JP2017125732A - 圧電型センサ - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズを抑制し、小型化可能な圧電型センサを提供する。【解決手段】圧電型センサは、圧電素子を有し、圧電素子が感知した物理量を電荷として検出可能な検出部、検出部を収容する筐体、圧電素子に接続されている芯線２１、筐体に接続されているアース線２２、芯線２１とアース線２２とを絶縁する誘電体２３および誘電体２３を覆っているジャケット２６を備える。また、圧電型センサは、誘電体２３とジャケット２６との間に導電性液体２４を備える。これにより、アース線２２および誘電体２３の間で摩擦によって生じる静電気の誘電体２３のマイナスの電荷が導電性液体２４を通じてアース線２２のプラスの電荷と打ち消し合う。このため、芯線２１に伝達されるノイズが抑制される。また、導電性液体２４は、圧電型センサの大きさに影響を与えない。したがって、圧電型センサを小型化することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、加速度センサや超音波センサ等に用いられる圧電素子を備える圧電型センサに関する。

従来、圧電素子を用いて構成される圧電型センサは、加速度センサまたは超音波センサに用いられる。特許文献１の構成のような圧電型センサは、筐体が導電体で形成され、筐体に取り付けられるコネクタにシールド線を接続して、信号を取り出している。

特開平０６−２０１４５１号公報

圧電型センサのシールド線は、一般に、導体部である芯線とアース接続されるアース線とを絶縁している誘電体およびアース線の間で振動等によって摩擦が生じる。生じた摩擦によって、静電気が誘電体の外周側に発生し、分極によって芯線に静電気による電荷が伝達する。芯線に電荷が伝達されることによって、ノイズが発生するという問題があった。

静電気によるノイズを発生させないため、特許文献１に記載のように、コネクタを設けて、誘電体およびアース線の間が摩擦しないように固定することが考えられる。しかしながら、コネクタを設けると、圧電型センサの体格が大きくなることによって、搭載スペースが確保できないといった問題が生じる虞がある。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、ノイズを抑制し、小型化可能な圧電型センサを提供することにある。

本発明は、加速度センサや超音波センサ等に用いられる圧電型センサである。
圧電型センサは、検出部（１４）、筐体（１３）、芯線（２１）、アース線（２２）、誘電体（２３）、ジャケット（２６）および導電性液体（２４）を備える。
検出部は、圧電素子（１１）を有し、圧電素子が感知した物理量を電荷として検出可能である。
筐体は、検出部を収容する。
芯線は、圧電素子に接続されており、アース線は、筐体に接続されている。
誘電体は、芯線とアース線とを絶縁する。
ジャケットは、誘電体を覆っている。
導電性液体（２４）は、誘電体とジャケットの間に設けられる。

アース線および誘電体が振動等によって摩擦が生じるとき、摩擦によってアース線はプラスの電荷をもつ静電気が発生し、誘電体はマイナスの電荷をもつ静電気が発生する。このとき、誘電体のマイナスの電荷は、導電性液体のプラスイオンと結合し、電離を繰り返して移動する。アース線のプラスの電荷は、導電性液体のマイナスイオンと結合し、電離を繰り返して移動する。これによって摩擦で発生した電荷が打ち消し合う。このため、静電気で発生した電荷が芯線に伝達されないので、ノイズが抑制される。また、導電性液体であるため、コネクタを用いる場合のように圧電型センサの大きさに影響を与えない。したがって、圧電型センサの小型化が可能である。

本発明の第１実施形態による圧電型センサの断面図。 本発明の第１実施形態によるシールド線の斜視図。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図。 図２のＩＶ部拡大図。 図２のＶ部拡大図。 周波数とノイズとの関係を示す特性図。 導電性液体の導電率とノイズ電荷量との関係を示す特性図。 導電性液体の粘度とノイズ電荷量との関係を示す特性図。 本発明の第２実施形態によるシールド線の断面図。 その他実施形態による圧電型センサの構成図。

以下、本発明の実施形態による圧電型センサ１を図面に基づいて説明する。複数の実施形態の説明において、第１実施形態と実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明する。また「本実施形態」という場合、第１および第２実施形態を包括する。これらの実施形態の圧電型センサは、例えば、加速度センサに用いられる

（第１実施形態）
図１に示すように、圧電型センサ１は、検出部１４、筐体１３、シールド線２、導電性液体２４および電子制御ユニット２０を備える。
検出部１４は、圧電素子１１を有し、圧電素子１１が感知した物理量を電荷として検出可能である。

