(57)【要約】【課題】湿度のほか、自己共振周波数に影響する外部環境の影響を受けにくい振動センサを提供する。【解決手段】変形自在なアーム２１の先端部に錘２２を取付けてなる振動子５と、アーム２１の変形部２１ａに配設されその歪みを検出可能な歪検出素子２３とを備えてなり、振動子５を振動可能に収納する収納部材４を設け、収納部材４はケース体３に納められると共に、ケース体３内には収納部材４の周囲部にシリコーン材からなる充填材６を充填してなる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
変形自在なアームの先端部に錘を取付けてなる振動子と、前記アームの変形部に配設されその歪みを検出可能な歪検出素子とを備えてなる振動センサにおいて、
前記振動子を振動可能に収納する収納部材を設け、該収納部材はケース体に納められると共に、該ケース体内には前記収納部材の周囲部に充填材を充填してなることを特徴とする振動センサ。
【請求項２】
前記充填材はシリコーン材からなることを特徴とする請求項１記載の振動センサ。
【請求項３】
前記ケース体には外部端子が設けられた基板を設け、前記収納部材は前記基板と接続されると共に、前記ケース体内において前記基板と離隔して配置されることを特徴とする請求項１または２記載の振動センサ。
【請求項４】
前記振動子のアームはフレキシブル基板により形成され、該フレキシブル基板が前記収納部材から外部に延出されて前記基板と接続されることを特徴とする請求項３記載の振動センサ。
【請求項５】
前記歪検出素子は前記振動子のアームの変形部と変形不能部にそれぞれ配設され、前記変形部の歪検出素子と前記変形不能部の歪検出素子とで分圧回路を構成してなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動センサ。
【請求項６】
前記収納部材は上収納部材と下収納部材とから構成され、前記振動子のアームの変形不能部は前記上収納部材と下収納部材によってゴム材を介して挟持固定されることを特徴とする請求項５記載の振動センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物が振動したときにその振動を検出する振動センサに関し、特に歪検出素子によって先端に錘を有した振動子の歪みを検出することで振動を検出する振動センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から歪検出素子を用いた傾斜センサが知られている。この傾斜センサは、一端に錘を設けたアームを支持し、アームの歪み変形可能な部位に歪検出素子を設けてなり、傾斜を検出する機器に取付けられている。ここで、機器が傾斜すると傾斜センサ全体が機器と一体となって傾斜し、これに伴い歪検出素子によって感知されるアームの歪変形量が変化することにより、機器が傾いたことが検出される。このような傾斜センサとしては、例えば特許文献１に挙げるようなものがある。
【特許文献１】特開２００３−３０２２２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この傾斜センサの原理を利用して、機器に加わる衝撃に伴う振動を検出する振動センサとすることもできる。しかし、傾斜センサを単に振動センサとするだけでは、外部環境の影響によって精度よく振動を検出することができない。まず、歪検出素子は抵抗体により構成されるため、外部環境の一つである湿度の変化によってその特性が変化する。
【０００４】
また、衝撃に伴う振動を検出する場合、外部からの加振周波数がセンサの応答周波数（物理的に運動する速度）より速いので、センサのアームは自己の最大周波数で加振のエネルギーを受け止めて振動することになる。この周波数は振動する部分の質量・振動長・剛性で決定される自己共振周波数である。
【０００５】
錘とアームとからなるセンサの振動子の振動は、センサを納めるケース体及び外部端子を通じて外部質量と接続されており、外部環境により振動に関与する質量・振動長・剛性は変化することになる。このため、これら外部環境の変化によって自己共振周波数が変化し、衝撃を検出するセンサとしての精度を充分に確保することができない。
【０００６】
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、外部環境の影響を受けにく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】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明に係る振動センサは、変形自在なアームの先端部に錘を取付けてなる振動子と、前記アームの変形部に配設されその歪みを検出可能な歪検出素子とを備えてなる振動センサにおいて、
