JP6214941B2 - 歪量検出装置 - Google Patents

Description

本発明は，半導体歪みセンサを用いた歪量検出装置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、半導体ひずみセンサの破壊を防止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などは強度が低く、線膨張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、板材の表面に接合された、半導体チップの周囲に、チップ台座よりも線膨張係数の高い部材を等方的に配置することで、熱ひずみを抑制する技術が公開されている。

特開2011−135110号公報

上記従来技術に関して，ねじによって拘束された状態においては、等方的な拘束が困難なため、周方向は線膨張に加えて、軸力のポアソン比分だけひずみが生じるため、過大なひずみが生じてしまうという課題があった。

本発明は、上記課題を解決することを目的とする。

上記目的を達成するため，チップ台座の線膨張係数を半導体ひずみセンサ線膨張係数と受動体の線膨張係数の間の好適な値に設定すると共に、補助台座を追加して、補助台座の線膨張係数をゼロよりも小さい値に設定することで、台座における、軸方向のひずみと周方向のひずみと、半導体チップの自由膨張時のひずみの差を低減するようにした。

本発明によれば，半導体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、計算に必要な記号を示した説明図である。 本発明における、エンジン適用の代表例を示した説明図である。 本発明の測定装置における測定方法の一例を示した模式図である。 実施例１における計算結果の一例を示した説明図である。 実施例１における計算結果の一例を示した説明図である。 実施例１における計算結果の一例を示した説明図である。 実施例１における計算結果の一例を示した説明図である。 本発明の測定装置における模式図である（実施例２）。 本発明における、エンジン適用の代表例を示した説明図である（実施例３）。 本発明の測定装置における測定方法の一例を示した模式図である（実施例３）。 実施例３における計算結果の一例を示した説明図である。 実施例３における計算結果の一例を示した説明図である。 実施例３における計算結果の一例を示した説明図である。 実施例３における計算結果の一例を示した説明図である。 本発明の測定装置における模式図である（実施例４）。 実施例３における計算結果の一例を示した説明図である（実施例５）。

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。

以下の計算式で用いられる記号の一覧を図１に示す。
図２は、本発明をエンジンに適用する例であり、図３は模式化したものである。図２において、燃焼室にて生じる爆発圧力により、シリンダヘッドボルト、シリンダヘッド、シリンダヘッドボルト座金などは伸縮を繰り返す。
この爆発圧力の検出手段の一つとして、シリンダヘッドボルト座金の軸方向のひずみを測定する方法がある。シリンダヘッドボルト座金の軸方向のひずみの測定に歪みセンサチップを用いる場合、シリンダヘッドボルト座金の側面に歪みセンサチップを接合することで測定が可能となる。
この場合、歪みセンサチップが検出する物理現象は３つある。
１つ目は、爆発圧力によるひずみ。２つ目はシリンダヘッドボルトの締付による軸力。３つ目は熱ひずみである。

ここで、エンジン部品のひずみを検出する用途においては、実使用環境における接合部分の温度変化が大きくなる。このため、爆発圧力によるひずみやシリンダヘッドボルトの締付による軸力に比べて、歪みセンサチップに生じる熱ひずみは非常に大きくなる。
しかし、歪みセンサは半導体製品のため、素材はシリコンなど、線膨張係数が小さいものとなる。これに対して、エンジン部品には金属部品が用いられるため、歪みセンサと比べて数倍以上の線膨張率となる。このため、エンジン部品と歪みセンサチップの間の熱膨張差によるひずみが大きくなるが、歪みセンサチップの破断ひずみはこれより小さいため、検出できなくなる可能性が高く、使用温度範囲を狭くする必要が生じる。

このため、例えば特開2011−135110においては、板材の表面に接合された、半導体チップの周囲に、チップ台座よりも線膨張係数の高い部材を等方的に配置することで、熱ひずみを抑制する技術が公開されている。

