(57)【要約】荷重検出装置は、起歪体と、起歪体に配置された歪検出素子と、起歪体と歪検出素子との間に位置し、歪検出素子を起歪体に固定する接着層とを有する。接着層はガラス接着剤で形成されている。この荷重検出装置の生産性は高い。
2014188678.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
起歪体と、
前記起歪体に配置された歪検出素子と、
前記起歪体と前記歪検出素子との間に位置し、ガラス接着剤で形成され、前記歪検出素子を前記起歪体に固定する接着層と、を備えた、
荷重検出装置。
【請求項２】
前記起歪体は金属で構成され、
前記歪検出素子は、
可撓性を有する金属で構成された支持基板と、
前記支持基板の表面に設けられた絶縁層と、
前記絶縁層の表面に形成された抵抗パターンとを有し、
前記接着層は前記起歪体と前記支持基板との間に位置する、
請求項１記載の荷重検出装置。
【請求項３】
前記支持基板の熱膨張係数と前記接着層の熱膨張係数との差が４．０×１０ｐｐｍ／Ｋ以下である、
請求項１に記載の荷重検出装置。
【請求項４】
前記起歪体の熱膨張係数と前記接着層の熱膨張係数との差が４．０ｐｐｍ／Ｋ以下である、
請求項１に記載の荷重検出装置。
【請求項５】
前記支持基板の熱膨張係数と前記接着層の熱膨張係数との差が４．０×１０ｐｐｍ／Ｋ以下である、
請求項４に記載の荷重検出装置。
【請求項６】
前記接着層のヤング率が７０ＧＰａ以上である、
請求項１に記載の荷重検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、起歪体に生じた機械的歪を測定することにより、その起歪体に加えられた荷重を検出する荷重検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図９は従来の荷重検出装置の起歪体の平面図である。起歪体１１１は表面にガラス層が形成されたステンレス板である。起歪体１１１は、その略中央に検出孔１１２を有している。起歪体１１１の表面には、導体からなる電源電極１１６、ＧＮＤ電極１１７、出力電極１１８、および回路パターン１２１が形成されている。さらに、起歪体１１１の表面には、圧縮側歪抵抗素子１１９、および引張側歪抵抗素子１２０が形成されている。圧縮側歪抵抗素子１１９、および引張側歪抵抗素子１２０は印刷によって形成されたメタルグレーズ系ペーストが焼成されることで得られる。【０００３】
従来の荷重検出装置は、荷重を受けた起歪体１１１の歪に応じて、圧縮側歪抵抗素子１１９、および引張側歪抵抗素子１２０の抵抗値が変化して、出力電極１１８の電圧も変化するので、この出力電極１１８の電圧を測定することで荷重を検出する。【０００４】
この従来の荷重検出装置は、特許文献１に記載されている。【０００５】
従来の別の荷重検出装置として、特許文献２に記載された、起歪体と、起歪体に貼り付けられた歪ゲージからなる構成が知られている。一般に歪ゲージは、絶縁性確保のため樹脂フィルムで覆われ、樹脂系の接着剤で起歪体に貼り付けられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１２７５８０号公報
【特許文献２】特開２００８−１３４２３２号公報
【発明の概要】
【０００７】
荷重検出装置は、起歪体と、この起歪体に配置された歪検出素子と、これらの起歪体と歪検出素子との間に位置し、歪検出素子を起歪体に固定する接着層とを有する。接着層はガラス接着剤で形成されている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は本発明の実施の形態における荷重検出装置の分解斜視図である。
【図２】図２は実施の形態における歪抵抗素子の断面の模式図である。
【図３】図３は実施の形態における歪抵抗素子の上面図である。
【図４】図４は実施の形態における歪抵抗素子の起歪体への配置を示す図である。
【図５】図５は実施の形態における荷重検出装置の回路図である。
【図６】図６は実施の形態における歪抵抗素子の製造過程の図である。
【図７】図７は実施の形態における荷重検出装置の荷重の検出状態を示す模式図である。
【図８】図８は荷重検出装置のシミュレーション結果を示す図である。
【図９】図９は従来の荷重検出装置の起歪体の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は実施の形態における荷重検出装置５０の分解斜視図である。図２、図３はそれぞれ実施の形態における歪抵抗素子１２、１３の断面の模式図、歪抵抗素子１２，１３の上面図である。
【００１０】
