JP2018141720A - Sensing device, sensing system and manufacturing method of sensing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、センシング装置、センシングシステム及びセンシング装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a sensing device, a sensing system, and a method for manufacturing the sensing device.
触覚センサ等のセンシング装置は、様々な分野で利用されている。例えばロボットのアームに設けられた触覚センサの場合、アームが周囲の物体又は人間を傷つけないように、例えば対象物の接触面に加わる圧力又は剪断力を検知する。このような触覚センサは、例えば接触の有無を判定するための比較的小な力から、例えば対象物を押しつぶすための比較的大きな力までの、比較的広い測定範囲で圧力又は剪断力を検知できることが望ましい。なお、触覚センサ等の測定範囲は、測定レンジと呼ばれることもある。 Sensing devices such as tactile sensors are used in various fields. For example, in the case of a tactile sensor provided on an arm of a robot, for example, pressure or shear force applied to the contact surface of the object is detected so that the arm does not damage surrounding objects or humans. Such a tactile sensor can detect pressure or shear force in a relatively wide measurement range, for example, from a relatively small force for determining the presence or absence of contact to a relatively large force for crushing an object, for example. Is desirable. Note that the measurement range of the tactile sensor or the like is sometimes called a measurement range.
触覚センサの一例は、外力が加えられることにより変形する片持ち梁と、片持ち梁の付け根付近に設けられたピエゾ抵抗素子とを有する。この触覚センサの場合、片持ち梁のバネ定数に応じて、外力を検知可能な測定範囲が決まる。つまり、比較的小さな力を検知するために片持ち梁のバネ定数を比較的小さくして片持ち梁を撓み易くすると、触覚センサの感度が向上する。しかし、比較的大きな力が撓み易い片持ち梁に加わると、片持ち梁が比較的大きく変形するので、片持ち梁の強度が不足して破損する可能性がある。一方、比較的大きな力を検知するために片持ち梁のバネ定数を比較的大きくして片持ち梁を撓みにくくすると、触覚センサの感度が低下する。また、比較的小さな力が撓みにくい片持ち梁に加わると、片持ち梁が殆ど変形しないので、比較的小さな力を正確に検知できない可能性がある。このように、この触覚センサの一例の場合、片持ち梁の強度と触覚センサの感度とがトレードオフの関係にあるため、強度と感度の一方を犠牲にすることなく測定範囲を広くすることは難しい。 An example of a tactile sensor includes a cantilever that deforms when an external force is applied, and a piezoresistive element provided near the base of the cantilever. In the case of this tactile sensor, the measurement range in which an external force can be detected is determined according to the spring constant of the cantilever. That is, if the spring constant of the cantilever is relatively small to detect a relatively small force and the cantilever is easily bent, the sensitivity of the tactile sensor is improved. However, if a relatively large force is applied to the cantilever beam that is easily bent, the cantilever beam is deformed relatively greatly, and the strength of the cantilever beam may be insufficient and may be damaged. On the other hand, if the spring constant of the cantilever is relatively large to detect a relatively large force and the cantilever is difficult to bend, the sensitivity of the tactile sensor decreases. In addition, when a relatively small force is applied to a cantilever beam that is difficult to bend, the cantilever beam is hardly deformed, and therefore a relatively small force may not be accurately detected. As described above, in the case of this tactile sensor, since the strength of the cantilever and the sensitivity of the tactile sensor are in a trade-off relationship, it is not possible to widen the measurement range without sacrificing one of the strength and the sensitivity. difficult.
走査プローブ顕微鏡のカンチレバーの一例は、バネ定数を変化させる手段を有する(例えば、特許文献2参照)。このカンチレバーの場合、カンチレバー上の圧電層を変形させて、カンチレバーに圧縮又は引張応力を持たせることで、バネ定数を変化させる。しかし、圧電層に電圧を印加しても、圧電層自体の剛性は殆ど変化しないため、カンチレバーの剛性、即ち、バネ定数の変化は比較的小さいものであり、測定範囲を広くすることは難しい。 An example of a cantilever of a scanning probe microscope has means for changing a spring constant (see, for example, Patent Document 2). In the case of this cantilever, the spring constant is changed by deforming the piezoelectric layer on the cantilever to give the cantilever compression or tensile stress. However, even when a voltage is applied to the piezoelectric layer, the rigidity of the piezoelectric layer itself hardly changes. Therefore, the change in the rigidity of the cantilever, that is, the spring constant is relatively small, and it is difficult to widen the measurement range.
従来のセンシング装置では、測定範囲を広くすることが難しい。 In the conventional sensing device, it is difficult to widen the measurement range.
そこで、1つの側面では、測定範囲を広くすることがきるセンシング装置、センシングシステム及びセンシング装置の製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of one aspect is to provide a sensing device, a sensing system, and a manufacturing method of the sensing device that can widen the measurement range.
1つの案によれば、少なくとも一端がスペーサにより支持された梁層と、前記梁層と接し、弾性体内に機能性流体が封入された機能性流体層と、前記機能性流体に電磁場を印加する印加手段と、前記梁層の撓み量を検知する検知手段と、を備え、前記電磁場は、前記機能性流体層のバネ定数を決定して、前記梁層に外力が加えられた場合に前記検知手段が検知する撓み量に基づく前記外力の測定範囲を設定するセンシング装置が提供される。 According to one proposal, a beam layer having at least one end supported by a spacer, a functional fluid layer in contact with the beam layer, in which a functional fluid is sealed in an elastic body, and an electromagnetic field applied to the functional fluid. An application means; and a detection means for detecting a deflection amount of the beam layer, wherein the electromagnetic field determines a spring constant of the functional fluid layer, and the detection is performed when an external force is applied to the beam layer. There is provided a sensing device that sets a measurement range of the external force based on a deflection amount detected by the means.
一態様によれば、測定範囲を広くすることができる。 According to one aspect, the measurement range can be widened.
開示のセンシング装置、センシングシステム及びセンシング装置の製造方法では、少なくとも一端がスペーサにより支持された梁層と接し、弾性体内に機能性流体が封入された機能性流体層の機能性流体に、電磁場を印加する。電磁場は、機能性流体層のバネ定数を決定して、梁層に外力が加えられた場合に検知する梁層の撓み量に基づく外力の測定範囲を設定する。 In the disclosed sensing device, sensing system, and manufacturing method of the sensing device, an electromagnetic field is applied to the functional fluid in the functional fluid layer in which at least one end is in contact with the beam layer supported by the spacer and the functional fluid is sealed in the elastic body. Apply. The electromagnetic field determines the spring constant of the functional fluid layer, and sets the measurement range of the external force based on the amount of deflection of the beam layer that is detected when an external force is applied to the beam layer.
以下に、開示のセンシング装置、センシングシステム及びセンシング装置の製造方法の各実施例を図面と共に説明する。 Hereinafter, embodiments of the disclosed sensing device, sensing system, and manufacturing method of the sensing device will be described with reference to the drawings.
以下に説明する断面図、上面図及び平面図では、装置の各部を見やすく模式的に図示しているため、各部の膜厚等を含む寸法は、各部の相対的な寸法の関係を正確に示すものではない。
(実施例1)
図1は、センシング装置の実施例1を模式的に示す断面図である。図1に示すように、センシング装置1−1は、基板2と、基板2上に設けられたスペーサ3と、スペーサ3上に設けられた梁層4と、梁層4上に設けられた磁性(MR:Magneto Rheological)流体層5と、梁層4の撓み量を検知する検知部7とを有する。基板2の材料は、特に限定されない。梁層4及びスペーサ3は、例えばポリイミド、エポキシ等の樹脂で形成可能である。梁層4は、例えばSiで形成しても良い。MR流体層5は、例えばパリレン、ポリイミドやシリコーン樹脂等の絶縁性の弾性体5aと、弾性体5a内に封入されたMR流体5bとを有する。MR流体5bは、電磁場の一例である磁場を印加することによってレオロジー(Rheology)挙動(又は、粘度)が可逆的に変化する機能性流体の一例であり、MR流体層5は、機能性流体層の一例である。
In the cross-sectional view, top view, and plan view described below, each part of the apparatus is schematically shown so that it can be easily seen. Therefore, the dimensions including the film thickness of each part accurately indicate the relationship between the relative dimensions of each part. It is not a thing.
