JP2583615B2 - Touch sensor - Google Patents

Touch sensor

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JP2583615B2
JP2583615B2 JP1253385A JP25338589A JP2583615B2 JP 2583615 B2 JP2583615 B2 JP 2583615B2 JP 1253385 A JP1253385 A JP 1253385A JP 25338589 A JP25338589 A JP 25338589A JP 2583615 B2 JP2583615 B2 JP 2583615B2
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恒樹 篠倉
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Fuji Electric Corporate Research and Development Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えばロボットのハンド、とりわけ指に装
着して把持物からハンドの指の表面に加わった力を3方
向に分解して検出する接触覚センサに関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention detects, for example, a force applied to a finger surface of a hand from a grasped object by being attached to a hand of a robot, particularly a finger, in three directions. The present invention relates to a touch sensor.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

近年、ロボット産業は質的にも量的にも飛躍的な成長
をとげている。特に、質的な面ではロボットハンドに接
触覚センサを装着して、ロボットの知能化を進める努力
がなされている。
In recent years, the robot industry has achieved dramatic growth both qualitatively and quantitatively. In particular, in terms of quality, efforts have been made to mount a tactile sensor on the robot hand and to make the robot more intelligent.

接触覚センサに要求される性能や条件として、次のも
のが挙げられる。
The performance and conditions required for the contact sensor are as follows.

高感度:力を検出する感度が高いこと。一つの素子で
数グラムを検出できることが望ましい。
High sensitivity: High sensitivity for detecting force. It is desirable to be able to detect several grams with one element.

高分解能:センサの素子は小型で、密度の高いものが
望まれる。
High resolution: The sensor element is desired to be small and dense.

広いダイナミックレンジ:検出範囲ができるだけ広い
こと。
Wide dynamic range: The detection range must be as wide as possible.

高信頼性・高耐久性:過酷な環境にあっても、長時間
の使用に耐えること。
High reliability and high durability: To withstand long-time use even in harsh environments.

直線性とヒステリシス:圧力と出力が比例し、ヒステ
リシスがないこと。
Linearity and hysteresis: Pressure and output are proportional and there is no hysteresis.

応答速度:物を把持したときの信号が制御部へ早く伝
わること。
Response speed: The signal when the object is grasped is transmitted quickly to the control unit.

柔軟性:人間の手の皮膚のように軟かいことが望まし
い。
Flexibility: Soft as human skin is desirable.

すべり感覚:圧力だけでなく、すべりも検出するこ
と。
Slip sensation: detecting not only pressure but also slip.

廉価:構造が簡単で廉価なこと。Inexpensive: Simple structure and inexpensive.

これらの条件のいくつかを満足する接触覚センサが種
々提案ないし、開発されてきた。押ボタン方式や導電ゴ
ム方式の接触覚センサはその代表例である。前者の押ボ
タン方式の接触覚センサは、コイルばねで支えられた金
属製押ボタンが通常加圧のない状態では電気的にOFFと
なっているが、加圧されると接点が閉じてONとなるもの
である。しかし、この方式はONとOFFの状態しか分から
ず、連続的な力の検出には不向きであるという欠点があ
った。
Various tactile sensors satisfying some of these conditions have been proposed or developed. A touch sensor of a push button type or a conductive rubber type is a representative example. In the former push-button type touch sensor, the metal push button supported by the coil spring is normally electrically OFF when there is no pressurization, but when pressurized, the contact closes and turns ON. It becomes. However, this method has a drawback that only the ON and OFF states are known, and is not suitable for continuous force detection.

一方、後者の導電ゴム方式の接触覚センサは、導電ゴ
ムシートの両面を電極で挟み、センサの表面に力が加わ
ると、導電ゴムの電気抵抗(導電率)が低下するのを利
用したものである。しかし、この方式にも力と導電率と
の間に非直線性やヒステリシスが生ずるという問題があ
った。
On the other hand, the latter conductive rubber type touch sensor utilizes the fact that the electric resistance (conductivity) of the conductive rubber decreases when both sides of the conductive rubber sheet are sandwiched between electrodes and a force is applied to the sensor surface. is there. However, this method also has a problem that non-linearity and hysteresis occur between force and conductivity.

