JPH10332498A

JPH10332498A - 荷重センサ

Info

Publication number: JPH10332498A
Application number: JP9157821A
Authority: JP
Inventors: Junichi Suzuka; 純一鈴鹿; Shinichi Hayashi; 伸一林; Yoshihiko Yukimura; 由彦幸村
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1997-05-30
Filing date: 1997-05-30
Publication date: 1998-12-18
Anticipated expiration: 2017-05-30
Also published as: JP3629352B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高荷重が加わっても出力低下を起こしにく
く、耐久性に優れた荷重センサを提供する。【解決手段】荷重センサ１は、外部からの圧力変化を
検出して電気信号を発生する板状に形成された圧電素子
板２と、その圧電素子板２に対し、少なくともその一方
の面側に電極板５を介して間接的に接するように設けら
れ、当該圧電素子板２に検出すべき圧力を伝達する受圧
部材３とを備える。そして、電極板５の圧電素子板２に
接する側の面の算術平均粗さＲａが０．０１２〜１．６
μmの範囲で調整される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電素子を用いた
荷重センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、圧電素子を用いて外部からの圧力
変化に対応する電気信号を圧電効果により発生させ、そ
の電気信号値に基づいて上記圧力を検出する荷重センサ
が知られている。このような荷重センサにおいては、検
出すべき圧力を圧電素子板に伝達するための受圧板が、
該圧電素子板に接した状態で設けられている。そして圧
電素子板は受圧板から伝達された圧力を上記圧電効果に
より電気信号に変換し、この信号を外部へ出力する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記荷重セ
ンサにおいては、圧電素子板に加わる荷重があるレベル
を超えた場合に、荷重が大きくなるほど出力が低下しや
すくなることが知られており、例えば高荷重領域を検出
するセンサにおいて問題になっている。これは圧電素子
板に高荷重が加わったときに、該圧電素子板の自発分極
の配向が荷重集中によって乱れ、部分的に消極すること
が原因であると考えられている。

【０００４】本発明の課題は、高荷重が加わっても出力
低下を起こしにくく、耐久性に優れた荷重センサを提供
することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】上述の課
題を解決するために本発明の第一の構成（請求項１）の
荷重センサは、外部からの圧力変化を検出して電気信号
を発生する圧電素子と、その圧電素子の受圧面に対し電
極板を介して接するように設けられ、当該圧電素子に検
出すべき圧力を伝達する受圧部材とを備え、電極板の圧
電素子に接する側の面の算術平均粗さ（Ｒａ）が、０．
０１２〜１．６μmとなるように調整されていることを
特徴とする。なお、本発明でいう算術平均粗さＲａは、
ＪＩＳＢ０６０１（１９９４）に規定された方法により
測定された算術平均粗さをいう。

【０００６】また、受圧部材の圧電素子に接する側の面
は、低域カットオフ値を８mm、高域カットオフ値を０．
８mmとして測定した中心線うねり（ＷCA）の最大値が
０．６μm以下となっているのがよい（請求項３）。な
お、本発明でいう中心線うねりＷCAは、ＪＩＳＢ０６１
０（１９８７）に規定された方法により測定されたろ波
中心線うねりをいう。

【０００７】さらに、本発明の第二の構成（請求項４）
の荷重センサは、外部からの圧力変化を検出して電気信
号を発生する圧電素子と、その圧電素子の受圧面に対し
直接又は他部材（電極板）を介して間接的に接するよう
に設けられ、当該圧電素子に検出すべき圧力を伝達する
受圧部材とを備え、受圧部材の圧電素子に接する側の面
は、低域カットオフ値を８mm、高域カットオフ値を０．
８mmとして測定した中心線うねり（ＷCA）の最大値が
０．６μm以下となるように調整されていることを特徴
とする。

【０００８】本発明者らは、鋭意検討の結果、圧電素子
との接触面における電極板の面精度が荷重センサの出力
低下に大きく影響を与えており、上記接触面の表面粗度
がある範囲を超えて大きくなると、センサの出力低下が
著しくなることを見い出して、上記本発明の第一の構成
を完成するに至ったのである。その推定される機構につ
いて、図５を用いて説明する。すなわち、電極板１０５
の接触面には微視的に見れば多数の凹凸が形成されてお
り、圧電素子１０２の表面とは微小な各凸部の頂点部分
ｆ1，ｆ2‥‥で当接する。その結果、外部から受圧部材
１０３、電極板１０５を介して圧電素子１０２に加わる
荷重Ｆは、上記頂点部分ｆ1，ｆ2‥‥において局所的に
加わるものと考えられる。