荷重検出装置５０は、起歪体１１、歪抵抗素子１２、１３、および接着層３２、３５を有している。起歪体１１は荷重を受けると撓む。起歪体１１は３つの貫通孔１７、１８を有している。貫通孔１７は起歪体１１の中央に設けられている。２つの貫通孔１８は起歪体１１の両端部にそれぞれ設けられている。貫通孔１７は検出荷重を伝達する押圧部材１９が挿入されている。２つの貫通孔１８は外部取付け用の固定部材（特に図示せず）が挿入される。
【００１１】
歪抵抗素子１２は歪検出素子である。歪抵抗素子１２は歪むと電気抵抗値が変化する。歪抵抗素子１２は起歪体１１の表面に配置されている。接着層３２は起歪体１１と歪抵抗素子１２との間に位置し、歪抵抗素子１２を起歪体１１に固定する。
【００１２】
歪抵抗素子１３も歪抵抗素子１２と同様に、歪検出素子であり、起歪体１１の表面に配置されている。接着層３５は起歪体１１と歪抵抗素子１３との間に位置し、歪抵抗素子１３を起歪体１１に固定する。
【００１３】
荷重検出装置５０は、さらに、制御回路１４、コネクタケース１５、配線電極１６を有している。コネクタケース１５は制御回路１４を包含している。コネクタケース１５は起歪体１１に取り付けられている。配線電極１６は歪抵抗素子１２、１３と制御回路１４とを電気的に接続する。
【００１４】
歪抵抗素子１２は、図２および図３に示すように、支持基板３０、絶縁層３１、電源端子２０、出力端子２１、厚膜抵抗パターン２２、接地端子２３、および厚膜抵抗パターン２４を有している。支持基板３０は金属からなり、可撓性を有する。絶縁層３１は支持基板３０の表面に設けられている。電源端子２０、出力端子２１、接地端子２３、および厚膜抵抗パターン２２、２４は絶縁層３１に形成されている。
【００１５】
歪抵抗素子１３は、歪抵抗素子１２と同様に、支持基板３３、絶縁層３４、電源端子２０、出力端子２６、厚膜抵抗パターン２７、接地端子２３、および厚膜抵抗パターン２８を有している。支持基板３３は金属からなり、可撓性を有する。絶縁層３４は支持基板３３の表面に設けられている。電源端子２０、出力端子２６、接地端子２３、および厚膜抵抗パターン２７、２８は絶縁層３４に形成されている。
【００１６】
図４は実施の形態における歪抵抗素子１２、１３の起歪体１１への配置を示す図である。図５は実施の形態における荷重検出装置５０の回路図である。
【００１７】
歪抵抗素子１２は、電源端子２０と出力端子２１の間に並列接続された厚膜抵抗パターン２２と、出力端子２１と接地端子２３の間に並列接続された厚膜抵抗パターン２４とによって、ハーフブリッジ回路２５を構成する。
【００１８】
歪抵抗素子１３は、電源端子２０と出力端子２６に並列接続された厚膜抵抗パターン２７と、出力端子２６と接地端子２３の間に並列接続された厚膜抵抗パターン２８とによって、ハーフブリッジ回路２９を構成する。
【００１９】
歪抵抗素子１２と歪抵抗素子１３のそれぞれの電源端子２０と接地端子２３は電気的に同じ電位であるので、電気回路図においてはそれぞれ同一の端子とみなされる。歪抵抗素子１２と歪抵抗素子１３は合わせてフルブリッジ回路を構成する。
【００２０】
制御回路１４は配線電極１６を介して、電源端子２０、出力端子２１、２６および接地端子２３と電気的に接続している。
【００２１】
図６は実施の形態における歪抵抗素子１２、１３の製造過程の図である。１枚のステンレス板３６は複数の支持基板３０、３３を含んでいる。複数の支持基板３０にはそれぞれ絶縁層３１、電源端子２０、出力端子２１、厚膜抵抗パターン２２、接地端子２３、および厚膜抵抗パターン２４が形成されている。同様に複数の支持基板３３には、それぞれ電源端子２０、接地端子２３、出力端子２６、厚膜抵抗パターン２７、および厚膜抵抗パターン２８が形成されている。
【００２２】
具体的な製造方法は、以下の通りである。まず、大判のステンレス板３６を準備し、このステンレス板３６の上面にガラスペーストを印刷して絶縁層３１、３４を形成する。次いで、絶縁層３１、３４の上面にメタルグレーズ系ペーストを印刷して厚膜抵抗パターン２２、２４、２７、２８を形成する。これと前後して導体ペーストを塗布して電源端子２０、出力端子２１、２６、接地端子２３を形成する。その後、大判のステンレス板３６を分割することで個片化して歪抵抗素子１２、１３は作られる。
【００２３】
この製造方法では、１枚の大判のステンレス板３６は複数の歪抵抗素子１２、１３を印刷工法により作り出す。印刷工法では、一度に多くの歪抵抗素子１２、１３を作り出す方が、生産の効率がよい。起歪体１１は取り付け方法等の理由により小型化には制約があるが、歪抵抗素子１２、１３はそのような制約はない。歪抵抗素子１２、１３を起歪体１１に直接形成してステンレス板３６から歪抵抗素子１２、１３が形成された起歪体１１を作り出すよりも、ステンレス板３６から歪抵抗素子１２，１３を作り出す方がより多くの歪抵抗素子１２、１３を作り出すことができる。
【００２４】
