JP2013124946A - Force sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、力覚センサに関し、特に、XYZ三次元直交座標系における所定軸方向の力成分もしくは所定軸まわりのモーメント成分を検出する力覚センサに関する。 The present invention relates to a force sensor, and more particularly to a force sensor that detects a force component in a predetermined axis direction or a moment component around a predetermined axis in an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system.
ロボットをはじめとする様々な産業機械では、アームの間節部分に作用する力を検出する力覚センサが利用されている。特に、コンピュータ制御で駆動させる産業機械の場合、各部に作用する力を、三次元座標系における所定軸方向の力成分と所定軸まわりのモーメント成分とに分けて検出することが重要になる。 In various industrial machines including robots, force sensors that detect forces acting on the joints between arms are used. In particular, in the case of an industrial machine driven by computer control, it is important to detect the force acting on each part separately for a force component in a predetermined axis direction and a moment component around the predetermined axis in a three-dimensional coordinate system.
このように三次元の各軸方向の力成分および各軸まわりのモーメント成分を独立して検出する機能をもつセンサとして、たとえば、下記の特許文献1には、半導体基板上に形成されたピエゾ抵抗素子を利用した力覚センサが開示されている。この力覚センサでは、検出対象となる力の作用により機械的な撓みが生じる起歪体に半導体基板を接合し、この半導体基板上に形成したピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化を検出することにより作用した力の検出が行われる。半導体基板上に形成するピエゾ抵抗素子の位置や向きを工夫することにより、特定の軸方向の力成分や特定の軸まわりのモーメント成分を独立して検出することができる。
As a sensor having a function of independently detecting a three-dimensional force component in each axial direction and a moment component around each axis as described above, for example,
一方、特許文献2には、2枚の平行基板の間に四本の支柱を渡した構造体を用い、各支柱の変位状態を容量素子を用いて検知することにより、三次元座標系の各座標軸方向の力成分と各座標軸まわりのモーメント成分をそれぞれ独立して検出可能な6軸型の力覚センサが開示されている。 On the other hand, Patent Document 2 uses a structure in which four struts are passed between two parallel substrates, and detects the displacement state of each strut using a capacitive element. A 6-axis type force sensor capable of independently detecting a force component in the coordinate axis direction and a moment component around each coordinate axis is disclosed.
近年は、産業機械の微細化に伴い、力覚センサについても高い信頼性を確保しつつ、小型化を図ることが要求されている。また、商業的な見地からは、更なるコストダウンも望まれている。しかしながら、従来提案されているタイプの力覚センサでは、信頼性を確保しつつ更なる小型化やコストダウンを図ることは困難である。 In recent years, with the miniaturization of industrial machinery, it has been required to reduce the size of the force sensor while ensuring high reliability. Further, from a commercial standpoint, further cost reduction is desired. However, with the force sensor of the type conventionally proposed, it is difficult to achieve further downsizing and cost reduction while ensuring reliability.
そこで本発明は、高い信頼性を確保しつつ、小型化を図り、更に、コストダウンが可能な力覚センサを提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a force sensor that can be downsized and cost can be reduced while ensuring high reliability.
(1) 本発明の第1の態様は、XYZ三次元直交座標系における所定軸方向の力成分もしくは所定軸まわりのモーメント成分を検出する力覚センサにおいて、
検出対象となる力を受ける受力体と、この受力体が受けた力に基づいて変形するダイアフラム部を有する起歪体と、受力体とダイアフラム部とを接続する接続部材と、XYZ三次元直交座標系の原点Oの位置に配置され、ダイアフラム部に接合された歪検出基板と、検出対象となる力を電気信号として出力する検出回路と、
を設け、
起歪体は、XY平面に平行な上面および下面をもった板状部材によって構成され、起歪体の上面の中央部に定義された検出用領域には、下面側に向かって検出用溝が形成されており、この検出用溝の底部によってダイアフラム部が形成され、この検出用溝の周囲には側壁部が形成され、ダイアフラム部の下面と側壁部の下面とは同一平面上に位置し、
受力体は、起歪体の下方に所定間隔をおいて配置され、
接続部材は、Z軸上に配置された柱状部材によって構成され、その上端はダイアフラム部の下面中央部に接続され、その下端は受力体の上面中央部に接続されており、
歪検出基板は、上面および下面がXY平面に平行な面をなし、検出用溝の底面にダイアフラム部の変形によって生じる応力が伝達されるように接合され、上面の所定箇所にはピエゾ抵抗素子が形成されており、
検出回路は、ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化に基づいて、受力体が受けた力を示す電気信号を出力するようにしたものである。
(1) A first aspect of the present invention is a force sensor that detects a force component in a predetermined axis direction or a moment component around a predetermined axis in an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system.
A force receiving body that receives a force to be detected, a strain generating body having a diaphragm portion that deforms based on the force received by the force receiving body, a connecting member that connects the force receiving body and the diaphragm portion, and XYZ tertiary A strain detection substrate disposed at the position of the origin O of the original Cartesian coordinate system and joined to the diaphragm, a detection circuit that outputs a force to be detected as an electrical signal,
Provided,
The strain body is constituted by a plate-like member having an upper surface and a lower surface parallel to the XY plane, and a detection groove defined in the central portion of the upper surface of the strain body has a detection groove toward the lower surface side. The diaphragm portion is formed by the bottom portion of the detection groove, the side wall portion is formed around the detection groove, and the lower surface of the diaphragm portion and the lower surface of the side wall portion are located on the same plane,
The force receiving body is arranged below the strain body at a predetermined interval,
The connecting member is constituted by a columnar member arranged on the Z axis, the upper end thereof is connected to the lower surface center portion of the diaphragm portion, and the lower end thereof is connected to the upper surface center portion of the force receiving body,
The strain detection substrate has a top surface and a bottom surface that are parallel to the XY plane, and is joined to the bottom surface of the detection groove so that stress generated by the deformation of the diaphragm portion is transmitted, and a piezoresistive element is provided at a predetermined position on the top surface. Formed,
The detection circuit outputs an electric signal indicating the force received by the force receiving body based on a change in electric resistance of the piezoresistive element.
(2) 本発明の第2の態様は、上述した第1の態様に係る力覚センサにおいて、
受力体、接続部材、起歪体を、同一材料からなる一体構造体によって構成するようにしたものである。
(2) According to a second aspect of the present invention, in the force sensor according to the first aspect described above,
The force receiving body, the connecting member, and the strain generating body are configured by an integral structure made of the same material.
(3) 本発明の第3の態様は、上述した第1または第2の態様に係る力覚センサにおいて、
受力体が、XY平面に平行な上面および下面をもった板状部材によって構成され、
起歪体の側壁部には、起歪体を外部の第1の物体に固定するためのネジ孔が形成されており、
受力体の外周部には、受力体を外部の第2の物体に固定するためのネジ孔と、起歪体のネジ孔に挿通されたネジを回転するための器具を挿入するための開口部と、が形成されており、
起歪体のネジ孔と受力体のネジ孔とは、XY平面上への正射影投影像が重ならない位置に形成されており、起歪体のネジ孔と受力体の開口部とは、XY平面上への正射影投影像が重なる位置に形成されているようにしたものである。
(3) According to a third aspect of the present invention, in the force sensor according to the first or second aspect described above,
The force receiving member is constituted by a plate-like member having an upper surface and a lower surface parallel to the XY plane,
A screw hole for fixing the strain generating body to the external first object is formed in the side wall portion of the strain generating body,
A screw hole for fixing the force receiving body to the external second object and an instrument for rotating a screw inserted through the screw hole of the strain generating body are inserted into the outer periphery of the force receiving body. An opening is formed,
The screw hole of the strain generating body and the screw hole of the force receiving body are formed at positions where the orthogonal projection projection images on the XY plane do not overlap, and the screw hole of the strain generating body and the opening of the power receiving body are , The orthogonal projection image on the XY plane is formed at the overlapping position.
(4) 本発明の第4の態様は、上述した第3の態様に係る力覚センサにおいて、
起歪体がZ軸を中心軸とする円盤状の部材によって構成され、
歪検出基板がZ軸を中心軸とする正方形状の基板によって構成され、
起歪体には、正方形状の基板を収容可能な検出用溝が形成されており、
上記正方形の一組の対辺の中点を結ぶ線上における当該対辺の各外側位置と、別な一組の対辺の中点を結ぶ線上における当該対辺の各外側位置と、にそれぞれ配置された合計4個のネジ孔が起歪体に形成されているようにしたものである。
(4) According to a fourth aspect of the present invention, in the force sensor according to the third aspect described above,
The strain body is constituted by a disk-shaped member having the Z axis as the central axis,
The strain detection substrate is composed of a square substrate centering on the Z axis,
The strain body is formed with a detection groove capable of accommodating a square substrate,
A total of 4 respectively arranged at each outer position of the opposite side on the line connecting the midpoints of a pair of opposite sides of the square and each outer position of the opposite side on a line connecting the midpoints of another set of opposite sides. Each screw hole is formed in the strain body.
(5) 本発明の第5の態様は、上述した第1〜第4の態様に係る力覚センサにおいて、
起歪体の側壁部に、外部から検出用溝へ向かって貫通した挿入口が設けられており、検出回路が実装された回路基板が挿入口に挿入固定され、ピエゾ抵抗素子と回路基板上の検出回路との間に配線が施されているようにしたものである。
(5) According to a fifth aspect of the present invention, in the force sensor according to the first to fourth aspects described above,
An insertion port penetrating from the outside toward the detection groove is provided in the side wall portion of the strain generating body, and the circuit board on which the detection circuit is mounted is inserted and fixed in the insertion port, and the piezoresistive element and the circuit board Wiring is provided between the detection circuit and the detection circuit.
(6) 本発明の第6の態様は、上述した第1〜第5の態様に係る力覚センサにおいて、
接続部材の上端面を歪検出基板の上面に正射影投影して投影像を形成したときに、少なくとも一部のピエゾ抵抗素子が、投影像の外側直近部に配置された中央素子によって構成されているようにしたものである。
(6) The sixth aspect of the present invention is the force sensor according to the first to fifth aspects described above,
When a projection image is formed by orthographic projection of the upper end surface of the connection member onto the upper surface of the strain detection substrate, at least a part of the piezoresistive element is constituted by a central element disposed in the immediate vicinity of the projection image. It is what you have.
(7) 本発明の第7の態様は、上述した第6の態様に係る力覚センサにおいて、
中央素子が、所定の検出対象成分の作用により伸びる方向への応力が加わる位置に配置された第1グループの中央素子と、当該検出対象成分の作用により縮む方向への応力が加わる位置に配置された第2グループの中央素子と、を有し、
検出回路が、第1グループに所属する中央素子を第1の対辺に配置し、第2グループに所属する中央素子を第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いて検出対象成分の検出を行うようにしたものである。
(7) A seventh aspect of the present invention is the force sensor according to the sixth aspect described above,
The central element is arranged at a position where a stress is applied in a direction to be contracted by the action of the detection target component and a first group of central elements arranged at a position where the stress is applied in a direction of extension by the action of the predetermined detection target component. A second group of central elements,
The detection circuit detects the detection target component using a Wheatstone bridge in which the central element belonging to the first group is arranged on the first opposite side and the central element belonging to the second group is arranged on the second opposite side. It is a thing.
(8) 本発明の第8の態様は、上述した第7の態様に係る力覚センサにおいて、
X軸方向が長手方向となるように、X軸正領域に沿って配置された第1の中央素子および第2の中央素子と、
X軸方向が長手方向となるように、X軸負領域に沿って配置された第3の中央素子および第4の中央素子と、
を有し、
第1〜第4の中央素子は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、
検出回路が、第1の中央素子と第2の中央素子とを第1の対辺に配置し、第3の中央素子と第4の中央素子とを第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてY軸まわりのモーメント成分Myの検出を行うようにしたものである。
(8) The eighth aspect of the present invention is the force sensor according to the seventh aspect described above,
A first central element and a second central element arranged along the X-axis positive region such that the X-axis direction is a longitudinal direction;
A third central element and a fourth central element arranged along the X-axis negative region such that the X-axis direction is the longitudinal direction;
Have
The first to fourth central elements are composed of piezoresistive elements of the same material and the same size,
A detection circuit uses a Wheatstone bridge in which a first central element and a second central element are arranged on the first opposite side, and a third central element and a fourth central element are arranged on the second opposite side. The moment component My around the Y axis is detected.
(9) 本発明の第9の態様は、上述した第8の態様に係る力覚センサにおいて、
Y軸方向が長手方向となるように、Y軸正領域に沿って配置された第5の中央素子および第6の中央素子と、
Y軸方向が長手方向となるように、Y軸負領域に沿って配置された第7の中央素子および第8の中央素子と、
を更に有し、
第5〜第8の中央素子は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、
検出回路が、Y軸まわりのモーメント成分Myの検出に加えて、更に、第5の中央素子と第6の中央素子とを第1の対辺に配置し、第7の中央素子と第8の中央素子とを第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いて、X軸まわりのモーメント成分Mxの検出を行うようにしたものである。
(9) According to a ninth aspect of the present invention, in the force sensor according to the eighth aspect described above,
A fifth central element and a sixth central element arranged along the Y-axis positive region such that the Y-axis direction is the longitudinal direction;
A seventh central element and an eighth central element arranged along the Y-axis negative region such that the Y-axis direction is the longitudinal direction;
Further comprising
The fifth to eighth central elements are constituted by piezoresistive elements of the same material and the same size,
In addition to detecting the moment component My around the Y axis, the detection circuit further arranges the fifth central element and the sixth central element on the first opposite side, and the seventh central element and the eighth central element. The moment component Mx around the X axis is detected using a Wheatstone bridge in which the element is arranged on the second opposite side.
(10) 本発明の第10の態様は、上述した第6の態様に係る力覚センサにおいて、
検出対象となる力の作用によりダイアフラム部に変形が生じた場合にも有意な応力変化が生じない位置に配置されたピエゾ抵抗素子からなる参照素子を更に有し、
検出回路が、中央素子を第1の対辺に配置し、参照素子を第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いて検出対象成分の検出を行うようにしたものである。
(10) According to a tenth aspect of the present invention, in the force sensor according to the sixth aspect described above,
It further has a reference element made of a piezoresistive element arranged at a position where no significant stress change occurs even when the diaphragm portion is deformed by the action of the force to be detected,
The detection circuit detects the detection target component using a Wheatstone bridge in which the central element is arranged on the first opposite side and the reference element is arranged on the second opposite side.
(11) 本発明の第11の態様は、上述した第10の態様に係る力覚センサにおいて、
X軸方向が長手方向となるように、X軸正領域に沿って配置された第1の中央素子と、
X軸方向が長手方向となるように、X軸負領域に沿って配置された第2の中央素子と、
Y軸方向が長手方向となるように、Y軸正領域に沿って配置された第3の中央素子と、
Y軸方向が長手方向となるように、Y軸負領域に沿って配置された第4の中央素子と、
歪検出基板の周囲近傍に配置された第1の参照素子および第2の参照素子と、
を有し、
第1〜第4の中央素子は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、第1〜第2の参照素子は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、検出対象となる力が作用していない状態において、第1〜第2の参照素子の抵抗値は第1〜第4の中央素子の抵抗値の2倍となるように設定され、
検出回路が、第1の中央素子と第2の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、第3の中央素子と第4の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第1の対辺に配置し、第1の参照素子と第2の参照素子とを第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてZ軸方向の力成分Fzの検出を行うようにしたものである。
(11) An eleventh aspect of the present invention is the force sensor according to the tenth aspect described above,
A first central element disposed along the X-axis positive region such that the X-axis direction is a longitudinal direction;
A second central element disposed along the X-axis negative region such that the X-axis direction is the longitudinal direction;
A third central element arranged along the Y-axis positive region so that the Y-axis direction is the longitudinal direction;
A fourth central element disposed along the Y-axis negative region such that the Y-axis direction is the longitudinal direction;
A first reference element and a second reference element arranged in the vicinity of the periphery of the strain detection substrate;
Have
The first to fourth central elements are composed of piezoresistive elements of the same material and the same size, and the first to second reference elements are composed of piezoresistive elements of the same material and the same size, In a state where the force to be detected is not acting, the resistance value of the first to second reference elements is set to be twice the resistance value of the first to fourth central elements,
A detection circuit includes a resistance element formed by connecting a first central element and a second central element in series, and a resistance element formed by connecting a third central element and a fourth central element in series. The force component Fz in the Z-axis direction is detected using a Wheatstone bridge arranged on one opposite side and having a first reference element and a second reference element arranged on the second opposite side.
(12) 本発明の第12の態様は、上述した第6の態様に係る力覚センサにおいて、
Z軸の位置を内側として各中央素子の外側位置に配置されたピエゾ抵抗素子からなる参照素子を更に有し、
検出回路が、中央素子を第1の対辺に配置し、参照素子を第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いて検出対象成分の検出を行うようにしたものである。
(12) According to a twelfth aspect of the present invention, in the force sensor according to the sixth aspect described above,
A reference element composed of a piezoresistive element arranged at the outer position of each central element with the position of the Z axis as the inner side;
The detection circuit detects the detection target component using a Wheatstone bridge in which the central element is arranged on the first opposite side and the reference element is arranged on the second opposite side.
(13) 本発明の第13の態様は、上述した第12の態様に係る力覚センサにおいて、
X軸方向が長手方向となるように、X軸正領域に沿って配置された第1の中央素子と、
X軸方向が長手方向となるように、X軸負領域に沿って配置された第2の中央素子と、
Y軸方向が長手方向となるように、Y軸正領域に沿って配置された第3の中央素子と、
Y軸方向が長手方向となるように、Y軸負領域に沿って配置された第4の中央素子と、
X軸方向が長手方向となるように、X軸正領域に沿って、第1の中央素子の外側に配置された第1の参照素子と、
X軸方向が長手方向となるように、X軸負領域に沿って、第2の中央素子の外側に配置された第2の参照素子と、
Y軸方向が長手方向となるように、Y軸正領域に沿って、第3の中央素子の外側に配置された第3の参照素子と、
Y軸方向が長手方向となるように、Y軸負領域に沿って、第4の中央素子の外側に配置された第4の参照素子と、
を有し、
第1〜第4の中央素子および第1〜第4の参照素子は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、
検出回路が、第1の中央素子と第2の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、第3の中央素子と第4の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第1の対辺に配置し、第1の参照素子と第2の参照素子とを直列接続してなる抵抗素子と、第3の参照素子と第4の参照素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてZ軸方向の力成分Fzの検出を行うようにしたものである。
(13) According to a thirteenth aspect of the present invention, in the force sensor according to the twelfth aspect described above,
A first central element disposed along the X-axis positive region such that the X-axis direction is a longitudinal direction;
A second central element disposed along the X-axis negative region such that the X-axis direction is the longitudinal direction;
A third central element arranged along the Y-axis positive region so that the Y-axis direction is the longitudinal direction;
A fourth central element disposed along the Y-axis negative region such that the Y-axis direction is the longitudinal direction;
A first reference element disposed outside the first central element along the X-axis positive region such that the X-axis direction is a longitudinal direction;
A second reference element disposed outside the second central element along the X-axis negative region so that the X-axis direction is a longitudinal direction;
A third reference element disposed outside the third central element along the Y-axis positive region so that the Y-axis direction is the longitudinal direction;
A fourth reference element arranged outside the fourth central element along the Y-axis negative region so that the Y-axis direction becomes the longitudinal direction;
Have
The first to fourth central elements and the first to fourth reference elements are composed of piezoresistive elements of the same material and the same size,
A detection circuit includes a resistance element formed by connecting a first central element and a second central element in series, and a resistance element formed by connecting a third central element and a fourth central element in series. A resistance element formed by connecting a first reference element and a second reference element in series, and a resistance element formed by connecting a third reference element and a fourth reference element in series; The force component Fz in the Z-axis direction is detected using a Wheatstone bridge arranged on the second opposite side.
(14) 本発明の第14の態様は、上述した第6の態様に係る力覚センサにおいて、
歪検出基板がシリコン単結晶基板によって構成され、このシリコン単結晶基板の(001)面が歪検出基板の上面となり、
各中央素子が、(001)面におけるピエゾ抵抗係数のピーク方向を向くように配置され、
上記ピーク方向に対して45°をなす方向を向くように配置されたピエゾ抵抗素子からなる参照素子を更に有し、
検出回路が、中央素子を第1の対辺に配置し、参照素子を第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いて検出対象成分の検出を行うようにしたものである。
(14) According to a fourteenth aspect of the present invention, in the force sensor according to the sixth aspect described above,
The strain detection substrate is composed of a silicon single crystal substrate, and the (001) plane of the silicon single crystal substrate is the upper surface of the strain detection substrate.
Each central element is arranged to face the peak direction of the piezoresistance coefficient in the (001) plane,
A reference element composed of a piezoresistive element arranged to face a direction forming 45 ° with respect to the peak direction;
The detection circuit detects the detection target component using a Wheatstone bridge in which the central element is arranged on the first opposite side and the reference element is arranged on the second opposite side.
(15) 本発明の第15の態様は、上述した第14の態様に係る力覚センサにおいて、
ピエゾ抵抗係数のピーク方向がX軸もしくはY軸方向となるように歪検出基板が配置され、
X軸方向が長手方向となるように、X軸正領域に沿って配置された第1の中央素子と、
X軸方向が長手方向となるように、X軸負領域に沿って配置された第2の中央素子と、
Y軸方向が長手方向となるように、Y軸正領域に沿って配置された第3の中央素子と、
Y軸方向が長手方向となるように、Y軸負領域に沿って配置された第4の中央素子と、
X軸もしくはY軸に対して45°をなす方向が長手方向となるように配置された第1〜第4の参照素子と、
を有し、
第1〜第4の中央素子および第1〜第4の参照素子は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、
検出回路が、第1の中央素子と第2の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、第3の中央素子と第4の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第1の対辺に配置し、第1の参照素子と第2の参照素子とを直列接続してなる抵抗素子と、第3の参照素子と第4の参照素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてZ軸方向の力成分Fzの検出を行うようにしたものである。
(15) According to a fifteenth aspect of the present invention, in the force sensor according to the fourteenth aspect described above,
The strain detection board is arranged so that the peak direction of the piezoresistance coefficient is the X-axis or Y-axis direction,
A first central element disposed along the X-axis positive region such that the X-axis direction is a longitudinal direction;
A second central element disposed along the X-axis negative region such that the X-axis direction is the longitudinal direction;
A third central element arranged along the Y-axis positive region so that the Y-axis direction is the longitudinal direction;
A fourth central element disposed along the Y-axis negative region such that the Y-axis direction is the longitudinal direction;
First to fourth reference elements arranged such that a direction at 45 ° to the X axis or the Y axis is a longitudinal direction;
Have
The first to fourth central elements and the first to fourth reference elements are composed of piezoresistive elements of the same material and the same size,
A detection circuit includes a resistance element formed by connecting a first central element and a second central element in series, and a resistance element formed by connecting a third central element and a fourth central element in series. A resistance element formed by connecting a first reference element and a second reference element in series, and a resistance element formed by connecting a third reference element and a fourth reference element in series; The force component Fz in the Z-axis direction is detected using a Wheatstone bridge arranged on the second opposite side.
(16) 本発明の第16の態様は、上述した第6の態様に係る力覚センサにおいて、
伸びる方向への応力が作用すると電気抵抗が増加し、縮む方向への応力が作用すると電気抵抗が減少するピエゾ抵抗素子からなる第1の極性をもった中央素子と、
伸びる方向への応力が作用すると電気抵抗が減少し、縮む方向への応力が作用すると電気抵抗が増加するピエゾ抵抗素子からなる第2の極性をもった中央素子と、
を有し、
検出回路が、第1の極性をもった中央素子を第1の対辺に配置し、第2の極性をもった中央素子を第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いて検出対象成分の検出を行うようにしたものである。
(16) According to a sixteenth aspect of the present invention, in the force sensor according to the sixth aspect described above,
A central element having a first polarity composed of a piezoresistive element that increases in electrical resistance when a stress in an extending direction acts and decreases in electrical resistance when a stress in a contracting direction acts;
A central element having a second polarity composed of a piezoresistive element that decreases in electrical resistance when stress in the extending direction acts and increases in electrical resistance when stress in the contracting direction acts;
Have
The detection circuit detects a detection target component using a Wheatstone bridge in which a central element having a first polarity is arranged on the first opposite side and a central element having the second polarity is arranged on the second opposite side. It is what I do.
