JPH04329328A - 接触圧力センサおよびその測定方法 - Google Patents

接触圧力センサおよびその測定方法

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JPH04329328A
JPH04329328A JP10093491A JP10093491A JPH04329328A JP H04329328 A JPH04329328 A JP H04329328A JP 10093491 A JP10093491 A JP 10093491A JP 10093491 A JP10093491 A JP 10093491A JP H04329328 A JPH04329328 A JP H04329328A
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JP
Japan
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contact pressure
pressure sensor
load
pressure receiving
elastic
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JP10093491A
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English (en)
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Katsumichi Kamiyanagi
勝道 上▲柳▼
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Fuji Electric Co Ltd
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Fuji Electric 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】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、接触圧力センサに関し
、特に任意面内において、接触した物体から受ける圧力
の分布を測定するのに好適な単体1素子型の接触圧力セ
ンサに関する。
【0002】
【従来の技術】図6に従来の歪ゲージ式接触圧力センサ
の一例を示す。本例はその(A)に示すようにポリイミ
ドやフェノール系の樹脂フィルムおよび絶縁された金属
箔によって形成された膜体25上にCu−Ni,Ni−
Crやその他の合金による通常120〜1000Ωの抵
抗を有する抵抗素子26を接着して構成された歪ゲージ
27を、ステンレス鋼などの金属材料でできた構造体2
8の歪を発生する部位に貼設して構成されるもので、そ
の(B)にこのようにして構成された従来の接触圧力セ
ンサ29を示す。なお、このセンサ29により検出され
た信号は歪ゲージ27の端子30にはんだ付けされた配
線31によって取り出されるのであるが、このような接
触圧力センサ29による感度は、市販されているもので
1〜6mV/kgfが一般的で、通常1000〜200
0倍のアンプ回路によって増幅して使用されるのが通例
である。
【0003】図7は従来の他の例で、半導体ストレンゲ
ージ式の接触圧力センサを示す。ここで、32はシリコ
ンチップ、33はチップ32の荷重を受ける側を研削し
て形成した受圧柱33であり、その裏面側には半導体ス
トレンゲージ34と、その検出回路35と、回路35を
駆動するのに必要な信号端子36とが形成されている。 そして、このようにして構成された荷重検出素子37を
回路基板38上に取付けると共に、基板38上に形成さ
れた端子39と信号端子36とをワイヤボンディングに
よる配線40で接続した上、さらに回路基板38から配
線31によって上記信号を取り出すようにしている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
図6に示したような歪ゲージ式接触圧力センサにおける
第1の問題点は製造工程が複雑なことである。特に、歪
を生じる構造体25の特定の部位に、歪ゲージ27を貼
着するという作業は、その貼着される位置や接着条件に
よって、センサの感度や諸特性に最も影響を与えるとい
う難しい作業であるために、その作業者の技能に頼らざ
るを得ず、センサ特性にばらつきが生じるという問題が
ある。
【0005】第2の問題点として抵抗素子の抵抗が12
0〜1000Ωと小さいため、誘導型のノイズがのりや
すい。
【0006】第3の問題点として歪ゲージの歪による長
さ変化に対する抵抗変化の割合(ゲージ率という)が小
さいため1〜6mV/kgf程度の低い感度しか得られ
ない。
【0007】第4の問題点として接触圧力センサから信
号を取り出す配線には、通常ノイズ対策のためシールド
線が使用されるが、配線の径が大きくなり接触圧力セン
サが折角小型に構成可能であるという特長が失われてし
まう。
【0008】一方、図7に示したような従来の半導体ス
トレンゲージ式接触圧力センサでは第1〜3の問題点は
解決しているが、第5の問題点として配線に使用される
ワイヤボンディングの機械的強度が信頼性の点で劣る。
【0009】また、第6の問題点として半導体ストレン
ゲージを形成しているシリコンチップは硬くて脆い材質
のために衝撃に弱い。
【0010】さらにまた、第7の問題点としてこのよう
な従来の構造ではその受圧柱33における受圧面積が小
さいために柔らかい物体から受ける接触圧力を測定する
場合、受圧柱33が物体にのめり込む傾向が生じるため
