JP2746298B2 - 二成分以上の力検出装置 - Google Patents
二成分以上の力検出装置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
る二成分以上の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、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。 この場合、実公昭54−11903号公報、実公昭54−21021
号公報、特開昭59−95433号公報、特開昭61−57825号公
報、特開昭61−79129号公報に開示されているように、
起歪体は八角形の平板リング状等からなるブロツク構造
をしており、このブロツク構造をした起歪体をシリコン
単結晶基板から切り出すには、ダイシングソーカツト
法、レーザ加工法、エツチング加工法等を組合せて加工
しなければならず、その加工が容易ではないという問題
点がある。 また、特開昭61−83929号公報に開示されているよう
に、外力を多成分力に分離して検出するために構造物お
よびプレートを用いているが、検出する各成分毎に剛性
が異なり、また、各成分毎の検査体がビス等により締結
されているため再現性に乏しいということや、さらに、
構造自体がコンパクトでないという問題点がある。 目的 本発明は、このような点に鑑みなされたもので、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
晶基板に形成することにより、コンパクトな構造のもの
とし、また、検出素子により検出される各成分力間の干
渉をなくし高感度な検出を行うことが可能な力検出装置
を得ることを目的とする。 構成 第一の発明は、中心部と周辺部とのいずれか一方を支
持部とし他方を作用部とする起歪体を設け、前記支持部
と前記作用部との間に位置して外力により変形する単結
晶基板を設け、この単結晶基板にピエゾ抵抗係数に方位
性をもたない（111）面よりなる検出面を形成し、この
検出面の中心を通る複数の軸上に機械的変形により電気
抵抗を変化させる検出素子を形成したものである。その
ため、コンパクトな構造のものとすることができ、特
に、検出素子は単結晶基板の（111）面よりなる検出面
に形成されているため、各検出素子による検出成分の相
互干渉を低減することができるものである。 第二の発明は、中心部と周辺部とのいずれか一方を支
持部とし他方を作用部とする起歪体を単結晶基板により
形成し、この起歪体にピエゾ抵抗係数に方位性をもたな
い（111）面よりなる検出面を形成し、この検出面の中
心を通る複数の軸上に機械的変形により電気抵抗を変化
させる検出素子を形成したものである。従って、起歪体
は単結晶基板により一体的に形成されているため、大き
な外力を検出することができないと云う制約はあるもの
の、その構造をきわめて簡単にすることができるもので
ある。 第一の発明の第一の実施例を第１図ないし第７図に基
づいて説明する。 まず、単結晶基板１は、ｎ−Si（110）基板よりなり
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
利用するものである。この場合、Rx1,Rx2,Rx3,Rx4とR
y1,Ry2,Ry3,Ry4なる検出素子３は、＜001＞軸方向に対
して±45゜の角度をなす方向に形成されており、Rz1,Rz
2,Rz3,Rz4,Rz5,Rz6,Rz7,Rz8なる検出素子３は、検出面
２の中心を通る軸上に中心に対して点対称となるように
配置されている。 そして、これらの検出素子３の形状は、第４図に示す
ように、電流ｉが流れるように幅がl1で長さがl2のもの
となつており、かつ、l1≪l2であるように設定されてい
る。 次に、起歪体４は、円板状をなしており、周辺部が固
定用ネジ穴59を備えた支持部６とされ、中心部は力伝達
体７が形成された作用部８とされている。この力伝達体
７の周囲には円形の凹部からなる薄肉状の弾性変形面
（ダイヤフラム）９が形成されている。この弾性変形面
９の表面には前記単結晶基板１が接着固定されている。 また、前記検出素子３は、各々接続端子10に接続さ
れ、これら接続端子10は外部のフレキシブル基板11に形
成された中継端子12にワイヤー13を介して接続されてお
り、さらに、これら中継端子12は外部接続端子14に接続
されている。そして、前記単結晶基板１と前記フレキシ
