JP2014194373A - 歪量検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は，半導体ひずみセンサを用いたロードセルの荷重測定に関するものであり，特にねじによって拘束された状態における出力特性を好適に補正する技術に関するものである。しかし、半導体チップの材質であるシリコンは強度が低く、線膨張やねじ締めなどによる大きな変形が生じると、破損するという課題がある。
【解決手段】
上記目的を達成するため，ねじの座面に凸部を設け、座面の応力分布を不均一にすることで、ねじ締めに伴う、半導体チップの変形を低減するようにした。
【選択図】図７

Description

本発明は，歪量検出装置に関し、特には半導体ひずみセンサを用いたロードセルの荷重測定に関し，ねじによって拘束された状態における出力特性を好適に補正する技術に関するものである。

半導体チップの材質であるシリコンは強度が低く、線膨張やねじ締めなどによる大きな変形が生じると、破損するという課題がある。このため，例えば特許文献１においては接合時の半導体へのダメージを少なくすることで、強度低下を抑える技術が公開されている。

特開2009-117707号公報

上記従来技術に関して，半導体チップの接合相手材の表面粗さを小さくする必要があり、材質や形状によっては加工困難という課題があった。

上記目的を達成するため，ねじの座面に凹凸を設け、座面の応力分布を不均一にすることで、ねじ締めに伴う、半導体チップの変形を低減するようにした。

本発明によれば，半導体式歪みセンサチップに掛かる変形のうち、検出対象による変形の割合を大きくできるため、検出感度や検出精度を高められる効果が期待できる。

本発明における測定に必要な機器の位置付けおよび接続構成を示した説明図である。 本発明の測定装置における検出部の構造の一例を示したものである（実施例１）。 本発明の測定装置における検出部の構造の一例を示したものである（実施例１）。 本発明の測定装置における検出部の出力特性の一例を示したものである（実施例１）。 本発明の測定装置における検出部の出力特性の一例を示したものである（実施例１）。 本発明の測定装置における外観の一例を示したものである（実施例１）。 本発明の測定装置における検出部の構造の一例を示したものである（実施例１）。 本発明の測定装置における検出部の構造の一例を示したものである（実施例１）。 本発明の測定装置における検出部の構造の一例を示したものである（実施例２）。 本発明の測定装置における検出部の構造の一例を示したものである（実施例２）。 本発明の測定装置における検出部の構造の一例を示したものである（実施例３）。 本発明の測定装置における検出部の構造の一例を示したものである（実施例３）。 本発明の測定装置における検出部の構造の一例を示したものである（実施例４）。 本発明の測定装置における検出部の構造の一例を示したものである（実施例４）。 本発明の測定装置における検出部の構造の一例を示したものである（実施例５）。 本発明の測定装置における検出部の構造の一例を示したものである（実施例５）。 本発明の測定装置における検出部の構造の一例を示したものである（実施例６）。 本発明の測定装置における検出部の構造の一例を示したものである（実施例６）。 本発明の測定装置における検出部の構造の一例を示したものである（実施例７）。 本発明の測定装置における検出部の構造の一例を示したものである（実施例７）。 本発明の測定装置における検出部の構造の一例を示したものである（実施例８）。 本発明の測定装置における検出部の構造の一例を示したものである（実施例８）。 本発明の測定装置における外観の一例を示したものである（実施例９）。 本発明の測定装置における検出部の構造の一例を示したものである（実施例９）。 本発明の測定装置における検出部の構造の一例を示したものである（実施例９）。 本発明の測定装置における検出部の構造の一例を示したものである（実施例１０）。 本発明の測定装置における検出部の構造の一例を示したものである（実施例１０）。 本発明における測定に必要な機器の位置付けおよび接続構成を示した説明図である（実施例１１）。 本発明の測定装置における検出部の構造の一例を示したものである（実施例１１）。