に接触圧力センサに荷重を加えたときの検出荷重がリニ
アな特性を示さないという点がある。
【0011】本発明の目的は、かかる従来の問題の解決
を図り、あらゆる接触圧力測定条件の元で、単体のセン
サにより高感度,高精度の安定した荷重検出が可能な接
触圧力センサおよびその測定方法を提供することにある
。
【0012】
【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに、本発明は、半導体ストレンゲージおよび該半導体
ストレンゲージが組込まれたホイートストーンブリッジ
回路と、該回路への電源,グランド,素子選択用スイッ
チおよび出力信号供給用の各端子とが形成されたシリコ
ンセルの中央部に、荷重を受けるための受圧柱を有する
荷重検出素子と、該荷重検出素子の前記各端子に接続さ
れたフレキシブルプリント配線板と、前記荷重検出素子
のシリコンセルをほぼ中央部に支持する弾性床と、前記
受圧柱上面に前記シリコンセルと平行して固定され、前
記弾性床とほぼ同径に形成された受圧板と、該受圧板と
前記弾性床との間の隙間に充填された弾性の接着剤とを
具備したことを特徴とするものである。
【0013】
【作用】本発明によれば、歪が発生し易いシリコンチッ
プの中央部分に受圧柱、および半導体プロセス技術によ
って形成した半導体ストレンゲージ等を設け、これにフ
レキシブルプリント配線板の端部を接続して荷重検出素
子を構成した上、このような素子を弾性床のほぼ中央部
に支持させるようになし、さらに、受圧柱の上面に弾性
床と対応した寸法の受圧板を設けて、受圧板と弾性床と
の間を弾性の接着剤で充填するもので、従来に比してゲ
ージ率を高めることができると共にシリコンセルにかか
る衝撃が緩衝され、しかも単体で支持体上に設置できて
、高い精度で接触圧力を検出することができる。
【0014】
【実施例】以下、図面に基づいて本発明の実施例を詳細
かつ具体的に説明する。
【0015】図1は本発明の第1の実施例を示す。図1
の(A)はその接触圧力センサの単体の構成を示すもの
で、ここで、1はシリコンチップ、2はシリコンチップ
1の中央部近傍に(B)に示すようにして形成された半
導体ストレンゲージであり、これらの半導体ストレンゲ
ージ2は図1の(C)に示すようにホイートストーンブ
リッジ回路3に組込まれている。4はかかるシリコンチ
ップ1の中央部にはんだ接合された受圧柱、5は同じく
シリコンチップ1の端部に形成されたはんだバンプによ
る端子、6はこれらの端子5に接続され、端子5を介し
て信号を取出すためのフレキシブルプリント配線板であ
る。
【0016】なお、フレキシブルプリント配線板6は厚
さ数十μmのベースフィルム7に対してその下面側に信
号配線8と上面側にシールド層として金属箔9を全面に
形成したもので、このような配線板6を端子5に接続し
た上、かかる構成の荷重検出素子10を弾性床11の凹
部11Aに収め、接着で固定する。12は配線板6を弾
性床11に保持させるために設けられた押え板であり、
この押え板12によって配線板6の端子5への接続部に
無理な力が作用しないように保護している。また、13
は受圧柱4の上部に取付けられた受圧板であり、ここで
、弾性床11と受圧板13とは共に同じ径の円板状に形
成されていて、受圧柱4を囲繞する弾性床11,受圧板
13間の空間には比較的柔軟な接着剤14が充填してあ
る。なお、本例ではかかる接着剤14にヤング率が0.
35kgf/mm2 のエポキシ樹脂を使用した。
【0017】図2はこのようにして構成した接触圧力セ
ンサ15により荷重を検出した一例であって、この場合
は柔軟な例えば皮革のようなシート(以下で皮革体とい
う)16の上部から付加された荷重をセンサ15により
検出するようにした例である。なお、図2の(A)が本
実施例による検出測定例で、図2の(B)は本実施例と
比較するために図7に示した形態の従来例による接触圧
力センサ15Fを用いた例である。また、いずれのセン
サ15,15Fもこれを支持している支持体17と皮革
体16との間には隙間Hが保たれるようにしてある。つ
まり、センサ15や15Fの荷重を受ける上面がいずれ
も支持体17の上面17Aから上記寸法Hだけ突出する
ようにしてある。
【0018】そこで、このような状態で皮革体16を介
して負荷された荷重Pに対して本発明センサ15により
検出された荷重P15と従来例によるセンサ15Fによ
り検出された荷重P15Fとを図3に比較して示した。 すなわち、本図からも明らかなように、本発明センサ1
5によるものは負荷荷重Pに対応してP15に示すよう
に正確にリニアの線で荷重を検出することができるのに
対し、従来例のセンサ15FによるものはP15Fに示
すように荷重がリニアに検出されず、受圧部の面積が挾
いことと皮革体16を介して負荷荷重Pがうまくセンサ
15Fに伝達されないことによって検出荷重が不正確と
なる。
【0019】ついで、図4により本発明センサ15を用
いて荷重を検出した他の実施例について説明する。
【0020】本例は、支持体17によって図2に示した
と同様にして支持される接触圧力センサ15の上部に皮
革体16を配置し、この皮革体16のさらに上部に皮革
体16を介して、センサ15に均等に荷重がかかるよう
にした固体18を載置してその上部から圧力Fをかける
ようにしたものである。そして、このときに皮革体16
から受けるセンサの分担荷重Psに対応して検出される
荷重をPvとしてPv/Ps=GのGが上述したセンサ
15の突出量Hに対して変化する関係を図5に示した。
【0021】この図から明らかなように本実施例ではH
=0.1mmとしたときに丁度センサ分担荷重Psに対
応した荷重が接触圧力センサ15によって正確に検出さ
れることが分かる。すなわち、本例の場合、Hを0.1
