WO2013027741A1 - 圧電振動センサ - Google Patents

Abstract

金属板に固着された圧電素子を含む圧電構造体と、該圧電構造体を支持する基台とを備えた圧電振動センサであって、圧電構造体は両もち梁構造で支持され、かつ、外部振動に対して圧電構造体の厚み方向の変位を拡大させる変位量拡大部を備え、変位量拡大部は、少なくとも圧電素子の長手方向の端部より当該圧電素子の中央側の位置に形成されている。

Description

圧電振動センサ

　本発明は圧電振動センサに関し、特に感度が高く広い周波数帯域を兼ね備えた圧電振動センサに関する。

　パーソナルコンピュータや事務機器等の電子端末、それら電子端末を構成する電子部品、各種産業機器や製造設備、ビルや橋梁等の大型構造物の振動特性評価、異常振動検知、耐震性調査等のために圧電振動センサが広く使用されている。
　圧電振動センサは、現在までに様々な種類が開発され、各々の特徴を生かして測定対象物や測定環境に合わせた利用が図られている。
　しかし、圧電振動センサは高感度に振動等を計測できるが、さらなる計測感度の向上が望まれている。このような圧電振動センサの感度向上を図る提案として、特開２００９−２５０７８４号公報がある。
　特開２００９−２５０７８４号公報においては、図１１に示すような構成の加速度検知装置が提案されている。この加速度検知装置１００は、固定側支持片１０１、可動側支持片１０２、固定側支持片１０１と可動側支持片１０２とによって両端部が夫々支持された二本の平行な駆動腕１０３（１０３ａ，１０３ｂ）、及び二本の駆動腕１０３の間に平行に配置され且つ固定側支持片１０１により基端部を片持ち支持された短尺な検出腕１０４、を備える。
　駆動腕１０３が支持されている固定側支持片１０１及び可動側支持片１０２には、くびれ部１０５（１０５ａ，１０５ｂ）、１０６（１０６ａ，１０６ｂ）が形成されると共に、くびれ部１０５の間に位置する固定側支持片１０１に貫通穴１０７が形成されている。
　このくびれ部１０５，１０６は、Ｘ−Ｙ平面上での駆動腕１０３の変位が大きくなるように設けられている。即ち、くびれ部１０５，１０６を設けることにより、駆動腕１０３の支持領域１１０は変形が容易となり、当該支持領域１１０は恰も回転軸のように振る舞う。
　従って、支持領域１１０による駆動腕１０３の変形を規制する力が小さくなる。また、貫通穴１０７は検出腕１０４の支持領域１１１に形成されているので、片持ち構造の検出腕１０４は、Ｘ−Ｙ平面に平行な外部からの加速度に対して大きく変位することができる。検出腕１０４が大きく変位できることは、外部からの加速度に対する検出感度が高くなることを意味している。

　しかしながら、特開２００９−２５０７８４号公報においてはくびれ部１０５，１０６や貫通穴１０７は、支持領域１１０，１１１に設けられているため、外部からの加速度に対する変形による疲労が蓄積され易い問題があった。
　即ち、外部からの加速度に対する変形応力が、この支持領域１１０，１１１に集中し易いため、破損が生じ易い。従って、寿命が短くなってしまう問題がある。
　そこで、本発明の主目的は、寿命低下を抑制しながら高精度の検出感度を持つ圧電振動センサを提供することである。
（課題を解決するための手段）
　上記課題を解決するため、本発明にかかる圧電振動センサは、圧電構造体を両もち梁構造で支持し、かつ、外部振動に対して圧電構造体の厚み方向の変位を拡大させる変位量拡大部を備え、変位量拡大部は、少なくとも圧電素子の長手方向の端部より当該圧電素子の中央側の位置に形成されていることを特徴とする。
（発明の効果）
　本発明によれば、変位量拡大部を設けたので、寿命低下を抑制しながら高精度な検出感度を持つ圧電振動センサが得られる。

