(57)【要約】  本発明は、上部区域６と下部区域７とを有する圧電素子を含む素子パッケージ２からなるセンサである。予圧スリーブ３が前記素子パッケージ２の前記上部区域６を取り囲む一方、絶縁スリーブ１が前記素子パッケージ２の上部区域６と前記予圧スリーブ３との間に配置されている。外側ハウジング４は、前記予圧スリーブ３と前記素子パッケージ２の下部区域７とを部分的に又は完全に取り囲んでいる。素子パッケージ２の前記下部区域７と前記外側ハウジング４との間には、絶縁部材５が配置される一方、前記素子パッケージ２の前記上部区域６と、前記絶縁スリーブ１と、前記予圧スリーブ３とが、円錐形を有し、各々互いに適合する表面を有している。前記絶縁スリーブ１が円錐形に構成されているため、衝撃測定時の荷重が、より広い表面積に分配される結果、前記絶縁スリーブの圧縮が低減される。それによってセンサの荷重最大範囲が拡張される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速度又は圧力入力測定用の接地絶縁圧電型センサであって、
圧電素子を備え、上部区域（６）及び下部区域（７）を有する素子パッケージ（２）と、
前記素子パッケージ（２）の前記上部区域（６）を取り囲む予圧スリーブ（３）と、
前記素子パッケージ（２）の上部区域（６）と前記予圧スリーブ（３）との間に配置された絶縁スリーブ（１）と、
前記予圧スリーブ（３）と前記素子パッケージ（２）の下部区域（７）とを部分的に又は完全に取り囲む外側ハウジング（４）と、
素子パッケージ（２）の前記下部区域（７）と前記外側ハウジング（４）との間に配置された絶縁部材（５）とを含む形式のものにおいて、
前記素子パッケージ（２）の前記上部区域（６）と、前記絶縁スリーブ（１）と、前記予圧スリーブ（３）とが、円錐形を有し、かつ各々が適合する表面を有することを特徴とする、加速度又は圧力入力測定用の接地絶縁圧電型センサ。
【請求項２】
前記素子パッケージ（２）と、前記予圧スリーブ（３）と、前記絶縁スリーブ（１）とが、軸線方向に前記外側ハウジング（４）内へ押し込まれる、請求項１に記載された圧電型センサ。
【請求項３】
前記予圧スリーブ（３）が前記外側ハウジング（４）に結合される、請求項１又は請求項２に記載された圧電型センサ。
【請求項４】
前記結合が溶接又はねじ締結によってなされる、請求項３に記載された圧電型センサ。
【請求項５】
前記絶縁スリーブ（１）にスロットが設けられる、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された圧電型センサ。
【請求項６】
前記絶縁スリーブ（１）が、カプトン（登録商標）又はカプトン・フィルム（登録商標）、電解アルミニウム、酸化アルミニウム、雲母、例えばヴェスペル（登録商標）等の高性能ポリアミド材料、紙のいずれかである、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された圧電型センサ。
【請求項７】
前記絶縁部材（５）が、カプトン（登録商標）又はカプトン・フィルム（登録商標）、電解アルミニウム、酸化アルミニウム、雲母、例えばヴェスペル（登録商標）等の高性能ポリアミド材料、紙のいずれかである、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された圧電型センサ。
【請求項８】
前記素子パッケージ（２）の下部区域（７）と、前記絶縁部材（５）と、前記外側ハウジング（４）とが、円錐形を有し、互いに適合する表面を有している、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載された圧電型センサ。
【請求項９】
前記センサが加速度計である、請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載された圧電型センサ。
【請求項１０】
前記センサが圧力センサである、請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載された圧電型センサ
