JPH07270259A

JPH07270259A - はがね圧電素子

Info

Publication number: JPH07270259A
Application number: JP6087756A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Ogawa; 小川紘史
Original assignee: OGAWA TAEKO
Current assignee: OGAWA TAEKO
Priority date: 1994-03-31
Filing date: 1994-03-31
Publication date: 1995-10-20

Abstract

(57)【要約】【目的】スプリング状において振動し、対応する電気
信号を発生するはがね圧電素子を提供することを目的と
する。【構成】はがね材より形成されたスプリング１からな
り、前記スプリングの両端もしくは両端の近傍に一対の
電気信号端子を設け、振動源１２により伝達された機械
的振動に対応する圧電気振動を生じ、この電気信号を前
記一対の電気信号端子より取り出すようにしたものであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、はがねからなる圧電素
子に関し、より詳細には、そのはがね圧電素子を直接取
り付けた測定対象物質（又は構造体）に作用し、もしく
ははがね素子自体に作用する外力によってはがね素子に
生じた圧電気を取り出し、前記力により生じた応力の状
態及びその程度を正確かつ精密に検出測定するための素
子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】圧電素子は一般に誘電体が機械的歪みを
加えられると、それに対応する電気量を生じ、逆に、電
界を作用させると、機械的歪みを発生するという特有の
性質を利用したものと認識されており、例えば、水晶、
ロッシェル塩、チタン酸バリウム、及びリン酸二水素ア
ンモニウムなどの結晶性物質が、このような圧電素子と
して一般に用いられている。当然ながら、これらの素子
を測定対象の物質に直接取り付けるか、又は一定間隔を
置いて配置すれば、素子の物質に発生する応力を電気的
変化量に変換することができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の典型的な圧電素子においては、その構造の全体が具有
する顕著な圧電的性質（高感度性）と高インピーダンス
特性、及びその剛体性によりノイズを拾いやすく、ま
た、機械的振動を点において捕捉することしかできなか
ったという欠点がある。したがって、圧電素子の構造全
体に集約される振動を効果的に検出すること、また、そ
の構造体をスプリングとして形成し、そのスプリングの
振動を電気振動として取り出すことができるような圧電
素子は全く存在しなかった。本発明は、このような圧電
素子を提供することにより振動検出、及び音響‐電気変
換系その他における新たな利用分野に適用しようとする
ものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者は、すでに非結
晶物質及び金属をも含む種々の結晶性物質においても微
弱な圧電気現象が発生することを発見し、これを用いて
当該物質の構造異常を検出する方法及び金属からなる圧
電気検出素子を発明し、世に公開した（特開昭６２−２
５９０５０号公報及び特開昭６３−１５７０２５号公
報）。

【０００５】本発明は、このような発明者自らが確立し
た新技術を基礎として、はがね材より形成されたスプリ
ングからなり、前記スプリングの両端もしくは両端の近
傍に一対の電気信号端子を設けたことにより、前記スプ
リングの機械的振動により生じた圧電気振動を前記一対
の電気信号端子より取り出すようにしたはがね圧電素子
を構成したものである。

【０００６】この場合、はがね材よりなるスプリングは
コイルばね、板ばね及び線状ばね等の形状をもつことが
できる。

【０００７】

【作用】上述した本発明の基本構成において、はがねは
他の金属材料とは性質が全く異なって靱性があり、かつ
弾力性を有するため許容応力の範囲内では断面の永久変
形がなく、復元性に富んでいるためばね材料として適し
ている。

【０００８】また、スプリング状に形成される圧電素子
はその設計に際し、取り付けようとする振動系のもつ条
件とその圧電素子のばね定数との組合せを容易かつ適当
に選定することができる。

【０００９】さらに、はがねの圧電気効率は他の金属に
比較してもかなり大きいものであることが確認されてい
る。

【００１０】典型的に、コイルばねとして形成されたは
がね圧電素子の電気回路の一例は、図１及び図２を参照
して次のようになる。例えば、図１において太さ１．４
ｍｍ、長さ１００ｍｍの鋼線をコイル状に巻いたはがね
圧電素子１の両端２ａ、２ｂを電気信号端子としてこれ
らの間に全長の抵抗値が６〜１５ｍΩとなる銅線を接続
し、この両端に発生する端子電圧を入力インピーダンス
０．５Ωとした計測回路の入力トランス３における一次
巻線に印加する。トランス３の昇圧比は２０倍であっ
て、その二次巻線（二次インピーダンス２ｋΩ）はオシ
ロスコープ４の入力に接続され、この結果、はがね圧電
素子１に加えられた機械的振動に基づく圧電気振動が効
果的に観察される。