Example 1
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a first embodiment of the sensing device. As shown in FIG. 1, the sensing device 1-1 includes a
この例では、梁層4の一端がスペーサ3により支持されており、MR流体層5は梁層4と接している。従って、梁層4及びMR流体層5は、スペーサ3に支持された片持ち梁8を形成し、外力Fが片持ち梁8の先端部分に加えられると、片持ち梁8は図1中破線で示すように変形する。検知部7は、梁層4の撓み量を検知する検知手段の一例である。この例では、検知部7は、梁層4上の、片持ちの梁8の付根部分に設けられており、例えばピエゾ抵抗素子(又は、圧電素子)により形成可能である。梁層4に外力Fが加わり、図1中破線で示すように片持ち梁8が変形して梁層4に撓みが生じると、検知部7が矢印で示すように伸張し、ピエゾ抵抗素子の抵抗が変化する。なお、図1に破線で示す撓みとは反対方向に撓みが生じると、検知部7は圧縮されて、ピエゾ抵抗素子の抵抗が変化する。このように、ピエゾ抵抗素子を用いた場合、梁層4の撓み量は、抵抗値として検知することができる。MR流体5bに印加される磁場は、MR流体層5のバネ定数を決定して、片持ち梁8に外力Fが加えられた場合に検知部7が検知する撓み量に基づく外力Fの測定範囲を設定する。
In this example, one end of the
図2は、実施例1の変形例を模式的に示す断面図である。図2中、図1と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。本変形例では、センシング装置1−1AのMR流体層5と接する弾性材料層9が設けられている。つまり、MR流体層5は、弾性材料層9と梁層4との間に設けられている。弾性材料層9の熱膨張係数及び膜厚は、梁層4の熱膨張係数及び膜厚と異なっても良い。また、外力Fが弾性材料層9の先端部分に加えられると、片持ち梁8及び弾性材料層9は図2中破線で示すように変形する。つまり、外力Fは、弾性材料層9を介して片持ち梁8に伝わる。従って、弾性材料層9は、MR流体層5等を保護する保護層として機能することができる。
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a modification of the first embodiment. In FIG. 2, the same parts as those of FIG. In this modification, an
このように、センシング装置1−1,1−1Aでは、検知部7の近傍を支点とし、梁層4及びMR流体層5を含む片持ち梁8を形成できる。
Thus, in the sensing devices 1-1 and 1-1A, the
図3は、磁場を印加する印加部の第1の例を説明する模式図である。MR流体層5は、図3に示すように、弾性体5a中にMR流体5bが封入された構造を有する。また、MR流体5bの両端の対向する位置に、例えばNi箔又はNiメッキにより形成された磁性体21A,21Bが設けられている。磁性体21A.21B間に接続された、例えばNiで形成されたヨーク22の周囲に巻かれたコイル23に電流を流すことで、磁性体21A,21B間のMR流体5bに磁場を印加することができる。コイル23は、MR流体5bに磁場を印加する印加部6の一例である。この例では、印加部6はMR流体層5の長さ方向(図3中、左右方向)に磁場を印加する。印加部6は、MR流体5bに電磁場の一例である磁場を印加する印加手段の一例である。
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a first example of an application unit that applies a magnetic field. As shown in FIG. 3, the
図4は、図3の印加部をより詳細に示す断面図である。また、図5Aは、図4のA−A線に沿った断面の上面図であり、図5Bは、図4のB−B線に沿った断面の上面図である。図4は、図5A及び図5BのC−C線に沿った断面に相当する。図4に示すように、コイル23は、ヨーク22の周囲に巻かれ、図5Aに示す下部電極23Aと、図5Bに示す上部電極23Bとを有する。また、図5A及び図5Bに示すように、例えばCu−Ni系のピエゾ抵抗素子等で形成された検知部7は、一対の検出電極7A,7Bを有する。ヨーク22の一端は磁性体21Aと接続され、ヨーク22の他端は磁性体21Bに接続されている。下部電極23A、上部電極23B及び検出電極7A,7Bは、例えばAu/Cu積層膜により形成可能である。MR流体層5のバネ定数を決定する、対向する位置に設けられた磁性体21A,21B間のMR流体5bに印加する磁場は、下部電極23A及び上部電極23Bとの間を流れる電流により制御可能である。また、梁層4の撓み量は、検出電極7A,7B間の抵抗値から検知可能である。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the application unit of FIG. 3 in more detail. 5A is a top view of a cross section taken along the line AA of FIG. 4, and FIG. 5B is a top view of a cross section taken along the line BB of FIG. FIG. 4 corresponds to a cross section taken along line CC in FIGS. 5A and 5B. As shown in FIG. 4, the
図6は、磁場を印加する印加部の第2の例を説明する模式図である。図6中、図3と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。図6に示すように、弾性体5a内に、MR流体5bの上下を挟むように磁性体21B,21Aが設けられている。この例では、印加部6はMR流体層5の厚さ方向(図6中、上下方向)に磁場を印加する。
FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a second example of an application unit that applies a magnetic field. In FIG. 6, the same parts as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. As shown in FIG. 6,
図7は、図6の印加部をより詳細に示す断面図である。また、図8Aは、図7のA−A線に沿った断面の上面図であり、図8Bは、図7のB−B線に沿った断面の上面図である。図7は、図8A及び図8BのC−C線に沿った断面に相当する。図7、図8A及び図8B中、図4、図5A及び図5Bと同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。ヨーク22の一端は磁性体21Aに接続され、ヨーク22の他端は磁性体21Bに接続されている。MR流体層5のバネ定数を決定する、磁性体21A,21B間のMR流体5bに印加する磁場は、下部電極23A及び上部電極23Bとの間を流れる電流により制御可能である。また、梁層4の撓み量は、検出電極7A,7B間の抵抗値から検知可能である。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing the application unit of FIG. 6 in more detail. 8A is a top view of a cross section taken along the line AA of FIG. 7, and FIG. 8B is a top view of a cross section taken along the line BB of FIG. FIG. 7 corresponds to a cross section taken along line CC in FIGS. 8A and 8B. 7, 8A and 8B, the same parts as those in FIGS. 4, 5A and 5B are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. One end of the
図9は、磁場を印加する印加部の第3の例を説明する模式図である。図9中、図3と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。図9に示すように、ヨーク22で磁路を閉じることで、MR流体5bにより効率良く磁場を印加することができる。この例では、印加部6はMR流体層5の長さ方向(図9中、左右方向)に磁場を印加する。
FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a third example of an application unit that applies a magnetic field. 9, parts that are the same as those shown in FIG. 3 are given the same reference numerals, and explanation thereof is omitted. As shown in FIG. 9, by closing the magnetic path with the
図10は、図9の印加部をより詳細に示す断面図である。また、図11Aは、図10のA−A線に沿った断面の上面図であり、図11Bは、図10のB−B線に沿った断面の上面図である。図10は、図9A及び図9BのC−C線に沿った断面に相当する。図10、図11A及び図11B中、図4、図5A及び図5Bと同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。図11Bに示すように、閉ループ状のヨーク22の一端が磁性体21Aに接続され、当該ヨーク22の他端が磁性体21Bに接続されることで、閉じた磁路を形成可能である。MR流体層5のバネ定数を決定する、磁性体21A,21B間のMR流体5bに印加する磁場は、下部電極23A及び上部電極23Bとの間を流れる電流により制御可能である。また、梁層4の撓み量は、検出電極7A,7B間の抵抗値から検知可能である。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing the application unit of FIG. 9 in more detail. 11A is a top view of a cross section taken along the line AA of FIG. 10, and FIG. 11B is a top view of a cross section taken along the line BB of FIG. FIG. 10 corresponds to a cross section taken along line CC in FIGS. 9A and 9B. 10, FIG. 11A and FIG. 11B, the same parts as those in FIG. 4, FIG. 5A and FIG. As shown in FIG. 11B, one end of the closed-
図12は、磁場を印加する印加部の第4の例を説明する模式図である。図12中、図3と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。図12に示すように、ヨーク22で磁路を閉じることで、MR流体5bにより効率良く磁場を印加することができる。この例では、印加部6はMR流体層5の厚さ方向(図12中、上下方向)に磁場を印加する。
FIG. 12 is a schematic diagram illustrating a fourth example of an application unit that applies a magnetic field. In FIG. 12, the same parts as those of FIG. As shown in FIG. 12, by closing the magnetic path with the
図13は、図12の印加部をより詳細に示す断面図である。また、図14Aは、図13のA−A線に沿った断面の上面図であり、図14Bは、図13のB−B線に沿った断面の上面図である。図13は、図14A及び図14BのC−C線に沿った断面に相当する。図13、図14A及び図14B中、図4、図5A及び図5Bと同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。図14Bに示すように、閉ループ状のヨーク22の一端が磁性体21Aに接続され、当該ヨーク22の他端が磁性体21Bに接続されることで、閉じた磁路を形成可能である。MR流体層5のバネ定数を決定する、磁性体21A,21B間のMR流体5bに印加する磁場は、下部電極23A及び上部電極23Bとの間を流れる電流により制御可能である。また、梁層4の撓み量は、検出電極7A,7B間の抵抗値から検知可能である。
FIG. 13 is a cross-sectional view showing the application unit of FIG. 12 in more detail. 14A is a top view of a cross section taken along the line AA of FIG. 13, and FIG. 14B is a top view of a cross section taken along the line BB of FIG. FIG. 13 corresponds to a cross section taken along line CC in FIGS. 14A and 14B. 13, FIG. 14A, and FIG. 14B, the same code | symbol is attached | subjected to FIG. 4, FIG. 5A, and the same part as FIG. 5B, and the description is abbreviate | omitted. As shown in FIG. 14B, one end of the closed-
次に、実施例1におけるセンシング装置の製造方法の一例を、図15及び図16と共に説明する。説明の便宜上、この例では、印加部の第4の例を用いるセンシング装置を製造する場合について説明する。図15及び図16中、図13、図14A及び図14Bと同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。 Next, an example of the manufacturing method of the sensing apparatus in Example 1 is demonstrated with FIG.15 and FIG.16. For convenience of explanation, in this example, a case where a sensing device using the fourth example of the application unit is manufactured will be described. 15 and FIG. 16, the same parts as those in FIG. 13, FIG. 14A and FIG.
