特許 7560242 振動センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-24

(45)【発行日】2024-10-02

(54)【発明の名称】振動センサ

(51)【国際特許分類】

   G01H 11/08 20060101AFI20240925BHJP

   G01P 15/09 20060101ALI20240925BHJP

   H10N 30/30 20230101ALI20240925BHJP

   H10N 30/88 20230101ALI20240925BHJP

【ＦＩ】

G01H11/08 Z

G01P15/09 D

H10N30/30

H10N30/88

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2019060233

(22)【出願日】2019-03-27

(65)【公開番号】P2020159895

(43)【公開日】2020-10-01

【審査請求日】2022-03-02

【審判番号】

【審判請求日】2023-09-21

(73)【特許権者】

【識別番号】000134257

【氏名又は名称】株式会社トーキン

(74)【代理人】

【識別番号】100117341

【弁理士】

【氏名又は名称】山崎 拓哉

(74)【代理人】

【識別番号】100148840

【弁理士】

【氏名又は名称】松本 健志

(74)【代理人】

【識別番号】100191673

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邉 久典

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 益人

【合議体】

【審判長】加々美 一恵

【審判官】瓦井 秀憲

【審判官】伊藤 幸仙

(56)【参考文献】

【文献】特開昭５６－０４９９２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０８３７９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０５３７４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０５６７５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－００９８７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表平０２－５０３９５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－２１４２４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－０９４６７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５７－１１８３３２（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開平０７－２１８３７０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

G01H 1/00-17/00

F02D 41/00-45/00

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属製のベースと、金属製のポールと、振動子とを備えた振動センサであって、
前記振動センサは、非共振型センサであり、
前記ポールは、大径部と、小径部と、支持面とを有しており、
前記大径部は、前記ベースに固定されており、且つ、前記ベースから上下方向において上方に延びており、
前記小径部は、前記大径部の上端から上方に延びており、
前記上下方向と直交する水平面において、前記小径部は、前記大径部の内側に位置しており、
前記支持面は、前記大径部の上面であり、前記水平面において、前記大径部の外周と前記小径部の外周との間に位置しており、
前記振動子は、圧電素子と、支持板とを備えており、
前記圧電素子及び前記支持板の夫々は、前記水平面において、中心孔が形成された円形状を有しており、
前記圧電素子は、前記支持板に支持されており、
前記小径部は、前記圧電素子の前記中心孔及び前記支持板の前記中心孔を前記上下方向に貫通しており、
前記圧電素子の前記水平面における内周部及び前記支持板の前記水平面における内周部は、前記支持面に向かって押し付けられており、
前記圧電素子は、前記支持板の上面にのみ設けられている
振動センサ。

【請求項2】

請求項１記載の振動センサであって、
前記ベース及び前記ポールを前記上下方向に沿って上方から見ると、前記ポールは、前記ベースの内側に位置している
振動センサ。

【請求項3】

請求項１又は請求項２記載の振動センサであって、
前記振動センサは、ナットを備えており、
前記小径部には、少なくとも部分的にネジが形成されており、
前記ナットは、前記小径部にねじ込まれており、
前記圧電素子の前記内周部及び前記支持板の前記内周部は、前記ナットと前記支持面との間に挟み込まれている
振動センサ。

【請求項4】

請求項１から請求項３までのいずれかに記載の振動センサであって、
前記支持面と前記ベースとの間の前記上下方向における距離は、前記圧電素子の前記水平面における外径の０．２５倍以上かつ２倍以内である
振動センサ。

【請求項5】

請求項３記載の振動センサであって、
前記大径部は、円柱形状を有している
振動センサ。

【請求項6】

請求項５記載の振動センサであって、
前記圧電素子の前記水平面における外径は、前記大径部の前記水平面における外径よりも大きく、且つ、前記大径部の前記外径の５倍以内である
振動センサ。

【請求項7】

請求項５又は請求項６記載の振動センサであって、
前記ナットの下端面は、前記水平面において環形状を有しており、
前記ナットの前記下端面の前記水平面における外径は、前記大径部の前記水平面における外径と等しい
振動センサ。

【請求項8】

請求項１から請求項７までのいずれかに記載の振動センサであって、
前記小径部は、円柱形状を有している
振動センサ。

【請求項9】

請求項１から請求項８までのいずれかに記載の振動センサであって、
前記振動子は、ユニモルフ型圧電振動子である
振動センサ。

【請求項10】

請求項１から請求項８までのいずれかに記載の振動センサであって、
前記振動子は、バイモルフ型圧電振動子である
振動センサ。

【請求項11】

請求項１から請求項１０までのいずれかに記載の振動センサであって、
前記振動子は、錘を備えている
振動センサ。

【請求項12】

請求項１から請求項１１までのいずれかに記載の振動センサを備えた測定機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、圧電素子を使用した振動センサに関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、特許文献１には、圧電素子を使用した加速度センサ（振動センサ）が開示されている。

