(57)【要約】【課題】計測誤差を少なくした圧力センサーを用いたステアリング装置を提供する。【解決手段】基板１１（第１剛体）上に絶縁層１２が設けられていて、この絶縁層１２上に密着層１３を介して圧力検知膜１４が設けられている。圧力検知膜１４は絶縁層全面を覆う保護層１５により覆われている。さらに、保護層１５の上全面を覆うようになじみ層１６が設けて、圧力検知膜１４によって生じた段差をなくした。【選択図】図１
2010204014.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの剛体間の圧力を測定する圧力センサーであって、
前記２つの剛体の間に設けられた圧力検知膜と、
前記２つの剛体の間に設けられていて、前記圧力検知膜を覆うとともに前記圧力検知膜の存在しない部分を充填して前記圧力検知膜の厚みによる段差をなくすなじみ層と、を有することを特徴とする圧力センサー。
【請求項２】
前記なじみ層は、前記圧力検知膜によって計測される出力のヒステリスがあらかじめ決められた範囲内となる厚さであることを特徴とする請求項１記載の圧力センサー。
【請求項３】
前記なじみ層は、ポリイミドであり、前記圧力検知膜上の厚さが２〜３０μｍであることを特徴とする請求項２記載の圧力センサー。
【請求項４】
前記圧力検知膜と前記なじみ層の間に、絶縁性の保護層をさらに有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の圧力センサー。
【請求項５】
前記圧力検知膜の前記なじみ層で覆われていない側の面と、前記なじみ層で覆われていない側に位置する剛体の間に絶縁層をさらに有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の圧力センサー。
【請求項６】
前記絶縁層の前記圧力検知膜と接する面は、面粗度の最大高さが０．２μｍ以下であることを特徴とする請求項５記載の圧力センサー。
【請求項７】
前記絶縁層と前記圧力検知膜の間に、前記絶縁層に前記圧力検知膜を密着させる密着層をさらに有することを特徴とする請求項６記載の圧力センサー。
【請求項８】
前記圧力検知膜は、前記２つの剛体のうち一方の剛体を基板として、当該基板の面積の５０％以上を占めるように配置されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の圧力センサー。
【請求項９】
２つの剛体間の圧力を検知する圧力センサーの製造方法であって、
前記２つの剛体のうちの一方の剛体となる基板上に圧力検知膜を形成する段階と、
前記基板上と前記圧力検知膜上を覆うなじみ層を形成する段階と、を有することを特徴とする圧力センサーの製造方法。
【請求項１０】
前記基板上に前記圧力検知膜を設置する前に、
前記基板上に絶縁層を形成する段階と、
前記絶縁層面上を化学機械研磨によって平坦化する段階と、
を有することを特徴とする請求項９記載の圧力センサーの製造方法。
【請求項１１】
前記絶縁層の面上に密着層を形成後、前記圧力検知膜を形成することを特徴とする請求項１０記載の圧力センサーの製造方法。
【請求項１２】
前記なじみ層を形成する前に、
前記圧力検知膜を覆う保護層を形成する段階と、
を有することを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一つに記載の圧力センサーの製造方法。
【請求項１３】
ステアリングコラムにはめ込まれたステアリングボスに穿たれた第１穴部内に設けられており、前記ステアリングコラム外周と当該第１穴部を埋める埋め込み部材との間に配置された第１圧力センサーと、
ステアリングコラムにはめ込まれたステアリングボスの前記第１圧力センサーと直交する方向に穿たれた第２穴部内に設けられており、前記ステアリングコラム外周と当該第２穴部を埋める埋め込み部材との間に配置された第２圧力センサーと、
前記ステアリングボスの前記ステアリングコラム軸方向の切断面に挟み込んだ第３圧力センサーと、を有し、
前記第１〜第３圧力センサーが請求項１〜８のいずれか一つからなる圧力センサーであることを特徴とするステアリング装置。
【請求項１４】
前記第１圧力センサーは、２個の圧力センサーがそれぞれに対応した２つの第１穴部に設けられており、
前記第２圧力センサーは、２個の圧力センサーがそれぞれに対応した２つの第２穴部に設けられており、
前記第３圧力センサーは、ステアリングコラムの軸を取り囲むリング形状であることを特徴とする請求項１３に記載のステアリング装置。
【請求項１５】
ステアリングコラムと当該ステアリングコラムにはめ込まれたステアリングボスの間に配置された第１圧力センサーと、
前記ステアリングコラムとステアリングボスの間であって前記第１圧力センサーに対して直交する位置に配置された第２圧力センサーと、
前記ステアリングボスの前記ステアリングコラム軸方向の切断面に挟み込んだ第３圧力センサーと、を有し、
