(57)【要約】【課題】 合成樹脂管の漏水による振動音などに対してより一層高い感度を有する圧電型振動センサーを提供する。【解決手段】  圧電型振動センサー1は、フィルム状圧電素子21,22と補強材23とが積層された積層体12を備えており、振動により積層体12に曲げ応力が作用することで圧電素子21,22から電気信号を発生させる。補強材23に、曲げ変形を助長するための凹部（溝）が設けられている。補強材23は、金属で形成されており、フィルム状圧電素子21,22は、高分子材料で形成されている【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィルム状圧電素子と補強材とが積層された積層体を備えており、振動により積層体に曲げ応力が作用することで圧電素子から電気信号を発生させる振動センサーであって、補強材に、曲げ変形を助長するための凹部が設けられていることを特徴とする圧電型振動センサー。
【請求項２】
積層体は、略長方形状をなし、補強材の凹部は、幅方向にのびる少なくとも１つの溝とされていることを特徴とする請求項１に記載の圧電型振動センサー。
【請求項３】
凹部が設けられていない部分の補強材の厚みは、凹部が設けられている部分の補強材の厚みの３倍以上とされていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電型振動センサー。
【請求項４】
補強材は、金属で形成されており、フィルム状圧電素子は、高分子材料で形成されていることを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の圧電型振動センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、圧電型振動センサーに関し、特に、水道管、建物配管、工場内配管などからなる各種配管において、流体漏洩を検出する漏洩検出器に適した圧電型振動センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、漏水による水道管の振動をセンサーで検知することが一般になされている。例えば、特許文献１には、圧電素子を内蔵した検出部と剛性材料からなる台座部をゴム材料で連結した圧電型振動センサーを使用した漏洩検出器が開示されている。
【０００３】
上記従来の圧電型振動センサーを使用した漏洩検出器では、合成樹脂管における微小な振動音に対する感度が充分でなく、消火栓等に設置する漏洩検出器の設置スパンが短いために、広域の漏水調査を行おうとすると労力が大きいという問題があった。
【０００４】
そこで、本発明者は、フィルム状圧電素子に曲げ応力が作用することで圧電素子から電気信号を発生させる振動センサーを提案している（特許文献２など）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３２２３３３７号公報
【特許文献２】特願２０１２−２０９３１６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献２の圧電型振動センサーによると、合成樹脂管の漏水による振動音などに対しても高い感度を得ることができるが、さらなる感度の向上が望まれている。
【０００７】
この発明の目的は、合成樹脂管の漏水による振動音などに対してより一層高い感度を有する圧電型振動センサーを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明による圧電型振動センサーは、フィルム状圧電素子と補強材とが積層された積層体を備えており、振動により積層体に曲げ応力が作用することで圧電素子から電気信号を発生させる振動センサーであって、補強材に、曲げ変形を助長するための凹部が設けられていることを特徴とするものである。
【０００９】
フィルム状圧電素子は、補強材の片面だけに積層されてもよく、補強材の両面に積層されてもよい。
【００１０】
凹部の形状は、特に限定されるものではなく、スリットと称されるものでもよく、溝と称されるものでもよい。凹部は、補強材の片面にだけ設けられてもよく、補強材の両面に設けられてもよい。凹部の数、面積および深さは、適宜適正な値に設定される。
【００１１】
積層体は、略長方形状をなし、補強材の凹部は、幅方向にのびる少なくとも１つの溝とされていることがある。溝の数は、複数であることがより好ましい。
【００１２】
凹部が設けられていない部分の補強材の厚みは、凹部が設けられている部分の補強材の厚みの３倍以上とされていることが好ましい。
【００１３】
このような条件とすることで、補強材の曲げ剛性を十分に下げることができて、補強材の密度を高くして感度を上げることが容易となり、感度向上効果が得やすいものとなる。
【００１４】
積層体は、その一部のみが台座に支持されて、錘が積層体の台座に支持されていない部分に負荷されているものとされ、これにより、積層体には、振動によって曲げ応力が作用する。具体的には、フィルム状の圧電素子とシート状の補強材とを積層した積層体の片端ないしは両端（好ましくは片端）を支持し、錘の負荷によって圧電素子に曲げ変形（弾性変形）を加えることによって電気信号（電流や電位差）を発生させるようにすればよい。曲げ応力を作用させることで、圧電素子のバネ定数が小さくなり、共振周波数が低くなる。また、積層体を曲げ変形させることで圧電素子に大きな応力が生じ、これに伴って、圧電素子で得られる電気信号も大きなものとなる。
【００１５】
