JPH0326931A - 歪ゲージ式ロードセル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 し産業上の利用分野］ この発明は起歪体が外力によって変形する微小変位を検
出してその引張力又は圧縮力を計測する歪ゲージ式ロー
ドセルに関するものである。

［従来の技ｊネｉ］ 従来、この種のロードセルとして、例えば第５図に示す
ように、弾性変形可能な起歪体としてのビーム３１を備
え、そのビーム３ｌの上下両面に基板（この場合、シリ
コン基板）３２．３３を配設し、各基板３２．３３上に
短冊状の一対の歪ゲージ（この場合、半導体ゲージ）３
４をそれぞれ並列接続して配設し、それら合計４つの歪
ゲージ３４をブリッジ接続してなるものが知られている
。

上記のように構威したロードセルは、第６図に示すよう
に所定のフレーム３５に対して片持ち固定して使用され
る。そして、そのビーム３１先端に加わる圧縮力Ｆによ
って生じるビーム３１の引張歪及び圧縮歪に応じて変化
する各歪ゲージ３４の抵抗値の変化に基く電位差を計測
することによって、前記圧縮力Ｆの大きさを計測するよ
うになっている。又、このときの圧縮力Ｆは各基板３２
３３上の一対の歪ゲージ３４に均等に作用することを前
提として各歪ゲージ３４の位置決めが行われている。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、前記従来のロードセルでは、短冊状の一対の
歪ゲージ３４が各基板３２．３３上にて並列に配設され
ているだけなので、ビーム３ｌに加わる圧縮力Ｆが両歪
ゲージ３４に均等に作用する場合には問題ないものの、
両歪ゲージ３４に均等に作用しない場合、即ちビーム３
ｌが捻じれるような圧縮力が作用した場合には、計測値
に誤差が生じるという問題があった。又、その計測誤差
を極力排除するために行う両歪ゲージ３４の位置決め設
定は非常に面倒なものとなっていた．この発明は前述し
た事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、各
対歪ゲージにおける各歪ゲージへの圧縮力の作用の仕方
を問題にすることなく、常に高精度の計測を実現し得る
と共に、各歪ゲージの位置決めを容易に行うことが可能
な歪ゲージ式ロードセルを提供することにある．［課題
を解決するための手段］ 上記の目的を達或するためにこの発明においては、４つ
の歪ゲージをブリッジ接続し、それらブリッジ接続され
た４つの歪ゲージのうち互いに対向関係にある一対の歪
ゲージを対歪ゲージとし、その２１ｋｌｉの対歪ゲージ
を弾性変形可能な起歪体の表面に設けた歪ゲージ式ロー
ドセルにおいて、２組の対歪ゲージを起歪体の表面にて
所定の間隔を隔てて配設し、各対歪ゲージにおいて各歪
ゲージを、並列配置されて直列接続された複数本の抵抗
要素によって形戒すると共に、各歪ゲージの抵抗要素を
交互に並列配置している。

［作用］ 従って、各対歪ゲージにおける各歪ゲージは交互に並列
配置された抵抗要素によってそれぞれ形威されているの
で、同一領域内にて略均等の密度で分布することになる
。このため、起歪体が捻じれるような圧縮力が作用して
も、その圧縮力が各抵抗要素に略同等の割合で作用して
、各抵抗要素の抵抗値変化が各歪ゲージ全体の抵抗値変
化となり、対歪ゲージにおける各歪ゲージの抵抗値変化
が実質的に同じとなる．つまり、各歪ゲージが実質的に
同じ応力を受けたことになる。

［実施例］ 以下、この発明を具体化したー実施例を第１図〜第４図
に基いて詳細に説明する。

第１．２図に示すように、この実施例の歪ゲージ式ロー
ドセル１は弾性変形可能な起歪体としての直方体形状を
なすビーム２を備え、そのビーム２の中心部分には、同
ビーム２の上下方向への圧縮変形及び引張変形を容易に
するためのスリソト状の中空部２ａが形成さている。又
、ビーム２の上面、即ち表面には２組の対歪ゲージを構
戒する第１のゲージチソプ３及び第２のゲージチンブ４
が所定の間隔を隔てて配設されている。