【０００９】ここで、電極板１０５の接触面の表面粗度
が大きくなると形成される凸部の総数は少なくなり、逆
に表面粗度が小さくなると凸部の総数は増加する。そし
て、電極板１０５に加わる荷重Ｆが一定であると考えれ
ば、表面粗度が大きくなるにつれてこの荷重を受ける凸
部の数が少なくなり、凸部１つ当りに配分される荷重
（換言すれば応力）は大きくなる。この凸部に付加され
る応力が増加して圧電材料の結晶歪の値が一定以上に大
きくなると、該応力集中部分で消極が起こると考えられ
る。従って、電極板１０５の接触面の表面粗度が大きく
なると、上記凸部での応力集中ひいては自発分極の消極
が生じやすくなり、センサ出力の劣化も進みやすくなる
ものと考えられる。一方、電極板１０５の表面粗度が小
さければ、荷重Ｆを受けとめるべき凸部の数が増えるか
ら荷重が分散し、自発分極の消極も起こりにくくなる。
この場合、センサ出力となる分極が主に周囲の結晶粒か
らの拘束を受けにくい圧電素子表層付近の結晶歪に基づ
いていると考えられる場合には、表層付近の消極はセン
サ出力に特に大きく影響することとなり、電極板１０５
の表面粗度の影響は一層大きくなるものと思われる。

【００１０】そこで、上記本発明の第一の構成の荷重セ
ンサにおいては、電極板の圧電素子に接する側の面の算
術平均粗さ（Ｒａ）を０．０１２〜１．６μmの範囲で
設定することにより、外部からの荷重が圧電素子の表面
に比較的均一に加わるようになり、ひいては圧電素子の
消極が起こりにくくなって、荷重センサの出力低下を効
果的に抑制することが可能となる。電極板の圧電素子に
接する側の面の算術平均粗さ（Ｒａ）が１．６μmを超
えると、センサの出力低下が著しくなる。一方、算術平
均粗さ（Ｒａ）が０．０１２μm未満になった場合は、
それ以上面精度を向上させてもセンサ出力低下の抑制効
果は頭打ちとなり、加えて電極板の面加工のコストも高
くつく問題が生じる。なお、算術平均粗さ（Ｒａ）は、
より望ましくは０．０１２〜０．４μmの範囲に調整す
るのがよい（請求項２）。

【００１１】また、発明者らは、圧電素子との接触面に
おける受圧部材の面精度も荷重センサの出力低下に同様
に大きく影響を与えており、特に接触面の中心線うねり
の最大値がある範囲を超えて大きくなると、センサの出
力低下が著しくなることを見い出して、本発明の第二の
構成を完成するに至った。その推定される機構につい
て、図６を用いて説明する。例えば、受圧部材１０３が
電極板１０５を介して圧電素子１０２と接触している場
合について考えると、図６（ａ）に示すように、中心線
うねりが比較的小さい場合は、粗さ曲線上に生じた個々
の凸部のうち電極板１０５の表面に当接するものの数は
比較的多く、電極板１０５を介した圧電素子１０２への
荷重付加も比較的均一となる。その結果、外部からの荷
重Ｆは圧電素子１０２の表面に均一に伝達されることと
なる。ところが、同図（ｂ）に示すように、中心線うね
りが大きくなると、粗さ曲線上に生じた凸部のうち電極
板１０５の表面に当接するもの、すなわち圧力伝達に有
効に寄与する凸部の数が少なくなり、電極板１０５への
荷重付加は不均一となる場合が多くなる。その結果、圧
電素子１０２に加わる荷重は、上記電極板１０５に当接
した凸部に対応する部分ｆ１’，ｆ２’で局所的に大き
くなり、該圧電素子１０２表面への荷重伝達が不均一と
なる場合がある。