本発明の第１の実施形態にかかる圧電振動センサの斜視図である。 図１のＡ−Ａ線における圧電振動センサの断面図である。 第１の実施形態にかかる圧電構造体の屈曲状態を示す模式図である。 第１の実施形態にかかる圧電素子の内側に矩形状の貫通孔の変位量拡大部を形成した圧電振動センサの斜視図である。 本発明の第２の実施形態にかかる圧電振動センサの斜視図である。 第２の実施形態にかかる圧電素子に切欠の変位量拡大部を形成し、金属板に矩形穴の変位量拡大部を形成した圧電振動センサの斜視図である。 第２の実施形態にかかる金属板に矩形穴の変位量拡大部を形成した圧電振動センサの斜視図である。 本発明の第３の実施形態にかかる圧電振動センサの斜視図である。 第３の実施形態にかかる金属板の上下の面に圧電素子を形成した圧電振動センサの斜視図である。 本発明の実施例における試験結果を示す図である。 関連発明の説明に適用される加速度検知装置の平面図である。

　＜第１の実施形態＞
　本発明の第１の実施形態を説明する。図１は、本実施形態にかかる圧電振動センサ２の斜視図であり、図２は図１のＡ−Ａ線における圧電振動センサ２の断面図である。
　圧電振動センサ２は、圧電構造体１０と、この圧電構造体１０を両持ち梁構造で支持する基台１３と、これらを収納するパッケージ１５とを備えている。圧電構造体１０は、圧電素子１１、金属板１２、変位量拡大部２０等を含んでいる。
　なお、図２に示すように、パッケージ１５は、上パッケージ１５ａと下パッケージ１５ｂとにより構成され、下パッケージ１５ｂが基台１３を兼ねている。
　圧電素子１１は、チタンジルコン酸鉛を組成とする圧電セラミック材料により形成されている。その寸法としては、長さ１５ｍｍ、幅３．５ｍｍ、厚さ１ｍｍが例示できる。なお、圧電素子１１には、少なくとも１以上の変位量拡大部２０が設けられている。この変位量拡大部２０については、後述する。
　本明細書において、長さは図１のＸ軸方向、幅はＹ軸方向、厚さはＺ軸方向の寸法とする。また、以下においては、圧電素子１１の「主軸感度方向」の用語を用いるが、この主軸感度方向とは、圧電素子１１の厚み方向を言い、図１においてＺ軸方向に対応している。
　金属板１２は、りん青銅等を材料に形成されて、その面に圧電素子１１が接着されている。金属板１２の寸法は、長さ２３ｍｍ、幅５ｍｍ、厚み０．１２ｍｍが例示できる。金属板１２は、圧電素子１１より長い寸法（図１においてＸ軸方向の寸法）に形成されて、外部振動により金属板１２が大きく変位（屈曲）するようになっている。これにより圧電素子１１も大きく屈曲して、圧電素子１１により外部振動が高精度で検出される。
　基台１３は、中央に凹部１３ａを備える。そして、凹部１３ａの縁端領域１３ｂにより圧電構造体１０が支持されている。このとき、図２に示すように、縁端領域１３ｂと圧電素子１１とは距離Ｄ１離して設けられ、また縁端領域１３ｂと変位量拡大部２０とは、所定の距離Ｄ２（Ｄ２＞Ｄ１）だけ離して設けられている。
　即ち、圧電構造体１０は、両持ち梁構造で支持されている。このように、両持ち梁構造とすることで、高周波の振動が検出できるようになる。両持ち梁構造とすることで圧電構造体１０の自己共振周波数が高くなる。従って、検出振動の周波数帯域が広帯域化される。
　なお、凹部１３ａの深さは、圧電構造体１０の最大振幅を規制しない深さに設定されている。無論、この最大振幅は、圧電素子１１が損傷を受けることがない振幅である。従って、想定される外部振動により圧電素子１１が主軸感度方向に屈曲しても、金属板１２は凹部１３ａの底面に接触することがない。
　金属板１２と圧電素子１１との上パッケージ１５ａ側の面には、電極１１ａ，１１ｂが形成されている。また、この電極１１ａ，１１ｂにはケーブル等が接続されて、図示しない外部の計測機器に検出信号が出力できるようになっている。このような電極１１ａ，１１ｂは、銀等を材料として形成することができ、その寸法は、長さ１ｍｍ、幅１ｍｍ、厚み０．０５ｍｍが例示できる。
　次に、圧電素子１１に設けた変位量拡大部２０について説明する。なお、図１においては、変位量拡大部２０としてＸ軸方向に長い圧電素子１１の両端近傍の長辺位置に円弧状の切欠を設けた場合を示している。しかし、本実施形態は変位量拡大部２０として切欠に限定するものではない。この点については、後述する変位量拡大部２０（２１ａ，２１ｂ）の作用と共に説明する。
　変位量拡大部２０を設けることにより、この変位量拡大部２０を含む幅方向（Ｙ軸方向）の領域の圧電素子１１の剛性が小さくなる。このため、圧電構造体１０は、変位量拡大部２０において大きな屈曲率を示すようになる。
　図３は、圧電構造体１０の屈曲状態を示す模式図である。図３において、実線の曲線Ｃ１は変位量拡大部２０を設けた場合の圧電構造体１０の屈曲状態を示し、点線の曲線Ｃ２は変位量拡大部２０を設けない場合の圧電構造体１０の屈曲状態を示している。
　領域Ａは、金属板１２が基台１３に固着された領域で、圧電構造体１０が屈曲しない領域である。領域Ｂは、概ね金属板１２の剛性に基づき圧電構造体１０が屈曲する領域である。以下、領域Ｂのように金属板１２のみの領域を自由屈曲領域と記載する。領域Ｃは、圧電素子１１と金属板１２との剛性に基づき圧電構造体１０が屈曲する領域である。領域Ｄは、変位量拡大部２０に対応する領域で、圧電素子１１と金属板１２との剛性に基づき圧電構造体１０が屈曲する領域である。領域Ｅは、領域Ｃと同様に圧電素子１１と金属板１２との剛性に基づき圧電構造体１０が屈曲する領域である。
