JPH02128128A

JPH02128128A - 力覚センサ及びその製造方法

Info

Publication number: JPH02128128A
Application number: JP28191688A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Yoshida; 憲一吉田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1988-11-07
Filing date: 1988-11-07
Publication date: 1990-05-16
Anticipated expiration: 2010-09-06
Also published as: JPH0781922B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はセンサ素子部に圧子を介して外部荷重を与えて
外部荷重を検出する力覚センサ、及びその製造方法に関
し、特に圧子に加圧される単結晶基板のダイアフラム部
の機械的変位を電気信号に変換することにより、圧子に
与えた外部荷重を検出する力覚センサ、及びその製造方
法に関する。

〔従来の技術〕

従来の力覚センサを第５図、及び第６図の断面図によっ
て説明する。

第５図は従来の一例を示す力覚センサの断面図、第６図
は第５図の加圧棒５の端面を加工する場合を示す加圧棒
を含む筒の断面図である。シリコンダイアフラム型セン
サ素子く以下センサ素子と略す）１は、第５図に示すよ
うに、第２に接合され、センサ素子１と第２は線材３に
よって結線されている６台２は受は台４に圧入されてお
り、筒６の内部で加圧棒５がスライドし、スプリング７
により加圧棒５からセンサ素子１に伝わる衝撃を緩和す
る構造になっている。

センサ素子１はダイアフラム構造であり、大きな力が加
わった場合にはダイアフラム部のたわみ限界を越え、破
損が生じる。そこで、センサ素子１に接触する加圧棒５
がダイアフラム部のたわみ限界を越えてセンサ素子１を
加圧しないよめするために、加圧棒５の移動量を制限す
る必要がある。従来の力覚センサでは、外部荷重を与え
る接触部（図示せず）が加圧棒５の端面の外径より大き
いという前提のもとに、筒６の端面からダイアフラム部
破損限度内の寸法で加圧棒５の先端を僅か突き出させて
いた。このように加圧棒５の先端を僅か突き出させるこ
とによって、筒６の端面が接触子のストッパとなってい
た。

次に、力覚センサの製作作業工程を説明すると、第６図
に示すように、まず、加圧棒５の先端が筒６の端面より
突き出る寸法と同等の厚みを有する加工用スペーサ８．
及び加圧棒５を順次筒６に挿入し、加圧用締め付けねじ
９を用いて加圧棒５、及び加工用スペーサ８を固定する
。次に、その状態で加圧棒５の先端の端面と筒６の端面
が同一面になるまで、機械加工により加圧棒５及び筒６
の端面を切削による二次加工を行う。最終的に実装する
際には、加圧用締め付けねじ９を緩め、加工用スペーサ
８を除去し、再組立して、筒６の端面から加圧棒５が僅
かに突き出るようにしていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、筒６の端面からの加圧棒５の突き出し量
は、１０μｍと非常に微少な寸法にする必要があり、筒
６と加圧棒５の材質が異なるために切削による二次加工
では、材料自身の加工特性等により完全な均一面を得る
ことは難しい。

また、加圧棒５．及び筒６の部品単体の加工精度が悪い
場合、二次加工で均一面が得られても加工用スペーサ８
を除去して、再組立したとき、適切な突き出し量が得ら
れず、再現性が悪く信頼性に欠けるという欠点があった
。

また、外部から加圧棒５に力を与える接触部の大きさが
、筒６の端面から僅が突き出た加圧棒５の直径より大き
い場合は、筒６の端面がストッパーとなり、加圧棒５の
移動量は制限されてセンサ素子１の破損防止は可能であ
る。しかし、接触部の大きさが加圧棒５の直径より小さ
い場合には、筒６の端面がストッパーにならないため、
センサ素子１の破損防止ができないという欠点があった
。

本発明の目的は、センサ素子の破壊を防止し、出力感度
が高く、加圧棒と筒との二次加工を不要とし、構造の剛
性が高く組立て性が容易な力覚センサとその製造方法を
提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

