JP2670048B2 - 力検出装置 - Google Patents
力検出装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、例えばロボツト用力覚センサやマンマシン
インターフエースとしての三次元入力装置等に利用され
る力検出装置に関するものである。 従来の技術 従来の力検出装置は、外力が印加されることにより弾
性変形する起歪体にこの起歪体の機械的変形により電気
抵抗を変化させる複数の検出素子を形成し、これらの検
出素子の電気的抵抗変化を電気的信号として取り出して
外力の強さを検出しているものである。 そして、シリコン単結晶による起歪体を用いて、その
表面に半導体プレーナプロセス技術により検出素子を形
成する技術は、特開昭60−221288号公報に開示されてい
る。すなわち、シリコン単結晶による正八角形の平板リ
ング状の起歪体を形成し、この起歪体の一面に複数個の
検出素子を形成し、起歪体の対向辺に外力を作用させて
Fx,Fy,Fzの力の三成分の２次元分布を検出しているもの
である。 しかしながら、シリコン単結晶基板から八角形の平板
リング状の起歪体を切り出すには、ダイシングソーカツ
ト法、レーザ加工、エツチング加工等を組合せて加工し
なければならず、その加工が容易ではないという問題を
有する。 また、シリコン単結晶により起歪体を形成した場合に
は、そのシリコン単結晶の物理的性質として脆性が高い
ものであり、荷重検出可能な最大値が低いという問題を
有する。さらに、衝撃に弱いと云う問題もある。 目的 本発明は、検出素子を半導体プレーナプロセス等の技
術を応用して単結晶基板に形成しても大きな荷重の検出
を行うことができ、また、耐衝撃性を高めることができ
る力検出装置を得ることを目的とするものである。 構成 本発明は、Ｘ軸方向とＹ軸方向とこれらのＸ軸方向及
びＹ軸方向に対し所定の角度をもつ方向に沿って機械的
変形により電気抵抗を変化させる複数個の検出素子を配
設した検出面が一面に形成された単結晶基板を設け、外
周部を支持部とし中心部に力伝達体が形成されるととも
にこの力伝達体の周囲に薄肉状の弾性変形面が形成され
た起歪体を設け、この起歪体の前記弾性変形面に前記力
伝達体を中心として前記単結晶基板を接着固定し、Ｘ軸
方向とＹ軸方向とこれらのＸ軸方向及びＹ軸方向に対し
所定の角度をもつ方向との各方向に沿った検出素子によ
りそれぞれホイートストンブリッジ回路を形成してＸ軸
方向とＹ軸方向とＺ軸方向との力を検出するようにした
ものである。従つて、起歪体の中心部には力伝達体が形
成されていること、力伝達体を中心として起歪体に接着
固定された単結晶基板にはＸ軸方向とＹ軸方向とこれら
Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対し所定の角度をもつ方向との
３方向に検出素子が配設されていることとにより、Ｘ、
Ｙ、Ｚ方向の３次元の力の検出ができ、さらに、半導体
プレーナプロセス技術を利用して検出素子の形成を単結
晶基板の表面に直接的に形成してもその単結晶基板には
別部品の起歪体が接着されているため、外力は起歪体に
より受けさせることができ、これにより、単結晶基板で
は検出することができない高い加重でも検出することが
でき、また、衝撃力が加えられても単結晶基板には過大
な力が作用することがないように構成したものである。 本発明の第一の実施例を第１図乃至第６図に基づいて
説明する。まず、単結晶基板１はシリコン単結晶体より
なり正方形状をしている。この単結晶基板１の一面は検
出面２とされ、この検出面２には後述する手段により検
出素子３が形成されている。 これらの検出素子３は応力を受けて変形することによ
り抵抗率が変化する原理、すなわち、ピエゾ抵抗効果を
利用するものであり、例えば、単結晶基板１が、ｎ−Si
（110）ウエハである場合、第２図に示すところの と なる検出素子３は＜110＞方向に対し45度の方向に配置
され、 なる検出素子３は＜110＞方向に配置されている。そし
て、それぞれの検出素子３は、第４図に拡大してその形
状を示すが、Ｘ軸,Y軸及びこれらと45度をなす方向に電
流ｉが流れるように幅がl1で長さがl2であり、かつ、l1
《l2であるように設定されている。 つぎに、検出素子３の製造方法を第７図に基づいて説
明する。しかして、第７図に示すものは、ウエハ処理工
程の概略とその工程における断面図である。 〔熱酸化〕 ｎ−Si（110）ウエハを酸化し、表面にSiO2を形成す
る。SiO2は次工程の拡散のマスクとして使う。 〔拡散窓明〕 選択拡散を行うためにSiO2を除去し、拡散窓明を行
う。 〔拡散〕 BN固体拡散源等により拡散を行う。ボロンはシリコン
面が露出しているところのみ拡散し、ｎ型からｐ型に変
わる。 〔CVD−Si3N4〕 両面にCVD−Si3N4をデポジシヨンする。表面は外部か
らの汚染に対するバリアとし、裏面はシリコン基板をエ
ツチングする時のマスクとして使う。 〔コンタクトホール〕 検出素子３を電気的に接続するためのコンタクトホー
ルをエツチングで明ける。 〔アルミ蒸着／加工〕 アルミニウムにより検出素子３の相互接続及び外部回
