JP2002310813A

JP2002310813A - 荷重センサ素子

Info

Publication number: JP2002310813A
Application number: JP2001111742A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Asai; 満浅井; Hiroaki Makino; 浩明牧野; Shin Tajima; 伸田島; Nobuo Kamiya; 信雄神谷; Kiyotaka Kinoshita; 清隆木下; Shiro Kuwabara; 史郎桑原; Toshiharu Mikami; 俊春三上; Kaori Fujita; かおり藤田
Original assignee: Toyoda Koki KK; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyoda Koki KK; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2001-04-10
Filing date: 2001-04-10
Publication date: 2002-10-23

Abstract

(57)【要約】【課題】荷重の測定が可能で構造が簡単な荷重センサ
素子を提供すること。【解決手段】電気絶縁性セラミック材料よりなるマト
リックスに圧力抵抗効果もしくは磁気抵抗効果を有する
材料を分散してなる複合材料よりなる感圧部１０を有
し，感圧部１０は，一対の受圧面１５，１６を有してい
ると共に受圧面１５，１６に測定すべき一軸荷重Ｆが直
接的に付与されるよう構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は，一軸荷重を測定可能な荷重セン
サ素子に関する。

【０００２】

【従来技術】従来，一軸荷重を測定する荷重センサを構
成する複合材料としては，圧力抵抗効果を有する材料で
ある，半導体のシリコン単結晶及び炭化珪素等が使用さ
れている。また，圧力抵抗効果材料としては，ペロブス
カイト型複合酸化物であるＬａ_1- _xＳｒ_xＭｎＯ₃粒子等
も知られている。ここに，圧力抵抗効果とは，材料に圧
縮応力，引張応力，剪断応力，静水圧応力が加わった際
に，材料の電気抵抗が変化する現象のことである。

【０００３】

【解決しようとする課題】ところで，これら従来の圧力
抵抗効果材料は，それ自体の機械的強度が弱いという欠
点を有する。そのため，これら従来の圧力抵抗効果材料
をセンサ材料として用いる場合には，低荷重用の荷重セ
ンサ，或いは，高荷重に耐えうる構造体を伴った複雑な
荷重センサを構成して使用する必要があった。

【０００４】そのため，測定する荷重の大きさ，測定物
の形状等によっては，上記従来の圧力抵抗効果材料を用
いた荷重センサを使用すること自体が困難な場合もあっ
た。一方，荷重センサはあらゆる分野の制御精度向上に
不可欠であり，そのため，様々な測定個所に対して容易
に対応できる簡単な構造の荷重センサの開発が望まれて
いる。

【０００５】本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなさ
れたもので，荷重の測定が可能で構造が簡単な荷重セン
サ素子を提供しようとするものである。

【０００６】

【課題の解決手段】第１の発明は，電気絶縁性セラミッ
ク材料よりなるマトリックスに圧力抵抗効果もしくは磁
気抵抗効果を有する材料を分散してなる複合材料よりな
る感圧部を有し，該感圧部は，一対の受圧面を有してい
ると共に該受圧面に測定すべき一軸荷重が直接的に付与
されるよう構成されていることを特徴とする荷重センサ
素子にある（請求項１）。

【０００７】本発明においては，上記感圧部に上記受圧
面を有し，感圧部自体が測定すべき一軸荷重を直接的に
受けるよう構成されている。そして，本発明では，上記
感圧部として，上記構成を有する特殊な複合材料を採用
している。即ち，上記感圧部を構成する材料は，電気絶
縁性セラミック材料よりなるマトリックスに圧力抵抗効
果もしくは磁気抵抗効果を有する材料（以下，適宜，単
に圧力抵抗効果材料という）を分散してなる複合材料よ
りなる。そして，上記マトリックスを構成する電気絶縁
性セラミックス材料は，高い圧縮強度を有しているの
で，センサ素子全体の強度を高めることができる。それ
故，複合材料自体が直接高い荷重を受ける構造を容易に
実現することができる。

【０００８】さらに，上記マトリックス中には，上記圧
力抵抗効果材料を分散してある。そのため，マトリック
ス中には上記圧力抵抗効果材料が連なってなる導電パス
が形成され，圧力の付与によって圧力抵抗効果あるいは
磁気抵抗効果を得ることができる。そして，このよう
に，本発明によれば，上記感圧部自体が直接的に一軸荷
重を受けることができるので，荷重センサ素子の構造を
簡単にすることができ，感圧部の受圧面の面積を変える
ことで低荷重から高荷重までの広い範囲の荷重を測定す
ることができる。また，感圧部の受圧面の形状を被測定
物の形状等に容易に変更することもできる。

【０００９】第２の発明は，一軸荷重を受ける一対の受
圧面を有する圧力容器と，該圧力容器内に配設された感
圧部と，該感圧部を覆うように上記圧力容器内に充填さ
れた液体又は気体の圧力媒体とを有してなり，上記受圧
面に付与された一軸荷重が上記圧力媒体を介して上記感
圧部に静水圧として付与されるよう構成されており，上
記感圧部は，電気絶縁性セラミック材料よりなるマトリ
ックスに圧力抵抗効果もしくは磁気抵抗効果を有する材
料を分散してなる複合材料よりなることを特徴とする荷
重センサ素子（請求項９）にある。