【００１１】図２は電気振動の発生源全体としての端子
インピーダンスをより大きくするため、同じく６〜１５
ｍΩの銅線を両端に接続したはがね圧電素子１におい
て、そのはがね本体における両端よりも内側に出力端子
２ｃ及び２ｄを設け、この内側出力端子が同様の計測回
路に接続される状態を示している。なお、はがね圧電素
子１の両端２ａ、２ｂと対応する内側端子２ｃ、２ｄと
の間の部分は図３（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ示す通
り、圧電素子本体と同様のコイル状又は直線状のいずれ
でもよい。

【００１２】はがね圧電素子１における図１及び図２に
示したような出力取り出し条件は、同一の機械的設計に
基づくはがね圧電素子において電気出力を選択的部位か
ら取り出すことが可能であることを示している。因に、
図１及び図２のはがね圧電素子及びその計測回路への接
続が端子位置のみの相違であり、図２の端子位置が対応
するばね端に近い場合には、出力の振幅は図２の方が大
きくなる。但し、図２の圧電素子端部２ａ‐２ｃ間及び
２ｂ‐２ｄ間の長さがばね本体の長さに比して実質的な
大きさを占めると、その部分の圧電気成分がマイナス成
分となることに留意すべきである。このように本発明の
はがね圧電素子の電気出力は長さ範囲の両端からだけで
なく、中間からも取り出せること、すなわちその機械的
及び電気的設計の自由度がきわめて大きいことがわか
る。（短絡銅線にタップを設ける場合には、通常の比例
分圧出力が得られることは明らかである。）

【００１３】なお、はがね圧電素子を磁場中に配置する
と、はがね圧電素子構成物質の電子スピン及び公転軌道
が大きくなり、これによって圧電効果自体が増幅される
こともまた本発明者が発見したところであり（実開平４
−９６８７１）、この効果は本発明において積極的に利
用することができ、また、図１及び図２の原理は、必要
な変形率及び圧電起電力を発生するものである限り、板
ばね状もしくは直線状はがね圧電素子に対しても適用す
ることができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明のはがね圧電素子の好ましい実
施例について説明する。

【００１５】図４は振動センサの基本例を示すものであ
り、コイルばね型はがね状圧電素子１は例えば角筒状の
ケーシング５内に収納される。ケーシング５の図におけ
る天板部５ａには重り６を有する調整ねじ７が係合し、
はがね圧電素子１の一端はこの重り６に連結され、他端
はケーシング５の底部に嵌合する端板８に連結される。
ケーシング５が金属からなる場合に、はがね圧電素子１
がこの金属によっても電気的に短絡されることがないよ
う、調整ねじをセラミック製にするか、又はばねと端板
８との間にセラミックを入れてもよい。端板８の側縁９
及びケーシング５の対応部位には仮想線で示すねじ１０
が圧電素子不使用時における固定部材として挿入され
る。ケーシング５の下端にはフランジ又は取付け片５ｂ
が形成され、これは台座１１を介して振動源１２の振動
端面に固定される。さらに、ケーシング５の内側面にお
いてはがね圧電素子１に対応する位置にはこの素子１に
対向する磁極面を有する磁場発生手段１３が装備され
る。この磁場発生手段１３は電磁石及び永久磁石のいず
れでもよく、この磁場発生手段からの磁場を圧電素子１
にのみ効果的に作用させるためには、ケーシング５を強
磁性体金属製として磁気シールドを施すことが望まし
い。しかしながら、磁場発生手段１３の磁力が系外に影
響を及ぼすほど大きくない場合には、ケーシング５をプ
ラスチックその他の非金属材料製又は他の金属製として
も差し支えない。上記の構造において、振動源１２に固
定されたケーシング５からははがね圧電素子１に機械的
振動が伝達され、同圧電素子はこれに基づいて電気振動
を発生し、これがはがね圧電素子１の両端又はその近傍
の信号端子に渡して接続された銅線抵抗１４の中間タッ
プ（分圧端子）より計測回路の増幅器に導かれ、機械的
振動の状態が効果的に観察される。図示しないが、はが
ね圧電素子１のいずれかの端部は接地端子として接続さ
れる（以下、同じ）。なお、信号端子ははがね圧電素子
１上において、銅線抵抗１４の両端をはんだ付け、圧
着、溶接等によって接続した部分、又ははがね圧電素子
１自体の成形時に銅線端を接続するように形成された部
分を総称したものである。

