JP2000111368A

JP2000111368A - 圧力、歪み及び温度の同時測定装置、同時測定方法及び薄膜センサ

Info

Publication number: JP2000111368A
Application number: JP28674098A
Authority: JP
Inventors: Mitsunori Uchida; 光宣内田; Kenichi Hanaki; 健一花木; Hiromasa Okamura; 広正岡村
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 1998-10-08
Filing date: 1998-10-08
Publication date: 2000-04-18

Abstract

(57)【要約】【目的】薄膜センサの構造や圧力、歪及び温度の測定
方法に工夫を凝らして、圧力、歪及び温度の同時測定を
精度よく行うようにした圧力、歪及び温度の同時測定装
置、同時測定方法及び薄膜センサを提供することを目的
とする。【解決手段】薄膜センサＳは、被測定対象の測定部位
に設けられるガラス基板上に互いに近接して設けられた
４つの薄膜ゲージを備え、当該薄膜ゲージの各々の感温
係数、感圧係数、Ｘ軸方向感歪係数及びＹ軸方向感歪係
数を各薄膜ゲージの間で異ならしめる。演算回路Ｅは、
各薄膜ゲージ毎の抵抗変化率と測定部位の温度変化、圧
力変化、Ｘ軸方向歪変化及びＹ軸方向歪変化との間の関
係式を表す連立方程式の解を各薄膜ゲージの出力に基づ
き算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、歯車の歯面、カ
ム、ころがり軸受け等の被測定対象において圧力及び歪
を受けながら温度の変化を生ずる部位の圧力、歪及び温
度を同時に測定する同時測定装置、同時測定方法及び薄
膜センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、薄膜ゲージを用いる温度センサ、
圧力センサ及び歪センサは広く使用されている。しか
し、薄膜ゲージは、温度、圧力及び歪の全てに感応する
ものであって、これら温度、圧力及び歪のうちの一つに
のみ感応する膜材料は存在しない。

【０００３】例えば、圧力を測定したいときには温度や
歪に鈍感な膜材料を選定することになるが、圧力以外の
物理量、即ち温度や歪の影響を無視することができな
い。このため、補正用薄膜ゲージを圧力のかからない箇
所に別途設けてその出力差から圧力を測定する方法が一
般的になっている。この場合、上記測定方法では、補正
用薄膜ゲージの出力変化は温度や歪の変化量を示すこと
になるが、これらの温度や歪の変化量は被測定対象のも
のと完全に一致することは非常に稀である。

【０００４】このため、被測定対象に設けた薄膜ゲージ
の出力から補正用薄膜ゲージの出力を差し引いた値から
求めた圧力はいくらかの誤差を含んでいる場合が多い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、上記測
定方法によれば、被測定対象に圧力、歪及び温度を測定
する薄膜ゲージを設けても、補正用薄膜ゲージを別途設
ける必要があり、しかも、圧力、歪及び温度の三種類の
物理量が同時発生する部位での当該物理量の測定データ
の補正は困難である。

【０００６】これに対しては、特開平９−２８０９１１
号公報にて示すような圧力、歪及び温度の同時測定方法
が提案されている。この同時測定方法は、圧力、歪及び
温度に対しそれぞれ感度の異なる３つの薄膜ゲージを微
小間隔にて同一平面内にて隣接配置してなる薄膜センサ
を用いて、この薄膜センサの薄膜ゲージ毎による被測定
対象の圧力、歪及び温度に対する各測定出力でもって、
圧力、歪及び温度の各変化に関する三元一次連立方程式
を解くことで圧力、歪及び温度を同時に求めるようにし
てある。

【０００７】しかし、当該同時測定方法では、薄膜セン
サの各薄膜ゲージは、上述のごとく、同一平面内にて隣
接配置されているため、薄膜センサとしての測定面積が
必然的に大きくなる。このため、薄膜センサによる測定
精度が、薄膜センサとしての測定面積が大きい分だけ、
低下するという不具合が生ずる。また、上記同時測定方
法では、歪がその各歪方向成分ごとに得られるわけでな
ないため、歪としての測定精度が低いという不具合も生
ずる。

【０００８】そこで、本発明は、以上のようなことに対
処するため、薄膜センサの構造や圧力、歪及び温度の測
定方法に工夫を凝らして、圧力、歪及び温度の同時測定
を精度よく行うようにした圧力、歪及び温度の同時測定
装置、同時測定方法及び薄膜センサを提供することを目
的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題の解決にあた
り、請求項１に記載の発明によれば、被測定対象の測定
部位に設けられる基板（１０）と、この基板上に互いに
近接して設けられた第１乃至第４の薄膜ゲージ（２０ａ
乃至２０ｈ）とを備えて、当該第１乃至第４の薄膜ゲー
ジの各々の感温係数、感圧係数、Ｘ軸方向感歪係数及び
Ｙ軸方向感歪係数が前記第１乃至第４の薄膜ゲージの間
で異なる薄膜センサ（Ｓ）と、ΔＴ、ΔＰ、ΔＳｘ及び
ΔＳｙをそれぞれ上記測定部位の温度変化、圧力変化、
Ｘ軸方向歪変化及びＹ方向歪変化とし、αａ、βａ、γ
ａ及びηａを、それぞれ、第１薄膜ゲージの前記温度変
化、圧力変化、Ｘ軸方向歪変化及びＹ方向歪変化に対す
る感温係数、感圧係数、Ｘ軸方向感歪係数及びＹ軸方向
感歪係数とし、αｂ、βｂ、γｂ及びηｂを、それぞ
れ、第２薄膜ゲージの上記温度変化、圧力変化、Ｘ軸方
向歪変化及びＹ軸方向歪変化に対する感温係数、感圧係
数、Ｘ軸方向感歪係数及びＹ軸方向感歪係数とし、α
ｃ、βｃ、γｃ及びηｃを、それぞれ、第３薄膜ゲージ
の上記温度変化、圧力変化、Ｘ軸方向歪変化及びＹ軸方
向歪変化に対する感温係数、感圧係数、Ｘ軸方向感歪係
数及びＹ軸方向感歪係数とし、また、αｄ、βｄ、γｄ
及びηｄを、それぞれ、第４薄膜ゲージの前記温度変
化、圧力変化、Ｘ軸方向歪変化及びＹ軸方向歪変化に対
する感温係数、感圧係数、Ｘ軸方向感歪係数及びＹ軸方
向感歪係数としたとき、次の数２の４つの関係式

