JPWO2020230270A1 - 振動センサ - Google Patents

Abstract

被検体（１００，１００ａ）は、被検体（２００）の振動と同期して被検体（２００）とともに振動するセンサ外殻（１１０）と、一面に、第１すだれ状電極（１２２）と、第１端子（１２１）と、第２すだれ状電極（１２４）と、第２端子（１２３）とが配置され、且つ、センサ外殻（１１０）に固定された状態でセンサ外殻（１１０）の内部に配置され、且つ、センサ外殻（１１０）の振動と同期してセンサ外殻（１１０）とともに振動する圧電基板（１２０）と、第２端子（１２３）から出力された信号を入力信号として受信し、受信した入力信号を増幅し、増幅後の入力信号を出力信号として第１端子（１２１）に送信する増幅器（１３０）と、一面が、圧電基板（１２０）の他面に接着された、弾性を有する変形層（１４０）と、一面が、変形層（１４０）の他面に接着された重量物（１５０）と、を備えた。

Description

この発明は、振動センサに関するものである。

被検体の振動と同期して被検体とともに所定部位を振動させ、所定部位の振動を電気信号に変換することより、被検体の振動を検知する振動センサがある。
例えば、特許文献１には、圧電基板と、入力用すだれ状電極と、出力用すだれ状電極と、ダイアフラムと、増幅器と、振動伝搬体とから成り、振動伝搬体に接触される被検体において発生する振動音を検出する振動音検出センサが開示されている。

特開２０１３−５７６２７号公報

しかしながら、特許文献１に開示された振動音検出センサのような所定部位が被検体に固定される従来の振動センサは、被検体において発生する振動が低周波振動である場合、振動センサ全体が当該振動と同期して被検体とともに移動してしまう。すなわち、当該場合、従来の振動センサは、所定部位の振動を電気信号に変換する部位が、所定部位に対して相対的に振動しない状態となるため、被検体の振動を電気信号に変換することができない。

この発明は、上述の問題点を解決するためのもので、被検体において発生する低周波振動を検出することができる振動センサを提供することを目的とする。

この発明に係る振動センサは、被検体の振動と同期して被検体とともに振動するセンサ外殻と、一面に、第１すだれ状電極と、第１すだれ状電極に信号を入力するための第１端子と、第２すだれ状電極と、第２すだれ状電極から信号を出力するための第２端子とが配置され、且つ、センサ外殻に固定された状態でセンサ外殻の内部に配置され、且つ、センサ外殻の振動と同期してセンサ外殻とともに振動する圧電基板と、第２端子から出力された信号を入力信号として受信し、受信した入力信号を増幅し、増幅後の入力信号を出力信号として第１端子に送信する増幅器と、一面が、圧電基板の他面に接着された、弾性を有する変形層と、一面が、変形層の他面に接着された重量物と、を備えた。

この発明によれば、被検体において発生する低周波振動を検出することができる。

図１は、実施の形態１に係る振動センサの要部の構造の一例を示す断面図である。 図２は、実施の形態１に係る圧電基板の一面における要部の構成の一例を示す構成図である。 図３は、実施の形態１に係る変形層に照射された超音波の伝達経路の一例を示す図である。 図４は、実施の形態１に係る振動センサにおいて、被検体が振動していない定常状態において出力端子から出力される信号の一例を示す図である。 図５は、実施の形態１に係る振動センサにおいて、被検体が振動している状態において出力端子から出力される信号の一例を示す図である。 図６は、実施の形態２に係る振動センサの要部の構成の一例を示す断面図である。 図７は、実施の形態２に係る振動センサの要部の構成の一例を示す断面図である。 図８は、実施の形態１に係る振動センサが被検体に固定された状態の一例を示す振動センサの断面図である。 図９は、実施の形態２に係る振動センサが被検体に固定された状態の一例を示す振動センサの断面図である。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

