JP7302780B2 - Force sensor device - Google Patents
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Description
本発明は、力覚センサ装置に関する。 The present invention relates to a force sensor device.
従来より、金属からなる起歪体にセンサ素子を取り付け、外力が印加されることにより生じる起歪体の弾性変形をセンサ素子で検出することで、多軸の力を検出する力覚センサ装置が知られている。このような力覚センサ装置では、例えば、歪みに対応する電気信号をセンサ素子から、別途用意されたIC等の能動部品に出力し、能動部品において所定の信号処理が行われる(例えば、特許文献1~3参照)。 Conventionally, there is a force sensor device that detects a multiaxial force by attaching a sensor element to a strain-generating body made of metal and detecting the elastic deformation of the strain-generating body caused by the application of an external force with the sensor element. Are known. In such a force sensor device, for example, an electrical signal corresponding to strain is output from the sensor element to an active component such as an IC that is separately prepared, and the active component performs predetermined signal processing (see, for example, Patent Documents 1-3).
上記の力覚センサ装置では、外気温の変化等によって起歪体に膨張や収縮が生じることや、センサ素子が温度特性を有することにより、電気信号が変動することがある。力覚センサ装置内の温度分布が均一であれば、温度補正用の温度センサを設けることにより、能動部品等で温度補正が可能である。 In the force sensor device described above, the electrical signal may fluctuate due to expansion or contraction of the strain generating body due to changes in the outside air temperature or the like, or due to temperature characteristics of the sensor element. If the temperature distribution in the force sensor device is uniform, it is possible to correct the temperature with an active component or the like by providing a temperature sensor for temperature correction.
しかしながら、力覚センサ装置内では、主に熱伝導率が低い空気を介して熱伝導が行われ、温度分布が生じやすいので、温度センサを設けたとしてもセンサ素子や起歪体の温度を正確に捉えて補正を行うことは容易でない。 However, in the force sensor device, heat is conducted mainly through air, which has a low thermal conductivity, and temperature distribution tends to occur. It is not easy to catch and correct the problem.
特に、空気の熱伝導性が低いことから、急激な温度変化に対応した温度補正は困難である。このような急激な温度変化は、例えば、力覚センサ装置の起動時に能動部品が自己発熱することや、金属製で熱伝導率が高い起歪体が外部から熱の影響を受けやすいことが起因して生じ得る。 In particular, due to the low thermal conductivity of air, it is difficult to correct the temperature in response to rapid temperature changes. Such rapid temperature changes are caused, for example, by the fact that the active parts generate heat by themselves when the force sensor device is activated, or that the strain-generating body made of metal and having high thermal conductivity is easily affected by heat from the outside. can occur.
開示の技術は、上記の点に鑑みてなされたものであって、温度変化による影響を抑制することを目的とする。 The disclosed technique has been made in view of the above points, and aims to suppress the influence of temperature change.
開示の技術は、所定の軸方向または軸回りに印加された力を検知するセンサ素子と、前記センサ素子と電気的に接続された能動部品と、前記センサ素子及び前記能動部品が取り付けられ、印加された前記力を前記センサ素子に伝達する起歪体と、前記センサ素子及び前記能動部品を覆うように取り付けられたカバーと、前記カバー内に注入され、空気よりも高い熱伝導率を有する媒体と、を有し、前記媒体には、熱伝達フィラーが混合されている力覚センサ装置である。
The disclosed technique includes a sensor element for detecting a force applied in a predetermined axial direction or around an axis, an active component electrically connected to the sensor element, the sensor element and the active component attached, and applying force. a strain body for transmitting the applied force to the sensor element; a cover mounted to cover the sensor element and the active component; and a medium injected into the cover and having a higher thermal conductivity than air. and wherein the medium is mixed with a heat transfer filler .
開示の技術によれば、温度変化による影響を抑制することができる。 According to the disclosed technique, it is possible to suppress the influence of temperature change.
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In each drawing, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted.
<第1実施形態>
(概略構成)
図1は、第1実施形態に係る力覚センサ装置の外観を示す斜視図である。図2は、起歪体に基板が取り付けられた状態における力覚センサ装置の斜視図である。図3(a)は平面図、図3(b)は側面図である。図4は、センサチップ及び起歪体を例示する斜視図である。
<First Embodiment>
(Outline configuration)
FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of the force sensor device according to the first embodiment. FIG. 2 is a perspective view of the force sensor device in a state where the substrate is attached to the strain body. FIG. 3(a) is a plan view, and FIG. 3(b) is a side view. FIG. 4 is a perspective view illustrating a sensor chip and a strain body.
図1~図3において、力覚センサ装置1は、センサチップ110と、起歪体20と、基板30と、受力板40と、カバー50とを有している。力覚センサ装置1は、例えば、工作機械等に使用されるロボットの腕や指等に搭載される多軸の力覚センサ装置である。
1 to 3, the
起歪体20には基板30が取り付けられており(図2参照)、基板30が取り付けられた起歪体20の土台21より上側及びセンサチップ110を覆うように、カバー50が取り付けられている(図1参照)。カバー50は、例えば、金属材の表面にニッケルめっき等を施した材料で形成されている。カバー50には、起歪体20の入力部24a~24dを露出させる開口部が設けられており、入力部24a~24d上に受力板40が設けられている。
