JPH01136042A - 多軸力検出装置 - Google Patents

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、例えばテンションゲージ、３方向ロードセル
等の力計測装置、更には機械系内部の力計測・制御等に
適した多軸力検出装置に関する。

従来の技術 一般に、物体に加わる力の計測を行なう場合、その力の
大きさと同時に力の向きをも測定し得る、ことが重要で
ある。例えば、加えた力を管理したい時などにおいて、
力の向きを考慮しないと正確な所望値を得ることができ
ないことがあるからである。この点、従来の力検出装置
では、１つの力のみの計測しか行なうことができない。

よって、プローブを測定物に斜めに当てたような場合に
は、正しい測定を行なうことができない。即ち、正しい
測定を行なうためには力の方向を測定装置の検出方向と
一致させる必要があり、測定が困難なものとなっている
。

目的 本発明は、このような点に鑑みなされたもので、空間的
に３次元的な力を、基準とする面に対する力の大きさと
向き、即ち３次元の各々の軸方向に対する力の成分及び
それらの角度、更には実際に加わる合力の計測が可能な
多軸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、力又はトルクの作用点を一部に有するプロー
ブと拡散型半導体歪ゲージを有する半導体チップとから
なり前記作用点に作用する力を多成分力に分離して検出
する力覚センサを設け、この力覚センサから出力される
多成分力出力値に基づき作用点に作用する合力又は直交
３軸となす角度を演算出力する処理手段を設けたことを
特徴とするものである。

本発明の第一の実施例を第１図ないし第１１図に基づい
て説明する。

本実施例は、本出願人により例えば特願昭６２−１４４
３１６号として既に提案されている力検出装置を応用す
るものである。概略的には、県結晶シリコンを用いた超
小型の力覚センサで互いに直交する３軸中の２軸の軸回
りのモーメントと残すの１軸方向の力を検出するという
ものであり、その構造・作用を第２図ないし第９図によ
り説明する。

まず、半導体チップである単結晶基板ｌはシリコンｊ１
″Ｌ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
る手段により拡散型半導体歪ゲージである検出素子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、即ち、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−３ｉ（１１
０）ウェハである場合、第４図中に示すＲＬ　、Ｒ’Ｘ
ｚ　＋　　ＲＸ）　ｒ　　ＲＸ４とＲｖｌ、ＲＹ２゜Ｒ
Ｙｚ、ＲＹ４なる検出素子３は＜１１０＞方向に対して
４５度の方向に配置され、ＲＺＩ　＋　　ＲＺＩ１　　
ＲＺｓ＋ＲＺ４なる検出素子３は＜１１０＞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６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Ｑｌ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、このような検出素子３の製造方法を第９図に基
づいて説明する。ここで、第９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−３Ｌ（１１０）ウェハを酸化し、表面に５ｉＯ７を
形成する。ＳｉＣ２は次工程の拡散のマスクとして使う
。

〔拡散窓明け〕

選択拡散を行うためにＳｉＣ２を除去し、拡散窓明けを
行う。

〔拡散〕

ＢＮ固体拡散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−３ｉ、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。

又、前記単結晶基板ｌ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。二の起歪体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
とされている。又、中心部７には力伝達体（ロッド）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
形成されて薄肉状の弾性変形面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ｌ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。即ち、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
ｌを外気から遮断している。

ここで、力伝達体８に作用する力としては、各軸方向、
即ち、互いに三次元的に直交する３軸Ｘ。

Ｙ、Ｚ方向に沿う力（Ｆ　Ｘ＋　　Ｆ　Ｖ＋　　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、Ｍ
Ｘ、ＭＹの３成分を検出するためのブリッジ回路が第７
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。即ち、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。又、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ｌ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、応ノＪが存在するときの抵抗変化ΔＲは。

ΔＲ／Ｒ＝πΩσＱ＋πｔσｔ＋πＳσＳ・・・・・・
（１）πＱ：縦ピエゾ抵抗係数 πし：横ピエゾ抵抗係数 πＳ：剪断ピエゾ抵抗係数 σα：縦方向応力 σＬ＝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σＱ、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。

又、前述のように検出素子３の形状が第５図に示すよう
に、Ｑ、（Ｑ、に設定されているので、式（１）のπｔ
＋’ｔを無視することができる。従って、式（１）は次
の式（２）のようになる。

ΔＲ／Ｒ＝πａσα　　　　　　・・・・・・・・・・
・・・・・（２）この時、力伝達体８にＦｚ、Ｍｘ＋　
ＭＶ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４図及び第８図から次に示すようになる。