ブル基板とが接着固定された起歪体４には、外部環境の
影響を除去するためにキヤツプ15が設けられている。 次に、前記力伝達体７に作用する力としては、各軸方
向、すなわち、互いに直交するX,Y,Z方向に沿う力（Fx,
Fy,Fz）と、各軸回りのモーメント（Mx,My,Mz）との６
成分があるが、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図に示すように形成されて
いる。 次に、前記検出素子３の製造方法を第７図に基づいて
説明する。この第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）基板を酸化し、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（Ｂ）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ヤとし、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
ルをエツチングにより開ける。 〔アルミ蒸着／加工〕 アルミニウムにより検出素子３の相互接続および外部
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。 以上のような手順に従つてウエハ処理が行われる。 このような構成において、力伝達体７の作用部８に外
力が作用すると、起歪体４が機械的に変形し、この変形
により単結晶基板１に応力が発生し、この応力の影響を
受けて検出素子３にはピエゾ抵抗効果により抵抗変化Δ
Ｒが生じる。 すなわち、力伝達体７の作用部８に働く外力は、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非常に大きな荷重を受けることがで
きる。また、衝撃荷重が力伝達体７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
い材質のものであつても十分に保護することができる。 次に、検出素子３に応力が作用する時の抵抗変化ΔＲ
について説明する。 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。 なお、σｓがσl,σｔに比べて非常に小さいことか
ら、以下このσｓを無視して考察する。 また、検出素子３の形状は、第４図に示すように、l1
≪l2に設定されているので、（１）式は次のように変形
される。 ΔR/R＝πｌσｌ …（２） このとき、力伝達体７にFz,Mx,Myの３成分の力が作用
したとすれば、検出素子３の抵抗変化ΔＲは、第１図お
よび第６図から次に示すようなものとなる。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 Rz5,Rz7は減少、Rz6,Rz8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 Rz5,Rz7は減少、Rz6,Rz8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 Rz5,Rz8は減少、Rz6,Rz7は増加 となる。 このような抵抗変化をまとめると、次の第１表のよう
になる。 次に、力の３成分力（Mx,My,Fz）が、第５図に示すよ
うなブリツジ回路が構成された場合、互いの成分力に干
渉されることなく各回路毎にMx,My,Fzの出力Ｖが得られ
ることについて述べる。 例えば、Mxが加わつたとすると、第５図の出力Ｖはそ
れぞれ次のようになる。 まず、第５図（ａ）においては、となる。 ここで、Rx1＝Rx2＝Rx3＝Rx4＝Ｒとすると、（３）式
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表により（３）式の出力Ｖは変形され
て、 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）においては、 となる。 ここで、Ry1＝Ry2＝Ry3＝Ry4＝Ｒとすると、（６）式
は、Ｖ＝０となる。 また、第１表によりMxによる抵抗変化はなくΔＲ＝０
なので、（６）式の出力Ｖは、 となる。 すなわち、Mxによる感度ΔＶは、 ΔＶ＝０ …（８） となる。 次に、第５図（Ｃ）においては、 ここで、Rz1＝Rz2＝Rz3＝Rz4＝Rz5＝Rz6＝Rz7＝Rz8＝
