JPH11230836A - 荷重センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】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。 【解決手段】 荷重センサ３０のケース１１の内部に
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、１
６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１
７、１７を上下から挟み込む一対のＳＵＳ製の受圧板１
８、１８が配置されている。各アルミナセラミック絶縁
板１７の全面はフッ素樹脂でコーティング層３１、３１
で覆われている。この荷重センサ３０によれば、高温高
湿下で長時間晒した後も両電極１６、１６間の絶縁抵抗
が大きく低下せず、検出周波数範囲において規定公差を
満足する。

Description

【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１０Ｍ
Ω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、前記一対のセラミック絶
縁板のうち少なくともケースに面する箇所は絶縁性樹脂
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。
この第１発明においては、前記一対のセラミック絶縁板
は全面が前記絶縁性樹脂コーティング材でコーティング
されていてもよい。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。

【００１１】次に、第２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、前記圧電素子、前記一
対の電極、前記一対のセラミック絶縁板及び前記一対の
金属受圧板からなる構造体の側面は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。こ
こで、コーティングされた構造体はケース内に収められ
ていてもよいし、コーティング層をそのままケースとし
てもよい。この第２発明も上述の第１発明と同様の作用
効果を奏する。また、前記構造体の全面が前記絶縁性樹
脂でコーティングされていてもよく、この場合、構造体
の側面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１
２と、このリード線１２の端部に設けられたコネクタ１
３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１
６、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実施形態］図４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１
８ｂ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実施形態］図５は第３実施形態の要
部説明図である。第３実施形態の荷重センサ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５
１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４実施形態］図６は第４実施形態の要
部説明図である。第４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６
１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５実施形態］図７は第５実施形態の要
部説明図である。第５実施形態の荷重センサ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±５
０Ｎ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％Ｒ
Ｈ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及び第２実施形
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１００
００ＭΩ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℃、８
５％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３
０は３０００ＭΩ以上、第２実施形態の荷重センサ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、第２実
施形態の荷重センサ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３
１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実施形態の荷重センサの要部断面図であ
る。

【図５】 第３実施形態の荷重センサの要部断面図であ
る。

【図６】 第４実施形態の荷重センサの要部断面図であ
る。

【図７】 第５実施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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 近藤 勝 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日 本特殊陶業株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【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うち少なくともケースに
   面する箇所は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。
2. 【請求項２】 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請求項１記載の荷重セン
   サ。
3. 【請求項３】 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、 前記圧電素子、前記一対の電極、前記一対のセラミック
   絶縁板及び前記一対の金属受圧板からなる構造体の側面
   は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。
4. 【請求項４】 前記構造体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
   請求項３記載の荷重センサ。