JPH08505471A

JPH08505471A - 力センサ

Info

Publication number: JPH08505471A
Application number: JP6515685A
Authority: JP
Inventors: ライター，ラルフ; アルフォート，ニック; アイク，リュディガー
Original assignee: Lucas Industries Ltd
Current assignee: Lucas Industries Ltd
Priority date: 1993-01-15
Filing date: 1994-01-11
Publication date: 1996-06-11
Also published as: DE4300995C2; CN1092165A; BR9405809A; CZ180295A3; EP0679248A1; KR960700443A; ZA94133B; AU5882094A; AU687030B2; WO1994016300A1; TW286358B; DE4300995A1

Abstract

(57)【要約】力センサが、力が加えられる少なくとも１つの検出素子１４を備えている。この検出素子は前記力に応じて自己の電気的特性を変化させ、前記検出素子を流れる電流が測定される。この検出素子１４は厚膜抵抗層を備え、前記電流は、加えられた前記の力の方向にこの検出素子１４を通って流れる。

Description

【発明の詳細な説明】力センサ技術分野本発明は、少なくとも１つの検出素子（sensing element）を備えた力センサに関し、測定すべき力をこの検出素子に加えると、この検出素子は前記力に応じてその電気的特性、典型的にはその電気抵抗を変化させる。測定の期間中、電流が検出素子に流れるように電圧がこの検出素子に印加される。電気抵抗（インピーダンス）は加えた力によって決まるので、測定した電流は加えた力の関数でありこの電流を測定することによってまたこの力を間接的に測定する。物体に力を加えると、この物体はまた圧力を受ける。従って、以下の説明は「力」という用語のみに言及しているが、このことは、圧力がセンサに加えられている実施例を常に含んでいるのである。背景技術いわゆるサンドイッチ設計を使用した力センサが知られている（DE-A-28 54 0 80）。このような公知のサンドイッチ設計では、導電性カーボン・ファイバを含有した非導電性で弾力性を有するエラストマが検出素子として使用される。この検出素子は接点素子（contact elements）の間にサンドイッチされ、その結果、力は弾力性を有するエラストマの平らな層に対して、同層の平面に垂直な方向に加えられる。電極がエラストマ層の、相対向する表面と接触し、このエラストマ層が力によって圧縮されると、同層の電気的インピーダンスが減少するが、これは、前記導電性カーボン・ファイバがこのエラストマ層の前記平面に対して垂直な方向に配向されているからであり、従って、圧縮の期間中、より多くのカーボン・ファイバが電極間に電流を導通させ、その結果圧縮力の関数として抵抗が減少すると信じられている。エラストマ層を横切る方向に、即ち、加えた力の方向に配向された導電性カーボン・ファイバを含有する、弾力性のあるエラストマによって構成されるこのようなシステムでは、加えた力の方向で電流の大きさを測定する以外の方法は存在しない。エラストマを使用したこのようなセンサ構造体の製造には短絡に関する技術的な問題を伴わないが、これはこのエラストマが典型的にはミリメートルの範囲の厚さを有しているからである。従来技術では、力センサを製造するためにいわゆる厚膜技術を使用することがまた知られている（DE-A-38 18 191とDE-A-41 11 148）。この従来技術によれば、予め印刷された電気接点（pre-printed electrical contacts）を有する下部支持材料上に抵抗性のペースト材料（paste material）を印刷し、これによってこれらの電気接点を接続して電流の流れる経路を設ける。次に、第２上部基板をこの柔らかい抵抗性のペースト材料上に取り付け、これを硬化すること（curing ）によって上部支持材料と下部支持材料とを接着する。力（測定すべき）はこれらの上部及び下部支持材料を介して加えられる、即ち、この力はこの層状の検出素子に対してこの層の平面に垂直な方向に加えられる。しかし、このような周知のセンサ・システムでは、電流は、加えた力の方向には測定されず、この力に垂直な方向に、即ち、サンドイッチされた抵抗層の平面内で測定される。これには下記の理由がある。この技術分野でよく知られているように、厚膜技術には印刷工程が含まれる。厚膜抵抗層（thickfilm resistive layer）の厚さは厚膜の抵抗性インク（thick film resistive ink）の印刷厚さによって決まり、これは本来印刷スクリーンのフレームのメッシュのサイズ（mesh size）に依存するが、副次的には印刷を行う回数によっても影響される。厚膜技術によってセンサ構造体を製造する場合、もしこのような構造体を流れる電流が（従来技術に反して）サンドイッチ面に垂直に、即ち、加えた力の方向に流れれば、サンドイッチ構造体の上部電気接点と下部電気接点の間の短絡に関して大きな問題が発生する。