JPH08201421A - Cantilever type impact sensor - Google Patents
Cantilever type impact sensorInfo
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- JPH08201421A JPH08201421A JP7029995A JP2999595A JPH08201421A JP H08201421 A JPH08201421 A JP H08201421A JP 7029995 A JP7029995 A JP 7029995A JP 2999595 A JP2999595 A JP 2999595A JP H08201421 A JPH08201421 A JP H08201421A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 低周波域において、周波数特性を向上させた
高感度の衝撃センサを提供すること。
【構成】 Niメッキを施して、外部電極8及び内部電
極9を設けた長方形で板状の圧電セラミック5を2枚は
り合わせたバイモルフ構造素子2を、上蓋6を有する液
晶ポリマーのケース1の凹部10の一端の支持部4に取
り付けた片持ち式の衝撃センサであって、前記バイモル
フ構造素子2が固定されていない側の板面上に半田等の
重り12を設けたものである。
(57) [Abstract] [Purpose] To provide a high-sensitivity impact sensor with improved frequency characteristics in a low frequency range. [Structure] A bimorph structural element 2 in which two rectangular and plate-shaped piezoelectric ceramics 5 provided with external electrodes 8 and internal electrodes 9 plated with Ni are bonded together, and a concave portion of a liquid crystal polymer case 1 having an upper lid 6 A cantilever type impact sensor attached to the support portion 4 at one end of the weight sensor 10, wherein a weight 12 such as solder is provided on the plate surface on the side where the bimorph structural element 2 is not fixed.
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、圧電セラミックを片持
ち構造にした衝撃センサに関するもので、特に低周波の
振動に対する衝撃センサに関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a shock sensor having a piezoelectric ceramic cantilever structure, and more particularly to a shock sensor for low frequency vibration.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、衝撃、振動等の検知用センサとし
て種々の原理に基づく衝撃センサが用いられている。中
でも圧電セラミックを利用したものは構造が簡単で、小
型、軽量化でき、かつ堅牢であるので広く用いられてい
る。2. Description of the Related Art Conventionally, impact sensors based on various principles have been used as sensors for detecting impact, vibration and the like. Among them, piezoelectric ceramics are widely used because of their simple structure, small size, light weight, and robustness.
【0003】ところで、圧電セラミックを利用した衝撃
センサは、圧電セラミックに外力を加えて歪みを生じさ
せることにより電荷が発生し、この電荷の量が外力の大
きさに比例するということを利用したものである。この
場合の歪みの生じ方の違いによって、圧縮形、剪断形、
曲げ形の三つの型式に大別される。一般的に低周波用の
衝撃センサとしては曲げ形のものが多用されている。こ
の曲げ形の衝撃センサは圧電セラミックからなる素子の
曲げによって電荷を生ずるというもので、2枚の圧電セ
ラミックからなる素子をはり合わせ長方形状又は円盤状
に形成したユニモルフ構造又はバイモルフ構造にしたも
のである。By the way, the impact sensor using the piezoelectric ceramic utilizes the fact that an electric force is generated by applying an external force to the piezoelectric ceramic to cause distortion, and the amount of this electric charge is proportional to the magnitude of the external force. Is. In this case, compression type, shearing type,
It is roughly divided into three types of bending type. Generally, a bent type is often used as a low frequency impact sensor. This bend-type impact sensor generates electric charge by bending a piezoelectric ceramic element. It has a unimorph structure or a bimorph structure in which two piezoelectric ceramic elements are laminated together to form a rectangular shape or a disk shape. is there.
【0004】例えば、従来の衝撃センサは、図2に示す
ように、上蓋6を有するケース1と、長方形で板状の圧
電セラミック5を2枚はり合わせたバイモルフ構造素子
2とからなり、前記圧電セラミックの一端を、前記ケー
ス1に形成された支持部4に接着剤等で固定して片持ち
構造としたものである。For example, as shown in FIG. 2, a conventional impact sensor comprises a case 1 having an upper lid 6 and a bimorph structural element 2 in which two rectangular and plate-shaped piezoelectric ceramics 5 are bonded together. One end of the ceramic is fixed to the supporting portion 4 formed on the case 1 with an adhesive or the like to form a cantilever structure.