Ｒとすると、（９）式は、Ｖ＝０となる。 また、Mxによる抵抗の増加分をΔＲ′、減少分を−Δ
Ｒ′とすると、 Ｖ＝（A/B）・Ｉ ＝０ …（10） ただし、 Ａ＝｛−（Ｒ−ΔＲ′＋Ｒ＋ΔＲ′）（Ｒ−ΔＲ′＋Ｒ＋ΔＲ′） ＋（Ｒ＋ΔＲ′＋Ｒ−ΔＲ′）（Ｒ−ΔＲ′＋Ｒ＋ΔＲ′）｝ Ｂ＝｛（Ｒ−ΔＲ′）＋（Ｒ＋ΔＲ′）＋（Ｒ−Δ
Ｒ′） ＋（Ｒ＋ΔＲ′）＋（Ｒ−ΔＲ′） ＋（Ｒ＋ΔＲ′）＋（Ｒ−ΔＲ′） ＋（Ｒ＋ΔＲ′）｝ となる。すなわち、Mxによる感度ΔＶは、 ΔＶ＝０ …（11） となる。 検出面２の中心点のについて点対称な位置関係にある
検出素子３は、Mx又はMyが加わつたときには、絶対値が
等しく反対符号の歪を生じる。この場合、検出面２の中
心を通る複数の軸上に検出素子３を設けているため、
（９）式における分子の各項内の変化分は必ず打消し合
うことになる。すなわち、（10）式においてΔＲ′が全
て等しくなる必要はなく、中心点について対称な位置に
検出素子３の組を作るだけでよい。これにより、Mx、M
y、Fzの３成分力を互いに干渉されることなく検出する
ことが可能となる。また、Fz検出用の検出素子３は、M
x、My検出用の検出素子３の位置とは関係なく形成でき
るため、感度の高い結晶方位に形成することが望まし
い。 また、起歪体４の構造上、Fzの検出感度は、Mx、Myの
検出感度に対して劣る。すなわち、Mx、Myの場合は力伝
達体７の長さの分だけ、ダイヤフラム９部に生じる歪が
増幅されるが、Fzの場合はそのような増幅作用がなく、
ΔＲ＞ΔＲ′である。このため、Fzに対する検出感度
が、Mx、Myに対する検出感度よりも劣る結果となる。し
かし、本実施例においては、このような点においても改
善を図ることができる。 すなわち、今、Fz方向の力が加わつた場合、 Ｖ＝（C/D）・Ｉ ＝２ΔＲ′・Ｉ …（12） ただし、 Ｃ＝｛−Ｒ−ΔＲ′＋Ｒ−ΔＲ′）（Ｒ−ΔＲ′＋Ｒ−ΔＲ′） ＋（Ｒ＋ΔＲ′＋Ｒ＋ΔＲ′）（Ｒ＋ΔＲ′＋Ｒ＋ΔＲ′）｝ Ｄ＝（Ｒ−ΔＲ′＋Ｒ＋ΔＲ′＋Ｒ＋ΔＲ′＋Ｒ −ΔＲ′＋Ｒ−ΔＲ′＋Ｒ＋ΔＲ′＋Ｒ ＋ΔＲ′＋Ｒ＋ΔＲ′） となる。この場合、本出願人による先願（特願昭62−14
4316号）がＶ＝ΔＲ′・Ｉの出力しかないのと比較する
と、本実施例では検出感度が２倍となつている。ここで
は、Fz検出用の抵抗の軸を２本としているが、Fzに対す
る検出感度を高くしたい場合には、軸線を３本、４本…
というように増やせばよく、理想的には、ΔＲ＝ｎ・Δ
Ｒ′で決められるｎ本にすればよい。従つて、上述した
ように検出素子３を配設することによつて、各成分力の
相互干渉を一段と低減させることができると共に、Ｚ軸
の成分力に対する検出感度を一段と向上させ、X,Y軸の
成分力との検出感度のアンバランスを改善することがで
きる。 以上、Mxについて（３）式から（11）式までを求めて
きたが、この他のMy、Fzについても同様な考え方で求め
られるので、ここでの説明は省略する。 次に、第一の発明の第二の実施例を第８図および第10
図に基づて説明する。本実施例は検出素子の出力の外部
への取り出し手段が第一の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の周辺部に複数本のリードピン16が配設され
ているものである。なお、その他の部分については第一
の実施例と同じなのでその説明については省略する。 次に、第一の発明の第三の実施例を第10図に基づいて
説明する。本実施例は検出素子の形成されている単結晶
基板が第一の実施例と相違するものである。すなわち、
単結晶基板１は、（111）面からなるものであり、第10
図に示すように、そのピエゾ抵抗係数πl,πｔの値は、
その中心点Ｏの位置からどの方位に対しても等しい値を
もつものとなつている。 これにより、検出素子３の検出感度はその形成方位に
制約を受けないため、中心点Ｏを通る軸上であればどの
方位に対しても自由な方向に検出素子３を形成すること
が可能となる。すなわち、（111）面に面方位を選ぶこ
とにより、Ｚ軸方向の検出感度の補正を制約を受けずに
行うことができる。 なお、上述した第一の発明の第一の実施例乃至第三の
実施例では、外力を検出するために起歪体４を用いて行
なったものであるが、外力を検出するための第二の発明
としては、起歪体４を別個に形成せずに単結晶基板１だ
けで起歪体４を構成するようにしてもよい。すなわち、
第二の発明としては、図示しない支持部、作用部、力伝