路への電気的接続を図る。 〔シンタリング〕 アルミニウムとゲージ抵抗のオーミツク性を改善する
ためにシンタリングを行う。 〔ダイシンング〕 シリコン処理工程を完了した後、個々のセンサチツプ
に分離する。 また、前記単結晶基板１を補強する補強基板として作
用する起歪体４が設けられている。この起歪体４は円板
状をなしており、外周部が固定用ネジ穴５を備えた支持
部６とされ、中心部７には力伝達体８が形成され、この
力伝達体８の周囲には円形の凹部９が形成されて薄肉状
の弾性変形面10が形成されている。この弾性変形面10の
表面に前記単結晶基板１が接着固定されている。 しかして、これらの12個の検出素子３はその検出素子
３に接続して形成された接続端子部11を介して外部に接
続されるものである。すわわち、外部接続端子12が形成
されたフレキシブルプリント基板13が前記起歪体４に接
着固定され、このフレキシブルプリント基板13に形成さ
れた中継端子14にワイヤーボンド15を介して前記接続端
子部11が接続されている。 このようにして起歪体４に単結晶基板１を接着固定し
てからその検出面２側にキヤツプ16を設けて単結晶基板
１を外気から遮断している。 しかして、力伝達体８に作用する力としては、各軸方
向、すなわち、互いに三次元的に直交するX,Y,Z方向に
沿う力（Fx,Fy,Fz）と、Ｙ軸回りのモーメントMxと、Ｘ
軸回りのモーメントMyと、Ｚ軸回りのモーメントMzとの
６成分であるが、これらの内のFz,Mx,Myの３成分を検出
するためのブリツジ回路が第５図（ａ）（ｂ）（ｃ）に
示すように形成されている。 このような構成において、力伝達体８に外力を作用さ
せることにより起歪体４が変形し、この起歪体４の変形
に対応して単結晶基板１には内部応力が発生し、これに
基づく歪により検出素子３が変形してピエゾ抵抗効果に
より抵抗変化ΔＲが生じる。すなわち、力伝達体８に作
用する外力は起歪体４により受けられてその起歪体４が
変形することにより単結晶基板１を変形させるので、単
結晶基板１では受けることができない大きさの荷重を受
けることができるものである。また、衝撃荷重が力伝達
体８に印加されても、その衝撃は単結晶基板１に直接伝
達されることがなく、起歪体４により緩衝されるので、
単結晶基板１が脆性の高い材質であつても十分に保護さ
れる。 ここで、応力が存在するときの抵抗変化ΔＲは、 ΔR/R＝πｌσｌ＋πｔσｔ＋πｓσｓ ……（１） πl:縦ピエゾ抵抗係数 πt:横ピエゾ抵抗係数 πs:剪断ピエゾ抵抗係数 σl:縦方向応力 σt:横方向応力 σs:剪断方向応力 となる。 ここでは、剪断応力σｓがσl,σｔに比べて小さいこ
とから、以後はこの剪断応力σｓを無視して考察する。 また、前述のように検出素子３の形状が第４図に示す
ように、l1《l2に設定されているので、式（１）のπt,
σｔを無視することができる。したがつて、式（１）は
次の式（２）のようになる。 ΔR/R＝πｌσｌ ……（２） このとき、力伝達体８にFz,Mx,Myの３成分の力が作用
したとすれば、検出素子３の抵抗の変化は第２図及び６
図から次に示すようになる。すなわち、 【Ｍｘが加わつた時】 Rx1,Rx3は減少、Rx2,Rx4は増加 Ry1,Ry2,Ry3,Ry4は変化なし Rz1,Rz3は減少、Rz2,Rz4は増加 【Ｍｙが加わつた時】 Rx1,Rx2,Rx3,Rx4は変化なし Ry1,Ry3は減少、Ry2,Ry4は増加 Rz1,Rz3は減少、Rz2,Rz4は増加 【Ｆｚが加わつた時】 Rx1,Rx4は減少、Rx2,Rx3は増加 Ry1,Ry4は減少、Ry2,Ry3は増加 Rz1,Rz4は減少、Rz2,Rz3は増加 となる。 このような抵抗辺当を纏めると、次の第１表のように
なる。 このような力の３成分（Mx,My,Fz）検出するために、
第５図に示すようにブリツジ回路が構成されているの
で、互いの力成分に干渉されることなく各回路毎にMx,M
y,Mzの出力が得られる。 例えば、Mxが加わつた時の第５図（ａ）（ｂ）（ｃ）
の出力は次のようになる。 まず、第５図（ａ）において、 となる。 ここで、簡単化するために、Rx1＝Rx2＝Rx3＝Rx4＝Ｒ
とすると、式（３）は、Ｖ＝０となる。 また、Mxによる抵抗の増加分をΔＲ、減少分を−ΔＲ
とすると、第１表よりMxによる出力は となる。 すなわち、Mxによる出力変化（感度ΔＶ）は、 ΔＶ＝ΔＲ・Ｉ ……（５） となる。 次に、第５図（ｂ）において、 となる。 ここで、Ry1＝Ry2＝Ry3＝Ry4＝Ｒとすると、式（６）
は、Ｖ＝０となる。 また、Mxによる抵抗変化はないとすると、 すなわち、Mxによる感度ΔＶは、 ΔＶ＝０ ……（８） となる。 つぎに、第５図（ｃ）において、 ここで、Rz1＝Rz2＝Rz3＝Rz4＝Ｒとすると、式（９）
は、Ｖ＝０となる。 また、Mxによる抵抗の増加分をΔＲ、減少分を−ΔＲ
とすると、 となる。すなわち、Mxによる感度ΔＶは、 Ｖ＝０ ……（11） となる。 以上の事項は、Mxについて述べたが、My、Fzについて
も同様に考えられる。 しかして、第５図（ａ）（ｂ）（ｃ）のブリツジ回路