(17) 本発明の第17の態様は、上述した第16の態様に係る力覚センサにおいて、
X軸方向が長手方向となるように、X軸正領域に沿って配置された第1の中央素子および第2の中央素子と、
X軸方向が長手方向となるように、X軸負領域に沿って配置された第3の中央素子および第4の中央素子と、
Y軸方向が長手方向となるように、Y軸正領域に沿って配置された第5の中央素子および第6の中央素子と、
Y軸方向が長手方向となるように、Y軸負領域に沿って配置された第7の中央素子および第8の中央素子と、
を有し、
第1、第3、第5、第7の中央素子は、同一材料かつ同一サイズの第1の極性をもった中央素子であり、第2、第4、第6、第8の中央素子は、同一材料かつ同一サイズの第2の極性をもった中央素子であり、検出対象となる力が作用していない状態において、第1〜第8の中央素子の抵抗値は互いに等しくなるように設定され、
検出回路が、第1の中央素子と第3の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、第5の中央素子と第7の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第1の対辺に配置し、第2の中央素子と第4の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、第6の中央素子と第8の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてZ軸方向の力成分Fzの検出を行うようにしたものである。
(17) According to a seventeenth aspect of the present invention, in the force sensor according to the sixteenth aspect described above,
A first central element and a second central element arranged along the X-axis positive region such that the X-axis direction is a longitudinal direction;
A third central element and a fourth central element arranged along the X-axis negative region such that the X-axis direction is the longitudinal direction;
A fifth central element and a sixth central element arranged along the Y-axis positive region such that the Y-axis direction is the longitudinal direction;
A seventh central element and an eighth central element arranged along the Y-axis negative region such that the Y-axis direction is the longitudinal direction;
Have
The first, third, fifth, and seventh central elements are central elements having the same material and the same size and having the first polarity, and the second, fourth, sixth, and eighth central elements are A central element having the same material and the same size and having a second polarity, the resistance values of the first to eighth central elements are set to be equal to each other in a state where a force to be detected is not applied. ,
A detection circuit includes a resistance element formed by connecting a first central element and a third central element in series, and a resistance element formed by connecting a fifth central element and a seventh central element in series. A resistance element formed by connecting the second central element and the fourth central element in series with each other, and a resistance element formed by connecting the sixth central element and the eighth central element in series; The force component Fz in the Z-axis direction is detected using a Wheatstone bridge arranged on the second opposite side.
(18) 本発明の第18の態様は、上述した第6の態様に係る力覚センサにおいて、
歪検出基板がシリコン単結晶基板によって構成され、このシリコン単結晶基板の(001)面が歪検出基板の上面となり、(001)面におけるピエゾ抵抗係数のピーク方向が、X軸もしくはY軸方向となるように歪検出基板が配置され、
X軸方向が長手方向となるように、X軸正領域に沿って配置された第1の中央素子と、
X軸方向が長手方向となるように、X軸負領域に沿って配置された第2の中央素子と、
Y軸方向が長手方向となるように、Y軸正領域に沿って配置された第3の中央素子と、
Y軸方向が長手方向となるように、Y軸負領域に沿って配置された第4の中央素子と、
X軸方向が長手方向となるように、X軸正領域に沿って第1の中央素子の両脇に配置された第5および第6の中央素子と、
X軸方向が長手方向となるように、X軸負領域に沿って第2の中央素子の両脇に配置された第7および第8の中央素子と、
Y軸方向が長手方向となるように、Y軸正領域に沿って第3の中央素子の両脇に配置された第9および第10の中央素子と、
Y軸方向が長手方向となるように、Y軸負領域に沿って第4の中央素子の両脇に配置された第11および第12の中央素子と、
X軸もしくはY軸に対して45°をなす方向が長手方向となるように配置された第1〜第4の参照素子と、
を有し、
第1〜第12の中央素子および第1〜第4の参照素子は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、
検出回路が、
第1の中央素子と第2の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、第3の中央素子と第4の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第1の対辺に配置し、第1の参照素子と第2の参照素子とを直列接続してなる抵抗素子と、第3の参照素子と第4の参照素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてZ軸方向の力成分Fzの検出を行い、
第5の中央素子と第6の中央素子とを第1の対辺に配置し、第7の中央素子と第8の中央素子とを第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてY軸まわりのモーメント成分Myの検出を行い、
第9の中央素子と第10の中央素子とを第1の対辺に配置し、第11の中央素子と第12の中央素子とを第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてX軸まわりのモーメント成分Mxの検出を行うようにしたものである。
(18) According to an eighteenth aspect of the present invention, in the force sensor according to the sixth aspect described above,
The strain detection substrate is constituted by a silicon single crystal substrate, the (001) plane of this silicon single crystal substrate is the upper surface of the strain detection substrate, and the peak direction of the piezoresistance coefficient on the (001) plane is the X-axis or Y-axis direction. The strain detection board is arranged so that
A first central element disposed along the X-axis positive region such that the X-axis direction is a longitudinal direction;
A second central element disposed along the X-axis negative region such that the X-axis direction is the longitudinal direction;
A third central element arranged along the Y-axis positive region so that the Y-axis direction is the longitudinal direction;
A fourth central element disposed along the Y-axis negative region such that the Y-axis direction is the longitudinal direction;
Fifth and sixth central elements disposed on both sides of the first central element along the X-axis positive region so that the X-axis direction is the longitudinal direction;
Seventh and eighth central elements disposed on both sides of the second central element along the X-axis negative region so that the X-axis direction is the longitudinal direction;
Ninth and tenth central elements disposed on both sides of the third central element along the Y-axis positive region so that the Y-axis direction is the longitudinal direction;
Eleventh and twelfth central elements arranged on both sides of the fourth central element along the Y-axis negative region so that the Y-axis direction becomes the longitudinal direction;
First to fourth reference elements arranged such that a direction at 45 ° to the X axis or the Y axis is a longitudinal direction;
Have
The first to twelfth central elements and the first to fourth reference elements are composed of piezoresistive elements of the same material and the same size,
The detection circuit
A resistance element formed by connecting a first central element and a second central element in series and a resistance element formed by connecting a third central element and a fourth central element in series are arranged on the first opposite side. A resistive element formed by connecting the first reference element and the second reference element in series, and a resistive element formed by connecting the third reference element and the fourth reference element in series. The force component Fz in the Z-axis direction is detected using a Wheatstone bridge arranged on the opposite side of
Using a Wheatstone bridge in which the fifth central element and the sixth central element are arranged on the first opposite side and the seventh central element and the eighth central element are arranged on the second opposite side, The moment component My is detected,
Using a Wheatstone bridge in which the ninth central element and the tenth central element are arranged on the first opposite side and the eleventh central element and the twelfth central element are arranged on the second opposite side, The moment component Mx is detected.
(19) 本発明の第19の態様は、上述した第6〜第18の態様に係る力覚センサにおいて、
各中央素子の配置パターンが、XZ平面およびYZ平面に関して対称形をなすようにしたものである。
(19) According to a nineteenth aspect of the present invention, in the force sensor according to the sixth to eighteenth aspects described above,
The arrangement pattern of each central element is made symmetrical with respect to the XZ plane and the YZ plane.
(20) 本発明の第20の態様は、上述した第2の態様に係る力覚センサに用いる一体構造体の製造方法において、
Z軸が上方に向かう方向に定義されたXYZ三次元直交座標系に、中心軸がZ軸上にくるように材料棒を配置し、Z座標値がαを越え、かつβ未満の範囲に入る部分を、中心軸の近傍部分のみが残るように側面から切削加工する側面加工段階と、
材料棒の上端面の中央部に検出用領域を定義し、この検出用領域を下方に切削加工して検出用溝を形成する上面加工段階と、
を行い、
Z座標値がα以下の部分によって受力体を構成し、Z座標値がαを越え、かつβ未満の範囲に入る部分によって接続部材を構成し、Z座標値がβ以上の部分によって起歪体を構成するようにしたものである。
(20) According to a twentieth aspect of the present invention, in the method of manufacturing an integrated structure used for the force sensor according to the second aspect described above,
In the XYZ three-dimensional Cartesian coordinate system defined in the direction in which the Z axis is directed upward, the material rod is arranged so that the central axis is on the Z axis, and the Z coordinate value exceeds α and falls within the range of less than β. A side machining step for cutting the part from the side so that only the part near the central axis remains,
An upper surface processing stage in which a detection region is defined at the center of the upper end surface of the material rod, and the detection region is cut downward to form a detection groove;
And
The power receiving body is constituted by the portion where the Z coordinate value is α or less, the connecting member is constituted by the portion where the Z coordinate value exceeds α and falls within the range of less than β, and strain is generated by the portion where the Z coordinate value is β or more. It is intended to make up the body.
本発明に係る力覚センサは、受力体、接続部材、起歪体からなる基本構造体によって構成され、起歪体は、上面に検出用溝を形成した単純な構造によって実現できるため、高い信頼性を確保しつつ、従来装置に比べて小型化を図り、コストダウンを図ることができる。特に、この基本構造体を同一材料からなる一体構造体によって構成すれば、製造プロセスも容易になり、製造コストを大幅に低減することができ、また、各部の接続に関して信頼性の高い装置を実現することができる。しかも、検出用溝の底部によってダイアフラム部が形成され、その変形をピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化に基づいて電気的に検出することができるため、十分な検出精度を確保することができる。 The force sensor according to the present invention is configured by a basic structure including a force receiving body, a connecting member, and a strain generating body, and the strain generating body can be realized by a simple structure in which a detection groove is formed on the upper surface. While ensuring reliability, it is possible to reduce the size and cost as compared with the conventional apparatus. In particular, if this basic structure is made up of an integral structure made of the same material, the manufacturing process becomes easier, manufacturing costs can be greatly reduced, and a highly reliable device for connecting each part is realized. can do. In addition, since the diaphragm portion is formed by the bottom portion of the detection groove and the deformation can be electrically detected based on the change in the electric resistance of the piezoresistive element, sufficient detection accuracy can be ensured.
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。 Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiments.
<<< §1. 従来装置の構造およびその問題点 >>>
ここでは、まず、本発明に係る力覚センサに最も近い従来技術と思われる、前掲の特許文献1に開示されている力覚センサの構造および動作原理を説明する。図1は、この従来型の力覚センサの側断面図、図2は、その分解側面図である。
<<< §1. Structure of conventional equipment and its problems >>
Here, first, the structure and operating principle of the force sensor disclosed in the above-mentioned
図1に示すとおり、この力覚センサの主たる構造体は、起歪体10、受力体30、歪検出基板40、カバー50である。起歪体10および受力体30は、いずれも円盤状の部材であり、図2の側面図では、これらを分離し、カバー50を取り外した状態が示されている。
As shown in FIG. 1, the main structure of the force sensor is a
起歪体10は、肉薄のワッシャ状の部分からなるダイアフラム部11と、その周囲を取り囲む側壁部12と、中心軸に沿って下方に伸びる支柱部13と、によって構成されている。側壁部12には、配線用の貫通孔H1,H2およびネジ止め用の貫通孔H3,H4が形成されている。一方、受力体30には、中心および周囲にネジ止め用の貫通孔H5,H6,H7が形成されている。中心の貫通孔H5は、ネジNを挿通するためのもので、ネジNの先端部は支柱部13の下方に形成された雌ネジに螺合する。結局、受力体30は、ネジNによって支柱部13の下端に接合される。なお、図2の側面図では、各貫通孔H1〜H7やネジNの図示は省略されている。
The
起歪体10の上面には、浅くて広い溝G1が掘られており、この溝G1内には、歪検出基板40が収容されている。また、溝G1の上方は、カバー50によって覆われた状態になっている。一方、起歪体10の下面には、円環状の溝G2が掘られており、この溝G2の上部が、ワッシャ状のダイアフラム部11となっている。ダイアフラム部11は、肉薄のために可撓性を有している。したがって、受力体30に外力が作用すると、当該外力は支柱部13を介してダイアフラム部11へと伝達され、ダイアフラム部11が変形を生じることになる。なお、受力体30の下面に掘られた溝G3は、ネジNの頭部を収容するためのものである。
A shallow and wide groove G1 is dug on the upper surface of the
歪検出基板40は、シリコン基板によって構成され、溝G1の底面に貼り付けられている。したがって、ダイアフラム部11に生じた機械的変形は、そのまま歪検出基板40へ伝達される。歪検出基板40の上面の所定箇所には、ピエゾ抵抗素子K1〜K4が形成されており、歪検出基板40に機械的変形が生じると、各ピエゾ抵抗素子K1〜K4の電気抵抗に変化が生じる。貫通孔H1,H2に挿通した配線ピン61,62は、ボンディングワイヤ71,72を介して各ピエゾ抵抗素子K1〜K4に対して配線される。配線ピン61,62の下端は、図示されていない検出回路に接続され、この検出回路において、各ピエゾ抵抗素子K1〜K4の電気抵抗の変化が検知され、受力体30に作用した外力の検出が行われる。
The
貫通孔H3,H4に挿通したネジによって、起歪体10を図示されていない上部物体に固定し、貫通孔H6,H7に挿通したネジによって、受力体30を図示されていない下部物体に固定すれば、この力覚センサは、上部物体に対して下部物体から加えられる外力を検出する機能を果たす。
The
この従来型の力覚センサの特徴は、外力が作用したときに、ダイアフラム部11における図2の位置L1〜L4に応力(機械的な歪み)が集中する点にある。ここで、位置L1,L4は、ワッシャ状のダイアフラム部11の外周縁であり、位置L2,L3は、ワッシャ状のダイアフラム部11の内周縁である。要するに、受力体30に作用した外力に基づいてダイアフラム部11に生じる応力は、その端部に集中する。図1に示すピエゾ抵抗素子K1〜K4は、これらの位置L1〜L4に対応した位置に形成されている。このように、応力が集中する位置にピエゾ抵抗素子K1〜K4を配置することにより、高い検出感度が得られることになる。
A characteristic of this conventional force sensor is that stress (mechanical strain) concentrates at positions L1 to L4 in FIG. 2 in the
ダイアフラム部11の各位置L1〜L4に発生する応力の形態は、作用した外力の向きに応じて様々であるが、従来型の力覚センサでは、このようにワッシャ状のダイアフラム部11の内側に配置したピエゾ抵抗素子K2,K3と、外側に配置したピエゾ抵抗素子K1,K4を用いたブリッジ回路により、受力体30に作用した外力の各成分を検出することになる。
The form of stress generated at each of the positions L1 to L4 of the
しかしながら、この従来型の力覚センサには、次のような問題がある。まず、第1に、ワッシャ状のダイアフラム部11の外周縁(位置L1,L4)に生じる応力を検知できるようにするため、歪検出基板40の外寸をダイアフラム部11の外径よりも大きくせざるを得ない。これは、歪検出基板40の位置L1,L4に十分な歪みを生じさせるためには、歪検出基板40の外周が位置L1,L4の外側にまで広がっている必要があるためである。また、ピエゾ抵抗素子K1,K4の両端に対する配線を行うためにも、歪検出基板40の外周部にある程度の余裕をもたせておく必要がある。その結果、歪検出基板40のサイズは、ダイアフラム部11のサイズに比べて、ある程度大きくせざるを得なくなり、装置全体の小型化を阻害することになる。
However, this conventional force sensor has the following problems. First, in order to be able to detect the stress generated at the outer peripheral edge (positions L1, L4) of the washer-
第2に、起歪体10および受力体30によって構成される基本構造体の形状が複雑になるため、製造プロセスが複雑になり、製造コストが高騰せざるを得ない。図示のとおり、起歪体10については、上面に広くて浅い溝G1を形成する加工が必要であり、下面に円環状の溝G2を形成する加工が必要になる。特に、下面側に溝G2を形成する加工を行うには、受力体30が邪魔になるので、受力体30を起歪体10とは別体として用意し、着脱自在な構造にする必要がある。すなわち、起歪体10について、下面に溝G2を形成する加工を行った後に、受力体30を起歪体10の下方に取り付ける工程(図示の例の場合、ネジNによって、受力体30を支柱部13の下面に取り付ける工程)を行わねばならない。このように加工工程や組立工程が複雑になればなるほど、製造コストは高騰する。
Secondly, since the shape of the basic structure constituted by the
そして第3に、別体として用意された起歪体10と受力体30とを接続する必要があるため、この接続部に関しての信頼性が低下せざるを得ない。たとえば、図示の例のように、ネジNによって両者を接続固定する形態を採った場合、ネジNに弛みが生じると正しい検出を行うことができなくなり、場合によっては、受力体30が起歪体10から脱落してしまうおそれもある。したがって、実用上は、ネジNによる固定に加えて、両者間に接着剤を充填して固着する必要があるが、接着剤を介挿した場合、接続部にヒステリシス特性が現れるという別な問題が生じることになる。特に、装置に過負荷が加わった場合、接着剤が部分的に剥離する可能性があり、接続部に無視できないヒステリシス特性が生じる。
Thirdly, since it is necessary to connect the
本発明は、従来装置におけるこのような問題を解決するためのものであり、高い信頼性を確保しつつ、小型化およびコストダウンを図る技術を提供するものである。 The present invention is for solving such a problem in a conventional apparatus, and provides a technique for reducing the size and cost while ensuring high reliability.
