JPH04131721A - 応力センサ - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えば土木・建設機械の構成部材の応力歪の
測定、その他各種機材の応力の測定、油圧回路の圧力測
定等に用いられる応力センサに関する。

［従来の技術〕 一般に、圧力センサ、歪センサ、トル゛クセンサ、荷重
センサ等として適用される応力センサには、金属ゲージ
、半導体歪ゲージが広（用いられている。これらのうち
、特に後者の半導体歪ゲージは前者の金属ゲージに比較
してゲージ率が高（、僅かな機械的歪に対して大きな抵
抗値変化を発生させることができることから、近時広く
利用されている。

そこで、これら応力センサのうち従来技術によるダイヤ
フラム式圧力センサについて、第９図により説明する。

図中、１００は金属製のダイヤフラム、１０１Ａ、ｌ０
ＩＢ、ｌ０ＩＣＩＯＩＤは該ダイヤフラム１００の起歪
部に設けられた４個の半導体歪ゲージ（以下、歪ゲージ
１０１Ａ〜１０１Ｄという）で、該各歪ゲージ１０１Ａ
〜１０１Ｄは起歪部に設けた絶縁膜（図示せず）上に薄
膜抵抗体からなるピエゾ抵抗素子として例えばＰ−ＣＶ
Ｄ法により成膜され、ホトリソグラフィ法によって成形
される。

１０２Ａ、、１０２Ｂは同じくダイヤフラム１００の起
歪部に設けられた非線形の温度特性を有する薄膜または
厚膜抵抗体からなる零点温度補償用抵抗で、該各零点温
度補償用抵抗１０２Ａ。

１０２Ｂも絶縁膜上に前記各歪ゲージ１０１Ａ〜１０１
Ｄと一緒に成膜されるようになっている。

１０３Ａ、１０３Ｂはダイヤフラム１００に対して外付
けで設けられ、零点温度補償用抵抗１゜２Ａ、１０２Ｂ
と並列接続された零点調整用抵抗で、該各零点調整用抵
抗１０３Ａ、１０３Ｂは零点温度補償用抵抗１０２Ａ、
１０２Ｂの温度係数を調整するようになっており、かつ
ホイートストンブリッジ回路による出力電圧の零点を調
整する１０４Ａ、１０４Ｂはダイヤフラム１００に対し
て外付けで設けられ、歪ゲージｌ０ＩＡ、１０１Ｄと並
列接続された温度係数調整用抵抗で、該各温度係数調整
用抵抗１０４Ａ、１０４Ｂは歪ゲージｌ０ＩＡ、ｌ０Ｉ
Ｄの温度係数を調整するものである。

ここで、歪ゲージ１０１Ａとｌ０ＩＤとの間の接続点を
電源端子１０５、歪ゲージ１０１Ｂと１０１０との間の
接続点をアース端子１０６とすると、電源端子１０５と
アース端子１０６との間に歪ゲージｌ０ＩＡ、零点温度
補償用抵抗１０２Ａ、歪ゲージ１０１Ｂが直列に接続さ
れ、該零点温度補償用抵抗１０２Ａと歪ゲージ１０１Ｂ
との間の接続点が一側の出力端子１０７となり、また電
源端子１０５とアース端子１０６との間に歪ゲージ１０
１Ｄ、零点温度補償用抵抗１０２Ｂ、歪ゲージ１０１Ｃ
が直列に接続され、該零点温度補償用抵抗１０２Ｂと歪
ゲージｌ０ＩＣとの間の接続点が他側の出力端子１０８
となって、全体としてブリッジ回路を構成している。

なお、零点調整用抵抗１０３Ａ、１０３Ｂ、温度係数調
整用抵抗１０４Ａ、１０４Ｂは温度変化に対して温度依
存性の極めて小さな外付は抵抗で、かつ零点調整、温度
係数等を行うためにトリミング可能な抵抗体が用いられ
ている。