圧電素子１１は、例えば、チタン酸バリウムを含むセラミックスまたはチタン酸ジルコン酸鉛を含むセラミックスで形成されている。圧電素子１１は、慣性力Ｆを受けるとき、圧電素子１１の表面に電荷が発生する。発生する電荷量Ｑは、例えば、以下式（１）のように、圧電素子１１の組成によって一定で、慣性力Ｆに比例する。

また、以下式（２）のように、慣性力Ｆは、ニュートンの第２法則で表され、加速度ａに比例する。したがって、以下式（３）のように、電荷量Ｑは加速度ａに比例するため、検出部１４は、圧電素子１１を用いて、物理量の加速度ａを電荷として検出する。

Ｑ＝δ×Ｆ ・・・（１）
Ｆ＝Ｍ・ａ ・・・（２）
Ｑ＝δ×Ｍ×ａ ・・・（３）
ここで、δは圧電定数を表す。Ｍは圧電素子１１の質量を表す。圧電定数δおよび質量Ｍは、圧電素子１１の組成に依存する。

筐体１３は、直方体形状で、内部に空間が形成され、検出部１４を収容する。筐体１３は、接続口１５を有する。
接続口１５は、シールド線２と検出部１４とが接続可能なように形成され、筐体１３の外側の外孔２８および筐体１３の内側の内孔２９を含む。外孔２８は、径が内孔２９よりも大きくなるように形成されている。

図２、３に示すように、シールド線２は、芯線２１、アース線２２、誘電体２３およびジャケット２６を有する。
芯線２１は、例えば、銅線で形成されている。また、芯線２１は、複数の電線が束ねられて構成され、誘電体２３で覆われている。さらに、芯線２１は、外孔２８および内孔２９を介して筐体１３に引き込まれており、エナメル線１２によって圧電素子１１と接続されている。図２では、芯線２１は電線が束ねられた状態で、束ねられた１本の芯線２１として記載している。また、図２は部分図で、シールド線２の内部がわかるように記載している。

アース線２２は、芯線２１と同様に、イオン化傾向が比較的小さい銅線で複数形成されており、誘電体２３を巻回している。筐体１３の内部に形成される注入穴１６に外孔２８を介して引き込まれている。第３シール手段２５が、注入穴１６から注入され、筐体１３とアース線２２とを固定する。
誘電体２３は、円筒状で芯線２１およびアース線２２の間に形成され、両者の間を絶縁する。誘電体２３は、外孔２８を介して内孔２９まで筐体１３の内部に引き込まれている。

ジャケット２６は、筐体１３側の一端３１から筐体１３の反対側の他端３２まで誘電体２３を覆っている。ジャケット２６は、例えば、スチレンブタジエンゴムまたは天然ゴム等の熱硬化性樹脂が用いられる。また、ジャケット２６は、金属製にしてもよい。

シールド線２は、筐体１３側の一端３１のジャケット２６の外面が第１シール手段４５に覆われており、第１シール手段４５によって筐体１３と固定されている。また、シールド線２は、筐体１３の反対側の他端３２のジャケット２６の外面が第２シール手段４６に覆われている。

第１シール手段４５、第２シール手段４６および第３シール手段２５は、例えば、エポキシ樹脂やシアノアクリル樹脂の接着剤が用いられる。また、第１シール手段４５、第２シール手段４６および第３シール手段２５は、硬化後のショア硬度がＤ２０である。ショア硬度は、例えば、ＪＩＳ＿Ｋ＿６２５３に準拠した測定で算出される。接着剤の硬化前の粘度は、２．０Ｐａ・ｓ以下に調整されている。図中、第１シール手段４５および第２シール手段４６はわかりやすくするため、誇張して記載している。

導電性液体２４は、誘電体２３とジャケット２６との間に設けられ、シールド線２内部に充填されている。また、導電性液体２４は、第１シール手段４５および第２シール手段４６によって、外部に漏洩しないように密閉されている。
導電性液体２４は、例えば、塩化ナトリウム水溶液が用いられ、プラスイオンであるＮａ⁺とマイナスイオンであるＣｌ^-を含む。また、導電性液体２４は、塩化ナトリウム水溶液の濃度を調整することによって、導電性液体２４の導電率が４．０ｍＳ／ｃｍ以上となるように調整されている。導電性液体２４の粘度は１．０Ｐａ・ｓに調整されている。

導電性液体２４の導電率は、ＪＩＳ＿Ｋ＿０１３０に準拠した交流四電極方式を用いた測定で算出される。導電率の測定は、例えば、温度が２５℃に保たれた導電性液体２４を恒温槽内に入れ、計測用端子を導電性液体に浸し、計測用端子の温度が導電性液体２４と同じ温度である２５℃に保たれた後、計測を実施する。温度測定は、０．１℃以下の分解能を持つ温度計によって測定される。

