WO2016208531A1 - 歪検知装置 - Google Patents

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terminal
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加藤学
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アイシン精機株式会社
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors

Definitions

  • the present invention relates to a strain detection device that detects strain generated in a deformable body.
  • Patent Document 1 Conventionally, as a technique for detecting distortion that has been used, for example, there is one described in Patent Document 1.
  • a Wheatstone bridge is configured by three fixed resistors and one variable resistor, and a constant current circuit, a differential amplifier, and a current control circuit are connected to the Wheatstone bridge.
  • the constant current circuit supplies a constant current to the Wheatstone bridge, and when the load input changes the resistance value of the variable resistor to generate an output voltage at the Wheatstone bridge, the differential input voltage of the differential amplifier changes and the constant current Control.
  • the characteristic configuration of the strain sensing device includes a deformable body distorted according to an input load, a piezoresistor provided on the deformable body and changing a resistance value according to the strain, and a predetermined resistance value.
  • An operational amplifier having an inverting input terminal to which a second potential consisting of a predetermined constant potential different from the first potential is connected, and an output terminal to which the other terminal of the piezoresistor is connected It is in.
  • a voltage proportional to the piezoresistance can be obtained as the output of the operational amplifier in inverse proportion to the input resistance, so that an output having high linearity with respect to a change in the resistance value of the piezoresistor can be obtained. can get. Therefore, a highly linear output can be obtained with respect to a change in resistance of the piezoresistor without individual adjustment of the linearity. Therefore, in the area
  • the input resistance and the piezoresistor are semiconductors of the same material and of the same conductivity, and the carrier concentration ratio of the input resistance to the piezoresistor is 0.5 or more and 2.0 or less. It is.
  • the rate of change of the resistance value in the input resistance when a predetermined load is input to the deformable body is the change in the resistance value of the piezoresistor when the predetermined load is input to the deformable body. It is suitable that it is smaller than the ratio.
  • the input resistance is provided in the same adhesive structure as the piezoresistor at a portion where the amount of distortion produced when a load is input to the deformable body is smaller than the amount of distortion produced at the portion where the piezoresistor is provided. Is preferred.
  • the distortion amount of the input resistance can be made smaller than the distortion amount of the piezoresistance, and the change of the input resistance with respect to the input of the load can be suppressed.
  • the bonding structure is the same, it is possible to make the amount of distortion due to the shrinkage during curing of the adhesive during bonding and the difference in thermal expansion coefficient with respect to the adhesive and the deformable body closer to the input resistance and the piezoresistance, and no load is applied.
  • the piezoresistor and the input resistor are simultaneously manufactured in the same process and are formed as a single semiconductor chip.
  • a plurality of the piezoresistors, the input resistor, and the operational amplifier are provided, and the plurality of piezoresistors are provided at different positions of the deformation amount of the deformable body. It is preferable to calculate the input load.
  • the amount of distortion of the plurality of input resistors caused by the distortion of the deformable body is smaller than the amount of distortion of the most distorted piezoresistor of the piezoresistors.
  • noises equally applied to the outputs of the plurality of operational amplifiers are provided by providing a plurality of distortion detection circuits including the piezoresistor, the input resistance, and the operational amplifier and using the difference between the outputs of the plurality of operational amplifiers as the detection signal. Can be canceled to enable more accurate detection.
  • a rate of change in resistance value in the input resistance when a predetermined load is input to the deformable body is 1/100 or less of a rate of change in resistance value of the piezoresistor.
  • the rate of change in input resistance can be made smaller with respect to the rate of change in piezoresistance with respect to the input of a load, and the rate of change can also be made smaller with respect to the input resistance.
  • a strain detection device detects a load input to a deformable body.
  • the strain sensing device 1 of the present embodiment will be described.
  • the strain detection device 1 is configured to include a deformation body 10 that is strained in accordance with an input load, and a strain detection circuit 50.
  • a perspective view of the deformation body 10 is shown in FIG.
  • the deformable body 10 is formed, for example, in a rectangular plate shape using a material that is distorted according to the input load.
  • the deformation body 10 is supported at a position where the deformation body 10 can be distorted as shown in FIG. 2 when a load is input to the load input unit 12 set at a predetermined position.
  • the distortion detection circuit 50 is configured to include a piezoresistor 20, an input resistor 30, and an operational amplifier 40.
  • the piezoresistor 20, the input resistor 30, and the operational amplifier 40 are manufactured using a known semiconductor manufacturing process.
  • the piezoresistor 20 is provided at a portion of the deformable body 10 where strain occurs when a load is input, and the piezoresistor 20 is distorted according to the amount of strain of the deformable body 10.
