(57)【要約】【課題】  荷重印加体から一軸方向に作用する荷重の推力について、広いダイナミックレンジを確保するとともに、特に低荷重領域において荷重の推力を高分解能に計測可能な荷重センサを提供する。【解決手段】  荷重センサ１は、印加される荷重に応じて変形可能な第１のダイアフラム１２及び第２のダイアフラム１４を備え、これらのダイアフラムの変形による歪に基づいて、荷重印加体２から受ける荷重を計測可能とする。この荷重センサ１は、受圧部１１、第１のダイアフラム１２、荷重伝達部１３、第２のダイアフラム１４、及び歪センサ１５を備え、受圧部１１が受ける荷重が第１の荷重になるまでは、第２のダイアフラム１４が支配的に変形し、第１の荷重以上になると、第１のダイアフラム１２が荷重伝達部１３以外でも第２のダイアフラム１４と接触して変形する。【選択図】図１
2018205217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加される荷重に応じて変形可能な第１及び第２のダイアフラムを備え、ダイアフラムの変形による歪に基づいて、荷重印加体から受ける荷重を計測可能な荷重センサであって、
前記荷重印加体から荷重を受けて前記第１のダイアフラムに伝達する受圧部と、
前記第１のダイアフラムと前記第２のダイアフラムとを接続する荷重伝達部と、
前記第２のダイアフラムの変形による歪を検出する歪センサと、
を備え、
前記受圧部が受ける荷重が所定の第１の荷重になるまでは、前記第２のダイアフラムが支配的に変形し、
前記受圧部が受ける荷重が前記第１の荷重以上になると、前記第１のダイアフラムが前記荷重伝達部以外でも前記第２のダイアフラムと接触して変形する
ことを特徴とする荷重センサ。
【請求項２】
前記第１のダイアフラムまたは前記第２のダイアフラムの少なくとも何れかにおいて、前記荷重伝達部よりも高さが低い第１のストッパーが設けられ、
前記受圧部が受ける荷重が前記第１の荷重以上になると、前記第１のストッパーが閉じることによって前記第１のダイアフラムが前記第２のダイアフラムに接触する
ことを特徴とする請求項１に記載の荷重センサ。
【請求項３】
前記第１のダイアフラムにおいて、前記受圧部よりも高さが低い第２のストッパーが設けられ、
前記受圧部が受ける荷重が前記第１の荷重よりも重い所定の第２の荷重以上になると、前記第２のストッパーが閉じることによって前記第１のダイアフラムが前記荷重印加体に接触する
ことを特徴とする請求項２に記載の荷重センサ。
【請求項４】
前記受圧部が前記荷重印加体から荷重を受ける方向を下方向とする場合に、前記第２のダイアフラムの端部は固定体によって上方向から固定され、
前記第１のストッパー及び前記第２のストッパーは前記固定体の下方に設けられ、
前記受圧部が受ける荷重が前記第２の荷重以上となったときに、前記第１のストッパー及び前記第２のストッパーが前記荷重印加体と前記固定体とに挟み込まれる
ことを特徴とする請求項３に記載の荷重センサ。
【請求項５】
前記第１のダイアフラムは前記第２のダイアフラムよりも剛性が高く、
前記歪センサは前記第２のダイアフラムに搭載される
ことを特徴とする請求項１に記載の荷重センサ。
【請求項６】
前記歪センサは前記荷重伝達部を中心として対称な位置に複数配置される
ことを特徴とする請求項１に記載の荷重センサ。
【請求項７】
前記第１のダイアフラムと前記第２のダイアフラムとの間に配置される１以上の第３のダイアフラムをさらに備え、
前記第１乃至第３のダイアフラムのそれぞれにおいて、隣り合うダイアフラムまたは前記荷重印加体の間を前記荷重に応じて接触可能にするストッパーが設けられる
ことを特徴とする請求項１に記載の荷重センサ。
【請求項８】
前記歪センサは配線によって接続された複数の歪ゲージを有し、
前記歪ゲージは、ｐ型単結晶シリコンで構成され、シリコン結晶軸と一致する方向の歪を検出する
ことを特徴とする請求項１に記載の荷重センサ。
【請求項９】
前記歪センサは複数配置され、当該複数の前記歪センサの何れかが出力不能となった場合には、残りの前記歪センサの出力値に基づいて印加荷重の計測値を算出する
ことを特徴とする請求項１に記載の荷重センサ。
【請求項１０】
前記第１のダイアフラム及び前記第２のダイアフラムは中央部に貫通孔を形成するリング状構造とされる
ことを特徴とする請求項１に記載の荷重センサ。
【請求項１１】
前記歪センサは前記荷重伝達部の延長線上に配置される
