JP3830783B2 - 立体型歪みセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、歪みセンサに係り、特に、立体型に形成された歪み、変位、力の測定が可能な歪みセンサに関するものである。ロボットアームに加わる、いわゆるロードセルと呼ばれる歪みセンサ等の各種工業分野、精密天秤、あるいは微小な力を計測するための各種精密計測分野を始め、多くの利用分野において利用される。
【０００２】
【従来の技術】
薄い樹脂基板の上に金属薄膜を付けた歪みセンサ、例えば、ストレインゲージは、歪みを計るべき物体（起歪体）の表面に接着等の手段で接合して利用される。この歪みセンサの接合に当たっては、一般に同じ起歪体でも接合する場所によって歪みセンサの感度変化が大きく、そのため、歪みセンサを接合する場所を正確に決める必要のある場合が多い。また、歪みセンサを接合すべき場所が、歪みセンサを接着するのに不向きな場所になっている場合も多い。
【０００３】
一方、接着という工法は一般に正確な位置を出すには向かず、特に正確な位置に接合する必要がある場合には、高い技量を持った技能者の名人芸に頼っているのが現状である。また、検出したい力として、一つの軸に沿った力のみでなく、２〜３軸に沿った力、また、せん断力、および捩じり力の計測が同時に計測される立体型の変位・力センサが必要になる場合が多い。このような力センサの場合には、歪みを検知する特定部位は少なくとも２個以上が必要であり、複数個の歪みセンサが起歪体に立体的に配置されることが必要である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の歪みセンサの問題点は、生産に当たって、薄い樹脂基板上に形成されたストレインゲージを、金属構造体の所要の位置に正確に、しかも確実に接合する必要があることである。そのために、従来の力センサについては立体型の構造体の製作と共に、ストレインゲージとの組み立てを低価格で行うことが困難である。
【０００５】
また、従来のストレインゲージでは、樹脂基板の最小寸法として数ｍｍ角以下に小型化することは難しく、そのため、力センサの小型化に対して一定の制約があった。
【０００６】
本発明は、このような問題点を解決し、簡便にして小型化され、正確な歪み、変位、力を計測することができる立体型歪みセンサを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、起歪体に力、熱等の外力が加えられた際にこの起歪体に発生する歪みを計測することにあるが、特に、計測されるべき起歪体に対する被計測センサの位置の特定とその個数とを考慮しつつ配設することに特徴を有し、これによって歪みの３次元計測が初めて可能になった。従来から複数の歪みセンサを取り付ける試みはあったが、各歪みセンサを起歪体に接着する等の手段が使われて、起歪体に対する正確な位置出しもできず、センサ相互のデータにバラツキが大きかった。
【０００８】
本発明は、例えば、板状基板にフォトリソ技術、薄膜技術を駆使して達成することから、３次元の箱状に加工された起歪体の相互位置に対する各センサ位置を正確に配設することが可能であり、結果として、各センサのデータを活用してのベクトル合成計測も初めて可能となった。
【０００９】
本発明では、歪みセンサを特定の場所に正確に形成または接合するための方法が基になっている。その一つは、金属板の上に歪みセンサを形成する技術である。すなわち、所定の形状を持った金属板上の所定の位置に、無機材料よりなる電気的絶縁膜を形成し、更にその上に例えばフォトプロセスで形成されたレジストパターン上に歪みセンサ材料をスパッタプロセスで形成する技術を採用する。この技術を基にすれば、センサパターンを金属板に対して極めて正確な位置に、しかも微細なパターンとして形成することが可能である。
【００１０】
もう一つは、ストレインゲージのような歪みセンサを対象物に接着する場合に、対象物が立体であるよりも平面である方が、所定の位置に正確に接着するのははるかに実現され易いということである。
