JPH067031U

JPH067031U - 三次元力覚センサー

Info

Publication number: JPH067031U
Application number: JP1394991U
Authority: JP
Inventors: 集蝦名
Original assignee: Enplas Corp
Current assignee: Enplas Corp
Priority date: 1991-03-12
Filing date: 1991-03-12
Publication date: 1994-01-28

Abstract

(57)【要約】〔目的〕力覚センサーの小型化及びＳ／Ｎ比の向上を
目的とする。〔構成〕力覚センサー１０のダイアフラム１２に貼付
したセンサーチップ１４を保護するキャン２０の内面に
ノイズフィルターを含むアンプ４を設け、前記センサー
チップ１４の出力信号を第二及び第三ＦＰＣ２、３で前
記アンプ４に接続し、外部との間は第一ＦＰＣ１で前記
アンプ４に接続してある。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案はＯＡ機器の入力装置や自動制御装置のセンサー部に使用される力覚センサーに関し、特に拡散歪ゲージを形成したシリコン単結晶基板よりなるセンサーチップを起歪体上に接合した半導体三次元力覚センサーの出力部に関する。

【０００２】

【従来の技術】

先ず、本考案の対象となる拡散型力覚センサーについて説明する。

【０００３】従来から知られた力覚センサーは三次元構造に加工された起歪体にストレインゲージを貼付したものであるが、大きさや感度、更に価格の面で充分なものであるとは言えないものであった。

【０００４】ところが、このような従来からの力覚センサーに改良を加え、シリコン単結晶基板に機械的外力を加えると結晶格子に歪を生じ、半導体中のキャリア数や移動度が変化して抵抗率が変わる現象、即ちピエゾ抵抗効果を利用して起歪体の歪を抵抗の変化に変換し、ブリッジ回路により起歪体に加わる力を電気信号に変換するセンサーチップを用いた拡散型三次元力覚センサーが考え出された。

【０００５】この力を検出する部分と抵抗を電圧に変換する回路を９ｍｍ角程度のシリコン単結晶基板のセンサーチップにのせ、これを三次元に変化する起歪体に貼付したもので、一例として直径３．２ｃｍの円盤状で、体積は約６ｃｍ³と非常に小さく、従来の力覚センサーでは１０ｇ以上の力でなければ検出出来なかったものが、拡散型三次元力覚センサーでは０．１ｇという微少な力でも検出することが出来る。

【０００６】図２に示すものは上述の拡散型三次元力覚センサー（以下単に力覚センサーという）の要部断面図、図３は全体の斜視図、図４はキャンを取除いた状態の上面図、図５は同じく断面図である。

【０００７】この力覚センサー１０の起歪体１１は外周部１１ａと、中心部に垂直に突出した検出アーム１３と、これら外周部１１ａと検出部１３の間のダイアフラム１２とで形成し、このダイアフラム１２の前記検出アーム１３と反対側の面にはシリコン単結晶基板のセンサーチップ１４が貼付してある。

【０００８】このセンサーチップ１４には、前記ダイアフラム１２の外周部１１ａ側のエッジ部１２ａと検出アーム１３側のエッジ部１２ｂに対応する位置にゲージ抵抗１４−１、１４−２、１４−３、１４−４が一つの直径上に並んで形成されている。なお、検出アーム１３の先端には、被測定物と接続するようにねじ孔１３ａが穿設してある。

【０００９】なお、図で２０はセンサーチップ１４の保護のためのキャン、２１は力覚センサー１０を取付けるために起歪体１１の外周部１１ａに分散して穿設されている取付け孔、２２は取付け方向を規制する基準孔、２３はリードピンである。

【００１０】図６、図７、図８は上述の力覚センサー１０のゲージ抵抗１４−１、１４−２、１４−３、１４−４で構成されたブリッジ回路で、ダイアフラム１２の各ゲージ抵抗１４−１、１４−２、１４−３、１４−４が外力を受けた時、ブリッジ回路各辺の電気抵抗Ｒｘ₁〜Ｒｘ₄、Ｒｙ₁〜Ｒｙ₄、Ｒｚ₁〜Ｒｚ₄は表１に示す変化を起こし、Ｘ軸モーメント（Ｍｘ）、Ｙ軸モーメント（Ｍｙ）、Ｚ軸押張力（Ｆｚ）を検出することが出来る。図６はＭｘ用、図７はＭｙ用、図８はＦｚ用である。

