JP6959768B2 - 圧電変換器 - Google Patents

Description

本発明は、圧電変換器に関し、より具体的には、加速度変換器に関する。

加速度変換器は、いわゆる振動質量が取り付けられた力変換器である。振動質量が加速されるとその慣性により力が発生する。この力が、加速度変換器によって測定される。この力が、測定量である。振動質量は一定であるので、測定される力は、加速度に比例する。加速度は、速度の時間変化率として定義される。

圧電変換器は、力を受けると電荷を生成する圧電材料を備える。この電荷は、付与される力に比例し、電極によって直接測定できる。数μ秒の高速な応答時間と１００ｄＢ程度の広い測定量範囲とが、圧電変換器の利点である。よって圧電変換器は、機械や構造体の規則的／不規則的な動的振動を測定するのに利用される。

特許文献１に、圧電変換器が開示される。この圧電変換器は、圧電材料として水晶を用いる。この圧電変換器は、５枚の水晶ディスクを備え、その水晶ディスクの各々が２つの電極間に配置されることで、水晶ディスク及び電極の積層体を形成している。測定対象の力は、圧電変換器の支持軸に沿って作用する。上記積層体と振動質量とは、締め付けスリーブによってベース板に対して縦軸方向に接合される。これにより、圧電変換器が縦軸方向に高い剛性を有するとともに、水晶ディスクが電極と機械的に密着する。水晶ディスクと電極との機械的な密着により、これらの間の微小な間隙が低減またはなくなり、圧電変換器の電気容量が明確に定められる。

水晶の欠点の１つは、圧電感度が、特に圧電材料である圧電セラミックに比べて、比較的低いということである。ここで、圧電感度は、測定量の値の変化に対する圧電変換器の出力の変化の比である。圧電変換器の出力の変化は、圧電材料の圧電電荷係数によって決まる。圧電電荷係数が大きければ大きいほど、測定量の任意の値についての圧電変換器の出力は強くなる。チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）セラミックとも称されるＰｂＺｒＯ_３とＰｂＴｉＯ_３との混合物などの圧電セラミックは、水晶の何百倍にも上る圧電電荷係数を示す。高い圧電感度を有する圧電変換器が求められている。

しかしＰＺＴは、温度依存性が強く、温度感度シフトが大きい。ここで、温度感度シフトとは、動作温度範囲の限界内における、＋２０℃の圧電感度を基準としたときの圧電材料の圧電感度の変化量として定義される。温度感度シフトは、基準としての＋２０℃の圧電感度に対する百分率として表される。動作温度範囲は、一般的には−５４℃〜＋２６０℃である。ＰＺＴが数パーセント程度の高い温度感度シフトを有するのに対し、水晶はその１／１０の温度感度シフトを有する。温度感度シフトは、圧電変換器の出力に対して非線形性を有する。すなわち、圧電感度は動作温度範囲の下限側よりも上限側において数パーセント高い。力測定時の圧電変換器の温度は通常不明であるので、ＰＺＴの温度感度シフトが温度に対して非線形性を有するということは、ＰＺＴを圧電変換器に使用する上での重大な欠点である。圧電変換器出力の温度に対する非線形性は、特殊な較正装置を用いて実験的に求めることができる。しかし、圧電変換器の較正は時間がかかり、また、較正装置は高額である。温度に対する圧電変換器の出力について高い線形性を得るには、温度感度シフトが低いことが望ましい。

米国特許第３６７３４４２号明細書

本発明は、高い圧電感度および低い温度感度シフトを有する圧電変換器を提供することを目的とする。

この目的は、下記の特徴を有した圧電変換器によって達成される。力を測定する圧電変換器は、ベース要素と、予荷重要素と、加速されると力を発生可能で、予荷重要素によってベース要素に対して直接的または間接的に接合される少なくとも１つの有効主振動質量手段と、力を受けると主電荷を生成可能な第１の圧電セラミックを含み、予荷重要素によって有効主振動質量手段に対して直接的または間接的に接合される主圧電セラミック素子と、加速されると補償力を発生可能で、予荷重要素によってベース要素に対して直接的または間接的に接合される少なくとも１つの補償振動質量手段と、補償力を受けると補償電荷を生成可能な第２の圧電セラミックを含み、予荷重要素によって補償振動質量手段に対して直接的または間接的に接合される補償圧電セラミック素子とを備える。第１の圧電セラミックは、第２の圧電セラミックよりも小さい温度感度シフトを有する。第１の圧電セラミックは、第２の圧電セラミックが生成する補償電荷よりも多くの量の主電荷を生成させる。主電荷および補償電荷が反対の極性となるように、主圧電セラミック素子が測定対象の力に応じて配置されると共に補償圧電セラミック素子が補償力に応じて配置される。

このように本発明は、圧電感度が高い一方で、温度感度シフトも高い圧電セラミック素子を用いる。温度感度シフトを低く維持するために、２つの圧電セラミック素子が用いられる。これら２つの圧電セラミック素子は、それぞれで生成する電荷が反対の極性となるように、測定対象の力に応じて配置される。反対の極性の電荷が収集される。この方法は、収集される電荷の量が２つの圧電セラミック素子の電荷の量の差であるので、本発明の目的を達成するのには好都合ではない。収集した電荷の量である圧電変換器の出力は、可能値より小さい。できるだけ高い圧電感度を得るには、２つの圧電セラミック素子で生成された同じ極性の電荷を収集して、その合計を用いたであろう。収集した電荷量がゼロとならないように、２つの圧電セラミック素子の電荷量は互いに異なる。

