JP2007315757A - 応力検出センサ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を図るとともに、２軸応力の検出精度を向上させることが可能な応力検出センサを提供すること。
【解決手段】少なくとも主面１ａが絶縁体層１Ｂにより形成されている基板１と、主面１ａ上に形成された１対の帯状の抵抗体２Ａ，２Ｂと、を備えており、１対の抵抗体２Ａ，２Ｂが、互いに直交し、かつこれらの中央部２ａどうしの位置が同一である構成とされた、応力検出センサＡ１であって、１対の抵抗体２Ａ，２Ｂは、互いの中央部２ａどうしが電気的および機械的に接合されており、1対の抵抗体２Ａ，２Ｂにそれぞれ接続された１対のホイートストンブリッジ回路６１Ａ，６１Ｂを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、たとえば車両の車輪に作用する摩擦力、垂直抗力等を検出するための車輪作用力測定装置に用いられる応力検出センサに関する。

従来の応力検出センサとしては、車両に装備されるアンチロックブレーキ装置（以下、ＡＢＳ）を構成する車輪作用力測定装置に用いられるものがある。図５は、そのような応力検出センサの一例を示している。本図に示された応力検出センサＸは、基体９１と、この基体９１の両面に設けられた２対の帯状の抵抗体９２ａ，９２ｂ，９３ａ，９３ｂとを具備している。２対の抵抗体９２ａ，９２ｂ，９３ａ，９３ｂは、基体９１の同じ面に形成されたものどうしが直交しており、互いの中央部が重なる配置とされている。たとえば、１対の抵抗体９２ａ，９２ｂは、ＳｉＯ₂などの絶縁体層（図示略）に覆われた基体９１の表面に抵抗体９２ａを貼付し、この抵抗体９２ａ全体を覆うように追加の絶縁体層（図示略）を形成した後に、抵抗体９２ｂを貼付することにより形成されている。

応力を測定する際には、１対の抵抗体９２ａ，９２ｂの交差部が測定点に位置される。１対の抵抗体９２ａ，９２ｂは、上記測定点に発生する応力に応じて、長手方向寸法が伸縮され、これによりそれぞれの両端縁間の電気抵抗が変化する。この電気抵抗の変化を読み取ることにより、上記測定点における２軸応力を測定可能となっている。さらに、基体９１の両面に１対ずつの抵抗体９２ａ，９２ｂ，９３ａ，９３ｂを備えることにより、基体９１の厚さ方向におけるモーメントなども測定可能である。このような応力検出センサＸを適宜組み合わせて車輪作用力測定装置を構成すれば、車輪に作用する摩擦力、垂直抗力等を検出し、路面摩擦係数等を得ることができる。これらの諸量に基づいて、たとえばＡＢＳの駆動制御がなされる。

しかしながら、近年、ＡＢＳとしても制動距離の短縮化や、制動姿勢のさらなる安定化などの要求が高まっている。このため、上記車輪作用力測定装置には、摩擦力や垂直抗力をより高い精度で測定することが求められている。応力検出センサＸは、上記測定点における応力を正確に測定するため、２対の抵抗体９２ａ，９２ｂ，９３ａ，９３ｂが交差部を有しており、それぞれが上記絶縁体層を介して積層された構成となっている。このため、下位に配置された抵抗体９２ａ，９３ａには、基材９１の応力が直接伝達されるが、上位に配置された抵抗体９２ｂ，９３ｂには、基材９１の応力が上記追加の絶縁体層を介して伝達されることとなる。上記追加の絶縁体層を薄膜状に形成したとしても、その厚さ方向にせん断変形が生じることが避けられない。このため、下位に配置された抵抗体９２ａ，９３ａに比べて上位に配置された抵抗体９２ｂ，９３ｂによる検出精度が上記せん断変形の分だけ低下することとなる。このような検出精度の低下は、上記車輪作用力測定装置の測定精度の低下に直結するため、ＡＢＳの制動距離の短縮化や、制動姿勢の安定化といった要望に十分に応えられない場合があった。また、上記車輪作用力測定装置の測定精度向上には、応力検出センサＸの小型化が有利であるが、その反面、応力検出センサＸの小型化を図るほど、上記追加の絶縁体層のせん断変形の影響が大きくなるなどの問題があった。

特開平４−３３１３３６号公報

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、小型化を図るとともに、２軸応力の検出精度を向上させることが可能な応力検出センサを提供することをその課題とする。