実施の形態１．
図１，２を参照して実施の形態１に係る振動センサ１００の構成について説明する。
図１は、実施の形態１に係る振動センサ１００の要部の構造の一例を示す断面図である。なお、図１において、振動センサ１００から被検体２００に向かう方向に重力加速度が働いているものとする。
実施の形態１に係る振動センサ１００は、センサ外殻１１０、圧電基板１２０、増幅器１３０、変形層１４０、重量物１５０、及び、出力端子１９０を備える。
センサ外殻１１０は、セラミック又は金属等の剛性が高い素材により構成される。センサ外殻１１０は、被検体２００に固定される。センサ外殻１１０は、被検体２００の振動と同期して被検体２００とともに振動する。

圧電基板１２０は、圧電体により構成されている。
圧電基板１２０は、センサ外殻１１０に固定された状態でセンサ外殻１１０の内部に配置され、且つ、センサ外殻１１０の振動と同期してセンサ外殻１１０とともに振動する。圧電基板１２０は、嵌合又はビス止め等の高い剛性を有する構造によりセンサ外殻１１０に固定されている。また、圧電基板１２０は、一面に、第１すだれ状電極１２２と、第１すだれ状電極１２２に信号を入力するための第１端子１２１と、第２すだれ状電極１２４と、第２すだれ状電極１２４から信号を出力するための第２端子１２３とが配置されている。

図２は、実施の形態１に係る圧電基板１２０の一面における要部の構成の一例を示す構成図である。
図２に示すように、第１すだれ状電極１２２及び第２すだれ状電極１２４は、それぞれ、複数の電極対を有する。第１すだれ状電極１２２における電極対の一方は、第１端子１２１と接続され、他方は、接地されている。また、第２すだれ状電極１２４における電極対の一方は、第２端子１２３と接続され、他方は、接地されている。図２に示す第１すだれ状電極１２２及び第２すだれ状電極１２４は、いずれも弧状の形状を有しているが、第１すだれ状電極１２２及び第２すだれ状電極１２４の形状は、弧状の形状に限定されるものではなく、矩形の形状等であっても良い。また、図２に示す圧電基板１２０は円形状を有しているが、圧電基板１２０の形状は円形状に限定されるものではなく、センサ外殻１１０の形状に合わせて、例えば、矩形の形状等であっても良い。

増幅器１３０は、第２端子１２３から出力された信号を入力信号としてし、受信した入力信号を増幅し、増幅後の入力信号を出力信号として出力する。増幅器１３０は、不図示の駆動電源から電力供給を受けることにより入力信号を増幅する。増幅器１３０から出力された出力信号の一部は、第１端子１２１に送信され、残部は、出力端子１９０に送信される。
出力端子１９０は、増幅器１３０から受けた出力信号を不図示の信号解析装置等の外部装置に出力するための端子である。

変形層１４０は、一面が、圧電基板１２０の他面に接着されている。変形層１４０と圧電基板１２０とは、樹脂系接着剤等の接着剤により接着される。変形層１４０は、弾性を有する。変形層１４０は、合成樹脂等の弾性素材等により構成される。変形層１４０は、外力により変形し、且つ、超音波を伝達可能な素材により構成されていれば、変形層１４０を構成する素材は合成樹脂に限るものではない。また、変形層１４０と圧電基板１２０とを接着する接着剤は、圧電基板１２０が発する超音波を変形層１４０に伝達し、変形層１４０から伝達された超音波を圧電基板１２０に伝達可能なものであれば、樹脂系接着剤に限るものではない。

重量物１５０は、一面が、変形層１４０の他面に接着されている。重量物１５０と変形層１４０とは、樹脂系接着剤等の接着剤により接着される。重量物１５０は、銅、鉛、若しくは鉄等の金属、又は、ステンレス等の合金等の比重の大きい物質により構成される。重量物１５０と変形層１４０とを接着する接着剤、及び重量物１５０は、変形層１４０を伝達した超音波が、重量物１５０と変形層１４０との界面、すなわち、重量物１５０と変形層１４０との接着面において反射する物質により構成される。

