JP6119703B2 - センサ装置、歪センサ装置、及び圧力センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、センサ装置、歪センサ装置、及び圧力センサ装置に関する。

測定対象物の歪を測定するセンサ装置の代表的なものとして、歪ゲージ（ストレインゲージ）が挙げられる。この歪ゲージは、金属歪ゲージと半導体歪ゲージとに大別される。金属歪ゲージは、等方性導体である金属箔や細線等を用いた歪ゲージであり、半導体歪ゲージは、半導体のピエゾ抵抗効果（半導体の電気抵抗率が応力により変化する効果）を利用した歪ゲージである。この他に、半導体ウェハ上にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術で振動子を作り込んだ振動式歪ゲージがある。この振動式歪ゲージは、振動子と、振動子の両端を固定する支持部と、支持部に歪を加えるための基材とを備えており、支持部の歪によって生ずる振動子の共振周波数の変化を検出することによって歪を検出するものである。

金属歪ゲージのゲージ率（ゲージファクター）は、約１〜１０程度であるのに対し、半導体歪ゲージのゲージ率は、〜１００程度であって、振動式歪ゲージは、〜１０００程度であり、歪感度は金属歪ゲージよりも半導体歪ゲージの方が高く、振動式歪ゲージは更に高い。このため、微小な歪を測定する場合には、金属歪ゲージよりも半導体歪ゲージが用いられることが多い。尚、測定対象物の歪が測定対象物に印加される圧力によって生ずる場合には、上記の歪ゲージは、測定対象物に印加される圧力を測定するために用いられることもある。

上述した金属歪ゲージは、例えばポリイミド等の有機系接着剤を用いて測定対象物に貼り付けられた状態で用いられる。また、金属歪ゲージの温度誤差は、金属歪ゲージで用いられている等方性導体の熱膨張係数と測定対象物の熱膨張係数との差に起因して生ずることから、金属歪ゲージは、温度誤差を少なくするために、等方性導体の熱膨張係数が、測定対象物の熱膨張係数に近いものが使用される。

以下の特許文献１には、半導体歪ゲージの従来例が開示されている。また、以下の特許文献２には、歪ゲージを用いて測定対象物に印加される圧力を測定する従来例が開示されている。また、以下の非特許文献１には、測定対象物に対して歪ゲージを接着する具体的な接着方法が開示されている。

国際公開第２００２／０３５１７８号 特許第４５１１８４４号公報

「ひずみゲージの接着法と防湿処理の一例」，［online］，［平成２６年８月１２日検索］，インターネット<http://www.kyowa-ei.com/jpn/technical/notes/bonding_procedure/index.html>

ところで、上述の通り、ポリイミド等の有機系接着剤を用いて金属歪ゲージが測定対象物に貼り付けられている場合には、金属歪ゲージと測定対象物との熱膨張係数の差によって有機系接着剤に応力が加わる。このため、温度変化が繰り返されて有機系接着剤に応力が繰り返し加わると、接着界面のずれや剥離が生じ易くなり、ドリフトやヒステリシスが生ずるという問題がある。近年、金属歪ゲージには数十年の長期に亘る使用が要求されているが、このようなドリフトやヒステリシスは、長期に使用される金属歪ゲージの測定結果を著しく悪化させることから生じないようにする必要がある。

また、鋼材やコンクリート等に生ずる微小な歪を高い精度で測定するには、前述の通り、金属歪ゲージよりも歪感度の高い半導体歪ゲージを用いれば良いと考えられる。しかしながら、半導体歪ゲージは、鋼材やコンクリート等との熱膨張係数の差が大きいため、温度誤差が大きくなってしまい、鋼材やコンクリート等に生ずる微小な歪を高い精度で測定することができないという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、ドリフトやヒステリシスを低減しつつ高い精度での測定を行うことが可能なセンサ装置、歪センサ装置、及び圧力センサ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のセンサ装置は、測定対象物に取り付けられる基板と、前記基板よりも小さな熱膨張係数を有する材料によって形成され、一端が前記基板に接続される中間構造体と、前記中間構造体の他端に接続され、前記中間構造体の変位を検出する検出素子とを備えることを特徴としている。
上記課題を解決するために、本発明の歪センサ装置は、測定対象物に取り付けられる基板と、前記基板よりも小さな熱膨張係数を有する材料によって形成され、一端が前記基板に環状に接続される中間構造体と、前記中間構造体の他端に接続され、前記中間構造体の歪を検出する歪検出素子とを備えることを特徴としている。
また、本発明の歪センサ装置は、前記中間構造体が、一端が開口され、中空構造を有し、円柱、角柱、円錐台、角錐台の何れかに形成されることを特徴としている。
また、本発明の歪センサ装置は、前記中間構造体の一端と前記基板との接続が、ロウ付け、無機接着剤、低融点ガラス接合、ＳＯＧ接合、溶接接合の何れかで接合されることを特徴としている。
また、本発明の歪センサ装置は、前記中間構造体の他端と前記歪検出素子との接続が、無機接着剤、低融点ガラス接合、ＳＯＧ接合、陽極接合、金属拡散接合、常温直接接合の何れかで接合されることを特徴としている。
また、本発明の歪センサ装置は、前記中間構造体の他端の一部分のみが前記歪検出素子と接続されることを特徴としている。
また、本発明の歪センサ装置は、前記基板が、前記測定対象物の熱膨張係数と同等の熱膨張係数を有する材料で形成されることを特徴としている。
また、本発明の歪センサ装置は、前記基板の一方の面の全面が前記測定対象物に接合されることを特徴としている。
また、本発明の歪センサ装置は、前記基板が、前記測定対象物に対向する面に部分的に形成された足部を有し、当該足部と前記測定対象物とが接合されることを特徴としている。
また、本発明の歪センサ装置は、前記歪検出素子が、半導体歪ゲージ又は振動式歪センサの何れか一方を備えることを特徴としている。
また、本発明の歪センサ装置は、前記基板、前記中間構造体、又は前記歪検出素子の何れかが、前記中間構造体の中空部に連通する連通孔を備えることを特徴としている。
また、本発明の歪センサ装置は、前記中間構造体が、前記基板に接続される一端の幅と、前記歪検出素子に接続される他端の幅とが異なるように形成されることを特徴としている。
上記課題を解決するために、本発明の圧力センサ装置は、測定流体に連通する連通孔を備える基板と、前記基板よりも小さな熱膨張係数を有する材料によって形成され、一端が前記基板に環状に接続され、前記連通孔に連通する中空構造を有する中間構造体と、前記中間構造体の他端に接続され、前記中間構造体の歪を検出する歪検出素子とを備えることを特徴としている。
また、本発明の圧力センサ装置は、前記中間構造体が、一端が開口され、円柱、角柱、円錐台、角錐台の何れかに形成されることを特徴としている。
また、本発明の圧力センサ装置は、前記中間構造体の一端と前記基板との接続が、ロウ付け、無機接着剤、低融点ガラス接合、ＳＯＧ接合、溶接接合の何れかで接合されることを特徴としている。
また、本発明の圧力センサ装置は、前記中間構造体の他端と前記歪検出素子との接続が、無機接着剤、低融点ガラス接合、ＳＯＧ接合、陽極接合、金属拡散接合、常温直接接合の何れかで接合されることを特徴としている。
また、本発明の圧力センサ装置は、前記中間構造体の他端の一部分のみが前記歪検出素子と接続されることを特徴としている。