先ず、図15に示すように、基板2上に、スペーサ3と梁層4を順次形成する。次に、例えばSiで形成された梁層4の一部に不純物を注入して検知部7を形成する。次に、梁層4上に、コイル23の下部電極23Aと、検知部7の検出電極7A,7Bとを形成する。次に、下部電極23A上に、ヨーク22を形成する。
First, as shown in FIG. 15, the
次に、図16に示すように、下部電極23Aと上部電極23Bとの間で、ヨーク22の周囲を螺旋状に覆うコイル23を形成する。次に、検知部7上に、MR流体層5を形成する。このMR流体層5は、弾性体5aと、弾性体5a内に設けられたMR流体5b及び磁性体21A,21Bとを有する。磁性体21B,21Aは、MR流体5bの上下を挟むように弾性体5a内に設けられている。また、磁性体21A,21Bは、一部が弾性体5aより外側に突出しており、磁性体21Aがヨーク22の一端に接続し、磁性体21Bがヨーク22の他端に接続する。次に、スペーサ3の一部(この例では、図16中右側の部分)を除去して検知部7の近傍を支点とする片持ち梁8を形成し、図13、図14A及び図14Bに示すセンシング装置が得られる。
Next, as shown in FIG. 16, a
なお、印加部の第1乃至第3の例を用いるセンシング装置を製造する場合は、MR流体層5及びヨーク22のうち少なくとも一方を適宜変更すれば良い。
When manufacturing a sensing device using the first to third examples of the application unit, at least one of the
次に、MR流体に印加する磁場と、MR流体層のバネ定数の関係を、図17乃至図19と共に説明する。なお、MR流体層のバネ定数は、磁場が印加されていない状態では梁層のバネ定数より小さい。 Next, the relationship between the magnetic field applied to the MR fluid and the spring constant of the MR fluid layer will be described with reference to FIGS. Note that the spring constant of the MR fluid layer is smaller than that of the beam layer when no magnetic field is applied.
図17は、梁層の一例であるシリコーンチューブを示す図である。図16に示すように、シリコーンチューブ300中の磁性体321A,321b間に封入されたMR流体305に磁場を印加し、圧縮方向Fz及び剪断方向Fsへ力を加えた時のシリコーンチューブ300の変形量と反力を測定した。図18は、圧縮方向Fzへ0mT,40mT,66mTの力を加えた時の変形量と反力を測定した結果の一例を示す図である。図19は、剪断方向Fsへ0mT,40mT,66mTの力を加えた時の変形量と反力を測定した結果の一例を示す図である。図18及び図19中、破線で示すグラフは0mTの力を加えた場合、一点鎖線で示すグラフは40mTの力を加えた場合、二点差線で示すグラフは66mTの力を加えた場合を示す。また、図18及び図19において、グラフの傾きは、バネ定数を示しており、印加する磁場の大きさによりMR流体層5のバネ定数は大きく変化することが確認された。
FIG. 17 is a view showing a silicone tube as an example of a beam layer. As shown in FIG. 16, the deformation of the
次に、センシング装置による外力の測定処理の一例を、図20乃至図22と共に説明する。 Next, an example of external force measurement processing by the sensing device will be described with reference to FIGS.
図20は、片持ち梁8に加える外力F(任意単位)と、梁層4の撓み量l(任意単位)との関係の一例を、MR流体層5に印加する外部磁場Mについて示す図である。図20において、外力Fの値F0〜F2は、F0<F1<F2であり、梁層4の撓み量lの値l0〜l3は、l3<l2<l1<l0であり、外部磁場Mの値M0〜M3は、M0<M1<M2<M3である。
FIG. 20 is a diagram showing an example of the relationship between the external force F (arbitrary unit) applied to the
図21は、測定処理の一例を説明するフローチャートである。図21において、ステップS1では、例えば図33と共に後述するプロセッサ(図示せず)がnをn=3に設定する。ステップS2では、プロセッサが印加部6を制御して外部磁場MnをMR流体5bに印加する。ステップS3では、梁層4の撓み量lが下限値lnより小さいか否かを判定し、判定結果がYesであると処理はステップS4へ進み、判定結果がNoであると処理はステップS5へ進む。ステップS4では、プロセッサが、nをn=n−1にデクリメントし、処理はステップS2へ戻る。一方、ステップS5では、プロセッサが、撓み量lに基づき所定の演算式により検出した、梁層4に加えられた外力Fの計測値を出力する。
FIG. 21 is a flowchart for explaining an example of the measurement process. In FIG. 21, in step S <b> 1, for example, a processor (not shown) described later with FIG. 33 sets n to n = 3. In step S2, the processor controls the
このように、予め梁層4の最大撓み量lmaxを決めて、外部磁場Mnに応じた、梁層4の撓み量lの下限値lnを設定する。この例では、外部磁場Mが最も大きな場合の値がM3であり、外部磁場MがM3より小さくなるに従って値がM2,M1となり、外部磁場Mが無い状態(=0)の値がM0となる。先ず、最も大きな磁場M3を印加し、対象物との接触時の梁層4の撓み量lが、磁場M3を印加時の梁層4の下限値l3と比較して小さければ、磁場を小さくして、再度当該磁場における下限値と比較する。梁層4の撓み量lが磁場における下限値より小さくなったら、磁場の大きさに応じた所定の演算式により検出した外力Fの値を出力する。
In this way, the maximum deflection amount l max of the
図22は、外部磁場の大きさと外力の測定範囲との関係の一例を示す図である。この例では、外部磁場M0を印加した場合の外力Fの測定範囲は0≦F<F0、外部磁場M1を印加した場合の外力Fの測定範囲はF0≦F<F1、外部磁場M2を印加した場合の外力Fの測定範囲はF1≦F<F2、...である。上記の如く外部磁場Mを変化させることで、感度が高く測定範囲の広いセンシング装置を提供可能になることが確認された。 FIG. 22 is a diagram illustrating an example of the relationship between the magnitude of the external magnetic field and the external force measurement range. In this example, the measurement range of the external force F when the external magnetic field M0 is applied is 0 ≦ F <F0, and the measurement range of the external force F when the external magnetic field M1 is applied is F0 ≦ F <F1, and the external magnetic field M2 is applied. In this case, the measurement range of the external force F is F1 ≦ F <F2,. It was confirmed that by changing the external magnetic field M as described above, a sensing device with high sensitivity and a wide measurement range can be provided.
上記実施例1及び変形例によれば、測定範囲を広くすることができる。また、片持ち梁の強度とセンシング装置の感度の一方を犠牲にすることなく測定範囲を広くすることができる。
(実施例2)
上記実施例1では、センシング装置は、梁層上にMR流体層が積層された構造を有する。これに対し、実施例2では、MR流体層が梁層下に積層された構造、或いは、MR流体層が梁層の一部を形成する構造を有する。
According to the first embodiment and the modification, the measurement range can be widened. Moreover, the measurement range can be widened without sacrificing one of the strength of the cantilever and the sensitivity of the sensing device.
(Example 2)
In the first embodiment, the sensing device has a structure in which the MR fluid layer is stacked on the beam layer. On the other hand, Example 2 has a structure in which the MR fluid layer is laminated below the beam layer, or the MR fluid layer forms a part of the beam layer.
図23は、センシング装置の実施例2を模式的に示す断面図である。図23中、図1と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。図23において、センシング装置1−2のMR流体層5は、スペーサ3と隣接するように、基板2と梁層4との間に配置されている。つまり、MR流体層5は、梁層4下に設けられており、梁層4と共に片持ち梁8を形成する。
FIG. 23 is a cross-sectional view schematically illustrating
図24は、実施例2の変形例を模式的に示す断面図である。図24中、図1と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。図24において、センシング装置1−2Aの梁層4は、一対のスペーサ3間に架けられている。また、図24中、検知部7は、梁層4上の左側のスペーサ3の付近に配置されている。更に、MR流体層5は、梁層4の右側のスペーサ3の付近に配置されており、梁層4と共に片持ち梁8を形成する。このように梁層4の一部を形成するMR流体層5は、梁層4の下面側に埋め込まれていても、梁層4の内部に埋め込まれていても、梁層4の上面側に埋め込まれていても良い。
FIG. 24 is a cross-sectional view schematically showing a modification of the second embodiment. In FIG. 24, the same parts as those in FIG. In FIG. 24, the
このように、センシング装置1−2,1−2Aでは、検知部7の近傍を支点とし、梁層4及びMR流体層5を含む片持ち梁8を形成できる。
As described above, in the sensing devices 1-2 and 1-2A, the
上記実施例2及び変形例によれば、測定範囲を広くすることができる。また、片持ち梁の強度とセンシング装置の感度の一方を犠牲にすることなく測定範囲を広くすることができる。
(実施例3)
上記実施例1,2では、梁層及びMR流体層を用いて片持ち梁を形成している。これに対し、実施例3では、梁層及びMR流体層を用いて両持ち梁又はメンブレンを形成する。このように、梁層の少なくとも一端が、スペーサにより支持されていれば良い。
According to the second embodiment and the modification, the measurement range can be widened. Moreover, the measurement range can be widened without sacrificing one of the strength of the cantilever and the sensitivity of the sensing device.
