JPS59195135A - 力の方向検出器 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はシリコン集積回路技術を用いて製造される半導
体装置に関するものであり、丈に詳しくは、シリコンダ
イアフラム型センサを用いた力の方向検出装置に関する
ものである。

計測分野においては、古くから所謂ロードセルと称せら
れている荷重測定器が多用されてきた。

かかるｐ−ドセルは、通常、外界から与えられる荷重を
機械系の歪に変換する機構部と、該機構部に設けられた
歪・電気信号変換素子と、該変換素子から得られる電気
信号を処理する回路部とから構成されている。当該機構
部は金属製のカンチレバーや円形ダイアプラムにより構
成されている。

該変換素子は歪ゲージと称される金属蒸着膜の形状変化
に伴なう抵抗値変化を利用する素子が広範に用いられて
きた。最近になって、歪・抵抗値変化係数（所謂ゲージ
率）が大きい半導体のピエゾ抵抗効果を用いた半導体歪
ゲージも一部用いられるようになっている。当該回路部
はブリッジ回路が広く用いられており、ｓ何重時の出力
信号値の設定、温度補償等が成される。当該ロードセル
において、測定荷重範囲を変更するには、該機構部の剛
性を変更すれば良い。かかる変更は、カンチレバーの断
面積、ダイアフラム膜厚等の手段により容易に成される
。しかしながら、従来のロードセルにおいては、力の方
向、即ち、どの方向から当該ロードセルに力が印加して
いるかは検出できなかった。

一力、ファクトリ−オートメーションが脚光を浴びてい
る今日では、知能ロボットの天川化が期待されている。

知能ロボットは外界情報を取り入れ１、自律的に作動を
決定できる機能を有している特徴がある。当該外部情報
には、視覚、触覚等があり、特に後者は対象物の把握時
において重要となる。該触覚罠は種々存在するとされて
いるが、力覚は対象物体から把持部、例えは、ｐボ、ト
ハンドへ与えられる力の感覚として定６１れている。

即ち、当該力の大きさのみならず、力の方向も主安な要
素となっている。従来では力の方向検出器として簡便な
センサが無く、該ハンドの複数蘭所に所望の方向の力成
分を検出するストレングージを貼りつけ、当該ストン／
ゲージ出力を演算することにより力の方向を判定してい
た。かかる従来例では、複数のストレングージの出力腺
の数が増え、また、演算処理の負担増という欠点があっ
た。

本発明は、かかる従来の欠点を回避するためになされた
ものであり、単−素子において、外部から当該素子へ印
加される力の方向を検出できる素子を提供するものであ
る。

本発明によれば、助内のダイアフラムと、該夕゛イアフ
ラムの周辺部を固定する支持体と、該ダイアフラムに誘
起さｔＲｔ歪あるいは応力を電気信号に変換する手段と
、該ダイアフラムの一部と一端が接触することにより外
部から印加烙れた力を鈑タイアフラムに伝達する手段と
、当該外部からの力のＩ：ｌｊ加方向に応じて当眺手段
の前記タイ７フラムへの接触点を変化させる手段とを有
することを１ず徴とする力の方向検出器が得られる。

次に、図面を用いて詳細に本発明゛２胱明する。

Ｈｘ図は従来のシリコンダイアスラム減圧力変換器を説
明する図であり、当該変換器の構造断面図が示されてい
る。同図に：Ｉ６いて、Ｊ−はシリコンタイて、中央部
に薄肉のダイアフラム２が超音波加工、放電加工、異方
性エツチング等の周知の手法により形成されている。当
該ダイの一生面には、該ダイアフラム領域を一部含むよ
うに、複数の拡散層３が周知の拡散工程により埋設され
ている。

当該拡散層の導電型は、グイと４電型を異にするように
選択され、３と１間とにＰＮ接合を形成するように成さ
れている。当該拡散層３には、該主面を扱う酸化膜等の
絶縁膜４の一部が除去された領域を介して、金属、多結
晶シリコン等の配線５が電気的に接続されている。ダイ
１は接着層６により、バッグ−７７に固層されている。

７の濁質は通常の集積回路パッケージと同一であっても
良く、また、タイと類似の熱膨張係数を有する材質であ
っても良い。まだ、接滝層６は、低融点力゛ラス等の無
機質、仔機接着剤であっても良く、さらｔコ、ガラス層
を介した７ノーデイツクホンテイングを利用した構造で
あっても良い。周知のことではあるか、接着層とパッケ
ージとは、熱歪へ〕残留応力を考慮して選択されるべき
である。さらに、パッケージ７の一部には貫通穴が設け
られ、第１の圧力導入バイブ８が７に固着されている。

