JPH04208827A - 空気圧変化検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、圧電素子を用いて空気圧変化を検出し得るよ
うにした、例えば防犯装置に好適な空気圧検出器に関す
る。

Ｊ従来の技術二： 家屋、自動車、書庫、金庫室又は冷凍倉庫等における閉
鎖空間の閉鎖状態か破壊されたか否かを検出する手段と
して従来より種々の検出器か知られている。そして、こ
れらを作動原理的に分類すると主に電磁気式、光波式、
＠波式又は音波式に分けられる。

かかる検出器のうち、先ず電磁気式検出器の例として、
一対の磁石及びり−トリレーから成る磁気近接スイッチ
かある。このスイッチは構造か比較的簡単で安価である
ため、家屋の部屋の扉や窓等の開閉状態の検知に使用さ
れている。ところか、かかる電磁気式検出器はこれが取
り付けられている壁、扉又は窓の中央部が破壊された場
合にこの破壊を検出するのか不可能になり、従って例え
ば窓か破壊されることが多い車荒らしの防犯用としでは
適当ではない。又、光波式、電波式及び音波式の検出器
の夫々例である赤外線センサ、マイクロ波センサ及び超
音波センサは、人、動物又は機械等によって生した破壊
であれば、その破壊位置か何処であるかに拘わらずそれ
を検出可能ではあるか、検知範囲視野角か狭いために同
一場所に複数個設置しなければならず、このため設置場
所の制限を受けざるを得ない。

ところで、このように外界から仕切られた空間における
閉鎖状態の破壊の検出の場合ばかりでなく、室内への出
入りをコンピュータ管理するために扉の開閉の検出を行
なうことは防犯上、所謂、トレード・シークレットの管
理上の必要性から、近年、高感度で且つ簡便な検出器に
対する要求が高まっている。そして、かかる要求かある
にも拘わらず前述した電磁気式検出器、音波式検出器等
では高感度の検出を行なうことができす、このため更に
、空気の振動を検出し得るようした感圧素子及びダイア
フラムの組合せて成る圧力センサの研究か進んで来てい
る。

〔発明か解決しようとする課題〕

しかしなから、空気振動を検知する上記圧力センサては
、実用上及び技術的に問題かあった。即ち、例えば立て
付けの良い部屋において開き戸を開閉する際に通常、室
内には振動数数１０〜０゜ｎＨｚで圧力変化量０．ｎ　
〜Ｏ，ＯｎｍｍＨ＋　０程度の微弱な空気振動が発生し
、又、引き戸の場合には上記と同程度の振動数でその圧
力変化量か上記よりも更に微弱な空気振動か発生するか
、このように極低周波で極めて微小な圧力変化を伴う空
気振動を正確に検出することかできないばかりか、構造
が複雑でコストか高くならざるを得なかった。尚、微弱
な圧力変化量の空気振動を検出すべく音響センサの研究
も進められているか、上記のような極低周波の不可聴音
波を検出することはできない。

本発明はかかる実情に鑑み、特に極低周波の不可聴音波
を高い精度で検出し得る空気圧変化検出器を提供するこ
とを目的とする。

１［課題を解決するための手段］・ 本発明による空気圧変化検出器は、透孔又は凹部を有す
る基板と、両面に電極が付設されると共にストリップ状
をなしていて上記基板の透孔又は凹部の内幅よりも幅狭
て且つ厚さ３００μｍ以下である圧電素子と、電界効果
型トランジスタ及びリーク抵抗器から成るインピーダン
ス変換回路と、通気孔を備えた導電性の収納容器とから
成り、上記圧電素子か上記基板の透孔若しくは凹部の内
側で振動し得るように該圧電素子の一端部が上記基板上
に支持され、上記圧電素子の出力端と上記インピーダン
ス回路のＦ記電界効果型トランンスタのゲートとを接続
）ると共に該ゲート及び上記圧電素子の接地端間に上記
リーク抵抗器が接続されている。

〔作用〕

本発明によれば、ｈｇ己圧電素子は基板に片持ち式に支
持されると川にストリップ状であるため、該基板の透孔
内で振動可能になり、これにより微弱で極低周波の空気
振動に反応してその圧力変化を検出することができる。

そしてまた、ががる圧電素子をインピーダンス変換回路
と組み合わせることにより、ノイズの発生防止等を図り
、空気圧変化を正確に且つ高い精度で検出することがで
きる。

