JPH06201492A - 力変換素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 力が印加されない状態でのオフセット電圧が
０でありながら、素子感度の高い高性能の力変換素子を
提供すること。 【構成】 （０１１）面を有するＳｉ単結晶体３０と、
Ｓｉ単結晶体３０の＜００１＞方向および＜００−１＞
方向に形成された一対の入力電極６０ａ，６０ｂと、＜
０１０＞方向および＜０−１０＞方向に形成された一対
の出力電極６２ａ，６２ｂと、Ｓｉ単結晶体３０の（０
１１）面に接合された力伝達ブロック体４０と、Ｓｉ単
結晶体３０の前記接合面と反対側の面に接合された支持
台座５０と、を含む力変換素子である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、力変換素子、特に半導
体のピエゾ抵抗効果を利用して、圧縮力を電気信号に変
換する力変換素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体のピエゾ抵抗効果を利
用した力変換素子が周知であり、例えば圧力検出器、ロ
ードセル、さらには内燃機関の燃焼圧力のような高温流
体用圧力検出器として用いられている。

【０００３】このような力変換素子としては、半導体Ｓ
ｉを用いたものが一般に用いられている。例えば、π´
₁₁型と呼ばれる電流・電圧・力平行型の方式を用いたも
の、π´₁₃型と呼ばれる電流・電圧平行・力直交型の方
式を用いたもの、π´₆₃型と呼ばれる電流・電圧・力直
交型の検知方式のものなどがある。

【０００４】図１４には、電流・電圧・力平行π´₁₁型
の検出方式を用いた力変換素子が示されている。この力
変換素子は、Ｓｉ単結晶体１０の（１１０）面１０ａ上
に、その＜１−１０＞方向に入力電極１１，１１´及び
出力電極１２，１２´が設けられている。

【０００５】Ｓｉ単結晶体１０は、接着材１４を介し起
歪材１６に接着されている。前記入力電極１１，１１´
には、電源１８から定電流が供給され、＜１−１０＞方
向に加えられた力Ｔ₁ に相当する電気信号を出力電極１
２，１２´間の出力電位の差として測定器２０で測定す
る。なお、図１４において入出力電極方向（＜１−１０
＞方向）を１軸、Ｓｉ単結晶体１０上の同一面で１軸に
直交する方向を２軸、さらに前記１，２軸の両方向に直
交する方向（＜１１０＞方向）を３軸とする。

【０００６】そして、この力変換素子は、起歪材１６
に、Ｓｉ単結晶体１０の＜１−１０＞方向の力が印加さ
れた場合に、この力を電圧として測定器２０を用いて電
気的に検出するものである。

【０００７】すなわち、この力変換素子は、力が印加さ
れる前には、入力抵抗値に比例したオフセット電圧が発
生している。このオフセット電圧Ｖ_OFFSETは、次式で表
される。

【数１】 ここで、ρはＳｉ単結晶体１０の比抵抗、ｂは入出力電
極間の間隔、ｔはＳｉ単結晶体１０の厚さ、ｗはＳｉ単
結晶体１０の幅、Ｉ_supplyは印加電流である。

【０００８】そして、前述した力を起歪材１６に印加す
ると、Ｓｉ単結晶体１０の入出力電極間からは次式で表
す電圧Ｖ_out が出力される。

【数２】 ここで、Ｔ₁ はＳｉ単結晶体１０上に発生する＜１−１
０＞方向（１軸方向）の応力成分である。

【０００９】ところで、この力変換素子は、入力電極１
１，１１´と出力電極１２，１２´とが共通である。こ
のため、前記数１で示すように、無負荷時においても、
入出力電極間の抵抗値と印加電流Ｉ_supplyとの積で表さ
れる大きなオフセット電圧Ｖ_offsetが生じるという問題
があった。特に、このオフセット電圧は温度変化によ
り、その値が大きく変動し、これが大きな誤差成分にな
って表れるという問題があった。

【００１０】また、素子出力を増幅器により増幅する場
合においても、その構成が複雑になるという問題があっ
た。

【００１１】このようなオフセット電圧の問題を解消す
るため、電流・電圧・力直交型π´₆₃型の検出技術も提
案されている。この検出技術は、電流・電圧平行力垂直
π´₁₃型の効果を用いた複数のゲージを、等価的にブリ
ッジ配置にし、その出力を取り出す構成としたものであ
る。

【００１２】図１５には、このπ´₆₃の検出技術に係る
力変換素子が示されている。

【００１３】この力変換素子は、Ｓｉ単結晶体９の（１
１０）面上の一方の面上に力伝達ブロック体２２を、他
方の（１１０）面上に支持台座２４を接合した構造とな
っている。そして、Ｓｉ単結晶体９の一方の（１１０）
面上において、その＜００１＞方向から＜１−１０＞方
向に向け４５°回転した方向に一対の電極２５，２５´
を形成し、１３５°回転した方向に、さらにもう一対の
電極２６，２６´を形成し、その一方を入力電極とし、
他方を出力電極として用いている。

