JP2021039055A - センサモジュール、ひずみ検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ひずみゲージを備えたセンサモジュールにおいて、温度の測定を可能とする。【解決手段】本センサモジュールは、第１抵抗体を有する第１ひずみゲージと、第２抵抗体を有する第２ひずみゲージと、起歪体と、を有し、前記第１ひずみゲージと前記第２ひずみゲージとは同一特性であり、前記第１ひずみゲージ及び前記第２ひずみゲージは、互いに線膨張係数が異なる層を介して、前記起歪体の同一面側に配置されている。【選択図】図２

Description

本発明は、センサモジュール、ひずみ検出装置に関する。

起歪体のひずみを検出する様々なセンサモジュールが知られている。例えば、１枚のゲージベース上に、互いに順に４５度の角度を隔てて線膨張係数の異なる第１、第２、第３のひずみゲージを形成したセンサモジュールが挙げられる。このセンサモジュールでは、線膨張係数が方向によって異なる異方性材料のひずみを検出できる（例えば、特許文献１参照）。

特開平４−３６９４０３号公報

しかしながら、ひずみゲージを備えた従来のセンサモジュールでは、温度を測定することはできなかった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、ひずみゲージを備えたセンサモジュールにおいて、温度の測定を可能とすることを目的とする。

本センサモジュールは、第１抵抗体を有する第１ひずみゲージと、第２抵抗体を有する第２ひずみゲージと、起歪体と、を有し、前記第１ひずみゲージと前記第２ひずみゲージとは同一特性であり、前記第１ひずみゲージ及び前記第２ひずみゲージは、互いに線膨張係数が異なる層を介して、前記起歪体の同一面側に配置されている。

開示の技術によれば、ひずみゲージを備えたセンサモジュールにおいて、温度の測定が可能となる。

第１実施形態に係るセンサモジュールを例示する平面図である。 第１実施形態に係るセンサモジュールを例示する断面図である。 第１実施形態の変形例１に係るセンサモジュールを例示する断面図である。 第１実施形態の変形例２に係るセンサモジュールを例示する断面図である。 第２実施形態に係るひずみ検出装置を例示するブロック図である。 第２実施形態に係る演算部のハードウェアブロック図の例である。 第２実施形態に係る演算部の機能ブロック図の例である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

〈第１実施形態〉
図１は、第１実施形態に係るセンサモジュールを例示する平面図であり、センサモジュール１を起歪体１００の上面１００ａの法線方向から視た様子を示している。図２は、第１実施形態に係るセンサモジュールを例示する断面図であり、図１のＡ−Ａ線に沿う断面を示している。なお、図１ではカバー層１６の図示を簡略化し、一部のみを破線で示している。

図１及び図２を参照すると、センサモジュール１は、ひずみゲージ１０Ａと、ひずみゲージ１０Ｂと、接着層２０及び３０と、起歪体１００とを有している。

ひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂは、起歪体１００の同一面側に配置されている。詳細には、ひずみゲージ１０Ａは、接着層２０を介して、起歪体１００の上面１００ａに固着されている。ひずみゲージ１０Ｂは、接着層３０を介して、起歪体１００の上面１００ａに固着されている。

ひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂは、グリッド方向を同一方向に向けて配置されている。但し、ひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂは、グリッド方向を同一方向に向けて配置されていれば、図１の配置には限定されない。例えば、ひずみゲージ１０Ａとひずみゲージ１０Ｂを紙面の上下方向に並べて配置してもよいし、斜め方向に並べて配置してもよい。なお、ひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂが狭い範囲のひずみや温度を検出する場合には、ひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂはなるべく近接して配置することが好ましい。

ひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂは、それぞれ、基材１１と、機能層１２と、抵抗体１３と、端子部１４と、カバー層１６とを有している。つまり、ひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂは、便宜上別符号としているが、同一特性のひずみゲージである。ここで、同一特性とは、同一の設計に基づいて製造された結果、ゲージ率、ゲージ率温度係数ＴＣＳ、及び抵抗温度係数ＴＣＲがほとんど同一であることを示し、製造上の誤差程度は許容されることを意味する。

なお、本実施形態では、便宜上、センサモジュール１において、ひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂのカバー層１６が設けられる側を上側又は一方の側、起歪体１００側を下側又は他方の側とする。又、各部位のひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂのカバー層１６が設けられる側の面を一方の面又は上面、起歪体１００側の面を他方の面又は下面とする。但し、センサモジュール１は天地逆の状態で用いることができ、又は任意の角度で配置できる。又、平面視とは対象物を起歪体１００の上面１００ａの法線方向から視ることを指し、平面形状とは対象物を起歪体１００の上面１００ａの法線方向から視た形状を指すものとする。

基材１１は、抵抗体１３等を形成するためのベース層となる部材であり、可撓性を有する。基材１１の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、５μｍ〜５００μｍ程度とすることができる。特に、基材１１の厚さが５μｍ〜２００μｍであると、環境に対する寸法安定性の点で好ましく、１０μｍ以上であると絶縁性の点で更に好ましい。

