JPS5856423B2

JPS5856423B2 - 力変換器

Info

Publication number: JPS5856423B2
Application number: JP3173978A
Authority: JP
Inventors: 洋一大高; 明大手
Original assignee: Yokogawa Hokushin Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1978-03-22
Filing date: 1978-03-22
Publication date: 1983-12-14
Also published as: JPS54124769A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は圧力、流量、浮力等に対応する力を歪検出素子
を用いて電気信号に変換する力変換器に関するものであ
る。

第１図は従来公知の力変換器の一例を示す構成説明図で
ある。

この装置は、感知ダイヤフラム１が受けた圧力を伝達棒
２を介してレバー３の一端に伝え、このレバー３によっ
てたわみ基板４を撓わますように構成したものである。

そして、たわみ基板４上であって、歪が互に反対極性で
働く２ケ所に歪検出素子５１．５２を配置させている。

このような構成にかかわる従来装置においては、たわみ
基板４上において、一部分において引張りが、他の部分
において圧縮が均等に生ずるようにするために、たわみ
基板４を１枚の平らな基板で構成することができず、構
成が複雑となる欠点があった。

ここにおいて、本発明の目的は、構造が簡単で、しかも
精度の良い力変換器を実現しようとするものである。

第２図Ａ、Ｂは本発明の主要部をなすたわみ基板の一実
施例を示す構成説明図で、Ａは斜視図、Ｂは側面図であ
る。

このたわみ基板４ば、一端に変換すべき力Ｐが加えられ
ろ第１の板４１と、第１の板４１の他端に一端が接続さ
れ第１の板４１０両側に平行に設けられ他端が連結板４
３により連結された第２の板４２とで構成され、１枚の
板で作られている。

而して、連結板４３の部分が固定されている。

４２１．４２２はそれぞれの第２の板４２に所要距離へ
だてで設けられた溝である。

歪検出素子５１．５２はたわみ基板４の溝４２１゜４２
２の設けられている個所の、溝４２１．４２２と反対側
の表面に配置されている。

このような構成のたわみ基板４において、いま第２図Ｂ
に示すように、第１の板４１の先端４１１に矢印方向に
荷重Ｐが与えられるものとすれば、第１の板４１に作用
する曲げモーメント線図は第３図Ａに示すように、また
、第２の板４２に加わる曲げモーメント線図は第３図Ｂ
に示すようになる。

すなわち、第２の板の溝４２１．４２２の設けられてい
る個所には大きさがほぼ等しく、符号（極性）が反対の
曲げモーメントが作用する。

したがって、第２の板４２の溝４２１．４２２の設けら
れている個所の断面係数を等しくしておけば、第２の板
４２の溝４２１．４２２とは反対側の表面に生じる歪は
、符号が反対で大きさがほぼ等しいものとなる。

よって、この場合、歪検出素子５１には引張歪が、歪検
出素子５２には圧縮歪がそれぞれ生ずる。

これらの歪検出素子５１．５２からの電気信号は、例え
ば、ブリッジ回路等により差動的に検出され、与えられ
た荷重に対応する電気信号を得ろことができる。

一般に、たとえば、第４図に示すような単一片持ちビー
ム６において、ビーム６に垂直に加えられた直線力Ｐは
ビーム６の変形と共に、ビーム６に対して垂直よりθ角
度ズレを生ずる。

これによる誤差を避けろためにビーム６に常に垂直に力
が作用するようにするには、モーメント入力になるよう
に変換する機構を附加すればよいが、この機構の誤差が
加わり、いずれにしても力→電気出力の関係が非線形に
なりやすい。

本発明においては、荷重Ｐが第■の院４１に加えられた
場合に、第２の板４２の溝４２１，４２２の設けられて
いる部分の板厚が薄くなっているので、この部分に応力
が集中し、この部分が伸縮を起し、第２図Ｂに示すごと
く、第１の板４１は荷重Ｐに対応して平行移動するのみ
である。

この結果、荷重量の変化に伴って、荷重条件が変化する
ことはなく、力→電気出力の関係が線形なものが得られ
る。

また、平板構造なので、成形時の機械加工等が容易であ
り、特に溝４２１，４２２は外部に開いた凹状であるの
で加工が容易である。

また、歪検出素子の取付面の研摩時の固定方法等も容易
である。

また、荷重Ｐば、第１の板４１の両側に設けられた第２
の板４２によって均等に支持されるので安定である。

第５図は本発明の他の実施例の構成説明図である。

本実施例においては、第２の板４２それぞれに歪検出素
子５１．５２を２個ずつ配置し、Ａ。

Ｂ群としたもので、Ａ、Ｂ群それぞれでフルブリッジを
構成することができる。

歪の検出個所がＡ。Ｂ群それぞれ１個所にまとまるので
、たわみ基板の厚さのバラツキ等の影響が少くなる。

また、蒸着ストレインゲージ等を使用する場合にはゲー
ジが１個所にまとまるので蒸着のバラツキの影響が少く
なる。

更に、Ａ、Ｂ群の特性を比較し、より特性の良好な方を
選択することができろ。

また、一方を、予備として用いろことも出来、製作上の
歩留り改善に寄与すると共に、信頼性を高くすることが
できる。

なお、前述の実施例においては、荷重Ｐは溝４２１．４
２２にそれぞれ、大きさが等しく符号の反対な歪が生ず
るように、第１の板４１の個所に加えられろように説明
したが、これにかぎることはなく、要するに、荷重Ｐは
歪検出素子５１゜５２０間に曲げモーメント零の個所が
生ずるような第１の板４１の位置に加えられればよい。

