(57)【要約】  コンパクトで高い信頼性及び品質を確保しつつ、しかも低コストな荷重センサ及びその製造方法を提供する。このために、薄板状のセンサプレート５、このセンサプレート５に取り付けられた複数の歪みゲージ２１ａ〜２２ｄとを具備する荷重センサに関し、前記センサプレート５の一軸方向の両端を任意の対象物に固定させる固定部とする一方で、その中心点Ｃが変位乃至荷重をこのセンサプレート５に伝達せしめる伝達部とする。そして、前記歪みゲージ２１ａ〜２２ｄを前記中心点Ｃに対して点対称となる位置に配置すると共に、点対称となる位置に配された歪みゲージ２１ａ〜２２ｄ同士を電気的に並列又は直列に接続してゲージペアを構成し、さらに、各ゲージペア同士を電気的に直列に接続して、これら歪みゲージ２１ａ〜２２ｄでブリッジ回路を構成する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄板状のセンサプレートと、このセンサプレートに取り付けられた複数の歪みゲージとを具備する荷重センサにおいて、
前記センサプレートは、その一軸方向の両端が、このセンサプレートを任意の対象物に固定させる固定部となされる一方で、その中心点が変位乃至荷重をこのセンサプレートに伝達せしめる伝達部となされ、
前記歪みゲージを前記中心点に対して点対称となる位置に配置すると共に、
点対称となる位置に配された歪みゲージ同士を電気的に並列又は直列に接続してゲージペアを構成し、さらに、各ゲージペア同士を電気的に直列に接続して、これら歪みゲージでブリッジ回路を構成したことを特徴とする荷重センサ。
【請求項２】
測定対象物に取り付けられて、該測定対象物の変形量に応じて変位する、凹所の形成された起歪体を具備し、前記一軸方向が前記凹所を横断するよう前記センサプレートが配されて前記固定部がこの起歪体に固定され、
前記凹所には、前記センサプレートの中心点に向けて突出する伝達部が形成され、前記起歪体の変位がこの伝達部を介して前記センサプレートに伝達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３】
前記センサプレートの一面側には、複数の凹部がこのセンサプレートの中心線に対して対称となるよう、前記中心線から所定の距離毎に形成され、
このセンサプレートの他面側には、これら凹部のうち前記中心線から等距離にある対称となる位置に設けられた凹部に歪みゲージが配されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の荷重センサ。
【請求項４】
前記センサプレートには、前記一軸方向に関する前記センサプレートの中心をなす中心線を示す目印が形成され、このセンサプレートの一面側には前記中心線に対して対称となる位置に凹部を形成して板厚の薄く形成された応力集中部が形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項３いずれかに記載の荷重センサ。
【請求項５】
前記歪ゲージは、前記凹部の形成された面と逆側の面にて、前記目印までの距離と目印に対する方向が決定されて前記応力集中部の位置に配置されたことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の荷重センサ。
【請求項６】
前記歪みゲージを半導体珪素薄膜で構成したことを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載の荷重センサ。
【請求項７】
薄板状のセンサプレートと、このセンサプレートに取り付けられた複数の歪みゲージとを具備し、前記センサプレートは、その一軸方向の両端が、このセンサプレートを任意の対象物に固定させる固定部となされる一方で、その中心点が変位乃至荷重をこのセンサプレートに伝達せしめる伝達部となされる荷重センサの製造方法であって、
一枚の基板に対して一度のエッチングを行うことで、前記基板に、縦横に配列された複数の前記センサプレートと、これらセンサプレートを相互に連結する細い連結片とを具備するセンサプレート群を形成し、
しかも、前記エッチングで各センサプレートの前記一軸方向の中心に位置する中心線を示す目印をそれぞれ形成すると共に、各センサプレートの一面側に前記中心線に対して対称となる位置に凹部を形成して板厚の薄い応力集中部を設け、
次いで、前記目印までの距離及び方向を決定することで、前記中心点に対して点対称であって前記応力集中部の位置に前記歪ゲージが配置されるように、前記センサプレート群をなす前記センサプレートに半導体珪素薄膜をそれぞれ形成し、
その後、これらセンサプレートを相互に分離することを特徴とする荷重センサの製造方法。
【請求項８】
前記荷重センサは、測定対象物に取り付けられて、該測定対象物の変形量に応じて変位する、凹所の形成された起歪体を前記センサプレートとは別体として設けられており、
相互に分離された前記センサプレートの前記一軸方向が前記凹所を横断するようにして、前記センサプレートの前記一軸方向の両端を前記起歪体に固定することを特徴とする請求項７に記載の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、測定対象物の変形に応じて歪む部材の歪みを歪みゲージで検知し、これを電気信号に変換して測定対象物に付加された荷重を測定する荷重センサ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、測定対象物に取り付けられる起歪体と、この起歪体に取り付けられ、その歪みを電気信号に変換する歪みゲージとを具備する荷重センサが知られている。この従来の荷重センサは、例えば、特許文献１に示すように、測定対象物の変位量に応じて発生する起歪体の歪みを、直接歪みゲージで検知していた。この特許文献１に開示の荷重センサでは、起歪体として上下面が相互に平行をなす平行梁が使用されている。平行梁にはその内側に貫通孔が形成され、平行梁の上側と下側とに肉厚の薄い応力集中部がそれぞれ２ヶ所ずつ形成されている。【０００３】