従って、従来技術の特許文献１のように、圧縮側歪抵抗素子１１９および引張側歪抵抗素子１２０が直接的に起歪体１１１形成されることに比べると、実施の形態の荷重検出装置５０ように、歪抵抗素子１２、１３を起歪体１１に貼り付ける方が、生産性が高い。
【００２５】
以上の構成の荷重検出装置５０は、以下の動作をする。
【００２６】
図７は実施の形態における荷重検出装置５０の荷重の検出状態を示す模式図である。
【００２７】
荷重検出装置５０は、特に図示していないが、一例として、車両用シート（図示せず）とシートレール（図示せず）の間に取り付けられて、車両用シートに座る人員の荷重を測定することに用いる。この使用方法において、起歪体１１の両端側に設けられた貫通孔１８はシートレールに設けられた固定部材（図示せず）が挿入され、荷重検出装置５０はシートレールに固定される。起歪体１１の中央に設けられた貫通孔１７は、押圧部材１９が挿入される。押圧部材１９の先端側は車両用シートの下部に固定される。車両用シートに荷重が加わった際、その荷重は押圧部材１９を介して起歪体１１に伝達し、図７に示すように、固定部材（図示せず）により両端支持された起歪体１１の中央部が下方に撓む。そして、この撓みにより歪抵抗素子１２、１３の抵抗値が変化し、この抵抗値の変化を制御回路１４で電気処理することによって荷重に対応する検出信号を形成する。
【００２８】
以下に、より具合的に説明する。検出荷重が押圧部材１９に印加した際に、起歪体１１の中央部が下方に撓む。このとき圧縮応力が貫通孔１７の側に配置された厚膜抵抗パターン２２、２８に働き、厚膜抵抗パターン２２、２８の抵抗値が小さくなる。また、引張応力が貫通孔１８の側に配置された厚膜抵抗パターン２４、２７に働き、厚膜抵抗パターン２４、２７の抵抗値が大きくなる。従って、荷重検出装置５０は、出力端子２１、２６から出力される信号を制御回路１４で差動処理することで検出荷重の大きさに応じた検出信号を形成することができる。
【００２９】
本実施の形態の荷重検出装置５０の起歪体１１は炭素鋼からなり、支持基板３０、３３はステンレスからなる。もし、起歪体１１と支持基板３０、３３を接着する接着層３２、３５の熱膨張係数が起歪体１１の熱膨張係数または支持基板３０、３３の熱膨張係数と乖離している場合、接着層３２、３５にクラックが生じ、起歪体１１と支持基板３０、３３とが剥離してしまう可能性がある。このため、接着層３２、３５に用いられる接着剤の材料は、起歪体１１と支持基板３０、３３に対して熱膨張係数が近いものがよい。これにより起歪体１１と支持基板３０、３３との接着強度は確保される。具体的には、起歪体１１と支持基板３０、３３の熱膨張係数と、接着層３２、３５の熱膨張係数との差が４ｐｐｍ／Ｋ以内となるガラス接着剤を選択することにより、接着強度を確保することができる。ここでガラス接着剤は、ガラス系の材料を用いた接着剤であり、例えば水ガラス（珪酸ナトリウム水溶液）である。
【００３０】
例えば、ステンレスからなり熱膨張係数が１１．５ｐｐｍ／Ｋの支持基板３０、３３と炭素鋼からなり熱膨張係数１０．３ｐｐｍ／Ｋの起歪体１１とが接着する場合には、接着層３２、３５として熱膨張係数が６．３ｐｐｍ／Ｋ〜１５．５ｐｐｍ／Ｋの範囲内のガラス接着剤を選択することにより、接着強度を確保することができる。
【００３１】
更に、接着層３２、３５の熱膨張係数の上限は、起歪体１１と支持基板３０、３３のうち熱膨張係数の低い方の熱膨張係数よりも４ｐｐｍ／Ｋ大きい値とし、接着層３２、３５の熱膨張係数の下限は、起歪体１１と支持基板３０、３３のうち熱膨張係数の高い方の熱膨張係数よりも４ｐｐｍ／Ｋ低い値とするとより効果的である。これにより、接着層３２、３５の熱膨張係数が起歪体１１と支持基板３０、３３のどちらの熱膨張係数に対しても４ｐｐｍ／Ｋ以内となるため、起歪体１１と支持基板３０、３３のどちらに対しても接着強度を確保することが可能となる。例えば、起歪体１１の熱膨張係数が１０．３ｐｐｍ／Ｋで、支持基板３０、３３の熱膨張係数が１１．５ｐｐｍ／Ｋの条件であれば、接着層３２、３５の熱膨張係数が７．５ｐｐｍ／Ｋ〜１４．３ｐｐｍ／Ｋの範囲内のガラス接着剤であれば、より強固に起歪体１１と支持基板３０、３３とを接着する。
【００３２】
接着層２、３５がガラス接着剤である場合には、接着層３２、３５のヤング率が樹脂系の接着剤のときのヤング率に比べ大きくなる。この結果、検出しようとする荷重により起歪体１１に生じた撓みが支持基板３０、３３に伝達する際に、接着層３２、３５によって生じる伝達ロスが抑制されることから、起歪体１１の撓みに対する歪抵抗素子１２、１３の検出感度が高くなる。検出感度が高くなると、測定の分解能が向上する。分解能が向上すると、荷重に対し起歪体１１の撓みが小さくても精度良く荷重を検出することが出来るので、荷重に対する起歪体１１の撓みが小さいように設定できるので、結果として荷重検出装置５０の小型化を図ることができる。
