JP7479927B2

JP7479927B2 - 振動センサ

Info

Publication number: JP7479927B2
Application number: JP2020087565A
Authority: JP
Inventors: 英二丹羽
Original assignee: Shinkawa Sensor Technology Inc; Research Institute for Electromagnetic Materials
Current assignee: Shinkawa Sensor Technology Inc; Research Institute for Electromagnetic Materials
Priority date: 2020-05-19
Filing date: 2020-05-19
Publication date: 2024-05-09
Anticipated expiration: 2040-05-19
Also published as: JP2021181936A

Description

本発明は、導電性部材を用いた振動センサに関する。

近年、エネルギー問題の解決手段の一つとして天然ガス、メタンガス、および水素等の有効利用が挙げられている。それらの精製、運搬には液化が有効であり、この過程でコンプレッサ等の回転機械が重要な役割を果たす。また、発電設備等においては、効率が優れることからガスタービンの有効性が認められ、その利用が促進されている。そのようなプラント関連設備の保全を目的とした状態監視は重要であるが、その大きな要素の一つに振動測定があり、高温下において安定して容易な振動計測を可能とするセンサが必要とされる。

高温下で使用可能な従来の主要な振動センサは電磁誘導の法則を利用する動電形で、ソレノイドコイルの中に棒磁石の上下を弦巻ばねで支え、コイルと磁石の相対速度によりコイルに誘起する起電圧を振動速度として検知する構造からなる。その振動センサは構成が比較的簡素で、電源を必要とせず、出力電圧を直接取り出せる等のメリットがある。しかし、その一方、自己共振周波数を使用する周波数の１／４以下にする必要があるためばねの撓み量が大きくなり、ばねの弾性係数の安定性ならびに極低温度や高温度における長期安定性と磁石の変化等が発生起電圧に直接影響することから、それらの温度域では使用できないという問題がある。

本発明者は、複雑なバネ構造を用いずに単純なダイアフラム構造を採用し、振動時の振幅に比例してダイアフラム内に生じるひずみを高感度なひずみセンサにより計測することで振動およびその強度を検出することを考えた。

本発明者により、Ｃｒおよび不可避不純物からなるＣｒ基薄膜またはＣｒ、Ｎおよび不可避不純物からなるＣｒ基薄膜により構成されている導電性部材が提案されている（特許文献１参照）。この導電性部材は、測定用の電流が流れる方向である受感部の長手方向が、対象物のひずみの方向に対して垂直になるように配置することができる。その配置で機能するひずみに対する感度を横感度といい、測定用の電流が流れる方向である受感部の長手方向が、対象物のひずみの方向に対して平行になるように配置された場合（その場合に機能するひずみに対する感度を縦感度または主軸感度という）と、同程度のゲージ率（３以上）を有する。すなわち、この導電性部材は、ゲージ率について等方性を示す。そのほか、本発明者により、ＣｒおよびＭｎからなるＣｒ基薄膜またはＣｒおよびＡｌからなるＣｒ基薄膜、ならびにＣｒ、ＡｌおよびＮからなるＣｒ基薄膜のそれぞれにより構成されている、同様の性質を持つ導電性部材が提案されている（特許文献２～３参照）

特許第６０８４３９３号公報特開２０１８－０９１７０５号公報特開２０１８－０９１８４８号公報

本発明は、その問題を解決するために、ひずみに対する感度を示すゲージ率について等方性を有する導電性部材の応用範囲の拡張を図り得る振動センサを提供することを目的とする。

室温近傍から５００℃近傍までの全温度領域において約３以上の大きなゲージ率および横感度を示すのはＣｒ薄膜に固有の性質である。その性質はＣｒ－Ｎ薄膜、Ｃｒ－Ｍｎ薄膜、Ｃｒ－Ａｌ薄膜、Ｃｒ－Ａｌ－Ｎ薄膜だけでなく、それ以外の元素を一つまたは複数または多数含むものでもＣｒの成分比率が多いものではその性質が現れることから、それらはＣｒ基薄膜に含まれる。また、Ｃｒ－ＳｉＯ₂、Ｃｒ－Ａｌ₂Ｏ₃、Ｃｒ－ＳｉＣ、Ｃｒ－Ｃｒ酸化物、Ｃｒ－Ｃｒ窒化物など、すなわちＣｒ母相に別の化合物が分散析出した薄膜もＣｒの成分比率が多いものでは上記の性質が現れることから、それらもＣｒ基薄膜に含まれる。さらに、ＣｒとＣｒ窒化物相、Ｃｒ酸化物相、Ｃｒ炭化物相のいずれか一つまたは複数が混在する薄膜もＣｒの成分比率が多いものでは上記Ｃｒの性質を保持するためＣｒ基薄膜に含まれる。逆に言えば、Ｃｒを主成分とする上記性質を有する薄膜は全てＣｒ基薄膜である。

高感度なひずみセンサとして、そのようなＣｒ基薄膜の内、５００℃近傍まで安定に使用可能で、かつ、－５０℃～３５０℃の温度範囲において約８の一定で大きなゲージ率を示すＣｒ－Ａｌ－Ｎ薄膜などを用いることができる。また、小型で高感度な素子を実現するために、Ｃｒ基薄膜に特有の大きな横感度を利用して、ダイアフラムの周方向に一周の円形状からなる薄膜センサ素子パターンを用いることができる。その薄膜素子をダイアフラム内のひずみ量が絶対値で最大となる位置に配置し、ブリッジ回路を構成して安定で十分な出力が得られるようにすることもできる。そのような新規な構成とすることにより、低温から高温までの広い温度領域において、高精度に安定した振動計測が可能となる。