<<< §2. 本発明に係る力覚センサの基本構造 >>>
続いて、本発明に係る力覚センサの基本構造を説明する。図3には、本発明に係る力覚センサを構成する基本構造体の上面図(上段の図(a) )および側面図(下段の図(b) )が示されている。下段の側面図に示されているように、この基本構造体の主たる構成要素は、起歪体100、接続部材200、受力体300である。
<<< §2. Basic structure of force sensor according to the present invention >>
Next, the basic structure of the force sensor according to the present invention will be described. FIG. 3 shows a top view (upper view (a)) and a side view (lower view (b)) of the basic structure constituting the force sensor according to the present invention. As shown in the lower side view, main components of the basic structure are the
起歪体100の内部には、図に破線で示すように、検出用溝Gが設けられており、この検出用溝Gの底部によってダイアフラム部110が形成されている。一方、この検出用溝Gの周囲には側壁部120が形成されている。また、検出用溝Gの底面(ダイアフラム部110の上面)には、歪検出基板400が配置されている。
As shown by the broken line in the drawing, a detection groove G is provided inside the
ここでは、説明の便宜上、この歪検出基板400の中心位置に原点Oをとり、図示の各方向にX軸,Y軸,Z軸をとることにより、XYZ三次元直交座標系を定義する。すなわち、上段の上面図では、右方向にX軸、上方向にY軸が定義され、Z軸は紙面に垂直な方向を向く。また、下段の側面図では、右方向にX軸、上方向にZ軸が定義され、Y軸は紙面に垂直な方向を向く。
Here, for convenience of explanation, an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system is defined by taking the origin O at the center position of the
上段の上面図に示されているとおり、起歪体100は、XY平面に平行な上面および下面をもった板状部材によって構成されている。一方、ここに示す例の場合、受力体300も、XY平面に平行な上面および下面をもった板状部材によって構成されている。受力体300は、必ずしも板状部材にする必要はないが、装置の小型化を図るため、実用上は、XY平面に平行な上面および下面をもった板状部材によって構成するのが好ましい。特に、図示する例の場合、起歪体100および受力体300は、同じ直径をもった円盤状の部材によって構成されており、Z軸が中心軸となるように配置されているため、上面図において、受力体300は起歪体100に完全に重なった状態になっている。
As shown in the upper plan view of the upper stage, the
受力体300は、起歪体100の下方に所定間隔をおいて配置され、両者間は接続部材200によって接続される。接続部材200は、Z軸上に配置された柱状部材(この例の場合は、円柱状の部材)によって構成され、その上端はダイアフラム部110の下面中央部に接続され、その下端は受力体300の上面中央部に接続されている。なお、ここに示す例の場合、起歪体100、接続部材200、受力体300は、同一材料(たとえば、コバールや42−アロイなどのシリコン基板と線膨張係数の近い金属、もしくはステンレスやアルミニウムなどの金属)からなる一体構造体によって構成されている。したがって、起歪体100と接続部材200との接続部および接続部材200と受力体300との接続部は、接着剤などによる接合ではなく、同一材料からなる連続構造体によって構成されている。
The
図3上段の上面図に描かれている花弁状のカバー180は、検出用溝Gの上部を覆う蓋として機能する。後述するように、検出用溝Gの平面形状は、このカバー180の輪郭形状よりもひとまわり小さい花弁状をしている。下段の側面図に破線で描かれている検出用溝Gは、起歪体100をXZ平面で切断したときの検出用溝Gの輪郭位置を示すものである。図3上段に示すとおり、起歪体100の側壁部120には、ネジ孔151,152,153,154が形成されている(下段の側面図では、これらのネジ孔は図示省略)。また、起歪体100の側壁部120から外部へ突き出している回路基板500は、検出回路を実装するための基板であり、その一端は検出用溝Gにまで達している。
The petal-
この力覚センサの内部の基本構造は、図4を参照することにより更に明瞭になる。図4には、図3に示す基本構造体のカバー180を取り外した状態を示す上面図(上段の図(a) )およびXZ平面で切断した側断面図(下段の図(b) )が示されている。ここで、上段の上面図において、花弁状の輪郭f1と輪郭f2との間に挟まれたドットによるハッチングを施した部分は、カバー180の下面周辺部を接着するためのカバー接着部190の領域を示すものである(ハッチングは領域を示すためのものであり、断面を示すものではない)。
The basic structure inside the force sensor will become clearer with reference to FIG. 4 shows a top view (upper figure (a)) showing a state where the
図4下段の側断面図に示されているとおり、カバー接着部190は、起歪体100の上面から、カバー180の厚みに相当する寸法だけ下がった位置に形成された段差部である。また、図4上段に示す花弁状の輪郭f2は、図3に示すカバー180の輪郭形状に一致する。したがって、図にハッチングを施して示したカバー接着部190の部分に接着剤を塗布し、上方からカバー180を段差部に嵌合すれば、カバー180の下面周囲部をカバー接着部190に接着固定することができる。
As shown in the side sectional view of the lower part of FIG. 4, the
一方、カバー接着部190の内側の輪郭f1は、検出用溝Gの輪郭を示すものである。すなわち、起歪体100の上面の中央部には、花弁状の輪郭f1の内部に相当する検出用領域が定義されており、この検出用領域には、起歪体100の下面側に向かって均一の深さをもつ検出用溝Gが形成されている。図4下段の側断面図は、この基本構造体をXZ平面で切断した断面を示しているため、検出用溝Gの一部の縦断面しか現れていないが、図4上段の上面図に示すとおり、検出用溝Gは、花弁状の平面形状を有している。検出用溝Gの深さは均一であり、この検出用溝Gの底部には、均一の厚みをもった花弁状のダイアフラム部110が形成されている。ダイアフラム部110は、肉厚が薄いため、検出対象となる力の作用を受けると撓み(機械的変形)を生じる。図示のとおりダイアフラム部110の下面と側壁部120の下面とは同一平面上に位置する。
On the other hand, the inner contour f <b> 1 of the
歪検出基板400は、上面および下面がXY平面に平行な面をなす正方形状の半導体基板であり、Z軸が中心軸となるように配置される。図4上段の上面図に示すとおり、検出用溝Gの花弁状の平面形状は、この正方形状をした歪検出基板400を収容するのに適した形状になっている。図4下段の側断面図に示すとおり、歪検出基板400は、検出用溝Gの底面(すなわち、ダイアフラム部110の上面)にダイアフラム部110の変形によって生じる応力が伝達されるように接合される(具体的には、歪検出基板400は、下面全面に接着剤を塗布して、ダイアフラム部110の上面に接着される)。
The
歪検出基板400の上面の所定箇所にはピエゾ抵抗素子Aが形成されている(下段の側断面図では図示省略)。ここに示す例の場合、歪検出基板400はシリコン基板によって構成されており、ピエゾ抵抗素子Aは、このシリコン基板の上面層にP型もしくはN型の不純物を注入した領域として構成できる。図示の例では、破線で示す接続部材200の位置の外側直近部に8組のピエゾ抵抗素子Aが配置されているが、ピエゾ抵抗素子の数や配置は、この例に限定されるものではない。ピエゾ抵抗素子の数や配置のバリエーションについては、§5でいくつかの実施例を述べることにする。
A piezoresistive element A is formed at a predetermined location on the upper surface of the strain detection substrate 400 (not shown in the lower side sectional view). In the example shown here, the
要するに、本発明に用いる歪検出基板400は、上面および下面がXY平面に平行な面をなし、検出用溝Gの底面にダイアフラム部110の変形によって生じる応力が伝達されるように接合され、上面の所定箇所にピエゾ抵抗素子が形成されたものであればよい。回路基板500には、ピエゾ抵抗素子Aの電気抵抗の変化に基づいて、受力体300が受けた力を示す電気信号を出力する検出回路(図示省略)が実装されている。具体的な検出回路の構成については、§5でいくつかの実施例を述べる。
In short, the
結局、本発明に係る力覚センサは、検出対象となる力を受ける受力体300と、この受力体300が受けた力に基づいて変形するダイアフラム部110を有する起歪体100と、受力体300とダイアフラム部110とを接続する接続部材200と、XYZ三次元直交座標系の原点Oの位置に配置され、ダイアフラム部110に接合された歪検出基板400と、検出対象となる力を電気信号として出力する検出回路(回路基板500上に実装された回路)と、を備え、XYZ三次元直交座標系における所定軸方向の力成分もしくは所定軸まわりのモーメント成分を検出する力覚センサということになる。
As a result, the force sensor according to the present invention includes a
起歪体100の側壁部120に形成されたネジ孔151,152,153,154は、起歪体100を外部の第1の物体に固定するための貫通孔(ネジは切られていない)である。図4下段の側断面図には、ネジ孔151,152に、それぞれネジN1,N2を挿通させた状態が描かれている。同様に、ネジ孔153,154には、それぞれネジN3,N4が挿通される。これら4本のネジN1〜N4は、起歪体100の上方に配置された第1の物体(図示されていない)に形成されたネジ孔内の雌ネジもしくは当該ネジ孔の上部に配置されたナットに螺合する。したがって、起歪体100は、4本のネジN1〜N4によって、上方に配置された第1の物体(図示されていない)にしっかりと固定されることになる。
Screw holes 151, 152, 153, and 154 formed in the
なお、図4下段の側断面図に示すとおり、受力体300の外周部には、開口部321,322が設けられている。ここで、開口部321はネジ孔151の真下の位置に形成され、開口部322はネジ孔152の真下の位置に形成されている。これらの開口部321,322は、ネジ孔151,152に挿通されたネジN1,N2を回転するための器具(ドライバー)を挿入するために利用される。同様に、ネジ孔153の真下の位置には、ネジN3を回転するための器具を挿入するための開口部323が形成され、ネジ孔154の真下の位置には、ネジN4を回転するための器具を挿入するための開口部324が形成されている。
As shown in the side sectional view of the lower part of FIG. 4,
図5は、図3に示す基本構造体の下面図であり、図6は、図5に示す基本構造体に4本のネジN1〜N4を挿通した状態を示す下面図である。上述したとおり、受力体300の外周部には、起歪体100のネジ孔151,152,153,154に挿通されたネジN1,N2,N3,N4を回転するための器具(ドライバー)を挿入するための開口部321,322,323,324(この例の場合、受力体300の外周部から中心軸方向に向かって形成されたU字状の切り欠き部)が形成されている。
FIG. 5 is a bottom view of the basic structure shown in FIG. 3, and FIG. 6 is a bottom view showing a state where four screws N1 to N4 are inserted into the basic structure shown in FIG. As described above, an instrument (driver) for rotating the screws N1, N2, N3, and N4 inserted through the screw holes 151, 152, 153, and 154 of the
この力覚センサの利用者は、これら開口部321,322,323,324を利用して、受力体300の下面側から4本のネジN1〜N4を起歪体100のネジ孔151,152,153,154に挿通し、器具(ドライバー)で回転させることにより、4本のネジN1〜N4を第1の物体に固定することができる。図6は、こうして4本のネジN1〜N4による固定が完了した状態を示している。
A user of this force sensor uses these
開口部321,322,323,324が、それぞれX軸もしくはY軸方向の位置に形成されているのに対して、受力体300の外周部における45°ずれた位置には、受力体300をその下方に配置されている第2の物体に固定するためのネジ孔351,352,353,354が形成されている。
While the
図7は、図3に示す基本構造体のカバー180を取り外した状態を示す上面図(上段の図(a) )およびその側断面図(下段の図(b) )である。ここで、図7上段の上面図は、図4上段の上面図を時計まわりに45°回転させたものに相当し、図7下段の側断面図は、図7上段に示す構造体を切断線W−Wの位置で切断した断面を示している。したがって、この側断面図には、ネジ孔351,352が現れている。受力体300に形成されたネジ孔351,352,353,354の内部には、雌ネジが形成されており、下方に配置された第2の物体側から導出された4本のネジの先端部と螺合する。これにより、受力体300を下方に配置された第2の物体(図示されていない)にしっかりと固定することができる。
FIG. 7 is a top view (upper view (a)) and a side sectional view (lower view (b)) showing a state where the
なお、図7下段の側断面図に示された検出用溝Gの輪郭形状は、図4下段の側断面図に示された検出用溝Gの輪郭形状とは異なっているが、これは前者が切断線W−Wの位置における断面を示しているのに対して、後者はXZ平面による断面を示しているためである。図7下段の側断面図には、輪郭f1,f2の相違によって生じる段差構造により、カバー接着部190が形成される様子が明瞭に示されている。また、起歪体100の側壁部120に、外部から検出用溝Gへ向かって貫通した挿入口が設けられ、検出回路が実装された回路基板500が、この挿入口に挿入固定されている状態も明瞭に示されている。なお、歪検出基板400の上面に設けられた各ピエゾ抵抗素子A(下段の側断面図では図示省略)と、回路基板500上に設けられた検出回路との間には、ボンディングワイヤ470を含む配線が施される(必要に応じて、歪検出基板400の上面には、ボンディングパッドを設ければよい)。
The contour shape of the detection groove G shown in the lower side sectional view of FIG. 7 is different from the contour shape of the detection groove G shown in the lower side sectional view of FIG. This is because the latter shows a cross section at the position of the cutting line WW, whereas the latter shows a cross section by the XZ plane. The lower side sectional view of FIG. 7 clearly shows how the cover
図5に示すとおり、起歪体100のネジ孔151,152,153,154のXY平面上への正射影投影像はX軸もしくはY軸上に配置されているのに対して、受力体300のネジ孔351,352,353,354のXY平面上への正射影投影像はX軸もしくはY軸を45°回転させた軸上に配置されており、前者と後者はXY平面上で互いに重ならない位置に形成されている。このため、起歪体100を第1の物体に固定するための4本のネジと、受力体300を第2の物体に固定するための4本のネジとの干渉を防ぐことができる。
As shown in FIG. 5, the orthographic projection image of the screw holes 151, 152, 153, 154 of the
一方、起歪体100のネジ孔151,152,153,154のXY平面上への正射影投影像と、受力体300に設けられた開口部321,322,323,324のXY平面上への正射影投影像とは、互いに重なる位置に形成されている。そのため、各開口部を利用して、各ネジ孔にネジを挿通する作業や、各ネジを回転させる作業を行うことができる。
On the other hand, orthographic projection images of the screw holes 151, 152, 153, and 154 of the
また、ここに示す例の場合、起歪体100はZ軸を中心軸とする円盤状の部材によって構成され、歪検出基板400はZ軸を中心軸とする正方形状の基板によって構成されている。そして、図4上段の上面図に示すとおり、起歪体100には、正方形状の歪検出基板400を収容できるように、花弁状の検出用溝Gが形成されている。起歪体100のネジ孔151,152,153,154は、この花弁状の検出用溝Gの4枚の花弁位置を避ける位置に配置されており、円盤状の起歪体100について、スペースを効率的に利用した配置が実現されている。
In the example shown here, the
すなわち、歪検出基板400を構成する正方形の一組の対辺の中点を結ぶ線(図示の例の場合はX軸)上における当該対辺の各外側位置にネジ孔151,152が配置され、別な一組の対辺の中点を結ぶ線(図示の例の場合はY軸)上における当該対辺の各外側位置にネジ孔153,154が配置されている。このような配置を採れば、円盤状の起歪体100の内部に、正方形状の歪検出基板400と合計4個のネジ孔とを効率的に配置することが可能になり、装置全体の小型化に寄与することができる。
That is, screw holes 151 and 152 are arranged at respective outer positions of the opposite side on a line connecting the midpoints of a set of opposite sides of the square constituting the strain detection substrate 400 (X axis in the illustrated example). Screw holes 153 and 154 are arranged at positions outside the opposite side on a line connecting the midpoints of a pair of opposite sides (in the example shown, the Y axis). By adopting such an arrangement, it becomes possible to efficiently arrange the square-shaped
<<< §3. 本発明に係る力覚センサのメリット >>>
続いて、§1で述べた従来装置の構造と、§2で述べた本発明に係る装置の構造とを比較し、本発明に係る力覚センサのメリットを説明する。§1では、従来装置の問題として、小型化の阻害要因、製造コストの高騰要因、接続部に関しての信頼性の低下要因を挙げたが、本発明に係る力覚センサでは、これらの問題点が解消することになる。以下、順に説明する。
<<< §3. Advantages of force sensor according to the present invention >>
Subsequently, the merit of the force sensor according to the present invention will be described by comparing the structure of the conventional device described in §1 with the structure of the device according to the present invention described in §2. In §1, the problems of the conventional device are listed as factors that hinder downsizing, factors that cause an increase in manufacturing cost, and factors that lower reliability with respect to the connecting portion. However, the force sensor according to the present invention has these problems. Will be resolved. Hereinafter, it demonstrates in order.
まず、第1に、従来型の力覚センサでは、ワッシャ状のダイアフラム部11の外周縁(図2の位置L1,L4)に生じる応力を検知できるようにするため、歪検出基板40の外寸をダイアフラム部11の外径よりも大きくする必要があった。これは、装置全体の小型化を阻害する要因になる。別言すれば、従来装置では、図1に示すように、歪検出基板40の内側にピエゾ抵抗素子K2,K3を配置するとともに、外側にもピエゾ抵抗素子K1,K4を配置するため、4組のピエゾ抵抗素子K1〜K4を並べて配置できるだけのサイズ(ダイアフラム部11よりもひとまわり大きなサイズ)をもった歪検出基板40を用意する必要があり、必然的に、起歪体10のサイズも大きくならざるを得ない。
First, in the conventional force sensor, in order to be able to detect the stress generated on the outer peripheral edge (positions L1 and L4 in FIG. 2) of the washer-shaped
これに対して、本発明では、図3下段の側面図に示すように、位置L5〜L8を定義した場合、ダイアフラム部110の外周縁(位置L5,L8)に生じる応力の検知は基本的に行わず、内周縁(位置L6,L7)に生じる応力に基づいて作用した力の検出を行うという方法を採る。したがって、ピエゾ抵抗素子Aは、図4上段の上面図に示されているとおり、歪検出基板400の内側(図3下段における位置L6,L7)に配置すればよい(後述するように、いくつかの実施例では、別な位置に配置された参照素子を併用する)。
On the other hand, in the present invention, as shown in the side view in the lower part of FIG. 3, when the positions L5 to L8 are defined, the detection of the stress generated at the outer peripheral edge (positions L5 and L8) of the
このように、本発明では、ダイアフラム部110の外周縁(位置L5,L8)に生じる応力検知を行わない方針を採用したため、歪検出基板400のサイズをダイアフラム110のサイズよりも大きくする必要はない。図4下段の側断面図や図7下段の側断面図を見ればわかるとおり、歪検出基板400は、検出用溝Gの内部に収容されており、ダイアフラム部110より若干小さなサイズの基板になっている。このため、従来装置に比べて、装置全体の小型化を図ることが可能になる。
As described above, in the present invention, since the policy of not detecting the stress generated at the outer peripheral edge (positions L5 and L8) of the
実際、本願発明者が試作したサンプルでは、起歪体100および受力体300を、直径10mm程度、厚み2〜3mm程度の円盤を用いて構成し、歪検出基板400を、一辺5mm程度の正方形状のシリコン基板を用いて構成することができた。また、起歪体100としてステンレスの円盤を用いた場合、ダイアフラム部110の厚みを1mm程度にすれば、一般的なロボットアームなどに利用する力覚センサとして十分な感度の機械的変形を生じさせることができた。なお、ダイアフラム部110に生じた機械的変形を歪検出基板400に十分に伝達できるようにするため、歪検出基板400の厚みは、ダイアフラム部110の厚みよりも小さく(たとえば、半分程度の厚み)に設定するのが好ましい。
Actually, in the sample made by the inventor of the present application, the
従来型の力覚センサの第2の問題点は、基本構造体の形状が複雑になるため、製造プロセスが複雑になり、製造コストが高騰する点である。図2に示すように、起歪体10については、上面に溝G1を形成する加工を行い、下面に溝G2を形成する加工が必要になる。すなわち、下面側に形成した溝G2によってダイアフラム部11を形成し、このダイアフラム部11よりもサイズの大きな歪検出基板40を配置するために、上面側にも溝G1を形成する必要がある。結局、受力体30を起歪体10とは別体として用意し、起歪体10の下面に対する加工を行った後に受力体30を接続する組立工程が必要になる。
The second problem of the conventional force sensor is that the shape of the basic structure is complicated, so that the manufacturing process is complicated and the manufacturing cost increases. As shown in FIG. 2, the
これに対して、本発明では、図3下段の側面図に示されているとおり、起歪体100に対する加工は、上面から行うだけで済む。ダイアフラム部110の下面と側壁部120の下面とは同一平面上に位置するため、起歪体100の下面は平坦面となり、下面に溝を掘る加工を行う必要はない。
On the other hand, in the present invention, as shown in the side view in the lower part of FIG. Since the lower surface of the
実際、本発明に係る装置では、起歪体100、接続部材200、受力体300からなる基本構造体を、同一材料からなる一体構造体によって構成することができ、製造コストを大幅に低減することができる。具体的には、この基本構造体は、次のような工程で生産することができる。
In fact, in the apparatus according to the present invention, the basic structure composed of the
まず、コバール、42−アロイ、ステンレス、アルミニウムなどの金属材料(可撓性をもったダイアフラム部110を構成することが可能な材料であれば、必ずしも金属である必要はない)からなる材料棒を用意する。図示の例の場合、金属の円柱棒を用意するのが好ましい。ここでは、説明の便宜上、図3下段の図に示すように、Z軸が上方に向かう方向に定義されたXYZ三次元直交座標系を考え、この座標系上に、中心軸がZ軸上にくるように材料棒を配置したものとしよう。
First, a material rod made of a metal material such as Kovar, 42-alloy, stainless steel, aluminum (not necessarily a metal as long as it is a material capable of constituting the
はじめに、この材料棒のうち、Z座標値がαを越え、かつβ未満の範囲に入る部分を、中心軸の近傍部分のみが残るように側面から切削加工する側面加工段階を行う。図3下段の側面図に示されているαおよびβは、このZ座標値に応じた位置を示している。要するに、位置α〜βの間の区間に対して、側面からの切削加工を行うことにより、中心軸の近傍部分によって円柱状の接続部材200を形成することになる。
First, a side surface machining step is performed in which a portion of the material bar whose Z coordinate value exceeds α and falls within the range of β is cut from the side surface so that only a portion near the central axis remains. Α and β shown in the side view at the bottom of FIG. 3 indicate positions according to the Z coordinate value. In short, by performing cutting from the side surface on the section between the positions α to β, the
続いて、この材料棒の上端面の中央部に検出用領域(図4上段の上面図に示されている輪郭f1の内部の領域)を定義し、この検出用領域を下方に切削加工して検出用溝Gを形成する。そうすれば、この材料棒のZ座標値がα以下の部分によって受力体300を構成し、Z座標値がαを越え、かつβ未満の範囲に入る部分によって接続部材200を構成し、Z座標値がβ以上の部分によって起歪体100を構成することができ、これらは同一材料からなる一体構造体になる。
Subsequently, a detection region (region inside the contour f1 shown in the top view in the upper part of FIG. 4) is defined at the center of the upper end surface of the material rod, and the detection region is cut downward. A detection groove G is formed. Then, the
最後に、必要に応じて、上端面にカバー接着部190を形成する加工(図4上段の上面図に示されている輪郭f1とf2との間の領域を浅く掘り下げる加工)や、ネジ孔151〜154,321〜324および開口部351〜354を形成する加工、回路基板500を挿入するための挿入口を形成する加工を行えばよい。
Finally, if necessary, a process of forming the
このように、本発明に係る力覚センサでは、1本の材料棒に対する機械加工によって基本構造体を量産することができるため、製造工程は単純化され、製造コストを大幅に低減させることができる。 As described above, in the force sensor according to the present invention, the basic structure can be mass-produced by machining with respect to one material bar. Therefore, the manufacturing process is simplified and the manufacturing cost can be greatly reduced. .
従来型の力覚センサの第3の問題点は、別体として用意された起歪体10と受力体30とを接続する必要があるため、この接続部に関しての信頼性が低下する点である。図1に示す例のようにネジNによる接続を行えば、ネジNの弛みによって接続部の信頼性は失われ、受力体30が脱落するおそれもある。また、両者を接着剤で固定すると、検出に悪影響を与えるヒステリシス特性が生じる。
A third problem of the conventional force sensor is that it is necessary to connect the
本発明に係る力覚センサでは、受力体100、接続部材200、起歪体300からなる基本構造体を、同一材料からなる一体構造体によって構成することができる。このような一体構造体による構成にすれば、相互の接続部について十分な信頼性が得られることになり、耐久度の高い装置を実現できる。
In the force sensor according to the present invention, the basic structure including the
<<< §4. ピエゾ抵抗素子の配置 >>>
§2では、本発明に係る力覚センサの基本構造体の構成を説明したが、ここでは、歪検出基板400上に設けられるピエゾ抵抗素子の配置に関する基本方針を述べよう。
<<< §4. Piezoresistive element arrangement >>
In §2, the configuration of the basic structure of the force sensor according to the present invention has been described. Here, the basic policy regarding the arrangement of the piezoresistive elements provided on the
はじめに、§2で説明した力覚センサに外力が作用したとき、ダイアフラム部110がどのように変形し、歪検出基板400にどのような応力が作用するかを考えてみよう。図8は、図3に示す基本構造体にY軸まわりのモーメント成分+Myが作用したときの変形状態を示すXZ平面での側断面図である。図において、Y軸は、原点Oにおいて紙面に垂直奥方向を向いた軸である。
First, let us consider how the
なお、本願では、特定の座標軸まわりのモーメント成分の符号は、当該特定の座標軸の正方向に右ネジを進めるための回転方向を正にとることにする。したがって、図示の例の場合、モーメント成分+Myは、Y軸を中心軸として、受力体300を時計まわりに回転させる力になり、モーメント成分−Myは、Y軸を中心軸として、受力体300を反時計まわりに回転させる力になる。
In the present application, the sign of the moment component around the specific coordinate axis is positive in the rotation direction for advancing the right screw in the positive direction of the specific coordinate axis. Therefore, in the example shown in the figure, the moment component + My is a force that rotates the
起歪体100を固定した状態において、受力体300に対してモーメント成分+Myが作用すると、ダイアフラム部110および歪検出基板400には図示のような変形が生じることになる。その結果、歪検出基板400の上面には、図に矢印で示すような応力が加わる。すなわち、歪検出基板400の上面の中央付近(接続部材200の接続領域の外側直近部)に着目すると、図の左側では伸びる方向への応力(引張り応力)が加わり、図の右側では縮む方向への応力(圧縮応力)が加わる。その結果、各位置に配置されたピエゾ抵抗素子の電気抵抗に変化が生じることになる。
When the moment component + My acts on the
たとえば、シリコン基板上に形成されたP型のピエゾ抵抗素子の場合、伸びる方向への応力が作用すると抵抗値は増加し、縮む方向への応力が作用すると抵抗値は減少する。N型のピエゾ抵抗素子の場合は、これと逆の結果が生じる。そこで、回路基板500上に、このようなピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化を検知する検出回路を設けておけば、受力体300に作用した外力成分を電気信号として検出することができる。
For example, in the case of a P-type piezoresistive element formed on a silicon substrate, the resistance value increases when a stress in the extending direction acts, and the resistance value decreases when a stress in the contracting direction acts. In the case of an N-type piezoresistive element, the opposite result occurs. Therefore, if a detection circuit for detecting such a change in the resistance value of the piezoresistive element is provided on the
各ピエゾ抵抗素子に加わる応力は、受力体300に作用した外力成分の種類によって異なる。たとえば、負のモーメント成分−Myが作用した場合、図8とは左右逆転した変形態様が得られることになる。図9は、図3に示す基本構造体にZ軸方向の力成分+Fzが作用したときの変形状態を示すXZ平面での側断面図である。歪検出基板400の中央部が上方(Z軸正方向)に押し上げられ、歪検出基板400の上面の中央付近に着目すると、左右いずれの位置においても伸びる方向への応力が加わる。負の力成分−Fz(図9の下方へ向かう力成分)が作用した場合は、これとは逆に、左右いずれの位置においても縮む方向への応力が加わることになる。
The stress applied to each piezoresistive element varies depending on the type of external force component acting on the
本願発明者が調べた結果、受力体300に様々な外力成分が作用したときに歪検出基板400の上面に発生する応力の強度は、接続部材200の接続領域の外側直近部に集中することが判明した。すなわち、図7上段の上面図において、破線の円で示されている接続部材200の領域の外側直近部に応力が集中することになる。図示の例において、8組のピエゾ抵抗素子Aを、この外側直近部に配置してあるのは、応力が集中する箇所にピエゾ抵抗素子を配置して検出感度を高めるためである。
As a result of investigation by the inventor of the present application, the strength of the stress generated on the upper surface of the
本願では、このように、歪検出基板400の上面において、接続部材200の接続領域の外側直近部に配置されたピエゾ抵抗素子(すなわち、接続部材200の上端面を歪検出基板400の上面に正射影投影して投影像を形成したときに、この投影像の外側直近部に配置されたピエゾ抵抗素子)を「中央素子」と呼ぶことにする。図7に示す8組のピエゾ抵抗素子Aは、いずれも「中央素子」である。これら中央素子は、応力が集中する箇所に配置されているため、受力体300に作用した外力成分に対して高い検出感度を有する。
In the present application, in this way, on the upper surface of the
本発明に係る力覚センサは、この中央素子を用いた検出を行うことを前提としており、歪検出基板400上に形成されたピエゾ抵抗素子の少なくとも一部は、中央素子によって構成されている。なお、後述する実施例のいくつかは、中央素子以外のピエゾ抵抗素子(「参照素子」と呼んでいる)も利用する。本願図面では、「中央素子」を符号A,B,C,Dを用いて表し、「参照素子」を符号P,Q,R,Sを用いて表すことにより、両者を区別している。
The force sensor according to the present invention is premised on performing detection using this central element, and at least a part of the piezoresistive element formed on the
また、実用上、これら各中央素子A〜Dの配置パターンは、XZ平面およびYZ平面に関して対称形をなすようにするのが好ましい。図7に示す例における8組のピエゾ抵抗素子Aや、後述する各実施例における各中央素子A〜Dは、いずれも同一サイズの抵抗素子になっており、しかもXZ平面およびYZ平面に関して対称形をなす配置パターンを有している。このような対称性を維持しておくと、後述するブリッジ回路から出力される各軸成分の検出値のオフセット電圧がゼロになるため調整を行いやすくなる。また、ブリッジの各辺が同一になるので温度特性も改善される。 In practice, the arrangement pattern of the central elements A to D is preferably symmetrical with respect to the XZ plane and the YZ plane. The eight sets of piezoresistive elements A in the example shown in FIG. 7 and the central elements A to D in each example described later are all the same size of resistive elements and are symmetrical with respect to the XZ plane and the YZ plane. An arrangement pattern is formed. If such symmetry is maintained, the offset voltage of the detected value of each axis component output from the bridge circuit described later becomes zero, so that adjustment is facilitated. Further, since the sides of the bridge are the same, the temperature characteristics are also improved.