基材１１は、例えば、ＰＩ（ポリイミド）樹脂、エポキシ樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）樹脂、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）樹脂、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂、ポリオレフィン樹脂等の絶縁樹脂フィルムから形成できる。なお、フィルムとは、厚さが５００μｍ以下程度であり、可撓性を有する部材を指す。

ここで、『絶縁樹脂フィルムから形成する』とは、基材１１が絶縁樹脂フィルム中にフィラーや不純物等を含有することを妨げるものではない。基材１１は、例えば、シリカやアルミナ等のフィラーを含有する絶縁樹脂フィルムから形成しても構わない。

機能層１２は、基材１１の上面１１ａに抵抗体１３の下層として形成されている。すなわち、機能層１２の平面形状は、図１に示す抵抗体１３の平面形状と略同一である。機能層１２の厚さは、例えば、１ｎｍ〜１００ｎｍ程度とすることができる。

本願において、機能層とは、少なくとも上層である抵抗体１３の結晶成長を促進する機能を有する層を指す。機能層１２は、更に、基材１１に含まれる酸素や水分による抵抗体１３の酸化を防止する機能や、基材１１と抵抗体１３との密着性を向上する機能を備えていることが好ましい。機能層１２は、更に、他の機能を備えていてもよい。

基材１１を構成する絶縁樹脂フィルムは酸素や水分を含むため、特に抵抗体１３がＣｒ（クロム）を含む場合、Ｃｒは自己酸化膜を形成するため、機能層１２が抵抗体１３の酸化を防止する機能を備えることは有効である。

機能層１２の材料は、少なくとも上層である抵抗体１３の結晶成長を促進する機能を有する材料であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、Ｃｒ（クロム）、Ｔｉ（チタン）、Ｖ（バナジウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｙ（イットリウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｃ（炭素）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｃｕ（銅）、Ｂｉ（ビスマス）、Ｆｅ（鉄）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｒｅ（レニウム）、Ｏｓ（オスミウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）、Ｃｏ（コバルト）、Ｍｎ（マンガン）、Ａｌ（アルミニウム）からなる群から選択される１種又は複数種の金属、この群の何れかの金属の合金、又は、この群の何れかの金属の化合物が挙げられる。

上記の合金としては、例えば、ＦｅＣｒ、ＴｉＡｌ、ＦｅＮｉ、ＮｉＣｒ、ＣｒＣｕ等が挙げられる。又、上記の化合物としては、例えば、ＴｉＮ、ＴａＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２等が挙げられる。

抵抗体１３は、機能層１２の上面に所定のパターンで形成された薄膜であり、ひずみを受けて抵抗変化を生じる受感部である。なお、図１では、便宜上、抵抗体１３を梨地模様で示している。

抵抗体１３は、例えば、Ｃｒ（クロム）を含む材料、Ｎｉ（ニッケル）を含む材料、又はＣｒとＮｉの両方を含む材料から形成できる。すなわち、抵抗体１３は、ＣｒとＮｉの少なくとも一方を含む材料から形成できる。Ｃｒを含む材料としては、例えば、Ｃｒ混相膜が挙げられる。Ｎｉを含む材料としては、例えば、Ｃｕ−Ｎｉ（銅ニッケル）が挙げられる。ＣｒとＮｉの両方を含む材料としては、例えば、Ｎｉ−Ｃｒ（ニッケルクロム）が挙げられる。

ここで、Ｃｒ混相膜とは、Ｃｒ、ＣｒＮ、Ｃｒ_２Ｎ等が混相した膜である。Ｃｒ混相膜は、酸化クロム等の不可避不純物を含んでもよい。又、Ｃｒ混相膜に、機能層１２を構成する材料の一部が拡散されてもよい。この場合、機能層１２を構成する材料と窒素とが化合物を形成する場合もある。例えば、機能層１２がＴｉから形成されている場合、Ｃｒ混相膜にＴｉやＴｉＮ（窒化チタン）が含まれる場合がある。

抵抗体１３の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、０．０５μｍ〜２μｍ程度とすることができる。特に、抵抗体１３の厚さが０．１μｍ以上であると、抵抗体１３を構成する結晶の結晶性（例えば、α−Ｃｒの結晶性）が向上する点で好ましい。又、抵抗体１３の厚さが１μｍ以下であると、抵抗体１３を構成する膜の内部応力に起因する膜のクラックや基材１１からの反りを低減できる点で更に好ましい。

機能層１２上に抵抗体１３を形成することで、安定な結晶相により抵抗体１３を形成できるため、ゲージ特性（ゲージ率、ゲージ率温度係数ＴＣＳ、及び抵抗温度係数ＴＣＲ）の安定性を向上できる。

例えば、抵抗体１３がＣｒ混相膜である場合、機能層１２を設けることで、α−Ｃｒ（アルファクロム）を主成分とする抵抗体１３を形成できる。α−Ｃｒは安定な結晶相であるため、ゲージ特性の安定性を向上できる。

ここで、主成分とは、対象物質が抵抗体を構成する全物質の５０質量％以上を占めることを意味する。抵抗体１３がＣｒ混相膜である場合、ゲージ特性を向上する観点から、抵抗体１３はα−Ｃｒを８０重量％以上含むことが好ましい。なお、α−Ｃｒは、ｂｃｃ構造（体心立方格子構造）のＣｒである。

