JPH0566149A

JPH0566149A - 圧電型振動センサ

Info

Publication number: JPH0566149A
Application number: JP25480791A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Takahashi; 克彦高橋; Shiro Nakayama; 四郎中山; Satoshi Kunimura; 智國村; Takayuki Imai; 隆之今井
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1991-09-05
Filing date: 1991-09-05
Publication date: 1993-03-19

Abstract

(57)【要約】【目的】簡易な方法で、小型化とコストダウンを実現
し、汎用性に富んだ上で、方向性のある振動を分離測定
することのできる圧電型振動センサ。【構成】膜状圧電体の両面に、第１電極、第２電極、
第３電極が互いに接触しないように貼着され、膜状圧電
体の一方の面内で、第１電極と第２電極は、膜状圧電体
の平面の中心を交点として直交する第１の軸と第２の軸
のうち第１軸に対し線対称に、かつ該交点に対して点対
称に形成され、第３電極は該交点を含み、前記第２の軸
に対して線対称に形成され、他方の面内では、第１電極
と第２電極は前記第２の軸に対し線対称に、かつ該交点
に対して点対称に形成され、第３電極は該交点を含み、
前記第１の軸に対して線対称に形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は圧電型振動センサに関
し、特に、一つの圧電型振動センサによってｘ，ｙ軸の
２次元の振動を分離し、検出することができるものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、圧電型振動センサは一方向の振
動のみを検出するようになっており、その他の方向の振
動は検出できない構造となっている。振動は方向と大き
さを持つものであり、振動センサとしてはその両方を評
価できることが望ましい。しかしながら、従来の振動セ
ンサの構造を用いて全ての方向の振動を評価するには、
図８に示すように、少なくとも３つの圧電型振動センサ
７０，７２，７４をその主感度軸が互いに直交するよう
に組み合わせるか、検知部を３つ互いに直交するように
組み込む必要がある。このような方法によると、極めて
複雑な構造となり、コスト的に高いものとなるばかりで
なく、大きなスペ−スを必要とし、また、汎用性に欠け
る欠点がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本願発明者等
は先に３次元方向の振動を分離測定することができる圧
電型振動センサを特許出願した。その発明は、膜状圧電
体の一方の面に第１の電極を設けるとともに、他方の面
に垂直なほぼ中心を通る直線をｚ軸、この他方の面内に
あってｚ軸に垂直な互いに直交する２本の直線をそれぞ
れｘ軸、ｙ軸としたとき、この他方の面にｚ軸を中心と
するほぼ点対称な形状の第２の電極と、ｘ軸およびｙ軸
に関してそれぞれ線対称な形状の第３および第４の電極
を設け、各電極に生じる電位に基づいてｘ軸、ｙ軸、ｚ
軸方向の振動を測定できるようにしたことを特徴とする
ものである。即ち、図６と図７においてその一例を示せ
ば、膜状圧電体２２の裏面の全面にほぼ一様に第１の電
極（ベタ電極）１０を設け、表面にはｚ軸を中心とする
ほぼ点対称な形状の第２の電極１２を正方形に、その周
囲にそれぞれ一対の第３の電極１４，１６、第４の電極
１８，２０を設けた。膜状圧電体２２の表面の中心であ
る原点と各辺の中点を結ぶ２本の直線をそれぞれｘ軸、
ｙ軸としたとき、第３の電極１４，１６及び第４の電極
１８，２０は、それぞれ第２の電極１２の周囲にｘ軸お
よびｙ軸に関してそれぞれ線対称な形状を持つように対
称な位置に設けられている。図７に示すように、振動の
ｘ軸方向成分は、第１電極１０及び第３電極１４間に生
じる電位差と、第１電極１０及び第３の他方の電極１６
間に生じる電位差との差Ｖ_x に基づいて測定される。ま
た、ｙ軸方向成分は、第１電極１０及び第４の一方の電
極１８間に生じる電位差と、第１電極１０及び第４の他
方の電極２０間に生じる電位差との差Ｖ_y に基づいて測
定される。ｚ軸方向成分は第１電極１０及び第２の電極
１２間に生じる電位差Ｖ_z に基づいて測定される。

