JP2006010694A - センサに電子モジュール組立体を取付ける装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い感度、良好な安定性、良好な環境耐性、高い過応力性能、良好な寄生負荷排除能力を有する検知素子を備えた重量センサ装置を提供すること。
【解決手段】車台に取り付けたフレーム７と車両シートを支持する第２フレーム８との間に配置させるための乗員重量センサ１（３２）は、ホイートストーン・ブリッジ構成で電気的に接続されたピエゾ抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が取り付けられた検知素子２を有する。ピエゾ抵抗器は２つの主要部間に形成された空間に収容される調整用電子機器に電気的に接続され、負荷の増大に対してはＲ１，Ｒ４の抵抗が減少され、Ｒ２，Ｒ３の抵抗が増加される。検知素子２に対する寄生負荷の影響は、検知面上のピエゾ抵抗器の配置を選択することにより最小限に抑えられる。
【選択図】図１

Description

本発明は一般に条件応答センサに関し、特に車両シートの乗員の安全を改善することを目的としてエアバッグの展開を阻止又は変更するために車両シート乗員の重量を計量するのに用いる重量センサに関する。

政府の法律により、前部乗員シートの乗員に関する情報を検知し、並びに乗客の安全を改善するようエアバッグの展開がなされるのに必要な程度にまで該乗員を分類できるシステムを開発することが必要になっている。例えば、エアバッグの展開は前部乗員シートを利用する小児やカーシートの児童にとって問題となる可能性がある。そのような児童が適切な重量センサを有するシートを利用する場合、制御システムは車両シート重量センサによって与えられる情報を用いて通常のエアバッグ作動機構を停止して、エアバッグの展開を阻止できる。別の場合には、エアバッグの展開は可能状態のままに置かれ、ただし、例えば乗員が不適切な位置にいる又はある中間的な重量に分類される場合、エアバッグ展開の強さは検知された重量情報に応じて調節されてよい。

本発明の目的は、高い感度、良好な安定性、良好な環境耐性、高い過圧力性能、良好な寄生負荷排除能力を有する検知素子を備えた重量センサ装置を提供することである。

本発明の他の目的は、シートから車両床に伝達された力を検知することにより乗員の重量を測定する車両シート乗員重量センサ装置を提供することである。

本発明の他の目的は、シート重量に比例し、−４０℃から１１５℃まで正確であり、最小の垂直高さを有し、経時的に安定かつ（例えば事故の結果）過負荷に置かれた際も安定な出力信号を有するシート重量センサを提供することである。

本発明の他の目的は、過負荷（例えば事故）の際に既存の組立体構成の機械的完全性を損なうことのないセンサを提供すること、並びに大量生産の際に車両組立体に容易に取り込むことを可能にするパッケージング及び接続手段を提供することである。

本発明の他の目的は、表面、特に経時的に変化する可能性のある表面に対して不要な応力を導入することなく感応力検知面に対して近接して固く緊密な状態で電子モジュール組立体をセンサに取り付ける装置を提供することである。

要約すると、本発明により作製される車両シート用の乗員重量センサは、例えば車台及びシートに固定的に接続された第１フレームとシートを支持する第２フレームとの間に挿置するように構成され、外周部を有する略平坦面と、検知面に接続されフル・ホイートストーン構成（ｆｕｌｌ Ｗｈｅａｔｓｔｏｎｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）で電気的に接続されたピエゾ抵抗器を具備する第１主要部を有する検知素子を備えている。柱が第１長手方向軸線線に沿って第１主要部から外方に延在し、第１フレームと接続される。第２主要部は、その外周部に沿って第１主要部に恒久的に接続される力伝達部を備えて構成され、第２フレームに接続するための取付け部を有している。

調整用電子機器及びコネクタが、ブリッジ出力信号を調整し電力及び出力を供給するために設けられる。

平坦検知面には様々な構成を使用できるが、略円形の面が好ましい。本発明の特徴によると、ピエゾ抵抗器は、寄生負荷の影響を最小限に抑えるために検知面上で選択された箇所に配設される。円形検知面を有する一つの好ましい実施例では、フル・ブリッジ（ｆｕｌｌ ｂｒｉｄｇｅ）は第１及び第２のハーフ・ブリッジを備えており、第１ハーフ・ブリッジは、共通径の一端部で第１主要部の外周部に隣接して配置された第１ピエゾ抵抗器と、円形検知面の中心に隣接して配設された第２ピエゾ抵抗器とを有しており、第２ハーフ・ブリッジは検知面の中心に隣接して配設された第３ピエゾ抵抗器と、共通径の反対側の端部で検知面の外周部に隣接して配設された第４ピエゾ抵抗器とを有している。

検知面を有する別の実施例では、フル・ブリッジは第１及び第２のハーフ・ブリッジを備えており、第１ハーフ・ブリッジは、円形面の中心の一方の側で共通径に沿って検知素子の外周部に隣接して径方向に配置された第１ピエゾ抵抗器と、第１ピエゾ抵抗器に近接して配設され接線方向に配置された第２ピエゾ抵抗器とを有しており、第２ハーフ・ブリッジは、第１及び第２ピエゾ抵抗器と径方向に対向した検知面上に同様に配設された第３及び第４のピエゾ抵抗器を有している。

本発明の特徴によると、ピエゾ抵抗器は単結晶シリコンで構成され、これが検知面にガラス・ボンディングされて、高い信号対雑音比及び高水準の機械的安全係数を実現する。必要に応じて、１つ又は複数のハーフ・ブリッジのピエゾ抵抗器が同一のシリコン片上に形成されてよい。

本発明の好ましい実施例によると、検知素子は、第１の長手方向軸線線を有し、前記第１の長手方向軸線線に略直交する平面内に置かれた円形の略平坦な検知面を具備して形成された部分を有する第１の略円筒形主要部を備える。該主要部は、検知面を囲む外周部を有する。複数の歪みゲージが検知面上に配設されており、柱が第１長手方向軸線線に沿って該主要部から外方に延在する。第２主要部は、第１主要部の外周部に接続され、２つの主要部が互いに接続された時、概ね第１の長手方向軸線線と一致する第２の長手方向軸線線を有し、第２の柱が第２の長手方向軸線線に沿って第２主要部から外方に延在する。環状の軸線線方向負荷印加面が、第２の柱を囲む第２主要部上に形成され、環状負荷作用面が第１の柱上に形成され、これを囲み、円周溝を第１主要部の外表面に形成して、第１主要部の外周部と第１の柱との間に延在するウェブを形成することで、センサに加えられる寄生負荷の影響を軽減する。一実施例の特徴によると、ウェブはその幅より大きい選択長で形成される。

