(57)【要約】【課題】本開示は、比較的小さな圧力に対しても十分な感度を得ることができる歪センサを提供することを目的とする。【解決手段】上記課題を解決するために本開示は、固定部１１０と、固定部１１０に接続されたダイヤフラム部１２０と、ダイヤフラム部１２０に設けられたピエゾ抵抗１３０を有し、固定部１１０に接続された第１の梁１２１と、固定部１１０に接続され第１の梁１２１と直交する方向に延在した第２の梁１２２と、第１の梁１２１と第２の梁１２２とを接続する接続部１２３とを有した構成とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部と、
前記固定部に接続されたダイヤフラム部と、
前記ダイヤフラム部に設けられたピエゾ抵抗を有し、
前記固定部に接続された第１の梁と、
前記固定部に接続され前記第１の梁と直交する方向に延在した第２の梁と、
前記第１の梁と前記第２の梁とを接続する接続部とを有した歪センサ。
【請求項２】
前記第１の梁と前記第２の梁の長さが等しい請求項１に記載の歪センサ。
【請求項３】
前記ピエゾ抵抗は、
前記第１の梁に前記第１の梁が延在した方向に配置され、
前記第２の梁に前記第２の梁が延在した方向に配置されている請求項１に記載の歪センサ。
【請求項４】
前記ピエゾ抵抗は、前記第１の梁と前記第２の梁の交点と、前記固定部との中心に配置する請求項１に記載の歪センサ。
【請求項５】
前記固定部が枠状に形成される請求項１に記載の歪センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、電子機器への入力を検出する検出部を備えた歪センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧力を検出して動作する情報機器等の電子機器に圧力センサが用いられていた。従来の圧力センサを図５に示す。
【０００３】
図５に示すように従来の圧力センサは、中空部を有する支持枠１１と、中空部の底面に形成され、圧力の印加により変形するダイヤフラム１２と、ダイヤフラム１２に設けられていて、ダイヤフラム１２の変形により歪むことで圧力を電気的信号として検出する圧力検出部１３と、電極１４を備えている。ダイヤフラム１２は、薄肉領域と、圧力検出部１３の一部もしくは全部を含んでおり、薄肉領域の厚みよりも厚くなるように形成された厚肉領域とを有している。
【０００４】
支持枠１１は略四角状に形成されていて、シリコン基板１１ａの両面には、エッチングする際のマスクとなるＳｉＯ２  膜１１ｂ、１１ｂが形成されている。
【０００５】
厚肉領域は、ダイヤフラム１２の一面もしくは両面に略平面上もしくは突起形状に形成され、ほぼ均一の厚さに形成されたダイヤフラム１２に厚肉部を設けることにより形成される。
【０００６】
圧力検出部１３は複数のピエゾ抵抗部１３ａ〜１３ｄを有しており、複数のピエゾ抵抗部１３ａ〜１３ｂはそれぞれダイヤフラム１２の外周側に配置されている。
【０００７】
次に、図１を参照して、圧力センサデバイスの動作例について説明する。ダイヤフラム１２が外部から圧力を受けると、圧力の大きさに応じてダイヤフラム１２が変形する。すると、ダイヤフラム１２に設けられた圧力検出部１３もダイヤフラム１２と共に歪み、ダイヤフラム１２の外周に配置された複数のピエゾ抵抗１３ａ〜１３ｄの抵抗値が変化する。この抵抗値の変化を計測することにより、圧力センサデバイス１０に印加された圧力を計測する。（特許文献１）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−７１４９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に示される従来の圧力センサでは、圧力を検出したい対象物の厚みや材質によっては、圧力検出部に伝わる歪み量が小さくなってしまい、十分な感度を得ることができないという課題がある。
【００１０】
そこで本開示は、比較的小さな圧力に対しても十分な感度を得ることができる歪センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために本開示は、固定部と、前記固定部に接続されたダイヤフラム部と、前記ダイヤフラム部に設けられたピエゾ抵抗を有し、前記固定部に接続された第１の梁と、前記固定部に接続され前記第１の梁と直交する方向に延在した第２の梁と、前記第１の梁と前記第２の梁とを接続する接続部とを有した構成とした。
【発明の効果】
【００１２】
歪センサのダイヤフラム部を第１の梁と第２の梁が直交した十字形状とし、ダイヤフラム部の端部に固定部を設ける構造にすることで、ダイヤフラム部の断面積を小さくすることが可能となる。ピエゾ抵抗に伝わる歪み量は、ダイヤフラム部の断面積と反比例関係にあることから、断面積を小さくすることによって、検出感度を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本開示の歪センサの平面図