【００１４】そして、入力電極２５，２５´に定電圧を
印加し、（１１０）面に垂直に印加された圧縮力Ｗを出
力電極２６，２６´間の電位差として読み取る（特開昭
６２−１９０４０９）。

【００１５】この出力検出方式において、その出力電圧
は、ピエゾ抵抗係数π´₆₃を用いて表現される。入力電
極方向を１軸、それに直交する出力電極方向を２軸、さ
らに１，２の両方向に直交する力印加方向を３軸とすれ
ば、出力電圧値は次式で表される。

【数３】 ここにおいて、ｋは素子の形状により決まる係数であ
る。

【００１６】このように構成された力変換素子は、等価
回路的には、図１６に示すブリッジ回路で表される。す
なわち、このタイプの力変換素子は、等価回路的には、
電流・電圧平行力直交π´₁₃型の効果を用いる複数のゲ
ージを等価的にブリッジ配置したのもである。

【００１７】このように、この力変換素子は、抵抗変化
を等価回路的に見てブリッジ構成とすることにより、そ
のオフセット電圧を０Ｖにする構成である。

【００１８】この半面、この力変換素子では、図１６に
示す簡易的な等価回路から見ると、４つの抵抗のうち＜
１−１０＞方向の抵抗は応力により、ＲからΔＲだけ変
化するが、＜００１＞方向の２つの抵抗はほとんど変化
しない。したがって、この等価回路の出力は、無荷重時
の抵抗値をＲ，荷重印加時の＜１−１０＞方向のピエゾ
抵抗効果による抵抗の増加分をΔＲとすると、次式のよ
うに表される。

【数５】 また、電流・電圧平行力垂直π´₁₃型素子の出力電圧
の、荷重印加による増加分は、前記数５と同様な表現を
用いれば近似的に次式で表される。

【数６】 このため、前記数５と数６を比較すると、このタイプの
力変換素子は、前記図１４に示す力変換素子を用いた電
流・電圧・力平行のπ´₁₁型検知方式や、ブリッジ構成
にせず、大きなオフセット電圧を有する電流・電圧・平
行力直交のπ´ ₁₃型検知方式に比べ、その素子出力が小
さく、約２分の１の出力になるという問題があった。

【００１９】またこのことは、表１で示すように、素子
出力の主力となるピエゾ抵抗係数π´₁₃とπ´₆₃を比較
すると、その値が約２分の１であることからも明らかで
ある。

【表１】 図１５に示す力変換素子の出力電圧を実際に求めると、
次にようになる。

【００２０】例えば、入力電圧Ｖ_supplyとして１Ｖを印
加し、応力Ｔ₃ ＝１５ｋｇ／ｍｍ²を加えたときの出力
は、ｋ＝１と仮定すれば、計算上、次式で表される。

【数４】 しかし、この従来の力変換素子では、電極構成などの関
係からｋは１より小さい。図１７には、この力変換素子
の実際の出力特性が示されている。同図に示す特性から
明らかなように、従来の素子は、ｋが１より小さいこと
から、その素子出力は前記数４の値よりも小さい２３ｍ
Ｖとなる。

【００２１】これに加え、前述した各力変換素子では、
素子作成時における部材の各形状のばらつき、取り付け
位置の誤差等に起因し、素子出力に誤差が含まれてしま
うという問題があった。たとえば、図１５に示す力変換
素子では、力伝達ブロック２２，支持台座２４の形状の
ばらつきや、Ｓｉ単結晶体９に対するこれらブロック２
２，支持台座２４の取り付け位置ばらつき等に起因し、
素子出力に比較的大きな誤差成分が含まれてしまうとい
う問題があった。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、無
負荷時のオフセット電圧が０であり、しかも素子作成時
における形状のずれ、取り付け位置のばらつき等に起因
した出力誤差が小さく、かつ素子自体の感度の高い力変
換素子を得ることにある。

【００２３】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、受圧面として（０１１）面または（０−
１−１）面を有するように形成されたＳｉ単結晶体と、
前記Ｓｉ単結晶体の＜００１＞方向および＜００−１＞
方向に形成された一対の第１電極と、＜０１０＞方向お
よび＜０−１０＞方向に形成された一対の第２電極とを
有し、これらの一方を入力電極、他方を出力電極として
用いる複数の電極と、前記Ｓｉ単結晶体の受圧面に接合
され、加えられた圧縮力をその結晶面に垂直に伝達する
力伝達ブロック体と、前記Ｓｉ単結晶体の前記受圧面と
反対側の面に接合された支持台座と、を含み、前記Ｓｉ
単結晶体は、＜０１１＞方向への圧縮力の印加にともな
い、＜０１１＞方向の圧縮応力と共に＜０１−１＞方向
および＜０−１１＞方向に大きな引張応力が発生する構
成としたことを特徴とする。