【0005】前述の衝撃センサに、例えば、衝撃により
長方形で板状の圧電セラミックスの板面に対して直交す
る方向に外力が加わると、圧電セラミックが片持ち梁の
支持部を支点として厚さ方向に振れる。この外力による
変位が生じ、前記変位によって発生する電荷の量を検知
することによりセンサとする。When an external force is applied to the above-mentioned shock sensor in a direction orthogonal to the plate surface of a rectangular and plate-shaped piezoelectric ceramic due to a shock, for example, the piezoelectric ceramic moves in the thickness direction with the supporting portion of the cantilever as a fulcrum. Swing to. A displacement is caused by this external force, and a sensor is obtained by detecting the amount of electric charge generated by the displacement.
【0006】この時の感度は、圧電セラミックの長さ、
幅、厚み等の寸法によって決定され、その周波数特性
は、その静電容量と増幅回路のインピーダンスによって
決められる。The sensitivity at this time depends on the length of the piezoelectric ceramic,
It is determined by dimensions such as width and thickness, and its frequency characteristic is determined by its capacitance and the impedance of the amplifier circuit.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】低周波域において、上
記衝撃センサを得るには、圧電セラミックの寸法を大き
くとればよいが、短小軽薄の要請があり、大きさに制約
がある。一方、寸法を小さくし、増幅回路のインピーダ
ンスを高くすると、S/N比が劣化するため、低周波域
で高感度の衝撃センサが得られないという問題があっ
た。In order to obtain the above impact sensor in the low frequency region, the piezoelectric ceramic may be made large in size, but there is a demand for shortness, smallness, lightness and thinness, and there is a limitation in size. On the other hand, when the size is reduced and the impedance of the amplifier circuit is increased, the S / N ratio is deteriorated, so that there is a problem that a shock sensor having high sensitivity in a low frequency region cannot be obtained.
【0008】本発明の目的は、これらの欠点を除去する
ため、片持ち式の圧電セラミックの先端の部分に半田等
により重量を付加し、圧電セラミックの寸法を大きくせ
ず、低周波数域での周波数特性を向上させた高感度の衝
撃センサを提供することにある。In order to eliminate these drawbacks, the object of the present invention is to add weight to the tip portion of a cantilever type piezoelectric ceramic with solder or the like so as not to increase the size of the piezoelectric ceramic and to reduce the size in the low frequency range. It is to provide a high-sensitivity impact sensor with improved frequency characteristics.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】本発明は、板状のバイモ
ルフ構造素子を用いた片持ち構造の衝撃センサにおい
て、前記バイモルフ構造素子の固定しない側の板面上に
重りを付加したことを特徴とする衝撃センサである。According to the present invention, in a cantilever structure impact sensor using a plate-shaped bimorph structural element, a weight is added to the plate surface of the non-fixed side of the bimorph structural element. Is a shock sensor.
【0010】[0010]
【作用】衝撃センサに加わる外力とそれに応じて生ずる
電荷量との関係は、次のようになる。外部電極間に電圧
をかけて分極処理をした場合、圧電セラミックの応力と
電極面との単位面積当りの電荷量との関係は、q=dx
で表される。ここで、x=圧電セラミックの応力、q=
電極面の単位面積当りの電荷量、d=圧電歪定数であ
る。このとき、Q=発生電荷量、S=電極面積とする
と、q=Q/Sが成立する。また、F=外力とすると、
x=F/Sである。従って、Q=dFとなる。The relationship between the external force applied to the impact sensor and the amount of electric charge generated accordingly is as follows. When polarization is applied by applying a voltage between the external electrodes, the relationship between the stress of the piezoelectric ceramic and the amount of charge per unit area with the electrode surface is q = dx
It is represented by. Where x = stress of the piezoelectric ceramic, q =
The charge amount per unit area of the electrode surface, d = piezoelectric strain constant. At this time, if Q = generated charge amount and S = electrode area, then q = Q / S holds. If F = external force,
x = F / S. Therefore, Q = dF.
【0011】以上、述べたように、衝撃センサの発生電
荷量は、外力に比例する。As described above, the amount of electric charge generated by the impact sensor is proportional to the external force.