一方、このような荷重センサに使用される歪みゲージは、ポリイミドやエポキシ等の樹脂フィルムに金属抵抗を設けて構成されたものが多く使用されている。そして、これら歪みゲージは接着剤により起歪体の応力集中部へ貼り付けて固定されている。
また、これら従来から使用されている荷重センサでは、測定したい軸方向以外の方向から作用付加された荷重により発生する偏荷重誤差を補正するために、複数の歪みゲージを、相対する位置に配置していた。
【特許文献１】特開昭５４−１１６９８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記特許文献１に代表される従来の荷重センサには、つぎのような問題点があった。【０００５】
第１に、平行梁の応力集中部へ歪みゲージを貼り付ける際に、設計した位置からずれた位置に貼り付けられてしまうことが多々あった。ずれた位置に貼り付けられると、歪みゲージから出力される信号特性がばらつき、正確な偏荷重誤差補正ができなくなる。【０００６】
第２に、貼り付けに使用する樹脂系等の接着剤は耐湿性が低く、このため、時間の経過と共に歪みゲージの浮き上がり等の現象が発生し、信頼性にも難点があった。【０００７】
第３に、貼り付けタイプの歪みゲージはゲージ率が低い（ゲージ率は２程度）。大きな出力を得るために、起歪体としての平行梁を長く形成するか、肉厚を薄く形成していた。このため、荷重センサをコンパクトに形成することが困難で、しかも、製造コストもかかっていた。【０００８】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、コンパクトで高い信頼性及び品質を確保しつつ、しかも低コストな荷重センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明では、上記課題を解決するために、薄板状のセンサプレートと、このセンサプレートに取り付けられた複数の歪みゲージとを具備する荷重センサにおいて、前記センサプレートは、その一軸方向の両端が、このセンサプレートを任意の対象物に固定させる固定部となされる一方で、その中心点が変位乃至荷重をこのセンサプレートに伝達せしめる伝達部となされ、前記歪みゲージを前記中心点に対して点対称となる位置に配置すると共に、点対称となる位置に配された歪みゲージ同士を電気的に並列又は直列に接続してゲージペアを構成し、さらに、各ゲージペア同士を電気的に直列に接続して、これら歪みゲージでブリッジ回路を構成した荷重センサを採用した。【００１０】
また、本発明では上記荷重センサにおいて、測定対象物に取り付けられて、該測定対象物の変形量に応じて変位する、凹所の形成された起歪体を具備し、前記一軸方向が前記凹所を横断するよう前記センサプレートが配されて前記固定部がこの起歪体に固定され、前記凹所には、前記センサプレートの中心点に向けて突出する伝達部が形成され、前記起歪体の変位がこの伝達部を介して前記センサプレートに伝達されるように構成した。【００１１】
前記センサプレートの一面側に、複数の凹部をこのセンサプレートの中心線に対して対称となるよう、前記中心線から所定の距離毎に形成し、このセンサプレートの他面側に、これら凹部のうち前記中心線から等距離にある対称となる位置に設けられた凹部に歪みゲージを配した。【００１２】
また、本発明では上記の荷重センサにおいて、前記センサプレートに、前記一軸方向に関する前記センサプレートの中心をなす中心線を示す目印を形成し、このセンサプレートの一面側に前記中心線に対して対称となる位置に凹部を形成して板厚の薄く形成した応力集中部を設けている。【００１３】
この場合において、本発明では前記歪ゲージを、前記凹部の形成された面と逆側の面にて、前記目印までの距離と目印に対する方向を決定することにより前記応力集中部の位置に配置させるようにしている。【００１４】
そして、本発明では以上の荷重センサについて、前記歪みゲージを半導体珪素薄膜で構成したことを特徴としている。【００１５】
その一方で、本発明では上記課題を解決するために、薄板状のセンサプレートと、このセンサプレートに取り付けられた複数の歪みゲージとを具備し、前記センサプレートは、その一軸方向の両端が、このセンサプレートを任意の対象物に固定させる固定部となされる一方で、その中心点が変位乃至荷重をこのセンサプレートに伝達せしめる伝達部となされる荷重センサの製造方法であって、一枚の基板に対して一度のエッチングを行うことで、前記基板に、縦横に配列された複数の前記センサプレートと、これらセンサプレートを相互に連結する細い連結片とを具備するセンサプレート群を形成し、しかも、前記エッチングで各センサプレートの前記一軸方向の中心に位置する中心線を示す目印をそれぞれ形成すると共に、各センサプレートの一面側に前記中心線に対して対称となる位置に凹部を形成して板厚の薄い応力集中部を設け、次いで、前記目印までの距離及び方向を決定することで、前記中心点に対して点対称であって前記応力集中部の位置に前記歪ゲージが配置されるように、前記センサプレート群をなす前記センサプレートに半導体珪素薄膜をそれぞれ形成し、その後、これらセンサプレートを相互に分離する荷重センサの製造方法を採用した。【００１６】
