JPH0634455A - 力変換素子およびこれを用いた圧力検出回路 - Google Patents
力変換素子およびこれを用いた圧力検出回路Info
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- JPH0634455A JPH0634455A JP4212082A JP21208292A JPH0634455A JP H0634455 A JPH0634455 A JP H0634455A JP 4212082 A JP4212082 A JP 4212082A JP 21208292 A JP21208292 A JP 21208292A JP H0634455 A JPH0634455 A JP H0634455A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 使用するリード線の本数を削減することがで
き、優れた温度特性と、より広い使用温度範囲を有する
力変換素子を提供すること。 【構成】 力変換素子１０００は、（１１０）結晶面４
０ａを有するシリコン半導体４０と、シリコン半導体４
０の結晶面４０ａ上に、結晶の〈１１０〉方向またはこ
れと等価な方向に相対向して設けられた入出力共用電極
対４２，４２´と、前記シリコン半導体４０の結晶面４
０ａと接合され、圧縮力Ｗをその結晶面４０ａに垂直に
伝達する力伝達ブロック６０と、前記シリコン半導体４
０の力伝達ブロック接合面の反対側の面と接合されシリ
コン半導体４０を支持する支持台座７０とを含む。そし
て、前記入出力共用電極対４２，４２´を介してシリコ
ン半導体４０に電流を流しながら、力伝達ブロック６０
を介しシリコン半導体４０の結晶面４０ａに垂直に圧縮
力Ｗを作用させ、前記入出力共用電極対４２，４２´か
ら圧縮力Ｗに対応した測定電圧を出力する。
き、優れた温度特性と、より広い使用温度範囲を有する
力変換素子を提供すること。 【構成】 力変換素子１０００は、（１１０）結晶面４
０ａを有するシリコン半導体４０と、シリコン半導体４
０の結晶面４０ａ上に、結晶の〈１１０〉方向またはこ
れと等価な方向に相対向して設けられた入出力共用電極
対４２，４２´と、前記シリコン半導体４０の結晶面４
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伝達する力伝達ブロック６０と、前記シリコン半導体４
０の力伝達ブロック接合面の反対側の面と接合されシリ
コン半導体４０を支持する支持台座７０とを含む。そし
て、前記入出力共用電極対４２，４２´を介してシリコ
ン半導体４０に電流を流しながら、力伝達ブロック６０
を介しシリコン半導体４０の結晶面４０ａに垂直に圧縮
力Ｗを作用させ、前記入出力共用電極対４２，４２´か
ら圧縮力Ｗに対応した測定電圧を出力する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、圧縮力を電気信号に変
換する、半導体のピエゾ抵抗効果を用いた力変換素子お
よびこれを用いた圧力検出回路に関し、特にシリコン半
導体に電流を流しながら前記シリコン半導体の結晶面に
垂直に圧縮力を作用させ、圧縮力に対応した電圧出力を
取り出す力変換素子およびこれを用いた圧力検出回路に
関するものである。
換する、半導体のピエゾ抵抗効果を用いた力変換素子お
よびこれを用いた圧力検出回路に関し、特にシリコン半
導体に電流を流しながら前記シリコン半導体の結晶面に
垂直に圧縮力を作用させ、圧縮力に対応した電圧出力を
取り出す力変換素子およびこれを用いた圧力検出回路に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】力変換素子は、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、このような力変換素子には、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が要求さ
れる。
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、このような力変換素子には、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が要求さ
れる。
【０００３】特に、この力変換素子は、極めて激しい使
用環境で用いられることが多い。近年においては、エン
ジンのシリンダ内の圧力測定用として、高温の環境下で
用いられることが多く、その測定圧力を用いてエンジン
の点火時期制御が行われている。
用環境で用いられることが多い。近年においては、エン
ジンのシリンダ内の圧力測定用として、高温の環境下で
用いられることが多く、その測定圧力を用いてエンジン
の点火時期制御が行われている。
【０００４】従って、このような情況の下で使用される
力変換素子には、周囲の環境、特に低温から高温までの
広範囲な温度環境下において、エンジンの燃焼ガスの圧
力を応答性よく確実に測定することが要求される。
力変換素子には、周囲の環境、特に低温から高温までの
広範囲な温度環境下において、エンジンの燃焼ガスの圧
力を応答性よく確実に測定することが要求される。
【０００５】図１６には従来の燃焼圧センサの一例が示
され、同図（Ａ）はその平面概略図、同図（Ｂ）はその
側面概略図をそれぞれ表わしている。
され、同図（Ａ）はその平面概略図、同図（Ｂ）はその
側面概略図をそれぞれ表わしている。
【０００６】この燃焼センサは、圧縮力Ｗが加えられる
面として（１１０）の結晶面１０ａを具備する矩形板状
のｐ伝導型シリコン半導体（抵抗率８Ω−ｃｍ，厚み約
２００μｍ）１０と、このシリコン半導体１０の結晶面
１０ａと接合され、圧縮力Ｗを結晶面１０ａに垂直に伝
達する力伝達ブロック３０と、前記シリコン半導体１０
の他面側に接合された支持台座２０とを有する。そし
て、図示しないエンジンのシリンダ内における燃焼ガス
圧力Ｐがダイアフラムを介し、力伝達ブロック３０の頂
面３０ａに圧縮力として垂直に作用するよう形成されて
いる。このとき、前記ダイアフラムの受圧面積をＡとす
ると、圧縮力ＷはＷ＝Ｐ×Ａとなる。
面として（１１０）の結晶面１０ａを具備する矩形板状
のｐ伝導型シリコン半導体（抵抗率８Ω−ｃｍ，厚み約
２００μｍ）１０と、このシリコン半導体１０の結晶面
１０ａと接合され、圧縮力Ｗを結晶面１０ａに垂直に伝
達する力伝達ブロック３０と、前記シリコン半導体１０
の他面側に接合された支持台座２０とを有する。そし
て、図示しないエンジンのシリンダ内における燃焼ガス
圧力Ｐがダイアフラムを介し、力伝達ブロック３０の頂
面３０ａに圧縮力として垂直に作用するよう形成されて
いる。このとき、前記ダイアフラムの受圧面積をＡとす
ると、圧縮力ＷはＷ＝Ｐ×Ａとなる。
【０００７】また、前記シリコン半導体１０には、その
〈１１０〉結晶方向から反時計回りに４５°の方向に、
相対向する一対の入力電極１４，１４´が設けられてお
り、この入力電極対１４，１４´を介して電源からシリ
コン半導体１０に電流を流している。
〈１１０〉結晶方向から反時計回りに４５°の方向に、
相対向する一対の入力電極１４，１４´が設けられてお
り、この入力電極対１４，１４´を介して電源からシリ
コン半導体１０に電流を流している。
【０００８】また、前記シリコン半導体１０には、その
〈００１〉結晶方向から反時計回りに４５°の方向に一
対の出力電極１２，１２´が相対向して設けられてい
る。この出力電極対１２，１２´からは、シリコン半導
体１０の結晶面１０ａに垂直に圧縮力Ｗが作用したとき
に、圧縮力Ｗに対応する電圧がシリコン半導体のピエゾ
抵抗効果に基づき出力される。従って、この出力電圧を
測定することにより、圧縮力Ｗ、ひいては燃焼ガスの圧
力Ｐを測定することができる。
〈００１〉結晶方向から反時計回りに４５°の方向に一
対の出力電極１２，１２´が相対向して設けられてい
る。この出力電極対１２，１２´からは、シリコン半導
体１０の結晶面１０ａに垂直に圧縮力Ｗが作用したとき
に、圧縮力Ｗに対応する電圧がシリコン半導体のピエゾ
抵抗効果に基づき出力される。従って、この出力電圧を
測定することにより、圧縮力Ｗ、ひいては燃焼ガスの圧
力Ｐを測定することができる。
【０００９】すなわち、力伝達ブロック３０を介してシ
リコン半導体１０の結晶面１０ａに圧縮力Ｗが加えられ
たとき、出力電極１２，１２´から出力される電圧Ｖ
sensは、オフセット電圧と呼ばれる電圧Ｖoff と、次の
（式１）により示される電圧出力ΔＶOLD とが重畳され
たものとなる。
リコン半導体１０の結晶面１０ａに圧縮力Ｗが加えられ
たとき、出力電極１２，１２´から出力される電圧Ｖ
sensは、オフセット電圧と呼ばれる電圧Ｖoff と、次の
（式１）により示される電圧出力ΔＶOLD とが重畳され
たものとなる。
【数１】 但し、 Ｉ ：シリコン半導体に流す電流（Ａ） Ｒ ：入力電極間の抵抗（Ω） Ｖ ：シリコン半導体に印加された電圧（Ｖ） π63´ ：図１６の構成をなすシリコン半導体のピエゾ
抵抗係数（ｃｍ2 ／ｋｇ） σZ ：結晶面１０ａに作用する圧縮応力（ｋｇ／ｃ
ｍ2 ） なお（数１）で示したピエゾ抵抗係数π63´は、次の
（数２）により書き示されることが「Use of Piezoresi
stive Materials in the Measurement ofDisplacement,
Force, and Torque、R.N.THURSTON、THE JOURNAL OFTHE
ACOUSTICAL SOCIETY OF AMERICA 、Vol.29,No.10、OC
T.1957」に開示されており、例えば抵抗率約８Ω−ｃｍ
のｐ伝導型の場合、約−３３×１０-6ｃｍ2 ／ｋｇとし
て計算できる。
抵抗係数（ｃｍ2 ／ｋｇ） σZ ：結晶面１０ａに作用する圧縮応力（ｋｇ／ｃ
ｍ2 ） なお（数１）で示したピエゾ抵抗係数π63´は、次の
（数２）により書き示されることが「Use of Piezoresi
stive Materials in the Measurement ofDisplacement,
Force, and Torque、R.N.THURSTON、THE JOURNAL OFTHE
ACOUSTICAL SOCIETY OF AMERICA 、Vol.29,No.10、OC
T.1957」に開示されており、例えば抵抗率約８Ω−ｃｍ
のｐ伝導型の場合、約−３３×１０-6ｃｍ2 ／ｋｇとし
て計算できる。
【数２】 前記（数２）において、π１１，π１２，π４４は、立
方結晶におけるピエゾ抵抗係数で、抵抗率約８Ω−ｃｍ
のｐ伝導型シリコンの場合、π１１＝６×１０-6ｃｍ2
／ｋｇ、π１２＝−１×１０-6ｃｍ2 ／ｋｇ、π４４＝
１３８×１０-6ｃｍ2 ／ｋｇとなる。
方結晶におけるピエゾ抵抗係数で、抵抗率約８Ω−ｃｍ
のｐ伝導型シリコンの場合、π１１＝６×１０-6ｃｍ2
／ｋｇ、π１２＝−１×１０-6ｃｍ2 ／ｋｇ、π４４＝
１３８×１０-6ｃｍ2 ／ｋｇとなる。
【００１０】従って、ダイアフラムを備えたハウジング
に、図１６に示すよう、高弾性材料として知られるシリ
コン半導体１０を有する力変換素子２０００を、圧力検
出手段としてアッセンブリすることで、静圧の計測も可
能な燃焼圧センサを提供することができる。
に、図１６に示すよう、高弾性材料として知られるシリ
コン半導体１０を有する力変換素子２０００を、圧力検
出手段としてアッセンブリすることで、静圧の計測も可
能な燃焼圧センサを提供することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の力変換
素子２０００は、以下に詳述する課題があった。
素子２０００は、以下に詳述する課題があった。
【００１２】第一の課題 従来の力変換素子２０００は、シリコン半導体１０上に
一対の入力電極１４，１４´と、一対の出力電極１２，
１２´とを設ける必要があった。従って、力変換素子２
０００をハウジングにアッセンブリして燃焼圧センサを
構成した場合には、各電極１２，１２´，１４，１４´
と接続されるリード線が４本必要であった。
一対の入力電極１４，１４´と、一対の出力電極１２，
１２´とを設ける必要があった。従って、力変換素子２
０００をハウジングにアッセンブリして燃焼圧センサを
構成した場合には、各電極１２，１２´，１４，１４´
と接続されるリード線が４本必要であった。
【００１３】一方、燃焼圧センサは、シリンダ内圧力情
報をより正確に検出することを目的として、直接エンジ
ンに装着される。周知のように、エンジン装着を想定し
た場合に、燃焼圧センサは、熱，振動および外乱磁気な
どの影響が懸念される苛酷な環境にさらされることにな
