(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中立軸を含む領域に設けられた穴を有するピンと、前記穴の内部であって前記ピンの中立軸を含む領域に設けられた検出棒と、前記検出棒に設けられた半導体ひずみセンサと、前記穴の内部で前記検出棒と前記ピンによって形成された間隙に前記半導体ひずみセンサを覆うように充填された衝撃緩和材と、を備え、前記検出棒および前記半導体ひずみセンサが前記穴の内部に前記衝撃緩和材を介して設けられており、前記衝撃緩和材のヤング率が、前記ピン及び前記検出棒のヤング率よりも低いことを特徴とする荷重センサ。
【請求項２】
請求項１において、前記衝撃緩和材の材料はエポキシ樹脂であることを特徴とする荷重センサ。
【請求項３】
請求項１において、前記検出棒の材料は金属であることを特徴とする荷重センサ。
【請求項４】
請求項１において、前記検出棒の材料は、前記ピンの材料と同一であることを特徴とする荷重センサ。
【請求項５】
請求項１において、前記検出棒の断面形状は正方形であることを特徴とする荷重センサ。
【請求項６】
請求項１において、前記検出棒の断面形状は平板であることを特徴とする荷重センサ。
【請求項７】
請求項１において、検出棒の長手方向がピンの長手方向と平行であることを特徴とする荷重センサ。
【請求項８】
請求項１において、前記半導体ひずみセンサは、前記検出棒のせん断ひずみを検出するように設けられていることを特徴とする荷重センサ。
【請求項９】
請求項１において、前記半導体ひずみセンサは、シリコン基板表面に拡散抵抗を設けたものであり、同一基板表面に４本の拡散抵抗からなるブリッジ回路で構成されたことを特徴とする荷重センサ。
【請求項１０】
請求項９において、前記シリコン基板表面に形成された拡散抵抗はＰ型拡散抵抗であり、前記Ｐ型拡散抵抗の長手方向がシリコン単結晶の＜１１０＞方向と平行な２本の拡散抵抗と、それと垂直な２本のＰ型拡散抵抗とで、前記ブリッジ回路が構成されていることを特徴とする荷重センサ。
【請求項１１】
請求項１０において、前記シリコン単結晶＜１１０＞方向が、ピンの長手方向に対して４５度方向と平行に配置されていることを特徴とする荷重センサ。
【請求項１２】
請求項１において、検出棒を断面形状が正方形の角柱とし、前記角柱の直交する２面にそれぞれ半導体ひずみセンサを設けてあることを特徴とする荷重センサ。
【請求項１３】
請求項１において、検出棒の直交する２面にそれぞれ形成された半導体ひずみセンサの電源ラインがピンの内部で共有されており、前記それぞれ形成された半導体ひずみセンサからピンの外部へ引き出される配線の数が（センサの数×２）＋２本であることを特徴とする荷重センサ。
【請求項１４】
請求項１において、検出棒を円柱とし、前記円柱の少なくとも１面にひずみセンサが設けてあることを特徴とする荷重センサ。
【請求項１５】
検出棒に半導体ひずみセンサを取り付ける工程と、前記半導体ひずみセンサを取り付けた検出棒を、ピンの中心軸を含む領域に設けられた穴に挿入する工程と、前記ピンの穴に前記ピン及び前記検出棒のヤング率よりも低い樹脂を、前記穴の内部で前記検出棒と前記ピンの間によって形成された間隙に前記半導体ひずみセンサを覆うように充填し、前記検出棒および前記半導体ひずみセンサが前記穴の内部に前記樹脂を介して設置され、前記樹脂を衝撃緩和材とする工程と、を有することを特徴とする荷重センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は荷重を高精度に検出することができる荷重センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
機械を構成する各機械部品が受ける荷重を検出する技術として、特開平１０−38713 号公報に示すように、機械の結合部に用いられる部品結合用のピンそのものを荷重センサとしたピン型荷重センサが知られている。このピン型荷重センサは、荷重負荷によって生じるピンのひずみを、ひずみ測定装置により測定し、荷重を検出するものである。なお、ひずみ測定装置としては金属抵抗式のひずみゲージが用いられている。