【００３３】
図８は実施の形態における荷重検出装置５０のシミュレーション結果を示す図である。図８の横軸は、起歪体１１と支持基板３０とを接着する接着剤のヤング率を示し、縦軸は接着剤としてガラス接着剤を用いた時の検出感度を１として規格化した検出感度を示している。図８の結果はシミュレーションにより求めている。
【００３４】
図８は、（Ａ）２５℃のときの樹脂系の接着剤としてのエポキシ系の接着剤、（Ｂ）８５℃のときのエポキシ系の接着剤、（Ｃ）実施の形態のガラス接着剤の、夫々の検出感度を示している。さらに、図８は、これらの材料の他に、材料は特定していないが、（Ｄ）ヤング率が４０ＧＰａの材料を用いて接着した場合の検出感度も示している。なお、（Ａ）のヤング率は９ＧＰａであり、（Ｂ）のヤング率は８ＧＰａであり、（Ｃ）のヤング率は７０ＧＰａである。
【００３５】
図８に示すように、接着剤のヤング率が高い方が起歪体１１から歪抵抗素子１２、１３に対して撓みが効率よく伝達し、歪抵抗素子１２、１３の検出感度はヤング率が高いほど高くなっている。規格化した歪抵抗素子１２、１３の検出感度は、（Ａ）の材料を用いたときは約０．８７であり、（Ｂ）の材料を用いたときは約０．７７と、接着層３２のヤング率が１０ＧＰａ以下で大きく変化していることがわかる。
【００３６】
さらに、エポキシ系の接着剤を用いて起歪体１１と支持基板３０が接着した場合、使用環境の温度が変化すると検出感度が大きく変化してしまうので、荷重検出装置５０の検出精度が低下してしまう。これに対して、実施の形態のようにガラス接着剤で接着層３２、３５を形成した場合、ガラス接着剤のヤング率は温度依存性が非常に小さいので、荷重検出装置５０の使用環境の温度が大きく変化しても、検出感度の変化が小さい。ガラス接着剤によって接着層３２、３５を形成することで荷重検出装置５０の検出精度を向上させることができる。
【００３７】
起歪体１１の撓みは起歪体１１の大きさに影響され、起歪体１１の長さが長い、幅が狭い、または厚みが薄いほど荷重を受けたときの撓みが大きくなる。図８に示すように、（Ｃ）に示されるガラス接着剤で形成された接着層３２、３５の検出感度は、（Ｂ）に示されるエポキシ系の接着剤により形成された接着層３２、３５の検出感度の約１．３倍となっている。従って、ガラス接着剤を用いた場合には、エポキシ系の接着剤を用いた場合よりも、起歪体１１の撓みが１／１．３倍になってもエポキシ系の接着剤を用いた場合と同等の検出感度を得ることが可能になる。このため、ガラス接着剤によって起歪体１１と支持基板３０とが接着することにより、起歪体１１の撓みがエポキシ系の接着剤を用いたときに比べ１／１．３倍になるように起歪体１１を形成しても、エポキシ系の接着剤を用いた場合と同様の検出感度を得ることができ、荷重検出装置５０を小型化することができる。
【００３８】
なお、実施の形態において、起歪体１１の材料を炭素鋼とし、支持基板３０、３３をステンレスとしているが、この限りではなく、接着剤の熱膨張係数が、起歪体１１の熱膨張係数と支持基板３０、３３の熱膨張係数に対して、４ｐｐｍ／Ｋ以内となれば、実施の形態の効果を得ることができる。支持基板３０、３３を金属材料で形成すると、ガラス接着剤との熱膨張係数の差が大きくないので、特に有用である。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明に係る荷重検出装置は、起歪体に加わる荷重を検出する荷重検出装置に関し、特に、車両用シートからの荷重を測定するための荷重検出装置において有用となる。
【符号の説明】
【００４０】
１１    起歪体
１２，１３    歪抵抗素子
１４    制御回路
１５    コネクタケース
１６    配線電極
１７    貫通孔
１８    貫通孔
１９    押圧部材
２０    電源端子
２１，２６    出力端子
２２，２４，２７，２８    厚膜抵抗パターン
２３    接地端子
２５，２９    ハーフブリッジ回路
３０，３３    支持基板
３１，３４    絶縁層
３２，３５    接着層
３６    ステンレス板
５０    荷重検出装置
１１１    起歪体
１１２    検出孔
１１６    電源電極
１１７    ＧＮＤ電極
１１８    出力電極
１１９    圧縮側歪抵抗素子
１２０    引張側歪抵抗素子
１２１    回路パターン
【図１】
2014188678.tif 000003
【図２】
2014188678.tif 000004
【図３】
2014188678.tif 000005
【図４】
2014188678.tif 000006
【図５】
2014188678.tif 000007
【図６】
2014188678.tif 000008
【図７】