又、機能層１２を構成する金属（例えば、Ｔｉ）がＣｒ混相膜中に拡散することにより、ゲージ特性を向上できる。具体的には、ひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂのゲージ率を１０以上、かつゲージ率温度係数ＴＣＳ及び抵抗温度係数ＴＣＲを−１０００ｐｐｍ／℃〜＋１０００ｐｐｍ／℃の範囲内とすることができる。

端子部１４は、抵抗体１３の両端部から延在しており、平面視において、抵抗体１３よりも拡幅して略矩形状に形成されている。端子部１４は、ひずみにより生じる抵抗体１３の抵抗値の変化を外部に出力するための一対の電極であり、例えば、外部接続用のリード線等が接合される。抵抗体１３は、例えば、端子部１４の一方からジグザグに折り返しながら延在して他方の端子部１４に接続されている。端子部１４の上面を、端子部１４よりもはんだ付け性が良好な金属で被覆してもよい。なお、抵抗体１３と端子部１４とは便宜上別符号としているが、両者は同一工程において同一材料により一体に形成できる。

カバー層１６は、抵抗体１３を被覆し端子部１４を露出するように基材１１の上面１１ａに設けられた絶縁樹脂層である。カバー層１６を設けることで、抵抗体１３に機械的な損傷等が生じることを防止できる。又、カバー層１６を設けることで、抵抗体１３を湿気等から保護できる。

カバー層１６は、例えば、ＰＩ樹脂、エポキシ樹脂、ＰＥＥＫ樹脂、ＰＥＮ樹脂、ＰＥＴ樹脂、ＰＰＳ樹脂、複合樹脂（例えば、シリコーン樹脂、ポリオレフィン樹脂）等の絶縁樹脂から形成できる。カバー層１６は、フィラーや顔料を含有しても構わない。カバー層１６の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、２μｍ〜３０μｍ程度とすることができる。なお、ひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂにおいて、カバー層１６は必要に応じて設ければよい。

接着層２０は、起歪体１００の上面１００ａとひずみゲージ１０Ａの基材１１の下面１１ｂとの間に配置されている。又、接着層３０は、起歪体１００の上面１００ａとひずみゲージ１０Ｂの基材１１の下面１１ｂとの間に配置されている。接着層２０と接着層３０の各々の厚さは、特に限定されないが、例えば、１μｍ〜５００μｍ程度である。

接着層２０と接着層３０とは、互いに線膨張係数が異なる層である。つまり、温度が変化したときに、接着層２０に生じる膨張と接着層３０に生じる膨張とが異なる。ひずみゲージ１０Ａは接着層２０に生じる膨張をひずみゲージ１０Ａの抵抗体１３の抵抗値の変化として検出でき、ひずみゲージ１０Ｂは接着層３０に生じる膨張をひずみゲージ１０Ｂの抵抗体１３の抵抗値の変化として検出できる。

ひずみゲージ１０Ａの検出値とひずみゲージ１０Ｂの検出値との差分は、センサモジュール１の周囲温度に依存して変化する。そのため、センサモジュール１を外部回路と接続し、外部回路により、ひずみゲージ１０Ａの検出値とひずみゲージ１０Ｂの検出値との差分をとることで、センサモジュール１の周囲温度を知ることができる。すなわち、センサモジュール１は、ひずみセンサとしての機能に加え、温度センサとしての機能を有する。

なお、起歪体１００のひずみについては、ひずみゲージ１０Ａとひずみゲージ１０Ｂで同じ値が検出されるため、起歪体１００が歪んでいる場合も、ひずみゲージ１０Ａの検出値とひずみゲージ１０Ｂの検出値との差分を温度に換算できる。

接着層２０と接着層３０の材料の組合せの例としては、例えば、エポキシ系接着剤（線膨張係数２０〜１００ｐｐｍ／Ｋ）とシリコーン系接着剤（線膨張係数３００〜５００ｐｐｍ／Ｋ）、エポキシ系接着剤（線膨張係数２０〜１００ｐｐｍ／Ｋ）とシアノアクリレート（線膨張係数９０〜２００ｐｐｍ／Ｋ）、エポキシ系接着剤（線膨張係数２０〜１００ｐｐｍ／Ｋ）とウレタン系接着剤（線膨張係数１００〜２００ｐｐｍ／Ｋ）等が挙げられる。

ひずみゲージ１０Ａを製造するためには、まず、基材１１を準備し、基材１１の上面１１ａに機能層１２を形成する。基材１１及び機能層１２の材料や厚さは、前述の通りである。但し、機能層１２は、必要に応じて設ければよい。

機能層１２は、例えば、機能層１２を形成可能な原料をターゲットとし、チャンバ内にＡｒ（アルゴン）ガスを導入したコンベンショナルスパッタ法により真空成膜できる。コンベンショナルスパッタ法を用いることにより、基材１１の上面１１ａをＡｒでエッチングしながら機能層１２が成膜されるため、機能層１２の成膜量を最小限にして密着性改善効果を得ることができる。

