JP2003214962A

JP2003214962A - 荷重センサー

Info

Publication number: JP2003214962A
Application number: JP2002009469A
Authority: JP
Inventors: Kaori Fujita; かおり藤田; Toshiharu Mikami; 俊春三上; Kiyotaka Kinoshita; 清隆木下
Original assignee: Toyoda Koki KK
Current assignee: Toyoda Koki KK
Priority date: 2002-01-18
Filing date: 2002-01-18
Publication date: 2003-07-30
Also published as: EP1329701A1; US20030164047A1; US6862937B2

Abstract

(57)【要約】【課題】圧力によりオーム抵抗が変化する荷重センサ
ーにおいて、温度特性の補償が確実にでき、温度に影響
されない正確な荷重信号を出力できる荷重センサーを提
供する。【解決手段】セラミックスで形成されたサンドイッチ
構造の荷重センサー６０の素材に、幅狭の溝６５、６６
を形成することにより、絶縁部６４からなる基台を共通
として、荷重検出素子６１と同じ温度特性を持つ温度検
出素子６２、６３を形成する。温度検出素子６２、６３
を荷重検出素子６１の温度補償素子として使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧力によりオーム
抵抗が変化する材料を用いた荷重センサーに関し、特
に、その温度補償機能を備えた荷重センサーに関する。

【０００２】

【従来の技術】圧力によりオーム抵抗が変化する材料と
してシリコン等の半導体や機能性セラミックスが知られ
ている。これらの材料を荷重センサーとして用いる場
合、オーム抵抗が、加えられた荷重によるものだけでは
なく、温度によっても変化する。このため何らかの温度
特性補償が必要である。その対策として、第１に荷重に
よる抵抗変化に比べて温度による抵抗変化が少ない検出
素子を用いる、第２にサーミスタ等の温度センサーを用
いて温度を検出し補償アンプ回路等により出力を補正す
る、第３に検出素子と似た温度特性を持つ素子を用いて
検出素子の特性を補正することが行われている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記第
１の方法は、検出素子の材料によってはそのように温度
特性の小さな材料が見つからなかったり、仮に温度特性
の小さな良い材料があったとしても外気温度の変動の大
きなところでは誤差が大きくなるという問題点があっ
た。上記第２の方法は、検出素子の温度特性が線形の場
合は比較的うまく行くが非線形の場合は誤差が大きくな
る温度範囲が存在するという問題点があった。上記第３
の方法は、そのような温度特性のあった素子が見つかる
か否かという問題、仮にそのような素子が見つかったと
しても検出素子と取り付け場所や形が余りに違うと温度
差が生じ誤差が生ずるという問題点があった。

【０００４】また、特開平５−１１８９３２号公報に
は、非晶質磁性合金を用いた荷重センサーであるが、荷
重によって変形する部分に巻いた非晶質磁性合金と荷重
によって変化しない部分に巻いた非晶質磁性合金との透
磁率の変化をそれぞれのコイルで検出し、２つのコイル
の検出する透磁率の差により非晶質磁性合金の透磁率の
温度特性を相殺したものが開示されている。

【０００５】そこで、本発明は、圧力によりオーム抵抗
が変化する材料を用いた荷重センサーにおいて温度特性
の補償が確実にでき、温度に影響されない出力信号を出
力することができる荷重センサーを提供することを目的
とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明のうち第１の実施態様の発明は、圧力により
オーム抵抗が変化する材料を用いた荷重センサーであっ
て、オーム抵抗変化材料で構成され荷重が負荷される検
出素子部と、前記検出素子部と同じオーム抵抗変化材料
で構成され荷重が負荷されない補償素子部と、前記補償
素子部が、前記検出素子部と同一若しくは相似形の単数
の素子部またはその同一若しくは相似形のものを複数に
分割した複数の素子部からなることと、前記補償素子部
が、前記検出素子部の近傍に配置され一体の素子とされ
ていることと、を備えることを特徴とする。

