JPS6073425A - 力測定器 - 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】 本発明は荷重をかけると弾性的に撓む測定素子と、荷重
に依り測定素子の撓みを電気容量的に検知するための構
成とを有し、固定電極と測定素子に配設された電極とを
備えた力測定器に関する。

このような種類の力測定器は例えばドイツ連邦共和国特
許公開公報第２９４１３７８号及びヨーロッパ特許出願
？Ｎ００１７５８１号により公知である。これら公知の
力測定器はなかんづく比較的大きな場所を特に垂直方向
（力のかかる方向）に必要とする点に特徴を有し、その
第一の問題は測定素子及びセンサーを備えた測定セルが
大きいことにある。

本発明は、垂直方向にもコン／−、＋１クトな構造を作
り、優れた測定性を有し、しかも再生自在の優れた品質
で、経済的な大量生産に適する力測定器を提供するとい
う課題を有する。この課題は測定セルが前記条件を満足
するときに、基本的には解決される。そこで本発明は、
冒頭に挙げた種類の力測定器において測定素子はシリコ
ンから形成され、かつ薄フイルム電極を有し、固定電極
は薄フイルム電極と同様に、基体の上に取り付けられ、
そして測定素子は基体と共にスペーサを介して構造グル
ープに強固に連結することを提案する。後で実施例によ
って明確に分るように、該技術的思想に従って現在の技
術及び材料を用いることによって非箒にコンパクトで取
り扱いが容易な測定セルを製作することができる。

測定素子用の材料として第一に取り挙げるべきものは単
結晶の形の純粋なシリコンである。この場合、方位１１
１もしくは１１０の単結晶は腐蝕性においても、また機
械的性質においても特に有利である。

本発明の特に好ましい実施例では、基体は硼素硅酸ガラ
スから成り、これらの熱膨張係数は測定素子のそれと極
めて近似する。もう１つの有利な実施例では基体も同様
にシリコンから成ることを特徴とする。

スペーサは基体もしくは測定素子を腐蝕することにより
形成するのが望ましい。もう１つの有利な点は、スペー
サを上に載せる凰から作ることである。スペーサは円形
のリングピースの形状か、もしくは矩形とするのが望ま
しい。後者の場合、例えば結晶軸の方向（シリコンの場
合方位１０ｏ）に腐蝕する方法が望ましい。

好ましい１つの実施例では、電極は円表面を形成し、こ
の円表面を電界を均質化するために（そしてこれによっ
て浮遊容量を抑制するために）各１つのリング電、極に
よって取り囲む。

さらにもう１つの好ましい実施例では、電極は矩形であ
り、これによって多くの場合より良好な表面の利用を行
うことができる。

またある有利な実施例では、測定素子は矩形状で、その
場合中央の力受は部材を、曲げ支持部を形成する薄い部
分を介して剛なフレームに連結する。

例えば湿気の影響を避けるために、構造グループを気密
に閉鎖することもできる。

多くの場合、構造グループが誘電体として非導電性の液
体を含むのが好都合である。その場合、例えば油を使用
してもよく、それによって同様に空気中の湿気の侵入を
防ぐことができる。

さらに別の有利な変形実施例では、電極のための接続路
を測定素子若しくは基体の中に拡げて形成することがで
きる。これによって、薄フイルム技術の応用に際し場合
によっては妨げとなる高さを減少させることができる。

ある種の外乱の影響を除去し、かつ測定信号を大きくす
るために別の有利な実施例では、測定素子を各１つの位
置固定の電極を有する２つの基体の間に配設している。

温度の変化及びその他の外乱と無関係とするために、基
準素子を設けると好都合である。そこで本発明のさらに
別の構成では、共通の基体の上に測定素子と基準素子を
設けることを提案する。この変形実施例は測定素子と基
準素子とが共通の構成部を形成することを特徴とし、こ
の場合追加されたスペーサは基準素子と電極との距離を
荷重と無関係に一定に維持する。これに代えて、２つの
同様のセンサーを互いに隣接して設けることも可能であ
り、その場合一方のセンサーに測定すべき力をかけ、他
方のセンサーにはかけない。

以下本発明のいくつかの実施例をスケールのない図面に
より説明する。

実施例■（第１図乃至第５図） 測定セル１０は正方形のシリコン単結晶の形の測定素子
１２及びガラス製の基体１４を備え、この基体１４は測
定素子の約２倍の厚さで、同じく正方形である。基体１
４を金属製の固定板１６に接着する。測定する力Ｆを測
定素子１２の中心にかける。

