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JPH0663889B2 - Distributed pressure sensor - Google Patents
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JPH0663889B2 - Distributed pressure sensor - Google Patents

Distributed pressure sensor

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Publication number
JPH0663889B2
JPH0663889B2 JP63312083A JP31208388A JPH0663889B2 JP H0663889 B2 JPH0663889 B2 JP H0663889B2 JP 63312083 A JP63312083 A JP 63312083A JP 31208388 A JP31208388 A JP 31208388A JP H0663889 B2 JPH0663889 B2 JP H0663889B2
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JP
Japan
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pressure sensor
distributed pressure
sensor element
sensor
semiconductor substrate
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智紀 片野
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工業技術院長
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、分布型圧覚センサに関し、詳しくは、ロボッ
トハンド等の表面に取付けられ、ロボットハンド等が物
体を把持するときに加えられる力の分布を検出すること
のできる分布型圧覚センサに関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a distributed pressure sensor, and more specifically, to a force applied to a surface of a robot hand or the like when the robot hand or the like grips an object. The present invention relates to a distributed pressure sensor capable of detecting a distribution.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

ロボットハンド等に取付けて、ハンドに対して垂直方向
に加わる力の分布を検出する従来の分布型圧覚センサと
して、検出素子に導電性のゴムまたはプラスチックを用
いたものや、ホール素子を磁石の対向位置に設け、ホー
ル素子を保持するセンサヘッドに垂直方向の力を加えた
ときのホール素子の変位により、その磁束密度が変化す
るのを検出するようにしたもの等が知られている。
A conventional distributed pressure sensor that attaches to a robot hand, etc., and detects the distribution of force applied in the vertical direction to the hand, using a conductive rubber or plastic as the detection element, or a Hall element facing a magnet. There is known a device which is provided at a position and detects a change in the magnetic flux density due to the displacement of the hall element when a vertical force is applied to the sensor head holding the hall element.

しかし、検出素子に導電性ゴム等を用いたものはセンサ
出力が非線形になることや力の分布を高密度に検出しよ
うとすると配線密度が多くなってしまう欠点があり、ま
た、ホール素子を用いたものは構造が複雑なために小型
化が困難なことや把持物が磁性体であるか非磁性体であ
るかによって出力感度が異なってしまうという欠点があ
る。
However, a sensor using conductive rubber or the like has the drawback that the sensor output becomes non-linear and the wiring density increases when trying to detect the force distribution with high density. The conventional ones have drawbacks that it is difficult to miniaturize them due to their complicated structure and that the output sensitivity varies depending on whether the grasped object is a magnetic substance or a non-magnetic substance.

ところで、近年ではロボットハンド等に取付けて、その
触覚的検知により把持力の大きさと共に面圧分布の情報
が垂直方向のみならず水平方向においても得られるよう
にした分布型圧覚センサの開発が進められており、本出
願人は先に第4A図〜第4C図に示すような半導体基板を加
工してなる分布型圧覚センサを提案した。
By the way, in recent years, the development of a distributed pressure sensor that is attached to a robot hand or the like and can obtain the information of the surface pressure distribution along with the magnitude of the gripping force by tactile detection not only in the vertical direction but also in the horizontal direction has progressed. Therefore, the present applicant previously proposed a distributed pressure sensor formed by processing a semiconductor substrate as shown in FIGS. 4A to 4C.

