JPH09119860A

JPH09119860A - 圧電型振動センサ装置

Info

Publication number: JPH09119860A
Application number: JP7278093A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Imai; 隆之今井
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1995-10-25
Filing date: 1995-10-25
Publication date: 1997-05-06

Abstract

(57)【要約】【課題】広範囲の測定可能周波数をもち、簡便な方法
で製造可能である圧電型振動センサ装置を提供する。【解決手段】圧電体２６と、導電性材料からなる荷重
体１０とを、導電性接着層を介して接着して圧電型振動
センサ１２とし、この圧電型振動センサ１２の圧電体２
６側を、導電性材料からなる収納体２の凹部６の底部
に、導電性接着層を介して接着し、信号処理回路基盤１
４を、前記収納体２の凹部６の開口部の周縁部に掛け渡
し、前記圧電型振動センサ１２を構成する荷重体１０
と、前記信号処理回路基盤１４とを、出力リード線１６
によって接続し、この信号回路基盤１４を覆うように、
導電性材料からなる収納覆体４を、収納体２と嵌合し、
一体化して、圧電型振動センサ装置を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電型振動センサ
をパッケージ内に収容してなる圧電型振動センサ装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】図２は従来の圧電型振動センサ装置の構
造の一例を示す断面図である。この例の圧電型振動セン
サ装置は、収納体２と収納覆体４からなるパッケージ１
内に配置された、検知部８と荷重体１０から構成された
圧電型振動センサ１２と、信号処理回路基盤１４と、収
納覆体上部２２に設けられたケーブル取り出し口２５に
固定されたケーブル２４によって概略構成されている。

【０００３】１ｊｐ３以下、パッケージ１の収納体２
側を下部、収納覆体４側を上部として、この例の圧電型
振動センサ装置の構造について説明する。パッケージ１
を構成する収納体２には凹部６が形成されており、この
凹部６内の底部には、圧電型振動センサ１２の検知部８
側が接着されている。信号処理回路基盤１４は、上述の
収納体２に設けられた凹部６の開口部の周縁部によって
支持されている。この信号処理回路基盤１４を覆うよう
にして、収納覆体４が、上述の収納体２の凹部６の開口
部側で嵌合されている。収納覆体上部２２に設けられた
ケーブル取り出し口２５には、ケーブル２４が固定され
ている。

【０００４】上述の圧電型振動センサ１２の検知部８か
らは、その信号を出力するための２本の出力リード線１
６が引き出され、それぞれ、上述の信号処理回路基盤１
４に接続されている。また、この信号処理回路基盤１４
とケーブル２４とは、電源線２０によって接続されてい
る。この電源線２０は、ケーブル２４を通して、外部よ
り電力を供給すると共に、信号処理回路基盤１４より出
力された信号を外部に出力するものである。

【０００５】図３は、上述の圧電型振動センサ１２を構
成する検知部８を拡大した断面図である。図中符号２６
は、圧電体であり、この圧電体２６の両面には、絶縁性
接着剤からなる電極用接着層３２を介して、電極２８が
設けられ、これら電極２８上にはさらに、上述と同様に
絶縁性接着剤からなる支持板用接着層３３を介して、支
持板３０がそれぞれ設けられている。また、上述の２本
の出力リード線１６は、前記２層の電極２８の電極端部
２９より、それぞれ引き出され、図２中、信号処理回路
基盤１４に接続されている。

【０００６】上述のような構造の圧電型振動センサ装置
は、その収納体２の底部を、被測定体に接着あるいは、
ネジ止め等の方法によって固定されている。したがっ
て、この被測定体が振動した場合には、この振動の加速
度が、収納体２を介して圧電型振動センサ１２に伝わ
る。そして、この圧電型振動センサ１２を構成する荷重
体１０は、慣性質量として働き、この荷重体１０の下部
に接着された、検知部８の圧電体２６に伸張・圧縮応力
が加わる。この結果、圧電体２６の上面と下面の電極２
８間に、この応力に応じた電位差が生じる。この電位差
（電圧）は、出力リード線１６によって信号処理回路基
盤１４に伝送され、信号処理回路基盤１４上で処理さ
れ、振動信号として、電源線２０を経由して、ケーブル
２４に出力される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
圧電型振動センサ装置においては、その圧電型振動セン
サ１２を構成する検知部８が、複数の接着層を有する多
層構造であるため、高い共振周波数が得られず、測定可
能周波数域が狭域化するという問題があった。また、こ
のような多層構造であるため、その製造が煩雑であり、
これらの接着層の接着条件の微妙な差異により、その共
振特性の個体間のばらつきが起こる場合があった。ま
た、この検知部８の接着層として、絶縁性接着剤を用い
ているため、低域カットオフ周波数が高く、このため、
さらに測定可能周波数域が狭域化するという問題もあっ
た。

