JPS59155734A - 力変換器 - Google Patents
力変換器Info
- Publication number
- JPS59155734A JPS59155734A JP3031283A JP3031283A JPS59155734A JP S59155734 A JPS59155734 A JP S59155734A JP 3031283 A JP3031283 A JP 3031283A JP 3031283 A JP3031283 A JP 3031283A JP S59155734 A JPS59155734 A JP S59155734A
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- Japan
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- diaphragm
- movable pin
- cap
- force
- pin
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は力変換器に関し、特に半導体ダイアフラム型セ
ンサを用いた力変換器に関する。
ンサを用いた力変換器に関する。
最近の半導体技術の進歩に伴って、空気、水、油等の流
体の圧力検出器や圧力−電気信号変換器などに半導体ダ
イアフラムを使用するものが実用化されつつある。半導
体には安価で歪−抵抗値変化係数（所謂ケージ率）の大
きいシリコンが多く用いられている。
体の圧力検出器や圧力−電気信号変換器などに半導体ダ
イアフラムを使用するものが実用化されつつある。半導
体には安価で歪−抵抗値変化係数（所謂ケージ率）の大
きいシリコンが多く用いられている。
第１図は従来のシリコンダイアフラム型圧力変換器の一
例の断面図である。
例の断面図である。
シリコン・ダイ１の中央部に超音波加工法、放電加工法
、異方性エツチング等の周知の方法で薄肉のダイアフラ
ム２を設け、このダイアフラムの一部を含むように複数
の拡散層３を設ける。拡散層３はダイ１とは反対導電型
で、拡散層３とダイ１とでＰＮ接合を形成する。ダイ１
の主面に８ＩＯ。
、異方性エツチング等の周知の方法で薄肉のダイアフラ
ム２を設け、このダイアフラムの一部を含むように複数
の拡散層３を設ける。拡散層３はダイ１とは反対導電型
で、拡散層３とダイ１とでＰＮ接合を形成する。ダイ１
の主面に８ＩＯ。
等の絶縁膜４を被着し、拡散層３の部分を窓あけし、金
桟配線５を設ける。
桟配線５を設ける。
パッケージはベース部７とキャップ９とから成シ、それ
ぞれ流体を導入するパイプ８．１０が取付けられている
。ベース部７には外部引出し用端子１１がベースと電気
的に絶縁されて引出されている。
ぞれ流体を導入するパイプ８．１０が取付けられている
。ベース部７には外部引出し用端子１１がベースと電気
的に絶縁されて引出されている。
ベース部７に接着剤６を介してダイ１を固着し、外部引
出し用端子１１と金属配線５とを金属細線１２で接続し
た後、ベース部７の周辺にキャップ９を気密封止する。
出し用端子１１と金属配線５とを金属細線１２で接続し
た後、ベース部７の周辺にキャップ９を気密封止する。
このように構成された圧力変換器において、パイプ８と
１０とにそれぞれ流体を導入すると、これらの流体間に
圧力差があればダイアフラム２が圧力の高い方の流体に
押されて変形する。との変形によシダイアフラム２の抵
抗値が変化する。抵抗値の変化は二つの拡散層３の間に
定電流を流しておけば電圧変化として検出できる。
１０とにそれぞれ流体を導入すると、これらの流体間に
圧力差があればダイアフラム２が圧力の高い方の流体に
押されて変形する。との変形によシダイアフラム２の抵
抗値が変化する。抵抗値の変化は二つの拡散層３の間に
定電流を流しておけば電圧変化として検出できる。
このダイアフラム型圧力変換器は流体圧力、即ち単位面