すなわち、本発明の振動センサは、
一対の対向する主面を有する板状の起歪体と、
前記起歪体の周縁部に沿って全周にわたり連続的または離散的に延在し、前記起歪体の主面から突出している外側突出部と、
前記起歪体の主面に配置されている、当該主面方向に等方的なゲージ率を有する導電性部材と、
前記起歪体の前記外側突出部よりも内側において前記起歪体の主面から突出している内側突出部と、を備え、
前記起歪体に対して主面の垂線方向成分を有する力が作用した際に前記起歪体の極点を基準とした前記起歪体の経線方向についての第１ひずみ量および前記起歪体の緯線方向についての第２ひずみ量の和の大きさが基準値以上となる指定緯度範囲において、前記導電性部材が１箇所で分断された前記極点を取り囲む環状に延在するように前記起歪体の主面に配置され、
前記基準値が第１ひずみ量および第２ひずみ量の和の絶対値の大きさの最大値の８０％の値であることを特徴とする。

当該構成の振動センサによれば、起歪体の主面において、極点を取り囲むように環状に延在する指定緯度範囲に導電性部材が１箇所で分断された環状に延在するように配置されている。

起歪体の周縁部に沿って連続的または離散的に延在し、当該起歪体の主面（一対の主面のうち少なくとも一方の主面）から突出している外側突出部を介して、支持部材により起歪体が支持されうる。この状態で起歪体１０に振動により生じた力が作用した場合、図１に示されているように、導電性部材２０の緯度範囲において極点を挟んで反対側にある一対の箇所のそれぞれにおける起歪体１０のひずみの垂線方向成分の極性が同じになる一方で当該ひずみの主面方向成分の極性が逆になる。

このため、極点を取り囲む１箇所で分断された環状に延在する導電性部材２０の当該一対の箇所において、起歪体１０のひずみの垂線方向成分に応じた電気抵抗値の変化が重畳され、その一方で起歪体１０のひずみの主面方向成分に応じた電気抵抗値の変化が相殺されうる。よって、導電性部材２０の端点間の電気抵抗値の変化量に基づき、起歪体１０に作用した振動のうち主面方向成分が少なくとも部分的に除去され、当該振動の垂線方向成分が測定されうる。

また、起歪体の主面（一対の主面のうち少なくとも一方の主面）から突出している内側突出部によって、当該起歪体に作用する慣性力の増大が図られる。さらに、指定緯度範囲は、起歪体の経線方向についての第１ひずみ量および起歪体の緯線方向についての第２ひずみ量の大きさの和が基準値以上となる緯度範囲である。よって、導電性部材の端点間の電気抵抗値の変化量の増大、ひいては起歪体に作用した振動の垂線方向成分の測定精度の向上が図られる。

前記起歪体の形状が、前記極点を通る主面の垂線に平行な軸線を基準とする回転対称性または前記極点を通る主面に垂直な平面を基準とする鏡像対称性を有し、前記外側突出部の配置態様が、前記軸線を基準とする回転対称性または前記平面を基準とする鏡像対称性を有し、前記導電性部材が、前記軸線を基準とする回転対称性または前記平面を基準とする鏡像対称性を有するように前記起歪体の主面に配置され、かつ、前記内側突出部の配置態様が、前記軸線を基準とする回転対称性または前記平面を基準とする鏡像対称性を有することが好ましい。

前記導電性部材がＣｒ基薄膜（蒸着膜）により構成されている場合、導電性部材の電気抵抗は、縦ひずみおよび横ひずみによる形状変化への寄与分よりも、当該導電性部材の格子構造、ひいてはキャリア（電子）のバンドエネルギー構造の変化への寄与分によって大きく変化するので、起歪体に作用した振動（加速度）の垂線方向成分の測定精度のさらなる向上が図られる。

極点を取り囲むように環状に延在する指定緯度範囲に１箇所で分断された環状に延在するように配置された導電性部材における振動により生じた力が作用した場合に発生するひずみに関する説明図。本発明の第１実施形態としての振動センサの構成に関する説明図。図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った振動センサの断面図。起歪体の一のひずみ態様に関する説明図。第１実施形態におけるひずみ検知用回路の例示図。第１の力作用態様に応じた振動センサの機能に関する説明図。第２の力作用態様に応じた振動センサの機能に関する説明図。第３の力作用態様に応じた振動センサの機能に関する説明図。本発明の第２実施形態としての振動センサの構成に関する説明図。第２実施形態におけるひずみ検知用回路の第１例示図。第２実施形態におけるひずみ検知用回路の第２例示図。本発明の第３実施形態としての振動センサの構成に関する説明図。第３実施形態におけるひずみ検知用回路の第１例示図。第３実施形態におけるひずみ検知用回路の第２例示図。本発明の第４実施形態としての振動センサの構成に関する説明図。第４実施形態におけるひずみ検知用回路の例示図。起歪体の断面形状に関する説明図。起歪体の径方向における構造解析結果に関する説明図。起歪体の周方向における構造解析結果に関する説明図。起歪体の中心を通る径方向における径方向、周方向およびＺ軸方向それぞれについてのひずみ分布に関する説明図。径方向成分および周方向成分に基づく薄膜センサに寄与するひずみ分布の計算結果に関する説明図。センサ薄膜の配置パターンに関する説明図。４本の薄膜の折り返しパターンに関する説明図。薄膜センサパターンの電極部拡大図。４アクティブ４ゲージブリッジからなる薄膜素子回路に関する説明図。振動センサの内部構造図および外観図。Ｃｒ－Ａｌ－Ｎ薄膜を用いたダイアフラム型振動センサ素子の出力の変化態様に関する説明図。ダイアフラム型振動センサ素子の非直線性に関する説明図。Ｃｒ－Ａｌ薄膜を用いたダイアフラム型振動センサ素子の出力変化態様に関する説明図。振動センサの出力信号の周波数依存性に関する説明図。振動センサの出力信号の温度依存性に関する説明図。

