专利名称：负荷传感器基板及负荷传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及测定施加在结构构件上的负荷的负荷传感器基板及负荷传感器。
现有技术中，测定施加在机械结构件上的负荷，无论是对设计还是对控制来说，都是很重要的。这种测定，一般是采用应变片电桥。大部分应变片是把线应变片或箔应变片设置在挠性树脂基板的一面(或两面)上，在另一面涂粘着剂，然后再把涂有粘着剂的一面粘附在被测定的构件上。
例如，测定施加在用销子连接的构件之间的负荷的销形负荷传感器，就是将应变片组装在销子内的传感器。众所周知，销形负荷传感器有以下几种，i)在销子的外表设有凹部，将应变片粘着在凹部内的传感器，ii)将应变片粘附在筒形销内面的传感器，iii)在销子的两端面上设有凹部，把应变片粘附在应变感度部上而形成的构件插入该凹部内，然后再封住的传感器(例如，参照日本专利公开公报昭61-145426号)。
用上述销形负荷传感器测定负荷是这样进行的，即以应变片的电阻变化来反应施加在销子上的负荷所产生的剪切应力的大小，然后，再把该电阻变化所产生的电桥的输出电压换算为负荷。
因此，应变片的感度方向一般是与剪切应力所引起的主应力方向一致地粘着的。
用于测定施加在机械结构构件上的负荷的负荷传感器，例如，使用上述销形负荷传感器，不仅测定精度很重要，而且传感器自身的强度要求也是很重要的。但是，上述现有技术的销形负荷传感器存在着以下问题。
i)中的销形负荷传感器，由于凹部成为应力集中部，故使销的强度降低。虽然可以用加粗销的直径的办法来提高它的强度，但是，这样会降低测量精度。另外，由于应变片是露在外面的，虽然容易安装，但也容易剥落，而且容易损坏，所以传感器的寿命短。
ii)中的销形负荷传感器，加大筒壁厚度虽然可提高强度，但这样会使测量精度降低。又因应变片是安装在筒内，所以安装比较困难，而且比上述(i)中的销形负荷传感器更容易剥离，故寿命更短。
iii)中的销形负荷传感器，虽然强度高，测量精度也高，但插入构件、塞子等零件的数量多，而且结构复杂。
本发明是为了解决上述现有技术所存在的问题而开发的，是为了提供一种强度高、测量精度高而且结构简单的负荷传感器基板及负荷传感器。
本发明的负荷传感器基板的第一种结构是，其负荷传感器基板是在基板的一面或两面上设置数个应变片而构成的，其中，上述基板是具有多个平滑开孔的圆板，在这些开孔之间设置应变片。另外，如果圆板是用不锈钢做的，应变片也可采用薄膜应变片。
负荷传感器基板的第二种结构是，其负荷传感器基板是在基板的一面或两面上设置数个应变片而构成的，其中，基板是金属制造的圆板，对以圆板中心为交点的正交轴相互对称地设有四个小孔，而且在相邻小孔之间的正交轴上设有应变片，这些应变片与圆板是绝缘的，而且其感度方向与正交轴的方向是一致的。
负荷传感器基板的第三种结构是，负荷传感器基板是在基板的一面或两面上设置数个应变片而构成的，其中，基板是大体呈十字形的用金属制造的十字形板，十字形交叉部的端面是平滑的，而且在十字形的纵向部的面上设有应变片，该应变片与十字形板是绝缘的，应变片的感度方向与十字形纵向部的长度方向是一致的。
根据本发明的负荷传感器中，第二或第三种结构的负荷传感器基板是固定设置在销子(该销子用于将构件间连接起来)上所形成的凹部内。凹部的上部用塞封住，使其与销子成为一体，凹部与销子的外侧端连通，另外，还设有将应变片的导线引向外部的导线孔，用这种结构的负荷传感器测量施加在构件之间的负荷。
另外，凹部的形成位置就是负荷在销子上引起剪切应力的部位，负荷传感器基板的固定设置方向、即负荷传感器基板的感变方向，最好与剪切应力所引起的主应力方向一致。此外，还可对用塞封住销子进行表面处理。并且也可在负荷传感器基板的附近设置装有导线的放大器基板。
采用这种负荷传感器基板和负荷传感器，当在两个构件之间施加负荷时，在与这些构件之间的间隙部相对应的销子的部位上产生剪切应力，而且在该部位上产生正交方向的主应力。负荷传感器基板是圆板或十字形板，设置应变片要使该应变片的感度方向相互正交。因此，将负荷传感器基板安装在销子上，以便使应变片的感度方向与上述主应力方向一致。这样，便可以高精度地测量负荷。这样使用虽然不会降低销子的强度，但由于应变片露在外面，所以寿命短。因此，首先在上述部位设凹部，再用焊接等方法把负荷传感器基板固定在上述凹部内，然后再用塞封住，使其与销子结合成一体。从应变片引出的导线被插入导线孔内，由销子的外部进行引导。在导线的中途，装有放大器基板，因此，比较紧凑。这样便可获得强度高、测定精度高、而且结构简单的负荷传感器基板及负荷传感器。
