JPH0447762B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 この発明は、たとえば構造物などに発生した歪
を電気信号に変換して取出す形式の歪センサの構
造に関する。

先行技術の説明 従来より、たとえば構造物などに生じた歪を検
出する手段として、歪ゲージが広範に使用されて
いる。第１図は、従来の歪ゲージの一使用例を示
す略図的断面図である。歪ゲージ１は、たとえば
ポリエステルなどからなるプラスチツク基板２上
に、たとえば金属箔やフイラメント状の金属細線
からなる感歪抵抗体３を固定した構造を有し、プ
ラスチツク基板２を介して伝達された歪により金
属箔などの感歪抵抗体３の電気抵抗が変化するこ
とを利用して歪を電気信号として検出するもので
ある。第１図に示した構造では、歪ゲージ１は、
検出対象部材４上に接着剤５により接着・固定さ
れており、したがつて検出対象物４において発生
した歪は接着剤５、プラスチツク基板２を介して
感歪抵抗体３に伝達される。感歪抵抗体３が歪む
ことにより、その電気抵抗値は変化し、これがリ
ード線６ａ，６ｂにより取出されるように構成さ
れている。

ところで、上述のように従来の歪ゲージ１は、
接着剤５を用いて検出対象物４に接着されて使用
されるものであるため、検出対象物４が頻繁に
振動を繰返すものである場合、あるいは外部か
ら振動・衝撃などが加わつた場合、接着剤５が劣
化し、接着力の低下により歪ゲージ１が検出対象
物４から剥離するという問題があつた。また、80
℃以上の高温の環境の下で使用した場合には、接
着剤５が軟化するため、検出対象物４に歪が発生
したとしても正確にその歪を検出し得ないという
欠点があつた。

また、従来の歪ゲージ１では、接着剤５により
検出対象物４に接着固定するものであるため、正
確な歪検出を行なうには接着剤５を均一にむらな
く塗布することが必要であるが、この作業にはか
なりの熟練を要するという問題もあつた。

発明の目的 この発明の目的は、上述の諸問題に鑑み、外部
からの振動や衝撃が繰返し加えられも感歪部は剥
離を生ずることがなく、また80℃以上の高温下で
使用しても繰返し使用することができるととも
に、良好な歪−電気抵抗変換作用を示し、信頼性
に優れた歪検出を行なうことが可能な歪センサを
提供することにある。

発明の構成 この発明に従つた歪センサは、受歪構造部材
と、感歪抵抗層と、複数個の電極層とを備える。
受歪構造部材は、加えられる力に応じて歪を発生
する。感歪抵抗層は、受歪構造部材の上に直接、
蒸着形成され、かつ歪に従つてその電気抵抗が変
化する。電極層は感歪抵抗層の上に形成されてい
る。感歪抵抗層は、第１の半導体層と第２の半導
体層とを含む。第１の半導体層は受歪構造部材側
に形成され、第１の電気抵抗を有する。第２の半
導体層は電極層側に形成され、第１の電気抵抗よ
りも低い第２の電気抵抗を有し、第１の半導体層
と同一の半導体成分を含む。電極層間において少
なくとも受歪構造部材を通る経路の電気抵抗が、
電極層間において第２の半導体層のみを通る経路
の電気抵抗の10²倍以上である。

この発明のその他の特徴は、以下の実施例の説
明により明らかとなろう。

実施例の説明 第２図は、この発明の第１の実施例を説明する
ための略図的正面断面図である。この実施例は、
検出対象物１４の歪を測定するものであるが、こ
こでは検出対象物１４自身が受歪構造部材とな
る。すなわち、受歪構造部材としての検出対象物
１４上に、直接感歪抵抗薄膜層１７が、たとえば
化学蒸着および物理蒸着などの蒸着法その他の薄
膜形成手段により密着形成されている。感歪抵抗
薄膜層１７は、２層のシリコン薄膜抵抗層１８，
１９から構成されており、第２のシリコン薄膜抵
抗層１９上にはリード線１６ａ，１６ｂを接続す
るための取出電極２１ａ，２１ｂが形成されてい
る。なお、２２は防湿のための樹脂層を示す。

第１のシリコン抵抗薄膜層１８は、第２のシリ
コン抵抗薄膜層１９に比べて相対的に高い電気抵
抗を有するように構成されている。すなわち、第
１のシリコン抵抗薄膜層１８が、感歪抵抗薄膜層
１７の第１の領域を構成し、他方、第２のシリコ
ン抵抗薄膜層１９が第２の領域を構成している。

