JP4548994B2 - 面圧センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は面圧センサの検出感度を向上する構造改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、面圧を直接検出する手段として感圧紙があるが、最高圧のデータしか得られないため、電気的な圧力ゲージを備えたセンサが提案されている。かかるセンサによれば、最高圧以外にも圧力の経時変動の測定が可能である。
【０００３】
特開平８−３２７４７４号公報には、複数の帯状の電極が並列するように形成された２つの層を、一方の層の帯状電極と他方の層の帯状電極とが交叉するように貼り合わせるとともに、両帯状電極の対向面のそれぞれには感圧導電インク層を形成したものがある。このものでは、交叉位置における感圧導電インク層の接触面積が層の厚さ方向の圧力によって変化し、交叉位置における電極間の抵抗値変化から面圧を求めるようにしている。この技術では、さらに一方の層の帯状電極の幅が段階的に変化する形状として、前記交叉位置における検出感度を、帯状電極の幅に応じて複数種類選択可能としている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特開平８−３２７４７４号公報記載の技術では、微小な圧力に対して検出感度を高めようとすれば、感圧導電インク層を挟む両帯状電極の対向部の面積を広くすることになるが、これらの周囲を配線用のパターン等で取り囲む場合等には、十分には対向部の面積を広くすることはできず、加圧面からの面圧が感度十分に検出信号に反映されない。
【０００５】
本発明は前記実情に鑑みなされたもので、面圧を高感度で検出することのできる面圧センサを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、基板上に薄膜状の抵抗体を設けてなり、相手方部材から面圧が印加される積層構造体を有し、前記面圧の大きさに応じて変化する前記抵抗体の電気抵抗値に基づいて面圧を検出する面圧センサであって、
前記積層構造体と前記相手方部材との間に該相手方部材から前記積層構造体に面圧を伝達する受圧ブロックを介設せしめ、
前記基板上に少なくとも４つの薄膜状の抵抗体を形成するとともに、該抵抗体を少なくとも１つ含む４つの線路によりホイートストンブリッジ回路を形成し、
前記抵抗体のうち、前記ホイートストンブリッジ回路の対向辺となる２つの線路を構成する複数の抵抗体の形成位置の直上位置で前記積層構造体の表面に、前記複数の抵抗体の形成位置をそれぞれカバーする大きさで１対１に対応して形成され、前記受圧ブロックを載置する複数の台部を突設するとともに、他の２つの線路を構成する複数の抵抗体の形成位置には台部を非形成とし、
前記抵抗体の形成位置を含む位置で前記積層構造体の表面に、前記受圧ブロックを載置する台部を突設し、
前記受圧ブロックを、前記相手方部材との当接面積が前記台部の平面積よりも広い形状とする。
【００１０】
相手方部材からの力は、受圧ブロックから台部を経てその直下の抵抗体に伝達される。抵抗体では伝達された力の大きさに応じて抵抗値が変化し、検出しようとする面圧に応じた検出信号が得られる。
【００１１】
前記台部の平面積が受圧ブロックと相手方部材との当接面積よりも狭いから、受圧ブロックが相手方部材から受ける力が、ホイートストンブリッジ回路の一方の対向辺となる２つの線路を構成する抵抗体形成位置に集中することになる。そして、ホイートストンブリッジ回路の他方の対向辺となる２つの線路を構成する抵抗体形成位置には圧力が伝達されない。これにより、高感度で面圧を検出することができる。
【００１４】
請求項２記載の発明では、基板上に薄膜状の抵抗体を設けてなり、相手方部材から面圧が印加される積層構造体を有し、前記基板の一部を薄肉としてダイアフラムとし、前記面圧の大きさに応じてダイアフラムが撓むことにより変化する前記抵抗体の電気抵抗値に基づいて面圧を検出する面圧センサであって、
前記積層構造体と前記相手方部材との間に該相手方部材から前記積層構造体に面圧を伝達する受圧ブロックを介設せしめ、
前記基板上に少なくとも４つの薄膜状の抵抗体を形成するとともに、該抵抗体を少なくとも１つ含む４つの線路によりホイートストンブリッジ回路を形成し、
前記抵抗体のうち、前記ホイートストンブリッジ回路の一方の対向辺となる２つの線路を構成する複数の抵抗体を、前記ダイアフラムの中央部に形成し、
前記ホイートストンブリッジ回路の他方の対向辺となる２つの線路を構成する複数の抵抗体を、前記ダイアフラムの周縁側の位置に形成し、
前記ダイアフラム中央部の複数の抵抗体の形成位置の直上位置で前記積層構造体の表面に、前記複数の抵抗体の形成位置をそれぞれカバーする大きさで１対１に対応して形成され、前記受圧ブロックを載置する台部を突設するとともに、前記ダイアフラム周縁側の複数の抵抗体の形成位置には台部を非形成とし、
前記受圧ブロックを、前記相手方部材との当接面積が前記台部の平面積よりも広い形状とする。
【００１５】
相手方部材からの力は、受圧ブロックから積層構造体に伝達される。前記台部の平面積が受圧ブロックと相手方部材との当接面積よりも狭いから、受圧ブロックが相手方部材から受ける力はダイアフラムの中央部に集中し、ダイアフラムが大きく撓む。そして、ダイアフラム中央部の抵抗体では圧縮方向の歪みが生じ、ダイアフラム周縁側の抵抗体では引っ張り方向の歪みが生じる。しかして、ホイートストンブリッジ回路の一方の対向辺となる２つの線路を構成する抵抗体と他方の対向辺となる２つの線路を構成する抵抗体とで、歪みの大きさに応じて抵抗値が逆方向に変化し、検出しようとする面圧に応じた圧力信号が高感度で得られる。
【００１６】
請求項３記載の発明では、請求項１または２の発明の構成において、前記積層構造体と前記受圧ブロックとを、前記台部の段差よりも薄い絶縁被膜で覆う構造とする。
【００１７】
この結果、本受圧センサを腐食環境や水中で使用することが可能となる。
【００１８】
絶縁被膜により覆われて積層構造体と受圧ブロックとが一体化する。絶縁被膜が台部の段差よりも薄いので、台部以外の場所で積層構造体と受圧ブロックとが接触せず、感度の個体差や感度の低下を抑制することができる。
【００２３】
請求項４記載の発明では、基板上に薄膜状の抵抗体を設けてなり、相手方部材から面圧が印加される積層構造体を有し、前記面圧の大きさに応じて変化する前記抵抗体の電気抵抗値に基づいて面圧を検出する面圧センサであって、
前記基板上に少なくとも４つの薄膜状の抵抗体を形成するとともに、該抵抗体を少なくとも１つ含む４つの線路によりホイートストンブリッジ回路を形成し、
前記積層構造体と前記相手方部材との間に該相手方部材から前記積層構造体に面圧を伝達する受圧ブロックを介設せしめ、
該受圧ブロックを、前記抵抗体のうち、前記ホイートストンブリッジ回路の一方の対向辺となる２つの線路を構成する複数の抵抗体の形成位置の直上位置から前記積層構造体側に突出し、前記複数の抵抗体の形成位置をそれぞれカバーする大きさで１対１に対応して形成される、複数の脚部を具備するとともに、他方の２つの線路を構成する複数の抵抗体の形成位置には脚部を非形成とし、かつ、前記積層構造体との当接面積よりも前記相手方部材との当接面積の方が広い形状とする。
【００２４】
相手方部材からの力は、受圧ブロックからその脚部直下の抵抗体に伝達される。抵抗体では伝達された力の大きさに応じて抵抗値が変化し、検出しようとする面圧に応じた圧力信号が得られる。
【００２５】
前記受圧ブロックと前記積層構造体との当接面積が受圧ブロックと相手方部材との当接面積よりも狭いから、受圧ブロックが相手方部材から受ける力が、ホイートストンブリッジ回路の一方の対向辺となる２つの線路を構成する抵抗体の形成位置に集中することになる。そして、ホイートストンブリッジ回路の他方の対向辺となる２つの線路を構成する抵抗体の形成位置には圧力が伝達されない。これにより、高感度で面圧を検出することができる。
【００２６】
しかも、脚部が、抵抗体が形成される積層構造体とは別体であり、受圧ブロックと積層構造体との熱膨張率の相違で面圧センサの出力特性が温度変動で影響するのを防止することができる。
【００３０】
請求項５記載の発明では、基板上に薄膜状の抵抗体を設けてなり、相手方部材から面圧が印加される積層構造体を有し、前記基板の一部を薄肉としてダイアフラムとし、前記面圧の大きさに応じてダイアフラムが撓むことにより変化する前記抵抗体の電気抵抗値に基づいて面圧を検出する面圧センサであって、
