとすることで、容易に曲げの中立軸が圧電素子の内部に存在しないようにすることができる。

この発明の圧電型振動センサーによると、圧電素子および補強材からなる積層体とされていることで、圧電素子の位置が積層体の中立軸から離れることになり、感度を大きくすることができる。また、補強材とフィルム状圧電素子とが接する面の少なくとも一部が固定されていないものとすることで、低周波振動に対するより大きい感度向上の効果を得ることができる。したがって、合成樹脂管の流体漏洩による振動音に対して感度が高くなり、設置スパンを長くとれるため、合成樹脂管の流体漏洩調査用として適したものとなる。

図１は、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図である。図２は、この発明の圧電型振動センサーで使用される補強材の一例を示す図である。図３は、図１における補強材と圧電素子との固定方法の実施例を模式的に示す図である。図４は、図１における補強材と圧電素子との固定方法の比較例を模式的に示す図である。図５は、この発明による圧電型振動センサーを使用して得られる出力（感度）の１例を示すグラフである。

この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。

圧電型振動センサー(1)の１実施形態は、図１に示すように、鉄製の台座(11)と、上下圧電素子(21)(22)および上下圧電素子(21)(22)間に介在させられた補強材(23)からなる積層体(12)と、下端部が台座(11)に固定されて上部で積層体(12)を支持する支柱（支持部材）(13)と、積層体(12)の反固定側の端部に負荷された錘(14)とを備えている。

上下圧電素子(21)(22)は、複数（図示は、分かりやすくするためにそれぞれ３層ずつとしているが、これに限定されるものではない）のフィルム状圧電素子によって形成されている。

補強材(23)は、金属で形成されており、フィルム状圧電素子(21)(22)は、高分子材料で形成されている。

この実施形態では、支柱(13)による積層体(12)の支持は、片持ち支持とされており、積層体(12)の一方の端部が支柱(13)の上端部に支持されており、錘(14)は、積層体(12)の他方の端部に負荷されている。

圧電素子(21)(22)は、ポリフッ化ビニリデンの延伸フィルムによって形成されている。

積層体(12)と錘(14)からなる系の共振周波数は、１０Ｈｚ〜１０００Ｈｚに設定されている。

上記圧電型振動センサー(1)における補強材(23)は、図２に示すように、複数本の溝(24a)からなる凹部(24)が形成されている中間部分(23a)と、支柱(13)に支持される一端側の根元部分(23b)と、根元部分(23b)の反対側の先端部分(23c)とからなる。

凹部(24)は、曲げ変形を助長するためのもので、図に示した例では、補強材(23)の全幅にわたって幅方向にのびる複数本の溝(24a)とされている。溝(24a)は、補強材(23)の上下両面の上下に対応する位置に設けられており、溝(24a)が設けられていない部分の補強材(23)の厚みは、溝(24a)が設けられている部分の補強材(23)の厚みの３倍以上とされている。

根元部分(24c)および先端部分(24d)には溝が設けられていない。これにより、先端部分(24d)は、錘(14)を兼ねることができ、別途の錘が不要とされている。

溝付銅板を補強材(23)として、その両面に高分子ピエゾを圧電素子(21)(22)として積層した。補強材(23)は、幅２５ｍｍ、長さ３５ｍｍ、厚み５ｍｍとされている。圧電素子(21)(22)は、厚みが１１０μｍとされている。

ここで、実施例では、図３に示すように、補強材(23)と圧電素子(21)(22)とが接する面のうち、積層体(12)の両端部（根元部分(24c)および先端部分(24d)）がアクリル系接着剤(25)(26)によって固定され、積層体(12)の中間部分における補強材(23)と圧電素子(21)(22)とは、固定されていないものとした。

比較例として、図４に示すように、補強材(23)と圧電素子(21)(22)とが接する面の全面がアクリル系接着剤(27)によって固定されているものを製作した。

なお、接着剤(25)(26)(27)の厚みは、ほぼ０であるが、図３および図４では、分かりやすくするために厚みがあるものとして誇張して示している。

上記の実施例および比較例について、両者の振動特性を測定した。振動特性の測定は、実施例の圧電型振動センサー(1)および比較例の圧電型振動センサーをそれぞれ振動台の上に置き、各周波数において０．１Ｇの加速度を与えて、周波数（Ｈｚ）に対する感度（Ｖ／Ｇ）を求めることで実施した。実験結果を図５に示す。

図５に示す実験結果によると、実施例は、比較例に対して、低周波における感度が向上していることが分かる。

したがって、この圧電型振動センサー(1)を漏洩検出器に適用することで、合成樹脂管の流体漏洩による振動音に対して感度が高くなり、設置スパンを長くとれるため、より効率的な合成樹脂管の漏水調査が可能となる。

上記圧電型振動センサー(1)は、水道の配管装置からの漏水を検出する他、水道以外の各種配管内の漏水を検出する用途や、例えば工場内の薬液等の配管における薬液等の流体の漏洩を検出する用途などでも使用される。

(1) ：圧電型振動センサー
(12)：積層体
(13)：支柱（支持部材）
(21)(22)：圧電素子
(23)：補強材
(25)(26)：接着剤層

Claims

フィルム状圧電素子と補強材とが積層された積層体を備えており、振動により積層体に曲げ応力が作用することで圧電素子から電気信号を発生させる振動センサーであって、
積層体の一方の端部が支持部材に支持されるとともに、積層体の他方の端部に錘が負荷されており、積層体の両端部における補強材と圧電素子とが固定され、積層体の中間部分における補強材と圧電素子とが固定されていないことを特徴とする圧電型振動センサー。
フィルム状圧電素子と補強材とが積層された積層体を備えており、振動により積層体に曲げ応力が作用することで圧電素子から電気信号を発生させる振動センサーであって、
積層体の一方の端部が支持部材に支持されるとともに、積層体の他方の端部に錘が負荷されており、積層体の両端部および中央の一部における補強材と圧電素子とが固定され、積層体の両端部と中央の一部を除いた部分における補強材と圧電素子とが固定されていないことを特徴とする圧電型振動センサー。