JPH02205077A - 力覚センサ - Google Patents

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、産業用ロボットや、マンマシンインターフェ
イスとしての三次元入力装置等に利用される力覚センサ
に関する。

従来の技術 従来、力の成分力を検出する装置としては、特願昭６３
−９９０６１号に力覚センサとして本出願人により出願
されているものがある。これは、力の成分力を検出する
力検出素子をブリッジ結線して得られる各部の出力電位
を外部ノイズから分離遮断する手段について述べたもの
である。そこで、今、この装置の全体構成の概略を第６
図に基づいて説明する。

まず、起歪体１は、中心部が作用部２とされ周辺部が支
持部３とされており、その作用部２には下方に向けて力
伝達体４が設けられており、この力伝達体４の周囲には
肉厚の薄い弾性変形面（ダイヤフラム）５が形成されて
いる。この起歪体１の表面には単結晶基板（ｎ型Ｓｉ基
板）６が接着固定されており、この表面の前記ダイヤフ
ラム５に位置する箇所には、ｐ型拡散抵抗からなる力検
出素子７が形成されている。これら力検出素子７は、絶
縁膜８に形成されたコンタクトホールを介して、Ａα等
からなる配線パターン９により各軸方向ごとにブリッジ
結線されており、これにより、力伝達体４の先端に作用
する力の成分力を電気的出力として検出している。この
場合、外部ノイズを分離する手段として、ブリッジ回路
の一端と大地電位との間でブリッジ励起電圧Ｖｄを逆バ
イアスにして接続しさらに起歪体１を大地電位に接続す
ることにより、誤差を含まない正確な力の成分力の検出
を行おうとしている。なお、ｎ＋の高濃度領域を設けた
のは、単結晶基板６とオーミック接触を取るためである
。

また、このような力覚センサにおいては温度に対する依
存性があるため、通常、第６図に示すように、起歪体１
上部の歪不感部Ａに相当する位置に温度補償用のｐ型拡
散抵抗からなる温度検出素子１０を形成し、これにより
、その温度検出素子１０と単結晶基板６との間で作られ
るｐｎ接合部のダイオードに定電流源１１により一定の
電流を流し、電圧計１２により順方向の電圧降下■を測
定することによって温度補償を行っている。このように
温度補償用の素子を用いることによって、力検出の正確
な測定を行うことができる。

発明が解決しようとする課題 上述したように、従来の力覚センサにおいては、通常、
温度を補償するために温度検出素子１０が設けられてい
るわけであるが、この測定の場合、順方向電圧降下が温
度に対して直線的（例えば、−２ｍ　Ｖ　／　℃の割合
）に変化する。そして、ダイオードの陰極側となる単結
晶基板６は、図示しない導電性接着剤により起歪体１と
接続されている。

このため力伝達体４に、今、例えばノイズ発生源Ｖｎが
接触すると、大地電位（ＧＮＤ）との間に抵抗ｒｇによ
る電圧降下が生じ、起歪体１の表面電位が変動するので
、温度検出の際のダイオードの順方向電圧の測定誤差が
大きくなる。このような測定誤差は、通常、−２ｍ　Ｖ
　／　℃の微妙な変化を測定する場合に非常に大きな障
害となる。

課題を解決するための手段 そこで、このような問題点を解決するために、本発明は
、力検出素子の形成された単結晶基板の最上層の歪不感
部に温度検出素子を形成し、この温度検出素子の形成さ
れた最上層と単結晶基板の起歪体と接する最下層との間
に少なくとも一つのｐｎ接合層を形成し、このｐｎ接合
層を逆バイアスする第一電気的絶縁手段を設け、前記力
検出素子とこの周囲の前記最上層との間で形成されるｐ
ｎ接合層を逆バイアスする第二電気的絶縁手段を設けた
。

作用 これにより、単結晶基板の最上層と最下層との間に設け
られたｐｎ接合層を第一電気的絶縁手段により逆バイア
スすることにより、温度検出素子の形成された単結晶基
板の最上層と起歪体とを電気的に絶縁分離することがで
き、また、力検出素子とこの力検出素子の形成された最
上層との間で形成されたｐｎ接合層を第二電気的絶縁手
段により逆バイアスすることにより、力検出素子間め電
気的絶縁をより確実なものにすることができる。