本発明は、温度感度シフトの異なる圧電セラミックを有する複数の圧電セラミック素子を提供する。感度シフトが異なると、２つの圧電セラミック素子の電荷の、温度に対する非線形性に影響を与える。感度シフトが高ければ高いほど、電荷の温度に対する非線形性も大きくなる。本発明によれば、より多い電荷を生成する圧電セラミック素子の圧電セラミックは、温度感度シフトがより低い。この圧電セラミック素子を、主圧電セラミック素子と称する。他方の、より少ない電荷を生成する圧電セラミック素子の圧電セラミックは、温度感度シフトがより高い。この圧電セラミック素子を、補償圧電セラミック素子と称する。主圧電セラミック素子および補償圧電セラミック素子の電荷を収集することにより、主電荷量を幾分低減させるとともに、主電荷の温度に対する非線形性を大幅に低下させることができる。補償電荷の量は主電荷の量より実質的に少ないことが好ましく、これにより主電荷の量が適度に低減される。補償電荷の温度に対する非線形性は、主電荷の温度に対する非線形性よりも実質的に高いことが好ましく、これにより主電荷の温度に対する非線形性が実質的に低減される。

本発明を、以下に示す概略図とともに、実施例を用いて説明する。

本発明の第１実施例に係る、螺旋状の予荷重要素と１つの主圧電セラミック素子とを有する不均衡型カンチレバー構造の圧電変換器の断面図である。 本発明の第２実施例に係る、螺旋状の予荷重要素と２つの主圧電セラミック素子とを有する不均衡型カンチレバー構造の圧電変換器の断面図である。 本発明の第３実施例に係る、螺旋状の予荷重要素と２つの主圧電セラミック素子とを有する均衡型ダブルカンチレバー構造の圧電変換器の断面図である。 本発明の第４実施例に係る、環状の予荷重要素と２つの主圧電セラミック素子とを有する均衡型ダブルカンチレバー構造の圧電変換器の断面図である。 本発明の第５実施例に係る、螺旋状の予荷重要素と１つの主圧電セラミック素子とを有する不均衡型ダブルカンチレバー構造の圧電変換器の断面図である。 本発明の第６実施例に係る、環状の予荷重要素と１つの主圧電セラミック素子とを有する不均衡型ダブルカンチレバー構造の圧電変換器の断面図である。 本発明の第７実施例に係る、環状の予荷重要素と２つの主圧電セラミック素子とを有する均衡型三角形状構造の圧電変換器の断面図である。 本発明の第８実施例に係る、環状の予荷重要素と３つの主圧電セラミック素子とを有する均衡型三角形状構造の圧電変換器の断面図である。 本発明の圧電変換器の主圧電感度、補償圧電感度、および収集圧電感度を示す図である。 本発明の圧電変換器の主温度感度シフト、補償温度感度シフト、および収集温度感度シフトを示す図である。

図１乃至図８は、力を測定する圧電変換器１のいくつかの実施例を示す。圧電変換器１は、いくつかの要素（素子）およびいくつかの手段を備える。要素は、図に示した物理的アイテムである。手段は、少なくとも１つの要素により形成される機能的アイテムである。

圧電変換器１は、合金鋼、チタン合金などの金属材料で作られたベース要素１０を備える。予荷重要素１６によって複数の組込み部品が少なくとも１つの支持軸ＡＡ’に沿って直接的または間接的にベース要素１０に接合されており、ベース要素１０は、これらの組込み部品を機械的に支持する。圧電変換器１は、これら被予荷重部品として、少なくとも１つの主圧電セラミック素子１２，１２’，１２”、少なくとも１つの補償圧電セラミック素子１４，１４’，１４”、少なくとも１つの振動質量要素１３，１３’，１３”、および少なくとも１つの補償振動質量要素１５，１５’，１５”を備える。圧電変換器１はさらに、被予荷重部品として、スペーサ要素１１、導電要素１９、および電気絶縁要素２０のうちの少なくとも１つを備えてもよい。垂直軸ＺＺ’は、支持軸ＡＡ’に対して垂直に延びる。重力は、垂直軸ＺＺ’に沿って作用する。垂直軸ＺＺ’は、ベース要素１０の中心を通る。ベース要素１０は、圧電変換器１の基準となる。

予荷重要素１６は、合金鋼、チタン合金などの金属材料で作られている。予荷重要素１６には、２つの好ましい実施形態がある。図１乃至図３および図５では、予荷重要素１６は螺旋状であり、組み込みねじとして構成される。この組み込みねじは、ねじ頭部と、ねじ穴に係合する雄ねじ部とを備える。組み込みねじをねじ穴に回し締めることにより、圧電変換器１の被予荷重部品がベース要素１０に接続される。ねじ穴は、図１および図２ではベース要素１０に配置され、図３および図５では振動質量要素１３に配置されている。図４、図６乃至図８では、予荷重要素１６は環状であり、組み込みリングとして構成される。圧電変換器１の被予荷重部品の周囲に対して組み込みリングを押し当てるまたは縮小させることにより、被予荷重部品はベース要素１０に接合される。

主圧電セラミック素子１２，１２’，１２”および補償圧電セラミック素子１４，１４’，１４”は、円筒または矩形形状を有する。主圧電セラミック素子１２，１２’，１２”および補償圧電セラミック素子１４，１４’，１４”は、圧電材料で作られている。圧電材料は、力を受けると電荷を生成する。圧電材料は、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｏ_３、ただし０＜ｘ＜１）、メタニオブ酸鉛（ＰｂＮｂ_２Ｏ_６，（ＢａＰｂ）Ｎｂ_２Ｏ_６）、チタン酸ビスマス（Ｂｉ_１２ＴｉＯ_２０，Ｂｉ_４Ｔｉ_３Ｏ_１２，Ｂｉ_３ＴｉＮｂＯ_９，ＳｒＢｉ_２Ｎｂ_２Ｏ_９，Ｎａ_０．５Ｂｉ_４．５Ｔｉ_４Ｏ_１５，ＳｒＢｉ_４Ｔｉ_４Ｏ_１５，ＣａＢｉ_４Ｔｉ_４Ｏ_１５）、ペロブスカイト（Ｓｒ_２（Ｎｂ_０．５Ｔａ_０．５）_２Ｏ_７）、薄膜（ＡＩＮ，ＺｎＯ）などの圧電セラミックであることが好ましい。主圧電セラミック素子１２，１２’，１２”にはいくつかの好ましい実施形態がある。図１、図５および図６では１つの主圧電セラミック素子１２からなり、図２乃至図４および図７では２つの主圧電セラミック素子１２，１２’からなり、図８では３つの主圧電セラミック素子１２，１２’，１２”からなる。補償圧電セラミック素子１４，１４’，１４”にもいくつかの好ましい実施形態がある。図１乃至図２および図５乃至図７では、１つの補償圧電セラミック素子１４からなり、図３乃至図４では２つの補償圧電セラミック素子１４，１４’からなり、図８では３つ以上の補償圧電セラミック素子１４，１４’，１４”からなる。