mmに保つようにしておくことによってセンサ15が埋
設される支持体17の面が平面でも曲面でも同様の検出
精度が得られることを示している。
【0022】
【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、半導体ストレンゲージおよび該半導体ストレンゲー
ジが組込まれたホイートストーンブリッジ回路と、該回
路への電源,グランド,素子選択用スイッチおよび出力
信号供給用の各端子とが形成されたシリコンセルの中央
部に、荷重を受けるための受圧柱を有する荷重検出素子
と、該荷重検出素子の前記各端子に接続されたフレキシ
ブルプリント配線板と、前記荷重検出素子のシリコンセ
ルをほぼ中央部に支持する弾性床と、前記受圧柱上面に
前記シリコンセルと平行して固定され、前記弾性床とほ
ぼ同径に形成された受圧板と、該受圧板と前記弾性床と
の間の隙間に充填された弾性の接着剤とを具備し、受圧
板を介して周囲の接着剤層に保護されながら素子に伝達
される荷重を検出するようにしたのでセンサ感度のばら
つきを低減することができると同時に、感度の向上が期
待でき、試作したセンサでは約70mV/kgfの感度
を確認できた。
【0023】また、請求項2および3に記載のようにフ
レキシブルプリント配線板を形成することによって、接
触圧力センサを支持させるスペースが少なくてすみ、さ
らに、配線の耐屈曲性を向上することができる上に配線
接続部の機械的外力に対する信頼性の向上が図られる。
【0024】さらにまた、請求項4に記載のような弾性
の接着剤充填によりセンサの耐衝撃性が向上する。また
、柔らかい物体を介して付加された荷重に対してもリニ
アな荷重検出特性が得られる。
【0025】また、請求項5に記載の測定方法を適用す
ることにより、受圧板を設けたことによるセンサ感度の
低下を最小限に抑制することができ、ヤング率0.35
kgf/mm2 では91→72mV/kgfと約20
%の感度低下に抑えることが確認できた。
【0026】なお、このような測定方法の適用では自在
に検出値が補正可能なために接触圧力センサを設置する
際に、受圧板を周囲面より突出させる高さHを精密に設
定する必要が無い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の構成の一例を示す説明図である。
【図2】本発明と従来例とによる接触圧力測定の具体例
を比較して示す説明図である。
【図3】図2に示す測定結果の出力特性曲線図である。
【図4】本発明による他の測定例を示す説明図である。
【図5】図4に示す測定結果から得られたセンサ設置条
件にかかわる特性曲線図である。
【図6】従来例の構成を示す斜視図である。
【図7】半導体ストレンゲージ式の従来例の構成を示す
断面図である。
【符号の説明】
1  シリコンチップ 2  半導体ストレンゲージ 3  ホイートストーンブリッジ回路 4  受圧柱 5  端子 6  フレキシブルプリント配線板 7  ベースフィルム 8  配線 9  金属箔 10  荷重検出素子 11  弾性床 12  押え板 13  受圧板 14  接着剤 15  接触圧力センサ 16  皮革体 17  支持体

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  半導体ストレンゲージおよび該半導体
    ストレンゲージが組込まれたホイートストーンブリッジ
    回路と、該回路への電源,グランド,素子選択用スイッ
    チおよび出力信号供給用の各端子とが形成されたシリコ
    ンセルの中央部に、荷重を受けるための受圧柱を有する
    荷重検出素子と、該荷重検出素子の前記各端子に接続さ
    れたフレキシブルプリント配線板と、前記荷重検出素子
    のシリコンセルをほぼ中央部に支持する弾性床と、前記
    受圧柱上面に前記シリコンセルと平行して固定され、前
    記弾性床とほぼ同径に形成された受圧板と、該受圧板と
    前記弾性床との間の隙間に充填された弾性の接着剤とを
    具備したことを特徴とする接触圧力センサ。
  2. 【請求項2】  前記フレキシブルプリント配線板は、
    その端部が前記受圧板と弾性床との間の隙間より薄い押
    え板によって前記弾性床に固定されることを特徴とする
    請求項1に記載の接触圧力センサ。
  3. 【請求項3】  前記フレキシブルプリント配線板は、
    厚さ25μm以下のベースフィルムの一方の面に形成さ
    れた配線と、他方の全面に形成されたシールド用の金属
    箔と、前記ベースフィルムの両面にその上から覆蓋され
    た厚さ25〜100μmの膜体とを有し、全体厚さのほ
    ぼ中心部に前記配線が配設されることを特徴とする請求
    項1に記載の接触圧力センサ。
  4. 【請求項4】  前記弾性の接着剤は、そのヤング率が
    1kgf/mm2以下であることを特徴とする請求項1
    に記載の接触圧力センサ。
  5. 【請求項5】  請求項1に記載の接触圧力センサを支
    持体に支持させるようになし、前記受圧板の上面を前記
    支持体の頂面より高さHだけ突出させて、当該高さHと
    、前記受圧板の上面に加えられた荷重のうち当該受圧板
    が担持する荷重で検出される荷重を割った値Gとの関係
    に基づいて、前記接触圧力センサにより検出される荷重
    を補正することを特徴とする接触圧力センサの測定方法
    。
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Cited By (5)

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