このような短絡は、印刷不良に起因するものである。特に、層の平面に垂直な方向にある小さなピンホールが、加熱処理された抵抗性インク（fired resistor ink）内に存在すると、このような短絡の発生する可能性がある。抵抗層内の、このような孔が次のプロセスのステップで、上に重ねる電気接点の導電性材料によって後で埋められるので、上部接点と下部接点の間に短絡が発生する。従って、従来技術の厚膜力センサでは、電流は加えた力に垂直な方向に、即ち、抵抗層の主要平面に平行な方向に流れる（先に引用した従来技術の文献と比較されたい）。力センサと関連して厚膜技術の別の大きな問題が、接合の拡散（junction dif fusion）によって引き起こされる。近接した加熱温度及びまたは溶融温度を有する２つ以上の異なったペースト材料を加熱処理する場合、すなわち混合ボンディング・メカニズムによる場合、隣接した２つのペーストの間の接合領域が流れて或程度共に混ざり合う（拡散する）ことに留意しなければならない。もし厚膜抵抗（thickfilm resistor）がサンドイッチ接点の間で１０００μｍを超える厚さを有していれば、この流れ（reflow）によって大きな問題は発生しない。しかし、例えば、抵抗厚膜層（resistive thickfilm layer）が３０乃至８０μｍの厚さを有しているに過ぎなければ、これによって部分的または完全な短絡に関する問題がひき起こされ、この場合導電ペースト（conductor paste）の抵抗ペースト（resistor paste）への拡散（浸透率）が大きくなる。更に、自由銀イオンを含有する接点材料を使用すると、湿気が存在し得る場合と電界の存在する場合には、銀の移動する危険性があるという、長期間に渡る問題がまた発生する可能性がある。更に、厚膜ペースト材料内に有機化合物が含有される結果として、電極間に電気的短絡の発生する可能性がまた存在する。加熱、及びまたは乾燥の工程中に、このような有機化合物はガスを発生する可能性があり、これらのガスは、導電性粒子を有するペーストを通って上方に浸透し、このことによって、検出素子を横切る短絡を発生する可能性がある。厚膜技術に於ける、短絡と関連するこれらの多くの問題のため、従来技術においては厚膜層の本体を介して電流の大きさを測定して来たのであり、加えた力の方向への比較的小さいこの層の部分を介してこの電流の流れを測定してはいなかった。発明の開示本発明の根底にある技術的な課題は、高い測定感度と、高い信頼性と、加えた力（または圧力）の位置（location）に対する不感性とを有する力センサを提供することである。このセンサは、また比較的コンパクトにできる。請求の範囲で説明するように、本発明は、検出素子に対する厚膜技術（これは前述のように公知である）と、加えた力の実質的方向に流れる電流とを組み合わせることによってこの問題を解決するものである。本発明によれば、サンドイッチ型の力センサに於いて、抵抗層（検出素子）に対して厚膜技術が使用され、ここで検出素子層の平面に垂直な方向に加えられた力が変化すると、この検出素子における対応する部分（即ち、この層の平面に垂直な部分）の抵抗に変化が生じ、従ってこの力の方向に流れる電流に変化が生じる。この抵抗及び電流の変化は前記厚膜抵抗層をサンドイッチしている接点素子によって直接測定することができ、この場合、これらの接点はこの抵抗層の両側に存在する。このような構成では、力の方向に於ける抵抗の変化はこの力に垂直な方向に於ける抵抗の変化よりも大きい。この利点が本発明によって利用される。更に、本発明によれば、測定信号は、また、力を加えた位置から比較的独立している。本発明の好適な実施例は、従属請求項に述べられている。本発明は、先に説明した種類の力センサを作る方法をまた含んでいる。本発明の１つの好適な実施例によれば、この力センサにはセンサと組み合わせてそれ自体公知のブリッジ回路（DE-A-41 11 148）が設けられている。このようなブリッジ回路（例えば、ホイートストン・ブリッジ）は、抵抗層を作る印刷工程中でサンドイッチ構造に集積するのが好ましい。他のブリッジ構成要素はセンサの他の構成部品と共に同一の支持基板に少なくとも部分的に印刷される。この結果、温度特性が改良される。更に、センサと増幅器のアセンブリとをコンパクトに作るため、信号増幅器を支持基板（support substrate）にまた集積することも可能である。本発明による力センサの幾つかの実施例を以下で図面を参照して説明する。図面の簡単な説明第１図は、力センサの第１実施例の断面図である。第２図は、力の方向から見た第１図の力センサの部分破断平面図である。第３図は、第１図と第２図の力センサと等価な電気回路を示す図である。第４図は、力センサの第２実施例の断面図である。第５図は、第４図の力センサの平面図である。第６図は、第４図と第５図の力センサと等価な回路を示す図である。第７図は、力センサの第３実施例の断面図である。第８図は、第７図の力センサの平面図である。第９図は、第７図と第８図の力センサと等価な回路を示す図である。第１０図は、力センサの第４実施例の断面図である。第１１図は、第１０図の力センサの平面図である。