JP2012184927A

JP2012184927A - 振動センサ

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Publication number: JP2012184927A
Application number: JP2011046168A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Kasai; 茂葛西; Shigeki Shinoda; 茂樹篠田; Yasuhiro Sasaki; 康弘佐々木
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2011-03-03
Filing date: 2011-03-03
Publication date: 2012-09-27
Anticipated expiration: 2031-03-03
Also published as: JP5786373B2

Abstract

【課題】感度の経年変化が小さく、かつ特性ばらつきが小さい振動センサを提供する。
【解決手段】回路基板と板状圧電素子とを収容する空間を備えた基台と、少なくとも一方の面に圧電素子が接着剤を介して支持されるように基台内に配置された支持板とを備える振動センサであって、支持板は圧電素子の外径より大きな外径を有するとともに両端部が基台内に固定される両もち梁構造を有し、かつ支持板の圧電素子の外周縁に対向する箇所に沿って接着剤のはみ出し部を収容するように形成された溝部を有することを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動センサに関し、特に圧電振動子の構造に関する。

パーソナルコンピュータやＯＡ機器等の電子機器装置、それら電子機器装置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や異常振動検知、耐震性調査などを実施するため広く振動センサが使用されている。振動センサは現在までに様々な種類が開発されており、各々の特徴を生かして測定対象物や測定環境に合わせて使いこなされている。

それら振動センサの種類を概観すると、接触型で測定対象物に生じている加速度の検出に適した圧電型、また速度検出に適した動電型、さらに非接触で変位検出に適した渦電流型や静電容量型等が存在する。この中でも圧電型は小型で広帯域高感度特性を実現しやすい。したがってパーソナルコンピュータ等の端末に搭載し、端末価値を向上させると共にネットワークと連携した新サービスの創出が期待できることから、近年、小型で広帯域高感度保有かつ量産製造技術を高めて低コストを目指した圧電型振動センサの開発が進められている。

その振動センサ装置の関連技術の一例が特許文献１（特開平６−２０１４５１）に開示されている。すなわち、圧電体の両面に設けられた接着層を介して電極が固定された検知部に、荷重体が取り付けられた圧電型振動センサと、検知部に固定された信号処理回路基板がパッケージ内に収納してある。パッケージが収納体と収納体開口上部を覆う収納覆体とで構成され、収納体及び収納覆体が導電性物質から構成されている。収納体に設けられた凹部には圧電型振動センサが収納してある。その圧電型振動センサに固定してある信号処理基板を介して信号処理基板上部に導電層が設けられ信号処理基板および導電層を覆う収納覆体が収納体と一体化している。

しかしながら、この特許文献１に開示された振動センサには主軸感度の経年変化が大きいという問題がある。これは圧電体が支持板を介して信号処理基板と接合された構造となっており、振動印加に伴い、収納体に対して信号処理基板の固定強度が徐々に低下し信号処理基板自体が振動してしまうことに起因する。

そのような問題を回避する手段として、信号処理用基板と圧電素子とを空間的に分離して配置させることにより主軸感度の経年変化を小さくした振動センサ構造が特許文献２（特開２００３−００４７６０）に開示されている。すなわち、図１２に示すように、ケース１００は上方に開口しており、内部の中央には円形状の凹所１１０が形成されている。また、ケース１００の内側面には、回路基板３０がセットされる段部１２０が形成されている。ケース１００における互いに平行な一対の縁部には、上下方向に延びて段部１２０を貫通する複数のピン端子５０がケース１００と一体に固定されている。このピン端子５０は、回路基板３０の外部に対する接続端子である。

加速度検出部２０は、矩形状の金属製薄板からなるダイヤフラム２１の下面中央に、円盤状の重錘２２が溶接等の手段により接合され、ダイヤフラム２１の上面に、ダイヤフラム２１と同形状・同寸法の圧電素子２３が接合されてなるものである。

圧電素子２３は接着剤（図示略）によってダイヤフラム２１に接合されている。図１２に示すように、加速度検出部２０は、重錘２２が凹所１１０に収納され、ダイヤフラム２１および圧電素子２３の縁部がケース１００における凹所１１０の周囲の中段底面１００ａに重なる状態で、ケース１００内に収納されている。圧電素子２３の各接続電極（図示略）は、中段底面１００ａに重なっている縁部の上面側に形成されている。