は、 （ｉ）．各検出素子３の抵抗は等しい。 （ii）．検出素子３の抵抗の増減ΔＲが等しい。 と云う条件の下で、Mx,My,Fzの３成分は互いに干渉され
ることなく検出することができるものである。 本発明の第二の実施例を第８図及び第９図に基づいて
説明する。本実施例は検出素子３の出力の外部への取り
出し手段が前記実施例と相違するものである。すなわ
ち、起歪体４は検出素子３の出力信号を外部に取り出す
ためのステムを兼ねているものであり、単結晶基板１の
外周部に複数本のリードピン17が配設されているもので
ある。 本発明の第三の実施例を第10図及び第11図に基づいて
説明する。前記実施例においては、単結晶基板１と起歪
体４とは別部材であり、両者の中心位置を正確に定める
必要性がある。すなわち、両者の中心位置の位置ずれが
発生すると、各成分力の干渉が発生し、検出精度が低下
する問題がある。しかしながら、加工上の問題から両者
の相対的位置ずれをなくすことは厳密な意味では不可能
であり、このような相対的位置ずれをある程度許容でき
るようにしたのが、本実施例である。 しかして、本実施例においては、起歪体の弾性変形面
10に力伝達体８を中心とする同心円上に位置させて８個
の円形の孔18を等間隔に形成したものである。これらの
孔18は、前記検出素子３のそれぞれの間に位置している
ものであり、 なる検出素子３と なる検出素子３と なる検出素子３とのそれぞれと互いに22.5度の相対位置
をもつて形成されている。 このような構成において、力伝達体８に外力を作用し
た時に、弾性変形面10に外力に応じた方向の変形が発生
するが、孔18が設けられていることにより、その歪の発
生は主として半径方向にのみ生じるものであり、円周方
向の応力がない状態になる。これにより、各成分力の干
渉がなくなり、成分力分離が良好に行なわれる。さら
に、孔18の存在により検出素子３に与える歪が拡大し、
感度が良くなるものである。なお、単結晶基板１に関し
てみれば、その厚さが0.3mm以下になると感度は良くな
るものであるが、この厚さでは加工性が悪く、歩留まり
が悪くなるので、これらの問題がない程度の厚さに設定
して孔18を開ける方が望ましい。 つぎに、第12図に基づいて本発明の第四の実施例を説
明する。本実施例は起歪体４の弾性変形面10に形成する
孔を扇形孔19として形成したものである。このような形
状により、円周方向の応力の発生を有効に防止して半径
方向にのみ歪が発生するようにしたものである。 さらに、第13図に示すものは、本発明の第五の実施例
で、前述の第10図及び第11図に示した起歪体４に形成し
た孔18と同形状の孔20を単結晶基板１にも形成したもの
である。したがつて、孔20のない単結晶基板１において
は、温度変化があつた場合に単結晶基板１はＺ軸方向に
変形し、Ｚ成分の出力が変化してしまうものであるが、
本実施例においては、孔20を形成することにより、熱応
力を分散し、Ｚ成分の温度特性を安定させる。また、本
実施例の場合には、孔18,20が同一形状で同一寸法であ
るため、位置決めピン等を使用して起歪体４に対する単
結晶基板１の相対位置を正確に定めることができるもの
である。もちろん、特に図示しないが両者の位置決め用
のピンを専用に準備して起歪体４と単結晶基板１とにそ
のピンを打ち込むようにしてもよいものである。 第14図に示すものは、本発明の第六の実施例であり、
前述の第四の実施例に対して、単結晶基板１にも扇形孔
19と同様な扇形孔21を形成したものである。したがつ
て、円周方向の応力の発生を有効に防止して半径方向に
のみ歪が発生するようにするとともに、単結晶基板１に
おける熱応力を分散し、Ｚ成分の温度特性を安定させ
る。また、本実施例の場合にも、扇形孔19,21が同一形
状で同一寸法であるため、位置決めピン等を使用して起
歪体４に対する単結晶基板１の相対位置を正確に定める
ことができるものである。 なお、前記第三乃至第六の各実施例においては、起歪
体４と単結晶基板１またはどちらか一方に孔18,20又は
扇形孔19,21を形成した状態について説明したが、これ
らは円周方向の応力発生を防止して半径方向の応力のみ
を発生させるようにしているものであるため、孔形状の
ものに代えて切欠きにより形成してもよいものである。 また、前述の孔18,20又は扇形孔19,21の形状について
は、楕円孔や多角形孔等を用いることも可能である。 効果 本発明は上述のように、Ｘ軸方向とＹ軸方向とこれら
のＸ軸方向及びＹ軸方向に対し所定の角度をもつ方向に
沿って機械的変形により電気抵抗を変化させる複数個の
検出素子を配設した検出面が一面に形成された単結晶基
板を設け、外周部を支持部とし中心部に力伝達体が形成
されるとともにこの力伝達体の周囲に薄肉状の弾性変形
面が形成された起歪体を設け、この起歪体の前記弾性変
形面に前記力伝達体を中心として前記単結晶基板を接着
固定し、Ｘ軸方向とＹ軸方向とこれらのＸ軸方向及びＹ
軸方向に対し所定の角度をもつ方向との各方向に沿った
検出素子によりそれぞれホイートストンブリッジ回路を
形成してＸ軸方向とＹ軸方向とＺ軸方向との力を検出す