第１２図は、第１０図と第１１図の力センサと等価な回路を示す図である。第１３図は、力センサの第５実施例の断面図である。第１４図は、第１３図の力センサの平面図である。第１５図は、第１３図と第１４図の力センサと等価な回路を示す図である。第１６図は、力センサの第６実施例の断面図である。第１７図は、第１６図の力センサの部分破断平面図である。第１８図は、第１６図と第１７図の力センサと等価な回路を示す図である。第１９図は、ブリッジ回路を有する力センサの平面図である。第２０図は、ブリッジ回路とダミー・センサ（dummy sensor）とを有する力センサの平面図である。第２１図は、ブリッジ回路を有する力センサの、他の実施例であり、ここでダミー・センサとセンサとは一体化されている。発明を実施するための最良の形態力センサの実施例の以下の説明に於いて、同一または類似の機能を有する素子または部品は、同一の引用符号によって示される。図に示すように、支持基板１０が設けられ、この基板は、例えばＡｌ₂Ｏ₃（アルミナ）のような、セラミック材料で作られる。この支持基板１０上には下部接点素子１２を構成する。この下部接点素子は導電性材料で作られている。この下部接点素子１２の上には、検出素子１４が配設されている。この検出素子１４は、１つの厚膜抵抗層または一連複層の厚膜抵抗層によって実現される。この検出素子１４の上には、上部接点素子１６が配設されている。測定すべき力Ｆは図中では矢印によって示される、即ち、この力Ｆは平らなサンドイッチ構造の主要平面に対して垂直に加えられる。例えば、この力Ｆはスタンプ（stamp）１８によって力センサに加えられ得る。第１図と第２図に示されるように、上部接続トラック（upper connecting tra ck）２０が、上部接点素子１６のレベルから支持基板１０のレベルに延び下がって取り付けられる。下部接触トラック２２によって、下部接点素子１２用の電気端子が設けられる。第１図と第２図に示すように、検出素子１４は下部接続トラック２２以外では下部接点素子１２に重なっている。上部接点素子１６は、これもまた第１図と第２図に示すように、下部接点素子１２と上下方向で重なっている。更に、上部接点素子は、下部接点素子と少なくともほぼ同一の寸法を有している。トラック２２及び対応する接点素子１２に使用される材料は、この実施例では同じである。検出素子１４は、下部接点素子１２の上に印刷した厚膜抵抗層によって設けられる（下記を参照）。上部接点素子１６は、抵抗材から成るオーバラップしている検出素子１４によって下部接点素子１２から短絡しないよう分離されている。すなわち電気的接触が防止されている。第２図に示すように、上部接続トラック２０は、２つのトラックの間の短絡を回避するため、下部接続トラック２２に対してオフセットした角度を有している。第３図は、前述した力センサの等価回路を示す。力Ｆの大きさに応じて、検出素子１４、即ち、抵抗性厚膜層はそのインピーダンスを変化させ、従って、上部及び下部接続トラック２０、２２の間に流れる電流iはこれに従ってその大きさを変化させる（勿論、もし電圧をこれらの接続トラックに印加すれば）。これらの図に於いて、電流iの方向は矢印によって示す。第４図乃至第６図は力センサの、他の実施例を示し、ここで下部接点素子は少なくとも２つの別個の平らな素子に細分化されている。２つの下部接点素子の細分化した各領域１２、１２ａと下部接点トラック２２、２２ａとが接続される（第５図）。第４図乃至第６図の実施例では、上部接点素子１６に対する接続トラックは存在しない。この実施例によって、下部支持基板１０上のみに接続トラックを有するという利点が提供される。これらの下部接点部材１２、１２ａはギャップ２４によって分離されている。この力センサの主要な導電経路（電流の流れ）は、第１下部接点素子１２からこの接点素子の上に位置する検出素子１４の領域を通って上部接点素子１６に至り、次にこの上部接点素子１６に沿いその次に前記検出素子１４の第２領域を通って第２下部接点素子１２ａに至るものである。電流が少なくともその経路の一部にわたって力Ｆ（図では常に太い矢印によって示す）の方向と平行に流れることを、このことは意味する。第４図乃至第６図の実施例では、第２小電流経路が存在し、この電流経路は第１下部接点素子１２から、ギャップ２４内に配置された抵抗材（検出素子１４と同一でもよい）を通って第２下部接点素子１２ａに至るものである。このギャップの影響は小さいが、このギャップ２４の寸法を大きくすることによって、及びまたはこのギャップから抵抗材を省くことによって更に小さくすることができる。第６図によれば、電流は下部接続トラック２２から他方の下部接続トラック２２ａに流れ、加えられた力Ｆの大きさを示す。第７図乃至第９図は、上部多重接続の可能性を提供するために上部接点素子１６に追加した接続トラック２０を除いて、第４図乃至第６図の実施例に対応するものを示す。第１０図乃至第１２図は力センサの他の実施例を示し、この場合、印刷工程の順序が変更され、その結果、上部と下部の接点素子１２、１６と、上部と下部の接続トラック２０、２２との形状が、第４図乃至第９図に示す実施例と比較して検出素子１４に関し反対側に印刷される。この実施例は、前記説明に照らして、第１０図乃至第１２図から明らかである。