特許 7613032 過負荷止めを有するセンサアセンブリ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-01-06

(45)【発行日】2025-01-15

(54)【発明の名称】過負荷止めを有するセンサアセンブリ

(51)【国際特許分類】

   G01L 1/26 20060101AFI20250107BHJP

【ＦＩ】

G01L1/26 B

【請求項の数】 16

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2020155065

(22)【出願日】2020-09-16

(65)【公開番号】P2021051072

(43)【公開日】2021-04-01

【審査請求日】2023-06-07

(31)【優先権主張番号】16/577,094

(32)【優先日】2019-09-20

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】510225465

【氏名又は名称】メジャメント スペシャリティーズ， インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100100077

【弁理士】

【氏名又は名称】大場 充

(74)【代理人】

【識別番号】100136010

【弁理士】

【氏名又は名称】堀川 美夕紀

(74)【代理人】

【識別番号】100130030

【弁理士】

【氏名又は名称】大竹 夕香子

(74)【代理人】

【識別番号】100203046

【弁理士】

【氏名又は名称】山下 聖子

(72)【発明者】

【氏名】ヤメイ，チェン

(72)【発明者】

【氏名】ジェームス，ホフマン

【審査官】松山 紗希

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０００７７０５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１８－２０５２１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－２７９０８０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｌ １／００－１／２６

Ｇ０１Ｌ ５／００－５／２８

Ｈ０１Ｌ ２９／８４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

- 弾性中央領域（１１２）および前記弾性中央領域（１１２）を包囲している外側領域（１１４）を有するセンサ（１１０）と、
- 前記センサ（１１０）の表面（１１６）に材料を堆積させることによって配設されている過負荷止め（１２０）であって、前記弾性中央領域（１１２）に配設されている中央止め（１２２）および前記外側領域（１１４）に配設されている周縁止め（１２４）を含む、過負荷止め（１２０）と、を備える、
センサアセンブリ（１００）。

【請求項2】

前記中央止め（１２２）および前記周縁止め（１２４）は共に前記センサ（１１０）の前記表面（１１６）から突出しており、
前記中央止め（１２２）は前記センサ（１１０）の前記表面（１１６）から第１の距離（１２２ｄ）で突出しており、
前記周縁止め（１２４）は前記センサ（１１０）の前記表面（１１６）から第２の距離（１２４ｄ）で突出しており、
前記第１の距離（１２２ｄ）は前記第２の距離（１２４ｄ）よりも大きい、
請求項１に記載のセンサアセンブリ（１００）。

【請求項3】

前記第１の距離（１２２ｄ）と前記第２の距離（１２４ｄ）との差は、前記弾性中央領域（１１２）の最大たわみ（１１２ｄ）以下である、
請求項２に記載のセンサアセンブリ（１００）。

【請求項4】

前記中央止め（１２２）は、前記センサ（１１０）の前記表面（１１６）上であって、前記弾性中央領域（１１２）の最大たわみ位置（１１５）に固定されている、
請求項１に記載のセンサアセンブリ（１００）。

【請求項5】

前記センサ（１１０）はピエゾ抵抗力センサダイである、
請求項１に記載のセンサアセンブリ（１００）。

【請求項6】

センサアセンブリ（１００）と、作動要素（２００）と、を備えるセンサパッケージ（１０）であって、
前記センサアセンブリ（１００）は、センサ（１１０）と、前記センサ（１１０）の表面（１１６）に材料を堆積させることによって配設されている過負荷止め（１２０）と、を含み、
前記センサ（１１０）は弾性中央領域（１１２）を有し、前記過負荷止め（１２０）は前記弾性中央領域（１１２）に配設されている中央止め（１２２）を含むとともに、
前記作動要素（２００）は、第１の位置（Ｐ１）と第２の位置（Ｐ２）の間で移動可能であり、前記第１の位置（Ｐ１）と前記第２の位置（Ｐ２）の間の移動中に前記中央止め（１２２）を付勢して前記弾性中央領域（１１２）をたわみ方向（Ｄ１）にたわませる、
センサパッケージ（１０）。

