JPS6394690A - 力検出装置 - Google Patents
力検出装置Info
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- JPS6394690A JPS6394690A JP61240294A JP24029486A JPS6394690A JP S6394690 A JPS6394690 A JP S6394690A JP 61240294 A JP61240294 A JP 61240294A JP 24029486 A JP24029486 A JP 24029486A JP S6394690 A JPS6394690 A JP S6394690A
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Landscapes
- Measurement Of Force In General (AREA)
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
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。
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、たと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。
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。
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。
一般に、この種の力検出装置において、外力は一定の一
点に作用するものであり、その作用点におけるx、y、
z座標系の力Fx、Fy、FzとモーメントM x 、
M y 、 M zとの独立した各成分力は第14図
に示すように作用しているものである。
点に作用するものであり、その作用点におけるx、y、
z座標系の力Fx、Fy、FzとモーメントM x 、
M y 、 M zとの独立した各成分力は第14図
に示すように作用しているものである。
このような各成分力を検出するために、力検出装置の起
歪体を立体的なブロック構造に形成し、外力を多軸力成
分として分離検出するようにしたものが存し、この構造
は実公昭54−11903号公報、実公昭54−210
21号公報、特開昭59−95433号公報、特開昭6
1−57825号公報、特開昭61−79129号公報
等により開示されている。とくに、前述の作用点におけ
るX、Y、Z座標系の力Fx、Fv、Fzとモーメント
M x 、 M y 、 M zとの独立した各成分力
の検出面、すなわち、ストレンゲージの貼付面は、成分
力に垂直な面を用いていることに特徴があるものであり
、起歪体は前述のようにブロック構造としての三次元的
な構造にならざるを得ないものである。
歪体を立体的なブロック構造に形成し、外力を多軸力成
分として分離検出するようにしたものが存し、この構造
は実公昭54−11903号公報、実公昭54−210
21号公報、特開昭59−95433号公報、特開昭6
1−57825号公報、特開昭61−79129号公報
等により開示されている。とくに、前述の作用点におけ
るX、Y、Z座標系の力Fx、Fv、Fzとモーメント
M x 、 M y 、 M zとの独立した各成分力
の検出面、すなわち、ストレンゲージの貼付面は、成分
力に垂直な面を用いていることに特徴があるものであり
、起歪体は前述のようにブロック構造としての三次元的
な構造にならざるを得ないものである。
このような構造のものにおいては、起歪体の製作手段が
切削加工や放電加工であり、ブロック状の素材から製作
しなければならないものである。
切削加工や放電加工であり、ブロック状の素材から製作
しなければならないものである。
そのため、加工が困難かつ煩雑である。また、各成分の
力検出要素毎にストレンゲージによる検出素子を貼着し
、これらの電気的接続はブリッジ結合されるのが一般的
であるので、リード線のはいまわしが煩雑であり、コン
パクト化や低コスト化をすることが難しく、量産性が低
いと云う問題点を有しているものである。特に、起歪体
と歪ゲージとは、別材料により形成されているものであ
るため、力検出時のヒステリシスの発生を防ぐことがで
きないものである。
力検出要素毎にストレンゲージによる検出素子を貼着し
、これらの電気的接続はブリッジ結合されるのが一般的
であるので、リード線のはいまわしが煩雑であり、コン
パクト化や低コスト化をすることが難しく、量産性が低
いと云う問題点を有しているものである。特に、起歪体
と歪ゲージとは、別材料により形成されているものであ
るため、力検出時のヒステリシスの発生を防ぐことがで
きないものである。
また、外力を多軸力成分として分離するために構造物や
プレートを組合せて立体的なブロックを形成しているも
のも存し、この構造のものは特開昭61−83929号
公報に開示されている。このような構造のものにおいて
は、各成分毎の検出体がビス等により締結されているた
め、再現性に乏しいと云う問題がある。すなわち、締結
部の変形によりヒステリシスや非線形性が生じることに
なる。
プレートを組合せて立体的なブロックを形成しているも
