JP2003042861A

JP2003042861A - 立体型歪みセンサ

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Publication number: JP2003042861A
Application number: JP2001228057A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Higuchi; 俊郎樋口; Isamu Aoki; 勇青木
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2001-07-27
Filing date: 2001-07-27
Publication date: 2003-02-13
Anticipated expiration: 2021-07-27
Also published as: JP3830783B2

Abstract

(57)【要約】【課題】簡便にして小型化され、正確な歪み、変位、
力を計測することができる立体型歪みセンサを提供す
る。【解決手段】ステンレス板２はテーパー状に先端部２
ａが狭くなっているが、歪みセンサ４はテーパーが開始
される位置から計ってあらかじめ指定された正確な位置
に形成あるいは接合される。つまり、展開されたステン
レス板２を破線の部分で直角に折り曲げたもので、一つ
のピンセットが形成されている。ピンセットには歪みセ
ンサ４が付けられており、曲げ変形からピンセットで挟
んだ場合の圧力が検知できるようになっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、歪みセンサに係
り、特に、立体型に形成された歪み、変位、力の測定が
可能な歪みセンサに関するものである。ロボットアーム
に加わる、いわゆるロードセルと呼ばれる歪みセンサ等
の各種工業分野、精密天秤、あるいは微小な力を計測す
るための各種精密計測分野を始め、多くの利用分野にお
いて利用される。

【０００２】

【従来の技術】薄い樹脂基板の上に金属薄膜を付けた歪
みセンサ、例えば、ストレインゲージは、歪みを計るべ
き物体（起歪体）の表面に接着等の手段で接合して利用
される。この歪みセンサの接合に当たっては、一般に同
じ起歪体でも接合する場所によって歪みセンサの感度変
化が大きく、そのため、歪みセンサを接合する場所を正
確に決める必要のある場合が多い。また、歪みセンサを
接合すべき場所が、歪みセンサを接着するのに不向きな
場所になっている場合も多い。

【０００３】一方、接着という工法は一般に正確な位置
を出すには向かず、特に正確な位置に接合する必要があ
る場合には、高い技量を持った技能者の名人芸に頼って
いるのが現状である。また、検出したい力として、一つ
の軸に沿った力のみでなく、２〜３軸に沿った力、ま
た、せん断力、および捩じり力の計測が同時に計測され
る立体型の変位・力センサが必要になる場合が多い。こ
のような力センサの場合には、歪みを検知する特定部位
は少なくとも２個以上が必要であり、複数個の歪みセン
サが起歪体に立体的に配置されることが必要である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の歪み
センサの問題点は、生産に当たって、薄い樹脂基板上に
形成されたストレインゲージを、金属構造体の所要の位
置に正確に、しかも確実に接合する必要があることであ
る。そのために、従来の力センサについては立体型の構
造体の製作と共に、ストレインゲージとの組み立てを低
価格で行うことが困難である。

【０００５】また、従来のストレインゲージでは、樹脂
基板の最小寸法として数ｍｍ角以下に小型化することは
難しく、そのため、力センサの小型化に対して一定の制
約があった。

【０００６】本発明は、このような問題点を解決し、簡
便にして小型化され、正確な歪み、変位、力を計測する
ことができる立体型歪みセンサを提供することを目的と
する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、起歪体に力、
熱等の外力が加えられた際にこの起歪体に発生する歪み
を計測することにあるが、特に、計測されるべき起歪体
に対する被計測センサの位置の特定とその個数とを考慮
しつつ配設することに特徴を有し、これによって歪みの
３次元計測が初めて可能になった。従来から複数の歪み
センサを取り付ける試みはあったが、各歪みセンサを起
歪体に接着する等の手段が使われて、起歪体に対する正
確な位置出しもできず、センサ相互のデータにバラツキ
が大きかった。

【０００８】本発明は、例えば、板状基板にフォトリソ
技術、薄膜技術を駆使して達成することから、３次元の
箱状に加工された起歪体の相互位置に対する各センサ位
置を正確に配設することが可能であり、結果として、各
センサのデータを活用してのベクトル合成計測も初めて
可能となった。

【０００９】本発明では、歪みセンサを特定の場所に正
確に形成または接合するための方法が基になっている。
その一つは、金属板の上に歪みセンサを形成する技術で
ある。すなわち、所定の形状を持った金属板上の所定の
位置に、無機材料よりなる電気的絶縁膜を形成し、更に
その上に例えばフォトプロセスで形成されたレジストパ
ターン上に歪みセンサ材料をスパッタプロセスで形成す
る技術を採用する。この技術を基にすれば、センサパタ
ーンを金属板に対して極めて正確な位置に、しかも微細
なパターンとして形成することが可能である。

