JP2018063235A - センサチップ、起歪体、力覚センサ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板10と、前記基板の四隅に配置された第1の支持部11a〜11dと、前記基板の中央に配置された第2の支持部11eと、隣接する前記第1の支持部同士を連結する第1の検知用梁13aと、各々の前記第1の検知用梁と前記第2の支持部との間に、各々の前記第1の検知用梁に平行に設けられた第2の検知用梁13bと、平行に設けられた前記第1の検知用梁及び前記第2の検知用梁の組において、前記第1の検知用梁と前記第2の検知用梁とを連結する第3の検知用梁13cと、前記第1、第2、第3の検知用梁の所定位置に配置され、それぞれ力Fx、Fy、FzとモーメントMx、My、Mzとを検出する複数の歪検出素子と、を有する。
【選択図】図3
Description
(力覚センサ装置1の概略構成)
図1は、第1の実施の形態に係る力覚センサ装置を例示する斜視図である。図2は、第1の実施の形態に係る力覚センサ装置のセンサチップ及び起歪体を例示する斜視図である。図1及び図2を参照するに、力覚センサ装置1は、センサチップ10と、起歪体20と、入出力基板30とを有している。力覚センサ装置1は、例えば、工作機械等に使用されるロボットの腕や指等に搭載される多軸の力覚センサ装置である。
図3は、センサチップ10をZ軸方向上側から視た図であり、図3(a)は斜視図、図3(b)は平面図である。図4は、センサチップ10をZ軸方向下側から視た図であり、図4(a)は斜視図、図4(b)は底面図である。図4(b)において、便宜上、同一高さの面を同一の梨地模様で示している。なお、センサチップ10の上面の一辺に平行な方向をX軸方向、垂直な方向をY軸方向、センサチップ10の厚さ方向(センサチップ10の上面の法線方向)をZ軸方向としている。X軸方向、Y軸方向、及びZ軸方向は、互いに直交している。
図9は、起歪体20を例示する斜視図である。図10は、起歪体20を例示する図であり、図10(a)は平面図、図10(b)は図10(a)のA−A線に沿う断面斜視図である。図10(a)において、便宜上、同一高さの面を同一の梨地模様で示している。
図11〜図13は、力覚センサ装置1の製造工程を例示する図である。まず、図11(a)に示すように、起歪体20を作製する。起歪体20は、例えば、成形や切削、ワイヤ放電等により一体に形成することができる。起歪体20の材料としては、例えば、SUS(ステンレス鋼)等の硬質な金属材料を用いることができる。中でも、特に硬質で機械的強度の高いSUS630を用いることが好ましい。起歪体20を成形により作製する場合には、例えば、金属粒子とバインダーとなる樹脂とを金型に入れて成形し、その後、焼結して樹脂を蒸発させることで、金属からなる起歪体20を作製できる。
図14及び図15は、起歪体20に力及びモーメントを印加した際の変形(歪)についてのシミュレーション結果である。力及びモーメントは、起歪体20の入力部24a〜24d(図9等参照)から印加した。又、図16〜図18は、図14及び図15の力及びモーメントを印加した際にセンサチップ10に発生する応力についてのシミュレーション結果である。図16〜図18において、引張の垂直応力を『+』、圧縮の垂直応力を『−』で示している。
第1の実施の形態の変形例1では、受力板を備えた力覚センサ装置の例を示す。なお、第1の実施の形態の変形例1において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
第1の実施の形態の変形例2では、第1の実施の形態とは異なるセンサチップの例を示す。なお、第1の実施の形態の変形例2において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
第1の実施の形態の変形例3では、起歪体を用いない力覚センサ装置の例を示す。なお、第1の実施の形態の変形例3において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
第1の実施の形態の変形例4では、起歪体を用いない力覚センサ装置の他の例を示す。なお、第1の実施の形態の変形例4において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
第1の実施の形態の変形例5では、第1の実施の形態とは異なるセンサチップの他の例を示す。なお、第1の実施の形態の変形例5において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