９は・（ッケージ７の周辺部で気留封止されたキャップ
であり、一部が第２の仕方導入バイブ１０を形成してい
る。また、パッケージ７の一部には、気易′封Ｉヒされ
た複数の導電性端子１１が設げられており、前述した金
属配線５と金属細線１２で接続きれている。第１図の構
成において、第１および第２の圧力尋人バイブを介して
流体圧力が印加される。例えば、単一の流体圧力を計画
したい時には、第２の導入パイプへ当該圧力を導びき、
第１の尋人パイプは大気圧に開放されている。当該流体
圧力が大気圧と比較して、高い時にはダイアフラム２は
図中上方へ、−力、低い時にｄ−図中下方へＢＡむこと
になる。かかる（光みはダイアフラムの易械的歪となり
、歪に苅応した応力が該ダイアフラム部に発生する。ピ
エゾ抵抗効果は、シリコン等の半導体拐科に応力を誘起
させた時、応力に比例した抵抗値変化が発生する現象で
あり、当該分野の技術者には周知である。前記したダイ
アフラムｆ４１Ｙ比−力により、拡散抵抗３の値が変化
するので、当該抵抗をクォーターブリッジ、−・−ツブ
リッジ、フルブリッジのいずれかに接続すれは、電圧出
力信号が得られる。前記撓みが少量であるならば、圧力
と仝、歪と応力、応力と抵抗変化、抵抗変化と電圧出力
との関係は全て直線関係となるので、圧力に比例した出
力信号が得られることになる。

かかる動作原理により流体圧の検出が達成される。

しかるに、前述した如く、流体圧は単位面積当りの力、
川」ち、Ｋｐ　／　ｃｒｆＬの単位であり、当該ダイア
フラムの第１の主面に分布荷重として印加される。

一方、ロボットノ〜ンドの触覚としては、力（即ち、に
ｇの単位）の検出が必要になり、第１図に示した圧力変
換器は通用不司能である。

第２図は本発明の一実施例を示す図であり、第１図と同
一番号は同−猶成要紫を示している９同図において、２
０はダイアフラム２の周辺部を固定する支持体として作
用しており、ダイアフラムが所謂ビルトイン周辺（Ｂｕ
ｉｌｄ　　ｉｎ　Ｅｄｇｅ　）の支持条件を満たして変
形するようになされている。

２１は同図面上での下方端がダイアフラム２の一部に接
触しているビンであり、該ビンの同図面上での上刃端は
キャップ２９（周辺綿は７に固危されている）を貫通し
て上部に突出しており、横方向の力、例えは２８に示す
力が外部より印加できるようになっている。２１が２９
を貫通ずる部分は、例えはポールジョイン「の構造２２
をしており、２１が２８により、２２を中心として回転
できるようになっているゝ。勿論のことではあるが、キ
ャップ２９の２２に対応する部分はホールジヨイント軸
受の形状に加工されている。かかる構造によれは、２８
に例示した外部からの力の印加方向に応じて、ビン２１
の前記ダイアフラム２への接触点は同図上左方向へ変化
することになる。

２１が左右に回転しても、常に２と接触しているように
２２の位ｌ蹴、２１の長さを設定でさることは明白であ
る６また、２２より下方“の２１の長さを、当該接触点
の移動の長さよりも大きく設定しておけは、２１が当該
接触点において２を同図面上、下プ７へ押す力は一定で
あると見なせることになる。坤ち、かかる状況において
は、２２を中心とした２１の回転運動は、見かげ上、第
３図に示すが如く、２上を２１が水平方向に並進運動し
ていると近側でき°る。第３図において、２の中心、即
ちＡ点に２１が接触して、２を下方へ一定の力で押し下
げている時の、２の上面に作用する応力分布が第４図の
４０の曲線で示されている。同図の横軸１は２の上向上
の位屓座標であり、縦軸は当該応力であり、圧縮力が正
方向として示されてい゛る。点Ａ　と２の中心であるの
で、応力曲線４０は左右対称の特性となる。一方、２１
が横方向に並進運動して、第３図のＢ点に接触して、２
を下方へ前記一定の力で押し下げている時の、２の上向
に作用する応力分布が第４図の４１の曲想で示されてい
る。４０と異なり、左右非対称の特性となっていること
が明らかである。前述した如く、半導体におけるピエゾ
抵抗効果はピエゾ抵抗係数と応力の禎て゛記述され、第
２図のダイアクラム端部に設けられた拡散抵抗３の抵抗
値変化は第４図に示した応力に比例した４ｍとなる。即
ち、２１がＡ点と接触している場合には、第２凶の３の
抵抗値変化は等しくなる。一方、Ｂ点に２１が接触して
いる場合には、３の抵抗値変化は異なる。かかる抵抗値
変化の差異は、２１の２上での接触点の位置と対応して
いるので、当該抵抗値変化全検出するならば、２上での
当該接触点の位置を知ることが可能となる。即ち、第２
図での２８の方向、換言するならば、外部から印加され
た力の方向を求めることが可能となり、力の方向検出器
が実現されたことになる。なお、２１の下部叛触部の形
状は重要な問題とはならないが、２の表面を損１易しな
いような形状、例えは、球状とすることが好ましい。ま
た、２１の材質も金属、プラスチック、テフロン等広範
囲に利用できる。