前記第１〜第３圧力センサーが請求項１〜８のいずれか一つからなる圧力センサーであることを特徴とするステアリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力センサーおよびその製造方法ならびにこの圧力センサーを組み込んだステアリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、薄膜型圧力センサーは、銅とマンガンとニッケルの合金（マンガニン）もしくは、クロムと金の合金を圧力検知膜と使用している。このような薄膜型圧力センサーは、Ｌ字や単線パターンとして提供されている（たとえば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２８１０７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、薄膜型とは言うものの、被測定対象物に圧力センサーを取り付けた場合、微視的な「かた当たり」が発生する。このため、圧力センサーの出力が不安定になったり、計測誤差が発生したりしてしまうという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、計測誤差を少なくした圧力センサーおよびその製造方法を提供することである。また、本発明の他の目的は、計測誤差を少なくした圧力センサーを用いたステアリング装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を解決するための本発明の圧力センサーは、２つの剛体間の圧力を測定する圧力センサーである。その構成は、２つの剛体の間に設けられた圧力検知膜と、２つの剛体の間に設けられていて、圧力検知膜を覆うとともに圧力検知膜の存在しない部分を充填して圧力検知膜の厚みによる段差をなくすなじみ層と、を有する。
【０００７】
上記目的を解決するための本発明の圧力センサーの製造方法は、２つの剛体のうちの一方の基板として用いて、その基板上に圧力検知膜を形成して、基板上に形成した圧力検知膜を覆うなじみ層を形成する。これにより基板上に形成した圧力検知膜によって生じる段差をなくす。
【０００８】
さらに上記目的を解決するための本発明のステアリング装置は、ステアリングコラムにはめ込まれたステアリングボスに穿たれた第１穴部内に設けられており、ステアリングコラム外周と第１穴部を埋める埋め込み部材との間に配置された第１圧力センサーと、この第１圧力センサーと直交する方向に穿たれた第２穴部内に、ステアリングコラム外周と第２穴部を埋める埋め込み部材との間に配置された第２圧力センサーとを有し、さらに、ステアリングボスのステアリングコラム軸方向の切断面に挟み込んだ第３圧力センサーを有する。そして、第１〜第３圧力センサーが本発明からなる上記圧力センサーである。
【０００９】
さらに上記目的を解決するための本発明の他のステアリング装置は、ステアリングコラムとステアリングコラムにはめ込まれたステアリングボスの間に配置された第１圧力センサーと、同じくステアリングコラムとステアリングボスの間で、第１圧力センサーに対して直交する位置に配置された第２圧力センサーとを有し、さらにステアリングボスのステアリングコラム軸方向の切断面に挟み込んだ第３圧力センサーを有する。そして、第１〜第３圧力センサーが本発明からなる上記圧力センサーである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、圧力センサーに用いられている圧力検知膜によって生じる段差をなくしたので、測定対象である２つの剛体に対して圧力検知膜がかた当たりしなくなり計測誤差を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明を適用した実施形態圧力センサーを示す断面図である。
【図２】圧力検知膜と配線部のパターン形状の例を示す図面で、図２（ａ）および（ｃ）は圧力検知膜パターンを示す平面図であり、図２（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面を示す図であり、図２（ｄ）は（ｂ）のＢ−Ｂ断面を示す図である。
【図３】なじみ層の厚さと圧力センサーの特性を示すグラフである。
【図４】本実施形態による圧力センサーを２つの剛体のボルト締結部に利用した場合の例を説明するための説明図である。
【図５】圧力センサー出力をホイートストーンブリッジ回路により計測する例を示す回路図である。
【図６】自動車の衝突時にステアリングにかかる衝撃荷重（三軸荷重）を説明する説明図である。
【図７】実施形態による圧力センサーを用いた利用形態２におけるステアリング装置を示す図面であり、（ａ）は部分断面図、（ｂ）は要部透視図である。
【図８】圧力センサーの設置状態を説明するための断面図である。
【図９】実施形態による圧力センサーを用いた利用形態３におけるステアリング装置を示す図面であり、（ａ）は部分断面図、（ｂ）は要部透視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を添付した図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は、本発明を適用した実施形態の圧力センサーを示す断面図である。
【００１４】