以下，本発明の実施形態について図面と共に説明する。
図２は本発明の第一の実施例にかかるエンジンの構成図を示している。図２中の１はエンジンのシリンダブロックである。燃焼室８には吸気弁１１より吸入空気と，インジェクタ５より燃料が導入され混合気を形成する。混合気はピストン９による圧縮を経て爆発し，爆発によって混合気から既燃ガスに変化した排気が排気弁７より排出される。このエンジンの状態を検出するため，吸気管１２に吸気圧センサ１３，シリンダヘッドボルト座金１６に歪みセンサチップ１４，クランク軸にクランク角センサ１０，が備え付けられている。これらセンサより出力される信号は入出力および演算装置３に伝達され，入出力および演算装置３にて演算された結果の出力信号はエンジンコントロールユニット（以下，ＥＣＵ）２へ伝達され，ＥＣＵ２はエンジン運転条件に応じて，エンジン１の燃焼モードやその他の制御機構の制御量などを決定するものである。

図２は凸部の無いチップ台座の断面図である。チップ台座の貫通孔に芯部材が入り、軸力が加えられると、図３の様に台座全体がひずみ、これを歪みセンサチップが検出する。

F₁：芯部材による軸力(シリンダヘッドボルト締付による軸力)
F₂：検出対象による軸力(燃焼圧による軸力)
ε_max：歪みセンサチップの限界ひずみ

図３の場合の軸力とひずみの関係は、図４の様に直線的となり、歪みセンサチップの限界ひずみに合わせた設計をすると、検出範囲に無駄が生じて、検出感度が低下する。検出感度の向上には、検出不要な軸力F1が歪みセンサチップに伝わらない構造が必要となり、その一例を図５に示す。

図６は、図５の特性を得るための構造を有する、歪みセンサチップとその周辺部材についての外観図の一例である。歪みセンサチップは、チップ台座の外周側面に平面加工された箇所に接合される。チップ台座には芯部材が入る貫通孔を有し、更に内輪部と外輪部の間に溝が形成され、片端部で結合され、反対側の端部では段差を有している。

図７は図６における、チップ台座の断面図である。チップ台座は内輪部と外輪部で構成され、溝による隙間が構成されている。そして、片端が一体結合され、反対側の端部には段差を有している。芯部材により、チップ台座の軸方向に軸力が加わると、先に凸部が接触し、更に軸力が加わると、凸部がひずむことにより、凹部も接触する。凹部がひずむことで、歪みセンサチップにひずみが伝わり、軸力の変位を検出する。芯部材と外輪部が接触するまで芯部材により軸力を加えた状態では、歪みセンサチップに伝わるひずみはゼロである。ここで、図１の様に、エンジン内の燃焼過程で爆発圧力が生じると、シリンダヘッドが押し上げられ、軸力が増加することでチップ台座は軸方向に縮む。これにより、チップ台座のひずみにて、燃焼圧の検出が可能となる。

図８は図６における、チップ台座の断面図である。チップ台座の貫通孔に芯部材が入り、軸力が加えられると、内輪部がひずみ、図８の様に外輪部にも軸力が加えられる。

図７における各数値を以下に定義する。

D₁：チップ台座の内径
D₂：チップ台座の凸部外径
L₁：チップ台座の凸部段差
L₂：チップ台座の溝深さ
E：チップ台座のヤング率

尚、温度変化が無い条件下において、図５の様に、F₁によって歪みセンサチップにひずみが伝わらない様にするには、
フックの法則より、式１、式２の関係が求められる。

式２に式１を代入して、

よって、必要な段差L₁を算出するには式３より、式４を用いれば良い。

尚、凸部の段差加工については、切削の他、蒸着、スパッタ、めっき、エッチングなどの方法を用いても良い。

図９は図７に対して、凹凸の関係を反転させた構造で、これに芯部材の軸力が加わった状態が図１０になる。この構造においては、歪みセンサチップとの通信配線が無線などに限定されるが、凸部の径が大きくなるため、芯部材とチップ台座の接触がより均等になり、歪みセンサチップへ伝わるひずみの再現性が向上する。尚、凸部の段差加工については、切削の他、蒸着、スパッタ、めっき、エッチングなどの方法を用いても良い。

図１１は図７に対して、凸部を別部材としたもので、芯部材により軸力が与えられた状態が図１２となる。凸部はシムリングなどの市販品を利用できる。チップ台座の段差加工が不要となる上、F1値に応じてL1値を容易に変更可能であり、少品種化や歩留まりの改善に貢献する。

