JP2007192663A - 歪センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、歪検出素子に加わる曲げ応力が変動するということはなく、出力精度の安定化が図れる歪センサを提供することを目的とするものである。
【解決手段】第１の固定部材２８における挟持部３０、第２の固定部材における挟持部および検出部材における挟持部に上下方向から電子ビームを照射することにより、第１の固定部材２８、第２の固定部材および検出部材からセンサ基板１１にわたって溶融させ、第１の固定部材２８、第２の固定部材および検出部材とセンサ基板１１との境界層に第１の固定部材２８、第２の固定部材および検出部材とセンサ基板１１との合金層３２を設けた構成としたものである。
【選択図】図５

Description

本発明は、特に、人間の体重や、自動車等の車両の重量等により生じる外力により発生する歪をセンサ基板に設けた歪検出素子により検出する歪センサに関するものである。

従来のこの種の歪センサとしては、特許文献１に開示されたものが知られている。

以下、従来の歪センサについて図面を参照しながら説明する。

図７は従来の歪センサの斜視図を示したもので、この図７において、１は金属からなるセンサ基板で、このセンサ基板１は一端側に第１の固定孔２を設けるとともに、他端側に第２の固定孔３を設け、かつ上面に薄ゲージからなる歪検出素子４を設けている。また、センサ基板１における歪検出素子４は素子部５と、この素子部５と電気的に接続されるとともに外方へ向かって突出するリード線６とを有している。

以上のように構成された従来の歪センサについて、次にその動作を図面を参照しながら説明する。

図８に示すように、予め一対の雌ネジ７を設けた被検出部材８にセンサ基板１を雄ネジ９により固着する。このとき、被検出部材８に設けた一対の雌ネジ７のピッチの変動を考慮して、確実にセンサ基板１を被検出部材８に取り付けできるように、第１の固定孔２および第２の固定孔３の内径は雌ネジ７の外径よりも大きめの寸法となっている。そして、この状態において、被検出部材８に外力が作用すると、被検出部材８の歪に伴い、センサ基板１が変形することになり、そしてこのセンサ基板１の変形をセンサ基板１の上面に設けた歪検出素子４の抵抗値の変化による電圧の変化としてリード線６から外部に取り出すことによって、被検出部材８に生じる外力を検出するものであった。
実開平５−５７６０５号公報（実願平４−２６５号のマイクロフィルム）

しかしながら、上記従来の構成においては、第１の固定孔２および第２の固定孔３の内径は雌ネジ７の外径よりも大きめの寸法となっているため、確実にセンサ基板１を被検出部材８へ取り付けることが可能であるが、反面、センサ基板１の取付位置がセンサ基板１の長手方向へ移動することになり、これにより、雄ネジ９におけるセンサ基板１の上面と当接する端部１０の位置がずれるため、歪検出素子４に加わる曲げ応力も変動することになり、その結果、歪センサの出力精度が劣化してしまうという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、歪検出素子に加わる曲げ応力が変動するということはなく、出力精度の安定化が図れる歪センサを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。