【０００８】上述の低域カットオフ周波数について検討
してみる。いま、低域カットオフ周波数をｆcとする
と、このｆcは、以下の式によって決定される。ｆc＝１／（２πτ）・・・式（１）式（１）中のτは時定数である。この時定数τは、以下
の式によって決定される。 τ＝Ｃi・Ｒi ・・・式（２）式（２）中、Ｃiは検知部８の内部容量であり、Ｒiは信
号処理回路の入力抵抗である。式（１）および式（２）
より、低域カットオフ周波数ｆcは、検知部８の内部容
量Ｃiが小さい程高くなることがわかる。上述の従来の
圧電型振動センサ装置においては、その検知部８の内部
容量Ｃiは、圧電体２６の内部容量Ｃpと、その上面と下
面に設けられた電極用接着層３２の各々の内部容量Ｃ
a、Ｃaによって決定される。この電極用接着層３２は絶
縁性接着剤を用いているため、以下の式のようになる。１／Ｃi＝１／Ｃa ＋１／Ｃp ＋１／Ｃa ・・・式（３）式（３）を変形すると、Ｃi＝（Ｃa・Ｃp）／（Ｃa＋２Ｃp）・・・式（４）式（４）より、この圧電型振動センサ装置の検知部８の
内部容量Ｃiは、圧電体２６の内部容量Ｃpよりも小さく
なってしまうことがわかる。このため、上述のように、
低域カットオフ周波数ｆcが高くなってしまうのであ
る。

【０００９】本発明は前記事情に鑑みてなされたもの
で、高い共振周波数を持ち、低域カットオフ周波数が低
くでき、これらのことにより、広範囲の測定可能周波数
をもち、また、簡便な方法で製造可能であり、その共振
特性の個体間のばらつきが小さい圧電型振動センサ装置
を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の圧電型振動セン
サ装置においては、圧電体と導電性材料からなる荷重体
とを、導電性接着層を介して接着してなる圧電型振動セ
ンサと、信号処理回路基盤とが、導電性材料からなるパ
ッケージ内に収容されて構成された圧電型振動センサ装
置を形成するにおいて、前記パッケージを構成する収納
体の凹部内に、前記圧電型振動センサを、その荷重体側
が、前記収納体の凹部の開口部に向くように配し、その
圧電体側を、前記収納体の凹部の底部に、導電性接着層
を介して接着して、この圧電型振動センサを固定し、前
記圧電型振動センサを構成する荷重体と、前記信号処理
回路基盤とを、出力リード線によって接続し、前記信号
処理回路基盤を、前記収納体の開口部の周縁部に掛け渡
し、前記信号回路基盤を覆うように、前記パッケージを
構成する収納覆体を、収納体と嵌合し、一体化して、こ
の圧電型振動センサ装置を形成することを前記課題の解
決手段とした。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の圧電型振動セン
サ装置の一例の構造を示す断面図である。この例の圧電
型振動センサ装置は、収納体２と収納覆体４より構成さ
れたパッケージ１内に配置された、圧電体２６と荷重体
１０からなる圧電型振動センサ１２と、信号処理回路基
盤１４と、収納覆体上部２２に固定されたケーブル２４
によって概略構成されている。以下、パッケージ１の収
納体２側を下部、収納覆体４側を上部として、この例の
圧電型振動センサ装置の構造について、以下に説明す
る。