前記振動子を振動可能に収納する収納部材を設け、該収納部材はケース体に納められると共に、該ケース体内には前記収納部材の周囲部に充填材を充填してなることを特徴として構成されている。
【０００８】
また、本発明に係る振動センサは、前記充填材はシリコーン材からなることを特徴として構成されている。
【０００９】
さらに、本発明に係る振動センサは、前記ケース体には外部端子が設けられた基板を設け、前記収納部材は前記基板と接続されると共に、前記ケース体内において前記基板と離隔して配置されることを特徴として構成されている。
【００１０】
さらにまた、本発明に係る振動センサは、前記振動子のアームはフレキシブル基板により形成され、該フレキシブル基板が前記収納部材から外部に延出されて前記基板と接続されることを特徴として構成されている。
【００１１】
そして、本発明に係る振動センサは、前記歪検出素子は前記振動子のアームの変形部と変形不能部にそれぞれ配設され、前記変形部の歪検出素子と前記変形不能部の歪検出素子とで分圧回路を構成してなることを特徴として構成されている。
【００１２】
また、本発明に係る振動センサは、前記収納部材は上収納部材と下収納部材とから構成され、前記振動子のアームの変形不能部は前記上収納部材と下収納部材によってゴム材を介して挟持固定されることを特徴として構成されている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る振動センサによれば、振動子を振動可能に収納する収納部材を設け、収納部材はケース体に納められると共に、ケース体内には収納部材の周囲部に充填材を充填してなることにより、収納部材内に納められる歪検出素子に対する湿度変化の影響を少なくすることができ、また全体の質量を大きくすることができるため、センサ自体の自己共振周波数を外部環境によって変化しにくいようにすることができる。
【００１４】
また、本発明に係る振動センサによれば、充填材はシリコーン材からなることにより、シリコーン材は防湿効果が高いために、より湿度の影響を抑えることができる。また、充分な重量を得ることもできる。
【００１５】
さらに、本発明に係る振動センサによれば、ケース体には外部端子が設けられた基板を設け、収納部材は基板と接続されると共に、ケース体内において基板と離隔して配置されることにより、外部端子を半田付けする際の熱が収納部材に対して直接伝達しないので、熱によるセンサに対する影響を少なくすることができる。
【００１６】
さらにまた、本発明に係る振動センサによれば、振動子のアームはフレキシブル基板により形成され、フレキシブル基板が収納部材から外部に延出されて基板と接続されることにより、振動子を容易に形成することができ、また錘の重量が小さくてもアームが充分に変形することができるので、錘も樹脂材を用いて容易に形成することができる。
【００１７】
そして、本発明に係る振動センサによれば、歪検出素子は振動子のアームの変形部と変形不能部にそれぞれ配設され、変形部の歪検出素子と変形不能部の歪検出素子とで分圧回路を構成してなることにより、温度や湿度の変化による特性変化を抑制することができ、精度を高めることができる。
【００１８】
また、本発明に係る振動センサによれば、収納部材は上収納部材と下収納部材とから構成され、振動子のアームの変形不能部は上収納部材と下収納部材によってゴム材を介して挟持固定されることにより、歪検出素子が形成された面の摩耗を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の実施形態について図面に沿って詳細に説明する。図１には、本実施形態における振動センサの分解斜視図を示している。この図に示すように、本実施形態における振動センサは、ピン状の外部端子２を６本底面に備えた基板１に対し、フレキシブル基板２０を介して所定間隔離隔した位置にセンサの主要部を内蔵した収納部材４を配置し、基板１の上方からケース体３を取付けて収納部材４を覆うように収容して構成される。
【００２０】
ケース体３は、下部に係合脚３ａが形成されており、これが基板１の係合孔１ａに係合することによって、ケース体３が基板１に対して固定される。また、収納部材４は上収納部材１０と下収納部材１１を係合することによって一体化しており、上収納部材１０と下収納部材１１の隙間からフレキシブル基板２０を引き出している。さらに、フレキシブル基板２０の基板１側端部は、基板１上に設けられる接続部１ｂに対して接続される。
【００２１】