のも存し、この構造のものは特開昭61−83929号
公報に開示されている。このような構造のものにおいて
は、各成分毎の検出体がビス等により締結されているた
め、再現性に乏しいと云う問題がある。すなわち、締結
部の変形によりヒステリシスや非線形性が生じることに
なる。
目的
本発明は、検出素子を具備した起歪体の製作が容易で、
ヒステリシスの発生のない力検出装置を得ることを目的
とする。
ヒステリシスの発生のない力検出装置を得ることを目的
とする。
構成
本発明は、剛性の高い中心部と周辺部との間に検出面を
形成した単結晶による平板状起歪体を形成し、前記中心
部と前記周辺部とのいずれか一方を支持部とし他方を作
用点とするとともに前記検出面に検出素子を半導体プレ
ーナプロセス技術により形成する。これにより、起歪体
はエツチングにより簡単に形成することができ、しかも
、検出面を平面に形成することにより、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起歪体の表面
に直接的にきわめて簡単に形成することができ、そのた
め、ヒステリシスの発生のおそれがないように構成した
ものである。
形成した単結晶による平板状起歪体を形成し、前記中心
部と前記周辺部とのいずれか一方を支持部とし他方を作
用点とするとともに前記検出面に検出素子を半導体プレ
ーナプロセス技術により形成する。これにより、起歪体
はエツチングにより簡単に形成することができ、しかも
、検出面を平面に形成することにより、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起歪体の表面
に直接的にきわめて簡単に形成することができ、そのた
め、ヒステリシスの発生のおそれがないように構成した
ものである。
本発明の一実施例を第1図乃至第13図に基づいて説明
する。まず、平板状起歪体1は単結晶基板よりなるもの
であり、その平板状起歪体lはリング状に形成された厚
さが厚くて剛性の高い周辺部2を有し、この周辺部2に
は同一円周上に位置して厚さ方向に貫通した8個の取付
孔3が形成されている。この周辺部2は図示しない固定
部に固定される支持部4に連結されている。
する。まず、平板状起歪体1は単結晶基板よりなるもの
であり、その平板状起歪体lはリング状に形成された厚
さが厚くて剛性の高い周辺部2を有し、この周辺部2に
は同一円周上に位置して厚さ方向に貫通した8個の取付
孔3が形成されている。この周辺部2は図示しない固定
部に固定される支持部4に連結されている。
また、中央には厚さが厚い円板状の中心部5が形成され
、この中心部5には4個の取付孔6が厚さ方向に貫通し
て形成されている。この中心部5には、図示しない部材
が取付けられ、この中心部5は外力を受けるための作用
部7とされている。
、この中心部5には4個の取付孔6が厚さ方向に貫通し
て形成されている。この中心部5には、図示しない部材
が取付けられ、この中心部5は外力を受けるための作用
部7とされている。
さらに、前記支持部4と前記作用部7との間には厚さの
薄い平板部8が形成され、この平板部8の表面は検出面
9とされている。このような平板部8には比較的直径の
大きい8個の六lOが等間隔に形成されている。これら
の穴10により内外周を連結する8本のアーム11が放
射状に形成さ 。
薄い平板部8が形成され、この平板部8の表面は検出面
9とされている。このような平板部8には比較的直径の
大きい8個の六lOが等間隔に形成されている。これら
の穴10により内外周を連結する8本のアーム11が放
射状に形成さ 。
れている。これらのアーム11はそれらの中心部分にお
いて最も幅の狭い幅狭部12とこの幅狭部12の両端に
位置して略台形の拡開部13とよりなるものである。そ
して、X軸方向とY軸方向とX軸及びY軸に対して45
度の角度を持つZ軸方向とに沿うように前記アーム部1
1を位置決めしている。
いて最も幅の狭い幅狭部12とこの幅狭部12の両端に
位置して略台形の拡開部13とよりなるものである。そ
して、X軸方向とY軸方向とX軸及びY軸に対して45
度の角度を持つZ軸方向とに沿うように前記アーム部1
1を位置決めしている。
ついで、前記X軸上における前記拡開部13にはY、、
Y、、Y、、Y、と表示されたストレンゲージによる検
出素子14が後述の半導体プレーナプロセス技術により
形成されている。これらの検出素子14の内、前記Y、
、Y、とは外側の拡開部13に位置し、前記Y、、Y、
とは内側の拡開部13に位置している。そして、これら
の検出素子14は第5図に示すようにブリッジ結合され
ており、Yl 1 Y 11 Y 31 Y 4 なる
検出素子14のバランスが崩れた時には出力VYが発生
するように接続されている。
Y、、Y、、Y、と表示されたストレンゲージによる検
出素子14が後述の半導体プレーナプロセス技術により
形成されている。これらの検出素子14の内、前記Y、
、Y、とは外側の拡開部13に位置し、前記Y、、Y、
とは内側の拡開部13に位置している。そして、これら
の検出素子14は第5図に示すようにブリッジ結合され
ており、Yl 1 Y 11 Y 31 Y 4 なる
検出素子14のバランスが崩れた時には出力VYが発生
するように接続されている。
また、前記X軸と直交する前記Y軸上における前記拡開
部13にはX、I X ! l X 31 X 4 と