また、本発明のセンサ装置（１〜５）は、測定対象物（ＯＢ）に取り付けられる基板（１１）と、前記基板よりも小さな熱膨張係数を有する材料によって筒形状に形成され、第１端（１２ａ）が前記基板に接合された中間構造体（１２）と、前記中間構造体の第２端（１２ｂ）に接合され、前記中間構造体の前記第２端における歪を検出する歪検出素子（１３）とを備えることを特徴としている。
この発明によると、測定対象物に歪が生ずると、測定対象物に接合されている基板及び基板に第１端が接合されている中間構造物に応力が生じ、測定対象物で生じた歪に応じた歪が中間構造物の第２端に生じ、この歪が中間構造物の第２端に接合された歪検出素子で検出される。
また、本発明のセンサ装置は、前記中間構造体が、前記基板と前記中間構造体との熱膨張係数差に起因して生じる、前記中間構造体の前記第２端における引張歪と、前記中間構造体の前記第１端の変形によって前記第２端の接合部に発生する圧縮歪とが打ち消し合うことによって、前記第２端に接合された歪検出素子が検出する熱膨張によって生じる歪がほぼ零となるように形状が設計されていることを特徴としている。
ここで、本発明のセンサ装置は、前記中間構造体が、前記基板、前記中間構造体、及び前記歪検出素子の熱膨張によって生ずる前記中間構造体の前記第２端における歪が零となるように、側壁の高さと厚みとの比が設定されていることを特徴としている。
また、本発明のセンサ装置は、前記中間構造体の側壁の高さと厚みとの比が、前記基板、前記中間構造体、及び前記歪検出素子の熱膨張によって生ずる前記中間構造体の前記第２端における歪が零となる値が複数存在する場合には、最も小さな値（Ｒ２）に設定されることを特徴としている。
或いは、本発明のセンサ装置は、前記中間構造体の側壁の高さと厚みとの比が、前記基板、前記中間構造体、及び前記歪検出素子の熱膨張によって生ずる前記中間構造体の前記第２端における歪が零となる値が存在しない場合には、前記基板、前記中間構造体、及び前記歪検出素子の熱膨張によって生ずる前記中間構造体の前記第２端における歪が最小となる値（Ｒ１）に設定されることを特徴としている。
また、本発明のセンサ装置は、前記基板が、前記測定対象物とほぼ同じ熱膨張係数を有する材料で形成されていることを特徴としている。
また、本発明のセンサ装置は、前記基板が、前記測定対象物に接する面が全面に亘って前記測定対象物に接合されていることを特徴としている。
或いは、本発明のセンサ装置は、前記基板が、前記測定対象物に対向する面に足部（１１ａ）が部分的に形成されており、該足部が前記測定対象物に接触した状態で、前記測定対象物に接合されていることを特徴としている。
また、本発明のセンサ装置は、前記中間構造体が、前記第１，第２端側の少なくとも一方が有底とされた有底筒形状に形成されていることを特徴としている。
また、本発明のセンサ装置は、前記歪検出素子が、半導体歪ゲージ及び振動式歪センサの少なくとも一方を備えることを特徴としている。
また、本発明のセンサ装置は、前記基板、前記中間構造体、及び前記歪検出素子の少なくとも１つには、前記中間構造体の中空部（ＳＰ）に連通する連通孔（Ｈ）が形成されていることを特徴としている。
また、本発明のセンサ装置は、前記中間構造体が、高さ位置に応じて側壁の内径及び外径が変化するように形成されていることを特徴としている。