第4A図はそのセンサを半導体基板であるシリコンウェハ
の裏面側から見た図であり、本例の場合はセンサを2×
2のアレイとして構成した場合を示す。ここで、30は分
布型圧覚センサであり、分布型圧覚センサ30はシリコン
ウェハから切出して形成され、その左半分が検出部30
A、右半分が信号処理部30Bである。このように分布型圧
覚センサ30の裏面における検出部30Aの側に斜線を施し
て示した部分にY方向の深溝部31およびX方向の深溝部
32を同一深さでダイサ等により穿削加工し、更に、これ
らの深溝部31および32に沿って交叉線を施して示した位
置に8個の長方形貫通孔33を放電加工またはレーザ加工
により形成する。また、第4A図で点々を付して示した部
分は、浅溝部34であり、浅溝部34はXおよびY方向に深
溝部32および31を形成した後、図示の部分を深溝加工に
用いたダイサの砥石よりもやや厚い砥石で、X方向およ
びY方向に走査することにより加工できる。
FIG. 4A is a view of the sensor viewed from the back side of a silicon wafer which is a semiconductor substrate. In the case of this example, the sensor is 2 ×
The case where it is configured as an array of 2 is shown. Here, 30 is a distributed pressure sensor, and the distributed pressure sensor 30 is formed by cutting out from a silicon wafer, and the left half thereof is the detection unit 30.
A, the right half is the signal processing unit 30B. Thus, the deep groove portion 31 in the Y direction and the deep groove portion in the X direction are shown in the shaded portion of the back surface of the distributed pressure sensor 30 on the detection portion 30A side.
32 is drilled at the same depth with a dicer or the like, and further eight rectangular through holes 33 are formed by electric discharge machining or laser machining at the positions shown by intersecting lines along these deep groove portions 31 and 32. To do. Further, the portions shown by dots in FIG. 4A are the shallow groove portions 34, and after forming the deep groove portions 32 and 31 in the X and Y directions, the shallow groove portion 34 was used for the deep groove processing. A grindstone slightly thicker than the grinder of the dicer, and can be processed by scanning in the X and Y directions.

このような加工を分布型圧覚センサ30の裏面側に施すこ
とによって検出部30Aに4個の突起部35を備えた後述す
る梁を形成することができる。
By performing such processing on the back surface side of the distributed pressure sensor 30 , it is possible to form a beam, which will be described later, having four protrusions 35 in the detection unit 30A.

第4B図は第4A図のP−P矢視断面を示したものであり、
第4B図から分かるように深溝部31、浅溝部34、および突
起部35によって長方形貫通孔33により隔絶されたX方向
の梁40が形成される。また、第4C図は第4A図のQ−Q矢
視断面を示したものであり、第4C図において、深溝部3
2、浅溝部34、および突起部35によって長方形貫通孔33
により隔絶されたY方向の梁41が形成される。
FIG. 4B is a sectional view taken along the line PP of FIG. 4A,
As can be seen from FIG. 4B, the beam 40 in the X direction is formed by the deep groove portion 31, the shallow groove portion 34, and the protrusion portion 35 and is isolated by the rectangular through hole 33. FIG. 4C is a sectional view taken along the line Q-Q of FIG. 4A, showing the deep groove portion 3 in FIG. 4C.
2, the shallow groove portion 34, and the protrusion 35, the rectangular through hole 33
A beam 41 in the Y direction isolated by is formed.

第5図は分布型圧覚センサ30をシリコンウェハの表面側
から見た図である。第5図において、8個の長方形貫通
孔33により二つのX方向の梁40,40と二つのY方向の梁4
1,41が形成されていることが分る。しかして、これらの
X方向の梁40およびY方向の梁41にこの図に示すように
合計16個のストレンゲージ42を配設する。
FIG. 5 is a view of the distributed pressure sensor 30 viewed from the front surface side of the silicon wafer. In FIG. 5, the eight rectangular through holes 33 are used to form two X-direction beams 40 , 40 and two Y-direction beams 4.
It can be seen that 1 and 41 are formed. Then, a total of 16 strain gauges 42 are arranged on the beam 40 in the X direction and the beam 41 in the Y direction as shown in this figure.

そこで次に、このようにして構成されたX方向の梁40
よびY方向の梁41において、その突起部35に力が加えら
れたときの荷重を検出する原理を第6〜第9図に従って
説明する。
Therefore, next, in the beam 40 in the X direction and the beam 41 in the Y direction configured as described above, the principle of detecting the load when a force is applied to the protrusion 35 will be described with reference to FIGS. 6 to 9. To do.

いま、第6図に示すように、両端がA,Dで固定され、
その中心部に突起部10を有する梁11のその突起部10に、
垂直方向の力FVを加えたとすると、梁11の下面に第7図
に示すような分布の歪が発生する。
Now, as shown in FIG. 6, both ends are fixed by A and D,
To the protrusion 10 of the beam 11 having the protrusion 10 at its center,
If a vertical force F V is applied, a strain having a distribution as shown in FIG. 7 is generated on the lower surface of the beam 11.

