JPH0663887B2 - Distributed pressure sensor - Google Patents

Distributed pressure sensor

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JPH0663887B2
JPH0663887B2 JP63240917A JP24091788A JPH0663887B2 JP H0663887 B2 JPH0663887 B2 JP H0663887B2 JP 63240917 A JP63240917 A JP 63240917A JP 24091788 A JP24091788 A JP 24091788A JP H0663887 B2 JPH0663887 B2 JP H0663887B2
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JP
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pressure sensor
distributed pressure
strain
point
protrusion
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智紀 片野
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工業技術院長
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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、分布型圧覚センサに関し、詳しくはロボット
ハンド等の表面に取付けて、ハンドに加わる力の分布を
検出することができる分布型圧覚センサに関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a distributed pressure sensor, and more particularly, to a distributed pressure sensor that can be attached to the surface of a robot hand or the like to detect the distribution of force applied to the hand. Regarding sensors.

[従来の技術] 分布型圧覚センサは主にロボットハンドなどにおいてそ
の圧覚を検知することにより、把持力の大きさ、面圧分
布等の情報を得ようとする目的で開発が進められてきて
おり、センサ表面に対する垂直な力のみならず、水平な
力の分布をも検出できる分布型圧覚センサとして、第1
図に示すようなものが提案されている。本例はセンサが
形成されるシリコンウェハを裏面側から見た図であり、
分布型圧覚センサ30はシリコンウェハから切出して形成
され、その左半分が検出部30A、右半分が信号処理部30B
である。このように分布型圧覚センサ30の裏面における
検出部30Aの側の斜線を施して示した部分にY方向の深
溝部31およびX方向の深溝部32を同一深さでダイサ等に
より穿削加工し、更に、これらの深溝部31および32に沿
って交叉線を施して示した位置に8個の長方形貫通孔33
を放電加工またはレーザ加工により形成する。また、第
1図で点々を付して示した部分は、浅溝部34であり、浅
溝部34はXおよびY方向に深溝部32および31を形成した
後、図示の部分を深溝加工に用いたダイサの砥石よりも
やや厚い砥石で、X方向およびY方向に走査することに
より加工できる。
[Prior Art] A distributed pressure sensor has been developed mainly for the purpose of obtaining information on the magnitude of gripping force, surface pressure distribution, etc. by detecting the pressure sense mainly in a robot hand or the like. As a distributed pressure sensor that can detect not only the vertical force on the sensor surface but also the horizontal force distribution,
The one shown in the figure has been proposed. In this example, the silicon wafer on which the sensor is formed is viewed from the back side,
The distributed pressure sensor 30 is formed by cutting out from a silicon wafer. The left half of the distributed pressure sensor 30 is a detection unit 30A and the right half is a signal processing unit 30B.
Is. In this manner, the deep groove portion 31 in the Y direction and the deep groove portion 32 in the X direction are drilled at the same depth on the back surface of the distributed pressure sensor 30 shown by hatching on the side of the detection portion 30A at the same depth. Furthermore, eight rectangular through holes 33 are provided at the positions shown by crossing along these deep groove portions 31 and 32.
Are formed by electric discharge machining or laser machining. Further, the portions indicated by dots in FIG. 1 are shallow groove portions 34, and after forming the deep groove portions 32 and 31 in the X and Y directions, the portion shown in the drawing was used for deep groove processing. A grindstone slightly thicker than the grinder of the dicer, and can be processed by scanning in the X and Y directions.

このような加工を分布型圧覚センサ30の裏面側に施すこ
とによって検出部30Aに4個の突起部35を備えた梁を形
成することができる。
By performing such processing on the back surface side of the distributed pressure sensor 30 , a beam having four protrusions 35 can be formed in the detection unit 30A.