フィルム状の圧電素子に面方向に引張応力や圧縮応力が加わると厚み方向に電位差が発生する。フィルム状の圧電素子においては、引張応力をかけた時と、引張応力から解放されて圧縮応力が加わった時とで電位差の生じる方向が異なる。つまり、交流電気に変換される。積層体に曲げ応力が加わった時、積層体の中立軸より一側の面では引張応力がかかり、他側の面では圧縮応力がかかる。中立軸は応力がゼロの位置であり、中立軸より離れるほど引張応力や圧縮応力は大きくなる。
【００１６】
ここで、中立軸が圧電素子の厚み内に位置した場合、同一圧電素子の内部で引張応力を受ける部分と圧縮応力を受ける部分とに分かれてしまい、電流や電位差を相殺して急激に信号強度が低下する。圧電素子が補強材の上下の少なくとも一方の面に積層されている構成では、圧電素子の位置が積層体の中立軸から離れることになり、電気信号出力（感度）を大きくすることができる。
【００１７】
こうして、フィルム状圧電素子と補強材との積層体とすることで、感度を上げることができる。
【００１８】
ここで、感度に影響する因子のうち、積層体の曲げ剛性は、小さい方が好ましく、また、圧電素子の厚みは、厚い方が好ましい。また、補強材の密度は高い方が好ましい。これらの因子間には、感度を向上させるためには、相反する関係となっているものがあり、例えば、補強材の密度を高くして、感度を上げようとすると、曲げ剛性が大きくなって、逆に、感度が下がることがある。
【００１９】
そこで、この発明の圧電型振動センサーにおいては、補強材に、曲げ変形を助長するための凹部が設けられていることで、感度を大幅に上げるようになされている。すなわち、凹部によって補強材の曲げ剛性が小さくなることで感度を上げ、これにより、補強材の密度を高くすることが可能とされ、補強材の密度および曲げ剛性の両方ともが、感度向上に寄与するようになされる。したがって、感度が大幅に向上する
補強材は、金属で形成されており、フィルム状圧電素子は、高分子材料で形成されていることが好ましい。すなわち、補強材としては、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）などの合成樹脂として、曲げ剛性が大きくなることを防ぐこともできるが、金属とすることで、補強材の密度を高くして、感度を上げることが可能であり、この際、デメリットとなる曲げ剛性の増大を凹部を設けることで解消し、これにより、より大きい感度向上の効果を得ることができる。金属は、例えば、銅とされるが、これに限定されるものではなく、適宜な金属材料を使用することができる。
【００２０】
高分子圧電材料は特に限定されないが、ポリフッ化ビニリデンの延伸フィルムや多孔性のポリプロピレン延伸フィルムなどが挙げられる。中でも、ポリフッ化ビニリデンは耐久性が高く、好適である。フィルムの厚みは、特に限定されるものではなく、「シート」と称されている厚みのものであってもよい。例えばポリフッ化ビニリデンの延伸フィルムでは、厚みが１００μｍ程度であり、感度を高めるために、上下両面に薄膜電極が設けられた複数枚のフィルム状圧電素子からなる積層構造とすることが好ましい。圧電素子を積層構造とすることで、引張応力や圧縮応力を受けるフィルム状圧電素子の面積を大きくすることができ、高い出力が得られる。
【００２１】
圧電素子は、セラミック材料とすることもでき、セラミック材料の場合には、スパッタリング等の方法を用いてガラス基板上にチタン酸バリウムやジルコン酸チタン酸鉛（PZT）などの圧電体を製膜することでシート状のセラミック製圧電素子とすることが好ましい。
【００２２】
フィルム状圧電素子を積層構造とするに際しては、短尺状の（１層分の幅および長さを有する）フィルム状圧電素子１枚ずつを絶縁層を介して貼り合わせて各層ごとに電気信号を取り出すようにしてもよく、上下両面に薄膜電極が設けられた長尺状の（１層分の幅および複数層分の長さを有する）フィルム状圧電素子が蛇腹状に折り畳まれることで圧電素子が形成されているようにしてもよい。
【００２３】
補強材の厚みを圧電素子の厚みよりも大きいものとして、かつ、補強材の曲げ弾性率が圧電素子の曲げ弾性率より大きいものとすることで、容易に曲げの中立軸が圧電素子の内部に存在しないようにすることができる。
【００２４】
圧電素子材料が高分子であれば、比較的弾性率を小さくすることができ、中立軸を補強材側に寄らせることが容易になる。
【発明の効果】
【００２５】
この発明の圧電型振動センサーによると、圧電素子および補強材からなる積層体とされていることで、圧電素子の位置が積層体の中立軸から離れることになり、感度を大きくすることができる。また、補強材に、曲げ変形を助長するための凹部が設けられていることで、補強材の密度を高くして、感度を上げるとともに、この際にデメリットとなる曲げ剛性の増大を凹部を設けることで解消することができ、これにより、より大きい感度向上の効果を得ることができる。したがって、合成樹脂管の流体漏洩による振動音に対して感度が高くなり、設置スパンを長くとれるため、合成樹脂管の流体漏洩調査用として適したものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、この発明による圧電型振動センサーの１実施形態を模式的に示す図である。
【図２】図２は、この発明の圧電型振動センサーの感度に寄与する因子の解析結果を示すグラフである。
【図３】図３は、この発明の圧電型振動センサーで使用される補強材の一例を示す図である。
【図４】図４は、この発明による圧電型振動センサーを使用して得られる出力の１例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。
