JP2530735Y2 - 力学量センサ - Google Patents

力学量センサ

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JP2530735Y2
JP2530735Y2 JP1990115373U JP11537390U JP2530735Y2 JP 2530735 Y2 JP2530735 Y2 JP 2530735Y2 JP 1990115373 U JP1990115373 U JP 1990115373U JP 11537390 U JP11537390 U JP 11537390U JP 2530735 Y2 JP2530735 Y2 JP 2530735Y2
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Description

【考案の詳細な説明】 [考案の目的] (産業上の利用分野) 本考案は、荷重等の外部から加えられる外圧を検出す
る力学量センサに関するものである。
(従来の技術) 近年においては、種々の力学量センサが提案されてい
る。
この様な従来の力学量センサとしては第4図に示すよ
うなものが知られている。
従来の力学量センサ101は、シリコン単結晶体103を有
している。このシリコン単結晶体103の中央部及び周辺
部へ半導体で成る拡散抵抗105が拡散して配置されてい
る。また、上記シリコン単結晶体103の上には、エポキ
シ樹脂等から成る接着剤としての樹脂層107によって鉄
板109が固着されている。
力学量センサ101の測定面へ被測定体111による加重F
が加わると、鉄板109及び樹脂層107を介して、シリコン
単結晶体103へ圧力が加わる。この結果、シリコン単結
晶体103の中央部に配置された拡散抵抗105へ圧縮力を生
じると共に、シリコン単結晶体103の周辺部に配置され
た拡散抵抗105へ引張力を生じる。従って、いわゆるピ
エゾ抵抗効果によってシリコン単結晶体103の中央部及
び周辺部へ配置された半導体で成るそれぞれの拡散抵抗
105の抵抗値が変化する。
ところで、このような従来の力学量センサ101は検出
感度が低いので、更に検出感度を改善することが望まれ
ていた。
このため他の従来例として、シリコン単結晶体に化学
エッチング若しくは電解エッチングにより、微細な機械
加工を施すと共に、このシリコン単結晶体をハウジング
内に固定し、外部からの荷重を拡散抵抗へ集中させるこ
とにより、検出感度を上昇させるようにしたものが提案
されている(特開昭61-276378号公報)。
(考案が解決しようとする課題) しかしながら、上述したようなエッチングによる微細
な機械加工は、シリコン単結晶体の微細な機械加工に係
る管理、例えばエッチング液の管理、処理温度や処理時
間の管理等が難しくコストが上昇するという問題点を有
していた。
また、このようなシリコン単結晶体の微細な機械加工
を施した端部へ応力が集中すると、荷重を加え得る耐荷
重量が低下してしまうという問題点を有していた。
また、拡散抵抗に対して垂直な方向とは異なる方向か
ら荷重が加えられた場合には、この加えられた荷重の垂
直成分しか測定することができなかった。
また、シリコン単結晶体をハウジング内に固定して大
きな荷重を測定する場合には、大きな荷重に耐え得るハ
ウジングを形成しなければならず、ハウジングが大型化
してしまうという問題点を有していた。
本考案は、上記課題に鑑みてなされたもので、コスト
の上昇を押さえつつ、検出感度を改善し、小型で、簡単
な構成により大きな荷重を測定し得る力学量センサを提
供することを目的とする。
[考案の構成] (課題を解決するための手段) 上記目的を達成するために本願第1の考案は、半導体
結晶によって形成される基体と、この基体下側の下向き
凹部に形成され下方から加えられる圧力の大きさを感知
する感圧手段と、前記基体下側の感圧手段に対向する位
置に配置され加えられる外圧によって生じる応力を当該
感圧手段に集中する円柱形状からなる外圧集中手段と、
この外圧集中手段に対向する位置に外圧集中手段を回転
自在に当接する略テーパ状の傾斜が設けられ断面略コの
字状の中空容器と、外圧を受ける突起部を有して該中空
容器を上側から密閉するとともに、前記基体上側に外圧
を伝える弾性体とを有することを要旨とする。
また、本願第2の考案は、半導体結晶によって形成さ
れる基体と、この基体上側の上向き凹部に形成され上方
から加えられる圧力の大きさを感知する感圧手段と、前
記基体上面に感圧手段を中心にして該中心部から周辺部
