JP4898124B2

JP4898124B2 - アレイ型接触圧センサ

Info

Publication number: JP4898124B2
Application number: JP2005030232A
Authority: JP
Inventors: 良人竹花; 哲男藤本
Original assignee: UNEX CORPORATION
Current assignee: UNEX CORPORATION
Priority date: 2005-02-07
Filing date: 2005-02-07
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2025-02-07
Also published as: JP2006214962A

Description

本発明は、複数個の感圧素子を所定の間隔で一方向に沿って配列したアレイ型接触圧センサに関するものである。

ロボットや義肢の先端に設けられる触感センサ、医療用の圧脈波センサ、咬合圧センサなどとして用いるために、複数個の感圧素子を一方向に沿って配列したアレイ型接触圧センサが提案されている。たとえば、特許文献１に記載されたものがそれであり、角形や丸型の複数個のダイヤフラム部すなわち薄肉部が半導体基板上に局所的に設けるとともに、そのダイヤフラム部の撓みを検出するためにそのダイヤフラム部にそれぞれ設けられた複数の撓み検出素子が備えられる。これによれば、ダイヤフラム部とそれに設けられた撓み検出素子とから圧力検出素子が構成され、半導体基板に配置された複数の圧力検出素子によって接触圧力などが検出される。しかしながら、このような従来のアレイ型接触圧センサでは、半導体基板において局所的に肉厚を薄くしたダイヤフラム部を短いピッチですなわち高い配置密度で設けることが困難であり、圧力検出部位が粗くなるという欠点があった。

これに対し、特許文献２に記載のように、半導体基板において局所的に肉厚を薄くしたダイヤフラム部をトレンチ状、すなわち長手状（長溝状）とし、そのダイヤフラム部に所定の間隔で撓み検出素子を配置したアレイ型接触圧センサが提案されている。これによれば、肉薄で同じ厚みが続くダイヤフラム部に撓み検出素子を配置できるので、相互の配置間隔（ピッチ）を小さくでき、圧力検出部位の密度を比較的高くできる利点がある。
特許第２９８９００４号公報特許第３０３９９３４号公報

しかしながら、上記特許文献２に記載のように長手状のダイヤフラム部を用いると、隣接する撓み検出素子の相互間でクロストークが発生し、それら撓み検出素子の相互間の距離がたとえば幅寸法の１４０％に制限され、素子間隔を小さくするには限界があった。また、長手状のダイヤフラム部の撓み変形ではその幅方向の変形と長手方向の変形とが加えられるため、荷重分布によっては荷重に対して線形とならない場合があった。さらに、長手状のダイヤフラム部に設ける撓み検出素子は、ホトリソグラフイー技術を利用した半導体集積回路技術を用いて形成されることから、長手状溝内或いは長手状溝凹み内のダイヤフラムに素子を設けることが困難であるため、半導体基板の平坦な側すなわち被験物に接触する側において設けられるので、使用に際してはその被験物に接触する面に撓み検出素子を保護する保護コート層が必要となり、設計通りの感度やクロストーク性能が得られず、個々の検出感度がばらつく一因となっていた。

本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、クロストークが小さく且つ高密度で接触圧を検出でき、しかも撓み検出素子を半導体基板の被験物に接触する面とは反対側の面に設けることができるアレイ型接触圧センサを提供することにある。

上記目的を達成するための請求項１に係る発明のアレイ型接触圧センサの要旨とするところは、所定厚みの半導体基板に一方向に配列された複数個の感圧素子を有するアレイ型接触圧センサであって、その複数個の感圧素子は、(a) 前記半導体基板の一面に該半導体基板を貫通しないように所定パターンの溝が設けられることにより該溝の間に形成された互いに平行な複数個の梁部と、(b) その複数個の梁部にそれぞれ設けられ、該梁部の撓みに応じた電気信号をそれぞれ発生する複数個の撓み検出素子とを含み、(c) 前記半導体基板の他面に加えられた接触圧に応じた前記電気信号をそれぞれ出力することを特徴とする。

また、請求項２にかかる発明の要旨とするところは、前記請求項１に係る発明の梁部は、前記一方向に直交する方向の一対の直交溝と、該一対の直交溝の一端部を連通させる前記一方向に平行な連通溝とにより３方が囲まれた片持ち梁であることを特徴とする。

また、請求項３にかかる発明の要旨とするところは、前記請求項１に係る発明の梁部は、前記一方向に直交する方向の一対の直交溝に挟まれた両持ち梁であることを特徴とする。

また、請求項４にかかる発明の要旨とするところは、前記請求項１乃至３のいずれかにかかる発明の撓み検出素子は、前記梁部の前記半導体基板の一面側に不純物の拡散或いはイオン注入により設けられて電橋を構成する４つのピエゾ抵抗体から構成されたものであることを特徴とする。

また、請求項５にかかる発明の要旨とするところは、前記請求項４にかかる発明の４つのピエゾ抵抗体のうち、２つのピエゾ抵抗体は前記梁部の長手方向に沿って配設され、他の２つのピエゾ抵抗体は前記梁部の長手方向に直交する方向に沿って配設されたものであることを特徴とする。