本発明の好ましい実施例によると、端壁及びそこから垂下する側壁を有する金属製でカップ形状の支持リングが、端壁が平坦検知面上を延在する状態で検知面から離れて第１主要部上のシートに支持リング側壁の遠位自由端をレーザ溶接することにより第１主要部に堅く接続される。端壁と検知面の間、並びに側壁と遠位自由端を除く第１主要部との間に制御空隙が設けられる。導電エポキシ又はレーザ溶接等の適切な手段を用いて電子モジュール組立体の印刷回路基板の接地トレースに対して溶接することにより、電子モジュール組立体が支持リングの端壁の反対を向いた面に機械的及び電気的に適切に接続される。

本発明の車両シート用の乗員重量センサ、及びしたがってシステムの他の目的、利点及び詳細は、図面を参照した以下の詳細な説明によって明らかである。

本発明により作製される乗員重量センサは、システムからの機械的入力、即ちシートの乗員の重量を電気信号に変換する単結晶シリコン歪みゲージ技術を用いる。様々な自動圧力検知用途に用いる技術は、本発明の譲受人に譲渡され主題が参照として本明細書に援用される米国特許６４５３７４７に記載されたように知られたものである。

センサに対する機械的入力はシリコン・ピエゾ抵抗器に応力を生じさせる。このシリコン・ピエゾ抵抗器はその抵抗が印加された応力に比例して相対的に変化するという特性を有している。単結晶シリコンのピエゾ抵抗効果は極めて強く、約１５０の等価ゲージ・ファクタを有する。この特徴は、ゲージ・ファクタが約３〜２０の範囲にある接着金属箔又は厚膜インク等の他の歪みゲージ技術と比較して高い信号対雑音比を可能にするものである。信号対雑音比が高いことは、過応力要件が厳しい車両乗員重量検知用途で重要となる。そのように高いゲージ・ファクタを有すると、動作応力は一定の信号サイズに対して競合技術よりも７分の１〜５０分の１小さくなり、それにより機械的安全係数は高められることになる。

複数のピエゾ抵抗器がフル・ホイートストーン・ブリッジの形態で電気的に接続される。このブリッジは、印加された機械的入力、即ち乗員の重量に比例した差動電圧出力を生成する。この信号はブリッジ調整用ＡＳＩＣにより較正及び補償されて、最終的に外部から印加された重量に比例した信号をシステムに供給する。ＡＳＩＣは、力及び温度の全動作範囲にわたるセンサ出力の完全な調整を可能にする。出力は供給レシオメトリック型アナログ形式（ｓｕｐｐｌｙ−ｒａｔｉｏｍｅｔｒｉｃ ａｎａｌｏｇ）であることが好ましいが、必要に応じて他の出力形式、例えばＰＷＭ（パルス幅変調）又は低レベル・バスが使用されてもよい。力信号が生成されることに加えて、場合により温度信号がシステムに供給されてもよい。例えば、温度信号が別のコネクタ・ピンに連続的に供給されてよく、又は温度信号が力信号ピンに時間多重的に入力されてもよい。調整用電子機器は、同時係属出願番号０９／９５２２５７、公開番号ＵＳ−２００２−００３３７００−Ａ１（これは本発明の譲受人に譲渡され、その主題は参照として本明細書に援用される）に教示されたようにセンサ出力に、又はセンサとシステムとの間の電気的接続部に一定の不調がある場合、そのことを制御システムに伝える自己診断機能を備えてもよい。

図１を参照すると、本発明により作製される乗員重量センサ１は、センサ素子２、電子モジュール又は回路組立体３、ブリッジ調整用ＡＳＩＣ ４、センサ・パッケージ５、及びコネクタ６を備えている。検知素子２は、電気的に接続されてフル・ホイートストーン・ブリッジを形成するピエゾ抵抗器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４を備えており、負荷の増大に対してピエゾ抵抗器Ｒ１、Ｒ４の抵抗が減少され、Ｒ２及びＲ３の抵抗が増加される。ブリッジはブリッジ調整ＡＳＩＣ ４に電気的に接続されており、ＡＳＩＣ４のブリッジ電圧ピンＶ_ＢＲＧはピエゾ抵抗器のＲ１、Ｒ３の接合箇所に接続され、ＡＳＩＣ４の入力ピンＶ_ＩＮＭ及びＶ_ＩＮＰは、それぞれピエゾ抵抗器のＲ３、Ｒ４及びＲ２、Ｒ１の接合箇所に接続されている。ピエゾ抵抗器Ｒ２、Ｒ４の接合部はＡＳＩＣ４のピンＲＴＮ及びコネクタ６の接地部ＧＮＤに接続されている。ＡＳＩＣは、電力ピンＶ_ｐｗｒ及び出力ピンＯＵＴを有し、それらはコネクタ６の電力部ＰＷＲ及び出力部ＯＵＴにそれぞれ接続されている。また回路組立体３はいくつかの適切なフィルタ・コンデンサを備えている。

図１ａは、車両で用いるために取り付けられた際の乗員重量センサの一つの可能な状態を示す図である。図示の乗員重量センサ３２は、以下に説明する好ましい実施例の一つにより作製され、車台に対して固定して接続する破断して示す第１のフレーム７と、破断して示す第２のシート支持フレーム８との間に挿置されている。センサは他の場所、例えばシート・トラックの上方、即ち上部トラックとパン・フレームとの間に取り付けられてもよいことが理解されよう。

図２及び図３は、図１の機能部品を組み込んだ第１の好ましい実施例により作製される乗員重量センサ１０を示す。センサ１０は検知素子を備えている。この検知素子は図３及び図３ａに最もよく示されており、ステンレス鋼など降伏点が高く、耐腐食性が高く、後述する歪みゲージの接続工程に適合する適切な材料からなる一体の主要部１２で構成されている。該主要部は、一方の端部で適切な構造体に対して検知素子を機械的に固定する適切な手段を用いて形成される。