【００１１】
ここで解決すべき問題は、一つの平面上にある金属板上に形成された歪みセンサのみでは、立体型の変位・力センサを形成することはできず、どうしても３次元構造にしなければならないことである。
【００１２】
立体型の構造とするために、一枚の金属板を折り曲げ加工して立体型にすることは一般に行われる手段である。しかし、金属板の上に形成または接合された歪みセンサがある場合には、一般に、折り曲げ加工時には極端な歪みを受ける訳で、歪みセンサ部分に致命的な損傷を与えてしまうことは想像に難くない。
【００１３】
しかし、本願発明者の長年の塑性変形加工経験から、曲げ加工の場合の塑性変形は曲げ加工したところからある範囲内に限定されることを知っている。この知識との組合せで考えると、従来にない、新しい立体型力センサの実現が可能であることに気が付き、本発明に至った。
【００１４】
本発明は、上記の目的を達成するために、
第１に、歪みセンサ（４）が予め表面上に設けられた金属板（２）よりなり、該金属板（２）は前記歪みセンサ（４）に損傷を与えない加工及び位置において、少なくとも一箇所の塑性変形加工がなされ、且つ前記金属板（２）の一部分は、２つの剛体（１１，１２）と各々２つの部分において固く接合され、前記金属板（２）の表面上に設けられた歪みセンサ（４）は、前記２つの剛体（１１，１２）間に内部空間を有し、かつ四方に形成される壁部を有する立方形状の枠体が配置され、前記四方に形成される壁部のそれぞれに歪みセンサ（４−１，４−２，４−３，４−４）を設け、前記２個の剛体（１１，１２）の間に変位または力が加わる時は、加わった変位または力に応じた前記歪みセンサ（４−１，４−２，４−３，４−４）の出力を基にして前記２個の剛体（１１，１２）間に働く変位または力をベクトルとして計測することを特徴とする。
【００１５】
第２に、上記第１の立体型歪みセンサにおいて、前記金属板には、塑性変形加工先立って、塑性変形加工線に沿って折り曲げ加工や捩じり加工を容易にする前処理を施すことを特徴とする。
【００１６】
第３に、上記第１の立体型歪みセンサにおいて、前記金属板は、塑性変形加工である曲げ加工に先立って、折り曲げ加工線に沿って一部分の厚さを薄くするように加工されることを特徴とする。
【００１７】
第４に、上記第１の立体型歪みセンサにおいて、前記金属板は、塑性変形加工である曲げ加工に先立って、折り曲げ加工線に沿って小さな穴の列が形成されることを特徴とする。
【００１８】
第５に、上記第１の立体型歪みセンサにおいて、前記金属板は、塑性変形加工である曲げ加工に先立って、折り曲げ加工線の端部にノッチまたは切り欠き加工がなされることを特徴とする。
【００１９】
第６に、上記第１の立体型歪みセンサにおいて、前記歪みセンサの位置を決めるマスクでもって同時に塑性変形加工である曲げ加工位置を設定することを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００２１】
図１は本発明の参考例を示す立体型歪みセンサの構成図であり、図１（ａ）はその立体型歪みセンサの展開図、図１（ｂ）はその立体型歪みセンサの斜視図である。
【００２２】
図１において、１は立体型歪みセンサ、２はステンレス板であり、このステンレス板２上には歪みセンサ４が直接形成され、あるいは接合されている。また、３はステンレス板の折り曲げ加工線を示している。
【００２３】
そこで、ステンレス板２はテーパー状に先端部２ａが狭くなっているが、歪みセンサ４はテーパーが開始される位置から計ってあらかじめ指定された正確な位置に形成あるいは接合される。図１（ｂ）に示す立体型歪みセンサ１は、図１（ａ）の展開されたステンレス板２を破線の部分で直角に折り曲げたもので、一つのピンセット構造となっている。このピンセットには歪みセンサ４が付けられており、曲げ変形からピンセットで挟んだ場合の圧力が検知できるようになっている。
【００２４】
