(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部からの圧力変化を検出して電気信号を発生する圧電素子と、その圧電素子の受圧面に対し電極板を介して接するように設けられ、当該圧電素子に検出すべき圧力を伝達する受圧部材とを備え、
前記電極板の前記圧電素子に接する側の面の算術平均粗さが、０．０１２〜１．６μｍとなるように調整されていることを特徴とする荷重センサ。
【請求項２】
前記電極板の前記圧電素子に接する側の面の算術平均粗さが、０．０１２〜０．４μｍとなるように調整されている請求項１記載の荷重センサ。
【請求項３】
前記受圧部材の前記圧電素子に接する側の面は、低域カットオフ値を８ｍｍ、高域カットオフ値を０．８ｍｍとして測定した中心線うねりの最大値が０．６μｍ以下となるように調整されている請求項１又は２に記載の荷重センサ。
【請求項４】
外部からの圧力変化を検出して電気信号を発生する圧電素子と、その圧電素子の受圧面に対し直接又は他部材を介して間接的に接するように設けられ、当該圧電素子に検出すべき圧力を伝達する受圧部材とを備え、
前記受圧部材の前記圧電素子に接する側の面は、低域カットオフ値を８ｍｍ、高域カットオフ値を０．８ｍｍとして測定した中心線うねりの最大値が０．６μｍ以下となるように調整されていることを特徴とする荷重センサ。
【請求項５】
前記受圧部材の前記圧電素子に接する側の面は、前記中心線うねりの最大値が０．４μｍ以下となるように調整されている請求項３又は４に記載の荷重センサ。
【請求項６】
前記受圧部材の前記圧電素子に接する側の面の算術平均粗さが、０．０１２〜１．６μｍとなるように調整されている請求項１ないし５のいずれかに記載の荷重センサ。
【請求項７】
前記受圧部材の前記圧電素子に接する側の面の算術平均粗さが、０．０１２〜０．４μｍとなるように調整されている請求項６記載の荷重センサ。
【請求項８】
前記圧電素子は板状に形成されるとともに、その両側に前記電極板、絶縁部材を介して前記受圧部材が積層されて積層体が形成されており、
該積層体の周縁部においてそれら圧電素子板、電極板、絶縁部材、受圧部材を一体的に保持する保持部が設けられている請求項１ないし７のいずれかに記載の荷重センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子を用いた荷重センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、圧電素子を用いて外部からの圧力変化に対応する電気信号を圧電効果により発生させ、その電気信号値に基づいて上記圧力を検出する荷重センサが知られている。このような荷重センサにおいては、検出すべき圧力を圧電素子板に伝達するための受圧板が、該圧電素子板に接した状態で設けられている。そして圧電素子板は受圧板から伝達された圧力を上記圧電効果により電気信号に変換し、この信号を外部へ出力する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記荷重センサにおいては、圧電素子板に加わる荷重があるレベルを超えた場合に、荷重が大きくなるほど出力が低下しやすくなることが知られており、例えば高荷重領域を検出するセンサにおいて問題になっている。これは圧電素子板に高荷重が加わったときに、該圧電素子板の自発分極の配向が荷重集中によって乱れ、部分的に消極することが原因であると考えられている。
【０００４】
本発明の課題は、高荷重が加わっても出力低下を起こしにくく、耐久性に優れた荷重センサを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上述の課題を解決するために本発明の第一の構成（請求項１）の荷重センサは、外部からの圧力変化を検出して電気信号を発生する圧電素子と、その圧電素子の受圧面に対し電極板を介して接するように設けられ、当該圧電素子に検出すべき圧力を伝達する受圧部材とを備え、電極板の圧電素子に接する側の面の算術平均粗さ（Ｒａ）が、０．０１２〜１．６μｍとなるように調整されていることを特徴とする。なお、本発明でいう算術平均粗さＲａは、ＪＩＳＢ０６０１（１９９４）に規定された方法により測定された算術平均粗さをいう。
