JP6282414B2

JP6282414B2 - 振動センサ

Info

Publication number: JP6282414B2
Application number: JP2013141703A
Authority: JP
Inventors: 浩蔵石前; 高行黒川; 信宏森山; 隆一須藤
Original assignee: Kureha Corp
Current assignee: Kureha Corp
Priority date: 2013-07-05
Filing date: 2013-07-05
Publication date: 2018-02-21
Anticipated expiration: 2033-07-05
Also published as: JP2015014530A

Description

本発明は、振動センサに関し、薄膜状の圧電素子を用いたセンサに関する。

機械、電気機器等の制御や振動解析を行うための振動センサが広く用いられている。振動センサは、振動検出対象物に取り付けられ、振動検出対象物から与えられた振動に応じた検出値を出力する。振動センサには、振動によって圧力が与えられ、その圧力に応じた電圧を出力する圧電素子を用いたものがある。

振動センサに用いられる圧電素子には、セラミックを圧電材料として用いたものや、ＰＶＤＦ（ＰｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅＦｌｕｏｒｉｄｅ：ポリフッ化ビニリデン）を圧電材料として用いたものがある。また、ＰＶＤＦを用いたものとしては、これを薄膜状としたピエゾフィルムが広く用いられている。

以下の特許文献１には圧電型振動センサが記載されている。この圧電型振動センサは、圧電フィルムと軟質シートとが積層一体化されてなる振動膜と、振動膜の周縁を支持する枠体と、その枠体の中央に位置するように振動膜の一面に取り付けられた錘とを備える。振動膜の両面には電極膜が形成されており、振動に応じた電圧が電極膜から出力される。また、圧電フィルムはＰＶＤＦによって構成されている。

特許文献２には、圧電センサが記載されている。この圧電センサは、下部電極と上部電極と圧電体薄膜とを有し、圧電体薄膜が下部電極と上部電極との間に設けられている。下部電極と圧電体薄膜との間、および上部電極と圧電体薄膜との間の少なくとも一方には、空隙が設けられている。圧電体として、ＰＶＤＦ、セラミクス圧電体等が従来から用いられているとの記載がある。

特開２００５−１０６５２９号公報特開２００９−１５６６４１号公報

振動センサの質量が検出値に与える影響を小さくするため、振動センサは軽量であることが好ましい。そこで、薄膜状に形成された振動センサが考え出されている。しかし、薄膜状の振動センサは、質量が十分でないことによって圧電材料に十分な圧力が与えられず、十分な検出感度が得られないことがある。また、温度変化、電磁波ノイズ等によって検出結果に誤差が生じることがある。

本発明は、振動センサの検出性能を向上させることを目的とする。

本発明は、薄膜状の第１圧電素子と、薄膜状の第２圧電素子と、前記第１圧電素子に接し、前記第１圧電素子に重みを与える錘と、前記第１圧電素子および前記第２圧電素子が並列に接続され、前記第１圧電素子および前記第２圧電素子の各検出値に応じた値を出力するバッファアンプであって、並列に接続された前記第１圧電素子および前記第２圧電素子の出力インピーダンスよりも低い出力インピーダンスを有するバッファアンプと、前記バッファアンプに接続された出力導線であって、前記バッファアンプから各検出値に応じた値が出力されると共に、前記バッファアンプに電源電力を供給する出力導線と、を備え、前記第１圧電素子および前記第２圧電素子は、与えられた振動に対する増減が互いに逆である検出値を前記バッファアンプに出力することを特徴とする。

また、本発明に係る振動センサは、望ましくは、前記第１圧電素子および前記第２圧電素子のそれぞれは、前記検出値としての電圧を出力する正相端子および逆相端子を有し、前記第１圧電素子の正相端子が前記第２圧電素子の逆相端子に接続され、前記第１圧電素子の逆相端子が前記第２圧電素子の正相端子に接続されている。

また、本発明に係る振動センサは、望ましくは、前記錘は板状に形成され、前記錘の底面に前記第１圧電素子が接合され、前記錘の上面に前記第２圧電素子が接合されている。

また、本発明に係る振動センサは、望ましくは、前記出力部は、インピーダンス変換を行うバッファアンプを含む。

本発明によれば、振動センサの検出性能を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る振動センサを示す図である。本発明の実施形態に係る振動センサの断面図である。振動センサの変形例を示す図である。

図１には、本発明の実施形態に係る振動センサ１０が示されている。この振動センサ１０は、錘１６によって圧電素子に重みを与えることで検出感度を高めると共に、もう一つの圧電素子を用いて温度変化、電磁波ノイズ等に基づく誤差を低減するものである。この振動センサ１０は、例えば、建造物における柱、梁、配管等の振動特性の解析に用いられる。また、振動センサ１０は、ロボット等の機械の制御に用いてもよい。

