JPH03107736A - 応力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は応力センサに関し、特に圧力センサとして用い
られ、内蔵される圧力検出用電気回路の抵抗の値や接続
位置を容易に調整・設定でき且つ小型に製作することが
できる構造を有する応力センサに関するものである。

〔従来の技術〕

従来の圧力センサの構造を第５図と第６図に示す。第５
図において、１０１はダイヤフラム基体であり、ダイヤ
フラム基体１０１はステンレス等の金属で作製され、ダ
イヤフラム部１０１Ａとこれを支持する円筒形支持部１
０１Ｂとからなる。

ダイヤフラム部１０１Ａは図中下部より液圧等の外力を
受けその下面が受圧面として作用し、外力に応じた歪み
を生じる起歪部として機能する。ダイヤフラム部１０１
Ａの上面の所定の箇所には４個の歪みゲージ１０２が設
けられる。これらの歪みゲージ１０２はホイートストン
ブリッジ回路を構成するように接続され、圧力が受圧面
に加わりダイヤフラム部１０１Ａに歪みが生じた時、当
該ブリッジ回路の不平衡状態の作用に基づき圧力検出回
路で圧力を検出・測定することができる。ダイヤフラム
基体１０１は、下部が大きく開放された段付き孔を内部
に有する圧力センサケース１０３において、当該段付き
孔の下部に配置される。

圧力センサケース１０３の段付き孔の上部には前記の圧
力検出回路の主要部が配設される。圧力検出回路１０４
は、圧力センサケース１０３の段付き孔の上方段部に固
定された基板１０５の上に配設され、固定抵抗１０６、
可変抵抗１０７、増幅器等の主回路部１０８等から構成
される。基板１０５の上に接続された複数の電気配線１
０９は圧力センサケース１０３の土壁の孔より外部に引
き出される。第６図は基板１０５の平面図を示す。

上記の歪みゲージ１０２と圧力検出回路１０４との間に
は、中継部材１１０が配設される。中継部材１１０は平
坦な天井板部を備えるキャップ状の形状を有する。この
構造では、歪みゲージ１０２と圧力検出回路１０４との
間に直接的に電気配線を設けず、先ずダイヤフラム基体
１０１の上面に設けた電極部分からワイヤ１１１で中継
部材１１０の電極部分に接続し、次に４本のリード線１
１２を用いて中継部材１１０の上面に設けられた電気回
路部と基板１０５とを接続する。なお、中継部材１１０
の上には４個の歪みゲージ１０２によって構成されたホ
イートストンブリッジ回路の零点調整を行うための抵抗
１１３が配設されている。抵抗１１３はトリミングによ
ってその抵抗値が調整・設定される。

上記のように従来の圧力センサでは、構造上、ダイヤフ
ラム基体１０１の上面に形成された歪みゲージ１０２と
圧力検出回路１０４が配設された基板１０５との間で直
接的な接続が困難であるため、中継部材１１０を設ける
ことにより電気的配線を行うようにしていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の如き構成を有する従来の圧力センサによれば、従
来次のような問題が提起されていた。

第１に、圧力検出用の電気回路の調整については、キャ
ップ形状の中継部材１１０の上面に配設された零点調整
用の抵抗１１３をトリミングして所要の抵抗値に設定し
た後、その上方に基板１゜５を配設し、基板１０５の上
に配設された可変抵抗１０７の調整を行うようにしてい
る。従って検出用電気回路の調整を別々に２段階で行わ
なければならず、圧力センサの組立て上動率が悪いとい
う不具合を有する。

第２に、電気配線について、中継部材１１０を特別に設
置し、中継部材１１０と基板１０５との間で４本のリー
ド線１１２を配線し、且つこのリード線１１２を基板１
０５の裏側から中継部材１１０に接続しなければならな
いため、配線が難しく非常に手間がかかると共に、組立
て時断線しやすく信頼が低いという不具合を有する。