  • the piezoresistor 20 is made of a single crystal semiconductor, and changes the resistance value according to the amount of distortion. If the deformable body 10 is fixed in a state where both ends are not rotated, as shown in FIG. 2, the surface 13 (a surface on which the load input unit 12 is set) on which the load in the deformable body 10 is input. When attention is paid, a pair of tensioned portions A and a pair of compressed portions B appear. In the portion C between the tensile portion A and the compression portion B, almost no distortion occurs.
  • the piezoresistors 20 are provided at at least one of each of the pair of tension portions A and each of the pair of compression portions B. Thereby, it becomes possible to detect the distortion which arose in the deformation body 10 by the change of resistance value.
  • Input resistor 30 has a predetermined resistance value.
  • the input resistor 30 may be formed using a semiconductor.
  • the operational amplifier 40 has a noninverting input terminal 41, an inverting input terminal 42, and an output terminal 43.
  • the non-inverted input terminal 41 is connected to a first potential consisting of a predetermined constant potential.
  • the predetermined constant potential refers to a potential at which the potential difference with the reference potential (ground potential) is constant.
  • a constant voltage source 61 that outputs a first potential is connected to the non-inversion input terminal 41.
  • the piezoresistor 20 and the input resistor 30 are each configured to include a pair of terminals.
  • the inverting input terminal 42 is connected to one of the pair of terminals of the piezoresistor 20 and one of the pair of terminals of the input resistor 30. Further, to the inverting input terminal 42, a second potential consisting of a predetermined constant potential different from the first potential is connected via the input resistor 30. That is, in the input resistor 30, the second potential of direct current different from the first potential is connected to the other of the pair of terminals, and the inverting input terminal 42 is connected to one of the pair of terminals . In the example of FIG. 3, the constant voltage source 62 that outputs the second potential is connected to the other terminal of the input resistor 30.
  • the other terminal of the pair of terminals of the piezoresistor 20 is connected to the output terminal 43. As described above, one terminal of the piezoresistor 20 is connected to the inverting input terminal 42. Therefore, the piezoresistor 20 is used as a feedback resistor provided across the output terminal 43 and the inverting input terminal 42 of the operational amplifier 40.
  • the distortion detection circuit 50 is proportional to the potential difference between the first potential and the second potential and to the resistance value of the piezoresistor 20, and inversely proportional to the resistance value of the input resistance 30. Output voltage.
  • the resistance value of the piezoresistor 20 changes due to the load input to the deformable body 10, and as a result, the output voltage of the strain detection circuit 50 changes.
  • the first potential connected to the non-inverted input terminal 41 of the operational amplifier 40 and the second potential connected to the inverted input terminal 42 of the operational amplifier 40 do not change.
  • the voltage output from the output terminal 43 of the operational amplifier 40 changes.
  • the distortion detection circuit 50 functions as a resistance-voltage conversion circuit because the change in resistance value corresponding to the distortion can be extracted as a change in voltage value, and distortion is generated based on the voltage output from the output terminal 43. It becomes possible to detect the amount.
  • a voltage proportional to the piezoresistor 20 can be obtained as the output of the operational amplifier 40 in inverse proportion to the input resistor 30.
  • a highly linear output is obtained. Therefore, an output having high linearity with respect to a change in resistance of the piezoresistor 20 can be obtained without individually adjusting the linearity. Therefore, in the area
  • the rate of change in resistance value of the input resistance 30 when a predetermined load is input to the deformable body 10 is the ratio of changes in resistance value of the piezoelectric resistance 20 when a predetermined load is input to the deformable body 10. It is better to use one smaller than the rate of change in resistance value.
  • the rate of change in resistance of input resistor 30 when a predetermined load is input is sufficiently smaller than the rate of change in resistance of piezoresistor 20, and preferably the rate of change in resistance of input resistor 30 However, it is preferable that it is 1/100 or less of the rate of change of the resistance value of the piezoresistor 20. By doing this, the rate of change of the input resistor 30 can be made smaller with respect to the rate of change of the piezoresistor 20 with respect to the input of the load, and the rate of change can be made smaller with respect to the input resistor 30.
  • the distortion detection device 1 configured as described above, it is possible to suppress non-linearity due to a change in the resistance value of the input resistor 30 when a load is input in the output of the operational amplifier 40.
  • the input resistance 30 includes the piezoresistor 20 at a portion where the amount of strain produced when a load is input to the deformable body 10 is smaller than the amount of strain produced at the portion where the piezoresistor 20 is provided. It is good to be provided by the same adhesion structure. Desirably, it is preferable that the input resistor 30 be provided with the same adhesive structure as the piezoresistor 20 at a portion having a strain amount of 1/100 or less with respect to the strain amount of the portion to which the piezoresistor 20 is bonded. . Specifically, the input resistor 30 is provided at a portion where the amount of distortion is smaller than that of the tension portion A or the compression portion B in FIG.
