JPH09280911A - 圧力、歪、温度の同時計測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 微小な一点の圧力、温度、及び歪を、薄膜セ
ンサを用いて同時に測定することができる圧力、歪、温
度の同時計測方法を提供する。 【解決手段】 圧力、歪、温度に対して、それぞれ異な
る特性を有する３種類の物質からなる薄膜センサ素子を
微小間隔を隔てて隣接配置して複合薄膜センサ４を形成
し、この複合センサ４の各センサ素子の出力をそれぞれ
ホイートストンブリッジ回路11〜13に接続し、各センサ
素子の圧力、歪、温度による抵抗変化をそれぞれ電圧変
化に変換して検出し、圧力、歪、温度に対して、第１の
物質から得られた３つの検出値、第２の物質から得られ
た３つの検出値、第３の物質から得られた３つの検出
値、及び各物質の抵抗変化の検出値を用いて、温度変
化、圧力変化、及び歪変化に関する三元連立方程式を立
て、この三元連立方程式を解くことによって圧力、歪、
温度の測定値を同時に求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧力、歪、温度の同
時計測方法に関し、特に、異なる３種類の物質を用いて
薄膜センサ素子を形成し、この薄膜センサ素子を用いて
圧力、歪、温度を同時に計測する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、種々の環境の下で動力を伝達する
機構、例えば、内燃機関においては、動作信頼性を確保
するために、荷重が加わる部位の圧力、歪、温度による
影響を調べる必要があり、その研究が行なわれている。
例えば、薄膜センサを用いて内燃機関の種軸受の油膜圧
力測定に関する研究が行なわれており、その成果が第１
２回内燃機関シンポジウムの講演論文集９５３７２４０
（武蔵工業大学）に発表されている。この論文集には、
滑り軸受における潤滑の解析が、軸受の変形や潤滑油粘
度の圧力依存性に関連付けて行なわれており、マンガニ
ンを感圧素子材料とする薄膜圧力センサを、スパッタリ
ング法によって主軸受の滑り面に形成して機関実働時の
油膜圧力測定することが記載されている。また、この論
文集には、薄膜圧力センサを用いた油膜圧力の測定に
は、歪と温度の補償を行なう必要があることが開示され
ている。

【０００３】即ち、この論文集には、薄膜圧力センサと
歪センサを用いて機関実働時の油膜圧力測定を行なうこ
とが開示されている。そして、薄膜圧力センサと歪セン
サの圧力と歪によるセンサ素子の抵抗変化を、ホイート
ストンブリッジ回路を介して電圧変化として変換して測
定を行なう場合、測定原理上次式に示す変化の影響を受
けることが開示されている。

【０００４】ΔR/Ｒ＝（∂R/∂P)ΔP/R ＋（∂R/∂ε)
Δε/R＋（∂R/∂T)ΔT/R （但し、ΔR/Ｒは抵抗変化率、Ｐは圧力、εは歪、Ｔは
温度） このように、薄膜センサは一般に、圧力、歪、温度に応
答するので、圧力センサとしては、右辺第２、第３項に
示す歪や温度の影響を受けにくい特性が必要である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
薄膜センサを使用して、例えば、圧力を測定したい時に
は、薄膜センサが温度や歪に対しては鈍感であってほし
い。しかしながら、近似的にはそのような要求を満たす
材質の膜があったとしても、厳密には、何らかの補正を
行なうことが必要である。例えば、歪や温度を別の方法
で測定することが必要である。