一方の第１のゲージチップ３について説明すると、この
ゲージチップ３はｎ型のシリコンウエハ５を備え、同シ
リコンウエハ５上には、熱拡散又はイオン注入等により
シリコンウエハ５のｎ型とは逆のｐ型をなす抵抗要素と
しての１２本の単位拡散抵抗６．１１が所定の間隔を隔
てて並列に配設されている．そして、図示しない絶縁膜
の形威やコンタクトホール７の形戒等の周知の半導体プ
ロセス工程を行った後、スバノタ法や真空蒸着法等によ
り．Ａ１，Ａ１−Ｓｌ等からなる導電性部材８を形成し
、それらコンタクトホール７及び導電性部材８を介し、
１２本の単位拡散抵抗６．１１のうちの一つ置きに配置
された６本の単位拡散抵抗６が直列に接続されて第１の
歪ゲージＲｌを構威している。又、第１の歪ゲージＲ１
の両端に位置する単位拡散抵抗６は、前記と同様にスパ
ソタ法や真空蒸着法等によりＡｌ．ＡＩ！−Ｓｊ等から
なる外部接続用の電極９に対し、電極用コンタクトホー
ル１０を介してそれぞれ接続されている。

又、１２本の単位拡散抵抗６．１１のうち残りの６本の
単位拡散抵抗１ｌは、第１の歪ゲージＲ１の場合と同様
に、コンタクトホール１２及びＡｌ，Ａ１−Ｓｔ等から
なる導電性部材Ｉ３を介して直列接続されて第２の歪ゲ
ージＲ２を構成している。

又、第２の歪ゲージＲ２の両端に位置する単位拡散抵抗
１１は、前記と同様にＡｌ，ＡＪＩ−Ｓｔ等からなる外
部接続用の電極１４に対し、電極用コンタクトホール１
５を介して接続されている。

つまり、第１及び第２の歪ゲージＲｌ，Ｒ２を構或する
ｐ型の各単位拡散抵抗６．１ｌは、ｎ型のシリコンウエ
ハ５上にて交互に並列配置されている。又、上記構或に
おいて、第１及び第２の歪ゲージＲｌ，Ｒ２における各
単位拡散抵抗６，１１の抵抗値をＸ〔Ω〕とすると、第
１及び第２の歪ゲージＲｌ，Ｒ２はそれぞれ６本の単位
拡散抵抗６．１１によって構威されているので、聡抵抗
値はそれぞれ６ｘ〔Ω〕となる。

他方の第２のゲージチソブ４について説明すると、この
ゲージチップ４は前記第１のゲージチップ３と同時に形
威されたものであっり、第１のゲージチソプ３と同様の
構成をなしている。即ち、ｎ型のシリコンウエハ１６上
には、ｐ型をなす抵抗要素としての１２本の単位拡散抵
抗１７．２２が所定の間隔を隔てて並列に配設されてい
る。そして、前記第１のゲージチップ３と同様にコンタ
クトホールｌ８及びＡｌ，Ａｌ−Ｓｔ等からなる導電性
部材１９を介し、１２本の単位拡散抵抗１７．２２のう
ちの一つ置きに配置された６本の各単位拡散抵抗１７が
直列に接続されて第３の歪ゲージＲ３を横戒している。

又、第３の歪ゲージＲ３の両端に位置する単位拡散抵抗
ｌ７は、前記と同様にＡｌ，ＡＩ−Ｓｆ等からなる外部
接続用の電極２０に対し、電極用コンタクトホール２１
を介してそれぞれ接続されている。

又、１２本の単位拡散抵抗１７．２２のうち残りの６本
の単位拡散抵抗ｌ７は、第３の歪ゲージＲ３の場合と同
様に、コンタクトホール２３及びＡｌ．Ａｌ−Ｓｔ等か
らなる導電性部材２４を介して直列接続されて第４の歪
ゲージＲ４を構成している。又、第４の歪ゲージＲ４の
両端に位置する単位拡散抵抗２２は、前記と同様にＡｌ
，八〇−Ｓｉ等からなる外部接続用の電極２５に対し、
ｉ極用コンタクトホール２６を介して接続されている。