【０００３】
しかしながら、ひずみ測定装置として従来のひずみゲージを使用したピン型荷重センサの場合には、機械製品に組み込む際、ひずみゲージ出力のゼロ点変動が大きいという課題があった。また、従来のひずみゲージは金属抵抗式であるので、電池駆動しようとすると消費電力が大きいために、電池がすぐに消費してしまうという問題があった。また、ひずみゲージを利用した荷重センサの場合、ひずみゲージからアンプまでの配線がノイズの影響を受けやすく、Ｓ／Ｎ比が低下するという問題があった。
【０００４】
そこで、発明者らは、これらの問題を解決するため、出力のゼロ点変動の小さい、耐ノイズ性の高い、なおかつ低消費電力で長時間電池駆動が可能なピン型加重センサを実現するため、特開２００５−１１４４４３号公報に示される半導体ひずみセンサを応用したピン型荷重センサを考案した。半導体ひずみセンサは、ひずみ感応抵抗体として単結晶シリコン基板に不純物を導入した不純物拡散抵抗（以下、拡散抵抗）を用いたものであり、ひずみ感度が高く、ゼロ点変動が非常に小さいという特徴がある。また、この半導体ひずみセンサの出力はアンプなどにより信号を増幅しなくても荷重を検出できるくらい大きい電圧であり、ノイズの影響を受けにくいという特徴がある。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−３８７１３号公報
【特許文献２】特開２００５−１１４４４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来技術に示されるように、ひずみゲージを用いたピン型荷重センサの場合、ひずみゲージはひずみ感度が低いため、荷重負荷によって生じるピンのひずみを増幅して検出する必要があった。このため、ピン内部に大きい穴を設け、その内壁にひずみゲージを設け、内壁に発生するひずみを直接計測していた。すなわち、ピン内部のひずみ測定箇所のひずみは大きくなるような構造となっていた。
【０００７】
また、ピンの穴に検出ブロックを入れて検出ブロックのひずみを計測する技術も知られているが、この場合も、ピンのひずみを検出ブロックで増幅できるよう、検出ブロックは複雑な構造であり、なおかつ、ピンの内壁と検出ブロックは直接接しており、ピンに負荷される荷重が直接検出ブロックに伝達される構造となっており、ひずみ測定箇所のひずみは大きくなるような構造となっていた。
【０００８】
しかしながら、半導体ひずみセンサを用いた荷重センサの場合、半導体ひずみセンサの主要部分が単結晶シリコン基板からなるため、ピン型ロードセルに衝撃荷重時などに過大なひずみが発生すると、ひずみセンサが破壊することが懸念される。したがって、ピン型ロードセルに半導体ひずみセンサを使用する場合、半導体ひずみセンサのひずみ測定部位に過大なひずみが発生しない構造とすることが重要な課題である。
【０００９】
そこで、本特許の目的は、低い消費電力で駆動し、かつ、高精度な測定が可能であり、かつ破壊することが無い信頼性の高い荷重センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的は、ピンに負荷される荷重を、前記ピンの内部に発生するひずみから検出する荷重センサにおいて、前記ピンの中心付近に設けられた穴の内部に、ひずみ検出用の検出棒が衝撃緩和材を介して設けられ、前記検出棒には半導体ひずみセンサを設けることにより達成される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ピンに負荷される荷重が衝撃緩和材を介して検出棒に負荷されるため、ピンの内壁に発生するひずみよりも検出棒に発生するひずみを緩和することが可能であり、衝撃荷重が負荷された場合等、過大なひずみがピンに生じた場合でも、半導体ひずみセンサが破壊すること無く、信頼性の高いピン型荷重センサが実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１３】
まず、本発明における第１の実施形態を図１，図２により説明する。
【００１４】