第2図は第1図のP−P断面を示したものであり、第2
図から分るように深溝部31、浅溝部34および突起部35に
よって長方形貫通孔33により隔絶されたX方向の梁40
形成される。また、第3図は第1図のQ−Q断面を示し
たものであり、第3図において、深溝部31、浅溝部34お
よび突起部35によって長方形貫通孔33により隔絶された
Y方向の梁41が形成される。
FIG. 2 is a sectional view taken along the line PP of FIG.
As can be seen from the drawing, the beam 40 in the X direction is formed by the deep groove portion 31, the shallow groove portion 34, and the protrusion portion 35, which is separated by the rectangular through hole 33. Further, FIG. 3 shows a Q-Q cross section of FIG. 1, and in FIG. 3, a beam in the Y direction separated by the rectangular through hole 33 by the deep groove portion 31, the shallow groove portion 34, and the projection portion 35. 41 is formed.

第4図は分布型圧覚センサ30をシリコンウェハの表面か
ら見た図である。第4図において、8個の長方形貫通孔
33により2個のX方向の梁40,40と2個のY方向の梁41,
41が形成されていることが分る。
FIG. 4 is a view of the distributed pressure sensor 30 as seen from the surface of the silicon wafer. In FIG. 4, eight rectangular through holes
By 33, two beams 40 in the X direction 40 , 40 and two beams in the Y direction 41 ,
It turns out that 41 is formed.

しかして、これらのX方向の梁40およびY方向の梁41
は、それぞれ4つずつ、合計16個の半導体ストレンゲー
ジ42が形成され、また、分布型圧覚センサ30の右半面
は、信号処理のための電子回路が形成されている信号処
理部30Bである。
Thus, the X direction beam 40 and the Y direction beam 41 are each formed with four semiconductor strain gauges 42, four in total, and the right half surface of the distributed pressure sensor 30 has a signal processing unit. Is a signal processing unit 30B in which an electronic circuit for is formed.

次に、これらのX方向の梁40およびY方向の梁41によっ
てどのように荷重が検知されるかを以下に説明する。
Next, how the load is detected by the beam 40 in the X direction and the beam 41 in the Y direction will be described below.

第5〜8図はその検出の原理を説明したものである。5 to 8 explain the principle of the detection.

いま、第5図に示すように、両端が固定され、その中心
部に突起部10を有する梁11のその突起部10に、垂直方向
の力FVを加えると、梁11の下面に第6図に示すような、
分布の歪が発生する。
Now, as shown in FIG. 5, when a vertical force F V is applied to the projecting portion 10 of the beam 11 having both ends fixed and the projecting portion 10 at the center portion thereof, As shown in the figure,
Distortion of distribution occurs.

また第7図に示すように、同じ梁11の突起部10に水平方
向の力FHを加えると、梁11の下面に第8図に示すような
分布の歪が発生する。なお、これらの第6図および第8
図において、+記号は引張歪、−記号は圧縮歪を表わし
ている。
Further, as shown in FIG. 7, when a horizontal force F H is applied to the protrusion 10 of the same beam 11, a strain having a distribution as shown in FIG. 8 is generated on the lower surface of the beam 11. Incidentally, these FIG. 6 and FIG.
In the figure, the + symbol represents tensile strain, and the-symbol represents compressive strain.

そこで、第5図の点A〜Dでの歪を第6図および第8図
でみてみると、いずれの点においても大きな歪が発生
し、垂直方向の力に対しては第6図に示すようにA点お
よびD点で、α[μstrain]、BおよびC点ではβ[μ
strain]となる。すなわち梁の対称性を考慮すればA,
D点およびB,C点での歪は等しい。
Then, looking at the strains at points A to D in FIG. 5 with reference to FIGS. 6 and 8, large strains occur at any points, and the vertical force is shown in FIG. Thus, at points A and D, α [μstrain], and at points B and C β [μstrain]
strain]. That is, considering the symmetry of the beam, A,
The distortions at point D and points B and C are equal.

また水平方向の力が加わった時に発生する歪は、第7図
に示すようにB点およびD点で−γ[μstrain],A点
およびC点でδ[μstrain]となり、垂直方向の力と水
平方向の力とが同時に加わった時のA〜D点の歪は以下
のようになる。
Further, the strain generated when a horizontal force is applied becomes −γ [μstrain] at points B and D and δ [μstrain] at points A and C, as shown in FIG. The distortions at points A to D when a horizontal force is applied at the same time are as follows.