即ち、 ［Ｍ　ｘが加わった時Ｉ ＲＸ＋＋　　ＲＸｓは減少、ＲＸｉ　＋　　ＲＸ４は増
加ＲＹ１９．ＲＹｔ、ＲＹｓ＋　　ＲＹ、は変化なしＲ
Ｚ＋　＋　　ＲＺｓは減少、ＲＺｚ　＊　　ＲＺ４は増
加［ＭＹが加わった時Ｉ ＲＸ＋　＋　　ＲＸｉ＋　ＲＸｓ＋　ＲＸ４は変化なし
ＲＹ＋＋　　ＲＹｓは減少、ＲＹｘ　、ＲＹ４は増加Ｒ
Ｚ＋＋　ＲＺｓは減少、ＲＺｌｌ　　ＲＺ４は増加［Ｆ
ｚが加わった時］ Ｒｘ１ｌ　　ＲＸ４は減少、ＲＸｚ＋　ＲＸｓは増加”
ｈ、Ｒ’ｌｑは減少、ＲＹａ、ＲＶｓは増加ＲＺＩＩ　
　ＦＺ４は減少、ＲＺｚ　＋　　ＲＺｉは増加する。

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（Ｍ　Ｘ　、　Ｍ　ｙ　、　　Ｆ
　７．　）を検出するために、第７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７図（ａ）（ｂ）（ｃ）
の出力は次のようになる。

まず、第７図（ａ）において、 となる。

ここで、簡単化するために、Ｒｘ　＋　＝ＲＸ　２　＝
ＲＸ　３＝ＲＸ４＝Ｒとすると、式（３）は、Ｖ＝Ｏと
なる。

又、ＭＸによる抵抗の増加分をΔＲ，減少分を一ΔＲと
すると、第１表よりＭＸによる出力はとなる。

即ち、ＭＸによる出力変化（感度へ■）は、Δ■＝ΔＲ
−Ｉ　　　　　　・・・・旧・自・・・・・・・・・・
（５）となる。

次に、第７図（ｂ）において、 となる。

ここで、Ｒｖｌ＝Ｒｖ２＝Ｒ■、＝Ｒｖ４＝Ｒとすると
、式（６）は、Ｖ＝Ｏとなる。

又、Ｍｘによる抵抗変化はないとすると、即ち、ＭＸに
よる感度へＶは、 Δ■＝Ｏ・・・・・・・旧・・（８） となる。

つぎに、第７図（ｃ）において、 ここで、ＲＺ＋　＝　ＲＺｘ　＝　ＲＺｓ　＝　ＦＺ４
　＝　Ｒとすると、式（９）は、Ｖ＝Ｏとなる。

又、ＭＸによる抵抗の増加分をへＲ，減少分を一ΔＲと
すると、 ＝０　　　　　　　　　　　・・・・・・・曲面・・・
・・・・・・（１０）となる。即ち、ＭＸによる感度Δ
Ｖ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。

このように第７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。

（ｊｉ）　　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。

しかして、本実施例では、このような検出素子３を有す
る単結晶板１をベースとし、先端（下端）に検出すべき
力又はトルクの作用点１９を有するロッド８を備えてな
る力覚センサ２０をセンサとして用いるものである。第
２図において２１は起歪体４の外周を固定保持する台座
である。

ここで、ロッド８の長さを一定にしておき、かつ、ロッ
ド８の作用点１９にはモーメントが加わらないようにす
ると、単結晶板１の平面、即ち検出面２に平行な力、つ
まりＸ−Ｙ平面の力として検出することが可能となる。

従って、空間的に互いに直交する３軸方向の多成分ノア
ＦＸ＋　ＦＹＩ　ＦＺの検出が可能となることが判る。

今、ロッド８の先端の作用点１９をＯとして任意の力Ｆ
が加わった時の力関係等の様子を第１０図に示す。図中
、Ｆｘは力ＦのＸ軸方向の分力、Ｆｖは力ＦのＹ軸方向
の分力、ＦＺは力ＦのＺ軸方向の分力、αは力Ｆと分力
ＦＸとのなす角度、βは力Ｆと分力ＦＹとのなす角度、
γは力Ｆと分力Ｆｚとのなす角度である。

この時、上述した如く、本実施例の力覚センサ２０を用
いれば多成分力ＦＸ＋　　ＦｙＩ　　ＦＺを検出するこ
とができるので、これらにより作用点１９に作用する合
力Ｆは Ｆ＝ＪＩＦｘビ＋ＩＦＹビ＋１Ｆｚｌ”なる演算処理に
より求められる。

又、力Ｆについての直交３軸となす各々の角度α、β、
γについても、方向余弦の定理からＦｘ　　　　　ＦＹ
　　　　　ＦＺ ｃｏｓα＝　−−、ｃｏｓβ＝　　　、ｃｏｓγ＝Ｆ−
Ｆ　　　　　　Ｆ として求めることができる。