附图的简要说明
图1A、图1B、图1C、图1D及图1E是本发明实施例1的负荷传感器基板的示意图，图1A是省略了电极图示的正视图，图1B为正视图，图1C为图1B的IC-IC断面图，图1D为图1B的ID-ID断面图，图1E为电桥电路图；图2A、图2B及图2C为本发明实施例2的负荷传感器示意图，图2A为内部状态的重要部位断面的正视图，图2B为图2A的IIB-IIB断面图，图2C为电桥电路图；图3A、图3B及图3C实施例2的将负荷传感器基板埋设固定在负荷传感器上的工序图，图3A为第一工序说明图，图3B为第二工序说明图，图3C为最终工序说明图；图4A及图4B为本发明实施例3负荷传感器的示意图，图4A为内部状态的重要部位断面的正视图，图4B为图4A的IVB-IVB断面图；图5A、图5B及图5C为本发明实施例4的负荷传感器的示意图，图5A为重要部位正视图，图5B为实施例1的电桥电路图，图5C为实施例2的电桥电路图；图6A及图6B为本发明实施例5负荷传感器的示意图，图6A为内部状态重要部位断面的正视图，图6B为图6A的VIB-VIB断面图；图7A、图7B及图7C为说明实施例5负荷传感器的电桥电路图，图7A为负荷传感器基板的配置图，图7B为电桥电路图，图7C为图7A及图7B中的八个负荷传感器基板100a～100h的各个应变片配置说明图；图8A、图8B及图8C为说明实施例5负荷传感器作用的示意图，图8A为负荷方向不变情况下的说明图，图8B为负荷方向变化情况下的说明图，图8C为负荷合成情况下的说明图；图9A、图9B及图9C是本发明其它实施例的负荷传感器的示意图，图9A是使两个负荷传感器基板靠向一侧的形式的说明图，图9B是使两个负荷传感器基板靠向中侧的形式的说明图，图9C是将两个负荷传感器基板靠向外侧的形式的说明图。
下面按照附图，就本发明实施例负荷传感器基板及负荷传感器的理想实施例进行详细说明。
按照图1A～图1E说明实施例1。在图1A～图1C中，在负荷传感器基板100的不锈钢制造的圆板10上，设有四个小孔21、22、23、24(以下指全部孔时，称作小孔20)，这些小孔是以圆板中心O0为交叉点的正交轴L1、L2为对称轴而相互对称地设置的。因此，在相邻小孔21与22、22与23、23与24、24与21之间的正交轴L1、L2上，分别配置有薄膜应变片31、32、33、34(以下指全部时，称作应变片30)，这些应变片与圆板10绝缘，而且其感度方向与正交轴L1及L2的方向是一致的。在其它区域，配置有电极41、42、43、44(以下指全部电极时，称作电极40)，以便对各应变片30之间进行电桥连接。
小孔20是用于防止应力集中的孔。虽然小孔20做成园形比较理想，但只要能防止应力集中，即使不呈园形而呈其它形状，例如长孔、半园孔、把手状的孔等平滑形状的孔也可以。此外，如果是平滑形状，即使不是圆板，例如十字形板也可以，这种板的大体呈十字形的交叉部的端面是平滑的。
应变片30与电极40之间的电桥配置，是用图1E所表示的全电桥。其构成如图1D所示，是依次将下述几部分层叠而成的，即在圆板10上形成的SiO2制成的绝缘膜51，利用真空镀膜方法制成的半导体薄膜做成的应变片30(图中只表示出应变片31、33)，用铝真空镀膜制成的电极40，用SiNx制成的保护膜52。另外，在图1E中，e表示电桥的输入电压，E表示电桥的输出电压。在各电极40上，用锡焊方法焊接有导线61、62、63、64。
此外，应变片30及电极40的数量不仅仅限于各四个，它们的数量可根据负荷传感器基板100的不同测定对象，以及允许误差、是两面设置还是单面设置、有无外部电阻、是全电桥还是半电桥、是串联电桥还是并联电桥、电子计算机处理的内容等的构成来决定。负荷传感器基板100的测定对象有剪切应力、垂直力、扭转力(测定扭转力时，如其说是负荷传感器，不如说是扭矩传感器)等。