【０００５】しかしながら、この方法では、膜状圧電体
２２と垂直な面を除き、他のｘ，ｙ軸方向の出力の測定
時に、各軸の入力信号の一方を接地できない為に、汎用
の測定器での測定が困難であった。汎用の測定器におい
ては、通常入力信号の片側は、接地されており、振動セ
ンサの出力測定の際、ｘ軸及びｙ軸方向の出力測定につ
いては、特殊な方法にて接地されないようにしなければ
ならないからである。

【０００６】本発明は前記課題を解決するためになされ
たもので、簡易な方法で、小型化とコストダウンを実現
し、汎用性に富んだ上で、方向性のある振動を分離測定
することのできる圧電型振動センサを提供するものであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の圧電型振動セン
サは、台座上に、電極の貼着された膜状圧電体と荷重体
を積層した構造を持つ圧電型振動センサにおいて、膜状圧電体の両面に、第１電極、第２電極、第３電極
が互いに接触しないように貼着されている。膜状圧電体の一方の面内で、第１電極と第２電極は、
膜状圧電体の平面の中心を交点として直交する第１の軸
と第２の軸のうち第１の軸に対し線対称に、かつ該交点
に対して点対称に形成され、第３電極は該交点を含み、
前記第２の軸に対して線対称に形成されている。他方の面内では、第１電極と第２電極は前記第２の軸
に対し線対称に、かつ該交点に対して点対称に、かつ圧
電フィルムを挟んでもう一方の面の第３の電極と対向す
るように形成され、第３電極は該交点を含み、前記第１
の軸に対して線対称に形成されている。

【０００８】

【作用】本発明の圧電型振動センサは、どのような方向
の振動でも２次元直交座標系における２つの軸方向成分
に分解することができる。膜状圧電体の一方の面内の第
１電極および第２電極は、第１の軸に関し、他方の面内
の第１電極および第２電極は第２の軸に関して各々線対
称な形状となっているため、各軸方向の振動成分により
生じる回転モーメントによる出力はキャンセルされる。
振動の第２の軸方向成分は、一方に面内の第１電極およ
び裏面の第３電極間に生じる電位差と、第２電極および
裏面の第３電極間に生じる電位差との差Ｖ_x に基づいて
測定される。また、第１の軸方向成分は、裏面の第１電
極および表面の第３電極間に生じる電位差と、裏面の第
２電極および表面の第３電極間に生じる電位差との差Ｖ
_y に基づいて測定される。

【０００９】

【実施例】以下、この発明の圧電型振動センサを実施例
に基づいて詳細に説明する。（実施例１）図１と図２は、この発明の圧電型振動セン
サの一実施例を示すものである。圧電型振動センサ４６
は、被測定物に剛に取り付けられる台座２４と、この台
座の感知軸に垂直な測定面に固定された感知部２６と、
この感知部２６上に固着され、慣性質量部として作用す
る剛体からなる荷重体２９を有している。感知部２６
は、圧電体フィルム３２の両面に電極を接着一体化した
膜状圧電体と、この膜状圧電体の両面に固着された板状
の剛体からなる２枚の支持板とからなり、かつ膜状圧電
体の平面形状が測定面に平行な面において感知軸を対称
の中心とする点対称となっている。荷重体２９は、それ
の感知部２６に接する面の平面形状が感知軸を対称の中
心とする点対称であり、かつ感知軸を通り測定面に垂直
な無数の平面で断面した時、全ての断面について感知軸
を対称軸とする線対称となっている。台座２４として
は、繊維強化型樹脂など、充分剛性を持つ材料であるこ
とが必要である。圧電体フィルム３２としては、ポリフ
ッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレンとトリフルオ
ロエチレンとの共重合体、チタン酸金属塩、ジルコン酸
金属塩など各種の圧電材料を用いることができる。荷重
体２９としては、真ちゅう、その他の金属など、比較的
比重の大きな材料を用いることが好ましいが、膜状圧電
体の平面内に規定されるｘ軸方向およびｙ軸方向の振動
成分を高いＳ／Ｎ比とともに得るためには、膜状圧電体
上の荷重の重心を膜状圧電体の対称点からなるべく離す
ことが好ましいため、荷重体２９を複数層で構成し、膜
状圧電体に近い方の荷重体２８を繊維強化型樹脂などの
比重の小さな材料で、遠い方の荷重体３０を真ちゅうな
どの比重の大きな材料で構成することが望ましい。