但し、これは、機能層１２の成膜方法の一例であり、他の方法により機能層１２を成膜してもよい。例えば、機能層１２の成膜の前にＡｒ等を用いたプラズマ処理等により基材１１の上面１１ａを活性化することで密着性改善効果を獲得し、その後マグネトロンスパッタ法により機能層１２を真空成膜する方法を用いてもよい。

次に、機能層１２の上面全体に抵抗体１３及び端子部１４となる金属層を形成後、フォトリソグラフィによって機能層１２並びに抵抗体１３及び端子部１４を図１に示す平面形状にパターニングする。抵抗体１３及び端子部１４の材料や厚さは、前述の通りである。抵抗体１３及び端子部１４は、同一材料により一体に形成できる。抵抗体１３及び端子部１４は、例えば、抵抗体１３及び端子部１４を形成可能な原料をターゲットとしたマグネトロンスパッタ法により成膜できる。抵抗体１３及び端子部１４は、マグネトロンスパッタ法に代えて、反応性スパッタ法や蒸着法、アークイオンプレーティング法、パルスレーザー堆積法等を用いて成膜してもよい。

機能層１２の材料と抵抗体１３及び端子部１４の材料との組合せは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できる。例えば、機能層１２としてＴｉを用い、抵抗体１３及び端子部１４としてα−Ｃｒ（アルファクロム）を主成分とするＣｒ混相膜を成膜可能である。

この場合、例えば、Ｃｒ混相膜を形成可能な原料をターゲットとし、チャンバ内にＡｒガスを導入したマグネトロンスパッタ法により、抵抗体１３及び端子部１４を成膜できる。或いは、純Ｃｒをターゲットとし、チャンバ内にＡｒガスと共に適量の窒素ガスを導入し、反応性スパッタ法により、抵抗体１３及び端子部１４を成膜してもよい。

これらの方法では、Ｔｉからなる機能層１２がきっかけでＣｒ混相膜の成長面が規定され、安定な結晶構造であるα−Ｃｒを主成分とするＣｒ混相膜を成膜できる。又、機能層１２を構成するＴｉがＣｒ混相膜中に拡散することにより、ゲージ特性が向上する。例えば、ひずみゲージ１０Ａのゲージ率を１０以上、かつゲージ率温度係数ＴＣＳ及び抵抗温度係数ＴＣＲを−１０００ｐｐｍ／℃〜＋１０００ｐｐｍ／℃の範囲内とすることができる。

なお、抵抗体１３がＣｒ混相膜から形成されている場合、Ｔｉからなる機能層１２は、抵抗体１３の結晶成長を促進する機能、基材１１に含まれる酸素や水分による抵抗体１３の酸化を防止する機能、及び基材１１と抵抗体１３との密着性を向上する機能の全てを備えている。機能層１２として、Ｔｉに代えてＴａ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｆｅを用いた場合も同様である。

その後、必要に応じ、基材１１の上面１１ａに、抵抗体１３を被覆し端子部１４を露出するカバー層１６を設けることで、ひずみゲージ１０Ａが完成する。カバー層１６は、例えば、基材１１の上面１１ａに、抵抗体１３を被覆し端子部１４を露出するように半硬化状態の熱硬化性の絶縁樹脂フィルムをラミネートし、加熱して硬化させて作製できる。カバー層１６は、基材１１の上面１１ａに、抵抗体１３を被覆し端子部１４を露出するように液状又はペースト状の熱硬化性の絶縁樹脂を塗布し、加熱して硬化させて作製してもよい。

このように、抵抗体１３の下層に機能層１２を設けることにより、抵抗体１３の結晶成長を促進可能となり、安定な結晶相からなる抵抗体１３を作製できる。その結果、ひずみゲージ１０Ａにおいて、ゲージ特性の安定性を向上できる。又、機能層１２を構成する材料が抵抗体１３に拡散することにより、ひずみゲージ１０Ａにおいて、ゲージ特性を向上できる。なお、ひずみゲージ１０Ｂは、ひずみゲージ１０Ａと同様の方法により製造できる。

センサモジュール１を作製するには、上記の方法で製造したひずみゲージ１０Ａを接着層２０を介して起歪体１００の上面１００ａに固着し、ひずみゲージ１０Ｂを接着層３０を介して起歪体１００の上面１００ａに固着すればよい。

このように、センサモジュール１は、起歪体１００のひずみを検出する機能に加え、周囲温度を検出する機能を有する。なお、ひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂにおいて抵抗体１３がＣｒ混相膜から形成されている場合は、高感度化（従来比５００％以上）かつ、小型化（従来比１／１０以下）を実現できる。例えば、従来のひずみゲージの出力が０．０４ｍＶ／２Ｖ程度であったのに対して、ひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂでは０．３ｍＶ／２Ｖ以上の出力が得られる。又、従来のひずみゲージの大きさ（ゲージ長×ゲージ幅）が３ｍｍ×３ｍｍ程度であったのに対して、ひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂの大きさ（ゲージ長×ゲージ幅）は各々０．３ｍｍ×０．３ｍｍ程度に小型化できる。