（第１実施形態）
（構成）
図２および図３に示されている本発明の第１実施形態としての振動センサは、起歪体１０（起歪体）と、外側突出部１２と、内側突出部１４と、４つの導電性部材２１～２４と、２つの導線部材４１～４２と、を備えている。振動センサの構成要素の位置および姿勢の説明のため、起歪体１０の上面１０１の中心点を原点とする３次元直交座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を用いる。

起歪体１０は、Ｚ方向を厚さ方向とし、一対の主面としてＸ－Ｙ平面に略平行な一対の主面として上面１０１および下面１０２を有する略円板形状に形成されている。起歪体１０の厚さは均一であってもよく、局所的に肉薄になる領域が存在する場合のように不均一であってもよい。起歪体１０の形状は、極点Ｏを通る上面１０１の垂線に平行な軸線（ｚ軸）を基準とする回転対称性または極点Ｏを通る上面１０１に垂直な平面（例えば、ｘ－ｚ平面）を基準とする鏡像対称性を有している。

起歪体１０は、外周縁の全周にわたり外側突出部１２により支持されている。外側突出部１２は略円筒状に形成されている。外側突出部１２は、部分的に径方向外側に張り出しているフランジ様の張出部を有していてもよい。外側突出部１２は、外形が軸線方向（ｚ方向）に略同一の略円筒形状であってもよい。起歪体１０の上面１０１の高さ位置と、外側突出部１２の上端面の高さ位置と、は同じである。起歪体１０および外側突出部１２は切削加工および／または鋳造など一体成型された構造体である。起歪体１０および外側突出部１２は、ボルト－ナット等の機械的な固定方式のほか、接着または溶接などの固定方式によって固定されていてもよい。また、起歪体１０の外周縁における外側突出部１２による連続的な支持態様が、前記軸線を基準とする回転対称性（前記回転対称性と相違していてもよい。）または前記平面を基準とする鏡像対称性を有している。

前記のように起歪体１０が外周縁において全周にわたり外側突出部１２によって支持されていることにより起歪体１０に力が作用した際に起歪体１０にひずみが生じる。

起歪体１０は、下面１０２から下方に突出している略円柱状の内側突出部１４を備えている。内側突出部１４の下端の高さ位置（ｚ座標値）は、外側突出部１２の下端の高さ位置と同じである。内側突出部１４は、円柱状のほか、角柱状、円錐台状、円錐状または角錐状など、様々な形状であってもよい。内側突出部１４の下端の高さ位置は、外側突出部１２の高さ位置よりも高くてもよく、低くてもよい。

図４には、起歪体１０の内側突出部１４に上向き（ｚの正方向）に力が作用した場合における当該起歪体１０のひずみ特性の計算結果が示されている。起歪体１０の極点Ｏから周縁までの経線方向または径方向についての起歪体１０のひずみ量である「第１ひずみ量」の変化態様が実線（εr）で示され、緯線方向または周方向についての起歪体１０のひずみ量である「第２ひずみ量」の変化態様が二点鎖線（εθ）で示され、第１ひずみ量および第２ひずみ量の和が一点鎖線（εr＋εθ）で示されている。「負」のひずみ量は起歪体１０（正確には上面１０１（応力負荷側表面））の収縮量を表わしている一方、「正」のひずみ量は起歪体１０（同上）の伸長量を表わしている。

図４において、経線の長さＤを基準として、極点Ｏからの距離０～０．２５Ｄの範囲Ｓ１は、起歪体１０の下面１０２において内側突出部１４が存在する領域に相当する。極点Ｏからの距離０．７５Ｄ～１．０Ｄの範囲Ｓ３は、起歪体１０の下面１０２において外側突出部１２が存在する領域に相当する。極点Ｏからの距離０．２５Ｄ～０．７５Ｄの範囲Ｓ２は、起歪体１０の下面１０２において外側突出部１２および内側突出部１４に挟まれている中間領域に相当する。

ここで、起歪体１０、外側突出部１２および内側突出部１４は、ＳＵＳ３１６Ｌ（ヤング率：１９３ＧＰａ、ポアソン比：０．２８）により一体成形された。起歪体１０は、厚さ０．０５ｍｍ、径４．０ｍｍ（＝φ）の円板により構成された。外側突出部１２は、内径３．０ｍｍ（＝０．７５φ）、外径４．０ｍｍ（＝１．０φ）、起歪体１０の下面１０２からの突出量（高さ）０．５５ｍｍ、側壁の厚さ０．６０ｍｍの略円筒形状の断面を有する円環により構成された。内側突出部１４は、径１．０ｍｍ（＝０．２５φ）、起歪体１０の下面１０２からの突出量（高さ）が０．８５ｍｍの円柱により構成された。

起歪体１０は、外側突出部１２の外側面の全体を介して支持部材（図示略）に対して固定されている。外部からの振動によって生じる力（慣性力）として内側突出部１４の端面に対してＺ方向に一様に１００Ｎの力が作用した場合、当該起歪体１０の中心を基準とする円筒極座標系（ｒ，θ，ｚ）において定義された０．１ｍｍ刻みのメッシュのそれぞれにおけるひずみが有限要素法にしたがって計算された。