上述のように、被検体２００が振動すると、被検体２００の振動と同期して、センサ外殻１１０が被検体２００とともに振動する。さらに、圧電基板１２０は、センサ外殻１１０に固定されているため、圧電基板１２０は、センサ外殻１１０の振動と同期してセンサ外殻１１０とともに振動する。ここで、重量物１５０は、慣性によりその場に留まろうとする。結果として、重量物１５０は、被検体２００の振動に起因して振動する圧電基板１２０に対して相対的に振動する。したがって、変形層１４０は、弾性素材により構成されていることから、圧電基板１２０と重量物１５０との間の挟まれた変形層１４０は、重量物１５０の圧電基板１２０に対する相対的な振動に合わせて変形することになる。すなわち、変形層１４０は、被検体２００が振動すると、被検体２００の振動に合わせて変形する。なお、重量物１５０は、変形層１４０を圧電基板１２０の振動に合わせて変形させるために必要な重量を有するものである。

図３から図５を参照して実施の形態１に係る振動センサ１００の動作について説明する。
第１すだれ状電極１２２は、第１端子１２１を介して、不図示の信号発生器から出力された電気信号が印加される。信号発生器から第１すだれ状電極１２２に印加される電気信号は、例えば、第１すだれ状電極１２２の電極周期長に対応する中心周波数に略等しい周波数を有する。第１すだれ状電極１２２は、信号発生器から電気信号が印加されると、第１すだれ状電極１２２の電極周期長に略等しい波長を有する漏洩ラム波を圧電基板１２０に効率よく励振する。
圧電基板１２０は、漏洩ラム波を、圧電基板１２０と変形層１４０との界面においてモード変換し、縦波である超音波を変形層１４０に照射する。

図３は、実施の形態１に係る変形層１４０に照射された超音波の伝達経路の一例を示す図である。
変形層１４０は、圧電基板１２０から照射された超音波を伝達する。変形層１４０により伝達された超音波は、変形層１４０と重量物１５０との界面において反射する。当該界面において反射した超音波の反射波は、変形層１４０により伝達され、圧電基板１２０に至る。
圧電基板１２０に至った超音波の反射波は、第２すだれ状電極１２４により、第２すだれ状電極１２４の電極周期長に対応する周波数を有する電気信号として検出される。第２すだれ状電極１２４により検出された電気信号は、第２端子１２３を介して、増幅器１３０に入力信号として入力される。なお、第２すだれ状電極１２４は、第１すだれ状電極１２２の電極周期長と略等しい電極周期長を有する。

上述のとおり、増幅器１３０は、入力信号を増幅して、増幅後の入力信号を出力信号として出力し、増幅器１３０から出力された出力信号の一部は、第１端子１２１に送信され、残部は、出力端子１９０に送信される。
第１すだれ状電極１２２は、第１端子１２１を介して、増幅器１３０から出力された出力信号の一部が印加される。
このようにして、第１すだれ状電極１２２、圧電基板１２０、第２すだれ状電極１２４、及び増幅器１３０により、帰還型の発振器が構成される。

図４は、実施の形態１に係る振動センサ１００において、被検体２００が振動していない定常状態において出力端子１９０から出力される信号の一例を示す図である。
図４において、横軸は時間、縦軸は信号の振幅の大きさである。
図４に示すように、出力端子１９０から出力される信号は、被検体２００が振動していない定常状態において、一定の周期を有する。

上述のとおり、変形層１４０は、被検体２００が振動すると、被検体２００の振動に合わせて変形する。
変形層１４０が変形することにより、変形層１４０により伝達される超音波の伝達距離が変化する。特に、被検体２００が振動することにより、センサ外殻１１０が、圧電基板１２０、変形層１４０、及び重量物１５０が積層される方向（以下「積層方向」という。）に振動する場合、超音波の伝達距離が変化する。超音波の伝達距離が変化すると、超音波の反射波は、ドップラ効果により反射前の周波数と比較して、周波数の変化が生じる。

