JP2005189116A

JP2005189116A - 力学量センサ構造

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Publication number: JP2005189116A
Application number: JP2003431442A
Authority: JP
Inventors: Kenji Morikawa; 森川　　賢二
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-12-25
Filing date: 2003-12-25
Publication date: 2005-07-14
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Abstract

【課題】力学量検出部の出力に対して精度良く温度補正を行うために、力学量検出部の温度を高精度で検出することを可能とする力学量センサ構造の提供である。
【解決手段】第一保持部材２，２０と第二保持部材４，１０とが、力学量検出部３を挟んで、力学量印加方向に積層されるとともに、第二保持部材４，１０が、第一保持部材２，２０よりも熱抵抗が低く形成され、かつ温度検出部１２が密着して配されたセンサ構造を有することで、力学量検出部３の温度と温度検出部１２の温度とを略一致させ、温度検出部１２が、自身の温度を力学量検出部３の温度として検出することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、力、圧力、トルク、速度、加速度、衝撃力、重量質量、真空度、回転力、振動、騒音等の力学的な変化量を測定する力学量センサ構造に関し、特に、温度補償機能を備えた力学量センサ構造に関する。

従来、力学量を検出する手段として、感圧素子を用いた圧力センサや、圧力抵抗効果材料を利用して構成した荷重センサ等の力学量センサが広く利用されている。ここで、圧力抵抗効果とは，材料に圧縮応力，引張応力，剪断応力，静水圧応力が加わった際に，材料の電気抵抗が変化する現象のことである。このような力学量センサを構成する素子（以下、力学量センサ素子、又は単に素子とも言う）は、印加された力学量を圧力として検出し、該圧力を電気信号などの電気量に変換して外部に出力する。このような力学量センサは、素子の温度特性によってその検出出力がばらつくため、それらの値に対する温度補償を行うことが重要とされてきた。そのため、このようなセンサ構造では、力学量の検出のみならず、力学量センサ素子の検出部の温度検出も同時に行い、力学量の検出値を温度に基づいて補正可能な構成のものが多い。

特許文献１には、上記のような力学量センサ（該公報においては荷重センサ）に関する記載がある。該公報の荷重センサは、その図６に示されているように、セラミックスで形成されたサンドイッチ構造の荷重センサ６０の素材に、幅狭の溝６５、６６を形成することにより、絶縁部６４からなる基台を共通として、荷重検出素子６１と同じ温度特性を持つ温度検出素子６２、６３を形成してなる荷重センサの構造を有する。荷重検出素子６１と同一構造を有する温度検出素子６２、６３を温度補償素子として使用し、温度検出素子６２、６３から検出される温度を荷重検出素子６１の温度とするものとして検出することを特徴としている。これによれば、荷重検出素子６１の温度を検出する温度検出素子６２、６３が近接し、かつ同一の構造で形成されているため、両者の間に温度差が生じにくいという利点を有する。

特開平１５−２１４９６２号公報

ところが、こうした温度補正を行う力学量センサは、力学量検出素子の温度を精度よく検出できていない場合がある。上記公報においても、力学量検出素子と温度補償素子との間に温度差が生じにくい構造をなしているとはいえ、断熱性の高い空気等の気体を間に介する構造をなしており、さらに熱伝導の悪い材料で接続されてなることより両者の間の温度差が小さいとは言い切れない。また、温度補償素子として用いる温度検出素子６２、６３と荷重検出素子６１の温度特性にはばらつきがある。従って、力学量検出素子の温度検出精度が悪いため、検出された温度によって補正した力学量の検出値も、一定以上の精度を得ることは難しい。

したがって、本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、力学量検出部の出力に対して精度良く温度補正を行うために、力学量検出部の温度を高精度で検出することを可能とする力学量センサ構造の提供である。

課題を解決するための手段および発明の効果

上記課題を解決するために、本発明の力学量センサ構造は、第一力学量伝達部材と、前記第一力学量伝達部材よりも熱抵抗の低い第二力学量伝達部材と、前記第一力学量伝達部材と前記第二力学量伝達部材とに挟まれて保持され、前記第一力学量伝達部材または前記第二力学量伝達部材を介して印加された力学量に基づいて、電気信号を変化させて出力する力学量検出部と、前記第二力学量伝達部材に備えられ、前記力学量センサ素子の温度を検出するための温度検出部とを有し、前記温度検出部が検出した温度に基づいて、前記力学量検出部の出力を補正する補正手段を有することを特徴とする。