【００１０】

【数２】ΔＲａ／Ｒａｏ＝αａ・ΔＴ＋βａ・ΔＰ＋γ
ａ・ΔＳｘ＋ηａ・ΔＳｙ ΔＲｂ／Ｒｂｏ＝αｂ・ΔＴ＋βｂ・ΔＰ＋γｂ・ΔＳ
ｘ＋ηｂ・ΔＳｙ ΔＲｃ／Ｒｃｏ＝αｃ・ΔＴ＋βｃ・ΔＰ＋γｃ・ΔＳ
ｘ＋ηｃ・ΔＳｙ ΔＲｄ／Ｒｄｏ＝αｄ・ΔＴ＋βｄ・ΔＰ＋γｄ・ΔＳ
ｘ＋ηｄ・ΔＳｙからなる連立一次方程式の各解を第１乃至第４の薄膜ゲ
ージの各出力に応じて温度、圧力、Ｘ軸方向歪及びＹ軸
方向歪として算出する算出手段（Ｅ）とを備える圧力、
歪み及び温度の同時測定装置が提供される。

【００１１】以上述べたように、上述のように構成した
薄膜センサの出力を用いて数２の各式からなる連立方程
式の解を算出することで、被測定対象の測定部位の温
度、圧力、Ｘ軸方向歪及びＹ軸方向歪を同時に算出でき
る。この場合、上記測定部位の歪が、上述のごとく、Ｘ
軸方向歪及びＹ軸方向歪とう両成分に分けた状態で算出
されるから、上記連立方程式の解のうち歪がより精度よ
く得られる。

【００１２】また、請求項２に記載の発明によれば、被
測定対象の測定部位に設けられる基板（１０）と、この
基板上に互いに近接して設けられた第１乃至第４の薄膜
ゲージ（２０ａ乃至２０ｈ）とを備えて、当該第１乃至
第４の薄膜ゲージの各々の感温係数、感圧係数、一軸方
向感歪係数及び他軸方向感歪係数が前記第１乃至第４の
薄膜ゲージの間で異なる薄膜センサ（Ｓ）を用いて、第
１薄膜ゲージの抵抗変化率と当該第１薄膜ゲージの感温
係数、感圧係数、一軸方向感歪係数及び他軸方向感歪係
数の上記測定部位の温度変化、圧力変化、一軸方向歪変
化及び他軸方向歪変化との各積の和との間の関係を表す
第１関係式と、第２薄膜ゲージの抵抗変化率と当該第２
薄膜ゲージの感温係数、感圧係数、一軸方向感歪係数及
び他軸方向感歪係数の上記測定部位の温度変化、圧力変
化、一軸方向歪変化及び他軸方向歪変化との各積の和と
の間の関係を表す第２関係式と、第３薄膜ゲージの抵抗
変化率と当該第３薄膜ゲージの感温係数、感圧係数、一
軸方向感歪係数及び他軸方向感歪係数の上記測定部位の
温度変化、圧力変化、一軸方向歪変化及び他軸方向歪変
化との各積の和との間の関係を表す第３関係式と、第４
薄膜ゲージの抵抗変化率と当該第４薄膜ゲージの感温係
数、感圧係数、一軸方向感歪係数及び他軸方向感歪係数
の上記測定部位の温度変化、圧力変化、一軸方向歪変化
及び他軸方向歪変化との各積の和との間の関係を表す第
４関係式とからなる連立一次方程式の各解を第１乃至第
４の薄膜ゲージの各出力に応じて温度、圧力、一軸方向
歪及び他軸方向歪として同時に算出する圧力、歪み及び
温度の同時測定方法が提供される。

【００１３】これにより、請求項１に記載の発明の作用
効果を達成する圧力、歪み及び温度の同時測定方法の提
供が可能となる。また、請求項３に記載の発明によれ
ば、請求項１に記載の薄膜センサであって第１乃至第４
の各薄膜ゲージが互いに各絶縁層を介し基板上にて積層
状に設けられている。