１、本発明の力覚センサは、表面に複数個の拡散抵抗を
有するとともに裏面に窪みが形成されたダイアフラム形
状の単結晶基板と、この窪みに挿入されるとともに前記
窪みの深さ寸法より僅かに低い凸型形状部を有する台座
と、前記単結晶基板表面の中央部を加圧する圧子と、こ
の圧子と一体化しているケースと、このケース及び前記
台座を支持する支持台とを備えて構成される。

２、本発明の力覚センサの製造方法は、前記単結晶基板
の裏面から異方性エツチングにより前記ダイアフラム部
の窪みを形成する工程と、前記台座をエツチングまたは
ブラスト加工等により凸型形状部に加工する工程と、前
記単結晶基板と前記台座を重ね合わせて静電接合してセ
ンサ素子部を形成する工程と、これを前記支持台に接合
しこの支持台と前記ケースを接合して一体化する工程と
を含んで構成される。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例について図面を参照して詳細に説
明する。

第１図は本発明の一実施例を示す力覚センサの断面図、
第２図は力覚センサの素子部の動作時の断面部分拡大図
、第３図、及び第４図は他の実施例を示す力覚センサの
断面図である。

第１図において、単結晶基板１２は、−導電型半導体基
板表面に逆導電型の複数個の拡散抵抗１１を形成してブ
リッジ回路を形成し、その基板裏面は異方性エツチング
を用いて窪みが形成されたダイアクラム部になっている
。台座１３には、エツチングなどの特殊加工により上面
に凸型形状部を形成され、その先端部は単結晶基板１２
のダイアフラム部の窪みの底面より僅かに低く位置する
ように窪みのエツチング加工深さより僅かに低い高さで
形成されている。また、この台座１３は熱膨張率が単結
晶基板１２と同等のガラス材料等から製作されている。

更に、単結晶基板１２と台座１３は、静電接合により支
持台１６に位置決め精度よく接合されている。

単結晶基板１２の入出力端子と支持台１６の入出力端子
は、ワイヤボンディング等により接合され、結線されて
いる。

圧子１４は中央部が円筒状であり、一端が針先形状を成
し、他端は球面状の端面を有するフランジ部を有してい
る。

ケース１５は、一端を薄板化してばね性をもたせた筒で
あり、圧子１４と支持台１６がそれぞれケース１５に拡
散接合、電子ビーム、及びレーザ溶接等による溶接によ
り一体化されている。この一体化された状態では、通常
圧子１４の先端と単結晶基板１２が接触した構造になっ
ている。

ここで、例えば、このダイアフラム部に大きな力が加わ
り、たわみ限界を越えた場合は、第２図に示すように、
ダイアフラム部にクラックが発生して破損が生じる。そ
こで、単結晶基板１２のダイアフラム部の破損防止をす
るなめに、たわみ量を制限するストッパー構造が必要で
ある。本発明では台座１３に上面の凸型形状部を設け、
ダイアフラム部のたわみ量を制限するためのストッパと
したことである。

また、単結晶基板１２のダイアフラム部のたわみ限界は
、通常は、１０数ミクロンであり、それ以上のたわみ量
ではダイアフラム部に破損が生じることになる。従って
、外力により生じる圧子１４の最大ストロークは、安全
性を考慮して１０ミクロンに制限する必要がある。そこ
で、本実施例では実際に単結晶基板１２のダイアフラム
部の窪みの底面と台座１３の凸型形状部の先端面との間
を、１０ミクロンの隙間にしたことである。

次に、第２図をもとに、力覚センサの動作状態を説明す
る。通常、単結晶基板１２と圧子１４が接触しており、
単結晶基板１２に定電圧を供給した場合、拡散抵抗１１
のブリッジ回路は平衡が保たれている。しかし、圧子１
４に外力が加わると、単結晶基板１２のダイアフラム部
にはたわみが生じ、拡散抵抗１１の平衡が崩れ出力電圧
が変化する。さらに外力が増加すると、単結晶基板１２
のダイアフラム部のたわみ量も増加し、ついには台座１
３の上面に接触して最高出力が得られる。以上が外力の
増加時であり、減少時は上記の逆となる６本発明は、以
上説明した構造に限定されるものではなく、例えば、第
３図に示すように、第１図の台座１３を分割した例であ
る。すなわち、台座１７と固定台１８が接着剤１９によ
り固定され、前記の方法で一体化されている。

