(57)【要約】【課題】  半導体歪みゲージの回転を抑制すると共に正確な測定を可能にする歪み測定装置を提供する。【解決手段】  ガラスペーストを用いて起歪体に貼り付けられる半導体歪みゲージ１を備えた歪み測定装置であって、前記半導体歪みゲージ１はピエゾ抵抗素子２が設けられた回路基板部３と、回路基板部３から延びている回転抑制延出部４とを有しており、回路基板部３の対向する２辺の少なくとも一方から回転抑制延出部４が延びていることを特徴とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラスペーストを用いて起歪体に貼り付けられる半導体歪みゲージを備えた歪み測定装置であって、前記半導体歪みゲージはピエゾ抵抗素子が設けられた回路基板部と、回路基板部から延びている回転抑制延出部とを有しており、回路基板部の対向する２辺の少なくとも一方から回転抑制延出部が延びていることを特徴とする歪み測定装置。
【請求項２】
前記回路基板部の対向する２辺からそれぞれ反対方向に回転抑制延出部が延びていることを特徴とする請求項１に記載の歪み測定装置。
【請求項３】
半導体歪みゲージの平面視の形状が反転非対称であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の歪み測定装置。
【請求項４】
前記半導体歪みゲージはＬの字形又はトの字形に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の歪み測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、歪み測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ピエゾ抵抗素子を用いた歪み測定装置が知られている。この歪み測定装置の中には、被測定物に作用する応力を検出する半導体歪みゲージを備え、この半導体歪みゲージ内にピエゾ抵抗素子を備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。この歪み測定装置は圧力センサや荷重センサ等に広く利用されており、例えば自動車等の車両では乗員等の荷重が加わるシート下に湾曲部を有した起歪体を設け、ここに前記半導体歪みゲージを貼り付けてシートセンサとして用いたものがある（例えば、特許文献２参照）。
前記半導体歪みゲージの起歪体への貼り付け固定は、前記起歪体にガラスペーストをスクリーン印刷等で塗付し、前記ガラスペースト上に平板上の半導体歪みゲージを載せてこれを焼成している。
前記起歪体に生じた応力を効率よく測定するためには、前記半導体歪みゲージの起歪体側の全面が前記ガラスペーストに覆われている必要があるため、通常前記ガラスペーストには余裕しろが設定されている。
【特許文献１】特開平３−１１２１６９号公報
【特許文献２】特開２００２−２８６５３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来の歪み測定装置にあっては、焼成中に前記ガラスペーストの余裕しろの範囲内で前記半導体歪みゲージが回転した場合には、前記起歪体の圧縮、引っ張り方向と前記ピエゾ抵抗素子の測定方向とがずれてしまい、その結果、このずれが測定結果に反映されて前記起歪体に作用する応力を正確に測定することが困難となる問題がある。
【０００４】
そこで、この発明は、半導体歪みゲージの回転を抑制すると共に正確な測定を可能にする歪み測定装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、ガラスペースト（例えば、実施の形態におけるガラスペースト９）を用いて起歪体（例えば、実施の形態における起歪体８）に貼り付けられる半導体歪みゲージ（例えば、実施の形態における半導体歪みゲージ１）を備えた歪み測定装置であって、前記半導体歪みゲージはピエゾ抵抗素子（例えば、実施の形態におけるピエゾ抵抗素子２）が設けられた回路基板部（例えば、実施の形態における回路基板部３）と、回路基板部から延びている回転抑制延出部（例えば、実施の形態における回転抑制延出部４、上部回転抑制延出部２４ａ、下部回転抑制延出部２４ｂ）とを有しており、回路基板部の対向する２辺の少なくとも一方から回転抑制延出部が延びていることを特徴とする。
このように構成することで、回転抑制延出部が延びている分、長さ寸法及び慣性モーメントが大きくなるので、前記半導体歪みゲージが焼成時にガラスペースト上で回転するのを抑制することができる。
【０００６】
請求項２に記載した発明は、前記回路基板部の対向する２辺からそれぞれ反対方向に回転抑制延出部が延びていることを特徴とする。
このように構成することで、焼成時に前記半導体歪みゲージが回転するときの回転中心に回路基板部が配置されるため、前記半導体歪みゲージが焼成時にガラスペーストの範囲内で回転したり、移動したりしても起歪体の測定位置に対する回路基板部の位置ずれを最小限にすることができる。
【０００７】
請求項３，４に記載した発明は、半導体歪みゲージの平面視の形状が例えばＬの字形又はトの字形等のように反転非対称であることを特徴とする。
