JP2005114441A

JP2005114441A - ひずみ量測定機能付きボルト

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Publication number: JP2005114441A
Application number: JP2003346479A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Ota; 裕之太田; Takashi Sumikawa; 貴志澄川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-10-06
Filing date: 2003-10-06
Publication date: 2005-04-28
Anticipated expiration: 2023-10-06
Also published as: JP4329477B2

Abstract

【課題】長寿命であり、ボルトの温度が変化した場合でも精度の高い測定が可能であるひずみ測定機能付きボルトを提供する。
【解決手段】電磁結合、電磁誘導、マイクロ波給電、光結合のいずれかで供給された電力を用いて電気回路を駆動する。またシリコン基板中に形成した不純物拡散層によりホイートストンブリッジを構成し、該シリコン基板をボルトに埋め込む。
結線しない電源供給方式により簡便で長寿命となる。またダミー抵抗を埋め込み、ボルト内部でホイートストンブリッジを構成したため温度が変化した場合にも高精度測定が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は力学量を計測することが可能であるボルトに関する。

ボルトのひずみを監視する技術としては、ボルトの軸線方向（長手方向）に長孔を設け、その中に光ファイバを挿入しひずみを測定する方法や該長孔中にひずみゲージを埋め込む方法が実用化されている。しかしながら、これらの技術ではボルトの頭部からファイバケーブルやリード線を外部に出さねばならず、ボルト締結時の障害となるため、定常的に多くのボルトのひずみを監視する用途には向かなかった。そこで、解決策として、ひずみゲージ等のひずみセンサをボルト内に埋設し、その測定値を表示や電波によって外部に取り出すことが考えられている。このような特許として特開平11-118637号が挙げられ、センサ、センシング値の増幅器およびバッテリをボルトに内蔵するとともに、測定したひずみが設定値以下になった場合に表示する表示器をボルト内部に備えたセンサーボルトが示されている。

特開平11-118637号

ひずみゲージ、水晶センサ等のひずみセンサはひずみに対する出力値がごく小さく、その一方で温度依存性が大きい。このため、配管系の締結用ボルトでよく見られるようにボルトに温度分布がある場合には、測定値の精度に大きな問題が出る。よって本発明の目的は、ボルトに温度分布がある場合でも測定精度が良好であり、またリード線をボルトの外部に接続することがないひずみ量測定機能付きボルトを提供することにある。

また、上記特許等に見られる公知例では、作業性の問題からボルトの外部にリード線を露出させないために、バッテリやひずみセンサ、アンプ等を内蔵している。しかしバッテリ駆動であるためにセンサの寿命が限られる問題点があった。通常のひずみセンサは電流値としてｍAオーダの電流が流れてバッテリを消費するため、ひずみ量を測定できる回数は限定される。橋脚やトンネル内など、ボルトは容易に交換できない場合が多いために、用途を広げるためには寿命を長くすることが必須である。すなわち、本発明の他の目的は、リード線をボルトの外部に接続することがなく、またバッテリ寿命を気にせずに使用することが可能なひずみ量測定機能付きボルトを提供することにある。

上記目的を達成するためには、ひずみセンサ、増幅、アナログ/デジタルコンバータ、整流・検波・変復調、通信制御に必要な電力を電磁誘導、電磁誘導、マイクロ波給電、光結合のいずれかのエネルギで供給するようにしたものである。

また、ボルトの温度分布が大きい場合にも精度の良い測定を可能とするために、ホイートストンブリッジ回路を形成し、そのダミー抵抗もひずみセンサと同様にボルトの軸方向に形成した孔に特定の配置を持って配するようにしたものである。

また、ボルトの温度分布が大きい場合にも精度の良い測定を可能とするために、同一のシリコン基板上に特定の結晶方位を長手とする不純物拡散層を形成し、結晶方位を変えることでひずみセンサとダミー抵抗を作り分け、該シリコン基板をボルトの軸方向に形成した孔に配するようにしたものである。

具体的形態の例としては、以下のような形態であることができる。

ボルトに、ひずみセンサおよびダミー抵抗からなるホイートストンブリッジ回路と、該ホイートストンブリッジ回路からの信号を増幅してデジタル信号に変換する変換回路と、前記デジタル信号をボルトの外部に送信するための送信回路と、ボルトの外部から受けた電磁波エネルギを少なくとも前記何れかの回路の電源として供給する電源回路と、を設けたことを特徴とするひずみ量測定機能付きボルトである。

または、ボルトに穿設した穴に、ひずみセンサおよびダミー抵抗からなるホイートストンブリッジ回路と、該ホイートストンブリッジ回路からの信号を増幅してデジタル信号に変換する変換回路と、前記デジタル信号をボルトの外部に送信するための送信回路と、ボルトの外部から受けた電磁波エネルギを少なくとも前記何れかの回路の電源として供給する電源回路、を設け、前記変換回路と、送信回路と、前記電源回路が共通する半導体チップの上に形成され、前記半導体チップの電源グランドと前記ボルトが電気的に結合されていることを特徴とするひずみ量測定機能付きボルトである。

または、ボルトの長軸線方向に穿設した穴に、ひずみセンサおよびダミー抵抗を備えたホイートストンブリッジ回路と、該ホイートストンブリッジ回路からの信号を増幅してデジタル信号に変換する変換回路と、前記デジタル信号をボルトの外部に送信する送信回路と、ボルトの外部から受けた電磁波エネルギを前記いずれかの回路の電源とする電源回路と、を設置し、前記ホイートストンブリッジ回路と前記電源回路と共通する単結晶半導体チップに形成されたことを特徴とするひずみ量測定機能付きボルトである。