るようにしたので、起歪体の中心部には力伝達体が形成
されていること、力伝達体を中心として起歪体に接着固
定された単結晶基板にはＸ軸方向とＹ軸方向とこれらＸ
軸方向及びＹ軸方向に対し所定の角度をもつ方向との３
方向に検出素子が配設されていることとにより、Ｘ、
Ｙ、Ｚ方向の３次元の力の検出ができ、さらに、半導体
プレーナプロセス技術を利用して検出素子の形成を単結
晶基板の表面に直接的に形成してもその単結晶基板には
別部品の起歪体が接着されているため、外力は起歪体に
より受けさせることができ、これにより、単結晶基板で
は検出することができない高い加重でも検出することが
でき、また、衝撃力が加えられても単結晶基板には過大
な力が作用することがなく、さらに、単結晶基板と起歪
体又はどちらか一方に孔又は切欠きを形成したので、検
出素子に作用する円周方向の応力をなくして半径方向の
応力のみを作用させることができ、これにより、検出感
度の高い状態を得ることができるものである。
インターフエースとしての三次元入力装置等に利用され
る力検出装置に関するものである。 従来の技術 従来の力検出装置は、外力が印加されることにより弾
性変形する起歪体にこの起歪体の機械的変形により電気
抵抗を変化させる複数の検出素子を形成し、これらの検
出素子の電気的抵抗変化を電気的信号として取り出して
外力の強さを検出しているものである。 そして、シリコン単結晶による起歪体を用いて、その
表面に半導体プレーナプロセス技術により検出素子を形
成する技術は、特開昭60−221288号公報に開示されてい
る。すなわち、シリコン単結晶による正八角形の平板リ
ング状の起歪体を形成し、この起歪体の一面に複数個の
検出素子を形成し、起歪体の対向辺に外力を作用させて
Fx,Fy,Fzの力の三成分の２次元分布を検出しているもの
である。 しかしながら、シリコン単結晶基板から八角形の平板
リング状の起歪体を切り出すには、ダイシングソーカツ
ト法、レーザ加工、エツチング加工等を組合せて加工し
なければならず、その加工が容易ではないという問題を
有する。 また、シリコン単結晶により起歪体を形成した場合に
は、そのシリコン単結晶の物理的性質として脆性が高い
ものであり、荷重検出可能な最大値が低いという問題を
有する。さらに、衝撃に弱いと云う問題もある。 目的 本発明は、検出素子を半導体プレーナプロセス等の技
術を応用して単結晶基板に形成しても大きな荷重の検出
を行うことができ、また、耐衝撃性を高めることができ
る力検出装置を得ることを目的とするものである。 構成 本発明は、Ｘ軸方向とＹ軸方向とこれらのＸ軸方向及
びＹ軸方向に対し所定の角度をもつ方向に沿って機械的
変形により電気抵抗を変化させる複数個の検出素子を配
設した検出面が一面に形成された単結晶基板を設け、外
周部を支持部とし中心部に力伝達体が形成されるととも
にこの力伝達体の周囲に薄肉状の弾性変形面が形成され
た起歪体を設け、この起歪体の前記弾性変形面に前記力
伝達体を中心として前記単結晶基板を接着固定し、Ｘ軸
方向とＹ軸方向とこれらのＸ軸方向及びＹ軸方向に対し
所定の角度をもつ方向との各方向に沿った検出素子によ
りそれぞれホイートストンブリッジ回路を形成してＸ軸
方向とＹ軸方向とＺ軸方向との力を検出するようにした
ものである。従つて、起歪体の中心部には力伝達体が形
成されていること、力伝達体を中心として起歪体に接着
固定された単結晶基板にはＸ軸方向とＹ軸方向とこれら
Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対し所定の角度をもつ方向との
３方向に検出素子が配設されていることとにより、Ｘ、
Ｙ、Ｚ方向の３次元の力の検出ができ、さらに、半導体
プレーナプロセス技術を利用して検出素子の形成を単結
晶基板の表面に直接的に形成してもその単結晶基板には
別部品の起歪体が接着されているため、外力は起歪体に
より受けさせることができ、これにより、単結晶基板で
は検出することができない高い加重でも検出することが
でき、また、衝撃力が加えられても単結晶基板には過大
な力が作用することがないように構成したものである。 本発明の第一の実施例を第１図乃至第６図に基づいて
説明する。まず、単結晶基板１はシリコン単結晶体より
なり正方形状をしている。この単結晶基板１の一面は検
出面２とされ、この検出面２には後述する手段により検
出素子３が形成されている。 これらの検出素子３は応力を受けて変形することによ
り抵抗率が変化する原理、すなわち、ピエゾ抵抗効果を
利用するものであり、例えば、単結晶基板１が、ｎ−Si
（110）ウエハである場合、第２図に示すところの と なる検出素子３は＜110＞方向に対し45度の方向に配置
され、 なる検出素子３は＜110＞方向に配置されている。そし
て、それぞれの検出素子３は、第４図に拡大してその形
状を示すが、Ｘ軸,Y軸及びこれらと45度をなす方向に電
流ｉが流れるように幅がl1で長さがl2であり、かつ、l1
《l2であるように設定されている。 つぎに、検出素子３の製造方法を第７図に基づいて説
明する。しかして、第７図に示すものは、ウエハ処理工