【００１０】もう一つは、ストレインゲージのような歪
みセンサを対象物に接着する場合に、対象物が立体であ
るよりも平面である方が、所定の位置に正確に接着する
のははるかに実現され易いということである。

【００１１】ここで解決すべき問題は、一つの平面上に
ある金属板上に形成された歪みセンサのみでは、立体型
の変位・力センサを形成することはできず、どうしても
３次元構造にしなければならないことである。

【００１２】立体型の構造とするために、一枚の金属板
を折り曲げ加工して立体型にすることは一般に行われる
手段である。しかし、金属板の上に形成または接合され
た歪みセンサがある場合には、一般に、折り曲げ加工時
には極端な歪みを受ける訳で、歪みセンサ部分に致命的
な損傷を与えてしまうことは想像に難くない。

【００１３】しかし、本願発明者の長年の塑性変形加工
経験から、曲げ加工の場合の塑性変形は曲げ加工したと
ころからある範囲内に限定されることを知っている。こ
の知識との組合せで考えると、従来にない、新しい立体
型力センサの実現が可能であることに気が付き、本発明
に至った。

【００１４】本発明は、上記の目的を達成するために、
第１に、歪みセンサがその表面上に形成され、あるい
は、歪みセンサが表面上に接合された金属板よりなり、
金属板は前記歪みセンサに損傷を与えない加工方法およ
び位置において、少なくとも一箇所の塑性変形加工がな
されることを特徴とする。

【００１５】第２に、金属板の表面上に形成される歪み
センサは、金属板の上に電気的絶縁膜を形成し、更にそ
の上部に形成される金属薄膜よりなり、与えられる歪み
に応じて金属薄膜の抵抗値が変化することを以てセンサ
機能を果たすように構成される。

【００１６】第３に、金属板の表面上に接合される歪み
センサは、前記金属板の表面上に接合され、樹脂基板上
に形成された歪みセンサであって、接着剤により金属表
面上に接合されることを特徴とする。

【００１７】第４に、金属板の上に形成され、または金
属板の上に接合される歪みセンサは複数個であって、且
つまた金属板の一部分は、２つの剛体と各々２つの部分
において固く接合され、２個の剛体の間に変位または力
が加わる時は、加わった変位または力に応じた前記歪み
センサ出力を基にして２個の剛体間に働く変位または力
をベクトルとして計測することを特徴とする。

【００１８】第５に、上記第１の立体型歪みセンサにお
いて、前記金属板には、塑性変形加工に先立って、塑性
変形加工線に沿って折り曲げ加工や捩じり加工を容易に
する前処理を施すことを特徴とする。

【００１９】第６に、上記第１の立体型歪みセンサにお
いて、前記金属板は、曲げ加工に先立って、折り曲げ加
工線に沿って一部分の厚さを薄くするように加工される
ことを特徴とする。

【００２０】第７に、上記第１の立体型歪みセンサにお
いて、前記金属板は、曲げ加工に先立って、折り曲げ加
工線に沿って小さな穴の列が形成されることを特徴とす
る。

【００２１】第８に、上記第１の立体型歪みセンサにお
いて、前記金属板は、曲げ加工に先立って、折り曲げ加
工線の端部にノッチまたは切り欠き加工がなされること
を特徴とする。

【００２２】第９に、上記第２、３又は４の立体型歪み
センサにおいて、前記歪みセンサの位置を決めるマスク
でもって同時に前記曲げ加工位置を設定することを特徴
とする。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら説明する。

【００２４】図１は本発明の第１実施例を示す立体型歪
みセンサの構成図であり、図１（ａ）はその立体型歪み
センサの展開図、図１（ｂ）はその立体型歪みセンサの
斜視図である。

【００２５】図１において、１は立体型歪みセンサ、２
はステンレス板であり、このステンレス板２上には歪み
センサ４が直接形成され、あるいは接合されている。ま
た、３はステンレス板の折り曲げ加工線を示している。

