JPH0236575A - 力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は角変ｔｆＡ装置、特に圧縮力を検出し電気信号
として出力する力変換装置の改良に関する。

「従来の技術」 力変換装置は、各種分野において圧縮力を検出するため
のセンサとして幅広く用いられている。

従って、この様な自交＠装置には、周囲の環境に影響さ
れることなく圧縮力を正確に測定できる能力か要求され
る。

特に、この力変換装置は、極めて厳しい使用環境で用い
られることも多く、例えば近年においては内燃機関のシ
リンダ内における高温、電圧の燃焼ガスの圧力測定用と
して用いられている。

従って、この様な状況のもとで使用される力変換装置に
は、周囲に存在する磁気的、電気的なノイズの影響を受
けることなく、しかも加えられ圧縮力を、応答性良く確
実に測定することが要求される。

従来、この様な力変換装置としては、圧縮型ロードセル
に代表される歪みゲージタイプのものが一般的に知られ
ている。しかし、従来の力変換装置にあっては、この数
年、新規な圧縮力検知方式を取り入れて構成されたもの
は無かった。

第２図には、従来の歪ゲージタイプの力変換装置の一例
が示されている。

この力変換装置は、圧縮力Ｗか印加される４角柱形状を
した起工体１０を有し、この起歪体１０の４つの側面１
２に、第２図に示すよう半導体歪ゲージ１６が接着剤１
４を用いて貼付けられている。そして、これら各側面に
貼付けられた歪ゲージ１６は、互いにホイートストンブ
リッジ回路を形成するよう電気的に接続されている。

そして、加えられた圧縮力Ｗに対応して生ずる起歪体１
０の歪を、ホイートストンブリッジ回路から電圧信号と
して出力している。

［発明が解決しようとする問題点、１ しかし、従来の力変換装置は、以下に述べる問題点を有
しており、その解決が望まれていた。

第１の問題点 従来の力変換装置は、温度変化に伴う半導体歪ゲージ１
６の抵抗値の増減がもたらす検出特性への悪影響を低減
するために、複数の半導体歪ゲージ１６を起歪体１０の
各側面１２に貼付けていた。

そして、これら各歪みゲージ１６の電極１８．１８から
ターミナル２０．２０ヘリード線２２．２２を引き出し
、しかも、これら各ターミナル２０．２０に引き出し線
２４．２４を接続し、各歪みゲージ１．６がホイートス
トンブリッジ回路を形成するよう結線していた。

このため、））変換装置の製造工程が複雑化し高いノウ
ハウ８必要とするため、製造された力変換装置が高価な
ものとなってしまい、しかも製品ごとの特性のバラツキ
も大きいという問題があった。

第２の問題点 また、従来の力変換装置は、複数の歪ゲージ１６を、ｆ
２着剤１４を用いて起歪体１０の側面１２に貼付けてい
る。このため、接着剤１４がもたらずクリープ、しステ
リシス等の測定特性への悪影響が避けられず、信顆性に
欠けるという問題があった。さらに、接着剤１４を用い
た歪ゲージ１６の貼付けには、貰いノウハウを必要とし
、しかも接着による歪ゲージ特性のバラツキも大きいと
いう問題があった。

［発明の目的］ 本発明は、この様な従来の課題に鑑みなされたものであ
り、その］」的は、前述した問題点を解決することかで
き、信顆性が高くしかも安価な力変換装置を提供するこ
とにある。

［問題点を解決するための手段」 前記目的？達成するため、本発明は、 圧縮力が加えられる面として＋　１１．０　＋面の結晶
面を有するように形成されたＳｉ単結晶体と、前記ＳＬ
単結晶体上に、その＋１１］面上における結晶の＜００
１＞方向より７１５度の方向に対向して設けた第１の電
極と、＜　１１０　＞方向より４５度の方向に対向して
設けた第２の電極と、を含み、これら第１および第２の
電極のいずれか一方を出力電極とし、他方を入力電極と
する複数の電極と、 前記Ｓｉ単結晶体の、＋１１］而の結晶面と接合され、
圧縮力をその結晶面に垂直に伝達する台座と、 前記Ｓｉ単結晶体の、台座が接合された面と対向する面
と接合されるステムと、 を含み、前記ステムは、 前記Ｓｉ単結晶体の台座が接合された面と対向する面と
接合され、そのＳｉ単結晶体を支持するための支持基台
と、 前記出力電極から出力される電気信号を外部に取出すた
めの複数の出力電極端子と、 前記入力電極へ外部から電流を通電するための複数の入
力電極端子と、 これら入力電極端子、出力電極端子および支持基台を一
体的に保持する保持手段と、 を含み、 前記入力？Ｉ！極端子からＳｉ単結晶体に電流を流しな
がらＳｉ単結晶体の結晶面に垂直に圧縮力を作用させ、
出力電極端子から圧縮力に対応した電圧を出力すること
を特徴とする。

