加速度センサ
【課題】圧電素子の温度による出力変化を精度よく補正することができる加速度センサを提供する。
【解決手段】振動検出用の圧電素子２０と、この圧電素子２０とは温度特性が異なる圧電素子２１とを電気的絶縁シート２２を介して重ね合わせた振動センサを構成する。この振動センサを、圧電素子２０，２１が被測定面に直交する線上に位置するように金属ケース１内に固定する。そして、圧電素子２０、２１の出力電圧差から温度を算出し、圧電素子２０の出力電圧の温度補正を行なう
【解決手段】振動検出用の圧電素子２０と、この圧電素子２０とは温度特性が異なる圧電素子２１とを電気的絶縁シート２２を介して重ね合わせた振動センサを構成する。この振動センサを、圧電素子２０，２１が被測定面に直交する線上に位置するように金属ケース１内に固定する。そして、圧電素子２０、２１の出力電圧差から温度を算出し、圧電素子２０の出力電圧の温度補正を行なう
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
【０００１】
本発明は、生産設備の振動診断等に使用される振動センサで、特に常時監視用に配備される温度補償付き圧電型加速度センサをセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の生産設備の回転機械や電動機等における監視用振動センサは、所定の周波数で平坦な周波数特性を有する圧電型加速度センサが使用される（特許文献１参照）。しかし、圧電素子は温度によって出力電圧などが変動するため、温度を検出するためのサーミスタや半導体センサなどをセンサ内の圧電素子近傍に配置して温度を検出し補正していた。
図４は、従来の圧電型加速度センサの例として圧縮型タイプを示すもので、以下、図４に基いて従来の圧電型加速度センサの構成を説明する。
図４において、有底筒状の金属ケース１には測定物に固定するためのネジ部1aが形成されている。また、金属ケース１の内周底部にはネジタップ１ｂが形成されており、このネジタップ１ｂには固定ネジ２が螺合されるようになっている。さらに、金属ケース１の底部にはドーナツ状円盤型の圧電素子３が設けられており、この圧電素子３の両面には出力用電極３a、３bが取り付けられている。
圧電素子３上には、上面の一部に感温素子１２が取り付けられた中空状の金属等の重り４が搭載されており、この重り４は圧電素子３への負荷を構成している。また、これら圧電素子３および重り４は固定ネジ２によって金属ケース１のネジタップ１bに固定されている。
【０００３】
そして、圧電素子３および重り４と固定ネジ２の間には絶縁チューブ５が介装されており、この絶縁チューブ５は金属ケース１と重り４が固定ネジ２を介してショートするのを防止するものである。
また、固定ネジ２の頭部２ａと重り４の間には絶縁スペーサ６が設けられており、この絶縁スペーサ６は金属ケース１と重り４が固定ネジ２を介してショートするのを防止するものである。
絶縁スペーサ６と重り４の間には接続端子７が介装されており、圧電素子３の出力は金属ケース１と重り４および接続端子７を介した間から取り出されるようになっている。また、絶縁スペーサ６および接続端子７は、固定ネジ２によって金属ケース１のネジタップ１ｂに固定されている。
金属ケース１の上端開口部にはコネクタ本体８がカシメ部１ｃによって固定されており、金属ケース１とコネクタ本体部８の間にOリング9が介装されることにより、金属ケース１とコネクタ本体８の連結部が防水されている。
コネクタ本体８には振動出力端子１０と温度出力端子15、16が設けられており、振動出力端子１０は振動出力用リード線１１を介して接続端子７に接続され、振動出力用リード線１１は半田１１ａ、１１ｂによって振動接続端子７と振動出力端子１０に固定されている。また、温度出力端子１５、１６は感温素子用リード線１３、１４を介して感温素子に接続され、感温素子用リード線１３、１４は半田１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂによって温度出力端子１５、１６と感温素子に固定されている。なお、感温素子１２は重り４の上面ではなく、金属ケース１の底面に取り付けられる場合もある。また、振動出力端子１０としては筐体をアースと兼用する一端子タイプと、二本の振動出力端子を用いる二端子タイプ等がある。
【０００４】
このように構成された加速度センサにあっては、圧電素子３の出力用電極３ａ、３bは加速度センサへの外部振動を検知し、この振動により圧電素子３に発生した電圧を出力として取り出すことができる。
さらに、感温素子１２には圧電素子３の温度が重り４を介して伝達され、温度変化に応じた抵抗変化や電圧変化を出力として取り出すことができる。
なお、この加速度センサは内部に電気回路等を有していないが、インピーダンス変換回路や温度検出回路等を構成したタイプもある。
【特許文献１】特開2004-317228号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような従来の加速度センサは、振動を検出する圧電素子の温度を熱容量の異なる重りを介して検出するため、圧電素子の温度を正確に検出することができないことや、金属ケースの底面に感温素子を取り付ける場合は、感温素子の取り付けスペース分、センサが大型化し共振周波数が低下するために高周波数域まで平坦な振動特性が得られないといった問題もあった。