へ向かって曲げ剛性が小さくなるように形成され当該感
圧手段に外圧を集中する球面形状からなる外圧集中手段
とを有することを要旨とする。
(作用) 本願第1の考案においては、半導体結晶によって形成
される基体下側の下向き凹部に下方から加えられる圧力
の大きさを感知する感圧手段を形成し、さらにこの感圧
手段に対向する位置に配置され加えられる外圧によって
生じる応力を当該感圧手段に集中する円柱形状からなる
外圧集中手段が設けられている。この外圧集中手段に対
向する位置に外圧集中手段を回転自在に当接する略テー
パ状の傾斜が設けられ断面略コの字状の中空容器が設け
られ、さらに外圧を受ける突起部を有してこの中空容器
を上側から密閉するとともに、基体上側に外圧を伝える
弾性体が設けられている。すなわち、加えられる外圧に
よって生じる応力が外圧集中手段、例えば球或いは円柱
の微小な接触面を介して応力が感圧手段に集中される。
また、本願第2の考案においては、半導体結晶によっ
て形成される基体上側の上向き凹部に上方から加えられ
る圧力の大きさを感知する感圧手段を形成し、さらにこ
の基体上面に感圧手段を中心にして該中心部から周辺部
へ向かって曲げ剛性が小さくなるように当該感圧手段に
外圧を集中する球面形状からなる外圧集中手段が形成さ
れる。すなわち、外圧集中手段が感圧手段を中心にして
該中心部から周辺部へ向かって曲げ剛性が小さくなるよ
うに形成されるため、応力が感圧手段に集中される。
従って、検出感度を改善しつつ、小型で、簡単な構成
により大きな荷重を測定し得る力学量センサを提供する
ことができる。
尚、このとき感圧手段に加えられる外圧の方向は、加
えられる力が圧縮方向に働くことから、基体側からであ
っても、また外力集中手段側からであっても同様に作用
を得ることができる。
(実施例) 以下本考案に係る一実施例を図面を参照して詳細に説
明する。
まず、第1図を参照して本考案に係る力学量センサの
構成を説明する。
ハウジング1は、断面略コの字状の中空容器であっ
て、内側底面はいわゆる「すり鉢」状に傾斜が設けられ
ている。このハウジング1内には、半導体結晶、例えば
シリコン単結晶によって構成されるシリコン単結晶体3
が収容されている。このシリコン単結晶体3の中央部下
面側には、周知の拡散技術であるイオン打ち込み技術等
により、半導体で成る拡散抵抗5が形成されている。
拡散抵抗5は外部から加えられる荷重等の外圧を感知
する感圧手段である。この拡散抵抗5が形成されたシリ
コン単結晶体3の下側には、板バネ9がエポキシ樹脂等
から成る接着層11によって接着されている。
この板バネ9は、シリコン単結晶体3に対して曲げ剛
性が十分小さな部材、例えば薄いステンレス鋼板製の板
材により形成されている。また、接着層11は拡散抵抗5
を電気的に絶縁する。
この拡散抵抗5からのリード線が接着層11を通って外
部へ引き出される。板バネ9の下側には鋼球13がエポキ
シ樹脂等から成る接着層15によって接着されている。鋼
球13が接触するハウジング1の底部は鋼球13の球面に接
する傾斜をもって略テーパ状に形成されていることか
ら、ハウジング1の底部の中央部に鋼球13が位置するよ
うになっている。尚、このとき加えられる外力に方向性
を持たすために、球の替わりに円柱体を用いても良い。
また、ハウジング1の底部も該円柱体に対応して変更さ
れるのはいうまでもない。
また、シリコン単結晶体3、拡散抵抗5、板バネ9及
び鋼球13が一体に形成されており、拡散抵抗5が配置さ
れたシリコン単結晶体3は鋼球13を中心にして回動し得
るようになっている。従って、荷重Fが加えられると、
この荷重Fの方向に応じて感圧手段である拡散抵抗5が
配置されたシリコン単結晶体3が回転し、外圧の方向に
対して拡散抵抗5を対向させることにより、前記外圧が
拡散抵抗5へ集中的に加重される。
また、シリコン単結晶体3の上側にはゴムシート17が
形成され、シリコン単結晶体3等をハウジング1内に密
閉する。ゴムシート17の頂上部17a、即ち外部から荷重
Fが加わる部分は球面状に形成されている。この結果、
ゴムシート17は上方からの外圧を受ける方向にある程度
の許容量を有することができる。
次に、第1図及び第2図を参照して、本考案に係る実
施例の作用を説明する。
ゴムシート17の頂上部17aへ外部からの荷重Fが加わ
ると、この荷重Fによる押圧力がゴムシート17を介して
シリコン単結晶体3へ伝達され、シリコン単結晶体3の
上面部を押圧する。このとき、ゴムシート17が球面状に
形成されているので、上記押圧力がシリコン単結晶体3
