JP2607096B2 - Force / moment detector - Google Patents
Force / moment detectorInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は力・モーメント検出装置、特に半導体基板上
に形成された抵抗素子を用いた力・モーメント検出装置
に関する。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a force / moment detecting device, and more particularly to a force / moment detecting device using a resistance element formed on a semiconductor substrate.
近年、新しい力およびモーメントのセンサとして半導
体センサが考案されている。たとえば、特願昭62−1012
67〜101270号明細書に、この種のセンサのいくつかが開
示されている。このような半導体センサは、ストレーン
ゲージを用いたセンサに比べて小型化、量産化に適して
おり、今後多大な需要が見込まれる。In recent years, semiconductor sensors have been devised as new force and moment sensors. For example, Japanese Patent Application No. 62-1012
67-101270 disclose some such sensors. Such a semiconductor sensor is more suitable for miniaturization and mass production than a sensor using a strain gauge, and great demand is expected in the future.
しかしながら、上述した半導体センサには、同一の半
導体基板を力センサとモーメントセンサとの両方に用い
ることができないという問題点がある。すなわち、力セ
ンサとしての製品に用いるための半導体基板と、モーメ
ントセンサとしての製品に用いるための半導体基板と
は、それぞれ別々に形成しなければならず、コストパフ
ォーマンスが悪いという問題点があった。However, the above-described semiconductor sensor has a problem that the same semiconductor substrate cannot be used for both the force sensor and the moment sensor. That is, the semiconductor substrate for use as a product as a force sensor and the semiconductor substrate for use as a product as a moment sensor must be formed separately, and there is a problem that cost performance is poor.
そこで本発明は、同一の半導体基板で力センサにも、
モーメントセンサにも、いずれにも適用可能な力・モー
メント検出装置を提供することを目的とする。Therefore, the present invention provides a force sensor using the same semiconductor substrate.
It is an object of the present invention to provide a force / moment detecting device applicable to any of the moment sensors.
本発明は、力・モーメント検出装置において、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、 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着部と、この固定部に
連接され可撓性を有する可撓部と、一端が前記第1の起
歪体の作用部に固着され、この一端を始端とし前記トラ
ンスデューサから離れるように伸びた他端が前記可撓部
に連接された腕状部とを有する第2の起歪体と、 を備え、前記腕状部の他端を前記トランスデューサに
対してすべり運動をさせる方向に力を加えた場合に前記
トランスデューサ上の一点にモーメント力が発生し、前
記他端を前記一点に対して回転運動をさせる方向にモー
メント力を加えた場合に前記一点に前記トランスデュー
サに沿った方向の力が発生するように構成したものであ
る。The present invention provides a force / moment detecting device, comprising: a transducer capable of detecting mechanical deformation in a plurality of directions by arranging elements for converting mechanical deformation into electric signals in a plurality of different directions; A first strain body fixed to the transducer so as to cause mechanical deformation of the transducer based on a displacement of the action portion with respect to the support section; and a support section of the first strain body. On the other hand, a fixing portion fixed at least in the direction of the force to be detected, a flexible portion connected to the fixing portion and having flexibility, and one end fixed to the action portion of the first strain body, A second strain body having an arm-shaped portion having a start end extending away from the transducer and having an other end connected to the flexible portion, and the other end of the arm-shaped portion being connected to the transducer. Against A moment force is generated at one point on the transducer when a force is applied in a direction to cause a sliding motion, and the moment force is applied to the one point when a rotational force is applied to the other end with respect to the one point. It is configured to generate a force in the direction along the transducer.
トランスデューサと起歪体とによって、センサが形成
される。このセンサは、起歪体の歪みに基づいてセンサ
面の一点に作用する力あるいはモーメントを検出するこ
とができる。本発明に係る検出装置に用いるセンサは、
センサ面の一点に作用する力あるいはモーメントのどち
ら一方だけを検出するような機構となっていればよい。
力を検出する機構であれば、そのまま用いれば力センサ
となり、本発明に係る装置のように腕状部を取付けた構
成にすれば、モーメントセンサとなる。逆に、モーメン
トを検出する機構であれば、そのまま用いればモーメン
トセンサとなり、本発明に係る装置のように腕状体を取
付けた構成にすれば、力センサとなる。The transducer and the flexure element form a sensor. This sensor can detect a force or a moment acting on one point on the sensor surface based on the strain of the flexure element. The sensor used in the detection device according to the present invention,
A mechanism that detects only one of a force and a moment acting on one point on the sensor surface may be used.