【００１４】これにより、請求項１に記載の圧力、歪み
及び温度の同時測定装置に採用するに適した薄膜センサ
の提供が可能となる。この場合、上述のごとく、薄膜セ
ンサの第１乃至第４の薄膜ゲージが基板上にて各絶縁層
を介し互いに積層状に設けられている。このため、第１
乃至第４の薄膜ゲージの基板上にて占める面積が請求項
１に記載の発明の各薄膜ゲージの占める面積に比べて小
さくなる。その結果、請求項１の記載の薄膜センサによ
る測定精度よりも高い測定精度を得ることができる。

【００１５】また、請求項４に記載の発明によれば、請
求項２に記載の薄膜センサであって第１乃至第４の各薄
膜ゲージが互いに各絶縁層を介し基板上にて積層状に設
けられている。これにより、請求項２に記載の圧力、歪
み及び温度の同時測定方法に採用するに適した薄膜セン
サの提供が可能となる。この場合、上述のごとく、薄膜
センサの第１乃至第４の薄膜ゲージが基板上にて各絶縁
層を介し互いに積層状に設けられている。このため、第
１乃至第４の薄膜ゲージの基板上にて占める面積が請求
項２に記載の発明の各薄膜ゲージの占める面積に比べて
小さくなる。その結果、請求項２の記載の薄膜センサに
よる測定精度よりも高い測定精度を得ることができる。

【００１６】また、請求項５に記載の発明によれば、被
測定対象の測定部位に設けられる基板（１０）と、この
基板上に各絶縁層（１６０ａ乃至１６０ｃ）を介し互い
に積層状に設けられた第１乃至第３の薄膜ゲージ（２０
ｅ乃至２０ｈ）とを備え、当該第１乃至第３の薄膜ゲー
ジの各々の感温係数、感圧係数及び感歪係数が第１乃至
第３の薄膜ゲージの間で異なる薄膜センサ（Ｓ）を用い
て、第１薄膜ゲージの抵抗変化率と当該第１薄膜ゲージ
の感温係数、感圧係数及び感歪係数の上記測定部位の温
度変化、圧力変化及び歪変化との各積の和との間の関係
を表す第１関係式と、第２薄膜ゲージの抵抗変化率と当
該第２薄膜ゲージの感温係数、感圧係数及び感歪係数の
上記測定部位の温度変化、圧力変化及び歪変化との各積
の和との間の関係を表す第２関係式と、第３薄膜ゲージ
の抵抗変化率と当該第３薄膜ゲージの感温係数、感圧係
数及び感歪係数の上記測定部位の温度変化、圧力変化及
び歪変化との各積の和との間の関係を表す第３関係式と
の間の関係を表す第３関係式とからなる連立一次方程式
の各解を第１乃至第３の薄膜ゲージの各出力に応じて温
度、圧力及び歪として同時に算出する圧力、歪み及び温
度の同時測定方法が提供される。

【００１７】このように、薄膜センサの第１乃至第３の
薄膜ゲージが基板上にて各絶縁層を介し互いに積層状に
設けられている。このため、第１乃至第３の薄膜ゲージ
の基板上にて占める面積が請求項２に記載の発明の各薄
膜ゲージの占める面積に比べて小さくなる。その結果、
請求項２の記載の薄膜センサによる測定精度よりも高い
測定精度を得ることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の各実施形態を図面
に基づいて説明する。（第１実施形態）図１乃至図４は本発明に係る圧力、歪
及び温度の同時測定装置の第１実施形態を示している。

【００１９】当該同時測定装置は、図１にて示すごと
く、薄膜センサＳと、演算回路Ｅとにより構成されてい
る。薄膜センサＳは、図２にて示すごとく、ガラス基板
１０（板厚５ｍｍを有する）と、このガラス基板１０の
上面に形成したセンサ部２０とを備えている。センサ部
２０は、図３にて示すごとく、温度測定用薄膜ゲージ２
０ａ、圧力測定用薄膜ゲージ２０ｂ及び両歪測定用薄膜
ゲージ２０ｃ、２０ｄを備えている。

【００２０】温度測定用薄膜ゲージ２０ａは、白金（Ｐ
ｔ）をガラス基板１０の上面にスパッタリングにより白
金膜として成膜し、この白金膜をフォトリソグラフィ法
により、図３にて示すごとく、コ字状に形成されてい
る。圧力測定用薄膜ゲージ２０ｂは、クロム（Ｃｒ）−
アルミニウム（Ａｌ）−酸素（Ｏ）をガラス基板１０の
上面にスパッタリングによりクロム・アルミニウム・酸
素膜として成膜し、このクロム・アルミニウム・酸素膜
をフォトリソグラフィ法により、図３にて示すごとく、
温度測定用薄膜ゲージ２０ａの内側にてその図示左右幅
方向中央に沿い長手状に形成されている。

【００２１】また、歪測定用薄膜ゲージ２０ｃは、Ｘ軸
（図２及び図３参照）の方向の歪を測定するためのもの
であり、一方、歪測定用薄膜ゲージ２０ｄはＹ軸（図２
及び図３参照）の方向の歪を測定するためのものであ
る。これら両薄膜ゲージ２０ｃ、２０ｄは、ニッケル
（Ｎｉ）−クロム（Ｃｒ）をガラス基板１０の上面にス
パッタリングによりニッケル・クロム膜として成膜し、
このニッケル・クロム膜をフォトリソグラフィ法によ
り、図３にて示すごとく、温度測定用薄膜ゲージ２０ａ
の内側にて長手状に形成されている。

