JPS63226074A - Force detector - Google Patents

Force detector

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JPS63226074A
JPS63226074A JP62144316A JP14431687A JPS63226074A JP S63226074 A JPS63226074 A JP S63226074A JP 62144316 A JP62144316 A JP 62144316A JP 14431687 A JP14431687 A JP 14431687A JP S63226074 A JPS63226074 A JP S63226074A
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single crystal
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strain inducing
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Kazuhiro Okada
和廣 岡田
Yuji Kimura
裕治 木村
Hidekazu Ota
英一 太田
Katsuhiko Tani
克彦 谷
Koji Izumi
泉 耕二
Takashi Akahori
赤堀 隆司
Hiroshi Yamazaki
博史 山崎
Junichi Takahashi
淳一 高橋
Hirotoshi Eguchi
裕俊 江口
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Ricoh Co Ltd
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Abstract

PURPOSE:To facilitate detecting a large load and improve impact-resistant properties even if a detecting element is formed on a single crystal substrate by a method wherein the single crystal substrate is provided and a strain inducing unit in which one of its center part or circumferential part serves as a support and the other serves as an actuator is provided and the single crystal substrate is bonded and fixed to the surface of the strain inducing unit. CONSTITUTION:A strain inducing unit 4 which serves as a reinforcing substrate which reinforces a single crystal substrate 1 is provided. The strain inducing unit 4 has a disc shape and its circumferential part serves as a support 6 with fixing screw holes 5 and a force transmitter 8 is formed at its center part. A circular recess 9 is formed around the force transmitter 8 to provide a thin film elastic deforming surface 10. The above mentioned single crystal substrate 1 is bonded and fixed to the surface of the elastic deforming surface 10. With this constitution, the strain inducing unit 4 is deformed by applying an external force to the force transmitter 8 and an internal stress is created in the single crystal substrate 1 corresponding to the deformation of the strain inducing unit 4. A detecting element 3 is deformed by the strain created as mentioned above and a resistance variation DELTAR is created by a piezo-resistance effect.

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。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Technical Field The present invention relates to a force detection device used, for example, in a force sensor for a robot, a three-dimensional input device as a man-machine interface, and the like.

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。
2. Description of the Related Art A conventional force detection device includes a strain body that elastically deforms when an external force is applied thereto, and a plurality of detection elements that change electrical resistance through mechanical deformation of the strain body. The strength of the external force is detected by extracting the change in electrical resistance as an electrical signal.

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。
A technique for forming a detection element on the surface of a strain body made of silicon single crystal by semiconductor planar process technology is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 60-221288. That is, a regular octagonal flat ring-shaped strain body made of silicon single crystal is formed, a plurality of detection elements are formed on one side of the strain body, and an external force is applied to opposite sides of the strain body to obtain Fx, This detects the two-dimensional distribution of the three force components Fy and Fz.

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、ダイシングソーカット
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。
However, in order to cut out a hexagonal flat ring-shaped strain body from a silicon single crystal substrate, a combination of dicing saw cutting, laser machining, etching, etc. must be used, which is not easy. have a problem

また、シリコン単結晶により起歪体を形成した場合には
、そのシリコン単結晶の物理的性質として脆性が高いも
のであり、荷重検出可能な最大値が低いという問題を有
する。さらに、衝撃に弱いと云う問題もある。
Further, when the strain body is formed of a silicon single crystal, the physical property of the silicon single crystal is that it is highly brittle, and there is a problem that the maximum value that can be detected by a load is low. Furthermore, there is also the problem of being weak against shock.

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
を応用して単結晶基板に形成しても大きな荷重の検出を
行うことができ、また、耐衝撃性を高めることができる
力検出装置を得ることを目的とするものである。
Purpose The present invention provides a force detection device that can detect a large load even if the detection element is formed on a single crystal substrate by applying technology such as a semiconductor planar process, and that can improve impact resistance. The purpose is to obtain.