　金属板１２は圧電素子１１より弾性率が大きいため、外力により容易に変形できると共に、圧電素子１１を形成する材料のように脆弱でないため、繰り返し応力が加わっても損傷することが少ない。即ち、自由屈曲領域が設けられているので、少ない回数の繰り返し荷重により損傷を受けることが抑制され、かつ、圧電構造体１０の変位量が増大することができる。従って、圧電振動センサ２の寿命低下が防止できると共に、検出感度が向上する。
　また、変位量拡大部２０は、圧電素子１１の両端部近傍に設けられているので、圧電構造体１０が屈曲した際には略一様な曲率で屈曲するようになる（曲線Ｃ２に対応）。即ち、金属板１２だけの領域の剛性は、圧電素子１１と金属板１２とが重なった領域の剛性より小さいので、金属板１２は圧電素子１１の両端部で折れ曲がるように変形する（曲線Ｃ１に対応）。図３の点Ｐは、この折れ曲がった点を示している。
　しかし、変位量拡大部２０を設けることにより、この変位量拡大部２０を含む領域の屈曲量（変位量）が大きくなるので、点Ｐにおける折れ曲がり量が緩和される。図３においては、緩和された折れ曲がり量（変位量）をδで示している。
　点Ｐでの折れ曲がり量が緩和されることは、この点Ｐに集中していた応力が分散されたことを意味し、その一部が領域Ｅで担われることになる。従って、圧電構造体の最大変位量が増大する。図３においては、最大変位量の差をΔで示している。圧電素子１１は変位量（圧電素子１１の歪み量）に応じた電荷を誘起するので、変位量拡大部２０が形成された圧電素子１１の方が外力を高感度に検出できることになる。
　なお、かかる変位量拡大部２０による効果は、縁端領域１３ｂと圧電素子１１とが距離Ｄ１離して設けられ、また縁端領域１３ｂと変位量拡大部２０とが、距離Ｄ１より大きい距離Ｄ２だけ離して設けられている場合に奏される。
　このような変位量拡大部２０の形成位置や形状は、種々の構成が可能である。例えば、図４に示すような構成が可能である。図４は、圧電素子１１の内側に矩形状の貫通孔の変位量拡大部２０（２２ａ，２２ｂ）を形成した場合を示している。貫通孔が矩形孔の場合は、コーナ領域で応力集中が発生し易い。
　しかしながら、圧電素子１１に対する矩形孔の長手方向の寸法（Ｘ軸方向寸法）比が大きくできる場合には、大きな応力集中が抑えられる。また、例え応力集中が発生しても、４つのコーナ領域に応力が分散することになるので、応力集中に対する耐性が高くなる。
　なお、変位量拡大部２０を円孔、楕円孔、長孔のように、幅寸法（Ｙ軸方向寸法）が徐々に変化する場合には、コーナ領域は存在しないので、応力集中の発生は更に抑制できる。
　さらに、例えば図１においては、４つの変位量拡大部２０を設けた場合を図示した。このとき、圧電素子１１の上には電極１１ａが形成されているので、この電極１１ａの領域の剛性は他の領域の剛性より大きくなる。この場合は、電極１１ａの近傍に形成する変位量拡大部２０（２１ａ）を、対向する電極１１ｂの近傍に形成する変位量拡大部２０（２１ｂ）より大きくする。
　例えば、電極１１ａ側の変位量拡大部２０（２１ａ）の幅寸法を電極１１ｂ側の変位量拡大部２０（２１ｂ）の幅寸法より大きくする。これにより、電極１１ａによる剛性の増加分がキャンセルされて、圧電構造体１０は左右対称に屈曲するようになり、検出感度が向上する。
　＜第２の実施形態＞
　次に、本発明の第２の実施形態を説明する。なお、第１の実施形態と同一構成に関しては同一符号を用い説明を適宜省略する。第１の実施形態において、変位量拡大部２０は圧電素子１１に形成されていた。これに対し、本実施形態においては、金属板１２にも変位量拡大部２０を形成した。
　図５は、本実施形態にかかる圧電振動センサ２の斜視図である。図１に示す圧電振動センサ２に対して、金属板１２にも変位量拡大部２０（２３ａ，２３ｂ）が形成されている。そして、圧電素子１１に形成された変位量拡大部２０（２１ａ，２１ｂ）と金属板１２に形成された変位量拡大部２０（２３ａ，２３ｂ）とは、Ｘ軸方向の位置が略同じ位置に形成されている。
　これにより、この変位量拡大部２０における圧電構造体１０の剛性が効率的に小さくできる。従って、圧電構造体１０の変位量を大きくすることが可能になり、圧電振動センサ２の感度が向上する。
　なお、図５に示す変位量拡大部２０は、圧電素子１１と金属板１２とを切り欠くことにより形成されていたが、本発明はこれに限定しない。例えば、図６に示すように、圧電素子１１には切欠きにより変位量拡大部２０（２１ａ，２１ｂ）を形成し、金属板１２には貫通孔により変位量拡大部２０（２４ａ，２４ｂ）を形成しても良い。
　また、本発明は、金属板１２にのみ変位量拡大部２０を形成した構成を除外するものではない。例えば、図７に示すように、金属板１２だけに変位量拡大部２０（２４ａ，２４ｂ）を設けた構成であっても良い。このように金属板１２にのみ変位量拡大部２０（２４ａ，２４ｂ）を設けた場合には、圧電素子１１の面積が減少しない（圧電効果を起こす体積が減少しない）利点がある。
　＜第３の実施形態＞
　次に、本発明の第３の実施形態を説明する。なお、第１の実施形態と同一構成に関しては同一符号を用い説明を適宜省略する。これまで説明した各実施形態においては、１つの圧電振動センサ２には１つの圧電素子１１が設けられていた。これに対し、本実施形態は１つの圧電振動センサ２に複数の圧電素子１１を設けた。
　図８は、本実施形態にかかる圧電振動センサ２の斜視図である。１つの金属板１２に２つの圧電素子１１が対向して設けられている。そして、各圧電素子１１に電極が設けられて、金属板１２に設けられた電極との間に電荷を誘起する。
　このような構成の場合には、少なくとも対向する圧電素子１１の間は、金属板１２のみとなるため、圧電構造体１０の変位量は大きくなる。
　なお、これまで説明した各実施形態においては、圧電素子１１は金属板１２の一方の面にのみ設けた場合について説明したが、例えば図９に示すように、金属板１２の上下の面に設けてもよい。