なお、前述の実施例では、第２の板４２に溝４２１．４
２２が設けられたが、溝４２１，４２２の替りに穴等を
設けてもよく、要するに、第２の板４２の歪検出素子の
取付けられている部分の歪が大きく生ずるようなもので
あればよい。

なお、感度を高めろ必要がなければ、溝４２１，４２２
等はなくてもよいことは勿論である。

なお、第２の板４２上に蒸着あるいは、スパッタリング
等により、薄膜形歪検出素子５１．５２を直接形成する
ようにすれば、（１）複数の歪検出素子を同時に、同一条件で成形でき
るので、それぞれの抵抗値、あるいは抵抗温度係数等、
特性のそろったものが得られる。

（２）歪検出素子とたわみ基板との接合は分子間結合で
あり、接着剤が不要であるため、接着剤等に起因するク
リープ現象等がなく、感度の低下もなく、高温の被測定
体の影響により接着剤が変形したり、接着機能が低下す
るような恐れもない。

（３）薄膜形歪検出素子は極めて物性的に安定なもので
、経年変化等、特性上の信頼性が高い。

（４）貼付は形歪検出素子は接着作業が必要であるが、
薄膜形歪検出素子は装置により基板上に直接作り込むも
ので、量産性に優れ、同時に多数のものを同一条件で作
り込むことができる。

（５）薄膜パターン形成時にブリッジ回路結線用のリー
ドを作り込むことができるので、ブリッジ結線工数が低
減できろ。

（６）ブリッジ回路の零調用補正抵抗もあらかじめ
同時に作り込んでおくか、あるいは、各歪検出素子の抵
抗値をトリ□ングにより修正して補正することもできる
。

なお、薄膜形歪検出素子５１．５２は、たとえば、次の
ようにして作ることができる。

（１）たわみ基板４０表面を研磨し十分な平坦面にする
。

（１１）無機絶縁材料、例えばＳｉＯを平坦面に数μ程
度の厚さで蒸着し、可撓変形体の表面に絶縁層を形成す
る。

（ｉｉｉ）絶縁層の上に例えばＮｉ−Ｃｒ、Ｐｔ等
の抵抗材料を適当な厚さに蒸着し、その後エツチング等
の手法によって所望の抵抗パターン層を形成する。

（Ｉψ 抵抗層の一部に電極材料、例えばＡｕを数μ程
度の厚さで蒸着し、電極層を形成する。

（Ｖ）電極層に例えば金線のリード線を接続する。

（Ｖｌｌ抵抗層および電極層上に無機絶縁材料な数
μ程度以下の厚さで蒸着し、保護膜を形成する。

なお、この保護膜はなくともよい。

以上説明したように、本発明によれば、たわみ基板を１
枚の平板で構成できろもので、構造が簡単なうえに、次
のような種々の特長を有する、精度の良い力変換器が実
現できる。

（１）歪検出素子として蒸着ストレインゲージを使用す
る場合、同一表面上に同時製作することができるので、
抵抗値、温度係数のそろった素子が得られろ。

（２）伸び歪と縮み歪を各々２個所検出してフルフリツ
ジ回路を構成する場合に、同種類の歪の検出個所は各々
１個所にまとまり、たわみ基板の厚さのバラツキ、蒸着
のバラツキ等による影響が少い。

（３）カー歪特性が線形なものが得られる。

（４）直線的な力をそのまま直接的に変換することがで
きる。

（５）平板的構造なので成形加工が容易である。

（６）対称構造であるので、安定である。

【図面の簡単な説明】

第１図は在米公知の力変換器の一例を示す構成説明図、
第２図は本発明の主要部をなすたわみ基板の一例を示す
構成説明図で、Ａは平面図、Ｂは側耐図、第３図Ａ、Ｂ
は第２図のたわみ基板の曲げモーメント線図、第４図は
本発明を説明するための説明図、第５図は本発明の他の
実施例の構成説明図である。４・・・たわみ基板、４１・・・第１の板、４２１，４
２２・・・溝、４２・−・第２の板、５１．５２・・・
歪検出素子。

Claims

【特許請求の範囲】１一端側に変換すべき力の加えられる第１の板と該第１
の板の他端に一端が接続され第１の板の両側に平行に設
けられ他端が固定された第２の板とを具えた平板状のた
わみ基板、前記第２の板の一方の表面上に所要距離へた
てて設けられた少くとも２個の歪検出素子を具備し、前
記歪検出素子間に曲げモーメント零の個所が生ずるよう
に前記第１の板に前記変換すべき力が加えられるように
された力変換器。２たわみ基板の歪検出素子の設けられた個所を可撓部
とし、該可撓部に応力を集中させるようにした特許請求
の範囲第１項記載の力変換器。３可撓部として、たわみ基板に溝または穴加工の施さ
れた特許請求の範囲第２項記載の力変換器。４歪検出素子として、たわみ基板の表面に形成された
絶縁層と、該絶縁層上に形成された抵抗パターン層と、
該抵抗パターン層上の一部に形成された電極層とにより
構成された特許請求の範囲第１項又は第２項又は第３項
記載の力変換器。