【００１０】上記感圧部を構成する複合材料は，上記マ
トリックス中に上記圧力抵抗効果材料を分散させてなる
複合材料よりなる。そのため，異方性があまりなく，静
水圧を受けた場合の方が，一軸荷重を受けた場合よりも
感度が高くなる傾向にある。本発明は，上記感圧部を上
記圧力媒体と圧力容器とにより覆い，感圧部に静水圧が
付与される構造をとるものである。

【００１１】そして，上記圧力容器に受圧面を設けてこ
れに一軸荷重を受けることにより，上記圧力媒体によっ
て静水圧が生じ，この静水圧が上記感圧部に付与され
る。これにより，上記構成の複合材料によってより高い
感度で荷重測定を行うことができる。

【００１２】第３の発明は，電気絶縁性よりなる梁部の
一端を保持してなる片持ち梁構造体と，上記梁部の少な
くとも一部に一体的に配設された感圧部とを有し，上記
梁部の自由端に一軸荷重を受けるよう構成されており，
上記感圧部は，電気絶縁性セラミック材料よりなるマト
リックスに圧力抵抗効果もしくは磁気抵抗効果を有する
材料を分散してなる複合材料よりなることを特徴とする
荷重センサ素子にある（請求項１０）。

【００１３】本発明は，上記片持ち梁構造体を用い，そ
の自由端に一軸荷重を受けて上記梁部に付与される曲げ
応力を上記感圧部により感知するよう構成したものであ
る。この場合には，上記片持ち梁構造体の構造設計を種
々変更することにより，小さい荷重から大荷重までの定
格荷重を有する荷重センサを構成できる。そして，本発
明では，上記片持ち梁構造の梁部に一体的に配設した上
記感圧部を上記構造の複合材料より構成した。これによ
り，梁に発生する応力，即ち梁に作用する荷重を検知す
ることができる。望ましくは，梁に発生する高い応力域
のみに上記感圧部を配設することが好ましい。これによ
り，荷重センサとしての感度を高くすることができる。

【００１４】第４の発明は，電気絶縁性よりなる梁部の
両端を保持してなる両持ち梁構造体と，上記梁部の少な
くとも一部に一体的に配設された感圧部とを有し，上記
梁部の中央部に一軸荷重を受けるよう構成されており，
上記感圧部は，電気絶縁性セラミック材料よりなるマト
リックスに圧力抵抗効果もしくは磁気抵抗効果を有する
材料を分散してなる複合材料よりなることを特徴とする
荷重センサ素子にある（請求項１１）。

【００１５】本発明は，上記両持ち梁構造体を用い，そ
の中央部に一軸荷重を受けて上記梁部に付与される曲げ
応力を上記感圧部により感知するよう構成したものであ
る。この場合には，上記両持ち梁構造体の構造設計を種
々変更することにより，小さい荷重から大きい荷重まで
の定格荷重を有する荷重センサを構成できる。そして，
本発明では，上記両持ち梁構造の梁部に一体的に配設し
た上記感圧部を上記構造の複合材料より構成した。これ
により，梁に発生する応力，即ち梁に作用する荷重を検
知することができる。望ましくは，梁に発生する高い応
力域のみに上記感圧部を配設することが好ましい。これ
により，荷重センサとしての感度を高くすることができ
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】上記第１の発明（請求項１）にお
いては，上記のごとく電気絶縁性セラミック材料よりな
るマトリックスに圧力抵抗効果もしくは磁気抵抗効果を
有する材料を分散してなる複合材料を感圧部として用い
る。そのため，上記のごとく，感圧部自体が高強度とな
り，高い一軸荷重を直接的に受けることができる。それ
故，例えば，１００ＭＰａ以上の荷重をも測定できる構
造とすることができる。

【００１７】また，上記感圧部の少なくとも一方の上記
受圧面には，電気絶縁性を有する絶縁部が配設されてい
ることが好ましい（請求項２）。この場合には，被測定
物が電気導電性を有している場合においても，上記被測
定物と上記感圧部との間の電気的絶縁を上記絶縁部によ
り維持することができ，正確な荷重測定を可能とするこ
とができる。なお，被測定物が導電性がない場合には，
上記絶縁部を必ずしも設けなくてもよい。

【００１８】また，上記絶縁部の配設方法としては，上
記感圧部と共に一体的に焼成する方法，別々に形成して
接着剤等により接着する方法等種々の方法がある。この
中でも，一体的に焼成可能な場合には，その方法を採る
ことによって，製造の合理化及び得られた荷重センサ素
子の安定性を向上させることができる。

【００１９】また，上記感圧部には，その外表面全体を
覆うように，電気絶縁性を有する絶縁部が配設されてい
てもよい（請求項３）。この場合には，感圧部が露出せ
ず，全面が電気絶縁性を有しているので，荷重センサ素
子が導電性部材と接触して不具合を起こすことがない。
さらに，感圧部全体を絶縁部により覆うことによって，
若干感度が上がる傾向にある。