図１に示すように、本実施形態の圧力センサー１は、基板１１（第１剛体）上に絶縁層１２が設けられていて、この絶縁層１２上に密着層１３を介して圧力検知膜１４が設けられている。圧力検知膜１４は絶縁層全面を覆う保護層１５により覆われている。保護層１５の圧力検知膜１４上全面を覆うようになじみ層１６を設けている。このなじみ層１６によって基板１１面上の圧力検知膜１４が存在しない部分が充填されて圧力検知膜１４によって生じる段差が吸収されて段差がなくなるようにしている。そしてこの圧力センサー１は、なじみ層１６の上から剛体部品２０（第２剛体）が密着するように配置される。
【００１５】
このような構造となる圧力センサー１は、基板１１と剛体部品２０との間にかかる圧力を測定する。ここで基板１１はこの圧力センサー１の圧力検知膜１４を支持する基板１１として存在する。なお、基板１１の代わりに、剛体部品２０との間で圧力を測定するための他方の剛体部品（第１剛体となる）に直接圧力検知膜１４を形成するようにしてもよい。
【００１６】
以下、この圧力センサー１の各部材について詳細に説明する。
【００１７】
基板１１は、剛体部品２０との間にかかる圧力によって破断しないものであればどのようなものでもよく、特に限定されない。たとえば、圧力がかかっても充分な合成を持つ部材として金属板を用いることができる。具体的には、たとえばステンレス（たとえばＳＵＳ３０４）板、銅板、アルミニウム板などである。また金属のほかにも、測定圧力に対して破断しないものであればセラミックスや硬質樹脂製基板などであってもよい。
【００１８】
また、基板１１の厚さは、剛体部品２０との間にかかる圧力によって破断しないために必要な厚さとすればよく限定されない。この厚さの点からは、金属板を用いることで十分な強度を得つつ非常に薄くすることが可能となる。たとえば基板として１０μｍ以下も可能となるが、必要に応じた厚さとすればよい。
【００１９】
この基板１１の表面は、好ましくは面粗度Ｒｍａｘ（最大高さ）が０．２μｍ以下となるように研磨加工されていることが望ましい。これは基板表面の面粗度をできるだけ低くして平坦にすることで、その上に形成される絶縁膜の被覆を良好にし、また剛体部品２０との間で均一に圧力を測定できるようになるからである。
【００２０】
次に、基板１１上に形成された絶縁層１２は、たとえば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮなどである。これら絶縁層１２はスパッタリングやＣＶＤ法によって形成できる。また、ＳｉＯ２の場合、原材料としてＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）を用いたＣＶＤ法により形成することで、絶縁性が高くて好適な絶縁層１２となる。またＴＥＯＳを用いたＣＶＤ法は成膜速度が速いので生産性もよい。
【００２１】
このほか、絶縁層１２としては、たとえばＤＬＣ（ダイアモンドライクカーボン：硬質炭素膜）も、非常に硬度の高い絶縁層１２となるため、この圧力センサー１に適している。ＤＬＣはプラズマＣＶＤ法によって成膜できる。
【００２２】
これら絶縁層１２もまた、その面粗度Ｒｍａｘが０．２μｍ以下であることが好ましい。このような面粗度とすることで剛体部品２０との間で均一に圧力を測定できるようになる。面粗度を下げるためには、たとえば化学機械研磨法などを用いればよい。
【００２３】
また、これら絶縁層１２の厚さも、剛体部品２０との間にかかる圧力によって破断せず、かつ絶縁性が保たれている厚さとすればよく、特に限定されない。この点、上述したＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮはスパッタリングやＣＶＤ法によって成膜することができるため非常に薄くすることができる。同様にＤＬＣもプラズマＣＶＤ法によって成膜できるので非常に薄くすることができる。具体的には、測定対象とする圧力範囲にもよるが、たとえば１〜５μｍ程度もあれば十分である。もちろんさらに厚くしてもかまない。この絶縁層１２の厚さは、圧力センサー全体の厚さに応じて決定すればよい。
【００２４】
絶縁層１２は、基板１１に非導電性の部材を用いた場合には、省略してもかまわない。
【００２５】
次に、絶縁層１２上に形成された密着層１３は、たとえばポリイミドである。絶縁層１２は、面粗度を下げることで平坦性はよくなる。しかし圧力検知膜１４となる材料との接合が悪くなってはがれやすくなるおそれがある。そこで、ポリイミドなどの樹脂からなる密着層１３を用いて圧力検知膜１４のはがれを防止する。
【００２６】
ポリイミドによる密着層１３の厚さは、その上限として３０μｍ程度とすることが好ましい。これは、あまり厚くすると、ポリイミドの弾性による変形の割合が大きくなり、圧力センサー１全体としての圧力検知特性の直線性やヒステリシスが悪化してしまうためである。厚さの下限値は、この密着層１３が密着力を上げるだけに設けるだけであるので成膜する機械の成膜限界まで薄くしてかまわない。たとえばスピンコーターを利用して成膜する場合、２μｍ程度である。
【００２７】