前記基板上に少なくとも４つの薄膜状の抵抗体を形成するとともに、該抵抗体を少なくとも１つ含む４つの線路によりホイートストンブリッジ回路を形成し、
前記抵抗体のうち、前記ホイートストンブリッジ回路の一方の対向辺となる２つの線路を構成する複数の抵抗体を、前記ダイアフラムの中央部に形成し、
前記ホイートストンブリッジ回路の他方の対向辺となる２つの線路を構成する複数の抵抗体を、前記ダイアフラムの周縁側の位置に形成し、
前記積層構造体と前記相手方部材との間に該相手方部材から前記積層構造体に面圧を伝達する受圧ブロックを介設せしめ、
該受圧ブロックを、前記ダイアフラム中央部の複数の抵抗体の形成位置の直上位置から前記積層構造体側に突出し、前記複数の抵抗体の形成位置をそれぞれカバーする大きさで１対１に対応して形成される、複数の脚部を具備するとともに、前記ダイアフラム周縁側の複数の抵抗体の形成位置には台部を非形成とし、かつ、前記積層構造体との当接面積よりも前記相手方部材との当接面積の方が広い形状とする。
【００３１】
相手方部材からの力は、受圧ブロックからその脚部位置で積層構造体に伝達される。受圧ブロックと前記積層構造体との当接面積が受圧ブロックと相手方部材との当接面積よりも狭いから、受圧ブロックが相手方部材から受ける力はダイアフラムの中央部に集中し、ダイアフラムが大きく撓む。そして、ダイアフラム中央部の抵抗体では圧縮方向の歪みが生じ、ダイアフラム周縁側の抵抗体では引っ張り方向の歪みが生じる。しかして、ホイートストンブリッジ回路の一方の対向辺となる２つの線路を構成する抵抗体と他方の対向辺となる２つの線路を構成する抵抗体とで、歪みの大きさに応じて抵抗値が逆方向に変化し、検出しようとする面圧に応じた圧力信号が得られる。
【００３２】
しかも、脚部が、抵抗体が形成される積層構造体とは別体であり、受圧ブロックと積層構造体との熱膨張率の相違で面圧センサの出力特性が温度変動で影響するのを防止することができる。
【００３３】
請求項６記載の発明では、請求項４または５の発明の構成において、前記積層構造体の前記受圧ブロックとの対向面に前記受圧ブロックの位置決め用の段差を形成する。
【００３４】
段底部に受圧ブロックを納めるだけで受圧ブロックの脚部の直下に所定の抵抗体が位置するから、面圧センサの個体差が少なく、検出感度がばらつかない。
【００３５】
請求項７記載の発明では、請求項４ないし６の発明の構成において、前記積層構造体と前記受圧ブロックとを、前記脚部の段差よりも薄い絶縁被膜で覆う構造とする。
【００３６】
この結果、本受圧センサを腐食環境や水中で使用することが可能となる。
【００３７】
絶縁被膜により覆われて積層構造体と受圧ブロックとが一体化する。絶縁被膜が脚部の高さよりも薄いので、脚部以外の場所で積層構造体と受圧ブロックとが接触せず、感度の個体差や感度の低下を抑制することができる。
【００３８】
請求項８記載の発明では、請求項１ないし７の発明の構成において、前記基板上には温度に応じて抵抗値が変化する抵抗体を設けて、前記抵抗値に基づいて面圧の検出信号を補正可能とする。
【００３９】
使用環境の温度変動によらず高精度に面圧を測定することができる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、図面にしたがい、本発明の面圧センサについて説明する。図１に面圧センサの上面を、図２に面圧センサの側面を示す。図３は面圧センサが設置された状態を示している。本実施形態は、相手方部材である板状部材１２が重ねられて、その方向に力が伝達する装置に関するもので、各板状部材１２の一方の面には格子状に正方形の凸部１２１が形成されており、この凸部１２１で力が伝達していくようになっている。板状部材１２には一部に凸部１２１を間引いたところが形成してあり、ここに面圧センサ１１が設置される。
【００４１】
面圧センサ１１は、基板であるセンサ基板２１上に薄膜形成とフォトリソグラフィを組み合わせた微細加工技術によりセンサ形成層２２が形成された積層構造体であるセンシング部２を有している。薄膜形成はスパッタリング、蒸着、ＣＶＤ等の一般的な成膜技術が用いられ得る。センサ基板２１は、これに板状部材１２との対向面からの圧力が印加されるため面圧により塑性変形を起こさない耐力の大きなものが用いられ、例えば０．２ｍｍのＳｉにより構成する。また、面圧センサ１１は微細なセンサ構造を有するため、断線等のない所期のセンサ構造が得られるように、センサ基板２１の表面は成膜に先立ち鏡面研磨されていることが望ましい。
【００４２】
センシング部２２は圧力検知のためのゲージ（感圧ゲージ）４２１，４２２，４２３，４２４，４３１，４３２，４３３，４３４、温度補正のためのゲージ（感温ゲージ）４４を有している。これらは後述するように、圧力や温度に応じて抵抗値が変化する抵抗体であり、センサ基板２１上に積層する絶縁膜４１の層間に設けられている。絶縁膜４１の層間にはまた、これら感圧ゲージ４２１〜４３４、感温ゲージ４４の配線用の配線膜４５が設けられている。
【００４３】
感圧ゲージ４２１〜４３４、感温ゲージ４４は正方形の各頂点位置および各辺の中点位置にそれぞれ、合計８か所に、実質的に同じ構造のものが形成される。
感圧ゲージ４２１〜４３４は、圧力感度が高く、歪み感度や温度感度の小さい材質、例えばＣｒ６０〜９９原子％、酸素２０〜３０原子％、金属元素０〜１０原子％のＣｒサーメットやマンガニン等を成膜して、これをフォトリソグラフィにより、図４に示すような蛇行パターンに形成したものである。蛇行パターンとすることでコンパクト化しており、縦横０．１〜０．４ｍｍ程度の大きさとなっている。感圧ゲージ４２１〜４３４では、その両面から圧力が印加されると、その圧力の大きさに応じて電気抵抗値が変化する。
【００４４】
感圧ゲージ４２１〜４３４は抵抗値（以下、適宜、ゲージ抵抗という）が５０Ω以上となるように長さおよび幅を設計するのがよい。ゲージ抵抗を下げるには、線幅を狭く、線路長を長くとることになる。ここで、線幅は、断線を回避するため、下地の欠陥の大きさやフォトリソグラフィの最小加工寸法等を考慮して設定する。配線膜４５の抵抗（以下、適宜、配線抵抗という）／ゲージ抵抗を小さくして測定誤差を抑えるためである。また、ゲージ抵抗が小さいと、その分、面圧検出信号が小さくなり、十分なＳ／Ｎを確保することができないためである。
【００４５】
感温ゲージ４４は温度感度が高く、歪み感度や圧力感度の小さい材質、例えばＴｉやＰｔ等を成膜して、これをフォトリソグラフィにより蛇行パターンに形成したものである。感温ゲージ４４は感圧ゲージ４２１〜４３４と近接して形成され、感温ゲージ４４により検出された温度は感圧ゲージ４２１〜４３４の温度とみなすことができる。
【００４６】
配線膜４５には比抵抗が小さく、圧力、歪み、および温度等に対する感度が低いことが望まれる。ＡｌやＣｕが好適である。
【００４７】
また、絶縁膜４１は配線膜４５上の所定位置がフォトリソグラフィにより開口せしめてあり、開口部には外部の計測回路と配線膜４５とを接続するための電極膜４６が形成される。電極膜４６にはリード線４７の取り付けを行い得るようになっている。
【００４８】
センシング部２とその上方の板状部材１２との間には受圧ブロック３が介設せしめてあり、板状部材１２からの面圧をセンシング部２へと伝達するようになっている。受圧ブロック３は樹脂やＣｕ、ＳＵＳ等の金属等を成形したもので、図例のものでは板状部材１２に形成された前記凸部１２１と同じ平面形状を有する矩形体である。
【００４９】
一方、受圧ブロック３の直下位置でセンシング部２の表面には台部２３１，２３２，２３２，２３４が形成してあり、台部２３１〜２３４上に受圧ブロック３が載置される。台部２３１〜２３４はＡｌ等を成膜して、フォトリソグラフィによるパターン転写で前記感圧ゲージ４２１〜４３４形成位置を規定する前記正方形の４か所の頂点位置に形成した島パターンである。したがって、台部２３１〜２３４は、感圧ゲージ４２１，４２２，４２３，４２４上に、これと１対１に対応して形成されることになる。台部２３１〜２３４は矩形で、直下の感圧ゲージ４２１〜４２４をカバーする大きさとしてあり、かつ、前記正方形の各辺の中点位置の感圧ゲージ４３１，４３２，４３３，４３４や感温ゲージ４４の形成位置が外れるような大きさとしてある。なお、以下の説明において、適宜、台部２３１〜２３４の直下に位置する感圧ゲージ４２１〜４２４をアクティブゲージ４２１〜４２４といい、台部２３１〜２３４の直下に位置しない残りの感圧ゲージ４３１〜４３４をダミーゲージという。
