JPH09218116A

JPH09218116A - 圧力センサ

Info

Publication number: JPH09218116A
Application number: JP8022700A
Authority: JP
Inventors: Kunio Shinbou; 邦夫新房
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1996-02-08
Filing date: 1996-02-08
Publication date: 1997-08-19

Abstract

(57)【要約】【課題】全体として高い衝撃荷重に耐えることができ
るガラスやセラミック基板を使用した圧力センサを提供
することである。【解決手段】ガラスやセラミックで構成された基板４
と、この基板４の端部を保持する弾性体３と、基板４に
設けられ、この基板４に加えられた荷重を検知する歪み
抵抗素子５とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板に加えられた
荷重等により生じた歪みを歪み抵抗素子で検知して圧力
を検知する圧力センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】加えられた荷重を圧力として捉え、その
大きさを検知する圧力センサは、例えば、電子レンジに
おけるターンテーブルのモータ軸に取り付けられ、ター
ンテーブル上の被加熱品の重さを検知し、加熱処理時間
を自動的に設定するために使用されている。このように
電子レンジにおいて圧力センサを使用する場合は、マイ
クロ波のノイズ等に影響されない形式のものが必須であ
り、現状では静電容量式のセンサが使用されている。し
かしながら、高い感度で圧力を検知でき、かつマイクロ
波のノイズ等に影響されないという点では、ガラスやセ
ラミックのような絶縁物、あるいは絶縁処理を施した金
属板等で構成された基板上に、歪み抵抗素子を印刷形成
した圧力センサが最適である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この場合、金属板の上
に歪みゲージを形成するのは、金属板が弾性を有するの
でその点では最適であるが、絶縁の都合上、製造工程等
に手間と時間がかかり、高価なものになってしまう。ま
た、金属板上に絶縁処理を施したり歪み抵抗素子を焼成
したりすると、金属板の弾性が損なわれる虞れがあっ
た。一方、ガラスやセラミックを基板として使用する場
合、例えば、セラミックを基板とする歪み抵抗素子で
は、基板が脆くて数千μεの撓み量で割れてしまうた
め、基板自体を歪ませて使用するとすれば、安全性を考
えると数百μεの領域を使用することになり、小さな出
力しか得られなくなってしまう。しかし、このようなガ
ラスやセラミックのような絶縁物を基板とし、その上に
歪み抵抗素子をスクリーン印刷で焼成形成することの方
が製造は簡単であった。

【０００４】本発明の第１の課題は、ガラスやセラミッ
ク基板を使用しているにも拘らず、全体として高い衝撃
荷重に耐えることができる圧力センサを提供することで
ある。

【０００５】本発明の第２の課題は、一定荷重以上の荷
重が基板に加わるのを防ぎ、基板の破損を防止すること
ができるとともに、基板の歪みを最大限に利用すること
ができる圧力センサを提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記第１の課題を解決す
るため、ガラスまたはセラミック等の材料からなる基板
と、この基板の端部が取り付けられて基板を一定のバネ
圧をもって弾性的に保持する弾性部材と、前記基板に形
成され、前記基板に加えられた圧力を検知する歪み抵抗
素子とを備えた第１の手段にしてある。

【０００７】上記第２の課題を解決するため、上記第１
の手段において、下端を前記基板に当接させ圧力を伝え
て撓ませる可動部材と、前記基板の撓み得る範囲の下死
点位置の直前で前記可動部材の移動を規制するストッパ
とを更に有する第２の手段にしてある。

【０００８】上記第１の課題を解決するため、上記第１
の手段において、前記基板は前記弾性部材により片持ち
支持された第３の手段にしてある。

【０００９】上記第１の課題を解決するため、上記第１
の手段において、前記基板は前記弾性部材により両持ち
支持された第４の手段にしてある。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照し、本発明の実
施の形態について説明する。なお各実施の形態において
実質的に同じ構成要素には同一符号を付して、重複する
説明は省略する。

【００１１】まず、本発明の第１の実施の形態について
図１から図４を参照して説明する。図１は第１の実施の
形態における圧力センサを下方から見て示す斜視図、図
２は取付状態を被検出部材とともに概略的に示す説明
図、図３(a),(b)は片面のみに歪み抵抗素子を配置した
例を示す基板の平面図、図４(a),(b)は両面に歪み抵抗
素子を配置した例を示す基板の平面図、図５はホイート
ストンブリッジ回路を示す回路図、図６はポテンショメ
ータ回路を示す回路図である。

