JP5802824B2 - 力学量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、力学量測定装置に関し、特に、樹脂などの熱膨張係数の大きい測定対象物に発生する力学量を測定する装置に関するものである。

例えば、力学量測定装置に関する技術として、構造物の歪や応力の計測には、ストレインゲージと称される歪ゲージが多く用いられている。この歪ゲージは、Ｃｕ−Ｎｉ系合金やＮｉ−Ｃｒ系合金の金属薄膜の配線パターンを、ポリイミドやエポキシ樹脂フィルムで覆った構造であり、歪ゲージを測定対象物に接着剤で接着して使用する。この歪ゲージでは、金属薄膜が歪を受けて変形した時の抵抗変化から歪量を算出することができる。

また、歪の検知部を金属薄膜ではなく、シリコンなどの半導体に不純物をドープして形成した半導体ピエゾ抵抗を利用した半導体歪センサがある。この半導体歪センサは、歪に対する抵抗変化率が金属薄膜を用いた歪ゲージの数１０倍と大きく、微小な歪を測定することが可能である。また、金属薄膜の歪ゲージでは抵抗変化が小さいため、得られる電気信号を増幅する必要があり、そのために外部のアンプが必要となる。これに対し、半導体歪センサは抵抗変化が大きいため、得られた電気信号を外部のアンプを用いなくても使用することができ、また半導体歪ゲージのチップにアンプ回路を作り込むことも可能であるため、歪センサの用途や使用上の利便性が大きく広がると期待される。

半導体歪センサは、従来の半導体製造技術を用いてシリコンウェハ上に不純物ドープや配線を形成した後、チップ化することで得られる。このチップ（以下、半導体歪センサチップと呼ぶ）を、プラスチック樹脂などを使った装置に内蔵し、人や機械の操作などにより筐体に入力された変形量やかかる応力などの力学量を測定することができる。この測定に際して、入力に応じた電気的な出力を得るには、測定対象物となる筐体の変形量や歪量が半導体歪センサチップに正しく伝わることが重要であり、半導体歪センサチップのモジュール化と測定対象物への取り付けがポイントとなる。

このような半導体歪センサチップに関する技術としては、例えば、特許文献１に記載される技術などが挙げられる。この特許文献１には、半導体歪センサチップをベース板に接合し、ベース板の半導体歪センサチップを挟んだ両側２箇所の接続エリアでベース板を測定対象物に接続する方法が開示されている。

特開２００９−２６４９７６号公報

本願発明者等は、本願に先立って、半導体歪センサチップを、プラスチック樹脂などの金属より熱膨張係数の大きい材料を使った入力デバイスなどに内蔵し、プラスチック樹脂の変形量や歪量などの力学量の測定を実施する方法に関して検討した。

この検討においては、測定対象物がプラスチック樹脂などのように、ベース板の金属体に対して１桁程度熱膨張係数が大きい場合について、前述した特許文献１に記載のように、半導体歪センサチップを挟んだ両側２箇所の接続エリアでベース板を測定対象物に接続する方法を採用した。

この検討の結果、測定対象物がプラスチック樹脂などのように、ベース板の金属体に対して１桁程度熱膨張係数が大きい場合に、半導体歪センサチップの両側２箇所の締結部が測定対象物の熱膨張によって左右に引っ張られ、ベース板の膨張が等方性を失うことで熱歪の影響が生じ、歪量の測定精度が低下することを本願発明者等は見出した。

そこで、本発明はこのような検討結果に鑑みてなされたものであり、その代表的な目的は、測定対象物とベース板の金属体との熱膨張係数差の影響を軽減し、測定対象物に生じる変形量や歪量などの力学量を精度良く測定することが可能な力学量測定装置を提供することである。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

すなわち、代表的な力学量測定装置は、測定対象物の変形量を測定する力学量測定装置であって、以下のような特徴を有するものである。前記力学量測定装置は、金属体と、前記金属体に設置され、前記金属体の歪を検知する半導体歪センサとを有する。そして、前記測定対象物は、前記金属体より熱膨張係数が大きい材料からなる。さらに、前記半導体歪センサが設置された前記金属体は、前記測定対象物に固定される構造からなる。特に、前記半導体歪センサが設置された前記金属体の前記測定対象物への固定は、前記測定対象物に前記金属体の片側のみで固定される、ことを特徴とする。これにより、測定対象物の変形量を金属体上の半導体歪センサを用いて検知することができる。

また、別の代表的な力学量測定装置は、測定対象物の変形量を測定する力学量測定装置であって、以下のような特徴を有するものである。前記力学量測定装置は、パイプ型の形状を有する金属体と、前記金属体の上面に設置され、前記金属体の歪を検知する第１の半導体歪センサと、前記金属体の側面に設置され、前記金属体の歪を検知する第２の半導体歪センサとを有する。そして、前記測定対象物は、前記金属体より熱膨張係数が大きい材料からなる。さらに、前記第１の半導体歪センサと前記第２の半導体歪センサとが設置された前記金属体は、前記測定対象物に固定される構造からなる。特に、前記第１の半導体歪センサと前記第２の半導体歪センサとが設置された前記金属体の前記測定対象物への固定は、前記測定対象物に前記金属体の片側のみで固定される、ことを特徴とする。これにより、測定対象物の変形量を金属体上の第１の半導体歪センサと第２の半導体歪センサとを用いて検知することができる。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