回路基板３０は、加速度検出部２０が発生した電荷を増幅させるもので、ＩＣチップ等の実装品３１が実装されている。この回路基板３０における互いに平行な一対の縁部には、ピン端子５０が貫通する複数のスルーホール（図示略）が形成されている。回路基板３０は、スルーホールにピン端子５０を通し、縁部をケース１００の段部１２０に当ててセットされる。回路基板３０の下面には、そのセット状態で圧電素子２３の各接続電極に弾性的に当接する接点材３２が接合されている。

加速度検出部２０をケース１００内に収納し、ダイヤフラム２１の縁部をケース１００の中段底面１００ａに接着剤等を用いて接合する。次に、回路基板３０を固定する。各接点材３２は圧電素子２３の各接続電極に弾性的に当接する。次いで、各ピン端子５０を回路基板３０に半田付けする。最後に、ケース１００にカバー４０を嵌め込んで、圧電型加速度センサを構成している。

特開平６−２０１４５１（図１、段落番号１５−２１）特開２００３−００４７６０（図２、段落番号１０−１６）

しかしながら、特許文献２に開示された圧電型加速度センサでは、圧電素子と金属製薄板からなるダイヤフラムとが同一形状であり、両者が接着剤を用いて貼り合わされた構成となっている。したがって、ダイヤフラムの縁部をケースの中段底面に接着剤を用いて接合しているため、接着剤の塗布ばらつきによって、接着剤の一部が圧電素子の縁部に回り込むことが生じ、ダイヤフラムの剛性ばらつきが大きくなり製品ごとに感度のばらつきが大きくなるという問題が生じる。

本発明の目的は、上述した課題を解決した振動センサを提供することにある。

回路基板と板状圧電素子とを収容する空間を備えた基台と、少なくとも一方の面に圧電素子が接着剤を介して支持されるように基台内に配置された支持板とを備える振動センサであって、支持板は圧電素子の外径より大きな外径を有するとともに両端部が基台内に固定される両もち梁構造を有し、かつ支持板の圧電素子の外周縁に対向する箇所に沿って接着剤のはみ出し部を収容するように形成された溝部を有することを特徴としている。

この発明の構成によれば、支持板の剛性ばらつきが小さくなり振動センサの感度ばらつきを抑制できる。

本発明の第１の実施の形態である振動センサを示す振動センサ中央縦断面図である。本発明の実施の形態である振動センサの要部の電気的構成を示すブロック図である。図１のＩ−Ｉ線に沿った断面を上から見た場合の振動センサの平面図である。（ａ）図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面を上から見た場合の振動センサの平面図である。

（ｂ）図４（ａ）に示された配線類を省略して、信号処理用基板１０を透視しての平面図である。
図１のＣ部分の拡大断面図である。図４（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線における部分断面図である本発明の実施の形態である振動センサの感度経年評価結果を示す表である。本発明の実施の形態である振動センサの感度ばらつき評価結果を示す表である。本発明の第２の実施の形態による振動センサを示す中央縦断面図であり、図１において支持板の両面に圧電素子を接着固定した構造例を示す概略図である。本発明の第３の実施の形態による振動センサを示す中央縦断面図である。図１０のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面を上から見た場合の振動センサの平面図である。特許文献２に開示された圧電型加速度センサを示す断面図である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

本発明の第１の実施の形態による振動センサは、図１乃至図６に示すように、圧電振動子１を構成する支持板２および圧電素子３を収納する略箱型（ケース）形状の基台４を有する。この基台４内には、圧電振動子１から出力電荷を取り出すための一対の金属板または金属膜等で構成される電極端子部６、この電極端子部６と電気的に接続された信号処理用基板１０が配置されている。さらに基台４には、振動センサの出力信号を外部へ取り出すためのケーブル７を備え、また、基台４と接合しかつ圧電振動子１や信号処理用基板等１０を包囲するカバー８を備えている。

より詳細に説明すると、本発明の第１の実施の形態による振動センサにおける圧電振動子１は、図１および図３に示すように、金属薄板等の導電板で形成された支持板２の一方の面に、支持板２より外径寸法が小さな長方形等の略矩形状の板状圧電素子３を接着剤で固定して構成されている。支持板２は図３に示すように、圧電素子３を支持する本体部の両端から突出する突出部２２２を備えている。

