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JPH0473634B2 - - Google Patents
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JPH0473634B2 - - Google Patents

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JPH0473634B2
JPH0473634B2 JP59065210A JP6521084A JPH0473634B2 JP H0473634 B2 JPH0473634 B2 JP H0473634B2 JP 59065210 A JP59065210 A JP 59065210A JP 6521084 A JP6521084 A JP 6521084A JP H0473634 B2 JPH0473634 B2 JP H0473634B2
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pressure
pressure sensor
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circular hole
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D48/00Individual devices not covered by groups H10D1/00 - H10D44/00
    • H10D48/50Devices controlled by mechanical forces, e.g. pressure

Landscapes

  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 [発明の属する技術分野] 本発明は、受圧面に印加される荷重等の力を互
いに直交する3方向の分力に分解して検出する3
分力検知感圧モジユールを単位とし、この感圧モ
ジユールをアレイ状に多数個配列して分布荷重等
が検出できるようにした圧覚センサの製造方法に
関する。
[Detailed Description of the Invention] [Technical Field to which the Invention Pertains] The present invention is directed to a method for detecting force such as a load applied to a pressure-receiving surface by decomposing it into component forces in three directions orthogonal to each other.
The present invention relates to a method of manufacturing a pressure sensor in which a component force detection pressure-sensitive module is used as a unit, and a large number of pressure-sensitive modules are arranged in an array so that distributed loads and the like can be detected.

[従来技術とその問題点] 上述のような荷重等の力を基本的な直角座標系
に分解し、3方向分力として互いに分離して検出
することができる感圧モジユールはその3分力を
演算式により合成することによつて、力の大きさ
や方向を求めることができ、更には任意の方向の
力を求めることができるので1個の荷重計等とし
ても有用なことはもちろんであるが、とくにこれ
らをアレイ状に配列した圧覚センサは力の分布状
態や力の中心(重心)とそれに働く合成力を求め
ることができるので比較的新規な諸用途をもつて
いる。
[Prior art and its problems] The pressure-sensitive module is capable of decomposing forces such as the above-mentioned loads into a basic orthogonal coordinate system and detecting them separately as components of forces in three directions. By synthesizing it using an arithmetic expression, it is possible to determine the magnitude and direction of the force, and furthermore, it is possible to determine the force in any direction, so it is of course useful as a single load meter, etc. In particular, pressure sensors arranged in an array have relatively new uses because they can determine the distribution of force, the center of force (center of gravity), and the resultant force acting on it.

この一例は、第1図に示すような人体の動態実
験に見られる。図には圧覚センサ1の上を歩行す
る人の足2が示されており、図の右方の状態では
足のかかとが荷重計1に接触しているが、袋状の
矢印の先で示す図の左方の状態ではつま先が圧覚
センサ1に接触している。かかる歩行動態の推移
につれて、圧覚センサにかかる荷重の分布状態お
よび荷重の3分力Fx、FyおよびFzは時間の経過
とともに当然変わつてくる。ふつうの体重計によ
りかかる歩行動態での荷重を測定すると、荷重全
体の時間的変動を図ることができたとしても、あ
まり有用な情報が得られるわけではない。しか
し、歩行動態中の荷重の面状分布や分力の推移を
正確に測定することができれば、歩行動態の個人
差や身体上の障害の模様について、非常に有用な
知見が得られることが知られている。また、この
圧覚センサ1をロボツトの足のうらに取付けれ
ば、高級な歩行制御機能をロボツトにもたせるこ
とが可能となる。
An example of this can be seen in the human body dynamics experiment shown in FIG. The figure shows the foot 2 of a person walking on the pressure sensor 1, and in the state on the right side of the figure, the heel of the foot is in contact with the load cell 1, which is indicated by the tip of the bag-shaped arrow. In the state on the left side of the figure, the toe is in contact with the pressure sensor 1. As the walking dynamics progress, the distribution of the load applied to the pressure sensor and the three component forces Fx, Fy, and Fz of the load naturally change over time. Measuring the load during walking dynamics using an ordinary weight scale does not provide very useful information, even if it is possible to measure temporal changes in the overall load. However, if it is possible to accurately measure the planar distribution of load and the transition of component forces during walking dynamics, it is known that very useful knowledge can be obtained regarding individual differences in walking dynamics and patterns of physical disorders. It is being Furthermore, by attaching this pressure sensor 1 to the back of the robot's foot, it becomes possible to provide the robot with a sophisticated walking control function.