2014188678.tif 000009
【図８】
2014188678.tif 000010
【図９】
2014188678.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成27年10月15日(2015.10.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、起歪体に生じた機械的歪を測定することにより、その起歪体に加えられた荷重を検出する荷重検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図９は従来の荷重検出装置の起歪体の平面図である。起歪体１１１は表面にガラス層が形成されたステンレス板である。起歪体１１１は、その略中央に検出孔１１２を有している。起歪体１１１の表面には、導体からなる電源電極１１６、ＧＮＤ電極１１７、出力電極１１８、および回路パターン１２１が形成されている。さらに、起歪体１１１の表面には、圧縮側歪抵抗素子１１９、および引張側歪抵抗素子１２０が形成されている。圧縮側歪抵抗素子１１９、および引張側歪抵抗素子１２０は印刷によって形成されたメタルグレーズ系ペーストを焼成することで得られる。
【０００３】
従来の荷重検出装置では、荷重を受けた起歪体１１１の歪に応じて、圧縮側歪抵抗素子１１９、および引張側歪抵抗素子１２０の抵抗値が変化して、出力電極１１８の電圧も変化するので、この出力電極１１８の電圧を測定することで荷重を検出する。
【０００４】
この従来の荷重検出装置は、特許文献１に記載されている。
【０００５】
従来の別の荷重検出装置として、特許文献２に記載された、起歪体と、起歪体に貼り付けられた歪ゲージからなる構成が知られている。一般に歪ゲージは、絶縁性確保のため樹脂フィルムで覆われ、樹脂系の接着剤で起歪体に貼り付けられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１２７５８０号公報
【特許文献２】特開２００８−１３４２３２号公報
【発明の概要】
【０００７】
荷重検出装置は、起歪体と、この起歪体に配置された歪検出素子と、これらの起歪体と歪検出素子との間に位置し、歪検出素子を起歪体に固定する接着層とを有する。接着層はガラス接着剤で形成されている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は本発明の実施の形態における荷重検出装置の分解斜視図である。
【図２】図２は実施の形態における歪抵抗素子の断面の模式図である。
【図３】図３は実施の形態における歪抵抗素子の上面図である。
【図４】図４は実施の形態における歪抵抗素子の起歪体への配置を示す図である。
【図５】図５は実施の形態における荷重検出装置の回路図である。
【図６】図６は実施の形態における歪抵抗素子の製造過程の図である。
【図７】図７は実施の形態における荷重検出装置の荷重の検出状態を示す模式図である。
【図８】図８は荷重検出装置のシミュレーション結果を示す図である。
【図９】図９は従来の荷重検出装置の起歪体の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は実施の形態における荷重検出装置５０の分解斜視図である。図２、図３はそれぞれ実施の形態における歪抵抗素子１２、１３の断面の模式図、歪抵抗素子１２，１３の上面図である。
【００１０】
荷重検出装置５０は、起歪体１１、歪抵抗素子１２、１３、および接着層３２、３５を有している。起歪体１１は荷重を受けると撓む。起歪体１１は３つの貫通孔１７、１８を有している。貫通孔１７は起歪体１１の中央に設けられている。２つの貫通孔１８は起歪体１１の両端部にそれぞれ設けられている。貫通孔１７には検出荷重を伝達する押圧部材１９が挿入されている。２つの貫通孔１８には外部取付け用の固定部材（特に図示せず）が挿入される。
【００１１】
歪抵抗素子１２は歪検出素子である。歪抵抗素子１２は歪むと電気抵抗値が変化する。歪抵抗素子１２は起歪体１１の表面に配置されている。接着層３２は起歪体１１と歪抵抗素子１２との間に位置し、歪抵抗素子１２を起歪体１１に固定する。
【００１２】
歪抵抗素子１３も歪抵抗素子１２と同様に、歪検出素子であり、起歪体１１の表面に配置されている。接着層３５は起歪体１１と歪抵抗素子１３との間に位置し、歪抵抗素子１３を起歪体１１に固定する。
【００１３】
荷重検出装置５０は、さらに、制御回路１４、コネクタケース１５、配線電極１６を有している。コネクタケース１５は制御回路１４を包含している。コネクタケース１５は起歪体１１に取り付けられている。配線電極１６は歪抵抗素子１２、１３と制御回路１４とを電気的に接続する。
【００１４】