または、ボルトに、ひずみセンサおよびダミー抵抗からなるホイートストンブリッジ回路と、該ホイートストンブリッジ回路からの信号を増幅してデジタル信号に変換する変換回路と、前記デジタル信号をボルトの外部に送信する送信回路と、ボルトの外部から受けた電磁波エネルギを少なくとも前記いずれかの回路の電源とする電源回路と、温度センサと、を設置し、前記温度センサと前記ホイートストンブリッジ回路とが同一のシリコン単結晶部材に形成され、前記温度センサは前記部材の不純物拡散層であることを特徴とするひずみ量測定機能付きボルトである。

本発明によれば、ひずみセンサを低電力で動作させることができるので、電磁結合、電磁誘導、マイクロ波給電、光結合のいずれかで供給された電力を用いてひずみ量測定機能付きボルト1を動作させた場合でも、かつ高精度な測定が可能となる。

または、さらに本発明によれば、ホイートストンブリッジ回路を上述のような配置・構成をもって設けたことにより、力学量センサの抵抗値の変化量が小さいことを補い、またボルトに温度分布を有する場合でも温度補正が可能となるという効果を奏する。

以下、本発明の第一の実施例を図１から図6を用いて説明する。図１には本発明の第一の実施例であるひずみ量測定機能付きボルト1を示す。本実施例は、ボルト12の軸線方向に穿設した孔13内に抵抗線式もしくはポリシリコンのひずみゲージ14、およびダミー抵抗5が設置されており、これに加えてチップ15に内蔵したひずみセンサアンプ群4、アナログ/デジタルコンバータ6、整流・検波・変復調回路部7、通信制御部8、アンテナ10で構成されたことを特徴としたひずみ量測定機能付きボルト1である。図2に示すように、ひずみセンサアンプ群4、アナログ/デジタルコンバータ6、整流・検波・変復調回路部7、通信制御部8は、同一の単結晶シリコンのチップ15に形成し、ボルト12の頭部の表面近傍に配する。なお、以下ではアンテナ10はチップ15に内蔵した状態で説明するが、外付けしても同様な効果が得られる。

また、アンテナ10がチップ15に内蔵されており、チップ15がボルト12の頭の表面に配されているのが望ましい。この場合にはボルトのごく表面近傍のみにチップ15を納めるくぼみを形成するだけでよいので、径の小さなボルトの場合でも強度の低下を最小限に抑えることができる。また、表面に配することによりチップ15が締結に関係する応力場の影響を受けることがない。このため、チップ15の電気特性が応力場の影響で変動しないので、精度の高い測定が可能となるという利点がある。

また図1はボルトの頭にチップ15を配したが図３に示すようにボルトの底部にチップ15を配しても良い。図３に示す実施例はタイヤ固定用ボルトなど、ボルトの尾部が露出している場合に特に有効である。その場合は特にボルトの強度低下を抑える必要があるが、本発明によればボルトの強度低下が小さく、また精度の高い測定が可能となるという利点を有する。また、本実施例ではボルトの軸力を測定するためにボルトに埋め込んだが、連結ピンやヒンジ、リベット等に配しても良い。

ホイートストンブリッジで温度補正をおこなうことができる。

本実施例ではボルト12の軸線方向に形成された孔13に設置されたひずみゲージ14により、ボルト12内に発生したボルト締め付け軸力が抵抗の変化として測定される。測定したひずみゲージ14の抵抗値の変化は、図3に示すようにホイートストンブリッジ回路16によってひずみに比例した電圧値として検出される。ホイートストンブリッジ回路の回路図を図４に示す。ひずみセンサ3はひずみによる抵抗の変化量が非常に小さいため、そのまま増幅すると、その後段の信号処理が複雑になる。そこで通常は、ひずみゲージの使い方に見られるように、ホイートストンブリッジ回路16を形成することにより、ひずみセンサ3の抵抗変化分に比例した出力電圧を得てから増幅し、ひずみに比例した値として用いられることが多い。本発明の場合には、抵抗値の温度依存性が等しいダミー抵抗５とひずみゲージ14を近接してボルト内部の孔13に埋め込んであるために、このホイートストンブリッジを形成するひずみゲージ14とダミー抵抗5の温度を等しくすることができ、温度補正が可能となる。また、ダミー抵抗５はボルトの半径方向にひずみの感度が大きくなるように配置する。ボルトの軸線方向の力に比べて半径方向の力が小さいため、ダミー抵抗５はひずみゲージ14に比べてひずみの影響を受けにくいので、ボルトの軸線方向のひずみを精度良く測定することができる。すなわち図5に示すように、ひずみゲージ14はボルトの軸線方向を長手とするように配置し、ダミー抵抗５はボルトの半径方向を長手とする様に配する。これによってボルトに温度分布がある場合においても温度補正が自動的に可能とすることができる。また、図６に示すように温度分布が十分小さい場合にはボルトの頭部にダミー抵抗５を配してもよい。この場合にはボルト締結時にはボルト12の頭部に発生するひずみは少量であるためにダミー抵抗として用いることが出来る。なおダミー抵抗はひずみの変化に対する抵抗の変化がひずみゲージより小さくなっている。また、図2の構造はシリコン単結晶基板上に形成されることが好ましいが、他の半導体単結晶基板上に形成されることもできる。

