JP2000180274A - Force sensor - Google Patents

Force sensor

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JP2000180274A
JP2000180274A JP10362728A JP36272898A JP2000180274A JP 2000180274 A JP2000180274 A JP 2000180274A JP 10362728 A JP10362728 A JP 10362728A JP 36272898 A JP36272898 A JP 36272898A JP 2000180274 A JP2000180274 A JP 2000180274A
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JP
Japan
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force sensor
flexible plate
sensor
sensor according
gap
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Withdrawn
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JP10362728A
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Japanese (ja)
Inventor
Masahiko Namekawa
政彦 滑川
Kazuyoshi Shibata
和義 柴田
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NGK Insulators Ltd
Original Assignee
NGK Insulators Ltd
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P2015/0805Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
    • G01P2015/0822Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass
    • G01P2015/084Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass the mass being suspended at more than one of its sides, e.g. membrane-type suspension, so as to permit multi-axis movement of the mass

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  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a force sensor with excellent reliability in which the direction and mass of a physical amount acting from outside can be measured three- dimensionally and prevention of damage or breakage caused by impact applied rapidly or by the action of a great external force is realized. SOLUTION: A force sensor 1 is constituted of a support stand 3 having a cavity part 4, a flexible plate 5 that has at least one detecting device and is laid horizontally on the cavity part 4 of the support stand 3, and an operant 2 pulled and supported by the flexible plate 5 in the cavity part 4 of the support stand 3. Then clearance parts 7A and 7B with a predetermined width are formed between the operant 2 and the support stand 3 and/or deterrent members 8A and 8B mounted on the support stand 3 so that the operant 2 is not deformed to exceed the predetermined distance.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】 本発明は、作用体の変位そ
のもの、或いは作用体の変位によって可撓板に生ずる撓
みを検知素子により検知することにより、外部から作用
する物理量の方向及び大きさを三次元的に測定するセン
サであって、急激に加わる衝撃力或いは大きな外力の作
用による可撓板の損傷/破損の防止を図った信頼性に優
れる力(ちから)センサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a method of detecting the direction and magnitude of a physical quantity acting from the outside by detecting the displacement of an actuating body itself or the bending of a flexible plate due to the displacement of an actuating body by a sensing element. The present invention relates to a sensor that is originally measured and is a highly reliable force sensor that prevents damage / breakage of a flexible plate due to the action of a sudden impact force or a large external force.

【0002】[0002]

【従来の技術】 自動車産業や機械産業の分野において
は、加速度、磁気等の物理量を正確に検出できるセンサ
の需要が高まっている。特に、二次元あるいは三次元の
成分ごとにこれらの物理量を検出し得る小型のセンサが
望まれている。例えば、加速度センサは、自動車が急ハ
ンドルや横風等によって体勢を崩した場合に自動的に体
勢を整える機構や衝突感知機構、クレーン等の自立安定
性を調整する機構、或いは配管中を流れる流体速度の変
化を感知して流量の調整或いはバルブの開閉を行う機構
等に用いることができる。
2. Description of the Related Art In the fields of the automobile industry and the machine industry, there is an increasing demand for sensors capable of accurately detecting physical quantities such as acceleration and magnetism. In particular, a small sensor capable of detecting these physical quantities for each two-dimensional or three-dimensional component is desired. For example, an acceleration sensor is a mechanism that automatically adjusts the posture when a vehicle loses its position due to a sudden steering wheel, a side wind, or the like, a collision sensing mechanism, a mechanism that adjusts autonomous stability such as a crane, or a fluid velocity flowing through piping. It can be used for a mechanism or the like that adjusts the flow rate or opens and closes a valve by sensing a change in the pressure.

【0003】 このようなセンサとして、特開平5−2
5744号公報には、図16に示すように、重錘96を
釣支した可撓板97上に複数個の圧電素子98を配置し
たセンサ95が開示されている。また、特開平8−94
661号公報には、図15に示すように、支台93と可
撓板92及びセンサ内部に配設された重錘が圧電材料で
一体的に形成されたセンサ90であって、円筒状の支台
93の一端面が可撓板92によって閉塞され、支台93
の中空部中央において円柱状の重錘を可撓板92に釣支
し、可撓板92の表面には複数の上部電極91A〜91
Eが設けられ、また支台93、可撓板92、重錘の下面
には下部電極91Fが設けられたセンサ90が開示され
ている。
As such a sensor, Japanese Patent Application Laid-Open No. H5-25-2
Japanese Patent No. 5744 discloses a sensor 95 in which a plurality of piezoelectric elements 98 are arranged on a flexible plate 97 on which a weight 96 is supported, as shown in FIG. In addition, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-94
No. 661 discloses a sensor 90 in which a support 93, a flexible plate 92, and a weight disposed inside the sensor are integrally formed of a piezoelectric material, as shown in FIG. One end surface of the abutment 93 is closed by the flexible plate 92, and the abutment 93 is closed.
In the center of the hollow portion, a column-shaped weight is supported by the flexible plate 92, and a plurality of upper electrodes 91A to 91A are provided on the surface of the flexible plate 92.
A sensor 90 is disclosed in which E is provided, and a lower electrode 91F is provided on the lower surface of the support 93, the flexible plate 92, and the weight.

【0004】 これらのセンサは、外部から重錘に作用
する直接的な力、加速度による慣性力、磁気による引力
といった物理量に対応した力により可撓板が撓むように
構成されており、可撓板の撓みに応じて圧電体に発生す
る電荷を検出することで、重錘に作用した物理量(力)
の方向及び大きさを検出することができる。以下、この
ようなセンサを「力(ちから)センサ」ということとす
る。
[0004] These sensors are configured such that the flexible plate bends by a force corresponding to a physical quantity such as a direct force externally acting on the weight, an inertial force due to acceleration, or an attractive force due to magnetism. Physical quantity (force) acting on the weight by detecting the charge generated in the piezoelectric body according to the bending
Direction and size can be detected. Hereinafter, such a sensor is referred to as a “force (power) sensor”.

【0005】 力センサにおける三次元的な力の検出、
即ち、直交座標系を表すX、Y、Z軸方向(以下、「三
軸方向」という。)の力の検出は、図15記載のセンサ
を例に取ると、重錘がその釣支方向であるZ軸方向に変
位した場合には、上部電極91Eに生ずる電荷によりそ
の変位量を検出することができる。このとき、上部電極
91Aと91Bに生じた電荷が互いに相殺され、また、
上部電極91Cと91Dに生じた電荷も互いに相殺され
るように配線することにより、X軸方向及びY軸方向の
力を検出しないようにする。同様にして、X軸方向に重
錘が変位した場合には上部電極91Aと91Bに生じた
電荷により、Y軸方向に重錘が変位した場合には上部電
極91Cと91Dに生じた電荷により、それぞれの方向
の変位量を測定することができる。こうして、任意の方
向に重錘が変位した場合には、検出された各軸方向の成
分を合成することで、重錘に加わった力の向きと大きさ
を知ることができる。
A three-dimensional force detection by a force sensor,
That is, in the detection of the forces in the X, Y, and Z axis directions (hereinafter, referred to as “three-axis directions”) representing a rectangular coordinate system, taking the sensor shown in FIG. When the displacement occurs in a certain Z-axis direction, the displacement amount can be detected by the electric charge generated in the upper electrode 91E. At this time, the electric charges generated in the upper electrodes 91A and 91B cancel each other, and
Wiring is performed so that the charges generated in the upper electrodes 91C and 91D are also offset from each other, so that the forces in the X-axis direction and the Y-axis direction are not detected. Similarly, when the weight is displaced in the X-axis direction, the charge generated on the upper electrodes 91A and 91B is used. When the weight is displaced in the Y-axis direction, the charge is generated on the upper electrodes 91C and 91D. The amount of displacement in each direction can be measured. In this way, when the weight is displaced in an arbitrary direction, the direction and magnitude of the force applied to the weight can be known by combining the detected axial components.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】 このような力センサ
においては、検出精度を保ちつつ、使用時の信頼性を向
上させることが不可欠である。ここで、可撓板に所望す
る撓みを生じさせるために、可撓板の幅をある所定幅以
上とすることが必要である。また、可撓板の表面には多
くの圧電素子等の検知素子や電極を形成する必要がある
ことから、これら検知素子等を配置するために必要な面
積を確保するために可撓板の幅をある所定幅以上とする
ことも必要である。更に、可撓板の幅を狭くした場合に
は、可撓板周辺の剛性が高まるために重錘が揺れ難くな
って変位が妨げられ、このため可撓板に十分な応力が発
生せず、検出感度が低下する問題がある。このため、従
来の力センサにおいては、重錘の外周と支台の内周面と
の間隔が、可撓板の幅と同等に設計されていた。
In such a force sensor, it is essential to improve the reliability in use while maintaining the detection accuracy. Here, in order to cause a desired bending of the flexible plate, it is necessary that the width of the flexible plate be equal to or larger than a predetermined width. Further, since it is necessary to form many sensing elements and electrodes such as piezoelectric elements on the surface of the flexible plate, the width of the flexible plate is required to secure an area necessary for disposing these sensing elements and the like. Must be equal to or larger than a predetermined width. Further, when the width of the flexible plate is reduced, the rigidity around the flexible plate is increased, so that the weight becomes difficult to swing and the displacement is hindered. Therefore, sufficient stress is not generated in the flexible plate. There is a problem that the detection sensitivity is reduced. For this reason, in the conventional force sensor, the distance between the outer periphery of the weight and the inner peripheral surface of the abutment is designed to be equal to the width of the flexible plate.

【0007】 これに対して、重錘は所定の検出範囲と
検出精度が得られる範囲内で変位すればよく、過大な変
位はセンサの故障の原因となる問題があった。例えば、
図16や図15記載のセンサを、過誤等により落下等し
て地面に衝突させてしまった場合には、重錘に過大な加
速度がかかって、重錘と可撓板との境界部にクラック
(亀裂)が生ずる等して、センサの破損を招くことがあ
った。
On the other hand, the weight only has to be displaced within a predetermined detection range and a range where detection accuracy can be obtained, and there has been a problem that an excessive displacement may cause a failure of the sensor. For example,
If the sensor shown in FIGS. 16 and 15 is dropped due to an error or the like and collides with the ground, excessive acceleration is applied to the weight, and cracks occur at the boundary between the weight and the flexible plate. (Cracks) and the like, and the sensor was sometimes damaged.

【0008】 また、通常の使用時において、重錘に所
望する変位量を超える変位を誘起する力がかかることも
想定される。このような場合には、一度の力の印加によ
ってセンサが破損することはなくとも、そのような大き
な力が数多くかかることによって、徐々に重錘と可撓板
との間で強度劣化が進行し、ついには破壊に至ることも
考えられる。
In addition, during normal use, it is also assumed that a force that induces a displacement exceeding a desired displacement amount is applied to the weight. In such a case, even if the sensor is not damaged by one force application, the strength is gradually deteriorated between the weight and the flexible plate due to the large number of such large forces. Eventually, it can be destroyed.