【0003】

図１０を参照すると、特許文献１の振動センサ９０は、圧電素子からなる圧電振動子９２と、金属板９４と、ケース９８２と、基板９８４とを備えている。基板９８４は、上下方向においてケース９８２内部の底面９８８の上に固定されており、これにより、ケース９８２と共に支持部材９８を構成している。金属板９４は、上下方向と直交する所定方向に沿って延びるようにして支持部材９８に取り付けられている。詳しくは、金属板９４の所定方向における両端部は、基板９８４の上に固定されている。一方、金属板９４の所定方向における中間部は、底面９８８から上方に離れて位置しており、底面９８８に沿って延びている。圧電振動子９２は、金属板９４の所定方向における中間部に固定されている。即ち、圧電振動子９２は、支持部材９８によって、両持ち梁状に支持されている。

【0004】

圧電振動子９２には、電極９２４が設けられている。圧電振動子９２は、支持部材９８に加速度が加えられたとき、加速度の上下方向の成分に応じて上下方向に振動して撓み、金属板９４と電極９２４との間に撓みに応じた電圧が生じる。金属板９４と電極９２４との間に生じた電圧を測定することで、支持部材９８に加えられた加速度を検出できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】国際公開第２０１１／０４３２１９号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１の支持構造によれば、支持部材９８が上下方向と直交する水平方向の両側に引っ張られたような場合、支持部材９８が歪み、これにより、金属板９４が上下方向に撓むおそれがある。この場合、金属板９４と電極９２４との間に加速度に起因しないノイズ電圧が生じ、正しい加速度が検出できない。即ち、特許文献１の振動センサによれば、圧電素子の支持部材の歪に起因して測定電圧にノイズが生じるおそれがある。

【0007】

そこで、本発明は、圧電素子の支持部材が歪んでもノイズが生じ難い振動センサを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、第１の振動センサとして、
ベースと、ポールと、振動子とを備えた振動センサであって、
前記ポールは、大径部と、小径部と、支持面とを有しており、
前記大径部は、前記ベースに固定されており、且つ、前記ベースから上下方向において上方に延びており、
前記小径部は、前記大径部の上端から上方に延びており、
前記上下方向と直交する水平面において、前記小径部は、前記大径部の内側に位置しており、
前記支持面は、前記大径部の上面であり、前記水平面において、前記大径部の外周と前記小径部の外周との間に位置しており、
前記振動子は、圧電素子と、支持板とを備えており、
前記圧電素子及び前記支持板の夫々は、前記水平面において、中心孔が形成された円形状を有しており、
前記圧電素子は、前記支持板に支持されており、
前記小径部は、前記圧電素子の前記中心孔及び前記支持板の前記中心孔を前記上下方向に貫通しており、
前記圧電素子の前記水平方向における内周部及び前記支持板の前記水平方向における内周部は、前記支持面に向かって押し付けられている
振動センサを提供する。

【0009】

また、本発明は、第２の振動センサとして、第１の振動センサであって、
前記振動センサは、ナットを備えており、
前記小径部には、少なくとも部分的にネジが形成されており、
前記ナットは、前記小径部にねじ込まれており、
前記圧電素子の前記内周部及び前記支持板の前記内周部は、前記ナットと前記支持面との間に挟み込まれている
振動センサを提供する。

【0010】

また、本発明は、第３の振動センサとして、第１又は第２の振動センサであって、
前記振動センサは、非共振型センサである
振動センサを提供する。

【0011】

また、本発明は、第４の振動センサとして、第１から第３までのいずれかの振動センサであって、
前記支持面と前記ベースとの間の前記上下方向における距離は、前記圧電素子の前記水平面における外径の０．２５倍以上かつ２倍以内である
振動センサを提供する。

【0012】

また、本発明は、第５の振動センサとして、第１から第４までのいずれかの振動センサであって、
前記大径部は、円柱形状を有している
振動センサを提供する。

【0013】

また、本発明は、第６の振動センサとして、第５の振動センサであって、
前記圧電素子の前記水平面における外径は、前記大径部の前記水平面における外径よりも大きく、且つ、前記大径部の前記外径の５倍以内である
振動センサを提供する。