本実施形態による荷重センサの縦断面構造と横断面構造を、それぞれ図１と図２に示す。図１，図２に示す本実施形態の荷重センサにおいては、ピン１の中心付近に穴１ａを設けられており、穴１ａの内部にひずみ検出用の検出棒２が衝撃緩和材５を介して設けられている。検出棒２には、シリコン基板からなる半導体ひずみセンサ３，４が設けられている。
【００１５】
なお、検出棒２はピン１の中立軸１００付近に配置され、検出棒２の長手方向がピン１の長手方向と平行となっている。図１，図２においては検出棒２の断面形状が平板形状をしている場合について示したが、角柱あるいは円柱としてもよい。
【００１６】
また、ピン１の衝撃緩和層をなす衝撃緩和材５の材料のヤング率は、ピン１及び検出棒２のヤング率よりも低い材料である。例えば、衝撃緩和材５の材料をエポキシ樹脂、ピン１及び検出棒２の材料を金属とすることにより実現される。
【００１７】
なお、検出棒２をピン１と同一の材料とすることにより熱ひずみによる測定誤差が抑制される。
【００１８】
また、半導体ひずみセンサ３，４は、シリコン基板表面に拡散抵抗を形成したものであり、同一基板表面に形成された４本の拡散抵抗によりブリッジ回路が形成されたものである。
【００１９】
本実施形態におけるひずみ検出部の拡大図を図７に示す。ひずみ検出棒２の所望の位置に、半導体ひずみセンサ３が設けられている。また、半導体ひずみセンサ３はシリコン単結晶基板からなり、例えば図７に示すようにその同一基板表面に４本の拡散抵抗３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄが形成されている。これら４本の拡散抵抗でブリッジ回路が形成されている。
【００２０】
ここで、４本の拡散抵抗３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄはＰ型拡散抵抗であり、なおかつ、Ｐ型拡散抵抗の長手方向がシリコン単結晶の＜１１０＞方向と平行な２本の拡散抵抗と、それと垂直な２本のＰ型拡散抵抗とでブリッジ回路が構成されている。また、半導体ひずみセンサ３，４のシリコン単結晶＜１１０＞方向が、ピンの長手方向に対して４５度方向に平行に配置されている。
【００２１】
次に、本実施形態による作用，効果を説明する。
【００２２】
本実施形態の荷重センサによれば、ピン１に負荷される荷重が衝撃緩和材５を介して検出棒２に負荷されるため、ピン１の内壁に発生するひずみよりも検出棒に発生するひずみを緩和することが可能であり、衝撃荷重が負荷された場合等、過大なひずみがピン１に生じた場合でも、半導体ひずみセンサが破壊すること無く、信頼性の高いピン型荷重センサが実現できる。
【００２３】
本実施形態の荷重センサでは、ピン１へ加わる応力が衝撃緩和材５で緩和されて検出棒２に伝わり、検出棒２はピン１と同様の変形をするため、半導体ひずみセンサ３，４は検出棒２のひずみを測定することで、ピンに加わった応力を検出方向ごとに分離して正確に検出することができる。これは、ピン１の長手方向（軸方向）と同じ方向に検出棒２が長手方向を有するために検出棒２はピン１と同様の変形をすることを利用している。また、衝撃緩和材５で応力が緩和されているため、ひずみセンサに加わる応力は小さく、ひずみセンサの破壊を防止することができる。
【００２４】
従来のように、ピン１の穴の内壁にひずみセンサを設けた場合、ピン１の内壁とひずみセンサとの間に衝撃緩和材を設けることが考えられるが、衝撃緩和材の厚さが限られ、衝撃緩和の効果を大きくすることができない。また、検出棒を設けずに半導体ひずみセンサ３，４を層状の衝撃緩和材５中に設けると、半導体ひずみセンサ３，４にかかる応力が複雑になり、ピンの断面方向の二軸から力が加わり、所望の検出方向のひずみのみを検出することができない。
【００２５】
また、検出棒２をピン１の中立軸付近に配置することにより、もしピンに曲げ変形が生じた場合でも、検出棒２の曲げ変形を抑制することができ、検出棒２に設けた半導体ひずみセンサ３，４の測定誤差の発生を抑制できる。
【００２６】
また、検出棒２の長手方向がピン１の長手方向と平行とすることにより、ピンに発生する変形と同様の変形を、検出棒２に容易に発生させることができる。
【００２７】