A点 −α+δ B点 β−γ C点 β+δ D点 −α−γ よって、A〜D点にストレンゲージを形成して、各点で
の歪を測定し、次の式(1)および(2)に従って計算すれば
垂直方向の力と水平方向の分力とを同時に検出すること
ができる。
A point −α + δ B point β−γ C point β + δ D point −α−γ Therefore, a strain gauge is formed at points A to D, and the strain at each point is measured, and the following equations (1) and (2 ), The vertical force and the horizontal component force can be detected at the same time.

(A点の歪−B点の歪)+(D点の歪−C点の歪) ={(−α+δ)−(β−γ)}+{(−α−γ)−(β+δ)}=−2(α+
β) …(1) (A点の歪−B点の歪)−(D点の歪−C点の歪) ={(−α+δ)−(β−γ)}−{(−α−γ)−(β+δ)}=2(γ+
δ) …(2) すなわち式(1)により垂直方向の力を同定し、式(2)によ
り水平方向の力を同定することができる。
(Strain at point A-Strain at point B) + (Strain at point D-Strain at point C) = {(-α + δ)-(β-γ)} + {(-α-γ)-(β + δ)} = -2 (α +
β) (1) (distortion at point A-distortion at point B)-(distortion at point D-distortion at point C) = {(-α + δ)-(β-γ)}-{(-α-γ) − (Β + δ)} = 2 (γ +
δ) (2) That is, the force in the vertical direction can be identified by the equation (1), and the force in the horizontal direction can be identified by the equation (2).

なおこれらの式中の項(A点の歪−B点の歪)はA点に
形成したストレンゲージとB点に形成したストレンゲー
ジとでハーフブリッジを形成して検出することができ、
一方の項(D点の歪−C点の歪)は、D点に形成したス
トレンゲージとC点に形成したストレンゲージとでハー
フブリッジを形成して検出することができる。すなわ
ち、第9図に示すようにA点のストレンゲージ21とB点
のストレンゲージ22とにより第1のハーフブリッジを、
またC点のストレンゲージ24とD点のストレンゲージ23
とにより第2のハーフブリッジを形成し、それぞれのハ
ーフブリッジからの出力の和を加算増幅器25により計算
すれば垂直方向分力信号26が得られ、一方、それぞれの
ハーフブリッジからの出力の差を差動増幅器27により計
算すれば、水平方向分力信号28が得られる。
The terms in these equations (strain at point A-strain at point B) can be detected by forming a half bridge between the strain gauge formed at point A and the strain gauge formed at point B,
One term (strain at point D-strain at point C) can be detected by forming a half bridge between the strain gauge formed at point D and the strain gauge formed at point C. That is, as shown in FIG. 9, the strain gauge 21 at the point A and the strain gauge 22 at the point B form the first half bridge,
A strain gauge 24 at C point and a strain gauge 23 at D point
By forming a second half bridge by and the sum of the outputs from each half bridge is calculated by the summing amplifier 25, a vertical component signal 26 is obtained, while the difference between the outputs from each half bridge is calculated. When calculated by the differential amplifier 27, the horizontal component signal 28 is obtained.

そこで、第4図に示したようにX方向の梁40において
は、第10図のようにX方向の梁40の中心線上、長手方向
に半導体ストレンゲージ42A,42B,42Cおよび42Dを形成
し、これらの半導体ストレンゲージを第9図に示した形
態のハーフブリッジに組込み、信号処理部30Bにおいて
信号処理をすることにより、突起部35に加わる垂直方向
分力Fzおよび水平方向分力Fxを検出することができる。
また、Y方向の梁41においても同様に垂直方向分力Fz
水平方向分力Fyを検出することができる。従って各セン
サ素子は分力FzとFx、あるいは分力FzとFyとを検出する
ことができ、分布型圧覚センサ30全体としては、表面に
加えられた荷重の分布を、x,y,z方向分力、Fx,Fy,
Fzに分解して検出することができる。
Therefore, in the beam 40 in the X direction as shown in FIG. 4, the semiconductor strain gauges 42A, 42B, 42C and 42D are formed in the longitudinal direction on the center line of the beam 40 in the X direction as shown in FIG. By incorporating these semiconductor strain gauges into the half bridge of the form shown in FIG. 9 and performing signal processing in the signal processing unit 30B, the vertical component force F z and the horizontal component force F x applied to the protrusion 35 are generated. Can be detected.
Further, also in the beam 41 in the Y direction, the vertical component force F z ,
The horizontal component force F y can be detected. Therefore, each sensor element can detect the component forces F z and F x , or the component forces F z and F y, and the distributed pressure sensor 30 as a whole can calculate the distribution of the load applied to the surface as x, y, z direction component force, F x , F y ,
It can be detected by being decomposed into F z .