【００２４】ここにおいて、前記Ｓｉ単結晶体の受圧面
は、その断面形状および面積が、前記力伝達ブロック体
の接合断面形状および断面積と等しくなるよう形成する
ことが好ましい。

【００２５】また、前記Ｓｉ単結晶体の受圧面と反対側
の面は、その断面形状および面積が、前記支持台座の断
面形状および断面積と等しく形成することが好ましい。

【００２６】また、力伝達ブロックおよび支持台座の剛
性率をＳｉ単結晶体よりも小さく形成することが好まし
い。

【００２７】また、ｐ型Ｓｉ単結晶を用いた場合には、
不純物濃度が約５×１０¹⁸（／ｃｍ³ ）、あるいは約２
×１０²⁰（／ｃｍ³ ）とすることが好ましい。

【００２８】（考案の着目点および概念）前記従来技術
では、力変換素子内に発生する歪み（応力）のうち、単
一成分のみを用いることしか考えておらず、その結果、
効果的に力を検出できなかった。

【００２９】そこで、本発明者は、力変換素子の等価回
路の４つのブリッジ抵抗が全て有効に変化するよう、Ｓ
ｉ単結晶体の結晶方向と力印加方向を選択すれば、出力
の大きい力変換素子が得られることを考えついた。直交
座標系の各座標を、それぞれ１，２，３軸とすると、応
力は各軸に平行な垂直応力成分Ｔ1 〜Ｔ3 と、剪断応力
成分Ｔ4 〜Ｔ6 とで表される。そこで、力が印加される
方向の応力成分Ｔ₁ と、二次的に発生するそれ以外の応
力成分Ｔ2 〜Ｔ6 とが、素子出力を向上させる方向に有
効に作用するような素子構造とすることにより、素子出
力が向上する。

【００３０】図５には、本発明の力変換素子に圧縮力を
印加した際発生する応力分布のＦＥＭ(Finite Element
Method有限要素法）解析結果が示されている。この解析
に用いた力変換素子は、Ｓｉ単結晶体の上下両面に、断
面形状がＳｉ単結晶体と同じく長方形であり、断面積が
等しく、しかもＳｉ単結晶体と比べて剛性率の低いガラ
ス等の材料を、力伝達ブロック体および支持台座として
接合した構造体を用いた。ここでは、Ｓｉ単結晶体に圧
縮力を作用させる（０１１）面は、長方形状に形成され
ている。なお、＜０１１＞方向を１軸，＜０−１１＞方
向を２軸，＜１００＞方向を３軸とする。

【００３１】このような構造体の力変換素子を用い、そ
のＳｉ単結晶体の接合面に垂直に力が加わるよう＜０１
１＞方向に圧縮力を印加し、この場合に得られる応力分
布をＦＥＭ解析した結果が、同図に表されている。Ｓｉ
単結晶体全域に負の記号で表現される圧縮応力Ｔ₁ が発
生することが分かる。

【００３２】図６には、Ｓｉ単結晶体の２軸方向への応
力成分Ｔ2 が示され、図７には、Ｓｉ単結晶体の３軸方
向への応力成分Ｔ3 が示されている。

【００３３】これらの解析結果によれば、図５に示す構
造体の断面積が前記ｌ₂ ／ｌ₁ が１以上の長方形の場
合、Ｓｉ単結晶体中に、長方形の短辺方向（２軸方向）
に大きな引張応力Ｔ2 が発生することがわかった。

【００３４】ところで、たとえばｐ型Ｓｉ単結晶体の
（１００）面におけるピエゾ抵抗係数を見ると、表２の
ようになっていることが知られている。

【表２】 ここにおいて、π´_ijは、ｊ方向の応力に伴うｉ方向の
抵抗変化量に相当する値と考えるとよい。

【００３５】本発明者は、これらのピエゾ抵抗係数のう
ち、絶対値の大きなπ´₁₁，π´₂₂，π´₁₂を有効に使
い、軸方向への圧縮力印加にともない発生する１方向の
みの応力成分だけではなく、それにともない発生する応
力の２方向および３方向への引張応力成分をも重畳する
ことを考えついた。そして、等価回路的に表現された各
ブリッジ抵抗が、素子出力を最大に引き出せるように、
素子構成を実現した。

【００３６】以下にその構成を説明する。

【００３７】（発明の構成）本発明の力変換素子の主要
な構成を図１（Ａ）に示す。図１（Ｂ）には、Ｓｉ単結
晶体の各面の方向が示されている。同図に示す力変換素
子は、圧縮力が加えられる面として（０１１）面を有す
るよう形成されたＳｉ単結晶体３０と、このＳｉ単結晶
体３０の（０１１）面に接合された力伝達ブロック体４
０と、前記Ｓｉ単結晶体３０の（０−１−１）面に接合
された支持台座５０とを含む。

