WO2006006677A1

WO2006006677A1 - 荷重センサ及びその製造方法

Info

Publication number: WO2006006677A1
Application number: PCT/JP2005/013072
Authority: WO
Inventors: Daiji Uehara; Yasushi Yamamoto; Toshio Honma
Original assignee: Nagano Keiki Co., Ltd.
Priority date: 2004-07-14
Filing date: 2005-07-14
Publication date: 2006-01-19
Also published as: EP1788371A1; US20080083287A1; JPWO2006006677A1

Abstract

　コンパクトで高い信頼性及び品質を確保しつつ、しかも低コストな荷重センサ及びその製造方法を提供する。このために、薄板状のセンサプレート５、このセンサプレート５に取り付けられた複数の歪みゲージ２１ａ～２２ｄとを具備する荷重センサに関し、前記センサプレート５の一軸方向の両端を任意の対象物に固定させる固定部とする一方で、その中心点Ｃが変位乃至荷重をこのセンサプレート５に伝達せしめる伝達部とする。そして、前記歪みゲージ２１ａ～２２ｄを前記中心点Ｃに対して点対称となる位置に配置すると共に、点対称となる位置に配された歪みゲージ２１ａ～２２ｄ同士を電気的に並列又は直列に接続してゲージペアを構成し、さらに、各ゲージペア同士を電気的に直列に接続して、これら歪みゲージ２１ａ～２２ｄでブリッジ回路を構成する。

Description

明細書

荷重センサ及びその製造方法

技術分野

[0001] 本発明は、測定対象物の変形に応じて歪む部材の歪みを歪みゲージで検知し、これを電気信号に変換して測定対象物に付加された荷重を測定する荷重センサ及びその製造方法に関する。

背景技術

[0002] 従来から、測定対象物に取り付けられる起歪体と、この起歪体に取り付けられ、その歪みを電気信号に変換する歪みゲージとを具備する荷重センサが知られて、る。この従来の荷重センサは、例えば、特許文献 1に示すように、測定対象物の変位量に応じて発生する起歪体の歪みを、直接歪みゲージで検知していた。この特許文献 1 に開示の荷重センサでは、起歪体として上下面が相互に平行をなす平行梁が使用されている。平行梁にはその内側に貫通孔が形成され、平行梁の上側と下側とに肉厚の薄、応力集中部がそれぞれ 2ケ所ずつ形成されて、る。

[0003] 一方、このような荷重センサに使用される歪みゲージは、ポリイミドゃエポキシ等の榭脂フィルムに金属抵抗を設けて構成されたものが多く使用されている。そして、これら歪みゲージは接着剤により起歪体の応力集中部へ貼り付けて固定されている。また、これら従来力も使用されている荷重センサでは、測定したい軸方向以外の方向から作用付加された荷重により発生する偏荷重誤差を補正するために、複数の歪みゲージを、相対する位置に配置していた。

特許文献 1：特開昭 54— 116983号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] しかし、上記特許文献 1に代表される従来の荷重センサには、つぎのような問題点かあつた。

[0005] 第 1に、平行梁の応力集中部へ歪みゲージを貼り付ける際に、設計した位置からずれた位置に貼り付けられてしまうことが多々あった。ずれた位置に貼り付けられると、歪みゲージ力も出力される信号特性がばらつき、正確な偏荷重誤差補正ができなくなる。

[0006] 第 2に、貼り付けに使用する榭脂系等の接着剤は耐湿性が低ぐこのため、時間の経過と共に歪みゲージの浮き上がり等の現象が発生し、信頼性にも難点があった。

[0007] 第 3に、貼り付けタイプの歪みゲージはゲージ率が低!、（ゲージ率は 2程度)。大きな出力を得るために、起歪体としての平行梁を長く形成するか、肉厚を薄く形成していた。このため、荷重センサをコンパクトに形成することが困難で、し力も、製造コストもかかっていた。

[0008] 本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、コンパクトで高い信頼性及び品質を確保しつつ、し力も低コストな荷重センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0009] 本発明では、上記課題を解決するために、薄板状のセンサプレートと、このセンサプレートに取り付けられた複数の歪みゲージとを具備する荷重センサにおいて、前記センサプレートは、その一軸方向の両端が、このセンサプレートを任意の対象物に固定させる固定部となされる一方で、その中心点が変位乃至荷重をこのセンサプレートに伝達せしめる伝達部となされ、前記歪みゲージを前記中心点に対して点対称となる位置に配置すると共に、点対称となる位置に配された歪みゲージ同士を電気的に並列又は直列に接続してゲージペアを構成し、さらに、各ゲージペア同士を電気的に直列に接続して、これら歪みゲージでブリッジ回路を構成した荷重センサを採用した。

[0010] また、本発明では上記荷重センサにおいて、測定対象物に取り付けられて、該測定対象物の変形量に応じて変位する、凹所の形成された起歪体を具備し、前記一軸方向が前記凹所を横断するよう前記センサプレートが配されて前記固定部がこの起歪体に固定され、前記凹所には、前記センサプレートの中心点に向けて突出する伝達部が形成され、前記起歪体の変位がこの伝達部を介して前記センサプレートに伝達されるように構成した。

[0011] 前記センサプレートの一面側に、複数の凹部をこのセンサプレートの中心線に対して対称となるよう、前記中心線力所定の距離毎に形成し、このセンサプレートの他面側に、これら凹部のうち前記中心線力等距離にある対称となる位置に設けられた凹部に歪みゲージを配した。