【００５０】
８つの感圧ゲージ４２１〜４３４は２つずつ配線パターン４５により直列に接続されて４つの線路を形成している。図５はかかる線路の配線状態を示す回路図であり、線路５１，５２，５３，５４がさらに接続されてホイートストンブリッジ回路５を形成している。相隣れる線路５１〜５４の接続点は４つの電極膜４６からリード線４７を介して取り出される。ホイートストンブリッジ回路５の２つの対向辺のうち、一方の対向辺となる２つの線路５１，５２はアクティブゲージ４２１〜４２４のみで構成される。他方の対向辺となる２つの線路５３，５４はダミーゲージ４３１〜４３４のみで構成される。入力電圧を、アクティブゲージ４２１，４２２で構成された一方の線路５１とダミーゲージ４３３，４３４で構成された一方の線路５４とで分割した電圧と、ダミーゲージ４３１，４３２で構成された他方の線路５３とアクティブゲージ４２３，４２４で構成された他方の線路５２とで分割した電圧との差分が圧力検出信号として取り出されるようになっている。
【００５１】
さて、受圧ブロック３に印加された力は、４つの台部２３１〜２３４に分散してセンシング部２に伝達される。受圧ブロック３は、アクティブゲージ４２１〜４２４の他、ダミーゲージ４３１〜４３４、感温ゲージ４４、配線膜４５が形成された領域（電極膜４６で囲まれた領域）程度の大きさを有しており、台部２３１〜２３４の平面積（厳密には台部２３１〜２３４の基端部の面積）が受圧ブロック３の板状部材１２との当接面積、すなわち受圧ブロック３の上端面の面積よりも狭くなっている。したがって、受圧ブロック３に印加された力は４つのアクティブゲージ４２１〜４２４の形成位置に集中することになる。しかして、アクティブゲージ４２１〜４２４の抵抗値が、検出すべき面圧の大きさに応じて高感度で変化する。
【００５２】
一方、ダミーゲージ４３１〜４３４には実質的に力が受圧ブロック３から伝達されないから、抵抗値は殆ど変化しない。
【００５３】
これにより、検出しようとする面圧の大きさに対して感度よく変化する圧力検出信号を得ることができ、これに基づいて面圧を求めることができる。なお、感度は、台部２３１〜２３４の平面積と、受圧ブロック３と板状部材１２との当接面積との比で規定されることになる。なお、この比において、受圧ブロック３と板状部材１２との当接面積は、実際に面圧値を求めるに際して、台部２３１〜２３４一つ分に換算されるのは勿論である。
【００５４】
この圧力検出信号は感温ゲージ４４からの温度検出信号により補正される。ブリッジ回路５を構成する感圧ゲージ４２１〜４３４の温度特性が完全には一致せず、温度に応じて０点がドリフトするためである。したがって、補正は温度検出信号と０点における圧力検出信号との間の関係を予め記憶しておき、これに基づいて補正する。温度検出信号と０点における圧力検出信号との間の関係は予め実験等により求め得る。かかる圧力検出信号および温度検出信号に基づいて面圧を得る手段としては、例えば、マイクロコンピュータやＡ／Ｄ変換器等を中心とする構成により実現される。
【００５５】
なお、受圧ブロック３の台部２３１〜２３４への固定は、接着剤により行う。
このとき、接着剤は受圧ブロック３と台部２３１〜２３４との当接面にのみ用いるのが望ましい。台部２３１〜２３４以外の場所で受圧ブロック３とセンシング部２との間に余分な接着剤があると、受圧ブロック３から台部２３１〜２３４以外の場所から力が伝達してしまい、受圧ブロック３が受けた力と台部２３１〜２３４からアクティブゲージ４２１〜４２４に伝達される力の比が変化したり、接着剤がダミーゲージ４３１〜４３４上にあれば、ダミーゲージ４３１〜４３４の抵抗値までが、検出しようとする面圧の大きさに応じて変化して、検出誤差を増大させるからである。
【００５６】
あるいは、受圧ブロック３を前記台部２３１〜２３４上に位置決めした後に、図６に示すように、さらに絶縁被膜６を形成して、受圧ブロック３を台部２３１〜２３４に載置した状態で固定するのもよい。なお、この絶縁被膜６は台部２３１〜２３４の段差よりも薄く形成し、絶縁被膜６の形成後にも、受圧ブロック３が台部２３１〜２３４でのみセンシング部２と当接するようにする。
【００５７】
なお、これらの接着剤、絶縁被膜として十分に剛性の低いものを用いることができれば、受圧ブロックが台部以外の場所でセンシング部と当接することに基因した検出誤差を抑制することができる。
【００５８】
なお、図例のものでは板状部材１２が同方向に向けて積層しているが、板状部材が図７のように凹凸面同志が対向するように積層する構造であっても、図例のように本面圧センサはそのまま適用することができる。
【００５９】
（第２実施形態）
図８、図９に本発明の第２実施形態を示す。図中、第１実施形態と実質的に同じ作動をする部分には同じ番号を付して第１実施形態との相違点を中心に説明する。面圧センサ１１Ａのセンシング部２Ａは、センサ基板２１Ａの円形の領域が薄肉に形成されており、ダイアフラム７としてある。ダイアフラム７の形成にはフォトリソグラフィが用いられる。
【００６０】
センサ基板２１Ａの上方のセンサ形成層２２Ａは、基本的な構造は第１実施形態と同じである。絶縁膜４１の層間には、ダイアフラム７の中央部７１と周縁部７２とに、それぞれ４つずつ周方向等間隔に感圧ゲージ４２１〜４３４が形成してある。感圧ゲージ４２１〜４３４の他、これらの配線用の配線膜４５や電極膜４６が形成される。また、センシング部２Ａの表面には台部２３１〜２３４が突設してある。感温ゲージ４５、電極膜４６はダイアフラム７の外周に感圧ゲージ４２１〜４３４を囲むように配置される。
【００６１】
台部２３１〜２３４は実質的に第１実施形態と同じもので、ダイアフラム７の中央部７１に配置される前記４つの感圧ゲージ（以下、適宜、アクティブゲージという）４２１〜４２４の直上位置に形成してある。この４つの台部２３１〜２３４には受圧ブロック３が載置される。ダイアフラム７の周縁部７２の４つの感圧ゲージ（以下、適宜、ダミーゲージという）４３１〜４３４の直上位置には台部は非形成である。また、ダイアフラム７の撓みは、その径方向の歪みの分布が、中央部７１では圧縮歪みであるのに対し、そこから径方向に周縁側にいくほど引っ張り歪み側へ漸次変化し、周縁部７２では引っ張り歪みとなる。アクティブゲージ４２１〜４２４はこの圧縮歪みが現れる位置に、ダミーゲージ４３１〜４３４は引っ張り歪みが現れる位置に形成される。
【００６２】
本実施形態でも、台部２３１〜２３４の形成位置に配置される４つのアクティブゲージ４２１〜４２４と、台部非形成位置に配置される４つのダミーゲージ４３１〜４３４とで、図５と同様のホイートストンブリッジ回路が形成される。
【００６３】
本実施形態では受圧ブロック３に伝達された力がダイアフラム中央部７１に集中するので、ダイアフラム７に大きな撓みを生じる。この撓みは各感圧ゲージ４２１〜４３４に歪みを生じさせる。そして、アクティブゲージ４２１〜４２４がダイアフラム中央部７１に配置されて圧縮歪みが生じるのに対し、ダミーゲージ４３１〜４３４がダイアフラム周縁部７２に配置されて引っ張り歪みが生じるので、受圧ブロック３からの力に対して、アクティブゲージ４２１〜４２４とダミーゲージ４３１〜４３４とで逆方向の抵抗値変化が生じる。これにより、より検出感度が高められる。
【００６４】
（第３実施形態）
図１０、図１１、図１２に本発明の第３実施形態を示す。図中、第１実施形態と実質的に同じ作動をする部分には同じ番号を付して第１実施形態との相違点を中心に説明する。
【００６５】
面圧センサ１１Ｂのセンシング部２Ｂは、センサ形成層２２Ｂが第１実施形態のセンサ形成層において台部を非形成としたものである。一方、受圧ブロック３Ｂは第１実施形態のものと基本的な矩形の本体部３１を有している。そして、アクティブゲージ４２１〜４２４の形成位置で本体部３１の底面の四隅から、センシング部２Ｂ側に突出する脚部３２１，３２２，３２３，３２４が設けてある。
脚部３２１〜３２４は、アクティブゲージ４２１〜４２４の形成位置でセンシング部２Ｂ上に載るように、ダミーゲージ４３１〜４３４の形成位置には載らないように面積や間隔などが設定される。受圧ブロック３Ｂの底面は、板状部材１２と当接する上面と同じ形状であり、脚部３２１〜３２４が非形成の底面部分の面積だけ、受圧ブロック３Ｂの板状部材１２との当接面積が脚部３２１〜３２４の平面積（厳密には脚部３２１〜３２４の底面の面積）よりも広くなっている。