る。熱，振動等を受ける接続箇所の信頼性は、リード線
の本数に比例すると言っても過言ではない。従来の力変
換素子及びこの力変換素子を用いて構成された燃焼圧セ
ンサは、リード線の数が４本と多いことから、リード接
続箇所の信頼性とコストが大きな課題となっていた。従
って、信頼性の確保と、製作コスト低減の観点から、リ
ード線の本数を減らしたシンプルな構造の力変換素子が
望まれていた。
報をより正確に検出することを目的として、直接エンジ
ンに装着される。周知のように、エンジン装着を想定し
た場合に、燃焼圧センサは、熱，振動および外乱磁気な
どの影響が懸念される苛酷な環境にさらされることにな
る。熱，振動等を受ける接続箇所の信頼性は、リード線
の本数に比例すると言っても過言ではない。従来の力変
換素子及びこの力変換素子を用いて構成された燃焼圧セ
ンサは、リード線の数が４本と多いことから、リード接
続箇所の信頼性とコストが大きな課題となっていた。従
って、信頼性の確保と、製作コスト低減の観点から、リ
ード線の本数を減らしたシンプルな構造の力変換素子が
望まれていた。
【００１４】第二の課題 また、従来の力変換素子２０００は、その出力電圧が小
さく、これを燃焼圧センサに適用した場合には、外乱磁
気による電圧出力への悪影響を受けやすいという問題が
あった。このため、圧縮力Ｗに対し、より高い電圧を出
力できる力変換素子が望まれていた。
さく、これを燃焼圧センサに適用した場合には、外乱磁
気による電圧出力への悪影響を受けやすいという問題が
あった。このため、圧縮力Ｗに対し、より高い電圧を出
力できる力変換素子が望まれていた。
【００１５】第三の課題 また、燃焼圧センサをエンジンに装着した場合、この燃
焼圧センサにアッセブリした力変換素子２０００は、高
温の使用環境下にさらされ、特にエンジンが高回転で運
転されている場合には、力変換素子２０００の温度環境
は１５０度以上に到達する場合も多い。しかし、力変換
素子２０００に使用されるシリコン半導体１０は、高弾
性材料である半面、その抵抗率とピエゾ抵抗効果が大き
な温度依存性を有することも知られている。
焼圧センサにアッセブリした力変換素子２０００は、高
温の使用環境下にさらされ、特にエンジンが高回転で運
転されている場合には、力変換素子２０００の温度環境
は１５０度以上に到達する場合も多い。しかし、力変換
素子２０００に使用されるシリコン半導体１０は、高弾
性材料である半面、その抵抗率とピエゾ抵抗効果が大き
な温度依存性を有することも知られている。
【００１６】特に、図１６に示す力変換素子２０００を
構成するシリコン半導体１０は、抵抗率が約８Ω−ｃｍ
と高く（不純物濃度が低い）、その温度依存性が顕著で
あり、抵抗率で約０．８％／℃、ピエゾ抵抗効果で約−
０．２５％／℃という大きな温度依存性を有している。
これらの抵抗率とピエゾ抵抗効果は、前記（数１）の入
力電極間の抵抗Ｒ（以下入力抵抗と呼ぶ）およびピエゾ
抵抗効果π63´に相当する。これらの値が前記したよう
な大きな温度依存性を有するため、従来の力変換素子２
０００は、その電圧ΔＶOLD が温度と共に変動し、燃焼
ガスの圧力Ｐを正確に検出できないという問題があっ
た。
構成するシリコン半導体１０は、抵抗率が約８Ω−ｃｍ
と高く（不純物濃度が低い）、その温度依存性が顕著で
あり、抵抗率で約０．８％／℃、ピエゾ抵抗効果で約−
０．２５％／℃という大きな温度依存性を有している。
これらの抵抗率とピエゾ抵抗効果は、前記（数１）の入
力電極間の抵抗Ｒ（以下入力抵抗と呼ぶ）およびピエゾ
抵抗効果π63´に相当する。これらの値が前記したよう
な大きな温度依存性を有するため、従来の力変換素子２
０００は、その電圧ΔＶOLD が温度と共に変動し、燃焼
ガスの圧力Ｐを正確に検出できないという問題があっ
た。
【００１７】第四の課題 また、従来の力変換素子２０００は、その入力抵抗が１
５０℃〜２００℃の範囲で急激に降下するという現象を
呈する。これは、抵抗率が約８Ω−ｃｍのシリコン半導
体１０が本質的に有する物理的特性に起因する。
５０℃〜２００℃の範囲で急激に降下するという現象を
呈する。これは、抵抗率が約８Ω−ｃｍのシリコン半導
体１０が本質的に有する物理的特性に起因する。
【００１８】従って、この力変換素子２０００をアッセ
ンブリした従来の燃焼圧センサは、２００℃を超える高
温高圧という運転条件下では、エンジンの燃焼圧力Ｐを
全く測定できず、センサの使用温度範囲をより高温側へ
拡大することが望まれていた。
ンブリした従来の燃焼圧センサは、２００℃を超える高
温高圧という運転条件下では、エンジンの燃焼圧力Ｐを
全く測定できず、センサの使用温度範囲をより高温側へ
拡大することが望まれていた。
【００１９】発明の目的 本発明は、このような従来の課題に鑑みなされたもので
あり、その目的は、使用するリード線の本数を削減する
ことができ、優れた温度特性と、より広い使用温度範囲
を有する、精度と信頼性の高い力変換素子およびこれを
用いた圧力検出回路を提供することにある。
あり、その目的は、使用するリード線の本数を削減する
ことができ、優れた温度特性と、より広い使用温度範囲
を有する、精度と信頼性の高い力変換素子およびこれを
用いた圧力検出回路を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、圧縮力が加えられる面として（１１０）
面またはこれと等価な結晶面を有するように形成された
Ｓｉ半導体と、前記Ｓｉ半導体の前記結晶面上に、結晶
の〈１１０〉方向またはこれと等価な方向に相対向して
設けた入出力共用電極対と、前記Ｓｉ半導体の前記結晶
面と接合され、圧縮力をその結晶面に垂直に伝達する力
伝達ブロックと、前記Ｓｉ半導体の、前記力伝達ブロッ
クの接合された面に対向する面と接合され、このＳｉ半
導体を支持するための支持台座と、を含み、前記入出力
共用電極対を用いてＳｉ半導体に電流を流しながら、力
伝達ブロックを介しＳｉ半導体の前記結晶面に垂直に圧
縮力を作用させ、前記入出力共用電極対から圧縮力に対
応した測定電圧を出力することを特徴とする。
め、本発明は、圧縮力が加えられる面として（１１０）
面またはこれと等価な結晶面を有するように形成された
Ｓｉ半導体と、前記Ｓｉ半導体の前記結晶面上に、結晶
の〈１１０〉方向またはこれと等価な方向に相対向して
設けた入出力共用電極対と、前記Ｓｉ半導体の前記結晶
面と接合され、圧縮力をその結晶面に垂直に伝達する力
伝達ブロックと、前記Ｓｉ半導体の、前記力伝達ブロッ
クの接合された面に対向する面と接合され、このＳｉ半
導体を支持するための支持台座と、を含み、前記入出力
共用電極対を用いてＳｉ半導体に電流を流しながら、力
伝達ブロックを介しＳｉ半導体の前記結晶面に垂直に圧
縮力を作用させ、前記入出力共用電極対から圧縮力に対
応した測定電圧を出力することを特徴とする。
【００２１】ここにおいて、前記Ｓｉ半導体は、ＳＯＩ
構造を有するよう形成され、ピエゾ抵抗効果を利用して
圧縮力を検出する機能を備えたＳＯＩ構造のＳｉ半導体
層は、約５×１０18／cm3 または２×１０20／cm3 のｐ
伝導型としてその不純物濃度が制御されることが好まし
い。また、本発明の圧力検出回路は、請求項１または２
の力変換素子と、前記入出力共用電極対に定電流を供給
する定電流源と、前記入出力共用電極対の出力電圧に基
づき、前記結晶面に垂直に作用する圧縮力を測定する測
定手段と、を含み、前記測定手段は、オフセット電圧と
温度補正係数との関係が記憶された係数メモリ部と、前
記前記入出力共用電極対から出力されるオフセット電圧
を検出するとともに、前記結晶面に圧縮力が作用した際
に前記入出力共用電極対から出力される測定電圧を検出
する電圧検出部と、検出されたオフセット電圧に対応す
る温度補正係数を前記係数メモリ部から読出し、前記電
圧検出部の出力から、圧縮力に対応した電圧を温度補正
演算して出力する温度補正部と、を含み、前記温度補正
部の出力に基づき、温度変化に影響されること無く前記
結晶面に垂直に作用する圧縮力を測定することを特徴と
する。
構造を有するよう形成され、ピエゾ抵抗効果を利用して
圧縮力を検出する機能を備えたＳＯＩ構造のＳｉ半導体
層は、約５×１０18／cm3 または２×１０20／cm3 のｐ
伝導型としてその不純物濃度が制御されることが好まし
い。また、本発明の圧力検出回路は、請求項１または２
の力変換素子と、前記入出力共用電極対に定電流を供給
する定電流源と、前記入出力共用電極対の出力電圧に基
づき、前記結晶面に垂直に作用する圧縮力を測定する測
定手段と、を含み、前記測定手段は、オフセット電圧と
温度補正係数との関係が記憶された係数メモリ部と、前
記前記入出力共用電極対から出力されるオフセット電圧
を検出するとともに、前記結晶面に圧縮力が作用した際
に前記入出力共用電極対から出力される測定電圧を検出
する電圧検出部と、検出されたオフセット電圧に対応す
る温度補正係数を前記係数メモリ部から読出し、前記電
圧検出部の出力から、圧縮力に対応した電圧を温度補正
演算して出力する温度補正部と、を含み、前記温度補正
部の出力に基づき、温度変化に影響されること無く前記
結晶面に垂直に作用する圧縮力を測定することを特徴と
する。
【００２２】さらに、本発明の圧力変換回路は、請求項
１または２の力変換素子と、前記力変換素子に抵抗を直
列接続して形成された分圧回路と、前記分圧回路に定電
圧を印加する定電圧源と、前記入出力共用電極対の出力
電圧に基づき、前記結晶面に垂直に作用する圧縮力を測
定する測定手段と、を含み、前記測定手段は、オフセッ
ト電圧と温度補正係数との関係が記憶された係数メモリ
部と、前記前記入出力共用電極対から出力されるオフセ
ット電圧を検出するとともに、前記結晶面に圧縮力が作
用した際に前記入出力共用電極対から出力される測定電
圧を検出する電圧検出部と、検出されたオフセット電圧
に対応する温度補正係数を前記係数メモリ部から読出
し、前記電圧検出部の出力から、圧縮力に対応した電圧
を温度補正演算して出力する温度補正部と、を含み、前
記温度補正部の出力に基づき、温度変化に影響されるこ
と無く前記結晶面に垂直に作用する圧縮力を測定するこ
とを特徴とする。
１または２の力変換素子と、前記力変換素子に抵抗を直
列接続して形成された分圧回路と、前記分圧回路に定電
圧を印加する定電圧源と、前記入出力共用電極対の出力
電圧に基づき、前記結晶面に垂直に作用する圧縮力を測
定する測定手段と、を含み、前記測定手段は、オフセッ
ト電圧と温度補正係数との関係が記憶された係数メモリ
部と、前記前記入出力共用電極対から出力されるオフセ
ット電圧を検出するとともに、前記結晶面に圧縮力が作
用した際に前記入出力共用電極対から出力される測定電
圧を検出する電圧検出部と、検出されたオフセット電圧
に対応する温度補正係数を前記係数メモリ部から読出
し、前記電圧検出部の出力から、圧縮力に対応した電圧
を温度補正演算して出力する温度補正部と、を含み、前
記温度補正部の出力に基づき、温度変化に影響されるこ
と無く前記結晶面に垂直に作用する圧縮力を測定するこ
とを特徴とする。
【００２３】
【作用】次に、本発明の作用を説明する。 （請求項１の発明）図１には、本発明の力変換素子の主
要な構成が示されている。同図に示す力変換素子１００
０は、圧縮力が加えられる面４０ａとして（１１０）面
またはこれと等価な結晶面を有する用に形成されたシリ
コン半導体４０と、前記シリコン半導体４０の結晶面４
０ａ上に、結晶の〈１１０〉方向またはこれと等価な方
向に相対向して設けられた入出力共用電極対４２，４２
´と、前記シリコン半導体４０の結晶面４０ａと接合さ
れ、圧縮力Ｗをその結晶面４０ａに垂直に伝達する力伝
達ブロック６０と、前記シリコン半導体４０の力伝達ブ
ロック接合面の反対側の面と接合されシリコン半導体４
０を支持する支持台座７０とを含む。
要な構成が示されている。同図に示す力変換素子１００
０は、圧縮力が加えられる面４０ａとして（１１０）面
またはこれと等価な結晶面を有する用に形成されたシリ
コン半導体４０と、前記シリコン半導体４０の結晶面４
０ａ上に、結晶の〈１１０〉方向またはこれと等価な方
向に相対向して設けられた入出力共用電極対４２，４２
´と、前記シリコン半導体４０の結晶面４０ａと接合さ
れ、圧縮力Ｗをその結晶面４０ａに垂直に伝達する力伝
達ブロック６０と、前記シリコン半導体４０の力伝達ブ
ロック接合面の反対側の面と接合されシリコン半導体４
０を支持する支持台座７０とを含む。
【００２４】そして、前記入出力共用電極対４２，４２
´を介してシリコン半導体４０に電流を流しながら、力
伝達ブロック６０を介しシリコン半導体４０の結晶面４
０ａに垂直に圧縮力Ｗを作用させ、前記入出力共用電極
対４２，４２´から圧縮力Ｗに対応した測定電圧を出力