このように、抵抗体１３の材料としてＣｒ混相膜を用いたひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂは小型であるため、センサモジュール１全体としても小型にできる。そのため、今まで使用できなかった微細な測定箇所への設置が可能となる。又、抵抗体１３の材料としてＣｒ混相膜を用いたひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂは高感度であり、小さい変位を検出できるため、従来は検出が困難であった微小なひずみを検出可能である。すなわち、抵抗体１３の材料としてＣｒ混相膜を用いたひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂを有することにより、ひずみを精度よく検出可能なセンサモジュール１を実現できる。これにより、センサモジュール１は、温度も高精度で検出できる。

〈第１実施形態の変形例１〉
第１実施形態の変形例１では、ひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂと起歪体との間に配置される層の構成が異なるセンサモジュールの例を示す。なお、第１実施形態の変形例１において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図３は、第１実施形態の変形例１に係るセンサモジュールを例示する断面図であり、図１のＡ−Ａ線に相当する断面を示している。なお、平面形状は図１と同一であるため、平面図の図示は省略する。

図３を参照すると、センサモジュール２は、ひずみゲージ１０Ａの下方に感温層４０が追加され、ひずみゲージ１０Ｂの下方に感温層５０が追加された点が、センサモジュール１（図１及び図２参照）と相違する。又、センサモジュール２は、接着層２０及び３０に代えて、互いに線膨張係数が同一である接着層２０を用いている点が、センサモジュール１（図１及び図２参照）と相違する。

ひずみゲージ１０Ａは、接着層２０及び感温層４０を介して、起歪体１００の上面１００ａに配置されている。又、ひずみゲージ１０Ｂは、接着層２０及び感温層５０を介して、起歪体１００の上面１００ａに配置されている。

感温層４０は、一方の接着層２０とひずみゲージ１０Ａの基材１１の下面１１ｂとの間に配置されている。又、感温層５０は、他方の接着層２０とひずみゲージ１０Ｂの基材１１の下面１１ｂとの間に配置されている。感温層４０と感温層５０の各々の厚さは、特に限定されないが、例えば、０．１μｍ〜５００μｍ程度である。

感温層４０と感温層５０とは、互いに線膨張係数が異なる層である。つまり、温度が変化したときに、感温層４０に生じる膨張と感温層５０に生じる膨張とが異なる。ひずみゲージ１０Ａは感温層４０に生じる膨張をひずみゲージ１０Ａの抵抗体１３の抵抗値の変化として検出でき、ひずみゲージ１０Ｂは感温層５０に生じる膨張をひずみゲージ１０Ｂの抵抗体１３の抵抗値の変化として検出できる。

ひずみゲージ１０Ａの検出値とひずみゲージ１０Ｂの検出値との差分は、センサモジュール２の周囲温度に依存して変化する。そのため、センサモジュール２を外部回路と接続し、外部回路により、ひずみゲージ１０Ａの検出値とひずみゲージ１０Ｂの検出値との差分をとることで、センサモジュール２の周囲温度を知ることができる。すなわち、センサモジュール２は、センサモジュール１と同様に、温度センサとしての機能を有する。

なお、起歪体１００のひずみについては、ひずみゲージ１０Ａとひずみゲージ１０Ｂで同じ値が検出されるため、起歪体１００が歪んでいる場合も、ひずみゲージ１０Ａの検出値とひずみゲージ１０Ｂの検出値との差分を温度に換算できる。

感温層４０と感温層５０の材料の組合せの例としては、例えば、ガラス（線膨張係数０．６〜９ｐｐｍ／Ｋ）とアルミニウム（線膨張係数２３．８ｐｐｍ／Ｋ）、酸化アルミニウム（線膨張係数７．２ｐｐｍ／Ｋ）と鉄（線膨張係数１１ｐｐｍ／Ｋ）、クロム（線膨張係数８．２ｐｐｍ／Ｋ）と銅（線膨張係数１６．５ｐｐｍ／Ｋ）等が挙げられ、それ以外の遷移金属や半導体、それらの化合物を適宜選択できる。

センサモジュール２を作製するには、上記の方法で製造したひずみゲージ１０Ａを接着層２０及び感温層４０を介して起歪体１００の上面１００ａに固着し、ひずみゲージ１０Ｂを接着層２０及び感温層５０を介して起歪体１００の上面１００ａに固着すればよい。なお、ひずみゲージ１０Ａを固着する接着層２０と、ひずみゲージ１０Ｂを固着する接着層２０とは線膨張係数が同一であればよく、接着層２０の材料は第１実施形態で接着層２０の材料として例示した材料には限定されない。

このように、センサモジュール２は、起歪体１００のひずみを検出する機能に加え、周囲温度を検出する機能を有する。なお、ひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂにおいて抵抗体１３がＣｒ混相膜から形成されていると好適な点に関しては、第１実施形態と同様である。

〈第１実施形態の変形例２〉
第１実施形態の変形例２では、ひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂと起歪体との間に配置される層の構成が異なるセンサモジュールの他の例を示す。なお、第１実施形態の変形例２において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図４は、第１実施形態の変形例２に係るセンサモジュールを例示する断面図であり、図１のＡ−Ａ線に相当する断面を示している。なお、平面形状は図１と同一であるため、平面図の図示は省略する。

図４を参照すると、センサモジュール３は、ひずみゲージ１０Ａを固着する接着層と、ひずみゲージ１０Ｂを固着する接着層とが互いに線膨張係数が異なる点が、センサモジュール２（図３参照）と相違する。

