JP4932450B2

JP4932450B2 - センサ及びその製造方法

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Publication number: JP4932450B2
Application number: JP2006315280A
Authority: JP
Inventors: 森本　　英夫
Original assignee: Nitta Corp
Current assignee: Nitta Corp
Priority date: 2006-11-22
Filing date: 2006-11-22
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2026-11-22
Also published as: US7852191B2; US20080117017A1; EP1925925A3; EP1925925A2; JP2008128864A

Description

本発明は、多軸成分の力などを検出することができるセンサ及びその製造方法に関する。

特許文献１には、円盤形状のフランジから成る第１部材及び第２部材を備えた６軸センサが記載されている。上記の第１部材および第２部材は、それぞれ対向する４つのダイヤフラムを有していると共に、各ダイヤフラムの中心部には中心軸が設けられている。そして、互いに向き合うダイヤフラムの中心軸同士がボルトにより連結されることで、第１部材と第２部材とが一体化されている。また、第１部材の表側面には複数の歪みゲージが配置されており、各歪みゲージの抵抗値の変化に基づいて力及びモーメントが検出される。
特開２００５−３１０６２号公報

ここで、上述したように、円盤形状の第１部材と円盤形状の第２部材とが中心軸で連結された起歪体は一つの部材から切削加工で作製するのは困難である。従って、切削加工により２又は３個の部品を分割して作製した後で、それらの部品が溶接又はネジで連結されるのが一般的である。しかしながら、第１部材及び第２部材では、各ダイヤフラムの中心軸の周囲に環状の溝を形成する必要があるが、センサの小型化にともなって環状の溝も小さくなるので切削加工が難しくなる。特に環状の溝を深く加工するのは難しく、肉薄部分の厚さのバラツキ管理は非常に困難である。そのため、上記の起歪体を作製するためには、特別な熟練した技術と多くの時間が必要になり、その結果、センサの小型化によって製造コストが著しく増大するという問題が発生する。

上記の問題は、歪みゲージ式センサに限らず、同様の形状の起歪体を備えた静電容量式センサや抵抗式センサにおいても発生すると考えられる。

そこで、本発明の目的は、製造コストを低減しつつセンサの小型化を図ることができるセンサ及びその製造方法を提供することである。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明のセンサは、起歪体と、前記起歪体の一端面に配置された検出素子とを備えたセンサであって、前記起歪体は、第１可撓部を有する第１部材と、前記第１可撓部に対向した第２可撓部を有する第２部材と、前記第１可撓部と前記第２可撓部とを連結する連結部材とを有し、前記第１部材及び前記第２部材はいずれもエッチング技術により加工され且つ拡散接合により接合された複数の板状部材から構成されると共に、前記第１部材、前記第２部材及び連結部材は拡散接合により接合されていることを特徴としている。

本発明のセンサの製造方法は、第１可撓部を有する第１部材と、前記第１可撓部に対向した第２可撓部を有する第２部材と、前記第１可撓部と前記第２可撓部とを連結する連結部材とを含む起歪体と、前記起歪体の一端面に配置された検出素子とを備えたセンサの製造方法であって、前記第１部材及び前記第２部材をそれぞれ構成する複数の板状部材をエッチング技術により加工する加工工程と、前記加工工程で加工された複数の板状部材を拡散接合により接合し、前記第１部材及び前記第２部材をそれぞれ作製する第１作製工程と、前記連結部材を作製する第２作製工程と、前記第１作製工程で作製された前記第１部材及び前記第２部材と、前記第２作製工程で作製された連結部材とを拡散接合により接合し、前記起歪体を作製する第３作製工程と、前記起歪体に前記検出素子を取り付ける取付工程とを備えていることを特徴としている。

この構成によると、エッチング技術により加工された複数の板状部材を拡散接合により接合することで、起歪体の第１部材及び第２部材を作製できる。このように、エッチング技術を用いれば、非常に薄い板状部材を安価に大量に精度良く加工でき、加工歪みも少なくできる。また、初期コストとして加工品に応じた版を作製するだけでよいので、製造コストを低減できる。従って、製造コストを低減しつつセンサの小型化を図ることができる。また、複数の板状部材を強く接合できるので、あたかも１つの部材であるように、力や歪みを効率よく伝達することができる。

本発明のセンサでは、前記第１部材の前記複数の板状部材は、前記第１可撓部が形成された第１板状部材と、前記第１可撓部に対応した位置に開口が形成された第２板状部材とを含み、前記第２部材の前記複数の板状部材は、前記第２可撓部が形成された第３板状部材と、前記第２可撓部に対応した位置に開口が形成された第４板状部材とを含んでおり、前記第１可撓部及び前記第２可撓部は、環状の溝及び前記環状の溝の内側に配置された肉厚部からそれぞれ構成され、前記連結部材は、前記第２板状部材及び前記第４板状部材に形成された開口の内側に配置されており、前記第１板状部材の肉厚部と前記第２板状部材の肉厚部とを連結してもよい。