本発明の請求項１に記載の発明は、一端側に第１の固定孔を設けるとともに他端側に第２の固定孔を設けかつ中央部に検出孔を設けさらに上面あるいは下面に少なくとも１つの歪検出素子を設けたセンサ基板と、このセンサ基板における第１の固定孔の上側あるいは下側に位置する孔と第１の固定孔の周囲を上下から挟持する挟持部とからなる一対の第１の固定部材と、前記センサ基板における第２の固定孔の上側あるいは下側に位置する孔と第２の固定孔の周囲を上下から挟持する挟持部とからなる一対の第２の固定部材と、前記センサ基板における検出孔の上側あるいは下側に位置する孔と検出孔の周囲を上下から挟持する挟持部とからなる一対の検出部材とを備え、前記第１の固定部材、第２の固定部材および検出部材における挟持部に上下方向から電子ビームを照射することにより、第１の固定部材、第２の固定部材および検出部材からセンサ基板にわたって溶融させ、第１の固定部材、第２の固定部材および検出部材とセンサ基板との境界層に第１の固定部材、第２の固定部材および検出部材とセンサ基板との合金層を設けたもので、この構成によれば、第１の固定部材、第２の固定部材および検出部材における挟持部がセンサ基板と合金層により固定されることになるため、第１の固定部材、第２の固定部材および検出部材における挟持部とセンサ基板の上面との取付位置がセンサ基板の長手方向へ移動するということはなくなり、これにより、第１の固定部材、第２の固定部材および検出部材における挟持部がセンサ基板の上面と当接する端部の位置がずれることはないため、歪検出素子に加わる曲げ応力が変動するということはなくなり、これにより、歪センサの出力精度の安定化が図れるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項２に記載の発明は、特に、第１の固定部材、第２の固定部材および検出部材における挟持部に溝を設け、この溝に電子ビームを照射するようにしたもので、この構成によれば、第１の固定部材、第２の固定部材および検出部材における挟持部に溝を設け、この溝に電子ビームを照射するようにしているため、この電子ビームにより溶けた材料が、第１の固定部材、第２の固定部材および検出部材から上下に突出するということはなくなり、これにより、第１の固定部材、第２の固定部材および検出部材の外面と相手側取付部材との取付面に電子ビームにより溶けた材料が位置するということはないため、第１の固定部材、第２の固定部材および検出部材を相手側取付部材に精度良く取り付けることができるという作用効果を有するものである。

以上のように本発明の歪センサは、第１の固定部材、第２の固定部材および検出部材における挟持部に上下方向から電子ビームを照射することにより、第１の固定部材、第２の固定部材および検出部材からセンサ基板にわたって溶融させ、第１の固定部材、第２の固定部材および検出部材とセンサ基板との境界層に第１の固定部材、第２の固定部材および検出部材とセンサ基板との合金層を設けているため、第１の固定部材、第２の固定部材および検出部材における挟持部がセンサ基板と合金層により固定されることになり、これにより、第１の固定部材、第２の固定部材および検出部材における挟持部とセンサ基板の上面との取付位置がセンサ基板の長手方向へ移動するということはなくなるため、第１の固定部材、第２の固定部材および検出部材における挟持部がセンサ基板の上面と当接する端部の位置がずれることもなくなり、その結果、歪検出素子に加わる曲げ応力が変動するということはなくなるため、出力精度の安定した歪センサを提供することができるという優れた効果を奏するものである。

以下、一実施の形態を用いて、本発明の特に請求項１および２に記載の発明について説明する。

図１は本発明の一実施の形態における歪センサの上面図、図２は同歪センサを長手方向に切断した状態の側断面図、図３は同歪センサを長手方向と垂直な方向に切断した状態の側断面図、図４は同歪センサにおけるセンサ基板の上面図である。

図１〜図４において、１１はＣｒを１８重量％含有するステンレス鋼からなるセンサ基板で、このセンサ基板１１は、図４に示すように、一端側に上面から下面にわたって第１の固定孔１２を設けるとともに、他端側に上面から下面にわたって第２の固定孔１３を設け、かつ中央部に上面から下面にわたって検出孔１４を設けている。また、センサ基板１１の他端側には電源電極１５を設けており、この電源電極１５は図１に示すように、第１の歪検出素子１６の一端および第２の歪検出素子１７の一端に回路パターン１８によって電気的に接続するとともに、第１の歪検出素子１６の他端は第１の出力電極１９に電気的に接続している。さらに第２の歪検出素子１７の他端は第２の出力電極２０に電気的に接続するとともに、第３の歪検出素子２１の一端に電気的に接続し、さらに第３の歪検出素子２１の他端はＧＮＤ電極２２に電気的に接続している。