支持板２の圧電素子３の搭載面側の表面には、圧電素子３の外周縁に沿って、溝状の座繰り部２１が形成されている。この座繰り部２１を設けることにより、支持板２へ圧電素子３を接着剤により接着した際、図５に示すように、接着領域からはみだした余分な接着剤２０１を座繰り部２１へ流れさせることができる。これにより支持板２上の不要な箇所へ拡散する接着剤を低減できることとなる。よって、支持板２の剛性変化も小さくなり振動センサの感度ばらつきを抑制できる。なお、図示の例では、圧電素子３の平面形状が略長方形でありかつ座繰り部２１の平面形状が略長方形の枠状形状であるが、本発明はその形状に特定されるものではない。

一方、略箱型形状の基台４の内側には三段構えの矩形状の凹所４００が形成されている。支持板２の両突出部２２２が基台４における下段凹所４０１の周囲の中段凹所４０２の底面４１２に重なる状態で、基台４内に収納され、接着剤で固定されている。すなわち、圧電振動子１は両持ち梁構造で両端部２２２が基台４の段差部に固定されている構造となっている。

さらに、図５に示すように、基台４の支持板２搭載面内端縁部、すなわち中段凹所４０２の底面４１２の縁部に面取り処理部２２を施すことで、圧力を掛けながら支持板２を基台４に接着固定した際、余分な接着剤２０２が支持板２搭載面内端縁へ逃げることができる。これにより接着剤の厚み制御が容易となり、支持板２の接着固定時の変形を低減し振動センサの感度ばらつきを抑制できる。

圧電素子３の各接続電極は、図３に示すように、基台４の中段底面４１２の一方の両角部に形成されている電極端子部６とボンディングワイヤ等の配線９を介して電気的に接続されている。すなわち、圧電素子３の上部電極５は配線９を介して電極端子部６の一方と接続され、圧電素子３の下部電極（図示略）は支持板２の突出部２２２と配線９を介して電極端子部６の他方と電気的に接続されるよう配線処理している。

印刷配線板等の回路基板としての信号処理用基板１０は、圧電素子３とは振動検知方向について空隙２０を隔てて基台４の上段上に配置させてある。すなわち、基台４における上段凹所４０３の底面４２３に信号処理用基板１０の両端部が重なる状態で、基台４内に収納される。図４（ａ）では信号処理用基板１０の信号配線関係を明示するための図面となっているが、図４（ｂ）では信号処理用基板１０と支持板２と圧電素子３との該略位置関係を見やすくするため、配線類を省略して、信号処理用基板１０を透視しての平面図を示す。

電極端子部６は図６に示すように、中段凹所４０２の底面４１２と上段凹所４０３の底面４２３との両方に形成されているとともに中段凹所４０２の側面に沿って配線処理されているので、信号処理用基板１０へも配線接続され、圧電振動子１と信号処理用基板１０は図２に示す接地線１６等を含む配線によって電気的に接続されている。信号処理用基板１０は、図４（ａ）に示すように、電荷電圧変換処理部１１、フィルタ処理部１２、さらにオペアンプ等の信号増幅処理部１３を備えて構成されている。これらの電気的接続は、図２に示すブロック図に対応している。すなわち、ケーブル７を介して給電線１４が信号処理基板１０へ接続され、そして、信号増幅処理部１３からの振動センサ出力信号線１５はケーブル７を介して外部の計測機器や診断機器とも接続可能である。

このように、支持板２は圧電素子３との接着領域周囲に座繰り部２１を有し、さらに基台４の支持板２搭載面内端縁部には面取り処理部２２を施しているような構成を備えた振動センサにおいて、信号処理用基板１０は、圧電素子３とは振動検知方向について空隙２０を隔てて基台４上に配置させてある。これにより圧電素子３が屈曲運動できる空間が確保でき、さらに基台４に対して信号処理用基板１０の固定強度が低下または変化しても振動印加に伴う圧電素子３の動作には寄与せず主軸感度の経年変化が小さい振動センサを実現できるとともに、振動センサの感度ばらつきを抑制することもできる。