【００１２】そこで本発明の第二の構成においては、上
記中心線うねりの最大値を前述の範囲で調整することに
より、外部からの荷重が圧電素子の表面に比較的均一に
加わるようになり、ひいては圧電素子の消極が起こりに
くくなって、荷重センサの出力低下を効果的に抑制する
ことが可能となる。なお、中心線うねり（ＷCA）の最大
値が０．６μmを超えると、圧電素子面への荷重が不均
一化して、センサ出力の低下が著しくなる場合がある。
なお、中心線うねり（ＷCA）の最大値は、より望ましく
は０．４μm以下に設定するのがよい（請求項５）。

【００１３】なお、請求項３のように、このような該第
二の構成の要件を第一の構成と組み合わせることで、荷
重センサの出力低下を抑制する効果をさらに高めること
ができる。

【００１４】次に、上記本発明の荷重センサの各構成に
おいて受圧部材の圧電素子に接する側の面は、その算術
平均粗さ（Ｒａ）を０．０１２〜１．６μmとなるよう
に調整することで、圧電素子面に付加される荷重をさら
に均一化でき、ひいては荷重センサの出力低下を抑制す
る効果がさらに高められる（請求項６）。なお、上記算
術平均粗さ（Ｒａ）は、より望ましくは０．０１２〜
０．４μmの範囲に調整するのがよい（請求項７）。

【００１５】なお、上記センサ出力の低下の問題は、圧
電素子の受圧面に対する印加荷重レベルが、１０００ｋ
ｇｆ／ｃｍ²以上（例えば圧電性セラミックス材料とし
てジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を用いた場合）の領
域において特に生じやすい。従って、本発明の上記第一
及び第二の構成の荷重センサは、印加荷重レベルのレン
ジが上記値以上の高荷重検出用センサとして特に好適に
使用することができる。

【００１６】圧電素子は具体的には板状に形成すること
ができ、その板面の少なくとも一方に受圧部材（例えば
板状のもの）を直接又は電極板等の他部材を介して間接
的に接するように配置することができる。この場合、上
記荷重センサは、板状の圧電素子の両側に絶縁部材を介
して受圧部材を積層することにより積層体を形成し、該
積層体の周縁部においてそれら圧電素子板、電極板、絶
縁部材、受圧部材を一体的に支持する保持部を設けた構
成とすることができる（請求項８）。これにより、出力
低下が起こりにくくかつ耐久性にも優れた荷重センサを
コンパクトに構成することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面に示す実施例を参照して説明する。図１は本発明の荷
重センサの一実施例を示す側面断面図、図２はその平面
図である。該荷重センサ１は、外部からの圧力変化を検
出して電気信号を発生する板状の圧電素子板２と、その
圧電素子板２に対し検出すべき圧力を伝達する受圧部材
としての受圧板３と、これら圧電素子板２、受圧板３を
積層状態で一体的に保持する保持部１０等を備えて構成
されている。

【００１８】図２に示すように、圧電素子板２は圧電性
セラミックス材料により構成された円板状の形態を有
し、その両面を覆うように電極板５が介挿されている。
また、受圧板３と電極板５との間には、Ａｌ₂Ｏ₃等の絶
縁材料で構成された絶縁板６が介挿されている。ここ
で、電極板５の圧電素子板２に接する側の面は、その算
術平均粗さＲａが例えば０．０１２〜１．６μm、望ま
しくは０．０１２〜０．４μmの範囲に調整されてい
る。また、電極板５は、その一端側がリード線７に接続
されており、圧電素子板２が発する検出信号が該電極板
５及びリード線７を介して出力されるようになってい
る。なお、圧電性セラミックス材料としては、例えばジ
ルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を例示できるが、このほ
かにもチタン酸鉛（ＰＴ）、チタン酸バリウム、チタン
酸ストロンチウム、ランタン置換チタン酸ジルコン酸鉛
などを使用することもできる。

【００１９】また、受圧板３は円板状に形成されるとと
もに、図１に示すように、圧電素子板２の両面に対し電
極板５の上から絶縁板６を介して、該圧電素子板２に間
接的に接するように積層されている。そして、各受圧板
３の、絶縁板６及び電極板５を介して圧電素子板２に接
する側の面（以下、接触面ともいう）３ｂは、その算術
平均粗さＲａが例えば０．０１２〜１．６μm、望まし
くは０．０１２〜０．４μmの範囲に調整され、さらに
低域カットオフ値を８mm、高域カットオフ値を０．８mm
として測定した中心線うねりＷCAの最大値が０．６μm
以下、望ましくは０．４μm以下となるように調整され
ている。

