JPH0926367A - 歪検出センサ - Google Patents

歪検出センサ

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Publication number
JPH0926367A
JPH0926367A JP17588395A JP17588395A JPH0926367A JP H0926367 A JPH0926367 A JP H0926367A JP 17588395 A JP17588395 A JP 17588395A JP 17588395 A JP17588395 A JP 17588395A JP H0926367 A JPH0926367 A JP H0926367A
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JP
Japan
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strain
load
measurement
substrate
cantilever
Prior art date
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Pending
Application number
JP17588395A
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English (en)
Inventor
Satoshi Fukuhara
聡 福原
Kyoichi Ikeda
恭一 池田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yokogawa Electric Corp
Original Assignee
Yokogawa Electric Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 測定体との熱膨張係数差による熱歪の影響が
少ない高感度の歪検出センサを提供する。 【構成】 第1梁と該第1梁と平行に設けられた第2梁
と前記第1梁と該第2梁とを連結し全体としてU字形を
構成する第3梁とからなり前記第1梁に引張力前記第2
梁に圧縮力或いは前記第1梁に圧縮力前記第2梁に引張
力が加わる様に両端が測定荷重の印加により測定対象物
の剪断力が生じる個所に取付られた半導体或いはパイレ
ックスガラスよりなる基板と、該基板の少なくとも第1
梁或いは第2梁の中立軸に設けられ当該梁の引張或いは
圧縮歪を検出する歪検出素子とを具備する歪検出センサ
である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、測定体との熱膨張係数
差による熱歪の影響が少ない高感度の歪検出センサに関
するものである。
【0002】
【従来の技術】図12は従来より一般に使用されている
従来例の要部構成説明図で、例えば、本願出願人の出願
した、特開昭64−10139号(特願昭62−166
176号)発明の名称「振動形トランスデュサの製造方
法」、昭和62年7月2日出願に示されている。図13
は、図12のA―A断面図である。
【0003】図において、1は半導体単結晶基板で、2
は半導体基板1に設けられ、測定圧Pmを受圧する測定
ダイアフラムである。3は測定ダイアフラム2に埋込み
設けられた歪み検出センサで、振動梁3が使用されてい
る。
【0004】4は封止用の半導体エピタキシャル成長層
からなるシェルで、振動梁3を測定ダイアフラム2に封
止する。振動梁3の周囲の、振動梁3と、測定ダイアフ
ラム2およびシェル4との間には真空室5が設けられて
いる。
【0005】振動梁3は、永久磁石(図示せず)による
磁場と、振動梁3に接続された閉ル―プ自励発振回路
(図示せず)とにより、振動梁3の固有振動で発振する
ように構成されている。
【0006】以上の構成において、測定ダイアフラム2
に測定圧力Pmが加わると、振動梁3の軸力が変化し、
固有振動数が変化するため、発振周波数の変化により測
定圧力Pmの測定が出来る。
【0007】この様な、振動梁3を利用した、振動式歪
検出センサのユニットは感度(ゲージファクタ)が50
0〜3000と高いものが得られる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】図14は、振動式歪検
出センサのユニットを片持ち梁の歪検出に使用した一例
である。図15は図14のB−B断面図である。
【0009】図において、11は振動梁、12は振動梁
11の周囲に設けられた真空室、13はシリコン単結晶
の基板である。
【0010】14はシリコン基板13が取付られたアル
ミニウムよりなる片持ち梁である。片持ち梁14の一端
14aは固定され、他端14bに測定荷重Fが印加され
る構成となっている。
【0011】以上の構成において、片持ち梁14の他端
14bに測定荷重Fが印加されると、振動梁11は、測
定荷重Fによる片持ち梁14に発生した歪を検出する。
この様に、振動式歪検出センサのユニットは、感度よく
歪を検出できる。
【0012】しかしながら、測定歪は、測定される構造
物に発生するものであり、構造物全体を単結晶のシリコ
ンで構成することは困難であり、高価となる。一般に
は、図14に示す如く、構造物には金属が使用される。
【0013】このため、振動式歪検出センサのユニット
と測定対象物との熱膨張係数の差による熱歪の影響を受
け、温度誤差が大きくなってしまう。
【0014】次に、一般的に知られている抵抗ストレン
ゲージは、測定体の材料に合わせて作られたものを組み
合わせ、測定体に接着等の方法により取付使用される。
しかし、抵抗ストレンゲージは、感度(ゲージファク
タ)がほぼ2と低く、また、測定体との熱膨張係数のミ
スマツチによる温度誤差も大きい。このため、測定精度
が悪い。
【0015】本発明は、この問題点を、解決するもので
ある。本発明の目的は、半導体よりなる歪検出素子を、
U字形の基板に形成し、基板に伝わる測定体の熱膨張歪
と測定歪が直交する様に構成して、温度歪の影響を除去
して、測定体との熱膨張係数差による熱歪の影響が少な
い高感度の歪検出センサを提供するにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明は、第1梁と該第1梁と平行に設けられた第
2梁と前記第1梁と該第2梁とを連結し全体としてU字
形を構成する第3梁とからなり前記第1梁に引張力前記
第2梁に圧縮力或いは前記第1梁に圧縮力前記第2梁に
引張力が加わる様に両端が測定荷重の印加により測定対
象物の剪断力が生じる個所に取付られた半導体或いはパ
イレックスガラスよりなる基板と、該基板の少なくとも
第1梁或いは第2梁の中立軸に設けられ当該梁の引張或
いは圧縮歪を検出する歪検出素子とを具備する歪検出セ
ンサを構成したものである。
【0017】
【作用】以上の構成において、測定対象物に測定荷重が
印加されると、測定対象物の剪断力が生じる個所に取付
られた基板の第1梁には引張力、第2梁には圧縮力、あ
るいは、第1梁には圧縮力、第2梁には引張力が発生す
る。第1梁或いは第2梁に取付られた歪検出素子により
歪を検出する。
【0018】次に、測定対象物が周囲温度の変化等によ
り熱膨張した場合に、熱歪は第1梁或いは第2梁の中立
軸に直交する方向に働き、U字形状の基板の両端を開く
様に作用する。しかし、歪検出素子は、第1梁或いは第
2梁の中立軸に設けられているので、第1梁或いは第2
梁の曲げ変形には影響されない。以下、実施例に基づき