[発明が解決しようとする課題] しかしながら、上述したような分布型圧覚センサ30を実
際に使用する場合、例えば第11図に示すようにセンサを
形成するシリコンウエハの表面側の斜線で示した外周部
45を第12図に示すようにして下部基板46に接着層47やは
んだ付等によって固定保持させるようにすると、第12図
は第2図で示したP−P断面に対応するX方向の梁40
両端のうち、一方の端部は外周部45に直接固定支持され
るのに対して、他方の端部は浅溝部34で形成される固定
支持梁48の中央部に固定支持される。
[Problems to be Solved by the Invention] However, when actually using the distributed pressure sensor 30 as described above, for example, as shown in FIG. 11, the outer circumference of the silicon wafer on which the sensor is formed is shaded on the surface side. Department
When 45 is fixedly held on the lower substrate 46 by an adhesive layer 47 or soldering as shown in FIG. 12, FIG. 12 shows a beam in the X direction corresponding to the PP cross section shown in FIG. Of both ends of 40 , one end is fixed and supported directly on the outer peripheral portion 45, while the other end is fixed and supported on the central portion of the fixed support beam 48 formed by the shallow groove 34.

すなわち、X方向の梁40の支持条件は第13図に示す如
く、一方の端部は純粋な固定支持、他方の端部は両端固
定支持梁48の中央部で固定支持された形態となる。とこ
ろで既に述べたように、この分布型圧覚センサ30の荷重
検出の原理は、突起部35を中心とした左右対称な両端固
定梁を基体とするものであり、第13図に示すようなX方
向の梁40では梁の非対称性から、垂直方向分力Fzを同定
する場合の水平方向分力Fxによる干渉、同様に水平方向
分力Fxを同定する場合の垂直方向分力Fzによる干渉が大
きい。これはY方向の梁41についても同様である。すな
わち上述した分布型圧覚センサ30では、センサ表面に加
えられた分布荷重を3方向分力に分解して正確に検出す
る上で未だ課題が残されていた。
That is, as shown in FIG. 13, the supporting condition of the beam 40 in the X direction is such that one end portion is purely fixedly supported, and the other end portion is fixedly supported at the central portion of the both ends fixed support beam 48 . By the way, as described above, the principle of load detection of the distributed pressure sensor 30 is that the both ends of the left and right symmetrical fixed beams centering on the protrusion 35 are used as the base, and the direction of the X direction as shown in FIG. from the beam 40 in the beam of the asymmetry of the interference due to the horizontal component force F x in the case of identifying the vertical component force F z, by the vertical component force F z in the case of identifying a similarly horizontal component force F x There is a lot of interference. The same applies to the beam 41 in the Y direction. That is, in the distributed pressure sensor 30 described above, there is still a problem in that the distributed load applied to the sensor surface is decomposed into three-direction component forces and accurately detected.

本発明は、以上に述べたような課題の解決を図るべく、
各センサ素子において、突起部に付加された荷重を正確
に垂直,水平方向の3分力に分解して検知でき、全体と
しても正確に3方向分力に分解して検知することができ
る分布型触覚センサを提供することを目的としている。
The present invention, in order to solve the problems described above,
In each sensor element, the load applied to the protrusion can be accurately decomposed into three component forces in the vertical and horizontal directions and can be detected, and as a whole, can be accurately decomposed into three component forces and detected. It is intended to provide a tactile sensor.