【００１２】第１の実施の形態における圧力センサは、
バネ性を有する金属板で構成された弾性体３と、弾性体
３に一端部を保持された基板４からなっている。弾性体
３は、略Ｖ字状をした脚部１と、この脚部１の内角部に
一端が位置する支持部２と、支持部２の先端部に、曲げ
加工により支持部２の面より低く（図２参照）形成した
帯状の押え部６と、支持部２の一部を切り起こすことに
より形成された切り起し部７と、脚部１に穿設された取
付用の孔８とからなっている。弾性体３の支持部２は、
その面が図２において脚部１の面より低くなるように折
り曲げ加工されている。この弾性体３の支持部２には、
基板４の上面を支持部２の面で、基板４の下面を押え部
６で挾み込むようにして、基板４の端部が差し込まれ
る。そして基板４の端部は切り起し部７に突き当たった
位置で保持され、他端部側は自由端となっている。

【００１３】基板４は、ガラスあるいはセラミックで構
成されるとともに、この基板４上面に印刷形成された酸
化ルテニウム系抵抗ペーストを焼成した歪み抵抗素子
５，５とを有している。なお、歪み抵抗素子５，５の配
列については後述する。この圧力センサは、図２に示す
ように、例えば電子レンジの筐体１１の挿通孔１２に挿
通された被検出部材であるターンテーブルのモータ軸１
３の近傍の下面に設けられている。すなわち、モータ軸
１３の下端の可動部材２０が、弾性体３に端部を保持さ
れた基板４の上面に接触するように、弾性体３の脚部１
の孔８，８から固定ネジ１４，１４により筐体１１に弾
性体３が固定されている。可動部材２０には段部１５が
形成され、また、筐体１１の挿通孔１２の外周はこの段
部１５を筐体１１の上方で受け止めるように上方に突起
部１２ａが立ち上げられている。この段部１５が突起部
１２ａに突き当たることによりそれ以上モータ軸１３及
び可動部材２０が下降するのを防止している。このよう
にして、基板４の死点位置以下まで押圧されるのを防止
するメカニカルストッパが構成され、基板４に一定荷重
以上の荷重が加わるのを防ぎ、基板４が破損するのを確
実に防止することができる。

【００１４】次に、セラミック材で基板４を構成し、歪
み抵抗素子５を酸化ルテニウム系抵抗ペーストで製造す
る方法を説明する。まず、セラミック材からなる基板４
上に電極材をスクリーン印刷により塗布する。これを20
0°Ｃで10分間乾燥させ、次いで850°Ｃで１時間焼成す
る。なお、ピークホールドは10分である。焼成後は、酸
化ルテニウム系抵抗ペーストをスクリーン印刷により塗
布し、200°Ｃで10分間乾燥させ、次いで850°Ｃで１時
間焼成することにより形成される。なお、ペーストの焼
成もピークホールドは10分である。このようにして酸化
ルテニウム系抵抗ペーストを塗布して焼成した箇所が歪
み抵抗素子５となる。

【００１５】次に、歪み抵抗素子５の配列について説明
する。前述のようにして印刷形成される歪み抵抗素子５
は、図３(a)にＲ１,Ｒ２,Ｒ３,Ｒ４で示すように、基板
４の片面のみの四隅に設けるタイプ、あるいは図３(b)
にＲ１,Ｒ２で示すように、基板４の片面のみの両端部
に設けられるタイプがある。この図３(a)の回路は図５
に示す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、また、図３(b)の回路は図６に示すポテンショ
メータ回路を構成するように接続されている。なお、Ｒ
１,Ｒ２,Ｒ３,Ｒ４は歪み抵抗素子である。そして、図
３(a)のホイートストンブリッジ回路とした場合、図５
に示すように、４つの歪み抵抗素子５であるＲ１,Ｒ２,
Ｒ３,Ｒ４をホイートストンブリッジ回路を構成するよ
うに接続して、Ｒ１とＲ４の接続点とＲ２とＲ３の接続
点間を入力端子とし、Ｒ１とＲ２の接続点とＲ３とＲ４
の接続点間を出力端子とし、この出力端子から出力を取
り出す。