ことを特徴とする請求項１に記載の荷重センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷重センサに関し、電動ブレーキ装置に用いられる荷重センサに適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電動モータを駆動源として車両の制御を行う電動ブレーキ装置では、電動モータを駆動する電流から、電流リプルや電流モータによって作動する機械部分のグリスの粘性を含む修道抵抗分の電流（粘性・摩擦トルク成分電流）などを除去したブレーキパッド押付力（以後、推力と呼ぶ）の発生にのみ寄与する電流（推力寄与電流）を算出することで、推力を推定し制御を行っている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
このような従来の電動ブレーキ制御技術では、機械部分の経時変化などによって推力の推定値が正確さを欠いてしまうことがあり、左右の車輪で不正確な推定値が推定されてしまうと、制動時の車両の安定性が低下するおそれがあった。
【０００４】
上記の課題に対しては、荷重センサで推力を計測することによって車両を制動する方法が検討されている。具体的には例えば、特許文献２には、一軸方向（例えば、直交座標系におけるＺ軸方向）に作用する推力を測定する荷重センサが提案されている。特許文献２に記載された荷重センサは、ピストンを介してセンシング部を押すことによって推力を測定するセンサであって、荷重を一軸方向に伝えるピストンと、ピストンを介して荷重を測定する歪ゲージ、歪ゲージを保護する支持ケース、及びストッパーを有している。そして、歪ゲージに加わる荷重が測定許容範囲内である場合は、当該歪ゲージを用いて推力を測定し、歪ゲージに加わる荷重が測定許容範囲を超えた場合は、ピストンがストッパーで止められることで、過剰に歪ゲージを変形させない構造としている。また、一軸方向に推力が加わるようにピストン周辺はピストンガイドで覆われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１０６３５５号公報
【特許文献２】特願２０１５−１１１０８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、車両の制御を行う電動ブレーキ装置では、車体の繊細な姿勢制御を可能とするには高精度の制御が必要であり、特に、軽い踏み込み量のペダル操作が行われる低荷重領域において高精度に推力を計測できることが求められる。すなわち、低荷重領域の分解能を得ることが高精度な制御を可能にすることに繋がる。
【０００７】
しかし、上述した特許文献２に記載された荷重センサにおいて低荷重領域における検出分解能を向上させようとする場合には、受圧のダイアフラムを薄くして低荷重領域の感度を向上させなければならないが、受圧のダイアフラムが薄くなることによって高荷重領域では過荷重となり、計測のダイナミックレンジが狭くなってしまうという問題があった。ここで、計測のダイナミックレンジを広くするためには、例えば、感度の異なる荷重センサを取り付ける方法が考えられるが、複数のセンサを取り付ける場合には、センシングエリアを大きく確保する必要が出ることやコストが増加してしまうという問題が新たに生じてしまう。
【０００８】
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、荷重印加体から一軸方向に作用する荷重の推力について、広いダイナミックレンジを確保するとともに、特に低荷重領域において荷重の推力を高分解能で計測可能な荷重センサを提案しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
かかる課題を解決するため本発明においては、印加される荷重に応じて変形可能な第１及び第２のダイアフラムを備え、ダイアフラムの変形による歪に基づいて、荷重印加体から受ける荷重を計測可能な荷重センサが提供される。この荷重センサは、荷重印加体から荷重を受けて第１のダイアフラムに伝達する受圧部と、第１のダイアフラムと第２のダイアフラムとを接続する荷重伝達部と、第２のダイアフラムの変形による歪を検出する歪センサと、を備え、受圧部が受ける荷重が所定の第１の荷重になるまでは、第２のダイアフラムが支配的に変形し、受圧部が受ける荷重が第１の荷重以上になると、第１のダイアフラムが荷重伝達部以外でも第２のダイアフラムと接触して変形することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、荷重印加体から一軸方向に作用する荷重の推力について、広いダイナミックレンジを確保するとともに、特に低荷重領域において荷重の推力を高分解能で計測可能な荷重センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る荷重センサの構造例を示す図である。
【図２】歪センサの概要を説明するための図である。
【図３】印加荷重の増大に伴う荷重センサの変形を説明するための図である。
【図４】荷重センサの出力例を説明するための図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る荷重センサの構造例を示す図である。