【0009】 更に、力センサにおいては、可撓板は十
分な感度を得るために可撓性が高いことが要求される一
方、重錘及び支台は受けた加速度を純粋に検出するた
め、剛性が高く撓み難いことが要求される。このため別
体として作製した重錘、支台、可撓板の各部材を組み立
ててセンサを構成すれば、これらの相反する特性を満足
させることが可能であるが、多くの部品と工数を要し、
生産性の低下は否めないという問題がある。
Further, in the force sensor, the flexible plate is required to have high flexibility in order to obtain sufficient sensitivity, while the weight and the abutment are rigid in order to purely detect the received acceleration. Is required to be high and difficult to bend. Therefore, if the sensor is constructed by assembling the weight, abutment, and flexible plate members that are separately manufactured, it is possible to satisfy these contradictory characteristics, but many parts and man-hours are required. And
There is a problem that productivity cannot be denied.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】 本発明は上述した従来
技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的と
するところは、落下や衝突等の通常予想される力よりも
大きな力がセンサに加えられた場合であっても、センサ
が故障することなく、しかも測定精度が良好に維持され
た信頼性に優れる力センサを提供することにある。即
ち、本発明によれば、中空部を有する支台と、少なくと
も1個の検知素子を有し、かつ、当該支台の中空部に横
架された可撓板と、当該支台の中空部において当該可撓
板に釣支された作用体から構成された力センサであっ
て、当該作用体が所定距離以上に変位しないように、当
該作用体と当該支台及び/又は当該支台に取り付けられ
た制止部材との間に所定幅の間隙部が形成されているこ
とを特徴とする力センサ、が提供される。なお、本発明
の力センサには、一軸方向(線方向)のみの力の検出を
行うことができる力センサと、任意の二軸方向(平面方
向)のみの力の検出を行うことができる力センサ、並び
に三軸方向の力を検出する力センサ、の全てが含まれ
る。これらの力センサにおける検出方位の選択は、力セ
ンサの用途に応じて、検知素子の配置状態や配線状態を
変えることにより行うことができる。
Means for Solving the Problems The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a larger force than normally expected, such as a fall or a collision. It is an object of the present invention to provide a highly reliable force sensor that does not break down even when applied to a sensor and that maintains good measurement accuracy. That is, according to the present invention, an abutment having a hollow portion, a flexible plate having at least one sensing element, and being laterally suspended in the hollow portion of the abutment, and a hollow portion of the abutment A force sensor comprising an operating body supported by the flexible plate, wherein the operating body is attached to the supporting body and / or the support so that the operating body is not displaced beyond a predetermined distance. A force sensor, wherein a gap having a predetermined width is formed between the force sensor and the stopping member. The force sensor according to the present invention includes a force sensor capable of detecting a force only in a uniaxial direction (linear direction) and a force sensor capable of detecting a force only in an arbitrary biaxial direction (plane direction). Sensors, as well as force sensors that detect forces in three axes, are included. Selection of the detection direction in these force sensors can be performed by changing the arrangement state and the wiring state of the sensing elements according to the application of the force sensor.

【0011】 この本発明の力センサにおいては、作用
体に形成された凸部及び/又は凹部と、支台及び/又は
制止部材に形成された凸部及び/又は凹部との間に、前
述した間隙部が形成されている構造を有することが好ま
しい。また、制止部材は、支台の上面及び/又は下面に
貼着されていることがこのましい。本発明の力センサ
は、作用体を重錘として用い、外部から作用する加速度
を検知する加速度センサとして好適に用いられる。
[0011] In the force sensor of the present invention, the above-described portion is provided between the convex portion and / or concave portion formed on the working body and the convex portion and / or concave portion formed on the abutment and / or the restraining member. It is preferable to have a structure in which a gap is formed. Further, it is preferable that the stopping member is attached to the upper surface and / or the lower surface of the abutment. INDUSTRIAL APPLICABILITY The force sensor of the present invention uses an operating body as a weight, and is suitably used as an acceleration sensor for detecting an externally applied acceleration.

【0012】 さて、本発明の力センサの作製方法とし
てはグリーンシート積層法を用い、支台と作用体及び可
撓板を一体焼成して形成することが好ましい。ここで、
グリーンシートの所定位置に焼失材を印刷等して形成
し、焼成時にこの焼失材が焼失することで間隙部を形成
すると、製造工程が簡単となり、好ましい。なお、グリ
ーンシートとしては、ジルコニアを主成分としたものが
好適に用いられ、特に、可撓板はグリーンシートと検知
素子を一体焼成して形成することが好ましい。検知素子
としては、圧電素子が好適に用いられる。また、特に、
可撓板の組成としては、TiO2換算で0.1〜0.6
重量%のチタン及び/又はMgO換算で0.005〜
0.1重量%のマグネシウムを含有するジルコニアセラ
ミックスを用いることが好ましく、TiO2換算で0.
2〜0.5重量%のチタン及び/又はMgO換算で0.
01〜0.05重量%のマグネシウムを含有するジルコ
ニアセラミックスであると、より好ましい。
Now, as a method of manufacturing the force sensor of the present invention, it is preferable to use a green sheet laminating method and integrally form the abutment, the working body, and the flexible plate by firing. here,
It is preferable that the burned material is formed at a predetermined position on the green sheet by printing or the like, and the burned material is burned out during firing to form a gap, thereby simplifying the manufacturing process. As the green sheet, one containing zirconia as a main component is preferably used, and in particular, the flexible plate is preferably formed by integrally firing the green sheet and the sensing element. As the detecting element, a piezoelectric element is preferably used. Also, in particular,
The composition of the flexible plate, 0.1 to 0.6 in terms of TiO 2
0.005 to 0.005% by weight of titanium and / or MgO
It is preferable to use zirconia ceramics containing magnesium 0.1% by weight, 0 in terms of TiO 2.
2 to 0.5% by weight of titanium and / or 0.
It is more preferable that the zirconia ceramic contains magnesium in an amount of from 0.01 to 0.05% by weight.

【0013】 ところで、本発明の力センサにおいて、
作用体が直径2bの円柱形を有し、支台が内径2aの円
筒内周壁を有している場合において、可撓板の厚さを
h、ヤング率をE、破壊応力をσとしたとき、間隙部の
幅Lは、L=±σαa2/βEh(α:最大撓みの係
数、β:最大応力の係数)の範囲内とすることが好まし
い。間隙部の幅Lのより好ましい範囲は、L=±0.9
σαa2/βEhの間であり、更に好ましい範囲は、L
=±0.7σαa2/βEhの間であり、最も好ましい
のは、L=±0.5σαa2/βEhの範囲内である。
By the way, in the force sensor of the present invention,
When the acting body has a cylindrical shape having a diameter of 2b and the abutment has a cylindrical inner peripheral wall having an inner diameter of 2a, when the thickness of the flexible plate is h, the Young's modulus is E, and the breaking stress is σ. The width L of the gap is preferably in the range of L = ± σαa 2 / βEh (α: coefficient of maximum deflection, β: coefficient of maximum stress). A more preferable range of the width L of the gap is L = ± 0.9.
σαa 2 / βEh, and a more preferable range is L
= Is between ± 0.7σαa 2 / βEh, most preferred, L = in the range of ± 0.5σαa 2 / βEh.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】 以下、本発明の実施の形態につ
いて、検知素子として、本発明において好適に採用され
る圧電素子を用いた場合を例に、図面を参照しながら説
明する。これら各種の力センサは、作用体を重錘として
用いることで、外部から作用する加速度を検知する加速
度センサとして好適に使用される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, taking as an example a case where a piezoelectric element suitably employed in the present invention is used as a sensing element. These various force sensors are suitably used as an acceleration sensor for detecting acceleration acting from the outside by using the acting body as a weight.

【0015】 図1は、本発明の力センサ(以下、「セ
ンサ」という。)の一実施形態を示す断面図である。セ
ンサ1の基本構成部材は、中空部4を有する支台3と、
支台3の中空部4に横架された可撓板5と、支台3の中
空部4において可撓板5に釣支された作用体2である。
作用体2は、センサ1では中空部4(可撓板5)の中心
において釣支されているが、必ずしもこのような位置に
限定されるものではない。
FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of a force sensor (hereinafter, referred to as “sensor”) of the present invention. The basic constituent members of the sensor 1 are an abutment 3 having a hollow portion 4,
A flexible plate 5 laid horizontally in the hollow portion 4 of the support 3 and the working body 2 supported by the flexible plate 5 in the hollow portion 4 of the support 3.
The operating body 2 is supported by the sensor 1 at the center of the hollow portion 4 (flexible plate 5), but is not necessarily limited to such a position.

【0016】 なお、可撓板5の上側表面には、少なく
とも1個の検知素子が配設されるが、図1においては省
略され、図示されていない。また、センサ1において、
重錘2が釣支される方向をZ軸方向とし、Z軸方向をセ
ンサ1の上下方向と規定する。また、Z軸に垂直な可撓
板5の横架方向にX軸及びY軸を設定する。このような
座標軸の設定は、後述する各種センサについても同様で
ある。
Although at least one sensing element is provided on the upper surface of the flexible plate 5, it is omitted in FIG. 1 and is not shown. In the sensor 1,
The direction in which the weight 2 is supported is defined as the Z-axis direction, and the Z-axis direction is defined as the vertical direction of the sensor 1. Further, the X-axis and the Y-axis are set in the transverse direction of the flexible plate 5 perpendicular to the Z-axis. The setting of such coordinate axes is the same for various sensors described later.

【0017】 作用体とは外部からの力を受けて変位す
る部材であり、支台は作用体や可撓板を保持するための
基礎となる部材をいう。従って、作用体と支台は、力に
よって変形することのない剛性の大きい材料、例えば、
セラミックや金属を用いて形成されることが好ましく、
作用体に比重の大きい材料を用いると小型化が容易とな
る利点がある。
The working body is a member that is displaced by receiving an external force, and the abutment is a base member for holding the working body and the flexible plate. Therefore, the working body and the abutment are made of a material having high rigidity that is not deformed by force, for example,
It is preferably formed using ceramic or metal,
When a material having a large specific gravity is used for the working body, there is an advantage that downsizing becomes easy.