すなわち、代表的な効果は、測定対象物とベース板の金属体との熱膨張係数差の影響を軽減し、測定対象物に生じる変形量や歪量などの力学量を精度良く測定することが可能な力学量測定装置を提供することができる。

本発明の力学量測定装置の実施の形態１である半導体歪センサモジュールにおいて、半導体歪センサの原理（回路）の一例を説明するための図である。 （ａ），（ｂ）は本発明の力学量測定装置の実施の形態１である半導体歪センサモジュールの構造の一例を示す平面図と断面図である。 （ａ），（ｂ）は図２に示す半導体歪センサモジュールにおいて、半導体歪センサを有する金属体の動作と半導体歪センサの出力電圧との一例を説明するための図である。 図２に示す半導体歪センサモジュールにおいて、半導体歪センサを有する金属体が熱膨張した時の一例を説明するための図である。 図２に示す半導体歪センサモジュールを測定対象物に締結した構造の一例を示す斜視図である。 （ａ），（ｂ）は図５に示す、半導体歪センサモジュールを測定対象物に締結した構造の一例を示す平面図と断面図である。 （ａ），（ｂ）は図６に示す、半導体歪センサモジュールを測定対象物に締結した構造の動作と半導体歪センサの出力電圧との一例を説明するための図である。 特許文献１に記載の半導体歪センサモジュールを測定対象物に締結した構造を示す斜視図である。 （ａ），（ｂ）は図５に示す実施の形態１の半導体歪センサモジュールと、図８に示す特許文献１の半導体歪センサモジュールとの比較において、実施の形態１の半導体歪センサモジュールの効果の一例を説明するための図である。 図５に示す実施の形態１の半導体歪センサモジュールと、図８に示す特許文献１の半導体歪センサモジュールとの比較において、熱膨張時の半導体歪センサの出力電圧の変動の一例を説明するための図である。 （ａ），（ｂ）は本発明の力学量測定装置の実施の形態２である半導体歪センサモジュール（突起部を有する金属体）を測定対象物に締結した構造の一例を示す平面図と断面図である。 （ａ），（ｂ）は図１１に示す、半導体歪センサモジュールを測定対象物に締結した構造の動作と半導体歪センサの出力電圧との一例を説明するための図である。 （ａ），（ｂ）は本発明の力学量測定装置の実施の形態３である半導体歪センサモジュール（Ｔ字型の金属体）を測定対象物に締結した構造の一例を示す平面図と断面図である。 （ａ），（ｂ）は本発明の力学量測定装置の実施の形態４である半導体歪センサモジュール（Ｈ字型の金属体）を測定対象物に締結した構造の一例を示す平面図と断面図である。 本発明の力学量測定装置の実施の形態５である半導体歪センサモジュール（パイプ型の金属体）を測定対象物に締結した構造の一例を示す斜視図である。 （ａ），（ｂ）は本発明の力学量測定装置の実施の形態６である半導体歪センサモジュール（測定対象物に表面および裏面で接触する金属体）を測定対象物に締結した構造の一例を示す平面図と側面図である。 （ａ），（ｂ）は本発明の力学量測定装置の実施の形態７である半導体歪センサモジュール（上面および裏面にモールド樹脂を有する金属体）を測定対象物に締結した状態の一例を示す平面図と断面図である。

以下の実施の形態においては、便宜上その必要があるときは、複数の実施の形態またはセクションに分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

＜本発明の実施の形態の概要＞
本発明の実施の形態の力学量測定装置（一例として、（）内に対応する構成要素、符号などを付記）は、測定対象物（１０）の変形量を測定する力学量測定装置（半導体歪センサモジュール）であって、以下のような特徴を有するものである。前記力学量測定装置は、金属体（７）と、前記金属体に設置され、前記金属体の歪を検知する半導体歪センサ（６）とを有する。そして、前記測定対象物は、前記金属体より熱膨張係数が大きい材料からなる。さらに、前記半導体歪センサが設置された前記金属体は、前記測定対象物に固定される構造からなる。特に、前記半導体歪センサが設置された前記金属体の前記測定対象物への固定は、前記測定対象物に前記金属体の片側のみで固定される、ことを特徴とする。これにより、測定対象物の変形量を金属体上の半導体歪センサを用いて検知することができる。

また、本発明の実施の形態の力学量測定装置（一例として、（）内に対応する構成要素、符号などを付記）は、測定対象物（２３）の変形量を測定する力学量測定装置（半導体歪センサモジュール）であって、以下のような特徴を有するものである。前記力学量測定装置は、パイプ型の形状を有する金属体（２０）と、前記金属体の上面に設置され、前記金属体の歪を検知する第１の半導体歪センサ（２１）と、前記金属体の側面に設置され、前記金属体の歪を検知する第２の半導体歪センサ（２２）とを有する。そして、前記測定対象物は、前記金属体より熱膨張係数が大きい材料からなる。さらに、前記第１の半導体歪センサと前記第２の半導体歪センサとが設置された前記金属体は、前記測定対象物に固定される構造からなる。特に、前記第１の半導体歪センサと前記第２の半導体歪センサとが設置された前記金属体の前記測定対象物への固定は、前記測定対象物に前記金属体の片側のみで固定される、ことを特徴とする。これにより、測定対象物の変形量を金属体上の第１の半導体歪センサと第２の半導体歪センサとを用いて検知することができる。