【図６】本発明の他の実施の形態に係る荷重センサの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。
【００１３】
（１）第１の実施の形態
（１−１）荷重センサの構造
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る荷重センサの構造例を示す図である。図１（Ａ）は、荷重センサ１を上方から見た平面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ線を断面とする荷重センサ１の断面図である。
【００１４】
図１（Ａ），図１（Ｂ）に示したように、荷重センサ１は、荷重印加体２と固定体３との間に配置され、荷重印加体２から荷重を受ける受圧部１１と、受圧部１１に接続された第１のダイアフラム１２と、第１のダイアフラム１２の上部に接続された荷重伝達部１３と、荷重伝達部１３の上部に接続された第２のダイアフラム１４と、第２のダイアフラム１４の上面に搭載（接合）された２個の歪センサ１５と、を備えて構成される。なお、受圧部１１及び荷重伝達部１３は、荷重の受圧及び伝達の観点から、Ｚ軸方向の中心軸となる位置に配置されることが好ましく、それぞれが第１のダイアフラム１２または第２のダイアフラム１４の中央部分に接続される。
【００１５】
第１のダイアフラム１２及び第２のダイアフラム１４の材質には、例えば、ステンレス等の金属を用いる。第１のダイアフラム１２は、第２のダイアフラム１４よりも厚い部材を用いるなどして、第２のダイアフラム１４よりも剛性が高くなるように構成される。
【００１６】
荷重伝達部１３は、円柱形状に形成された部材であって、材質には第１のダイアフラム１２及び第２のダイアフラム１４と同様に金属を用いる。これらの材質に金属を用いることによって、温度変化に伴う変形を抑制する効果が得られる。荷重伝達部１３は、溶接や接着などによって第１のダイアフラム１２及び第２のダイアフラム１４に接続され、荷重が印加されていない状態でも両ダイアフラムに接触する。但し、後述するように、荷重が印加されていない状態において第１のストッパー１６の下部ストッパー１６ａと上部ストッパー１６ｂとが接触しないようにするため、荷重伝達部１３は、下部ストッパー１６ａ及び上部ストッパー１６ｂを合わせたよりも高く形成される。
【００１７】
また、図１（Ｂ）に示したように、荷重センサ１では、第１のダイアフラム１２及び第２のダイアフラム１４によって第１のストッパー１６が形成され、第１のダイアフラム１２によって第２のストッパー１７が形成される。
【００１８】
より具体的には、第１のストッパー１６は、第１のダイアフラム１２から第２のダイアフラム１４に向けて突出した下部ストッパー１６ａと、第２のダイアフラム１４から第１のダイアフラム１２に向けて突出した上部ストッパー１６ｂとが対向して配置されることによって形成される。下部ストッパー１６ａ及び上部ストッパー１６ｂは、何れも固定体３の下方に形成される。
【００１９】
図１（Ｂ）に示したように、第１のストッパー１６は、荷重印加体２から荷重センサ１に荷重が印加されていない状態では、下部ストッパー１６ａと上部ストッパー１６ｂとの間に隙間が形成され、下部ストッパー１６ａと上部ストッパー１６ｂとが接触しないように構成される。このため、荷重伝達部１３は下部ストッパー１６ａ及び上部ストッパー１６ｂを合わせたよりも高く形成される。
【００２０】
このような第１のストッパー１６は、荷重センサ１に印加される荷重が所定の第１の荷重（第１の閾値）以上となった場合に、下部ストッパー１６ａと上部ストッパー１６ｂとが接触することで、第２のダイアフラム１４のそれ以降の変形を低減する第１のストッパー機能を実現する。
【００２１】
一方、第２のストッパー１７は、荷重印加体２に向けて突出した形状を有する第１のダイアフラム１２の一部によって形成される。第２のストッパー１７は、固定体３の下方に形成される。
【００２２】
図１（Ｂ）に示したように、第２のストッパー１７は、荷重印加体２から荷重センサ１に荷重が印加されていない状態では、荷重印加体２との間に隙間が形成され、荷重印加体２に接触しないように構成される。このため、受圧部１１は第２のストッパー１７よりも高く形成される。また、第２のストッパー１７は、第１のストッパー１６において下部ストッパー１６ａと上部ストッパー１６ｂが接触して第１のストッパー機能が作動した以後も、ある程度の印加荷重までは荷重印加体２に接触しないように形成される。
【００２３】
このような第２のストッパー１７は、荷重センサ１に印加される荷重が所定の第２の荷重（第１の閾値よりも大きい「第２の閾値」）以上となった場合に、荷重印加体２に接触することで、第１のダイアフラム１２及び第２のダイアフラム１４のそれ以降の変形を抑制（または低減）する第２のストッパー機能を実現する。