また、請求項６にかかる発明の要旨とするところは、前記請求項１乃至５のいずれかにかかる発明の溝は、Ｖ字状の断面形状を備えたものであることを特徴とする。

また、請求項７にかかる発明の要旨とするところは、前記請求項１乃至５のいずれかにかかる発明の溝は、矩形状或いは逆台形状の断面形状を備えたものであることを特徴とする。

前記請求項１に係る発明によれば、所定厚みの半導体基板に一方向に配列された複数個の感圧素子を有するアレイ型接触圧センサにおいて、その複数個の感圧素子は、(a) 前記半導体基板の一面に該半導体基板を貫通しないように所定パターンの溝が設けられることにより該溝の間に形成された互いに平行な複数個の梁部と、(b) その複数個の梁部にそれぞれ設けられ、該梁部の撓みに応じた電気信号をそれぞれ発生する複数個の撓み検出素子とを含み、(c) 前記半導体基板の他面に加えられた接触圧に応じた前記電気信号をそれぞれ出力することから、溝幅の制限や凹みの制限を受けないので、クロストークが小さく且つ高密度で接触圧を検出でき、しかも撓み検出素子を半導体基板の被験物に接触する面とは反対側の面に設けることができるアレイ型接触圧センサが得られる。

また、請求項２に係る発明によれば、前記請求項１に係る発明の梁部は、前記一方向に直交する方向の一対の直交溝と、その一対の直交溝の一端部を連通させる前記一方向に平行な連通溝とにより３方が囲まれた片持ち梁として作用できるので、梁部での接触圧力（入力）に対する変形或いは歪みが大きくなり、高い検出感度が得られる。

また、請求項３に係る発明によれば、前記請求項１に係る発明の梁部は、前記一方向に直交する方向の一対の直交溝に挟まれた両持ち梁として作用できるので、梁部毎における撓みのばらつきのない安定した接触圧検出作動が得られる。

また、請求項４に係る発明によれば、前記請求項１乃至３のいずれかにかかる発明の撓み検出素子は、前記梁部の前記半導体基板の一面側に不純物の拡散或いはイオン注入（イオンインプラント）により設けられて電橋すなわち直流或いは交流ブリッジを構成する４つのピエゾ抵抗体から構成されたものであるので、容易に接触圧検出が可能となる。

また、請求項５にかかる発明によれば、請求項４にかかる発明の４つのピエゾ抵抗体のうち、２つのピエゾ抵抗体は前記梁部の長手方向に沿って配設され、他の２つのピエゾ抵抗体は前記梁部の長手方向に直交する方向に沿って配設されたものであるので、前記半導体基板の他面から接触圧が加えられることにより梁部に発生する撓み或いは歪みが好適に検出され、その接触圧の大きさに対応する電気信号が得られる。

また、請求項６に係る発明によれば、前記請求項１乃至５のいずれかにかかる発明の溝は、Ｖ字状の断面形状を備えたものであるので、クロストークを小さくしつつ梁部の配設間隔を小さくでき、圧力検出素子の配置密度を高めることができる。

また、請求項７に係る発明によれば、前記請求項１乃至５のいずれかにかかる発明の溝は、矩形状或いは逆台形状の断面形状を備えたものであるので、クロストークを小さくしつつ梁部の配設間隔を小さくでき、圧力検出素子の配置密度を高めることができる。また、前記Ｖ字状の断面形状の溝に比較して、梁部の配設間隔が大きくなるが、高い検出感度が得られる。

ここで、好適には、前記半導体基板はたとえばシリコン（Ｓｉ）の単結晶基板であり、前記不純物はたとえばボロン（Ｂ）である。

また、前記撓み検出素子は、歪みの大きさに応じて抵抗値を変化させるピエゾ抵抗体であってもよいが、歪みの大きさに応じてＰＮ接合の通過電流値を変化させるダイオード、歪みの大きさに応じて電流増幅率を変化させるトランジスタが用いられてもよい。

また、前記溝は、前記梁部を構成するために半導体基板の一面において梁部の四辺のうちの２辺或いは３辺を形成するように設けられているが、さらに、半導体基板の他面からも同様のパターンの溝を設けてもよい。

また、前記溝は、Ｖ字状、逆台形形状のみならず、矩形の断面形状を備えたものであってもよい。

以下、本発明の好適な実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、本発明の一実施例の接触圧検出装置として機能するアレイ型接触圧センサ１０を備えた小型マニュピレータ１２を示している。この小型マニュピレータ１２は、相互に接近離隔可能に設けられた互いに平行な一対のフィンガ１４と、それら一対のフィンガ１４を相互に接近し或いは離隔する方向に駆動するアクチュエータ１６とを備えて図示しないロボットアームの先端に装着され、たとえば手術中の生体の血管２０や、皮膚などの生体組織などを把持して所定位置に保持したり、適当な位置へ移動させる。このアクチュエータ１６は、たとえば、電動モータの回転力を用いて上記一対のフィンガ１４の少なくとも一方を接近離隔方向に駆動するねじ送り機構を備えたものである。