これら以外に提案されている各種方式の接触覚センサ
もそれぞれ一長一短があり、十分な性能が満足されてい
ないばかりか、圧力の方向がいずれも一方向、すなわち
接触面に垂直な方向のみを感ずるものであり、接触面に
平行な力を検出するものは極めて少ないのが現状であ
る。
In addition to these, the various types of tactile sensors that have been proposed also have advantages and disadvantages, and not only do they not have sufficient performance, but also sense only one direction of pressure, that is, only the direction perpendicular to the contact surface. At present, very few sensors detect a force parallel to the contact surface.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

最近、3方向の力を検出する接触覚センサが開発され
る傾向にある。例えば、本出願人が提案した先頭の特願
昭62−049996号、特願昭63−186959号などである。しか
し、このような従来の接触覚センサでは固い配線基板等
を用いているので、ロボットハンドの平坦な面には容易
に取付けられるが、ロボットハンドの指のような曲面に
複数の素子をマトリックス状に並べて取付けられるよう
な配慮がなされていなかった。
Recently, there has been a tendency to develop tactile sensors that detect forces in three directions. For example, Japanese Patent Application No. 62-049996 and Japanese Patent Application No. 63-186959, which are proposed by the present applicant, are mentioned. However, such a conventional touch sensor uses a rigid wiring board or the like, so that it can be easily mounted on a flat surface of the robot hand, but a plurality of elements are arranged in a matrix on a curved surface such as a finger of the robot hand. No consideration has been given to mounting them side by side.

本発明の目的は、上述した従来の欠点を解消し、ロボ
ットハンドの指にも取付けられるような薄型で、フレキ
シブルな構造(可撓性構造)の3分力検出型の接触覚セ
ンサを提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a thin and flexible structure (flexible structure) three-component force detection type touch sensor that solves the above-mentioned conventional disadvantages and can be attached to a finger of a robot hand. It is in.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

かかる目的を達成するために、本発明の第1形態は、
加わった力を3方向に分解して検出する接触覚センサに
おいて、シリコンウエハから一体に形成された、受圧部
表面に加わる各々3方向の力に対応して3組の歪ゲージ
が配置されている複数のセンサセル、ならびに該複数の
センサセルの各々を連結する可撓性のシリコン酸化被膜
と、該シリコン酸化被膜で連結された前記複数のセンサ
セルを実装する可撓性のフレキシブル配線基板と、を有
することを特徴とする。
In order to achieve such an object, a first embodiment of the present invention provides:
In a contact sensor that detects an applied force by resolving it in three directions, three sets of strain gauges are formed integrally from a silicon wafer and correspond to the three directions of forces applied to the surface of the pressure receiving portion. A plurality of sensor cells, a flexible silicon oxide film connecting each of the plurality of sensor cells, and a flexible wiring board for mounting the plurality of sensor cells connected by the silicon oxide film. It is characterized by.

また、本発明の第2形態は複数のセンサセル間に、可
撓性のシリコン酸化被膜を残して格子状溝を形成して成
ることを特徴とする。
A second embodiment of the present invention is characterized in that a lattice-shaped groove is formed between a plurality of sensor cells while leaving a flexible silicon oxide film.

また、本発明の第3形態は複数のセンサセルはマトリ
ックス状に配列されており、センサセルの各々はセンサ
セルを個別に選択動作させるための一対のスイッチを有
し、スイッチにそれぞれ接続する縦列選択用配線と横列
選択用配線とをフレキシブル配線基板の表面と裏面に別
々に配設したことを特徴とする。
According to a third embodiment of the present invention, a plurality of sensor cells are arranged in a matrix, and each of the sensor cells has a pair of switches for individually selecting and operating the sensor cells. And the wiring for row selection are separately provided on the front surface and the back surface of the flexible wiring board.

また、本発明の第4形態は3組の歪ゲージがそれぞれ
高抵抗シリコン層からなり、かつセンサセルに配設され
た3組の歪ゲージの配線が互いに重なって高叉すること
のないように構成されていることを特徴とする。
Further, the fourth embodiment of the present invention is configured such that three sets of strain gauges are each formed of a high-resistance silicon layer, and the wirings of the three sets of strain gauges provided in the sensor cell do not overlap each other and rise. It is characterized by having been done.

〔作 用〕(Operation)

本発明は、上記のように、3分力(FX,FY,FZ)を検出
できるセンサセルを可撓性の酸化皮膜と共にシリコンウ
エハか一体に形成し、これらのセンサセルを当該シリコ
ン酸化被膜により連結したまま可撓性の配線基板上に接
続して構成したので、フレキシブルな構造の接触覚セン
サのアレイが実現可能となり、例えばロボットハンドの
指にも巻きつけて装着できるので、ロボットの知能化を
図る上で極めて有効となる。
The present invention, as described above, 3 component force (F X, F Y, F Z) of the sensor cell can detect formed on a silicon wafer or integral with oxide film of a flexible, these the silicon oxide film sensor cells Is connected to a flexible wiring board while being connected, so that an array of contact sensors having a flexible structure can be realized. This is extremely effective in achieving the goal.

〔実施例〕〔Example〕

以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明す
る。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

A.実施例の概要 まず、本発明の実施例の接触覚センサの全体の概要を
説明する。
A. Overview of Embodiment First, an overview of the entire touch sensor according to an embodiment of the present invention will be described.