【００２０】また，上記感圧部は，一方の上記受圧面が
電気絶縁性を有する絶縁基板上に接合されていると共
に，島状に多数配置されており，かつ，上記感圧部の他
方の上記受圧面には，電気絶縁性を有する絶縁部が配設
されている構造をとることもできる（請求項４）。この
場合には，島状に配置された各感圧部にそれぞれ電極を
設けて測定することによって，圧力分布を容易に測定で
きる。

【００２１】また，上記受圧面の形状は多角形形状とす
ることができる（請求項５）。例えば，四角形，六角
形，八角形，その他の多角形を採用できる。また，上記
受圧面の形状は曲線により結ばれた形状とすることがで
きる（請求項６）。さらには，上記受圧面の形状はリン
グ状とすることもできる（請求項７）。いずれの場合に
も，上記受圧面の形状を被測定物の形状に合わせて選択
することができ，上記荷重センサ素子の用途を広げるこ
とができる。

【００２２】また，上記感圧部の一方の上記受圧面には
電気絶縁性を有する絶縁部が配設されており，該絶縁部
の表面には，略半球状の受圧体を有している構造をとる
こともできる（請求項８）。この場合には，上記略半球
状の受圧体を介することによって，被測定物の面形状に
あまり左右されず一軸荷重を一点にて受けることがで
き，測定精度を高めることができる。

【００２３】また，上記第１〜第４の発明（請求項１，
９〜１１）のいずれにおいても，上記感圧部を構成する
電気絶縁性セラミックスはジルコニアであることが好ま
しい（請求項１２）。ここでいうジルコニアは，ＺｒＯ
₂に各種の添加物を添加したものも含む。例えば３Ｙ−
ＺｒＯ₂，１２Ｃｅ−ＺｒＯ₂等がある。ジルコニアは，
強度が高く，かつ電気絶縁性を有し，上記マトリックス
として有効に利用することができきる。なお，上記マト
リックス用のセラミックスとしては，ジルコニア以外に
も，Ａｌ₂Ｏ₃，ＭｇＡｌ₂Ｏ₄，ＳｉＯ₂，３Ａｌ₂Ｏ₃・
２ＳｉＯ₂，Ｙ₂Ｏ₃，ＣｅＯ₂，Ｌａ₂Ｏ₃，Ｓｉ₃Ｎ₄など
のセラミックスを適用することも可能である。

【００２４】また，上記感圧体を構成する圧力抵抗効果
もしくは磁気抵抗効果を有する材料は，ペロブスカイト
構造の（Ｌｎ_1-xＭａ_x）_1-yＭｂＯ_3-z，層状ペロブスカ
イト構造の（Ｌｎ_2-uＭａ_1+u）_1-vＭｂ₂Ｏ_7-w，Ｓｉ及
びこれらに微量の添加元素を加えた物質のいずれか１種
以上よりなること（ここに０＜ｘ≦０．５，０≦ｙ≦
０．２，０≦ｚ≦０．６，０＜ｕ≦１．０，０≦ｖ≦
０．２，０≦ｗ≦１．０，Ｌｎ；希土類元素，Ｍａ；１
種類またはそれ以上のアルカリ土類元素，Ｍｂ；１種類
またはそれ以上の遷移金属元素）が好ましい（請求項１
３）。

【００２５】（Ｌｎ_1-xＭａ_x）_1-yＭｂＯ_3-zにおいて，
ｘが０もしくは０．５を越えた場合には，圧力抵抗効果
を発現しない，もしくは発現したとしても充分な値の圧
力抵抗効果ではないという問題が生じるおそれがある。

【００２６】（Ｌｎ_1-xＭａ_x）_1-yＭｂＯ_3-zにおいて，
ｙはペロブスカイト構造のＡサイト欠損量を示す。０≦
ｙ≦０．２ならば，前記組成範囲内の圧力抵抗効果材料
は上記複合材料を構成した場合に，適切な圧力抵抗効果
を発揮できる。ｙが０．２を越えた場合には，圧力抵抗
効果が小さくなるおそれがある。

【００２７】（Ｌｎ_1-xＭａ_x）_1-yＭｂＯ_3-zにおいて，
酸素欠損量ｚは，０≦ｚ≦０．６の範囲であっても，適
切な圧力抵抗効果を発現し，優れた感圧部を構成しうる
上記複合材料を構成することができる。ｚが０．６を越
えた場合には，圧力抵抗効果を発現しない，もしくは発
現したとしても充分な値の圧力抵抗効果ではないという
問題が生じるおそれがある。

【００２８】また，（Ｌｎ_2-uＭａ_1+u）_2-vＭｂ₂Ｏ_7-w
において，ｕが０もしくは１．０を越えた場合には，圧
力抵抗効果を発現しない，もしくは発現したとしても充
分な値の圧力抵抗効果ではないおそれがある。

【００２９】（Ｌｎ_2-uＭａ_1+u）_1-vＭｂ₂Ｏ_7-wにおい
て，０≦ｖ≦０．２ならば，優れた上記複合材料を構成
するに適切な圧力抵抗効果を発現できる。ｖが０．２を
越えた場合には，圧力抵抗効果を発現しない，もしくは
発現したとしても充分な値の圧力抵抗効果ではないとい
う問題が生じるおそれがある。