従来技術による応力センサはこのように構成されるが、
零点温度補償前のブリッジ回路の出力電圧が正、負いず
れの温度特性を示しても、温度係数調整用抵抗１０４Ａ
、１０４Ｂによって、歪ゲージｌ０ＩＡ、ｌ０ＩＤの温
度係数を調整し、零点調整用抵抗１０３Ａ、１０３Ｂに
よって零点温度補償用抵抗ＬＯ２Ａ、１０２Ｂの温度係
数を調整することができる。また、零点調整用抵抗１０
３Ａ、１０３Ｂによって、無負荷時の８カ電圧を零点調
整することができる。

この結果、電源端子１０５とアース端子１０６との間に
電圧を印加しても、ダイヤフラム１００の起歪部が無負
荷状態であれば、出力端子１０７１０８間に出力電圧は
発生しない。一方、起歪部に負荷が作用して起歪部が歪
むと、歪ゲージ１０１Ａ〜１０１Ｄの電気抵抗が変化し
、出力端子１０７，１０８間に負荷に応じた出力電圧を
発生する。

〔発明が解決しようとする課題〕

然るに、従来技術による応力センサは、ダイヤフラム１
００の起歪部に歪ゲージ１０１Ａ〜１０１ＤをＰ−ＣＶ
Ｄ法等による成膜技術、ホトリソグラフィ法等による成
形技術によって形成した後、起歪部の所定位置に温度係
数の高い抵抗材料を蒸着させることにより、零点温度補
償用抵抗１０２Ａ、１０２Ｂを成膜するようにしている
。

しかし、歪ゲージｌ０ＩＡ〜１０１Ｄの成形後に、目的
とする抵抗値と温度係数をもった抵抗材料を蒸着させ、
零点温度補償用抵抗１０２Ａ、１０２Ｂを形成すること
は困難であり、抵抗値、温度係数にバラツキが生じてし
まう。このため、従来技術では零点温度補償用抵抗１０
２Ａ、１０２Ｂを成膜した後に、目的とする抵抗値と温
度係数を得るために、外付けの別抵抗からなる零点調整
用抵抗１０３Ａ、１０３Ｂを設け、レーザトリミングに
よって補正を行っており、部品点数が増加し、補正作業
が必要であるという問題点がある。

一方、零点温度補償用抵抗１０２Ａ、１０２Ｂを成膜す
るためには、成膜条件の管理、洗浄工程、蒸着工程等が
加わるため、作業工数が著しく増加してしまうという欠
点があり、また製品の歩留まりの低下を招くという欠点
がある。

本発明は前述した従来技術の欠点に鑑みなされたもので
、ダイヤフラム上での零点温度補償用抵抗の成膜工程を
なくし、簡単な計算で零点温度補償用抵抗の温度係数と
抵抗値を計算し、この抵抗を外付けによって取付けるこ
とができるようにした応力センサ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〕

上記目的を達成するために、本発明は、起歪部を有する
ダイヤフラムと、該ダイヤフラム上に設けた絶縁膜と該
絶縁膜上に設けられた複数の半導体歪ゲージと、該各半
導体歪ゲージを接続してホイートストンブリッジ回路を
構成すべく前記絶縁膜上に設けられた複数の導体とを備
えた応力センサにおいて前記ダイヤフラムには前記各半
導体歪ゲージ上に位置して回路基板を設け、該回路基板
には温度依存性の大きな抵抗体からなる零点温度補償用
抵抗と温度依存性の小さな抵抗体からなる零点調整用抵
抗とを設け、該零点温度補償用抵抗と零点調整用抵抗と
前記各導体とをリード線によって接続し、零点温度の補
償されたホイートストンブリッジ回路を構成したことを
特徴とする。

また、本発明に用いる前記零点温度補償用抵抗は温度変
化に対して直線的に抵抗変化する正特性または負特性の
リニアサーミスタとなし、零点調整用抵抗はレーザトリ
ミング可能なチップ抵抗または厚膜抵抗とすることがで
きる。

さらに、前述のように構成されるホイートストンブリッ
ジ回路は、零点温度補償用抵抗側を一側の出力端子とし
、零点調整用抵抗側を他側の出力端子としたとき、零点
温度調整前の出力電圧の温度特性の正、負に応じて前記
零点温度補償用抵抗の高圧側または低圧側のいずれか一
方を一側の出力端子となすことが望ましい。