(Example 3)
In the first and second embodiments, the cantilever is formed using the beam layer and the MR fluid layer. On the other hand, in Example 3, a doubly supported beam or a membrane is formed using a beam layer and an MR fluid layer. Thus, it is only necessary that at least one end of the beam layer is supported by the spacer.
図25は、センシング装置の実施例3を模式的に示す断面図である。図25中、図1と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。図25において、センシング装置1−3の梁層4は、一対のスペーサ3間に架けられている。つまり、梁層4の両端がスペーサ3により支持されており、MR流体層5は梁層4と接している。一対の検知部7は、梁層4上の左右のスペーサ3の付近に配置されている。MR流体層5は、梁層4上に設けられており、梁層4と共に両持ち梁(又は、メンブレン)18を形成する。
FIG. 25 is a cross-sectional view schematically illustrating Example 3 of the sensing device. In FIG. 25, the same parts as those in FIG. In FIG. 25, the
図26は、実施例3の変形例を模式的に示す断面図である。図26中、図25と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。図26において、センシング装置1−3AのMR流体層5は、一対のスペーサ3間の、基板2と梁層4との間に配置されている。つまり、MR流体層5は、梁層4下に設けられており、梁層4と共に両持ち梁(又は、メンブレン)18を形成する。
FIG. 26 is a cross-sectional view schematically showing a modification of the third embodiment. In FIG. 26, the same parts as those in FIG. 25 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. In FIG. 26, the
このように、センシング装置1−3,1−3Aでは、検知部7の近傍を支点とし、梁層4及びMR流体層5を含む両持ち梁18を形成できる。
As described above, in the sensing devices 1-3 and 1-3 A, the
上記実施例3及び変形例によれば、測定範囲を広くすることができる。また、両持ち梁の強度とセンシング装置の感度の一方を犠牲にすることなく測定範囲を広くすることができる。
(実施例4)
上記実施例1乃至3では、MR流体層のバネ定数が、磁場が印加されていない状態では梁層のバネ定数より小さい。これに対し、実施例4では、梁層と同じ熱膨張係数を持つ弾性材料層を更に備え、弾性材料層のバネ定数は、梁層のバネ定数より小さい。
According to the third embodiment and the modification, the measurement range can be widened. In addition, the measurement range can be widened without sacrificing one of the strength of the doubly supported beam and the sensitivity of the sensing device.
(Example 4)
In Examples 1 to 3, the spring constant of the MR fluid layer is smaller than the spring constant of the beam layer when no magnetic field is applied. On the other hand, Example 4 further includes an elastic material layer having the same thermal expansion coefficient as the beam layer, and the spring constant of the elastic material layer is smaller than the spring constant of the beam layer.
図27は、センシング装置の実施例4を模式的に示す断面図である。図27中、図1と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。図27において、センシング装置1−4は、梁層4と同じ熱膨張係数を持ち、MR流体層5と接する弾性材料層31が設けられている。また、この例では、弾性材料層31の膜厚は、梁層4の膜厚と同じである。つまり、MR流体層5は、互いに同じ熱膨張係数を持つ梁層4と弾性材料層31(又は、一対の梁層)との間に設けられている。また、弾性材料層31のバネ定数は、梁層4のバネ定数より小さい。これにより、梁層4とMR流体層5の温度変化による応力差の発生を抑制し、温度特性に優れたセンシング装置1−4を提供できる。なお、弾性材料層31の材質、膜厚、構造及び特性(熱膨張係数を含む)は、梁層4の材質、膜厚、構造及び特性と同一であっても良い。
FIG. 27 is a cross-sectional view schematically showing a fourth embodiment of the sensing device. In FIG. 27, the same parts as those in FIG. In FIG. 27, the sensing device 1-4 is provided with an
このように、センシング装置1−4では、検知部7の近傍を支点とし、梁層4、MR流体層5及び弾性材料層31を含む片持ち梁8を形成できる。
As described above, in the sensing device 1-4, the
上記実施例4によれば、測定範囲を広くすることができる。また、片持ち梁の強度とセンシング装置の感度の一方を犠牲にすることなく測定範囲を広くすることができる。
(実施例5)
上記実施例1乃至4では、検知部がピエゾ抵抗素子で形成されている。これに対し、実施例5では、検知部が容量素子で形成されている。
According to the fourth embodiment, the measurement range can be widened. Moreover, the measurement range can be widened without sacrificing one of the strength of the cantilever and the sensitivity of the sensing device.
(Example 5)
In the first to fourth embodiments, the detection unit is formed of a piezoresistive element. On the other hand, in Example 5, the detection part is formed of a capacitive element.
図28は、センシング装置の実施例5を模式的に示す断面図である。図28中、図1と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。図28において、センシング装置1−5の検知部7は、容量素子の一例であるコンデンサにより形成されている。コンデンサは、図28において例えば梁層4の下面部分と、当該下面部分に対向する基板2の上面部分とに設けられた一対の電極が弾性誘電体を挟む周知の構造を有する。弾性誘電体は、空気であっても良い。この例では、梁層4に外力Fが加わり、図28中破線で示すように片持ち梁8が変形して梁層4に撓みが生じると、コンデンサの一対の電極間の距離が変化して容量が変化する。このように、コンデンサを用いた場合、梁層4の撓み量は、容量値として検知することができる。
FIG. 28 is a cross-sectional view schematically illustrating the fifth embodiment of the sensing device. In FIG. 28, the same parts as those in FIG. In FIG. 28, the
このように、センシング装置1−5では、検知部7の近傍を支点とし、梁層4及びMR流体層5を含む片持ち梁8を形成できる。
Thus, in the sensing device 1-5, the
上記実施例5によれば、測定範囲を広くすることができる。また、片持ち梁の強度とセンシング装置の感度の一方を犠牲にすることなく測定範囲を広くすることができる。 According to the fifth embodiment, the measurement range can be widened. Moreover, the measurement range can be widened without sacrificing one of the strength of the cantilever and the sensitivity of the sensing device.
なお、上記実施例1乃至4及び後述する実施例6においても、検知部7を容量素子で形成可能であることは言うまでもない。従って、両持ち梁の強度とセンシング装置の感度の一方を犠牲にすることなく測定範囲を広くすることもできる。
(実施例6)
上記実施例1乃至5では、機能性流体がMR流体であるが、機能性流体は電気粘性(ER:Electro Rheological)流体であっても良い。ER流体は、電磁場の一例である電場を印加することによってレオロジー挙動(又は、粘度)が可逆的に変化する機能性流体の一例である。
Needless to say, also in the first to fourth embodiments and the sixth embodiment described later, the
(Example 6)
In Examples 1 to 5, the functional fluid is an MR fluid, but the functional fluid may be an electrorheological (ER) fluid. The ER fluid is an example of a functional fluid whose rheological behavior (or viscosity) is reversibly changed by applying an electric field that is an example of an electromagnetic field.