圧電セラミックは、圧電特性の発揮のために、分極させなくてはならない。圧電セラミックの分極は、圧電セラミックに高温下で強い電界を印加することにより行う。圧電セラミックの分極は永久的であり、圧電セラミックの分極方向Ｐは、電界方向と平行である。図１乃至図８において、主圧電セラミック素子１２，１２’，１２”および補償圧電セラミック素子１４，１４’，１４”の分極方向Ｐは、それぞれ片矢印で示される。

圧電セラミックは、せん断圧電効果を利用するのが好ましい。せん断圧電効果では、主圧電セラミック素子１２，１２’，１２”および補償圧電セラミック素子１４，１４’，１４”のせん断力が作用する面と同一の面に電荷が生成される。せん断圧電効果における圧電セラミックのせん断圧電電荷係数はｄ_１５とされる。圧電セラミックの分極方向Ｐがせん断力の力方向Ｆに平行のとき、せん断圧電効果が最も強力であり、すなわち圧電感度が最も高い。よって、せん断力は、垂直軸ＺＺ’に平行な力方向Ｆを有する。力方向Ｆは、図１乃至図８において両矢印によって表される。主圧電セラミック素子１２，１２’，１２”および補償圧電セラミック素子１４，１４’，１４”のせん断力が作用する面は、支持軸ＡＡ’に直交する。圧電変換器１が有する主圧電セラミック素子１２，１２’，１２”および補償圧電セラミック素子１４，１４’，１４”の数が多ければ多いほど、圧電変換器１の圧電感度は高くなる。

主圧電セラミック素子１２，１２’，１２”および補償圧電セラミック素子１４，１４’，１４”のそれぞれにおける第１の面に正の電荷が生成され、第２の面に負の電荷が生成される。本発明では、負の電荷が信号電荷として使用され、正の電荷が接地電荷として使用される。この定義は任意であり、この逆でもよい。主圧電セラミック素子１２，１２’，１２”および補償圧電セラミック素子１４，１４’，１４”は、それぞれ反対の極性をもってせん断力に向かっている。主圧電セラミック素子１２，１２’，１２”では、第１の面は分極方向Ｐの左側にあり、第２の面は分極方向Ｐの右側にある。補償圧電セラミック素子１４，１４’，１４”では、第１の面は分極方向Ｐの右側にあり、第２の面は分極方向Ｐの左側にある。

主圧電セラミック素子１２，１２’，１２”は、第１の圧電セラミックで作られ、補償圧電セラミック素子１４，１４’，１４”は、第２の圧電セラミックで作られている。第１および第２の圧電セラミックは、それぞれ物性が異なる。第１の圧電セラミックは、第２の圧電セラミックよりも大きい圧電電荷係数を有する。第２の圧電セラミックのせん断圧電電荷係数ｄ_１５は、第１の圧電セラミックのせん断圧電電荷係数ｄ_１５の１／３より小さいことが好ましい。第１の圧電セラミックは、第２の圧電セラミックより小さい温度感度シフトを有する。第１の圧電セラミックの温度感度シフトは、第２の圧電セラミックの温度感度シフトの１／１０より小さいことが好ましい。

主圧電セラミック素子１２，１２’，１２”の主電荷量Ｑ_ｍａｉｎは、第１の圧電セラミックのせん断圧電電荷係数ｄ_１５の大きさｄ_{１５ｍａｉｎ}と、有効主振動質量手段の重さＭ_ｍａｉｎと、加速度ａとによって決まる。
Ｑ_ｍａｉｎ＝ｄ_{１５ｍａｉｎ}×Ｍ_ｍａｉｎ×ａ

補償圧電セラミック素子１４，１４’，１４”の補償電荷量Ｑ_ｃｏｍｐは、第２の圧電セラミックのせん断圧電電荷係数ｄ_１５の大きさｄ_{１５ｃｏｍｐ}と、有効補償振動質量手段の重さＭ_ｃｏｍｐと、加速度ａとによって決まる。
Ｑ_ｃｏｍｐ＝ｄ_{１５ｃｏｍｐ}×Ｍ_ｃｏｍｐ×ａ

主電荷量Ｑ_ｍａｉｎと補償電荷量Ｑ_ｃｏｍｐとは、反対の極性で収集される。主電荷量Ｑ_ｍａｉｎは補償電荷量Ｑ_ｃｏｍｐより実質的に大きいため、結果としての収集電荷量Ｑ_{ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ}は、主電荷量Ｑ_ｍａｉｎよりも若干少ない。
Ｑ_{ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ}＝Ｑ_ｍａｉｎ−Ｑ_ｃｏｍｐ

第１の圧電セラミックは、ソフトＰＺＴで作られていることが好ましい。第１の圧電セラミックは、＋２０℃において４００ｐＣ／Ｎを超えるせん断圧電電荷係数ｄ_１５を有することが好ましい。第１の圧電セラミックは、−５４℃〜＋２６０℃の動作温度範囲で、＋２０℃におけるせん断圧電電荷係数ｄ_１５の値から２０％上昇するせん断圧電電荷係数ｄ_１５の温度シフト感度を有するのが好ましい。