上述した本発明の実施の形態の概要に基づいた各実施の形態を、以下において図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

［実施の形態１］
本発明の力学量測定装置の実施の形態１である半導体歪センサモジュールについて、図１〜図１０を用いて詳細に説明する。

＜半導体歪センサモジュール＞
図１〜図４を用いて、本実施の形態である半導体歪センサモジュールについて説明する。まず、図１を用いて、この半導体歪センサモジュールにおいて、半導体歪センサの原理について説明する。図１は、この半導体歪センサの原理（回路）の一例を説明するための図である。

図１に示すように、半導体歪センサは、シリコンの＜１１０＞方向、およびそれに垂直な方向が電流方向となるにように配置された複数のＰ型拡散抵抗１（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）を組み合わせたブリッジ回路を有している。図１においては、Ｐ型拡散抵抗Ｒ１とＲ３はシリコンの＜１１０＞方向が電流方向となり、Ｐ型拡散抵抗Ｒ２とＲ４はシリコンの＜１１０＞方向に垂直な方向が電流方向となる。

このブリッジ回路は、電源電位の電源端子２とグランド電位のグランド端子３に接続し、ブリッジ回路の出力を半導体内に作り込んだアンプ４にて増幅する構成を有するものである。すなわち、Ｐ型拡散抵抗Ｒ１とＲ２の接続点を電源端子２に接続し、Ｐ型拡散抵抗Ｒ３とＲ４の接続点をグランド端子３に接続している。さらに、Ｐ型拡散抵抗Ｒ４とＲ１の接続点をアンプ４の一方の入力端子に接続し、Ｐ型拡散抵抗Ｒ２とＲ３の接続点をアンプ４の他方の入力端子に接続している。そして、アンプ４の出力端子を半導体歪センサの出力端子５に接続している。

この半導体歪センサにおいては、シリコンの＜１１０＞方向、およびそれに垂直な方向に歪が発生すると、Ｐ型拡散抵抗１（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）の抵抗値が変化し、ブリッジ回路の出力に電位差が生じる。この電位差を半導体内に作り込んだアンプ４にて増幅することで、出力端子５から歪量に応じた電気信号を得ることが可能である。

このように、半導体歪センサは、Ｐ型拡散抵抗１を組み合わせたブリッジ回路、アンプ４、電源端子２、グランド端子３、出力端子５を有して構成される。この半導体歪センサは、半導体製造技術を用いてシリコンウェハ上に不純物ドープや配線を形成した後、チップ化することで得られる半導体歪センサチップである。

次に、半導体歪センサモジュールの構造について、図２を用いて説明する。図２は、この半導体歪センサモジュールの構造（半導体歪センサを金属体に接合）の一例を示す平面図と断面図である。図２において、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のａ−ｂ切断線における断面図である。

図２に示すように、半導体歪センサモジュールは、前述（図１）した半導体歪センサ６を金属体７の略中央位置に接合材９（例えば、金属はんだあるいは接着剤等）にて接合し、金属体７上に形成した端子台８に対して半導体歪センサ６の端子（電源端子２、グランド端子３、出力端子５）を金属線（例えば、金線等）で結線した構造を有している。図２において、金属体７は、板状からなり、半導体歪センサ６のシリコンの＜１１０＞方向に長い長方形としている。

この金属体７に半導体歪センサ６を接合した半導体歪センサモジュールの構成において、金属体７の長手方向に力をかけて、金属体７の表面に「曲げ歪」ならびに「圧縮歪」を発生させた際の、半導体歪センサ６の出力電圧の様子について、図３を用いて説明する。図３は、この半導体歪センサ６を有する金属体７の動作（ａ）と半導体歪センサ６の出力電圧（ｂ）との一例を説明するための図である。図３において、ｔは時刻を示し、Ｖは半導体歪センサ６の出力電圧を示す。

時刻ｔ１においては、金属体７に力をかけていない初期状態であり、半導体歪センサ６の出力電圧をＶ０とする。その後、時刻ｔ２にかけて、金属体７の両端に一定の下方向荷重をかけた場合、金属体７の表面に「曲げ歪」が発生し、半導体歪センサ６の出力電圧は過渡状態を経て、出力電圧Ｖ＋となる。さらにその後、時刻ｔ３にかけて初期状態に一度戻し、時刻ｔ４にかけて金属体７の両端に一定の上方向荷重をかけると、半導体歪センサ６の出力電圧は過渡状態を経て、出力電圧Ｖ−となる。すなわち、この原理を用いることで、半導体歪センサ６の出力電圧から金属体７に発生する歪量ならびに金属体７にかかる荷重を推定することが可能となる。

さらに、半導体歪センサモジュールの特徴を説明するため、温度上昇に伴い、熱膨張が生じた際の様子を図４に示す。図４は、半導体歪センサ６を有する金属体７が熱膨張した時の一例を説明するための図である。

この半導体歪センサモジュールにおいて、温度上昇が生じると、金属体７が熱膨張によって金属体７’へと等方的（図４において、半導体歪センサ６が接合された金属体７の略中央位置を中心に矢印方向の上側方向、右側方向、下側方向、左側方向等）に膨張する。このとき、半導体歪センサ６の出力電圧は、半導体歪センサ６の内部でブリッジ回路の構成により等方的な膨張に対して発生する歪がキャンセルされ、出力電圧は略一定となる。

