(57)【要約】【課題】圧電素子にこじり力、プレロードが作用することがない振動計測装置を提供する。【解決手段】支持体１の円筒状の孔１ｂ内には、その長さ方向（図中、左右方向）の中央部で、且つ、円筒の内面側に、圧電素子を支持するための圧電素子支持部１ａが形成されている。圧電素子支持部１ａの中心部は、円形の孔が形成されており、この孔内にリング状の圧電素子２が配置固定されている。第２錘７の中心部に形成した突起７ａが前記圧電素子２のリング内に挿入され、前記突起７ａを介して錘接合ネジ８で第１錘６と第２錘７とが結合されている。第１、第２錘６、７は、圧電素子２の重心と第１錘６、第２錘７の重心とが一致するように錘の重量および形状が設定されている。【選択図】        図１
2006275565.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
錘の中央部に括れ部を形成し、その括れ部の周囲に圧電素子を配置し、さらに前記圧電素子を支持体で支持し、加速度により錘が振動し、その錘の振動により圧電素子が変形し、圧電素子の変形を電気的に検出することにより微振動を検出できるようにしたことを特徴とする振動計測装置。
【請求項２】
前記錘は括れ部で２分割されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の振動計測装置。
【請求項３】
前記錘の重心と、圧電素子の重心とが一致するように構成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は振動計測装置に関するものであり、特に高感度型の圧電型加速度センサを使用し水平方向の微振動加速度を精度良く測ることができる振動計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
振動測定には、加速度、速度、変位等を測定する方法があり、加速度を検出する測定法としては、圧電型、動電式、ひずみゲージ式、半導体式等が良く知られている。
こられのうち、圧電型加速度センサは、振動と衝撃計測の各分野で最も多く使われている（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１８１８４３
【０００４】
現在、圧電型加速度センサとしては、圧電素子の剪断効果による電荷の発生を利用した剪断型（シェア型）のものが、パイロ効果が少ないため多く採用されている。
ここで、圧電型加速度センサの基本構造を説明すると、図６は従来公知の剪断型の圧電型加速度センサの断面図である。
図６において、１０１は支持体、１０２は圧電素子、１０３は錘、１０４はカバー、１０５は外部接続コネクタであり、前記圧電素子１０２は支持体１０１と錘１０３とによって挟まれた構造を有し、さらに各部材は図示のように組み立てられカバー１０４内に収納される構成となっている。
上記構成からなる圧電型加速度センサでは、加速度により質量ｍの錘１０３が移動すると、錘の移動によって圧電素子１０２に剪断力が作用して変形し、これによって圧電素子１０２内に電荷が発生する。この電荷を図示せぬ電子回路基板を通して検出することで、加速度を測定できるようになっている。
【０００５】
ところで、圧電素子は慣性力Ｆを受けると電荷を生じる機能性材料であり、下記（１）式にも示すように発生電荷量Ｑは組成によって一定である。
Ｑ＝ｄ・Ｆ（ｄ：圧電定数）      （１）
このため、前述した圧電加速度センサにおいて、加速度センサに与えられた加速度αと圧電素子に加わる慣性力Ｆの関係は、質量（錘）をｍとすると下記（２）式に示すニュートンの第２法則で表される。
Ｆ＝ｍ・α        （２）
従って、上記（１）、（２）式から発生電荷量Ｑは
Ｑ＝ｄ・ｍ・α    （３）
となり、この時、α・ｍは一定なので、加速度に対して発生電荷Ｑは一次比例する。
【０００６】
上記（３）式から明らかなように、前述した構成からなる加速度センサでは、微振動を計測する場合は、圧電素子の圧電定数ｄと質量（錘）ｍを大きくすることが必要となる。  例えば数ｇａｌ程度の加速度を計測できる圧電型加速度センサの錘の質量は５０〜６０ｇｒ、圧電素子の径は８〜１０ｍｍ程度であるのに対し、０．１ｇａｌ程度までの微振動を計測するものでは、錘の重量は３００〜４００ｇｒ程度、圧電素子の径は２０ｍｍ程度必要になる。
【０００７】