また第8図に示すように、同じ梁11に水平方向の力FH
加えると、梁11の下面に第9図に示すような分布の歪が
発生する。なお、これらの第7図および第9図におい
て、+記号は引張歪、−記号は圧縮歪を表わしている。
Further, as shown in FIG. 8, when a horizontal force F H is applied to the same beam 11, a strain having a distribution as shown in FIG. 9 is generated on the lower surface of the beam 11. In addition, in FIGS. 7 and 9, the + symbol represents tensile strain, and the − symbol represents compressive strain.

そこで、第6図の点A〜Dでの歪を第7図および第9図
でみてみると、いずれの点においても大きな歪が発生
し、垂直方向の力に対しては第7図に示すようにA点お
よびD点で、−α[μstrain]、またBおよびC点でβ
[μstrain]となる。すなわち梁の対称性を考慮すれば
A,D点およびB,C点での歪は等しい。
Therefore, looking at the strains at points A to D in FIG. 6 with reference to FIGS. 7 and 9, large strains are generated at all points, and the vertical force is shown in FIG. Thus, at points A and D, -α [μstrain], and at points B and C, β
It becomes [μstrain]. That is, considering the symmetry of the beam, the strains at points A, D and B, C are equal.

また水平方向の力が加わった時に発生する歪は、第9図
に示すようにB点およびD点で−γ[μstrain]、A点
およびC点でδ[μstrain]となり、垂直方向の力と水
平方向の力とが同時に加わった時のA〜D点の歪は以下
のようになる。
Further, the strain generated when a horizontal force is applied becomes −γ [μstrain] at points B and D and δ [μstrain] at points A and C, as shown in FIG. The distortions at points A to D when a horizontal force is applied at the same time are as follows.

A点 −α+δ B点 β−γ C点 β+δ D点 −α−γ よって、ストレンゲージを形成したA〜D点の各点での
歪を測定し、次の式(1)および(2)に従って計算すれば垂
直方向の分力と水平方向の分力とを同時に検出すること
ができる。
A point −α + δ B point β−γ C point β + δ D point −α−γ Therefore, the strain at each of A to D points forming the strain gauge is measured, and according to the following equations (1) and (2): If the calculation is performed, the vertical component force and the horizontal component force can be detected at the same time.

(A点の歪−B点の歪)+(D点の歪−C点の歪) ={(−α+δ)−(β−γ)}+{(−α−γ)−(β+δ)}=−2(α+
β) …(1) (A点の歪−B点の歪)−(D点の歪−C点の歪) ={(−α+δ)−(β−γ)}−{(−α−γ)−(β+δ)}=2(γ+
δ) …(2) すなわち式(1)により垂直方向の分力を同定し、式(2)に
より水平方向の分力を同定することができる。
(Strain at point A-Strain at point B) + (Strain at point D-Strain at point C) = {(-α + δ)-(β-γ)} + {(-α-γ)-(β + δ)} = -2 (α +
β) (1) (distortion at point A-distortion at point B)-(distortion at point D-distortion at point C) = {(-α + δ)-(β-γ)}-{(-α-γ) − (Β + δ)} = 2 (γ +
δ) (2) That is, the component force in the vertical direction can be identified by the formula (1), and the component force in the horizontal direction can be identified by the formula (2).

なおこれらの式中の項(A点の歪−B点の歪)はA点に
形成したストレンゲージとB点に形成したストレンゲー
ジとでハーフブリッジを形成して検出することができ、
一方の項(D点の歪−C点の歪)は、D点に形成したス
トレンゲージとC点に形成したストレンゲージとでハー
フブリッジを形成して検出することができる。すなわ
ち、第10図に示すようにA点のストレンゲージ21とB点
のストレンゲージ22とにより第1のハーフブリッジを、
またD点のストレンゲージ23とC点のストレンゲージ24
とにより第2のハーフブリッジを形成し、それぞれのハ
ーフブリッジからの出力の和を加算増幅器25により計算
すれば垂直方向分力信号26が得られ、また、それぞれの
ハーフブリッジからの出力の差を差動増幅器27により計
算すれば、水平方向分力信号28が得られる。
The terms in these equations (strain at point A-strain at point B) can be detected by forming a half bridge between the strain gauge formed at point A and the strain gauge formed at point B,
One term (strain at point D-strain at point C) can be detected by forming a half bridge between the strain gauge formed at point D and the strain gauge formed at point C. That is, as shown in FIG. 10, the strain gauge 21 at the point A and the strain gauge 22 at the point B form the first half bridge,
Also, a strain gauge 23 at D point and a strain gauge 24 at C point
The second half bridge is formed by and the sum of the outputs from the respective half bridges is calculated by the summing amplifier 25 to obtain the vertical component force signal 26, and the difference between the outputs from the respective half bridges is obtained. When calculated by the differential amplifier 27, the horizontal component signal 28 is obtained.