  • the same bonding structure refers to bonding the piezoresistor 20 to the deformable body 10 and bonding the input resistor 30 to the deformable body 10 when the piezoresistor 20 and the input resistor 30 are formed of different chips.
  • the strain amount of the input resistor 30 can be made smaller than the strain amount of the piezoresistor 20, and the change of the input resistor 30 with respect to the input of the load can be suppressed.
  • the bonding structure is the same, the input resistance 30 and the piezoresistance 20 can make the distortion amount due to the shrinkage during curing of the adhesive and the difference between the thermal expansion coefficient to the adhesive and the deformable body 10 possible.
  • the fluctuation of the ratio of the resistance value to the temperature of the piezoresistor 20 and the input resistor 30 when no application is performed is suppressed. For this reason, it is effectively prevented that the distortion detection result which combined the piezoresistor 20 and the input resistance 30 when there is no load application fluctuate
  • the input resistor 30 and the piezoresistor 20 are semiconductors of the same material and of the same conductivity, and the carrier concentration ratio between the input resistor 30 and the piezoresistor 20 is 0.5 or more. It is good that it is 0 or less.
  • the strain detection circuit 50 can be operated without distortion.
  • the change of the resistance value due to the temperature change is canceled, and a good detection of the temperature characteristic becomes possible.
  • the piezoresistor 20 and the input resistor 30 be simultaneously manufactured in the same process and be formed as a single semiconductor chip.
  • strain detection device 1 configured as described above, it is possible to more closely approximate the resistance values of the piezoresistor 20 and the input resistor 30 and the temperature characteristics of the piezoresistance coefficient, and the piezoresistor 20 and the input resistor 30 when no load is applied.
  • the amount of distortion due to the shrinkage of the adhesive during bonding and the difference in the thermal expansion coefficient with respect to the adhesive and the deformable body 10 can be made close to each other by the input resistor 30 and the piezoresistor 20, and the above-mentioned piezo when there is no applied load
  • the variations due to temperature of the amount of strain applied to the resistor 20 and the input resistor 30 can be made equivalent, and the resistance value of the two resistors and the ratio of the resistance variation due to the piezoresistance effect can be made close. Fluctuation due to temperature of the ratio of resistance value of the two resistances at no load is suppressed and fluctuation due to temperature of output is suppressed.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2006-266683 discloses the relationship between the position of the chip surface and the distortion of the chip surface, using the thickness of the chip as a parameter. This relationship is shown in FIG. 4 and it can be seen that strain is difficult to transmit to the end of the chip. From this, the input resistance 30 is arranged at the end of the chip, and the piezoresistor 20 is arranged at a position distant from the end of the chip. The amount of change in resistance can be made sufficiently small. Further, by disposing the input resistor 30 on the circuit board and holding the substrate so as not to deform, the influence of the resistance value of the input resistor 30 can be suppressed. Furthermore, the transmission to the input resistance 30 can be suppressed by providing the deformable body 10 with a low Young's modulus (desirably, 1 GPa or less) via a thick adhesive layer.
  • a low Young's modulus desirably, 1 GPa or less
  • the input resistor 30 may be disposed on the end of the chip along the direction in which tensile / compression strain is applied on the semiconductor chip on which the piezoresistor 20 is formed, or disposed on the circuit substrate. Also good. Furthermore, it may be adhered to the deformable body 10 via a thick adhesive layer with a low Young's modulus.
  • the strain detection device 1 has been described by way of an example including one strain detection circuit 50, but the strain detection device 1 includes the piezoresistor 20, the input resistor 30, and the operational amplifier 40 as strain of the deformable body 10. It is also possible to provide a plurality of positions at different amounts, and to calculate the input load based on the difference between the outputs of the plurality of operational amplifiers 40.
  • FIG. 5 shows an example in which two distortion detection circuits 50 each including a piezoresistor 20, an input resistor 30, and an operational amplifier 40 are provided.
  • an input resistor 31 is provided as an input resistor 30, and a piezoresistor 21 is provided as a feedback resistor.
  • the other operational amplifier 40 is provided with an input resistor 32 as an input resistor 30 and a piezoresistor 22 as a feedback resistor.
  • a constant voltage source 61 is connected to the noninverting input terminal 41 of both operational amplifiers 40, and a constant voltage source 62 is connected to the inverting input terminals 42 of both operational amplifiers 40 via the input resistor 31 and the input resistor 32, respectively.
  • the differential amplifier 70 is an example, and instead of the differential amplifier 70, a device that calculates the difference between the outputs of the two operational amplifiers 40 can be used.
  • the input resistor 31 and the input resistor 32 may be provided at the portion C in FIG. 2, and the piezoresistors 21 and 22 may be provided at the tension portion A and the compression portion B in FIG.
  • the input resistor 31, the input resistor 32, the piezoresistor 21, and the piezoresistor 22 may be provided on the deformable body 10 with the same bonding structure.