また、電磁波で電源供給する形態を有することが好ましい。

本実施例においてホイートストンブリッジ16からの電圧変化はひずみセンサアンプ群、アナログ/デジタルコンバータを通してデジタル信号に変換される。該デジタル信号は通信制御部、整流・検波・変復調回路部を経て電波信号に変換され、アンテナからリーダ18に送信される。一方、リーダ18から送られた電力用高周波信号をアンテナ10で受信し、整流・検波・変復調回路部で平滑化し、一定電圧の直流電力に変換してひずみ量測定用等の各回路に電源として供給する。すなわち電源と各制御回路は同一のシリコン基板上に形成される。本発明によれば、リーダ18からひずみ量測定機能付きボルト1に放射される電磁波エネルギを電源とし、ひずみ量測定用の各回路や電波送信用の回路を動かすために、バッテリが消費されることが無く、長い期間にわたって動作することができる。このため、ボルト締結部からボルトを交換することなしに長期間ボルト軸力測定が行えるという利点がある。また通常では、電磁波エネルギを電源とするために電波を放射すると、それがチップ15に外付けされたひずみゲージ14やホイートストンブリッジ回路16や、それを結線するリード線に電位の差を発生させるため、回路内にノイズが発生する。電磁波エネルギを電源とした場合には消費電力を抑える必要があるため、微弱な電流量でホイートストンブリッジ回路16を駆動することになるが、この場合にノイズが混入すると測定精度の大幅な低下を招くことになる。外部から供給される電磁波エネルギで動作する場合には特にノイズの混入が問題となる。しかしながら、本発明ではチップ15に外付けされたひずみゲージ14やダミー抵抗5、およびそれを結ぶリード線はボルト12内に設けられた孔13に設置されるため、回路へのノイズ混入が防止できる。また、またチップ15とボルト12を直流的あるいは交流的に電気的に結合することにより、電磁エネルギを効率よく電源に変えられ、また電波を効率良く飛ばすことが可能となる。

以上のように、本発明は電磁波エネルギを電源として動作する回路の弱点である外付けひずみゲージへのノイズ混入を防止できたため、初めて高精度に効果的に計測が可能となったものである。すなわちチップ15に外付けされたひずみゲージ14やダミー抵抗5、およびそれを結ぶリード線はボルト12内に設けられた孔13に設置されたことで、導電体に囲まれた状態となるためにノイズが減少するという利点がある。また、チップ15の電源グランドとボルト12は直流的あるいは交流的に電気的に結合されているのが望ましい。すなわちチップ15の電源グランドとボルト12が電気的に結合していても良いし、また薄い絶縁膜を介して交流成分として電気的に結合していても良い。これによりボルト12とチップ15が同電位となるために、電磁エネルギを電源とする際、および電波を発信する際に効率を向上させることが可能となる。

以下、本発明の第二の実施例を図７から図２６を用いて説明する。図７には本発明の第二の実施例であるひずみ量測定機能付きボルト1を示す。本ひずみ量測定機能付きボルト1ではひずみセンサ３とダミー抵抗17を同一の単結晶シリコン基板２内に形成したことを特徴とする。図８に該シリコン基板２を示す。シリコン基板２は例えば（００１）面を表面とし、該表面に拡散層を形成することでひずみセンサ３とダミー抵抗17を設ける。シリコン基板２の表面の拡散層はピエゾ抵抗効果によりひずみを抵抗の変化として求めることができる。拡散層の長手方向をある結晶方位とすることでひずみの感度は高くできるので、これをひずみセンサ３として用いることができる。また、別の方向を長手とする拡散層を形成することでひずみに対する感度を低くできるので、これをダミー抵抗17として用いることができる。同一のシリコン基板にひずみセンサ３とダミー抵抗17を形成するため、両者が同一の温度となり、正確な温度補正が可能となるという利点もある。シリコン基板は絶縁膜に比べて熱伝導率が高いため、ボルト表面の温度がシリコン基板表面のひずみセンサ３とダミー抵抗17に同様に伝わりやすく、温度不均一による精度の低下が発生しない利点がある。また、本実施例では、同一のシリコン基板中にひずみセンサ３とダミー抵抗17を形成し、これらを結線してホイーストンブリッジ回路16とする。詳細は後述するが、該ひずみセンサ３とダミー抵抗17はシリコン基板２の表面に不純物をイオン注入することによって形成するのが望ましく、これによりひずみセンサ３とダミー抵抗５の抵抗値や抵抗値の温度依存性を一致させることができるので、ホイートストンブリッジ回路16を形成した場合にもその出力電圧にオフセットが生じにくいという利点がある。このため、製造工程において抵抗値のトリミングを行う必要が無く、工程を簡略化できるという利点がある。さらに半導体デバイスの製造プロセスにより、数百μm以下のごく小さいひずみセンサやホイートストンブリッジが実現できるので、径の小さなボルト12にも埋め込むことが出来るという利点がある。

図９には、ひずみセンサ３とダミー抵抗17をシリコン基板２上に形成した別の場合を示す。該ホイートストンブリッジ回路16では、ひずみセンサ3はシリコン基板2中に局所的にP型の不純物層を拡散させて形成され、その長手方向は＜110＞方向とする。またダミー抵抗17は同様にシリコン基板中に局所的にP型の不純物層を拡散させて形成され、図９に示すようにV字型とし、そのV字を形成する直線部分の長手方向は＜100＞となるようにする。さらにひずみセンサ3とダミー抵抗17の抵抗値はほぼ同じになるように形成する。また、ダミー抵抗17はV字型をしているが、V字を形成する２つの直線部分の長さが等しくなるように折れ曲がるようにする。