振動センサ１０は、センサ本体部１２、バッファアンプ３４、および筐体３０を備える。図１では、筐体３０は一点鎖線によって描かれ、その他の構成要素は実線で描かれている。センサ本体部１２は、円形薄膜状の第１圧電素子１４Ａおよび第２圧電素子１４Ｂと、円板状の錘１６を備える。錘１６の底面には第１圧電素子１４Ａが接合され、錘１６の上面には第２圧電素子１４Ｂが接合されている。第１圧電素子１４Ａおよび第２圧電素子１４Ｂのそれぞれからは、一対の導線が引き出され、各導線がバッファアンプ３４に接続されている。バッファアンプ３４には検出値を出力する一対の出力導線３６および３８が接続され、筐体３０の外側に引き出されている。筐体３０は、円柱形状に形成され、底面が振動検出対象物に固定される。センサ本体部１２の第１圧電素子１４Ａおよび第２圧電素子１４Ｂは、筐体３０を介して振動検出対象物から与えられた振動に応じた電圧をバッファアンプ３４に出力する。バッファアンプ３４は、各圧電素子から出力された電圧に応じた電圧を検出値として、出力導線３６および３８に出力する。

図２には、振動センサ１０の断面図が模式的に示されている。筐体３０は、円筒３２Ａ、円筒３２Ａの上端を塞ぐ円板状の上板３２Ｂおよび円筒３２Ａの下端を塞ぐ円板状の底板３２Ｃを備えている。筐体３０は、金属、プラスチック等の剛性の材料で形成されている。筐体３０を金属で形成する場合には、例えば、ステンレス等の防食性の高いものが用いられる。

第１圧電素子１４Ａは、薄膜状の圧電体２２Ａ、上側電極２０Ａ、下側電極２４Ａ、正相端子２６ｐ、逆相端子２６ｎおよび外装樹脂１８を備える。本実施形態においては、圧電体２２Ａ、上側電極２０Ａ、および下側電極２４Ａの形状は円形とする。圧電体２２Ａ、上側電極２０Ａおよび下側電極２４Ａは、ラミネート加工等により外装樹脂１８に覆われている。圧電体２２Ａには、例えば、ＰＶＤＦが用いられる。圧電体２２Ａの上面には上側電極２０Ａが設けられ、圧電体２２Ａの底面には下側電極２４Ａが設けられている。上側電極２０Ａおよび下側電極２４Ａには、それぞれ、正相端子２６ｐおよび逆相端子２６ｎが設けられている。正相端子２６ｐおよび逆相端子２６ｎは、ある導体の電位を基準とした平衡電圧を出力する端子対である。

第２圧電素子１４Ｂは、第１圧電素子１４Ａと同様の構成を有する。すなわち、第２圧電素子１４Ｂは、薄膜状の圧電体２２Ｂ、上側電極２０Ｂ、下側電極２４Ｂ、正相端子２８ｐ、逆相端子２８ｎおよび外装樹脂１８を備える。本実施形態においては、圧電体２２Ｂ、上側電極２０Ｂ、および下側電極２４Ｂの形状は円形とする。圧電体２２Ｂ、上側電極２０Ｂおよび下側電極２４Ｂは、ラミネート加工等により外装樹脂１８に覆われている。圧電体２２Ｂには、例えば、ＰＶＤＦが用いられる。圧電体２２Ｂの上面には上側電極２０Ｂが設けられ、圧電体２２Ｂの底面には下側電極２４Ｂが設けられている。上側電極２０Ｂおよび下側電極２４Ｂには、それぞれ、正相端子２８ｐおよび逆相端子２８ｎが設けられている。

錘１６の上面には第２圧電素子１４Ｂが接合され、錘１６の底面には第１圧電素子１４Ａが接合されている。また、第１圧電素子１４Ａの底面は筐体３０の底板３２Ｃに接合され、センサ本体部１２は、筐体３０内に固定されている。

第１圧電素子１４Ａの正相端子２６ｐは第２圧電素子１４Ｂの逆相端子２８ｎに接続され、さらに、バッファアンプ３４の正相入力端子ｐｉに接続されている。また、第１圧電素子１４Ａの逆相端子２６ｎは第２圧電素子１４Ｂの正相端子２８ｐに接続され、さらに、バッファアンプ３４の逆相入力端子ｎｉに接続されている。