【００２２】ここで、薄膜ゲージ２０ｃは、薄膜ゲージ
２０ｂの図３にて図示左側に形成されており、一方、薄
膜ゲージ２０ｄは、薄膜ゲージ２０ｂの図３にて図示右
側に形成されている。また、薄膜ゲージ２０ｃはＸ軸方
向の歪を測定するように形成されており、一方、薄膜ゲ
ージ２０ｄはＹ軸方向の歪を測定するように形成されて
いる。このため、両薄膜ゲージ２０ｃ、２０ｄは、互い
に図３にて示すような形状となっている。

【００２３】また、センサ部２０は、Ｌ×Ｌの正方形の
平面形状を有している。そして、本実施形態では、Ｌ＝
０．２ｍｍとしてある。また、Ｌ×Ｌの正方形の平面内
に４本の薄膜ゲージ２０ａ乃至２０ｄを収容するため、
当該各薄膜ゲージの線幅を一律に４μｍとしてある。な
お、温度測定用薄膜ゲージ２０ａのゲージ長が他の薄膜
ゲージに比べて短いのは、薄膜ゲージ２０ａの形成材料
であるＰｔの抵抗温度係数が大きいことから、薄膜ゲー
ジ２０ａのゲージ長を短くしても、温度の測定が可能と
考えられるためである。

【００２４】また、薄膜センサＳは配線部３０を備えて
おり、この配線部３０は、センサ部２０の各薄膜ゲージ
２０ａ乃至２０ｄの測定出力を取り出す役割を果たす。
この配線部３０は、アルミニウム膜をエッチング処理し
て形成されるが、当該アルミニウム膜のエッチング処理
はエッチング液を利用して行われる。このため、このエ
ッチング液が各薄膜ゲージ２０ａ乃至２０ｄに付着して
当該各薄膜ゲージ２０ａ乃至２０ｄに損傷を与えるおそ
れがある。

【００２５】このため、配線部３０の形成前に、コンタ
クト用保護膜４０が、図４にて示すごくセンサ部２０を
覆うように、ガラス基板１０の上面に酸化珪素（ＳｉＯ
₂）でもって酸化珪素膜として成膜してある。そして、
複数のコンタクトホール４１が、フォトリソグラフィ法
により、保護膜４０に形成されている。このように保護
膜４０を形成した上で、配線部３０を形成するためのア
ルミニウム膜が、当該保護膜４０を介しセンサ部２０に
対応するように成膜され、エッチング液を用いてエッチ
ング処理されて、図２にて示す概略平面形状に形成され
ている。なお、配線部３０の各接続端子３１は、対応の
コンタクトホール４１内を埋める形で、対応の薄膜ゲー
ジに接触するように形成されている。

【００２６】ここで、配線部３０の接続端子３１の数
は、図３にて示すごとく、５個であり、これら接続端子
３１のうち図示左右両端に位置する各接続端子３１は、
薄膜ゲージ２０ａの両接続端子に接続されている。図３
にて図示左側から二つめの接続端子３１は、薄膜ゲージ
２０ｃの一側接続端子に接続されている。また、図３に
て図示左側から三つ目の接続端子３１は薄膜ゲージ２０
ｃの他側接続端子及び薄膜ゲージ２０ｂの一側接続端子
に接続されている。また、図３にて図示右側から二つめ
の接続端子３１は、薄膜ゲージ２０ｂの他側端子及び薄
膜ゲージ２０ｄの一側接続端子に接続されている。

【００２７】また、配線部３０は、図２にて示すごと
く、５本の配線３２を有しており、これら各配線３２
は、対応の接続端子３１から延出している。また、薄膜
センサＳは、図４にて示すごとく、センサ保護膜５０を
備えており、このセンサ保護膜５０は、酸化珪素をスパ
タリングにより酸化珪素膜としてセンサ部２０及び配線
３２を覆うように保護膜４０上に形成されている。

【００２８】なお、電極膜６０は、センサ保護膜５０の
外周側にてニッケル及び金を真空蒸着により多層状に積
層形成されている。また、配線部３０は、その各配線３
２にて、コネクタ７０を介しフレキシブルプリント基板
８０（以下、ＦＰＣ８０という）に接続されている。演
算回路Ｅは、後述する数３乃至数７の式からなる連立一
次方程式の解を演算し、温度、圧力、Ｘ軸方向の歪及び
Ｙ軸方向の歪を演算する。

【００２９】このように構成した本第１実施形態におい
て、圧力、歪及び温度を同時に測定する方法につき説明
する。まず、被測定対象の圧力、歪及び温度のいずれも
が変化しない状態において、各薄膜ゲージ２０ａ乃至２
０ｄの初期抵抗値を測定しておく。ここで、薄膜ゲージ
２０ａの初期抵抗値をＲａｏとし、薄膜ゲージ２０ｂの
初期抵抗値をＲｂｏとし、薄膜ゲージ２０ｃの初期抵抗
値をＲｃｏとし、また、薄膜ゲージ２０ｄの初期抵抗値
をＲｄｏとする。