図10にひずみセンサ３とダミー抵抗17の形状とシリコン基板２の結晶方位との関係を示す。ひずみセンサ３をP型不純物拡散層で形成し、＜110＞方向を長手とすることで、長手方向の応力感度が大きくできるという利点がある。また、ダミー抵抗17をp型不純物拡散層で形成し、長手方向を＜100＞とすることで垂直応力に対する感度を最小に出来、またダミー抵抗17をV字型に形成することで面内のせん断応力に対する感度を打ち消すことができるので、さらにダミー抵抗17の感度を低下させることが出来る。また、ひずみセンサとダミー抵抗は同じP型の不純物層により構成できるので、両者を同時に、同じプロセスによって形成することで抵抗値をほぼ同一にできるという利点がある。例えば、p型不純物のイオン注入処理を同時に行って両者の不純物層を形成すると、ひずみセンサ３とダミー抵抗17でほぼ同一のシート抵抗値が得られるため、製造上のばらつきを考慮しなくてもホイートストンブリッジ回路の出力のオフセット量を最小にすることができる。この場合、不純物の拡散処理は、不純物のドーズ量の精度が高く、拡散プロファイルも再現性よく形成できるため、イオン注入とその後の活性化処理で行われるのが望ましい。また、ひずみセンサとダミー抵抗を同じP型の不純物層で一括に形成することで、シート抵抗値も同一に出来るため、抵抗値の温度依存性もほぼ同一にできるという利点もある。なお、ひずみセンサとダミー抵抗の不純物濃度を一致させない設計を行った場合でも、温度補正に若干の誤差が生じる可能性があり、さらに、ひずみセンサ３とダミー抵抗17の抵抗値の偏差がばらつくことが予想されるが、それ以外の有効な効果は同様に得ることができる。また、ダミー抵抗17を図11に示すように、V字型の拡散層でなく、結果的に同じ効果になるように＜１００＞方向を長手とする拡散層を配線を用いてつなぎ合わせても良い。この場合には、ダミー抵抗17のつなぎ合わせた拡散層の抵抗値はひずみセンサ３の値と同様になることが望ましい。この場合にはひずみセンサやダミー抵抗のレイアウトが自由にできるという利点が生まれる。図12には、図11に示す拡散層の構成の場合の配置とブリッジ配線18の接続を示す。図12の例はブリッジ配線18の長さを出来るだけ一致させるように、拡散層やブリッジ配線18の配置を考慮したものである。各拡散層の配置は図9や図11に示すようにダミー抵抗17のV字の開く方向が一致していても良く、この場合にはホイートストンブリッジ回路16の占有面積を小さくできるという利点がある。また、図8、図9、図11では２つのひずみセンサ３はダミー抵抗17を挟むように離れて配置しているが、これを2本並べて配置しても良い。この場合もレイアウト上、占有面積を小さくすることが可能となる。また、図12に示したブリッジ配線18のようにできるだけ鏡面対象性を崩さないように配線を配置することにより、各ブリッジ配線18の長さが大きく異ならないため、4つのブリッジの抵抗の偏差を小さくすることができる。

また図8に示すように、ダミー抵抗をV字配置でなく直線状とした場合でも、面内のせん断力の影響は若干受けやすくなるが、それ以外の有効な効果は同様に得ることができる。図13にひずみセンサ３とダミー抵抗17の形状とシリコン基板２の結晶方位との関係を示す。ひずみセンサ３をp型不純物拡散層で形成し、＜110＞方向を長手とすることで、長手方向の応力感度が大きくできるという利点がある。また、ダミー抵抗17をP型不純物拡散層で形成し、長手方向を＜100＞とすることで垂直応力に対する感度を最小にできる。本方法は面内せん断成分を打ち消すことは出来ないが、ダミー抵抗7としてV字を形成しないので、レイアウトが簡便となるという利点がある。ダミー抵抗7としてV字を形成し、その抵抗値をひずみセンサ３と精度よく一致させることは難しく、その点で図13に示す方法は簡便であり、精度良くひずみセンサ３の抵抗値と一致させることが出来るという利点もある。図14の例はブリッジ配線18の長さを出来るだけ一致させるように、拡散層やブリッジ配線18の配置を考慮したものである。
また、上記ではひずみセンサを＜110＞方向、ダミー抵抗を＜100＞方向に形成すると記述したが、これは理想状態であって、製造上、角度のズレが生じた場合でも効果は十分に有する。すなわち、ひずみセンサは＜100＞方向よりも＜110＞方向に近くなるように配し、ダミー抵抗は＜110＞方向よりも＜100＞方向に近くなるように配すれば効果を有する。

図15にはひずみセンサ３およびダミー抵抗17をn型不純物拡散層で形成した場合の例を示す。また図16にひずみセンサ３とダミー抵抗17の形状とシリコン基板２の結晶方位との関係を示す。この場合には、ひずみセンサ３を<100>方向を長手となるように形成し、ダミー抵抗17を<110>方向を長手となるように形成する。また、面内のせん断成分を打ち消すために図17、図18に示すようなV字型のダミー抵抗17を用いた場合には、ダミー抵抗17が多軸応力成分の影響を受けにくいために、精度の高い測定が可能となる。図15、図16、図17、図18に示したひずみセンサ３を用いた場合には、ひずみの測定方向は<100>となる。従って、ひずみの測定方向を示す印15は<100>方向を示すように形成する。通常の半導体デバイスのように<110>方向に直角平行に回路や配線を形成する場合には、ひずみ測定方向が製造工程中に作業者に分かり難いので、印15を例えば図19のように付けることが望ましい。

以上の場合のように、ｎ型不純物拡散層を用いてひずみセンサ３とダミー抵抗17を形成した場合には、ｐ型不純物拡散層を用いた場合に比べて若干の感度は低下するが、他の回路がn型半導体デバイスで形成された場合などは、ひずみセンサ３のためのみにｐ型不純物を拡散させることが無く、製造が容易となる利点がある。また、シリコン結晶のへき開面は＜111>であり、ひずみ測定方向を<100>とすることにより、大きなひずみ量を測定する場合においても割れにくいという利点がある。

図20には、ひずみセンサ３をｐ型不純物拡散層で、さらにダミー抵抗17をn型不純物拡散層で形成した場合の例を示す。また図21にひずみセンサ３とダミー抵抗17の形状とシリコン基板２の結晶方位との関係を示す。この場合にはひずみセンサ３とダミー抵抗17をともに<110>方向を長手とするように形成し、ひずみ測定方向も<110>となる。この例ではひずみセンサ３をｐ型不純物拡散層で構成していることから感度が高いという利点がある。また、ひずみセンサ３とダミー抵抗17が平行に形成できるので、ホイートストンブリッジ回路16の占有面積を小さくできるという利点がある。よって全体のチップサイズを小さくでき、その結果、コストの削減を図ることができる。