这种结构，在圆板10上设有四个小孔20，而且将大体呈十字形的板子的交差部的形状做成平滑形状，这样，就不容易产生应力集中现象。又因小孔20之间的半径方向成为伸缩部，故应力异向性比较显著。另外，还因为负荷传感器基板100呈板状，因此，负荷直接变成应变量。由于上述种种原因，故负荷传感器的测定精度提高了。
另外，由于圆板10或大体呈十字形板是用金属制成的，因此，应变片30和电极40可做成薄膜式的。这种薄膜应变片30，其测定精度比最初的塞规或应变片的提高了数倍。而且，采用薄膜应变片30，可使负荷传感器基板100小形化，同时，它对来自外部的振动及机械性损伤力的耐力比塞规及应变片的大。金属制造的圆板10，亦可根据需要使用塞规或应变片。由于圆板10是用金属做的，因此，可用焊接方法或冷缩配合等方法，将负荷传感器基板100直接固定在销子或钢板等被测定的物体上。
下面，就使用上述负荷传感器基板100的负荷传感器实施例2进行说明。本实施例是销形负荷传感器，用于测定施加在由销子连接的构件之间的负荷。
在图2A～图2C中，销子300是用钢材(例如SC材)做的，是将固定构件400和回转构件500进行销连接的单臂支持。在销300上，向图示下方施加方向基本不变的负荷F。在由负荷F而产生剪切应力的部位P(构件400与500之间的间隙)上，埋设固定一个负荷传感器基板100g(该板与负荷传感器基板100是一样的)，以便使应变片30的感度方向与剪切应力所引起的主应力方向一致。
在销子300的部位P的相当部位上，如图3A所示，设有三段锪孔(以下称凹部320)，另如图3B所示，在第二段322的底部上，用焊接方法将负荷传感器基板100g的外周固定住。在第一段323上，如图3B所示，嵌入钢材制的盲塞330，并将其外周部焊住。焊接后，盲塞330与销300的表面一同进行高频淬火，这样，便形成表面硬化层350，然后再进行研究。于是，如图3C所示，从外观上看与普通销子没有什么区别。另外，如图2A及图2B所示，在第三段311的底部设有副导线孔321，该孔通过主导线孔312与放大器基板70(参照图2C)的安放室313连通，通过导线孔310(311、312)、从销形负荷传感器100g引出的导线61、62、63、64，连接在放大器基板70上。从放大器基板70引出的导线，与设在外部的图中未示出的演算器连接，用该演算器计算出负荷F。
此外，凹部320的形状不必局限于三段，也可以是多段、一段、二段，或者是锥形孔。在盲塞330的里面也设有凹部，并将负荷传感器基板100g的外周焊接固定在该凹部内，将盲塞330嵌在销子300的凹部320内，再将其外周焊接起来也可以(这种结构，在权利要求范围中已记述了)。此外，在图2B中，副导线孔321是在与销子300相垂直的方向上形成的，但考虑到销子300的强度，最好是做成倾斜方向的孔。本实施例的电桥，像图2C所示那样接线。
图4A及图4B是表示实施例3的负荷传感器的图，销子300由构件500进行双支承。销子300在由负荷F(＝F1+F2)产生剪切应力的，图示左右的部位P1、P2上，按照图3C的要领分别埋设固定有两个负荷传感器基板100b、100c、100f、100g。也就是说，在部位P1上、在图4A图面的表里侧各埋设有一个负荷传感器基板100b、100c；在部位P2上，同样在表里侧各埋设有一个负荷传感器基板100f、100g。而且，在本实施例的电桥电路，是去掉了后述实施例5的图7B中的电桥203、204及放大器基板70-2的电路。
图5A是表示实施例4负荷传感器的图，采用双支承这一点与上述实施例3是一样的。但在图5A的P1位置上，是在图面的表侧埋设负荷传感器基板100c，在P2的位置上，是在图面里侧埋设负荷传感器基板100f，这种负荷传感器是具有两上基板的负荷传感器。图5B及图5C表示本实施例的电桥例，各负荷传感器基板100c、100f的电桥都是并列连接的，两个输出是均等的。
图6A及图6B所示为实施例5的负荷传感器，销子300与上述实施例3及实施例4的一样，是双支承的。在产生剪切应力的、图示左右部位P1、P2上，按图3C的要领埋设固定有八个负荷传感器基板100a～100h。也就是说，四个负荷传感器基板100a～100d，在部位P1上、在图6A图面的上、下、表、里侧上各埋设固定一个；同样，负荷传感器基板100e～100h，在部位P2上、在图面的上、下、表、里侧上各埋设固定一个。