力測定器に取り付けられる機械的な部材は本発明の理解
には役に立たないから、これら（例えば力受は都、ハウ
ジング等）の説明は省略する。これらは例えば米国特許
明細書箱４，２９１，７７６号に示された装置としても
よい。

測定素子１２及び基体１４の構造を第３図及び第４図に
特に詳細に示す。基体１４は４つの円形のリングピース
２４を有し、間隙保持都としての機能を有する。間隙２
６は通気（圧力と温度の均衡）と、もう１つは電気結線
を通す役目をする。

円形のリングピース２４による境界の内面に、接続部３
０と接続導線３２を付設した薄いリング電極２Ｂ、接続
部３６と接続導線３８を付設した円形の固定電極３４を
設ける。

測定素子１２（第３図では見えない）は基体１４に向い
合う面に上記と同様の、接続部３６と接続導線３８′と
を付設した円形の薄フイルム電極３４′及び接続部３０
′と接続導線３２′とを付設したリング電極２８から成
る構成部を有する。各２つの円形の固定電極３４、薄フ
イルム電極３４とリング電極２８．２８’は互いに正確
に対向して置かれており、一方接続ちし及び接続導線（
３ｏ　、　３２，３（Ｊ’。

３２′及び３６　、３８．３６’　、　３８’）は対角
状に置かれている。互いに向い合う部材（測定素子１２
と基体１４）の対向する方向の隅部は空間を設けておく
という理由（電気的な接続のために接近容易とするため
）から離して置かれている。

図は縮尺どおりではなく、大きく拡大されていることに
留意されたい。この実施例の測定素子１２及び基体１４
の面積は備か１ｄ、その厚さは僅か数朋しかない。固定
電極３４と薄フィルム電極斜′との距離は数マイクロメ
ータのオーダである。

第５図のブロック線図から電気回路の基本部材が分る。

円形の固定電極３４と薄フィルム電極ダから成る測定用
コンデンサは信号導線６７．６７を介してオシレータ６
６（例えはテキサスイストルーメンツのタイプ７４ＬＳ
６２４）　の両方の入力節に接続している。この測定コ
ンデンサは例えば５■の作動電圧を有する。両方のリン
グ電極２８゜２８′（専門的には”保護ＩＪソング称さ
れることがある）を、各１個の分離増幅器１１　（６８
，６８）を介して信号導線６−／　、　６７’に導通さ
せる。両方の分離増幅器６８　、６８は高抵抗の入力部
と低抵抗の出力部を有する。これにより、可変浮遊容量
に関する測定信号が妨害されるのを広（除去することが
できる。

上記に代えて、これとは別の構造のオシレータ６６、例
えばナショナルセミコンダクター　のタイプＬＭ３３１
を用いてもよい。この場合、一方の測定用電極とリング
電極をアースするのがよく、そうすると両方の分離増幅
器の一方を節約することができ、これはアースに対する
浮遊容量が実際には測定信号に影響を与えないからであ
る。入力抵抗が殆どゼロの、電流により制御されるオシ
レータをその前に設けている場合には、リング電極２８
　、２８’は省略することができる。

オシレータ６６から発信されるインパルスを一定時間計
数器７０で計数し、その和をメモリ７２に送り、次にマ
イクロコンピュータ７４で最終の測定結果として算出す
る。マイクロコンピュータ７４により制御されるデコー
ダドライバ７６を介してこの測定結果はディジタル表示
器７８に送られる。パルス発信器（クォーツオシレータ
）８０はマイクロコンピュータ７４に対して基準周波数
を送り、また分割器として作動する計数器８２を介して
計数の開始、計算器７０のリセット、及びインパルス総
和のメモリ７２へのならびにそこがラマイクロコンピュ
ータ７４への送りのためノ制御信号を発する。この測定
原理は公知であり、だから簡単に説明すれば足りる。荷
重をかけると測定素子１２は弾性的に撓み、測定用コン
デンサ（固定電極３４、薄フィルム３４′）の容量が変
化する。これに対応して変化する、オシレータ６６の出
力部の周波数から作用する力（秤の場合には重曹）をめ
ることができる。

薄フイルム技術（例えば蒸着）によりチタン・タングス
テン混合物もしくは金から成る金属層をシリコン単結晶
の上に付着させる。写真石版印刷により、金属層（厚さ
はマイクロメータのオークつからリング−極２８′及び
円形の薄フィルム電極ば及びこれらに付設した接続ｓａ
ｏ、ａｓ’を形成する。金か゛らなる接続導線３２’、
３８’を１熱圧接”として知られている方法により付着
させる。