【図２】同歪センサＡＡ線断面図
【図３】同歪センサのＢＢ線断面図
【図４】同歪センサに加わる応力を示す図
【図５】従来の圧力センサを示す図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（実施の形態１）
以下に、本開示の歪センサの一実施の形態を、添付図面を用いながら詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本開示の一実施の形態における歪センサの構成を示している。歪センサ１００は、固定部１１０と、固定部１１０に接続されたダイヤフラム部１２０とを有している。固定部１１０とダイヤフラム部１２０はシリコンにより形成されている。ダイヤフラム部１２０はＸ軸方向に延在した第１の梁１２１と、Ｘ軸方向と直交しＹ軸方向に延在した第２の梁１２２と、第１の梁１２１と第２の梁１２２とを接続する接続部１２３とを有し、第１の梁１２１と、第２の梁１２２の上部にはピエゾ抵抗１３０と、電極１４０とが設けられている。第１の梁１２１と第２の梁１２２は夫々接続部１２３を挟んで対になって設けられている。固定部１１０は枠状に形成されており、固定部１１０のＸ軸方向の中央部に第１の梁１２１が接続され、固定部１１０のＹ軸方向の中央部に第２の梁１２２が接続されている。歪センサ１００は固定部１１０で歪みを測定する対象の起歪体（図示せず）に接続されており、起歪体に生じた歪みを測定することができる。なお、一実施の形態において固定部１１０は枠状に形成されているがこの限りではなく、例えば、第１の梁１２１と第２の梁１２２を夫々支持する直方体形状の固定部１１０を４つ設けても良い。ただし、一実施の形態のように、固定部１１０を枠形状に形成した方が、歪センサ１００の耐久性を向上させることができる。
【００１６】
次に、歪センサ１００の製造方法の一例について説明する。シリコン基板をエッチング加工することによって固定部１１０及びダイヤフラム部１２０を形成する。その後、イオン注入により、ダイヤフラム部１２０にピエゾ抵抗１３０を形成する。
【００１７】
図２は、図１における歪センサ１００のＡ−Ａ線断面図である。固定部１１０の厚みは、ダイヤフラム部１２０の厚みよりも大きくなるように形成されており、固定部１１０の厚み及びダイヤフラム部１２０の厚みは、それぞれがほぼ均一になるように形成されている。
【００１８】
ダイヤフラム部１２０には、第１のピエゾ抵抗素子１３１、第２のピエゾ抵抗素子１３２、第３のピエゾ抵抗素子１３３、第４のピエゾ抵抗素子１３４からなるピエゾ抵抗１３０が設けられている。ダイヤフラム部１２０が変形するとピエゾ抵抗１３０の歪抵抗値が変化する。第１のピエゾ抵抗素子１３１、第２のピエゾ抵抗素子１３２、第３のピエゾ抵抗素子１３３、第４のピエゾ抵抗素子１３４によってブリッジ回路が形成されている。このピエゾ抵抗１３０に対し基準電圧を印加したときに、起歪体から荷重が印加されると、Ｘ軸方向に引っ張り応力Ｆ１が印加され、それに追従する形でＹ軸方向に圧縮応力Ｆ２が印加される。これにより、第１の梁１２１がＸ軸方向に伸びるように変形し、第２の梁１２２がＹ軸方向に縮むように変形する。ダイヤフラム部１２０の変形によってピエゾ抵抗１３０の抵抗値が変化し、この抵抗値の変化をブリッジ回路から出力される電圧変化として電極１４０を介して測定することで、起歪体に加えられた歪みを測定することができる。
【００１９】
図３は、図１における歪センサ１００のＢ−Ｂ線断面図である。図３に示すように、ダイヤフラム部１２０を第１の梁１２１と、第２の梁１２２と、接続部１２３とを接続することによって形成することで、第１の梁１２１または第２の梁１２２が延在した方向と直交する方向のダイヤフラム部１２０のピエゾ抵抗１３０が設けられた部分の断面積が小さくなる。起歪体から圧力が加えられたときのダイヤフラム部１２０の歪量は断面積の大きさに反比例するため、従来の圧力センサのようにダイヤフラム部が固定部の内側全面に設けられた構造に比べ、一実施の形態の歪センサ１００は圧力が加えられたときのダイヤフラム部１２０の歪量を大きくすることができる。これにより、ピエゾ抵抗１３０に加わる歪量が大きくなり、歪センサ１００の検出感度を向上させることができる。
【００２０】
第１の梁１２１には第１のピエゾ抵抗素子１３１と第３のピエゾ抵抗素子１３３がＸ軸方向に延在するように配置され、第２の梁１２２には第２のピエゾ抵抗素子１３２と第４のピエゾ抵抗素子１３４がＹ軸方向に延在するように配置されている。すなわち、第１のピエゾ抵抗素子１３１、第２のピエゾ抵抗素子１３２、第３のピエゾ抵抗素子１３３、第４のピエゾ抵抗素子１３４の長手方向が接続部を向くように配置されている。
【００２１】
