(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケース内に配置された圧電素子と、
前記ケース内にて前記圧電素子を挟み込む一対の電極と、
前記ケース内にて前記一対の電極を挟み込む一対のセラミック絶縁板と、
前記ケースから一部が露出するように設けられ、前記一対のセラミック絶縁板を挟み込む一対の金属受圧板と、
前記一対の金属受圧板の一方から他方までを絶縁スリーブを介して貫通して前記一対の金属受圧板、前記一対のセラミック絶縁板、前記一対の電極及び前記圧電素子を一体化する金属締結材とを備えた荷重センサであって、
前記一対のセラミック絶縁板のケースに面する箇所のみが絶縁性樹脂コーティング材でコーティングされていることを特徴とする荷重センサ。
【請求項２】
ケース内に配置された圧電素子と、
前記ケース内にて前記圧電素子を挟み込む一対の電極と、
前記ケース内にて前記一対の電極を挟み込む一対のセラミック絶縁板と、
前記ケースから一部が露出するように設けられ、前記一対のセラミック絶縁板を挟み込む一対の金属受圧板と、
前記一対の金属受圧板の一方から他方までを絶縁スリーブを介して貫通して前記一対の金属受圧板、前記一対のセラミック絶縁板、前記一対の電極及び前記圧電素子を一体化する金属締結材とを備えた荷重センサであって、
前記一対のセラミック絶縁板はそれぞれその全面が前記絶縁性樹脂コーティング材でコーティングされていることを特徴とする荷重センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子を利用した荷重センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、荷重センサとしては、水晶や圧電素子に電極を付け、機械的な圧力を加えてひずみを起こさせると結晶の表面に電荷が発生する性質を利用したものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような荷重センサとしては、例えば、圧電素子と、この圧電素子を挟み込む一対の電極と、この一対の電極を挟み込む一対のセラミック絶縁板と、この一対の絶縁板を挟み込む一対の受圧板と、この一対の受圧板の一方から他方までを絶縁スリーブを介して貫通してこれらを一体化する金属リベットとを備えたものが考えられる。この荷重センサに上下方向の変動荷重を加えると、一対の電極間に出力電圧が発生するため、この出力電圧を検出することにより産業用機器の振動荷重の制御や防振を行うことができる。
【０００４】
ところで、荷重センサの一対の電極間の絶縁抵抗は、圧電素子が介在しているため、通常は１０ＭΩ以上という大きな値である。そして、荷重センサの検出周波数と出力電圧の関係は、低周波数領域において出力電圧が低下する傾向にあるものの、検出周波数範囲内では目立った出力電圧の低下はない。また、検出周波数範囲においては出力電圧の規格公差が定められており、荷重センサはその性能としてこの規格公差を満足する必要がある。
【０００５】
しかしながら、本発明者らが鋭意検討したところ、この荷重センサを高温、高湿雰囲気下で長時間晒したとき、一対の電極間の絶縁抵抗が大きく低下し、これにより出力電圧が低周波数領域で大きく低下して検出周波数範囲において規格公差を満足できなくなることがわかった。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、高温、高湿雰囲気下で長時間晒したとしても絶縁抵抗が大きく低下することのない荷重センサを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記課題を解決するため、第１発明は、ケース内に配置された圧電素子と、前記ケース内にて前記圧電素子を挟み込む一対の電極と、前記ケース内にて前記一対の電極を挟み込む一対のセラミック絶縁板と、前記ケースから一部が露出するように設けられ、前記一対のセラミック絶縁板を挟み込む一対の金属受圧板と、前記一対の金属受圧板の一方から他方までを絶縁スリーブを介して貫通して前記一対の金属受圧板、前記一対のセラミック絶縁板、前記一対の電極及び前記圧電素子を一体化する金属締結材とを備えた荷重センサであって、一対のセラミック絶縁板のケースに面する箇所のみが絶縁性樹脂コーティング材でコーティングされていることを特徴とする。
【０００８】