【００６６】
本実施形態の構成によれば、脚部３２１〜３２４が第１実施形態の台部と等価な作用をし、検出感度を高めることができる。
【００６７】
さらに、第１実施形態では台部とセンシング部の熱膨張率差に基因して面圧センサの温度特性が受ける影響に十分に考慮する必要があるのに対して、本実施形態では、かかる熱膨張率差の問題がなく、温度変動に対して面圧センサの出力特性が変化せず、検出精度をさらに高精度化することができる。
【００６８】
この、台部と等価な脚部を有する受圧ブロックは、第２実施形態に適用することができ、第２実施形態において、台部を非形成とするとともに、台部が形成されていた位置に脚部が載るようにして、アクティブゲージ上に荷重が集中するようにする。
【００６９】
（第４実施形態）
図１３、図１４に本発明の第４実施形態を示す。図中、第３実施形態と実質的に同じ作動をする部分には同じ番号を付して第３実施形態との相違点を中心に説明する。面圧センサ１１Ｃのセンシング部２Ｃは基本的な構造は第３実施形態のものと同じで、相違点は、センサ形成層２２Ｃの表面２２１に段差２２１ａを形成した点である。段底部２２１１は、受圧ブロック３Ａと略同じ平面形状の正方形であり、受圧ブロック３Ａをその脚部３２１〜３２４がアクティブゲージ４２１〜４２４上に位置するように設置したときに、受圧ブロック３Ａが段底部２２１１に納まるようになっている。すなわち、段差２２１ａが受圧ブロック３Ａをセンシング部２Ｃに設置するときの、位置決め用のガイドとなる。なお、段差２２１ａは、受圧ブロック３Ａとセンシング部２Ｃとの脚部３２１〜３２４以外での接触を回避すべく脚部３２１〜３２４の高さよりも浅く形成する。段差２２１ａの形成はフォトリソグラィによりなし得る。
【００７０】
これにより、受圧ブロック脚部３２１〜３２４がアクティブゲージ４２１〜４２４に対して位置ずれしないので、製造ばらつきがなく、しかも、組み立てが容易である。
【００７１】
本実施形態の特徴部分は、第２実施形態の構成において脚付きの受圧ブロックに代えたものにも適用することができる。
【００７２】
なお、前記各実施形態では、感温ゲージを設けることで温度変動による検出誤差を低減するようにしているが、温度変動の幅や要求される仕様によっては省略して、構造を簡略化することができる。
【００７３】
また、感圧ゲージがホイートストンブリッジ回路を構成することでさらに高感度化を図っているが、アクティブゲージとダミーゲージとの分割電圧を圧力検出信号とするのもよい。あるいは、さらに簡略化してアクティブゲージだけの構成とすることもできる。
【００７４】
また、ホイートストンブリッジ回路を構成する線路を２つの感圧ゲージを直列に接続した構成とするのではなく、単一の感圧ゲージにより構成するのもよい。
【００７５】
また、図例の構成に比して感圧ゲージの数が少ないこれらの変形例では台部や脚部の数が少なくて済むことになるが、この場合、感圧ゲージの非形成位置にもダミーの台部や脚部を設けるのは構わない。例えば単一の台部でこれよりも広い平面形状を有する受圧ブロックを支持しようとすると、台部にもある程度の面積を確保する必要があるが、複数の台部で支持すれば、台部の面積の総和がさ程なくとも安定的に受圧ブロックを載置することができるからである。これにより、台部のセンシング部との当接面積を受圧ブロックの板状部材との当接面積に対して十分に狭くすることができ、高感度化と受圧ブロックの安定性とを両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態になる面圧センサの、受圧ブロックを省略した平面図である。
【図２】前記面圧センサの側面図である。
【図３】前記面圧センサの実装状態を示す図である。
【図４】前記面圧センサを構成する感圧ゲージの平面図である。
【図５】前記面圧センサの要部の電気回路図である。
【図６】前記面圧センサの変形例の側面図である。
【図７】前記面圧センサの別の実装状態を示す図である。
【図８】本発明の第２実施形態になる面圧センサの、受圧ブロックを省略した平面図である。
【図９】前記面圧センサの側面図である。
【図１０】本発明の第３実施形態になる面圧センサの、受圧ブロックを省略した平面図である。
【図１１】前記面圧センサの側面図である。
【図１２】前記面圧センサを構成する受圧ブロックの底面図である。
【図１３】本発明の第４実施形態になる面圧センサの、受圧ブロックを省略した平面図である。
【図１４】前記面圧センサの側面図である。
【符号の説明】
１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ 面圧センサ
１２ 板状部材（相手方部材）
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ センシング部（積層構造体）
２１，２１Ａ センサ基板（基板）
２２，２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ センサ形成層
２２１ 表面
２２１１ 段底部
２２１ａ 段差
２３１，２３２，２３３，２３４ 台部
３，３Ａ 受圧ブロック
３１ 本体部
３２１，３２２，３２３，３２４ 脚部
４１ 絶縁膜
４２１，４２２，４２３，４２４，４３１，４３２，４３３，４３４ 感圧ゲージ（抵抗体）
４４ 感温ゲージ（抵抗体）
４５ 配線膜
４６ 電極膜
４７ リード線
５ ホイートストンブリッジ回路
５１，５２，５３，５４ 線路
６ 絶縁被膜
７ ダイアフラム
７１ 中央部
７２ 周縁部
【発明の属する技術分野】
本発明は面圧センサの検出感度を向上する構造改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、面圧を直接検出する手段として感圧紙があるが、最高圧のデータしか得られないため、電気的な圧力ゲージを備えたセンサが提案されている。かかるセンサによれば、最高圧以外にも圧力の経時変動の測定が可能である。
【０００３】
特開平８−３２７４７４号公報には、複数の帯状の電極が並列するように形成された２つの層を、一方の層の帯状電極と他方の層の帯状電極とが交叉するように貼り合わせるとともに、両帯状電極の対向面のそれぞれには感圧導電インク層を形成したものがある。このものでは、交叉位置における感圧導電インク層の接触面積が層の厚さ方向の圧力によって変化し、交叉位置における電極間の抵抗値変化から面圧を求めるようにしている。この技術では、さらに一方の層の帯状電極の幅が段階的に変化する形状として、前記交叉位置における検出感度を、帯状電極の幅に応じて複数種類選択可能としている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特開平８−３２７４７４号公報記載の技術では、微小な圧力に対して検出感度を高めようとすれば、感圧導電インク層を挟む両帯状電極の対向部の面積を広くすることになるが、これらの周囲を配線用のパターン等で取り囲む場合等には、十分には対向部の面積を広くすることはできず、加圧面からの面圧が感度十分に検出信号に反映されない。
【０００５】
本発明は前記実情に鑑みなされたもので、面圧を高感度で検出することのできる面圧センサを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、基板上に薄膜状の抵抗体を設けてなり、相手方部材から面圧が印加される積層構造体を有し、前記面圧の大きさに応じて変化する前記抵抗体の電気抵抗値に基づいて面圧を検出する面圧センサであって、
前記積層構造体と前記相手方部材との間に該相手方部材から前記積層構造体に面圧を伝達する受圧ブロックを介設せしめ、
前記基板上に少なくとも４つの薄膜状の抵抗体を形成するとともに、該抵抗体を少なくとも１つ含む４つの線路によりホイートストンブリッジ回路を形成し、
前記抵抗体のうち、前記ホイートストンブリッジ回路の対向辺となる２つの線路を構成する複数の抵抗体の形成位置の直上位置で前記積層構造体の表面に、前記複数の抵抗体の形成位置をそれぞれカバーする大きさで１対１に対応して形成され、前記受圧ブロックを載置する複数の台部を突設するとともに、他の２つの線路を構成する複数の抵抗体の形成位置には台部を非形成とし、
前記抵抗体の形成位置を含む位置で前記積層構造体の表面に、前記受圧ブロックを載置する台部を突設し、