他の固定手段も使用可能であるが、長手方向の軸線１２ｂを有するネジ付き柱１２ａを図示している。長手方向に延在する方向付け平坦部１２ｃがネジ付き柱に沿って形成されていることが好ましい。主要部の他方の端部で、略平坦な検知面１２ｄが長手方向軸線１２ｂに対して基本的に垂直に配置される。様々な構成を使用可能であるが、検知面１２ｄは円形であることが好ましい。また主要部は径方向フランジ１２ｅを有しており、径方向フランジ１２ｅは、検知面を越えて外方に延在し、後述する第２主要部との機械的界面として作用する外周部を形成している。

ピエゾ抵抗器Ｒ１〜Ｒ４を備えた歪みゲージは単結晶シリコンから作製され、上述したように約１５０のゲージ・ファクタを与える。図３ｂに最適に示すように、当業界で知られたガラス接着工程を用いてガラス１２ｆにより検知面１２ｄに対してゲージが恒久的に接続され、これにより高い感度、良好な安定性、高い環境耐性、及び高い過応力安定性が得られる。

乗員の重量を推定できるよう乗員重量センサは後述する形態でセンサに加えられる軸線方向負荷のみを測定することが理想的である。ただし、数値的な効果、構成部品間の寸法変動、可変なシステム・コンプライアンス、等により純粋な軸線方向力以外にも検知素子に対して力が加えられる。これらの負荷（しばしば寄生負荷と称するが）によりセンサのオフセットが変わり、乗員重量の特定に支障が出る。

一つの重要な形態の寄生負荷は、検知素子主要部の周りのモーメントの形態をとる。ゲージの配置が重要であり、最適な位置にゲージを配置し損なうと望ましくないゲージ性能をもたらすことが見出された。不適切にゲージが配置されると、軸線方向範囲が減少し、モーメント感度も低下する。

図１に示したようにフル・ホイートストーン・ブリッジを形成するようにピエゾ抵抗器が電気的に接続されると寄生側負荷の排除が促進されるように歪みゲージは配置される。この実施例では、ピエゾ抵抗器はすべて円形検知面の共通の径１２ｇに沿って配置されており、ピエゾ抵抗器Ｒ１及びＲ４は中心に対して互いに反対側に外周部１２ｈに近接して配置され、ピエゾ抵抗器Ｒ２、Ｒ３は中心に対して互いに反対側に中心に近接して配置される。

検知素子主要部１２はネジ付き柱１２ａ上にハブ部１２ｋを備えてもよく、これにより負荷作用面としての面１２ｍが与えられる。ゲージ領域の歪み場を調整するために、環状溝１２ｎ（これは図３ａに示すが図２ｂ、図２ｃには示さない）がハブ１２ｋと径方向フランジ１２ｅとの間に形成されてもよい。

ステンレス鋼など好適な材料で形成された第２主要部１４は、検知素子主要部１２を受け入れるため中心に配置された開口部１４ｅを備えており、径方向フランジ１２ｅはフランジの外周部の周りのレーザ溶接などにより第２主要部１４に恒久的に接続される。第２主要部１４は細長の板状部材１４ａを備えており、この板状部材１４ａは第１及び第２の端部を有し、各端部に近接して適切な構造体に接続するために取付け穴１４ｂが配設されており、それによりセンサが車両シート用の支持構造体と車台との間に挿置される。径方向フランジ１２ｅに溶接された、部材１４ａの部分は、センサ素子１２の力伝達部として作用する。

また、第２主要部１４は、歪みゲージがワイヤ・ボンディングされる回路基板（図示せず）が取り付けられる。基板は、検知素子出力を補償して、全温度範囲にわたって正確な出力を実現する電子機器を備える。電子機器は、環境カバー１４ｃ及び対合する環境シール（図示せず）により周囲環境から封止されている。電気コネクタ１４ｄは、外部からセンサに給電し、センサ出力を受け取るための手段を与える。

図４ａ及び図４ｂを参照すると、本発明の第２の好ましい実施例が乗員重量センサ２０を示しており、乗員重量センサ２０は、図３、図３ａに示す主要部１２と同様の第１主要部２２を有する検知素子を備えている。第１主要部２２は、略平坦な円形検知面２２ａを備えて構成され、その周りに、検知面から軸線方向に離間された段差の付いた着座面２２ｍを形成する、径方向に外方に延在するフランジ形状の外周部２２ｂを有している。ネジ付き柱２２ｃが、長手方向軸線２２ｅに沿って主要部２２のハブ２２ｄから離れるように第１の方向に延在し、好ましくは方向付け平坦部２２ｆを有する。長手方向軸線２２ｅは平坦な検知面２０ａに対して基本的に垂直であり、円形検知面の中心を通る。環状溝２２ｇは図３ａの溝１２ｎに類似するものであり、検知素子の主要部２２とネジ付き柱２２ｃとの間に形成される。さらに、環状溝２２ｈが前記柱と段差付き着座面２２ｍとの間の主要部２２の外表面に形成され、ゲージ領域内の歪み場を平坦化することによりゲージ領域内の歪み場を調節する。これについては、図８ａを参照して詳しく後述する。

第２主要部２４は、管状側壁２４ｂを備えて構成されて凹部２４ｃを形成する端壁２４ａを有する。第２のネジ付き柱２４ｄが長手方向軸線２４ｅに沿って端壁２４ａから延在している。ネジ付き柱２４ｄは、第１主要部の平坦部２２ｆと同様の方向付け平坦部２４ｆを備えることが好ましい。管状壁２４ｂの外側遠位部２４ｇは段差付きシート２２ｍに受け止められ、好ましくは検知面２２ａから僅かに離間されており、それに対して周辺部の周りに溶接等で恒久的に接続される。環状負荷印加面２４ｈが柱２４ｄ付近で第２主要部２４上に形成されることが好ましい。柱２４ｄ及び面２４ｈに加えられた負荷は、力伝達部として作用する外側遠位部２４ｇを介してセンサ素子に伝達される。主要部２２、２４が互いに接続された時、長手方向軸線２２ｅ及び２４ｅは基本的に円形検知面２２ａの中心を一致して通る。

