JP2596759B2

JP2596759B2 - 力検出装置

Info

Publication number: JP2596759B2
Application number: JP62234590A
Authority: JP
Inventors: 和廣岡田
Original assignee: 株式会社エンプラス研究所
Priority date: 1987-09-18
Filing date: 1987-09-18
Publication date: 1997-04-02
Anticipated expiration: 2012-04-02
Also published as: JPS6475929A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は力検出装置、特に多様な測定範囲に適用する
ことが容易な力検出装置に関する。

〔従来の技術〕

装置の自動化が進む中で、センサの果たす役割が益々
重要視されてきている。従来、一般に用いられている力
検出装置は、作用する力に起因する応力歪みをストレー
ゲージなどで電気量に変換することによって検出を行っ
ている。通常は片持梁の構造体にストレーンゲージを貼
り付け、この片持梁の応力歪みによって特定の方向の力
検出を行うことが多い。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、従来の力検出装置には、多様な測定範
囲に適用することが困難であるという問題点がある。力
検出装置の検出範囲はその用途によって様々である。０
〜1kgの荷重を検出範囲とする力検出装置と、０〜100kg
の荷重を検出範囲とする力検出装置とでは、用いるスト
レーンゲージも異なるため、用途に応じてそれぞれ別々
の力検出装置を製造しなくてはならない。したがって、
多様な測定範囲に適用する場合、従来の力検出装置では
量産性、コストパフォーマンスが低下することになる。

そこで本発明は、複数方向の力について常に検出する
ことを可能にするとともに、多様な測定範囲にも容易に
適用しうる力検出装置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、機械的変形を電気信号に変換する素子を異
なる複数の方向に配置して複数方向の機械的変形を検出
しうるトランスデューサと、支持部と作用部を有し、前記作用部の前記支持部に対
する変位に基づいて前記トランスデューサに機械的変形
を生じさせるように前記トランスデューサに固着された
第１の起歪体と、前記第１の起歪体の支持部に対し少なくとも検出すべ
き力の方向に関して固着された固定部と、前記第１の起
歪体の作用部に固着された変位部と、を有し、前記変位
部は前記固定部に対し、与えられた外力に基づいた変位
を生じ、この生じた変位がそのまま前記第１の起歪体の
作用部に伝達されるように構成された第２の起歪体と、を設けて力検出装置を構成したものである。

〔作用〕

本発明に係る力検出装置では、変位部に外力が加わる
と第２の起歪体が歪みを生じ、固定部に対して変位部が
外力に応じた変位を生じることになる。この変位は第１
の起歪体の作用部に伝達され、この作用部が支持部に対
して変位を生じることにのなる。この変位によってトラ
ンスデューサにも歪みが生じ、加わった力を電気的に検
出することができる。トランスデューサを単結晶基板上
の一面に形成された抵抗素子で形成すれば、この半導体
基板および第１の起歪体は平面的に構成することができ
る。したがって、同じく平面的に構成された第２の起歪
体と、うまく連接させることができる。

本発明の狙いは、トランスデューサおよび第１の起歪
体を共通の規格をもった統一されたものとして大量生産
しておき、一方では多数種類の第２の起歪体を製造し、
この第２の起歪体を選択して用いることにより多様な測
定範囲に対処しようとするところにある。トランスデュ
ーサおよびこれに接する第１の起歪体を複数種類製造す
ると、非常にコストがかかることになるが、本発明に係
る力検出装置では、ただ１種類のトランスデューサおよ
び第１の起歪体を製造するだけでよい。測定範囲に応じ
て第２の起歪体を複数種類製造しなくてはならないが、
第２の起歪体は直接にはトランスデューサに接している
わけではないので、自由な大きさのものを自由な材質で
製造することができ、トランスデューサおよび第１の起
歪体を複数種類製造する場合に比べて多数種類の製造が
はるかに容易である。

〔実施例〕

以下本発明を図示する実施例に基づいて説明する。

装置の構成第１図（ａ）は本発明の一実施例に係る力検出装置の
側断面図、同図（ｂ）は同装置の部分下面図である。こ
こで、Ｘ軸,Y軸,Z軸を図の方向に定義するものとする。
第１図（ａ）は同図（ｂ）に示す装置をＸ軸に沿って切
断して断面図に相当する。