図２は本発明の参考例にかかる歪みセンサの具体的な実施例の一つを示しており、図２（ａ）はその平面図、図２（ｂ）はその側面図である。
【００２５】
歪みセンサ４としては、例えば、『佐々木祥弘、丹羽英二、本間基文、増本剛の論文「温度・歪みの同時計測触覚センサ用Ｆｅ−Ｐｄ感温薄膜およびＣｒ−Ｎ感歪薄膜」』の技術を適用することができる。
【００２６】
図２において、ステンレス板２上にＳｉＯ₂ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ 等よりなる電気的絶縁膜５を、例えば５μｍの厚さをもって形成する。その電気的絶縁膜５上に、歪みにより抵抗値が変わる金属薄膜材料で、例えば厚さ１μｍのＣｒＮ薄膜６を形成する。そのＣｒＮ薄膜６上の一部には外部回路との電気接続に供せられるパッド７を形成する。つまり、パッド７部分のみＣｒＮ膜６の上にＣｕが形成されている。歪みセンサ４の全体の平面寸法は例えば２ｍｍ×２ｍｍである。
【００２７】
図３は本発明の参考例にかかる歪みセンサの製造工程を示すフローチャートである。
【００２８】
図３（ａ）の場合は、まず、ステップＳ１に示すように、金属板の外形加工を、例えばエッチング加工等により先に行い、次に、ステップＳ２に示すように、加工された外形との間での正確な位置関係を基に電気的絶縁膜を、例えば、フォトプロセスとスパッタ装置で形成し、更に、ステップＳ３に示すように、その上に歪みセンサ薄膜を、フォトプロセスとスパッタ装置で形成する。この歪みゲージが形成された後、ステップＳ４に示すように、金属板の曲げ加工がなされる。
【００２９】
図３（ｂ）の場合は、まず、ステップＳ１１，Ｓ１２に示すように、同じくフォトプロセスとスパッタ装置により電気的絶縁膜と歪みセンサ薄膜が形成された後に、ステップＳ１３に示すように、金属板の外形加工を例えばワイヤカット装置等により行い、最終的にステップＳ１４に示すように、金属曲げ加工を行う。
【００３０】
これらの製作過程において、各工程での位置精度は基本的にフォトプロセスの精度で作製することができる。
【００３１】
図４は本発明の参考例にかかる歪みセンサの他の実施例を示している。なお、前記した図２と同じ部分には同じ符号を付してそれらの説明は省略している。
【００３２】
図４において、８は歪みセンサのベースとなる樹脂基板である。この樹脂基板８の上には、図２に示されたＣｒＮ薄膜６と同様、歪みにより抵抗値が変化する金属薄膜材料９が接合されている。樹脂基板８の場合には、金属薄膜材料はあらかじめ１０〜２０μｍ程度の厚さに圧延加工された金属薄膜材料をフォトプロセスにより所定のパターンに形成し、それを接着剤で樹脂基板８の上に接合する。１０は外部との接続に供せられる電極パッドである。
【００３３】
このように形成された歪みセンサ４は、金属板２の上に接着剤で接合される。この接着工程は金属板を曲げ加工する以前の工程として行われるため、接着する位置を金属板の所定の場所に正確に定めることができる。
【００３４】
図５は本発明の実施例を示す立体型歪みセンサの展開図、図６はその立体型歪みセンサの斜視図である。
【００３５】
図５に示す金属板２の表面には歪みセンサ４−１〜４−４が直接形成され、または接合形成されている。金属板２の上には第１の剛体として円柱１１が溶接されている。金属板２は図５の破線および一点鎖線で示す部分で各々内側あるいは外側に曲げ加工される。更に、曲げ加工された後、図５に示す一箇所については溶接により相互に固く接合される。このようにして立体の状態になったものが図６に示されている。図６では、更に第２の剛体としての部材１２との間は溶接により接合される。
【００３６】
そこで、図６においては、第２の剛体である部材１２を固定した状態で第１の剛体である円柱１１に力あるいは変位を与えると、歪みセンサ４−１〜４−４には各部分の歪みに応じた出力が現れる。例えば、ｘ方向のみに力または変位が与えられた場合には、歪みセンサ４−１および４−２に大きな出力が現れ、また、一般に、歪みセンサ４−１と４−２との出力の符号は逆になっている。ｙ方向のみに力または変位が与えられた場合には、同様のことが、歪みセンサ４−３と４−４出力について起こる。