【0014】

また、本発明は、第７の振動センサとして、第５又は第６の振動センサであって、
前記ナットの下端面は、前記水平面において環形状を有しており、
前記ナットの前記下端面の前記水平面における外径は、前記大径部の前記水平面における外径と等しい
振動センサを提供する。

【0015】

また、本発明は、第８の振動センサとして、第１から第７までのいずれかの振動センサであって、
前記小径部は、円柱形状を有している
振動センサを提供する。

【0016】

また、本発明は、第９の振動センサとして、第１から第８までのいずれかの振動センサであって、
前記振動子は、ユニモルフ型圧電振動子である
振動センサを提供する。

【0017】

また、本発明は、第１０の振動センサとして、第１から第８までのいずれかの振動センサであって、
前記振動子は、バイモルフ型圧電振動子である
振動センサを提供する。

【0018】

また、本発明は、第１１の振動センサとして、第１から第１０までのいずれかの振動センサであって、
前記振動子は、錘を備えている
振動センサを提供する。

【0019】

また、本発明は、第１の測定機器として、第１から第１１までのいずれかの振動センサを備えた測定機器を提供する。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、圧電素子を備えた振動子は、ベースに固定されて上方に延びるポールの支持面によって支持されており、ベースの歪が振動子に伝わり難い。加えて、本発明の振動子は、中心孔が形成された円板形状を有しており、振動子の内周部は、支持面に向かって押し付けられている。この構造によれば、ベースの歪に起因して、圧電素子が水平面と平行な第１水平方向において引っ張られたとしても、圧電素子は、水平面と平行且つ第１水平方向と直交する第２水平方向において圧縮される。この結果、ベースの歪に起因して生じうるノイズが相殺される。以上のように、本発明によれば、圧電素子の支持部材（ベース及びポール）が歪んでもノイズが生じ難い振動センサを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明の実施の形態による振動センサを示す斜視図である。

【図2】図１の振動センサを示す上面図である。ポールの隠れた大径部及びナットの隠れた下面の輪郭を破線で描画している。

【図3】図２の振動センサをＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿って示す断面図である。ベースとポールとの間の境界、ポールの大径部と小径部との間の境界、及び、ポールの小径部と上端部との間の境界を破線で描画している。

【図4】図１の振動センサを示す分解斜視図である。圧電素子の内周部と外周部との間の輪郭を破線で描画している。

【図5】図５（Ａ）は、本実施の形態の振動センサの振動子の振動による撓みを模式的に示す図である。図５（Ｂ）は、比較例の振動センサの振動子の振動による撓みを模式的に示す図である。

【図6】図１の振動センサの変形例を示す斜視図である。

【図7】図１の振動センサの別の変形例を備えた測定機器を部分的に示す一部切り欠き斜視図である。

【図8】図７の測定機器の第１実施例による測定結果を示す図である。

【図9】図７の測定機器の第２実施例による測定結果を示す図である。

【図10】特許文献１の加速度センサを示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

図１を参照すると、本発明の実施の形態による振動センサ１０は、金属製の支持部材１２と、振動子４０と、ナット５０とを備えている。振動子４０は、ナット５０によって支持部材１２に押し付けられつつ、支持部材１２に支持されている。但し、本発明は、これに限られない。例えば、振動子４０が支持部材１２に支持されている限り、ナット５０は、必要に応じて設ければよい。一方、振動センサ１０は、上述した部材に加えて、更に別の部材を備えていてもよい。

【0023】

本実施の形態による振動センサ１０は、測定装置８０（図７参照）のような電子機器の部品として使用可能である。振動センサ１０を搭載した電子機器に振動や衝撃が加わると、電子機器に加速度が生じ、これにより、振動センサ１０の振動子４０が撓む。振動センサ１０は、振動子４０の撓みを電圧に変換して出力するベンディング型のセンサである。振動センサ１０が出力した電圧を測定することで、電子機器に生じた加速度を検出でき、これにより加えられた振動や衝撃を検出できる。

【0024】

図１から図４までを参照すると、本実施の形態の支持部材１２は、金属からなり、高い剛性を有している。即ち、支持部材１２は、加速度を受けたときに歪み難い。この構造により、振動子４０には、加速度に応じた撓みが生じ易い。但し、支持部材１２の材料は、金属に限られない。例えば、支持部材１２が十分な剛性を有している限り、支持部材１２は、樹脂からモールド成型してもよい。

