JPH10142079A - 圧電衝撃センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 長い振動板でも、その取り付けによる特性の
ばらつきが生じにくく、そのため歩留まりが高く、しか
も音による誤動作が起こりにくく、感度の高い圧電衝撃
センサ。 【解決手段】 圧電衝撃センサは、金属製のビーム状の
振動板１と、この振動板１の長手方向の一方の端部に取
り付けられ、衝撃に伴う慣性力により振動板１を撓ませ
る錘１０と、振動板１の表面に設けられ、同振動板１の
撓みに伴う歪みを電気信号に変換する圧電素子２と、振
動板１を保持する保持部材とを有する。前記振動板１が
その長手方向の一方の端部と中間部において２点で支持
され、圧電素子２が第一の支持部１３、３７と第二の支
持部２３、３８の間に設けられ、錘１０が振動板１の中
間部を支持した第二の支持部２３、３８より、他方の端
部側に設けられている。振動板１の一方の端部を支持す
る第一の支持部１３、３７は、振動板１を単純支持また
は固定支持するものとし、振動板１の中間部を支持する
第二の支持部２３、３８は、振動板１を単純支持するも
のとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、衝撃を検知する衝
撃センサに関し、特に、金属ビーム状の振動板の一端を
支持し、振動板の他端に、衝撃に伴う慣性力により振動
板を撓ませる錘を設け、振動板の表面に、その撓みに伴
う歪みを電気信号に変換する圧電素子を設けた圧電衝撃
センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電衝撃センサは、金属板状の振動板の
一端または両端を支持し、この振動板の他端に錘を設
け、衝撃により振動板が撓むようにしている。さらに、
この振動板の表面に圧電素子を設け、振動板の撓みに伴
う歪みを電気信号に変換し、この電気信号により振動板
の撓みを検知し、これにより衝撃を検知するものであ
る。従来の圧電衝撃センサは、振動板の一端または両端
を完全に固定した状態でケース等の構造物に支持してい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとしている課題】振動板の一端を完
全固定した、いわゆる片持ち梁方式の圧電衝撃センサで
は、振動板とその支持部との取付角度がばらつきやす
く、生産上の歩留まりが悪い。特に、この問題は、振動
板の共振周波数を下げるため、振動板を長くすると特に
顕著に現れる。また、このような片持ち梁方式の圧電衝
撃センサでは、周囲の空気の圧力変動によっても振動板
が撓むため、音によって振動板に歪みを生じ、誤動作し
やすい欠点がある。

【０００４】振動板の両端を完全固定した、いわゆる両
端固定梁方式の圧電衝撃センサでは、振動板の両端が固
定されているため、振動板の固有振動数が高く、低い共
振周波数振が得ずらい。換言すると、所要の共振周波数
を得るためには、長い振動板が必要となり、圧電衝撃セ
ンサが大形化してしまう。また、このような両端固定梁
方式の圧電衝撃センサでも、音によって振動板に歪みを
生じ、誤動作しやすい欠点がある。

【０００５】本発明は、従来の圧電衝撃センサにおける
前記のような課題に鑑み、長い振動板でも、その取り付
けによる特性のばらつきが生じにくく、そのため歩留ま
りが高く、しかも音による誤動作が起こりにくく、感度
の高い圧電衝撃センサを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明では、振動板１の一方の端部を単純支持する
かまたは完全固定としたのに加え、振動板１の圧電素子
２を設けた部分と錘１０を設けた部分との間を単純支持
するようにした。すなわち、圧電衝撃センサは、ビーム
状の振動板１と、この振動板１に取り付けられ、衝撃に
伴う慣性力により振動板１を撓ませる錘１０と、振動板
１の表面に設けられ、同振動板１の撓みに伴う歪みを電
気信号に変換する圧電素子２と、振動板１を保持する保
持部材とを有する。そして本発明による圧電衝撃センサ
は、振動板１がその長手方向の一方の端部と中間部との
２点において保持部材に支持され、圧電素子２が第一の
支持部１３、３７と第二の支持部２３、３８との間に設
けられ、錘１０が振動板１の中間部を支持した第二の支
持部２３、３８より、他方の端部側に設けられているこ
とを特徴とする。

【０００７】ここで、振動板１の一方の端部を支持する
第一の支持部１３、３７は、振動板１を単純支持または
固定支持するものとし、振動板１の中間部を支持する第
二の支持部２３、３８は、振動板１を単純支持するもの
とする。振動板１を支持する保持部材は、一般的にはケ
ースであり、例えば、振動板１はその支持部１３、２
３、３７、３８において、他の部分より十分撓みやすい
腕４、６により支持部材に支持されている。腕４、６
は、振動板１の他の部分より幅が狭く、或いは断面積を
小さくすることにより、剛性が小さくなり、振動板１の
他の部分より撓みやすくなる。