【請求項7】

前記センサ（１１０）は、前記弾性中央領域（１１２）を包囲する外側領域（１１４）を有し、
前記過負荷止め（１２０）は、前記外側領域（１１４）に配設されている周縁止め（１２４）を更に含む、
請求項６に記載のセンサパッケージ（１０）。

【請求項8】

前記作動要素（２００）の前記第２の位置（Ｐ２）は、前記弾性中央領域（１１２）の最大たわみ（１１２ｄ）に対応しており、
前記作動要素（２００）は、前記第２の位置（Ｐ２）において前記中央止め（１２２）
および前記周縁止め（１２４）に接触する、
請求項７に記載のセンサパッケージ（１０）。

【請求項9】

前記センサアセンブリ（１００）を収容しているハウジング（３００）と、前記センサアセンブリ（１００）と前記ハウジング（３００）の間に配設されているエラストマー（４００）とを更に備え、
前記エラストマー（４００）は、導電部分（４１０）と非導電部分（４２０）とを有する、
請求項６に記載のセンサパッケージ（１０）。

【請求項10】

前記エラストマー（４００）の前記非導電部分（４２０）は、ポリジメチルシロキサンで形成されており、
前記エラストマー（４００）の前記導電部分（４１０）は、前記ポリジメチルシロキサン中に導電性組成物を分散させたポリジメチルシロキサンで形成されている、
請求項９に記載のセンサパッケージ（１０）。

【請求項11】

前記エラストマー（４００）の前記導電部分（４１０）は、前記センサ（１１０）の電気パッド（１１８）を前記ハウジング（３００）に配設されている電気コンタクト（３４０）と電気接続する、
請求項９に記載のセンサパッケージ（１０）。

【請求項12】

前記エラストマー（４００）は、前記センサ（１１０）の前記表面（１１６）と前記ハウジング（３００）の間、前記センサ（１１０）の側面（１１９）と前記ハウジング（３００）の間、および／または、前記センサ（１１０）の底面（１１７）と前記ハウジング（３００）の間に配設されている、
請求項９に記載のセンサパッケージ（１０）。

【請求項13】

前記ハウジング（３００）内に配設され前記センサ（１１０）に電気接続されている集積回路（５００）を更に備える、
請求項９に記載のセンサパッケージ（１０）。

【請求項14】

弾性的にたわむように構成されている弾性中央領域（１１２）と、前記弾性中央領域（１１２）を包囲している外側領域（１１４）とを有するセンサ（１１０）を提供するステップと、
前記センサ（１１０）の表面（１１６）に過負荷止め（１２０）を堆積させるステップであって、前記過負荷止め（１２０）は、前記弾性中央領域（１１２）に配設されている中央止め（１２２）および前記外側領域（１１４）に配設されている周縁止め（１２４）を含む、ステップと、を含む、
センサアセンブリ（１００）を形成する方法。

【請求項15】

前記堆積させるステップにより、前記中央止め（１２２）および前記周縁止め（１２４）の各々が、前記センサ（１１０）の前記表面（１１６）に複数のフィルム層として形成される、
請求項１４に記載の方法。

【請求項16】

センサアセンブリ（１００）と、作動要素（２００）と、を備えるセンサパッケージ（１０）であって、
前記センサアセンブリ（１００）は、センサ（１１０）と、前記センサ（１１０）の表面（１１６）に配設されている過負荷止め（１２０）と、を含み、
前記センサ（１１０）は弾性中央領域（１１２）を有し、前記過負荷止め（１２０）は前記弾性中央領域（１１２）に配設されている中央止め（１２２）を含むとともに、
前記作動要素（２００）は、第１の位置（Ｐ１）と第２の位置（Ｐ２）の間で移動可能であり、前記第１の位置（Ｐ１）と前記第２の位置（Ｐ２）の間の移動中に前記中央止め（１２２）を付勢して前記弾性中央領域（１１２）をたわみ方向（Ｄ１）にたわませる、センサパッケージ（１０）であり、