第３に、従来の圧力センサでは、圧力検出回路を搭載す
る基板１０５の大きさによって圧力センサの大きさが決
定されていた。従来中継部材１１０を設けて、基板１０
５と中継部材１１０が分離した状態で構成されていたた
め、総じて基板１０５の寸法が大きくなりやすく、圧力
センサを小型に作ることが困難であった。

本発明の目的は、電気回路における各種調整用抵抗をす
べてトリミングしやすい箇所に集めて配設し、複数の調
整用抵抗のトリミング等を一度の作業工程で行えるよう
にすると共に、配線数を減少し且つ配線工程を簡略にす
ることにより接続の信頼性を高くし、全体的に小型化を
達成することのできる応力センサを提供することにある
。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る第１の応力センサは、一方の面が受圧面と
なり他方の面に歪みゲージが形成されるダイヤフラムを
含む感圧部材と、外力によって生じるダイヤフラムの歪
みを歪みゲージを介して取出し外力に対応する電気信号
を発生する検出装置とからなる応力センサにおいて、検
出装置を取付けた板状部を有するホルダを備え、このホ
ルダを感圧部材におけるダイヤフラムの他方の面に配設
し、少なくとも検出装置に含まれる電気回路調整用のト
リミング可能な抵抗をすべて前記板状部の外側面に配設
するように構成される。

本発明に係る第２の応力センサは、第１の前記の構成に
おいて、調整用抵抗以外のその他の電気回路要素を板状
部の内側面に配設するように構成される。

本発明に係る第３の応力センサは、前記第１又は第２の
構成において、ホルダが板状部材とこれを支持する支持
部材とを接合することによって形成され、抵抗とその他
の電気回路要素は板状部材に配設されるように構成され
る。

本発明に係る第４の応力センサは、前記第１又は第２の
構成において、板状部の外側面に配設された少なくとも
１つの調整用抵抗の前記外側面上の配線を切断し、電気
回路の接続関係を決定するように構成される 本発明に係る第４の応力センサは、前記第１又は第２の
構成において、板状部の外側面に配設された複数の調整
用抵抗が外側からトリミングすることにより一括して調
整されるように構成される。

〔作用〕

第１の応力センサでは、外力を検出するための電気的装
置として構成された検出装置が１つのホルダに配設され
、且つ検出装置の電気回路を調整するための複数の抵抗
がすべて外側から容易に調整することができる箇所に設
置される。

第２の応力センサでは、複数の調整用抵抗をすべて外側
に位置する板状部の一方の面に配設し、調整を必要とし
ない他の回路部分を板状部の裏面に配設し、配設可能面
積を有効に利用する。

第３の応力センサでは、検出装置を取付けるためのホル
ダを２部材で作製し、応力センサの製造方法を容易化す
る。

第４の応力センサでは、調整用抵抗の接続位置を決定す
るに当り、その配役構造上外側から板状部の外側表面に
配設された配線部分の適宜な箇所断することにより当該
抵抗の接続位置が決定される。

第５の応力センサでは、検出装置の電気回路調整用のす
べての抵抗が、それらの配設構造上、外側から一括して
トリミングすることができ、これによりすべての調整用
抵抗の抵抗値が１回の調整作業で容易に設定される。

〔実施例〕

以下に、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する
。

第１図は本発明に係る応力センサの縦断面図である。下
記において応力センサは圧力センサとして説明する。第
１図において、１は感圧作用を有するダイヤフラム基体
であり、このダイヤフラム基体１は、液圧等の外力を受
けるダイヤフラム部ＩＡと、ダイヤフラム部ＩＡを支持
し且つダイヤフラム基体１を所定の箇所に固定するため
の円筒体支持部ＩＢとを有する。このダイヤフラム基体
１は従来のものと同様な構成を有している。ダイヤフラ
ム部ＩＡはその下面が受圧面となっており、受圧面に加
わる外力に応じて変形が生じ歪みが発生しやすい形態を
有している。ダイヤフラム基体１は、内部に下部が大き
く開放された段付き孔を有するセンサケース２において
、当該段付き孔の下部に溶接等によって固定される。セ
ンサケース２は、外観上、上壁２ａを有する円筒体の形
状を有するように形成されている。ダイヤフラム基体１
の外周面にはフランジＩＣが形成され、このフランジＩ
Ｃがセンサケース２の段付き孔の段部に当接した状態で
ダイヤフラム基体１がセンサケース２の内部に固定され
る。