【００１６】また、図３(b)のポテンショメータ回路と
した場合、図６に示すように、２つの歪み抵抗素子５で
あるＲ１,Ｒ２をポテンショメータ回路を構成するよう
に接続して、その両端間を入力端子とし、Ｒ１間を出力
端子とする。

【００１７】なお、これら歪み抵抗素子５のうち、図３
(a)にあってはＲ１とＲ３（図３(b)にあってはＲ１）が
押え部６の近傍に位置するように配置されており、した
がって、可動部材２０により基板４に圧力がかかって下
方に撓んだとき、Ｒ１とＲ３が引っ張り歪みを受けるこ
とになる。そのときＲ２，Ｒ４は歪みを受けない。この
ような図３(a)及び図３(b)の構成により、基板４にモー
タ軸１３及び可動部材２０の下降による荷重が加わる
と、押え部６に近い図３(a)のＲ１とＲ３（あるいは図
３(b)のＲ１）のみが引っ張り歪みを受け、それらの抵
抗値が増加する。そのため、図５（あるいは図６）の回
路が平衡を崩し、出力が発生する。この出力値により荷
重を検出すればよい。これらの出力電圧Ｖoutは、以下
のように表される。

【００１８】Ｖout＝（１／２）×（△Ｒ／Ｒ）×Ｖin ・・・（１）Ｖout＝（１／４）×（△Ｒ／Ｒ）×Ｖin ・・・（２） (１)式は、図３(a)の場合、(２)式は、図３(b)の場合の
回路の出力電圧Ｖoutをそれぞれ表している。なお、Ｒ
は全体の抵抗値、△Ｒは歪みによる抵抗値変化分、Ｖin
は入力電圧である。また、出力電圧は無荷重時には、Ｒ
１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４またはＲ１＝Ｒ２になることを仮
定した時のものである。

【００１９】また、歪み抵抗素子５は、上述したように
基板４の片面だけでなく、基板４の両面に設けてもよ
く、その場合の配置例を図４(a),(b)に示してある。図
４(a)においては、基板４の上面の押え部６の近傍にＲ
１とＲ３を配置し、基板４の下面の同一位置にＲ２とＲ
４とを配置してある。この図４(a)は図５に示すホイー
トストンブリッジ回路を構成するように接続される。ま
た、図４(b)にあってはＲ１が基板４の上面の押え部６
の近傍に配置され、Ｒ２が基板４の下面の同一位置に配
置される。この図４(b)は図６に示すポテンショメータ
回路を構成するように接続される。これら２つの回路の
出力電圧Ｖoutは、以下のように表される。

【００２０】Ｖout＝（△Ｒ／Ｒ）×Ｖin ・・・（３）Ｖout＝（１／２）×（△Ｒ／Ｒ）×Ｖin ・・・（４）この場合、歪み抵抗素子５は基板４の表と裏の同一場所
に形成されているので、上面の歪み抵抗素子５は圧縮歪
みを受け、下面の歪み抵抗素子５は引っ張り歪みを受け
る。したがって、圧縮歪みと引っ張り歪みの両者を同時
に活用できるので、上記式(３)及び(４)で示されるよう
に、回路の出力としては最大値を得ることができる。な
お、上記式(３)が図４(a)の場合で、上記式(４)が図４
(b)の場合の出力電圧Ｖoutである。

【００２１】次に、図７及び図８により第２の実施の形
態について説明する。図７は第２の実施の形態における
圧力センサを下方から見て示す斜視図、図８は第２の実
施の形態の圧力センサの取付状態を概略的に示す説明
図、図９(a)及び(b)はその歪み抵抗素子の配置例を示す
図である。

【００２２】この第２の実施の形態においては、基板４
の両端を支持する両持ちタイプとなっている。すなわ
ち、基板４の両端を支持する２つの弾性体２１，２１
は、それぞれ略矩形の支持部２２と、支持部２２の一端
側部から他端に延び再び一端部側に延ばして長さを持た
せた脚部２３と、支持部２２の一端側の略中央に押え部
６が形成されている。筐体１１に対する取付は、図８に
示すように、モータ軸１３の下端の可動部材２０の荷重
が基板４の略中央にかかるように筐体１１に取り付けら
れる。