歪抵抗素子１２は、図２および図３に示すように、支持基板３０、絶縁層３１、電源端子２０、出力端子２１、厚膜抵抗パターン２２、接地端子２３、および厚膜抵抗パターン２４を有している。支持基板３０は金属からなり、可撓性を有する。絶縁層３１は支持基板３０の表面に設けられている。電源端子２０、出力端子２１、接地端子２３、および厚膜抵抗パターン２２、２４は絶縁層３１に形成されている。
【００１５】
歪抵抗素子１３は、歪抵抗素子１２と同様に、支持基板３３、絶縁層３４、電源端子２０、出力端子２６、厚膜抵抗パターン２７、接地端子２３、および厚膜抵抗パターン２８を有している。支持基板３３は金属からなり、可撓性を有する。絶縁層３４は支持基板３３の表面に設けられている。電源端子２０、出力端子２６、接地端子２３、および厚膜抵抗パターン２７、２８は絶縁層３４に形成されている。
【００１６】
図４は実施の形態における歪抵抗素子１２、１３の起歪体１１への配置を示す図である。図５は実施の形態における荷重検出装置５０の回路図である。
【００１７】
歪抵抗素子１２は、電源端子２０と出力端子２１の間に並列接続された厚膜抵抗パターン２２と、出力端子２１と接地端子２３の間に並列接続された厚膜抵抗パターン２４とによって、ハーフブリッジ回路２５を構成する。
【００１８】
歪抵抗素子１３は、電源端子２０と出力端子２６に並列接続された厚膜抵抗パターン２７と、出力端子２６と接地端子２３の間に並列接続された厚膜抵抗パターン２８とによって、ハーフブリッジ回路２９を構成する。
【００１９】
歪抵抗素子１２と歪抵抗素子１３のそれぞれの電源端子２０は電気的に同じ電位であるので、電気回路図においてはそれぞれ同一の端子とみなされる。同様に、歪抵抗素子１２と歪抵抗素子１３のそれぞれの接地端子２３は電気的に同じ電位であるので、電気回路図においてはそれぞれ同一の端子とみなされる。歪抵抗素子１２と歪抵抗素子１３は合わせてフルブリッジ回路を構成する。
【００２０】
制御回路１４は配線電極１６を介して、電源端子２０、出力端子２１、２６および接地端子２３と電気的に接続している。
【００２１】
図６は実施の形態における歪抵抗素子１２、１３の製造過程の図である。１枚のステンレス板３６は複数の支持基板３０、３３を含んでいる。複数の支持基板３０にはそれぞれ絶縁層３１、電源端子２０、出力端子２１、厚膜抵抗パターン２２、接地端子２３、および厚膜抵抗パターン２４が形成されている。同様に複数の支持基板３３には、それぞれ電源端子２０、接地端子２３、出力端子２６、厚膜抵抗パターン２７、および厚膜抵抗パターン２８が形成されている。
【００２２】
具体的な製造方法は、以下の通りである。まず、大判のステンレス板３６を準備し、ステンレス板３６の上面にガラスペーストを印刷して絶縁層３１、３４を形成する。次いで、絶縁層３１、３４の上面にメタルグレーズ系ペーストを印刷して厚膜抵抗パターン２２、２４、２７、２８を形成する。一方、導体ペーストを塗布して電源端子２０、出力端子２１、２６、接地端子２３を形成する。その後、大判のステンレス板３６を分割することで個片化して歪抵抗素子１２、１３は作られる。
【００２３】
この製造方法では、１枚の大判のステンレス板３６は複数の歪抵抗素子１２、１３を印刷工法により作り出す。印刷工法では、一度に多くの歪抵抗素子１２、１３を作り出す方が、生産の効率がよい。起歪体１１は取り付け方法等の理由により小型化には制約があるが、歪抵抗素子１２、１３はそのような制約はない。歪抵抗素子１２、１３を起歪体１１に直接形成してステンレス板３６から歪抵抗素子１２、１３が形成された起歪体１１を作り出すよりも、ステンレス板３６から歪抵抗素子１２，１３を作り出す方がより多くの歪抵抗素子１２、１３を作り出すことができる。
【００２４】
従って、従来技術の特許文献１のように、圧縮側歪抵抗素子１１９および引張側歪抵抗素子１２０が直接的に起歪体１１１形成されることに比べると、実施の形態の荷重検出装置５０のように、歪抵抗素子１２、１３を起歪体１１に貼り付ける方が、生産性が高い。
【００２５】
以上の構成の荷重検出装置５０は、以下の動作をする。
【００２６】
図７は実施の形態における荷重検出装置５０の荷重の検出状態を示す模式図である。
【００２７】
荷重検出装置５０は、特に図示していないが、一例として、車両用シート（図示せず）とシートレール（図示せず）の間に取り付けられて、車両用シートに座る人員の荷重を測定することに用いる。この使用方法において、起歪体１１の両端側に設けられた貫通孔１８にはシートレールに設けられた固定部材（図示せず）が挿入され、荷重検出装置５０はシートレールに固定される。起歪体１１の中央に設けられた貫通孔１７には、押圧部材１９が挿入される。押圧部材１９の先端側は車両用シートの下部に固定される。車両用シートに荷重が加わった際、その荷重は押圧部材１９を介して起歪体１１に伝達し、図７に示すように、固定部材（図示せず）により両端支持された起歪体１１の中央部が下方に撓む。そして、この撓みにより歪抵抗素子１２、１３の抵抗値が変化し、この抵抗値の変化を制御回路１４で電気処理することによって荷重に対応する検出信号を形成する。