の上面部のほぼ中央部へ集中的に伝達される。
このように、荷重Fによる押圧力がシリコン単結晶体
3の上面部のほぼ中央部へ集中的に伝達されると、この
荷重Fが加えられる方向に応じてシリコン単結晶体3が
鋼球13を中心にして回転する。これにより、拡散抵抗5
が荷重Fの加えられる方向に対向する。また、鋼球13の
上端部がシリコン単結晶体3へ板バネ9等を介して当
接、即ち突き当てた状態で接触しており、上記荷重Fが
加えられると、鋼球13の上端部が板バネ9を押圧する。
この板バネ9はシリコン単結晶体3に対して曲げ剛性が
充分小さな部材により形成されているので、鋼球13の上
端部へ荷重Fが集中する。
この結果、第2図に示すように鋼球13の上端部側へ位
置する拡散抵抗5には、鋼球13からの押圧の方向である
Z軸方向に圧縮応力Pzが生じると共に、圧縮応力Pzに対
して垂直な方向であるX軸方向及びY軸方向に引張応力
Px,Pyが生じる。従って、いわゆるピエゾ抵抗効果によ
ってシリコン単結晶体3の中央部へ配置された拡散抵抗
5の抵抗値が変化する。この抵抗値の変化はリード線を
介して取り出される。
ここで、拡散抵抗5のそれぞれの応力成分、即ち圧縮
応力Pz,引張応力Px,Pyによる抵抗変化率ΔR/Rは一般に
次の(1)式により示される。
ΔR/R=K11Px+K12Py+K13Pz …………(1) 但し、K11,K12,K13はピエゾ抵抗係数であり、拡散抵
抗5の結晶方位若しくは拡散濃度により一義的に定ま
る。例えば結晶方位(0,1,1)で拡散濃度が5×1018cm
-3である場合には、上記ピエゾ抵抗係数K11,K12,K13
次の如く示される。
K11=72×10-12cm2/dynes K12=−1×10-12cm2/dynes K13=−66×10-12cm2/dynes 従って、上記(1)式は次の(2)式の如く示され
る。
ΔR/R=72Px−|Py−66Pz| …………(2) ここで、Px=Pyであるから、上記(2)式は次の
(3)式の如く示される。
ΔR/R=71Px−66Pz ………(3) 引張応力Px,圧縮応力Pzを応力の絶対値で示すと、 ΔR/R=71|Px|+66|Pz| …(4) の如く示される。
上記(4)式からも明らかなように、引張応力Px,P
y、圧縮応力Pzによる拡散抵抗5の抵抗値の変化を増加
方向に一致させることができ、検出感度を上昇させるこ
とができる。
尚、このとき拡散抵抗5に加えられる外圧の方向は、
加えられる力が圧縮方向に働くことから、シリコン単結
晶体3側からであっても、また鋼球13側からであっても
同様に作用を得ることができる。
次に、第3図を参照して本考案に係る他の実施例を説
明する。
本実施例は、簡単な構成により外部から加えられた荷
重を拡散抵抗へ集中させるようにしたことを特徴とす
る。
具体的に説明すると、ハウジング21内にはシリコン単
結晶体23が収容されている。このシリコン単結晶体23の
中央部には、周知の拡散技術であるイオン打ち込み技術
等により、半導体で成る拡散抵抗25が形成されている。
拡散抵抗25は外部から加えられる荷重等の外圧を感知す
る感圧手段である。
シリコン単結晶体23の上側には、エポキシ樹脂等から
成る接触部27が球面状に形成されている。この接触部27
は外圧である外部からの荷重Fが加わる部分であり、拡
散抵抗25の上方の外圧を受ける中心部から周辺部へ向か
って曲げ剛性が小さくなるように形成されている。この
接触部27は伝達体であり、前述の如く中心部から周辺部
へ向かって曲げ剛性が小さくなるように形成されている
ので、前記外圧を集中的に拡散抵抗25へ伝達する。
以上の如く、接触部27の中心部から周辺部へ向かって
曲げ剛性が小さくなるように形成したので、外部からの
荷重Fを集中的に拡散抵抗25へ伝達することができる。
[考案の効果] 以上説明してきたように本考案によれば、加えられる
外圧を集中的に感圧素子へ伝達し得るように構成したの
で、検出感度を改善しつつ、小型で、簡単な構成により
大きな荷重を測定し得る力学量センサを提供することが
できる。
【図面の簡単な説明】
第1図(A)は本考案に係る一実施例の横断面図、 第1図(B)は本考案に係る一実施例の縦断面図、 第2図は第1図に示した拡散抵抗に生じる引張応力Px,P
y及び圧縮応力Pzを示した説明図、 第3図は本考案に係る他の実施例、 第4図は従来例の縦断面図である。 3……シリコン単結晶体(基体) 5……拡散抵抗(感圧手段) 9……板バネ 13……鋼球(外圧集中手段) 17……ゴムシート