なお、圧力検知膜１４のはがれを防止するためには、密着層１３を用いることなく、絶縁層表面をＡｒプラズマで改質してもよい。これにより、ごく微細な凹凸ができて絶縁層１２上に圧力検知膜１４を成膜した場合に、その密着性を向上させることができる。
【００２８】
次に、センサーの要となる圧力検知膜１４は、圧力によって電気抵抗が変化するマンガニンやイッテルビウムなどのピエゾ抵抗体、圧力によって分極電荷が変化するＰＺＴなどの圧電体が用いられる。これらは、スパッタリングもしくは真空蒸着法によって成膜する。なお、イッテルビウムを用いる場合、スパッタリングもしくは真空蒸着法によって前記の絶縁層１２であるＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮを真空中で成膜後、連続してイッテルビウムを形成するようにしてもよい。この場合密着層１３はないことになるが、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮなどの成膜直後の表面は平坦度が低いため、圧力検知膜１４の密着性はよい。
【００２９】
一方、絶縁層１２としてＤＬＣを用いた場合は、好ましくは密着層１３を形成した後、スパッタリングや真空蒸着法によって、マンガニンやイッテルビウム、あるいはＰＺＴなどの圧力検知膜１４を成膜することになる。
【００３０】
このような圧力検知膜１４となる材料の成膜後の厚さは、０．１〜１μｍ程度である。
【００３１】
その後、フォトエッチングやメタルマスクを用いて圧力検知膜１４をパターニングする。パターニング後の圧力検知膜１４の一部は、後述する配線部の一部に覆われることで配線と電気的に接続する。
【００３２】
図２は、圧力検知膜１４と配線部５０のパターン形状の例を示す図面である。なお、図２（ａ）および（ｃ）は圧力検知膜パターンを示す平面図であり、図２（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面を示す図であり、図２（ｄ）は（ｂ）のＢ−Ｂ断面を示す図である。
【００３３】
ここで説明する圧力センサー１は図示するように、中心に穴１９のあるリング形状（ワッシャ型ともいう）をしている。そして、ここではパターン密度が疎な場合（図２（ａ）および（ｂ））と、パターン密度が（ａ）および（ｂ）と比較して密な場合（図２（ｃ）および（ｄ））を示している。
【００３４】
パターン密度が疎なパターン１４１の場合は、圧力検知膜１４による凸部に対して、その下の絶縁層部分の面積が広くなる。したがって、圧力検知膜１４は、その周辺に対して相対的に突出する形になりやすいが、なじみ層１６を設けることで圧力の加わり方がセンサー全体に均一になり、圧力検知膜１４に局所的に力が加わることなく、測定値が安定する。一方、パターン密度が密なパターン１４２の場合は、圧力検知膜１４がセンサー全体に均等に配置されているので、それだけでも密度が疎な場合と比較すれば、剛体部品２０と圧力センサー１の接触面が安定し、低圧から高圧まで良好な直線性で高精度に計測することができる。そして、これになじみ層１６を設けたことで、圧力検知膜１４全体にいっそう均等に圧力が加わるようになり、不感知部が少なくなって圧力感度が向上する。特に、圧力検知膜１４が占める面積が基板面積の５０％以上となるパターンで形成することが好ましい。
【００３５】
配線部５０は、圧力検知膜１４の端部を覆うよう接続する。そしてこの圧力検知膜１４の端部と配線部５０との接続部分もまた、なじみ層１６で覆うようにすることが好ましい。これにより、この接続部分によって生じた段差を、剛体部品２０との接触面において影響しないようにする。接続部分が圧力センサーの外となる場合にはなじみ層１６を設ける必要はない。
【００３６】
配線部５０を形成する導電部材としては、たとえば、比抵抗が小さく、圧力の検出結果に影響を与えないようにするため、圧力感度が小さいＡｕ薄膜、Ｃｕ薄膜、またはＡｌ薄膜を用いることが望ましい。配線部５０も、このような導電膜を真空蒸着やスパッタによって、ごく薄く形成することができる。成膜後はフォトエッチング、またはメタルマスクを用いた微細加工によって配線のパターン形状に形成する。なお、配線部５０の基板１１から外に出ている部分は、さらに樹脂材料によりなる被覆材によって覆いリード線とする。
【００３７】
次に、保護層１５は、前述した絶縁層１２と同様に、たとえば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮなどの絶縁膜である。これらはスパッタリングやＣＶＤ法によって形成できる。また、ＳｉＯ２の場合、ＴＥＯＳを用いたＣＶＤ法により形成することが好ましい。また、プラズマＣＶＤ法によって成膜したＤＬＣを用いてもよい。なお、保護層１５の厚さは前述した絶縁層１２と同様である。この保護層１５は、圧力検知膜１４の耐久性を上げるためのものである。
【００３８】