【００３７】
また、ｚ方向のみに力または変位が与えられた場合には、歪みセンサ４−１〜４−４に対して均等に出力が現れる。これら４個の歪みセンサ４−１〜４−４の出力は原理的に４個の独立な出力情報を持つものであるから、ｘ，ｙ，ｚの３軸の力または変位の３つの独立情報に分解することは可能である。
【００３８】
上記の立体型歪みセンサにおいては、前記金属板には、塑性変形加工に先立って、塑性変形加工線に沿って折り曲げ加工や捩じり加工を容易にする前処理を施すようにする。
【００３９】
特に、上記の立体型歪みセンサにおいては、折り曲げ加工を所定の位置において正確に行い、また、折り曲げ加工により発生する加工歪部分を可能な限り局所に限定することが大事である。何故ならば、これらが可能になれば、歪みセンサを配設する場所をより折り曲げ加工線に近付けることが可能になり、これにより、より歪感度の高い立体型歪みセンサを実現でき、また立体型歪みセンサ全体としてより小型化が可能になる。
【００４０】
この具体的手段としては、例えば、
（１）折り曲げ加工線の全体あるいは一部分について金属板を塑性変形加工あるいはエッチング加工等によりその金属板の厚さを薄くする。
【００４１】
例えば、図７〔図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は図７（ａ）の側面図〕に示すように、金属板２１の歪みセンサを設ける位置２２から正確に設定された位置にエッチング加工により溝２３を形成して折り曲げ加工線の全体を構成する。なお、折り曲げ加工線に沿ってその一部に溝を形成するようにしてもよい。
【００４２】
（２）折り曲げ加工線に沿って小さな穴の列を形成する。
【００４３】
例えば、図８〔図８（ａ）は平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）の側面図〕に示すように、金属板３１の歪みセンサを設ける位置３２から正確に設定された位置に小さな穴の列３３を形成して折り曲げ加工線を構成する。
【００４４】
（３）折り曲げ加工線の端部にノッチ又は切り欠き加工を施すことができる。
【００４５】
例えば、図９〔図９（ａ）は平面図、図９（ｂ）は図９（ａ）の側面図〕に示すように、金属板４１の歪みセンサを設ける位置４２から正確に設定された折り曲げ加工線の端部に切り欠き４３を形成して折り曲げ加工線を構成する。
【００４６】
なお、上記した立体型歪みセンサにおいて、前記歪みセンサの位置を決めるマスクでもって同時に前記曲げ加工位置を設定することが利点である。つまり、フォトリソで歪みセンサを作製する際に、同時に電気的絶縁膜や基板部への位置出しと、折り曲げ加工部の位置出しを兼ねることにより、正確な寸法出しとコストの低減を図ることができる。
【００４７】
また、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００４８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００４９】
（Ａ）歪みセンサを、金属板の所定の位置に直接形成し、または接合するに当たって、金属板が平面であることから、位置を正確に決めることが容易である。金属板の上に歪みセンサを形成または接合した後で、金属板に所定の曲げ工程に従って曲げ加工を施し、立体にすることによって、歪みセンサからは多様な情報を出力することができる。
【００５０】
（Ｂ）歪みセンサは曲げ歪みを感知するものであるが、許容限界以上の曲げ歪みが加われば当然破壊されてしまう。従って、一枚の金属板に対して歪みセンサを表面に形成することと曲げ加工をすることは一般に矛盾する思想であり、このような試みはなされなかった。しかし、本発明によれば、長年の塑性変形加工の経験から、曲げ加工によって曲げ歪が加えられる範囲は金属板の全面ではなく、曲げ加工の方法を選べば局所的な部分に限定可能な知見に基づいて、この性質を利用して、一枚の金属板の中のある部分に歪みセンサを形成し、他のある部分は曲げ加工に供することで簡便にして小型化され、正確な歪み、変位、力を計測することができる立体型歪みセンサを構築することができる。