【００３０】また、被測定対象のセンサ部２０に対応す
る領域から圧力、歪及び温度が同時に発生した場合の各
薄膜ゲージ２０ａ乃至２０ｄのゲージ抵抗値Ｒａ乃至Ｒ
ｄをＦＰＣ８０を介し取り出す。そして、薄膜ゲージ２
０ａの抵抗変化率（ΔＲａ／Ｒａｏ）＝（Ｒａｏ−Ｒ
ａ）／Ｒａｏ、薄膜ゲージ２０ｂの抵抗変化率（ΔＲｂ
／Ｒｂｏ）＝（Ｒｂｏ−Ｒｂ）／Ｒｂｏ、薄膜ゲージ２
０ｃの抵抗変化率（ΔＲｃ／Ｒｃｏ）＝（Ｒｃｏ−Ｒ
ｃ）／Ｒｃｏ及び薄膜ゲージ２０ｄの抵抗変化率（ΔＲ
ｄ／Ｒｄｏ）＝（Ｒｄｏ−Ｒｄ）／Ｒｄｏは、次の数３
乃至数７の各式により表される。

【００３１】

【数３】ΔＲａ／Ｒａｏ＝αａ・ΔＴ＋βａ・ΔＰ＋γ
ａ・ΔＳｘ＋ηａ・ΔＳｙ

【００３２】

【数４】ΔＲｂ／Ｒｂｏ＝αｂ・ΔＴ＋βｂ・ΔＰ＋γ
ｂ・ΔＳｘ＋ηｂ・ΔＳｙ

【００３３】

【数５】ΔＲｃ／Ｒｃｏ＝αｃ・ΔＴ＋βｃ・ΔＰ＋γ
ｃ・ΔＳｘ＋ηｃ・ΔＳｙ

【００３４】

【数６】ΔＲｄ／Ｒｄｏ＝αｄ・ΔＴ＋βｄ・ΔＰ＋γ
ｄ・ΔＳｘ＋ηｄ・ΔＳｙこれら各数３乃至数６の式において、ΔＴは温度変化を
表し、ΔＰは圧力変化を表し、ΔＳｘはＸ軸方向の歪変
化を表し、ΔＳｙはＹ軸方向の歪変化を表す。αａ、β
ａ、γａ及びηａは、それぞれ、薄膜ゲージ２０ａにお
ける温度変化に対する温度ゲージ率（感温係数）、圧力
変化に対する圧力ゲージ率（感圧係数）、Ｘ軸方向の歪
変化に対するＸ軸方向歪ゲージ率（Ｘ軸方向感歪係数）
及びＹ軸方向の歪変化に対するＹ軸方向歪ゲージ率（Ｙ
軸方向感歪係数）を表す。αｂ、βｂ、γｂ及びηｂ
は、それぞれ、薄膜ゲージ２０ｂにおける温度変化、圧
力変化、Ｘ軸方向の歪変化及びＹ軸方向の歪変化に対す
る温度ゲージ率、圧力ゲージ率、Ｘ軸方向歪ゲージ率及
び帯びＹ軸方向歪ゲージ率を表す。

【００３５】αｃ、βｃ、γｃ及びηｃは、それぞれ、
薄膜ゲージ２０ｃにおける温度変化、圧力変化、Ｘ軸方
向の歪変化及びＹ軸方向の歪変化に対する温度ゲージ
率、圧力ゲージ率、Ｘ軸方向歪ゲージ率及び帯びＹ軸方
向歪ゲージ率を表す。また、αｄ、βｄ、γｄ及びηｄ
は、それぞれ、薄膜ゲージ２０ｄにおける温度変化、圧
力変化、Ｘ軸方向の歪変化及びＹ軸方向の歪変化に対す
る温度ゲージ率、圧力ゲージ率、Ｘ軸方向歪ゲージ率及
び帯びＹ軸方向歪ゲージ率を表す。

【００３６】但し、上記各ゲージ率αａ、βａ、γａ、
ηａ、αｂ、βｂ、γｂ、ηｂ、αｃ、βｃ、γｃ、η
ｃ、αｄ、βｄ、γｄ及びηｄは、予め算出しておく。
これにより、数３乃至数６の式からなる連立方程式は、
ΔＴ、ΔＰ、ΔＳｘ及びΔＳｙを変数とする連立一次方
程式となる。その結果、ΔＴ、ΔＰ、ΔＳｘ及びΔＳｙ
の算出が容易となる。即ち、上記各ゲージ率が共に定数
であれば、上記連立一次方程式の解をクラメールの公式
等を用いて算出できる。また、上記各ゲージ率の少なく
とも一つ以上が変数の形になる場合には、上記連立一次
方程式は非線形の連立方程式となる。この場合には、当
該非線形の連立方程式の解は逐次近似解法等を用いて算
出できる。

【００３７】ここで、上述の数３乃至数６の式のよう
に、各薄膜ゲージ２０ａ乃至２０ｄの抵抗変化率が、温
度変化、圧力変化、Ｘ軸方向の歪変化及びＹ軸方向の歪
変化の和で表すという仮定が成立するか否かにつき検証
を行ってみた。この検証にあたり、別途、検証用薄膜セ
ンサ（以下、検証用薄膜センサＳａという）を製作し
た。この検証用薄膜センサＳａは、上記第１実施形態に
て述べた薄膜センサＳにおいて、ガラス基板１０に代
え、歪の測定を容易にするように、０．２ｍｍの板厚の
ステンレス性薄板を用いる構成を有している。

