JPS59171824A - 力変換器 - 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】 本発明は力変換器に関し、≠≠更に詳しくはシリコンダ
イアフラム型圧力センサを用いた力検出装置に関するも
のである。

計測分野においては、古くから所謂ロードセルと称せら
れている荷重測足器が多用されている。かかるロアード
セルは、通常、外界から与えられる荷重を機械系の歪に
変換する機構部と、該機構部に設けられた歪・電気信号
変換素子と、該変換素子から得られる電気信号を処理す
る回路部とから構成されている。これに用いられる機構
部は全域製のカンチレバーや円形ダイアプラムにより構
成されておジ、変換素子は歪ゲージと称される余端蒸着
膜の形状変化に伴なう抵抗値変化を利用する素子により
構成されている。

最近になって前記変換素子は歪φ抵抗値変化係数（所謂
ゲージ率）が大きい半導体のピエゾ抵抗効果を用いた半
導体歪ゲージが用いられるようになっている。

このロードセルにおいては、測定荷重範囲を変更するに
この機構部の剛性を変更すれば良くカンチレバーの断面
積ダイアフラム膜厚等の手段により容易に成されるが該
ロードセルは広範に用いる場合に技術的に多くの問題を
生じる。

−例として挙げるならば、前記変換素子を前記機構部に
取りつける接着剤がある。即ち、強固な接着剤を用いる
ことは不可避ではあるが、接着剤に一定の力が作用する
と、クリープと呼ばれる現象が発生し、出力信号がドリ
フトした９ヒステリシス特性が出現したジする。また、
他の一例としては前記ロードセルが機械加工により製造
されていることが摩げられる。即ち、この機械加工にお
いては素子の微小化が困難であり、高感度化が難し　く
、価格の低減化も困難である。

一方、空気圧や流体圧力を測定するための圧力変換器は
プロセス機器にとして多用されている。かかる変換器は
一般に圧力を機械系の歪に変換する機構部と、該機構部
に設けられた歪・電気信号変換素子と、該変換素子から
得られる電気信号を処理する回路部とから構成されてい
る。この機械部は前記ロードセルの場合と同様に、金属
製ダイアフラムにより構成され、かつ変換素子は歪ゲー
ジにより構成されている。したがってこの圧力変換器に
おいても前述した如き欠点を有する。

更に、近年の半導体集積回路技術を背景にしてシリコン
ダイアフラム型圧力変換器が実用化されつつある。この
シリコンダイアフラム型圧力変換器は第１図に示すよう
に中央部に厚さ数１０μｍの薄肉のダイアフラム２が超
音波加工放電加工、異方性エツチング等の周知の手法に
より形成されている。シリコンダイ１と、該ダイの一主
面に周知の拡散工程により埋設されている複数の拡散層
３とを含む。この拡散層の導電型に、ダイと導電型を異
にするように選択され拡散層３とダイ１との間にＰＮ接
合を形成するように成されている。当該拡散層３には、
該主面を被う酸化膜等の絶縁膜４の一部が除去された領
域を介して金属配線５が電気的に接続されている。ダイ
ｙは接着層６により、パッケージ７に固着されている。