程の概略とその工程における断面図である。 〔熱酸化〕 ｎ−Si（110）ウエハを酸化し、表面にSiO2を形成す
る。SiO2は次工程の拡散のマスクとして使う。 〔拡散窓明〕 選択拡散を行うためにSiO2を除去し、拡散窓明を行
う。 〔拡散〕 BN固体拡散源等により拡散を行う。ボロンはシリコン
面が露出しているところのみ拡散し、ｎ型からｐ型に変
わる。 〔CVD−Si3N4〕 両面にCVD−Si3N4をデポジシヨンする。表面は外部か
らの汚染に対するバリアとし、裏面はシリコン基板をエ
ツチングする時のマスクとして使う。 〔コンタクトホール〕 検出素子３を電気的に接続するためのコンタクトホー
ルをエツチングで明ける。 〔アルミ蒸着／加工〕 アルミニウムにより検出素子３の相互接続及び外部回
路への電気的接続を図る。 〔シンタリング〕 アルミニウムとゲージ抵抗のオーミツク性を改善する
ためにシンタリングを行う。 〔ダイシンング〕 シリコン処理工程を完了した後、個々のセンサチツプ
に分離する。 また、前記単結晶基板１を補強する補強基板として作
用する起歪体４が設けられている。この起歪体４は円板
状をなしており、外周部が固定用ネジ穴５を備えた支持
部６とされ、中心部７には力伝達体８が形成され、この
力伝達体８の周囲には円形の凹部９が形成されて薄肉状
の弾性変形面10が形成されている。この弾性変形面10の
表面に前記単結晶基板１が接着固定されている。 しかして、これらの12個の検出素子３はその検出素子
３に接続して形成された接続端子部11を介して外部に接
続されるものである。すわわち、外部接続端子12が形成
されたフレキシブルプリント基板13が前記起歪体４に接
着固定され、このフレキシブルプリント基板13に形成さ
れた中継端子14にワイヤーボンド15を介して前記接続端
子部11が接続されている。 このようにして起歪体４に単結晶基板１を接着固定し
てからその検出面２側にキヤツプ16を設けて単結晶基板
１を外気から遮断している。 しかして、力伝達体８に作用する力としては、各軸方
向、すなわち、互いに三次元的に直交するX,Y,Z方向に
沿う力（Fx,Fy,Fz）と、Ｙ軸回りのモーメントMxと、Ｘ
軸回りのモーメントMyと、Ｚ軸回りのモーメントMzとの
６成分であるが、これらの内のFz,Mx,Myの３成分を検出
するためのブリツジ回路が第５図（ａ）（ｂ）（ｃ）に
示すように形成されている。 このような構成において、力伝達体８に外力を作用さ
せることにより起歪体４が変形し、この起歪体４の変形
に対応して単結晶基板１には内部応力が発生し、これに
基づく歪により検出素子３が変形してピエゾ抵抗効果に
より抵抗変化ΔＲが生じる。すなわち、力伝達体８に作
用する外力は起歪体４により受けられてその起歪体４が
変形することにより単結晶基板１を変形させるので、単
結晶基板１では受けることができない大きさの荷重を受
けることができるものである。また、衝撃荷重が力伝達
体８に印加されても、その衝撃は単結晶基板１に直接伝
達されることがなく、起歪体４により緩衝されるので、
単結晶基板１が脆性の高い材質であつても十分に保護さ
れる。 ここで、応力が存在するときの抵抗変化ΔＲは、 ΔR/R＝πｌσｌ＋πｔσｔ＋πｓσｓ ……（１） πl:縦ピエゾ抵抗係数 πt:横ピエゾ抵抗係数 πs:剪断ピエゾ抵抗係数 σl:縦方向応力 σt:横方向応力 σs:剪断方向応力 となる。 ここでは、剪断応力σｓがσl,σｔに比べて小さいこ
とから、以後はこの剪断応力σｓを無視して考察する。 また、前述のように検出素子３の形状が第４図に示す
ように、l1《l2に設定されているので、式（１）のπt,
σｔを無視することができる。したがつて、式（１）は
次の式（２）のようになる。 ΔR/R＝πｌσｌ ……（２） このとき、力伝達体８にFz,Mx,Myの３成分の力が作用
したとすれば、検出素子３の抵抗の変化は第２図及び６
図から次に示すようになる。すなわち、 【Ｍｘが加わつた時】 Rx1,Rx3は減少、Rx2,Rx4は増加 Ry1,Ry2,Ry3,Ry4は変化なし Rz1,Rz3は減少、Rz2,Rz4は増加 【Ｍｙが加わつた時】 Rx1,Rx2,Rx3,Rx4は変化なし Ry1,Ry3は減少、Ry2,Ry4は増加 Rz1,Rz3は減少、Rz2,Rz4は増加 【Ｆｚが加わつた時】 Rx1,Rx4は減少、Rx2,Rx3は増加 Ry1,Ry4は減少、Ry2,Ry3は増加 Rz1,Rz4は減少、Rz2,Rz3は増加 となる。 このような抵抗辺当を纏めると、次の第１表のように
なる。 このような力の３成分（Mx,My,Fz）検出するために、
第５図に示すようにブリツジ回路が構成されているの
で、互いの力成分に干渉されることなく各回路毎にMx,M
y,Mzの出力が得られる。 例えば、Mxが加わつた時の第５図（ａ）（ｂ）（ｃ）
の出力は次のようになる。 まず、第５図（ａ）において、 となる。 ここで、簡単化するために、Rx1＝Rx2＝Rx3＝Rx4＝Ｒ
とすると、式（３）は、Ｖ＝０となる。 また、Mxによる抵抗の増加分をΔＲ、減少分を−ΔＲ