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度又は圧力測定用の接地絶縁された圧電型センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
接地絶縁された圧電型センサは周知である。この種のセンサは、加速度、圧力、衝撃、これらに関連する現象を測定するさまざまな用途に使用される。だが、圧電型センサを他の電気製品と一緒に使用する場合、一つの問題が生じる。センサは、接地測定面に対し入念に絶縁されないと、通常、接地ループと呼ばれる、出力に有害な影響を与えるループに曝される。接地ループと絶縁するために、これまで普通に行われてきたのは、変換器基部と、加速度測定装置を取り付ける震動テーブル等の支持体との間に絶縁体を挿入することだった。不幸にして、紙、プラスチック、その他大抵の絶縁体は、種々の物理特性が比較的乏しく、加速度測定装置又は他の圧電型変換器に必要な強度と硬度に欠けていた。
【０００３】
米国特許第３，７４６，８６９号では、この問題は次のように克服された。すなわち、センサを、剛性の金属絶縁体、より詳しく言えば、極めて硬質の絶縁表面を有するようにコーティングされた1つ以上の表面を備えた金属絶縁体を介して支持体に取り付けたのである。
記載された実施例では、該絶縁体は、アルミニウム・スリーブ又はアルミニウム・ワッシャの形式を有し、このスリーブ又はワッシャは、酸化アルミニウムのコーティングを施された、センサ支持体への接触表面を有している。
多くの用途で、絶縁構成素子は、リング又は比較的小さい面を有する部材である。しかし、それらの構成素子は、全荷重下で著しい応力を受ける。センサが測定可能な最大荷重又は最大荷重範囲は、絶縁構成素子の表面積によって制限される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、加速度又は圧力入力測定用の接地絶縁された圧電型センサ、それもセンサの機械的な最大衝撃範囲を拡大する絶縁構成素子を備えたセンサを得ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的は、上部区域と下部区域とを有する圧電素子を含む素子パッケージからなるセンサにより達せられた。前記素子パッケージの前記上部区域を予圧スリーブが取り囲み、他方、前記素子パッケージの上部区域と前記予圧スリーブとの間には絶縁スリーブが配置される。外側ハウジングは、部分的に又は完全に前記予圧スリーブと前記素子パッケージの下部区域とを取り囲んでいる。前記素子パッケージの前記下部区域と前記外側ハウジングとの間には、絶縁部材が配置され、他方、前記素子パッケージの前記上部区域と、前記絶縁スリーブと、前記予圧スリーブとは、円錐形状を有し、それぞれ適合する表面を有している。
【０００６】
この好適実施例の絶縁構成素子は、絶縁スリーブと絶縁部材とである。絶縁スリーブが円錐形であることにより、その表面積は、衝撃軸線に対し直角に配置される等価のリング状平形絶縁材よりはるかに大である。測定時の衝撃による荷重は、より広い面積に分布するので、絶縁スリーブに加わる比荷重は低減され、したがって、センサの荷重最大範囲は拡張される。
下部の絶縁構成素子である絶縁部材は、素子パッケージの全表面積を覆うことができる。あるいはまた、この絶縁部材は、素子パッケージ下部区域と外側ハウジングとの間の、形状と寸法とが適合する第２の円錐形絶縁スリーブに代えることができる。素子パッケージ下部区域と外側ハウジングとは、この場合、双方とも円錐形だが、上部区域の円錐とは逆向きである。
【０００７】
本発明の前記そのほかの目的及び利点は、以下の説明、特許請求の範囲、添付図面によって、更に明らかになるだろう。
米国特許第３，７４６，８６９号の図面によれば、この先行技術によるセンサは、図1に示されているように、基部２１、壁部から間隔をおいた外側ハウジング２２、震動質量２４とモジュール基部２５との間に挟まれた複数のクォーツ・ウェーハ２３を含む加速度計の形式を取っている。クォーツ・ウェーハ２３の一方の側は、モジュール基部２５に接続され、外側ハウジング２２は、電気出力部の一方の側を形成する同軸コネクタ２６の外側導体に接続される。クォーツ・ウェーハ２３の他方の側は、リード線２７を介して同軸コネクタ２６の内側導体に接続され、該内側導体は、加速度計用の電気出力の他方の側を形成している。