図１３は図９に対して、凸部を別部材としたもので、芯部材により軸力が与えられた状態が図１４となる。凸部はシムリングなどの市販品を利用できる。チップ台座の段差加工が不要となる上、F1値に応じてL1値を容易に変更可能であり、少品種化や歩留まりの改善に貢献する。

図１５は図７に対して、内輪部と外輪部を別部材としたもので、芯部材により軸力が与えられた状態が図１６となる。内輪部と外輪部を自由に組み合わせ可能なため、F1値に応じてL1値を容易に変更可能であり、少品種化や歩留まりの改善に貢献する。更に、内輪部と外輪部の材質を別々に選択できるため、ひずみの大きな内輪部には、体力の大きな材質を使用し、歪みセンサチップを接合する、外輪部には接合性の高い材質を選択することにより、より信頼性を高めることができる。また、チップ台座の外径の小型化のためには、溝の幅を狭くする必要があるが、これには溶接や粉末冶金などの特殊な工法を要し、コストや歩留まりが悪化する。これに対して、本実施例においては、溝加工が不要となるため、容易に小型化が可能となる。

尚、凸部の段差加工については、切削の他、蒸着、スパッタ、めっき、エッチングなどの方法を用いても良い。

図１７は図９に対して、内輪部と外輪部を別部材としたもので、芯部材により軸力が与えられた状態が図１８となる。内輪部と外輪部を自由に組み合わせ可能なため、F1値に応じてL1値を容易に変更可能であり、少品種化や歩留まりの改善に貢献する。更に、内輪部と外輪部の材質を別々に選択できるため、ひずみの大きな内輪部には、体力の大きな材質を使用し、歪みセンサチップを接合する、外輪部には接合性の高い材質を選択することにより、より信頼性を高めることができる。また、チップ台座の外径の小型化のためには、溝の幅を狭くする必要があるが、これには溶接や粉末冶金などの特殊な工法を要し、コストや歩留まりが悪化する。これに対して、本実施例においては、溝加工が不要となるため、容易に小型化が可能となる。

尚、凸部の段差加工については、切削の他、蒸着、スパッタ、めっき、エッチングなどの方法を用いても良い。

図１９は図７に対して、内輪部と外輪部と凸部を別部材としたもので、芯部材により軸力が与えられた状態が図２０となる。内輪部と外輪部と凸部を自由に組み合わせ可能なため、F1値に応じてL1値を容易に変更可能であり、少品種化や歩留まりの改善に貢献する。更に、内輪部と外輪部の材質を別々に選択できるため、ひずみの大きな内輪部には、体力の大きな材質を使用し、歪みセンサチップを接合する、外輪部には接合性の高い材質を選択することにより、より信頼性を高めることができる。また、チップ台座の外径の小型化のためには、溝の幅を狭くする必要があるが、これには溶接や粉末冶金などの特殊な工法を要し、コストや歩留まりが悪化する。これに対して、本実施例においては、溝加工が不要となるため、容易に小型化が可能となる。

図２１は図９に対して、内輪部と外輪部と凸部を別部材としたもので、芯部材により軸力が与えられた状態が図２２となる。内輪部と外輪部と凸部を自由に組み合わせ可能なため、F1値に応じてL1値を容易に変更可能であり、少品種化や歩留まりの改善に貢献する。更に、内輪部と外輪部の材質を別々に選択できるため、ひずみの大きな内輪部には、体力の大きな材質を使用し、歪みセンサチップを接合する、外輪部には接合性の高い材質を選択することにより、より信頼性を高めることができる。また、チップ台座の外径の小型化のためには、溝の幅を狭くする必要があるが、これには溶接や粉末冶金などの特殊な工法を要し、コストや歩留まりが悪化する。これに対して、本実施例においては、溝加工が不要となるため、容易に小型化が可能となる。

図２３は、図６に対し、内輪部と外輪部の間の溝構造を排除した外観の一例である。図２４にチップ台座の断面図を示し、芯部材により軸力が与えられた状態が図２５となる。
チップ台座の軸方向の小型化のためには、微細で段差加工の精度が必要であり、切削の他、蒸着、スパッタ、めっき、エッチングなどの方法が考えられる。この構造を用いることで、チップ台座の軸方向の小型化が可能になると共に、一体化によるコストダウンも可能となる。