　次に、上述した各実施形態にかかる圧電振動センサ２の主軸感度を検証した実施例を説明する。主軸感度の検証は、加振器の上に加振方向に圧電振動センサ２の主軸感度方向が一致するように載置し、そのとき圧電振動センサ２の出力を計測することにより行った。評価試料は、第１~第６タイプの圧電振動センサ２を、それぞれ１０個用意した。
　第１タイプは、図１に示す圧電素子１１の端縁部に変位量拡大部２０が形成された圧電振動センサ２である。第２タイプは、図４に示す圧電素子１１の内側に変位量拡大部２０が形成された圧電振動センサ２である。第３タイプは、図５に示す圧電素子１１と金属板１２との端縁部に変位量拡大部２０が形成された圧電振動センサ２である。第４タイプは、図６に示す圧電素子１１の端縁部に変位量拡大部２０が形成され、金属板１２の内側に変位量拡大部２０が形成された圧電振動センサ２である。第５タイプは、図８に示す変位量拡大部２０が形成された圧電素子を２つ並設した圧電振動センサ２である。第６タイプは、図９に示す金属板１２の表裏面に、それぞれ変位量拡大部２０が形成された圧電素子を２つ並設した圧電振動センサ２である。
　なお、比較のために、従来タイプの圧電振動センサ２についても評価した。従来タイプは、図１に示す圧電振動センサ２に対して変位量拡大部２０が設けられていない構造の圧電振動センサ２である。各タイプの評価試料の圧電素子１１、電極１１ａ，１１ｂ、金属板１２等の材質や寸法は、上述した寸法とする。しかし、このことは、本発明を限定するものではない。
　また、切欠の変位量拡大部２０は半径０．５ｍｍと、変位量拡大部２０と基台１３との距離Ｄは２．５ｍｍとした。
　図１０は、評価結果を示した図である。図中○印は、従来タイプの圧電振動センサ２に対して感度が５％以上向上したことを示している。また◎印は、感度が１０％以上向上したことを示している。感度は、振動の周波数がｆ＝５００Ｈｚの場合とｆ＝１ｋＨｚの場合について求めた。
　図１０は、いずれのタイプの圧電振動センサ２であっても、従来タイプより感度が向上していることを示している。即ち、変位量拡大部２０は、感度向上に有効であることが実証された。
　本発明の活用例として、パーソナルコンピュータやＯＡ機器等の電子機器装置およびそれら電子機器装置を構成する電子部品の振動特性評価や異常振動検知に使用される振動センサが挙げられる。また、各種産業機器や製造設備、ビルや橋梁等の大型構造物の振動特性評価や異常振動検知に使用される振動センサも挙げられる。この出願は、２０１１年８月２３日に出願された日本出願特願２０１１−１８１６９２を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