以上説明したような半導体歪センサモジュールを使って、プラスチック樹脂材料などの熱膨張係数の大きい測定対象物の力学量を測定する構成について、以下において詳細に説明する。

＜半導体歪センサモジュールを測定対象物に締結した構造＞
図５〜図７を用いて、前述した半導体歪センサモジュールを測定対象物に締結した構造について説明する。まず、図５および図６を用いて、半導体歪センサモジュールを測定対象物に締結した構造について説明する。図５は、この構造の一例を示す斜視図である。図６は、この構造の一例を示す平面図（ａ）と断面図（ｂ、（ａ）のａ−ｂ切断線における断面図）である。

図５および図６に示すように、測定対象物１０に対して、半導体歪センサモジュールの片側のみをネジ１１にて固定する構造を採用している。図５および図６においては、半導体歪センサ６を接合した金属体７において、この金属体７の長手方向の半導体歪センサ６を挟んだ両側２箇所のうち、左側部分をネジ１１によって測定対象物１０に固定し、右側部分は固定しない構造としている。この半導体歪センサモジュールを測定対象物１０に固定する方法は、ネジ１１による締結に限らず、熱による溶着や接着剤による接着などの方法でも構わない。どの固定方法においても、半導体歪センサモジュールの片側のみを固定することが重要である。

次に、図５および図６に示した、半導体歪センサモジュールを測定対象物１０に締結した構造において、測定対象物１０に荷重をかけた際の金属体７上の半導体歪センサ６の動作について、図７を用いて説明する。図７は、この半導体歪センサモジュールを測定対象物１０に締結した構造の動作（ａ）と半導体歪センサ６の出力電圧（ｂ）との一例を説明するための図である。

時刻ｔ１においては、測定対象物１０に力をかけていない初期状態であり、半導体歪センサ６の出力電圧をＶ０とする。その後、時刻ｔ２より測定対象物１０の両端に一定の下方向荷重をかけて測定対象物１０を変形させた場合、ネジ１１や熱溶着、接着剤などによって測定対象物１０に接合されている金属体７にも測定対象物１０にかかる荷重に比例した下方向荷重がかかり、金属体７の表面に「曲げ歪」が発生し、半導体歪センサ６の出力電圧は初期状態から金属体７に歪が加わるまでの遅れ時間と過渡状態を経て、出力電圧Ｖ＋となる。

さらにその後、時刻ｔ３より初期状態に一度戻し、時刻ｔ４より測定対象物１０の両端に一定の上方向荷重をかけて変形させると、半導体歪センサ６の出力電圧は初期状態から金属体７に歪が加わるまでの遅れ時間と過渡状態を経て、出力電圧Ｖ−となる。すなわち、この原理を用いることで、半導体歪センサ６の出力電圧から測定対象物１０の変形量、歪量を推定することが可能となる。

＜実施の形態１の効果＞
図８〜図１０を用いて、本実施の形態の半導体歪センサモジュールと、特許文献１の半導体歪センサモジュールとの比較による本実施の形態の効果について説明する。まず、図８を用いて、特許文献１に記載の半導体歪センサモジュールを測定対象物に締結した構造について説明する。図８は、この構造を示す斜視図である。

図８に示すように、特許文献１に記載の半導体歪センサモジュールを測定対象物に締結した構造は、測定対象物１１０に対して、半導体歪センサモジュールの両側をネジ１１１にて固定する構造を採用している。図８においては、半導体歪センサ１０６を接合した金属体１０７において、この金属体１０７の長手方向の半導体歪センサ１０６を挟んだ左側と右側の両側２箇所を、ネジ１１１によって測定対象物１１０に固定している。

次に、図９を用いて、本実施の形態の半導体歪センサモジュールと、図８に示した特許文献１の半導体歪センサモジュールとを比較しながら、本実施の形態の半導体歪センサモジュールの効果について説明する。図９は、この効果の一例を説明するための図である。図９は、測定対象物１０、１１０が温度上昇に伴って熱膨張した時の様子を示し、（ａ）は特許文献１に、（ｂ）は本実施の形態にそれぞれ対応する。

図９においては、説明を簡略化するため、金属体７、１０７と測定対象物１０、１１０の初期の長さＬを均一とし、初期温度Ｔ１の金属体７、１０７と測定対象物１０、１１０の接合点を、本実施の形態では左端のみ（ネジ１１）、特許文献１の例では両端（ネジ１１１）とし、締結部以外に金属体７、１０７と測定対象物１０、１１０の摩擦の影響はないものとした。

初期温度Ｔ１からΔＴ上昇した温度をＴ２としたときの、金属体７、１０７と測定対象物１０、１１０が熱膨張した様子をそれぞれ示す。金属体７、１０７の熱膨張係数をα１、測定対象物１０、１１０の熱膨張係数をα２、温度上昇をΔＴとすると、膨張によって金属体７、１０７と測定対象物１０、１１０が長手方向に変化する量ΔＬ１、ΔＬ２は、下記の式となる。