前記受圧ブロックを、前記相手方部材との当接面積が前記台部の平面積よりも広い形状とする。
【００１０】
相手方部材からの力は、受圧ブロックから台部を経てその直下の抵抗体に伝達される。抵抗体では伝達された力の大きさに応じて抵抗値が変化し、検出しようとする面圧に応じた検出信号が得られる。
【００１１】
前記台部の平面積が受圧ブロックと相手方部材との当接面積よりも狭いから、受圧ブロックが相手方部材から受ける力が、ホイートストンブリッジ回路の一方の対向辺となる２つの線路を構成する抵抗体形成位置に集中することになる。そして、ホイートストンブリッジ回路の他方の対向辺となる２つの線路を構成する抵抗体形成位置には圧力が伝達されない。これにより、高感度で面圧を検出することができる。
【００１４】
請求項２記載の発明では、基板上に薄膜状の抵抗体を設けてなり、相手方部材から面圧が印加される積層構造体を有し、前記基板の一部を薄肉としてダイアフラムとし、前記面圧の大きさに応じてダイアフラムが撓むことにより変化する前記抵抗体の電気抵抗値に基づいて面圧を検出する面圧センサであって、
前記積層構造体と前記相手方部材との間に該相手方部材から前記積層構造体に面圧を伝達する受圧ブロックを介設せしめ、
前記基板上に少なくとも４つの薄膜状の抵抗体を形成するとともに、該抵抗体を少なくとも１つ含む４つの線路によりホイートストンブリッジ回路を形成し、
前記抵抗体のうち、前記ホイートストンブリッジ回路の一方の対向辺となる２つの線路を構成する複数の抵抗体を、前記ダイアフラムの中央部に形成し、
前記ホイートストンブリッジ回路の他方の対向辺となる２つの線路を構成する複数の抵抗体を、前記ダイアフラムの周縁側の位置に形成し、
前記ダイアフラム中央部の複数の抵抗体の形成位置の直上位置で前記積層構造体の表面に、前記複数の抵抗体の形成位置をそれぞれカバーする大きさで１対１に対応して形成され、前記受圧ブロックを載置する台部を突設するとともに、前記ダイアフラム周縁側の複数の抵抗体の形成位置には台部を非形成とし、
前記受圧ブロックを、前記相手方部材との当接面積が前記台部の平面積よりも広い形状とする。
【００１５】
相手方部材からの力は、受圧ブロックから積層構造体に伝達される。前記台部の平面積が受圧ブロックと相手方部材との当接面積よりも狭いから、受圧ブロックが相手方部材から受ける力はダイアフラムの中央部に集中し、ダイアフラムが大きく撓む。そして、ダイアフラム中央部の抵抗体では圧縮方向の歪みが生じ、ダイアフラム周縁側の抵抗体では引っ張り方向の歪みが生じる。しかして、ホイートストンブリッジ回路の一方の対向辺となる２つの線路を構成する抵抗体と他方の対向辺となる２つの線路を構成する抵抗体とで、歪みの大きさに応じて抵抗値が逆方向に変化し、検出しようとする面圧に応じた圧力信号が高感度で得られる。
【００１６】
請求項３記載の発明では、請求項１または２の発明の構成において、前記積層構造体と前記受圧ブロックとを、前記台部の段差よりも薄い絶縁被膜で覆う構造とする。
【００１７】
この結果、本受圧センサを腐食環境や水中で使用することが可能となる。
【００１８】
絶縁被膜により覆われて積層構造体と受圧ブロックとが一体化する。絶縁被膜が台部の段差よりも薄いので、台部以外の場所で積層構造体と受圧ブロックとが接触せず、感度の個体差や感度の低下を抑制することができる。
【００２３】
請求項４記載の発明では、基板上に薄膜状の抵抗体を設けてなり、相手方部材から面圧が印加される積層構造体を有し、前記面圧の大きさに応じて変化する前記抵抗体の電気抵抗値に基づいて面圧を検出する面圧センサであって、
前記基板上に少なくとも４つの薄膜状の抵抗体を形成するとともに、該抵抗体を少なくとも１つ含む４つの線路によりホイートストンブリッジ回路を形成し、
前記積層構造体と前記相手方部材との間に該相手方部材から前記積層構造体に面圧を伝達する受圧ブロックを介設せしめ、
該受圧ブロックを、前記抵抗体のうち、前記ホイートストンブリッジ回路の一方の対向辺となる２つの線路を構成する複数の抵抗体の形成位置の直上位置から前記積層構造体側に突出し、前記複数の抵抗体の形成位置をそれぞれカバーする大きさで１対１に対応して形成される、複数の脚部を具備するとともに、他方の２つの線路を構成する複数の抵抗体の形成位置には脚部を非形成とし、かつ、前記積層構造体との当接面積よりも前記相手方部材との当接面積の方が広い形状とする。
【００２４】
相手方部材からの力は、受圧ブロックからその脚部直下の抵抗体に伝達される。抵抗体では伝達された力の大きさに応じて抵抗値が変化し、検出しようとする面圧に応じた圧力信号が得られる。
【００２５】
前記受圧ブロックと前記積層構造体との当接面積が受圧ブロックと相手方部材との当接面積よりも狭いから、受圧ブロックが相手方部材から受ける力が、ホイートストンブリッジ回路の一方の対向辺となる２つの線路を構成する抵抗体の形成位置に集中することになる。そして、ホイートストンブリッジ回路の他方の対向辺となる２つの線路を構成する抵抗体の形成位置には圧力が伝達されない。これにより、高感度で面圧を検出することができる。
【００２６】
しかも、脚部が、抵抗体が形成される積層構造体とは別体であり、受圧ブロックと積層構造体との熱膨張率の相違で面圧センサの出力特性が温度変動で影響するのを防止することができる。
【００３０】
請求項５記載の発明では、基板上に薄膜状の抵抗体を設けてなり、相手方部材から面圧が印加される積層構造体を有し、前記基板の一部を薄肉としてダイアフラムとし、前記面圧の大きさに応じてダイアフラムが撓むことにより変化する前記抵抗体の電気抵抗値に基づいて面圧を検出する面圧センサであって、
前記基板上に少なくとも４つの薄膜状の抵抗体を形成するとともに、該抵抗体を少なくとも１つ含む４つの線路によりホイートストンブリッジ回路を形成し、
前記抵抗体のうち、前記ホイートストンブリッジ回路の一方の対向辺となる２つの線路を構成する複数の抵抗体を、前記ダイアフラムの中央部に形成し、
前記ホイートストンブリッジ回路の他方の対向辺となる２つの線路を構成する複数の抵抗体を、前記ダイアフラムの周縁側の位置に形成し、
前記積層構造体と前記相手方部材との間に該相手方部材から前記積層構造体に面圧を伝達する受圧ブロックを介設せしめ、
該受圧ブロックを、前記ダイアフラム中央部の複数の抵抗体の形成位置の直上位置から前記積層構造体側に突出し、前記複数の抵抗体の形成位置をそれぞれカバーする大きさで１対１に対応して形成される、複数の脚部を具備するとともに、前記ダイアフラム周縁側の複数の抵抗体の形成位置には台部を非形成とし、かつ、前記積層構造体との当接面積よりも前記相手方部材との当接面積の方が広い形状とする。
【００３１】
相手方部材からの力は、受圧ブロックからその脚部位置で積層構造体に伝達される。受圧ブロックと前記積層構造体との当接面積が受圧ブロックと相手方部材との当接面積よりも狭いから、受圧ブロックが相手方部材から受ける力はダイアフラムの中央部に集中し、ダイアフラムが大きく撓む。そして、ダイアフラム中央部の抵抗体では圧縮方向の歪みが生じ、ダイアフラム周縁側の抵抗体では引っ張り方向の歪みが生じる。しかして、ホイートストンブリッジ回路の一方の対向辺となる２つの線路を構成する抵抗体と他方の対向辺となる２つの線路を構成する抵抗体とで、歪みの大きさに応じて抵抗値が逆方向に変化し、検出しようとする面圧に応じた圧力信号が得られる。
【００３２】
しかも、脚部が、抵抗体が形成される積層構造体とは別体であり、受圧ブロックと積層構造体との熱膨張率の相違で面圧センサの出力特性が温度変動で影響するのを防止することができる。
【００３３】
請求項６記載の発明では、請求項４または５の発明の構成において、前記積層構造体の前記受圧ブロックとの対向面に前記受圧ブロックの位置決め用の段差を形成する。
【００３４】
段底部に受圧ブロックを納めるだけで受圧ブロックの脚部の直下に所定の抵抗体が位置するから、面圧センサの個体差が少なく、検出感度がばらつかない。
【００３５】
請求項７記載の発明では、請求項４ないし６の発明の構成において、前記積層構造体と前記受圧ブロックとを、前記脚部の段差よりも薄い絶縁被膜で覆う構造とする。
【００３６】
この結果、本受圧センサを腐食環境や水中で使用することが可能となる。
【００３７】
絶縁被膜により覆われて積層構造体と受圧ブロックとが一体化する。絶縁被膜が脚部の高さよりも薄いので、脚部以外の場所で積層構造体と受圧ブロックとが接触せず、感度の個体差や感度の低下を抑制することができる。