そこで再び第5図に戻り、分布型圧覚センサ30の表面に
形成したストレンゲージ42間に第10図に示したハーフブ
リッジを構成し、信号処理部30Bに第10図のような信号
処理回路を配設することによって、X方向の梁40に設け
たストレンゲージ42群により分布型圧覚センサ30の表面
側に発生する垂直方向の分力と、水平方向でかつX方向
の分力とを検出することができる。またY方向の梁41
設けたストレンゲージ42群により、分布型圧覚センサ30
の表面側に発生する垂直方向の分力と、水平方向でかつ
Y方向の分力とを検出することができる。
Then, returning to FIG. 5 again, the half bridge shown in FIG. 10 is configured between the strain gauges 42 formed on the surface of the distributed pressure sensor 30 , and the signal processing circuit as shown in FIG. 10 is provided in the signal processing unit 30B. By arranging them, the force component in the vertical direction and the force component in the horizontal direction and in the X direction generated on the surface side of the distributed pressure sensor 30 are detected by the strain gauges 42 provided on the beam 40 in the X direction. be able to. Further, the strain gauge 42 group provided on the beam 41 in the Y direction allows the distributed pressure sensor 30.
It is possible to detect the component force in the vertical direction generated on the surface side of and the component force in the horizontal direction and in the Y direction.

なお、本例ではX方向の梁40とY方向の梁41とを第5図
に示すように市松模様に配列しているため、垂直方向の
分力を四つの梁から、また、X方向の分力を対角位置に
ある二つの梁から、さらにまたY方向の分力を別の対角
位置にある二つの梁からそれぞれ検出できる。かくして
加えられた力の、分布型圧覚センサ30に対する垂直方向
の分力と、水平方向でかつX方向の分力および水平方向
でかつY方向の分力を高密度の分布で検出することがで
きる。
In this example, since the beams 40 in the X direction and the beams 41 in the Y direction are arranged in a checkerboard pattern as shown in FIG. 5, the component force in the vertical direction is applied from the four beams and also in the X direction. The component force can be detected from the two beams in diagonal positions, and the component force in the Y direction can be detected from the two beams in different diagonal positions. The component force in the vertical direction of the force thus applied to the distributed pressure sensor 30 , the component force in the horizontal direction and the X direction, and the component force in the horizontal direction and the Y direction can be detected with high density distribution. .

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be Solved by the Invention]

ところで上述した形態の3方向分力検出型の分布型圧覚
センサの場合、各センサ素子間で比較的大きな干渉が生
ずる、という解決すべき課題が残されていた。
By the way, in the case of the three-way component force detection type distributed pressure sensor of the above-mentioned form, there remains a problem to be solved that relatively large interference occurs between the respective sensor elements.

