(57)【要約】【課題】直線性の高い出力を行うことが可能な歪検知装置を提供する。【解決手段】歪検出装置１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２０と、所定の抵抗値を有する入力抵抗３０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４１と、ピエゾ抵抗２０の一方の端子と入力抵抗３０の一方の端子とが接続されて入力抵抗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電位が接続される反転入力端子４２と、ピエゾ抵抗２０の他方の端子が接続される出力端子４３とを有する演算増幅器４０と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５３−４５２７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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、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、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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】歪検知装置が備える変形体の一例を示した図である。
【図２】撓んでいる変形体の状態を示した図である。
【図３】歪検知回路の回路図である。
【図４】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。
【図５】その他の実施形態に係る歪検知回路の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
入力抵抗３０は、所定の抵抗値を有する。入力抵抗Ｒは、半導体を用いて形成されていても良い。
【００２５】
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。
【００２６】
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に接続される。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。
【００２７】
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。
【００２８】
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の抵抗値と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、歪を検知することが可能となる。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
〔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。
【００４１】
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。
【００４２】
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に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。
【００４３】
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。
【符号の説明】
【００４４】
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
【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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