〔作用〕

このように構成することにより、零点温度補償用抵抗の
抵抗値と温度係数は計算値から選び出して回路基板上に
実装し、零点調整用抵抗も計算値から選び出して回路基
板上に実装してレーザトリミングを行うことによって零
点の調整を行う。

この際、零点温度補償用抵抗は周囲温度に対して正特性
または負特性として直線的に抵抗値が変化するものを用
いているから、ホイートストンブリッジ回路による出力
電圧の温度特性に応じて、−側の出力端子を零点温度補
償用抵抗の高圧側または低圧側のいずれかに選択するこ
とにより、当該零点温度補償用抵抗の抵抗値と温度係数
を適当に決定すれば、出力電圧の温度補償を簡単に行う
ことができる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を第１図ないし第８図を参照しつ
つ説明する。

図において、１は例えば５ＵＳ６３０等からなる金属製
のダイヤフラムで、該ダイヤフラム１は薄肉円板状の起
歪部ＩＡと、該起歪部ＩＡの外周に厚内円筒状に一体に
形成された非起歪部ＩＢとからなっており、図中の上側
面は平坦な膜形成面ＩＣになっている。

２は前記ダイヤフラム１の膜形成面Ｉｃ上に形成された
絶縁膜で、該絶縁膜２は例えばＳ、０２Ｓ、Ｃ，Ｓ、Ｎ
、等を用いて真空蒸着法、スパッタ法等の適宜の成膜技
術によって薄膜状に形成されている。３Ａ、３Ｂ、３Ｃ
，３Ｄは前記起歪部ＩＡ内に位置して該絶縁膜２上に配
設された４個の半導体歪ゲージ（以下、全体として歪ゲ
ージ３という）で、該歪ゲージ３は例えばＰ−ＣＶＤ法
によって絶縁膜２上にリンまたはホウ素の不純物をドー
ピングしたゲージ用ケイ素薄膜を形成し、これをホトリ
ソグラフィ法により薄膜ピエゾ抵抗素子としてパターン
形成したものからなっている。

４Ａ、４Ｂ、４Ｃ，４Ｄ、４Ｅ、４Ｆは前記歪ゲージ３
Ａ〜３Ｄを接続してホイートストンブリッジ回路を構成
するための薄膜導体（以下、全体として薄膜導体４とい
う）で、４Ａは歪ゲージ３Ａの一端側と第４の歪ゲージ
３Ｄの他端側に接続された第１の薄膜導体、４Ｂは該第
１の歪ゲージ３Ａの他端側に接続された第２の薄膜導体
、４Ｃは第２の歪ゲージ３Ｂの一端側に接続された第３
の薄膜導体、４Ｄは該第２の歪ゲージ３Ｂの他端側と第
３の歪ゲージ３Ｃの一端側に接続された第４の薄膜導体
、４Ｅは該第３の歪ゲージ３Ｃの他端側に接続された第
５の薄膜導体、４Ｆは第４の歪ゲージ３Ｄの一端側に接
続された第６の薄膜導体をそれぞれ示し、その外側端部
は接続用端子部５Ａ、５Ｂ、５Ｃ，５Ｄ、５Ｅ、５Ｆと
して形成されている。

ここで、前記薄膜導体４は絶縁膜２上に真空蒸着法、ス
パッタ法等を用いて例えば金、アルミニウム、銅等の良
導体材料によって形成されている。そして、前記歪ゲー
ジ３と薄膜導体４はｓ、。

２膜、Ｓ＋ｓＮ−膜からなるパッシベーション膜６によ
って一体的に覆われている。

なお、上記構成は従来技術による応力センサの基本的構
成と格別変わるところがない。

次に、７は例えば合成樹脂製のプリント回路基板等とし
て有蓋筒状に形成された回路基板で、該回路基板７はパ
ッシベーション膜６を覆うようにして絶縁膜２を介して
ダイヤフラム１上に接着等の手段で固着されている。そ
して、回路基板７の天面部７Ａには接続用端子部５Ａ〜
５Ｆに対応した位置に６箇所配線挿通孔８．８．・・・
が穿設されまた天面部７Ａの表面には後述のチップリニ
アサーミスタ９、チップ抵抗１１が設けられている他に
、その表面または裏面にはモノリシックＩＣ化された半
導体素子、抵抗素子等の回路部品（図示せず）が搭載さ
れるようになっている。