つまり、第３及び第４の歪ゲージＲ３，Ｒ４を構戒する
ｐ型の単位拡散抵抗１７．２２は、ｎ型のシリコンウエ
ハ１６上にて交互に並列配置されている。又、上記構戒
において、第３及び第４の歪ゲージＲ３，Ｒ４における
各単位拡散抵抗１７．２２の抵抗値をｙ〔Ω〕とすると
、第３及び第４の歪ゲージＲ３，Ｒ４はそれぞれ６本の
単位拡散抵抗１７．２２によって構威されているので、
総抵抗値はそれぞれ６ｙ（Ω〕となる． そして、第４図に示すように、第１のゲージチップ３上
に設けられて対をなす第ｌ及び第２の歪ゲージＲｌ，Ｒ
２、第２のゲージチソブ４上に設けられて対をなす第３
及び第４の歪ゲージＲ３，Ｒ４がそれぞれ対向する関係
をなすように接続されて第１〜第４の歪ゲージＲ１〜Ｒ
４がブリッジ接続されると共に、パソテリ２７及びアン
プ２８に接続さている． 以上のように構戒された歪ゲージ式ロードセルｌは、第
３図に示すように第２のゲージチンプ４を配設した側を
ビーム２の基端部として、その基端部にてビーム２が所
定のフレーム２９に対して片持ち固定されて使用される
。そして、前記第１のゲージチップ３が圧縮を受ける側
となり、前記第２のゲージチソブ４が引張を受ける側と
なって、そのビーム２の先端部に加わる圧縮力Ｆによっ
て生じるビーム２の引張歪及び圧縮歪に応じて変化する
第１及び第２のゲージチップ３．４の各歪ゲージＲｌ−
Ｒ４の抵抗値の変化に基く電位差が圧縮力Ｆの大きさと
して計測されるようになっている。即ち、アンプ２８か
らの出力が計測されるようになっている． 次に、上記のように構成した歪ゲージ式ロードセル１の
作用について説明する。

今、ビーム２の先端部に圧縮力Ｆが作用すると、その先
端部が下方へ撓んで第Ｉのゲージチソプ３には圧縮歪が
生じ、基端部の第２のゲージチノブ４には引張歪が生じ
る。そして、それら圧縮歪及び引張歪に応じて各歪ゲー
ジＲｌ−Ｒ４の抵抗値が変化し、アンブ２８の出力変化
が圧縮力Ｆの大きさとして計測される。

そして、この実施例の歪ゲージ式ロードセル１では、第
１のゲージチソプ３における第ｌ及び第２の歪ゲージＲ
ｌ，Ｒ２が交互に並列配置された単位拡散抵抗６．１１
によって形威されているので、第１及び第２の歪ゲージ
Ｒｌ，Ｒ２が同一領域内にて略均等の密度で分布するこ
とになる．又、第２のゲージチップ４における第３及び
第４の歪ゲージＲ３，Ｒ４も同じく交互に並列配置され
た単位拡散抵抗１７．２２によって形威されているので
、第３及び第４の歪ゲージＲ３，Ｒ４が同一領域内にて
略均等の密度で分布することになる。

従って、ビーム２に作用する圧縮力Ｆが、仮にビーム２
を捻じれさせるような力であっても、第１のゲージチッ
プ３においてその圧縮力Ｆが各単位拡散抵抗６，１ｌに
対して略同等の割合で作用する。この結果、各拡散抵抗
６，ｌ１の抵抗値変化が第１及び第２の歪ゲージＲｌ，
Ｒ２の全体の同等の抵抗値変化となり、第１のゲージチ
ップ３における各歪ゲージＲｌ．Ｒ２の抵抗値変化が実
質的に同じとなる。つまり、各歪ゲージＲｌ，Ｒ２が実
質的に同等の応力を受けたことになる．同様に、第２の
ゲージチップ４においてその圧縮力Ｆが各単位拡散抵抗
１７．２２に対して略同等の割合で作用する．この結果
、各拡散抵抗１７．２２の抵抗値変化が第３及び第４の
歪ゲージＲ３，Ｒ４の全体の同等の抵抗値変化となり、
第２のゲージチップ４における各歪ゲージＲ３，Ｒ４の
抵抗値変化が実質的に同じとなる。つまり、各歪ゲージ
Ｒ３，Ｒ４が実質的に同等の応力を受けたことになる。

よって、第１のゲージチップ３における第１及び第２の
歪ゲージＲｌ．Ｒ２、第２のゲージチップ４における第
３及び第４の歪ゲージＲ３，Ｒ４のそれぞれにおいて、
正確な抵抗値変化を計測．することができ、アンプ２８
の出力に基いて計測される圧縮力Ｆの計測精度を向上さ
せることができる． 又、この実施例では、各歪ゲージＲｌ〜Ｒ４を横威する
各単位拡散抵抗６，１１．１７．２２が各ゲージチップ
３．４において、交互に並列配置させているだけなので
、それらの位置決め設定を容易に行うことができる． 更に、この実施例では、各歪ゲージＲ１〜Ｒ４をそれぞ
れ複数の単位拡散抵抗６．１１．１？，２２によって形
戒しているので、それら単位拡散ｉ叫允６．　　１　１
．　　１　７．　　２　２の個数を任意に変更すること
により、各歪ゲージＲｌ−Ｒ４の抵抗値を容易に変更す
ることもできる。