ΔＬ１＝Ｌα１ΔＴ
ΔＬ２＝Ｌα２ΔＴ
図９（ａ）の特許文献１の例では、両側がネジ１１１で締結されている構造のため、金属体１０７についても、測定対象物１１０の熱膨張と同等のΔＬ２の変化が生じることになる。この場合、本来、金属体１０７の膨張による変化量ΔＬ１に対して、ΔＬ２−ΔＬ１の分だけ余計に膨張することになる。そのため、金属体１０７の膨張は図４で示した等方的な膨張にならず、半導体歪センサ１０６の内部のブリッジ回路で熱歪の影響がキャンセルされずに、熱歪の影響が半導体歪センサ１０６の出力電圧に生じる。

これに対して、図９（ｂ）の本実施の形態によれば、片側のみがネジ１１で締結されている構造のため、金属体７の熱膨張（本来の金属体７の膨張による変化量ΔＬ１）は、測定対象物１０の熱膨張の影響を無視でき、図４に示すのと同じく等方性が保たれているため、半導体歪センサ６の内部のブリッジ回路にて熱歪の影響がキャンセルされることになる。

上述した特許文献１の例と本実施の形態の温度Ｔ１、Ｔ２での半導体歪センサ６、１０６の出力電圧の変動を図１０に示す。図１０は、この熱膨張時の半導体歪センサ６、１０６の出力電圧の変動の一例を説明するための図である。

特許文献１の例では、変動特性（ａ）に示すように温度上昇に伴って、熱歪の影響で出力電圧が変動するのに対して、本実施の形態の例では、変動特性（ｂ）に示すように温度上昇に伴う熱歪の影響は軽減され、出力電圧は一定となる。このように、本実施の形態により、測定対象物１０の熱膨張係数が金属体７に比べて１桁程度大きい場合でも、熱歪による影響を軽減することが可能となった。

以上説明したように、本実施の形態の半導体歪センサモジュールによれば、金属体７と半導体歪センサ６とを有し、測定対象物１０は金属体７より熱膨張係数が大きい材料からなり、半導体歪センサ６が設置された金属体７は測定対象物１０に固定される構造からなり、特に、この金属体７の測定対象物１０への固定は測定対象物１０に金属体７の片側のみで固定されることで、以下のような効果を得ることができる。

すなわち、半導体歪センサ６が設置された金属体７を、この金属体７と熱膨張係数が１桁程度異なるプラスチック樹脂などの測定対象物１０に固定した場合でも、熱膨張係数差に起因する熱歪の影響を小さくし、測定対象物１０に力を加えた際に生じる測定対象物１０の変形量や歪量などの力学量を検知しやすくして、この力学量を精度良く計測することができる。

言い換えれば、測定対象物１０に温度変化に伴う熱膨張が生じた際に、半導体歪センサ６が設置された金属体７の熱膨張が等方性を失わず、半導体歪センサ６内に設置されたブリッジ回路にて熱歪の影響をキャンセルすることができ、温度変化による測定精度の悪化を軽減することができる。

この結果、測定対象物１０とベース板の金属体７との熱膨張係数差の影響を軽減し、測定対象物１０に生じる変形量や歪量などの力学量を精度良く測定することが可能な半導体歪センサモジュールを実現することができる。

［実施の形態２］
本発明の力学量測定装置の実施の形態２である半導体歪センサモジュールについて、図１１、図１２を用いて詳細に説明する。本実施の形態が前述した実施の形態１と異なる点は、金属体が、測定対象物への接触面側に突起部を有することである。本実施の形態においては、前述した実施の形態１と異なる点を主に説明する。

まず、図１１を用いて、本実施の形態の半導体歪センサモジュールについて説明する。図１１は、この半導体歪センサモジュール（突起部１３を有する金属体７ａ）を測定対象物１０に締結した構造の一例を示す平面図（ａ）と断面図（ｂ、（ａ）のａ−ｂ切断線における断面図）である。図１１に示すように、本実施の形態の半導体歪センサモジュールにおいては、金属体７ａの片側（ネジ１１で締結する側の反対側）に、かつ、金属体７ａの測定対象物１０への接触面側に突起部１３を備えている。

このような構造による本実施の形態の効果を、図１２を用いて説明する。図１２は、この半導体歪センサモジュールを測定対象物１０に締結した構造の動作（ａ）と半導体歪センサ６の出力電圧（ｂ）との一例を説明するための図である。

図１２に示すように、本実施の形態によれば、測定対象物１０に変形が生じていない、時刻ｔ１の状態において金属体７ａは突起部１３により負圧を受けており、すでに金属体７ａの表面に「圧縮歪」が発生した状態（半導体歪センサ６の出力電圧Ｖ０’）となる。この初期状態から、時刻ｔ２にかけて、金属体７ａの両端に一定の下方向荷重をかけた場合、金属体７ａの表面に発生していた「圧縮歪」が減少することになる。この「圧縮歪」の減少が生じるまでの時間は、前記実施の形態１で時刻ｔ２よりかけた荷重に対して金属体７の表面に「曲げ歪」が発生する遅延時間に比べて早く、測定対象物１０の初期状態から過渡状態を経て電圧Ｖ＋’になるまでの応答時間を短くする効果がある。

同様に、時刻ｔ３にかけて初期状態に一度戻し、時刻ｔ４より金属体７ａの両端に一定の上方向荷重をかけると、半導体歪センサ６の出力電圧は過渡状態を経て出力電圧Ｖ−’となる時間は、前記実施の形態１で初期状態から時刻ｔ４より上方向荷重をかけた後に金属体７の表面に「圧縮歪」が発生するまでの遅延時間に比べて早く、測定対象物１０の初期状態からの変化に対する応答時間を短くする効果がある。