本発明実施例の接触覚センサは、複数のダイヤフラム
タイプの3分力検出型のセンサセル(シリコンセンサ素
子)を用いて、これらのセンサセルを可撓性の酸化皮膜
で連結させてマトリックス状に配列し、かつこれらを可
撓性の配線基板上に半田付等で実装して、ロボットハン
ドの指等の曲面に巻きつけられるようにしたものであ
る。
The contact sensor according to the embodiment of the present invention uses a plurality of diaphragm-type three-component force detecting sensor cells (silicon sensor elements), and connects these sensor cells with a flexible oxide film to form a matrix. In addition, these are mounted on a flexible wiring board by soldering or the like, and can be wound around a curved surface such as a finger of a robot hand.

このように、3分力検出型のセンサセルを可撓性の酸
化皮膜で複数個連結させた構造としたので、曲げること
が可能であり、又、フレキシブルの配線基板を用いてい
るので、この配線基板にセンサセルであるシリコンセン
サ素子をマトリックス状に配列させて電気的かつ物理的
に接続させた接触覚センサも当然のことながら曲げるこ
とが可能である。このような接触覚センサ2を第1図
(A)に示すように、ロボットハンドの指1に巻きつけ
るようにして装着すれば、ロボットハンドの表面に加わ
った圧力やすべり、モーメントなどを接触覚センサ2に
より検出することができる。
As described above, the structure is such that a plurality of three-component-force detection type sensor cells are connected by a flexible oxide film, so that they can be bent. Further, since a flexible wiring board is used, this wiring Naturally, a touch sensor in which silicon sensor elements as sensor cells are arranged in a matrix on a substrate and electrically and physically connected to each other can be naturally bent. As shown in FIG. 1 (A), when such a touch sensor 2 is mounted so as to be wound around the finger 1 of the robot hand, pressure, slip, moment, etc. applied to the surface of the robot hand can be detected. It can be detected by the sensor 2.

第1図(B)は、ロボットハンドの指1に装着された
接触覚センサ群の中の1つの接触覚センサ2の断面状態
の概略を示す。同図の矢印の方向に力が加わると、接触
覚センサ2の各シリコンセンサ素子6はその方向の力を
検出することができる。
FIG. 1B schematically shows a cross-sectional state of one contact sensor 2 in the contact sensor group attached to the finger 1 of the robot hand. When a force is applied in the direction of the arrow in FIG. 3, each silicon sensor element 6 of the contact sensor 2 can detect the force in that direction.

B.実施例の構成 次に、本発明の実施例の接触覚センサの具体的な構成
を説明する。
B. Configuration of Embodiment Next, a specific configuration of the touch sensor according to the embodiment of the present invention will be described.

第2図(A),(B)は本発明の一実施例の接触覚セ
ンサを構成する個々の3分力検出型シリコンセンサ素子
の外観を示し、同図(A)は表側、同図(B)は裏側を
示す。
2 (A) and 2 (B) show the appearance of individual three-component force detecting type silicon sensor elements constituting the touch sensor of one embodiment of the present invention, and FIG. 2 (A) shows the front side and FIG. B) shows the back side.

ここで、6はシリコンセンサ素子であり、その外形は
正方形で、その中央部には円柱状の受圧柱7が一体的に
突出して形成されている。4はシリコンセンサ素子6の
外縁部全周に沿って突出させた固定部、5は受圧柱7と
固定部4間に形成された環状溝形の薄肉部である。薄肉
部5には本図(B)に図示するような直径方向等の位置
の複数箇所に半導体ウェハプロセス等の所定の方法で歪
ゲージ9が形成されている。8は半田端子(ハンダバン
プ)である。シリコンセンサ素子6の中央にある受圧柱
7は3方向の力FX,FY,FZを受け、シリコンセンサ素子6
の裏面にある歪ゲージ9でその3方向の力を検出する。
Here, reference numeral 6 denotes a silicon sensor element, which has a square outer shape, and has a columnar pressure receiving column 7 integrally formed at the center thereof. Reference numeral 4 denotes a fixing portion protruding along the entire outer edge of the silicon sensor element 6, and reference numeral 5 denotes an annular groove-shaped thin portion formed between the pressure receiving column 7 and the fixing portion 4. In the thin portion 5, strain gauges 9 are formed at a plurality of positions in the diametrical direction and the like as shown in the figure (B) by a predetermined method such as a semiconductor wafer process. 8 is a solder terminal (solder bump). The pressure receiving column 7 at the center of the silicon sensor element 6 receives forces F X , F Y , and F Z in three directions, and receives the silicon sensor element 6.
The force in the three directions is detected by the strain gauge 9 on the back surface of.

上述のシリコンセンサ素子6内の歪ゲージ9の配線お
よび半田端子8の配置構成を第3図(A)に示す。
FIG. 3A shows an arrangement of the wiring of the strain gauge 9 and the arrangement of the solder terminals 8 in the silicon sensor element 6 described above.