【００３８】
請求項８記載の発明では、請求項１ないし７の発明の構成において、前記基板上には温度に応じて抵抗値が変化する抵抗体を設けて、前記抵抗値に基づいて面圧の検出信号を補正可能とする。
【００３９】
使用環境の温度変動によらず高精度に面圧を測定することができる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、図面にしたがい、本発明の面圧センサについて説明する。図１に面圧センサの上面を、図２に面圧センサの側面を示す。図３は面圧センサが設置された状態を示している。本実施形態は、相手方部材である板状部材１２が重ねられて、その方向に力が伝達する装置に関するもので、各板状部材１２の一方の面には格子状に正方形の凸部１２１が形成されており、この凸部１２１で力が伝達していくようになっている。板状部材１２には一部に凸部１２１を間引いたところが形成してあり、ここに面圧センサ１１が設置される。
【００４１】
面圧センサ１１は、基板であるセンサ基板２１上に薄膜形成とフォトリソグラフィを組み合わせた微細加工技術によりセンサ形成層２２が形成された積層構造体であるセンシング部２を有している。薄膜形成はスパッタリング、蒸着、ＣＶＤ等の一般的な成膜技術が用いられ得る。センサ基板２１は、これに板状部材１２との対向面からの圧力が印加されるため面圧により塑性変形を起こさない耐力の大きなものが用いられ、例えば０．２ｍｍのＳｉにより構成する。また、面圧センサ１１は微細なセンサ構造を有するため、断線等のない所期のセンサ構造が得られるように、センサ基板２１の表面は成膜に先立ち鏡面研磨されていることが望ましい。
【００４２】
センシング部２２は圧力検知のためのゲージ（感圧ゲージ）４２１，４２２，４２３，４２４，４３１，４３２，４３３，４３４、温度補正のためのゲージ（感温ゲージ）４４を有している。これらは後述するように、圧力や温度に応じて抵抗値が変化する抵抗体であり、センサ基板２１上に積層する絶縁膜４１の層間に設けられている。絶縁膜４１の層間にはまた、これら感圧ゲージ４２１〜４３４、感温ゲージ４４の配線用の配線膜４５が設けられている。
【００４３】
感圧ゲージ４２１〜４３４、感温ゲージ４４は正方形の各頂点位置および各辺の中点位置にそれぞれ、合計８か所に、実質的に同じ構造のものが形成される。
感圧ゲージ４２１〜４３４は、圧力感度が高く、歪み感度や温度感度の小さい材質、例えばＣｒ６０〜９９原子％、酸素２０〜３０原子％、金属元素０〜１０原子％のＣｒサーメットやマンガニン等を成膜して、これをフォトリソグラフィにより、図４に示すような蛇行パターンに形成したものである。蛇行パターンとすることでコンパクト化しており、縦横０．１〜０．４ｍｍ程度の大きさとなっている。感圧ゲージ４２１〜４３４では、その両面から圧力が印加されると、その圧力の大きさに応じて電気抵抗値が変化する。
【００４４】
感圧ゲージ４２１〜４３４は抵抗値（以下、適宜、ゲージ抵抗という）が５０Ω以上となるように長さおよび幅を設計するのがよい。ゲージ抵抗を下げるには、線幅を狭く、線路長を長くとることになる。ここで、線幅は、断線を回避するため、下地の欠陥の大きさやフォトリソグラフィの最小加工寸法等を考慮して設定する。配線膜４５の抵抗（以下、適宜、配線抵抗という）／ゲージ抵抗を小さくして測定誤差を抑えるためである。また、ゲージ抵抗が小さいと、その分、面圧検出信号が小さくなり、十分なＳ／Ｎを確保することができないためである。
【００４５】
感温ゲージ４４は温度感度が高く、歪み感度や圧力感度の小さい材質、例えばＴｉやＰｔ等を成膜して、これをフォトリソグラフィにより蛇行パターンに形成したものである。感温ゲージ４４は感圧ゲージ４２１〜４３４と近接して形成され、感温ゲージ４４により検出された温度は感圧ゲージ４２１〜４３４の温度とみなすことができる。
【００４６】
配線膜４５には比抵抗が小さく、圧力、歪み、および温度等に対する感度が低いことが望まれる。ＡｌやＣｕが好適である。
【００４７】
また、絶縁膜４１は配線膜４５上の所定位置がフォトリソグラフィにより開口せしめてあり、開口部には外部の計測回路と配線膜４５とを接続するための電極膜４６が形成される。電極膜４６にはリード線４７の取り付けを行い得るようになっている。
【００４８】
センシング部２とその上方の板状部材１２との間には受圧ブロック３が介設せしめてあり、板状部材１２からの面圧をセンシング部２へと伝達するようになっている。受圧ブロック３は樹脂やＣｕ、ＳＵＳ等の金属等を成形したもので、図例のものでは板状部材１２に形成された前記凸部１２１と同じ平面形状を有する矩形体である。
【００４９】
一方、受圧ブロック３の直下位置でセンシング部２の表面には台部２３１，２３２，２３２，２３４が形成してあり、台部２３１〜２３４上に受圧ブロック３が載置される。台部２３１〜２３４はＡｌ等を成膜して、フォトリソグラフィによるパターン転写で前記感圧ゲージ４２１〜４３４形成位置を規定する前記正方形の４か所の頂点位置に形成した島パターンである。したがって、台部２３１〜２３４は、感圧ゲージ４２１，４２２，４２３，４２４上に、これと１対１に対応して形成されることになる。台部２３１〜２３４は矩形で、直下の感圧ゲージ４２１〜４２４をカバーする大きさとしてあり、かつ、前記正方形の各辺の中点位置の感圧ゲージ４３１，４３２，４３３，４３４や感温ゲージ４４の形成位置が外れるような大きさとしてある。なお、以下の説明において、適宜、台部２３１〜２３４の直下に位置する感圧ゲージ４２１〜４２４をアクティブゲージ４２１〜４２４といい、台部２３１〜２３４の直下に位置しない残りの感圧ゲージ４３１〜４３４をダミーゲージという。
【００５０】
８つの感圧ゲージ４２１〜４３４は２つずつ配線パターン４５により直列に接続されて４つの線路を形成している。図５はかかる線路の配線状態を示す回路図であり、線路５１，５２，５３，５４がさらに接続されてホイートストンブリッジ回路５を形成している。相隣れる線路５１〜５４の接続点は４つの電極膜４６からリード線４７を介して取り出される。ホイートストンブリッジ回路５の２つの対向辺のうち、一方の対向辺となる２つの線路５１，５２はアクティブゲージ４２１〜４２４のみで構成される。他方の対向辺となる２つの線路５３，５４はダミーゲージ４３１〜４３４のみで構成される。入力電圧を、アクティブゲージ４２１，４２２で構成された一方の線路５１とダミーゲージ４３３，４３４で構成された一方の線路５４とで分割した電圧と、ダミーゲージ４３１，４３２で構成された他方の線路５３とアクティブゲージ４２３，４２４で構成された他方の線路５２とで分割した電圧との差分が圧力検出信号として取り出されるようになっている。
【００５１】
さて、受圧ブロック３に印加された力は、４つの台部２３１〜２３４に分散してセンシング部２に伝達される。受圧ブロック３は、アクティブゲージ４２１〜４２４の他、ダミーゲージ４３１〜４３４、感温ゲージ４４、配線膜４５が形成された領域（電極膜４６で囲まれた領域）程度の大きさを有しており、台部２３１〜２３４の平面積（厳密には台部２３１〜２３４の基端部の面積）が受圧ブロック３の板状部材１２との当接面積、すなわち受圧ブロック３の上端面の面積よりも狭くなっている。したがって、受圧ブロック３に印加された力は４つのアクティブゲージ４２１〜４２４の形成位置に集中することになる。しかして、アクティブゲージ４２１〜４２４の抵抗値が、検出すべき面圧の大きさに応じて高感度で変化する。
【００５２】
一方、ダミーゲージ４３１〜４３４には実質的に力が受圧ブロック３から伝達されないから、抵抗値は殆ど変化しない。
【００５３】
これにより、検出しようとする面圧の大きさに対して感度よく変化する圧力検出信号を得ることができ、これに基づいて面圧を求めることができる。なお、感度は、台部２３１〜２３４の平面積と、受圧ブロック３と板状部材１２との当接面積との比で規定されることになる。なお、この比において、受圧ブロック３と板状部材１２との当接面積は、実際に面圧値を求めるに際して、台部２３１〜２３４一つ分に換算されるのは勿論である。
【００５４】