A
なお、詳しくは後述するが、カバー50内には、空気よりも熱伝導率の高いゲル、ゴム、液体等からなる媒体が注入されている。なお、カバー50内とは、カバー50と起歪体20の土台21との間に形成される内部空間を指す。より具体的には、カバー50内とは、起歪体20とカバー50との間であって、センサチップ110及び能動部品32~35が存在する空間(外周部)と、起歪体20内であって、センサチップ搭載部としての柱28が存在する空間(中空部)とを指す。
Although the details will be described later, the
センサチップ110は、所定の軸方向の変位を最大で6軸検知する機能を有している。起歪体20は、印加された力をセンサチップ110に伝達する機能を有している。以降の実施形態では、一例として、センサチップ110が6軸を検知する場合について説明するが、これには限定されず、例えば、センサチップ110は3軸を検知するものであってもよい。
The
センサチップ110は、起歪体20の上面側に、起歪体20から突出しないように接着されている。また、起歪体20の上面及び各側面に、センサチップ110に対して信号の入出力を行う基板30の一端側が適宜屈曲された状態で接着されている。センサチップ110と基板30の各電極31とは、ボンディングワイヤ等(図示せず)により、電気的に接続されている。
The
(能動部品)
起歪体20の側面には、能動部品32~35が配置されている。具体的には、能動部品32~35は、基板30(例えば、フレキシブルプリント基板)の一方の面に実装され、基板30の他方の面は、起歪体20の側面に固定されている。能動部品32~35は、基板30に形成された配線パターン(図示せず)を介して、対応する電極31と電気的に接続されている。
(active parts)
より詳しくは、基板30において、起歪体20の第1の側面に配置された領域には能動部品32が実装されている。基板30において、起歪体20の第2の側面に配置された領域には能動部品33及び受動部品39が実装されている。基板30において、起歪体20の第3の側面に配置された領域には能動部品34及び受動部品39が実装されている。基板30において、起歪体20の第4の側面に配置された領域には能動部品35及び受動部品39が実装されている。
More specifically, an
能動部品33は、例えば、センサチップ110から出力されるX軸方向の力Fxを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号、及びセンサチップ110から出力されるY軸方向の力Fyを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号をディジタルの電気信号に変換するIC(ADコンバータ)である。
The
能動部品34は、例えば、センサチップ110から出力されるZ軸方向の力Fzを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号、及びセンサチップ110から出力されるX軸を軸として回転させるモーメントMxを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号をディジタルの電気信号に変換するIC(ADコンバータ)である。
The
能動部品35は、例えば、センサチップ110から出力されるY軸を軸として回転させるモーメントMyを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号、及びセンサチップ110から出力されるZ軸を軸として回転させるモーメントMzを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号をディジタルの電気信号に変換するIC(ADコンバータ)である。
For example, the
能動部品32は、例えば、能動部品33、34、及び35から出力されるディジタルの電気信号に対して所定の演算を行い、力Fx、Fy、及びFz、並びにモーメントMx、My、及びMzを示す信号を生成し、外部に出力するICである。受動部品39は、能動部品32~35に接続される抵抗やコンデンサ等である。
なお、能動部品32~35の機能をいくつのICで実現するかは任意に決定することができる。また、能動部品32~35を基板30に実装せずに、基板30と接続される外部回路側に実装する構成とすることも可能である。この場合には、基板30からアナログの電気信号が出力される。
The number of ICs to implement the functions of the
基板30は、起歪体20の第1の側面の下方で外側に屈曲し、基板30の他端側が外部に引き出されている。基板30の他端側には、力覚センサ装置1と接続される外部回路(制御装置等)との電気的な入出力が可能な端子(図示せず)が配列されている。
The
なお、本実施形態では、便宜上、力覚センサ装置1において、センサチップ110が設けられた側を上側または一方の側、その反対側を下側または他方の側とする。また、各部位のセンサチップ110が設けられた側の面を一方の面または上面、その反対側の面を他方の面または下面とする。但し、力覚センサ装置1は天地逆の状態で用いることができ、または任意の角度で配置することができる。また、平面視とは対象物をセンサチップ110の上面の法線方向(Z軸方向)から視ることを指し、平面形状とは対象物をセンサチップ110の上面の法線方向(Z軸方向)から視た形状を指すものとする。
In this embodiment, for convenience, the side on which the
(受力板)
受力板40の平面形状は、例えば、円形である。受力板40の上面側には平面形状が矩形の4つの凹部40xと、平面形状が円形の4つの貫通孔40yが設けられている。また、受力板40の上面側の中心部には、平面形状が円形の1つの凹部40zが設けられている。
(force receiving plate)
The planar shape of the
4つの凹部40xは各々起歪体20の入力部24a~24dを覆うように配置され、各々の凹部40xの底面は起歪体20側に突起して起歪体20の入力部24a~24dの上面と接している。但し、凹部40x、貫通孔40y、及び凹部40zの平面形状は、任意に決定することができる。
The four
図示はしないが、入力部24a~24dの上面に突起(または突起受部)を形成し、起歪体20側に突起した凹部40xの底面に突起受部(または突起)を形成して、入力部24a~24dの上面の突起(または突起受部)と凹部40xの底面の突起受部(または突起)を嵌め合わせることで受力板40と起歪体20とを位置決めするようにしてもよい。
Although not shown, projections (or projection receiving portions) are formed on the upper surfaces of the
凹部40x及び凹部40zは、必要に応じて、力覚センサ装置1を被固定部に取り付ける際の位置決めに用いることができる。また、貫通孔40yは、力覚センサ装置1を被固定部にねじ等を用いて締結するためのねじ孔である。
The
受力板40の材料としては、例えば、SUS(ステンレス鋼)630等を用いることができる。受力板40は、例えば、溶接により起歪体20に固定することができる。
As a material of the
このように、受力板40を設けることで、受力板40を介して起歪体20の入力部24a~24dに外部から力を入力することができる。
By providing the
(センサチップ)
図4は、センサチップ110をZ軸方向上側から視た図であり、図4(a)は斜視図、図4(b)は平面図である。図5は、センサチップ110をZ軸方向下側から視た図であり、図5(a)は斜視図、図5(b)は底面図である。なお、センサチップ110の上面の一辺に平行な方向をX軸方向、垂直な方向をY軸方向、センサチップ110の厚さ方向(センサチップ110の上面の法線方向)をZ軸方向としている。X軸方向、Y軸方向、及びZ軸方向は、互いに直交している。
(sensor chip)
4A and 4B are views of the
図4及び図5に示すセンサチップ110は、1チップで最大6軸を検知できるMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)センサチップであり、SOI(Silicon On Insulator)基板等の半導体基板から形成されている。センサチップ110の平面形状は、例えば、3000μm角程度の正方形とすることができる。
The
センサチップ110は、柱状の5つの支持部111a~111eを備えている。支持部111a~111eの平面形状は、例えば、500μm角程度の正方形とすることができる。第1の支持部である支持部111a~111dは、センサチップ110の四隅に配置されている。第2の支持部である支持部111eは、支持部111a~111dの中央に配置されている。
The
支持部111a~111eは、例えば、SOI基板の活性層、BOX層、及び支持層から形成することができ、それぞれの厚さは、例えば、500μm程度とすることができる。
The
支持部111aと支持部111bとの間には、支持部111aと支持部111bとに両端を固定された(隣接する支持部同士を連結する)、構造を補強するための補強用梁112aが設けられている。支持部111bと支持部111cとの間には、支持部111bと支持部111cとに両端を固定された(隣接する支持部同士を連結する)、構造を補強するための補強用梁112bが設けられている。
Reinforcing
支持部111cと支持部111dとの間には、支持部111cと支持部111dとに両端を固定された(隣接する支持部同士を連結する)、構造を補強するための補強用梁112cが設けられている。支持部111dと支持部111aとの間には、支持部111dと支持部111aとに両端を固定された(隣接する支持部同士を連結する)、構造を補強するための補強用梁112dが設けられている。
Between the supporting
言い換えれば、第1の補強用梁である4つの補強用梁112a、112b、112c、及び112dが枠状に形成され、各補強用梁の交点をなす角部が、支持部111b、111c、111d、111aとなる。