かかる荷重分力の分布の検出の必要性は産業分
野においても広く存在し、第2図にロボツトの圧
覚センサを例を挙げる。同図には、多関節アーム
3の先端に取り付けられたロボツトハンド4の1
対のフインガ5,5により物体6が把持された状
態が示されている。物体が多くの工業部品のよう
に十分な硬さと強度を有している場合はあまり問
題がないが、物体6が柔らかな、または傷みやす
いもの、例えば果実類である場合には、強い力で
把持することは許されない。この種の物体を傷つ
けないでロボツトで扱うためには、把持力すなわ
ちフインガ5に掛る荷重の分力とその分布をかな
り精密に測定して、物体を傷つけずしかも落とす
ことがない適度の力で把持しなければならない。
The need to detect the distribution of such load components exists widely in the industrial field, and FIG. 2 shows an example of a pressure sensor for a robot. In the figure, one of the robot hands 4 attached to the tip of the multi-joint arm 3 is shown.
A state in which an object 6 is gripped by a pair of fingers 5, 5 is shown. If the object 6 has sufficient hardness and strength, such as many industrial parts, there will be no problem, but if the object 6 is soft or perishable, such as fruit, it may be difficult to use strong force. Gripping is not allowed. In order to handle this type of object with a robot without damaging it, the gripping force, that is, the component force of the load applied to the fingers 5 and its distribution, must be measured fairly accurately, and the gripping force must be measured with a moderate amount of force that will not damage the object or cause it to fall. must be grasped.

また把持が正しくなされているかどうかを知る
には荷重分力の面状分布を知ることが有用であ
る。例えば図示のような比較的細長な物体6を把
持する際には、把持する物体の部位によつて荷重
分力の分布が異なるから、分布が異常な場合には
把持が不適切に行われていることがわかる。また
比較的小さな把持力で柔らかな物体を把持してい
る場合には、荷重分力の時間的推移から物体の脱
落の危険を予知することができる。
Also, in order to know whether the grip is being performed correctly, it is useful to know the planar distribution of the load component force. For example, when gripping a relatively elongated object 6 as shown in the figure, the distribution of the load component force differs depending on the part of the object to be gripped, so if the distribution is abnormal, the gripping may be performed inappropriately. I know that there is. Furthermore, when a soft object is being gripped with a relatively small gripping force, the risk of the object falling off can be predicted from the time course of the load component force.

かかる圧覚センサの構成の概要を第3図に示
す。図示の圧覚センサ1には共通基板30の上に
感圧モジユール10がx、y両方向に多数個面ア
レイ状に並べられており、各感圧モジユール10
の受圧板40を介してそれぞれFx、Fy、Fzなる
分力を有する荷重を受け、感圧セル20は受圧板
40が受ける垂直方向の力Fzのほか、横方向の
力Fx、Fyをも検知する。これによつて、例えば
第1図に例示するように圧覚センサ1にかかる人
体の体重分布のほかに、後方に蹴るFxや歩行方
向に対して横方向に押し出す力Fyの大きさと分
布とを知ることができる。各感圧モジユール10
は図の一点鎖線で囲んで示されているように感圧
素子である感圧セル20と共通基板30と上部受
圧板40とからなつている。
FIG. 3 shows an outline of the configuration of such a pressure sensor. In the illustrated pressure sensor 1, a large number of pressure sensitive modules 10 are arranged in a plane array in both the x and y directions on a common substrate 30, and each pressure sensitive module 10
The pressure-sensitive cells 20 receive loads having component forces Fx, Fy, and Fz through the pressure-receiving plates 40, respectively, and the pressure-sensitive cells 20 detect not only the vertical force Fz that the pressure-receiving plates 40 receive, but also the lateral forces Fx and Fy. do. Through this, for example, as illustrated in FIG. 1, in addition to the distribution of the weight of the human body applied to the pressure sensor 1, it is possible to know the magnitude and distribution of the force Fy that is kicked backwards and the force Fy that is pushed out in the lateral direction with respect to the walking direction. be able to. Each pressure sensitive module 10
As shown surrounded by a dashed line in the figure, the pressure sensitive cell 20 is a pressure sensitive element, a common substrate 30, and an upper pressure receiving plate 40.

