JPS5856424B2 - 力変換器 - Google Patents

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が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を一枚の平らな基板で構成することができず、構
店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、くしの歯状をなしており、一端が
固定された第１の板４１゜この第１の板の他端にその一
端が結合された第２の板４２で構成され、一枚の板で作
られている。

そして、第２の板４２の先端部４２１に検出すべき荷重
Ｐが加えられる。

４１１，４１２は第１の板４１に所要距離へだてて設け
られた溝である。

歪検出素子５１．５２はたわみ基板４の溝４１１゜４１
２の設けられている個所の溝４１１，４１２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２の板４２の先端４２１に矢印方向に
荷重Ｐが与えられるものとすれば、第２の板４２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１の板４１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１の板ぬ溝４１１．４１２０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１の板４１の溝４１Ｌ４１２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１の板４
１の溝４１１，４１２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ることができる。

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るためにビーム６に常に垂直に力
が作用するようにするには、モーメント人力になるよう
に変換する機構を附加すればよいか、この機構の誤差が
加わり、いずれにしても力→電気出力の関係か非線形に
なりやすい。

本発明においては、荷重Ｐが第２の板４２に加えられた
場合に、第１の板４１の溝４１１．４１２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２の板４２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４１１，４１２は外部に開いた凹状であるの
で加工が容易である。

また、歪検出素子の取付は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４１０両Ｉ１１に設けられた
第２の板４２に均等に加えられるので、第１の板４１に
はねじり歪は生じない。

したがって、歪検出素子５１．５２でねじり歪を検出す
る恐れはない。

第５図は本発明の一具体例の構成説明図である。

本例においては、空気圧入力Ｑをペロー１′で受はコの
字状の伝達板７を介して力Ｐとして、それぞれの第２の
板４２の先端部４２１に加えるようにしたものである。

なお、前述の実施例においては、荷重Ｐば、溝４１１．
４１２に符号が反対で大きさが等しい歪が生ずるような
第２の板４２０個所に加えられろように説明したが、こ
れにかぎることばなく、要するに、歪検出素子５１．５
２の間に曲げモーメント零の個所が生ずるような第２の
板４２の位置に荷重Ｐが加えられればよい。

また、前述の実施例では、第１の板４１に溝４１１．４
１２が設けられたが、溝４１１．４１２の替りに穴等を
設けてもよく、要するに、第１の板４１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４１１．４１２
等はな（でもよいことば勿論である。

なお、第１の板４１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
るもので、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。

０）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
減できる。

（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
をトリミ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。

（ｉ） 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。

４ｖ） 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。

（Ｖｉ） 抵抗層および電極層上に無機絶縁材料を数
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。

蜘、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るもので、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、たわみ基板の厚さノハラツキ、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ろ。

（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力味が容易である。

（６）対称構造であるので、安定で、ねじり歪等が検出
される恐れがない。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来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は斜視図、Ｂは仰］面図、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図は本発明の一
具体例の構成説明図である。 ４・・・たわみ基板、４１・・・第１の板、４１１゜４
１２・・・溝、４２・・・第２の板、５１．５２・・・
歪検出素子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一端が固定された第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た第２の
   板とを具えた平板状のたわみ基板、前記第１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２の板それぞれに変換
   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。