【０００８】このような本発明による圧電衝撃センサで
は、振動板１が、その長手方向の一方の端部と中間部と
の２点で支持されているため、振動板１の取り付けによ
る振動特性のばらつきを少なくすることができる。ま
た、圧電衝撃センサの有感周波数は、１ＫＨｚ以下であ
るが、その場合の振動板１の長さは数ｃｍ程度である。
他方、圧電衝撃センサの誤動作の原因となる音の波長は
数十ｃｍであり、振動板１の長さに比べて十分に長い。
このため、振動板１の中間部を支持した第二の支持部２
３、３８の両側では、同じ位相の音を受ける。このと
き、振動板１の第二の支持部２３、３８で支持された中
間部の両側では、歪みが互いに逆方向となる。そのた
め、歪みが互いに相殺され、音に対する感度が低くな
る。このため、音による圧電衝撃センサの誤動作が起こ
りにくい。さらに、振動板１の中間部を支持する第二の
支持部２３、３８は、単純支持となっているため、振動
板１が撓んだときにそのその第二の支持部２３、３８で
支持された部分が変曲点とならない。このため、振動板
１が振動しやすく、高い感度が得られる。

【０００９】

【発明の実施の形態】次に、図面を参照しながら、本発
明の実施の形態について、具体的且つ詳細に説明する。
図１及び図２に示す例において、振動板１は、弾力があ
ってコシのある例えば隣青銅板などの金属板からなり、
プレスなどによって、図１に示すような矩形のビーム状
に形成されている。この振動板１の一方の端部側の幅方
向の両側からは、他の部分より幅の狭い腕４、４が延長
状に突設されており、この腕４、４に位置決め孔５、５
が穿孔されている。

【００１０】さらに、振動板１の長手方向の中間部の幅
方向の中央部には、前記の腕４、４が設けられたのと反
対側の端部側に開いたコ字形の切欠７と、このコ字形の
切欠７の開いた側の端部と対向して振動板１の幅方向に
設けられたＩ字形の切欠８とが形成されている。これら
切欠７、８により囲まれた部分は、切欠７、８の間のご
く幅の狭い部分を残して振動板１の他の部分と分離され
た腕６となっている。この腕６の中央部には、後述する
ねじ２１を貫通するための通孔９が設けられている。

【００１１】この振動板１の表面の前記の腕４、４と腕
６との間には、圧電素子２が取り付けられている。この
圧電素子２は、円板状の圧電セラミックからなる圧電体
の両主面に金属膜からなる電極を設け、この片側の電極
を振動板１の表面に導電接着したものである。図１にお
いて、符号３は、圧電体の表面に設けた電極３であっ
て、振動板１の表面に導電固着されていない方のものを
示す。この圧電素子２の圧電体は、振動板１の表面に設
けた圧電膜であってもよい。

【００１２】振動板１の腕４、４が設けられたのと反対
側の端部と腕６との間には、錘１０が取り付けられてい
る。図示の錘１０は、直方体の金属の塊からなり、振動
板１の表面に固定されている。ケースは、一対のハーフ
１１、１８からなり、これらハーフ１１、１８は、その
周囲の段部１７を互いに嵌め込むことにより、所定の位
置で嵌合され、箱形のケースが構成される。

【００１３】ケースの下側のハーフ１１は、上面を開口
した箱形容器であり、その一方の端部の幅方向の中央上
面にねじ穴１５が設けられている。さらに、このハーフ
１１の端部に、縁部より一段低くなった平面状の第一の
支持部１３が設けられ、この第一の支持部１３は、前記
振動板１の端部形状に対応している。すなわち、この第
一の支持部１３の幅方向の両側に前記振動板１の端部の
腕４、４の形状に対応する凹部が設けられ、この凹部に
位置決め穴１４、１４が設けられている。

【００１４】ケースの下側のハーフ１１の内部底面の中
央、具体的には前記振動板１の中間部の腕６に対応する
位置に、底面から隆起した台形円錐状の第二の支持部２
３が形成されている。この第二の支持部２３の上面中心
には、ねじ穴１６が設けられている。これら第一と第二
の支持部１３、２３を除くハーフ１１の側壁及び端壁に
囲まれた部分は、振動板１が振動できるように空間とな
っている。