荷重センサのセラミック絶縁板のうちケースに面する箇所を絶縁性樹脂コーティング材でコーティングしていない場合には、高温高湿下に晒したあと両電極間の絶縁抵抗が大きく低下したのに対して、本発明のように前記箇所を絶縁性樹脂コーティング材ででコーティングした場合には、高温高湿下に晒したあとも両電極間の絶縁抵抗は大きく低下しなかった。
【０００９】
この理由は明らかではないが、ケースに面する箇所がコーティングされていないセラミック絶縁板を用いた場合には、一方の電極上の電子がそれと同じ側のセラミック絶縁板の側面（ケースに面する箇所）の凹凸に溜まった水分を介して同じ側の金属受圧板に至り、そこから金属締結材を介して反対側の金属受圧板に移り、そちら側のセラミック絶縁板の側面凹凸に溜まった水分を介して他方の電極に至るという経路が形成されるために、両電極間の絶縁抵抗が低下したものと考えられる。なお、上記経路の電気抵抗を表面絶縁抵抗と称する。これに対して、本発明のようにケースに面する箇所がコーティングされているセラミック絶縁板を用いた場合には、セラミック絶縁板の側面凹凸が平滑化されるため水分が保持されず、上記経路が形成されにくくなり、その結果両電極間の表面絶縁抵抗が低下しなかったと考えられる。
【００１０】
このように第１発明の荷重センサによれば、高温高湿下に晒した後も絶縁抵抗があまり低下しないため、検出周波数範囲内における出力電圧の低下が見られず、規格公差を満足できるという効果が得られる。
【００１１】
次に、上記課題を解決するための第２発明は、ケース内に配置された圧電素子と、ケース内にて圧電素子を挟み込む一対の電極と、ケース内にて一対の電極を挟み込む一対のセラミック絶縁板と、ケースから一部が露出するように設けられ、一対のセラミック絶縁板を挟み込む一対の金属受圧板と、一対の金属受圧板の一方から他方までを絶縁スリーブを介して貫通して一対の金属受圧板、一対のセラミック絶縁板、一対の電極及び圧電素子を一体化する金属締結材とを備えた荷重センサであって、一対のセラミック絶縁板はそれぞれその全面が絶縁性樹脂コーティング材でコーティングされていることを特徴とする荷重センサである。
この第２発明の荷重センサにおいても、第１発明と同様に、セラミック絶縁板の側面凹凸が平滑化されることから、高温高湿下に晒した後も絶縁抵抗があまり低下しないため、検出周波数範囲内における出力電圧の低下が見られず、規格公差を満足できるという効果が得られる。
また、この第２発明においては、一対のセラミック絶縁板は全面が絶縁性樹脂コーティング材でコーティングされている。この場合、セラミック絶縁板のうちケースに面する箇所のみをコーティングするよりも製造しやすいという利点がある。
【００１２】
なお、絶縁性樹脂コーティング材としては特に限定するものではないが、例えば、フッ素樹脂、シリコン樹脂、ビニル樹脂、フェノール樹脂、芳香族炭化水素樹脂、アミノ樹脂、エポキシ樹脂などを含有するコーティング材を使用してもよい。このうち、優れた発水性を有する四フッ化エチレン樹脂などを含有するフッ素樹脂コーティング材が好ましい。
【００１３】
また、絶縁性樹脂と同等の性質を有するもの（例えばセラミック絶縁板の凹凸面を平滑化する平滑化剤）であれば、広い意味で本発明の絶縁性樹脂に含めることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
［参考形態］
本発明の実施形態を説明する前に、その前提となる荷重センサを参考形態として説明する。図１は参考形態の概略構成を表す平面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。参考形態の荷重センサ１０は、産業用機器の振動荷重の制御、防振などに用いられるものであり、変動荷重を受けたときに出力電圧を発生する力センサ（力学センサ）の一種である。
【００１５】
この荷重センサ１０は、ＰＢＴ樹脂製のケース１１と、このケース１１から延びだしたリード線１２と、このリード線１２の端部に設けられたコネクタ１３とを備えている。ケース１１の内部には、本発明の構造体としてのサブアッセンブリ２０が収容されている。
【００１６】
サブアッセンブリ２０は、圧電素子１５と、この圧電素子１５を上下から挟み込む一対の電極１６、１６と、この一対の電極１６、１６を上下から挟み込む一対のアルミナセラミック絶縁板１７、１７と、この一対のアルミナセラミック絶縁板１７、１７を上下から挟み込む一対のＳＵＳ製の受圧板１８、１８とから構成されている。
【００１７】