従来のセンサ構造は、図２のように、力学量検出部３を絶縁セラミック２，４で上下から挟んで形成されることが多い。この場合、絶縁セラミック２，４は断熱材を兼ねる材料からなり、検出部３への熱伝導を可能な限り抑制するという思想で素子が構成される。ところが本発明の力学量センサ構造は、力学量検出部が有する熱を、熱伝導性の高い第二力学量伝達部材を介して温度検出部に、積極的に伝達することを特徴としている。これにより、力学量検出部と温度検出部との温度を略一致させることが可能となり、結果として、温度検出部は、自身の温度を力学量検出部の温度として検出することが可能となる。図２に示す従来の力学量センサ構造では、力学量検出部３、絶縁セラミック２，４の中で、図７（ａ）のような温度勾配を生じている可能性があり、本発明のような温度検出手法を用いることはできない。また、本発明の特徴として、第ニ力学量伝達部材の熱伝導性が高く構成されており、第一力学量伝達部材側の温度が急激に変化した場合であっても、第一力学量伝達部材から力学量検出部へ移動する熱量を、力学量検出部に蓄積することなく、第二力学量伝達部材側にスムーズに伝導させることが可能となる。また、第一力学量伝達部材の熱伝導性が低いことにより、第一力学量伝達部材側で急激な温度変化が生じても力学量検出部には熱は伝わりにくく、力学量検出部の急激な温度変化を防ぐことができる。

このとき、前記第二力学量伝達部材は、前記第一力学量伝達部材よりも熱伝導率の高い材料で形成されてなることを特徴とするものであってもよい。第一力学量伝達部材と第二力学量伝達部材との熱伝導の差を両者の材質を異なるものにすることで、力学量検出部と温度検出部との温度差を小さくすることが可能となる。また、前記第二力学量伝達部材は、前記第一力学量伝達部材よりも前記力学量印加方向に薄く形成されていることを特徴とするものであっても良い。第一力学量伝達部材および第二力学量伝達部材の力学量印加方向の厚さを、第一力学量伝達部材の方が厚くなるように形成することで、第二力学量伝達部材側への熱の移動が起こりやすくなり、力学量検出部と温度検出部との温度差を小さくすることが可能となる。

また、前記温度検出部を封止し、かつ前記力学量検出部の露出面を覆ってなる封止体を有することを特徴とするものであってもよい。これにより、力学量検出部と温度検出部とは、第二力学量伝達部材のみでなく、封止体によっても熱的に接続される。従って、熱の移動はより円滑に行われ、力学量検出部と温度検出部との温度差をさらに小さくすることが可能となる。また、このとき、前記封止体はゲル状の封止体であることを特徴とするものであってもよい。これによれば、封止体の形成が極めて簡易に行うことができるため、有効である。また、力学量検出部や温度検出部を外界から切り離すため、外気に含まれる粉塵や水分などによる悪影響を回避する効果も有する。

前記補正手段は、前記力学量検出部の出力を補正する補正回路を構成してなるものであり、該補正回路に、温度検出素子を前記温度検出部として有することを特徴とするものであっても良い。これによれば、補正回路内に温度検出を行う回路素子を組み込み、これを温度検出部とすることができる。この温度検出素子は、第二力学量伝達部材を介して力学量検出部と熱的に接続されているため、この素子の温度を検出することで力学量検出部の温度が測定できる。この場合、温度検出素子として、サーミスタ等の温度測定用回路素子を用いることができる。また、回路に多数備わるダイオードのうちの１つまたは複数を温度測定素子として定め、そのダイオードの電圧降下量を検出して、その変化量から温度を検出することも可能である。ダイオードを用いる場合、既存の回路が既に複数のダイオードを有している場合が多いため、回路の中から温度検出素子とするダイオードを選択し、そのダイオードの電圧検出を行う回路を追加するだけでよい。サーミスタ等の回路素子を別途設ける場合よりも安価に実施でき、また回路全体の小型化にも適するという利点を有する。なお、このような温度検出素子を備えた補正回路は、熱伝導の観点から、樹脂などでモールドされていたり、パッケージング等がなされているよりも、ベアチップのままであることが好ましい。また、やむを得ずパッケージングする際もアルミナ等の熱伝導性の良い材料を用いたり、金属等により熱伝導を良くすることが好ましい。

前記力学量検出部は、セラミックスと圧力抵抗効果を有する材料とを主材料としてなるものであり、前記第一力学量伝達部材および前記第二力学量伝達部材は、セラミックスを主材料としてなるものであることを特徴とするものであっても良い。これにより、力学量検出部と第一および第二力学量伝達部材とからなる構造を有する力学センサは、セラミックスによって形成されるため、高い圧力や荷重に耐えうる高強度のセンサ構造を得ることができる。したがって、高荷重、高圧力を受ける荷重センサや圧力センサの形成に好適である。