本発明によれば、測定対象物に取り付けられる基板よりも小さな熱膨張係数を有する材料によって形成された中間構造体の一端を基板に接続するとともに、中間構造体の他端の変位を検出する検出素子を他端に接続するようにしているため、ドリフトやヒステリシスを低減しつつ高い精度での測定を行うことができるという効果がある。

本発明の第１実施形態によるセンサ装置の要部構成を示す図である。 本発明の第１実施形態によるセンサ装置の温度が上昇した際に生ずる歪を説明するための図である。 本発明の第１実施形態によるセンサ装置における中間構造体の形状と熱歪との関係を示す図である。 本発明の第１実施形態において設計される中間構造体のおおよその形状を示す断面図である。 本発明の第１実施形態におけるセンサ装置の動作を説明するための図である。 本発明の第２実施形態によるセンサ装置の要部構成を示す断面図である。 本発明の第３実施形態によるセンサ装置の要部構成を示す断面図である。 本発明の第４実施形態によるセンサ装置の要部構成を示す断面図である。 本発明の第５実施形態によるセンサ装置の要部構成を示す断面図である。 本発明の第６実施形態によるセンサ装置の要部構成を示す断面図である。 中間構造体及び歪検出素子の形状の例を示す図である。 歪検出素子の接続例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態によるセンサ装置について詳細に説明する。尚、以下で参照する図面では、理解を容易にするために、必要に応じて各部材の寸法を適宜変えて図示している。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態によるセンサ装置の要部構成を示す図であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ線に沿う断面矢視図である。図１に示す通り、本実施形態のセンサ装置１は、基板１１、中間構造体１２、及び歪検出素子１３（検出素子）を備えており、測定対象物ＯＢに取り付けられて、測定対象物ＯＢの歪を測定する。尚、本実施形態では、測定対象物ＯＢが、ステンレス鋼（ＳＵＳ：Steel Use Stainless）で形成されたものであるとする。

基板１１は、平面視形状が矩形形状の部材であり、測定対象物ＯＢに取り付けられて、センサ装置１を測定対象物ＯＢに固定する。この基板１１は、測定対象物ＯＢと同様のステンレス鋼によって形成されている。つまり、基板１１は、測定対象物ＯＢと同じ（ほぼ同じ）熱膨張係数を有する材料によって形成されている。また、基板１１は、測定対象物ＯＢに接する面（底面）が、全面に亘って測定対象物ＯＢに接合されている。これは、基板１１と測定対象物ＯＢとの間にヒステリシスの原因となる摩擦が生じないようにするためである。具体的に、基板１１は、溶接、熱圧着等によって測定対象物ＯＢに接合されている。

中間構造体１２は、有底円筒形状に形成された部材であり、ドリフトやヒステリシスを低減しつつ、測定対象物ＯＢと歪検出素子１３との熱膨張係数の差を緩和して微少な歪を高い精度で測定可能とするために設けられる。この中間構造体１２は、基板１１よりも小さな熱膨張係数を有する材料によって形成されている。例えば、中間構造体１２は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、サイアロン（登録商標）（ＳｉＡｌＯＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等のセラミックスによって形成されている。

また、中間構造体１２は、有底とされていない端部１２ａ（第１端）が基板１１の上面に接続されている。ここで、基板１１と中間構造体１２との接続は、ロウ付け、無機接着剤、低融点ガラス接合、ＳＯＧ（Spin On Glass）接合、溶接接合等を用いることができる。この中間構造体１２の内径は数ミリメートル程度、端部１２ｂに形成された上面膜Ｍ１の厚みは数百マイクロメートル程度に形成される。本実施形態では、中間構造体１２の内径が４［ｍｍ］であり、上面膜Ｍ１の厚みが０．２［ｍｍ］（＝２００［μｍ］）であるとする。

詳細は後述するが、中間構造体１２は、基板１１、中間構造体１２、及び歪検出素子１３の熱膨張によって生ずる中間構造体１２の有底とされた端部１２ｂ（第２端）における歪が所定の値（例えば、零）となるように形状（側壁の高さｈ及び厚みｗ）が設計されている。これは、測定対象物ＯＢと歪検出素子１３との熱膨張係数の差に起因して生ずる温度誤差を極力小さくするためである。

歪検出素子１３は、振動式歪ゲージ（振動式歪センサ：例えば、中間構造体１２の上面膜Ｍ１の面内において互いに直交する方向の歪を測定する２つの振動式歪ゲージ）を備えており、測定対象物ＯＢの歪に起因して生ずる中間構造体１２の端部１２ｂにおける歪を検出する。この歪検出素子１３は、中間構造体１２の端部１２ｂに形成された上面膜Ｍ１に接続されている。ここで、歪検出素子１３と上面膜Ｍ１との接続は、無機接着剤、低融点ガラス接合、ＳＯＧ接合、陽極接合、金属拡散接合、常温直接接合等を用いることができる。尚、本実施形態では、歪検出素子１３の厚みが０．１［ｍｍ］であるとする。

次に、中間構造体１２の形状（側壁の高さｈ及び厚みｗ）の設計法について説明する。中間構造体１２の形状は、前述の通り、基板１１、中間構造体１２、及び歪検出素子１３の熱膨張によって生ずる中間構造体１２の端部１２ｂにおける歪が零となるよう（或いは、極力小さくなるように）設計される。つまり、温度変動によって中間構造体１２の端部１２ｂに生ずる歪が補償されるように設計される。

