JPH09243653A - 衝撃センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高周波数領域までフラットな信号出力が得ら
れる高感度な衝撃センサの提供。 【解決手段】 円板状の圧電バイモルフ２をこの圧電バ
イモルフ２の外径の１／３の直径で厚みが２倍の金属板
３で挟み込み、中心部にネジ部７の外径より大きな穴を
あけ、テフロンシート５を挟み込んでナット６で架台１
に固定してなる衝撃センサ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電セラミックを
用いた衝撃センサに関し、特に、受動素子となる圧電セ
ラミックを２枚貼り合わせた圧電バイモルフの固定構造
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、衝撃センサの分野では、衝撃を検
知する際に、衝撃の種類、原因を特定したいと言う要求
が高まっている。

【０００３】そのためには、センサから出力される信号
を処理回路により周波数成分に分離し、予め調べておい
た検知したい衝撃の持つ周波数成分が含まれていた時の
み、必要な信号を出す方法が考えられている。

【０００４】この目的に使用される衝撃センサは、単に
高感度であるばかりでなく、１０ｋＨｚ程度までの高周
波成分を含む衝撃に対してまでフラットな周波数特性を
持つことが要求される。

【０００５】即ち、単一の周波数成分の衝撃が来た場合
には、１０ｋＨｚでも同じ出力電圧を発生することが要
求される。

【０００６】従来、円板状の圧電バイモルフの中心部を
固定するタイプの衝撃センサでは、円板状の圧電バイモ
ルフの中心部に穴を開け、台座にねじ止めしていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この方法で
は、高周波の衝撃まで均一な出力電圧を発生することが
困難であった。何故ならば、共振周波数を１０ｋＨｚ程
度にするためには、バイモルフのベンディングモードを
用いた場合、圧電バイモルフの直径を数ミリにしなけれ
ばならないため、感度が充分にとれず、Ｓ／Ｎ比が悪く
なり、周波数成分を分離することが難しくなるためであ
る。

【０００８】Ｓ／Ｎ比を改善するために、圧電バイモル
フ素子の外径を大きくしてしまうと、共振周波数が下が
り、その周波数で感度の最大を持ってしまう。

【０００９】従って、従来の衝撃センサでは、共振周波
数を、検知したい衝撃のもつ最も特徴的な周波数に一致
させて利用せざるをえなかった。

【００１０】本発明は、圧電バイモルフの固定構造を工
夫したもので、高感度で共振周波数の高い、すなわち高
周波数領域に至るまでフラットな信号出力が得られる衝
撃センサを提供することを目的としたものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、円板状でバイ
モルフ構造の圧電セラミック（以下、圧電バイモルフと
称す）の中心部をねじ止めにより固定して衝撃を検知す
る衝撃センサにおいて、前記圧電バイモルフを、前記圧
電バイモルフの外径の１／２〜１／５の直径で、厚みが
２倍以上の金属板で挟み込み、圧電バイモルフおよび金
属板の中心部に前記ねじの外径より大きな穴をあけ、ね
じとの間及び金属板の圧電バイモルフと接していない面
に絶縁物を挟み込んでねじ止めにより架台に固定するこ
とを特徴とする衝撃センサである。

【００１２】（作用）本衝撃センサは、中心固定の円板
状の圧電バイモルフに衝撃が加わると、固定点を節とし
てたわみ、衝撃の周波数が、円板の外径によってきまる
共振周波数と一致した時最大の感度が出る。又、圧電バ
イモルフ素子の容量が大きくなると、インピーダンスが
下がるためノイズレベルが下がるという長所がある。

【００１３】従って、共振周波数を上げてノイズレベル
を下げるためには、圧電バイモルフ素子の外径を大きく
して容量を稼ぐとともに、中心の固定部分の面積を大き
くして振動する半径を小さくすればよい。振動を押えす
ぎると感度が下がるので、所望の使用周波数帯より僅か
に上にするようにする。

【００１４】又、圧電バイモルフのベンディングモード
を用いてセンサ素子として用いる場合、圧電バイモルフ
の両面に電極をめっき等により形成し、ここに電極端子
を半田付けして信号を取り出す。しかし、両面を金属板
で挟み込みねじ止めすると、両面の電極が短絡してしま
う。そこで、圧電バイモルフおよび金属板にねじの外径
よりも大きな穴をあけておき、ねじとの間にテフロン等
の絶縁物を入れ短絡を防いだ。又、同様の観点より金属
板のバイモルフと接していない面にも絶縁物を挟み込ん
だ。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の衝撃セ
ンサにおける圧電バイモルフの固定状態を示す断面図で
あり、図２は本発明の衝撃センサを用いた測定装置の構
成図であり、図３は、本発明の衝撃センサと従来の衝撃
センサの周波数特性図である。