[課題を解決するための手段] かかる目的を達成するために、本発明は、半導体基板上
の互いに直交するX方向およびY方向に複数組の対をな
す長方形貫通孔をそれぞれ並列させて穿設すると共に、
対をなす長方形貫通孔の間にX方向およびY方向の梁部
を構成し、半導体基板の一方の面における梁部の各々の
スパン中央部に突起部を設け、突起部の両側に薄肉部を
形成すると共に薄肉部の更に両側にそれぞれ梁支持部を
形成し、半導体基板の他方の面における梁部に複数のス
トレンゲージを形成して、複数のストレンゲージにより
突起部に加えられた力の半導体基板に対する垂直方向の
分力、X方向およびY方向の分力が検出可能な分布型圧
覚センサにおいて、X方向およびY方向の梁部における
薄肉部の外側を梁部と直交する支持梁の中央部にそれぞ
れ固定して支持させたことを特徴とする。
[Means for Solving the Problem] In order to achieve such an object, the present invention provides a plurality of pairs of rectangular through holes arranged in parallel in the X direction and the Y direction orthogonal to each other on a semiconductor substrate. Along with
Beam portions in the X and Y directions are formed between a pair of rectangular through holes, a protrusion is provided at the center of the span of each beam on one surface of the semiconductor substrate, and thin portions are provided on both sides of the protrusion. The beam support portions are formed on both sides of the thin-walled portion, and a plurality of strain gauges are formed on the beam portion on the other surface of the semiconductor substrate, and the semiconductor of the force applied to the protrusion by the plurality of strain gauges is formed. A distributed pressure sensor capable of detecting a component force in a vertical direction with respect to a substrate and a component force in an X direction and a Y direction, wherein a central portion of a support beam orthogonal to a beam portion outside a thin portion in the beam portion in the X direction and the Y direction. It is characterized in that they are each fixed and supported.

[作用] 本発明によれば、スパン中央部に突起部を有し、その両
側に薄肉部が対称に形成されてなる梁部の両端が厚肉部
で形成される固定梁の中央部でそれぞれ固定支持される
ので、梁部の支持条件が突起部の両側で同一となり、突
起部に付加された荷重の3方向の分力間に互いに干渉が
なくなり、梁に垂直方向の分力と、水平方向の互いに直
交する方向の2分力とを正確に分解して検出することが
できる。
[Operation] According to the present invention, a beam having a protrusion in the center of the span and thin portions symmetrically formed on both sides of the protrusion has both ends at the center of the fixed beam formed by the thick portion. Since it is fixedly supported, the beam support conditions are the same on both sides of the protrusion, and there is no mutual interference between the component forces of the load applied to the protrusion in the three directions. It is possible to accurately decompose and detect the two-component force in the directions orthogonal to each other.

[実施例] 以下に、図面に基づいて本発明の実施例を詳細かつ具体
的に説明する。
Embodiments Embodiments of the present invention will be described in detail and specifically below with reference to the drawings.

第14A図〜第14C図は本発明分布型圧覚センサ300の一例
を示し、第14A図はそのシリコンウエハを裏面側から見
て示したものである。本例においても縦方向に深溝部31
と浅溝部34とが、また横方向に深溝部32と浅溝部34とが
第1図と同様にして形成されるが、本例の場合は第1図
に比して縦方向で深溝部31Aが両側に1本ずつ多く形成
されており、更に横方向においても同様にして上下の両
側に深溝部32Aが1本ずつ多く形成されている。
14A to 14C show an example of the distributed pressure sensor 300 of the present invention, and FIG. 14A shows the silicon wafer viewed from the back side. Also in this example, the deep groove portion 31 is formed in the vertical direction.
And the shallow groove portion 34, and the deep groove portion 32 and the shallow groove portion 34 in the lateral direction are formed in the same manner as in FIG. 1, but in the case of this example, the deep groove portion 31A is formed in the vertical direction as compared with FIG. Are formed on both sides in large numbers, and in the same manner in the lateral direction, one deep groove portion 32A is formed on each of the upper and lower sides.