【０００８】
取り付けスタッド２８は、エポキシを浸透又は含浸させた符号２９で示す数個の絶縁紙層によって基部２１に対して電気絶縁される。最後に、基部２１が、少なくとも１つの表面を覆う電気絶縁コーティングを有する絶縁ワッシャにより取り付け基部３１に対し絶縁される。
絶縁紙層２９は、高い応力を受ける面積１００が小さい点が短所である。全荷重下では、絶縁紙層は応力に耐えられず、圧潰する。ハウジング２２が取り付け基部３１に直接接触すると、その結果、電気的な接地ループが生じる。
図２には、異なる構成が示されている。この場合には、内側ハウジング４１が、絶縁リング４２とスリーブとの間に懸架されることで、外側ハウジング４３との接触を防止されている。
【０００９】
図１と図２に示した２つの形式は、荷重が極めて高い場合、例えば火工技術的な衝撃や他の高Ｇ衝撃環境の場合、高い応力を受ける面積１００を有している。これらの形式の場合、高レベルの寄生電荷（ｐａｒａｓｉｔｉｃ  ｃｈａｒｇｅ）が生じるのが普通である。これらの電気的ノイズは、測定される信号の妨げになる。センサが測定できる最大荷重又は最大荷重範囲は、絶縁材の表面積によって制限される。
【００１０】
図３、図４、図５は、本発明により構成された圧電型センサの断面図である。素子パッケージ２は、加速度又は圧力入力を測定するための圧電型センサを内包している。このセンサの概念は、図１の構成に類似しているが、別の構成によることもできる。Ｇ．ガウチ（Ｇａｕｔｓｃｈｉ）は、その著書「圧電型センサ」（２００２年、シュプリンガー社刊）の第９章に、縦磁気抵抗効果（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ  ｅｆｆｅｃｔ）、シャー効果、曲げに対する反応のいずれかを利用する様々な設計の加速度センサを説明している。
衝撃測定の場合、センサは、常に、センサと対象との間の接触界面内で衝撃波が圧縮を生じさせるように取り付けられるべきである。そうでなければ、取り付けスタッド又は取り付けボルトは、張力の負荷を受け、その結果、カップリングが軟弱になり、システムの立ち上がり時間が減少する。
【００１１】
この理由から、図３、図４、図５の各素子パッケージ２は、上部区域６と下部区域７とを含んでいる。各上部区域６は、絶縁スリーブ１との接触界面を含み、各下部区域７は絶縁部材５との接触界面を有している。これらの接触界面は、信号用のケーブル・アダプタ８以外では、素子パッケージ２の唯一の接触面積である。
絶縁スリーブ１と絶縁部材５とは、カプトン（Ｋａｐｔｏｎ）（登録商標）、カプトン（登録商標）・フィルム、電解アルミニウム、酸化アルミニウム、雲母、例えばヴェスペル（Ｖｅｓｐｅｌ）（登録商標）等の高性能ポリアミド材料、紙のいずれかでよい。
絶縁スリーブ１は、上部区域６で予圧スリーブ３によって取り囲まれている。外側ハウジング４は、絶縁部材５と素子パッケージ２の下部区域７とを取り囲み、更に予圧スリーブ３を部分的に又は完全に取り囲んでいる。
【００１２】
素子パッケージ２の上部区域６と、絶縁スリーブ１と、予圧スリーブ３の内表面とは、円錐形を有し、各々寸法が適合している。絶縁スリーブ１には、はめ合いを改善するためにスロットを設けることができる。
センサを組み立てるさいには、予圧スリーブ３は、図３、図４、図５に矢印で示すように、外側ハウジング４に対し軸線方向に高い荷重で圧縮される。予圧スリーブ３は、次いで、素子パッケージ２に加わる予圧が維持されるように外側ハウジング４に結合される。この結合は、例えば、図３及び図４に示すように、予圧スリーブ３と外側ハウジング４間の結合点１０のところを溶接することで行うことができる。あるいは又は、図５に示すように、予圧スリーブ３と外側ハウジング４間をねじ１１により締結することで、加えた予圧を維持することができる。これらの方法で、自己定心式の組み立てができ、素子パッケージ２は、予圧スリーブ３と外側ハウジング４とに対して同心的に維持される。
【００１３】