【００３０】また，（Ｌｎ_2-uＭａ_1+u）_1-vＭｂ₂Ｏ_7-w
において，酸素欠損量ｗは０≦ｗ≦１．０の範囲であっ
ても，適切な圧力抵抗効果を発現し，優れた感圧部とし
ての上記複合材料を構成することができる。ｚが１．０
を越えた場合には，圧力抵抗効果を発現しない，もしく
は発現したとしても充分な値の圧力抵抗効果ではないと
いう問題が生じるおそれがある。

【００３１】次に，上記絶縁部を設ける場合には，これ
がジルコニアよりなることが好ましい（請求項１４）。
ここでいうジルコニアも，ＺｒＯ₂に各種の添加物を添
加したものも含む。例えば３Ｙ−ＺｒＯ₂，１２Ｃｅ−
ＺｒＯ₂等がある。ジルコニアは，強度が高く，かつ電
気絶縁性を有し，上記絶縁部として有効に利用すること
ができきる。なお，上記絶縁部用のセラミックスとして
は，ジルコニア以外にも，Ａｌ₂Ｏ₃，ＭｇＡｌ₂Ｏ₄，Ｓ
ｉＯ₂，３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂，Ｙ₂Ｏ₃，ＣｅＯ₂，Ｌ
ａ₂Ｏ ₃，Ｓｉ₃Ｎ₄などのセラミックスを適用することも
可能である。

【００３２】

【実施例】（実施例１）本発明の実施例にかかる荷重セ
ンサ素子につき，図１，図２を用いて説明する。本例の
荷重センサ素子１は，図１，図２に示すごとく，電気絶
縁性セラミック材料１１よりなるマトリックスに圧力抵
抗効果もしくは磁気抵抗効果を有する材料１２を分散し
てなる複合材料よりなる感圧部１０を有する。該感圧部
１０は，一対の受圧面１５，１６を有していると共に該
受圧面１５，１６に測定すべき一軸荷重Ｆが直接的に付
与されるよう構成されている。そして，上記感圧部１０
の側面には，電極２を配設した。なお，受圧面１５，１
６に一軸荷重Ｆがかからない部分がある場合には，受圧
面１５，１６に電極２を設けることも可能ではある。

【００３３】本例における感圧部１０は，上記特定の構
成の複合材料よりなる。具体的には，図２に示すごと
く，電気絶縁性セラミック材料１１を用いてマトリック
スを構成し，その中に圧力抵抗効果もしくは磁気抵抗効
果を有する材料１２（以下，圧力抵抗効果材料１２とい
う）を分散させた。そして，圧力抵抗効果材料１２は，
電気的に連続に繋がるように配設した。なお，同図に示
すごとく，孤立して他の圧力抵抗効果材料１２と繋がら
ないように存在する圧力抵抗効果材料１２もある。ま
た，図２は，模式的に構造を示したものであり，実際の
感圧部１０の複合材料は，電気絶縁性セラミック材料１
１の各粒子と圧力抵抗効果材料１２の各粒子がそれぞれ
焼結された状態で存在する。

【００３４】このような複合材料よりなる感圧部１０
は，次のようにして作製する。上記電気絶縁性のセラミ
ック材料１１としては，１２ｍｏｌ％のＣｅＯ₂を添加
したＺｒＯ₂，圧力抵抗効果材料１２としてはＬａ_0.75
Ｓｒ_0.25ＭｎＯ₃を適用する。

【００３５】まず，Ｌａ₂Ｏ₃粉末，ＳｒＣＯ₃粉末，Ｍ
ｎＣＯ₃粉末を，Ｌａ：Ｓｒ：Ｍｎの組成比で，０．
８：０．２：１となるように秤量した。それらの粉末
を，混合用ＺｒＯ₂ボール，混合溶媒エタノールと一緒
にポリポットに投入して，２０時間混合した。混合粉末
を，乾燥，解砕して，大気中で，１３００℃で４時間仮
焼して，圧力抵抗効果を有するぺロブスカイト型複合酸
化物粉末Ｌａ_0.75Ｓｒ_0.25ＭｎＯ₃を合成した。

【００３６】引き続いて市販の，ＣｅＯ₂を添加してな
るＺｒＯ₂粉末（住友大阪セメント（株），ＯＺＣ−１
２ＣＥＢ）と，合成したＬａ_0.75Ｓｒ_0.25ＭｎＯ₃粉末
とを，全重量に対するＬａ_0.75Ｓｒ_0.25ＭｎＯ₃の重量
割合が２６重量％となるように秤量した。それらの粉末
を，混合用ＺｒＯ₂ボール，混合溶媒エタノールと一緒
にポリポットに投入して，４時間混合し，さらに乾燥，
解砕した。解砕した混合粉末を，金型で直径φ１８ｍｍ
の円盤形状にプレス成形し，その後３０００ｋｇ／ｃｍ
²の圧力でＣＩＰ処理した。そして成形体を１４００℃
で４時間焼結した。