また、衝撃緩和材５の材料のヤング率が、検出棒２のヤング率よりも低い材料とすることにより、検出棒２に発生するひずみを効果的に緩和することが可能である。
【００２８】
また、衝撃緩和材５の材料をエポキシ樹脂とすれば、穴の隙間に液状のエポキシ樹脂を充填し、その後硬化させることができるので、製造方法が容易であり、コストが低減できる効果もある。
【００２９】
また、検出棒２の断面形状は平板形状とすることにより、検出棒２の剛性が小さくなるためひずみが生じやすくなり、微小な荷重を検出するピン型荷重センサの場合に有効である。
【００３０】
また、半導体ひずみセンサとして、シリコン基板表面に拡散抵抗を形成したものであり、同一基板表面に４本の拡散抵抗からなるブリッジ回路で構成されたものとすることにより、温度ドリフトを抑制することが容易である。また、１チップでブリッジ回路が構成されているため、検出棒に設置するひずみセンサが一つでよいので、ブリッジ回路を構成する抵抗体の位置合わせが不要であるため、製造が容易で、製造時間短縮によるコスト低減できるという効果もある。
【００３１】
また、シリコン基板表面に形成された拡散抵抗はＰ型拡散抵抗であり、なおかつ、Ｐ型拡散抵抗の長手方向がシリコン単結晶の＜１１０＞方向と平行な２本の拡散抵抗と、それと垂直な２本のＰ型拡散抵抗とでブリッジ回路が構成することにより、半導体ひずみセンサ３，４の感度が向上する効果がある。すなわち、４アクティブブリッジ回路として作用させることができるため、高感度に検出棒に発生するひずみを検出することが可能である。
【００３２】
ここで、ピン型荷重センサによる荷重検出方法の一例を、図１７，図１８を用いて説明する。ピン型荷重センサには、ピン１の長手方向に対して垂直方向からせん断荷重が負荷される。具体的には、ピン１の支持面６１，６３に同じ向きの荷重６４，６６が負荷され、負荷面６２には、荷重６４，６６と反対の向きの荷重６５が負荷される。これにより、ピン１内部の領域６７，６８にはせん断変形が生じる。すなわち、ピン１がせん断荷重を受けた場合、ピン１内部に設けた検出棒２にもせん断変形が生じる。
【００３３】
このようなせん断変形が生じる場においては、ピンの長手方向に対して４５度方向の直交２軸には、それぞれ圧縮ひずみと、引張りひずみが生じるため、これらのひずみを、半導体ひずみセンサ３，４により検出し、荷重を算出することができる。
【００３４】
したがって、図７に示すように、半導体ひずみセンサ３，４のシリコン単結晶＜１１０＞方向が、ピンの長手方向に対して４５度方向と平行に配置することにより、ピン１に発生するせん断ひずみをより高感度に検出することが可能である。すなわち、ピン１の長手方向にせん断変形によるせん断ひずみが発生した場合、長手方向に対して４５度方向の垂直ひずみ成分は一方（ｘ方向）が引張ひずみ、それと垂直方向（ｙ方向）には圧縮ひずみが発生する２軸ひずみ場となり、なおかつ垂直ひずみは最大となる。
【００３５】
ここで、長手方向がシリコン単結晶＜１１０＞方向（Ｓｉ＜１１０＞）と平行な２本の拡散抵抗と、それと垂直な２本のＰ型拡散抵抗とでブリッジ回路の場合、＜１１０＞方向と平行・垂直方向のひずみ感度が両者に大きく、なおかつひずみ感度の符号が反転する特徴がある。したがって、垂直ひずみが最大となる長手方向とｘ，ｙ方向と平行に、シリコン単結晶＜１１０＞方向と平行・垂直なＰ型拡散抵抗を配置することにより、せん断ひずみをさらに高感度で検出できるという利点がある。
【００３６】
なお、図７においては、半導体シリコン基板の外形の各辺がシリコン単結晶＜１００＞方向（Ｓｉ＜１００＞）と平行である場合について示したが、図８に示すように、外形の各辺が、シリコン単結晶＜１１０＞方向（Ｓｉ＜１１０＞）と平行となるような半導体ひずみセンサでも構わない。
【００３７】
