JP3038692B2 - バイモルフ振動子及び圧電形加速度センサ - Google Patents

バイモルフ振動子及び圧電形加速度センサ

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JP3038692B2
JP3038692B2 JP7246280A JP24628095A JP3038692B2 JP 3038692 B2 JP3038692 B2 JP 3038692B2 JP 7246280 A JP7246280 A JP 7246280A JP 24628095 A JP24628095 A JP 24628095A JP 3038692 B2 JP3038692 B2 JP 3038692B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はバイモルフ振動子
と、板状圧電素子を片持ち保持した圧電形加速度センサ
に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、バイモルフ振動子による板状圧電
素子を用いた圧電形加速度センサに係る発明として、実
公平6−2120号公報「圧電式振動センサ」に開示さ
れるものが知られている。この先行技術は、両面に電極
を設けて分極を行い、分極軸を貼り合わせて短冊状圧電
バイモルフ振動子とし、この短冊状圧電バイモルフ振動
子を、金属製管に封入されているステムの2本のリード
線の先端に半田または導電性接着剤で電気的に接続固定
している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記センサは、振動子
の一端を半田または導電性接着剤で固定しただけのリー
ド線のみで固定しているため、リード線にねじり方向や
曲げ方向の応力が作用すると外れてしまうおそれがあ
る。また、端部がしっかり固定されていないため、高い
周波数領域での応答を得ることができない。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本願の第1発明に係るバイモルフ振動子は、両面に電
極がそれぞれ形成された2枚の圧電セラミックを揃えて
貼り合わせて構成した圧電素子の自由端に導電性部材か
らなる断面コ字状の折曲片を嵌め込んで、前記圧電素子
の厚み方向の両端面に電路を形成した。
【0005】本願の第2発明に係る圧電形加速度センサ
は、端面に嵌合孔を有すると共に前記端面の芯線孔を介
してケーブルの芯線が導出される筒状のケーブル保持部
材と、絶縁材からなり一端に小径部が突出形成されると
共に側面に長さ方向の溝を形成してこの溝に前記板状圧
電素子の一端を嵌め込んで固定した柱状ベースとで構成
され、前記板状圧電素子に前記芯線を接続すると共に前
記小径部を前記嵌合孔に差込んで形成した。
【0006】本願の第3発明に係る圧電形加速度センサ
は、端面に嵌合孔を有すると共に前記端面の芯線孔を介
してケーブルの芯線が導出される筒状のケーブル保持部
材と、絶縁材からなり一端に小径部が突出形成されると
共に軸方向に沿い且つ端面から見た切り込み角度が互い
に異なる溝を2本形成し、この2本の溝のそれぞれに前
記板状圧電素子の一端を嵌め込んで固定した柱状ベース
とで構成され、前記板状圧電素子に前記芯線を接続する
と共に前記小径部を前記嵌合孔に差込んで形成した。
【0007】本願の第4発明に係る圧電形加速度センサ
は、前記板状圧電素子がバイモルフ振動子であると共に
前記圧電形加速度センサは絶縁材からなる柱状ベースの
側面に長さ方向の溝を形成し、この溝に前記板状圧電素
子の一端を嵌め込んで固定され、前記板状圧電素子の他
端には導電性部材からなる断面コ字状の折曲片が固定さ
れてなる。
【0008】本願の第5発明に係る圧電形加速度センサ
は、前記板状圧電素子がバイモルフ振動子であると共に
前記圧電形加速度センサは絶縁材からなる柱状ベースの
側面に軸方向に沿い且つ端面から見た切り込み角度が互
いに異なる溝を2本形成し、この2本の溝のそれぞれに
板状圧電素子の一端を嵌め込んで固定され、前記板状圧
電素子の他端には導電性部材からなる断面コ字状の折曲
片が固定されてなる。