なお、図示例ではセンサケース２の上壁２ａは一体的に
形成されているが、実際上ダイヤフラム基体１の設置を
容易に行うために蓋部材として別体として形成される。

上壁２ａには電気配線等を引出すための孔２ｂが設けら
れている。

上記のダイヤフラム基体１におけるダイヤフラム部ＩＡ
の上面には、ダイヤフラム部ＩＡが外力を受けた時その
内部に生じる歪みを検出するための歪み検出部が形成さ
れる。歪み検出部は、ホイートストンブリッジ回路を構
成するように接続された４個の例えば半導体歪みゲージ
によって形成され、図中３はダイヤフラム部ＩＡの上面
に形成された歪みゲージを示している。かかる構造は従
来のものと同じである。

本発明に係る応力センサでは、前述した従来の応力セン
サにおける基板１０５と中継部材１１１を一体的に作製
したことに特徴がある。従来の前記基板１０５と中継部
材１１１を一体化した要素が第１図中４で示される回路
ホルダである。

回路ホルダ４はダイヤフラム基体１の上面に設置される
。回路ホルダ４は、回路基板として機能する上部基板４
Ａと、上部基板４Ａの下面に配置される主要回路部を保
護し且つ回路ホルダ４の組立てを容易化するための下部
基板４Ｂとから構成され、上部基板４Ａと下部基板４Ｂ
とは接合により一体化されている。回路ホルダ４は、ダ
イヤフラム基体１の上において歪みゲージ３からなる歪
み検出部を覆う如く設置され、この配置位置関係によっ
て歪みゲージ３を保護する機能を有している。

圧力を検出するための電気回路は後述するように増幅回
路部や各種調整用の複数の抵抗から構成される。上部基
板４Ａは円板上の形状を有し、その上面には圧力検出回
路の複数の調整用抵抗５及び所定の電気配線が配設され
、その下面には増幅回路部を含むｔＣチップ６が配設さ
れる。上部基板４Ａの上下の面に配設された圧力検出回
路の各回路要素部は当該基板に形成されたスルーホール
を介して相互に電気的に接続される。上部基板４Ａの下
面に配設されたＩＣチップ６は保護のために樹脂７等で
コーティングされる。上部基板４Ａの周辺にはボンディ
ングワイヤ８を挿通させるための複数の孔９が形成され
ている。

下部基板４Ｂはほぼリング状の形状を有し、その中央部
に大径孔１０Ａが形成され、その周辺に前記上部基板４
Ａの孔９に対応する孔１０Ｂが複数形成されている。大
径孔１０Ａの軸方向の長さはコーティングされたＩＣチ
ップ６が大径孔内に収容されるに十分な寸法である。ま
た下部基板４Ｂの外周壁の軸方向の長さは、下部基板４
Ｂをダイヤフラム基体１の上面に設置した時歪み検出部
の上側に空間が形成される程度に、大径孔１０Ａの軸方
向の長さよりも大きい寸法を存している。

次に第２図及び第３図に基づき圧力を検出する電気回路
について説明する。第２図は電気回路図、第３図は各種
調整用の抵抗は配設された前記上部基板４Ａの平面図を
示す。但し、第２図及び第３図で示される状態では、説
明の便宜上、調整用抵抗は調整以前の状態にある。