ここで問題になるのは、０．１ｇａｌ程度までの微振動が計測可能なセンサを前述した図６のような構造で作成した場合、水平方向の微振動を計測する時、センサ自体を図７のように倒して使用することになる。このように支持体１０１を水平となるように設置した場合、通常の、数ｇａｌ程度の計測できる圧電型加速度センサでは特に問題にならないが、０．１ｇａｌ程度までの微振動が計測可能な物になると、錘の重量は３００〜４００ｇｒ程度と重くなるため、図７に示すように、支持体に矢印方向の重力による、大きな荷重が掛かり、支持体１０１に、破線部のような微小変形（たわみ）が起きる場合がある。  このように支持体１０１に変形が起きると、圧電素子１０２にこじり力が生じ、振動により実際に加わる慣性力Ｆに変化が生じ、発生電荷と加速度の関係が、小型の数ｇａｌ程度の計測できる圧電型加速度センサのような比例関係にならないことが生じることがある。さらに、前記こじり力が圧電素子にプレロードとして掛かり、圧電素子の周囲温度が急変すると等価的に内部応力が変化したことになって非常に低周波の信号、いわゆる熱ゆらぎが発生し易くなる等の問題があった。
【０００８】
さらに、もう一つの間題点として従来構造のものでは図７に示す様に支持体が片もち梁の構造になるため、錘の重量が重い場合は図８に示すような水平方向の振動でも、支持体に片もち梁の曲げモードが生じ、水平方向の周波数特性に、支持体の曲げモードの共振成分が発生してしまい、センサの周波数特性が狭まってしまう問題が生じる。
上記構成のもの以外に、圧電型加速度センサとして、図９に示すような圧電素子１０２の両側に錘１０３を付けたベンディング型といわれる構造も知られている。このセンサは、薄型板状の圧電素子１０２の両端に錘１０３をつけた構造のため、機械的強度が弱く（圧電素子が薄い板状なので重い錘は取り付けられない）、高感度のセンサ構造には向いていない等の問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、本発明は、上記従来の問題点を解消するために、現在最も広く使用されているシェア型構造を有する圧電方加速度センサを使用した上で、水平方向の微振動加速度を精度良く測ることができる振動計測装置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】
【００１０】
本発明が採用した技術解決手段は、
錘の中央部に括れ部を形成し、その括れ部の周囲に圧電素子を配置し、さらに前記圧電素子を支持体で支持し、加速度により錘が振動し、その錘の振動により圧電素子が変形し、圧電素子の変形を電気的に検出することにより微振動を検出できるようにしたことを特徴とする振動計測装置である。
また、前記錘は括れ部で２分割されるように構成されていることを特徴とする振動計測装置である。
また、前記錘の重心と、圧電素子の重心とが一致するように構成したことを特徴とする振動計測装置である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の構成からなる振動計測装置（圧電型加速度センサ）によれば、慣性力Ｆと、発生電荷Ｑと、加速度αの関係は比例関係を保つことができるため、微小な振動でも正確に計測できる。
また、圧電素子にこじり力が掛から構成であるためプレロードを小さくでき、熱ゆらぎが発生しにくくなる。このため、０．１ｇａｌ程度までの加速度を正確に計測することができる。
また、錘を圧電素子の両側に配置する構造を採用することで、現在最も使用されているシェア型構造を有する圧電型加速度センサの構造にも適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、錘の中央部に括れ部を形成し、その括れ部の周囲に錘の重心と圧電素子の重心とが一致するように圧電素子を配置し、さらに前記圧電素子を支持体で支持し、さらに、前記錘は括れ部で２分割されるように構成されている。本発明の振動計測装置によれば、慣性力Ｆと、発生電荷Ｑと、加速度αの関係は比例関係を保つことができるため、微小な振動でも正確に計測できる。
【実施例】
【００１３】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明すると、図１は本発明に係る振動計測装置の断面図、図２は図１の平面図、図３は図面に於いて上下方向の振動を検出する場合の振動計測装置の配置状態を示す図、図４は図面に於いて左右方向の振動を検出する場合の振動計測装置の配置状態を示す図である。
【００１４】
