JP2008541034A

JP2008541034A - 剛性ステムを有する力測定デバイス

Info

Publication number: JP2008541034A
Application number: JP2008509473A
Authority: JP
Inventors: レイ，パトリス; ロベール，フイリツプ
Original assignee: コミサリヤ・ア・レネルジ・アトミク
Priority date: 2005-05-04
Filing date: 2006-05-03
Publication date: 2008-11-20
Also published as: ATE476645T1; US20080210022A1; FR2885409A1; DE602006015941D1; EP1877748A1; EP1877748B1; US7716975B2; FR2885409B1; WO2006117480A1

Abstract

本発明は、ダイアフラム１２の変形を検出するための手段１６を備えるほぼ平坦な変形可能ダイアフラム１２に接合された剛性ステム１０を有する力測定デバイスに関する。ステム１０の一部が、力Ｆの作用を受けることができる要素２０と接触する。ステム１０は、要素２０と相互作用するためのアンカ手段１７を形成するスロットを有する。本発明は、具体的には、変形可能ダイアフラムへの負荷の伝達を向上させるために使用される。
【その他】本願に係る特許出願人の国際段階での記載住所は「フランス国、７５７５２・パリ・セデクス・１５、リユ・ドウ・ラ・フエデラシオン、３１／３３」ですが、識別番号５９６０４８５６９を付与された国内書面に記載の住所が適正な住所表記であります。

Description

本発明は、力測定デバイスに関する。

本発明は、一般的には、ほぼ平面の変形可能な膜の変形を検出する手段を含む前記膜に接続された剛性ステムを備える力測定デバイスに関し、ステムは、前記力によって負荷をかけることができる要素と接触するようになされた少なくとも一部を含む。

力が測定される（空気入りタイヤ（ｐｎｅｕｍａｔｉｃ）、ビデオゲームのジョイスティックなど）、または加速度が測定される（自動車のエアバッグのトリガ、ペースメーカなど）任意のシステムに統合することができる、任意のタイプの力（力、圧力、牽引力、モーメント、あるいは角加速度または線加速度）のセンサの分野を対象とする。

１つのそのような力センサが、具体的にはＵＳ６６６６０７９に記載されている。

力測定デバイスの剛性ステムの少なくとも一部または全体は、測定される力によって負荷をかけることができる要素と接触するようになされる。

したがって、ステムは、要素に加えられた力を変形可能膜に伝達し、その変形は、測定される力に比例する。

力測定デバイスにより測定される力の効率的な伝達を可能にすることである。

このために、本発明は、ほぼ平面の変形可能な膜の変形を検出する手段を含む膜に接続された剛性ステムを備える力測定デバイスを対象とし、ステムは、力によって負荷をかけることができる要素と接触するようになされた少なくとも一部を含む。

本発明によれば、ステム部分は、前記要素と協働するようになされたアンカ手段を形成するスロットを含む。

したがって、センサのステムが滑らかな円筒形を有することが一般的である現況技術とは対照的に、ステムの表面の少なくとも一部の上に存在するスロットは、ステムと、ステムが接触している要素との付着を向上させる。

この向上した付着または固着は、特に、要素が受けている力が、要素を力測定デバイスから分離するように作用する牽引力であるとき、ならびに反復して負荷をかけられる場合、力の伝達の向上を達成する。

これにより、加えられた力の測定において誤差をもたらし、およびおそらくは力測定デバイスのステムと協働する要素の部分的または全体的な破壊をもたらすことがある、センサと接触している要素において初期亀裂を創出することが回避される。

本発明の一実施形態では、スロットは膜に垂直であり、それにより、剛性ステムの接線方向の力の伝達を向上させる。

これの代わりに、またはこれに加えて、スロットは、ステムの軸上に延びる法線力の伝達を向上させるように、膜に平行である。

代替として、アンカ手段は、ステムと力によって負荷をかけられた要素との間の接触面積を増大させるために、ステムの拡大部分によって形成される。

本発明は、ステム部分が、力によって負荷をかけられた前記要素に埋め込まれるようになされる場合、または、ステム部分がその要素において入れ子にされるようになされる場合に使用されることが有利である。