詳細に説明する。
【0019】
【実施例】図1は本発明の一実施例の要部構成説明図
で、片持ち梁の歪検出に使用した一例を示す。図2は、
図1の側面図である。図において、
【0020】21は、アルミニウムよりなる片持ち梁で
ある。片持ち梁21の一端21aは固定され、他端21
bに測定荷重Fが印加される構成となっている。22
は、シリコンからなる基板である。
【0021】基板22は、図3に示す如く、第1梁22
1と、第1梁221と平行に設けられた第2梁222
と、第1梁221と第2梁222とを連結し、全体とし
てU字形を構成する第3梁223とからなる。
【0022】基板22の両端22a,22bは、図4に
示す如く、第1梁221に引張力が第2梁222に圧縮
力が、或いは第1梁221に圧縮力が第2梁222に引
張力が加わる様に、基板22の測定荷重の印加により測
定対象物の剪断力が生じる個所に取付られている。
【0023】この場合は、図1に示す如く、主応力が最
大になるように、片持ち梁21の軸方向に対して、基板
22の中心軸は45°をなす。23は、基板22の少な
くとも第1梁221、或いは第2梁222の中立軸に設
けられ、第1梁221、或いは第2梁222の引張或い
は圧縮歪を検出する半導体よりなる歪検出素子である。
【0024】この場合は、振動形歪み検出素子が2個使
用されている。24は、基板22に設けられ、振動形歪
み検出素子23の周囲を囲む真空室である。
【0025】以上の構成において、片持ち梁21に測定
荷重Fが印加されると、図5に示す如く、測定荷重Fに
よって、片持ち梁21は曲げFBをうけ、片持ち梁21
の一方の表面には引張歪が発生する。
【0026】そして、片持ち梁21において、端部22
a,22bが取付けられている個所には剪断力τが発生
する。而して,この場合は、主として、第1梁221に
は引張力FT、第2梁222には圧縮力FCが発生する。
【0027】第1梁221或いは第2梁222に取付ら
れた歪検出素子23により、歪が検出される。この場合
は、第1梁221と第2梁222との2個所に、歪検出
素子23は取付けられている。
【0028】次に、片持ち梁21が周囲温度の変化等に
より熱膨張した場合には、図6に示す如く、熱歪εt
第1梁221或いは第2梁222の中立軸に直交する方
向に働き、U字形状の基板22の両端22a,22bを
開く様に作用する。
【0029】本実施例においては、片持ち梁21はアル
ミニュウムであり、基板22はシリコンである。アルミ
ニュウムとシリコンの熱膨張係数は、それぞれ2.3×
10 -6、23×10-6cm/℃である。その差による熱
歪εtは固定端22a,22bに直角に働き、U字形状
の基板22を開く様に作用する。
【0030】しかし、歪検出素子23は、第1梁221
或いは第2梁222の中立軸ANに設けられているの
で、第1梁221或いは第2梁222の曲げ変形には影
響されない。
【0031】この結果、測定材との熱膨張係数の差によ
る熱歪の影響を受けない、高感度の歪検出センサが得ら
れる。なお、図3に示す如く、歪検出素子23を2個配
置してその検出信号を差動演算することにより、歪検出
素子23固有の温度係数の影響をも除く事ができる。
【0032】図7,図8に、FEM解析結果を示す。図
中、αは引張り、βは圧縮を示す。図7は、荷重による
歪分布のFEM解析結果であり、第1梁221と第2梁
222とで、非対称な歪が発生している。2個の歪検出
素子23からの信号の差を取ると、測定荷重を検出する
事ができる。
【0033】図8は、温度による歪分布のFEM解析結
果であり、第1梁221と第2梁222とで、対称な歪
が発生している。2個の歪検出素子23を対称に配置
し、2個の歪検出素子23からの信号の差を取ると、温
度歪の影響をキャンセルできる。図9は、本発明の歪検
出センサを電子秤に利用した実施例である。
【0034】上皿天秤31に測定重り32を載せると、
荷重に相応した撓みが、片持ち梁21に生じる。この歪
が、振動子23の長手方向の歪として検出される。測定
重り32により受けた力は、振動子23の固有振動数の
変化として検出される。
【0035】この結果、測定荷重32を測定する事がで
きる。33はF/V変換器、34は表示器である。
【0036】なお、図10に示す如く、水晶振動子41
をU字形に構成して、歪を直接検出しょうとする従来例
があるが、図11に示す如く、振動子41に感度を持た
せると、変形し易くなって、剪断力τによるモーメント
Mによって、振動子41が曲げを受けて変形する。
【0037】この結果、剪断歪は変形により吸収され、
振動子41に加わる軸歪は小さくなり、感度が低下す
る。これに対し、本発明では、振動子23は、基板22
上に構成されており、基板22は十分な曲げ剛性を得る
事ができるため、簡単に変形し難く、高感度が実現出来
る。
【0038】なお、前述の実施例においては、基板22
はシリコンよりなると説明したが、これに限ることはな
く、例えば、ガリウムでも良い。要するに、半導体であ
れば良い。
【0039】或いは、基板22は、パイレックスガラス
でも良い。パイレックスガラスは測定対象物に多く採用
される金属等に、陽極接合により接合出来る。接着剤を
使用せずに接合できるので、接着剤の欠点であるヒステ
リシスやクリープの恐れを回避出来、ヒステリシスやク
リープの少ない歪検出センサが得られる。
【0040】また、歪検出素子23は、振動子でなくピ
エゾ抵抗素子を使用しても良い。一般に、ピエゾ抵抗素
子は金属フォイルゲージに比べて50倍以上の高感度を
実現出来るものである。
【0041】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、第1梁
と該第1梁と平行に設けられた第2梁と前記第1梁と該
第2梁とを連結し全体としてU字形を構成する第3梁と
からなり前記第1梁に引張力前記第2梁に圧縮力或いは
前記第1梁に圧縮力前記第2梁に引張力が加わる様に両
端が測定荷重の印加により測定対象物の剪断力が生じる
個所に取付られた半導体或いはパイレックスガラスより
なる基板と、該基板の少なくとも第1梁或いは第2梁の
中立軸に設けられ当該梁の引張或いは圧縮歪を検出する
歪検出素子とを具備する歪検出センサを構成した。
【0042】この結果、測定材との熱膨張係数の差によ
る熱歪の影響を受けない、高感度の歪検出センサが得ら
れる。
【0043】従って、本発明によれば、測定体との熱膨
張係数差による熱歪の影響が少ない高感度の歪検出セン
サを実現することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の要部構成説明図である。
【図2】図1のA−A断面図である。
【図3】図1の要部詳細構成説明図である。
【図4】図2のC−C断面図である。
【図5】図1の動作説明図である。
【図6】図1の動作説明図である。
【図7】図1の動作説明図である。
【図8】図1の動作説明図である。
【図9】本発明の一利用例の要部構成説明図である。
【図10】図1の効果説明図である。
【図11】図10の動作説明図である。
【図12】従来より一般に使用されている従来例の構成
説明図である。
【図13】図12のA−A断面図である。
【図14】図12の利用例の要部構成説明図である。
【図15】図14のB−B断面図である。
【符号の説明】
21 片持ち梁 21a 一端 21b 他端 22 基板 22a 端 22b 端 221 第1梁 222 第2梁 223 第3梁 23 歪み検出素子 24 真空室 31 上皿天秤 32 測定荷重 33 F/V変換器 34 表示器 41 水晶振動子