图7A表示在销子300内埋设的八个负荷传感器基板100a～100h的情况，图7B表示本实施例的电桥。图7C是说明在各负荷传感器基板100a，.....，100h上的各应变片31(31a，......，31h)，32(32a，......，32h)，33(33a，......，33h)，34(34a，......，34h)的配置状况的图。各应变片30也是同样配置的，故在图7C中归纳标出各应变片30的符号。
关于实施例5的作用及效果，参照图8A～图8C，对实施例2及实施例3进行比较说明。
在图8A中，两个负荷传感器基板100b、100c是这样进行埋设固定的，即要使圆板中心O0与销子300的、根据负荷F而定的弯曲中立平面C0一致，而且各应变片30从中立平面C0回转45度(参照图1A)。例如，像翻斗汽车的悬置汽缸的安装销子那样，当销子承受的负荷F(车体重量)方向一定时，弯曲中立平面C0也一定，因此，用一个负荷传感器基板也可以(即实施例2)。也就是说，应变片30对弯曲中立平面C0是相互对向配置的，拉伸应力与压缩力构成相互抵消的电桥。因此，当施加了负荷F时，只能检测出由于负荷F引起的剪切应力而产生的主应力，这样，便可高精度地测定负荷F。
可是，有的情况例如像油压式挖土机的旋转台与起重臂(boom)、起重臂与臂(arm)，或臂与铲斗那样，销子所承受的负荷F的方向是变化的。这种变化的情况，如图8B所示，负荷传感器基板100b、100c的位置(中立平面C0上)，只相对于弯曲中立平面C1(该平面根据负荷F而定)回转了Q角。这样，就不能像上述实施例2那样，只用一个负荷传感器基板100，是不可能正确测定负荷F的。
当负荷F的方向变化不太大，而且由此引起的误差也在允许范围内时，采用如图8A所示的结构、例如实施例3及实施例4的结构就可以。即两个负荷传感器基板100b、100c的各应变片30，由于电桥的拉伸应力和压缩应力(这些应力是由负荷F所引起的弯曲而产生的)相互抵消，虽然有误差，但是，可只测定负荷F所产生的剪切应力。这种误差是由于负荷F的方向变化越大(回转角Q越大)、测定值越小而引起的误差。因此，例如把在15％(-30°＜Q＜+30°)的误差下使用作为允许范围时，实施例3及实施例4的构造是很适合的。
实施例5相对于实施例3及实施例4而言，更适合于不能忽略不计负荷F的方向变化所引起的测量误差的情况、或想准确测定的情况。如图8C所示，在负荷传感器基板100c、100b上，测定主应力(该主应力是由负荷F而引起的剪切应力的CosQ而产生的)。此外，在负荷传感器基板100a、100d上，测定由剪切应力的SinQ而产生的主应力。因此，如图7B的电桥所示，用微机600计算两个出力E1、E2，这样，便可正确地输出负荷F。即使在这种情况下，电桥也要像图7B的电桥所示那样，有必要做成能使负荷F所引起的弯曲而产生的拉伸应力与压缩应力相抵消的电桥。也就是说，根据实施例5即使在负荷F的方向发生变化的情况下，也可高精度地测定该负荷F。
此外，作为实施例5的样态例，即使只有两个负荷传感器基板，也能满足负荷F方向变化的需要。图6A及图6B中，例如像图示左侧的负荷传感器基板100a与100b，图示右侧的负荷传感器基板100e与100g，图示左右侧的负荷传感器基板100a与100g那样，使用具有相互成90度相位角的两个负荷传感器基板的负荷传感器就可以。
在上述实施例的销形负荷传感器中，将负荷传感器基板100配置在构件400与500之间的间隙(P1、P2)内，但这些部位P1、P2多半是非常狭窄的。在这种情况下，可以做成这样的负荷传感器，即做成例如下述所示的负荷传感器基板，并将它配置在上述部位P1、P2上。
(1)如图9A所示，两个负荷传感器基板100c、100f均靠右侧，以便使左右的负荷传感器基板100c、100f各自的图示左侧的应变片33c、34c、33f、34f位于部位P1、P2上。此外，负荷传感器基板100c、100f各具有四个应变片31c、32c、33c、34c及31f、32f、33f、34f，但为了容易理解，图中只示出了二个。图9B及图9C也同样。
(2)如图9B所示，使负荷传感器基板100c靠右侧，以便只有负荷传感器基板100c左侧的应变片33c、34c位于部位P1。另外，将负荷传感器基板100f靠左侧，以便只有负荷传感器基板100f右侧的应变片31f、32f位于部位P2。