本発明の他の特徴および利点が、以下の記述の過程においてより明らかになるであろう。

添付の図面において、非限定的な例として与えられる。

本発明による力測定デバイスの第１実施形態が、図１および２Ａを参照してまず記述される。

図示された力センサは、「ネイル」タイプの特定の構造を有する。これは、ヘッド１１が上に取り付けられている剛性ステム１０を含む。

そのヘッド１１は、この場合は膜の中心に接続されている剛性ステム１０が力またはモーメントによって負荷をかけられる場合、あるいは測定デバイスの完全な構造が加速度によって負荷をかけられる場合、変形することができるほぼ平面の変形可能膜１２を含み、その場合、ステムは、震動質量（ｓｅｉｓｍｉｃｍａｓｓ）を有する。

この実施形態では、変形可能膜１２は固体の円形膜であり、中心領域１３においてステム１０に接続される。

この変形可能膜１２は、当然、異なる構造を有することができ、例えば、膜の中心領域１３から周辺領域１４に延びる様々なアームから作成することができる。

この周辺領域１４は、膜１２が変形しているか否かに関係なく、ステム１０に対して安定な位置を有するアンカ点を含む。この実施形態では、膜１２の周辺領域１４にわたって延びる複数の連続アンカ点が存在する。

剛性ステム１０を担持する面と対向する面の側において、ある距離において膜１２を覆うためのキャップ１５も提供される。

この変形可能膜１２は、その変形を検出する手段をさらに含み、例えば、膜の平面において様々な方向に整列されたピエゾ抵抗ゲージ１６からなる。

したがって、これらの検出手段は、変形可能膜１２の平面において２つの垂直方向に整列された、２重ホイートストンブリッジに４つずつ配置された８つのピエゾ抵抗ゲージを備えることができる。

ホイートストンブリッジの端子において測定された不均衡は、ホイートストンブリッジに関連付けられた方向における膜の変形に正比例する。

ＵＳ６６６６０７９の記述は、膜の変形の検出、およびこのデバイスに関連する力の測定に関する情報について、参照することができることが有利である。

本発明のこの実施形態では、この場合はステム１０の自由端部１０ａに対応するステム部分が、アンカ手段１７によって構築される。

この場合、これらのアンカ手段１７は、膜１２の平面に垂直なスロット１７を備える。

図２ａに明瞭に示されているように、これらのスロットは直線であり、ステム１０の自由端部１０ａの末端面に対応する平面において互いに平行に延びる。

したがって、膜１２に垂直なこれらのスロットは、ステム１０の自由端部１０ａの上に開いている。それにより、これらスロットは、ステムの自由端部１０ａの末端面の上に開いている正方形または矩形の断面の溝を形成する。

ステムの少なくとも自由端部１０ａが要素２０に埋め込まれるようになされているこの実施形態では、これらのスロット１７は、この要素２０におけるステム１０の固着を向上させる。

図１は、デバイスの全体、すなわちセンサのヘッド１１およびステム１０は、要素２０の材料に埋め込まれている力測定デバイスを示す。この図１では、要素２０は、ステム１０の軸の接線方向の力Ｆ_ｘによって負荷をかけられる。

したがって、要素２０が受ける力は、スロット１７が存在することによって向上した付着および固着のためにステム１０に完全に伝達することができる。これらのスロット１７は、膜１２の平面に垂直に延びるので、固着は、要素２０に加えられた力がこの膜１２の平面において延びるとき、特に向上する。

これらのスロットは、異なる形状を有することができる。したがって、図２ｂに示されたように、スロット１７’は、この場合は末端面であるステム１０の自由端部１０ａの面の上に開いている同心円とすることができる。

スロット１７、１７’の深さは、加えられた力によって作用されているときに依然として剛性でなければならないステムを弱めてはならない。この場合、ステム１０の長さの４分の１の大きさの深さが、適切な値である。

本発明の第２実施形態が、図３および４を参照して次に記述される。

上述された実施形態と同一であり、かつ同じ参照符号を持つ要素は、ここでは再び詳細には記述されない。

この実施形態では、ステム１０は、その高さにおいて、静止している膜の平面に平行なスロットで形成されるアンカ手段１８を含む。

図４に明瞭に示されているように、これらのスロットは環状であり、円筒剛性ステム１０の周囲の上に開いている。この実施形態では、３つの円形スロット１８が、ステム１０の縦軸の上に重ね合わされる。