さらに図22には、ひずみセンサ３をn型不純物拡散層で、さらにダミー抵抗17をp型不純物拡散層で形成した場合の例を示す。また図23にひずみセンサ３とダミー抵抗17の形状とシリコン基板２の結晶方位との関係を示す。この場合には、ひずみセンサ３とダミー抵抗17はともに<100>方向を長手とするように形成し、ひずみの測定方向も<100>となる。各方向の応力に対してダミー抵抗17の感度が低いので、精度の良い計測が可能となるという利点があるので、測定する応力状態が1軸から大きく外れている場合に使用できる。また、ひずみセンサ３とダミー抵抗17が平行に形成できるので、ホイートストンブリッジ回路16の占有面積を小さくできるという利点がある。

また、図24には、ひずみセンサ３をn型不純物拡散層で、さらにダミー抵抗17をp型不純物拡散層で形成した場合の例を示す。また図25にひずみセンサ３とダミー抵抗17の形状とシリコン基板２の結晶方位との関係を示す。この場合には、ひずみセンサ３は<100>方向を長手とするように形成し、ダミー抵抗17は<110>方向を長手とするように形成し、ひずみの測定方向も<100>となる。この場合には、ひずみセンサ３の<100>方向への感度が高く、ダミー抵抗17の各応力成分に対する感度が低いので、精度の高い測定が可能となる。
また、ダミー抵抗を、図26に示すようなひずみセンサの拡散層の長手方向とダミー抵抗の拡散層の長手方向がほぼ直角になるように形成しても良い。すなわち、ひずみセンサの拡散層の長手方向がボルト12の軸線方向となるように配置し、またダミー抵抗５の拡散層の長手方向がボルト12の半径方向と一致するように配する。この場合には、ボルトの半径方向にもある程度のひずみが発生するので完全なダミーとはならないが、値に大きな差が生じるために十分実用の範囲内となる。また、図26ではn型の不純物拡散層を用いた場合について一例として示したが、p型の不純物拡散層を用いた場合でも、さらにｎ型不純物拡散層とp型不純物拡散層の両方の組み合わせで構成しても良い。

いずれの場合においても、該ホイートストンブリッジ16からの電圧はリード線によってチップ15に供給され、チップ15内のひずみセンサアンプ群とアナログ/デジタルコンバータによりデジタル信号に変換される。該デジタル信号はチップ15内の通信制御部、整流・検波・変復調回路部を経て電波信号に変換され、アンテナ10からリーダ17に送信される。一方、リーダ17から送られた電力用高周波信号をアンテナ10で受信し、整流・検波・変復調回路部で平滑化し、一定電圧の直流電力にしてひずみ量測定用の各回路に電源として供給する。この本発明の第二の実施例においても、第一の実施例と同様に、電磁気エネルギより非接触で電源を得ることから、バッテリ消費による寿命がなく、また電磁気エネルギにより駆動するためにひずみセンサの電力消費を最小限とした場合でも、電磁気エネルギ授受の際のノイズの影響を受けずに動作する事が出来るという利点がある。さらにボルト内に温度分布がある際にも精度のよい測定が可能となるという利点も有する。

以下、本発明の第三の実施例を図27から図31を用いて説明する。図27には本発明の第三の実施例であるひずみ量測定機能付きボルト1を示す。本実施例のひずみ量測定機能付きボルト1ではひずみセンサ３とダミー抵抗５を同一の単結晶シリコン基板２内に形成し、これをボルト12の側面に配することで、ボルト12い作用するトルクを測定することを特徴とする。図27に示すように、ボルト12の側面にシリコン基板２が配され、シリコン基板２にはひずみセンサ３およびダミー抵抗17が形成されている。図28にはひずみセンサ３およびダミー抵抗17をp型不純物拡散層で形成した場合を示す。また図29にひずみセンサ３とダミー抵抗17の形状とシリコン基板２の結晶方位との関係を示す。この場合には、ひずみセンサ３を<100>方向を長手となるように形成し、ダミー抵抗17を<110>方向を長手となるように形成する。そして図28に示すようなｘｙ座標系において、τｘｙを測定することができる。

さらに、図30にはひずみセンサ３およびダミー抵抗17をn型不純物拡散層で形成した場合の例を示す。また図31にひずみセンサ３とダミー抵抗17の形状とシリコン基板２の結晶方位との関係を示す。この場合には、ひずみセンサ３を<100>方向を長手となるように形成し、ダミー抵抗17を<110>方向を長手となるように形成する。そして図31に示すようなｘｙ座標系において、τｘｙを測定することができる。すなわち垂直応力成分に対する感度が小さく、τｘｙのみに大きな感度を有するという利点がある。これをボルト12の側面に配することにより、ボルトのトルクを測定することが可能となる。

なお、温度とひずみと両方測定する形態にすることができる。

以下、本発明の第四の実施例を図32を用いて説明する。本実施例のひずみ量測定機能付きボルト1ではひずみセンサ３とダミー抵抗５を同一の単結晶シリコン基板２内に形成し、さらに該単結晶シリコン基板２に温度センサ19も形成したことを特徴とする。これによりボルト12の軸力とともに温度も計測できる利点がある。シリコン基板２のひずみセンサ３とダミー抵抗５は不純物拡散層によって形成されるが、同様にシリコン基板２内にｐ型不純物とｎ型不純物の接合を形成して、ダイオードを形成し、これを利用して温度を測定することができる。すなわちシリコン基板２内に不純物の拡散によって温度センサ19とひずみセンサ３とダミー抵抗５を形成する事が出来る。大きな製造工程の変更なく、温度センサ19も追加して形成できるという利点がある。また単結晶シリコンで形成しているので熱伝導が良く、精度の高い温度測定が可能となるという利点がある。

