JPH0321838A - 力覚センサの温度補償回路 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、例えば、ロボット用力覚センサ、マンマシン
インターフエイスとしての三次元入力装置、三次元荷重
測定装置等に利用される力覚センサの温度補償回路に関
する。

従来の技術 まず、従来における力覚センサの全体構成の概略を第１
８図及び第１９図に基づいて説明する。

起歪体ｌはその中心部が作用部２とされ、この作用部２
の周囲は支持部３とされている。前記作用部２は、肉厚
の薄いダイヤフラム４からなっており、このダイヤフラ
ム４の中心の下方に向けて力伝達体５が形成されている
。また、前記起歪体１の前記ダイヤフラム４上には単結
晶基板としてのＳｉ基板６が接着固定されており、この
Ｓｉ基板６の検出面７には各軸方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の力
の成分力を検出する歪検出素子８が形成されている。

また，その歪検出素子８の形成された前記検出面７の周
囲の歪不感部９（ハッチング部分）には、温度検出素子
１０が形成されている。

このように構成された力覚センサにおいて、力伝達体５
に力が作用すると、ダイヤフラム４が変形し、この変形
により単結晶基板６も変形するためこの表面に各軸方向
ごとにブリッジ結線して形成された歪検出素子８に応力
が加わり、その結果、そのブリッジ回路の出力電圧によ
り力の成分力の検出を行っている。

このようにブリッジ結線された歪検出素子８は個々に温
度特性をもっており、これら歪検出素子８相互間の温度
特性がわずかでも異なってしまうとそれらの抵抗値の変
化によりその差分をブリッジ回路の出力電圧として誤っ
て検出してしまうことになる。そこで、このような温度
変化に対して歪検出素子８の温度特性を補償して常に安
定した出力電圧を得るために、前述したような温度検出
素子１ｏを設けているわけである。

そこで、今、そのような温度検出素子１０を用いた温度
補償回路の例を、特開昭５９−１　５３　１１７号に基
づいて説明する。第２０図において、Ｒａ．Ｒｂは温度
依存性の大きい温度検出素子であり、ＲａとＲ１とＲ２
との合成抵抗をＲαとし、ＲｂとＲ３とＲ４との合成抵
抗をＲβとすると、Ｒ５、Ｒ６、Ｒα、Ｒβによりブリ
ッジ回路を構成している。このブリッジ回路の接続点Ｐ
．Ｑはオペアンプ１１に接続されており、この出力側か
らは出力電圧■αを得ている。従って、抵抗Ｒ１〜Ｒ４
を適切な値に設定することによって、そのオペアンプ１
１の出力電圧■Ωに、歪検出素子８（第１８図参照）を
ブリッジ結線することにより得られた出力電圧Ｖｉｎに
おける温度特性の傾き及び温度特性の曲がりを打ち消す
ような温度特性を持たせ、これによりオペアンプ１２の
出力電圧Ｖｏを得ることによって歪検出素子８の温度補
償を行っている。

発明が解決しようとする課題 上述したような第２０図における従来例の場合、Ｒ１〜
Ｒ４を調整することにより、温度補償用電圧ＶＱの温度
に対する直線成分の傾きと２次曲線の曲率な調整するこ
とによって、歪検出素子８により形成されるブリッジ回
路の零点温度補償に最適な特性を得るようにしている。

しかし、この場合、温度補償の方法は、拡散抵抗Ｒａ．
Ｒｂの温度に対する抵抗値変化とこれらに固定抵抗Ｒ１
〜Ｒ４を単に接続しただけなので、狭い範囲でしかＶＱ
特性の調整を行うことができない。すなわち、Ｒ１〜Ｒ
４の調整のみで補償電圧ＶＱを作ろうとしていたので、
第ｌ７図に示すような広範囲な零点温度特性には対応す
ることができない。

また、第２０図に示すような温度補償回路により構成し
た場合、力覚センサにより検出する力の成分力が多成分
であるためその成分力数だけの増幅回路、温度補償回路
が必要となる。例えば、３成分力の力検出を行おうとす
る場合、一成分力に対してＲａ，Ｒｂの２つの拡散抵抗
が必要なため、合計３Ｘ２＝６個の温度検出素子が必要
となる。

このためＳｉ基板６上に形成する拡散抵抗（歪検出素子
８）の数が増加してチップ自体の小型化を行うことがで
きないという問題が生じる。

一方、歪検出素子８をブリッジ結線して出力電圧を得る
際に温度補償を行っている他の例として、特開昭５５−
１５６４号公報に開示されているものがある。これは、
温度変化によるオフセット電圧の変動、出力感度の低下
等により血圧計の指示値が変化しないように温度補償を
行うものである。