【0025】

振動センサ１０は、金属製のベース２０と、金属製のポール３０とを備えている。本実施の形態において、ベース２０及びポール３０の夫々は、支持部材１２の一部である。換言すれば、ベース２０とポール３０とは、互いに一体に形成されており、互いに固定されている。但し、本発明は、これに限られない。ポール３０がベース２０に固定されている限り、ベース２０とポール３０とは、互いに別体に形成されていてもよい。

【0026】

本実施の形態のベース２０は、上下方向（Ｚ方向）と直交する水平面（ＸＹ平面）と平行に延びる平板であり、ＸＹ平面において矩形形状を有している。但し、本発明は、これに限られず、ベース２０の形状は、必要に応じて様々に変形可能である。

【0027】

図３及び図４を参照すると、本実施の形態のポール３０は、大径部３２と、支持面（上面）３４と、小径部３６と、上端部３８とを有している。ポール３０は、ベース２０からＺ方向において上方に（＋Ｚ方向に沿って）直線状に延びている。

【0028】

詳しくは、大径部３２は、上端３２４と、下端３２２とを有している。上端３２４及び下端３２２は、Ｚ方向における大径部３２の両端に夫々位置している。大径部３２は、下端３２２においてベース２０に固定されており、且つ、ベース２０から上端３２４まで真直ぐ上方に延びている。小径部３６は、上端３６４と、下端３６２とを有している。上端３６４及び下端３６２は、Ｚ方向における小径部３６の両端に夫々位置している。小径部３６は、下端３６２において大径部３２の上端３２４に固定されており、且つ、大径部３２の上端３２４から上端３６４まで真直ぐ上方に延びている。

【0029】

本実施の形態のポール３０には、上端部３８が設けられている。上端部３８は、小径部３６の上端３６４から真直ぐ上方に延びている。但し、本発明は、これに限られず、上端部３８は、必要に応じて設ければよい。

【0030】

図２から図４までを参照すると、大径部３２は、ＸＹ平面における外周３２６を有しており、小径部３６は、ＸＹ平面における外周３６６を有している。本実施の形態において、大径部３２は、円柱形状を有しており、外周３２６は、円筒形状を有している。また、小径部３６は、円柱形状を有しており、外周３６６は、円筒形状を有している。大径部３２のＸＹ平面における中心点の位置と、小径部３６のＸＹ平面における中心点の位置とは、互いに一致している。

【0031】

上述の構造により、ポール３０は、大径部３２及び小径部３６のＸＹ平面における中心点を中心とする径方向において、同じ力に対して同様に歪む。但し、本発明は、これに限られない。例えば、大径部３２及び小径部３６の夫々のＸＹ平面における形状は、多角形であってもよい。また、大径部３２及び小径部３６の夫々のＸＹ平面におけるサイズは、Ｚ方向における位置によって異なっていてもよい。

【0032】

ＸＹ平面における小径部３６のサイズは、ＸＹ平面における大径部３２のサイズよりも小さい。加えて、ＸＹ平面において、小径部３６は、大径部３２の内側に位置している。この構造により、小径部３６と大径部３２との間には、大径部３２の上面３４が形成されている。大径部３２の上面３４は、ＸＹ平面と平行な平面であり、Ｚ方向において大径部３２の上端３２４に位置している。大径部３２の上面３４は、振動子４０を支持する支持面３４として機能する。即ち、支持面３４は、大径部３２の上面３４であり、ＸＹ平面において、大径部３２の外周３２６と小径部３６の外周３６６との間に位置している。

【0033】

図１、図３及び図４を参照すると、振動子４０は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電体からなる圧電素子４２と、金属製の支持板４４と、電極４８とを備えている。圧電素子４２は、Ｚ方向において一様に分極処理されている。電極４８は、圧電素子４２の上面（＋Ｚ側の面）に銀ペースト等の導電性材料を塗布して形成されている。圧電素子４２は、支持板４４に支持されている。本実施の形態によれば、圧電素子４２の下面（－Ｚ側の面）は、導電接着剤等の固定剤によって、支持板４４の上面に強固に固定されて支持されている。但し、圧電素子４２と支持板４４とが、１つの振動子４０として一体に振動する限り、圧電素子４２の支持方法は、本実施の形態に限られない。

【0034】

圧電素子４２及び支持板４４の夫々は、円板形状を有している。詳しくは、圧電素子４２は、ＸＹ平面において、円形の中心孔４２２が形成された円形状を有しており、支持板４４は、ＸＹ平面において、円形の中心孔４４２が形成された円形状を有している。本実施の形態において、圧電素子４２の中心孔４２２は、ＸＹ平面において、圧電素子４２の中心に位置しており、支持板４４の中心孔４４２は、ＸＹ平面において、支持板４４の中心に位置している。圧電素子４２の中心孔４２２のＸＹ平面におけるサイズは、支持板４４の中心孔４４２のＸＹ平面におけるサイズと等しい。また、振動子４０において、圧電素子４２のＸＹ平面における中心点の位置と、支持板４４のＸＹ平面における中心点の位置とは、互いに一致している。