ところで、第4図および第5図に示したよう
に、すでに提案されている従来の感圧セル20は
各々感圧セル20毎に分離独立した感圧リング
(リング状感圧部材)21,21からなつていた。
そのため、圧覚センサ1を形成するには、下部基
板30上の平行な複数の溝31にそれらの複数リ
ング21の一端側を係合させて各溝ごとに所定個
数づつ分布立設させる工程と、その溝31に沿つ
て行方向に分布立設されたリング21を列方向に
整列させる工程と、その溝31に係合された各リ
ング21の一端側を基板に固着する工程等の工程
が少なくとも必要であり、製造・組立工数が増大
するという欠点があつた。
By the way, as shown in FIGS. 4 and 5, the conventional pressure-sensitive cells 20 that have already been proposed include separate and independent pressure-sensitive rings (ring-shaped pressure-sensitive members) 21, 21 for each pressure-sensitive cell 20. It was empty.
Therefore, in order to form the pressure sensor 1, a step of engaging one end side of the plurality of rings 21 with a plurality of parallel grooves 31 on the lower substrate 30 and standing up a predetermined number of rings in each groove; At least the steps of arranging the rings 21 distributed in the row direction along the grooves 31 in the column direction, and fixing one end side of each ring 21 engaged with the groove 31 to the substrate are performed. This has the drawback of increasing manufacturing and assembly man-hours.

しかも、この種の圧覚センサはできるだけ寸法
を極小化して高密度集積化できることが要求され
る。例えば、受圧板40の大きさは数mm角、でき
れば1mm角以下にすることが望ましいとされてい
る。しかしながら、それらの要求寸法で上述のよ
うな各工程を正確に行うことはリング21も極め
て小さくなるので容易でなく、ひいては歩留りの
低下、信頼性の低下、製造コスト高等をまねくお
それがあり、さらには製造組立の完全自動化が困
難となるという問題があつた。
Moreover, this type of pressure sensor is required to be as small as possible and to be highly integrated. For example, it is said that the size of the pressure receiving plate 40 is desirably several mm square, preferably 1 mm square or less. However, it is not easy to perform each of the above-mentioned steps accurately with these required dimensions because the ring 21 also becomes extremely small, which may lead to lower yields, lower reliability, and higher manufacturing costs. The problem was that it was difficult to fully automate manufacturing and assembly.

そこで、短冊形の単結晶シリコンを用いて列方
向の複数の感圧セルを一体に作成し、この作成し
た短冊体を基板上に配列して圧覚センサを形成す
ることにより製造・組立工数を減少し、圧覚セン
サの製造を容易にしようとした第6図〜第7図に
示すような圧覚センサが提案されている。
Therefore, we created multiple pressure-sensitive cells in the column direction using rectangular single-crystal silicon, and then arranged the created rectangular bodies on a substrate to form a pressure sensor, thereby reducing manufacturing and assembly man-hours. However, a pressure sensor as shown in FIGS. 6 and 7 has been proposed in order to facilitate the manufacture of the pressure sensor.

第6図の圧覚センサは、短冊形の短結晶シリコ
ン51の垂直面に小形の円形穴52と大形の円形
穴53とを長手方向に沿つてほぼ等間隔に交互に
複数個開口し、さらに各小形の円形穴52の囲り
に拡散形ストレンゲージ群54を公知の拡散技術
によりそれぞれ形成して、それによりストレンゲ
ージ群54の抵抗値の変化によつてシリコン51
の受圧面40を介して受圧面51aに印加された
力を3分力に分解して検知する感圧セル55を複
数個一体に構成している。上述の小形の円形穴5
2はセル55を構成する歪を与える円形穴であ
り、大形の円形穴53は各セル55をそれぞれ分
離する境界としての作用をする。
The pressure sensor shown in FIG. 6 has a plurality of small circular holes 52 and large circular holes 53 alternately opened at approximately equal intervals along the longitudinal direction in the vertical surface of a rectangular short crystal silicon 51, and further A diffusion type strain gauge group 54 is formed around each small circular hole 52 by a known diffusion technique, so that the resistance value of the strain gauge group 54 changes to cause the silicon 51
A plurality of pressure-sensitive cells 55 are integrally configured to detect the force applied to the pressure-receiving surface 51a via the pressure-receiving surface 40 by dividing it into three force components. Small circular hole 5 mentioned above
Reference numeral 2 denotes a circular hole that applies distortion constituting the cell 55, and the large circular hole 53 acts as a boundary separating each cell 55 from each other.

第7図の圧覚センサはセル55の形状を基本の
リング状により近づけるために、ストレンゲージ
群54の外周部に複数の小形の円形穴56を追加
して開口したものである。
The pressure sensor shown in FIG. 7 has a plurality of small circular holes 56 added to the outer periphery of the strain gauge group 54 in order to make the shape of the cell 55 more similar to the basic ring shape.