シリコンセンサ素子6は半導体シリコンのウェハから
形成され、半導体プロセスによってX1,X2,Y1,Y2,Z1〜Z4
の歪ゲージ9が形成される。また、アルミの配線14と電
極を接続するための半田端子8も半導体プロセスのメッ
キ工程で形成することができる。さらにまた、本実施例
の配線パターンでは、第4図に示すようなハーフブリッ
ジ2組とフルブリッジ1組が共存していて、ブリッジ電
圧Eと接地Gは共有とし、VX,VY,VZを出力電圧として取
り出せるようにしている。さらに、配線14はこれらの電
極を廻り込みながら、配線同士がクロスオーバーしない
ように配置されていて、これによりクロスオーバーした
場合の電気特性の信頼性低下を解消している。
The silicon sensor element 6 is formed from a semiconductor silicon wafer, and X 1 , X 2 , Y 1 , Y 2 , Z 1 to Z 4 are formed by a semiconductor process.
Is formed. Also, the solder terminals 8 for connecting the aluminum wiring 14 and the electrodes can be formed in the plating step of the semiconductor process. Furthermore, in the wiring pattern of the present embodiment, two sets of half bridges and one set of full bridges coexist as shown in FIG. 4, the bridge voltage E and the ground G are shared, and V X , V Y , V Z can be taken out as an output voltage. Further, the wirings 14 are arranged so as not to cross over each other while wrapping around these electrodes, thereby eliminating a decrease in the reliability of the electrical characteristics when crossing over.

以上の構成内容は本出願人が提案した先願(特願昭63
−186959号)の内容とほぼ同様であるが、これらに本発
明実施例で新たに加えた点は、半導体FET(電界効果ト
ランジスタ)のスイッチ15とマトリックス配置の横番地
端子Mと縦番地端子Nとである。
The above configuration is based on the prior application proposed by the present applicant (Japanese Patent Application
-186959), except that a switch 15 of a semiconductor FET (field effect transistor), a horizontal address terminal M and a vertical address terminal N in a matrix arrangement are newly added thereto. And

スイッチ15は電圧EのONとOFFの切換を行うものであ
って、2個が電圧Eに直列に連結されている。その1つ
のスイッチ15はそのゲートが横番地端子Mと接続してお
り、複数のシリコンセンサ素子6を格子(マトリック
ス)状に並べたときの横列を選択する信号によってこの
スイッチ15がON(閉成、導通)される。もう1つのスイ
ッチ15はそのゲートが縦番地端子Nと接続しており、複
数のシリコンセンサ素子6を格子状に並べたときの縦列
を選択する信号によってこのスイッチ15がONされる。
The switch 15 switches ON and OFF of the voltage E, and two switches are connected in series to the voltage E. The gate of the switch 15 is connected to the horizontal address terminal M, and the switch 15 is turned on (closed) by a signal for selecting a row when a plurality of silicon sensor elements 6 are arranged in a matrix. , Conduction). The other switch 15 has its gate connected to the vertical address terminal N, and this switch 15 is turned on by a signal for selecting a column when a plurality of silicon sensor elements 6 are arranged in a grid.

従ってこれらの番地端子MとNの両方に同時に外部か
ら選択信号(例えば電圧)が加えられると、2つのスイ
ッチ15,15が同時にONとなるので、シリコンセンサ素子
6内にあるスイッチ15,15の後段の3組の歪ゲージブリ
ッジ(FXとFYの検出はハーフブリッジ、FZの検出はフル
ブリッジ)に電圧Eが印加されることになる。一方、横
番地端子Mと縦番地端子Nの双方に信号が加えられてい
ないと、電圧Eは歪ゲージブリッジに印加されないの
で、歪ゲージブリッジからの出力は得られない。
Therefore, when a selection signal (for example, a voltage) is simultaneously applied to both of these address terminals M and N from the outside, the two switches 15 and 15 are simultaneously turned on, so that the switches 15 and 15 in the silicon sensor element 6 are turned on. subsequent three pairs of strain gauge bridge (F X and F Y of detection half-bridge, the detection of F Z full bridge) so that the voltage E is applied to. On the other hand, if the signal is not applied to both the horizontal address terminal M and the vertical address terminal N, the voltage E is not applied to the strain gauge bridge, so that the output from the strain gauge bridge cannot be obtained.

本発明実施例は、この2つのスイッチ15,15と番地端
子MとNを設けたことに一つの特徴がある。また、この
スイッチ15,15としては例えば半導体素子としてよく知
られているFET(電界効果トランジスタ)を用いること
ができる。
The embodiment of the present invention is characterized in that the two switches 15, 15 and the address terminals M and N are provided. Further, as the switches 15, 15, for example, an FET (field effect transistor) well known as a semiconductor element can be used.

