DE3852271T2

DE3852271T2 - Kraft- und momentendetektor unter verwendung eines widerstandes.

Info

Publication number: DE3852271T2
Application number: DE3852271T
Authority: DE
Inventors: Kazuhiro Okada
Original assignee: Enplas Laboratories Inc
Current assignee: Enplas Laboratories Inc
Priority date: 1987-04-24
Filing date: 1988-04-22
Publication date: 1995-07-06
Anticipated expiration: 2008-04-23
Also published as: EP0311695B1; US4905523A; US4969366A; WO1988008521A1; EP0311695A1; EP0311695A4; DE3852271D1

Description

Gebiet der Technik

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Kraftdetektor und einen Momentdetektor, welche Widerstandselemente verwenden, und insbesondere auf einen Detektor, um Kraft und Moment als Spannung-Verformung zu ermitteln, um die Spannung-Verformung in eine Änderung des Widerstandswerts der Widerstandselemente zu wandeln, um somit eine Ausgabe in der Form eines elektrischen Signals zu liefern.

Stand der Technik

Im allgemeinen ermittelt ein Gerät zum Ermitteln von Kraft oder Moment, welche auf einen Arbeitspunkt aufgebracht sind, die bei dem Aufbringen der Kraft oder des Moments erzeugte Spannung-Verformung, um auf diese Weise indirekt Kraft oder Moment zu ermitteln. Die Ermittlung von Spannung-Verformung wird bewerkstelligt mittels Vorsehen von Sensoren, wie Verformungsmessern, auf verschiedenen Abschnitten eines Verformung erzeugenden Körpers, und Erzeugung einer Spannung-Verformung als Reaktion auf das Aufbringen von Kraft oder Moment, um Änderungen von zum Beispiel Widerstandswerten etc. dieser Sensoren zu messen. Wo beispielsweise ein Verformungsmesser als der Sensor verwendet ist, erscheint Spannung-Verformung in der Form von Widerstandsänderungen des Verformungsmessers.
Die Probleme beim konventionellen Kraftdetektor und Momentdetektor sind jedoch wie folgt:
Erstes Problem ist, daß das Gerät in der Konstruktion kompliziert wird und großformatig wird. Da nämlich ein Spannungssensor, wie ein Verformungsmesser, an einem Körper befestigt werden muß, der ein Gegenstand ist, in welchem eine Spannung-Verformung verursacht wird, (im folgenden wird auf einen solchen Körper als Verformung erzeugender Körper Bezug genommen), ist es schwierig, ein kleinformatiges Gerät zu ermöglichen. Besonders im Fall des Ermittelns von Kräften und Momenten hinsichtlich verschiedener Richtungen der drei Dimensionen ist es erforderlich, einen Verformung erzeugenden Körper in drei Dimensionen zu konstruieren, um eine Mehrzahl von Verformungsmessern in drei Dimensionen anzuordnen, so daß die Konstruktion des Gerätes extrem kompliziert wird.
Zweites Problem ist, daß ein derartiges konventionelles Gerät nicht zur Massenherstellung geeignet ist und kostspielig wird. Es ist sehr schwierig, die oben erwähnte Arbeit des Anbringens von Verformungsmessern an einem Verformung erzeugenden Körper von komplizierter Konstruktion in Übereinstimmung mit einer Herstellungslinie mit guter Effizienz durchzuführen.
Drittes Problem ist, daß die Meßgenauigkeit gering ist. Dies ist so, weil es bei der Genauigkeit eines konventionellen Spannungssensors, wie einem Verformungsmesser, ein Limit gibt, folglich versagt das Durchführen einer Messung hoher Meßgenauigkeit.
Viertes Problem ist, daß kompliziertes Berechnen zum Ermitteln einer Kraft oder eines Moments in einer bestimmten Richtung erforderlich ist. Zum Beispiel ist in dem Fall des Anordnens von Verformungsmessern in drei Dimensionen, zum unabhängigen Ermitteln von sechs Quantitäten von Kräften, die in verschiedenen axialen Richtungen ausgeübt oder aufgebracht werden, und Momenten, die um verschiedene Achsen ausgeübt oder aufgebracht werden, auf der Basis der betreffenden Datenausgaben hiervon jeweils eine komplizierte Berechnung erforderlich. Da Verformungsmesser auf sechs gegebene Quantitäten ansprechen, ist es zum Messen einer bestimmten Quantität erforderlich, eine derartige Berechnung durchzuführen, um fünf andere Quantitäten aufzuheben.
US-A-4 454 771 offenbart einen Moment- und Kraftdetektor umfassend: ein Halbleitersubstrat, einen Arbeitskörper zum Aufbringen eines Drehmoments oder einer Kraft auf einen Arbeitspunkt auf dem Halbleitersubstrat; einen Tragkörper zum festgelegten Haltern einer Zone des Halbleitersubstrates, welche mit Abstand zu dem Arbeitspunkt des Substrates angeordnet ist; Widerstandselemente, die auf wenigstens einer Oberfläche des Halbleitersubstrates zwischen dem Arbeitspunkt und der Zone vorgesehen sind, wobei jedes der Widerstandselemente einen elektrischen Widerstand aufweist, der aufgrund von mechanischer Verformung des Halbleitersubstrates, die zwischen dem Arbeitspunkt und der Zone auftritt, variiert; und eine Ermittlungseinrichtung zum elektrischen Ermitteln des Drehmoments oder der Kraft, die für variierte elektrische Widerstände der Widerstandselemente verantwortlich ist.
GB-A-2 096 777 offenbart Brückenschaltungen, die zur Verwendung in einem solchen Detektor geeignet sind.

