JPH0546889B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は圧力の大きさと方向を検出する圧覚セ
ンサに関し、詳しくは受圧板に作用する荷重を互
いに直交する３方向の分力に分解して検出するこ
とが可能な３方向分力検知感圧モジユールをアレ
イ状に配置した圧覚センサに関する。

［従来の技術］ この種の圧覚センサは、一般にロボツトハンド
などにおいて把持力の強さや面圧分布などを知る
必要がある場合に、その触覚検知を得ようとする
箇所に使用することを主な目的として、研究開発
が進められてきた。

第３図はこのような従来の圧覚センサの一例を
示す。ここで、１および２は下部基板３の溝４に
垂直に保持された感圧セルである。２つの互いに
並列に配置されたこれらの感圧セル１および２間
の上面にそれぞれ受圧板５が設けられて、１単位
としての圧覚センサモジユール６が構成されてい
る。

また、個々の感圧セル１および２には、例えば
第４図に示すように、その側面の所定の位置に複
数のストレンゲージ７が形成されており、個々の
受圧板５に作用する荷重を感圧セルを介してこれ
らのストレンゲージ７に伝達させることにより、
受圧板５に沿つた水平分力Fx，Fyおよび受圧板
５に垂直方向の分力Fzに分解して、検出するこ
とができる。

上述の感圧セル１，２を例えば単結晶シリコン
ウエハで構成し、その表面に半導体プロセスの拡
散原理を用いてストレンゲージ７を形成すれば、
感圧セルの大きさを非常に小さくすることがで
き、その結果圧覚センサモジユール６も小型化で
きる。

このような小型化した感圧セルの形状として
は、第５図および第６図に示すものが従来知られ
ている。第５図の感圧セル８はリング形状の感圧
セルであり、その中心部に円形孔９を有し、受圧
板に垂直方向の両端に溝へ挿入するための突起部
１０が形成されている。また、第６図の感圧セル
１１はその外周が８角形状の圧覚セルであり、そ
の中心部に円形孔１２を有し、受圧板に垂直方向
の両端に溝へ挿入するための突起部１３が形成さ
れている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、このような従来の感圧セルには
次のような欠点がある。

外周加工が困難である。

第５図のリング形セル８では外周を曲面に加
工し、また第６図の８角形セルでは外周を多面
に仕上げなければならない。ところが、硬脆材
料であるシリコンを、このような複雑な形状に
精度よく加工することは非常に困難であり、ま
た加工できたとしても、加工時間が長くかか
る。

応力集中が生じる。

第３図のような圧覚センサでは、感圧セル
１，２にあらゆる方向の力が加わる。ところ
が、第５図および第６図の感圧セル８，１１の
場合は溝へ挿入するための突起部１０，１３の
根元に切欠き部１４，１５があるので、この部
分１４，１５に応力集中の生じる可能性があ
る。この応力集中部に発生する応力は実験によ
れば、感圧セルに発生する応力のうちで最大と
なる場合があり、感圧セルが破壊する原因にな
る恐れがある。

配線取出し部のパツド密度が高い。

感圧セル内の信号を外部に取り出すために、
感圧セル１と下部基板３の配線間を接続する
が、それぞれの配線の先端部には配線の接続を
容易にするために、パツド部を設ける必要があ
る。第５図および第６図のような感圧セル８，
１１の場合は突起部１０，１３の根元部分にパ
ツドを設ける必要があるが、この部分は幅が狭
くなつているので、パツドを小さくしてその密
度を高くしなければならない。

組立て作業が煩雑である。

感圧センサを第３図のように組立てるには、
下部基板３の溝４に感圧セルの突起部１０また
は１３を１個ずつ挿入して組立てなければなら
ない。圧覚センサの検出分解能をあげるために
は感圧セルを小さくしなければならないので、
この挿入および組立て作業は煩雑なものとな
る。