さらに第1図と異なる点は、これらの新たな深溝部31A
および32Aに沿って新たに長方形の貫通孔33Aを4個設け
たことである。このように構成した分布型圧覚センサ30
0のP−P断面およびQ−Q断面を第15図および第16図
に示す。これらの図を第2図および第3図と比較すれば
分るようにX方向の梁140およびY方向の梁141の両端部
は長方形貫通孔33および33Aにより隔絶された固定支持
48によって支持されている。
Furthermore, the difference from FIG. 1 is that these new deep groove portions 31A are provided.
And 32A are newly provided with four rectangular through holes 33A. The distributed pressure sensor 30 configured in this way
The PP cross section and the QQ cross section of 0 are shown in FIG. 15 and FIG. As can be seen by comparing these figures with FIGS. 2 and 3, both ends of the beam 140 in the X direction and the beam 141 in the Y direction are supported by fixed support beams 48 separated by rectangular through holes 33 and 33A. Has been done.

そこで、このような分布型圧覚センサ300を第17図およ
び第18図に示すようにして下部基板46に固定した場合、
X方向の梁140およびY方向の梁141はいずれも第19図に
示す形態で固定支持梁48の中央部で固定支持されること
になり、その支持条件は突起部35を中心にその両側が対
称に保たれる。したがって、梁の非対称支持条件により
生じていた分力間の相互干渉を排除することができ、突
起部35に付加された荷重を半導体ストレンゲージ42によ
りX,YおよびZの3方向の分力に正確に分解して検出
することができる。
Therefore, when such a distributed pressure sensor 300 is fixed to the lower substrate 46 as shown in FIGS. 17 and 18,
The beam 140 in the X direction and the beam 141 in the Y direction are both fixedly supported at the central portion of the fixed support beam 48 in the form shown in FIG. It is kept symmetrical. Therefore, it is possible to eliminate the mutual interference between the component forces generated due to the asymmetric support condition of the beam, and the load applied to the protrusion 35 is converted into the component forces in the three directions of X, Y and Z by the semiconductor strain gauge 42. It can be accurately decomposed and detected.

第20図および第21図は本発明の他の実施例を示す。本例
は第14A図〜第14C図で示した第1実施例に加えて、さら
に4個の長方形貫通孔33Bと4個の正方形貫通孔33Cとを
周囲の深溝部31Aおよび32Aに沿って穿設したもので、こ
れら貫通孔の配置をX方向およびY方向に対して対称に
設けることにより固定支持梁48の両端における支持条件
を均一化し、それによってX方向の梁140およびY方向
の梁141の支持条件をより完全に均一化させることがで
きる。
20 and 21 show another embodiment of the present invention. In this example, in addition to the first embodiment shown in FIGS. 14A to 14C, four rectangular through holes 33B and four square through holes 33C are drilled along the surrounding deep groove portions 31A and 32A. By arranging these through holes symmetrically with respect to the X direction and the Y direction, the supporting conditions at both ends of the fixed support beam 48 are made uniform, whereby the beam 140 in the X direction and the beam 141 in the Y direction are provided. It is possible to make the supporting condition of 1 more completely uniform.

[発明の効果] 以上説明してきたように、本発明によれば、半導体基板
上の互いに直交するX方向およびY方向に複数組の対を
なす長方形貫通孔をそれぞれ並列させて穿設すると共
に、前記対をなす長方形貫通孔の間に前記X方向および
Y方向の梁部を構成し、前記半導体基板の一方の面にお
ける前記梁部の各々のスパン中央部に突起部を設け、該
突起部の両側に薄肉部を形成すると共に該薄肉部の更に
両側にそれぞれ梁支持部を形成し、前記半導体基板の他
方の面における前記梁部に複数のストレンゲージを形成
して、該複数のストレンゲージにより前記突起部に加え
られた力の前記半導体基板に対する垂直方向の分力、前
記X方向およびY方向の分力が検出可能な分布型圧覚セ
ンサにおいて、X方向およびY方向の梁部の両端の梁支
持部を梁部と直交する支持梁の中央部に固定させるよう
にしたので、突起部を中心とする梁の支持条件が対称に
保たれ、突起部に加えられた荷重を互いに干渉が生じる
ことなく、梁に垂直な方向および互いに直交する水平方
向の3分力に正確に分解して検出できるようになり、検
出精度の高い分布型圧覚センサを提供することができる
ようになった。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, a plurality of pairs of rectangular through holes are formed in parallel on the semiconductor substrate in the X direction and the Y direction orthogonal to each other, and Beam portions in the X direction and the Y direction are formed between the pair of rectangular through holes, and a projection portion is provided at a span center portion of each of the beam portions on one surface of the semiconductor substrate. Forming thin-walled portions on both sides and beam-supporting portions on both sides of the thin-walled portion, and forming a plurality of strain gauges on the beam portion on the other surface of the semiconductor substrate by the plurality of strain-gauges. In a distributed pressure sensor capable of detecting a component force of a force applied to the protrusion in a direction perpendicular to the semiconductor substrate and a component force in the X direction and the Y direction, beams at both ends of a beam portion in the X direction and the Y direction. Support section Since it was fixed to the central part of the support beam orthogonal to the beam part, the supporting condition of the beam centering on the protrusion is kept symmetrical, and the loads applied to the protrusion do not interfere with each other, It is now possible to accurately decompose and detect the three-component force in the direction perpendicular to the beam and in the horizontal direction orthogonal to each other, and it is possible to provide a distributed pressure sensor with high detection accuracy.

