JPH04181133A - 三次元力覚センサーの起歪体構造 - Google Patents
三次元力覚センサーの起歪体構造Info
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- JPH04181133A JPH04181133A JP2309576A JP30957690A JPH04181133A JP H04181133 A JPH04181133 A JP H04181133A JP 2309576 A JP2309576 A JP 2309576A JP 30957690 A JP30957690 A JP 30957690A JP H04181133 A JPH04181133 A JP H04181133A
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Landscapes
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）
本発明はシリコン単結晶基板に拡散歪ゲージを形成し、
起歪体上にシリコン単結晶基板を接合した拡散型力覚セ
ンサー（以下単に力覚センサーという）の起歪体構造に
関する。
起歪体上にシリコン単結晶基板を接合した拡散型力覚セ
ンサー（以下単に力覚センサーという）の起歪体構造に
関する。
（従来の技術）
先ず、本発明の対象とする力覚センサーについての概略
を説明する。
を説明する。
従来から知られた力覚センサーは三次元構造に加工され
た起歪体にストレインゲージを貼付したものであるが、
大きさや感度、更に価格の面で充分なものであるとは言
えないものであった。
た起歪体にストレインゲージを貼付したものであるが、
大きさや感度、更に価格の面で充分なものであるとは言
えないものであった。
ところが、このような従来からの力覚センサーに改良を
加え、シリコン単結晶基板に機械的外力を加えると結晶
格子に歪みを生じ、半導体中のキャリア数や移動度が変
化して抵抗率が変わる現象即ちピエゾ抵抗効果を利用し
て起歪体の歪みを抵抗の変化に変換し、ブリッジ回路に
より起歪体に加わる力を電気信号に変換する方法を用い
た三次元力覚センサーが考え出された。
加え、シリコン単結晶基板に機械的外力を加えると結晶
格子に歪みを生じ、半導体中のキャリア数や移動度が変
化して抵抗率が変わる現象即ちピエゾ抵抗効果を利用し
て起歪体の歪みを抵抗の変化に変換し、ブリッジ回路に
より起歪体に加わる力を電気信号に変換する方法を用い
た三次元力覚センサーが考え出された。
第３図に示すものは上述の三次元力覚センサーの断面図
である。この力覚センサーｌＯの起歪体１１は外周部１
１ａと、中心部に垂直に突出した検出アーム１３と、こ
れら外周部１１ａと検出アーム１３の間は環状のダイア
フラム１２で形成し、このダイアフラム１２のエツジ部
１２ａ 、 １２ｂ（上記外周部１１ａ及び検出アーム
１３との境界部）の上方（エツジ部１２ａ、１２ｂと反
対側の面）には１４−１．１４−２．１４−３．１４−
４よりなるゲージ抵抗１４が形成されている。このゲー
ジ抵抗は起歪体１１の一つの直径上に１４−１．１４−
２．１４−３．１４−４の順に並んで配置されている。
である。この力覚センサーｌＯの起歪体１１は外周部１
１ａと、中心部に垂直に突出した検出アーム１３と、こ
れら外周部１１ａと検出アーム１３の間は環状のダイア
フラム１２で形成し、このダイアフラム１２のエツジ部
１２ａ 、 １２ｂ（上記外周部１１ａ及び検出アーム
１３との境界部）の上方（エツジ部１２ａ、１２ｂと反
対側の面）には１４−１．１４−２．１４−３．１４−
４よりなるゲージ抵抗１４が形成されている。このゲー
ジ抵抗は起歪体１１の一つの直径上に１４−１．１４−
２．１４−３．１４−４の順に並んで配置されている。
第５．６．７図は上述の力覚センサーエ０のゲージ抵抗
１４−１．１４−２．１４−３．１４−４でブリッジ回
路の構成を示しているが、ダイアフラム１２の各ゲージ
抵抗１４−１．１４−２．１４−３．１４−４が外力を
受けた時、ブリッジ回路各辺の電気抵抗Ｒｘ１〜ＲＸ４
、Ｒｙ１〜Ｒｙ４ 、Ｒｚｌ”Ｒｚ４は第１表に示す変
化を起こし、Ｘ軸モーメント（Ｍｘ）、Ｙ軸モーメント
（Ｍｙ）、Ｚ軸押張力（ＦＺ）を検出することが出来る
。
１４−１．１４−２．１４−３．１４−４でブリッジ回
路の構成を示しているが、ダイアフラム１２の各ゲージ
抵抗１４−１．１４−２．１４−３．１４−４が外力を
受けた時、ブリッジ回路各辺の電気抵抗Ｒｘ１〜ＲＸ４
、Ｒｙ１〜Ｒｙ４ 、Ｒｚｌ”Ｒｚ４は第１表に示す変
化を起こし、Ｘ軸モーメント（Ｍｘ）、Ｙ軸モーメント
（Ｍｙ）、Ｚ軸押張力（ＦＺ）を検出することが出来る
。
ここで、各ゲージ抵抗１４−１．１４−２．１４−３．
１４−４はＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各ブリッジ抵抗Ｒｘｌ〜
Ｒｘ２、Ｒｙｌ 〜ＲＶ４ 、Ｒｚ１〜ＲＺ４に共通で
ある。