第3図(B)は第3図(A)のシリコンセンサ素子6
を可撓性のフレキシブル配線基板12の上に実装した状態
の断面構造を示す。同図(B)において、シリコンセン
サ素子6には歪ゲージ9、半田端子8が形成されてい
る。また、シリコンセンサ素子6の外部固定部4の表面
には、シリコンセンサ素子6を保護するための表皮10が
被覆されている。シリコンセンサ素子6の裏面に突出す
るそれぞれの半田端子8と配線基板上に突出するそれぞ
れの電極11とは互いにフリップチップボンダで接続さ
れ、シリコンセンサ素子6の裏面とフレキシブル配線基
板12間は接着剤13により強固に固定される。
FIG. 3 (B) shows the silicon sensor element 6 of FIG. 3 (A).
2 shows a cross-sectional structure in which is mounted on a flexible wiring substrate 12. In FIG. 2B, a strain gauge 9 and a solder terminal 8 are formed on the silicon sensor element 6. The surface of the external fixing portion 4 of the silicon sensor element 6 is covered with a skin 10 for protecting the silicon sensor element 6. Each of the solder terminals 8 protruding on the back surface of the silicon sensor element 6 and each of the electrodes 11 protruding on the wiring board are connected to each other by a flip chip bonder, and an adhesive is provided between the back surface of the silicon sensor element 6 and the flexible wiring board 12. 13 firmly fixed.

第3図(A)において、符号19で示すアース端子 がひとつあるが、これは半田端子ではなく、シリコンセ
ンサ素子6の下部導電部にアースとして電気を流し、か
つアルミ配線14との交叉(クロスオーバー)をさけて符
号8のアース端子に接続するための無半田アースであ
る。すなわち、この2つのアース端子間の内部構造は第
5図に示すようになっている。同図において、シリコン
ウェハ20はシリコンセンサ素子6の構成体であって、p
層とn層とp層とで構成されている。n層の内側にある
最上部のp層が歪ゲージ9である。配線14はこのp層と
n層の上層部に形成されている。無半田アース端子19の
下部はp層で導電性が高い。一方、アースである半田端
子8の下部も同じp層である。従って、無半田アース端
子19(これは前述の に相当する)からの電流は矢印のように破線に沿って流
れて半田端子8に達し、半田端子8を介して接触覚セン
サの外部で接地される。
In FIG. 3 (A), a ground terminal indicated by reference numeral 19 However, this is not a solder terminal, but it is used to supply electricity to the lower conductive part of the silicon sensor element 6 as ground and to connect to the ground terminal 8 without crossover with the aluminum wiring 14. It is a solderless earth. That is, the internal structure between the two ground terminals is as shown in FIG. In the figure, a silicon wafer 20 is a component of the silicon sensor element 6 and has a p
It is composed of a layer, an n layer and a p layer. The uppermost p layer inside the n layer is the strain gauge 9. The wiring 14 is formed above the p-layer and the n-layer. The lower part of the solderless ground terminal 19 is a p-layer and has high conductivity. On the other hand, the lower part of the solder terminal 8 which is ground is also the same p-layer. Therefore, the solderless ground terminal 19 (this is the ) Flows along the broken line as shown by the arrow, reaches the solder terminal 8, and is grounded outside the contact sensor via the solder terminal 8.

C.実施例の製造方法 次に、発明の実施例の接触覚センサの製造方法の一例
を説明する。
C. Manufacturing Method of Embodiment Next, an example of a manufacturing method of the touch sensor of the embodiment of the present invention will be described.

第6図(A)はシリコンセンサ素子6を例えば2個×
3個マトリックス状に配列した場合のシリコンセンサ素
子群(以下、センサアレイという)の加工工程の一つを
示す。まず、加工の最初の工程では、半導体ウェハプロ
セスによってシリコンウェハの表の面に、歪ゲージ9
や、スイッチ15、半田端子(ハンダバンプ)8、配線14
および可撓性の酸化皮膜であるシリコン酸化膜21を第3
図(A)に示した配置パターンで作りこみ、そのシリコ
ンウェハの裏の面には、第6図(A)に示す加工ができ
るようなパターンをエッチングで作りこんでおく。
FIG. 6A shows two silicon sensor elements 6 for example.
One of the processing steps of a silicon sensor element group (hereinafter, referred to as a sensor array) when three are arranged in a matrix is shown. First, in the first step of processing, a strain gauge 9 is formed on the front surface of a silicon wafer by a semiconductor wafer process.
, Switch 15, solder terminal (solder bump) 8, wiring 14
And a silicon oxide film 21 as a flexible oxide film
The pattern shown in FIG. 6A is formed, and a pattern which can be processed as shown in FIG. 6A is formed on the back surface of the silicon wafer by etching.

次に、このシリコンウェハの裏面の加工工程に移り、
ウェハの状態のままで、第6図(A)に示す環状溝5を
放電加工で形成する。
Next, the process moves to the back surface of the silicon wafer.
In the state of the wafer, an annular groove 5 shown in FIG. 6A is formed by electric discharge machining.