Offenbarung der Erfindung

Es verbleibt ein Bedürfnis nach einem Moment- und Kraftdetektor, der einfach in der Konstruktion und kleinformatig ist, und sowohl dauerhaft als auch zur Massenherstellung geeignet ist, dabei tauglich ist, um Messungen hoher Meßgenauigkeit durchzuführen, und tauglich ist, um gewünschte gemessene Werte mittels einer einfachen Berechnung zu erhalten.
Bezüglich des obigen Stands der Technik ist die vorliegende Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß ein starres Teil an eine ganze Oberfläche der Halbleitersubstrates mittels einer Oberfläche-Oberfläche Verbindung befestigt ist und der Arbeitskörper an dem Teil befestigt ist, so daß das Teil zwischen dem Arbeitskörper und dem Halbleitersubstrat eingefügt ist, um das Drehmoment oder die Kraft, die auf den Arbeitskörper aufgebracht ist, über das starre Teil auf das Halbleitersubstrat zu übertragen, und daß das Halbleitersubstrat ein Siliziumeinkristallsubstrat ist, das mittels Eindiffundieren von Verunreinigungen gebildete Widerstandselemente aufweist.
Bei dem oben beschriebenen Detektor wird ein Drehmoment über den Arbeitskörper auf den Arbeitspunkt des Halbleitersubstrates aufgebracht. Da ein Abschnitt des Halbleitersubstrates von dem Tragkörper feststehend gehalten ist, wird durch das aufgebrachte Drehmoment eine Spannung auf das Halbleitersubstrat aufgebracht. Entsprechend variieren die Widerstände der Widerstandselemente, die auf dem Substrat angeordnet sind, in Abhängigkeit von der Richtung und der Größe des aufgebrachten Drehmoments. Somit kann ein Moment als ein elektrisches Signal ermittelt werden.
Da alle Widerstandselemente auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrates gebildet sind, wird die Konstruktion sehr einfach. Somit kann der Detektor kleinformatig sein und wird für Massenherstellung geeignet. Zusätzlich ist die Meßgenauigkeit verbessert, da ein solches Widerstandselement eine Empfindlichkeit aufweist, die größer ist als jene eines Verformungsmessers.
Bei einem Gerät zum Ermitteln von Kräften, die in verschiedenen axialen Richtungen ausgeübt werden, und von Momenten, die um verschiedene Achsen mit einem Ursprung, welcher der Arbeitspunkt in einem dreidimensionalen XYZ-Koordinatensystem ist, ausgeübt werden, liegt das zweite Merkmal dieser Erfindung im Schaffen von:
ersten Brückenabschnitten, die entlang der X-Achse auf beiden Seiten des Ursprungs gebildet sind; und
zweiten Brückenabschnitten, die entlang der Y-Achse auf beiden Seiten des Ursprungs gebildet sind,
wobei die Enden sowohl der ersten als auch der zweiten Brückenabschnitte als feste Abschnitte festgelegt sind, so daß jeweils in den betreffenden Brückenabschnitten durch Aufbringen einer Kraft auf den Ursprung Verformungen erzeugt werden, und
wobei Widerstandselementegruppen eine Mehrzahl von Widerstandselementen umfassen, die eine solche Eigenschaft aufweisen, da sich der elektrische Widerstand aufgrund von mechanischer Verformung ändert, auf der XY-Ebene der ersten und zweiten Brückenabschnitte an Hauptpositionen der folgenden Positionen vorgesehen sind:
ein Paar von Positionen für Widerstandselemente, die auf beiden Seiten der X-Achse in positiver und negativer Richtung der Y-Achse in der Nähe des Ursprungs in der positiven Richtung der X-Achse angeordnet sind,
ein Paar von Positionen für Widerstandselemente, die auf beiden Seiten der X-Achse in positiver und negativer Richtung der Y-Achse in der Nähe des Ursprungs in der negativen Richtung der X-Achse angeordnet sind,
ein Paar von Positionen für Widerstandselemente, die auf beiden Seiten der X-Achse in positiver und negativer Richtung der Y-Achse in der Nähe des festgelegten Abschnitts in der positiven Richtung der X-Achse angeordnet sind,
ein Paar von Positionen für Widerstandselemente, die auf beiden Seiten der X-Achse in positiver und negativer Richtung der Y-Achse in der Nähe des festgelegten Abschnitts in der negativen Richtung der X-Achse angeordnet sind,
ein Paar von Positionen für Widerstandselemente, die auf beiden Seiten der Y-Achse in positiver und negativer Richtung der X-Achse in der Nähe des Ursprungs in der positiven Richtung der Y-Achse angeordnet sind,
ein Paar von Positionen für Widerstandselemente, die auf beiden Seiten der Y-Achse in positiver und negativer Richtung der X-Achse in der Nähe des Ursprungs in der negativen Richtung der Y-Achse angeordnet sind,
ein Paar von Positionen für Widerstandselemente, die auf beiden Seiten der Y-Achse in positiver und negativer Richtung der X-Achse in der Nähe des festgelegten Abschnitts in der positiven Richtung der Y-Achse angeordnet sind, und
ein Paar von Positionen für Widerstandselemente, die auf beiden Seiten der Y-Achse in positiver und negativer Richtung der X-Achse in der Nähe des festgelegten Abschnitts in der negativen Richtung der Y-Achse angeordnet sind,
um somit auf der Basis von Änderungen des elektrischen Widerstands der verschiedenen Widerstandselemente, Änderungen in den auf den Ursprung wirkenden Kräften zu ermitteln.
In Übereinstimmung mit dem oben beschriebenen Detektor, sind Widerstandselemente, die als ein Sensor für Spannung-Verformung arbeiten, alle auf der XY-Ebene gebildet. Entsprechend kann der Gerätekörper in einer planaren Gestalt konstruiert sein, ohne zu berücksichtigen, daß er sonst in drei Dimensionen aufgebaut ist, wie bei dem konventionellen Gerät. Somit kann das Gerät als eine einfache Konfiguration realisiert werden.
Da zusätzlich Widerstandselemente, die als ein Sensor arbeiten, eine solche Eigenschaft aufweisen, daß elektrischer Widerstand aufgrund von mechanischer Verformung variiert, und jeweils zwei verschiedene Widerstandselemente gepaart sind, um sie an bestimmten Positionen anzuordnen, können Kräfte in verschiedenen Achsrichtungen und Momente um verschiedene Achsen mittels einer einfachen Berechnung unabhängig voneinander ermittelt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figuren 1 und 2 sind eine Draufsicht und eine geschnittene Seitenansicht eines Momentdetektors;
Figur 3 ist ein Schaltplan, der die Brückenanordnung der Widerstandselemente des in Figur 1 gezeigten Gerätes zeigt;
Figuren 4 und 5 sind Ansichten, die das Betriebsprinzip des in Figur 1 gezeigten Gerätes zeigen;
Figuren 6 (a) und 6 (b) sind Ansichten, die einen Momentdetektor gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung zeigen;
Figur 7 ist eine Draufsicht eines anderen Detektors;
Figur 8 ist eine geschnittene Ansicht, die entlang der Schnittlinien A-A, des in Figur 7 gezeigten Detektors, geschnitten ist;
Figuren 9 (a) - 9 (f) sind Schaltpläne von sechs Brücken, die aus verschiedenen Widerstandselementen des in Figur 7 gezeigten Detektors gebildet sind;
Figur 10 ist eine Tabelle, die Widerstandsänderungen von verschiedenen Widerstandselementen des in Figur 7 gezeigten Detektors zeigt;
Figuren 11 (a) - 11 (c) sind Ansichten, die den Zustand zeigen, wo eine Kraft in Richtung der X-Achse auf das in Figur 7 gezeigte Gerät ausgeübt wird;
Figuren 12 (a) - 12 (c) sind Ansichten, die den Zustand zeigen, wo eine Kraft in Richtung der Y-Achse auf das in Figur 7 gezeigte Gerät ausgeübt wird;
Figuren 13 (a) - 13 (c) sind Ansichten, die den Zustand zeigen, wo eine Kraft in Richtung der Z-Achse auf das in Figur 7 gezeigte Gerät ausgeübt wird;
Figuren 14 (a) - 14 (c) sind Ansichten, die den Zustand zeigen, wo ein Moment um die X-Achse auf das in Figur 7 gezeigte Gerät ausgeübt wird;
Figuren 15 (a) - 15 (c) sind Ansichten, die den Zustand zeigen, wo ein Moment um die Y-Achse auf das in Figur 7 gezeigte Gerät ausgeübt wird;
Figuren 16 (a) - 16 (c) sind Ansichten, die den Zustand zeigen, wo ein Moment um die Z-Achse auf das in Figur 7 gezeigte Gerät ausgeübt wird;
Figur 17 ist eine Tabelle, die den Zusammenhang zwischen einer zu ermittelnden Kraft und einer von dem in Figur 7 gezeigten Gerät ermittelten elektrischen Spannung zeigt;
Figur 18 ist eine Draufsicht eines Detektors;
Figur 19 ist eine geschnittene Ansicht, die entlang der Schnittlinien B-B, des in Figur 7 gezeigten Gerätes, geschnitten ist;
Figur 20 ist eine geschnittene Ansicht eines Detektors;
Figur 21 ist eine Seitenansicht eines Detektors gemäß einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung; und
Figur 22 ist ein Ablaufplan eines Verfahrens zum Bilden der Widerstandselemente, die in dieser Erfindung auf einem Halbleitersubstrat eingesetzt werden.