第２主要部２４には側壁２４ｂに開口部２４ｋが形成され、それにより、適切な固定具２４ｏで歪み解放キャップ２４ｎと共に第２主要部２４に接続され適切な電気絶縁材料で形成された側方に延在するコネクタ２４ｍの進入路を形成する。リード線２４ｐがコネクタ及び歪み解放キャップ内を貫通し、凹部２４ｃに収容された回路基板２２ｏ上の電子機器（図示せず）に接続される。出力調整用ＡＳＩＣ２２ｐが回路基板上に取り付けられ、適切なピエゾ抵抗器が回路基板にワイヤ・ボンディングされ、電気的に接続されて、ホイートストーン・ブリッジを形成する。

図５及び図５ａ〜図５ｃは、本発明により作製された乗員重量センサの第３の好ましい実施例を示す。センサ２６は、前述の実施例の検知素子と同様の検知素子を備えており、この検知素子は、ホイートストーン・ブリッジの形態で電気的に接続された適切なピエゾ抵抗器が取り付けられた円形の平坦な検知面２８ａと、後述する第２主要部の管状力伝達部を受け止めるシート２８ｂを形成する、好ましくは検知面から長手方向に偏移された径方向に外方に延在するフランジとを備えている。円形検知面に対して基本的に垂直であり、その中心を通る長手方向軸線に沿って主要部２８からネジ付き柱２８ｃが外方に延在している。柱の固定端のハブ部が環状の力伝達部２８ｄを形成し、環状溝２８ｅが柱及びシート２８ｂに対して中間にある主要部２８の外部表面に形成される。

第２主要部３０は、これを貫通する長手方向に延在する開口部３０ｂを具備して形成された外ネジ付き部分３０ａを備えて構成される。部分３０ａは遠位端部３０ｄを有する管状側壁３０ｃに対して接合されており、遠位端部３０ｄは力伝達部として作用し、第１主要部材のシート２８ｂで受け止められ、そこに溶接等で恒久的に接続される。側壁３０ｃは、取扱い及び取付けが容易になるように外側が多角形、例えば６角形の形状を有して形成されることが好ましく、内側には電子機器収容用凹部３０ｅを形成している。壁部３０ａと３０ｃの間の外部の外側移行部は、環状シート２８ｂを介して負荷を検知素子に加えるための環状の力印加面を形成する。

適切な電気的絶縁材料から形成された電気コネクタ３０ｆは開口部３０ｂに受け入れられ、軸線方向に延在するリード線が装着されている（リード線は図示しないが、コネクタを長手方向に貫通する穴３０ｇに収容される）。環境シール３０ｈがコネクタと開口部３０ｂを画定する部分３０ａの壁部との間に配設されている。単一の調整用ＡＳＩＣを備えた回路基板２８ｆが凹部３０ｅに収容され、前述の実施例と同様、回路基板に形成された穴２８ｇを介して露出された検知面２８ａに取り付けられたピエゾ抵抗器（図示せず）どうしの間に電気的接続が行われる。

乗員重量センサの第４の好ましい実施例を、図１ａと同様、図６及び図６ａ〜図６ｇに示す。この実施例のセンサ３２は、ステンレス鋼など適切な材料から構成された第１主要部３４を有する検知素子を備えており（特に図６ｂ、図６ｃ参照）、この検知素子は、円形の平坦な検知面３４ａを有し、また好ましくは検知面から長手方向に偏移して環状のシート３４ｃを形成する外周部３４ｂを有している。第２の中間環状フランジ３４ｄがシート３４ｃと検知面３４ａの間に形成され、それにより後述する他の構成部品の組付けが容易になる。ネジ付き柱３４ｅが長手方向軸線３４ｆに沿って主要部３４ａから延在している。適切な方向付け平坦部３４ｇはネジ付き柱３４ｅに、又は図示のように外周部３４ｂに形成されてもよい。柱３４ｅはハブ部を備えて構成され、このハブ部は、主要部３４からの距離の増加と共に直径が増加する部分３４ｋを有し、また力作用面として作用する下側の径方向に内方に延在する面３４ｍを有する。環状溝３４ｎが柱及び環状シート３４ｃの中間の主要部の外表面に形成されている。この溝は、検知面の外周部付近のピエゾ抵抗器配置領域内で検知面３４ａに対する歪み場を平坦化するように作用する。

複数の単結晶シリコン・ピエゾ抵抗器又はゲージが前述のように検知面にガラス・ボンディングされ、電気的に接続されてフル・ホイートストーン・ブリッジを構成し、各ハーフ・ブリッジに対して、一方のゲージが負荷増大と共に抵抗を増加させ、他方のゲージが負荷増大と共に抵抗を減少させるように配設される。この実施例では、一方のゲージが検知面の周辺付近で径方向に配置され、第２のゲージは第１のゲージに近接して接線方向に配置される。上述したように、互いに接近して配置されたピエゾ抵抗器は複数の別個のシリコン片で構成されてもよく、又は同一のシリコン結晶上に形成されてもよい。上記のようなハーフ・ブリッジを有する検知面に偶力負荷が加えられた場合、出力は偶力の角度方向によって強く変化する。第２のハーフ・ブリッジを同じ向きにある第１のハーフ・ブリッジに対して径方向反対側に配置することにより、フル・ブリッジの差動出力は印加された偶力に対して影響を受け難くなる。以下に述べるように、ゲージ領域の歪み場を平坦化するように検知素子の構成を調整することによりさらなる改善が可能である。

図６ａに示すように、検知素子主要部３４に加えて、センサ３２は、第２主要部３６、回路基板３８、溶接リング４０、接触保持部４２、接触スプリング４４、及び環境シール４６を備える。