本発明のセンサの製造方法では、前記第１部材の前記複数の板状部材は、前記第１可撓部が形成された第１板状部材と、前記第１可撓部に対応した位置に開口が形成された第２板状部材とを含み、前記第２部材の前記複数の板状部材は、前記第２可撓部が形成された第３板状部材と、前記第２可撓部に対応した位置に開口が形成された第４板状部材とを含んでおり、前記第１可撓部及び前記第２可撓部は、環状の溝と、前記環状の溝の内側に形成された肉厚部とからそれぞれ構成され、前記連結部材は、前記第２板状部材及び前記第４板状部材に形成された開口の内側に配置されており、前記第１板状部材の肉厚部と前記第２板状部材の肉厚部とを連結してもよい。

本発明のセンサでは、前記第１部材の前記複数の板状部材は、前記第１可撓部が形成された第１板状部材と、前記第１可撓部に対応した位置に肉薄部が形成された第２板状部材とを含み、前記第２部材の前記複数の板状部材は、前記第２可撓部が形成された第３板状部材と、前記第２可撓部に対応した位置に肉薄部が形成された第４板状部材とを含んでおり、前記第１可撓部、前記第２可撓部及び前記肉薄部は、環状の溝及び前記環状の溝の内側に形成された肉厚部からそれぞれ構成され、前記連結部材は、最も前記第２部材に近接した前記第２板状部材の肉厚部と、最も前記第１部材に近接した前記第４板状部材の肉厚部とを連結してもよい。

本発明のセンサの製造方法では、前記第１部材の前記複数の板状部材は、前記第１可撓部が形成された第１板状部材と、前記第１可撓部に対応した位置に肉薄部が形成された第２板状部材とを含み、前記第２部材の前記複数の板状部材は、前記第２可撓部が形成された第３板状部材と、前記第２可撓部に対応した位置に肉薄部が形成された第４板状部材とを含み、前記第１可撓部、前記第２可撓部及び前記肉薄部は、環状の溝と、前記環状の溝の内側に形成された肉厚部とからそれぞれ構成され、前記連結部材は、最も前記第２部材に近接した前記第２板状部材の肉厚部と、最も前記第１部材に近接した前記第４板状部材の肉厚部とを連結してもよい。

本発明のセンサでは、前記連結部材は、エッチング技術により加工された複数の板状部材から構成されていてもよい。

本発明のセンサの製造方法では、前記連結部材は、エッチング技術により加工された複数の板状部材から構成されていてもよい。

本発明のセンサでは、前記検出素子として歪みゲージ又はピエゾ抵抗素子を備えた歪みゲージ式センサであってもよい。

本発明のセンサの製造方法では、前記検出素子として歪みゲージ又はピエゾ抵抗素子を備えた歪みゲージ式センサであってもよい。

本発明のセンサでは、前記検出素子として離隔して対向するように配置された一対の電極を備えた静電容量式センサであってもよい。

本発明のセンサの製造方法では、前記検出素子として離隔して対向するように配置された一対の電極を備えた静電容量式センサであってもよい。

本発明のセンサでは、前記検出素子として一対の電極間に配置された感圧抵抗体を備えた抵抗式センサであってもよい。

本発明のセンサの製造方法では、前記検出素子として一対の電極間に配置された感圧抵抗体を備えた抵抗式センサであってもよい。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る歪みゲージ式センサの中央縦断面正面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線における断面図である。図３は、歪みゲージの配置を示す図である。

図１の歪みゲージ式センサ１は、起歪体５と、起歪体５の下面に配置された複数の歪みゲージを備えている。起歪体５は、十分な剛性を有する固定部３００に固定された第１フランジ１００と、第１フランジ１００に対向するように配置された第２フランジ２００と、第１フランジ１００と第２フランジ２００とを連結する連結体１２１〜１２４とを有している。

固定部３００は円盤形状であって、その上面の中央部は凹部になっている。そして、固定部３００は、その周辺部で第１フランジ１００を支持する構造になっている。従って、固定部３００は、第１フランジ１００の下面に配置された歪みゲージを覆っていると共に、図示しないネジ穴が設けてありセンサ１を適当な場所に固定する機能を有している。

第１フランジ１００および第２フランジ２００は、ステンレスなどの金属で形成された円盤形状のフランジである。本実施の形態では、第１フランジ１００および第２フランジ２００の外径は約１５ｍｍである。第１フランジ１００は積層された板材１０１〜１０４から構成されており、第２フランジ２００は積層された板材２０１〜２０４から構成されている。また、第２フランジ２００の上面には板材２０５が配置されている。本実施の形態では、板材１０１、２０１の厚さは約１．５ｍｍであり、板材１０２〜１０４、２０２〜２０５の厚さは約１ｍｍである。そして、第１フランジ１００の板材１０１には、４つの肉薄の可撓部１１１〜１１４が設けられており、第２フランジ２００の板材２０１には、４つの肉薄の可撓部２１１〜２１４が設けられている。各可撓部１１１〜１１４の中央部には肉厚部１０１ａがそれぞれ形成されており、各可撓部２１１〜２１４の中央部には肉厚部２０１ａがそれぞれ形成されている。そして、第１フランジ１００の板材１０１の肉厚部１０１ａと、第２フランジ２００の板材２０１の肉厚部２０１ａとが連結体１２１〜１２４によりそれぞれ連結されている。本実施の形態では、連結体１２１〜１２４の長さは約１０ｍｍである。