アレイ型接触圧センサ１０は、一対のフィンガ１４の内側、すなわち一対のフィンガ１４の対向面のうちの少なくとも一方に設けられている。制御装置１８は、上記アレイ型接触圧センサ１０により検出されたフィンガ１４の接触圧に基づいて一対のフィンガ１４の把持力すなわち挟圧力を制御し、適切な把持力でたとえば手術中の生体の血管２０や、皮膚などの生体組織などを把持できるようにする。制御装置１８は、画像を表示可能な表示器２２を備え、上記アレイ型接触圧センサ１０により検出される血管２０の接触圧やその血管２０の接触圧分布を表示する。

上記フィンガ１４に設けられたアレイ型接触圧センサ１０は、一対のフィンガ１４の対向面である挟圧面すなわち接触面２６の一部（中央部）に位置するように半導体基板２４を電気的に絶縁した状態で保持する枠状の基板保持部材２８と、その半導体基板２４の内側面（一面）３２において一方向Ａすなわちフィンガ１４の長手方向に配列された複数個たとえば２５乃至５０個程度の感圧素子３４を備えたアレイ型接触圧センサである。なお、上記半導体基板２４は、たとえば０．１ｍｍ程度の厚みＴを備えたシリコンの単結晶板から構成されている。また、上記接触面２６には、たとえばシリコン樹脂製などの絶縁性保護膜３０が設けられており、上記半導体基板２４の接触面４４も保護されている。しかし、この絶縁性保護膜３０は必ずしも設けられていなくてもよい。

図２は、上記半導体基板２４の要部を示している。図２に示すように、半導体基板２４の接触面４４とは反対側の内側面３２には、一方向Ａにおいて一定の間隔を隔てて位置し且つその一方向Ａに直交する方向に互いに平行に形成された複数の直交溝３６ａと、上記一方向Ａに平行に形成されてその直交溝３６ａの一端部を相互に連通させる連通溝３６ｂとから成る櫛状パターンの溝３６がその櫛状パターンの窓口が設けられたレジストを通したエッチングなどの手法によって形成されることにより、一対の直交溝３６ａと連通溝３６ｂとにより３方が囲まれた片持ち梁状の複数個の梁部３８が形成されている。

また、図３に詳しく示すように、上記梁部３８の撓みに応じた電気信号を出力するために、歪みの大きさに応じて抵抗値を変化させる４つのピエゾ抵抗体４０ａ〜４０ｄから成る電橋で構成された撓み検出素子４２が梁部３８の半導体基板２４の一面側に設けられている。前記各感圧素子３４は、上記梁部３８および撓み検出素子４２からそれぞれ構成され、半導体基板２４の他面側すなわち接触面４４となる外面側に加えられた接触圧の大きさに対応する電気信号をそれぞれ出力する。

上記溝３６、ピエゾ抵抗体４０ａ〜４０ｄ、図示しない配線などは、集積回路製造技術に用いられるホトリソグラフイーを利用して設けられる。たとえば、溝３６は、半導体基板２４の一面に塗布されたレジストの一部が露光によって櫛状のパターンで除去され、その除去により抜かれたレジストを通した選択的エッチングにより形成される。また、ピエゾ抵抗体４０ａ〜４０ｄは、半導体基板２４の一面に塗布されたレジストの一部が露光によって所定の抵抗体パターンで除去され、さらにそのパターンで基板表面のＳｉＯ₂ が除去され、その除去により抜かれたレジストの窓口を通した選択的にボロン（Ｂ）等の不純物が熱拡散されることにより、所定の不純物表面濃度と抵抗値を有するピエゾ抵抗体４０ａ〜４０ｄが複数組形成される。或いは上記ピエゾ抵抗体４０ａ〜４０ｄは、不純物が抵抗体パターン領域内にイオン注入（イオンインプラント）されることによっても構成されることができる。そして、上記ピエゾ抵抗体４０ａ〜４０ｄは、前記撓み検出素子４２を構成するための電橋を構成するように、導体パターンが抜かれたレジストを利用した導体膜たとえばアルミニウム蒸着膜で相互に配線される。

上記撓み検出素子４２において、前記押圧面４４に加えられた接触圧力に応じて各梁部３８に発生する撓みすなわち歪みを効率的に電気信号に変換するために、矩形すなわち四角形の四辺の位置に配置され且つ電橋状に接続されたピエゾ抵抗体４０ａ〜４０ｄのうちの２つのピエゾ抵抗体４０ａおよび４０ｃは梁部３８の長手方向に沿って配設され、他の２つのピエゾ抵抗体４０ｂおよび４０ｄは梁部３８の長手方向に直交する方向に沿って配設されている。なお、図３では、撓み検出素子４２を構成するピエゾ抵抗体４０ａ〜４０ｄが一つの梁部３８に設けられた状態が示され、他の梁部３８では省略されている。