【0018】 一方、可撓板は作用体を釣支して支台に
横架された板状部材であって、作用体の変位に基づいて
撓みを生ずるものである。従って、可撓板は作用体の変
位によって破損しない限りにおいて弾性変形が容易であ
るほどセンサの感度を向上させることができ、好まし
い。具体的には、金属、セラミックス、ガラス、樹脂等
が使用できるが、ヤング率が高く、圧電素子に歪みを誘
起し易く、更に圧電素子の配設が容易であるセラミック
スを用いることが好ましい。なお、可撓板に金属材料を
用いた場合には、圧電素子が電極を有する関係上、圧電
素子との絶縁処理が必要となる場合がある。また、可撓
板全体を圧電体で構成してもよい。
On the other hand, the flexible plate is a plate-like member suspended on the abutment while supporting the working body, and is bent based on the displacement of the working body. Therefore, as long as the flexible plate is not damaged by the displacement of the working body, the easier the elastic deformation, the higher the sensitivity of the sensor can be improved, which is preferable. Specifically, metals, ceramics, glass, resins, and the like can be used, but it is preferable to use ceramics having a high Young's modulus, easily inducing distortion in the piezoelectric element, and easily disposing the piezoelectric element. In the case where a metal material is used for the flexible plate, the piezoelectric element may have an electrode, and thus may need to be insulated from the piezoelectric element. Further, the entire flexible plate may be made of a piezoelectric material.

【0019】 センサ1において、可撓板5は三軸方向
のそれぞれの軸方向に加わる力を検出する圧電素子を配
設するために十分な幅を有している。これにより所望す
る検出精度と測定範囲を確保することが可能となる。ま
た、作用体2の上下方向(Z軸方向)における変位量を
制限するために、支台3の上下端面には、制止部材8A
・8Bが、それぞれスペーサ9A・9Bを介して接着剤
等を用いて貼着されており、このスペーサ9A・9Bの
厚みにより、間隙部7A・7Bが形成されている。な
お、接着剤等に所定径を有するビーズ等を混入させるこ
とにより、接着剤自体をスペーサ兼接着剤として用いる
ことも可能である。
In the sensor 1, the flexible plate 5 has a width sufficient to dispose a piezoelectric element for detecting a force applied in each of the three axial directions. This makes it possible to secure the desired detection accuracy and measurement range. In order to limit the amount of displacement of the working body 2 in the vertical direction (Z-axis direction), the upper and lower end surfaces of the support 3 are provided with restraining members 8A.
8B are adhered using an adhesive or the like via spacers 9A and 9B, respectively, and the gaps 7A and 7B are formed by the thickness of the spacers 9A and 9B. The adhesive itself can be used as a spacer and an adhesive by mixing beads or the like having a predetermined diameter into the adhesive or the like.

【0020】 センサ1においては、作用体2及び支台
3の下部においてダイサーライン6が形成されており、
このダイサーラインは、ダイヤモンドカッター(ホイー
ル)等を用いたダイシング(切削)等によって形成され
た間隙部である。後述するグリーンシート積層法を用い
てセンサ1を作製する場合、最初は作用体2及び支台3
の下部を一枚板で一体的に形成しておき、その後にX軸
方向とY軸方向におけるダイサーラインがそれぞれ中空
部4のZ軸方向外延上において交差するように、前述し
た一枚板を切断することで、ダイサーライン6が形成さ
れる。このダイサーライン6の形成によって、作用体2
と支台3は分離され、作用体2は可撓板5から釣支され
ることとなり、制止部材8A・8Bはダイサーライン6
の形成後に支台3へ貼着される。
In the sensor 1, a dicer line 6 is formed below the working body 2 and the support 3,
The dicer line is a gap formed by dicing (cutting) using a diamond cutter (wheel) or the like. When the sensor 1 is manufactured by using a green sheet laminating method described later, first, the operating body 2 and the support 3
Is integrally formed with a single plate, and then the above-described single plate is so formed that the dicer lines in the X-axis direction and the Y-axis direction intersect each other on the extension of the hollow portion 4 in the Z-axis direction. By cutting, the dicer line 6 is formed. By the formation of the dicer line 6, the working body 2
And the abutment 3 are separated from each other, and the working body 2 is supported by the flexible plate 5, and the stopping members 8A and 8B are
Is adhered to the abutment 3 after the formation.

【0021】 なお、このダイサーライン6は、作用体
2のX−Y平面方向における変位量を制限する役割に用
いることも可能ではあるが、ダイシングにより形成され
たダイサーライン6は、間隙部7A・7Bより一般的に
その幅が広いため、積極的な作用体2のX−Y平面方向
の変位制限には用いられない。換言すれば、センサ1に
は、X−Y平面方向における作用体2の変位量制御のた
めの別の部位を設けることが好ましい。但し、ダイサー
ライン6を刃幅の薄いダイヤモンドカッターやワイヤー
ソーを用いたダイシング、或いはレーザ加工等を用い
て、隙間部7A・7B等と同等幅で形成することができ
る場合には、ダイサーライン6を作用体2のX−Y平面
方向における変位制限に用いることが可能である。
The dicer line 6 can be used to limit the amount of displacement of the working body 2 in the XY plane direction. However, the dicer line 6 formed by dicing has a gap 7A Since the width is generally wider than that of 7B, it is not used to positively limit the displacement of the acting body 2 in the XY plane direction. In other words, it is preferable that the sensor 1 be provided with another portion for controlling the displacement of the operating body 2 in the XY plane direction. However, if the dicer line 6 can be formed to have the same width as the gaps 7A and 7B by using a diamond cutter with a small blade width, dicing using a wire saw, or laser processing, the dicer line 6 Can be used to limit the displacement of the action body 2 in the XY plane direction.

【0022】 このセンサ1においては、可撓板5を所
定幅に維持しつつ、間隙部7A・7Bにより、作用体2
のZ軸方向の極端な変位が抑制されるために、可撓板5
の損傷、破壊が防止されるため信頼性に優れる。但し、
センサ1では、X−Y平面方向における変位制限が図ら
れていないという問題が残る。また、制止部材8A・8
Bは、作用体2と支台3及び可撓板5とは別体で作製さ
れており、制止部材8A・8Bとして本体とは異なる任
意の材料を用いることができる利点があるが、製造工程
からみると、部品数、工程数が多くなり、また、間隙部
7A・7Bの隙間が一定となり難い問題が残される。
In the sensor 1, while maintaining the flexible plate 5 at a predetermined width, the gaps 7 A and 7 B allow the action body 2
Is prevented from being extremely displaced in the Z-axis direction.
It is highly reliable because damage and destruction are prevented. However,
In the sensor 1, there remains a problem that the displacement is not limited in the XY plane direction. Also, the stopping members 8A and 8A
B has the advantage that the working body 2, the abutment 3 and the flexible plate 5 are formed separately from each other, and that any material different from the main body can be used as the stopping members 8A and 8B. From the viewpoint, the number of parts and the number of steps are increased, and the gaps of the gaps 7A and 7B are difficult to be constant.

【0023】 次に、図2に本発明の力センサの異なる
実施形態を示す。センサ10は、前述したセンサ1の作
用体2の下面において、その中央に円柱状の凹部2Aを
形成し、支台3の下部に取り付けられる制止部材8Bの
中央部において円柱状の凸部8Cを形成した構造を有し
ている。そして、これらの凹部2Aと凸部8Cとの間に
は、Z軸方向においては所定幅の間隙部7Cが形成さ
れ、X−Y平面方向にもまた所定幅の間隙部7Dが形成
された構造を有している。
Next, FIG. 2 shows another embodiment of the force sensor of the present invention. The sensor 10 has a columnar concave portion 2A formed in the center of the lower surface of the operating body 2 of the sensor 1 described above, and a columnar convex portion 8C formed in a central portion of a stopping member 8B attached to a lower portion of the support 3. It has a formed structure. A gap 7C having a predetermined width is formed in the Z-axis direction between the recess 2A and the projection 8C, and a gap 7D having a predetermined width is also formed in the XY plane direction. have.

【0024】 この間隙部7Dにより作用体2のX−Y
平面方向の変位が制限される。また、間隙部7Cの幅を
間隙部7Bの幅と同等以下とすることで、間隙部Cを作
用体2のZ軸下方向の変位制限に用いることが可能であ
るが、間隙部7Cの幅は間隙部7Bの幅と同等以上とし
て、Z軸下方向の作用体2の変位は主に間隙部7Bによ
り制限することが好ましい。センサ10においても、制
止部材8Bは別体で準備されるため、作用体2に形成さ
れた凹部2Aの形状に合わせて、凸部8Cを形成した制
止部材8Bを準備すればよい。
XY of the operating body 2 is formed by the gap 7D.
The displacement in the plane direction is limited. By setting the width of the gap 7C equal to or less than the width of the gap 7B, the gap C can be used to limit the displacement of the working body 2 in the Z-axis downward direction. Is preferably equal to or greater than the width of the gap 7B, and the displacement of the working body 2 in the Z-axis downward direction is preferably limited mainly by the gap 7B. In the sensor 10 as well, since the restraining member 8B is prepared separately, the restraining member 8B having the convex portion 8C may be prepared according to the shape of the concave portion 2A formed in the operating body 2.

【0025】 このようなセンサ10においては、作用
体2の変位は、三軸方向で制限されるため、センサ1と
比較してより信頼性に優れたものとなる。但し、部品
数、工程数が多く、間隙部7A〜7Dの隙間が一定とな
り難い等の問題が残されることは否定できない。
In such a sensor 10, since the displacement of the working body 2 is restricted in three axial directions, the sensor 10 is more reliable than the sensor 1. However, it cannot be denied that the number of parts and the number of steps are large, and that the gaps of the gaps 7A to 7D are difficult to be constant.

【0026】 さて、図3には本発明の力センサの更に
別の実施形態を示す。センサ11は、前述したセンサ1
における支台3の内周側中央部に、作用体2の外周と所
定間隔の間隙部7Eが形成されるように、円環状の凸部
3Aを形成した構造を有しており、この間隙部7Eによ
って作用体2のX−Y方向の変位が制限されている。な
お、Z軸方向においてはセンサ1と同様に、制止部材8
A・8Bにより作用体2の変位が制限されている。セン
サ11の有するデメリットは、センサ1と同様である
が、間隙部7Eは後述するグリーンシート積層法により
容易に精度よく形成することができるという利点があ
る。
FIG. 3 shows still another embodiment of the force sensor of the present invention. The sensor 11 is the sensor 1 described above.
Has a structure in which an annular convex portion 3A is formed at a central portion on the inner peripheral side of the abutment 3 so as to form a gap portion 7E at a predetermined interval from the outer periphery of the working body 2. 7E restricts the displacement of the action body 2 in the XY directions. In the Z-axis direction, similarly to the sensor 1, the stopping member 8
The displacement of the working body 2 is limited by A · 8B. The demerit of the sensor 11 is the same as that of the sensor 1, but has an advantage that the gap portion 7E can be easily and accurately formed by a green sheet laminating method described later.