【００３８】前記Ｓｉ単結晶体３０の、＜０１０＞方向
および＜０−１０＞方向に電極形成面３２ａ，３２ｂを
形成し、ここに一対の第１電極６０ａ，６０ｂを設け
る。

【００３９】さらに、前記Ｓｉ単結晶体３０の＜００１
＞および＜００−１＞方向に電極形成面３４ａ，３４ｂ
を形成し、ここに一対の第２電極６２ａ，６２ｂを設け
る。

【００４０】そして、図２に示すよう、電源６４からい
ずれか一対の電極、たとえば第１の電極６０ａ，６０ｂ
に電圧を印加し、Ｓｉ単結晶体３０内全体に電流を流
す。

【００４１】そして、力伝達ブロック体４０に作用する
圧縮力Ｗに比例した電圧出力を、他の一方の電極、たと
えば第２電極６２ａ，６２ｂを介して取り出し、測定器
６６を用いて測定する。

【００４２】

【作用】本発明の力変換素子の作用は、細長い形状のゲ
ージをシリコン上のある方向に形成した従来の力変換素
子とは異なるため、従来技術で述べたような直交座標系
に沿った電流・電圧・力を用いた単純な検出方式によっ
ては説明できない。

【００４３】まず、本発明の力変換素子の入力電圧６０
ａ，６０ｂ間に定電圧を印加した場合を想定する。

【００４４】力変換素子に力を印加していない場合、Ｆ
ＥＭ解析によると、Ｓｉ単結晶体３０には、図８に示す
ような電流が流れる。このとき両出力電極６２ａ，６２
ｂ間の電位差は０Ｖである。

【００４５】ここで、ローカルな座標系を、Ｓｉ単結晶
体３０の結晶面の方向に基づき、＜０１−１＞，＜０１
１＞，＜１００＞方向と定義する。

【００４６】次に、力変換素子の力伝達ブロック４０に
対し、＜０１１＞方向に力を印加すると、前述した図５
〜７に示すように、Ｓｉ単結晶体３０には、印加した力
Ｗに比例する＜０１１＞方向の圧縮応力Ｔ1 が生じ、し
かも、＜０１−１＞方向および＜０−１１＞方向にも引
張応力Ｔ₂ が生じる。なお、剪断応力成分による出力
は、全体的にも小さいため無視できる。また、＜１００
＞方向の応力成分Ｔ3 による抵抗の変化量も、一軸およ
び二軸方向の抵抗変化に関連したピエゾ抵抗係数π
´₁₃，π´₂₃が小さいため、省略する（表２参照）。

【００４７】なお、＜０１１＞方向への圧縮力の印加に
ともない、Ｓｉ単結晶体３０が、＜０１−１＞方向およ
び＜０−１１＞方向に引張応力Ｔ₂ をより効果的に発生
する構成として、必要に応じ各種構成が採用できる。た
とえば、図１に示すようＳｉ単結晶体３０の力伝達ブロ
ック体４０と接触する（０１１）が長方形状をしている
ような場合には、その＜０１−１＞方向の長さｌ₁ と、
＜１００＞方向の長さｌ₂ との比ｌ₂ ／ｌ₁ が１以上
で、かつ２以下とすることが好ましい。さらに、Ｓｉ単
結晶体１０の＜０１−１＞方向の長さｌ₁ と，高さ＜０
１１＞方向の長さｌ₃ との比ｌ₃ ／ｌ₁ が１以上であ
り、かつ３以下となるように形成することが好ましい。

【００４８】本発明の力変換素子の出力を説明するた
め、前述した発生応力を考慮し、力変換素子を簡略化し
た等価回路として表現すると、図３に示すようなフルブ
リッジ回路となる。ここにおいて、ΔＲ₁ ，ΔＲ₂ ，Δ
Ｒ₃ ，ΔＲ₄ は、ピエゾ抵抗係数π´₂₂，π´₂₁，π´
₁₁，π´₁₂の効果による抵抗変化分であり、その変化量
は、次式で表現される。

【数７】

【数８】

【数９】

【数１０】 ここでπ´_ijは、表２に示す値であり、ｊ方向の応力に
基づく、ｉ方向の抵抗の変化量に比例した値である。Ｔ
_i はｉ方向の応力、Ｒは素子の抵抗値である。

【００４９】この等価回路で表される力変換素子の出力
は、フルブリッジ回路の出力端の電圧となり、次の数１
１で表現される。

【数１１】 表２のピエゾの値より、π´₁₁＝π´₂₂＝−π´₁₂の関
係が成立する。したがって、前記数７〜１０から、ΔＲ
₁ ＝−ΔＲ₃ ，ΔＲ₂ ＝−ΔＲ₄ の関係が成立し、この
結果各ΔＲの間には次式で示す関係が成立する。