[0012] また、本発明では上記の荷重センサにおいて、前記センサプレートに、前記一軸方向に関する前記センサプレートの中心をなす中心線を示す目印を形成し、このセンサプレートの一面側に前記中心線に対して対称となる位置に凹部を形成して板厚の薄く形成した応力集中部を設けている。

[0013] この場合にお、て、本発明では前記歪ゲージを、前記凹部の形成された面と逆側の面にて、前記目印までの距離と目印に対する方向を決定することにより前記応力集中部の位置に配置させるようにして、る。

[0014] そして、本発明では以上の荷重センサについて、前記歪みゲージを半導体珪素薄膜で構成したことを特徴として!/、る。

[0015] その一方で、本発明では上記課題を解決するために、薄板状のセンサプレートと、このセンサプレートに取り付けられた複数の歪みゲージとを具備し、前記センサブレートは、その一軸方向の両端が、このセンサプレートを任意の対象物に固定させる固定部となされる一方で、その中心点が変位乃至荷重をこのセンサプレートに伝達せしめる伝達部となされる荷重センサの製造方法であって、一枚の基板に対して一度のエッチングを行うことで、前記基板に、縦横に配列された複数の前記センサプレートと、これらセンサプレートを相互に連結する細、連結片とを具備するセンサプレート群を形成し、し力も、前記エッチングで各センサプレートの前記一軸方向の中心に位置する中心線を示す目印をそれぞれ形成すると共に、各センサプレートの一面側に前記中心線に対して対称となる位置に凹部を形成して板厚の薄い応力集中部を設け、次いで、前記目印までの距離及び方向を決定することで、前記中心点に対して点対称であって前記応力集中部の位置に前記歪ゲージが配置されるように、前記センサプレート群をなす前記センサプレートに半導体珪素薄膜をそれぞれ形成し、その後、これらセンサプレートを相互に分離する荷重センサの製造方法を採用した。

[0016] そして、上記製造方法に関し、その対象となる前記荷重センサは、測定対象物に取り付けられて、該測定対象物の変形量に応じて変位する、凹所の形成された起歪体を前記センサプレートとは別体として設けられた荷重センサであって、本発明では、さらに、相互に分離された前記センサプレートの前記一軸方向が前記凹所を横断するようにして、前記センサプレートの前記一軸方向の両端を前記起歪体に固定することで荷重センサを製造することを特徴とする。

発明の効果

[0017] 本発明によれば、センサプレートに上記のように歪みゲージを配置すると共に相互に接続するので、測定誤差の低減を図れる。また、歪みゲージの設けられるセンサプレートとして薄板を採用するので、コンパクトに形成できる。また、センサプレートを起歪体とは別部材で形成するので、それぞれ別個に製作でき、製造コストを低減できる。さらに、コンパクトでありながら、高い出力を得ることが可能となる。

[0018] また、歪みゲージを基準に対して特定の位置 '方向に配置することから、特性のばらっきを低減できしカゝも歩留まりを向上させる。その結果、コストダウンも併せて図ることができる。なお、複数の歪みゲージを同一の凹部に配置すれば、それぞれの歪みゲージ特性のノラツキを小さくでき、よって、温度による誤差をも小さくできる。

[0019] そして、本発明に力かる荷重センサで荷重を測定すれば、高、精度で荷重を測定できる。

[0020] 一方、本発明の製造方法では、製造コストのダウンと効率ィ匕を同時に図ることができる。

図面の簡単な説明

[0021] [図 1]本発明の一実施形態に力かる荷重センサを模式的に示した図。

[図 2]センサプレートの平面図。

[図 3]図 2に示すセンサプレートの側面図。

[図 4]図 2及び図 3に示すセンサプレートに、別の態様で歪みゲージを配したセンサプレートの平面図。

[図 5]図 4に示すセンサプレートの側面図。

[図 6]別の態様で歪みゲージを配したセンサプレートの平面図。

[図 7]さらに、別の態様で歪みゲージを配したセンサプレートの平面図。

[図 8]別の実施形態に力かるセンサプレートの平面図。 [図 9]歪みゲージにより形成されたブリッジ回路の回路図。

[図 10]別の実施形態に力かるブリッジ回路の回路図。

[図 11]図 1に示す荷重センサとは別の実施形態に力かる荷重センサを模式的に示した図。

[図 12]図 7に示す荷重センサに使用されるセンサプレートの平面図。

[図 13]図 8に示すセンサプレートとは別の実施形態に力かるセンサプレートの平面図

[図 14]センサプレート群の上面図。

[図 15]センサプレート群の下面図。

[図 16]成膜工程により歪みゲージが設けられたセンサプレートの斜視図。

[図 17]中心部が Z軸方向の上方に歪んだセンサプレートの側面図。

[図 18]中央部が Y軸方向に橈んだセンサプレートの平面図。

[図 19]各軸の方向の説明図。

符号の説明

1 起歪体

2 凹所

3 取付部

4. 4A 伝達ロッド (伝達部材）

5 センサプレート

6 貫通孔（目印）

6A, 6B 窪み（目印）

7. 8, 9, 10 · ·凹溝

11, 12 応力集中部

13, 14 応力集中部

21a〜21d'，'歪みゲージ

22a〜22d'，'歪みゲージ

30 センサプレート

31 貫通孔 32, 33 凹溝

34, 35 応力集中部

40 基板

41 センサプレート群

42 連結片

50 酸化珪素薄膜

51 歪みゲージパターン

52 金薄膜

53 窒化珪素薄膜

発明を実施するための最良の形態

[0023] 以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

[0024] 図 1は、本発明の一実施形態に力かる荷重センサの内部構造を模式的に示した縦断面図である。荷重センサは、測定対象物に取り付けられる起歪体 1と、この起歪体 1に接続される平板状のセンサプレート 5とを備えて、る。