その後、シリコンウェハの裏面にダイシングソーによ
って格子状溝24を形成する。このとき、シリコン酸化膜
21を残して格子状溝24を加工することが本発明の重要な
ポイントの1つである。
After that, lattice grooves 24 are formed on the back surface of the silicon wafer by a dicing saw. At this time, the silicon oxide film
One of the important points of the present invention is to process the lattice-shaped groove 24 while leaving 21.

このようにして、シリコンウェハから、一連の2個×
3個のセンサアレイを切り出すと第6図(A)に示すよ
うになり、その時の断面を第6図(B)に示す。第6図
(B)に示すものは、第3図(B)に示したシリコンセ
ンサ素子6を複数個シリコン酸化膜21で連結した構造の
ものである。
In this way, a series of 2 ×
When three sensor arrays are cut out, the result is as shown in FIG. 6A, and the cross section at that time is shown in FIG. 6B. FIG. 6B shows a structure in which a plurality of the silicon sensor elements 6 shown in FIG. 3B are connected by a silicon oxide film 21.

D.実施例の配線方法 上述のように、可撓性のシリコン酸化膜21で連結され
たセンサアレイに、配線14をどのように配設するかの配
線方法について次に述べる。
D. Wiring Method of Embodiment As described above, a wiring method of how to arrange the wiring 14 in the sensor array connected by the flexible silicon oxide film 21 will be described below.

第7図は縦番地端子Nへの配線方法の一例を示し、第
8図は横番地端子Mへの配線方法を示す。
FIG. 7 shows an example of a wiring method to the vertical address terminal N, and FIG. 8 shows a wiring method to the horizontal address terminal M.

まず、第7図の縦番地の配線方法を説明する。同図の
平面図Aにおいて、図面左側の縦方向に並んでいる3つ
のシリコンセンサ素子6の縦番地端子Nを並列に結ぶ配
線をN1とする。この配線N1に縦番地信号(選択信号)を
与えると、各左側シリコンセンサ素子6の1つのスイッ
チ15(第3図(A)参照)がONになる。また、図面の右
側の縦方向に並んでいる3つのシリコンセンサ素子6の
縦番地端子Nを並列に結ぶ配線をN2とすると、この配線
N2に縦番地信号を与えると、各右側シリコンセンサ素子
6の1つのスイッチ15がONとなる。しかし、前述したよ
うに、いずれのシリコンセンサ素子6も縦番地用と横番
地用の2つずつスイッチ15を備えていて、両方のスイッ
チ15,15が同時にONとならなければ、ブリッジからの出
力は得られない(第3図(A)参照)。したがって、も
う一方のスイッチ15は横番地端子Mに横番地信号(選択
信号)を与える配線が必要である。
First, the wiring method for the vertical addresses in FIG. 7 will be described. In a plan view A in the figure, the wiring connecting the vertical address terminal N of the three silicon sensor element 6 are arranged in the longitudinal direction of the left side of the drawing in parallel to N 1. When a vertical address signal (selection signal) is applied to this wiring N1, one switch 15 (see FIG. 3A) of each left silicon sensor element 6 is turned on. Further, when the wire connecting the vertical address terminal N of the three silicon sensor element 6 are arranged on the right side of the longitudinal direction of the drawing in parallel and N 2, the wiring
Given a vertical address signal to the N 2, 1 a switch 15 of the right silicon sensor element 6 is turned ON. However, as described above, each of the silicon sensor elements 6 has two switches 15 for the vertical address and the horizontal address, and if both the switches 15 and 15 are not simultaneously turned on, the output from the bridge is output. Cannot be obtained (see FIG. 3 (A)). Therefore, the other switch 15 needs a wiring for supplying a horizontal address signal (selection signal) to the horizontal address terminal M.

第8図の平面図Aは上述の横番地信号の配線M1,M2,M3
と、横方向に平行にとり出せる他の配線(VY,VZ1,VX,E,
G,VZ2)の配線方法を示す。また、第8図の断面図B,Cに
示すように、これらの配線は可撓性の両面プリント配線
基板、すなわちフレキシブル配線基板12のスルーホール
22を通してそのフレキシブル配線基板12の下側に形成さ
れる。一方、縦番地信号の配線N1,N2は第7図の断面図
B,Cに示すように、フレキシブル配線基板12の表面に形
成されるから、第7図の上層配線回路と第8図の下層配
線回路との交叉(クロスオーバー)がなくなる。さら
に、このフレキシブル配線基板12の材料として可撓性な
材質を用いるので、曲げることも可能である。そのと
き、シリコンセンサ素子6自体は曲げられないが、シリ
コン酸化膜21は可撓性があるので、折り曲げることがで
きる。
The plan view A of FIG. 8 shows the wiring M 1 , M 2 , M 3 of the above-mentioned horizontal address signal.
If, another wiring put out taken parallel to the transverse direction (V Y, V Z1, V X, E,
G, V Z2 ) Wiring method is shown. Also, as shown in the sectional views B and C of FIG. 8, these wirings are flexible double-sided printed wiring boards, that is, through-holes of the flexible wiring board 12.
22 and is formed below the flexible wiring board 12. On the other hand, vertical address signal wirings N 1 and N 2 are cross-sectional views in FIG.
As shown in FIGS. 8B and 8C, the wiring is formed on the surface of the flexible wiring board 12, so that there is no crossover between the upper wiring circuit in FIG. 7 and the lower wiring circuit in FIG. Furthermore, since a flexible material is used as the material of the flexible wiring board 12, it can be bent. At this time, the silicon sensor element 6 itself is not bent, but the silicon oxide film 21 is flexible and can be bent.