【００２４】
第１及び第２のストッパー機能については、（１−３）でも詳しく説明する。
【００２５】
（１−２）歪センサ
歪センサ１５は、第２のダイアフラム１４におけるＸＹ軸方向の歪を計測するための正方形状のセンサである。２個の歪センサ１５が、第２のダイアフラム１４のＸ軸方向に沿って、かつ荷重伝達部１３を中心として対称な位置に搭載されることによって、荷重が印加された場合に、それぞれの歪センサ１５は理想的には同一の歪を検出する。但し、実際には、歪センサ１５の搭載位置のずれ、荷重印加の位置ずれや角度ずれ、歪センサ１５自身が持つ特性差などによって、出力値（計測値）には差異が生じる。
【００２６】
図２は、歪センサの概要を説明するための図である。歪センサ１５は、単結晶シリコン基板を材料として製作され、歪ゲージ１５２は、不純物拡散によって製作された、ｐ型シリコンのピエゾ抵抗ゲージである（ｐ型単結晶シリコン）。
【００２７】
図２によれば、歪センサ１５は、第２のダイアフラム１４と接合しない側（図１（Ｂ）の上側）の表面中央部に、ゲージ領域１５１を有し、ゲージ領域１５１内に、配線によって接続された４つの歪ゲージ１５２（個別には歪ゲージ１５２ａ〜１５２ｄ）を有する。
【００２８】
歪センサ１５は、シリコン基板には結晶面（１００）のものを用いることで、Ｘ軸及びＹ軸がシリコン結晶軸の＜１１０＞と一致するようにしているため、それぞれの歪ゲージ１５２ａ〜１５２ｄは、全てｐ型シリコン＜１１０＞方向のピエゾ抵抗ゲージである。なお、（１００）は面のミラー指数であり、＜１１０＞は方向のミラー指数である。
【００２９】
そして図２に示したように、歪ゲージ１５２ａ，１５２ｂは、第２のダイアフラム１４のＸ軸方向の歪を検出できるように配置され、歪ゲージ１５２ｃ，１５２ｄは、第２のダイアフラム１４のＹ軸方向の歪を検出できるように配置される。
【００３０】
本実施の形態に係る荷重センサ１は、第２のダイアフラム１４の上面にこのような歪センサ１５を搭載することによって、荷重印加体２から加えられる推力に対して第１のダイアフラム１２と第２のダイアフラム１４とが変形して歪ゲージ１５２の応力が変化し、当該変化に伴って歪ゲージ１５２の抵抗が変化することにより、ブリッジ回路の差動出力として圧力に比例した出力が得られる仕組みとなっている。
【００３１】
なお、歪センサ１５の第２のダイアフラム１４への接着には、Ａｕ／Ｓｎはんだやガラスが用いられる。接合のプロセスは、具体的には例えば、歪センサ１５の接合面にＮｉ／Ａｕ膜をスパッタで形成しておき、受圧プレートとなる第２のダイアフラム１４においては、歪センサ１５との接合領域にＳｎ膜をめっきで形成しておく。そして、ペレット状のＡｕ／Ｓｎを挟んで位置合わせし、加熱してＡｕ／Ｓｎを溶融することで、歪センサ１５を第２のダイアフラム１４に接合することができる。
【００３２】
（１−３）荷重印加による変形
上述した構造を備えることによって、本実施の形態に係る荷重センサ１は、荷重印加体２から印加される荷重（印加荷重）に応じて、第１のダイアフラム１２または第２のダイアフラム１４が変形するとともに、第１及び第２のストッパー機能が作動することによって、これらのダイアフラムの変形率を変更し、第２のダイアフラム１４の上面に搭載された歪センサ１５における歪の計測精度を変更することができる。
【００３３】
以下では、このような荷重印加による荷重センサ１の変形等について具体例を挙げて説明する。
【００３４】
図３は、印加荷重の増大に伴う荷重センサの変形を説明するための図である。図１（Ｂ）では、荷重印加体２から荷重が印加されていない状態における荷重センサ１の断面図を例示したが、図３（Ａ）〜図３（Ｃ）は、荷重印加体２から荷重センサ１に印加される荷重が増大していくときの断面図を順に例示している。
【００３５】
まず、図３（Ａ）は、荷重印加体２が受圧部１１に接触したものの、荷重センサ１には荷重が印加されていない状態を示している。このとき、第１のストッパー１６は下部ストッパー１６ａと上部ストッパー１６ｂとの間に隙間があって接触しておらず、第１のストッパー機能は作動していない。また、第２のストッパー１７も、荷重印加体２との間に隙間があって接触しておらず、第２のストッパー機能は作動していない。
【００３６】
図３（Ａ）のような状態から荷重センサ１に印加される荷重が徐々に増大した場合（低荷重が印加された場合）、まず、受圧部１１で受けた荷重は第１のダイアフラム１２と荷重伝達部１３を介して第２のダイアフラム１４に伝達される。このとき、第２のダイアフラム１４は、周辺部が上部ストッパー１６ｂの上方で固定体３に接触していることから、中央部が荷重伝達部１３との接触部分を中心に上側に変形する。一方、第１のダイアフラム１２は、ストッパー１６の下部ストッパー１６ａと上部ストッパー１６ｂとの間に隙間があるうちは変形しない。