【数１２】 前記数１２を数１１に代入すると、数１１は次のように
簡略化される。

【数１３】 ここで、力変換素子の入力電極６０ａ，６０ｂに１Ｖの
電圧を印加し、力伝達ブロック体４０に１５ｋｇ／ｍｍ
² の圧力を印加した場合を考える。このとき発生する各
応力値として、Ｔ1 ＝−１５ｋｇ／ｍｍ² ，Ｔ2 ＝１．
５ｋｇ／ｍｍ²の平均応力値を用いると、入力電圧１Ｖ
当たりの出力は、前記数１３より、ΔＶ＝１０９（ｍＶ
／１５ｋｇＶ）と算出される。従来の、オフセット電圧
が０Ｖタイプのピエゾ抵抗効果を用いた力変換素子で
は、その出力の最高値は、電流・電圧・力直交π´₆₃型
の４９（ｍＶ／１５ｋｇＶ）である。したがって、本発
明の力変換素子は、前述した単純な計算式からは、従来
素子の以上の素子出力を得ることができる。

【００５０】したがって、本発明によれば、力が印加さ
れない状態のオフセット電圧が０でありながら、素子感
度の高い力変換素子を得ることができる。

【００５１】また、本発明の力変換素子では、図８に示
すよう、Ｓｉ単結晶体３０の全面に電流を流す構成とし
た。このことから、Ｓｉ単結晶体上に細いゲージを形成
した場合と異なり、素子作成時の形状のばらつきや、取
り付け位置のずれ等による出力誤差を大幅に低減でき
る。

【００５２】なお、以上の説明では、Ｓｉ単結晶体３０
の受圧面を（０１１）面とした場合を例にとり説明した
が、本発明はこれに限らず、受圧面として（０−１−
１）面を用いてもよい。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
力が印加されない状態でのオフセット電圧が０でありな
がら、素子感度の高い高性能の力変換素子を提供できる
という効果がある。

【００５４】これに加えて、Ｓｉ単結晶体の広い範囲に
電流を流す構造としたことにより、素子制作時における
各部の形状や、その取り付け位置に誤差があっても、発
生する出力誤差を小さくすることができ、精度の高い力
変換素子を得ることができるという効果がある。

【００５５】他の発明 また、本発明の力変換素子では、Ｓｉ単結晶体を、受圧
面を有する基台の側面に層状に形成してもよい。

【００５６】この様な力変換素子は、受圧面を有する基
台と、前記基台の受圧面に接合され、加えられた圧縮力
をその受圧面に垂直に伝達する力伝達ブロック体と、前
記基台の前記受圧面と反対側の面に接合された支持台座
と、前記基台の側面に層状に形成され、前記受圧面への
圧縮力印加方向に（０１１）面または（０−１−１）面
を向けた通電用Ｓｉ単結晶体と、前記通電用Ｓｉ単結晶
体の側面に、その＜００１＞方向および＜００−１＞方
向に形成された一対の第１電極と、＜０１０＞方向およ
び＜０−１０＞方向に形成された一対の第２電極とを有
し、これらの一方を入力電極、他方を出力電極として用
いる複数の電極と、を含み、前記通電用Ｓｉ単結晶体
は、前記基台に対する＜０１１＞方向への圧縮力の印加
にともない、＜０１−１＞方向および＜０−１１＞方向
に引張応力が発生するよう形成することで、構成でき
る。

【００５７】

【実施例】次に本発明の好適な実施例を図面に基づきに
詳細に説明する。

【００５８】第１実施例 図１には、本発明の第１実施例に係る力変換素子の斜視
図が示されており、図２には、この力変換素子を用いた
測定回路が示されている。なお、図１，図２において、
＜０１１＞，＜０１−１＞，＜１００＞方向を簡易的に
１軸，２軸，３軸方向と定義する。

【００５９】本実施例の力変換素子は、比抵抗２０Ω・
ｃｍのｐ型Ｓｉ単結晶体３０の（０１１）面を、＜０１
−１＞方向の長さがｌ₁ で、＜１００＞方向への長さが
ｌ₂の長方形状に形成している。そして、このＳｉ単結
晶体３０の（０１１）面および（０−１−１）面上に、
それぞれ水平断面形状が等しいガラスやセラミックス製
の力伝達ブロック体４０および支持台座ブロック５０
が、陽極接合などの接合技術により接合されている。

【００６０】ここにおいて、前記Ｓｉ単結晶体３０の＜
０１１＞方向への圧縮力印加にともない、効果的に＜０
１−１＞方向および＜０−１１＞方向に引張応力が誘起
されるよう、Ｓｉ単結晶体３０を形成することが好まし
い。このためには、例えば、前記Ｓｉ単結晶体３０の
（０１１）面を長方形状に形成し、その＜０１−１＞方
向と＜１００＞方向の長さｌ₁ ，ｌ₂ の比ｌ₂ ／ｌ₁ が
１以上２以下となるよう形成することが好ましい。さら
に、前記Ｓｉ単結晶３０の＜０１−１＞方向と、＜０１
１＞方向の長さｌ₁ ，ｌ₃ の比ｌ₃ ／ｌ₁ が１以上３以
下となるよう形成することが好ましい。