ｂ）基体１４ 熱膨張係数の小さい、アルカリを含む硼素硅酸ガラス（
例えば５ｃｈｏｔｔ　８３３０もしくはＣｏｒｎｉｎｇ
７７４０）を利用する。このガラスに例えは陰極スパッ
ター法でチタン・タングステン混合物及び金からなる薄
い金属層を付着させ、次にこのガラスを写真石版印刷で
被覆する。その後弗化水素酸で表面を腐蝕させると、円
形のリングピース２４の形のスペーサが出来る。次にこ
のリングピースの上に残っている遮蔽層を除去する。

その次に上記ａ）で述べたように、電極及び接続婦の層
を形成し、また接続導線を結合する。

測定素子１２ならびに基体１４を個々の部材として製作
するよりも、公知の多重複写法により、例えば４Ｘ４イ
ンチの標準形状から出発し、次にこれを分割して製作す
る方が好都合である。

測定素子１２と基体１４のそれぞれを互いに重ね合せ、
これを両方の電極が互いに対向するように位置決めする
。次にこれらの画素子を陽極結合法（温度約４００℃、
電圧的８００■、約１０分ｌ１Ｉ）により互いに接続す
る。

ガラスとシリコンの組合せに代えて、両方の素子をシリ
コンで作ってもよい。この変形例では同じ利料であるた
め、機械的性質ならびに熱的性質の差異を考慮しなくて
もよいという利点がある。

その代り、一方の素子は最終的に陽極結合を可能とする
ために（例えばスパッターによる）ガラス層を備えてい
なければならない。

上記の代りに、測定素子１２と基体１４とを熱圧接法に
より結合することもでき、その後その接合部を金もしく
は他の適当な金属でコーティングすることにより同等の
ものを作成する。

場合によっては、あるいは要求によってはそれ自身公知
の方法で、例えば測定素子もしくは基体と電極との間の
電気的絶縁層及び／又は電極とそれに付属する導線路に
よる湿気に対する保護層のようなさらに別の盾を設ける
のが有利である。。そのための材料としては、例えば酸
化アルミニュウムあるいは酸化シリコンが考えられる。

実施例■（第６図） 第二実施例は回転対称に構成された、差動式力測定器を
示す。

支持台４０の上にガラス（もしくはシリコン）製の円筒
状の基体４２を固定する。この基体４２はその周りを取
り巻く薄いカラー４４を有する。

シリコンから成る円い測定素子４６は閉じた外方のリム
４８、及び多数の垂直な開口５０を有する。

構造グループの上側を閉鎖してガラス若しくはシリコン
から成る円筒め材の形で仕切板として作用する第二の基
体５２を形成する。同心円状の固定電極５４．５６．薄
フイルム電極５８．６０を基体４２の上側（５４）、測
定素子４６の両側（５６゜５８）、及び仕切板である基
体５２の下側（６０）に取り付ける。測定素子４６及び
基体４２．５２の３つを改ためて構造グループとして固
定し、しかも接触面６１でこれを取り囲む。その結果こ
れらは気密に閉鎖され、従って例えば湿気に対して隙間
のない構造ができ・る。上方空間と下方空間の間の圧力
の平衡は開口５０によって行なわれる。

外側のリング状の足６４を有する力分配器６２を介して
力がかけられると、この力は同心状に湾曲を生じさせる
。リム４８は下方へ反り、測定素子４６の中央部は上方
へ膨らむ。対応する電極斜と５６の間に、並びに５８と
６０の間の電気容量は反対向きに変化する。共に対応し
て高くなったり若しくは低くなった開始信号が、例えば
商（Ｃｔ／Ｃ２、或いは（ＣＩ　Ｃ２）　／　（ＣＩ　
十Ｃ２）の方がペター）をめることにより評価（分析）
されると、その結果温度の変動のような変動する備かな
外乱でも除去される。

電気的制御は第５図によりそれぞれ行なわれる。

たゾ追加されたコンデンサ電極を形成する薄フイルム電
極５８．固定電極６０に対する構成部材（コンポーネン
ト）を補充する（オシレータ６６′。

計数器７０′、メモリ７２′）だけでよい。さらに、マ
イクロコンピュータの作動プログラムをこれに対応する
ように適合させる。分離増幅器ｓ８．ａｍに関する回路
の６６分をどのように形成するかは、実施例工において
述べたように、どのようにオシレータ６６．６６’を利
用するか、また適当なリング電極２８．２８’を有して
いるかどうか（第６図では図示省略）に依存する。こ＼
に述べた全ての変形は専門家には周知のことであり、だ
から詳細な説明は必要としないであろう。

