JPH0781922B2 - 力覚センサ及びその製造方法 - Google Patents

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（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。第２は受け台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
加圧しないようにするために、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圧用スペーサ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の部品単体の加圧精度が悪い場
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の端面から僅か突き出た加圧棒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、一導電型半導体基板
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ッチングを用
いて窪みが形成されたダイアフラム部になっている。台
座13には、エッ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
みのエッ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す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、コノ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
ために、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14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13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。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を異方性エッチングにより
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
るように化学エッチングや、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、その後ワン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15
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、圧子がた
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……受け
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、15,21……ケース、16……支持台、18……固定
台、19……接着剤、20……上板。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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. 【請求項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。