第２図において、４個の抵抗３　ａ　＊　　３　ｂ　−
３ｃ　＊３ｄは前記の４個の歪みゲージ３を電気回路要
素として表現したものであり、抵抗３ａ、３ｂ、３Ｃ＋
３ｄは前述したとおりホイートストンブリッジ回路を形
成するように接続され、これにより歪み検出部が構成さ
れている。抵抗３ａと３ｂとの間の節点には電源端子１
１が接続され、抵抗３ｃと３ｄとの間の節点にはアース
端子１２が接続される。また抵抗３ａと３０との間、抵
抗３ｂと３ｄとの間にはそれぞれトリミングにより抵抗
値を調整することができる抵抗５ａと５ｂが接続される
。抵抗５ａ、５ｂは第１図に示された前記抵抗５の一部
をなす。前記ブリッジ回路の出力は抵抗５ａと５ｂのそ
れぞれの両端子のいずれかから取り出される。両端子の
うちいずれを選択するかは、ブリッジ回路の特性によっ
て決定され、それぞれ配線部分り、とＬ２のうちいずれ
かを切断することにより行われる。これらの抵抗５ａ、
５ｂはホイートストンブリッジ回路の零点を補正し調整
するための抵抗であり、出力端子を選択することと、そ
の抵抗値を適宜に設定することにより零点調整がなされ
る。６は増幅回路部を前記ＩＣチップであり、ＩＣチッ
プ６は、演算増幅器１３と固定抵抗１．４〜１７とトリ
ミングにより抵抗値を調整できる抵抗５ｃ、５ｄ、５ｅ
とから差動増幅器として形成されている。ホイートスト
ンブリッジ回路の前記出力端からの各出力電圧は、それ
ぞれ対応する入力側の分圧抵抗により分圧されて演算増
幅器１３の非反転入力端子と反転入力端子とに入力され
、演算増幅器１３の出力端子１８には入力側の差電圧に
対応する電圧が出力される。抵抗５Ｃ４５ｄ、５ｅのう
ち、抵抗５Ｃはオフセット調整用の抵抗であり、抵抗５
ｄ、５ｅはゲインを調整するための抵抗である。これら
の抵抗５ｃ、５ｄ。

５ｅは前記抵抗５の一部である。このように電気回路は
、増幅回路部と複数の調整用抵抗とを含み、電源端子１
１、出力端子１８、アース端子１２の３つの接続端子を
備え、これらの端子に接続される配線はセンサケース２
の孔２ｂから外部に引き出される。また抵抗５ａ、５ｂ
、５ｃ、５ｄ、５ｅは前記抵抗５として第１図及び第３
図に示すようにすべて回路ホルダ４の上部基板４Ａの上
面に配置されている。抵抗５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ。

５ｅは第２図の電気回路において可変抵抗の記号で示さ
れているが、これは抵抗値を任意な時に適当に変更でき
る可変抵抗という意味ではなく、圧力検出回路を圧力セ
ンサとして組み立てる時に、最初の段階でトリミングに
よってその抵抗値を適切な値に調整し設定するというこ
とを意味するものである。従って、−度抵抗値を設定し
た後にはその値を変更することはできない。

第３図で上部基板４Ａの上面における抵抗５ａ。

５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの配設状態を説明する。

第３図中大径の円が上部基板４Ａの輪郭を示し、上部基
板４Ａの中央部付近の箇所に矩形の抵抗５ａｌ　　５　
ｂｅ　　５　ｃ、５　ｄ＋　　５　ｅが配設されている
。

抵抗５ａ、５ｂの両端には配線Ｌｌ、Ｌ２が設けられる
。図示された例では配線Ｌｌ、Ｌ２はいずれも接続され
た状態にあり、この内いずれかが切断される。端子１９
．２０はブリッジ回路の出力端子となっており、スルー
ホール構造を有している。また、第３図において１１は
電源端子、１２はアース端子、１８は演算増幅器１３の
出力端子であり、これらの端子はスルーホール構造を有
している。抵抗５　ａ、　５　ｂｅ　５　ｃ−５ｄ＋　
　５　ｅは図示例において矩形の形状を有しているが、
これをトリミングすることにより所要の抵抗値に設定さ
れる。なお、第３図において上部基板４Ａの周辺部に形
成された複数の孔８はボンディングワイヤ８を挿通させ
るための前述した孔である。