前記力学量検出部および前記第一力学量伝達部材の主材料である前記セラミックスは、ジルコ二アであり、前記第二力学量伝達部材の主材料である前記セラミックスは、窒化アルミであることを特徴とするものであっても良い。セラミックスがジルコニアであれば、耐熱性に優れた素子構造が得られるとともに、強靭性を有するため、荷重、圧力による破壊に対して極めて高い耐性を有するセンサ構造が得られる。また、第二力学量伝達部材が窒化アルミ（約２００Ｗ／ｍＫ）であれば、ジルコニア（約２Ｗ／ｍＫ）の１００倍の熱伝導率を有するため、第二力学量伝達部材が形成され、上記のように力学量検出部と温度検出部との温度差を小さくする効果を得ることができる。

また、前記第二力学量伝達部材の前記力学量検出部との密着領域は、ジルコニアを主材料としてなり、かつ前記第一力学量伝達部材よりも薄く形成されてなる密着層が形成されてなることを特徴とするものであっても良い。力学量センサを製造する場合、一般的には、まず力学量検出部を絶縁体で挟んだ力学量センサ素子を形成した後に、例えば上記の補正回路が搭載されたセラミックケースなどの上に該素子を配することでなされる。このような製造過程を経る場合、絶縁体および検出部の主材料となるべきセラミックスは同一種のものであることが製造上効率的である。従って、第一力学量伝達部材の検出部側の密着層と、検出部と、上記第ニ力学量伝達部材の検出部側の密着層とからなる力学量センサ素子を予め形成するとし、その際にこれらを構成するセラミックスの主材料としてジルコニアを用いれば良い。ただし、ジルコニアは熱伝導率の低い材料である。本発明の場合、力学量検出部と温度検出部との温度差を小さくすることが必要であるため、第二力学量伝達部材の密着層は、熱伝導率の第一力学量伝達部材の密着層よりも薄く形成されている必要がある。また、第二力学量伝達部材の密着層以外の領域は上記のような熱伝導率の高い窒化アルミ等で形成されることが好ましい。この場合、第二力学量伝達部材は、ジルコニアからなる密着層と窒化アルミからなるセラミックケースとして構成できる。

前記圧力抵抗効果を有する材料は、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３（０≦ｘ≦１）であることを特徴とするものであってもよい。力学量検出部は、電気絶縁性をなす上記ジルコニアの粒子をマトリックス材料とし圧力抵抗効果材料のＬａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３粒子を電気的に連続になるように分散した構造で形成することができる。該構造は、圧力抵抗効果を有する本発明の検出部として十分に利用可能である。

また、本発明の力学量センサの構造は、前記第二力学量伝達部材は、前記第一力学量伝達部材よりも温度変化が小さい位置側に取付けられたことを特徴とするものであっても良い。第二力学量伝達部材は熱抵抗が低いため、熱の伝達速度は速く、従って力学量検出部や温度測定部の温度が変化しやすい。従って、第二力学量伝達部材が温度変化の小さくなるような構造下にあると、こうした温度変化は生じにくい。これにより、力学量検出部の温度検出を精度よく行うことができる。

前記力学量検出部は、印加された圧力に基づいてオーム抵抗が変化し、該オーム抵抗の変化によって荷重検出を可能とするものであり、前記補正手段は、前記温度検出部で検出した温度と前記力学量検出部で検出した抵抗値とに基づいて荷重を演算し、出力することを特徴とするものであっても良い。センサを有し、かつ一定の荷重や圧力の印加を受けるようなセンサ構造体を形成する場合、そのセンサ自体に一定以上の強度が必要である。強度が弱ければ、センサに伝達される圧力を減少させるために、圧力印加面積を大きくする等の構造が必要となり、コストがかかる。ところが、上記のような圧力抵抗効果を有する材料とセラミックスとからなる検出部を用いた素子構造であれば、印加された荷重や圧力に対して耐えることができるため、そのセンサ構造そのものをそのまま上記構造体の一部として利用できる。したがって、特に大きな荷重の印加を受ける荷重センサの形成には好適である。

以下、本発明である力学量センサの構造を代表するものとして荷重センサの構造を例にし、図面を用いてこれを説明する。なお、本発明のおける力学量とは、力、圧力、トルク、速度、加速度、衝撃力、重量質量、真空度、回転力、振動、騒音等の力学的な変化量のことを示す。また、上記の熱抵抗とは、２つの位置の間の温度差と、その間に単位時間当たりに流れる熱量とからなる値である。例えば、図７（ａ）においては、第一および第二保持部材がともに正四角柱であり、このとき、力学量印加方向Ｘにおける保持部材の厚さをｄ、その保持部材の熱抵抗をＲとすると、熱抵抗Ｒは、以下の式（１）で表される。
Ｒ＝ｄ／（ｋ×Ａ）・・・（１）
このとき、ｋは保持部材固有の熱伝導率であり、Ａは第一保持部材をＸ方向に対して垂直に切断した断面積である。これらは形状によっても変化し、また、複数の部材からなる場合であっても、熱抵抗は、個々の部材の抵抗を合成した合成抵抗として得ることができる。