【００１０】図２に示すように、本実施例の振動センサ
の膜状圧電体は、その両面に電極が貼着されており、そ
の上面に第１電極３４、第２電極３６、第３電極３８
が、下面には第１電極４０、第２電極４２、第３電極４
４が互いに接触しないように形成されている。さらにこ
こで、膜状圧電体の平面内で、その中心を交点として直
交する軸を検知軸ｘ軸、ｙ軸としたときに、上面では、
第１電極３４と第２電極３６はｙ軸に対し線対称に、か
つ該交点に対して点対称に形成され、第３電極３８は該
交点を含み、ｘ軸に対して線対称に形成されている。ま
た下面には、第１電極４０と第２電極４２はｘ軸に対し
線対称に、かつ該交点に対して点対称に形成され、第３
電極４４は該交点を含み、ｙ軸に対して線対称に形成さ
れている。

【００１１】このように電極が膜状圧電体に形成される
ことで、その回路図は図３に示す構成となる。この構成
の回路によれば、ｘ軸方向の振動成分は、上面内の第１
電極３４および下面の第３電極間４４に生じる電位差
と、上面の第２電極３６および下面の第３電極４４間に
生じる電位差との差Ｖ_x に基づいて測定される。また、
ｙ軸方向の振動成分は、下面の第１電極４０および上面
の第３電極３８間に生じる電位差と、下面の第２電極４
２および上面の第３電極３８間に生じる電位差との差Ｖ
_y に基づいて測定される。本実施例の圧電型振動センサ
においては、ｘ軸、ｙ軸に対し共有する電極を設けてい
ないので、測定器に入力の一方を接地することができ、
測定の安定化を図ることができる。また、圧電体フィル
ムの同一面上で、各軸の電位（出力）を測定するので、
焦電効果によるノイズを低減することができる。

【００１２】（実施例２）膜状圧電体に対するｘ，ｙ軸
座標の設定しだいで、例えば図４に示す構成の電極を設
けることも可能である。即ち、圧電体フィルム３２の上
面に第１電極４８、第２電極５０、第３電極５２が、下
面には第１電極５４、第２電極５６、第３電極５８が互
いに接触しないように形成されている。そして、膜状圧
電体の平面内で、その中心を交点として直交する軸を図
４に示す方向のｘ軸、ｙ軸とすれば、上面には、第１電
極４８と第２電極５０はｙ軸に対し線対称に、かつ該交
点に対して点対称に形成され、第３電極５２は該交点を
含み、ｘ軸に対して線対称に形成されている。また下面
には、第１電極５４と第２電極５６はｘ軸に対し線対称
に、かつ該交点に対して点対称に形成され、第３電極５
８は該交点を含み、ｙ軸に対して線対称に形成されてい
る。このように電極が膜状圧電体に形成されることで
も、その回路図は図３に示す構成となる。

【００１３】本実施例の振動センサを試作し、その出力
測定試験および焦電出力試験を行なった。実施例１の試
料として、図１に示すような、縦５ｍｍ，横５ｍｍ，厚
さ１.５ｍｍの繊維強化型樹脂板からなる台座２４上
に、縦５ｍｍ，横５ｍｍ，厚さ０.１１ｍｍのポリフッ
化ビニリデン膜で形成された膜状圧電体を固着した。ま
た、この膜状圧電体の上面に、縦５ｍｍ，横５ｍｍ，厚
さ１.５ｍｍの繊維強化型樹脂板からなる荷重体２８
を、そして、さらにその上に、縦５ｍｍ，横５ｍｍ，厚
さ３.０ｍｍの真ちゅう製の荷重体３０をそれぞれ固着
して圧電型振動センサを試作した。膜状圧電体に貼着さ
れる電極は図２に示す構成のもので、電極３４，３６，
３８，４０，４２，４４には厚さ３５μmの銅箔を使用
した。

【００１４】また、同様にして、電極の構成を実施例２
の図４に示す構成にしたものを製造し、以下に示す試験
に供した。

【００１５】さらに、比較例として、膜状圧電体の電極
の形状をその両面とも一様なベタ電極として図１に示す
構成の圧電型振動センサを２つ製造し、これを図５に示
すように、それぞれの感知軸が互いに直交するように立
方体のブロック６０に取り付けた。即ち、図５において
は、６２，６３が台座であり、６４，６５が感知部、６
６，６７が繊維強化型樹脂板からなる荷重体、６８，６
９が真鍮製の荷重体である。