図29は、センシング装置の実施例6を模式的に示す図である。図29において、センシング装置1−6のER流体層50は、例えばパリレン、ポリイミドやシリコーン樹脂等の絶縁性の弾性体50aと、弾性体50a内に封入されたER流体50bとを有する。また、ER流体50bの両端の対向する位置に、カーボン、Auメッキ等で形成された電極201A,210Bが設けられている。このように、図29のER流体層50の構造は、図3のMR流体層5の構造と類似している。電圧源51は、電極210A,210Bを介してER流体50bに電場を印加する印加部60の一例である。印加部60は、ER流体50bに電磁場の一例である電場を印加する印加手段の一例である。この例では、印加部60はER流体層50の長さ方向(図29中、左右方向)に電場を印加する。なお、図29では、基板、スペーサ、梁層及び検知部の図示は省略するが、例えば上記実施例1乃至5と同様の基板、スペーサ、梁層及び検知部を用いることができる。ER流体層50のバネ定数を決定する、電極210A,210B間のER流体50bに印加する電場は、電極210A,210B間に印加する電圧により制御可能である。また、梁層4(図示せず)の撓み量は、例えばピエゾ抵抗素子で形成された検知部7(図示せず)の検出電極7A,7B間の抵抗値から検知可能である。
FIG. 29 is a diagram schematically illustrating a sixth embodiment of the sensing device. In FIG. 29, the
図30は、実施例6の変形例を模式的に示す図である。図30において、センシング装置1−6Aには、ER流体50bの上下の対向する位置に、電極210B,210Aが設けられている。このように、図30のER流体層50の構造は、図6のMR流体層5の構造と類似している。電圧源51は、電極210A,210Bを介してER流体50bに電場を印加する印加部60の一例である。この例では、印加部60はER流体層50の厚さ方向(図30中、上下方向)に電場を印加する。ER流体層50のバネ定数を決定する、電極210A,210B間のER流体50bに印加する電場は、電極210A,210B間に印加する電圧により制御可能である。また、梁層4(図示せず)の撓み量は、検知部7(図示せず)検出電極7A,7B間の抵抗値から検知可能である。
FIG. 30 is a diagram schematically illustrating a modification of the sixth embodiment. In FIG. 30, the sensing device 1-6A is provided with
なお、ER流体層50のバネ定数は、電場が印加されていない状態では梁層4のバネ定数より小さい。
Note that the spring constant of the
次に、実施例6の変形例におけるセンシング装置の製造方法の一例を、図31及び図32と共に説明する。図31及び図32中、図15及び図16と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。 Next, an example of the manufacturing method of the sensing device in the modification of Example 6 is demonstrated with FIG.31 and FIG.32. 31 and 32, the same parts as those in FIGS. 15 and 16 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
先ず、図31に示すように、基板2上に、スペーサ3と梁層4を順次形成する。次に、例えばSiで形成された梁層4の一部に不純物を注入して検知部7を形成する。次に、梁層4上に、例えばAu/Cu積層膜により形成された一対の制御電極230A,230Bと、検知部7の検出電極7A,7Bとを形成する。
First, as shown in FIG. 31, the
次に、図32に示すように、検知部7上にER流体層50を形成する。このER流体層50は、弾性体50aと、弾性体50a内に設けられたER流体50b及び電極210A,210Bとを有する。電極210B,210Aは、ER流体50bの上下を挟むように弾性体50a内に設けられている。電極210Aは、制御電極230Aと接しており、電極210Bは、制御電極230Bと接している。次に、スペーサ3の一部(この例では、図32中右側の部分)を除去して検知部7の近傍を支点とする片持ち梁8を形成し、センシング装置1−6Aが得られる。
Next, as shown in FIG. 32, the
なお、実施例6におけるセンシング装置1−6を製造する場合は、ER流体層50を適宜変更すれば良い。
In addition, what is necessary is just to change the
なお、上記実施例6及び変形例において、上記実施例1乃至5及び変形例の構造を適宜組み合わせても良いことは、言うまでもない。 In addition, in the said Example 6 and a modification, it cannot be overemphasized that the structure of the said Examples 1 thru | or 5 and a modification may be combined suitably.
上記実施例6及び変形例によれば、測定範囲を広くすることができる。また、片持ち梁又は両持ち梁の強度とセンシング装置の感度の一方を犠牲にすることなく測定範囲を広くすることができる。
(センシングシステム)
図33は、センシングシステムの一実施例を説明するブロック図である。図33に示すセンシングシステム100は、プロセッサ101と、メモリ102と、印加部6と、センシング装置1とを有する。プロセッサ101は、メモリ102に格納されたプログラムを実行することで、印加部6がセンシング装置1に印加する電磁場を制御する処理と、検知部7が検知したセンシング装置1の梁層の撓み量に基づいて外力を計測する処理等を実行できる。プロセッサ101は、図21に示す測定処理を実行することもできる。メモリ102は、コンピュータ読取可能な記録媒体であれば特に限定されず、例えば半導体記憶装置、磁気記録媒体、光記録媒体、光磁気記録媒体等で形成可能である。この例では、印加部6は、センシング装置1とは別体であり、センシング装置1外に設けられている。しかし、印加部6の少なくとも一部は、センシング装置1内に設けられていても良い。
According to the sixth embodiment and the modification, the measurement range can be widened. In addition, the measurement range can be widened without sacrificing one of the strength of the cantilever or the double-supported beam and the sensitivity of the sensing device.
(Sensing system)
FIG. 33 is a block diagram illustrating an embodiment of the sensing system. A
センシング装置1の機能性流体層に封入されている機能性流体がMR流体である場合、プロセッサ101は、MR流体層が目的とするバネ定数を持つように、印加部6がMR流体に印加する磁場を制御する。この場合、プロセッサ101は、例えば印加部6を形成するコイルに流す電流を制御する。また、プロセッサ101は、センシング装置1の検知部7が検知した梁層の撓み量に基づき、所定の演算式により梁層に加えられた外力を計測する。
When the functional fluid sealed in the functional fluid layer of the
一方、センシング装置1の機能性流体層に封入されている機能性流体がER流体である場合、プロセッサ101は、ER流体層が目的とするバネ定数を持つように、印加部6がER流体に印加する電場を制御する。この場合、プロセッサ101は、例えば印加部6を形成する電圧源からER流体を挟む電極間又は磁性体間に印加する電圧を制御する。また、プロセッサ101は、センシング装置1の検知部7が検知した梁層の撓み量に基づき、所定の演算式により梁層に加えられた外力を計測する。
On the other hand, when the functional fluid sealed in the functional fluid layer of the
このように、電磁場は、機能性流体層のバネ定数を決定して、梁層に外力が加えられた場合に検知部7が検知する撓み量に基づく外力の測定範囲を設定する。従って、プロセッサ101は、電磁場を制御することで機能性流体層のバネ定数を制御して、梁層に外力が加えられた場合に検知部7が検知する撓み量に基づく外力の測定範囲を可変設定する制御手段の一例を形成する。
Thus, the electromagnetic field determines the spring constant of the functional fluid layer, and sets the measurement range of the external force based on the deflection amount detected by the
このようなセンシングシステム100によれば、センシング装置の測定範囲を広くすることができる。また、センシング装置の片持ち梁又は両持ち梁の強度と感度の一方を犠牲にすることなく測定範囲を広くすることができる。
According to such a
なお、上記実施例1乃至6におけるセンシング装置は、触覚センサの一例であるが、センシング装置は、半導体歪みゲージ、加速度センサ、力覚センサ、ジャイロセンサ等を形成しても良い。
(実施例7)
上記第1乃至第6実施例では、機能性流体が梁層の上側又は下側に配置されている。これに対し、実施例7では、機能性流体が梁層の上下に配置されている。また、梁層の一部は、機能性流体に囲まれている。
In addition, although the sensing apparatus in the said Example 1 thru | or 6 is an example of a tactile sensor, a sensing apparatus may form a semiconductor strain gauge, an acceleration sensor, a force sensor, a gyro sensor, etc.
(Example 7)
In the first to sixth embodiments, the functional fluid is disposed on the upper side or the lower side of the beam layer. In contrast, in Example 7, the functional fluid is disposed above and below the beam layer. A part of the beam layer is surrounded by the functional fluid.
図34は、センシング装置の実施例7を模式的に示す断面図である。図34において、左側の図はセンシング装置の横断面、右側の図は左側の図中D−D線に沿ったセンシング装置の縦断面である。図34中、図4と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。センシング装置の実施例7は、半導体の電気抵抗率が応力により変化するピエゾ抵抗効果を利用する半導体歪みゲージの一例を形成可能である。 FIG. 34 is a cross-sectional view schematically showing a seventh embodiment of the sensing device. In FIG. 34, the left diagram is a transverse section of the sensing device, and the right diagram is a longitudinal section of the sensing device along line DD in the left diagram. In FIG. 34, the same parts as those in FIG. The seventh embodiment of the sensing device can form an example of a semiconductor strain gauge that uses the piezoresistance effect in which the electrical resistivity of the semiconductor changes due to stress.