図１は本発明の荷重センサ素子１を含むセンサ装置１００の構造（センサ構造）を示す斜視図である。荷重センサ素子１は、荷重Ｆが印加される側である受圧面側絶縁体２と、荷重Ｆの印加に基づいて電気信号を変化させて出力する力学量検出部（以下、検出部とも言う）３と、支持側絶縁体４とがこの順で積層された構造を有する。また、受圧面側絶縁体２上には荷重印加部（図示なし）を結合するための締結部品２０が形成されている。荷重Ｆは、受圧面側絶縁体２と締結部品２０とからなる第一力学量伝達部材を介して力学量検出部３に印加する。このとき、受圧面側絶縁体２は第一力学量伝達部材の絶縁領域をなすものであり、検出部３から締結部品２０を電気的に絶縁する。また、支持側絶縁体４と、該支持側絶縁体４と密着するセラミックスケース（以下、ケースとも言う）１０とからなる第二力学量伝達部材が、荷重Ｆを受け止める支持部となる。このとき、支持側絶縁体４は第二力学量伝達部材の絶縁領域をなし、検出部３からケース１０を電気的に絶縁する。

ケース１０には外部と電気信号の入出力を行うターミナル１１が連結されるとともに、回路チップ１２が搭載されている。ターミナル１１の端子部分（以下、ターミナル端子ともいう）１１ａと回路チップ１２と検出部３の端子５とはワイヤボンディング６によって電気的に接続している。なお、端子は、例えばＡｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｕ等の金属材料を用いることができる。

また、荷重センサ素子１を構成する検出部３は、例えばセラミックスを主材料として用いることができる。これにより、より高荷重の検出に耐えうる荷重センサを形成することができる。この場合、例えば電気絶縁性を有するセラミック材料をマトリックスとし、これに圧力抵抗効果を有する粒子を電気的に連続になるように分散させて検出部を構成することができる。上記検出部３を構成する圧力抵抗効果材料としては，ペロブスカイト構造の（Ｌｎ_1-xＭａ_x）_1-yＭｂＯ_3-z（ここに０＜ｘ≦０．５，０≦ｙ≦０．２，０≦ｚ≦０．６，Ｌｎ；希土類元素，Ｍａ；１種類またはそれ以上のアルカリ土類元素，Ｍｂ；１種類またはそれ以上の遷移金属元素），層状ペロブスカイト構造の（Ｌｎ_2-uＭａ_1+u）_1-vＭｂ₂Ｏ_7-w（ここに０＜ｕ≦１．０，０≦ｖ≦０．２，０≦ｗ≦１．０，Ｌｎ；希土類元素，Ｍａ；１種類またはそれ以上のアルカリ土類元素，Ｍｂ；１種類またはそれ以上の遷移金属元素），Ｓｉ及びこれらに微量の添加元素を加えた物質のいずれか１種以上よりなる材料を用いることができる。また，上記マトリックス材料としては，ジルコニア（ＺｒＯ₂），Ａｌ₂Ｏ₃，ＭｇＡｌ₂Ｏ₄，ＳｉＯ₂，３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂，Ｙ₂Ｏ₃，ＣｅＯ₂，Ｌａ₂Ｏ₃，Ｓｉ₃Ｎ₄，ＡｌＮ等を用いることができる。本実施形態においては、常温で高強度を有し、かつ破壊靭性が高いジルコニア（ＺｒＯ₂）を用いるものとする。なお、該力学量検出部の構造および形成材料に関する記載については、上記特許文献１ならびに特開２００１−２４２０１９、特開２００２−１４５６６４等に既に述べられているため、ここでの詳説は控えることとする。

また、この場合、検出部３を挟む絶縁体２，４も、検出部３と同様にセラミックスを主材料として用いることが有効である。ジルコニア（ＺｒＯ₂）をはじめ、Ａｌ₂Ｏ₃，ＭｇＡｌ₂Ｏ₄，ＳｉＯ₂，３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂，Ｙ₂Ｏ₃，ＣｅＯ₂，Ｌａ₂Ｏ₃，Ｓｉ₃Ｎ₄，ＡｌＮ等を用いることも可能である。ただし、本発明においては、支持側絶縁体４を構成する材料は、受圧面側絶縁体２を構成する材料と熱伝導率が同じ、または低い材料を、上記材料の中から選択して用いることが好ましい。本発明においては、検出部３の有する熱量を回路チップ１２に効率よく伝達することが重要であるが、支持側絶縁体４を構成する材料が、受圧面側絶縁体２を構成する材料よりも熱伝導率が高い場合、本発明の目的が達せられない可能性が高い。ただし、支持側絶縁体４の厚みを薄くすることで第二力学量伝達部材の熱抵抗を下げることも可能であり、必ずしも材料の熱伝導率の大小だけで絶縁体２，４の材料が決定される必要はない。本発明においては、受圧面側絶縁体２と締結部品２０とからなる第一力学量伝達部材が、支持側絶縁体４ケース１０とからなる第二力学量伝達部材よりも、熱抵抗が大きければよい。これに関しては後述する。