前記センサアセンブリ（１００）を収容しているハウジング（３００）と、前記センサアセンブリ（１００）と前記ハウジング（３００）の間に配設されているエラストマー（４００）とを更に備え、
前記エラストマー（４００）は、導電部分（４１０）と非導電部分（４２０）とを有する、
センサパッケージ（１０）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はセンサアセンブリに関し、より詳細には、過負荷止めを有するセンサアセンブリに関する。

【背景技術】

【0002】

たわみ可能なセンサ膜を力センサ（force sensor）として使用することができる。加えられた力（作用力）がセンサ膜をたわませる。センサ膜は抵抗がたわみに応じて変化するピエゾ抵抗デバイスである。抵抗の変化により、たわみおよび作用力に対応する差動電圧が生じ、それによりセンサ膜は、作用力を表す電気信号を出力する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

一般に、作用力を受け作用力を伝達してセンサ膜をたわませるために、たわみ可能なセンサ膜には、中間要素が配置されている。しかしながら、中間要素とセンサ膜の間の接触点はセンサ膜の表面に沿って移動する可能性があり制御が難しく、これにより、たわみが不正確に、したがって作用力の測定が不正確になり得る。更に、作用力が大きくなると、たわみ可能なセンサ膜が許容可能な最大たわみ点を越えてなおたわみ続ける可能性があり、このことは、膜の損傷、不正確な測定、および交換コストをもたらし得る。

【課題を解決するための手段】

【0004】

センサアセンブリは、センサと、センサの表面に配設された過負荷止め（overload stop）とを含む。センサは、弾性中央領域と、この弾性中央領域を包囲する外側領域とを有する。過負荷止めは、中央領域に配設された中央止めと、外側領域に配設された周縁止めとを含む。

【0005】

ここで本発明について、以下の添付の図面を参照して、例示により記載する。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】作動要素（actuation element）を伴う、ある実施形態に係るセンサアセンブリの斜視図である。

【図2】作動要素が第１の位置にあるセンサアセンブリの側面断面図である。

【図3】作動要素が第２の位置にあるセンサアセンブリの側面断面図である。

【図4】ある実施形態に係るセンサパッケージの側面断面図である。

【図5】図４に示したセンサパッケージのエラストマーの上面図である。

【図6】別の実施形態に係るセンサパッケージの側面断面図である。

【図7】別の実施形態に係るセンサパッケージの側面断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

本開示の例示的な実施形態について、同様の参照符号が同様の要素を指す添付の図面を参照して、以下で詳細に記載する。しかし、本開示は多くの異なる形態で具現化することができ、本明細書に明記する実施形態に限定されるものと解釈されるべきではない。むしろこれらの実施形態は、本開示が本開示の概念を当業者に完全に伝えるように提供されている。更に、以下の詳細な説明では、説明の目的で、開示される実施形態の完全な理解をもたらすための多数の具体的な詳細を明記する。しかし、これらの具体的な詳細がなくても１つまたは複数の実施形態を実施できることが明らかである。

【0008】

本発明のある実施形態に係るセンサアセンブリ１００が図１～図３に作動要素２００と共に示されている。センサアセンブリ１００は、センサ１１０と、センサ１１０に配設された過負荷止め１２０とを備える。

【0009】

センサ１１０は、図１～図３に示すように、中央領域１１２と、中央領域１１２を包囲する外側領域１１４とを有する。中央領域１１２は図２および図３に示すたわみ方向Ｄ１への作用力下で弾性的にたわむ。本明細書では中央領域１１２を弾性中央領域１１２と呼ぶ場合もある。外側領域１１４は中央領域１１２よりも方向Ｄ１において厚く、中央領域１１２の剛性よりも大きい剛性を有する。中央領域１１２は図３に示す方向Ｄ１において最大たわみ１１２ｄを有し、中央領域１１２がそれ以上たわむと、センサ１１０の損傷が生じる。最大たわみ１１２ｄは、最大たわみ位置１１５で生じ、これは中央領域１１２の中央にある。

【0010】

センサ１１０は、センサ１１０に加えられる機械的変形に応じて抵抗が変化するピエゾ抵抗デバイスである。示されている実施形態では、センサ１１０は、作用力下でたわみ方向Ｄ１における中央領域１１２のたわみに対応する差動電圧を生むピエゾ抵抗力センサダイである。