In other words, four reinforcing
支持部111aの内側の角部と、それに対向する支持部111eの角部とは、構造を補強するための補強用梁112eにより連結されている。支持部111bの内側の角部と、それに対向する支持部111eの角部とは、構造を補強するための補強用梁112fにより連結されている。
The inner corner of the
支持部111cの内側の角部と、それに対向する支持部111eの角部とは、構造を補強するための補強用梁112gにより連結されている。支持部111dの内側の角部と、それに対向する支持部111eの角部とは、構造を補強するための補強用梁112hにより連結されている。第2の補強用梁である補強用梁112e~112hは、X軸方向(Y軸方向)に対して斜めに配置されている。つまり、補強用梁112e~112hは、補強用梁112a、112b、112c、及び112dと非平行に配置されている。
The inner corner of the
補強用梁112a~112hは、例えば、SOI基板の活性層、BOX層、及び支持層から形成することができる。補強用梁112a~112hの太さ(短手方向の幅)は、例えば、140μm程度とすることができる。補強用梁112a~112hのそれぞれの上面は、支持部111a~111eの上面と略面一である。
The reinforcing
これに対して、補強用梁112a~112hのそれぞれの下面は、支持部111a~111eの下面及び力点114a~114dの下面よりも数10μm程度上面側に窪んでいる。これは、センサチップ110を起歪体20に接着したときに、補強用梁112a~112hの下面が起歪体20の対向する面と接しないようにするためである。
On the other hand, the lower surfaces of the reinforcing
このように、歪を検知するための検知用梁とは別に、検知用梁よりも厚く形成した剛性の強い補強用梁を配置することで、センサチップ110全体の剛性を高めることができる。これにより、入力に対して検知用梁以外が変形しづらくなるため、良好なセンサ特性を得ることができる。
In this manner, by arranging the stiffening reinforcing beams which are thicker than the sensing beams and have high rigidity, separately from the sensing beams for sensing strain, the rigidity of the
支持部111aと支持部111bとの間の補強用梁112aの内側には、補強用梁112aと所定間隔を空けて平行に、支持部111aと支持部111bとに両端を固定された(隣接する支持部同士を連結する)、歪を検知するための検知用梁113aが設けられている。
Inside the reinforcing
検知用梁113aと支持部111eとの間には、検知用梁113a及び支持部111eと所定間隔を空けて検知用梁113aと平行に、検知用梁113bが設けられている。検知用梁113bは、補強用梁112eの支持部111e側の端部と補強用梁112fの支持部111e側の端部とを連結している。
Between the
検知用梁113aの長手方向の略中央部と、それに対向する検知用梁113bの長手方向の略中央部とは、検知用梁113a及び検知用梁113bと直交するように配置された検知用梁113cにより連結されている。
The substantially central portion in the longitudinal direction of the
支持部111bと支持部111cとの間の補強用梁112bの内側には、補強用梁112bと所定間隔を空けて平行に、支持部111bと支持部111cとに両端を固定された(隣接する支持部同士を連結する)、歪を検知するための検知用梁113dが設けられている。
Inside the reinforcing
検知用梁113dと支持部111eとの間には、検知用梁113d及び支持部111eと所定間隔を空けて検知用梁113dと平行に、検知用梁113eが設けられている。検知用梁113eは、補強用梁112fの支持部111e側の端部と補強用梁112gの支持部111e側の端部とを連結している。
Between the
検知用梁113dの長手方向の略中央部と、それに対向する検知用梁113eの長手方向の略中央部とは、検知用梁113d及び検知用梁113eと直交するように配置された検知用梁113fにより連結されている。
The substantially central portion in the longitudinal direction of the
支持部111cと支持部111dとの間の補強用梁112cの内側には、補強用梁112cと所定間隔を空けて平行に、支持部111cと支持部111dとに両端を固定された(隣接する支持部同士を連結する)、歪を検知するための検知用梁113gが設けられている。
Inside the reinforcing
検知用梁113gと支持部111eとの間には、検知用梁113g及び支持部111eと所定間隔を空けて検知用梁113gと平行に、検知用梁113hが設けられている。検知用梁113hは、補強用梁112gの支持部111e側の端部と補強用梁112hの支持部111e側の端部とを連結している。
Between the
検知用梁113gの長手方向の略中央部と、それに対向する検知用梁113hの長手方向の略中央部とは、検知用梁113g及び検知用梁113hと直交するように配置された検知用梁113iにより連結されている。
A substantially central portion in the longitudinal direction of the
支持部111dと支持部111aとの間の補強用梁112dの内側には、補強用梁112dと所定間隔を空けて平行に、支持部111dと支持部111aとに両端を固定された(隣接する支持部同士を連結する)、歪を検知するための検知用梁113jが設けられている。
Inside the reinforcing
検知用梁113jと支持部111eとの間には、検知用梁113j及び支持部111eと所定間隔を空けて検知用梁113jと平行に、検知用梁113kが設けられている。検知用梁113kは、補強用梁112hの支持部111e側の端部と補強用梁112eの支持部111e側の端部とを連結している。
Between the
検知用梁113jの長手方向の略中央部と、それに対向する検知用梁113kの長手方向の略中央部とは、検知用梁113j及び検知用梁113kと直交するように配置された検知用梁113lにより連結されている。
The substantially central portion in the longitudinal direction of the
検知用梁113a~113lは、支持部111a~111eの厚さ方向の上端側に設けられ、例えば、SOI基板の活性層から形成することができる。検知用梁113a~113lの太さ(短手方向の幅)は、例えば、75μm程度とすることができる。検知用梁113a~113lのそれぞれの上面は、支持部111a~111eの上面と略面一である。検知用梁113a~113lのそれぞれの厚さは、例えば、50μm程度とすることができる。
The
検知用梁113aの長手方向の中央部の下面側(検知用梁113aと検知用梁113cとの交点)には、力点114aが設けられている。検知用梁113a、113b、及び113cと力点114aとにより、1組の検知ブロックをなしている。
A
検知用梁113dの長手方向の中央部の下面側(検知用梁113dと検知用梁113fとの交点)には、力点114bが設けられている。検知用梁113d、113e、及び113fと力点114bとにより、1組の検知ブロックをなしている。
A
検知用梁113gの長手方向の中央部の下面側(検知用梁113gと検知用梁113iとの交点)には、力点114cが設けられている。検知用梁113g、113h、及び113iと力点114cとにより、1組の検知ブロックをなしている。
A
検知用梁113jの長手方向の中央部の下面側(検知用梁113jと検知用梁113lとの交点)には、力点114dが設けられている。検知用梁113j、113k、及び113lと力点114dとにより、1組の検知ブロックをなしている。
A
力点114a~114dは、外力が印加される箇所であり、例えば、SOI基板のBOX層及び支持層から形成することができる。力点114a~114dのそれぞれの下面は、支持部111a~111eの下面と略面一である。
このように、力または変位を4つの力点114a~114dから取り入れることで、力の種類毎に異なる梁の変形が得られるため、6軸の分離性が良いセンサを実現することができる。
In this way, by taking in force or displacement from the four
なお、センサチップ110において、応力集中を抑制する観点から、内角を形成する部分はR状とすることが好ましい。
In addition, in the
図6は、各軸にかかる力及びモーメントを示す符号を説明する図である。図6に示すように、X軸方向の力をFx、Y軸方向の力をFy、Z軸方向の力をFzとする。また、X軸を軸として回転させるモーメントをMx、Y軸を軸として回転させるモーメントをMy、Z軸を軸として回転させるモーメントをMzとする。 FIG. 6 is a diagram for explaining symbols indicating forces and moments applied to each axis. As shown in FIG. 6, let Fx be the force in the X-axis direction, Fy be the force in the Y-axis direction, and Fz be the force in the Z-axis direction. Let Mx be the moment of rotation about the X axis, My be the moment of rotation about the Y axis, and Mz be the moment of rotation about the Z axis.