回路基板３８は検知面３４ａ上に配設されており、切欠き部３８ａは検知面に接着されたピエゾ抵抗器に整合する。図６ｄに示すように、複数の径方向外方に延在するタブ３８ｂが溶接リング４０のスロット４０ａに受け入れられる。溶接リングは環状フランジ３４ｄに滑動的に受け止められ、折り返された保持具タブ４０ｂが回路基板３８の上面に係合する。複数の貫通穴４２ａを有する全体的に円板形状の接触スプリング保持部４２は、該貫通穴にそれぞれ適切な接触コイル・スプリング４４が取り付けられている。溶接リング４０は保持形状部を有する上方に延在するフランジ４０ｃを備えて構成され、該保持形状部は接触保持部の周辺上にある相補的な保持形状部内に受け止められる。Ｏリングの形態の環境シール４６はスプリング保持部４２の上面で受け止められて、接触スプリング４４が一方の端部で回路基板の選択された導電パッドに係合し、他方の端部は接触保持具の表面の上方を延在する。

図６ｅ、図６ｆに示す第２主要部３６はステンレス鋼等の適切な材料で形成され、凹部３６ｃを形成する端壁３６ａ及び管状側壁３６ｂを有する。方向付け平坦部３６ｆを有してもよいネジ付き柱３６ｄが、長手方向軸線３６ｅに沿って主要部から外方に延在する。開口部３６ｇが側壁３６ｂに形成されており、図６ｆに示すように、挿入成形コネクタ／端子組立体３６ｈが該開口部によって受け入れられ凹部３６ｃに着座する配置を可能にする。図６ｇに示すように、組立体３６ｈは複数の端子３６ｋを備えており、各端子はコネクタ／端子組立体の切欠き部を介して露出された導電パッド３６ｍを有する。第２主要部３６は第１主要部３４で受け入れられ、管状壁３６ｂの自由端部（力伝達部）がシート３４ｃに受け止められて、レーザ溶接等により周辺部の周りでシート３４ｃに接続される。上記主要部が互いに接続されると、長手方向軸線３４ｆ及び３６ｅは基本的に一致し、接触スプリング４４はコネクタ／端子組立体の導電パッド３６ｍに係合する。上記主要部が互いに溶接された後、電気的絶縁シュラウド３６ｎが端子３６ｋ上に受け止められ、超音波溶接等によりコネクタ／端子組立体に接続される。

図７、図７ａ〜図７ｃは図６のセンサの変更例を示す。センサ４８が備える検知素子は、ステンレス鋼等の適切な材料で構成された第１主要部５０を有し、図６の実施例と同様の円形の平坦な検知面を有し、第２主要部５２の管状側壁の力伝達部又は遠位自由端５２ａを受け止めるための環状シートを形成する外周部５０ａを有している。図６のセンサと同様、ネジ付き柱５２ｂは第２主要部５２から離れるように長手方向軸線に沿って延在し、この長手方向軸線は、５３で示した外周部の周りでレーザ溶接等により上記主要部を互いに接合すると、検知面の中心を通る主要部５０の長手方向軸線５０ｃと一致する。また柱５０ｂも主要部５０から離れるように長手方向軸線５０ｃに沿って延在し、好ましくは、溶接等により細長ブラケット５４の中央部に接続される。ブラケット５４は、車台に接続された第１フレームに接続するために該細長ブラケットの各対向端部に隣接する取付け穴５４ａを備えて構成される。第１主要部５０は、柱５０ｂと外周部５０ａの間の主要部の外表面にある環状凹部５０ｄを備えて構成され、これについては図８、図８ａを参照して以下に説明する。

図６のセンサの溶接リング４０の代わりに、内表面に形成された内方に延在する突出部５６ａの形のロック形状部を有するスナップ・リング５６が、第１主要部５０で受け止められ、該リングが検知面を囲む。突出部５６ａは、検知面を画定する第１主要部５０の円筒側壁部に形成された凹部５０ｅで受け止められる。リング５６は、円筒壁部に形成された整合溝で受け止められる長手方向に延在する尖頭部５６ｂ等の方向付け形状部を備えて形成される。リング５６は略円筒形状であり、第１主要部に着座すると検知面の上方を延在し、接触スプリング保持部５８の取付けシートを形成し、並びにＡＳＩＣに接続されたワイヤ・ボンドの周りに配置されたシリコーン・ゲルの収容部を形成する。適切なコネクタ組立体６０はピン端子６０ａが取り付けられており、ピン端子６０ａは図６のセンサと同様に接触スプリング４４を介して回路基板５０ｆに至る電気的接続部を形成する。

図８は検知素子６２を示しており、破断して示すその柱６２ａは前述の好ましい実施例、特に図６ｂに示した実施例で説明したものと同様であり、図８ａの検知素子６４は図７のセンサ４８のそれと同様の検知素子を示しているが、ただしブラケット５４ではなくネジ付き柱６４ａを有している。柱６４ａは明確にするために破断して示している。図８を参照すると、環状溝６２ｂが柱６２ａと環状シート６２ｃとの間に外表面を通して主要部６２に形成されている。環状シート６２ｃは、センサに乗員負荷を加えるために主要部６２の外周部に接続される第２主要部の力伝達部（図示せず）を受け止めて着座させるためのものである。溝６２ｂは実質的に、溝とシート６２ｃ間の選択幅、及び溝の深さに応じた選択長を有する環状ウェブ６２ｅを形成する。このウェブの形成により、検知面６２ｄの外周部の歪み場が平坦化される。

図８ａの検知素子６４は、ステンレス鋼等の適切な材料からなる第１及び第２の主要部６４ａ、６４ｃを備えており、この第１及び第２の主要部は互いに溶接されて、横断面図の各側で全体としてＵ形状の横断面を有する環状凹部又は溝６４ｄを具備して形成された一体の検知素子を形成する。溝は柱と環状シート６４ｅの間に効果的に形成され、環状シート６４ｅと検知面６４ｆとの間にウェブ６４ｇを画定し、これはウェブの選択幅より大きい選択長を有する。ウェブの選択長がウェブの選択幅よりも大きいという比率は、検知面６４ｆの外周部の歪み場を平坦化する効果をもたらす。