達体を単結晶基板により構成して外力の検出を行うもの
である。 効果 第一の発明は上述のように、中心部と周辺部とのいず
れか一方を支持部とし他方を作用部とする起歪体を設
け、前記支持部と前記作用部との間に位置して外力によ
り変形する単結晶基板を設け、この単結晶基板にピエゾ
抵抗係数に方位性をもたない（111）面よりなる検出面
を形成し、この検出面の中心を通る複数の軸上に機械的
変形により電気抵抗を変化させる検出素子を形成したの
で、コンパクトな構造のものとすることができ、特に、
検出素子は単結晶基板の（111）面よりなる検出面に形
成されているため、各検出素子による検出成分の相互干
渉を低減することができると云う効果を有する。 第二の発明は、中心部と周辺部とのいずれか一方を支
持部とし他方を作用部とする起歪体を単結晶基板により
形成し、この起歪体にピエゾ抵抗係数に方位性をもたな
い（111）面よりなる検出面を形成し、この検出面の中
心を通る複数の軸上に機械的変形により電気抵抗を変化
させる検出素子を形成したので、起歪体は単結晶基板に
より一体的に形成されているため、大きな外力を検出す
ることができないと云う制約はあるものの、その構造を
きわめて簡単にすることができると云う効果を有する。
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
る二成分以上の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、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。 この場合、実公昭54−11903号公報、実公昭54−21021
号公報、特開昭59−95433号公報、特開昭61−57825号公
報、特開昭61−79129号公報に開示されているように、
起歪体は八角形の平板リング状等からなるブロツク構造
をしており、このブロツク構造をした起歪体をシリコン
単結晶基板から切り出すには、ダイシングソーカツト
法、レーザ加工法、エツチング加工法等を組合せて加工
しなければならず、その加工が容易ではないという問題
点がある。 また、特開昭61−83929号公報に開示されているよう
に、外力を多成分力に分離して検出するために構造物お
よびプレートを用いているが、検出する各成分毎に剛性
が異なり、また、各成分毎の検査体がビス等により締結
されているため再現性に乏しいということや、さらに、
構造自体がコンパクトでないという問題点がある。 目的 本発明は、このような点に鑑みなされたもので、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
晶基板に形成することにより、コンパクトな構造のもの
とし、また、検出素子により検出される各成分力間の干
渉をなくし高感度な検出を行うことが可能な力検出装置
を得ることを目的とする。 構成 第一の発明は、中心部と周辺部とのいずれか一方を支
持部とし他方を作用部とする起歪体を設け、前記支持部
と前記作用部との間に位置して外力により変形する単結
晶基板を設け、この単結晶基板にピエゾ抵抗係数に方位
性をもたない（111）面よりなる検出面を形成し、この
検出面の中心を通る複数の軸上に機械的変形により電気
抵抗を変化させる検出素子を形成したものである。その
ため、コンパクトな構造のものとすることができ、特
に、検出素子は単結晶基板の（111）面よりなる検出面
に形成されているため、各検出素子による検出成分の相
互干渉を低減することができるものである。 第二の発明は、中心部と周辺部とのいずれか一方を支
持部とし他方を作用部とする起歪体を単結晶基板により
形成し、この起歪体にピエゾ抵抗係数に方位性をもたな
い（111）面よりなる検出面を形成し、この検出面の中
心を通る複数の軸上に機械的変形により電気抵抗を変化
させる検出素子を形成したものである。従って、起歪体
は単結晶基板により一体的に形成されているため、大き
な外力を検出することができないと云う制約はあるもの
の、その構造をきわめて簡単にすることができるもので
ある。 第一の発明の第一の実施例を第１図ないし第７図に基
づいて説明する。 まず、単結晶基板１は、ｎ−Si（110）基板よりなり
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
利用するものである。この場合、Rx1,Rx2,Rx3,Rx4とR