また、本実施形態においては、シリコン単結晶の＜１１０＞方向と平行な２本の拡散抵抗と、それと垂直な２本のＰ型拡散抵抗とでブリッジ回路が構成されている半導体ひずみセンサ３，４について示したが、図９に示すように、シリコン単結晶＜１００＞方向に平行な２本の拡散抵抗と、それと垂直な２本のＮ型拡散抵抗とでブリッジ回路が構成された半導体ひずみセンサ３，４とし、なおかつ、半導体ひずみセンサ３，４のシリコン単結晶＜１００＞方向が、ピン１の長手方向に対して４５度方向に平行に配置することにより、同様の効果が得られる。この場合、前記半導体ひずみセンサのシリコン単結晶＜１００＞方向が、ピンの長手方向に対して４５度方向に平行に配置することが望ましい。これにより、ピンに負荷される荷重による検出棒２のせん断変形を高感度に検出することができる。
【００３８】
なお、図７，図８に示すように、半導体ひずみセンサの拡散抵抗を、シリコン単結晶
＜１１０＞方向に垂直平行なＰ型拡散抵抗によりブリッジ回路を作製することにより、面外方向のひずみに対する感度がほぼゼロとなり、検出棒のひずみのみを検出することが容易であり、測定誤差が小さくなるという利点がある。
【００３９】
また、図１０に示すように、検出棒２に設ける半導体ひずみセンサ３に、２つのブリッジ回路を設けてもよい。すなわち、長手方向がシリコン単結晶＜１１０＞方向（Ｓｉ
＜１１０＞）と平行な２本の拡散抵抗３０ａ，３０ｃと、それと垂直な２本のＰ型拡散抵抗３０ｂ，３０ｄとで形成されたブリッジ回路と、長手方向がシリコン単結晶＜１００＞方向に平行な２本の拡散抵抗と、それと垂直な２本のＮ型拡散抵抗とで形成されたブリッジ回路の２つのブリッジ回路を、同一基板上に設けている。さらに、Ｓｉ＜１００＞方向をピンの長手方向と平行になるように、半導体ひずみセンサを配置することにより、検出棒のせん断変形をブリッジ回路３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄで、検出棒の曲げ変形をブリッジ回路３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄでそれぞれ検出することができ、これらの出力結果の計算により、荷重をより正確に算出することができるという利点がある。
【００４０】
また、半導体ひずみセンサ３の同一基板上に、例えば、ＰＮ接合などからなる、温度センサ５０を設けることにより、本荷重センサを温度が変化する環境下で使用する場合には、温度による出力変動分を補正することが可能となり、より正確な荷重検出が可能となる。
【００４１】
なお、図１０においては、Ｓｉ＜１００＞方向をピンの長手方向と平行になるように、半導体ひずみセンサを配置した場合について示したが、ひずみセンサを４５度回転させ、Ｓｉ＜１１０＞方向をピンの長手方向と平行になるように、半導体ひずみセンサを配置してもよい。この場合、検出棒のせん断変形をブリッジ回路３１ｂ，３１ｃ，３１ｄで、検出棒の曲げ変形をブリッジ回路３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄでそれぞれ検出することができる。
【００４２】
また、図１１に示すように、検出棒２に設ける半導体ひずみセンサ３の同一基板上に、ブリッジ回路の出力を増幅するためのアンプ３３，３４を設けてもよい。必ずしも必要ではないが、センサの出力を直近のアンプにより増幅した状態で検出することにより、耐ノイズ性が向上する。また、アンプがセンサの同一基板上に設けることとにより、荷重センサの構造が複雑化する心配が無く、出力がすぐに増幅されるため、耐ノイズ性がより向上するという利点がある。
【００４３】
なお、図１１においては、半導体ひずみセンサ３上に、ブリッジ回路を二つ設けた場合について示したため、アンプも二つ設けられているが、ブリッジ回路一つに対して、アンプは一つ設ければよい。
【００４４】
なお、本実施形態においては、図１８に示すように、支持面６１，６３，負荷面６２と定義したが、支持面と負荷面を入れ替えた場合でも、同様の効果が得られる。半導体ひずみセンサ３，４は、検出棒に負荷される荷重の向きが反転する領域、すなわち、せん断ひずみが発生する領域６７，６８に設けることにより、高感度に荷重を検出することが可能となる。
【００４５】
また、ピン１に負荷される荷重の向きが反転する領域６７，６８のピンの外周に外周溝１５，１６を設けることにより、支持面６１，６３と負荷面６２の境界が明確になり、検出棒２のせん断変形を安定に発生させることができ、高精度な荷重検出が可能となる。