図５は、実施の形態１に係る振動センサ１００において、被検体２００が振動している状態において出力端子１９０から出力される信号の一例を示す図である。
図５において、横軸は時間、縦軸は信号の振幅の大きさである。
図５に示すように、出力端子１９０から出力される信号は、被検体２００が振動している状態において、周期が変化する。
信号解析装置等の外部装置は、出力端子１９０から出力される信号の周期、周波数又は位相等の変化を検知することにより、被検体２００が振動しているか否かを判定する。例えば、振動センサ１００と、信号解析装置等の外部装置とにより、被検体２００の振動を検知する振動検知システムが構成される。

以上のように、振動センサ１００は、被検体２００の振動と同期して被検体２００とともに振動するセンサ外殻１１０と、一面に、第１すだれ状電極１２２と、第１すだれ状電極１２２に信号を入力するための第１端子１２１と、第２すだれ状電極１２４と、第２すだれ状電極１２４から信号を出力するための第２端子１２３とが配置され、且つ、センサ外殻１１０に固定された状態でセンサ外殻１１０の内部に配置され、且つ、センサ外殻１１０の振動と同期してセンサ外殻１１０とともに振動する圧電基板１２０と、第２端子１２３から出力された信号を入力信号として受信し、受信した入力信号を増幅し、増幅後の入力信号を出力信号として第１端子１２１に送信する増幅器１３０と、一面が、圧電基板１２０の他面に接着された、弾性を有する変形層１４０と、一面が、変形層１４０の他面に接着された重量物１５０と、を備えた。

このように構成することで、振動センサ１００は、被検体２００において発生する低周波振動を検出することができる。

実施の形態２．
図６，７を参照して実施の形態２に係る振動センサ１００ａについて説明する。
図６は、実施の形態２に係る振動センサ１００ａの要部の構成の示す断面図である。
図７は、実施の形態２に係る振動センサ１００ａの要部の構成の示す断面図である。
実施の形態２に係る振動センサ１００ａは、実施の形態１に係る振動センサ１００に、保護層１６０を追加したものである。
実施の形態２に係る振動センサ１００ａの構成において、実施の形態１に係る振動センサ１００と同様の構成については、同じ符号を付して重複した説明を省略する。すなわち、図１に記載した符号と同じ符号を付した図６及び図７の構成については、説明を省略する。

実施の形態２に係る振動センサ１００ａは、センサ外殻１１０、圧電基板１２０、増幅器１３０、変形層１４０、重量物１５０、保護層１６０、及び、出力端子１９０を備える。
保護層１６０は、一部が、重量物１５０の一面に対向する重量物１５０の他面に固定され、他部が、センサ外殻１１０の内壁に固定されている。
保護層１６０は、弾性を有する。保護層１６０は、樹脂等の弾性体等により構成されている。

図６は、一例として、保護層１６０が樹脂等の弾性体等により構成された振動センサ１００ａを示している。
図６に示す保護層１６０は、例えば、保護層１６０の一面が、重量物１５０の他面に接着されることにより固定され、保護層１６０の一面に対向する保護層１６０の他面が、センサ外殻１１０の内壁に接着されることにより固定されている。保護層１６０と重量物１５０とは、樹脂系接着剤等の接着剤等により接着される。また、保護層１６０とセンサ外殻１１０の内壁とは、樹脂系接着剤等の接着剤等により接着される。
なお、図６は、一例として、重量物１５０の他面の全面に亘って保護層１６０が接着されている場合を示しているが、保護層１６０は、重量物１５０の他面の全面に亘って接着されるものに限るものでなく、重量物１５０の他面の一部に接着されるものであったも良い。