〔実施例〕

以下、第１図乃至第８図に基つき本発明による空気圧変
化検出器の一実施例を説明する。先ず、該空気圧検出器
の概略構成を示した第１図において、■は透孔１ａを有
するアルミナ、セラミックス又はエポキノ樹脂等で形成
された基板、２はチタン酸ンルコン酸鉛（ＰＺＴ）又は
チタン酸バリウム（ＢａＴｉ０３）等の圧電セラミック
スを厚さ３００μｍ以下のストリップ状に成形加工した
ものの両面に金、銀又はニッケル等の金属が蒸着法等に
より形成されて成る電極３が付設されて成る圧電素子で
ある。ここで、圧電素子２は第２図及び第３図に示した
ように、基板１の透孔１ａの上側に設けられるか、その
一端部２ａがエポキノ樹脂等の接着剤４により基板ｌに
固着せしめられる。

又、圧電素子２は基板ｌの透孔】ａの内幅よりも幅狭に
なっていて、上記のように基板ｌに固着された状態では
圧電素子２の他端部２ｂか該透孔ｌａの内側領域に配置
されるようになっている。尚、上記基板１には、上記透
孔１ａの代りに第４図に示したように該透孔１ａと同し
大きさの四部ｌａ′を形成するようにしてもよい。更に
図中、５は基板ｌに連結・固着した支持脚６を介して該
基板１を固定する基盤５ａと該基盤５ａに冠着する通気
孔５ｂ、を有する蓋体５ｂとから成り、上記基板１及び
上記圧電素子２を収納し得る導電性の容器である。尚、
第１図において、圧電素子２の電極３のリード部３ａは
、基板ｌ上に敷設された引回し用の導体７と接続されて
いる。又、通気孔５ｂ、の大きさは直径１　ｍｍ程度に
設定され、その加工性の点からは０．５ｍｍ以上である
ことか好ましい。

次に、第５図は上記空気圧変化検出器の回路構成例を示
しており、図中、８は電界効果型トランジスタ（以下、
ＦＥＴと略す）９と１０７〜１０゛０Ω程度のリーク抵
抗器１０から成るインピーダンス変換回路である。そし
て、上記圧電素子２の一方の電極３はＦＥＴ９のゲーｈ
９ａに接続されると共に他方の電極３か接地されていて
、更に上記ゲート９ａ及び該電極３の接地側間に上記リ
ーク抵抗器ｌＯか接続される。このように圧電素子２を
インピーダンス変換回路８と組み合わせるのは、圧電素
子２の内部抵抗が大きいためそのままではその出力を取
り出すことができないからであり、又、インピーダンス
変換回路８等は基板１の下側適所等に配置・収納される
か（第１図参照）、これら圧電素子２及びインピーダン
ス変換回路８を容器５内に収納するのは、基板■、圧電
素子２等の破損防止を図ると共に検出器外部からの電磁
誘導によるノイズの影響をなくするためである。

本発明による空気圧変化検出器は上記のように構成され
ているから、先ず、圧電素子２はその一端部２ａを介し
て基板１に片持ち式に支持されると共にストリップ状を
なしていて、その他端部２ｂは基板１の透孔１ａの内側
領域に配置されているため該他端部２ｂは透孔１ａ内で
振動可能である。従って、通気孔５ｂ、を介して容器５
内に伝わる空気圧変化に敏感に反応してががる他端部２
ｂは振動することかでき、この振動に対応して変形する
圧電素子２には出力電圧が生起する。このように微弱な
圧力変化を検出することができる。

次に、かかる空気圧変化検出器を用いて実際に圧力検出
を行った実験例を説明する。そして、第６図はこのため
に使用する検知装置の構成を示しており、図において、
１１は上記の構成で成る空気圧変化検出器、１２は該空
気圧変化検出器１１の出力電圧を増幅するためのアンプ
、１３は比較器で、この比較器１３のしきい値電圧はＩ
Ｖ程度に設定され、アンプ１２で増幅された出力電圧が
１■よりも大きい場合には比較器１３がＯＮするように
なっている。かがる検知装置をコンクリート構造の建物
の室内（容積１７０ｍ’）と乗用車の車内（容積２．７
ｍ’）とに設置して夫々の場合、扉及びドアを約０．２
ｍ／ｓｅｃの速さで４５度の開度まで開閉することによ
り検出作動テストを行った。尚、上記建物の部屋の扉の
面積はｌ。

６２ｍ２又、乗用車のドアの面積は０．９ｍ’である。

そして、このような方法により行ったテスト結果を次の
表１に示すが、この表１において、○印は比較器１３か
ＯＮｔだ場合を表し、又、Ｘ印はＯＮｔなかった場合、
即ちＯＦＦの場合を表している。尚、更に表１中、「比
較例」として示されているものは、本発明にががる圧電
素子２とはその厚さ、形状及び支持方法が異なる圧電素
子を用いた空気圧変化検出器の例である。