表示されたストレンゲージによる検出素子14が後述の
半導体プレーナプロセス技術により形成されている。
部13にはX、I X ! l X 31 X 4 と
表示されたストレンゲージによる検出素子14が後述の
半導体プレーナプロセス技術により形成されている。
これらの検出素子14の内、前記X、、X4 とは外側
の拡開部13に位置し、前記X、、X、とは内側の拡開
部13に位置している。これらの検出素子14は第6図
に示すようにブリッジ結合されており、x、、x、、x
3.x、なる検出素子14のバランスが崩れた時には出
力Vxが発生するように接続されている。
の拡開部13に位置し、前記X、、X、とは内側の拡開
部13に位置している。これらの検出素子14は第6図
に示すようにブリッジ結合されており、x、、x、、x
3.x、なる検出素子14のバランスが崩れた時には出
力Vxが発生するように接続されている。
さらに、X軸及びY軸に対して45度の角度を持つZ軸
上に位置する前記拡開部13には、Z l lz、、z
、、z、、z、、z、、z、、z、と表示した8個の検
出素子14が後述する半導体プレーナプロセス技術によ
り形成されている。これらの検出素子14の内、z、、
z、、z、、z、は外側の前記拡開部13に位置し、z
、、z、、z、、z、は内側の前記拡開部13に位置し
ている。これらの検出素子14は第7図に示すように接
続されている。すなわち、2、.2. と2..23と
2..2.と2..2. とがそれぞれユニットになっ
てブリッジ結合されており、これらのバランスが崩れた
時には出力Vzが発生するものである。
上に位置する前記拡開部13には、Z l lz、、z
、、z、、z、、z、、z、、z、と表示した8個の検
出素子14が後述する半導体プレーナプロセス技術によ
り形成されている。これらの検出素子14の内、z、、
z、、z、、z、は外側の前記拡開部13に位置し、z
、、z、、z、、z、は内側の前記拡開部13に位置し
ている。これらの検出素子14は第7図に示すように接
続されている。すなわち、2、.2. と2..23と
2..2.と2..2. とがそれぞれユニットになっ
てブリッジ結合されており、これらのバランスが崩れた
時には出力Vzが発生するものである。
前述のように位置決めされた検出素子14は、第15図
に示すように半導体プレーナプロセス技術により形成さ
れているものである。すなわち、前記平板状起歪体lは
単結晶、すなわち、Si n−(110)ウェハにより
形成されているものであるが、まず、つぎにその工程を
説明する。
に示すように半導体プレーナプロセス技術により形成さ
れているものである。すなわち、前記平板状起歪体lは
単結晶、すなわち、Si n−(110)ウェハにより
形成されているものであるが、まず、つぎにその工程を
説明する。
(酸化工程)
Si n (110)ウェハを酸化し、表面にSio
2を形成する。このSiO□は次工程の拡散のマスクと
して使用する。
2を形成する。このSiO□は次工程の拡散のマスクと
して使用する。
(拡散窓明工程)
選択拡散を行うためにSiO□を除去し、拡散窓明を行
う。
う。
(拡散工程)
B−Nプレート、Bcl、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所のみ拡散し、n型
からp型に変わる。
からp型に変わる。
(CVD、Si3N、デポジション工程)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。
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。
(コンタクトホールエツチング工程)
ゲージ抵抗を電気的に接続するためにコンタクトホール
をエツチングし、窓明をする。
をエツチングし、窓明をする。
(アルミ蒸着工程)
アルミニウムによりゲージ抵抗の相互接続及び外部回路
への電気的接続を図る。
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とのオーミック性を改善する
ためにシンタリングを行う。
ためにシンタリングを行う。
このような過程を経てから、必要に応じて平板状起歪体
1に分離するダイシングを行い、また、前述の各部の形
状形成を行う。
1に分離するダイシングを行い、また、前述の各部の形
状形成を行う。
このような構成において、第8図(a)(b)に基づい
て平板状起歪体1の検出原理について説明する。
て平板状起歪体1の検出原理について説明する。
まず、第8図において、ビームまたはプレートによる起
歪体15が固定部16と可動部17との間に取付けられ
ており、この起歪体15の上下面には中心からの距離を
等しくして検出素子としてのストレンゲージ18が設け
られている。そして、第8図(a)に示す状態は可動部
17に負荷が加えられていない状態であり、第8図(b
)に示す状態は、Fなる下方への負荷が印加されて可動
部17が下方へ移動した状態である。このとき、起歪体
15は固定部16側の上面が伸び、下面が縮小し、可動
部17側の上面が縮小し、下面が伸びている。
歪体15が固定部16と可動部17との間に取付けられ
ており、この起歪体15の上下面には中心からの距離を
等しくして検出素子としてのストレンゲージ18が設け
