(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状に形成された金属製の基体と、この基体の表裏面に形成した絶縁層と、この絶縁層上に形成したアンダーコートと、前記表裏両面の絶縁層上に形成されスルーホールを介して導通する端子部と、この端子部と前記アンダーコートとの境界部に形成した銀ペーストからなる導通部と、この導通部を介して前記アンダーコート上に形成され前記基体の歪みに追従して電気抵抗が変化する抵抗素子とからなり、前記抵抗素子を前記基体の表裏両面のアンダーコート上に設けたことを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
請求項１記載の圧力センサにおいて、前記抵抗素子を絶縁層上に印刷法によって形成した４つのカーボンとし、これら４つのカーボンによってブリッジ回路を形成し、トリミングによって前記４つの抵抗素子の抵抗値を同一にしたことを特徴とする圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力が加わることによって金属製の基体に発生する歪みに追従して抵抗値が変わる抵抗素子によって、圧力の大きさを測定する圧力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の圧力センサとしては、特開平６−５８７０６号に開示されたものがある。ここに開示された圧力センサは、板状に形成された金属基体と、この金属基体の表面に形成したガラス層と、このガラス層の表面に形成され歪みの変化により電気抵抗が変化する抵抗素子とによって構成されている。このような構成において、金属基体に圧力が加わり、この金属基体が撓むことにより、抵抗素子の電気抵抗が変化するので、この電気抵抗の変化量に基づき金属基体に加わる圧力を測定している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の圧力センサにおいては、抵抗素子が金属基体の一方の表面にのみ設けられた構造としていることにより、微少な圧力を高精度に測定するために、抵抗素子の長さを長くすると、抵抗素子を実装している金属基体の実装面積も大きくなり、圧力センサ全体が大型化するという問題があった。
【０００４】
本発明は上記した従来の問題に鑑みなされたものであり、その目的は小型にもかかわらず微少な圧力変化に対応して測定精度を向上させることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、請求項１に係る発明は、板状に形成された金属製の基体と、この基体の表裏面に形成した絶縁層と、この絶縁層上に形成したアンダーコートと、前記表裏両面の絶縁層上に形成されスルーホールを介して導通する端子部と、この端子部と前記アンダーコートとの境界部に形成した銀ペーストからなる導通部と、この導通部を介して前記アンダーコート上に形成され前記基体の歪みに追従して電気抵抗が変化する抵抗素子とからなり、前記抵抗素子を前記基体の表裏両面のアンダーコート上に設けたものである。
したがって、基体が厚み方向に変形すると、基体の表面側に設けた抵抗素子の全長が収縮し、裏面側に設けた抵抗素子の全長が伸長する。
【０００６】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記抵抗素子を絶縁層上に印刷法によって形成した４つのカーボンとし、これら４つのカーボンによってブリッジ回路を形成し、トリミングによって前記４つの抵抗素子の抵抗値を同一にしたものである。