素子パッケージ２と、絶縁スリーブ１と、予圧スリーブ３とを円錐形に構成することで、絶縁スリーブに対する比荷重が低減され、それによってセンサの最大荷重範囲が拡張される。外側ハウジング４は、基部にセンサを取り付けるための取り付け具１２を含んでいる。取り付け具１２は、例えば、図３及び図４に示すように、外側ハウジング４に付加された雄ねじか、又は図５に示すように、外側ハウジング４の外表面に切られた、ガスケット１３を有する雄ねじでよい。
図３及び図４は、加速度計の２つの形式を示している。図４に示すように、予圧スリーブ３は、ケーブル・アダプタ８の方向に延長部を有する特徴を有し、素子パッケージ２に接触することなく素子パッケージを完全に取り囲むことができ、それにより完全な外箱（ｃａｓｅ）絶縁を保証することができる。ケーブル・アダプタ８は、この用途では種々に変更できる。
【００１４】
外箱絶縁の利点は、外側ハウジング４と予圧スリーブ３のみが環境に対し露出し、双方が、センサの配置された大地同様の電位を有する点である。センサ外表面が大地にどのように直接接触しても、電気的な接地ループは発生しないだろう。これは、素子パッケージ２からの大地へのショートカット後のケースである。
【００１５】
図５は、２重円錐形の素子パッケージ２を特徴とする本発明の一形式である。この形式では、絶縁体、すなわち絶縁スリーブ１と絶縁部材５とが、円錐形を有し、寸法と形状が素子パッケージ２の円錐形と適合している。絶縁部材５の外形は、同じく円錐形の外側ハウジング４の下部区域７の内側と寸法が適合している。このセンサの上部区域６は、図３及び図４の場合と同じ機能と特徴を有する予圧スリーブ３を有している。あるいはまた、該予圧スリーブ３は、図示のように、図３及び図４に示す結合点１０での溶接に代えて、外側ハウジング４の対応雌ねじに適合する雄ねじ１１を含むようにすることもできる。
【００１６】
図５に示すセンサは、ダイアフラム９を有する圧力センサである。絶縁スリーブ１には、はめ合いを改善するためにスロットを設けることができるが、絶縁部材５は、シールとしても効果的であるため、スロットを設けることはできない。センサを剛性部分に取り付けるための取り付け具１２や、ケーブルを取り付けるためのケーブル・アダプタ８は、個々の必要に応じて変更することができる。円錐形の構成により、センサを心合わせする付加的な部材を必要とせずに、素子パッケージ２が自然に定心され、電気絶縁が確実に行われる。
この形式の利点は、双方の絶縁体、すなわち絶縁スリーブ１と絶縁部材５とが大きい表面を有し、その表面に高い荷重が分配される点である。表面積は、したがって最大化される。
図３、図４、図５に示した異なる実施例の既述の特徴は、個々の必要に応じて組み合わせて利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来技術として公知の圧電型加速度計の断面図。
【図２】従来技術として公知の圧電型加速度計の第２断面図。
【図３】本発明により構成された圧電型センサの断面図。（実施例１）
【図４】本発明により構成された圧電型センサの第２断面図。（実施例２）
【図５】本発明により構成された圧電型センサの第３断面図。（実施例３）
【符号の説明】
【００１８】
１  絶縁スリーブ
２  素子パッケージ
３  予圧スリーブ
４  外側ハウジング
５  絶縁部材
６  上部区域
７  下部区域
８  ケーブル・アダプタ
９  ダイアフラム
１０  溶接接合部
１１  ねじ
１３  ガスケット
１２  取り付け具
２１  基部
２２  外側ハウジング
２３  クォーツ・ウェーハ
２４  震動質量体
２５  モジュール基部
２６  同軸コネクタ
２７  リード線
２８  取り付けスタッド
２９  絶縁紙層
３１  取り付け基部
４１  内側ハウジング
４２  絶縁リング
４３  外側ハウジング
１００  高応力を受ける面積
【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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【国際調査報告】
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