第１３図乃至第１５図に示す実施例は、下部接点素子１２に追加した接続トラック２２を除いて、第１０図乃至第１２図の実施例に対応するものであるが、第１３図と第１５図に示すように２つの異なった力Ｆ₁とＦ₂とが加えられ、これらの２つの力Ｆ₁とＦ₂は、力Ｆ₁とＦ₂とをそれぞれ受ける検出素子１４のそれぞれの領域の抵抗（インピーダンス）の変化によって個別に測定することができる。これは、また第７図乃至第９図にも適用することができる。第１６図乃至第１８図は、力センサの他の実施例を示し、ここで、このセンサの構造は、このセンサ構造を構成する異なった層の領域内に貫通孔２６を有している。第１６図と第１７図とに示すこの孔２６は円柱形状を有するが、他の形状もまた有することができる。例えば、長孔（open slot）を支持基板とこの支持基板上の全ての他の素子に形成することができる。この孔２６は機械的要素を挿入するのに使用することができ、この要素によって、支持基板１０と素子１２、１４及び１６とは、測定すべき力Ｆが加えられる前に、一定のバイアス（bias）を与える圧縮力を受ける。支持基板１０の材料は非導電性材料、例えば、９６％の酸化アルミニウムであるが、また導電性材料の外部表面の一部を、例えば、酸化物で被覆するかガラス膜で被覆するかして非導電性にした金属構造でもよい。これまでに説明した実施例（と以下の実施例と）では、加熱処理された厚膜抵抗材（fired thickfilm resistive meterial）が検出素子１４として使用され、加えられた力（または圧力）に関連する電気信号（電流）は、同検出素子１４において、この加えられた力の方向と同じ方向にある。この検出素子１４は、ガラス体内に固定された導電性金属原子を含有するアモルファス構造を有し、ここでこの検出素子１４のインピーダンスは導電性原子の外部軌道電子の電離に依存する。この電離は、従って検出素子１４のインピーダンスは、力を加えることによって変化させることができる。加えられた力によって生ずる、抵抗層の厚さのひずみの絶対的な大きさは、ミクロンで測定される。力をセンサ構造の上部接点素子１６の面に対して垂直な方向に加え、支持基板１０を固定すると（動かないようにまたは曲がらないように）、検出素子１４の抵抗値の変化が生ぜしめられ、この場合、この抵抗値の変化は電流を測定することによって測定され、この測定された信号は、加えられた力に比例する。もし支持基板１０を、荷重下で歪まないように取り付ければ、出力インピーダンスの変化は、力の方向に於ける抵抗層のみの微細な圧縮に起因するものである。一方、もし支持基板１０を、荷重下（歪みゲージ・モード）で、センサ構造の曲がりを許容するように取り付ければ、検出素子１４の抵抗層の出力インピーダンスの変化はより大きいが、力は支持基板１０の曲げ強度までに制限される。動作モードの選択は、センサのハウジング（図示せず）の形状によって実行することができる。これまでに説明した実施例（及び以下の実施例）に示されたセンサは、図に示すセンサの最上面、即ち、上部接点素子１６の上面と、力を加えるための機械部分の面、例えば、スタンプ１８との間に塑性変形媒体を使用することによって修正することができる。すなわち、この塑性変形媒体は、表面の全ての非平坦部分を補償する。この塑性変形媒体には、その表面をセンサと、力を加えるためのその他の機械部品（例えば、スタンプ１８）との表面に適合させるように、製造工程の期間中に予め負荷を加えることができる。この予め加える力はセンサの通常の動作時負荷を超えてもよい。検出素子を横切る短絡に関する前述の困難を回避するため、検出素子内の個々の層の特性は、他の層に関連して考慮されなければならず、これらの材料層の接着剤及び、または相対的な融点及び不可逆化学反応開始温度（firing point）は適切に選択されなければならない。特に、技術を混合することが有利であり、例えば、１つ以上の接点素子１２、１６は、薄膜技術によって実現することができる。例えば、第１図乃至第１７図に示す力センサの実施例は、以下のようにして作ることができる。下部接点素子１２と、もし必要であれば、下部接続トラック２２とには、同一の材料を使用することができる。これらの導電部分用の好適な材料は、セラミック基板１０に接着するために酸化物ボンディング・メカニズム（oxide bonding m echanism）を使用する材料である、即ち、導電ペーストは加熱工程（約８５０℃ ）の期間中に化学反応を受けるが、この化学反応は更なる再加熱の期間中には不可逆性のものである。このようなペーストを使用して下部接点素子１２と接続トラック２２とは支持基板１０上に印刷され、次にメーカの指示に従って乾燥され加熱される。または、下部接点素子１２には、フリット接着ペースト（frit bon ding paste）と共に厚膜抵抗性ペーストを使用することが可能であり、この場合、選択したペーストに含まれているガラス・フリットの融点は検出素子１４の抵抗性ペースト材料の最高加熱温度を超える。検出素子１４を構築するために、次に前記の加熱処理された下部接点素子１２に対して圧膜ペーストの層を印刷する。この検出素子１４の材料として８５０℃ の最高温度で加熱するように設計されたペーストのファミリーから１つのペーストを選択するのが好ましい。