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1梁と該第1梁と平行に設けられた第2
    梁と前記第1梁と該第2梁とを連結し全体としてU字形
    を構成する第3梁とからなり前記第1梁に引張力前記第
    2梁に圧縮力或いは前記第1梁に圧縮力前記第2梁に引
    張力が加わる様に両端が測定荷重の印加により測定対象
    物の剪断力が生じる個所に取付られた半導体或いはパイ
    レックスガラスよりなる基板と、 該基板の少なくとも第1梁或いは第2梁の中立軸に設け
    られ当該梁の引張或いは圧縮歪を検出する歪検出素子と
    を具備する歪検出センサ。
JP17588395A 1995-07-12 1995-07-12 歪検出センサ Pending JPH0926367A (ja)

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JP17588395A JPH0926367A (ja) 1995-07-12 1995-07-12 歪検出センサ

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001208510A (ja) * 2000-01-28 2001-08-03 Denso Corp 回転角検出装置
US7685886B2 (en) 2003-12-26 2010-03-30 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Convexo concave amplifying device and convexo concave detecting method by use thereof, deformation sensing device and convexo concave detecting method by use thereof, and convexo concave position exhibiting device and convexo concave position exhibiting method
CN107219026A (zh) * 2017-05-11 2017-09-29 广东省计量科学研究院(华南国家计量测试中心) 一种多方向微纳力测量装置及测量方法

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