【０００７】このように形成すると、検出素子部と補償
素子部とは同じ材料を用いているから同じ比抵抗値（Ω
ｃｍ）を有し、その比抵抗値は非線形部分も含めて同じ
温度特性を有する。同じ比抵抗値を有するから検出素子
部と同一の形状をした補償素子部は当然に検出素子部と
同じ温度特性を持つ抵抗値を有する。また、検出素子部
と相似形の補償素子部も比抵抗値が同じだから検出素子
部と同じ抵抗値を有する。さらに、検出素子部と同一若
しくは相似形のものを複数に分割したものは、その分割
の仕方に応じて分割した部分を電気的に結線すれば検出
素子部と同じ抵抗値を示すようにできる。

【０００８】そして、補償素子部は検出素子部の近傍に
配置され一体の素子とされているから両者はほぼ同じ温
度となる。したがって、検出素子部の抵抗値から補償素
子部の抵抗値を引いた値の出力信号となるように回路構
成すれば、検出素子が外気温度変動の影響を受けても補
償素子の抵抗値の変化によりその温度特性を相殺し荷重
信号のみを出力することができる。

【０００９】ここで、第２の実施態様の発明のように、
前記検出素子部と前記補償素子部との間隙が、１ｍｍ未
満に形成されていることを特徴とすることができる。こ
のように形成すると、検出素子と補償素子とが非常に近
接して設けられるので両者の温度差が非常に小さくな
り、より正確な温度補償ができ、より正確な荷重信号を
得ることができる。両者の間隙は０．２ｍｍ程度とする
ことがより好適である。間隙が１ｍｍ以上に広がると両
者に温度差が出る場合がある。

【００１０】ここで、第３の実施態様の発明のように、
前記検出素子部と前記補償素子部とが、一つの材料片に
溝を掘ることにより基台を共通として形成されているこ
とを特徴とすることができる。このように形成すると、
一つの材料片から作られれるから、検出素子部と補償素
子部との間隙が狭いものをより容易にばらつきを抑えて
安定して作成することができ、品質の安定とコストダウ
ンを達成することができる。

【００１１】ここで、第４の実施態様の発明のように、
前記補償素子部が、分割された複数の素子部からなり、
その分割された素子部が前記検出素子部を挟むように配
置されていることを特徴とすることができる。このよう
に形成すると、温度勾配のある場所に荷重センサーが設
置された場合に、分割された補償素子部の抵抗値の平均
値で補償することになるから、より検出素子部の温度に
近い補償をすることができる。

【００１２】ここで、第５の実施態様の発明のように、
前記圧力によりオーム抵抗が変化する材料が、セラミッ
ク材料からなることを特徴とすることができるこのよう
に形成すると、セラミック材料はその比抵抗値の温度特
性が非線形特性を示し温度による抵抗変化が大きく、単
体で使用することが困難となる場合があり、本発明の特
徴がより生かされる、

【００１３】ここで、第６の実施態様の発明のように、
前記圧力によりオーム抵抗が変化する材料が、セラミッ
ク原料を母材とする材料を焼成したセラミック材料から
なることを特徴とすることができるこのように形成する
と、上記のようなセラミック材料はゲージ率は高いが比
抵抗値の温度特性が非線形特性を示し、温度による抵抗
変化が大きい場合には、本発明の特徴により実用性を高
められる。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について図面
を参照し説明する。図１は、第１の実施の形態の荷重セ
ンサー１０を示す斜視図である。荷重センサー１０は金
属からなる台座１５の上に板状の荷重検出素子１１と温
度検出素子１２が並んで載置され貼着固定されている。
台座１５としてはたとえばチタンが用いられる。荷重検
出素子１１と温度検出素子１２はセラミックスからなり
全く同じ大きさと構造をしたものである。荷重検出素子
１１にのみに図面上下方向に検出荷重が負荷されるよう
に構成される。荷重検出素子１１と温度検出素子１２と
の間隙Ｗ１は１ｍｍ以下のたとえば０．８ｍｍに設定さ
れる。