ところで、ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化に基づいて、受力体が受けた力を電気信号として検出するには、後述するようなブリッジ回路を用いた差分検出を行うのが好ましい。これは、力覚センサの実使用環境(特に温度環境)が変化すると、ピエゾ抵抗素子の電気的特性も変化するため、各ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の絶対値をそのまま検出値として利用すると、温度環境などの影響がそのまま検出値にも現れ、正しい検出値を出力することができなくなるためである。2組のピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化の差分を検出値として出力可能なブリッジ回路を利用し、検出対象となる力が作用していない状態において、ブリッジが平衡を保つようにすれば、このような実使用環境の影響を排除した正確な検出が可能になる。 By the way, in order to detect the force received by the force receiving body as an electric signal based on the change in the electric resistance of the piezoresistive element, it is preferable to perform difference detection using a bridge circuit as will be described later. This is because the electrical characteristics of the piezoresistive elements also change when the actual usage environment (especially the temperature environment) of the force sensor changes, so if the absolute value of the electrical resistance of each piezoresistive element is used as it is as a detected value, This is because the influence of the environment or the like appears in the detected value as it is, and the correct detected value cannot be output. By using a bridge circuit that can output the difference in change in electrical resistance between the two sets of piezoresistive elements as a detection value and maintaining the bridge in a state where the force to be detected is not acting, This makes it possible to accurately detect the influence of the actual usage environment.
図1に示す従来装置の場合、ピエゾ抵抗素子K2,K3が本発明における中央素子に対応するものであるが、更にピエゾ抵抗素子K1,K4という外縁素子を併用することによって、差分検出を可能にしている。すなわち、従来装置では、歪検出基板40の中央部と外縁部とで応力の発生態様に違いがあることを利用して、中央部と外縁部との双方にピエゾ抵抗素子を配置して差分検出を可能にしている。
In the case of the conventional apparatus shown in FIG. 1, the piezoresistive elements K2 and K3 correspond to the central element in the present invention. By using an outer edge element such as the piezoresistive elements K1 and K4, difference detection can be performed. ing. That is, in the conventional apparatus, by utilizing the difference in the stress generation mode between the central portion and the outer edge portion of the
これに対して、本発明に係る装置の場合、歪検出基板400の中央部(接続部材200の接続領域の外側直近部)には応力が集中して発生するものの、外縁部にはわずかな応力しか発生しない。すなわち、図2に示す従来装置の場合は、位置L1,L2,L3,L4のすべての地点において顕著な応力発生が見られるが、図3に示す本発明に係る装置の場合、位置L6,L7においては顕著な応力発生が見られるものの、歪検出基板400の外縁部(位置L5,L8の近傍)においては有意な応力発生はみられない。これは、歪検出基板400の外縁部が位置L5,L8を股ぐ位置まで延びていないためと考えられる。このため、本発明において差分検出を行うためには、若干の工夫が必要になる。以下、これらの工夫を、具体的な実施例に基づいて説明する。
On the other hand, in the case of the apparatus according to the present invention, although stress is concentrated at the central portion of the strain detection substrate 400 (the portion immediately outside the connection region of the connection member 200), a slight stress is generated at the outer edge portion. Only occurs. That is, in the case of the conventional apparatus shown in FIG. 2, significant stress generation is observed at all the positions L1, L2, L3, and L4. In the case of the apparatus according to the present invention shown in FIG. However, significant stress generation is not observed at the outer edge portion of the strain detection substrate 400 (in the vicinity of the positions L5 and L8). This is presumably because the outer edge portion of the
<<< §5. 具体的な実施例の構成および検出動作 >>>
ここでは、歪検出基板400上に設けられるピエゾ抵抗素子の具体的な配置例を個々の実施例として説明する。いずれの実施例も、少なくとも一部のピエゾ抵抗素子が中央素子(接続部材200の上端面の投影像の外側直近部に配置されたピエゾ抵抗素子)によって構成されているという共通の特徴を有している。なお、以下の各実施例では、第5の実施例を除いて、P型のピエゾ抵抗素子を用いた例が示されている(もちろん、代わりにN型のピエゾ抵抗素子を用いてもよいし、両者を混合して用いてもかまわないが、その場合には、ブリッジ回路の構成に配慮する必要がある)。また、各ピエゾ抵抗素子は、その長手方向が電流が流れる方向となっており、各ピエゾ抵抗素子に対する配線は、長手方向の両端に対して行われるものとする。
<<< §5. Configuration and detection operation of specific embodiment >>
Here, specific arrangement examples of the piezoresistive elements provided on the
<5−1. 第1の実施例>
図10は、本発明に係る力覚センサにおけるピエゾ抵抗素子配置パターンの第1の実施例を示す上面図である。この配置パターンは、図4および図7に示す配置パターンと同じものであり、合計8組のピエゾ抵抗素子A1〜A8が、接続部材200の上端面の投影像の外側直近部に中央素子として配置されている。なお、図10におけるハッチングは、ピエゾ抵抗素子A1〜A8の形成領域を示すものであり、断面を示すものではない(以下の各歪検出基板400の上面図においても同様)。
<5-1. First Example>
FIG. 10 is a top view showing a first embodiment of a piezoresistive element arrangement pattern in the force sensor according to the present invention. This arrangement pattern is the same as the arrangement pattern shown in FIG. 4 and FIG. Has been. In addition, the hatching in FIG. 10 indicates the formation region of the piezoresistive elements A1 to A8, and does not indicate a cross section (the same applies to the top view of each
具体的には、この実施例の場合、歪検出基板400の上面には、X軸方向が長手方向となるように、X軸正領域に沿って配置された第1の中央素子A1および第2の中央素子A2と、X軸方向が長手方向となるように、X軸負領域に沿って配置された第3の中央素子A3および第4の中央素子A4と、Y軸方向が長手方向となるように、Y軸正領域に沿って配置された第5の中央素子A5および第6の中央素子A6と、Y軸方向が長手方向となるように、Y軸負領域に沿って配置された第7の中央素子A7および第8の中央素子A8と、が設けられている。
Specifically, in the case of this embodiment, the first center element A1 and the second center element A1 are arranged on the upper surface of the
ここで、第1〜第8の中央素子A1〜A8は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、その電気的特性は同一になる。したがって、各素子に同じ条件で応力が加われば、いずれも同じ抵抗値変化を生じることになる。また、各中央素子A1〜A8の配置パターンは、XZ平面およびYZ平面に関して対称形をなすようになっており、図10の上面図に示されている平面パターンは、X軸に関して線対称、Y軸に関しても線対称の図形になっている。 Here, the 1st-8th center element A1-A8 is comprised by the piezoresistive element of the same material and the same size, The electrical property becomes the same. Therefore, if stress is applied to each element under the same condition, the same resistance value change occurs. Further, the arrangement pattern of the central elements A1 to A8 is symmetrical with respect to the XZ plane and the YZ plane, and the planar pattern shown in the top view of FIG. The axis is also a line-symmetric figure.
図11は、図10に示す第1の実施例における各ピエゾ抵抗素子A1〜A8の抵抗値の変化を示す表である。図に「+Mx」と標記された行の各欄は、受力体300にX軸正まわりのモーメント成分+Mxが作用したときの抵抗値変化を示し、「+My」と標記された行の各欄は、受力体300にY軸正まわりのモーメント成分+Myが作用したときの抵抗値変化を示し、「+Fz」と標記された行の各欄は、受力体300にZ軸正方向の力成分+Fzが作用したときの抵抗値変化を示している。ここで、「+」は抵抗値が増加することを示し、「−」は抵抗値が減少することを示し、「0」は抵抗値に変化が生じないことを示す(後述する各実施例についての表も同様である)。
FIG. 11 is a table showing changes in resistance values of the piezoresistive elements A1 to A8 in the first embodiment shown in FIG. Each column in the row labeled “+ Mx” in the figure indicates a change in resistance value when a moment component + Mx about the positive X-axis acts on the
図11の表において、「+My」の欄の結果がこのようになることは、図8の変形態様を見れば容易に理解できる。図8の変形態様を考慮すれば、図10に示す上面図において、素子A1,A2には長手方向に縮む応力が作用して抵抗値は減少し、素子A3,A4には長手方向に伸びる応力が作用して抵抗値は増加することがわかる。これに対して、素子A5〜A8については、長手方向に関する伸縮応力は発生しないため、抵抗値に変化は生じない。「+Mx」の欄の結果が得られる理由も同様である。 In the table of FIG. 11, it can be easily understood that the result of the column “+ My” becomes like this by looking at the modification of FIG. 8. In consideration of the deformation mode of FIG. 8, in the top view shown in FIG. 10, stress contracting in the longitudinal direction acts on the elements A1 and A2, the resistance value decreases, and stress extending in the longitudinal direction on the elements A3 and A4. It can be seen that the resistance value increases due to the action. On the other hand, for the elements A5 to A8, since the stretching stress in the longitudinal direction is not generated, the resistance value does not change. The reason why the result in the column “+ Mx” is obtained is also the same.
一方、「+Fz」の欄の結果がこのようになることは、図9の変形態様を見れば容易に理解できる。図9の変形態様を考慮すれば、図10に示す上面図において、すべての中央素子A1〜A8には長手方向に伸びる応力が作用して抵抗値は増加することがわかる。なお、逆まわりのモーメント成分「−Mx」,「−My」や、逆方向の力成分「−Fz」が作用した場合は、図11の表に示す各符号を逆転した結果が得られることになる。 On the other hand, the fact that the result in the column “+ Fz” is like this can be easily understood by looking at the modification of FIG. If the deformation | transformation aspect of FIG. 9 is considered, in the top view shown in FIG. 10, it turns out that the stress which extends to a longitudinal direction acts on all the central elements A1-A8, and resistance value increases. In addition, when reverse-direction moment components “−Mx” and “−My” and a reverse direction force component “−Fz” are applied, the result of reversing the signs shown in the table of FIG. 11 is obtained. Become.
この図10の表に示す結果を踏まえれば、図12および図13に示す検出回路により、Y軸まわりのモーメント成分MyおよびX軸まわりのモーメント成分Mxの検出が可能になることがわかる。 Based on the results shown in the table of FIG. 10, it can be seen that the detection circuit shown in FIGS. 12 and 13 can detect the moment component My around the Y axis and the moment component Mx around the X axis.
図12に示す検出回路は、第1の中央素子A1と第2の中央素子A2とを第1の対辺に配置し、第3の中央素子A3と第4の中央素子A4とを第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてY軸まわりのモーメント成分Myの検出を行う回路である。直流電源Eから所定の電源電圧を供給すると、ブリッジが平衡条件を維持している間は、両端子Ty1,Ty2は等電位を保つが、平衡状態が崩れると、両端子間に電位差Vyが生じることになる。この電位差Vyは、Y軸まわりのモーメント成分Myの向きおよび大きさを示す電気信号になる。 In the detection circuit shown in FIG. 12, the first central element A1 and the second central element A2 are arranged on the first opposite side, and the third central element A3 and the fourth central element A4 are arranged on the second opposite side. This is a circuit for detecting the moment component My around the Y-axis using the Wheatstone bridge arranged in FIG. When a predetermined power supply voltage is supplied from the DC power supply E, the terminals Ty1 and Ty2 maintain an equipotential while the bridge maintains the equilibrium condition. However, when the equilibrium state is lost, a potential difference Vy is generated between the two terminals. It will be. This potential difference Vy becomes an electric signal indicating the direction and magnitude of the moment component My around the Y axis.
たとえば、モーメント成分+Myが作用すると、図11の表に示すとおり、中央素子A1,A2の抵抗値は減少し、中央素子A3,A4の抵抗値は増加するので、端子Ty1側が正、端子Ty2側が負となる電圧Vyが発生する。逆まわりのモーメント成分−Myが作用した場合は、電圧Vyの符号が逆転する。また、作用したモーメント成分が大きければ、電圧Vyの絶対値も大きくなる。 For example, when the moment component + My acts, as shown in the table of FIG. 11, the resistance values of the central elements A1 and A2 decrease and the resistance values of the central elements A3 and A4 increase, so that the terminal Ty1 side is positive and the terminal Ty2 side is positive. A negative voltage Vy is generated. When the counterclockwise moment component -My is applied, the sign of the voltage Vy is reversed. Further, if the applied moment component is large, the absolute value of the voltage Vy is also large.
同様に、図13に示す検出回路は、第5の中央素子A5と第6の中央素子A6とを第1の対辺に配置し、第7の中央素子A7と第8の中央素子A8とを第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてX軸まわりのモーメント成分Mxの検出を行う回路である。直流電源Eから所定の電源電圧を供給すると、ブリッジが平衡条件を維持している間は、両端子Tx1,Tx2は等電位を保つが、平衡状態が崩れると、両端子間に電位差Vxが生じることになる。この電位差Vxは、X軸まわりのモーメント成分Mxの向きおよび大きさを示す電気信号になる。 Similarly, in the detection circuit shown in FIG. 13, the fifth central element A5 and the sixth central element A6 are arranged on the first opposite side, and the seventh central element A7 and the eighth central element A8 are arranged on the first side. 2 is a circuit that detects a moment component Mx around the X-axis using a Wheatstone bridge disposed on the opposite side of 2. When a predetermined power supply voltage is supplied from the DC power supply E, the terminals Tx1 and Tx2 maintain an equipotential while the bridge maintains the equilibrium condition. However, when the equilibrium state is lost, a potential difference Vx occurs between the terminals. It will be. This potential difference Vx becomes an electric signal indicating the direction and magnitude of the moment component Mx around the X axis.
なお、モーメント成分Mxが作用した場合は、中央素子A1〜A4の抵抗値変化は生じないので、図12に示す検出回路が、モーメント成分Mxを誤検出することはない。また、力成分Fzが作用した場合は、中央素子A1〜A8のすべての抵抗値が増加することになるので、図12に示す検出回路は、ブリッジの平衡条件を維持し、力成分Fzを誤検出することはない。同様に、図13に示す検出回路は、モーメント成分Myや力成分Fzを誤検出することはない。このように、図12および図13に示す検出回路は、他軸成分の干渉を排除した正確な検出値を得ることができる。 Note that when the moment component Mx acts, the resistance values of the central elements A1 to A4 do not change, so the detection circuit shown in FIG. 12 does not erroneously detect the moment component Mx. Further, when the force component Fz is applied, all the resistance values of the central elements A1 to A8 are increased. Therefore, the detection circuit shown in FIG. 12 maintains the equilibrium condition of the bridge and erroneously applies the force component Fz. There is no detection. Similarly, the detection circuit shown in FIG. 13 does not erroneously detect the moment component My and the force component Fz. As described above, the detection circuits shown in FIGS. 12 and 13 can obtain an accurate detection value in which interference of other axis components is eliminated.
また、図12および図13に示す検出回路は、いずれもホイートストンブリッジを用いた差分検出を行う回路になっているため、力覚センサの実使用環境(特に温度環境)の変化によって各ピエゾ抵抗素子の電気的特性に変化が生じても、その影響が検出値として出力されることはない。たとえば、温度変化によって、8組のピエゾ抵抗素子の電気抵抗が増減したとしても、これらの増減は8組のピエゾ抵抗素子すべてに対して生じる現象であるため、外力が作用していない状態では、ブリッジ回路の平衡条件はそのまま維持され、検出電圧が出力されることはない。このように、図12および図13に示す検出回路は、実使用環境の影響を排除した正確な検出を行うことが可能である。 The detection circuits shown in FIG. 12 and FIG. 13 are both circuits that perform differential detection using a Wheatstone bridge, so that each piezoresistive element is changed depending on the actual usage environment (especially temperature environment) of the force sensor. Even if a change occurs in the electrical characteristics, the effect is not output as a detected value. For example, even if the electrical resistance of the eight sets of piezoresistive elements increases or decreases due to temperature changes, these increases and decreases are phenomena that occur for all eight sets of piezoresistive elements. The balanced condition of the bridge circuit is maintained as it is, and no detection voltage is output. As described above, the detection circuits shown in FIGS. 12 and 13 can perform accurate detection without the influence of the actual use environment.
なお、図12に示すモーメント成分Myの検出回路と図13に示すモーメント成分Mxの検出回路とは全く独立した回路であるので、いずれか一方のみの検出で十分な場合は、必要な中央素子および検出回路のみを用意すれば足りる。たとえば、モーメント成分Myの検出のみで十分な場合は、中央素子A1〜A4と図12の検出回路を用意すれば足り、中央素子A5〜A8および図13の検出回路を設ける必要はない。また、8組の中央素子A1〜A8を用いてモーメント成分My,Mxの双方を検出する場合であっても、モーメント成分My検出用の中央素子A1〜A4を同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成し、モーメント成分Mx検出用の中央素子A5〜A8を同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成しておけば、必ずしも全中央素子A1〜A8を同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成しておく必要はない。 Since the moment component My detection circuit shown in FIG. 12 and the moment component Mx detection circuit shown in FIG. 13 are completely independent circuits, if only one of the detection is sufficient, the necessary central element and It is sufficient to prepare only the detection circuit. For example, when it is sufficient to detect the moment component My, it is sufficient to prepare the central elements A1 to A4 and the detection circuit of FIG. 12, and it is not necessary to provide the central elements A5 to A8 and the detection circuit of FIG. Further, even when both of the moment components My and Mx are detected using the eight sets of the central elements A1 to A8, the central elements A1 to A4 for detecting the moment component My are made of piezoresistive elements having the same material and the same size. If the central elements A5 to A8 for detecting the moment component Mx are composed of piezoresistive elements having the same material and the same size, all the central elements A1 to A8 are not necessarily composed of piezoresistive elements having the same material and the same size. There is no need to configure it.
結局、第1の実施例の基本概念は、中央素子を、所定の検出対象成分(たとえば、モーメント成分My)の作用により伸びる方向への応力が加わる位置に配置された第1グループの中央素子(たとえば、A3,A4)と、当該検出対象成分の作用により縮む方向への応力が加わる位置に配置された第2グループの中央素子(たとえば、A1,A2)と、によって構成し、検出回路が、第1グループに所属する中央素子を第1の対辺に配置し、第2グループに所属する中央素子を第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いて検出対象成分の検出を行うことにより、モーメント成分MyもしくはMxの検出にあたり中央素子のみを用いた差分検出を可能にする、という点にある。 After all, the basic concept of the first embodiment is that the central element is arranged at a position where a stress is applied in a direction in which the central element is extended by the action of a predetermined detection target component (for example, moment component My) ( For example, A3, A4) and a second group of central elements (for example, A1, A2) arranged at positions where stress in the direction of contraction due to the action of the detection target component is applied, and the detection circuit includes: By detecting the detection target component using a Wheatstone bridge in which the central element belonging to the first group is arranged on the first opposite side and the central element belonging to the second group is arranged on the second opposite side, In detecting My or Mx, the difference detection using only the central element is enabled.
<5−2. 第2の実施例>
図14は、本発明に係る力覚センサにおけるピエゾ抵抗素子配置パターンの第2の実施例を示す上面図である。この配置パターンでは、4組の中央素子B1〜B4とともに、2組の参照素子P1,P2が用いられている。4組の中央素子B1〜B4が、接続部材200の上端面の投影像の外側直近部に配置されたピエゾ抵抗素子であるのに対して、2組の参照素子P1,P2は、検出対象となる力の作用によりダイアフラム部110に変形が生じた場合にも有意な応力変化が生じない位置に配置されたピエゾ抵抗素子である。
<5-2. Second Embodiment>
FIG. 14 is a top view showing a second embodiment of the piezoresistive element arrangement pattern in the force sensor according to the present invention. In this arrangement pattern, two sets of reference elements P1 and P2 are used together with four sets of central elements B1 to B4. The four sets of central elements B1 to B4 are piezoresistive elements arranged in the immediate vicinity of the projected image of the upper end surface of the
図示の例の場合、参照素子P1,P2は、歪検出基板400の周囲近傍に配置されている。§2で述べた本発明に係る力覚センサの構造を採用した場合、前述したとおり、受力体300に様々な外力成分が作用したとしても、歪検出基板400に生じる応力は接続部材200の接続部分の外側直近部に集中し、歪検出基板400の周囲近傍には、有意な応力変化は生じない。したがって、歪検出基板400の周囲近傍に配置された参照素子P1,P2の抵抗値は、外力の作用の影響をほとんど受けない。ここで述べる第2の実施例は、そのような参照素子P1,P2をブリッジ回路に組み込むことにより、差分検出を行うものである。
In the case of the illustrated example, the reference elements P <b> 1 and P <b> 2 are disposed in the vicinity of the periphery of the
具体的には、この実施例の場合、歪検出基板400の上面には、X軸方向が長手方向となるように、X軸正領域に沿って配置された第1の中央素子B1と、X軸方向が長手方向となるように、X軸負領域に沿って配置された第2の中央素子B2と、Y軸方向が長手方向となるように、Y軸正領域に沿って配置された第3の中央素子B3と、Y軸方向が長手方向となるように、Y軸負領域に沿って配置された第4の中央素子B4と、歪検出基板400の周囲近傍に配置された第1の参照素子P1および第2の参照素子P2と、が設けられている。
Specifically, in the case of this embodiment, the first central element B1 disposed along the X-axis positive region on the upper surface of the
ここで、第1〜第4の中央素子B1〜B4は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されている。一方、第1〜第2の参照素子P1,P2は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、検出対象となる力が作用していない状態において、第1〜第2の参照素子P1,P2の抵抗値が、第1〜第4の中央素子B1〜B4の抵抗値の2倍となるように設定されている。より具体的には、図示の例の場合、各参照素子P1,P2は、各中央素子B1〜B4と同じ太さで長さが2倍のピエゾ抵抗素子によって構成されている。もちろん、各参照素子P1,P2を、各中央素子B1〜B4と同じ長さで太さが1/2倍のピエゾ抵抗素子によって構成してもかまわない。あるいは、各中央素子B1〜B4と同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子を2本直列接続したものを、参照素子P1もしくはP2として利用してもよい。 Here, the first to fourth central elements B1 to B4 are constituted by piezoresistive elements of the same material and the same size. On the other hand, the first and second reference elements P1 and P2 are composed of piezoresistive elements of the same material and the same size, and the first and second references are made in a state where no force to be detected acts. The resistance values of the elements P1 and P2 are set to be twice the resistance values of the first to fourth central elements B1 to B4. More specifically, in the illustrated example, each of the reference elements P1 and P2 is configured by a piezoresistive element having the same thickness as each of the central elements B1 to B4 and twice the length. Of course, each of the reference elements P1 and P2 may be configured by a piezoresistive element having the same length as each of the central elements B1 to B4 and a thickness of 1/2 times. Alternatively, two piezoresistive elements having the same material and the same size as the central elements B1 to B4 may be used as the reference element P1 or P2.
また、各中央素子B1〜B4の配置パターンは、XZ平面およびYZ平面に関して対称形をなすようになっており、図14の上面図に示されている各中央素子B1〜B4の平面パターンは、X軸に関して線対称、Y軸に関しても線対称の図形になっている。 Further, the arrangement pattern of the central elements B1 to B4 is symmetrical with respect to the XZ plane and the YZ plane, and the planar pattern of the central elements B1 to B4 shown in the top view of FIG. The figure is line symmetric with respect to the X axis and line symmetric with respect to the Y axis.