しかし、シリンダヘッドボルト座金においては、拘束は軸方向のみだが、熱膨張は軸方向に加えて、周方向にも生じる。このため、チップ台座に隣接して、線膨張係数が高い部材を配置した場合、軸方向のひずみは低減するが、軸力増大に伴い、周方向のひずみは熱膨張に加えて、軸力とポアソン比の積の分だけひずみが増えることとなり、歪みセンサチップが破断しない温度範囲が狭くなり、使用温度範囲を更に狭くする必要が生じる。
更に、等方的な膨張をしないため、軸方向と周方向の２軸に対してひずみの感度を持つセンサの場合は、温度による誤差が大きくなる。

シリンダヘッドをチップ台座として用いる場合に比べて、シリンダヘッドボルトの座金をチップ台座として用いる場合、寸法が小さい上、この部品の材質を変更しても、エンジンの性能への影響が小さいことから、シリンダヘッドボルトの座金の材質を変更することは容易である。このため、シリンダヘッドボルトの座金に求められる、線膨張係数の条件は以下にて求められる。

図３に補助台座を加えた、図９の場合において、ボルトにより拘束された場合のチップ台座の熱ひずみと、歪みセンサチップが自由に熱膨張した場合のひずみの差について、軸方向をΔε_d，周方向をΔη_dとした場合、次の方法により算出できる。
ねじ締付後の軸方向のひずみはフックの法則より
ε_b=(F_b−F_a)/(S×E) 式１

ねじ締付後の周方向のひずみはポアソン比より
η=ε×ν 式２

ねじ締付後の断面積は
S_b=S_a×(1+η_b) ² 式３

式１，式２，式３より、ε_2b，η_2bが求まる。

ねじ締付後の各構成部品の長さ(軸方向)は
L_2b=L_2a(1+ε_2b) 式４
L_3b=L_3a(1+ε_3b) 式５
L_4b=L_4a(1+ε_4b) 式６
L_1b=L_2b+L_3b+L_4b

ねじ締付後の各構成部品の長さ(周方向)は
D_1b=D_1a(1−η_1b) 式７
D_2b=D_1a(1+η_2b) 式８
D_3b=D_1a(1+η_3b) 式９
D_4b=D_1a(1+η_4b) 式１０

締付後の形状から熱により自由膨張した場合、線膨張係数より
L_c=L_b(1+(T_c−T_b)×α_c) 式１１
D_c=D_b(1+(T_c−T_b)×α_c) 式１２

この状態から、ねじ締付による拘束条件が加わると、
各構成部品の長さ(軸方向)は
L_1d=L_1c×(1−ε_1d) 式１３
L_2d=L_2c×(1+ε_2d) 式１４
L_3d=L_3c×(1+ε_3d) 式１５
L_4d=L_4c×(1+ε_4d) 式１６

各構成部品の長さ(周方向)は
D_1d=D_1c×(1−η_1d) 式１７
D_2d=D_2c×(1+η_2d) 式１８
D_3d=D_3c×(1+η_3d) 式１９
D_4d=D_4c×(1+η_4d) 式２０

断面積は
S_d=D_d ²×π/4 式２１

締付側と被締付側の長さの合計は等しくなるため、
L_1d=L_2d+L_3d+L_4d 式２２

各構成部品間の荷重は等しいため、
F_d=ε_1dS_1dE_1d=ε_2dS_2dE_2d=ε_3dS_3dE_3d=ε_4dS_4dE_4d 式２３

一方、歪みセンサチップが温度変化により熱膨張する場合のひずみは

ε_5d=α₅(T_d− T_a) 式２４
η_5d=α₅(T_d− T_a) 式２５

よって、半導体チップと台座の間に生じる、ひずみの差は以下となる。
Δε_d=ε_5d−ε_3d 式２６
Δη_d=η_5d−η_3d 式２７

計算の簡素化を目的に以下の条件にてΔεd，Δηdを求める。

F_a=F_b，S_c=S_d，T_a=T_b，T_c=T_d，T₁=T₂=T₃=T₄=T₅，α_5a=α_5b=α_5c=α_5d=α₅
また、チップと台座間は剛接合とする。温度変化T_d−T_a=ΔTとする。

