JP4855373B2

JP4855373B2 - 曲げセンサ

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Publication number: JP4855373B2
Application number: JP2007281786A
Authority: JP
Inventors: 森道伯稲
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2007-10-30
Filing date: 2007-10-30
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2027-10-30
Also published as: US20090107251A1; JP2009109337A; US7814801B2; CN101424509A; CN101424509B

Description

本発明は、弾性板の曲がりの程度を検出する曲げセンサに関する。

従来の曲げセンサは、表面にひずみゲージ又は厚膜抵抗体をそれぞれ形成した板状弾性体である２枚のベース部材の底面同士を貼り合わせた弾性板が曲がったときに弾性板の表面側と裏面側とに発生する寸法変化を検出することにより弾性板の曲がりの程度を検出するセンサである。

最初に、曲げセンサの原理を概説する。

図６は、曲げセンサを構成する弾性板の概略側面図であり、図７は、弾性板が曲がった状態を示す側面図である。

弾性板１００は、図６に示すように、初期状態では、表面の辺Ａ１Ｂ１及び裏面の辺Ｃ１Ｄ１の長さが共にＬ１であるものとする。

この弾性板１００に外力が加えられて、図７に示すように、センサの中立線における曲率半径の値がｒで湾曲したときに、辺Ａ１Ｂ１が湾曲した円弧Ａ２Ｂ２の長さがＬ２（＞Ｌ１）になり、辺Ｃ１Ｄ１が湾曲した円弧Ｃ２Ｄ２の長さがＬ３（＜Ｌ１）になったとする。

このとき、曲げによる弾性板の表面側のひずみε_ＡＢは、
ε_ＡＢ＝ΔＬ２／Ｌ１＝（Ｌ２−Ｌ１）／Ｌ１（１）
となる。この方程式の右辺を中立線の曲率半径ｒを用いて表すと、
ε_ＡＢ＝（Ｌ２−Ｌ１）／Ｌ１
＝［２π｛（ｔ／２）＋ｒ｝−２πｒ］／２πｒ
＝πｔ／２πｒ（２）
となる。

同様に、曲げによる弾性板の裏面側のひずみε_ＣＤは、
ε_ＣＤ＝ΔＬ３／Ｌ１＝（Ｌ３−Ｌ１）／Ｌ１（３）
となる。この方程式の右辺を中立線の曲率半径ｒを用いて表すと、
ε_ＣＤ＝（Ｌ３−Ｌ１）／Ｌ１
＝［２π｛−（ｔ／２）＋ｒ｝−２πｒ］／２πｒ
＝−πｔ／２πｒ
＝−ε_ＡＢ（４）
となる。

従って、弾性板の表面側及び裏面側の両面にそれぞれ２個のひずみゲージ、即ち、合計４個のひずみゲージを配設した４アクティブブリッジ回路を構成する場合、４アクティブブリッジ回路全体の印加電圧をＥ、ゲージ係数をＫとすると、１個のひずみゲージに対応する１個のアクティブブリッジ回路あたりの出力は、
ｅ１＝（Ｅ／４）Ｋε_ＡＢ
となり、４アクティブブリッジ回路の出力は、電圧の極性を考慮すると、
ｅ＝４×ｅ１＝ＥＫε_ＡＢ
となる。

上記方程式（２）、（４）からも判るように、曲げ曲率半径ｒ、即ち、曲げセンサの曲率半径ｒが小さくなると、ひずみε_ＡＢ、ε_ＣＤの大きさ（絶対値）は大きくなり、弾性板の厚さｔが大きくなっても、ひずみε_ＡＢ、ε_ＣＤの大きさ（絶対値）は大きくなる。