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

第1図は従来の分布型圧覚センサにおける半導体基板の
構成の一例を加圧側から見て示す平面図、 第2図は第1図のP−P線断面図、 第3図は第1図のQ−Q線断面図、 第4図は第1図に示す分布型圧覚センサにおけるストレ
ンゲージの配置図、 第5図〜第8図は第1図および第4図に示すセンサによ
る検出原理を説明する図であり、 第5図は両端固定梁構造に垂直方向の力がかかった状態
を示す図、 第6図は第5図の場合に梁の下部に発生する応力の分布
図、 第7図は第5図に示す梁構造に水平方向の力がかかった
状態を示す図、 第8図は第7図の場合に梁の下部に発生する応力の分布
図、 第9図は第4図に示すストレンゲージからの信号処理回
路の構成図、 第10図は第9図に示すストレンゲージの梁上の配列を模
式的に示す平面図、 第11図および第12図は第1図ないし第4図に示す従来の
分布型圧覚センサを下部基板上に固定した状態を裏面側
から見て示す下面図、 第13図はその分布型圧覚センサの梁部の支持構造を模式
的に示す斜視図、 第14A図は本発明分布型圧覚センサの半導体基板の構成
を加圧側から見て示す平面図、 第14B図および第14C図は第14A図をA方向およびB方向
から見て示すそれぞれ側面図、 第15図および第16図は第14A図のP−P線およびQ−Q
線断面図、 第17図および第18図は本発明分布型圧覚センサの下部基
板上に固定した状態を裏面側から見て示す下面図および
断面図、 第19図は本発明分布型圧覚センサに構成される梁部の支
持構造を模式的に示す斜視図、 第20図および第21図は本発明の他の実施例による半導体
基板の加圧側およびその反対側から見たそれぞれ平面図
および下面図である。 21〜24……ストレンゲージ、 25……加算増幅器、 27……差動増幅器、30 ,300……分布型圧覚センサ、 30A……検出部、 30B……信号処理部、 31,32,31A,32A……深溝部、 33,33A,33B,33C……長方形貫通孔、 34……浅溝部、 35……突起部、40 ,41,140,141……X方向の梁、Y方向の梁、 42……半導体ストレンゲージ、48 ……固体支持梁。
FIG. 1 is a plan view showing an example of the configuration of a semiconductor substrate in a conventional distributed pressure sensor as viewed from the pressurizing side, FIG. 2 is a sectional view taken along the line PP of FIG. 1, and FIG. A Q-Q line sectional view, FIG. 4 is a layout view of a strain gauge in the distributed pressure sensor shown in FIG. 1, and FIGS. 5 to 8 are explanations of the detection principle by the sensors shown in FIGS. 1 and 4. FIG. 5 is a diagram showing a state in which a vertical force is applied to the fixed-end beam structure, FIG. 6 is a distribution diagram of stress generated in the lower part of the beam in the case of FIG. 5, and FIG. Is a diagram showing a state in which a horizontal force is applied to the beam structure shown in FIG. 5, FIG. 8 is a distribution diagram of stress generated in the lower part of the beam in the case of FIG. 7, and FIG. 9 is shown in FIG. Fig. 10 is a configuration diagram of a signal processing circuit from the strain gauge shown in Fig. 10, and Fig. 10 is a plan view schematically showing an arrangement on the beam of the strain gauge shown in Fig. 9. 11 and 12 are bottom views showing the state in which the conventional distributed pressure sensor shown in FIGS. 1 to 4 is fixed on the lower substrate as seen from the back side, and FIG. 13 is the distributed pressure sensor. FIG. 14A is a perspective view schematically showing the support structure of the beam portion of FIG. 14, FIG. 14A is a plan view showing the configuration of the semiconductor substrate of the distributed pressure sensor of the present invention viewed from the pressurizing side, FIGS. 14B and 14C are FIG. 14A. FIG. 15 is a side view showing the same as seen from the A direction and the B direction, and FIGS. 15 and 16 show the PP line and QQ of FIG.