【０００６】
また、受圧部材の圧電素子に接する側の面は、低域カットオフ値を８ｍｍ、高域カットオフ値を０．８ｍｍとして測定した中心線うねり（ＷＣＡ）の最大値が０．６μｍ以下となっているのがよい（請求項３）。なお、本発明でいう中心線うねりＷＣＡは、ＪＩＳＢ０６１０（１９８７）に規定された方法により測定されたろ波中心線うねりをいう。
【０００７】
さらに、本発明の第二の構成（請求項４）の荷重センサは、外部からの圧力変化を検出して電気信号を発生する圧電素子と、その圧電素子の受圧面に対し直接又は他部材（電極板）を介して間接的に接するように設けられ、当該圧電素子に検出すべき圧力を伝達する受圧部材とを備え、受圧部材の圧電素子に接する側の面は、低域カットオフ値を８ｍｍ、高域カットオフ値を０．８ｍｍとして測定した中心線うねり（ＷＣＡ）の最大値が０．６μｍ以下となるように調整されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明者らは、鋭意検討の結果、圧電素子との接触面における電極板の面精度が荷重センサの出力低下に大きく影響を与えており、上記接触面の表面粗度がある範囲を超えて大きくなると、センサの出力低下が著しくなることを見い出して、上記本発明の第一の構成を完成するに至ったのである。その推定される機構について、図５を用いて説明する。すなわち、電極板１０５の接触面には微視的に見れば多数の凹凸が形成されており、圧電素子１０２の表面とは微小な各凸部の頂点部分ｆ１，ｆ２‥‥で当接する。その結果、外部から受圧部材１０３、電極板１０５を介して圧電素子１０２に加わる荷重Ｆは、上記頂点部分ｆ１，ｆ２‥‥において局所的に加わるものと考えられる。
【０００９】
ここで、電極板１０５の接触面の表面粗度が大きくなると形成される凸部の総数は少なくなり、逆に表面粗度が小さくなると凸部の総数は増加する。そして、電極板１０５に加わる荷重Ｆが一定であると考えれば、表面粗度が大きくなるにつれてこの荷重を受ける凸部の数が少なくなり、凸部１つ当りに配分される荷重（換言すれば応力）は大きくなる。この凸部に付加される応力が増加して圧電材料の結晶歪の値が一定以上に大きくなると、該応力集中部分で消極が起こると考えられる。従って、電極板１０５の接触面の表面粗度が大きくなると、上記凸部での応力集中ひいては自発分極の消極が生じやすくなり、センサ出力の劣化も進みやすくなるものと考えられる。一方、電極板１０５の表面粗度が小さければ、荷重Ｆを受けとめるべき凸部の数が増えるから荷重が分散し、自発分極の消極も起こりにくくなる。この場合、センサ出力となる分極が主に周囲の結晶粒からの拘束を受けにくい圧電素子表層付近の結晶歪に基づいていると考えられる場合には、表層付近の消極はセンサ出力に特に大きく影響することとなり、電極板１０５の表面粗度の影響は一層大きくなるものと思われる。
【００１０】
そこで、上記本発明の第一の構成の荷重センサにおいては、電極板の圧電素子に接する側の面の算術平均粗さ（Ｒａ）を０．０１２〜１．６μｍの範囲で設定することにより、外部からの荷重が圧電素子の表面に比較的均一に加わるようになり、ひいては圧電素子の消極が起こりにくくなって、荷重センサの出力低下を効果的に抑制することが可能となる。電極板の圧電素子に接する側の面の算術平均粗さ（Ｒａ）が１．６μｍを超えると、センサの出力低下が著しくなる。一方、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．０１２μｍ未満になった場合は、それ以上面精度を向上させてもセンサ出力低下の抑制効果は頭打ちとなり、加えて電極板の面加工のコストも高くつく問題が生じる。なお、算術平均粗さ（Ｒａ）は、より望ましくは０．０１２〜０．４μｍの範囲に調整するのがよい（請求項２）。