図８は、曲げセンサの曲率半径ｒと曲げセンサ出力との関係を示すグラフである。

図８のグラフにも示されるように、曲げ曲率半径ｒ、即ち、曲げセンサの曲率半径ｒが小さくなると、ひずみε_ＡＢ、ε_ＣＤの大きさ（絶対値）は大きくなる。

上述のような原理に従う従来の曲げセンサの一例として、例えば、屈曲即ちひずみに応じて抵抗値が変化する抵抗体を表面にそれぞれ形成した板状弾性体である２枚のベース部材の底面同士を貼り合わせた弾性板の各抵抗体を接続してホイートストンブリッジ回路を構成した曲げセンサが、これまでに提案され、公知となっている（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−１２３６０４号公報

しかしながら、表面にひずみゲージ又は厚膜抵抗体をそれぞれ形成した板状弾性体である２枚のベース部材の底面同士を貼り合わせた従来の曲げセンサでは、表面側及び裏面側のひずみ受感素子を相互接続してブリッジ回路を構成するために、２枚のベース部材を貼り合わせた弾性板にスルーホールを穿設してからひずみ受感素子を相互接続しなければならないので、そのための製造工程が必要とされるという問題がある。

図９は、表面にひずみ受感素子をそれぞれ形成した２枚のベース部材を貼り合わせた従来の曲げセンサの一部を示す側面図である。

従来の曲げセンサは、図９に示すように、ひずみ受感素子５１を形成したベース部材４１とひずみ受感素子５２を形成したベース部材４２とを貼り合わせて製造されている。

従って、各ひずみ受感素子５１，５２を相互接続してブリッジ回路を構成するためには、貼り合わせられたベース部材４１，４２にスルーホールを穿設してからひずみ受感素子５１，５２を相互接続しなければならず、そのための製造工程が必要とされる。

また、ベース部材４１，４２の貼り合わせの際には、表裏のひずみ受感素子５１及び５２の位置を正確に一致させる必要があり、貼り合わせ工程に時間を要する上に歩留まりが低い。

また、従来の曲げセンサは、２枚のベース部材４１，４２を貼り合わせた構造を有しているので、ベース部材４１，４２の厚さをそれぞれｔ１０，ｔ２０とすると、ひずみ受感素子５１，５２を除く弾性板全体の厚さは、ｔ１０＋ｔ２０と厚くなる。例えば、厚さ２５μｍのベース部材４１，４２を形成することが可能であったとしても、ベース部材４１，４２を貼り合わせることによって、ひずみ受感素子５１，５２を除く弾性板全体の厚さは、２倍の５０μｍにもなってしまう。

曲げセンサを構成する弾性板が厚くなると、曲げ曲率半径ｒの小さい曲げを受けたとき、即ち、曲げセンサに大きな外力が加えられたときに、ひずみ受感素子５１，５２のひずみ量が過大となり、疲労寿命が短縮されてしまうという弊害を招く。例えば、厚さ５０μｍの弾性板に曲げ曲率半径ｒ＝２０ｍｍの曲げを与えると、ひずみ受感素子５１，５２のひずみ量は、約２５００με程度となり、疲労寿命は数万回の曲げ回数しか期待することができない。用途にもよるが、曲げセンサの疲労寿命としては、１００万回程度の曲げ回数が望ましい。

本発明は、上記各問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ベース部材の貼り合わせ、弾性板へのスルーホールの穿設及びスルーホールを介した配線接続が不要な簡易な製造工程により製造することができ、かつ、弾性板の厚さが薄くて疲労寿命が大幅に延長された曲げセンサを提供することである。