圧電素子１５、一対の電極１６、１６、一対のアルミナセラミック絶縁板１７、１７はそれぞれドーナツ状に形成され、その中央には絶縁スリーブ１９がはめ込まれている。受圧板１８は真ん中に孔１８ａを備えると共にその外面に環状突起１８ｂを一体的に備えている。そして、一方の受圧板１８の孔１８ａから絶縁スリーブ１９を通ってもう一方の受圧板１８の孔１８ａに至る金属締結材としてのリベット２１は、サブアッセンブリ２０を一体化している。また、リベット２１の周囲にはシリコン樹脂であるシール材２２が充填されており、ケース１１と受圧板１８との隙間にも同様のシール材２３が充填されている。なお、一対の電極１６、１６にはそれぞれ角形スポット端子２４、２４が接続され、各端子２４、２４はリード線１２を介してコネクタ１３に接続されている。
【００１８】
この荷重センサ１０の動作について一例を以下に簡単に説明する。荷重センサ１０のコネクタ１３に図示しないコンピュータ制御装置を接続する。そして、荷重センサ１０は、その受圧板１８、１８に上下方向から変動荷重を受けると、圧電素子１５がひずみを起こして両電極１６、１６間に出力電圧が発生する。この出力電圧はコンピュータ制御装置によって検出され、コンピュータ制御装置はこの検出信号に基づいて産業用機器の振動荷重の制御や防振などを行う。
【００１９】
［第１実施形態］
図３は第１実施形態の要部説明図である。第１実施形態の荷重センサ３０は、各アルミナセラミック絶縁板１７はその全面がフッ素樹脂である四フッ化エチレン樹脂のコーティング層３１で覆われている以外は参考形態の荷重センサ１０と同様であるため、同様の構成要素については同じ符号を付し、その説明を省略する。なお、コーティング層３１は、フッ素樹脂を焼き付け塗装することにより形成したものである。
【００２０】
［第２参考形態］図４は第２参考形態の要部説明図である。第２参考形態の荷重センサ４０は、サブアッセンブリ２０の側面及び受圧板１８の環状突起１８ｂの外周部分がシリコン樹脂のコーティング層４１で覆われており、コーティング層４１をＰＢＴ樹脂製のケース１１の代わりに用いた以外は参考形態の荷重センサ１０と同様である。このため、同様の構成要素については同じ符号を付し、その説明を省略する。なお、コーティング層４１は、シリコン樹脂を塗布し、加熱硬化又は室温硬化することにより形成したものである。
【００２１】
［第３参考形態］図５は第３参考形態の要部説明図である。第３参考形態の荷重センサ５０は、サブアッセンブリ２０の全面がフッ素樹脂のコーティング層５１で覆われている以外は参考形態の荷重センサ１０と同様であるため、同様の構成要素については同じ符号を付し、その説明を省略する。なお、コーティング層５１はフッ素樹脂を焼き付け塗装することにより形成したものである。
【００２２】
［第２実施形態］図６は第２実施形態の要部説明図である。第２実施形態の荷重センサ６０は、各アルミナセラミック絶縁板１７のうちケース１１に面する箇所（つまり側面）のみがフッ素樹脂のコーティング層６１で覆われている以外は参考形態の荷重センサ１０と同様であるため、同様の構成要素については同じ符号を付し、その説明を省略する。なお、コーティング層６１はフッ素樹脂を焼き付け塗装することにより形成したものである。
【００２３】
［第４参考形態］図７は第４参考形態の要部説明図である。第４参考形態の荷重センサ７０は、サブアッセンブリ２０の側面がフッ素樹脂のコーティング層７１で覆われている以外は参考形態の荷重センサ１０と同様であるため、同様の構成要素ついては同じ符号を付し、その説明を省略する。なお、コーティング層７１はフッ素樹脂を焼き付け塗装することにより形成したものである。
【００２４】
［参考形態の試験例］
参考形態の荷重センサ１０は、室温大気中における初期状態では、一対の電極１６、１６間の絶縁抵抗は１００００ＭΩ以上であり、一対の受圧板１８、１８に上下方向から加わる変動荷重に対して図８の実線で示す出力特性を有していた。なお、この出力特性は、予荷重１７ｋＮ、変動荷重±５０Ｎという条件下で測定した。この結果から、荷重センサ１０は、初期状態では所定の検出周波数範囲（ここでは２０〜２００Ｈｚ）において規格公差を満足する出力電圧を発生することがわかった。
【００２５】
一方、荷重センサ１０を８５℃、８５％ＲＨ雰囲気下で放置した時間と、一対の電極１６、１６間の絶縁抵抗との関係を調べたところ、図９にて「□」のプロットで示したように２４時間以上経過すると絶縁抵抗は概ね１０ＭΩ以下に低下した。このように絶縁抵抗が１０ＭΩ以下になったときの出力特性を調べたところ、図８の点線で示すグラフが得られた。この結果から、荷重センサ１０は、高温高湿雰囲気下に晒すと絶縁抵抗が大きく低下し、１０ＭΩ以下になると所定の検出周波数範囲において（特に低周波数側において）規格公差を満足しないことがわかった。