図7は、センサチップ110のピエゾ抵抗素子の配置を例示する図である。4つ力点114a~114dに対応する各検知ブロックの所定位置には、ピエゾ抵抗素子が配置されている。
FIG. 7 is a diagram illustrating the arrangement of the piezoresistive elements of the
具体的には、図4及び図7を参照すると、力点114aに対応する検知ブロックにおいて、ピエゾ抵抗素子MxR3及びMxR4は、検知用梁113aを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁113aの検知用梁113cに近い領域において検知用梁113cを長手方向(Y方向)に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。また、ピエゾ抵抗素子FyR3及びFyR4は、検知用梁113aを長手方向に二等分する線よりも補強用梁112a側であって、かつ、検知用梁113aの検知用梁113cから遠い領域において検知用梁113cを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。
Specifically, referring to FIGS. 4 and 7, in the sensing block corresponding to the
また、力点114bに対応する検知ブロックにおいて、ピエゾ抵抗素子MyR3及びMyR4は、検知用梁113dを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁113dの検知用梁113fに近い領域において検知用梁113fを長手方向(X方向)に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。また、ピエゾ抵抗素子FxR3及びFxR4は、検知用梁113dを長手方向に二等分する線よりも補強用梁112b側であって、かつ、検知用梁113dの検知用梁113fから遠い領域において検知用梁113fを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。
In addition, in the detection block corresponding to the
また、ピエゾ抵抗素子MzR3及びMzR4は、検知用梁113dを長手方向に二等分する線よりも検知用梁113f側であって、かつ、検知用梁113dの検知用梁113fに近い領域において検知用梁113fを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。ピエゾ抵抗素子FzR2及びFzR3は、検知用梁113eを長手方向に二等分する線よりも支持部111e側であって、かつ、検知用梁113eの検知用梁113fに近い領域において検知用梁113fを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。
In addition, the piezoresistive elements MzR3 and MzR4 detect in a region closer to the
また、力点114cに対応する検知ブロックにおいて、ピエゾ抵抗素子MxR1及びMxR2は、検知用梁113gを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁113gの検知用梁113iに近い領域において検知用梁113iを長手方向(Y方向)に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。また、ピエゾ抵抗素子FyR1及びFyR2は、検知用梁113gを長手方向に二等分する線よりも補強用梁112c側であって、かつ、検知用梁113gの検知用梁113iから遠い領域において検知用梁113iを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。
In addition, in the sensing block corresponding to the
また、力点114dに対応する検知ブロックにおいて、ピエゾ抵抗素子MyR1及びMyR2は、検知用梁113jを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁113jの検知用梁113lに近い領域において検知用梁113lを長手方向(X方向)に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。また、ピエゾ抵抗素子FxR1及びFxR2は、検知用梁113jを長手方向に二等分する線よりも補強用梁112d側であって、かつ、検知用梁113jの検知用梁113lから遠い領域において検知用梁113lを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。
In addition, in the detection block corresponding to the
また、ピエゾ抵抗素子MzR1及びMzR2は、検知用梁113jを長手方向に二等分する線よりも検知用梁113k側であって、かつ、検知用梁113jの検知用梁113lに近い領域において検知用梁113lを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。ピエゾ抵抗素子FzR1及びFzR4は、検知用梁113kを長手方向に二等分する線よりも支持部111e側であって、かつ、検知用梁113kの検知用梁113lから遠い領域において検知用梁113lを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。
In addition, the piezoresistive elements MzR1 and MzR2 are located on the
このように、センサチップ110では、各検知ブロックに複数のピエゾ抵抗素子を分けて配置している。これにより、力点114a~114dに印加(伝達)された力の向き(軸方向)に応じた、所定の梁に配置された複数のピエゾ抵抗素子の出力の変化に基づいて、所定の軸方向の変位を最大で6軸検知することができる。
In this way, in the
また、センサチップ110では、検知用梁113c、113f、113i、及び113lをできるだけ短くして、検知用梁113b、113e、113h、及び113kを検知用梁113a、113d、113g、及び113jに近つけ、検知用梁113b、113e、113h、及び113kの長さをできるだけ確保する構造としている。この構造により、検知用梁113b、113e、113h、及び113kが弓なりに撓みやすくなって応力集中を緩和でき、耐荷重が向上する。
In the
また、センサチップ110では、短くしたことで応力に対する変形が小さくなった検知用梁113c、113f、113i、及び113lにはピエゾ抵抗素子を配置していない。その代り、検知用梁113c、113f、113i、及び113lよりも細くて長く、弓なりに撓みやすい検知用梁113a、113d、113g、及び113j、並びに検知用梁113b、113e、113h、及び113kの応力が最大になる位置の近傍にピエゾ抵抗素子を配置している。その結果、センサチップ110では、効率よく応力を取り込むことが可能となり、感度(同じ応力に対するピエゾ抵抗素子の抵抗変化)が向上する。
Further, in the
なお、センサチップ110では、歪の検出に用いるピエゾ抵抗素子以外にも、ダミーのピエゾ抵抗素子が配置されている。ダミーのピエゾ抵抗素子は、歪の検出に用いるピエゾ抵抗素子も含めた全てのピエゾ抵抗素子が、支持部111eの中心に対して点対称となるように配置されている。
In the
ここで、ピエゾ抵抗素子FxR1~FxR4は力Fxを検出し、ピエゾ抵抗素子FyR1~FyR4は力Fyを検出し、ピエゾ抵抗素子FzR1~FzR4は力Fzを検出する。また、ピエゾ抵抗素子MxR1~MxR4はモーメントMxを検出し、ピエゾ抵抗素子MyR1~MyR4はモーメントMyを検出し、ピエゾ抵抗素子MzR1~MzR4はモーメントMzを検出する。 Here, piezoresistive elements FxR1 to FxR4 detect force Fx, piezoresistive elements FyR1 to FyR4 detect force Fy, and piezoresistive elements FzR1 to FzR4 detect force Fz. The piezoresistive elements MxR1 to MxR4 detect the moment Mx, the piezoresistive elements MyR1 to MyR4 detect the moment My, and the piezoresistive elements MzR1 to MzR4 detect the moment Mz.
このように、センサチップ110では、各検知ブロックに複数のピエゾ抵抗素子を分けて配置している。これにより、力点114a~114dに印加(伝達)された力または変位の向き(軸方向)に応じた、所定の梁に配置された複数のピエゾ抵抗素子の出力の変化に基づいて、所定の軸方向の変位を最大で6軸検知することができる。
In this way, in the
具体的には、センサチップ110において、Z軸方向の変位(Mx、My、Fz)は、所定の検知用梁の変形に基づいて検知することができる。すなわち、X軸方向及びY軸方向のモーメント(Mx、My)は、第1の検知用梁である検知用梁113a、113d、113g、及び113jの変形に基づいて検知することができる。また、Z軸方向の力(Fz)は、第2の検知用梁である検知用梁113e及び113kの変形に基づいて検知することができる。
Specifically, in the
また、センサチップ110において、X軸方向及びY軸方向の変位(Fx、Fy、Mz)は、所定の検知用梁の変形に基づいて検知することができる。すなわち、X軸方向及びY軸方向の力(Fx、Fy)は、第1の検知用梁である検知用梁113a、113d、113g、及び113jの変形に基づいて検知することができる。また、Z軸方向のモーメント(Mz)は、第1の検知用梁である検知用梁113d及び113jの変形に基づいて検知することができる。
In addition, in the
各検知用梁の厚みと幅を可変することで、検出感度の均一化や、検出感度の向上等の調整を図ることができる。 By varying the thickness and width of each detection beam, it is possible to make adjustments such as making the detection sensitivity uniform and improving the detection sensitivity.
但し、ピエゾ抵抗素子の数を減らし、5軸以下の所定の軸方向の変位を検知するセンサチップとすることも可能である。 However, it is also possible to reduce the number of piezoresistive elements and make a sensor chip that detects displacement in a predetermined axial direction of five axes or less.
図8は、センサチップ110における電極配置と配線を例示する図であり、センサチップ110をZ軸方向上側から視た平面図である。図8に示すように、センサチップ110は、電気信号を取り出すための複数の電極15を有している。各電極15は、力点114a~114dに力が印加された際の歪みが最も少ない、センサチップ110の支持部111a~111dの上面に配置されている。各ピエゾ抵抗素子から電極15までの配線16は、各補強用梁上及び各検知用梁上を適宜引き回すことができる。
FIG. 8 is a diagram illustrating the electrode arrangement and wiring in the
このように、各補強用梁は、必要に応じて配線を引き出す際の迂回路としても利用できるため、検知用梁とは別に補強用梁を配置することで、配線設計の自由度を向上することができる。これにより、各ピエゾ抵抗素子を、より理想的な位置に配置することが可能となる。 In this way, each reinforcing beam can also be used as a detour when wiring is drawn out as needed, so by arranging the reinforcing beams separately from the detection beams, the degree of freedom in wiring design is improved. be able to. This makes it possible to arrange each piezoresistive element at a more ideal position.
図9は、センサチップ110の温度センサを例示する拡大平面図である。図8及び図9に示すように、センサチップ110は、歪み検出用に用いるピエゾ抵抗素子に温度補正を行うための温度センサ17を備えている。温度センサ17は、4つのピエゾ抵抗素子TR1、TR2、TR3、及びTR4がブリッジ接続された構成である。
FIG. 9 is an enlarged plan view illustrating temperature sensors of the
ピエゾ抵抗素子TR1、TR2、TR3、及びTR4のうち、対向する2つは歪み検出用に用いるピエゾ抵抗素子MxR1等と同一特性とされている。また、ピエゾ抵抗素子TR1、TR2、TR3、及びTR4のうち、対向する他の2つは、不純物半導体により不純物濃度を変えることで、ピエゾ抵抗素子MxR1等と異なる特性とされている。これにより、温度変化によりブリッジのバランスが崩れるため、温度検出が可能となる。 Of the piezoresistive elements TR1, TR2, TR3, and TR4, two opposing ones have the same characteristics as the piezoresistive element MxR1 used for strain detection. Among the piezoresistive elements TR1, TR2, TR3, and TR4, the other two facing each other have different characteristics from those of the piezoresistive elements MxR1 and the like by changing the impurity concentration with an impurity semiconductor. This makes it possible to detect the temperature because the balance of the bridge is lost due to the change in temperature.