この発明の主たる目的は、圧電素子の温度による出力変化を精度よく補正することができる加速度センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明は、振動検出用の第１の圧電素子と、この第１の圧電素子とは温度特性が異なる第２の圧電素子とを電気的絶縁シートを介して重ね合わせた振動センサを、第１、第２の圧電素子が被測定面に直交する線上に位置するように金属ケース内に固定し、第１、第２の圧電素子の出力電圧差から温度を算出し、第１の圧電素子の出力電圧の温度補正を行なうことを特徴とする。
また、上記の発明において、振動センサの上面に重りを搭載し、金属ケースに固定してなることを特徴とする。
さらに、上記の発明において、第１、第２の圧電素子は、温度―出力特性が1次関数で表され、かつその関数の定数が異なる2種類の圧電素子であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、温度特性が異なる２種類の圧電素子を重ねて使用し、その特性差から温度を検知するようにしたことによって、圧電素子の温度を正確に検知することができ、重ねた圧電素子が重りの役目も果たすので、小型化・低コスト化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、本発明の第1の実施例を示すもので、有底筒状の金属ケース１には測定物に固定するためのネジ部1ａが形成されている。この金属ケース１の内底部に第１の圧電素子２０と、例えばポリエステルフィルムなどの電気絶縁シート２２を挟んで、第２の圧電素子２１が重ね合わせて接着材等で貼り付けられている。
また、金属ケース１の上端開口部にはコネクタ本体８がカシメ部１cによって固定されており、金属ケース１とコネクタ本体部８の間にOリング9が介装される事により、金属ケース１とコネクタ本体８の連結部が防水されている。
また、コネクタ本体８には第１の圧電素子２０の振動出力端子２３と第２の圧電素子２１の振動出力端子２４、２５が設けられており、第１の振動出力端子２３は第１の振動出力用リード線３０を介して第１の圧電素子２０の出力電極２０ｂに接続に接続されており、出力電極２０ａは金属ケース１にアースされている。
また、第２の振動出力端子２４、２５は第２の振動出力用リード線３１、３２を介して第２の圧電素子２１の出力電極２１ａ、２１ｂに接続されている。
なお、ここでは第１の圧電素子２０は１端子型を示したが２端子型にしても同様であることは言うまでもない。
【０００９】
このような構成において、第１および第２の圧電素子２０、２１の温度―出力特性は、図２に示すような１次関数で表される傾斜の異なる直線状の相関を示した特性である。
この図２は、横軸に温度、縦軸が感度比を表すグラフを示すもので、感度比とは温度１０℃の時の振動レベルと異なる温度における同じ振動レベル時の電圧出力比を表すものである。
ここで、第１の圧電素子２０、第２の圧電素子２１の関数を次の（１）、（２）式としたとき、第２の圧電素子２１の関数をとした時、出力電圧差からその時の温度Xは、（３）式から求めることができる。
【００１０】
[数１]
Y1=a1X+b1・・・（１）
【００１１】
[数２]
Y2=ａ2X+b2・・・（２）
【００１２】
[数３]
X=（Y2-Y1）+(b2-b1)／(a2-a1) ・・・（３）
これにより、振動検出用の第１の圧電素子２０の温度を検出することができ、正確な温度補正が可能になる。また、図示しないが、第１の圧電素子２０を２端子型として、金属ケース１の間に電気絶縁シートで絶縁する方法もあり、この場合は電気ノイズの影響が小さくなる。
図３は、本発明の他の実施例を示すもので、基本的には図１に示した第１の実施例と同様であるが、第２の圧電素子21の上に重り４を搭載した点が異なるだけである。これにより、感度を高くすることができる。また、図示しないが、従来の実施例に示したように第１、第２の圧電素子２０、２１をボルトで固定しても温度検出は同様に行なえる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施例を示す縦断面図である。
【図２】本発明の圧電素子の温度特性例を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施例を示す縦断面図である。
【図４】従来の実施例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００１４】
１ 金属ケース
２０ 第１の圧電素子
２１ 第２の圧電素子
２２ 絶縁シート
２３ 第1の圧電素子の出力端子
２４，２５ 第２の圧電素子の出力端子
【発明の属する技術分野】
【０００１】
本発明は、生産設備の振動診断等に使用される振動センサで、特に常時監視用に配備される温度補償付き圧電型加速度センサをセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の生産設備の回転機械や電動機等における監視用振動センサは、所定の周波数で平坦な周波数特性を有する圧電型加速度センサが使用される（特許文献１参照）。しかし、圧電素子は温度によって出力電圧などが変動するため、温度を検出するためのサーミスタや半導体センサなどをセンサ内の圧電素子近傍に配置して温度を検出し補正していた。
図４は、従来の圧電型加速度センサの例として圧縮型タイプを示すもので、以下、図４に基いて従来の圧電型加速度センサの構成を説明する。