図９及び図９ａは図７のセンサと同様のセンサを示すが、変更した検知素子を有する。センサ６６が有する検知素子は、ステンレス鋼等の適切な材料から構成された第１主要部６８を有し、図７の実施例と同様の円形の平坦な検知面を有し、第２主要部７０の管状側壁の力伝達部又は遠位自由端７０ａを受け止める環状シートを形成する外周部６８ａを有する。図７のセンサと同様、ネジ付き柱７０ｂが長手方向軸線に沿って第２主要部７０から離れるように延在し、この長手方向軸線は、上記主要部が互いにレーザ溶接等で周辺部において接合された時、検知面の中心を通る主要部６８の長手方向軸線６８ｃと一致する。

また柱６８ｂが長手方向軸線６８ｃに沿って主要部６８から離れるように延在し、ブラケット７２を貫通して形成された孔６８ｄを通って延び、ブラケットの下側６８ｇで溶接等によりブラケットに固定的に接続される。ＣＯ_２レーザ溶接等、任意の適切な溶接方法を使用できる。図７の実施例では、軸線方向負荷により柱５０ｂとブラケット５４の間の溶接部が張力下に置かれることになる。高負荷の条件下でブラケットが湾曲すると、ブラケットは取付け穴５４ａを介して保持されるので、スピン溶接部が湾曲状態になる。高い応力が溶接部の縁部で生じ、これにより溶接部に亀裂を生ずる（ｕｎｚｉｐ）。図９、図９ａの実施例では、ブラケット７２の孔６８ｄに柱を挿入することによってより堅固な検知素子が提供される。軸線方向負荷時、ブラケットが湾曲しても溶接部６８ｇは剪断力下に置かれ、負荷は溶接領域全体に分散する。

図７の実施例と同様、環状凹部６８ｅが柱６８ｂと外周部６８ａとの間で第１主要部６８の外表面に形成されており、選択幅よりも大きい選択長を有するウェブ６８ｆを形成する。残りの構造の詳細については図７の実施例の説明を参照できる。

図１０及び図１０ａ〜図１０ｄを参照すると、図７のセンサの変更例が示されており、これは検知素子の検知面に対するパッケージング応力を軽減する特徴を有する。図１０の分解図に示すように、センサ８０は、取付けブラケット又はフランジ８２、検知素子又は第１主要部８４、支持リング８６、電子モジュール８８、接触リング９０、接触スプリング保持部９２、第２主要部９４、環境シール９６、及び、第２主要部９４の管状側壁の開口部に緊密嵌合するコネクタ／シュラウド９８を備える。

図７のセンサと同様、第１主要部８４はステンレス鋼等の適切な材料から構成され、略円形の平坦な検知面８４ａ及び外周部８４ｂを有しており、外周部８４ｂは好ましくは、検知面から長手方向にずらされており、第２主要部９４の管状側壁の力伝達部又は遠位端９４ａを受け止める径方向に延在する環状シート８４ｃを形成する。

第２の中間の径方向に延在する環状シート８４ｄが環状シート８４ｃと検知面８４ａとの間に形成されて、後述するように支持リング８６を受け止める。また好ましくは、第１主要部８４は、図７のセンサと同様、長手方向軸線８４ｈに沿って第１主要部８４から離れるように延在する柱８４ｇと外周部８４ｂとの間の外表面にあり選択幅より大きい選択長を有するウェブ８４ｆを形成する環状凹部８４ｅを備えて構成される。

柱８４ｇはシート構造体に接続するために、両端にある取付け穴（図示しないが、図７ｃのブラケット５４の取付け穴５４ａと同様である）を有する細長のブラケット８２の孔８２ａで受け入れられる。柱８４ｇは好ましくはレーザ溶接でブラケット８２に固定的に接続される。

支持リング８６は、特に図１０ａに示すように、ステンレス鋼等の適切な材料で形成され、円形の端壁８６ａ及び垂下した側壁８６ｂを有する全体としてカップ状の形状である。３個の曲がりタブ８６ｃが端壁８６ａを越えて上方に延在し、後述する印刷回路基板８８ａに対する方向付け形状部を形成している。設けるべきタブの個数が任意であることを理解されたい。複数の片持ち梁式スプリング８６ｄが側壁８６ｂに形成され、外方に延在する。この実施例では４個のスプリングが使用されるが、やはり使用するスプリングの個数は任意である。片持ち梁式スプリングを用いて、組立時の第１主要部８４と第２主要部９４の管状側壁の内径部との間の同心性を維持し、後述するように主要部８４と９４を互いに溶接する前に第１主要部を適切な位置に保持する。凹面領域８６ｅを端壁８６ａ及び側壁８６ｂに形成してもよく、これは第１主要部８４の対応する切欠き部に嵌まり込んで、第１主要部に対する支持リングの位置合せ形状部として作用する。また端壁８６ａは、例えば図６のセンサに関して、上述した種類の検知面８４ａ上で歪みゲージに整合させるための切欠き開口部８６ｆを備えて形成される。開口部８６ｇは、後述する電子モジュール組立体８８に印刷回路基板に取り付けたＡＳＩＣの位置に対応する箇所で端壁８６ａに形成されてもよい。

端壁８６ａは、後述するように印刷回路基板、また必要に応じて支持リングの間隔を制御するように上方に延在する領域又は凸状形状部を備えて形成されてもよい。

支持リング８６は、径方向に延在する環状シート８４ｄに遠位自由端８６ｈが支持された状態で第１主要部８４に受け止められ、周辺部の周りの選択箇所、例えば４つの離間箇所での好ましくはレーザ溶接により第１主要部８４に恒久的に接続される。溶接部の個数は任意であり、必要に応じて周辺部の連続的な溶接部であってもよい。側壁８６ｂ並びに端壁８６ａは、第１主要部から十分に離間されて制御空隙を形成し、それにより支持リング８６と第１主要部８４の間の接触は支持リング側壁８６ｂの遠位自由端８６ｈだけで行われ、検知面８４ａ上の歪みゲージの場所からは十分離されることが確実になる。