このようなペーストのボンディング・メカニズムは、いわゆるフリット・ボンディング（frit bonding）である。このペーストは加熱工程の期間中に溶融する、微細なガラス粒子（フリット）を含有し、これらのフリットの溶融温度は、抵抗性ペーストの最高加熱温度未満である。従って、冷却する場合、この構造はこれらの固形化したガラス粒子によって一緒に保たれる。ガラス・フリットがその溶融温度を超える温度に再加熱される場合、この接着（bond）は温度に依存する。もしこのような温度に到達すれば、ボンディング・メカニズムが分解し、このことによって、ガラス構造内で以前に固定されていた粒子が、自由に移動できる。抵抗層を通過するピンホールの問題を回避するため（短絡を避けるため）抵抗をすくなくとも２つの抵抗層で印刷することができ、その後抵抗性インクの各印刷の乾燥を、例えば１５０℃で約１５分間オーブン内で行う。この時間はインク材料の容積と、抵抗性ペーストの溶剤の含有量とに応じて調節することができる。印刷した抵抗層が必要な乾燥厚さになれば、乾燥したインク層を加熱して下部接点素子１２と指示基板１０とに付ける。必要な合計印刷厚さに応じて、検出素子１４の抵抗層を、最終印刷厚さが達成される前に、少なくとも１つの中間状態で付加的に加熱することができる。上部接点素子１６と、もし必要であれば、接続トラック２０に対して、再び同一の導電性材料を使用することができる。例えば、融点の低いガラス・フリットを使用して結合するペースト材料などである。この低融点のフリットは、下にある検出素子１４の抵抗層内に含まれているガラス・フリットの融点よりも低い温度で溶融し加熱処理される。上部接点素子１６を作るためのペーストを検出素子１４の、加熱処理された抵抗性材料上に印刷し、次にオーブン内で乾燥し、その後メーカの指示に従って加熱して検出素子１４上に付ける。検出素子１４の抵抗層の、加熱後の厚さは、５乃至１００μｍの範囲にあるのが好ましく、５乃至５０μｍであるのが最も好ましい。第１９図乃至第２１図は、ブリッジ回路を含むことによる、前述の力センサの変形例と特別の用い方とを示す。第１９図の実施例では、ブリッジ回路に対する電圧は、入力端子３８、３８ａにわたって印加される。抵抗３４のインピーダンスは、例えば、ブリッジの、必要な感度を達成するための、レーザーによる校正または同様の研磨技術によって調節することができる。第１９図に示すように、ブリッジの構成要素、特に、少なくとも１つの別個の校正用抵抗３４を含めて抵抗３０、３２、３４と３６はセンサ構造２８と共に支持基板１０上におさめることができる。第１９図乃至第２１図における引用符号２８は、例えば、第１図乃至第１８図中の１つによる力センサを示す。ブリッジの抵抗と、接続トラック（線）と、もし必要であれば、信号増幅器に関連する抵抗とはセンサ構造２８の印刷及び加熱工程の間に加工することができ、この場合、これらの抵抗の加熱は検出素子１４の厚膜抵抗の最終加熱と同時に行うことができる。第１９図に示す実施例では、抵抗３２とセンサ構造２８は異なった抵抗ペースト材料と、また、非常に異なった構造形態とを使用している。この結果、これら２つの構成部品は通常、異なった抵抗温度係数を有している。これらの２つの材料の違いは、温度と関連して最終出力信号がいかに安定しているかを示すのに役立つ。第２０図は、温度補償の問題に対して特性を改良した設計を示す。この実施例では、第１９図における抵抗３２が抵抗４０に置き換えられている。この抵抗４０は検出素子１４（下部接点素子と上部接点素子の間にある）の抵抗材の面積と厚さとに関してセンサ２８のコピーに近いものである。更に、ダミー・センサ（ dummy sensor）４０とセンサ２８との抵抗層に使用されるペースト材料は同一のものである。センサ２８とダミー・センサ４０とを構成する個々の層は、双方の、印刷した部分に於ける全ての厚さの差または材料の差を等しくするために、同一の、スクリーン印刷のフレーム、またはスクリーン印刷のアプリケータの同一の行程（pass）を使用して印刷されなければならない。第１９図における抵抗３０と３６の温度係数の、どのような差によっても、温度に対する最終出力信号の安定性が決められる。従って、これらの抵抗３０と３６に同一のペースト材料を使用すると、温度補償が改善される。校正抵抗３０または３６を選択するために、これらの抵抗３０と３６は、同じ抵抗性インクの、異なった厚さによって、または再び同一のペースト材料を使用してこれらの抵抗の、異なった縦横比など（長さ／幅）すなわちアスペクト比によって印刷することができ、その結果、この校正抵抗の位置は全ブリッジ内の抵抗部分の前記比によって与えられる。選択された校正抵抗（印刷工程によって選択された）は、次に、例えば、レーザによる校正によって、所要のブリッジ出力電圧のような点がＴＰ１とＴＰ２の間で達成される迄校正される。ダミー・センサ４０とセンサ２８とはセンサとダミー・センサとの一つの結合体にでき、これによってサイズが小さくなるという利点が提供される。第２１図はこのような集積の適用例を示し、この場合、ダミー・センサ４０ａの領域には力が加えられていない。この図は第１４図に見られるタイプにならったセンサの設計を示すが、これに代えて、第８図に見られるタイプにならった設計を使用することもできる。