この圧力検出信号は感温ゲージ４４からの温度検出信号により補正される。ブリッジ回路５を構成する感圧ゲージ４２１〜４３４の温度特性が完全には一致せず、温度に応じて０点がドリフトするためである。したがって、補正は温度検出信号と０点における圧力検出信号との間の関係を予め記憶しておき、これに基づいて補正する。温度検出信号と０点における圧力検出信号との間の関係は予め実験等により求め得る。かかる圧力検出信号および温度検出信号に基づいて面圧を得る手段としては、例えば、マイクロコンピュータやＡ／Ｄ変換器等を中心とする構成により実現される。
【００５５】
なお、受圧ブロック３の台部２３１〜２３４への固定は、接着剤により行う。
このとき、接着剤は受圧ブロック３と台部２３１〜２３４との当接面にのみ用いるのが望ましい。台部２３１〜２３４以外の場所で受圧ブロック３とセンシング部２との間に余分な接着剤があると、受圧ブロック３から台部２３１〜２３４以外の場所から力が伝達してしまい、受圧ブロック３が受けた力と台部２３１〜２３４からアクティブゲージ４２１〜４２４に伝達される力の比が変化したり、接着剤がダミーゲージ４３１〜４３４上にあれば、ダミーゲージ４３１〜４３４の抵抗値までが、検出しようとする面圧の大きさに応じて変化して、検出誤差を増大させるからである。
【００５６】
あるいは、受圧ブロック３を前記台部２３１〜２３４上に位置決めした後に、図６に示すように、さらに絶縁被膜６を形成して、受圧ブロック３を台部２３１〜２３４に載置した状態で固定するのもよい。なお、この絶縁被膜６は台部２３１〜２３４の段差よりも薄く形成し、絶縁被膜６の形成後にも、受圧ブロック３が台部２３１〜２３４でのみセンシング部２と当接するようにする。
【００５７】
なお、これらの接着剤、絶縁被膜として十分に剛性の低いものを用いることができれば、受圧ブロックが台部以外の場所でセンシング部と当接することに基因した検出誤差を抑制することができる。
【００５８】
なお、図例のものでは板状部材１２が同方向に向けて積層しているが、板状部材が図７のように凹凸面同志が対向するように積層する構造であっても、図例のように本面圧センサはそのまま適用することができる。
【００５９】
（第２実施形態）
図８、図９に本発明の第２実施形態を示す。図中、第１実施形態と実質的に同じ作動をする部分には同じ番号を付して第１実施形態との相違点を中心に説明する。面圧センサ１１Ａのセンシング部２Ａは、センサ基板２１Ａの円形の領域が薄肉に形成されており、ダイアフラム７としてある。ダイアフラム７の形成にはフォトリソグラフィが用いられる。
【００６０】
センサ基板２１Ａの上方のセンサ形成層２２Ａは、基本的な構造は第１実施形態と同じである。絶縁膜４１の層間には、ダイアフラム７の中央部７１と周縁部７２とに、それぞれ４つずつ周方向等間隔に感圧ゲージ４２１〜４３４が形成してある。感圧ゲージ４２１〜４３４の他、これらの配線用の配線膜４５や電極膜４６が形成される。また、センシング部２Ａの表面には台部２３１〜２３４が突設してある。感温ゲージ４５、電極膜４６はダイアフラム７の外周に感圧ゲージ４２１〜４３４を囲むように配置される。
【００６１】
台部２３１〜２３４は実質的に第１実施形態と同じもので、ダイアフラム７の中央部７１に配置される前記４つの感圧ゲージ（以下、適宜、アクティブゲージという）４２１〜４２４の直上位置に形成してある。この４つの台部２３１〜２３４には受圧ブロック３が載置される。ダイアフラム７の周縁部７２の４つの感圧ゲージ（以下、適宜、ダミーゲージという）４３１〜４３４の直上位置には台部は非形成である。また、ダイアフラム７の撓みは、その径方向の歪みの分布が、中央部７１では圧縮歪みであるのに対し、そこから径方向に周縁側にいくほど引っ張り歪み側へ漸次変化し、周縁部７２では引っ張り歪みとなる。アクティブゲージ４２１〜４２４はこの圧縮歪みが現れる位置に、ダミーゲージ４３１〜４３４は引っ張り歪みが現れる位置に形成される。
【００６２】
本実施形態でも、台部２３１〜２３４の形成位置に配置される４つのアクティブゲージ４２１〜４２４と、台部非形成位置に配置される４つのダミーゲージ４３１〜４３４とで、図５と同様のホイートストンブリッジ回路が形成される。
【００６３】
本実施形態では受圧ブロック３に伝達された力がダイアフラム中央部７１に集中するので、ダイアフラム７に大きな撓みを生じる。この撓みは各感圧ゲージ４２１〜４３４に歪みを生じさせる。そして、アクティブゲージ４２１〜４２４がダイアフラム中央部７１に配置されて圧縮歪みが生じるのに対し、ダミーゲージ４３１〜４３４がダイアフラム周縁部７２に配置されて引っ張り歪みが生じるので、受圧ブロック３からの力に対して、アクティブゲージ４２１〜４２４とダミーゲージ４３１〜４３４とで逆方向の抵抗値変化が生じる。これにより、より検出感度が高められる。
【００６４】
（第３実施形態）
図１０、図１１、図１２に本発明の第３実施形態を示す。図中、第１実施形態と実質的に同じ作動をする部分には同じ番号を付して第１実施形態との相違点を中心に説明する。
【００６５】
面圧センサ１１Ｂのセンシング部２Ｂは、センサ形成層２２Ｂが第１実施形態のセンサ形成層において台部を非形成としたものである。一方、受圧ブロック３Ｂは第１実施形態のものと基本的な矩形の本体部３１を有している。そして、アクティブゲージ４２１〜４２４の形成位置で本体部３１の底面の四隅から、センシング部２Ｂ側に突出する脚部３２１，３２２，３２３，３２４が設けてある。
脚部３２１〜３２４は、アクティブゲージ４２１〜４２４の形成位置でセンシング部２Ｂ上に載るように、ダミーゲージ４３１〜４３４の形成位置には載らないように面積や間隔などが設定される。受圧ブロック３Ｂの底面は、板状部材１２と当接する上面と同じ形状であり、脚部３２１〜３２４が非形成の底面部分の面積だけ、受圧ブロック３Ｂの板状部材１２との当接面積が脚部３２１〜３２４の平面積（厳密には脚部３２１〜３２４の底面の面積）よりも広くなっている。
【００６６】
本実施形態の構成によれば、脚部３２１〜３２４が第１実施形態の台部と等価な作用をし、検出感度を高めることができる。
【００６７】
さらに、第１実施形態では台部とセンシング部の熱膨張率差に基因して面圧センサの温度特性が受ける影響に十分に考慮する必要があるのに対して、本実施形態では、かかる熱膨張率差の問題がなく、温度変動に対して面圧センサの出力特性が変化せず、検出精度をさらに高精度化することができる。
【００６８】
この、台部と等価な脚部を有する受圧ブロックは、第２実施形態に適用することができ、第２実施形態において、台部を非形成とするとともに、台部が形成されていた位置に脚部が載るようにして、アクティブゲージ上に荷重が集中するようにする。
【００６９】
（第４実施形態）
図１３、図１４に本発明の第４実施形態を示す。図中、第３実施形態と実質的に同じ作動をする部分には同じ番号を付して第３実施形態との相違点を中心に説明する。面圧センサ１１Ｃのセンシング部２Ｃは基本的な構造は第３実施形態のものと同じで、相違点は、センサ形成層２２Ｃの表面２２１に段差２２１ａを形成した点である。段底部２２１１は、受圧ブロック３Ａと略同じ平面形状の正方形であり、受圧ブロック３Ａをその脚部３２１〜３２４がアクティブゲージ４２１〜４２４上に位置するように設置したときに、受圧ブロック３Ａが段底部２２１１に納まるようになっている。すなわち、段差２２１ａが受圧ブロック３Ａをセンシング部２Ｃに設置するときの、位置決め用のガイドとなる。なお、段差２２１ａは、受圧ブロック３Ａとセンシング部２Ｃとの脚部３２１〜３２４以外での接触を回避すべく脚部３２１〜３２４の高さよりも浅く形成する。段差２２１ａの形成はフォトリソグラィによりなし得る。
【００７０】
これにより、受圧ブロック脚部３２１〜３２４がアクティブゲージ４２１〜４２４に対して位置ずれしないので、製造ばらつきがなく、しかも、組み立てが容易である。
【００７１】
本実施形態の特徴部分は、第２実施形態の構成において脚付きの受圧ブロックに代えたものにも適用することができる。
【００７２】
なお、前記各実施形態では、感温ゲージを設けることで温度変動による検出誤差を低減するようにしているが、温度変動の幅や要求される仕様によっては省略して、構造を簡略化することができる。
【００７３】
また、感圧ゲージがホイートストンブリッジ回路を構成することでさらに高感度化を図っているが、アクティブゲージとダミーゲージとの分割電圧を圧力検出信号とするのもよい。あるいは、さらに簡略化してアクティブゲージだけの構成とすることもできる。
【００７４】
また、ホイートストンブリッジ回路を構成する線路を２つの感圧ゲージを直列に接続した構成とするのではなく、単一の感圧ゲージにより構成するのもよい。