とすると、第１表よりMxによる出力は となる。 すなわち、Mxによる出力変化（感度ΔＶ）は、 ΔＶ＝ΔＲ・Ｉ ……（５） となる。 次に、第５図（ｂ）において、 となる。 ここで、Ry1＝Ry2＝Ry3＝Ry4＝Ｒとすると、式（６）
は、Ｖ＝０となる。 また、Mxによる抵抗変化はないとすると、 すなわち、Mxによる感度ΔＶは、 ΔＶ＝０ ……（８） となる。 つぎに、第５図（ｃ）において、 ここで、Rz1＝Rz2＝Rz3＝Rz4＝Ｒとすると、式（９）
は、Ｖ＝０となる。 また、Mxによる抵抗の増加分をΔＲ、減少分を−ΔＲ
とすると、 となる。すなわち、Mxによる感度ΔＶは、 Ｖ＝０ ……（11） となる。 以上の事項は、Mxについて述べたが、My、Fzについて
も同様に考えられる。 しかして、第５図（ａ）（ｂ）（ｃ）のブリツジ回路
は、 （ｉ）．各検出素子３の抵抗は等しい。 （ii）．検出素子３の抵抗の増減ΔＲが等しい。 と云う条件の下で、Mx,My,Fzの３成分は互いに干渉され
ることなく検出することができるものである。 本発明の第二の実施例を第８図及び第９図に基づいて
説明する。本実施例は検出素子３の出力の外部への取り
出し手段が前記実施例と相違するものである。すなわ
ち、起歪体４は検出素子３の出力信号を外部に取り出す
ためのステムを兼ねているものであり、単結晶基板１の
外周部に複数本のリードピン17が配設されているもので
ある。 本発明の第三の実施例を第10図及び第11図に基づいて
説明する。前記実施例においては、単結晶基板１と起歪
体４とは別部材であり、両者の中心位置を正確に定める
必要性がある。すなわち、両者の中心位置の位置ずれが
発生すると、各成分力の干渉が発生し、検出精度が低下
する問題がある。しかしながら、加工上の問題から両者
の相対的位置ずれをなくすことは厳密な意味では不可能
であり、このような相対的位置ずれをある程度許容でき
るようにしたのが、本実施例である。 しかして、本実施例においては、起歪体の弾性変形面
10に力伝達体８を中心とする同心円上に位置させて８個
の円形の孔18を等間隔に形成したものである。これらの
孔18は、前記検出素子３のそれぞれの間に位置している
ものであり、 なる検出素子３と なる検出素子３と なる検出素子３とのそれぞれと互いに22.5度の相対位置
をもつて形成されている。 このような構成において、力伝達体８に外力を作用し
た時に、弾性変形面10に外力に応じた方向の変形が発生
するが、孔18が設けられていることにより、その歪の発
生は主として半径方向にのみ生じるものであり、円周方
向の応力がない状態になる。これにより、各成分力の干
渉がなくなり、成分力分離が良好に行なわれる。さら
に、孔18の存在により検出素子３に与える歪が拡大し、
感度が良くなるものである。なお、単結晶基板１に関し
てみれば、その厚さが0.3mm以下になると感度は良くな
るものであるが、この厚さでは加工性が悪く、歩留まり
が悪くなるので、これらの問題がない程度の厚さに設定
して孔18を開ける方が望ましい。 つぎに、第12図に基づいて本発明の第四の実施例を説
明する。本実施例は起歪体４の弾性変形面10に形成する
孔を扇形孔19として形成したものである。このような形
状により、円周方向の応力の発生を有効に防止して半径
方向にのみ歪が発生するようにしたものである。 さらに、第13図に示すものは、本発明の第五の実施例
で、前述の第10図及び第11図に示した起歪体４に形成し
た孔18と同形状の孔20を単結晶基板１にも形成したもの
である。したがつて、孔20のない単結晶基板１において
は、温度変化があつた場合に単結晶基板１はＺ軸方向に
変形し、Ｚ成分の出力が変化してしまうものであるが、
本実施例においては、孔20を形成することにより、熱応
力を分散し、Ｚ成分の温度特性を安定させる。また、本
実施例の場合には、孔18,20が同一形状で同一寸法であ
るため、位置決めピン等を使用して起歪体４に対する単
結晶基板１の相対位置を正確に定めることができるもの
である。もちろん、特に図示しないが両者の位置決め用
のピンを専用に準備して起歪体４と単結晶基板１とにそ
のピンを打ち込むようにしてもよいものである。 第14図に示すものは、本発明の第六の実施例であり、
前述の第四の実施例に対して、単結晶基板１にも扇形孔
19と同様な扇形孔21を形成したものである。したがつ
て、円周方向の応力の発生を有効に防止して半径方向に
のみ歪が発生するようにするとともに、単結晶基板１に
おける熱応力を分散し、Ｚ成分の温度特性を安定させ
る。また、本実施例の場合にも、扇形孔19,21が同一形
状で同一寸法であるため、位置決めピン等を使用して起
歪体４に対する単結晶基板１の相対位置を正確に定める
ことができるものである。 なお、前記第三乃至第六の各実施例においては、起歪
体４と単結晶基板１またはどちらか一方に孔18,20又は
扇形孔19,21を形成した状態について説明したが、これ
らは円周方向の応力発生を防止して半径方向の応力のみ
を発生させるようにしているものであるため、孔形状の
ものに代えて切欠きにより形成してもよいものである。 また、前述の孔18,20又は扇形孔19,21の形状について