以上のように、圧力検出回路に含まれる各種の調整用抵
抗はすべて回路ホルダ４の上部基板４Ａの上面の一箇所
に集めて配設されており、従って検出回路をトリミング
調整し、最終的に電気回路の抵抗値を設定する場合にお
いて容易に回路を設定することができる。また、ダイヤ
フラム基体１の上面に設けられた歪み検出部と電気回路
部との間に中継部材は必要なくなり、全体的に小型に製
作することができる。更に中継部材がなくなったため、
電気配線の仕方が簡略化し、且つ電気配線の断線が少な
くなり接続の信頼性が高くなるという利点が生じる。

次に、上記の構造を有した応力センサの製造方法につい
て第４図に基づいて説明する。

第４図は応力センサの製造方法を工程（１）〜（９）に
分けて示したものである。工程（１）は円板形状の上部
基板４Ａを作製する工程である。

上部基板４Ａは切削加工等の手段により作製される。上
部基板４Ａの周辺には複数の前記孔９が穿設されている
。工程（２）では、上部基板４Ａの上面にトリミング可
能な調整用抵抗５及び電気配線が実装される。工程（３
）では、上部基板４Ａの下面にＩＣチップ６を配設する
。ＩＣチップ６はボンディングワイヤ８′で上部基板４
Ａの下面と接続されるｄその後工程（４）では、耐環境
性を考慮してＩＣチップ６を樹脂７等でコーティングす
る。工程（５）では、下部基板４Ｂを上部基板４Ａに接
合する。これにより回路ホルダ４が形成される。このと
き、上部基板４Ａの下面に配設されたＩＣチップ６等は
下部基板４Ｂの大径孔４Ｂの中に収容される。また、孔
９とＩＯＢが位置合わせされた状態で上部基板４Ａと下
部基板４Ｂは取り付けられる。工程（６）では、上記の
工程によって組立てられた回路ホルダ４を、別の工程で
既にセンサ素子として形成されたダイヤフラム基体１の
上面に配設し、ダイヤフラム基体１の上面に形成された
歪み検出部の電極と回路ホルダ４の上部基板４Ａの上面
の電極との間をボンディングワイヤ８で接続する。

以上のようにして構成された応力センサでは、回路ホル
ダ４の上部基板４Ａの上面に調整用の抵抗５がすべて配
設されると共に、回路ホルダ４にすべての回路要素が組
み込まれる。この時点において、上部基板４Ａの上面の
状態は第３図に示されたようになっている。

次の段階では、調整用抵抗５　（５ａ、　　５ｂ、　５
ｃ、５ｄ、５ｅ）の配設位置又は抵抗値が切断又はトリ
ミングによって調整され、設定される。その前に、先ず
工程（７）において、圧力検出回路の抵抗値状態を測定
するためのプローブ２１を用意し、その先端をボンディ
ングワイヤ８の所定の箇所に接触させて抵抗状態を測定
する。このように測定した抵抗状態の情報を参照しなが
ら、工程（８）において、抵抗５ａ、５ｂに関し配線Ｌ
Ｌ。

Ｌ２の内いずれかを切断する。切断手段としては例えば
移動自在に配設されたレーザ装置２２が使用される。こ
の切断工程では２箇所の切断箇所があるが、レーザ装置
２２を移動させることによって２箇所を切断することが
できる。次に、工程（９）では、同じく上記の抵抗状態
の情報を参照しながら、調整用抵抗５　ａ　＊　　５　
ｂ　＊　　５　ｃ　＊　　５　ｄ　＊５ｅをトリミング
して各抵抗の抵抗値が設定される。このトリミングにお
いても上記のレーザ装置２２が用いられる。通常、上記
の切断作業及びトリ弓ング作業はコンピュータの監視・
制御の下に実行され、極めて高い精度で調整を行うこと
ができる。