本実施の形態では、第１フランジ１００を固定側、第２フランジ２００を力を受ける受力部として利用される。第２フランジ２００には、図２に示すように、目的に応じた部品を取り付けるためのネジ穴２２０が形成されている。ここで、第２フランジ２００の上面（連結体１２１〜１２４と反対側の面）には板材２０５が配置されており、可撓部２１１〜２１４に対応した位置は板材２０５の厚さ分だけ凹んだ状態になっている。従って、第２フランジ２００の上面に取り付けられた部品に力が作用した場合に、この部品と可撓部２１１〜２１４とが接触するのが防止されるので、可撓部２１１〜２１４に変位又は歪みが円滑に発生する。

第１フランジ１００の可撓部１１１〜１１４は、肉厚部１０１ａと、その周囲に形成された環状の溝１０１ｂとを有しており、段差Δｔ１が設けられている。また、可撓部１１１〜１１４は、図３に示すように、Ｘ軸およびＹ軸上の正方向および負方向にそれぞれ配置されている。そして、第１フランジ１００の下面であり且つ固定部３００の凹部に対向した位置には、一平面上に配置された複数の歪みゲージＲ１１〜Ｒ１８、Ｒ２１〜Ｒ２８、Ｒ３１〜Ｒ３８、Ｒ４１〜Ｒ４８が設けられている。

ここで、各可撓部１１１〜１１４の８個の歪みゲージの配置位置は、各可撓部の中心位置を通り且つＸ軸に平行な線上における薄肉部分の外縁部と内縁部、各可撓部の中心位置を通り且つＹ軸に平行な線上における薄肉部分の外縁部と内縁部である。つまり、各可撓部１１１〜１１４において、歪みゲージは最も大きな歪みが発生する位置に貼り付けられている。

また、第２フランジ２００の可撓部２１１〜２１４は、肉厚部２０１ａと、その周囲に形成された環状の溝２０１ｂとを有しており、段差Δｔ２が設けられている。そして、第１フランジ１００と第２フランジ２００とは、可撓部１１１〜１１４と可撓部２１１〜２１４とがそれぞれ対向するように、連結体１２１〜１２４により連結されている。従って、第１フランジ１００、第２フランジ２００及び連結体２１１〜２１４は、ほぼ上下に線対称になっている。

上述したように、第１フランジ１００には可撓部１１１〜１１４が形成され、第２フランジ２００には可撓部２１１〜２１４が形成されている。従って、第２フランジ２００に力が作用すると、連結体１２１〜１２４を介して、可撓部１１１〜１１４に力が伝わり、３次元空間の力の大きさ及び方向に応じて可撓部１１１〜１１４に歪みが発生する。よって、この歪みゲージ式センサ１は３次元空間の直交する３軸の力とその軸回りのモーメントを測定するための６軸力覚センサとして機能する。なお、本発明は、センサの構造に関する発明であるので、力とモーメントを検出する原理の説明は省略するが、力とモーメントを検出する原理は上述した本願出願人の出願に係る特許文献１に記載された内容と同様である。

次に、歪みゲージ式センサ１の製造方法について、図４〜図６を参照して説明する。図４は、第１フランジに含まれる板材の構成を示す図である。図５は、第２フランジに含まれる板材及び第２フランジの上面に配置された板材の構成を示す図である。図６は、第１フランジと第２フランジとを連結する工程を示す図である。

まず、ステンレスの板材においてエッチング技術により板材１０１の外径及び穴１０１ｃを加工する。その後、ハーフエッチング技術により環状の溝１０１ｂを加工する。その結果、環状の溝１０１ｂの中央に肉厚部１０１ａが形成される。これにより、図４（ａ）に示すように、４つの可撓部１１１〜１１４を有する板材１０１が作製される。また、ハーフエッチング技術により環状の溝１０１ｂを加工した後で、エッチング技術により板材１０１の外径及び穴１０１ｃを加工してもよい。

次に、別のステンレスの板材においてエッチング技術により板材１０２の外径、開口１０２ａ及び穴１０２ｃを加工する。ここで、開口１０２ａの大きさは可撓部１１１〜１１４の大きさとほぼ同じである。これにより、図４（ｂ）に示すように、４つの開口１０２ａを有する板材１０２が作製される。次に、図４（ｃ）及び図４（ｄ）に示すように、板材１０３、１０４は板材１０２と同じ形状であるので、板材１０２と同じエッチング用の版を利用して板材１０３、１０４が作製される。ここで、板材１０２〜１０４の厚さは同じである。また、板材１０１〜１０４は、１つのエッチング用の版に、複数のパターンを設けておき同時に作製してもよい。