第8図の圧覚センサは、上述の大形の円形穴5
3の代りに上方が開口した大形の切込み溝58を
設けて各セル55の境界とし、各セルの隣同士の
干渉を少なくしたものである。
The pressure sensor in FIG. 8 has the large circular hole 5 described above.
3, a large cut groove 58 which is open at the top is provided as a boundary between each cell 55, thereby reducing interference between adjacent cells.

このように構成した短冊体のシリコン51の下
端部51bを第4図または第5図に示すような下
部基板30の各溝31にそれぞれ嵌合して所定位
置で垂直に固着した後、各短冊体シリコン51の
上部の受圧面51aに受圧板40を感圧モジユー
ル毎に固着して1個の圧覚センサを形成する。
After fitting the lower ends 51b of the silicon strips 51 constructed in this manner into the respective grooves 31 of the lower substrate 30 as shown in FIG. 4 or 5 and vertically fixing them at predetermined positions, each strip A pressure receiving plate 40 is fixed to the pressure receiving surface 51a on the upper part of the body silicon 51 for each pressure sensitive module to form one pressure sensor.

第6図〜第8図の圧覚センサは列方向のセル5
5が各列毎に一本のシリコン51上に連続して構
成されているので、各セル毎に基板31の溝31
の所定位置に係合整列固着するという従来の製造
工程が必要でなくなり、短冊体シリコン51毎の
製造工程となるので、製造工程が大幅に減り、ひ
いては、製造コストの軽減が得られる。さらに、
取扱う感圧体の寸法が長手方向で大きくなるの
で、下部基板の溝への組込みや固着等の作業も容
易となり、ひいては歩留りの向上、信頼性の向上
が得られ、製造組立の完全自動化が容易となる。
The pressure sensors in FIGS. 6 to 8 are cell 5 in the column direction.
5 are continuously formed on one silicon 51 for each column, so that the grooves 31 of the substrate 31 are formed for each cell.
The conventional manufacturing process of engaging, aligning and fixing the silicon strips at predetermined positions is no longer necessary, and a manufacturing process is performed for each silicon strip 51, which greatly reduces the number of manufacturing steps and, in turn, reduces manufacturing costs. moreover,
Since the size of the pressure-sensitive body to be handled increases in the longitudinal direction, work such as assembly and fixing into the groove of the lower substrate becomes easier, which in turn improves yield and reliability, and facilitates complete automation of manufacturing and assembly. becomes.

しかしながら、第6図のように円形の穴53の
みで複数個のセル55を分離すれば、隣接したセ
ルに発生する応力が干渉となつて隣のセルに歪を
生じこのセルの出力に影響を及ぼす。さらに第7
図のように複数の小形の円形穴56によつて隣接
したセルを分離する工夫をしても干渉を完全にな
くすことができない。
However, if a plurality of cells 55 are separated by only a circular hole 53 as shown in FIG. 6, the stress generated in the adjacent cells will interfere and cause distortion in the adjacent cells, which will affect the output of this cell. affect Furthermore, the seventh
Even if a plurality of small circular holes 56 are used to separate adjacent cells as shown in the figure, interference cannot be completely eliminated.

また第8図のように隣接したセルを大形の切込
み溝57によつて分離すれば干渉をなくすことが
できるが、切込み溝57の位置精度や寸法精度を
上述の円形穴53のそれと同程度まであげること
は現状の加工技術では極めて困難である。このた
めセルの外周からストレンゲージ54までの距離
l,l′の精度が悪くなり、各セルからの出力にば
らつきが生じる。
Furthermore, interference can be eliminated by separating adjacent cells by large cut grooves 57 as shown in FIG. It is extremely difficult to achieve this with current processing technology. For this reason, the accuracy of the distances l and l' from the outer periphery of the cell to the strain gauge 54 deteriorates, causing variations in the output from each cell.

[発明の目的] 本発明は、圧覚センサの製造を簡単にし、かつ
隣接したセルからの干渉をなくした圧覚センサを
提供することを目的とする。
[Object of the Invention] An object of the present invention is to provide a pressure sensor that is easy to manufacture and eliminates interference from adjacent cells.