  • the present invention can be used for a strain detection device that detects strain generated in a deformable body.
  • distortion detector 10 variant 20: piezoresistor 30: input resistor 40: amplifier 41: non-inverted input terminal 42: inverted input terminal 43: output terminal

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Abstract

歪検出装置は、入力される荷重に応じて歪む変形体と、当該変形体上に設けられ、歪に応じて抵抗値を変化させるピエゾ抵抗と、所定の抵抗値を有する入力抵抗と、所定の定電位からなる第１電位が接続される非反転入力端子と、ピエゾ抵抗の一方の端子と入力抵抗の一方の端子とが接続されて入力抵抗を介して第１電位とは異なる所定の定電位からなる第２電位が接続される反転入力端子と、ピエゾ抵抗の他方の端子が接続される出力端子とを有する演算増幅器と、を備える。

Description

歪検知装置
　本発明は、変形体に生じる歪を検知する歪検知装置に関する。
　従来、利用されてきた歪を検知する技術として例えば特許文献１に記載のものがある。
　特許文献１に記載の直線検出ブリッジ回路は、３つの固定抵抗と１つの可変抵抗とでホイートストンブリッジを構成し、当該ホイートストンブリッジに定電流回路と差動増幅器と電流制御回路とが接続される。定電流回路がホイートストンブリッジに定電流を供給し、荷重の入力により可変抵抗の抵抗値が変化してホイートストンブリッジに出力電圧が発生すると、差動増幅器の差動入力電圧が変化し、前記定電流を制御する。このようにホイートストンブリッジに供給する電流を制御することにより、可変抵抗の変化幅が大きくなった場合でもホイートストンブリッジの出力の直線性を維持している。
特開昭５３－４５２７５号公報
　特許文献１に記載の技術では、ホイートストンブリッジの出力電圧の一方に比例した電流を駆動電流として帰還している。しかしながら、出力電圧と帰還電流との間の比例定数によって直線性の補正のされ方が変わるため、ホイートストンブリッジの出力電圧の直線性を維持するためには固定抵抗や可変抵抗の値によって比例定数を個別調整する必要がある。
　そこで、比例定数の調整をすることなく、直線性の高い出力を行うことが可能な歪検知装置が求められる。
　本発明に係る歪検知装置の特徴構成は、入力される荷重に応じて歪む変形体と、前記変形体上に設けられ、歪に応じて抵抗値を変化させるピエゾ抵抗と、所定の抵抗値を有する入力抵抗と、所定の定電位からなる第１電位が接続される非反転入力端子と、前記ピエゾ抵抗の一方の端子と前記入力抵抗の一方の端子とが接続されて前記入力抵抗を介して前記第１電位とは異なる所定の定電位からなる第２電位が接続される反転入力端子と、前記ピエゾ抵抗の他方の端子が接続される出力端子とを有する演算増幅器と、を備えている点にある。
　このような特徴構成とすれば、演算増幅器の出力として、入力抵抗に反比例し、ピエゾ抵抗に比例した電圧を得ることができるので、ピエゾ抵抗の抵抗値の変化に対して直線性の高い出力が得られる。したがって、直線性の個別調整をすることなく、ピエゾ抵抗の抵抗値変化に対して直線性の高い出力が得られる。よって、ピエゾ抵抗への印加歪に対するピエゾ抵抗の抵抗変化が直線の領域では精度良く歪の検知が可能となる。また、印加歪に対するピエゾ抵抗の抵抗変化の非直線性のバラツキを抑制することにより非直線性の補正関数が共通化でき、個別調整することなく、精度良く歪を検知することができる。
　また、前記入力抵抗と前記ピエゾ抵抗とは、同じ材料よりなる半導体で同じ導電性であり、前記入力抵抗と前記ピエゾ抵抗とのキャリア濃度の比が０．５以上２．０以下であると好適である。
　このような構成とすれば、入力抵抗とピエゾ抵抗との温度差が小さくなるように入力抵抗とピエゾ抵抗とを配置することにより、無歪時の温度変化による抵抗値の変化がキャンセルされ、温度特性の良い検出が可能となる。