y1,Ry2,Ry3,Ry4なる検出素子３は、＜001＞軸方向に対
して±45゜の角度をなす方向に形成されており、Rz1,Rz
2,Rz3,Rz4,Rz5,Rz6,Rz7,Rz8なる検出素子３は、検出面
２の中心を通る軸上に中心に対して点対称となるように
配置されている。 そして、これらの検出素子３の形状は、第４図に示す
ように、電流ｉが流れるように幅がl1で長さがl2のもの
となつており、かつ、l1≪l2であるように設定されてい
る。 次に、起歪体４は、円板状をなしており、周辺部が固
定用ネジ穴59を備えた支持部６とされ、中心部は力伝達
体７が形成された作用部８とされている。この力伝達体
７の周囲には円形の凹部からなる薄肉状の弾性変形面
（ダイヤフラム）９が形成されている。この弾性変形面
９の表面には前記単結晶基板１が接着固定されている。 また、前記検出素子３は、各々接続端子10に接続さ
れ、これら接続端子10は外部のフレキシブル基板11に形
成された中継端子12にワイヤー13を介して接続されてお
り、さらに、これら中継端子12は外部接続端子14に接続
されている。そして、前記単結晶基板１と前記フレキシ
ブル基板とが接着固定された起歪体４には、外部環境の
影響を除去するためにキヤツプ15が設けられている。 次に、前記力伝達体７に作用する力としては、各軸方
向、すなわち、互いに直交するX,Y,Z方向に沿う力（Fx,
Fy,Fz）と、各軸回りのモーメント（Mx,My,Mz）との６
成分があるが、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図に示すように形成されて
いる。 次に、前記検出素子３の製造方法を第７図に基づいて
説明する。この第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）基板を酸化し、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（Ｂ）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ヤとし、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
ルをエツチングにより開ける。 〔アルミ蒸着／加工〕 アルミニウムにより検出素子３の相互接続および外部
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。 以上のような手順に従つてウエハ処理が行われる。 このような構成において、力伝達体７の作用部８に外
力が作用すると、起歪体４が機械的に変形し、この変形
により単結晶基板１に応力が発生し、この応力の影響を
受けて検出素子３にはピエゾ抵抗効果により抵抗変化Δ
Ｒが生じる。 すなわち、力伝達体７の作用部８に働く外力は、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非常に大きな荷重を受けることがで
きる。また、衝撃荷重が力伝達体７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
い材質のものであつても十分に保護することができる。 次に、検出素子３に応力が作用する時の抵抗変化ΔＲ
について説明する。 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。 なお、σｓがσl,σｔに比べて非常に小さいことか
ら、以下このσｓを無視して考察する。 また、検出素子３の形状は、第４図に示すように、l1
≪l2に設定されているので、（１）式は次のように変形
される。 ΔR/R＝πｌσｌ …（２） このとき、力伝達体７にFz,Mx,Myの３成分の力が作用
したとすれば、検出素子３の抵抗変化ΔＲは、第１図お
よび第６図から次に示すようなものとなる。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 Rz5,Rz7は減少、Rz6,Rz8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 Rz5,Rz7は減少、Rz6,Rz8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 Rz5,Rz8は減少、Rz6,Rz7は増加 となる。 このような抵抗変化をまとめると、次の第１表のよう