このようなことから、例えば第１１図に示すように力覚
センサ２０から出力される多成分力ＦＸ＋ＦＹ、Ｆ７．
を各々アンプ２２により増幅した後、Ａ／Ｄコンバータ
２３によりデジタル信号に変換し、処理手段としてのＣ
ＰＵ２４により上述の如き演算処理を行ない、分力ＦＸ
＋　　ＦＹＩ　ＦＺ　、合力Ｆ、角度α、β、γを表示
部２５にて適宜数値的に表示させることができる。

しかして、本実施例の多軸力検出装置は、前述した如く
力覚センサ２０を用いて例えば第１図に示すように構成
されている。まず、力覚センサ２０は把持用のケース２
６に取付けられた固定用ノツチ２７に対して固定ねじ２
８により固定されている。この固定用ノツチ２７は力覚
センサ２０を固定して用いる際に基準となる軸（Ｘ軸又
はＹ軸）を参照するためのものである。この時、ケース
２６に対して外方に位置するロッド８の先端側には一般
にメカリミッタと称される切欠き２９を形成したプロー
ブ３０がねじ３１によ゛り着脱自在に取付けられ、その
先端が力の作用点１９とされている。このようなプロー
ブ３０ないしはロッド８回りを覆うカバー３２が設けら
れ、前記固定用ノッチ２７外周に取付けられている。こ
こに、プローブ３０先端の作用点１９は円錐形状の如く
鋭角状に形成される二とにより、作用点１９、即ち力覚
センサ２０にはモーメントが加わらないようにされてい
る。これにより、力のみの検出が可能とされている。又
、プローブ３０に形成した切欠き２９は過大なる入力に
対して力覚センサ２０を保護するためのものであり、樹
脂にて形成されている。

即ち、切欠き２９部分の破壊強度を力覚センサ２０の許
容付加よりも小さくすることにより、力覚センサ２０の
破壊を防止する働きが確保されるものであり、力覚セン
サ２０の測定レンジに応じて切欠き２９の深さ等が調整
される。又、前記ケース２６内には前述したアンプ２２
や電源回路等からなるアンプ部３３が内蔵されている。

なお、ケース２６内においては適宜配線処理により力覚
センサ２０の外部榛続端子１２等（即ち、検出素子３等
）はアンプ部３３に接続されている。

一方、このようなアンプ部３３からは接続ケーブル３４
が引出され、コントロールボックス３５に接続されてい
る。このコントロールボックス３５は前記Ａ／Ｄコンバ
ータ２４やＣＰＵ２５等を内蔵したもので、正面には表
示部２６を有する。

この表示部２６中には電源スィッチ３６の他にリセット
スイッチ３７や表示切換えスイッチ３８が設けられてい
る。リセットスイッチ３７は風袋引き等のためのイニシ
ャライズ用であり、これを押すことにより各成分力、合
力、角度がすべて０とされる。又、表示切換えスイッチ
３８は本実施例では数値表示部をＦＸ又はα用のＸ軸表
示部３９ａと、ＦＹ又はβ用のＹ軸表示部３９ｂと、Ｆ
Ｚ又はγ用のＺ軸表示部３９ｃと、Ｆ用の合力表示部３
９ｄとの４つの表示部からなるため、多成分力ＦＸ＋　
　ＦＹ＋　　ＦＺ又は角度α、β、γを選択表示させる
ためである。もちろん、すべての数値を同・時に表示さ
せるようにしてもよく、この場合には表示切換えスイッ
チ３８は不要である。

このようにして、本実施例によれば、プローブ３０の先
端の作用点１９に加わる任意の力についの各成分力Ｆｘ
　ｒ　　Ｆ　ｙ　＋　　Ｆ　ｚ　、基憎軸とのなす角度
α、β、γないしは全体の合力Ｆの大きさを正確に検出
し、表示させることができる。つまり、力検出用のプロ
ーブ３０が被測定力の方向に対して任意の角度を持って
いたとしても真の力情報を得ることができ、力測定が容
易となる。又、被測定力は必要に応じ直交３軸の成分力
Ｆｘ　ｒ　　Ｆ　ｙ　）　　Ｆ　Ｚとして各成分毎に独
立して計測することも可能であり、又、これらの合力Ｆ
も容易に求めることができる。

つづいて、本発明の第二の実施例を第１２図により説明
する。本実施例は、交換自在なプローブ３０形状を変更
するだけで選択的にトルクＴの検出ができるようにした
ものである。即ち、本実施例ではプローブ３ｏ中の中間
部に六角ナツト形部４０を用いることにより、作用点１
９に力が作用した時、モーメントとして力覚センサ２０
に負荷が加わるので、力覚センサ２ｏの検出面２とプロ
ーブ３０（六角ナツト形部４０）との距離を管理してお
くことにより、作用点１９にかかる回転方向のトルクＴ
を測定することができる。このようなトルク測定可能な
ものでは、例えば第１図に示したコントロールボックス
３５の表示部２６中にトルク表示部が設けられる。この
ように、プローブ形状を変更するだけで簡単に力とトル
クとを選択して測定できる。