図15は、図14に示す第2の実施例における各ピエゾ抵抗素子B1〜B4,P1,P2の抵抗値の変化を示す表である。この表において、「+My」の欄の結果がこのようになることは、図8の変形態様を見れば容易に理解できる。図8の変形態様を考慮すれば、図14に示す上面図において、素子B1には長手方向に縮む応力が作用して抵抗値は減少し、素子B2には長手方向に伸びる応力が作用して抵抗値は増加することがわかる。これに対して、素子B3,B4については、長手方向に関する伸縮応力は発生しないため、抵抗値に変化は生じない。また、素子P1,P2は、上述したとおり、外力の作用に起因して有意な抵抗値変化が生じることはない。「+Mx」の欄の結果も同様である。 FIG. 15 is a table showing changes in resistance values of the piezoresistive elements B1 to B4, P1 and P2 in the second embodiment shown in FIG. In this table, the fact that the result in the column “+ My” becomes like this can be easily understood by looking at the modification of FIG. If the deformation | transformation aspect of FIG. 8 is considered, in the top view shown in FIG. 14, the stress which shrinks to a longitudinal direction will act on element B1, resistance value will decrease, and the stress which will extend to a longitudinal direction will act on element B2. It can be seen that the resistance value increases. On the other hand, in the elements B3 and B4, since no stretching stress is generated in the longitudinal direction, the resistance value does not change. In addition, as described above, the resistance values of the elements P1 and P2 do not change significantly due to the action of external force. The result in the “+ Mx” column is the same.
一方、「+Fz」の欄の結果がこのようになることは、図9の変形態様を見れば容易に理解できる。図9の変形態様を考慮すれば、図14に示す上面図において、すべての中央素子B1〜B4には長手方向に伸びる応力が作用して抵抗値は増加することがわかる。素子P1,P2には、有意な抵抗値変化は生じない。なお、逆まわりのモーメント成分「−Mx」,「−My」や、逆方向の力成分「−Fz」が作用した場合は、図15の表に示す各符号を逆転した結果が得られることになる。 On the other hand, the fact that the result in the column “+ Fz” is like this can be easily understood by looking at the modification of FIG. If the deformation | transformation aspect of FIG. 9 is considered, in the top view shown in FIG. 14, it turns out that the stress which extends to a longitudinal direction acts on all the central elements B1-B4, and resistance value increases. No significant resistance value change occurs in the elements P1 and P2. In addition, when reverse-direction moment components “−Mx” and “−My” and a force component “−Fz” in the reverse direction are applied, a result obtained by reversing the signs shown in the table of FIG. 15 is obtained. Become.
この図15の表に示す結果を踏まえれば、図16に示す検出回路により、Z軸方向の力成分Fzの検出が可能になることがわかる。この検出回路は、第1の中央素子B1と第2の中央素子B2とを直列接続してなる抵抗素子と、第3の中央素子B3と第4の中央素子B4とを直列接続してなる抵抗素子と、を第1の対辺に配置し、第1の参照素子P1と第2の参照素子P2とを第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてZ軸方向の力成分Fzの検出を行う回路である。直流電源Eから所定の電源電圧を供給すると、ブリッジが平衡条件を維持している間は、両端子Tz1,Tz2は等電位を保つが、平衡状態が崩れると、両端子間に電位差Vzが生じることになる。この電位差Vzは、Z軸方向の力成分Fzの向きおよび大きさを示す電気信号になる。 Based on the results shown in the table of FIG. 15, it can be seen that the detection circuit shown in FIG. 16 makes it possible to detect the force component Fz in the Z-axis direction. This detection circuit includes a resistance element formed by connecting a first central element B1 and a second central element B2 in series, and a resistance formed by connecting a third central element B3 and a fourth central element B4 in series. The force component Fz in the Z-axis direction is detected using a Wheatstone bridge in which the elements are arranged on the first opposite side and the first reference element P1 and the second reference element P2 are arranged on the second opposite side. Circuit. When a predetermined power supply voltage is supplied from the DC power supply E, the two terminals Tz1 and Tz2 maintain an equipotential while the bridge maintains the equilibrium condition. However, when the equilibrium state is lost, a potential difference Vz occurs between the two terminals. It will be. This potential difference Vz is an electric signal indicating the direction and magnitude of the force component Fz in the Z-axis direction.
上述したとおり、素子P1,P2の抵抗値は、素子B1〜B4の抵抗値の2倍になるように設定されているので、外力が作用していない状態において、ブリッジ回路は平衡状態を維持する。ところが、力成分+Fzが作用すると、図15の表に示すとおり、中央素子B1〜B4の抵抗値は増加し、参照素子P1,P2の抵抗値は変化しないので、端子Tz1側が正、端子Tz2側が負となる電圧Vzが発生する。逆向きの力成分−Fzが作用した場合は、電圧Vzの符号が逆転する。また、作用した力成分が大きければ、電圧Vzの絶対値も大きくなる。 As described above, since the resistance values of the elements P1 and P2 are set to be twice the resistance values of the elements B1 to B4, the bridge circuit maintains a balanced state when no external force is applied. . However, when the force component + Fz acts, as shown in the table of FIG. 15, the resistance values of the central elements B1 to B4 increase and the resistance values of the reference elements P1 and P2 do not change, so the terminal Tz1 side is positive and the terminal Tz2 side is positive. A negative voltage Vz is generated. When the force component -Fz in the reverse direction acts, the sign of the voltage Vz is reversed. If the applied force component is large, the absolute value of the voltage Vz is also large.
なお、モーメント成分Mxが作用した場合は、中央素子B3,B4を直列接続した抵抗素子の抵抗値変化は相殺され、モーメント成分Myが作用した場合は、中央素子B1,B2を直列接続した抵抗素子の抵抗値変化は相殺されるので、図16に示す検出回路は、モーメント成分MxやMyを誤検出することはない。このように、図15に示す検出回路は、他軸成分の干渉を排除した正確な検出値を得ることができる。 Note that when the moment component Mx acts, the resistance value change of the resistance element in which the central elements B3 and B4 are connected in series is canceled, and when the moment component My acts, the resistance element in which the central elements B1 and B2 are connected in series. 16 is canceled out, the detection circuit shown in FIG. 16 does not erroneously detect the moment components Mx and My. As described above, the detection circuit shown in FIG. 15 can obtain an accurate detection value that eliminates interference of other axis components.
また、図15に示す検出回路は、ホイートストンブリッジを用いた差分検出を行う回路になっているため、力覚センサの実使用環境(特に温度環境)の変化によって各ピエゾ抵抗素子の電気的特性に変化が生じても、その影響が検出値として出力されることはない。たとえば、温度変化によって、4組の中央素子B1〜B4の電気抵抗が増減したとしても、同じ条件で2組の参照素子P1,P2の電気抵抗も増減するため、外力が作用していない状態では、ブリッジ回路の平衡条件はそのまま維持され、検出電圧が出力されることはない。このように、図16に示す検出回路は、実使用環境の影響を排除した正確な検出を行うことが可能である。 Further, the detection circuit shown in FIG. 15 is a circuit that performs differential detection using a Wheatstone bridge. Therefore, the electrical characteristics of each piezoresistive element are changed depending on the actual usage environment (particularly the temperature environment) of the force sensor. Even if a change occurs, the influence is not output as a detection value. For example, even if the electrical resistances of the four sets of central elements B1 to B4 increase or decrease due to temperature changes, the electrical resistances of the two sets of reference elements P1 and P2 also increase and decrease under the same conditions. The balanced condition of the bridge circuit is maintained as it is, and no detection voltage is output. As described above, the detection circuit shown in FIG. 16 can perform accurate detection without the influence of the actual use environment.
結局、第2の実施例の基本概念は、中央素子B1〜B4の他に、検出対象となる力(この例では力成分Fz)の作用によりダイアフラム部110に変形が生じた場合にも有意な応力変化が生じない位置に配置されたピエゾ抵抗素子からなる参照素子P1,P2を更に設け、検出回路が、中央素子B1〜B4を第1の対辺に配置し、参照素子P1,P2を第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いて検出対象成分の検出を行うことにより、力成分Fzの検出を行うにあたり差分検出を可能にする、という点にある。
After all, the basic concept of the second embodiment is significant even when the
この基本概念によれば、中央素子は必ずしも中央素子B1〜B4の4組を用いる必要はなく、たとえば、X軸上に配置された中央素子B1,B2と参照素子P1,P2とによってブリッジ回路を構成することもできる。この場合は、X軸上に配置された中央素子B1,B2を第1の対辺に配置し、参照素子P1,P2を第2の対辺に配置すればよい(参照素子P1,P2の抵抗値は半分にする)。あるいは、Y軸上に配置された中央素子B3,B4と参照素子P1,P2とによってブリッジ回路を構成することもできる。この場合は、Y軸上に配置された中央素子B3,B4を第1の対辺に配置し、参照素子P1,P2を第2の対辺に配置すればよい(参照素子P1,P2の抵抗値は半分にする)。 According to this basic concept, it is not always necessary to use four sets of the central elements B1 to B4 as the central element. For example, a bridge circuit is formed by the central elements B1 and B2 arranged on the X axis and the reference elements P1 and P2. It can also be configured. In this case, the central elements B1 and B2 arranged on the X axis may be arranged on the first opposite side, and the reference elements P1 and P2 may be arranged on the second opposite side (the resistance values of the reference elements P1 and P2 are Halved). Alternatively, a bridge circuit can be configured by the central elements B3 and B4 and the reference elements P1 and P2 arranged on the Y axis. In this case, the central elements B3 and B4 arranged on the Y axis may be arranged on the first opposite side, and the reference elements P1 and P2 may be arranged on the second opposite side (the resistance values of the reference elements P1 and P2 are Halved).
<5−3. 第3の実施例>
図17は、本発明に係る力覚センサにおけるピエゾ抵抗素子配置パターンの第3の実施例を示す上面図である。この配置パターンでは、4組の中央素子B1〜B4とともに、4組の参照素子Q1〜Q4が用いられている。4組の中央素子B1〜B4は、第2の実施例で用いた中央素子B1〜B4と全く同じ素子であり、接続部材200の上端面の投影像の外側直近部に配置されたピエゾ抵抗素子である。これに対して、4組の参照素子Q1〜Q4は、Z軸の位置を内側としてそれぞれ中央素子B1〜B4の外側位置に配置されたピエゾ抵抗素子である。
<5-3. Third Example>
FIG. 17 is a top view showing a third embodiment of the piezoresistive element arrangement pattern in the force sensor according to the present invention. In this arrangement pattern, four sets of reference elements Q1 to Q4 are used together with four sets of central elements B1 to B4. The four sets of central elements B1 to B4 are exactly the same as the central elements B1 to B4 used in the second embodiment, and the piezoresistive elements disposed in the immediate vicinity of the projected image of the upper end surface of the
ここで、Mx,My,Fzという力成分が作用した場合を考えると、外側位置に配置された参照素子の抵抗値変化の挙動は、内側位置に配置された中央素子の抵抗値変化と増減が逆転し、変化量の絶対値は小さくなる。前述したとおり、本発明に係る装置の基本構造では、歪検出基板400の外周縁では有意な応力発生が見られないため、参照素子Q1〜Q4は、図1に示す従来装置におけるピエゾ抵抗素子K1,K4と同等の機能を果たすことはできないが、以下に述べるように、差分検出を行うための参照素子としての機能を果たすことはできる。ここで述べる第3の実施例は、内側位置に配置された中央素子B1〜B4に加えて、外側位置に配置された参照素子Q1〜Q4をブリッジ回路に組み込むことにより、差分検出を行うものである。
Here, considering a case where force components Mx, My, and Fz are applied, the behavior of the resistance value change of the reference element arranged at the outer position is the change and increase / decrease in the resistance value of the central element arranged at the inner position. It reverses and the absolute value of the amount of change becomes smaller. As described above, in the basic structure of the apparatus according to the present invention, no significant stress is observed at the outer peripheral edge of the
具体的には、この実施例の場合、歪検出基板400の上面には、X軸方向が長手方向となるように、X軸正領域に沿って配置された第1の中央素子B1と、X軸方向が長手方向となるように、X軸負領域に沿って配置された第2の中央素子B2と、Y軸方向が長手方向となるように、Y軸正領域に沿って配置された第3の中央素子B3と、Y軸方向が長手方向となるように、Y軸負領域に沿って配置された第4の中央素子B4と、X軸方向が長手方向となるように、X軸正領域に沿って、第1の中央素子B1の外側に配置された第1の参照素子Q1と、X軸方向が長手方向となるように、X軸負領域に沿って、第2の中央素子B2の外側に配置された第2の参照素子Q2と、Y軸方向が長手方向となるように、Y軸正領域に沿って、第3の中央素子B3の外側に配置された第3の参照素子Q3と、Y軸方向が長手方向となるように、Y軸負領域に沿って、第4の中央素子B4の外側に配置された第4の参照素子Q4と、が設けられている。
Specifically, in the case of this embodiment, the first central element B1 disposed along the X-axis positive region on the upper surface of the
ここで、第1〜第4の中央素子B1〜B4および第1〜第4の参照素子Q1〜Q4は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されている。また、各中央素子B1〜B4および各参照素子Q1〜Q4の配置パターンは、XZ平面およびYZ平面に関して対称形をなすようになっており、図17の上面図に示されている8組のピエゾ抵抗素子の平面パターンは、X軸に関して線対称、Y軸に関しても線対称の図形になっている。 Here, the first to fourth central elements B1 to B4 and the first to fourth reference elements Q1 to Q4 are composed of piezoresistive elements having the same material and the same size. The arrangement pattern of each of the central elements B1 to B4 and each of the reference elements Q1 to Q4 is symmetric with respect to the XZ plane and the YZ plane, and eight sets of piezoelectric elements shown in the top view of FIG. The planar pattern of the resistive element is a figure that is line symmetric with respect to the X axis and line symmetric with respect to the Y axis.
図18は、図17に示す第3の実施例における各ピエゾ抵抗素子B1〜B4,Q1〜Q4の抵抗値の変化を示す表である。この表において、「+」は抵抗値が増加することを示し、「−」は抵抗値が減少することを示し、「0」は抵抗値に変化が生じないことを示す点は既に述べたとおりであるが、「+δ」は抵抗値が微増することを示し、「−δ」は抵抗値が微減することを示している。ここで、微増とは「+」で示す増加量に比べて小さな増加量であることを意味し、微減とは「−」で示す減少量に比べて小さな減少量であることを意味している。 FIG. 18 is a table showing changes in resistance values of the piezoresistive elements B1 to B4 and Q1 to Q4 in the third embodiment shown in FIG. In this table, “+” indicates that the resistance value increases, “−” indicates that the resistance value decreases, and “0” indicates that the resistance value does not change as described above. However, “+ δ” indicates that the resistance value slightly increases, and “−δ” indicates that the resistance value slightly decreases. Here, the slight increase means a small increase amount compared to the increase amount indicated by “+”, and the slight decrease means a small decrease amount compared to the decrease amount indicated by “−”. .
前述したとおり、本発明に係る装置の基本構造では、歪検出基板400に生じる応力は、接続部材200の上端面の投影像の外側直近部(中央素子B1〜B4の配置部)に集中し、外側では応力の大きさは激減する。図17に示す例の場合、参照素子Q1〜Q4の抵抗値変化の挙動は、それぞれ中央素子B1〜B4の抵抗値変化の挙動の増減を逆転させ、変化量の絶対値を小さくしたものになる。図18に示す表は、そのような結果を示すものである。たとえば、「+Mx」の欄を見ると、素子B3は「+」,素子B4は「−」になっているのに対して、これらの外側に配置された素子Q3は「−δ」、素子Q4は「+δ」になっている。
As described above, in the basic structure of the apparatus according to the present invention, the stress generated in the
この図18の表に示す結果を踏まえれば、図19に示す検出回路により、Z軸方向の力成分Fzの検出が可能になることがわかる。この検出回路は、第1の中央素子B1と第2の中央素子B2とを直列接続してなる抵抗素子と、第3の中央素子B3と第4の中央素子B4とを直列接続してなる抵抗素子と、を第1の対辺に配置し、第1の参照素子Q1と第2の参照素子Q2とを直列接続してなる抵抗素子と、第3の参照素子Q3と第4の参照素子Q4とを直列接続してなる抵抗素子と、を第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてZ軸方向の力成分Fzの検出を行う回路である。直流電源Eから所定の電源電圧を供給すると、ブリッジが平衡条件を維持している間は、両端子Tz3,Tz4は等電位を保つが、平衡状態が崩れると、両端子間に電位差Vzが生じることになる。この電位差Vzは、Z軸方向の力成分Fzの向きおよび大きさを示す電気信号になる。 Based on the results shown in the table of FIG. 18, it can be seen that the detection circuit shown in FIG. 19 can detect the force component Fz in the Z-axis direction. This detection circuit includes a resistance element formed by connecting a first central element B1 and a second central element B2 in series, and a resistance formed by connecting a third central element B3 and a fourth central element B4 in series. An element disposed on the first opposite side and a first reference element Q1 and a second reference element Q2 connected in series; a third reference element Q3; a fourth reference element Q4; Is a circuit that detects a force component Fz in the Z-axis direction by using a Wheatstone bridge in which resistance elements formed by connecting the two in series are arranged on the second opposite side. When a predetermined power supply voltage is supplied from the DC power supply E, the terminals Tz3 and Tz4 maintain the same potential while the bridge maintains the equilibrium condition. However, when the equilibrium state is lost, a potential difference Vz is generated between the two terminals. It will be. This potential difference Vz is an electric signal indicating the direction and magnitude of the force component Fz in the Z-axis direction.
上述したとおり、8組の素子B1〜B4,Q1〜Q4は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されているため、外力が作用していない状態において、ブリッジ回路は平衡状態を維持する。ところが、力成分+Fzが作用すると、図18の表に示すとおり、中央素子B1〜B4の抵抗値は大きく増加し、参照素子Q1〜Q4の抵抗値は小さく減少するので、端子Tz3側が正、端子Tz4側が負となる電圧Vzが発生する。逆向きの力成分−Fzが作用した場合は、電圧Vzの符号が逆転する。また、作用した力成分が大きければ、電圧Vzの絶対値も大きくなる。 As described above, since the eight elements B1 to B4 and Q1 to Q4 are composed of piezoresistive elements of the same material and the same size, the bridge circuit maintains a balanced state when no external force is applied. . However, when the force component + Fz acts, as shown in the table of FIG. 18, the resistance values of the central elements B1 to B4 are greatly increased and the resistance values of the reference elements Q1 to Q4 are decreased, so that the terminal Tz3 side is positive and the terminal A voltage Vz that is negative on the Tz4 side is generated. When the force component -Fz in the reverse direction acts, the sign of the voltage Vz is reversed. If the applied force component is large, the absolute value of the voltage Vz is also large.
なお、モーメント成分Mxが作用した場合は、中央素子B3,B4を直列接続した抵抗素子や参照素子Q3,Q4を直列接続した抵抗素子の抵抗値変化は相殺され、モーメント成分Myが作用した場合は、中央素子B1,B2を直列接続した抵抗素子や参照素子Q1,Q2を直列接続した抵抗素子の抵抗値変化は相殺されるので、図19に示す検出回路は、モーメント成分MxやMyを誤検出することはない。このように、図19に示す検出回路は、他軸成分の干渉を排除した正確な検出値を得ることができる。 When the moment component Mx acts, the resistance value change of the resistance element in which the central elements B3 and B4 are connected in series and the resistance element in which the reference elements Q3 and Q4 are connected in series is canceled, and when the moment component My acts Since the resistance value change of the resistance element in which the central elements B1 and B2 are connected in series and the resistance element in which the reference elements Q1 and Q2 are connected in series is canceled, the detection circuit shown in FIG. 19 erroneously detects the moment components Mx and My. Never do. As described above, the detection circuit shown in FIG. 19 can obtain an accurate detection value from which interference of other axis components is eliminated.
また、図19に示す検出回路は、ホイートストンブリッジを用いた差分検出を行う回路になっているため、力覚センサの実使用環境(特に温度環境)の変化によって各ピエゾ抵抗素子の電気的特性に変化が生じても、その影響が検出値として出力されることはない。たとえば、温度変化によって、4組の中央素子B1〜B4の電気抵抗が増減したとしても、同じ条件で4組の参照素子Q1〜Q4の電気抵抗も増減するため、外力が作用していない状態では、ブリッジ回路の平衡条件はそのまま維持され、検出電圧が出力されることはない。このように、図19に示す検出回路は、実使用環境の影響を排除した正確な検出を行うことが可能である。 In addition, since the detection circuit shown in FIG. 19 is a circuit that performs differential detection using a Wheatstone bridge, the electrical characteristics of each piezoresistive element can be changed depending on the actual usage environment (especially temperature environment) of the force sensor. Even if a change occurs, the influence is not output as a detection value. For example, even if the electrical resistances of the four sets of central elements B1 to B4 increase or decrease due to temperature changes, the electrical resistances of the four sets of reference elements Q1 to Q4 also increase or decrease under the same conditions. The balanced condition of the bridge circuit is maintained as it is, and no detection voltage is output. As described above, the detection circuit shown in FIG. 19 can perform accurate detection without the influence of the actual use environment.
結局、第3の実施例の基本概念は、Z軸の位置を内側として各中央素子B1〜B4の外側位置に配置されたピエゾ抵抗素子からなる参照素子Q1〜Q4を更に設け、検出回路が、中央素子B1〜B4を第1の対辺に配置し、参照素子Q1〜Q4を第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いて検出対象成分の検出を行うことにより、力成分Fzの検出を行うにあたり差分検出を可能にする、という点にある。 After all, the basic concept of the third embodiment is further provided with reference elements Q1 to Q4 made of piezoresistive elements arranged at the outer positions of the respective central elements B1 to B4 with the position of the Z axis as the inner side, and the detection circuit comprises: In detecting the force component Fz by detecting the detection target component using the Wheatstone bridge in which the central elements B1 to B4 are arranged on the first opposite side and the reference elements Q1 to Q4 are arranged on the second opposite side. It is in the point of enabling differential detection.
この基本概念によれば、中央素子は必ずしも中央素子B1〜B4の4組を用いる必要はなく、たとえば、X軸上に配置された中央素子B1,B2と参照素子Q1,Q2によってブリッジ回路を構成することもできる。この場合は、X軸上に配置された中央素子B1,B2を第1の対辺に配置し、参照素子Q1,Q2を第2の対辺に配置すればよい。あるいは、Y軸上に配置された中央素子B3,B4と参照素子Q3,Q4によってブリッジ回路を構成することもできる。この場合は、Y軸上に配置された中央素子B3,B4を第1の対辺に配置し、参照素子Q3,Q4を第2の対辺に配置すればよい。 According to this basic concept, it is not always necessary to use four sets of the central elements B1 to B4 as the central element. For example, a bridge circuit is configured by the central elements B1 and B2 arranged on the X axis and the reference elements Q1 and Q2. You can also In this case, the central elements B1 and B2 arranged on the X axis may be arranged on the first opposite side, and the reference elements Q1 and Q2 may be arranged on the second opposite side. Alternatively, a bridge circuit can be configured by the central elements B3 and B4 and the reference elements Q3 and Q4 arranged on the Y axis. In this case, the central elements B3 and B4 arranged on the Y axis may be arranged on the first opposite side, and the reference elements Q3 and Q4 may be arranged on the second opposite side.
なお、図17に示すピエゾ抵抗素子の配置において、参照素子Q1〜Q4の位置を歪検出基板400の外周縁に近づければ近づけるほど抵抗値の増減量は小さくなり、図18の表における「+δ」および「−δ」は「0」に近づくことになる。「+δ」および「−δ」が「0」になると、結局、この第3の実施例は、前述した第2の実施例と同じ原理の実施例ということになる。また、逆に、参照素子Q1〜Q4の位置を歪検出基板400の中心に近づけてゆくと、はじめは抵抗値の増減量は小さくなり、ある位置で増減量が「0」になった後、今度は増減の関係が逆転し、増減量が大きくなってゆく。別言すれば、図18の表における「+δ」および「−δ」が逆転し、中心に近づければ近づけるほど増減量は大きくなり、「+」および「−」に近づくことになる。これは、参照素子Q1〜Q4を接続部材200の外側直近部までもっていった形態が中央素子B1〜B4になることを考えれば当然である。
Note that in the arrangement of the piezoresistive elements shown in FIG. 17, the closer the positions of the reference elements Q1 to Q4 are closer to the outer peripheral edge of the
図19に示す検出回路は、このように、図18の表における「+δ」および「−δ」が逆転した場合にも支障なく検出機能を果たすことができる。たとえば、力成分+Fzが作用した場合、図18の表によれば、中央素子B1〜B4の抵抗値は大きく増加し、参照素子Q1〜Q4の抵抗値は小さく減少するが、中央素子B1〜B4の抵抗値の増減量の方が参照素子Q1〜Q4の抵抗値の増減量よりも大きくなるので、図18の表における「+δ」および「−δ」の関係が逆転していたとしても、図19に示す検出回路によって、力成分Fzの正しい検出値が得られる。 As described above, the detection circuit shown in FIG. 19 can perform the detection function without any trouble even when “+ δ” and “−δ” in the table of FIG. 18 are reversed. For example, when the force component + Fz acts, according to the table of FIG. 18, the resistance values of the central elements B1 to B4 are greatly increased and the resistance values of the reference elements Q1 to Q4 are decreased, but the central elements B1 to B4 are decreased. Since the increase / decrease amount of the resistance value is larger than the increase / decrease amount of the resistance value of the reference elements Q1 to Q4, even if the relationship between “+ δ” and “−δ” in the table of FIG. With the detection circuit 19, a correct detection value of the force component Fz can be obtained.