第５図は本発明の他の一実施例を示す図であり、２１．
２２．２９が一体成型されている場合が示されている。

なお、同図では、第２自の上表部分のみが示されている
にすきす、他の構成は第２図と同一にできることは明ら
かである。本尖施ψ；４では、２１の回転運動は、２９
の一部に設けられた薄肉部５０の機械的剛性により達成
されて０る。

かかる構成においては、２８で示された外、４ｔＳから
の印加力の一部は５０の変形に費ヤされ、残りの一部が
２１の回転運動に寄与することになる。即ち、当該印加
力の力学的減衰器が５０により実現されることになるの
で、該印加力が大きい場合にも２１の２上での接触点位
置の変化量を外さく設定することが可能となる。該減衰
器での減衰率は５０の形状−即ち、５０の厚さ、横方向
の寸法、あるいは２９より上部へ突き出た２１の長さ、
２８の印加される位置を変化させることにより、変更可
能であり、所望の減衰率を実現することが可能である。

第６図は本発明の他の実施例を示す図である。

同図において、第２図と同−帯性は同−構成殺系を示し
ている。同図において、６０は貧楓博ｊ良等で構成され
たダイアフラム−６１は６０の周辺部を固定する金属等
で構成された支持体、６２は６０内に訪起された歪や応
力を′電気信号、抵抗値変化に変換する変換器、例えば
、金地薄膜や半導体から成るストレンゲージであり、６
０の下面あるいは上面に接着剤あるいは共晶等により強
固に固定されている。６３はも０あるいは１）１に固定
されているキャップである。本実施例では、ダイアフラ
ム６０の構成物′ｍｌを半導体以外にし、電気信号への
変換手段を６０の面上に配置したことに特徴があり、動
作は前述した動作と同様であるので説明を省略する。な
お、本人廁ｅ１１と同体な構成法で、ｂ２を圧電素子と
したもの、あるいは、６０を圧電物質とし、６２を該圧
電物１１からの圧電気検出手段、例えばへ金机電極とし
たものは、当朶者によって容易に類推されるものであり
、本発明に含まれるものである。

以上、不発明について詳細な説明を行った。本発明では
説明の便宜上、図面は全て断面図で示し、さらに、力の
方向は一次元のみに限定されている。

しかるに、力の二次元的な方向を検出することは、本発
明の説明より明らかである。、即ち、タイ７フラムは二
次元的な広がりｆｆ：角しているので、ピン２１の接触
点を当該ダイアフラム上で二次元的に移動せしめること
は可能であり、該タイ７フラムに誘起された歪あるいは
応力を電気信号に変換する手段を該ダイアフラム上に複
数個配置せしめ、該手段からの複数の当該信号を処理す
れは、前記接触点の位置、あるいは、前記外部から印加
される力の二次元的な方向を求めることは可能となり、
実用性がより一層尚くなることは明らかである。

また、実施例圧挙げた各部の構造ｉ＝コ単に例示されだ
に過ぎず、本発明の趣旨を変えることなく、各部の構造
を用いることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のシリコンダイアスラム型圧力変換器を説
明する図である。 第２図は本発明の実施例を説明する図であり。 第３図は第２図での可動部分のみを示す図、第４図は当
該ダイアフラム上での応力分布を示す図である。 第５図は本発明の他の実施例を説明する図であり、第２
図に対応した主要ｔ’ｄｉ分のみが示されている。 第６図は本発明の他の実施例を説明する図であ゛る。 図において、１・・・シリコンタイ、２，６０°°°ダ
イアフラム、３・・・拡散層、４・・・絶縁膜、５・・
・配線、６・・・接着層、７・・・パッケージ、８，１
０・圧力導入パイプ、９　、２９　、６３　、、、キャ
ップ、１１・・・端子、１２・・・金属細繊、２１・・
・ビン、２２・・・ボールジヨイント構造、２８・・・
力、４０．４１・・・応力分布、５０６．・７専肉部、
６１・・・支持体、６２・・４■ト１、である。 第　７　図 第　２　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 薄肉のダイアフラムと、該ダイアフラムの周辺部を固定
   する支持体と、該ダイアフラムに誘起された歪あるいは
   応力を電気信号に変換する手段と、該ダイアフラムの一
   部と一端が接触することによ汐１ り外部／ら印加された力を該ダイアフラムに云達する手
   段と、当該外部からの力の印加方向に応じて当該手段の
   前記ダイアフラムへの接触点を変化させる手段とを有す
   ることを特徴とする力の方向検出器。