図２は、本発明の第１実施形態によるセンサ装置の温度が上昇した際に生ずる歪を説明するための図であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は断面図である。尚、図２では、歪検出素子１３の図示を省略している。基板１１、中間構造体１２、及び歪検出素子１３は、異なる材料で形成されているため熱膨張係数は互いに異なる。具体的に、ステンレス鋼によって形成されている基板１１の熱膨張係数α１は、１６〜１７［ｐｐｍ／℃］程度であり、セラミックスによって形成されている中間構造体１２の熱膨張係数α２は、１〜７．２［ｐｐｍ／℃］程度であり、半導体（シリコン）によって形成されている歪検出素子１３の熱膨張係数α３は、２．４６〜４［ｐｐｍ／℃］程度である。

図２（ａ）に示す通り、センサ装置１の温度が上昇すると、センサ装置１を構成する基板１１、中間構造体１２、及び歪検出素子１３は、等方的に膨張する。例えば、基板１１は、図２（ａ）中において矢印Ａ１で示す通り、±Ｘ方向及び±Ｙ方向に同じだけ熱膨張し、中間構造体１２は、図２（ａ）中において矢印Ａ２で示す通り、±Ｘ方向及び±Ｙ方向に同じだけ熱膨張する。尚、基板１１は、中間構造体１２よりも熱膨張係数が大きいため、中間構造体１２よりも大きく熱膨張する。

ここで、中間構造体１２の端部１２ａは、基板１１の上面に接合されているため、図２（ｂ）中において矢印Ａ３で示す通り、基板１１の熱膨張の影響を受けて本来よりも大きく膨張する。これに対し、中間構造体１２の端部１２ｂは、歪検出素子１３が接合されているものの、図２（ｂ）中において矢印Ａ４で示す通り、おおむね中間構造体１２の熱膨張係数α２に応じた本来の熱膨張となる。

すると、図２（ｂ）中において矢印Ａ５で示す通り、中間構造体１２は、端部１２ａの方が端部１２ｂより膨張することによって端部１２ｂの（上面膜Ｍ１）の周辺に曲げモーメントが生じる。これにより、中間構造体１２の上面膜Ｍ１は下方（基板１１側）に撓み、図２（ｂ）中において矢印Ａ６で示す通り、端部１２ｂにおける中間構造体１２（上面膜Ｍ１）の熱膨張を打ち消す方向に作用する圧縮歪が生ずる。中間構造体１２は、基板１１と中間構造体１２との熱膨張係数差に起因して生じる、中間構造体１２の端部１２ｂにおける引張歪と、中間構造体１２の端部１２ａの変形によって端部１２ｂの接合部に発生する圧縮歪とが打ち消し合うことによって、端部１２ｂに接合された歪検出素子１３が検出する熱膨張によって生じる歪がほぼ零となるように形状が設計される。

図３は、本発明の第１実施形態によるセンサ装置における中間構造体の形状と熱歪との関係を示す図であって、（ａ）実験結果を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の実験結果を分類した図である。尚、図３では、中間構造体１２の形状を規定する側壁の高さｈと厚みｗとの比（ｈ／ｗ）を横軸にとり、温度を２０℃から１００℃に上昇させたときに中間構造体１２の端部１２ｂ（中間構造体１２と歪検出素子１３との界面）に生ずる熱歪を縦軸にとってある。

図３（ａ）に示す実験結果は、側壁の高さｈと厚みｗとの比（ｈ／ｗ）が異なる幾つかの中間構造体１２について、温度を２０℃から１００℃に上昇させた時に生ずる熱歪を測定する実験を、中間構造体１２の材質を変えつつ繰り返し行うことによって得られたものである。但し、中間構造体１２の厚みｗは１［ｍｍ］に固定してある。また、中間構造体１２の材質として、以下のものを用いている。尚、図３（ａ）では、歪検出素子１３が基板１１に直接接合されている場合に生ずる熱歪を比較のために図示している（図中のＳｉ／ＳＵＳ参照）。

・アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）（熱膨張係数：７．２［ｐｐｍ／℃］）
・窒化アルミニウム（ＡｌＮ）（熱膨張係数：４．６［ｐｐｍ／℃］）
・焼結した炭化ケイ素（ＳｉＣ）（熱膨張係数：４．１［ｐｐｍ／℃］）
・サイアロン（登録商標）（ＳｉＡｌＯＮ）（熱膨張係数：３．２［ｐｐｍ／℃］）
・窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）（熱膨張係数：２．６［ｐｐｍ／℃］）

図３（ａ）の実験結果を参照すると、中間構造体１２の材質に拘わらず、中間構造体１２の側壁の高さｈと厚みｗとの比（ｈ／ｗ）に応じて、以下の傾向があることが分かる。つまり、比（ｈ／ｗ）が０．１〜２程度の場合には、比（ｈ／ｗ）が大きくなるにつれて熱歪が徐々に小さくなり、比（ｈ／ｗ）が２程度の場合には、熱歪が極小となり、比（ｈ／ｗ）が２〜１０程度の場合には、比（ｈ／ｗ）が大きくなるにつれて熱歪が緩やかに大きくなってある値に収束する傾向がある。