パッケージ７の材質は通常の集積回路パッケージと同一
であっても良く、またダイと類似の熱膨張係数を有する
材質であっても良い。また、接着層６は、低融点ガラス
等の無機質、有機接着剤であっても良く、サラニ、ガラ
ス層ヲ介したアノ−ディックボンデインクを利用した構
造であっても良い。周知のことではあるが、接ＮＮとパ
ッケージとは、熱歪や残留応力を考慮して選択されるべ
きである。ざらに、パッケージ７の一部には貫通穴が設
けられ、第１の圧力導入パイプ８がパッケージ７に固着
されている。キャップ９はパッケージ７の周辺部で気密
封止されその一部が第２の圧力導入パイプ１０を形成し
ている。また、パッケージ７の一部には、気密封止され
た複数の導電性端子１１が設けられており、前述した余
端配線５と金属細線１２で接続されている。第１図の構
成において、第１および第２の圧力導入パイプを介して
流体圧力が印加される。例えば、単一の流体圧力を計測
したい時には、＠２の導入パイプへ当該圧力を導びき、
第１の導入パイプは大気圧に開放されている。当該流体
圧力が大気圧と比較して、高い時にはダイアフラム２は
図中上方へ、一方、低い時には図中下方へ撓むことにな
る。かかる撓みはダイアプラムの機械的歪となり、歪に
対応した応力が該ダイアプラム部に発生する。ピエゾ抵
抗効果は、シリコン等の半導体材料に応力を誘起させた
時、応力に比例した抵抗値変化が発生する現象であり、
当該分野の技術者には周知である。前記拡散抵抗３はダ
イアフラム部応力によジその拡散７抵抗３の値が変化す
るので、当該＼抗をクォーターブリッジ、ハーフブリッ
ジ、フルブリッジのいずれかに接続すれば電圧出力信号
として得られる。前記撓みが少量であるならば、圧力と
歪、歪と応力、応力と抵抗変化、抵抗変化と電圧出力と
の関係は全て直線関係となるので、圧力に比例した出力
信号が殉られることになる。

かかる動作原理により流体圧の検出が達成される。しか
るに、前述した如く、流体圧は単位面積当りの力、即ち
、　ｋｙ／ｃＩＡの単位であり、当該ダイアフラムの第
１の主面に分布荷重として印加される。

この上う力変換器では、シリコン材料を機械要素として
利用し、かつ、歪・電気信号変換素子金も一体形成され
ている特長とするが、かかる特長により、従来の前記圧
力変換器と比較して、接着剤に起因する特性劣化が無く
、かつ、集積回路の微細加工技術により小型化が容易な
ため、高感度化、低価格化も期待できることになる。

しかしながらこのシリコンダイアフラム型圧力変換器に
流体圧力（通常ｋｇ　／　ｃＪの単位で表わされる）を
計測するには適しているが、力（通常ゆの単位で表わさ
れる）を計測するには適さなかった。しかるに、近年の
多品種少量生産工程で要望されている組立てロボットで
は、対象物を把握した時の触覚を検出する変換器が重要
になっている。かかる応用形態での触覚検出用変換器と
しては圧力検出ではなく、力検出が必要となる。本発明
の目的は、従来のロードセルによる種々の欠点を除去す
ると共に前記シリコンダイア７２ム型圧力変換器を構成
要素とする力変換器を提供するものである。本発明の他
の目的は小型、低価格の力変換器を提供することにある
。更に本発明の他の目的は組立でロボットの分野におい
て有効な変換器を提供することにある。

本発明によればパッケージに接着され、中央部が周辺部
より薄肉である半導体ダイア７２ムと、該半導体ダイア
フラムの一表面上に設ケラれた複数の拡散抵抗層と、当
該拡散抵抗層の抵抗変化を導く検出する手段と、一端が
前記半導体ダイアフラムに接触するよう配置され、前記
半導体ダイアフラムを撓ませる可動ピン機構とを備えた
力変換器が得られる。

更に本発明によれば、可動ビン機構は少なくとも１つの
突起部を有する可動ピンと、前記突起部に当接し、前記
可動ピンの動作範囲を制限するリミッタとを具備した力
変換器が得られる。

次に本発明の実施例について図面を参照して説明する。

第２図は本発明の一実施例を示す。第２図において、本
実施例はパッケージ３７に接Ｎ層３６により接着され、
中央部が周辺部より薄肉である半導体ダイアフラム３２
と、該半導体ダイアフラム３２の一表面上に設けられ、
撓みによる抵抗変化を生ずる拡散抵抗層３３と、前記パ
ッケージに取付けられた半導体ダイアフラム３１を覆う
手段４９と、一端が前記半導体ダイアフラム３２に接触
するよう配置された可動ピン２１を有する可動ａ＠２０
とを含む。

半導体ダイアフラム３２は拡散層３３が設けられており
、更にその上に絶縁膜３４を介して金属配線３５が設け
られている。この金属配線３５は電気的に拡散層３３に
接続されている。