[発明の要点] 本発明は、位置精度および寸法精度を円形の穴
によつて確保し、隣接したセルからの干渉を小形
の切込み溝によつて遮断するようにした圧覚セン
サの製造方法である。 すなわち、上記目的を達
成するため、本発明は、受圧面と垂直な面の長手
方法に沿つて、前記受圧面に印加された力を3方
向分力に分解して検出する複数個の拡散形ストレ
ンゲージ群が形成され、かつ該ストレンゲージ群
に対応した複数個のセル構成用円形穴と該複数個
セル構成用円形穴間に設けられた少なくとも1個
のセル分離用円形穴とが形成された短冊形の単結
晶シリコン基板を作製する工程と、該短冊形の単
結晶シリコン基板を下部基板上に支持する工程
と、前記短冊形の単結晶シリコン基板を前記セル
分離用円形穴の部分で分離し、アレイ状に配列し
た複数個の独立セルにする工程と、を含むことを
特徴とする。
[Summary of the Invention] The present invention is a method for manufacturing a pressure sensor in which positional accuracy and dimensional accuracy are ensured by circular holes, and interference from adjacent cells is blocked by small cut grooves. . That is, in order to achieve the above object, the present invention provides a plurality of diffused type components that decompose and detect the force applied to the pressure-receiving surface into force components in three directions along the longitudinal direction of a plane perpendicular to the pressure-receiving surface. A group of strain gauges is formed, and a plurality of circular holes for configuring cells corresponding to the group of strain gauges and at least one circular hole for separating cells provided between the circular holes for configuring a plurality of cells are formed. a step of manufacturing a rectangular single crystal silicon substrate, a step of supporting the rectangular single crystal silicon substrate on a lower substrate, and a step of supporting the rectangular single crystal silicon substrate in the circular hole for cell separation. The method is characterized by including a step of separating the cells into a plurality of independent cells arranged in an array.

[発明の実施例] 以下、図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。
[Embodiments of the Invention] The present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

第9図A〜Dは本発明の一実施例を示す。第9
図Aに示したように、短冊形の単結晶シリコン6
1にセル構成用の円形穴62と、セル分離用の円
形穴63および半円形状の穴66を交互に開け、
セル構成用の円形穴62の周りにストレンゲージ
64を形成してセルを構成する。これらの円形穴
62,63,66はレーザおよびダイヤモンドド
リル加工で高精度に作成できる。なお、短冊形の
単結晶シリコン61にストレンゲージ64を形成
して穴62,63および66を開けるようにして
もよい。
9A to 9D show an embodiment of the present invention. 9th
As shown in Figure A, a rectangular single crystal silicon 6
A circular hole 62 for cell configuration, a circular hole 63 for cell separation, and a semicircular hole 66 are alternately bored in 1,
A strain gauge 64 is formed around a circular hole 62 for forming a cell to form a cell. These circular holes 62, 63, and 66 can be made with high precision by laser and diamond drilling. Note that the strain gauges 64 may be formed in the rectangular single crystal silicon 61 and the holes 62, 63, and 66 may be opened therein.

さらに、第9図Bに示したように、セルが形成
された上述の短冊形の単結晶シリコン61を受圧
面を上方にして下部基板30の溝に並べて固着
し、そのシリコン61の上に上部受圧板40を乗
せて固着した後、第9図CおよびDに示したよう
に、セル分離用穴63および66を通る切込み溝
67によつて、受圧板40といつしよに隣接する
セル61Sを互いに分離する。ここで、切込み溝
67は薄型の砥石カツタにより作成してもよい
し、レーザ加工により作成することもできる。
Furthermore, as shown in FIG. 9B, the above-mentioned rectangular single crystal silicon 61 in which cells are formed are lined up and fixed in the groove of the lower substrate 30 with the pressure-receiving surface facing upward. After the pressure receiving plate 40 is mounted and fixed, as shown in FIGS. 9C and D, the cells 61S adjacent to the pressure receiving plate 40 are separated by cut grooves 67 passing through the cell separation holes 63 and 66. separate from each other. Here, the cut groove 67 may be created using a thin grindstone cutter, or may be created by laser machining.

このように、ストレンゲージ64に影響を与え
る加工は高精度加工ができる円形穴63,66の
加工だけですむので、高度な位置精度をおよび寸
法精度が確保できる。よつて、セルの外周からス
トレンゲージまでの距離の精度が悪くなつて、各
セルからの出力のばらつきが生ずるという問題が
解消される。また、隣接したセル61Sからの干
渉は小形の切込み溝67によつて遮断される。
In this way, the only machining that affects the strain gauge 64 is the machining of the circular holes 63 and 66, which can be machined with high precision, so that a high degree of positional accuracy and dimensional accuracy can be ensured. This solves the problem that the accuracy of the distance from the outer periphery of the cell to the strain gauge deteriorates, causing variations in the output from each cell. Furthermore, interference from the adjacent cells 61S is blocked by the small cut grooves 67.