また、９は前記回路基板７の天面部７Ａの表面側に設け
られた零点温度補償用抵抗としてのチップリニアサーミ
スタ（以下、リニアサーミスタ９という）で、該リニア
サーミスタ９は温度変化に対して正特性をもって直線的
に抵抗変化する温度依存性の高い正特性リニアサーミス
タとして構成されている。そして、前記リニアサーミス
タ９は一対の配線挿通孔８，８に挿通されたボンデング
ワイヤ等のリード線１０Ａ、ＩＯＢを介して接続用端子
部５Ｂ、５Ｃ間に接続されている。

一方、１１は前述のリニアサーミスタ９と同様に回路基
板７の天面部７Ａの表面側に設けられた零点調整用抵抗
としてのチップ抵抗で、該チップ抵抗１１は温度変化に
対して抵抗変化しない、即ち温度依存性が極めて小さ（
、かつレーザトリミング可能な抵成体として構成されて
いる。そして、前記チップ抵抗１１は一対の配線挿通孔
８，８に挿通されたリード線１２Ａ、１２Ｂを介して接
続用端子部５Ｆ、５Ｂ間に接続されている。

さらに、１３はリード線１４を介して接続用端子部５Ａ
に接続された電源端子、１５はリード線１６を介して接
続されたアース端子を示す。そして、１７Ａ、１７Ｂは
リニアサーミスタ９０両端に接続された一側の出力端子
で、出力端子１７Ａはリニアサーミスタ９の高圧側（電
源端子１３側）に位置する高圧側出力端子、出力端子１
７Ｂはリニアサーミスタ９の低圧側（アース端子１５側
）に位置する低圧側出力端子である。また１８Ａ１８Ｂ
はチップ抵抗１１の両端に接続された他側の出力端子で
、出力端子１８Ａはチップ抵抗１１の高圧側（電源端子
１３側）に位置する高圧側出力端子、出力端子１８Ｂは
チップ抵抗１１の低圧側（アース端子１５側）に位置す
る低圧側出力端子である。

本実施例はこのように構成されるが、次に零点温度補償
用抵抗であるリニアサーミスタ９の抵抗値および温度係
数の選択方法と、零点調整用抵抗であるチップ抵抗１１
の抵抗値の選択方法について述べる。

第１に、リニアサーミスタ９とチップ抵抗１１を除いた
状態で、−側の出力端子１７Ａと１７Ｂを短絡させると
共に、他側の出力端子１８Ａと１８Ｂを短絡させ、歪ゲ
ージ３Ａ〜３Ｄのみによるブリッジ回路を組み、電源端
子１３とアース端子１５との間に所定の電圧を印加した
場合に、各歪ゲージ３Ａ〜３Ｄの抵抗値、温度係数が既
知であるならば、−側の出力端子１７Ａ、１７Ｂ側と他
側の出力端子１８Ａ、１８Ｂ側との間から出力される出
力電圧は、容易に計算することができる。

この計算の結果、ブリッジ回路による出力電圧の温度特
性が第５図中の実線Ａに示すように、温度上昇に対して
正方向に変化する場合には、実線Ａによる温度特性な矢
示ａ方向に下げ第５図中の点線Ｂに示すような温度に影
響されない出力電圧とする必要がある。このため、リニ
アサーミスタ９を回路基板７上に実装するとき、低圧側
出力端子１７Ｂをブリッジ回路の出力端子として選択す
る（第６図参照）。これにより、温度が上昇したとき正
特性をもつリニアサーミスタ９の抵抗値が高くなるよう
に変化するから、分圧比との関係で零点温度を点線Ｂの
ように一定値に保持することができる。同様に、ブリッ
ジ回路による出力電圧の温度特性が第７図中の実線Ｃに
示すように、温度上昇に対して負方向に変化する場合に
は、実線Ｃによる温度特性な矢示Ｃ方向に上げ、第７図
中の点線Ｂに示すような温度に影響されない出力電圧と
する必要があるから、高圧側出力端子１７Ａをブリッジ
回路の出力端子として選択する（第８図参照）。かくし
て、リニアサーミスタ９側に位置する一側の出力端子１
７Ａ、１７Ｂについての使用端子が決定される。