更にこの金属配線３５は金属細線４２を介して導電性端
子４１に接続されている。

パッケージ３７は半導体ダイアフラム３１の下面側に貫
通穴が設けられ、且つ圧力導入ノくイブ３８が設けられ
ている。更に、パンケージ３７を覆う手段４９はその周
辺にて封止されたキャップで、このキャップの中央部に
貫通穴４９′が設けられている。この貫通穴４９　’　
　にはピン可動機構２０が設けられている。このビン可
動機構２０は可動ピン２１を有しており、矢印Ａ方向に
移動するようになっている。なお、可動ビン２１は突起
２２がキャップ４９０ｉ１１に設けられたリミッタ２３
に当接し、ダイアフラム３２の弾性限界以上に応力が加
わらないようになっている。上方（矢印Ａ）から印加さ
れた力は、可動ビンの下方端を介して、ダイアフラム３
２に印加される。このダイアフラム３２への力は、集中
荷重として作用し、該ダイアフラムを撓ませ、該撓みに
対応した応力をダイアフラム３２中に発生せしめる。こ
の応力により、拡散層３３にはピエゾ抵抗効果に従かっ
た抵抗値変化全誘起する。この拡散層３３はダイアフラ
ム３２の撓みが微小である場合には力と撓み、撓みと応
力、応力と抵抗ｆ直変化量とは全て直線関係にあるので
、ピン２１に印加された力に比例した抵抗値変化が端子
４１から取出される。この抵抗値変化は周知のブリッジ
回路（図示せず）により電圧出力信号に変換される。

本実施例においては、可動ピン２１が単に外部からの印
加力をダイアフラム３２に伝達するものであるので、ダ
イアフラム３２の剛性と比較して、よｐ剛性の高い拐質
であれば良い。しかるに、可動ビン２１の下部はダイ３
１の一主面に直接排触しているので、テフロンベークラ
イト等の絶縁物で構成されるのが好ましいが、ステンレ
ス等の材質を用い、可動ビン２１の下部先端に当該絶縁
物を付着させる方法を用いても良い。また、可動ビン２
１の径は、貫通穴４９′内部で自由に上下できるよう選
択されるべきである。かかる自由な上下運動は、可゛動
ビン２１と穴４９′　との接触面に若干の空隙が存在す
ることを意味しているので、パッケージ３７とキャップ
４９とで囲まれる空間は流体力学的に外部の大気圧と導
通している。このためダイアフラム３２の撓みはパッケ
ージ３７とキャップ４９とで囲まれる空間に存在する空
気圧により制限を受けることは無い。したがってキャッ
プ４９とパッケージ３７とはパッケージ３７の周辺部に
て必ずしも気密封止されている必要はない。一方ではダ
イ３１は大気圧に接触しているので、拡散層３３が埋設
された一つの主面表面を保護膜で被うことによりｉｔＩ
腐食性を向上させることも考えられる。かかる目的のた
めニハ、シリコーンゴム、エポキシ樹脂等を該主面上に
設ければ良い。この実施例では、ダイアフラム３２の下
方は圧力導入パイプ３８を介して大気圧に開放されてい
るが、前述した力変換器の動作を考慮すれば、必らずし
も大気圧に開放されている必要はない。即ち、導入パイ
プが閉ざされた構造、パッケージ３７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３２の下方の空間には、真空、空気、窒素ガス、シリ
コーンゴム等が充填される。

さらに前述した動作、即ち、ダイアフラム３２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３２の下方の空間は、ダイアフラム３２の上方空間と
流体力学的に絶縁さレテイる必要は無く、接続されてい
ても良い。

即ち、接着層３６は単にダイ３１をパッケージ３７へ強
固に固着されることのみが必要になり接Ｍ層３６の一部
に流体が流れる通路が設けられていても伺ら支障は無い
。むしろ、ダイアフラム３２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３２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、接着層３６の一部に前
記通路を積極的に設ける方が有利である。