板材１０１〜１０４を作製した後で、板材１０１の肉厚部１０１ａ（環状の溝１０１ｂ）の中心位置と、板材１０２〜１０４の開口１０２ａ〜１０４ａの中心位置とが一致し、且つ、穴１０１ｃ〜１０４ｃのそれぞれの中心位置が一致するように積層し、板材１０１〜１０４を拡散接合技術により接合することで、第１フランジ１００を作製する。また、板材１０１〜１０４の穴１０１ｃ〜１０４ｃはタップ加工し、第１フランジ１００を固定部３００に固定するためのネジ穴とする。

次に、第１フランジ１００の作製手順と同様にして、図５（ａ）〜図５（ｄ）に示すように、板材２０１〜２０４を作製した後で、板材２０１〜２０４を拡散接合技術により接合することで、第２フランジ２００を作製する。また同様に、図５（ｅ）に示すように、板材２０５を作製する。板材２０５は、後述するように、第１フランジ１００、第２フランジ２００及び連結体１２１〜１２４を接合技術により接合した後で、レーザ溶接などで第２フランジ２００の上面に接合される。板材２０５は、第２フランジ２００に固定しないで、他の目的に応じた部品を取り付ける際に間挿されてもよい。

また、第１フランジ１００及び第２フランジ２００の作製とは別に、切削加工により円柱状の連結体１２１〜１２４を作製する。連結体１２１〜１２４の外径は、第１フランジ１００の板材１０１の肉厚部１０１ａ及び第２フランジ２００の板材２０１の肉厚部２０１ａの外径と同じである。

上述したように、第１フランジ１００、第２フランジ２００及び連結体１２１〜１２４を作製した後で、図６に示すように、可撓部１１１〜１１４の中心位置と、可撓部２１１〜２１４の中心位置と、連結体１２１〜１２４の中心軸が一致するように配置し、拡散接合技術により接合することで起歪体５を作製する。ここで、第１フランジ１００及び第２フランジ２００の一方に連結体１２１〜１２４を拡散接合した後で、他方を拡散接合してもよいし、第１フランジ１００、第２フランジ２００及び連結体１２１〜１２４を同時に拡散接合してもよい。その後、起歪体５の下面（第１フランジ１００の下面）に複数の歪みゲージを取り付けると共に、板材２０５をレーザ溶接などで第２フランジ２００の上面に接合することで、歪みゲージ式センサ１が完成する。

以上説明したように、本実施の形態の歪みゲージ式センサ１では、エッチング技術により加工された複数の板材を拡散接合により接合することで、起歪体５の第１フランジ１００及び第２フランジ２００を作製できる。このように、エッチング技術を用いれば、非常に薄い板材を安価に大量に精度良く加工でき、加工歪みも少なくできる。また、初期コストとしては拡散接合のための金型の初期費用と金属板材のエッチング版代だけでよいので、製造コストを低減できる。従って、製造コストを低減しつつセンサの小型化を図ることができる。また、複数の板状部材を強く接合できるので、あたかも１つの部材であるように、力や歪みを効率よく伝達することができる。

また、起歪体５においては、第１フランジ１００の板材１０１の環状の溝１０１ｂと、板材１０２〜１０４の開口１０２ａ〜１０４ａの外周部分（連結体１２１〜１２４の周囲に対応した部分）とは連続している。従って、起歪体５の連結体１２１〜１２４の周囲には、環状の溝１０１ｂの深さと板材１０２〜１０４の厚さとを足し合わせた深さの環状の深い溝が形成されているとみなすことができる。ここで、環状の深い溝の深さは、板材１０１に積層する板材の枚数や厚さによって任意に変更することが可能である。これは、第２フランジ２００においても同様である。そのため、本発明では、切削加工では深い溝の加工が困難である場合でも、複数の板材を積層することで深い溝を形成することができる。また、深い溝を形成できることで、連結体の長さを長くし、センサ感度を向上させることが可能になる。また、起歪体の深い溝の外側の部分の剛性を大きくできる。

ここで、歪みゲージ式センサ１は、第１フランジ１００の板材１０１及び２００の板材２０１の肉厚部１０１ａ、２０１ａ及び環状の溝１０１ｂ、２０１ｂはなくても６軸力検出センサに適用可能であるが、力検出の特性上は、第１フランジ１００、２００の肉厚部及び環状の溝は形成される方が好ましい。この点について図７を参照して説明する。