【0027】 続いて、図4に本発明の力センサの更に
別の実施形態を示す。前述したセンサ11においては、
X−Y平面方向の変位制御が支台3に一体的に形成され
た凸部3Aにより行われるのに対して、センサ12で
は、作用体2の外周に円環状の凸部2Bを形成すること
により、支台3の内周壁との間に間隙部7Fを形成し、
作用体2のX−Y平面方向の変位制限が行われるもので
ある。なお、センサ12はセンサ11と同様の作製方法
を用いて作製される。
Next, FIG. 4 shows still another embodiment of the force sensor of the present invention. In the sensor 11 described above,
While the displacement control in the XY plane direction is performed by the convex portion 3A formed integrally with the support 3, the sensor 12 has an annular convex portion 2B formed on the outer periphery of the operating body 2. Thereby, a gap 7F is formed between the support 3 and the inner peripheral wall,
The displacement of the action body 2 in the XY plane direction is limited. Note that the sensor 12 is manufactured using the same manufacturing method as that of the sensor 11.

【0028】 図5に示したセンサ13は、本発明の力
センサの更に別の実施形態を示している。支台3の下部
には、スペーサ9Bを介して制止部材8Bが貼着されて
おり、作用体2のZ軸下方向への変位が制限されてい
る。また、ダイサーライン6を形成することによって形
成された作用体2下部の凸部2Cと、支台3の内周面か
ら径方向に突出するように一体的に形成された凸部3B
との間に、Z軸方向の間隙部7Gを形成することで、Z
軸上方向への作用体2の変位が制限されている。なお、
センサ13において、凸部3Bと作用体2の外周との間
隙部7Hの間隔を間隙部7Gと同等に設定することによ
り、凸部3Bは作用体2のX−Y平面方向への変位制限
にも用いることが可能となる。
The sensor 13 shown in FIG. 5 shows still another embodiment of the force sensor according to the present invention. A restraining member 8B is adhered to a lower portion of the support 3 via a spacer 9B, and displacement of the working body 2 in the Z-axis downward direction is restricted. Further, a convex portion 2C formed by forming the dicer line 6 at the lower portion of the working body 2 and a convex portion 3B integrally formed so as to protrude radially from the inner peripheral surface of the support 3.
By forming a gap 7G in the Z-axis direction between
The displacement of the working body 2 in the axial direction is limited. In addition,
In the sensor 13, by setting the interval of the gap 7 </ b> H between the projection 3 </ b> B and the outer periphery of the operation body 2 to be equal to the gap 7 </ b> G, the projection 3 </ b> B restricts the displacement of the operation body 2 in the XY plane direction. Can also be used.

【0029】 センサ13は、前述したセンサ1並びに
センサ10〜12と比較すると、一方の制止部材8Aを
必要としない点で、生産性に優れている。また、間隙部
7Gの間隔制御を、後述するグリーンシート積層法を用
いれば、グリーンシートに焼成時に焼失する部材を塗布
する方法や、或いは焼失するシートを積層する方法等を
用いることにより、容易に行うことができる利点があ
る。
The sensor 13 is superior in productivity to the sensor 1 and the sensors 10 to 12 in that the sensor 13 does not require one stop member 8A. In addition, if the gap control of the gap 7G is performed by using a green sheet laminating method described later, a method of applying a member that burns down on the green sheet or a method of laminating a sheet that burns down can be easily used. There are advantages that can be done.

【0030】 さて、前述したセンサ13おいては、支
台3に凸部3Bを設けたが、図6に示すセンサ14のよ
うに、作用体2の下部外周の径を大きくするように凸部
2Dを設け、ダイサーライン6によって支台3の下部に
形成される凸部3Cとの間に、Z軸方向の間隙部7Jを
設けることによって、作用体2のZ軸方向における負の
向きの変位を制限することが可能となる。
In the sensor 13 described above, the abutment 3 is provided with the convex portion 3B. However, like the sensor 14 shown in FIG. 2D, and a gap 7J in the Z-axis direction between the projection 3C formed below the support 3 by the dicer line 6, thereby displacing the working body 2 in the negative direction in the Z-axis direction. Can be restricted.

【0031】 従って、センサ13と比較すると、セン
サ14においては、Z軸下方向への作用体2の変位を制
限する制止部材8Bは必要とせず、代わりに、Z軸上方
向への作用体2の変位を制限する制止部材8Aがスペー
サ9Aを介して作用体3の上面に取り付けられる。な
お、凸部2Dと支台3の内周壁との間に形成される間隙
部7Kを所定幅とすることにより、凸部2Dは、作用体
2のX−Y平面方向への変位制限にも用いることが可能
となる。
Therefore, in comparison with the sensor 13, the sensor 14 does not require the stopping member 8 B for limiting the displacement of the operating body 2 in the Z-axis downward direction, and instead, does not require the operating body 2 in the Z-axis upward direction. 8A is attached to the upper surface of the working body 3 via the spacer 9A. By setting the gap 7K formed between the convex portion 2D and the inner peripheral wall of the support 3 to have a predetermined width, the convex portion 2D also serves to limit the displacement of the working body 2 in the XY plane direction. It can be used.

【0032】 次に、本発明における力センサの更に別
の実施形態を図7に示す。センサ15においては、作用
体2の中央部分にその外周径が大きくなるような円環状
の凸部2Eが形成されると同時に、支台3の内周側中央
部において、円環状の凹部3Dが形成されており、これ
ら凸部2Eと凹部3Dの間に、Z軸方向においては間隙
部7Mが、X−Y平面方向には間隙部7Lがそれぞれ所
定幅に形成されている。従って、凸部2Eと凹部3Dに
よって、作用体2の三軸方向の変位が制限されるため、
急激な外力の作用等に対する破損が回避され、信頼性の
向上が図られる。
Next, still another embodiment of the force sensor according to the present invention is shown in FIG. In the sensor 15, an annular convex portion 2 </ b> E having a larger outer diameter is formed at a central portion of the working body 2, and an annular concave portion 3 </ b> D is formed at an inner peripheral side central portion of the support 3. A gap 7M is formed at a predetermined width in the Z-axis direction and a gap 7L is formed at a predetermined width in the XY plane direction between the projection 2E and the recess 3D. Therefore, the three-dimensional displacement of the working body 2 is restricted by the convex portion 2E and the concave portion 3D.
Breakage due to sudden external force or the like is avoided, and reliability is improved.

【0033】 このような凸部2E及び凹部3Dは、グ
リーンシート積層法を用いた場合であっても、それぞれ
作用体2及び支台3の本体の部分を一体的に形成するこ
とができる。また、前述したセンサ1等と比較して、セ
ンサ15は制止部材8A・8Bを必要としない。このた
め、センサ15の製造に当たっては別体の部品を必要と
せず、また別体の部品の組立を必要としないことから、
製造工程を簡素化して生産性を向上させることが可能と
なる。更に、間隙部7L・7Mの間隔制御が容易である
利点がある。
Such a convex portion 2E and a concave portion 3D can integrally form the main body of the operating body 2 and the abutment 3, respectively, even when the green sheet laminating method is used. Further, as compared with the above-described sensor 1 and the like, the sensor 15 does not require the stopping members 8A and 8B. For this reason, the manufacture of the sensor 15 does not require a separate component, and does not require the assembly of a separate component.
It is possible to simplify the manufacturing process and improve the productivity. Further, there is an advantage that the gap control of the gaps 7L and 7M is easy.

【0034】 センサ15において作用体2及び支台3
にそれぞれ形成された凸部2E及び凹部3Dを、互いに
逆に形成することも可能である。即ち、図8に示したセ
ンサ16のように、作用体2の中央部に円環状の凹部2
Fを形成すると共に、支台3の中央部に円環状の凸部3
Eを形成することにより、間隙部7K・7Lを形成する
ことも好ましい。こうして、作用体2の三軸方向の変位
が制限される。
In the sensor 15, the operating body 2 and the abutment 3
It is also possible to form the convex portion 2E and the concave portion 3D respectively formed in opposite directions. That is, as in the case of the sensor 16 shown in FIG.
F and an annular convex portion 3 at the center of the support 3.
It is also preferable to form the gaps 7K and 7L by forming E. Thus, the displacement of the working body 2 in the three axial directions is limited.

【0035】 さて、前述したセンサ15・16におい
ては、作用体2及び支台3に形成した凸部及び凹部は共
に円環状であったが、このような凸部及び凹部の形状に
制限はない。例えば、図9に示したセンサ17は、セン
サ15において、作用体2に形成された円環状の凸部2
Eを、X軸方向及びY軸方向にそれぞれ突出した略角柱
状の凸部2Gとして形成した実施形態を示している。
In the above-described sensors 15 and 16, the convex portions and the concave portions formed on the operating body 2 and the support 3 are both annular, but the shapes of the convex portions and the concave portions are not limited. . For example, the sensor 17 shown in FIG. 9 is different from the sensor 15 in that the annular convex portion 2
In this embodiment, E is formed as a substantially prismatic convex portion 2G that protrudes in the X-axis direction and the Y-axis direction.

【0036】 ここで、支台3に形成された凹部3D
は、センサ15の場合と同様に円環状に形成しても構わ
ない。この凹部3Dの形状に対応して、凸部2Gの先端
面は隙間部7Lが形成されるように曲面状に形成され
る。勿論、凸部2GのX−Y平面内での回転変位を抑制
するように、凸部2Gの外周に所定間隔の隙間部が形成
されるような凹部を支台3に設けることも好ましい。
Here, the recess 3D formed in the support 3
May be formed in an annular shape as in the case of the sensor 15. Corresponding to the shape of the concave portion 3D, the distal end surface of the convex portion 2G is formed into a curved surface so as to form a gap 7L. Of course, it is also preferable to provide the support 3 with a concave portion in which a gap is formed at a predetermined interval on the outer periphery of the convex portion 2G so as to suppress the rotational displacement of the convex portion 2G in the XY plane.

【0037】 図10に示したセンサ18は、センサ1
6において支台3に形成された円環状の凸部3Eの代わ
りに、略角柱状の凸部3FをX軸方向とY軸方向のそれ
ぞれに設け、この凸部3Fの平面状の端面との間に間隙
部7Lが、また凸部3FのZ軸方向の面(上下面)との
間に間隙部7Mがそれぞれ形成されるように、凹部2H
を作用体2に形成した構造を有している。このような構
造とすることによっても、作用体2の不必要に大きい変
位を制限することが可能である。
The sensor 18 shown in FIG.
6, instead of the annular convex portion 3E formed on the support 3, substantially prismatic convex portions 3F are provided in the X-axis direction and the Y-axis direction, respectively. The recess 2H is formed such that a gap 7L is formed between the gap 7L and the gap 7M between the surface (upper and lower surfaces) of the protrusion 3F in the Z-axis direction.
Is formed on the action body 2. With such a structure, it is also possible to limit an unnecessarily large displacement of the working body 2.