バッファアンプ３４は、第１圧電素子１４Ａおよび第２圧電素子１４Ｂから出力された電圧に基づく電圧を正相出力端子ｐｏおよび逆相出力端子ｎｏから出力する。バッファアンプ３４は、並列に接続された第１圧電素子１４Ａおよび第２圧電素子１４Ｂのインピーダンスよりも低いインピーダンスを出力インピーダンスとして有する。

正相出力端子ｐｏおよび逆相出力端子ｎｏには、振動解析回路（図示せず）に至る出力導線３６および３８がそれぞれ接続されている。振動解析回路は、振動センサ１０から出力された電圧または電流に基づいて、振動センサ１０が検出した振動を表すデータを取得する。

バッファアンプ３４のインピーダンス変換作用により、振動センサ１０から振動解析回路には、十分な電圧および電流が供給される。なお、振動解析回路は、出力導線３６および３８を介して、バッファアンプ３４に直流の電源電力を供給してもよい。

次に、振動センサ１０の動作について説明する。振動検出対象物４０の振動は、筐体３０の底板３２Ｃを介して第１圧電素子１４Ａに伝えられる。この振動による加速度に応じて第１圧電素子１４Ａの圧電体２２Ａは、上側電極２０Ａと下側電極２４Ａとの間に第１振動電圧を発生する。この第１振動電圧は、正相端子２６ｐおよび逆相端子２６ｎからバッファアンプ３４の正相入力端子ｐｉおよび逆相入力端子ｎｉに出力される。

第１圧電素子１４Ａに伝えられた振動は、さらに、錘１６を介して第２圧電素子１４Ｂに伝えられる。この振動による加速度に応じて第２圧電素子１４Ｂの圧電体２２Ｂは、上側電極２０Ｂと下側電極２４Ｂとの間に第２振動電圧を発生する。この第２振動電圧は、正相端子２８ｐおよび逆相端子２８ｎから、バッファアンプ３４の逆相入力端子ｎｉおよび正相入力端子ｐｉに出力される。すなわち、第２圧電素子１４Ｂは、第１振動電圧とは、振動に伴う加速度に対する増減が逆の関係、すなわち、逆位相の関係にある第２振動電圧をバッファアンプ３４に出力する。

バッファアンプ３４は、正相入力端子ｐｉと逆相入力端子ｎｉとの間の電圧に比例した電圧を、正相出力端子ｐｏおよび逆相出力端子ｎｏから出力導線３６および３８に出力する。

ここで、第１圧電素子１４Ａは、錘１６によって重みが与えられ、錘１６によって筐体３０の底板３２Ｃに押さえ付けられている。錘１６は慣性によって一定の位置に留まろうとするため、振動する第１圧電素子１４Ａには下方向の圧力が与えられる。一方、第２圧電素子１４Ｂの上面には、第２圧電素子１４Ｂを錘１６に押さえ付ける部材が設けられていない。したがって、第１圧電素子１４Ａの加速度感度は、第２圧電素子１４Ｂの加速度感度よりも大きい。加速度感度は、ある一定の加速度に応じて出力される電圧の大きさとして定義され、加速度感度が大きい程、同一の振動に応じて出力される電圧は大きい。

第１圧電素子１４Ａの加速度感度は、錘１６の質量を大きくする程大きくなる。そこで、本実施形態に係る振動センサ１０においては、第１振動電圧から第２振動電圧を減じた電圧が、振動検出のために十分な大きさとなるように錘１６の質量が決定されている。例えば、第１振動電圧が第２振動電圧の１０倍以上となるように錘１６の質量が決定されている。

このように、第１圧電素子１４Ａが錘１６によって筐体３０の底板３２Ｃに押さえ付けられることで、第１圧電素子１４Ａの加速度感度（検出感度）が大きくなり、振動センサ１０から出力される検出値は、第１圧電素子１４Ａから出力される電圧に支配される。これによって、振動センサ１０の検出感度が向上する。

以下に説明するように、振動センサ１０は、温度変化、電磁波ノイズ等によって生じる誤差を低減する機能を有する。

第１圧電素子１４Ａに温度変化が生じた場合、第１圧電素子１４Ａの圧電体２２Ａは、上側電極２０Ａと下側電極２４Ｂとの間に温度変化に応じた誤差電圧を発生する。この第１誤差電圧は、正相端子２６ｐおよび逆相端子２６ｎからバッファアンプ３４の正相入力端子ｐｉおよび逆相入力端子ｎｉに出力される。