積当シの力（通常Ｋｇ／ｃｍ２の単位で表わされる）を
計測するには適するが力（Ｋ９／Ｃｍ”の単位に対比さ
せたときは初）を計測するには適さない。
積当シの力（通常Ｋｇ／ｃｍ２の単位で表わされる）を
計測するには適するが力（Ｋ９／Ｃｍ”の単位に対比さ
せたときは初）を計測するには適さない。
一方、各種産業においてロボットが多用されるようにな
ってきているが、このロボットが対象物を把握するとき
の把握力を制御するために、対象物を把握したときの触
覚を検出する変換器がロボットに不可火力要素とガって
いる。この触覚検出用変換器には圧力検出器では力く力
検出器が必要である１゜ 前述の半導体ダイアフラム型圧力変換器は、圧力検出器
であって力検出器ではないので使用できないという欠点
がある。そのため、古くからある所謂ロードセルと称せ
られる荷重測定器が使用されてきた。しかしながら、従
来のロードセルでは、小型化が難しいこと、高感度が得
がたいこと、出力信号がドリフトしたシ、ヒステリシス
特性が出現したシするという欠点がある。
ってきているが、このロボットが対象物を把握するとき
の把握力を制御するために、対象物を把握したときの触
覚を検出する変換器がロボットに不可火力要素とガって
いる。この触覚検出用変換器には圧力検出器では力く力
検出器が必要である１゜ 前述の半導体ダイアフラム型圧力変換器は、圧力検出器
であって力検出器ではないので使用できないという欠点
がある。そのため、古くからある所謂ロードセルと称せ
られる荷重測定器が使用されてきた。しかしながら、従
来のロードセルでは、小型化が難しいこと、高感度が得
がたいこと、出力信号がドリフトしたシ、ヒステリシス
特性が出現したシするという欠点がある。
本発明の目的は上記欠点を除去し、半導体ダイアフラム
を用いることによシ小型、高感度、低価格が達成でき、
しかも出力信号のドリフトやヒステリレスのない力変換
器を提供することにある。
を用いることによシ小型、高感度、低価格が達成でき、
しかも出力信号のドリフトやヒステリレスのない力変換
器を提供することにある。
本発明の力変換器は、中央部が周辺部より薄肉であるダ
イアフラムを有する半導体ダイと、該半導体ダイの一生
面上に前記ダイアフラム領域を一部含むように設けられ
た複数の拡散層と、外部引出し用端子を有し前記半導体
ダイを固着し、前記拡散層と外部引出し用端子とを電気
的に接続したパッケージのベース部と、該ベース部の周
囲に気密封止されたパッケージのキャップと、該キャッ
プの一部に設けられ一端が前記ダイアフラムに接触する
ように配置された可動ピンとを含んで構成される。
イアフラムを有する半導体ダイと、該半導体ダイの一生
面上に前記ダイアフラム領域を一部含むように設けられ
た複数の拡散層と、外部引出し用端子を有し前記半導体
ダイを固着し、前記拡散層と外部引出し用端子とを電気
的に接続したパッケージのベース部と、該ベース部の周
囲に気密封止されたパッケージのキャップと、該キャッ
プの一部に設けられ一端が前記ダイアフラムに接触する
ように配置された可動ピンとを含んで構成される。
次に本発明の実施例について図面を用いて説明する。
第２図は本発明の一実施例の断面図である。
半導体ダイ１及びパッケージのベース部７は第１図で説
明したものと同一である。キャップは従来と異っている
。キャップ１９の中央部には貫通孔２０が設けられてお
り、貫通孔２０に可動ピン２１が挿入てれる。可動ピン
２１の先端はダイアフラム２に接触するように配置され
る。また、可動ピン２１は、第２図に示した構造体を天
地逆にした時に抜落ち々いようにフィン２２を設ける。
明したものと同一である。キャップは従来と異っている
。キャップ１９の中央部には貫通孔２０が設けられてお
り、貫通孔２０に可動ピン２１が挿入てれる。可動ピン
２１の先端はダイアフラム２に接触するように配置され
る。また、可動ピン２１は、第２図に示した構造体を天