【0009】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。図1は本発明に係る加速度セ
ンサの外観を示す斜視図であり、加速度センサ1は加速
度センサ本体10とプロテクトチューブ50とからな
る。
【0010】加速度センサ本体10は、耐熱金属、例え
ばインコネルからなる円筒状のケーブル保持部材11の
両端に円筒状のカバー12、13を配設し、それぞれの
カバー12、13の先端に円筒状のガイド部14,15
をそれぞれ備える。
【0011】プロテクトチューブ50は、加速度センサ
本体10からケーブル保持部材11のケーブル孔11b
を介して導出されるMIケーブル17,18の周囲を被
覆し、MIケーブル17,18の外力に起因する損傷を
防止するためのものである(図2参照)。
【0012】なお、上記MIケーブルは、金属性のシー
ス(チューブ)内に、金属導線を挿通し、導線とシース
間に鉱物質絶縁物、例えばMgO(酸化マグネシウム)
等の粉末を詰め固めた耐熱高絶縁を有するケーブルであ
り、高温雰囲気中で使用するケーブル部材(リード線)
として好適なものである。
【0013】図2は本発明に係る加速度センサの断面図
であり、ケーブル保持部材11の一端はケーブル孔11
bを介して複数(ここでは2本)のMIケーブル17,
18を並列に挿通しており、ケーブル孔11bの端部周
縁はMIケーブル17,18の外周に蝋付け19、例え
ば銀蝋付けによって気密に固着されている。ここで、1
7a、17b、18a、18bはMIケーブル17,18
の芯線であり、例えばステンレス線が使用される。
【0014】また、ケーブル保持部材11の他端は分配
部材22および位置決め部材31をそれぞれ内部および
端部に耐熱性接着剤で固定し、MIケーブル17,18
の端末を分配部材22で区画される空間S内に密閉して
おり、この空間Sから両部材22,31にそれぞれ形成
した4つの芯線孔(図では、2つづつの芯線孔22a、
22bおよび31a、31bが見える)を介して2本の
MIケーブル17,18のそれぞれの芯線17a、17
bおよび18a、18bをカバー12内に配置される振動
検知部30へ導出し、それらの先端をベース32によっ
て片持ち保持されている圧電素子33,34に接続して
いる。
【0015】図3は振動検知部の分解斜視図であり、振
動検知部30はベース位置決め部材31、ベース32お
よび圧電素子33,34を備え、ベース位置決め部材3
1はその中央且つ芯線孔31a〜31dと平行に所定直
径および深さの嵌合穴31eを形成している。
【0016】ベース32はセラミックで丸棒形状に形成
されるとともに一端の中央に前記嵌合穴31eに差込み
可能な小径部32aを突出形成している。このベース3
2はその側面に所定の幅を有する第1の溝32bと、こ
の第1の溝32bの切込み方向と直交する切込み方向を
有するとともに第1の溝32bと略々同一の幅を有する
第2の溝32cがそれぞれ高さ方向に形成されている。
尚、溝32b、32cは必ずしも直交させなくともよく
端面から見た切込み角度が互いに異なっていればよい。
【0017】圧電素子33,34は曲げ応力に応じた電
圧を発生させる耐熱性を備えた矩形板状のバイモルフ振
動子(厚さは溝の幅より若干薄い)を用い、この実施例
では2枚のバイモルフ振動子を用いる。なお、圧電素子
33,34は矩形板状のバイモルフ振動子に限るもので
はなく、例えば矩形板状のユニモルフ型の圧電素子を用
いてもよいことは勿論である。
【0018】図4は上記圧電素子をベースに取付けた状
態を示す斜視図であり、2枚圧電素子(バイモルフ振動
子)33,34を、ベース32側面から第1の溝32b
および第2の溝32cにそれぞれの一端を嵌め込み、適
宜の冶具を用いてベース32の長さ(軸)方向と圧電素
子33,34の長さ方向を一致させ、その後接着剤を溝
32b、32cに注入して硬化させて、ベース32によ
って片持ち保持する。この接着剤としては、無機物から
なる高温用の水溶性接着剤、例えば、スミセラム−S
(登録商標)を使用することができる。上記の構成を採
用することによって、圧電素子33,34をベース32
に強固に保持することができ、従ってそれぞれの圧電素