上記課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明によって提供される応力検出センサは、少なくとも主面が絶縁性物質により形成されている基板と、上記主面上に形成された１対の帯状の抵抗体と、を備えており、上記１対の抵抗体が、互いに直交し、かつこれらの中央部どうしの位置が同一である構成とされた、応力検出センサであって、上記１対の抵抗体は、互いの中央部どうしが電気的および機械的に接合されており、上記1対の抵抗体にそれぞれ接続された１対のホイートストンブリッジ回路を備えていることを特徴としている。

このような構成によれば、上記１対の抵抗体の中央部には、上記基板の上記主面から直接応力が伝達されるため、たとえば、絶縁体層が介在することによる応力伝達ロスを抑制することができる。したがって、応力検出の精度を向上するのに適しており、たとえばこの応力検出センサが用いられる車輪作用力測定装置の測定精度向上が可能であり、ＡＢＳの制動距離の短縮化や、制動姿勢の安定化を図ることができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記１対のホイートストンブリッジ回路は、スイッチング機構を介して同一の電源に接続されている。このような構成によれば、上記１対の抵抗体それぞれに伝達された応力を独立して、かつ適切に検出することが可能である。また、上記応力検出センサとして、１つの電源を備えれば十分であるため、小型化および製造コストの低減に有利である。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記１対のホイートストンブリッジ回路は、それぞれが個別の電源に接続されている。このような構成によれば、上記１対のホイートストンブリッジ回路に対して常時電圧を印加することが可能である。したがって、上記１対の抵抗体に生じた応力を同時に検出することができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記１対の抵抗体は、上記両端縁間の電気抵抗が互いに同一である。このような構成によれば、上記１対の抵抗体に同一の大きさの応力が作用した場合に、それぞれの両端縁間の電気抵抗の変化量を同一とすることが可能である。したがって、上記１対の抵抗体が延びる２軸方向における応力検出の精度をさらに高めることができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記１対の抵抗体は、互いの中央部を共有することにより、平面視十字形状とされている。このような構成によれば、上記１対の抵抗体は、互いに上位または下位といった関係にならず、上記基板の上記主面に対して双方が直接接合された構成となる。したがって、上記応力検出センサによって応力を検出すべき測定点からの応力が、上記１対の抵抗体に対して等しい条件で伝達される。したがって、上記応力検出センサによる応力検出精度を高めるのに好適である。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。

図１および図２は、本発明に係る応力検出センサの第１実施形態を示している。この応力検出センサＡ１は、基板１、１対の抵抗体２Ａ，２Ｂ、配線パターン３、端子４、１対のホイートストンブリッジ回路６１Ａ，６１Ｂ，および電源６３を具備して構成されている。なお図１においては、図２に示す保護膜５を省略して示している。

図１に示すように、基板１は、全体として略矩形状であり、図２に示すように、ＳＵＳ板１Ａ上に絶縁体層１Ｂが積層された構成である。本実施形態においては、基板１のサイズは、たとえば、１ｍｍ角〜８ｍｍ角程度の比較的小サイズとされる。これは、応力検出センサＡ１がＡＢＳを構成する車輪作用力測定装置に用いられる場合に、車両のサスペンションに埋設されるには、できるだけ小型であることが測定精度の向上に好ましいことによる。なお、絶縁体層１Ｂの厚さは、たとえば２０００〜３０００Å程度とされる。

基板１の主面１ａ上には、１対の抵抗体２Ａ，２Ｂが形成されている。１対の抵抗体２Ａ，２Ｂは、たとえばＣｒＯｘまたはＮｉからなり、５０００Å程度の帯状膜とされている。本実施形態においては、１対の抵抗体２Ａ，２Ｂは、中央部２ａを共有した平面視十字状の一体部材として構成されており、それぞれの側延部２Ａｂ，２Ｂｂが互いに直交する方向に延びた配置とされている。また、１対の抵抗体２Ａ，２Ｂは、応力が負荷されていない自然状態において、それぞれの両端縁２Ａｃ，２Ｂｃ間における電気抵抗が同一となる長さおよび厚さとされている。この応力検出センサＡ１は、中央部２ａが測定点と一致する配置とされる。１対の抵抗体２Ａ，２Ｂは、この測定点における応力に応じて、これらの長手方向寸法がそれぞれ伸縮する。この伸縮により、１対の抵抗体２Ａ，２Ｂの両端縁２Ａｃ，２Ｂｃ間における電気抵抗が変化する。この変化を読み取ることにより、１対の抵抗体２Ａ，２Ｂがそれぞれ延びる方向、すなわち互いに直交する２軸方向の応力を検出可能となっている。このような１対の抵抗体２Ａ，２Ｂは、スパッタリングまたはＣＶＤなどの薄膜形成手法により、ＣｒＯｘまたはＮｉの薄膜を生成し、この薄膜に対して、フォトリソグラフィにより形成したレジストマスクをエッチングマスクとしたドライエッチングを施すことにより形成することができる。