仮に、図７に示すように、可撓部１１１〜１１４の中心位置と可撓部２１１〜２１４の中心位置とを結ぶ線と、連結体１２１〜１２４の中心軸とが、それぞれΔｄ１、Δｄ２、Δｄ３、Δｄ４だけずれた状態で拡散接合された場合を考える（図７では、Δｄ１及びΔｄ３だけが図示されている）。肉厚部１０１ａ、２０１ａは、環状の溝１０１ｂ、２０１ｂに比べ剛性が十分に大きく撓みにくい。また、環状の溝１０１ｂ、２０１ｂと肉厚部１０１ａ、２０１ａとはエッチング技術により作製されているので、各中心位置は精度良く一致している。そのため、連結体１２１〜１２４の位置ずれの影響をほとんど受けずに、第２フランジ２００が受けた力を第１フランジ１００に伝達することができる。従って、第１フランジ１００、２００の肉厚部及び環状の溝が形成されている場合には、連結体１２１〜１２４の位置ずれの影響で、第２フランジ２００が受けた力を第１フランジ１００に正確に伝達することができず、力検出の精度が低下したり、軸間の干渉が大きくなることを防止することができる。

次に、本発明の第２の実施の形態に係る歪みゲージ式センサについて、図面を参照して説明する。図８は、本発明の第２の実施の形態に係る歪みゲージ式センサの中央縦断面正面図である。図９は、図８のＡ−Ａ線における断面図である。

図８の歪みゲージ式センサ４０１は、起歪体４０５と、起歪体４０５の下面に配置された複数の歪みゲージを備えている。起歪体４０５は、十分な剛性を有する固定部８００に固定された第１フランジ５００と、第１フランジ５００に対向するように配置された第２フランジ６００と、第１フランジ５００と第２フランジ６００とを連結する連結部材７００とを有している。

固定部８００は円盤形状であって、その上面の中央部は凹部になっている。そして、固定部８００は、その周辺部で第１フランジ５００を支持する構造になっている。従って、固定部８００は、第１フランジ５００の下面に配置された歪みゲージを覆っていると共に、図示しないネジ穴が設けてありセンサ４０１を適当な場所に固定する機能もある。

第１フランジ５００および第２フランジ６００は、ステンレスなどの金属で形成された円盤形状の部材である。第１フランジ５００は積層された板材５０１〜５０４から構成されており、第２フランジ６００は積層された板材６０１〜６０４から構成されている。また、第２フランジ６００の上面には板材６０５が配置されている。そして、第１フランジ５００の板材５０１には、４つの肉薄の可撓部５１１〜５１４が設けられており、第２フランジ６００の板材６０１には、４つの肉薄の可撓部６１１〜６１４が設けられている。各可撓部５１１〜５１４の中央部には肉厚部１０１ａがそれぞれ形成されており、各可撓部６１１〜６１４の中央部には肉厚部６０１ａがそれぞれ形成されている。

また、第１フランジ５００の板材５０２〜５０４及び第２フランジ６００の板材６０２〜６０４には、４つの肉薄部５０２ｂ〜５０４ｂ、６０２ｂ〜６０４ｂがそれぞれ設けられており、各肉薄部の中央部には肉厚部５０２ａ〜５０４ａ、６０２ａ〜６０４ａがそれぞれ形成されている。そして、第１フランジ５００の板材５０４の肉厚部５０１ａと、第２フランジ６００の板材６０４の肉厚部６０４ａとが、連結部材７００により連結されている。

本実施の形態では、第１フランジ５００を固定側、第２フランジ６００を力を受ける受力部として利用される。また、第２フランジ６００には、図９に示すように、目的に応じた部品を取り付けるためのネジ穴６２０が形成されている。ここで、第２フランジ６００の上面（連結部材７００と反対側）には板材６０５が配置されており、肉薄部に対応した位置は板材６０５の厚さ分だけ凹んだ状態になっている。従って、第２フランジ６００の上面に取り付けられた部品に力が作用した場合に、この部品と板材６０１の肉薄部とが接触するのが防止されるので、板材６０１の肉薄部に変位又は歪みが円滑に発生する。

第１フランジ５００の可撓部５１１〜５１４及び第２フランジ６００の可撓部６１１〜６１４は、図９に示すように、Ｘ軸およびＹ軸上の正方向および負方向にそれぞれ配置されている。第１フランジ５００の下面であり且つ固定部８００の凹部に対向した位置には、一平面上に配置された複数の歪みゲージＲ１１〜Ｒ１８、Ｒ２１〜Ｒ２８、Ｒ３１〜Ｒ３８、Ｒ４１〜Ｒ４８が配置されている。なお、歪みゲージの配置位置は、第１の実施の形態と同様であるので詳細な説明は省略する（図３参照）。

上述したように、第１フランジ５００には可撓部５１１〜５１４が形成され、第２フランジ６００には可撓部６１１〜６１４が形成されている。従って、第２フランジ６００に力が作用すると、連結部材７００を介して、第１フランジ５００の板材５０１の肉薄部に力が伝わり、３次元空間の力の大きさ及び方向に応じて肉薄部に歪みが発生する。よって、この歪みゲージ式センサ４０１は３次元空間の直交する３軸の力とその軸回りのモーメントを測定するための６軸力覚センサとして機能する。なお、本発明は、センサの構造に関する発明であるので、力とモーメントを検出する原理の説明は省略するが、力とモーメントを検出する原理は上述した本願出願人の出願に係る特許文献１に記載された内容と同様である。