丘−」Ｌ−濾 次に、前記各問題点を解決し、本発明に至るまでの着目
点について説明する。

第１の着目点 従来は、温度の変化に伴ない増減する半導体歪ゲージの
抵抗値がもたらす特性への悪影響を低減するために、複
数の半導体歪ゲージを用いて、ホイートストンブリッジ
回路を形成していた。

本発明の第１の着目点は、この様な複数の半導体歪ゲー
ジを用いて形成されたホイートストンブリッジ回路に代
え、一つのＳｉ！ｉｔ結晶体で複数の歪ゲージを構成し
ようとすることにある。このなめ、本発明においては、
一つのＳｉ単結晶体に一対の出力電極と入力電極とを交
差して設け、望ましくは直交する方向に相対して設ける
よう構成している。

以上の構成とすることにより、本発明によれば、後述す
る理由がら、温度の変動がもたらす特性への悪影響が低
減し、前述した第１の問題点を解決することができる。

第２の着目点 しかし、前述したように、一対の出力電極と入力電極と
を直交して設けたＳｉ単結晶体を用いたとしても、従来
のようにこのＳｉ単結晶体を起歪体の側面へ接着剤を用
いて貼付けていたのでは、前述した第２の問題点を解決
することができない。

本発明の第２の着目点は、前記Ｓｉ単結晶体の結晶面に
対し垂直に圧縮力を作用させ、この圧縮力に基づ（Ｓｉ
単結晶体のピエゾ抵抗効果を利用して圧縮力を検知する
という、新規な力検知方式を採用したことにある。

すなわち、従来の力変換装置は、起歪体の側面に複数の
歪ゲージを接着剤を用いて貼付け、圧縮力を起歪体の圧
縮歪として検知していた。従って、起歪体の圧縮歪が接
着剤を介して、各歪ゲージに伝達されることになり、接
着剤に起因するクリープ、ヒステリヒス等の悪影響を受
けやすく、信頼性が低いという問題があった。

これに対し、本発明では、Ｓｉ単結晶体の結晶面の一方
を台座と接合し、他の結晶面を支持基台に接合し、Ｓｉ
単結晶体の結晶面に対し垂直に圧縮力を作用させるとい
う、従来には全くない新規な構成を採用している。

従って、仮にＳｉ単結晶体と台座および支持基台との接
合に接着剤を用いたとしても、接着剤に起因するクリー
プ、ヒステリヒス等の悪影響が著しく小さくなり、測定
データの信頼性が極めて高いものとなる。なお、この様
な接着剤の影響を確実に除去するためには、Ｓｉ単結晶
体と支持基台および台座との接合を、接着剤を用いるこ
となく、例えば特公昭５３−２８７４７号公報に開示さ
れた静電接合方法等を用いて行うことが好ましい。

第３の着目点 ところで、この様なＳｉ単結晶体を用いて圧縮力の測定
を行うとする場合には、加えられる圧縮力に対応した測
定電圧を、Ｓｉ単結晶体から出力することが必要とされ
る。

本発明者らは、この様な観点にたって、Ｓｉ単結晶体の
ピエゾ抵抗係数π６３−が大きな値となるよう３　ｉ　
ｊｉｊ結晶体の結晶面についての検討を行つた。

この検討の結果、圧力が加えられる面として（１１０）
面の結晶面を有するよう、Ｓｉ単結晶体を形成する必要
かめることな見い出した。

第４の着目点 また、従来の力変換装置では、第２図に示すように、半
導体歪ゲージ１６から出力電圧を取出すために、歪ゲー
ジ１６の電極１８とターミナル２０との間にリード線２
２を接続し、しかもターミナル２０から引出線２４を引
出し、４個の歪ゲージ１０かポイートストンブリッジ回
路を構成するよう引出線２４を引回して結線していた。

従って、一定の品質の力変換装置を製造するためには、
作業者の高いノウハウが必要となり、しかも引出線２４
の引回し方によっては、周囲のノイズが混入し易く電気
計測上問題があった。