【００１２】上述の圧電型振動センサ１２は、圧電体２
６と、導電性材料からなる荷重体１０とを、導電性接着
層（図示せず）を介して、接着して形成されている。パ
ッケージ１を構成する収納体２と収納覆体４は、導電性
材料によって形成されている。この収納体２には凹部６
が形成されており、この凹部６内の底部には、上述の圧
電型振動センサ１２の圧電体２６側が、導電性接着層
（図示せず）を介して接着されている。

【００１３】信号処理回路基盤１４は、上述の収納体２
に設けられた凹部６の開口部の周縁部によって支持され
ている。この信号処理回路基盤１４を覆うようにして、
収納覆体４が、上述の収納体２の凹部６の開口部側で嵌
合されている。収納覆体上部２２に設けられたケーブル
取り出し口２５には、ケーブル２４が固定されている。
上述の圧電型振動センサ１２の荷重体１０上部からは、
その信号を出力するため出力リード線１６が引き出さ
れ、信号処理回路基盤１４に接続されている。また、信
号処理回路基盤１４とケーブル２４とは、電源線２０に
よって接続されている。

【００１４】ところで、上述のように、この圧電体２６
の上面は、上述の導電性材料からなる荷重体１０と、導
電性接着層（図示せず）を介して接着されている。ま
た、この圧電体２６の下面は、上述のように、導電性接
着層（図示せず）を介して、導電性材料からなる収納体
２と接着されている。したがって、この圧電体２６の上
面と下面に、それぞれ接着された荷重体１０と収納体２
は、電極として利用することができる構造になってい
る。すなわち、圧電体２６に伸張・圧縮応力が加えられ
た場合には、前記荷重体１０と、前記収納体２との間
に、電位差を生ずるのである。

【００１５】この場合、上述の収納体２に設けられた凹
部６の深さＤは、上述の圧電型振動センサ１２の高さＨ
より、１〜７mm大きいことが望ましい。１mm未満である
と、出力リード線１６を半田付け等によって固定するこ
とが難しく、上述の荷重体１０上部から、この荷重体１
０と収納体２の間に生じた電位差（電圧）を出力するこ
とが困難となる。また、７mmを越えても、大きな問題は
ないが、装置自体が大きくなるので、通常は好ましくな
い。この範囲になるように、ＨとＤを設定すれば、出力
リード線１６の剛性により、上述の荷重体１０の慣性運
動が制限されることはない。

【００１６】上述のような構造の圧電型振動センサ装置
の例においては、その収納体２の底部を、被測定体に接
着あるいは、ネジ止め等の方法によって固定されてい
る。この被測定体の振動を測定する原理において、上述
の従来の圧電型振動センサ装置の例と大きく異なるの
は、以下のように、圧電体２６の上面と下面に、導電性
接着層（図示せず）を介して接着された荷重体１０と収
納体２とが電極として働く点である。すなわち、従来の
圧電型振動センサ装置の例の場合と同様に、被測定体が
振動すると、荷重体１０が慣性重量として働き、この荷
重体の下部に接着された圧電体２６に伸張・圧縮応力が
加わる。この際、この圧電体２６の上面と下面に、導電
性接着層（図示せず）を介して接着された荷重体１０と
収納体２とが電極として働き、これらの間に、上述の伸
張・圧縮応力に応じた電位差が生じるのである。この電
位差（電圧）は、荷重体１０上部より引き出された出力
リード線１６によって、信号処理回路基盤１４に伝送さ
れ、この信号処理回路基盤１４上で処理され、振動信号
として、電源線２０を経由して、ケーブル２４に出力さ
れる。

【００１７】このように、この例の圧電型振動センサ装
置においては、圧電体２６と導電性材料からなる荷重体
１０とを、導電性接着層を介して接着してなる圧電型振
動センサ１２を用い、この圧電型振動センサ１２の圧電
体２６側が、導電性材料からなる収納体２に設けられた
凹部６の底部に、導電性接着層を介して接着されたもの
であるので、この荷重体１０と収納体２とを、電極とし
て利用することができ、その構造が単純化できる。この
ため、以下のような効果が得られる。すなわち、高い共
振周波数を得ること可能となるため、測定可能周波数域
が広域化する。また、製造が簡便であるので、製造コス
トの低減を図ることができ、さらに、その個体間の共振
特性のばらつきを少なくすることができる。また、圧電
体２６の上面と下面に、導電性接着層を介して、それぞ
れ収納体２と荷重体１０とを接着したものであるので、
低域カットオフ周波数を低くすることができ、さらにそ
の測定可能周波数域を広域化することができる。