【００１５】ケースの上側のハーフ１８は、下面を開口
した箱形容器である、図２に示すようにその一方の端部
と中間部であって、前記下側のハーフ１１の第一の支持
部１３と第二の支持部２３とに対応する部分にそれぞれ
第一と第二の支持部３７、３８が設けられており、これ
ら第一と第二の支持部３７、３８には、それぞれねじ孔
２２、２２（図１の符号を参照）が設けられている。こ
れら第一と第二の支持部３７、３８を除くハーフ１８の
側壁及び端壁に囲まれた部分は、振動板１が振動できる
ように空間となっている。

【００１６】この第一と第二の支持部３７、３８の部分
には、金属導体製の端子１９、２０が埋め込まれてい
る。図２に示されたように、この端子１９、２０の下端
は、ケースの上側のハーフ１８の内部に導出され、それ
ぞれ第一と第二の支持部３７、３８の下端に添うように
Ｌ字形に曲げられている。このうち、第一の支持部３７
に埋め込まれた端子の下端は、第一の支持部３７から第
二の支持部３８側に延び、先端近くの部分に、下方に突
になるよう湾曲した接触部２４が形成されている。

【００１７】このような構成部材からなる圧電衝撃セン
サは、次のようにして組み立てられる。まず、ケースの
上下のハーフ１１、１８を分離した状態で、振動板１の
一方の端部の幅方向の両側の腕４、４を、ハーフ１１の
第一の支持部１３の両側の凹部に乗せて、位置決め孔
５、５と位置決め孔１４、１４を位置合わせする。ま
た、振動板１の長手方向の中間部の幅方向の中央部の腕
６を第二の支持部２３の上に乗せ、それらのねじ孔６と
ねじ穴１６とを位置合わせする。

【００１８】次に、ケースの上側のハーフ１８を下側の
ハーフ１１の上に乗せ、それらの周囲の段部１７を互い
に嵌め込んで互いに位置合わせする。この状態では、振
動板１の端部の腕４、４が上下のハーフ１１、１８の第
一の支持部１３、３７に挟持されると共に、振動板１の
中央部の腕６が第二の支持部２３、３８に挟持される。
また、上側のハーフ１８のねじ孔２２、２２がそれぞれ
下側のハーフ１１のねじ孔１５、１６に位置合わせされ
る。端子１９のＬ字形の曲がった下端は、その下方に突
になった接触部２４が圧電素子２の電極３の表面に接触
されて電気的に接続される。また、端子２０のＬ字形に
曲がった下端は、その下面が振動板１の腕６の部分に接
触し、電気的に接続される。この状態で、上側のハーフ
１８のねじ孔２２、２２からねじ２１、２１をねじ込
み、これを下側のハーフ１１のねじ穴１５、１６にねじ
込むことにより、一対のハーフ１１、１８が固定され、
圧電衝撃センサが完成する。

【００１９】このような圧電衝撃センサでは、振動板１
がその長手方向の一方の端部と中間部との２個所で第一
の支持部１３、３７と第二の支持部２３、３８に支持さ
れているいるので、振動板１を取り付けしやすく、取付
位置のずれ等に起因する振動特性のばらつきが生じにく
い。他方振動板１は、他の部分より十分幅が狭く、断面
積が小さい腕４、４、６の部分でハーフ１１、１８の第
一の支持部１３、３７と第二の支持部２３、３８に支持
されているので、自由度が高く、何れもほぼ単純支持さ
れた状態となる。このように支持された状態を図３に模
式的に示す。すなわち、振動板１は、その長手方向の一
方の端部が第一の支持部１３、３７により単純支持さ
れ、その中間部が第二の支持部２３、３８により単純支
持されている。そして、振動板１の単純支持された一方
の端部と中間部との間に圧電素子が設けられ、中間部よ
り他方の端部側に錘１８が設けられている。

【００２０】図４（ａ）は、このように振動板１の長手
方向の一方の端部と中間部が単純支持された状態で、加
速度を受て、振動体板１に設けた錘１８の慣性力によ
り、振動板１が撓んだ状態を示す。他方、図４（ｂ）
は、振動板１の長手方向の一方の端部が第一の支持部１
３’、３７’で完全固定され、振動板１の中間部が単純
支持された状態で、加速度を受て、振動板１に設けた錘
１８の慣性力により、振動板１が撓んだ状態を示す。何
れも、振動板１の中間部を支持する第二の支持部２３、
３８が単純支持となっているため、振動板１が撓んだと
きにその振動板１の第二の支持部２３、３８で支持され
た個所が変曲点とならない。このため、振動板１が振動
しやすく、高い感度が得られる。このような振動板１の
撓みにより発生する歪みをその表面に設けた圧電素子が
感知し、これが前記端子１９、２０の間で電気信号とし
て取り出すことができる。