第２の圧電セラミックは、ハードＰＺＴで作られていることが好ましい。第２の圧電セラミックは、＋２０℃において１００ｐＣ／Ｎを超えるせん断圧電電荷係数ｄ_１５を有することが好ましい。第２の圧電セラミックは、−５４℃〜＋２６０℃の動作温度範囲で、＋２０℃におけるせん断圧電電荷係数ｄ_１５の値から３００％上昇するせん断圧電電荷係数ｄ_１５の温度シフト感度を有するのが好ましい。

図９は、図示される＋２０℃〜＋２６０℃の動作温度範囲における、主電荷量Ｑ_ｍａｉｎの主圧電感度Ｓ_ｍａｉｎと、補償電荷量Ｑ_ｃｏｍｐの補償圧電感度Ｓ_ｃｏｍｐと、収集電荷量Ｑ_{ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ}の収集圧電感度Ｓ_{ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ}とを示す図である。圧電感度Ｓは、ｐＣ／ｇの単位で評価され、重力加速度ｇ＝９．８１ｍ／ｓｅｃ^２である。主圧電感度Ｓ_ｍａｉｎは、重力加速度ｇが１のときの主電荷量Ｑ_ｍａｉｎである。補償圧電感度Ｓ_ｃｏｍｐは、重力加速度ｇが１のときの補償電荷量Ｑ_ｃｏｍｐである。収集圧電感度Ｓ_{ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ}は、重力加速度ｇが１のときの収集電荷量Ｑ_{ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ}である。Ｔは、温度を表す。好ましくは、主圧電感度Ｓ_ｍａｉｎは、＋２０℃のとき３．２５ｐＣ／ｇとなり、＋２６０℃のとき３．８ｐＣ／ｇとなる。好ましくは、補償圧電感度Ｓ_ｃｏｍｐは、＋２０℃のとき０．２ｐＣ／ｇとなり、＋２６０℃のとき０．７５ｐＣ／ｇとなる。主圧電セラミック素子１２，１２’，１２”および補償圧電セラミック素子１４，１４’，１４”の互いに異なる極性の電荷を収集すると、収集圧電感度Ｓ_{ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ}は、図示の＋２０℃〜＋２６０℃の動作温度範囲において３．０ｐＣ／ｇでほぼ安定する。

図１０は、図示される＋２０℃〜＋２６０℃の動作温度範囲における温度感度シフトを示す図である。ＳＳ_ｍａｉｎは、＋２０℃における主圧電感度Ｓ_ｍａｉｎを基準とした場合の、第１圧電材料の動作温度範囲内の温度Ｔにおける主圧電感度Ｓ_ｍａｉｎの主温度感度シフトを表す。
ＳＳ_ｍａｉｎ＝（Ｓ_ｍａｉｎ（Ｔ）−Ｓ_ｍａｉｎ（２０℃））／Ｓ_ｍａｉｎ（２０℃）

ＳＳ_ｃｏｍｐは、＋２０℃における補償圧電感度Ｓ_ｃｏｍｐを基準とした場合の、第２圧電材料の動作温度範囲内の温度Ｔにおける補償圧電感度Ｓ_ｃｏｍｐの補償温度感度シフトを表す。
ＳＳ_ｃｏｍｐ＝（Ｓ_ｃｏｍｐ（Ｔ）−Ｓ_ｃｏｍｐ（２０℃））／Ｓ_ｃｏｍｐ（２０℃）

ＳＳ_{ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ}は、＋２０℃における収集圧電感度Ｓ_{ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ}を基準とした場合の、第１および第２圧電材料の動作温度範囲内の温度Ｔにおける収集圧電感度Ｓ_{ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ}の収集温度感度シフトを表す。
ＳＳ_{ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ}＝（Ｓ_{ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ}（Ｔ）−Ｓ_{ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ}（２０℃））／ＳＳ_{ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ}（２０℃）

主温度感度シフトＳＳ_ｍａｉｎおよび収集温度感度シフトＳＳ_{ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ}の目盛りを左側の縦座標に示し、補償温度感度シフトＳＳ_ｃｏｍｐの目盛りを、右側の縦座標に示す。補償温度感度シフトＳＳ_ｃｏｍｐは、主温度感度シフトＳＳ_ｍａｉｎよりも実質的に大きい。図示される＋２０℃〜＋２６０℃の動作温度範囲において、補償温度感度シフトＳＳ_ｃｏｍｐは２６０％上昇し、主温度感度シフトＳＳ_ｍａｉｎは１８％上昇し、収集温度感度シフトＳＳ_{ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ}は０％でほぼ安定している。

スペーサ要素１１、振動質量要素１３，１３’，１３”、補償振動質量要素１５，１５’，１５”、および導電要素１９は、円筒または矩形形状を有する。スペーサ要素１１、振動質量要素１３，１３’，１３”、補償振動質量要素１５，１５’，１５”、および導電要素１９は、合金鋼やチタン合金などの金属材料で作られている。振動質量要素１３，１３’，１３”には、いくつかの好ましい実施形態がある。図１乃至図２および図５乃至図６では１つの振動質量要素１３からなり、図３乃至図４および図７では２つの振動質量要素１３，１３’からなり、図８では３つの振動質量要素１３，１３’，１３”からなる。補償振動質量要素１５，１５’，１５”には、いくつかの好ましい実施形態がある。図１乃至図２および図５乃至図７では１つの補償振動質量要素１５からなり、図３および図４では２つの補償振動質量要素１５，１５’からなり、図８では３つの補償振動質量要素１５，１５’，１５”からなる。振動質量要素１３，１３’，１３”の重量は、補償振動質量要素１５，１５’，１５”の重量よりも大きいことが好ましい。