なお、歪み検出用に用いるピエゾ抵抗素子(MxR1等)は、全て、センサチップ110を構成する半導体基板(シリコン等)の結晶方位に水平または垂直に配置されている。これにより、同じ歪みに対して、より大きな抵抗の変化を得ることができ、印加される力及びモーメントの測定精度を向上させることが可能となる。
The piezoresistive elements (MxR1, etc.) used for strain detection are all arranged horizontally or vertically with respect to the crystal orientation of the semiconductor substrate (silicon, etc.) forming the
これに対して、温度センサ17を構成するピエゾ抵抗素子TR1、TR2、TR3、及びTR4は、センサチップ110を構成する半導体基板(シリコン等)の結晶方位に対して45度傾けて配置されている。これにより、応力に対する抵抗変化を低減できるため、温度変化のみを精度よく検知できる。
On the other hand, the piezoresistive elements TR1, TR2, TR3, and TR4 forming the
また、温度センサ17は、力点114a~114dに力が印加された際の歪みが最も少ない、センサチップ110の支持部111aの上面に配置されている。これにより、応力に対する抵抗変化をいっそう低減することができる。
Moreover, the
(起歪体)
図10は、起歪体20を例示する図(その1)であり、図10(a)は斜視図、図10(b)は側面図である。図11は、起歪体20を例示する図(その2)であり、図11(a)は平面図、図11(b)は図11(a)のA-A線に沿う縦断面斜視図である。図12は、起歪体20を例示する図(その3)であり、図12(a)は図11(a)のB-B線に沿う縦断面図であり、図12(b)は図12(a)のC-C線に沿う横断面図である。
(Strain-generating body)
10A and 10B are diagrams (part 1) illustrating the
図10~図12に示すように、起歪体20は、被固定部に直接取り付けられる土台21と、センサチップ110を搭載するセンサチップ搭載部となる柱28と、柱28の周囲に離間して配置された柱22a~22dとを備えている。
As shown in FIGS. 10 to 12, the
より詳しくは、起歪体20において、略円形の土台21の上面に、土台21の中心に対して均等(点対称)となるように4本の柱22a~22dが配置され、隣接する柱の土台21とは反対側同士を連結する梁23a~23dが枠状に設けられている。そして、土台21の上面中央の上方に、柱28が配置されている。なお、土台21の平面形状は円形には限定されず、多角形等(例えば、正方形等)としてもよい。
More specifically, in the
柱28は、柱22a~22dよりも太くて短く形成されている。なお、センサチップ110は、柱22a~22dの上面から突出しないように、柱28上に固定される。
The
柱28は、土台21の上面には直接固定されていなく、接続用梁28a~28dを介して柱22a~22dに固定されている。そのため、土台21の上面と柱28の下面との間には空間がある。柱28の下面と、接続用梁28a~28dの各々の下面とは、面一とすることができる。
The
柱28の接続用梁28a~28dが接続される部分の横断面形状は例えば矩形であり、矩形の四隅と矩形の四隅に対向する柱22a~22dとが接続用梁28a~28dを介して接続されている。接続用梁28a~28dが、柱22a~22dと接続される位置221~224は、柱22a~22dの高さ方向の中間よりも下側であることが好ましい。この理由については、後述する。なお、柱28の接続用梁28a~28dが接続される部分の横断面形状は矩形には限定されず、円形や多角形等(例えば、六角形等)としてもよい。
The cross-sectional shape of the portion of the
接続用梁28a~28dは、土台21の中心に対して均等(点対称)となるように、土台21の上面と所定間隔を空けて土台21の上面と略平行に配置されている。接続用梁28a~28dの太さや厚み(剛性)は、起歪体20の変形を妨げないようにするため、柱22a~22dや梁23a~23dよりも細く薄く形成することが好ましい。
The connecting
このように、土台21の上面と柱28の下面とは所定の距離だけ離れている。所定の距離は、例えば、数mm程度とすることができる。柱28を土台21の上面には直接固定せず、柱28を接続用梁28a~28dを介して柱22a~22dに固定する構造とした場合、土台21の上面と柱28の下面との距離を長くするほど、ねじ締結時の柱28の変形が低減され、結果としてセンサチップ110のFz出力(オフセット)が低減される。一方、土台21の上面と柱28の下面との距離を長くするほど、センサチップ110の出力が低下する(感度が低下する)。
Thus, the upper surface of the
すなわち、柱28は、柱22a~22dの中間よりも下側に接続することが好ましい。これにより、センサチップ110の感度を確保しながら、ねじ締結時のセンサチップ110のFz出力(オフセット)を低減することができる。
That is, it is preferable that the
ねじ締結時のセンサチップ110のFz出力(オフセット)の低減を土台21の剛性を上げることで達成しようとした場合、土台21の厚みを厚くする必要があり、力覚センサ装置全体のサイズが大きくなってしまう。柱28を土台21の上面には直接固定せず、柱28を接続用梁28a~28dを介して柱22a~22dに固定する構造することにより、力覚センサ装置全体のサイズが大きくなることなく、ねじ締結時のセンサチップ110のFz出力(オフセット)を低減することができる。
If an attempt is made to reduce the Fz output (offset) of the
また、柱28を土台21の上面には直接固定せず、柱28を接続用梁28a~28dを介して柱22a~22dに固定する構造することにより、モーメント(Mx、My)入力時のモーメント成分(Mx、My)と並進方向の力成分(Fx、Fy)の分離性を向上することができる。
In addition, by fixing the
土台21には、起歪体20を被固定部にねじ等を用いて締結するための貫通孔21xが設けられている。本実施の形態では、土台21には4つの貫通孔21xが設けられているが、貫通孔21xの個数は任意に決定することができる。
The
また、土台21の中心部には、1つの貫通孔21aが設けられている。貫通孔21aは、カバー50と起歪体20とで形成される内部空間に連通上述の媒体を注入するために用いられる。
In addition, one through
土台21を除く起歪体20の概略形状は、例えば、縦5000μm程度、横5000μm程度、高さ7000μm程度の直方体状とすることができる。柱22a~22dの横断面形状は、例えば、1000μm角程度の正方形とすることができる。柱28の横断面形状は、例えば、2000μm角程度の正方形とすることができる。
The general shape of the
但し、起歪体20において、応力集中を抑制する観点から、内角を形成する部分はR状とすることが好ましい。例えば、柱22a~22dの土台21の上面の中心側の面は、上下がR状に形成されていることが好ましい。同様に、梁23a~23dの土台21の上面と対向する面は、左右がR状に形成されていることが好ましい。
However, in the
なお、R状の部分の曲率半径が大きいほど、応力集中を抑制する効果が大きくなる。しかし、R状の部分の曲率半径を大きくし過ぎると、起歪体20が大型化し、結果として力覚センサ装置1も大型化するため、R状の部分の曲率半径を大きくすることには限界がある。
It should be noted that the greater the radius of curvature of the R-shaped portion, the greater the effect of suppressing stress concentration. However, if the radius of curvature of the R-shaped portion is made too large, the strain-generating
そこで、本実施の形態では、図11(a)に示したように、力覚センサ装置1にMx、My、及びMzが印加された際に過大な応力集中が発生する梁23a~23dの長手方向の中央部を両端部よりも太くしている。そして、梁23a~23dの長手方向の中央部は、柱22a~22dの側面よりも内側及び外側に張り出した張り出し部を備えている。
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 11(a), when Mx, My, and Mz are applied to the
これにより、梁23a~23dの長手方向の中央部の断面積が大きくなるため、力覚センサ装置1にMx、My、及びMzが印加された際に、元々応力集中していた梁23a~23dの長手方向の中央部に発生する応力を低減することができる。すなわち、梁23a~23dの長手方向の中央部への応力集中を緩和することができる。
As a result, the cross-sectional areas of the central portions in the longitudinal direction of the
また、梁23a~23dの長手方向の中央部の側面を柱22a~22dの側面よりも外側に張り出させて張り出し部を設けたことにより、起歪体20の4つの側面に余剰空間が生じたため、能動部品32~35の各々の少なくても一部分を余剰空間に入り込ませることができ、起歪体20の側面に効率的に配置することができる(図2、図3等参照)。
In addition, since the side surfaces of the
能動部品32~35は、例えば、梁23a~23dよりも土台21側の起歪体20の側面において、平面視で張り出し部と少なくとも一部が重複するように配置することができる(図3(a)、図3(b)等参照)。