そして、上記製造方法に関し、その対象となる前記荷重センサは、測定対象物に取り付けられて、該測定対象物の変形量に応じて変位する、凹所の形成された起歪体を前記センサプレートとは別体として設けられた荷重センサであって、本発明では、さらに、相互に分離された前記センサプレートの前記一軸方向が前記凹所を横断するようにして、前記センサプレートの前記一軸方向の両端を前記起歪体に固定することで荷重センサを製造することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、センサプレートに上記のように歪みゲージを配置すると共に相互に接続するので、測定誤差の低減を図れる。また、歪みゲージの設けられるセンサプレートとして薄板を採用するので、コンパクトに形成できる。また、センサプレートを起歪体とは別部材で形成するので、それぞれ別個に製作でき、製造コストを低減できる。さらに、コンパクトでありながら、高い出力を得ることが可能となる。【００１８】
また、歪みゲージを基準に対して特定の位置・方向に配置することから、特性のばらつきを低減できしかも歩留まりを向上させる。その結果、コストダウンも併せて図ることができる。なお、複数の歪みゲージを同一の凹部に配置すれば、それぞれの歪みゲージ特性のバラツキを小さくでき、よって、温度による誤差をも小さくできる。【００１９】
そして、本発明にかかる荷重センサで荷重を測定すれば、高い精度で荷重を測定できる。【００２０】
一方、本発明の製造方法では、製造コストのダウンと効率化を同時に図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態にかかる荷重センサを模式的に示した図。
【図２】センサプレートの平面図。
【図３】図２に示すセンサプレートの側面図。
【図４】図２及び図３に示すセンサプレートに、別の態様で歪みゲージを配したセンサプレートの平面図。
【図５】図４に示すセンサプレートの側面図。
【図６】別の態様で歪みゲージを配したセンサプレートの平面図。
【図７】さらに、別の態様で歪みゲージを配したセンサプレートの平面図。
【図８】別の実施形態にかかるセンサプレートの平面図。
【図９】歪みゲージにより形成されたブリッジ回路の回路図。
【図１０】別の実施形態にかかるブリッジ回路の回路図。
【図１１】図１に示す荷重センサとは別の実施形態にかかる荷重センサを模式的に示した図。
【図１２】図７に示す荷重センサに使用されるセンサプレートの平面図。
【図１３】図８に示すセンサプレートとは別の実施形態にかかるセンサプレートの平面図。
【図１４】センサプレート群の上面図。
【図１５】センサプレート群の下面図。
【図１６】成膜工程により歪みゲージが設けられたセンサプレートの斜視図。
【図１７】中心部がＺ軸方向の上方に歪んだセンサプレートの側面図。
【図１８】中央部がＹ軸方向に撓んだセンサプレートの平面図。
【図１９】各軸の方向の説明図。
【符号の説明】
【００２２】
１・・・・・・・・・起歪体
２・・・・・・・・・凹所
３・・・・・・・・・取付部
４，４Ａ・・・・・・伝達ロッド（伝達部材）
５・・・・・・・・・センサプレート
６・・・・・・・・・貫通孔（目印）
６Ａ，６Ｂ・・・・・窪み（目印）
７，８，９，１０・・凹溝
１１，１２・・・・・応力集中部
１３，１４・・・・・応力集中部
２１ａ〜２１ｄ・・・歪みゲージ
２２ａ〜２２ｄ・・・歪みゲージ
３０・・・・・・・・センサプレート
３１・・・・・・・・貫通孔
３２，３３・・・・・凹溝
３４，３５・・・・・応力集中部
４０・・・・・・・・基板
４１・・・・・・・・センサプレート群
４２・・・・・・・・連結片
５０・・・・・・・・酸化珪素薄膜
５１・・・・・・・・歪みゲージパターン
５２・・・・・・・・金薄膜
５３・・・・・・・・窒化珪素薄膜
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。【００２４】
図１は、本発明の一実施形態にかかる荷重センサの内部構造を模式的に示した縦断面図である。荷重センサは、測定対象物に取り付けられる起歪体１と、この起歪体１に接続される平板状のセンサプレート５とを備えている。【００２５】
起歪体１は、厚肉の板材により構成され、その周縁が矩形状に形成されている。この起歪体１の上面には、周縁から内側に入り込んだ位置に下面側に向けて窪ませた凹所２が形成されている。そして、起歪体１の中心部Ｃには、この凹所２の底面から上方に向けて延びる伝達ロッド４が起歪体１と一体に形成されている。一方、起歪体１の下面には、起歪体１の中心部Ｃにて、下方に向けて突出する取付部３が形成されている。この取付部３は、測定対象物に当該荷重センサを取り付ける際に使用される部位である。【００２６】
センサプレート５は、薄板材が長方形に形成された部材である。センサプレート５は、起歪体１の凹所２を横断するようにして起歪体１の上面に配置され、その長軸方向（Ｘ軸方向）の両端部５ａ，５ａが凹所２の縁部２ａに溶接により固定され、起歪体１に接合される。一方、センサプレート５の中心部Ｃにはセンサプレート５の板厚を貫く貫通孔６が形成されている。この貫通孔６には、凹所２の底部から延びる伝達ロッド４の先端が挿入される。そして、挿入された伝達ロッド４の先端がセンサプレート５に溶接されて、この中心部Ｃでも起歪体１とセンサプレート５とが接合される。【００２７】