これにより、締結部品２０側から力学量、この場合では荷重Ｆが印加されると、検出部３はその印加荷重Ｆに基づく圧力を受ける。本実施形態においては、検出部３は、電気絶縁性をなす上記ジルコニアの粒子をマトリックス材料とし圧力抵抗効果材料のＬａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３粒子を電気的に連続になるように分散した構造をなすとともに、該構造は圧力抵抗効果を有するため、圧力の印加を受けると電気抵抗が変化し、上記端子５から出力する電圧信号が変化する。この変化量に基づいて、印加荷重Ｆの検出が可能となる。ところが、検出部３の抵抗変化量は温度特性を有するため、荷重を検出した際に出力される検出信号が、例えば図８に示すように、検出部３の温度によってばらつきを生じる。図８は、各温度における検出値のフルスケール（ＦＳ）に対する誤差の割合（％ＦＳ）を示すものであり、図に示された範囲内でばらつく可能性があることを示している。したがって、そうした検出値のばらつきは補正される必要がある。本実施形態の回路チップ１２は、そうした検出部３の温度特性によってばらつく力学量の検出信号を補正するための補正回路（補正手段）と、またその補正のために必要な検出部３の温度を測定するための温度測定用の回路素子（温度検出素子）とを有するものである。以下、その力学量の検出、温度検出および温度補正について説明を行う。

まず、検出部３の温度検出について説明する。図１の検出部３は、第二力学量伝達部材（支持側絶縁体４およびケース１０）を介して、回路チップ１２と熱的に接続されている。これにより、検出部３と回路チップ１２との間で熱伝導が生じる。本実施形態においては、ケース１１および支持側絶縁体４からなる第二力学量伝達部材は、その熱抵抗が小さくなるような材料や構造をなすため、検出部３から回路チップ１２に熱が伝わりやすく、両者の熱平衡状態が容易に発生し、検出部３と回路チップ１２との温度差は可能な限り小さくすることが可能である。したがって、検出部３の温度を直接測定する必要はなく、代わりに回路チップ１２内の素子の温度を測定することで、検出部３の温度を検出することができる。また、逆側の第一力学量伝達部材（受圧面側絶縁体２および締結部品２０）は断熱性に優れた部材で、第一力学量伝達部材側から検出部３に伝わる熱を遮断するように構成されている。従って、外界からの温度の影響を受けにくい構造となっており、検出部３の急激な温度変化を妨げている。

ケース１１と支持側絶縁体４との構成例として、例えば図３〜図６のような構成が挙げられる。従来のセンサ構造は、図２が示すように、検出部３を挟む絶縁体２，４が、同一材料で、かつ同一形状で形成されていた。また、絶縁体２，４の材質も、例えばジルコニアで双方が形成されていた。これは、検出部３への熱伝導を遮ることで検出部３の温度変化を妨げることを目的として形成された。しかしながら、本発明は、第二力学量伝達部材側に積極的に熱を伝えることで、温度検出部と検出部３との温度を一致させ、温度検出部の温度を測定し、その温度を用いて検出部３の検出値を補正することを特徴としている。

これに対して図３では、受圧面側絶縁体２と支持側絶縁体４とを熱伝導率の低い材料、例えばジルコニア（２Ｗ／ｍＫ）等で形成され、受圧面側絶縁体２と密着するケース１１を熱伝導率の高い材料、例えば窒化アルミ（２００Ｗ／ｍＫ）等で形成されている。支持側絶縁体４は、受圧面側絶縁体２よりも薄く形成されているため、支持側絶縁体４側の熱伝導率が高くなるよう構成されている。この場合、図７（ｂ）のように、検出部３と回路チップ１２との温度差Δｔ（Δｔ＝ｔ_０−ｔ_１）は、図７（ａ）に示すような従来のセンサ構造（図２）よりも小とすることが可能となる。また、図４のように、第二力学量伝達部材を、図１のように支持側絶縁体４とケース１０とで構成せず、熱伝導率が高く、絶縁性を有する材料、例えば窒化アルミ等で形成してもよい。この場合、図７（ｃ）に示すように、回路チップ１２との温度差Δｔが極めて小さくなるように形成することが可能となり、温度補正精度の向上に適する。また、図５のように、支持側絶縁体４を熱伝導率が高く、絶縁性を有する材料、例えば窒化アルミ等で形成し、ケース１０を高い絶縁性を有さずとも熱伝導のよい材料、例えば鉄等の金属材料で形成することも可能である。また、図６のように、検出部３と回路チップ１２が封止されていてもよい。この封止体３０の形成にあたっては、封止体３０がゲル状のものであることが好ましい。この封止体３０は、検出部３と回路チップ１２を熱的に接続する役割を果たすため、検出部３と回路チップ１２との温度差をさらに小さくすることが可能となる。