また、保護層１６０は、バネ構造を有するものであっても良い。
図７は、一例として、保護層１６０がバネ構造として金属又は樹脂等からなるバネにより構成された振動センサ１００ａを示している。
図７に示す保護層１６０であるバネは、一端が、重量物１５０の他面に固定され、他端が、センサ外殻１１０の内壁に固定されている。保護層１６０であるバネと重量物１５０とは、樹脂系接着剤等の接着剤等により固定される。また、保護層１６０であるバネとセンサ外殻１１０の内壁とは、樹脂系接着剤等の接着剤等により固定される。
なお、図７は、一例として、保護層１６０であるバネが１個である場合を示しているが、保護層１６０であるバネは、１個に限るものではなく、保護層１６０は、バネ構造を有するものであれば、複数のバネにより構成されたものであっても良い。

被検体２００の振動幅が大きい場合、又は、被検体２００の振動周期が圧電基板１２０と重量物１５０とに挟まれた変形層１４０の固有振動数に対応する周期に略等しい場合等において、変形層１４０の変形が大きくなり、重量物１５０がセンサ外殻１１０の内壁に衝突してしまう場合、又は、変形層１４０が塑性変形してしまう場合等が発生する。
保護層１６０は、重量物１５０のセンサ外殻１１０に対する振動の大きさを制限でき、結果として、変形層１４０の変形を制限することができる。

以上のように、振動センサ１００ａは、被検体２００の振動と同期して被検体２００とともに振動するセンサ外殻１１０と、一面に、第１すだれ状電極１２２と、第１すだれ状電極１２２に信号を入力するための第１端子１２１と、第２すだれ状電極１２４と、第２すだれ状電極１２４から信号を出力するための第２端子１２３とが配置され、且つ、センサ外殻１１０に固定された状態でセンサ外殻１１０の内部に配置され、且つ、センサ外殻１１０の振動と同期してセンサ外殻１１０とともに振動する圧電基板１２０と、第２端子１２３から出力された信号を入力信号として受信し、受信した入力信号を増幅し、増幅後の入力信号を出力信号として第１端子１２１に送信する増幅器１３０と、一面が、圧電基板１２０の他面に接着された、弾性を有する変形層１４０と、一面が、変形層１４０の他面に接着された重量物１５０と、一部が、重量物１５０の一面に対向する重量物１５０の他面に固定され、他部のうちの一部が、センサ外殻１１０の内壁に固定された、弾性を有する保護層１６０とを備えた。

このように構成することで、振動センサ１００ａは、被検体２００において発生する低周波振動を検出することができる。
また、このように構成することで、振動センサ１００ａは、重量物１５０のセンサ外殻１１０に対する振動の大きさを制限し、結果として、変形層１４０の変形を制限することができる。振動センサ１００ａは、重量物１５０のセンサ外殻１１０に対する振動の大きさを制限できることにより、振動センサ１００ａは、重量物１５０がセンサ外殻１１０の内壁に衝突することを抑制することができる。また、変形層１４０の変形を制限することができることにより、振動センサ１００ａは、変形層１４０が塑性変形することを抑制することができる。
また、このように構成することで、重量物１５０による荷重の全てが圧電基板１２０にかかることを抑制することができる。

実施の形態３．
図８及び図９を参照して、振動センサ１００又は振動センサ１００ａの被検体２００に対する固定例について説明する。
図８は、実施の形態１に係る振動センサ１００が被検体２００に固定された状態の一例を示す振動センサ１００の断面図である。
図９は、実施の形態２に係る振動センサ１００ａが被検体２００に固定された状態の一例を示す振動センサ１００ａの断面図である。
なお、図８及び図９において、被検体２００から振動センサ１００又は振動センサ１００ａに向かう方向に重力加速度が働いているものとする。
図１に示す実施の形態１に係る振動センサ１００、及び、図６又は図７に示す実施の形態２に係る振動センサ１００ａは、積層方向における圧電基板１２０に対して重量物１５０がある側のセンサ外殻１１０の外壁と、被検体２００とが固定されるものであった。