この装置は大きく分けて、半導体基板10、第１の起歪
体20（単線のハッチングで示す）、第２の起歪体30（二
重線のハッチングで示す）の３つの部分から構成されて
いる。第１図（ｂ）はこのうち半導体基板10と第１の起
歪体20のみを示している。

この装置において、シリコンの単結晶基板10上には、
合計12個の抵抗素子Ｒが形成されており、機械的変形を
電気信号に変換するトランスデューサを構成している。
抵抗素子Rx1〜Rx4はＸ軸上に配されＸ軸方向の力検出に
用いられ、抵抗素子Ry1〜Ry4はＹ軸上に配されＹ軸方向
の力検出に用いられ、抵抗素子Rz1〜Rz4はＸ軸に平行で
この近傍にある軸上に配されＺ軸方向の力検出に用いら
れる。各抵抗素子Ｒの具体的な構造およびその製造方法
については後に詳述するが、これら抵抗素子Ｒは機械的
変形によってその電気抵抗が変化するピエゾ抵抗効果を
有する素子である。

この単結晶基板10は第１の起歪体20に接着されてい
る。本実施例に係る装置では、第１の起歪体20は円盤状
の支持部21と、可撓性をもたせるために肉厚を薄くした
可撓部22と、中心に突出した作用部23とから構成され
る。この第１の起歪体20の材質としてはコバール（鉄、
コバルト、ニッケルの合金）が用いられている。コバー
ルはシリコン単結晶基板10とほぼ同程度の熱膨張率を有
するため、単結晶基板10に接着されていても、温度変化
によって生じる熱応力が極めて小さいという利点を有す
る。第１の起歪体20の材質、形状は、上述のものに限定
されるわけではなく、ここに示す実施例は最適な一態様
にすぎない。なお、この第１の起歪体20は取付孔24を挿
通した止めねじ14によって第２の起歪体30の取付孔34に
向って固着されている。

第１の起歪体20の下部には、単結晶基板10を保護する
ための保護カバー40が取付けられている（第１図（ｂ）
では図示省略）。保護カバー40は、保護の機能を有する
ものであればどのようなものでもよく、この装置の使用
態様によっては設けなくてもかまわない。

各抵抗素子には第２図に示すような配線がなされる。
すなわち、抵抗素子Rx1〜Rx4は第２図（ａ）に示すよう
なブリッジ回路に組まれ、抵抗素子Ry1〜Ry4は第２図
（ｂ）に示すようなブリッジ回路に組まれ、抵抗素子Rz
1〜Rz4は第２図（ｃ）に示すようなブリッジ回路に組ま
れる。各ブリッジ回路には電源50から所定の電圧または
電流が供給され、各ブリッジ電圧は電圧計51〜53によっ
て測定される。各抵抗素子Ｒに対してこのような配線を
行うため、第１図に示すように単結晶基板10上で各抵抗
素子Ｒに電気的に接続されているボンディングパッド11
と外部配線用の電極13とが、ボンディングワイヤ12で接
続される。電極13は配線孔25を通して第１の起歪体20の
反対側に導出されている。この後、この電極13に対して
第２の起歪体30の外部から配線がなされるが、第１図で
はこの配線は省略されている。

なお、上述の実施例では、起歪体20と単結晶基板10と
が別体となっているが、起歪体20を単結晶で構成すれ
ば、両者を一体形成することもできる。

さて、第２の起歪体30は、第１図（ａ）の断面を見れ
ばわかるように中空円柱状をしており、外側の固着部31
と、可撓性をもたせるための可撓性32と、中心において
内方に突出した変位部33とから構成される。ここで、変
位部33の先端は平坦となっており、同じく平坦にされた
第１の起歪体20の作用部23の先端にろうづけによって接
着されている。ろうづけの代わりにねじ止め等、要する
に作用部23と変位部33とが固着される手段であればどの
ような手段を用いてもよい。

第１の起歪体20と第２の起歪体30とは、それぞれ別個
に成形された後に、接続されることになる。その接続関
係に着目すると、第１の起歪体20の支持部21は第２の起
歪体30の固着部31に接続され、第１の起歪体20の作用部
23は第２の起歪体30の変位部33に接続されていることに
なる。しかも第１の起歪体20に関しては作用部23は可撓
部22を介して支持部21に連なっているため、作用部23は
可撓部22の撓みによって支持部21に対して変位を生じる
ことができる。また、第２の起歪体30に関しては変位部
33は可撓部32を介して固着部31に連ながっているため、
変位部33は可撓部32の撓みによって固着部31に対して変
位を生じることができる。