【0035】

上述の構造により、振動子４０がＺ方向に沿った加速度を受けると、ＸＹ平面における中心点を中心とする径方向において同じ位置にある振動子４０の部位は、同様に振動する。但し、本発明は、これに限られない。例えば、圧電素子４２の中心孔４２２及び支持板４４の中心孔４４２の夫々のＸＹ平面における形状は、多角形であってもよい。また、圧電素子４２の中心孔４２２のＸＹ平面におけるサイズは、支持板４４の中心孔４４２のＸＹ平面におけるサイズと異なっていてもよい。

【0036】

図３及び図４を参照すると、振動子４０は、ポール３０の小径部３６に取り付けられている。詳しくは、小径部３６のＸＹ平面における外径は、圧電素子４２の中心孔４２２及び支持板４４の中心孔４４２のＸＹ平面における直径以下である。小径部３６は、圧電素子４２の中心孔４２２及び支持板４４の中心孔４４２をＺ方向に貫通しており、圧電素子４２の上面を越えて上方に突出している。小径部３６のＸＹ平面における中心点の位置と、振動子４０のＸＹ平面における中心点の位置とは、互いに一致している。また、振動子４０の下面は、ポール３０の支持面３４と接触している。

【0037】

本実施の形態において、ポール３０の小径部３６には、少なくとも部分的にネジ３６８が形成されている。また、本実施の形態のナット５０には、小径部３６のネジ３６８に対応するネジ５８が形成されている。ナット５０は、小径部３６にねじ込まれており、これにより、振動子４０を支持面３４に押し付けている。

【0038】

詳しくは、圧電素子４２は、ＸＹ平面において中心孔４２２の周辺に位置する内周部４２４と、ＸＹ平面において内周部４２４の外側に位置する外周部４２６とを有している。支持板４４は、ＸＹ平面において中心孔４４２の周辺に位置する内周部４４４と、ＸＹ平面において内周部４４４の外側に位置する外周部４４６とを有している。

【0039】

圧電素子４２の内周部４２４及び支持板４４の内周部４４４は、支持面３４の真上に位置している。この配置により、圧電素子４２の内周部４２４及び支持板４４の内周部４４４は、ナット５０と支持面３４との間に挟み込まれており、Ｚ方向において互いに押し付けられている。換言すれば、圧電素子４２のＸＹ平面における内周部４２４及び支持板４４のＸＹ平面における内周部４４４は、支持面３４に向かって押し付けられている。一方、圧電素子４２及び支持板４４のＸＹ平面における外径は、ポール３０の大径部３２のＸＹ平面における外径よりも大きい。即ち、圧電素子４２は、支持板４４に支持されつつ、ＸＹ平面において大径部３２から張り出している。

【0040】

図５（Ａ）を参照すると、振動子４０のＸＹ平面における中心部は、ポール３０によって支持されている一方、振動子４０のうちＸＹ平面においてポール３０から張り出した部位は、Ｚ方向において振動可能である。即ち、振動子４０は、ポール３０によって、Ｚ方向（分極方向）に撓むことができるように支持されている。

【0041】

詳しくは、振動センサ１０が加速度を受けると、振動子４０は加速度に比例する慣性力を受ける。例えば、振動センサ１０に分極方向（Ｚ方向）の加速度が加えられると、振動子４０のうちＸＹ平面においてポール３０から張り出した部位が分極方向に撓む。この結果、振動子４０の電極４８と支持板４４に、それぞれ逆符号の電荷が生じる。即ち、電極４８と支持板４４との間に、加速度に比例した電圧（検出電圧ＶＤ）が生じる。生じた検出電圧ＶＤは、導電線（図示せず）を経由して増幅回路（図示せず）に入力される。増幅回路によって増幅された電圧（出力信号）を測定することで、振動センサ１０に加えられた加速度を検出できる。