また、前記センサ基板１１の上面には第４の歪検出素子２３を設けており、この第４の歪検出素子２３は一端を第１の歪検出素子１６の他端および第１の出力電極１９に電気的に接続し、かつ他端を前記ＧＮＤ電極２２に電気的に接続している。そして、前記第１の歪検出素子１６、第２の歪検出素子１７、第３の歪検出素子２１、第４の歪検出素子２３、電源電極１５、第１の出力電極１９、第２の出力電極２０、ＧＮＤ電極２２および回路パターン１８によりブリッジ回路を構成している。

そしてまた、前記センサ基板１１の他端側の上面にはＩＣ２４を設けており、このＩＣ２４は、第１の出力電極１９および第２の出力電極２０の電圧の差動電圧を増幅し、センサ基板１１における他端に設けた外部出力電極２５より外部に出力するものである。さらに、前記センサ基板１１の他端側の上面には外部電源電極２６を設けており、この外部電源電極２６は前記電源電極１５に電気的に接続している。また、前記センサ基板１１の他端側の上面には外部ＧＮＤ電極２７も設けているので、この外部ＧＮＤ電極２７は前記ＧＮＤ電極２２に電気的に接続している。

２８はＳＵＳ４３０からなる一対の第１の固定部材で、この第１の固定部材２８は、図２に示すように、前記センサ基板１１における第１の固定孔１２の上側あるいは下側に位置する孔２９を設けるとともに、前記第１の固定孔１２の周囲を上下から挟持する挟持部３０を設けている。そしてこの第１の固定部材２８の挟持部３０には図１に示すように溝３１を設けており、この溝３１からセンサ基板１１の外表面にわたって電子ビームを照射することにより、図３に示すように、一旦、溶融された材料は固化されて、第１の固定部材２８とセンサ基板１１との境界層に合金層３２を設けている。この場合、前記第１の固定部材２８の挟持部３０に設けた溝３１に電子ビームを照射すると、材料が溶けるが、この溶けた材料は溝３１の内部に収まり、挟持部３０の外表面から上下に突出しないように構成されている。

３３はＳＵＳ４３０からなる一対の第２の固定部材で、この第２の固定部材３３は、図２に示すように、前記センサ基板１１における第２の固定孔１３の上側あるいは下側に位置する孔３４を設けるとともに、前記第２の固定孔１３の周囲を上下から挟持する挟持部３５を設けている。そしてこの第２の固定部材３３の挟持部３５には図１に示すように溝３６を設けており、この溝３６からセンサ基板１１の外表面にわたって電子ビームを照射することにより、一旦、溶融された材料は固化されて第２の固定部材３３とセンサ基板１１との境界層に合金層（図示せず）を設けている。この場合、前記第２の固定部材３３の挟持部３５に設けた溝３６に電子ビームを照射すると、材料が溶けるが、この溶けた材料は溝３６の内部に収まり、挟持部３５の外表面から上下に突出しないように構成されている。

３７はＳＵＳ４３０からなる一対の検出部材で、この検出部材３７は、図２に示すように、前記センサ基板１１における検出孔１４の上側あるいは下側に位置する孔３８を設けるとともに、前記検出孔１４の周囲を上下から挟持する挟持部３９を設けている。そしてこの検出部材３７の挟持部３９には図１に示すように溝４０を設けており、この溝４０からセンサ基板１１の外表面にわたって電子ビームを照射することにより、一旦、溶融された材料は固化されて検出部材３７とセンサ基板１１との境界層に合金層（図示せず）を設けている。この場合、前記検出部材３７の挟持部３９に設けた溝４０に電子ビームを照射すると、材料が溶けるが、この溶けた材料は溝４０の内部に収まり、挟持部３９の外表面から上下に突出しないように構成されている。