以上説明したように、本実施の形態の半導体歪センサモジュールによれば、金属体７ａが測定対象物１０への接触面側に突起部１３を有することで、前記実施の形態１と異なる効果として、測定対象物１０の初期状態からの変化に対する応答時間を短くすることができる。

なお、本実施の形態では、突起部１３を金属体７ａの測定対象物１０への接触面側に形成したが、測定対象物に荷重のかかっていない初期状態で半導体歪センサが接合された金属体に負圧が生じる構造であれば、他の構造でも良い。

［実施の形態３］
本発明の力学量測定装置の実施の形態３である半導体歪センサモジュールについて、図１３を用いて詳細に説明する。本実施の形態が前述した実施の形態１および２と異なる点は、金属体が、Ｔ字型の形状からなることである。本実施の形態においては、前述した実施の形態１および２と異なる点を主に説明する。

図１３を用いて、本実施の形態の半導体歪センサモジュールについて説明する。図１３は、この半導体歪センサモジュール（Ｔ字型の金属体７ｂ）を測定対象物１０に締結した構造の一例を示す平面図（ａ）と断面図（ｂ、（ａ）のａ−ｂ切断線における断面図）である。図１３に示すように、本実施の形態の半導体歪センサモジュールにおいては、金属体７ｂの形状がＴ字型を有しており、さらに、半導体歪センサ６を４５度回転させて金属体７ｂの略中央部に接合し、シリコンの＜１１０＞方向がせん断方向を向いている構造である。このＴ字型の金属体７ｂは、Ｔ字型の横棒部分の両側（２箇所）に突起部１３が形成され、縦棒部分の下側がネジ１１で固定される。半導体歪センサ６は、Ｔ字型の縦棒部分の略中央部に長手方向に対して４５度回転させて接合されている。

このような構造による本実施の形態の効果は、Ｔ字型によって測定対象物１０に捻りが生じた際に、金属体７ｂのＴ字型形状によって金属体７ｂの中央部にせん断歪が発生しやすくなり、測定対象物１０の捻りの検出を容易にすることが可能となる点である。

以上説明したように、本実施の形態の半導体歪センサモジュールによれば、金属体７ｂがＴ字型の形状からなることで、前記実施の形態１および２と異なる効果として、測定対象物１０の捻りの検出を容易にすることが可能となる。

［実施の形態４］
本発明の力学量測定装置の実施の形態４である半導体歪センサモジュールについて、図１４を用いて詳細に説明する。本実施の形態が前述した実施の形態１〜３、特に実施の形態３と異なる点は、金属体が、Ｈ字型の形状からなることである。本実施の形態においては、前述した実施の形態３と異なる点を主に説明する。

図１４を用いて、本実施の形態の半導体歪センサモジュールについて説明する。図１４は、この半導体歪センサモジュール（Ｈ字型の金属体７ｃ）を測定対象物１０に締結した構造の一例を示す平面図（ａ）と断面図（ｂ、（ａ）のａ−ｂ切断線における断面図）である。図１４に示すように、本実施の形態の半導体歪センサモジュールにおいては、金属体７ｃの形状がＨ字型を有しており、さらに、金属体７ｃを２箇所のネジ１１で固定する構造である。このＨ字型の金属体７ｃは、Ｈ字型の右側縦棒部分の両側（２箇所）に突起部１３が形成され、左側縦棒部分の両側（２箇所）がネジ１１で固定される。半導体歪センサ６は、Ｈ字型の横棒部分の略中央部に４５度回転させて接合されている。

このような構造による本実施の形態の効果は、Ｈ字型によって測定対象物１０に捻りが生じた際に、金属体７ｃのＨ字型形状によって、前記実施の形態３よりも金属体７ｃの中央部にせん断歪がさらに発生しやすくなり、より一層、測定対象物１０の捻りの検出を容易にすることが可能となる点である。

以上説明したように、本実施の形態の半導体歪センサモジュールによれば、金属体７ｃがＨ字型の形状からなることで、前記実施の形態３と異なる効果として、より一層、測定対象物１０の捻りの検出を容易にすることが可能となる。

［実施の形態５］
本発明の力学量測定装置の実施の形態５である半導体歪センサモジュールについて、図１５を用いて詳細に説明する。本実施の形態が前述した実施の形態１〜４と異なる点は、金属体がパイプ型の形状を有し、金属体の上面に第１の半導体歪センサを設置し、金属体の側面に第２の半導体歪センサを設置することである。本実施の形態においては、前述した実施の形態１〜４と異なる点を主に説明する。

図１５を用いて、本実施の形態の半導体歪センサモジュールについて説明する。図１５は、この半導体歪センサモジュール（パイプ型の金属体２０）を測定対象物２３に締結した構造の一例を示す斜視図である。図１５に示すように、本実施の形態の半導体歪センサモジュールにおいては、金属体２０の形状が四角形のパイプ型を有し、金属体２０の上面の長手方向がシリコンの＜１１０＞方向になるように接合された半導体歪センサ２１と、金属体２０の側面のせん断方向がシリコンの＜１１０＞方向になるように接合された半導体歪センサ２２を有し、測定対象物２３に締結部材であるネジ２４で金属体２０の片側で締結されている。