導電性液体２４の粘度は、ＪＩＳ＿Ｚ＿８８０３に準拠した円錐−平板型回転粘度計を用いた測定で算出される。粘度の測定は、例えば、温度が２５℃に保たれた導電性液体２４を恒温槽内に入れて測定される。導電性液体２４の温度測定は、導電率の場合と同様に、０．１℃以下の分解能を持つ温度計によって測定される。

電子制御ユニット２０は、ジャケット２６の他端３２側において、シールド線２に接続されており、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバータおよび入出力ポート等からなるマイコンによって構成されており、図中は、「ＥＣＵ」と表す。検出部１４が検出したアナログ信号が芯線２１を経由して電子制御ユニット２０に伝達され、電子制御ユニット２０のＡ／Ｄコンバータによってデジタル信号に変換される。

（作用）
圧電型センサ１の作用について説明する。
圧電型センサ１に衝突や振動等によって力を受けるとき、検出部１４は、圧電素子１１が衝突や振動に応じた加速度ａを電荷量Ｑとして検出する。検出された電荷量Ｑは、シールド線２の芯線２１を介して電子制御ユニット２０に伝達され、電子制御ユニット２０が信号処理を行う。
図４に示すように、このとき、衝突や振動によって力を受けるため、アース線２２および誘電体２３の間で生じる摩擦によって、誘電体２３はマイナスの電荷をもつ静電気が発生する。発生した静電気が分極によって芯線２１に伝達し、ノイズが発生するという問題があった。

（効果）
従来、静電気によってノイズが発生しないために、コネクタを設けて、誘電体およびアース線の間が摩擦しないように固定することがあった。しかしながら、コネクタを設けることによって、圧電型センサが大きくなってしまい、搭載スペースが確保できないといった問題が生じる虞があった。

［１］そこで、本実施形態では、導電性液体２４がアース線２２および誘電体２３の間に含浸されている。
図５に示すように、アース線２２および誘電体２３が振動等によって摩擦が生じるとき、摩擦によってアース線２２はプラスの電荷をもつ静電気が発生し、誘電体２３はマイナスの電荷をもつ静電気が発生する。このとき、誘電体２３のマイナスの電荷は、導電性液体のプラスイオン（Ｎａ⁺）と結合し、電離を繰り返して移動する。アース線２２のプラスの電荷は、導電性液体のマイナスイオン（Ｃｌ^-）と結合し、電離を繰り返して移動する。これによって摩擦で発生した電荷が打ち消し合う。このため、静電気で発生した電荷が芯線２１に伝達されないので、ノイズが抑制される。また、導電性液体２４であるため、コネクタが設けられる場合のように圧電型センサの大きさに影響を与えない。したがって、圧電型センサの小型化が可能である。

図６は、特定の周波数を有する振動を圧電型センサ１に与えたときの静電気によって発生するノイズとの関係を示す周波数応答図である。また図５の横軸は、対数軸を示し、振動がもつ周波数を示す。振動は、例えば、正弦波で表され、振動がもつ周波数の単位はＨｚである。

ノイズは、例えば、振動が与えられるとき、静電気の発生による電荷量であるノイズ電荷量Ｑｎを加速度ａで除算して算出される。ノイズ電荷量Ｑｎを加速度ａで除算することによって、ノイズが正規化されている。正規化されたノイズの単位は、例えば、ｐＣ／（ｍ／ｓ²）である。ｐは、１０^-12倍である「ピコ」を表し、Ｃは「クーロン」を表す。また、ｍは「メートル」、ｓは「秒」を表す。比較例として導電性液体２４を含浸していない圧電型センサを用い、導電性液体２４を有することによって、比較例と比較して、ノイズが大きく低減している。

［２］導電性液体２４の導電率が４．０ｍＳ／ｃｍとなっているため、導電性液体２４が誘電体２３とアース線２２との摩擦によって生じた電荷を相殺しやすくなる。
図７は、導電性液体２４の導電率とノイズとの関係を示す特性図である。導電性液体２４の導電率が大きくなるほど、電荷を移動させるイオンが多く存在する。これによって、摩擦によって発生した誘電体２３のマイナスの電荷とアース線２２のプラスの電荷が移動しやすくなる。これにより誘電体２３表面に発生するマイナスの電荷を打ち消しやすくなるため、導電性液体２４の導電率が大きくなるほど、ノイズ電荷量Ｑｎが小さくなる。ノイズ電荷量Ｑｎが小さくなるので、ノイズが抑制される。

