JPH071196B2

JPH071196B2 - 小型振動センサ

Info

Publication number: JPH071196B2
Application number: JP3257380A
Authority: JP
Inventors: 新太郎根間; 邦弘井上
Original assignee: 富士通電装株式会社
Priority date: 1990-11-16
Filing date: 1991-10-04
Publication date: 1995-01-11
Anticipated expiration: 2010-01-11
Also published as: JPH0518812A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、振動の有無により警報
を発生する携帯用警報器等に使用する小型振動センサに
関する。携帯用警報器は、例えば、タンカ内の油槽清掃
作業，地下鉄内作業，マンホール内作業，火災現場に於
ける消火作業や救急作業等のように、危険区域内に於け
る作業中に、有毒ガスや高温により作業員が意識を失っ
て倒れた場合、警報音を発生する構成を有するものであ
る。この携帯用警報器は、例えば、消火活動中に於いて
は断続的であっても所定時間内に振動が加えられるから
正常と判断し、有毒ガス等により意識を失って倒れた状
態に於いては、所定時間以上経過しても振動が加えられ
なくなるから、異常と判断して自動的に警報音を発生す
るものである。従って、このような携帯用警報器には、
振動を検知する小型の振動センサが必要となる。

【０００２】

【従来の技術】従来例の携帯用警報器の振動センサは、
例えば、実開昭６２−７９１１８号公報に示された構成
が知られている。即ち、振動によって生じた鈴の音を、
ダイナミック型或いはコンデンサ型のマイクロホン或い
はセラミック圧電素子により検出するものであり、具体
的には、鈴の外側をセラミック圧電素子にスプリングに
より押圧した構成、又は鈴の外側をセラミック圧電素子
に接着剤により接着した構成が示されている。又実開昭
６４−２１７７２号公報には、振動板と蓋との間に金属
のボールを移動できるように設け、その振動板にセラミ
ック圧電素子を設け、振動板上にボールが転動すること
による振動を、セラミック圧電素子により検出する構成
が示されている。

【０００３】又光を応用した振動センサとして、例え
ば、特開昭６０−２０７０１２号公報に示された構成が
知られている。この振動センサは、送光用光ファイバか
らの光が受光用光ファイバに入射できるように反射鏡を
設け、この反射鏡を可撓性支持体により支持し、共振振
動によって反射鏡の位置が変化することにより、受光用
光ファイバの入射光量が変化する。この入射光量の変化
によって振動並びに振幅も検出できるから、加速度計等
に適用することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする問題点】携帯用警報器の振動
センサとしては、小型且つ廉価であることが必要であ
る。しかし、前述の従来例の鈴を用いた振動センサは、
鈴の大きさを余り小さくすると、振動によって発生する
音も小さくなり、セラミック圧電素子等により確実に電
気信号に変換できなくなる。又鈴の構成は、切り欠き部
を有するものであるから、内部の球がその切り欠き部に
嵌まった時には、僅かな振動では転動しないことにな
る。即ち、鈴の音が発生しないことになり、小型化した
場合には、振動を確実に検出できなくなる欠点があっ
た。

【０００５】又ポールの転動による振動板の振動をセラ
ミック圧電素子により検出する従来例の振動センサは、
ボールが振動板上を転動することによって生じる振動を
検出するものであり、携帯用警報器に使用する振動セン
サとしては感度が低い欠点がある。又前述の従来例の光
応答振動センサは、光ファイバを用いるものであり、光
源を振動センサの外部に設ける必要があるから、小型化
を図ることが困難である欠点がある。本発明は、小型化
が容易であると共に振動検出感度が高く、且つ振動検出
感度に方向性を持たせることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の小型振動センサ
は、図１を参照して説明すると、円筒容器１の一端と他
端とに、平板状の振動電気変換器２，３を固定し、円筒
容器１の内部に、外部からの振動によって転動する転動
体４を設けたものである。

【０００７】又円筒容器１の一端と他端とに固定した振
動電気変換器２，３を、平板状の圧電素子により構成し
たものである。

【０００８】

【作用】転動体４は、外部からの振動によって円筒容器
１の内部で転動する。その場合、円筒容器１の円筒中心
軸を水平方向とした時に、外部から水平方向の振動を加
えた場合は、転動体４は、円筒容器１の両端の振動電気
変換器２，３に交互に衝突することになる。それによっ
て、振動電気変換器２，３から交互にパルス状の電気信
号が出力される。又円筒容器１の円筒中心軸を垂直方向
とした時に、外部から水平方向の振動を加えた場合は、
転動体４は振動電気変換器２又は３上を転動して円筒容
器１に衝突することになり、この場合は表裏の関係はな
い。従って、前者の場合は、転動体４の衝突によるほぼ
同一レベルの検出信号が得られる回数が多くなり、検出
感度を高くすることができる。又後者の場合は、転動体
４が振動電気変換器２，３に衝突するものではないか
ら、転動体４が転動する振動電気変換器からのみ検出信
号が得られると共に、その検出信号レベルは低く且つラ
ンダム的なものとなる。即ち、方向性をもって振動を検
出することができる。