また、他の例として、第４図に示すように、第１図のケ
ース１５を分割した構造であり、上板２０とケース２１
が拡散接合などにより接合され、前記と同様に一体化さ
れている。

次に、第１図を参照して力覚センサの製造方法について
説明する。

まず、通常の集積回路の製造プロセスによって拡散抵抗
１１が形成された単結晶基板１２を異方性エツチングに
より窪みを加工しダイアフラム部を形成する。台座１３
の凸型形状部は、単結晶基板１２のダイアフラム部の内
部に収まるように化学エツチングや、サンドブラスト加
工などにより部分的に加工する。

次に、加工された単結晶基板１２と台座１３を重ね合わ
せて静電接合により一体化し、その後、適切な形状に分
割してチップ化する。

次に、チップ化された単結晶基板１２と台座１３は、支
持台１６に接合し、その後ワイヤボンディングにより結
線し、力覚センサとしての素子部を形成する。

一方、寸法精度良く機械加工された圧子１４とケース１
５は、拡散接合により接合する。ケース１５の内径と支
持台１６の外径は、はめあい状態に製作され、素子化さ
れた支持台１６をケース１５に挿入して電子ビーム、ま
たはレーザ溶接により一体化すれば力覚センサが完成し
、力覚センサの製造プロセスは完了する。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、単結晶基板のダイ
アフラムの下部に台座を設置することにより、この台座
の凸型形状部がダイアフラム部のストッパになるので、
ダイアフラム部の破損が防止でき、センサとしての信頼
性が向上する。また、外力が伝達される圧子の先端は半
球形状であるため、外部から圧子に作用する接触子の形
状に左右されないという利点がある。さらに、圧子がな
えず単結晶基板のダイアフラム上面に接触しているので
、摩擦による出力損失がなく、出力特性が向上する。一
方、従来のような衝撃緩和用のスプリングが不要になり
、センサとしての構造がシンプルになり、小型化が可能
である。また、ケース上部の圧子が接合される部分の厚
さを変化させることにより、微少荷重用、あるいは高荷
重用など広範囲な用途に使用が可能であるなどの効果が
ある。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明の一実施例を示す力覚センサの断面図、
第２図は力覚センサの素子部の動作時の断面部分拡大図
、第３図及び第４図は他の実施例を示す力覚センサの断
面図、第５図は従来の一例を示す力覚センサの断面図、
第６図は第５図の加圧棒５の端面を加工する場合を示す
加圧棒を含む断面図である。１・・・センサ素子、２・・・台、３・・・線材、４・
・・受は台、５・・・加圧棒、６・・・筒、７・・・ス
プリング、８・・・加工用スペーサ、９・・・加工用締
め付けねじ、１１・・・加算抵抗、１２・・・単結晶基
板、１３．１７・・・台座、１４・・・圧子、１５．２
１・・・ケース、１６・・・支持台、８・・・固定台、９・・・接着剤、０・・・上板。

Claims

【特許請求の範囲】１、表面に複数個の拡散抵抗を有するとともに裏面に窪
みが形成されたダイアフラム形状の単結晶基板と、この
窪みに挿入されるとともに前記窪みの深さ寸法より僅か
に低い凸型形状部を有する台座と、前記単結晶基板表面
の中央部を加圧する圧子と、この圧子と一体化している
ケースと、このケース及び前記台座を支持する支持台と
を備えることを特徴とする力覚センサ。２、前記単結晶基板の裏面から異方性エッチングにより
前記ダイアフラム部の窪みを形成する工程と、前記台座
をエッチングまたはブラスト加工等により凸型形状部に
加工する工程と、前記単結晶基板と前記台座を重ね合わ
せて静電接合してセンサ素子部を形成する工程と、これ
を前記支持台に接合しこの支持台と前記ケースを接合し
て一体化する工程とを含むことを特徴とする請求項１記
載の力覚センサの製造方法。