【００６１】本実施例において、Ｓｉ単結晶体３０の長
方形状をした（０１１）面は、 ｌ₁ ：ｌ₂ ＝２：３ のアスペクト比に形成されている。これにより、＜０１
１＞方向への圧縮応力印加にともない、＜０１−１＞お
よび＜０−１１＞方向に引張応力Ｔ₂ が効果的に生ずる
ことになる。

【００６２】また、前記Ｓｉ単結晶体３０は、その＜０
１０＞方向，＜０−１０＞方向に、（０１０）面，（０
−１０）面からなる電極形成面３２ａ，３２ｂが形成さ
れ、これら電極形成面３２ａ，３２ｂ上にアルミニウム
等の金属により形成した一対の入力電極６０ａ，６０ｂ
が設けられている。

【００６３】さらに、これらの電極に対し、＜１００＞
軸を中心に９０°回転した方向、すなわちＳｉ単結晶体
３０の＜００１＞方向および＜００−１＞方向に、（０
０１）面および（００−１）面からなる電極形成面３４
ａ，３４ｂを形成し、これら各電極形成面３４ａ，３４
ｂに一対の出力電極６２ａ，６２ｂを同様の手法を用い
て設ける。

【００６４】したがって、実施例のＳｉ単結晶体３０
は、結果的に八角柱となる。

【００６５】図２には、実施例のＳｉ単結晶体３０を用
いた回路図が示され、前記入力電極６０ａ，６０ｂに
は、電源６４から定電圧が印加され、このとき出力電極
６２ａ，６２ｂから出力される電圧は、測定器６６で測
定される構成となっている。

【００６６】このような構成の力変換素子では、力伝達
ブロック体４０に力を印加していないときには、両出力
電極６０ａ，６０ｂからの電位差は０Ｖである。

【００６７】そして、力伝達ブロック体４０の＜０１１
＞方向に力Ｗを印加すると、Ｓｉ単結晶体３０に、主と
して＜０１１＞方向の圧縮応力Ｔ₁ と、＜０１−１＞方
向への引張応力Ｔ2 とが生じる。これらの応力のピエゾ
抵抗効果の重ね合わせにより、力変換素子からは、前記
数１３に示す電圧ΔＶが出力される。

【００６８】図４には、電源６４から電極６０ａ，６０
ｂ間に印加される電圧を１Ｖに設定し、力伝達ブロック
体４０に印加する圧力を変化させた場合に得られる出力
電圧の値が示されている。なお、図中実線は、本実施例
の測定データであり、点線は図１５〜１７に示す従来の
力変換素子の出力特性である。同図に示すよう、１５ｋ
ｇ／ｍｍ² の圧力を印加した場合に、実施例の力変換素
子では、４３ｍＶの電圧が実際に得られた。この出力電
圧は、同一の圧力を従来の力変換素子に加えた場合に実
際に得られる出力電圧２３ｍＶ（図１７参照）の約２倍
の値となる。

【００６９】第２実施例 図９には、本発明の第２実施例に係る力変換素子の斜視
図が示され、図１０にはこの力変換素子を用いた測定回
路図が示されている。

【００７０】本実施例の力変換素子の特徴は、その水平
断面形状がどの部分においても同じである四角柱構造と
したことにある。

【００７１】このため、実施例の力変換素子では、比抵
抗２０Ω・ｃｍの四角柱構造のｐ型Ｓｉ単結晶体３０が
用いられ、長方形状をしたその（０１１）面および（０
−１−１）面の、＜０１−１＞方向への長さがｌ₁ ，＜
１００＞方向への長さがｌ₂に設定されている。そし
て、このＳｉ単結晶体３０の（０１１）面および（０−
１−１）面には、水平断面積形状の等しい力伝達ブロッ
ク体４０および支持台座ブロック５０接合されている。

【００７２】前記Ｓｉ単結晶体３０は、＜０１１＞方向
への圧縮力印加にともない、効果的に＜０１−１＞方向
および＜０−１１＞方向に引張応力Ｔ₂ が誘起されるよ
う、ｌ₁ ：ｌ₂ ＝１：２のアスペクト比となるよう形成
されている。

【００７３】そして、前記Ｓｉ単結晶体３０の側面であ
る（０−１１）面の＜０１０＞方向および（０１−１）
面の＜０−１０＞方向には、一対の入力電極６０ａ，６
０ｂが設けられている。これらの入力電極に対し、＜１
００＞軸を中心に９０°回転した方向、すなわちＳｉ単
結晶体３０の（０１−１）面および（０−１１）面上
の、＜００１＞および＜００−１＞方向に一対の出力電
極６２ａ，６２ｂが設けられている。