する。
´を介してシリコン半導体４０に電流を流しながら、力
伝達ブロック６０を介しシリコン半導体４０の結晶面４
０ａに垂直に圧縮力Ｗを作用させ、前記入出力共用電極
対４２，４２´から圧縮力Ｗに対応した測定電圧を出力
する。
【００２５】このように、本発明の力変換素子１０００
は、シリコン半導体４０に設ける電極を、入力と出力を
兼用させた２個の入出力共用電極４２，４２´とし、前
記２個の電極４２，４２´を、２本のリード線４４，４
４´を介して電源１００および電圧検出器１１０に接続
することにより、シリコン半導体４０への電流の通電
と、電極４２，４２´間に生ずる電圧の検出を行うこと
ができる。
は、シリコン半導体４０に設ける電極を、入力と出力を
兼用させた２個の入出力共用電極４２，４２´とし、前
記２個の電極４２，４２´を、２本のリード線４４，４
４´を介して電源１００および電圧検出器１１０に接続
することにより、シリコン半導体４０への電流の通電
と、電極４２，４２´間に生ずる電圧の検出を行うこと
ができる。
【００２６】以上説明したように、本発明の力変換素子
１０００は、従来４本必要だったリード線の本数を２本
とすることができるため、リード線接続箇所の信頼性と
コストダウンを図ることができる。
１０００は、従来４本必要だったリード線の本数を２本
とすることができるため、リード線接続箇所の信頼性と
コストダウンを図ることができる。
【００２７】特に、使用するリード線の本数を半減する
ことにより、本発明の力変換素子１０００を用いて燃焼
圧センサを構成したような場合に、熱，振動および外乱
磁気などの影響が低減され、燃焼圧Ｐをより正確に測定
することが可能となる。
ことにより、本発明の力変換素子１０００を用いて燃焼
圧センサを構成したような場合に、熱，振動および外乱
磁気などの影響が低減され、燃焼圧Ｐをより正確に測定
することが可能となる。
【００２８】また、本発明の力変換素子１０００は、ピ
エゾ抵抗係数π13´を利用するものである。シリコン半
導体４０のピエゾ抵抗係数π13´は、電圧検出の方向と
電流を流す方向が同じで、前記方向と垂直に一軸応力が
作用する場合のピエゾ抵抗係数の呼称である。
エゾ抵抗係数π13´を利用するものである。シリコン半
導体４０のピエゾ抵抗係数π13´は、電圧検出の方向と
電流を流す方向が同じで、前記方向と垂直に一軸応力が
作用する場合のピエゾ抵抗係数の呼称である。
【００２９】図３には、（１１０）結晶面４０ａを備え
た抵抗率８Ω−ｃｍのｐ伝導型シリコン半導体４０に、
相対向する入出力電極４２，４２´を形成し、前記結晶
面４０ａに圧縮力Ｗを作用させた場合のピエゾ抵抗係数
π13´を表わされている。同図は、ピエゾ抵抗係数π13
´を、入出力共用電極４２，４２´の形成方向を３６０
°全方向にわたり変化させて測定したものを円グラフ化
して表わしている。
た抵抗率８Ω−ｃｍのｐ伝導型シリコン半導体４０に、
相対向する入出力電極４２，４２´を形成し、前記結晶
面４０ａに圧縮力Ｗを作用させた場合のピエゾ抵抗係数
π13´を表わされている。同図は、ピエゾ抵抗係数π13
´を、入出力共用電極４２，４２´の形成方向を３６０
°全方向にわたり変化させて測定したものを円グラフ化
して表わしている。
【００３０】同図から明らかなように、ピエゾ抵抗係数
π13´の最大値−６６×１０-6ｃｍ 2 ／ｋｇは、電極対
４２，４２´を本発明のように〈１１０〉結晶方向に形
成した場合に得られることが理解できる。
π13´の最大値−６６×１０-6ｃｍ 2 ／ｋｇは、電極対
４２，４２´を本発明のように〈１１０〉結晶方向に形
成した場合に得られることが理解できる。
【００３１】また、前記（数２）に対比して、〈１１
０〉結晶方向での前記ピエゾ抵抗係数π13´は、次の
（数３）のように書き表すことができる。この（数３）
から明らかなように、本発明の力変換素子１０００のピ
エゾ抵抗係数π13´は、図１６に示す従来の力変換素子
２０００のピエゾ抵抗係数π63´の約２倍の大きさを有
していることが理解できる。
０〉結晶方向での前記ピエゾ抵抗係数π13´は、次の
（数３）のように書き表すことができる。この（数３）
から明らかなように、本発明の力変換素子１０００のピ
エゾ抵抗係数π13´は、図１６に示す従来の力変換素子
２０００のピエゾ抵抗係数π63´の約２倍の大きさを有
していることが理解できる。
【数３】 従って、ピエゾ抵抗係数以外の諸条件が同じであるなら
ば、本発明の力変換素子１０００の電極４２，４２´間
で、オフセット電圧に重乗される電圧出力ΔＶNEW は、
前記（数１）に対して、次の（数４）に示す如く概ね従
来の電圧出力ΔＶOLD の２倍となる。
ば、本発明の力変換素子１０００の電極４２，４２´間
で、オフセット電圧に重乗される電圧出力ΔＶNEW は、
前記（数１）に対して、次の（数４）に示す如く概ね従
来の電圧出力ΔＶOLD の２倍となる。
【数４】 このように、本発明の力変換素子１０００は、従来の力
変換素子２０００に比べ出力される電圧ΔＶNEW が約２
倍の大きさであることから、圧縮力をより精度よく検出
でき、しかもリード線の数が削減された信頼性の高い安
価なものとして形成することができる。
変換素子２０００に比べ出力される電圧ΔＶNEW が約２
倍の大きさであることから、圧縮力をより精度よく検出
でき、しかもリード線の数が削減された信頼性の高い安
価なものとして形成することができる。
【００３２】特に、本発明の力変換素子１０００を、例
えば燃焼圧センサとして用いることにより、エンジンな
どの内燃機関の燃焼圧Ｐを外乱磁場等による悪影響を受
けることなくより正確に測定することが可能となる。 （請求項３の発明）ところで、本発明の力変換素子１０
００は、そのシリコン半導体４０の温度が変化した場合
に、電極４２，４２´間の抵抗とピエゾ抵抗係数とが顕
著に変化する温度依存性を呈する。このことから、力変
換素子１０００の使用環境温度が変化すると、電極４
２，４２´の電圧出力が変動してしまう。従って、本発
明の力変換素子１０００は、使用環境温度に応じてその
電圧出力を温度補正する手段が必要となる。
えば燃焼圧センサとして用いることにより、エンジンな
どの内燃機関の燃焼圧Ｐを外乱磁場等による悪影響を受
けることなくより正確に測定することが可能となる。 （請求項３の発明）ところで、本発明の力変換素子１０
００は、そのシリコン半導体４０の温度が変化した場合
に、電極４２，４２´間の抵抗とピエゾ抵抗係数とが顕
著に変化する温度依存性を呈する。このことから、力変
換素子１０００の使用環境温度が変化すると、電極４
２，４２´の電圧出力が変動してしまう。従って、本発
明の力変換素子１０００は、使用環境温度に応じてその
電圧出力を温度補正する手段が必要となる。
【００３３】ところで、力変換素子１０００を形成する
シリコン半導体４０の抵抗が顕著な温度依存性を有する
ということは、逆に、その抵抗値を検出することで、温
度情報が精度よく得られることを示唆している。
シリコン半導体４０の抵抗が顕著な温度依存性を有する
ということは、逆に、その抵抗値を検出することで、温
度情報が精度よく得られることを示唆している。
【００３４】そこで、請求項３の圧力検出回路は、電源
１００として定電流源を用い、シリコン半導体４０の０
圧力での抵抗値を、圧縮力Ｗ＝０のときに電極４２，４
２´から出力されるオフセット電圧として求める。ここ
において、オフセット電圧とは、０圧力での力変換素子
１０００の電極４２，４２´間における電圧値である。
１００として定電流源を用い、シリコン半導体４０の０
圧力での抵抗値を、圧縮力Ｗ＝０のときに電極４２，４
２´から出力されるオフセット電圧として求める。ここ
において、オフセット電圧とは、０圧力での力変換素子
１０００の電極４２，４２´間における電圧値である。
【００３５】そして、求めたオフセット電圧に基づき力
変換素子１０００の電圧出力を温度補正し、圧縮力Ｗを
演算するものである。
変換素子１０００の電圧出力を温度補正し、圧縮力Ｗを
演算するものである。
【００３６】以下、力変換素子を用いて燃焼圧センサを
形成した場合における温度補正手段を例にとり説明す
る。
形成した場合における温度補正手段を例にとり説明す
る。
【００３７】図４は、レシプロエンジンにおける吸入，
圧縮，燃焼，排気の各工程からなり、時事刻々と変化す
る４サイクル機関の圧力波形を、燃焼圧センサにアッセ
ンブリされた力変換素子１０００の電極間電圧波形とし
て測定したものである。ここにおいて、力変換素子１０
００は電源１００により定電流駆動されており、電極４
２，４２´の出力電圧は、電圧検出器１１０で検出し
た。なお、図４（Ａ）に示す吸入１〜排気１の圧力波形
は、図４（Ｂ）に示す吸入２〜排気２の圧力波形より
も、力変換素子１０００が低温の使用環境下に設置され
た場合のものである。
圧縮，燃焼，排気の各工程からなり、時事刻々と変化す
る４サイクル機関の圧力波形を、燃焼圧センサにアッセ
ンブリされた力変換素子１０００の電極間電圧波形とし
て測定したものである。ここにおいて、力変換素子１０
００は電源１００により定電流駆動されており、電極４
２，４２´の出力電圧は、電圧検出器１１０で検出し
た。なお、図４（Ａ）に示す吸入１〜排気１の圧力波形
は、図４（Ｂ）に示す吸入２〜排気２の圧力波形より
も、力変換素子１０００が低温の使用環境下に設置され
た場合のものである。
【００３８】ここにおいて、Ｐ0 は吸入工程におけるシ
リンダ内圧力であり、Ｖoff1およびＶoff2は、そのとき
の力変換素子１０００の出力電圧値（オフセット電圧）
である。
リンダ内圧力であり、Ｖoff1およびＶoff2は、そのとき
の力変換素子１０００の出力電圧値（オフセット電圧）
である。
【００３９】図５は、電源１００からシリコン半導体４
０に定電流を通電した状態でシリコン半導体４０の温度
が変化した場合に、前記オフセット電圧がどのように変
化するかの実測データである。具体的には、室温におけ
る入力抵抗が１ｋΩで、抵抗率が約８Ω−ｃｍのｐ伝導
型シリコン半導体４０に、電極４２，４２´を介して電
源１００から１ｍＡの定電流を通電し、この状態で、電
源１００と並列接続された電圧検出器１１０によって測
定したオフセット電圧の１５０℃までの温度依存特性で
ある。
０に定電流を通電した状態でシリコン半導体４０の温度
が変化した場合に、前記オフセット電圧がどのように変
化するかの実測データである。具体的には、室温におけ
る入力抵抗が１ｋΩで、抵抗率が約８Ω−ｃｍのｐ伝導
型シリコン半導体４０に、電極４２，４２´を介して電
源１００から１ｍＡの定電流を通電し、この状態で、電
源１００と並列接続された電圧検出器１１０によって測
定したオフセット電圧の１５０℃までの温度依存特性で
ある。
【００４０】同図から明らかなように、シリコン半導体
４０のオフセット電圧Ｖoff は、温度と相関関係があ
り、オフセット電圧を検出することで、正確な温度情報
が得られることが理解できる。
４０のオフセット電圧Ｖoff は、温度と相関関係があ
り、オフセット電圧を検出することで、正確な温度情報
が得られることが理解できる。
【００４１】また、図４において、Ｐ1 は燃焼工程にお
ける最大圧力に相当するものであり、この最大圧力Ｐ1
は、図４（Ａ）に示す低温側測定時と、同図（Ｂ）に示
す高温側測定時とでは同じ値となるように設定されてい
る。しかし、力変換素子１０００の出力Ｖsensに含まれ
る電圧出力ΔＶNEW は、低温側測定時と高温側測定時と
では異なる値となる。すなわち、図４（Ａ）に示す低温
側測定時における電圧出力ΔＶNEW1と、同図（Ｂ）に示
す高温側測定時における電圧出力ΔＶNEW2とは、その大
きさが異なる。これは低温側測定時と高温側測定時とで
は、シリコン半導体４０の入力抵抗およびピエゾ抵抗係
数π13´が温度依存性を有することに起因する。
ける最大圧力に相当するものであり、この最大圧力Ｐ1
は、図４（Ａ）に示す低温側測定時と、同図（Ｂ）に示
す高温側測定時とでは同じ値となるように設定されてい
る。しかし、力変換素子１０００の出力Ｖsensに含まれ
る電圧出力ΔＶNEW は、低温側測定時と高温側測定時と
では異なる値となる。すなわち、図４（Ａ）に示す低温
側測定時における電圧出力ΔＶNEW1と、同図（Ｂ）に示
す高温側測定時における電圧出力ΔＶNEW2とは、その大
きさが異なる。これは低温側測定時と高温側測定時とで
は、シリコン半導体４０の入力抵抗およびピエゾ抵抗係
数π13´が温度依存性を有することに起因する。
【００４２】図６は、図５に示す温度依存性を有する力
変換素子１０００を１ｍＡで定電流駆動し、この状態で
力変換素子１０００に一定の圧縮応力σ2 ＝１０００ｋ