Beste Art und Weise zum Ausführen der Erfindung

§ 1 Am meisten bevorzugte Ausführungsform des Momentdetektors

1.1 Grundanordnung des Gerätes

Figur 1 ist eine Draufsicht eines veranschaulichenden Momentdetektors, und Figur 2 ist eine geschnittene Seitenansicht, die entlang der Schnittlinien A-A des obigen Detektors geschnitten ist. Dieser Detektor ist ausgestattet mit einem Siliziumeinkristallsubstrat 110, einem Arbeitskörper 120, der an dem Mittelabschnitt 111 des Substrates 110 haftet, und einem Tragkörper 130 zur festen Halterung des Randabschnitts 112 des Substrates 110 in einer Meßposition. Darüber hinaus sind zwei Öffnungen 113 in dem Substrat 110 vorgesehen. Durch Schaffen dieser Öffnungen 113 sind zwei Brückenabschnitte 114 zwischen dem Mittelabschnitt 111 und dem Randabschnitt 112 gebildet. Auf den Oberflächen dieser Brückenabschnitte 114 sind Widerstandselemente r1 bis r4 und Widerstandselemente r11 bis r14 gebildet. Solche Widerstandselemente r weisen einen derartigen Piezowiderstandseffekt auf, daß sich der elektrische Widerstand aufgrund von mechanischer Verformung ändert, und ihre Konstruktion sowie ihr Herstellungsverfahren wird später im Detail beschrieben.
Verdrahtung ist, wie in Figur 3 gezeigt, an verschiedenen Widerstandselementen durchgeführt. Namentlich ist eine Brückenschaltung aus Widerstandselementen r1 bis r4 aufgebaut. Eine elektrische Spannung wird von einer Energiequelle 140 zu der Brückenschaltung geliefert. Die elektrische Brückenspannung wird von einem Voltmeter 150 gemessen. Obgleich nicht in Figur 3 gezeigt, ist in gleicher Weise wie oben, auch aus den Widerstandselementen r11 bis r14 eine Brückenschaltung aufgebaut.

1.2 Betrieb des Detektors

Der Betrieb dieses Detektors wird nun unter Bezugnahme auf Figuren 4 und 5 beschrieben. Figuren 4 und 5 sind Ansichten, die Spannungen-Verformungen zeigen, die jeweils erzeugt werden, wo Rotationen auf das Einkristallsubstrat 110 entgegen dem Uhrzeigersinn, wenn von der oberen Richtung betrachtet, und mit dem Uhrzeigersinn, wenn in der gleichen Weise betrachtet, aufgebracht werden. Um die Mittelpunkte P werden Drehmomente in durch Pfeile angezeigter Richtung erzeugt. Da der Randabschnitt 112 an der Oberseite fest gehaltert ist, werden in den Brückenkörpern 114 Verformungen erzeugt. Da jedoch Öffnungen 113 in dem Substrat 110 hergestellt sind, werden solche Verformungen innerhalb des Substrates nicht gleich sein, so daß aufgebrachte Verformungen in Abhängigkeit von den betreffenden Widerstandselementen r variieren werden. Wo zum Beispiel eine Verformung, wie in Figur 4 gezeigt, erzeugt wird, wobei die Leitfähigkeit von jedem Widerstandselement als vom P-Typ angenommen wird, wird jeder elektrische Widerstand der Widerstandselemente r1 und r4 ansteigen, da eine Kraft in einer solchen Richtung auf sie aufgebracht wird, daß sie sich ausdehnen, und wird jeder elektrische Widerstand der Widerstandselemente r2 und r3 abnehmen, da eine Kraft in einer solchen Richtung auf sie aufgebracht wird, daß sie sich verkürzen. Im Gegensatz hierzu findet ein zu dem Obigen entgegengesetztes Phänomen statt, wo Verformungen, wie in Figur 5 gezeigt, erzeugt werden.
Wenn nun angenommen wird, daß Widerstandselemente r1 und r4 als ein erstes Paar von Widerstandselementen bezeichnet werden und daß Widerstandselemente r2 und r3 als ein zweites Paar von Widerstandselementen bezeichnet werden, so werden Widerstandselemente r, die zu dem gleichen Paar von Widerstandselementen gehören, bezüglich eines Drehmoments in einer vorbestimmten Richtung, gleiche Änderungen durchführen. Wenn nun Aufmerksamkeit auf die in Figur 3 gezeigte Brückenschaltung gerichtet wird, sind Widerstandselemente r, die das gleiche Paar von Widerstandselementen bilden, an gegenüberliegenden Seiten angeordnet. Entsprechend zeigt bei einem Drehmoment, wie in Figur 4 dargestellt, das erste Paar von Widerstandselementen einen Widerstandsanstieg und zeigt das zweite Paar von Widerstandselementen eine Widerstandsabnahme. Im Gegensatz hierzu zeigt bei einem Drehmoment, wie in Figur 5 dargestellt, das erste Paar von Widerstandselementen eine Widerstandsabnahme und zeigt das zweite Paar von Widerstandselementen einen Widerstandsanstieg. Schließlich wird die Polarität einer elektrischen Brückenspannung, die auf dem Voltmeter 150 erscheint, der Richtung eines Drehmoments um den Mittelpunkt P entsprechen, und wird die Größe dieser elektrischen Brückenspannung der Größe des Drehmoments entsprechen. Auf diese Weise kann die Richtung und die Größe eines Drehmoments, das auf den Arbeitskörper 120 aufgebracht ist, durch das Voltmeter 150 ermittelt werden.
Ein Vorzug dieses Detektors liegt in der Fähigkeit zum Kompensieren des Einflusses von Widerstandsänderungen, die ausgenommen von mechanischen Spannungen auf Parametern basieren. Die elektrischen Widerstände der Widerstandselemente r variieren auch in Abhängigkeit von zum Beispiel Temperatur etc. Wie jedoch in Figur 1 gezeigt, sind Widerstandselemente r1 und r3 an symmetrischen Positionen vorgesehen und sind Widerstandselemente r2 und r4 an symmetrischen Positionen vorgesehen, und somit werden Widerstandsänderungen, die ausgenommen von mechanischen Spannungen auf Parametern von Widerstandselementen basieren, die an symmetrischen Positionen vorgesehen sind, untereinander gleich sein. Entsprechend werden sich Widerstandsänderungen, die ausgenommen von mechanischen Spannungen auf Parametern basieren, gegenseitig aufheben, so daß solche Änderungen nicht auf der Datenausgabe des Voltmeters 150 erscheinen.
Obgleich nur die Ermittlung durch Widerstandselemente r1 bis r4 beschrieben wurde, können äquivalente Ergebnisse auch einfach mit Widerstandselementen r11 bis r14 erhalten werden. Durch Mitteln der beiden ermittelten Ergebnisse kann die Meßgenauigkeit weiter verbessert werden. Alternativ können durch Auswählen einer geeigneten Kombination von Widerstandselementen aus den Widerstandselementen r1 bis r4 sowie r11 bis r14 entsprechend gemessene Ergebnisse erhalten werden.

1.3 Zur Realisierung von Produkten geeignete Ausführungsform

Die Grundkonstruktion wurde oben beschrieben. Abgesehen davon wird ein starrer Körper als der Arbeitskörper verwendet, da ein Halbleitersubstrat im allgemeinen spröde ist. Figuren 6 (a) und 6 (b) sind Ansichten, die eine solche Ausführungsform zeigen, wobei Figur 6 (a) eine Draufsicht ist und Figur 6 (b) eine geschnittene Seitenansicht ist. In einer Art und Weise gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform sind Öffnungen 113 in dem Einkristallsubstrat 110 gebildet. Somit ist ein Brückenabschnitt 114 gebildet. Auf dem Brückenabschnitt 114 sind Widerstandselemente r gebildet. Das Einkristallsubstrat 110 ist selbst an einen starren flachen Plattenabschnitt 161 befestigt, der zum Beispiel ein metallisches Material und einen damit verbundenen Arbeitsabschnitt 162 umfaßt. Verschiedene Widerstandselemente r sind über gebondete Drähte 163 mit Verdrahtungsanschlüssen 164 verbunden. In diesem Fall ist es vorzuziehen, eine Schutzabdeckung 165 über dem Gerät vorzusehen.
Beim Ausbilden des Arbeitsabschnitts 162 als ein starrer Körper, wie oben angegeben, wird ein zu messendes Drehmoment über den starren Körper 161 auf das Halbleitersubstrat 110 übertragen, was zu einer verbesserten Haltbarkeit führt.