図３のIV-IV 視断面図である図４、およびは図３のＶ−Ｖ視断面図である図５に示すように、前記溝３６は、逆台形の断面形状を有し、たとえば０．０８ｍｍ程度の深さ寸法Ｄと、０．２ｍｍ程度の溝底幅寸法ｇ_w とを備えている。したがって、半導体基板２４の上記溝３６が形成されている部分の厚みは、たとえば０．０２ｍｍ程度とされ、感圧素子３４すなわち梁部３８の配列ピッチは、０．４ｍｍ程度とされている。

図６は、アレイ型接触圧センサ１０および制御装置１８の電気的構成を説明する図である。半導体基板２４において一方向に配列されている各梁部３８にそれぞれ設けられた各撓み検出素子４２には交流若しくは直流の一定のブリッジ電圧が定電圧電源５０から供給され、各撓み検出素子４２から出力された電気信号は、前置増幅器５４、増幅器５８をそれぞれ介してＡ／Ｄ変換器６０へ入力される。ＣＰＵ６２、ＲＡＭ６４、ＲＯＭ６６、インターフェース６８などから成るコンピュータ（電子制御装置）７０は、ＲＡＭ６４の一時記憶機能を利用しつつ予めＲＯＭ６６に記憶された入力信号すなわち各撓み検出素子４２から出力された電気信号を処理し、それぞれの撓み検出素子４２からの電気信号に基づいて血管２０の接触圧や面圧分布を算出し、駆動回路７２を制御して小型マニュピレータ１２のフィンガ１４の挟圧力が適切な大きさとなるように、たとえば血管２０に損傷を与えないように把持できるようにする。また、コンピュータ７０は、上記撓み検出素子４２からの信号に基づいて接触圧或いはその分布を表示器２２に表示させる。

以上のように構成された本実施例のアレイ型接触圧センサ１０によれば、一定厚みの半導体基板２４の内側面（一面）３２に一方向Ａに配列された複数個の感圧素子３４は、(a) 半導体基板２４の内側面３２に所定パターンの溝３６が設けられることによりその溝３６の間に形成された互いに平行な複数個の梁部３８と、(b) その複数個の梁部３８にそれぞれ設けられ、その梁部３８の撓みに応じた電気信号をそれぞれ発生する複数個の撓み検出素子４２とを含み、(c) 前記半導体基板２４の押圧面（他面、外側面）４４に加えられた接触圧力に応じた前記電気信号をそれぞれ出力するので、クロストークが小さく且つ高密度で接触圧（分布）を検出でき、しかも撓み検出素子４２を半導体基板２４の被験物に接触する押圧面４４とは反対側の内側面３２に設けることができるアレイ型接触圧センサ１０が得られる。

因みに、接触圧力検出のために歪みを発生させ検出する領域全体となる板状ダイヤフラムの撓みを検出するためにその板状ダイヤフラムに所定間隔で撓み検出素子を配列した従来のアレイ型接触圧センサでは、撓み検出素子の間隔を小さくして高密度で接触圧力検出をしようとすると、クロストークを防止するためにダイヤフラムの幅寸法を小さくしなければならないことから、感度を維持するためにそのダイヤフラムの厚みを薄くしなければならないので、(a) その薄肉化にともなって周波数特性が劣化（共振周波数の低下）や振動モードの複雑化、(b) 温度特性の劣化（熱歪み、温度ドリフト）、(c) 構造強度の劣化、(d) 厚さ分布管理の製造上の歩留り低下、(e) 撓み検出素子間の感度のばらつき拡大、(f) 板状ダイヤフラムの外側面に撓み検出素子が設けられて配線され、その配線を保護するための絶縁性保護膜が必要となることにより、設計通りの感度やクロストーク性能が得られず個々の検出感度がばらつく一因となっていた等の問題があった。しかしながら、上記本実施例のアレイ型接触圧センサ１０によれば、ダイヤフラム幅寸法や肉厚を変えないで、溝３６により形成された梁部３８とそれに設けられた撓み検出素子４２の配置間隔（ピッチ）が小さくされることから、その梁部３８の肉厚が確保されて構造強度が高められるので、共振周波数（固有振動数）が高く、複雑な振動モードが抑制され、熱歪みが抑制されることによりピエゾ抵抗体４０ａ〜４０ｄの不純物濃度が確保されて温度ドリフトが改善され、肉厚誤差に対する割合軽減によって撓み検出素子４２間の感度のばらつきが抑制され、ピエゾ抵抗体４０ａ〜４０ｄにより構成される撓み検出素子４２を半導体基板の内側面から設けることができて絶縁性保護膜が不要となり工数の低減、撓み検出素子４２のクロストークや感度が設計通り得られてそれらのばらつきが抑制されるという格別の効果が得られる。

また、本実施例のアレイ型接触圧センサ１０によれば、梁部３８が、前記一方向Ａに直交する方向の一対の直交溝３６ａと、その一対の直交溝３６ａの一端部を連通させる一方向Ａに平行な連通溝３６ｂとにより３方が囲まれた片持ち梁として作用できるので、梁部３８での接触圧（入力）に対する変形或いは歪みが大きくなり、高い検出感度が得られる。