子の厚み方向の加速度成分、すなわち2方向の加速度成
分を安定に検出できる。
【0019】図5は他の実施例に係る圧電素子をベース
に取付けた状態を示す斜視図であり、圧電素子が1枚、
例えば圧電素子33だけの場合である。この実施例によ
れば、前記実施例と同様に圧電素子33をベース32に
強固に保持できるとともにより簡単な構造の振動検知部
を構成できる。
【0020】図6はバイモルフ振動子(圧電素子)の拡
大分解斜視図であり、圧電素子33,34は、同じ構成
のものであるので、以下に圧電素子33のみについて説
明する。圧電素子33は、例えば両面に電極elt1、
elt2およびelt3、elt4がそれぞれ形成され
た2枚の圧電セラミック33a、33bを揃えて貼り合
わせて構成され、それぞれの一方の電極elt1および
elt3に芯線17a、17bの先端を蝋付けまたは導
電性接着剤により接続固定している。
【0021】そして、この圧電素子33は、電極elt
1、elt2およびelt3、elt4に対して垂直な
方向から応力が印加されて屈曲すると上下にある圧電セ
ラミック33a、33bが圧縮もしくは引っ張り応力を
受けて印加応力と比例する電圧を発生する。
【0022】35は導電性部材からなる断面コ字状の折
曲片であり、この折曲片35を2枚の圧電セラミック3
3a、33bの自由端に嵌め込み、導電性接着剤で接着
固定し、電極elt1と電極elt4間に電路を形成す
る(従来はリード線等により電路を形成していた)と共
に、重錘の機能を果たす。したがってこの構成はバイモ
ルフ振動子の厚み方向の両端面の電極elt1、elt
4を短絡する電路部材と、重錘を兼用することができ、
別途電路部材を必要としないという利点を有する。
【0023】このように、上記圧電素子33は自由端に
大型の重錘を配置していないが、これはこの圧電素子3
3が幅に比べて長さが十分長いので、重錘を設けなくと
も所定の感度を得ることができるからであり、より高い
感度を求めるときは折曲片35を大型化して重錘として
機能するようにすればよい。この際、加速度感度は重錘
の質量に応じて高くなるが、共振点が低くなって測定帯
域が狭くなることを考慮する必要がある。
【0024】なお、上記実施例においては、高温下で使
用される加速度センサであることを考慮し、各部材を高
温に耐え得る素材から構成したが、常温で使用する加速
度センサに対しては、例えば絶縁材料としてエンジニア
リング・プラスティック材料を使用してもよい。
【0025】
【発明の効果】以上説明したように本発明のバイモルフ
振動子によれば、両面に電極がそれぞれ形成された2枚
の圧電セラミックを揃えて貼り合わせて構成した圧電素
子の自由端に導電性部材からなる断面コ字状の折曲片を
被着することで、バイモルフ振動子の厚み方向の端面を
短絡する電路部材と、重錘を兼用することができ、別途
電路部材を必要とせず、この分製造コストを低減でき
る。
【0026】また、本発明の圧電形加速度センサは、端
面に嵌合孔を有すると共に端面の芯線孔を介してケーブ
ルの芯線が導出される筒状のケーブル保持部材と、絶縁
材からなり一端に小径部が突出形成されると共に側面に
長さ方向の溝を形成してこの溝に板状圧電素子の一端を
嵌め込んで固定した柱状ベースとで構成されており、板
状圧電素子に芯線を接続すると共に小径部を嵌合孔に差
込んで形成しているので簡単な構造によって矩形板状の
圧電素子の方向精度を損なわせずに強固に保持でき、高
い周波数領域への応用も可能になる。
【0027】また、本発明の圧電形加速度センサは、端
面に嵌合孔を有すると共に端面の芯線孔を介してケーブ
ルの芯線が導出される筒状のケーブル保持部材と、絶縁
材からなり一端に小径部が突出形成されると共に軸方向
に沿い且つ端面から見た切り込み角度が互いに異なる溝
を2本形成し、この2本の溝のそれぞれに板状圧電素子
の一端を嵌め込んで固定した柱状ベースとで構成されて
おり、板状圧電素子に芯線を接続すると共に小径部を嵌
合孔に差込んで形成しているので2枚の圧電素子の厚み
方向の加速度成分、すなわち2方向の加速度成分を高い
周波数領域においても安定に検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る加速度センサの外観を示す斜視図