【００１１】ここで、各ゲージ抵抗１４−１、１４−２、１４−３、１４−４はＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各ブリッジ抵抗Ｒｘ₁〜Ｒｘ₄、Ｒｙ₁〜Ｒｙ₄、Ｒｚ₁〜Ｒｚ₄に共通である。

【００１２】

【表１】

【００１３】

【考案が解決しようとする課題】

上述のようなセンサーチップ１４を用いる力覚センサー１０では、センサーチップ１４自体は外力による変形を抵抗変化として出力するために不安定な要素が多く、センサーチップ１４の製造工程中に応力が加わってセンサーチップ１４自体の諸特性が変動してしまう可能性があり、センサーチップ１４上にアンプを組み込むのは適さないという問題がある。

【００１４】このため、図９に示すように、従来の力覚センサー１０ではセンサーチップ１４との接続にフレキシブル・プリント・サーキット（ＦＰＣ）２５を使用し、駆動電圧の供給と荷重信号の出力とを行うので、外部アンプ２４を設ける必要があり、全体として小型化が困難であった。

【００１５】本考案は上述の問題を解決して、外部アンプ２４を必要とせず、小型の力覚センサーを提供することを課題とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】

上述の課題を解決するために、拡散型ゲージ抵抗を形成したシリコン単結晶基板よりなるセンサーチップ１４を起歪体１１上に接合してなる拡散型力覚センサー１０において、前記センサーチップ１４に接続するアンプ及びノイズフィルター４を前記センサーチップ１４をカバーするキャン２０の内面に接合して一体化したものである。

【００１７】

【実施例】

図１は本考案の力覚センサーの断面図である。この実施例ではＦＰＣ及びキャン２０以外は上述の従来の力覚センサー１０と同じであるので、同一部分の説明は省略する。

【００１８】起歪体１１の中央部にセンサーチップ１４を貼付することは従来例と同じであるが、センサーチップ１４の各接続端子は一旦起歪体１１のダイアフラム１２の周辺の外周部１１ａに貼付されている第二ＦＰＣ２の接続端子に金線等で接続し、この第二ＦＰＣ２とキャン２０の内面に貼付してある第三ＦＰＣ３との間はキャン２０を起歪体１１に固定する時に電気的に接続されるように構成してある。

【００１９】キャン２０には、上側の内面に小型のチップで構成されたノイズフィルターを含むアンプ４が設けてあり、このアンプ４の入力端子に前記第三ＦＰＣ３が接続してある。更に、このアンプ４の出力端子と電源入力端子はキャン２０に貼付してある第一ＦＰＣ１に接続してあり、力覚センサー１０の外部とは第一ＦＰＣ１で接続してある。

【００２０】

【考案の効果】

上述のように、力覚センサー１０の内部にアンプ４を内蔵しているので、駆動電圧を供給するだけで検出した力やモーメントの増幅信号の出力が可能となり、外部アンプ２４が必要ないので全体が小型化出来る。

【００２１】更に、センサーチップ１４の側近でアンプ４の内部にノイズフィルターが一体的に組み込まれているので、ノイズ出力が減少し、力覚センサー１０の出力のＳ／Ｎ比の向上が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の力覚センサーの断面図である。

【図２】力覚センサーの要部断面図である。

【図３】力覚センサーの全体の斜視図である。

【図４】力覚センサーのキャンを取除いた状態の上面図
である。

【図５】力覚センサーのキャンを取除いた状態の断面図
である。

【図６】Ｘ軸用ブリッジ回路図である。

【図７】Ｙ軸用ブリッジ回路図である。

【図８】Ｚ軸用ブリッジ回路図である。

【図９】従来の力覚センサーの断面図である。

【符号の説明】

１第一ＦＰＣ２第二ＦＰＣ３第三ＦＰＣ４アンプ１０力覚センサー１１起歪体１２ダイアフラム１３検出アーム１４センサーチップ２０キャン

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】拡散型ゲージ抵抗を形成したシリコン単
結晶基板よりなるセンサーチップを起歪体上に接合して
なる拡散型力覚センサーにおいて、前記センサーチップ
に接続するアンプ及びノイズフィルターを前記センサー
チップをカバーするキャンの内面に接合して一体化した
ことを特徴とする三次元力覚センサー。