図34に示すように、センシング装置1−7は、収納部71Aを有するパッケージ71と、パッケージ71を封止する弾性材料層72とを有する。パッケージ71及び弾性材料層72は、絶縁性の弾性材料で形成されており、例えばパリレン、ポリイミドやシリコーン樹脂等で形成可能である。パッケージ71及び弾性材料層72は、同じ弾性材料で形成されていても、互いに異なる弾性材料で形成されていても良い。例えば、パッケージ71及び弾性材料層72は、同じ熱膨張係数を持つ。
As illustrated in FIG. 34, the sensing device 1-7 includes a
パッケージ71の収納部71A内には、スペーサ3と、酸化膜73と、梁層4と、検知部7と、機能性流体75等が収納されている。スペーサ3は、例えばSiで形成されている。スペーサ3上には、例えばSiO2で形成された酸化膜73が設けられている。梁層4は、例えばSiで形成されており、酸化膜73を介してスペーサ3上に支持されている。この例では、梁層4/酸化膜73/スペーサ3がSi/SiO2/Siであり、SOI構造の半導体歪みゲージの一例を形成する。
In the
検知部7は、例えばドープドSiで形成されたピエゾ抵抗素子である。検知部7の検出電極7A,7Bは、ワイヤボンディング76A,76Bにより端子77A,77Bに接続されている。ワイヤボンディング76A,76Bを含む、梁層4上で露出した導体部分は、例えばエポキシで形成された絶縁性のモールド材78により覆われて絶縁されている。端子77A,77Bは、ワイヤボンディング76A,76Bと接続する部分からパッケージ71内を通り図34中縦方向へ延びる引出電極を含む。
The
極板310A,310Bは、機能性流体75がMR流体の場合は磁極を形成し、機能性流体75がER流体の場合は電極を形成する。極板310A,310Bは、収納部71Aの対向する内側面に、図34の左側の図で長手方向に沿って設けられている。また、極板310A,310Bは、図34の右側の図でパッケージ71の下面で左右に延びる端子部分を含む。従って、機能性流体75がMR流体の場合、例えばNi磁性体を形成する極板310A,310Bが、MR流体を挟むように配置される。同様に、機能性流体75がER流体の場合、例えばステンレス電極を形成する極板310A,310Bが、ER流体を挟むように配置される。
The
なお、極板310A,310Bを、例えば収納部71Aの底面(即ち、パッケージ71の収納部71A内の上面)及び弾性材料層72の下面の対向する位置に、機能性流体75を挟むように設けても良い。
The
機能性流体75は、梁層4の少なくとも上下に配置されており、梁層4の一部は、機能性流体75に囲まれている。この例では、機能性流体75は、図34の右側の図で梁層4の左右にも配置されている。ただし、機能性流体75が検出電極7A,7B等と接しないように、梁層4と、検知部7と、検出電極7A,7Bの表面は、ある面積だけ、絶縁膜73Aにより覆われている。
The
パッケージ71には、機能性流体75を収納部71A内に注入する際に用いる注入口71Bが設けられているが、機能性流体75の注入後は、例えばエポキシ樹脂で形成された封止材79により塞がれている。機能性流体75は、MR流体であっても、ER流体であっても良い。この例では、機能性流体75がMR流体である場合に磁場を印加する印加部6、或いは、機能性流体75がER流体である場合に電場を印加する印加部60は、パッケージ71の外部に設けられている。しかし、印加部6又は印加部60の少なくとも一部をパッケージ71内に設けても良い。
The
弾性材料層72は、収納部71Aを覆って、スペーサ3と、酸化膜73と、梁層4と、検知部7と、機能性流体75と、極板310A,310B等をパッケージ71内に封止する。弾性材料層72は、例えば接着剤によりパッケージ71に接着される。パッケージ71及び弾性材料層72は、機能性流体75を収納部71A内に封入するので、上記実施例1乃至5においてMR流体5bを封入する弾性体5a、又は、上記実施例6においてER流体50bを封入する弾性体50aに相当する。
The
なお、この例では、梁層4が片持ち梁を形成しているが、梁層4が両持ち梁を形成するようにしても良い。また、センシング装置1−7の形状は、図34に示す如き直方体に限定されるものではない。
In this example, the
印加部6又は印加部60が機能性流体75に印加する電磁場は、パッケージ71及び弾性材料層72で形成された封止パッケージのバネ定数を決定して、封止パッケージ(及び梁層4)に外力が加えられた場合に検知部7が検知する撓み量に基づく外力の測定範囲を設定する。
The electromagnetic field applied to the
図35は、実施例7におけるセンシング装置のセンサ本体の一例を示す図であり、図36は、実施例7におけるセンシング装置のパッケージの一例を示す図である。また、図37及び図38は、実施例7におけるセンシング装置の製造方法の一例を説明する図である。図35乃至図38中、図34と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。 FIG. 35 is a diagram illustrating an example of a sensor main body of the sensing device according to the seventh embodiment, and FIG. 36 is a diagram illustrating an example of a package of the sensing device according to the seventh embodiment. 37 and 38 are diagrams for explaining an example of the manufacturing method of the sensing device in the seventh embodiment. 35 to 38, the same portions as those in FIG. 34 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
図35の上側の図、下側の図及び右下側の図は、夫々梁層4等を含むセンサ本体の平面、横断面及び縦断面である。また、図36の左側の図及び右側の図は、夫々パッケージの横断面及び縦断面である。図36に示すパッケージ71には、極板310A,310Bが形成されている。
The upper view, the lower view, and the lower right view in FIG. 35 are a plane, a transverse section, and a longitudinal section of the sensor body including the
上記実施例1におけるセンシング装置の製造方法では、弾性体5aによりMR流体5bが予め封入されたMR流体層5を用いる。また、上記実施例6の変形例におけるセンシング装置の製造方法では、弾性体50aによりER流体50bが予め封入されたER流体層50を用いる。つまり、上記の製造方法では、弾性体により機能性流体が予め封入された機能性流体層を用いている。これに対し、実施例7におけるセンシング装置の製造方法では、パッケージングの過程で機能性流体を封入する。
In the manufacturing method of the sensing device in the first embodiment, the
先ず、図35に示す如きセンサ本体と、図36に示す如きパッケージとを作成して用意しておく。 First, a sensor body as shown in FIG. 35 and a package as shown in FIG. 36 are prepared and prepared.
次に、図37に示すように、図35に示すセンサ本体を、図36に示すパッケージ71の収納部71A内に固定する。図37において、図34の場合と同様に、左側の図はセンシング装置の横断面、右側の図は左側の図中(図34のD−D線と同様な線に沿った)センシング装置の縦断面である。
Next, as shown in FIG. 37, the sensor main body shown in FIG. 35 is fixed in the
次に、ワイヤボンディング76A,76Bにより、検知部7の検出電極7A,7Bと、端子77A,77Bとを電気的に接続する。また、梁層4と、検知部7と、検出電極7A,7Bの表面を、ある面積だけ絶縁膜73Aにより覆う。
Next, the
次に、モールド材78により、ワイヤボンディング76A,76Bと、ワイヤボンディング76A,76Bが接続する検出電極7A,7Bの領域及び端子77A,77Bの領域等の、梁層4上で露出した導体部分を覆い絶縁する。この状態では、検知部7と検出電極7A,7Bの表面は絶縁膜73Aにより覆われており、ワイヤボンディング76A,76Bとワイヤボンディング76A,76Bが接続する検出電極7A,7Bの領域及び端子77A,77Bの領域とはモールド材78により覆われている。従って、検知部7、検出電極7A,7B、ワイヤボンディング76A,76B及び端子77A,77Bは、梁層4の表面において露出していないので、後述するように機能性流体75を収納部71A内に注入しても、機能性流体75と接することはない。
Next, the conductor material exposed on the
次に、図38に示すように、弾性材料層72を、収納部71Aを覆うように、例えば接着剤によりパッケージ71に接着する。次に、パッケージ71の注入口71Bから機能性流体75を収納部71A内に注入する。この状態では、梁層4の一部が機能性流体75に囲まれている。また、機能性流体75は、収納部71Aの対向する内側面に、図38の左側の図で長手方向に沿って設けられた極板310A,310Bにより、挟まれている。機能性流体75の注入後、注入口71Bを封止材79により塞ぐ。これにより、センサ本体及び機能性流体75は、パッケージ71及び弾性材料層72により収納部71A内に封止され、封止パッケージが形成される。
Next, as shown in FIG. 38, the
上記実施例7によれば、測定範囲を広くすることができる。また、片持ち梁又は両持ち梁の強度とセンシング装置の感度の一方を犠牲にすることなく測定範囲を広くすることができる。 According to the seventh embodiment, the measurement range can be widened. In addition, the measurement range can be widened without sacrificing one of the strength of the cantilever or the double-supported beam and the sensitivity of the sensing device.
なお、上記実施例7において、上記実施例1乃至6及び変形例の構造を適宜組み合わせても良いことは、言うまでもない。 Needless to say, in the seventh embodiment, the structures of the first to sixth embodiments and the modified examples may be appropriately combined.
例えば、一端が固定されたばねの他端に付けた錘の加速度は、ばね定数と錘の質量が既知であれば、錘の変位を検出することにより計測できる。錘の変位の計測には、ピエゾ抵抗効果による電気抵抗の変化や、静電容量の変化等を使用できる。また、錘を付けたばねを共振周波数で振動させ、錘に加速度が生じると、ばねに加わる応力が変化するためばねの共振周波数が変化する。そこで、ばねの共振周波数の変化を検出することで、加速度を検出しても良い。センシング装置の実施例7は、ばねを封止パッケージで形成することで、これらの如き加速度センサの一例を形成可能である。更に、センシング装置の実施例7を、互いに直交する3軸の各々について設けることで、3軸加速度センサを形成可能である。 For example, the acceleration of a weight attached to the other end of a spring with one end fixed can be measured by detecting the displacement of the weight if the spring constant and the weight mass are known. For measuring the displacement of the weight, a change in electrical resistance due to the piezoresistance effect, a change in capacitance, or the like can be used. Further, when a spring with a weight is vibrated at a resonance frequency and acceleration occurs in the weight, the stress applied to the spring changes, so that the resonance frequency of the spring changes. Therefore, the acceleration may be detected by detecting a change in the resonance frequency of the spring. In the seventh embodiment of the sensing device, an example of such an acceleration sensor can be formed by forming the spring in a sealed package. Furthermore, a triaxial acceleration sensor can be formed by providing the seventh embodiment of the sensing device for each of the three axes orthogonal to each other.