(3)如图9C所示，使负荷传感器基板100c靠左侧，以便只有负荷传感器基板100c右侧的应变片31c、32c位于部位P1上。此外，将负荷传感器基板100f靠右侧，以便只有负荷传感器基板100f左侧的应变片33f、34f位于部位P2。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但是，不局限于这些实施例。例如，在上述实施例中，图示左右埋设了相同数量的负荷传感器基板100，但是，在左右的负荷F1、F2相等的情况下(F1＝F2)，只在一侧埋设就可以。根据精度要求，左右的负荷传感器基板100的数量不相等也没关系。在实施例3及实施例5中，例如，如图7B所示，将两个电桥(201与202，203与204)进行串联连接，而且极性相同、并进行加法运算，如上所述，根据不同目的可采用并联电桥、串联电桥、交直流电源电桥等。
本发明作为一种负荷传感器基板是很有用的，这种基板可以缓和应力集中现象，同时容易显示出负荷所引起的应变，因此，测量精度高，而且容易小型化。另外，负荷传感器，是将该负荷传感基板埋设在销子内部，并将表面封住、使其成为一体，故强度降低很少、寿命长，而且使用的部件少、结构简单。
权利要求
1.一种负荷传感器基板，是在印刷电路板的一面或两面设置数个应变片而构成的，其特征在于，所述基板是具有数个平滑形状的开孔(21、22、23、24)的圆板(10)，在所述孔(21、22、23、24)之间设置应变片(31、32、33、34)。
2.如权利要求1所述的负荷传感器基板，其特征在于，所述圆板(10)是不锈钢制造的圆板(10)，应变片(31、32、33、34)是薄膜应变片(31、32、33、34)。
3.一种负荷传感器基板，是在基板的一面或两面设置数个应变片而构成的，其特征在于，所述基板是金属制成的圆板(10)，在所述圆板上设有以圆板(10)的中心(O0)为交点的正交轴为对称线的、相互对称的四个小孔(21、22、23、24)，而且在相邻小孔(21、22、23、24)之间的正交轴(L1、L2)上设有应变片(31、32、33、34)，这些应变片与圆板(10)是绝缘的，而且其感度方向与所述正交轴(L1、L2)的方向是一致的。
4.一种负荷传感器基板，是在基板的一面或两面设置数个应变片而构成的，其特征在于，所述基板是大体呈十字形的金属制十字形板，十字形交叉部的端面是平滑的，而且在十字形的纵向部的面上设有应变片(31、32、33、34)，所述应变片与所述十字形板是绝缘的，而且其感度方向与所述纵向部的长度方向是一致的。
5.一种负荷传感器，其特征在于，把权利要求3或4所述的负荷传感器基板(100g)固定设置在销(300)上形成的凹部(320)内，所述销用于将构件(400、500)之间连接起来，用塞(330)把所述凹部(320)的上部封住，使其与销(300)成为一体，使所述凹部(320)与所述销(300)的外侧端连通，而且还设有把所述应变片(31、32、33、34)的导线，(61、62、63、64)引向外部的导线孔(310)，以测定施加在所述构件(400、500)上的负荷(F)。
6.如权利要求5所述的负荷传感器，其特征在于，所述凹部(320)的形成位置就是负荷(F)所引起的剪切应力发生在销(300)上的部位(P)，所述负荷传感器基板(100g)的感度方向与所述剪切应力所引起的主应力方向是一致的。
7.如权利要求5所述的负荷传感器，其特征在于，用所述塞(330)封住的销(300)是经过表面硬化处理的。
8.如权利要求5所述的负荷传感器，其特征在于，在所述负荷传感器基板附近，设有配置有所述导线(61、62、63、64)的放大器基板(70)。
全文摘要
一种负荷传感器基板及负荷传感器，其强度高、测定精度高，而且结构简单。包括用金属制的圆板，在该圆板上，设有以圆板中心为交点的正交轴为对称线的四个小孔，同时还在相邻的小孔之间，设置感度方向与正交轴方向一致的应变片。另外，负荷传感器基板固定设置在销的凹部内，并通过塞将凹部上部封住、与销结合成一体。
文档编号G01L1/20GK1161743SQ9519579
公开日1997年10月8日 申请日期1995年10月25日 优先权日1995年10月25日
发明者锅冈和之, 村上卓, 橘内雅美 申请人:株式会社小松制作所