第１ひずみ量および第２ひずみ量の和（正値）の大きさの最大値の８０％が基準値として設定された場合、経線の長さＤを基準として、極点Ｏから距離０．２５４Ｄ～０．３２１Ｄの範囲にある環状の第１指定緯度範囲Ｒ１において、当該ひずみ量の和（正値）の大きさが基準値以上である。第１ひずみ量および第２ひずみ量の和（正値）の大きさの最大値の９５％が基準値として設定された場合、経線の長さＤを基準として、極点Ｏから距離０．２６０Ｄ～０．２９２Ｄの範囲にある環状の第１指定緯度範囲Ｒ１において、当該ひずみ量の和（正値）の大きさが基準値以上である。

第１ひずみ量および第２ひずみ量の和（負値）の絶対値の大きさの最大値の８０％が基準値として設定された場合、経線の長さＤを基準として、極点Ｏから距離０．６８５Ｄ～０．７６１Ｄの範囲にある環状の第２指定緯度範囲Ｒ２において、当該ひずみ量の和（負値）の絶対値の大きさが基準値以上である。第１ひずみ量および第２ひずみ量の和（負値）の絶対値の大きさの最大値の９５％が基準値として設定された場合、経線の長さＤを基準として、極点Ｏから距離０．７１８Ｄ～０．７５５Ｄの範囲にある環状の第２指定緯度範囲Ｒ２において、当該ひずみ量の和（正値）の絶対値が基準値以上である。

起歪体１０の上面１０１の第１指定緯度範囲Ｒ１において、基準点Ｏを取り囲む１箇所において分断している略円環状に延在している第１導電性部材２１および第２導電性部材２２のそれぞれが内側から順に配置されている。起歪体１０の上面１０１の第２指定緯度範囲Ｒ２において、基準点Ｏを取り囲む１箇所において分断している略円環状に延在している第３導電性部材２３および第４導電性部材２４のそれぞれが内側から順に配置されている。

一般的に、第１指定緯度範囲Ｒ１および第２指定緯度範囲Ｒ２は、起歪体１０の形状およびサイズ、さらには振動によって起歪体１０に作用する力（慣性力）に応じて変化する。このため、起歪体１０に対する想定作用力に基づき、第１指定緯度範囲Ｒ１および第２指定緯度範囲Ｒ２が適応的に設定されうる。

起歪体１０は、例えば、弾性を有する金属もしくは合成樹脂またはこれらの組み合わせにより構成されている。起歪体１０が金属などの導電性材料からなる場合、その上面１０１は少なくとも導電性部材２１～２４および導線部材４１～４２が形成される領域において、絶縁性薄膜により被覆されている。これにより、起歪体１０と、導電性部材２１～２４および導線部材４１～４２とが電気的に絶縁されている。

導電性部材２１～２４のそれぞれは、起歪体１０の上面１０１に形成されている。導電性部材２１～２４のそれぞれは、ゲージ率（ゲージ率は３以上である。）について等方性を有しており、例えば、特許文献１に記載されているＣｒおよび不可避不純物からなるＣｒ薄膜、または、Ｃｒ、Ｎおよび不可避不純物からなるＣｒ－Ｎ薄膜により構成されている。Ｃｒ－Ｎ薄膜は、例えば、一般式Ｃｒ_100-xＮ_xで表され、組成比ｘは原子％で０．０００１≦ｘ≦３０である。

導電性部材２１～２４のそれぞれは、一般式Ｃｒ_100-xＭｎ_x（ｘは原子％であり、０．１≦ｘ≦３４である）または一般式Ｃｒ_100-xＡｌ_x（ｘは原子％であり、４≦ｘ≦２５である）で表されるＣｒ基薄膜により構成されていてもよい（特許文献２参照）。導電性部材２１～２４のそれぞれは、一般式Ｃｒ_100-x-yＡｌ_xＮ_y（ｘ、ｙは原子％であり、４≦ｘ≦２５、０．１≦ｙ≦２０である。）で表されるＣｒ基薄膜により構成されていてもよい（特許文献３参照）。当該薄膜は、スパッタリング法等により起歪体１０の上面１０１に形成される。Ｃｒ－Ｎ薄膜は、抵抗温度係数（ＴＣＲ）が極めて小さいため（＜±５０ｐｐｍ／℃）、温度変化に対して安定である。

室温近傍から５００℃近傍までの全温度領域において約３以上の大きなゲージ率および横感度を示すのはＣｒ薄膜に固有の性質である。その性質はＣｒ－Ｎ薄膜、Ｃｒ－Ｍｎ薄膜、Ｃｒ－Ａｌ薄膜、Ｃｒ－Ａｌ－Ｎ薄膜だけでなく、それ以外の元素を一つまたは複数または多数含むものでもＣｒの成分比率が多いものではその性質が現れることから、それらも導電性部材２１～２４を構成するＣｒ基薄膜に含まれる。また、Ｃｒ－ＳｉＯ_２、Ｃｒ－Ａｌ_２Ｏ_３、Ｃｒ－ＳｉＣ、Ｃｒ－Ｃｒ酸化物、Ｃｒ－Ｃｒ窒化物など、すなわちＣｒ母相に別の化合物が分散析出した薄膜もＣｒの成分比率が多いものでは上記の性質が現れることから、それらも導電性部材２１～２４を構成するＣｒ基薄膜に含まれる。さらに、ＣｒとＣｒ窒化物相、Ｃｒ酸化物相、Ｃｒ炭化物相のいずれか一つまたは複数が混在する薄膜もＣｒの成分比率が多いものでは上記Ｃｒの性質を保持するため導電性部材２１～２４を構成するＣｒ基薄膜に含まれる。逆に言えば、Ｃｒを主成分とする上記性質を有する薄膜は全て導電性部材２１～２４を構成するＣｒ基薄膜である。