本発明の第４の着目点は、配線の長さを短くして、電気
的結線を簡単にできるようにしたことにある。

このため、本発明の力変換装置は、Ｓｉ単結晶体上に設
けられた出力電極、入力電極とがそれぞれ接続される出
力電極端子、入力電極端子と、Ｓｉ単結晶体を接合支持
する支持基台と、を保持手段を用いて一体的に保持する
よう形成している。

この様にすることにより、支持基台上にＳｉ単結晶体を
接合した後、入力電極、出力電極をそれぞれ支持基台と
一体的に保持された入力電極端子、出力電極端子に結線
するだけでよい。従って、従来のように引出線３引き回
して結線しなければならないという問題を解決すること
ができ、配線が簡１ｉ１−で、雑音に強く、しかも低コ
ストの力変換装置を得ることができる。

［作用］ 第３図には、本発明に係る力変換装置か示されており、
同図（Ａ）はその平面説明［２］、同図（Ｂ）はその側
面説明図である。

この力変換装置は、圧縮力Ｗが加えられる面として（１
，１０）の結晶面を有するよう形成されたＳ　ｉ　１ｉ
ｊ−結晶体３０と、このＳｉ単結晶体３０の（１１０）
面の結晶面３２と接片され、圧縮力Ｗをその結晶面３２
に垂直に伝達する台座４０と、このＳ　ｉ　ｌｉｔ結晶
体３０の他の結晶面３４と接合されるステム６０を含む
、そして、前記Ｓｉ単結晶体３０の表面には、結晶の［
００１］方向より４５度の方向に対向して設けられた第
１の電極５０゜５〇−と、［１１−０］方向より４５度
の方向に対向して設けられた第２の電極５２．５２−と
からなる複数の電極が設けられており、これら第１およ
び第２の主成のいずれか一方５［）、５０−を出力電極
、他方５２．５２−を入力電ｆｆｉとして用いている。

（ａ）　　また、本発明において、前記ステム６０は、
Ｓｉ単結晶体３０の他の結晶面３２と接合され、Ｓｉ単
結晶体３０を支持するための支持基台６２と、前記入力
電極５２．５］’へ外部から電流を通電するための複数
の入力電極端子６６．６６−と、出力電ｆｆ１５２，５
２−から出力される電気信号を外部に取出すための複数
の出力電極端子６４．６４−と、これら主成端子６４，
６，４６６．６６−および支持基台６２を一体的に保持
する保持手段と、と含む。

第３図において、ステム６０は、これら各電極端子６４
．６４−２６６．６６−を支持基台６０の周囲にほぼ対
象となるよう輪状配置している。

そして、このステム６０は、保持手段として外環７０、
封着ガラス６８を用い、上端を開口した略円筒形状した
外環７０内に、支持基台６２）各電極端子６４．６４　
”、６６．６６−を封着ガラス６８を用いて一体的に取
付は固定することにより形成されている。

ここにおいて、前記電極端子６４．６□１−１６６．６
６−は、その一端側がＳｉ単結晶体３０の結晶面３２と
ほぼ面一となるよう取付けられており、このＳｉ単結晶
体３０上に設けられた各電極５０．５０−１５２．５２
−とリード線５４を介して接続されている。

また、これら各電極端子６４．６４−１６６゜６６−の
他端側は、外環７０の底面に設けられた挿通孔７２を介
して外部に引出されている。そして、その端部にはコネ
クタが接続されており、このコネクタを介して外部の計
測機器と電気的に接続されている。

この様に、本発明に係る力変換装置は、支持基台６２と
、各電極端子６４．６４−１６６．６６とを一体的にス
テム６０として形成し、このステムの支持基台６２上に
Ｓｉ単結晶体３０を接合した後、各電極５０．５０’、
５２．５２−をステム６０の対応する各電極端子６４．
６４−１６６．６６−にリード線５４を介して接続する
のみで電気的配線を行うことができる。

従って、従来のように、半導体歪ゲージの配線を引回し
電気的な結線を行うというようなことがなくなるため、
格別なノウハウなどを必要とすることなく、その電気的
結線を簡単かつ確実に行うことができる。さらに、本発
明では、電気的配線も極めて短くなるため、従来のよう
に引回されてた配線に外部からのノイズが混入すること
がなく、極めて信顆性の貰い力変換装置を得ることがで
きる。

なお、第３図においては、保持手段として外環および封
着ガラスを用いたが、保持手段は、電極端子６４．６４
−１６６．６６−および支持基台６２を一体的に保持す
ることができれば他の手段を採用することもでき、例え
ばセラミックスパッケージを用いてもよい。