このような構造による本実施の形態の効果は、パイプ型の金属体２０の上面に接合された半導体歪センサ２１によって、測定対象物２３に荷重をかけることで金属体２０の上面に生じる「曲げ歪」、「圧縮歪」を検出し、パイプ型の金属体２０の側面に接合された半導体歪センサ２２によって、測定対象物２３に捻りが生じた際に金属体２０の側面に生じる「せん断歪」を検出できる点にある。

以上説明したように、本実施の形態の半導体歪センサモジュールによれば、金属体２０がパイプ型の形状を有し、金属体２０の上面に第１の半導体歪センサ２１を設置し、金属体２０の側面に第２の半導体歪センサ２２を設置することで、前記実施の形態１〜４と異なる効果として、金属体２０の上面に生じる「曲げ歪」、「圧縮歪」を検出することができ、かつ、測定対象物２３に捻りが生じた際に金属体２０の側面に生じる「せん断歪」を検出することが可能となる。

［実施の形態６］
本発明の力学量測定装置の実施の形態６である半導体歪センサモジュールについて、図１６を用いて詳細に説明する。本実施の形態が前述した実施の形態１〜５と異なる点は、測定対象物が金属体の表面および裏面で接触していることである。本実施の形態においては、前述した実施の形態１〜５と異なる点を主に説明する。

図１６を用いて、本実施の形態の半導体歪センサモジュールについて説明する。図１６は、この半導体歪センサモジュール（測定対象物３３に表面および裏面で接触する金属体３０）を測定対象物３３に締結した構造の一例を示す平面図（ａ）と側面図（ｂ）である。図１６に示すように、本実施の形態の半導体歪センサモジュールにおいては、測定対象物３３が金属体３０の裏面および表面にも接触している。金属体３０は、四角形のパイプ型からなり、金属体３０の上面の長手方向にシリコンの＜１１０＞方向になるように半導体歪センサ３１が接合され、金属体３０の側面のせん断方向がシリコンの＜１１０＞方向になるように半導体歪センサ３２が接合されている。さらに、この金属体３０は、測定対象物３３に締結部材であるネジ３４で金属体３０の片側で締結されている。

本実施の形態のように、測定対象物３３が半導体歪センサ３１と３２を搭載する金属体３０の表面および裏面との接点を有することで、金属体３０の表裏から測定対象物３３の変形量や歪量が金属体３０上の半導体歪センサ３１と３２に伝わる。そのため、金属体３０上の半導体歪センサ３１と３２によって、高精度な変形量や歪量の測定が可能となる。

以上説明したように、本実施の形態の半導体歪センサモジュールによれば、測定対象物３３が金属体３０の表面および裏面で接触していることで、前記実施の形態１〜５と異なる効果として、金属体３０の表裏から伝わる測定対象物３３の変形量や歪量を高精度に測定することが可能となる。

なお、本実施の形態においては、金属体３０が四角形のパイプ型である場合を例に説明したが、これに限らず、金属体が板状からなり、この板状の金属体の上面に半導体歪センサが接合され、測定対象物がこの金属体の表面および裏面で接触しているような構造にも適用可能である。

［実施の形態７］
本発明の力学量測定装置の実施の形態７である半導体歪センサモジュールについて、図１７を用いて詳細に説明する。本実施の形態が前述した実施の形態１〜６と異なる点は、金属体に設置された半導体歪センサを覆う第１のモールド樹脂と、第１のモールド樹脂と対称になるように、半導体歪センサが設置された金属体の裏面を覆う第２のモールド樹脂とを有することである。本実施の形態においては、前述した実施の形態１〜６と異なる点を主に説明する。

図１７を用いて、本実施の形態の半導体歪センサモジュールについて説明する。図１７は、この半導体歪センサモジュール（上面および裏面にモールド樹脂４２、４３を有する金属体４０）を測定対象物４４に締結した構造の一例を示す平面図（ａ）と断面図（ｂ、（ａ）のａ−ｂ切断線における断面図）である。図１７に示すように、本実施の形態の半導体歪センサモジュールにおいては、金属体４０に接合された半導体歪センサ４１上にモールド樹脂４２を有し、このモールド樹脂４２と対称となる位置に、金属体４０の裏側にモールド樹脂４３を有している。金属体４０は、板状からなり、金属体４０の上面の長手方向にシリコンの＜１１０＞方向になるように半導体歪センサ４１が接合されている。さらに、この金属体４０は、測定対象物４４に締結部材であるネジ４５で金属体４０の片側で締結されている。

通常、半導体歪センサ４１の上面にモールド樹脂４２を接合すると、温度変化に伴う熱膨張係数の違いで、金属体４０の全体がモールド樹脂４２に引っ張られ、熱歪の影響を受ける。そのため、本実施の形態では、半導体歪センサ４１の上面と対称になるように、金属体４０の裏面にもモールド樹脂４３を接合することで、金属体４０の上面と裏面が共に引っ張られ、熱歪の影響を軽減する効果が得られる。

以上説明したように、本実施の形態の半導体歪センサモジュールによれば、金属体４０に設置された半導体歪センサ４１を覆う第１のモールド樹脂４２と、第１のモールド樹脂４２と対称になるように、半導体歪センサ４１が設置された金属体４０の裏面を覆う第２のモールド樹脂４３とを有することで、前記実施の形態１〜６と異なる効果として、半導体歪センサ４１の上面をモールド樹脂４２で覆う場合の熱歪の影響を軽減することが可能となる。