第10図A〜Dは本発明の他の実施例を示す。
第10図Aに示したように、短冊形の単結晶シリ
コン61にセル構成用の円形穴62とセル分離用
の大径の円形穴68とを交互に開けた後に、その
大形穴68の位置に合せて矩形のセル分離用切欠
き溝69を形成している。他は前述の第9図A〜
Dに示した実施例と同様なのでその詳細な説明は
省略する。本例では短冊形単結晶シリコン61の
端面に垂直な力の検出には若干の誤差が生じる
が、加工工数は第9図A〜Dの実施例より少な
い。
10A-10D show other embodiments of the invention.
As shown in FIG. 10A, after circular holes 62 for cell configuration and large-diameter circular holes 68 for cell separation are alternately drilled in a rectangular single-crystal silicon 61, the large-diameter holes 68 are A rectangular cell separation notch groove 69 is formed in accordance with the position. Others are the above-mentioned Figure 9 A~
Since this embodiment is similar to the embodiment shown in FIG. D, detailed explanation thereof will be omitted. In this example, a slight error occurs in detecting the force perpendicular to the end face of the rectangular single crystal silicon 61, but the number of processing steps is smaller than in the embodiment shown in FIGS. 9A to 9D.

第11図は第10図のストレンゲージ群64の
各ストレンゲージの詳細な配置例を示す。まず、
受圧面61aに受圧板40を介して三方向の荷重
Fx,Fy,Fzがそれぞれ独立にかかつたとき、セ
ル61Sに生じる応力はシリコン61Sが基板3
0と受圧板40とに固着されているとして近似的
な次式で表わされる。
FIG. 11 shows a detailed arrangement example of each strain gauge in the strain gauge group 64 of FIG. 10. first,
Loads from three directions are applied to the pressure receiving surface 61a via the pressure receiving plate 40.
When Fx, Fy, and Fz are applied independently, the stress generated in the cell 61S is
0 and the pressure receiving plate 40, it is expressed by the following approximate equation.

σ=3/8 R/bt3Fxr/R+rcosα……(1) σ=1/4Rb/IFycosα ……(2) σ=3/8 R2/bt3Fz(2/π−sinα)r/
R+r ……(3) ただし、σ:周向応力、 R:セル61Sの平均円、すなわちセル61Sを
梁と見たときの材料力学的な中立軸の半径、す
なわち隣接する2つの円形穴62と68の外縁
の中間と小円の円形穴62の中心とを結ぶ半
径、 2t:セル61Sの幅、すなわち隣接する2つの円
形穴62と68の外縁の最小幅、 b:セル61Sの厚さ、すなわちシリコン61S
の厚さ、 I:セル61SのFy方向の断面2次モーメント、 r:セル61Sの平均円Rを基準としたセル61
Sの径方向の変数、 α:セル61S上端からとつた角度変数 である。
σ=3/8 R/bt 3 Fxr/R+rcosα……(1) σ=1/4Rb/IFycosα……(2) σ=3/8 R 2 /bt 3 Fz(2/π−sinα)r/
R+r...(3) However, σ: Circumferential stress, R: Average circle of the cell 61S, that is, the radius of the material mechanical neutral axis when the cell 61S is viewed as a beam, that is, the radius of the two adjacent circular holes 62. 2t: the width of the cell 61S, that is, the minimum width of the outer edges of the two adjacent circular holes 62 and 68; b: the thickness of the cell 61S; That is, silicon 61S
Thickness, I: Moment of inertia of cell 61S in the Fy direction, r: Cell 61 based on the average circle R of cell 61S
A variable in the radial direction of S, α: An angular variable taken from the upper end of the cell 61S.

かかる応力に基づく歪を検出するため、第11
図に示す円形穴62の周囲の位置にストレンゲー
ジを取り付ける。まず荷重Fxがかかつた時のこ
とを考えると、Fx測定用ゲージ64xt,64xc
は小形穴62の内径部のr=−tの個所にあり、
またα=39.6°の位置に設けられるから、(1)でR
≫tとして、 σ=0.29R/bt2Fx ……(4) となり、ゲージ64xtの個所では引張りひずみ、
ゲージ64xcの個所では圧縮ひずみが生じるが、
荷重Fx測定用ゲージ64zt,64zcの個所では
α=90°であるから、(1)式からわかるようにひず
みは“0”で従つてこれらのゲージから検出信号
は生じない。
In order to detect strain based on such stress, the 11th
A strain gauge is attached to a position around the circular hole 62 shown in the figure. First, considering the case when load Fx is applied, Fx measurement gauges 64xt, 64xc
is located at the location r=-t of the inner diameter part of the small hole 62,
Also, since it is provided at the position α = 39.6°, R
≫ As t, σ=0.29R/bt 2 Fx ...(4), and at the point where the gauge is 64xt, the tensile strain is
Compressive strain occurs at gauge 64xc, but
Since α=90° at the load Fx measurement gauges 64zt and 64zc, as can be seen from equation (1), the strain is "0" and therefore no detection signal is generated from these gauges.