られている。そして、第8図(a)に示す状態は可動部
17に負荷が加えられていない状態であり、第8図(b
)に示す状態は、Fなる下方への負荷が印加されて可動
部17が下方へ移動した状態である。このとき、起歪体
15は固定部16側の上面が伸び、下面が縮小し、可動
部17側の上面が縮小し、下面が伸びている。
すなわち、ストレンゲージ18には絶対値が等しく符号
子−が逆の歪が発生してそれに応じた抵抗変化をする。
子−が逆の歪が発生してそれに応じた抵抗変化をする。
一般にこの4枚のストレンゲージ18をブリッジ結合し
て1枚のストレンゲージの場合と比較し感度を4倍にし
て出力を取り出すようにしている。
て1枚のストレンゲージの場合と比較し感度を4倍にし
て出力を取り出すようにしている。
つぎに、第9図に示すものは、本実施例における平板状
起歪体1と同様な断面のものであり、周囲の支持部4は
図示しない固定部に固定され、中心の作用部7に外力が
作用するものである。いま、第9図(a)は作用部7に
荷重が作用していない状態であり、第9図(b)はFz
なる垂直荷重が作用している状態である。この状態にお
いては、中心の作用部7から片側は前述の第8図(b)
に示す状態と同様であり、内側の二つの検出素子14は
縮み(−)、外側の二つの検出素子14は伸び(+)で
いるものである。第9図(C)に示す状態は作用部7に
モーメントMが作用した状態である。この状態において
は、左右で反対称の撓状態を示し、内側と外側との検出
素子14のそれぞれの撓状態が逆の符号を示す状態にな
っている。
起歪体1と同様な断面のものであり、周囲の支持部4は
図示しない固定部に固定され、中心の作用部7に外力が
作用するものである。いま、第9図(a)は作用部7に
荷重が作用していない状態であり、第9図(b)はFz
なる垂直荷重が作用している状態である。この状態にお
いては、中心の作用部7から片側は前述の第8図(b)
に示す状態と同様であり、内側の二つの検出素子14は
縮み(−)、外側の二つの検出素子14は伸び(+)で
いるものである。第9図(C)に示す状態は作用部7に
モーメントMが作用した状態である。この状態において
は、左右で反対称の撓状態を示し、内側と外側との検出
素子14のそれぞれの撓状態が逆の符号を示す状態にな
っている。
このような検出原理を示す平板状起歪体lにおいて、作
用的に重要な点は平板状起歪体1自体に検出素子14が
同一部材として形成されている点であり、これにより、
力検出時にヒステリシスの発生がない点に特長がある。
用的に重要な点は平板状起歪体1自体に検出素子14が
同一部材として形成されている点であり、これにより、
力検出時にヒステリシスの発生がない点に特長がある。
そのため、従来のように起歪体と検出素子とが接着等で
一体化されていても、それらが別部材で構成されている
以上、ヒステリシスの発生やクリープの発生等を避ける
ことができなかったことに比べると顕著な効果をもたら
すものである。
一体化されていても、それらが別部材で構成されている
以上、ヒステリシスの発生やクリープの発生等を避ける
ことができなかったことに比べると顕著な効果をもたら
すものである。
さらにまた、支持部4と作用部7とが平板部8よりも剛
性が高く、しかも、支持部49作用部7゜平板部8が一
体的に形成されていることも、この種の起歪体としては
重要な要件である。すなわち、支持部4と作用部7とに
は固定部及び荷重検出体が結合されるものであるが、こ
れらの締結部に外・力による変形又は遊びが生じること
があると出力にヒステリシスが生じたり、非線形性が生
じたりする。そのため、支持部4と作用部7とが平板部
8よりも剛性が高く、しかも、支持部49作用部7、平
板部8が一体的に形成されていることにより、ヒステリ
シスの発生や非線形性が発生したりすることがない。ま
た、締結部としての支持部4と作用部7とには、ねじ締
め等による応力が発生して検出面9に歪を発生させ易い
ものであるが、これらの支持部4と作用部7とは平板部
8よりもはるかに剛性が高いので、検出素子14に他部
材の締結を原因とする歪が発生することがない。
性が高く、しかも、支持部49作用部7゜平板部8が一
体的に形成されていることも、この種の起歪体としては
重要な要件である。すなわち、支持部4と作用部7とに
は固定部及び荷重検出体が結合されるものであるが、こ
れらの締結部に外・力による変形又は遊びが生じること
があると出力にヒステリシスが生じたり、非線形性が生
じたりする。そのため、支持部4と作用部7とが平板部
8よりも剛性が高く、しかも、支持部49作用部7、平
板部8が一体的に形成されていることにより、ヒステリ
シスの発生や非線形性が発生したりすることがない。ま
た、締結部としての支持部4と作用部7とには、ねじ締
め等による応力が発生して検出面9に歪を発生させ易い
ものであるが、これらの支持部4と作用部7とは平板部
8よりもはるかに剛性が高いので、検出素子14に他部
材の締結を原因とする歪が発生することがない。
一般に、中心に位置する作用部7にはZ軸方向に突出す
る感圧部材が取付けられるものであるが、その感圧部材
の先端にFxなる力が作用したとすれば、作用部7では
Myなるモーメントになり、感圧部材の先端にFyなる
力が作用したとすれば、作用部7ではMxなるモーメン
トとなる。そのため、My、Mx、Fzの三つの外力が
代表的なものとなる。