【０００９】又振動電気変換器２，３として、平板状の
圧電素子を用いた場合、円筒容器１の内部に転動体４を
収容して転動させ、且つその転動体４の衝突に対しても
充分な機械的強度を有し、その圧電素子の電極を利用し
て円筒容器１に対して固定することが容易となる。

【００１０】

【実施例】図２は本発明の実施例の断面図であり、円筒
容器５１の両端に平板状の圧電素子５２，５３を固定
し、円筒容器５１の内部に転動体５４を設けたものであ
る。又５２ａ，５２ｂ，５３ａ，５３ｂは圧電素子の電
極、５５ａ，５５ｂは共通アース端子、５６ａ，５６ｂ
は信号線である。

【００１１】この実施例は、円筒容器５１の両端に、振
動電気変換器として圧電素子５２，５３を固定し、円筒
容器５１の内部に転動体５４を設けたものである。円筒
容器５１は、プラスチックや金属によって作成すること
ができ、又転動体５４は、プラスチックや金属によって
作成し、完全な球，楕円等の変形球，多面体等の形状と
することができる。又円筒容器５１と圧電素子５２，５
３とは、接着剤或いは半田付けで固定することができ
る。その場合、円筒容器５１の内部の空気が外部と流通
できるように、複数個所で固定することも可能である。

【００１２】又共通アース端子５５ａ，５５ｂは、電極
５２ａ，５３ａ間を接続すると共に、プリント板等に搭
載した場合の固定用とすることができる。又圧電素子５
２，５３間の電極５２ｂ，５３ｂに接続した信号線５６
ａ，５６ｂは、共通に接続して警報回路等に接続するこ
とができる。円筒容器５１を真鍮により構成し、直径を
１２ｍｍ、高さを５ｍｍとし、転動体５４を真鍮により
構成し、直径を３ｍｍとすることができる。このように
転動体５４を非磁性体により構成した場合は、比較的強
力な磁場中に於ける振動の検出も容易となる。

【００１３】図３は警報回路の要部回路図であり、６０
は振動センサ、Ｒ１１〜Ｒ１４は抵抗、Ｃ１１はコンデ
ンサ、６１，６２はトランジスタ、６３は比較回路、６
４はブザー等の駆動部を含む警報部である。振動センサ
６０は、前述の実施例による構成を有し、振動センサ６
０からの検出信号がトランジスタ６１のベースに加えら
れる。このトランジスタ６１のベースには、電源電圧Ｖ
ｃｃが抵抗Ｒ１１，Ｒ１２により分圧されて形成された
バイアス電圧が加えられ、コレクタには抵抗Ｒ１３を介
して電源電圧Ｖｃｃが加えられ、又コレクタにトランジ
スタ６２のベースが接続されている。従って、振動セン
サ６０からの検出信号が所定レベル以上の時に、トラン
ジスタ６１はオンとなり、それによって、トランジスタ
６２のベース電流が流れるからトランジスタ６２もオン
となる。

【００１４】このオン状態のトランジスタ６２を介して
コンデンサＣ１１の充電電圧が放電される。又トランジ
スタ６１，６２がオフとなると、コンデンサＣ１１は、
抵抗Ｒ１４を介して電源電圧Ｖｃｃにより充電され、コ
ンデンサＣ１１と抵抗Ｒ１４とによる充電時定数に従っ
て、コンデンサＣ１１の端子電圧は上昇する。このコン
デンサＣ１１を例えば３．３μＦとし、抵抗Ｒ１４を例
えば１０ＭΩとすることができる。

【００１５】比較回路６３は、コンデンサＣ１１の端子
電圧と電源電圧Ｖｃｃとを比較し、比較出力信号により
警報部６４を動作させるものであり、例えば、電源電圧
Ｖｃｃを分圧して基準電圧とし、コンデンサＣ１１の端
子電圧がこの基準電圧を超えた時に、警報部６４を動作
させて、警報部６４のブザー等の鳴動を行わせる構成と
することができる。