ブリッジ回路と共に力センサを作る場合、以下の説明の詳細が有効であることが分かった。合計４つのスクリーン・フレームが使用される。第１スクリーンは、支持基板上に下部接点素子を作るのに使用される。このスクリーンはステンレス鋼から作られ、３２５／平方インチのメッシュ密度（mesh density）を有している。メッシュの角度（angle of the mesh）は４５゜である。第２スクリーンはブリッジの抵抗を作るのに使用される。このスクリーンはステンレス鋼から作られ、２００／平方インチのメッシュ密度を有する。メッシュの角度は４５゜である。第３スクリーンは、検出素子の抵抗層を作るのに使用される。このスクリーンもまたステンレス鋼から作られ、２００／平方インチのメッシュ密度を有している。メッシュの角度は４５゜である。第４スクリーンは、上部接点素子を作るのに使用される。これはステンレス鋼から作られ、３２５/平方インチのメッシュ密度を有している。メッシュの角度は４５゜である。個々の層を作るため、４種の厚膜ペーストが使用される。第１接点素子用に、デュポン社製５７２３の金（DuPont５７２３ gold）を使用する。ブリッジの抵抗用に、デュポン社製１９３９（DuPont１９３９）（１０ＫΩ）を使用する。検出素子とダミー・センサとの抵抗層用のペーストとして、ヒリウスＲ８２９１（ Her aeus Ｒ８２９１）（１ＧΩ）を使用する。上部接点素子用にペーストとしてヒリウスＣ４３５０の金（（Heraeus Ｃ４３５０ gold）を使用する。これらのペーストは、スクリーン印刷機AMI PRESCO 465によって印刷される。下部接点素子を作るには、下記の工程パラメータが良好な結果を生むことが分かっている。１．スクリーンから基板上面迄の距離： 0.762mm（0.030″）２．スキージ硬度（squeegee hardness）： 75ショア（shore）３．スキージ力（squeegee force）： 13N（1.3kg）４．印刷速度： 11.43cm／秒（4.5″／秒）５．室温での養生時間（rest time）： 10分６．乾燥時間／温度： 10分／150℃ ７．乾燥後の厚さ： 18μm〜20μm ８．ＢＴＵオーブンで850℃で加熱処理９．加熱後の厚さ： 10μm ブリッジの抵抗を作るには下記のパラメータが良好な結果を与えることが分かった。１．スクリーンから基板上面迄の距離： 0.762mm（0.030″）２．スキージ硬度： 75ショア３．スキージ力： 10N（1kg）４．印刷速度： 11.43cm／秒（4.5″／秒）５．室温での養生時間： 10分６．乾燥時間／温度： 15分／150℃ ７．乾燥後の厚さ： 16μm 検出素子１４を作るためには、下記のパラメータが良好な結果を与えた。１．スクリーンからの距離（Snap off）： 0.762mm（0.030″）２．スキージ硬度： 75ショア３．スキージ力： 10N（1kg）４．印刷速度： 10.92cm／秒（4.3″／秒）５．室温での養生時間： 10分６．乾燥時間／温度： 15分／150℃ ７．前記ステップ１乃至６を４回繰り返して１１０〜１２０μｍの最終乾燥厚さを得る８．加熱処理後の厚さ： 60〜70μm 上部接点素子を作るためには、下記のパラメータが良好な結果を与えた。１．スクリーンからの距離： 0.762mm（0.030″）２．スキージ硬度： 75ショア３．スキージ力： 9N（0.9kg）４．印刷速度： 11.94cm／秒（4.7″／秒）５．室温での養生時間： 10分６．乾燥時間／温度： 15分／150℃ ７．乾燥後の厚さ： 18μm ８．加熱処理後の厚さ： 10μm 上述した技術はハイブリッド技術及び、またはＡＳＩＣ技術（特定用途向け集積回路技術）と組み合わせて使用することができ、このことによって、ブリッジとセンサとして同一の支持基板１０上に組み込まれた対応する回路要素と共に集積信号増幅器を含めることができる。センサ・アセンブリ（もし必要なら、ブリッジと増幅器とを含む）全体の外面は、保護用のコーティングまたは絶縁用のコーティングとして作用するフイルムによって部分的にまたは完全に、気密にシールを行うことができる。これまでに説明した種類のセンサは、車両のブレーキ・システム内に組み込むことができる。測定された力に対応する信号を、ドライバがブレーキをかけようとしている力を示すための電子制御回路システムへの入力信号として用いることができる。更に、このような力センサを車両に使用し、ブレーキ・ランプの光の強度が測定された力の大きさに応じて増加させられるようにこの強度を制御し、このことによって他の後続車両のドライバに、改良された可視指示を与えることができる。また、ドライバが何か強いブレーキングを要求した場合に車両の危険警報ランプを制御するために、このような力センサを使用することもできる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者アイク，リュディガードイツ連邦共和国、56283 ファッフェンヘック、オーバーフェラーシュトラーセ６

Claims