【００２３】歪み抵抗素子５は、図９(a)にＲ１,Ｒ２,
Ｒ３,Ｒ４で示すように、基板４上の前後方向両端部及
び左右の側部中央の４ヶ所に設けるタイプ（図５に示す
ホイートストンブリッジ回路）、あるいは図９(b)にＲ
１,Ｒ２で示すように、基板４上の一端中央部と基板４
の中央部の２ヶ所に設けるタイプ（図６に示すポテンシ
ョメータ回路）がある。なお、これら歪み抵抗素子５
は、図９(a)にあってはＲ２とＲ４が、そして図９(b)に
あってはＲ１がそれぞれ押え部６の近傍に位置するよう
に配置されている。

【００２４】この第２の実施の形態においては、モータ
軸１３及び可動部材２０の下降による荷重が基板４に加
わると、押え部６，６に近い図９(a)のＲ２とＲ４（あ
るいは図９(b)のＲ１）では引っ張り歪みが発生し、同
時に中央部の図９(a)のＲ１とＲ３（あるいは図９(b)の
Ｒ２）では圧縮歪みが発生することになる。したがっ
て、可動部材２０に荷重が加わり下降すると、歪み抵抗
素子５の、中央部のＲ１とＲ３（あるいはＲ２）では抵
抗値が減少し、押え部６，６（固定部）側のＲ２とＲ４
（あるいはＲ１）では抵抗値が増加することになる。そ
のため、回路が平衡を崩して出力が発生する。この出力
値により荷重を検出すればよい。これら２つの回路（図
９(a)，図９(b)）の出力電圧Ｖoutは、上記(３)及び
(４)式でそれぞれ表される。

【００２５】このような前記各実施の形態にあっては、
ガラスやセラミックの基板４を弾性体３あるいは２１で
片持ちあるいは両持ち支持することにより、衝撃荷重を
弾性体３あるいは２１である程度吸収するできるので、
全体として高い衝撃荷重に耐えることができる。また、
弾性体３あるいは２１により大きな動作ストロークとし
ているので、軽量の物品の荷重も正確に測定することが
できる。また、下端を基板４に当接させ圧力を伝えて撓
ませる可動部材２０と、基板４の撓み得る範囲の下死点
位置の直前で可動部材２０の移動を規制するストッパ
（１５）とを更に有するので、一定荷重以上の荷重が基
板４に加わるのを防ぎ、基板４の破損を防止することが
できるとともに、基板４の歪みを最大限に利用すること
ができる。

【００２６】

【発明の効果】請求項１，３，４記載の発明によれば、
基板にガラスやセラミックを使用しているにも拘らず、
全体として高い衝撃荷重に耐えることができ、且つ大き
な動作ストロークを設定でき、安価な圧力センサを提供
できる。

【００２７】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載の発明による作用効果に加えて、一定荷重以上の荷重
が基板に加わるのを防ぎ、基板の破損を防止することが
できるとともに、基板の歪みを最大限に利用することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態における圧力センサを示す斜
視図である。

【図２】第１の実施の形態の圧力センサの取付状態を被
検出部材とともに概略的に示す説明図である。

【図３】(a),(b)は片面のみに歪み抵抗素子を配置した
例を示す基板の平面図である。

【図４】(a),(b)は両面に歪み抵抗素子を配置した例を
示す基板の平面図である。

【図５】ホイートストンブリッジ回路を示す回路図であ
る。

【図６】ポテンショメータ回路を示す回路図である。

【図７】第２の実施の形態における圧力センサを示す斜
視図である。

【図８】第２の実施の形態の圧力センサの取付状態を概
略的に示す説明図である。

【図９】(a),(b)は第２の実施の形態における歪み抵抗
素子の配置例を示す図である。

【符号の説明】

１脚部２支持部３，２１弾性体４基板５，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４歪み抵抗素子６押え部７切り起し部１１筐体１２ａ突起部１３モータ軸１５段部２０可動部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガラスまたはセラミック等の材料からな
る基板と、この基板の端部が取り付けられて基板を一定のバネ圧を
もって弾性的に保持する弾性部材と、前記基板に形成され、前記基板に加えられた圧力を検知
する歪み抵抗素子とを備えたことを特徴とする圧力セン
サ。
【請求項２】下端を前記基板に当接させ圧力を伝えて
撓ませる可動部材と、前記基板の撓み得る範囲の下死点位置の直前で前記可動
部材の移動を規制するストッパとを更に有することを特
徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【請求項３】前記基板は前記弾性部材により片持ち支
持されたことを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【請求項４】前記基板は前記弾性部材により両持ち支
持されたことを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。