したがって、多数の抵抗素子を多数列×多数段に配置し一度に形成することができる。また、トリミング修正が容易になる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は本発明に係る圧力センサの製造方法における前半の工程を説明するための断面図、図２は同じく後半の工程を説明するための断面図である。図３（ａ）は図２（ａ）の工程における全体の外観斜視図、同図（ｂ）は同図（ａ）におけるＩＩＩ（ｂ）  部拡大図である。図４は図２（ｂ）の工程における平面図、図５は図２（ｃ）の工程における平面図、図６は図２（ｄ）の工程における平面図、図７は図２（ｅ）の工程における平面図である。図８は本発明に係る圧力センサの表側（谷側）の平面図、図９は同じく裏側（山側）の底面図である。図１０は同じく回路図、図１１は同じく圧力を加える状態を示す正面図、図１２は同じく圧力を加えたときの抵抗素子の伸縮量と抵抗値の変化量の関係を示す特性図である。なお、図１および図２は、便宜上１個の圧力センサを製造する方法を図示しているが、実際には大判の基体上に多数の圧力センサを多数列×多数段に配置し同時に製造している。
【０００８】
図１（ａ）において、２は板状に形成された金属製の基体であって、外形寸法が大きい大版状に形成され（便宜上、一部分のみを拡大して図示している）、この基体２にドリルやパンチングによって径がＤに形成された穴３を穿孔する。同図（ｂ）において、４は樹脂付き銅箔であって、銅箔６の片面（下面）に半硬化状態の絶縁樹脂５層が形成されており、基体２の表裏をこれら一対の樹脂付き銅箔４，４によって挟むようにして加熱・加圧することにより基体２に積層する。このとき、穴３内には、加熱することにより溶解した絶縁樹脂５が充填される。
【０００９】
次いで、同図（ｃ）に示すように、上述した絶縁樹脂５が充填された穴３と軸心を一致させるようにして樹脂付き銅箔６，６に径がＤよりも小さいｄに形成された穴７を穿孔する。しかる後、同図（ｄ）に示すように、全面にパネルめっきを行い、銅箔６上に導体８を形成するとともに、径がｄの穴７内にスルーホールめっきによってスルーホール９を形成する。このとき、基体２の穴３の径Ｄが、穴７の径ｄよりも大きく形成されていることにより、スルーホール９と基体２との間には絶縁樹脂５による絶縁層が形成され、スルーホール９と基体２とは絶縁状態になっている。
【００１０】
次に、図２（ａ）に示すように、写真法によるパターン形成とエッチング処理を施すことにより、基体２の両面の絶縁樹脂５層の表裏にスルーホール９を介して導通する端子部１１，１２を形成する。これら端子部１１，１２は、図３（ｂ）に示すように、基体２の表面に形成した４個の端子部１１Ａないし１１Ｄと、裏面に形成した４個の端子部１２Ａないし１２Ｄ（図９参照）を一組とし、同図（ａ）に示すように、マトリックス状に多数組形成されている。これら表裏に４個ずつ形成された端子部は、端子部１１Ａと端子部１２Ａとがスルーホール９Ａによって電気的に接続され、以下、端子部１１Ｂと端子部１２Ｂとがスルーホール９Ｂによって、端子部１１Ｃと端子部１２Ｃとがスルーホール９Ｃによって、端子部１１Ｄと端子部１２Ｄとがスルーホール９Ｄによって、それぞれ電気的に接続されている。また、これら端子部１１Ａないし１１Ｄおよび端子部１２Ａないし１２Ｄを形成するときに、図９に示すように、基体２の裏側に端子部１２Ａないし１２Ｄからそれぞれ導出された端子２２ないし２５が形成される。
【００１１】
次いで、図２（ｂ）および図４に示すように、基体２の表側の端子部１１Ａと端子部１１Ｂおよび端子部１１Ｃと端子部１１Ｄとの間に熱硬化型エポキシ樹脂によって一対の長方形のアンダーコート１４，１４を形成する。同時に、図示を省略しているが、基体の裏側の端子部１２Ａと端子部１２Ｂおよび端子部１２Ｃと端子部１２Ｄとの間に熱硬化型エポキシ樹脂によって一対の長方形のアンダーコート１４，１４を形成する。
【００１２】
次に、図２（ｃ）および図５に示すように、基体２の表側の端子部１１Ａないし１１Ｄのアンダーコート１４の境界部に印刷法によって銀ペーストを塗布して４個の帯状の導通部１５を形成する。同時に、図示を省略しているが、基体２の裏側の端子部１２Ａないし１２Ｄのアンダーコート１４の境界部に印刷法によって銀ペーストを塗布して４個の帯状の導通部１５を形成する。
【００１３】