これらのスロット１８は、１側面がステム１０の縦方向壁の上に開いている正方形または矩形の断面の環状溝で形成される。

当然、単一のスロット、あるいは２または３以上の数をステム１０の本体において作成することができる。

このように、スロット１８がステム１０の縦方向壁の上に開いているので、これらのアンカ手段は、ステム１０に負荷をかけている力Ｆ_ｚが法線であるとき、すなわちステム１０の軸上にあるとき、力を膜１２に垂直に伝達するのに特に適している。

この場合もまた、ステムの厚さにおけるスロットの深さは、ステムを弱めてはならない。

図３では、センサは、要素２０に埋め込まれて示されており、要素２０は、要素２０をステム１０から離すように向いている牽引力Ｆ_ｚによって負荷をかけられる。

要素２０におけるステム１０の固着は、スロット１８が存在することによって向上する。

第３実施形態が、図５を参照して次に記述され、先行実施形態と共通の要素は、同じ参照符号を持つ。

この実施形態では、ステムは、アンカ手段がステム１０の拡大部分によって形成されるように構築される。

この場合、この拡大部分は、円錐台の形状を有し、切頭体の拡大ベースは、ステム１０の自由端部１０ａを構成する。

センサが要素２０に埋め込まれているこの実施形態では、負荷力Ｆ_ｚが膜１２に垂直であるとき、ステムの自由端部１０ａのこの拡大部分は、力を膜１２に伝達するのに有益な機械的な固着を提供する。

当然、先行実施形態では、柔軟ゴムタイプの材料においてなど、要素２０に完全に埋め込まれたセンサが示されている。

当然、ステム１０のみ、またはステム１０の自由端部１０ａを要素２０に埋め込むことができる。

第４実施形態が、図６を参照して次に記述され、先行実施形態に共通する要素は、同じ参照符号を持つ。

この実施形態では、ステム１０は、膜１２に垂直なスロット１７および膜１２に平行なスロット１８の両方からなるアンカ手段を備える。

この場合、この力測定デバイスは、ステム１０の自由端部壁１０ａの上に開いているスロット１７、およびステム１０の縦方向壁の上に開いているスロット１８を備える。

このように、本発明の第１実施形態および第２実施形態に関して上述された２つのタイプのスロットを組み合わせることができる。

この実施形態は、ステム１０がステムと同様の剛性伝達要素２１と協働するとき、特に適している。力測定デバイスのそのような取付けは、特にジョイスティックタイプのゲーム制御デバイスにおいて遭遇することがある。

当然、上述された実施形態を組み合わせることができる。

具体的には、図７に明瞭に示されているように、第４実施形態では、ステム１０は、拡大部分１０ｃ、および膜１２の平面に垂直に延びるスロット１７を同時に有することができる。

したがって、この実施形態では、ステム１０は、膜１２の中心領域１３に接続されたより小さい直径の第１部分１０ｂを有する。次いで、このより小さい部分１０ｂは、増大した直径の部分１０ｃによって延長され、力によって負荷をかけられた要素におけるステム１０の向上した固着を達成する。

この場合、これらの２つのステム部分１０ｂ、１０ｃは、円筒で同軸上である。

代替として、図８に示されているように、第６実施形態では、ステムの拡大部分１０ｃはまた、図５を参照して上述されたような円錐台の形状を有することもできる。

この拡大部分は、より小さい直径の部分１０ｂによって、膜１２の中心領域１３に接続される。

そのような構造は、変形可能膜１２の平面の接線方向の力、およびそれに垂直な力の両方の伝達を向上させる。

本発明の第７実施形態が、図９および１０を参照して次に記述される。

図７を参照して記述された実施形態の場合のように、ステム１０は、より小さい直径の部分１０ｂによって膜１２の中心領域１３に添付された拡大部分１０ｃを有する。

また、自由端部１０ａは、ステム１０の縦方向壁の上、かつステム１０の自由端部１０ａの末端面の上の両方に開いている図１０に明瞭に示されたスロット１９を備える。

スロット１９は、ステムの中心縦軸に関して対称に分布することが好ましく、この場合、円筒ステム１０の周囲にわたって規則的に分布する。

これらのアンカ手段１９は、接線力の伝達だけでなく、ステム１０が受けているモーメントの伝達をも向上させる。

当然、上述された実施形態は、全く限定的ではなく、測定される力によって負荷をかけられた要素におけるステム１０の固着を向上させるように互いに組み合わせることができる。