また、本実施例のアレイ型接触圧センサ１０によれば、半導体基板２４の梁部３８に設けられた撓み検出素子４２は、その梁部３８の半導体基板２４の一面３２側に不純物の拡散或いはイオン注入（イオンインプラント）により設けられて電橋すなわち直流或いは交流ブリッジを構成する４つのピエゾ抵抗体４０ａ〜４０ｄから構成されたものであるので、容易に接触圧検出が可能となる。

また、本実施例のアレイ型接触圧センサ１０によれば、撓み検出素子４２を構成する４つのピエゾ抵抗体４０ａ〜４０ｄのうち、２つのピエゾ抵抗体４０ａおよび４０ｃは梁部３８の長手方向に沿って配設され、他の２つのピエゾ抵抗体４０ｂおよび４０ｄはその梁部３８の長手方向に直交する方向に沿って配設されたものであるので、半導体基板２４の他面４４から接触圧が加えられることにより梁部３８に発生する撓み或いは歪みが好適に検出され、その接触圧の大きさに対応する電気信号が得られる。

また、本実施例のアレイ型接触圧センサ１０によれば、溝３６は、矩形状或いは逆台形状の断面形状を備えたものであるので、クロストークを小さくしつつ梁部３８の配設間隔を小さくでき、撓み検出素子４２の配置密度を高めることができる。また、前記Ｖ字状の断面形状の溝に比較して、梁部３８の配設間隔が大きくなるが、高い検出感度が得られる。

次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の実施例において前述の実施例と共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。

図７は、本発明の他の実施例の半導体基板２４の要部を示している。本実施例の半導体基板２４では、前記一方向Ａに沿って一定の間隔でその一方向Ａに直交する方向の複数個の直交溝３６ａが形成されており、一対の直交溝３６ａに挟まれた部分が両持ち梁として作用できる複数個の梁部８０が形成される。この梁部８０には、前述の実施例と同様に、その梁部８０の撓みすなわち歪みの大きさに応じた電気信号を出力する撓み検出素子４２がそれぞれ設けられている。本実施例では、前述の実施例と同様の効果が得られるとともに、両持ち梁として作用できる梁部８０毎における撓みのばらつきのない安定した接触圧検出作動が得られる。

図８は、本発明の他の実施例の半導体基板２４の断面であって、図５に相当する図である。図８の実施例では、直交溝３６ａはＶ字状断面形状を備えている。この実施例の半導体基板２４では、直交溝３６ａがＶ字状断面形状を備えているので、クロストークを小さくしつつ梁部３８の配設間隔を小さくでき、感圧素子３４の配置密度を高めることができる。

図９は、本発明の他の実施例の半導体基板２４の断面であって、図５に相当する図である。図９の実施例では、直交溝３６ａは逆台形の形状を備えているが、半導体基板２４を貫通して形成されている。この実施例の半導体基板２４では、直交溝３６ａが半導体基板２４を貫通するように形成されたものであるので、前記Ｖ字状の断面形状の溝に比較して、高い検出感度が得られるとともに、クロストークをほとんど解消できる。

以下、本発明者等が行った数値実験例を説明する。図１０、図１１および図１２は、テストピース９０、９２および９４を示している。テストピース９０、９２および９４は、前述の半導体基板２４と同様の材料および厚みで所定幅Ｗの長手状に構成され、周囲は固定されて数値実験を行っている。テストピース９０は溝を備えないが、テストピース９２は長手方向において所定の間隔ｇw を隔て且つ幅方向に貫通する一対のＶ字状断面の溝９６を備えている。この溝９６は、図８の実施例の直交溝３６ａと同様のものである。また、テストピース９４も、長手方向において所定の間隔ｇw を隔て且つ幅方向に貫通する一対の矩形断面の溝９８を備えている。

上記テストピース９０の裏面の中心点に押圧力Ｆを上向きに加えた場合、図１０の等高線状の破線に示すように歪みが発生し、その歪みは、テストピース９０の幅方向の中心線Ｃ上において、図１０のテストピース９０の下側に表す分布を示す。このテストピース９０の歪みは、従来のアレイ型接触圧センサにおいて所定の間隔で撓み検出素子が配置された長手状のダイヤフラム部のそれに相当するものである。この図１０に示すように、長手方向における歪みの影響範囲Ｂはテストピース９０の幅寸法Ｗの１．４倍に相当し、クロストークを避けるためには、撓み検出素子の配置ピッチをその幅寸法Ｗの１．４倍と同等以上に設定する必要があり、圧力検出密度を高くすることが困難であった。また、図１３に示すように、押圧力Ｆの作用点が長手方向の中央位置Ｌ₀ から所定距離だけずれた位置Ｌ₁ となった場合、その中央位置Ｌ₀ を中心とする実線に示す分布から上記ずれた位置Ｌ₁ を中心とする１点鎖線に示す分布となり、その中央位置Ｌ₀ に撓み検出素子が設けられているとすると、検出される歪みの大きさがＱ₀ 点からＱ₁ 点となり、検出圧力が大きく低下する。このため、接触圧の作用点のずれが発生したとき、検出精度が十分に得られなかった。