ただ、この場合、参照素子Q1〜Q4の抵抗値の増減量「δ」が大きくなればなるほど、図19に示す検出回路による検出感度は低下することになるので、検出感度を向上させるためには、参照素子Q1〜Q4は、歪検出基板400のできるだけ外側に配置した方が好ましい。一方、温度環境の変化による影響を排除した正確な検出を行う上では、参照素子Q1〜Q4は、できるだけ中央素子B1〜B4に近い温度環境におくことが好ましい。そのような観点からは、参照素子Q1〜Q4は、歪検出基板400のできるだけ内側(中央素子B1〜B4に近い位置)に配置するのが好ましい。
However, in this case, as the increase / decrease amount “δ” of the resistance values of the reference elements Q1 to Q4 increases, the detection sensitivity of the detection circuit shown in FIG. 19 decreases. The reference elements Q <b> 1 to Q <b> 4 are preferably arranged on the outer side of the
<5−4. 第4の実施例>
図20は、本発明に係る力覚センサにおけるピエゾ抵抗素子配置パターンの第4の実施例を示す上面図である。この配置パターンでは、4組の中央素子B1〜B4とともに、4組の参照素子R1〜R4が用いられている。4組の中央素子B1〜B4は、第2の実施例で用いた中央素子B1〜B4と全く同じ素子であり、接続部材200の上端面の投影像の外側直近部に配置されたピエゾ抵抗素子である。これに対して、4組の参照素子R1〜R4は、応力歪みに対する電気抵抗変化感度が小さい方向に配置されたピエゾ抵抗素子である。
<5-4. Fourth embodiment>
FIG. 20 is a top view showing a fourth embodiment of the piezoresistive element arrangement pattern in the force sensor according to the present invention. In this arrangement pattern, four sets of reference elements R1 to R4 are used together with four sets of central elements B1 to B4. The four sets of central elements B1 to B4 are exactly the same as the central elements B1 to B4 used in the second embodiment, and the piezoresistive elements disposed in the immediate vicinity of the projected image of the upper end surface of the
ここで述べる第4の実施例は、中央素子B1〜B4に加えて、応力歪みに対する電気抵抗変化感度が小さい方向に配置された参照素子Q1〜Q4をブリッジ回路に組み込むことにより、差分検出を行うものである。 The fourth embodiment described here performs differential detection by incorporating reference elements Q1 to Q4 arranged in a direction in which the resistance change sensitivity to stress strain is small in addition to the central elements B1 to B4 into the bridge circuit. Is.
図21は、図20に示す第4の実施例における各ピエゾ抵抗素子B1〜B4,R1〜R4の抵抗値の変化を示す表である。この表において、「+」は抵抗値が増加することを示し、「−」は抵抗値が減少することを示し、「0」は抵抗値に変化が生じないこと(あるいは、「+」もしくは「−」で示す抵抗値の変化量に対して無視しうる程度の抵抗値変化しか生じないこと)を示している。ここで、4組の参照素子R1〜R4の欄はいずれも「0」になっているが、これは参照素子R1〜R4の配置方向が、いずれも応力歪みに対する電気抵抗変化感度(ピエゾ抵抗係数)が小さい方向を向いているためである。 FIG. 21 is a table showing changes in resistance values of the piezoresistive elements B1 to B4 and R1 to R4 in the fourth embodiment shown in FIG. In this table, “+” indicates that the resistance value increases, “−” indicates that the resistance value decreases, and “0” indicates that the resistance value does not change (or “+” or “ The change in resistance value is negligible with respect to the change in resistance value indicated by “−”). Here, all the columns of the four sets of reference elements R1 to R4 are “0”. This is because the arrangement directions of the reference elements R1 to R4 are all in the electric resistance change sensitivity (piezoresistance coefficient) with respect to the stress strain. ) Is facing the smaller direction.
実は、この第4の実施例を実施するためには、歪検出基板400として、固有の特徴をもった基板を用いる必要がある。以下、この点について説明しよう。一般に、応力歪みに対する電気抵抗変化感度には、方向依存性があることが知られている。たとえば、歪検出基板400として、シリコン単結晶基板を用いる場合を考えると、このシリコン単結晶基板を切出すときの面方位によって、電気抵抗変化感度の方向分布に大きな違いが生じる。
Actually, in order to implement the fourth embodiment, it is necessary to use a substrate having unique characteristics as the
図22は、シリコン単結晶基板の各結晶面についてのピエゾ抵抗係数(応力歪みに対する電気抵抗変化感度)を示すグラフである。すなわち、シリコンの単結晶基板をある特定の結晶面で切出し、この切出し面内の各方向についてのピエゾ抵抗係数を原点Oからの距離に対応させてプロットしたものである。図の上は(001)面についてのグラフ、図の左下は(110)面についてのグラフ、図の右下は(111)面についてのグラフを示している。 FIG. 22 is a graph showing the piezoresistance coefficient (electric resistance change sensitivity to stress strain) for each crystal plane of the silicon single crystal substrate. That is, a silicon single crystal substrate is cut out at a specific crystal plane, and the piezoresistance coefficient in each direction in the cut surface is plotted in correspondence with the distance from the origin O. The top of the figure shows a graph for the (001) plane, the bottom left of the figure shows a graph for the (110) plane, and the bottom right of the figure shows a graph for the (111) plane.
たとえば、(001)面については、0°,90°,180°,270°の各方向において、ピエゾ抵抗係数がピーク値をとっている。したがって、(001)面が上面となるように切り出したシリコン単結晶基板を用いて歪検出基板400を構成し、たとえば、0°の方向([010]方向)をX軸正方向とし、90°の方向([−100]方向)をY軸正方向として(明細書中では、結晶方位を示すマイナス符号は、数字1の前に付すことにする)、図20に示すような4組の中央素子B1〜B4を配置すれば、これら4組の中央素子B1〜B4の長手方向は、いずれもピエゾ抵抗係数のピーク方向を向くことになり、良好な感度をもって応力歪みの検出が可能になる。
For example, for the (001) plane, the piezoresistance coefficient has a peak value in each direction of 0 °, 90 °, 180 °, and 270 °. Therefore, the
一方、この(001)面では、45°の方向([−110]方向)や、135°の方向([−1−10]方向)といった、ピーク方向に対して45°をなす方向についてのピエゾ抵抗係数は非常に小さくなっている。したがって、これらの方向が長手方向となるように配置されたピエゾ抵抗素子では、応力歪みに対する電気抵抗変化感度が非常に小さくなる。図20に示す4組の参照素子R1〜R4は、このように、ピエゾ抵抗係数が非常に小さくなる方向(X軸もしくはY軸に対して45°をなす方向)に配置されている。図21に示す表において、4組の参照素子R1〜R4の欄がいずれも「0」になっているのは、参照素子R1〜R4が、このような特有の方向に配置されているためである。 On the other hand, in the (001) plane, a piezo in a direction forming 45 ° with respect to the peak direction, such as a 45 ° direction ([−110] direction) or a 135 ° direction ([−1-10] direction). The resistance coefficient is very small. Therefore, in the piezoresistive element arranged so that these directions become the longitudinal direction, the electric resistance change sensitivity to the stress strain becomes very small. In this way, the four sets of reference elements R1 to R4 shown in FIG. 20 are arranged in a direction in which the piezoresistance coefficient becomes very small (a direction that forms 45 ° with respect to the X axis or the Y axis). In the table shown in FIG. 21, the four reference elements R1 to R4 are all “0” because the reference elements R1 to R4 are arranged in such a specific direction. is there.
このように、シリコン単結晶基板の(001)面は、本発明において歪検出基板400として利用するのに非常に都合のよい特性を有している。すなわち、ピエゾ抵抗係数のピーク方向が互いに直交する2軸方向を向き、これら2軸に対して45°をなす方向に関しては、ピエゾ抵抗係数が非常に小さい、という特性を有している。これに対して、(110)面の特性は、図22の左下のグラフに示すように、ピエゾ抵抗係数のピーク方向を示す2軸P,Qは直交していないため、これらの2軸P,Qを、そのまま本発明におけるX軸,Y軸として利用することはできない。また、(111)面の特性は、図22の右下のグラフに示すとおり、方位依存性がなく、いずれの方向に関しても同じ感度が得られるため、この第4の実施例に利用することはできない。
Thus, the (001) plane of the silicon single crystal substrate has characteristics that are very convenient for use as the
したがって、この第4の実施例では、歪検出基板400を(001)面で切り出したシリコン単結晶基板によって構成し、(001)面が歪検出基板400の上面となり、ピエゾ抵抗係数のピーク方向([010]方向や[−100]方向)がX軸もしくはY軸方向となるように配置する必要がある。
Therefore, in the fourth embodiment, the
そして、この第4の実施例では、図20に示すように、歪検出基板400の上面には、X軸方向が長手方向となるように、X軸正領域に沿って配置された第1の中央素子B1と、X軸方向が長手方向となるように、X軸負領域に沿って配置された第2の中央素子B2と、Y軸方向が長手方向となるように、Y軸正領域に沿って配置された第3の中央素子B3と、Y軸方向が長手方向となるように、Y軸負領域に沿って配置された第4の中央素子B4と、X軸もしくはY軸に対して45°をなす方向が長手方向となるように配置された第1〜第4の参照素子R1〜R4と、が設けられている。
And in this 4th Example, as shown in FIG. 20, on the upper surface of the distortion | strain detection board |
ここで、第1〜第4の中央素子B1〜B4および第1〜第4の参照素子R1〜R4は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されている。また、各中央素子B1〜B4の配置パターンは、XZ平面およびYZ平面に関して対称形をなすようになっており、図20の上面図に示されている4組の中央素子B1〜B4の平面パターンは、X軸に関して線対称、Y軸に関しても線対称の図形になっている。 Here, the first to fourth central elements B1 to B4 and the first to fourth reference elements R1 to R4 are composed of piezoresistive elements having the same material and the same size. The arrangement pattern of the central elements B1 to B4 is symmetrical with respect to the XZ plane and the YZ plane, and the plane patterns of the four sets of central elements B1 to B4 shown in the top view of FIG. Is a line symmetry with respect to the X axis and a line symmetry with respect to the Y axis.
この図21の表に示す結果を踏まえれば、図23に示す検出回路により、Z軸方向の力成分Fzの検出が可能になることがわかる。この検出回路は、第1の中央素子B1と第2の中央素子B2とを直列接続してなる抵抗素子と、第3の中央素子B3と第4の中央素子B4とを直列接続してなる抵抗素子と、を第1の対辺に配置し、第1の参照素子R1と第2の参照素子R2とを直列接続してなる抵抗素子と、第3の参照素子R3と第4の参照素子R4とを直列接続してなる抵抗素子と、を第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてZ軸方向の力成分Fzの検出を行う回路である。直流電源Eから所定の電源電圧を供給すると、ブリッジが平衡条件を維持している間は、両端子Tz5,Tz6は等電位を保つが、平衡状態が崩れると、両端子間に電位差Vzが生じることになる。この電位差Vzは、Z軸方向の力成分Fzの向きおよび大きさを示す電気信号になる。 Based on the results shown in the table of FIG. 21, it can be understood that the detection circuit shown in FIG. 23 can detect the force component Fz in the Z-axis direction. This detection circuit includes a resistance element formed by connecting a first central element B1 and a second central element B2 in series, and a resistance formed by connecting a third central element B3 and a fourth central element B4 in series. A first reference element R1 and a second reference element R2 connected in series, a third reference element R3, a fourth reference element R4, Is a circuit that detects a force component Fz in the Z-axis direction by using a Wheatstone bridge in which resistance elements formed by connecting the two in series are arranged on the second opposite side. When a predetermined power supply voltage is supplied from the DC power supply E, the terminals Tz5 and Tz6 maintain an equipotential while the bridge maintains the equilibrium condition. However, when the equilibrium state is lost, a potential difference Vz is generated between the terminals. It will be. This potential difference Vz is an electric signal indicating the direction and magnitude of the force component Fz in the Z-axis direction.
上述したとおり、8組の素子B1〜B4,R1〜R4は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されているため、外力が作用していない状態において、ブリッジ回路は平衡状態を維持する。ところが、力成分+Fzが作用すると、図21の表に示すとおり、中央素子B1〜B4の抵抗値は大きく増加し、参照素子R1〜R4の抵抗値は有意な変化をしないので、端子Tz5側が正、端子Tz6側が負となる電圧Vzが発生する。逆向きの力成分−Fzが作用した場合は、電圧Vzの符号が逆転する。また、作用した力成分が大きければ、電圧Vzの絶対値も大きくなる。 As described above, the eight sets of elements B1 to B4 and R1 to R4 are composed of piezoresistive elements of the same material and the same size, so that the bridge circuit maintains a balanced state when no external force is applied. . However, when the force component + Fz acts, as shown in the table of FIG. 21, the resistance values of the central elements B1 to B4 increase greatly, and the resistance values of the reference elements R1 to R4 do not change significantly, so that the terminal Tz5 side is positive. A voltage Vz that is negative on the terminal Tz6 side is generated. When the force component -Fz in the reverse direction acts, the sign of the voltage Vz is reversed. If the applied force component is large, the absolute value of the voltage Vz is also large.
なお、モーメント成分Mxが作用した場合は、中央素子B3,B4を直列接続した抵抗素子の抵抗値変化は相殺され、モーメント成分Myが作用した場合は、中央素子B1,B2を直列接続した抵抗素子の抵抗値変化は相殺されるので、図23に示す検出回路は、モーメント成分MxやMyを誤検出することはない。このように、図23に示す検出回路は、他軸成分の干渉を排除した正確な検出値を得ることができる。 Note that when the moment component Mx acts, the resistance value change of the resistance element in which the central elements B3 and B4 are connected in series is canceled, and when the moment component My acts, the resistance element in which the central elements B1 and B2 are connected in series. Therefore, the detection circuit shown in FIG. 23 does not erroneously detect the moment components Mx and My. In this way, the detection circuit shown in FIG. 23 can obtain an accurate detection value that excludes interference of other axis components.
また、図23に示す検出回路は、ホイートストンブリッジを用いた差分検出を行う回路になっているため、力覚センサの実使用環境(特に温度環境)の変化によって各ピエゾ抵抗素子の電気的特性に変化が生じても、その影響が検出値として出力されることはない。たとえば、温度変化によって、4組の中央素子B1〜B4の電気抵抗が増減したとしても、同じ条件で4組の参照素子R1〜R4の電気抵抗も増減するため、外力が作用していない状態では、ブリッジ回路の平衡条件はそのまま維持され、検出電圧が出力されることはない。このように、図23に示す検出回路は、実使用環境の影響を排除した正確な検出を行うことが可能である。 Further, the detection circuit shown in FIG. 23 is a circuit that performs differential detection using a Wheatstone bridge. Therefore, the electrical characteristics of each piezoresistive element are changed depending on the actual usage environment (particularly the temperature environment) of the force sensor. Even if a change occurs, the influence is not output as a detection value. For example, even if the electric resistances of the four sets of central elements B1 to B4 increase or decrease due to temperature changes, the electric resistances of the four sets of reference elements R1 to R4 also increase or decrease under the same conditions. The balanced condition of the bridge circuit is maintained as it is, and no detection voltage is output. As described above, the detection circuit shown in FIG. 23 can perform accurate detection without the influence of the actual use environment.
なお、温度環境の変化による影響を排除した正確な検出を行う上では、参照素子R1〜R4は、できるだけ中央素子B1〜B4に近い温度環境におくことが好ましい。図20に示す例において、参照素子R1〜R4が、それぞれ中央素子B1〜B4に接近して配置されているのはこのためである。もちろん、参照素子R1〜R4の位置は、X軸もしくはY軸に対して45°をなす向きに配置できれば、その位置は、X軸上およびY軸上に限定されるものではない。 In order to perform accurate detection that eliminates the influence of changes in the temperature environment, the reference elements R1 to R4 are preferably placed in a temperature environment as close as possible to the central elements B1 to B4. This is why the reference elements R1 to R4 are arranged close to the central elements B1 to B4, respectively, in the example shown in FIG. Of course, as long as the positions of the reference elements R1 to R4 can be arranged at an angle of 45 ° with respect to the X axis or the Y axis, the positions are not limited to the X axis and the Y axis.
結局、第4の実施例の基本概念は、歪検出基板400を、シリコン単結晶基板によって構成し、このシリコン単結晶基板の(001)面が歪検出基板400の上面となるようにし、各中央素子B1〜B4を、この(001)面におけるピエゾ抵抗係数のピーク方向を向くように配置し、ピーク方向に対して45°をなす方向を向くように配置されたピエゾ抵抗素子からなる参照素子R1〜R4を更に設け、検出回路が、中央素子B1〜B4を第1の対辺に配置し、参照素子R1〜R4を第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いて検出対象成分の検出を行うことにより、力成分Fzの検出を行うにあたり差分検出を可能にする、という点にある。
After all, the basic concept of the fourth embodiment is that the
この基本概念によれば、中央素子は必ずしも中央素子B1〜B4の4組を用いる必要はなく、たとえば、X軸上に配置された中央素子B1,B2と参照素子R1〜R4の中のいずれか2つとによってブリッジ回路を構成することもできる。この場合は、X軸上に配置された中央素子B1,B2を第1の対辺に配置し、任意の2つの参照素子を第2の対辺に配置すればよい。あるいは、Y軸上に配置された中央素子B3,B4と参照素子R1〜R4の中のいずれか2つとによってブリッジ回路を構成することもできる。この場合は、Y軸上に配置された中央素子B3,B4を第1の対辺に配置し、任意の2つの参照素子を第2の対辺に配置すればよい。 According to this basic concept, it is not always necessary to use four sets of the central elements B1 to B4 as the central element. For example, one of the central elements B1 and B2 arranged on the X axis and the reference elements R1 to R4 is used. A bridge circuit can be configured by two. In this case, the central elements B1 and B2 arranged on the X axis may be arranged on the first opposite side, and any two reference elements may be arranged on the second opposite side. Alternatively, a bridge circuit may be configured by the central elements B3 and B4 arranged on the Y axis and any two of the reference elements R1 to R4. In this case, the central elements B3 and B4 arranged on the Y axis may be arranged on the first opposite side, and any two reference elements may be arranged on the second opposite side.
なお、図22の上のグラフに示すとおり、シリコン単結晶基板の(001)面は、ピエゾ抵抗係数のピーク方向が互いに直交する2軸方向を向くという好都合な特性を有している。したがって、ここで述べた第4の実施例に限らず、本願の他の実施例においても、シリコン単結晶基板の(001)面を上面とする歪検出基板400を利用して、ピエゾ抵抗係数のピーク方向をX軸もしくはY軸とするのが好ましい。
Note that, as shown in the upper graph of FIG. 22, the (001) plane of the silicon single crystal substrate has an advantageous characteristic that the peak directions of the piezoresistance coefficients are directed in two axial directions perpendicular to each other. Therefore, not only in the fourth embodiment described here, but also in other embodiments of the present application, the
<5−5. 第5の実施例>
図24は、本発明に係る力覚センサにおけるピエゾ抵抗素子配置パターンの第5の実施例を示す上面図である。この第5の実施例における配置パターン自身は、図10に示す第1の実施例のパターンと同じである。すなわち、図24に示す中央素子C1〜C8は、それぞれ図10に示す中央素子A1〜A8と同じ形状の同じ位置に配置されたピエゾ抵抗素子である。
<5-5. Fifth embodiment>
FIG. 24 is a top view showing a fifth embodiment of the piezoresistive element arrangement pattern in the force sensor according to the present invention. The arrangement pattern itself in the fifth embodiment is the same as the pattern in the first embodiment shown in FIG. That is, the central elements C1 to C8 shown in FIG. 24 are piezoresistive elements arranged in the same positions as the central elements A1 to A8 shown in FIG.
ただ、奇数番号を付した中央素子C1,C3,C5,C7が第1の極性をもったピエゾ抵抗素子であるのに対して、偶数番号を付した中央素子C2,C4,C6,C8は、第1の極性とは逆の第2の極性をもったピエゾ抵抗素子になっている。図において、中央素子C1,C3,C5,C7のハッチングと中央素子C2,C4,C6,C8のハッチングを変えているのは、この極性の違いを示すためである。ここでは、中央素子C1,C3,C5,C7がP型のピエゾ抵抗素子(伸びる方向への応力が作用すると抵抗値は増加し、縮む方向への応力が作用すると抵抗値は減少する素子)によって構成され、中央素子C2,C4,C6,C8がN型のピエゾ抵抗素子(伸びる方向への応力が作用すると抵抗値は減少し、縮む方向への応力が作用すると抵抗値は増加する素子)によって構成されているものとしよう。ここで述べる第5の実施例は、このように互いに逆極性となる中央素子をブリッジ回路に組み込むことにより、差分検出を行うものである。 However, the odd-numbered central elements C1, C3, C5 and C7 are piezoresistive elements having the first polarity, whereas the even-numbered central elements C2, C4, C6 and C8 are: The piezoresistive element has a second polarity opposite to the first polarity. In the figure, the hatching of the central elements C1, C3, C5 and C7 and the hatching of the central elements C2, C4, C6 and C8 are changed in order to show this difference in polarity. Here, the central elements C1, C3, C5 and C7 are P-type piezoresistive elements (elements whose resistance value increases when stress in the extending direction acts and whose resistance value decreases when stress in the contracting direction acts). The central elements C2, C4, C6 and C8 are N-type piezoresistive elements (elements whose resistance value decreases when stress in the extending direction acts and whose resistance value increases when stress in the contracting direction acts). Let's assume that it is configured. In the fifth embodiment described here, difference detection is performed by incorporating central elements having opposite polarities into a bridge circuit.
具体的には、この実施例の場合、歪検出基板400の上面には、X軸方向が長手方向となるように、X軸正領域に沿って配置された第1の中央素子C1および第2の中央素子C2と、X軸方向が長手方向となるように、X軸負領域に沿って配置された第3の中央素子C3および第4の中央素子C4と、Y軸方向が長手方向となるように、Y軸正領域に沿って配置された第5の中央素子C5および第6の中央素子C6と、Y軸方向が長手方向となるように、Y軸負領域に沿って配置された第7の中央素子C7および第8の中央素子C8と、が設けられている。
Specifically, in the case of this embodiment, the first central element C1 and the second central element C1 are arranged on the upper surface of the
ここで、第1、第3、第5、第7の中央素子C1,C3,C5,C7は、同一材料かつ同一サイズの第1の極性をもった中央素子であり、第2、第4、第6、第8の中央素子C2,C4,C6,C8は、同一材料かつ同一サイズの第2の極性をもった中央素子であり、検出対象となる力が作用していない状態において、第1〜第8の中央素子C1〜C8の抵抗値は互いに等しくなるように設定されている。 Here, the first, third, fifth, and seventh central elements C1, C3, C5, and C7 are central elements having the same polarity and the same size and the first polarity, and the second, fourth, The sixth and eighth central elements C2, C4, C6 and C8 are central elements having the same material and the same size and the second polarity, and in the state where the force to be detected is not acting, The resistance values of the eighth central elements C1 to C8 are set to be equal to each other.