【００２６】そこで、ステンレス板２はテーパー状に先
端部２ａが狭くなっているが、歪みセンサ４はテーパー
が開始される位置から計ってあらかじめ指定された正確
な位置に形成あるいは接合される。図１（ｂ）に示す立
体型歪みセンサ１は、図１（ａ）の展開されたステンレ
ス板２を破線の部分で直角に折り曲げたもので、一つの
ピンセット構造となっている。このピンセットには歪み
センサ４が付けられており、曲げ変形からピンセットで
挟んだ場合の圧力が検知できるようになっている。

【００２７】図２は本発明にかかる歪みセンサの具体的
な実施例の一つを示しており、図２（ａ）はその平面
図、図２（ｂ）はその側面図である。

【００２８】歪みセンサ４としては、例えば、『佐々木
祥弘、丹羽英二、本間基文、増本剛の論文「温度・歪み
の同時計測触覚センサ用Ｆｅ−Ｐｄ感温薄膜およびＣｒ
−Ｎ感歪薄膜」』の技術を適用することができる。

【００２９】図２において、ステンレス板２上にＳｉＯ
₂、Ａｌ₂Ｏ₃等よりなる電気的絶縁膜５を、例えば５
μｍの厚さをもって形成する。その電気的絶縁膜５上
に、歪みにより抵抗値が変わる金属薄膜材料で、例えば
厚さ１μｍのＣｒＮ薄膜６を形成する。そのＣｒＮ薄膜
６上の一部には外部回路との電気接続に供せられるパッ
ド７を形成する。つまり、パッド７部分のみＣｒＮ膜６
の上にＣｕが形成されている。歪みセンサ４の全体の平
面寸法は例えば２ｍｍ×２ｍｍである。

【００３０】図３は本発明にかかる歪みセンサの製造工
程を示すフローチャートである。

【００３１】図３（ａ）の場合は、まず、ステップＳ１
に示すように、金属板の外形加工を、例えばエッチング
加工等により先に行い、次に、ステップＳ２に示すよう
に、加工された外形との間での正確な位置関係を基に電
気的絶縁膜を、例えば、フォトプロセスとスパッタ装置
で形成し、更に、ステップＳ３に示すように、その上に
歪みセンサ薄膜を、フォトプロセスとスパッタ装置で形
成する。この歪みゲージが形成された後、ステップＳ４
に示すように、金属板の曲げ加工がなされる。

【００３２】図３（ｂ）の場合は、まず、ステップＳ１
１，Ｓ１２に示すように、同じくフォトプロセスとスパ
ッタ装置により電気的絶縁膜と歪みセンサ薄膜が形成さ
れた後に、ステップＳ１３に示すように、金属板の外形
加工を例えばワイヤカット装置等により行い、最終的に
ステップＳ１４に示すように、金属曲げ加工を行う。

【００３３】これらの製作過程において、各工程での位
置精度は基本的にフォトプロセスの精度で作製すること
ができる。

【００３４】図４は本発明にかかる歪みセンサの他の実
施例を示している。なお、前記した図２と同じ部分には
同じ符号を付してそれらの説明は省略している。

【００３５】図４において、８は歪みセンサのベースと
なる樹脂基板である。この樹脂基板８の上には、図２に
示されたＣｒＮ薄膜６と同様、歪みにより抵抗値が変化
する金属薄膜材料９が接合されている。樹脂基板８の場
合には、金属薄膜材料はあらかじめ１０〜２０μｍ程度
の厚さに圧延加工された金属薄膜材料をフォトプロセス
により所定のパターンに形成し、それを接着剤で樹脂基
板８の上に接合する。１０は外部との接続に供せられる
電極パッドである。

【００３６】このように形成された歪みセンサ４は、金
属板２の上に接着剤で接合される。この接着工程は金属
板を曲げ加工する以前の工程として行われるため、接着
する位置を金属板の所定の場所に正確に定めることがで
きる。

【００３７】図５は本発明の第２実施例を示す立体型歪
みセンサの展開図、図６はその立体型歪みセンサの斜視
図である。

【００３８】図５に示す金属板２の表面には歪みセンサ
４−１〜４−４が直接形成され、または接合形成されて
いる。金属板２の上には第１の剛体として円柱１１が溶
接されている。金属板２は図５の破線および一点鎖線で
示す部分で各々内側あるいは外側に曲げ加工される。更
に、曲げ加工された後、図５に示す一箇所については溶
接により相互に固く接合される。このようにして立体の
状態になったものが図６に示されている。図６では、更
に第２の剛体としての部材１２との間は溶接により接合
される。