実施例 本発明の第一の実施例を第１図に基づいて説明する。な
お、力覚センサの全体構成については、従来技術（第６
図参照）で述べたのでここでの説明は省略し、同一部分
については同一符号を用いる。

単結晶基板（以下、Ｓｉ基板と呼ぶ）６は、ｐ型層１３
とこの上部に形成されたｎ型層１４との２層構造になっ
ている。このＳｉ基板６の作製方法としては、ウェハの
製造工程によりｐ型基板上にｎ型のエピタキシャル層を
成長させて行う方法や、プロセス工程によりウェハの全
面にｎ型ドーパント（リン等）を拡散させることによっ
て行うことができる。このように２層構造とすることに
より層方向に対してｐｎ接合層が形成された形となる。

また、前記Ｓｉ基板６の最上層に当る前記ｎ型層１４内
には、ｐ型拡散抵抗からなる力検出素子７がイオン注入
法や固相拡散法等を用いて形成されている。さらに、こ
のｎ型層１４内の歪不感部Ａに相当する位置には、温度
補償用の温度検出素子１０が設けられている。この温度
検出素子１０は、ｐ型拡散抵抗からなる陽極電極１５と
ｎ１型拡散抵抗からなる陰極電極１６とにより構成され
ている。この場合、陽極電極１５と陰極電極１６との間
には定電流源１１が接続されており、また、これら陽極
電極１５と陰極電極１６との間に生じる順方向電圧降下
を測定するために電圧計１２が接続されている。これに
より、陽極電極１５とｎ型層１４との間ではｐｎ接合層
が形成されたいわゆるダイオードを構成した形となって
いる。そして、このようにしてｎ型層１４に力検出素子
７と温度検出素子１０とが形成され、しかも、そのよう
なｐｎ接合層の２層構造をもったＳｉ基板６は、共晶化
された導電性物質によって起歪体１の表面に接着固定さ
れている。

さらに、第一電気的絶縁手段としての第一電圧源１７は
、前記陰極電極１６と前記起歪体１との間でその陰極電
極１６側を正にして接続されており、これにより、Ｓｉ
基板６のｐ型層１３とｎ型層１４との間に形成されるｐ
ｎ接合層は逆バイアスされた形となる。また、第二電気
的絶縁手段としての第二電圧源１８は、前記力検出素子
７とこの力検出素子７の形成された周囲の前記ｎ型層１
４との間でｎ型層１４側を正にして接続されており、こ
れにより、力検出素子７とｎ型層１４との間で形成され
るｐｎ接合層を逆バイアスした形となっている。

このような構成において、Ｓｉ基板６に層方向に形成さ
れたｐｎ接合層は第一電圧源１７によって逆バイアスさ
れた形になっているため、起歪体１とＳｉ基板６のｎ型
層１４とは完全に電気的に絶縁分離されたものとなる。

従って、従来技術（第６図参照）で述べたようなノイズ
発生源Ｖｎが力伝達体４に作用するようなことがあって
も温度検出素子１０とは完全に電気的に遮断されている
ため、陽極電極１５と陰極電極１６との間のｐｎ接合層
いわゆるダイオードに流れる電流はノイズの影響を受け
ない常に一定したものとなり、これにより、電圧計１２
によって順方向電圧降下の温度による変化を正確に検出
することができるため温度補償を精度良く行うことがで
きる。

また、力検出素子７とｎ型層１４との間に形成されるｐ
ｎ接合層いわゆるダイ、オードは、第二電圧源１８によ
り逆バイアスされた形となっており、これにより、ｎ型
層１４内に形成された各力検出素子７間の電気的な絶縁
分離を行うことができるため、力伝達体４に加わる力の
成分力を正確に測定することができる。

次に、本発明の第二の実施例を第２図に基づいて説明す
る。上述した第一の実施例では、温度検出素子１０の陰
極電極１６の対接地電位は、これに接続されている配線
に誘導されるノイズ電流が第一電源１７内部の内部抵抗
ｒ０　を流れる際に生じる電圧降下により変動したり、
第一電源１７の電圧変動により変動したりする。そ二で
、本実施例はこれらの点を考慮して、温度検出素子１０
や、力検出素子７の形成されているｎ型層１４が接地電
位となるようにしたものである。なお、第一の実施例と
同一部分についての説明は省略する。