1.4 Vorteile bei diesem Gerät

Da das oben beschriebene Gerät somit Widerstandselemente verwendet, die planar auf dem Einkristallsubstrat gebildet sind, wird sein Aufbau sehr einfach. Da darüber hinaus die Herstellung durch übliche Halbleiterherstellungsverfahren durchgeführt werden kann, ist das Gerät für die Massenherstellung geeignet, kann kostenmäßig reduziert sein und kann kleinformatig sein. Da zusätzlich Widerstandselemente aus einem Einkristall bestehen und daher hohe Genauigkeiten von Widerstandsänderungen aufgrund von mechanischen Spannungen erhalten werden können, kann Messen hoher Genauigkeit durchgeführt werden.

§ 2 Am meisten bevorzugte Ausführungsform des dreidimensionalen Detektors

2.1 Grundlegende Konfiguration des Detektors

Figur 7 ist eine Draufsicht eines Detektors, und Figur 8 ist eine geschnittene Ansicht, die entlang der Schnittlinien A-A des in Figur 7 gezeigten Detektors geschnitten ist, welche eine Schaltung veranschaulicht, die in der vorliegenden Erfindung verwendbar ist. 16 Sätze von Widerstandselementegruppen R1 bis R16 sind auf der Oberfläche eines Verformung erzeugenden Körpers 210 gebildet. Der Verformung erzeugende Körper 210 beinhaltet ein Siliziumeinkristallsubstrat. Die Widerstandselementegruppen R1 bis R16 sind Sätze aus einer Mehrzahl von Widerstandselementen. Die betreffenden Widerstandselemente sind durch Eindiffundieren von Verunreinigungen auf dem Einkristallsubstrat gebildet. Die so gebildeten Widerstandselemente zeigen Piezowiderstandseffekt und weisen eine solche Eigenschaft auf, daß der elektrische Widerstand aufgrund von mechanischer Verformung variiert.
Der Verformung erzeugende Körper 210 besteht aus einem ringförmigen festgelegten Abschnitt 211, der entlang dessen Randes gebildet ist, vier Brückenabschnitten 212 bis 215 und einem Arbeitsabschnitt 216, an den die vier Brückenabschnitte 212 bis 215 gekoppelt sind. Der festgelegte Abschnitt 211 ist an der Außenseite befestigt, und eine zu ermittelnde Kraft oder ein Moment wird auf den Arbeitspunkt P, der in der Mitte des Arbeitsabschnitts 216 angeordnet ist, aufgebracht. Da der festgelegte Abschnitt 211 an der Oberseite befestigt ist, werden, wenn eine Kraft oder ein Moment auf den Arbeitspunkt P aufgebracht wird, auf mechanischer Spannung basierende Verformungen, die dieser Kraft oder diesem Moment entsprechen, in den Brückenabschnitten 212 bis 215 erzeugt. Als Ergebnis treten in den Widerstandselementegruppen R1 bis R16 Änderungen des elektrischen Widerstands auf. Dieser Detektor arbeitet, um Kraft und Moment auf der Basis derartiger Änderungen des elektrischen Widerstands zu ermitteln. In dieser Ausführungsform sind verschiedene Widerstandselemente gleich in Dimension, Gestalt und Material, und haben alle untereinander einen gleichen Widerstandswert. Zusätzlich sind alle Widerstandsänderungsraten, die auf den Spannungen-Verformungen basieren, untereinander gleich.
Es wird nun angenommen, daß, wie in Figuren 7 und 8 gezeigt, der Arbeitspunkt P, der in der Mitte des Arbeitsabschnitts 216 angeordnet ist, auf den Ursprung des dreidimensionalen XYZ-Koordinatensystems gesetzt ist und drei Achsen, X, Y und Z, wie gezeigt, definiert sind. Namentlich wird angenommen, daß die rechte Richtung von Figur 7, die untere Richtung davon, und die Richtung entlang der Richtung senkrecht zur Papierebene jeweils als positive Richtung der X-, Y- und Z- Achse definiert ist. Arbeitskörper 221 und 222 sind an oberen und unteren Positionen des Arbeitsabschnitts 216 befestigt. Somit werden Kräfte und Momente, die auf den Arbeitspunkt P ausgeübt werden, alle über die Arbeitskörper 221 und 222 aufgebracht. Hierbei werden in Bezug auf den Arbeitspunkt P Kräfte in Richtung der X-, Y- und Z-Achse aufgebracht, die als FX, FY und FZ angenommen werden, und Momente um die X-, Y- und Z-Achse aufgebracht, die als MX, MY und MZ angenommen werden. Bei dieser Annahme sind Kräfte und Momente in verschiedenen, durch Pfeile in Figur 8 angezeigten Richtungen definiert. Namentlich dient die Kraft FX, die in Richtung der X-Achse aufgebracht ist, als solch eine Kraft, um sowohl Arbeitskörper 221 als auch 222 in eine rechte Richtung der Figur zu bewegen. Die Kraft FY, die in Richtung der Y-Achse aufgebracht ist, dient als solch eine Kraft, um sowohl Arbeitskörper 221 als auch 222 in eine obere Richtung entlang der Richtung senkrecht zur Papierebene der Figur zu bewegen. Darüber hinaus dient die Kraft FZ, die in Richtung der Z-Achse aufgebracht ist, als solch eine Kraft, um sowohl den Arbeitskörper 221 als auch 222 in eine untere Richtung der Figur zu bewegen. Ferner dient das Moment MX um die X-Achse als solch ein Moment, um den Arbeitskörper 221 in eine obere Richtung entlang der Richtung senkrecht zur Papierebene und um den Arbeitskörper 222 in eine untere Richtung entlang der Richtung senkrecht zur Papierebene zu bewegen. Das Moment MY um die Y-Achse dient als solch ein Moment, um den Arbeitskörper 221 in eine linke Richtung der Figur und um den Arbeitskörper 222 in eine rechte Richtung der Figur zu bewegen. Darüber hinaus dient das Moment MZ um die Z-Achse als solch ein Moment, um sowohl den Arbeitskörper 221 als auch 222 im Uhrzeigersinn zu bewegen, wenn aus der oberen Richtung des Gerätes betrachtet.
Die oben erwähnten 16 Sätze von Widerstandselementegruppen R1 bis R16 sind, wie in Figur 7 gezeigt, an symmetrischen Positionen angeordnet. Namentiich sind Widerstandselemente R1 bis R4, R5 bis R8, R9 bis R12, und R13 bis R16 an den Brückenabschnitten 212, 213, 214 und 215 vorgesehen. Wird Aufmerksamkeit auf die betreffenden Brückenabschnitte gerichtet, sind Paare von Widerstandselementegruppen jeweils in der Nähe des festgelegten Abschnitts 211 und des Arbeitsabschnitts 216 vorgesehen, und sind Paare von Widerstandselementegruppen auf den beiden Seiten der X-Achse oder Y-Achse, zwischen welchen sie angeordnet sind, vorgesehen.
Beim Verwenden solcher 16 Sätze von Widerstandselementegruppen sind, wie in Figuren 9 (a) bis (f) gezeigt, sechs Arten von Brücken gebildet. An diese Brücken, sind jeweils Leistungsquellen 230 angeschlossen und sind Voltmeter 241 bis 246 zur Ausgabe von elektrischen Spannungen VFX, VFY, VFZ, VMX, VMY und VMZ, die proportional zu FX, FY, FZ, MX, MY und MZ sind, angeschlossen.
Es ist besonders zu erwähnen, daß Symbole betreffender Widerstandselementen, die in diesem Brückenschaltplan gezeigt sind, ein Widerstandselement der Widerstandselementegruppe bedeuten, und daß, selbst wenn Widerstandselemente mit den gleichen Symbolen bezeichnet sind, diese Elemente andere Widerstandselemente bedeuten, die zu der gleichen Widerstandselementegruppe gehören. R1 wird zum Beispiel in zwei Brücken, in Figuren 9 (b) und (d), verwendet. In der Praxis werden zwei Widerstandselemente an der Position von R1 in Figur 7 angeordnet und werden verschiedene Widerstandselemente in verschiedenen Brücken verwendet.
Zur Bequemlichkeit der Erläuterung wird auch zum Bezeichnen eines Widerstandselements, das zu der Widerstandselementegruppe Rx (x = 1 bis 16) gehört, das gleiche Symbol Rx verwendet.