電気絶縁要素２０は、円筒または矩形形状を有する。電気絶縁要素２０は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド、酸化アルミニウム、酸化マグネシウムなどの電気絶縁材料で作られている。

有効主振動質量手段は、加速されると、測定対象の力を発生させることができる。有効主振動質量手段の慣性による加速は、垂直軸ＺＺ’に沿って起こる。測定対象の力は、主圧電セラミック素子１２，１２’，１２”にせん断力として作用する。有効主振動質量手段は、主圧電セラミック素子１２，１２’，１２”の、ベース要素１０とは反対側の面に配置される全ての被予荷重部品を含む。有効主振動質量の重量によって、１０^−６ｇ程度の永久的な小さな重力が発生する。この有効主振動質量の重さによる重力は、小さい加速度を測定するためには、補償力によって補償されなくてはならない。補償振動質量手段は、加速されることにより、この補償力を発生させることができる。補償振動質量手段の慣性による加速も、垂直軸ＺＺ’に沿って起こる。補償力は、補償圧電セラミック素子１４，１４’，１４”にせん断力として作用する。補償振動質量手段は、補償圧電セラミック素子１４，１４’，１４”の、ベース要素１０とは反対側の面に配置される全ての被予荷重部品を含む。

接地手段１７および信号手段１８は、主圧電セラミック素子１２，１２’，１２”の、測定対象の力がかかる面に生成される主電荷を収集することができる。また、接地手段１７および信号手段１８は、補償圧電セラミック素子１４，１４’，１４”の、補償力がかかる面に生成される補償電荷も収集することができる。接地手段１７および信号手段１８は、少なくとも１つの要素からなる。接地手段１７は、主圧電セラミック素子１２，１２’，１２”の第１の面から正の主電荷を収集し、補償圧電セラミック素子１４，１４’，１４”の第１の面から正の補償電荷を収集することが好ましい。信号手段１８は、主圧電セラミック素子１２，１２’，１２”の第２面から負の主電荷を収集し、補償圧電セラミック素子１４，１４’，１４”の第２の面から負の補償電荷を収集することが好ましい。接地手段１７および信号手段１８は、せん断力が作用する面と面接触するように、主圧電セラミック素子１２，１２’，１２”および補償圧電セラミック素子１４，１４’，１４”の第１および第２の面に接合される。これにより、圧電変換器１は、支持軸ＡＡ’に沿って高い剛性を有し、主圧電セラミック素子１２，１２’，１２”および補償圧電セラミック素子１４，１４’，１４”の第１および第２の面は、接地手段１７および信号手段１８と機械的に密接する。機械的に密接することにより、主圧電セラミック素子１２，１２’，１２”および補償圧電セラミック素子１４，１４’，１４”の第１および第２の面と、接地手段１７および信号手段１８との間の微小な間隙が低減もしくはなくなり、圧電変換器１の電気容量が明確に定められる。

接地手段１７は、評価部の信号電荷入力に電気的に接続される。信号手段１８は、評価部の接地電荷入力に電気的に接続される。接地手段１７および信号手段１８の電気的接続は、銅や白金タングステンなどの導電材料からなるワイヤ要素によって実現される。図１乃至図８において、ワイヤ要素の一部が、接地手段１７または信号手段１８の少なくとも１つの要素を接続する線として概略的に示されている。ワイヤ要素は、接地手段１７および信号手段１８に電気的および機械的に接続される。ワイヤ要素は、ポリ塩化ビニルやゴムなどの電気絶縁材料からなるシースによって電気的に絶縁されてもよい。接地手段１７によって収集された接地電荷と、信号手段１８によって収集された信号電荷とは、ワイヤによって評価部へと送信される。評価部は図示しない。評価部は、信号手段１８により収集され送信された信号電荷を、電気的に増幅してもよい。また、評価部は、電気的に増幅された信号電荷を評価またはデジタル化してもよい。
〔実施例１，２〕

図１および図２は、２つのカンチレバー構造の圧電変換器１の実施例を示す。カンチレバー構造では、圧電変換器１の被予荷重部品は、予荷重要素１６によって、ベース要素１０の１つの面に対して支持軸ＡＡ’に沿って接合される。このカンチレバー構造は不均衡型である。つまり、被予荷重部品の総重量が、重力によってベース要素１０の１つの面にかかっている。

図１において、被予荷重部品は、ベース要素１０と予荷重要素１６のねじ頭部との間に支持軸ＡＡ’に沿って配置される。被予荷重部品は、ベース要素１０から離れる方向に、１つのスペーサ要素１１、１つの主圧電セラミック素子１２、１つの振動質量要素１３、１つの補償圧電セラミック素子１４、および１つの補償振動質量要素１５の順で配置される。図１において、有効主振動質量手段は、主圧電セラミック素子１２のベース要素１０とは反対側の面に配置される被予荷重部品である、主圧電セラミック素子１２の一部、振動質量要素１３、補償圧電セラミック素子１４、補償振動質量要素１５、および予荷重要素１６の一部を含む。図１において、有効補償振動質量手段は、補償圧電セラミック素子１４のベース要素１０とは反対側の面に配置される被予荷重部品である、補償振動質量要素１５および予荷重要素１６の一部を含む。図１において、接地手段１７は、ベース要素１０と、スペーサ要素１１と、補償振動質量要素１５とにより構成される。図１において、信号手段１８は、振動質量要素１３により構成される。