【００３７】得られた焼結体の密度は理論密度の９８％
に緻密化しており，導電性を有している。また，焼結体
の比抵抗は約２５Ωｃｍであった。この焼結体を直方体
形状に切り出したものが，上記感圧部１０である。この
感圧部１０においては，上記のごとく対向する一対の面
が受圧面１５，１６となる。そして，これら受圧面１
５，１６に直交する一対の側面には，上記のごとく電極
２を配置した。

【００３８】電極２としては，Ａｇペースト（昭栄化学
工業（株），Ｈ−５９９７）を用い，温度８５０℃に１
０分間保持して焼き付けた。さらに，電極２には，リー
ド線２５を半田付けにより配設した。これにより，本例
の荷重センサ素子１が得られた。

【００３９】次に，本例の作用効果につき説明する。本
例の荷重センサ素子１は，感圧部１０に受圧面１５，１
６を有し，感圧部１０自体が，測定すべき一軸荷重を直
接的に受けるよう構成されている。そして，上記感圧部
１０として，上記構成の特殊な複合材料を採用してい
る。即ち，上記感圧部１０を構成する材料は，電気絶縁
性セラミック材料１１よりなるマトリックスに上記圧力
抵抗効果材料１２を分散してなる複合材料よりなる。そ
して，上記マトリックスを構成する電気絶縁性セラミッ
クス材料１１は，上記のジルコニアよりなり，高い圧縮
強度を有しているので，センサ素子全体の強度を高める
ことができる。それ故，複合材料自体が直接高い荷重を
受ける構造を容易に実現することができる。

【００４０】さらに，上記マトリックス中には，上記圧
力抵抗効果材料１２を分散してある。そのため，マトリ
ックス中には上記圧力抵抗効果材料１２が連なってなる
導電パスが形成され，圧力の付与によって圧力抵抗変化
効果あるいは磁気抵抗変化を得ることができる。

【００４１】そして，このように，上記感圧部１０自体
が直接的に一軸荷重を受けることができるので，荷重セ
ンサ素子１の構造が非常に簡単である。また，この荷重
センサ素子１を実際に使用する際には，上記感圧部１０
の受圧面１５，１６が被測定物の間に挟まれるように配
設するだけでよく，非常に簡単に使用することができ
る。

【００４２】（実施例２）本例は，図３に示すごとく，
実施例１の荷重センサ素子１の構造を基本として，感圧
部１０の受圧面１５，１６に，電気絶縁性を有する絶縁
部３を配設した例である。この絶縁部３としては，実施
例１における感圧部１０のマトリックスと同じセラミッ
クス，即ち，１２ｍｏｌ％のＣｅＯ₂を添加したＺｒＯ₂
を用いた。そして，金型プレスにて，絶縁部用の原料粉
をプレス成形し，その上に上記感圧部１０用の原料粉を
加えてさらにプレスし，次いでその上に絶縁部用の原料
粉を加えてプレスするという３回のプレスによって３層
構造の成形体を得た。それを一体焼成することにより３
層構造の一体焼結素子を得た。このような手順により上
記感圧部１０となる複合材料の両面に絶縁部３を配置し
た素子が得られた。その他は実施例１と同様である。

【００４３】この場合には，被測定物が電気導電性を有
している場合においても，上記被測定物と感圧部１０と
の間の電気的絶縁を絶縁部３により維持することができ
る。それ故，正確な荷重測定を可能とすることができ
る。なお，被測定物が導電性でない場合には，上記絶縁
部を必ずしも設ける必要はなく，実施例１の構造を採用
することができる。

【００４４】（実施例３）本例は，図４，図５に示すご
とく，実施例１の荷重センサ素子１の構造を基本とし
て，感圧部１０の形状，即ち，受圧面１５，１６の形状
を変更した例である。即ち，図４に示す荷重センサ素子
１は，受圧面１５，１６の形状が曲線により結ばれた形
状（本例では楕円形状）とした例である。また，図５に
示す荷重センサ素子１は，受圧面１５，１６の形状をリ
ング状とした例である。

【００４５】これらは，被測定物の荷重センサ素子１と
の当接面の形状が楕円，円，或いはリング状である場合
に，特に有効である。また，図５に示すごとくリング状
の場合には，例えば，ボルトによる締め付け強度等を測
定したい場合に，上記感圧部１０の中央の穴にボルトの
軸を通すように配設することができる。それ故，ボルト
の頭部を均一に上記感圧部１０の受圧面１５，１６に当
接させることができ，測定精度を高めることができる。
その他は実施例１と同様の作用効果が得られる。

【００４６】（実施例４）本例は，図６に示すごとく，
実施例１の荷重センサ素子１の構造を基本として，感圧
部１０の外表面全体を覆うように，電気絶縁性を有する
絶縁部３を配設した例である。