【００１６】図５は二つの振動源もしくは一振動源の凹
所に挟まれたはがね圧電素子を示すものである。図５に
おいてケーシング１５は両端が開放した角筒状であり、
コイルばね型のはがね圧電素子１は両端板８ａ、８ｂ間
に装備される。この両端板８ａ、８ｂと圧電素子の間に
電気絶縁用セラミックを入れてもよい。はがね圧電素子
１の上端部は調整ねじ１６を介して上端板８ａに連結さ
れるが、下端部は図４と同様下端板８ｂに直結される。
１０ａ、１０ｂは仮止めねじ、１１ａ、１１ｂはそれぞ
れ両端板８ａ、８ｂに設けられた振動源への取付台座で
あり、その他図４と同一の参照数字を付したものは同一
の部材であることに留意すべきである。この実施例の圧
電素子はその張力により振動源１２ａ、１２ｂに圧接さ
せた両端板８ａ、８ｂより機械的入力を受けて振動し、
分圧端子１６より対応する電気信号を発生する。

【００１７】この場合、仮想線で示した外枠１７は調整
ねじ７’をセラミック又は弱磁性材料で成形できなかっ
た場合、又はケーシング１５によって完全な磁気シール
ドが得られない場合において、さらに、これを包囲して
防磁効果を発揮するための外側シールドケースである。

【００１８】図６ははがね圧電素子を組み込んだ通過荷
重センサを示している。このセンサは底板１８上に固定
された枠型ケーシング２５内にはがね圧電素子１を装備
したものであり、はがね圧電素子１の上端はケーシング
２５の上端開口に嵌入された上端板１８ａに連結され、
下端は底板１８に連結される。上端板１８ａと底板１８
の間にセラミック板を入れてもよい。上端板１８ａはセ
ンサの不使用時において仮想線で示すビス１０ａにより
固定されるが、使用時において通過荷重を受けてはがね
圧電素子１に振動を伝達するものである。このため、上
端板１８ａの上面にはコロの役目を果たすベアリングロ
ーラ１９ａ、１９ｂが装備され、これらのベアリングロ
ーラの上面を被検物体が通過することに伴う荷重を支持
するようになっている。底板１８が導電性を有しない材
質からなるとき、はがね圧電素子１の上端に設けられた
接地端子は金属製の上端板１８ａを介して外部に導かれ
るようにするため、その上端板１８ａの側縁と導電性の
ケーシング２５との間は可撓性を有する電気リード線２
０により接続される。その他、図４及び図５と同一の参
照数字を付した部分はそれらの図中のものと同一であ
る。

【００１９】図７はワイヤ又はウエブなどの給送工程に
おける異常を検出するための連続体異常検出センサを示
している。この場合、ケーシング２５ａはこれを封閉す
る上端板２６を有し、コイルばね圧電素子１の上端から
のびる同一はがね材料の線体は上端板２６に設けられた
小孔２７を通ってダンサープーリ又はダンサーロール２
８のシャフトに導かれる。このダンサープーリ又はダン
サーロール２８は、矢印Ｆで示すように圧電素子１の張
力と均衡する上向き弾力により支持され、被検線材又は
ウエブ２９がそのプーリ等２８の下面を図のように通過
するときにそのプーリ等２８に掛かる上向き荷重の変化
による振動が圧電素子１に伝達されるようになってい
る。この場合も、すでに説明した実施例と同一の参照数
字のものについては説明を省略する。したがって、この
センサはプーリ等２８を通過するワイヤなどの張力を検
出することができる。

【００２０】図８は線状の圧電素子、総括して２１を用
いて形成された振動実験装置を示すものである。この装
置は棒状又は板状のベース３０上に例えばコの字型のフ
レーム３１の両脚端を固定し、この両脚部間にベース３
０と平行して複数本の線状はがね圧電素子２１ａ、２１
ｂ、２１ｃ…を架橋接続したものである。これらの線状
はがね圧電素子２１の図における左端取付部は接地端子
として共通接続され、右端は各圧電素子２１からなる弦
の信号端子として個々にリード線３２ａ、３２ｂ、３２
ｃ…に導かれる。図の接地リング３３において模式的に
示す通り、これらのリード線はシールドワイヤの各信号
線として延長される。ベース３０とこれに平行したフレ
ームの長辺部との間にはフレット板３４がベース３０の
長さ方向に移動可能に架橋・装備されている。すなわ
ち、３５、３６はベース及びフレーム長辺に形成された
フレット板ガイドレールである。フレット板３４には各
線状はがね圧電素子２１からなる弦を持ち上げて緊張さ
せるためのフレットライン３７が突設されている。