第１導電性部材２１は、一端部で端子Ｔ１および第２導線部材４２を順に介して第４導電性部材２４の他端部に接続され、他端部で端子Ｔ２を介して第２導電性部材２２の一端部に接続されている。第２導電性部材２２は、一端部で端子Ｔ２を介して第１導電性部材２１の他端部に接続され、他端部で端子Ｔ３および第１導線部材４１を順に介して第３導電性部材２３の一端部に接続されている。第３導電性部材２３は、一端部で第１導線部材４１および端子Ｔ３を順に介して第２導電性部材２２の他端部に接続され、他端部で端子Ｔ４を介して第４導電性部材２４の一端部に接続されている。第４導電性部材２４は、一端部で端子Ｔ４を介して第３導電性部材２３の他端部に接続され、他端部で第２導線部材４２および端子Ｔ１を順に介して第１導電性部材２１の一端部に接続されている。

導線部材４１～４２は、導電性部材２１～２４とともに４アクティブゲージ法のブリッジ回路を構成する（図５参照）。

導電性部材２１～２４のそれぞれの厚さ、幅および長さ、さらには電気伝導率などの電気特性のそれぞれは、ブリッジ回路（ひずみ検出用回路）を構成する観点から適当に設計されている。導線部材４１～４２の厚さ、幅および長さ、さらには素材（電気伝導率を定める。）のそれぞれは、導電性部材２１～２４のそれぞれと同様に当該ブリッジ回路を構成する観点から適当に設計されている。

なお、断線等が生じないよう薄膜の連続性を確保するために導電性部材を構成するセンサ薄膜が導線部材および端子部分まで含めた形で一体成型されたうえで、その導線部材や端子および電極部分に比抵抗およびゲージ率の小さいＮｉおよび／またはＡｕなどの膜を重ねて形成し、導線部材や端子および電極とすることが好ましい。そうすることで、薄膜素子に断線が生じにくくなるとともに、導線部材および端子部分といった検知対象以外の無関係な場所からの出力（雑音）や抵抗値を無視できるほどに小さくすることが可能となる。さらに、電極部分を外部に信号を取り出すためのリード線を接続するのに適した材料とすることが必要である。

（機能）
本発明の第１実施形態としての振動センサによれば、外側突出部１２により周縁を全周にわたり連続的に支持されている起歪体１０の主面１０１において、極点Ｏを取り囲むように環状に延在する指定緯度範囲に導電性部材が１箇所で分断された環状に延在するように配置されている。

起歪体１０に力Ｆが作用した場合、指定緯度範囲Ｒ１およびＲ２のそれぞれにおいて極点Ｏを挟んで反対側にある一対の箇所のそれぞれにおける起歪体１０に垂直方向（ｚ方向）の力が作用した時に生じるひずみの極性が同じになる（図６Ａ参照）。その一方、この場合、当該一対の箇所のそれぞれにおける起歪体１０に主面方向（ｘ、ｙ方向）の力が作用した時に生じるひずみの極性が逆になる（図６Ｂおよび図６Ｃ参照）。

このため、１箇所で分断された環状の導電性部材２１～２４のそれぞれの当該一対の箇所において、起歪体１０に作用する力（慣性力）の垂線方向成分に応じた電気抵抗値の変化が重畳され、その一方で力（慣性力）の主面方向成分に応じた電気抵抗値の変化が相殺されうる。よって、導電性部材２１～２４のそれぞれの端点間の電気抵抗値の変化量に基づき、起歪体１０に作用した力のうち主面方向成分が除去され、当該力の垂線方向成分が測定されうる。

また、起歪体１０の内側突出部１４によって、当該起歪体１０に作用する慣性力の増大が図られる。さらに、指定緯度範囲Ｒ１およびＲ２のそれぞれは、起歪体１０の経線方向についての第１ひずみ量および緯線方向についての第２ひずみ量の和の絶対値の大きさが基準値以上となる緯度範囲である（図４参照）。よって、導電性部材２１～２４のそれぞれの端点間の電気抵抗値の変化量の増大、ひいては起歪体１０に作用した振動（加速度）の垂線方向成分の測定精度の向上が図られる。

導電性部材２１～２４のそれぞれが（１）Ｃｒおよび不可避不純物からなるＣｒ基薄膜またはＣｒ、Ｎおよび不可避不純物からなるＣｒ基薄膜、（２）ＣｒおよびＭｎからなるＣｒ基薄膜またはＣｒおよびＡｌからなるＣｒ基薄膜、（３）Ｃｒ、ＡｌおよびＮからなるＣｒ基薄膜、（１）、（２）、（３）に示される以外の添加元素を一つまたは複数または多数含むものでＣｒの成分比率が多いＣｒ基薄膜、Ｃｒ－ＳｉＯ_２、Ｃｒ－Ａｌ_２Ｏ_３、Ｃｒ－ＳｉＣ、Ｃｒ－Ｃｒ酸化物、Ｃｒ－Ｃｒ窒化物など、すなわちＣｒ母相に別の化合物が分散析出した薄膜もＣｒの成分比率が多いＣｒ基薄膜、ＣｒとＣｒ窒化物相、Ｃｒ酸化物相、Ｃｒ炭化物相のいずれか一つまたは複数が混在するＣｒの成分比率が多いＣｒ基薄膜、などの、すなわち約３以上の大きなゲージ率および横感度を示すＣｒ基薄膜のうちいずれか１つのＣｒ基薄膜により構成されている。このため、導電性部材２１、２２の電気抵抗は、縦ひずみおよび横ひずみによる形状変化への寄与分よりも、当該導電性部材の格子構造、ひいてはキャリア（電子）のバンドエネルギー構造の変化への寄与分によって大きく変化するので、起歪体１０に作用した振動（加速度）の測定精度のさらなる向上が図られる。