【００２６】
［実施形態の試験例］第１実施形態及び第２参考形態の荷重センサ３０、４０は、室温大気中における初期状態では、一対の電極１６、１６間の絶縁抵抗は１００００ＭΩ以上であり、その出力特性は上記参考形態の荷重センサ１０とほぼ同様であった。
【００２７】
一方、荷重センサ３０、４０を８５℃、８５％ＲＨ雰囲気下で放置した時間と、一対の電極１６、１６間の絶縁抵抗との関係を調べたところ、図９にて「○」及び「△」で示すように２４時間以上経過しても絶縁抵抗は１０ＭΩ以上（第１実施形態の荷重センサ３０は３０００ＭΩ以上、第２参考形態の荷重センサ４０は１０００ＭΩ以上）であり、絶縁抵抗は参考形態ほど大きく低下しなかった。また、出力特性も初期状態と遜色なかった。この結果から、荷重センサ３０、４０は、高温高湿雰囲気下に晒しても絶縁抵抗が大きく低下せず、所定の検出周波数範囲において規格公差を満足することがわかった。
【００２８】
なお、ここでは代表例として第１実施形態、第２参考形態の荷重センサ３０、４０について言及したが、他の実施形態についてもほぼ同様の結果が得られた。
［アルミナセラミック絶縁板の表面構造について］参考形態の荷重センサ１０のアルミナセラミック絶縁板１７と、第１実施形態の荷重センサ３０のコーティング層３１を備えたアルミナセラミック絶縁板１７につき、表面構造をＳＥＭ（Scanning Electron Microscope：走査型電子顕微鏡）で検査したところ、前者は凹凸が目立ったものの後者はコーティング層３１によりその凹凸が平滑化されていた。この結果から、前者では、高温高湿雰囲気下で長時間晒すとアルミナセラミック絶縁板１７のうちケース１１に面する側面の微細な凹凸面に水分が保持され、一方の電極→同じ側のアルミナセラミック絶縁板１７の側面凹凸に保持された水分→同じ側の受圧板１８→リベット２１→反対側の受圧板１８→それと同じ側のアルミナセラミック絶縁板１７の側面凹凸に保持された水分→他方の電極１６、という経路が形成されて表面絶縁抵抗が大きく低下し、これにより両電極１６、１６間の絶縁抵抗が大きく低下したものと考えられる。一方、後者では、高温高湿雰囲気下で長時間晒したとしても、コーティング層３１の存在によりアルミナセラミック絶縁板１７の側面凹凸が平滑化されてそこに水分が保持されず、その結果上記経路が形成されにくかったため表面絶縁抵抗があまり低下せず、両電極１６、１６間の絶縁抵抗があまり低下しなかったものと考えられる。
【００２９】
尚、本発明の実施の形態は、上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採り得ることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  参考形態の荷重センサの概略構成を表す平面図である。
【図２】  図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】  第１実施形態の荷重センサの要部断面図である。
【図４】  第２参考形態の荷重センサの要部断面図である。
【図５】  第３参考形態の荷重センサの要部断面図である。
【図６】  第２実施形態の荷重センサの要部断面図である。
【図７】  第４参考形態の荷重センサの要部断面図である。
【図８】  検出周波数と出力電圧との関係を表すグラフ（出力特性）である。
【図９】  荷重センサを高温高湿雰囲気下で放置した時間と、電極間の絶縁抵抗との関係を表すグラフである。
【符号の説明】
１０・・・荷重センサ、１１・・・ケース、１２・・・リード線、１３・・・コネクタ、１５・・・圧電素子、１６・・・電極、１７・・・アルミナセラミック絶縁板、１８・・・受圧板、１８ａ・・・孔、１８ｂ・・・環状突起、１９・・・絶縁スリーブ、２０・・・サブアッセンブリ、２１・・・リベット、２２、２３・・・シール材、３０、４０、５０、６０、７０・・・荷重センサ、３１、４１、５１、６１、７１・・・コーティング層。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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