かかるセンサプレート５の下面には、短軸方向（Ｙ軸方向）に延びる凹部としての凹溝７，８，９，１０がその長軸方向（Ｘ軸方向）の４ヶ所に形成されている。これら凹溝７，８，９，１０は、中心部Ｃを通り、短軸方向（Ｙ軸方向）に延びる中心線ＣＬに対して線対称となる位置にそれぞれ配置されており、貫通孔６形成と同時にエッチングにより形成される。この凹溝７，８，９，１０を形成して板厚を薄くすることで、応力の集中が生じ、この４ヶ所が応力集中部１１，１２，１３，１４として機能する。【００２８】
そして、この応力集中部１１，１２，１３，１４では、凹溝７，８，９，１０の形成された下面とは逆側の上面に歪みゲージ２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄがそれぞれ２つずつ設けられている。この歪みゲージ２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄは、センサプレート５に生ずる歪みを電気信号に変換する素子である。この実施形態では、各歪みゲージ２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄは、その軸方向がセンサプレート５の長軸方向（Ｘ軸方向）に一致されて各応力集中部１１，１２，１３，１４にそれぞれ設けられている。【００２９】
また、各歪みゲージ２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄは、図２に示すように、センサプレート５の中心部Ｃを通る中心線ＣＬに対して線対称となるように応力集中部１１，１２，１３，１４にそれぞれ設けられている。例えば、中心線ＣＬに対して外側に位置する２つの応力集中部１１，１４にそれぞれ設けられた歪みゲージ２１ａと歪みゲージ２１ｄとは、中心部Ｃに対して点対称となる位置にそれぞれ配置されている。同様に、中心線ＣＬに対して内側に位置する２つの応力集中部１２，１３にそれぞれ設けられた歪みゲージ２２ｂと歪みゲージ２２ｃとは中心部Ｃに対して点対称となるように配置されている。【００３０】
このように、歪ゲージ２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄを、中心部Ｃに対して点対称、かつ、応力集中部１１，１２，１３，１４の位置に正確に配置するために、この荷重センサでは、中心部Ｃに設けられた貫通孔６を目印としている。即ち、貫通孔６を目印として、貫通孔６までの距離、及び貫通孔６に対する方向を決定して歪ゲージ２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄを位置決めしている。【００３１】
なお、応力集中部及び歪みゲージ２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄの配置は、中心部Ｃに対して点対称となるように設ける態様であれば、図２及び図３に示す態様には限定されない。【００３２】
図４〜図７は、センサプレート５に別の態様で歪みゲージ２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄを配したものをそれぞれ示している。なお、これら図４〜図７に示すセンサプレート５の構造は、図２及び図３に示すセンサプレート５と同様であって、短軸方向（Ｙ軸方向）に延びる凹部としての凹溝７，８，９，１０がその長軸方向（Ｘ軸方向）の４ヶ所に形成されている。これら凹溝７，８，９，１０は、中心部Ｃを通り、短軸方向（Ｙ軸方向）に延びる中心線ＣＬに対して線対称となる位置にそれぞれ配置されている。即ち、凹溝７，８，９，１０は、中心線ＣＬを境に、長軸方向（Ｘ軸方向）の片側にそれぞれ２つずつ形成されている。また、中心部Ｃには、センサプレート５の厚み方向を貫通する貫通孔６が形成されている。これら凹溝７，８，９，１０も、貫通孔６の形成と同時にエッチングにより形成される。このように、当該センサプレート５についても、凹溝７，８，９，１０を形成して板厚を薄くすることで、応力の集中が生じ、この４ヶ所が応力集中部１１，１２，１３，１４として機能する。【００３３】
そして、図４〜図７に示すものは、凹溝７，８，９，１０のうち中心部Ｃに近い側の凹溝８，９に対応する位置の上面に、歪みゲージ２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄがそれぞれ４つずつ配置される。【００３４】
図４及び図５に示すセンサプレート５には、歪みゲージ２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄが、中心部Ｃに対して点対称となるように、凹溝８の位置に対応する応力集中部１２には、歪みゲージ２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂが設けられ、凹溝９に対応する応力集中部１３には、歪みゲージ２１ｃ，２１ｄ，２２ｃ，２２ｄが設けられている。【００３５】
応力集中部１２に設けられた歪みゲージ２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂについては、短軸方向（Ｙ軸方向）の外側に配された２つの歪みゲージ２１ａ，２１ｂは、その軸方向がセンサプレート５の短軸方向（Ｙ軸方向）に一致されている。一方、短軸方向（Ｙ軸方向）の内側に配された２つの歪みゲージ２２ａ，２２ｂは、その軸方向が長軸方向（Ｘ軸方向）に一致されている。同様に、応力集中部１３に設けられた歪みゲージ２１ｃ，２１ｄ，２２ｃ，２２ｄについても、短軸方向（Ｙ軸方向）の外側に配された２つの歪みゲージ２１ｃ，２１ｄは、その軸方向が短軸方向（Ｙ軸方向）に一致され、内側に配された２つの歪みゲージ２２ｃ，２２ｄはその軸方向が長軸方向に一致されている。【００３６】