If a mechanism for detecting a force is used as it is, it becomes a force sensor if it is used as it is, and if it has a configuration in which an arm-shaped portion is attached as in the device according to the present invention, it becomes a moment sensor. Conversely, if it is a mechanism for detecting a moment, it will be a moment sensor if it is used as it is, and if it has a structure in which an arm is attached as in the device according to the present invention, it will be a force sensor.
要するに、力またはモーメントのどちらか一方のみを
検出しうるセンサを大量生産しておけば、腕状体を付け
加えることにより他方の検出が可能になるのである。In short, if a sensor capable of detecting only one of the force and the moment is mass-produced, the detection of the other can be performed by adding the arm.
以下本発明を図示する実施例に基づいて説明する。 Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiments.
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
断した断面図に相当する。1 (a) is a side sectional view of a force detecting device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1 (b) is a partial bottom view of the device. Here, it is assumed that the X axis, the Y axis, and the Z axis are defined in the direction of the drawing.
FIG. 1A is a sectional view of the device shown in FIG. 1B cut along the X-axis.
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。This device is roughly divided into three parts: a semiconductor substrate 10, a first strain body 20 (indicated by single-line hatching), and a second strain body 30 (indicated by double-line hatching). I have. FIG. 1B shows only the semiconductor substrate 10 and the first strain body 20 among them.
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Y軸まわりのモーメ
ント検出に用いられ、抵抗素子Ry1〜Ry4はY軸上に配さ
れX軸まわりのモーメント検出に用いられ、抵抗素子Rz
1〜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。In this apparatus, on a silicon single crystal substrate 10,
A total of 12 resistance elements R are formed, and constitute a transducer for converting mechanical deformation into an electric signal.
The resistance elements Rx1 to Rx4 are arranged on the X axis and used for detecting moment about the Y axis. The resistance elements Ry1 to Ry4 are arranged on the Y axis and used for detecting moment about the X axis.
1 to Rz4 are arranged on an axis parallel to and in the vicinity of the X axis and used for detecting a force in the Z axis direction. The specific structure of each resistance element R and its manufacturing method will be described later in detail, but these resistance elements R are elements having a piezoresistance effect in which the electric resistance changes due to mechanical deformation.
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脹率を有
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
向かって固着されている。The single crystal substrate 10 is bonded to a first strain body 20. In the device according to the present embodiment, the first strain body 20 includes a disc-shaped support portion 21, a flexible portion 22 having a reduced thickness for providing flexibility, and an action portion 23 projecting to the center. Consists of The material of the first strain body 20 is Kovar (iron,
Alloys of cobalt and nickel) are used. Since Kovar has a coefficient of thermal expansion substantially equal to that of the silicon single crystal substrate 10, it has an advantage that even when bonded to the single crystal substrate 10, the thermal stress generated by a temperature change is extremely small. The material and shape of the first strain body 20 are not limited to those described above, and the embodiment shown here is merely an optimal embodiment. The first strain body 20 is fixed toward the mounting hole 34 of the second strain body 30 by the set screw 14 inserted through the mounting hole 24.
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てもかまわない。A protection cover 40 for protecting the single crystal substrate 10 is attached to a lower portion of the first strain body 20 (FIG. 1B).
In the illustration). The protective cover 40 may be of any type as long as it has a protection function, and may not be provided depending on the usage of the device.
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、ボンティングワイヤ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。Each resistance element is provided with wiring as shown in FIG.
That is, the resistance elements Rx1 to Rx4 are assembled in a bridge circuit as shown in FIG. 2A, the resistance elements Ry1 to Ry4 are assembled in a bridge circuit as shown in FIG.
1 to Rz4 are assembled in a bridge circuit as shown in FIG. 2 (c). A predetermined voltage or current is supplied to each bridge circuit from a power supply 50, and each bridge voltage is measured by voltmeters 51 to 53. In order to perform such wiring for each resistance element R, bonding pads 11 electrically connected to each resistance element R on a single crystal substrate 10 as shown in FIG.
And an electrode 13 for external wiring are connected by a bonding wire 12. The electrode 13 is led out to the opposite side of the first strain body 20 through the wiring hole 25. Thereafter, a wiring is made from the outside of the second strain body 30 to the electrode 13, but this wiring is omitted in FIG.
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。In the above-described embodiment, the strain body 20 and the single crystal substrate 10 are separate bodies. However, if the strain body 20 is formed of a single crystal, both can be formed integrally.