図２６は図２３に対して、凹凸の関係を反転させた構造で、これに芯部材の軸力が加わった状態が図２７になる。チップ台座の軸方向の小型化のためには、微細で段差加工の精度が必要であり、切削の他、蒸着、スパッタ、めっき、エッチングなどの方法が考えられる。この構造を用いることで、チップ台座の軸方向の小型化が可能になると共に、一体化によるコストダウンも可能となる。

図２８は図１に対して、チップ台座と芯部材の間に補助台座を追加した外観図の例である。芯部材がねじ構造の場合、ねじ締め時の回転による摩擦が、チップ台座の凸部に加わる。締付を繰り返し行う場合、摩耗によって凸部の寸法が変化してしまうことがある。このため、図２９の様にチップ台座と補助台座を噛み合わせる形状として、凸部を摩耗から保護することで、繰返し締付においても、性能を維持出来るようになる。

１…シリンダブロック（固定台），
２…ＥＣＵ，
３…入出力および演算装置，
４…吸気圧センサ，
５…インジェクタ，
６…排気管，
７…排気弁，
８…燃焼室，
９…ピストン，
１０…クランク角センサ，
１１…吸気弁，
１２…吸気管，
１３…シリンダヘッド（受動体），
１４…歪みセンサチップ，
１５…シリンダヘッドボルト（芯部材），
１６…シリンダヘッドボルト座金（チップ台座），
１７…保護座金（補助台座），
１８…スペーサ（シムリング），
１９…カラー，

Claims (7)

1. 半導体基板に，抵抗から構成されるホイートストンブリッジ回路とその信号処理回路を一体に備え，歪量を検出する半導体式歪みセンサチップと、
   前記歪みセンサチップが固定されたチップ台座と、
   前記チップ台座の貫通孔に挿入され、外部から加えられた力を前記チップ台座に伝達する芯部材と備え、
   前記力により生じた前記チップ台座の歪量を検出する歪量検出装置であって、
   前記チップ台座と前記芯部材との間に力緩和材を備えたことを特徴とする歪量検出装置。
   物理量検出装置。
   
2. 請求項１において、
   前記芯部材は、自動車エンジンのシリンダヘッドを貫通してシリンダブロックにネジ止めされ、前記自動車エンジンの燃焼に起因する力を前記チップ台座に伝達し、
   前記歪センサチップは前記燃焼に起因する力による歪量を検出することを特徴とする歪量検出装置。
   
3. 半導体基板に，抵抗から構成されるホイートストンブリッジ回路とその信号処理回路を一体に備え，歪量を検出する半導体式歪みセンサチップと、
   前記歪みセンサチップが固定されたチップ台座と、
   前記チップ台座の貫通孔に挿入され、外部から加えられた力を前記チップ台座に伝達する芯部材と備え、
   前記力により生じた前記チップ台座の歪量を検出する歪量検出装置であって、
   前記チップ台座が芯部材と接触する座面に凸部があることを特徴とする歪量検出装置。
   物理量検出装置。
   
4. 請求項３において、
   前記半導体式歪みセンサチップはチップ台座の外周部に固定され、
   前記凸部は前記座面の内周側にあり、円環状であることを特徴とする歪量検出装置。
   
5. 請求項４において、
   前記半導体式歪みセンサチップはチップ台座の貫通孔の内面に固定され、
   前記凸部は前記座面の外周側にあり、円環状であることを特徴とする歪量検出装置。
   
6. 請求項５において、
   前記チップ台座と前記芯部材に、貫通孔を有する座金を備え、
   前記チップ台座と前記座金は噛み合わせ形状により、摺動しないことを特徴とする歪量検出装置。
   
7. 請求項３において、
   前記芯部材は、自動車エンジンのシリンダヘッドを貫通してシリンダブロックにネジ止めされ、前記自動車エンジンの燃焼に起因する力を前記チップ台座に伝達し、
   前記歪センサチップは前記燃焼に起因する力による歪量を検出することを特徴とする歪量検出装置。