このように歪みゲージ２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄが配されることで、中心部Ｃに対して、点対称の位置に配された歪みゲージの対が４対形成される。即ち、歪みゲージ２１ａと歪みゲージ２１ｄ、歪みゲージ２１ｂと歪みゲージ２１ｃ、歪みゲージ２２ａと歪みゲージ２２ｄ、並びに歪みゲージ２２ｂと歪みゲージ２２ｃとは、中心部Ｃに対してそれぞれ点対称となる。【００３７】
図６は、センサプレート５に別の態様で歪みゲージを配置したものを示している。【００３８】
この図６に示す態様のものでは、各応力集中部１２，１３に関し、短軸方向（Ｙ軸方向）の中心側に、二つの歪みゲージがその軸方向を当該短軸方向（Ｙ軸方向）に向けて配され、さらに、短軸方向（Ｙ軸方向）に関してこれら歪みゲージの外側に、二つの別の歪みゲージが、その軸方向を長軸方向（Ｘ軸方向）に向けて配されている。【００３９】
具体的には、凹溝８の位置に対応する応力集中部１２に、歪みゲージ２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂが設けられ、凹溝９に対応する応力集中部１３に、歪みゲージ２１ｃ，２１ｄ，２２ｃ，２２ｄが設けられている。【００４０】
応力集中部１２において、短軸方向（Ｙ軸方向）の内側に配された２つの歪みゲージ２１ａ，２１ｂは、その軸方向がセンサプレート５の短軸方向（Ｙ軸方向）に一致されている。一方、短軸方向（Ｙ軸方向）の外に配された２つの歪みゲージ２２ａ，２２ｂは、その軸方向が長軸方向（Ｘ軸方向）に一致されている。同様に、応力集中部１３において、短軸方向（Ｙ軸方向）の内側に配された２つの歪みゲージ２１ｃ，２１ｄは、その軸方向が短軸方向（Ｙ軸方向）に一致され、外側に配された２つの歪みゲージ２２ｃ，２２ｄはその軸方向が長軸方向に一致されている。【００４１】
このように歪みゲージ２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄが配されることで、中心部Ｃに対して、点対称の位置に配された歪みゲージの対が４対形成される。即ち、歪みゲージ２１ａと歪みゲージ２１ｄ、歪みゲージ２１ｂと歪みゲージ２１ｃ、歪みゲージ２２ａと歪みゲージ２２ｄ、並びに歪みゲージ２２ｂと歪みゲージ２２ｃとは、中心部Ｃに対してそれぞれ点対称となる。【００４２】
さらに、図７に示すセンサプレート５には、別の態様で歪みゲージが配置されている。この図７に示すセンサプレート５にあっては、凹溝８及び凹溝９の位置にそれぞれ対応する応力集中部１２及び応力集中部１３には、４つの歪みゲージが正方形を描くようにしてそれぞれ配されている。【００４３】
応力集中部１２に配された歪みゲージ２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂにおいては、２つの歪みゲージ２１ａ，２１ｂが、その軸方向を短軸方向（Ｙ軸方向）に向けられ、かつ相互に平行をなして配置されている。また、これら歪みゲージ２１ａ，２１ｂの両端を結ぶようにして、２つの歪みゲージ２２ａ，２２ｂがその軸方向を長軸方向（Ｘ軸方向）に向けられ、かつ相互に平行をなすようにして配されている。【００４４】
この図７に示す態様のものにおいても、歪みゲージ２１ａと歪みゲージ２１ｄ、歪みゲージ２１ｂと歪みゲージ２１ｃ、歪みゲージ２２ａと歪みゲージ２２ｄ、並びに歪みゲージ２２ｂと歪みゲージ２２ｃとが、中心部Ｃに対してそれぞれ点対称となる。【００４５】
以上、中心部Ｃを通る中心線ＣＬを境に、長軸方向（Ｘ軸方向）の片側に２つずつの凹溝７，８，と凹溝９，１０を形成して、応力集中部１１，１２，１３，１４を設けたセンサプレート５を例に説明したが、これに限定されるものではなく、片側に３つ以上の凹溝を形成して応力集中部を設けても構わない。また、歪みゲージ２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄの取付位置についても、図４〜図７に示した例では中心部Ｃに近い側に位置する応力集中部１２，１３に歪みゲージ２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄを設けているが、中心線ＣＬに対して対称となるように設けるのであれば、中心線ＣＬから離れた応力集中部１１，１４に歪みゲージを設けても良い。片側に３ヶ所以上の応力集中部を設けるのであれば、中心線ＣＬから数え３つめより外側の応力集中部に歪みゲージ２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄを設けても良い。【００４６】
さらには、中心線ＣＬに対して対称となるように、センサプレートの長軸方向（Ｘ軸方向）に関し、片側に凹溝をそれぞれ１つ形成し、対応する応力集中部を１つずつ設けてもよい。【００４７】
図８は、センサプレート３０の長軸方向（Ｘ軸方向）に関して２ヶ所のみに応力集中部３４，３５を設け、各応力集中部３４，３５にそれぞれ４つの歪みゲージ２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄを設けた態様を示すものである。このセンサプレート３０に設けられた応力集中部３４，３５は、長軸方向（Ｘ軸方向）に関し、中心線ＣＬに対して対称となる２ヶ所に設けられている。これら応力集中部３４，３５も、センサプレート３０の下面に、短軸方向（Ｙ軸方向）に延びる凹溝３２，３３を形成し、センサプレート３０の板厚を薄くすることでそれぞれ設けられている。【００４８】