【００２１】図５は、前記振動板１が音による空気の圧
力変動を受けたときの状態を模式的に示す、図５（ａ）
が第一の支持部１３、３７と第二の支持部２３、３８の
間の部分に音圧を受けた時の状態を、図５（ｂ）が第二
の支持部２３、３８の先の錘１８を取り付けた部分に音
圧を受けた時の状態をそれぞれ示す。既に述べた通り、
圧電衝撃センサの有感周波数は、１ＫＨｚ以下である
が、その場合の振動板１の長さは数ｃｍ程度である。他
方、圧電衝撃センサの誤動作の原因となる音の波長は数
十ｃｍであり、振動板１の長さに比べて十分に長い。そ
のため、振動板１の長手方向の中間部を支持した第二の
支持部２３、３８の両端側では、同じ位相の音を受け
る。このとき、振動板１はその中間部が第二の支持部２
３、３８で単純支持され、変曲点が形成されないため、
音圧によりその両側に発生する歪みは互いに他方側に及
び、しかもそれらは互いに逆方向となる。すなわち、図
５（ａ）に示されたように、振動板１の第一と第二の支
持部１３、３７、２３、３８の間の部分に音圧を受けた
時は、振動板１の中間部が下に凸になるように撓もうと
する。他方、図５（ｂ）に示されたように、第二の支持
部２３、３８の先の錘１８を取り付けた部分に音圧を受
けた時は、振動板１の中間部が上に凸になるように撓も
うとする。そしてこの歪みは、互いに他方側に及ぶた
め、それら歪みが互いに相殺される。従って、振動板１
の音に対する感度が低くなり、音による圧電衝撃センサ
の誤動作が起こりにくくなる。

【００２２】図６は、本発明による圧電衝撃センサの他
の例を示すもので、ここでは、振動板１の長手方向の一
方の端部と中間部とを、上側のハーフ１８で押さえ付け
ず、下側のハーフ１１の端部と中間部とに設けた第一と
第二の支持部１３、２３に接着剤で取り付けている。さ
らに、端子１９、２０は、下側のハーフ１１の第一と第
二の支持部１３、２３の部分に埋め込み、それらの上端
を半田２５、２６でそれぞれ圧電素子２の表面に設けた
電極３と振動板１の表面とに半田付けしている。

【００２３】図７は、本発明による圧電衝撃センサの他
の例を示すもので、ここでは、振動板１の長手方向の一
方の端部と中間部のそれぞれ幅方向の両側に腕４、４、
６、６を突設している。そして、この突起状の腕４、
４、６、６を、ケースの下側のハーフ１１の側壁に設け
た凹状の切欠きからなる第一と第二の支持部１３、２３
と、上側のハーフ１８の側壁から突設した突起状の第一
と第二の支持部３７、３８との間に挟持して支持してい
る。すなわち、振動板１の幅方向の両側に突設された腕
４、４、６、６は、ケースの下側のハーフ１１の側壁に
設けられた切欠き状の第一の支持部１３、２３に嵌め込
まれる。さらに、上下のハーフ１１、１８が組み合わせ
られるとき、上側のハーフ１８の突起状の支持部３７、
３８が下側のハーフ１１の支持部１３、２３に挿入さ
れ、それらの間に腕４、４、６、６が挟持される。これ
ら支持部１３、２３の底部及び支持部３７、３８の先端
部は、山状に尖っており、その尖った先端部で腕４、
４、６、６が挟持される。このため、振動板１の他の部
分より幅が狭く、断面積が小さい腕４、４、６、６が点
状に挟持されるため、振動板１は、それら支持部１３、
２３、３７、３８においてほぼ完全に単純支持された状
態となる。なお、この図７に示し例では、圧電素子２の
電極３と振動板１とは、ケースの外側に引き出されたリ
ード線３２により回路との接続がなされる。

【００２４】図８は、本発明による圧電衝撃センサの他
の例を示すもので、その基本的な構成は前記図７の実施
例と同じである。すなわち、振動板１の長手方向の一方
の端部と中間部のそれぞれ幅方向の両側に腕４、４、
６、６を突設し、この突起状の腕４、４、６、６を、ケ
ースの下側のハーフ１１の側壁に設けた凹状の切欠きか
らなる第一の支持部１３及び第二の支持部２３と、上側
のハーフ１８の側壁から突設した突起状の第一の支持部
３７及び第二の支持部３８との間に挟持して支持してい
る。

