JPS63111677A - 力検出装置 - 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】 技術分野 本発明は、例えばロボット用力覚センサやマンマシンイ
ンターフェースとしての三次元入力装置等に利用される
力検出装置に関するものである。

従来の技術 従来の力検出装置は、外力が印加されることにより弾性
変形する起歪体にこの起歪体の機械的変形により電気抵
抗を変化させる複数の検出素子を形成し、これらの検出
素子の電気的抵抗変化を電気的信号として取り出して外
力の強さを検出しているものである。

そして、シリコン単結晶による起歪体を用いて、その表
面に半導体プレーナプロセス技術により検出素子を形成
する技術は、特開昭６０−２２１２８８号公報に開示さ
れている。すなわち、シリコン単結晶による正八角形の
平板リング状の起歪体を形成し、この起歪体の一面に複
数個の検出素子を形成し、起歪体の対向辺に外力を作用
させてＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚの力の三成分の２次元分布を検
出しているものである。

しかしながら、シリコン単結晶基板から六角形の平板リ
ング状の起歪体を切り出すには、ダイミングソーカット
法、レーザ加工、エツチング加工等を組合せて加工しな
ければならず、その加工が容易ではないという問題を有
する。

また、起歪体の固定、外部回路への接続、センサ表面の
保護等を行うことが困難であり、構造が複雑で組立が容
易ではないと云う問題を有する。

とくに、検出素子が外気に接触する構造であり、これを
外気から遮断することは構造上できないため、汚染され
易く、信頼性がないものである。

目的 本発明は、検出素子を半導体プレーナプロセス等の技術
を応用して形成してもその汚染のおそれがなく、信頼性
の高い力検出装置を得ることを目的とする。

構成 本発明は、中心部と周辺部とのいずれか一方を支持部と
し他方を作用部とするとともに一面を機械的変形により
電気抵抗を変化させる検出素子を備えた検出面とし他面
を力伝達体が設けられた作用部とした単結晶基板による
平板状起歪体を形成し、この平板状起歪体の前記検出面
をハウジングで覆ったものである。したがって、半導体
プレーナプロセス技術を利用して検出素子の形成を起歪
体の表面に直接的に形成することができ、このような検
出素子であってもハウジングによりその検出素子が形成
された検出面は覆われているので、検出素子が汚染され
ることがなく、その信頼性を高めることができるように
構成したものである。

本発明の第一の実施例を第１図乃至第８図に基づいて説
明する。まず、起歪体１はシリコン単結晶体基板よりな
り正方形状をしている。そして、外周側はハウジング２
に埋め込まれて支持部３とされ、中心に力伝達体４が結
合されて作用部５とされている。そして、前記力伝達体
４が結合された面を作用面６とし、この作用面６の逆の
面を検出面７としている。この検出面７にはシリコンプ
レーナプロセス技術を用いて１２個の検出素子８が形成
されている。

これらの検出素子８は応力を受けて変形することにより
抵抗率が変化する原理、すなわち、ピエゾ抵抗効果を利
用するものであり、例えば、起歪体１が、ｎ　−Ｓ　ｉ
（１，１０）ウェハである場合、第３図に示すＲｘ、、
Ｒｘ、、Ｒｘ、、Ｒｘ４とＲＹ＋　ｒ　ＲＹ２＋　ＲＹ
ｓ　＋　ＲＹ４なる検出素子８は＜１１０＞　（Ｘ軸、
Ｙ軸）方向に配置され、Ｒｚ、、Ｒｘ２．Ｒｚｓ＋Ｒｚ
ｎなる検出素子８はＸ軸及びＹ軸に対して４５度の方向
に配置されている。そして、それぞれの検出素子８は、
第５図に拡大してその形状を示すが、Ｘ軸、Ｙ軸及びこ
れらと４５度の方向に電流ｉが流れるように幅がＱ、で
長さがＱ、であり、かつ、Ｑｌ（Ω２である↓うに設定
されている。