しかる後、図２（ｄ）および図６に示すように、基体２の表側の一対のアンダーコート１４，１４上に、印刷法によって熱硬化性カーボンインクを塗布し、全長がＬで幅がＷに形成された抵抗素子１６（１６Ａ，１６Ｂ）を設ける。同時に、図２（ｄ）および図９に示すように、基体２の裏側の一対のアンダーコート１４，１４上に印刷法によって熱硬化性カーボンインクを塗布し、全長がＬで幅がＷに形成された抵抗素子１７（１７Ａ，１７Ｂ）を設ける。したがって、これら４個の抵抗素子１６Ａ，１６Ｂ，１７Ａ，１７Ｂは、共に全長Ｌおよび幅Ｗが同じ長さに形成されているので、それぞれの抵抗値も同一になる。
【００１４】
最後に、図２（ｅ）および図７に示すように、抵抗素子１６Ａ，１６Ｂと端子部１１Ａないし１１Ｄを覆うようにして、熱硬化型またはＵＶ硬化型樹脂によってオーバーコート１８を形成する。同時に、図示を省略しているが、抵抗素子１７Ａ，１７Ｂと端子部１２Ａないし１２Ｄを覆うようにして、熱硬化型またはＵＶ硬化型樹脂によってオーバーコートを形成することにより、圧力センサ２０が製造される。
【００１５】
図１０に示すように、本発明の圧力センサにおいては、基体２の表側の抵抗素子１６Ａ，１６Ｂおよび裏側の抵抗素子１７Ａ，１７Ｂが対向するようなブリッジ回路が形成されている。このブリッジ回路では、抵抗素子１６Ａ，１７Ａのそれぞれの一端側に導通された端子２２と、抵抗素子１６Ｂ，１７Ｂのそれぞれの一端側に導通された端子２４との間に直列電圧Ｖｅが入力されている。この直列電圧Ｖｅによって、後述するように、抵抗素子１６Ａ，１６Ｂ，１７Ａ，１７Ｂの抵抗値の変化にともない、端子２３，２５において出力電圧Ｖｏｕｔが得られ、この出力電圧Ｖｏｕｔは増幅器２７によって増幅され出力端子２８に出力される。
【００１６】
次に、図８ないし図１２を用いてこのような構成の圧力センサ２０によって圧力を測定する方法を説明する。
先ず、図１１において、圧力センサ２０の両端部を測定器の支持部３３，３３によって支持し、加圧部材３１によって圧力センサ２０を加圧する前に、予め出力端子２８に出力された出力値をみて、すべての抵抗素子１６Ａ，１６Ｂ，１７Ａ，１７Ｂがすべて同じ抵抗値となるように、抵抗素子１６Ａ，１６Ｂ，１７Ａ，１７Ｂの一部の幅方向を切削して幅Ｗを小さくするトリミング調整を行う。次いで、図８において圧力センサ２０の表面の中心点３０を加圧部材３１によって加圧する。この加圧部材３１の加圧によって、圧力センサ２０は、表面側が谷側になるように、裏面側が山側になるようにして湾曲する。このとき、抵抗素子１６，１７と端子部１１，１２との間に高荷重に対して耐久性のよい導通部１５を設けたことにより、端子１１，１２に割れやクラックが発生するのを防止でき、抵抗素子１６，１７と端子部１１，１２との間の導通不良を防止できる。
【００１７】
この圧力センサ２０の湾曲によって、表面側の抵抗素子１６Ａ，１６Ｂは全長Ｌが短くなるとともに、幅Ｗが大きくなり、裏面側の抵抗素子１７Ａ，１７Ｂは全長Ｌが長くなるとともに、幅Ｗが小さくなる。一般的に、金属の抵抗値は全長に比例し、断面積に反比例する。このため、表面側の抵抗素子１６Ａ，１６Ｂの抵抗値が小さくなり、裏面側の抵抗素子１７Ａ，１７Ｂの抵抗値が大きくなる。
【００１８】
図１２は抵抗素子の伸縮量と抵抗値の変化量との関係を示す特性図であって、同図から明らかなように、抵抗素子が伸長した場合、すなわち領域（Ｉ）で示す山曲げ側変化特性の場合には、抵抗値が大きくなる。一方、抵抗素子が収縮した場合、すなわち領域（ＩＩ）で示す谷曲げ側変化特性の場合には、抵抗値が小さくなる。
【００１９】
したがって、図１０において、端子２２と端子２４間に入力される電圧Ｖｅによって、裏面側の抵抗素子１７Ａ，１７Ｂおよび表面側の抵抗素子１６Ａ，１６Ｂの抵抗値変化の割合に応じた｛「（Δ裏面側抵抗素子１７Ａ−Δ表面側抵抗素子１６Ｂ）−（Δ表面側抵抗素子１６Ａ−Δ裏面側抵抗素子１７Ｂ）」×Ｖｅ／２｝の出力Ｖｏｕｔが得られる。この出力Ｖｏｕｔの変化量から基体２の変位量が測定され、この変位量から基体２に加わっている圧力が算出される。
【００２０】
上述したように、本発明によれば、基体２の表裏のそれぞれに抵抗素子１６，１７を分担させて実装したことにより、基体２における抵抗素子の実装面積を半分にすることができるので、圧力センサ２０を小型化できる。また、基体２における抵抗素子の実装面積を小さくする必要がない場合には、抵抗素子１６，１７の実装面積を増加させることができるので測定精度が向上する。