ＩＯ− Ｓｉ基板６は、最下層にｎ型層１９、中間層にｎ型層２
０、最上層にｎ型層２１がそれぞれ形成された３層構造
となっている。その最上層のｎ型層２１内には、温度検
出素子１０を構成するｐ型拡散抵抗からなる陽極電極１
５とｎ＋型拡散抵抗からなる陰極電極１６とが形成され
、また、ｐ型拡散抵抗からなる力検出素子７が形成され
ている。

なお、前記温度検出素子１０の陽陰極間には測定用の定
電流源１１と電圧計１２とが接続されている。さらに、
前記ｎ型層２１内には中間層であるｎ型層２０にまで到
達するｐ＋型層２２が形成されている。そして、このよ
うに３層構造とされたＳｉ基板６は起歪体１上に図示し
ない導電性接着剤を介して接着固定されている。

共通電圧源２３は、その負側がｐ＋型層２２と接続され
その正側は起歪体１と共に接地されており、これにより
、最下層のｎ型層１９と中間層のｎ型層２０との間で作
られるｐｎ接合層は逆バイアスされた形となるため、共
通電圧源２３は第一電気的絶縁手段としての役目を担う
。また、Ｓｉ基板６のｎ型層２１は、ｎ＋型層１６を介
して接地されている。また、共通電圧源２３の正側はそ
のｎ＋型層１６を介してｎ型層２１と接続され、その負
側はｐ＋型層２２を介してｎ型層２０と接続されており
、これにより、ｎ型層２１とｎ型層２０との間で作られ
るｐｎ接合層は逆バイアスされた形となりこれら両者間
の電気的絶縁を担うことになる。

このような構成において、起歪体１とＳｉ基板６のｎ型
層２１とはそれぞれ独立して接地されているため、ノイ
ズ電流Ｉｎによる起歪体１とＧＮＤとの間の配線抵抗ｒ
ｇでの電圧降下により起歪体１の電位が変動してもＳｉ
基板６のｎ型層２１の電位が変動するようなことはない
。また、Ｓｉ基板６のｎ型層２１はｎ＋型層１６を介し
て直接接地されているため基準接地電位までの抵抗が非
常に小さく、これにより、内部抵抗ｒ、　　（第１図参
照）によりｎ型層２１の電位が変動するようなことがな
い。このため、陽極電極１５とｎ型層２１と陰極電極１
６とにより構成されるダイオードの順方向電圧がその影
響を受けて変動するようなことがないため温度の変化を
正確に検出することができる。

また、共通電圧源２３を設けたことによって、Ｓｉ基板
６のｎ型層２１は起歪体１と電気的に完全に絶縁されて
いるため、力伝達体４にノイズ発生源Ｖｎが接触するよ
うなことがあってもその影響を受けることがなく正確な
測定を行うことができ、しかも、力検出素子７はｎ型層
２１と電気的に完全に絶縁されているため力の成分力を
正確に測定することができる。

次に、本発明の第三の実施例を第３図に基づいて説明す
る。上述した第二の実施例では、共通電圧源２３を１個
用いて電気的な絶縁分離を行ったわけであるが、ここで
は各々別個に電源を用いた場合について述べたものであ
る。

第一電圧源２４によりＳｉ基板６の最下層であるｎ型層
１９と中間層であるｎ型層２０との間で構成されるｐｎ
接合層を逆バイアスし、また、そのＳｉ基板６のｎ型層
２１にｎ１型層２５を新たに設け、第二電圧源２６によ
りｎ型層２０とｎ型層２１との間で構成されるｐｎ接合
層を逆バイアスすることによって、Ｓｉ基板６と起・歪
体１とを電気的に完全に絶縁分離するようにしたもので
ある。従って、この場合、第一電圧源２４と第二電圧源
２６とは、第一電気的絶縁手段の役目を担っていること
になる。

