JP2021085680A - 面圧センサ - Google Patents

Abstract

【課題】面圧センサの耐久性と、出力のゼロ点の安定性とを確保できる面圧センサを提供する。【解決手段】面圧センサは、荷重を受ける受圧部と、受圧部が受けた荷重を計測するセンサ部と、受圧部からセンサ部に向かって突出し、受圧部が受けた荷重をセンサ部に伝達する伝達部と、センサ部の表面に形成された第１の無機絶縁膜と、伝達部のセンサ部側の面に形成され、第１の無機絶縁膜と接触する第２の無機絶縁膜とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、面圧センサに関する。

特許文献１および２に、受圧部で受けた荷重を伝達部を介してセンサ部へ伝達し、センサ部に設けられる薄膜抵抗体の電気抵抗の変化に基づいて、ボルト締結部の軸力を計測する面圧センサが開示されている。

センサ部の薄膜抵抗体の上下には、薄膜抵抗体からの電流のリークを防止するためにＳｉＯ_２等の絶縁膜が蒸着される。ただし、センサ部表面の絶縁膜に、受圧部に設けられた伝達部を直接接触させると、ボルト締結時のせん断力により絶縁膜に亀裂が生じやすくなる。

そこで、従来、絶縁膜の上に更にポリイミドの保護層を形成することで、センサ部表面の絶縁膜の耐久性を確保していた。

特開２０１７−２１００４号公報 特開平８−１５９８９３号公報

しかしながら、保護層をポリイミドで形成した場合、ポリイミドの弾性力があるために、受圧部の伝達部とセンサ部との接触状態が安定せず、面圧センサの出力のゼロ点が安定しないという問題がある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、面圧センサの耐久性と、出力のゼロ点の安定性とを確保できる面圧センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一局面は、面圧センサであって、荷重を受ける受圧部と、受圧部が受けた荷重を計測するセンサ部と、受圧部からセンサ部に向かって突出し、受圧部が受けた荷重をセンサ部に伝達する伝達部と、センサ部の表面に形成された第１の無機絶縁膜と、伝達部のセンサ部側の面に形成され、第１の無機絶縁膜と接触する第２の無機絶縁膜とを備える。

本発明によれば、面圧センサの耐久性と、出力のゼロ点の安定性とを確保できる面圧センサを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る面圧センサの概略平面図 図１に示すＡ−Ａに沿う断面図 従来技術に係る面圧センサの断面図 従来技術に係る面圧センサの出力電圧の０点変化を示すグラフ 本発明の一実施形態に係る面圧センサの出力電圧の０点変化を示すグラフ

本発明の一実施態様に係る面圧センサは、センサ部の表面に第１の無機絶縁膜が形成されており、さらに伝達部のセンサ側の面には、第１の無機絶縁膜と接触するように第２の無機絶縁膜が形成されている。伝達部に第２の無機絶縁膜を設けることにより、センサ部面圧センサの耐久性を確保できる。また、第２の無機絶縁膜を介して伝達部をセンサ部表面の第１の無機絶縁膜に接触させるため、出力のゼロ点の安定性を確保することができる。

（実施形態）
本実施形態の面圧センサは、面に加わる荷重を計測するセンサであり、例えば、ボルト締結部の軸力を計測するために用いられる。以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

＜構成＞
図１および２を参照して、実施形態に係る面圧センサの構成を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る概略平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。尚、図１において、荷重検出用抵抗２１を短破線で示し、伝達部４０を長破線で示す。

面圧センサ１は、センサ部２０、受圧部３０、第１の無機絶縁膜５１、第２の無機絶縁膜５２を備える。

センサ部２０は、基板１００、荷重検出用抵抗２１、温度補償用抵抗２２、電極部２３を備える。基板１００は、ステンレス（ＳＵＳ）等の金属基板である。基板１００上には、ＳｉＯ_２等の絶縁材料からなる絶縁膜（図示せず）が形成されており、この絶縁膜上に荷重検出用抵抗２１、温度補償用抵抗２２、電極部２３が積層形成される。センサ部２０には、荷重計測対象の一例であるボルトの軸部が挿入される貫通孔１０ａが設けられている。

荷重検出用抵抗２１は、貫通孔１０ａと同心円状に設けられ、後述する伝達部４０から伝達された荷重に応じて抵抗値が変化する。温度補償用抵抗２２は、ゼロ点調整時に外部回路と共にブリッジ回路を構成する抵抗であり、荷重検出用抵抗２１の抵抗値が温度に依存して変化するのを補償するために用いられる。電極部２３は、外部の回路に接続するために用いるものであり、荷重検出用抵抗２１の一方端と、荷重検出用抵抗２１の他方端及び温度補償用抵抗２２の一方端の間と、温度補償用抵抗２２の他方端に電気的に接続されている。荷重検出用抵抗２１の両端の電極部２３間の抵抗を計測することで、荷重検出用抵抗２１に加わる荷重を検出できる。