この様にピエゾ抵抗１３０を配置することにより、起歪体に生じた歪によって、ダイヤフラム部１２０に生じた歪の検出感度を向上させることができている。例えば、起歪体から歪センサ１００に対してＸ軸方向に引張応力Ｆ１が印加されると、起歪体のＹ軸方向に対しては圧縮応力Ｆ２が印加される。このとき、長手方向がＸ軸方向になるように配置された第１のピエゾ抵抗素子１３１と第３のピエゾ抵抗素子１３３には引張応力が加わり、抵抗値が上昇する。一方、長手方向がＹ軸方向になるように配置された第２のピエゾ抵抗素子１３２と第４のピエゾ抵抗素子１３４には圧縮応力が印加され、抵抗値が低下する。ここで、第１のピエゾ抵抗素子１３１と第２のピエゾ抵抗素子１３２、第３のピエゾ抵抗素子１３３と第４のピエゾ抵抗素子１３４を夫々ペアとしてブリッジ回路を形成することで圧力センサの検出感度を向上させることができる。また、第１のピエゾ抵抗素子１３１と第４のピエゾ抵抗素子１３４、第２のピエゾ抵抗素子１３２と第３のピエゾ抵抗素子１３３を夫々ペアにしてブリッジ回路を形成しても同様に歪センサ１００の検出感度を向上させることができる。
【００２２】
この様に、第１のピエゾ抵抗素子１３１と第３のピエゾ抵抗素子１３３を長手方向がＸ軸方向となるように配置し、第２のピエゾ抵抗素子１３２と第４のピエゾ抵抗素子１３４を長手方向がＹ軸方向となるように配置することで起歪体に生じた歪の検出感度を向上させることができる。
【００２３】
図１に示すように、ダイヤフラム部１２０は、第１の梁１２１と第２の梁１２２の長さが等しく、第１の梁１２１と第２の梁１２２のそれぞれの中点で交わるように形成されている。また、第１のピエゾ抵抗素子１３１と第３のピエゾ抵抗素子１３３とは第１の梁１２１の固定部１１０と接続部１２３との間の中心部分に配置され、第２のピエゾ抵抗素子１３２と第４のピエゾ抵抗素子１３４とは第２の梁１２２の固定部１１０と接続部１２３との間の中心部分に配置されている。このような構造にすることで、歪センサ１００は、Ｘ軸方向とＹ軸方向に夫々が線対称な構造となる。このような構造にすることで、歪センサ１００の温度変化による膨張や収縮によって生じる出力変動をキャンセルすることができ、検出精度を向上させることができる。
【００２４】
また、電極１４０は、歪量の測定に必要な電極、例えば基準電圧の印加電極や出力電圧の検出電極、ＧＮＤ電極が設けられており、更にダミー電極を形成することで、固定部１１０のそれぞれの辺に形成される電極の数を同じにすることができる。このダミー電極の配置は、歪センサ１００の中心を第１の梁１２１と第２の梁１２２に対して夫々が線対称になるように形成されている。
【００２５】
次に、実施の形態の歪センサの効果について説明する。
【００２６】
従来の歪センサでは、温度変化等の環境変化の影響があった場合、ダイヤフラム部が変形し、温度変化によるダイヤフラム部の変形を歪センサに応力が加わったものとして検出してしまうことがある。しかしながら、本開示の歪センサ１００では、温度変化の影響を低減することができている。
【００２７】
起歪体から歪センサ１００に荷重が印加された場合、ダイヤフラム部１２０にＸ軸方向に引張応力Ｆ１が加わり、Ｙ軸方向に圧縮応力Ｆ２が加わる。一方、温度変化によってダイヤフラム部１２０に応力が加わった場合、歪センサ１００の温度が上昇した場合、ダイヤフラム部１２０が膨張するためダイヤフラム部１２０のＸ軸方向、Ｙ軸方向に加わる応力は共に引張応力（膨張）となる。また、温度が下降した場合は、ダイヤフラム部１２０のＸ軸方向、Ｙ軸方向に加わる応力は共に圧縮応力（収縮）となる。ここで、ピエゾ抵抗１３０は、Ｘ軸方向とＹ軸方向に直交するように配置してある為、ピエゾ抵抗１３０には同じ応力が加わる。これにより、温度変化による歪センサ１００の変形による出力変化をキャンセルすることができる。
【００２８】
さらに、歪センサ１００は、歪センサ１００の中心に対してＸ軸方向とＹ軸方向に夫々が線対称である。このため、第１のピエゾ抵抗素子１３１、第２のピエゾ抵抗素子１３２、第３のピエゾ抵抗素子１３３、第４のピエゾ抵抗素子１３４に加わる応力の大きさは同じになる。このことから、温度変化による歪センサ１００の変形による出力変化をより効果的にキャンセルすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本開示による歪センサは、検出感度に優れている為、入力により多様な制御を簡単な操作で行うことのできる情報機器や、生じた歪により動作を制御する冷蔵庫、洗濯機等の電子機器に有用である。
【符号の説明】
【００３０】
１００  歪センサ
１１０  固定部
１２０  ダイヤフラム部
１２１  第１の梁
１２２  第２の梁
１２３  接続部
１３０  ピエゾ抵抗
１３１  第１のピエゾ抵抗素子
１３２  第２のピエゾ抵抗素子
１３３  第３のピエゾ抵抗素子
１３４  第４のピエゾ抵抗素子
１４０  電極
【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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