【００３９】そこで、図６においては、第２の剛体であ
る部材１２を固定した状態で第１の剛体である円柱１１
に力あるいは変位を与えると、歪みセンサ４−１〜４−
４には各部分の歪みに応じた出力が現れる。例えば、ｘ
方向のみに力または変位が与えられた場合には、歪みセ
ンサ４−１および４−２に大きな出力が現れ、また、一
般に、歪みセンサ４−１と４−２との出力の符号は逆に
なっている。ｙ方向のみに力または変位が与えられた場
合には、同様のことが、歪みセンサ４−３と４−４出力
について起こる。

【００４０】また、ｚ方向のみに力または変位が与えら
れた場合には、歪みセンサ４−１〜４−４に対して均等
に出力が現れる。これら４個の歪みセンサ４−１〜４−
４の出力は原理的に４個の独立な出力情報を持つもので
あるから、ｘ，ｙ，ｚの３軸の力または変位の３つの独
立情報に分解することは可能である。

【００４１】上記の立体型歪みセンサにおいては、前記
金属板には、塑性変形加工に先立って、塑性変形加工線
に沿って折り曲げ加工や捩じり加工を容易にする前処理
を施すようにする。

【００４２】特に、上記の立体型歪みセンサにおいて
は、折り曲げ加工を所定の位置において正確に行い、ま
た、折り曲げ加工により発生する加工歪部分を可能な限
り局所に限定することが大事である。何故ならば、これ
らが可能になれば、歪みセンサを配設する場所をより折
り曲げ加工線に近付けることが可能になり、これによ
り、より歪感度の高い立体型歪みセンサを実現でき、ま
た立体型歪みセンサ全体としてより小型化が可能にな
る。

【００４３】この具体的手段としては、例えば、（１）折り曲げ加工線の全体あるいは一部分について金
属板を塑性変形加工あるいはエッチング加工等によりそ
の金属板の厚さを薄くする。

【００４４】例えば、図７〔図７（ａ）は平面図、図７
（ｂ）は図７（ａ）の側面図〕に示すように、金属板２
１の歪みセンサを設ける位置２２から正確に設定された
位置にエッチング加工により溝２３を形成して折り曲げ
加工線の全体を構成する。なお、折り曲げ加工線に沿っ
てその一部に溝を形成するようにしてもよい。

【００４５】（２）折り曲げ加工線に沿って小さな穴の
列を形成する。

【００４６】例えば、図８〔図８（ａ）は平面図、図８
（ｂ）は図８（ａ）の側面図〕に示すように、金属板３
１の歪みセンサを設ける位置３２から正確に設定された
位置に小さな穴の列３３を形成して折り曲げ加工線を構
成する。

【００４７】（３）折り曲げ加工線の端部にノッチ又は
切り欠き加工を施すことができる。

【００４８】例えば、図９〔図９（ａ）は平面図、図９
（ｂ）は図９（ａ）の側面図〕に示すように、金属板４
１の歪みセンサを設ける位置４２から正確に設定された
折り曲げ加工線の端部に切り欠き４３を形成して折り曲
げ加工線を構成する。

【００４９】なお、上記した立体型歪みセンサにおい
て、前記歪みセンサの位置を決めるマスクでもって同時
に前記曲げ加工位置を設定することが利点である。つま
り、フォトリソで歪みセンサを作製する際に、同時に電
気的絶縁膜や基板部への位置出しと、折り曲げ加工部の
位置出しを兼ねることにより、正確な寸法出しとコスト
の低減を図ることができる。

【００５０】また、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。

【００５１】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下のような効果を奏することができる。

【００５２】（Ａ）歪みセンサを、金属板の所定の位置
に直接形成し、または接合するに当たって、金属板が平
面であることから、位置を正確に決めることが容易であ
る。金属板の上に歪みセンサを形成または接合した後
で、金属板に所定の曲げ工程に従って曲げ加工を施し、
立体にすることによって、歪みセンサからは多様な情報
を出力することができる。

【００５３】（Ｂ）歪みセンサは曲げ歪みを感知するも
のであるが、許容限界以上の曲げ歪みが加われば当然破
壊されてしまう。従って、一枚の金属板に対して歪みセ
ンサを表面に形成することと曲げ加工をすることは一般
に矛盾する思想であり、このような試みはなされなかっ
た。しかし、本発明によれば、長年の塑性変形加工の経
験から、曲げ加工によって曲げ歪が加えられる範囲は金
属板の全面ではなく、曲げ加工の方法を選べば局所的な
部分に限定可能な知見に基づいて、この性質を利用し
て、一枚の金属板の中のある部分に歪みセンサを形成
し、他のある部分は曲げ加工に供することで簡便にして
小型化され、正確な歪み、変位、力を計測することがで
きる立体型歪みセンサを構築することができる。