（ｂ）　　次に、本発明の力変換装置を用いて、台座４
０に加わる圧縮力Ｗを測定する場合を説明する。

まず、台座４０に圧縮力Ｗを垂直に与えると、この圧縮
力Ｗは、台座４０により均等に分散され、Ｓｉ単結晶体
３０の結晶面３２に垂直に圧縮応力σ２　＝　Ｗ　／　
Ａ として作用する。ここにおいて、Ａは台座４０のＳｉ単
結晶体３０に対する接合面の面積を表わす。

このとき入力電極５２．５２−からＳｉ単結晶体３０に
電流工を流しておくと、圧縮応力σｌが作用したＳｉ単
結晶体３０は、その出力電極５０゜５０−から次式で表
わす電圧ΔＶを出力するΔｖ＝ｂ・ρ・Ｊ　・π　−・
σｚ’ｋ・・・（１）ここにおいて、ρはＳｉ単結晶体
３０の比抵抗、Ｊ　は電流密度、π６３−はピエゾ抵抗
係数、ｋはＳｔ単結晶体の電陽形状により定まる定数で
ある。

本発明の特徴の一つは、出力電極５０．５０から圧縮力
に対応した電圧Δ■を出力するため、ピエゾ抵抗係数π
６３−が十分大きな値となるようにＳｉ単結晶体３０を
形成したことにある。

ずなわち、本発明者等は、代表的な次の４つの結晶面（
１００）、（１１０ン、（１１１）、（２１１）を有す
るＳｉ単結晶体３０について、電極を設ける方向を代え
て、Ｓｉ単結晶体３０から、電圧へ■を得るために不可
欠なピエゾ抵抗係数π６３−についての計算を行った。

この結果、（１００）、（１１１）、（２１１）の場合
、いずれの方向に電極を設けてもピエゾ抵抗係数π６３
−は零となった。これに対し、（１１０）の場合には、
電極を［）０１］方向より４５゛の方向、または［１１
０］より４５°の方向に設けることで、絶対値か相等し
く最大のピエゾ抵抗係数π６３゛が存在することが判明
した。

第４図は、比抵抗７．８Ω■のｐ型（１１０）面Ｓｉ単
結晶体のピエゾ抵抗係数π６３゛の計算結果を示したも
のである。同図から、出力電極を［００１］方向より４
５°の方向、入力電極を［１１０］方向より４５°の方
向に設けることにより、最大のピエゾ抵抗係数π６３−
を得ることができることがわかる。

なお、出力電極５０．５０−を［１１０］より４５＠の
方向に、入力電極５２．う２“を［００１］方向より４
５°の方向に設けた場合でも、ピエゾ抵抗係数π６３−
を同様に利用でき、本発明の目的とする半導体圧力変換
器が実現できることには変りない。

また、前記［００１］、［１工Ｏ］となる結晶方向は（
１，１０）面のＳｉ単結晶体３ｏにおける代表的な結晶
方向を示したもので、これらの結晶方向と等価な結晶方
向においては全く同様に考えることができる。

第１表には、Ｓｉ単結晶体３０の（１１０）面の結晶面
と等価な結晶面と、［００１］　。

［１１０］かへなる結晶方向と等価な結晶方向が示され
ている。この表から明らかなように、Ｓｉ単結晶体には
（１１０）面と等価な結晶面が複数存在する。したがっ
て、（１，１０）面と等価な結晶面をもつＳｉ単結晶体
を用いても、本発明の力変換素子１０００を形成するこ
とができる。

なお、（１１０）の結晶面と等価な結晶面は（１１０１
で表わされ、またＵｏｏｔコ［１１０］と等価な結晶方
向は、＜００１＞。

＜１１０＞で一般的に表わされる。

（以下余白） 第１表 なお、第５図ではｐ型Ｓｔ単結晶体３０のピエゾ抵抗係
数１−を示したが、もちろんｎ型（１１，０）面Ｓｉ単
結晶体にあっても、そのピエゾ抵抗係数π６３−は、ｐ
型の場合と同等の大きさを有して同様に存在する。

この様にして、本発明の圧力変換器は、台座４０に加え
られた圧縮力Ｗを、台座４０を介してＳｉ単結晶体３０
の（１１０）の結晶面３２に垂直に印加するという、従
来にはない新規な構成を採用することにより、Ｓｉ単結
晶体３０の出力電極５０．５０−から圧縮力Ｗに対応し
た電圧Δ■を正確に出力することができる。