他方、第２圧電素子１４Ｂに同様の温度変化が生じた場合、第２圧電素子１４Ｂの圧電体２２Ｂは、上側電極２０Ｂと下側電極２４Ｂとの間に温度変化に応じた誤差電圧を発生する。この第２誤差電圧は、正相端子２８ｐおよび逆相端子２８ｎからバッファアンプ３４の逆相入力端子ｎｉおよび正相入力端子ｐｉに出力される。すなわち、第２圧電素子１４Ｂは、第１誤差電圧とは逆極性の第２誤差電圧をバッファアンプ３４に出力する。また、温度変化に応じた第１誤差電圧および第２誤差電圧は、錘１６の質量とは関連性の低い電圧である。そのため、第１誤差電圧および第２誤差電圧は、同一値または近似した値となる。したがって、第１誤差電圧および第２誤差電圧は、バッファアンプ３４から出力される検出値の誤差を低減するように作用する。

同様に、第１圧電素子１４Ａに電磁波ノイズが到来した場合、第１圧電素子１４Ａは、電磁波ノイズに応じた第１誤差電圧をバッファアンプ３４に出力する。そして、第２圧電素子１４Ｂに電磁波ノイズが到来した場合、第２圧電素子１４Ｂは、電磁波ノイズに応じた第２誤差電圧をバッファアンプ３４に出力する。ここで、バッファアンプ３４に出力される第１誤差電圧および第２誤差電圧は互いに逆極性である。また、電磁波ノイズに応じた第１誤差電圧および第２誤差電圧は、錘１６の質量とは関連性の低い電圧である。そのため、電磁波ノイズに応じた第１誤差電圧および第２誤差電圧は、同一値または近似した値となる。したがって、第１誤差電圧および第２誤差電圧は、バッファアンプ３４から出力される誤差電圧を低減するように作用する。

このように、振動センサ１０においては、第１圧電素子１４Ａおよび第２圧電素子１４Ｂに、錘１６との関連性が低い誤差電圧を出力させるような要因が生じた場合、バッファアンプ３４から出力される誤差電圧が低減される。したがって、温度変化、電磁波ノイズ等によって、振動センサ１０による検出値に現れる誤差が低減され、検出精度が向上する。

なお、上記では、第２圧電素子１４Ｂを錘１６に接合した構成について説明した。第２圧電素子１４Ｂは、錘１６から重みを与えられる必要はないため、筐体３０内のその他の位置に配置してもよい。例えば、図３に示されるように第２圧電素子１４Ｂの上面を、筐体３０の上板３２Ｂに接合してもよい。また、第２圧電素子１４Ｂを、第１圧電素子１４Ａおよび錘１６に隣接させて、筐体３０の底板３２Ｃに接合してもよい。第１圧電素子１４Ａおよび第２圧電素子１４Ｂは、円形でなくてもよく、矩形やその他の多角形形状であってもよい。

１０振動センサ、１２センサ本体部、１４Ａ第１圧電素子、１４Ｂ第２圧電素子、１６錘、１８外装樹脂、２０Ａ，２０Ｂ上側電極、２２Ａ，２２Ｂ圧電体、２４Ａ，２４Ｂ下側電極、２６ｐ，２８ｐ正相端子、２６ｎ，２８ｎ逆相端子、３０筐体、３２Ａ円筒、３２Ｂ上板、３２Ｃ底板、３４バッファアンプ、３６，３８出力導線、４０振動検出対象物。

Claims

薄膜状の第１圧電素子と、
薄膜状の第２圧電素子と、
前記第１圧電素子に接し、前記第１圧電素子に重みを与える錘と、
前記第１圧電素子および前記第２圧電素子が並列に接続され、前記第１圧電素子および前記第２圧電素子の各検出値に応じた値を出力するバッファアンプであって、並列に接続された前記第１圧電素子および前記第２圧電素子の出力インピーダンスよりも低い出力インピーダンスを有するバッファアンプと、
前記バッファアンプに接続された出力導線であって、前記バッファアンプから各検出値に応じた値が出力されると共に、前記バッファアンプに電源電力を供給する出力導線と、
を備え、
前記第１圧電素子および前記第２圧電素子は、
与えられた振動に対する増減が互いに逆である検出値を前記バッファアンプに出力することを特徴とする振動センサ。
請求項１に記載の振動センサにおいて、
前記第１圧電素子および前記第２圧電素子のそれぞれは、
前記検出値としての電圧を出力する正相端子および逆相端子を有し、
前記第１圧電素子の正相端子が前記第２圧電素子の逆相端子に接続され、前記第１圧電素子の逆相端子が前記第２圧電素子の正相端子に接続されていることを特徴とする振動センサ。
請求項１または請求項２に記載の振動センサにおいて、
前記錘は板状に形成され、
前記錘の底面に前記第１圧電素子が接合され、
前記錘の上面に前記第２圧電素子が接合されていることを特徴とする、振動センサ。