【００３７】
その後、荷重センサ１に印加される荷重がさらに増大し、第１の閾値（後述の図４における閾値Ｐ１に相当）以上となると、第１のストッパー１６において下部ストッパー１６ａと上部ストッパー１６ｂとが接触し、第１のストッパー機能が作動する。
【００３８】
図３（Ｂ）は、第１のストッパー機能が作動したときの荷重センサ１の変形を例示している。図３（Ｂ）に示したように、下部ストッパー１６ａと上部ストッパー１６ｂとが接触して第１のストッパー機能が作動すると、荷重増加あたりの第２のダイアフラム１４の変形量（変形率）は低下し、第１のダイアフラム１２が主に変形するようになる。
【００３９】
言い換えると、第１のダイアフラム１２は、第２のダイアフラム１４と同等以上のばね剛性を備えており、第１のストッパーが機能したときは、印加荷重が低荷重の場合に比べて、印加荷重の増加量に対する第２のダイアフラム１４の変形量（変形率）が小さくなる。そして、第２のダイアフラム１４の変形量は、歪センサ１５に発生する歪量と比例関係にあることから、印加荷重の増加量に対する第２のダイアフラム１４の変形量は、感度と呼ぶこともできる。すなわち、荷重センサ１では、低荷重が印加されて第１のストッパー機能が作動していない場合に比べて、印加荷重が増加して第１のストッパー機能が作動した後の方が、感度が小さくなる。
【００４０】
そして、図３（Ｂ）に示した状態から荷重センサ１に印加される荷重がさらに増大した場合（高荷重が印加された場合）、印加荷重が第２の閾値（後述の図４における閾値Ｐ２に相当）以上となると、第２のストッパー１７が荷重印加体２に接触し、第２のストッパー機能が作動する。
【００４１】
図３（Ｃ）は、第２のストッパー機能が作動したときの荷重センサ１の変形を例示している。図３（Ｃ）に示したように、第２のストッパー１７が荷重印加体２に接触すると、第１のダイアフラム１２と荷重印加体２とが接触する。また、これよりも前に、第１のストッパー１６が機能していることから、第１のダイアフラム１２と第２のダイアフラム１４も接触している。そして、第１のストッパー１６及び第２のストッパー１７は何れも固定体３の下方に設けられていることから、荷重センサ１は、荷重印加体２と固定体３とに挟み込まれて固定される。すなわち、このような状態になると、印加荷重が増大しても第１のダイアフラム１２及び第２のダイアフラム１４はそれ以上変形せず、歪センサ１５からの出力は一定となる。この結果、荷重センサ１は、測定レンジ外の過荷重（第２の閾値を超える荷重）が印加された場合に、第１のダイアフラム１２及び第２のダイアフラム１４が過大に変形して破壊されてしまうことを防止することができる。
【００４２】
図４は、荷重センサの出力例を説明するための図である。図４には、荷重センサ１に印加される荷重と歪センサ１５の出力（歪出力）との関係が例示されており、これは言い換えれば、印加荷重と荷重センサ１の感度（分解能）との関係である。
【００４３】
前述したように、図４に示した荷重Ｐ１は、第１のストッパー機能が作動する第１の閾値に相当し、荷重Ｐ２は、第２のストッパー機能が作動する第２の閾値に相当する。そして、「荷重０〜荷重Ｐ１」の低荷重領域を帯域Ａ、「荷重Ｐ１〜荷重Ｐ２」の高荷重領域を帯域Ｂ、荷重Ｐ２を超える過荷重領域を帯域Ｃとしている。
【００４４】
図４によれば、印加荷重と歪出力（荷重センサ１の感度）との関係は、帯域ごとに異なる傾きを持つ直線が連続して表されている。すなわち、荷重センサ１の感度は、各帯域では線形性を示しながらも、全体では非線形性を示すという特徴を有する。なお、各帯域における印加荷重と歪出力との比例関係は、傾きが大きいほど感度が高い（高分解能）ことを意味する。
【００４５】
さらに詳しくみていくと、まず、帯域Ｃは傾きが０であることから、印加荷重を計測できない測定レンジ外であることが分かる。一方、帯域Ａ及び帯域Ｂは傾きが０ではないことから、これらの帯域（具体的には「荷重０〜荷重Ｐ２」）が測定レンジとなる。
【００４６】
そして、帯域Ａと帯域Ｂとを比較すると、帯域Ａのほうが直線の傾きが大きく、感度が高い。すなわち、図４によれば、荷重センサ１は、低荷重領域である帯域Ａにおいて最も感度が高く（高分解能）、次いで、高荷重領域である帯域Ｂの感度が高く（低分解能）、過荷重領域である帯域Ｃは感度がない（分解能がない）ことが示される。
【００４７】
（１−４）まとめ
以上に説明したように、本実施の形態に係る荷重センサ１によれば、荷重印加体２から一軸方向（例えば図１のＺ軸方向）に作用する荷重の推力について、低荷重の推力を高精度に測定することができるとともに、低荷重領域よりも低精度ではあるが、測定レンジ内であれば、高荷重の推力も測定することができる。すなわち、本実施の形態に係る荷重センサ１は、荷重印加体２から一軸方向に作用する荷重の推力について、広いダイナミックレンジを確保するとともに、特に低荷重領域において荷重の推力を高分解能で計測可能な荷重センサを実現する。