【００４６】
例えば、本荷重センサをショベルに適用する場合、図１９に示すように、支持面６１，６３の部分をバケットと接続し、負荷面６２の部分をアームと接続することにより、ショベルのバケットの負荷荷重を、本荷重センサにより検出することが可能である。
【００４７】
なお、図１に示した本実施形態における荷重センサは、主要部分を示したものであり、図１４に示すように荷重センサの側面にカバー１１を設けてもよい。例えば金属からなるカバーを、ボルト締めなどで設けることができる。これにより、水分などの浸入を抑制でき、衝撃緩和材の劣化を抑制することができる。
【００４８】
また、図１５に示すように、荷重センサの側面に設けたカバー１１の内側、すなわち検出棒側に接するように、溝１１ａを形成することにより、検出棒２の位置決めが容易になる。すなわち、カバーの中心付近、すなわちピン１の中立軸との交点付近に溝１１ａを設けることにより、検出棒２をピンの中立軸に位置決めすることが容易である。
【００４９】
また、ピン内部に設ける衝撃緩和材５はピンの穴１ａ全体的に設ける必要は無く、図
１６に示すように、少なくとも、ピン１にせん断変形が生じる領域６７，６８に衝撃緩和材５が設けられていればよく、ピン１の穴１ａ内部の一部に衝撃緩和材５が設けられ、その他の部分は空洞でもよい。なお、不活性ガス１２を充填させることにより、衝撃緩和材５の劣化を防止する効果が得られる。
【００５０】
また、図１７に示すように、少なくともピン１にせん断変形が生じる領域６７，６８に衝撃緩和材５が設けられており、その他の部分には別の固体材料１３が充填されていてもよい。
【００５１】
固体材料１３として、シリカゲルなどの乾燥剤，シリコーンゴムなどの防水材効果のある材料とすることにより、衝撃緩衝層に水分が浸入するのを防止することができるため、荷重センサの信頼性を向上できるという利点がある。
【００５２】
また、ピン１に設けるピンの穴１ａはピンを貫通している必要はなく、図２１に示すように、少なくともピン１にせん断変形が生じる領域６７，６８を通る様に設けられていればよい。ピンの穴１ａが図２１に示すように片側から設けられていることにより、衝撃緩和材５を充填しやすいという利点がある。また、衝撃緩和層に水分が浸入するのを抑制できるという利点もある。
【００５３】
なお、図１，図２に示す、本実施形態においては、検出棒２の同一面上に二つの半導体ひずみセンサ３，４を設けた場合について示したが、半導体ひずみセンサは少なくとも一つあれば、荷重の検出が可能である。ただし、半導体ひずみセンサ３，４のように二つ設けることにより、これらの出力の平均から荷重を算出することが可能となり、より高精度な荷重検出が可能となる。
【実施例２】
【００５４】
次に、本発明における第２の実施形態を図３により説明する。図３は、第１の実施形態による荷重センサの横断面構造変形例を示しており、第１の実施形態と共通の部分には同一の符号を付している。
【００５５】
図３における荷重センサでは、図２に示した、第１の実施形態による荷重センサの検出棒２が、平板形状をしていたのに対し、本実施形態による荷重センサの検出棒６は角柱の形状となっている。さらに、検出棒６は断面形状が正方形の角柱であり、前記角柱の直交する２面にそれぞれ半導体ひずみセンサ３，７が設けられている。このように、検出棒６を角柱とし、直交する２面にそれぞれひずみセンサを設けることにより、直交する２方向の荷重をそれぞれ分離して検出することが可能であり、これらの二つのセンサから得られる二つの出力結果から、任意方向の荷重の方向と大きさを計算することができるという利点がある。
【００５６】
また、検出棒の断面形状を正方形とすることにより、荷重検出する２方向に対して、ピンの構造は等方的になるため、荷重に対する感度が同等になるという利点がある。
【００５７】
また、検出棒に二つの半導体ひずみセンサを設ける場合、これら二つの半導体ひずみセンサの電源ラインをピンの内部で共有することが好ましい。
【００５８】
すなわち、図２０の配線図に示すように、半導体ひずみセンサ３の拡散抵抗３０ａ，