特に本発明の力変換器は、その出力電極端子６４．６４
−および入力Ｔ、電極端子６．６６−を支持基台６２と
一体的にステム６０として形成しているため、支持基台
６２に接合されたＳｉ単結晶体３０の各電極５０．５０
°、５２．５２−と前記各電極端子６４．６４−１６６
．６６−を、たとえば１０Ｉ信程度の短いリード線５４
を介して接続するのみで電気的結線が完了し、電気的な
配線が極めて簡単なものとなる。

このため、従来装置に比べ、′Ｂｔ音信号の影響が少な
く、信顆性の高い測定電圧Δ■を簡明に外部の２１側機
器へ取出すことかできる。

（Ｃ）　　また、本発明において、Ｓｉ単結晶体３０は
、その結晶面３２が矩形（正方形を含む）となるよう切
出され、その厚み、不純物濃度が均一となるように形成
されている。また、前記出力電極５０．５０−は、Ｓｉ
単結晶体３０上に距ヤｂを隔てて取付けられており、ま
た入力電極５２゜５２−は同様にＳｉ単結晶体３０上に
所定間隔おいて取付けられている。

この様に各電極う０．うＯ−、ヲ２，５２”を設けるこ
とにより、５０と５２．５２と５０−５０−と５２−１
５２−と５０との１ｍの各抵抗値を等しくでき、また、
Ｓｉ単結晶体３０の厚みおよび不純物濃度が均一である
ことから、温度の変化に対する前記各抵抗値もほぼ等し
くできる。

従って、入力ＴＬ（ｆｉ５２．５２からＳｉ単結晶体３
０に電流を流し、出力電極５０．５０−から電圧出力を
取出すようにした場合のオフセット電圧は、温度の変化
に左右されることなく、はぼ零として維持されることと
なり、単一のＳｉ単結晶体３０が、前述した従来の複数
の半導体歪ゲージを用いて形成されたホイートストンブ
リッジ回路に置き代わり、前述した問題点の一つを解決
することができる。

（ｄ）　　また、本発明において、台座４０を介して圧
縮力ＷをＳｉ単結晶体３０に印加するようにしたのは、
Ｓｉ単結晶体３０に圧縮力Ｗが集中して加わることがな
いようにするためである。

すなわち、Ｓｉ単結晶体３０は周知のように機械的にも
優れた強度と弾性領域とを備えた材料であるが、Ｓｉ単
結晶体に一点に集中して圧縮力Ｗが作用した場合、いか
に機械的に優れた強度を備えているといえども簡単に破
壊してしまう。

従って、支持基台６２に接合固定されたＳｉ単結晶体３
０を用いて圧縮力Ｗを測定する場合には、結晶面３２と
の接触面積が小さく、結晶面３２の一部に集中して垂直
に圧力が加わるような構造は避けなければならない。

このため、本発明においては、Ｓｉ単結晶体３０の結晶
面３２に圧縮力Ｗが集中して加わることがないよう、圧
縮力の伝達材料として台座４０を設け、圧縮力Ｗを常に
分散してＳｉ単結晶体３０の結晶面３２へ伝達するよう
形成している。

なお、結晶面３２と台座４０の接合面との接合領域（接
合面の面積）の外接円の半径をｄ／２とした場合、台座
４０の高さＣは、前記半径ｄ／２以上となるよう形成す
ることが好ましい、この様に、台座４０の高さＣを設定
することにより、シリコン単結晶体３０に伝達される圧
縮応力σｌは、Ｓｉ単結晶体３０の破壊応力に対して十
分率さなものとして均等に分散されることとなる。

ただし、台Ｍ４０の高さＣに対しての上限は、圧縮力Ｗ
に対し座屈を生じないこと、また圧縮力Ｗを分散してＳ
ｉ単結晶体３０に伝達し、測定電圧ΔＶを得る場合の効
率を低減させない範囲に制約されることはいうまでもな
い。

また、本発明において、支持基台６２は、ピエゾ抵抗係
数π６３−の有効な利用を妨げる応力等（圧縮応力σＺ
以外の応力）を感知しないよう、圧縮力σ７の生じるＺ
軸方向に十分な剛性を備えるよう配慮することが好まし
い。

この様に形成することにより、Ｓｉ単結晶体３０の結晶
面３２に垂直に圧縮力Ｗが作用した場合に、Ｓｉ単結晶
体３０には単純な圧縮応力σｌの歪が生じ、そのピエゾ
抵抗係数π６３−を有効に利用することかできる。