片側の応力集中部３４に設けられている歪みゲージ２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂのうち短軸方向（Ｙ軸方向）の外側に配された２つの歪みゲージ２１ａ，２１ｂは、その軸方向がセンサプレート３０の短軸方向（Ｙ軸方向）に一致されている。一方、短軸方向（Ｙ軸方向）の内側に配された２つの歪みゲージ２２ａ，２２ｂは、その軸方向が長軸方向（Ｘ軸方向）に一致されている。同様に、応力集中部３５に設けられた歪みゲージ２１ｃ，２１ｄ，２２ｃ，２２ｄについても、短軸方向（Ｙ軸方向）の外側に配された２つの歪みゲージ２１ｃ，２１ｄは、その軸方向が短軸方向（Ｙ軸方向）に一致され、内側に配された２つの歪みゲージ２２ｃ，２２ｄはその軸方向が長軸方向（Ｘ軸方向）に一致されている。【００４９】
このように歪みゲージ２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄを配することで、これら歪みゲージ２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄについても、中心部Ｃに対して点対称となるようにそれぞれ配置されている。例えば、応力集中部３４の歪みゲージ２１ａと、応力集中部３５の歪みゲージは２１ｄとは、中心部Ｃに対して点対称となる。同様に、応力集中部３４の歪みゲージ２２ｂと、応力集中部３５の歪みゲージ２２ｃとは中心部Ｃに対して点対称となる。【００５０】
なお、上述した、図６及び図７に示した態様で歪みゲージ２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄを配置する場合にも、このセンサプレート３０を使用することができる。【００５１】
これら歪みゲージ２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄは、いずれもＣＶＤ法やスパッタ法などを用い、半導体珪素薄膜により形成されている。【００５２】
以上の歪みゲージ２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄは、図９に示すように相互に接続され、ブリッジ回路が形成される。この図９に示すブリッジ回路では、中心部Ｃに対して点対称となる位置に配された二つの歪みゲージが電気的に並列にそれぞれ接続され、４組のゲージペアが形成されている。【００５３】
例えば、図２において、外側に配された歪みゲージ２１ａと歪みゲージ２１ｄの組、及び歪みゲージ２１ｂと歪みゲージ２１ｃの組がそれぞれゲージペアとして構成され、内側に配された歪みゲージ２２ａと歪みゲージ２２ｄの組、及び歪みゲージ２２ｂと歪みゲージ２２ｃの組がそれぞれゲージペアとしてそれぞれ構成される。そして、各ゲージペア同士は相互に直列に接続され、閉じた回路が形成される。この際、外側に配された歪みゲージ２１ａ，２１ｄの組と歪みゲージ２１ｂ，２１ｃの組とが相互に対向する位置に配されると共に、内側に配された歪みゲージ２２ａ，２２ｄの組と、歪みゲージ２２ｂ，２２ｃの組とが相互に対向する位置に配置される。【００５４】
そして、当該ブリッジ回路では、歪みゲージ２１ａ，２１ｄの組からなるゲージペアと、歪みゲージ２２ｂ，２２ｃの組とからゲージペアとの間、及び歪みゲージ２１ｂ，２１ｃの組からなるゲージペアと、歪みゲージ２２ａ，２２ｄの組からなるゲージペアとの間を電源Ｖｉｎに接続し、電圧をブリッジ回路に印加している。他方、歪みゲージ２１ａ，２１ｄの組からなるゲージペアと、歪みゲージ２２ａ，２２ｄの組からなるゲージペアとの間、及び歪みゲージ２１ｂ，２１ｃの組からなるゲージペアと、歪みゲージ２２ｂ，２２ｃの組とからゲージペアとの間との間を出力用の端子として利用している。【００５５】
なお、図９のブリッジ回路では点対称となる位置に配されている歪みゲージ同士を並列に接続しているが、図１０のように直列に接続してもよい。【００５６】
この図１０に示すブリッジ回路では、外側に配された歪みゲージ２１ａと歪みゲージ２１ｄとが直列に接続されると共に、歪みゲージ２１ｂと歪みゲージ２１ｃとが直列に接続される。また、内側に配された歪みゲージ２２ａと歪みゲージ２２ｄとが直列に接続されると共に、歪みゲージ２２ｂと歪みゲージ２２ｃとが直列に接続される。そして、直列に接続された歪みゲージ同士が、それぞれゲージペアとしてそれぞれ構成される。なお、このブリッジ回路についても、電圧を印加する位置、及び信号の出力端子を設ける位置は、図９に示すブリッジ回路と同様である。【００５７】
以上、センサプレート５の中心部Ｃに形成された貫通孔６に、起歪体１の伝達ロッド４の先端を挿入し、この部分を接合した場合について説明したが、図１１及び図１２に示すように構成してもよい。【００５８】
この実施形態にかかる荷重センサでは、起歪体１とセンサプレート５とが中心部Ｃで接合されずに、両者が分離されている。センサプレート５の上面には、中心部Ｃに、窪み６Ａが形成されており、同時に裏面に凹溝７，８，９，１０がエッチングにより形成されている。一方、起歪体１の凹所２には、中心部Ｃの位置に、凹所２の底面からセンサプレート５に向けて突出する伝達ロッド４Ａが形成されている。この伝達ロッド４Ａは、その上端がセンサプレート５とは接合されず、センサプレート５の下面に接触しているだけである。この荷重センサにあっても、伝達ロッド４Ａの先端が、センサプレート５の中心部Ｃを下から上に押し付けられる方向の荷重についての測定を行うことができる。【００５９】