同様にして、センシング装置の実施例7は、力とトルク(モーメント)の大きさと方向を3次元空間ベクトルで示す、触覚の一部の感覚を測定する力覚センサの一例を形成可能である。この場合、梁層4の両面の対応する位置に検知部7を設ければ、梁層4の一方の面の検知部7が伸張する際に梁層4の他方の面の検知部7が圧縮される。この場合、一対の検知部7が検知する撓み量の正負は逆となるため、これらの変位量をブリッジ回路等を用いて計測してセンシング装置1−7に加えられた剪断力を検出することができる。
Similarly, the seventh embodiment of the sensing device can form an example of a force sensor that measures a part of a tactile sensation that indicates the magnitude and direction of force and torque (moment) by a three-dimensional space vector. In this case, if the
さらに同様にして、センシング装置の実施例7は、物体の角度(又は、姿勢)、角速度、或いは角加速度等を検出するジャイロセンサの一例を形成可能である。例えば、共振して動作する1組の音叉を振動させ、振動面からのずれを検出して角速度信号を作り出す音叉型のジャイロセンサでは、2つの直交する振動モードを電気的に独立に駆動して検出する。そこで、センシング装置の実施例7は、1組の音叉を一対の封止パッケージで形成することで、音叉型のジャイロセンサを形成可能である。 Similarly, the seventh embodiment of the sensing device can form an example of a gyro sensor that detects an angle (or posture), angular velocity, angular acceleration, or the like of an object. For example, in a tuning fork-type gyro sensor that vibrates a pair of tuning forks that operate in resonance and detects a deviation from the vibration surface to generate an angular velocity signal, two orthogonal vibration modes are electrically driven independently. To detect. Accordingly, in the seventh embodiment of the sensing device, a tuning fork gyro sensor can be formed by forming a pair of tuning forks with a pair of sealed packages.
以上の実施例を含む実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
(付記1)
少なくとも一端がスペーサにより支持された梁層と、
前記梁層と接し、弾性体内に機能性流体が封入された機能性流体層と、
前記機能性流体に電磁場を印加する印加手段と、
前記梁層の撓み量を検知する検知手段と、
を備え、
前記電磁場は、前記機能性流体層のバネ定数を決定して、前記梁層に外力が加えられた場合に前記検知手段が検知する撓み量に基づく前記外力の測定範囲を設定することを特徴とする、センシング装置。
(付記2)
前記機能性流体層は、前記弾性体内の対向する位置に設けられた一対の磁性体を有し、
前記機能性流体は、前記一対の磁性体間に挟まれた磁性流体であり、
前記印加手段は、前記一対の磁性体を介して前記機能性流体に磁場を印加することを特徴とする、付記1記載のセンシング装置。
(付記3)
前記機能性流体層は、前記弾性体内の対向する位置に設けられた一対の電極を有し、
前記機能性流体は、前記一対の電極間に挟まれた電気粘性流体であり、
前記印加手段は、前記一対の電極を介して前記機能性流体に電場を印加することを特徴とする、付記1記載のセンシング装置。
(付記4)
前記検知手段は、前記梁層の支点近傍に設けられ、前記機能性流体層の物理的な変化から前記撓み量を検知するピエゾ抵抗素子を含むことを特徴とする、付記1乃至3のいずれか1項記載のセンシング装置。
(付記5)
前記検知手段は、前記機能性流体層の容量変化から前記撓み量を検知する容量素子を含むことを特徴とする、付記1乃至3のいずれか1項記載のセンシング装置。
(付記6)
前記機能性流体層と接する弾性材料層を更に備え、
前記機能性流体層は、前記梁層と前記弾性材料層との間に設けられたことを特徴とする、付記1乃至5のいずれか1項記載のセンシング装置。
(付記7)
前記弾性材料層は、前記梁層と同じ熱膨張係数を持ち、前記梁層のバネ定数より小さいバネ定数を持ち、
前記機能性流体層のバネ定数は、前記電磁場が印加されていない状態では前記梁層のバネ定数より小さいことを特徴とする、付記6記載のセンシング装置。
(付記8)
前記梁層及び前記機能性流体層は、単一のスペーサにより支持された片持ち梁を有することを特徴とする、付記1乃至7のいずれか1項記載のセンシング装置。
(付記9)
前記梁層及び前記機能性流体層は、一対のスペーサにより支持された両持ち梁又はメンブレンを有することを特徴とする、付記1乃至7のいずれか1項記載のセンシング装置。
(付記10)
前記スペーサと、前記梁層と、前記機能性流体と、前記検知手段とを収納する収納部を有するパッケージと、
前記収納部を覆うように前記パッケージに接着され、前記機能性流体を前記収納部内に封入する弾性材料層と、
を更に備えたことを特徴とする、付記8又は9記載のセンシング装置。
(付記11)
前記梁層の一部は、前記機能性流体に囲まれていることを特徴とする、付記10記載のセンシング装置。
(付記12)
基板を更に備え、
前記スペーサは前記基板上に設けられ、
前記機能性流体層は、前記スペーサに隣接するように、前記梁層と前記基板の間に設けられていることを特徴とする、付記1乃至9のいずれか1項記載のセンシング装置。
(付記13)
少なくとも一端がスペーサにより支持された梁層と、前記梁層と接し、弾性体内に機能性流体が封入された機能性流体層と、前記機能性流体に電磁場を印加する印加手段と、前記梁層の撓み量を検知する検知手段と、を有するセンシング装置と、
前記印加手段が前記機能性流体に印加する電磁場を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記電磁場を制御することで前記機能性流体層のバネ定数を制御して、前記梁層に外力が加えられた場合に前記検知手段が検知する撓み量に基づく前記外力の測定範囲を可変設定することを特徴とする、センシングシステム。
(付記14)
前記センシング装置の前記機能性流体は、磁性流体であり、
前記センシング装置の前記印加手段は、前記機能性流体に磁場を印加することを特徴とする、付記13記載のセンシングシステム。
(付記15)
前記センシング装置の前記機能性流体は、電気粘性流体であり、
前記センシング装置の前記印加手段は、前記機能性流体に電場を印加することを特徴とする、付記13記載のセンシングシステム。
(付記16)
前記センシング装置の前記検知手段は、前記機能性流体層の物理的な変化から前記撓み量を検知するピエゾ抵抗素子を含むことを特徴とする、付記13乃至15のいずれか1項記載のセンシングシステム。
(付記17)
前記センシング装置の前記検知手段は、前記機能性流体層の容量変化から前記撓み量を検知する容量素子を含むことを特徴とする、付記13乃至15のいずれか1項記載のセンシングシステム。
(付記18)
基板上にスペーサ及び梁層を順次形成し、
前記梁層上に、前記梁層の撓み量を検知する検知部、前記検知部の電極及び機能性流体層を順次を形成し、
前記機能性流体層は、弾性体と、弾性体内に封入された機能性流体を有し、
前記スペーサの一部を除去して、前記検知部の近傍を支点とし、前記梁層及び前記機能性流体層を含む片持ち梁又は両持ち梁を形成する、
ことを特徴とする、センシング装置の製造方法。
(付記19)
少なくとも一端がスペーサにより支持された梁層と、前記梁層上に設けられ前記梁層の撓み量を検知する検知部及び前記検知部の電極と、前記梁層、前記検知部及び前記電極の表面をある面積だけ覆う絶縁膜とを有するセンサ本体を作成し、
収納部と、端子と、注入口と、対向する極板を有するパッケージを作成し、
前記センサ本体を前記パッケージの前記収納部内に固定し、
前記端子と前記電極とを電気的に接続し、
前記電気的に接続された部分を含む、前記梁層上で露出した導体部分をモールド材で覆い絶縁し、
前記パッケージに弾性材料層を接着し、
前記注入口から機能性流体を前記収納部内に注入して前記梁層の一部を前記機能性流体で囲むと共に、前記機能性流体を前記対向する極板で挟み、
前記注入口を封止材で塞いで前記機能性流体を前記収納部内に封入して封止パッケージを形成する、
ことを特徴とする、センシング装置の製造方法。
(付記20)
前記機能性流体は、磁性流体又は電気粘性流体であることを特徴とする、付記18又は19記載のセンシング装置の製造方法。
The following additional notes are further disclosed with respect to the embodiment including the above examples.