図３の場合においては、L₄=0,D₄=0,S₄=0となるため、

にてΔε_d，Δη_dを求められる。

ここで、エンジンにおける各構成部品の代表数値を式３０と式３１へ代入した上で、チップ台座の線膨張係数を受動体の線膨張係数に比べて大きくした場合における、Δε_d，Δη_d温度との関係を図４に示す。
更に、チップ台座の線膨張係数を受動体の線膨張係数に比べて小さくした場合における、Δε_d，Δη_d温度との関係を図５に示す。
図４に比べて、図５は、Δε_d，Δη_dそれぞれの温度に対する傾きが小さくなっていることが分かる。

また、エンジンにおける各構成部品の代表数値を代入した上で、チップ台座の線膨張係数を歪みセンサチップの線膨張係数に比べて小さく場合における、Δε_d，Δη_d温度との関係を図６に示す。
更に、チップ台座の線膨張係数を歪みセンサチップの線膨張係数に比べて大きくした場合における、Δε_d，Δη_d温度との関係を図７に示す。
図６に比べて、図７は、Δε_d，Δη_dそれぞれの温度に対する傾きが小さくなっていることが分かる。
以上のことより、Δε_d，Δη_dの温度に対する傾きを小さくするには、α₂＞α₃＞α₅の関係が有効であることが分かる。

尚、材質選定上の制約により、チップ台座の線膨張係数を選定できない場合、チップ台座の断面積S₃、軸方向の長さL₃、体積S₃×L₃を受動体の断面積S₂、軸方向L₂の長さ、体積S₂×L₂に比べて小さくすることでもΔε_d，Δη_dそれぞれの温度に対する傾きを小さくすることが可能であり、線膨張係数の調整と併用することでより、Δε_d，Δη_dそれぞれについて温度に対する傾きの低減効果を得られる。

図８は、実施例１において、下からの荷重では無く、上からの荷重を検出する場合の構成例である。この場合、受動体は不要となり、代わりにボルト頭が外力を受ける。
この場合、式２８と式２９において、L₂=0，L₄=0を代入した、式３２と式３３により、Δε_d，Δη_dが求められる。

この場合においても、実施例１と同様に、Δε_d，Δη_dの温度に対する傾きを小さくするには、α₂＞α₃＞α₅の関係が有効となる。

図２の構成において、チップ台座の線膨張係数α₃、断面積S₃、軸方向の長さL₃、体積S₃×L₃を厳密に求めても、Δε_d，Δη_dそれぞれの温度に対する傾きの差を変えることは困難であり、エンジン構成部品の制約条件によっては、更なる傾きの低減が求められる場合がある。

傾きの差を変えるには、チップ台座における軸方向のひずみと周方向のひずみの比率を調整することが必要であるが、チップ台座のポアソン比は一定のため、チップ台座自身での調整は困難である。

このため、図９とこれを模式化した図１０に示す様に、チップ台座に、線膨張係数の異なる補助台座を組み合わせることで傾きの差を変えることが可能となる。これは、チップ台座に補助台座を組み合わせたことにより、チップ台座の熱膨張による軸方向の軸力が変化すると、ポアソン比により周方向のひずみも変化するが、周方向の熱膨張は不変のため、軸方向のひずみと周方向のひずみの比率が変化するためである。

この補助座金の線膨張係数の効果を試算するため、エンジンにおける各構成部品の代表数値を式２８と式２９へ代入した上で、補助台座の線膨張係数を歪みセンサチップの線膨張係数に比べて大きくした場合における、Δε_d，Δη_d温度との関係を図１１に示す。

更に、補助台座の線膨張係数を歪みセンサチップの線膨張係数に比べて小さくした場合における、Δε_d，Δη_d温度との関係を図１２に示す。
図１１に比べて、図１２は、Δε_d，Δη_dそれぞれの温度に対する傾きが少々小さくなっていることが分かる。

また、エンジンにおける各構成部品の代表数値を式２８と式２９へ代入した上で、補助台座の線膨張係数を０以上とした場合における、Δε_d，Δη_dと温度との関係を図１３に示す。