【００１６】従って、振動センサ６０を含む警報回路を
携帯して作業を行う場合、体が動くことにより振動セン
サ６０から検出信号が繰り返しトランジスタ６１のベー
スに加えられ、トランジスタ６１がオンとなることによ
りトランジスタ６２もオンとなって、コンデンサＣ１１
を放電させるから、コンデンサＣ１１の端子電圧は基準
電圧を超えないことになり、警報は出力されない。しか
し、作業中に倒れたような場合、体が動かなくなるか
ら、振動センサ６０からの検出信号がなくなる。それに
よって、コンデンサＣ１１の放電が生じないから、コン
デンサＣ１１の端子電圧は抵抗Ｒ１４を介して充電され
ることにより上昇し、基準電圧を超える状態となると警
報が出力される。

【００１７】図４は振動と検出信号との説明図であり、
（ａ）は水平方向に０．１Ｇの加速度で２Ｈｚの正弦波
振動を加えた時の波形の一例を示し、（ｂ）は小型振動
センサの円筒容器５１の円筒中心軸を、（ａ）に示す振
動方向と同じ水平方向とした場合の検出信号、（ｃ）は
その円筒容器５１の円筒中心軸を垂直方向とした場合の
検出信号、（ｄ）は円筒容器５１の片側に圧電素子を設
け、その円筒容器５１の円筒中心軸を振動方向と同じ水
平方向とした場合の検出信号を示す。

【００１８】図４の（ｂ）に示すように、円筒容器５１
の両端に圧電素子５２，５３を設けた小型振動センサの
場合は、（ａ）に示す振動のピーク点に相当する位置に
於いて転動体５４が一方又は他方の圧電素子５２，５３
に衝突するから、レベルＬ１と比較することによりパル
ス状の検出信号が得られる。この場合、振動が２Ｈｚで
あるから、１秒間に４回の約０．８〜１．１Ｖのパルス
状の検出信号が得られた。これに対して、（ｃ）に示す
ように、円筒容器５１の円筒中心軸を水平方向とした場
合は、転動体５４が何れか一方の圧電素子５２，５３上
を転動して円筒容器５１に衝突することになるから、こ
の転動及び円筒容器５１への衝突により、（ａ）に示す
振動とは全く非同期のパルス状の検出信号となり、１秒
間に１回以下の回数で、約０．１５〜１．１Ｖの検出信
号が得られた。

【００１９】このような振動センサの位置による検出感
度に差異が生じることを積極的に利用し、例えば、この
実施例の小型振動センサを用いた携帯用警報器を保持し
た人間が作業している状態で得られる検出信号を（ｂ）
に示すものとすると、その人間が倒れた時には（ｃ）に
示す検出信号が得られることになる。そして、失神した
ような状態に於いては、殆ど動きがなくなるから、パル
ス状の検出信号が得られなくなり、図３に示す警報回路
に於いては、コンデンサＣ１１の放電が行われないか
ら、所定の時間の経過によって警報を出力することがで
きる。

【００２０】又１個の圧電素子を設けた場合は、（ｄ）
に示すように、振動のピーク点に同期したパルス状の検
出となるが、（ｂ）の波形と比較すれば明らかなよう
に、振動の一方のピーク点に於いてのみ発生することに
なる。即ち、２Ｈｚの振動により、１秒間に２回のパル
ス状の検出信号が得られる。従って、図３に示す警報回
路を用いて警報を出力する場合に、２個の圧電素子を設
けた場合に比較して検出感度が低いものである。

【００２１】図５は測定回路の説明図であり、Ｒ１〜Ｒ
３は抵抗、Ｃ１はコンデンサ、Ｑはトランジスタ、ＲＣ
Ｄはレコーダ、３０は切替スイッチで、円筒容器３１と
蓋板３２と圧電素子３３とにより包囲された内部に転動
体３４を設けた小型振動センサと、円筒容器４１と蓋板
４２と圧電素子４３とにより包囲された内部に、スプリ
ング４５で圧電素子４３側に押圧した鈴４４を設けた小
型振動センサとについて測定した。

【００２２】その場合の測定回路の抵抗及びコンデンサ
は、Ｒ１＝５６０ｋΩ、Ｒ２＝３９ｋΩ、Ｒ３＝５１ｋ
Ω、Ｃ１＝０．２μＦとした。又圧電素子３３，４３の
直径Ｄ＝１２ｍｍ、円筒容器３１の高さＨ＝５ｍｍ、転
動体３４の直径を４ｍｍと３ｍｍとし、蓋板３２，４２
を取付け面として人間に取付け、又上下方向と前後方向
と左右方向とのそれぞれの加速度を検出する加速度セン
サを人間に取付けて、それぞれの検出信号をレコーダＲ
ＣＤにより記録した。その結果を図６，図７，図８に示
すもので、図６は普通に歩いた場合、図７は非常にゆっ
くり歩いた場合、図８は椅子に座ったり立ったりした場
合を示す。