保護層１５は、図示するように、パターニングした圧力検知膜１４に起因して、その厚さに沿って保護層１５の表面に段差（凹凸）ができる。そこで、最後にこの段差をなくすためになじみ層１６を設けている。なじみ層１６は、圧力負荷を均一に圧力検知膜１４に伝達するためのものである。このためなじみ層１６は、ある程度の柔軟性を持ちつつも加えられた圧力に対して弾性変形が少ない部材とする必要がある。このような部材としては、たとえば素材としてポリイミドを用いて、その厚さを調整することで可能となる。そこでポリイミドの膜厚は、圧力センサー特性が直線性およびヒステリシス（後述）が損なわれない程度となるように調整する。この観点から、たとえばポリイミドの膜厚は、圧力検知膜１４の上で２〜３０μｍが適している。
【００３９】
そして、なじみ層１６を設けた圧力センサー全体の平坦度は、圧力検知膜１４の厚さによって生じる段差よりも低くなればよい。もっとも好ましくは、前述した基板１１の平坦度と同程度、すなわち、面粗度Ｒｍａｘで０．２μｍ以下となるようにする。なお、この値は、圧力センサー１単体として計測される面粗度である場合のほか、２つの剛体（ここでは、基板１１と剛体部材２０）によって挟まれた状態で、それらからの圧力を受けて上記のような面粗度となる場合も含む。これは、なじみ層１６をポリイミドなど弾性のある材料の場合、圧力センサーとして計測対象としている圧力以下の圧力が加わることで生じている段差が押さえられて全体として平坦化するためである。
【００４０】
なじみ層１６は、圧力検知膜１４を破壊しない温度域で形成可能な場合は、保護層１５に直接形成してもよい。また、なじみ層１６の形成温度が圧力検知膜１４を破壊または特性を悪化させるような温度が必要な場合には、剛体部品２０側に形成して圧力センサー１として重ね合わせるようにするとよい。
【００４１】
ここで、なじみ層１６の厚さと圧力センサー１の特性について説明する。図３はなじみ層１６の厚さと圧力センサー１の特性を示すグラフであり、横軸は加重（加えた力）、縦軸は圧力センサー１の出力値（電圧）を示している。
【００４２】
ここで印加した圧力値と圧力センサー１の出力をプロットした線が直線となるもの、すなわちグラフの傾きが一定となるものが直線性のよい圧力センサー１ということになる。また、圧力を上げていくときの線と圧力を下げていくときの線が同じであればヒステリシスがないものとすることができる。逆に圧力を上げていくときの線と圧力を下げていくときの線の乖離が大きいものほどヒステリシスが悪いことになる。ヒステリスは上昇時と下降時のそれぞれの線のもっとも乖離したときの圧力値に対するセンサー出力値の差を、その割合（％）で示したもので、（（上昇時のセンサー出力値−下降時のセンサー出力値）／上昇時のセンサー出力値）の絶対値×１００である。または（（上昇時のセンサー出力値−下降時のセンサー出力値）／下降時のセンサー出力値）の絶対値×１００でもよい。
【００４３】
図においては、ポリイミドの厚さが圧力検知膜１４の上部で２〜３０μｍのときに、グラフの傾きが一定となり、しかも圧力上昇時と下降値でほとんど変わらないグラフとなった。一方、なじみ層１６がない場合や、なじみ層１６の厚さが３５μｍを超えて厚くした場合は、傾きが一定せず、直線性が悪くなることがわかる。なおかつ、これらの場合はヒステリシスも悪化して、圧力を上昇させていったときの線と、圧力を低下させていったときの線が一致しない。なお、図３に示したグラフは、それぞれのなじみ層１６の厚さにおいて３回往復、圧力の上昇下降を繰り返したものプロットしたものである。したがって、り、なじみ層最適範囲の線が６本、なじみ層なしの線が６本、なじみ層最適値から５μｍ超過の線が６本であり、それぞれの６本の線において、それぞれ矢印Ｕに近い側が圧力上昇時のグラフ線であり、矢印Ｄに近い側が圧力下降時のグラフ線である。
【００４４】
また、センサー出力は、ホイートストーンブリッジ回路を用いて計測される電圧値である。
【００４５】
ヒステリシスの悪化は圧力センサーとして不都合である。たとえば、センサー出力の電圧値を実際の圧力に換算する場合、基本的にはセンサー出力電圧値対圧力値の検量線をあらかじめ作っておいて、これをもとにセンサー出力値を圧力値に換算する。このためヒステリシスが悪いと、検量線を圧力上昇時のものと下降時もの２つ用意しなければならない。そして圧力測定時には圧力が上昇中であるか下降中であるかを判断して２つの検量線のいずれを適用するか判断しなければならなくなる。このような操作は実際の圧力センサーを使用するためには、あまり実用的でない。このためヒステリシスはできるだけ少ない方が良い。ヒステリシスが少なければ、圧力上昇時も下降時も検量線は一つで済むし、圧力を測定する際には上昇中であるか下降中であるかといった判断も不要となる。
【００４６】
したがって、センサー出力特性を良好なものとするためには、出力の直線性、およびヒステリシスの観点から、なじみ層１６（ポリイミド）の厚さが圧力検知膜１４の上部で２〜３０μｍの範囲が好ましい。なお、このなじみ層１６（ポリイミド）の厚さは、圧力センサー１全体の大きさ（面積）や圧力検知膜１４の面積、さらには圧力センサー１として所望の誤差範囲（すなわち直線性やヒステリシスの許容できる乖離範囲）に応じて決定すればよく、この値に限定されるものではない。
【００４７】