次に、歪みゲージセンサ４０１の製造方法について、図１０〜図１５を参照して説明する。図１０は、第１フランジの構成を示す図である。図１１は、第１フランジに含まれる板材の構成を示す図である。図１２は、第１フランジに含まれる板材の構成を示す図である。図１３は、第２フランジに含まれる板材の構成を示す図である。図１４は、連結部の構成を示す図である。図１５は、連結部に含まれる板材の構成を示す図である。

まず、ステンレスの板材においてエッチング技術により板材５０１の外径及び穴５０１ｃを加工する。その後、ハーフエッチング技術により環状の溝５０１ｂを加工する。その結果、環状の溝５０１ｂの中央に肉厚部５０１ａが形成される。これにより、図１１に示すように、４つの可撓部５１１〜５１４を有する板材５０１が作製される。ここで、図１０及び図１１では、板材５０１は、その外周に形成された切り欠き５０１ｄ及び接続部５０１ｅにより枠材５０１ｆに僅かに連結された状態になっている。また、図１０及び図１１に図示される横方向の長さｘ及び縦方向の長さｙの領域は、それを基本単位として金属板の大きさに応じて繰り返し形成されている。

次に、別のステンレスの板材においてエッチング技術により板材５０２の外径、肉厚部５０２ａの外形、ブリッジ５０２ｂの外形及び穴５０２ｃを加工する。ここで、肉厚部５０２ａの大きさは板材５０１の肉厚部５０１ａの大きさとほぼ同じである。また、肉厚部５０２ａは板材５０２に形成された開口の内側に配置されており、ブリッジ５０２ｂは肉薄であり、開口内において板材５０２の外側部分と肉厚部５０２ａとを連結している。また、ブリッジ５０２ｂは、肉厚部５０２ａを蛇行するように板材５０２の外側部分に連結しているので、肉厚部５０２ａはある程度自由に変位可能である。これにより４つの肉厚部５０２ａを有する板材５０２が作製される。また、図１２に図示される横方向の長さｘ及び縦方向の長さｙの領域は、それを基本単位として金属板の大きさに応じて繰り返し形成されている。

また、板材５０３、５０４は板材５０２と同じ形状であるので、板材５０２と同じエッチング用の版を利用して板材５０３、５０４を作製する。ここで、板材５０２〜５０４の厚さは同じである。

板材５０１〜５０４を作製した後で、それぞれの肉厚部５０１ａ〜５０４ａの中心位置が一致するように積層し、板材５０１〜５０４を拡散接合技術により接合することで、第１フランジ５００を作製する。また、板材５０１〜５０４の穴５０１ｃ〜５０４ｃはタップ加工し、第１フランジ５００を固定部８００に固定するためのネジ穴とする。

次に、第１フランジ５００の作製手順と同様にして、板材６０１〜６０４を作製した後で、板材６０１〜６０４を拡散接合技術により接合することで、第２フランジ６００を作製する。また同様に、板材６０５を作製する。ここで、板材６０５は、別のステンレスの板材においてエッチング技術により板材６０５の外径、開口６０５ａ及び穴６０５ｃを加工することで、４つの開口６０５ａを有する板材６０５が作製される。板材６０５は、後述するように、第１フランジ５００、第２フランジ６００及び連結部材７００を接合技術により接合した後で、レーザ溶接などで第２フランジ６００の上面に接合される。板材６０５は、第２フランジ６００に固定しないで、他の目的に応じた部品を取り付ける際に間挿されてもよい。

また、別のステンレスの板材においてエッチング技術により板材７０１の肉厚部７０１ａの外形及びブリッジ７０１ｂの外形を加工する。ここで、図１４及び図１５では、板材７０１は、その外周に形成された切り欠き７０１ｄ及び接続部７０１ｅにより枠材７０１ｆに僅かに連結された状態になっている。また、図１４及び図１５に図示される横方向の長さｘ及び縦方向の長さｙの領域は、それを基本単位として金属板の大きさに応じて繰り返し形成されている。ここで、ブリッジ７０１ｂは肉薄であり、肉厚部７０１ａをそれぞれ連結している。また、ブリッジ７０１ｂは、肉厚部７０１ａを蛇行するように連結しているので、肉厚部７０１ａはある程度自由に変位可能である。

また、板材７０２は板材７０１と同じ形状であるので、板材７０１と同じエッチング用の版を利用して板材７０２を作製する。ここで、板材７０１、７０２の厚さは同じである。板材７０１、７０２を作製した後で、板材７０１の肉厚部７０１ａの中心位置と板材７０２の肉厚部７０２ａの中心位置とが一致するように積層し、板材７０１、７０２を拡散接合技術により接合することで、連結部７００を作製する。