フレキシブル基板２０はポリイミドからなりフィルム状に形成されている。このため、図１に示すように収納部材４の外部に延出された中間位置で屈曲させることができる。これによって基板１と収納部材４を離隔した状態で配置することができるので、外部端子２を外部の回路基板に半田付けする際に発生する熱が、収納部材４に直接伝達することを防止して、半田付け時の熱によるセンサの精度に対する影響を少なくすることができる。なお、フレキシブル基板２０はポリイミドに限らずＰＰＳフィルムやＰＥＴフィルムを用いることもできる。
【００２２】
次に、収納部材４に納められたセンサの主要部分について説明する。図２には、収納部材４内部の分解斜視図を示している。この図では、上収納部材１０と下収納部材１１を分離した状態を示している。下収納部材１１には内側面に係合部１４が形成され、上収納部材１０には側面に被係合部１５が形成されて、係合部１４と被係合部１５が係合することによって上収納部材１０と下収納部材１１が一体化される。
【００２３】
下収納部材１１内には、フレキシブル基板２０の一端部が変形自在となるように納められており、アーム２１を構成している。また、アーム２１の先端部には錘２２が取付けられて、アーム２１と錘２２によって振動子５を構成している。アーム２１の変形部２１ａには、その歪みを検出可能な歪検出素子２３が設けられており、振動子５の振動を検出することができる。歪検出素子２３は、フレキシブル基板２０上においてカーボンからなる抵抗体を印刷形成してなるものである。振動センサが取付けられる機器が衝撃によって振動した際には、振動子５が収納部材４内において振動し、それを歪検出素子２３によって検出することで、機器の振動を検出することができる。
【００２４】
アーム２１の根元部分は、ゴム材１６を介して上収納部材１０と下収納部材１１によって挟持固定され、変形不能部２１ｂとされている。変形不能部２１ｂには第２の歪検出素子２５が設けられ、歪検出素子２３と直列に接続されて分圧回路を構成するようにしている。第２の歪検出素子２５が設けられる変形不能部２１ｂについて、ゴム材１６を介して収納部材４により挟持固定するようにしたので、印刷形成された部分が摩耗することを防止することができる。
【００２５】
上収納部材１０には３つの孔部１３が形成され、下収納部材１１には孔部１３に対応して突起部１２が形成されている。また、フレキシブル基板２０にもそれらと対応した位置に固定孔２０ａが形成されていて、突起部１２は孔部１３に対して固定孔２０ａを介して挿入され固定される。これによってフレキシブル基板２０の収納部材４内における位置決めをなしている。
【００２６】
図３には、フレキシブル基板２０及び錘２２の平面図を示している。この図に示すように、フレキシブル基板２０の一端部には、アーム２１が形成されると共に、その先端部には錘２２を取付けるための錘固定部２１ｃが形成される。錘２２は、上部材２２ａと下部材２２ｂの二部材からなり、下部材２２ｂには２つの突起部２２ｃが、上部材２２ａには２つの孔部２２ｄが形成されている。錘固定部２１ｃに形成される固定孔２１ｄを介して下部材２２ｂの突起部２２ｃが上部材２２ａの孔部２２ｄに挿入されることで、錘固定部２１ｃを上部材２２ａと下部材２２ｂで挟持し一体化することができる。
【００２７】
また、アーム２１はフィルム状の部材からなるフレキシブル基板２０の一部として構成されているため、これを振動時の動加速度に応じて変形させる錘２２の質量は小さくてもよく、錘２２は成形の容易な樹脂材によって形成されている。
【００２８】
アーム２１の変形部２１ａには歪検出素子２３が設けられ、またアーム２１の変形不能部２１ｂには、第２の歪検出素子２５が設けられる。また、これらはフレキシブル基板２０の長手方向に沿って設けられる配線部２６によって接続され、分圧回路を形成している。配線部２６はフレキシブル基板２０に対してエッチングによって形成される。
【００２９】
図４には、ケース体３内に収納部材４を納めた状態における底面方向からの斜視図を示している。この図に示すように、ケース体３には収納部材４の周囲部を覆うようにシリコーン材からなる充填材６が充填される。歪検出素子２３は、外部環境の一つである湿度の変化に対して、その特性が大きく変化するが、シリコーン材には防湿の作用があるので、充填材６をケース体３に充填することによって収納部材４内の湿度変化をほとんどなくすことでき、湿度変化があってもセンサの精度を充分に確保することができる。
【００３０】