[0025] 起歪体 1は、厚肉の板材により構成され、その周縁が矩形状に形成されている。この起歪体 1の上面には、周縁から内側に入り込んだ位置に下面側に向けて窪ませた凹所 2が形成されている。そして、起歪体 1の中心部 Cには、この凹所 2の底面から上方に向けて延びる伝達ロッド 4が起歪体 1と一体に形成されている。一方、起歪体 1の下面には、起歪体 1の中心部 Cにて、下方に向けて突出する取付部 3が形成されている。この取付部 3は、測定対象物に当該荷重センサを取り付ける際に使用される部位である。

[0026] センサプレート 5は、薄板材が長方形に形成された部材である。センサプレート 5は、起歪体 1の凹所 2を横断するようにして起歪体 1の上面に配置され、その長軸方向（ X軸方向）の両端部 5a, 5aが凹所 2の縁部 2aに溶接により固定され、起歪体 1に接合される。一方、センサプレート 5の中心部 Cにはセンサプレート 5の板厚を貫く貫通孔 6が形成されている。この貫通孔 6には、凹所 2の底部から延びる伝達ロッド 4の先端が挿入される。そして、挿入された伝達ロッド 4の先端がセンサプレート 5に溶接されて、この中心部 Cでも起歪体 1とセンサプレート 5とが接合される。 [0027] かかるセンサプレート 5の下面には、短軸方向（Y軸方向）に延びる凹部としての凹溝 7, 8, 9, 10がその長軸方向（X軸方向）の 4ケ所に形成されている。これら凹溝 7, 8, 9, 10は、中心部 Cを通り、短軸方向（Y軸方向）に延びる中心線 CLに対して線対称となる位置にそれぞれ配置されており、貫通孔 6形成と同時にエッチングにより形成される。この凹溝 7, 8, 9, 10を形成して板厚を薄くすることで、応力の集中が生じ、この 4ケ所が応力集中部 11, 12, 13, 14として機能する。

[0028] そして、この応力集中部 11, 12, 13, 14では、凹溝 7, 8, 9, 10の形成された下面とは逆側の上面に歪みゲージ 21a〜21d, 22a〜22dがそれぞれ 2つずつ設けられている。この歪みゲージ 21a〜21d, 22a〜22dは、センサプレート 5に生ずる歪みを電気信号に変換する素子である。この実施形態では、各歪みゲージ 21a〜21d, 22 a〜22dは、その軸方向がセンサプレート 5の長軸方向（X軸方向）に一致されて各応力集中部 11, 12, 13, 14にそれぞれ設けられている。

[0029] また、各歪みゲージ 21a〜21d, 22a〜22dは、図 2に示すように、センサプレート 5 の中心部 Cを通る中心線 CLに対して線対称となるように応力集中部 11, 12, 13, 1 4にそれぞれ設けられている。例えば、中心線 CLに対して外側に位置する 2つの応力集中部 11, 14にそれぞれ設けられた歪みゲージ 21aと歪みゲージ 21dとは、中心部 Cに対して点対称となる位置にそれぞれ配置されている。同様に、中心線 CLに対して内側に位置する 2つの応力集中部 12, 13にそれぞれ設けられた歪みゲージ 22 bと歪みゲージ 22cとは中心部 Cに対して点対称となるように配置されている。

[0030] このように、歪ゲージ 21a〜21d, 22a〜22dを、中心部 Cに対して点対称、かつ、応力集中部 11, 12, 13, 14の位置に正確に配置するために、この荷重センサでは、中心部 Cに設けられた貫通孔 6を目印としている。即ち、貫通孔 6を目印として、貫通孔 6までの距離、及び貫通孔 6に対する方向を決定して歪ゲージ 21a〜21d, 22a 〜22dを位置決めしている。

[0031] なお、応力集中部及び歪みゲージ 21a〜21d, 22a〜22dの配置は、中心部じに対して点対称となるように設ける態様であれば、図 2及び図 3に示す態様には限定されない。

[0032] 図 4〜図 7は、センサプレート 5に別の態様で歪みゲージ 21a〜21d, 22a〜22dを配したものをそれぞれ示している。なお、これら図 4〜図 7に示すセンサプレート 5の構造は、図 2及び図 3に示すセンサプレート 5と同様であって、短軸方向（Y軸方向）に延びる凹部としての凹溝 7, 8, 9, 10がその長軸方向（X軸方向）の 4ケ所に形成されている。これら凹溝 7, 8, 9, 10は、中心部 Cを通り、短軸方向（Y軸方向）に延びる中心線 CLに対して線対称となる位置にそれぞれ配置されている。即ち、凹溝 7, 8 , 9, 10は、中心線 CLを境に、長軸方向（X軸方向）の片側にそれぞれ 2つずつ形成されている。また、中心部 Cには、センサプレート 5の厚み方向を貫通する貫通孔 6が形成されている。これら凹溝 7, 8, 9, 10も、貫通孔 6の形成と同時にエッチングにより形成される。このように、当該センサプレート 5についても、凹溝 7, 8, 9, 10を形成して板厚を薄くすることで、応力の集中が生じ、この 4ケ所が応力集中部 11, 12, 13 , 14として機能する。

[0033] そして、図 4〜図 7に示すものは、凹溝 7, 8, 9, 10のうち中心部 Cに近い側の凹溝 8, 9に対応する位置の上面に、歪みゲージ 21a〜21d, 22a〜22d力 Sそれぞれ 4つずつ配置される。