2.2 Betrieb des Gerätes

Der Betrieb des oben beschriebenen Gerätes wird beschrieben. Wenn Kräfte oder Momente FX, FY, FZ, MX, MY und MZ, in der Anordnung von Widerstandselementen, wie in Figur 7 gezeigt, auf den Arbeitspunkt P aufgebracht werden, erzeugen die betreffenden Widerstandselemente R1 bis R16 elektrische Widerstandsänderungen, wie durch die in Figur 10 dargestellte Tabelle angezeigt (die betreffenden Widerstandselemente werden als einen P-Typ Halbleiter beinhaltend angenommen), wobei "0", "+" und "-" keine Änderung, einen Anstieg des elektrischen Widerstands und eine Abnahme des elektrischen Widerstands anzeigen.
Hier wird der Grund, warum Ergebnisse, wie in Figur 10 gezeigt, erhalten werden, unter Bezugnahme auf Figuren 11 bis 16 kurz beschrieben. Figuren 11 bis 16 sind Ansichten, die Spannungen-Verformungen und Änderungen des elektrischen Widerstands zeigen, die in den Brückenabschnitten erzeugt werden, wenn Kräfte oder Momente FX, FY, FZ, MX, MY und MZ auf den Arbeitspunkt P aufgebracht werden, wobei (a), (b) und (c) bei diesen Figuren eine Draufsicht der Brückenabschnitte, eine geschnittene Frontansicht hiervon und eine geschnittene Seitenansicht hiervon sind. Zum Beispiel ist der Zustand, wo die Kraft FX in Richtung der X-Achse auf den Arbeitspunkt P ausgeübt ist, in Figur 11 gezeigt. Durch die Kraft FX wird sich der Brückenabschnitt 214 ausdehnen und wird sich der Brückenabschnitt 215 verkürzen. Entsprechend dehnen sich Widerstandselemente (R9 bis R12), die auf dem Brückenabschnitt 214 vorgesehen sind, aus, was (im Falle vom P-Typ Halbleiter) zu einem angestiegenen elektrischen Widerstand führt, während sich Widerstandselemente (R13 bis R16), die auf dem Brückenabschnitt 215 vorgesehen sind, verkürzen, was zu einem verminderten elektrischen Widerstand führt. Widerstandselemente, die auf den Brückenabschnitten 212 und 213 vorgesehen sind, dehnen sich aus oder verkürzen sich in Abhängigkeit von den Anordnungspositionen. Schließlich wird es leicht verstanden werden, daß Ergebnisse erhalten werden, wie in der ersten Reihe der Tabelle von Figur 10 gezeigt. Es wird auch verstanden werden, daß Ergebnisse erhalten werden, wie in der zweiten bis sechsten Reihe der Tabelle von Figur 10 gezeigt.
Nun durch in Betracht Ziehen der Tatsache, daß Brücken, wie in Figuren 9 gezeigt, aus verschiedenen Widerstandselementen R1 bis R16 aufgebaut sind, wird der Zusammenhang zwischen FX, FY, FZ, MX, MY und MZ, die auf den Arbeitpunkt P aufgebracht werden, und ermittelten elektrischen Spannungen VFX, VFY, VFZ, VMX, VMY und VMZ, die an den Voltmetern 241 bis 246 erscheinen, durch die in Figur 17 dargestellte Tabelle angezeigt, wobei "0" anzeigt, daß keine elektrische Spannungsänderung erzeugt wird und "V" anzeigt, daß eine elektrische Spannungsänderung, die von einer aufgebrachten Kraft oder einem Moment abhängt, auftritt. Die Polarität der elektrischen Spannungsänderung hängt von der Richtung einer aufgebrachten Kraft oder eines Moments ab, und die Größe der elektrischen Spannungsänderung hängt von der Größe einer aufgebrachten Kraft oder eines Moments ab.
Es wird leicht verstanden werden, daß eine Tabelle erhalten wird, wie in Figur 17 gezeigt, wenn Aufmerksamkeit auf die Tatsache gerichtet wird, daß in dem Fall, wo Produkte bzw. Erzeugungen von Widerstandswerten der Widerstandselemente, die an jeweils gegenüberliegenden Seiten der Brücke vorgesehen sind, in dem Schaltplan aus Figur 9, untereinander gleich sind, keine elektrische Spannungsänderung vorliegt. Wenn beispielsweise eine Kraft FX aufgebracht wird, erzeugen die betreffenden Widerstandselemente Änderungen des elektrischen Widerstands, wie in der ersten Reihe der Tabelle von Figur 10 angezeigt. Nun unter Bezugnahme auf Figur 9 (a), sind alle Widerstandswerte von R9, R10, R11 und R12 angestiegen und sind alle Widerstandswerte von R13, R14, R15 und R16 vermindert. Entsprechend besteht eine große Differenz zwischen Produkten von Widerstandswerten der Widerstandselemente, die an gegenüberliegenden Seiten vorgesehen sind. Somit wird eine elektrische Spannungsänderung "V" ermittelt. Auf der anderen Seite wird in den Brückenschaltungen, die in Figuren 9 (b) bis (f) gezeigt sind, keine elektrische Brückenspannung erzeugt. Beispielsweise in der Schaltung von Figur 9 (b), wenn R1 "-" anzeigt, zeigt dann R2 "+" an, so daß Widerstandsänderungen jedes Zweiges aufgehoben werden. Wie gerade oben beschrieben, wird die Wirkung der Kraft FX nur auf VFX aufgeübt, somit wird es ermöglicht, die Kraft FX durch Messung von VFX unabhängig zu ermitteln.
Die Tatsache, daß nur die diagonalen Komponenten "V" anzeigen und Komponenten ausgenommen der obigen "0" anzeigen bedeutet, daß die betreffenden ermittelten Werte direkt als Werte erhalten werden können, die von den Voltmetern ohne durchführen jedweder Berechnung abgelesen werden.
Es ist besonders zu erwähnen, daß es beim Aufbauen von Brücken, wie oben beschrieben, möglich ist, den Einfluß von Widerstandsänderungen, die ausgenommen von mechanischen Spannungen auf Faktoren basieren, aufzuheben. Zum Beispiel wird, da elektrische Widerstände der betreffenden Widerstandselemente in Abhängigkeit von Temperatur variieren, aber alle Widerstandselemente, welche die Brücken bilden, im wesentlichen gleich variieren, der Einfluß von solchen Temperaturänderungen aufgehoben. Folglich kann ein solcher Brückenaufbau Messungen hoher Meßgenauigkeit durchführen.