図１に示すように、基板１の一端縁には、４つの端子４が設けられている。４つの端子４は、配線パターン３により、１対の抵抗体２Ａ，２Ｂと両端縁２Ａｃ，２Ｂｃにおいて導通している。４つの端子４および配線パターン３は、たとえば金からなる。

図２に示すように、１対の抵抗体２Ａ，２Ｂおよび絶縁体部材３を含む主面１ａには、これらを覆う保護膜５が形成されている。保護膜５は、たとえばＳｉＯ₂からなる。

図１に示すように、４つの端子４には、１対のホイートストンブリッジ回路６１Ａ，６１Ｂが接続されている。ホイートストンブリッジ回路６１Ａは、３つの抵抗６１Ａｒと抵抗体２Ａとによって構成されている。ホイートストンブリッジ回路６１Ｂは、３つの抵抗６１Ｂｒと抵抗体２Ｂとによって構成されている。

１対のホイートストンブリッジ回路６１Ａ，６１Ｂは、スイッチング機構６２Ａ，６２Ｂを介して、電源６３に接続されている。電源６３は、ホイートストンブリッジ回路６１Ａ，６１Ｂの電位差を検出することにより、１対の抵抗体２Ａ，２Ｂの抵抗値の変化量を計測するための直流電圧を印加するためのものである。スイッチング機構６２Ａ，６２Ｂは、それぞれ電源６３の正極および負極を選択的にホイートストンブリッジ回路６１Ａ，６１Ｂのいずれかに接続するためのものである。スイッチング機構６２Ａ，６２Ｂは、たとえば１０ｋＨｚ以上の周波数で、ホイートストンブリッジ回路６１Ａ，６１Ｂを交互に電源６３へと接続可能に構成されている。このスイッチング機構６２Ａ，６２Ｂの切替周波数は、たとえばＡＢＳを構成する車輪作用力測定装置において、車輪に作用する２軸方向の力をほぼリアルタイムで計測するのに十分な周波数とすることが望ましい。

ホイートストンブリッジ回路６１Ａ，６１Ｂからは、それぞれ出力端子６４Ａ，６４Ｂが取り出されている。出力端子６４Ａ，６４Ｂは、ホイートストンブリッジ回路６１Ａ，６１Ｂの構成を利用して、１対の抵抗体２Ａ，２Ｂの抵抗値の変化量を読み取るために用いられる。１対の抵抗体２Ａ，２Ｂの抵抗値の変化量は、測定点における応力の大きさに対応している。

応力検出センサＡ１を用いた応力の測定は、以下のように行われる。図１に示された応力検出センサＡ１は、スイッチング機構６２Ａ，６２Ｂによって、ホイートストンブリッジ回路６１Ａが電源６３に接続された状態とされている。このため、ホイートストンブリッジ回路６１Ａには、直流電圧が印加されているが、ホイートストンブリッジ回路６１Ｂには、直流電圧は印加されていない。この状態で、基板１が貼付された測定点に応力が生じると、１対の抵抗体２Ａ，２Ｂの中央部２ａを中心として、１対の抵抗体２Ａ，２Ｂに歪が生じる。ただし、直流電圧が印加されているのは、ホイートストンブリッジ回路６１Ａを構成する抵抗体２Ａのみである。このため、上記測定点の２軸応力に対応して１対の抵抗体２Ａ，２Ｂが伸縮しても、抵抗値の変化量として検出されるのは、抵抗体２Ａの伸縮のみである。すなわち、上記測定点に生じた２軸応力のうち、抵抗体２Ａの側延部２Ａｂが延びる方向の応力のみが出力端子６４Ａから選択的に検出される。この応力によって抵抗体２Ｂが変形したとしても、この変形によっては抵抗体２Ａの両端縁２Ａｃ間の抵抗はほとんど変化しないからである。一方、スイッチング機構６２Ａ，６２Ｂを図示された状態と反対側の経路を閉じる状態とすると、ホイートストンブリッジ回路６１Ｂに電源６３からの直流電圧が印加される。これにより、上記測定点に生じた２軸応力のうち、抵抗体２Ｂの側延部２Ｂｂが延びる方向の応力が出力端子６４Ｂから選択的に検出される。スイッチング機構６２Ａ，６２Ｂの切替を、たとえば１０ｋＨｚの切替周波数で行うことにより、上記測定点における２軸応力をほぼリアルタイムで検出することができる。