【0012】長方形で板状の前記圧電セラミックの長手
方向の先端に半田等で重量を付加しているので、前記重
量を付加しない場合より、加速度等の外力を厚さ方向に
大きく受ける。従って、センサの発生電荷量Qが、前記
重量を付加されない場合よりも大きくなる。このため、
発生電荷量を増大できるので、センサの感度を上げるこ
とができることになる。Since the weight is added to the longitudinal end of the rectangular and plate-shaped piezoelectric ceramic with solder or the like, an external force such as acceleration is received more in the thickness direction than when the weight is not added. Therefore, the amount of electric charge Q generated by the sensor becomes larger than that when the weight is not added. For this reason,
Since the amount of generated charges can be increased, the sensitivity of the sensor can be increased.
【0013】[0013]
【実施例】本発明の実施例について、図面を用いて説明
する。Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
【0014】図1は、本発明の実施例である衝撃センサ
の各々の構成部品及びその出力電圧の周波数特性の説明
図である。図1(a)は本発明の衝撃センサに用いられ
る圧電セラミックの斜視図、図1(b)は本発明の衝撃
センサに用いられ、圧電セラミックの先端に半田等の重
りを付加したバイモルフ構造素子を示す斜視図、図1
(c)は本発明の衝撃センサの組立斜視図、図1(d)
は本発明の衝撃センサの金属端子を示す図1(c)のA
−A断面図、図1(e)は本発明の衝撃センサの斜視
図、図1(f)は本発明及び従来の衝撃センサの周波数
と出力電圧との関係を示す周波数特性のグラフである。FIG. 1 is an explanatory diagram of each component of the shock sensor according to the embodiment of the present invention and the frequency characteristic of its output voltage. FIG. 1A is a perspective view of a piezoelectric ceramic used in the impact sensor of the present invention, and FIG. 1B is a bimorph structural element used in the impact sensor of the present invention, in which a weight such as solder is added to the tip of the piezoelectric ceramic. 1 is a perspective view showing FIG.
FIG. 1C is an assembled perspective view of the impact sensor of the present invention, FIG.
1A shows a metal terminal of the impact sensor of the present invention.
FIG. 1E is a perspective view of the impact sensor of the present invention, and FIG. 1F is a graph of frequency characteristics showing the relationship between the frequency and the output voltage of the impact sensor of the present invention and the related art.
【0015】本発明の衝撃センサでは、図1(a)に示
すように、長さ18mm、幅3.5mm、厚さ0.35
mmの長方形で板状の圧電セラミック5の厚さ方向に、
厚さ2〜3μmのNiメッキからなる外部電極8及び内
部電極9を施し、接着剤7でこれらをはり合わせてバイ
モルフ構造素子2としたものを受動素子として用いる。In the impact sensor of the present invention, as shown in FIG. 1A, the length is 18 mm, the width is 3.5 mm, and the thickness is 0.35.
In the thickness direction of the rectangular piezoelectric ceramic plate 5 mm,
An external electrode 8 and an internal electrode 9 made of Ni plating having a thickness of 2 to 3 μm are applied, and these are bonded with an adhesive 7 to form a bimorph structure element 2 which is used as a passive element.
【0016】図1(b)に示すように、バイモルフ構造
素子2の一端を固定用架台13の端部に取り付ける。こ
の際、前記架台13に固定した根元の近傍に、取り出し
のための出力端子3を設けるタイプもある。ここで述べ
る衝撃センサは、基板実装用の金属端子を設けているの
で、図1(b)に示す出力端子3は不要である。その
後、前記バイモルフ構造素子2の固定していない外側端
面に直径1.5mm程度の半田の重り12を取り付け
た。As shown in FIG. 1B, one end of the bimorph structure element 2 is attached to the end of the fixing base 13. At this time, there is also a type in which the output terminal 3 for taking out is provided in the vicinity of the base fixed to the pedestal 13. Since the shock sensor described here is provided with a metal terminal for mounting on a substrate, the output terminal 3 shown in FIG. 1B is not necessary. Then, a solder weight 12 having a diameter of about 1.5 mm was attached to the outer end surface of the bimorph structure element 2 which was not fixed.