第11図は第5図に示したようにしてセンサ素子を構成し
ているX方向の梁40およびY方向の梁41(以下でセンサ
素子梁50という)と、その固定端を支持する支持梁部60
との取合部を示す図である。第11図から分かるように支
持梁部60の深溝部31,32に相当する薄肉部61における幅
および肉厚は、センサ素子梁50のやはり深溝部31,32に
相当する薄肉部51のそれらと全く同じであり、支持梁と
しての曲げおよび捩れ剛性が十分であるとは言えない。
このために突起部35に荷重が負荷された場合、支持梁部
60に比較的大きい撓みと捩れが生じ、この影響で隣接す
る他のセンサ素子梁50にも変形が生じて干渉出力が発生
する。従って上述の分布型圧覚センサでは、各センサ素
子間の干渉により、センサに負荷される荷重分布が十分
正確に検出できないという問題点があった。
FIG. 11 shows a beam 40 in the X direction and a beam 41 in the Y direction (hereinafter referred to as the sensor element beam 50 ) that constitute the sensor element as shown in FIG. 5, and a support beam that supports the fixed end thereof. Part 60
It is a figure which shows the joining part with. As can be seen from FIG. 11, the width and thickness of the thin portion 61 corresponding to the deep groove portions 31 and 32 of the support beam portion 60 are the same as those of the thin portion 51 corresponding to the deep groove portions 31 and 32 of the sensor element beam 50. It is exactly the same, and it cannot be said that the bending and torsional rigidity as a supporting beam is sufficient.
If a load is applied to the protrusion 35 for this reason, the support beam
Relatively large bending and twisting are generated in 60 , and this influence also deforms other adjacent sensor element beams 50 to generate an interference output. Therefore, the above-described distributed pressure sensor has a problem that the load distribution applied to the sensor cannot be detected sufficiently accurately due to the interference between the sensor elements.

本発明の目的は、上述したような課題に着目し、その解
決を図るべく、支持梁部に十分な強度を持たせることに
より各センサ素子からの出力が互いに干渉し合うことな
く正確な荷重分布が検出できる分布型圧覚センサを提供
することにある。
The object of the present invention is to pay attention to the above-mentioned problems, and in order to solve the problems, by providing the support beam portion with sufficient strength, the outputs from the respective sensor elements do not interfere with each other and the accurate load distribution is achieved. It is to provide a distributed pressure sensor capable of detecting

〔課題を解決するための手段〕[Means for Solving the Problems]

かかる目的を達成するために、本発明は、分布型圧覚セ
ンサを、半導体基板上の互いに直交するX方向およびY
方向に複数組の対をなす長方形貫通孔をそれぞれ並列さ
せて交互に穿設すると共に、対をなす長方形貫通孔の間
にX方向およびY方向のセンサ素子梁を構成し、半導体
基板の一方の面におけるセンサ素子梁の各々のスパン中
央に突起部を設けると共に、センサ素子梁の突起部の両
側に薄肉部を形成し、薄肉部のさらに両端部をそれぞれ
当該薄肉部より厚さが厚く、かつ、幅の広い支持梁部の
中央部によって支持されるようになし、半導体基板の他
方の面におけるセンサ素子梁に複数のストレンゲージを
配設して、複数のストレンゲージにより突起部に加えら
れた力の半導体基板に対する垂直方向の分力、X方向お
よびY方向の分力が検出可能なようになし、複数のスト
レンゲージからの検出信号を処理する信号処理回路を半
導体基板の他方の面の一部に形成してなることを特徴と
する。
In order to achieve such an object, the present invention provides a distributed pressure sensor with an X direction and a Y direction orthogonal to each other on a semiconductor substrate.
A plurality of pairs of rectangular through-holes are arranged in parallel in parallel with each other in the direction, and are alternately bored, and the sensor element beams in the X-direction and the Y-direction are formed between the pair of rectangular through-holes. A protrusion is provided at the center of each span of the sensor element beam on the surface, and thin portions are formed on both sides of the protrusion of the sensor element beam, and both ends of the thin portion are thicker than the thin portion, and , A plurality of strain gauges are arranged on the sensor element beam on the other surface of the semiconductor substrate so as to be supported by the central portion of the wide support beam portion, and the strain gauges are applied to the protrusions. A force component in the vertical direction on the semiconductor substrate and component forces in the X direction and the Y direction are made detectable, and a signal processing circuit for processing detection signals from a plurality of strain gauges is provided on the other side of the semiconductor substrate. And characterized by being formed in a part of.