第２ｌ図はその構成を示したものであり、ブリッジ接続
された拡散型半導体圧力変換器１３に供給する電源を安
定させるためのトランジスタｌ４、オペアンブｌ５、定
電圧ダイオード１６等からなる安定電流電源部１７と、
高入力インピーダンス回路１８とオフセット電圧補正回
路１９とを組合せてなる安定増幅回路部２０を示したも
のである。

この場合、拡散型半導体圧力変換器１３のブリッジ回路
内には零点補償用抵抗１３ａが接続されており、ボテン
ショメータ２１によりその零点調整を行っているわけで
あるが、しかし、歪検出用のブリッジ接続された拡散型
半導体圧力変換器１３の零点出力が出力スパンより大き
い場合、差動最終段における出力Ｖｏが零点出力により
電源電圧まで飽和してしまい、その結果、温度補償を正
確に行うことが困難となる。

課題を解決るための手段 そこで、このような問題点を解決するために、請求項ｌ
記載の発明では、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する起歪体を設け、この起歪体
の表面に機械的変形により電気抵抗を変化させる歪検出
素子の形成された単結晶基板が接着固定された力覚セン
サにおいて、前記単結晶基板の歪不感部の表面に、温度
に対して直線的に特性が変化する温度検出素子及び曲線
的に特性が変化する温度検出素子を形成した。

請求項２記載の発明では、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する起歪体を設け、こ
の起歪体の表面に機械的変形により電気抵抗を変化させ
る歪検出素子の形成された単結晶基板が接着固定された
力覚センサにおいて、前記単結晶基板の歪不感部の表面
に、温度に対して直線的に特性が変化する温度検出素子
及び曲線的に特性が変化する温度検出素子を形成し、こ
れら温度検出素子により検出された電圧をもとにセンサ
出力の温度補償を行うための電圧を発生する温度補償用
電圧発生回路を設け、この温度補償用電圧発生回路によ
り得られた出力電圧をもとにセンサ出力の零点温度補償
を行う零点温度補償回路を設けた。また、力覚センサに
より検出する力の成分力数に応じた数だけ零点温度補償
回路を設けた。

作用 請求項ｌ記載の発明では、温度に対して直線的及び曲線
的に特性が変化する温度検出素子をそれぞれ形成したの
で、これら２種類の温度検出素子により得られた温度補
償用電圧を合成して温度補償を行うことにより、広範囲
に渡って特性曲線の補償を行うことができる。

請求項２記載の発明では、温度補償用電圧発生，回路に
より温度補償用電圧を発生させ、この電圧を零点温度補
償回路に送り、この零点温度補償回路によりセンサ出力
の零点温度補償を行うので、使用温度範囲において零点
出力を含まない正確な力の成分力の出力を得ることがで
きる。また、検出する力の戊分力数に応じた数だけ零点
温度補償回路を設けたことにより、多成分力検出用の力
覚センサにおける、その温度補償のための温度検出素子
の個数を増加させることなく正確に検出することができ
る。

実施例 本発明の一実施例を第ｌ図ないし第ｌ６図に基づいて説
明する。なお，力覚センサの全体構成については従来技
術（第１８図参照）で説明したのでここでの説明は省略
し、同一部分については同一符号を用いる。

第１図及び第２図に示すように、単結晶基板としてのＳ
ｉ基板６の歪不感部９の表面には、温度に対して直線的
に特性が変化する温度検出素子としてのＰＮダイオード
２２、及び、曲線的に特性が変化する温度検出素子とし
ての拡散抵抗２３がそれぞれ形成されている。この場合
、ＰＮダイオード２２はＰ型拡散領域を陽極とし、Ｓｉ
基板６を陰極とするものであり、それらＰＮダイオード
２２、拡散抵抗２３にはそれぞれ定電流源２４，２５が
接続されこれにより駆動される。また、第３図に示すよ
うに、それらＰＮダイオード２２、拡散抵抗２３には、
温度補償された出力電圧を発生する温度補償用電圧発生
回路２６が接続されている。さらに、第４図に示すよう
に、その温度補償用電圧発生回路２６は零点温度補償回
路２７に接続されている。この回路２７には、零点補償
回路２８が設けられており、さらに、第１図の力覚セン
サにおける歪検出素子８をブリッジ結線（第１６図参照
）することにより検出された力の一成分力（ここでは、
Ｘ軸方向）の出力電圧ＶＸｏ＋、Ｖｘｏ一が送られる入
力端子２９ａ，２９ｂが設けられている。