たとえば圧力センサー１の直線性は、測定する圧力範囲内において感度誤差が１％以下とする場合には、傾き一定の直線から１％未満の傾き変化が許容されることになる。同様に、感度誤差が１０％でよければ直線から１０％未満の傾きの変化が許容される。これはヒステリシスについても同様であり、感度誤差を１％以下とする場合は乖離の大きさが１％未満となるようにすればよい。感度誤差が１０％でよければ乖離の大きさも１０％未満であればよいことになる。
【００４８】
なお、前記の保護層１５はなくてもよく、圧力検知膜１４の上に直接なじみ層を設けてもよい。この場合もなじみ層１４の上が平坦になり、かつヒステリシスが良好な厚みとなるようにその厚さを調整する。この場合、このなじみ層１６が圧力検知膜１４を保護する保護層としての役割も果たすことになる。この場合、なじみ層１４としては、ポリイミドのほかに、上記保護層として用いられる材料、すなわち、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮなどの絶縁膜、およびＤＬＣとすることもできる。この場合には、その化学機械研磨などにより平坦化してもよい。ただし、なじみ層１４をポリイミド以外の材料で形成した場合には、硬度が高くなるため感度が低くなるおそれもあるので、できるだけ薄い厚み、たとえば１〜５μｍ程度とすることが好ましい。
【００４９】
次に、このような圧力センサー１の製造方法は、すでに説明した構造からわかるとおり、基板１１上に各層を積み重ねてゆくことにより製造する。
【００５０】
すなわち、まず基板１１面を平坦化して絶縁層１２を形成する。そして絶縁層１２の面をたとえば化学機械研磨などを用いて平坦化する。その後、絶縁層１２上に密着層を形成する。または密着層を用いない場合には絶縁層１２の面をＡｒプラズマで改質する。その後、圧力検知膜１４を形成し、保護層１５を形成する。そして、保護層１５の上からなじみ層１６を形成する。
【００５１】
（利用形態１）
次に本実施形態による圧力センサー１の利用形態について説明する。
【００５２】
図４は、本実施形態による圧力センサー１を２つの剛体のボルト締結部に利用した場合の例を説明するための説明図である。
【００５３】
圧力センサー１は、図４（ａ）に示すように、平面形状がリング形状のもので、中心の穴１９にボルトが入る構造となっている。なお、この構造はすでに説明した図２の形態と同じである。圧力検知膜１４のパターンについては図２（ｃ）および（ｄ）のパターンが適している。
【００５４】
圧力センサー１の配置は、ボルト締結する２つの剛体（被締結部材２１および２２）の間に、穴１９にボルト２５を挿入して被締結部材ごと締結されようにする。これによりボルト２５で締結された部分に加わる圧力を測定する。
【００５５】
測定に当たって圧力センサー１からの出力は、たとえば、図５に示すように、ホイートストーンブリッジ回路により計測する。ここでは、図４（ｂ）に示した３つの圧力センサー１を直列に接続してホイートストーンブリッジ回路のＲｘとしている。なお、ホイートストーンブリッジ回路による計測については周知であるので詳細な説明は省略する。
【００５６】
ここで用いる圧力センサー１は、各層の厚さをごく薄くすることが好ましい。たとえば、圧力センサー１全体の厚さとして基板１１を含め約０．１ｍｍ程度まで薄くする。本実施形態の圧力センサー１であれば、上述のように、各層の厚さがミクロンオーダーまで薄くすることができるので、全体の厚さも約０．１ｍｍ程度かそれ以下にまで薄くすることが可能である。これにより被締結部品の間に圧力センサー１を挟んで締結しても、部品の強度設計にとって重要なパラメータであるボルト締結部の締結力や動的伝達荷重を、部品の質量やジオメトリーをほとんど変えることなく計測することができる。
【００５７】
このような被締結部材の具体例としては、たとえば自動車エンジンのシリンダブロックとシリンダヘッドの締結部である。シリンダブロックとシリンダヘッドの締結部に本実施形態による圧力センサー１を設けることで、たとえば、振動や経時変化による締結部のゆるみなどを、エンジン特性に影響を与えることなくリアルタイムで計測することができる。
【００５８】
（利用形態２）
さらに他の利用形態について説明する。
【００５９】
以下、図６〜８は、本実施形態による圧力センサーを一体的に取り付けたステアリング装置を説明するための説明図である。
【００６０】
この利用形態２は、自動車の衝突時におけるステアリングに加わる衝撃荷重（三軸荷重）を計測するために圧力センサーをステアリングコラムの部分に一体的に取り付けたステアリング装置である。
【００６１】
図６は、自動車の衝突時にステアリングにかかる衝撃荷重（三軸荷重）を説明する説明図である。
【００６２】
自動車の衝突時にステアリングにかかる荷重Ｆは、図示するようにＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚの３軸荷重に分解することができる。すなわち、ステアリングコラムの軸心方向をＦｚ、Ｆｚに対して垂直な上下方向をＦｙ、Ｆｚに対して垂直で水平方向をＦｘとする。そこで利用形態２では、この３軸荷重を本実施形態による圧力センサー１をステアリングコラム部分に設けて計測することとした。
【００６３】