【0038】 ところで、前述した種々のセンサ1・1
0〜18(以下、「センサ1等」という。)に形成され
る間隙部7A〜7M(以下、「間隙部7」という。)の
幅Lは、作用体2の変位によって可撓板5に生ずる応力
が、可撓板5を破壊しないように設定されることが好ま
しい。換言すれば、作用体2が間隙部7の幅Lほど変位
をしても、可撓板5が破壊されないように幅Lを設定す
る必要がある。
Meanwhile, the various sensors 1.1 described above
The width L of the gaps 7A to 7M (hereinafter, referred to as “gap 7”) formed in 0 to 18 (hereinafter, “sensor 1 etc.”) is formed on the flexible plate 5 by the displacement of the working body 2. It is preferable that the generated stress is set so as not to break the flexible plate 5. In other words, it is necessary to set the width L so that the flexible plate 5 is not broken even when the working body 2 is displaced by the width L of the gap 7.

【0039】 従って、作用体2が直径2bの円柱形を
有し、支台3が内径2aの円筒内周壁を有している場合
において、可撓板5の厚さをh、ヤング率をE、破壊応
力をσとしたとき、間隙部7の幅Lは、L=±σαa2
/βEhの範囲内とすることが好ましい。ここで、αは
最大撓みの係数を示し、βは最大応力の係数を示してい
る。なお、安全性をより高めて可撓板5の破壊を回避す
るためには、間隙部7の幅Lは、より狭い範囲であるL
=±0.9σαa2/βEhの間とすることが好まし
く、更に好ましい範囲はL=±0.7σαa2/βEh
の間であり、最も好ましいのはL=±0.5σαa2
βEhの範囲内である。但し、間隙部7の幅Lは所望す
る検出精度や検出範囲が得られる範囲で狭められる必要
があることは言うまでもない。
Therefore, when the working body 2 has a cylindrical shape with a diameter 2b and the support 3 has a cylindrical inner peripheral wall with an inner diameter 2a, the thickness of the flexible plate 5 is h and the Young's modulus is E. When the breaking stress is σ, the width L of the gap 7 is L = ± σαa 2
/ ΒEh. Here, α indicates the coefficient of maximum deflection, and β indicates the coefficient of maximum stress. In addition, in order to further increase the safety and avoid the destruction of the flexible plate 5, the width L of the gap 7 is a narrower range L.
= Preferably be between ± 0.9σαa 2 / βEh, still more preferably in the range of L = ± 0.7σαa 2 / βEh
And the most preferable is L = ± 0.5σαa 2 /
Within the range of βEh. However, it is needless to say that the width L of the gap portion 7 needs to be narrowed as far as a desired detection accuracy and a desired detection range can be obtained.

【0040】 さて、次にセンサ1等の製造方法につい
て説明する。センサ1等は、各部材を個々に種々の材料
を用いて作製した後、接着剤等を用いて接合し、作製す
ることが可能であるが、この場合には、部品点数が多く
生産工程も複雑となり易く、更に間隙部7の寸法精度が
低下する問題がある。そこで、本発明においては、セラ
ミックスグリーンシートを用いたグリーンシート積層法
により、作用体2と支台3並びに可撓板5を一体焼成し
て形成する方法が好適に採用される。
Now, a method for manufacturing the sensor 1 and the like will be described. The sensor 1 and the like can be manufactured by individually manufacturing each member using various materials and then bonding them using an adhesive or the like. In this case, however, the number of parts is large and the production process is also large. There is a problem in that the gap 7 is likely to be complicated and the dimensional accuracy of the gap 7 is reduced. Therefore, in the present invention, a method in which the working body 2, the support 3, and the flexible plate 5 are integrally fired and formed by a green sheet laminating method using a ceramic green sheet is suitably adopted.

【0041】 グリーンシートはセラミックス粉末にバ
インダや溶剤、可塑剤等を混合して作製したスラリー
を、ドクターブレード法等のスリップキャスティングや
カレンダロール法を用いて、或いはセラミックス粉末に
バインダや溶剤、可塑剤を加えて混練してたものを押出
成形法等を用いて作製した所定厚みの薄板状シートであ
り、可撓性、加工性に富み、切断や穴開け、接着が容易
であるという特徴を有する。従って、所望形状の断層形
状に打ち抜き、切断等した複数のグリーンシートを所定
位置において積層し、熱圧着(熱プレス)等により一体
化した後、焼成することで、作用体2と支台3並びに可
撓板5を所定形状として一体的に形成したセンサを得る
ことが可能となる。以下、このような方法を「グリーン
シート積層法」という。
The green sheet is prepared by mixing a slurry prepared by mixing a binder, a solvent, a plasticizer, and the like with a ceramic powder, using slip casting such as a doctor blade method or a calendar roll method, or adding a binder, a solvent, and a plasticizer to the ceramic powder. It is a thin sheet of predetermined thickness produced by extrusion molding or the like obtained by adding and kneading, and is characterized by being flexible, easy to process, easy to cut, perforate, and adhere. . Therefore, a plurality of green sheets punched or cut into a desired tomographic shape are laminated at a predetermined position, integrated by thermocompression bonding (hot press) or the like, and then fired, whereby the working body 2 and the support 3 and It is possible to obtain a sensor in which the flexible plate 5 has a predetermined shape and is integrally formed. Hereinafter, such a method is referred to as “green sheet lamination method”.

【0042】 グリーンシート積層法を用いた場合に
は、センサ自体の薄板化が容易で、グリーンシート毎の
厚み再現性やグリーンシート全体の厚み均一性に優れる
ため、可撓板の薄板化及び可撓板の厚みの精密な制御が
容易である利点がある。従って、グリーンシート積層法
により作製されたセンサは、可撓板を撓み易く形成して
検出感度を向上させることができると共に、可撓板毎
の、或いは可撓板の部位毎の撓みバラツキが小さく、こ
のためセンサ毎の特性バラツキが小さくなる特徴を有す
る。
When the green sheet laminating method is used, the thickness of the sensor itself can be easily reduced, and the reproducibility of the thickness of each green sheet and the uniformity of the thickness of the entire green sheet are excellent. There is an advantage that precise control of the thickness of the flexible plate is easy. Therefore, the sensor manufactured by the green sheet laminating method can improve the detection sensitivity by forming the flexible plate so as to be easily bent, and has a small deflection variation for each flexible plate or each portion of the flexible plate. For this reason, there is a characteristic that the characteristic variation between the sensors is reduced.

【0043】 また、グリーンシートの厚さを制御し、
或いは所定厚みのグリーンシートを用いた場合であって
もグリーンシートの積層数を適宜選択することにより、
各部の厚み調整を容易に行うことができる。つまり、作
用体等を別体で作製する場合のように、いちいち設計形
状毎に異なる大きさの部品を作製する必要がない。こう
して、特にX軸、Y軸方向の検出感度に影響を与える作
用体の厚みをグリーンシートの積層数により調整して、
Z軸方向の検出感度と均衡させることも容易であり、電
気回路による電気的校正の手間を少なくし、或いは省く
ことができるようになる。
Further, by controlling the thickness of the green sheet,
Alternatively, even when a green sheet having a predetermined thickness is used, by appropriately selecting the number of stacked green sheets,
The thickness of each part can be easily adjusted. That is, unlike the case where the working body and the like are manufactured separately, there is no need to manufacture parts having different sizes for each design shape. Thus, in particular, the thickness of the acting body which affects the detection sensitivity in the X-axis and Y-axis directions is adjusted by the number of stacked green sheets,
It is also easy to balance with the detection sensitivity in the Z-axis direction, and it is possible to reduce or eliminate the trouble of electrical calibration by an electric circuit.

【0044】 更に、作用体、支台、可撓板の各々につ
いて断層形状に切断した薄板を積層するところ、部材毎
に異なる厚みのグリーンシートを選択することが可能と
なるため、可撓板には可撓性の高い肉薄のグリーンシー
トを、重錘及び支台には剛性の高い肉厚のグリーンシー
トを用いる等の使い分けが可能となり、一体成形であり
ながら、可撓部は撓み易く、作用体及び支台は剛性の高
い高感度かつ高精度なセンサを得ることが可能となる。
Further, when thin plates cut into a tomographic shape are laminated for each of the working body, the abutment, and the flexible plate, it becomes possible to select a green sheet having a different thickness for each member. Can be selectively used, such as using a thin green sheet having high flexibility, and using a green sheet having high rigidity for the weight and abutment. The flexible portion is easily bent while being integrally formed. As for the body and the abutment, it is possible to obtain a highly sensitive and highly accurate sensor having high rigidity.

【0045】 なお、グリーンシート積層法を用いた場
合には、1枚のグリーンシートから、金型を用いた打抜
き等により多くのシート部品を得ることができるため、
生産性に優れ、高精度なセンサを低コストで提供可能で
あるといった利点や、グリーンシートにスクリーン印刷
等の厚膜法の技術を用いて下部電極、圧電体、上部電極
を形成して一体焼成することにより製造工程の短縮を容
易に図ることができる等の利点もある。
When the green sheet laminating method is used, many sheet components can be obtained from one green sheet by punching using a mold or the like.
Excellent productivity and the ability to provide high-precision sensors at low cost. Lower electrode, piezoelectric body, and upper electrode are formed on a green sheet using a thick film technique such as screen printing, and are integrally fired. By doing so, there is an advantage that the manufacturing process can be easily shortened.

【0046】 以下、前述したセンサ1とセンサ15を
例にその製造方法を詳述する。先ず、グリーンシートの
打抜き加工によって、センサ1の製造のために準備され
るグリーンシート部材(以下、「シート部材」とい
う。)の例を図11に示す。ここで、1層目のシート部
材21は可撓板5を形成するものであり、2層目のシー
ト部材22Aは支台3を、シート部材22Bは作用体2
をそれぞれ形成するものである。これらのシート部材2
2A・22Bは、所定の厚みが得られるように複数層ほ
ど積層される。3層目のシート部材23は、作用体2と
支台3の下部を一枚板で作製するためのものである。こ
れらのシート部材21〜23には、積層時の位置決めの
ための基準孔25が設けられており、シート部材23に
は焼成時の脱脂を容易ならしめるために、脱脂孔26を
設けることが好ましい。
Hereinafter, a method for manufacturing the above-described sensor 1 and sensor 15 will be described in detail. First, FIG. 11 shows an example of a green sheet member (hereinafter, referred to as a “sheet member”) prepared for manufacturing the sensor 1 by punching a green sheet. Here, the sheet member 21 of the first layer forms the flexible plate 5, the sheet member 22 A of the second layer is the support 3, and the sheet member 22 B is the operating body 2.
Are formed respectively. These sheet members 2
The layers 2A and 22B are laminated in a plurality of layers so as to obtain a predetermined thickness. The third-layer sheet member 23 is for producing the operating body 2 and the lower part of the support 3 by a single plate. These sheet members 21 to 23 are provided with a reference hole 25 for positioning at the time of lamination, and the sheet member 23 is preferably provided with a degreasing hole 26 to facilitate degreasing at the time of firing. .

