JPH0627089U - ３次元半導体力覚センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 使用目的に応じたＸ，Ｙ，Ｚ方向の許容荷重
バランスを有した３次元半導体力覚センサーを、設計が
容易で、小型で、製造コストも高くならずに提供するこ
とを目的とする。 【構成】 拡散型歪ゲージを形成したセンサーチップ２
を起歪体１のダイアフラム1aに接合してなる３次元半導
体力覚センサーにおいて、前記センサーチップ２と前記
ダイアフラム1aとの接合部に略ドーナツ状をした空間部
８を設け、前記センサーチップ２と前記ダイアフラム1a
とが、中心部と外周付近部でのみ接合するようにしたこ
とを特徴とする。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、自動化製造装置やロボットの物品把握部で把握力の自動設定等に使 用する力覚センサーの入力装置に関し、特に拡散型歪ゲージを形成したセンサー チップを起歪体上に接合した３次元半導体力覚センサーに関する。

【０００２】

【従来の技術】

先ず、本考案の対象とする従来の３次元半導体力覚センサーについての概略を 図３により説明する。１は円板状の起歪体、１ａはダイアフラム、２は起歪体１ の歪み量を検出するための半導体歪ゲージのセンサーチップである。３はＦＰＣ 、４はセンサーチップ２とＦＰＣ３とを接続するリード線、５はカバー、６は検 出軸である。

【０００３】 起歪体１の検出軸６に外力を加えると起歪体１が変形する。即ち、起歪体１の 中心部、即ち検出軸６の周辺は図に示すように薄くして剛性が低くなるようにし た環状のダイアフラム1aが形成されており、その上にセンサーチップ２を隙間の ないように接合してあり、中心部が変形すると、その変形に応じてセンサーチッ プ２が歪むようになっている。これは、歪みの量が変化すると電気抵抗率が変化 する現象（ピエゾ抵抗の効果という）を利用して歪み量の変化を検出するもので ある。

【０００４】 この様な構造であるので、検出軸６に同じ荷重を加えると、図４に示す如くＸ ，Ｙ方向の変化量に比べＺ方向の変化量は極端に少ない。これはＺ方向の感度が 低く、許容荷重が大きいことを意味する。そのため各方向からの許容荷重を示す と、楕円形状になってしまい、Ｚ方向の許容荷重は大きく、Ｘ，Ｙ方向の許容荷 重は少ないというアンバランスな状態となっている。

【０００５】 特に検出軸６の長さＬが長くなればなる程、Ｘ，Ｙ方向とＺ方向の許容荷重の 差が大きくなってしまう。そこで、検出軸６の直径を太くしたり、起歪体１のダ イアフラム１ａの厚さを薄くしたりしてもＸ，Ｙ方向とＺ方向の許容荷重のアン バランスを解消することはできなかった。

【０００６】 又、３次元半導体力覚センサーの組み立てに際してカバー５を起歪体１に取り 付ける場合、取り付け面が平らでなかったりすると、起歪体１が変形し、半導体 歪みゲージに歪みが発生してしまい、検出軸６に外力が加わっているかのように 作用する。そこで、この半導体歪みゲージは使用前に、組み立てにより半導体歪 みゲージに発生した歪みの量を検出し、この値によって力覚センサーの表示装置 を０に調整してから使用しなければならなかった。

【０００７】 そこで、これら許容荷重のアンバランスを解消するために、図５に示す半導体 歪みゲージのように起歪体１のダイアフラム１ａを、検出軸６側を厚く、外周部 が薄いテーパー状にする方法も提案されたが、許容荷重のアンバランスの問題は 完全に解消することはできなかった。

【０００８】 また、許容荷重バランスが極端に違うと、以下のような問題が発生する。 例えば、Ｚ方向の許容荷重が500gf,Ｘ方向とＹ方向の許容モーメントが70gf-cm という許容荷重バランス（約７：１）を持った３次元半導体力覚センサーの場合 を考える。図６に示すように検出軸６の中心軸心からＸ方向に0.001cm 離れた位 置Ｔ＝0.001cm にＺ方向の荷重Ａ＝500gf を加えたとすると、Ｚ軸は500gf に相 当する力を出し、Ｘ軸は 500gf×0.001cm ＝0.5gf-cmに相当する出力を出すこと になる。

【０００９】 ここでＸ軸の出力は、Ｘ軸の許容モーメントに対して0.5/70, 即ち約0.071 ％ であるから、Ｘ軸の出力が出ないようにＺ軸方向に500gf の荷重を加えるために は、更に精度良く検出軸６の中心に合わせる必要があることがわかる。

【００１０】 即ち、70gf-cm のモーメントにするには、70gf-cm ＝500gf ×0.14cmであるこ とから、検出軸６の中心軸線から0.14cm 離れた位置に荷重Ａ＝ 500gfの荷重を 加えれば、Ｘ軸方向の許容モーメント（70gf-cm ）と同じになる。従って荷重Ａ を加える範囲は極めて狭いことがわかる。

【００１１】 このような特徴を持った従来の３次元半導体力覚センサーも、使用目的によっ ては例外的に利点となる場合もあるが、一般的には、正確な位置に荷重を加えな ければ歪み量の正確な検出ができず、センサーの検査精度が低下したり、誤って 中心軸線から大きく外れた位置に荷重を掛けると、Ｘ，Ｙ軸方向に発生するモー メントが許容モーメントを超えてしまって機器を破損させることもあったりして 、問題があった。