このような組立て作業の煩雑さを避けるため
に、複数個の感圧セルを連結したままで組立て
て、接着が完了した後に個々の圧覚センサモジ
ユールに切断して分離するという圧覚センサの
製造方法が、本発明人によりすでに提案されて
いる（特願昭58−201962号、特願昭58−205251
号）。

本発明は、上述の点に鑑み、上述の組立て作業
が容易な圧覚センサの製造方法に適し、かつ感圧
セルの外周加工が容易になり、応力集中を避ける
ことができるとともに、配線取出し部を幅広くと
ることが可能となる形状の感圧セルを具えた圧覚
センサを提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本目的を達成するため、本発明は基板上で垂直
に、かつ対向して配置されたリング状またはこれ
に近い形状の単結晶シリコンからなる２個の感圧
セルと、２個の感圧セルの上面に取付けられた受
圧板とにより、１個の感圧モジユールが構成さ
れ、感圧セルの側面に形成されたストレンゲージ
により受圧板に加えられる荷重を感圧セルの側面
に平行な水平分力Fxと、感圧セルの側面に直角
な水平分力Fyと、受圧板に垂直な方向の垂直分
力Fzとにそれぞれ分解して検出する圧覚センサ
において、複数個の感圧セルがその下部において
連結し、かつ中心孔を有する各々の感圧セルの外
周が互いに隣接する２個の感圧セル間の中間の第
１の孔と、第１の孔の上下位置にお互いに重なり
合つた第２の孔と、第１と第２の孔を連通する切
込み溝とによつて形作られる形状を有することを
特徴とする。

［作用］ 本発明では、単位感圧セルの形状を、中心孔と
外周面を形成する複数個の孔と、隣接する感圧セ
ル分離用の切込みとによつて形成するようにした
ので、外周面の加工が容易になつて、加工精度が
向上するとともに、切欠き部がなくなつて応力集
中がなくなる。更に、いかなる方向の荷重が感圧
セルに加わつても、応力の発生の少ない腕部が感
圧セルに形成されているので、この腕部に応力の
影響を避ける必要のある半導体素子を形成するこ
とが可能になる。

また、本発明では、複数の感圧セルがその下部
において連結しているので、複数の感圧セルを一
体として取扱うことができ、組立作業が容易にな
るとともに、連結部に配線取出し用パツドを形成
することによつてパツドの密度を低くすることが
できる。

［実施例］ 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に
説明する。

第１図は本発明の圧覚センサの構成例を示す斜
視図、第２図はその圧覚センサを構成する感圧セ
ンサの実施例を示す。第２図には、３個の感圧セ
ル２５がその下部において連結している短冊形状
の３連セル２６を示すが、感圧セルの数はこの３
個に限定されるものではなく、必要に応じてその
数を増やしても差しつかえない。しかし、感圧セ
ル２５の表面に半導体プロセスによりストレンゲ
ージやその他の半導体素子を形成するので、現在
の半導体プロセスの歩留りを考慮すれば、連結す
る個数はほぼ３〜５個が最適であると考えられ
る。

本例の感圧セル２５は、本図示のように、円形
の中心孔２７を有し、その中心孔２７の外周部に
隣接する両側の２個の感圧セルとの中間の中央部
にそれぞれ形成した比較的小形の円形孔２８と、
その円形孔２８の上下位置に水平方向に多少ずら
して互いに重なりあつた２重の円形孔２９および
上述の中間位置に上部を開口して形成した切込み
溝３０とを有しており、各切込み溝３０はそれぞ
れ１個の円形孔２８と２個の円形孔２９とを貫通
している。

このような形状の感圧セル２５では、第５図な
らびに第６図に示したような切欠き部１４，１５
が無くなるので、応力集中を避けることができ
る。また、この形状では小径孔２８と大径孔２９
との間に必然的に腕部３１が形成されることにな
るが、いかなる荷重がこの感圧センサに２５に加
わつても、その腕部３１に発生する応力は他の部
分に発生する応力よりも非常に小さいことが実験
的に確められている。従つて、腕部３１には、応
力を受けると困る半導体素子（例えば、アナログ
スイツチや感温センサ等）を形成することができ
る。