【００１８】上述の低域カットオフ周波数を決定する、
この例の圧電型振動センサの検知部の内部容量Ｃiは、
圧電体２６と、この圧電体２６の上面と下面に設けられ
た導電性接着層によって決定される。すなわち、圧電体
２６の内部容量をＣpとすると、導電性接着層は導電性
であるので、以下の式のようになる。Ｃi＝Ｃp ・・・式（５）このため、上述の従来の圧電型振動センサ装置の検知部
の内部容量Ｃiを表す、式（４）と比較すると、その検
知部の内部容量Ｃiを、大きくすることができることが
わかる。したがって、その低域カットオフ周波数を低く
することができるのである。

【００１９】つぎに、この例の圧電型振動センサ装置の
製造方法の例について説明する。まず、圧電体２６の片
面に導電性接着剤を塗布し、導電性接着層（図示せず）
を介して、荷重体１０を接着し、圧電型振動センサ１２
とする。この圧電型振動センサ１２の圧電体２６側に導
電性接着剤を塗布し、収納体２に設けられた凹部６の底
部に、導電性接着層（図示せず）を介して接着する。

【００２０】つぎに、この圧電型振動センサ１２を構成
する荷重体１０上部に、出力リード線１６の片端をはん
だ付けで固定し、もう一方の端を信号処理回路基盤１４
に接続する。この信号処理回路基盤１４を、収納体２に
設けられた凹部６の開口部の周縁部に、エポキシ系接着
剤を介して接着する。つぎに、この信号処理回路基盤１
４とケーブル２４とを、電源線２０によって接続する。
最後に、上述の収納体２と同様の材料からなる収納覆体
４を、上述の信号処理回路基盤１４を覆うようにして、
収納体２の開口部方向で嵌合し、収納覆体上部２２に設
けられたケーブル取り出し口２５に、上述のケーブル２
４を固定し、圧電型振動センサ装置とする。

【００２１】パッケージ１を構成する収納体２と収納覆
体４に用いられる材料としては、導電性を有するもので
あれば、特に限定することはないが、例えば、ステンレ
ス、繊維強化プラスティック等を用いることができる。
また、その熱伝導率は、０．４cal/cm/s/K以下であり、
かつ、この収納体２の肉厚は２〜６mmであると、検知部
の温度に対する、周囲の温度変化の影響を小さくするこ
とができるので、好ましい。圧電体２６としては、ポリ
フッ化ビニリデン等の高分子圧電材料や、チタン酸ジル
コン酸鉛（以下ＰＺＴ）等のセラミックス圧電材料等を
用いることができる。荷重体１０としては、その目的に
よって、真鍮、ステンレス、銅等の導電性材料からなる
任意の質量のものを用いることができる。

【００２２】導電性接着層（図示せず）を形成する導電
性接着剤は、その体積抵抗率が１×１０³Ω・ｃｍ以下
であると好ましい。また、その弾性率が１×１０⁶〜１
×１０⁹Paであることが好ましい。１×１０⁶Pa未満であ
ると、この導電性接着層（図示せず）が柔らかすぎて、
高い共振周波数を得ることが困難になり、測定可能周波
数が狭域化する場合があり、１×１０⁹Paを越えると、
収納体２と検知部との熱膨張率係数の違いから、温度が
変化した場合に、圧電体２６に熱歪みが生じやすく、セ
ンサ出力の温度特性が悪くなる。具体的には、エポキシ
系接着剤、アクリル系接着剤、ポリイミド系接着剤等を
用いることができる。また、この導電性接着層（図示せ
ず）の厚みは、５〜１００μmであることが望ましい。
５μm未満であると十分に接着できず、１００μmを越え
ると、高い共振周波数を得ることが困難になる。