また、本発明において、前記台座４０および支持基台６
２は、接着剤による特性への悪影響を回避するために、
Ｓｉ単結晶体３０の結晶面３２゜３４に接着剤を用いず
に接合することか好ましく、たとえは特公昭５３−２８
７４７号公報に開示された静電接合方法または特公昭３
９−１７８６９号公報に開示された生成酸化シリコンを
応用した直接接合法等を用いて行えばよい、また、これ
ら台座４０および支持基台６２は、Ｓｉ単結晶体と熱膨
張係数が近接し、Ｓｉ単結晶体３０と電気的に絶縁され
、しかもその機械的強度がＳｉ単結晶体３０と同等量−
りの材料を用いて形成することが好ましく、たとえば、
Ｓｉ単結晶体３０と熱的に絶縁され、熱膨張係数が近接
した材料、たとえば結晶化ガラス、硼珪酸ガラス、コー
ジライト磁器等の絶縁材料を用いればよい。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明は、圧縮力を、伝達材料で
ある台座を介してＳｉ単結晶体の（１１０）面の結晶面
に垂直に加えるという新規な構成を採用している。

従って、本発明によれば、従来の力変換装置のように、
接着剤のもたらす特性の悪影響および起歪体のもたらす
特性への悪影響がなく、加えられる圧縮力に対するＳｉ
単結晶体のピエゾ抵抗効果を有効に利用し、圧力を正確
に測定することができるという効果ある。

また、本発明によれば、一つのＳｉ単結晶体かホイート
ストンブリッジ回路の機能を備えているので、従来の圧
力変換器に備えられていた複数の半導体歪ゲージを、一
つのＳｉ単結晶体に置換えることができ、構造が簡単で
しかも安価な半導体圧力変換器を得ることができるとい
う効果がある。

さらに、本発明によれば、Ｓｉ単結晶体を支持固定する
支持基台と、Ｓｉ単結晶体の入出力電極にそれぞれ接続
される入出力電極端子とを保持手繰を用いて一体的に保
持固定したステムを形成することにより、Ｓｉ単結晶体
の電気的な配線をリード線などを引回すことなく、短い
リード線を用いて簡単に行うことができる。この結果、
製造がｎ、ｉｔｔでかつ雑音による影響が少ない信頼性
の高い安価な力変換装置を得ることができるという効果
がある。

さらに、Ｓｉ単結晶体を用いて形成された力変換装置は
、Ｓｉ単結晶体がｐ−ｎ接合ｆｉｉ域を有していないこ
とから、高温の領域に至るまで十分な性能を発揮できる
という効果もある。

［実施例］ 次に本発明の好適な実施例を図面に基づき説明する。

第１図には、本発明に係る力変換装置の好適な第１実施
例が示されており、同図（Ａ）はその平面説明図、同図
（Ｂ）はその側断面説明図である。

本実施例の力変換装置は、圧力が加えられる面として（
１１０）面の結晶面を有するよう形成されたＳｉ単結晶
体３０と、このＳｉ単結晶体３０の（１１０）の結晶面
３２と静電接合された台座４０と、そのＳｉ単結晶体３
０の他の結晶面３４と静電接合されたステム６０とから
構成されている。

前記Ｓｉ単結晶体３０は、比抵抗１ΩＣ１ｌ、大きさ１
．７ｎｉ２で、厚さ０．１．５１Ｉノｐ型Ｓｉ単結晶体
として形成されている。そして、このＳｉ単結晶体３０
の一方の結晶面３２上には、第１図（Ａ）に示すように
結晶の［００１］方向より４５度の方向に、幅Ｑ、］Ｉ
ＩＩの一対の出力電極５０゜５０−が相対向するようア
ルミニウムを蒸着して形成されており、さらに結晶の［
１，１０］方向より４５度の方向に、幅０．（Ｉｎの一
対の入力電極５２．５２−が相対向するようアルミニウ
ムを蒸着して形成されている。

また、実施例において台座４０は、大きさがｌｌＩ２で
需さ１．１１１の結晶化ガラスを用いて形成されている
。

また、本実施例において、前記ステム６０は、Ｓ　ｉ　
＋Ｎ、結晶体３０の結晶面３４と静電接合され、このＳ
ｉ単結晶体３０を支持する支持基台６２）この支持基台
６２の周囲にほぼ輪状に配置された一対の出力電極４１
子６４．６４−１入力電陽端子６６．６６−を有し、こ
れら各電極端子６４，６４−　６６．６６−と支持基台
６２とが−Ｊ−，端を開口したほぼ円筒形状をした外Ｉ
ａ７０内に、封着ガラス６８を用いて一体的に取付は固
定されることにより形成されている。