図４において、有底筒状の金属ケース１には測定物に固定するためのネジ部1aが形成されている。また、金属ケース１の内周底部にはネジタップ１ｂが形成されており、このネジタップ１ｂには固定ネジ２が螺合されるようになっている。さらに、金属ケース１の底部にはドーナツ状円盤型の圧電素子３が設けられており、この圧電素子３の両面には出力用電極３a、３bが取り付けられている。
圧電素子３上には、上面の一部に感温素子１２が取り付けられた中空状の金属等の重り４が搭載されており、この重り４は圧電素子３への負荷を構成している。また、これら圧電素子３および重り４は固定ネジ２によって金属ケース１のネジタップ１bに固定されている。
【０００３】
そして、圧電素子３および重り４と固定ネジ２の間には絶縁チューブ５が介装されており、この絶縁チューブ５は金属ケース１と重り４が固定ネジ２を介してショートするのを防止するものである。
また、固定ネジ２の頭部２ａと重り４の間には絶縁スペーサ６が設けられており、この絶縁スペーサ６は金属ケース１と重り４が固定ネジ２を介してショートするのを防止するものである。
絶縁スペーサ６と重り４の間には接続端子７が介装されており、圧電素子３の出力は金属ケース１と重り４および接続端子７を介した間から取り出されるようになっている。また、絶縁スペーサ６および接続端子７は、固定ネジ２によって金属ケース１のネジタップ１ｂに固定されている。
金属ケース１の上端開口部にはコネクタ本体８がカシメ部１ｃによって固定されており、金属ケース１とコネクタ本体部８の間にOリング9が介装されることにより、金属ケース１とコネクタ本体８の連結部が防水されている。
コネクタ本体８には振動出力端子１０と温度出力端子15、16が設けられており、振動出力端子１０は振動出力用リード線１１を介して接続端子７に接続され、振動出力用リード線１１は半田１１ａ、１１ｂによって振動接続端子７と振動出力端子１０に固定されている。また、温度出力端子１５、１６は感温素子用リード線１３、１４を介して感温素子に接続され、感温素子用リード線１３、１４は半田１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂによって温度出力端子１５、１６と感温素子に固定されている。なお、感温素子１２は重り４の上面ではなく、金属ケース１の底面に取り付けられる場合もある。また、振動出力端子１０としては筐体をアースと兼用する一端子タイプと、二本の振動出力端子を用いる二端子タイプ等がある。
【０００４】
このように構成された加速度センサにあっては、圧電素子３の出力用電極３ａ、３bは加速度センサへの外部振動を検知し、この振動により圧電素子３に発生した電圧を出力として取り出すことができる。
さらに、感温素子１２には圧電素子３の温度が重り４を介して伝達され、温度変化に応じた抵抗変化や電圧変化を出力として取り出すことができる。
なお、この加速度センサは内部に電気回路等を有していないが、インピーダンス変換回路や温度検出回路等を構成したタイプもある。
【特許文献１】特開2004-317228号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような従来の加速度センサは、振動を検出する圧電素子の温度を熱容量の異なる重りを介して検出するため、圧電素子の温度を正確に検出することができないことや、金属ケースの底面に感温素子を取り付ける場合は、感温素子の取り付けスペース分、センサが大型化し共振周波数が低下するために高周波数域まで平坦な振動特性が得られないといった問題もあった。
この発明の主たる目的は、圧電素子の温度による出力変化を精度よく補正することができる加速度センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明は、振動検出用の第１の圧電素子と、この第１の圧電素子とは温度特性が異なる第２の圧電素子とを電気的絶縁シートを介して重ね合わせた振動センサを、第１、第２の圧電素子が被測定面に直交する線上に位置するように金属ケース内に固定し、第１、第２の圧電素子の出力電圧差から温度を算出し、第１の圧電素子の出力電圧の温度補正を行なうことを特徴とする。
また、上記の発明において、振動センサの上面に重りを搭載し、金属ケースに固定してなることを特徴とする。
さらに、上記の発明において、第１、第２の圧電素子は、温度―出力特性が1次関数で表され、かつその関数の定数が異なる2種類の圧電素子であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、温度特性が異なる２種類の圧電素子を重ねて使用し、その特性差から温度を検知するようにしたことによって、圧電素子の温度を正確に検知することができ、重ねた圧電素子が重りの役目も果たすので、小型化・低コスト化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、本発明の第1の実施例を示すもので、有底筒状の金属ケース１には測定物に固定するためのネジ部1ａが形成されている。この金属ケース１の内底部に第１の圧電素子２０と、例えばポリエステルフィルムなどの電気絶縁シート２２を挟んで、第２の圧電素子２１が重ね合わせて接着材等で貼り付けられている。
また、金属ケース１の上端開口部にはコネクタ本体８がカシメ部１cによって固定されており、金属ケース１とコネクタ本体部８の間にOリング9が介装される事により、金属ケース１とコネクタ本体８の連結部が防水されている。