FIG. 17 is a sectional view taken along the line of FIG. 17 and FIG. 18, showing a bottom view and a sectional view of the distributed pressure sensor of the present invention fixed on the lower substrate as viewed from the back side. FIG. 20 is a perspective view schematically showing the support structure of the constituted beam portion, and FIGS. 20 and 21 are a plan view and a bottom view, respectively, of the semiconductor substrate according to another embodiment of the present invention viewed from the pressure side and the opposite side thereof, respectively. Is. 21 to 24 …… Strain gauge, 25 …… Adding amplifier, 27 …… Differential amplifier, 30 , 300 …… Distributed pressure sensor, 30A …… Detector, 30B …… Signal processor, 31,32,31A, 32A ... deep groove, 33,33A, 33B, 33C ... rectangular through hole, 34 ... shallow groove, 35 ... protrusion, 40 , 41 , 140 , 141 ...... X direction beam, Y direction beam, 42 …… Semiconductor strain gauge, 48 …… Solid support beam.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】半導体基板上の互いに直交するX方向およ
びY方向に複数組の対をなす長方形貫通孔をそれぞれ並
列させて穿設すると共に、前記対をなす長方形貫通孔の
間に前記X方向およびY方向の梁部を構成し、前記半導
体基板の一方の面における前記梁部の各々のスパン中央
部に突起部を設け、該突起部の両側に薄肉部を形成する
と共に該薄肉部の更に両側にそれぞれ梁支持部を形成
し、前記半導体基板の他方の面における前記梁部に複数
のストレンゲージを形成して、該複数のストレンゲージ
により前記突起部に加えられた力の前記半導体基板に対
する垂直方向の分力、前記X方向およびY方向の分力が
検出可能な分布型圧覚センサにおいて、 前記X方向およびY方向の梁部における前記薄肉部の外
側を該梁部と直交する支持梁の中央部にそれぞれ固定し
て支持させたことを特徴とする分布型圧覚センサ。
1. A plurality of pairs of rectangular through holes are formed in parallel on the semiconductor substrate in the X direction and the Y direction orthogonal to each other, and the X direction is provided between the pair of rectangular through holes. And a beam portion in the Y direction, a protrusion is provided at the center of each span of the beam on one surface of the semiconductor substrate, thin portions are formed on both sides of the protrusion, and a thin portion is further formed. Beam support portions are formed on both sides, a plurality of strain gauges are formed on the beam portion on the other surface of the semiconductor substrate, and the force applied to the protrusions by the plurality of strain gauges is applied to the semiconductor substrate. In a distributed pressure sensor capable of detecting a component force in a vertical direction and a component force in the X direction and the Y direction, an outer side of the thin portion of the beam portion in the X direction and the Y direction of a support beam orthogonal to the beam portion. Center A distributed pressure sensor characterized by being fixed to and supported by the respective parts.
JP63240917A 1988-09-28 1988-09-28 Distributed pressure sensor Expired - Lifetime JPH0663887B2 (en)

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JPH0290031A JPH0290031A (en) 1990-03-29
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101278679B1 (en) * 2011-12-27 2013-06-25 전자부품연구원 Haptics sensing device for multi-point and system including the same

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