【００４８】
また、本実施の形態に係る荷重センサ１は、測定レンジ外の過荷重に対しては、第１のダイアフラム１２及び第２のダイアフラム１４が過大に変形して破壊されてしまうことを防止することができるため、過荷重が印加されたときの特性変化や破壊を防止可能な、過荷重に対して強固な荷重センサを実現する。
【００４９】
また、本実施の形態に係る荷重センサ１では、荷重伝達部１３を中心として対称な位置（第２のダイアフラム１４のＸ軸方向に沿って等間隔な位置）に歪センサ１５を２個搭載しているため、位置ずれや角度ずれ、センサの特性差などが発生しない理想的な状態では、各歪センサ１５は同一の歪出力を発生する。そしてこのような荷重センサ１では、印加荷重を計測する際に、例えば、複数の歪センサ１５の歪出力の平均値に基づいて印加荷重の計測値を推定することによって、荷重印加の位置ずれや角度ずれの影響を低減することができ、印加荷重について高精度の計測を実現することができる。また例えば、複数の歪センサ１５の歪出力のうち、最も大きい出力値に基づいて印加荷重の計測値を推定してもよく、このような場合には、印加荷重の最大値を推定することで、荷重センサ１が搭載される電動ブレーキ装置などにおいて、より高い安全性を確保することができる。
【００５０】
また、上記のように理想的には同一の歪出力が得られるように複数の歪センサ１５を搭載することによって、荷重センサ１では、一方の歪センサ１５が故障した場合のフェイルセーフ機能を持たせることができる。すなわち、配線が断線する等して歪センサ１５の一方が故障して歪出力ができなくなった場合には、他方の歪センサ１５の歪出力に基づいて印加荷重の計測値を算出するようにすることで、荷重センサ１が搭載される電動ブレーキ装置などに計測値を伝えることができるため、電動ブレーキの安全な制御を可能にできる。なお、上記のように片方の歪センサ１５が故障した場合には、例えば他方の歪センサ１５だけによる歪出力が所定時間続いたことを条件として、当該故障を報知するように構成することにより、荷重センサ１の安全性を高める効果が得られる。
【００５１】
また、本実施の形態に係る荷重センサ１の歪センサ１５には、図２に例示したブリッジ回路だけでなく、出力、電流源、Ａ／Ｄ変換、出力補正回路、補正値を格納するメモリ、及び温度センサなど、周辺回路を作りこむことができる。これらの信号処理回路を歪センサ１５内に持たせることにより、出力信号の増幅や温度補正、またはゼロ点補正などの処理が可能となり、歪センサ１５による出力信号の精度を高めることができる。例えば温度補正の場合、歪ゲージ１５２と温度センサを同じ歪センサ１５上に形成できることから、歪ゲージ１５２の温度を正確に測定し、温度補正を高い精度で行うことができる。
【００５２】
また、本実施の形態に係る荷重センサ１は、荷重を受ける受圧部１１、第１のダイアフラム１２及び第２のダイアフラム１４をステンレス製とするため、材料の耐力が高く、比較的広い測定レンジを有するセンサを実現することができる。また、ステンレス製とすることによって、腐食性が高い測定環境でも荷重センサ１を使用することができる。なお、ステンレスの具体的な種類については、耐力を重視する場合はＳＵＳ６３０などの析出硬化型のステンレスを選び、耐腐食性を重視する場合はＳＵＳ３１６等の耐腐食性の高いステンレスを選ぶ等、用途に応じて材質を選択することができる。また、上記材質はステンレスに限定するものではなく、例えば、耐力や耐腐食性、シリコンとの線膨張係数差などを考慮して、様々な鋼種を選択できるとすることで、使用環境に応じた適用性を有する荷重センサ１を提供することができる。
【００５３】
（２）第２の実施の形態
本発明の第２の実施の形態に係る荷重センサ４について説明する。第２の実施の形態に係る荷重センサ４は、第１の実施の形態に係る荷重センサ１と比べて、中央に軸を通すことができるリング状の構造とすること（言い換えれば、軸の周囲に配置可能な構造とすること）によって荷重センサとしての用途を広げること、及び、第２のダイアフラム上において歪センサを荷重伝達部４３の真上（延長線上）に搭載することによって歪センサによる計測精度を高めることを特徴としている。
【００５４】
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る荷重センサの構造例を示す図である。図５（Ａ）は、荷重センサ４を上方から見た平面図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＡ−Ａ線を断面とする荷重センサ４の断面図である。
【００５５】