なお、いずれの場合であっても第一力学量伝達部材は、少なくとも絶縁領域において高い電気絶縁性を有し、検出部に対して外部からの熱伝導を妨げる材料または構成となっている必要がある。この場合、第一力学量伝達部材は、例えばジルコニア（２Ｗ／ｍＫ）等で形成されていればよい。また、第二力学量伝達部材、さらにはゲル状の封止体３０は、外界からの温度の影響を受けないよう、図示しない本センサの構成要素によって外界から断熱されていることが理想的である。したがって、このような構成のセンサ構造を有していれば、回路チップ１２内の素子の温度測定は、外界の温度の影響を受けにくくなり、温度検出の精度を高めることができる。

回路チップ１２の温度の測定は、回路内に配された温度測定用の回路素子（以下、温度検出素子ともいう）を用いることで簡易に行うことができる。温度検出素子には、例えばサーミスタ等を用いることができる。また、回路に既に多数備えられているダイオード等を用いることも可能である。ダイオードは自身の温度上昇によって順方向電圧が一定の割合で下がるので、温度変化がダイオードの電圧の増減として現れる。したがって、その電圧を検出すれば、温度の検出を行うことが可能である。既に回路内に存在するダイオードを用いる方が、サーミスタなどの温度検出素子を改めて設けるよりも回路の小型化に適し、さらにはコスト的にも有利となる。なお、これらの温度測定用の回路素子に関しては技術的に周知であるため、ここでの詳説は省略する。

次いで、力学量の検出信号に対する温度補正に関して説明を行う。図１０は温度補正を行う回路構成を示すブロック図の一例である。温度補正は、回路チップ１２によってなされるものであり、回路チップ１２は、検出部３から出力された検出信号、回路内に配された温度測定素子によって出力された温度信号、さらには制御用の制御信号等の信号入力を受ける。これらの信号は増幅回路等により増幅した上でＡ／Ｄ変換回路に入力する。これにより、検出信号および温度信号はデジタル信号に変換される。この両信号は、温度補正演算を行う補正演算回路に入力される。補正演算回路では、入力された検出信号、温度信号をパラメータとして、予め定められた補正演算式に基づいて演算処理がなされる。このとき、温度補正演算に必要となる固定値等が記憶部にメモリされており、必要に応じて補正演算回路に固定値を出力し、補正演算回路はこれらを用いて補正演算を行う。これにより、検出部３が出力する検出信号は、温度情報による補正を受けるため、印加された力学量を精度良く出力することが可能となる。

このとき、回路チップ１２内の回路は可能な限りデジタル回路として構成されることが望ましい。アナログ回路である場合、アナログ回路素子がそれぞれ温度特性を有しているため、これらの温度特性も力学量検出信号の誤差として上乗せされる。デジタル回路を用いる場合、例えばＡ／Ｄ変換回路は、特開２００２−１１８４６７号公報に記載のリングゲート遅延回路を用いたＡ／Ｄ変換回路を利用することができる。本回路を用いることで、補正処理は全てデジタル演算で実施できるため、素子と回路部を含めた温度特性を劣化なしで行うことができる。

以下、温度補正方法についてその一例を述べる。図１１（ａ）の曲線Ａは、−３０℃〜８５℃までの温度範囲における、検出部３の抵抗変化による出力ドリフトを表すグラフである。この出力ドリフトは一定の傾向有しており、図１１（ａ）の曲線Ａの場合は、横軸の温度に対して出力が二次曲線的な傾向を有している。この曲線Ａに対して、所定の温度範囲（ここでは−３０℃〜８５℃）内で基準となる複数の温度を設定し、その各基準点（以下、補正点ともいう）を温度の低い方から順次一時曲線で結んだ近似曲線を導く。図１１（ａ）の曲線Ｂは、曲線Ａを−３０℃、３０℃、８５℃の３点を直線で順次結んだ近似曲線である。これを用いて温度補正を行われる場合、まず、検出部３から検出信号が出力された際に、温度検出部から温度信号が出力される。そして、その温度信号が示す温度から、近似曲線を用いて検出部３の出力ドリフト（％ＦＳ）の推定値の演算がなされる。次いで、この推定される出力ドリフトによる出力誤差を無くすように、例えば出力ドリフトの推定値と温度とから補正係数を算出し、これを検出部３の出力値に乗じて温度補正を行う等、補正係数に基づく補正処理を行われる。これにより、例えば、補正点数３点の補正を行えば、温度補正を行わなかった際に図８のような温度特性を有する力学量センサは、図９のような出力誤差を有する力学量センサとなる。図９は、温度補正により、図８に比べて出力誤差のばらつきが抑えられている。なお、この場合、補正点数を増すほど出力誤差を低減することができる。