【0042】

振動子４０は、振動センサ１０に加えられた加速度の周波数が共振周波数と一致するか又は共振周波数に近い場合、加速度の大きさが僅かであっても大きく撓む。換言すれば、振動子４０は、共振周波数及び共振周波数の近傍において大きく撓み、これにより大きな検出電圧ＶＤを生じる。一方、振動子４０は、共振周波数よりも十分に低い周波数帯域において、加速度の周波数に係らず、加速度の大きさに略比例した検出電圧ＶＤを生じる。本実施の形態の振動センサ１０は、振動子４０の共振周波数よりも十分に低い周波数帯域で使用される非共振型センサである。本実施の形態の振動センサ１０が使用される周波数帯域は、基準周波数（例えば、１５７Ｈｚ）における検出電圧ＶＤと比べて所定範囲内にある検出電圧ＶＤが得られる範囲である。

【0043】

以上の説明から理解されるように、振動センサ１０が使用可能な周波数帯域を広くするという観点から、振動子４０の共振周波数は、高いほうが好ましい。例えば、振動子４０の共振周波数は、振動センサ１０が使用される周波数帯域の上限値の３倍以上であることが好ましい。但し、振動子４０の共振周波数が高くなると、振動子４０の検出電圧ＶＤが小さくなり易い。従って、振動子４０の共振周波数は、所定の範囲内にあることが好ましい。

【0044】

図３を参照すると、本実施の形態によれば、圧電素子４２を備えた振動子４０は、ベース２０に固定されて上方に延びるポール３０の支持面３４によって支持されており、ベース２０の歪が振動子４０に伝わり難い。即ち、検出電圧ＶＤに、ベース２０の歪に起因するノイズが生じ難い。

【0045】

加えて、本実施の形態の振動子４０は、中心孔４２２，４４２が形成された円板形状を有しており、振動子４０の内周部４２４，４４４は、支持面３４に向かって押し付けられている。この構造によれば、ベース２０の歪に起因して、圧電素子４２がＸＹ平面と平行な第１水平方向（例えば、Ｘ方向）において引っ張られたとしても、圧電素子４２は、ＸＹ平面と平行且つ第１水平方向と直交する第２水平方向（例えば、Ｙ方向）において圧縮される。この結果、ベース２０の歪に起因して検出電圧ＶＤに生じうるノイズが相殺される。

【0046】

以上のように、本発明によれば、圧電素子４２の支持部材１２（ベース２０及びポール３０）が歪んでもノイズが生じ難い振動センサ１０を提供できる。

【0047】

図５（Ｂ）を参照すると、仮に、支持板４４が上下に挟み込まれており、圧電素子４２が上下に挟み込まれていない場合、ポール３０が加速度を受けると、支持板４４は、ポール３０近傍の部位を変曲点として撓みやすい。この結果、加速度に起因した撓みが圧電素子４２に生じ難くなり、これにより、検出電圧ＶＤが小さくなる。一方、図５（Ａ）を参照すると、本発明によれば、圧電素子４２が支持板４４と共に上下に挟み込まれているため、加速度に起因した撓みが圧電素子４２に生じ易く、これにより、検出電圧ＶＤが十分に大きくなる。即ち、振動センサ１０の検出感度が高くなる。

【0048】

図３を参照すると、本実施の形態によれば、圧電素子４２及び支持板４４がナット５０と支持面３４との間に挟み込まれ、これにより、支持面３４に押し付けられて固定されている。この構造によれば、振動センサ１０の検出感度を高くし易い。但し、本発明は、これに限られない。例えば、圧電素子４２及び支持板４４は、ナット５０を使用することなく、締め具（図示せず）によって支持面３４に押し付けられて固定されていてもよい。

【0049】

図２及び図３を参照すると、本実施の形態のナット５０は、下端面５２を有している。ナット５０の下端面５２は、ＸＹ平面と平行な平面であり、ＸＹ平面において環形状を有している。また、ナット５０の下端面５２のＸＹ平面における外径は、ポール３０の大径部３２のＸＹ平面における外径と等しい。図３を参照すると、この構造により、圧電素子４２の内周部４２４及び支持板４４を、支持面３４とナット５０の下端面５２とによって均等な力で挟み込むことができる。この結果、安定した高い検出感度が得られ、且つ、検出電圧ＶＤに生じうるノイズを、より小さくできる。但し、本発明は、これに限られない。例えば、ナット５０の下端面５２のＸＹ平面における外径は、ポール３０の大径部３２のＸＹ平面における外径と異なっていてもよい。