　また、前記変形体に所定の荷重が入力された時の前記入力抵抗における抵抗値の変化の割合は、前記変形体に前記所定の荷重が入力された時の前記ピエゾ抵抗における抵抗値の変化の割合よりも小さいと好適である。
　このような構成とすれば、前記演算増幅器の出力において、荷重が入力された際の入力抵抗の抵抗値の変化による非直線性を抑制することができる。入力抵抗の抵抗値の変化量が、ピエゾ抵抗の抵抗値の変化量に対して小さい程、ピエゾ抵抗の変化に対する直線性の高い出力が得られる。
　また、前記入力抵抗は、前記変形体に荷重が入力された時に生じる歪み量が、前記ピエゾ抵抗が設けられた部位に生じる歪み量よりも小さい部位に、前記ピエゾ抵抗と同一の接着構造で設けられると好適である。
　このような構成とすれば、例えば、入力抵抗の歪み量を、ピエゾ抵抗の歪み量に比べて小さくすることができ、荷重の入力に対する入力抵抗の変化を抑制できる。また、接着構造が同じなので、接着時の接着剤の硬化時の収縮、接着剤及び変形体に対する熱膨張率差による歪み量を入力抵抗とピエゾ抵抗とで近づけることが可能となり、荷重印加が無い時の上記ピエゾ抵抗と上記入力抵抗の温度に対する抵抗値の比の変動が抑制される。このため、荷重印加が無い時のピエゾ抵抗と入力抵抗とを組み合わせた歪検出結果が温度によって変動することが有効に防止され、正確な歪検知が可能となる。
　また、前記ピエゾ抵抗と前記入力抵抗とが、同じ工程で同時に製造され、単一の半導体チップとして形成されていると好適である。
　このような構成とすれば、ピエゾ抵抗と入力抵抗との抵抗値及びピエゾ抵抗係数の温度特性をより近づけることが可能となり、荷重印加が無い時のピエゾ抵抗と入力抵抗の抵抗値の比の温度による変動を低減できる。又、接着時の接着剤の硬化時の収縮、接着剤及び変形体に対する熱膨張率差による歪み量を入力抵抗とピエゾ抵抗とで近づけることができ、印加荷重が無い時の上記ピエゾ抵抗及び上記入力抵抗に印加される歪み量の温度による変動が等価とできる。これにより、上記両抵抗の抵抗値及びピエゾ抵抗効果による抵抗変動の割合を近いものとできる。無荷重時の上記両抵抗の抵抗値の比の温度による変動は抑制され出力の温度による変動が抑制される。
　また、前記ピエゾ抵抗と前記入力抵抗と前記演算増幅器とが複数備えられ、前記ピエゾ抵抗は前記変形体の歪み量が異なる位置に複数備えられ、前記複数の演算増幅器の出力の差分に基づいて前記入力される荷重を演算すると好適である。なお、上記変形体の歪に伴う上記複数の入力抵抗の歪み量は、上記ピエゾ抵抗のうち最も歪むピエゾ抵抗の歪み量よりも小さいと好適である。
　このように、ピエゾ抵抗と入力抵抗と演算増幅器とによる歪検出回路を複数設け、複数の演算増幅器の出力の差分を検出信号とすることで、複数の演算増幅器の出力に同等に印加されるノイズをキャンセルでき、より精度の高い検出が可能となる。
　また、前記変形体に所定の荷重が入力された時の前記入力抵抗における抵抗値の変化の割合は、前記ピエゾ抵抗の抵抗値の変化の割合の１／１００以下であると好適である。
　このような構成とすれば、荷重の入力に対して、入力抵抗の変化の割合はピエゾ抵抗の変化の割合に対して小さくでき、かつ、入力抵抗に対しても変化の割合を小さくできる。
歪検知装置が備える変形体の一例を示した図である。 撓んでいる変形体の状態を示した図である。 歪検知回路の回路図である。 歪検知回路が構成される半導体チップの厚さと歪の関係を示した図である。 その他の実施形態に係る歪検知回路の回路図である。
　本発明に係る歪検知装置は、変形体に入力される荷重を検出する。以下、本実施形態の歪検知装置１について説明する。
　歪検知装置１は、入力される荷重に応じて歪む変形体１０、及び歪検知回路５０を備えて構成される。変形体１０の斜視図が図１に示される。変形体１０は、入力された荷重に応じて歪む材料を用いて例えば長方形の板状に構成される。変形体１０は所定の位置に設定された荷重入力部１２に荷重が入力された際に、図２に示されるように変形体１０が歪むことができる位置で支持される。
　図３には、歪検知回路５０の回路図が示される。歪検知回路５０は、ピエゾ抵抗２０、入力抵抗３０、及び演算増幅器４０を備えて構成される。本実施形態では、公知の半導体製造プロセスを用いて、ピエゾ抵抗２０、入力抵抗３０、及び演算増幅器４０が製造される。