[0034] 図 4及び図 5に示すセンサプレート 5には、歪みゲージ 21a〜21d, 22a〜22d力中心部 Cに対して点対称となるように、凹溝 8の位置に対応する応力集中部 12には、歪みゲージ 21a, 21b, 22a, 22b力設けられ、凹溝 9に対応する応力集中部 13には、歪みゲージ 21c, 21d, 22c, 22d力設けられている。

[0035] 応力集中部 12に設けられた歪みゲージ 21a, 21b, 22a, 22bについては、短軸方向（Y軸方向）の外側に配された 2つの歪みゲージ 21a, 21bは、その軸方向がセンサプレート 5の短軸方向（Y軸方向）に一致されている。一方、短軸方向（Y軸方向）の内側に配された 2つの歪みゲージ 22a, 22bは、その軸方向が長軸方向（X軸方向 )に一致されている。同様に、応力集中部 13に設けられた歪みゲージ 21c, 21d, 22 c, 22dについても、短軸方向（Y軸方向）の外側に配された 2つの歪みゲージ 21c, 21dは、その軸方向が短軸方向（Y軸方向）に一致され、内側に配された 2つの歪みゲージ 22c, 22dはその軸方向が長軸方向に一致されて、る。

[0036] このように歪みゲージ 21a〜21d, 22a〜22dが配されることで、中心部 Cに対して、点対称の位置に配された歪みゲージの対が 4対形成される。即ち、歪みゲージ 21a と歪みゲージ 21d、歪みゲージ 21bと歪みゲージ 21c、歪みゲージ 22aと歪みゲージ 22d、並びに歪みゲージ 22bと歪みゲージ 22cとは、中心部 Cに対してそれぞれ点対称となる。

[0037] 図 6は、センサプレート 5に別の態様で歪みゲージを配置したものを示している。

[0038] この図 6に示す態様のものでは、各応力集中部 12, 13に関し、短軸方向（Y軸方向）の中心側に、二つの歪みゲージがその軸方向を当該短軸方向（Y軸方向）に向けて配され、さらに、短軸方向（Y軸方向）に関してこれら歪みゲージの外側に、二つの別の歪みゲージが、その軸方向を長軸方向（X軸方向）に向けて配されている。

[0039] 具体的には、凹溝 8の位置に対応する応力集中部 12に、歪みゲージ 21a, 21b, 2 2a, 22bが設けられ、凹溝 9に対応する応力集中部 13に、歪みゲージ 21c, 21d, 2 2c, 22dが設けられている。

[0040] 応力集中部 12において、短軸方向（Y軸方向）の内側に配された 2つの歪みゲージ 21a, 21bは、その軸方向がセンサプレート 5の短軸方向（Y軸方向）に一致されている。一方、短軸方向（Y軸方向）の外に配された 2つの歪みゲージ 22a, 22bは、その軸方向が長軸方向（X軸方向）に一致されている。同様に、応力集中部 13において、短軸方向（Y軸方向）の内側に配された 2つの歪みゲージ 21c, 21dは、その軸方向が短軸方向（Y軸方向）に一致され、外側に配された 2つの歪みゲージ 22c, 22 dはその軸方向が長軸方向に一致されて、る。

[0041] このように歪みゲージ 21a〜21d, 22a〜22dが配されることで、中心部 Cに対して、点対称の位置に配された歪みゲージの対が 4対形成される。即ち、歪みゲージ 21a と歪みゲージ 21d、歪みゲージ 21bと歪みゲージ 21c、歪みゲージ 22aと歪みゲージ 22d、並びに歪みゲージ 22bと歪みゲージ 22cとは、中心部 Cに対してそれぞれ点対称となる。

[0042] さらに、図 7に示すセンサプレート 5には、別の態様で歪みゲージが配置されている。この図 7に示すセンサプレート 5にあっては、凹溝 8及び凹溝 9の位置にそれぞれ対応する応力集中部 12及び応力集中部 13には、 4つの歪みゲージが正方形を描くようにしてそれぞれ配されて！、る。

[0043] 応力集中部 12に配された歪みゲージ 21a, 21b, 22a, 22bにおいては、 2つの歪みゲージ 21a, 21b力その軸方向を短軸方向（Y軸方向）に向けられ、かつ相互に平行をなして配置されている。また、これら歪みゲージ 21a, 21bの両端を結ぶようにして、 2つの歪みゲージ 22a, 22bがその軸方向を長軸方向（X軸方向）に向けられ、かつ相互に平行をなすようにして配されて、る。

[0044] この図 7に示す態様のものにおいても、歪みゲージ 21aと歪みゲージ 21d、歪みゲージ 21bと歪みゲージ 21c、歪みゲージ 22aと歪みゲージ 22d、並びに歪みゲージ 2 2bと歪みゲージ 22cと力中心部 Cに対してそれぞれ点対称となる。

[0045] 以上、中心部 Cを通る中心線 CLを境に、長軸方向（X軸方向）の片側に 2つずつの凹溝 7, 8,と凹溝 9, 10を形成して、応力集中部 11, 12, 13, 14を設けたセンサプレート 5を例に説明したが、これに限定されるものではなぐ片側に 3つ以上の凹溝を形成して応力集中部を設けても構わない。また、歪みゲージ 21a〜21d, 22a〜22d の取付位置についても、図 4〜図 7に示した例では中心部 Cに近い側に位置する応力集中部 12, 13に歪みゲージ 21a〜21d, 22a〜22dを設けているが、中心線 CL に対して対称となるように設けるのであれば、中心線 CL力離れた応力集中部 11, 14に歪みゲージを設けても良、。片側に 3ケ所以上の応力集中部を設けるのであれば、中心線 CL力も数え 3つめより外側の応力集中部に歪みゲージ 21a〜21d, 22a 〜22dを設けても良い。