【００２３】又図６，図７，図８に於いて、（ａ）〜
（ｃ）は人間の動きによる上下方向，前後方向，左右方
向のそれぞれの加速度〔Ｇ〕、（ｄ）は鈴４４を用いた
振動センサのパルス状の検出信号、（ｅ）は転動体３４
を用いた振動センサの転動体３４の直径を４ｍｍとした
場合のパルス状の検出信号、（ｆ）は転動体３４の直径
を３ｍｍとした場合のパルス状の検出信号を示す。

【００２４】前述の測定結果から判るように、鈴４４の
音を圧電素子４３で検出する振動センサに於いては、人
間が普通の速度以上で行動した場合の検出信号レベル
は、図６の（ｄ）に示すように、約１Ｖ程度となるが、
非常にゆっくりとした行動又は椅子に座ったり立ったり
する行動の場合には、図７，図８の（ｄ）に示すよう
に、検出信号は零となる。これに対して、転動体３４を
用いた転動センサーは、非常にゆっくりした行動の場合
でも、図７の（ｅ），（ｆ）に示すように、検出信号が
得られる。又椅子に座ったり立ったりする行動に於いて
も、図８の（ｅ），（ｆ）に示すように検出信号が得ら
れる。又本発明の実施例に於いては、円筒容器３１の両
端にそれぞれ圧電素子３３を設けたものに相当するか
ら、図６，図７，図８の（ｅ），（ｆ）に示す検出信号
の約２倍の回数の検出信号が得られることになる。

【００２５】又転動体の直径は、円筒容器の直径Ｄと高
さＨとの関係で選定することにより、前述のように、直
径３ｍｍとした場合でも振動検出が可能となる。従っ
て、円筒容器の高さＨ＝５ｍｍ、直径Ｄ＝１２ｍｍ以下
の大きさとすることも可能であるから、振動センサの小
型化を達成することができる。又パルス状の検出信号の
レベルが、例えば、図３に於けるトランジスタ６１をオ
ンできるものであれば、振動検出が可能となるから、圧
電素子の検出出力レベルに対応して、警報回路のトラン
ジスタ６１の特性等を設計することができる。又振動電
気変換器としては、前述の実施例の圧電素子以外のマイ
クロホン構成や転動体の転動又は衝突によって検出信号
が得られる変換素子を用いることができる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、円筒容
器１の内部に転動体４が外部からの振動により転動又は
衝突し、それによって生じる振動，衝撃を、圧電素子等
の振動電気変換器２，３により検出するものであり、円
筒容器１の内部には、転動体４の転動を妨げるものがな
いので、僅かな外部の振動も検出することが可能とな
る。又構成が簡単で、且つ転動体４を数ｍｍ程度の直径
とすることができるから、小型化が容易であり、携帯用
警報器に適用して全体の小型化を図り、且つ信頼性を向
上することができる。

【００２７】又円筒容器１の両端に圧電素子等の振動電
気変換器２，３を設けたことにより、パルス状の検出信
号が得られる回数が多くなり、検出感度を向上すること
ができる。又円筒容器１の円筒中心軸を水平方向とした
場合と、垂直方向とした場合との検出感度の差が大きく
なるから、これを積極的に利用し、例えば、携帯用警報
器に適用した時に、その携帯用警報器を保持した者が倒
れた時と立って作業をしている時との検出信号の差によ
って、倒れた時に確実に警報を出力するように構成する
ことができる。又振動電気変換器２，３を圧電素子等に
より構成した場合に、その機械的強度を利用して、円筒
容器１の両端の蓋板の役目を持たせることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理説明図である。

【図２】本発明の実施例の断面図である。

【図３】警報回路の要部回路図である。

【図４】振動と検出信号との説明図である。

【図５】測定回路の説明図である。

【図６】検出信号の説明図である。

【図７】検出信号の説明図である。

【図８】検出信号の説明図である。

【符号の説明】

１円筒容器２振動電気変換器３振動電気変換器４転動体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円筒容器（１）の一端と他端とに、平板
状の振動電気変換器（２），（３）をそれぞれ固定し、
前記円筒容器（１）の内部に、外部からの振動によって
転動する転動体（４）を設けたことを特徴とする小型振
動センサ。
【請求項２】前記振動電気変換器（２），（３）を、
平板状の圧電素子により構成したことを特徴とする請求
項１記載の小型振動センサ。