上述したように、第１フランジ５００、第２フランジ６００及び連結部７００を作製した後で、それぞれの肉厚部の中心位置が一致するように配置し、拡散接合技術により接合することで、起歪体４０５を作製する。起歪体４０５は、各枠部から延長した接続部及び切り欠きにより僅かに連結された状態になっているので、起歪体４０５を各枠部から簡単に切り離し、単体の起歪体とすることができる。その後、起歪体４０５の下面（第１フランジ５００の下面）に複数の歪みゲージを取り付けると共に、板材６０５をレーザ溶接などで第２フランジ６００の上面に接合することで、歪みゲージ式センサ４０１が完成する。

以上説明したように、本実施の形態の歪みゲージ式センサ４０１では、エッチング技術により加工された複数の板材を拡散接合により接合することで、起歪体５の第１フランジ５００、第２フランジ６００及び連結部７００を作製できる。このように、エッチング技術を用いれば、非常に薄い板材を安価に大量に精度良く加工でき、加工歪みも少なくできる。また、初期コストとしては拡散接合のための金型の初期費用と金属板材のエッチング版代だけでよいので、製造コストを低減できる。従って、製造コストを低減しつつセンサの小型化を図ることができる。

また、本実施の形態では、第１フランジ５００を構成する板材５０１〜５０４及び第２フランジ６００を構成する板材６０１〜６０５だけでなく、連結部７００を構成する板材７０１、７０２もエッチング技術により加工されるので、連結部７００を安価に大量に精度良く加工できる。また、第１フランジ５００の板材５０２〜５０４及び第２フランジ６００の板材６０２〜６０４には、肉厚部がブリッジにより連結されており、ブリッジが伸縮（変形）することで、可撓部や連結部の変位の妨げにならないようになっている。また、ブリッジは、作製時の取り扱い中に各部品の相対位置がずれないように確実に連結し、１枚の金属板としての取り扱いを容易にする効果がある。本発明の力検出装置は、検出する力の大きさすなわち定格に応じて全体のサイズを決めればよいが、これ以外に環状の溝の深さ、溝の中心の肉厚部の厚さ及び板厚の寸法により調整が可能である。この場合、板厚の選択やエッチング深さの調整で対応できるので、金型や版の新たな製作は不要なので、新たな初期コストが不要になるという利点がある。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。例えば、上述の第１及び第２の実施の形態では、センサの起歪体の構成の一例を示しており、第１フランジ及び第２フランジを構成する板材の枚数や板厚は必要に応じて変更可能である。また、連結体の数は変更可能であり、板材の外形は全て同じである場合に限定されず、用途に合わせて一部の外形を変更してもよい。

また、上述の第１及び第２の実施の形態では、検出素子として歪みゲージを備えた歪みゲージ式センサについて説明しているが、歪みゲージはピエゾ抵抗素子であってもよい。また、本発明は、歪みゲージ式センサに限定されず、検出素子として離隔して対向するように配置された一対の電極を備えた静電容量式センサや、検出素子として一対の電極間に配置された感圧抵抗体を備えた抵抗式センサであっても同様の効果を得ることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る歪みゲージ式センサの中央縦断面正面図である。図１のＡ−Ａ線における断面図である。歪みゲージの配置を示す図である。第１フランジに含まれる板材の構成を示す図である。第２フランジに含まれる板材及び第２フランジの上面に配置された板材の構成を示す図である。第１フランジと第２フランジとを連結する工程を示す図である。図１の歪みゲージ式センサの利点を説明する図である。本発明の第２の実施の形態に係る歪みゲージ式センサの中央縦断面正面図である。図８のＡ−Ａ線における断面図である。第１フランジの構成を示す図である。第１フランジに含まれる板材の構成を示す図である。第１フランジに含まれる板材の構成を示す図である。第２フランジに含まれる板材の構成を示す図である。連結部の構成を示す図である。連結部に含まれる板材の構成を示す図である。

符号の説明

１、４０１歪みゲージ式センサ
５、４０５起歪体
１００、５００第１フランジ
１１１〜１１４、２１１〜２１４、５１１〜５１４、６１１〜６１４可撓部
１２１〜１２４連結体
２００、６００第２フランジ
３００、８００固定部
７００連結部
Ｒ１１〜Ｒ１８、Ｒ２１〜Ｒ２８、Ｒ３１〜Ｒ３８、Ｒ４１〜Ｒ４８歪みゲージ