図35及び図36は、力及びモーメントを印加した際にセンサチップ110に発生する応力についてのシミュレーション結果である。図35及び図36において、引張の垂直応力を『+』、圧縮の垂直応力を『−』で示している。
10、50、110 センサチップ
11a〜11e、51a〜51e、111a〜111e 支持部
12a〜12h、52a〜52d、112a〜112h 補強用梁
13a〜13l、53a〜53l、113a〜113l 検知用梁
14a〜14d、54a〜54d、114a〜114d 力点
15 電極
16 配線
17 温度センサ
20 起歪体
21、81 土台
22a〜22e、25a〜25d、82a〜82i 柱
23a〜23d、26a〜26d 梁
24a〜24d 入力部
27a〜27d、61a〜61d 突起部
30 入出力基板
40、60 受力板
40x、40y 凹部
41、42 接着剤
70 パッケージ
80 柱構造部
Claims (21)
- 力点に印加された力または変位の向きに応じた、所定の梁に配置された複数の歪検出素子の出力の変化に基づいて、所定の軸方向の変位を最大で6軸検知するセンサチップであって、
基板と、
前記基板の四隅に配置された第1の支持部と、
前記基板の中央に配置された第2の支持部と、
隣接する前記第1の支持部同士を連結する第1の検知用梁と、
各々の前記第1の検知用梁と前記第2の支持部との間に、各々の前記第1の検知用梁に平行に設けられた第2の検知用梁と、
平行に設けられた前記第1の検知用梁及び前記第2の検知用梁の組において、前記第1の検知用梁と前記第2の検知用梁とを連結する第3の検知用梁と、
各々の前記第1の検知用梁と各々の前記第3の検知用梁との交点に配置された、力が印加される力点と、
前記第1の検知用梁、前記第2の検知用梁、及び前記第3の検知用梁の所定位置に配置された複数の歪検出素子と、を有し、
前記基板の厚さ方向であるZ軸方向の変位は、少なくとも前記第3の検知用梁の変形に基づいて検知し、
前記Z軸方向に直交するX軸方向及びY軸方向の変位は、前記第1の検知用梁又は前記第2の検知用梁の少なくとも一方の変形に基づいて検知することを特徴とするセンサチップ。 - 力点に印加された力または変位の向きに応じた、所定の梁に配置された複数の歪検出素子の出力の変化に基づいて、所定の軸方向の変位を最大で6軸検知するセンサチップであって、
基板と、
前記基板の四隅に配置された第1の支持部と、
前記基板の中央に配置された第2の支持部と、
隣接する前記第1の支持部同士を連結する第1の検知用梁と、
各々の前記第1の検知用梁と前記第2の支持部との間に、各々の前記第1の検知用梁に平行に設けられた第2の検知用梁と、
平行に設けられた前記第1の検知用梁及び前記第2の検知用梁の組において、前記第1の検知用梁と前記第2の検知用梁とを連結する第3の検知用梁と、
各々の前記第1の検知用梁と各々の前記第3の検知用梁との交点に配置された、力が印加される力点と、
前記第1の検知用梁及び前記第2の検知用梁の所定位置に配置された複数の歪検出素子と、を有し、
前記基板の厚さ方向であるZ軸方向の変位は、前記第1の検知用梁又は前記第2の検知用梁の変形に基づいて検知し、
前記Z軸方向に直交するX軸方向及びY軸方向の変位は、前記第1の検知用梁の変形に基づいて検知することを特徴とするセンサチップ。 - 前記第1の検知用梁に、前記X軸方向のモーメント及び前記Y軸方向のモーメントを検知する歪検出素子を配置し、
前記第2の検知用梁に、前記X軸方向の力及び前記Y軸方向の力を検知する歪検出素子を配置し、
前記第3の検知用梁に、前記Z軸方向のモーメント及び前記Z軸方向の力を検知する歪検出素子を配置したことを特徴とする請求項1に記載のセンサチップ。 - 前記第1の検知用梁に、前記X軸方向のモーメント、前記Y軸方向のモーメント、前記X軸方向の力、前記Y軸方向の力、及び前記Z軸方向のモーメントを検知する歪検出素子を配置し、
前記第2の検知用梁に、前記Z軸方向の力を検知する歪検出素子を配置したことを特徴とする請求項2に記載のセンサチップ。 - 前記第1の検知用梁及び前記第2の検知用梁の幅は、前記第3の検知用梁の幅よりも狭く、
前記第1の検知用梁及び前記第2の検知用梁の長さは、前記第3の検知用梁の長さよりも長いことを特徴とする請求項2又は4に記載のセンサチップ。 - 前記第1の検知用梁の外側に前記第1の検知用梁と平行に設けられた、隣接する前記第1の支持部同士を連結する第1の補強用梁と、