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、基体となる固着
部31と、可撓性をもたせるための可撓部32と、中心にお
いて内方に突出した腕状部33とから構成される。ここ
で、腕状部33は細長い円柱状をしており、その先端は平
坦になっており、同じく平坦された第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、要するに腕状部33と作用部
23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。The second strain body 30 has a hollow columnar shape as can be seen from the cross section of FIG. 1A, and has a fixing portion 31 serving as a base and a flexible portion for providing flexibility. It is composed of a part 32 and an arm part 33 protruding inward at the center. Here, the arm portion 33 has an elongated cylindrical shape, the tip of which is flat, and is adhered by brazing to the tip of the working portion 23 of the flattened first flexure element 20. . In essence, the arm 33 and the working part, such as screwing instead of brazing
Any means may be used as long as it is a means to which the fixing member 23 is fixed.
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の腕状部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に関しては腕状部
33は可撓部32を介して固着部31に連ながっているため、
腕状部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。The first strain body 20 and the second strain body 30 are connected after being formed separately. Focusing on the connection relationship, the support portion 21 of the first strain body 20 is connected to the fixing portion 31 of the second strain body 30, and the working portion of the first strain body 20.
23 is connected to the arm 33 of the second strain body 30. Moreover, regarding the first strain body 20, since the action portion 23 is connected to the support portion 21 via the flexible portion 22, the action portion 23 is displaced with respect to the support portion 21 by the bending of the flexible portion 22. be able to. The second strain body 30 has an arm-shaped portion.
33 is connected to the fixing portion 31 via the flexible portion 32,
The arm portion 33 can be displaced with respect to the fixed portion 31 by bending of the flexible portion 32.
装置の基本原理 第1図(a)において、腕状部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、腕状部33と固着部31との間に変位が生じ、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の支持部21との間に変位が生じ、
半導体基板10上の作用点P近傍に変位が生じ、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。In FIG. 1 (a), when a force is applied to the displacement point S above the arm 33, a stress strain corresponding to the applied force is generated in the second flexure element 30. As described above, the flexible portion 32 bends, and a displacement occurs between the arm-shaped portion 33 and the fixing portion 31, and this displacement is transmitted to the action portion 23 of the first strain body 20. Here, the flexible portion 22 bends, and a displacement occurs between the flexible portion 22 and the support portion 21 of the action portion 23,
Displacement occurs near the action point P on the semiconductor substrate 10, and each resistance element R is mechanically deformed. Due to this deformation, the electric resistance of each resistance element R changes, and eventually, the applied force is detected as a change in each bridge voltage shown in FIG.
第3図に、応力歪みと抵抗素子Rの電気抵抗の変化と
の関係を示す。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ことにする。いま、図
の左から右に4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P
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F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、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
(−記号で示すことにする)ことになる。また、左まわ
りのモーメントM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。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またはモーメ
ントを加えた場合は、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。FIG. 3 shows the relationship between the stress strain and the change in the electric resistance of the resistance element R. Here, for convenience of explanation, the single crystal substrate 10
And only the action portion 23 of the first strain body 20 is illustrated.
It will be displayed upside down in FIG. Now, consider a case where four resistance elements R1 to R4 are formed from left to right in the drawing. First, as shown in FIG.
When no force is applied to the single crystal substrate 10, no stress strain is applied to the single crystal substrate 10, and the resistance change of all the resistance elements is zero. However, when a downward force F is applied, the single crystal substrate 10 is mechanically deformed as shown in FIG. Now, assuming that the conductivity type of the resistive element is P-type, this deformation causes the resistive elements R1 and R4 to expand and increase the resistance (indicated by a + sign), and the resistive elements R2 and R3 to contract and reduce the resistance. (Denoted by a minus sign). When a counterclockwise moment M is applied, the single crystal substrate 10 is mechanically deformed as shown in FIG. Due to this deformation, the resistance elements R1 and R3 expand and increase the resistance, and the resistance elements R2 and R4 contract and reduce the resistance. Since each resistance element R is a resistance element whose longitudinal direction is in the horizontal direction of the drawing, when a force or moment is applied in a direction perpendicular to the plane of the drawing, the change in the resistance value of each resistance element can be ignored. . As described above, the present apparatus utilizes the fact that the resistance change characteristic of the resistance element differs depending on the direction of the applied force, and independently detects the force in each direction.