【００４７】具体的には，実施例１と同様の構造の感圧
部１０に受圧面１５，１６を設けると共に，側面に内部
電極２５を配設する。さらに内部電極２２には，内部リ
ード線２６を接続する。そして，これら全体を絶縁部３
により覆う。そしてその側面には上記内部リード線２６
を露出させ，これに接続されるように外部電極２７を設
ける。そして，この外部電極２７にリード線２８を接続
することにより，本例の荷重センサ素子１となる。その
他は実施例１と同様である。この場合には，感圧部１０
全体を上記絶縁部３により覆っているので，荷重負荷時
の感圧部１０の変形が絶縁部３によって拘束されるため
に圧力感度が向上するという作用効果が得られる。その
他は実施例１と同様の効果が得られる。

【００４８】（実施例５）本例は，図７に示すごとく，
一軸荷重を受ける一対の受圧面５５，５６を有する圧力
容器５と，該圧力容器５内に配設された感圧部１０と，
該感圧部１０を覆うように上記圧力容器５内に充填され
た液体の圧力媒体６とを有してなる。そして，受圧面５
５，５６に付与された一軸荷重が圧力媒体６を介して感
圧部１０に静水圧として付与されるよう構成されてい
る。

【００４９】また，感圧部１０は，実施例１と同様に，
図２に示すごとく，電気絶縁性セラミック材料１１より
なるマトリックスに圧力抵抗効果もしくは磁気抵抗効果
を有する材料１２を分散してなる複合材料よりなる。ま
た，上記圧力容器５としては，金属（例えばＳＵＳ，Ｃ
ｕ，Ｆｅ等）を用いて構成した。また，上記圧力媒体６
としては，電気絶縁性のシリコンオイルを用いた。ま
た，感圧部１０にはその側面に電極２を設け，リード線
２５を圧力容器５から突出するように配設した。その他
は実施例１と同様である。

【００５０】本例の場合には，圧力容器５の受圧面５
５，５６に付与された一軸荷重が，上記のごとく圧力媒
体６の存在によって静水圧となって感圧部１０に付与さ
れる。また，感圧部１０は，実施例１において示したよ
うに，マトリックス中に圧力抵抗効果材料１２が均一に
分散されて導電パスを有する構造となっており，静水圧
に対する感度が高い。それ故，上記圧力容器５及び圧力
媒体６を有する本例の荷重センサ素子１はより感度の高
いものとなる。

【００５１】（実施例６）本例は，図８に示すごとく，
感圧部１０の一方の受圧面１６が電気絶縁性を有する絶
縁基板３９上に接合されていると共に，網目状の隙間を
介して島状に多数配置されている例である。感圧部１０
の他方の受圧面１５には，電気絶縁性を有する絶縁部３
が配設されている。また，各感圧部１０の側面にはそれ
ぞれ電極２が配設され，それぞれにリード線（図示略）
が接続されている。

【００５２】本例の荷重センサ素子１を製造するに当た
っては，上記絶縁基板３９上に上記感圧部１０の元とな
る１枚の感圧部を配置し，さらにその上に上記絶縁部３
を配した３層構造のシートを一体焼成して設ける。そし
て，上記絶縁部３と感圧部１０を格子状に切り欠いて，
図８（ａ）に示すごとく，各感圧部１０及び絶縁部３を
島状に分離する。そして，各感圧部１０の側面に電極２
を接合し，その後リード線を接続する。これにより，図
８に示すごとき本例の荷重センサ素子１が得られる。

【００５３】本例の荷重センサ素子１は，上記のごと
く，多数の感圧部１０が島状に分離して配設されてい
る。そのため，この荷重センサ素子１を用いれば，各感
圧部１０に当接する部分のそれぞれの一軸荷重を測定す
ることができ，圧力分布が容易に測定できる。その他は
実施例１と同様の作用効果が得られる。

【００５４】（実施例７）本例は，実施例６における感
圧部１０の配設をスクリーン印刷によって行う例であ
る。まず，上記感圧部１０となるジルコニア粉末とＬａ
_0.75Ｓｒ_0.25ＭｎＯ₃粉末の混合粉に，樹脂，分散剤を
混合してスラリーを作成する。そして，このスラリーを
別途準備した絶縁基板上に，島状に多数スクリーン印刷
により印刷する。さらに感圧部の上面に絶縁部となるス
ラリー（ジルコニア粉末に樹脂，分散剤を混合したスラ
リー）をスクリーン印刷により印刷する。

【００５５】その後，脱脂，焼成して，各感圧部の側面
に電極２を接合し，リード線を接続することにより荷重
センサ素子が得られる。この荷重センサ素子は，実施例
６の荷重センサ素子１（図８）における感圧部１０の厚
みが薄くなったものである（図示略）。

【００５６】本例の荷重センサ素子１においても，実施
例６と同様に，各感圧部１０の当接する部分のそれぞれ
の一軸荷重を測定することができ，圧力分布を容易に測
定することができる。その他は実施例１と同様の作用効
果が得られる。

【００５７】（実施例８）本例は，図９に示すごとく，
電気絶縁性よりなる梁部７１の一端を保持してなる片持
ち梁構造体７０と，上記梁部７１の少なくとも一部に一
体的に配設された感圧部１０とを有し，上記梁部７１の
自由端に一軸荷重を受けるよう構成した荷重センサ素子
１の例である。上記感圧部１０は，実施例１と同様に，
図２に示すごとく，電気絶縁性セラミック材料１１より
なるマトリックスに圧力抵抗効果もしくは磁気抵抗効果
を有する材料１２を分散してなる複合材料よりなる。