上記のような温度補正を行うためには、出力ドリフトの近似曲線の関係式を構成する各種パラメータや、補正点数、等の固定値を、予め補正回路と電気的に接続する記憶部（例えば、マイコンのＲＡＭやＲＯＭ等）に記憶させておけばよい。また、上記パラメータなどから使用温度範囲の各温度ごとに、予め補正係数を演算し、これを記憶させておけば、温度補正処理は補正係数を読み出し、検出信号の検出値に乗じるだけで、簡易に行うことができる。ただし、上記のような近似曲線の算出は、同一規格品のセンサであればすべて同じであるというわけではなく、完成したセンサ個々で異なることが多い。したがって、センサが製造された後、例えば出荷検査時にベルトコンベア上に、個々のセンサを載せ、使用温度範囲内でスイープさせる。スイープさせた時の検出部３の出力値と、その際の温度検出用ダイオードの出力値とをともに記憶部に記憶しておき、その両値から温度補正のための補正係数を算出できる。また、同等な手法により出力値のゲイン補正も可能となる。

なお、上記方法においては、補正点が多いほど補正精度は良い。例えば、図１１（ａ）の曲線Ａを５点で補正した曲線Ｃの近似曲線の方が、曲線Ｂの近似曲線よりも近似精度はよく、図１１（ｂ）からもわかるように、補正点が少ないほど補正誤差は大きくなる。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の近似曲線Ｂ（補正点数３）、近似曲線Ｃ（補正点数５）、近似曲線Ｄ（補正点数７）によって、図１１（ａ）の曲線Ａを補正した場合の補正誤差を示すグラフである。図１２は、このような補正を行った場合の、補正点の数と補正誤差の関係を示すグラフである。図１２より、基準点が多いほど誤差が小さいことが分かる。この場合、補正点数が１０を超えれば補正誤差を１％程度まで抑制できる。

なお、本発明は上記のような温度補正方法によって限定されるものではなく、他の温度補正方法を用いたとしても何ら問題はない。本発明は、検出部３の検出信号に対して温度によって補正を行うことができるセンサ構造であって、その際に必要となる温度の検出における検出精度を高めるとともに、その検出を簡易に可能とするセンサ構造であり、温度補正の方法によって限定されるものではない。

以下、本発明の力学量センサの製造方法の一実施形態を、図１３を用いて説明する。まず、工程１では、感圧体３用の材料として，圧力抵抗効果材料Ｌａ_0.62Ｓｒ_0.38ＭｎＯ₃と上記マトリックスをなす１２ｗｔ％ＣｅＯ₂添加ＺｒＯ₂とを所定の割合（例えば７：３）で調合した粉末を準備する。この粉末を微粉砕機（例えばボールミル等）で４時間混合，粉砕し，その後乾燥して，混合粉を得る。この混合粉と樹脂バインダー，水，添加剤とを強制撹拌混合機で混練し，スラリーを調整した後，周知のドクターブレード法により所定の厚さ（例えば１００μｍ）の感圧セラミックスシートを形成し、そのうちの３枚を積層して感圧セラミックスシート体３Ｓを成形する。なお、シート体の厚みは焼結によるシートの収縮率を考慮した上で、そのシート厚さ及び積層枚数が設定される。次いで、絶縁体（第一力学量伝達部材および第二力学量伝達部材）２，４用の材料として，ＡｌＮを準備する。上記と同様にＡｌＮと樹脂バインダー，水，分散剤とを強制撹拌混合機で混合した後，ドクターブレード法で、所定の厚さ（例えば１００μｍ）の第一絶縁体となるべき第一絶縁セラミックスシートを形成し、そのうちの６枚を積層して第一絶縁セラミックスシート体２Ｓと、所定の厚さ（例えば１００μｍ）の第二絶縁体となるべき第二絶縁セラミックスシートを形成し、そのうちの６枚を積層して第二絶縁セラミックスシート体４Ｓとを成形する。これらの厚みも焼結によるシートの収縮率を考慮した上で、そのシート厚さ及び積層枚数が設定される。

工程２では、第一絶縁セラミックスシート体２Ｓ、感圧セラミックスシート体３Ｓ、第二絶縁セラミックスシート体４Ｓをこの順で重ね合わせた積層シート体１Ｓを形成し、該積層シート体１Ｓを、例えばホットプレス等により熱圧着する。次いで，この圧着体を脱脂炉で樹脂バインダーを分解除去する。そして，ＣＩＰ（冷間静水圧プレス）後，焼結炉にて，所定の条件（例えば、１５００℃，４時間）で焼結する。これにより感圧体３と絶縁体２，４とが一体的に焼結される。そして、工程３では得られた焼結体を、素子形状（例えば、５ｍｍ×５ｍｍ×１．５ｍｍ）に切断加工する。なお、必要であれば、検出部３の露出部に、例えば銀ペースト等を焼きつけて金属端子５を形成してもよい。