【0047】 また、図12には、センサ15の製造に
当たって準備されるシート部材を示す。シート部材21
(1層目)・22A・22B(2・4層目)・23(5
層目)はセンサ1の作製と共用して用いられる。前述し
たように、センサ15においては、作用体2の中央部に
凸部2Eが形成されているので、シート部材22Bの中
間に、シート部材22Bよりも外径の大きいシート部材
24Bを、3層目として挟み込み、積層する。勿論、こ
れらシート部材22B・24Bは複数枚用いることがで
きる。
FIG. 12 shows a sheet member prepared in manufacturing the sensor 15. Seat member 21
(1st layer) ・ 22A ・ 22B (2nd / 4th layer) ・ 23 (5
The layer is used in common with the production of the sensor 1. As described above, in the sensor 15, since the convex portion 2E is formed at the center of the operating body 2, the sheet member 24B having an outer diameter larger than the sheet member 22B is provided in the middle of the sheet member 22B. It is sandwiched between eyes and laminated. Of course, a plurality of these sheet members 22B and 24B can be used.

【0048】 また、作用体2の凸部2Eに対応して、
支台3には凹部3Dが形成されているので、シート部材
22Aの中間に、当然にシート部材24Bと積層位置を
合わせて、内径が大きく形成されたシート部材24Aを
3層目として挟み込み、積層する。このときシート部材
22Aの内周側とシート部材24の外周側が3層目の上
下2ヶ所において接触することになるが、ここで、互い
に接触するシート部材22A・24Bの少なくとも一方
の接触部分に、焼成時に焼失する焼失材を印刷しておく
ことで、焼成時の一体化を回避し、間隙部7Mを良好に
形成することが可能となる。なお、焼失材は、多くの場
合に有機物であり、例として、テオプロミン(白鳥製薬
(株)製、化学名:3,7−Dihydro−3,7−
dimethyl−1H−purine−2,6−di
one)を挙げることができる。また、焼失材の印刷に
代えて、焼失材からなる所定厚みのシートを挿入して積
層してもよい。
In addition, corresponding to the convex portion 2E of the operating body 2,
Since the recess 3D is formed in the support 3, the sheet member 24 </ b> A having a large inner diameter is sandwiched as a third layer in the middle of the sheet member 22 </ b> A with the sheet member 24 </ b> B of the same stacking position. I do. At this time, the inner peripheral side of the sheet member 22A and the outer peripheral side of the sheet member 24 come into contact with each other at two upper and lower portions of the third layer. Here, at least one contact portion of the sheet members 22A and 24B that come into contact with each other, By printing a burnt material that burns off during firing, integration during firing can be avoided, and the gap 7M can be favorably formed. The burnt material is an organic substance in many cases, and as an example, theopromine (manufactured by Shiratori Pharmaceutical Co., Ltd., chemical name: 3,7-Dihydro-3,7-
dimethyl-1H-purine-2,6-di
one). Further, instead of printing the burnt material, a sheet having a predetermined thickness made of the burnt material may be inserted and laminated.

【0049】 こうして準備された各種のシート部材の
基準孔25を順次、下台板(圧着金具)に立てられた位
置決めピンに通しながら積層し、最後に上台板を重ね合
わせて、積層方向に熱プレス等を行うことでシート部材
を一体化する。こうして一体化されて得られた積層体
(バルク)を脱脂、焼成することで、センサ1・15の
作用体2と支台3並びに可撓板5が一体的に形成され
る。
The reference holes 25 of the various sheet members thus prepared are sequentially laminated while passing through the positioning pins set on the lower base plate (crimp metal fittings). Finally, the upper base plate is superimposed and hot-pressed in the laminating direction. By performing the above, the sheet member is integrated. The stacked body (bulk) obtained in this way is degreased and fired, whereby the working body 2 of the sensors 1 and 15, the support 3 and the flexible plate 5 are integrally formed.

【0050】 続いて、得られた焼成体における可撓板
5の外表面に、圧電素子を形成する。圧電素子の形成に
当たっては、スクリーン印刷法により、電極ペーストと
圧電セラミックスペーストを逐次印刷して焼成し、或い
は積層印刷して焼成することができ、またスパッタ法等
により形成することも可能である。また、各圧電素子か
らは電極リードを引き出す必要があるが、この電極リー
ドの形成は圧電素子の形成と同時に行うことが、生産工
程上、好ましい。
Subsequently, a piezoelectric element is formed on the outer surface of the flexible plate 5 in the obtained fired body. In forming the piezoelectric element, the electrode paste and the piezoelectric ceramic paste can be sequentially printed and fired by a screen printing method, or can be fired by lamination printing, or can be formed by a sputtering method or the like. Although it is necessary to draw out electrode leads from each piezoelectric element, it is preferable in terms of production process that the formation of the electrode leads be performed simultaneously with the formation of the piezoelectric elements.

【0051】 なお、可撓板5となるシート部材21の
表面に、予め圧電素子を積層印刷により成形しておき、
バルクの焼成と同時に圧電素子を成形することも可能で
ある。但し、この場合には、圧電素子の焼成温度をバル
クの焼成温度に合わせることが必要となる。
A piezoelectric element is previously formed on the surface of the sheet member 21 serving as the flexible plate 5 by laminating printing.
It is also possible to shape the piezoelectric element simultaneously with firing of the bulk. However, in this case, it is necessary to adjust the firing temperature of the piezoelectric element to the firing temperature of the bulk.

【0052】 さて、こうして作製されたセンサ1・1
5の中間体は、この時点ではまだ作用体2が下部におい
て支台3と連結された状態となっている。そこで図13
に示すように、中空部4の積層方向(Z軸方向)の外延
上で交差するようにダイヤモンドカッターやワイヤーソ
ー等を用いたダイシングにより、センサ1・15(中間
体)の下部の一枚板の部分のみを切削する。こうして空
間であるダイサーライン6が形成され、作用体2は可撓
板5から釣支された状態となる。ダイシング後は、セン
サ15はそのまま製品となる。
Now, the sensor 1.1 thus manufactured
At this point, the intermediate 5 is still in a state in which the operating body 2 is connected to the support 3 at the lower portion. FIG.
As shown in the figure, a single plate below the sensor 1.15 (intermediate body) is diced using a diamond cutter, a wire saw, or the like so as to intersect on the extension of the hollow portion 4 in the stacking direction (Z-axis direction). Only the part of is cut. Thus, a dicer line 6 as a space is formed, and the working body 2 is supported by the flexible plate 5. After dicing, the sensor 15 becomes a product as it is.

【0053】 なお、図13(a)は、ダイシング前の
センサ1・15(中間体)の斜視図を、図13(b)は
ダイシング後のセンサ1(中間体)・15(製品)の斜
視図を、図13(c)はダイシング後のセンサ1(中間
体)・15(製品)の下面から見た平面図を示してお
り、図13(a)中の部品番号27は、圧電素子を示し
ている。圧電素子27の形状は、図示されたものに限定
されるものではなく、電極リードは省略されている。
FIG. 13A is a perspective view of the sensors 1 and 15 (intermediate body) before dicing, and FIG. 13B is a perspective view of the sensors 1 and 15 (intermediate body) after dicing. FIG. 13 (c) is a plan view of the sensor 1 (intermediate body) / 15 (product) after dicing as viewed from the lower surface, and the part number 27 in FIG. 13 (a) indicates a piezoelectric element. Is shown. The shape of the piezoelectric element 27 is not limited to the illustrated one, and the electrode leads are omitted.

【0054】 最後に、センサ1では支台3の上下面に
制止部材8A・8Bを貼着する必要がある。図14はそ
の方法例の一つを示す説明図である。ダイシング後のセ
ンサ1(中間体)では、その下部がダイサーライン6に
よって幾つかの区画に分割された状態となっている。こ
こで、支台3の上下側に当たる部分にスペーサ9A・9
Bを接着剤を用いて貼着し、さらに制止部材8A・8B
を貼着することによって、作用体2を釣支しつつ、間隙
部7A・7Bを形成したセンサ1が作製される。
Finally, in the sensor 1, it is necessary to attach the stopping members 8 A and 8 B to the upper and lower surfaces of the support 3. FIG. 14 is an explanatory diagram showing one example of the method. In the sensor 1 (intermediate) after dicing, the lower part is divided into several sections by the dicer line 6. Here, spacers 9A and 9
B using an adhesive, and further stopping members 8A and 8B
The sensor 1 having the gaps 7A and 7B formed while supporting the working body 2 by sticking is provided.

【0055】 次に、上述したグリーンシート積層法を
用いた場合の各部材に好適に使用される材料等について
説明する。グリーンシートを構成するセラミックス材料
としては、シート成形性が良好であり、焼結体において
は靭性が大きく、かつ高強度であるジルコニアを主成分
とするものが好適に用いられ、安定化ジルコニア、部分
安定化ジルコニアのいずれをも用いることが可能であ
る。
Next, materials and the like suitably used for each member when the above-described green sheet laminating method is used will be described. As the ceramic material constituting the green sheet, a material mainly composed of zirconia, which has good sheet formability, has high toughness in a sintered body, and has high strength, is suitably used. Any of the stabilized zirconia can be used.

【0056】 ここで可撓板5については、要求される
撓み特性を良好なものとするために、可撓板5となるシ
ート部材21のみに、チタニア(TiO2)換算で0.
1〜0.6重量%のTi及び/又はマグネシア(Mg
O)換算で0.005〜0.1重量%のMgを含有する
ジルコニアセラミックスを用いることが好ましい。Ti
或いはMgの重量比率が前記範囲より小さい場合には可
撓板5が撓み難くなるため、センサ感度が低下する問題
を生ずる。また、前記範囲より重量比率が大きい場合に
は可撓板5の靱性が低下して破損し易くなり、センサの
信頼性が低下する問題がある。従って、可撓板5は前記
範囲であっても、更にTiO2換算で0.2〜0.5重
量%のTi及び/又はMgO換算で0.01〜0.05
重量%のMgを含有する範囲とすることが好ましい。
Here, regarding the flexible plate 5, in order to improve the required bending characteristics, only the sheet member 21 that becomes the flexible plate 5 has a titania (TiO 2 ) equivalent of 0.1.
1 to 0.6% by weight of Ti and / or magnesia (Mg
O) It is preferable to use zirconia ceramics containing 0.005 to 0.1% by weight of Mg in terms of Mg. Ti
Alternatively, if the weight ratio of Mg is smaller than the above range, the flexible plate 5 is unlikely to bend, which causes a problem that the sensor sensitivity is reduced. Further, when the weight ratio is larger than the above range, the toughness of the flexible plate 5 is reduced, so that the flexible plate 5 is easily broken, and there is a problem that the reliability of the sensor is reduced. Thus, the flexible plate 5 is also a range, a further 0.2 to 0.5 wt% of Ti and / or terms of MgO in terms of TiO 2 0.01 to 0.05
It is preferable that the content of Mg be in the range containing Mg by weight.