【特許請求の範囲】１．少なくとも１つの検出素子（１４）を備えた力センサであって、当該力に応じて前記検出素子（１４）が自己の電気的特性を変化させるよう或る方向に前記検出素子（１４）に力が加えられ且つ電流が前記検出素子（１４）を流れる前記力センサに於いて、前記電流が前記力（Ｆ）の前記方向に少なくともそれの電流経路の一部を流れ、前記検出素子（１４）が、加熱処理された厚膜抵抗材であることを特徴とする力センサ。２．前記力が前記検出素子に加えられたとき、自己の電気的インピーダンスを変化させる材料によって前記検出素子（１４）が構成されていることを特徴とする請求の範囲第１項記載の力センサ。３．前記検出素子（１４）が層形態を有し、少なくとも２つの接点素子（１２、１６）の間にサンドイッチされていることを特徴とする請求の範囲第２項記載の力センサ。４．支持基板（１０）と、下部接点素子（１２）と、検出素子（１４）としての厚膜抵抗材と、上部接点素子（１６）と、下部接続トラック（２２）と、上部接続トラック（２０）とを備えた力センサであって、前記下部接点素子（１２）が前記支持基板（１０）上に配置され、前記下部接続トラック（２２）が前記支持基板（１０）の上面に於いて前記下部接点素子（１２）から延び、前記検出素子（１４）が抵抗性ペーストから作られて前記下部接点素子（１２）上に重なり、前記上部接点素子（１６）が前記下部接点素子（１２）と上下方向で重なって前記検出素子（１４）上に配置され、前記上部接点素子（１６）から延びた接続トラック（２０）が延び下がって前記支持基板（１０）に接触し、その結果、前記下部接点素子（１２）上に前記検出素子（１４）を重ねることによって、短絡が前記上部接続トラック（２０）と前記下部接点素子（１２）との間で防止されていることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第３項のうち１つに記載の力センサ。５．支持基板（１０）と、少なくとも２つの下部接点素子（１２、１２ａ）と、厚膜抵抗材でできた検出素子（１４）と、上部接点素子（１６）と少なくとも２つの下部接続トラック（２２、２２ａ）とを備えた力センサであって、前記下部接点素子が前記支持基板上に配置され、前記下部接点素子から延びた前記下部接続トラックが前記支持基板の表面上に配置され、前記検出素子が前記下部接点素子上に重なり、前記上部接点素子が前記検出素子上に位置して前記下部接点素子と上下方向で重なっていることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第３項のうち１つに記載の力センサ。６．支持基板（１０）と、少なくとも２つの下部接点素子（１２、１２ａ）と、厚膜抵抗材でできた検出素子（１４）と、少なくとも１つの上部接点素子（１６）と、少なくとも２つの下部接続トラック（２２、２２ａ）と、少なくとも１つの上部接続トラック（２０）とを備えた力センサであって、前記下部接点素子が前記支持基板上に位置し、前記下部接続トラックが前記下部接点素子から延びて前記支持基板上に位置し、前記検出素子が前記下部接点素子上に重なり、前記上部接点素子が前記検出素子上に位置して前記下部接点素子と上下方向に重なって、前記上部接点素子から延びた前記上部接続トラックが延び下がって前記支持基板上に到達し、その結果、前記下部接点素子上に前記検出素子を重ねることによって、短絡が前記上部接続トラックと前記下部接点素子との間で防止されていることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第３項のうち１つに記載の力センサ。７．支持基板（１０）と、下部接点素子（１２）と、厚膜抵抗材でできた検出素子（１４）と、少なくとも２つの上部接点素子（１６、１６ａ）と、少なくとも２つの上部接続トラック（２０、２０ａ）とを備えた力センサであって、前記下部接点素子が前記支持基板上に位置し、前記検出素子が前記下部接点素子上に重なり、前記上部接点素子が前記検出素子上に位置して前記下部接点素子と上下方向で重なって、前記上部接点素子から延びた前記接続トラックが延び下がって前記支持基板上に到達し、前記下部接点素子上に前記検出素子を重ねることによって、短絡が前記上部接続トラックと前記下部接点素子との間で防止されていることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第３項のうち１つに記載の力センサ。８．支持基板（１０）と、下部接点素子（１２）と、厚膜抵抗材でできた検出素子（１４）と、少なくとも２つの上部接点素子と、下部接続トラックと、少なくとも２つの上部接続トラックとを備えた力センサであって、前記下部接点素子が前記支持基板上に位置し、前記下部接点素子から延びた前記下部接続トラックが前記支持基板上に位置し、前記検出素子が前記下部接点素子上に重なり、前記上部接点素子が前記検出素子上に位置して前記下部接点素子と上下方向で重なって、前記上部接点素子から延びた前記接続トラックが延び下がって前記支持基板上に到達し、前記下部接点素子上に前記検出素子を重ねることによって、短絡が前記上部接続トラックと前記下部接点素子との間で防止されていることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第３項のうち１つに記載の力センサ。９．