本発明の一態様によれば、長手方向と直交する方向の断面において、厚さ方向に平行な中心線に関して対称に、合計でＭ個（Ｍは３以上の奇数）となる凹部及び凸部であって、表裏の凹部と凸部とが一対一に対応し、長手方向にはストライプ状となる凹部と凸部とが交互に形成された形状を有するベース部材と、上記ベース部材のＭ個の凹部及び凸部のうち両端の凹部又は凸部を除くＮ個（Ｎ＝Ｍ−２）の凹部又は凸部の同じ側の面上にそれぞれ形成されたＮ個のひずみ受感素子、並びに、Ｍ個の凹部及び凸部のうち両端の凹部又は凸部に、電気的に接続されつつ２分割されて、上記Ｎ個のひずみ受感素子と同じ側の面上に形成され、上記Ｎ個のひずみ受感素子のうちの１個分に相当する２分割ひずみ受感素子と、
上記ひずみ受感素子が形成された凸部の裏側の凹部、及び、上記ひずみ受感素子が形成された凹部にそれぞれ嵌合して形成されたコア部材と、上記各ひずみ受感素子が上記ベース部材の同じ側の面上でブリッジ回路を構成するように相互接続する接続配線と、凸部に形成された上記ひずみ受感素子を被覆して形成されたカバー部材と、を備えていることを特徴とする曲げセンサが提供される。

上記各ひずみ受感素子は、ひずみゲージ抵抗素子であるものとするとよい。

上記奇数Ｍ、Ｎは、ブリッジ回路が４アクティブブリッジ回路である場合にはＭ＝５，Ｎ＝３となり、ブリッジ回路が２アクティブブリッジ回路である場合にはＭ＝３，Ｎ＝１となる。

上記ベース部材及び上記カバー部材は、ポリイミド膜を含む有機分子膜、又は、樹脂膜からなるものとするとよい。

上記各ひずみ受感素子及び上記接続配線は、フォトリソグラフィ技術を用いて形成されたものとするとよい。

本発明の一態様に係る曲げセンサは、上記構成により、ベース部材の貼り合わせ、弾性板へのスルーホールの穿設及びスルーホールを介した配線接続が不要な簡易な製造工程により製造することができ、かつ、弾性板の厚さが薄くて疲労寿命が大幅に延長されるという効果を得ることができる。

以下、本発明に係る曲げセンサの実施の一形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の一形態に係る曲げセンサの断面構造図であり、図２は、本発明の実施の一形態に係る曲げセンサの平面図である。

本発明の実施の一形態に係る曲げセンサは、長手方向と直交する方向の断面において、厚さ方向に平行な中心線に関して対称に、合計でＭ個（Ｍは３以上の奇数、図１の例ではＭ＝５）となる凹部及び凸部であって、凸部の裏が凹部となるように、表裏の凹部と凸部とが一対一に対応し、長手方向にはストライプ状となる凹部と凸部とが交互に形成された形状を有するベース部材１０と、ベース部材１０のＭ個の凹部及び凸部のうち両端の凹部又は凸部を除くＮ個（Ｎ＝Ｍ−２、図１の例ではＮ＝３）の凹部又は凸部の同じ側の面上にそれぞれ形成されたＮ個のひずみ受感素子ＲＡ，ＲＢ，ＲＣ、並びに、Ｍ個の凹部及び凸部のうち両端の凹部又は凸部に、電気的に接続されつつ２分割されて、Ｎ個のひずみ受感素子ＲＡ，ＲＢ，ＲＣと同じ側の面上に形成され、Ｎ個のひずみ受感素子ＲＡ，ＲＢ，ＲＣのうちの１個分に相当する２分割ひずみ受感素子ＲＤ１及びＲＤ２と、ひずみ受感素子ＲＡ，ＲＣが形成された凸部の裏側の凹部、及び、ひずみ受感素子ＲＢ，ＲＤ１，ＲＤ２が形成された凹部にそれぞれ嵌合して形成されたコア部材ＣＡ，ＣＣ及びＣＢ，ＣＤ１，ＣＤ２と、各ひずみ受感素子ＲＡ，ＲＢ，ＲＣ並びにＲＤ１及びＲＤ２がベース部材１０の同じ側の面上でブリッジ回路を構成するように相互接続する接続配線と、ベース部材１０の凸部に形成されたひずみ受感素子ＲＡ，ＲＣを被覆して形成されたカバー部材２０と、を備えている。