図２において、被予荷重部品は、ベース要素１０と予荷重要素１６のねじ頭部との間に支持軸ＡＡ’に沿って配置される。被予荷重部品は、ベース要素１０から離れる方向に、１つのスペーサ要素１１、第１の主圧電セラミック素子１２、１つの導電要素１９、第２の主圧電セラミック素子素１２’、１つの振動質量要素１３、１つの補償圧電セラミック素子１４、１つの補償振動質量要素１５および１つの電気絶縁要素２０の順で配置される。図２において、有効主振動質量手段は、主圧電セラミック素子１２のベース要素１０とは反対側の面に配置される被予荷重部品である、主圧電セラミック素子１２，１２’それぞれの一部、導電要素１９の一部、振動質量要素１３、補償圧電セラミック素子１４、補償振動質量要素１５、電気絶縁要素２０、および予荷重要素１６の一部を含む。図２において、有効補償振動質量手段は、補償圧電セラミック素子１４のベース要素１０とは反対側の面に配置される被予荷重部品である、補償振動質量要素１５および予荷重要素１６の一部を含む。図２において、接地手段１７は、ベース要素１０と、スペーサ要素１１と、補償振動質量要素１５とにより構成される。図２において、信号手段１８は、振動質量要素１３により構成される。

第１および第２実施例の不均等型カンチレバー構造によれば、圧電変換器１の要素および部品が少なくて済む。要素や部品が少ないと圧電変換器１の組み立てを簡単且つ迅速に行うことができるので、製造コストが抑えられる。図２の圧電変換器１は２つの主圧電セラミック素子１２，１２’を有するので、より小さい振動質量要素１３を用いることができる。これにより、要素の共振周波数が上がり、高周波数での周波数応答についての性能が向上する。
〔実施例３，４〕

図３および図４は、２つのダブルカンチレバー構造の圧電変換器１の実施例を示す。ダブルカンチレバー構造では、圧電変換器１の被予荷重部品は、予荷重要素１６によって、ベース要素１０の２つの面に対して支持軸ＡＡ’に沿って接合される。このダブルカンチレバー構造は均衡型である。つまり、被予荷重部品の重量が、重力によってベース要素１０の２つの面に均等に分散されてかかっている。予荷重要素１６は、図３では組み込みねじとして構成され、図４では組み込みリングとして構成される。

図３および図４において、被予荷重部品は、ベース要素１０の２つの面と、予荷重要素１６のねじ頭部（図３）または環状の予荷重要素１６（図４）との間に支持軸ＡＡ’に沿ってベース要素１０の両側に同じように配置される。被予荷重部品は、ベース要素１０から離れる方向に、ベース要素１０の両面それぞれに、１つの主圧電セラミック素子１２，１２’、１つの振動質量要素１３，１３’、１つの補償圧電セラミック素子１４，１４’、および１つの補償振動質量要素１５，１５’の順で配置される。図３および図４において、有効主振動質量手段は、２つの主圧電セラミック素子１２，１２’それぞれのベース要素１０とは反対側の面に配置される被予荷重部品である、２つの主圧電セラミック素子１２，１２’のそれぞれの一部、２つの振動質量要素１３，１３’、２つの補償圧電セラミック素子１４，１４’、２つの補償振動質量要素１５，１５’、および予荷重要素１６の２箇所の部分を含む。図３および図４において、有効補償振動質量手段は、２つの補償圧電セラミック素子１４，１４’それぞれのベース要素１０とは反対側の面に配置される被予荷重部品である、２つの補償振動質量要素１５，１５’および予荷重要素１６の２箇所の部分を含む。図３および図４において、接地手段１７は、２つの補償振動質量要素１５，１５’により構成される。図３および図４において、信号手段１８は、２つの振動質量要素１３，１３’により構成される。

第３および第４実施例の均等型ダブルカンチレバー構造によれば、圧電変換器１が２つの主圧電セラミック素子１２，１２’と２つの補償圧電セラミック素子１４，１４’とを有するので、圧電変換器１の圧電感度が高くなる。
〔実施例５，６〕

図５および図６は、２つのダブルカンチレバー構造の圧電変換器１の実施例を示す。このダブルカンチレバー構造では、圧電変換器１の被予荷重部品は、予荷重要素１６によって、ベース要素１０の２つの面に対して支持軸ＡＡ’に沿って接合される。このダブルカンチレバー構造は不均衡型である。つまり、被予荷重部品の重量が、重力によってベース要素１０の２つの面に不均等に分散されてかかっている。予荷重要素１６は、図５では組み込みねじとして構成され、図６では組み込みリングとして構成される。

図５および図６において、被予荷重部品は、振動質量要素１３と、予荷重要素１６のねじ頭部（図５）または環状の予荷重要素１６（図６）との間に支持軸ＡＡ’に沿って配置される。被予荷重部品は、ベース要素１０から遠くなる方向に、以下の順で配置される。ベース要素１０の振動質量要素１３に対向する面である第１の面には、１つの主圧電セラミック素子１２および１つの振動質量要素１３がこの順で配置される。ベース要素１０の振動質量要素１３とは反対側の面である第２の面には、１つの補償圧電セラミック素子１４および１つの補償振動質量要素１５がこの順で配置される。図５および図６において、有効主振動質量手段は、主圧電セラミック素子１２のベース要素１０とは反対側の面に配置される被予荷重部品である、主圧電セラミック素子１２の一部、振動質量要素１３、および予荷重要素１６の一部を含む。図５および図６において、有効補償振動質量手段は、補償圧電セラミック素子１４のベース要素１０とは反対側の面に配置される被予荷重部品である、補償振動質量要素１５および予荷重要素１６の一部を含む。図５および図６において、接地手段１７は、ベース要素１０により構成される。図５および図６において、信号手段１８は、１つの振動質量要素１３および１つの補償振動質量要素１５により構成される。

第５および第６実施例の不均衡型ダブルカンチレバー構造によれば、圧電変換器１の要素および部品が少なくて済む。要素や部品が少ないと圧電変換器１の組み立てを簡単且つ迅速に行うことができるので、製造コストが抑えられる。
〔実施例７，８〕