ｇ／ｃｍ2 作用させたときの電圧出力の温度依存特性図
である。
変換素子１０００を１ｍＡで定電流駆動し、この状態で
力変換素子１０００に一定の圧縮応力σ2 ＝１０００ｋ
ｇ／ｃｍ2 作用させたときの電圧出力の温度依存特性図
である。
【００４３】同図から明らかなように、圧縮応力σ2 が
一定値であっても、温度上昇にともなって力変換素子１
０００の電圧出力は次第に増加する。従って、図４
（Ａ），（Ｂ）に示すよう、低温側測定時と高温側測定
時において同じ圧力Ｐ1 がダイアフラムを介して力変換
素子１０００に作用しても、力変換素子１０００の出力
電圧に含まれるΔＶNEW1とΔＶNEW2は異なる値となるこ
とが理解できる。従って、力変換素子１０００の電圧出
力は、シリコン半導体４０の温度変化に応じて補正して
やることが必要となる。
一定値であっても、温度上昇にともなって力変換素子１
０００の電圧出力は次第に増加する。従って、図４
（Ａ），（Ｂ）に示すよう、低温側測定時と高温側測定
時において同じ圧力Ｐ1 がダイアフラムを介して力変換
素子１０００に作用しても、力変換素子１０００の出力
電圧に含まれるΔＶNEW1とΔＶNEW2は異なる値となるこ
とが理解できる。従って、力変換素子１０００の電圧出
力は、シリコン半導体４０の温度変化に応じて補正して
やることが必要となる。
【００４４】図７は、図６の縦軸を、室温での電圧出力
を基準にとった温度補正係数として修正した図である。
すなわち、力変換素子１０００を定電流駆動した状態に
おける温度と温度補正係数との相関関係を示す図であ
る。
を基準にとった温度補正係数として修正した図である。
すなわち、力変換素子１０００を定電流駆動した状態に
おける温度と温度補正係数との相関関係を示す図であ
る。
【００４５】図８は、力変換素子１０００を定電流駆動
した状態におけるオフセット電圧と温度補正係数との相
関関係を示す図である。同図は、図７に示す温度を、図
５に示すオフセット電圧に置き換えることで求めること
ができる。
した状態におけるオフセット電圧と温度補正係数との相
関関係を示す図である。同図は、図７に示す温度を、図
５に示すオフセット電圧に置き換えることで求めること
ができる。
【００４６】従って、例えば図４（Ａ）に示す低温側測
定時における真の圧力Ｐ1 を求める場合には、まず図５
に基づき、オフセット電圧Ｖoff1に対応したシリコン半
導体４０の動作温度を求め、次に図７に基づき、動作温
度に対応した温度補正係数ｆ（Ｖoff1）を求め、このよ
うにして求めた温度補正係数をΔＶNEW1にかけ合わせて
やればよい。これにより、温度補正された電圧出力が得
られることになる。
定時における真の圧力Ｐ1 を求める場合には、まず図５
に基づき、オフセット電圧Ｖoff1に対応したシリコン半
導体４０の動作温度を求め、次に図７に基づき、動作温
度に対応した温度補正係数ｆ（Ｖoff1）を求め、このよ
うにして求めた温度補正係数をΔＶNEW1にかけ合わせて
やればよい。これにより、温度補正された電圧出力が得
られることになる。
【００４７】同様にして、図４（Ｂ）示す高温側測定時
の電圧出力を温度補正してやればよい。
の電圧出力を温度補正してやればよい。
【００４８】このとき、圧力Ｐ1 が同じであるならば、
温度補正された低温側測定時および高温側測定時の電圧
出力は同じ値となる。
温度補正された低温側測定時および高温側測定時の電圧
出力は同じ値となる。
【００４９】以上のアルゴリズムを実施するため、図１
に示すよう、請求項３の圧力検出回路は、力変換素子１
０００と、入出力共用電極対４２，４２´に定電流を供
給する定電流源１００と、前記入出力共用電極対４２，
４２´の出力電圧に基づき、力変換ブロック６０を介し
シリコン半導体４０の結晶面４０ａに垂直に作用する圧
縮力Ｗを測定する測定手段とを含む。
に示すよう、請求項３の圧力検出回路は、力変換素子１
０００と、入出力共用電極対４２，４２´に定電流を供
給する定電流源１００と、前記入出力共用電極対４２，
４２´の出力電圧に基づき、力変換ブロック６０を介し
シリコン半導体４０の結晶面４０ａに垂直に作用する圧
縮力Ｗを測定する測定手段とを含む。
【００５０】そして、前記測定手段は、オフセット電圧
と温度補正係数との関係が記憶された係数メモリ部と
を、前記入出力共用電極対４２，４２´から出力される
オフセット電圧を検出すると共に、前記結晶面４０ａに
圧縮力Ｗが作用した際に前記入出力共用電極対４２，４
２´から出力される測定電圧を検出する電圧検出部と、
検出されたオフセット電圧に対応する温度補正係数を前
記係数メモリ部から読出し、前記電圧検出部の出力か
ら、圧縮力に対応した電圧を温度補正演算して出力する
温度補正部と、を含み、前記温度補正部の出力に基づ
き、温度変化に影響されることなく前記結晶面４０ａに
垂直に作用する圧縮力Ｗを測定するよう構成されてい
る。
と温度補正係数との関係が記憶された係数メモリ部と
を、前記入出力共用電極対４２，４２´から出力される
オフセット電圧を検出すると共に、前記結晶面４０ａに
圧縮力Ｗが作用した際に前記入出力共用電極対４２，４
２´から出力される測定電圧を検出する電圧検出部と、
検出されたオフセット電圧に対応する温度補正係数を前
記係数メモリ部から読出し、前記電圧検出部の出力か
ら、圧縮力に対応した電圧を温度補正演算して出力する
温度補正部と、を含み、前記温度補正部の出力に基づ
き、温度変化に影響されることなく前記結晶面４０ａに
垂直に作用する圧縮力Ｗを測定するよう構成されてい
る。
【００５１】次数は、真の圧力Ｐが、燃焼圧センサのダ
イアフラムを介して力変換素子１０００に作用したと
き、燃焼圧センサから得られる電圧Ｖsensと、電圧出力
△ＶNEW 、Ｖoff との関係を、前述したアルゴリズムに
基づいて数式化したものである。
イアフラムを介して力変換素子１０００に作用したと
き、燃焼圧センサから得られる電圧Ｖsensと、電圧出力
△ＶNEW 、Ｖoff との関係を、前述したアルゴリズムに
基づいて数式化したものである。
【数５】 ここにおいて、ｆ（Ｖoff ）はオフセット電圧Ｖoff に
より決定される温度補正係数を表わす。
より決定される温度補正係数を表わす。
【００５２】まず、圧力検出回路は、電源１００からＳ
ｉ半導体４０に定電流を供給し、力変換素子１０００を
定電流駆動する。そして、圧縮力Ｗが作用しない状態に
おいて、電極４２，４２´から出力される電圧をオフセ
ット電圧Ｖoff として検出する。そして、このオフセッ
ト電圧Ｖoff に対応した温度補正係数ｆ（Ｖoff ）を係
数メモリ部から読み出す。
ｉ半導体４０に定電流を供給し、力変換素子１０００を
定電流駆動する。そして、圧縮力Ｗが作用しない状態に
おいて、電極４２，４２´から出力される電圧をオフセ
ット電圧Ｖoff として検出する。そして、このオフセッ
ト電圧Ｖoff に対応した温度補正係数ｆ（Ｖoff ）を係
数メモリ部から読み出す。
【００５３】次に、力変換ブロック６０を介し圧縮力Ｗ
を作用させ、このとき入出力共用電極４２，４２´から
出力される電圧Ｖsensを検出する。温度補正部は、この
ように検出された電圧Ｖsensと前記オフセット電圧Ｖ
off 、温度補正係数ｆ（Ｖoff）を前記（数５）に代入
し、温度補正された電圧Ｖsens´を出力する。
を作用させ、このとき入出力共用電極４２，４２´から
出力される電圧Ｖsensを検出する。温度補正部は、この
ように検出された電圧Ｖsensと前記オフセット電圧Ｖ
off 、温度補正係数ｆ（Ｖoff）を前記（数５）に代入
し、温度補正された電圧Ｖsens´を出力する。
【００５４】このようにして求めた電圧Ｖsens´はシリ
コン半導体４０の温度に影響されることなく常に圧縮力
Ｗと対応した値となるため、この温度補正出力電圧Ｖ
sens´に基づき、温度変化に影響されることなく圧縮力
Ｗを正確に求めることができる。 （請求項４の発明）以上説明した請求項３の圧力検出回
路では、力変換素子１０００を定電流駆動する場合に、
その電圧出力を温度補正している。
コン半導体４０の温度に影響されることなく常に圧縮力
Ｗと対応した値となるため、この温度補正出力電圧Ｖ
sens´に基づき、温度変化に影響されることなく圧縮力
Ｗを正確に求めることができる。 （請求項４の発明）以上説明した請求項３の圧力検出回
路では、力変換素子１０００を定電流駆動する場合に、
その電圧出力を温度補正している。
【００５５】これに対し、請求項４の圧力検出回路は、
図１０に示すよう、力変換素子１０００に抵抗１２２を
直列接続して形成された分圧回路１２０と、前記分圧回
路１２０に定電圧を印加する定電圧源１００と、分圧回
路１２０の出力する分圧電圧に基づき圧縮力Ｗを測定す
る測定手段とを含む。
図１０に示すよう、力変換素子１０００に抵抗１２２を
直列接続して形成された分圧回路１２０と、前記分圧回
路１２０に定電圧を印加する定電圧源１００と、分圧回
路１２０の出力する分圧電圧に基づき圧縮力Ｗを測定す
る測定手段とを含む。
【００５６】前記測定手段は、オフセット電圧と温度補
正係数との関係が記憶された係数メモリ部と、分圧回路
１２０から出力されるオフセット電圧を検出すると共
に、シリコン半導体４０の結晶面４０ａに圧縮力Ｗが作
用した際、分圧回路１２０から出力される電圧を検出す
る電圧検出部と、検出されたオフセット電圧に対応する
温度補正係数を前記メモリ部から読出し、前記圧力検出
部の出力から圧縮力Ｗに対応した電圧を温度補正演算し
て出力する温度補正演算とを含み、前記温度補正演算部
の出力電圧に基づき、温度変化に影響されることなく前
記結晶面４０ａに垂直に作用する圧縮力Ｗを測定するも
のである。
正係数との関係が記憶された係数メモリ部と、分圧回路
１２０から出力されるオフセット電圧を検出すると共
に、シリコン半導体４０の結晶面４０ａに圧縮力Ｗが作
用した際、分圧回路１２０から出力される電圧を検出す
る電圧検出部と、検出されたオフセット電圧に対応する
温度補正係数を前記メモリ部から読出し、前記圧力検出
部の出力から圧縮力Ｗに対応した電圧を温度補正演算し
て出力する温度補正演算とを含み、前記温度補正演算部
の出力電圧に基づき、温度変化に影響されることなく前
記結晶面４０ａに垂直に作用する圧縮力Ｗを測定するも
のである。
【００５７】例えば、図１０において、力変換素子１０
００のシリコン半導体４０として、抵抗率が約８Ω−ｃ
ｍ、入力抵抗が１ｋΩのｐ伝導型シリコン半導体を用い
る。そして出力抵抗器１２２として抵抗５００Ωのもの
を用い、定電圧源として出力電圧が１Ｖのものを用いる
と、電圧計１１０で測定される力変換素子１０００のオ
フセット電圧は、図１１に示すような温度依存特性を有
することが確認された。この図１１から明らかなよう
に、オフセット電圧は温度上昇にともなって次第に増加
していくため、このオフセット電圧の温度依存性を利用
して電圧出力を温度補正できることが理解される。
００のシリコン半導体４０として、抵抗率が約８Ω−ｃ
ｍ、入力抵抗が１ｋΩのｐ伝導型シリコン半導体を用い
る。そして出力抵抗器１２２として抵抗５００Ωのもの
を用い、定電圧源として出力電圧が１Ｖのものを用いる
と、電圧計１１０で測定される力変換素子１０００のオ
フセット電圧は、図１１に示すような温度依存特性を有
することが確認された。この図１１から明らかなよう
に、オフセット電圧は温度上昇にともなって次第に増加
していくため、このオフセット電圧の温度依存性を利用
して電圧出力を温度補正できることが理解される。
【００５８】また、図１０に示す力変換素子１０００に
圧縮力Ｗを作用させると、この圧縮力Ｗは、次式に示す
ようシリコン半導体４０のピエゾ抵抗係数π13´により
電圧出力ΔＶNEW に変換出力される。
圧縮力Ｗを作用させると、この圧縮力Ｗは、次式に示す
ようシリコン半導体４０のピエゾ抵抗係数π13´により
電圧出力ΔＶNEW に変換出力される。
【数６】 前記電圧出力ΔＶNEW は、図９に示すよう、温度上昇と
ともに次第に減少する負の温度依存性を有する。これは
ピエゾ抵抗係数π13´が大きな負の温度依存性を有する
ことに起因する。
ともに次第に減少する負の温度依存性を有する。これは
ピエゾ抵抗係数π13´が大きな負の温度依存性を有する
ことに起因する。
【００５９】従って、請求項４の圧力検出回路は、ま
ず、力変換素子１０００のオフセット電圧Ｖoff を検出
し、このオフセット電圧Ｖoff に対応した温度補正係数
を係数メモリ部から読み出す。次に、圧縮力Ｗを力変換
素子１０００に作用させたとき、この力変換素子１００
０の出力する電圧を測定電圧として検出し、この測定電
圧、前記オフセット電圧、温度補正係数に基づき、圧縮
力Ｗに対応した電圧を温度補正演算出力する。