For example, the
梁23a~23dのそれぞれの上面の長手方向の中央部には、梁23a~23dの長手方向の中央部から上方に突起する突起部が設けられ、突起部上に、例えば四角柱状の入力部24a~24dが設けられている。入力部24a~24dは外部から力が印加される部分であり、入力部24a~24dに力が印加されると、それに応じて梁23a~23d及び柱22a~22dが変形する。
Projections that protrude upward from the longitudinal centers of the
このように、4つの入力部24a~24dを設けることで、例えば1つの入力部の構造と比較して、梁23a~23dの耐荷重を向上することができる。
By providing the four
柱28の上面の四隅には4本の柱25a~25dが配置され、柱28の上面の中央部には第4の柱である柱25eが配置されている。柱25a~25eは、同一の高さに形成されている。
Four
すなわち、柱25a~25eのそれぞれの上面は、同一平面上に位置している。柱25a~25eのそれぞれの上面は、センサチップ110の下面と接着される接合部となる。
That is, the upper surfaces of the
梁23a~23dのそれぞれの内側面の長手方向の中央部には、梁23a~23dのそれぞれの内側面から水平方向内側に突出する梁26a~26dが設けられている。梁26a~26dは、梁23a~23dや柱22a~22dの変形をセンサチップ110に伝達する梁である。また、梁26a~26dのそれぞれの上面の先端側には、梁26a~26dのそれぞれの上面の先端側から上方に突起する突起部27a~27dが設けられている。
突起部27a~27dは、同一の高さに形成されている。すなわち、突起部27a~27dのそれぞれの上面は、同一平面上に位置している。突起部27a~27dのそれぞれの上面は、センサチップ110の下面と接着される接合部となる。梁26a~26d及び突起部27a~27dは、可動部となる梁23a~23dと連結されているため、入力部24a~24dに力が印加されると、それに応じて変形する。
The
なお、入力部24a~24dに力が印加されていない状態では、柱25a~25eのそれぞれの上面と、突起部27a~27dのそれぞれの上面とは、同一平面上に位置している。
Note that when no force is applied to the
起歪体20において、土台21、柱22a~22d、柱28、梁23a~23d、入力部24a~24d、柱25a~25e、梁26a~26d、及び突起部27a~27dの各部位は、剛性を確保しかつ精度良く作製する観点から、一体に形成されていることが好ましい。起歪体20の材料としては、例えば、SUS(ステンレス鋼)等の硬質な金属材料を用いることができる。中でも、特に硬質で機械的強度の高いSUS630を用いることが好ましい。
In the
このように、センサチップ110と同様に、起歪体20も柱と梁とを備えた構造とすることで、印加される力によって6軸それぞれで異なる変形を示すため、6軸の分離性が良い変形をセンサチップ110に伝えることができる。
In this way, like the
すなわち、起歪体20の入力部24a~24dに印加された力を、柱22a~22d、梁23a~23d、及び梁26a~26dを介してセンサチップ110に伝達し、センサチップ110で変位を検知する。そして、センサチップ110において、1つの軸につき1個ずつ形成されたブリッジ回路から各軸の出力を得ることができる。
That is, the forces applied to the
(力覚センサ装置の製造工程)
図13~図18は、力覚センサ装置1の製造工程を例示する図である。まず、図13(a)に示すように、起歪体20を作製する。起歪体20は、例えば、成形や切削、ワイヤ放電等により一体に形成することができる。起歪体20の材料としては、例えば、SUS(ステンレス鋼)等の硬質な金属材料を用いることができる。中でも、特に硬質で機械的強度の高いSUS630を用いることが好ましい。起歪体20を成形により作製する場合には、例えば、金属粒子とバインダーとなる樹脂とを金型に入れて成形し、その後、焼結して樹脂を蒸発させることで、金属からなる起歪体20を作製できる。
(Manufacturing process of force sensor device)
13 to 18 are diagrams illustrating the manufacturing process of the
次に、図13(b)に示す工程では、柱25a~25eの上面、及び突起部27a~27dの上面に接着剤41を塗布する。接着剤41としては、例えば、エポキシ系の接着剤等を用いることができる。外部から印加される力に対する耐力の点から、接着剤41はヤング率1GPa以上で厚さ20μm以下であることが好ましい。
Next, in the step shown in FIG. 13B, an adhesive 41 is applied to the upper surfaces of the
次に、図14(a)に示す工程では、センサチップ110を作製する。センサチップ110は、例えば、SOI基板を準備し、準備した基板にエッチング加工(例えば、反応性イオンエッチング等)等を施す周知の方法により作製できる。また、電極や配線は、例えば、基板の表面にスパッタ法等によりアルミニウム等の金属膜を成膜後、金属膜をフォトリソグラフィによってパターニングすることにより作製できる。
Next, in the process shown in FIG. 14A, the
次に、図14(b)に示す工程では、センサチップ110の下面が柱25a~25eの上面、及び突起部27a~27dの上面に塗布された接着剤41と接するように、センサチップ110を起歪体20内に加圧しながら配置する。そして、接着剤41を所定温度に加熱して硬化させる。これにより、センサチップ110が起歪体20内に固定される。具体的には、センサチップ110の支持部111a~111dが各々柱25a~25e上に固定され、支持部111eが柱25e上に固定され、力点114a~114dが各々突起部27a~27d上に固定される。
Next, in the step shown in FIG. 14B, the
次に、図15(a)に示す工程では、能動部品32~35及び受動部品39が実装された基板30を準備する。
Next, in the step shown in FIG. 15(a), the
基板30は、図16(a)の工程で柱22a~22dの上面(端面)に固定される端面固定部30aを備えている。図15(a)において、十字がクロスする領域が端面固定部30aである。端面固定部30aの4隅には、電極31(ボンディングパッド)が設けられている。
The
基板30は、端面固定部30aから4方向に延伸し、図17(a)の工程で端面固定部30aに対して屈曲して柱22a~22dの側面に固定される側面固定部30b~30eを備えている。
The
本実施の形態では、側面固定部30bには能動部品32が実装され、側面固定部30cには能動部品33及び受動部品39が実装され、側面固定部30dには能動部品34及び受動部品39が実装され、側面固定部30eには能動部品35及び受動部品39が実装されている。但し、側面固定部30b~30eの全てに能動部品が実装される必要はなく、側面固定部30b~30eうちの少なくとも1つに能動部品が実装されていればよい。
In this embodiment, the
基板30は、側面固定部30bから延伸する延伸部30fを備えている。延伸部30fの端部には、力覚センサ装置1と接続される外部回路(制御装置等)との電気的な入出力が可能な入出力端子(図示せず)が配列されている。
The
端面固定部30aは、図16(a)の工程で柱22a~22dの上面(端面)に固定される際にセンサチップ110及び入力部24a~24dを露出する開口部30xを備えている。開口部30xは、端面固定部30aから側面固定部30b~30eの各々の一部に延伸している。
The end
このように、基板30は、開口部30xが設けられていること、配線の引き回しの容易性、及び能動部品32~35が実装されることから、例えば、十字形状の外形とすることができる。
In this way, the
次に、図15(b)に示す工程では、柱22a~22dの上面に、接着剤42を塗布する。接着剤42としては、例えば、エポキシ系の接着剤等を用いることができる。なお、接着剤42は、基板30を起歪体20上に固定するためのものであり、外部から力が印加されないため、汎用の接着剤を用いることができる。
Next, in the step shown in FIG. 15B, an adhesive 42 is applied to the upper surfaces of the
次に、図16(a)に示す工程では、基板30の端面固定部30aの4隅の下面が柱22a~22dの上面に塗布された接着剤42と接するように、基板30を起歪体20上に配置する。この時点では、側面固定部30b~30eは、端面固定部30aに対して屈曲していない。
Next, in the step shown in FIG. 16(a), the
次に、図16(b)に示す工程では、柱22a~22dの各々の外側を向く2側面に接着剤43を(例えば、上下方向に2カ所ずつ)塗布する。但し、能動部品32が実装された部分の基板30の裏面と接着される領域では、柱22a及び22dの側面下方から土台21の上面外周部に延伸するように接着剤43を塗布する。
Next, in the step shown in FIG. 16B, the adhesive 43 is applied (for example, two places each in the vertical direction) to the two side surfaces facing the outside of each of the
接着剤43としては、例えば、エポキシ系の接着剤等を用いることができる。なお、接着剤43は、基板30を起歪体20上に固定するためのものであり、外部から力が印加されないため、汎用の接着剤を用いることができる。接着剤43として、接着剤42と同じ接着剤を用いてもよい。或いは、接着剤42としてはワイヤボンディング性を確保するためにフィラー入りの比較的硬い(ヤング率の高い)接着剤を用い、接着剤43としては起歪体20の変形に追従する柔軟性を確保するために比較的柔らかい(ヤング率の低い)接着剤を用いてもよい。また、接着剤43は、図15(b)の工程で接着剤42と共に塗布してもよい。