第２の実施例における力１電圧の変換係数は主としてダ
イアフラム３２の剛性に依存している。即ち、ダイアフ
ラム３２は面積が大きい程かつ膜厚が薄い程、当該係数
は太きくなり、微小な力の検出を可能とする。素子設計
の立場から述べるならば、所要の被測定力によりダイア
フラム３２は面積および膜厚のいずれか、あるいは、両
方を任意に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、タイアフラ
ム２の膜厚が象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、
可動ビン２１の上下動にバネ作用を持たせ、外部からの
印加力の一部が当該バネに吸収され、残る当該印加力の
みがダイアフラム３２に印加されるようにすれば良い。

第３図は可動ビンの作動範囲を制限する可動ピン機構を
示す。第３図（ａ）において、可動ピン機構２０′は２
つの突起部２２’ａ　、　２２’ｂを有している可動ビ
ン２１′　　と、突起部２２’ａ。

２２′ｂの２つの突起部の間に設けられたリミッタ２３
′とにより構成され、可動ビン２１’に加えられる過大
な力に対して上部突起２２ａがリミッタ２３′　　に当
たり、可動ビン２１′の変位を制限するようにしたもの
である。また変換器全体が天地逆になった場合は下部突
起２２′ｂがリミッタ２３′により支持され可動ピン２
１′が脱落しないように構成されている。第３図（ｂ）
において、可動ピン機構２０“は１つの突起部２２″を
設けた可動ピン２１“と、可動ピンに加えられる印加外
力の一部を吸収するバネ２４とを有し更にバネを介して
設けられたリミッタを有する。

この可動ビン機構２０″は前記バネにより吸収し切れな
いような過大な外力に対しリミッタ２３”により、その
移動を停止し、ダイアフラム部の破壊を防止するように
構成されている。リミッタ２３“の端部は図示されない
がキャップ４９またはパッケージ３７に固定されている
。

本発明は以上詳細に説明したように、シリコンダイアプ
ラム型圧力変換器を構成要素とする力変換器、あるいは
、ロードセルが容易に実現でき従来のロードセルにおけ
る歪ゲージ接着に起因する特性劣化が回避でき、また集
積回路技術を用いることができるので、高感度、低価格
の力変換器が実現され、ロボット等における触覚検出用
変換器として最適である。なお、本発明の実施例におい
て、シリコン半導体を例に挙げて説明したが他の半導体
、例えはＧａＡｓ　等の１−　Ｖ化合物半導体、ゲルマ
ニウム、アモーファスシリコン等を用いたダイアプラム
型形状を有するものであっても良い。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のクリコンダイアフラム型圧力変換器を示
す図、第２図は本発明の一実施例を示す図、第３図は本
発明の実施例における可動ビン機構を示す図である。 ２０、・２０′、２１“・・・・・・可動ピン機構、２
１゜２１’、２１”・・・・・・可動ピア、２２．２２
’ａ１２２ｂ１２２″・・・・・・突起部、２３．２３
’、２３“・・・・・・リミッタ、２４・・・・・・バ
ネ、３１・・・・・・シリコンダイ、３２・・・・・・
ダイアフラム、３３・・・・・・拡散層、３４・・・・
・・絶縁膜、３５・・・・・・金属配線、３６・・・・
・・接着層、３７・・・・・・パッケージ、３８・・・
・・・圧力導入パイプ、４１・・・・・・導電性端子、
４２・・・・・・金層細線、４９・・・・・・キャップ
、４９′・・・・・・貫通穴。 庵１場

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）パッケージに接着され、中央部が周辺部より薄肉
   である半導体ダイアフラムと、該半導体ダイアフラムの
   一表面上に設けられた複数の拡散抵抗層と、該拡散抵抗
   層の抵抗変化を導く手段と、一端が前記半導体ダイアフ
   ラムに接触するよう配置され、前記半導体ダイアフラム
   を撓ませる可動ビン機構と全備えたことを特徴とする力
   変換器。
2. （２）　　可動ピン機構は少なくとも１つの突起部を有
   する可動ビンと、前記突起部に当接し、前記可動ピンの
   動作範囲を制限するリミッタとを具備したことを特徴と
   する特許請求の範囲第（１）項記載の力変換器。