このシリコン酸化膜21は、各シリコンセンサ素子6を
強固に連結しているので、フレキシブル配線基板12の上
に各端子同士を正確に位置合わせを行って、一度に接続
・組立てることができる。すなわち、シリコン酸化膜21
があるので、各シリコンセンサ素子6をばらばらにして
組立てるという精度の出しにくいめんどうな接続・組立
工程が必要でなくなるという利点がある。
Since the silicon oxide film 21 firmly connects the silicon sensor elements 6, the terminals can be accurately positioned on the flexible wiring board 12 and connected and assembled at once. That is, the silicon oxide film 21
Therefore, there is an advantage that a cumbersome connection / assembly process, which is difficult to obtain the accuracy of assembling the silicon sensor elements 6 separately, is not required.

第9図は、以下のようにして製作した本発明実施例の
接触覚センサをロボットハンドの指1に巻きつけた状態
を示す。本例ではシリコンセンサ素子6は5行配列であ
るが、長手方向には任意の所望の列で配置できる。セン
サアレイからの信号線は、ケーブル25によってまとめら
れ、図示しない外部装置を接続される。
FIG. 9 shows a state in which the touch sensor of the embodiment of the present invention manufactured as follows is wound around the finger 1 of the robot hand. In this example, the silicon sensor elements 6 are arranged in five rows, but can be arranged in any desired column in the longitudinal direction. Signal lines from the sensor array are collected by a cable 25 and connected to an external device (not shown).

(発明の効果) 以上説明したように、本発明によれば、3分力(FX,F
Y,FZ)を検出できるセンサセルを可撓性の酸化皮膜と共
にシリコンウェハか一体に形成し、これらのセンサセル
を当該シリコン酸化被膜により連結したまま可撓性のフ
レキシブル配線基板上に接続して構成するので、可撓性
のシリコン酸化被膜で連結された複数のセンサセルが一
括してフレキシブル配線基板に実装され、フレキシブル
な構造の接触覚センサのアレイが容易に実現可能とな
り、例えばロボットハンドの指にも巻きつけて装着でき
るので、ロボットの知能化を図る上で極めて有効とな
る。
(Effect of the Invention) As described above, according to the present invention, the three components (F X , F
Sensor cells capable of detecting Y , F Z ) are formed integrally with a silicon wafer together with a flexible oxide film, and these sensor cells are connected to a flexible wiring substrate while being connected by the silicon oxide film. Therefore, a plurality of sensor cells connected by a flexible silicon oxide film are collectively mounted on a flexible wiring board, and an array of contact sensors having a flexible structure can be easily realized. Can also be wound and attached, which is extremely effective in improving the intelligence of the robot.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図(A)はロボットハンドの指に装着した本発明実
施例の接触覚センサ群を示す斜視図、 第1図(B)はその接触覚センサの一つの断面状態を示
す概略断面図、 第2(A)は本発明実施例の接触覚センサの一つのセン
サセルの表側の外観を示す斜視図、 第2図(B)はそのセンサセルの裏側の外観を示す斜視
図、 第3図(A)は本発明実施例のセンサセルの歪ゲージ,
配線および半田端子の配置状態を示す平面図、 第3図(B)はそのセンサセルの断面を示す断面図、 第4図は第3図(A)の実施例の等価回路を示す回路
図、 第5図は第3図(A)のセンサセルの内部構造を示す断
面図、 第6図(A)は本発明実施例の接触覚センサの加工工程
の一つを示す斜視図、 第6図(B)はその加工後の状態を示す断面図、 第7図は本発明実施例の2個×3個のセンサセル配列の
接触覚センサの縦番地の配線状態を示す平面図および断
面図、 第8図は第7図の接触覚センサの横番地の配線と他の入
出力端子の配線回路を示す平面図および断面図、 第9図はロボットハンドの指に装着した本発明実施例の
接触覚センサの詳細を示す断面図である。 1……指、 2……接触覚センサ、 4……固定部、 5……環状溝部、 6……センサセル(シリコンセンサ素子)、 7……受圧柱、 8……半田端子、 9……歪ゲージ、 10……表皮、 11……電極、 12……フレキシブル配線基板、 13……接着剤、 14……配線、 15……スイッチ、 18……n層、 19……無半田アース端子、 20……シリコンウェハ、 21……シリコン酸化膜、 22……スルーホール、 24……格子状溝、 25……ケーブル。
FIG. 1 (A) is a perspective view showing a group of touch sensors of the embodiment of the present invention mounted on a finger of a robot hand. FIG. 1 (B) is a schematic cross-sectional view showing one cross-sectional state of the touch sensor. 2 (A) is a perspective view showing the front side appearance of one sensor cell of the touch sensor according to the embodiment of the present invention, FIG. 2 (B) is a perspective view showing the back side appearance of the sensor cell, FIG. 3 (A) ) Is the strain gauge of the sensor cell of the embodiment of the present invention,
FIG. 3 (B) is a cross-sectional view showing a cross section of the sensor cell, FIG. 4 is a circuit diagram showing an equivalent circuit of the embodiment of FIG. 3 (A), FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view showing the internal structure of the sensor cell of FIG. 3 (A), FIG. 6 (A) is a perspective view showing one of the processing steps of the touch sensor of the embodiment of the present invention, FIG. 6 (B) ) Is a cross-sectional view showing the state after the processing, FIG. 7 is a plan view and a cross-sectional view showing the wiring state of the vertical address of the contact sensor in the 2 × 3 sensor cell array according to the embodiment of the present invention, FIG. FIG. 9 is a plan view and a cross-sectional view showing the wiring at the horizontal address of the contact sensor of FIG. 7 and the wiring circuit of the other input / output terminals. FIG. 9 is a diagram showing the contact sensor of the present invention mounted on the finger of the robot hand. It is sectional drawing which shows the detail. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Finger, 2 ... Contact sensor, 4 ... Fixed part, 5 ... Annular groove part, 6 ... Sensor cell (silicon sensor element), 7 ... Pressure receiving column, 8 ... Solder terminal, 9 ... Distortion Gauge, 10 ... skin, 11 ... electrode, 12 ... flexible wiring board, 13 ... adhesive, 14 ... wiring, 15 ... switch, 18 ... n-layer, 19 ... solderless earth terminal, 20 ... silicon wafer, 21 ... silicon oxide film, 22 ... through-hole, 24 ... latticed groove, 25 ... cable.