次に、応力検出センサＡ１の作用について、以下に説明する。

本実施形態によれば、上述した測定点における応力検出精度を向上させることができる。その理由として、１対の抵抗体２Ａ，２Ｂが互いに直交するとともに、それぞれが中央部２ａを共有した平面視十字状とされていることがある。中央部２ａが応力検出すべき測定点に中央部２ａが一致するように基板１を貼付すれば、上記測定点に生じた応力が１対の抵抗体２Ａ，２Ｂのそれぞれに直接伝わることとなる。たとえば、１対の抵抗体２Ａ，２Ｂが重なる部分に絶縁体層を設けた構成においては、この絶縁体層の厚さ方向に生じるせん断変形分だけ、１対の抵抗体２Ａ，２Ｂのうち上位に位置するものの歪が不正確となる。本実施形態においては、このような絶縁体層が介在することがなく、しかも１対の抵抗体２Ａ，２Ｂは、一体的に成形された部材とされている。また、１対の抵抗体２Ａ，２Ｂが互いに直交する構成とされていることにより、上記測定点に生じた２軸応力を、互いに直交する方向における応力成分として独立して検出することが可能である。したがって、上記測定点における２軸応力を正確に検出することができる。

半導体製造プロセスに用いられる手法によって抵抗体２Ａ，２Ｂを形成すれば、それぞれを所望のサイズおよび形状に正確に仕上げることが可能である。これにより、抵抗体２Ａ，２Ｂの両端縁２Ａｃ，２Ｂｃ間寸法を正確なものとすることができる。したがって、抵抗体２Ａ，２Ｂの両端縁２Ａｃ，２Ｂｃ間の電気抵抗を等しいものとして、応力検出精度を向上させるのに有利である。

スイッチング機構６２Ａ，６２Ｂを用いて、電源６３からの直流電圧をホイートストンブリッジ回路６１Ａ，６１Ｂに対して交互に印加することにより、平面視十字状の一体部材とされた１対の抵抗体２Ａ，２Ｂに伝達された応力を独立して適切に検出することが可能である。これは、抵抗体２Ａ，２Ｂが互いに直交する配置とされているため、たとえば抵抗体２Ａが延びる方向の応力によって抵抗体２Ｂがその幅方向に伸縮しても、抵抗体２Ａの両端縁２Ａｃ間の抵抗値には抵抗体２Ｂの伸縮はほとんど影響を及ぼさないからである。したがって、本実施形態によれば、１対の抵抗体２Ａ，２Ｂ間に絶縁層を設けない構成であるにもかかわらず、それぞれが延びる方向の応力を合理的かつ正確に検出することができる。また、スイッチング機構６２Ａ，６２Ｂを用いて同一の電源６３を活用することにより、電源の必要数を半分とすることが可能である。これは、応力検出センサＡ１全体の小型化、および製造コストの低減に有利である。

図３は、本発明に係る応力検出センサの第２実施形態を示している。なお、本図においては、図１に示された１対のホイートストンブリッジ回路６１Ａ，６１Ｂ，スイッチング機構６２Ａ，６２Ｂ、電源６３、および出力端子６４Ａ，６４Ｂを省略している。本実施形態の応力検出センサＡ２は、１対の抵抗体２Ａ，２Ｂが互いに重なる構成とされている点が、上述した第１実施形態と異なっている。本実施形態においては、１対の抵抗体２Ａ，２Ｂがそれぞれの中央部２Ａａ，２Ｂａにおいて重なる配置とされている。また、１対の抵抗体２Ａ，２Ｂは、中央部２Ａａ，２Ｂａどうしが電気的および機械的に接合されている。

このような実施形態によっても、１対の抵抗体２Ａ，２Ｂの間に絶縁体層などが介在しない状態で、測定点の応力を検出することができる。上述した第１実施形態と同様に、本実施形態においても、測定点に生じた応力が抵抗体２Ａ，２Ｂへと正確に伝達される。したがって、上記測定点における２軸応力を正確に検出することができる。