【０００６】また、微小な一点の圧力を測定する場合に
は、同時にその点の温度や歪が検出されない限り、その
検出精度は悪い。そして、微小な一点の圧力、温度、及
び歪を同時に測定するには、この一点に圧力センサ、温
度センサ、及び歪センサの３種類のセンサを置くことが
必要であり、現実には不可能であった。そこで、本発明
は、微小な一点の圧力、歪、及び温度を同時に測定する
ことができる圧力、歪、温度の同時計測方法を提供する
ことを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明の圧力、歪、温度の同時計測方法は、圧力、歪、温度
に対して、それぞれ異なる特性を有する３種類の物質を
それぞれ使用して形成した第１、第２、第３の薄膜セン
サ素子を、微小間隔を隔てて隣接配置して複合薄膜セン
サを形成し、この複合センサの各センサ素子の出力をそ
れぞれ抵抗値−電圧変換回路に接続し、各センサ素子の
圧力、歪、温度による抵抗変化をそれぞれ電圧変化に変
換して検出し、圧力、歪、温度に対して、第１の薄膜セ
ンサ素子から得られた３つの検出値、第２の薄膜センサ
素子から得られた３つの検出値、第３の薄膜センサ素子
から得られた３つの検出値、及び各薄膜センサ素子の抵
抗変化の検出値を用いて、温度変化、圧力変化、及び歪
変化に関する三元連立方程式を立て、この三元連立方程
式を解くことによって達成される。

【０００８】この圧力、歪、温度の同時計測方法に使用
する３種類の物質としては色々な材料の組み合わせが考
えられるが、例えば、マンガニン、クロム、及びチタン
を使用すれば良い。また、薄膜センサ素子は同一平面内
に並列に配置するか、或いは、薄膜センサ素子を絶縁層
を介して積層配置すれば良い。

【０００９】本発明の圧力、歪、温度の同時計測方法に
よれば、異なる３種類の特性の薄膜センサ素子を用いて
得た圧力、歪、温度の測定値を基にして３元連立方程式
を立て、この３元連立方程式を解くことによって、圧
力、歪、温度を各々に補償用センサを用いることなく同
時に測定することが可能となる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を用いて本発明の
実施の形態を、好適な実施例によって詳細に説明する。
図１は、本発明の圧力、歪、温度の同時計測方法を実施
する測定装置の構成を示す構成図である。

【００１１】図１において、４は複合薄膜センサであ
り、温度計測用の薄膜センサ１、圧力計測用の薄膜セン
サ２、及び歪計測用の薄膜センサ３から構成されてい
る。各薄膜センサ１，２，３には、細長い計測部１Ａ，
２Ａ，３Ａと、その両端に形成された電極部１Ｂ，１
Ｃ、２Ｂ，２Ｃ、３Ｂ，３Ｃがある。この複合薄膜セン
サ４は、圧力、歪、温度を測定する部位に設置される。

【００１２】各薄膜センサ１，２，３の電極部１Ｂ，１
Ｃ、２Ｂ，２Ｃ、３Ｂ，３Ｃは、それぞれホイートスト
ンブリッジ１１，１２，１３の一辺のブリッジ抵抗を設
ける位置に接続されている。即ち、所定の抵抗値を有す
る各薄膜センサ１，２，３が、ホイートストンブリッジ
の１つの抵抗を構成している。ホイートストンブリッジ
１１，１２，１３の対向する１組の電極間には所定電圧
が加えられており、ホイートストンブリッジ１１，１
２，１３の電圧の加えられていないブリッジ両端から
は、各薄膜センサ１，２，３の抵抗値の変化に対応した
出力が得られる。各ホイートストンブリッジ１１，１
２，１３のブリッジ両端は、それぞれ演算回路５に接続
されている。

【００１３】演算回路５は、ホイートストンブリッジ１
１，１２，１３の出力値から三元連立方程式を解いて、
複合薄膜センサ４によって検出された圧力、歪、温度の
計測値を同時に出力するが、この求め方については後述
する。図２は、図１の複合薄膜センサ４の構成を示す斜
視図である。複合薄膜センサ４は、圧力、歪、温度を測
定使用とする位置に、まず、スパッタリング等によって
絶縁性の保護膜６を形成し、その上に各薄膜センサ１，
２，３を形成し、更にその上に絶縁性の保護膜７を形成
することによって構成される。各薄膜センサ１，２，３
の細長い計測部１Ａ，２Ａ，３Ａの幅は、１０μｍ程度
であり、この線幅と長さでセンサの感度が決まる。電極
部１Ｂ，１Ｃ、２Ｂ，２Ｃ、３Ｂ，３Ｃの幅はこの細長
い計測部１Ａ，２Ａ，３Ａの幅に比べて十分に広いもの
であり、リード線の取り出し位置によって細長い計測部
１Ａ，２Ａ，３Ａの有する抵抗値に変化がないようにな
っている。