このように形成されたセンサ素子１をＡｌＮからなるセラミックケース１０に、接着剤等によって接着する。また、回路チップ１２をケース１０に搭載するとともに、外部との接続部をなすターミナル１１を形成する。回路チップ１２、ターミナルの端子部１１ａと上記センサ素子の端子部とを、例えばワイヤボンディング６などで電気的に接続することで本発明のセンサ構造を形成することができる。このとき、回路チップ１２は、樹脂モールドなどがなされていないベアチップであれば、熱伝導の観点から、本発明に適する。

本発明の力学量センサ構造の一実施形態を示す概略図従来の力学量センサ構造の一実施形態を示す概略図本発明の力学量センサ構造の第一実施形態を示す断面図本発明の力学量センサ構造の第二実施形態を示す断面図本発明の力学量センサ構造の第三実施形態を示す断面図本発明の力学量センサ構造の第四実施形態を示す断面図力学量センサ構造の検出部と回路チップとの温度差を示す概略図温度補正を行わなかった場合の検出誤差を示すグラフ補正点数３によって温度補正を行った場合の検出誤差を示すグラフ温度補正を行うための回路構成を示すブロック図感圧体の抵抗変化による出力ドリフトを示すグラフ補正点の数と補正誤差の関係を示すグラフ本発明の力学量センサ素子の製造方法の一実施形態を示す概略図

符号の説明

１荷重センサ素子
２受圧面側絶縁体
３力学量検出部
４支持側絶縁体
５金属端子
６ワイヤボンディング
１０セラミックスケース
１１ターミナル
１２回路チップ
２０締結部品
３０封止体
１００センサ装置（センサ構造）

Claims

第一力学量伝達部材と、
前記第一力学量伝達部材よりも熱抵抗の低い第二力学量伝達部材と、
前記第一力学量伝達部材と前記第二力学量伝達部材とに挟まれて保持され、前記第一力学量伝達部材または前記第二力学量伝達部材を介して印加された力学量に基づいて、電気信号を変化させて出力する力学量検出部と、
前記第二力学量伝達部材に備えられ、前記力学量センサ素子の温度を検出するための温度検出部とを有し、
前記温度検出部が検出した温度に基づいて、前記力学量検出部の出力を補正する補正手段を有することを特徴とする力学量センサ構造。
前記第二力学量伝達部材は、前記第一力学量伝達部材よりも熱伝導率の高い材料で形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の力学量センサ構造。
前記第二力学量伝達部材は、前記第一力学量伝達部材よりも前記力学量印加方向に薄く形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の力学量センサ構造。
前記温度検出部を封止し、かつ前記力学量検出部の露出面を覆ってなる封止体を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の力学量センサ構造。
前記封止体はゲル状の封止体であることを特徴とする請求項４に記載の力学量センサ構造。
前記補正手段は、前記力学量検出部の出力を補正する補正回路を構成してなるものであり、該補正回路に、温度検出素子を前記温度検出部として有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の力学量センサ構造。
前記力学量検出部は、セラミックスと圧力抵抗効果を有する材料とを主材料としてなるものであり、前記第一力学量伝達部材および前記第二力学量伝達部材は、セラミックスを主材料としてなるものであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の力学量センサ構造。
前記力学量検出部および前記第一力学量伝達部材の主材料である前記セラミックスは、ジルコ二アであり、前記第二力学量伝達部材の主材料である前記セラミックスは、アルミナまたは窒化アルミであることを特徴とする請求項７に記載の力学量センサ構造。
前記第二力学量伝達部材の前記力学量検出部との密着領域は、ジルコニアを主材料としてなり、かつ前記第一力学量伝達部材よりも薄く形成されてなる密着層を有することを特徴とする請求項７または８に記載の力学量センサ構造。
前記圧力抵抗効果を有する材料は、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３（０≦ｘ≦１）であることを特徴とする請求項８ないし９のいずれか１項に記載の力学量センサ構造。
前記第二力学量伝達部材は、前記第一力学量伝達部材よりも温度変化が小さい位置に取付けられることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の力学量センサ構造。
前記力学量検出部は、印加された圧力に基づいてオーム抵抗が変化し、該オーム抵抗の変化によって荷重検出を可能とするものであり、前記補正手段は、前記温度検出部で検出した温度と前記力学量検出部で検出した検出値とに基づいて荷重を演算し、出力することを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の力学量センサ構造。