電子モジュール組立体８８は両面が銅及びニッケル・メッキの施された印刷回路基板８８ａを備えており、印刷回路基板８８ａ上には、信号調製用ＡＳＩＣ８８ｂ、各種の関連受動部品（コンデンサ及び抵抗器を含むが、それに限定されない）、スプリング接触パッド８８ｃ、及びゲージ接触パッド８８ｄが配設されている。印刷回路基板８８は、支持リングの端壁８６ａと対応するように構成され、それによって受け止められる。基板はその外周部に沿って離間された、タブ８６ｃを受け止める凹部８８ｅを備えており、また支持リングに対する位置合せを行うための切欠き部８８ｆを備えている。開口部８８ｇが印刷回路基板を貫通して形成され、電子モジュール組立体が図１０ｃに示すように端壁８６ａ上に受け止められた際に、支持リングの開口部８６ｇに対して位置合せされ、全体的に整合される。

電子モジュール組立体は該組立体とシリコン・ゲージとの間の堅固な電気的接続を確実にするために検知素子即ち第１主要部に堅く接続される必要があるが、高信頼性の長期にわたる正確な性能を得るために、この接続によって検知面に加えられる応力は最小限に抑える必要がある。本発明に従って端壁８６ａに電子モジュール組立体を取り付けることによって生じた接続力を検知面から隔離するように支持リングを第１主要部８４に取り付けることにより、端壁に組立体を接続するために用いる手段が何であるかは重要でなくなる。したがって、銀エポキシを用いる、又は基板８８ａの反対側でニッケル・メッキの施された接地トレース（図示せず）を溶接する等の適切な手段を用いて、印刷回路基板８８ａは支持リング８６に機械的かつ電気的に接続される。必要に応じて、端壁８６ａに小さな窪みを形成し、例えば銀エポキシを用いた場合に印刷回路基板に対する接着力を高めてもよい。センサの金属製部品の接地経路は、接地トレース、支持リング８６、支持リングと第１主要部８４の間及び主要部８４と９４の間の溶接接続部、並びにコネクタ／シュラウド９８のピンとの溶接接続部９８ｂ（図１０ｄ）を含む。

図６ｃのＲ１〜Ｒ４等の歪みゲージと回路パッド８８ｄの間のワイヤ・ボンド（検知面と電子モジュール組立体の間の唯一の直接接続部）は、適切なゲル封止材８８ｋで覆われる。ゲル封止材はＡＳＩＣ８８ｂの端子ピンをも覆う。

図６及び図７のセンサと同様、第２主要部９４は、第２のネジ付き柱９４ｂと、コネクタ９８及び環境シール９６を緊密嵌合で受け止めるための開口部９４ｄを具備して形成された管状側壁９４ｃとを備えている。管状側壁の遠位端９４ａは第１主要部８４の環状シート８４ｃで受け止められ、長手方向軸線９４ｈが軸線８４ｈと基本的に一致して共通の軸線をなした状態で環状シート８４ｃに対して前述の実施例と同様に溶接される。

スプリング９０はスプリング保持部９２に保持され、このスプリング保持部９２は締まりスナップ・ピン９２ａ（図１０）又は超音波溶接接合によりコネクタ９８に適切に接合される。スプリングは印刷回路基板８８ａ上のスプリング接触パッド８８ｃと図１０ｄに示したピン９８ａ等のコネクタ・ピンとの間で電気的接続部を形成し、適切な接触力を生じる。

スナップ・スプリング接続若しくはＯリング又は経時的な動きにさらされる他の手段を用いて回路基板を検知面に接続する他の手段は、センサの較正出力に悪影響を及ぼす。しかし、本発明の好ましい実施例に従って作製された、検知面から離間された溶接支持リングによって上記の問題が解消される。

力センサを上記の実施例の具体的なセンサとして図示し説明したが、図１０、図１０ａ〜図１０ｄの実施例の支持リングを備えた感応力検知面を有する他の種類のセンサ、例えば先に言及した米国特許第６４５３７４７号に図示され記載された圧力センサを使用することも本発明の範囲にある。

本発明を例示するために本発明の具体的な実施例について説明したが、他の実施例も可能であることを理解されたい。本発明は、添付の特許請求の範囲にある開示した実施例の変更形態及び均等物を含むものである。

車台に取り付けたフレーム７と車両シートを支持する第２フレーム８との間に配置させるための乗員重量センサ１は、ホイートストーン・ブリッジ構成で電気的に接続されたピエゾ抵抗器が取り付けられた平坦な検知面を具備して形成された第１主要部１２、２２、２８、３４、５０、６２、６４、６８、８４を備える検知素子を有する。柱１２ａ、２２ｃ、２８ｃ、３４ｅ、５０ｂ、６２ａ、６４ａ、６８ｂ、８４ｇが第１主要部から外方に延在し、第１フレームと接続される。第２主要部が、検知面を囲む外周部に沿って第１主要部に恒久的に接続される力伝達部１４ａ、２４ｇ、３０ｄ、３６ｂ、５２ａ、７０ａ、９４ａを備えて構成される。ピエゾ抵抗器は、２つの主要部間に形成された空間に収容される調整用電子機器に電気的に接続される。検知素子に対する寄生負荷の影響は、検知面上のピエゾ抵抗器の配置を選択することにより最小限に抑えられる。一実施例では、検知面から離された第１主要部の部分に溶接された支持リングの端壁８６ａに組立体を接続し、支持リングと検知面との間に制御空隙を設けることによって電子モジュール組立体８８の接続応力が検知面から隔離される。センサを第１及び第２フレームに接続するためのいくつかの変更例を開示し、長手方向に延在する電気コネクタ並びに横方向に延在する電気コネクタを示す。