つぎに、検出素子８の製造方法を第８図に基づいて説明
する。しかして、第８図に示すものは、ウェハ処理工程
の概略とその工程における断面図である。

〔熱酸化〕

ｎ　−Ｓ　１（１１０）ウェハを酸化し、表面にＳｊＯ
，を形成する。ＳｊＯ２は次工程の拡散のマスクとして
使う。

〔拡散窓明〕

選択拡散を行うためにＳｊＯ，を除去し、拡散窓明を行
う。

〔拡散〕

ＢＮ固体拡散源等により拡散を行う。ボロンはシリコン
面が露出しているところのみ拡散し、ｎ型からｐ型に変
わる。

［ＣＶＤ−３ｉＮ） 両面にＣＶＤ−５ｉＮをデポジションする。表面は外部
からの汚染に対するバリアとし、裏面はシリコン基板を
エツチングする時のマスクとして使う。

〔コンタクトホール〕

検出素子８を電気的に接続するためのコンタクｌ・ホー
ルをエツチングで明ける。

〔アルミ蒸着／加工〕

アルミニウムにより検出素子８の相互接続及び外部回路
への電気的接続を図る。

〔シンタリング〕

アルミニウムとゲージ抵抗のオーミック性を改善するた
めにシンタリングを行う。

〔ダイシング〕

シリコン処理工程を完了した後、個々のセンサチップに
分離する。

Ｃ力伝達体４の接着〕 力伝達体の材質は、シリコン単結晶基板の線膨張係数に
近い材料が望ましい。この材料としては金属やガラス等
が考えられる。

金属の場合は、コバールなどがあり、シリコンとの接着
はＡｕ−５ｉ共品、半田、樹脂等の接着が考えられる。

また、ガラスの場合は、テンパックスガラスなどがあり
、シリコンとの接着はガラスや高温中でガラスとシリコ
ンに電界をかけて行う静電シーリングなどで接着するこ
とができる。

しかして、これらの１２個の検出素子８はその検出素子
８に形成されたアルミ配線、ワイヤーボンデング線９、
リードピン１０を介して外部回路に接続されている。

しかして、力伝達体４に作用する力としては、各軸方向
、すなわち、それぞれ直交する三次元方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ
方向）に沿う力（Ｆ　ｘ、　　Ｆ　ｙ、　　Ｆ　ｚ）と
、各軸回りのモーメント（Ｍｘ、　Ｍｙ、　Ｍｚ）との
６成分であるが、これらの内のＦｚ、　Ｍｘ、　Ｍｙの
３成分を検出するためのブリッジ回路が第６図（ａ）（
ｂ）（ｃ）に示すように形成されている。

また、前記ハウジング２は前記起歪体１の外周部と前記
リードピン１．０とをインサー（・するモールド体１１
とこのモールド体１］の中心穴部１２に固定される円形
の蓋体１３とよりなる。そして、前記モールド体１１に
は、その外周のフランジ部１４に取付用の複数個の取付
穴１５が形成されている。

このような構成において、力伝達体４に外力を作用させ
ることにより起歪体１に内部応力が発生し、これに基づ
く歪により検出素子８が変形してピエゾ抵抗効果により
抵抗変化ΔＲが生じる。

ここで、応力が存在するときの抵抗変化ΔＲは、ΔＲ／
Ｒ−πμσμ＋πｔσを十πＳσＳ・・・・・・　（１
）πＵ：縦ピエゾ抵抗係数 πｔ：横ピエゾ抵抗係数 πＳ：剪断ピエゾ抵抗係数 σ紅綬方向応力 σｔ：横方向応力 σＳ：剪断方向応力 となる。

ここでは、剪断応力σＳがσａ、σｔに比べて小さいこ
とから、以後はこの剪断応力σＳを無視して考察する。

＝９− また、前述のように検出素子８の形状が第５図に示すよ
うに、Ｑｌ（Ｑ２に設定されているので、式（１）のπ
ｔ、σｔを無視することができる。したがって、式（１
）は次の式（２）のようになる。

ΔＲ／Ｒ＝πＱσ氾　・・・・・・　（２）このとき、
力伝達体４にＦｚ、Ｍｘ、Ｍｙの３成分の力が作用した
とすれば、検出素子８の抵抗の変化は第４図に示すよう
になる。すなわち、［Ｍｘが加わった時］ Ｒｘ、、Ｒｘ３は減少、Ｒｘ、　、　　Ｒｘ４は増加Ｒ
Ｌ＋　Ｒｙ、、　Ｒ１／ｓ＋　Ｒｙ４は変化なしＲｘ８
．　Ｒｚ、は減少、Ｒｘ２．　Ｒｚ、は増加［Ｍｙが加
わった時］ Ｒｘ、、　Ｒｘ２．　Ｒｘ、、　Ｒｘ４は変化なしＲｙ
＋＋　Ｒ’ｌｓは減少、Ｒｈ＋　ＲＬは増加Ｒｚ、、　
Ｒｚ、は減少、Ｒｚ２．　Ｒｚ４は増加［Ｆｚが加わっ
た時］ Ｒｘ、、　　Ｒｘ、は減少、Ｒｘ２．　　Ｒｘ３は増加
ＲＬＩ　　ＲＶ４は減少、Ｒ’ｌｚ、ＲＶ−は増加Ｒｚ
、、Ｒｚ４は減少、Ｒｘ２．　Ｒｙ、３は増加となる。