第２に、所定の常温である抵抗値（例えば１００Ω）を
もったリニアサーミスタをリード線１０Ａ、ＩＯＢ間に
接続したと仮定した場合に、ブリッジ回路による出力電
圧がＯ■になるように、零点調整用抵抗であるチップ抵
抗１１の抵抗値を計算して選択すると共に、他側の出力
端子１８Ａ。

１８Ｂのうちから使用する出力端子を決定する。

第３に、前述した計算により選択されたチップ抵抗１１
とを含んでなるブリッジ回路を所定の高温とした場合に
、当該ブリッジ回路からの出力電圧が０■となるような
リニアサーミスタの抵抗値を計算する。なお、この抵抗
値計算は、チップ抵抗１１には温度依存性がな（、また
歪ゲージ３Ａ〜３Ｄの抵抗値、温度係数が既知であるこ
とから容易に行うことができる。そして、この計算によ
り求めた所定高温時のリニアサーミスタの抵抗値と、所
定常温時のリニアサーミスタの抵抗値（例えば、１００
Ω）との抵抗差と温度差から、実際に使用すべきリニア
サーミスタ９の温度係数を算出する。

以上の計算手順により、ブリッジ回路全体としての使用
端子、リニアサーミスタ９の抵抗値と温度係数、チップ
抵抗１１の抵抗値が計算から求められる。

そこで、このようにして選択されたリニアサーミスタ９
を回路基板７に実装し、リード線１０Ａ１０Ｂを介して
接続用端子部５Ｂ、５Ｃに接続すると共に、チップ抵抗
１１を回路基板７に実装し、リード線１２Ａ、１２Ｂを
介して接続用端子部５Ｆ、５Ｅに接続すればよい。

その後、電源端子１３とアース端子１５との間に所定の
電圧を印加し、−側の出力端子１７Ａ。

１７Ｂと、他側の出力端子１８Ａ、１８Ｂとのうち、前
述のようにして決定したいずれか一方、例えば出力端子
１７Ａと１８Ａをそれぞれの出力端子とし、当該出力端
子１７Ａ、１８Ａ間の出力電圧を計測する。そして、零
点の微調整が必要である場合にはチップ抵抗１１にレー
ザトリミングを施せばよい。

前述のようにして零点温度が補償された本実施例の応力
センサは、ダイヤフラム１の起歪部ＩＡに油圧力等の負
荷が作用して該起歪部ＩＡが歪むと、歪ゲージ３Ａ〜３
Ｄの電気抵抗が変化し、使用する出力端子１７Ａ−１８
Ａ間に負荷に応じた出力電圧を発生するもので、高精度
な応力測定が可能となる。

また、本実施例による零点温度補償用抵抗はチップリニ
アサーミスタ９を使用し、当該サーミスタ９は絶縁膜２
上ではな（回路基板７に実装すればよいものであるから
、部品点数が少なくてすみ、かつ製造工程を大幅に縮減
することができる。

しかも、前記チップリニアサーミスタ９は温度変化に対
してリニア特性を有する固体素子を用いることができる
から、素子の選択が容易となる。

さらに、リニアサーミスタ９とチップ抵抗１１の抵抗値
、温度係数等は簡単な計算手順によって決定し、所定の
特性をもったものも選択することができるから、零点温
度補償のため調整工程を簡略化することができる。

なお、実施例では零点温度補償用抵抗として正特性をも
ったチップリニアサーミスタ９を例示したが、温度変化
に対して負特性をもったチップリニアサーミスタを用い
てもよく、また温度依存性の高いリニア特性を有する抵
抗体であればサーミスタに限るものではなく、例えば厚
膜抵抗体を用いてもよい。

また、零点調整用抵抗として温度依存性の極めて小さい
チップ抵抗１１を例示したが、温度依存性が小さくレー
ザトリミング可能な抵抗体であればよいもので、例えば
厚膜または薄膜の抵抗体としてもよく、一方金属被膜固
定抵抗等を用いてもよい。