【００１５】荷重検出素子１１と温度検出素子１２は共
にサンドイッチ構造をなし、中央に導電部１１Ｂ，１２
Ｂを有し、その導電部１１Ｂ、１２Ｂの上下を絶縁部１
１Ａと１１Ｃ、１２Ａと１２Ｃで挟んだ構造となってい
る。絶縁部１１Ａ、１１Ｃ、１２Ａ、１２Ｃは窒化珪素
Ｓｉ₃Ｎ₄に若干の焼結助剤を加えたものからなる。導電
部１１Ｂ，１２Ｂは窒化珪素Ｓｉ₃Ｎ₄に炭化珪素ＳｉＣ
を１０ｗｔ％〜４０ｗｔ％加え導電性を持たせたものか
らなる。導電部１１Ｂ，１２Ｂを絶縁部１１Ａと１１
Ｃ、１２Ａと１２Ｃで挟んで数１０ＭＰａで図面上下方
向に加圧し焼成して一体のセラミックスとする。

【００１６】このようにホットプレスすることにより加
圧方向にゲージ率が高い素子１１、１２が得られる。こ
れを５ｍｍ角程度に切り出して荷重検出素子１１と温度
検出素子１２とにする。荷重検出素子１１と温度検出素
子１２の前側面と後側面の導電部１１Ｂ，１２Ｂの部分
に金属を蒸着して電極とし、各導電部１１Ｂ，１２Ｂの
抵抗値を測定できるようにする。荷重検出素子１１の導
電部１１Ｂが検出素子部を、温度検出素子１２の導電部
１２Ｂが補償素子部を構成する。このように構成する
と、荷重検出素子１１と温度検出素子１２は全く同じ素
材からなるから同じ温度抵抗特性を示す。そして温度検
出素子１２は荷重検出素子１１の近傍に配設されている
から同じ温度となり、荷重検出素子１１の温度特性の補
償を確実にできるという利点がある。

【００１７】図２は、第２の実施の形態の荷重センサー
２０を示す斜視図である。この荷重センサー２０では金
属製の台座が省略され、サンドイッチ構造のセラミック
スの絶縁部２３が共通の基台の役割を果たす。第１の実
施の形態と同様にホットプレスにより導電部２１Ｂ、２
２Ｂ（ホットプレスのときは連続している）を絶縁部２
１Ａおよび２２Ａ（当初は連続している）と絶縁部２３
で挟んだセラミックスを焼成し、これを５×１０ｍｍ
角、厚さ１．５ｍｍの切片に切り出して荷重センサー２
０の素材とする。各セラミックスの組成は第１の実施の
形態のものと同じである。

【００１８】その長方形の素材の中央にダイヤモンドカ
ッターにより下の絶縁部２３に達する幅Ｗ２＝０．２ｍ
ｍの溝２４を形成し、左右の導電部２１Ｂ、２２Ｂを独
立させる。一方の素子が荷重検出素子２１を、他方の素
子が温度検出素子２２を構成する。そして、荷重検出素
子２１の導電部２１Ｂが検出素子部を、温度検出素子２
２の導電部２２Ｂが補償素子部を構成する。この荷重セ
ンサー２０は、溝２４を切るだけで左右の荷重検出素子
２１と温度検出素子２２を分離して製作することができ
るから、荷重検出素子２１と温度検出素子２２を極近接
して配置し両者の温度差を極小にしたにもかかわらず、
安価で素子のばらつきが無く安定した製品を提供するこ
とができるという利点がある。

【００１９】図３は、第３の実施の形態の荷重センサー
３０を示す斜視図である。ここでは台座３５の上に、セ
ラミックスで形成された、図１で示したものと同じ荷重
検出素子３１と図１で示したものより小さな温度検出素
子３２が載置貼着されている。荷重検出素子３１と温度
検出素子３２との間隙Ｗ３は１ｍｍ以下のたとえば０．
８ｍｍに設定される。荷重検出素子３１は絶縁部３１Ａ
および３１Ｃと導電部３１Ｂのサンドイッチ構造からな
り、温度検出素子３２も同様に絶縁部３２Ａおよび３２
Ｃと導電部３２Ｂとのサンドイッチ構造をしている。各
セラミックスの組成は第１の実施の形態のものと同じで
ある。