（第２実施形態）
（構成）
図７に示されている本発明の第２実施形態としての振動センサでは、起歪体１０の上面１０１の第２指定緯度範囲Ｒ２において、基準点Ｏを取り囲む１箇所において分断している略円環状に延在している第１導電性部材２１および第２導電性部材２２が内側から順に配置されている。

起歪体１０の上面１０１の第１指定緯度範囲Ｒ１において、基準点Ｏを取り囲む１箇所において分断している略円環状に延在している第１導電性部材２１および第２導電性部材２２が内側から順に配置されていてもよい。

第１導電性部材２１は、一端部で端子Ｔ１、第２導線部材４１、第４端子Ｔ４および第１導線部材４２を順に介して第２導電性部材２２の他端部に接続され、他端部で端子Ｔ２を介して第２導電性部材２２の一端部に接続されている。第２導電性部材２２は、一端部で端子Ｔ２を介して第１導電性部材２１の他端部に接続され、第１導線部材４２、第４端子Ｔ４、第２導線部材４１および端子Ｔ１を順に介して第１導電性部材２１の一端部に接続されている。

導線部材４１～４２は、第１導電性部材２１および第２導電性部材２２とともに２アクティブゲージ法のブリッジ回路を構成する（図８Ａ参照）。導線部材４１～４２は、第１導電性部材２１および第２導電性部材２２とともに１アクティブゲージ法（直列式）のブリッジ回路を構成していてもよい（図８Ｂ参照）。

第１導電性部材２１および第２導電性部材２２のそれぞれの厚さ、幅および長さ、さらには電気伝導率などの電気特性のそれぞれは、ブリッジ回路（ひずみ検出用回路）を構成する観点から適当に設計されている。導線部材４１～４２の厚さ、幅および長さ、さらには素材（電気伝導率を定める。）のそれぞれは、第１導電性部材２１および第２導電性部材２２のそれぞれと同様に当該ブリッジ回路を構成する観点から適当に設計されている。

これら以外の点では、本発明の第２実施形態としての振動センサは、本発明の第１実施形態としての振動センサ（図２および図３参照）とほぼ同様の構成であるため、共通の構成要素に対して同一の符号を用いるとともに説明を省略する。

（機能）
本発明の第２実施形態としての振動センサによれば、導電性部材２１、２２の端点間の電気抵抗値の変化量の増大、ひいては起歪体１０に作用した振動の垂線方向成分の測定精度の向上が図られる。

（第３実施形態）
（構成）
図９に示されている本発明の第３実施形態としての振動センサでは、起歪体１０の上面１０１の第１指定緯度範囲Ｒ１および第２指定緯度範囲Ｒ２のそれぞれにおいて、基準点Ｏを取り囲む１箇所において分断している略円環状に延在している第１導電性部材２１および第２導電性部材２２が内側から順に配置されている。

第１導電性部材２１は、一端部で端子Ｔ１、第１導線部材４１および端子Ｔ４を順に介して第２導電性部材２２の他端部に接続され、他端部で端子Ｔ２、第２導線部材４２および端子Ｔ３を順に介して第２導電性部材２２の一端部に接続されている。第２導電性部材２２は、一端部で端子Ｔ３、第２導線部材４２および端子Ｔ２を順に介して第１導電性部材２１の他端部に接続され、他端部で端子Ｔ４、第２導線部材４１および端子Ｔ１を順に介して第１導電性部材２１の一端部に接続されている。

導線部材４１～４２は、第１導電性部材２１および第２導電性部材２２とともに対辺２アクティブゲージ法（２線式）のブリッジ回路を構成する（図１０Ａ参照）。導線部材４１～４２は、第１導電性部材２１および第２導電性部材２２とともに対辺２アクティブゲージ法（３線式）のブリッジ回路を構成していてもよい（図１０Ｂ参照）。

これら以外の点では、本発明の第３実施形態としての振動センサは、本発明の第１実施形態としての振動センサ（図２および図３参照）とほぼ同様の構成であるため、共通の構成要素に対して同一の符号を用いるとともに説明を省略する。

（機能）
本発明の第３実施形態としての振動センサによれば、導電性部材２１、２２の端点間の電気抵抗値の変化量の増大、ひいては起歪体１０に作用した振動の垂線方向成分の測定精度の向上が図られる。

（第４実施形態）
（構成）
図１１に示されている本発明の第４実施形態としての振動センサでは、起歪体１０の上面１０１の第２指定緯度範囲Ｒ２において、基準点Ｏを取り囲む１箇所において分断している略円環状に延在している導電性部材２０が配置されている。第１指定緯度範囲Ｒ１において、基準点Ｏを取り囲む１箇所において分断している略円環状に延在している導電性部材２０が配置されていてもよい。

導電性部材２０の一端部は、端子Ｔ１、第１導線部材４１、端子Ｔ２、第２導線部材４２、端子Ｔ３、第３導線部材４３および端子Ｔ４を順に介して導電性部材２０の他端部に接続されている。

導線部材４１～４３は、第１導電性部材２１および第２導電性部材２２とともに１アクティブゲージ法（２線式または３線式）のブリッジ回路を構成する（図１２参照）。導電性部材２０の厚さ、幅および長さ、さらには電気伝導率などの電気特性のそれぞれは、ブリッジ回路（ひずみ検出用回路）を構成する観点から適当に設計されている。導線部材４１～４３の厚さ、幅および長さ、さらには素材（電気伝導率を定める。）のそれぞれは、導電性部材２０と同様に当該ブリッジ回路を構成する観点から適当に設計されている。