【００２８】
圧電型振動センサー(1)の１実施形態は、図１に示すように、鉄製の台座(11)と、上下圧電素子(21)(22)および上下圧電素子(21)(22)間に介在させられた補強材(23)からなる積層体(12)と、下端部が台座(11)に固定されて上部で積層体(12)を支持する支柱(13)と、積層体(12)の反固定側の端部に負荷された錘(14)とを備えている。
【００２９】
上下圧電素子(21)(22)は、複数（図示は、分かりやすくするためにそれぞれ３層ずつとしているが、これに限定されるものではない）のフィル状圧電素子によって形成されている。
【００３０】
補強材(23)は、金属で形成されており、フィルム状圧電素子(21)(22)は、高分子材料で形成されている。
【００３１】
この実施形態では、支柱(13)による積層体(12)の支持は、片持ち支持とされており、積層体(12)の一方の端部が支柱(13)の上端部に支持されており、錘(14)は、積層体(12)の他方の端部に負荷されている。
【００３２】
圧電素子(21)(22)は、ポリフッ化ビニリデンの延伸フィルムによって形成されている。
【００３３】
積層体(12)と錘(14)からなる系の共振周波数は、１０Ｈｚ〜１０００Ｈｚに設定されている。
【００３４】
図２には、圧電型振動センサー(1)の各種因子を変更した場合の圧電型振動センサー(1)の感度（出力）を示している。
【００３５】
これによると、曲げ弾性率（図２（ａ））、断面２次モーメント（図２（ｂ））および曲げ剛性（図２（ｃ））については、小さいほど出力が大きい。これは、曲がり易い方が感度が上がることを意味している。
【００３６】
また、中立軸（補強材(23)の中心面）からピエゾ（すなわち圧電素子(21)(22)）の中心までの距離（図２（ｄ））については、大きい（積層体(12)の厚さが厚い）ほど感度が上がる。ここで、積層体(12)を厚くすると、曲がりにくくなることから、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す因子が逆に感度を下げる方向に作用する。したがって、この相反する関係を考慮する必要がある。
【００３７】
補強材(23)の密度（図２（ｅ））については、密度が高い方が感度が上がる。すなわち、補強材(23)の材料としては、合成樹脂よりも金属の方が優れている。ただし、金属は、合成樹脂に比べて、曲がりにくくなることから、補強材(23)の密度についても、相反する関係を考慮する必要がある。
【００３８】
また、錘(14)の質量（図２（ｆ））については、錘(14)が重い方が感度が上がる。すなわち、錘(14)の質量は、大きくする方が好ましい。
【００３９】
図２に示した解析結果に基づき、上記圧電型振動センサー(1)における補強材(23)は、図３に示すように、曲げ変形を助長するための凹部(24)が上下両面に設けられているものとされている。図３に示した例では、凹部(24)は、補強材(23)の全幅にわたって幅方向にのびる複数本の溝(24a)とされて、補強材(23)の一端部（支柱(13)によって支持されている方の端部）を除く部分に、所定間隔で平行に配置されている。図示の例では、溝(24a)は、補強材(23)の上下両面の上下に対応する位置に設けられており、凹部(24)が設けられていない部分(23a)の補強材(23)の厚みは、凹部(24)が設けられている部分(23b)の補強材(23)の厚みの３倍以上とされている。
【００４０】
上記の圧電型振動センサー(1)と、比較例の圧電型振動センサーとを使用して、圧電素子(21)(22)からの出力（電位差信号）を測定した。
【００４１】
実施例の圧電型振動センサー(1)は、積層体(12)の大きさは３５ｍｍ×２５ｍｍで、補強材(23)の厚さは、３ｍｍ、溝(24a)の深さは上下ともに１．２５ｍｍ（最も薄い部分(23b)の厚みが０．５ｍｍ）とした。
【００４２】
比較例の圧電型振動センサーは、積層体(12)の大きさは上記実施例のものと同じで、補強材(23)として、厚さ０．７ｍｍの合成樹脂（ＰＥＴ）製でかつ溝無しのものを使用した。
【００４３】
図４から明らかなように、実施例の圧電型振動センサー(1)によると、重要となる周波数（２００Ｈｚ付近）における出力の感度が大幅（７．５倍）に大きくなっており、圧電素子(21)(22)の材料として、同じ高分子圧電材料を使用しても、極めて感度が高いことが分かる。
【００４４】
したがって、この圧電型振動センサー(1)を漏洩検出器に適用することで、合成樹脂管の流体漏洩による振動音に対して感度が高くなり、設置スパンを長くとれるため、より効率的な合成樹脂管の漏水調査が可能となる。
【００４５】
上記圧電型振動センサー(1)は、水道の配管装置からの漏水を検出する他、水道以外の各種配管内の漏水を検出する用途や、例えば工場内の薬液等の配管における薬液等の流体の漏洩を検出する用途などでも使用される。
【符号の説明】
【００４６】
(1) ：圧電型振動センサー
(11)：台座
(12)：積層体
(14)：錘
(21)(22)：圧電素子
(23)：補強材
(23a)：凹部が設けられていない部分
(23b)：凹部が設けられている部分
(24)：凹部
(24a)：溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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