装置のモーメント検出装置としての動作 以下、第4図〜第6図を参照して半導体基板10と第1
の起歪体20とからなる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。第4図は作用点Pに
Y軸まわりのモーメントMyが加わった場合、第5図はX
軸まわりのモーメントMxが加わった場合、第6図はZ軸
方向の力Fz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。Operation of the Device as a Moment Detecting Device Hereinafter, referring to FIGS. 4 to 6, the semiconductor substrate 10 and the first
The operation of the device including the flexure element 20 will be described. Both figures show the semiconductor substrate 10 and the first strain body 20 in an upside-down relationship with respect to FIG. FIG. 4 shows a case where a moment My about the Y axis is applied to the action point P, and FIG.
FIG. 6 shows the stress applied to each resistive element when a moment Mx around the axis is applied and a force Fz in the Z-axis direction is applied (the extending direction is indicated by +, the contracting direction is indicated by −, and no change is indicated by 0). Are respectively shown. In each figure, (a) is a cross section of the device shown in FIG. 1 taken along the X axis, (b) is a cross section taken along the Y axis, and the element Rz1 is parallel to the X axis.
A cross section taken along Rz4 is shown as (c).
まず、第4図(a),(b),(c)の矢印Myで示す
ようなY軸まわりのモーメント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Mxお
よびFzで示すようなX軸まわりのモーメントおよびZ軸
方向の力が加わった場合は、図示するような応力が発生
する。First, considering the case where a moment about the Y axis is applied as shown by an arrow My in FIGS. 4 (a), (b), and (c), stresses of the polarities shown are generated. The polarity of this stress can be easily understood from the description of FIG. A resistance change corresponding to this stress occurs in each resistance element R. For example, the resistance of the resistance element Rx1 decreases (-), the resistance of the resistance element Rx2 increases (+), and the resistance of the resistance element Ry1 does not change (0). When a moment about the X-axis and a force in the Z-axis direction are applied as indicated by arrows Mx and Fz in FIGS. 5 and 6, respectively, a stress as illustrated is generated.
結局、加わるモーメントあるいは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。Finally, Table 1 summarizes the relationship between the applied moment or force and the change of each resistance element.
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。 Here, taking into account that each resistance element R forms a bridge as shown in FIG. 2, the applied force and the presence or absence of a change in each of the voltmeters 51 to 53 have a relationship as shown in Table 2. .
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
My、Mx、Fz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、加わるモーメントまたは力の方
向によって変化の極性が支配され、また加わるモーメン
トまたは力の大きさによって変化量が支配されることに
なる。 Note that the resistance elements Rz1 to Rz4 receive substantially the same stress change as the resistance elements Rx1 to Rx4, but have different responses from the voltmeters 51 and 53 because the bridge configurations are different as shown in FIG. I want to. After all, the voltmeters 51, 52, 53
Will respond to My, Mx, Fz. Although only the presence or absence of a change is shown in Table 2, the polarity of the change is controlled by the direction of the applied moment or force, and the amount of change is controlled by the magnitude of the applied moment or force.
以上のように、半導体基板10と第1の起歪体20とから
なる装置は、作用点Pに関して働くX軸まわりおよびY
軸まわりのモーメントを検出する装置として用いること
ができる(本実施例では、Z軸方向に働く力を検出する
機能も有するが、この機能は本発明の基本思想の観点か
らは付加的な機能である)。実際には、作用点Pは半導
体基板上の点であるから、作用点Pに直接働くモーメン
トを検出するのではなく、たとえば作用部23内の一点に
働くモーメントを作用点Pに働くモーメントとして検出
することになる。As described above, the device composed of the semiconductor substrate 10 and the first strain body 20 is provided around the X axis and Y
It can be used as a device for detecting the moment around the axis (in this embodiment, it also has a function of detecting the force acting in the Z-axis direction, but this function is an additional function from the viewpoint of the basic idea of the present invention). is there). Actually, since the point of action P is a point on the semiconductor substrate, the moment acting directly on the point of action P is not detected, but, for example, the moment acting on one point in the acting portion 23 is detected as the moment acting on the point of action P. Will do.
力検出装置としての動作 前述のように、半導体基板10と第1の起歪体20とから
なる装置は、モーメント検出装置として機能することに
なるが、これに第2の起歪体30を付加することによっ
て、力検出装置として機能させることができるようにな
る。Operation as Force Detection Device As described above, the device including the semiconductor substrate 10 and the first strain body 20 functions as a moment detection device, and the second strain body 30 is added thereto. By doing so, it becomes possible to function as a force detection device.