地逆にした時に抜落ち々いようにフィン２２を設ける。
可動ピン２１の下部の先端はダイアフラム２に直接接触
するので、テフロン、ベークライト等の絶５− 綴物で作るのが好ましいが、ステンレス鋼等の金属材料
を用い下部先端に絶縁物を設けた構造にしても良い。可
動ピンの直径は貫通孔２０の内部で自由に上下運動でき
る寸法に設定する。自由に上下運動できるということは
可動ピン２１と貫通孔２０との間に若干の空隙が存在す
るととを意味するので、空気は自由に出入する。従って
、キャップ１９とベース部７とは気密封止にする必要は
力い。
するので、テフロン、ベークライト等の絶５− 綴物で作るのが好ましいが、ステンレス鋼等の金属材料
を用い下部先端に絶縁物を設けた構造にしても良い。可
動ピンの直径は貫通孔２０の内部で自由に上下運動でき
る寸法に設定する。自由に上下運動できるということは
可動ピン２１と貫通孔２０との間に若干の空隙が存在す
るととを意味するので、空気は自由に出入する。従って
、キャップ１９とベース部７とは気密封止にする必要は
力い。
上記のように構成された力変換器において、可動ピン２
１に上方から印加された力は、可動ピン２１を介してダ
イアフラム２に印加される。ダイアフラム２への力は集
中荷重として作用し、ダイアフラム２を撓ませ、この撓
みに対応した応力をダイアフラム２に発生させる。この
応力によシビエゾ抵抗効果に従った抵抗値変化がダイア
フラム２に起ジ、この抵抗値変化は、二つの拡散層３の
間に電流を流しておくとき、二つの拡散層３間に生ずる
電圧の変化として検出される。可動ピン２１はとれに印
加される力をダイアフラム２に伝６− 達するものであるから、ダイアフラム２の剛性と比較し
て剛性の高い材質のものを使用する必要がある１、 上記実施例では、パイプ８は開放となっておυ、ダイア
フラノ・２の下方は大気圧に開放されているが、上述の
カケ換器の動作を考慮すれば必ずしも大気圧に開放され
ている必要にがい。パイプ８が閉ざされた構造、パッケ
ージ７に貫通穴が無い構造であっても良い。かかる構造
においては、ダイアフラム２の下方の空間には、（空、
空気、窒素ガス、シリコーンゴム等を充填する１、さら
にダイアフラム２の撓みのみが出力信号に対応すること
を考慮すれば、ダイアフラム２の下方の空間は、上方空
間と流体力学的に絶縁されている必要は無く、接続され
ていても良い。即ち、接着剤６は単にダイ１をベース部
７へ強固に固着されると占のみが必要に々り接着剤６の
一部に流、体が流れる通路が設けられていても何ら支障
は無い。−むしろ、ダイアフラム２の下方空間が大気圧
に開放されていない構造では、当該空間に充填された流
体の熱膨張により、ダイアフラム２が不要に撓むので、
特性劣化を引き起こすことがあるので、接着剤６の一部
に流体通路を積極的に設ける方が有利である。このこと
は、第１図に示した従来の圧力変換器と趣きを異にする
点である。
１に上方から印加された力は、可動ピン２１を介してダ
イアフラム２に印加される。ダイアフラム２への力は集
中荷重として作用し、ダイアフラム２を撓ませ、この撓
みに対応した応力をダイアフラム２に発生させる。この
応力によシビエゾ抵抗効果に従った抵抗値変化がダイア
フラム２に起ジ、この抵抗値変化は、二つの拡散層３の
間に電流を流しておくとき、二つの拡散層３間に生ずる
電圧の変化として検出される。可動ピン２１はとれに印
加される力をダイアフラム２に伝６− 達するものであるから、ダイアフラム２の剛性と比較し
て剛性の高い材質のものを使用する必要がある１、 上記実施例では、パイプ８は開放となっておυ、ダイア
フラノ・２の下方は大気圧に開放されているが、上述の
カケ換器の動作を考慮すれば必ずしも大気圧に開放され
ている必要にがい。パイプ８が閉ざされた構造、パッケ
ージ７に貫通穴が無い構造であっても良い。かかる構造
においては、ダイアフラム２の下方の空間には、（空、
空気、窒素ガス、シリコーンゴム等を充填する１、さら