更に、本発明の第二の実施例を第１３図により説明する
。本実施例は、棒状に形成されて着脱自在なプローブ３
０の長さが異なる場合、即ち力覚センサ２０の検出面２
から力の作用点１つまでの長さが変更される場合であっ
ても自動的に対処し得るようにしたものである。例えば
、第１３図（ａ）に示すような短めのプローブ３０ａの
場合と、同図（ｂ）に示すように長めのプローブ３０ｂ
の場合とでは、プローブ３０　ａ、　　３０　ｂ先端の
作用点１９ａ、１９ｂに同一の力が作用したとしても力
覚センサ２０の出力状態は変化し、異なる力が加わった
ものとされてしまう。そこで、このような場合には自動
的にプローブ長を識別し力覚センサ２０の感度を電気的
に調整し、長さ変化に関係なく検出出力が同一となるよ
うにさせるものである。

このため、プローブ３０・力覚センサ２ｏの締結部近傍
には、プローブ長を識別するためにばね４１とマグネッ
ト４２とリードスイッチ４３とが設けられている。今、
第１３図に示すように２種類のプローブ３０　ａ、　　
３０　ｂの長さを識別する場合であれば、１つのリード
スイッチ４３をプローブ３０基部位置に設ければよい。

又、短い方のプローブ３０ａに対しては締着用のねじ３
１ａの長さを短めとし、艮い方のプローブ３０ｂに対し
ては締着用のねじ３１ｂの長さを長めとしておく。これ
らのねじ３１ａ、３１ｂの先端がマグネット４２の背面
に当接し、その位置を規制することになる。すると、第
１３図（ａ）に示すようにプローブ３０ａの長さが短い
場合にはマグネット４２がリードスイッチ４３の位置ま
で届かない位置に位置し、リードスイッチ３はオフ状態
となる。これにより、プローブ３０ａは短いものである
と識別され、それに見合うセンサ感度に調整される。一
方、同図（ｂ）に示すように長いプローブ３０ｂの場合
にはマグネット４２がリードスイッチ４３の位置までね
じ３１ｂにより押されリードスイッチ４３をオンさせる
位置に位置し、リードスイッチ３はオン状態となる。こ
れにより、プローブ３０ｂは長いものであると識別され
、それに見合うセンサ感度に調整される。

効果 本発明は、上述のように力又はトルクの作用点を一部に
有するプローブと拡散型半導体歪ゲージを有する半導体
チップとからなり作用点に作用する力を多成分力に分離
して検出する力覚センサを設け、この力覚センサから出
力される多成分力出力値に基づき作用点に作用する合力
又は直交３軸となす角度を演算出力する処理手段を設け
たので、作用点に作用する力を多成分力に分離して検出
することはもちろん、全体の合力ないしは直交３軸との
間でなす各々の角度を検出することができ、よって、プ
ローブ先端の作用点が被測定力の方向と任意の角度をな
していても真の力情報を検出することができ、力測定を
容易化す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
図は力覚センサの概略斜視図、第３図はその縦断側面図
、第４図はキャップを取り外した状態の平面図、第５図
はｐ−３ｉ（１１０）におけるピエゾ抵抗係数を示す特
性図、第６図は検出素子の形状を示す平面図、第７図（
ａ）（ｂ）（ｃ）はブリッジ回路図、第８図（ａ）（ｂ
）（ｃ）は各種の応ノＪの発生状態を示す特性図、第９
図は製造工程図、第１０図は力関係を示すベクトル図、
第１１図はブロック図、第１２図は本発明の第二の実施
例を示す概略斜視図、第１３図は本発明の第三の実施例
を示す概略縦断側面図である。 １・・・単結晶基板（半導体チップ）、３・・・検出素
子（拡散型半導体歪ゲージ）、１９・・・作用点、２０
・・・力覚センサ、３０・・・プローブ、２４・・・Ｃ
ＰＵ（処理手段）　、ＦＸ＋　　Ｆｖ＋　　Ｆｚ・・・
多成分力、Ｆ・・・合力、α、β、γ・・・角度 出　願　人　　　株式会社　リ　コ　−（ＪＯ″”　ｃ
＠＋ん声） 〜あご　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 力又はトルクの作用点を一部に有するプローブと拡散型
   半導体歪ゲージを有する半導体チップとからなり前記作
   用点に作用する力を多成分力に分離して検出する力覚セ
   ンサを設け、この力覚センサから出力される多成分力出
   力値に基づき作用点に作用する合力又は直交３軸となす
   角度を演算出力する処理手段を設けたことを特徴とする
   多軸力検出装置。