第１の無機絶縁膜５１は、センサ部２０の表面に形成されるＳｉＯ_２等の絶縁膜であり、荷重検出用抵抗２１からの電流のリークを防止するために設けられる。第１の無機絶縁膜５１の最大高さ粗さＲｚは２μｍ程度である。

受圧部３０は、外部からの荷重を受けるための環状かつ板状の部材である。受圧部３０には、荷重計測対象の一例であるボルトの軸部が挿入される貫通孔１０ｂが設けられている。

伝達部４０は、受圧部３０からセンサ部２０側に向かって突出するように設けられ、受圧部３０が受けた荷重を荷重検出用抵抗２１に伝達する。伝達部４０は環状であり、受圧部３０のセンサ部２０側の面に設けられる。

尚、受圧部３０及び伝達部４０は、金属により形成することができる。受圧部３０及び伝達部４０は、一体に形成されていても、別体に形成されていても良い。

第２の無機絶縁膜５２は、伝達部４０のセンサ部２０側の面に形成されるＳｉＯ_２等の絶縁膜である。伝達部４０は、第２の無機絶縁膜５２を介して第１の無機絶縁膜５１と接触する。

第１の無機絶縁膜５１の最大高さ粗さＲｚは、極めて精密な加工により表面の算術平均粗さＲａを０．１程度にしたとしても、２μｍ程度である。内部応力が大きくなり過ぎるため、これ以上の膜厚を有する第１の無機絶縁膜５１を蒸着により成膜することは困難である。このような薄い第１の無機絶縁膜５１に直接伝達部を接触させた場合、ボルトの締結時にせん断力が加わると、接触面の粗さや第１の無機絶縁膜５１表面に存在する異物の影響により、第１の無機絶縁膜５１に亀裂が生じる可能性がある。

本実施形態では、第１の無機絶縁膜５１と伝達部４０との間に第２の無機絶縁膜５２を介在させることにより、接触面の耐久性を向上させることができる。

図３は、従来技術に係る面圧センサの断面図であり、図４は、従来技術に係る面圧センサの出力電圧の０点変化を示すグラフである。また、図５は、本発明の一実施形態に係る面圧センサの出力電圧の０点変化を示すグラフである。

従来、図３に示すように、第２の無機絶縁膜５２ではなくポリイミド膜６０を保護層として第１の無機絶縁膜５１の表面に設けることで、第１の無機絶縁膜５１の破損を抑制する方法が採用されてきた。しかし、ポリイミド膜６０に弾性力があるため、伝達部４０とセンサ部２０との接触状態が安定せず、図４に示すように、面圧センサ１の出力のゼロ点（図４の破線）が安定しないという問題があった。

これに対して、本実施形態では、第２の無機絶縁膜５２を介して伝達部４０とセンサ部２０を接触させるため、図５に示すように、伝達部４０とセンサ部２０との接触状態が安定し、面圧センサ１の出力のゼロ点（図５の破線）を安定させることができる。

＜作用・効果等＞
以上のように、本発明の一実施形態に係る面圧センサ１によれば、センサ部２０の表面に第１の無機絶縁膜５１が形成されており、さらに伝達部４０のセンサ部２０側の面には、第１の無機絶縁膜５１と接触するように第２の無機絶縁膜５２が形成されている。これにより、面圧センサ１の耐久性と、出力のゼロ点の安定性とを確保することができる。

また、第２の無機絶縁膜５２を第１の無機絶縁膜５１と同一材料により形成することにより、金属とＳｉＯ_２膜のような異なる材料が接触する場合と比べて、第１の無機絶縁膜５１の亀裂を抑制することができる。

本発明は、ボルト等に加わる荷重を計測する面圧センサにおいて有用である。

１ 面圧センサ
２０ センサ部
３０ 受圧部
４０ 伝達部
５１ 第１の無機絶縁膜
５２ 第２の無機絶縁膜

Claims (1)

1. 荷重を受ける受圧部と、
   前記受圧部が受けた荷重を計測するセンサ部と、
   前記受圧部から前記センサ部に向かって突出し、前記受圧部が受けた荷重を前記センサ部に伝達する伝達部と、
   前記センサ部の表面に形成された第１の無機絶縁膜と、
   前記伝達部の前記センサ部側の面に形成され、前記第１の無機絶縁膜と接触する第２の無機絶縁膜とを備える、面圧センサ。

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