３０ｂ，３０ｃ,３０ｄからなるブリッジ回路と、半導体ひずみセンサ７の拡散抵抗４４ａ,４４ｂ，４４ｃ，４４ｄからなるブリッジ回路は、ピン内部４３で、配線４１，４２により電気的に接続されている。さらに、両ブリッジを電気的に接続している配線４１，４２は、ピン外部の電源と、入力電源線３９，４０により電気的に接続されている。このように、半導体ひずみセンサのブリッジ回路に電気的に接続する入力電源線をピン内部で共有化することにより、ピンの外部へ引き出される配線の数を減少させることができ、検出棒とピン内壁との間にもうける衝撃緩和材を設ける際、その衝撃緩和材に発生するボイドを抑制する事ができる。ボイドの抑制により、荷重センサの荷重に対するひずみセンサ出力の直線性が向上するという利点がある。
【実施例３】
【００５９】
次に、本発明における第３の実施形態を図４，図５により説明する。図４，図５は、第２の実施形態による荷重センサの横断面構造変形例を示しており、第２の実施形態と共通の部分には同一の符号を付している。
【００６０】
図４，図５における荷重センサでは、図３に示した、第２の実施形態による荷重センサの検出棒６が、角柱形状をしており、角柱の直交する２面に、それぞれ二つの半導体ひずみセンサ３，７が設けられていたが、本実施形態による荷重センサでは、半導体ひずみセンサ３，７は、それぞれ、平板形状の検出棒２，８にそれぞれ設けられている。ここで、二つの検出棒２，８のセンサが設けられた面は、それぞれ、荷重検出方向ａ，ｂと平行になるように配置されている。
【００６１】
図４では二つの検出棒２，８がＬ字型に直角に設けられており、図５では検出棒がＴ字型に直角に設けられた例を示している。なお、これらの検出棒２，８はピンの中立軸付近に配置することが好ましい。
【００６２】
図４，図５に示す本実施形態のように、検出棒を平板とし、これらを２本組合せた場合、角柱に比べ、検出棒の剛性が小さくなるためひずみが生じやすくなり、微小な荷重を検出するピン型荷重センサの場合に有効である。
【００６３】
なお、本実施形態においては、検出棒２，８が平板形状でありこれらを２本用いる場合について示したが、２本に分かれている必要は無く、検出棒２，８が一体となっていてもよい。すなわち、横断面がＬ字型の形状をした検出棒や、Ｔ字型の検出棒を用いてもよい。
【実施例４】
【００６４】
次に、本発明における第４の実施形態を図６により説明する。図６は、第２の実施形態による荷重センサの横断面構造変形例を示しており、第２の実施形態と共通の部分には同一の符号を付している。
【００６５】
図６における荷重センサでは、図３に示した、第２の実施形態による荷重センサの検出棒６が、角柱形状をしており、角柱の直交する２面に、それぞれ二つの半導体ひずみセンサ３，７が設けられていたが、本実施形態による荷重センサでは、検出棒１４が、円柱形状をしており二つの半導体ひずみセンサ３，７が直交するように二つ設けられている。ここで、半導体ひずみセンサを設ける部分付近に平面部１４ａが設けられている。この平面部１４ａは必ずしも必要ではないが、半導体ひずみセンサを検出棒１４に設けやすく、はく離が抑制されるという利点がある。
【００６６】
本実施形態に示すように、検出棒を円柱形状とすることにより、ピンの外周方向に対して等方構造となり、さらに計測精度が向上できるという利点がある。
【実施例５】
【００６７】
次に、本発明における第５の実施形態を図１２により説明する。図１２は、第１の実施形態による荷重センサの縦断面構造の変形例を示しており、第１の実施形態と共通の部分には同一の符号を付している。
【００６８】
図１に示した、第１の実施形態による荷重センサにおいては、ピン１に設けられた穴が一つ１ａだけであったのに対し、図１２に示した荷重センサでは、ピン１の両側から穴
１ａ，１ｂが二つ設けられており、それぞれ検出棒２，９が穴内部の中心付近に設けられた構造となっている。また、検出棒２，９にはそれぞれ半導体ひずみセンサ３，４が設けられている。
【００６９】
本実施形態に示すように、ピン１の両側から２つに分けて穴１ａ，１ｂを設けることにより、穴の深さが浅くてすむので、加工が容易であるという利点がある。
【００７０】