【００２０】ここで、温度検出素子３２の導電部３２Ｂ
の形状は荷重検出素子３１の導電部３１Ｂと相似形をし
ている。このため、同じ材料で同じ比抵抗値（Ωｃｍ）
を有する２つの導電部３１Ｂ、３２Ｂは同じ抵抗値を持
つ。そして、荷重検出素子３１の導電部３１Ｂが検出素
子部を、温度検出素子３２の導電部３２Ｂが補償素子を
構成する。このように、温度検出素子３２を小さくする
と、荷重センサー３０が温度の過渡的変化中にあって
も、温度検出素子３２が荷重検出素子３１の温度に追随
することができ、過渡的な温度変化が出力に与える影響
を小さくすることができるという利点がある。また、荷
重センサー３０を小さくすることができるという利点が
ある。

【００２１】図４は、第４の実施の形態の荷重センサー
４０を示す斜視図である。ここでは、上記第３の実施の
形態の荷重センサー３０と等価のもので台座３５を省い
たものが示される。サンドイッチ構造のセラミックスの
絶縁部４３が荷重検出素子４１と温度検出素子４２の共
通の基台の役割を果たす。第１の実施の形態と同様にホ
ットプレスにより導電部４１Ｂ、４２Ｂを絶縁部４１Ａ
および４２Ａと絶縁部４３で挟んだセラミックスを焼成
し、これを凸形状に切り出して荷重センサー４０の素材
とする。各セラミックスの組成は第１の実施の形態のも
のと同じである。

【００２２】その凸形状の素材にダイヤモンドカッター
により下の絶縁部４３に達する幅Ｗ４＝０．２ｍｍの溝
４４を形成し、左右の導電部４１Ｂ、４２Ｂを独立させ
る。一方の素子が荷重検出素子４１を、他方の素子が温
度検出素子４２を構成する。そして、荷重検出素子４１
の導電部４１Ｂが検出素子部を、温度検出素子４２の導
電部４２Ｂが補償素子部を構成する。この実施の形態の
荷重センサー４０は、温度の追随性がよく、過渡的な温
度変化が出力に与える影響を小さくすることができると
共に、荷重センサー４０を小さくすることができるとい
う利点がある。さらに、溝４４を切るだけだから、より
容易にばらつき無く安価に荷重センサー４０を製作する
ことができるという利点がある。

【００２３】図５は、第５の実施の形態の荷重センサー
５０を示す斜視図である。この荷重センサー５０では、
荷重検出素子５１には第１の実施の形態の荷重検出素子
１１と同じものが用いられ、温度検出素子５２、５３に
は第１の実施の形態の温度検出素子１２を２つに分割し
たものが用いられる。２つの温度検出素子５２、５３を
並列に接続すれば荷重検出素子５１と同じ抵抗値および
温度特性が得られる。台座５５の中央に５ｍｍ×５ｍｍ
の荷重検出素子５１が配置され、その荷重検出素子５１
の左右に２．５ｍｍ×５ｍｍの温度検出素子５２、５３
が配置される。荷重検出素子５１と温度検出素子５２、
５３との間隙Ｗ５は０．８ｍｍにされる。

【００２４】荷重検出素子５１は中央の導電部５１Ｂを
上下の絶縁部５１Ａおよび５１Ｃで挟んだ構造のセラミ
ックスからなる。温度検出素子５２、５３も中央の導電
部５２Ｂ、５３Ｂを上下の絶縁部５２Ａ、５２Ｃおよび
５３Ａ、５３Ｃで挟んだ構造のセラミックスからなる。
各セラミックスの組成は第１の実施の形態と同じであ
る。そして、荷重検出素子５１の導電部５１Ｂが検出素
子部を、温度検出素子５２、５３の導電部５２Ｂ、５３
Ｂが補償素子部を構成する。この荷重センサー５０は荷
重検出素子５１の左右を温度検出素子５２、５３で挟む
構成になっているから、温度勾配のある場所に置かれて
も、左右の温度検出素子５２、５３の温度の平均値で荷
重検出素子５１を補償することになる。したがって、温
度勾配があってもより正確な温度補償をすることができ
るという利点がある。