【００１２】

【考案が解決しようとする課題】

上記の問題を解決するためには、使用目的に応じて許容荷重バランスを自由に 設定できる構成が必要である。本考案は、使用目的に応じたＸ，Ｙ，Ｚ方向の許 容荷重バランスを有した３次元半導体力覚センサーを、設計が容易で、小型で、 製造コストも高くならずに提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】

本考案は、上記問題点に鑑み、拡散型歪ゲージを形成したセンサーチップを起 歪体のダイアフラムに接合してなる３次元半導体力覚センサーにおいて、前記セ ンサーチップと前記ダイアフラムとの接合部に略ドーナツ状をした空間部を設け 、前記センサーチップと前記ダイアフラムとが、中心部と外周付近部でのみ接合 するようにしたことを特徴とする。

【００１４】

【作用】

上述のように本考案によれば、Ｚ方向に対するＸ，Ｙ方向の許容荷重の比は、 センサーチップ２とダイアフラム１ａの厚さと上記略ドーナツ状をした空間部の 外径寸法と内径寸法を変えて設計することで任意に選択でき、更に、Ｘ，Ｙ方向 の許容荷重はセンサーチップ２とダイアフラム１ａとの間の間隙を変えることで 任意の数値に変更することができる。

【００１５】

【実施例】

本考案による１実施例を図１，図２に基づき説明する。図１は、本考案による ３次元半導体力覚センサーの断面を示し、図２は図１のα─α方向の断面図であ る。１は円板状の起歪体、１ａはダイアフラム、２は起歪体１が変形したときの 歪み量を検出するための半導体歪ゲージのセンサーチップである。

【００１６】 ３はセンサーチップ２と図示しない抵抗率変化検出回路とを接続する端子とし てのＦＰＣ（Flexible Print Circuit）、４はセンサーチップ２とＦＰＣ３とを 接続するリード線、５はセンサーチップ２を起歪体１に接合後にセンサーチップ ２の中心部を保護するために取り付けたカバー、5aはカバー５に設けられた孔で あって、外気に連通している。６は検出軸、6aは検出軸６を取り付けるためのネ ジ部である。

【００１７】 ７は起歪体１のダイアフラム1aの内部側から外部側に向けて水平状に貫通した 通気孔で外気に連通している。８はセンサーチップ２とダイアフラム１ａ間に設 けられた略ドーナツ状の空間部であって、この空間部８は前記通気孔７と、カバ ー５に設けられた穴5aを経て外気に連通している。尚、図中、ｅとｆはそれぞれ 略ドーナツ状をした空間部８の外径寸法と内径寸法である。

【００１８】 本考案は、上述のような構成であるから、Ｚ方向の許容荷重は、センサーチッ プ２と起歪体１のダイアフラム１ａの厚さと、空間部８の外径寸法ｅと内径寸法 ｆとによって決定される。又、Ｘ，Ｙ方向の許容荷重はセンサーチップ２とダイ アフラム１ａの間隔を変えることでＺ方向の定格荷重を変化させずに任意の数値 に変更することが出来る。従って、Ｚ方向に対するＸ，Ｙ方向の許容荷重の比を 、必要に応じて選択して、容易に３次元半導体力覚センサーを設計することが出 来る。

【００１９】

【考案の効果】

上述のように本考案によれば、センサーチップとダイアフラムの厚さと略ドー ナツ状をした空間部の外径寸法と内径寸法を変更することにより、Ｚ方向に対す るＸ，Ｙ方向の許容荷重の比を任意の数値に設計することができる。更に、セン サーチップとダイアフラムとの間の間隙を変えることでＺ方向の定格荷重を変化 させずにＸ，Ｙ方向の許容荷重を任意の数値に設計変更することが可能となる。

【００２０】 即ち、ダイアフラムとセンサーチップとの間に設ける空間部の形状、大きさを 変えることでＺ方向に対するＸ，Ｙ方向の許容荷重の比を必要に応じて選択して 、極めて容易に適度な感度バランスを持った３次元半導体力覚センサーを設計で きる。しかも、起歪体に空間部を設けることによるコスト上昇は殆どなく、３次 元半導体力覚センサーのサイズも従来と同じである。

【００２１】 更にダイアフラムに接した空気が密閉されておらずに外気と連通しているので 、気圧の変化による影響が全く無く、感度良好な力覚センサーを実現することが 可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案による３次元半導体力覚センサーの１実
施例の断面図である。

【図２】図１のαーα方向の断面図である。

【図３】従来の力覚センサーの断面図である。

【図４】従来の力覚センサーのおける許容荷重分布方向
を示す説明図である。

【図５】従来の別の力覚センサーの断面図である。

【図６】従来の力覚センサーにおける許容荷重の説明図
である。

【符号の説明】

１ 起歪体 1a ダイアフラム ２ センサーチップ ３ ＦＰＣ ４ リード線 ５ カバー 5a 孔 ６ 検出軸 ７ 通気孔 ８ 空間部

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 拡散型歪ゲージを形成したセンサーチッ
   プを起歪体のダイアフラムに接合してなる３次元半導体
   力覚センサーにおいて、前記センサーチップと前記ダイ
   アフラムとの接合部に空間部を設けたことを特徴とする
   ３次元半導体力覚センサー。
2. 【請求項２】 前記空間部は通気孔を介して外気と連通
   していることを特徴とする請求項１に記載の３次元半導
   体力覚センサー。