さらに、感圧セル２５を構成する単結晶シリコ
ンは硬脆材料であるので比較的加工が困難である
が、各孔２７，２８，２９は円形孔であるので、
その孔加工はレーザビーム加工等により比較的容
易にかつ精度よくできる。

従つて、このような円形孔の組合せと直線の切
込みのみで外形が得られる加工容易な形状の複数
連の感圧セルを圧覚センサに採用すれば、感圧セ
ルの加工時間が短縮されるとともに、各感圧セル
の寸法精度が良くなつて、形状が揃うので感圧セ
ル２５の検出精度のばらつきが少なくなるという
利点が得られる。

また、上述のように腕部３１に発生する応力は
小さいので、腕部３１の長さが多少変化しても、
これが全体の応力状態に及ぼす影響は少ない。従
つて、２個の感圧セルの中間の切込み溝３０はそ
の位置や溝幅において加工精度が多少悪くなつて
も、感圧セル２５の検出精度に大きな影響を及ぼ
すことはない。

さらに、感圧セル２５を下部で連結している連
結部３２に感圧セル内の信号を取出すためのパツ
ド３３を設けることができる。連結部２２は、そ
の幅が広いのでパツド３３を十分な余裕をもつて
形成することが可能である。

また、３連セル２６では３個の感圧セル２５を
一体に取扱うことができるのでこれを基板４０の
溝４１に挿入する組立作業が容易になることは言
うまでもない。

上述の３連セル２６から第１図に示すような圧
覚センサユニツト４２を製造する方法は、すでに
本発明人により提案されているので（特願昭59−
272025号）、その詳細な説明は省略する。なお、
４３は受圧板である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、圧覚セ
ンサの感圧セルをその下部において複数個連結
し、かつ中心孔を有する各々の感圧セルの外周を
複数個の孔と隣接する感圧セル間の切込み溝とに
よつて形作られる形状にしているので、以下の利
点が得られる。

感圧セルの外周加工が容易になる。

応力集中を避けることができる。

配線取出し用パツドを余裕をもつて配置でき
る。

組立て作業が容易になる。

アナログスイツチや感温センサを形成でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の圧覚センサユニツトの一例を
示す斜視図、第２図はその圧覚センサユニツトを
構成する感圧セルの形状を示す正面図、第３図は
従来の圧覚センサの一例を示す斜視図、第４図は
従来の感圧セルの表面に形成されたストレンゲー
ジ位置を示す斜視図、第５図および第６図はそれ
ぞれ従来の感圧セルの形状を示す正面図である。 ２５……感圧セル、２６……３連セル、２７…
…中心孔、２８……孔、２９……重なり合つた
孔、３０……切込み溝、３１……腕部、３２……
連結部、３３……パツド、４０……下部基板、４
１……溝、４２……圧覚センサユニツト、４３…
…受圧板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基板上で垂直に、かつ対向して配置されたリ
   ング状またはこれに近い形状の単結晶シリコンか
   らなる２個の感圧セルと、該２個の感圧セルの上
   面に取付けられた受圧板とにより、１個の感圧モ
   ジユールが構成され、前記感圧セルの側面に形成
   されたストレンゲージにより前記受圧板に加えら
   れる荷重を前記感圧セルの側面に平行な水平分力
   Fxと、前記感圧セルの側面に直角な水平分力Fy
   と、前記受圧板に垂直な方向の垂直分力Fzとに
   それぞれ分解して検出する圧覚センサにおいて、 複数個の前記感圧セルがその下部において連結
   し、 かつ中心孔を有する各々の該感圧セルの外周が
   互いに隣接する２個の感圧セル間の中間の第１の
   孔と、 該第１の孔の上下位置にお互いに重なり合つた
   第２の孔と、 前記第１と第２の孔を連通する切込み溝とによ
   つて形作られる形状を有することを特徴とする圧
   覚センサ。