ひずみゲージ１０Ａは、接着層２０及び感温層４０を介して、起歪体１００の上面１００ａに配置されている。又、ひずみゲージ１０Ｂは、接着層３０及び感温層５０を介して、起歪体１００の上面１００ａに配置されている。接着層２０と接着層３０とは、第１実施形態と同様に、互いに線膨張係数が異なる層である。

すなわち、センサモジュール３では、接着層２０と接着層３０とは互いに線膨張係数が異なる層であり、かつ、感温層４０と感温層５０とは互いに線膨張係数が異なる層である。例えば、接着層３０の線膨張係数は接着層２０の線膨張係数よりも大きく、感温層５０の線膨張係数は感温層４０の線膨張係数よりも大きい。

これにより、センサモジュール３では、同一温度におけるひずみゲージ１０Ａの検出値とひずみゲージ１０Ｂの検出値との差分は、センサモジュール１やセンサモジュール２よりも大きくなる。その結果、温度をより高精度に検出できる。なお、ひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂにおいて抵抗体１３がＣｒ混相膜から形成されていると好適な点に関しては、第１実施形態及び変形例１と同様である。

〈第２実施形態〉
第２実施形態では、センサモジュール１を用いたひずみ検出装置の例を示す。なお、第２実施形態において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図５は、第２実施形態に係るひずみ検出装置を例示するブロック図である。図５を参照すると、ひずみ検出装置２００は、センサモジュール１と、アナログフロントエンド部２１０ａ及び２１０ｂと、演算部２２０とを有する。

ひずみ検出装置２００において、センサモジュール１のひずみゲージ１０Ａの一対の端子部１４は、例えば、フレキシブル基板やリード線等を用いて、アナログフロントエンド部２１０ａに接続されている。

アナログフロントエンド部２１０ａは、例えば、ブリッジ回路２１１、増幅回路２１２、Ａ／Ｄ変換回路（アナログ／デジタル変換回路）２１３、インターフェイス２１４等を備えており、抵抗体１３の出力に基づいて、第１ひずみ電圧を生成する。アナログフロントエンド部２１０ａは、ＩＣ化されていてもよいし、個別部品により構成されていてもよい。

アナログフロントエンド部２１０ａでは、例えば、ひずみゲージ１０Ａの一対の端子部１４は、ブリッジ回路２１１に接続される。すなわち、ブリッジ回路２１１の１辺が一対の端子部１４間の抵抗体１３で構成され、他の３辺が固定抵抗で構成される。これにより、ブリッジ回路２１１の出力として、抵抗体１３の抵抗値に対応した第１ひずみ電圧（アナログ信号）を得ることができる。なお、アナログフロントエンド部２１０ａは、本発明に係る電圧生成部の代表的な一例である。

アナログフロントエンド部２１０ａにおいて、ブリッジ回路２１１から出力された第１ひずみ電圧は、増幅回路２１２で増幅された後、Ａ／Ｄ変換回路２１３によりデジタル信号に変換され、インターフェイス２１４を介して、例えばＩ^２Ｃ等のシリアル通信により演算部２２０に出力される。

センサモジュール１のひずみゲージ１０Ｂの一対の端子部１４は、例えば、フレキシブル基板やリード線等を用いて、アナログフロントエンド部２１０ｂに接続されている。

アナログフロントエンド部２１０ｂは、アナログフロントエンド部２１０ａと同様の機能を備えており、ひずみゲージ１０Ｂの抵抗体１３の出力に基づいて、第２ひずみ電圧を生成する。アナログフロントエンド部２１０ｂは、アナログフロントエンド部２１０ａと合わせて１つのＩＣとしてもよい。

アナログフロントエンド部２１０ｂでは、例えば、ひずみゲージ１０Ｂの一対の端子部１４は、ブリッジ回路２１１に接続される。すなわち、ブリッジ回路２１１の１辺が一対の端子部１４間の抵抗体１３で構成され、他の３辺が固定抵抗で構成される。これにより、ブリッジ回路２１１の出力として、ひずみゲージ１０Ｂの抵抗体１３の抵抗値に対応した第２ひずみ電圧（アナログ信号）を得ることができる。なお、アナログフロントエンド部２１０ｂは、本発明に係る電圧生成部の代表的な一例である。

アナログフロントエンド部２１０ｂにおいて、ブリッジ回路２１１から出力された第２ひずみ電圧は、増幅回路２１２で増幅された後、Ａ／Ｄ変換回路２１３によりデジタル信号に変換され、インターフェイス２１４を介して、例えばＩ^２Ｃ等のシリアル通信により演算部２２０に出力される。

演算部２２０は、アナログフロントエンド部２１０ａ及び２１０ｂから送られたデジタル化された第１及び第２ひずみ電圧に演算処理を行い、センサモジュール１の周囲温度を検出する。又、演算部２２０は、アナログフロントエンド部２１０ａ及び２１０ｂから送られたデジタル化された第１及び第２ひずみ電圧に演算処理を行い、起歪体１００のひずみを検出する。