【００５４】（Ｃ）歪みセンサの位置を決めるマスクで
もって同時に曲げ加工位置を設定すると利点がある。つ
まり、フォトリソで歪みセンサを作製する際に、同時に
電気的絶縁膜や基板部への位置出しと、折り曲げ加工部
（例えば、小さな孔の列からなる折れ線部）の位置出し
を兼ねることにより、正確な寸法出しとコストの低減を
図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す立体型歪みセンサの
構成図である。

【図２】本発明にかかる歪みセンサの具体的な実施例の
一つを示す図である。

【図３】本発明にかかる歪みセンサの製造工程を示すフ
ローチャートである。

【図４】本発明にかかる歪みセンサの他の実施例を示す
図である。

【図５】本発明の第２実施例を示す立体型歪みセンサの
展開図である。

【図６】本発明の第２実施例を示す立体型歪みセンサの
斜視図である。

【図７】本発明にかかる折り曲げ加工線の加工（その
１）の説明図である。

【図８】本発明にかかる折り曲げ加工線の加工（その
２）の説明図である。

【図９】本発明にかかる折り曲げ加工線の加工（その
３）の説明図である。

【符号の説明】

１立体型歪みセンサ２ステンレス板２ａ先端部３ステンレス板の折り曲げ加工線４，４−１〜４−４歪みセンサ５電気的絶縁膜６ＣｒＮ薄膜７パッド８樹脂基板９金属薄膜材料１０電極パッド１１円柱（第１の剛体）１２部材（第２の剛体）２１，３１，４１金属板２２，３２，４２歪みセンサを設ける位置２３溝３３小さな穴の列４３切り欠き

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】歪みセンサが表面上に設けられた金属板
よりなり、該金属板は前記歪みセンサに損傷を与えない
加工および位置において、少なくとも一箇所の塑性変形
加工がなされることを特徴とする立体型歪みセンサ。
【請求項２】請求項１記載の立体型歪みセンサにおい
て、前記金属板の表面上に設けられる歪みセンサは、前
記金属板の上に電気的絶縁膜を形成し、更にその上部に
形成される金属薄膜よりなり、与えられる歪みに応じて
前記金属薄膜の抵抗値が変化することによるセンサ機能
を有することを特徴とする立体型歪みセンサ。
【請求項３】請求項１記載の立体型歪みセンサにおい
て、前記金属板の表面上に設けられる歪みセンサは、前
記金属板の表面上に接合され、樹脂基板上に形成された
歪みセンサであって、接着剤により前記金属板の表面上
に接合されることを特徴とする立体型歪みセンサ。
【請求項４】請求項１記載の立体型歪みセンサにおい
て、前記金属板の表面上に設けられた歪みセンサは、複
数個配置され、且つ前記金属板の一部分は、２つの剛体
と各々２つの部分において固く接合され、２個の剛体の
間に変位または力が加わる時は、加わった変位または力
に応じた歪みセンサ出力を基にして前記２個の剛体間に
働く変位または力をベクトルとして計測することを特徴
とする立体型歪みセンサ。
【請求項５】請求項１記載の立体型歪みセンサにおい
て、前記金属板には、塑性変形加工に先立って、塑性変
形加工線に沿って折り曲げ加工や捩じり加工を容易にす
る前処理を施すことを特徴とする立体型歪みセンサ。
【請求項６】請求項１記載の立体型歪みセンサにおい
て、前記金属板は、曲げ加工に先立って、折り曲げ加工
線に沿って一部分の厚さを薄くするように加工されるこ
とを特徴とする立体型歪みセンサ。
【請求項７】請求項１記載の立体型歪みセンサにおい
て、前記金属板は、曲げ加工に先立って、折り曲げ加工
線に沿って小さな穴の列が形成されることを特徴とする
立体型歪みセンサ。
【請求項８】請求項１記載の立体型歪みセンサにおい
て、前記金属板は、曲げ加工に先立って、折り曲げ加工
線の端部にノッチまたは切り欠き加工がなされることを
特徴とする立体型歪みセンサ。
【請求項９】請求項２、３又は４記載の立体型歪みセ
ンサにおいて、前記歪みセンサの位置を決めるマスクで
もって同時に前記曲げ加工位置を設定することを特徴と
する立体型歪みセンサ。