る感圧部材が取付けられるものであるが、その感圧部材
の先端にFxなる力が作用したとすれば、作用部7では
Myなるモーメントになり、感圧部材の先端にFyなる
力が作用したとすれば、作用部7ではMxなるモーメン
トとなる。そのため、My、Mx、Fzの三つの外力が
代表的なものとなる。
この応力関係を第10図に基づいて説明する。
まず、検出面9の中心に作用点0.が存し、この作用点
O0に高さ乙の感圧部材が取付けられ、この感圧部材に
対して外力が作用点01 に作用するものとする。そこ
で、感圧部材の作用点01 に働<F x、 F y、
F z、Mx、Myの成分は、検出面9の作用点O0
では、F z 、 M x 、 M yの3成分力とし
て検出されるものである。
O0に高さ乙の感圧部材が取付けられ、この感圧部材に
対して外力が作用点01 に作用するものとする。そこ
で、感圧部材の作用点01 に働<F x、 F y、
F z、Mx、Myの成分は、検出面9の作用点O0
では、F z 、 M x 、 M yの3成分力とし
て検出されるものである。
つぎに、第11図ないし第13図に基づいて平板状起歪
体1に外力が作用した代表的な状態について説明する。
体1に外力が作用した代表的な状態について説明する。
まず、作用力として作用部7にモーメントMyのみが作
用する状態を第11図(a)(b)(c)(d)に示す
。このとき、第11図(a)に示すようにMx成分検出
部においては変形がなく、X、、X、、X、、X4(7
)検出素子14により構成された第6図に示すブリッジ
回路の出力Vxは「O」である。また、My成分検出部
は、第11図(b)に示すような変形モードとなり、Y
、、Y、、Y、、Y、と表示された検出素子14がそれ
ぞれ変形し、第5図に示すブリッジ回路の出力VYがモ
ーメントMyに応じた値を示す。さらに、Fz成分検出
部は、第11図(c)(d)に示すような変形モードと
なり、2..2□l Z 3 ? Z 41 Z &
l Z @ l Z ? l Z @ と表示した8個
の検出素子14がそれぞれ変形する。しかしながら、こ
の変形度合いが小さいこと、その出力は第7図に示すブ
リッジ回路により求められることによりほとんど「O」
になる。すなわち、Zl と24.2.と21,2.と
2..2.と77との伸び縮みの変形の方向は各々逆方
向であり、第7図に示すブリッジ回路において各辺の合
成抵抗がそれぞれ相殺されてrQJになるため、出力V
zは「0」になる。
用する状態を第11図(a)(b)(c)(d)に示す
。このとき、第11図(a)に示すようにMx成分検出
部においては変形がなく、X、、X、、X、、X4(7
)検出素子14により構成された第6図に示すブリッジ
回路の出力Vxは「O」である。また、My成分検出部
は、第11図(b)に示すような変形モードとなり、Y
、、Y、、Y、、Y、と表示された検出素子14がそれ
ぞれ変形し、第5図に示すブリッジ回路の出力VYがモ
ーメントMyに応じた値を示す。さらに、Fz成分検出
部は、第11図(c)(d)に示すような変形モードと
なり、2..2□l Z 3 ? Z 41 Z &
l Z @ l Z ? l Z @ と表示した8個
の検出素子14がそれぞれ変形する。しかしながら、こ
の変形度合いが小さいこと、その出力は第7図に示すブ
リッジ回路により求められることによりほとんど「O」
になる。すなわち、Zl と24.2.と21,2.と
2..2.と77との伸び縮みの変形の方向は各々逆方
向であり、第7図に示すブリッジ回路において各辺の合
成抵抗がそれぞれ相殺されてrQJになるため、出力V
zは「0」になる。
ここではFz成分検出に8個のストレンゲージを用いて
いるが、X、Y軸またはX、Y軸と45度方向にある軸
のひとつの軸方向で4個のストレンゲージを用いても検
出は可能である。しかし、Fz以外の力(モーメント)
の干渉を小さくするために本方式を採用した。
いるが、X、Y軸またはX、Y軸と45度方向にある軸
のひとつの軸方向で4個のストレンゲージを用いても検
出は可能である。しかし、Fz以外の力(モーメント)
の干渉を小さくするために本方式を採用した。
つぎに、モーメントMxのみが作用する状態は、第12
図(a)(b)(c)(d)に示されるが、この場合は
Mx成分検出部の出力Vxが発生し、My成分検出部の
出力Vyは「0」となる。また、Fz成分検出部の出力
Vzについては、前述の第11図(C)(d)における
場合と同様な理由によりrQJとなる。
図(a)(b)(c)(d)に示されるが、この場合は
Mx成分検出部の出力Vxが発生し、My成分検出部の
出力Vyは「0」となる。また、Fz成分検出部の出力
Vzについては、前述の第11図(C)(d)における
場合と同様な理由によりrQJとなる。
さらに、力Fzのみが作用する場合は、第13図(a)
(b)(c)(d)に示されるが、Mx成分検出部にお
いては、X、、X4 が+側の変形であり、X、、X3
が一側の変形であり、第6図に示すブリッジ回路の出力
VxはrQJである。また、My成分検出部の出力Vy
も同様な理由で「O」である。一方、Fz成分検出部の
出力Vzは一個の検出素子14の8倍の出力が得られる
。
(b)(c)(d)に示されるが、Mx成分検出部にお
いては、X、、X4 が+側の変形であり、X、、X3
が一側の変形であり、第6図に示すブリッジ回路の出力