As the adhesive 43, for example, an epoxy-based adhesive or the like can be used. The adhesive 43 is for fixing the
次に、図17(a)に示す工程では、起歪体20上に配された端面固定部30aから水平方向にはみ出した側面固定部30b~30eを、起歪体20の各側面側に折り曲げる。そして、基板30を起歪体20側に加圧しながら接着剤42及び43を所定温度に加熱して硬化させる。これにより、基板30が起歪体20に固定される。なお、基板30はフレキシブル基板であり、起歪体20に対して十分に柔らかいことや、基板30と起歪体20とが部分的な接着であることから、基板30は起歪体20の変形を阻害しない。
Next, in the step shown in FIG. 17(a), the side
次に、基板30の電極31とセンサチップ110の対応する電極15とをボンディングワイヤ(金線や銅線等の金属線)等(図示せず)により電気的に接続する。基板30において、端面固定部30aの、柱22a~22dの上面(端面)と平面視で重複する4隅の領域に電極31が形成されているが、柱22a~22dの上面(端面)は、入力部24a~24dに力が印加された際の歪みが最も少ない領域である。そのため、この領域は、超音波で加圧することが容易であり、ワイヤボンディングを安定して行うことができる。以上の工程により力覚センサ装置1が完成する。
Next, the
このように、力覚センサ装置1は、センサチップ110、起歪体20、及び基板30の3部品のみで作製できるため、組み立てが容易であり、かつ位置合わせ箇所も最低限で済むため、実装起因による精度の劣化を抑制できる。
In this way, since the
また、起歪体20において、センサチップ110との接続箇所(柱25a~25eの上面、及び突起部27a~27dの上面)は全て同一平面にあるため、起歪体20に対するセンサチップ110の位置合わせが1回で済み、起歪体20にセンサチップ110を実装することが容易である。
In addition, in the
なお、図17(b)に示すように、更にカバーを接着する工程を設けてもよい。図17(b)に示す工程では、起歪体20の土台21より上側及びセンサチップ110を覆うように、入力部24a~24dを露出する開口部が設けられたカバー50を土台21の外周部に接着する。カバー50としては、例えば、金属材の表面にニッケルめっき等を施した材料を用いることができる。カバー50の上面の中心部には、貫通孔50aが設けられている。貫通孔21aは、カバー50内の空間に連通している。
In addition, as shown in FIG. 17(b), a step of adhering the cover may be further provided. In the step shown in FIG. 17B, a
基板30は起歪体20に接着されており、かつ、基板30の能動部品32~35が実装された部分は、基板30を折り曲げた際に、起歪体20の高さ方向のサイズ以内に収まっている。そのため、基板30は、カバー50の取り付けを阻害しない。
The
カバー50を設けることにより、防塵及び電気ノイズ対策が可能となる。特に、金属製の起歪体20及びカバー50を、銀ペースト等を用いて、基板30のGNDと電気的に接続することにより、ノイズ耐性(信号安定性)を高めることができる。この場合、基板30に、センサチップ110及び能動部品32~35とは系列の異なるGND端子を設け、このGND端子と起歪体20及びカバー50とを電気的に接続することが好ましい。
By providing the
次に、図18(a)に示す製造工程では、起歪体20の土台21を下方に向けた状態において、カバー50に設けられた貫通孔50aからカバー50内に、空気より熱導電性が高く、流動性及び熱硬化性を有する媒体を注入する。この媒体の注入には、例えば、ニードル式のディスペンサを用いる。図18(a)に示すように、ディスペンサのニードル60を貫通孔50aに挿入することにより媒体の注入を行う。
Next, in the manufacturing process shown in FIG. 18( a ), with the
次に、図18(b)に示す製造工程では、起歪体20の土台21を上方に向けた状態において、土台21に設けられた貫通孔21aからカバー50内に、空気より熱導電性が高く、流動性及び熱硬化性を有する媒体を注入する。図18(a)に示す製造工程と同様に、ディスペンサのニードル60を貫通孔21aに挿入することにより媒体の注入を行う。なお、ねじ穴として土台21に設けられた貫通孔21xから媒体を注入してもよい。
Next, in the manufacturing process shown in FIG. 18(b), with the
カバー50内に注入する媒体は、例えばシリコーンゲルである。シリコーンゲルの熱伝導率が約0.2W/(m・K)であり、空気の熱伝導率である約0.041W/(m・K)の約5倍である。このため、カバー50内をシリコーンゲル等の媒体で満たすことにより、カバー50内に温度分布が生じた場合であっても、高い熱伝導性により短時間で温度分布が均一化して温度平衡状態となる。
The medium injected into the
なお、カバー50内に注入する媒体の熱伝導率をさらに上げるために、媒体に熱伝達フィラーを混合することも好ましい。熱伝達フィラーとして、例えば熱伝達率が約100W/(m・K)であり絶縁性を有し腐食性が無い、窒化ホウ素が用いられる。媒体に熱伝達フィラーを混合することで、媒体の熱伝導率を約1W/(m・K)とすることができる。
In order to further increase the thermal conductivity of the medium injected into the
なお、必ずしも、図18(a)に示す製造工程と図18(b)に示す製造工程との両方を行う必要はなく、いずれか一方の製造工程によってカバー50内に媒体を注入してもよい。
Note that it is not always necessary to perform both the manufacturing process shown in FIG. 18(a) and the manufacturing process shown in FIG. 18(b), and the medium may be injected into the
この後、ベーキング処理を行うことにより、カバー50内に注入された媒体を硬化させる。そして、起歪体20の入力部24a~24dの上面に、受力板40の下面を当接させ、溶接等により起歪体20と受力板40とを接合することにより、図1に示した力覚センサ装置1が完成する。
After that, a baking process is performed to harden the medium injected into the
図19は、完成後における力覚センサ装置1の縦断面図である。図19は、図12(a)と同じ断面を示している。図19に示すように、図18(a)及び図18(b)の製造工程で注入された媒体70は、カバー50と起歪体20との間であって、センサチップ110及び能動部品32~35が存在する空間(外周部)と、起歪体20内であって、センサチップ搭載部としての柱28が存在する空間(中空部)とに充填されている。
FIG. 19 is a longitudinal sectional view of the
このように、力覚センサ装置1の内部空間に熱伝導性の高い媒体70を充填することにより、当該内部空間の熱伝導性が高まり、熱に対する応答性が向上することで温度分布が均一化する。
In this way, by filling the internal space of the
力覚センサ装置1の温度が何らかの影響により変化した場合には、起歪体20が熱膨張または収縮することや、センサチップ110や能動部品32~35の特性が変化することにより、検出誤差が生じる可能性がある。力覚センサ装置1の内部空間の温度分布は、例えば、力覚センサ装置1の起動時に能動部品32~35が自己発熱することや、熱伝導率が高い起歪体20や受力板40が外部の熱の影響を受けることにより生じる。また、能動部品32~35は、基板30を介して起歪体20の側面に固定されているので、外部の温度変化に対する温度変化が遅延する。
When the temperature of the
本実施形態では、力覚センサ装置1の内部空間に熱伝導性の高い媒体70を充填しているの、温度分布が均一化、センサチップ110と能動部品32~35との間の温度差や、起歪体20と能動部品32~35との間の温度差が低減され、温度変化による検出誤差が低減する。また、力覚センサ装置1内に、センサチップ110からの出力を温度補正する機能を有するICを設けた場合に、温度補正誤差が低減する。
In the present embodiment, the internal space of the
また、センサチップ110を媒体70で覆うことにより、センサチップ110へのゴミや異物の付着が抑制され、故障や異常の発生が防止され、信頼性が向上するといった効果も得られる。
Moreover, by covering the
媒体70は、空気より熱伝導率が高いことの他に、起歪体20やセンサチップ110の変形を阻害しない程度の剛性であることが好ましい。また、媒体70は、センサチップ110のボンディングワイヤやパッドに接触することから、絶縁性であって、腐食性がないことが好ましい。したがって、媒体70は、高熱伝導性、低剛性及び低ヤング率の物質である、ゲル(シリコーンゲル等)、ゴム、液体(シリコーンオイル等)であることが好ましい。上述のように媒体70に熱伝達フィラーを混合することで熱伝導性を向上させることができる。
The medium 70 preferably has a higher thermal conductivity than air and is rigid enough not to hinder the deformation of the strain-generating