【００１１】
また、発明者らは、圧電素子との接触面における受圧部材の面精度も荷重センサの出力低下に同様に大きく影響を与えており、特に接触面の中心線うねりの最大値がある範囲を超えて大きくなると、センサの出力低下が著しくなることを見い出して、本発明の第二の構成を完成するに至った。その推定される機構について、図６を用いて説明する。例えば、受圧部材１０３が電極板１０５を介して圧電素子１０２と接触している場合について考えると、図６（ａ）に示すように、中心線うねりが比較的小さい場合は、粗さ曲線上に生じた個々の凸部のうち電極板１０５の表面に当接するものの数は比較的多く、電極板１０５を介した圧電素子１０２への荷重付加も比較的均一となる。その結果、外部からの荷重Ｆは圧電素子１０２の表面に均一に伝達されることとなる。ところが、同図（ｂ）に示すように、中心線うねりが大きくなると、粗さ曲線上に生じた凸部のうち電極板１０５の表面に当接するもの、すなわち圧力伝達に有効に寄与する凸部の数が少なくなり、電極板１０５への荷重付加は不均一となる場合が多くなる。その結果、圧電素子１０２に加わる荷重は、上記電極板１０５に当接した凸部に対応する部分ｆ１’，ｆ２’で局所的に大きくなり、該圧電素子１０２表面への荷重伝達が不均一となる場合がある。
【００１２】
そこで本発明の第二の構成においては、上記中心線うねりの最大値を前述の範囲で調整することにより、外部からの荷重が圧電素子の表面に比較的均一に加わるようになり、ひいては圧電素子の消極が起こりにくくなって、荷重センサの出力低下を効果的に抑制することが可能となる。なお、中心線うねり（ＷＣＡ）の最大値が０．６μｍを超えると、圧電素子面への荷重が不均一化して、センサ出力の低下が著しくなる場合がある。なお、中心線うねり（ＷＣＡ）の最大値は、より望ましくは０．４μｍ以下に設定するのがよい（請求項５）。
【００１３】
なお、請求項３のように、このような該第二の構成の要件を第一の構成と組み合わせることで、荷重センサの出力低下を抑制する効果をさらに高めることができる。
【００１４】
次に、上記本発明の荷重センサの各構成において受圧部材の圧電素子に接する側の面は、その算術平均粗さ（Ｒａ）を０．０１２〜１．６μｍとなるように調整することで、圧電素子面に付加される荷重をさらに均一化でき、ひいては荷重センサの出力低下を抑制する効果がさらに高められる（請求項６）。なお、上記算術平均粗さ（Ｒａ）は、より望ましくは０．０１２〜０．４μｍの範囲に調整するのがよい（請求項７）。
【００１５】
なお、上記センサ出力の低下の問題は、圧電素子の受圧面に対する印加荷重レベルが、１０００ｋｇｆ／ｃｍ２以上（例えば圧電性セラミックス材料としてジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を用いた場合）の領域において特に生じやすい。従って、本発明の上記第一及び第二の構成の荷重センサは、印加荷重レベルのレンジが上記値以上の高荷重検出用センサとして特に好適に使用することができる。
【００１６】
圧電素子は具体的には板状に形成することができ、その板面の少なくとも一方に受圧部材（例えば板状のもの）を直接又は電極板等の他部材を介して間接的に接するように配置することができる。この場合、上記荷重センサは、板状の圧電素子の両側に絶縁部材を介して受圧部材を積層することにより積層体を形成し、該積層体の周縁部においてそれら圧電素子板、電極板、絶縁部材、受圧部材を一体的に支持する保持部を設けた構成とすることができる（請求項８）。これにより、出力低下が起こりにくくかつ耐久性にも優れた荷重センサをコンパクトに構成することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例を参照して説明する。
図１は本発明の荷重センサの一実施例を示す側面断面図、図２はその平面図である。該荷重センサ１は、外部からの圧力変化を検出して電気信号を発生する板状の圧電素子板２と、その圧電素子板２に対し検出すべき圧力を伝達する受圧部材としての受圧板３と、これら圧電素子板２、受圧板３を積層状態で一体的に保持する保持部１０等を備えて構成されている。