【００２５】図６は、第６の実施の形態の荷重センサー
６０を示す斜視図である。この荷重センサー６０では、
金属製の台座５５が省略され、サンドイッチ構造のセラ
ミックスの絶縁部６４が荷重検出素子６１と温度検出素
子６２、６３との共通の基台の役割を果たす。第１の実
施の形態と同様にホットプレスにより導電部６１Ｂ、６
２Ｂ、６３Ｂ（ホットプレスの際には連続している）を
絶縁部６１Ａ，６２Ａ，６３Ａ（ホットプレスの際には
連続している）と絶縁部６４で挟んだセラミックスを焼
成し、これを５×１０ｍｍ角、厚さ１．５ｍｍに切り出
して荷重センサー６０の素材とする。各セラミックスの
組成は第１の実施の形態と同じである。

【００２６】その長方形の素材にダイヤモンドカッター
により下の絶縁部６４に達する幅Ｗ６＝０．２ｍｍの２
つの溝６５、６６を左右に形成し、３つの導電部６１
Ｂ、６２Ｂ、６３Ｂを独立させる。中央の大きな素子が
荷重検出素子６１を、左右の小さな素子が温度検出素子
６２、６３を構成する。そして、荷重検出素子６１の導
電部６１Ｂが検出素子部を、温度検出素子６２、６３の
導電部６２Ｂ、６３Ｂが補償素子部を構成する。この荷
重センサー６０は、上記第５の実施の形態の荷重センサ
ー５０の利点に加え、一体の素材から２本の溝６５、６
６を切るだけで荷重検出素子６１と左右の温度検出素子
６２、６３を分離して製作することができるから、製造
コストが安価で素子のばらつきが無く安定した製品を提
供することができるという利点がある。

【００２７】図７は、上記第６の実施の形態の荷重セン
サー６０を用いた荷重検出回路の回路図である。荷重検
出素子６１の導電部６１Ｂが抵抗Ｒ３をなし、その導電
部６１Ｂが抵抗Ｒ１を経由して定電圧電源Ｖに接続され
ている。導電部６１Ｂに現れる電圧をＶ１とする。温度
検出素子６２、６３の２つの導電部６２Ｂ、６３Ｂは並
列に接続されて合成抵抗Ｒ４をなし、抵抗Ｒ２を経由し
て定電圧電源Ｖに接続されている。２つの導電部６２
Ｂ、６３Ｂに現れる電圧をＶ２とする。荷重検出素子６
１の導電部６１Ｂに現れる電圧Ｖ１と、温度検出素子６
２、６３の導電部６２Ｂ、６３Ｂに現れる電圧Ｖ２との
差Ｖ１−Ｖ２が出力信号電圧Ｖｏｕｔである。荷重検出
素子６１の導電部６１Ｂの抵抗値をＲ３、温度検出素子
６２、６３の２つの導電部６２Ｂ、６３Ｂの合成抵抗値
をＲ４とする。

【００２８】図８は、温度補償する前の各素子の出力電
圧Ｖ１、Ｖ２と温度検出素子６２、６３で温度補償した
荷重センサー６０の出力信号電圧Ｖｏｕｔを示すグラフ
図である。荷重検出素子６１の導電部６１Ｂの抵抗Ｒ３
は負荷される荷重によって変化すると共に、温度により
非線形に変化する。したがって、荷重検出素子６１の導
電部６１Ｂに現れる電圧Ｖ１は図８の左図のような特性
を示す。一方、温度検出素子６２、６３の導電部６２
Ｂ、６３Ｂには荷重は掛からないから、その電圧Ｖ２は
温度特性のみとなる。その抵抗値Ｒ４は、温度検出素子
６２、６３が荷重検出素子６１と同じ素材から切り出さ
れたものであるから、荷重検出素子６１の無負荷のとき
の抵抗値と同じであり、同じ温度特性を示す。温度検出
素子６２、６３の導電部６２Ｂ、６３Ｂに現れる電圧Ｖ
２の温度特性を左図に破線で示す。

【００２９】したがって、出力信号電圧Ｖｏｕｔ＝Ｖ１
−Ｖ２は、図８右図に示すように、温度特性が完全に補
償され温度により変化しない、負荷された荷重のみを示
す電圧信号Ｖｏｕｔになる。式で示すと次のようにな
る。