また、各中央素子C1〜C8の配置パターンは、XZ平面およびYZ平面に関して対称形をなすようになっており、図24の上面図に示されている各中央素子C1〜C8の平面パターンは、X軸に関して線対称、Y軸に関しても線対称の図形になっている。 In addition, the arrangement pattern of the central elements C1 to C8 is symmetrical with respect to the XZ plane and the YZ plane, and the planar pattern of the central elements C1 to C8 shown in the top view of FIG. The figure is line symmetric with respect to the X axis and line symmetric with respect to the Y axis.
図25は、図24に示す第5の実施例における各ピエゾ抵抗素子C1〜C8の抵抗値の変化を示す表である。この図25の表を図11の表と比べると、図25のC1,C3,C5,C7の各欄は、図11のA1,A3,A5,A7の対応欄の内容と同一であり、図25のC2,C4,C6,C8の各欄は、図11のA2,A4,A6,A8の対応欄の符号を逆転させたものになっていることがわかる。これは、第1の極性をもった中央素子C1,C3,C5,C7は、中央素子A1,A3,A5,A7と全く同一の素子であり、第2の極性をもった中央素子C2,C4,C6,C8は、中央素子A2,A4,A6,A8に対して逆極性の素子である点を考慮すれば当然である。 FIG. 25 is a table showing changes in resistance values of the piezoresistive elements C1 to C8 in the fifth embodiment shown in FIG. 25 is compared with the table in FIG. 11, the columns C1, C3, C5, and C7 in FIG. 25 are the same as the corresponding columns in A1, A3, A5, and A7 in FIG. It can be seen that each column of C2, C4, C6 and C8 of 25 is obtained by reversing the sign of the corresponding column of A2, A4, A6 and A8 of FIG. This is because the central elements C1, C3, C5 and C7 having the first polarity are exactly the same elements as the central elements A1, A3, A5 and A7, and the central elements C2, C4 having the second polarity. , C6 and C8 are naturally taken into consideration that they are elements having opposite polarities to the central elements A2, A4, A6 and A8.
この図25の表に示す結果を踏まえれば、図26に示す検出回路により、Z軸方向の力成分Fzの検出が可能になることがわかる。この検出回路は、第1の中央素子C1と第3の中央素子C3とを直列接続してなる抵抗素子と、第5の中央素子C5と第7の中央素子C7とを直列接続してなる抵抗素子と、を第1の対辺に配置し、第2の中央素子C2と第4の中央素子C4とを直列接続してなる抵抗素子と、第6の中央素子C6と第8の中央素子C8とを直列接続してなる抵抗素子と、を第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてZ軸方向の力成分Fzの検出を行う回路である。直流電源Eから所定の電源電圧を供給すると、ブリッジが平衡条件を維持している間は、両端子Tz7,Tz8は等電位を保つが、平衡状態が崩れると、両端子間に電位差Vzが生じることになる。この電位差Vzは、Z軸方向の力成分Fzの向きおよび大きさを示す電気信号になる。 Based on the results shown in the table of FIG. 25, it can be seen that the detection circuit shown in FIG. 26 makes it possible to detect the force component Fz in the Z-axis direction. This detection circuit includes a resistance element formed by connecting a first central element C1 and a third central element C3 in series, and a resistance formed by connecting a fifth central element C5 and a seventh central element C7 in series. An element disposed on the first opposite side, and a second central element C2 and a fourth central element C4 connected in series; a sixth central element C6 and an eighth central element C8; Is a circuit that detects a force component Fz in the Z-axis direction by using a Wheatstone bridge in which resistance elements formed by connecting the two in series are arranged on the second opposite side. When a predetermined power supply voltage is supplied from the DC power supply E, the terminals Tz7 and Tz8 maintain the same potential while the bridge maintains the equilibrium condition. However, when the equilibrium state is lost, a potential difference Vz is generated between the two terminals. It will be. This potential difference Vz is an electric signal indicating the direction and magnitude of the force component Fz in the Z-axis direction.
上述したとおり、8組の素子C1〜C8は、同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、外力が作用していない状態において、抵抗値は互いに等しくなるように設定されているため、ブリッジ回路は平衡状態を維持する。ところが、力成分+Fzが作用すると、図25の表に示すとおり、第1の極性をもった中央素子C1,C3,C5,C7の抵抗値は増加し、第2の極性をもった中央素子C2,C4,C6,C8の抵抗値は減少する。よって、端子Tz7側が正、端子Tz8側が負となる電圧Vzが発生する。逆向きの力成分−Fzが作用した場合は、電圧Vzの符号が逆転する。また、作用した力成分が大きければ、電圧Vzの絶対値も大きくなる。 As described above, the eight sets of elements C1 to C8 are configured by piezoresistive elements of the same size, and the resistance values are set to be equal to each other when no external force is applied. Maintains equilibrium. However, when the force component + Fz acts, as shown in the table of FIG. 25, the resistance values of the central elements C1, C3, C5, and C7 having the first polarity increase, and the central element C2 having the second polarity. , C4, C6, C8 decreases in resistance value. Therefore, a voltage Vz is generated in which the terminal Tz7 side is positive and the terminal Tz8 side is negative. When the force component -Fz in the reverse direction acts, the sign of the voltage Vz is reversed. If the applied force component is large, the absolute value of the voltage Vz is also large.
なお、モーメント成分Mxが作用した場合は、中央素子C5,C7を直列接続した抵抗素子や中央素子C6,C8を直列接続した抵抗素子の抵抗値変化は相殺され、モーメント成分Myが作用した場合は、中央素子C1,C3を直列接続した抵抗素子や中央素子C2,C4を直列接続した抵抗素子の抵抗値変化は相殺されるので、図26に示す検出回路は、モーメント成分MxやMyを誤検出することはない。このように、図26に示す検出回路は、他軸成分の干渉を排除した正確な検出値を得ることができる。 When the moment component Mx acts, the resistance value change of the resistance element in which the central elements C5 and C7 are connected in series and the resistance element in which the central elements C6 and C8 are connected in series is canceled, and the moment component My acts 26, since the resistance value change of the resistance element in which the central elements C1 and C3 are connected in series and the resistance element in which the central elements C2 and C4 are connected in series is canceled, the detection circuit shown in FIG. 26 erroneously detects the moment components Mx and My. Never do. In this way, the detection circuit shown in FIG. 26 can obtain an accurate detection value that eliminates interference of other axis components.
結局、第5の実施例の基本概念は、伸びる方向への応力が作用すると電気抵抗が増加し、縮む方向への応力が作用すると電気抵抗が減少するピエゾ抵抗素子からなる第1の極性をもった中央素子C1,C3,C5,C7と、伸びる方向への応力が作用すると電気抵抗が減少し、縮む方向への応力が作用すると電気抵抗が増加するピエゾ抵抗素子C2,C4,C6,C8からなる第2の極性をもった中央素子と、を設け、検出回路が、第1の極性をもった中央素子を第1の対辺に配置し、第2の極性をもった中央素子を第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いて検出対象成分の検出を行うことにより、力成分Fzの検出を行うにあたり差分検出を可能にする、という点にある。 After all, the basic concept of the fifth embodiment has a first polarity composed of a piezoresistive element in which the electrical resistance increases when the stress in the extending direction acts and the electrical resistance decreases when the stress in the contracting direction acts. From the piezoresistive elements C2, C4, C6, and C8, the electrical resistance decreases when the stress in the extending direction acts and the electrical resistance increases when the stress in the contracting direction acts. A central element having a second polarity, and a detection circuit disposing the central element having the first polarity on the first opposite side, and the central element having the second polarity as the second element. By detecting the component to be detected using the Wheatstone bridge arranged on the opposite side, it is possible to detect the difference in detecting the force component Fz.
<5−6. 第6の実施例>
これまで、X軸まわりのモーメント成分MxもしくはY軸まわりのモーメント成分My、またはその双方を検出することができるピエゾ抵抗素子の配置および検出回路を、第1の実施例として述べ、Z軸方向の力成分Fxを検出することができるピエゾ抵抗素子の配置および検出回路を、第2〜第5の実施例として述べた。もちろん、これらを組み合わせることにより、Mx,My,Fzの任意の力成分を検出可能な力覚センサを構成することも可能である。
<5-6. Sixth Example>
The arrangement of the piezoresistive element and the detection circuit capable of detecting the moment component Mx around the X axis or the moment component My around the Y axis, or both, have been described as the first embodiment so far. The arrangement and the detection circuit of the piezoresistive element that can detect the force component Fx have been described as the second to fifth embodiments. Of course, a force sensor capable of detecting any force component of Mx, My, and Fz can be configured by combining these.
ここでは、第6の実施例として、Mx,My,Fzの3成分すべてを検出可能な力覚センサの例を1つだけ紹介しておく。ここに示す例は、第1の実施例と第4の実施例とを組み合わせた例である。第4の実施例を利用しているため、用いる歪検出基板400は、(001)面で切り出したシリコン単結晶基板によって構成され、(001)面が上面となり、ピエゾ抵抗係数のピーク方向がX軸もしくはY軸方向となるように配置される。
Here, as a sixth embodiment, only one example of a force sensor capable of detecting all three components of Mx, My, and Fz will be introduced. The example shown here is an example in which the first embodiment and the fourth embodiment are combined. Since the fourth embodiment is used, the
図27は、この第6の実施例を示す上面図である。この配置パターンでは、12組の中央素子D1〜D12とともに、4組の参照素子S1〜S4が用いられている。ここで、中央素子D1〜D4および参照素子S1〜S4は、図20に示す第4の実施例における中央素子B1〜B4および参照素子R1〜R4に対応するものである。一方、中央素子D5〜D12は、図10に示す第1の実施例における中央素子A1〜A8に対応するものである。 FIG. 27 is a top view showing the sixth embodiment. In this arrangement pattern, four sets of reference elements S1 to S4 are used together with 12 sets of central elements D1 to D12. Here, the central elements D1 to D4 and the reference elements S1 to S4 correspond to the central elements B1 to B4 and the reference elements R1 to R4 in the fourth embodiment shown in FIG. On the other hand, the central elements D5 to D12 correspond to the central elements A1 to A8 in the first embodiment shown in FIG.
この第6の実施例では、図28に示す検出回路が用いられる。ここで、図28(a) に示す検出回路は、図13に示す検出回路に対応するものであり、端子T1,T2間に生じる電圧Vxは、X軸まわりのモーメント成分Mxの検出値になる。また、図28(b) に示す検出回路は、図12に示す検出回路に対応するものであり、端子T3,T4間に生じる電圧Vyは、Y軸まわりのモーメント成分Myの検出値になる。そして、図28(c) に示す検出回路は、図23に示す検出回路に対応するものであり、端子T5,T6間に生じる電圧Vzは、Z軸方向の力成分Fzの検出値になる。 In the sixth embodiment, the detection circuit shown in FIG. 28 is used. Here, the detection circuit shown in FIG. 28 (a) corresponds to the detection circuit shown in FIG. 13, and the voltage Vx generated between the terminals T1 and T2 becomes a detection value of the moment component Mx around the X axis. . The detection circuit shown in FIG. 28 (b) corresponds to the detection circuit shown in FIG. 12, and the voltage Vy generated between the terminals T3 and T4 becomes a detection value of the moment component My around the Y axis. The detection circuit shown in FIG. 28 (c) corresponds to the detection circuit shown in FIG. 23, and the voltage Vz generated between the terminals T5 and T6 becomes the detection value of the force component Fz in the Z-axis direction.
個々の成分の具体的な検出原理については、既に各実施例として説明してあるため、ここでは詳しい説明は省略する。要するに、この第6の実施例では、歪検出基板400がシリコン単結晶基板によって構成され、このシリコン単結晶基板の(001)面が歪検出基板400の上面となり、(001)面におけるピエゾ抵抗係数のピーク方向が、X軸もしくはY軸方向となるように歪検出基板400が配置される。
Since the specific detection principle of each component has already been described as each example, detailed description is omitted here. In short, in the sixth embodiment, the
そして、X軸方向が長手方向となるように、X軸正領域に沿って配置された第1の中央素子D1と、X軸方向が長手方向となるように、X軸負領域に沿って配置された第2の中央素子D2と、Y軸方向が長手方向となるように、Y軸正領域に沿って配置された第3の中央素子D3と、Y軸方向が長手方向となるように、Y軸負領域に沿って配置された第4の中央素子D4と、X軸方向が長手方向となるように、X軸正領域に沿って第1の中央素子D1の両脇に配置された第5および第6の中央素子D5,D6と、X軸方向が長手方向となるように、X軸負領域に沿って第2の中央素子D2の両脇に配置された第7および第8の中央素子D7,D8と、Y軸方向が長手方向となるように、Y軸正領域に沿って第3の中央素子D3の両脇に配置された第9および第10の中央素子D9,D10と、Y軸方向が長手方向となるように、Y軸負領域に沿って第4の中央素子D4の両脇に配置された第11および第12の中央素子D11,D12と、X軸もしくはY軸に対して45°をなす方向が長手方向となるように配置された第1〜第4の参照素子S1〜S4と、が設けられる。ここで、第1〜第12の中央素子D1〜D12および第1〜第4の参照素子S1〜S4は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されている。 Then, the first central element D1 arranged along the X-axis positive region so that the X-axis direction becomes the longitudinal direction, and the X-axis negative region so that the X-axis direction becomes the longitudinal direction The second central element D2 that is arranged, the third central element D3 arranged along the Y-axis positive region so that the Y-axis direction is the longitudinal direction, and the Y-axis direction is the longitudinal direction. The fourth central element D4 disposed along the Y-axis negative region and the first central element D1 disposed on both sides of the first central element D1 along the X-axis positive region so that the X-axis direction is the longitudinal direction. The fifth and sixth center elements D5 and D6 and the seventh and eighth centers disposed on both sides of the second center element D2 along the X-axis negative region so that the X-axis direction is the longitudinal direction Elements D7 and D8 are arranged on both sides of the third central element D3 along the Y-axis positive region so that the Y-axis direction is the longitudinal direction. The ninth and tenth central elements D9, D10 and the eleventh and twelfth elements arranged on both sides of the fourth central element D4 along the Y-axis negative region so that the Y-axis direction is the longitudinal direction. Center elements D11 and D12, and first to fourth reference elements S1 to S4 arranged so that the direction forming 45 ° with respect to the X axis or the Y axis is the longitudinal direction. Here, the first to twelfth central elements D1 to D12 and the first to fourth reference elements S1 to S4 are composed of piezoresistive elements having the same material and the same size.
一方、力成分Fz用の検出回路は、第1の中央素子D1と第2の中央素子D2とを直列接続してなる抵抗素子と、第3の中央素子D3と第4の中央素子D4とを直列接続してなる抵抗素子と、を第1の対辺に配置し、第1の参照素子S1と第2の参照素子S2とを直列接続してなる抵抗素子と、第3の参照素子S3と第4の参照素子S4とを直列接続してなる抵抗素子と、を第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてZ軸方向の力成分Fzの検出を行う。 On the other hand, the detection circuit for the force component Fz includes a resistance element formed by connecting a first central element D1 and a second central element D2 in series, a third central element D3, and a fourth central element D4. A resistor element connected in series is arranged on the first opposite side, and a resistor element formed by connecting the first reference element S1 and the second reference element S2 in series, the third reference element S3 and the second reference element S3 The force component Fz in the Z-axis direction is detected using a Wheatstone bridge in which a resistance element formed by connecting four reference elements S4 in series is disposed on the second opposite side.
また、モーメント成分My用の検出回路は、第5の中央素子D5と第6の中央素子D6とを第1の対辺に配置し、第7の中央素子D7と第8の中央素子D8とを第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてY軸まわりのモーメント成分Myの検出を行う。そして、モーメント成分Mx用の検出回路は、第9の中央素子D9と第10の中央素子D10とを第1の対辺に配置し、第11の中央素子D11と第12の中央素子D12とを第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてX軸まわりのモーメント成分Mxの検出を行う。 The detection circuit for the moment component My arranges the fifth central element D5 and the sixth central element D6 on the first opposite side, and the seventh central element D7 and the eighth central element D8. The moment component My around the Y-axis is detected using the Wheatstone bridge arranged on the opposite side of 2. In the detection circuit for the moment component Mx, the ninth central element D9 and the tenth central element D10 are arranged on the first opposite side, and the eleventh central element D11 and the twelfth central element D12 are arranged on the first side. The moment component Mx around the X-axis is detected using a Wheatstone bridge arranged on the opposite side of 2.
もちろん、ここで述べた第6の実施例は、第1の実施例〜第5の実施例の組み合わせの一例を示すものであり、実用上は、この他にも様々な組み合わせが可能である。たとえば、第1の実施例と第2の実施例の組み合わせ、第1の実施例と第3の実施例の組み合わせ、第1の実施例と第5の実施例の組み合わせ、によっても、Mx,My,Fzの任意の力成分を検出可能な力覚センサを構成することができる。 Of course, the sixth embodiment described here shows an example of a combination of the first to fifth embodiments, and various other combinations are possible in practice. For example, the combination of the first embodiment and the second embodiment, the combination of the first embodiment and the third embodiment, the combination of the first embodiment and the fifth embodiment, Mx, My , Fz can be configured to detect a force sensor capable of detecting an arbitrary force component.
10:起歪体
11:ダイアフラム部
12:側壁部
13:支柱部
30:受力体
40:歪検出基板
50:カバー
61,62:配線ピン
71,72:ボンディングワイヤ
100:起歪体
110:ダイアフラム部
120:側壁部
151〜154:ネジ孔(ネジ挿通用貫通孔)
180:カバー
190:カバー接着部
200:接続部材
300:受力体
321〜324:開口部
351〜354:ネジ孔(雌ネジ形成孔)
400:歪検出基板
470:ボンディングワイヤ
500:回路基板
A,A1〜A8:ピエゾ抵抗素子(中央素子)
B1〜B4:ピエゾ抵抗素子(中央素子)
C1〜C8:ピエゾ抵抗素子(中央素子)
D1〜D12:ピエゾ抵抗素子(中央素子)
E:直流電源
Fz:Z軸方向の力成分
f1:検出用溝(検出用領域)の輪郭線
f2:カバー接着部の外側輪郭線
G:検出用溝
G1,G2,G3:溝
H1〜H7:貫通孔
K1〜K4:ピエゾ抵抗素子
L1〜L8:位置
Mx:X軸まわりのモーメント成分
My:Y軸まわりのモーメント成分
N,N1〜N4:ネジ
O:XYZ三次元直交座標系の原点
P1,P2:ピエゾ抵抗素子(参照素子)
Q1〜Q4:ピエゾ抵抗素子(参照素子)
R1〜R4:ピエゾ抵抗素子(参照素子)
S1〜S4:ピエゾ抵抗素子(参照素子)
T1〜T6:出力端子
Tx1,Tx2:モーメント成分Mxの出力端子
Ty1,Ty2:モーメント成分Myの出力端子
Tz1〜Tz8:力成分Fzの出力端子
Vx:モーメント成分Mxに対応する出力電圧
Vy:モーメント成分Myに対応する出力電圧
Vz:力成分Fzに対応する出力電圧
W:切断線
X:XYZ三次元直交座標系の座標軸
Y:XYZ三次元直交座標系の座標軸
Z:XYZ三次元直交座標系の座標軸
α:Z軸方向に関する位置
β:Z軸方向に関する位置
±δ:抵抗値の微小変動
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10: Strain body 11: Diaphragm part 12: Side wall part 13: Strut part 30: Power receiving body 40: Strain detection board | substrate 50:
180: cover 190: cover bonding part 200: connection member 300: force receiving bodies 321-324: openings 351-354: screw holes (female screw forming holes)
400: Strain detection board 470: Bonding wire 500: Circuit boards A, A1 to A8: Piezoresistive element (central element)
B1 to B4: Piezoresistive element (central element)
C1 to C8: Piezoresistive element (central element)
D1 to D12: Piezoresistive element (central element)
E: DC power supply Fz: Force component in the Z-axis direction f1: Contour line of detection groove (detection region) f2: Outer contour line of cover adhesion part G: Detection grooves G1, G2, G3: Grooves H1 to H7: Through holes K1 to K4: Piezoresistive elements L1 to L8: Position Mx: Moment component around X axis My: Moment component around Y axis N, N1 to N4: Screw O: Origin P1, P2 of XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system : Piezoresistive element (reference element)
Q1-Q4: Piezoresistive element (reference element)
R1 to R4: Piezoresistive elements (reference elements)
S1 to S4: Piezoresistive elements (reference elements)
T1 to T6: Output terminals Tx1 and Tx2: Output terminals Ty1 and Ty2 of moment component Mx: Output terminals Tz1 to Tz8 of moment component My: Output terminals Vx of force component Fz: Output voltage Vy corresponding to moment component Mx: Moment component Output voltage Vz corresponding to My: Output voltage corresponding to force component Fz W: Cutting line X: Coordinate axis of XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system Y: Coordinate axis of XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system Z: Coordinate axis of XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system α: Position in the Z-axis direction β: Position in the Z-axis direction ± δ: Small variation in resistance value
Claims (20)
検出対象となる力を受ける受力体と、この受力体が受けた力に基づいて変形するダイアフラム部を有する起歪体と、前記受力体と前記ダイアフラム部とを接続する接続部材と、前記XYZ三次元直交座標系の原点Oの位置に配置され、前記ダイアフラム部に接合された歪検出基板と、検出対象となる力を電気信号として出力する検出回路と、
を備え、
前記起歪体は、XY平面に平行な上面および下面をもった板状部材によって構成され、前記起歪体の上面の中央部に定義された検出用領域には、下面側に向かって検出用溝が形成されており、この検出用溝の底部によって前記ダイアフラム部が形成され、この検出用溝の周囲には側壁部が形成され、前記ダイアフラム部の下面と前記側壁部の下面とは同一平面上に位置し、
前記受力体は、前記起歪体の下方に所定間隔をおいて配置され、
前記接続部材は、Z軸上に配置された柱状部材によって構成され、その上端は前記ダイアフラム部の下面中央部に接続され、その下端は前記受力体の上面中央部に接続されており、
前記歪検出基板は、上面および下面がXY平面に平行な面をなし、前記検出用溝の底面に前記ダイアフラム部の変形によって生じる応力が伝達されるように接合され、上面の所定箇所にはピエゾ抵抗素子が形成されており、
前記検出回路は、前記ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化に基づいて、前記受力体が受けた力を示す電気信号を出力することを特徴とする力覚センサ。 A force sensor for detecting a force component in a predetermined axis direction or a moment component around a predetermined axis in an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system,
A force receiving body that receives a force to be detected; a strain generating body that has a diaphragm portion that deforms based on the force received by the force receiving body; and a connection member that connects the force receiving body and the diaphragm portion; A strain detection substrate disposed at the position of the origin O of the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system and joined to the diaphragm portion; and a detection circuit that outputs a force to be detected as an electrical signal;
With
The strain body is composed of a plate-like member having an upper surface and a lower surface parallel to the XY plane, and a detection region defined at the center of the upper surface of the strain body is for detection toward the lower surface side. A groove is formed, and the diaphragm portion is formed by a bottom portion of the detection groove. A side wall portion is formed around the detection groove, and a lower surface of the diaphragm portion and a lower surface of the side wall portion are flush with each other. Located on top
The force receiving body is disposed at a predetermined interval below the strain body,
The connection member is constituted by a columnar member arranged on the Z axis, the upper end thereof is connected to the lower surface central portion of the diaphragm portion, and the lower end thereof is connected to the upper surface central portion of the force receiving body,
The strain detection substrate has a top surface and a bottom surface that are parallel to the XY plane, and is joined to the bottom surface of the detection groove so that stress generated by deformation of the diaphragm portion is transmitted, and a piezoelectric portion is attached to a predetermined portion of the top surface. A resistance element is formed,
The force sensor is characterized in that the detection circuit outputs an electric signal indicating a force received by the force receiving body based on a change in electric resistance of the piezoresistive element.
受力体、接続部材、起歪体が同一材料からなる一体構造体によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 1,
A force sensor, wherein the force receiving body, the connecting member, and the strain generating body are constituted by an integral structure made of the same material.