【0011】

図２および図３に示すように、センサ１１０は、表面１１６と、表面１１６に配設された電気パッド１１８とを有する。電気パッド１１８は外側領域１１４にある表面１１６に配設されており、導電材料で形成されている。中央領域１１２のたわみによって生じた差動電圧は、電気パッド１１８を通してセンサ１１０から出力することができる。センサ１１０は、たわみ方向Ｄ１において表面１１６の反対側にある底面１１７と、たわみ方向Ｄ１において表面１１６と底面１１７の間に延在する１対の側面１１９とを有する。

【0012】

過負荷止め１２０は、図２および図３に示すように、センサ１１０の表面１１６に配設されており、中央止め１２２と周縁止め１２４とを含む。中央止め１２２は中央領域１１２に配設されており、周縁止め１２４は外側領域１１４に配設されている。中央止め１２２は、中央領域１１２の最大たわみ位置１１５に配設されている。図２に示すように、中央止め１２２は表面１１６から第１の距離１２２ｄで突出しており、周縁止め１２４は表面１１６から第２の距離１２４ｄで突出している。第１の距離１２２ｄは第２の距離１２４ｄよりも大きい。ある実施形態では、中央止め１２２および周縁止め１２４は各々、絶縁材料で形成される。別の実施形態では、中央止め１２２および周縁止め１２４は各々、導電材料で形成される。

【0013】

図２および図３に示す実施形態では、過負荷止め１２０は、表面１１６に材料を堆積させる（depositing）ことによって表面１１６に形成されている。ある実施形態では、中央止め１２２および周縁止め１２４は各々、表面１１６に堆積される複数のフィルム層で形成される。様々な実施形態において、フィルム層を形成する中央止め１２２および周縁止め１２４は、プラズマ励起化学気相堆積法（ＰＥＣＶＤ: plasma-enhanced chemical vapor deposition）または３Ｄ印刷工程を使用して設けることができる。複数のフィルム層として過負荷止め１２０を堆積することにより、過負荷止め１２０が表面１１６に固定され、堆積されたフィルム層の数によって第１の距離１２２ｄおよび第２の距離１２４ｄが決定される。様々な実施形態では、中央止め１２２および周縁止め１２４は各々、二酸化ケイ素などの絶縁材料の複数の層で形成される。
別の実施形態では、中央止め１２２および周縁止め１２４は各々、導電材料の複数の層で形成される。

【0014】

センサアセンブリ１００を使用して作動要素２００が付与する作用力を測定することついて、図２および図３を参照してより詳細に説明する。作動要素２００は、図２および図３に示すように、センサ１１０の表面１１６に面するように配置されている、作動表面２１０を有する。作動要素２００は、作用力下で、第１の位置Ｐ１と第２の位置Ｐ２の間でたわみ方向Ｄ１に沿って移動可能である。

【0015】

図２に示す第１の位置Ｐ１では、作動要素２００は作用力を受けておらず、センサ１１０の中央領域１１２はたわんでおらず、センサ１１０からの電圧出力は作動要素２００が作用力を受けていないことを示す。

【0016】

作動要素２００が作用力を受けるにつれ、作動要素２００は、第１の位置Ｐ１から図３に示す第２の位置Ｐ２に向かって移動する。作動表面２１０は第１の位置Ｐ１から第２の位置Ｐ２に向かって移動する間に中央止め１２２に接触し、中央止め１２２と最初に接触した後で、作動要素２００がたわみ方向Ｄ１へと更に移動することによって、中央領域１１２を最大たわみ位置１１５でたわませる。中央止め１２２の位置が固定されることにより、作動要素２００が第１の位置Ｐ１と第２の位置Ｐ２の間にあるときに中央領域１１２が最大たわみ位置１１５でたわんで、作動要素２００に作用する力の正確な測定が保証される。
中央止め１２２および周縁止め１２４は中央領域１１２の剛性よりも大きい剛性を有し、中央止め１２２および周縁止め１２４は、中央領域１１２をたわませるのに十分な作用力下でたわまない。作動要素２００が第１の位置Ｐ１と第２の位置Ｐ２の間に配置されているとき、中央領域１１２のたわみは、作動要素２００が受けた作用力に対応している。