また、第三電圧源２７により力検出素子７とｎ型層２１
との間で構成されるｐｎ接合層を逆バイアスすることに
よって、力検出素子７をその周囲から電気的に完全に絶
縁するようにした。従って、この第三電圧源２７は第二
電気的絶縁手段の役目を担っていることになる。このよ
うに各々独立した電圧源を用いても、前述した第二の実
施例と同様な効果を得ることができる。なお、電圧源２
８は、力検出用のｐ型拡散抵抗７の抵抗値変化を検出す
るためのものであり、このｐ型拡散抵抗７とｎ型層２１
との間のｐｎ接合が逆バイアスされるように第三電圧源
２７の負極と電圧源２８の正極を接続している。

次に、本発明の第四の実施例を第４図に基づいて説明す
る。前述した第一の実施例（第１図参照）では、起歪体
「の接地方法としてその起歪体１から直接電線を引き出
して接地を行ったが、ここではその接地方法を変えた場
合について述べたものである。

すなわち、その接地をＳｉ基板６の表面から行うために
、これまでのウェハの全面にエピタキシャル成長や拡散
を行わせる代わりに、部分拡散によるｎ−ｗｅｌｌ型の
構造にしたものである。このためｐ型層１３内に新たに
ｐ″″型層２９を拡散して形成し、ここから大地への接
地を行うようにした。なお、力検出素子７や、温度検出
素子１０は、ｎ−ｗｅｌｌ型層１４内に形成するように
した。このように接地方法を変えることによって設計の
自由度をさらに向上させることができる。

次に、本発明の第五の実施例を第５図に基づいて説明す
る。これは、上述した第四の実施例を応用したものであ
る。すなわち、温度検出素子１０を構成する陽極電極１
５と陰極電極１６とをｐ　−ｗｅｌｌ型層３０内に形成
したものである。この場合にもｐ−ｗｅｌｌ型層３０は
、部分拡散により形成することができる。なお、力検出
素子７はｎ型層３１の内部に形成されており、また、共
通電圧源３２は第一電気的絶縁手段と第二電気的絶縁手
段との両方の役目を担っており、これにより、第四の実
施例と同様に設計の自由度をさらに向上させることがで
きる。

発明の効果 本発明は、単結晶基板の最上層と最下層との間に設けら
れたｐｎ接合層を第一電気的絶縁手段により逆バイアス
することにより、温度検出素子の形成された単結晶基板
の最上層と起歪体とを電気的に絶縁分離することができ
るため、外部ノイズの影響を受けることなく温度検出を
正確に行うことができるものである。また、力検出素子
とこの力検出素子の形成された最上層との間で形成され
たｐｎ接合層を第二電気的絶縁手段により逆バイアスす
ることにより、力検出素子間の電気的絶縁をより確実な
ものにすることができるため、歪検出を誤差を含むこと
なく正確に行えこれにより力の成分力を精度良く測定す
ることができるものである。

第２図は本発明の第二の実施例を示す説明図、第３図は
本発明の第三の実施例を示す説明図、第４図は本発明の
第四の実施例を示す説明図、第５図は本発明の第五の実
施例を示す説明図、第６図は従来例を示す説明図である
。

ｌ・・・起歪体Ｊ２・・・作匍部、３・・・支持部、６
・・・単結晶基板、７・・・力検出素子、１０・・・温
度検出素子、１７・・・第一電気的絶縁手段、１８・・
・第二電気的絶縁手段、２３・・・第一電気的絶縁手段
、第二電気的絶縁手段、２４．２６・・・第一電気的絶
縁手段、２７・・・第二電気的絶縁・手段、３２・・・
第一電気的絶縁手段、第二電気的絶縁手段 出　願　人　　　　株式会社　リ　コ

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例を示す説明図、α〕１

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 中心部と周辺部とのいずれか一方を支持部とし他方を作
   用部とした起歪体の表面に、機械的変形により電気抵抗
   を変化させる力検出素子を備えた検出面が一面に形成さ
   れた単結晶基板が接着固定された力覚センサにおいて、
   前記力検出素子の形成された前記単結晶基板の最上層の
   歪不感部に温度検出素子を形成し、この温度検出素子の
   形成された前記最上層と前記単結晶基板の前記起歪体と
   接する最下層との間に少なくとも二つのｐｎ接合層を形
   成し、このｐｎ接合層を逆バイアスする第一電気的絶縁
   手段を設け、前記力検出素子とこの周囲の前記最上層と
   の間で形成されたｐｎ接合層を逆バイアスする第二電気
   的絶縁手段を設けたことを特徴とする力覚センサ。