受力体が、XY平面に平行な上面および下面をもった板状部材によって構成され、
起歪体の側壁部には、前記起歪体を外部の第1の物体に固定するためのネジ孔が形成されており、
受力体の外周部には、前記受力体を外部の第2の物体に固定するためのネジ孔と、前記起歪体のネジ孔に挿通されたネジを回転するための器具を挿入するための開口部と、が形成されており、
前記起歪体のネジ孔と前記受力体のネジ孔とは、XY平面上への正射影投影像が重ならない位置に形成されており、前記起歪体のネジ孔と前記受力体の開口部とは、XY平面上への正射影投影像が重なる位置に形成されていることを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 1 or 2,
The force receiving member is constituted by a plate-like member having an upper surface and a lower surface parallel to the XY plane,
A screw hole for fixing the strain body to an external first object is formed in the side wall portion of the strain body,
A screw hole for fixing the force receiving body to an external second object and an instrument for rotating a screw inserted through the screw hole of the strain generating body are inserted into the outer periphery of the force receiving body. And an opening for forming,
The screw hole of the strain body and the screw hole of the force receiving body are formed at positions where the orthogonal projection projection images on the XY plane do not overlap, and the screw hole of the strain body and the force receiving body The force sensor is characterized in that the opening is formed at a position where the orthogonal projection images on the XY plane overlap.
起歪体がZ軸を中心軸とする円盤状の部材によって構成され、
歪検出基板がZ軸を中心軸とする正方形状の基板によって構成され、
起歪体には、前記正方形状の基板を収容可能な検出用溝が形成されており、
前記正方形の一組の対辺の中点を結ぶ線上における当該対辺の各外側位置と、別な一組の対辺の中点を結ぶ線上における当該対辺の各外側位置と、にそれぞれ配置された合計4個のネジ孔が起歪体に形成されていることを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 3, wherein
The strain body is constituted by a disk-shaped member having the Z axis as the central axis,
The strain detection substrate is composed of a square substrate centering on the Z axis,
The strain body is formed with a detection groove capable of accommodating the square substrate,
A total of 4 respectively arranged at each outer position of the opposite side on a line connecting the midpoints of a set of opposite sides of the square and each outer position of the opposite side on a line connecting the midpoints of another set of opposite sides. A force sensor in which a plurality of screw holes are formed in a strain body.
起歪体の側壁部に、外部から検出用溝へ向かって貫通した挿入口が設けられており、検出回路が実装された回路基板が前記挿入口に挿入固定され、ピエゾ抵抗素子と前記回路基板上の前記検出回路との間に配線が施されていることを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to any one of claims 1 to 4,
An insertion port penetrating from the outside toward the detection groove is provided in the side wall portion of the strain generating body, and a circuit board on which a detection circuit is mounted is inserted and fixed in the insertion port, and the piezoresistive element and the circuit board A force sensor, wherein wiring is provided between the detection circuit and the detection circuit.
接続部材の上端面を歪検出基板の上面に正射影投影して投影像を形成したときに、少なくとも一部のピエゾ抵抗素子が、前記投影像の外側直近部に配置された中央素子によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to any one of claims 1 to 5,
When the projection image is formed by orthogonal projection of the upper end surface of the connection member onto the upper surface of the strain detection substrate, at least a part of the piezoresistive element is constituted by a central element disposed in the immediate vicinity of the projection image. A force sensor.
中央素子が、所定の検出対象成分の作用により伸びる方向への応力が加わる位置に配置された第1グループの中央素子と、前記検出対象成分の作用により縮む方向への応力が加わる位置に配置された第2グループの中央素子と、を有し、
検出回路が、前記第1グループに所属する中央素子を第1の対辺に配置し、前記第2グループに所属する中央素子を第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いて前記検出対象成分の検出を行うことを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 6, wherein
The central element is arranged at a position where a stress is applied in the direction of contraction due to the action of the detection target component, and the first group of central elements arranged at a position where the stress is applied in the direction of extension by the action of the predetermined detection target component. A second group of central elements,
The detection circuit detects the detection target component using a Wheatstone bridge in which a central element belonging to the first group is arranged on the first opposite side and a central element belonging to the second group is arranged on the second opposite side. A force sensor characterized by
X軸方向が長手方向となるように、X軸正領域に沿って配置された第1の中央素子および第2の中央素子と、
X軸方向が長手方向となるように、X軸負領域に沿って配置された第3の中央素子および第4の中央素子と、
を有し、
前記第1〜第4の中央素子は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、
検出回路が、前記第1の中央素子と前記第2の中央素子とを第1の対辺に配置し、前記第3の中央素子と前記第4の中央素子とを第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてY軸まわりのモーメント成分Myの検出を行うことを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 7, wherein
A first central element and a second central element arranged along the X-axis positive region such that the X-axis direction is a longitudinal direction;
A third central element and a fourth central element arranged along the X-axis negative region such that the X-axis direction is the longitudinal direction;
Have
The first to fourth central elements are composed of piezoresistive elements of the same material and the same size,
The detection circuit has the Wheatstone in which the first central element and the second central element are arranged on the first opposite side, and the third central element and the fourth central element are arranged on the second opposite side. A force sensor that detects a moment component My around the Y-axis using a bridge.
Y軸方向が長手方向となるように、Y軸正領域に沿って配置された第5の中央素子および第6の中央素子と、
Y軸方向が長手方向となるように、Y軸負領域に沿って配置された第7の中央素子および第8の中央素子と、
を更に有し、
前記第5〜第8の中央素子は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、
検出回路が、Y軸まわりのモーメント成分Myの検出に加えて、更に、前記第5の中央素子と前記第6の中央素子とを第1の対辺に配置し、前記第7の中央素子と前記第8の中央素子とを第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いて、X軸まわりのモーメント成分Mxの検出を行うことを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 8, wherein
A fifth central element and a sixth central element arranged along the Y-axis positive region such that the Y-axis direction is the longitudinal direction;
A seventh central element and an eighth central element arranged along the Y-axis negative region such that the Y-axis direction is the longitudinal direction;
Further comprising
The fifth to eighth central elements are composed of piezoresistive elements of the same material and the same size,
In addition to detecting the moment component My around the Y axis, the detection circuit further arranges the fifth central element and the sixth central element on the first opposite side, and the seventh central element and the A force sensor characterized by detecting a moment component Mx about the X-axis using a Wheatstone bridge in which an eighth central element is arranged on the second opposite side.
検出対象となる力の作用によりダイアフラム部に変形が生じた場合にも有意な応力変化が生じない位置に配置されたピエゾ抵抗素子からなる参照素子を更に有し、
検出回路が、中央素子を第1の対辺に配置し、前記参照素子を第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いて検出対象成分の検出を行うことを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 6, wherein
It further has a reference element made of a piezoresistive element arranged at a position where no significant stress change occurs even when the diaphragm portion is deformed by the action of the force to be detected,
A force sensor, wherein the detection circuit detects a detection target component using a Wheatstone bridge in which a central element is arranged on a first opposite side and the reference element is arranged on a second opposite side.
X軸方向が長手方向となるように、X軸正領域に沿って配置された第1の中央素子と、
X軸方向が長手方向となるように、X軸負領域に沿って配置された第2の中央素子と、
Y軸方向が長手方向となるように、Y軸正領域に沿って配置された第3の中央素子と、
Y軸方向が長手方向となるように、Y軸負領域に沿って配置された第4の中央素子と、
歪検出基板の周囲近傍に配置された第1の参照素子および第2の参照素子と、
を有し、
前記第1〜第4の中央素子は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、前記第1〜第2の参照素子は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、検出対象となる力が作用していない状態において、前記第1〜第2の参照素子の抵抗値は前記第1〜第4の中央素子の抵抗値の2倍となるように設定され、
検出回路が、前記第1の中央素子と前記第2の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、前記第3の中央素子と前記第4の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第1の対辺に配置し、前記第1の参照素子と前記第2の参照素子とを第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてZ軸方向の力成分Fzの検出を行うことを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 10,
A first central element disposed along the X-axis positive region such that the X-axis direction is a longitudinal direction;
A second central element disposed along the X-axis negative region such that the X-axis direction is the longitudinal direction;
A third central element arranged along the Y-axis positive region so that the Y-axis direction is the longitudinal direction;
A fourth central element disposed along the Y-axis negative region such that the Y-axis direction is the longitudinal direction;
A first reference element and a second reference element arranged in the vicinity of the periphery of the strain detection substrate;
Have
The first to fourth central elements are composed of piezoresistive elements of the same material and the same size, and the first to second reference elements are composed of piezoresistive elements of the same material and the same size. In the state where the force to be detected is not acting, the resistance value of the first to second reference elements is set to be twice the resistance value of the first to fourth central elements,
A detection circuit includes a resistance element formed by connecting the first central element and the second central element in series, and a resistance element formed by connecting the third central element and the fourth central element in series Are detected on the first opposite side, and the force component Fz in the Z-axis direction is detected using a Wheatstone bridge in which the first reference element and the second reference element are arranged on the second opposite side. Force sensor characterized by.
Z軸の位置を内側として各中央素子の外側位置に配置されたピエゾ抵抗素子からなる参照素子を更に有し、
検出回路が、中央素子を第1の対辺に配置し、前記参照素子を第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いて検出対象成分の検出を行うことを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 6, wherein
A reference element composed of a piezoresistive element arranged at the outer position of each central element with the position of the Z axis as the inner side;
A force sensor, wherein the detection circuit detects a detection target component using a Wheatstone bridge in which a central element is arranged on a first opposite side and the reference element is arranged on a second opposite side.
X軸方向が長手方向となるように、X軸正領域に沿って配置された第1の中央素子と、
X軸方向が長手方向となるように、X軸負領域に沿って配置された第2の中央素子と、
Y軸方向が長手方向となるように、Y軸正領域に沿って配置された第3の中央素子と、
Y軸方向が長手方向となるように、Y軸負領域に沿って配置された第4の中央素子と、
X軸方向が長手方向となるように、X軸正領域に沿って、前記第1の中央素子の外側に配置された第1の参照素子と、
X軸方向が長手方向となるように、X軸負領域に沿って、前記第2の中央素子の外側に配置された第2の参照素子と、
Y軸方向が長手方向となるように、Y軸正領域に沿って、前記第3の中央素子の外側に配置された第3の参照素子と、
Y軸方向が長手方向となるように、Y軸負領域に沿って、前記第4の中央素子の外側に配置された第4の参照素子と、
を有し、
前記第1〜第4の中央素子および前記第1〜第4の参照素子は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、
検出回路が、前記第1の中央素子と前記第2の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、前記第3の中央素子と前記第4の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第1の対辺に配置し、前記第1の参照素子と前記第2の参照素子とを直列接続してなる抵抗素子と、前記第3の参照素子と前記第4の参照素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてZ軸方向の力成分Fzの検出を行うことを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 12, wherein
A first central element disposed along the X-axis positive region such that the X-axis direction is a longitudinal direction;
A second central element disposed along the X-axis negative region such that the X-axis direction is the longitudinal direction;
A third central element arranged along the Y-axis positive region so that the Y-axis direction is the longitudinal direction;
A fourth central element disposed along the Y-axis negative region such that the Y-axis direction is the longitudinal direction;
A first reference element disposed outside the first central element along the X-axis positive region so that the X-axis direction is a longitudinal direction;
A second reference element disposed outside the second central element along the X-axis negative region so that the X-axis direction is a longitudinal direction;
A third reference element disposed outside the third central element along the Y-axis positive region so that the Y-axis direction is the longitudinal direction;
A fourth reference element disposed outside the fourth central element along the Y-axis negative region so that the Y-axis direction is the longitudinal direction;
Have
The first to fourth central elements and the first to fourth reference elements are composed of piezoresistive elements of the same material and the same size,
A detection circuit includes a resistance element formed by connecting the first central element and the second central element in series, and a resistance element formed by connecting the third central element and the fourth central element in series Are arranged on the first opposite side, and the resistance element formed by connecting the first reference element and the second reference element in series, the third reference element, and the fourth reference element, A force sensor which detects a force component Fz in the Z-axis direction using a Wheatstone bridge in which resistance elements formed in series are arranged on the second opposite side.
歪検出基板がシリコン単結晶基板によって構成され、このシリコン単結晶基板の(001)面が前記歪検出基板の上面となり、
各中央素子が、前記(001)面におけるピエゾ抵抗係数のピーク方向を向くように配置され、
前記ピーク方向に対して45°をなす方向を向くように配置されたピエゾ抵抗素子からなる参照素子を更に有し、
検出回路が、前記中央素子を第1の対辺に配置し、前記参照素子を第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いて検出対象成分の検出を行うことを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 6, wherein
The strain detection substrate is composed of a silicon single crystal substrate, and the (001) plane of the silicon single crystal substrate is the upper surface of the strain detection substrate.
Each central element is arranged to face the peak direction of the piezoresistance coefficient in the (001) plane,
A reference element made of a piezoresistive element arranged to face a direction that forms 45 ° with respect to the peak direction;
A force sensor, wherein the detection circuit detects a component to be detected using a Wheatstone bridge in which the central element is arranged on the first opposite side and the reference element is arranged on the second opposite side.
ピエゾ抵抗係数のピーク方向がX軸もしくはY軸方向となるように歪検出基板が配置され、
X軸方向が長手方向となるように、X軸正領域に沿って配置された第1の中央素子と、
X軸方向が長手方向となるように、X軸負領域に沿って配置された第2の中央素子と、
Y軸方向が長手方向となるように、Y軸正領域に沿って配置された第3の中央素子と、
Y軸方向が長手方向となるように、Y軸負領域に沿って配置された第4の中央素子と、
X軸もしくはY軸に対して45°をなす方向が長手方向となるように配置された第1〜第4の参照素子と、
を有し、
前記第1〜第4の中央素子および前記第1〜第4の参照素子は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、
検出回路が、前記第1の中央素子と前記第2の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、前記第3の中央素子と前記第4の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第1の対辺に配置し、前記第1の参照素子と前記第2の参照素子とを直列接続してなる抵抗素子と、前記第3の参照素子と前記第4の参照素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてZ軸方向の力成分Fzの検出を行うことを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 14, wherein
The strain detection board is arranged so that the peak direction of the piezoresistance coefficient is the X-axis or Y-axis direction,
A first central element disposed along the X-axis positive region such that the X-axis direction is a longitudinal direction;
A second central element disposed along the X-axis negative region such that the X-axis direction is the longitudinal direction;
A third central element arranged along the Y-axis positive region so that the Y-axis direction is the longitudinal direction;
A fourth central element disposed along the Y-axis negative region such that the Y-axis direction is the longitudinal direction;
First to fourth reference elements arranged such that a direction at 45 ° to the X axis or the Y axis is a longitudinal direction;
Have
The first to fourth central elements and the first to fourth reference elements are composed of piezoresistive elements of the same material and the same size,
A detection circuit includes a resistance element formed by connecting the first central element and the second central element in series, and a resistance element formed by connecting the third central element and the fourth central element in series Are arranged on the first opposite side, and the resistance element formed by connecting the first reference element and the second reference element in series, the third reference element, and the fourth reference element, A force sensor which detects a force component Fz in the Z-axis direction using a Wheatstone bridge in which resistance elements formed in series are arranged on the second opposite side.
伸びる方向への応力が作用すると電気抵抗が増加し、縮む方向への応力が作用すると電気抵抗が減少するピエゾ抵抗素子からなる第1の極性をもった中央素子と、
伸びる方向への応力が作用すると電気抵抗が減少し、縮む方向への応力が作用すると電気抵抗が増加するピエゾ抵抗素子からなる第2の極性をもった中央素子と、
を有し、
検出回路が、前記第1の極性をもった中央素子を第1の対辺に配置し、前記第2の極性をもった中央素子を第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いて検出対象成分の検出を行うことを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 6, wherein
A central element having a first polarity composed of a piezoresistive element that increases in electrical resistance when a stress in an extending direction acts and decreases in electrical resistance when a stress in a contracting direction acts;
A central element having a second polarity composed of a piezoresistive element that decreases in electrical resistance when stress in the extending direction acts and increases in electrical resistance when stress in the contracting direction acts;
Have
The detection circuit uses a Wheatstone bridge in which the central element having the first polarity is arranged on the first opposite side and the central element having the second polarity is arranged on the second opposite side. A force sensor that performs detection.
X軸方向が長手方向となるように、X軸正領域に沿って配置された第1の中央素子および第2の中央素子と、
X軸方向が長手方向となるように、X軸負領域に沿って配置された第3の中央素子および第4の中央素子と、
Y軸方向が長手方向となるように、Y軸正領域に沿って配置された第5の中央素子および第6の中央素子と、
Y軸方向が長手方向となるように、Y軸負領域に沿って配置された第7の中央素子および第8の中央素子と、
を有し、
前記第1、第3、第5、第7の中央素子は、同一材料かつ同一サイズの第1の極性をもった中央素子であり、前記第2、第4、第6、第8の中央素子は、同一材料かつ同一サイズの第2の極性をもった中央素子であり、検出対象となる力が作用していない状態において、前記第1〜第8の中央素子の抵抗値は互いに等しくなるように設定され、
検出回路が、前記第1の中央素子と前記第3の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、前記第5の中央素子と前記第7の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第1の対辺に配置し、前記第2の中央素子と前記第4の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、前記第6の中央素子と前記第8の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてZ軸方向の力成分Fzの検出を行うことを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 16, wherein
A first central element and a second central element arranged along the X-axis positive region such that the X-axis direction is a longitudinal direction;
A third central element and a fourth central element arranged along the X-axis negative region such that the X-axis direction is the longitudinal direction;
A fifth central element and a sixth central element arranged along the Y-axis positive region such that the Y-axis direction is the longitudinal direction;
A seventh central element and an eighth central element arranged along the Y-axis negative region such that the Y-axis direction is the longitudinal direction;
Have
The first, third, fifth, and seventh central elements are central elements having the same polarity and the same material and the first polarity, and the second, fourth, sixth, and eighth central elements. Is a central element of the same material and the same size and having the second polarity, and the resistance values of the first to eighth central elements are equal to each other in a state where a force to be detected is not applied. Set to
A detection circuit includes a resistance element in which the first central element and the third central element are connected in series, and a resistance element in which the fifth central element and the seventh central element are connected in series Are arranged on the first opposite side, the resistance element formed by connecting the second central element and the fourth central element in series, the sixth central element, and the eighth central element. A force sensor which detects a force component Fz in the Z-axis direction using a Wheatstone bridge in which resistance elements formed in series are arranged on the second opposite side.
歪検出基板がシリコン単結晶基板によって構成され、このシリコン単結晶基板の(001)面が前記歪検出基板の上面となり、前記(001)面におけるピエゾ抵抗係数のピーク方向が、X軸もしくはY軸方向となるように前記歪検出基板が配置され、
X軸方向が長手方向となるように、X軸正領域に沿って配置された第1の中央素子と、
X軸方向が長手方向となるように、X軸負領域に沿って配置された第2の中央素子と、
Y軸方向が長手方向となるように、Y軸正領域に沿って配置された第3の中央素子と、
Y軸方向が長手方向となるように、Y軸負領域に沿って配置された第4の中央素子と、
X軸方向が長手方向となるように、X軸正領域に沿って前記第1の中央素子の両脇に配置された第5および第6の中央素子と、
X軸方向が長手方向となるように、X軸負領域に沿って前記第2の中央素子の両脇に配置された第7および第8の中央素子と、
Y軸方向が長手方向となるように、Y軸正領域に沿って前記第3の中央素子の両脇に配置された第9および第10の中央素子と、
Y軸方向が長手方向となるように、Y軸負領域に沿って前記第4の中央素子の両脇に配置された第11および第12の中央素子と、
X軸もしくはY軸に対して45°をなす方向が長手方向となるように配置された第1〜第4の参照素子と、
を有し、
前記第1〜第12の中央素子および前記第1〜第4の参照素子は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、
検出回路が、
前記第1の中央素子と前記第2の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、前記第3の中央素子と前記第4の中央素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第1の対辺に配置し、前記第1の参照素子と前記第2の参照素子とを直列接続してなる抵抗素子と、前記第3の参照素子と前記第4の参照素子とを直列接続してなる抵抗素子と、を第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてZ軸方向の力成分Fzの検出を行い、
前記第5の中央素子と前記第6の中央素子とを第1の対辺に配置し、前記第7の中央素子と前記第8の中央素子とを第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてY軸まわりのモーメント成分Myの検出を行い、
前記第9の中央素子と前記第10の中央素子とを第1の対辺に配置し、前記第11の中央素子と前記第12の中央素子とを第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてX軸まわりのモーメント成分Mxの検出を行うことを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 6, wherein
The strain detection substrate is composed of a silicon single crystal substrate, the (001) plane of this silicon single crystal substrate is the upper surface of the strain detection substrate, and the peak direction of the piezoresistance coefficient on the (001) plane is the X axis or the Y axis The strain detection board is arranged to be in the direction,
A first central element disposed along the X-axis positive region such that the X-axis direction is a longitudinal direction;
A second central element disposed along the X-axis negative region such that the X-axis direction is the longitudinal direction;
A third central element arranged along the Y-axis positive region so that the Y-axis direction is the longitudinal direction;
A fourth central element disposed along the Y-axis negative region such that the Y-axis direction is the longitudinal direction;
Fifth and sixth central elements disposed on both sides of the first central element along the X-axis positive region so that the X-axis direction is the longitudinal direction;
Seventh and eighth central elements disposed on both sides of the second central element along the X-axis negative region so that the X-axis direction is the longitudinal direction;
Ninth and tenth central elements disposed on both sides of the third central element along the Y-axis positive region so that the Y-axis direction is the longitudinal direction;
Eleventh and twelfth central elements disposed on both sides of the fourth central element along the Y-axis negative region so that the Y-axis direction is the longitudinal direction;
First to fourth reference elements arranged such that a direction at 45 ° to the X axis or the Y axis is a longitudinal direction;
Have
The first to twelfth central elements and the first to fourth reference elements are composed of piezoresistive elements of the same material and the same size,
The detection circuit
A resistance element formed by connecting the first central element and the second central element in series; and a resistance element formed by connecting the third central element and the fourth central element in series. A resistance element formed by connecting the first reference element and the second reference element in series, and the third reference element and the fourth reference element connected in series; A force component Fz in the Z-axis direction is detected using a Wheatstone bridge in which the resistance element is arranged on the second opposite side,
Using a Wheatstone bridge in which the fifth central element and the sixth central element are arranged on the first opposite side, and the seventh central element and the eighth central element are arranged on the second opposite side The moment component My around the Y axis is detected,
Using a Wheatstone bridge in which the ninth central element and the tenth central element are arranged on the first opposite side, and the eleventh central element and the twelfth central element are arranged on the second opposite side A force sensor that detects a moment component Mx about the X axis.
各中央素子の配置パターンが、XZ平面およびYZ平面に関して対称形をなすことを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to any one of claims 6 to 18,
A force sensor, wherein the arrangement pattern of each central element is symmetrical with respect to the XZ plane and the YZ plane.
Z軸が上方に向かう方向に定義されたXYZ三次元直交座標系に、中心軸がZ軸上にくるように材料棒を配置し、Z座標値がαを越え、かつβ未満の範囲に入る部分を、前記中心軸の近傍部分のみが残るように側面から切削加工する側面加工段階と、
前記材料棒の上端面の中央部に検出用領域を定義し、この検出用領域を下方に切削加工して検出用溝を形成する上面加工段階と、
を有し、
Z座標値がα以下の部分によって受力体を構成し、Z座標値がαを越え、かつβ未満の範囲に入る部分によって接続部材を構成し、Z座標値がβ以上の部分によって起歪体を構成することを特徴とする力覚センサに用いる一体構造体の製造方法。 In the manufacturing method of the integral structure used for the force sensor according to claim 2,
In the XYZ three-dimensional Cartesian coordinate system defined in the direction in which the Z axis is directed upward, the material rod is arranged so that the central axis is on the Z axis, and the Z coordinate value exceeds α and falls within the range of less than β. A side machining step for cutting the part from the side so that only the part near the central axis remains;
An upper surface processing step of defining a detection region at the center of the upper end surface of the material rod, and cutting the detection region downward to form a detection groove;
Have
The power receiving body is constituted by the portion where the Z coordinate value is α or less, the connecting member is constituted by the portion where the Z coordinate value exceeds α and falls within the range of less than β, and strain is generated by the portion where the Z coordinate value is β or more. A manufacturing method of an integral structure used for a force sensor, comprising a body.
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