ここで、センサプレート５の上面に形成された窪み６Ａは、歪ゲージを配置する際の目印となる。即ち、歪ゲージは、この窪み６Ａを目印として形成されることにより、裏面の凹溝７，８，９，１０に対して正確に位置決めされる。なお、歪ゲージを位置決めする際の目印は、中心部Ｃの一ヶ所に設けるものには限定されない。図１３に示すセンサプレート５では、中心部Ｃを通り、短軸方向に延びる中心線ＣＬ上において、センサプレート５の両端部に三角形状の小さな窪み６Ｂ，６Ｂが設けられている。このセンサプレート５では、窪み６Ｂ，６Ｂが、歪ゲージの位置決めの基準となる目印として機能する。【００６０】
以上の構成を備えた、荷重センサは次のように製造される。【００６１】
図１４及び図１５はセンサプレート５を製造する工程を示すもので、図１４は基板４０の表面を、図１５は基板４０の裏面をそれぞれ示している。センサプレート５は、一枚の基板４０の両面からエッチング加工を行うことにより、基板４０の周縁の枠部分４０ａと、縦方向及び横方向にそれぞれ延びる中心リブ４３，４３とで区切られた４ヶ所の領域に形成される。なお、基板４０としては、高弾性率を有するステンレス板が使用される。また、基板４０はエッチング加工に先立って予め研磨されており、基板４０の表面（歪ゲージの形成される面）が鏡面仕上げされている。【００６２】
基板４０にエッチング加工を行うことで、各領域には、複数のセンサプレート５が縦横に配列されるように形成される。また、このエッチング加工では、これらセンサプレート５の短軸方向（Ｙ軸方向）に延びる細い連結片４２を同時に形成し、各センサプレート５が短軸方向（Ｙ軸方向）に連ねられるように、センサプレート５を連結片４２で相互に連結する。なお、連結する方向は、短軸方向（Ｙ軸方向）に限定するものではなく、長軸方向（Ｘ軸方向）に連結しても構わない。また、双方の方向に連結しても構わない。【００６３】
また、この製法では、両面からのエッチング加工を行うことで、各センサプレート５の中心に、その板厚方向を貫く貫通孔６を形成する。さらには、裏面からのエッチング加工により、各センサプレート５の裏面に短軸方向（Ｙ軸方向）に延びる凹溝７，８，９，１０がそれぞれ４ヶ所に貫通孔６と同時に形成される。各センサプレート５の各位置に形成された凹溝７，８，９，１０は、その位置で短軸方向（Ｙ軸方向）に延びる同一の直線上にそれぞれ形成される。【００６４】
このように、当該エッチング加工は一枚の基板４０から複数のセンサプレート５を有するセンサプレート群４１を形成する。また、各センサプレート５は、一枚の基板４０に両面からのエッチング加工を施すことにより、その外形の形成、中心部Ｃの貫通孔６の形成、及び応力集中部１１，１２，１３，１４を形成する凹溝７，８，９，１０の形成を一工程で行っている。なお、図１２又は図１３に示したセンサプレート５の場合には、貫通孔６に代えて、このエッチング工程で窪み６Ａ又は窪み６Ｂが形成される。【００６５】
なお、センサプレート５の外形、中心部Ｃに形成される貫通孔６、及びセンサプレート５の一面側に形成される凹溝７，８，９，１０は、エッチング加工で形成することには限定されず、レーザー加工で形成しても構わない。レーザー加工を行う場合には、凹溝７，８，９，１０の形成されるセンサプレート５の一面側からその外形、貫通孔６及び凹溝７，８，９，１０を形成すればよい。【００６６】
そして、基板４０からセンサプレート群４１を形成した後は、図１６に示すように成膜工程が実施される。【００６７】
この成膜工程では、先ず、ＣＶＤ法によりセンサプレート群４１を構成する各センサプレート５に酸化珪素薄膜５０を形成する。形成された酸化珪素薄膜５０により、センサプレート５と歪みゲージ２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄとが電気的に絶縁される。次いで、半導体珪素薄膜を同じくＣＶＤ法で、各センサプレート５の全面に形成する。この際、歪みゲージパターン５１の形成はエッチングによりなされ、その位置決めは、上記のエッチング加工で既に形成されている貫通孔６を基準に行われる。即ち、中心部Ｃに形成された貫通孔６に対する距離及び方向が、応力集中部を形成する凹溝７，８，９，１０と重なるように予め決定されており、パターンの形成は、当該応力集中部の位置に正確に行われる。【００６８】
次いで、配線及び電極取出しのための金薄膜５２を蒸着させる。その後、歪みゲージ保護のための窒化珪素薄膜５３をＣＶＤ法により形成する。【００６９】
このように、当該成膜工程では、複数のセンサプレート５からなるセンサプレート群４１に対しバッチ処理を行って、一度に複数のセンサプレート５について成膜する。【００７０】
この成膜工程終了後、センサプレート５を相互に連結している連結片４２が切断されて、個々のセンサプレート５が形成される。切断は、例えば、カットソー等を使用すればよい。【００７１】
このようにして、歪みゲージ２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄの設けられたセンサプレート５は、その後に起歪体１と接合され、図１に示す構造を有する荷重センサとして形成される。【００７２】
以上の荷重センサは、次のように作用する。【００７３】
図１を再び参照する。図示しない測定対象物に負荷が作用して測定対象物が変形すると、荷重センサには、起歪体１の下面に設けられている取付部３から図１の矢印の方向に関する変位が測定対象物から伝達される。この変位は、伝達ロッド４の延びる軸方向と一致している。この変位が取付部３を介して起歪体１に伝達されると、起歪体１は、その中心部Ｃが周縁に対して相対的に上下に変位する。さらに、起歪体１の変位は、伝達ロッド４を介してセンサプレート５の中心部Ｃに伝達される。【００７４】