ず、力変換素子１０００のオフセット電圧Ｖoff を検出
し、このオフセット電圧Ｖoff に対応した温度補正係数
を係数メモリ部から読み出す。次に、圧縮力Ｗを力変換
素子１０００に作用させたとき、この力変換素子１００
０の出力する電圧を測定電圧として検出し、この測定電
圧、前記オフセット電圧、温度補正係数に基づき、圧縮
力Ｗに対応した電圧を温度補正演算出力する。
【００６０】このような補正演算出力に基づき、温度変
化に影響されることなく、圧縮力Ｗを正確に測定するこ
とができる。 （請求項２の発明）次に請求項２の力変換素子について
説明する。
化に影響されることなく、圧縮力Ｗを正確に測定するこ
とができる。 （請求項２の発明）次に請求項２の力変換素子について
説明する。
【００６１】シリコン半導体４０の抵抗およびピエゾ抵
抗係数π13´の温度依存性は、不純物濃度を高めること
で改善でき、しかもその抵抗が１５０℃〜２００℃の範
囲で急激に降下する現象を回避することができる。
抗係数π13´の温度依存性は、不純物濃度を高めること
で改善でき、しかもその抵抗が１５０℃〜２００℃の範
囲で急激に降下する現象を回避することができる。
【００６２】前記不純物濃度について、特に半導体圧力
センサの分野においては、シリコン半導体からなるダイ
アフラム上に、不純物濃度が５×１０18／ｃｍ3 または
約２×１０20／ｃｍ3 のｐ伝導型の歪みゲージを拡散形
成し、これを定電流駆動することで、特別な補償回路を
必要とせず電圧出力を温度補正できることが知られてい
る。
センサの分野においては、シリコン半導体からなるダイ
アフラム上に、不純物濃度が５×１０18／ｃｍ3 または
約２×１０20／ｃｍ3 のｐ伝導型の歪みゲージを拡散形
成し、これを定電流駆動することで、特別な補償回路を
必要とせず電圧出力を温度補正できることが知られてい
る。
【００６３】しかし、本発明の力変換素子１０００のシ
リコン半導体４０に、前記不純物濃度を高める技術をそ
のまま適用した場合には、シリコン半導体４０の厚みが
数百μｍと厚いことから、抵抗が数Ω前後となってしま
う。抵抗がこのように小さい場合には、使用する定電流
源に大きな電源容量が要求され、しかも消費電力も増大
するという問題が発生する。
リコン半導体４０に、前記不純物濃度を高める技術をそ
のまま適用した場合には、シリコン半導体４０の厚みが
数百μｍと厚いことから、抵抗が数Ω前後となってしま
う。抵抗がこのように小さい場合には、使用する定電流
源に大きな電源容量が要求され、しかも消費電力も増大
するという問題が発生する。
【００６４】また、拡散技術を応用してｐ／ｎ接合領域
を形成すると、高温での電流リークが懸念されるため、
前述した第四の課題を解決できない。
を形成すると、高温での電流リークが懸念されるため、
前述した第四の課題を解決できない。
【００６５】従って、前記不純物濃度を高めることを想
定した場合、矩形板状のシリコン半導体４０を厚みの薄
い層として形成することが重要なポイントとなる。
定した場合、矩形板状のシリコン半導体４０を厚みの薄
い層として形成することが重要なポイントとなる。
【００６６】そこで、請求項４の力変換素子は、そのシ
リコン半導体４０をＳＯＩ（Sion Insulator）構造に形
成すると共に、このシリコン半導体４０を約５×１０18
／ｃｍ3 または約２×１０20／ｃｍ3 のｐ伝導型シリコ
ン半導体層として形成した。
リコン半導体４０をＳＯＩ（Sion Insulator）構造に形
成すると共に、このシリコン半導体４０を約５×１０18
／ｃｍ3 または約２×１０20／ｃｍ3 のｐ伝導型シリコ
ン半導体層として形成した。
【００６７】なお、前記ＳＯＩ構造を実現する手段とし
て、ＳＤＢ（Silicon Direct Bonding）やＳＩＭＯＸ
（Separation byIMplanted OXygen）等を利用した。
て、ＳＤＢ（Silicon Direct Bonding）やＳＩＭＯＸ
（Separation byIMplanted OXygen）等を利用した。
【００６８】このように、不純物濃度が約５×１０18／
ｃｍ3 または５×１０20／ｃｍ3 で、しかもＳＯＩ構造
として電気的に絶縁分離されたシリコン半導体層４０
は、温度上昇にともなってピエゾ抵抗係数は低減する
が、抵抗は上昇する。抵抗が上昇することで、定電流駆
動した場合の力変換素子への印加電圧は増加し、ピエゾ
抵抗係数の低減を相殺する。
ｃｍ3 または５×１０20／ｃｍ3 で、しかもＳＯＩ構造
として電気的に絶縁分離されたシリコン半導体層４０
は、温度上昇にともなってピエゾ抵抗係数は低減する
が、抵抗は上昇する。抵抗が上昇することで、定電流駆
動した場合の力変換素子への印加電圧は増加し、ピエゾ
抵抗係数の低減を相殺する。
【００６９】従って、本発明によれば、定電流駆動する
ことで特別な補償回路を必要とせず、しかも２００℃を
越える高温でも電流リークの心配がない力変換素子を得
ることができる。
ことで特別な補償回路を必要とせず、しかも２００℃を
越える高温でも電流リークの心配がない力変換素子を得
ることができる。
【００７０】
【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、従来に比較してリード線の本数を半減したシン
プルな構成とし、信頼性が高く、低コストな力変換素子
を得ることができるという効果がある。これに加え、本
発明によれば、力変換素子の電圧出力が倍増することと
なるため、外乱等に影響されることなく圧縮力をより正
確に測定することができ、特に本発明を内燃機関の燃焼
圧センサに用いた場合には、内燃機関のシリンダへの圧
力情報をより精度よく検出し、この検出結果に基づきエ
ンジン制御をより確実に行うことが可能となる。
よれば、従来に比較してリード線の本数を半減したシン
プルな構成とし、信頼性が高く、低コストな力変換素子
を得ることができるという効果がある。これに加え、本
発明によれば、力変換素子の電圧出力が倍増することと
なるため、外乱等に影響されることなく圧縮力をより正
確に測定することができ、特に本発明を内燃機関の燃焼
圧センサに用いた場合には、内燃機関のシリンダへの圧
力情報をより精度よく検出し、この検出結果に基づきエ
ンジン制御をより確実に行うことが可能となる。
【００７１】これに加えて、請求項２の発明によれば、
力変換素子の一部を構成するシリコン半導体を所定の不
純物濃度を有するＳＯＩ構造のものとして形成すること
により、力変換素子が苛酷な温度環境にさらされた場合
でも、圧縮力を正確に測定することができる。特に、本
発明の力変換素子を、燃焼圧センサに適用した場合に
は、従来測定が不可能であった苛酷な高温環境下におい
ても燃焼圧を正確に測定することが可能となる。
力変換素子の一部を構成するシリコン半導体を所定の不
純物濃度を有するＳＯＩ構造のものとして形成すること
により、力変換素子が苛酷な温度環境にさらされた場合
でも、圧縮力を正確に測定することができる。特に、本
発明の力変換素子を、燃焼圧センサに適用した場合に
は、従来測定が不可能であった苛酷な高温環境下におい
ても燃焼圧を正確に測定することが可能となる。
【００７２】さらに、請求項３，請求項４の発明によれ
ば、力変換素子の電圧出力の温度依存性を低減し、苛酷
な温度環境下においても圧縮力を正確に測定可能な圧力
検出回路を得ることができる。特に、本発明の圧力検出
回路を、温度変化の激しい環境下で使用される燃焼圧セ
ンサに適用することにより、温度変化に影響されること
なく燃焼圧力をより正確に測定することが可能となる。
ば、力変換素子の電圧出力の温度依存性を低減し、苛酷
な温度環境下においても圧縮力を正確に測定可能な圧力
検出回路を得ることができる。特に、本発明の圧力検出
回路を、温度変化の激しい環境下で使用される燃焼圧セ
ンサに適用することにより、温度変化に影響されること
なく燃焼圧力をより正確に測定することが可能となる。
【００７３】
【実施例】次に、本発明の実施例を説明する。
【００７４】第一実施例 図１には、本発明の第一実施例に係る力変換素子１００
０の斜視図が示されている。
０の斜視図が示されている。
【００７５】シリコン半導体４０は、抵抗率約８Ω−ｃ
ｍで、幅Ｗ＝１．３ｍｍ，長さｌ1＝１．３ｍｍ，厚さ
約１００μｍのｐ伝導型シリコン半導体として形成され
ている。
ｍで、幅Ｗ＝１．３ｍｍ，長さｌ1＝１．３ｍｍ，厚さ
約１００μｍのｐ伝導型シリコン半導体として形成され
ている。
【００７６】このシリコン半導体４０の（１１０）結晶
面４０ａの中央にガラスセラミックスからなる力伝達ブ
ロック６０が静電接合されている。この力伝達ブロック
６０は、幅Ｗ2 ＝１．０ｍｍ，長さｌ2 ＝１．０ｍｍ，
高さｈ2 ＝１．０ｍｍの立方体形状に形成され、その頂
面６０ａに加えられる圧縮力Ｗを、シリコン半導体４０
の結晶面４０ａに垂直に伝達する。
面４０ａの中央にガラスセラミックスからなる力伝達ブ
ロック６０が静電接合されている。この力伝達ブロック
６０は、幅Ｗ2 ＝１．０ｍｍ，長さｌ2 ＝１．０ｍｍ，
高さｈ2 ＝１．０ｍｍの立方体形状に形成され、その頂
面６０ａに加えられる圧縮力Ｗを、シリコン半導体４０
の結晶面４０ａに垂直に伝達する。
【００７７】前記シリコン半導体４０の他方の面には、
シリコン半導体４０を支持するために、ガラスセラミッ
クスからなる台座７０が静電接合されている。この台座
７０は幅Ｗ1 ＝１．３ｍｍ，長さｌ1 ＝１．３ｍｍ，高
さｈ1 ＝１．０ｍｍに形成されている。
シリコン半導体４０を支持するために、ガラスセラミッ
クスからなる台座７０が静電接合されている。この台座
７０は幅Ｗ1 ＝１．３ｍｍ，長さｌ1 ＝１．３ｍｍ，高
さｈ1 ＝１．０ｍｍに形成されている。
【００７８】また、前記シリコン半導体４０のその結晶
面４０ａ上には〈１１０〉結晶方向に相対向する２個の
入出力共用電極４２，４２´が形成されている。この電
極４２，４２´は、結晶面４０ａ上にアルミニウムを蒸
着して形成されている。そして、前記電極４２，４２´
には２本のリード線４４，４４´を介して電源１００，
電圧検出器１１０が接続されている。そして、前記電源
１００から、電極４２，４２´を介しシリコン半導体４
０に電流を通電し、このとき電極４２，４２´から出力
される電圧を電圧検出器１１０を用いて検出している。
面４０ａ上には〈１１０〉結晶方向に相対向する２個の
入出力共用電極４２，４２´が形成されている。この電
極４２，４２´は、結晶面４０ａ上にアルミニウムを蒸
着して形成されている。そして、前記電極４２，４２´
には２本のリード線４４，４４´を介して電源１００，
電圧検出器１１０が接続されている。そして、前記電源
１００から、電極４２，４２´を介しシリコン半導体４
０に電流を通電し、このとき電極４２，４２´から出力
される電圧を電圧検出器１１０を用いて検出している。
【００７９】図２には、前記力変換素子１０００を圧力
検出手段としてアッセンブリした燃焼圧センサ１１００
が示されている。この燃焼圧センサ１１００は、金属製
ダイアフラム８２を備えた筒状のハウジング８０と、前
記ハウジング８０内に取付け固定された力変換素子１０
００とを含む。
検出手段としてアッセンブリした燃焼圧センサ１１００
が示されている。この燃焼圧センサ１１００は、金属製
ダイアフラム８２を備えた筒状のハウジング８０と、前
記ハウジング８０内に取付け固定された力変換素子１０
００とを含む。
【００８０】前記ハウジング８０は、図示しないエンジ
ンのシリンダヘッドの壁面に装着され、金属製ダイアフ
ラム８２にシリンダ内圧力Ｐが作用するよう形成されて
いる。 前記力変換素子１０００は、ハウジング８０内
に密封端子９０を用いて取付け固定され、その力伝達ブ
ロック６０の頂面６０ａは金属製ダイアフラム８２の裏
面側と接触するよう形成されている。
ンのシリンダヘッドの壁面に装着され、金属製ダイアフ
ラム８２にシリンダ内圧力Ｐが作用するよう形成されて
いる。 前記力変換素子１０００は、ハウジング８０内
に密封端子９０を用いて取付け固定され、その力伝達ブ
ロック６０の頂面６０ａは金属製ダイアフラム８２の裏
面側と接触するよう形成されている。
【００８１】従って、シリンダ内の圧力Ｐは、金属製ダ
イアフラム８２によって圧縮力Ｗとして変換され、力変
換素子１０００の頂面６０ａに伝達され、最終的にシリ
コン半導体４０の（１１０）結晶面４０ａに圧縮応力σ
Z として作用する。
イアフラム８２によって圧縮力Ｗとして変換され、力変
換素子１０００の頂面６０ａに伝達され、最終的にシリ
コン半導体４０の（１１０）結晶面４０ａに圧縮応力σ
Z として作用する。
【００８２】また、前記密封端子９０には、２本のリー
ドピン９２，９２´が設けられている。そして、前記リ