【００７５】
また、図例の構成に比して感圧ゲージの数が少ないこれらの変形例では台部や脚部の数が少なくて済むことになるが、この場合、感圧ゲージの非形成位置にもダミーの台部や脚部を設けるのは構わない。例えば単一の台部でこれよりも広い平面形状を有する受圧ブロックを支持しようとすると、台部にもある程度の面積を確保する必要があるが、複数の台部で支持すれば、台部の面積の総和がさ程なくとも安定的に受圧ブロックを載置することができるからである。これにより、台部のセンシング部との当接面積を受圧ブロックの板状部材との当接面積に対して十分に狭くすることができ、高感度化と受圧ブロックの安定性とを両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態になる面圧センサの、受圧ブロックを省略した平面図である。
【図２】前記面圧センサの側面図である。
【図３】前記面圧センサの実装状態を示す図である。
【図４】前記面圧センサを構成する感圧ゲージの平面図である。
【図５】前記面圧センサの要部の電気回路図である。
【図６】前記面圧センサの変形例の側面図である。
【図７】前記面圧センサの別の実装状態を示す図である。
【図８】本発明の第２実施形態になる面圧センサの、受圧ブロックを省略した平面図である。
【図９】前記面圧センサの側面図である。
【図１０】本発明の第３実施形態になる面圧センサの、受圧ブロックを省略した平面図である。
【図１１】前記面圧センサの側面図である。
【図１２】前記面圧センサを構成する受圧ブロックの底面図である。
【図１３】本発明の第４実施形態になる面圧センサの、受圧ブロックを省略した平面図である。
【図１４】前記面圧センサの側面図である。
【符号の説明】
１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ 面圧センサ
１２ 板状部材（相手方部材）
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ センシング部（積層構造体）
２１，２１Ａ センサ基板（基板）
２２，２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ センサ形成層
２２１ 表面
２２１１ 段底部
２２１ａ 段差
２３１，２３２，２３３，２３４ 台部
３，３Ａ 受圧ブロック
３１ 本体部
３２１，３２２，３２３，３２４ 脚部
４１ 絶縁膜
４２１，４２２，４２３，４２４，４３１，４３２，４３３，４３４ 感圧ゲージ（抵抗体）
４４ 感温ゲージ（抵抗体）
４５ 配線膜
４６ 電極膜
４７ リード線
５ ホイートストンブリッジ回路
５１，５２，５３，５４ 線路
６ 絶縁被膜
７ ダイアフラム
７１ 中央部
７２ 周縁部
Claims (8)
- 基板上に薄膜状の抵抗体を設けてなり、相手方部材から面圧が印加される積層構造体を有し、前記面圧の大きさに応じて変化する前記抵抗体の電気抵抗値に基づいて面圧を検出する面圧センサであって、
前記積層構造体と前記相手方部材との間に該相手方部材から前記積層構造体に面圧を伝達する受圧ブロックを介設せしめ、
前記基板上に少なくとも４つの薄膜状の抵抗体を形成するとともに、該抵抗体を少なくとも１つ含む４つの線路によりホイートストンブリッジ回路を形成し、
前記抵抗体のうち、前記ホイートストンブリッジ回路の対向辺となる２つの線路を構成する複数の抵抗体の形成位置の直上位置で前記積層構造体の表面に、前記複数の抵抗体の形成位置をそれぞれカバーする大きさで１対１に対応して形成され、前記受圧ブロックを載置する複数の台部を突設するとともに、他の２つの線路を構成する複数の抵抗体の形成位置には台部を非形成とし、
前記受圧ブロックを、前記相手方部材との当接面積が前記台部の平面積よりも広い形状としたことを特徴とする面圧センサ。 - 基板上に薄膜状の抵抗体を設けてなり、相手方部材から面圧が印加される積層構造体を有し、前記面圧の大きさに応じて変化する前記抵抗体の電気抵抗値に基づいて面圧を検出する面圧センサであって、
前記積層構造体と前記相手方部材との間に該相手方部材から前記積層構造体に面圧を伝達する受圧ブロックを介設せしめ、
前記基板上に少なくとも４つの薄膜状の抵抗体を形成するとともに、該抵抗体を少なくとも１つ含む４つの線路によりホイートストンブリッジ回路を形成し、
前記抵抗体のうち、前記ホイートストンブリッジ回路の一方の対向辺となる２つの線路を構成する複数の抵抗体を、前記ダイアフラムの中央部に形成し、
前記ブリッジ回路の他方の対向辺となる２つの線路を構成する複数の抵抗体を、前記ダイアフラムの周縁側の位置に形成し、
前記ダイアフラム中央部の複数の抵抗体の形成位置の直上位置で前記積層構造体の表面に、前記複数の抵抗体の形成位置をそれぞれカバーする大きさで１対１に対応して形成され、前記受圧ブロックを載置する台部を突設するとともに、前記ダイアフラム周縁側の複数の抵抗体の形成位置には台部を非形成とし、
前記受圧ブロックを、前記相手方部材との当接面積が前記台部の平面積よりも広い形状としたことを特徴とする面圧センサ。 - 請求項１または２いずれか記載の面圧センサにおいて、前記積層構造体と前記受圧ブロックとを、前記台部の段差よりも薄い絶縁被膜で覆った面圧センサ。
- 基板上に薄膜状の抵抗体を設けてなり、相手方部材から面圧が印加される積層構造体を有し、前記基板の一部を薄肉としてダイアフラムとし、前記面圧の大きさに応じてダイアフラムが撓むことにより変化する前記抵抗体の電気抵抗値に基づいて面圧を検出する面圧センサであって、
前記基板上に少なくとも４つの薄膜状の抵抗体を形成するとともに、該抵抗体を少なくとも１つ含む４つの線路によりホイートストンブリッジ回路を形成し、
前記積層構造体と前記相手方部材との間に該相手方部材から前記積層構造体に面圧を伝達する受圧ブロックを介設せしめ、
該受圧ブロックを、前記抵抗体のうち、前記ホイートストンブリッジ回路の一方の対向辺となる２つの線路を構成する複数の抵抗体の形成位置の直上位置から前記積層構造体側に突出し、前記複数の抵抗体の形成位置をそれぞれカバーする大きさで１対１に対応して形成される、複数の脚部を具備するとともに、他方の２つの線路を構成する複数の抵抗体の形成位置には脚部を非形成とし、かつ、前記積層構造体との当接面積よりも前記相手方部材との当接面積の方が広い形状としたことを特徴とする面圧センサ。 - 基板上に薄膜状の抵抗体を設けてなり、相手方部材から面圧が印加される積層構造体を有し、前記基板の一部を薄肉としてダイアフラムとし、前記面圧の大きさに応じてダイアフラムが撓むことにより変化する前記抵抗体の電気抵抗値に基づいて面圧を検出する面圧センサであって、
前記基板上に少なくとも４つの薄膜状の抵抗体を形成するとともに、該抵抗体を少なくとも１つ含む４つの線路によりホイートストンブリッジ回路を形成し、
前記抵抗体のうち、該ホイートストンブリッジ回路の一方の対向辺となる２つの線路を構成する複数の抵抗体を、前記ダイアフラムの中央部に形成し、
前記ホイートストンブリッジ回路の他方の対向辺となる２つの線路を構成する複数の抵抗体を、前記ダイアフラムの周縁側の位置に形成し、
前記積層構造体と前記相手方部材との間に該相手方部材から前記積層構造体に面圧を伝達する受圧ブロックを介設せしめ、
該受圧ブロックを、前記ダイアフラム中央部の複数の抵抗体の形成位置の直上位置から前記積層構造体側に突出し、前記複数の抵抗体の形成位置をそれぞれカバーする大きさで１対１に対応して形成される、複数の脚部を具備するとともに、前記ダイアフラム周縁側の複数の抵抗体の形成位置には台部を非形成とし、かつ、前記積層構造体との当接面積よりも前記相手方部材との当接面積の方が広い形状としたことを特徴とする面圧センサ。 - 請求項４または５いずれか記載の面圧センサにおいて、前記積層構造体の前記受圧ブロックとの対向面に前記受圧ブロックの位置決め用の段差を形成した面圧センサ。
- 請求項４ないし６いずれか記載の面圧センサにおいて、前記積層構造体と前記受圧ブロックとを、前記脚部の段差よりも薄い絶縁被膜で覆った面圧センサ。
- 請求項１ないし７いずれか記載の面圧センサにおいて、前記基板上には温度に応じて抵抗値が変化する抵抗体を設けて、前記抵抗値に基づいて面圧の検出信号を補正可能とした面圧センサ。
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