【００２０】また、各受圧板３は、圧電素子板２側に接
する側とは反対側の面（以下、受圧面ともいう）３ａの
面積Ｓが、圧電素子板２の表面積Ｓ’よりも小さく設定
された、例えば段付き形状とされている。なお、両受圧
板３は、いずれもその厚さ方向において保持部１０の表
面から突出するように寸法が調整されるとともに、該受
圧面３ａの表面積Ｓは、圧電素子板２の表面積Ｓ’の１
／２以上に設定されている。すなわち、受圧面３ａから
受圧板３に付加される荷重は、接触面３ｂを経て圧電素
子板２に対しなるべく均一に伝達されることが望ましい
のであるが、そのためには、受圧面３ａの表面積Ｓは圧
電素子板２の表面積Ｓ’にできるだけ近いほうがよい。
しかしながら、図１に示すように、保持部１０との係合
をとるために、受圧板３の外周縁に上述のような段付き
部を止むを得ず形成する必要がある場合には、Ｓ／Ｓ’
が１／２以上となるように上記段付き部の形成量を調整
することで、圧電素子板２に対して外部からの荷重を比
較的に均一に伝達できる状態を維持することが可能とな
る。

【００２１】圧電素子板２、電極板５、絶縁板６及び受
圧板３は図１に示す形態で積層体９を形成している。積
層体９にはその積層方向おいて中心部を貫くように貫通
孔が形成され、ここに装着された中空リベット１１によ
り該積層体９が内周縁側で一体的に保持されている。ま
た、積層体９の外周縁部は、例えば積層体９とのインサ
ート成形等により形成された樹脂製の保持部１０により
同様に一体的に保持されている。該保持部１０は、各受
圧板３の周縁部に形成された段付き部３ｃをくるむよう
にして積層体９を一体的に保持する円環状の本体部１２
と、その本体部１２の側面から側方に張り出すようにし
てこれと一体に形成された張出し部１３とを有してい
る。そして、受圧板３の板面周縁と本体部１２の内縁と
の間に生じた環状の溝部には、保持部１０とほぼ面一の
高さとなるように、シリコンゴム等で構成されたシール
材１７が充填され、受圧面３ａのみが表面に露出した形
態となっている。また、中空リベット１１の内側にも同
様にシール材１７が充填されている。一方、張出部１３
は、その内側をケーブル７が通されるとともに、該ケー
ブル７を覆う保護用のゴムチューブ１５の末端部に押し
込まれ、接続されている。

【００２２】このような荷重センサ１は、図３に示すよ
うに、例えば車両のエンジン２０とエンジンマウント２
１との間に所定の取付け手段２３を介して配置され、エ
ンジン２０の振動による荷重が受圧板３を介して圧電素
子板２に伝達される。圧電素子板２は、その振動を圧電
効果により電気信号に変換して、リード線７を介してこ
れに接続された図示しない制御回路部等へ出力する。そ
して、各受圧板３の圧電素子板２との接触面３ｂの、そ
の算術平均粗さＲａ及び中心線うねりＷCAの最大値が前
述の範囲で調整されることで、例えば３００ｋｇｆ／cm
²程度の高荷重が長期あるいは繰返し付加された場合で
も、センサ出力の劣化が生じにくい。

【００２３】

【実施例】

（実施例１）図１に示す荷重センサ１を、受圧板３の接
触面３ｂの算術平均粗さＲａが０．０２〜２．０μm、
中心線うねりＷCAの最大値が０．０７〜１．５μｍの各
種値となるように、各条件１０個ずつ作製した。なお、
電極板５の圧電素子板２に接する側の面の算術平均粗さ
Ｒａは、いずれのセンサについてもほぼ０．０２μmと
なるように調整した。また、受圧板３は、材質ＳＵＳ４
０３により接触面３ｂの直径が２８mm、受圧面３ａの直
径が２２．５mm、厚さ３．１mmとなるように構成した。
さらに、圧電素子板２は、材質ＰＺＴにより外径２８m
m、厚さ１mmの円板状とした。そして図４に示すよう
に、各荷重センサ１を、所定の測定装置の治具２５，２
５に対し、各受圧板３，３の受圧面３ａ，３ａがそれぞ
れ治具面２５ａ，２５ａに接するように配置し、治具２
５，２５間で総圧１５００ｋｇｆの定常荷重を１５０℃
雰囲気中にて１０００時間付加し、荷重付加前のセンサ
出力に対する荷重付加後のセンサ出力の減少率を測定し
た。その結果を表１に示す。