図５（Ａ），図５（Ｂ）に示したように、荷重センサ４は、荷重印加体２と固定体３との間に配置され、荷重印加体２から荷重を受ける受圧部４１と、受圧部４１に接続された第１のダイアフラム４２と、第１のダイアフラム４２の上部に接続された荷重伝達部４３と、荷重伝達部４３の上部に接続された第２のダイアフラム４４と、第２のダイアフラム４４の上面に搭載（接合）された２個の歪センサ４５と、を備えて構成される。
【００５６】
また、図５に例示したように、第２の実施の形態に係る荷重センサ４では、第１のダイアフラム４２及び第２のダイアフラム４４が、円板の中央に貫通孔４９が形成されたリング状構造とされる。また、これに合わせて荷重印加体２もリング状構造とすることで、受圧部４１に荷重を印加可能な構造としている。第２の実施の形態では、上記のように各構成をリング状構造とすることによって、貫通孔４９を通るように軸を挿入することができる。
【００５７】
ここで、荷重センサ４では、第１の実施の形態に係る荷重センサ１と同様に、第１のダイアフラム４２及び第２のダイアフラム４４によって第１のストッパー４６が形成されるとともに、第１のダイアフラム４２によって第２のストッパー４７が形成されるが、これらのストッパーの動作及び機能は、第１の実施の形態と同様である。すなわち、第１のストッパー４６は、荷重センサ４に印加される荷重が所定の第１の荷重（第１の閾値）以上となった場合に、下部ストッパー４６ａと上部ストッパー４６ｂとが接触することで、第２のダイアフラム４４のそれ以降の変形を低減する第１のストッパー機能を実現する。そして第２のストッパー４７は、荷重センサ４に印加される荷重が所定の第２の荷重（第１の閾値よりも大きい「第２の閾値」）以上となった場合に、荷重印加体２に接触することで、第１のダイアフラム４２及び第２のダイアフラム４４のそれ以降の変形を抑制（または低減）する第２のストッパー機能を実現するものである。
【００５８】
また、歪センサ４５は、第２のダイアフラム４４のＸ軸方向に沿って、かつ荷重伝達部４３の真上（延長線上）に配置されることによって、荷重が印加された場合に、それぞれの歪センサ４５は理想的には同一の歪を検出する。但し、実際には、歪センサ４５の搭載位置のずれ、荷重印加の位置ずれや角度ずれ、歪センサ４５自身が持つ特性差などによって、出力値（計測値）には差異が生じる。
【００５９】
以上のように構成されることにより、第２の実施の形態に係る荷重センサ４は、まず、リング状構造によって貫通孔４９を通るように軸を挿入することができることから、印加荷重を計測可能な対象が広がり、荷重センサとしての用途を広げることができる。具体的には例えば、例えば荷重印加体２と上記軸とを接続すれば（一体にすれば）、上記軸に掛かっている荷重を計測することが可能となる。また例えば、荷重印加体２とは別体として、上記軸に接続する別部品（例えばナットやベアリング等）からの荷重を受圧部４１で受けられるようにすれば、上記別部品のようなリング形状に伝達する荷重を計測することもできる。
【００６０】
また、第２の実施の形態に係る荷重センサ４では、上述したように、第２のダイアフラム４４上において歪センサ４５が荷重伝達部４３の真上に搭載されることによって、歪センサ４５による計測精度を高め、高感度のセンサを提供することができる。これは、第２のダイアフラム４４が荷重伝達部４３からの印加荷重の伝達によって変形するとき、荷重伝達部４３の真上が最も変形しやすい（歪が出やすい）ためであり、このような位置に配置されることによって歪センサ４５では大きな歪出力を得ることができ、荷重センサ４は高感度で印加荷重を計測することができる。
【００６１】
また、第２の実施の形態に係る荷重センサ４は、上述した効果の他にも、第１の実施の形態に係る荷重センサ１によって得られるのと同様の効果を得ることができる。具体的には、荷重印加体２から一軸方向に作用する荷重の推力について広いダイナミックレンジを確保するとともに、低荷重領域で推力を高分解能で計測可能な荷重センサを実現できること、過荷重に対して強固な荷重センサを実現できること、複数の歪センサ４５からの歪出力を適切に処理することによって印加荷重について高精度の計測を実現したりフェイルセーフ機能を持たせて高い安全性を確保したりできること、及び、周辺回路の作りこみによって歪センサ４５による出力信号の精度を高められること、等である。なお、これらの効果についての詳細な説明は、第１の実施の形態の繰り返しとなるため、省略する。
【００６２】
（３）他の実施の形態
第１の実施の形態に係る荷重センサ１または第２の実施の形態に係る荷重センサ４は、本発明を分かりやすく説明するために示した一例であって、本発明はこれに限定されるものではなく、他にも様々な変形例を実施可能である。
【００６３】