尚、比（ｈ／ｗ）が十分小さい場合には、中間構造体１２の側壁の剛性が高く、基板１１で生じた熱膨張の影響が中間構造体１２の端部１２ｂに伝わり易い。このような場合に中間構造体１２の端部１２ｂに生ずる熱歪は、基板１１とシリコン（歪検出素子１３）とが直接接合されているときの熱膨張係数差によって生ずる熱歪に近づく。これに対し、比（ｈ／ｗ）が十分大きい場合には、中間構造体１２の側壁の剛性が低く、基板１１で生じた熱膨張の影響が中間構造体１２の端部１２ｂに伝わり難い。このような場合に中間構造体１２の端部１２ｂに生ずる熱歪は、中間構造体１２とシリコン（歪検出素子１３）との熱膨張係数差によって生ずる熱歪に収束する。

また、図３（ａ）の実験結果は、中間構造体１２の熱膨張係数の大きさに応じて、図３（ｂ）に示す通り、３つの曲線Ｌ１〜Ｌ３に分類される。曲線Ｌ１は、中間構造体１２が、シリコンとよりも熱膨張係数が小さな材料（窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等）で形成されている場合のものであり、熱歪が零となる点が１つである（零クロス点が１である）曲線である。

曲線Ｌ２は、中間構造体１２が、シリコンと同程度の熱膨張係数を有する材料（焼結した炭化ケイ素（ＳｉＣ）、サイアロン（登録商標）（ＳｉＡｌＯＮ）等）で形成されている場合のものであり、熱歪が零となる点が２つである（零クロス点が２である）曲線である。曲線Ｌ３は、中間構造体１２が、シリコンよりも熱膨張係数が大きな材料（アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等）で形成されている場合のものであり、熱歪が零となることはない（零クロス点が０である）曲線である。

ここで、中間構造体１２が、シリコンよりも熱膨張係数が小さな材料で形成されている場合には、曲線Ｌ１で示されている通り、零クロス点が１である。このため、中間構造体１２は、基板１１、中間構造体１２、及び歪検出素子１３の熱膨張によって生ずる中間構造体１２の端部１２ｂにおける歪が零となるように、側壁の高さｈと厚みｗとの比（ｈ／ｗ）が、零クロス点の値（図３（ｂ）中の値Ｒ１）に設定される。

これに対し、中間構造体１２が、シリコンと同程度の熱膨張係数を有する材料で形成されている場合には、曲線Ｌ２で示されている通り、零クロス点が２である。このため、中間構造体１２の側壁の高さｈと厚みｗとの比（ｈ／ｗ）を、２つの零クロス点の何れか一方の値に設定すれば、基板１１、中間構造体１２、及び歪検出素子１３の熱膨張によって生ずる中間構造体１２の端部１２ｂにおける歪を零にすることができる。但し、測定対象物ＯＢの歪に対するセンサ装置１の感度は、比（ｈ／ｗ）が小さい方が高くなるため、側壁の高さｈと厚みｗとの比（ｈ／ｗ）は、２つの零クロス点の値のうちの最も小さな値（図３（ｂ）中の値Ｒ２）に設定される。

他方、中間構造体１２が、シリコンよりも熱膨張係数が大きな材料で形成されている場合には、曲線Ｌ３で示されている通り、零クロス点が０であることから、基板１１、中間構造体１２、及び歪検出素子１３の熱膨張によって生ずる中間構造体１２の端部１２ｂにおける歪を零にすることはできない。このため、中間構造体１２は、側壁の高さｈと厚みｗとの比（ｈ／ｗ）が、基板１１、中間構造体１２、及び歪検出素子１３の熱膨張によって生ずる中間構造体１２の端部１２ｂにおける歪が最小となる値（図３（ｂ）の値Ｒ３）に設定される。

図４は、本発明の第１実施形態において設計される中間構造体のおおよその形状を示す断面図である。尚、図４（ａ）は、図３（ｂ）中の曲線Ｌ１に分類される中間構造体、図４（ｂ）は、図３（ｂ）中の曲線Ｌ２に分類される中間構造体、図４（ｃ）は、図３（ｂ）中の曲線Ｌ３に分類される中間構造体のおおよその形状をそれぞれ示す図である。図４（ａ）〜（ｃ）を参照すると、中間構造体１２の側壁の厚みｗは、図４（ａ）〜（ｃ）の順で大きくなっており、中間構造体１２の側壁の高さｈは、図４（ａ），（ｂ）ではほぼ同じであるが、図４（ｃ）では極端に低くなっているのが分かる。

つまり、図３（ｂ）中の曲線Ｌ１〜Ｌ３に分類される中間構造体１２は、側壁の高さｈと厚みｗとの比（ｈ／ｗ）が順に大きな値に設定される（図中の値Ｒ１〜Ｒ３参照）。このため、図４（ａ）に示す中間構造体１２は、側壁の高さｈが図４（ｂ）に示す中間構造体１２と同様であるものの、側壁の厚みｗが図４（ｂ）に示す中間構造体１２よりも小さい形状にされている。また、図４（ｃ）に示す中間構造体１２は、側壁の高さｈが図４（ａ），（ｂ）に示す中間構造体１２とよりも低くされ、且つ、側壁の厚みｗが大きくされた形状にされている。

次に、上記構成におけるセンサ装置１の動作について簡単に説明する。図５は、本発明の第１実施形態におけるセンサ装置の動作を説明するための図である。図５中において矢印Ａ１１で示す通り、測定対象物ＯＢに対してＸ方向の引っ張り応力が印加されたとする。すると、測定対象物ＯＢは、Ｘ方向に引っ張られるとともに、ポアソン効果によりＹ方向に圧縮力が加わってＹ方向に縮もうとする。