【００３０】Ｖ１＝Ｒ３＊Ｖ／（Ｒ１＋Ｒ３）Ｖ２＝Ｒ４＊Ｖ／（Ｒ２＋Ｒ４）Ｖｏｕｔ＝Ｖ１−Ｖ２＝〔Ｒ３／（Ｒ１＋Ｒ２）−Ｒ４／（Ｒ２＋Ｒ４）〕＊
Ｖここで、温度をｔ、導電部の基準抵抗値がＲとして、Ｒ１＝Ｒ２、Ｒ３＝Ｒ４＝（１＋αｔ）＊Ｒ、なので、Ｖｏｕｔ＝〔（１＋αｔ）＊Ｒ／（Ｒ１＋（１＋αｔ）
＊Ｒ）−（１＋αｔ）＊Ｒ／Ｒ１＋（１＋αｔ）＊Ｒ〕＊Ｖ＝０したがって、Ｖｏｕｔは温度特性を持たない。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は同じ材料
で構成された検出素子部と補償素子部とを近傍に配置し
一体の素子としたものであるから、検出素子部の非線形
な温度特性も正確に補償し、正確な信頼度の高い荷重信
号を出力することができるという優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態の荷重センサーを示す斜視図
である。

【図２】第２の実施の形態の荷重センサーを示す斜視図
である。

【図３】第３の実施の形態の荷重センサーを示す斜視図
である。

【図４】第４の実施の形態の荷重センサーを示す斜視図
である。

【図５】第５の実施の形態の荷重センサーを示す斜視図
である。

【図６】第６の実施の形態の荷重センサーを示す斜視図
である。

【図７】第６の実施の形態の荷重センサーを用いた荷重
検出回路の回路図である。

【図８】温度補償する前の各素子の出力電圧と、温度検
出素子で温度補償した荷重センサーの出力信号電圧を示
すグラフ図である。

【符号の説明】

１０荷重センサー１１荷重検出素子１１Ａ絶縁部１１Ｂ導電部（検出素子部）１１Ｃ絶縁部１２温度検出素子１２Ａ絶縁部１２Ｂ導電部（補償素子部）１２Ｃ絶縁部６０荷重センサー６１荷重検出素子６１Ａ絶縁部６１Ｂ導電部（検出素子部）６２温度検出素子６２Ａ絶縁部６２Ｂ導電部（補償素子部）６３温度検出素子６３Ａ絶縁部６３Ｂ導電部（補償素子部）６４絶縁部（基台）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者木下清隆愛知県刈谷市朝日町１丁目１番地豊田工機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧力によりオーム抵抗が変化する材料を
用いた荷重センサーであって、オーム抵抗変化材料で構成され荷重が負荷される検出素
子部と、前記検出素子部と同じオーム抵抗変化材料で構成され荷
重が負荷されない補償素子部と、前記補償素子部が、前記検出素子部と同一若しくは相似
形の単数の素子部またはその同一若しくは相似形のもの
を複数に分割した複数の素子部からなることと、前記補償素子部が、前記検出素子部の近傍に配置され一
体の素子とされていることと、を備えることを特徴とす
る荷重センサー。
【請求項２】前記検出素子部と前記補償素子部との間
隙が、１ｍｍ未満に形成されていることを特徴とする請
求項１記載の荷重センサー。
【請求項３】前記検出素子部と前記補償素子部とが、
一つの材料片に溝を掘ることにより基台を共通として形
成されていることを特徴とする請求項１または２に記載
の荷重センサー。
【請求項４】前記補償素子部が、分割された複数の素
子部からなり、その分割された素子部が前記検出素子部
を挟むように配置されていることを特徴とする請求項１
乃至３に記載の荷重センサー。
【請求項５】前記圧力によりオーム抵抗が変化する材
料が、セラミック材料からなることを特徴とする請求項
１乃至４に記載の荷重センサー。
【請求項６】前記圧力によりオーム抵抗が変化する材
料が、セラミック原料を母材とする材料を焼成したセラ
ミック材料からなることを特徴とする請求項５記載の荷
重センサー。