[0046] さらには、中心線 CLに対して対称となるように、センサプレートの長軸方向（X軸方向）に関し、片側に凹溝をそれぞれ 1つ形成し、対応する応力集中部を 1つずつ設けてもよい。

[0047] 図 8は、センサプレート 30の長軸方向（X軸方向）に関して 2ケ所のみに応力集中部 34, 35を設け、各応力集中咅 35にそれぞれ 4つの歪みゲージ 21a〜21d, 22a 〜22dを設けた態様を示すものである。このセンサプレート 30に設けられた応力集中部 34, 35は、長軸方向（X軸方向）に関し、中心線 CLに対して対称となる 2ケ所に設けられている。これら応力集中部 34, 35も、センサプレート 30の下面に、短軸方向（ Y軸方向）に延びる凹溝 32, 33を形成し、センサプレート 30の板厚を薄くすることでそれぞれ設けられている。

[0048] 片側の応力集中部 34に設けられている歪みゲージ 21a, 21b, 22a, 22bのうち短軸方向（Y軸方向）の外側に配された 2つの歪みゲージ 21a, 21bは、その軸方向がセンサプレート 30の短軸方向（Y軸方向）に一致されている。一方、短軸方向（Y軸方向）の内側に配された 2つの歪みゲージ 22a, 22bは、その軸方向が長軸方向（X 軸方向）に一致されている。同様に、応力集中部 35に設けられた歪みゲージ 21c, 2 Id, 22c, 22dについても、短軸方向（Y軸方向）の外側に配された 2つの歪みゲージ 21c, 21dは、その軸方向が短軸方向（Y軸方向）に一致され、内側に配された 2つの歪みゲージ 22c, 22dはその軸方向が長軸方向（X軸方向）に一致されている。

[0049] このように歪みゲージ 21a〜21d, 22a〜22dを配することで、これら歪みゲージ 21 a〜21d, 22a〜22dについても、中心部 Cに対して点対称となるようにそれぞれ配置されている。例えば、応力集中部 34の歪みゲージ 21aと、応力集中部 35の歪みゲージは 21dとは、中心部 Cに対して点対称となる。同様に、応力集中部 34の歪みゲージ 22bと、応力集中部 35の歪みゲージ 22cとは中心部 Cに対して点対称となる。

[0050] なお、上述した、図 6及び図 7に示した態様で歪みゲージ 21a〜21d, 22a〜22dを配置する場合にも、このセンサプレート 30を使用することができる。

[0051] これら歪みゲージ 21a〜21d, 22a〜22dは、いずれも CVD法ゃスパッタ法などを用い、半導体珪素薄膜により形成されている。

[0052] 以上の歪みゲージ 21a〜21d, 22a〜22dは、図 9に示すように相互に接続され、ブリッジ回路が形成される。この図 9に示すブリッジ回路では、中心部 Cに対して点対称となる位置に配された二つの歪みゲージが電気的に並列にそれぞれ接続され、 4 組のゲージペアが形成されて、る。

[0053] 例えば、図 2において、外側に配された歪みゲージ 21aと歪みゲージ 21dの組、及び歪みゲージ 21bと歪みゲージ 21cの組がそれぞれゲージペアとして構成され、内側に配された歪みゲージ 22aと歪みゲージ 22dの組、及び歪みゲージ 22bと歪みゲージ 22cの組がそれぞれゲージペアとしてそれぞれ構成される。そして、各ゲージべァ同士は相互に直列に接続され、閉じた回路が形成される。この際、外側に配された歪みゲージ 21a, 21dの組と歪みゲージ 21b, 21cの組とが相互に対向する位置に配されると共に、内側に配された歪みゲージ 22a, 22dの糸且と、歪みゲージ 22b, 22c の組とが相互に対向する位置に配置される。 [0054] そして、当該ブリッジ回路では、歪みゲージ 21a, 21dの組からなるゲージペアと、歪みゲージ 22b, 22cの組とからゲージペアとの間、及び歪みゲージ 21b, 21cの組力もなるゲージペアと、歪みゲージ 22a, 22dの組からなるゲージペアとの間を電源 V inに接続し、電圧をブリッジ回路に印加している。他方、歪みゲージ 21a, 21dの組力もなるゲージペアと、歪みゲージ 22a, 22dの組からなるゲージペアとの間、及び歪みゲージ 21b, 21cの組からなるゲージペアと、歪みゲージ 22b, 22cの組とからゲージペアとの間との間を出力用の端子として利用している。

[0055] なお、図 9のブリッジ回路では点対称となる位置に配されている歪みゲージ同士を並列に接続して、るが、図 10のように直列に接続してもよ!/、。

[0056] この図 10に示すブリッジ回路では、外側に配された歪みゲージ 21aと歪みゲージ 2 Idとが直列に接続されると共に、歪みゲージ 21bと歪みゲージ 21cとが直列に接続される。また、内側に配された歪みゲージ 22aと歪みゲージ 22dとが直列に接続されると共に、歪みゲージ 22bと歪みゲージ 22cとが直列に接続される。そして、直列に接続された歪みゲージ同士力それぞれゲージペアとしてそれぞれ構成される。なお、このブリッジ回路についても、電圧を印加する位置、及び信号の出力端子を設ける位置は、図 9に示すブリッジ回路と同様である。

[0057] 以上、センサプレート 5の中心部 Cに形成された貫通孔 6に、起歪体 1の伝達ロッド 4の先端を挿入し、この部分を接合した場合について説明した力図 11及び図 12〖こ示すように構成してもよい。