次に、荷重Fzが単独にかかつたときには、Fz
測定用ゲージ64zt,64zcはα=90°の内外周
部(r=−tまたはr=t)の位置にあるから、
なお(3)式により同様にR≫tとして、 σ=0.14R/bt2Fz ……(5) となり、ゲージ64ztは引張りひずみを、ゲージ
64zcは圧縮ひずみを検出する。このときFx検
出用のゲージ64xt,64xcの位置では、α=
39.6°で(3)式中の(2/π−sinα)の項“0”とな
るから、ひずみは“0”でこれらのゲージから検
出信号は生じない。
Next, when load Fz is applied independently, Fz
Since the measurement gauges 64zt and 64zc are located at the inner and outer circumferences of α=90° (r=-t or r=t),
Note that according to equation (3), similarly, assuming R≫t, σ=0.14R/bt 2 Fz (5), and the gauge 64zt detects the tensile strain and the gauge 64zc detects the compressive strain. At this time, at the positions of the Fx detection gauges 64xt and 64xc, α=
At 39.6°, the term (2/π−sinα) in equation (3) becomes “0”, so the strain is “0” and no detection signal is generated from these gauges.

以上のことから分離Fx測定用ゲージ64xt,
64xcと分力Fz測定用ゲージ64zt,64zcと
は、(4)および(5)式からわかるように約2倍の出力
信号の開きはあるが、相互に干渉がなく分力を完
全に分離して測定できることがわかる。
From the above, the separation FX measurement gauge 64xt,
64xc and component force Fz measurement gauges 64zt and 64zc, as seen from equations (4) and (5), there is a difference in output signal of about twice, but there is no mutual interference and the component forces are completely separated. It can be seen that it can be measured using

一方、分力Fy測定用エージについて考えると、
荷重Fyが第7図の紙面より手前の方向にかかる
としてひずみ検出用ゲージ64yt,64ycを図示
のように設けることになる。これらのゲージの位
置では、(2)式で同様にα=39.6°,R≫tとおい
て、 σ=0.19Rb/IFy ……(6) で表される応力に基づくひずみをゲージ64ytで
は引張りひずみ、ゲージ64ycで圧縮ひずみの
形で検出することにより、分力Fz測定用ゲージ
64zt,64zcの位置ではα=90°であるからσ
=0となり、従つて干渉信号は出ないが、分力
Fx測定用ゲージ64xt,64xcの位置では分力
Fy測定用ゲージの場合と同じように σ=0.19Rb/IFy ……(7) なる応力に基づくひずみ検出力出が出ることにな
る。この分布Fx測定用ゲージからの検出信号は
そのまま出力すれば、当然誤信号となるわけであ
るが、第12図A〜Cに示したようにブリツジ回
路が正規の状態では誤信号をキヤンセルするよう
に組まれているので、誤検出信号が分力Fx測定
用のブリツジ回路から出力されることはない。
On the other hand, considering the age for measuring component force Fy,
Assuming that the load Fy is applied in a direction toward the front of the paper in FIG. 7, strain detection gauges 64yt and 64yc are provided as shown. At the positions of these gauges, similarly in equation (2), α = 39.6°, R≫t, σ = 0.19Rb/IFy ...(6) The strain based on stress is expressed as tensile strain at gauge 64yt. , by detecting compressive strain with gauge 64yc, α=90° at the positions of component force Fz measurement gauges 64zt and 64zc, so σ
= 0, so there is no interference signal, but the component force
At the position of Fx measurement gauge 64xt, 64xc, component force is applied.
As in the case of the Fy measurement gauge, the strain detection output will be based on the stress σ=0.19Rb/IFy...(7). If the detection signal from this distribution Fx measurement gauge is output as is, it will naturally become an erroneous signal, but as shown in Figures 12A to C, when the bridge circuit is in a normal state, it is designed to cancel the erroneous signal. Therefore, an erroneous detection signal will not be output from the bridge circuit for measuring component force Fx.