これに対し、図１１に示す一対のＶ字状断面の溝９６を備えたテストピース９２では、その裏面の中心点に押圧力Ｆを上向きに加えた場合、図１１の等高線状の破線に示すように歪みが発生し、その歪みは、テストピース９２の幅方向の中心線Ｃ上において、図１１のテストピース９２の下側に表す分布を示す。図１１の破線に示すように、長手方向における歪みの影響範囲はテストピース９２の幅寸法Ｗよりも小さく設定された間隔ｇw で配置された一対のＶ字状断面の溝９６の間の領域内で留まり、クロストークの影響もその範囲を超えることがない。このため、一対のＶ字状断面の溝９６の間の部分を梁部３８として用いる前述の実施例の場合では、撓み検出素子の配置ピッチを幅寸法Ｗよりも小さく設定でき、圧力検出密度を高くすることが可能となった。このような効果は、上記Ｖ字状断面の溝９６に替えて、逆台形断面の溝３６や矩形断面の溝９８が用いられても同様に得られる。

また、図１２に示す一対の矩形断面の溝９８を備えたテストピース９４では、図１４に示すように、一対の矩形断面の溝９８の間の領域における圧力分布が比較的平坦となり、上向きの押圧力Ｆの作用点が中央位置Ｌ₀ から所定距離だけずれた位置Ｌ₁ となった場合でも、その中央位置Ｌ₀ を中心とする実線に示す分布から上記ずれた位置Ｌ₁ を中心とする１点鎖線に示す分布との差が小さい。このため、中央位置Ｌ₀ に設けられている撓み検出素子により検出される歪みの大きさＱ₀ 点とＱ₁ 点とに殆ど差が出ないので、接触圧の作用点のずれが発生しても、検出精度が十分に得られる。したがって、一対のＶ字状断面の溝９６の間の部分を梁部３８として用いる前述の実施例の場合において、接触圧の作用点のずれが発生したとしても、検出精度が十分に得られる。このような効果は、上記矩形断面の溝９８に替えて、逆台形断面の溝３６やＶ字状断面の溝９６が用いられても同様に得られる。

クロストークを検討するために、本発明者等は、厚みが０．１ｍｍである、溝が設けられていない平板状の図１０のテストピース９０とＶ字状断面の溝９６が設けられた図１１のテストピース９２とについて、１００ｍｍＨｇの荷重を加えたときの歪みをそれぞれ解析・計算し、荷重範囲（＝荷重が加えられている長手方向寸法／基板幅寸法Ｗ）と正規化最大歪（＝最大歪み値を１とする相対値）との関係を求めた。図１５は、その関係を示している。図１５に示されるように、溝が設けられていないテストピース９０では、幅寸法Ｗの１．４倍程度の荷重範囲で正規化最大歪が飽和するので、クロストークのないように前記撓み検出素子４２を配置しようとすると、その配置間隔は幅寸法Ｗの１．４倍程度以上としなければならず、圧力検出密度を高くすることが困難であることが判る。これに対し、Ｖ字状断面の溝９６が設けられたテストピース９２では、幅寸法Ｗの１倍以下の荷重範囲で正規化最大歪が飽和するので、幅寸法Ｗの１倍以下の間隔でもクロストークのないように前記撓み検出素子４２を配置でき、高い圧力検出密度が得られる。なお、図１５の破線は１０％クロストークラインを示し、後述の１０％クロストーク幅とは、正規化最大歪みがその１０％クロストークラインに到達したときの荷重範囲の値である。

前記半導体基板２４の板厚を検討するために、本発明者等は、４種類の厚み（０．０５ｍｍ、０．１ｍｍ、０．１５ｍｍ、０．２ｍｍ）の、溝が設けられていない平板状の図１０のテストピース９０を用いて、１００ｍｍＨｇの荷重を１ｍｍの荷重幅（＝荷重を付与する長手方向寸法）に加えたときの厚みと最大歪との関係を求めた。図１６はその関係を示している。また、本発明者等は、上記厚みの異なる４種類のテストピース９０を用いて、１００ｍｍＨｇの荷重を加えたときの歪みをそれぞれ解析・計算し、荷重範囲と正規化最大歪との関係を求めた。図１７は、その関係を示している。その図１７の曲線から明らかなように、荷重範囲と正規化最大歪との関係では、厚みの変化に対しては殆ど変化しないが、上記図１６から明らかなように、厚みが小さくなるほど、最大歪みが大きくなり検出感度が増加することが判る。この検出感度に関しては、０．２ｍｍ以下さらに好適には０．１ｍｍ以下の厚みが望ましいが、０．０５ｍｍを下まわるようになると、剛性の低下に伴う周波数特性が劣化（低下）し、振動モードの複雑化、強度の低下、温度特性の劣化、厚さ分布の管理の困難といった不都合が発生する。