本実施形態で適用される圧電型センサ１のノイズに関する特性に基づいて検討すると、導電性液体２４の導電率を４．０ｍＳ／ｃｍ以上にすることによって、ノイズが許容値以下となる。導電性液体２４の導電率を４．０ｍＳ／ｃｍ以上にすることによって、静電気で生じる電荷を打ち消しやすくすることができ、ノイズ抑制効果を高めることができる。

［３］アース線２２が銅で形成されているため、イオン化傾向が小さく、導電性液体２４によって酸化されることが抑制される。アース線２２の酸化が抑制されるため、アース線２２の酸化腐食によるシールド線２の断線を防止することができる。

［４］導電性液体２４の粘度が１．０Ｐａ・ｓとなっているため、導電性液体２４が流動しやすく、アース線２２および誘電体２３の間に含浸されやすくなる。導電性液体２４が含浸されやすくなるため、シールド線２内部に導電性液体２４が充填されやすい。シールド線２内部に導電性液体２４が満たされることによって、静電気を相殺する効果が高まり、ノイズ抑制効果が向上する。

図８は、導電性液体２４の粘度とノイズとの関係を示す特性図である。導電性液体２４の粘度が小さくなるほど、液体の粘性が小さいため、導電性液体２４が含浸されやすくなる。導電性液体２４が含浸されやすくなるため、ノイズ電荷量Ｑｎが低減し、ノイズは低下する。同様に、圧電型センサ１のノイズに関する特性に基づいて検討すると、導電性液体２４の粘度が２．０Ｐａ・ｓ以下になるとき、ノイズが許容値以下となる。したがって、導電性液体２４の粘度を２．０Ｐａ・ｓ以下にすることによって、ノイズ抑制効果を高める。

［５］第１シール手段４５が一端３１におけるジャケット２６の外周を覆い、第２シール手段４６が他端３２におけるジャケット２６の外周を覆っているため、導電性液体２４が漏れないように密閉されている。導電性液体２４が漏れないため、ノイズ抑制効果を維持することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態の構成では、アース線の形態を除き、第１実施形態の構成と同様である。
図９に示すように、圧電型センサ９０のアース線９２は、アルミニウムで形成され、アース線９２の表面９３に銅で形成されているメッキ層９４を含む。図中、メッキ層９４は、特徴をわかりやすくするために、誇張して記載している。第２実施形態において、第１実施形態と同様の効果を奏する。

（その他実施形態）
（ｉ）本発明の圧電型センサは、加速度センサに限らず、超音波センサまたは力センサに用いてもよい。
（ｉｉ）アース線は、イオン化傾向が銅以下である銀または白金を用いてもよい。また、メッキ層はイオン化傾向が銅以下である銀または白金を用いてもよい。第１実施形態と同様の効果を奏する。
（ｉｉｉ）図１０に示すように、複数のシールド線２を筐体１３に接続してもよい。シールド線２の本数によらず、第１実施形態と同様の効果を奏する。
（ｉｖ）第１シール手段、第２シール手段および第３シール手段はパッキンやＯリングを用いて、筐体および電子制御ユニットを固定し、導電性液体を密閉してもよい。第１実施形態と同様の効果を奏する。
以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。

１１ ・・・圧電素子、
１３ ・・・筐体、
１４ ・・・検出部、
２１ ・・・芯線、
２２ ・・・アース線、
２３ ・・・誘電体、
２４ ・・・導電性液体、
２６ ・・・ジャケット。

Claims (6)

1. 圧電素子（１１）を有し、前記圧電素子が感知した物理量を電荷として検出可能な検出部（１４）と、
   前記検出部を収容する筐体（１３）と、
   前記圧電素子に接続されている芯線（２１）と、
   前記筐体に接続されているアース線（２２）と、
   前記芯線と前記アース線とを絶縁する誘電体（２３）と、
   前記誘電体を覆っているジャケット（２６）と、
   前記誘電体と前記ジャケットの間に設けられる導電性液体（２４）と、
   を備える圧電型センサ。
2. 前記導電性液体は、導電率が４．０ｍＳ／ｃｍ以上である請求項１に記載の圧電型センサ。
3. 前記アース線は、イオン化傾向が銅以下の金属で形成されている請求項１または２に記載の圧電型センサ。
4. 前記アース線は、イオン化傾向が銅以下の金属で形成されているメッキ層（２８）を含む請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧電型センサ。
5. 前記導電性液体は、粘度が２．０Ｐａ・ｓ以下である請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧電型センサ。
6. 前記シールド線は、前記筐体側の一端（３１）における前記ジャケットが前記シールド線と前記筐体とを固定する第１シール手段（４５）に覆われ、前記筐体の反対側の他端（３２）における前記ジャケットが第２シール手段（４６）に覆われている請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧電型センサ。

Images