少なくとも前記検出素子を通って前記力（Ｆ）の方向に延びた孔（２６）を有することを特徴とする請求の範囲第１項乃至第８項のうち１つに記載の力センサ。１０．ホイートストン・ブリッジ回路内に配置された力センサであって、前記ホイートストン・ブリッジ回路が少なくとも部分的に前記支持基板（１０）上に位置し、且つ、少なくとも１つの別の外部校正抵抗（３４）を備えていることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第９項のうち１つに記載の力センサ。１１．ダミー・センサ（４０、４０ａ）が温度補償のために設けられ、前記ダミー・センサが力の検出には使用されないことを特徴とする請求の範囲第１０項記載の力センサ。１２．前記ブリッジ回路の少なくとも１つの抵抗が、請求の範囲第４項または同第８項に記載のセンサ構造によって実現されていることを特徴とする請求の範囲第１０項または同第１１項に記載の力センサ。１３．前記ブリッジ回路の抵抗の相対的アスペクト比（長さ、幅及び厚さ）が、前記抵抗のために異なった値のインピーダンスを発生させるために、それぞれ異なっていることを特徴とする請求の範囲第１０項乃至第１２項のうち１つに記載の力センサ。１４．前記力センサにおけると同じ支持基板（１０）上に、追加的に信号増幅器と、もし必要とされれば、同増幅器と前記センサとの間のインターフェイス回路とが更に集積されていることを特徴とする請求の範囲第４項乃至第１３項のうち１つに記載の力センサ。１５．前記力センサの最外面に設けたフィルムによって気密にシールされていることを特徴とする第１項乃至第１４項のうち１つに記載の力センサ。１６．塑性変形媒体が前記力センサの最上面に位置させられていることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第１５項のうち１つに記載の力センサ。１７．前記支持基板（１０）が、少なくとも一方の面上に非導電性材料を備えていることを特徴とする請求の範囲第４項乃至第１６項のうち１つに記載の力センサ。１８．制動コマンドと関連して車両のドライバの動きを検出するために車両ブレーキ・システムに使用されることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第１７項のうち１つに記載の力センサ。１９．前記力センサによって測定された力が車両のブレーキ・ランプの光の強度を制御するために利用されることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第１８項のうち１つに記載の力センサ。２０．厚膜抵抗性インクを少なくとも１回のスクリーン印刷で用いて前記検出素子（１４）を作ることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第１９項のうち１つに記載された力センサの製作方法。２１．前記検出素子（１４）が、１つの工程で加熱され、または各印刷層に対してそれぞれの工程で加熱されることを特徴とする請求の範囲第２０項記載の力センサの製作方法。２２．隣接する抵抗フイルム層の対、または及び隣接する抵抗層のグループを加熱することによって前記検出素子（１４）を作ることを特徴とする請求の範囲第２０項記載の力センサの製作方法。２３．酸化物ボンディング・メカニズムを使用する加熱工程中に前記支持基板上に固着される前記下部接点素子のために、及びまたは同前記接続トラックのために厚膜材料が使用されることを特徴とする請求の範囲第４項乃至第８項のうち１つに記載の力センサの製作方法。２４．混合ボンディング・メカニズムを使用する加熱工程の期間中に前記支持基板上に固着される前記下部接点素子のために、及びまたは同前記接続トラックのために厚膜材料が使用され、該厚膜下部接点素子（１２）の再溶融温度が、接触領域に於ける両方のペーストの混合を回避するために前記抵抗性インクの加熱温度よりも高くされていることを特徴とする請求の範囲第４項乃至第８項のうち１つに記載の力センサの製作方法。２５．前記下部接点素子のために、及びまたは前記接続トラックのために薄膜材料が使用され、前記薄膜材料が薄膜技術によって前記支持基板上に選択的に付着させられることを特徴とする請求の範囲第４項乃至第８項のうち１つに記載の力センサの製作方法。２６．前記上部接点素子のために、及びまたは接続トラックのために薄膜材料が使用され、前記薄膜材料が、前記検出素子の、及びまたは支持基板の最上面に選択的に付着させられることを特徴とする請求の範囲第４項乃至第８項のうち１つに記載の力センサの製作方法。２７．フリット・ボンディング・メカニズムを使用して前記検出素子の上面に固着された前記上部接点素子のために、及びまたは同前記接続トラックのために厚膜材料が使用され、この場合において、前記上部接点素子に使用されるペーストの最高加熱温度が、該上部接点素子の下にある前記検出素子の厚膜抵抗材の再溶融点よりも低いことを特徴とする請求の範囲第４項乃至第８項のうち１つに記載の力センサの製作方法。２８．前記検出素子（１４）の抵抗層と前記ダミー・センサ（４０、４０ａ）の抵抗層とが、同じスクリーン・フレーム、またはインク・アプリケータの同じ行程のいずれかを使用して印刷されることを特徴とする請求の範囲第１１項記載の力センサの製作方法。