装置の基本原理第１図（ａ）において、変位部33上方の変位点Ｓに力
を加えると、第２の起歪体30にこの加えた力に応じた応
力歪みが生じることになる。前述のように可撓部32が撓
み、変位部33と固着部31とこの間に変位が生じ、この変
位は第１の起歪体20の作用部23に伝達される。ここで可
撓部22が撓み、作用部23と支持部21との間に変位が生
じ、各抵抗素子Ｒが機械的に変形することになる。この
変形によって各抵抗素子Ｒの電気抵抗が変化し、結局、
加えた力は第２図に示す各ブリッジ電圧の変化として検
出される。

第３図に、応力歪みと抵抗素子Ｒの電気抵抗の変化と
関係を示す。ここでは、説明の便宜上、単結晶基板10と
第１の起歪体20の作用部23のみを図示し、かつ、第１図
（ａ）の上下を逆にして表示することにする。いま、図
の左から右に４つの抵抗素子R1〜R4が形成されている場
合を考える。まず、第３図（ａ）に示すように、作用点
Ｓに力が加わらないときは、単結晶基板10に応力歪みは
加わらず、すべての抵抗素子の抵抗変化は０である。と
ころが下方向の力F1が加わると、単結晶基板10が同図
（ｂ）のように機械的に変形することになる。いま、抵
抗素子の導電型をＰ型とすれば、ピエゾ抵抗効果により
この変形によって、抵抗素子R1およびR4は伸びて抵抗が
増え（＋記号で示すことにする）、抵抗素子R2およびR3
は縮んで抵抗が減る（−記号で示すことになる）ことに
なる。また、右方向の力F2が加わると、単結晶基板10が
同図（ｃ）のように機械的に変形することになる（実際
には単結晶基板10に対し、力F2はモーメント力として作
用する）。この変形によって、抵抗素子R1およびR3は伸
びて抵抗が増え、抵抗素子R2およびR4は縮んで抵抗が減
ることになる。なお、各抵抗素子Ｒは図の横方向を長手
方向とする抵抗素子であるため、図の紙面に垂直な方向
に力を加えた場合は、各抵抗素子ともに抵抗値の変化は
無視できる。このように、本装置では加わる力の方向に
よって抵抗素子の抵抗変化特性が異なることを利用し
て、各方向の力を独立して検出するのである。

装置の動作以下、第４図〜第６図を参照して本装置の動作を説明
する。いずれの図も第１図（ａ）とは上下逆の関係で半
導体基板10と第１の起歪体20を示したものである。な
お、第１の起歪体20の中央部の下方への突出部は、作用
部23と変位部33とを合わせて表示した部分である。第４
図はＸ軸方向に力が加わった場合、第５図はＹ軸方向に
力が加わった場合、第６図はＺ軸方向に力が加わった場
合、の各抵抗素子に加わる応力（伸びる方向を＋、縮む
方向を−、変化なしを０で示す）をそれぞれ示したもの
である。各図では、第１図に示す装置をＸ軸に沿って切
った断面を（ａ）、Ｙ軸に沿って切った断面を（ｂ）、
そしてＸ軸に平行で素子Rz1〜Rz4に沿って切った断面を
（ｃ）として示すことにする。

まず、第４図（ａ），（ｂ），（ｃ）の矢印Fx（第４
図（ｂ）では紙面に垂直な方向）で示すようなＸ軸方向
の力が加わった場合を考えると、それぞれ図示する極性
の応力が発生する。この応力の極性は第３図の説明から
容易に理解できよう。各抵抗素子Ｒには、この応力に対
応した抵抗変化が生じる。たとえば、抵抗素子Rx1の抵
抗は減り（−）、抵抗素子Rx2の抵抗は増え（＋）、抵
抗素子Ry1の抵抗は変化しない（０）。また、それぞれ
第５図および第６図の矢印FyおよびFzで示すようなＹ軸
およびＺ軸方向に力が加わった場合は、図示するような
応力が発生する。

結局、加わる力と各抵抗素子の変化の関係を表にまと
めると、表１のようになる。

ここで、各抵抗素子Ｒが第２図に示すようなブリッジ
を構成していることを考慮に入れると、加わる力と各電
圧計51〜53の変化の有無は表２のような関係になる。

抵抗素子Rz1〜Rz4は抵抗素子Rx1〜Rx4とほぼ同じ応力
変化を受けるが、第２図に示すようにブリッジ構成が両
者異なるため、電圧計51と53とは異なった応答をする点
に注意されたい。結局、電圧計51、52、53は、それぞれ
Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の力に応答することになる。な
お、表２では変化の有無だけを示したが、加わる力の方
向によって変化の極性が支配され、また加わる力の大き
さによって変化量が支配されることになる。