【００７４】そして、前記実施例と同様に、前記入力電
極６０ａ，６０ｂに、電源６４から定電圧を印加し、こ
のとき出力電極６２ａ，６２ｂから得られる出力電圧を
測定器６６で測定している。

【００７５】図１１には、実施例の力変換素子の出力特
性図が示されている。同図に示すよう、実施例の力変換
素子は、１５ｋｇ／ｍｍ² の圧力を印加した際、その出
力電圧はΔＶ＝５４ｍＶとなることが確認された。

【００７６】なお、本実施例の力変換素子では、ｐ型Ｓ
ｉ単結晶体３０の不純物濃度が５×１０¹⁸（／ｃｍ³ ）
あるいは２×１０²⁰（／ｃｍ³ ）の場合、電圧出力ΔＶ
の温度に対する変動の少ない力変換素子が構成できる。

【００７７】第３実施例 図１２には、本発明の第３実施例に係る力変換素子の斜
視図が示されている。なお、本実施例において前記第２
実施例と対応する部材には同一符号を付し、その説明は
省力する。

【００７８】本実施例の特徴は、入力電極６０ａ、６０
ｂから電流が通電されるＳｉ単結晶体３０を、基台８０
の側面に層状に形成したことにある。

【００７９】すなわち、前記基台８０は、受圧面８２が
長方形状の四角柱形状に形成されている。この基台８０
の受圧面８２には、前記実施例と同様な手法により力伝
達ブロック体４０が接合され、基台８０の他方の面８４
には支持台座ブロック５０が接合されている。

【００８０】そして、前記基台８０の側面には、入力電
極６０ａ、６０ｂにより電流が通電されるＳｉ単結晶体
３０が、層状に形成されている。このＳｉ単結晶体３０
は、受圧面８２への圧力印加方向にその（０１１）面が
向くように形成されている。

【００８１】以下、前記力変換素子の具体的な構成を、
より詳細に説明する。

【００８２】実施例の力変換素子は、Ｓｉ単結晶体３０
を含む基台８０全体を、まずｎ型Ｓｉ単結晶体１００と
して形成する。

【００８３】このｎ型Ｓｉ単結晶体１００は、（０１
１）面を力伝達ブロック体４０と接合される受圧面８２
とし、（０−１−１）面を支持台座ブロック５０と接合
される面８４とする。

【００８４】このように、実施例の力変換素子は、基台
８０として機能するｎ型Ｓｉ単結晶体１００の（０１
１）面、（０−１−１）面に、力伝達ブロック体４０、
支持台座ブロック５０がそれぞれ接合され、断面形状が
長方形をした四角柱構造に形成されることになる。

【００８５】さらに、前記ｎ型Ｓｉ単結晶体１００は、
長方形をしたその（０１１）面の＜０１−１＞方向の長
さｌ₁ と，＜１００＞方向の長さｌ₂ のアスペクト比が
ｌ₁：ｌ₂ ＝２：３に設定されている。これにより＜０
１１＞方向への圧縮力印加にともない、効果的に＜０１
−１＞方向および＜０−１１＞方向に引張応力Ｔ₂ が誘
起されるようになる。

【００８６】そして、このｎ型Ｓｉ単結晶体１００の
（１００）面上に、熱拡散あるいはイオン注入などによ
り、不純物濃度が約５×１０¹⁸（／ｃｍ³ ）あるいは約
２×１０²⁰（／ｃｍ³ ）となるように制御したｐ型拡散
層７０を形成している。

【００８７】このｐ型拡散層７０が、基台８０の側面に
層状に形成された通電用のＳｉ単結晶体３０となる。

【００８８】また、前記ｎ型Ｓｉ単結晶体１００の拡散
層７０（３０）の表面上には、＜０１０＞方向および＜
０−１０＞方向に一対の出力電極６０ａ，６０ｂを設
け、これらの電極に対し、＜１００＞軸を中心に９０°
回転した方向、すなわち＜００１＞および＜００−１＞
方向に一対の出力電極６２ａ，６２ｂを設けている。

【００８９】以上の構成とすることにより、図１３に示
す荷重−出力特性をもつ力変換素子を得ることができ
る。

【００９０】特に、本実施例では、ｎ型Ｓｉ単結晶体１
００の（１００）面上に、通電用Ｓｉ単結晶体３０とし
て拡散層７０を形成し、この拡散層７０上に各電極を設
けている。このため、入力電極６０ａ，６０ｂを用いて
力変換素子を定電流駆動することにより、電圧出力が温
度に対して常に一定となる、いわゆる自己感度温度補償
タイプの力変換素子を得ることができる。

【００９１】なお、この第３実施例では、通電用のＳｉ
単結晶体層３０として、ｎ型Ｓｉ単結晶体１００の（１
００）面上に拡散層７０を形成した場合を例にとり説明
したが、前記基台８０としては、これ以外に各種構成の
ものを採用できる。例えば、基台８０としては、ｎ型Ｓ
ｉ単結晶体以外に、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎｉｎ
ｓｕｌａｔｅｒ）基板あるいはＳＩＭＯＸ（Separation
by IMplanted OXygen）を用い、その表面のＳｉ単結晶
体層を通電用に用いることもできる。