以上のように構成された本発明の一実施の形態における歪センサについて、次にその組立方法を説明する。

まず、予め準備した金属のベース基材（図示せず）に、第１の固定孔１２、第２の固定孔１３、検出孔１４をプレス加工により形成する。

次に、ベース基材（図示せず）の上面にガラスペースト（図示せず）を印刷した後、約８５０℃で約４５分間焼成し、センサ基板１１を形成する。

次に、センサ基板１１の上面に位置してメタルグレーズ系のカーボンのペーストを印刷し、約８５０℃で約４５分間焼成し、センサ基板１１の上面に第１の歪検出素子１６、第２の歪検出素子１７、第３の歪検出素子２１および第４の歪検出素子２３を形成する。

次に、電極および回路パターン１８を設ける位置に、銀のペーストを印刷し、約８５０℃で約４５分間焼成し、電源電極１５、第１の出力電極１９、第２の出力電極２０、ＧＮＤ電極２２、外部出力電極２５、外部電源電極２６、外部ＧＮＤ電極２７および回路パターン１８を形成する。

次に、センサ基板１１の上面にＩＣ２４を実装する。

次に、センサ基板１１における第１の固定孔１２の上方および下方に一対の第１の固定部材２８における孔２９を位置させるとともに、この第１の固定部材２８における挟持部３０により、センサ基板１１を上下から挟持する。

次に、第１の固定部材２８における溝３１に、図５に示すように電子ビームを照射することにより、溝３１からセンサ基板１１にわたって、一旦、材料を溶融させた後、固化させて、第１の固定部材２８とセンサ基板１１との境界層に合金層３２を設けることにより、センサ基板１１に第１の固定部材２８を固着する。

この場合、第１の固定部材２８における挟持部３０に溝３１を設け、この溝３１に電子ビームを照射することにより、この電子ビームによって溶けた材料は溝３１の内部に収まって、第１の固定部材２８における挟持部３０の外表面から上下に突出しないように構成しているため、第１の固定部材２８の外面と相手側取付部材（図示せず）との取付面に電子ビームにより溶けた材料が位置するということはなくなり、これにより、第１の固定部材２８を相手側取付部材（図示せず）に精度良く取り付けることができるという効果が得られるものである。

次に、センサ基板１１における第２の固定孔１３の上方および下方に一対の第２の固定部材３３における孔３４を位置させるとともに、この第２の固定部材３３における挟持部３５により、センサ基板１１を上下から挟持する。

次に、第２の固定部材３３における溝３６に、電子ビームを照射することにより、溝３６からセンサ基板１１にわたって、一旦、材料を溶融させた後、固化させて、第２の固定部材３３とセンサ基板１１との境界層に合金層（図示せず）を設けることにより、センサ基板１１に第２の固定部材３３を固着する。

最後に、センサ基板１１に第１の固定部材２８および第２の固定部材３３を固着する方法と同様に、センサ基板１１における検出孔１４に検出部材３７を固着する。

以上のように構成、かつ製造された本発明の一実施の形態における歪センサについて、次にその動作を図面を参照しながら説明する。

図６は本発明の一実施の形態における歪センサが動作する状態を示す側断面図である。

図６に示すように、検出部材３７に上方より外方Ｆが作用すると、この外力Ｆにより、センサ基板１１が変形する。このとき、検出部材３７におけるセンサ基板１１と当接する端部に外力が作用するとともに、第１の固定部材２８におけるセンサ基板１１と当接する端部に反力が作用し、かつ第２の固定部材３３におけるセンサ基板１１と当接する端部にも反力が作用する。そして、センサ基板１１の上面に設けた第１の歪検出素子１６および第３の歪検出素子２１に引張応力が加わり、第１の歪検出素子１６および第３の歪検出素子２１の抵抗値が大きくなるとともに、第２の歪検出素子１７および第４の歪検出素子２３に圧縮応力が加わり、第２の歪検出素子１７および第４の歪検出素子２３の抵抗値が小さくなる。そして、第１の検出素子１６、第２の歪検出素子１７、第３の歪検出素子２１および第４の歪検出素子２３により、ブリッジ回路が構成されているため、第１の出力電極１９および第２の出力電極２０の電位差をＩＣ２４により差動電圧としてとることにより、外部出力電極２５から検出部材３７に加わる外力Ｆを検出するものである。