【００２１】かくして、フレット板３４を適当な位置に
固定し、はがね圧電素子からなる弦２１ａ、２１ｂ、２
１ｃ…を選択的に弾くと、各圧電素子弦の規格とフレッ
ト板３４の位置により規制される弦の長さとに応じた振
動が発生し、対応する信号端子からはその振動に応じた
電気的振動が取り出され、計測回路において測定、解析
及び表示されることができる。

【００２２】図９は本発明の圧電素子を用いて腕及び手
指のための腱反射診断器を構成した場合の略図である。
図９（ａ）において、ばね圧電素子１は蝶番連結された
２枚の板３８ａ、３８ｂの間に挿入され、この２枚の板
に加えられた荷重に応じて発生した電気振動が分圧端子
１６より取り出されるものである。板３８ａ、３８ｂは
例えば同図（ｂ）に示すような矩形板状であり、被検者
はこれらを手指で挟持し、その状態で膝や関節部などを
検診ハンマーで打たれると、関連各部からの腱の反射に
よる衝撃荷重がこれらの板３８ａ、３８ｂを介して圧電
素子１に加えられる。圧電素子１は鋼板を撓めて板ばね
兼用としたものでもよい。

【００２３】本発明のはがね圧電素子は以上に例示した
ような振動検出装置として具体的に利用することができ
る。特に、図４及び図５に示した基本形においては一般
に精密機械用センサとし、比較的小型のものを工作機械
用、製造機械用、及び運搬用センサとして用いることが
でき、比較的大型のものを土木建築用、工作機械用、及
び大型製造機械用などに用いることができる。また、ワ
イヤ型センサの別の活用法としては、例えば水槽などの
水流管理用センサなどとして用いることができる。

【００２４】

【発明の効果】以上述べた通り、本発明のはがね材料か
らなるばね型圧電素子を各種センサとして用いることに
より、２点間の力学的状態の検出や、振動系の振動条件
に合った検出装置を得ることができる。また、被検体及
びばね圧電素子の面積、体積、又は長さに関し、単一の
素子により自由に対応させることができる等、物理計測
学上きわめて有意義な素子を提供するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】スプリング状はがね圧電素子の電気接続の原理
を示す回路図である。

【図２】スプリング状はがね圧電素子の電気接続の別の
例を示す回路図である。

【図３】（ａ）はコイルばね型はがね圧電素子におい
て、コイル両端部のコイル両端よりやや内側でリード線
取付部を有する場合の実施例を示す略図であり、（ｂ）
ははがね圧電素子がコイル状の本体部と線状の両端部か
らなり、その線状の中間にリード線を取り付けた状態を
示す略図である。

【図４】コイルばね型はがね圧電素子を用いた振動セン
サの基本的実施例を示す側断面図である。

【図５】同様な振動センサの別の実施例を示す側断面図
である。

【図６】コイルばね型はがね圧電素子を用いて形成され
た通過荷重センサの一例を示す側断面図である。

【図７】コイルばね型はがね圧電素子を用いて形成され
た線材又はウエブの異常検出センサの一例を示す側断面
図である。

【図８】線状はがね圧電素子を弦として用いた振動実験
装置の一例を示す正面略図である。

【図９】コイルばね型はがね圧電素子を用いて形成され
た腱反射診断器の一例を示す側面略図（ａ）及び平面図
（ｂ）である。

【符号の説明】

１はがね圧電素子５ケーシング６重り７調整ねじ１０仮止め用ねじ１１台座１２振動源１３磁場発生源１４銅線抵抗

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】はがね材より形成されたスプリングから
なり、前記スプリングの両端もしくは両端の近傍に一対
の電気信号端子を設けたことにより、前記スプリングの
機械的振動により生じた圧電気振動を前記一対の電気信
号端子より取り出すようにしたことを特徴とするはがね
圧電素子。
【請求項２】前記スプリングがコイルばねであること
を特徴とする請求項１記載のはがね圧電素子。
【請求項３】前記スプリングが板ばねであることを特
徴とする請求項１記載のはがね圧電素子。
【請求項４】前記スプリングが線状ばねであることを
特徴とする請求項１記載のはがね圧電素子。
【請求項５】前記スプリングに磁場を作用させるため
の磁場発生手段を装備したことを特徴とする請求項１〜
４項のいずれか１項に記載のはがね圧電素子。