【００２８】
以下に、より具体的に説明する。検出荷重が押圧部材１９に印加した際に、起歪体１１の中央部が下方に撓む。このとき圧縮応力が貫通孔１７の側に配置された厚膜抵抗パターン２２、２８に働き、厚膜抵抗パターン２２、２８の抵抗値が小さくなる。また、引張応力が貫通孔１８の側に配置された厚膜抵抗パターン２４、２７に働き、厚膜抵抗パターン２４、２７の抵抗値が大きくなる。従って、荷重検出装置５０では、出力端子２１、２６から出力される信号を制御回路１４が差動処理することで検出荷重の大きさに応じた検出信号を形成することができる。
【００２９】
本実施の形態の荷重検出装置５０の起歪体１１は炭素鋼からなり、支持基板３０、３３はステンレスからなる。もし、起歪体１１と支持基板３０、３３を接着する接着層３２、３５の熱膨張係数が起歪体１１の熱膨張係数または支持基板３０、３３の熱膨張係数と乖離している場合、接着層３２、３５にクラックが生じ、起歪体１１と支持基板３０、３３とが剥離してしまう可能性がある。このため、接着層３２、３５に用いられる接着剤の材料は、起歪体１１と支持基板３０、３３に対して熱膨張係数が近いものがよい。これにより起歪体１１と支持基板３０、３３との接着強度は確保される。具体的には、起歪体１１と支持基板３０、３３の熱膨張係数と、接着層３２、３５の熱膨張係数との差が４ｐｐｍ／Ｋ以内となるガラス接着剤を選択することにより、接着強度を確保することができる。ここでガラス接着剤は、ガラス系の材料を用いた接着剤であり、例えば水ガラス（珪酸ナトリウム水溶液）である。
【００３０】
例えば、ステンレスからなり熱膨張係数が１１．５ｐｐｍ／Ｋの支持基板３０、３３と炭素鋼からなり熱膨張係数１０．３ｐｐｍ／Ｋの起歪体１１とが接着する場合には、接着層３２、３５として熱膨張係数が６．３ｐｐｍ／Ｋ〜１５．５ｐｐｍ／Ｋの範囲内のガラス接着剤を選択することにより、接着強度を確保することができる。
【００３１】
更に、接着層３２、３５の熱膨張係数の上限は、起歪体１１と支持基板３０、３３のうち熱膨張係数の小さい方の熱膨張係数よりも４ｐｐｍ／Ｋ大きい値とし、接着層３２、３５の熱膨張係数の下限は、起歪体１１と支持基板３０、３３のうち熱膨張係数の大きい方の熱膨張係数よりも４ｐｐｍ／Ｋ小さい値とするとより効果的である。これにより、接着層３２、３５の熱膨張係数が起歪体１１と支持基板３０、３３のどちらの熱膨張係数に対しても４ｐｐｍ／Ｋ以内となるため、起歪体１１と支持基板３０、３３のどちらに対しても接着強度を確保することが可能となる。例えば、起歪体１１の熱膨張係数が１０．３ｐｐｍ／Ｋで、支持基板３０、３３の熱膨張係数が１１．５ｐｐｍ／Ｋの条件であれば、接着層３２、３５の熱膨張係数が７．５ｐｐｍ／Ｋ〜１４．３ｐｐｍ／Ｋの範囲内のガラス接着剤であれば、より強固に起歪体１１と支持基板３０、３３とを接着する。
【００３２】
接着層３２、３５がガラス接着剤である場合には、接着層３２、３５のヤング率が樹脂系の接着剤のときのヤング率に比べ大きくなる。この結果、検出しようとする荷重により起歪体１１に生じた撓みが支持基板３０、３３に伝達する際に、接着層３２、３５によって生じる伝達ロスが抑制されることから、起歪体１１の撓みに対する歪抵抗素子１２、１３の検出感度が高くなる。検出感度が高くなると、測定の分解能が向上する。分解能が向上すると、荷重に対し起歪体１１の撓みが小さくても精度良く荷重を検出することが出来るので、荷重に対する起歪体１１の撓みが小さいように設定できるので、結果として荷重検出装置５０の小型化を図ることができる。
【００３３】
図８は実施の形態における荷重検出装置５０のシミュレーション結果を示す図である。図８の横軸は、起歪体１１と支持基板３０とを接着する接着剤のヤング率を示し、縦軸は接着剤としてガラス接着剤を用いた時の検出感度を１として規格化した検出感度を示している。図８の結果はシミュレーションにより求めている。
【００３４】
図８は、（Ａ）２５℃のときの樹脂系の接着剤としてのエポキシ系の接着剤、（Ｂ）８５℃のときのエポキシ系の接着剤、（Ｃ）実施の形態のガラス接着剤の、夫々の検出感度を示している。さらに、図８は、これらの材料の他に、材料は特定していないが、（Ｄ）ヤング率が４０ＧＰａの材料を用いて接着した場合の検出感度も示している。なお、（Ａ）のヤング率は９ＧＰａであり、（Ｂ）のヤング率は８ＧＰａであり、（Ｃ）のヤング率は７０ＧＰａである。
【００３５】