ードピン９２，９２´の上端と力変換素子１０００の電
極４２，４２´は、直径５０μｍのボンディングワイヤ
９４，９４´にて電気的接続がなされている。また、リ
ードピン９２，９２´の下端側は、リード線９６，９６
´を介して電源１００，電圧検出器１１０にそれぞれ接
続されている。
ドピン９２，９２´が設けられている。そして、前記リ
ードピン９２，９２´の上端と力変換素子１０００の電
極４２，４２´は、直径５０μｍのボンディングワイヤ
９４，９４´にて電気的接続がなされている。また、リ
ードピン９２，９２´の下端側は、リード線９６，９６
´を介して電源１００，電圧検出器１１０にそれぞれ接
続されている。
【００８３】本実施例は以上の構成からなり、次にその
作用を説明する。
作用を説明する。
【００８４】実施例の燃焼圧センサ１１００のダイアフ
ラム８２に、シリンダ内圧力Ｐが作用した場合、前記圧
力Ｐは、圧縮力Ｗとして力変換素子１０００に伝達さ
れ、前記（数４）に示したシリコン半導体４０のピエゾ
抵抗効果に基づく電圧出力ΔＶNEW に変換される。この
電圧出力ΔＶNEW は、前述したオフセット電圧Ｖoff に
重乗され、電圧Ｖsensとして電圧検出器１１０により検
出される。
ラム８２に、シリンダ内圧力Ｐが作用した場合、前記圧
力Ｐは、圧縮力Ｗとして力変換素子１０００に伝達さ
れ、前記（数４）に示したシリコン半導体４０のピエゾ
抵抗効果に基づく電圧出力ΔＶNEW に変換される。この
電圧出力ΔＶNEW は、前述したオフセット電圧Ｖoff に
重乗され、電圧Ｖsensとして電圧検出器１１０により検
出される。
【００８５】前記ΔＶNEW ，Ｖoff ，Ｖsensは、例えば
電極４２，４２´間の抵抗Ｒが１ｋΩのシリコン半導体
４０に、１ｍＡの電流Ｉを通電し、１００ｋｇの圧縮力
Ｗを加えたとすると、以下の（数７）〜（数９）に示す
値となる。なお、オフセット電圧Ｖoff は、圧縮力Ｗは
０のときの電極間電圧，σ2 は圧縮力Ｗによりシリコン
半導体４０に発生したＷ方向の応力である。
電極４２，４２´間の抵抗Ｒが１ｋΩのシリコン半導体
４０に、１ｍＡの電流Ｉを通電し、１００ｋｇの圧縮力
Ｗを加えたとすると、以下の（数７）〜（数９）に示す
値となる。なお、オフセット電圧Ｖoff は、圧縮力Ｗは
０のときの電極間電圧，σ2 は圧縮力Ｗによりシリコン
半導体４０に発生したＷ方向の応力である。
【数７】
【数８】
【数９】 前記（数７）〜（数９）より、Ｖsens−Ｖoff ＝ΔＶ
NEW の値、すなわちシリンダ内圧力Ｐを検出できる。
NEW の値、すなわちシリンダ内圧力Ｐを検出できる。
【００８６】このようにして求めた電圧出力ΔＶ
NEW は、ピエゾ抵抗係数π13´がピエゾ抵抗係数π61´
の概ね２倍の値となることから、従来の燃焼圧センサの
電圧出力ΔＶOLD の２倍となる。従って、外乱等の影響
を受けることなく、シリンダ内圧力Ｐを正確に測定する
ことができる。なお、ピエゾ抵抗係数π13´を有効に利
用できるその他のシリコン半導体として、ｐ伝導型（１
１１）面，（２１１）面，ｎ伝導型（１００）面が存在
するが、ｐ伝導型（１１０）面が最も係数が大きいこと
を補足しておく。
NEW は、ピエゾ抵抗係数π13´がピエゾ抵抗係数π61´
の概ね２倍の値となることから、従来の燃焼圧センサの
電圧出力ΔＶOLD の２倍となる。従って、外乱等の影響
を受けることなく、シリンダ内圧力Ｐを正確に測定する
ことができる。なお、ピエゾ抵抗係数π13´を有効に利
用できるその他のシリコン半導体として、ｐ伝導型（１
１１）面，（２１１）面，ｎ伝導型（１００）面が存在
するが、ｐ伝導型（１１０）面が最も係数が大きいこと
を補足しておく。
【００８７】さらに、実施例の燃焼圧センサ１１００
は、力変換素子１０００との電気接続に使用するリード
線が２本のボンディングワイア９４，９４´ですみ、従
来の半部の本数となるため、ボンディングワイヤ９４，
９４´の接続部分に起因する信頼性も大幅に向上するこ
とになる。
は、力変換素子１０００との電気接続に使用するリード
線が２本のボンディングワイア９４，９４´ですみ、従
来の半部の本数となるため、ボンディングワイヤ９４，
９４´の接続部分に起因する信頼性も大幅に向上するこ
とになる。
【００８８】第二実施例 図２に示す燃焼圧センサ１１００をレシプロエンジンの
シリンダヘッド壁面に装着して使用する場合、アッセン
ブリした力変換素子１０００の温度は少なくても１５０
℃の高温まで上昇する。シリコン半導体４０の抵抗Ｒと
ピエゾ抵抗係数π13´は、温度依存性を有するため、燃
焼圧センサ１１００の電圧出力ΔＶNEWは温度と共に大
きく変化した。さらに、シリコン半導体４０の抵抗の温
度依存性に起因し、燃焼圧センサ１１００のオフセット
電圧Ｖoff も大きく変化した。
シリンダヘッド壁面に装着して使用する場合、アッセン
ブリした力変換素子１０００の温度は少なくても１５０
℃の高温まで上昇する。シリコン半導体４０の抵抗Ｒと
ピエゾ抵抗係数π13´は、温度依存性を有するため、燃
焼圧センサ１１００の電圧出力ΔＶNEWは温度と共に大
きく変化した。さらに、シリコン半導体４０の抵抗の温
度依存性に起因し、燃焼圧センサ１１００のオフセット
電圧Ｖoff も大きく変化した。
【００８９】そこで、本実施例では、オフセット電圧Ｖ
off の温度依存性を利用して、燃焼圧センサ１１００の
電圧出力を温度補正し、温度変化に影響されることなく
燃焼圧Ｐの測定を行うことが可能な圧力検出回路に就い
て説明する。
off の温度依存性を利用して、燃焼圧センサ１１００の
電圧出力を温度補正し、温度変化に影響されることなく
燃焼圧Ｐの測定を行うことが可能な圧力検出回路に就い
て説明する。
【００９０】図１２は、本実施例の圧力検出回路を示
す。
す。
【００９１】実施例の圧力検出回路は、燃焼圧センサ１
１００にアッセンブリされた力変換素子１０００と、前
記力変換素子１０００の入出力共用電極４２，４２´に
定電流を供給する定電流源１００と、前記入出力共用電
極４２，４２´の出力電圧に基ずき、力変換素子１００
０に作用する圧縮力Ｗを測定する測定回路２００とを含
む。
１００にアッセンブリされた力変換素子１０００と、前
記力変換素子１０００の入出力共用電極４２，４２´に
定電流を供給する定電流源１００と、前記入出力共用電
極４２，４２´の出力電圧に基ずき、力変換素子１００
０に作用する圧縮力Ｗを測定する測定回路２００とを含
む。
【００９２】前記測定回路２００は、電圧検出器１１
０，サンプリング信号発生器２１０，レジスタ２２０，
２２２，演算部２２６，メモリ部２２４を含み、力変換
素子１０００から出力される電圧を温度補正演算するよ
う構成されている。
０，サンプリング信号発生器２１０，レジスタ２２０，
２２２，演算部２２６，メモリ部２２４を含み、力変換
素子１０００から出力される電圧を温度補正演算するよ
う構成されている。
【００９３】図１２（Ｂ）には、シリンダ内圧力Ｐに対
応して力変換素子１０００から出力される電圧波形図が
示され、図１２（Ｃ）にはオフセット電圧Ｖoff と温度
補正係数との相関関係データが示されている。
応して力変換素子１０００から出力される電圧波形図が
示され、図１２（Ｃ）にはオフセット電圧Ｖoff と温度
補正係数との相関関係データが示されている。
【００９４】２本のリード線４４，４４´を介して定電
流源１００により定電流駆動される燃焼圧センサ１１０
０に、シリンダ内圧力Ｐが作用した場合、前記圧力Ｐは
（数４）に示した電圧出力ΔＶNEW に変換され、オフセ
ット電圧Ｖoff に重乗されて電圧Ｖsensとして電圧検出
器１１０により検出される。
流源１００により定電流駆動される燃焼圧センサ１１０
０に、シリンダ内圧力Ｐが作用した場合、前記圧力Ｐは
（数４）に示した電圧出力ΔＶNEW に変換され、オフセ
ット電圧Ｖoff に重乗されて電圧Ｖsensとして電圧検出
器１１０により検出される。
【００９５】ここでオフセット電圧Ｖoff および電圧Ｖ
sensは、図１２（Ｂ）の４サイクルエンジンを測定対象
とした場合に得られる時間Ｔ0 および時間Ｔ1 での電圧
であり、それぞれ０圧力および最高圧力が作用したとき
の電圧である。
sensは、図１２（Ｂ）の４サイクルエンジンを測定対象
とした場合に得られる時間Ｔ0 および時間Ｔ1 での電圧
であり、それぞれ０圧力および最高圧力が作用したとき
の電圧である。
【００９６】図１２（Ａ）に示すよう、電圧検出器１１
０にはサンプリング信号発生器２１０が接続されてお
り、前記サンプリング信号発生器２１０にはレジスタ２
２０，２２２および演算部２２６が接続されている。
０にはサンプリング信号発生器２１０が接続されてお
り、前記サンプリング信号発生器２１０にはレジスタ２
２０，２２２および演算部２２６が接続されている。
【００９７】また、電圧検出器１１０には前記レジスタ
２２０，２２２が接続されており、時間Ｔ0 および時間
Ｔ1 のタイミングでサンプリング信号発生器２１０から
出力されるサンプリング信号に同期して、オフセット電
圧Ｖoff および電圧Ｖsensを検出し、これをレジスタ２
２０，２２２へそれぞれ記憶するよう構成されている。
２２０，２２２が接続されており、時間Ｔ0 および時間
Ｔ1 のタイミングでサンプリング信号発生器２１０から
出力されるサンプリング信号に同期して、オフセット電
圧Ｖoff および電圧Ｖsensを検出し、これをレジスタ２
２０，２２２へそれぞれ記憶するよう構成されている。
【００９８】また、前記演算部２２６にはメモリ部２２
４が接続されおり、このメモリ部２２４内には、温度と
共に変化するオフセット電圧Ｖoff に対応した温度補正
係数ｆ（Ｖoff ）のマップが記憶されている。
４が接続されおり、このメモリ部２２４内には、温度と
共に変化するオフセット電圧Ｖoff に対応した温度補正
係数ｆ（Ｖoff ）のマップが記憶されている。
【００９９】そして、演算部２２６は、各燃焼サイクル
ごとに、時間Ｔ1 のタイミングでサンプリング信号が発
せられたときに、レジスタ２２０に記憶されたオフセッ
ト電圧Ｖoff とレジスタ２２２に記憶された電圧Ｖsens
を読み出し、電圧出力ΔＶNEW ＝（Ｖsens−Ｖoff ）を
演算する。
ごとに、時間Ｔ1 のタイミングでサンプリング信号が発
せられたときに、レジスタ２２０に記憶されたオフセッ
ト電圧Ｖoff とレジスタ２２２に記憶された電圧Ｖsens
を読み出し、電圧出力ΔＶNEW ＝（Ｖsens−Ｖoff ）を
演算する。
【０１００】また、前記演算部２２６は、オフセット電
圧Ｖoff に対応した温度補正係数ｆ（Ｖoff ）＝αを読
み出す。そして、求めた電圧（Ｖsens−Ｖoff ）と、温
度補正係数ｆ（Ｖoff ）＝αを前記（数５）へ代入し、
温度補正された電圧ＶNEW ´を外部回路へ向け出力す
る。
圧Ｖoff に対応した温度補正係数ｆ（Ｖoff ）＝αを読
み出す。そして、求めた電圧（Ｖsens−Ｖoff ）と、温
度補正係数ｆ（Ｖoff ）＝αを前記（数５）へ代入し、
温度補正された電圧ＶNEW ´を外部回路へ向け出力す
る。
【０１０１】以上説明したように、本実施例の圧力検出
回路によれば、燃焼圧センサ１１００を定電流駆動しエ
ンジンの燃焼圧を測定する場合に、高温高圧のエンジン
によってセンサ１１００の温度が上昇しても、この温度
変化を補正しダイアフラム８２に作用する燃焼圧Ｐを正
確に測定することが可能となる。
回路によれば、燃焼圧センサ１１００を定電流駆動しエ
ンジンの燃焼圧を測定する場合に、高温高圧のエンジン
によってセンサ１１００の温度が上昇しても、この温度
変化を補正しダイアフラム８２に作用する燃焼圧Ｐを正
確に測定することが可能となる。
【０１０２】第三実施例 図１３には、本発明の第三実施例に係る圧力検出回路が
示されている。なお、図１２（Ａ）に示す圧力検出回路
に対応する部材には同一記号を付しその説明は省略す
る。
示されている。なお、図１２（Ａ）に示す圧力検出回路
に対応する部材には同一記号を付しその説明は省略す
る。
【０１０３】前記第二実施例と異なり、本実施例では、
電源１００として定電圧源を用い、その電圧出力を分圧
回路１２０へ向け出力している。
電源１００として定電圧源を用い、その電圧出力を分圧
回路１２０へ向け出力している。
【０１０４】分圧回路１２０は、力変換素子１０００
と、この力変換素子１０００に直列に接続された出力抵
抗器１２２とから構成されている。前記出力抵抗器１２
２は、リード線１４４を介し電源１００とほぼ同じ位置
に配地されており、エンジンの温度変化の影響をほとん
ど受けることがないように構成されている。
と、この力変換素子１０００に直列に接続された出力抵