Claims (2)

    (57)【実用新案登録請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体結晶によって形成される基体と、 この基体下側の下向き凹部に形成され下方から加えられ
    る圧力の大きさを感知する感圧手段と、 前記基体下側の感圧手段に対向する位置に配置され加え
    られる外圧によって生じる応力を当該感圧手段に集中す
    る円柱形状からなる外圧集中手段と、 この外圧集中手段に対向する位置に外圧集中手段を回転
    自在に当接する略テーパ状の傾斜が設けられ断面略コの
    字状の中空容器と、 外圧を受ける突起部を有して該中空容器を上側から密閉
    するとともに、前記基体上側に外圧を伝える弾性体と を有することを特徴とする力学量センサ。
  2. 【請求項2】半導体結晶によって形成される基体と、 この基体上側の上向き凹部に形成され上方から加えられ
    る圧力の大きさを感知する感圧手段と、 前記基体上面に感圧手段を中心にして該中心部から周辺
    部へ向かって曲げ剛性が小さくなるように形成され当該
    感圧手段に外圧を集中する球面形状からなる外圧集中手
    段と を有することを特徴とする力学量センサ。
JP1990115373U 1990-11-05 1990-11-05 力学量センサ Expired - Lifetime JP2530735Y2 (ja)

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JPS618348U (ja) * 1984-06-19 1986-01-18 三洋電機株式会社 大小比較回路
JPS63146734U (ja) * 1987-03-17 1988-09-28

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