は、楕円孔や多角形孔等を用いることも可能である。 効果 本発明は上述のように、Ｘ軸方向とＹ軸方向とこれら
のＸ軸方向及びＹ軸方向に対し所定の角度をもつ方向に
沿って機械的変形により電気抵抗を変化させる複数個の
検出素子を配設した検出面が一面に形成された単結晶基
板を設け、外周部を支持部とし中心部に力伝達体が形成
されるとともにこの力伝達体の周囲に薄肉状の弾性変形
面が形成された起歪体を設け、この起歪体の前記弾性変
形面に前記力伝達体を中心として前記単結晶基板を接着
固定し、Ｘ軸方向とＹ軸方向とこれらのＸ軸方向及びＹ
軸方向に対し所定の角度をもつ方向との各方向に沿った
検出素子によりそれぞれホイートストンブリッジ回路を
形成してＸ軸方向とＹ軸方向とＺ軸方向との力を検出す
るようにしたので、起歪体の中心部には力伝達体が形成
されていること、力伝達体を中心として起歪体に接着固
定された単結晶基板にはＸ軸方向とＹ軸方向とこれらＸ
軸方向及びＹ軸方向に対し所定の角度をもつ方向との３
方向に検出素子が配設されていることとにより、Ｘ、
Ｙ、Ｚ方向の３次元の力の検出ができ、さらに、半導体
プレーナプロセス技術を利用して検出素子の形成を単結
晶基板の表面に直接的に形成してもその単結晶基板には
別部品の起歪体が接着されているため、外力は起歪体に
より受けさせることができ、これにより、単結晶基板で
は検出することができない高い加重でも検出することが
でき、また、衝撃力が加えられても単結晶基板には過大
な力が作用することがなく、さらに、単結晶基板と起歪
体又はどちらか一方に孔又は切欠きを形成したので、検
出素子に作用する円周方向の応力をなくして半径方向の
応力のみを作用させることができ、これにより、検出感
度の高い状態を得ることができるものである。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の第一の実施例を示す縦断側面図、第２
図はキヤツプを取り外した状態の平面図、第３図はｐ−
Si（110）におけるピエゾ抵抗係数を示す特性図、第４
図は検出素子の形状を示す平面図、第５図（ａ）（ｂ）
（ｃ）はブリツジ回路、第６図（ａ）（ｂ）（ｃ）は各
種の応力の発生状態を示す特性図、第７図は製造工程
図、第８図は本発明の第二の実施例を示す縦断側面図、
第９図はキヤツプを取り外した状態の平面図、第10図は
本発明の第三の実施例を示す平面図、第11図はその縦断
側面図、第12図は本発明の第四の実施例を示す平面図、
第13図は本発明の第五の実施例を示す平面図、第14図は
本発明の第六の実施例を示す平面図である。 １……単結晶基板、２……検出面、３……検出素子、４
……起歪体、６……支持部、７……中心部、18,20……
孔、19,21……扇形孔（孔）
図はキヤツプを取り外した状態の平面図、第３図はｐ−
Si（110）におけるピエゾ抵抗係数を示す特性図、第４
図は検出素子の形状を示す平面図、第５図（ａ）（ｂ）
（ｃ）はブリツジ回路、第６図（ａ）（ｂ）（ｃ）は各
種の応力の発生状態を示す特性図、第７図は製造工程
図、第８図は本発明の第二の実施例を示す縦断側面図、
第９図はキヤツプを取り外した状態の平面図、第10図は
本発明の第三の実施例を示す平面図、第11図はその縦断
側面図、第12図は本発明の第四の実施例を示す平面図、
第13図は本発明の第五の実施例を示す平面図、第14図は
本発明の第六の実施例を示す平面図である。 １……単結晶基板、２……検出面、３……検出素子、４
……起歪体、６……支持部、７……中心部、18,20……
孔、19,21……扇形孔（孔）
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フロントページの続き
(72)発明者 谷 克彦
東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株
式会社リコー内
(72)発明者 泉 耕二
東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株
式会社リコー内
(72)発明者 赤堀 隆司
東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株
式会社リコー内
(72)発明者 山崎 博史
東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株
式会社リコー内
(72)発明者 高橋 淳一
東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株
式会社リコー内
(72)発明者 江口 裕俊
東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株
式会社リコー内
(56)参考文献 特開 昭52−119953（ＪＰ，Ａ)
特開 昭57−95673（ＪＰ，Ａ)
実公 昭48−37814（ＪＰ，Ｙ１)
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．Ｘ軸方向とＹ軸方向とこれらのＸ軸方向及びＹ軸方
向に対し所定の角度をもつ方向に沿って機械的変形によ