2.3 Andere Ausführungsformen

Diese Erfindung ist nicht nur auf die oben beschriebenen Anordnungen beschränkt. Das in Figur 7 gezeigte Grundkonzept ist, daß die Widerstandselemente in einer regelmäßigen Anordnung auf der zweidimensionalen Ebene angeordnet sind, um somit drei Kraftkomponenten und drei Momentkomponeten, auf der Basis von Widerstandsänderungen aufgrund von Spannungen-Verformungen der betreffenden Widerstandselemente, zu ermitteln. Die Brückenabschnitte, die in dem Verformung erzeugenden Körper 210 gebildet sind, können jede Form annehmen, so daß durch Kraft oder Moment, die auf den Arbeitspunkt P aufgebracht werden, Verformung erzeugt wird. Wie in Figur 18 gezeigt, können Schlitze 217 in verschiedenen Abschnitten vorgesehen sein, um Brückenabschnitte 212 bis 215 zu bilden.
Für Widerstandselemente werden in der oben beschriebenen Ausführungsform ferner Elemente verwendet, die durch Eindiffundieren von Verunreinigungen in das Siliziumeinkristallsubstrat gebildet sind. Zusätzlich können die allgemein verwendeten Verformungsmesser auf einer planaren Oberfläche aufgeschichtet werden. Unter dem Gesichtspunkt des Herstellens von Widerstandselementen auf solch einer planaren Oberfläche ist es vorzuziehen, Halbleiterwiderstandselemente zu verwenden, die mittels des planaren Halbleiterverfahrens, wie in der oben erwähnten Ausführungsform, einfach hergestellt werden können.
Bei der oben beschriebenen, in Figur 7 gezeigten Ausführungsform ist die geschnittene Ansicht, die entlang der Schnittlinien B-B geschnitten ist, wie in Figur 19 dargestellt. Namentlich ist, wenn von der oberen Richtung betrachtet, ein Durchgangsloch 218 in der Form eines Quadrats zwischen zwei benachbarten Brückenabschnitten gebildet. Zusätzlich kann durch Vorsehen eines dünnen Abschnitts 219, wie in Figur 20 gezeigt, zwischen Brückenabschnitten ohne Vorsehen eines solchen Durchgangslochs 218, der Vorteil dieser Erfindung erhalten werden.
Da das Halbleitersubstrat darüber hinaus im allgemeinen von spröder Eigenschaft ist, ist ein Trägersubstrat 223, das Steifigkeit aufweist, an dem Verformung erzeugenden Körper 210 befestigt, wie in Figur 21 gezeigt.
In der oben beschriebenen Ausführungsform wurden Widerstandselemente R1 bis R16 verwendet, die in einem unveränderten Zustand alle den gleichen Widerstandswert aufweisen und die bezüglich der gleichen Spannung-Verformung die gleiche Widerstandsänderung erzeugen, aber es ist nicht unbedingt erforderlich, solche identischen Widerstandselemente zu verwenden. In diesem Fall werden Komponenten, ausgenommen von diagonalen Komponenten, in der Tabelle, wie in Figur 17 gezeigt, nicht notwendigerweise gleich "0", was zu dem Erfordernis einer vorbestimmten Matrixoperation führt. Folglich ist es zum weiteren Vereinfachen eines Ermittlungsvorgangs vorzuziehen, die gleichen Widerstandselemente, wie in der oben beschriebenen Ausführungsform, zu verwenden.
In der oben beschriebenen Ausführungsform sind 16 Sätze von Widerstandselementegruppen R1 bis R16 zum Ermitteln von drei Kraftkomponenten und von drei Momentkomponenten gebildet. Es ist jedoch nicht erforderlich alle der sechs Komponenten zu ermitteln. Wo es ausreichend ist, daß fünf Komponenten oder weniger ermittelt werden können, ist es nicht notwendig, alle 16 Sätze von Widerstandselementegruppen zu bilden, aber es ist genug, nur Widerstandselementegruppen an Hauptpositionen zu bilden.

2.4 Vorteile bei diesem Detektor

Wie oben beschrieben ist dieser Detektor aufgebaut, um eine Mehrzahl von Widerstandselementen an vorbestimmten Positionen auf einer planaren Oberfläche zu bilden, um somit auf der Basis von Widerstandsänderungen dieser Widerstandselemente Kräfte in drei Richtungen und Momente in drei Richtungen, die auf den Arbeitspunkt ausgeübt werden, zu ermitteln. Somit wird der Detektor im Aufbau vereinfacht und wird die zur Ermittlung benötigte Berechnung einfach.

§ 3 Verfahren zum Herstellen des Halbleitersubstrates, das in dieser Erfindung verwendet wird

Zuletzt ist ein Beispiel eines Verfahrens zum Bilden von Widerstandselementen, die in dem Detektor gemäß dieser Erfindung verwendet sind, gezeigt. Auf dem Halbleitersubstrat ist eine Mehrzahl von Widerstandselementen gebildet. Diese Widerstandselemente weisen einen Piezowiderstandseffekt auf und sind mittels des folgenden Verfahrens auf dem Halbleitersubstrat gebildet. Zuerst wird, wie in Figur 22 (a) gezeigt, ein N-Typ Siliziumsubstrat 301 thermischer Oxidation ausgesetzt, um eine Siliziumoxidschicht 302 auf deren Oberfläche zu bilden. Dann wird, wie in Figur 22 (b) gezeigt, die Siliziumoxidschicht 302 Ätzen mittels fotolithografischem Verfahren ausgesetzt, um Öffnungen 303 zu bilden. Danach wird, wie in Figur 22 (c) gezeigt, an diesen Öffnungen 303 thermisch Bor eindiffundiert, um eindiffundierte Zonen 304 vom P-Typ zu bilden. Es ist besonders zu erwähnen, daß Siliziumoxidschichten 305 in diesen Öffnungen 303 gebildet werden. Dann wird, wie in Figur 22 (d) gezeigt, durch CVD-Verfahren Siliziumnitrid aufgebracht, um eine Siliziumnitridschicht 306 als Schutzschicht zu bilden. Ferner werden, wie in Figur 22 (e) gezeigt, mittels fotolithografischem Verfahren Kontaktlöcher in der Siliziumnitridschicht 306 und der Siliziumoxidschicht 305 geöffnet, um danach eine Aluminiumverdrahtungsschicht 307 durch Vakuumauftrag, wie in Figur 22 (f) gezeigt, zu bilden. Zuletzt wird mittels fotolithografischem Verfahren eine Flächenmusterung auf der Aluminiumverdrahtungsebene 307 verwirklicht, um somit einen Aufbau, wie in Figur 22 (g) gezeigt, zu liefern.
Es ist besonders zu erwähnen, daß das oben beschriebene Herstellungsverfahren nur als ein Beispiel veranschaulicht ist und diese Erfindung daher prinzipiell auch mit jedem anderen Widerstandselement realisiert werden kann, wobei der elektrische Widerstand aufgrund von mechanischer Verformung variiert.

Verwendbarkeit in der Industrie

Der Kraftdetektor und der Momentdetektor gemäß dieser Erfindung können in einer solchen Form verwendet werden, daß sie an jeder industriellen Maschine angesetzt oder angebracht werden. Da sie kleinformatig und kostengünstig sind und Messungen hoher Meßgenauigkeit erlauben, wird insbesondere Anwendung bei Fahrzeugen mit Eigenantrieb oder bei industriellen Robotern erwartet.

Claims

1. Ein Moment- und Kraftdetektor umfassend;

ein Halbleitersubstrat (110,210);

einen Arbeitskörper (120, 162) zum Aufbringen eines Drehmoments oder einer Kraft auf einen Arbeitspunkt (P) auf dem Halbleitersubstrat, um dem Substrat eine mechanische Verformung zu übertragen;

Widerstandselemente (r), die auf wenigstens einer Außenfläche eines Brückenabschnitts (114) des Halbleitersubstrates (110, 210) vorgesehen sind, wobei jedes der Widerstandselemente (r) einen elektrischen Widerstand aufweist, der aufgrund der mechanischen Verformung des Halbleitersubstrates (110, 210) variiert, und das Halbleitersubstrat (110, 210) ein Siliziumeinkristallsubstrat ist, das die Widerstandselemente (r) aufweist, die durch eindiffundierte Verunreinigungen darauf gebildet sind; und

eine Ermittlungseinrichtung zum elektrischen Ermitteln des Drehmoments oder der Kraft infolge veränderter elektrischer Widerstände der Widerstandselemente (r);

dadurch gekennzeichnet, daß ein starres Teil (161, 223) an eine ganze Oberfläche des Halbleitersubstrates (110, 210) mittels einer Oberfläche-Oberfläche Verbindung befestigt ist, und der Arbeitskörper (162) an dem starren Teil (161, 223) befestigt ist, so daß das Teil (161, 223) zwischen dem Arbeitskörper (162) und dem Halbleitersubstrat (110, 210) eingefügt ist, um das Drehmoment oder die Kraft, die auf den Arbeitskörper (162) aufgebracht wird, mittels des starren Teils, auf das Halbleitersubstrat (110, 210) zu übertragen.