加えて、この実施例では、各歪ゲージＲ１〜Ｒ４を形成
する単位拡散抵抗６，１１．１７．２２を同一工程で形
戒することができ、それら単位拡散抵抗６，１１，１７
．２２を電気的に接続する導毒性部材８，１３，１９．
２４も全ての歪ゲージＲｌ−Ｒ４において同一工程で形
成することができる。従って、各歪ゲージＲ１〜Ｒ４の
温度係数を略均一にすることができ、各歪ゲージＲ１〜
Ｒ４間の抵抗値比の温度トラソキング特性を良好なもの
にすることができる。

尚、この発明は前記実施例に限定されるものではなく、
発明の趣旨を逸脱しない範囲において構戊の一部を適宜
に変更して次のように実施することもできる。

（１〉前記実施例では、ｎ型のシリコンウエハ５，ｌ６
上にｐ型の単位拡散抵抗６，　　１１．　　１７．２２
を形戒したが、ｐ型のシリコンウエハ上にｒｌ　型の単
位拡散抵抗を形威したり、シリコンウエハ５，１６をゲ
ルマニウム等の他の半導体よりなる基板にしたりしても
よい。

（２）前記実施例では、シリコンウエハ５，ｌ６上に各
歪ゲージＲｌ−Ｒ４を形威した半導体拡散式によって具
体化したが、抵抗要素としてのワイヤを張って設けた無
接着ワイヤ式によって具体化したり、ニッケル銅や銅コ
ンスタンクン等の銅合金でできた箔を抵抗要素として設
けた接着式によって具体化したり、抵抗要素等の部材原
材料をターゲットから起歪体の表面に移すのに、アルゴ
ンガス中でグロー放電を用いるスパッタリング法薄膜式
によって具体化したりしてもよい。

（３）前記実施例では、一対の歪ゲージ］’？１，Ｒ’
２及び一対の歪ゲージＲ３，Ｒ４を半導体プロセスによ
って別々のシリコンウエハ５，１６上に形成して一対の
ゲージチップ３．４を形威したが、一対の歪ゲージＲｌ
，Ｒ２及び一対の歪ゲージＲ３，Ｒ４を半導体プロセス
によって同一のウエハ上の隣接位置に形或することもで
きる．この場合、各歪ゲージＲ１〜Ｒ４間の抵抗値のバ
ラツキはブリッジ零調整が不要になる程に極めて小さく
することができる。

（４）前記実施例では、起歪体としてのビーム２の表面
にシリコンウエハ５，１６を介して各歪ゲージＲ１〜Ｒ
４を設けたが、ビームの表面に各歪ゲージを直接設ける
ようにしてもよい。

［発明の効果］ 以上詳述したようにこの発明によれば、起歪体の表面に
４つの歪ゲージをブリッジ接続して設け、それら４つの
歪ゲージのうち互いに並列接続関係にある一対の歪ゲー
ジを対歪ゲージとして２組の対歪ゲージを配設した歪ゲ
ージ式ロードセルにおいて、各対歪ゲージにおける各歪
ゲージへの圧縮力の作用の仕方を問題にすることなく、
常に高精度の計測を実現することができると共に、各歪
ゲージの位置決め設定を容易に行うことができるという
優れた効果を発揮する．

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図はこの発明を具体化したー実施例を示す
図面であって、第ｉ図は歪ゲージ式ロードセルを拡大し
て示す平面図、第２図は歪ゲージ式ロードセルの斜視図
、第３図は歪ゲージ式ロードセルの使用状態を説明する
側面図、第４図は各歪ゲージの接続状態を説明する電気
回路図である。 第５図は従来例のロードセルを示す部分破断斜視図、第
６図はそのロードセルの使用状態を説明する側面図であ
る． 図中、２は起歪体としてのビーム、３は対歪ゲージを構
戒する第１のゲージチップ、４は対歪ゲージを構戒する
第２のゲージチップ、６，１１．１７．２２は抵抗要素
としての単位拡散抵抗、Ｒ１〜Ｒ４は第１〜第４の歪ゲ
ージである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）４つの歪ゲージをブリッジ接続し、それらブリッジ
   接続された４つの歪ゲージのうち互いに対向関係にある
   一対の歪ゲージを対歪ゲージとし、その２組の対歪ゲー
   ジを弾性変形可能な起歪体の表面に設けた歪ゲージ式ロ
   ードセルにおいて、前記２組の対歪ゲージを前記起歪体
   の表面にて所定の間隔を隔てて配設し、前記各対歪ゲー
   ジにおいて各歪ゲージを、並列配置されて直列接続され
   た複数本の抵抗要素によって形成すると共に、各歪ゲー
   ジの抵抗要素を交互に並列配置してなる歪ゲージ式ロー
   ドセル。