上記したように本発明の一実施の形態における歪センサにおいては、第１の固定部材２８における挟持部３０、第２の固定部材３３における挟持部３５および検出部材３７における挟持部３９に上下方向から電子ビームを照射することにより、第１の固定部材２８、第２の固定部材３３および検出部材３７からセンサ基板１１にわたって溶融させ、第１の固定部材２８、第２の固定部材３３および検出部材３７とセンサ基板１１との境界層に第１の固定部材２８、第２の固定部材３３および検出部材３７とセンサ基板１１との合金層３２を設けているため、第１の固定部材２８における挟持部３０、第２の固定部材３３における挟持部３５および検出部材３７における挟持部３９がセンサ基板１１と合金層３２により固定されることになり、これにより、第１の固定部材２８における挟持部３０、第２の固定部材３３における挟持部３５および検出部材３７における挟持部３９とセンサ基板１１の上面との取付位置がセンサ基板１１の長手方向へ移動するということはなくなるため、第１の固定部材２８における挟持部３０、第２の固定部材３３における挟持部３５および検出部材３７における挟持部３９がセンサ基板１１の上面と当接する端部の位置がずれることもなくなり、その結果、第１の歪検出素子１６、第２の歪検出素子１７、第３の歪検出素子２１および第４の歪検出素子２３に加わる曲げ応力が変動するということはなくなるため、出力精度の安定した歪センサを提供することができるものである。

本発明に係る歪センサは、歪検出素子に加わる曲げ応力が変動するということはなく、出力精度の安定化が図れるという効果を有するものであり、人間の体重や、自動車等の車両の重量により発生する外力を検出する用途に有用なものである。

本発明の一実施の形態における歪センサの上面図 同歪センサを長手方向に切断した状態の側断面図 同歪センサを長手方向と垂直な方向に切断した状態の側断面図 同歪センサにおけるセンサ基板の上面図 同歪センサにおける第１の固定部材の溝に電子ビームを照射する状態を示す側断面図 同歪センサが動作する状態を示す側断面図 従来の歪センサの斜視図 同歪センサを被検出部材に固着した状態を示す側断面図

符号の説明

１１ センサ基板
１２ 第１の固定孔
１３ 第２の固定孔
１４ 検出孔
１６，１７，２１，２３ 歪検出素子
２８ 第１の固定部材
２９，３４，３８ 孔
３０，３５，３９ 挟持部
３１，３６，４０ 溝
３２ 合金層
３３ 第２の固定部材
３７ 検出部材

Claims (2)

1. 一端側に第１の固定孔を設けるとともに他端側に第２の固定孔を設けかつ中央部に検出孔を設けさらに上面あるいは下面に少なくとも１つの歪検出素子を設けたセンサ基板と、このセンサ基板における第１の固定孔の上側あるいは下側に位置する孔と第１の固定孔の周囲を上下から挟持する挟持部とからなる一対の第１の固定部材と、前記センサ基板における第２の固定孔の上側あるいは下側に位置する孔と第２の固定孔の周囲を上下から挟持する挟持部とからなる一対の第２の固定部材と、前記センサ基板における検出孔の上側あるいは下側に位置する孔と検出孔の周囲を上下から挟持する挟持部とからなる一対の検出部材とを備え、前記第１の固定部材、第２の固定部材および検出部材における挟持部に上下方向から電子ビームを照射することにより、第１の固定部材、第２の固定部材および検出部材からセンサ基板にわたって溶融させ、第１の固定部材、第２の固定部材および検出部材とセンサ基板との境界層に第１の固定部材、第２の固定部材および検出部材とセンサ基板との合金層を設けた歪センサ。
2. 第１の固定部材、第２の固定部材および検出部材における挟持部に溝を設け、この溝に電子ビームを照射するようにした請求項１記載の歪センサ。

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