本発明の一実施形態による振動センサの寸法の一実施例としては、長さが約１２ｍｍ、幅が約８ｍｍ、厚みが約８ｍｍである。圧電振動子１の寸法の一実施例としては、長さが約８ｍｍ、幅が約４ｍｍ、厚みが０．６２ｍｍである。圧電素子３の寸法の一実施例としては、長さが約６ｍｍ、幅が約２．５ｍｍ、厚みが０．５ｍｍである。信号処理用基板１０の寸法の一実施例としては、長さが約９ｍｍ、幅が約５ｍｍ、厚みが１ｍｍである。支持板２と金属板６の材質の一実施例としては、リン青銅、圧電素子３の材質の一実施例としては、ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）である。支持体２に設置した座繰り部２１の寸法の一実施例としては、深さが約０．０２ｍｍで圧電素子３の外形から外側へ均一に約０．２ｍｍの長さで設けた。さらに基台４の支持板２搭載面内端縁部にはＲ＝０．７５ｍｍの面取り処理２１を施した。上述の寸法や材質はあくまでも一例であり、本発明をこれに限定するものではない。基台の支持板搭載面内端縁部に面取り処理を施すことで、圧力を掛けながら支持板を基台に接着固定した際、余分な接着剤が支持板搭載面内端縁へ逃げることができる。これにより接着剤の厚み制御が容易となり接着固定時の支持板の変形を低減できる。その結果振動センサの感度ばらつきを抑制できる。

かかる本発明の振動センサについて感度の経年変化に関する実験を行った。加振器上に加振方向と振動センサの主軸検知方向を一致させて評価用振動センサを設置し、周波数５００Ｈｚ、１ｍ／ｓ^２で振動センサを加振した。感度の経年変化を評価した。比較のため関連技術の構造についても実施した。

図７に感度の経年変化評価結果を示す。実験は各構造サンプル数３個について実施し、評価前の感度に対する変化率を算出した。図７の変化率は各水準３個の平均値であり、マイナス表示は感度が評価前に比べて低下したことを示す。実験結果より本発明の振動センサは評価時間１００時間において平均変化率が−３．５％と特許文献１に示す関連構造（平均変化率が−８．２％）よりも格段に変化率が小さく安定していた。さらに、評価時間５００時間において平均変化率が−５．１％と特許文献１に示す関連構造（平均変化率が−１２．３％）よりも格段に変化率が小さく安定していた。

次に本発明の振動センサについて感度のばらつきを評価した。

図８に感度のばらつき測定結果を示す。比較のため、図１２に示すような支持板（ダイヤフラム）と同形状・同寸法の圧電素子が接着されて圧電振動子を構成する関連構造についても実施した。実験は各構造サンプル数１０個について平均値に対する標準偏差の割合（変動係数）を算出した。実験結果より本発明の振動センサは変動係数が３．２％と関連構造（変動係数が６．７％）よりも格段に感度ばらつきが小さく安定していた。

また図９を参照して、上記の実施の形態の変形例としての本発明の第２の実施の形態による振動センサの構造を説明する。

ここでは、支持板２の両面に圧電素子３をそれぞれ接着固定した構造を示す。図９に示すように、支持板２の両面に圧電素子３の外周に沿って、溝状の座繰り部２１が形成されている。この座繰り部２１を設けることにより、支持板２へ圧電素子３を接着剤により接着した際、図５に示したと同様に、接着領域からはみだした余分な接着剤を座繰り部２１へ流れさせることができる。これにより支持板２上の不要な箇所へ拡散する接着剤を低減できることとなる。その他の構成は上記第１の実施の形態と同一構造であるので、他の構成要素についての説明は省略する。また、基体４の支持板２と重なる箇所に図６に示す面取り部を形成することがより望ましいことは言うまでもない。
よって、支持板２の剛性変化も小さくなり振動センサの感度ばらつきを抑制でき、本例においても上述と同様の効果が得られる。

本発明の第３の実施の形態による振動センサについて図１０を参照して以下に説明する。図１０は振動センサの中央縦断面図を、図１１は図１０におけるＩＶ−ＩＶ線に沿った断面を上から見た場合の振動センサの平面図を示す。

前述した第１の実施の形態とは圧電振動子１の構造が異なっている。その他構成部材や形状などは前述の実施の形態例と同様である。本実施の形態例において圧電素子３は略円形で、支持板２は略輪状となっている。圧電素子３はその外縁側が支持板２に接着剤により接着固定されている。本実施の形態例の振動センサに振動が加わると圧電素子３は径方向に歪み、電荷を出力する。その他の構成は上記第１の実施の形態と同一構造であるので、他の構成要素についての説明は省略する。