すると、測定対象物ＯＢに接合されている基板１１、及び基板１１に端部１２ａが接合されている中間構造体１２は、測定対象物ＯＢと同様にＸ方向に引っ張られて引っ張り応力を受けるとともに（図５中の矢印Ａ１２参照）、Ｙ方向に圧縮されて圧縮応力を受ける（図５中の矢印Ａ１３参照）。このような応力を受けると、中間構造体１２は、図５に示す通り変形し、これにより測定対象物ＯＢに作用した応力に応じた歪が中間構造体１２の端部１２ｂに生ずる。中間構造体１２の端部１２ｂに生じた歪は、中間構造体１２の端部１２ｂに接続された歪検出素子１３によって検出される。このようにして、測定対象物ＯＢに作用した応力に応じた歪が、センサ装置１で検出される。

以上の通り、本実施形態のセンサ装置１は、測定対象物ＯＢに取り付けられる基板１１、基板１１よりも小さな熱膨張係数を有する材料によって筒形状に形成され、端部１２ａが基板１１に接合された中間構造体１２、及び中間構造体１２の端部１２ｂに接合され、中間構造体１２の端部１２ｂにおける歪を検出する歪検出素子１３を備えている。このため、ドリフトやヒステリシスを低減しつつ微少な歪を高い精度で測定することができる。

ここで、基板１１、中間構造体１２、及び歪検出素子１３の熱膨張によって生ずる中間構造体１２の端部１２ｂにおける歪が零となるように、中間構造体１２の側壁の高さｈと厚みｗとの比（ｈ／ｗ）を設定すれば、温度変動によって中間構造体１２の端部１２ｂに生ずる歪が補償される。これにより、温度変動の影響を受けることなく、微少な歪をより高い精度で測定することが可能になる。

〔第２実施形態〕
図６は、本発明の第２実施形態によるセンサ装置の要部構成を示す断面図である。尚、図６においては、図１に示す構成に相当する構成については同じ符号を付してある。図６に示す通り、本実施形態のセンサ装置２は、ネジ又はリベット等の接合部材１４を用いて測定対象物ＯＢに取り付けられるものである。

具体的に、本実施形態のセンサ装置２は、接合部材１４の軸部が挿通される挿通孔が形成された基板１１を備えており、この挿通孔に挿通された接合部材１４を、測定対象物ＯＢに形成された穴部に固定することによって測定対象物ＯＢに取り付けられている。尚、接合部材１４がネジである場合には、接合部材１４の先端部を測定対象物ＯＢの穴部（ネジ穴）に螺合させることによって固定される。また、接合部材１４がリベットである場合には、先端部が測定対象物ＯＢの穴部に介挿された接合部材１４をかしめることによって固定される。

ここで、基板１１の裏面には、挿通孔が形成されている部分に、裏面から突出する形状の足部１１ａが形成されている。この足部１１ａは、基板１１と測定対象物ＯＢとの間の摩擦（ヒステリシスの原因となる摩擦）を少なくするためのものである。従って、基板１１は、足部１１ａのみが測定対象物ＯＢに接触した状態で、測定対象物ＯＢに接合されることになる。このように、本実施形態では、基板１１と測定対象物ＯＢとの間の摩擦が極力少なくなるように、基板１１がネジやリベット等の接合部材１４を用いて測定対象物ＯＢに接合されている。尚、中間構造体１２の形状（側壁の高さｈ及び厚みｗ）は、第１実施形態と同様の設計法によって設計される。

本実施形態のセンサ装置２は、基板１１がネジやリベット等の接合部材１４を用いて測定対象物ＯＢに接合されている点を除いて、第１実施形態のセンサ装置１と同様である。このため、本実施形態においても、ドリフトやヒステリシスを低減しつつ微少な歪を高い精度で測定することができる。

〔第３実施形態〕
図７は、本発明の第３実施形態によるセンサ装置の要部構成を示す断面図である。尚、図７においては、図１に示す構成に相当する構成については同じ符号を付してある。前述した第１，第２実施形態によるセンサ装置１，２が備える中間構造体１２は、側壁が基板１１に対して垂直に接合されるものであったが、本実施形態のセンサ装置３が備える中間構造体１２は、側壁が基板１１に対して傾斜した状態で接合されるものである。

本実施形態のセンサ装置３が備える中間構造体１２は、基板１１に接続される端部１２ａの幅と、歪検出素子１３に接続される端部１２ｂの幅とが異なるように形成されたものである。具体的に、図７（ａ）に示す中間構造体１２は、高さ位置が高くなるにつれて側壁の内径及び外径が徐々に大きくなるよう形成されたものである。これに対し、図７（ｂ）に示す中間構造体１２は、高さ位置が低くなるにつれて側壁の内径及び外径が徐々に大きくなるよう形成されたものである。このような中間構造体１２を用いることで、基板１１と中間構造体１２との間の界面に発生する応力を小さくすることができる。

〔第４実施形態〕
図８は、本発明の第４実施形態によるセンサ装置の要部構成を示す断面図である。尚、図８においては、図１に示す構成に相当する構成については同じ符号を付してある。前述した第１〜第３実施形態によるセンサ装置１〜３が備える中間構造体１２は、端部１２ｂのみが有底とされたものあったが、本実施形態のセンサ装置４が備える中間構造体１２は、端部１２ａ，１２ｂの双方が有底とされ、或いは端部１２ａ，１２ｂの双方が有底とはされないものである。