構成 本発明は、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が一面に形成された単結晶基板を設
け、中心部と周辺部とのいずれか一方を支持部とし他方
を作用部とした起歪体を設け、この起歪体の表面に前記
単結晶基板を接着固定したものである。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
単結晶基板の表面に直接的に形成してもその単結晶基板
には別部品の起歪体が接着されているので、外力は起歪
体により受けさせることができ、これにより、単結晶基
板では検出することができない高い荷重でも検出するこ
とができ、また、衝撃力が加えられても単結晶基板には
過大な力が作用することがないように構成したものであ
る。
Structure The present invention provides a single-crystal substrate with a detection surface formed over one surface and is equipped with a detection element that changes electrical resistance by mechanical deformation, with one of the center and peripheral portions serving as a support and the other acting as a support. A strain-generating body is provided, and the single crystal substrate is adhesively fixed to the surface of the strain-generating body. Therefore, even if a detection element is formed directly on the surface of a single-crystal substrate using semiconductor planar process technology, an external force will not be generated because a separate strain-generating body is bonded to the single-crystal substrate. This allows the detection of high loads that cannot be detected with a single crystal substrate, and even if an impact force is applied, an excessive force acts on the single crystal substrate. It is designed so that nothing happens.

本発明の第一の実施例を第1図乃至第6図に基づいて説
明する。まず、単結晶基板1はシリコン単結晶体よりな
り正方形状をしている。この単結晶基板1の一面は検出
面2とされ、この検出面2には後述する手段により検出
素子3が形成されている。
A first embodiment of the present invention will be described based on FIGS. 1 to 6. First, the single crystal substrate 1 is made of silicon single crystal and has a square shape. One surface of this single crystal substrate 1 is used as a detection surface 2, and a detection element 3 is formed on this detection surface 2 by means described later.

これらの検出素子3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、単結晶基板1が、n −S
 1(110)ウェハである場合、第2図に示すところ
のRx、 、 Rx、 、 Rx、 、 Rx、とRy
、。
These detection elements 3 utilize the principle that resistivity changes when deformed under stress, that is, the piezoresistance effect. For example, when the single crystal substrate 1 is
1 (110) wafer, Rx, , Rx, , Rx, , Rx, and Ry as shown in FIG.
,.

RY、 、 RYs r RY4なる検出素子3は<1
10>方向に対し45度の方向に配置され、Rx4. 
RZz ! RZs +Rz、なる検出素子3は<11
0>方向に配置されている。そして、それぞれの検出素
子3は、第4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度をなす方向に電流iが流れるよう
に幅がQ、で長さがQ2であり、かつ、Q、(Q、であ
るように設定されている。
The detection element 3 of RY, , RYs r RY4 is <1
10> direction, and Rx4.
RZz! RZs +Rz, the detection element 3 is <11
0> direction. The shape of each detection element 3 is shown enlarged in FIG.
The width is set to be Q, the length is set to be Q2, and the width is set to be Q, (Q) so that the current i flows in the direction of the axis and at 45 degrees with these.

つぎに、検出素子3の製造方法を第7図に基づいて説明
する。しかして、第7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。
Next, a method for manufacturing the detection element 3 will be explained based on FIG. 7. What is shown in FIG. 7 is an outline of the wafer processing process and a sectional view of the process.

〔熱酸化〕[Thermal oxidation]

n −S 1(110)ウェハな酸化し、表面にSio
2を形成する。Sio、は次工程の拡散のマスクとして
使う。
n-S 1 (110) wafer is oxidized and Sio
form 2. Sio is used as a mask for diffusion in the next step.

〔拡散窓明〕[Diffusion window light]

選択拡散を行うためにSio、を除去し、拡散窓明を行
う。
To perform selective diffusion, Sio is removed and diffusion windowing is performed.

〔拡散〕〔diffusion〕

BN固体拡牧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。
Diffusion is carried out using a BN solid grazing source, etc. Boron diffuses only where the silicon surface is exposed, changing from n-type to p-type.

(CVD−3i、N、) 両面にCVD−3L、N、をデポジションする。(CVD-3i, N,) Deposit CVD-3L,N on both sides.

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。
The front side is used as a barrier against external contamination, and the back side is used as a mask when etching the silicon substrate.

〔コンタクトホール〕[Contact hole]

検出素子3を電気的に接続するためのコンタクトホール
をエツチングで明ける。
A contact hole for electrically connecting the detection element 3 is made by etching.