図８に示すように、接着剤のヤング率が高い方が起歪体１１から歪抵抗素子１２、１３に対して撓みが効率よく伝達し、歪抵抗素子１２、１３の検出感度はヤング率が高いほど高くなっている。規格化した歪抵抗素子１２、１３の検出感度は、（Ａ）の材料を用いたときは約０．８７であり、（Ｂ）の材料を用いたときは約０．７０と、接着層３２のヤング率が１０ＧＰａ以下で大きく変化していることがわかる。
【００３６】
さらに、エポキシ系の接着剤を用いて起歪体１１と支持基板３０が接着した場合、使用環境の温度が変化すると検出感度が大きく変化してしまうので、荷重検出装置５０の検出精度が低下してしまう。これに対して、実施の形態のようにガラス接着剤で接着層３２、３５を形成した場合、ガラス接着剤のヤング率は温度依存性が非常に小さいので、荷重検出装置５０の使用環境の温度が大きく変化しても、検出感度の変化が小さい。ガラス接着剤によって接着層３２、３５を形成することで荷重検出装置５０の検出精度を向上させることができる。
【００３７】
起歪体１１の撓みは起歪体１１の大きさに影響され、起歪体１１の長さが長い、幅が狭い、または厚みが薄いほど荷重を受けたときの撓みが大きくなる。図８に示すように、（Ｃ）に示されるガラス接着剤で形成された接着層３２、３５の検出感度は、（Ｂ）に示されるエポキシ系の接着剤により形成された接着層３２、３５の検出感度の約１．３倍となっている。従って、ガラス接着剤を用いた場合には、エポキシ系の接着剤を用いた場合よりも、起歪体１１の撓みが１／１．３倍になってもエポキシ系の接着剤を用いた場合と同等の検出感度を得ることが可能になる。このため、ガラス接着剤によって起歪体１１と支持基板３０とが接着することにより、起歪体１１の撓みがエポキシ系の接着剤を用いたときに比べ１／１．３倍になるように起歪体１１を形成しても、エポキシ系の接着剤を用いた場合と同様の検出感度を得ることができ、荷重検出装置５０を小型化することができる。
【００３８】
なお、実施の形態において、起歪体１１の材料を炭素鋼とし、支持基板３０、３３をステンレスとしているが、この限りではなく、接着剤の熱膨張係数が、起歪体１１の熱膨張係数と支持基板３０、３３の熱膨張係数に対して、４ｐｐｍ／Ｋ以内となれば、実施の形態の効果を得ることができる。支持基板３０、３３を金属材料で形成すると、ガラス接着剤との熱膨張係数の差が大きくないので、特に有用である。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明に係る荷重検出装置は、起歪体に加わる荷重を検出する荷重検出装置に関し、特に、車両用シートからの荷重を測定するための荷重検出装置において有用となる。
【符号の説明】
【００４０】
１１    起歪体
１２，１３    歪抵抗素子
１４    制御回路
１５    コネクタケース
１６    配線電極
１７    貫通孔
１８    貫通孔
１９    押圧部材
２０    電源端子
２１，２６    出力端子
２２，２４，２７，２８    厚膜抵抗パターン
２３    接地端子
２５，２９    ハーフブリッジ回路
３０，３３    支持基板
３１，３４    絶縁層
３２，３５    接着層
３６    ステンレス板
５０    荷重検出装置
１１１    起歪体
１１２    検出孔
１１６    電源電極
１１７    ＧＮＤ電極
１１８    出力電極
１１９    圧縮側歪抵抗素子
１２０    引張側歪抵抗素子
１２１    回路パターン
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
起歪体と、
前記起歪体に配置された歪検出素子と、
前記起歪体と前記歪検出素子との間に位置し、ガラス接着剤で形成され、前記歪検出素子を前記起歪体に固定する接着層と、を備えた、
荷重検出装置。
【請求項２】
前記起歪体は金属で構成され、
前記歪検出素子は、
可撓性を有する金属で構成された支持基板と、
前記支持基板の表面に設けられた絶縁層と、
前記絶縁層の表面に形成された抵抗パターンとを有し、
前記接着層は前記起歪体と前記支持基板との間に位置する、
請求項１記載の荷重検出装置。
【請求項３】
前記支持基板の熱膨張係数と前記接着層の熱膨張係数との差が４．０ｐｐｍ／Ｋ以下である、
請求項２に記載の荷重検出装置。
【請求項４】
前記起歪体の熱膨張係数と前記接着層の熱膨張係数との差が４．０ｐｐｍ／Ｋ以下である、
請求項３に記載の荷重検出装置。
【請求項５】
前記起歪体の熱膨張係数と前記接着層の熱膨張係数との差が４．０ｐｐｍ／Ｋ以下である、
請求項１に記載の荷重検出装置。
【請求項６】
前記接着層のヤング率が７０ＧＰａ以上である、
請求項１に記載の荷重検出装置。
【国際調査報告】
2014188678.tif 000012
2014188678.tif 000013
2014188678.tif 000014
2014188678.tif 000015