【0050】

前述したように、本実施の形態の支持部材１２は、金属からなり、高い剛性を有している。例えば、支持部材１２が弾力がある樹脂からなる場合、支持面３４が弾性変形し易くなり、これにより、振動子４０の共振周波数が低くなり易い。振動子４０の共振周波数が低くなると、振動センサ１０が使用可能な周波数帯域が狭くなる。加えて、支持部材１２が樹脂からなる場合、ポール３０がＸＹ平面において弾性変形し易くなり、これにより、検出電圧ＶＤにノイズが生じるおそれがある。即ち、振動センサ１０の検出精度が劣化するおそれがある。加えて、支持部材１２が弾力がある樹脂からなる場合、支持部材１２全体がダンパーとして機能し、これにより、検出電圧ＶＤが低下するおそれがある。以上の理由により、支持部材１２は、金属製であることが好ましい。但し、充分に高い剛性が得られるような場合、支持部材１２の材料は、金属に限られない。

【0051】

支持面３４とベース２０との間のＺ方向における距離ＤＳは、ポール３０の大径部３２のＸＹ平面における外径ＤＬの０．２５倍以上かつ２倍以内であることが好ましい。距離ＤＳが外径ＤＬの０．２５倍よりも小さい場合、ベース２０の歪に起因するノイズが大きくなる。一方、距離ＤＳが外径ＤＬの２倍よりも大きい場合、ポール３０がＸＹ平面において弾性変形し易くなると共に、振動子４０にＺ方向の撓みモードとは異なる振動モードが生じ易くなる。この結果、検出電圧ＶＤが低下したり、検出精度が劣化するおそれがある。

【0052】

仮に、圧電素子４２のＸＹ平面における外径ＤＰが、ポール３０の大径部３２のＸＹ平面における外径ＤＬ以下の場合、圧電素子４２は撓まない。一方、外径ＤＰが僅かでも外径ＤＬよりも大きい場合、圧電素子４２は撓む。但し、外径ＤＰが外径ＤＬの５倍よりも大きい場合、ポール３０が弾性変形したり、振動子４０にＺ方向の撓みモードとは異なる振動モードが生じるおそれがある。従って、ノイズを抑制しつつ十分に高い検出電圧を得るという観点から、圧電素子４２のＸＹ平面における外径ＤＰは、大径部３２のＸＹ平面における外径ＤＬよりも大きく、且つ、大径部３２の外径ＤＬの５倍以内であることが好ましい。

【0053】

圧電素子４２の外径ＤＰに加えて振動子４０の厚さ（Ｚ方向におけるサイズ）を変化させることによって、振動子４０の共振周波数を調整できる。従って、振動子４０を設計する際には、振動子４０の厚さも考慮することで、設計の自由度が向上する。

【0054】

本実施の形態の振動子４０は、ユニモルフ型圧電振動子である。但し、本発明は、これに限られない。例えば、振動子４０は、バイモルフ型圧電振動子であってもよい。

【0055】

本実施の形態は、既に説明した変形例に加えて、以下に説明するように、更に様々に変形可能である。

【0056】

図６を図１と比較すると、変形例による振動センサ１０Ａは、振動センサ１０と同じベース２０、ポール３０、振動子４０及びナット５０に加えて、錘６０を備えている。錘６０は、接着剤等の固定剤によって振動子４０に固定されている。錘６０を設けることで、振動子４０の撓みを大きくし、これにより振動センサ１０Ａの検出感度を高めることができる。本変形例において、錘６０は、圧電素子４２の外周部４２６の上面に固定されている。但し、本発明は、これに限られず、錘６０は、必要に応じて、必要な部位に取り付ければよい。

【0057】

図７を参照すると、測定装置８０は、振動センサ１０Ｂを備えた測定機器である。即ち、別の変形例による振動センサ１０Ｂは、測定装置８０の部品である。測定装置８０は、振動センサ１０Ｂに加えて、金属製のケース８２と、回路基板８４とを備えている。振動センサ１０Ｂ及び回路基板８４は、ケース８２の内部に取り付けられている。回路基板８４には、増幅回路（図示せず）等の様々な電子部品（図示せず）が搭載されている。

【0058】

図７を図１と比較すると、本変形例による振動センサ１０Ｂは、振動センサ１０と僅かに異なる構造を有しており、振動センサ１０と同様に機能する。詳しくは、振動センサ１０Ｂは、振動センサ１０と同じ振動子４０とナット５０とを備えており、振動センサ１０の支持部材１２と異なる支持部材１２Ｂを備えている。支持部材１２Ｂは、振動センサ１０の支持部材１２と同様に金属からなり、振動センサ１０のベース２０と異なるベース２０Ｂと、振動センサ１０と同じポール３０とを有している。即ち、振動センサ１０Ｂは、ベース２０Ｂと、ポール３０とを備えている。ベース２０Ｂは、ケース８２の底部に圧入されてケース８２に固定されている。ポール３０の大径部３２は、ベース２０Ｂに固定されており、且つ、ベース２０ＢからＺ方向において上方に延びている。振動センサ１０Ｂは、上述の相違点を除き、振動センサ１０と同じ構造を有している。