【００１６】図１において、外径１８ｍｍ、厚み１ｍｍ
のピエゾ・セラミックスの両面に銀ペーストを塗布、焼
付けし電極を形成する。これを分極した後、分極方向が
互いに向かい合うように２枚接着し、圧電バイモルフ２
を作製し、その中心部に３．５ｍｍの直径の穴を開け
た。

【００１７】次に、ＳＵＳ３０４（ステンレス）によっ
て架台１を作製し、ねじ部７の周りに圧電バイモルフ２
及び金属板３との絶縁をとるため、テフロンチューブ４
を差し込んだ。又、金属板３は、直径６ｍｍ、厚み２ｍ
ｍのＳＵＳ３０４の円板状で、中心に直径３．５ｍｍの
穴を開けている。この金属板３の片面に架台１及びナッ
ト６との絶縁を確保するためのテフロンシート５を貼り
付けた。

【００１８】圧電バイモルフ２をこのテフロンシート５
を貼った金属板３で挟み、ねじ部７とナット６とでねじ
止めする。又、圧電バイモルフ２の電極表面に細いリー
ド線９を半田点８で半田付けし、増幅回路等の処理回路
に接続する。

【００１９】測定は、図２の様な構成から成る測定装置
を用い、加振機１２の上に本発明の衝撃センサ１３をね
じ止めで固定して測定する。尚、本測定では、３０Ｈｚ
〜１０ｋＨｚの範囲で衝撃周波数をスイープし、その時
の電圧感度を記録した。

【００２０】上記測定方法による周波数特性を図３に示
す。本発明による衝撃センサの周波数特性１６からわか
るように、１０ｋＨｚまでに共振による感度のピークは
無く、目的の周波数特性が得られている。又、比較のた
め、中心部を単にねじ止めした場合の従来の衝撃センサ
の周波数特性１７を示した。

【００２１】図３からわかるように、従来の衝撃センサ
は、感度が本発明による衝撃センサよりも高いが、共振
に伴う感度のピークがあり先に述べたような目的に使用
するのは不適である。

【００２２】又、従来構造で、中心部をねじ止め固定し
て共振周波数が１０ｋＨｚ以上になるように、外径を小
さくして３ｍｍにした場合の従来の衝撃センサの周波数
特性１８を示した。この場合、固定の部分のねじの径は
１．２ｍｍとしてある。このように、共振によるピーク
は無いが、感度が絶対的に低く、ノイズとの判別が困難
である。

【００２３】尚、本発明で圧電バイモルフを両面より挟
み込む円板状の金属板を圧電バイモルフの直径が１／２
以上では、感度が低く、１／５以下では、効果が小さ
い。良好な感度で所望の周波数特性を得るためと、薄厚
の圧電バイモルフの振動等による破損を防止するために
は、実験的には１／３程度が望ましい。金属板の厚みを
圧電バイモルフの２倍以上としたのは、２倍以下の場
合、圧電バイモルフの振動と共に共振してしまい、圧電
バイモルフの共振周波数が低下するためである。

【００２４】

【発明の効果】以上のごとく、本発明によれば、高感度
で共振周波数が高く、高周波数の衝撃に対しても一様な
電圧を発生する衝撃センサを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の衝撃センサにおける圧電バイモルフの
固定状態を示す断面図。

【図２】本発明の衝撃センサを用いた測定装置の構成
図。

【図３】衝撃センサの周波数特性図。

【符号の説明】

１ 架台 ２ 圧電バイモルフ ３ 金属板 ４ テフロンチューブ ５ テフロンシート ６ ナット ７ ねじ部 ８ 半田点 ９ リード線 １０ 発信機 １１ アンプ １２ 加振機 １３ 衝撃センサ １４ 加振機校止用センサ（ピックアップ） １５ 処理回路 １６ 本発明の衝撃センサの周波数特性 １７ 従来の衝撃センサの周波数特性 １８ 従来の衝撃センサの固定構造で共振周波数を上
げた場合の周波数特性

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円板状でバイモルフ構造の圧電セラミッ
   ク（以下圧電バイモルフと称す）の中心部をねじ止めに
   より固定して衝撃を検知する衝撃センサにおいて、前記
   圧電バイモルフを、前記圧電バイモルフの外径の１／２
   ないし１／５の直径で、厚みが２倍以上の金属板で挟み
   込み、圧電バイモルフおよび金属板の中心部に前記ねじ
   の外径より大きな穴をあけ、ねじとの間及び金属板の圧
   電バイモルフと接していない面に絶縁物を挟み込んでね
   じ止めにより架台に固定することを特徴とする衝撃セン
   サ。