図７は、この利用形態２におけるステアリング装置を示す図面であり、（ａ）は部分断面図、（ｂ）は要部透視図である。
【００６４】
このステアリング装置は、ステアリングコラム１００にはめ込まれるステアリングボス１０１に、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚの３方向の荷重を各方向に対応した合計５つの圧力センサー１１０〜１１２を取り付けている。ステアリングボス１０１にはステアリングホイール１０２が取り付けられている。
【００６５】
まず、圧力センサー１１０は、Ｆｚ方向の荷重を計測するためのセンサーであり、リング型をしている。形状は図２（ｃ）に示したものと同様であり、その大きさは、ステアリングコラム１００が通る穴１９を有し、外径がステアリングボス１０１の外径と一致する。この圧力センサー１１０は、切断したステアリングボス１０１の切断面の間に設けられ、圧力センサー１１０の穴１９にステアリングコラム１００が通るように配置されている。これにより圧力センサー１１０はステアリングコラム１００の軸方向にかかる荷重Ｆｚを計測する。
【００６６】
圧力センサー１１１および１１２は、それぞれステアリングボス１０１に穿たれ互いに直交する穴１１５（第１穴部）および１１６（第２穴部）内にそれぞれ配設されている。したがって、圧力センサー１１１および１１２はそれぞれ２個ずつ、計４個取り付けられている（図７（ｂ）の符号１１１（１）および１１１（２）と符号１１２（１）および１１２（２））。
【００６７】
図８は、圧力センサー１１１および１１２の設置状態を説明するための断面図である。
【００６８】
圧力センサー１１１および１１２は、図８に示すように、ステアリングボス１０１に穿たれた穴１１５または１１６内に、ステアリングコラム１００の外周面と当接する鏡面圧子１１８と、穴１１５または１１６を埋めて、この圧力センサー１１１および１１２を押さえつけるネジ１１９との間に配置されている。鏡面圧子１１８はステアリングコラムとの当接面、および圧力センサー１１１または１１２との当接面が鏡面加工されて平坦になっている部材である。また、穴１１５および１１６にはネジ山が切ってある。
【００６９】
これにより、圧力センサー１１１はＦｘ方向の荷重を計測し、圧力センサー１１２はＦｙ方向の荷重を計測する。なお、圧力センサー１１１および１１２の形状は特に限定されないが、穴１１５および１１６に入る大きさとする。
【００７０】
ここで、ＦｘおよびＦｙの軸力算出は、ＦｘおよびＦｙごとに、それぞれ上下一対の圧力センサー１１１（１）および１１１（２）と１１２（１）および１１２（２）の出力の差分を取ることにより、かた当たりなどによる計測誤差を補正して、より測定精度が高くなるようにしている。なお、このような２個一対の形式とすることなく、ＦｘおよびＦｙをそれぞれ１つの圧力センサーで計測するようにしてもよい。
【００７１】
このようにステアリング装置に圧力センサー１１０〜１１２を一体となるように組み込むことで、ステアリングコラム部分の形状および寸法を変更したり、センサーをステアリングコラム部分に外付けにすることなく３軸荷重を精度よく計測することができる。これにより、たとえば実車の衝突実験でのＦｘ，Ｆｙ，Ｆｚの３方向の荷重を計測する場合に実車の部品形状や重量バランスに非常に近い状態で実験を行うことができるようになる。
【００７２】
（利用形態３）
この利用形態３も、利用形態２と同様に自動車の衝突時におけるステアリングに加わる衝撃荷重（三軸荷重）を計測するために圧力センサーをステアリングコラムの部分に一体的に取り付けたステアリング装置である。
【００７３】
図９は、この利用形態３におけるステアリング装置を示す図面であり、（ａ）は部分断面図、（ｂ）は要部透視図である。
【００７４】
ここでは、ステアリングボス１０１をステアリングコラム１００に嵌め合わせるテーパー形状の付いた固定部の４方向に圧力センサー１２１（１）〜（４）を取り付け、リング状の圧力センサー１１０をステアリングボス１０１に設けている。圧力センサー１１０は、前述の利用形態２と同じであり、ステアリングボス１０１を切断した断面に挟んで配置している。これによりステアリングコラム１００の軸方向の荷重Ｆｚを測定する。
【００７５】
一方、圧力センサー１２１（１）〜（４）は、本実施形態の圧力センサーが非常に薄く形成できることを利用して、ステアリングボス１０１とステアリングコラム１００の嵌め合い部分（テーパーのある部分）に設置したものである。これにより、荷重Ｆｚと直交する方向の荷重Ｆｘ，Ｆｙを４方向から計測する。
【００７６】
この利用形態３も、利用形態２と同様に、精度よくステアリングにかかる荷重を計測することができ、実車の衝突実験でのＦｘ，Ｆｙ，Ｆｚの３方向の荷重を計測する場合に非常に有効である。
【００７７】
以上説明した本実施形態によれば、以下のような効果を奏する。
【００７８】