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】加わった力を3方向に分解して検出する接
触覚センサにおいて、 シリコンウエハから一体に形成された、受圧部表面に加
わる各々3方向の力に対応して3組の歪ゲージが配置さ
れている複数のセンサセル、ならびに該複数のセンサセ
ルの各々を連結する可撓性のシリコン酸化被膜と、 該シリコン酸化被膜で連結された前記複数のセンサセル
を実装する可撓性のフレキシブル配線基板と、 を有することを特徴とする接触覚センサ。
1. A contact sensor for detecting an applied force by resolving it in three directions, wherein three sets of strain gauges are formed integrally from a silicon wafer and correspond to the three directions of forces applied to the surface of the pressure receiving portion. Are disposed, a flexible silicon oxide film connecting each of the plurality of sensor cells, and a flexible flexible wiring board mounting the plurality of sensor cells connected by the silicon oxide film And a touch sensor comprising:
【請求項2】複数のセンサセル間に、可撓性のシリコン
酸化被膜を残して格子状溝を形成して成ることを特徴と
する請求項1に記載の接触覚センサ。
2. The touch sensor according to claim 1, wherein a lattice-like groove is formed between the plurality of sensor cells while leaving a flexible silicon oxide film.
【請求項3】複数のセンサセルはマトリックス状に配列
されており、 該センサセルの各々はセンサセルを個別に選択動作させ
るための一対のスイッチを有し、 該スイッチにそれぞれ接続する縦列選択用配線と横列選
択用配線とを前記フレキシブル配線基板の表面と裏面に
別々に配設したことを特徴とする請求項1または2に記
載の接触覚センサ。
3. A plurality of sensor cells are arranged in a matrix. Each of the sensor cells has a pair of switches for individually selecting and operating the sensor cells, and a column selection wiring and a row connected to the switches respectively. The touch sensor according to claim 1, wherein the selection wiring is separately provided on a front surface and a back surface of the flexible wiring board.
【請求項4】3組の歪ゲージがそれぞれ高抵抗シリコン
層からなり、 かつ該センサセルに配設された前記3組の歪ゲージの配
線が互いに重なって交叉することのないように構成され
ていることを特徴とする請求項1ないし3に記載の接触
覚センサ。
4. The three sets of strain gauges are each formed of a high-resistance silicon layer, and are configured such that the wires of the three sets of strain gauges provided in the sensor cell do not overlap and cross each other. The touch sensor according to claim 1, wherein:
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