【００５８】上記梁構造体７０は，図９に示すごとく，
上方が開口したケース７２と，その側壁部７３に強固に
固定された片持ちの梁部７１とよりなる。梁部７１は，
上述した各実施例における絶縁部３と同じジルコニアよ
りなり，感圧部１０と共に一体的に焼成して作製されて
いる。また，梁部７１の自由端７１１の上面には，荷重
を受けるための略半球状の受圧体７５を設けた。また，
感圧部１０の両端には，電極２を設け，これに図示しな
いリード線を接続した。

【００５９】この場合には，上記片持ち梁構造の梁部７
１に上記感圧部１０を設けているので，梁の自由端に荷
重が負荷されると梁が変形し，それによって感圧部１０
には応力が作用する。即ち，荷重を梁の変形によって測
定できる。

【００６０】（実施例９）本例は，図１０に示すごと
く，電気絶縁性よりなる梁部８１の両端を保持してなる
両持ち梁構造体８０と，上記梁部８１の一部に一体的に
配設された感圧部１０とを有し，上記梁部８１の中央部
に一軸荷重を受けるよう構成されている例である。上記
感圧部１０は，実施例１と同様に，図２に示すごとく，
電気絶縁性セラミック材料１１よりなるマトリックスに
圧力抵抗効果もしくは磁気抵抗効果を有する材料１２を
分散してなる複合材料よりなる。

【００６１】上記梁構造体８０は，図１０に示すごと
く，上方が開口したケース８２と，その底板部８３から
立設された２つの支点部８４上に配置された両持ちの梁
部８１とよりなる。梁部８１は，上述した各実施例にお
ける絶縁部３と同じジルコニアよりなり，感圧部１０と
共に一体的に焼成して作製されている。また，梁部８１
の中央部，具体的には，梁部８１に一体的に配設されて
いる感圧部１０の中央部上面には，荷重を受けるための
略半球状の受圧体８５を設けた。また，感圧部１０の両
端には，電極２を設け，これに図示しないリード線を接
続した。

【００６２】この場合には，上記両持ち梁構造の梁部８
１に上記感圧部１０を設けているので，梁の中心部に荷
重が負荷されると梁が変形し，それによって感圧部１０
仁王力が作用する。即ち，荷重を梁の変形によって測定
できる。

【００６３】（実施例１０）本例は，図１１に示すごと
く，実施例２の荷重センサ素子１を用いて，ロードセル
を構成した例である。同図に示すごとく，ケース４０内
に，荷重センサ素子１を配置すると共に，その近傍に温
度補償用のダミー素子（荷重センサ素子と同じ素子）４
５を配置し，シリンコンゴム４６により埋設した。

【００６４】上記荷重センサ素子１の上方の絶縁部３の
上面には，半球状の受圧体４７を配設した。また，上記
ダミー素子４５は，荷重センサ素子１と同様に，感圧部
１０を２つの絶縁部３により挟持した構造とした。そし
て，上記荷重センサ素子１及びダミー素子４５には，そ
れぞれの感圧部１０に電極２を配設し，複数のリード線
２５に接続した。

【００６５】本例のロードセルを用いれば，上記ダミー
素子の存在によって温度補償回路を形成することがで
き，温度変化が大きい場合における荷重測定精度の向上
を図ることができる。その他は実施例１と同様の作用効
果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１における，荷重センサ素子の構造を示
す説明図。

【図２】実施例１における，感圧部の内部構成を示す説
明図。

【図３】実施例２における，荷重センサ素子の構造を示
す説明図。

【図４】実施例３における，荷重センサ素子の構造を示
す，（ａ）平面図，（ｂ）Ａ−Ａ線矢視断面図。

【図５】実施例３における，他の荷重センサ素子の構造
を示す，（ａ）平面図，（ｂ）Ｂ−Ｂ線矢視断面図。

【図６】実施例４における，荷重センサ素子の構造を示
す，（ａ）斜視図，（ｂ）Ｃ−Ｃ線矢視断面図。

【図７】実施例５における，荷重センサ素子の構造を示
す，（ａ）斜視図，（ｂ）Ｄ−Ｄ線矢視断面図。

【図８】実施例６における，荷重センサ素子の構造を示
す，（ａ）平面図，（ｂ）Ｅ−Ｅ線矢視断面図。

【図９】実施例８における，荷重センサ素子の構造を示
す説明図。

【図１０】実施例９における，荷重センサ素子の構造を
示す説明図。

【図１１】実施例１０における，荷重センサ素子の構造
を示す説明図。

【符号の説明】

１．．．荷重センサ素子，１０．．．感圧部，１５，１６．．．受圧面，２．．．電極，３．．．絶縁部，５．．．圧力容器，６．．．圧力媒体，７０．．．片持ち梁構造体，７１．．．梁部，８０．．．両持ち梁構造体，８１．．．梁部，