圧力センサー１の圧力検知膜１４を覆うようになじみ層１６を設けて圧力検知膜１４によって生じる段差をなくしたので、剛体部品２０と圧力センサー１の圧力検知膜１４がかた当たりすることなく、圧力検知膜１４に加わる面圧を低圧から高圧まで良好な直線性かつヒステリシスで高精度に計測することができる。また、センサー表面を高度に平坦化することができるので、圧力センサー１全体に均一に圧力が加わるよになり、磨耗やスクラッチなどの機械的ダメージが少なく耐久性が向上する。特に、なじみ層１６の厚さを計測される出力のヒステリスがあらかじめ決められた範囲内となる厚さとすることで、測定誤差を少なくすることができる。このような厚みとして、たとえばなじみ層にポリイミドを用いた場合は、圧力検知膜上の厚さが２〜３０μｍとすることで、ヒステリシスの非常に少ない圧力センサーを得ることができる。
【００７９】
また、圧力検知膜１４となじみ層１６の間に絶縁性の保護層１５を設けたので、圧力検知膜１４の耐久性を向上させることができる。また、この保護層１５により、剛体部品２０が導電性の場合に、圧力検知膜１４と確実に絶縁することができる。
【００８０】
また、基板１１と圧力検知膜１４の間に絶縁層１２を設けたので、圧力検知膜１４の耐久性が向上する。特に、基板１１として導電性の部材を使用した場合には基板１１と圧力検知膜１４の間の絶縁性を確保することができる。この絶縁層１２を設けた場合に、その面粗度の最大高さを０．２μｍ以下としたので、圧力検知膜１４を形成する元となる面が平坦になり、圧力検知膜１４の形成自体が平坦になるので、圧力センサー全体の平坦度を上げることができる。
【００８１】
また、絶縁層１２と圧力検知膜１４と間に、それらの付着力を高める密着層１３を設けたので、圧力検知膜１４のはがれを防止することができる。
【００８２】
また、絶縁層１２としてＤＬＣ膜を用いた場合にはプラズマＣＶＤにより成膜することで、圧力検知膜１４の上部と側部に等方的に保護層１５を成膜でき、センサーの耐久性が向上する。また、凹凸や曲率を持つ基板１１に対しても均一な膜を形成することができ、適用範囲を拡大できる。さらにＤＬＣ膜は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３などの酸化物よりも酸素含有量が極めて低いため、膜中酸素の拡散による圧力検知膜１４の酸化がなく、耐熱性が向上する。
【００８３】
また、圧力検知膜１４は、基板１１の面積に対して５０％以上を占めるように配置したので、圧力センサー全体として圧力検知膜１４に加わる圧力が均等化して測定感度が向上する。
【００８４】
さらに、本実施形態における圧力センサーの製造方法によれば、単純に、基板１１上に各層を積み重ねるように形成してゆけばよいので、製造が簡単である。
【００８５】
また、基板１１上に圧力検知膜１４を形成する前に、基板１１上に絶縁層１２を形成してもよいし、絶縁層１２を形成した場合にはその上を化学機械研磨によって平坦化することで、圧力検知膜１４が傾いたりすることなく平坦に形成することができる。また、絶縁層１２の上に密着層１３を形成してその上に圧力検知膜１４することで圧力検知膜１４のはがれを防止することができる。
【００８６】
また、圧力検知膜１４の上に保護層１５を形成したので、圧力検知膜１４の耐久性を上げることができる。
【００８７】
さらに、本実施形態による圧力センサーを使用したステアリング装置は、ステアリングボス１０１に穿たれ互いに直交する穴１１５（第１穴部）および１１６（第２穴部）内にそれぞれ圧力センサー１１１および１１２を配置し、さらにステアリングボス１０１の切断面に圧力センサー１１０を配置した。これによりステアリングコラム部分の形状および寸法を変更したり、圧力センサーをステアリングコラム部分に外付けにすることなく３軸荷重を精度よく計測することができる。
【００８８】
特に、圧力センサー１１１および１１２は、それぞれ２個一対の圧力センサーとしたので、計測誤差を補正して、より測定精度を高くすることができる。また、ステアリングボス１０１の切断面に圧力センサー１１０を配置したことでステアリングコラム１００の軸方向の圧力を直接かつステアリングコラム１００の周囲で均等に測ることができる。
【００８９】
さらに本実施形態による圧力センサーを使用した他のステアリング装置は、ステアリングコラム１００とステアリングボス１０１嵌め合い部分に圧力センサー１２１を配置し、ステアリングボス１０１の切断面に圧力センサー１１０を配置した。これによりステアリングコラム部分の形状および寸法を変更したり、センサーをステアリングコラム部分に外付けにすることなく３軸荷重を精度よく計測することができる。
【符号の説明】
【００９０】
１、１１０〜１１２、１２１  圧力センサー、
１１  基板、
１２  絶縁層、
１３  密着層、
１４  圧力検知膜、
１５  保護層、
１９  穴、
２０  剛体部品、
５０  配線部、
１００  ステアリングコラム、
１０１  ステアリングボス、
１１５、１１６  穴、
１１８  鏡面圧子、
１１９  ネジ。
【図１】
2010204014.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010204014.tif 000009
【図８】
2010204014.tif 000010
【図９】
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