　ピエゾ抵抗２０は、荷重が入力された際に、変形体１０のうち歪が生じる部位に設けられ、変形体１０の歪み量に応じて上記ピエゾ抵抗２０は歪む。ピエゾ抵抗２０は、単結晶半導体からなり、その歪み量に応じて抵抗値を変化させる。変形体１０が、仮に両端が回動しない状態に固定されている場合、図２に示されるように、変形体１０における荷重が入力される面１３（荷重入力部１２が設定された面）に着目すると、一対の引張部位Ａと、一対の圧縮部位Ｂとが現れる。引張部位Ａと圧縮部位Ｂとの間の部位Ｃでは、殆ど歪は生じない。本実施形態では、ピエゾ抵抗２０は、一対の引張部位Ａの夫々と一対の圧縮部位Ｂの夫々とのうち、少なくとも一箇所に設けられる。これにより、変形体１０に生じた歪を抵抗値の変化で検知することが可能となる。
　入力抵抗３０は、所定の抵抗値を有する。入力抵抗３０は、半導体を用いて形成されていても良い。
　演算増幅器４０は、非反転入力端子４１と、反転入力端子４２と、出力端子４３とを有する。非反転入力端子４１には、所定の定電位からなる第１電位が接続される。所定の定電位とは、基準となる電位（接地電位）との電位差が一定である電位をいう。図３の例では、非反転入力端子４１には、第１電位を出力する定電圧源６１が接続される。
　ここで、ピエゾ抵抗２０及び入力抵抗３０は、夫々一対の端子を備えて構成される。反転入力端子４２には、これらのピエゾ抵抗２０の一対の端子のうちの一方の端子と、入力抵抗３０の一対の端子のうちの一方の端子とが接続される。また、反転入力端子４２には、入力抵抗３０を介して第１電位とは異なる所定の定電位からなる第２電位が接続される。すなわち、入力抵抗３０は、一対の端子のうちの他方の端子に第１電位とは異なる直流の第２電位が接続され、一対の端子のうちの一方の端子に反転入力端子４２が接続される。図３の例では、入力抵抗３０の他方の端子には、第２電位を出力する定電圧源６２が接続される。
　出力端子４３には、ピエゾ抵抗２０の一対の端子のうち、他方の端子が接続される。上述したように、ピエゾ抵抗２０の一方の端子は、反転入力端子４２に接続される。したがって、ピエゾ抵抗２０は、演算増幅器４０の出力端子４３と反転入力端子４２とに亘って設けられた帰還抵抗として用いられる。
　このように歪検知回路５０を構成することで、歪検知回路５０は、第１電位と第２電位との間の電位差とピエゾ抵抗２０の抵抗値に比例し、入力抵抗３０の抵抗値に反比例する電圧を出力する。変形体１０に入力された荷重によりピエゾ抵抗２０の抵抗値が変化し、その結果、歪検知回路５０の出力電圧が変わる。この時、演算増幅器４０の非反転入力端子４１に接続される第１電位、及び演算増幅器４０の反転入力端子４２に接続される第２電位は変化しないので、ピエゾ抵抗２０の抵抗値に応じて演算増幅器４０の出力端子４３から出力される電圧が変化する。このように歪検知回路５０は、歪に応じた抵抗値の変化を電圧値の変化として取り出すことができることから、抵抗-電圧変換回路として機能し、出力端子４３から出力される電圧に基づき、歪み量を検知することが可能となる。
　上記構成の歪検知装置１によれば、演算増幅器４０の出力として、入力抵抗３０に反比例し、ピエゾ抵抗２０に比例した電圧を得ることができるので、ピエゾ抵抗２０の抵抗値の変化に対して直線性の高い出力が得られる。したがって、直線性を個別調整することなく、ピエゾ抵抗２０の抵抗値変化に対して直線性の高い出力が得られる。よって、ピエゾ抵抗２０への印加歪に対するピエゾ抵抗２０の抵抗変化が直線の領域では精度良く歪の検知が可能となる。また、印加歪に対するピエゾ抵抗２０の非直線性のバラツキを抑制することにより非直線性の補正関数が共通化でき、個別調整することなく、精度良く歪を検知することができる。
　また、歪検知装置１は、変形体１０に所定の荷重が入力された時の入力抵抗３０における抵抗値の変化の割合が、変形体１０に所定の荷重が入力された時のピエゾ抵抗２０における抵抗値の変化の割合よりも小さいものを用いると良い。例えば、所定の荷重が入力された時の入力抵抗３０の抵抗値の変化の割合がピエゾ抵抗２０の抵抗値の変化の割合よりも十分に小さく、好ましくは入力抵抗３０の抵抗値の変化の割合が、ピエゾ抵抗２０の抵抗値の変化の割合の１／１００以下であると良い。こうすることで、荷重の入力に対して、入力抵抗３０の変化の割合はピエゾ抵抗２０の変化の割合に対して小さくでき、かつ、入力抵抗３０に対しても変化の割合を小さくできる。