また、充填材６をケース体３に充填することによってセンサ全体の質量を大きくすることができる。振動子５の振動は、前述のようにケース体３及び外部端子２を通じて外部質量と接続されているために、外部環境により振動に関与する質量・振動長・剛性は変化する。すなわち、振動子５と外部質量との間で連成振動を生じる連成系を構成している。充填材６を充填し振動子５を支持する部材の質量を増すことで、連成系における目的振動子以外の振動物の自己共振周波数を十分に低くし、伝播振動を支持部分で大きく減衰させることができて、外部環境による特性の変化を少なくすることができる。
【００３１】
次に、振動センサの回路構成について説明する。図５には振動センサの回路図を示している。前述のようにこの振動センサには外部端子２が６本（Ｐ１〜Ｐ６）設けられており、それぞれが回路内において接続されている。センサ部分には、歪検出素子２３と第２の歪検出素子２５が直列に接続されている。
【００３２】
前述のように歪検出素子２３はアーム２１の変形部２１ａに、第２の歪検出素子２５はアーム２１の変形不能部２１ｂに、それぞれ配置されており、出力電圧は歪検出素子２３と第２の歪検出素子２５の間から取り出す。歪検出素子２３と第２の歪検出素子２５は、同時に印刷形成されて、ほとんど同じ特性を有するため、温度や湿度の変化に対しても同じ変動率を示す。このため、中点の電圧を取り出すことによって温度や湿度の影響を少なくすることができる。
【００３３】
外部端子２のうちＰ６の端子は電源に接続され、Ｐ１の端子はグランドに接続される。これによってセンサ部分に電圧を印加することができる。また、Ｐ２の端子は、センサ部分の出力と接続されていて、出力端子として用いられる。したがって、信号をそのまま取り出す場合には、Ｐ１とＰ６及びＰ２の端子が用いられ、取り出した信号は外部に設けられるアンプによって増幅される。この場合、Ｐ３とＰ４及びＰ５の端子は使用されない。
【００３４】
この他に、振動センサ内において予め増幅した信号を出力させることもできる。センサ部分からの出力は、オペアンプＵ１のプラス接続端子に接続されている。オペアンプＵ１に対しては、負帰還をかけると共に、グランドに接続されるＰ３の外部端子２との間にコンデンサＣ１を抵抗Ｒ１と直列に接続することによって、直流成分を取り除いた交流成分のみを検出する微分回路として構成している。これによって、振動センサを取付けた機器に対する傾斜を検出することがなく、機器に対する振動のみを検出する振動センサとすることができる。
【００３５】
外部端子２のうち、Ｐ４の端子は増幅された出力端子として用いられ、またＰ５の端子はオペアンプＵ１に対する電源に接続される。したがって、振動センサ内において出力を増幅する場合には、Ｐ１とＰ３の端子がグランドに、Ｐ６の端子がセンサ部分の電源に、Ｐ５の端子がオペアンプＵ１の電源に、それぞれ接続され、Ｐ４の端子が出力端子として用いられる。この場合、Ｐ２の端子は使用されない。
【００３６】
本実施形態では、図５のような回路構成とすることで、振動センサに対する供給電流をできるだけ小さくしたい場合や、外部にアンプの余剰がある場合などには、アンプを介することなく出力を取り出すこともできるし、逆に予め増幅された出力が必要な場合には、アンプを介して出力を取り出すこともできる。一方、コストダウンのために振動センサ自体にアンプを設けたくない場合には、図５に示すオペアンプＵ１及びその周囲の回路構成を設けないようにしてもよい。この場合には、外部端子２のうちＰ１とＰ２及びＰ６の端子のみが使用されるが、端子を多ピン構造とした方が取付けを確実にすることができるので、基板１に対しては常に６本の外部端子２を設けるようにすることが望ましい。
【００３７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の適用は本実施形態には限られず、その技術的思想の範囲内において様々に適用されうるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本実施形態における振動センサの分解斜視図である。
【図２】収納部材内部の分解斜視図である。
【図３】フレキシブル基板及び錘の平面図である。
【図４】ケース体内に収納部材を納めた状態における底面方向からの斜視図である。
【図５】振動センサの回路図である。
【符号の説明】
【００３９】
１    基板
２    外部端子
３    ケース体
４    収納部材
５    振動子
６    充填材
１０    上収納部材
１１    下収納部材
１６    ゴム材
２０    フレキシブル基板
２１    アーム
２１ａ  変形部
２１ｂ  変形不能部
２２    錘
２３    歪検出素子
２８    第２の歪検出素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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