このような構成において、まず、第３図の温度補償用電
圧発生回路２６に基づいて説明する。ＰＮダイオード２
２は、その順方向降下電圧Ｖｄが、第７図に示すように
、温度に対して−２．５ｍＶ／℃の傾きで直線的に変化
する特性を有している。

また、拡散抵抗２３はその電圧降下Ｖｒが、第７図に示
すように、直線と２次曲線とを合成した曲線的に変化す
る特性を有している。そして、ＰＮダイオード２２によ
り検出された電圧Ｖｄはアンブ３０に入力され、ＶＲＩ
を可変することにより基準温度（通常、２５℃）におけ
る出力電圧（バイアス分）が除去され、その出力電圧Ｖ
ｄｔの出力特性が第９図に２５℃における出力電圧がＯ
Ｖとなるように調整する。さらに，その電圧Ｖｄｔをア
ンプ３１により反転増幅して第１０図に示すような特性
になるように調整する。一方、拡散抵抗２３により検出
された電圧Ｖｒはアンブ３２に入力され、ＶＲ２、ＶＲ
３を調整することによりＶ　．ｒの２５℃における出力
電圧（バイアス分）の除去が行われると共に直線成分の
除去をＶｄｔを用いて行い、そのアンブ３２の出力電圧
Ｖｒｔの出力特性が第１１図に示すような曲線状の特性
になるように調整する。さらに、その電圧Ｖｒｔをアン
プ３３により反転増幅して第１２図に示すような特性に
なるように調整する。

次に、第４図の零点温度補償回路２７について説明する
。上述したようにして作成した±Ｖｄｔ、±Ｖｒｔをこ
の回路２７内の可変抵抗ＶＲ４、ＶＲ５の両側に設けら
れた入力端子にそれぞれ入カする。この時、Ｖｄｔは、
ＶＲ４を調整することにより、第１３図のａ　＝　ｂの
間の温度特性の範囲で自由に設定することができる。ま
た、Ｖｒｔも同様にして、ＶＲ５を調整することにより
、第■４図のｄ〜ｅの間の温度特性の範囲で自由に設定
することができる。そして、ＶｄｔとＶｒｔとをアンプ
３４により合成することによって、出力電圧ＶＴには、
温度に対して直線の傾きや、２次曲線の曲率を自由に設
定した温度依存性のある電圧を得ることができる。この
具体例として、例えば、第１５図に示すように、第１３
図の波形Ｃと第１４図の波形ｆとを合成した曲線を持つ
特性を得ることができる。

その後、このようにして得られた電圧ＶＴは、零点補償
回路２８から得られた基準温度（ここでは、２５℃）で
の零点出力補償電圧ＶＯと共にアンプ３５の負端子に送
られる。この零点出力補償電圧Ｖｏは、このアンプ３５
に入力される他に、アンプ３６の負端子にも入力される
。また、これらアンプ３５．３６の正端子には、第１図
に示すような力覚センサの歪検出素子８をブリッジ回路
に構成することにより得られた一成分力（例えば、Ｘ軸
方向）の出力電圧（Ｖｘｏ，、Ｖｘｏｊが入力されてい
る。この場合、アンブ３５とアンプ３６との間の電圧Ｖ
ｘｏは、下記に示すようになる。

Ｒ１ ＋−（ＶＯ　−ＶＴ）　　　　　・・・（１）Ｒ． Ｒ， Ｂ＝− Ｒ６ Ｖｘ（Ｆ，Ｔ）＝　Ｖｘｏ＋−　Ｖｘｏ−とおくと、 Ｖｘｏ　＝　Ｖｘ（Ｆ，　Ｔ）Ａ　十Ｂ　（Ｖｏ　−Ｖ
Ｔ）　・・−（１）に変形される。

ただし、Ｔ：温度（’Ｃ）、Ｆ：作用力（ｇ）この時、 Ｖｘ　（０．２５）：Ｔ＝２５℃におけるＦ＝Ｏｇの時
の出力電圧Ｖｘ （２５℃の時の零点出力） ＝Ｔ℃におけるＦ＝Ｏの時の 出力電圧Ｖｘ （Ｔ”Ｃの時の零点出力） Ｖｘ　　（０，Ｔ） として、 Ａ・Ｖｘ　（０．　　２５）　＝　−ＢＶｏ　　・＝　
（２）Ａ−Ｖｘ（０，Ｔ）−　Ａ”Ｖｘ（０．２５）＝
　ＢＶＴ　　＝（３）の条件を満たすならば、（１）式
のＶｘｏは２５℃においてＯ■でしかも零点出力の温度
依存性がなくなる。