以上、第二から第四の実施例で示したように、シリコン基板に不純物拡散層を形成してこれをひずみセンサ３として用い、これをボルトの軸線方向に空けた孔13に埋め込むことはボルトの強度を落とすことが無いという利点もある。シリコン基板に不純物拡散層を形成する技術は半導体製造技術を用いることが出来るので、サブミクロン以下の精度で形成することが出来る。このため、センサ自体を非常に小さく形成できることから、孔13も非常に細いものでよく、このためボルトの強度を低下させることなく、測定することが可能となる。特に図３に示すようにボルトの底部に形成する場合や径の小さいボルトの場合には有効となる。また温度センサ19を同一のシリコン基板に形成する場合でもひずみセンサと温度センサは非常に小さく出来るので、同様の利点が生じる。

以下、本発明の第五の実施例を図33から図35を用いて説明する。図33には本発明の第五の実施例であるひずみ量測定機能付きボルト1を示す。本実施例はひずみの値とともにボルト固有のIDナンバーも順次送信できるようにしたものである。IDナンバーを記憶したID記憶部20を有しているのが特徴である。リーダ18より発信された電波を受けて、平滑化して電源としてひずみセンサ3およびひずみセンサアンプ群4を動作させる。読み取られ、増幅された抵抗変化量はアナログ/デジタルコンバータ12でデジタル値に変換され、ID記憶部20に記憶されたIDナンバーとともに一旦レジスタ22に蓄えられ通信制御部8、および整流・検波・変復調回路７によって順次送信される。本実施例によれば、IDナンバーがひずみ量とともにリーダ18で受信できることから、複数のひずみ量測定機能付きボルト1が存在した場合でも、各ボルトと測定値の関係が把握しやすくなるという利点がある。例えば、IDナンバーをもとに各測定箇所のひずみがそれぞれ管理できるので、各点での経時変化を整理しやすいという利点がある。

また図34は別のひずみ量測定機能付きボルト1の構成図を示すが、これは自己発電部を有しており、リーダ18による電波照射時以外でも力学量の測定が可能である。また不揮発性メモリ23を内蔵しており、ひずみの値を不揮発で記憶できることに特徴がある。すなわち、測定値を電波で発信するには大きな電力量を必要とすることから、電波の発信のエネルギは電磁結合、電磁誘導、マイクロ波給電、光結合のいずれかで賄い、電力量を多量に必要としない測定は自己発電のエネルギで賄っている。またタイマー24を内蔵することにより、時刻と負荷とIDナンバーを同時に記憶することが出来るという利点が生まれる。また、不揮発性メモリ23に蓄えた測定値は電磁結合、電磁誘導、マイクロ波給電、光結合のいずれかによる読み出しが可能である。本発明を用いたことにより、ひずみセンサ３の消費電力を少なくできるため、図34に示すひずみ量測定機能付きボルト1を実現することが可能となる。すなわち、電磁結合、電磁誘導、マイクロ波給電、光結合のいずれかによる電源で電波の発信を賄い、さらにセンサの消費電力を小さくできたため、自己発電部25の電力が小さい場合でも常時計測が可能とすることができた。ここで、自己発電部25とは振動発電、太陽光発電、圧電素子を用いた発電、流体力による発電など、発電量は小さいがバッテリのように消耗するものでない電源が含まれる。このように本実施例では、自己発電部25の出力が小さいような適用例でも運用が可能となるという大きな利点がある。また自己発電部25のかわりに蓄電機能の無いバッテリを用いた場合には、バッテリの寿命を長く出来るという利点も生じる。また、電磁エネルギによる動作でなくても、自己発電部25のみの電源による動作でも間欠動作ならば、ひずみ測定やひずみ値の伝送等の動作が可能である。この場合にはひずみセンサ３の消費電力を極端に絞らねばならないが、その場合でも本発明によれば上述したようにノイズの影響を抑えることができ、精度の良い計測が可能となる。また本発明によれば、チップ15の電源グランドとボルト12が電気的に結合しているために、電波を発信する際にエネルギ効率を向上させることが可能となる。よって自己発電部25のみの電源供給の際でも、よりわずかな発電量でも動作が可能となる。

また、図35には電磁結合、電磁誘導、マイクロ波給電、光結合のいずれかによる電源供給を受けるが、この電源の一部を蓄電池21に導き、充電する機構を設けた例を示した。本発明によりセンシング時の電力はごく僅かとすることが出来るため、蓄電池21の電力を用いて常時あるいは間欠的にひずみ値を計測することが出来る。電波に載せて値を出力するためには十分な電力が必要であることから、測定値の読み出し時には第一実施例のように電波による電源供給を受けて動作する。また同時に蓄電池21の充電も行う。本発明を用いたことにより、ひずみセンサ３の消費電力を少なくできるため、充電量も少なくて済み、図35に示す力学量測定装置を実現することが可能となる。

