JPS63226074A

JPS63226074A - 力検出装置

Info

Publication number: JPS63226074A
Application number: JP62144316A
Authority: JP
Inventors: 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
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1986-10-30
Filing date: 1987-06-10
Publication date: 1988-09-20
Anticipated expiration: 2012-10-29
Also published as: JP2670048B2

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、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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
、。

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。

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。

〔熱酸化〕

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。

〔拡散窓明〕

選択拡散を行うためにＳｉｏ、を除去し、拡散窓明を行
う。

〔拡散〕

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。

（ＣＶＤ−３ｉ、Ｎ、）両面にＣＶＤ−３Ｌ、Ｎ、をデポジションする。

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。

〔コンタクトホール〕

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。

〔アルミ蒸着／加工〕

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。

〔シンタリング〕

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。

〔ダイシング〕

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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ＩＲｘ、、　　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。

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。

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。

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。

まず、第５図（ａ）において、となる。

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
。

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。

すなわち、Ｍｘによる出力変化（感度へ■）は、Δ■＝
ΔＲ・工　・・・・・・　（５）となる。

次に、第５図（ｂ）において、となる。

ここで、Ｒｙ＋　＝　ＲＬ　＝　ＲＶｓ　＝ＲＹ４＝　
Ｒとすると、式（６）は、Ｖ＝Ｏとなる。

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。

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。

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。

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。

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。

（ｉｉ）、検出素子３の抵抗の増減ΔＲが等しい。

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。

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。

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。

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！。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

【図面の簡単な説明】

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

Claims

【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。