そこで、今、（２）、（３）式を変形して、Ａ Ｖｏ Ｖｘ　（０．２５）　　・＝　（４） Ｂ ＶＴ　＝　　　　　｛Ｖｘ（０，Ｔ）−　Ｖｘ（０．２
５））−　（５）Ｂ の条件を満たすように、ＶＯについてはＶＲ６、ＶＴに
ついてはＶＲ４、ＶＲ５の値を調節するこどによって、
零点出力の温度依存性の影響をなくすことができる。そ
して、このようにして求められたＶｘｏを次段のアンブ
３７に入力することによって、その出力Ｖｘにより力の
一成分力（Ｘ軸方向）を求めることができる。

ここで、これまで述べた零点温度補償を行いこれにより
温度補償された力の成分力を求める方法の具体例を従来
例と比較して述べる。今、例えば、Ａ−１０，Ｂ＝１と
し、Ｆｓを定格作用力とすると、 Ｖｘ（−Ｆｓ、２５）　一Ｖｘ　（Ｆｓ、２５）＝　　
ｌｏｍＶ（定格作用力に対するブリッジ出力のスパン）
Ｖｘ　　（０．　　２５）＝２０ｍＶ 二二で、出力Ｖｘにおいて必要なスパンを１０■、Ａｏ
をアンプ３７の増幅度とすると、Ｖｘ＝１０ ＝　ｌ　Ｏ　Ｘ　Ｉ　Ｏ−’ＸＡＸＡｏより、Ａｏ＝１
００だけ必要となる。

これにより、アンプ３５．３６を含む段で零点補正をし
ないとすると、この時のＶｘは２０Ｖとなる。従来技術
（第２１図参照）の回路でこの２０■の分を補正するに
は、ボテンショメータ２１により生じる電圧Ｖｐを２０
Ｖに調整する必要がある。しかし、通常の場合、演算増
幅器（オペアンプ３５等）は±１５Ｖ用の電源を使用し
ているので、そのような２０Ｖの電圧を得ることはでき
ず、出力Ｖｘは飽和したままの状態になる。

一方、本発明による方法では、（４）式より、１ 、（２５℃の時の零点出力） ＝　−０．２　（Ｖ）　　　　　　・・・（６）の値な
満足するようにすればよい。この−〇．２■ならば、通
常の演算増幅器の電源電圧により得ることができる。従
って、これにより出力Ｖｘは飽和せず十分に零点補正を
行うことができる。なお，これまでは零点補正について
述べたが、零点温度特性の補償についても同様にして行
うことができる。

また、本実施例では、Ｘ軸方向の一成分力を検出する場
合について述べたが、この他に、検出する成分力の数が
増加した場合には、第４図における零点温度補償回路２
７をその増加した成分力の数だけ配設するようにすれば
よい。従って、これにより力の成分力を検出する数がい
くつになっても単結晶基板６（第１図参照）の歪不感部
９の表面に形成される温度検出素子２２．２３の数を増
加させる必要はなく、前述した実施例と同様に２個のま
までよいことになる。

次に、上述した実施例における温度補償用電圧発生回路
２６、及び、零点温度補償回路２７の変形例について述
べる。まず、第５図の温度補償用電圧発生回路２６の変
形例について述べる。この回路２６は、前述した第３図
のようにＶＲＩ〜■Ｒ３によりＶｄ及びＶｒのバイアス
成分や直線成．分を除去して±Ｖｄｔ、±Ｖｒｔを作製
してはいない。そこで、これらのバイアス分は、第４図
の零点温度補償回路２７のアンブ３４においてＶｄｔ．
Ｖｒｔを合成した後、零点補償回路２８の出力Ｖｏによ
り零点出力Ｖｘ　（０．２５）と共に除去される。しか
も、この場合、ＶＴが適切な直線成分の傾斜をもつよう
にＶＲ４、ＶＲ５を用いて調整を行うようにする。

次に、第４図の零点温度補償回路２７の変形例について
述べる。これは、Ｖ（ｉｔ、Ｖｒｔを合或して出力Ｖｘ
ｏを求める回路の構成を変えたものである。この場合、
Ｖｘｏは、（１）式の関係を用いると、 Ｒ． ＋　−　（Ｖｒｔ　　−Ｖｄｔ）　　　−　（７）Ｒ， となる。

この（７）式の第２項よりＶｒｔとＶｄｔを合成するこ
とができるため、これにより適切な温度補償を行うこと
ができる。なお、このような回路ではアンプ３４．３８
でＶｘ　（０．２５）を補正することはできないが、後
段のアンプ３７の部分において零点補償回路２８のＶｏ
を入力することによってそのＶｘ　（０．２５）を補正
を行い、これにより零点補正のされた最適な温度補償を
行うことができる。