[0058] この実施形態に力かる荷重センサでは、起歪体 1とセンサプレート 5とが中心部じで接合されずに、両者が分離されている。センサプレート 5の上面には、中心部 Cに、窪み 6Aが形成されており、同時に裏面に凹溝 7, 8, 9, 10がエッチングにより形成されている。一方、起歪体 1の凹所 2には、中心部 Cの位置に、凹所 2の底面からセンサプレート 5に向けて突出する伝達ロッド 4Aが形成されている。この伝達ロッド 4Aは、その上端がセンサプレート 5とは接合されず、センサプレート 5の下面に接触しているだけである。この荷重センサにあっても、伝達ロッド 4Aの先端力センサプレート 5 の中心部 Cを下力上に押し付けられる方向の荷重についての測定を行うことができる。 [0059] ここで、センサプレート 5の上面に形成された窪み 6Aは、歪ゲージを配置する際の目印となる。即ち、歪ゲージは、この窪み 6Aを目印として形成されることにより、裏面の凹溝 7, 8, 9, 10に対して正確に位置決めされる。なお、歪ゲージを位置決めする際の目印は、中心部 Cの一ヶ所に設けるものには限定されない。図 13に示すセンサプレート 5では、中心部 Cを通り、短軸方向に延びる中心線 CL上において、センサプレート 5の両端部に三角形状の小さな窪み 6B, 6Bが設けられている。このセンサプレート 5では、窪み 6B, 6Bが、歪ゲージの位置決めの基準となる目印として機能する

[0060] 以上の構成を備えた、荷重センサは次のように製造される。

[0061] 図 14及び図 15はセンサプレート 5を製造する工程を示すもので、図 14は基板 40の表面を、図 15は基板 40の裏面をそれぞれ示している。センサプレート 5は、一枚の基板 40の両面からエッチング力卩ェを行うことにより、基板 40の周縁の枠部分 40aと、縦方向及び横方向にそれぞれ延びる中心リブ 43, 43とで区切られた 4ケ所の領域に形成される。なお、基板 40としては、高弾性率を有するステンレス板が使用される。また、基板 40はエッチング力卩ェに先立って予め研磨されており、基板 40の表面 (歪ゲージの形成される面）が鏡面仕上げされて、る。

[0062] 基板 40にエッチング力卩ェを行うことで、各領域には、複数のセンサプレート 5が縦横に配列されるように形成される。また、このエッチングカ卩ェでは、これらセンサプレート 5の短軸方向（Y軸方向）に延びる細い連結片 42を同時に形成し、各センサブレート 5が短軸方向（Y軸方向）に連ねられるように、センサプレート 5を連結片 42で相互に連結する。なお、連結する方向は、短軸方向（Y軸方向）に限定するものではなぐ長軸方向（X軸方向）に連結しても構わない。また、双方の方向に連結しても構わない。

[0063] また、この製法では、両面からのエッチング加工を行うことで、各センサプレート 5の中心に、その板厚方向を貫く貫通孔 6を形成する。さら〖こは、裏面からのエッチング加工により、各センサプレート 5の裏面に短軸方向（Y軸方向）に延びる凹溝 7, 8, 9 , 10がそれぞれ 4ケ所に貫通孔 6と同時に形成される。各センサプレート 5の各位置に形成された凹溝 7, 8, 9, 10は、その位置で短軸方向（Y軸方向）に延びる同一の直線上にそれぞれ形成される。

[0064] このように、当該エッチング力卩ェは一枚の基板 40から複数のセンサプレート 5を有するセンサプレート群 41を形成する。また、各センサプレート 5は、一枚の基板 40〖こ両面からのエッチング加工を施すことにより、その外形の形成、中心部 Cの貫通孔 6 の形成、及び応力集中部 11, 12, 13, 14を形成する凹溝 7, 8, 9, 10の形成を一工程で行っている。なお、図 12又は図 13に示したセンサプレート 5の場合には、貫通孔 6に代えて、このエッチング工程で窪み 6A又は窪み 6Bが形成される。

[0065] なお、センサプレート 5の外形、中心部 Cに形成される貫通孔 6、及びセンサプレート 5の一面側に形成される凹溝 7, 8, 9, 10は、エッチング加工で形成することには限定されず、レーザー加工で形成しても構わない。レーザー加工を行う場合には、凹溝 7, 8, 9, 10の形成されるセンサプレート 5の一面側力もその外形、貫通孔 6及び凹溝 7, 8, 9, 10を形成すればよい。

[0066] そして、基板 40からセンサプレート群 41を形成した後は、図 16に示すように成膜ェ程が実施される。

[0067] この成膜工程では、先ず、 CVD法によりセンサプレート群 41を構成する各センサプレート 5に酸化珪素薄膜 50を形成する。形成された酸化珪素薄膜 50により、センサプレート 5と歪みゲージ 21a〜21d, 22a〜22dとが電気的に絶縁される。次いで、半導体珪素薄膜を同じく CVD法で、各センサプレート 5の全面に形成する。この際、歪みゲージパターン 51の形成はエッチングによりなされ、その位置決めは、上記のエッチング力卩ェで既に形成されている貫通孔 6を基準に行われる。即ち、中心部こ形成された貫通孔 6に対する距離及び方向が、応力集中部を形成する凹溝 7, 8, 9 , 10と重なるように予め決定されており、パターンの形成は、当該応力集中部の位置に正確に行われる。