【0017】図1(c)に示すように、本発明の衝撃セ
ンサに用いるケース1は、液晶ポリマーからなる長さ2
4mm、幅5mm、高さ5mmの直方体のブロックにバ
イモルフ構造素子の支持部4を設けた長さ20mm、幅
3.5mm、高さ3.7mmの凹部10を有する。As shown in FIG. 1C, the case 1 used in the impact sensor of the present invention has a length 2 made of liquid crystal polymer.
A rectangular block having a width of 4 mm, a width of 5 mm, and a height of 5 mm is provided with a support portion 4 for a bimorph structural element, and has a recess 10 having a length of 20 mm, a width of 3.5 mm, and a height of 3.7 mm.
【0018】その後、前記バイモルフ構造素子2をケー
ス1の前記凹部10に取り付ける。この際、バイモルフ
構造素子2の一端を支持部4にきつく密着し、かつ固定
する。After that, the bimorph structural element 2 is mounted in the recess 10 of the case 1. At this time, one end of the bimorph structural element 2 is tightly adhered and fixed to the support portion 4.
【0019】図1(d)に、図1(c)のA−A断面図
を示す。図1(d)に示すように、ケース1に設けられ
た金属端子11は、ケース1の底面を通り支持部4の内
側の面に平らになるように露出していて、バイモルフ構
造素子2を支持部4に取り付けた際に、バイモルフ構造
素子2の外部電極8に密着し接続するようになってい
る。FIG. 1D is a sectional view taken along the line AA of FIG. As shown in FIG. 1 (d), the metal terminal 11 provided on the case 1 is exposed so as to pass through the bottom surface of the case 1 and to be flat on the inner surface of the support portion 4, and the bimorph structure element 2 is When attached to the support portion 4, the external electrode 8 of the bimorph structure element 2 is closely attached and connected.
【0020】更に、図1(c)に示すような液晶ポリマ
ーからなる長さ24mm、幅5mm、厚さ1.5mmの
上蓋6を用意し、前記ケース1にかぶせる。Further, as shown in FIG. 1C, an upper lid 6 made of a liquid crystal polymer having a length of 24 mm, a width of 5 mm and a thickness of 1.5 mm is prepared and placed on the case 1.
【0021】以上、述べたように、ケース1と、上蓋6
と、外部電極と内部電極を施した圧電セラミックのバイ
モルフ構造素子2を組み立てて、図1(e)に示すよう
な表面実装型の衝撃センサが完成する。As described above, the case 1 and the upper lid 6
Then, the piezoelectric ceramic bimorph structure element 2 provided with the external electrode and the internal electrode is assembled to complete a surface mount type impact sensor as shown in FIG.
【0022】この衝撃センサにバイモルフ構造素子の厚
さ方向に加振機で振動を加えて、出力電圧を測定した。Vibration was applied to the impact sensor in the thickness direction of the bimorph structure element by a vibrator to measure the output voltage.
【0023】また、前述の実施例と同様に、Niメッキ
の電極を施した前記長方形で板状の圧電セラミックから
なる、重りを付けないバイモルフ構造素子を、前記ケー
スの凹部に支持部を介して取り付け、上蓋をかぶせて接
着剤で固定し、従来品の比較例としての試料を作製し
た。この従来品にバイモルフ構造素子の厚さ方向に加振
機で振動を加えて出力電圧を測定した。In the same manner as in the above-mentioned embodiment, a bimorph structure element without a weight, which is made of the rectangular plate-shaped piezoelectric ceramic with Ni-plated electrodes, is inserted into the recess of the case via a support portion. The sample was attached, covered with an upper lid, and fixed with an adhesive to prepare a sample as a comparative example of a conventional product. The output voltage was measured by applying vibration to this conventional product in the thickness direction of the bimorph structure element with a vibrator.
【0024】その結果を図1(f)に示す。The results are shown in FIG. 1 (f).
【0025】本発明の実施例では、50Hz〜5KHz
の周波数特性が、図1(f)に示すBのグラフのように
なり、700Hz・5Gで、約1Vppの出力電圧が得
られた。In the embodiment of the present invention, 50 Hz to 5 KHz
1 has a frequency characteristic as shown by a graph B in FIG. 1 (f), and an output voltage of about 1 Vpp was obtained at 700 Hz / 5 G.