更に、補助台座の線膨張係数を０未満とした場合における、Δε_d，Δη_d温度との関係を図１４に示す。

図１３に比べて、図１４は、Δε_d，Δη_dそれぞれの温度に対する傾きが小さくなっていることが分かる。
以上のことより、Δε_d，Δη_dの温度に対する傾きを小さくするには、
α₃＞０＞α₄
の関係が有効であることが分かる。

尚、材質選定上の制約により、補助台座の線膨張係数を０未満にできない場合、補助台座の断面積S₄、軸方向の長さL₄、体積S₄×L₄をチップ台座の断面積S₃、軸方向L₃の長さ、体積S₃×L₃に比べて大きくすることでもΔε_d，Δη_dそれぞれの温度に対する傾きを小さくすることが可能であり、線膨張係数の調整と併用することでより、Δε_d，Δη_dそれぞれについて温度に対する傾きの低減効果を得られる。

図１５は、実施例３において、下からの荷重では無く、上からの荷重を検出する場合の構成例である。この場合、受動体は不要となり、代わりにボルト頭が外力を受ける。
この場合、式２８と式２９において、L₂=0を代入した、式３４と式３５により、Δε_d，Δη_dが求められる。

この場合においても、実施例３と同様に、Δε_d，Δη_dの温度に対する傾きを小さくするには、α₃＞０＞α₄の関係が有効となる。

歪みセンサチップの破断ひずみがチップ台座の破断ひずみよりも大きく、且つ、温度補正不要な用途などにより歪みセンサチップの感度が軸方向の１軸のみで良い場合、受動体よりも補助台座の線膨張係数や寸法を大きくすることで、Δε_dを容易に調節可能となる。
この補助座金の線膨張係数の効果を試算するため、エンジンにおける各構成部品の代表数値を式２８と式２９へ代入した上で、補助台座の線膨張係数を歪みセンサチップの線膨張係数に比べて大きくした場合における、Δε_d，Δη_dと温度との関係を図１６に示す。
図１６によれば、Δε_dの傾きがより小さくなっていることが分かる。

以上のことより、Δε_dの温度に対する傾きを小さくするには、
α₄＞α_2, S₄＞S_2, L₄＞L_2, S₄×L₄＞S₂×L₂
の関係が有効である。
この方法によれば、補助台座を追加するだけで、効果が得られるため、既存のエンジンに対して、設計変更を最小限に留められる効果がある。

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），
１０１…芯部材（シリンダヘッドボルト），
１０２…チップ台座（シリンダヘッドボルト座金），
１０３…歪みセンサチップ，
１０４…固定台（シリンダブロック），
１０５…受動体（シリンダヘッド），
１０６…補助台座（保護座金），

Claims (5)

1. 半導体基板に形成された抵抗体と前記抵抗体を含んで構成されるブリッジ回路とその信号処理回路を備え，前記抵抗体の抵抗値の変化により歪量を検出する歪センサチップと、
   前記歪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、前記チップ台座を固定する固定部材と、
   前記固定部材が挿入され，前記チップ台座と共に前記固定部材より固定される受動体とを備え、
   前記チップ台座の線膨張率は前記歪センサチップの線膨張率よりも大きく、
   前記受動体の線膨張率は前記チップ台座の線膨張率よりも大きく、
   前記固定部材を介して印加される外部の力による前記チップ台座の歪量を前記歪センサチップにより検出する歪量検出装置。
2. 請求項１において、
   前記固定部材が挿入され，前記チップ台座と前記受動体とともに前記固定部材より固定される補助台座を備え、
   前記歪センサチップの線膨張率は前記補助台座の線膨張率よりも大きいことを特徴とする歪量検出装置。
3. 請求項２において、
   前記補助台座は線膨張率がゼロよりも小さい材料により形成されたことを特徴とする歪量検出装置。
4. 請求項３において、
   前記補助台座の線膨張率は前記受動体の線膨張率よりも大きいことを特徴とする歪量検出装置。
5. 請求項１において、
   前記固定部材は、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。