溝底幅寸法ｇ_W と検出感度との関係を検討するために、本発明者等は、５種類の溝幅（溝底幅寸法ｇ_W が０ｍｍ、０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ）の、図２乃至図５に示す片持ち梁状の梁部３８を備えたテストピースと、図７に示す両持ち梁状の梁部８０を備えたテストピースとを用いて、１００ｍｍＨｇの荷重をそれら梁部に加えたときの最大歪みを解析・計算し、溝底幅寸法ｇ_W と最大歪みとの関係を、片持ち梁状の梁部３８と両持ち梁状の梁部８０とについて求めた。図１８はその関係を示している。図１８に示すように、溝底幅寸法ｇ_W が増加するほど最大歪みすなわち感度が大きくなり、また、片持ち梁状の梁部３８が両持ち梁状の梁部８０よりも最大歪みすなわち感度が大きい。なお、溝底幅寸法ｇ_W が０ｍｍの溝とは、Ｖ字状断面の溝を示している。

溝幅寸法とクロストークとの関係を検討するために、本発明者等は、５種類の溝幅（溝底幅寸法ｇ_W が０ｍｍ、０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ）の、図２乃至図５に示す片持ち梁状の梁部３８を備えたテストピースと、図７に示す両持ち梁状の梁部８０を備えたテストピースとをそれぞれ用いて、１００ｍｍＨｇの荷重をそれら梁部に加えたときの最大歪みを解析・計算し、荷重範囲と正規化最大歪みとの関係と、溝底幅寸法ｇ_W と１０％クロストーク幅（ｍｍ）との関係とを、片持ち梁状の梁部３８と両持ち梁状の梁部８０とについてそれぞれ求めた。両持ち梁状の梁部８０を備えたテストピースにおける荷重範囲と正規化最大歪みとの関係は図１９に示され、溝底幅寸法ｇ_W と１０％クロストーク幅（ｍｍ）との関係は図２０に示されている。また、片持ち梁状の梁部３８における荷重範囲と正規化最大歪みとの関係は図２１に示され、溝底幅寸法ｇ_W と１０％クロストーク幅（ｍｍ）との関係は図２２に示されている。

上記図１９および図２１の曲線に示すように、荷重範囲と正規化最大歪みとの関係では、片持ち梁状の梁部３８と両持ち梁状の梁部８０とのそれぞれにおいて、溝底幅寸法ｇ_W の変化に対してはそれほど殆ど変化しない。しかし、溝底幅寸法ｇ_W と１０％クロストーク幅（ｍｍ）との関係では、両持ち梁状の梁部８０において、図２０の曲線から明らかなように、溝底幅寸法ｇ_W が０．３ｍｍ以下好適には或いは０〜０．２５ｍｍｍさらに好適には０．１ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲で１０％クロストーク幅が極小とされる。また、片持ち梁状の梁部３８において、図２２の曲線から明らかなように、０．３ｍｍ以下好適には０ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲さらに好適には０ｍｍ〜０．１ｍｍの範囲で１０％クロストーク幅が極小とされる。

以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、本発明はその他の態様においても適用され得る。

たとえば、前述の実施例の梁部３０、８０の厚み、長さ、幅は、検出圧力範囲、半導体基板２４の厚みや材質等の変更により必要に応じて適宜変更され得る。

また、前述の実施例の梁部３０、８０は、必ずしも半導体基板２４と同じ厚みでなくてもよい。

また、前述の実施例において、アレイ型接触圧センサ１０が内側に設けられたフィンガ１４を相互に接近する方向に駆動するためのアクチュエータ１６は、空圧或いは液圧などを駆動エネルギとして使用するシリンダ等、他のアクチュエータを用いるものであってもよい。

また、前述の実施例のアレイ型接触圧センサ１０は、手術中の血管２０を一対のフィンガ１４が把持した場合の接触圧を検出するために用いられていたが、皮膚上から皮下の足背動脈、上腕動脈などから発生する圧脈波を検出するために用いられてもよい。

また、前述の実施例では、一対のフィンガ１４で血管２０を把持したとき、そのアレイ型接触圧センサ１０により検出される接触圧圧力分布から、たとえばＵＳＰ４，２６９，１９３に記載された技術を利用して血管２０の内圧を測定することができる。この場合、直接法のように動脈内ニカテーテルを挿入する必要がないので、血液凝固などの問題が回避されて安全である。また、上記一対のフィンガ１４で腫瘍などを把持することができる。この場合、組織に加える力とその組織の変形度合いの分布との関係を測定することにより、診断を行うことも可能となる。このとき、両方のフィンガ１４にアレイ型接触圧センサ１０をそれぞれ設けることにより、２箇所の接触圧の比較をすることができるので、片側のみに設けた場合よりも正確な診断が可能となる。