ここにおいて、前記支持基台６２は、Ｓｉ単結晶体３０
と熱膨張係数の近接した結晶化ガラスからなり、大きさ
が１．７ｎ＋ｉ２）高さが３１に形成されている。

また、前記外環７０は、Ｆｅ　−Ｎｉ−Ｃｏ合金を用い
、一端側が開口されたほぼ円筒形状に形成されており、
その底面に複数の電極端子種通孔７２が開口形成されて
いる。

また、前記電極端子６４．６４−１６６゜６６−は、直
径０．５Ｉｎの細長い棒形状に形成され、その一端側ａ
がＳｉ単結晶体３０の結晶面３２とほぼ面一となるよう
取付は固定されている。

そして、出力電極端子６６．６６−は、その一端側ａに
金属メツキ層が設けられ、この金属メツキ層には、直径
０．０５Ｉｎの金のリード線５４を用いて入力電ｆｉ５
２．５２−にそれぞれ接続されている。さらに、前記各
出力電極端子６４．６４は、同様にその一端側ａ側に金
メツキ層が設けられ、直径０．０５＋ｎｎの金のリード
線５４を用いて出力電１５０．５０−とそれぞれ接続さ
れている。

また、これら各電極端子６４．６４’、６６゜６６−は
、一端側が外環７０の挿通孔７２を介してステム６０の
外部に引出され、図示しない計測装置へ接続されている
。

また、本実施例の力変換装置は、その取付けを容易なも
のとするために、外環７０の上端外周部につば部７６が
設けられ、つば部７６をケース８０に対し溶接部７８を
介して取付けるよう形成されている。この様にすること
により、本実施例の力変換装置は、ステム６０のつば部
７６をケース８０の所定位置に溶接するだけで、簡単に
取り付けることができる。

第８図には、本実施例の力変換装置の製造工程の一例が
示されている。

本実施例の力変換装置を製造するにあっては、まず第８
図（ａ）に示すように、支持基台６２）および電極端子
６４．６４−５６６．６６−が封着ガラス６８を用いて
外環７０に一体的に取付は固定されなステム６０を用意
する。そして、このステム６０の支持基台６２に、複数
の電極５０゜５０−　５２．５２−が設けられたＳｉ単
結晶体３０の結晶面３４を静電接合する。

次に、第８図（ｂ）に示すように、Ｓｉ単結晶体３０に
設けられた複数の電極５０．５０″、５２．５２−と、
前記ステム６０に一体的に取付は固定された各入出力電
格端子６４．６４−＋　６６゜６６°とをリード線５４
を介して接続する。

そして、第８図（ｃ）に示すように、Ｓ　ｉ　、Ｑｔ結
晶体３０の結晶面３２に台座４０を静電接合する。

この様にして、本発明の力変換装置を製造することがで
きる。

なお、この様な力変換装置の製造工程は必ずしも一連の
ものではなく、必要に応じ製造可能な範囲で各工程を入
替えてもよい。

また、封着ガラス６８が非常に低融点の材料であれば、
まず第９図（ａ）に示すようにＳｉ単結晶体３０の結晶
面３４に支持基台６２を静電接合し、次に第９図（ｂ）
に示すようにＳｉ単結晶体３０の結晶面３２に台座４０
を静電接合し、Ａ後に第９　（：９１　（ｃ　）に示す
よう、支持基台６２と電極端子６４．６４−１６６．６
６−とを封着ガラス６８を用いて外環７０と一体的に形
成しステム６０を作成し、各電極端子６４．６４−１６
６．６６−と電極５０．５０−　５２．５２−とをリー
ド線５４を用いて接続してもよい。

第７図には、前記第８図に示す工程に従って、製造され
た本実施例の力変換装置の特性図が示されている。

本実施例においては、Ｓｉ単結晶体３０の入力電極５２
．５２−に直流電圧３ｖを印加した状態で、台座４０に
垂直に圧縮力Ｗを１５ｋｇまで作用させ、このとき得ら
れる出力電圧Δ■を測定した。