さらに、電極２１ａ，２１ｂ間において、第２
のシリコン抵抗薄膜層１９、第１のシリコン抵抗
薄膜層１８、受歪構造部材としての検出対象部材
１４、第１のシリコン抵抗薄膜層１８および第２
のシリコン抵抗薄膜層１９を順次通る経路の電気
抵抗が、第２のシリコン抵抗薄膜層１９を介した
電極２１ａ，２１ｂ間の電気抵抗の10²倍以上と
されている。したがつて、いま検出対象物を兼ね
る受歪構造部材１４に歪が発生したとき感歪抵抗
薄膜層１７も同様に歪むが、検出対象部材１４が
導電性であつても、感歪抵抗薄膜層１７が上述の
ように構成されているため、感歪抵抗薄膜層１７
の第２のシリコン抵抗薄膜層１９における歪に基
づく電気抵抗の変化を正確にリード線１６ａ，１
６ｂにより取出すことができる。これを、第２図
に示した実施例の等価回路図を示す第３図に則し
てより具体的に説明する。なお第３図では、電極
２１ａ，２１ｂおよび検出対象物１４の抵抗は０
と近似してある。第３図において、ＡおよびＢ
は、それぞれリード線１６ａ，１６ｂを示し、
R₁は、第２図の電極２１ａ−第２のシリコン抵
抗薄膜層１９−電極２１ｂ間の電気抵抗を示し、
R₂は電極２１ａ−第２のシリコン抵抗薄膜層１
９−第１のシリコン抵抗薄膜層１８−受歪構造部
材としての検出対象物１４間の抵抗を示し、R₃
は電極２１ｂ−第２のシリコン抵抗薄膜層１９−
第１のシリコン抵抗薄膜層１８−検出対象物１４
間の抵抗を示す。感歪抵抗薄膜層１７が上述のよ
うに構成されているため、第３図の回路図におい
て、R₁，R₂，R₃の抵抗値の関係は、R₂≫R₁，R₃
≫R₁となる。

したがつて、感歪抵抗薄膜層１７の第２のシリ
コン抵抗薄膜層１９を介した電極２１ａ，２１ｂ
間の電気抵抗は、検出対象物１４から確実に絶縁
され、良好な歪−電気抵抗変換作用を示し、信頼
性に優れた歪検出を行なうことが可能である。

なお、本願発明者達の実験によれば、上述のよ
うな絶縁作用を十分に発揮させるためには、第１
のシリコン抵抗薄膜層１８の電気抵抗率は１×
10⁴Ωcm以上とすることが好ましいことがわかつ
ている。また、感歪抵抗薄膜層１７の歪−電気抵
抗変化に良好な感度を与え、かつ第２のシリコン
抵抗薄膜層１９から電気出力信号を外部に取出す
場合に抵抗値を低くし、Ｓ／Ｎ比を向上させ、よ
り精度の優れた検出を行なうには、第２のシリコ
ン抵抗薄膜層１９の電気抵抗率を１×10²Ωcm以
下とすることが望ましいことがわかつている。

上述のように、第２図に示した実施例では、受
歪構造部材が検出対象部材１４を兼ねているもの
であり、この検出対象部材１４上に、感歪抵抗薄
膜層１７および電極２１ａ，２１ｂが直接形成さ
れるため、従来のように接着剤を用いずに歪セン
サを構成することができ、したがつて接着剤層の
存在に基づく種々の問題をすべて解消し得ること
がわかる。すなわち接着剤層の剥離あるいは接着
剤層の軟化に伴なう検出精度の低下等を効果的に
解消できる。

なお、第２図に示した実施例では感歪抵抗薄膜
層１７は２層のシリコン抵抗薄膜層１８，１９に
より構成されており、したがつて検出対象物とし
ての受歪構造部材１４上に形成するに際し、同一
の設備で同一主成分の材料を用いて連続的に成膜
することができる。混入すべき不純物の濃度を変
えることにより、容易に電気抵抗の異なる２個の
領域を形成し得るからである。また、薄膜形成技
術により形成するものであるため、膜質も均一で
あり、したがつて検出精度をより一層高めること
ができ、さらにはコストの低減にも大きく寄与す
る。

なお、感歪抵抗薄膜層１７を構成する材料は、
上記したアモルフアスシリコンに限らず、ゲルマ
ニウム炭素（ダイヤモンド）、ガリウム−ヒ素、
ガリウム、燐など様々な材料を用いることができ
る。また、感歪抵抗薄膜層１７を構成する２個の
電気抵抗の異なる領域は、別々に形成してもよ
く、さらに３層以上の多層薄膜により構成しても
よいことは言うまでもない。また、受歪構造部材
としての検出対象物１４は、金属等の導電性材料
でなくともよく、すなわち絶縁材よりなるもので
もよい。

第４図は、第２図に示した実施例を応用した圧
力センサを示す縦断面図である。圧力センサ３１
は、圧力を検出すべき流体が取込まれる導入孔３
２を有する円筒部材３３と、円筒部材３３が螺着
された本体３４とを備え、本体３４には、流体の
圧力により歪み得る受歪構造部材３５が設けられ
ている。この受歪構造部材３５上に上述した第１
のシリコン抵抗薄膜層１８、第２のシリコン抵抗
薄膜層１９および電極２１ａ，２１ｂが直接形成
されている。電極２１ａ，２１ｂの上方には合成
樹脂からなる防湿層２２が形成されており、防湿
層２２から上方に引出されたリード線１６ａ，１
６ｂは、支持体３６の内面に固定された円板３７
の開口３８、樹脂モールド層３９、キヤツプ４０
の開口４１を介して、圧力センサ３１外へ引出さ
れている。したがつて、リード線１６ａ，１６ｂ
に外力が加わつたとしても、樹脂モールド層３９
において固定されているため、この外力は樹脂モ
ールド層３９で受止められ、歪センサ部分には伝
達されない。