ピエゾ抵抗効果を有する抵抗素子の製造以下、本発明に用いる抵抗素子の製造方法の一例を簡
単に述べる。この抵抗素子はピエゾ抵抗効果を有し、半
導体基板上に半導体プレーナプロセスによって形成され
るものである。まず、第７図（ａ）に示すように、Ｎ型
のシリコン基板101を熱酸化し、表面に酸化シリコン層1
02を形成する。続いて同図（ｂ）に示すように、この酸
化シリコン層102を写真蝕刻法によってエッチングし
て、開口部103を形成する。続いて同図（ｃ）に示すよ
うに、この開口部103からほう素を熱拡散し、Ｐ型拡散
領域104を形成する。なお、この熱拡散の行程で、開口
部103には酸化シリコン層105が形成されることになる。
次に同図（ｄ）に示すように、CVD法によって窒化シリ
コンを堆積させ、窒化シリコン層106を保護層として形
成する。そして同図（ｅ）に示すように、この窒化シリ
コン層106および酸化シリコン層105に写真蝕刻法によっ
てコンタクトホールを開口した後、同図（ｆ）に示すよ
うに、アルミニウム配線層107を蒸着形成する。そして
最後にこのアルミニウム配線層107を写真蝕刻法によっ
てパターニングし、同図（ｇ）に示すような構造を得
る。

なお、上述の製造工程は一例として示したものであ
り、本発明は要するにピエゾ抵抗効果を有する抵抗素子
であればどのようなものを用いても実現可能である。

多様な測定範囲への適用以上のように、第１の起歪体20と第２の起歪体30とに
よって半導体基板10への起歪動作を行うようにしたこと
により、本発明の目的である多様な測定範囲への適用が
可能になる。すなわち、第１図の構成のうち同図（ｂ）
に示す部分、すなわち、半導体基板10と第１の起歪体20
の部分を統一した規格で一種類だけ大量生産しておくの
である。

そして第２の起歪体30を測定範囲に応じて多数種類用
意しておき、これを第１の起歪体に接続して種々の測定
範囲に対応できる種々の製品を製造すればよい。例え
ば、荷重の測定範囲が０〜1kgという比較的高精度な測
定を行うための装置にするのであれば、同じ直径をもっ
た起歪体30であっても可撓部32の薄いものを用いればよ
いであろうし、また、測定範囲が０〜100kgという比較
的大きな荷重測定を行うための装置にするのであれば、
同じ直径をもった起歪体30であっても可撓部32の厚いも
のを用いればよいであろう。また、起歪体30の直径を変
えることによって感度を変えることも可能である。

半導体基板10を作成し、これを第１の起歪体に接着し
て力を検出しうるようにするためには、数々の工程を経
なければならないのに対し、第２の起歪体30は成形によ
って比較的容易に作成できる。したがって多数種類の力
検出素子を作成することに比べれば、多数種類の第２の
起歪体を作成することの方がきわめて容易でかつコスト
パフォーマンスも良くなる。

その他の実施例以上本発明を図示する実施例に基づいて説明したが、
本発明は上述の実施例に限定されるわけではなく、種々
の応用が可能である。例えば、前述の実施例では第１の
起歪体の支持部と、第２の起歪体の固定部とが完全に固
着されているが、両者は完全に固着されている必要なな
く、摺動手段などを介して接続されていてもかまわな
い。要するに両者は、検出すべき力の方向に関して固着
されていれば足りる。例えば、第１図（ａ）において、
第１の起歪体20と第２の起歪体30とが止めねじ14によっ
て固着しているが、抵抗素子の形成平面内で摺動自在と
なるように第１の起歪体20を第２の起歪体30に取付けて
もよい。

また、前述の実施例では２つの起歪体を用いている
が、本発明は最低限２つの起歪体を備えていればよく、
起歪体を３段、４段と複数段設けて実施することが可能
である。

更に、上述の実施例では、第１の起歪体の中心部が作
用部、周辺部が支持部となり、第２の起歪体の中心部が
変位部、周辺部が固定部となっているが、本発明はこの
ような構成に限定されるわけではなく、中心部と周辺部
とが逆の関係になった態様も実施可能である。