本発明により作製された乗員重量センサの概略図である。 車台に対して固定して接続する、破断して示す第１のフレームと、破断して示す第２のシート支持フレームとを、本発明の好ましい実施例の１つにより作製され、上記フレーム間に挿置された乗員重量センサと共に示す正面図である。 本発明の第１の好ましい実施例により作製された乗員重量センサの上面図である。 図２の底面図である。 図２の左側面図である。 図２の背面図である。 図２のセンサで使用される一つの好適な検知素子アレイを示した検知素子の上面図である。 図３の正面図である。 図３の線３ｂ−３ｂに沿った断面図である。 本発明の第２の好ましい実施例により作製された乗員重量センサの上面図である。 図４の線４ａ−４ａに沿った断面図である。 図４のセンサの右側面図である。 本発明の第３の好ましい実施例により作製された乗員重量センサの上面図である。 図５の線５ａ−５ａに沿った断面図である。 図５の線５ｂ−５ｂに沿った断面図である。 図５のセンサの斜視図である。 図１ａにも示した、本発明の第４の好ましい実施例により作製された乗員重量センサの斜視図である。 図６のセンサの分解斜視図である。 平坦な検知面に取り付けられた好適なピエゾ抵抗器ゲージ構成を示す、図６の検知素子主要部の横断面図である。 平坦な検知面に取り付けられた好適なピエゾ抵抗器ゲージ構成を示す、図６の検知素子主要部の斜視図である。 図６ｃと同様の斜視図であるが、部分的に組み立てられたセンサを示す図である。 図６ａにも示した、検知素子主要部で受け止めるための第２主要部の横断面図である。 図６ｅと同様の横断面図であるが、方向が反対であり、挿入成形されたコネクタ組立体を取り付けた状態で示す図である。 図６ｆよりも僅かに縮小した図６ｆの主要部の底面図である。 図７ａの線７−７に沿った、図６のセンサの変更例の断面図である。 図７の変更構造の正面図である。 図７ａのセンサの上面図である。 図７ａのセンサの底面図である。 破断して示す、検知素子の一つの好ましい実施例の横断面図である。 検知素子の好ましい実施例の変更例を示す同様の図である。 図７のセンサの変更例を僅かに異なる縮尺で示す横断面図である。 図７のセンサの変更例を僅かに異なる縮尺で示す横断面図である。 本発明の他の好ましい実施例により作製された乗員重量センサの分解正面図である。 図１０に示した支持リングの拡大斜視図である。 図１０に示した電子モジュール組立体のさらに拡大した斜視図である。 図１０に示した第１主要部に取り付けた図１０ａの支持リング及び図１０ｂの電子モジュール組立体の縮尺を僅かに変えた斜視図である。 例示を目的とする、組み立てられた図１０のセンサの横断面図であり、図１０の電子部品及び接触スプリングは除いて示す図である。

Claims (15)

1. 長手方向軸線を有し、前記長手方向軸線に略直交する平面内に置かれた略平坦な検知面を具備して形成された部分を有する金属製主要部であって、前記検知面から離間された径方向延在面を具備して形成された金属製主要部と、
   前記検知面上に配設された複数の歪みゲージと、
   貫通する開口部を具備して形成された端壁を有し、遠位自由端を具備して形成された垂下側壁を有する金属製支持部材であって、前記遠位自由端が前記径方向延在面に恒久的に接続され、前記端壁の前記開口部が前記歪みゲージに位置合せされた状態で前記平坦面に受け止められる金属製支持部材と、
   前記検知面から離れる方向を向く面上に前記端壁に配設された回路トレースを有する回路基板であって、前記歪みゲージが前記回路基板上の前記回路トレースに電気的に接続された回路基板と
   を備えたセンサ素子。
2. 前記支持部材の前記端壁が前記検知面から離隔している、請求項１に記載のセンサ素子。
3. 前記支持部材の前記端壁がその前記遠位自由端を除いて前記金属主要部から離隔されている、請求項２に記載のセンサ素子。
4. 前記径方向延在面が前記長手方向軸線に沿って前記検知面からずらされて、前記検知面と前記径方向延在面の間に長手方向延在部を形成し、前記側壁が前記主要部の前記長手方向延在部から離隔されている、請求項２に記載のセンサ素子。
5. 前記検知素子が略円筒形状である、請求項１に記載のセンサ素子。
6. 前記検知面、及び前記支持部材の前記端壁が略円形形状である、請求項５に記載のセンサ素子。
7. 前記支持部材の前記端壁が全体として連続的な円筒形状を形成している、請求項６に記載のセンサ素子。
8. 前記側壁の前記自由遠位端が前記検知主要部にレーザ溶接されている、請求項１に記載のセンサ素子。
9. 前記側壁の前記自由遠位端が前記検知主要部にレーザ溶接されている、請求項７に記載のセンサ素子。
10. 前記側壁の前記自由遠位端がその周辺部の周りの複数の離隔された位置で前記検知主要部にレーザ溶接されている、請求項９に記載のセンサ素子。
11. 前記主要部が前記長手方向軸線に沿って延在する柱を具備して形成されている、請求項１に記載のセンサ素子。
12. 前記主要部が別の径方向延在面を具備して形成されており、前記別の径方向延在面に溶接された自由遠位端を有する管状側壁を具備して形成された第２主要部をさらに備え、前記第２主要部が前記長手方向軸線に沿って延在する柱を具備して形成されている、請求項１１に記載のセンサ素子。
13. 前記回路基板が前記支持部材の前記自由端壁に係合する側の面に導電接地部を具備して形成され、前記導電接地部に溶接されて機械的及び電気的接続部を形成している、請求項１に記載のセンサ素子。
14. 第１の長手方向軸線を有し、前記第１の長手方向軸線に略直交する平面内に置かれた円形の略平坦な検知面を具備して形成された部分を有する第１の略円筒形主要部であって、前記検知面を囲む外周部を有し、第１の柱が前記第１の長手方向軸線に沿ってそこから外方に延在する第１の略円筒形主要部と、
    前記検知面上に配設された複数の歪みゲージと、
    凹部を形成し前記第１主要部の前記外周部に接続された側壁を有する第２主要部であって、前記第１及び第２主要部が互いに接続された時、概ね前記第１の長手方向軸線と一致する第２の長手方向軸線を有し、第２の柱が前記第２の長手方向軸線に沿ってそこから外方に延在する第２主要部と、
    端壁及びリング形状の側壁を有し、前記リング形状の側壁が遠位端部を有するカップ形状支持部材であって、前記遠位端部が前記外周部に接続された状態で前記主要部の前記外周部に受け止められている、カップ形状支持部材と、
    前記検知面から離れる方向を向く面上で前記端壁上に配設された回路トレース、及び、前記歪みゲージと位置合せされた、前記端壁及び前記回路基板に形成された開口部を有する回路基板であって、前記歪みゲージが前記回路基板上で前記回路トレースに電気的に接続されている回路基板と
    を備えた、センサ素子。
15. 前記支持部材の前記端壁が前記検知面から離隔されている、請求項１４に記載のセンサ素子。
    

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