具体的に、図８（ａ）に示す中間構造体１２は、端部１２ｂに上面膜Ｍ１が形成されているとともに、端部１２ａに底面膜Ｍ２が形成されており、端部１２ａ，１２ｂの双方が有底とされている。これに対し、図８（ｂ）に示す中間構造体１２は、上記の上面膜Ｍ１及び底面膜Ｍ２に相当するものが端部１２ａ，１２ｂの何れにも形成されておらず、端部１２ａ，１２ｂの双方が有底とはされていない。尚、端部１２ａ，１２ｂの双方が有底とされている場合であっても、端部１２ａ，１２ｂの双方が有底とされてはいいない場合であっても、第１，第２実施形態と同様の作用効果が得られる。

〔第５実施形態〕
図９は、本発明の第５実施形態によるセンサ装置の要部構成を示す断面図である。尚、図９においては、図１に示す構成に相当する構成については同じ符号を付してある。前述した第１〜第４実施形態によるセンサ装置１〜４が、中間構造体１２の中空部ＳＰが基板１１によって密閉された状態になってしまう場合には、温度変動が生ずると中空部ＳＰ内に残存する気体が膨張又は収縮して中間構造体１２に歪が生じ、測定誤差が生ずる。これに対し、連通孔Ｈを形成することで、中空部ＳＰの圧力とセンサ装置５の外部の圧力とを等しくすることができ、大気圧や温度の影響を受け難くすることができる。本実施形態のセンサ装置５は、中空部ＳＰに連通する連通孔Ｈが形成されたものである。

具体的に、図９（ａ）に示すセンサ装置５は、中空部ＳＰに連通する連通孔Ｈが基板１１の内部に形成されている。これに対し、図９（ｂ）に示すセンサ装置５は、中空部ＳＰに連通する連通孔Ｈが、基板１１及び測定対象物ＯＢを貫通するように形成されている。尚、中空部ＳＰに連通する連通孔Ｈは、中間構造体１２に形成されていても良く、歪検出素子１３に形成されていても良く、或いは基板１１と中間構造体１２との接合部分に形成されていても良い。

〔第６実施形態〕
図１０は、本発明の第６実施形態によるセンサ装置の要部構成を示す断面図である。尚、図１０においては、図１に示す構成に相当する構成については同じ符号を付してある。図１０に示すセンサ装置６は、流体の圧力測定に用いることができる。このセンサ装置６は、基板１１がカプラＱによって流体の流路をなす配管Ｐに接続された分岐流路のフランジＦＬに固定されており、流体が連通孔Ｈを介して中空部ＳＰ内に導かれるようにされている。中空部ＳＰ内に導かれた流体の圧力に応じて中間構造体１２の端部１２ｂに生ずる歪を歪検出素子１３で検出すれば、流体の圧力を測定することができる。尚、中間構造体１２は、第１実施形態と同様の設計法によって設計されることから、流体の配管Ｐに生ずる熱膨張の影響を排除することができる。

以上、本発明の実施形態によるセンサ装置について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、中間構造体１２が有底円筒形状に形成されている例について説明したが、中間構造体１２の形状及び歪検出素子１３の形状（平面視形状）は任意の形状とすることができる。

図１１は、中間構造体及び歪検出素子の形状の例を示す図である。まず、中間構造体１２は、図１１（ａ），（ｂ）に示す通り円筒形状であっても良く、図１１（ｃ），（ｄ）に示す通り四角筒形状であっても良く、図１１（ｅ），（ｆ）に示す通り六角筒形状であっても良い。尚、中間構造体１２は円柱形状、角柱形状であっても良く、円錐台形状、角錐台形状であっても良い。

次に、歪検出素子１３は、図１１（ａ），（ｃ），（ｅ）に示す通り、矩形形状であっても良く、図１１（ｂ），（ｄ），（ｆ）に示す通り、円形形状であっても良い。尚、歪検出素子１３の平面視での大きさは任意である。例えば、図１１（ｂ），（ｃ）に示す通り、歪検出素子１３の平面視形状が中間構造体１２の平面視形状と同じである場合には、歪検出素子１３の大きさを中間構造体１２と同じにしても良く、中間構造体１２よりも小さくしても良い。

また、歪検出素子１３は、中間構造体１２の端部１２ｂの全部に接続されている必要は必ずしも無く、端部１２ｂの一部のみに接続されていても良い。図１２は、歪検出素子の接続例を示す図であって、（ａ）は中間構造体１２の端部１２ｂに上面膜Ｍ１が形成されている場合の接続例を示す図であり、（ｂ）は中間構造体１２の端部１２ｂに上面膜Ｍ１が形成されていない場合の接続例を示す図である。

図１２（ａ）に示す通り、中間構造体１２の端部１２ｂに上面膜Ｍ１が形成されている場合には、例えば長方形状の歪検出素子１３が上面膜Ｍ１の中央部を通るように上面膜Ｍ１に接続される。また、図１２（ｂ）に示す通り、中間構造体１２の端部１２ｂに上面膜Ｍ１が形成されていない場合には、例えば長方形状の歪検出素子１３が歪検出素子１３の端部１２ｂにおいて径方向に橋渡されるように接続される。