【００１４】前述の論文集に開示があるように、一般
に、薄膜センサは、圧力、温度、歪に感応する。即ち、
電気抵抗Ｒ、圧力Ｐ、温度Ｔ、歪εとして、１つの薄膜
センサを図１に示すようにホイートストンブリッジ回路
に接続した場合、ΔR/Ｒを抵抗変化率として、以下の式
が成立する。 ΔR/Ｒ＝（∂R/∂P)ΔP/R ＋（∂R/∂ε) Δε/R＋（∂
R/∂T)ΔT/R そこで、例えば、薄膜センサを用いて圧力を測定したい
時には、∂R/∂P が大きく、∂R/∂εと∂R/∂T とが無
視できる程度である方が良い。ところが、このような特
性の膜材質は厳密には存在しない。そこで、従来は、圧
力を測定したい時には歪や温度を別途計測して補正する
必要があった。

【００１５】本発明ではこのような従来の課題を解消す
るために、図１に示した３つの薄膜センサ１，２，３の
材質にそれぞれ異なる３種類の膜材質を使用している。
例えば、この実施例では、図１の複合薄膜センサ４にお
いて、薄膜センサ１に圧力を測定する薄膜センサの膜材
質としてマンガニンを使用し、歪を測定する薄膜センサ
の膜材質としてクロムを使用し、温度を測定する薄膜セ
ンサの膜材質としてチタンを使用している。なお、圧力
を測定する薄膜センサの他の膜材質としては白金、歪を
測定する薄膜センサの他の膜材質としてはポリシリコン
等も使用することができる。

【００１６】そして、３つの薄膜センサ１，２，３の材
料にそれぞれマンガニン、クロム、チタンを使用した複
合薄膜センサ４は、例えば、図３に示すように、ピスト
ン４の頂面に図２で説明したようにスパッタリング等に
よって成膜し、燃焼室内の圧力、歪、温度を測定するの
に使用することができる。複合薄膜センサ４による圧
力、歪、温度の測定値は、ピストン４の頂面を貫通させ
てリード線１４を引出し、ピストン４の上下動を緩衝す
るためのリンク機構９を経由させてこのリード線１４を
図１に示したようなブリッジ回路１０に導き、ブリッジ
回路１０の出力を演算装置１５に入力する。この演算装
置１５にはマイクロコンピュータ等のオンライン処理が
可能なコンピュータを使用する。

【００１７】複合薄膜センサ４を構成する圧力、歪、及
び温度測定用の３つの薄膜センサ１，２，３には、それ
ぞれ、燃焼室内の圧力Ｐ、歪ε、温度Ｔを測定させる。
ここで、薄膜センサ１の圧力、歪、温度の測定値をａ１
＝（∂R/∂P)、ｂ１＝（∂R/∂ε) 、ｃ１＝（∂R/∂
T)、抵抗変化Ａ１＝ΔＲ１とし、薄膜センサ２の圧力、
歪、温度の測定値をａ２＝（∂R/∂P)、ｂ２＝（∂R/∂
ε) 、ｃ２＝（∂R/∂T)、抵抗変化Ａ２＝ΔＲ２とし、
薄膜センサ３の圧力、歪、温度の測定値をａ３＝（∂R/
∂P)、ｂ３＝（∂R/∂ε) 、ｃ３＝（∂R/∂T)、抵抗変
化Ａ３＝ΔＲ３とすると、以下のような３元連立方程式
が成立する。