図において、１は振動計測装置（圧電型加速度センサ）の支持体であり、支持体１の中心部には円筒状の孔１ｂが形成されている。前記支持体は振動計測装置のケースを兼用して構成されている。円筒状の孔１ｂ内には、その長さ方向（図中、左右方向）の中央部で、且つ、円筒の内面側に、圧電素子を支持するための圧電素子支持部１ａが形成されている。圧電素子支持部１ａの中心部は、円形の孔が形成されており、この孔内にリング状の圧電素子２が配置固定されている。前記圧電素子支持部１ａの両側には、第１収納室３および第２収納室４が形成されており、第１収納室３および第２収納室４は圧電素子支持部１ａに形成した連通孔５によって連通されており、この連通孔５により第１収納室３、第２収納室４の空気の出入りを許容している。
【００１５】
第１収納室３、第２収納室４にはそれぞれ第１錘６、第２錘７が配置され、これらの錘６、７は、本例では第２錘７の中心部に形成した突起７ａが前記圧電素子２のリング内に挿入され、前記突起７ａを介して錘接合ネジ８で第１錘６と第２錘７とが結合されている。第１、第２錘６、７は図１に示すように、圧電素子２の中心部に第１錘６、第２錘７の重心が来るように錘の重量および形状が設定されている。なお、錘の結合構造は上記例に限らず、種々の形態の結合構造を採用することができる。支持体１の両端には、蓋９が設けられ、前述した各部材を収納している。また、支持体１の適宜箇所には圧電素子２に接続したリード線と接続されているコネクタ１０が設けられている。
【００１６】
上記構成からなる振動計測装置では、第１錘６、第２錘７の重量が大きくても、圧電素子２を支えている圧電素子支持部１ａの変形が無く、圧電素子にこじり力等の外力が加わらなく、振動による純粋な慣性力のみが加わる。このため、微小な振動でも精度良く検出することができる。また、図４のようにセンサの向きを９０度変えることによって上下方向の振動も精度良く検出可能となる。また、本発明のような構成を採用することにより、支持体に曲げモードが発生しないため、センサの周波数特性が伸びる（６００Ｈｚから１０００Ｈｚ）。図５に従来構造のものと本発明のものとの周波数特性の例を示す。
【００１７】
以上、本発明に係る振動計測装置について説明をしたが、錘の分割の仕方、結合の仕方は本例に限定されることなく、同様の機能を達成できるものであれば、種々の分割、結合方法を採用することができる。また、圧電素子支持部の形状も円筒状に限定することなく、同様の機能を達成できるものであれば多角形など種々の形状のものを採用できる。
さらにまた、本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいかなる形でも実施できる。そのため、前述の実施例はあらゆる点で単なる例示にすぎず限定的に解釈してはならない。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
本発明は、建築、土木、機械、電気等の分野の振動計測装置として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る振動計測装置の断面図である。
【図２】図１の平面図である。
【図３】図中、上下方向の振動を検出する場合の振動計測装置の配置状態を示す図である。
【図４】図中、左右方向の振動を検出する場合の振動計測装置の配置状態を示す図である。
【図５】従来構造のものと本発明のものとの周波数特性の比較を示す図である。
【図６】従来公知の剪断型の圧電型加速度センサの断面図である。
【図７】従来公知の剪断型の圧電型加速度センサを倒して使用する例である。
【図８】従来公知の剪断型の圧電型加速度センサを使用して水平方向振動を検出する場合の説明図である。
【図９】圧電素子の両側に錘を付けたベンディング型といわれる従来公知の圧電型加速度センサの構成図である。
【符号の説明】
【００２０】
１          支持体
２          圧電素子
３          第１収納室
４          第２収納室
５          連通孔
６          第１錘
７          第２錘
８          錘接合ネジ
９          蓋
１０          コネクタ
【図１】
2006275565.tif 000003
【図２】
2006275565.tif 000004
【図３】
2006275565.tif 000005
【図４】
2006275565.tif 000006
【図５】
2006275565.tif 000007
【図６】
2006275565.tif 000008
【図７】
2006275565.tif 000009
【図８】
2006275565.tif 000010
【図９】
2006275565.tif 000011