【図2】本発明に係る加速度センサの断面図
【図3】振動検知部の分解斜視図
【図4】圧電素子をベースに取付けた状態を示す斜視図
【図5】他の実施例に係る圧電素子をベースに取付けた
状態を示す斜視図
【図6】バイモルフ振動子の拡大分解斜視図
【符号の説明】
1…加速度センサ、10…加速度センサ本体、11…ケ
ーブル保持部材、12、13…カバー、14、15…ガ
イド部、17、18…MIケーブル、19…蝋付け、2
2…分配部材、30…振動検知部、31…位置決め部
材、32…ベース、32b、32c…溝、33,34…
圧電素子、50…プロテクトチューブ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01P 15/08 - 15/09 H01L 29/84 H01L 41/08

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 両面に電極がそれぞれ形成された2枚
    の圧電セラミックを揃えて貼り合わせて構成した圧電素
    子の自由端に導電性部材からなる断面コ字状の折曲片を
    嵌め込んで、前記圧電素子の厚み方向の両端面に電路を
    形成したことを特徴とするバイモルフ振動子。
  2. 【請求項2】 片持ち保持された板状圧電素子に曲げ
    応力を加え、この曲げ応力に応じた電圧を発生させる圧
    電形加速度センサにおいて、この圧電形加速度センサは
    端面に嵌合孔を有すると共に前記端面の芯線孔を介して
    ケーブルの芯線が導出される筒状のケーブル保持部材
    と、絶縁材からなり一端に小径部が突出形成されると共
    に側面に長さ方向の溝を形成してこの溝に前記板状圧電
    素子の一端を嵌め込んで固定した柱状ベースとで構成さ
    れ、前記板状圧電素子に前記芯線を接続すると共に前記
    小径部を前記嵌合孔に差込んで形成したことを特徴とす
    る圧電形加速度センサ。
  3. 【請求項3】 片持ち保持された板状圧電素子に曲げ応
    力を加え、この曲げ応力に応じた電圧を発生させる圧電
    形加速度センサにおいて、この圧電形加速度センサは端
    面に嵌合孔を有すると共に前記端面の芯線孔を介してケ
    ーブルの芯線が導出される筒状のケーブル保持部材と、
    絶縁材からなり一端に小径部が突出形成されると共に軸
    方向に沿い且つ端面から見た切り込み角度が互いに異な
    る溝を2本形成し、この2本の溝のそれぞれに前記板状
    圧電素子の一端を嵌め込んで固定した柱状ベースとで構
    成され、前記板状圧電素子に前記芯線を接続すると共に
    前記小径部を前記嵌合孔に差込んで形成したことを特徴
    とする圧電形加速度センサ。
  4. 【請求項4】 片持ち保持された板状圧電素子に曲げ応
    力を加え、この曲げ応力に応じた電圧を発生させる圧電
    形加速度センサにおいて、前記板状圧電素子はバイモル
    フ振動子であると共に前記圧電形加速度センサは絶縁材
    からなる柱状ベースの側面に長さ方向の溝を形成し、こ
    の溝に前記板状圧電素子の一端を嵌め込んで固定され、
    前記板状圧電素子の他端には導電性部材からなる断面コ
    字状の折曲片が固定されてなることを特徴とする圧電形
    加速度センサ。
  5. 【請求項5】 片持ち保持された板状圧電素子に曲げ応
    力を加え、この曲げ応力に応じた電圧を発生させる圧電
    形加速度センサにおいて、前記板状圧電素子はバイモル
    フ振動子であると共に前記圧電形加速度センサは絶縁材
    からなる柱状ベースの側面に軸方向に沿い且つ端面から
    見た切り込み角度が互いに異なる溝を2本形成し、この
    2本の溝のそれぞれに板状圧電素子の一端を嵌め込んで
    固定され、前記板状圧電素子の他端には導電性部材から
    なる断面コ字状の折曲片が固定されてなることを特徴と
    する圧電形加速度センサ。
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