図７および図８は、２つの三角形状構造の圧電変換器１の実施例を示す。三角形状構造では、圧電変換器１の被予荷重部品は、予荷重要素１６によって、ベース要素１０の３つの面に対して３つの支持軸ＡＡ’に沿って接合される。ベース要素１０は、組み込みリングとして構成された予荷重要素１６の中央に配置される。３つの支持軸ＡＡ’は、垂直軸ＺＺ’に対して垂直な水平面上に配置される。３つの支持軸ＡＡ’は、水平面において、１２０°の角度をもって等間隔で互いから離間する。この三角形状構造は均衡型である。つまり、被予荷重部品の重量が、重力によってベース要素１０の３つの面に均等に分散されてかかっている。

図７において、被予荷重部品は、ベース要素１０と環状の予荷重要素１６との間に３つの支持軸ＡＡ’に沿って配置される。被予荷重部品は、ベース要素１０から遠くなる方向に、以下の順で配置される。ベース要素１０の３つの面のうち２つの面には、１つの主圧電セラミック素子１２，１２’および１つの振動質量要素１３，１３’がこの順で配置される。ベース要素１０の３つの面のうち残り１つの面には、１つの補償圧電セラミック素子１４および１つの補償振動質量要素１５がこの順で配置される。図７において、有効主振動質量手段は、２つの主圧電セラミック素子１２，１２’それぞれのベース要素１０とは反対側の面に配置される被予荷重部品である、２つの主圧電セラミック素子１２，１２’のそれぞれの一部、補償圧電セラミック素子１４の一部、２つの振動質量要素１３，１３’、および予荷重要素１６の一部を含む。図７において、有効補償振動質量手段は、補償圧電セラミック素子１４のベース要素１０とは反対側の面に配置される被予荷重部品である、補償振動質量要素１５および予荷重要素１６の一部を含む。図７において、接地手段１７は、ベース要素１０により構成される。図７において、信号手段１８は、２つの振動質量要素１３，１３’および補償振動質量要素１５により構成される。

図８において、被予荷重部品は、ベース要素１０と環状の予荷重要素１６との間に３つの支持軸ＡＡ’に沿って配置される。被予荷重部品は、ベース要素１０から離れる方向に以下の順で配置される。ベース要素１０の３つの面の各面において、１つの主圧電セラミック素子１２，１２’，１２”、１つの振動質量要素１３，１３’，１３”、１つの補償圧電セラミック素子１４，１４’，１４”、および１つの補償振動質量要素１５，１５’，１５”がこの順で配置される。図８において、有効主振動質量手段は、３つの主圧電セラミック素子１２，１２’，１２”のそれぞれのベース要素１０とは反対側の面に配置される被予荷重部品である、３つの主圧電セラミック素子１２，１２’，１２”のそれぞれの一部、３つの振動質量要素１３，１３’，１３”、３つの補償圧電セラミック素子１４，１４’，１４”、３つの補償振動質量要素１５，１５’，１５”、および予荷重要素１６の複数箇所の部分を含む。図８において、有効補償振動質量手段は、３つの補償圧電セラミック素子１４，１４’，１４”のベース要素１０とは反対側の面に配置される被予荷重部品である、３つの補償振動質量要素１５，１５’，１５”および予荷重要素１６の複数箇所の部分を含む。図８において、接地手段１７は、予荷重要素１６によって電気的に接続される３つの補償振動質量要素１５，１５’，１５”とベース要素１０とにより構成される。図８において、信号手段１８は、３つの振動質量要素１３，１３’，１３”により構成される。

第７および第８実施例の均衡型三角形状構造によれば、圧電感度対体積比の高い圧電変換器１が得られる。環状の予荷重要素１６内の体積を基準とすると、３つの主圧電セラミック素子１２，１２’，１２”と３つの補償圧電セラミック素子１４，１４’，１４”とを有する図８の圧電変換器１は、１つの主圧電セラミック素子１２と１つの補償圧電セラミック素子１４とを有する図６の圧電変換器１よりも、２つの主圧電セラミック素子１２，１２’と１つの補償圧電セラミック素子１４とを有する図７の圧電変換器１よりも、また、２つの主圧電セラミック素子１２，１２’と２つの補償圧電セラミック素子１４，１４’とを有する図４の圧電変換器１よりも、圧電感度が高い。

以上、実施例を説明したが、本発明は、開示の実施形態に限るものではない。本発明は、その一般原理を用いた本開示の変形、用途、および適応形態をも包括する。さらに本発明は、前揚の請求範囲内の、本発明が関連する技術において知られている慣例に含まれるような本開示の展開形態も包括する。

よって、本発明は、せん断圧電効果の利用に限られるものではなく、当業者は、せん断圧電効果と同様に、主圧電セラミック素子と補償圧電セラミック素子の、力を受ける面と同一の面に電荷が生成される縦方向圧電効果を利用し得る。このような圧電セラミックの縦方向圧電電荷係数は、ｄ_３３と称される。また、当業者は、主圧電セラミック素子および補償圧電セラミック素子の、力を受ける面に垂直な面に電荷が生成される横方向圧電効果を利用し得る。このような圧電セラミックの横方向圧電電荷係数は、ｄ_３１と称される。

さらに、本発明は、図に示したような８つの実施例に限られるものではない。当業者は、図８の３つの補償圧電セラミック素子のうちの２つを、２つの主圧電セラミック素子に代えてもよい。代替する２つの主圧電セラミック素子は、既存の３つの主圧電セラミック素子とは反対の分極方向を有することとなる。また、図１のスペーサ要素はオプションであり、省略してもよい。当業者は、１つ以上のスペーサ要素を用いてもよい。

Claims (17)