この測定試験によれば、第７図に示すように、直線的で
圧縮力Ｗに比例し、しかも実Ｊｌｌ　ｌ十分な大きさを
持った測定電圧ΔＶを得ることができた。

この様に、本発明によれば、圧縮力Ｗに比例した’ｎ（
１１定電圧Δ■を正確に出力することができ、信頼性の
高い力変換装置を得ることができる。

なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、
本発明の範囲内で各社の変形実施が可能である。

例えば、第１図に示す実施例では、上端が開口された円
筒形状の外環７０を用い、この外ＩＩｉ！７０内に封着
カラス６８を充填し宅間端子６４゜６４　”、６６．６
６−と支持基台６２と一体的に支持する場合を例にとり
説明した。しかし、本発明はこれに限らず、例えば第１
０図に示すように、平板状の外環７０上に、支持基台６
２が封着固定されたステム６０を用いて本発明の力変換
装置を構成してもよい。

また、第１図に示す力変換装置では、圧縮力Ｗが加えら
れる台座４０の着力点側を平面形状に形成したが、台座
４０の着力点側の面の全面または一部に、凸の曲面また
は凹の曲面を設けて、加圧板の加圧面より加わる圧縮力
Ｗが台座４０のほぼ中央に作用するように形成してもよ
い。

例えば、第５図に示すように、台座４０の着力点側の面
４２を凸の曲面形状に形成してもよく、また第６図に示
すように、台座４０の着力点側の而４２に球形状をした
力伝達部４４を設け、加圧板・１６から圧縮力Ｗを台座
４０に印加してもよい。

また、前記実施例においては、結晶面が（１１０）面の
Ｓｉ単結晶体を用い力変換素子を形成した場合を例にと
り説明したが、本発明はこれに限らずこれ以外に前記第
１表に示すように（１１０）面と等価な１ｌＩＯ）結晶
面をもつＳｉ単結晶体を用いて力＊　１ｆＡ　素子を形
成してもよい。

【図面の簡単な説明】

第１１２は本発明にかかる自交ＩＱ装置の好適な一例を
示す説明図であり、同図（Ａ）はその平面説明図、同図
（Ｂ）はその側面説明図、 第２１１？Ｉは従来の力変換装置の斜視図、第３図は本
発明の力変換Ｘｃ置の基本的構造の説明図、 第４図は比抵抗７．８ΩＣ１のｐ型（１１０）面Ｓｉ華
結晶体のピエゾ抵抗係数π６３−の特性図、第５図およ
び第６しＩは他の実施例を示す説明図、第７図は第１図
に示す自交ＩＱ装置の特性図、第８図は第１図の力変換
装置の製造工程を示す説明図、 第９図は第１図の自交ｌＩＡ装置の他の製造工程を示す
説明図、 第１０図は本発明の他の実施例の説明図である。 ３２゜ ５０゜ ５２゜ ６４゜ ６６゜ Ｓ　ｉ　ｉｉ’ｌ−結晶体 ３４　・・・　結晶面 ・・・　台座 ５０−　・・・　出力電極 ５２　　・・・　入力電極 ・・・　ステム ・・・　支持基台 ６４゛　・・・　出力電極端子 ６６−人力電極 ・・・　封着カラス ・・・　外環

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧縮力が加えられる面として｛１１０｝面の結晶
   面を有するように形成されたＳｉ単結晶体と、 前記Ｓｉ単結晶体上に、その｛１１０｝面上における結
   晶の＜００１＞方向より４５度の方向に対向して設けた
   第１の電極と、＜１１０＞方向より４５度の方向に対向
   して設けた第２の電極と、を含み、これら第１および第
   ２の電極のいずれか一方を出力電極とし、他方を入力電
   極とする複数の電極と、 前記Ｓｉ単結晶体の、｛１１０｝面の結晶面と接合され
   、圧縮力をその結晶面に垂直に伝達する台座と、 前記Ｓｉ単結晶体の、台座が接合された面と対向する面
   と接合されるステムと、 を合み、前記ステムは、 前記Ｓｉ単結晶体の台座が接合された面と対向する面と
   接合され、そのＳｉ単結晶体を支持するための支持基台
   と、 前記出力電極から出力される電気信号を外部に取出すた
   めの複数の出力電極端子と、 前記入力電極へ外部から電流を通電するための複数の入
   力電極端子と、 これら入力電極端子、出力電極端子および支持基台を一
   体的に保持する保持手段と、 を含み、 前記入力電極端子からＳｉ単結晶体に電流を流しながら
   Ｓｉ単結晶体の結晶面に垂直に圧縮力を作用させ、出力
   電極端子から圧縮力に対応した電圧を出力することを特
   徴とする力変換装置。
2. （２）特許請求の範囲（１）記載の装置において、前記
   ステムは、入力電極端子、出力電極端子および支持基台
   が封着ガラスを用いて外環に一体的に取付け固定された
   ことを特徴とする力変換装置。