にダイアフラム２の撓みのみが出力信号に対応すること
を考慮すれば、ダイアフラム２の下方の空間は、上方空
間と流体力学的に絶縁されている必要は無く、接続され
ていても良い。即ち、接着剤６は単にダイ１をベース部
７へ強固に固着されると占のみが必要に々り接着剤６の
一部に流、体が流れる通路が設けられていても何ら支障
は無い。−むしろ、ダイアフラム２の下方空間が大気圧
に開放されていない構造では、当該空間に充填された流
体の熱膨張により、ダイアフラム２が不要に撓むので、
特性劣化を引き起こすことがあるので、接着剤６の一部
に流体通路を積極的に設ける方が有利である。このこと
は、第１図に示した従来の圧力変換器と趣きを異にする
点である。
上記実施例における力・電圧の変換係数はダイアフラム
２の面積が大きい程、膜厚が薄い程大きくなシ、わずか
が力の検出が可能となる。素子設計の立場から述べるな
らば、所要の被測定力によシ、ダイアフラム２の面積、
膜厚のいずれか、あるいは両方を選択すれば良いことに
なる。勿論、被測定力が大きい場合には、例えばダイア
フラム２の膜厚が集積回路分野で通常用いられているウ
ェハー厚よりも大きいことが要求される。かかる場合に
は、可動ピン２１の上下運動にばね作用を持たせ、外部
からの印加力の一部がこのばねに吸収され、残る当該印
加力のみがダイアフラム２に印加されるようにすれば良
い。
２の面積が大きい程、膜厚が薄い程大きくなシ、わずか
が力の検出が可能となる。素子設計の立場から述べるな
らば、所要の被測定力によシ、ダイアフラム２の面積、
膜厚のいずれか、あるいは両方を選択すれば良いことに
なる。勿論、被測定力が大きい場合には、例えばダイア
フラム２の膜厚が集積回路分野で通常用いられているウ
ェハー厚よりも大きいことが要求される。かかる場合に
は、可動ピン２１の上下運動にばね作用を持たせ、外部
からの印加力の一部がこのばねに吸収され、残る当該印
加力のみがダイアフラム２に印加されるようにすれば良
い。
第３図（ａ）〜（Ｃ）は第２図に示す一実施例の可動ピ
ンとその近傍の変形例の断面図である。
ンとその近傍の変形例の断面図である。
第３図（ａ）は、金属あるいは非金属の弾性体で作られ
、可動ピン２１の通る孔を設けたダイアフラム３０を追
加して設けた例を示す。ダイアフラム３０は図示してい
ないが、周辺においてキャップ１９またはベース部７に
固定される。ダイアプラム３０は弾性体であるのでばね
として作用し、可動ピン２１へ印加された力の一部を吸
収する。なお、タイアフラム３０は可動ピン２１に固定
されていなくても良く、固定されても良い。
、可動ピン２１の通る孔を設けたダイアフラム３０を追
加して設けた例を示す。ダイアフラム３０は図示してい
ないが、周辺においてキャップ１９またはベース部７に
固定される。ダイアプラム３０は弾性体であるのでばね
として作用し、可動ピン２１へ印加された力の一部を吸
収する。なお、タイアフラム３０は可動ピン２１に固定
されていなくても良く、固定されても良い。
第３図中）は可動ピン２１′とダイアフラム３０′とを
一体化した例を示す。この構造ではキャップ１９は省略
することも可能である１゜ 第３図（Ｃ）はばねを用いた例を示す。ばねコイル３２
をキャップ１９と押え具３３によシ支え、ばね３２をフ
ィン２２に当てて、可動ピンに印加される力の一部を吸
収させる。
一体化した例を示す。この構造ではキャップ１９は省略
することも可能である１゜ 第３図（Ｃ）はばねを用いた例を示す。ばねコイル３２
をキャップ１９と押え具３３によシ支え、ばね３２をフ
ィン２２に当てて、可動ピンに印加される力の一部を吸
収させる。
以上詳細に説明したように、本発明によれば、従来のロ
ードセルのような出力信号のドリフトやヒステリンスの
出現が々く、小型、高感度、低価格が達成できる力変換
器が得られるのでその効果９− は大きい１゜
ードセルのような出力信号のドリフトやヒステリンスの