図６は、第２実施形態に係る演算部のハードウェアブロック図の例である。図６に示すように、演算部２２０は、主要な構成要素として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２２１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）２２２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）２２３と、Ｉ／Ｆ（Interface）２２４と、バスライン２２５とを有している。ＣＰＵ２２１、ＲＯＭ２２２、ＲＡＭ２２３、及びＩ／Ｆ２２４は、バスライン２２５を介して相互に接続されている。演算部２２０は、必要に応じ、他のハードウェアブロックを有しても構わない。

ＣＰＵ２２１は、演算部２２０の各機能を制御する。記憶手段であるＲＯＭ２２２は、ＣＰＵ２２１が演算部２２０の各機能を制御するために実行するプログラムや、各種情報を記憶している。記憶手段であるＲＡＭ２２３は、ＣＰＵ２２１のワークエリア等として使用される。又、ＲＡＭ２２３は、所定の情報を一時的に記憶できる。Ｉ／Ｆ２２４は、他の機器等と接続するためのインターフェイスであり、例えば、アナログフロントエンド部２１０ａ及び２１０ｂや外部ネットワーク等と接続される。

演算部２２０は、電子回路により実装されるプロセッサのようにソフトウェアによって各機能を実行するようプログラミングされたプロセッサや、所定の機能を実行するよう設計されたＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＳＯＣ（System On a Chip）、又はＧＰＵ（Graphics Processing Unit）であってもよい。又、演算部２２０は、回路モジュール等であってもよい。

図７は、第２実施形態に係る演算部の機能ブロック図の例である。図７に示すように、演算部２２０は、主要な機能ブロックとして、減算部２２０１と、温度換算部２２０２と、ひずみ算出部２２０３とを備えている。演算部２２０は、必要に応じ、他の機能ブロックを有しても構わない。

減算部２２０１は、デジタル化された第１ひずみ電圧から第２ひずみ電圧を減算し、第１ひずみ電圧と第２ひずみ電圧の差分電圧（絶対値）を生成する機能を有する。温度換算部２２０２は、減算部２２０１が生成した差分電圧を温度に換算する機能を有する。

例えば、予め、シミュレーションや実験により、減算部２２０１が生成する差分電圧と温度との換算表を作成し、不揮発性メモリ等に記憶しておく。この場合、温度換算部２２０２は、不揮発性メモリ等に記憶された換算表を参照することで、減算部２２０１が生成した差分電圧を温度に換算できる。温度換算部２２０２は、必要に応じ、換算した温度のデータを外部に出力してもよい。

ひずみ算出部２２０３は、温度換算部２２０２が換算した温度に基づいて、第１ひずみ電圧及び第２ひずみ電圧に温度補償を行う機能を有する。起歪体１００が歪んでいる場合、第１ひずみ電圧及び第２ひずみ電圧は、接着層２０及び３０の膨張で生じたひずみと、起歪体１００のひずみの情報を含んでいる。

上記のように、接着層２０及び３０の線膨張係数、及び温度が既知であるため、ひずみ算出部２２０３は、第１ひずみ電圧及び第２ひずみ電圧に含まれる接着層２０及び３０の膨張で生じたひずみを算出できる。その結果、ひずみ算出部２２０３は、第１ひずみ電圧及び第２ひずみ電圧に含まれる起歪体１００のひずみも算出できる。

又、センサモジュール１は温度変化と起歪体で発生したひずみの両方を測定可能であるため、ひずみ算出部２２０３は、算出した起歪体１００のひずみに温度補償を行うことができる。すなわち、ひずみゲージ１０Ａの抵抗体１３とひずみゲージ１０Ｂの抵抗体１３の抵抗温度係数に依存して生じた起歪体１００のひずみの誤差を補正し、本来検出すべき起歪体１００のひずみを高精度で得ることができる。以下に計算の一例を示す。

ここでは、一例として、単素子のブリッジ回路を考えると、一般に、次の式（１）〜（３）の関係が成り立つ。

ｅ／Ｅ＝１／４×ｋ・ε・・・（１）
ＴＣＲ＝ΔＲ／Ｒ×１／ΔＴ×１０^６・・・（２）
ΔＲ／Ｒ＝ｋ・ε・・・（３）
式（１）〜（３）において、Ｅはブリッジ回路の印加電圧、ｅはひずみ電圧（出力電圧）、ｋはゲージ率、εはひずみ、である。

又、センサモジュール１において、温度変化ΔＴの場合に、ひずみゲージ１０Ａで検出したひずみをε_１、ひずみゲージ１０Ｂで検出したひずみをε_２とすると、ε_１及びε_２は式（１）〜（３）を考慮して、次の式（４）及び（５）で表すことができる。

ε_１＝ε_０＋ε_Ｔ１＝ε_０＋ΔＴ×ＴＣＲ_１・・・（４）
ε_２＝ε_０＋ε_Ｔ２＝ε_０＋ΔＴ×ＴＣＲ_２・・・（５）
式（４）及び（５）において、ε_０は起歪体で発生したひずみ、ε_Ｔ１は温度変化ΔＴによってひずみゲージ１０Ａに発生したひずみ、ε_Ｔ２は温度変化ΔＴによってひずみゲージ１０Ｂに発生したひずみ、ＴＣＲ_１はひずみゲージ１０Ａの抵抗温度係数、ＴＣＲ_２はひずみゲージ１０Ｂの抵抗温度係数である。