このような抵抗変化を纏めると、次の第１表のようにな
る。

第１表 このような力の３成分（Ｍｘ＋　Ｍｙ、　Ｆｚ）を検出
するために、第６図に示すようにブリッジ回路が構成さ
れているので、互いの力成分に干渉される　−ことなく
各回路毎にＭｘ、Ｍｙ、Ｆｚの出力が得られる。

例えば、Ｍｘが加わった時の第６図（ａ）（ｂ）（ｃ）
の出力は次のようになる。

まず、第６図（ａ）において、 となる。

ここで、簡単化するために、Ｒｘ、＝Ｒｘ２＝Ｒｘ。

＝Ｒｘ４＝Ｒとすると、式（３）は、Ｖ＝Ｏとなる。

また、Ｍｘによる抵抗の増加分をΔＲ１減少分を−ΔＲ
とすると、第１表よりＭｘによる出力は＝１３− ＝ΔＲ・■　・・・・・・　（４） となる。

すなわち、Ｍｘによる出ノＪ変化（感度へ■）は、Δ■
＝ΔＲ・工・・・・・・（５） となる。

次に、第６図（ｂ）において、 となる。

ここで、Ｒ，ｙ＋　＝　Ｒｙ２＝　Ｒ１／３＝　Ｒｙ＜
　＝　Ｒとすると、式（６）は、Ｖ＝Ｏとなる。

また、Ｍｘによる抵抗変化はないとすると、すなわち、
Ｍｘによる感度へ■は、 ΔＶ＝Ｏ・・・・・・　（８） となる。

つぎに、第６図（Ｃ）において、 ここで、Ｒｚ、＝Ｒ７，２＝Ｒｚ、＝Ｒｚ、＝　Ｒとす
ると、式（９）は、Ｖ＝Ｏとなる。

また、Ｍｘによる抵抗の増加分をΔＲ１減少分を−ΔＲ
とすると、 ＝Ｏ・・・・・・・・・（１０） となる。すなわち、Ｍｘによる感度Δ■は、Ｖ＝Ｏ・・
・・・・　（１１） となる。

以」二の事項は、Ｍｘについて述べたが、Ｍｙ、Ｆｚに
ついても同様に考えられる。

しかして、第６図（ａ）（ｂ）（ｃ）のブリッジ回路は
、（ｉ）、各検出素子８の抵抗は等しい。

（ｉｉ）、検出素子８の抵抗の増減へＲが等しい。

と云う条件の下で、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｆｚの３成分は互いに
干渉されることなく検出することができるものである。

本発明の第二の実施例を第９図に基づいて説明する。本
実施例は起歪体１の作用面６側の検出素子８に対向する
位置に環状の凹部１６を形成したものである。この凹部
１６の形成は、アルカリ系の異方性エツチング液により
エツチングにより形成したものである。

このように形成することにより、起歪体］の変形が微小
な荷重に応答するようになり、低荷重の力であれば、高
い感度をもって検出することができるものである。

効果 本発明は、上述のように中心部と周辺部とのいずれか一
方を支持部とし他方を作用部とするとともに、−面を機
械的変形により電気抵抗を変化させる検出素子を備えた
検出面とし、他面を力伝達体が設けられた作用面として
単結晶基板による平板状起歪体を形成し、この平板状起
歪体の前記検出面をハウジングで覆ったので、検出素子
が汚染されることがなく、信頼性を高めることができ、
また、検出素子の形成は半導体プレーナプロセスにより
形成することができるので、クリープやヒステリシスの
発生を防止することができ、量産性に富んでいる等の効
果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例を示す縦断側面図、第２
図は全体を縮小して示す斜視図、第３図は起歪体の平面
図、第４図はｐ−５ｉ（１１０）におけるピエゾ抵抗係
数を示す特性図、第５図は検出素子の形状を示す平面図
、第６図（ａ）（ｂ）（ｃ）はブリツジ回路図、第７図
（ａ）（ｂ）（ｃ）は各種の応力の発生状態を示す特性
図、第８図は製造工程図、第９図は本発明の第二の実施
例を示す縦断側面図である。 １・・・起歪体、２・・・ハウジング、３・・・支持部
、５・・・作用部、６・・・作用面、７・・・検出面、
８・・検出素子 出　願　人　　　株式会社　リコー −］８− 」」　図 は 」　は図 、％　Ｚ　１Ｘｔ ３３図 く０（口〉 、ｆｆ３７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 中心部と周辺部とのいずれか一方を支持部とし他方を作
   用部とするとともに一面を機械的変形により電気抵抗を
   変化させる検出素子を備えた検出面とし他面を力伝達体
   が設けられた作用面とした単結晶基板による平板状起歪
   体を形成し、この平板状起歪体の前記検出面をハウジン
   グで覆つたことを特徴とする力検出装置。