【0026】従来品の比較例では、50Hz〜5KHz
の周波数特性が、図1(f)に示すCのグラフのように
なり、700Hz・5Gで、約510mVppの出力電
圧しか得られなかった。In the comparative example of the conventional product, 50 Hz to 5 KHz
The frequency characteristic of is as shown by the graph of C shown in FIG. 1 (f), and only an output voltage of about 510 mVpp was obtained at 700 Hz / 5 G.
【0027】[0027]
【発明の効果】以上、述べたように、従来品に比べて本
発明品では、出力電圧として約2倍程度となった。従っ
て、本発明によれば、低周波域において周波数特性を向
上させた、高感度の衝撃センサを供することができた。As described above, the output voltage of the product of the present invention is about double that of the conventional product. Therefore, according to the present invention, it was possible to provide a high-sensitivity impact sensor having improved frequency characteristics in a low frequency range.
【図1】本発明の実施例である衝撃センサの各々の構成
部品、及びその出力電圧の周波数特性を示す説明図。図
1(a)は本発明の衝撃センサに用いられる圧電セラミ
ックの斜視図。図1(b)は本発明の衝撃センサに用い
られ、圧電セラミックの先端に半田等の重りを付加した
バイモルフ構造素子の斜視図。図1(c)は本発明の衝
撃センサの組立斜視図。図1(d)は本発明の衝撃セン
サの金属端子を示す図1(c)のA−A断面図。図1
(e)は本発明の衝撃センサの斜視図。図1(f)は本
発明及び従来の衝撃センサの周波数と出力電圧との関係
を示す周波数特性のグラフ。FIG. 1 is an explanatory diagram showing each component of an impact sensor according to an embodiment of the present invention and frequency characteristics of its output voltage. FIG. 1A is a perspective view of a piezoelectric ceramic used in the impact sensor of the present invention. FIG. 1B is a perspective view of a bimorph structural element used in the impact sensor of the present invention, in which a weight such as solder is added to the tip of the piezoelectric ceramic. FIG. 1C is an assembled perspective view of the impact sensor of the present invention. FIG. 1D is a sectional view taken along the line AA of FIG. 1C showing a metal terminal of the impact sensor of the present invention. FIG.
(E) is a perspective view of the impact sensor of this invention. FIG. 1F is a frequency characteristic graph showing the relationship between the frequency and the output voltage of the shock sensor of the present invention and the related art.
【図2】従来の衝撃センサを示す斜視図。FIG. 2 is a perspective view showing a conventional impact sensor.
1 ケース 2 バイモルフ構造素子 3 出力端子 4 支持部 5 圧電セラミック 6 上蓋 7 接着剤 8 外部電極 9 内部電極 10 凹部 11 金属端子 12 重り 13 (固定用)架台 B 実施例(本発明品) C 比較例(従来品) 1 Case 2 Bimorph Structural Element 3 Output Terminal 4 Support 5 Piezoelectric Ceramic 6 Top Lid 7 Adhesive 8 External Electrode 9 Internal Electrode 10 Recess 11 Metal Terminal 12 Weight 13 (For Fixing) Stand B B Example (Invention Product) C Comparative Example (Conventional product)
Claims (1)
ち構造の衝撃センサにおいて、前記バイモルフ構造素子
の固定しない側の板面上に重りを付加したことを特徴と
する衝撃センサ。1. A shock sensor having a cantilever structure using a plate-shaped bimorph structure element, wherein a weight is added to the plate surface of the non-fixed side of the bimorph structure element.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7029995A JPH08201421A (en) | 1995-01-25 | 1995-01-25 | Cantilever type impact sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7029995A JPH08201421A (en) | 1995-01-25 | 1995-01-25 | Cantilever type impact sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08201421A true JPH08201421A (en) | 1996-08-09 |
Family
ID=12291526
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7029995A Pending JPH08201421A (en) | 1995-01-25 | 1995-01-25 | Cantilever type impact sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08201421A (en) |
-
1995
- 1995-01-25 JP JP7029995A patent/JPH08201421A/en active Pending
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