さらに、スロット１７、１７’、１８、１９の数および形状は、全く非限定的である。

膜１２に垂直なスロットを作成する第１製作方法が、図１１ａから１１ｋを参照して次に記述される。

ここで記述される製作プロセスは、マイクロ工学の技法を使用する。

図１１ａに示されるように、ＳＯＩ（絶縁体上シリコン）基板から開始して、第１ステップは、図１１ｂに示されるように表面層をエッチングする。

図１１ｃに示されているように、これにエピタキシャル成長が続く。

このステップは、ＳＯＩ基板の表面単結晶シリコンから単結晶シリコンの層を成長させる。

図１１ｄに示されているように、次いで基板の上面上に、検出手段を形成する抵抗ゲージ、およびホイートストンブリッジを形成するためにゲージを接続する導体が形成される。

図１１ｅに示されているように、次いで、２重マスク３０、３１が、基板の下面上に作成される。

図１１ｆに示されている第１ディープエッチングが、ステム１０の作成を開始する。

図１１ｇに示されているように、第１マスク３０は次いで除去され、第２マスク３１は依然として存在し、形成されているステム１０の自由端部の上に開いている一連のスロットの境界を画定する。

この場合、この第２マスク３１は、規則的なピッチで互いから間隔をおいて位置する一連の平行ストリップを形成する。

図１１ｈに示されているように、第２ディープエッチングが実施され、次いで、第２マスク３１も除去される。これにより、スロット１７が形成される。

図１１ｉにおいて、保護層３２が、検出手段および導体を担持する上面に加えられる。

次いで、図１１ｊに示されているように、ＳＯＩ基板の犠牲酸化物層が、ステム１０のより小さい直径部分の１０ｂを得るようにエッチングされる。

最後に、保護３２は、図１１ｋに示されているように、上面から除去される。

ステムが、膜１２の平面に平行に延びるスロットを含む本発明による力測定デバイスを製作する第２方法が、図１２ａから１２ｋを参照して次に記述される。

以前のように、マイクロ工学の技法が使用される。

図１２ａに示されているようにＳＯＩ基板から開始して、表面層が、図１２ｂに示されるようにエッチングされ、続いて、図１２ｃに示されているようにエピタキシャル成長が行われる。

この製作プロセスでは、基板は、図１２ｄに示されているように次いで反転され、上面が下面になり、およびその反対である。

次いで、図１２ｅに示されているように、検出手段１６およびこれらの接続手段１６の電気接続が、知られている方式で基板の上面上に作成される。

次いで、図１２ｆに示されているように、例えば樹脂の補助で、保護層３３が基板の上面上に作成され、次いで、２重マスク３４、３５が基板の下面上に作成される。この２重マスキングは、樹脂の下に配置された酸化物の補助で実施することができる。

図１２ｇに示されているように、第１ディープエッチングが、センサのステム１０の構造を開始する。

図１２ｈに示されているように、基板の下面の湿式エッチングが、膜の平面に平行に延びるスロット１８を作成するために、犠牲酸化物層をエッチングする。

樹脂ベースの第１マスク３４は、次いで、図１２ｉに示されているように、基板上面の保護層３３と共に除去される。

第２ディープエッチングが、図１２Ｊに示されているように膜１２と接合している領域において膜１２の平面およびステム１０の本体の両方を作成するために実施される。

最後に、図１２ｋに示されているように、酸化物ベースの第２マスクが除去される。

当然、上述された製作方法は、非限定的な例としてのみ与えられている。

具体的には、本発明による力測定デバイスを作成するために、他のより慣例的な技法を使用することができる。

具体的には、従来の機械加工によって構造の様々な部分を作成し、次いで組み立てることができる。

さらに、力測定デバイスは、力によって負荷をかけられた要素の上に異なる方式で取り付けることができ、具体的には、自由空間が、負荷をかけられた要素とデバイスの変形可能膜との間に存在することができる。