第7図はこの力検出装置としての機能を説明する図で
ある。第7図(a)は第1図に示す装置の主要部のみを
示した断面図である。ここで、半導体基板10と第1の起
歪体20とは、前述のようにモーメント検出装置を構成し
ている。第1の起歪体20の作用点Pと第2の起歪体30の
変位点Sとは、第7図(b)に示すように、腕状部33に
沿って距離lだけ隔てられている。いま、第7図(c)
に示すように、X軸に平行な力Fxによって変位点Sを点
S′の位置まで変位させた場合を考える。この変位の結
果、第2の起歪体30は図の破線で示すように撓み、結果
的に作用点PにY軸まわりのモーメントMyを発生させる
ことになる。このモーメントMyは前述のように、抵抗素
子の抵抗値の変化として検出できる。要するに、変位点
Sに作用した力Fxを作用点Pに作用したモーメントMyと
して検出することができるのである。力Fxとモーメント
Myとの間の換算は距離lを係数として用いれば容易にで
きる。FIG. 7 is a view for explaining the function as this force detecting device. FIG. 7 (a) is a sectional view showing only a main part of the device shown in FIG. Here, the semiconductor substrate 10 and the first strain body 20 constitute a moment detecting device as described above. The action point P of the first strain body 20 and the displacement point S of the second strain body 30 are separated by a distance l along the arm 33 as shown in FIG. 7 (b). I have. Now, FIG. 7 (c)
Let us consider a case where the displacement point S is displaced to the position of the point S 'by a force Fx parallel to the X axis as shown in FIG. As a result of this displacement, the second strain body 30 bends as shown by the broken line in the figure, and as a result, a moment My about the Y axis is generated at the point of action P. As described above, this moment My can be detected as a change in the resistance value of the resistance element. In short, the force Fx applied to the displacement point S can be detected as the moment My applied to the action point P. Force Fx and moment
Conversion with My can be easily performed by using the distance l as a coefficient.
本発明に係る力検出装置の利点は、正にこの点にあ
る。すなわち、モーメント検出装置としての半導体基板
10および第1の起歪体20の組合わせを用意しておけば、
これに第2の起歪体30を付加することによってこれを力
検出装置にすることができるのである。したがって、半
導体基板10を製造する時点では、将来モーメント検出装
置として用いるのか、あるいは力検出装置として用いる
のか、という点を考慮することなく、常に同じパターン
で、同じブリッジ配線を行ったものを大量生産すること
ができる。The advantage of the force detection device according to the present invention lies exactly in this point. That is, a semiconductor substrate as a moment detecting device
If a combination of 10 and the first strain body 20 is prepared,
By adding the second strain body 30 to this, it can be made into a force detecting device. Therefore, at the time of manufacturing the semiconductor substrate 10, mass production of the same bridge wiring with the same pattern is always performed without considering whether the device will be used as a moment detector or a force detector in the future. can do.
逆の適用を行った実施例 今まで述べてきた実施例は、取敢えずモーメント検出
装置として機能する半導体基板10を大量生産しておき、
これを力検出装置として用いる場合は更に第2の起歪体
30を付加するという適用を行ったものであるが、これと
全く逆の適用を行うことも可能である。すなわち、取敢
えず力検出装置として機能する半導体基板10を大量生産
しておき、これをモーメント検出装置として用いる場合
は更に第2の起歪体30を付加するようにするのである。Embodiment in which the reverse application is performed The embodiment described so far is to mass-produce the semiconductor substrate 10 functioning as a moment detecting device for the time being,
When this is used as a force detecting device, a second flexure element is further provided.
Although the application of adding 30 has been performed, it is also possible to perform the opposite application. That is, the semiconductor substrate 10 functioning as a force detecting device is first mass-produced, and when the semiconductor substrate 10 is used as a moment detecting device, the second strain body 30 is further added.