発明の効果 請求項１記載の発明は、温度に対して直線的及び曲線的
に特性が変化する温度検出素子をそれぞれ形成したので
、これら２種類の温度検出素子により得られた温度補償
用電圧を合成して温度補償を行うことにより、広範囲に
渡って特性曲線の補償を行うことができるものである。

請求項２記載の発明は、温度補償用電圧発生回路により
温度補償用電圧を発生させ、この温度補償用電圧を零点
温度補償回路に送ることによって、その温度補償用電圧
と零点補償回路とにより零点温度補償を行ったので、零
点補償及び零点温度補償のなされた正確な力の成分力の
検出を行うことができるものである。

また、検出する力の成分力数に応じた数だけ零点温度補
償回路を設ければよいので、多或分力検出用の力覚セン
サにおける温度補償のための温度検出素子の個数を増加
させることなく正確に温度補償を行うことができるもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す力覚センサの平面図、
第２図はその温度検出素子部分の配線状態を含めて示す
縦断側面図、第３図は温度補償用電圧発生回路を示す回
路図、第４図は零点温度補償回路を示す回路図、第５図
は第３図の変形例を示す回路図、第６図は第４図の変形
例を示す回路図、第７図はＰＮダイオードの温度特性曲
線を示す特性図、第８図は拡散抵抗の温度特性曲線を示
す特性図、第９図は第７図の電圧のバイアス電圧を除去
した後の様子を示す特性図、第１０図は第９図の電圧を
反転増幅した場合の様子を示す特性図、第１１図は第８
図の電圧のバイアス電圧を除去した後の様子を示す特性
図、第１２図は第１１図の電圧を反転増幅した場合の様
子を示す特性図、第１３図は第９図の特性曲線において
調整用抵抗の抵抗値を変化させた場合における各種変形
例を示す特性図、第１４図は第１１図の特性曲線におい
て抵抗値を変化させた場合における各種変形例を示す特
性図、第ｌ５図は第１３図及び第１４図における特性曲
線を合成して形成される波形の様子を示す特性図、第１
６図は第１図の単結晶ＳＬ基板表面に形成される歪検出
素子をブリッジ結線した場合の等価回路を示す回路図、
第ｌ７図は零点温度特性を示す特性図、第１８図は従来
における力覚センサの構成を示す平面図、第１９図はそ
の側面図、第２０図及び第２１図は従来における零点温
度補償の機構を示す回路図である。 １・・・起歪体、２・・作用部、３・・・指示部、６・
・・単結晶基板、８・・・歪検出素子、９・・歪不感部
、２２，２３・・・温度検出素子、２６・・・温度補償
用電圧発生回路、２７・・・零点温度補償回路、２８・
・・零点補償回路 出　願　人　　　　株式会社　リ　コ （ゴー ３ ３ 図 白 一 ト ＋ 一ト一 ト １ ７Ｅ ３ 買曽 』 ｑ 図 ＪＪＯ幽

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、中心部と周辺部とのいずれか一方を支持部とし他方
   を作用部とする起歪体を設け、この起歪体の表面に機械
   的変形により電気抵抗を変化させる歪検出素子の形成さ
   れた単結晶基板が接着固定された力覚センサにおいて、
   前記単結晶基板の歪不感部の表面に、温度に対して直線
   的に特性が変化する温度検出素子及び曲線的に特性が変
   化する温度検出素子を形成したことを特徴とする力覚セ
   ンサの温度補償回路。 ２、中心部と周辺部とのいずれか一方を支持部とし他方
   を作用部とする起歪体を設け、この起歪体の表面に機械
   的変形により電気抵抗を変化させる歪検出素子の形成さ
   れた単結晶基板が接着固定された力覚センサにおいて、
   前記単結晶基板の歪不感部の表面に、温度に対して直線
   的に特性が変化する温度検出素子及び曲線的に特性が変
   化する温度検出素子を形成し、これら温度検出素子によ
   り検出された電圧をもとにセンサ出力の温度補償を行う
   ための電圧を発生する温度補償用電圧発生回路を設け、
   この温度補償用電圧発生回路により得られた出力電圧を
   もとにセンサ出力の零点温度補償を行う零点温度補償回
   路を設けたことを特徴とする力覚センサの温度補償回路
   。 ３、力覚センサにより検出する力の成分力数に応じた数
   だけ零点温度補償回路を設けたことを特徴とする請求項
   ２記載の力覚センサの温度補償回路。