VxはrQJである。また、My成分検出部の出力Vy
も同様な理由で「O」である。一方、Fz成分検出部の
出力Vzは一個の検出素子14の8倍の出力が得られる
。
このような第11図ないし第13図の出力状態をまとめ
ると、第1表に示すようになる。
ると、第1表に示すようになる。
第1表
このように最大感度の方向の変形を歪ゲージとしての検
出素子14により検出し、他の干渉成分はブリッジ回路
によりその出力をrQJとすることが可能になった。
出素子14により検出し、他の干渉成分はブリッジ回路
によりその出力をrQJとすることが可能になった。
つぎに、平板状起歪体1の平板部8に穴10を形成した
ことにより、各成分の応力分離が良好に行われている。
ことにより、各成分の応力分離が良好に行われている。
例えば、平板部8に穴10がなくて円形ダイヤフラムに
より形成されているものとすれば、作用部7に外力が作
用した時、平板部8に生じる曲げ応力は動径方向に生じ
ることはもちろんのことであるが、周方向にも略同程度
の応力が生じてしまうものである。この周方向の応力の
発生は各成分毎に検出する場合、他の成分に大きく干渉
する。しかしながら、前述のように中心から等距離で円
周上に等間隔で複数の穴10が形成されていることによ
り、平板部8に発生する周方向の曲げ応力を小さくし、
歪の発生を主として動径方向にのみ表われるようにして
いる。このような作用により、各成分の応力の干渉がな
く、その応力分離が良好に行われるものである。
より形成されているものとすれば、作用部7に外力が作
用した時、平板部8に生じる曲げ応力は動径方向に生じ
ることはもちろんのことであるが、周方向にも略同程度
の応力が生じてしまうものである。この周方向の応力の
発生は各成分毎に検出する場合、他の成分に大きく干渉
する。しかしながら、前述のように中心から等距離で円
周上に等間隔で複数の穴10が形成されていることによ
り、平板部8に発生する周方向の曲げ応力を小さくし、
歪の発生を主として動径方向にのみ表われるようにして
いる。このような作用により、各成分の応力の干渉がな
く、その応力分離が良好に行われるものである。
また、平板状起歪体1の平板部8に形成された六10に
よりアーム11が形成され、このアーム11の拡開部1
3に検出素子14が位置している。
よりアーム11が形成され、このアーム11の拡開部1
3に検出素子14が位置している。
この拡開部13は互いに隣合う二個の穴10により形成
されているものであり、略台形に近似した形状をしてい
る。そして、円周方向に対しては、隣合う拡開部13と
互いに分離された形をしており、前述のように円周方向
の曲げ応力による干渉が生じない状態になっている。し
かも、拡開部13はアーム11部分の基部に位置してい
るので、動径方向の曲げ応力が発生し易い部分であり、
外力により発生する歪の検出には適当な位置である。
されているものであり、略台形に近似した形状をしてい
る。そして、円周方向に対しては、隣合う拡開部13と
互いに分離された形をしており、前述のように円周方向
の曲げ応力による干渉が生じない状態になっている。し
かも、拡開部13はアーム11部分の基部に位置してい
るので、動径方向の曲げ応力が発生し易い部分であり、
外力により発生する歪の検出には適当な位置である。
さらに、拡開部13に発生する曲げ応力の分布を見ると
、アーム11の基部における前記拡開部13においては
、その応力分布が比較的均一であり、しかも、干渉が少
ない。そのため、検出素子14をストレンゲージとして
平板状起歪体1に貼付する場合、多少の位置ずれがあっ
ても歪検出の精度のバラツキがなく、これにより多少の
位置ずれは許容されることになり、貼付位置の精度に対
して厳しい条件を付ける必要がないものである。
、アーム11の基部における前記拡開部13においては
、その応力分布が比較的均一であり、しかも、干渉が少
ない。そのため、検出素子14をストレンゲージとして
平板状起歪体1に貼付する場合、多少の位置ずれがあっ
ても歪検出の精度のバラツキがなく、これにより多少の
位置ずれは許容されることになり、貼付位置の精度に対
して厳しい条件を付ける必要がないものである。
つぎに、平板状起歪体1の平板部8に8個の穴10が形
成されていることにより、X軸とY軸との動径方向に対
して、それらと45度の角度を持つ位置にz、、z、、
z、、z、、z、、z、、z、、z、なる検出素子14
を配設することが可能になる。このような検出素子14
の配設により、第1表に示すようにFz酸成分検出が良
好に為され、しかも、M x 、 M y成分の検出時
にその成分以外の検出値を有効に消去することができる
ものである。
成されていることにより、X軸とY軸との動径方向に対
して、それらと45度の角度を持つ位置にz、、z、、
z、、z、、z、、z、、z、、z、なる検出素子14
を配設することが可能になる。このような検出素子14
の配設により、第1表に示すようにFz酸成分検出が良
好に為され、しかも、M x 、 M y成分の検出時
にその成分以外の検出値を有効に消去することができる
ものである。
なお、前記実施例においては、平板状起歪体1を円板状
のものとして説明したが、その外周形状は円板状に限ら
れるものではなく、正方形状、矩形状、多角形状その他
の任意の形状により形成することが可能である。