【0017】

図３に示す第２の位置Ｐ２は、中央領域１１２の最大たわみ１１２ｄに対応している。作動要素２００が第２の位置Ｐ２に達するのに十分な作用力を受けると、作動表面２１０は中央止め１２２に加えて、周縁止め１２４に接触する。より剛性の高い外側領域１１４に配設された周縁止め１２４との、作動表面２１０の接触により、作動要素２００が支持され、中央領域１１２のそれ以上のたわみが防止される。

【0018】

図２および図３に示すように、過負荷止め１２０が許容する中央領域１１２の最大たわみは、第１の距離１２２ｄと第２の距離１２４ｄとの差に等しい。示されている実施形態では、第１の距離１２２ｄと第２の距離１２４ｄとの差は、第２の位置Ｐ２における中央領域１１２の最大たわみ１１２ｄに等しい。中央領域１１２のたわみは、作動要素２００に対する作用力が第２の位置Ｐ２から増大しても、最大たわみ１１２ｄよりは大きくならない。過負荷止め１２０は結果的に、作動要素２００に対する過剰な作用力が中央領域１１２を損傷するのを防止する。他の実施形態では、第１の距離１２２ｄと第２の距離１２４ｄとの差は、最大たわみ１１２ｄ未満であり得る。

【0019】

ある実施形態に係るセンサパッケージ１０は、図４に示すように、センサアセンブリ１００と、作動要素２００と、センサアセンブリ１００および作動要素２００を収容しているハウジング３００と、ハウジング３００内に配設されたエラストマー４００とを備える。

【0020】

ハウジング３００は、図４に示すように、上側部分３１０と下側部分３２０とを含み、これらは嵌り合って受入れスペース３３０を画定する。上側部分３１０および下側部分３２０は各々、絶縁材料で形成されている。上側部分３１０は上側部分３１０を通って延在する頂部通路３１２を有し、下側部分３２０は下側部分３２０を通って延在する底部通路３２２を有する。

【0021】

ハウジング３００は、図４に示すように、ハウジング３００の一部に配設された、導電材料で形成された電気コンタクト３４０を含む。示されている実施形態では、電気コンタクト３４０は下側部分３２０に配置されており、受入れスペース３３０と隣り合った下側部分３２０の内側表面から、底部通路３２２の表面に沿って、受入れスペース３３０の反対側の下側部分３２０の外側表面まで延在する。

【0022】

エラストマー４００は、図４および図５に示すように、弾性材料で形成されており、導電部分４１０と非導電部分４２０とを含む。ある実施形態では、導電部分４１０および非導電部分４２０は各々、生体適合性材料（biocompatible material）で形成されている。示されている実施形態では、非導電部分４２０はポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）で形成されており、導電部分４１０は、ＰＤＭＳ中にカーボンナノ粉末などの導電性組成物を分散させたＰＤＭＳで形成されている。ＰＤＭＳ中の導電性組成物のパーセンテージを変えることによって、導電部分４１０の導電率を調整することができる。

【0023】

図４および図５の実施形態に示すように、エラストマー４００は、第１の端部４０２から第２の端部４０４まで延在し、エラストマー４００のほぼ中央を通って延在するエラストマー通路４３０を有する、矩形の細長い部材である。複数の導電部分４１０が、非導電部分４２０によって部分的に包囲されて、エラストマー通路４３０の互いに対向する両側に配設されている。エラストマー４００は図５において上面視で示されており、破線４－４は図４に示したエラストマー４００の断面を示す。

【0024】

図４に示すように、センサアセンブリ１００、作動要素２００、およびエラストマー４００はハウジング３００の受入れスペース３３０内に配置されて、センサパッケージ１０を形成している。