【００２３】出力リード線１６は、はんだ付け等の公知
の方法によって、荷重体１０の上部と接着することがで
きる。ケーブル２４は、コネクタ等を使って公知の方法
により、ケーブル取り出し口２５に固定し、また、公知
の方法によって、電源線２０をこのケーブル２４に接続
すればよい。

【００２４】

【実施例】以下、本発明を実施例を示して詳しく説明す
る。（実施例）図１に示した構造の圧電型振動センサ装置を
以下のようにして作成した。すなわち、圧電体２６とし
て、一辺が５mmの正方形で、厚みが０．５mmのＰＺＴ板
を用い、この圧電体２６の片面に、質量１ｇの真鍮製の
荷重体１０を、導電性接着剤として、体積抵抗率１０^ー1
Ω・ｃｍ、弾性率１×１０⁸Paであるエポキシ系接着剤
を介して接着して、圧電型振動センサ１２を作成した。
このとき、形成された導電性接着層（図示せず）の厚さ
は約２０μmであった。

【００２５】このようにして作成した圧電型振動センサ
１２の圧電体２６側を、熱伝導率０．０４cal/cm/s/Kで
あるステンレス鋼からなる収納体２の凹部６の底部に、
導電性接着剤として、体積抵抗率１０^ー1Ω・ｃｍ、弾性
率１×１０⁸Paであるエポキシ系接着剤を介して接着し
た。このとき形成された導電性接着層（図示せず）の厚
さは約２０μmであった。上述の収納体２の肉厚は４mm
であった。

【００２６】この圧電型振動センサ１２を構成する荷重
体１０上部に、出力リード線１６の片端をはんだ付けで
固定し、もう一方の端を信号処理回路基盤１４に接続し
た。この信号処理回路基盤１４を、上述の収納体２に設
けられた凹部６の開口部の周縁部に、エポキシ系接着剤
を介して接着した。つぎに、この信号処理回路基盤１４
とケーブル２４とを、電源線２０によって接続した。最
後に、上述の収納体２と同様の材料によって形成され、
その肉厚が１mmである収納覆体４を、上述の信号処理回
路基盤１４を覆うようにして、収納体２の開口部方向で
嵌合し、さらに、収納覆体上部２２に設けられたケーブ
ル取り出し口２５に、上述のケーブル２４を固定した。

【００２７】（比較例）図２に示した構造の圧電型振動
センサ装置を以下のようにして作成した。最初に、図３
に示した構造の検知部８を作成した。圧電体２６とし
て、一辺が５mmの正方形で、厚みが０．５mmのＰＺＴ板
を用い、この圧電体２６の上面と下面に、電極２８とし
て、厚さ３０μmの銅箔を、エポキシ系接着剤からなる
接着層３２を介して、それぞれ接着した。さらに、これ
らの電極２８の上に、この圧電体２６を挟むようにし
て、支持板３０として、厚さ１mmのガラスエポキシ板
を、エポキシ系接着剤からなる接着層３２を介して接着
した。つぎに、上述の２層の電極２８の電極端部２９
に、出力リード線１６の片端を、それぞれ接着した。

【００２８】このようにして作成した検知部８の片面
に、図２に示すように、エポキシ系接着剤を介して、質
量１ｇの真鍮製の荷重体１０を接着して、圧電型振動セ
ンサ１２とした。この圧電型振動センサ１２の検知部８
側を、熱伝導率０．０４cal/cm/s/Kであるステンレス鋼
からなる収納体２に設けられた凹部６の底部に、エポキ
シ系接着剤を介して接着した。この収納体２の肉厚は、
４mmであった。

【００２９】上述の圧電型振動センサ１２の検知部８よ
り引き出された２本の出力リード線１６を信号処理回路
基盤１４にそれぞれ接続し、この信号処理回路基盤１４
を、収納体２に設けられた凹部６の開口部の周縁部に、
エポキシ系接着剤を介して接着した。つぎに、この信号
処理回路基盤１４とケーブル２４とを、電源線２０によ
って接続した。最後に、上述の収納体２と同様の材料に
からなる、その肉厚が、１mmである収納覆体４を、上述
の信号処理回路基盤１４を覆うようにして、収納体２の
開口部方向で嵌合し、さらに、収納覆体上部２２に設け
られたケーブル取り出し口２５に、上述のケーブル２４
を固定した。