〔作用〕[Action]

本発明によれば、支持梁部の幅および肉厚をセンサ素子
梁の突起部を除く梁部に比して十分大きくしたことによ
り支持梁部の曲げおよび捩れ剛性をセンサ素子梁に比し
て高く保つことができ、センサ素子梁に荷重が負荷され
た場合の支持梁部のたわみや捩れが抑制されるので支持
梁部を介して他のセンサ素子梁にその影響が伝達され
ず、従ってセンサ素子間の出力にかかわる干渉をなくす
ことができる。
According to the present invention, the width and thickness of the support beam portion are made sufficiently larger than the beam portion of the sensor element beam excluding the protruding portion, so that the bending and torsional rigidity of the support beam portion can be made larger than that of the sensor element beam. Since it can be kept high and the bending and twisting of the support beam portion when a load is applied to the sensor element beam is suppressed, its influence is not transmitted to other sensor element beams through the support beam portion, and therefore the sensor It is possible to eliminate the interference related to the output between the elements.

〔実施例〕〔Example〕

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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail and specifically with reference to the drawings.

第1A図〜第1C図は本発明の一実施例を示し、第1A図はそ
の分布型圧覚センサを半導体基板であるシリコンウェ
ハの裏面側から見た図、第1B図および第1C図は第1A図の
P−P矢視断面およびQ−Q矢視断面を示す。このよう
な分布型圧覚センサを得るにあたっては、先に第5図
に示したと同様の形状に切出されたシリコンウェハを用
意し、その表面に同様にしてストレンゲージおよびIC回
路等を有する信号処理部を形成しておく(以上図示せ
ず)。かくして、シリコンウェハ2の裏面側から放電ま
たはレーザ等による加工機でストレンゲージを含むセン
サ素子梁5となる部分および支持梁部6に対応する部分
を残すようにして長方形貫通孔3を穿設し、第2A図のよ
うな状態とする。
1A to 1C show an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a view of the distributed pressure sensor 1 viewed from the back side of a silicon wafer which is a semiconductor substrate, and FIGS. 1B and 1C are 1A shows a cross section taken along the line PP and a cross section taken along the line QQ of FIG. 1A. In order to obtain such a distributed pressure sensor 1 , a silicon wafer cut out into a shape similar to that shown in FIG. 5 is prepared, and a signal having a strain gauge, an IC circuit, etc. is similarly formed on the surface thereof. A processing part is formed (not shown). Thus, a rectangular through hole 3 is formed from the back surface side of the silicon wafer 2 by leaving a portion corresponding to the sensor beam 5 including the strain gauge and a portion corresponding to the support beam portion 6 by a processing machine using electric discharge or laser. , As shown in FIG. 2A.

次に、第2B図に示すようにしてセンサ素子梁5のスパン
中央に突起部7を残すように両側に放電加工等によって
深溝8Aを形成し、この深溝8Aによってセンサ素子梁5の
薄肉部8が得られるようにする。しかる後、第1A図に点
々を施して示した部分をダイサ等の加工機により浅溝加
工し、これらの浅溝9Aによって支持梁部9を形成する。
Next, as shown in FIG. 2B, deep grooves 8A are formed by electrical discharge machining or the like on both sides so that the protruding portion 7 is left at the center of the span of the sensor element beam 5, and the thin groove 8A of the sensor element beam 5 is formed by this deep groove 8A. To get Thereafter, the portions shown by dots in FIG. 1A are shallowly grooved by a processing machine such as a dicer, and the supporting beam portion 9 is formed by these shallow grooves 9A.