前記第1の支持部と前記第2の支持部とを連結する第2の補強用梁と、を有し、
前記第2の補強用梁は、前記第1の補強用梁と非平行に配置され、
前記第1の補強用梁及び前記第2の補強用梁は、前記第1の検知用梁、前記第2の検知用梁、及び前記第3の検知用梁よりも厚く形成され、
前記第2の検知用梁は、隣接する前記第2の補強用梁の前記第2の支持部側の端部同士を連結していることを特徴とする請求項1乃至5の何れか一項に記載のセンサチップ。 - 前記第1の検知用梁、前記第2の検知用梁、及び前記第3の検知用梁は、前記第1の支持部及び前記第2の支持部の厚さ方向の上端側に設けられ、
前記第1の支持部及び前記第2の支持部の厚さ方向の下端側において、前記第1の支持部の下面、前記第2の支持部の下面、及び前記力点の下面は面一であり、
前記下端側において、前記第1の補強用梁の下面及び前記第2の補強用梁の下面は、前記第1の支持部の下面、前記第2の支持部の下面、及び前記力点の下面よりも前記上端側に窪んでいることを特徴とする請求項6に記載のセンサチップ。 - 前記第1の補強用梁及び前記第2の補強用梁の一方又は双方の上面に、配線が形成されていることを特徴とする請求項6又は7に記載のセンサチップ。
- 前記第1の支持部の上面に、前記配線と接続された電極が配置されていることを特徴とする請求項8に記載のセンサチップ。
- 前記センサチップは半導体基板から形成され、
歪検出素子と不純物半導体により構成された温度センサを有し、
前記温度センサを構成する前記歪検出素子と、変位検知用の前記歪検出素子とは、前記半導体基板の結晶方位に対して異なる方向に配置されていることを特徴とする請求項1乃至9の何れか一項に記載のセンサチップ。 - 前記第1の支持部の上面に、前記温度センサが配置されていることを特徴とする請求項10に記載のセンサチップ。
- 所定の軸方向の変位を検知するセンサチップと接着される起歪体であって、
四隅に配置された、印加された力により変形する第1の柱と、
中央に配置された、印加された力により変形しない第2の柱と、
隣接する前記第1の柱同士を連結する、印加された力により変形する4つの第1の梁と、
各々の前記第1の梁の内側面から水平方向内側に突出する、前記第1の柱及び前記第1の梁の変形を前記センサチップに伝達する第2の梁と、
各々の前記第1の梁の長手方向の中央部から上方に突起する、力が印加される4つの入力部と、を有することを特徴とする起歪体。 - 前記第2の柱の一方の面の四隅に設けられた第3の柱と、
前記第2の柱の一方の面の中央に設けられた第4の柱と、を有することを特徴とする請求項12に記載の起歪体。 - 前記第2の梁は、各々の前記第1の梁の長手方向の中央部の内側面から水平方向内側に突出することを特徴とする請求項13に記載の起歪体。
- 各々の前記第2の梁の先端側に、上方に突起して前記センサチップと接する突起部が設けられていることを特徴とする請求項13又は14に記載の起歪体。
- 請求項1乃至11の何れか一項に記載のセンサチップと、請求項13乃至15の何れか一項に記載の起歪体と、を有する力覚センサ装置であって、
前記センサチップの前記第1の支持部が、前記起歪体の前記第3の柱上に固定され、
前記センサチップの前記第2の支持部が、前記起歪体の前記第4の柱上に固定され、
前記センサチップの前記力点が、前記起歪体の前記第2の梁の先端側に固定されていることを特徴とする力覚センサ装置。 - 前記センサチップは、前記第1の柱の上面から突出しないように、前記起歪体に固定されていることを特徴とする請求項16に記載の力覚センサ装置。
- 前記センサチップに対して信号の入出力を行う入出力基板を有し、
前記入出力基板は、電極が前記第1の柱上に配置されるように前記起歪体に接着されていることを特徴とする請求項16又は17に記載の力覚センサ装置。 - 前記入出力基板の電極が形成されている領域の裏面は、樹脂により、前記第1の柱に接着されていることを特徴とする請求項18に記載の力覚センサ装置。
- 4つの前記入力部上に受力板を設けたことを特徴とする請求項16乃至18の何れか一項に記載の力覚センサ装置。
- 前記受力板には4つの凹部が設けられ、
前記受力板は、各々の前記凹部が前記入力部を覆うことで前記起歪体と位置決めされることを特徴とする請求項20に記載の力覚センサ装置。
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