【0057】 一方、支台3や作用体2ついてはこのよ
うな添加物を混入せずに、剛性を高めたものとすること
が好ましい。グリーンシート積層法を用いれば、各シー
ト部材の組成を変更したセンサの設計が容易であり、積
層一体化されたバルクの一体焼成が可能な範囲で、種々
の異なるセラミック材料を併用して用いることも可能で
あり、測定感度の向上や機械的破壊に対する信頼性の向
上を図ることが容易である。なお、このような化学組成
により可撓板等の特性を制御する方法は、セラミックス
を用いた場合に限定されず、金属或いは樹脂を用いた一
体成形の場合においても有用である。
On the other hand, it is preferable that the abutment 3 and the working body 2 have high rigidity without mixing such additives. By using the green sheet lamination method, it is easy to design a sensor in which the composition of each sheet member is changed, and a variety of different ceramic materials can be used in combination as long as the laminated and integrated bulk can be integrally fired. It is also possible to easily improve the measurement sensitivity and the reliability against mechanical destruction. The method of controlling the characteristics of a flexible plate or the like by such a chemical composition is not limited to the case of using ceramics, but is also useful in the case of integral molding using metal or resin.

【0058】 次に、圧電素子を形成する圧電体につい
ては、ジルコン酸チタン酸鉛(PZT)やマグネシウム
ニオブ酸鉛(PMN)、ニッケルニオブ酸鉛(PNN)
等の圧電特性に優れた圧電セラミックスが好適に用いら
れる。また、電極材としては、銀(Ag)、金(A
u)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)或いはこれら
の合金を用いると、圧電体との同時焼成が容易であると
共に、可撓板5等との一体焼成も容易に行うことがで
き、好ましい。その他、作製工程に依存するが、銅(C
u)やニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)等、種
々の金属材料を電極及び電極リードとして用いることが
できる。
Next, as for the piezoelectric material forming the piezoelectric element, lead zirconate titanate (PZT), lead magnesium niobate (PMN), lead nickel niobate (PNN)
Piezoelectric ceramics having excellent piezoelectric characteristics, such as, for example, are preferably used. In addition, silver (Ag), gold (A
When u), palladium (Pd), platinum (Pt), or an alloy thereof is used, simultaneous firing with the piezoelectric body is easy, and integral firing with the flexible plate 5 and the like can be easily performed. . In addition, copper (C
Various metal materials such as u), nickel (Ni), and aluminum (Al) can be used for the electrodes and the electrode leads.

【0059】 なお、本発明においては圧電材料、電歪
材料のいずれを用いても構わない。また、圧電体の気孔
率は50%以下であることが好ましく、20%以下であ
ることが更に好ましい。気孔率が高すぎると十分な圧電
/電歪特性を得ることが困難となるからである。この気
孔率は、圧電体の断面を脱粒しないように鏡面研磨し、
その断面をSEM等を用いて観察した場合の視野面積に
対して気孔部分の面積が占める割合で規定したものであ
る。
In the present invention, either a piezoelectric material or an electrostrictive material may be used. The porosity of the piezoelectric body is preferably 50% or less, more preferably 20% or less. If the porosity is too high, it is difficult to obtain sufficient piezoelectric / electrostrictive characteristics. This porosity is mirror-polished so that the cross section of the piezoelectric body does not fall off,
The cross section is defined by the ratio of the area of the pore portion to the area of the visual field when the cross section is observed using an SEM or the like.

【0060】 制止部材8A・8B並びにスペーサ9A
・9Bの材料としては金属板やセラミック板、ガラス板
を好適に用いることができ、接着剤としてはエポキシ樹
脂等の接着力が強く、それ自体の硬度が大きいものが好
適に用いられる。また、接着剤に所定径を有するガラス
ビーズやポリマービーズを混入することにより、接着剤
自体にスペーサとしての機能を持たせることも可能であ
る。
The stopping members 8A and 8B and the spacer 9A
As a material of 9B, a metal plate, a ceramic plate, or a glass plate can be suitably used. As the adhesive, an epoxy resin or the like having a strong adhesive force and a high hardness of itself is suitably used. Also, by mixing glass beads or polymer beads having a predetermined diameter into the adhesive, the adhesive itself can have a function as a spacer.

【0061】 以上、本発明の力センサに関して、検知
素子として圧電素子を用いた場合を例に、その実施の形
態について説明してきたが、本発明がこれらの実施の形
態に限定されるものでないことはいうまでもない。即
ち、センサの構造に関しては、各実施形態の特徴をそれ
ぞれに組み合わせることができ、また、本発明の趣旨を
逸脱しない範囲内において、各部の形状等に種々の変更
を加え得るものであることが理解されるべきである。例
えば、発明者らは、先に特願平10−87133号に、
可撓板の形状並びに組成を種々に異ならしめた力センサ
(三軸センサ)を開示しているが、このような力センサ
(三軸センサ)についても、本発明の主な趣旨たる作用
体の変位を制限する部材を設け、或いは作用体や支台に
凹凸部を設けることが可能であることはいうまでもな
い。
As described above, the embodiments of the force sensor according to the present invention have been described with reference to the case where a piezoelectric element is used as a sensing element, but the present invention is not limited to these embodiments. Needless to say. That is, regarding the structure of the sensor, the features of each embodiment can be combined with each other, and various changes can be made to the shape of each part without departing from the spirit of the present invention. It should be understood. For example, the inventors previously described in Japanese Patent Application No. 10-87133,
Although a force sensor (triaxial sensor) in which the shape and composition of the flexible plate are variously disclosed, such a force sensor (triaxial sensor) is also disclosed as the main object of the present invention. It goes without saying that it is possible to provide a member for limiting the displacement, or to provide an uneven portion on the working body or the abutment.

【0062】 また、上述した実施の形態においては、
X−Y平面における支台の外形(上面及び下面の形状)
は四角形であり、その中空部は円形であったが、このよ
うな形状に限定されるものではない。例えば、X−Y平
面における支台の外形を共に四角形等の多角形とし、或
いは円形、楕円形とする等、種々の形態を採用すること
ができる。このような形状の選択は、作用体の形状につ
いても同様であり、上述した円柱状の他、角柱状等の種
々の形状の作用体を用いることができる。可撓板につい
ては、上述した全ての実施の形態において、厚みが一定
の一枚板を例示したが、必ずしも可撓板の厚みは一定で
ある必要はなく、また、可撓板は支台上面において、中
空部を完全に閉塞するように支台に横架される必要もな
い。例えば、ある軸方向への作用体の変位を抑制すべ
く、可撓板に梁を設ける等した厚みの異なる部分を有す
る可撓板を用いることが可能であり、所定幅を有する板
状の可撓板を、支台上面を完全に閉塞することなく、中
空部に跨設しても構わない。このような各部材の形状
は、検出する力の検出方位数の選択とセンサの用途に応
じて、適宜、決定すればよい。
In the above-described embodiment,
External shape of abutment in XY plane (shape of upper surface and lower surface)
Is a square, and the hollow portion is circular, but is not limited to such a shape. For example, various forms such as a polygonal shape such as a quadrangle, a circular shape, or an elliptical shape in the XY plane may be employed. The selection of such a shape is the same for the shape of the acting body, and it is possible to use acting bodies having various shapes such as the above-mentioned columnar shape and a prismatic shape. As for the flexible plate, in all of the above-described embodiments, a single plate having a constant thickness has been exemplified. However, the thickness of the flexible plate does not necessarily have to be constant, and the flexible plate is provided on the upper surface of the abutment. In this case, it is not necessary to lie on the support so as to completely close the hollow portion. For example, in order to suppress the displacement of the working body in a certain axial direction, it is possible to use a flexible plate having portions having different thicknesses, such as providing a beam on the flexible plate, and a plate-like flexible plate having a predetermined width. The flexible plate may be laid over the hollow portion without completely closing the upper surface of the abutment. Such a shape of each member may be appropriately determined according to the selection of the number of detection directions of the force to be detected and the use of the sensor.

【0063】 更に、検知素子は圧電素子に限られず、
作用体の変位そのもの、或いは作用体の変位に基づいて
可撓板に生ずる撓みを検知して、その撓み量を電気的信
号に変換するものであればよく、例えば、静電容量変化
を利用するもの、ピエゾ抵抗の変化を利用するもの等を
用いることができる。静電容量変化を利用するものとし
ては、可撓板或いは作用体の表面に設けた一対の電極
と、この電極に挟まれた誘電体と、電極に接続する電子
回路を有し、この特定の空間に荷電される静電容量を電
子回路により検出するものが挙げられる。ピエゾ抵抗の
変化を利用するものとしては、歪みゲージに代表される
素子を挙げることができる。なお、その他にも導体の伸
縮による抵抗変化を利用するもの等が挙げられる。
Further, the sensing element is not limited to a piezoelectric element,
Any method may be used as long as it detects the displacement of the working body itself or the bending generated in the flexible plate based on the displacement of the working body and converts the amount of bending into an electric signal. For example, a change in capacitance is used. One that uses a change in piezoresistance can be used. As a device utilizing the change in capacitance, a pair of electrodes provided on the surface of a flexible plate or an operating body, a dielectric material sandwiched between the electrodes, and an electronic circuit connected to the electrodes are provided. One that detects an electrostatic capacitance charged in a space by an electronic circuit. An element typified by a strain gauge can be used as a device utilizing a change in piezoresistance. It should be noted that, in addition to the above, there are those utilizing a change in resistance due to expansion and contraction of the conductor.

【0064】[0064]

【発明の効果】 上述の通り、本発明の力センサによれ
ば、作用体の不必要に大きい変位が制限されるため、衝
撃や衝突といった作用体に大きな外力がかかった場合で
あっても、可撓板に可撓板が破壊に至るような大きな応
力が発生せず、センサの破損が回避される。これによ
り、極めて信頼性に優れるという顕著な効果を奏する。
また、グリーンシート積層法を用いることにより、各セ
ンサの特性を均質化しつつ、生産効率の向上を図ること
が可能である。従って、低コストで高精度なセンサを安
価に提供することが可能となる優れた効果をも奏する。
As described above, according to the force sensor of the present invention, since an unnecessary large displacement of the working body is restricted, even if a large external force is applied to the working body such as an impact or a collision, A large stress that would cause the flexible plate to break is not generated on the flexible plate, and damage to the sensor is avoided. As a result, a remarkable effect of extremely excellent reliability is obtained.
Further, by using the green sheet laminating method, it is possible to improve the production efficiency while homogenizing the characteristics of each sensor. Therefore, an excellent effect that a low-cost and high-accuracy sensor can be provided at low cost is also achieved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明の力センサの一実施形態を示す断面図
である。
FIG. 1 is a sectional view showing one embodiment of a force sensor of the present invention.