本発明の第一実施例のひずみ量測定機能付きボルトの断面図である。本発明の第一実施例のひずみ量測定機能付きボルトのうち、チップの部分を示した斜視図である。本発明の第一実施例のひずみ量測定機能付きボルトの断面図である。本発明の第一実施例のひずみ量測定機能付きボルトに関するホイートストンブリッジを説明するための回路図である。本発明の第一実施例のひずみ量測定機能付きボルトの断面図である。本発明の第一実施例のひずみ量測定機能付きボルトの断面図である。本発明の第二実施例のひずみ量測定機能付きボルトの断面図である。本発明の第二実施例のひずみ量測定機能付きボルトのひずみ計測部を示した斜視図である。本発明の第二実施例のひずみ量測定機能付きボルトのひずみ計測部を示した斜視図である。本発明の第二実施例のひずみ量測定機能付きボルトのひずみ計測部に関して、ボルト軸線方向とシリコン基板の結晶方位と拡散層の配置を示した図である。本発明の第二実施例のひずみ量測定機能付きボルトのひずみ計測部を示した斜視図である。本発明の第二実施例のひずみ量測定機能付きボルトのひずみ計測部に関して、ボルト軸線方向と拡散層の配置および配線例を示した図である。本発明の第二実施例のひずみ量測定機能付きボルトのひずみ計測部に関して、ボルト軸線方向とシリコン基板の結晶方位と拡散層の配置を示した図である。本発明の第二実施例のひずみ量測定機能付きボルトのひずみ計測部に関して、ボルト軸線方向と拡散層の配置および配線例を示した図である。本発明の第二実施例のひずみ量測定機能付きボルトのひずみ計測部に関して、ボルト軸線方向と拡散層の配置および配線例を示した図である。本発明の第二実施例のひずみ量測定機能付きボルトのひずみ計測部に関して、ボルト軸線方向とシリコン基板の結晶方位と拡散層の配置を示した図である。本発明の第二実施例のひずみ量測定機能付きボルトのひずみ計測部に関して、ボルト軸線方向とシリコン基板の結晶方位と拡散層の配置を示した図である。本発明の第二実施例のひずみ量測定機能付きボルトのひずみ計測部に関して、ボルト軸線方向と拡散層の配置および配線例を示した図である。本発明の第二実施例のひずみ量測定機能付きボルトのひずみ計測部を示した斜視図である。本発明の第二実施例のひずみ量測定機能付きボルトのひずみ計測部に関して、ボルト軸線方向と拡散層の配置および配線例を示した図である。本発明の第二実施例のひずみ量測定機能付きボルトのひずみ計測部に関して、ボルト軸線方向とシリコン基板の結晶方位と拡散層の配置を示した図である。本発明の第二実施例のひずみ量測定機能付きボルトのひずみ計測部に関して、ボルト軸線方向と拡散層の配置および配線例を示した図である。本発明の第二実施例のひずみ量測定機能付きボルトのひずみ計測部に関して、ボルト軸線方向とシリコン基板の結晶方位と拡散層の配置を示した図である。本発明の第二実施例のひずみ量測定機能付きボルトのひずみ計測部に関して、ボルト軸線方向と拡散層の配置および配線例を示した図である。本発明の第二実施例のひずみ量測定機能付きボルトのひずみ計測部に関して、ボルト軸線方向とシリコン基板の結晶方位と拡散層の配置を示した図である。本発明の第二実施例のひずみ量測定機能付きボルトのひずみ計測部に関して、ボルト軸線方向とシリコン基板の結晶方位と拡散層の配置を示した図である。本発明の第三実施例のひずみ量測定機能付きボルトの断面図である。本発明の第三実施例のひずみ量測定機能付きボルトのひずみ計測部に関して、ボルト軸線方向と拡散層の配置および配線例を示した図である。本発明の第三実施例のひずみ量測定機能付きボルトのひずみ計測部に関して、ボルト軸線方向とシリコン基板の結晶方位と拡散層の配置を示した図である。本発明の第三実施例のひずみ量測定機能付きボルトのひずみ計測部に関して、ボルト軸線方向とシリコン基板の結晶方位と拡散層の配置を示した図である。本発明の第三実施例のひずみ量測定機能付きボルトのひずみ計測部に関して、ボルト軸線方向と拡散層の配置および配線例を示した図である。本発明の第四実施例である温度測定機能も付加したひずみ量測定機能付きボルトの断面図である。本発明の第五実施例のひずみ量測定機能付きボルトの構成を説明したブロック図である。本発明の第五実施例のひずみ量測定機能付きボルトの構成を説明したブロック図である。本発明の第五実施例のひずみ量測定機能付きボルトの構成を説明したブロック図である。

符号の説明

１…ひずみ量測定機能付きボルト
２…シリコン基板
３…ひずみセンサ
４…ひずみセンサアンプ群
５…ダミー抵抗
６…アナログ/デジタルコンバータ
７…整流・検波・変復調回路部
８…通信制御部
１０…アンテナ
１２…ボルト
１３…孔
１４…ひずみゲージ
１５…チップ
１６…ホイートストンブリッジ回路
１７…リーダ
１９…温度センサ
２０…ID記憶部
２１…蓄電池
２２…レジスタ
２３…不揮発性メモリ
２４…タイマー
２５…自己発電部