【００３８】具体的には、当該ステンレス性薄板の上面
に酸化珪素膜を絶縁膜として予め形成する。そして、こ
の酸化珪素膜上に上記第１実施形態にて述べた薄膜セン
サＳのうちのガラス基板１０以外の構成部分を形成し
た。このように製作した検証用薄膜センサＳａを、図５
にて示すごとく、恒温槽９０内に収容する。また、図６
は図５の円Ａ内の部分を拡大したものであり、符号ａ、
ｂは検証用薄膜センサＳａを挟持する板を示す。板ａの
中心部は油圧がかかると同時にダイヤフラム状に変形す
るように２ｍｍの厚さまで削ってある。

【００３９】そして、図５の測定系により、当該検証用
薄膜センサＳａの温度を恒温槽９０により制御し、熱電
対１００により測定する。圧力は、重錘式圧力計１１０
の重錘の荷重により当該圧力計１１０により測定する。
歪は、上記検証用薄膜センサＳａを挟持する板ａの裏面
に貼った薄膜ゲージ１２０の出力を基準として測定す
る。

【００４０】なお、図５にて、符号１３０は熱電対１０
０の出力を表示するマルチメータを示す。符号１４０
は、被測定対象の測定部位の抵抗を表示する高精度抵抗
測定器を示す。また、符号１５０は被測定対象の測定部
位の歪を表示する歪増幅器を示す。このようにして検証
試験を行った結果、図７にて示すようなデータが得られ
た。これは、検証用薄膜センサＳａの出力の予測値と実
測値との誤差が最大である温度＝−２９．９℃、圧力＝
１９．６ＭＰａ、Ｘ軸方向歪＝−３５７μＳｔ及びＹ軸
方向歪＝−３４４μＳｔの場合を設定条件とし、上記連
立方程式の解を近似解として求めたものである。

【００４１】なお、検証用薄膜センサＳａの各薄膜ゲー
ジのゲージ材料のうちＣｒ−Ａｌ−Ｏは、上記各ゲージ
率共に定数でないため、温度の関数の形で表される。こ
のため、逐次近似解法を用いて上記連立方程式の解を近
似解として算出した。図７から分かるように、近似解
は、４次近似程度で収束し、上記設定条件に対して、温
度＝−０．７℃、圧力＝１．６ＭＰａ、Ｘ軸方向歪＝２
３μＳｔ及びＹ軸方向歪＝３８μＳｔ程度の誤差内で得
られる。

【００４２】この程度の誤差は、各計測器の精度等から
考えて測定誤差により生じたものとみなせるため、各薄
膜ゲージの抵抗変化率が、それぞれ、温度変化、圧力変
化、Ｘ軸方向歪変化及びＹ方向歪変化の和でもって表さ
れることが検証されたこととなる。以上説明したよう
に、本実施形態によれば、上述のように構成した薄膜セ
ンサＳの出力を用いて数３乃至数６の各式からなる連立
方程式の解を演算することで、被測定対象の測定部位の
温度、圧力、Ｘ軸方向歪及びＹ方向歪を同時に測定でき
る。この場合、当該測定部位の歪が、上述のごとく、Ｘ
軸方向歪及びＹ方向歪という両成分に分けた状態で算出
されるから、上記連立方程式の解のうち、歪がより一層
精度よく得られる。（第２実施形態）次に、本発明の第２実施形態につき図
８及び図９を参照して説明すると、この第２実施形態で
は、上記第１実施形態にて述べた薄膜センサＳは、セン
サ部２０に代えて、センサ部２０Ａを備えている。

【００４３】このセンサ部２０Ａは、温度測定用薄膜ゲ
ージ２０ｅ、圧力測定用薄膜ゲージ２０ｆ、Ｘ方向歪測
定用薄膜ゲージ２０ｇ及びＹ方向歪測定用薄膜ゲージ２
０ｈを備えている。温度測定用薄膜ゲージ２０ｅは、図
３の薄膜ゲージ２０ｃをその図示左右方向中央を基準に
図示左右方向に拡大した平面形状と同一の形状にて、ガ
ラス基板１０の内表面に形成されている。従って、薄膜
ゲージ２０ｅは図８にてその左右方向中央を基準に対称
的な図示左右方向のジグザグ形状を有している。

【００４４】圧力測定用薄膜ゲージ２０ｆは、温度測定
用薄膜ゲージ２０ｅに絶縁層１６０ａを介し重なるよう
に、当該薄膜ゲージ２０ｅと同様の平面形状にて積層状
に形成されている。また、Ｘ軸方向歪測定用薄膜ゲージ
２０ｇは、圧力測定用薄膜ゲージ２０ｆに絶縁層１６０
ｂを介し重なるように、薄膜ゲージ２０ｅと同様の平面
形状にて積層状に形成されている。また、Ｙ軸方向歪測
定用薄膜ゲージ２０ｈは、Ｘ軸方向歪測定用薄膜ゲージ
２０ｇに直角な方向にジグザグ状に延在するように絶縁
層１６０ｃを介し形成されている。なお、センサ保護膜
１７０はＹ軸方向歪測定用薄膜ゲージ２０ｈを覆うよう
に絶縁層１６０ｃ上に形成されている。