本発明の第１実施形態による力測定デバイスの断面図における線図である。下から見た図１の力測定デバイスの図である。下から見た図１の力測定デバイスの代替実施形態の図である。本発明の第２実施形態による力測定デバイスの断面図における線図である。下から見た図３の力測定デバイスの図である。本発明の第３実施形態による力測定デバイスの断面図における線図である。本発明の第４実施形態による力測定デバイスの断面図における線図である。本発明の第５実施形態による力測定デバイスの断面図における線図である。本発明の第６実施形態による力測定デバイスの断面図における線図である。本発明の第７実施形態による力測定デバイスの断面図における線図である。下から見た図９の力測定デバイスの図である。本発明による力測定デバイスを製作する方法の連続する一ステップを示す図である。本発明による力測定デバイスを製作する方法の連続する一ステップを示す図である。本発明による力測定デバイスを製作する方法の連続する一ステップを示す図である。本発明による力測定デバイスを製作する方法の連続する一ステップを示す図である。本発明による力測定デバイスを製作する方法の連続する一ステップを示す図である。本発明による力測定デバイスを製作する方法の連続する一ステップを示す図である。本発明による力測定デバイスを製作する方法の連続する一ステップを示す図である。本発明による力測定デバイスを製作する方法の連続する一ステップを示す図である。本発明による力測定デバイスを製作する方法の連続する一ステップを示す図である。本発明による力測定デバイスを製作する方法の連続する一ステップを示す図である。本発明による力測定デバイスを製作する方法の連続する一ステップを示す図である。本発明の他の実施形態による力測定デバイスを製作する方法のステップを示す図である。本発明の他の実施形態による力測定デバイスを製作する方法のステップを示す図である。本発明の他の実施形態による力測定デバイスを製作する方法のステップを示す図である。本発明の他の実施形態による力測定デバイスを製作する方法のステップを示す図である。本発明の他の実施形態による力測定デバイスを製作する方法のステップを示す図である。本発明の他の実施形態による力測定デバイスを製作する方法のステップを示す図である。本発明の他の実施形態による力測定デバイスを製作する方法のステップを示す図である。本発明の他の実施形態による力測定デバイスを製作する方法のステップを示す図である。本発明の他の実施形態による力測定デバイスを製作する方法のステップを示す図である。本発明の他の実施形態による力測定デバイスを製作する方法のステップを示す図である。本発明の他の実施形態による力測定デバイスを製作する方法のステップを示す図である。

Claims

ほぼ平面の変形可能な膜（１２）の変形を検出するための手段（１６）を含む前記膜（１２）に接続された剛性ステム（１０）を備え、ステムが、力（Ｆ）によって負荷をかけることができる要素（２０，２１）と接触するようになされた少なくとも一部を含む、力測定デバイスであって、前記ステム部分（１０）が、前記要素（２０，２１）と協働するようになされたアンカ手段（１７，１７’，１８，１９）を形成するスロットを含むことを特徴とする、力測定デバイス。
スロット（１７，１７’）が膜（１２）に垂直であることを特徴とする、請求項１に記載の力測定デバイス。
スロット（１８）が前記膜（１２）に平行であることを特徴とする、請求項１または２に記載の力測定デバイス。
ステム（１０）の縦方向壁の上およびステム（１０）の自由端部（１０ａ）の面の上の両方に開いているスロット（１９）を備えることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の力測定デバイス。
スロット（１７，１７’，１８，１９）が、ステム（１０）の中心縦軸に関して対称に分布することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の力測定デバイス。
スロット（１７’）が、ステム（１０）の自由端部（１０ａ）の面の上に開いている同心円であることを特徴とする、請求項２に記載の力測定デバイス。
アンカ手段が、前記ステム（１０）の拡大部分（１０ｃ）によってさらに形成されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の力測定デバイス。
前記拡大部分（１０ｃ）が、円錐台の形状を有し、切頭体の拡大ベースが、前記ステム（１０）の自由端部（１０ａ）を構成することを特徴とする、請求項７に記載の力測定デバイス。
前記ステム部分が、前記要素（２０）に埋め込まれるようになされることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の力測定デバイス。
前記ステム部分が（１０）が、前記要素（２０）に入れ子にされるようになされることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の力測定デバイス。