１４−４はＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各ブリッジ抵抗Ｒｘｌ〜
Ｒｘ２、Ｒｙｌ 〜ＲＶ４ 、Ｒｚ１〜ＲＺ４に共通で
ある。
第１表
（発明が達成しようとする課題）
上述の力覚センサーで三次元の力を測定する場合、人体
がこの力覚センサーに触れたり、又は極度に接近すると
力覚センサーの出力値に影響を及ぼして、正確な値が得
られないという問題がある。
がこの力覚センサーに触れたり、又は極度に接近すると
力覚センサーの出力値に影響を及ぼして、正確な値が得
られないという問題がある。
これは力覚センサーに使用している拡散歪ゲージを形成
したシリコン単結晶板よりなるチップをＰＮ接合型ダイ
オードと見做すと、力覚センサーに人体等が接触するか
、又は極端に接近することにより順方向バイアスを加え
た状態となり、弱電流が流れることにより出力電圧値が
変化する。特にチップのＰＮ耐圧値が低い場合、第２図
のバイアスの有無による出力変化特性図に示す■のよう
に影響が顕著である。
したシリコン単結晶板よりなるチップをＰＮ接合型ダイ
オードと見做すと、力覚センサーに人体等が接触するか
、又は極端に接近することにより順方向バイアスを加え
た状態となり、弱電流が流れることにより出力電圧値が
変化する。特にチップのＰＮ耐圧値が低い場合、第２図
のバイアスの有無による出力変化特性図に示す■のよう
に影響が顕著である。
このような問題を解決する手段として、逆バイアスを加
える方法が有るが、ブリッジ回路の入力端に加わる電圧
よりも高い逆バイアスを加えなければならず、力覚セン
サーの耐久性等を考慮すると、余り実用的ではないばか
りか、更に力覚センサーの出力側に接続する増幅器等の
計測回路を構成する場合、複雑高価なものとなってしま
う。
える方法が有るが、ブリッジ回路の入力端に加わる電圧
よりも高い逆バイアスを加えなければならず、力覚セン
サーの耐久性等を考慮すると、余り実用的ではないばか
りか、更に力覚センサーの出力側に接続する増幅器等の
計測回路を構成する場合、複雑高価なものとなってしま
う。
本発明は上述の問題を解決して、力覚センサーの耐久性
が良く、しかも付属する計測回路も簡単で済む力覚セン
サーを提供するこ、とを課題とする。
が良く、しかも付属する計測回路も簡単で済む力覚セン
サーを提供するこ、とを課題とする。
（課題を達成するための手段）
上述の課題を達成するために、拡散歪ゲージを形成した
シリコン単結晶板を起歪体１１に接合してなる力覚セン
サー１０において、前記シリコン単結晶板よりなるチッ
プ２０を覆うように前記起歪体１１に設けたカバー１５
と、前記起歪体１１及び前記カバー１５の外側を被覆す
る絶縁被膜１８とを設けたものである。
シリコン単結晶板を起歪体１１に接合してなる力覚セン
サー１０において、前記シリコン単結晶板よりなるチッ
プ２０を覆うように前記起歪体１１に設けたカバー１５
と、前記起歪体１１及び前記カバー１５の外側を被覆す
る絶縁被膜１８とを設けたものである。
（作用）
上述のように、カバー１５はチップ２０を外部からの機
械的及び電気的衝撃から保護するとともに、外側の絶縁
被膜１８は外部で発生した異常電圧の影響を排除する。
械的及び電気的衝撃から保護するとともに、外側の絶縁
被膜１８は外部で発生した異常電圧の影響を排除する。
（実施例）
第１図は本発明の力覚センサーの構造を示した断面図で
ある。起歪体１１そのものは従来の力覚センサーの起歪
体と同様であるが、Ｎ型半導体１６とＰ型半導体１７よ
りなるチップ２０がダイアフラム１２の上側に貼付して
あり、このチップ２０を覆うようにアルミ等の非鉄金属
で構成されたカバー１５が起歪体１１の外周部１１ａに
接着又は溶接等で接合されている。更にこれら起歪体１
１及びカバー１５の外側を絶縁性の塗料を塗布するか、
又はポリイミドフィルム等の絶縁性フィルムを貼付する
かして外周に絶縁被膜１８を構成しである。
ある。起歪体１１そのものは従来の力覚センサーの起歪
体と同様であるが、Ｎ型半導体１６とＰ型半導体１７よ
りなるチップ２０がダイアフラム１２の上側に貼付して
あり、このチップ２０を覆うようにアルミ等の非鉄金属
で構成されたカバー１５が起歪体１１の外周部１１ａに
接着又は溶接等で接合されている。更にこれら起歪体１
１及びカバー１５の外側を絶縁性の塗料を塗布するか、
又はポリイミドフィルム等の絶縁性フィルムを貼付する
かして外周に絶縁被膜１８を構成しである。
なお、チップ２０のＰ型半導体１７とコンタクトピン１
９とは金等のリード線２１で接続しであることは従来例
と同じである。
９とは金等のリード線２１で接続しであることは従来例
と同じである。
次に本発明の力覚センサーの動作について説明する。第
１図に示すように、検出アーム１３（起歪体１１でも良
い）とコンタクトビン１９間にｅＶのバイアス電圧を印
加してお（。このバイアス電圧のために、力覚センサー
１０に人体等が接触しても第２図に示す■のように接触
時間Ｔ間に多少の出力変化はあるが、バイアス無しの■
の場合の出力変化に比べて大幅な減少が見られる。なお