【００１８】
図２に示すように、圧電素子板２は圧電性セラミックス材料により構成された円板状の形態を有し、その両面を覆うように電極板５が介挿されている。また、受圧板３と電極板５との間には、Ａｌ２Ｏ３等の絶縁材料で構成された絶縁板６が介挿されている。ここで、電極板５の圧電素子板２に接する側の面は、その算術平均粗さＲａが例えば０．０１２〜１．６μｍ、望ましくは０．０１２〜０．４μｍの範囲に調整されている。また、電極板５は、その一端側がリード線７に接続されており、圧電素子板２が発する検出信号が該電極板５及びリード線７を介して出力されるようになっている。なお、圧電性セラミックス材料としては、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を例示できるが、このほかにもチタン酸鉛（ＰＴ）、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、ランタン置換チタン酸ジルコン酸鉛などを使用することもできる。
【００１９】
また、受圧板３は円板状に形成されるとともに、図１に示すように、圧電素子板２の両面に対し電極板５の上から絶縁板６を介して、該圧電素子板２に間接的に接するように積層されている。そして、各受圧板３の、絶縁板６及び電極板５を介して圧電素子板２に接する側の面（以下、接触面ともいう）３ｂは、その算術平均粗さＲａが例えば０．０１２〜１．６μｍ、望ましくは０．０１２〜０．４μｍの範囲に調整され、さらに低域カットオフ値を８ｍｍ、高域カットオフ値を０．８ｍｍとして測定した中心線うねりＷＣＡの最大値が０．６μｍ以下、望ましくは０．４μｍ以下となるように調整されている。
【００２０】
また、各受圧板３は、圧電素子板２側に接する側とは反対側の面（以下、受圧面ともいう）３ａの面積Ｓが、圧電素子板２の表面積Ｓ’よりも小さく設定された、例えば段付き形状とされている。なお、両受圧板３は、いずれもその厚さ方向において保持部１０の表面から突出するように寸法が調整されるとともに、該受圧面３ａの表面積Ｓは、圧電素子板２の表面積Ｓ’の１／２以上に設定されている。すなわち、受圧面３ａから受圧板３に付加される荷重は、接触面３ｂを経て圧電素子板２に対しなるべく均一に伝達されることが望ましいのであるが、そのためには、受圧面３ａの表面積Ｓは圧電素子板２の表面積Ｓ’にできるだけ近いほうがよい。しかしながら、図１に示すように、保持部１０との係合をとるために、受圧板３の外周縁に上述のような段付き部を止むを得ず形成する必要がある場合には、Ｓ／Ｓ’が１／２以上となるように上記段付き部の形成量を調整することで、圧電素子板２に対して外部からの荷重を比較的に均一に伝達できる状態を維持することが可能となる。
【００２１】
圧電素子板２、電極板５、絶縁板６及び受圧板３は図１に示す形態で積層体９を形成している。積層体９にはその積層方向おいて中心部を貫くように貫通孔が形成され、ここに装着された中空リベット１１により該積層体９が内周縁側で一体的に保持されている。また、積層体９の外周縁部は、例えば積層体９とのインサート成形等により形成された樹脂製の保持部１０により同様に一体的に保持されている。該保持部１０は、各受圧板３の周縁部に形成された段付き部３ｃをくるむようにして積層体９を一体的に保持する円環状の本体部１２と、その本体部１２の側面から側方に張り出すようにしてこれと一体に形成された張出し部１３とを有している。そして、受圧板３の板面周縁と本体部１２の内縁との間に生じた環状の溝部には、保持部１０とほぼ面一の高さとなるように、シリコンゴム等で構成されたシール材１７が充填され、受圧面３ａのみが表面に露出した形態となっている。また、中空リベット１１の内側にも同様にシール材１７が充填されている。一方、張出部１３は、その内側をケーブル７が通されるとともに、該ケーブル７を覆う保護用のゴムチューブ１５の末端部に押し込まれ、接続されている。