2. Ein Moment- und Kraftdetektor nach Anspruch 1, wobei das starre Teil eine flache Platte (161) ist.

3. Ein Moment- und Kraftdetektor nach Anspruch 1 oder 2, umfassend ein erstes Widerstandselementepaar, das zwei Widerstandselemente (r1, r4) umfaßt, die an einer Position vorgesehen sind, wo elektrischer Widerstand ansteigt, wenn ein Drehmoment in einer vorbestimmten Richtung aufgebracht wird, und ein zweites Widerstandselementepaar, das zwei Widerstandselemente (r2, r3) umfaßt, die an einer Position vorgesehen sind, wo elektrischer Widerstand abnimmt, wobei das erste und zweite Widerstandselementepaar an derartigen Positionen angeordnet sind, daß Widerstandsänderungen, die abgesehen von Spannung auf Parametern basieren, im wesentlichen untereinander gleich sind, und eine Brückenschaltung derart konstruiert ist, daß Widerstandselemente, welche das gleiche Widerstandselementepaar bilden, an gegenüberliegenden Seiten der Brückenschaltung angeordnet sind, um somit auf der Basis einer Brückenspannung (150) die Momentenermittlung durchzuführen.

4. Ein Moment- und Kraftdetektor nach Anspruch 1 oder 2 zur Ermittlung von Kräften, die in verschiedenen axialen Richtungen ausgeübt werden, und von Momenten, die um verschiedene Achsen mit einem Ursprung (P), welcher der Arbeitspunkt in einem dreidimensionalen XYZ-Koordinatensystem ist, ausgeübt werden,

wobei vorgesehen sind

erste Brückenabschnitte (214, 215), die entlang der X-Achse auf beiden Seiten des Ursprungs gebildet sind, und

zweite Brückenabschnitte (212, 213), die entlang der Y-Achse auf beiden Seiten des Ursprungs gebildet sind,

wobei die Enden sowohl der ersten als auch der zweiten Brückenabschnitte als feste Abschnitte festgelegt sind, so daß jeweils in den betreffenden Brückenabschnitten, durch Aufbringen einer Kraft auf den Ursprung, Verformungen erzeugt werden, und

wobei Widerstandselementegruppen (R), die eine Mehrzahl von Widerstandselementen umfassen mit einer solchen Eigenschaft, daß sich der elektrische Widerstand aufgrund von mechanischer Verformung ändert, auf der XY-Ebene der ersten und zweiten Brückenabschnitte an Hauptpositionen der folgenden Positionen vorgesehen sind:

ein Paar von Positionen für Widerstandselemente (R13, R15), die auf beiden Seiten der X-Achse in positiver und negativer Richtung der Y-Achse in der Nähe des Ursprungs in der positiven Richtung der X-Achse angeordnet sind,

ein Paar von Positionen für Widerstandselemente (R10, R12), die auf beiden Seiten der X-Achse in positiver und negativer Richtung der Y-Achse in der Nähe des Ursprungs in der negativen Richtung der X-Achse angeordnet sind,

ein Paar von Positionen für Widerstandselemente (R14, R16), die auf beiden Seiten der X-Achse in positiver und negativer Richtung der Y-Achse in der Nähe des festgelegten Abschnitts in der positiven Richtung der X-Achse angeordnet sind,

ein Paar von Positionen für Widerstandselemente (R9, R11), die auf beiden Seiten der X-Achse in positiver und negativer Richtung der Y-Achse in der Nähe des festgelegten Abschnitts in der negativen Richtung der X-Achse angeordnet sind,

ein Paar von Positionen für Widerstandselemente (R5, R7), die auf beiden Seiten der Y-Achse in positiver und negativer Richtung der X-Achse in der Nähe des Ursprungs in der positiven Richtung der Y-Achse angeordnet sind,

ein Paar von Positionen für Widerstandselemente (R2, R4), die auf beiden Seiten der Y-Achse in positiver und negativer Richtung der X-Achse in der Nähe des Ursprungs in der negativen Richtung der Y-Achse angeordnet sind,

ein Paar von Positionen für Widerstandselemente (R6, R8), die auf beiden Seiten der Y-Achse in positiver und negativer Richtung der X-Achse in der Nähe des festgelegten Abschnitts in der positiven Richtung der Y-Achse angeordnet sind,

ein Paar von Positionen für Widerstandselemente (R1, R3), die auf beiden Seiten der Y-Achse in positiver und negativer Richtung der X-Achse in der Nähe des festgelegten Abschnitts in der negativen Richtung der Y-Achse angeordnet sind,

um somit auf der Basis von Änderungen des elektrischen Widerstands der jeweiligen Widerstandselemente eine Änderung der auf den Ursprung ausgeübten Kraft zu ermitteln.

5. Ein Moment- und Kraftdetektor nach Anspruch 4, wobei ein Brückenaufbau aus Widerstandselementen aufgebaut ist, um eine Ermittlung durchzuführen:

wobei der Brückenaufbau umfaßt:

eine erste Brücke, die an den einen gegenüberliegenden Seiten mit zwei Widerstandspaaren ausgestattet ist, wobei ein Widerstandspaar durch in Reihe Schalten von zwei Widerstandselementen (R15, R16) erhalten ist, die in der positiven Richtung der X-Achse und auf der positiven Seite der Y-Achse bezüglich der X-Achse angeordnet sind, und wobei das andere Widerstandspaar durch in Reihe Schalten von zwei Widerstandselementen (R13, R14) erhalten ist, die in der positiven Richtung der X-Achse und auf der negativen Seite der Y-Achse bezüglich der X-Achse angeordnet sind,

wobei die erste Brücke an den anderen gegenüberliegenden Seiten ferner mit zwei Widerstandspaaren ausgestattet ist, wobei ein Widerstandspaar durch Zusammenschalten zweier Widerstandselemente (R11, R12) erhalten ist, die in der negativen Richtung der X-Achse und auf der positiven Seite der Y-Achse bezüglich der X-Achse angeordnet sind, und wobei das andere Widerstandspaar durch in Reihe Schalten von zwei Widerstandselementen (R9, R10) erhalten ist, die in der negativen Richtung der X-Achse und auf der negativen Seite der Y-Achse bezüglich der X-Achse angeordnet sind, um somit auf der Basis einer Brückenspannung der ersten Brücke eine Kraft in Richtung der X-Achse zu ermitteln,

eine zweite Brücke, die an den einen gegenüberliegenden Seiten mit zwei Widerstandspaaren ausgestattet ist, wobei ein Widerstandspaar durch in Reihe Schalten von zwei Widerstandselementen (R5, R6) erhalten ist, die in der positiven Richtung der Y-Achse und auf der positiven Seite der X-Achse bezüglich der Y-Achse angeordnet sind, und wobei das andere Widerstandspaar durch in Reihe Schalten von zwei Widerstandselementen (R7, R8) erhalten ist, die in der positiven Richtung der Y-Achse und auf der negativen Seite der X-Achse bezüglich der Y-Achse angeordnet sind,

wobei die zweite Brücke an den anderen gegenüberliegenden Seiten ferner mit zwei Widerstandspaaren ausgestattet ist, wobei ein Widerstandspaar durch in Reihe Schalten von zwei Widerstandselementen (R1, R2) erhalten ist, die in der negativen Richtung der Y-Achse und auf der positiven Seite der X-Achse bezüglich der Y-Achse angeordnet sind, und wobei das andere Widerstandspaar durch in Reihe Schalten von zwei Widerstandselementen (R3, R4) erhalten ist, die in der negativen Richtung der Y-Achse und auf der negativen Seite der X-Achse bezüglich der Y-Achse angeordnet sind, um somit auf der Basis einer Brückenspannung der zweiten Brücke eine Kraft in Richtung der Y-Achse zu ermitteln,