また、コネクタ本体８には第１の圧電素子２０の振動出力端子２３と第２の圧電素子２１の振動出力端子２４、２５が設けられており、第１の振動出力端子２３は第１の振動出力用リード線３０を介して第１の圧電素子２０の出力電極２０ｂに接続に接続されており、出力電極２０ａは金属ケース１にアースされている。
また、第２の振動出力端子２４、２５は第２の振動出力用リード線３１、３２を介して第２の圧電素子２１の出力電極２１ａ、２１ｂに接続されている。
なお、ここでは第１の圧電素子２０は１端子型を示したが２端子型にしても同様であることは言うまでもない。
【０００９】
このような構成において、第１および第２の圧電素子２０、２１の温度―出力特性は、図２に示すような１次関数で表される傾斜の異なる直線状の相関を示した特性である。
この図２は、横軸に温度、縦軸が感度比を表すグラフを示すもので、感度比とは温度１０℃の時の振動レベルと異なる温度における同じ振動レベル時の電圧出力比を表すものである。
ここで、第１の圧電素子２０、第２の圧電素子２１の関数を次の（１）、（２）式としたとき、第２の圧電素子２１の関数をとした時、出力電圧差からその時の温度Xは、（３）式から求めることができる。
【００１０】
[数１]
Y1=a1X+b1・・・（１）
【００１１】
[数２]
Y2=ａ2X+b2・・・（２）
【００１２】
[数３]
X=（Y2-Y1）+(b2-b1)／(a2-a1) ・・・（３）
これにより、振動検出用の第１の圧電素子２０の温度を検出することができ、正確な温度補正が可能になる。また、図示しないが、第１の圧電素子２０を２端子型として、金属ケース１の間に電気絶縁シートで絶縁する方法もあり、この場合は電気ノイズの影響が小さくなる。
図３は、本発明の他の実施例を示すもので、基本的には図１に示した第１の実施例と同様であるが、第２の圧電素子21の上に重り４を搭載した点が異なるだけである。これにより、感度を高くすることができる。また、図示しないが、従来の実施例に示したように第１、第２の圧電素子２０、２１をボルトで固定しても温度検出は同様に行なえる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施例を示す縦断面図である。
【図２】本発明の圧電素子の温度特性例を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施例を示す縦断面図である。
【図４】従来の実施例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００１４】
１ 金属ケース
２０ 第１の圧電素子
２１ 第２の圧電素子
２２ 絶縁シート
２３ 第1の圧電素子の出力端子
２４，２５ 第２の圧電素子の出力端子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動検出用の第１の圧電素子と、該第１の圧電素子とは温度特性が異なる第２の圧電素子とを電気的絶縁シートを介して重ね合わせた振動センサを、第１、第２の圧電素子が被測定面に直交する線上に位置するように金属ケース内に固定し、前記第１、第２の圧電素子の出力電圧差から温度を算出し、前記第１の圧電素子の出力電圧の温度補正を行なうことを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の加速度センサにおいて、前記振動センサの上面に重りを搭載し、前記金属ケースに固定してなることを特徴とする加速度センサ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の加速度センサにおいて、前記第１、第２の圧電素子は、温度―出力特性が1次関数で表され、かつその関数の定数が異なる2種類の圧電素子であることを特徴とする加速度センサ。
【請求項１】
振動検出用の第１の圧電素子と、該第１の圧電素子とは温度特性が異なる第２の圧電素子とを電気的絶縁シートを介して重ね合わせた振動センサを、第１、第２の圧電素子が被測定面に直交する線上に位置するように金属ケース内に固定し、前記第１、第２の圧電素子の出力電圧差から温度を算出し、前記第１の圧電素子の出力電圧の温度補正を行なうことを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の加速度センサにおいて、前記振動センサの上面に重りを搭載し、前記金属ケースに固定してなることを特徴とする加速度センサ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の加速度センサにおいて、前記第１、第２の圧電素子は、温度―出力特性が1次関数で表され、かつその関数の定数が異なる2種類の圧電素子であることを特徴とする加速度センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−２２９０９０（Ｐ２００９−２２９０９０Ａ）
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−７１３４４（Ｐ２００８−７１３４４）
【出願日】平成２０年３月１９日（２００８．３．１９）
【出願人】（５９１０８３２４４）富士電機システムズ株式会社 (1,717)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月１９日（２００８．３．１９）
【出願人】（５９１０８３２４４）富士電機システムズ株式会社 (1,717)
【Ｆターム（参考）】
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