実施例■（第７図） シリコンから成る円い基体８４は円形の固定電極８６と
リング電極８８を有する。丸い測定素子９０は、基体８
４よりも薄く、幾分小さい直径であるが、上記に対応し
てこれに向い合う薄フイルム電極８６．リング電極８８
′を有する。中間を分断することにより分離された円形
のリングピースの形の２つのスペーサ９１．９２を設け
る。これらはリング電極８８．８８’の領域を円形の固
定電極８６．薄フイルム電極８６′の領域それぞれから
分離する。測定すべき荷重Ｆを中心にかけると、スペー
サ９２の内部中心領域だけが撓み、リング電極８８．８
８’の間の距離は一定である。これにより測定センサー
と基準センサーは一体になった構造グループに連結され
る。

電極に対する電源の構成は、基本的には実施例工による
ものに相当し、構造グループの製作も同様である。たシ
スペーサ９１．９２だけがこの場合側の方法で、即ちこ
れらを選択的に付着（噴霧）させてガラス層を希望の厚
さく数マイクロメータ）にすることにより生じる。

実施例■（第８図及び第９図） この最後の実施例は矩形の測定セルを有する。

基体９４は正方形の固定電極９６（円形であってもよい
）及びこれを取り囲む矩形に＼ては正方形）のフレーム
電極９８を有する。正方形の基本面を有する測定素子１
００は底に同じく正方形の、腐蝕により作られたリセス
１０２を備え、このリセスに薄フイルム電極９６′とフ
レーム電極９８′が配設されている。測定素子１００の
中心ｉｔｓ　１０４゜はピラミッド断端の形をしており
、かつ測定すべき力（点荷重或いは面荷重としてかける
ことができる）の受けの役目をする。この中心部１０４
は４つの正方形の、曲げ支持部として作用する薄い帯状
都１０６を介して外側の強固なフレーム１０８に結合さ
れている。四隅には、曲げ支持部を反対側に分離するた
めの隙間１１０がある。リセス１０２に境を付けてこれ
を取り囲むフレーム１０８の脚部１０９はスペ―すの機
能を有する。

第９図の右方には接続導線１１６．１１８を有する２つ
の半田付は位置１１２，１１４が印されている。図の左
方には接続導線１２４．１２６を有するさらに別の２つ
の半田付は位置１２０．１２２が見える。半田付は位置
１１４は（下方の）固定電極９６に属し、半田付は位置
１２２は（上方の）薄フイルム電極９６′に属する。同
様に半田付は位置１１２は（下方の）フレーム電極９８
に属し、半田付は位置１２０は（上方の）フレーム電極
％′に属する。上方の電極と基体９４上の半田付は位置
間の電気的接続は、対応する電路部分１２８　、１３０
を測定素子１００及び基体９４の上に設けることによっ
て行なう。各部分に属する位置を決めた後構造グループ
を陽極結合（実施例工のＣ）による）により結合する際
に、それぞれが共通に属する電路部分１２８若しくは１
３０を熱圧接により接続する。次に導線１１６，１１８
，１２４，１２６を接続する。

測定素子１００に荷重をかける際内側部分のみが撓むが
、その間強固なフレーム１．０８はその位置が変らない
。これに対応して固定電極９６．薄フィルム９６は改め
て測定部−とじて、またリング電極９８．９８’は基準
部として作用する。

強固な中央部分１０４を有する構成の利点は、撓みに際
しての電極間距離が全面に亘って実際上同一に変化する
ことにある（曲げ支持部１０６による中央部分の平行移
動）。だから、１つのアーチの場合（実施例■乃至■に
よるような）よりも大きな測定信号が得られる。

測定の質に関する強い要求に対しては、個々の外乱（例
えば温度、大気圧、湿度）に対する特殊なセンサーを設
けることができ、そのためこれら、の入力外乱について
各１つのさらに別のオシレータを働らかせ、そしてその
結果生じる周波数を計算し、マイクロコンピュータで適
当な補正式により補正した測定値を計算する。上に説明
した信号の変換は単に１つの例にすぎないことは明らか
である。だから他の方法も同様に用いることは可能であ
り、例えば実施例■及び■の場合、公知のホイートスト
ンによるブリッジ回路を用いてもよい。

本発明による力測定器のいま１つの実施例では、測定素
子及び基体から成る構造グループ中に例えば基体上に一
体化された回路の形の評価回路の電子構成部分のような
さらに別の素子を一体化することができ　（そのために
は基体を適当に拡大すべきである）、これによって力測
定器の製造方法をさらに合理化することができる。