　上記構成の歪検知装置１によれば、演算増幅器４０の出力において、荷重が入力された際の入力抵抗３０の抵抗値の変化による非直線性を抑制することができる。入力抵抗３０の抵抗値の変化量が、入力抵抗３０の抵抗値に対して小さい程、ピエゾ抵抗２０の変化に対する直線性の高い出力が得られる。
　また、歪検知装置１は、入力抵抗３０は、変形体１０に荷重が入力された時に生じる歪み量が、ピエゾ抵抗２０が設けられた部位に生じる歪み量よりも小さい部位に、ピエゾ抵抗２０と同一の接着構造で設けられると良い。望ましくは、入力抵抗３０は、上記ピエゾ抵抗２０が接着される部位の歪み量に対して１／１００以下の歪み量である部位に、ピエゾ抵抗２０と同一の接着構造で設けられると好適である。具体的には、入力抵抗３０は、ピエゾ抵抗２０が設けられる図２の引張部位Ａや圧縮部位Ｂよりも、生じる歪み量が小さい部位、例えば部位Ｃに設けられる。「同一の接着構造」とは、ピエゾ抵抗２０と入力抵抗３０とが異なるチップで構成される場合には、ピエゾ抵抗２０を変形体１０に接着する時と、入力抵抗３０を変形体１０に接着する時とで、同じ接着剤、同じ単位面積当たりの使用量、同じ作業環境で接着することをいう。
　上記構成の歪検知装置１によれば、例えば、入力抵抗３０の歪み量を、ピエゾ抵抗２０の歪み量に比べて小さくすることができ、荷重の入力に対する入力抵抗３０の変化を抑制できる。また、接着構造が同じなので、接着時の接着剤の硬化時の収縮、接着剤及び変形体１０に対する熱膨張率差による歪み量を入力抵抗３０とピエゾ抵抗２０とで近づけることが可能となり、荷重印加が無い時の上記ピエゾ抵抗２０と上記入力抵抗３０の温度に対する抵抗値の比の変動が抑制される。このため、荷重印加が無い時のピエゾ抵抗２０と入力抵抗３０とを組み合わせた歪検出結果が温度によって変動することが有効に防止され、正確な歪検知が可能となる。
　また、歪検知装置１は、入力抵抗３０とピエゾ抵抗２０とは、同じ材料よりなる半導体で同一導電性であり、入力抵抗３０とピエゾ抵抗２０とのキャリア濃度の比が０．５以上２．０以下であると良い。
　上記構成の歪検知装置１によれば、入力抵抗３０とピエゾ抵抗２０との温度差が小さくなるように入力抵抗３０とピエゾ抵抗２０とを配置することにより、歪検知回路５０において無歪時の温度変化による抵抗値の変化がキャンセルされ、温度特性の良い検出が可能となる。
　また、歪検知装置１は、ピエゾ抵抗２０と入力抵抗３０とが、同じ工程で同時に製造され、単一の半導体チップとして形成されていると良い。
　上記構成の歪検知装置１によれば、ピエゾ抵抗２０と入力抵抗３０との抵抗値及びピエゾ抵抗係数の温度特性をより近づけることが可能となり、荷重印加が無い時のピエゾ抵抗２０と入力抵抗３０の抵抗値の比のばらつき及び温度による変動を低減できる。又、接着時の接着剤の硬化時の収縮、接着剤及び変形体１０に対する熱膨張率差による歪み量を入力抵抗３０とピエゾ抵抗２０とで近づけることができ、印加荷重が無い時の上記ピエゾ抵抗２０及び上記入力抵抗３０に印加される歪み量の温度による変動が等価とでき、上記両抵抗の抵抗値及びピエゾ抵抗効果による抵抗変動の割合を近いものにできる。無荷重時の上記両抵抗の抵抗値の比の温度による変動は抑制され出力の温度による変動が抑制される。
　ここで、特開２００６－２６６６８３号公報には、チップの厚さをパラメータとした、チップ表面の位置とチップ表面の歪との関係が開示されている。この関係が図４に示され、チップの端部には歪が伝達し難いことがわかる。このことから、チップの端部に入力抵抗３０を配置し、チップの端部から離れた位置にピエゾ抵抗２０を配置することにより、ピエゾ抵抗２０の抵抗値の変化量に対して入力抵抗３０の抵抗値の変化量を十分小さくすることができる。また、入力抵抗３０を回路基板上に配置し、基板が変形しないように保持することにより、入力抵抗３０の抵抗値の影響を抑制できる。更には、低ヤング率（望ましくは、１ＧＰａ以下）で厚い接着層を介して変形体１０に設けることにより、入力抵抗３０への伝達を抑制できる。
　なお、入力抵抗３０は、ピエゾ抵抗２０が形成された半導体チップ上で引張／圧縮歪が印加される方向に沿ったチップの端部に配置しても良く、あるいは、回路基板上に配置しても良い。更には、低ヤング率で厚い接着層を介して変形体１０に接着しても良い。
〔その他の実施形態〕
　上記実施形態では、歪検知装置１が歪検知回路５０を１つ備えた例を挙げて説明したが歪検知装置１が、ピエゾ抵抗２０と入力抵抗３０と演算増幅器４０とを変形体１０の歪み量が異なる位置に複数備え、複数の演算増幅器４０の出力の差分に基づいて入力される荷重を演算する構成とすることも可能である。