例えば、荷重センサ１（または荷重センサ４）を構成する複数の構成要素について、その一部を一体化した構造としてもよい。
【００６４】
図６は、本発明の他の実施の形態に係る荷重センサの一例を示す図である。図６に断面図を示した荷重センサ５は、荷重伝達部５３が第１のダイアフラム５２に備えられた一体構造とされている点で、第１の実施の形態に係る荷重センサ１とは異なっている。荷重センサ１では、別体構造とされた荷重伝達部１３と第１のダイアフラム１２とが接合されていた。なお、荷重センサ５におけるその他の構造は、荷重センサ１の構造と同様である。
【００６５】
このような荷重センサ５によれば、荷重センサ５の製造時に一体構造で成形されることにより、荷重伝達部５３を第１のダイアフラム５２に接合するための溶接などの作業が不要となるため、組み立ての作業工数を低減する効果が得られる。なお、荷重センサ５のその他の構造は荷重センサ１と同様であることから、荷重センサ５は荷重センサ１と同様の効果を得ることができる。
【００６６】
なお、荷重センサ５は、本発明の荷重センサの構成要素の一部を一体化したときの一例を示したに過ぎず、本発明の荷重センサは、他の構成要素についても適宜、一体構造とすることができる。
【００６７】
また、本発明の荷重センサは、各実施の形態において一体構造として説明した構成要素について、適宜、別体化するようにしてもよい。例えば、第１のストッパー１６を構成する下部ストッパー１６ａ及び上部ストッパー１６ｂについて、それぞれが属するダイアフラムとは別体化の部品として製造し、組み立て時に各ダイアフラムに接合するようにしてもよい。このような場合、各ダイアフラムには、印加荷重によって変形しやすい低剛性の材質を用いる一方で、ストッパーには、ストッパーが機能して咬合した際に破損しないように硬度の高い材質を用いるとすれば、荷重センサの耐用性を高めることができる。また、形状が複雑な場合に別体化することによって、成型を容易にすることができる。
【００６８】
また、第１の実施の形態や第２の実施の形態では、第１及び第２のダイアフラムを備えることによって２段階のストッパーを実現する荷重センサを示したが、本発明の荷重センサは、より多くのダイアフラムや多段階のストッパーを備えるようにしてもよい。例えば、図１（Ｂ）に示した荷重センサ１について、第１のダイアフラム１２と第２のダイアフラム１４との間に第３のダイアフラムを追加し、ストッパーも追加することが考えられる。但し、３段以上のダイアフラムとする場合であっても、歪センサ１５が最も外側のダイアフラム（第２のダイアフラム１４）に搭載され、歪センサ１５が搭載される第２のダイアフラム１４の剛性を他のダイアフラムよりも低くする（変形しやすくする）ことが好ましい。
【００６９】
ここで、上記のような構成の荷重センサにおけるストッパーは、具体的には、「第２のダイアフラム１４または第３のダイアフラムの少なくとも何れかにおいて形成され、両ダイアフラムの間で機能するストッパー」、「第３のダイアフラムまたは第１のダイアフラム１２の少なくとも何れかにおいて形成され、両ダイアフラムの間で機能するストッパー」、及び「第１のダイアフラムにおいて形成され、第１のダイアフラムと荷重印加体２との間で機能するストッパー」の合計３段となり、第１の実施の形態の荷重センサ１と比べて１段追加される。なお、各ストッパーは、前述した第１のストッパー１６や第２のストッパー１７と同様に、固定体３の下方に設けられることにより、過荷重が印加された場合には、固定体３と荷重印加体２との間に挟み込まれることが好ましい。そして本発明の荷重センサでは、上記のようにダイアフラムを多段としてストッパーを増やしたとき、歪センサ１５の歪出力（印加荷重の測定）において、ストッパーの増加分だけ感度（分解能）の異なる帯域数が増える（図４参照）ため、精度の異なる多段階の分解能を有する荷重センサを実現することができる。
【００７０】
以上、様々な変形例の一部を説明したが、これらは上述した各実施の形態と適宜組み合わせることができ、その組み合わせに応じた効果が得られる。
【符号の説明】
【００７１】
１，４，５  荷重センサ
２      荷重印加体
３      固定体
１１，４１  受圧部
１２，４２，５２  第１のダイアフラム
１３，４３，５３  荷重伝達部
１４，４４  第２のダイアフラム
１５，４５  歪センサ
１６，４６  第１のストッパー
１６ａ，４６ａ  下部ストッパー
１６ｂ，４６ｂ  上部ストッパー
１７，４７  第２のストッパー
４９    貫通孔
【図１】
2018205217.tif 000003
【図２】
2018205217.tif 000004
【図３】
2018205217.tif 000005
【図４】
2018205217.tif 000006
【図５】
2018205217.tif 000007
【図６】
2018205217.tif 000008