また、前述の実施例のアレイ型接触圧センサ１０は、接触圧分布を高分解能で検出するために、咬合圧センサ、ロボットや義肢に設けられる触感センサとして用いられてもよい。

なお、上述したのは、あくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。

本発明の一実施例のアレイ型接触圧センサを備えた接触圧検出装置の構成および生体への装着状態を概略説明する図である。図１の実施例のアレイ型脈波センサに設けられた半導体基板の要部を説明するためにその半導体基板の内側面の一部を拡大した平面図である。図２の半導体基板の平面図のうちの梁部および溝を説明するために更に拡大して示す図である。図３のIV−IV視断面図である。図３のＶ−Ｖ視断面図である。図１の接触圧検出装置の電気的構成を説明する回路図である。本発明の他の実施例の半導体基板に設けられた両持ち梁状の梁部を示す図であって、図２に相当する図である。本発明の他の実施例の半導体基板に設けられたＶ字状断面を備えた溝を示す断面図であって、図５に相当する図である。本発明の他の実施例の半導体基板に設けられた逆台形断面を備え且つ半導体基板を貫通するように形成された溝を示す断面図であって、図５に相当する図である。本発明者等が実験に用いた半導体基板の溝なしテストピースを示す斜視図であって、幅方向の中心線Ｃ上であって長手方向の中央位置Ｌ₀ に上向きの押圧力Ｆが付与されたときに発生する歪みの大きさおよび範囲を等高線状の破線および分布曲線により示している。本発明者等が実験に用いた半導体基板のＶ字状断面溝付きテストピースを示す斜視図であって、幅方向の中心線Ｃ上であって長手方向の中央位置Ｌ₀ に上向きの押圧力Ｆが付与されたときに発生する歪みの大きさおよび範囲を等高線状の破線および分布曲線により示している。本発明者等が実験に用いた半導体基板の矩形状断面溝付きテストピースを示す斜視図である。図１０の溝なしテストピースに対する押圧力Ｆの作用点が長手方向位置Ｌ₀ からＬ₁ へずれたときに、長手方向位置Ｌ₀ に設けられた撓み検出素子により検出される歪みの大きさがＱ₀ からＱ₁ へ大きく変化する状態を説明する図である。図１２の矩形状断面溝付きテストピースに対する押圧力Ｆの作用点が長手方向位置Ｌ₀ からＬ₁ へずれたときに、長手方向位置Ｌ₀ に設けられた撓み検出素子により検出される歪みの大きさがＱ₀ からＱ₁ へ殆ど変化しない状態を説明する図である。図１０のテストピースと図１１のＶ字状断面溝付きテストピースとについて解析・計算された荷重範囲と正規化最大歪みとの関係をそれぞれ示す図である。図１０のテストピースを用いて１００ｍｍＨｇの荷重を荷重幅１ｍｍに付与して解析・計算した、板厚と最大歪みとの関係を示す図である。厚みの異なる図１０のテストピースを用いて解析・計算した、荷重範囲と正規化した最大歪みとの関係を示す図である。図２に示す片持ち梁状の梁部と図７に示す両持ち梁状の梁部とについて、溝幅の異なるテストピースを用いて解析・計算した、溝幅と最大歪みとの関係を示す図である。図７に示す両持ち梁状の梁部を有する５種類の溝幅の異なるテストピースを用いて解析・計算した、荷重範囲と正規化最大歪みとの関係を示す図である。図７に示す両持ち梁状の梁部を有する５種類の溝幅の異なるテストピースを用いて解析・計算した、溝幅と１０％クロストーク幅との関係を示す図である。図２に示す両持ち梁状の梁部を有する５種類の溝幅の異なるテストピースを用いて解析・計算した、荷重範囲と正規化最大歪みとの関係を示す図である。図２に示す両持ち梁状の梁部を有する５種類の溝幅の異なるテストピースを用いて解析・計算した、溝幅と１０％クロストーク幅との関係を示す図である。

符号の説明

１０：アレイ型接触圧センサ
２４：半導体基板
３４：感圧素子
３６：溝
３８：梁部
４２：撓み検出素子

Claims

所定厚みの半導体基板に一方向に配列された複数個の感圧素子を有するアレイ型接触圧センサであって、
該複数個の感圧素子は、
前記半導体基板の一面に該半導体基板を貫通しないように所定パターンの溝が設けられることにより該溝の間に形成された互いに平行な複数個の梁部と、
該複数個の梁部にそれぞれ設けられ、該梁部の撓みに応じた電気信号をそれぞれ発生する複数個の撓み検出素子とを含み、
前記半導体基板の他面に加えられた接触圧に応じた前記電気信号をそれぞれ出力することを特徴とするアレイ型接触圧センサ。
前記梁部は、前記一方向に直交する方向の一対の直交溝と、該一対の直交溝の一端部を連通させる前記一方向に平行な連通溝とにより３方が囲まれた片持ち梁である請求項１のアレイ型接触圧センサ。
前記梁部は、前記一方向に直交する方向の一対の直交溝に挟まれた両持ち梁である請求項１のアレイ型接触圧センサ。
前記撓み検出素子は、前記梁部の前記半導体基板の一面側に不純物拡散或いはイオン注入により設けられて電橋を構成する４つのピエゾ抵抗体から構成されたものである請求項１乃至３のいずれかのアレイ型接触圧センサ。
前記４つのピエゾ抵抗体のうち、２つのピエゾ抵抗体は前記梁部の長手方向に沿って配設され、他の２つのピエゾ抵抗体は前記梁部の長手方向に直交する方向に沿って配設されたものである請求項４のアレイ型接触圧センサ。
前記溝は、Ｖ字状の断面形状を備えたものである請求項１乃至５のいずれかのアレイ型接触圧センサ。
前記溝は、矩形状或いは逆台形状の断面形状を備えたものである請求項１乃至５のいずれかのアレイ型接触圧センサ。