〔アルミ蒸着/加工〕[Aluminum deposition/processing]

アルミニウムにより検出素子3の相互接続及び外部回路
への電気的接続を図る。
The detection elements 3 are interconnected and electrically connected to an external circuit using aluminum.

〔シンタリング〕[Sintering]

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。
Sintering is performed to improve the ohmic properties of the aluminum and gauge resistor.

〔ダイシング〕[Dicing]

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。
After completing the silicon processing step, it is separated into individual sensor chips.

また、前記単結晶基板1を補強する補強基板として作用
する起歪体4が設けられている。この起歪体4は円板状
をなしており、外周部が固定用ネジ穴5を備えた支持部
6とされ、中心部7には力伝達体8が形成され、この力
伝達体8の周囲には円形の凹部9が形成されて藩肉状の
弾性変形面10が形成されている。この弾性変形面10
の表面に前記単結晶基板1が接着固定されている。
Further, a strain body 4 is provided which acts as a reinforcing substrate for reinforcing the single crystal substrate 1. This strain-generating body 4 has a disk shape, and the outer peripheral part is a support part 6 equipped with a fixing screw hole 5, and the center part 7 is formed with a force transmitting body 8. A circular recess 9 is formed around the periphery, and an elastically deformable surface 10 in the shape of a wall is formed. This elastic deformation surface 10
The single crystal substrate 1 is adhesively fixed to the surface of the substrate.

しかして、これらの12個の検出素子3はその検出素子
3に接続して形成された接続端子部11を介して外部に
接続されるものである。すなわち、外部接続端子12が
形成されたフレキシブルプリント基板13が前記起歪体
4に接着固定され、このフレキシブルプリント基板13
に形成された中継端子14にワイヤーボンド15を介し
て前記接続端子部11が接続されている。
These 12 detection elements 3 are connected to the outside via connection terminal portions 11 formed to be connected to the detection elements 3. That is, a flexible printed circuit board 13 on which external connection terminals 12 are formed is adhesively fixed to the strain body 4, and this flexible printed circuit board 13 is
The connection terminal portion 11 is connected to a relay terminal 14 formed in the wafer via a wire bond 15.

このようにして起歪体4に単結晶基板1を接着固定して
からその検出面2側にキャップ16を設けて単結晶基板
1を外気から遮断している。
After the single crystal substrate 1 is adhesively fixed to the strain body 4 in this manner, a cap 16 is provided on the detection surface 2 side to isolate the single crystal substrate 1 from the outside air.

しかして、力伝達体8に作用する力としては、各軸方向
、すなわち、互いに三次元的に直交するx、y、z方向
に沿う力(Fx、  Fy+  Fz)と、各軸回りの
モーメント(M x 、 M y 、 M Z )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5図(a)(b)
(C)に示すように形成されている。
Therefore, the forces acting on the force transmitting body 8 include forces (Fx, Fy+Fz) along each axis, that is, x, y, and z directions that are three-dimensionally orthogonal to each other, and moments around each axis ( M x , My y , M Z
It is formed as shown in (C).

このような構成において、力伝達体8に外力を作用させ
ることにより起歪体4が変形し、この起歪体4の変形に
対応して単結晶基板1には内部応力が発生し、これに基
づく歪により検出素子3が変形してピエゾ抵抗効果によ
り抵抗変化ΔRが生じる。すなわち、力伝達体8に作用
する外力は起歪体4により受けられてその起歪体4が変
形することにより単結晶基板1を変形させるので、単結
晶基板1では受けることができない大きさの荷重を受け
ることができるものである。また、衝撃荷重が力伝達体
8に印加されても、その衝撃は単結晶基板1に直接伝達
されることがなく、起歪体4により緩衝されるので、単
結晶基板1が脆性の高い材質であっても十分に保護され
る。
In such a configuration, by applying an external force to the force transmitting body 8, the strain body 4 is deformed, and in response to the deformation of the strain body 4, internal stress is generated in the single crystal substrate 1. The detection element 3 is deformed by the resulting strain, and a resistance change ΔR occurs due to the piezoresistive effect. That is, since the external force acting on the force transmitting body 8 is received by the strain body 4 and the strain body 4 deforms, the single crystal substrate 1 is deformed. It is capable of receiving loads. Furthermore, even if an impact load is applied to the force transmitting body 8, the impact is not directly transmitted to the single crystal substrate 1, but is buffered by the strain body 4, so that the single crystal substrate 1 is made of a highly brittle material. are well protected.