[発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば、上記の
方法を採用した結果、各セルからの出力のばらつ
きが少なく、製造組立が容易な圧覚センサが得ら
れる。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, as a result of employing the above method, a pressure sensor that has little variation in output from each cell and is easy to manufacture and assemble can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の対象とする圧覚センサを人体
の歩行動態の測定に利用した例を示す説明図、第
2図はその圧覚センサをロボツトハンドの制御用
センサとして用いた例を示す説明図、第3図はそ
の圧覚センサの基本構成を示す斜視図、第4図お
よび第5図は従来の圧覚センサの製造工程と構成
を示す斜視図、第6図〜第8図は従来の短冊形の
圧覚センサの要部構成例を示す正面図、第9図A
〜Cは本発明の一実施例の要部構成令と製造工程
を示す平面図、第9図Dは第9図Cの斜視図、第
10図A〜Cは本発明の他の実施例の要部構成例
と製造工程を示す平面図、第10図Dは第10図
Cの斜視図、第11図はそのストレンゲージの配
置を示す説明図、第12図A〜Cはそのストレン
ゲージの接続態様の一例を示す回路図である。 30……下部共通基板、31……溝、40……
上部受圧板、51,61……短冊形単結晶シリコ
ン、51a,61a……受圧面、52,62……
セル構成用円形穴、54,64……ストレンゲー
ジ群、53,56,63,66,68……境界用
円形穴、55,61S……感圧セル、57,67
……切込み溝、69……境界用切込み溝。
Fig. 1 is an explanatory diagram showing an example in which the pressure sensor to which the present invention is applied is used to measure the walking dynamics of a human body, and Fig. 2 is an explanatory diagram showing an example in which the pressure sensor is used as a sensor for controlling a robot hand. , Fig. 3 is a perspective view showing the basic structure of the pressure sensor, Figs. 4 and 5 are perspective views showing the manufacturing process and structure of the conventional pressure sensor, and Figs. 6 to 8 are the conventional rectangular pressure sensor. FIG. 9A is a front view showing an example of the main part configuration of a pressure sensor.
~C are plan views showing the main components and manufacturing process of one embodiment of the present invention, Figure 9D is a perspective view of Figure 9C, and Figures 10A~C are diagrams of other embodiments of the present invention. FIG. 10D is a perspective view of FIG. 10C, FIG. 11 is an explanatory diagram showing the arrangement of the strain gauge, and FIGS. 12A to C are diagrams of the strain gauge. FIG. 2 is a circuit diagram showing an example of a connection mode. 30... Lower common board, 31... Groove, 40...
Upper pressure receiving plate, 51, 61... Rectangular single crystal silicon, 51a, 61a... Pressure receiving surface, 52, 62...
Circular hole for cell configuration, 54, 64...Strain gauge group, 53, 56, 63, 66, 68... Circular hole for boundary, 55, 61S...Pressure sensitive cell, 57, 67
... cut groove, 69 ... cut groove for boundary.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 受圧面と垂直な面の長手方向に沿つて、前記
受圧面に印加された力を3方向分力に分解して検
出する複数個の拡散形ストレンゲージ群が形成さ
れ、かつ該ストレンゲージ群に対応した複数個の
セル構成用円形穴と該複数個のセル構成用円形穴
間に設けられた少なくとも1個のセル分離用円形
穴とが形成された短冊形の単結晶シリコン基板を
作製する工程と、 該短冊形の単結晶シリコン基板を下部基板上に
支持する工程と、 前記短冊形の単結晶シリコン基板を前記セル分
離用円形穴の部分で分離し、アレイ状に配列した
複数個の独立セルにする工程と、 を含むことを特徴とする圧覚センサの製造方法。
[Claims] 1. A plurality of diffusion strain gauge groups are formed along the longitudinal direction of a plane perpendicular to the pressure-receiving surface, and detect the force applied to the pressure-receiving surface by decomposing it into force components in three directions. , and a rectangular unit in which a plurality of cell-forming circular holes corresponding to the strain gauge group and at least one cell-separating circular hole provided between the plurality of cell-forming circular holes are formed. a step of producing a crystalline silicon substrate; a step of supporting the rectangular single crystal silicon substrate on a lower substrate; and a step of separating the rectangular single crystal silicon substrate at the circular hole for cell separation to form an array. A method for manufacturing a pressure sensor, comprising: forming a plurality of independent cells arranged in a row.
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