【0025】

図４に示す実施形態では、エラストマー４００はセンサアセンブリ１００の周囲に畳まれて、エラストマー通路４３０と隣り合ったエラストマー４００の部分が、センサ１１０の表面１１６とハウジング３００の上側部分３１０の間に配設され、第１の端部４０２および第２の端部４０４が、センサ１１０の底面１１７とハウジング３００の下側部分３２０の間に配設され、エラストマー４００の一部が、センサ１１０の側面１１９とハウジング３００の上側部分３１０の間に配設されている。
受入れスペース３３０は、エラストマー４００がハウジング３００内で圧縮され、センサアセンブリ１００に弾性的に担持されて、センサアセンブリ１００が受入れスペース３３０内で固定されるようなサイズとなっている。エラストマー４００の導電部分４１０は電気パッド１１８および電気コンタクト３４０に当接し、電気パッド１１８を電気コンタクト３４０に電気接続する。

【0026】

図４に示すように、作動要素２００は頂部通路３１２およびエラストマー通路４３０内に配置されており、図２および図３を参照して詳細に上述したように、中央領域１１２をたわませるように、頂部通路３１２およびエラストマー通路４３０内でたわみ方向Ｄ１に沿って移動可能である。電気パッド１１８を通して出力された中央領域１１２のたわみに対応する差動電圧は、導電部分４１０を通しておよび電気コンタクト３４０を通して、センサパッケージ１０の外部の要素に伝達される。

【0027】

別の実施形態に係るセンサパッケージ１０’が図６に示されている。同様の参照符号は同様の要素を指しており、図４に示すセンサパッケージ１０に対する差異のみを、詳細に記載する。

【0028】

センサパッケージ１０’においては、図６に示すように、ハウジング３００の上側部分３１０に電気コンタクト３４０’が配置されており、これは上側部分３１０の内側表面に沿い、上側部分３１０と下側部分３２０の間に、そして上側部分３１０の外側表面まで延在する。

【0029】

図６の実施形態に示すエラストマー４００’は図４および図５に示すエラストマー４００よりも短く、センサ１１０の側面および底面の周囲には延びていない。エラストマー４００’は表面１１６とハウジング３００の上側部分３１０の間に配置されており、電気パッド１１８をハウジング３００の上側部分３１０に配設された電気コンタクト３４０’に電気接続する。センサ１１０の底部１１７はハウジング３００の下側部分３２０に当接し、表面１１６に対するエラストマー４００’の圧縮により、センサアセンブリ１００が受入れスペース３３０で固定される。

【0030】

別の実施形態に係るセンサパッケージ１０”が図７に示されている。同様の参照符号は同様の要素を指しており、図４に示すセンサパッケージ１０に対する差異のみを、詳細に記載する。

【0031】

センサパッケージ１０”においては、図７に示すように、ハウジング３００’が上側部分３１０’と下側部分３２０’とを含み、これらは嵌り合って、受入れスペース３３０と回路スペース３５０とを画定する。電気コンタクト３４０”は、受入れスペース３３０および回路スペース３５０の両方において、下側部分３２０’の内側表面に配置されている。電気コンタクト３４０”は下側部分３２０’を通って延在し、下側部分３２０’の外側表面にも配置されている。

【0032】

図７の実施形態に示すエラストマー４００”は、Ｌ字形状の断面を有する。エラストマー４００”は表面１１６とハウジング３００’の上側部分３１０’の間に配置されており、電気パッド１１８をハウジング３００’の下側部分３２０’に配設された電気コンタクト３４０”に電気接続する。センサ１１０の底部１１７はハウジング３００’の下側部分３２０’に当接し、表面１１６に対するエラストマー４００”の圧縮および上側部分３１０’と下側部分３２０’の間のエラストマー４００”の圧縮により、センサアセンブリ１００が受入れスペース３３０で固定される。

【0033】

センサパッケージ１０”は、図７に示すように、回路スペース３５０内に配設され電気コンタクト３４０”を通してセンサ１１０に電気接続されている、集積回路５００を含む。集積回路５００は電気パッド１１８を通して出力された中央領域１１２のたわみに対応する差動電圧を受け取り、この電圧出力を電気コンタクト３４０”を通してセンサパッケージ１０”の外部の要素に伝達可能なデジタル信号に変換する。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】