のものとして説明したが、その外周形状は円板状に限ら
れるものではなく、正方形状、矩形状、多角形状その他
の任意の形状により形成することが可能である。
また、平板状起歪体lの平板部8に穴10を形成したも
のについて説明したが、前述のように各応力の干渉を許
容した簡易形のものでよい場合には、それらの穴10を
形成することなく、ダイヤフラム形状としておいてもよ
いものである。
のについて説明したが、前述のように各応力の干渉を許
容した簡易形のものでよい場合には、それらの穴10を
形成することなく、ダイヤフラム形状としておいてもよ
いものである。
さらに、検出軸の方向に関しては、前記実施例のように
x、y、zの三方向をすべて検出するものとせず、例え
ばX軸とY軸との二方向だけの検出を行うものとして構
成してもよいものである。
x、y、zの三方向をすべて検出するものとせず、例え
ばX軸とY軸との二方向だけの検出を行うものとして構
成してもよいものである。
効果
本発明は、上述のように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、これらの両者間に検
出面を形成し、この検出面よりも前記中心部と前記周辺
部との剛性を大きくした平板状起歪体を単結晶基板によ
り形成し、この平板状起歪体の前記検出面にこの検出面
の機械的変形により電気抵抗を変化させる検出素子を半
導体プレーナプロセス技術により形成したので、単結晶
による平板状起歪体をエツチングにより簡単に製作する
ことができ、しかも、検出素子もその起歪体自体に直接
的に形成することができ、これにより、ヒステリシスの
発生の恐れがなく、また、起歪体の変形が検出素子に誤
差なく伝達されて正確な検出値を得ることができ、さら
に、均等な性能を有する検出素子の配列を行うことがで
き、それらの位置も正確になり、各成分毎のブリッジ化
をする複雑なリード線の配線が容易になる等の効果を有
するものである。
方を支持部とし他方を作用部とし、これらの両者間に検
出面を形成し、この検出面よりも前記中心部と前記周辺
部との剛性を大きくした平板状起歪体を単結晶基板によ
り形成し、この平板状起歪体の前記検出面にこの検出面
の機械的変形により電気抵抗を変化させる検出素子を半
導体プレーナプロセス技術により形成したので、単結晶
による平板状起歪体をエツチングにより簡単に製作する
ことができ、しかも、検出素子もその起歪体自体に直接
的に形成することができ、これにより、ヒステリシスの
発生の恐れがなく、また、起歪体の変形が検出素子に誤
差なく伝達されて正確な検出値を得ることができ、さら
に、均等な性能を有する検出素子の配列を行うことがで
き、それらの位置も正確になり、各成分毎のブリッジ化
をする複雑なリード線の配線が容易になる等の効果を有
するものである。
第1図は本発明の一実施例を示す斜視図、第2図はその
平面図、第3図は第2図におけるA−A線部の断面図、
第4図は第2図におけるB−B線部の断面図、第5図は
My成分検出部のブリッジ回路を示す電気回路図、第6
図はMx成分検出部のブリッジ回路を示す電気回路図、
第7図はFz成分検出部のブリッジ回路を示す電気回路
図、第8図は検出原理を示す側面図、第9図は平板状起
歪体に外力が作用した状態の検出原理を示す側面図、第
10図は作用部に作用する力の状態を示す斜視図、第1
1図はモーメントMYが作用した時の平板状起歪体の変
形状態を示す側面図、第12図はモーメントMxが作用
した時の平板状起歪体の変形状態を示す側面図、第13
図は力Fzが作用した時の平板状起歪体の変形状態を示
す側面図、第14図は外力の作用した場合の各成分力を
示すベクトル図、第15図はハクマクプロセスを示すフ
ローチャートである。 1・・・平板状起歪体、2・・・周辺部、4・・・支持
部、5・・・中心部、7・・・作用部、9・・・検出面
、14・・・検出素子 出 願 人 株式会社 リコー 3はし くa) 、55図 36図 37菌 」0
平面図、第3図は第2図におけるA−A線部の断面図、
第4図は第2図におけるB−B線部の断面図、第5図は
My成分検出部のブリッジ回路を示す電気回路図、第6
図はMx成分検出部のブリッジ回路を示す電気回路図、
第7図はFz成分検出部のブリッジ回路を示す電気回路
図、第8図は検出原理を示す側面図、第9図は平板状起
歪体に外力が作用した状態の検出原理を示す側面図、第
10図は作用部に作用する力の状態を示す斜視図、第1
1図はモーメントMYが作用した時の平板状起歪体の変
形状態を示す側面図、第12図はモーメントMxが作用
した時の平板状起歪体の変形状態を示す側面図、第13
図は力Fzが作用した時の平板状起歪体の変形状態を示
す側面図、第14図は外力の作用した場合の各成分力を
示すベクトル図、第15図はハクマクプロセスを示すフ
ローチャートである。 1・・・平板状起歪体、2・・・周辺部、4・・・支持
部、5・・・中心部、7・・・作用部、9・・・検出面
、14・・・検出素子 出 願 人 株式会社 リコー 3はし くa) 、55図 36図 37菌 」0
Claims (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
用部とし、これらの両者間に検出面を形成し、この検出
面よりも前記中心部と前記周辺部との剛性を大きくした
単結晶基板による平板状起歪体を形成し、この平板状起