このように構成することで、前記半導体歪みゲージの平面視の形状から表裏面及び上下方向を容易に判断することができる。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に記載した発明によれば、回転抑制延出部が延びている分、長さ寸法及び慣性モーメントが大きくなるので、前記半導体歪みゲージが焼成時にガラスペースト上で回転するのを抑制することができ、したがって、前記被測定物への応力を正確に測定することができる効果がある。
【０００９】
請求項２に記載した発明によれば、請求項１の効果に加え、焼成時、前記半導体歪みゲージの回転中心に回路基板部が配置されるため、前記半導体歪みゲージが焼成時にガラスペーストの範囲内で回転したり、移動したりしても起歪体の測定位置に対する回路基板部の位置ずれを最小限にすることができ、したがって、更なる測定精度の向上を図ることが可能となる効果がある。
【００１０】
請求項３，４に記載した発明によれば、前記半導体歪みゲージの平面視の形状から表裏面及び上下方向を目視で容易に判断することができるため、前記半導体歪みゲージの組付け時の作業者の負担を軽減することができる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、この発明の第一の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、半導体歪みゲージ１はピエゾ抵抗素子２が設けられた回路基板部３と、この回路基板部３の上辺から紙面上方向に延びる回転抑制延出部４とで構成されている。前記回路基板部３には、それぞれ測定方向に延びる線分部分Ａと線分部分Ｂとを有した４本のピエゾ抵抗素子２が正方形（線部部分Ａの長さＬＡ＝線分部分Ｂの長さＬＢ）を描くように配置して埋設されている。この４本のピエゾ抵抗素子２によりブリッジ回路が構成されている。そして、前記各線部部分Ａ，Ｂとの距離がその線分部分の長さＬＡ，ＬＢ以下である領域と重なる半導体歪みゲージ１の部分が回路基板部３であり、それ以外の半導体歪みゲージ１の部分が回転抑制延出部４である。
尚、ピエゾ素子の線部部分Ａ，Ｂの長さＬＡ，ＬＢはそれぞれ異なった長さ（ＬＡ≠ＬＢ）で形成してもよい。
【００１２】
具体的には、前記ピエゾ抵抗素子２の線分部分Ａ上の各点を中心にして前記線分部分Ａに対応する長さＬＡを半径とする円を描き、同様に、線分部分Ｂ上の各点を中心にして、前記線分部分Ｂに対応した長さＬＢを半径とする円を描き、各々の円によって塗りつぶされる範囲を前記回路基板部３としている。そして、前記半導体歪みゲージ１の回路基板部３以外の範囲を前記回転抑制延出部４としている。尚、図中、前記回路基板部３と回転抑制延出部４との境界線ｂを鎖線で示している（以下、図５〜７も同様）。
【００１３】
また、前記ピエゾ抵抗素子２の両端部である四隅にはアルミニウム電極５が各々配置されている。すなわち、アルミニウム電極５は絶縁層６を貫通し、ピエゾ抵抗素子２に直接接触している。このように、ピエゾ抵抗素子２をブリッジ回路とし、アルミニウム電極５を介して、外部より適当な電圧を印加すると、この状態でピエゾ抵抗素子２に歪みが生じたときのブリッジ出力変化を測定することにより歪みを検出することができる。
【００１４】
図２に示すように、前記半導体歪みゲージ１には前記回路基板部３と回転抑制延出部４とに渡り単結晶シリコンで形成された基板７が設けられている。この基板７の表面には二酸化シリコンによる絶縁層６が形成されており、この絶縁層６が表面保護膜としての機能を有している。前記絶縁層６の上部表面にはこの絶縁層６を貫通して前記ピエゾ抵抗素子２に至る前記アルミニウム電極５が突出して設けられている。
【００１５】
前記回路基板部３の上部表面には、不純物の拡散によって形成された前記ピエゾ抵抗素子２が基板７と一体的に形成されている。ここで、前記ピエゾ抵抗素子２は、物理的な歪みの大きさに対応して抵抗値が変化する素子であり、前記アルミニウム電極５の間に電流を流過させておくことで前記ピエゾ抵抗素子２の物理的な歪みの大きさを電気信号に変換するものである。
【００１６】
図３に示すように、前記半導体歪みゲージ１は長さＬを有しており、被測定物である起歪体８に固定されている。具体的には、ガラスペースト９を前記半導体歪みゲージ１の外形との間に余裕しろとしてクリアランスＣを確保して塗布し、このガラスペースト９に前述の図２に示した半導体歪みゲージ１のアルミニウム電極５が突出していない裏面を当接させ前記半導体歪みゲージ１の長手方向が前記起歪体８の測定方向と略一致するように配置して焼成するのである。ここで、前記半導体歪みゲージ１の周囲のクリアランスＣは半導体歪みゲージ１の形状によらず一定に形成されるものとする。
【００１７】
前述した焼成時には、図４に示すようにガラスペースト９の範囲内で前記半導体歪みゲージ１が回転することがあるが、この時に生じる前記半導体歪みゲージ１の最大回転角度θは以下に示す式で求めることができる。
【００１８】
【数１】
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【００１９】
すなわち、前記半導体歪みゲージ１の長さＬが長ければ長いほど最大角度θは小さくなるのである。そして、前記半導体歪みゲージ１とガラスペースト９とのなす角度が最大角度θであるときには、図４に示すように、前記ガラスペースト９のクリアランスの最大値は約２Ｃとなる。