表１゜ 表１から明らかなように、本発明によれば、圧電素子２
の形状をストリップ状にすると共に片持ち式に支持して
いるため該圧電素子２の他端部２ｂが自由に且つ敏感に
振動することができ、これによ表１中の比較例における
円形（ダイアフラム）や正方形、矩形等の形状の圧電素
子に比べて圧電素子２の他端部２ｂの大きな振幅が得ら
れてその感度は著しく高くなる。又、圧電素子２の厚さ
を３００μｍ以下に設定しているのて、かかる他端部２
ｂの振動を構造的に保証しているが、この厚さは、薄く
し過ぎると圧電素子２が破損し易くなると共に成形加工
が困難になるため、従って９０μｍ程度が好ましい。

ところで、圧電素子２を構成するチタン酸ジルコン酸鉛
又はチタン酸バリウム等は圧電特性の他に焦電特性を具
備している場合か多く、このため周囲の温度変化の影響
で焦電気か発生して誤信号が生じ易い。特に、著しく急
速な温度変化の場合には大きな焦電気が瞬間的に発生し
て過剰な電荷がＦＥＴ９のゲート９ａに蓄積してしまい
、この場合液ＦＥＴ９は作動不良（この状態を飽和とい
う）を来す結果になる。これに対して本発明によれば、
インピーダンス変換回路８のリーク抵抗器１０の抵抗値
を、上記過剰電荷を適切にリークせしめ且つ圧電素子２
の圧電感度を低下させないように設定したことにより、
上記のような温度変化に基づく焦電気の影響を完全にな
くすることができる。このように、リーク抵抗器１０の
抵抗値の選定は重要であるが、次にかかる抵抗値と感度
との関係を前記空気圧変化検出器１１を用いた検知装置
の例により第７図を参照して説明する。図において、空
気圧変化検出器１１は、幅８００ｍｍ。

奥行４００ｍｍ、高さ４００ｍｍのアルミ製ケースで成
る密閉ボックス１４内に収納されると共にアンプ１２を
介してオシロスコープ１５に接続されている。一方、密
閉ホックス１４の外面に密接して抵抗４オーム、出力４
ワツトのスピーカ１６が設置されている。上記空気圧変
化検出器１１の圧電素子２は厚さ９０μｍのユニモルフ
により形成し、ストリップ状にしたものを片持ち式に支
持されてなるか、かかる圧電素子２を収容する容器５の
通気孔５ｂ、に対向するように上記スピーカ１６は配置
される。

第７図に示した検知装置において、スピーカ１６に電圧
２．２Ｖ、パルス幅０．７ｓｅｃの駆動電圧を印加して
密閉ボックス１４を振動せしめると該密閉ボックス１４
内の空気に圧力変化が生し、空気圧変化検出器１１はか
かる圧力変化を検知して出力電圧を発生するが、この圧
力変化信号がオシロスコープ１５の画面に表示される。

そしてこのときのリーク抵抗器１０の抵抗値と空気圧変
化検出器１１に出力との関係を示したものが次の表２で
ある。

表２゜ 表２から明らかなように、空気圧変化検出器］１の感度
を実用的範囲に維持するためにはリーク抵抗器ＩＯの下
限値は１０７Ωである。

次に、リーク抵抗器１０の抵抗値と温度変化との関係を
説明する。先ず、前述した焦電気によって発生する電位
は次の（１）式で表される。

■＝（ｄＰｓ／ｄＴ）・（ｄＴ／ｄｔ）・Ａ−Ｒ・・・
（１）尚、ここで上記（１）式中、■は電電効果で発生
する電圧（Ｖ）、（ｄＰｓ／ｄＴ）は圧電素子の焦電係
数（Ｃ／　ｃ　ｍ　”　　・’Ｃ）、（ｄＴ、／ｄｔ）
は温度の変化速度（ｄｅｇ／５ｅｃ）、Ａは電極面積（
０ｍ２）、Ｒは圧電素子２及びインピーダンス変換回路
８を含めた等価回路に対する等価抵抗（Ω）である。

さて、インピーダンス変換回路８のＦＥＴ９が飽和しな
いようにするためには、（１）式で与えられる発生電位
か該ＦＥＴ９に印加される電源電圧からその動作点の電
圧を差し引いた電圧以下であることが必要であり、好ま
しくはその１７／２以下である。従って、（１）式によ
る発生電位を小さくするためには、（１）式中の焦電係
数、電極面積及び等価抵抗を小さくすればよいか、その
場合、先ず焦電係数はその焦電材料を変更したところで
著しく変化するものではない。次に、電極面積を小さく
すると圧電感度が悪くなるので、電極面積は一定以下に
小さくすることかできない。それ故にかかる発生電位を
小さくする有効な手段は上記等価抵抗値を変更すること
である。この等価抵抗値は圧電素子２．ＦＥＴ９及びリ
ーク抵抗器ＩＯの合成抵抗で決定され、従ってこの合成
抵抗の最小値を求めれば良いから、等価抵抗値としては
実質的にリーク抵抗器１０の抵抗値と等しくなる。