図４は、本発明に係る応力検出センサの第３実施形態を示している。本実施形態の応力検出センサＡ３は、１対の電源６３Ａ，６３Ｂを備える点が、上述した実施形態と異なっている。１対の抵抗体２Ａ，２Ｂは、上述した第１実施形態と同様の構成とされており、１対のホイートストンブリッジ回路６１Ａ，６１Ｂが接続されている。本実施形態においては、１対のホイートストンブリッジ回路６１Ａ，６１Ｂのそれぞれに個別の電源６３Ａ，６３Ｂが接続されている。すなわち、電源６３Ａは、ホイートストンブリッジ回路６１Ａ専用として、電源６３Ｂは、ホイートストンブリッジ回路６１Ｂ専用として、それぞれ使用されるものとされている。

本実施形態によれば、電源６３Ａ，６３Ｂによって、１対のホイートストンブリッジ回路６１Ａ，６１Ｂの双方に対して常に電圧を印加することが可能である。このため、１対の抵抗体２Ａ，２Ｂに生じた応力を交互に間欠的に検出するのではなく、完全にリアルタイムで検出することができる。したがって、たとえばＡＢＳを構成する車輪作用力測定装置において測定点における２軸応力を常時監視することが実現可能となる。

本発明に係る応力検出センサは、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る応力検出センサの各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

本発明でいう基板は、ＳＵＳ板と絶縁体層とを積層させた構成に限定されず、たとえば、絶縁体の単層構造としてもよい。絶縁体の材質としては、ＳｉＯ₂のほかにセラミックなどの絶縁体物質を用いてもよい。抵抗体、絶縁体部材などは、薄膜形成技術やドライエッチングなどの半導体製造プロセスに用いられる手法により形成することが望ましいが、これらに限定されるものではなく、厚さや平面形状を正確に仕上げることが可能な手法であればよい。

本発明に係る応力検出センサの用途としては、基体の両面に２つの応力検出センサが設けられた構成、あるいは、立方体の基体の６面に計６つの応力検出センサが設けられた構成とされた車輪作用力測定装置などが適しているが、これに限定されず、微小な応力測定点について直交する２軸応力を検出するあらゆる装置に適用することが可能であることはもちろんである。

本発明に係る応力検出センサの第１実施形態を示す全体斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う要部断面図である。 本発明に係る応力検出センサの第２実施形態を示す要部斜視図である。 本発明に係る応力検出センサの第３実施形態を示す全体斜視図である。 従来の応力検出センサの一例を示す全体斜視図である。

符号の説明

Ａ１，Ａ２，Ａ３ 応力検出センサ
１ 基板
１Ａ ＳＵＳ板
１Ｂ 絶縁体層
２Ａ，２Ｂ １対の抵抗体
２ａ，２Ａａ，２Ｂａ 中央部
２Ａｂ，２Ｂｂ 側延部
２Ａｃ，２Ｂｃ 両端縁
３ 配線パターン
４ 端子
５ 保護層
６１Ａ，６１Ｂ １対のブリッジ回路
６２Ａ，６２Ｂ スイッチング機構
６３，６３Ａ，６３Ｂ 電源
６４Ａ，６４Ｂ 出力端子

Claims (5)

1. 少なくとも主面が絶縁性物質により形成されている基板と、
   上記主面上に形成された１対の帯状の抵抗体と、を備えており、
   上記１対の抵抗体が、互いに直交し、かつこれらの中央部どうしの位置が同一である構成とされた、応力検出センサであって、
   上記１対の抵抗体は、互いの中央部どうしが電気的および機械的に接合されており、
   上記1対の抵抗体にそれぞれ接続された１対のホイートストンブリッジ回路を備えていることを特徴とする、応力検出センサ。
2. 上記１対のホイートストンブリッジ回路は、スイッチング機構を介して同一の電源に接続されている、請求項１に記載の応力検出センサ。
3. 上記１対のホイートストンブリッジ回路は、それぞれが個別の電源に接続されている、請求項１に記載の応力検出センサ。
4. 上記１対の抵抗体は、その両端縁間の電気抵抗が互いに同一である、請求項１ないし３のいずれかに記載の応力検出センサ。
5. 上記１対の抵抗体は、互いの中央部を共有することにより、平面視十字形状とされている、請求項１ないし４のいずれかに記載の応力検出センサ。

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