式（１）を考慮して式（４）及び（５）を変形すると、次の式（６）及び（７）が得られる。

ｅ_１／Ｅ＝１／４×ｋ_１（ε_０＋ΔＴ×ＴＣＲ_１）・・・（６）
ｅ_２／Ｅ＝１／４×ｋ_２（ε_０＋ΔＴ×ＴＣＲ_２）・・・（７）
式（６）及び（７）において、ｅ_１はひずみゲージ１０Ａの出力電圧、ｅ_２はひずみゲージ１０Ｂの出力電圧、ｋ_１はひずみゲージ１０Ａのゲージ率、ｋ_２はひずみゲージ１０Ｂのゲージ率である。

ここで、ｅ_１、ｅ_２、Ｅ、ｋ_１、ｋ_２、ＴＣＲ_１、及びＴＣＲ_２は既知であるため、次の式（８）及び（９）が得られる。

ΔＴ＝（４／ｋ_１・ｋ_２）×（ｅ_１・ｋ_２／Ｅ−ｅ_２・ｋ_１／Ｅ）／（ＴＣＲ_１−ＴＣＲ_２）・・・（８）
ε_０＝（４／ｋ_１・ｋ_２）×（ｅ_２・ＴＣＲ_１・ｋ_１／Ｅ−ｅ_１・ＴＣＲ_２・ｋ_２／Ｅ）／（ＴＣＲ_１−ＴＣＲ_２）・・・（９）
すなわち、センサモジュール１を用いると、温度変化ΔＴと起歪体で発生したひずみε_０の両方を測定可能である。従って、ひずみ算出部２２０３は、算出した起歪体１００のひずみε_０に温度補償を行うことができる。

以上、好ましい実施形態等について詳説したが、上述した実施形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。

１、２、３ センサモジュール、１０Ａ、１０Ｂ ひずみゲージ、１１ 基材、１１ａ 上面、１１ｂ 下面、１２ 機能層、１３ 抵抗体、１４ 端子部、１６ カバー層、２０、３０ 接着層、４０、５０ 感温層、１００ 起歪体、２００ ひずみ検出装置、２１０ａ、２１０ｂ アナログフロントエンド部、２１１ ブリッジ回路、２１２ 増幅回路、２１３ Ａ／Ｄ変換回路、２１４ インターフェイス、２２０ 演算部、２２０１ 減算部、２２０２ 温度換算部、２２０３ ひずみ算出部

Claims (7)

1. 第１抵抗体を有する第１ひずみゲージと、
   第２抵抗体を有する第２ひずみゲージと、
   起歪体と、を有し、
   前記第１ひずみゲージと前記第２ひずみゲージとは同一特性であり、
   前記第１ひずみゲージ及び前記第２ひずみゲージは、互いに線膨張係数が異なる層を介して、前記起歪体の同一面側に配置されているセンサモジュール。
2. 前記第１ひずみゲージは、第１接着層を介して、前記起歪体上に配置され、
   前記第２ひずみゲージは、第２接着層を介して、前記起歪体上に配置され、
   前記互いに線膨張係数が異なる層は、前記第１接着層と前記第２接着層である請求項１に記載のセンサモジュール。
3. 前記第１ひずみゲージは、第１接着層及び第１感温層を介して、前記起歪体上に配置され、
   前記第２ひずみゲージは、第２接着層及び第２感温層を介して、前記起歪体上に配置され、
   前記第１接着層と前記第２接着層とは線膨張係数が同一であり、
   前記互いに線膨張係数が異なる層は、前記第１感温層と前記第２感温層である請求項１に記載のセンサモジュール。
4. 前記第１ひずみゲージは、第１接着層及び第１感温層を介して、前記起歪体上に配置され、
   前記第２ひずみゲージは、第２接着層及び第２感温層を介して、前記起歪体上に配置され、
   前記互いに線膨張係数が異なる層は、前記第１接着層と前記第２接着層、及び前記第１感温層と前記第２感温層であり、
   前記第２接着層の線膨張係数は前記第１接着層の線膨張係数よりも大きく、前記第２感温層の線膨張係数は前記第１感温層の線膨張係数よりも大きい請求項１に記載のセンサモジュール。
5. 前記第１抵抗体及び前記第２抵抗体は、Ｃｒ混相膜から形成されている請求項１乃至４の何れか一項に記載のセンサモジュール。
6. 請求項１乃至５の何れか一項に記載のセンサモジュールと、
   前記第１抵抗体の出力に基づいて第１ひずみ電圧を生成すると共に、前記第２抵抗体の出力に基づいて第２ひずみ電圧を生成する電圧生成部と、
   前記第１ひずみ電圧から前記第２ひずみ電圧を減算し、差分電圧を生成する減算部と、
   前記差分電圧を温度に換算する温度換算部と、を有するひずみ検出装置。
7. 前記温度換算部が換算した温度に基づいて、前記第１ひずみ電圧及び前記第２ひずみ電圧に温度補償を行い、前記起歪体のひずみを算出するひずみ算出部を有する請求項６に記載のひずみ検出装置。

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