この実施の形態によれば、略円形の圧電素子３その径方向へ歪みやすい特定の圧電材料を適用できることから感度自体を向上できるという効果を上記第１の実施の形態による効果と相乗的に奏することができる。さらに基体４の支持板２と重なる箇所に図６に示す面取り部を形成することがより望ましいことは言うまでもない。

また略円形の圧電素子３は上記第２の実施の形態で説明したと同様に、支持板２の両面に接着固定されても同様の効果を得ることができる。

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。さらに本発明は圧電型速度センサへも応用できる。よってその工業的価値は高い。

１圧電振動子
２支持板
３圧電素子
４基台
５電極
６電極端子部
７ケーブル
８カバー
９配線
１０信号処理用基板
１１電荷電圧変換処理部
１２フィルタ処理部
１３信号増幅処理部
１４給電線
１５振動センサ出力信号線
１６接地線
２０空隙
２１座繰り部
２２面取り処理部
２０１、２０２接着剤
２２２支持板２の突出部
４００凹所
４０１下段凹所
４０２中段凹所
４０３上段凹所
４１２中段凹所４０２の底面
４２３上段凹所４０３の底面

Claims

回路基板と板状圧電素子とを収容する空間を備えた基台と、少なくとも一方の面に前記圧電素子が接着剤を介して支持されるように前記基台内に配置された支持板とを備える振動センサであって、前記支持板は前記圧電素子の外径より大きな外径を有するとともに両端部が前記基台内に固定される両もち梁構造を有し、かつ前記支持板の前記圧電素子の外周縁に対向する箇所に沿って前記接着剤のはみ出し部を収容するように形成された溝部を有することを特徴とする振動センサ。
前記溝部の全体積が前記接着剤塗布領域の体積の約１／２以上としたことを特徴とする請求項１記載の振動センサ。
前記圧電素子の平面形状が略長方形でありかつ前記溝部が略長方形の枠状形状であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の振動センサ。
前記圧電素子の平面形状が略円形でありかつ前記支持板の平面形状が略輪状であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の振動センサ。
前記支持板の両端部は前記基台に接着剤を介して固定されているとともに、前記基台の固定箇所の内端縁部が面取りしてあることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の振動センサ。
前記支持板の他方の面にも前記支持板の外径より小さな外径の板状圧電素子が接着剤を介して支持されており、かつ前記支持板の前記圧電素子の外周縁に対向する箇所に沿って前記接着剤のはみ出し部を収容する溝部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の振動センサ。
前記支持板の前記両端部は前記基台内の底部に設けられた第１の段差部に固定され、前記回路基板は前記基台内の前記第１の段差部より上部に設けられた第２の段差部に固定されており、前記圧電素子と前記回路基板とは前記第１の段差部と前記第２の段差部とに連続して形成された電極端子部材を介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の振動センサ。
前記回路基板は前記圧電振動子からの出力電荷に対して電荷電圧変換処理部とフィルタ処理部および信号増幅処理部を行う信号処理用基板であり、前記基台内の前記第２の段差部より上部に配置されたケーブル部材と電気的に接続されていることを特徴とする請求項７に記載の振動センサ。
前記第１の段差部および前記第２の段差部は前記基台の底部から上方に向かって連続して形成されたものであり、前記基台の開口部には蓋部材が配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の振動センサ。
支持板の片面または両面に略矩形状の圧電素子が接着された両もち梁構造の圧電振動子部と、前記圧電素子とは空隙を持って振動検知方向へ配置されかつ前記圧電振動子からの出力電荷に対して電荷電圧変換処理部とフィルタ処理部および信号増幅処理部を行う信号処理用基板と、略箱型形状で略中央に座繰り部を有し前記圧電振動子部と前記信号処理基板を搭載する基台と、当該基台に搭載される複数の金属板と、前記信号処理基板内で信号処理された信号を外部機器へ出力するためのケーブルと、前記基台と接合しかつ前記圧電振動子部および前記信号処理用基板とを包囲するカバーとで構成し、かつ前記支持板が前記圧電素子との接着剤塗布領域周囲に座繰り部を有しかつ当該座繰り部の全体積が前記接着剤塗布領域の体積の約１／２以上としたことを特徴とする振動センサ。