(Appendix 1)
A beam layer having at least one end supported by a spacer;
A functional fluid layer in contact with the beam layer, in which a functional fluid is sealed in an elastic body;
Applying means for applying an electromagnetic field to the functional fluid;
Detecting means for detecting the amount of bending of the beam layer;
With
The electromagnetic field determines a spring constant of the functional fluid layer and sets a measurement range of the external force based on a deflection amount detected by the detection means when an external force is applied to the beam layer. A sensing device.
(Appendix 2)
The functional fluid layer has a pair of magnetic bodies provided at opposing positions in the elastic body,
The functional fluid is a magnetic fluid sandwiched between the pair of magnetic bodies,
The sensing device according to
(Appendix 3)
The functional fluid layer has a pair of electrodes provided at opposing positions in the elastic body,
The functional fluid is an electrorheological fluid sandwiched between the pair of electrodes,
The sensing device according to
(Appendix 4)
Any one of
(Appendix 5)
The sensing device according to any one of
(Appendix 6)
An elastic material layer in contact with the functional fluid layer;
The sensing device according to any one of
(Appendix 7)
The elastic material layer has the same thermal expansion coefficient as the beam layer, and has a spring constant smaller than that of the beam layer,
The sensing device according to
(Appendix 8)
The sensing device according to any one of
(Appendix 9)
The sensing device according to any one of
(Appendix 10)
A package having a storage section for storing the spacer, the beam layer, the functional fluid, and the detection means;
An elastic material layer that is bonded to the package so as to cover the storage portion and encloses the functional fluid in the storage portion;
The sensing device according to
(Appendix 11)
The sensing device according to
(Appendix 12)
Further comprising a substrate,
The spacer is provided on the substrate;
The sensing device according to any one of
(Appendix 13)
A beam layer having at least one end supported by a spacer; a functional fluid layer in contact with the beam layer and having a functional fluid sealed in an elastic body; an application means for applying an electromagnetic field to the functional fluid; and the beam layer A sensing means for detecting the amount of deflection of
Control means for controlling the electromagnetic field applied by the application means to the functional fluid;
With
The control means controls the spring constant of the functional fluid layer by controlling the electromagnetic field, and measures the external force based on a deflection amount detected by the detection means when an external force is applied to the beam layer. Sensing system characterized by variably setting range.
(Appendix 14)
The functional fluid of the sensing device is a magnetic fluid,
The sensing system according to
(Appendix 15)
The functional fluid of the sensing device is an electrorheological fluid,
The sensing system according to
(Appendix 16)
The sensing system according to any one of
(Appendix 17)
The sensing system according to any one of
(Appendix 18)
A spacer and a beam layer are sequentially formed on the substrate,
On the beam layer, a detection unit for detecting the deflection amount of the beam layer, an electrode of the detection unit and a functional fluid layer are sequentially formed,
The functional fluid layer has an elastic body and a functional fluid sealed in the elastic body,
A part of the spacer is removed and the vicinity of the detection unit is used as a fulcrum to form a cantilever or a cantilever beam including the beam layer and the functional fluid layer.
A method for manufacturing a sensing device.
(Appendix 19)
A beam layer at least one end of which is supported by a spacer; a detection unit provided on the beam layer for detecting a deflection amount of the beam layer; and an electrode of the detection unit; and the beam layer, the detection unit, and a surface of the electrode A sensor body having an insulating film covering only a certain area,
Create a package with a storage part, terminals, inlets, and opposing electrode plates,
Fixing the sensor body in the housing of the package;
Electrically connecting the terminal and the electrode;
Covering and insulating the conductive portion exposed on the beam layer including the electrically connected portion with a molding material,
Adhering an elastic material layer to the package;
Injecting a functional fluid from the inlet into the storage portion to surround a part of the beam layer with the functional fluid, and sandwiching the functional fluid between the opposing electrode plates,
Sealing the injection port with a sealing material and enclosing the functional fluid in the storage portion to form a sealed package;
A method for manufacturing a sensing device.
(Appendix 20)
20. The method for manufacturing a sensing device according to
以上、開示のセンシング装置、センシングシステム及びセンシング装置の製造方法を実施例により説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能であることは言うまでもない。 Although the disclosed sensing device, sensing system, and method for manufacturing the sensing device have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and improvements can be made within the scope of the present invention. Needless to say.
1−1〜1−7,1−1A〜1−3A,1−6A センシング装置
2 基板
3 スペーサ
4 梁層
5 MR流体層
5a,50a 弾性体
5b MR流体
6,60 印加部
7 検知部
8 片持ち梁
9,31 弾性材料層
18 両持ち梁
50 ER流体層
50b ER流体
71 パッケージ
71A 収納部
72 弾性材料層
75 機能性流体
100 センシングシステム
101 プロセッサ
102 メモリ
310A,310B 極板
1-1 to 1-7, 1-1A to 1-3A, 1-
Claims (5)
前記梁層と接し、弾性体内に機能性流体が封入された機能性流体層と、
前記機能性流体に電磁場を印加する印加手段と、
前記梁層の撓み量を検知する検知手段と、
を備え、
前記電磁場は、前記機能性流体層のバネ定数を決定して、前記梁層に外力が加えられた場合に前記検知手段が検知する撓み量に基づく前記外力の測定範囲を設定することを特徴とする、センシング装置。 A beam layer having at least one end supported by a spacer;
A functional fluid layer in contact with the beam layer, in which a functional fluid is sealed in an elastic body;
Applying means for applying an electromagnetic field to the functional fluid;
Detecting means for detecting the amount of bending of the beam layer;
With
The electromagnetic field determines a spring constant of the functional fluid layer and sets a measurement range of the external force based on a deflection amount detected by the detection means when an external force is applied to the beam layer. A sensing device.
前記機能性流体は、前記一対の磁性体間に挟まれた磁性流体であり、
前記印加手段は、前記一対の磁性体を介して前記機能性流体に磁場を印加することを特徴とする、請求項1記載のセンシング装置。 The functional fluid layer has a pair of magnetic bodies provided at opposing positions in the elastic body,
The functional fluid is a magnetic fluid sandwiched between the pair of magnetic bodies,
The sensing device according to claim 1, wherein the applying unit applies a magnetic field to the functional fluid via the pair of magnetic bodies.
前記機能性流体は、前記一対の電極間に挟まれた電気粘性流体であり、
前記印加手段は、前記一対の電極を介して前記機能性流体に電場を印加することを特徴とする、請求項1記載のセンシング装置。 The functional fluid layer has a pair of electrodes provided at opposing positions in the elastic body,
The functional fluid is an electrorheological fluid sandwiched between the pair of electrodes,
The sensing device according to claim 1, wherein the applying unit applies an electric field to the functional fluid through the pair of electrodes.
前記印加手段が前記機能性流体に印加する電磁場を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記電磁場を制御することで前記機能性流体層のバネ定数を制御して、前記梁層に外力が加えられた場合に前記検知手段が検知する撓み量に基づく前記外力の測定範囲を可変設定することを特徴とする、センシングシステム。 A beam layer having at least one end supported by a spacer; a functional fluid layer in contact with the beam layer and having a functional fluid sealed in an elastic body; an application means for applying an electromagnetic field to the functional fluid; and the beam layer A sensing means for detecting the amount of deflection of
Control means for controlling the electromagnetic field applied by the application means to the functional fluid;
With
The control means controls the spring constant of the functional fluid layer by controlling the electromagnetic field, and measures the external force based on a deflection amount detected by the detection means when an external force is applied to the beam layer. Sensing system characterized by variably setting range.
収納部と、端子と、注入口と、対向する極板を有するパッケージを作成し、
前記センサ本体を前記パッケージの前記収納部内に固定し、
前記端子と前記電極とを電気的に接続し、
前記電気的に接続された部分を含む、前記梁層上で露出した導体部分をモールド材で覆い絶縁し、
前記パッケージに弾性材料層を接着し、
前記注入口から機能性流体を前記収納部内に注入して前記梁層の一部を前記機能性流体で囲むと共に、前記機能性流体を前記対向する極板で挟み、
前記注入口を封止材で塞いで前記機能性流体を前記収納部内に封入して封止パッケージを形成する、
ことを特徴とする、センシング装置の製造方法。 A beam layer at least one end of which is supported by a spacer; a detection unit provided on the beam layer for detecting a deflection amount of the beam layer; and an electrode of the detection unit; and the beam layer, the detection unit, and a surface of the electrode A sensor body having an insulating film covering only a certain area,
Create a package with a storage part, terminals, inlets, and opposing electrode plates,
Fixing the sensor body in the housing of the package;
Electrically connecting the terminal and the electrode;
Covering and insulating the conductive portion exposed on the beam layer including the electrically connected portion with a molding material,
Adhering an elastic material layer to the package;
Injecting a functional fluid from the inlet into the storage portion to surround a part of the beam layer with the functional fluid, and sandwiching the functional fluid between the opposing electrode plates,
Sealing the injection port with a sealing material and enclosing the functional fluid in the storage portion to form a sealed package;
A method for manufacturing a sensing device.
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