すなわち本例の分布型圧覚センサでは、従来技術のよ
うにダイサによる深溝加工を行わず、放電加工によりセ
ンサ素子梁5にのみ深溝8Aを形成して薄肉部8とするた
め、支持梁部9には第3図に示すように薄肉部が形成さ
れず、センサ素子梁5に比し十分な肉厚が得られる。ま
た支持梁部9はセンサ素子梁5に比して十分な幅を保持
することによりセンサ素子梁5に比し十分な曲げおよび
捩れ剛性を持つ。第3図と、第11図とを比較すれば、支
持梁部9の曲げおよび捩れ剛性が本発明によって高めら
れたことが理解されるよう。従って支持梁部9の高い剛
性により、本発明による分布型圧覚センサでは各セン
サ素子間の干渉を非常に小さくできる。
That is, in the distributed pressure sensor 1 of the present example, unlike the prior art, the deep groove machining by the dicer is not performed, and the deep groove 8A is formed only in the sensor element beam 5 by the electric discharge machining to form the thin wall portion 8. Therefore, the support beam portion 9 3 does not have a thin portion as shown in FIG. 3, and a sufficient thickness can be obtained as compared with the sensor element beam 5. Further, the support beam portion 9 has a sufficient width as compared with the sensor element beam 5, and thus has sufficient bending and torsional rigidity as compared with the sensor element beam 5. By comparing FIG. 3 with FIG. 11, it will be understood that the bending and torsional rigidity of the support beam portion 9 is enhanced by the present invention. Therefore, due to the high rigidity of the support beam portion 9, in the distributed pressure sensor 1 according to the present invention, the interference between the sensor elements can be made very small.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上説明してきたように、本発明によれば、分布型圧覚
センサを、半導体基板上の互いに直交するX方向および
Y方向に複数組の対をなす長方形貫通孔をそれぞれ並列
させて交互に穿設すると共に、対をなす長方形貫通孔の
間にX方向およびY方向のセンサ素子梁を構成し、半導
体基板の一方の面におけるセンサ素子梁の各々のスパン
中央に突起部を設けると共に、センサ素子梁の突起部の
両側に薄肉部を形成し、薄肉部のさらに両端部をそれぞ
れ薄肉部より厚さが厚く、かつ、幅の広い支持梁部の中
央部によって支持されるようになし、半導体基板の他方
の面におけるセンサ素子梁に複数のストレンゲージを配
設して、これら複数のストレンゲージにより突起部に加
えられた力の半導体基板に対する垂直方向の分力、前記
X方向およびY方向の分力が検出可能なようになし、複
数のストレンゲージからの検出信号を処理する信号処理
回路を半導体基板の他方の面の一部に形成してなるもの
とした。よって、支持梁部の剛性を高めることができ、
センサ素子間の干渉を抑制し、密度高く配置された各セ
ンサ素子から正確に力の分布を検知することが可能とな
った。
As described above, according to the present invention, a distributed pressure sensor is alternately drilled by arranging a plurality of pairs of rectangular through holes in the X direction and the Y direction on a semiconductor substrate in parallel. In addition, the sensor element beams in the X direction and the Y direction are formed between the pair of rectangular through holes, and a protrusion is provided at the center of each span of the sensor element beams on one surface of the semiconductor substrate. Thin portions are formed on both sides of the protruding portion, and both ends of the thin portion are made thicker than the thin portion and are supported by the central portion of the wide support beam portion. A plurality of strain gauges are arranged on the sensor element beam on the other surface, and a component force of a force applied to the protrusion by the plurality of strain gauges in a direction perpendicular to the semiconductor substrate, the X direction and the Y direction. Component force is no to allow detection of, was made by forming a signal processing circuit for processing the detection signals from the plurality of strain gauges to a portion of the other surface of the semiconductor substrate. Therefore, the rigidity of the support beam portion can be increased,
It has become possible to suppress interference between the sensor elements and accurately detect the force distribution from the sensor elements arranged in high density.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1A図は本発明の分布型圧覚センサの半導体基板の構成
の一例を裏面側から見て示す平面図、 第1B図は第1A図のP−P矢視断面図、 第1C図は第1A図のQ−Q矢視断面図、 第2A図は第1A図に示す分布型圧覚センサの貫通孔加工状
態を示す図、 第2B図は第2A図の状態から更に薄肉部を形成した状態を
示す図、 第3図は本発明にかかるセンサ素子梁と支持梁部との相
対関係を示す斜視図、 第4A図は分布型圧覚センサの構成の一例を裏面側から見
て示す平面図、 第4B図は第4A図のP−P矢視断面図、第4C図は第4A図の
Q−Q矢視断面図、 第5図は第4A図に示す分布型圧覚センサにおけるストレ
ンゲージの配置図、 第6図〜第9図は第4A図〜第4C図に示す分布型圧覚セン
サによる3分力検出原理を説明する図、 第10図は第4A図〜第4C図に示す分布型圧覚センサにおけ
るストレンゲージからの信号を処理する信号処理回路の
構成図、 第11図は第4A図〜第4C図に示す分布型圧覚センサにおけ
るセンサ素子梁と支持梁部との相対関係を示す斜視図で