【００１６】試験は、これらの試料に対して、８０Ｈ
ｚ、１Ｇp-pの正弦波振動を与え、各軸別の出力を測定
した。その出力は、各ｘ軸、ｙ軸方向の出力を１とし、
その振動に対して垂直方向の比を試験結果とした。結果
を表１に示した。

【００１７】

【表１】

【００１８】また、焦電出力試験も行なった。焦電出力
試験は、各試料の膜状圧電体に対して垂直な方向で１５
ｃｍ離れた位置から、６０Ｗの白熱灯で１／８秒間照射
し、各ｘ軸、ｙ軸成分の出力を、主軸方向８０Ｈｚ、１
Ｇの正弦振動を加えた時の出力で割った値をその性能指
数とし、その結果を表２に示した。

【００１９】

【表２】

【００２０】表１の結果から明らかなように、本実施例
の振動センサにおいては、２個の圧電型振動センサを使
用し、これらを２方向の感知軸をもつように構成した比
較例の場合と同等の指向性を示しており、ｘ軸、ｙ軸方
向の振動成分を分離、測定できていることが分かる。

【００２１】また、表２の結果から、本実施例の圧電型
振動センサは、比較例と較べ、明らかに焦電効果が低下
していることが分かる。

【００２２】

【発明の効果】以上に記載したように、この発明の圧電
型振動センサによれば、きわめて簡単な構造で２次元方
向の振動を分離、測定することが可能となる。しかも、
膜状圧電体の電極の形状ないし配置に特徴があるものな
ので、十分な小型化を達成し、しかも振動成分別の共有
する電極がないために、入力信号の一方を接地すること
ができ、汎用の測定器を使用することができる。従っ
て、大幅なコストダウンを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の圧電型振動センサの一実施例を示
す斜視図である。

【図２】実施例１における膜状圧電体の電極配置を示
す斜視図である。

【図３】本実施例における膜状圧電体の各電極間の出
力電圧の回路図である。

【図４】実施例２における膜状圧電体の電極配置を示
す斜視図である。

【図５】比較例における圧電型振動センサの斜視図で
ある。

【図６】従来例の膜状圧電体の斜視図である。

【図７】従来例の膜状圧電体の各電極間の出力電圧の
回路図である。

【図８】従来例の振動センサの斜視図である。

【符号の説明】

１０・・・第１電極、１２・・・第２電極、１４・・・第３電
極、１６・・・第３電極、１８・・・第４電極、２０・・・第４
電極、２２・・・膜状圧電体、２４・・・台座、２６・・・感知
部、２８・・・荷重体、２９・・・荷重体、３０・・・荷重体、
３２・・・圧電体フィルム、３４・・・第１電極、３６・・・第
２電極、３８・・・第３電極、４０・・・第１電極、４２・・・
第２電極、４４・・・第３電極、４８・・・第１電極、５０・・
・第２電極、５２・・・第３電極、５４・・・第１電極、５６・
・・第２電極、５８・・・第３電極、６０・・・ブロック、６２
・・・台座、６３・・・台座、６４・・・感知部、６５・・・感知
部、６６・・・荷重体、６７・・・荷重体、６８・・・荷重体、
６９・・・荷重体、７０・・・圧電型振動センサ、７２・・・圧
電型振動センサ、７４・・・圧電型振動センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者今井隆之東京都江東区木場一丁目５番１号藤倉電線株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】台座上に、電極の貼着された膜状圧電体
と荷重体を積層した構造を持つ圧電型振動センサにおい
て、膜状圧電体の両面に、第１電極、第２電極、第３電極が
互いに接触しないように貼着され、膜状圧電体の一方の面内で、第１電極と第２電極は、膜
状圧電体の平面の中心を交点として直交する第１の軸と
第２の軸のうち第１の軸に対し線対称に、かつ該交点に
対して点対称に形成され、第３電極は該交点を含み、前
記第２の軸に対して線対称に形成され、他方の面内では、第１電極と第２電極は前記第２の軸に
対し線対称に、かつ該交点に対して点対称に形成され、
第３電極は該交点を含み、前記第１の軸に対して線対称
に形成され、第１の軸と第２の軸を含む平面内の２次元振動を分離測
定できるようにしたことを特徴とする圧電型振動セン
サ。