これに対して、図８に示す振動センサ１００、及び、図９に示す振動センサ１００ａは、積層方向における圧電基板１２０に対して重量物１５０がない側のセンサ外殻１１０の外壁と、被検体２００とが固定されたものである。
なお、図８に示す振動センサ１００、及び、図９に示す振動センサ１００ａは、当該外壁と被検体２００とを固定するために、出力端子１９０に位置が、積層方向にあるセンサ外殻１１０の外壁とは異なる外壁に配置されている。
振動センサ１００及び振動センサ１００ａは、図８又は図９に示すような状態で被検体２００に固定した場合でも、実施の形態１又は実施の形態２で説明した振動検知を行うことが可能である。

特に、図９に示す振動センサ１００ａは、保護層１６０を備えることにより、重量物１５０による荷重の全てが圧電基板１２０にかかることを抑制することができる。

なお、この発明はその発明の範囲内において、各実施の形態、若しくは実施の形態の変形例の自由な組み合わせ、各実施の形態、若しくは実施の形態の変形例における任意の構成要素の変形、又は、各実施の形態、若しくは実施の形態の変形例において任意の構成要素の省略が可能である。
また、振動センサ１００又は振動センサ１００ａは、増幅器１３０をセンサ外殻１１０の外側に備えることも可能である。
また、振動センサ１００又は振動センサ１００ａは、増幅器１３０をセンサ外殻１１０の内側に備える場合、増幅器１３０に印加する駆動電力は直流電圧であり、駆動電力は出力端子１９０から出力される信号の周波数とは異なるため、出力端子１９０を介して駆動電力を供給することが可能である。
また、振動センサ１００又は振動センサ１００ａは、従来の振動センサが有する、計測する振動の方向を限定する機能等の付帯機能を備えたものであっても良い。

この発明に係る振動センサは、振動検知システムに適用することができる。

１００，１００ａ 振動センサ、１１０ センサ外殻、１２０ 圧電基板、１２１ 第１端子、１２２ 第１すだれ状電極、１２３ 第２端子、１２４ 第２すだれ状電極、１３０ 増幅器、１４０ 変形層、１５０ 重量物、１６０ 保護層、１９０ 出力端子、２００ 被検体。

Claims (5)

1. 被検体の振動と同期して前記被検体とともに振動するセンサ外殻と、
   一面に、第１すだれ状電極と、前記第１すだれ状電極に信号を入力するための第１端子と、第２すだれ状電極と、前記第２すだれ状電極から信号を出力するための第２端子とが配置され、且つ、前記センサ外殻に固定された状態で前記センサ外殻の内部に配置され、且つ、前記センサ外殻の振動と同期して前記センサ外殻とともに振動する圧電基板と、
   前記第２端子から出力された信号を入力信号として受信し、受信した前記入力信号を増幅し、増幅後の前記入力信号を出力信号として前記第１端子に送信する増幅器と、
   一面が、前記圧電基板の他面に接着された、弾性を有する変形層と、
   一面が、前記変形層の他面に接着された重量物と、
   を備えたこと
   を特徴とする振動センサ。
2. 前記変形層は、樹脂により構成されたこと
   を特徴とする請求項１記載の振動センサ。
3. 一部が、前記重量物の一面に対向する前記重量物の他面に固定され、他部のうちの一部が、前記センサ外殻の内壁に固定された、弾性を有する保護層を備えたこと
   を特徴とする請求項１又は請求項２記載の振動センサ。
4. 前記保護層は、樹脂により構成されたこと
   を特徴とする請求項３記載の振動センサ。
5. 前記保護層は、バネ構造を有すること
   を特徴とする請求項３記載の振動センサ。

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