【００２２】
このような荷重センサ１は、図３に示すように、例えば車両のエンジン２０とエンジンマウント２１との間に所定の取付け手段２３を介して配置され、エンジン２０の振動による荷重が受圧板３を介して圧電素子板２に伝達される。圧電素子板２は、その振動を圧電効果により電気信号に変換して、リード線７を介してこれに接続された図示しない制御回路部等へ出力する。そして、各受圧板３の圧電素子板２との接触面３ｂの、その算術平均粗さＲａ及び中心線うねりＷＣＡの最大値が前述の範囲で調整されることで、例えば３００ｋｇｆ／ｃｍ２程度の高荷重が長期あるいは繰返し付加された場合でも、センサ出力の劣化が生じにくい。
【００２３】
【実施例】
（実施例１）
図１に示す荷重センサ１を、受圧板３の接触面３ｂの算術平均粗さＲａが０．０２〜２．０μｍ、中心線うねりＷＣＡの最大値が０．０７〜１．５μｍの各種値となるように、各条件１０個ずつ作製した。なお、電極板５の圧電素子板２に接する側の面の算術平均粗さＲａは、いずれのセンサについてもほぼ０．０２μｍとなるように調整した。また、受圧板３は、材質ＳＵＳ４０３により接触面３ｂの直径が２８ｍｍ、受圧面３ａの直径が２２．５ｍｍ、厚さ３．１ｍｍとなるように構成した。さらに、圧電素子板２は、材質ＰＺＴにより外径２８ｍｍ、厚さ１ｍｍの円板状とした。そして図４に示すように、各荷重センサ１を、所定の測定装置の治具２５，２５に対し、各受圧板３，３の受圧面３ａ，３ａがそれぞれ治具面２５ａ，２５ａに接するように配置し、治具２５，２５間で総圧１５００ｋｇｆの定常荷重を１５０℃雰囲気中にて１０００時間付加し、荷重付加前のセンサ出力に対する荷重付加後のセンサ出力の減少率を測定した。その結果を表１に示す。
【００２４】
【表１】
0003629352.tif 000002
【００２５】
すなわち、受圧板３の接触面３ｂの算術平均粗さＲａが１．６μｍ以下のもの、あるいは中心線うねりＷＣＡが０．６μｍ以下のセンサは、出力減少率が１０％以下と良好であるのに対し、該範囲を外れるものは出力減少率が著しく大きくなっていることがわかる。
【００２６】
（実施例２）
次に、図１に示す荷重センサ１として、各部の寸法を実施例１と同一とし、また、受圧板３の接触面３ｂの算術平均粗さＲａを０．０２μｍ、中心線うねりＷＣＡの最大値を０．０７μｍにほぼ固定するとともに、電極板５の圧電素子板２と接触する側の面の算術平均粗さＲａを、０．０２〜２．０μｍの各種値となるように調整したものを各条件１０個ずつ作製した。これらセンサについて、実施例１と同一の測定を行った。その結果を表２に示す。
【００２７】
【表２】
0003629352.tif 000003
【００２８】
すなわち、電極板５の圧電素子板２に接する側の面の算術平均粗さＲａが１．６μｍ以下のセンサは、出力減少率が５％以下と良好であるのに対し、１．６μｍを超えるものは出力減少率が著しく大きくなっていることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の荷重センサの一例を示す側面断面図。
【図２】その平面図。
【図３】荷重センサの使用状態の一例を示す概念図。
【図４】実施例における実験方法を示す模式図。
【図５】電極板の表面粗度が大きくなった場合に荷重の局所集中が生ずる原因を説明する図。
【図６】受圧板の中心線うねりの荷重集中に及ぼす影響を示す説明図。
【符号の説明】
１  荷重センサ
２  圧電素子板
３  受圧板（受圧部材）
６  絶縁板（絶縁部材）
９  積層体
１０  保持部
【図１】
0003629352.tif 000004
【図２】
0003629352.tif 000005
【図３】
0003629352.tif 000006
【図４】
0003629352.tif 000007
【図５】
0003629352.tif 000008
【図６】
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