【００２１】
また、抵抗素子１６，１７として印刷法によってカーボン膜を形成するようにしたことにより、大判の基体２に多数の抵抗素子１６，１７を一度にかつ容易に形成することができるから、生産性が向上するだけでなく、コストを低減することができる。また、抵抗値を修正するのに、カーボンの幅方向を切削すればよいから修正が容易となり歩留まりが向上する。また、基体２をステンレスやばね用合金などを用途により選択することにより、低荷重から高荷重の広範囲の用途に使える圧力センサとなる。
【００２２】
【実施例】
基体２はヒステリシス特性を改善するために厚さ０．３ｍｍの「ＳＵＳ  ３０４  ＣＰＳ」材を使用した。また、Ｄ＝０．９ｍｍ、ｄ＝０．３ｍｍとした。また、抵抗素子１６Ａ，１６Ｂおよび抵抗素子１７Ａ，１７Ｂの全長Ｌを６ｍｍ、幅Ｗを１ｍｍとし、抵抗素子１６Ａ，１６Ｂ，１７Ａ，１７Ｂの抵抗値Ｒは、Ｒ＝ＲＤ×Ｌ／Ｗ＝２０Ω×６ｍｍ／１ｍｍ＝１２０Ωとし、Ｖｅを５Ｖとした。また、図１２における抵抗素子伸縮量が±１％の範囲の抵抗値変化量を使用し、増幅器２７によって出力電圧を約１０００倍に増幅した。
【００２３】
なお、本実施の形態では、基体２の表裏に二対の抵抗素子１６Ａ，１６Ｂ、抵抗素子１７Ａ，１７Ｂを設けたが、少なくとも一対設ければよい。また、抵抗素子１６，１７をカーボンで形成したが、他の抵抗材で形成してもよい。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、基体の表裏のそれぞれに抵抗素子を分担させて実装したことにより、基体における抵抗素子の実装面積を半分にすることができるので、圧力センサを小型化できる。また、基体における抵抗素子の実装面積を小さくする必要がない場合には、抵抗素子の実装面積を増加させることができるので測定精度が向上する。また、端子部とアンダーコートとの境界部に銀ペーストからなる導通部を形成したことにより、割れやクラックの発生による導通不良を防止できる。
【００２５】
また、請求項２に係る発明によれば、製造が容易であるとともに、大判の基体に多数の抵抗素子を一度にかつ容易に形成することができるから、生産性が向上するだけでなく、コストを低減することができる。また、ブリッジ回路を形成する４つの抵抗素子の抵抗値を同一に調整するのに、カーボンの幅方向を切削すればよいからトリミング修正を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧力センサの製造方法における前半の工程を説明するための断面図である。
【図２】本発明に係る圧力センサの製造方法における後半の工程を説明するための断面図である。
【図３】同図（ａ）は図２（ａ）の工程における全体の外観斜視図、同図（ｂ）は同図（ａ）におけるＩＩＩ（ｂ）  部拡大図である。
【図４】図２（ｂ）の工程における平面図である。
【図５】図２（ｃ）の工程における平面図である。
【図６】図２（ｄ）の工程における平面図である。
【図７】図２（ｅ）の工程における平面図である。
【図８】本発明に係る圧力センサの表側（谷側）の平面図である。
【図９】本発明に係る圧力センサの裏側（山側）の底面図である。
【図１０】本発明に係る圧力センサの回路図である。
【図１１】本発明に係る圧力センサに圧力を加える状態を示す正面図である。
【図１２】本発明に係る圧力センサに圧力を加えたときの抵抗素子の伸縮量と抵抗値の変化量の関係を示す特性図である。
【符号の説明】
２…基体、９Ａ，９Ｂ，９Ｃ，９Ｄ…スルーホール、１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ…端子、１６，１６Ａ，１６Ｂ，１７，１７Ａ，１７Ｂ…抵抗素子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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