、■はバイアス無しで、接触もしない従来の場合の例で
ある。
１図に示すように、検出アーム１３（起歪体１１でも良
い）とコンタクトビン１９間にｅＶのバイアス電圧を印
加してお（。このバイアス電圧のために、力覚センサー
１０に人体等が接触しても第２図に示す■のように接触
時間Ｔ間に多少の出力変化はあるが、バイアス無しの■
の場合の出力変化に比べて大幅な減少が見られる。なお
、■はバイアス無しで、接触もしない従来の場合の例で
ある。
（発明の効果）
上述のように、チップ２０を覆うカバー１５及びこのカ
バー１５と起歪体１１の外側を覆う絶縁被膜を形成する
ことにより、 １）起歪体外部からの電気的影響を受けず、正しい変位
量を検出することが出来る。
バー１５と起歪体１１の外側を覆う絶縁被膜を形成する
ことにより、 １）起歪体外部からの電気的影響を受けず、正しい変位
量を検出することが出来る。
２）周囲で異常電圧が発生しても検出値に影響を与える
ことがない。
ことがない。
３）簡単な構造で耐久性を維持することが出来、低価格
の力覚センサーを提供することが出来る。
の力覚センサーを提供することが出来る。
第１図は本発明の力覚センサーの構造を示した断面図、
第２図はバイアスの有無による出力変化特性図、第３図
は従来の拡散型力覚センサーの断面図、第４図はＸ軸周
ブリッジ回路図、第５図はＹ軸周ブリッジ回路図、第６
図はＺ軸周ブリフジ回路図である。 １０：力覚センサー、 １１：起歪体、 １５：カバー
、 １８：絶縁被膜、 ２０：チップ。
第２図はバイアスの有無による出力変化特性図、第３図
は従来の拡散型力覚センサーの断面図、第４図はＸ軸周
ブリッジ回路図、第５図はＹ軸周ブリッジ回路図、第６
図はＺ軸周ブリフジ回路図である。 １０：力覚センサー、 １１：起歪体、 １５：カバー
、 １８：絶縁被膜、 ２０：チップ。
Claims (1)
- 拡散歪ゲージを形成したシリコン単結晶基板を起歪体
に接合してなる拡散型力覚センサーにおいて、前記シリ
コン単結晶基板よりなるチップを覆うように前記起歪体
に設けたカバーと、前記起歪体及び前記カバーの外側を
被覆する絶縁被膜とを設けたことを特徴とする三次元力
覚センサーの起歪体構造。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2309576A JPH04181133A (ja) | 1990-11-14 | 1990-11-14 | 三次元力覚センサーの起歪体構造 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2309576A JPH04181133A (ja) | 1990-11-14 | 1990-11-14 | 三次元力覚センサーの起歪体構造 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04181133A true JPH04181133A (ja) | 1992-06-29 |
Family
ID=17994695
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2309576A Pending JPH04181133A (ja) | 1990-11-14 | 1990-11-14 | 三次元力覚センサーの起歪体構造 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04181133A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010230490A (ja) * | 2009-03-27 | 2010-10-14 | Panasonic Corp | 物理量センサ |
| CN103323152A (zh) * | 2013-05-15 | 2013-09-25 | 中国矿业大学 | 仿生皮肤三维力触觉感知装置及其测量方法 |
| CN114434413A (zh) * | 2020-10-30 | 2022-05-06 | 中国核工业二三建设有限公司 | 一种核岛支架安装车 |
-
1990
- 1990-11-14 JP JP2309576A patent/JPH04181133A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010230490A (ja) * | 2009-03-27 | 2010-10-14 | Panasonic Corp | 物理量センサ |
| CN103323152A (zh) * | 2013-05-15 | 2013-09-25 | 中国矿业大学 | 仿生皮肤三维力触觉感知装置及其测量方法 |
| CN114434413A (zh) * | 2020-10-30 | 2022-05-06 | 中国核工业二三建设有限公司 | 一种核岛支架安装车 |
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