ベース部材１０の凹部及び凸部並びにひずみ受感素子ＲＡ，ＲＢ，ＲＣ，ＲＤ１及びＲＤ２は、図２に示すように、上方から見ると、曲げセンサの長手方向に沿ってストライプ状に形成されている。

２分割ひずみ受感素子ＲＤ１及びＲＤ２は、接続配線ＤＬによって電気的に接続されている。

ブリッジ回路からは、出力用の端子Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４が引き出されている。

ひずみ受感素子ＲＡ，ＲＢ，ＲＣ並びにＲＤ１及びＲＤ２は、ここでは、ひずみゲージ抵抗素子とする。

本発明に係る曲げセンサにおいて、奇数個であるＮ個のひずみ受感素子ＲＡ，ＲＢ，ＲＣの両側に２分割された２分割ひずみ受感素子ＲＤ１及びＲＤ２が配設され、長手方向における中心線に関して対称な構造とされているのは、ねじれ等に起因する誤動作を排除するためである。

ベース部材１０及びカバー部材２０は、長手方向の全長に亘る部材である。

また、曲げセンサの裏又は表の面を接着して使用すると、図７に示すような曲げセンサの自由な変形が妨げられて満足な出力を得ることができない。即ち、精度の高い出力を得るためには、表及び裏のいずれの面も接着せずに、図６及び図７に示す原理のように、曲げセンサの厚さ方向における中心でひずみがゼロとなり、表と裏の表面でひずみ極性が反対になるように装着することが必要である。図２では、長手方向の中心線上における一方の端部近傍に、曲げセンサを固定するための円形開口部Ｈ１が形成され、他方の端部近傍に、曲げセンサの曲げ動作を可能としつつ曲げセンサを固定するための長円形又は楕円形開口部Ｈ２が形成されている状態が示されているが、両端の開口部は必ずしも必要ではない。例えば、対象物にポケット等を設けて、その中に曲げセンサを挿入して直接装着すれば、開口部Ｈ１及びＨ２は不要である。

奇数Ｍ、Ｎは、ブリッジ回路が４アクティブブリッジ回路である場合にはＭ＝５，Ｎ＝３であり、ブリッジ回路が２アクティブブリッジ回路である場合にはＭ＝３，Ｎ＝１である。

図３は、本発明の実施の一形態に係る曲げセンサに備えられているひずみ受感素子により構成されるブリッジ回路の回路図である。

尚、図３においては、電気的に接続されつつ２分割された２分割ひずみ受感素子ＲＤ１及びＲＤ２を合わせて１個のひずみ受感素子ＲＤとして示している。

図３に示すように、端子Ｔ１と端子Ｔ３との間に、直列接続されたひずみ受感素子ＲＡ及びＲＢと、直列接続されたひずみ受感素子ＲＤ及びＲＣとが、相互に並列接続されて、ひずみ受感素子ＲＡとひずみ受感素子ＲＢとの接続ノードが端子Ｔ２とされ、ひずみ受感素子ＲＤとひずみ受感素子ＲＣとの接続ノードが端子Ｔ４とされて、ブリッジ回路が構成されている。

このブリッジ回路の端子Ｔ１及びＴ３から第１の出力を、端子Ｔ２及びＴ４から第２の出力を取り出すことにより、４アクティブブリッジ回路として機能させることができる。

次に、本発明の実施の一形態に係る曲げセンサの製造工程について説明する。

図４は、本発明の実施の一形態に係る曲げセンサの第１の製造工程を示す断面図であり、図５は、本発明の実施の一形態に係る曲げセンサの第２の製造工程を示す断面図である。

最初に、図４に示すように、ひずみゲージ抵抗素子としてのひずみ受感素子ＲＡ，ＲＢ，ＲＣ，ＲＤ１及びＲＤ２と、接続配線及び端子Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４とを、平坦なベース部材１０’上にフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングして形成する。