【００２０】
また、前記半導体歪みゲージ１に前記回転抑制延出部４を設けることで、前記回路基板部３から重量物を突出させることになるため、前記半導体歪みゲージ１の慣性モーメントが大きくなる。
さらに、前記回路基板部３の一辺から延びる回転抑制延出部４を設けていることで前記半導体歪みゲージ１が細長く形成されることとなる。例えば、ガラスペースト９に当接する面の表面積が同一である場合、円板形状と細長い板形状では、前記細長い板形状の方が円板形状よりも慣性モーメントが大きくなり回転し難くなる。つまり、半導体歪みゲージ１に回転抑制延出部４を設けて細長い形状にすることで前述した焼成の時に回転し難くなるのである。
【００２１】
したがって、第一の実施の形態によれば、前記回路基板部３の上辺から上方向に回転抑制延出部４が形成されている分だけ図３に示す長さＬが大きくなり、これによって前記半導体歪みゲージ１の慣性モーメントが大きくなるため、焼成時にガラスペースト９上で前記半導体歪みゲージ１が回転するのを抑制することができ、したがって、前記起歪体８への応力を正確に測定することができる効果がある。
【００２２】
次に、この発明の第二の実施の形態を図５に基づいて説明する。尚、この第二の実施の形態の回路基板部は前述した第一の実施の形態の回路基板部３と同様であるため、図３，４を援用し、同一部分に同一符号を付して説明する。
図５に示すように、半導体歪みゲージ２１には、回路基板部３の対向する２辺にそれぞれ上部回転抑制延出部２４ａ（回転抑制延出部）と下部回転抑制延出部２４ｂ（回転抑制延出部）とが紙面上下方向に向けて延出して形成されている。この回転抑制延出部２４ａ，２４ｂは前記回路基板部３と一体に形成されている。
【００２３】
したがって、上記第二の実施の形態によれば、前記ピエゾ抵抗素子２を備えた回路基板部３が前記半導体歪みゲージ２１の中心に配置され、さらに、第一の実施の形態で述べた半導体歪みゲージ１の長さＬよりも全長を長く設定していることで、前記半導体歪みゲージ２１の焼成の際に、ガラスペースト９の範囲内で回転しても前述した第一の実施の形態よりも最大回転角度を小さくすることができるため、前記回路基板部３の位置ずれを低減して更なる測定精度の向上を図ることが可能となる。
【００２４】
次に、この発明の第三の実施の形態を図６に基づいて説明する。尚、この第三の実施の形態は前述した第二の実施の形態における回転抑制延出部に延出部を設けたものであるため、同一部分に同一符号を付して説明する。
図６に示すように、半導体歪みゲージ３１の対向する上下の２辺からそれぞれ上部回転抑制延出部２４ａと下部回転抑制延出部２４ｂとがそれぞれ紙面上下方向に向けて延出して形成されている。さらに、前記下部回転抑制延出部２４ｂにはこの側縁から側方に延びる延出部３０が形成されている。この延出部３０と前記上部回転抑制延出部２４ａと下部回転抑制延出部２４ｂと回路基板部３とで、反転非対称の略Ｌの字形の外形が形成されている。
尚、略Ｌの字形の外形に限られるものではなく、外形が反転非対称であればよく、例えば図７に示すようにトの字形（上部回転抑制延出部２４ａの回路基板部３からの突出長さＬ１≠下部回転抑制延出部２４ｂの回路基板部３からの突出長さＬ２）の外形であっても良い。さらに、上部回転抑制延出部の全長を長く形成したり、延出部３０を複数箇所に設けても良い。
【００２５】
したがって、上記第三の実施の形態によれば、前記半導体歪みゲージ３１が反転非対称のＬの字形を呈しているため、前記半導体歪みゲージ３１の表裏面及び上下方向を目視で容易に判断することができ、前記半導体歪みゲージ３１の組付け時に作業者の負担を軽減することができる
【００２６】
尚、この発明は上記実施の形態に限られるものではなく、前記延出部の全長は長ければ長いほど良いが、必要に応じた長さを設定すれば良い。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第一の実施の形態における半導体歪みゲージの平面図である。
【図２】本発明の第一の実施の形態における図１のａ−ａ線に沿う断面図である。
【図３】本発明の第一の実施の形態における半導体歪みゲージの模式図である。
【図４】本発明の第一の実施の形態における回転した半導体歪みゲージの模式図である。
【図５】本発明の第二の実施の形態における図１に相当する平面図である。
【図６】本発明の第三の実施の形態における図１に相当する平面図である。
【図７】本発明の第三の実施の形態の他の態様における図１に相当する平面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  半導体歪みゲージ
２  ピエゾ抵抗素子
３  回路基板部
４  回転抑制延出部
８  起歪体
９  ガラスペースト
２４ａ  上部回転抑制延出部（回転抑制延出部）
２４ｂ  下部回転抑制延出部（回転抑制延出部）
【図１】
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【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】
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