1. 力を測定する圧電変換器であって、
   ベース要素と、
   予荷重要素と、
   加速されたときに前記力を発生可能な少なくとも１つの有効主振動質量手段であって、前記予荷重要素によって前記ベース要素に対して直接的又は間接的に接合された有効主振動質量手段と、
   前記力を受けたときに主電荷を生成可能な第１の圧電セラミックを含む主圧電セラミック素子であって、前記予荷重要素によって前記有効主振動質量手段に対して直接的又は間接的に接合された主圧電セラミック素子と、
   加速されたときに補償力を発生可能な少なくとも１つの補償振動質量手段であって、前記予荷重要素によって前記ベース要素に対して直接的又は間接的に接合された補償振動質量手段と、
   前記補償力を受けたときに補償電荷を生成可能な第２の圧電セラミックを含む補償圧電セラミック素子であって、前記予荷重要素によって前記補償振動質量手段に対して直接的又は間接的に接合された補償圧電セラミック素子と
   を備え、
   前記第１の圧電セラミックは、前記第２の圧電セラミックより小さい温度感度シフトを有し、
   前記第１の圧電セラミックは、前記第２の圧電セラミックによって生成された補償電荷よりも多くの量の主電荷を生成し、
   前記主電荷及び前記補償電荷が反対の極性になるように、前記主圧電セラミック素子が、測定対象の前記力に応じて配置され、且つ、前記補償圧電セラミック素子が、前記補償力に応じて配置されている、圧電変換器。
2. 前記第１の圧電セラミックが、前記第２の圧電セラミックの１／５以下の温度感度シフトを有する、請求項１に記載の圧電変換器。
3. 前記第１の圧電セラミックが、動作温度範囲で、＋２０℃におけるせん断圧電電荷係数ｄ_１５の値に対して２０％上昇する前記せん断圧電電荷係数ｄ_１５の温度感度シフトを有するソフトＰＺＴで作られ、及び／又は
   前記第２の圧電セラミックが、動作温度範囲で、＋２０℃におけるせん断圧電電荷係数ｄ_１５の値に対して３００％上昇する前記せん断圧電電荷係数ｄ_１５の温度感度シフトを有するハードＰＺＴで作られている、請求項２に記載の圧電変換器。
4. 前記第１の圧電セラミックが、前記第２の圧電セラミックより大きい圧電電荷係数を有する、請求項１に記載の圧電変換器。
5. 前記第１の圧電セラミックが、前記第２の圧電セラミックの２倍以上の圧電電荷係数を有する、請求項４に記載の圧電変換器。
6. 前記第１の圧電セラミックが、＋２０℃において４００ｐＣ／Ｎより大きいせん断圧電電荷係数ｄ_１５を有するソフトＰＺＴで作られ、及び／又は
   前記第２の圧電セラミックが、＋２０℃において１００ｐＣ／Ｎより大きいせん断圧電電荷係数ｄ_１５を有するハードＰＺＴで作られた、請求項５に記載の圧電変換器。
7. 圧電変換器が、せん断力が作用する、前記主圧電セラミック素子及び前記補償圧電セラミック素子の同一の面に、電荷が生成されるせん断圧電効果を利用し、
   前記主圧電セラミック素子及び前記補償圧電セラミック素子が、反対の極性を生じさせる前記せん断力に応じて配置されている、請求項１に記載の圧電変換器。
8. 前記測定対象の力が、前記主圧電セラミック素子に対してせん断力として作用し、前記補償力が、前記補償圧電セラミック素子に対してせん断力として作用する、請求項７に記載の圧電変換器。
9. 前記主圧電セラミック素子の第１の面からの負の主電荷、及び前記補償圧電セラミック素子の第２の面からの負の補償電荷を収集する少なくとも１つの信号手段を備える請求項８に記載の圧電変換器。
10. 前記主圧電セラミック素子の第２の面からの正の主電荷、及び前記補償圧電セラミック素子の第１の面からの正の補償電荷を収集する少なくとも１つの接地手段を備える請求項８に記載の圧電変換器。
11. 前記有効主振動質量手段が、前記ベース要素とは反対の、前記主圧電セラミック素子側に配置されている、振動質量要素、前記補償圧電セラミック素子、補償振動質量要素、電気絶縁要素、及び前記予荷重要素の一部のうちの少なくとも１つにより構成されている、請求項１に記載の圧電変換器。
12. 前記補償振動質量手段が、前記ベース要素とは反対の、前記補償圧電セラミック素子側に配置されている、補償振動質量要素、電気絶縁要素、及び前記予荷重要素の一部のうちの少なくとも１つにより構成されている、請求項１に記載の圧電変換器。
13. 前記圧電変換器が、被予荷重部品が前記ベース要素の１つの面に対して接合されているカンチレバー構造を有し、
    前記カンチレバー構造が、前記被予荷重部品の総重量が重力により前記ベース要素の前記１つの面の側にかかる不均衡型である、請求項１に記載の圧電変換器。
14. 前記圧電変換器が、被予荷重部品が前記ベース要素の２つの面に対して接合されているダブルカンチレバー構造を有し、
    前記ダブルカンチレバー構造が、前記被予荷重部品の重量が重力により前記ベース要素の前記２つの面に均等に分散されてかかる均衡型である、請求項１に記載の圧電変換器。
15. 前記圧電変換器が、被予荷重部品が前記ベース要素の２つの面に対して接合されているダブルカンチレバー構造を有し、
    前記ダブルカンチレバー構造が、前記被予荷重部品の重量が重力により前記ベース要素の前記２つの面に不均等に分散されてかかる不均衡型である、請求項１に記載の圧電変換器。
16. 前記圧電変換器が、被予荷重部品が前記ベース要素の３つの面に対して接合されている三角形状構造を有し、
    前記三角形状構造が、前記被予荷重部品の重量が重力により前記ベース要素の前記３つの面に均等に分散されてかかる均衡型である、請求項１に記載の圧電変換器。
17. ３つ以下の主圧電セラミック素子及び／又は３つ以下の補償圧電セラミック素子を備える請求項１に記載の圧電変換器。

Images