出現が々く、小型、高感度、低価格が達成できる力変換
器が得られるのでその効果９− は大きい１゜
第１図は従来のシリコンダイアフラム型圧力変換器の一
例の断面図、第２図は本発明の一実施例の断面図、第３
図（ａ）〜（Ｃ）は第２図に示す一実施例の可動ピンと
その近傍の変形例の断面図である。 １・・・・・・シリコン・ダイ、２・・・・・・ダイア
フラム、３・・・・・・拡散層、４・・・・・・絶縁膜
、５・・・・・・金属配線、６・・・・・・接着剤、７
・・・・・・パッケージのベース部、８・・・・・・パ
イプ、９・・・・・・キャップ、１０・・曲バイブ、１
１・・・・・・外部引出し用端子、１２・・・・・・金
属細線、１ａ・・・・・・キャップ、２０・・四貫通孔
、２１．２１’・・・・・・可動ピン、２２・・・・・
・フィン、３０．３０’・・・・・・ダイアフラム、３
２・・・・・・ばねコイル、３３・・・・・・押え具。 １０− 年１剛 茅Ｚ圏 （ｃ） 茅３０ ２０４−
例の断面図、第２図は本発明の一実施例の断面図、第３
図（ａ）〜（Ｃ）は第２図に示す一実施例の可動ピンと
その近傍の変形例の断面図である。 １・・・・・・シリコン・ダイ、２・・・・・・ダイア
フラム、３・・・・・・拡散層、４・・・・・・絶縁膜
、５・・・・・・金属配線、６・・・・・・接着剤、７
・・・・・・パッケージのベース部、８・・・・・・パ
イプ、９・・・・・・キャップ、１０・・曲バイブ、１
１・・・・・・外部引出し用端子、１２・・・・・・金
属細線、１ａ・・・・・・キャップ、２０・・四貫通孔
、２１．２１’・・・・・・可動ピン、２２・・・・・
・フィン、３０．３０’・・・・・・ダイアフラム、３
２・・・・・・ばねコイル、３３・・・・・・押え具。 １０− 年１剛 茅Ｚ圏 （ｃ） 茅３０ ２０４−
Claims (1)
- 中央部が周辺部よシ薄肉であるダイアフラムを有する半
導体ダイと、該半導体ダイの一主面上に前記ダイアフラ
ム領域を一部含むように設けられた複数の拡散層と、外
部引出し用端子を有し前記半導体ダイを固着し前記拡散
層と外部引出し用端子とを電気的に接続したパッケージ
のベース部と、該ベース部の周囲に気密封止されたパッ
ケージのキャップと、該キャップの一部に設けられ一端
が前記ダイアフラムに接触するように配置された可動ピ
ンとを含むことを特徴とする力変換器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3031283A JPS59155734A (ja) | 1983-02-25 | 1983-02-25 | 力変換器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3031283A JPS59155734A (ja) | 1983-02-25 | 1983-02-25 | 力変換器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS59155734A true JPS59155734A (ja) | 1984-09-04 |
Family
ID=12300263
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3031283A Pending JPS59155734A (ja) | 1983-02-25 | 1983-02-25 | 力変換器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS59155734A (ja) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
1983
- 1983-02-25 JP JP3031283A patent/JPS59155734A/ja active Pending
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