そして、凹部と凸部とが交互に形成された形状を有することとなるベース部材１０’の凹部となる領域、即ち、この例では中央のひずみ受感素子ＲＢ及び中央から数えて奇数番目のひずみ受感素子ＲＤ１及びＲＤ２が形成された領域上にコア部材ＣＢ，ＣＤ１及びＣＤ２を接着して固設し、また、ベース部材１０’の凸部となる領域、即ち、この例では中央から数えて偶数番目のひずみ受感素子ＲＡ及びＲＣが形成された領域の裏面側にコア部材ＣＡ及びＣＣを接着して固設する。

その後、図５に示すように、上下から加圧加工すると、表面側のコア部材ＣＢ，ＣＤ１及びＣＤ２と裏面側のコア部材ＣＡ及びＣＣとによってひずみ受感素子ＲＡ，ＲＢ，ＲＣ，ＲＤ１及びＲＤ２並びにベース部材１０が、凹部と凸部とが交互に並んだ形状に加工され、かつ、表面側及び裏面側の各凹部にコア部材ＣＢ，ＣＤ１、ＣＤ２及びＣＡ及びＣＣが嵌合した状態となるので、曲げセンサ全体としては、平坦な板状の形状に加工される。加圧加工の際には、必要に応じて加熱も行うとよい。

最後に、ベース部材１０の凸部に対応する領域に形成されたひずみ受感素子ＲＡ，ＲＣを被覆するカバー部材２０を形成すると、図１に示す本発明の実施の一形態に係る曲げセンサが完成する。

尚、ベース部材１０及びカバー部材２０は、ポリイミド膜を含む有機分子膜や樹脂膜により形成する。

本発明の実施の一形態に係る曲げセンサは、ベース部材１０の同じ側の面上に総てのひずみ受感素子が形成されているので、弾性板としてのベース部材１０へのスルーホールの穿設及びスルーホールを介した配線接続が不要な簡易な製造工程により製造することができる。

必然的に、２枚のベース部材を正確に位置合わせして貼り合わせる工程も不要となり、材料コストの低減も図ることができる。

また、図１における各コア部材の厚さｔ１及びｔ２を例えば５０μｍ、ベース部材１０の厚さｔ２を２５μｍとすると、最も高い位置である凸部に形成されたひずみ受感素子ＲＡ，ＲＣと最も低い位置である凹部に形成されたひずみ受感素子ＲＢ，ＲＤ１及びＲＤ２との段差、即ち、厚さ方向の寸法は２５μｍとなって、従来の曲げセンサの厚さ方向における表面側及び裏面側のひずみ受感素子間の寸法５０μｍを半減させることができ、薄くて疲労寿命が大幅に延長された曲げセンサを実現することができる。各ひずみ受感素子及び接続配線の厚さは、通常、４乃至５μｍ程度である。

各コア部材の厚さｔ１及びｔ２の調整は容易であるので、曲げセンサの実効的な厚さも容易に調整することができる。

各コア部材の厚さｔ１及びｔ２を例えば２５μｍとすると、凸部に形成されたひずみ受感素子ＲＡ，ＲＣと凹部に形成されたひずみ受感素子ＲＢ，ＲＤ１及びＲＤ２との段差、即ち、厚さ方向の寸法は１２．５μｍとなり、さらに薄くて疲労寿命が大幅に延長された曲げセンサを実現することができる。

曲げセンサの実効的な厚さは、適切な曲げ曲率半径ｒ及び出力特性のバランスを考慮して決めるとよい。

ひずみ受感素子ＲＡ，ＲＢ，ＲＣ，ＲＤ１及びＲＤ２により構成されるブリッジ回路の抵抗バランスは、フォトリソグラフィ工程後に予め調整することができる。

また、ひずみ受感素子ＲＡ，ＲＢ，ＲＣ，ＲＤ１及びＲＤ２は、同一材料の非常に近接した部分から形成されるので、温度特性が非常に近似し、温度変化に起因する出力誤差を非常に小さく抑制することができる。