このように、歪検出素子１３が中間構造体１２の端部１２ｂの一部のみに接続されている場合には、歪検出素子１３が中間構造体１２の端部１２ｂの全部に接続されている場合に比べて歪検出素子１３が変形し易くなり、歪検出素子１３の検出感度を向上させることができる。

また、上記実施形態では、測定対象物ＯＢがステンレス鋼によって形成されたものである場合を例に挙げて説明したが、測定対象物ＯＢは、コンクリートによって形成されたものであっても良い。測定対象物ＯＢがコンクリートによって形成されたものである場合には、基板１１もコンクリートによって形成され、基板１１と測定対象物ＯＢとはコンクリート接合される。

また、上記実施形態では、歪検出素子１３が振動式歪ゲージを備えるものとして説明したが、歪検出素子１３は、半導体歪ゲージを備えるものであっても、半導体歪ゲージ及び振動式歪ゲージの双方を備えるものであっても良い。

また、上記実施形態で説明したセンサ装置１〜６は何れも、基板１１、中間構造体１２、及び歪検出素子１３の３つの部材が接合されたものであった。しかしながら、基板１１と中間構造体１２との間、或いは中間構造体１２と歪検出素子１３との間に他の部材が接合されていても良い。

１〜６ センサ装置
１１ 基板
１１ａ 足部
１２ 中間構造体
１２ａ 端部
１２ｂ 端部
１３ 歪検出素子
Ｈ 連通孔
ＯＢ 測定対象物
ＳＰ 中空部

Claims (16)

1. 測定対象物に取り付けられる基板と、
   前記基板よりも小さな熱膨張係数を有する材料によって形成され、一端が前記基板に環状に接続される中間構造体と、
   前記中間構造体の他端に接続され、前記中間構造体の変形を検出する歪検出素子と
   を備え、
   前記中間構造体は、一端が開口され、中空構造を有し、円柱、角柱、円錐台、角錐台の何れかに形成される
   ことを特徴とするセンサ装置。
2. 測定対象物に取り付けられる基板と、
   前記基板よりも小さな熱膨張係数を有する材料によって形成され、一端が前記基板に環状に接続される中間構造体と、
   前記中間構造体の他端に接続され、前記中間構造体の歪を検出する歪検出素子と
   を備え、
   前記中間構造体は、一端が開口され、中空構造を有し、円柱、角柱、円錐台、角錐台の何れかに形成される
   ことを特徴とする歪センサ装置。
3. 前記中間構造体の一端と前記基板との接続が、
   ロウ付け、無機接着剤、低融点ガラス接合、ＳＯＧ接合、溶接接合の何れかで接合される
   ことを特徴とする請求項２記載の歪センサ装置。
4. 前記中間構造体の他端と前記歪検出素子との接続が、
   無機接着剤、低融点ガラス接合、ＳＯＧ接合、陽極接合、金属拡散接合、常温直接接合の何れかで接合される
   ことを特徴とする請求項２記載の歪センサ装置。
5. 前記中間構造体の他端の一部分のみが前記歪検出素子と接続される
   ことを特徴とする請求項２記載の歪センサ装置。
6. 前記基板は、前記測定対象物の熱膨張係数と同等の熱膨張係数を有する材料で形成される
   ことを特徴とする請求項２記載の歪センサ装置。
7. 前記基板の一方の面の全面が前記測定対象物に接合される
   ことを特徴とする請求項５記載の歪センサ装置。
8. 前記基板は、前記測定対象物に対向する面に部分的に形成された足部を有し、
   当該足部と前記測定対象物とが接合される
   ことを特徴とする請求項５記載の歪センサ装置。
9. 前記歪検出素子が、半導体歪ゲージ又は振動式歪センサの何れか一方を備える
   ことを特徴とする請求項２記載の歪センサ装置。
10. 前記基板、前記中間構造体、又は前記歪検出素子の何れかが、前記中間構造体の中空部に連通する連通孔を備える
    ことを特徴とする請求項２記載の歪センサ装置。
11. 前記中間構造体は、前記基板に接続される一端の幅と、前記歪検出素子に接続される他端の幅とが異なるように形成される
    ことを特徴とする請求項２記載の歪センサ装置。
12. 測定流体に連通する連通孔を備える基板と、
    前記基板よりも小さな熱膨張係数を有する材料によって形成され、一端が前記基板に環状に接続され、前記連通孔に連通する中空構造を有する中間構造体と、
    前記中間構造体の他端に接続され、前記中間構造体の歪を検出する歪検出素子と
    を備えることを特徴とする圧力センサ装置。
13. 前記中間構造体は、
    一端が開口され、
    円柱、角柱、円錐台、角錐台の何れかに形成される
    ことを特徴とする請求項１２記載の圧力センサ装置。
14. 前記中間構造体の一端と前記基板との接続が、
    ロウ付け、無機接着剤、低融点ガラス接合、ＳＯＧ接合、溶接接合の何れかで接合される
    ことを特徴とする請求項１２記載の圧力センサ装置。
15. 前記中間構造体の他端と前記歪検出素子との接続が、
    無機接着剤、低融点ガラス接合、ＳＯＧ接合、陽極接合、金属拡散接合、常温直接接合の何れかで接合される
    ことを特徴とする請求項１２記載の圧力センサ装置。
16. 前記中間構造体の他端の一部分のみが前記歪検出素子と接続される
    ことを特徴とする請求項１２記載の圧力センサ装置。

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