第４図に示した圧力センサ３１では、流体の圧
力が、受歪構造部材３５を介して第２のシリコン
抵抗薄膜層１９に伝達された歪に基づきリード線
１６ａ，１６ｂより電気抵抗の変化として検出さ
れる。このように、第２図に示した実施例は、圧
力センサ３１のように専用のセンサとして構成し
た場合特に有利である。受歪構造部材３５上に予
め蒸着等の薄膜形成手段により感歪抵抗薄膜層を
形成し得るからである。

なお、第２図に示した実施例では、複数の電極
として２個の電極２１ａ，２１ｂを設けていた
が、これに限らず、３個以上の任意の電極を形成
してもよい。たとえば第５図に略図的回路図で示
すように、４個の電極を形成し、ブリツジを形成
してもよい。第５図において、６１，６２，６
３，６４は感歪抵抗薄膜層の第２の領域を、Ｅお
よびＲは外部電源および外部抵抗を示す。

発明の効果 以上のように、この発明によれば、歪を発生す
る受歪構造部材の上に感歪抵抗層が直接、蒸着形
成されているので、従来、問題となつていた接着
剤層を省略することができる。したがつて、外部
からの振動や衝撃が繰返し加えられても感歪抵抗
層は受歪構造部材から剥離することがなく、また
80℃以上の高温度下で使用しても繰返し使用する
ことができ、信頼性に優れた歪センサを得ること
ができる。

また、感歪抵抗層は第１と第２の半導体層を含
み、受歪構造部材側に形成された第１の半導体層
の電気抵抗が、電極層側に形成された第２の半導
体層よりも高くなつている。そのため、受歪構造
部材が導電性を示す場合において、受歪構造部材
と感歪抵抗体となる領域との間に電気抵抗率の極
めて高い絶縁層を形成しなくても、電極層間にお
いて第２の半導体層のみを通る経路が受歪構造部
材から確実に絶縁され得る。その結果、感歪抵抗
体となる第２の半導体層が良好な歪−電気抵抗変
換作用を示し、信頼性に優れた歪検出を行なうこ
とが可能になる。

さらに、感歪抵抗層を構成する２種類の半導体
層は同一の半導体成分を含んでいる。そのため、
この２種類の半導体層は同一の設備で同一主成分
の材料を用いて連続的に形成され得る。半導体層
に混入すべき不純物の濃度を変えることにより、
容易に電気抵抗の異なる２種類の半導体層を形成
することができる。また、これらの半導体層は蒸
着形成されるので、その膜質も均一である。した
がつて、歪センサの検出精度をより一層高めるこ
とができ、さらには生産コストの低減にも大きく
寄与することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の歪ゲージの一使用例を示す略
図的断面図である。第２図は、この発明の一実施
例を示す略図的断面図である。第３図は、第２図
に示した実施例の等価回路図である。第４図は、
第２図に示した実施例を応用した圧力センサの具
体的構造を示す縦断面図である。第５図は、この
発明のさらに他の実施例の等価回路図である。 図において、１４，３５，５１は受歪構造部
材、１７は感歪抵抗薄膜層、１８は第１の領域と
しての第１の半導体抵抗薄膜層、１９，６１，６
２，６３，６４は第２の領域としての第２の半導
体抵抗薄膜層、２１ａ，２１ｂは電極を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 加えられる力に応じて歪を発生する受歪構造
   部材と、 前記受歪構造部材の上に直接、蒸着形成され、
   かつ前記歪に従つてその電気抵抗が変化する感歪
   抵抗層と、 前記感歪抵抗層の上に形成された複数個の電極
   層とを備え、 前記感歪抵抗層は、前記受歪構造部材側に形成
   され、第１の電気抵抗を有する第１の半導体層
   と、前記電極層側に形成され、前記第１の電気抵
   抗よりも低い第２の電気抵抗を有し、前記第１の
   半導体層と同一の半導体成分を含む第２の半導体
   層とを含み、 前記電極層間において少なくとも前記受歪構造
   部材を通る経路の電気抵抗が、前記電極層間にお
   いて前記第２の半導体層のみを通る経路の電気抵
   抗の10²倍以上であることを特徴とする、歪セン
   サ。 ２ 前記第１の半導体層の電気抵抗率が１×
   10⁴Ωcm以上であり、前記第２の半導体層の電気
   抵抗率が１×10²Ωcm以下である、特許請求の範
   囲第１項に記載の歪センサ。