抗器１２２とから構成されている。前記出力抵抗器１２
２は、リード線１４４を介し電源１００とほぼ同じ位置
に配地されており、エンジンの温度変化の影響をほとん
ど受けることがないように構成されている。
【０１０５】また、実施例のメモリ部２２４には、温度
とともに変化するオフセット電圧Ｖoff に対応した温度
補正係数ｆ（Ｖoff ）のマップが記憶されている。な
お、本実施例では電源１００として定電圧源を用い、し
かも駆動回路に出力抵抗器１２２を直列に接続したこと
から、この温度補正係数は、定電流源を用いた前記第三
実施例とは異なった値となる。
とともに変化するオフセット電圧Ｖoff に対応した温度
補正係数ｆ（Ｖoff ）のマップが記憶されている。な
お、本実施例では電源１００として定電圧源を用い、し
かも駆動回路に出力抵抗器１２２を直列に接続したこと
から、この温度補正係数は、定電流源を用いた前記第三
実施例とは異なった値となる。
【０１０６】実施例の燃焼圧センサ１１００からは、図
１２（Ｂ）に示すものと同様な電圧が各燃焼サイクル毎
に出力される。
１２（Ｂ）に示すものと同様な電圧が各燃焼サイクル毎
に出力される。
【０１０７】サンプリング信号発生器２１０から時間Ｔ
0 および時間Ｔ1 のタイミングでサンプリング信号が出
力されると、このサンプリング信号に同期して電圧検出
器１１０は、オフセット電圧Ｖoff および電圧Ｖsensを
検出し、これらをレジスタ２２０，２２２へそれぞれ記
憶させる。
0 および時間Ｔ1 のタイミングでサンプリング信号が出
力されると、このサンプリング信号に同期して電圧検出
器１１０は、オフセット電圧Ｖoff および電圧Ｖsensを
検出し、これらをレジスタ２２０，２２２へそれぞれ記
憶させる。
【０１０８】演算部２２６は、オフセット電圧Ｖoff に
対応する温度補正係数ｆ（Ｖoff ）＝βをメモリ部２２
４から読出し、オフセット電圧Ｖoff ，電圧Ｖsens，温
度補正係数ｆ（Ｖoff ）＝βを前記（数５）に代入し、
温度補正演算された電圧ΔＶNEW ´を演算出力する。
対応する温度補正係数ｆ（Ｖoff ）＝βをメモリ部２２
４から読出し、オフセット電圧Ｖoff ，電圧Ｖsens，温
度補正係数ｆ（Ｖoff ）＝βを前記（数５）に代入し、
温度補正演算された電圧ΔＶNEW ´を演算出力する。
【０１０９】以上説明したように、本実施例の圧力検出
回路によれば電源１００として定電圧源を用いた場合で
も、前記第に実施例と同様、温度変化に影響されること
なく、燃焼圧センサ１１００のダイアフラムに作用した
圧力を正確に検出することができる。
回路によれば電源１００として定電圧源を用いた場合で
も、前記第に実施例と同様、温度変化に影響されること
なく、燃焼圧センサ１１００のダイアフラムに作用した
圧力を正確に検出することができる。
【０１１０】なお、実施例では、力変換素子１０００の
出力電圧に基づき燃焼圧の測定を行う場合を例にとり説
明したが、本実施例はこれに限らず、例えば図１４
（Ａ）に示すよう、分圧用の出力抵抗器１２２の分圧電
圧ＶR ´の温度依存性を利用しても同様に温度補正され
た電圧出力を得ることができる。
出力電圧に基づき燃焼圧の測定を行う場合を例にとり説
明したが、本実施例はこれに限らず、例えば図１４
（Ａ）に示すよう、分圧用の出力抵抗器１２２の分圧電
圧ＶR ´の温度依存性を利用しても同様に温度補正され
た電圧出力を得ることができる。
【０１１１】例えば、図１４（Ｂ）は、抵抗率約８Ω−
ｃｍのシリコン半導体４０を含む力変換素子１０００の
室温での入力抵抗を１ｋΩ，出力抵抗器１２２の抵抗値
を５００Ωとし、この状態で前記シリコン半導体４０の
温度を変化させた場合に得られる分圧電圧ＶR ´の温度
依存性を示した図である。この分圧電圧ＶR ´を用い、
本実施例と同様な演算処理することによっても、燃焼圧
を温度に影響されることなく正確に測定することができ
る。
ｃｍのシリコン半導体４０を含む力変換素子１０００の
室温での入力抵抗を１ｋΩ，出力抵抗器１２２の抵抗値
を５００Ωとし、この状態で前記シリコン半導体４０の
温度を変化させた場合に得られる分圧電圧ＶR ´の温度
依存性を示した図である。この分圧電圧ＶR ´を用い、
本実施例と同様な演算処理することによっても、燃焼圧
を温度に影響されることなく正確に測定することができ
る。
【０１１２】第四実施例 ところで、エンジンがより高回転，高負荷な条件になっ
た場合には、ハウジング８０にアッセンブリされた力変
換素子１０００の温度がさらに高くなる。従って、抵抗
率８Ω−ｃｍのシリコン半導体４０を使用する限りにお
いては、２００℃付近で入力抵抗が急激に低下する現象
を呈することから、燃焼圧を測定することが不可能とな
る。
た場合には、ハウジング８０にアッセンブリされた力変
換素子１０００の温度がさらに高くなる。従って、抵抗
率８Ω−ｃｍのシリコン半導体４０を使用する限りにお
いては、２００℃付近で入力抵抗が急激に低下する現象
を呈することから、燃焼圧を測定することが不可能とな
る。
【０１１３】燃焼圧センサ１１００の使用温度範囲をよ
り高温側へ拡大する手段として、シリコン半導体４０の
抵抗率を下げる（不純物濃度を高める）ことが考えら
れ、不純物濃度を高めることで、ピエゾ抵抗係数の温度
依存性も低減できる。
り高温側へ拡大する手段として、シリコン半導体４０の
抵抗率を下げる（不純物濃度を高める）ことが考えら
れ、不純物濃度を高めることで、ピエゾ抵抗係数の温度
依存性も低減できる。
【０１１４】半導体圧力センサの分野においては、不純
物濃度を約５×１０18／ｃｍ3 または２×１０20／ｃｍ
3 としたｐ伝導型歪みゲージを定電流駆動することによ
り、特別な補償回路を必要とせず電圧出力を温度補正で
きる技術が知られている。
物濃度を約５×１０18／ｃｍ3 または２×１０20／ｃｍ
3 としたｐ伝導型歪みゲージを定電流駆動することによ
り、特別な補償回路を必要とせず電圧出力を温度補正で
きる技術が知られている。
【０１１５】しかし、燃焼圧センサ１１００の主要部を
構成する力変換素子１０００において、矩形形状のシリ
コン半導体４０に、前記不純物濃度を高める技術をその
まま適用した場合、シリコン半導体４０の厚みが数百μ
ｍと厚いことから、その入力抵抗は数Ω以下に激減して
しまう。
構成する力変換素子１０００において、矩形形状のシリ
コン半導体４０に、前記不純物濃度を高める技術をその
まま適用した場合、シリコン半導体４０の厚みが数百μ
ｍと厚いことから、その入力抵抗は数Ω以下に激減して
しまう。
【０１１６】このように小さな入力抵抗の力変換素子１
０００を、１０Ｖ程度のバッテリ電源で駆動することを
想定した場合、バッテリ電源には数アンペアを越える大
きな電流容量が要求される。従って、通常のバッテリ電
源では、力変換素子１０００を駆動することが困難であ
る。
０００を、１０Ｖ程度のバッテリ電源で駆動することを
想定した場合、バッテリ電源には数アンペアを越える大
きな電流容量が要求される。従って、通常のバッテリ電
源では、力変換素子１０００を駆動することが困難であ
る。
【０１１７】さらに、消費電力が膨大となり、シリコン
半導体４０の温度が上昇して、圧力検出手段としての機
能を失う。
半導体４０の温度が上昇して、圧力検出手段としての機
能を失う。
【０１１８】従って、補償回路を必要とせずに電圧出力
を温度補正できる不純物濃度を想定した場合、矩形板状
のシリコン半導体４０は、厚みの薄い層として形成して
やることが重要なポイントとなる。ちなみに、前記厚み
に関しては、例えば入力抵抗５００Ωを想定したとき、
不純物濃度を約５×１０18／ｃｍ3 とすると、０．３μ
ｍ前後の厚みが要求される。
を温度補正できる不純物濃度を想定した場合、矩形板状
のシリコン半導体４０は、厚みの薄い層として形成して
やることが重要なポイントとなる。ちなみに、前記厚み
に関しては、例えば入力抵抗５００Ωを想定したとき、
不純物濃度を約５×１０18／ｃｍ3 とすると、０．３μ
ｍ前後の厚みが要求される。
【０１１９】本実施例では、上記厚みの薄いシリコン半
導体４０をＳＯＩ構造を基に形成する。しかもＳＯＩ構
造の、ピエゾ抵抗効果を利用して圧縮力を検出する機能
を備えたシリコン半導体層が、定電流駆動することで電
圧出力が温度補正できる濃度にマッチした約５×１０18
／ｃｍ3 または約２×１０20／ｃｍ3 の不純物濃度に制
御されている。そして、前記ＳＯＩ構造からなるシリコ
ン半導体層を実現する手段として、エピタキシャル成長
技術，シリコンウエハ直接接合（ＳＤＢ）技術，ＳＩＭ
ＯＸ技術を利用した。
導体４０をＳＯＩ構造を基に形成する。しかもＳＯＩ構
造の、ピエゾ抵抗効果を利用して圧縮力を検出する機能
を備えたシリコン半導体層が、定電流駆動することで電
圧出力が温度補正できる濃度にマッチした約５×１０18
／ｃｍ3 または約２×１０20／ｃｍ3 の不純物濃度に制
御されている。そして、前記ＳＯＩ構造からなるシリコ
ン半導体層を実現する手段として、エピタキシャル成長
技術，シリコンウエハ直接接合（ＳＤＢ）技術，ＳＩＭ
ＯＸ技術を利用した。
【０１２０】図１５には、実施例の力変換素子１０００
の側面図である。なお、図１に示す力変換素子１０００
と対応する部材には同一記号を付しその説明は省略す
る。
の側面図である。なお、図１に示す力変換素子１０００
と対応する部材には同一記号を付しその説明は省略す
る。
【０１２１】実施例シリコン半導体４０は、ＳＯＩ構造
として形成されており、具体的には（１１０）結晶面を
備えた厚さ４００μｍの基板シリコンウエハ４６と、こ
の基板シリコンウエハ４６上に被覆形成された厚さ約１
μｍの酸化膜層４７と、この酸化膜層４７上に形成され
デバイスとして作用する厚さ約約０．３μｍのｐ伝導型
シリコン層４８とを含む。前記シリコン層４８は、（１
１０）結晶面を備え、その不純物濃度が約５×１０18／
ｃｍ3 に形成されている。
として形成されており、具体的には（１１０）結晶面を
備えた厚さ４００μｍの基板シリコンウエハ４６と、こ
の基板シリコンウエハ４６上に被覆形成された厚さ約１
μｍの酸化膜層４７と、この酸化膜層４７上に形成され
デバイスとして作用する厚さ約約０．３μｍのｐ伝導型
シリコン層４８とを含む。前記シリコン層４８は、（１
１０）結晶面を備え、その不純物濃度が約５×１０18／
ｃｍ3 に形成されている。
【０１２２】また、実施例の力変換素子１０００は、力
伝達ブロック６０の頂部に、半球状の頭部６２を設けて
いる。これにより、図２に示す金属製ダイアフラム８２
と、力伝達ブロック６０との接触面積が小さくなり、高
温の金属製ダイアフラム８２から力変換素子１０００へ
の直接的な熱伝導が少なくなり、力変換素子１０００の
温度上昇を抑制することができる。
伝達ブロック６０の頂部に、半球状の頭部６２を設けて
いる。これにより、図２に示す金属製ダイアフラム８２
と、力伝達ブロック６０との接触面積が小さくなり、高
温の金属製ダイアフラム８２から力変換素子１０００へ
の直接的な熱伝導が少なくなり、力変換素子１０００の
温度上昇を抑制することができる。
【０１２３】以上の構成をしたこの力変換素子１０００
は、シリコン半導体４０の不純物濃度が定電流自己感度
補償濃度として選定されていることから、力変換素子１
０００を、ハウジングに収納して燃焼圧センサを構成
し、この燃焼圧センサを定電流駆動することにより、前
記第二，第三実施例のようにオフセット電圧の温度依存
性を利用した電圧出力補正手段を用いることなく、燃焼
圧に対応した正確な電圧出力を得ることができる。
は、シリコン半導体４０の不純物濃度が定電流自己感度
補償濃度として選定されていることから、力変換素子１
０００を、ハウジングに収納して燃焼圧センサを構成
し、この燃焼圧センサを定電流駆動することにより、前
記第二，第三実施例のようにオフセット電圧の温度依存
性を利用した電圧出力補正手段を用いることなく、燃焼
圧に対応した正確な電圧出力を得ることができる。
【０１２４】また、本発明は前記各実施例に限定される
ものではなく、本発明の要旨の範囲で各種の変形実施が
可能である。
ものではなく、本発明の要旨の範囲で各種の変形実施が
可能である。
【０１２５】例えば、前記各実施例では、本発明を燃焼
圧センサに適用した場合を例にとり説明したが、本発明
はこれに限らず、これ以外の各種分野において幅広く用
いることが可能である。
圧センサに適用した場合を例にとり説明したが、本発明
はこれに限らず、これ以外の各種分野において幅広く用
いることが可能である。
【図１】本発明の力変換素子の好適な第一実施例の外観
斜視説明図である。
斜視説明図である。
【図２】図１に示す力変換素子を用いて構成された燃焼
圧センサの断面概略説明図である。