【００２５】図７の実施例と異なっているのは、振動板
１の一方の端部において、振動板１から腕４、４を直接
突設せず、振動板１の端部に電気的に絶縁状態で取り付
けた金属導体からなる端子板３５から幅方向の両側に腕
４、４を突出している。そして、この端子板３５は、接
続部３９を介して圧電素子２の表面の電極３に接続され
ている。この端子板３には、振動板１に対して電気的に
絶縁状態となったピン状の端子３１、３１の上端が半田
付けされ、この端子３１、３１が下方に突設されたてい
る。また、振動板１の中間部には、やはりピン状の端子
３４、３４の上端が半田付けされ、この端子３４、３４
が振動板１から下方に突設されている。この圧電衝撃セ
ンサの基本的な組み立て態様は、前記図８と概ね同様で
あるが、端子３１、３１、３４、３４は、ケースの下側
のハーフの１１の底壁に設けた引出孔４０からケースの
外部に引き出され、回路に接続される。

【００２６】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明による圧電衝
撃センサでは、長い振動板でも、その取り付けによる特
性のばらつきが生じにくく、そのため歩留まりが高く、
しかも音による誤動作が起こりにくく、感度の高い圧電
衝撃センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による圧電衝撃センサの例を示す分解斜
視図である。

【図２】同圧電衝撃センサの例を示す中央縦断側面図で
ある。

【図３】同圧電衝撃センサの例の振動板の支持状態示す
模式図である。

【図４】圧電衝撃センサの振動板の長手方向の一方の端
部及び中間部を単純支持した例と、一方の端部を完全固
定とし、中間部を単純支持した例の衝撃を受けたときの
振動板の撓み状態を示す模式図である。

【図５】前記圧電衝撃センサの振動板の長手方向の一方
の端部及び中間部を単純支持したときの、音圧を受けた
ときの振動板の撓み状態を示す模式図である。

【図６】本発明による圧電衝撃センサの他の例を示す縦
断側面図である。

【図７】本発明による圧電衝撃センサの他の例を示す分
解斜視図である。

【図８】本発明による圧電衝撃センサの他の例を示す分
解斜視図である。

【符号の説明】

１ 振動板 １０ 錘 ２ 圧電素子 １１ ケースの下側のハーフ １３ ケースの下側のハーフの第一の支持部 ２３ ケースの下側のハーフの第二の支持部 １８ ケースの上側のハーフ ３７ ケースの下側のハーフの第一の支持部 ３８ ケースの下側のハーフの第二の支持部

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ビーム状の振動板（１）と、この振動板
   （１）に取り付けられ、衝撃に伴う慣性力により振動板
   （１）を撓ませる錘（１０）と、振動板（１）の表面に
   設けられ、同振動板（１）の撓みに伴う歪みを電気信号
   に変換する圧電素子（２）と、振動板（１）を保持する
   保持部材とを有する圧電衝撃センサにおいて、振動板
   （１）がその長手方向の一方の端部と中間部との２点に
   おいて保持部材に支持され、圧電素子（２）が第一の支
   持部（１３）、（３７）と第二の支持部（２３）、（３
   ８）との間に設けられ、錘（１０）が振動板（１）の中
   間部を支持した第二の支持部（２３）、（３８）より、
   他方の端部側に設けられていることを特徴とする圧電衝
   撃センサ。
2. 【請求項２】 第一の支持部（１３）、（３７）が、振
   動板（１）の一方の端部を単純支持するかまたは固定支
   持していることを特徴とする請求項１に記載の圧電衝撃
   センサ。
3. 【請求項３】 第二の支持部（２３）、（３８）が、振
   動板（１）の中間部を単純支持していることを特徴とす
   る請求項１に記載の圧電衝撃センサ。
4. 【請求項４】 振動板１は、その支持部（１３）、（２
   ３）、（３７）、（３８）において、他の部分より十分
   撓みやすい腕（４）、（６）により支持部材に支持され
   ていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の
   圧電衝撃センサ。
5. 【請求項５】 振動板１は、その支持部（１３）、（２
   ３）、（３７）、（３８）において、他の部分より十分
   断面積の小さな腕（４）、（６）により支持部材に支持
   されていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記
   載の圧電衝撃センサ。
6. 【請求項６】 振動板１は、その支持部（１３）、（２
   ３）、（３７）、（３８）において、他の部分より十分
   幅の狭い腕（４）、（６）により支持部材に支持されて
   いることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の圧
   電衝撃センサ。
7. 【請求項７】 振動板（１）を支持する保持部材が、ケ
   ースであることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記
   載の圧電衝撃センサ。