これら以外の点では、本発明の第４実施形態としての振動センサは、本発明の第１実施形態としての振動センサ（図２および図３参照）とほぼ同様の構成であるため、共通の構成要素に対して同一の符号を用いるとともに説明を省略する。導電性部材２０は、第１実施形態の導電性部材２１～２４のそれぞれと同様にＣｒ基薄膜により構成されている

（機能）
本発明の第４実施形態としての振動センサによれば、導電性部材２０の端点間の電気抵抗値の変化量の増大、ひいては起歪体１０に作用した振動の垂線方向成分の測定精度の向上が図られる。

（実施例）
第１実施形態にしたがって４アクティブゲージ法のブリッジ回路により構成されている実施例の振動センサが作製された。図１３に、使用した起歪体の断面形状を示す。具体的には、径１１ｍｍ×厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ４４３Ｊ１からなる略円形板状の起歪体１０の一方の主面１０１に、ＳｉＯ_２からなる絶縁性薄膜が形成された。その上で、１箇所で分断された略円環状のＣｒ－Ａｌ－Ｎ薄膜またはＣｒ－Ａｌ薄膜からなる導電性部材２１～２４が当該絶縁性薄膜の上に形成された。その位置は例えば、導電性部材２１として内径４．２ｍｍ、外径４．９ｍｍ、導電性部材２２として内径５．９ｍｍ、外径６．５ｍｍ、導電性部材２３として内径８．５ｍｍ、外径９．０ｍｍ、導電性部材２４として内径９．３ｍｍ、外径９．７ｍｍ付近に、また、各導電性部材２１、２２、２３、２４の分断箇所の周方向の長さはそれぞれ０．１５ｍｍ、０．２５ｍｍ、０．４５ｍｍ、０．６５ｍｍ程度に設計された。なお、それらの位置や長さは、素子製作上の都合等により問題のない範囲で変更されても良い。

Ｃｒ－Ａｌ薄膜の作製には高周波マグネトロン方式のスパッタリング装置を使用し、さらにＣｒ－Ａｌ－Ｎ薄膜の作製にはＡｒとともに微量の窒素ガスを導入して成膜を行う反応性スパッタリング法を加えて用いた。ターゲットには公称純度９９．９％で直径３インチのＣｒ円盤の上にＡｌチップを８個載せた複合ターゲットを用いた。成膜前真空度（背景真空度）、ターゲット－基板間距離（Ｔ－Ｓ距離）、スパッタガス圧、スパッタガス総流量、窒素ガス流量比（Ｃｒ－Ａｌ－Ｎ薄膜の場合のみ）、入力電力および基板水冷温度をそれぞれ２×１０^－５Ｐａ、４３ｍｍ、０．６７Ｐａ、２０ＳＣＣＭ、０．０６％、１０Ｗおよび２０℃として成膜を行った。薄膜パターンはフォトリソグラフィーおよびエッチング技術を用いて上記の通り形成し、熱処理は大気中において５００℃の温度で３０分間保持して行った。作製した薄膜のリード線部分を含む所定の位置にＡｕ／Ｎｉ／Ｃｒ薄膜を重ねて形成し、これを抵抗測定のための電極とした。４つの受感部はフルブリッジを構成することができ、振動によりダイアフラムに生じるひずみを電気信号に変換して出力する。

図１４および図１５に使用した起歪体の径方向および周方向における構造解析の結果をそれぞれ示す。また、図１６に、それらの結果に関する、起歪体の中心を通る径方向における径方向、周方向およびＺ軸方向それぞれについてのひずみ分布を示す。このうち、Ｚ軸成分は表面の薄膜に直接は影響しないことから、径方向成分と周方向成分の和から薄膜センサに寄与するひずみ分布を計算した。その結果を図１７に示す。それらの最大値と最小値をとる位置に各２本の導電性部材２１～２４のセンサ薄膜を配置するパターンとした。その配置を図１８に示す。具体的には、図１９に示すように、４本の薄膜の抵抗値をそろえて高出力化のためにある程度抵抗値を高くするために周方向に多重の折り返しパターンとした。導電性部材２１～２４の分断箇所から導線部材をＲ１導電性部材の外側まで引き出し、図２０に示すように信号を取り出すための電極を形成した。それらを介して各導電性部材および入出力装置等を結線する４アクティブ４ゲージブリッジからなる薄膜素子回路を図２１に示す。

実施例の振動センサの起歪体１０が外側突出部１２および内側突出部１４と一体成形により加工形成され外側突出部１２に固定されている。その上で、振動強度としての加振加速度、加振周波数ならびに周囲温度を変えることが可能な振動台座に作製したダイアフラム型振動センサ素子を固定し、ダイアフラムのすぐ外側に電源および計測機器に結線された外部電極を同じ台座上に設置した。その外部電極とダイアフラム上の電極とをＡｕ線でワイヤーボンディングにより結線し、信号を取り出した。信号はアンプで増幅され、電圧計等の計測機器・回路システムにより数値化され記録装置（コンピューター等）に記録された。図２２に、ダイアフラム型振動センサ素子とそれを組み込んで装置類に取り付けることができるようにした振動センサの内部構造図および外観を示す。

（出力の直線性）
図２３にＣｒ－Ａｌ－Ｎ薄膜を用いたダイアフラム型振動センサ素子について、室温（約２５℃）において１ｍＡの定電流（電圧測定値：３．０３Ｖ）を用いて測定した加速度に対する１０００倍増幅した出力の変化を示す。この時の加振周波数は１００Ｈｚとした。図２３から、出力は十分大きく、加速度の増大に伴って増加していることがわかる。その各点データの非直線性の値を図２４に示す。非直線性は±１．５％以内と小さく、直線性が良好であることが確認できた。