【００３０】上述の実施例と比較例の圧電型振動センサ
装置の信号処理回路の入力抵抗は、それぞれ５００ＭΩ
であった。上述のようにして、実施例と比較例の圧電型
振動センサ装置を、それぞれ５０台作成し、それらの周
波数特性と、個体間のばらつきを評価した。この結果を
表１に示す。表１には、実施例と比較例、それぞれの圧
電型振動センサ装置５０台の共振周波数の平均値と、そ
れらの測定値のうちの、最大値と最小値の差を示した。
また、低域カットオフ周波数を示した。

【００３１】共振周波数の平均値と低域カットオフ周波
数より、実施例と比較例の圧電型振動センサ装置の測定
可能周波数域を比較することができる。また、共振周波
数の測定値のうちの、最大値と最小値の差により、それ
らの個体間の共振周波数のばらつきを検討することがで
きる。

【００３２】

【表１】

【００３３】表１より、本発明に係る実施例の圧電型振
動センサ装置は、比較例の圧電型振動センサ装置と比較
して、共振周波数が高く、低域カットオフ周波数が低
く、このため、その測定可能周波数域が広いことが明か
である。また、共振周波数の個体間のばらつきが小さい
ことがわかる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の圧電型振
動センサ装置は、圧電体と導電性材料からなる荷重体と
を、導電性接着層を介して接着してなる圧電型振動セン
サと、信号処理回路基盤とが、導電性材料からなる収納
体と収納覆体とによって構成されたパッケージ内に収容
されてなる圧電型振動センサ装置であって、前記圧電型
振動センサの圧電体側が、前記収納体に設けられた凹部
の底部に、導電性接着層を介して接着されたものである
ので、前記荷重体と収納体とを電極として利用すること
ができ、その構造が単純化できる。このため、以下のよ
うな効果が得られる。すなわち、高い共振周波数を得る
こと可能となるため、測定可能周波数域が広域化する。
また、製造が簡便であるので、製造コストの低減を図る
ことができ、さらに、その個体間の共振特性のばらつき
を少なくすることができる。また、前記圧電体の上面と
下面に、導電性接着層を介して、それぞれ収納体と荷重
体とを接着したものであるので、低域カットオフ周波数
を低くすることができ、さらにその測定可能周波数域を
広域化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電型振動センサ装置の一例の構造を
示す断面図である。

【図２】従来の圧縮型の圧電型振動センサ装置の構造の
一例を示す断面図である。

【図３】図２に示した圧電型振動センサ装置の圧電型振
動センサ１２を構成する検知部８を拡大した断面図であ
る。

【符号の説明】

１・・・パッケージ、２・・・収納体、４・・・収納覆
体、６・・・凹部、１０・・・荷重体、１２・・・圧電
型振動センサ、１４・・・信号処理回路基盤、１６・・
・出力リード線、２０・・・電源線、２４・・・ケーブ
ル、２６・・・圧電体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電体と導電性材料からなる荷重体と
を、導電性接着層を介して接着してなる圧電型振動セン
サと、信号処理回路基盤とが、導電性材料からなるパッ
ケージ内に収容されて形成された圧電型振動センサ装置
であって、前記パッケージは、前記圧電型振動センサを配置する凹
部が形成された収納体と、この収納体を覆う収納覆体か
らなり、前記圧電型振動センサは、その荷重体側が、前記収納体
の凹部の開口部に向くように配置されており、その圧電
体側は、前記収納体の凹部の底部に、導電性接着層を介
して接着され、前記信号処理回路基盤は、前記収納体の開口部で支持さ
れ、前記圧電型振動センサの荷重体と、前記信号処理回路基
盤とは、出力リード線によって接続され、前記信号回路基盤を覆うように収納覆体と収納体とが一
体化されてなることを特徴とする圧電型振動センサ装
置。