第1図に示す装置の各抵抗素子Rについて、第2図の
代わりに第8図に示すブリッジ配線を行えば、半導体基
板10および第1の起歪体20は、力検出装置としての機能
を果たすことになる。抵抗素子Rzについてのブリッジ構
成には変わりないが、抵抗素子Rx,Ryについてのブリッ
ジ構成に一部変更があることに留意されたい。このよう
なブリッジを構成しておけば、作用点PにX軸,Y軸,Z軸
方向の力Fx,Fy,Fzが加わると、表3のような各抵抗素子
の抵抗変化を受けて、各電圧計51〜53の変化の有無は表
4のようになる。If the bridge wiring shown in FIG. 8 is performed instead of FIG. 2 for each resistance element R of the device shown in FIG. 1, the semiconductor substrate 10 and the first strain body 20 function as a force detecting device. Will fulfill. Note that there is no change in the bridge configuration for the resistance element Rz, but there are some changes in the bridge configuration for the resistance elements Rx and Ry. If such a bridge is configured, when the forces Fx, Fy, Fz in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions are applied to the point of action P, the resistance changes of the respective resistance elements as shown in Table 3 are received. Table 4 shows whether or not each of the voltmeters 51 to 53 has changed.
以上のように、第8図のようなブリッジを構成した半
導体基板10と第1の起歪体20とからなる装置は、作用点
Pに関して働くX軸方向およびY軸方向の力を検出する
装置として用いることができる(本実施例では、Z軸方
向に働く力を検出する機能も有するが、この機能は本発
明の基本思想の観点からは付加的な機能である)。実際
には、作用点Pは半導体基板上の点であるから、作用点
Pに直接働く力を検出するのではなく、たとえば作用部
23内の一点に働く力を作用点Pに働く力として検出する
ことになる。 As described above, the device including the semiconductor substrate 10 and the first strain body 20 forming the bridge as shown in FIG. 8 is a device for detecting the X-axis and Y-axis forces acting on the action point P. (This embodiment also has a function of detecting a force acting in the Z-axis direction, but this function is an additional function from the viewpoint of the basic idea of the present invention). Actually, since the point of action P is a point on the semiconductor substrate, the force acting directly on the point of action P is not detected.
The force acting on one point in 23 is detected as the force acting on the action point P.
さて、このように作用点Pに働く力を検出する装置
に、第2の起歪体30を付加すれば、これをモーメント検
出装置として用いることができる。第7図(d)はこの
力検出装置としての機能を説明する図である。いま、変
位点Sを通りY軸に平行な直線まわりのモーメントMyに
よって変位点Sを中心として第2の起歪体30を撓ませた
場合を考える。この結果、第2の起歪体30は図の破線で
示すように撓み、結果的に作用点Pが点P′に移動する
ようなX軸方向の力Fxを発生させることになる。この力
Fxは前述のように、抵抗素子の抵抗値の変化として検出
できる。要するに、変位点Sに作用したモーメントMyを
作用点Pに作用した力Fxとして検出することができるの
である。力FxとモーメントMyとの間の換算は距離lを係
数として用いれば容易にできる。By adding the second strain body 30 to the device for detecting the force acting on the point of action P, the device can be used as a moment detecting device. FIG. 7 (d) is a diagram for explaining the function as this force detecting device. Now, consider a case where the second strain body 30 is bent around the displacement point S by a moment My about a straight line passing through the displacement point S and parallel to the Y axis. As a result, the second strain body 30 bends as shown by the broken line in the figure, and as a result, generates a force Fx in the X-axis direction such that the point of action P moves to the point P '. This power
Fx can be detected as a change in the resistance value of the resistance element as described above. In short, the moment My acting on the displacement point S can be detected as the force Fx acting on the acting point P. The conversion between the force Fx and the moment My can be easily performed by using the distance l as a coefficient.
最小限の抵抗素子構成 以上の実施例では、12個の抵抗素子Rx1〜Rz4を半導体
基板10上に形成した例を示したが、これだけの抵抗素子
が必ずしもすべて必要なわけではない。特に、Rz1〜Rz4
の4つの抵抗素子は、Z方向の力を検出するためのもの
であるから、X軸およびY軸に関する力・モーメントを
検出するには不用のものである。半導体基板10上の作用
点Pに作用するY軸まわりのモーメントを検出するので
あれば、表1および表2からわかるとおり、抵抗素子Rx
1,Rx3の2つの素子があれば足り、X軸方向の力を検出
するのであれば、抵抗素子Rx1,Rx2の2つの素子があれ
ば足る。Minimum Resistive Element Configuration In the above embodiment, an example was shown in which twelve resistive elements Rx1 to Rz4 were formed on the semiconductor substrate 10, but not all of these resistive elements are necessarily required. In particular, Rz1 to Rz4
The four resistance elements are for detecting the force in the Z direction, and are not necessary for detecting the forces and moments on the X axis and the Y axis. If the moment about the Y axis acting on the action point P on the semiconductor substrate 10 is to be detected, as can be seen from Tables 1 and 2, the resistance element Rx
It is sufficient if there are two elements, Rx1 and Rx3, and if detecting the force in the X-axis direction, it is sufficient if there are two elements, resistance elements Rx1 and Rx2.