また、以上の実施例ではトランスデューサとして半導
体基板上に形成された抵抗素子を用いたが、このトラン
スデューサとしては機械的変形を電気信号に変換する機
能を有するものであれば、どのようなものでもよい。例
えばストレーンゲージを用いたセンサを適用することも
可能である。

〔発明の効果〕

以上のとおり本発明によれば、力検出装置において、
機械的変形を電気信号に変換する素子を異なる複数の方
向に配置して複数方向の機械的変形を検出しうるトラン
スデューサと、このトランスデューサに固着されてトラ
ンスデューサに対して起歪動作を行う第１の起歪体と、
この第１の起歪体の支持部に対し少なくとも検出すべき
力の方向に関して固着された固定部と第１の起歪体の作
用部に固着された変位部とを有し、第１の起歪体に対し
て起歪動作を行う第２の起歪体と、を設けるようにした
ため、複数方向の力について常に正確に検出することが
可能になるとともに、第２の起歪体を複数種類用意して
多様な測定範囲に適用することが可能となり、多様な測
定範囲への適用を容易に行うことができるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）および（ｂ）は本発明に係る力測定装置の
それぞれ断面図および部分下面図、第２図は第１図に示
す装置の抵抗素子のブリッジ構成を示す回路図、第３図
は第１図に示す装置における応力歪みと抵抗素子との関
係を示す原理図、第４図、第５図、第６図は、第１図に
示す装置において、それぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に力
がかかったときに発生する応力を示す図、第７図は第１
図に示す装置に用いる抵抗素子を単結晶基板上に形成す
るプロセスの工程図である。 10……単結晶基板、11……ボンディングパッド、12……
ボンディングワイヤ、13……電極、14……止めねじ、20
……第１の起歪体、21……支持部、22……可撓部、23…
…作用部、24……取付孔、25……配線孔、30……第２の
起歪体、31……固着部、32……可撓部、33……変位部、
34……取付孔、40……保護カバー、50……電源、51〜53
……電圧計、101……Ｎ型シリコン基板、102……酸化シ
リコン層、103……開口部、104……Ｐ型拡散領域、105
……酸化シリコン層、106……窒化シリコン層、107……
アルミニウム配線層、Ｒ……抵抗素子、Ｓ……変位点。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】機械的変形を電気信号に変換する素子を異
なる複数の方向に配置して複数方向の機械的変形を検出
しうるトランスデューサと、支持部と作用部を有し、前記作用部の前記支持部に対す
る変位に基づいて前記トランスデューサに機械的変形を
生じさせるように前記トランスデューサに固着された第
１の起歪体と、前記第１の起歪体の支持部に対し少なくとも検出すべき
力の方向に関して固着された固定部と、前記第１の起歪
体の作用部に固着された変位部と、を有し、前記変位部
は前記固定部に対し、与えられた外力に基づいた変位を
生じ、この生じた変位がそのまま前記第１の起歪体の作
用部に伝達されるように構成された第２の起歪体と、を備えることを特徴とする力検出装置。
【請求項２】トランスデューサが、機械的変形によって
電気抵抗が変化する抵抗素子が少なくとも一面に形成さ
れた半導体基板から構成されることを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載の力検出装置。
【請求項３】第１の起歪体の中心部が作用部、周辺部が
支持部となっており、第２の起歪体の中心部が変位部、
周辺部が固定部となっていることを特徴とする特許請求
の範囲第１項または第２項記載の力検出装置。
【請求項４】半導体基板がシリコンの単結晶基板からな
り、抵抗素子が半導体プレーナプロセスによってこのシ
リコン基板上に形成されていることを特徴とする特許請
求の範囲第２項または第３項記載の力検出装置。
【請求項５】半導体基板と第１の起歪体とが、シリコン
の同一チップ内に一体形成されていることを特徴とする
特許請求の範囲第４項記載の力検出装置。
【請求項６】第２の起歪体が金属からなり、作用部と変
位部との固着がろうづけまたはねじ止めによってなされ
ていることを特徴とする特許請求の範囲第４項または第
５項記載の力検出装置。
【請求項７】第２の起歪体の一部または全部が、交換自
在に設けられていることを特徴とする特許請求の範囲第
１項乃至第６項のいずれかに記載の力検出装置。