Claims

ボルトに、ひずみセンサおよびダミー抵抗からなるホイートストンブリッジ回路と、該ホイートストンブリッジ回路からの信号を増幅してデジタル信号に変換する変換回路と、前記デジタル信号をボルトの外部に送信するための送信回路と、ボルトの外部から受けた電磁波エネルギを少なくとも前記何れかの回路の電源として供給する電源回路と、を設けたことを特徴とするひずみ量測定機能付きボルト。
ボルトに穿設した穴に、ひずみセンサおよびダミー抵抗からなるホイートストンブリッジ回路と、該ホイートストンブリッジ回路からの信号を増幅してデジタル信号に変換する変換回路と、前記デジタル信号をボルトの外部に送信するための送信回路と、ボルトの外部から受けた電磁波エネルギを少なくとも前記何れかの回路の電源として供給する電源回路、を設け、前記変換回路と、送信回路と、前記電源回路が共通する半導体チップの上に形成され、前記半導体チップの電源グランドと前記ボルトが電気的に結合されていることを特徴とするひずみ量測定機能付きボルト。
ボルトの長軸線方向に穿設した穴に、ひずみセンサおよびダミー抵抗を備えたホイートストンブリッジ回路と、該ホイートストンブリッジ回路からの信号を増幅してデジタル信号に変換する変換回路と、前記デジタル信号をボルトの外部に送信する送信回路と、ボルトの外部から受けた電磁波エネルギを前記いずれかの回路の電源とする電源回路と、を設置し、前記ホイートストンブリッジ回路と前記電源回路と共通する単結晶半導体チップに形成されたことを特徴とするひずみ量測定機能付きボルト。
ボルトに、ひずみセンサおよびダミー抵抗からなるホイートストンブリッジ回路と、該ホイートストンブリッジ回路からの信号を増幅してデジタル信号に変換する変換回路と、前記デジタル信号をボルトの外部に送信する送信回路と、ボルトの外部から受けた電磁波エネルギを少なくとも前記いずれかの回路の電源とする電源回路と、温度センサと、を設置し、前記温度センサと前記ホイートストンブリッジ回路とが同一のシリコン単結晶部材に形成され、前記温度センサは前記部材の不純物拡散層であることを特徴とするひずみ量測定機能付きボルト。
請求項１において、前記ホイートストンブリッジ回路を構成する前記ひずみセンサおよび前記ダミー抵抗が同一のシリコン単結晶部材上に形成され、前記ひずみセンサはN型不純物拡散層を有し、前記ダミー抵抗をP型不純物拡散層を有し、前記ひずみセンサは前記シリコンの<100>方向を長手とするように形成され、前記ダミー抵抗は前記シリコンの<110>方向を長手とするように形成したことを特徴とするひずみ量測定機能付きボルト。
請求項１において、前記ホイートストンブリッジ回路を構成する前記ひずみセンサおよび前記ダミー抵抗同一のシリコン単結晶基板に形成され、前記ひずみセンサは前記シリコン基板中にP型の不純物層を拡散させて形成された第一の領域を有し、前記第一の領域の長手方向はシリコン基板の＜110＞方向となるよう形成され、前記ダミー抵抗は前記シリコン基板中にP型の不純物層を拡散させて形成された第二の領域を有し、前記第二の領域の長手方向はシリコン基板の＜100＞方向が長手となるように形成されたことを特徴とするひずみ量測定機能付きボルト。
請求項１において、前記ホイートストンブリッジ回路を構成する前記ひずみセンサおよび前記ダミー抵抗が同一のシリコン単結晶基板に形成されており、前記ひずみセンサは前記シリコン基板中にN型の不純物層を拡散させて形成された第一の領域を有し、前記第一の領域はシリコン基板の<100>方向が長手となるように形成し、前記ダミー抵抗は前記シリコン基板中にN型の不純物層を拡散させて形成された第二の領域を有し、前記第二の領域はシリコンの<110>方向が長手となるように形成したことを特徴とするひずみ量測定機能付きボルト。
請求項１において、ホイートストンブリッジ回路を構成する前記ひずみセンサおよび前記ダミー抵抗からなる同一のシリコン単結晶基部材に形成されており、前記ひずみセンサはP型不純物拡散層を有し、前記ダミー抵抗はN型不純物拡散層を有し、前記ひずみセンサと前記ダミー抵抗はシリコン単結晶部材の<110>方向を長手とするように形成したことを特徴とするひずみ量測定機能付きボルト。
請求項１において、ホイートストンブリッジ回路を構成する前記ひずみセンサおよび前記ダミー抵抗からなる同一のシリコン単結晶基部材に形成されており、前記ひずみセンサはP型不純物拡散層を有し、前記ダミー抵抗はN型不純物拡散層を有し、前記ひずみセンサと前記ダミー抵抗はシリコン単結晶部材の<100>方向を長手とするように形成したことを特徴とするひずみ量測定機能付きボルト。
請求項１において、ホイートストンブリッジ回路を構成する前記ひずみセンサおよび前記ダミー抵抗からなる同一のシリコン単結晶部材に形成されており、前記ひずみセンサはP型不純物拡散層を有し、前記ダミー抵抗はN型不純物拡散層を有し、前記ひずみセンサはシリコン単結晶部材の<100>方向を長手とするように形成し、前記ダミー抵抗はシリコン単結晶部材の<110>方向を長手とするように形成したことを特徴とするひずみ量測定機能付きボルト。
請求項１において、ホイートストンブリッジ回路を構成する前記ひずみセンサおよび前記ダミー抵抗からなる同一のシリコン単結晶部材に形成されており、前記ひずみセンサは前記シリコン基板中にP型の不純物層を拡散させて形成された第一の領域を有し、前記第一の領域の長手方向は前記シリコン単結晶部材の＜110＞方向に形成され、前記ダミー抵抗はシリコン基板中にP型の不純物層を拡散させて形成された第二の領域を有し、前記第二の領域の長手方向はシリコン単結晶部材の＜100＞方向となるように形成したことを特徴とするひずみ量測定機能付きボルト。
請求項１において、ホイートストンブリッジ回路を構成する前記ひずみセンサおよび前記ダミー抵抗からなる同一のシリコン単結晶部材に形成されており、前記ひずみセンサは前記シリコン基板中にN型の不純物層を拡散させて形成された第一の領域を有し、前記第一の領域の長手方向は前記シリコン単結晶部材の＜100＞方向に形成され、前記ダミー抵抗はシリコン基板中にN型の不純物層を拡散させて形成された第二の領域を有し、前記第二の領域の長手方向はシリコン単結晶部材の＜110＞方向となるように形成したことを特徴とするひずみ量測定機能付きボルト。
請求項１において、ホイートストンブリッジ回路を構成する前記ひずみセンサおよび前記ダミー抵抗からなる同一のシリコン単結晶部材に形成されており、前記ひずみセンサは前記シリコン基板中にP型の不純物層を拡散させて形成された第一の領域を有し、前記ダミー抵抗はシリコン基板中にN型の不純物層を拡散させて形成された第二の領域を有し、前記第一の領域と前記第二の領域の長手方向はシリコン単結晶部材の＜110＞方向となるように形成したことを特徴とするひずみ量測定機能付きボルト。
請求項１において、ホイートストンブリッジ回路を構成する前記ひずみセンサおよび前記ダミー抵抗からなる同一のシリコン単結晶部材に形成されており、前記ひずみセンサはN型不純物層を有し、前記ダミー抵抗はP型不純物層拡散層を有し、前記N型不純物拡散層及び前記P型不純物拡散層の長手方向はシリコン単結晶部材の＜100＞方向となるように形成したことを特徴とするひずみ量測定機能付きボルト。