eine dritte Brücke, die an den einen gegenüberliegenden Seiten mit zwei Widerstandspaaren ausgestattet ist, wobei ein Widerstandspaar durch in Reihe Schalten von einem Widerstandselement (R16), das in der Nähe des festgelegten Abschnitts in der positiven Richtung der X-Achse und auf der positiven Seite der Y-Achse bezüglich der X-Achse angeordnet ist, und einem Widerstandselement (R9), das in der Nähe des festgelegten Abschnitts in der negativen Richtung der X-Achse und auf der negativen Seite der Y-Achse bezüglich der X-Achse angeordnet ist, erhalten ist, und

wobei das andere Widerstandspaar durch in Reihe Schalten von einem Widerstandselement (R14), das in der Nähe des festgelegten Abschnitts in der positiven Richtung der X-Achse und auf der negativen Seite der Y-Achse bezüglich der X-Achse angeordnet ist, und einem Widerstandselement (R11), das in der Nähe des festgelegten Abschnitts in der negativen Richtung der X-Achse und auf der positiven Seite der Y-Achse bezüglich der X-Achse angeordnet ist, erhalten ist,

wobei die dritte Brücke an den anderen gegenüberliegenden Seiten ferner mit zwei Widerstandspaaren ausgestattet ist, wobei ein Widerstandpaar durch in Reihe Schalten von einem Widerstandelement (R15), das in der Nähe des Ursprungs in der positiven Richtung der X-Achse und auf der positiven Seite der Y-Achse bezüglich der X-Achse angeordnet ist, und einem Widerstandselement (R10), das in der Nähe des Ursprungs in der negativen Richtung der X-Achse und auf der negativen Seite der Y-Achse bezüglich der X-Achse angeordnet ist, erhalten ist, und

wobei das andere Widerstandspaar durch in Reihe Schalten von einem Widerstandselement (R13), das in der Nähe des Ursprungs in der positiven Richtung der X-Achse und auf der negativen Seite der Y-Achse bezüglich der X-Achse angeordnet ist, und einem Widerstandselement (R12), das in der Nähe des Ursprungs in der negativen Richtung der X-Achse und auf der positiven Seite der Y-Achse bezüglich der X-Achse angeordnet ist, erhalten ist, um somit auf der Basis einer Brückenspannung der dritten Brücke eine Kraft in der Richtung der Z-Achse zu ermitteln,

eine vierte Brücke, die an den einen gegenüberliegenden Seiten mit zwei Widerstandspaaren ausgestattet ist, wobei ein Widerstandspaar durch in Reihe Schalten von zwei Widerstandselementen (R6, R8) erhalten ist, die in der Nähe des festgelegten Abschnitts in der positiven Richtung der Y-Achse angeordnet sind, und wobei das andere Widerstandspaar durch in Reihe Schalten von zwei Widerstandselementen (R2, R4) erhalten ist, die in der Nähe des Ursprungs in der negativen Richtung der Y-Achse angeordnet sind,

wobei die vierte Brücke an den anderen gegenüberliegenden Seiten ferner mit zwei Widerstandspaaren ausgestattet ist, wobei ein Widerstandspaar durch in Reihe Schalten von zwei Widerstandselementen (R5, R7) erhalten ist, die in der Nähe des Ursprungs in der positiven Richtung der Y-Achse angeordnet sind, und wobei das andere Widerstandspaar durch in Reihe Schalten von zwei Widerstandselementen (R1, R3) erhalten ist, die in der Nähe des festgelegten Abschnitts in der negativen Richtung der Y-Achse angeordnet sind, um somit auf der Basis einer Brückenspannung der vierten Brücke ein Moment um die X-Achse zu ermitteln,

eine fünfte Brücke, die an den einen gegenüberliegenden Seiten mit zwei Widerstandspaaren ausgestattet ist, wobei ein Widerstandspaar durch in Reihe Schalten von zwei Widerstandselementen (R14, R16) erhalten ist, die in der Nähe des festgelegten Abschnitts in der positiven Richtung der X-Achse angeordnet sind, und wobei das andere Widerstandspaar durch in Reihe Schalten von zwei Widerstandselementen (R10, R12) erhalten ist, die in der Nähe des Ursprungs in der negativen Richtung der X-Achse angeordnet sind,

wobei die fünfte Brücke an den anderen gegenüberliegenden Seiten ferner mit zwei Widerstandspaaren ausgestattet ist, wobei ein Widerstandspaar durch in Reihe Schalten von zwei Widerstandselementen (R13, R15) erhalten ist, die in der Nähe des Ursprungs in der positiven Richtung der X-Achse angeordnet sind, und wobei das andere Widerstandspaar durch in Reihe Schalten von zwei Widerstandselementen (R9, R11) erhalten ist, die in der Nähe des festgelegten Abschnitts in der negativen Richtung der X-Achse angeordnet sind, um somit auf der Basis einer Brückenspannung der fünften Brücke ein Moment um die Y-Achse zu ermitteln, und

eine sechste Brücke, die an den einen gegenüberliegenden Seiten mit zwei Widerstandspaaren ausgestattet ist, wobei ein Widerstandspaar durch in Reihe Schalten von einem Widerstandselement (R15, R16), das in der Nähe des Ursprungs oder des festgelegten Abschnitts in der positiven Richtung der X-Achse und auf der positiven Seite der Y-Achse bezüglich der X-Achse angeordnet ist, und einem Widerstandselement (R9, R10), das in der Nähe des Ursprungs oder des festgelegten Abschnitts in der negativen Richtung der X-Achse und auf der negativen Seite der Y-Achse bezüglich der X-Achse angeordnet ist, erhalten ist, und

wobei das andere Widerstandspaar aus einem Widerstandselement (R7, R8), das in der Nähe des Ursprungs oder des festgelegten Abschnitts in der positiven Richtung der Y-Achse und auf der negativen Seite der X-Achse bezüglich der Y-Achse angeordnet ist, und einem Widerstandselement (R1, R2), das in der Nähe des Ursprungs oder des festgelegten Abschnitts in der negativen Richtung der Y-Achse und auf der positiven Seite der X-Achse bezüglich der Y-Achse angeordnet ist, erhalten ist,

wobei die sechste Brücke an den anderen gegenüberliegenden Seiten ferner mit zwei Widerstandspaaren ausgestattet ist, wobei ein Widerstandspaar durch in Reihe Schalten von einem Widerstandselement (R11, R12), das in der Nähe des Ursprungs oder des festgelegten Abschnitts in der negativen Richtung der X-Achse und auf der positiven Seite der Y-Achse bezüglich der X-Achse angeordnet ist, und einem Widerstandselement (R13, R14), das in der Nähe des Ursprungs oder des festgelegten Abschnitts in der positiven Richtung der X-Achse und auf der negativen Seite der Y-Achse bezüglich der X-Achse angeordnet ist, erhalten ist, und

wobei das andere Widerstandspaar aus einem Widerstandselement (R3, R4), das in der Nähe des Ursprungs oder des festgelegten Abschnitts in der negativen Richtung der Y-Achse und auf der negativen Seite der X-Achse bezüglich der Y-Achse angeordnet ist, und einem Widerstandselement (R5, R6), das in der Nähe des Ursprungs oder des festgelegten Abschnitts in der positiven Richtung der Y-Achse und auf der positiven Seite der X-Achse bezüglich der Y-Achse angeordnet ist, erhalten ist, um somit auf der Basis einer Brückenspannung der sechsten Brücke ein Moment um die Z-Achse zu ermitteln.

6. Ein Moment- und Kraftdetektor nach Anspruch 4 oder 5, wobei in dem Zustand, wo keine Kraft oder Moment ausgeübt wird, die verschiedenen Widerstandselemente alle im wesentlichen den gleichen Widerstandswert aufweisen, und Änderungen des elektrischen Widerstands, die auf Verformungen beruhen, die in den Brückenabschnitten erzeugt werden, für verschiedene Widerstandselemente im wesentlichen gleich sind.