圧センサの断面概略説明図である。
【図３】（１１０）結晶面を備えたシリコン半導体に相
対する２個の入出力電極を形成し、前記結晶面に圧縮力
を作用させた場合のピエゾ抵抗係数π13´を、前記入出
力電極の形成方向を３６０全方向にわたり変化させて測
定し円グラフ化した図である。
対する２個の入出力電極を形成し、前記結晶面に圧縮力
を作用させた場合のピエゾ抵抗係数π13´を、前記入出
力電極の形成方向を３６０全方向にわたり変化させて測
定し円グラフ化した図である。
【図４】同図（Ａ），（Ｂ）は、図２に示す燃焼圧セン
サを用いて検出される４サイクル機関の電圧波形図であ
る。
サを用いて検出される４サイクル機関の電圧波形図であ
る。
【図５】実施例の燃焼圧センサの、オフセット電圧の温
度依存性を示す説明図である。
度依存性を示す説明図である。
【図６】実施例の燃焼圧センサの、電圧出力の温度依存
特性図である。
特性図である。
【図７】実施例の燃焼圧センサを定電流駆動した場合に
おける、温度補正係数と温度との関係を示す図である。
おける、温度補正係数と温度との関係を示す図である。
【図８】実施例の燃焼圧センサを定電流駆動した場合に
おける、オフセット電圧と温度補正係数との相関関係を
示す説明図である。
おける、オフセット電圧と温度補正係数との相関関係を
示す説明図である。
【図９】実施例の燃焼圧センサを定電圧源および分圧回
路を用いて駆動した場合における、電圧出力の温度依存
特性図である。
路を用いて駆動した場合における、電圧出力の温度依存
特性図である。
【図１０】実施例燃焼圧センサを、定電圧源および分圧
回路を用いて駆動する場合に使用される回路の概略説明
図である。
回路を用いて駆動する場合に使用される回路の概略説明
図である。
【図１１】図１０に示す回路から得られるオフセット電
圧の温度依存特性図である。
圧の温度依存特性図である。
【図１２】同図（Ａ）は、本実施例の圧力検出回路の好
適な一例を示すブロック回路図であり、同図（Ｂ）は同
図（Ａ）に示す燃焼圧センサから出力される波形図であ
り、同図（Ｃ）は同図（Ａ）のメモリ部に記憶されるデ
ータの説明図である。
適な一例を示すブロック回路図であり、同図（Ｂ）は同
図（Ａ）に示す燃焼圧センサから出力される波形図であ
り、同図（Ｃ）は同図（Ａ）のメモリ部に記憶されるデ
ータの説明図である。
【図１３】同図（Ａ）は本発明の圧力検出回路の他の実
施例を示すブロック回路図であり、同図（Ｂ）は同図
（Ａ）のメモリ部に記憶されるデータ説明図である。
施例を示すブロック回路図であり、同図（Ｂ）は同図
（Ａ）のメモリ部に記憶されるデータ説明図である。
【図１４】同図（Ａ）は、分圧回路の分圧抵抗両端電圧
から圧力を測定する回路の概略説明図であり、同図
（Ｂ）は力変換素子の主要部を構成するシリコン半導体
の温度変化と分圧回路の両端電圧との関係を示す説明図
である。
から圧力を測定する回路の概略説明図であり、同図
（Ｂ）は力変換素子の主要部を構成するシリコン半導体
の温度変化と分圧回路の両端電圧との関係を示す説明図
である。
【図１５】本発明の力変換素子の他の実施例を示す説明
図である。
図である。
【図１６】従来の力変換素子の説明図であり、同図
（Ａ）はその平面概略説明図、同図（Ｂ）はその側面概
略説明図である。
（Ａ）はその平面概略説明図、同図（Ｂ）はその側面概
略説明図である。
４０ シリコン半導体 ４２，４２´ 入出力共用電極 ４４，４４´ リード線 ４８ ｐ伝導型シリコン層 ６０ 力伝達ブロック ７０ 台座 １００ 電源 １１０ 電圧検出器 １２０ 分圧回路 １２２ 抵抗 ２００ 測定回路 ２１０ サンプリング信号発生器 ２２０，２２２ レジスタ ２２６ 演算部 ２２８ メモリ部 １０００ 力変換素子 １１００ 燃焼圧センサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 野々村 裕 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 森川 健志 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内
Claims (4)
- 【請求項１】 圧縮力が加えられる面として（１１０）
面またはこれと等価な結晶面を有するように形成された
Ｓｉ半導体と、 前記Ｓｉ半導体の前記結晶面上に、結晶の〈１１０〉方
向またはこれと等価な方向に相対向して設けた入出力共
用電極対と、 前記Ｓｉ半導体の前記結晶面と接合され、圧縮力をその
結晶面に垂直に伝達する力伝達ブロックと、 前記Ｓｉ半導体の、前記力伝達ブロックの接合された面
に対向する面と接合され、このＳｉ半導体を支持するた
めの支持台座と、 を含み、 前記入出力共用電極対を用いてＳｉ半導体に電流を流し
ながら、力伝達ブロックを介しＳｉ半導体の前記結晶面
に垂直に圧縮力を作用させ、前記入出力共用電極対から
圧縮力に対応した測定電圧を出力することを特徴とする
力変換素子。 - 【請求項２】 請求項１において、 Ｓｉ半導体は、ＳＯＩ構造を有するよう形成され、 ピエゾ抵抗効果を利用して圧縮力を検出する機能を備え
たＳＯＩ構造のＳｉ半導体層は、約５×１０18／cm3 ま
たは２×１０20／cm3 のｐ伝導型としてその不純物濃度
が制御されたことを特徴とする力変換素子。 - 【請求項３】 請求項１または２の力変換素子と、 前記入出力共用電極対に定電流を供給する定電流源と、 前記入出力共用電極対の出力電圧に基づき、前記結晶面
に垂直に作用する圧縮力を測定する測定手段と、 を含み、 前記測定手段は、 前記オフセット電圧と温度補正係数との関係が記憶され
た係数メモリ部と、 前記入出力共用電極対から出力されるオフセット電圧を
検出するとともに、前記結晶面に圧縮力が作用した際に
前記入出力共用電極対から出力される測定電圧を検出す
る電圧検出部と、 検出されたオフセット電圧に対応する温度補正係数を前
記係数メモリ部から読出し、前記電圧検出部の出力か
ら、圧縮力に対応した電圧を温度補正演算して出力する
温度補正部と、 を含み、前記温度補正部の出力に基づき、温度変化に影
響されること無く前記結晶面に垂直に作用する圧縮力を
測定することを特徴とする圧力検出回路。 - 【請求項４】 請求項１または２の力変換素子と、 前記力変換素子に抵抗を直列接続して形成された分圧回
路と、 前記分圧回路に定電圧を印加する定電圧源と、 前記分圧回路の出力電圧に基づき、前記結晶面に垂直に
作用する圧縮力を測定する測定手段と、 を含み、 前記測定手段は、 オフセット電圧と温度補正係数との関係が記憶された係
数メモリ部と、 前記分圧回路から出力されるオフセット電圧を検出する
とともに、前記結晶面に圧縮力が作用した際に前記分圧
回路から出力される測定電圧を検出する電圧検出部と、 検出されたオフセット電圧に対応する温度補正係数を前
記係数メモリ部から読出し、前記電圧検出部の出力か
ら、圧縮力に対応した電圧を温度補正演算して出力する
温度補正部と、 を含み、前記温度補正部の出力に基づき、温度変化に影
響されること無く前記結晶面に垂直に作用する圧縮力を
測定することを特徴とする圧力検出回路。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21208292A JP3166015B2 (ja) | 1992-07-16 | 1992-07-16 | 力変換素子およびこれを用いた圧力検出回路 |
| DE69308662T DE69308662T2 (de) | 1992-07-16 | 1993-07-15 | Kraftwandler und seine Verwendung in einer Druckerfassungsschaltung |
| EP93111374A EP0579226B1 (en) | 1992-07-16 | 1993-07-15 | Force transducer and pressure detecting circuit using the same |
| US08/092,480 US5349873A (en) | 1992-07-16 | 1993-07-16 | Force transducer and pressure detecting circuit using the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21208292A JP3166015B2 (ja) | 1992-07-16 | 1992-07-16 | 力変換素子およびこれを用いた圧力検出回路 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0634455A true JPH0634455A (ja) | 1994-02-08 |
| JP3166015B2 JP3166015B2 (ja) | 2001-05-14 |
Family
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21208292A Expired - Fee Related JP3166015B2 (ja) | 1992-07-16 | 1992-07-16 | 力変換素子およびこれを用いた圧力検出回路 |
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| JP (1) | JP3166015B2 (ja) |
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| JP2014215098A (ja) * | 2013-04-24 | 2014-11-17 | 横河電機株式会社 | 力変換素子 |
| JP2016151474A (ja) * | 2015-02-17 | 2016-08-22 | トヨタ自動車株式会社 | 圧力センサ |
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| JPS62175631A (ja) * | 1986-01-30 | 1987-08-01 | Mitsubishi Electric Corp | プログラム可能な半導体圧力センサ |
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- 1992-07-16 JP JP21208292A patent/JP3166015B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1993
- 1993-07-15 DE DE69308662T patent/DE69308662T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1993-07-15 EP EP93111374A patent/EP0579226B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1993-07-16 US US08/092,480 patent/US5349873A/en not_active Expired - Lifetime
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| EP3059565A1 (en) | 2015-02-17 | 2016-08-24 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Pressure sensor |
| US9903789B2 (en) | 2015-02-17 | 2018-02-27 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Pressure sensor |
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|---|---|
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| DE69308662D1 (de) | 1997-04-17 |
| US5349873A (en) | 1994-09-27 |
| DE69308662T2 (de) | 1997-10-16 |
| EP0579226A2 (en) | 1994-01-19 |
| EP0579226A3 (ja) | 1994-02-16 |
| JP3166015B2 (ja) | 2001-05-14 |
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