Claims

起歪体と、前記起歪体の一端面に配置された検出素子とを備えたセンサであって、
前記起歪体は、第１可撓部を有する第１部材と、前記第１可撓部に対向した第２可撓部を有する第２部材と、前記第１可撓部と前記第２可撓部とを連結する連結部材とを有し、
前記第１部材及び前記第２部材はいずれもエッチング技術により加工され且つ拡散接合により接合された複数の板状部材から構成されると共に、
前記第１部材、前記第２部材及び連結部材は拡散接合により接合されていることを特徴とするセンサ。
前記第１部材の前記複数の板状部材は、前記第１可撓部が形成された第１板状部材と、前記第１可撓部に対応した位置に開口が形成された第２板状部材とを含み、
前記第２部材の前記複数の板状部材は、前記第２可撓部が形成された第３板状部材と、前記第２可撓部に対応した位置に開口が形成された第４板状部材とを含んでおり、
前記第１可撓部及び前記第２可撓部は、環状の溝及び前記環状の溝の内側に配置された肉厚部からそれぞれ構成され、
前記連結部材は、前記第２板状部材及び前記第４板状部材に形成された開口の内側に配置されており、前記第１板状部材の肉厚部と前記第２板状部材の肉厚部とを連結することを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
前記第１部材の前記複数の板状部材は、前記第１可撓部が形成された第１板状部材と、前記第１可撓部に対応した位置に肉薄部が形成された第２板状部材とを含み、
前記第２部材の前記複数の板状部材は、前記第２可撓部が形成された第３板状部材と、前記第２可撓部に対応した位置に肉薄部が形成された第４板状部材とを含んでおり、
前記第１可撓部、前記第２可撓部及び前記肉薄部は、環状の溝及び前記環状の溝の内側に形成された肉厚部からそれぞれ構成され、
前記連結部材は、最も前記第２部材に近接した前記第２板状部材の肉厚部と、最も前記第１部材に近接した前記第４板状部材の肉厚部とを連結することを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
前記連結部材は、エッチング技術により加工された複数の板状部材から構成されていることを特徴とする請求項３に記載のセンサ。
前記検出素子として歪みゲージ又はピエゾ抵抗素子を備えた歪みゲージ式センサである請求項１〜４のいずれか１項に記載のセンサ。
前記検出素子として離隔して対向するように配置された一対の電極を備えた静電容量式センサである請求項１〜４のいずれか１項に記載のセンサ。
前記検出素子として一対の電極間に配置された感圧抵抗体を備えた抵抗式センサである請求項１〜４のいずれか１項に記載のセンサ。
第１可撓部を有する第１部材と、前記第１可撓部に対向した第２可撓部を有する第２部材と、前記第１可撓部と前記第２可撓部とを連結する連結部材とを含む起歪体と、前記起歪体の一端面に配置された検出素子とを備えたセンサの製造方法であって、
前記第１部材及び前記第２部材をそれぞれ構成する複数の板状部材をエッチング技術により加工する加工工程と、
前記加工工程で加工された複数の板状部材を拡散接合により接合し、前記第１部材及び前記第２部材をそれぞれ作製する第１作製工程と、
前記連結部材を作製する第２作製工程と、
前記第１作製工程で作製された前記第１部材及び前記第２部材と、前記第２作製工程で作製された連結部材とを拡散接合により接合し、前記起歪体を作製する第３作製工程と、
前記起歪体に前記検出素子を取り付ける取付工程とを備えていることを特徴とするセンサの製造方法。
前記第１部材の前記複数の板状部材は、前記第１可撓部が形成された第１板状部材と、前記第１可撓部に対応した位置に開口が形成された第２板状部材とを含み、
前記第２部材の前記複数の板状部材は、前記第２可撓部が形成された第３板状部材と、前記第２可撓部に対応した位置に開口が形成された第４板状部材とを含んでおり、
前記第１可撓部及び前記第２可撓部は、環状の溝と、前記環状の溝の内側に形成された肉厚部とからそれぞれ構成され、
前記連結部材は、前記第２板状部材及び前記第４板状部材に形成された開口の内側に配置されており、前記第１板状部材の肉厚部と前記第２板状部材の肉厚部とを連結することを特徴とする請求項８に記載のセンサの製造方法。
前記第１部材の前記複数の板状部材は、前記第１可撓部が形成された第１板状部材と、前記第１可撓部に対応した位置に肉薄部が形成された第２板状部材とを含み、
前記第２部材の前記複数の板状部材は、前記第２可撓部が形成された第３板状部材と、前記第２可撓部に対応した位置に肉薄部が形成された第４板状部材とを含み、
前記第１可撓部、前記第２可撓部及び前記肉薄部は、環状の溝と、前記環状の溝の内側に形成された肉厚部とからそれぞれ構成され、
前記連結部材は、最も前記第２部材に近接した前記第２板状部材の肉厚部と、最も前記第１部材に近接した前記第４板状部材の肉厚部とを連結することを特徴とする請求項８に記載のセンサの製造方法。
前記連結部材は、エッチング技術により加工された複数の板状部材から構成されていることを特徴とする請求項１０に記載のセンサの製造方法。
前記検出素子として歪みゲージ又はピエゾ抵抗素子を備えた歪みゲージ式センサである請求項８〜１１のいずれか１項に記載のセンサの製造方法。
前記検出素子として離隔して対向するように配置された一対の電極を備えた静電容量式センサである請求項８〜１１のいずれか１項に記載のセンサの製造方法。
前記検出素子として一対の電極間に配置された感圧抵抗体を備えた抵抗式センサである請求項８〜１１のいずれか１項に記載のセンサの製造方法。