　２　圧電振動センサ
　１０　圧電構造体
　１１　圧電素子
　１１ａ，１１ｂ　電極
　１２　金属板
　１３　基台
　１３ａ　凹部
　１３ｂ　縁端領域
　１５　パッケージ
　１５ａ　上パッケージ
　１５ｂ　下パッケージ
　２０，２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ　変位量拡大部

Claims (7)

1. 　金属板に固着された圧電素子を含む圧電構造体と、該圧電構造体を支持する基台とを備えた圧電振動センサであって、
   　前記圧電構造体は両もち梁構造で支持され、かつ、
   　外部振動に対して前記圧電構造体の厚み方向の変位を拡大させる変位量拡大部を備え、
   　前記変位量拡大部は、少なくとも前記圧電素子の長手方向の端部より当該圧電素子の中央側の位置に形成されていることを特徴とする圧電振動センサ。
2. 　請求項１に記載の圧電振動センサであって、
   　前記圧電構造体を支持する基台の端部と前記圧電素子の端部とが所定量離して形成されていることを特徴とする圧電振動センサ。
3. 　請求項１又は２に記載の圧電振動センサであって、
   　前記圧電素子に電極が形成され、該電極の近傍位置にすくなくとも１つの前記変位量拡大部が形成されていることを特徴とする圧電振動センサ。
4. 　請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧電振動センサであって、
   　前記金属板の少なくとも一方の面に、複数の前記圧電素子が並設されていることを特徴とする圧電振動センサ。
5. 　請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧電振動センサであって、
   　前記変位量拡大部は、前記圧電素子又は前記金属板の少なくとも一方の縁端を切り欠いて形成されていることを特徴とする圧電振動センサ。
6. 　請求項１乃至５のいずれか１項に記載の圧電振動センサであって、
   　前記変位量拡大部は、前記圧電素子又は前記金属板の少なくとも一方の領域内に形成されていることを特徴とする圧電振動センサ。
7. 　請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧電振動センサであって、
   　前記変位量拡大部は、前記圧電素子と前記金属板とに形成され、かつ、
   　前記金属板に形成された前記変位量拡大部と、前記圧電素子に形成された前記変位量拡大部とは、前記圧電構造体の長手方向で略同じ位置に形成されていることを特徴とする圧電振動センサ。

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