【図2】 本発明の力センサの別の実施形態を示す断面
図である。
FIG. 2 is a sectional view showing another embodiment of the force sensor of the present invention.

【図3】 本発明の力センサの更に別の実施形態を示す
断面図である。
FIG. 3 is a sectional view showing still another embodiment of the force sensor of the present invention.

【図4】 本発明の力センサの更に別の実施形態を示す
断面図である。
FIG. 4 is a sectional view showing still another embodiment of the force sensor of the present invention.

【図5】 本発明の力センサの更に別の実施形態を示す
断面図である。
FIG. 5 is a sectional view showing still another embodiment of the force sensor of the present invention.

【図6】 本発明の力センサの更に別の実施形態を示す
断面図である。
FIG. 6 is a sectional view showing still another embodiment of the force sensor of the present invention.

【図7】 本発明の力センサの更に別の実施形態を示す
断面図である。
FIG. 7 is a sectional view showing still another embodiment of the force sensor of the present invention.

【図8】 本発明の力センサの更に別の実施形態を示す
断面図である。
FIG. 8 is a sectional view showing still another embodiment of the force sensor of the present invention.

【図9】 本発明の力センサの更に別の実施形態を示す
断面図である。
FIG. 9 is a sectional view showing still another embodiment of the force sensor of the present invention.

【図10】 本発明の力センサの更に別の実施形態を示
す断面図である。
FIG. 10 is a sectional view showing still another embodiment of the force sensor of the present invention.

【図11】 グリーンシート積層法に用いられるグリー
ンシートの形状の一実施形態を示す平面図である。
FIG. 11 is a plan view showing one embodiment of a shape of a green sheet used in a green sheet laminating method.

【図12】 グリーンシート積層法に用いられるグリー
ンシートの形状の別の実施形態を示す平面図である。
FIG. 12 is a plan view showing another embodiment of the shape of the green sheet used in the green sheet laminating method.

【図13】 焼結体のダイシングに関する説明図であ
る。
FIG. 13 is an explanatory diagram relating to dicing of a sintered body.

【図14】 制止部材の貼着に関する説明図である。FIG. 14 is an explanatory diagram relating to sticking of a stopping member.

【図15】 従来の力センサの一実施形態を示す斜視図
である。
FIG. 15 is a perspective view showing an embodiment of a conventional force sensor.

【図16】 従来の力センサの別の実施形態を示す断面
図である。
FIG. 16 is a sectional view showing another embodiment of the conventional force sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…力センサ(センサ)、2…作用体(重錘)、2A・
2F・2H…作用体2に形成された凹部、2B・2C・
2D・2E・2G…作用体2に形成された凸部、3…支
台、3A・3B・3C・3E・3F…支台3に形成され
た凸部、3D…支台3に形成された凹部、4…中空部、
5…可撓板、6…ダイサーライン、7A〜7K…隙間
部、8A・8B…制止部材、8C…制止部材8Bに形成
された凸部、9A・9B…スペーサ、10〜18…セン
サ、21・22A・22B・23・24A・24B…シ
ート部材、25…基準孔、26…脱脂孔、27…圧電素
子、90…センサ、91A〜91E…上部電極、91F
…下部電極、92…可撓板、93…支台、95…セン
サ、96…重錘、97…可撓板、98…圧電素子。
1 ... force sensor (sensor), 2 ... acting body (weight), 2A
2F · 2H ··· Recesses formed in the working body 2; 2B · 2C ·
2D, 2E, 2G: convex portions formed on the working body 2, 3: abutment, 3A, 3B, 3C, 3E, 3F: convex portions formed on the abutment 3, 3D: formed on the abutment 3 Recessed part, 4 ... hollow part,
Reference numeral 5: flexible plate, 6: dicer line, 7A to 7K: gap, 8A and 8B: stop member, 8C: convex portion formed on stop member 8B, 9A and 9B: spacer, 10 to 18: sensor, 21 22A / 22B / 23 / 24A / 24B: sheet member, 25: reference hole, 26: degreasing hole, 27: piezoelectric element, 90: sensor, 91A to 91E: upper electrode, 91F
... Lower electrode, 92 ... Flexible plate, 93 ... Abutment, 95 ... Sensor, 96 ... Weight, 97 ... Flexible plate, 98 ... Piezoelectric element.

Claims (15)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 中空部を有する支台と、 少なくとも1個の検知素子を有し、かつ、当該支台の中
空部に横架された可撓板と、 当該支台の中空部において当該可撓板に釣支された作用
体から構成された力センサであって、 当該作用体が所定距離以上に変位しないように、当該作
用体と当該支台及び/又は当該支台に取り付けられた制
止部材との間に所定幅の間隙部が形成されていることを
特徴とする力センサ。
1. An abutment having a hollow portion, a flexible plate having at least one sensing element and being laterally suspended in the hollow portion of the abutment; A force sensor comprising an operating body supported by a flexible plate, wherein the operating body and the abutment and / or a restraint attached to the abutment are mounted such that the operating body is not displaced beyond a predetermined distance. A force sensor, wherein a gap having a predetermined width is formed between the force sensor and a member.
【請求項2】 当該作用体に形成された凸部及び/又は
凹部と、当該支台及び/又は当該制止部材に形成された
凸部及び/又は凹部との間に、当該間隙部が形成されて
いることを特徴とする請求項1記載の力センサ。
2. The gap portion is formed between a convex portion and / or a concave portion formed on the working body and a convex portion and / or a concave portion formed on the support and / or the stopping member. The force sensor according to claim 1, wherein
【請求項3】 当該制止部材が、当該支台の上面及び/
又は下面に、貼着されていることを特徴とする請求項1
又は2記載の力センサ。
3. The method according to claim 1, wherein the stopping member is provided on an upper surface of the support and / or
Or affixed to the lower surface.
Or the force sensor according to 2.
【請求項4】 当該作用体を重錘として用い、外部から
作用する加速度を検知する加速度センサとして用いられ
ることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載
の力センサ。
4. The force sensor according to claim 1, wherein the acting body is used as a weight and used as an acceleration sensor for detecting an externally applied acceleration.
【請求項5】 グリーンシート積層法により、当該作用
体と当該支台並びに当該可撓板を一体焼成してなること
を特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の力セ
ンサ。
5. The force sensor according to claim 1, wherein the operating body, the support, and the flexible plate are integrally fired by a green sheet laminating method.
【請求項6】 グリーンシートの所定位置に形成された
焼失材によって、当該間隙部が形成されたものであるこ
とを特徴とする請求項5記載の力センサ。
6. The force sensor according to claim 5, wherein the gap is formed by a burnt material formed at a predetermined position of the green sheet.
【請求項7】 ジルコニアを主成分としたグリーンシー
トを用いてなることを特徴とする請求項5又は6記載の
力センサ。
7. The force sensor according to claim 5, wherein a green sheet containing zirconia as a main component is used.
【請求項8】 当該可撓板が、グリーンシートと検知素
子を一体焼成してなることを特徴とする請求項5〜7の
いずれか一項に記載の力センサ。
8. The force sensor according to claim 5, wherein the flexible plate is formed by integrally firing a green sheet and a sensing element.
【請求項9】 当該検知素子が圧電素子であることを特
徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の力セン
サ。
9. The force sensor according to claim 1, wherein the sensing element is a piezoelectric element.
【請求項10】 当該可撓板が、TiO2換算で0.1
〜0.6重量%のTi及び/又はMgO換算で0.00
5〜0.1重量%のMgを含有するジルコニアセラミッ
クスからなることを特徴とする請求項1〜9のいずれか
一項に記載の力センサ。
10. The flexible plate has a TiO 2 equivalent of 0.1.
-0.6% by weight of Ti and / or MgO as 0.00
The force sensor according to any one of claims 1 to 9, comprising a zirconia ceramic containing 5 to 0.1% by weight of Mg.
【請求項11】 当該可撓板が、TiO2換算で0.2
〜0.5重量%のTi及び/又はMgO換算で0.01
〜0.05重量%のMgを含有するジルコニアセラミッ
クスであることを特徴とする請求項10記載の力セン
サ。
11. The flexible plate has a TiO 2 equivalent of 0.2.
To 0.5% by weight of Ti and / or MgO in terms of 0.01
11. The force sensor according to claim 10, wherein the force sensor is a zirconia ceramic containing 0.05 to 0.05% by weight of Mg.
【請求項12】 当該作用体が直径2bの円柱形を有
し、当該支台が内径2aの円筒内周壁を有している場合
において、 当該可撓板の厚さをh、ヤング率をE、破壊応力をσと
したときに、当該間隙部の幅Lが、L=±σαa2/β
Eh(α:最大撓みの係数、β:最大応力の係数)の範
囲内にあることを特徴とする請求項1〜11のいずれか
一項に記載の力センサ。
12. When the working body has a cylindrical shape with a diameter of 2b and the abutment has a cylindrical inner peripheral wall with an inner diameter of 2a, the thickness of the flexible plate is h and the Young's modulus is E. When the breaking stress is σ, the width L of the gap is L = ± σαa 2 / β
The force sensor according to any one of claims 1 to 11, wherein the force sensor is within a range of Eh (α: coefficient of maximum deflection, β: coefficient of maximum stress).
【請求項13】 当該間隙部の幅Lが、L=±0.9σ
αa2/βEhの範囲内にあることを特徴とする請求項
12記載の力センサ。
13. The width L of the gap is L = ± 0.9σ.
13. The force sensor according to claim 12, wherein the force is in the range of αa 2 / βEh.
【請求項14】 当該間隙部の幅Lが、L=±0.7σ
αa2/βEhの範囲内にあることを特徴とする請求項
13記載の力センサ。
14. The width L of the gap is L = ± 0.7σ.
14. The force sensor according to claim 13, wherein the force is in the range of αa 2 / βEh.
【請求項15】 当該間隙部の幅Lが、L=±0.5σ
αa2/βEhの範囲内にあることを特徴とする請求項
14記載の力センサ。
15. The width L of the gap is L = ± 0.5σ.
The force sensor according to claim 14, wherein the force is in the range of αa 2 / βEh.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008197113A (en) * 2008-03-13 2008-08-28 Matsushita Electric Works Ltd Semiconductor acceleration sensor

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