ここで、応力が存在するときの抵抗変化ΔRは、ΔR/
R=π2σ0+πtσL+πSσS・・・・・・ (1
)π2: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 σL:縦方向応力 σt:横方向応力 σS:剪断方向応力 となる。
Here, the resistance change ΔR when stress is present is ΔR/
R=π2σ0+πtσL+πSσS... (1
) π2: Vertical piezo resistance coefficient πt=Transverse piezo resistance coefficient πS: Shear piezo resistance coefficient σL: Longitudinal stress σt: Lateral stress σS: Shear direction stress.

ここでは、剪断応力σSがσ℃、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。
Here, since the shear stress σS is smaller than σ°C and σt, the following discussion will ignore this shear stress σS.

また、前述のように検出素子3の形状が第5図に示すよ
うに、fl、(Q、に設定されているので、式(1)の
πL、σtを無視することができる。しだがっで、式(
1)は次の式(2)のようになる。
Furthermore, as mentioned above, since the shape of the detection element 3 is set to fl, (Q) as shown in FIG. 5, πL and σt in equation (1) can be ignored. So, the formula (
1) becomes the following equation (2).

ΔR/R=π2σU ・・・・・・ (2)このとき、
力伝達体8にFz、Mx、Myの3成分の力が作用した
とすれば、検出素子3の抵抗の変化は第2図及び第6図
から次に示すようになる。
ΔR/R=π2σU (2) At this time,
If three components of force, Fz, Mx, and My, act on the force transmitting body 8, the change in resistance of the detection element 3 will be as shown in FIGS. 2 and 6 below.

すなわち、 [Mxが加わった時] Rx、、  Rx、は減少、Rx、、  Rx、は増加
RV、、Ry、、Ry、、Ry4は変化なしRZ、、 
 RZ、は減少、Rz、 、 Rz4は増加[Myが加
わった時I Rx、、  Rx2.  Rx、、  Rx4は変化な
しRY3.RY3は減少、RYt+  RLは増加R1
r +  RZ iは減少、Rz、 、  Rz4は増
加[Fzが加わった時] Rx、、Rx4は減少、Rx、 、  Rx、は増加R
y1.RLは減少、R’Wx 、RYsは増加Rz、、
Rz4は減少、Rz2. Rz、は増加となる。
That is, [when Mx is added] Rx,, Rx, decreases, Rx,, Rx, increases RV, Ry, Ry,, Ry4 remains unchanged RZ,,
RZ, decreases, Rz, , Rz4 increases [When My is added, I Rx,, Rx2. Rx,, Rx4 are unchanged RY3. RY3 decreases, RYt+ RL increases R1
r + RZ i decreases, Rz, , Rz4 increases [when Fz is added] Rx, , Rx4 decreases, Rx, , Rx, increases R
y1. RL decreases, R'Wx, RYs increases Rz,...
Rz4 decreases, Rz2. Rz increases.

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。
A summary of such resistance changes is shown in Table 1 below.

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5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。
Table 1 In order to detect these three force components (Mx, My, Fz), a bridge circuit is configured as shown in Figure 5, so each force component can be detected without being interfered with by the other force components. Mx, My, and Fz outputs are obtained for each circuit.

例えば、Mxが加わった時の第5図(a)(b)(c)
の出力は次のようになる。
For example, Fig. 5 (a) (b) (c) when Mx is added.
The output of is as follows.

まず、第5図(a)において、 となる。First, in Figure 5(a), becomes.

ココで、簡単化するために、Rx、= Rx、 = R
x3=Rx4=Rとすると、式(3)は、V=Oとなる
Here, for simplicity, Rx, = Rx, = R
When x3=Rx4=R, equation (3) becomes V=O.

また、Mxによる抵抗の増加分をΔR,減少分を−ΔR
とすると、第1表よりMxによる出力は4R =ΔR・工 ・・・・・・ (4) となる。
Also, the increase in resistance due to Mx is ΔR, and the decrease is -ΔR.
Then, from Table 1, the output by Mx is 4R = ΔR・engine (4).