【００１８】

【数１】 図３の実施例では、この３元連立方程式を、演算装置１
５に内蔵されたコンピュータによってオンライン処理し
て解けば、測定位置における圧力、歪、温度の値を得る
ことができる。３元連立方程式は、予め定数（薄膜セン
サ１，２，３の特性）を演算装置１５に入力しておけ
ば、複合薄膜センサ４のブリッジ回路１０を通した測定
値を演算回路１５に入力するだけで、コンピュータ処理
によって測定位置における圧力、歪、温度の値を瞬時に
得ることができ、その時間的変化を測定することができ
る。

【００１９】このように、図３に示した複合薄膜センサ
４は、これまで測定が困難であった狭い場所に形成して
圧力、歪、温度を同時に測定することができる。以上説
明した実施例においては、３つの薄膜センサ１，２，３
が平面上に並列に並んで形成されて複合薄膜センサ３が
構成されていた。一方、複合薄膜センサ４は、３つの薄
膜センサ１，２，３をその厚さ方向に３層並べて形成す
ることもできる。

【００２０】図４及び図５(a) ，(b) は、本発明の圧
力、歪、温度を同時に計測する方法に使用する別の実施
例の複合薄膜センサ２５の構成を示すものである。この
実施例では、図４に示すように、ＳｉＯ₂ からなる絶縁
性の第１の保護膜２１をスパッタリング等によって測定
部位に形成し、この第１の保護膜２１上に細長い計測部
３１Ａと、その両端に形成された電極部３１Ｂ，３１Ｃ
を備えた第１の薄膜センサ３１をスパッタリング等によ
って形成する。以後、同様に、第１の薄膜センサ３１の
上にＳｉＯ₂ からなる絶縁性の第２の保護膜２２をスパ
ッタリング等によって形成し、その上に細長い計測部３
２Ａと、その両端に形成された電極部３２Ｂ，３２Ｃを
備えた第２の薄膜センサ３１をスパッタリング等によっ
て形成し、更に、第２の薄膜センサ３２の上にＳｉＯ₂
からなる絶縁性の第３の保護膜２３をスパッタリング等
によって形成し、その上に細長い計測部３３Ａと、その
両端に形成された電極部３３Ｂ，３３Ｃを備えた第３の
薄膜センサ３３をスパッタリング等によって形成し、最
後に第４の保護膜を第３の薄膜センサ３３（図示せず）
の上に形成する。

【００２１】図５(a) は図４のようにして形成した複合
薄膜センサ２５の平面図であり、第１、第２、第３の薄
膜センサ３１，３２，３３の細長い計測部３１Ａ，３２
Ａ，３３Ａは重なっている。この細長い計測部３１Ａ，
３２Ａ，３３Ａの幅も１０μｍ程度である。薄膜センサ
３１，３２，３３の出力は、それぞれ電極部３１Ｂ，３
１Ｃ，３２Ｂ，３２Ｃ，３３Ｂ，３３Ｃに取り付けたリ
ード線１６によって引出すことができる。図５(b) は図
４(a) のＡ−Ａ線における断面の符号Ｂで示す領域の断
面図である。測定部位の基材２０の上には、第１の保護
膜２１、第１の薄膜センサ３１、第２の保護膜２２、第
２の薄膜センサ３２、第３の保護膜２３、第３の薄膜セ
ンサ３３、および第４の保護膜２４がこの順に積層され
て形成されている。

【００２２】この実施例の複合薄膜センサ２５も、本発
明の圧力、歪、温度の同時計測方法において、図１，図
２で説明した複合薄膜センサ４と同様に使用することが
できき、３つの薄膜センサ３１，３２，３３によって検
出された値によって立てられた３元連立方程式をコンピ
ュータによって解くことにより、測定部位の圧力、歪、
温度を一度に測定することが可能となる。