【００５１】
（Ｃ）歪みセンサの位置を決めるマスクでもって同時に曲げ加工位置を設定すると利点がある。つまり、フォトリソで歪みセンサを作製する際に、同時に電気的絶縁膜や基板部への位置出しと、折り曲げ加工部（例えば、小さな孔の列からなる折れ線部）の位置出しを兼ねることにより、正確な寸法出しとコストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の参考例を示す立体型歪みセンサの構成図である。
【図２】 本発明の参考例にかかる歪みセンサの具体的な実施例の一つを示す図である。
【図３】 本発明の参考例にかかる歪みセンサの製造工程を示すフローチャートである。
【図４】 本発明の参考例にかかる歪みセンサの他の実施例を示す図である。
【図５】 本発明の実施例を示す立体型歪みセンサの展開図である。
【図６】 本発明の実施例を示す立体型歪みセンサの斜視図である。
【図７】 本発明の実施例にかかる折り曲げ加工線の加工（その１）の説明図である。
【図８】 本発明の実施例にかかる折り曲げ加工線の加工（その２）の説明図である。
【図９】 本発明の実施例にかかる折り曲げ加工線の加工（その３）の説明図である。
【符号の説明】
１ 立体型歪みセンサ
２ ステンレス板
２ａ 先端部
３ ステンレス板の折り曲げ加工線
４，４−１〜４−４ 歪みセンサ
５ 電気的絶縁膜
６ ＣｒＮ薄膜
７ パッド
８ 樹脂基板
９ 金属薄膜材料
１０ 電極パッド
１１ 円柱（第１の剛体）
１２ 部材（第２の剛体）
２１，３１，４１ 金属板
２２，３２，４２ 歪みセンサを設ける位置
２３ 溝
３３ 小さな穴の列
４３ 切り欠き

Claims (6)

1. 歪みセンサ（４）が予め表面上に設けられた金属板（２）よりなり、該金属板（２）は前記歪みセンサ（４）に損傷を与えない加工及び位置において、少なくとも一箇所の塑性変形加工がなされ、且つ前記金属板（２）の一部分は、２つの剛体（１１，１２）と各々２つの部分において固く接合され、前記金属板（２）の表面上に設けられた歪みセンサ（４）は、前記２つの剛体（１１，１２）間に内部空間を有し、かつ四方に形成される壁部を有する立方形状の枠体が配置され、前記四方に形成される壁部のそれぞれに歪みセンサ（４−１，４−２，４−３，４−４）を設け、前記２個の剛体（１１，１２）の間に変位または力が加わる時は、加わった変位または力に応じた歪みセンサ（４−１，４−２，４−３，４−４）の出力を基にして前記２個の剛体（１１，１２）間に働く変位または力をベクトルとして計測することを特徴とする立体型歪みセンサ。
2. 請求項１記載の立体型歪みセンサにおいて、前記金属板（２）には、塑性変形加工に先立って、塑性変形加工線に沿って折り曲げ加工や捩じり加工を容易にする前処理を施すことを特徴とする立体型歪みセンサ。
3. 請求項１記載の立体型歪みセンサにおいて、前記金属板（２）は、塑性変形加工である曲げ加工に先立って、折り曲げ加工線に沿って一部分の厚さを薄くするように加工されることを特徴とする立体型歪みセンサ。
4. 請求項１記載の立体型歪みセンサにおいて、前記金属板は、塑性変形加工である曲げ加工に先立って、折り曲げ加工線に沿って小さな穴の列（３３）が形成されることを特徴とする立体型歪みセンサ。
5. 請求項１記載の立体型歪みセンサにおいて、前記金属板は、塑性変形加工である曲げ加工に先立って、折り曲げ加工線の端部にノッチまたは切り欠き加工がなされることを特徴とする立体型歪みセンサ。
6. 請求項１記載の立体型歪みセンサにおいて、前記歪みセンサの位置を決めるマスクでもって同時に塑性変形加工である曲げ加工位置を設定することを特徴とする立体型歪みセンサ。

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