また、図１３に示すように、穴１ａ，１ｂの底に検出棒を挿入できる浅い溝１ｃ，１ｄをそれぞれ設けることにより、検出棒２，９をピン１の中立軸付近に配置することが容易にできるという利点がある。
【００７１】
以上、実施形態１〜５に示した、本発明による荷重センサは検出棒の構造が単純で、なおかつ製造方法が単純化することができるためピン型荷重センサが安価に製造できるという利点もある。なおかつ、ひずみ測定装置としてひずみ感度の高い半導体ひずみセンサを用いるため、アンプなどで信号増幅する必要が無く、荷重センサシステム全体としての価格を低減できるという効果もある。また、ひずみゲージを利用した荷重センサの場合、ひずみゲージからアンプまでの配線がノイズの影響を受けやすく、Ｓ／Ｎ比が低下するという問題もあったが、半導体ひずみセンサの場合には、ひずみ感度が高くセンサの出力が大きいため、ノイズの影響を受けにくく、Ｓ／Ｎ比が低下も抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の第１の実施形態による荷重センサの主要部縦断面構造を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による荷重センサの主要部横断面構造を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態による荷重センサの主要部横断面構造を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施形態による荷重センサの主要部横断面構造を示す図である。
【図５】本発明の第３の実施形態による荷重センサの主要部横断面構造変形例を示す図である。
【図６】本発明の第４の実施形態による荷重センサの主要部横断面構造を示す図である。
【図７】本発明による荷重センサのひずみ検知部を示す図である。
【図８】本発明による荷重センサのひずみ検知部変形例を示す図である。
【図９】本発明による荷重センサのひずみ検知部変形例を示す図である。
【図１０】本発明による荷重センサのひずみ検知部変形例を示す図である。
【図１１】本発明による荷重センサのひずみ検知部変形例を示す図である。
【図１２】本発明の第５の実施形態による荷重センサの主要部横断面構造を示す図である。
【図１３】本発明の第５の実施形態による荷重センサの主要部横断面構造変形例を示す図である。
【図１４】本発明の第１の実施形態による荷重センサの主要部縦断面構造変形例を示す図である。
【図１５】本発明の第１の実施形態による荷重センサの主要部縦断面構造変形例を示す図である。
【図１６】本発明の第１の実施形態による荷重センサの主要部縦断面構造変形例を示す図である。
【図１７】本発明の第１の実施形態による荷重センサの主要部縦断面構造変形例を示す図である。
【図１８】本発明の荷重センサの荷重負荷方向を示す図である。
【図１９】本発明の荷重センサをショベルに適用する場合の適用方法を示す図である。
【図２０】二つの半導体ひずみセンサの配線図を示す図である。
【図２１】本発明の第１の実施形態による荷重センサの主要部縦断面構造変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００７３】
１  ピン
１ａ  穴
２，６，８，９，１４  検出棒
３，４，７  半導体ひずみセンサ
５，１０  衝撃緩和材
１１  カバー
１１ａ  溝
１２  不活性ガス
１３  固体材料
１４ａ，１４ｂ  平面部
１５，１６  外周溝
１７  樹脂
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ  拡散抵抗
３３，３４  アンプ
３５，３６，３７，３８  出力電源線
３９，４０  入力電源線
４１，４２  配線
４３  ピン内部
５０  温度センサ
６１，６３  支持面
６２  負荷面
６４，６５，６６  荷重
６７，６８  せん断変形が生じる領域
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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