【００２３】なお、以上説明した実施形態においては、
３つの薄膜センサを近接して設けた複合薄膜センサの実
施例を説明したが、圧力、歪、温度のうち、薄膜センサ
をどこに取り付けても測定環境が同じ見なせる場合、例
えば、圧力は或る容器の中ではどこでも一定と見なせる
場合には、狭い場所に敢えて３つのセンサを並べて設け
る必要は無く、その容器内であれば、離して設置するこ
とも可能である。

【００２４】以上説明したように、本発明の温度、圧
力、歪の同時計測方法によれば、以下のような利点があ
る。 (1) センサによる測定値に対して、面倒な補正の手続き
が不要になる。 (2) 狭い場所にセンサを取り付け可能なので、測定可能
範囲が広がる。 (3) センサは薄膜であるので、物体の表面に取り付けて
も物体の元の物理形状を阻害しない。 (4) 温度、圧力、歪をオンライン処理によって即時に求
めることができる。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
異なる３種類の特性の薄膜センサ素子を用いて３元連立
方程式を解くことによって、圧力、歪、温度を各々に補
償用センサを用いることなく同時に測定することが可能
となる。また、圧力、歪、温度を測定するための３種類
のセンサが全て薄膜センサであり、その構成が極めて微
小であるので、これらを隣接配置することによって、微
小な１点における圧力、歪、温度を同時に測定すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧力、歪、温度の同時計測方法を実施
する測定装置の構成を示す構成図である。

【図２】図１の複合薄膜センサの構成を示す斜視図であ
る。

【図３】図１に示した複合薄膜センサをピストンの頂面
に取り付けて、ピストンの頂面が受ける圧力、歪、温度
を測定する構成を示す説明図である。

【図４】本発明の圧力、歪、温度の同時計測方法に使用
する複合薄膜センサの別の実施例の構成を示す組立図で
ある。

【図５】(a) は図４の複合薄膜センサの平面図、(b) は
(a) のＡ−Ａ線における断面の符号Ｂで示す領域の断面
図である。

【符号の説明】

１，２，３…薄膜センサ １Ａ，２Ａ，３Ａ…計測部 ３Ａ，３Ｂ，３Ｃ…電極部 ４…複合薄膜センサ ５…演算回路 ６，７，８…保護膜 １０…ブリッジ回路 １１〜１３…ホイートストンブリッジ １４…リード線 １５…演算装置 １６…リード線 ２０…基材 ２１〜２３…第１、第２、第３の保護膜 ３１〜３３…第１、第２、第３の薄膜センサ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧力、歪、温度に対して、それぞれ異な
   る特性を有する３種類の物質をそれぞれ使用して形成し
   た第１、第２、第３の薄膜センサ素子を、微小間隔を隔
   てて隣接配置して複合薄膜センサを形成し、 この複合センサの各センサ素子の出力をそれぞれ抵抗値
   −電圧変換回路に接続し、 前記各センサ素子の圧力、歪、温度による抵抗変化をそ
   れぞれ電圧変化に変換して検出し、圧力、歪、温度に対
   して、第１の薄膜センサ素子から得られた３つの検出
   値、第２の薄膜センサ素子から得られた３つの検出値、
   第３の薄膜センサ素子から得られた３つの検出値、及び
   各薄膜センサ素子の抵抗変化の検出値を用いて、温度変
   化、圧力変化、及び歪変化に関する三元連立方程式を立
   て、 この三元連立方程式を解くことによって、圧力、歪、温
   度を同時計測することを特徴とする圧力、歪、温度の同
   時計測方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の圧力、歪、温度の同時
   計測方法であって、前記３種類の物質が、マンガニン、
   クロム、及びチタンであることを特徴とするもの。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の圧力、歪、温度の同時
   計測方法であって、前記薄膜センサ素子が同一平面内に
   並列に配置されていることを特徴とするもの。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の圧力、歪、温度の同時
   計測方法であって、前記薄膜センサ素子が絶縁層を介し
   て積層配置されていることを特徴とするもの。