ある。1 ,30……分布型圧覚センサ、 3,33……長方形貫通孔、 5……センサ素子梁、 7……突起部、 8……薄肉部、 8A……深溝、 9……支持梁部、 9A……浅溝、 30A……検出部、 30B……信号処理部、 42……ストレンゲージ。
FIG. 1A is a plan view showing an example of the configuration of the semiconductor substrate of the distributed pressure sensor of the present invention when viewed from the back side, FIG. 1B is a sectional view taken along the line PP of FIG. 1A, and FIG. 1C is FIG. 1A. FIG. 2A is a sectional view taken along the line Q-Q in the figure, FIG. 2A is a diagram showing a through hole processing state of the distributed pressure sensor shown in FIG. 1A, and FIG. 2B is a state in which a thinner portion is formed from the state of FIG. 2A. Fig. 3 is a perspective view showing the relative relationship between the sensor element beam and the support beam portion according to the present invention, and Fig. 4A is a plan view showing an example of the configuration of the distributed pressure sensor when viewed from the back side. 4B is a sectional view taken along the line PP of FIG. 4A, FIG. 4C is a sectional view taken along the line QQ of FIG. 4A, and FIG. 5 is a layout view of the strain gauge in the distributed pressure sensor shown in FIG. 4A. 6 to 9 are views for explaining the principle of detecting the three-component force by the distributed pressure sensor shown in FIGS. 4A to 4C, and FIG. 10 is the distributed pressure sensor shown in FIGS. 4A to 4C. Fig. 11 is a configuration diagram of a signal processing circuit that processes a signal from a strain gauge in Fig. 11, and Fig. 11 is a perspective view showing a relative relationship between a sensor element beam and a support beam portion in the distributed pressure sensor shown in Figs. 4A to 4C. is there. 1 , 30 …… Distributed pressure sensor, 3,33 …… Rectangular through hole, 5 …… Sensor element beam, 7 …… Projection part, 8 …… Thin wall part, 8 A ・ ・ ・ Deep groove, 9 …… Support beam part, 9A: shallow groove, 30A: detection part, 30B: signal processing part, 42: strain gauge.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】半導体基板上の互いに直交するX方向およ
びY方向に複数組の対をなす長方形貫通孔をそれぞれ並
列させて交互に穿設すると共に、前記対をなす長方形貫
通孔の間に前記X方向およびY方向のセンサ素子梁を構
成し、 前記半導体基板の一方の面における前記センサ素子梁の
各々のスパン中央に突起部を設けると共に、前記センサ
素子梁の前記突起部の両側に薄肉部を形成し、 該薄肉部のさらに両端部をそれぞれ当該薄肉部より厚さ
が厚く、かつ、幅の広い支持梁部の中央部によって支持
されるようになし、 前記半導体基板の他方の面における前記センサ素子梁に
複数のストレンゲージを配設して、該複数のストレンゲ
ージにより前記突起部に加えられた力の前記半導体基板
に対する垂直方向の分力、前記X方向およびY方向の分
力が検出可能なようになし、 前記複数のストレンゲージからの検出信号を処理する信
号処理回路を前記半導体基板の他方の面の一部に形成し
てなることを特徴とする分布型圧覚センサ。
1. A plurality of pairs of rectangular through holes arranged in parallel in the X direction and the Y direction perpendicular to each other on a semiconductor substrate are alternately arranged in parallel, and the pair of rectangular through holes are formed between the pair of rectangular through holes. A sensor element beam in the X direction and the Y direction is formed, a protrusion is provided at the center of each span of the sensor element beam on one surface of the semiconductor substrate, and thin portions are formed on both sides of the protrusion of the sensor element beam. And both ends of the thin portion are supported by the central portion of the support beam portion having a thickness larger than that of the thin portion and wider than the thin portion. A plurality of strain gauges are arranged on the sensor element beam, and a component force of a force applied to the protrusion by the plurality of strain gauges in the vertical direction with respect to the semiconductor substrate, in the X direction and the Y direction. No such force detectable, distributed pressure sensation sensor characterized by being formed in a part of the other surface of the semiconductor substrate a signal processing circuit for processing the detection signals from the plurality of strain gauges.
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TWI753698B (en) * 2020-12-11 2022-01-21 財團法人工業技術研究院 Spindle apparatus with torque sensor

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