歪体の前記検出面にこの検出面の機械的変形により電気
抵抗を変化させる検出素子を半導体プレーナプロセス技
術により形成したことを特徴とする力検出装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP61240294A JPH0821721B2 (ja) | 1986-10-09 | 1986-10-09 | 力検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP61240294A JPH0821721B2 (ja) | 1986-10-09 | 1986-10-09 | 力検出装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS6394690A true JPS6394690A (ja) | 1988-04-25 |
JPH0821721B2 JPH0821721B2 (ja) | 1996-03-04 |
Family
ID=17057336
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP61240294A Expired - Lifetime JPH0821721B2 (ja) | 1986-10-09 | 1986-10-09 | 力検出装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0821721B2 (ja) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS63169078A (ja) * | 1987-01-06 | 1988-07-13 | Nippon Denso Co Ltd | 半導体振動・加速度センサ |
US5092645A (en) * | 1987-09-18 | 1992-03-03 | Wacoh Corporation | Robotic gripper having strain sensors formed on a semiconductor substrate |
JP2002328420A (ja) * | 2001-04-27 | 2002-11-15 | Sony Corp | 撮影装置及び操作スイッチ |
JP2007298471A (ja) * | 2006-05-02 | 2007-11-15 | Honda Motor Co Ltd | 力覚センサ用チップ |
JP2011213271A (ja) * | 2010-03-31 | 2011-10-27 | Minebea Co Ltd | 車両用シート位置制御センサ |
WO2019146696A1 (ja) * | 2018-01-29 | 2019-08-01 | ミネベアミツミ株式会社 | センサチップ及び力覚センサ装置 |
JP2019132614A (ja) * | 2018-01-29 | 2019-08-08 | ミツミ電機株式会社 | センサチップ及び力覚センサ装置 |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS61223626A (ja) * | 1985-03-29 | 1986-10-04 | Nec Corp | センサ |
-
1986
- 1986-10-09 JP JP61240294A patent/JPH0821721B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS61223626A (ja) * | 1985-03-29 | 1986-10-04 | Nec Corp | センサ |
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JPS63169078A (ja) * | 1987-01-06 | 1988-07-13 | Nippon Denso Co Ltd | 半導体振動・加速度センサ |
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JP2002328420A (ja) * | 2001-04-27 | 2002-11-15 | Sony Corp | 撮影装置及び操作スイッチ |
WO2002097506A1 (fr) * | 2001-04-27 | 2002-12-05 | Sony Corporation | Camera et bouton de commande |
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WO2019146696A1 (ja) * | 2018-01-29 | 2019-08-01 | ミネベアミツミ株式会社 | センサチップ及び力覚センサ装置 |
JP2019132614A (ja) * | 2018-01-29 | 2019-08-08 | ミツミ電機株式会社 | センサチップ及び力覚センサ装置 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH0821721B2 (ja) | 1996-03-04 |
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