【００９２】以上の構成とすることにより、Ｓｉ単結晶
体３０と基台８０との間にｐ−ｎ接合部を有しない構造
となるため、高温での使用においても漏れ電流が小さ
い、高温用力変換素子を形成することができる。

【００９３】また、本発明は前記各実施例に限定される
ものではなく、本発明の要旨の範囲内で各種の変形実施
が可能である。

【００９４】例えば、前記第１、第２、第３実施例で
は、Ｓｉ単結晶体３０またはｎ型Ｓｉ単結晶体１００の
（０１１）面側を受圧面とする場合を例にとり説明した
が、本発明は、これに限らず、（０−１−１）面側を受
圧面とし、力伝達ブロック体と接合するよう形成して
も、前記実施例と同様な作用効果を奏することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の力変換素子の概略斜視説
明図である。

【図２】図１に示す力変換素子を用いた測定回路の説明
図である。

【図３】図２に示す力変換素子を等価的にブリッジ回路
で表した説明図である。

【図４】前記第１実施例に係る力変換素子の荷重−出力
特性図である。

【図５】図１に示す力変換素子に圧縮力を印加した場合
の応力分布のＦＥＭ解析結果の説明図である。

【図６】図１に示す力変換素子に圧縮力を印加した場合
に、＜０−１１＞方向に発生する圧縮応力分布のＦＥＭ
解析結果の説明図である。

【図７】図１に示す力変換素子に圧縮力を印加した際、
＜１００＞方向に発生する圧縮応力分布のＦＥＭ解析結
果の説明図である。

【図８】図１に示す力変換素子に力を印加していないと
きに流れる電流の、ＦＥＭ解析結果の説明図である。

【図９】本発明の第２実施例に係る力変換素子の概略斜
視説明図である。

【図１０】第２実施例の力変換素子を用いて構成された
測定回路の説明図である。

【図１１】第２実施例の力変換素子の荷重−出力特性図
である。

【図１２】本発明の第３実施例に係る力変換素子の概略
斜視説明図である。

【図１３】第３実施例の力変換素子の荷重−出力特性図
である。

【図１４】従来の力変換素子の概略説明図である。

【図１５】従来の他の力変換素子の概略説明図である。

【図１６】図１５に示す力変換素子を用いて構成された
測定回路の説明図である。

【図１７】図１５に示す力変換素子の荷重−出力特性図
である。

【符号の説明】

３０ Ｓｉ単結晶体 ４０ 力伝達ブロック体 ５０ 支持台座 ６０ａ，６０ｂ 第１の電極 ６２ａ，６２ｂ 第２の電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 野々村 裕 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 竹内 正治 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 受圧面として（０１１）面または（０−
   １−１）面を有するように形成されたＳｉ単結晶体と、 前記Ｓｉ単結晶体の＜００１＞方向および＜００−１＞
   方向に形成された一対の第１電極と、＜０１０＞方向お
   よび＜０−１０＞方向に形成された一対の第２電極とを
   有し、これらの一方を入力電極、他方を出力電極として
   用いる複数の電極と、 前記Ｓｉ単結晶体の受圧面に接合され、加えられた圧縮
   力をその結晶面に垂直に伝達する力伝達ブロック体と、 前記Ｓｉ単結晶体の前記受圧面と反対側の面に接合され
   た支持台座と、 を含み、 前記Ｓｉ単結晶体は、 ＜０１１＞方向への圧縮力の印加にともない、＜０１−
   １＞方向および＜０−１１＞方向に引張応力が発生する
   構成としたことを特徴とする力変換素子。
2. 【請求項２】 受圧面を有する基台と、 前記基台の受圧面に接合され、加えられた圧縮力をその
   受圧面に垂直に伝達する力伝達ブロック体と、 前記基台の前記受圧面と反対側の面に接合された支持台
   座と、 前記基台の側面に層状に形成され、前記受圧面への圧縮
   力印加方向に（０１１）面または（０−１−１）面を向
   けた通電用Ｓｉ単結晶体と、 前記通電用Ｓｉ単結晶体の側面に、その＜００１＞方向
   および＜００−１＞方向に形成された一対の第１電極
   と、＜０１０＞方向および＜０−１０＞方向に形成され
   た一対の第２電極とを有し、これらの一方を入力電極、
   他方を出力電極として用いる複数の電極と、 を含み、 前記通電用Ｓｉ単結晶体は、 前記基台に対する＜０１１＞方向への圧縮力の印加にと
   もない、＜０１−１＞方向および＜０−１１＞方向に引
   張応力が発生する構成としたことを特徴とする力変換素
   子。