すなわち、Mxによる出力変化(感度へ■)は、Δ■=
ΔR・工 ・・・・・・ (5)となる。
In other words, the output change (■ to sensitivity) due to Mx is Δ■ =
ΔR・・・・・・・・・・・・(5).

次に、第5図(b)において、 となる。Next, in FIG. 5(b), becomes.

ここで、Ry+ = RL = RVs =RY4= 
Rとすると、式(6)は、V=Oとなる。
Here, Ry+ = RL = RVs =RY4=
When R, equation (6) becomes V=O.

また、Mxによる抵抗変化はないとすると、−〇  ・
・・・・・(7) すなわち、Mxによる感度Δ■は、 ΔV=O・・・・・・ (8) となる。
Also, assuming that there is no resistance change due to Mx, -〇・
(7) That is, the sensitivity Δ■ due to Mx is as follows: ΔV=O (8).

つぎに、第5図(C)において、 ここで、Rz、=Rz2=Rz、=Rz4=Rとすると
、式(9)は、V=Oとなる。
Next, in FIG. 5(C), if Rz,=Rz2=Rz,=Rz4=R, equation (9) becomes V=O.

また、Mxによる抵抗の増加分をΔR1減少分を−ΔR
とすると、 =0 ・・・・・・・・・(10) となる。すなわち、Mxによる感度Δ■は、V=O・・
・・・・ (11) となる。
Also, the increase in resistance due to Mx is ΔR1 decrease is -ΔR
Then, =0 (10). In other words, the sensitivity Δ■ due to Mx is V=O...
...(11) becomes.

以上の事項は、Mxについて述べたが、My、Fzにつ
いても同様に考えられる。
The above matters have been described for Mx, but the same can be considered for My and Fz.

しかして、第5図(a)(b)(c)のブリッジ回路は
、(i)、各検出素子3の抵抗は等しい。
Therefore, in the bridge circuit of FIGS. 5(a), 5(b), and 5(c), (i) the resistance of each detection element 3 is equal.

(ii)、検出素子3の抵抗の増減ΔRが等しい。(ii) The increase/decrease ΔR of the resistance of the detection element 3 is equal.

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。
Under these conditions, the three components Mx, My, and Fz can be detected without interfering with each other.

本発明の第二の実施例を第8図及び第9図に基づいて説
明する。本実施例は検出素子3の出力の外部への取り出
し手段が前記実施例と相違するものである。すなわち、
起歪体4は検出素子3の出力信号を外部に取り出すため
のステムを兼ねているものであり、単結晶基板1の外周
部に複数本のリードピン17が配設されているものであ
る。
A second embodiment of the present invention will be described based on FIGS. 8 and 9. This embodiment is different from the previous embodiment in the means for extracting the output of the detection element 3 to the outside. That is,
The strain body 4 also serves as a stem for extracting the output signal of the detection element 3 to the outside, and a plurality of lead pins 17 are arranged on the outer periphery of the single crystal substrate 1.

本発明の第三の実施例を第10図及び第11図に基づい
て説明する。前記実施例においては、単結晶基板1と起
歪体4とは別部材であり、両者の中心位置を正確に定め
る必要性がある。すなわち、両者の中心位置の位置ずれ
が発生すると、各成分力の干渉が発生し、検出精度が低
下する問題がある。しかしながら、加工上の問題から両
者の相対的位置ずれをなくすことは厳密な意味では不可
能であり、このような相対的位置ずれをある程度許容で
きるようにしたのが、本実施例である。
A third embodiment of the present invention will be described based on FIGS. 10 and 11. In the embodiment described above, the single crystal substrate 1 and the strain body 4 are separate members, and it is necessary to accurately determine the center position of both. That is, if a positional shift occurs between the center positions of the two, interference between the respective component forces occurs, resulting in a problem that the detection accuracy decreases. However, due to processing problems, it is impossible in a strict sense to eliminate the relative positional deviation between the two, and this embodiment allows such relative positional deviation to some extent.

しかして、本実施例においては、起歪体4の弾性変形面
10に力伝達体8を中心とする同心円上に位置させて8
個の円形の孔18を等間隔に形成したものである。これ
らの孔18は、前記検出素子3のそれぞれの間に位置し
ているものであり、Rx、 、 Rx、 、 Rx3.
 Rx4なる検出素子3とRy、 、 Ry!。
Therefore, in this embodiment, the force transmitting body 8 is positioned on the elastically deformable surface 10 of the strain body 4 on a concentric circle with the force transmitting body 8 as the center.
circular holes 18 are formed at equal intervals. These holes 18 are located between each of the detection elements 3, Rx, , Rx, , Rx3 .
Detection element 3 Rx4 and Ry, , Ry! .

RY、、RY4なる検出素子3とRZ+ + RZz 
+ RZs + RZ4なる検出素子3とのそれぞれと
互いに22.5度の相対位置をもって形成されている。
Detection element 3 RY, RY4 and RZ+ + RZz
+ RZs + RZ4 and the detection elements 3 are formed at relative positions of 22.5 degrees to each other.

このような構成において、力伝達体8に外力を作用した
時に、弾性変形面10に外力に応じた方向の変形が発生
するが、孔18が設けられていることにより、その歪の
発生は主として半径方向にのみ生じるものであり、円周
方向の応力がない状態になる。これにより、各成分力の
干渉がなくなり、成分力分離が良好に行なわれる。さら
に、孔18の存在により検出素子3に与える歪が拡大し
、感度が良くなるものである。なお、単結晶基板1に関
してみれば、その厚さが0.3mm以下になると感度は
良くなるものであるが、この厚さでは加工性が悪く、歩
留まりが悪くなるので、これらの問題がない程度の厚さ
に設定して孔18を開ける方が望ましい。
In such a configuration, when an external force is applied to the force transmitting body 8, deformation occurs in the elastic deformation surface 10 in a direction corresponding to the external force, but since the holes 18 are provided, the generation of this strain is mainly suppressed. This occurs only in the radial direction, and there is no stress in the circumferential direction. This eliminates interference between component forces, and component forces can be separated favorably. Furthermore, the presence of the hole 18 expands the strain imparted to the detection element 3, improving sensitivity. Regarding the single-crystal substrate 1, the sensitivity improves when the thickness is 0.3 mm or less, but this thickness causes poor workability and poor yield, so it is necessary to avoid these problems. It is preferable to set the hole 18 to a thickness of .

つぎに、第12図に基づいて本発明の第四の実施例を説
明する。本実施例は起歪体4の弾性変形面10に形成す
る孔を扇形孔19として形成したものである。このよう
な形状により、円周方向の応力の発生を有効に防止して
半径方向にのみ歪が発生するようにしたものである。
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described based on FIG. In this embodiment, the holes formed in the elastically deformable surface 10 of the strain body 4 are fan-shaped holes 19. This shape effectively prevents the generation of stress in the circumferential direction and causes strain to occur only in the radial direction.

さらに、第13図に示すものは、本発明の第五の実施例
で、前述の第10図及び第11図に示した起歪体4に形
成した孔18と同形状の孔20を単結晶基板1にも形成
したものである。したがって、孔20のない単結晶基板
1においては、温度変化があった場合に単結晶基板1は
Z軸方向に変形し、2成分の出力が変化してしまうもの
であるが、本実施例においては、孔20を形成すること
により、熱応力を分散し、Z成分の温度特性を安定させ
る。また、本実施例の場合には、孔18゜20が同一形
状で同一寸法であるため、位置決めピン等を使用して起
歪体4に対する単結晶基板1の相対位置を正確に定める
ことができるものである。もちろん、特に図示しないが
両者の位置決め用のピンを専用に準備して起歪体4と単
結晶基板1とにそのピンを打ち込むようにしてもよいも
のである。
Furthermore, what is shown in FIG. 13 is a fifth embodiment of the present invention, in which a hole 20 having the same shape as the hole 18 formed in the strain body 4 shown in FIGS. 10 and 11 described above is formed in a single crystal. It is also formed on the substrate 1. Therefore, in a single crystal substrate 1 without holes 20, when there is a temperature change, the single crystal substrate 1 deforms in the Z-axis direction and the output of the two components changes, but in this example, By forming the holes 20, thermal stress is dispersed and the temperature characteristics of the Z component are stabilized. In addition, in the case of this embodiment, since the holes 18° and 20 have the same shape and the same dimensions, the relative position of the single crystal substrate 1 with respect to the strain body 4 can be accurately determined using a positioning pin or the like. It is something. Of course, although not particularly shown in the drawings, a pin for positioning both may be specially prepared and the pin may be driven into the strain body 4 and the single crystal substrate 1.

第14図、に示すものは、本発明の第六の実施例であり
、前述の第四の実施例に対して、単結晶基板1にも扇形
孔19と同様な扇形孔21を形成したものである。した
がって、円周方向の応力の発生を有効に防止して半径方
向にのみ歪が発生するようにするとともに、単結晶基板
1における熱応力を分散し、Z成分の温度特性を安定さ
せる。また、本実施例の場合にも、扇形孔19.21が
同一形状で同一寸法であるため、位置決めピン等を使用
して起歪体4に対する単結晶基板1の相対位置を正確に
定めることができるものである。
What is shown in FIG. 14 is a sixth embodiment of the present invention, in which a sector-shaped hole 21 similar to the sector-shaped hole 19 is formed also in the single-crystal substrate 1 in contrast to the fourth embodiment described above. It is. Therefore, the generation of stress in the circumferential direction is effectively prevented so that strain occurs only in the radial direction, and the thermal stress in the single crystal substrate 1 is dispersed, thereby stabilizing the temperature characteristics of the Z component. Furthermore, in the case of this embodiment as well, since the fan-shaped holes 19 and 21 have the same shape and the same dimensions, it is possible to accurately determine the relative position of the single crystal substrate 1 with respect to the strain body 4 using a positioning pin or the like. It is possible.

なお、前記第三乃至第六の各実施例においては、起歪体
4と単結晶基板1またはどちらか一方に孔18.20又
は扇形孔19.21を形成した状態について説明したが
、これらは円周方向の応力発生を防止して半径方向の応
力のみを発生させるようにしているものであるため、孔
形状のものに代えて切欠きにより形成してもよいもので
ある。
In each of the third to sixth embodiments, the hole 18.20 or the fan-shaped hole 19.21 is formed in the strain body 4 and/or the single crystal substrate 1. Since it is designed to prevent the generation of stress in the circumferential direction and only generate stress in the radial direction, it may be formed with a notch instead of a hole shape.

また、前述の孔18.20又は扇形孔19,21の形状
については、楕円孔や多角形孔等を用いることも可能で
ある。
Further, regarding the shape of the holes 18, 20 or the fan-shaped holes 19, 21 described above, it is also possible to use an elliptical hole, a polygonal hole, or the like.

効果 本発明は、上述のように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が一面に形成された単
結晶基板を設け、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した起歪体を設け、この起歪体
の表面に前記単結晶基板を接着固定したので、作用部に
作用する外力は起歪体により受けさせることができ、そ
の起歪体が変形することにより単結晶基板を変形させる
ので、単結晶基板では受けることができない大きさの荷
重を受けることができ、また、衝撃荷重が作用部に印加
されても、その衝撃は単結晶基板に直接伝達されること
がなく、起歪体により緩衝されるので、単結晶基板が脆
性の高い材質であっても十分に保護され、信頼性の高い
力検出を行うことができ、さらに、単結晶基板と起歪体
又はどちらか一方に孔又は切欠きを形成したので、検出
素子に作用する円周方向の応力をなくして半径方向の応
力のみを作用させることができ、これにより、検出感度
の高い状態を得ることができるものである。
Effects As described above, the present invention provides a single-crystal substrate having a detection surface formed over one surface, which is equipped with a detection element that changes electrical resistance by mechanical deformation, and has either the center portion or the peripheral portion supported by a support member. A strain-generating body with the other side as an acting part is provided, and the single crystal substrate is adhesively fixed to the surface of this strain-generating body, so that the external force acting on the acting part can be received by the strain-generating body, and the strain-generating body is Since the single crystal substrate is deformed by deforming the body, it can receive a load that cannot be received by a single crystal substrate, and even if an impact load is applied to the acting part, the impact will be transferred to the single crystal substrate. Since the force is not directly transmitted to the substrate and is buffered by the strain body, even if the single crystal substrate is made of a highly brittle material, it is sufficiently protected and highly reliable force detection can be performed. Since holes or notches are formed in the single-crystal substrate and/or the strain-generating body, it is possible to eliminate stress in the circumferential direction and apply only stress in the radial direction to the detection element. This allows a state of high sensitivity to be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の第一の実施例を示す縦断側面図、第2
図はキャップを取り外した状態の平面図、第3図はI)
 −S 1(110)におけるピエゾ抵抗係数を示す特
性図、第4図は検出素子の形状を示す平面図、第5図(
a)(b)(c)はブリッジ回路図、第6図(a)(b
)(c)は各種の応力の発生状態を示す特性図、第7図
は製造工程図、第8図は本発明の第二の実施例を示す縦
断側面図、第9図はキャップを取り外した状態の平面図
、第1o図は本発明の第三の実施例を示す平面図、第1
1図はその縦断側面図、第12図は本発明の第四の実施
例を示す平面図、第13図は本発明の第五の実施例を示
す平面図、第14図は本発明の第六の実施例を示す平面
図である。 1・・・単結晶基板、2・・・検出面、3・・検出素子
、4・・・起歪体、6・・・支持部、7・・・中心部、
18.20・・・孔、19.21・・・扇形孔(孔)出
 願 人   株式会社 リコー ζJO”CI−二ノ−1?11ζン 35図 3月図
FIG. 1 is a vertical cross-sectional side view showing the first embodiment of the present invention, and the second
The figure is a plan view with the cap removed, Figure 3 is I)
- A characteristic diagram showing the piezoresistance coefficient in S 1 (110), Fig. 4 is a plan view showing the shape of the detection element, Fig. 5 (
a)(b)(c) are bridge circuit diagrams, Fig. 6(a)(b)
) and (c) are characteristic diagrams showing various stress generation states, Fig. 7 is a manufacturing process diagram, Fig. 8 is a longitudinal cross-sectional side view showing the second embodiment of the present invention, and Fig. 9 is with the cap removed. FIG. 1o is a plan view showing the third embodiment of the present invention.
1 is a longitudinal sectional side view thereof, FIG. 12 is a plan view showing a fourth embodiment of the present invention, FIG. 13 is a plan view showing a fifth embodiment of the present invention, and FIG. 14 is a plan view showing a fourth embodiment of the present invention. It is a top view which shows Example 6. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Single crystal substrate, 2... Detection surface, 3... Detection element, 4... Strain body, 6... Support part, 7... Center part,
18.20...hole, 19.21...fan-shaped hole (hole) Applicant: Ricoh Co., Ltd.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、機械的変形により電気抵抗を変化させる検出素子を
備えた検出面が一面に形成された単結晶基板を設け、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
部とした起歪体を設け、この起歪体の表面に前記単結晶
基板を接着固定したことを特徴とする力検出装置。 2、機械的変形により電気抵抗を変化させる検出素子を
備えた検出面が一面に形成された単結晶基板を設け、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
部とした起歪体を設け、この起歪体の表面に前記単結晶
基板を接着固定し、この単結晶基板と起歪体又はどちら
か一方に孔又は切欠きを形成したことを特徴とする力検
出装置。 3、単結晶基板と起歪体又はどちらか一方に形成される
孔又は切欠きを複数個とし、これらの孔又は切欠きを同
一円周上に配置したことを特徴とする特許請求の範囲第
2項記載の力検出装置。
[Claims] 1. A single-crystal substrate with a detection surface formed over one surface and equipped with a detection element that changes electrical resistance by mechanical deformation is provided, and one of the center portion and the peripheral portion is used as a support portion. 1. A force detection device comprising: a strain-generating body with the other end serving as an action portion; and the single crystal substrate is adhesively fixed to the surface of the strain-generating body. 2. A single-crystal substrate with a detection surface formed over one surface, equipped with a detection element that changes electrical resistance through mechanical deformation, is provided, and one of the center and peripheral parts is used as a support part and the other part is used as an action part. A force detection device characterized in that a strain-generating body is provided, the single-crystal substrate is adhesively fixed to the surface of the strain-generating body, and a hole or a notch is formed in the single-crystal substrate and the strain-generating body, or in either one thereof. . 3. Claim No. 3, characterized in that a plurality of holes or notches are formed in the single crystal substrate and the strain-generating body, or in either one, and these holes or notches are arranged on the same circumference. The force detection device according to item 2.
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