【0059】

図７を参照すると、振動センサ１０Ｂの圧電素子４２の電極４８及び支持板４４の下面は、導電線８８を経由して、回路基板８４の増幅回路（図示せず）に接続されている。電極４８と支持板４４との間に生じた検出電圧ＶＤ（図３参照）は、導電線８８を経由して増幅回路（図示せず）に入力される。増幅回路によって増幅された電圧（出力信号）を測定することで、測定装置８０が受けた加速度を検出でき、これにより、測定装置８０に加えられた振動や衝撃を検出できる。

【0060】

本変形例におけるケース８２は、想定される加速度によっては殆ど歪まないような高い剛性を備えた材料により形成されている。加えて、ケース８２がＸＹ平面と平行な方向に引っ張られて歪んだ場合でも、振動センサ１０Ｂは、この歪みによる影響を殆ど受けない。本変形例によれば、小型化可能であり且つノイズに強い測定装置８０が得られる。

【実施例】

【0061】

以下、本発明による振動センサについて、具体的な実施例によって説明する。

【0062】

図７に示される測定装置８０の第１実施例及び第２実施例を作製し、ベース２０Ｂが歪んだときのノイズ及び加速度に対する感度を測定した。第１実施例及び第２実施例において、大径部３２の外径ＤＬ（図３参照）は４ｍｍであり、支持面３４（図３参照）とベース２０Ｂとの間の距離ＤＳ（図３参照）は、２ｍｍだった。小径部３６の外径、圧電素子４２の中心孔４２２（図３参照）の直径、及び、支持板４４の中心孔４４２（図３参照）の直径は、いずれも２ｍｍだった。圧電素子４２の厚さ（Ｚ方向におけるサイズ）は、０．２ｍｍであり、支持板４４の厚さ（Ｚ方向におけるサイズ）は、０．４ｍｍだった。

【0063】

第１実施例において、圧電素子４２の外径ＤＰ（図３参照）を６ｍｍとし、支持板４４の外径ＤＰを６ｍｍと１０ｍｍとの間の範囲内で１ｍｍずつ変えて、増幅回路（図示せず）の出力信号を測定した。このとき、ベース２０Ｂが水平方向の両側に引っ張られて歪んだときのノイズ及び測定装置８０に加えられた加速度に対する感度を測定した。測定結果を、図８に示す。同様に、第２実施例において、圧電素子４２の外径ＤＰと支持板４４の外径ＤＰとを等しくし、６ｍｍと１０ｍｍとの間の範囲内で１ｍｍずつ変えて、増幅回路の出力信号を測定した。このとき、ベース２０Ｂが水平方向の両側に引っ張られて歪んだときのノイズ及び測定装置８０に加えられた加速度に対する感度を測定した。測定結果を、図９に示す。

【0064】

図８及び図９から理解されるように、第１実施例及び第２実施例の振動センサ１０Ｂは、加速度に対する高い感度を有しており、且つ、充分に低いノイズレベルを有している。特に、支持板４４及び圧電素子４２の外径ＤＰ（図３参照）を、支持面３４（図３参照）とベース２０Ｂとの間の距離ＤＳ（図３参照）に対して大きくすることで、加速度に対する感度を向上させ、且つ、ノイズレベルを低くできる。但し、支持板４４及び圧電素子４２の外径ＤＰ（図３参照）を大きくすると、共振周波数が低くなる。従って、支持板４４及び圧電素子４２の外径ＤＰは、支持面３４とベース２０Ｂとの間の距離ＤＳに対して５倍を超えないことが好ましい。

【符号の説明】

【0065】

１０，１０Ａ，１０Ｂ 振動センサ
１２，１２Ｂ 支持部材
２０，２０Ｂ ベース
３０ ポール
３２ 大径部
３２２ 下端
３２４ 上端
３２６ 外周
３４ 支持面（上面）
３６ 小径部
３６２ 下端
３６４ 上端
３６６ 外周
３６８ ネジ
３８ 上端部
４０ 振動子
４２ 圧電素子
４２２ 中心孔
４２４ 内周部
４２６ 外周部
４４ 支持板
４４２ 中心孔
４４４ 内周部
４４６ 外周部
４８ 電極
５０ ナット
５２ 下端面
５８ ネジ
６０ 錘
８０ 測定装置
８２ ケース
８４ 回路基板
８８ 導電線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】