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9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。Production of Resistive Element Having Piezoresistance Effect An example of a method for producing a resistive element used in the present invention will be briefly described below. This resistive element has a piezoresistive effect and is formed on a semiconductor substrate by a semiconductor planar process. First, as shown in FIG. 9A, an N-type silicon substrate 101 is thermally oxidized to form a silicon oxide layer 1 on the surface.
Form 02. Subsequently, as shown in FIG. 1B, the silicon oxide layer 102 is etched by photolithography to form an opening 103. Subsequently, boron is thermally diffused from the opening 103 to form a P-type diffusion region 104, as shown in FIG. Note that the silicon oxide layer 105 is formed in the opening 103 during the heat diffusion process.
Next, as shown in FIG. 3D, silicon nitride is deposited by a CVD method, and the silicon nitride layer 106 is formed as a protective layer. Then, as shown in FIG. 3E, contact holes are opened in the silicon nitride layer 106 and the silicon oxide layer 105 by photolithography, and then, as shown in FIG. I do. Finally, the aluminum wiring layer 107 is patterned by photolithography to obtain a structure as shown in FIG.
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。The above-described manufacturing process is shown as an example, and the present invention can be realized by using any resistance element having a piezoresistance effect.
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。Other Embodiments Although the present invention has been described based on the embodiments illustrating the present invention,
The present invention is not limited to the embodiments described above, and various applications are possible.
例えば、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
が腕状体、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。For example, in the above-described embodiment, the central portion of the first strain body is the acting portion, the peripheral portion is the support portion, the center portion of the second strain body is the arm, and the peripheral portion is the fixing portion. However, the present invention is not limited to such a configuration, and a mode in which the central portion and the peripheral portion have an opposite relationship can be implemented.
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。Further, in the above embodiments, a resistance element formed on a semiconductor substrate is used as a transducer, but any transducer having a function of converting mechanical deformation into an electric signal may be used as the transducer. Good.
For example, a sensor using a strain gauge can be applied.
以上のとおり本発明によれば、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、この固定部に連接され可撓性を有する
可撓部と、一端が第1の起歪体の作用部に固着され、こ
の一端を始端としトランスデューサから離れるように伸
びた他端が可撓性に連接された腕状部とを有する第2の
起歪体と、を設けるようにして、前記腕状部の他端に加
わった力またはモーメントを作用部におけるモーメント
または力に変換して検出しうるようにしたため、力また
はモーメントのどちらか一方のみを検出しうるセンサを
大量生産しておけば、第2の起歪体(腕状部)を付け加
えることにより他方の検出が可能となる、すなわち同一
のトランスデューサを用い、力センサにもモーメントセ
ンサにも、いずれにも適用することが可能となる。As described above, according to the present invention, a transducer capable of detecting mechanical deformation in a plurality of directions by arranging elements for converting mechanical deformation into electrical signals in a plurality of different directions, and a A first flexure element that performs a flexure operation, a fixed section that is fixed to at least a direction of a force to be detected with respect to a support section of the first flexure element, and a flexible section that is connected to the fixed section. A flexible portion having one end fixed to the action portion of the first strain body, and an arm-shaped portion having the one end as a starting end and extending away from the transducer and having the other end connected flexibly. And the second strain body is provided so that the force or moment applied to the other end of the arm-shaped portion can be converted into the moment or force at the action portion and detected, so that either the force or the moment can be detected. If a sensor capable of detecting only one of them is mass-produced, the other can be detected by adding a second flexure element (arm-shaped part). That is, the same transducer can be used and the force sensor can be used. It can be applied to any of the moment sensors.
第1図(a)および(b)は本発明に係る力・モーメン
ト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
抗素子の抵抗変化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Y
軸まわりのモーメント、X軸まわりのモーメント、Z軸
方向の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図に示す装置における力とモーメントとの変換
機構を示す図、第8図は第1図に示す装置の抵抗素子の
別なブリッジ構成を示す回路図、第9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……腕状部、
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、
P……作用点。1 (a) and 1 (b) are a sectional view and a partial bottom view, respectively, of a force / moment measuring device according to the present invention, FIG. 2 is a circuit diagram showing a bridge configuration of a resistance element of the device shown in FIG. 1, FIG. 3 is a principle diagram showing the relationship between stress strain and resistance change of a resistance element in the device shown in FIG. 1, FIG.