【００２４】

【表１】

【００２５】すなわち、受圧板３の接触面３ｂの算術平
均粗さＲａが１．６μm以下のもの、あるいは中心線う
ねりＷCAが０．６μｍ以下のセンサは、出力減少率が１
０％以下と良好であるのに対し、該範囲を外れるものは
出力減少率が著しく大きくなっていることがわかる。

【００２６】（実施例２）次に、図１に示す荷重センサ
１として、各部の寸法を実施例１と同一とし、また、受
圧板３の接触面３ｂの算術平均粗さＲａを０．０２μ
m、中心線うねりＷCAの最大値を０．０７μｍにほぼ固
定するとともに、電極板５の圧電素子板２と接触する側
の面の算術平均粗さＲａを、０．０２〜２．０μmの各
種値となるように調整したものを各条件１０個ずつ作製
した。これらセンサについて、実施例１と同一の測定を
行った。その結果を表２に示す。

【００２７】

【表２】

【００２８】すなわち、電極板５の圧電素子板２に接す
る側の面の算術平均粗さＲａが１．６μm以下のセンサ
は、出力減少率が５％以下と良好であるのに対し、１．
６μmを超えるものは出力減少率が著しく大きくなって
いることがわかる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の荷重センサの一例を示す側面断面図。

【図２】その平面図。

【図３】荷重センサの使用状態の一例を示す概念図。

【図４】実施例における実験方法を示す模式図。

【図５】電極板の表面粗度が大きくなった場合に荷重の
局所集中が生ずる原因を説明する図。

【図６】受圧板の中心線うねりの荷重集中に及ぼす影響
を示す説明図。

【符号の説明】

１荷重センサ２圧電素子板３受圧板（受圧部材）６絶縁板（絶縁部材）９積層体１０保持部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外部からの圧力変化を検出して電気信号
を発生する圧電素子と、その圧電素子の受圧面に対し電
極板を介して接するように設けられ、当該圧電素子に検
出すべき圧力を伝達する受圧部材とを備え、前記電極板の前記圧電素子に接する側の面の算術平均粗
さが、０．０１２〜１．６μmとなるように調整されて
いることを特徴とする荷重センサ。
【請求項２】前記電極板の前記圧電素子に接する側の
面の算術平均粗さが、０．０１２〜０．４μmとなるよ
うに調整されている請求項１記載の荷重センサ。
【請求項３】前記受圧部材の前記圧電素子に接する側
の面は、低域カットオフ値を８mm、高域カットオフ値を
０．８mmとして測定した中心線うねりの最大値が０．６
μm以下となるように調整されている請求項１又は２に
記載の荷重センサ。
【請求項４】外部からの圧力変化を検出して電気信号
を発生する圧電素子と、その圧電素子の受圧面に対し直
接又は他部材を介して間接的に接するように設けられ、
当該圧電素子に検出すべき圧力を伝達する受圧部材とを
備え、前記受圧部材の前記圧電素子に接する側の面は、低域カ
ットオフ値を８mm、高域カットオフ値を０．８mmとして
測定した中心線うねりの最大値が０．６μm以下となる
ように調整されていることを特徴とする荷重センサ。
【請求項５】前記受圧部材の前記圧電素子に接する側
の面は、前記中心線うねりの最大値が０．４μm以下と
なるように調整されている請求項３又は４に記載の荷重
センサ。
【請求項６】前記受圧部材の前記圧電素子に接する側
の面の算術平均粗さが、０．０１２〜１．６μmとなる
ように調整されている請求項１ないし５のいずれかに記
載の荷重センサ。
【請求項７】前記受圧部材の前記圧電素子に接する側
の面の算術平均粗さが、０．０１２〜０．４μmとなる
ように調整されている請求項６記載の荷重センサ。
【請求項８】前記圧電素子は板状に形成されるととも
に、その両側に前記電極板、絶縁部材を介して前記受圧
部材が積層されて積層体が形成されており、該積層体の周縁部においてそれら圧電素子板、電極板、
絶縁部材、受圧部材を一体的に保持する保持部が設けら
れている請求項１ないし７のいずれかに記載の荷重セン
サ。