リーク抵抗器１０の抵抗値を推定するために、焦電係数
（ｄＰｓ／ｄＴ）としてチタン酸ジルコン酸鉛の典型的
な数値４　Ｘ　Ｉ　Ｃｌ’Ｃ／ｃｍ２　・０Ｃを、温度
の変化速度（ｄＴ／ｄｔ）として自動車の車内での変化
速度の最大値である０、１６７°Ｃ／　ｓ　ｅ　ｃを、
電極面積として０．０２　ｃｍ２を、焦電効果により発
生する電圧Ｖとして前記動作点か２．５Ｖの場合のＦＥ
Ｔ９への供給電圧を５Ｖとして求めた許容焦電圧１．２
５Ｖを夫々（１）式に代入し、この結果、リーク抵抗器
１０の抵抗値Ｒ＝ｌＯ”Ωを得た。

更に、かくして求めたリーク抵抗器１０の抵抗値の推定
結果の正否を確認するために第８図に示した装置によっ
て確認試験か行なわれる。即ち、図において、空気圧変
化検出器１１は、幅１８０ｍｍ、奥行１５０ｍｍ及び高
さ８０世の紙製の箱１７内に収納され、この箱１７が２
個のカラーコピー用ランプ（１００Ｖ、２５０Ｗ）１８
によって加熱せしめられる。又、箱１７内の温度は熱電
対１９により検出され、その検出結果が温度−電圧変換
器２０を介して２ペン式レコーダ２１に入力されると共
に、該２ペン式レコーダ２１には空気圧変化検出器１１
が接続されている。次の表３はかかる確認試験の試験結
果を示しており、リーク抵抗器１０の抵抗値と空気圧検
出器１１内のＦＥＴ９が飽和する温度変化速度との関係
は、上記の推定通り抵抗値の上限かＲ＝１０”Ωである
ことが明らかである。

表３゜ 尚、上記圧電素子２は一枚の圧電セラミックスから成る
ユニモルフにより構成する場合の他に、二枚の圧電セラ
ミックスを分極方向が逆方向の成るように張り合わせた
所謂、バイモルフを用いることもでき、この場合にはか
かるバイモルフ全体の厚みかユニモルフの場合の厚さと
同一のときは圧電素子の感度としては２倍高くなる。

〔発明の効果〕

上述したように、本発明の空気圧変化検出器は、ストリ
ップ状の圧電素子を片持ち式に支持して使用するため、
それ自体の構造が簡単であるばかりか、この種検出装置
の構成を簡素化することができる。その上、従来では検
出することかできなかった不可聴音領域の微弱な空気圧
の変動を高い精度で検出することができ、この結果、室
内等の閉鎖された空間の閉鎖状態が破壊されたか否かを
極めて高い精度で検出することかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のよる空気圧変化検出器の一実施例の分
解斜視図、第２図は本発明のかかる圧電素子及び基板の
分解斜視図、第３図及び第４図は本発明の上記圧電素子
及び基板の夫々縦断面図、第５図は本発明による空気圧
変化検出器の回路構成図、第６図は本発明の空気圧検出
器を使用した検知装置の構成図、第７図は本発明の空気
圧検出器を使用した他の検知装置の構成図、第８図は本
発明にかかるリーク抵抗器の抵抗値の確認試験を行なう
ための装置の構成図である。 １・・・基板、２・・・圧電素子、３・・・電極、４・
・・接着剤、５・・・容器、７・・・導体、８・・・イ
ンピーダンス変換回路、９・・・ＦＥＴ、１０・・・リ
ーク抵抗器、１１・・・空気圧変化検出器、１２・・・
アンプ、１３・・・比較器、１４・・・密閉ボックス、
１５・・・オシロスコープ、１６・・・スピーカ、１７
・・・箱、１８・・・ランプ、１９・・・熱電対、２１
・・・ペンレコーダ。 →−４ノ一 一：′−六 一二−−−ニ 　　Ｊ−一

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 透孔又は凹部を有する基板と、両面に電極が付設される
   と共にストリップ状をなしていて上記基板の透孔又は凹
   部の内幅よりも幅狭で且つ厚さ３００μｍ以下である圧
   電素子と、電界効果型トランジスタ及びリーク抵抗器か
   ら成るインピーダンス変換回路と、通気孔を備えた導電
   性の収納容器とから成り、上記圧電素子が上記基板の透
   孔若しくは凹部の内側で振動し得るように該圧電素子の
   一端部を上記基板上に支持し、上記圧電素子の出力端と
   上記インピーダンス変換回路の上記電界効果型トランジ
   スタのゲートとを接続すると共に該ゲート及び上記圧電
   素子の接地端間に上記リーク抵抗器を接続し、上記通気
   孔を介して上記収納容器に導入される空気の圧力の変化
   を検出し得るようにした空気圧変化検出器。