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者牧野浩明愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者田島伸愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者神谷信雄愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者木下清隆愛知県刈谷市朝日町１丁目１番地豊田工機株式会社内 (72)発明者桑原史郎愛知県刈谷市朝日町１丁目１番地豊田工機株式会社内 (72)発明者三上俊春愛知県刈谷市朝日町１丁目１番地豊田工機株式会社内 (72)発明者藤田かおり愛知県刈谷市朝日町１丁目１番地豊田工機株式会社内Ｆターム(参考） 2F051 AA00 AB05 AB06 BA07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気絶縁性セラミック材料よりなるマト
リックスに圧力抵抗効果もしくは磁気抵抗効果を有する
材料を分散してなる複合材料よりなる感圧部を有し，該
感圧部は，一対の受圧面を有していると共に該受圧面に
測定すべき一軸荷重が直接的に付与されるよう構成され
ていることを特徴とする荷重センサ素子。
【請求項２】請求項１において，上記感圧部の少なく
とも一方の上記受圧面には，電気絶縁性を有する絶縁部
が配設されていることを特徴とする荷重センサ素子。
【請求項３】請求項１において，上記感圧部には，そ
の外表面全体を覆うように，電気絶縁性を有する絶縁部
が配設されていることを特徴とする荷重センサ素子。
【請求項４】請求項１において，上記感圧部は，一方
の上記受圧面が電気絶縁性を有する絶縁基板上に接合さ
れていると共に島状に多数配置されており，かつ，上記
感圧部の他方の上記受圧面には，電気絶縁性を有する絶
縁部が配設されていることを特徴とする荷重センサ素
子。
【請求項５】請求項１〜４のいずれか１項において，
上記受圧面の形状は多角形形状であることを特徴とする
荷重センサ素子。
【請求項６】請求項１〜４のいずれか１項において，
上記受圧面の形状は曲線により結ばれた形状であること
を特徴とする荷重センサ素子。
【請求項７】請求項１〜４のいずれか１項において，
上記受圧面の形状はリング状であることを特徴とする荷
重センサ素子。
【請求項８】請求項１において，上記感圧部の一方の
上記受圧面には電気絶縁性を有する絶縁部が配設されて
おり，該絶縁部の表面には，略半球状の受圧体を有して
いることを特徴とする荷重センサ素子。
【請求項９】一軸荷重を受ける一対の受圧面を有する
圧力容器と，該圧力容器内に配設された感圧部と，該感
圧部を覆うように上記圧力容器内に充填された液体又は
気体の圧力媒体とを有してなり，上記受圧面に付与され
た一軸荷重が上記圧力媒体を介して上記感圧部に静水圧
として付与されるよう構成されており，上記感圧部は，
電気絶縁性セラミック材料よりなるマトリックスに圧力
抵抗効果もしくは磁気抵抗効果を有する材料を分散して
なる複合材料よりなることを特徴とする荷重センサ素
子。
【請求項１０】電気絶縁性よりなる梁部の一端を保持
してなる片持ち梁構造体と，上記梁部の少なくとも一部
に一体的に配設された感圧部とを有し，上記梁部の自由
端に一軸荷重を受けるよう構成されており，上記感圧部
は，電気絶縁性セラミック材料よりなるマトリックスに
圧力抵抗効果もしくは磁気抵抗効果を有する材料を分散
してなる複合材料よりなることを特徴とする荷重センサ
素子。
【請求項１１】電気絶縁性よりなる梁部の両端を保持
してなる両持ち梁構造体と，上記梁部の少なくとも一部
に一体的に配設された感圧部とを有し，上記梁部の中央
部に一軸荷重を受けるよう構成されており，上記感圧部
は，電気絶縁性セラミック材料よりなるマトリックスに
圧力抵抗効果もしくは磁気抵抗効果を有する材料を分散
してなる複合材料よりなることを特徴とする荷重センサ
素子。
【請求項１２】請求項１〜１１のいずれか１項におい
て，上記感圧部を構成する電気絶縁性セラミックスはジ
ルコニアであることを特徴とする荷重センサ素子。
【請求項１３】請求項１〜１３のいずれか１項におい
て，上記感圧体を構成する圧力抵抗効果もしくは磁気抵
抗効果を有する材料は，ペロブスカイト構造の（Ｌｎ
_1-xＭａ_x）_1-yＭｂＯ_3-z，層状ペロブスカイト構造の
（Ｌｎ_2-uＭａ_1+u）_1-vＭｂ₂Ｏ_7-w，Ｓｉ及びこれらに
微量の添加元素を加えた物質のいずれか１種以上よりな
ること（ここに０＜ｘ≦０．５，０≦ｙ≦０．２，０≦
ｚ≦０．６，０＜ｕ≦１．０，０≦ｖ≦０．２，０≦ｗ
≦１．０，Ｌｎ；希土類元素，Ｍａ；１種類またはそれ
以上のアルカリ土類元素，Ｍｂ；１種類またはそれ以上
の遷移金属元素）を特徴とする荷重センサ素子。
【請求項１４】請求項２，３，４，８のいずれか１項
において，上記絶縁部はジルコニアよりなることを特徴
とする荷重センサ素子。