[0068] 次いで、配線及び電極取出しのための金薄膜 52を蒸着させる。その後、歪みゲージ保護のための窒化珪素薄膜 53を CVD法により形成する。

[0069] このように、当該成膜工程では、複数のセンサプレート 5からなるセンサプレート群 4

1に対しバッチ処理を行って、一度に複数のセンサプレート 5について成膜する。

[0070] この成膜工程終了後、センサプレート 5を相互に連結している連結片 42が切断されて、個々のセンサプレート 5が形成される。切断は、例えば、カットソー等を使用すればよい。

[0071] このようにして、歪みゲージ 21a〜21d, 22a〜22dの設けられたセンサプレート 5は、その後に起歪体 1と接合され、図 1に示す構造を有する荷重センサとして形成される。

[0072] 以上の荷重センサは、次のように作用する。

[0073] 図 1を再び参照する。図示しない測定対象物に負荷が作用して測定対象物が変形すると、荷重センサには、起歪体 1の下面に設けられている取付部 3から図 1の矢印の方向に関する変位が測定対象物から伝達される。この変位は、伝達ロッド 4の延びる軸方向と一致している。この変位が取付部 3を介して起歪体 1に伝達されると、起歪体 1は、その中心部 Cが周縁に対して相対的に上下に変位する。さらに、起歪体 1の変位は、伝達ロッド 4を介してセンサプレート 5の中心部 Cに伝達される。

[0074] センサプレート 5は、その長軸方向（X軸方向）の両端が起歪体 1の凹所 2の縁部 2a において、起歪体 1に接合されている一方で、中心部 Cが伝達ロッド 4に接合されているため、センサプレート 5は両端固定梁として機能する。このため、伝達ロッド 4により変位の伝達された中心部 C力両端部 5aに対して相対的に上下に変位する。例えば、起歪体 1の中心部 Cが上方に向けて変位した場合、伝達ロッド 4を介してこの変位がセンサプレート 5の中心部 Cに伝達され、図 17示すように、センサプレート 5の中心部 Cが両端部 5aに対して相対的に上方に変位する（図 17の Z軸方向）。

[0075] そして、この変位により発生する歪みは、応力集中部 11, 12, 13, 14に集中的に発生することになる。この場合、外側の応力集中部 11, 14の上面には圧縮歪みが発生し、内側の応力集中部 12, 13の上面には引張り歪みが発生する。これらを図 2及び図 3に示すように歪みゲージ 21a〜21d, 22a〜22dを配置して測定すると、外側に配された歪みゲージ 21a〜21dは、マイナスの抵抗値変化となる。一方、内側に配された歪みゲージ 22a〜22dは、プラスの抵抗値変化となる。すると、図 9に示すプリッジ回路には電位差が発生し、これを出力電圧 (Vout)として測定することで、測定対象物の変位を測定することができる。

[0076] 次に、図 17に示す Z軸方向以外の方向の荷重が作用した場合について説明する。 [0077] なお、ここでは、変形のモデルを簡略ィ匕して説明する。なお、各軸の方向は、 X軸はセンサプレート 5の長軸方向と一致しており、 Y軸は、短軸方向と一致している。また、センサプレート 5に向力つて時計回りを 0のプラスとしている（図 19参照）。

[0078] 図 18に示すようにセンサプレート 5に、 Y軸方向に荷重が負荷されると、センサプレート 5は中央部力荷重の方向に橈み、全体が湾曲する。この場合、歪みゲージ 21a 〜21d, 22a〜22dの抵抗値は次のように変化する。

[0079] Y軸方向に関し、センサプレート 5の中心部 Cより湾曲の外側の部位には、引張り歪みが発生する。このため、歪みゲージ 21a, 22a, 22c, 21cの抵抗値はプラス側に変化する。一方、 Y軸方向に関し、センサプレート 5の中心部 Cより湾曲の内側の部位には、圧縮歪みが発生する。このため、歪みゲージ 21b, 22b, 22d, 21dの抵抗値は、マイナス側に変化する。図 9に示すように、点対称となる歪みゲージ 21a〜21d, 22a〜22dを並列に接続してゲージペアを構成した場合、歪みゲージ 21a, 21d、歪みゲージ 22a, 22d、歪みゲージ 22c, 22b及び歪みゲージ 21c, 21bの各ゲージべァでは、抵抗値の変化が相互に相殺されて「0」となる。このため、出力電圧は発生せず、 Voutは、「0」である。

[0080] 同様に X軸方向及び XYZ軸に対する回転方向の荷重が作用した場合の各歪みゲージ 21a〜21d, 22a〜22dの抵抗値の変化と出力電圧の測定値との関係をまとめると表 1に示すようになる。なお、この表 1において、「 + 1」はプラス側への変化を、「 —1」はマイナス側への変化をそれぞれ示している。この表 1から明らかなように、 Z軸方向に荷重が作用した場合を除き、歪みゲージ 21a〜21d, 22a〜22dの抵抗値の変化は相互に相殺され、その結果、出力電圧は「0」となる。