なお、本実施の形態においては、金属体４０が板状である場合を例に説明したが、これに限らず、金属体がパイプ型からなり、このパイプ型の金属体の半導体歪センサが設置される側の面とその裏側の面がモールド樹脂で覆われるような構造にも適用可能である。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

本発明の力学量測定装置は、特に、樹脂などの熱膨張係数の大きい測定対象物に発生する変形量や歪量などの力学量を測定する装置に利用可能である。

１（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４） Ｐ型拡散抵抗
２ 電源端子
３ グランド端子
４ アンプ
５ 出力端子
６ 半導体歪センサ
７、７ａ、７ｂ、７ｃ 金属体
８ 端子台
９ 接合材
１０ 測定対象物
１１ ネジ
１３ 突起部
２０ 金属体
２１ 半導体歪センサ
２２ 半導体歪センサ
２３ 測定対象物
２４ ネジ
３０ 金属体
３１ 半導体歪センサ
３２ 半導体歪センサ
３３ 測定対象物
３４ ネジ
４０ 金属体
４１ 半導体歪センサ
４２ モールド樹脂
４３ モールド樹脂
４４ 測定対象物
４５ ネジ
１０６ 半導体歪センサ
１０７ 金属体
１１０ 測定対象物
１１１ ネジ

Claims (13)

1. 測定対象物の変形量を測定する力学量測定装置であって、
   金属体と、
   前記金属体に設置され、前記金属体の歪を検知する半導体歪センサとを有し、
   前記測定対象物は、前記金属体より熱膨張係数が大きい材料からなり、
   前記半導体歪センサが設置された前記金属体は、前記測定対象物に固定される構造からなり、
   前記半導体歪センサが設置された前記金属体の前記測定対象物への固定は、前記測定対象物に前記金属体の片側のみで固定される、ことを特徴とする力学量測定装置。
2. 請求項１に記載の力学量測定装置において、
   前記金属体は、前記測定対象物への接触面側に突起部を有し、
   前記測定対象物に荷重がかかっていない状態において、前記金属体は、前記突起部による負圧により「圧縮歪」を発生する、ことを特徴とする力学量測定装置。
3. 請求項１または２に記載の力学量測定装置において、
   前記金属体は、Ｔ字型の形状からなる、ことを特徴とする力学量測定装置。
4. 請求項１または２に記載の力学量測定装置において、
   前記金属体は、Ｈ字型の形状からなる、ことを特徴とする力学量測定装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の力学量測定装置において、
   前記半導体歪センサは、「曲げ歪」と「圧縮歪」を検知するセンサからなる、ことを特徴とする力学量測定装置。
6. 請求項５に記載の力学量測定装置において、
   前記金属体は、前記半導体歪センサのシリコンの＜１１０＞方向に長い長方形からなる、ことを特徴とする力学量測定装置。
7. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の力学量測定装置において、
   前記半導体歪センサは、「せん断歪」を検知するセンサからなる、ことを特徴とする力学量測定装置。
8. 請求項７に記載の力学量測定装置において、
   前記半導体歪センサは、前記金属体の長手方向に対して４５度回転させて接合され、シリコンの＜１１０＞方向がせん断方向を向いている構造からなる、ことを特徴とする力学量測定装置。
9. 測定対象物の変形量を測定する力学量測定装置であって、
   パイプ型の形状を有する金属体と、
   前記金属体の上面に設置され、前記金属体の歪を検知する第１の半導体歪センサと、
   前記金属体の側面に設置され、前記金属体の歪を検知する第２の半導体歪センサとを有し、
   前記測定対象物は、前記金属体より熱膨張係数が大きい材料からなり、
   前記第１の半導体歪センサと前記第２の半導体歪センサとが設置された前記金属体は、前記測定対象物に固定される構造からなり、
   前記第１の半導体歪センサと前記第２の半導体歪センサとが設置された前記金属体の前記測定対象物への固定は、前記測定対象物に前記金属体の片側のみで固定される、ことを特徴とする力学量測定装置。
10. 請求項９に記載の力学量測定装置において、
    前記第１の半導体歪センサは、「曲げ歪」と「圧縮歪」を検知するセンサからなり、
    前記第２の半導体歪センサは、「せん断歪」を検知するセンサからなる、ことを特徴とする力学量測定装置。
11. 請求項１０に記載の力学量測定装置において、
    前記第１の半導体歪センサは、前記金属体の上面の長手方向がシリコンの＜１１０＞方向になるように接合され、
    前記第２の半導体歪センサは、前記金属体の側面のせん断方向がシリコンの＜１１０＞方向になるように接合されている、ことを特徴とする力学量測定装置。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の力学量測定装置において、
    前記金属体の前記測定対象物への固定は、前記測定対象物が前記金属体の表面および裏面で接触している、ことを特徴とする力学量測定装置。
13. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の力学量測定装置において、
    前記金属体に設置された半導体歪センサを覆う第１のモールド樹脂と、
    前記第１のモールド樹脂と対称になるように、前記半導体歪センサが設置された前記金属体の裏面を覆う第２のモールド樹脂とを有する、ことを特徴とする力学量測定装置。
    
    
    

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