（周波数依存性）
図２５にＣｒ－Ａｌ薄膜を用いたダイアフラム型振動センサ素子について、室温（約２５℃）において１０Ｖの定電圧を用いて測定した加速度に対する１０００倍増幅した出力の変化を示す。この時の加振周波数は１００Ｈｚとした。この素子においても加速度に対する十分大きな出力が得られ、直線性も良好であった。図２６にその素子に１Ｇ（＝９．８ｍ／ｓ²）の加速度で加振して測定した出力の周波数依存性を示す。１０Ｈｚから４ｋＨｚにわたって５．１±０．１ｍＶとほぼ一定の出力を示し、この範囲で周波数に依存する変化を示さず、周波数に対して安定な計測が可能となることがわかった。

（温度依存性）
図２７にＣｒ－Ａｌ－Ｎ薄膜を用いたダイアフラム型振動センサ素子について、室温（約２５℃）、１００℃、２００℃、３００℃および４００℃の各温度において１０Ｖの定電圧を用いて測定した加速度に対する１０００倍増幅した起歪体１０の加振加速度９．８ｍ／ｓ²（＝１Ｇ）、１９．６ｍ／ｓ²（＝２Ｇ）、２９．４ｍ／ｓ²（＝３Ｇ）、３９．２ｍ／ｓ²（＝４Ｇ）および４９ｍ／ｓ²（＝５Ｇ）のそれぞれに応じた振動センサの出力の変化を示す。この時の加振周波数は１００Ｈｚとした。この素子に関していずれの温度においても加速度に対する十分大きな出力が得られ、直線性も良好であった。図から２５℃から３００℃までの温度範囲においては温度の増加に伴って出力の単調な増加が見られ、３００℃と４００℃ではほぼ変化のない比較的大きな出力を示した。４００℃までの高温域においても十分な振動検知能力を持つことが確認できた。

（本発明の他の実施形態）
前記実施形態では、すべての導電性部材が起歪体１０の上面１０１に形成されていたが、他の実施形態として、一部の導電性部材が上面１０１に形成される一方で残りの導電性部材が下面１０２に形成されていてもよい。この場合、導電性部材の位置および負荷の形態によっては上面１０１および下面１０２の別によって正負の符号が異なる場合があるので、注意を要する。ひずみ検知用回路を構成するための導線部材を配置するため、起歪体１０に貫通孔が設けられていてもよく、ビア構造を有する導線部材が起歪体１０に埋設されていてもよい。

前記実施形態では、起歪体１０が略円形板状であったが、他の実施形態として、起歪体１０が略楕円形板状、略三角形状、略矩形板状、略平行四辺形板状、略台形板状または略正多角形板状（正方形、正十二角形板状、正二十角形板状など）、様々な形状とされてもよい。起歪体１０は極点Ｏを通り、上面１０１に垂直な軸線（例えばＺ軸）まわりの回転対称性を有する形状のほか、回転対称性を有しない形状であってもよい。起歪体１０の極点Ｏが起歪体１０の中心点からずれていてもよい。

前記実施形態では、起歪体１０が外側突出部１２の外側面を介して支持部材に対して全周にわたり固定されていたが、起歪体１０が外側突出部１２の外側面を介して支持部材に対して周方向に離散的に固定されていてもよい。

１０‥起歪体、１２‥外側突出部、１４‥内側突出部、２０、２１、２２、２２、２３、２４‥導電性部材、４１、４２、４３、４４‥導線部材、１０１‥起歪体の上面（主面）、１０２‥起歪体の下面（主面）、Ｏ‥極点、Ｒ_１‥第１指定緯度範囲、Ｒ_２‥第２指定緯度範囲、Ｒ_１－‥第１負ひずみ指定緯度範囲、Ｒ_２－‥第２負ひずみ指定緯度範囲。

Claims

一対の対向する主面を有する板状の起歪体と、
前記起歪体の周縁部に沿って全周にわたり連続的または離散的に延在し、前記起歪体の主面から突出している外側突出部と、
前記起歪体の主面に配置されている、当該主面方向に等方的なゲージ率を有する導電性部材と、
前記起歪体の前記外側突出部よりも内側において前記起歪体の主面から突出している内側突出部と、を備え、
前記起歪体に対して主面の垂線方向成分を有する力が作用した際に前記起歪体の極点を基準とした前記起歪体の経線方向についての第１ひずみ量および前記起歪体の緯線方向についての第２ひずみ量の和の大きさが基準値以上となる指定緯度範囲において、前記導電性部材が１箇所で分断された前記極点を取り囲む環状に延在するように前記起歪体の主面に配置され、
前記基準値が第１ひずみ量および第２ひずみ量の和の絶対値の大きさの最大値の８０％の値であることを特徴とする振動センサ。
請求項１記載の振動センサにおいて、
前記起歪体の形状が、前記極点を通る主面の垂線に平行な軸線を基準とする回転対称性または前記極点を通る主面に垂直な平面を基準とする鏡像対称性を有し、
前記外側突出部の配置態様が、前記軸線を基準とする回転対称性または前記平面を基準とする鏡像対称性を有し、
前記導電性部材が、前記軸線を基準とする回転対称性または前記平面を基準とする鏡像対称性を有するように前記起歪体の主面に配置され、かつ、
前記内側突出部の配置態様が、前記軸線を基準とする回転対称性または前記平面を基準とする鏡像対称性を有することを特徴とする振動センサ。
請求項１または２に記載の振動センサにおいて、
前記起歪体に設置され、前記導電性部材とともにひずみ検知用回路を構成する導線部材をさらに備えていることを特徴とする振動センサ。
請求項１～３のうちいずれか１項に記載の振動センサにおいて、
前記導電性部材がＣｒ基薄膜により構成されていることを特徴とする振動センサ。