り電気抵抗を変化させる複数個の検出素子を配設した検
出面が一面に形成された単結晶基板を設け、外周部を支
持部とし中心部に力伝達体が形成されるとともにこの力
伝達体の周囲に薄肉状の弾性変形面が形成された起歪体
を設け、この起歪体の前記弾性変形面に前記力伝達体を
中心として前記単結晶基板を接着固定し、Ｘ軸方向とＹ
軸方向とこれらのＸ軸方向及びＹ軸方向に対し所定の角
度をもつ方向との各方向に沿った検出素子によりそれぞ
れホイートストンブリッジ回路を形成してＸ軸方向とＹ
軸方向とＺ軸方向との力を検出するようにしたことを特
徴とする力検出装置。 ２．Ｘ軸方向とＹ軸方向とこれらのＸ軸方向及びＹ軸方
向に対し所定の角度をもつ方向に沿って機械的変形によ
り電気抵抗を変化させる複数個の検出素子を配設した検
出面が一面に形成された単結晶基板を設け、外周部を支
持部とし中心部に力伝達体が形成されるとともにこの力
伝達体の周囲に薄肉状の弾性変形面が形成された起歪体
を設け、この起歪体の前記弾性変形面に前記力伝達体を
中心として前記単結晶基板を接着固定し、前記起歪体と
前記単結晶基板又はどちらか一方に孔又は切欠きを形成
し、Ｘ軸方向とＹ軸方向とこれらのＸ軸方向及びＹ軸方
向に対し所定の角度をもつ方向との各方向に沿った検出
素子によりそれぞれホイートストンブリッジ回路を形成
してＸ軸方向とＹ軸方向とＺ軸方向との力を検出するよ
うにしたことを特徴とする力検出装置。 ３．単結晶基板と起歪体又はどちらか一方に形成される
孔又は切欠きを複数個とし、これらの孔又は切欠きを同
一円周上に配置したことを特徴とする特許請求の範囲第
２項記載の力検出装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61-259050 | 1986-10-30 | ||
| JP25905086 | 1986-10-30 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63226074A JPS63226074A (ja) | 1988-09-20 |
| JP2670048B2 true JP2670048B2 (ja) | 1997-10-29 |
Family
ID=17328635
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62144316A Expired - Fee Related JP2670048B2 (ja) | 1986-10-30 | 1987-06-10 | 力検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2670048B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7406870B2 (en) | 2005-01-06 | 2008-08-05 | Ricoh Company, Ltd. | Semiconductor sensor |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0382928A (ja) * | 1989-08-25 | 1991-04-08 | Nitta Ind Corp | 力・モーメント検出装置 |
| US7481113B2 (en) | 2005-07-27 | 2009-01-27 | Ricoh Company, Ltd. | Semiconductor sensor with projection for preventing proof mass from sticking to cover plate |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS4837814U (ja) * | 1971-09-08 | 1973-05-09 | ||
| JPS52119953A (en) * | 1976-04-02 | 1977-10-07 | Hitachi Ltd | Displacement converter using semiconductor strain gauges |
| JPH0239104B2 (ja) * | 1980-12-05 | 1990-09-04 | Tokyo Shibaura Electric Co | Handotaikanatsusoshi |
-
1987
- 1987-06-10 JP JP62144316A patent/JP2670048B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7406870B2 (en) | 2005-01-06 | 2008-08-05 | Ricoh Company, Ltd. | Semiconductor sensor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63226074A (ja) | 1988-09-20 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |