JPH01131425A - 力検出装置 - Google Patents

力検出装置

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JPH01131425A
JPH01131425A JP62291295A JP29129587A JPH01131425A JP H01131425 A JPH01131425 A JP H01131425A JP 62291295 A JP62291295 A JP 62291295A JP 29129587 A JP29129587 A JP 29129587A JP H01131425 A JPH01131425 A JP H01131425A
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JP
Japan
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crystal substrate
force
single crystal
detection element
strain
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Pending
Application number
JP62291295A
Other languages
English (en)
Inventor
Shoji Matsumoto
庄司 松本
Daisuke Kosaka
小坂 大介
Tatsuo Yoshizawa
吉澤 達夫
Hiroshi Yamazaki
博史 山崎
Junichi Takahashi
淳一 高橋
Hirotoshi Eguchi
裕俊 江口
Takashi Akahori
赤堀 隆司
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
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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1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に利用される力
検出装置に関するものである。
(従来技術) 力検出装置では、外力が印加されることによす弾性変形
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
子の電気抵抗変化を電気信号として取り出して外力の強
さを検出している。
力検出装置では、例えばシリコン単結晶にてなる起歪体
の表面に半導体プレーナプロセス技術により検出素子が
形成される(特開昭60−221288号公報参照)。
そこではシリコン単結晶基板が正八角形の平板リング状
に切り出されて起歪体が形成される。この起歪体の対向
辺に外力を作用させてFxv F y r F zの力
の3成分の二次元分布を検出する。
しかし、シリコン単結晶基板から入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
ーザー加工、エツチング加工などを組み合せて加工しな
ければならず、その加工は容易ではない。
また、シリコン単結晶基板により起歪体を形成した場合
には、シリコン単結晶基板はそ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
問題もある。そして衝撃にも弱い。
さらに、X軸及びY軸の方向を検出素子が形成されてい
るシリコン単結晶基板の面内方向とすると、Z軸方向は
面に垂直な方向となり、X軸、Y軸方向と2軸方向の力
に対する検出素子の感度が異なり、通常Z軸方向の検出
感度が小さくなる。
(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、耐衝撃性を高めることができるととも
に、X軸、Y軸及びZ軸方向の検出素子の感度を同程度
にし、S/N比をよくすることを目的とするものである
。
(構成) 本発明の力検出装置では、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起歪体の表面に単
結晶基板を接着固定し、その単結晶基板表面には面内方
向のX軸方向、Y軸方向及び面に垂直なZ軸方向の力に
より生ずる機械的変形により電気抵抗が変化する各方向
別の検出素子を形成するとともに、Z軸方向の成分力の
検出を行う前記検出素子が形成されている部分の基板に
段差を設けた。
以下、実施例について具体的に説明する。
第1図は一実施例を示す断面図、第2図は同実施例のキ
ャップを外した状態を示す平面図、第3図(A)は同実
施例におけるシリコン単結晶基板を示す平面図、同図(
B)は同図(A)のB−B線位置での断面図、同図(C
)は同図(A)のC−C線位置での断面図である。
1は正方形のシリコン単結晶基板であり、その−表面は
検出面2となり、この検出面2には検出素子3が形成さ
れている。検出素子3は不純物拡散により形成されたも
のであり、応力を受けて変形することにより抵抗率が変
化する所謂ピエゾ抵抗効果を利用したものである。
単結晶基板1がn型5i(110)基板である場合、第
2図に示されるようにZ方向の力を検出する4個の検出
素子RZI−RZ4が<110>方向の線上に配置され
、中心に対してRz+とR24が対称な位置に配置され
、Rz=とRZ 3が対称な位置に配置されている。X
方向の力を検出する4個の検出素子Rx+〜Rx aは
(110>方向に対して45度の方向(X軸方向という
)の線上に配置され、中心に対してRx+とRx 4が
対称な位置に配置され、RX2とRX3が対称な位置に
配置されている。また、Y方向の力を検出する4個の検
出素子Ry+〜Ry 4は<110>方向に対して45
度でX軸方向とは直交する方向(Y軸方向という)の線
上に配置され、中心に対してR)r+とRy 4が対称
な位置に配置され、Ry2とRy 3が対称な位置に配
置されている。
各検出素子3は、第4図に示されるように、それらの検
出素子が配置されている方向に電流iが流れるように配
置方向に長く延びた形状に形成されている。図でQlく
くQ2である。
X方向の力を検出する4個の検出素子Rxr〜RX 4
とY方向の力を検出する4個の検出素子Ry+−Ry4
は単結晶基板1の同一高さの基板面に形成されており、
2方向の力を検出する4個の検出素子Rz 1〜Rz 
aはRXl”RX4及びRy+”Ry4が形成されてい
る面から隆起した基板面1aに形成されている。検出素
子Rz+−R24の近くには隆起した基板面1aと他の
基板面との間の段差が存在している。
4は単結晶基板°lを補強する補強基板として作用する
起歪体である。起歪体4は円盤状をなしており、外周部
が固定用ねじ孔5を備えた支持部6となり、中心部7に
は力伝達体8が形成され、力伝達体8の周囲には円形の
凹部9が形成されて薄肉状の弾性変形面10が形成され
ている。この弾性変形面10の表面には、起歪体゛4の
中心と単結晶基板1の中心とが一致するように単結晶基
板1が配置され、両者は接着されて固定されている。
単結晶基板1上には検出素子3に接続して形成された接
続端子11が設けられている。単結晶基板1に接近して
起歪体4上には、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が接着して固定されている。接
続端子11はワイヤ15を介してフレキシブルプリント
基板13に形成された中継端子14に接続されている。
単結晶基板1はゲル状樹脂20・によって被われ、保護
されている。また、起歪体4の検出面2側にはキャップ
16が設けられ、単結晶基板1を外気から遮断するとと
もに、単結晶基板1に傷がついたり衝撃が加えられるこ
となどから保護している。
力伝達体8に作用する力としては、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Mx、My。
Mzの6成分がある。これらのうち、第5図に示される
Mx、My、FZの3成分を検出するために、第6図(
A)〜(C)に示されるブリッジ回路が形成されている
。
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
。力の3成分M x 。
My、Fzは第6図のブリッジ回路により互いの力成分
に干渉されることなく各回路ごとにM x 。
My、Fzの出力が得られる。
ここでFzを検出する検出素子RXl”RX4は単結晶
基板1の表面の他の部分より高くなった面1aに形成さ
れ、かつ、段差部の近くに配置されているので、それら
の検出素子Rx+=Rx4の部分では歪による応力が段
差部に集中し、Z方向成分力の検出感度が高められる。
第7図及び第8図は本発明の他の実施例を表わすもので
ある。
本実施例では検出素子3の出力の外部への取り出し手段
が前記実施例と相違している。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。
次に、第3図に示される単結晶基板1を形成する方法に
ついて、第9図(A)〜(G)を参照して説明する。
同図(A)に示されるように、例えばn型5t(110
)ウェハの表面に写真製版によってレジストパターン2
1を形成し、同図(B)に示されるようにエツチングを
施して島状に隆起した領域1aを形成する。
次に同図(C)に示されるように、検出素子を形成する
領域に開口をもつレジストパターン22を写真製版によ
り形成し、ボロンをイオン注入するかPSGを堆積する
。そして同図(D)に示されるように、不純物拡散によ
る抵抗層である検出素子3を形成する。
次に同図(E)に示されるように、層間絶縁膜23とし
てシリコン酸化膜やポリイミド膜などを形成する。1間
絶縁膜23としては他にSOG膜。
又はCVD法によるPSG膜やBPSG膜などを用いて
もよい。眉間絶縁膜23上に、コンタクト孔をあけるた
めのレジストパターン24を写真製版によって形成する
。そして同図(F)に示されるように、エツチングを施
しコンタクト孔25を形成する。コンタクト孔25は検
出素子3を電気的に接続するためのものである。
同図(G)に示されるように、検出素子3間を接続する
ために、導電体膜26として例えばAQ膜、Al2−3
i化合物膜又はAu膜などをスパッタリング法や蒸着法
によって形成し、写真製版とエツチングによってパター
ン化して配線を形成する。そして最終の保護膜として層
間絶縁膜と同様のPSG膜、ポリイミド膜、又はプラズ
マCVD法によるS i N x膜などを形成した後、
写真製版とエツチングによって外部との接続用窓を作成
する。
Z方向の力を検出する検出素子が形成される領域1aは
、前記実施例では隆起した領域であるが、その領域を凹
部として形成し段差を形成するようにしてもよい。
(効果) 本発明の力検出装置では、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起歪体の表面に単
結晶基板を接着固定し、その単結晶基板表面には面内方
向のX軸方向、Y軸方向及び・面に垂直なZ軸方向の力
により生ずる機械的変形により電気抵抗を変化させる各
方向別の検出素子を形成した。そのため、作用部に作用
する外力を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
材料であっても十分に保護され、信頼性の高い力検出を
行うことができる。
また、Z軸方向の成分力の検出を行う検出素子が形成さ
れている部分の基板に段差を設けたので、歪による応力
をZ軸方向の検出素子部に集中させ、Z軸方向の感度を
z、Y軸方向の感度と同程度に高めることができ、S/
N比を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は一実施例を示す断面図、第2図は同実施例のキ
ャップを外した状態の平面図であり、第1図は第2図の
A−A線位置での断面図を表わしている。第3図(A)
は同実施例の単結晶基板を示す平面図、同図(B)は同
図(A)のB−B線位置での断面図、(C)は同図(A
)のC−C線位置での断面図、第4図は検出素子の形状
を示す平面図、第5図(A)、(B)、(C)は各種の
応力の発生状態を示す特性図、第6図(A)、(B)、
(C)は各成分の力を検出するブリッジ回路図、第7図
は他の実施例を示す断面図、第8図は同実施例のキャッ
プを外した状態を示す平面図であり、第7図は第8図の
D−D線位置での断面図を表わしている。第9図(A)
から同図(G)は一実施例における単結晶基板の製造工
程を示す断面図である。 1・・・・・・単結晶基板、 3・・・・・・検出素子
。 4・・・・・・起歪体、 6・・・・・・支持部、7・
・・・・・中心部、   la・・・・・・基板表面の
隆起部。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)中心部と周辺部とのいずれか一方を支持部とし他
    方を作用部とする起歪体の表面に単結晶基板を接着固定
    し、その単結晶基板表面には面内方向のX軸方向、Y軸
    方向及び面に垂直なZ軸方向の力により生ずる機械的変
    形により電気抵抗が変化する各方向別の検出素子を形成
    するとともに、Z軸方向の成分力の検出を行う前記検出
    素子が形成されている部分の基板に段差を設けた力検出
    装置。
JP62291295A 1987-11-17 1987-11-17 力検出装置 Pending JPH01131425A (ja)

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JP62291295A JPH01131425A (ja) 1987-11-17 1987-11-17 力検出装置

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JP62291295A JPH01131425A (ja) 1987-11-17 1987-11-17 力検出装置

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JP (1) JPH01131425A (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010025736A (ja) * 2008-07-18 2010-02-04 Honda Motor Co Ltd 力覚センサ
WO2016199286A1 (ja) * 2015-06-12 2016-12-15 株式会社日立製作所 ひずみ検出システム、および取り付け方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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