【００４５】薄膜ゲージ２０ｅは、その両接続端子に
て、上記第１実施形態にて述べた配線部３０の各配線３
２に代わる各両配線３３乃至３６のうち両配線３３に接
続されている。薄膜ゲージ２０ｆは、その両接続端子に
て、絶縁層１６０ａに設けた各コンタクトホールを介し
両配線３４に接続されている。薄膜ゲージ２０ｇは、そ
の両接続端子にて、絶縁層１６０ｂに設けた各コンタク
トホール及び絶縁層１６０ａに設けた各他のコンタクト
ホールを介して両配線３５に接続されている。また、薄
膜ゲージ２０ｈは、その両接続端子にて、絶縁層１６０
ｃに設けた各コンタクトホール、絶縁層１６０ｂに設け
た各他のコンタクトホール及び絶縁層１６０ａに設けた
各他のコンタクトホールを介して両配線３６に接続され
ている。

【００４６】なお、各絶縁層１６０ａ乃至１６０ｃは、
上記第１実施形態にて述べた保護膜４０と同様のコンタ
クト用保護膜としての役割を果たす。また、各両配線３
３乃至３６は上記第1 実施形態にて述べたコネクタ７０
を介しＦＰＣ９０に接続されている。その他の構成は上
記第１実施形態と同様である。このように構成した本第
２実施形態において、上述のごとく、薄膜センサＳのセ
ンサ部２０Ａにおいては、各薄膜ゲージ２０ｅ、２０
ｆ、２０ｇ、２０ｈが、図３の薄膜ゲージ２０ｃをその
図示左右方向中央を基準に図示左右方向に拡大した平面
形状と同一の形状にて、ガラス基板１０の上面に各絶縁
層６０ａ、６０ｂ、６０ｃを介し互いに重なるように積
層状に形成されている。

【００４７】このため、センサ部２０Ａがガラス基板１
０の上面にて占める面積は、上記第１実施形態にて述べ
た各薄膜ゲージ２０ａ乃至２０ｄを同一平面内にて設け
たセンサ部２０に比べて小さくなる。これにより、セン
サ部２０Ａの測定精度は上記第１実施形態にて述べたセ
ンサ部２０に比べてより一層高くなる。その他の作用効
果は上記第１実施形態と同様である。

【００４８】なお、本発明の実施にあたり、上記第１実
施形態にて述べた両薄膜ゲージ２０ｃ、２０ｄに代え
て、単一の薄膜ゲージを採用してもよく、また、上記第
２実施形態にて述べた両薄膜ゲージ２０ｇ、２０ｈに代
えて、薄膜ゲージ２０ｇ、２０ｈの一方と同一のジグザ
グ状平面形状を有する単一の薄膜ゲージを採用してもよ
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態を示すブロック図であ
る。