センサプレート５は、その長軸方向（Ｘ軸方向）の両端が起歪体１の凹所２の縁部２ａにおいて、起歪体１に接合されている一方で、中心部Ｃが伝達ロッド４に接合されているため、センサプレート５は両端固定梁として機能する。このため、伝達ロッド４により変位の伝達された中心部Ｃが、両端部５ａに対して相対的に上下に変位する。例えば、起歪体１の中心部Ｃが上方に向けて変位した場合、伝達ロッド４を介してこの変位がセンサプレート５の中心部Ｃに伝達され、図１７示すように、センサプレート５の中心部Ｃが両端部５ａに対して相対的に上方に変位する（図１７のＺ軸方向）。【００７５】
そして、この変位により発生する歪みは、応力集中部１１，１２，１３，１４に集中的に発生することになる。この場合、外側の応力集中部１１，１４の上面には圧縮歪みが発生し、内側の応力集中部１２，１３の上面には引張り歪みが発生する。これらを図２及び図３に示すように歪みゲージ２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄを配置して測定すると、外側に配された歪みゲージ２１ａ〜２１ｄは、マイナスの抵抗値変化となる。一方、内側に配された歪みゲージ２２ａ〜２２ｄは、プラスの抵抗値変化となる。すると、図９に示すブリッジ回路には電位差が発生し、これを出力電圧（Ｖｏｕｔ）として測定することで、測定対象物の変位を測定することができる。【００７６】
次に、図１７に示すＺ軸方向以外の方向の荷重が作用した場合について説明する。【００７７】
なお、ここでは、変形のモデルを簡略化して説明する。なお、各軸の方向は、Ｘ軸はセンサプレート５の長軸方向と一致しており、Ｙ軸は、短軸方向と一致している。また、センサプレート５に向かって時計回りをθのプラスとしている（図１９参照）。【００７８】
図１８に示すようにセンサプレート５に、Ｙ軸方向に荷重が負荷されると、センサプレート５は中央部が、荷重の方向に撓み、全体が湾曲する。この場合、歪みゲージ２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄの抵抗値は次のように変化する。【００７９】
Ｙ軸方向に関し、センサプレート５の中心部Ｃより湾曲の外側の部位には、引張り歪みが発生する。このため、歪みゲージ２１ａ，２２ａ，２２ｃ，２１ｃの抵抗値はプラス側に変化する。一方、Ｙ軸方向に関し、センサプレート５の中心部Ｃより湾曲の内側の部位には、圧縮歪みが発生する。このため、歪みゲージ２１ｂ，２２ｂ，２２ｄ，２１ｄの抵抗値は、マイナス側に変化する。図９に示すように、点対称となる歪みゲージ２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄを並列に接続してゲージペアを構成した場合、歪みゲージ２１ａ，２１ｄ、歪みゲージ２２ａ，２２ｄ、歪みゲージ２２ｃ，２２ｂ及び歪みゲージ２１ｃ，２１ｂの各ゲージペアでは、抵抗値の変化が相互に相殺されて「０」となる。このため、出力電圧は発生せず、Ｖｏｕｔは、「０」である。【００８０】
同様にＸ軸方向及びＸＹＺ軸に対する回転方向の荷重が作用した場合の各歪みゲージ２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄの抵抗値の変化と出力電圧の測定値との関係をまとめると表１に示すようになる。なお、この表１において、「＋１」はプラス側への変化を、「−１」はマイナス側への変化をそれぞれ示している。この表１から明らかなように、Ｚ軸方向に荷重が作用した場合を除き、歪みゲージ２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄの抵抗値の変化は相互に相殺され、その結果、出力電圧は「０」となる。
【表１】
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【００８１】
このような測定結果が得られるのは、センサプレート５に設けられた歪みゲージ２１ａ〜２１ｄ、２２ａ〜２２ｄが、中心部Ｃに対して点対称となるように配置されているため、測定の対象となる目的方向（Ｚ軸方向）以外の方向に荷重が作用すると、歪みゲージ２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄに極性の異なる抵抗値の変化が発生するためである。そして、各歪みゲージ２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄは、並列に接続されているために、両者の抵抗値の変化が互いに相殺し合うことによるものである。【００８２】
なお、点対称の位置にある歪みゲージ２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄの抵抗値の変化が相互に相殺するのであるから、ゲージペアを形成する際に、図１０に示すように歪みゲージ２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄを直列に接続した場合にも、同様の効果を得ることができる。
【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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【国際調査報告】
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