[表 1] 荷重方向各ゲージの変化量

(モ一ト'） (各モー卜'内で i 値は罔じ/符号は変化の方向を示す）各辺の変化量王

22a 21a 22b 21b 22d 21d 22c 21c 22a//22d 21a//21d 22b//22c 21b//21c 変化量

+Z +1 —1 +1 —1 +1 -1 + 1 —1 1 1 1 1 4

— Z —1 +1 -1 +1 -1 +1 —1 +1 —1 —1 —1 —1 -4

+ X +1 +1 +1 + I —1 — Ί -1 -1 0 0 0 0 0

-X —1 —1 —1 —1 +1 +1 +1 +1 0 0 0 0 0

+Y +1 +1 —1 —1 -1 —1 + 1 + I 0 0 0 0 0

— Y 一 1 —1 +1 +1 +1 +1 -1 —1 0 0 0 0 0

Z+ Θ +1 + 1 —1 —1 +1 +1 -1 -1 1 —1 —1 1 0

Z— Θ —1 -1 +1 +1 —1 -1 + 1 + | -1 1 1 -1 0

X+ Θ —1 +1 + Ί —1 +1 一 1 —1 +1 0 0 0 0 0

X- Θ +1 —1 —1 "Ή 1 —1 + 1 " ^ I —1 0 0 0 0 0

Y+ Θ +1 —1 +1 -1 4-1 -1 +1 0 0 0 0 0

Ύ-Θ -1 +1 -1 4~ 1 +1 —1 +1 —1 0 0 0 0 0

[0081] このような測定結果が得られるのは、センサプレート 5に設けられた歪みゲージ 21a 〜21d、 22a〜22dが、中心部 Cに対して点対称となるように配置されているため、測定の対象となる目的方向（Z軸方向）以外の方向に荷重が作用すると、歪みゲージ 2 la〜21d, 22a〜22dに極性の異なる抵抗値の変化が発生するためである。そして、各歪みゲージ 21a〜21d, 22a〜22dは、並列に接続されているために、両者の抵抗値の変化が互いに相殺し合うことによるものである。

[0082] なお、点対称の位置にある歪みゲージ 21a〜21d, 22a〜22dの抵抗値の変化が相互に相殺するのであるから、ゲージペアを形成する際に、図 10に示すように歪みゲージ 21a〜21d, 22a〜22dを直列に接続した場合にも、同様の効果を得ることができる。

Claims

請求の範囲

[1] 薄板状のセンサプレートと、このセンサプレートに取り付けられた複数の歪みゲージとを具備する荷重センサにおいて、

前記センサプレートは、その一軸方向の両端が、このセンサプレートを任意の対象物に固定させる固定部となされる一方で、その中心点が変位乃至荷重をこのセンサプレートに伝達せしめる伝達部となされ、

前記歪みゲージを前記中心点に対して点対称となる位置に配置すると共に、点対称となる位置に配された歪みゲージ同士を電気的に並列又は直列に接続してゲージペアを構成し、さらに、各ゲージペア同士を電気的に直列に接続して、これら歪みゲージでブリッジ回路を構成したことを特徴とする荷重センサ。

[2] 測定対象物に取り付けられて、該測定対象物の変形量に応じて変位する、凹所の形成された起歪体を具備し、前記一軸方向が前記凹所を横断するよう前記センサプレートが配されて前記固定部がこの起歪体に固定され、

前記凹所には、前記センサプレートの中心点に向けて突出する伝達部が形成され

、前記起歪体の変位がこの伝達部を介して前記センサプレートに伝達されることを特徴とする請求項 1に記載の荷重センサ。

[3] 前記センサプレートの一面側には、複数の凹部がこのセンサプレートの中心線に対して対称となるよう、前記中心線力所定の距離毎に形成され、

このセンサプレートの他面側には、これら凹部のうち前記中心線力等距離にある対称となる位置に設けられた凹部に歪みゲージが配されていることを特徴とする請求項 1又は請求項 2に記載の荷重センサ。

[4] 前記センサプレートには、前記一軸方向に関する前記センサプレートの中心をなす中心線を示す目印が形成され、このセンサプレートの一面側には前記中心線に対して対称となる位置に凹部を形成して板厚の薄く形成された応力集中部が形成されていることを特徴とする請求項 1〜請求項 3いずれかに記載の荷重センサ。

[5] 前記歪ゲージは、前記凹部の形成された面と逆側の面にて、前記目印までの距離と目印に対する方向が決定されて前記応力集中部の位置に配置されたことを特徴とする請求項 3又は請求項 4に記載の荷重センサ。

[6] 前記歪みゲージを半導体珪素薄膜で構成したことを特徴とする請求項 1〜5 、ずれかに記載の荷重センサ。

[7] 薄板状のセンサプレートと、このセンサプレートに取り付けられた複数の歪みゲージとを具備し、前記センサプレートは、その一軸方向の両端が、このセンサプレートを任意の対象物に固定させる固定部となされる一方で、その中心点が変位乃至荷重をこのセンサプレートに伝達せしめる伝達部となされる荷重センサの製造方法であって、一枚の基板に対して一度のエッチングを行うことで、前記基板に、縦横に配列された複数の前記センサプレートと、これらセンサプレートを相互に連結する細、連結片とを具備するセンサプレート群を形成し、

し力も、前記エッチングで各センサプレートの前記一軸方向の中心に位置する中心線を示す目印をそれぞれ形成すると共に、各センサプレートの一面側に前記中心線に対して対称となる位置に凹部を形成して板厚の薄い応力集中部を設け、次いで、前記目印までの距離及び方向を決定することで、前記中心点に対して点対称であって前記応力集中部の位置に前記歪ゲージが配置されるように、前記センサプレート群をなす前記センサプレートに半導体珪素薄膜をそれぞれ形成し、その後、これらセンサプレートを相互に分離することを特徴とする荷重センサの製造方法。

[8] 前記荷重センサは、測定対象物に取り付けられて、該測定対象物の変形量に応じて変位する、凹所の形成された起歪体を前記センサプレートとは別体として設けられており、

相互に分離された前記センサプレートの前記一軸方向が前記凹所を横断するようにして、前記センサプレートの前記一軸方向の両端を前記起歪体に固定することを特徴とする請求項 7に記載の荷重センサの製造方法。