本発明の実施の一形態に係る曲げセンサの断面構造図である。本発明の実施の一形態に係る曲げセンサの平面図である。本発明の実施の一形態に係る曲げセンサに備えられているひずみ受感素子により構成されるブリッジ回路の回路図である。本発明の実施の一形態に係る曲げセンサの第１の製造工程を示す断面図である。本発明の実施の一形態に係る曲げセンサの第２の製造工程を示す断面図である。曲げセンサを構成する弾性板の概略側面図である。弾性板が曲がった状態を示す側面図である。曲げセンサの曲率半径ｒと曲げセンサ出力との関係を示すグラフである。表面にひずみ受感素子をそれぞれ形成した２枚のベース部材を貼り合わせた従来の曲げセンサの一部を示す側面図である。

符号の説明

１０ベース部材
２０カバー部材
ＲＡ，ＲＢ，ＲＣ，ＲＤ１，ＲＤ２ひずみ受感素子（ひずみゲージ抵抗素子）
ＣＡ，ＣＢ，ＣＣ，ＣＤ１，ＣＤ２コア部材
ＤＬひずみ受感素子ＲＤ１及びＲＤ２の接続配線
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４ブリッジ回路の出力用の端子
Ｈ１円形開口部
Ｈ２長円形又は楕円形開口部
４１，４２ベース部材
５１，５２ひずみ受感素子
１００弾性板

Claims

長手方向と直交する方向の断面において、厚さ方向に平行な中心線に関して対称に、合計でＭ個（Ｍは３以上の奇数）となる凹部及び凸部であって、表裏の凹部と凸部とが一対一に対応し、長手方向にはストライプ状となる凹部と凸部とが交互に形成された形状を有するベース部材と、
前記ベース部材のＭ個の凹部及び凸部のうち両端の凹部又は凸部を除くＮ個（Ｎ＝Ｍ−２）の凹部又は凸部の同じ側の面上にそれぞれ形成されたＮ個のひずみ受感素子、並びに、Ｍ個の凹部及び凸部のうち両端の凹部又は凸部に、電気的に接続されつつ２分割されて、前記Ｎ個のひずみ受感素子と同じ側の面上に形成され、前記Ｎ個のひずみ受感素子のうちの１個分に相当する２分割ひずみ受感素子と、
前記ひずみ受感素子が形成された凸部の裏側の凹部、及び、前記ひずみ受感素子が形成された凹部にそれぞれ嵌合して形成されたコア部材と、
前記各ひずみ受感素子が前記ベース部材の同じ側の面上でブリッジ回路を構成するように相互接続する接続配線と、
凸部に形成された前記ひずみ受感素子を被覆して形成されたカバー部材と、
を備えていることを特徴とする曲げセンサ。
前記各ひずみ受感素子は、ひずみゲージ抵抗素子であることを特徴とする請求項１に記載の曲げセンサ。
前記奇数Ｍ、Ｎは、ブリッジ回路が４アクティブブリッジ回路である場合にはＭ＝５，Ｎ＝３であることを特徴とする請求項１又は２に記載の曲げセンサ。
前記奇数Ｍ、Ｎは、ブリッジ回路が２アクティブブリッジ回路である場合にはＭ＝３，Ｎ＝１であることを特徴とする請求項１又は２に記載の曲げセンサ。
前記ベース部材及び前記カバー部材は、ポリイミド膜を含む有機分子膜からなるものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の曲げセンサ。
前記ベース部材及び前記カバー部材は、樹脂膜からなるものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の曲げセンサ。
前記各ひずみ受感素子及び前記接続配線は、フォトリソグラフィ技術を用いて形成されたものであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の曲げセンサ。