【図２】図１の薄膜センサの概略拡大斜視図である。

【図３】図２の薄膜センサの部分拡大概略平面図であ
る。

【図４】図３の部分拡大概略断面図である。

【図５】上記第１実施形態の連立方程式の成立性を検証
のための回路図である。

【図６】図５の円Ａで囲われた部分の拡大図である。

【図７】図５の検証用回路でもって測定した場合のデー
タを示す図表である。

【図８】本発明の第実施形態を示す模式的部分拡大平面
図である。

【図９】図８にて９−９線に沿う断面図である。

【符号の説明】

Ｓ…薄膜センサ、Ｅ…演算回路、１０…ガラス基板、２
０、２０Ａ…センサ部、２０ａ乃至２０ｈ…薄膜ゲー
ジ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者花木健一愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者岡村広正愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 2F049 AA12 CA04 CA07 DA04 DA06 2F055 BB20 CC02 DD01 DD07 EE12 FF02 FF11 FF25 GG01 GG11 GG32 GG35 2F063 AA25 BA02 BA03 CB01 CC01 DD08 EC03 EC05 EC14 EC27 EC28 FA12 2F076 BA01 BD01 BD07 BD10 BD11 BE09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定対象の測定部位に設けられる基板
（１０）と、この基板上に互いに近接して設けられた第
１乃至第４の薄膜ゲージ（２０ａ乃至２０ｈ）とを備え
て、当該第１乃至第４の薄膜ゲージの各々の感温係数、
感圧係数、Ｘ軸方向感歪係数及びＹ軸方向感歪係数が前
記第１乃至第４の薄膜ゲージの間で異なる薄膜センサ
（Ｓ）と、 ΔＴ、ΔＰ、ΔＳｘ及びΔＳｙをそれぞれ前記測定部位
の温度変化、圧力変化、Ｘ軸方向歪変化及びＹ方向歪変
化とし、 αａ、βａ、γａ及びηａを、それぞれ、前記第１薄膜
ゲージの前記温度変化、圧力変化、Ｘ軸方向歪変化及び
Ｙ方向歪変化に対する感温係数、感圧係数、Ｘ軸方向感
歪係数及びＹ軸方向感歪係数とし、αｂ、βｂ、γｂ及
びηｂを、それぞれ、前記第２薄膜ゲージの前記温度変
化、圧力変化、Ｘ軸方向歪変化及びＹ軸方向歪変化に対
する感温係数、感圧係数、Ｘ軸方向感歪係数及びＹ軸方
向感歪係数とし、 αｃ、βｃ、γｃ及びηｃを、それぞれ、前記第３薄膜
ゲージの前記温度変化、圧力変化、Ｘ軸方向歪変化及び
Ｙ軸方向歪変化に対する感温係数、感圧係数、Ｘ軸方向
感歪係数及びＹ軸方向感歪係数とし、また、αｄ、β
ｄ、γｄ及びηｄを、それぞれ、前記第４薄膜ゲージの
前記温度変化、圧力変化、Ｘ軸方向歪変化及びＹ軸方向
歪変化に対する感温係数、感圧係数、Ｘ軸方向感歪係数
及びＹ軸方向感歪係数としたとき、次の数１の４つの関係式【数１】ΔＲａ／Ｒａｏ＝αａ・ΔＴ＋βａ・ΔＰ＋γ
ａ・ΔＳｘ＋ηａ・ΔＳｙ ΔＲｂ／Ｒｂｏ＝αｂ・ΔＴ＋βｂ・ΔＰ＋γｂ・ΔＳ
ｘ＋ηｂ・ΔＳｙ ΔＲｃ／Ｒｃｏ＝αｃ・ΔＴ＋βｃ・ΔＰ＋γｃ・ΔＳ
ｘ＋ηｃ・ΔＳｙ ΔＲｄ／Ｒｄｏ＝αｄ・ΔＴ＋βｄ・ΔＰ＋γｄ・ΔＳ
ｘ＋ηｄ・ΔＳｙからなる連立一次方程式の各解を前記第１乃至第４の薄
膜ゲージの各出力に応じて温度、圧力、Ｘ軸方向歪及び
Ｙ軸方向歪として算出する算出手段（Ｅ）とを備える圧
力、歪み及び温度の同時測定装置。
【請求項２】被測定対象の測定部位に設けられる基板
（１０）と、この基板上に互いに近接して設けられた第
１乃至第４の薄膜ゲージ（２０ａ乃至２０ｈ）とを備え
て、当該第１乃至第４の薄膜ゲージの各々の感温係数、
感圧係数、一軸方向感歪係数及び他軸方向感歪係数が前
記第１乃至第４の薄膜ゲージの間で異なる薄膜センサ
（Ｓ）を用いて、前記第１薄膜ゲージの抵抗変化率と当該第１薄膜ゲージ
の感温係数、感圧係数、一軸方向感歪係数及び他軸方向
感歪係数の前記測定部位の温度変化、圧力変化、一軸方
向歪変化及び他軸方向歪変化との各積の和との間の関係
を表す第１関係式と、前記第２薄膜ゲージの抵抗変化率
と当該第２薄膜ゲージの感温係数、感圧係数、一軸方向
感歪係数及び他軸方向感歪係数の前記測定部位の温度変
化、圧力変化、一軸方向歪変化及び他軸方向歪変化との
各積の和との間の関係を表す第２関係式と、前記第３薄
膜ゲージの抵抗変化率と当該第３薄膜ゲージの感温係
数、感圧係数、一軸方向感歪係数及び他軸方向感歪係数
の前記測定部位の温度変化、圧力変化、一軸方向歪変化
及び他軸方向歪変化との各積の和との間の関係を表す第
３関係式と、前記第４薄膜ゲージの抵抗変化率と当該第
４薄膜ゲージの感温係数、感圧係数、一軸方向感歪係数
及び他軸方向感歪係数の前記測定部位の温度変化、圧力
変化、一軸方向歪変化及び他軸方向歪変化との各積の和
との間の関係を表す第４関係式とからなる連立一次方程
式の各解を前記第１乃至第４の薄膜ゲージの各出力に応
じて温度、圧力、一軸方向歪及び他軸方向歪として同時
に算出する圧力、歪み及び温度の同時測定方法。
【請求項３】請求項１に記載の薄膜センサであって前
記第１乃至第４の各薄膜ゲージが互いに各絶縁層を介し
前記基板上にて積層状に設けられていることを特徴とす
る圧力、歪み及び温度の同時測定装置のための薄膜セン
サ。
【請求項４】請求項２に記載の薄膜センサであって前
記第１乃至第４の各薄膜ゲージが互いに各絶縁層を介し
前記基板上にて積層状に設けられていることを特徴とす
る圧力、歪み及び温度の同時測定方法のための薄膜セン
サ。
【請求項５】被測定対象の測定部位に設けられる基板
（１０）と、この基板上に各絶縁層（１６０ａ乃至１６
０ｃ）を介し互いに積層状に設けられた第１乃至第３の
薄膜ゲージ（２０ｅ乃至２０ｈ）とを備え、当該第１乃
至第３の薄膜ゲージの各々の感温係数、感圧係数及び感
歪係数が前記第１乃至第３の薄膜ゲージの間で異なる薄
膜センサ（Ｓ）を用いて、前記第１薄膜ゲージの抵抗変化率と当該第１薄膜ゲージ
の感温係数、感圧係数及び感歪係数の前記測定部位の温
度変化、圧力変化及び歪変化との各積の和との間の関係
を表す第１関係式と、前記第２薄膜ゲージの抵抗変化率
と当該第２薄膜ゲージの感温係数、感圧係数及び感歪係
数の前記測定部位の温度変化、圧力変化及び歪変化との
各積の和との間の関係を表す第２関係式と、前記第３薄
膜ゲージの抵抗変化率と当該第３薄膜ゲージの感温係
数、感圧係数及び感歪係数の前記測定部位の温度変化、
圧力変化及び歪変化との各積の和との間の関係を表す第
３関係式との間の関係を表す第３関係式とからなる連立
一次方程式の各解を前記第１乃至第３の薄膜ゲージの各
出力に応じて温度、圧力及び歪として同時に算出する圧
力、歪み及び温度の同時測定方法。