<変形例>
次に、第1実施形態の変形例について説明する。第1実施形態では、起歪体20とカバー50との間の外周部と、起歪体20内の中空部とに媒体70を注入しているが、いずれか一方にのみ媒体70を注入してもよい。
<Modification>
Next, a modified example of the first embodiment will be described. In the first embodiment, the medium 70 is injected into the outer peripheral portion between the strain-generating
図20は、起歪体20とカバー50との間の外周部に媒体70を充填した例を示す縦断面図である。このように外周部にのみ媒体70を充填するには、カバー50に設けられた貫通孔50aから媒体70を注入すればよい。
FIG. 20 is a longitudinal sectional view showing an example in which the outer peripheral portion between the
外周部にのみ媒体70を充填することで、カバー50を通して伝搬する外気の温度変化を伝達することができる。
By filling the medium 70 only in the outer peripheral portion, the temperature change of the outside air propagating through the
図21は、起歪体20内の中空部に媒体70を充填した例を示す縦断面図である。このように中空部にのみ媒体70を充填するには、起歪体20に設けられた貫通孔21a及び/又は貫通孔21xから媒体70を注入すればよい。
FIG. 21 is a vertical cross-sectional view showing an example in which a medium 70 is filled in the hollow portion of the
なお、第1実施形態は、起歪体に受力板を接続しているが、力覚センサ装置には受力板は必須ではなく、省略してもよい。 Although the force receiving plate is connected to the strain body in the first embodiment, the force receiving plate is not essential to the force sensor device and may be omitted.
また、第1実施形態に係る力覚センサ装置は、センサ素子としてMEMSセンサチップを起歪体に搭載したものであるが、本発明は、センサ素子として歪みゲージを起歪体に張り付けた力覚センサ装置にも適用可能である。 Further, the force sensor device according to the first embodiment has the MEMS sensor chip mounted on the strain body as the sensor element. It is also applicable to sensor devices.
なお、センサ素子は、軸方向に印加された力と、軸回りに印加された力(モーメント)のうち、少なくとも一方を検知するものであればよい。 The sensor element should detect at least one of the force applied in the axial direction and the force (moment) applied around the axis.
以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。 Although the preferred embodiment has been described in detail above, it is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and substitutions can be made to the above-described embodiment without departing from the scope of the claims. can be added.
1 力覚センサ装置、17 温度センサ、20 起歪体、21 土台、21a 貫通孔、21x 貫通孔、22a~22d 柱、24a~24d 入力部、25a~25e 柱、28 柱(搭載部)、30 基板、32~35 能動部品、39 受動部品、40 受力板、50 カバー、50a 貫通孔、60 ニードル、70 媒体、110 センサチップ(センサ素子)
1 force sensor device, 17 temperature sensor, 20 strain element, 21 base, 21a through hole, 21x through hole, 22a to 22d pillar, 24a to 24d input section, 25a to 25e pillar, 28 pillar (mounting section), 30
Claims (5)
前記センサ素子と電気的に接続された能動部品と、
前記センサ素子及び前記能動部品が取り付けられ、印加された前記力を前記センサ素子に伝達する起歪体と、
前記センサ素子及び前記能動部品を覆うように取り付けられたカバーと、
前記カバー内に注入され、空気よりも高い熱伝導率を有する媒体と、
を有し、
前記媒体には、熱伝達フィラーが混合されている力覚センサ装置。 a sensor element that detects a force applied in or around a predetermined axis;
an active component electrically connected to the sensor element;
a strain body to which the sensor element and the active component are attached and which transmits the applied force to the sensor element;
a cover attached to cover the sensor element and the active component;
a medium injected into the cover and having a higher thermal conductivity than air;
has
The force sensor device , wherein the medium is mixed with a heat transfer filler .
前記センサ素子と電気的に接続された能動部品と、
前記センサ素子及び前記能動部品が取り付けられ、印加された前記力を前記センサ素子に伝達する起歪体と、
前記センサ素子及び前記能動部品を覆うように取り付けられたカバーと、
前記カバー内に注入され、空気よりも高い熱伝導率を有する媒体と、
を有し、
前記能動部品は、基板の一方の面に実装され、
前記基板の他方の面は、前記起歪体の側面に固定され、
前記起歪体は、
前記センサ素子を搭載する搭載部と、
前記搭載部の周囲に離間して配置された複数の柱と、を備え、
前記基板の他方の面は、隣接する前記柱の側面に固定され、
前記媒体は、前記起歪体と前記カバーとの間であって、前記センサ素子及び前記能動部品が存在する外周部と、前記起歪体内であって、前記搭載部が存在する中空部とに充填されている力覚センサ装置。 a sensor element that detects a force applied in or around a predetermined axis;
an active component electrically connected to the sensor element;
a strain body to which the sensor element and the active component are attached and which transmits the applied force to the sensor element;
a cover attached to cover the sensor element and the active component;
a medium injected into the cover and having a higher thermal conductivity than air;
has
The active component is mounted on one side of the substrate,
The other surface of the substrate is fixed to the side surface of the strain body,
The strain-generating body is
a mounting portion for mounting the sensor element;
a plurality of pillars spaced around the mounting portion;
The other surface of the substrate is fixed to the side surface of the adjacent pillar,
The medium is provided between the strain-generating body and the cover and in an outer peripheral portion where the sensor element and the active component exist, and a hollow portion in the strain-generating body where the mounting portion exists. A filled force sensor device.
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