さらに、実施例ではチップリニアサーミスタ９、チップ
抵抗１１を回路基板７の表面に設けるものとして述べた
が、その裏面に設けてもよいことは勿論である。

〔発明の効果〕

本発明に係る応力センサは以上詳細に述べた如くであっ
て、ダイヤフラムとは別個の回路基板に零点温度補償用
抵抗と零点調整用抵抗を設ける構成としたから部品点数
が少な（てすむと共に、製造工程を大幅に短縮すること
ができ、またこれらの抵抗の抵抗値、温度係数等は簡単
な計算手順によって決定することができるから、零点温
度調整工程を簡略化することができ、さらに零点温度補
償の精度を高めることができるから、応力計測精度を向
上させることができる等の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第６図は本発明の実施例に係り、第１図は
本実施例による応力センサの縦断面図、第２図は回路基
板とパッシベーション膜を除去した状態で示す応力セン
サの正面図、第３図は第２図を歪ゲージの結線回路とし
て示す回路図、第４図は第３図の回路に零点温度補償用
抵抗と零点調整用抵抗を結線した状態を示す回路図、第
５図は零点温度調整前の出力電圧が正特性である場合を
示す線図、第６図は第５図の場合の出力端子の選択状態
を示す回路図、第７図は零点温度調整前の出力電圧が負
特性である場合を示す線図、第８図は第７図の場合の出
力端子の選択状態を示す回路図、第９図は従来技術によ
る応力センサのブリッジ回路を示す回路図である。 ｌ・・・ダイヤフラム、ＩＡ・・・起歪部、ＩＣ・・・
膜形成面、２・・・絶縁膜、３Ａ〜３Ｄ・・・半導体歪
ゲージ４Ａ〜４Ｅ・・・薄膜導体、５Ａ〜５Ｆ・・・接
続用端子部、７・・・回路基板、８・・・配線挿通孔、
９・・・チップリニアサーミスタ（零点温度補償用抵抗
）、１０Ａ、ＩＯＢ、１２Ａ、１２Ｂ、１４．１６・・
・リード線、１１・・・チップ抵抗（零点調整用抵抗）
、１３・・・電源端子、１５・・・アース端子、１７Ａ
、１７Ｂ・・・−側の出力端子、１８Ａ、１８Ｂ・・・
他側の出力端子。 特許出願人　　日立建機株式会社 代理人弁理士　　広　瀬　和　彦 第 図 第 図 第 図 ′、罰度 會 第 図 第 図 屓ｆＬｔ 第 図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）起歪部を有するダイヤフラムと、該ダイヤフラム
   上に設けた絶縁膜と、該絶縁膜上に設けられた複数の半
   導体歪ゲージと、該各半導体歪ゲージを接続してホイー
   トストンブリッジ回路を構成すべく前記絶縁膜上に設け
   られた複数の導体とを備えた応力センサにおいて、前記
   ダイヤフラムには前記各半導体歪ゲージ上に位置して回
   路基板を設け、該回路基板には温度依存性の大きな抵抗
   体からなる零点温度補償用抵抗と温度依存性の小さな抵
   抗体からなる零点調整用抵抗とを設け、該零点温度補償
   用抵抗と零点調整用抵抗と前記各導体とをリード線によ
   って接続し、零点温度の補償されたホイートストンブリ
   ッジ回路を構成したことを特徴とする応力センサ。
2. （２）前記零点温度補償用抵抗は温度変化に対して直線
   的に抵抗変化する正特性または負特性のリニアサーミス
   タであり、零点調整用抵抗はレーザトリミング可能なチ
   ップ抵抗または厚膜抵抗である請求項（１）に記載の応
   力センサ。
3. （３）前記ホイートストンブリッジ回路は、零点温度補
   償用抵抗側を一側の出力端子とし、零点調整用抵抗側を
   他側の出力端子としたとき、零点温度調整前の出力電圧
   の温度特性の正、負に応じて前記零点温度補償用抵抗の
   高圧側または低圧側のいずれか一方を一側の出力端子と
   なすようにした請求項（１）に記載の応力センサ。