　図５には、ピエゾ抵抗２０と入力抵抗３０と演算増幅器４０とからなる歪検知回路５０が２つ設けられている例が示される。一方の演算増幅器４０には、入力抵抗３０として入力抵抗３１が設けられ、帰還抵抗としてピエゾ抵抗２１が設けられる。他方の演算増幅器４０には、入力抵抗３０として入力抵抗３２が設けられ、帰還抵抗としてピエゾ抵抗２２が設けられる。双方の演算増幅器４０の非反転入力端子４１には定電圧源６１が接続され、双方の演算増幅器４０の反転入力端子４２には、夫々入力抵抗３１及び入力抵抗３２を介して定電圧源６２が接続される。このように接続された双方の演算増幅器４０の出力を差動増幅器７０に入力し、その差分を検出信号とすることが可能である。このように、２つの演算増幅器４０の出力の差分を検出信号とすることで、２つの演算増幅器４０の出力に同等に印加されるノイズをキャンセルすることができ、より精度の高い検出が可能となる。
　なお、差動増幅器７０は一例であり、当該差動増幅器７０に代えて、２つの演算増幅器４０の出力の差分を演算するデバイスとすることが可能である。
　なお、この場合、入力抵抗３１及び入力抵抗３２を図２における部位Ｃに設け、ピエゾ抵抗２１及びピエゾ抵抗２２を、夫々図２における引張部位Ａ及び圧縮部位Ｂに設けると良い。この場合にも、入力抵抗３１、入力抵抗３２、ピエゾ抵抗２１、及びピエゾ抵抗２２を同一の接着構造で変形体１０に設けると良い。
　本発明は、変形体に生じる歪を検知する歪検知装置に用いることが可能である。
　１：歪検知装置
　１０：変形体
　２０：ピエゾ抵抗
　３０：入力抵抗
　４０：増幅器
　４１：非反転入力端子
　４２：反転入力端子
　４３：出力端子

Claims (7)

  1. 　入力される荷重に応じて歪む変形体と、
    　前記変形体上に設けられ、歪に応じて抵抗値を変化させるピエゾ抵抗と、
    　所定の抵抗値を有する入力抵抗と、
    　所定の定電位からなる第１電位が接続される非反転入力端子と、前記ピエゾ抵抗の一方の端子と前記入力抵抗の一方の端子とが接続されて前記入力抵抗を介して前記第１電位とは異なる所定の定電位からなる第２電位が接続される反転入力端子と、前記ピエゾ抵抗の他方の端子が接続される出力端子とを有する演算増幅器と、
    を備えた歪検知装置。
  2. 　前記入力抵抗と前記ピエゾ抵抗とは、同じ材料よりなる半導体で同じ導電性であり、前記入力抵抗と前記ピエゾ抵抗とのキャリア濃度の比が０．５以上２．０以下である請求項１に記載の歪検知装置。
  3. 　前記変形体に所定の荷重が入力された時の前記入力抵抗における抵抗値の変化の割合は、前記変形体に前記所定の荷重が入力された時の前記ピエゾ抵抗における抵抗値の変化の割合よりも小さい請求項１又は２に記載の歪検知装置。
  4. 　前記入力抵抗は、前記変形体に荷重が入力された時に生じる歪み量が、前記ピエゾ抵抗が設けられた部位に生じる歪み量よりも小さい部位に、前記ピエゾ抵抗と同一の接着構造で設けられる請求項１から３のいずれか一項に記載の歪検知装置。
  5. 　前記ピエゾ抵抗と前記入力抵抗とが、同じ工程で同時に製造され、単一の半導体チップとして形成されている請求項１から４のいずれか一項に記載の歪検知装置。
  6. 　前記ピエゾ抵抗と前記入力抵抗と前記演算増幅器とが複数備えられ、前記ピエゾ抵抗は前記変形体の歪み量が異なる位置に複数備えられ、前記複数の演算増幅器の出力の差分に基づいて前記入力される荷重を演算する請求項１から５のいずれか一項に記載の歪検知装置。
  7. 　前記変形体に所定の荷重が入力された時の前記入力抵抗における抵抗値の変化の割合は、前記ピエゾ抵抗の抵抗値の変化の割合の１／１００以下である請求項１から６のいずれか一項に記載の歪検知装置。
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JPS61246619A (ja) * 1985-04-24 1986-11-01 Yokogawa Electric Corp 抵抗式変換装置
JPH0972805A (ja) * 1995-09-06 1997-03-18 Hitachi Ltd 半導体センサ

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