最後に、以上に説明した力測定器のなお基本的ないくつ
かの事項について説明する。できる限り大きな、荷重に
依存する電気容量（従ってより大きな測定信号）の変化
を得るためには、電極間の距離を正確に、捉え得る限り
小さくするのが望ましく、また必要である。このように
小さな距離はガラス及び／又はシリコンを用いることに
よって可能であり、これらは今日ではより良質の表面性
状を与えるものである。だから、薄フイルム技術及び腐
蝕技術の応用により、精密な（従って高価な）機械部品
を用いなくとも、上記の条件を満足することができる。

従って、費用のかからない大量生産が可能である。この
場合特に純粋なシリコンの優れた機械的性質（例えば極
く僅かなりリープ性及び関連する領域における実際上代
表的なはね特性曲線に関する）は優れた測定の質を保証
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は第一実施例の、第２図における線１−１に沿う
断面図、第２図は平面図、第３図は第４図の線３−３か
ら見た断面図、第４図は第３図の線４−４に沿う、上方
部分を含む対角方向の断面図、第５図は制御及び評価の
ためのブロック図、第６図は第二実施例の断面図、第７
図は第三実施例の断面図、第８図は第９図の線８−８に
沿う第四実施例の断面図、第９図は第四実施例の平面図
である。 １０・・・測定セル、１２．４６．９０．１００・・・
測定素子、１４　、４２　、５２　、８４　、９４・・
・基体、３４　、５４　、６０　、８６　、９ｅ５・・
・固定電極、３４′。 ５６．５８　、８６’、　９６’・・・薄フイルム電極
、２日。 ２　Ｂ’、　８８　、８８’、　９８　、９８’・・・
リング電極、２４．４８，９０，９２，１０９・・・ス
ペーサ特許出願人　メトラーインストルメンテアーゲー
同　代理人　鎌　１）文　ニ Ｆｉｑ、　２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）荷重をかけると弾性的に撓む測定素子と、この測
   定素子の荷重に依る撓みを電気容量的に検知するための
   機構とを有し、固定電極と測定素子に配設された電極と
   を備えた力測定器において、−測定素子１２．４６．９
   ０．１００はシリコンより成り、かつ薄フイルム電極３
   ４’、５６，５８゜８ｅｉ　、９６を有し、 一固定電極３４．５４，６０．８６．９６は、薄フイル
   ム電極と同様に、基体１４．４２．５２゜８４．９４の
   上に取り付けられ、 一測定素子は基体と共にスペーサ２４．４８．９０゜９
   ２．１０９を介して構造グループに強固に連結されてい
   る ことを特徴とする力測定器。 （２１基には硼素硅酸ガラスから成り、その熱膨張係数
   は測定系子のものと極めて近似することを特徴とする特
   許請求の範囲第１項に記載の力測定器。 （３）基体は同様にシリコンから成ることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載の力測定器。 （４）　スペーサを、基体若しくは測定素子を腐蝕させ
   ることによって形成することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載の力測定器。 （５）　スペーサを上に載せる麺によって形成すること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の力測定器。 （６）　スペーサ２４は、円形のリングピースの形を有
   することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の力
   測定器。 （７）　スペーサ１０９は、矩形であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の力測定器。 （８）　固定電極３４及び薄フイルム電極３４′は、各
   リング電極２８　、２８’によって取り囲まれた円形面
   を成することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   の力測定器。 （９）　固定電極９６、薄フイルム電極９６′は矩形で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項による力測
   定器。 １０１　測定素子１００は矩形であり、中心の力受は部
   材１０４は曲げ支持線を形成する薄い部分を介して剛な
   フレーム１０８に連結されていることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載の力測定器。 （１１）　構造グループを気密に閉鎖したことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載の力測定器。 （１り　構造グループは誘電体として非導電性の液体を
   含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の力
   測定器。 ０３）電極のための接続路を測定素子若しくは基体の中
   に拡げて形成することを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載の力測定器。 （１４）測定素子４６を、各１つの固定電極５４゜６０
   を有する２つの基体４２　＋　ｂ　２の間に配設したこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の力測定器
   。 ０５）共通の基体の上に測定素子及び基準素子を設けた
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の力測定
   器。 ０６）測定素子及び基準素子は共通の構成線９０を形成
   し、その際追加されたスペーサ９２は基準都の電極間距
   離を荷重とは無関係に一定に維持することを特徴とする
   特許請求の範囲第１５項に記載の力測定器。