FIG. 6 and FIG. 6 show Y and Y respectively in the apparatus shown in FIG.
FIG. 7 is a diagram showing a moment generated around an axis, a moment about an X axis, and a stress generated when a force is applied in a Z axis direction.
The figure shows a mechanism for converting force and moment in the device shown in FIG. 1, FIG. 8 is a circuit diagram showing another bridge configuration of the resistance element of the device shown in FIG. 1, and FIG. 9 is FIG. FIG. 4 is a process chart of a process for forming a resistive element used in the device shown in FIG. 10 ... single crystal substrate, 11 ... bonding pad, 12 ...
Bonding wire, 13 ... electrode, 14 ... set screw, 20
... First flexure element, 21... Support part, 22... Flexible part, 23.
.. Acting part, 24 mounting hole, 25 wiring hole, 30 second strain body, 31 fixing part, 32 flexible part, 33 arm part,
34 ... Mounting hole, 40 ... Protective cover, 50 ... Power supply, 51-53
... Voltmeter, 101, N-type silicon substrate, 102, silicon oxide layer, 103, opening, 104, P-type diffusion region, 105
... silicon oxide layer, 106 ... silicon nitride layer, 107 ...
Aluminum wiring layer, R: resistance element, S: displacement point,
P: action point.
Claims (6)
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着部と、この固定部に連
接され可撓性を有する可撓部と、一端が前記第1の起歪
体の作用部に固着され、この一端を始端とし前記トラン
スデューサから離れるように伸びた他端が前記可撓部に
連接された腕状部と、を有する第2の起歪体と、 を備え、前記腕状部の他端を前記トランスデューサに対
してすべり運動をさせる方向に力を加えた場合に前記ト
ランスデューサ上の一点にモーメント力が発生し、前記
他端を前記一点に対して回転運動をさせる方向にモーメ
ント力を加えた場合に前記一点に前記トランスデューサ
に沿った方向の力が発生するように構成されていること
を特徴とする力・モーメント検出装置。1. A transducer capable of detecting mechanical deformation in a plurality of directions by arranging elements for converting mechanical deformation into electric signals in a plurality of different directions, a support portion and an operating portion, A first strain body fixed to the transducer so as to cause mechanical deformation of the transducer based on a displacement with respect to the support portion; and a force to be detected at least with respect to the support portion of the first strain body. And a flexible portion connected to the fixed portion and having flexibility, and one end is fixed to the action portion of the first strain body, and the one end is a starting end and A second strain body having an arm-shaped portion having the other end extended away from the flexible portion, and a sliding motion of the other end of the arm-shaped portion with respect to the transducer. Force in the direction When applied, a moment force is generated at one point on the transducer, and when a moment force is applied in a direction that causes the other end to rotate with respect to the one point, a force in a direction along the transducer is applied at the one point. A force / moment detecting device characterized in that it is configured to generate a force / moment.
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ていることを特徴とす
る特許請求の範囲第1項記載の力・モーメント検出装
置。2. A force / force transducer according to claim 1, wherein said transducer is formed of a semiconductor substrate having at least one surface formed with a resistance element whose electric resistance changes by mechanical deformation. Moment detection device.
部が支持部となっており、第2の起歪体の周辺部が固定
部となっており、腕状態が前記第2の起歪体の中心部に
形成され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・モーメント検出装置。3. A central portion of the first strain body is a working portion, a peripheral portion is a supporting portion, a peripheral portion of the second strain body is a fixing portion, and the arm state is as described above. 3. The force / moment detecting device according to claim 1, wherein the force / moment detecting device is formed at a central portion of the second strain body.
と腕状体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1項乃至
第3項記載の力・モーメント検出装置。4. The apparatus according to claim 1, wherein said second strain body is made of metal, and said working portion and said arm are fixed to each other by brazing or screwing. Item 3. The force / moment detecting device according to item 3.
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項記載の力・モーメント検出装置。5. The force / moment according to claim 2, wherein said semiconductor substrate comprises a single crystal substrate of silicon, and said resistance element is formed on said silicon substrate by a semiconductor planar process. Detection device.
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5項記載の力検出装置。6. The force detecting device according to claim 5, wherein said semiconductor substrate and said first strain body are integrally formed in the same silicon chip.
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Legal Events
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