上記実施例では回路ホルダ４は上部部材４Ａと下部部材
４Ｂの２部材から構成されていたが、１部材で一体的に
形成することもできる。

また、上部基板４Ａの上面に調整用抵抗５を配設し、そ
の下面にその他の回路要素であるＩＣチップ６を配設す
るようにしたが、ＩＣチップ等の回路要素が更に微細化
される等の条件が成立すれば、他の回路要素も調整用抵
抗と同様に上面に配設することも可能である。

〔発明の効果〕

以上の説明で明らかなように、本発明によれば次のよう
な効果が生じる。

外力を検出するための検出回路に含まれるトリミング可
能な調整用抵抗をすべて外側から容易にトリミングでき
る外面に集めて配設しため、複数の調整用抵抗を一度に
トリミングでき、応力センサの製造工程を簡略化し、製
造効率を向上することができる。また同様に、ブリッジ
回路をバランス調整するための抵抗の接続位置を外側か
ら配線部分の所定位置を適宜に切断することにより決定
することができ、検出用電気回路の回路構成を容易に決
定することができる。

検出回路を、従来のような中継部材を用いることなく、
１個の回路ホルダに配設することができ、ダイヤフラム
基体の上面に配設された歪みゲージと回路ホルダに設け
られた検出回路との間の電気配線が容易となり、接続の
信頼性が向上する。電気配線の本数が従来のものに比較
して減少するため、更に信頼性が高くなり、組立て工程
も簡単となり、製造コストも低減する。

中継部材が不要となり、且つ回路基板の上下の面を利用
して、上面には複数の調整用のトリミング可能な抵抗を
配設し、下面にその他の電気回路要素を配設するように
したため、回路基板の寸法を小さくすることができ、応
力センサを全体的に小形化することができ、更に増幅回
路を備える基板部分では温度分布が少なくなり、温度特
性が改善される。

構造上、電気回路を設定するためのすべての調整用抵抗
を、−度のトリミング工程で調整することができるため
、応力センサを極めて簡易に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明１こ係る応力センサの縦断面図、第２図
は外力を測定するための電気回路図、第３図は回路ホル
ダの上部基板の平面図、第４図は本発明に係る応力セン
サの製造工程を示す工程図、第５図は従来の応力センサ
の構造の一例を示す縦断面図、第６図は従来の応力セン
サの回路基板の平面図である。 〔符号の説明〕 １・・・ダイヤフラム基体 ＩＡ−−・ダイヤフラム部 １Ｂ・・・支持部 ２・・・センサケース ３．３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ ・鳴・歪みゲージ ４−・・回路ホルダ ４Ａ・・・上部基板 ４Ｂ−晦φ下部基板 ５．５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ ・・・調整用抵抗 ６Φ・−ＩＣチップ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）一方の面が受圧面となり他方の面に歪みゲージが
   形成されるダイヤフラムを含む感圧部材と、外力によっ
   て生じる前記ダイヤフラムの歪みを前記歪みゲージを介
   して取出し前記外力に対応する電気信号を発生する検出
   装置とからなる応力センサにおいて、前記検出装置を取
   付けた板状部を有するホルダを備え、このホルダを前記
   感圧部材における前記ダイヤフラムの前記他方の面に配
   設し、少なくとも前記検出装置に含まれる電気回路調整
   用のトリミング可能な抵抗をすべて前記板状部の外側面
   に配設したことを特徴とする応力センサ。
2. （２）請求項１において、前記調整用抵抗以外のその他
   の電気回路要素を前記板状部の内側面に配設することを
   特徴とする応力センサ。
3. （３）請求項１又は２において、前記ホルダは板状部材
   とこれを支持する支持部材とを接合することによって形
   成され、前記抵抗とその他の前記電気回路要素は前記板
   状部材に配設されたことを特徴とする応力センサ。
4. （４）請求項１又は２において、前記板状部の外側面に
   配設された少なくとも１つの調整用抵抗の前記外側面上
   の配線を切断し、電気回路の接続構成を決定することを
   特徴とする応力センサ。
5. （５）請求項１又は２において、前記板状部の外側面に
   配設された複数の調整用抵抗は外側からトリミングする
   ことにより一括して調整されることを特徴とする応力セ
   ンサ。