になる。 次に、力の３成分力（Mx,My,Fz）が、第５図に示すよ
うなブリツジ回路が構成された場合、互いの成分力に干
渉されることなく各回路毎にMx,My,Fzの出力Ｖが得られ
ることについて述べる。 例えば、Mxが加わつたとすると、第５図の出力Ｖはそ
れぞれ次のようになる。 まず、第５図（ａ）においては、となる。 ここで、Rx1＝Rx2＝Rx3＝Rx4＝Ｒとすると、（３）式
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表により（３）式の出力Ｖは変形され
て、 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）においては、 となる。 ここで、Ry1＝Ry2＝Ry3＝Ry4＝Ｒとすると、（６）式
は、Ｖ＝０となる。 また、第１表によりMxによる抵抗変化はなくΔＲ＝０
なので、（６）式の出力Ｖは、 となる。 すなわち、Mxによる感度ΔＶは、 ΔＶ＝０ …（８） となる。 次に、第５図（Ｃ）においては、 ここで、Rz1＝Rz2＝Rz3＝Rz4＝Rz5＝Rz6＝Rz7＝Rz8＝
Ｒとすると、（９）式は、Ｖ＝０となる。 また、Mxによる抵抗の増加分をΔＲ′、減少分を−Δ
Ｒ′とすると、 Ｖ＝（A/B）・Ｉ ＝０ …（10） ただし、 Ａ＝｛−（Ｒ−ΔＲ′＋Ｒ＋ΔＲ′）（Ｒ−ΔＲ′＋Ｒ＋ΔＲ′） ＋（Ｒ＋ΔＲ′＋Ｒ−ΔＲ′）（Ｒ−ΔＲ′＋Ｒ＋ΔＲ′）｝ Ｂ＝｛（Ｒ−ΔＲ′）＋（Ｒ＋ΔＲ′）＋（Ｒ−Δ
Ｒ′） ＋（Ｒ＋ΔＲ′）＋（Ｒ−ΔＲ′） ＋（Ｒ＋ΔＲ′）＋（Ｒ−ΔＲ′） ＋（Ｒ＋ΔＲ′）｝ となる。すなわち、Mxによる感度ΔＶは、 ΔＶ＝０ …（11） となる。 検出面２の中心点のについて点対称な位置関係にある
検出素子３は、Mx又はMyが加わつたときには、絶対値が
等しく反対符号の歪を生じる。この場合、検出面２の中
心を通る複数の軸上に検出素子３を設けているため、
（９）式における分子の各項内の変化分は必ず打消し合
うことになる。すなわち、（10）式においてΔＲ′が全
て等しくなる必要はなく、中心点について対称な位置に
検出素子３の組を作るだけでよい。これにより、Mx、M
y、Fzの３成分力を互いに干渉されることなく検出する
ことが可能となる。また、Fz検出用の検出素子３は、M
x、My検出用の検出素子３の位置とは関係なく形成でき
るため、感度の高い結晶方位に形成することが望まし
い。 また、起歪体４の構造上、Fzの検出感度は、Mx、Myの
検出感度に対して劣る。すなわち、Mx、Myの場合は力伝
達体７の長さの分だけ、ダイヤフラム９部に生じる歪が
増幅されるが、Fzの場合はそのような増幅作用がなく、
ΔＲ＞ΔＲ′である。このため、Fzに対する検出感度
が、Mx、Myに対する検出感度よりも劣る結果となる。し
かし、本実施例においては、このような点においても改
善を図ることができる。 すなわち、今、Fz方向の力が加わつた場合、 Ｖ＝（C/D）・Ｉ ＝２ΔＲ′・Ｉ …（12） ただし、 Ｃ＝｛−Ｒ−ΔＲ′＋Ｒ−ΔＲ′）（Ｒ−ΔＲ′＋Ｒ−ΔＲ′） ＋（Ｒ＋ΔＲ′＋Ｒ＋ΔＲ′）（Ｒ＋ΔＲ′＋Ｒ＋ΔＲ′）｝ Ｄ＝（Ｒ−ΔＲ′＋Ｒ＋ΔＲ′＋Ｒ＋ΔＲ′＋Ｒ −ΔＲ′＋Ｒ−ΔＲ′＋Ｒ＋ΔＲ′＋Ｒ ＋ΔＲ′＋Ｒ＋ΔＲ′） となる。この場合、本出願人による先願（特願昭62−14
4316号）がＶ＝ΔＲ′・Ｉの出力しかないのと比較する
と、本実施例では検出感度が２倍となつている。ここで
は、Fz検出用の抵抗の軸を２本としているが、Fzに対す
る検出感度を高くしたい場合には、軸線を３本、４本…
というように増やせばよく、理想的には、ΔＲ＝ｎ・Δ
Ｒ′で決められるｎ本にすればよい。従つて、上述した
ように検出素子３を配設することによつて、各成分力の
相互干渉を一段と低減させることができると共に、Ｚ軸
の成分力に対する検出感度を一段と向上させ、X,Y軸の
成分力との検出感度のアンバランスを改善することがで
きる。 以上、Mxについて（３）式から（11）式までを求めて
きたが、この他のMy、Fzについても同様な考え方で求め
られるので、ここでの説明は省略する。 次に、第一の発明の第二の実施例を第８図および第10
図に基づて説明する。本実施例は検出素子の出力の外部
への取り出し手段が第一の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の周辺部に複数本のリードピン16が配設され
ているものである。なお、その他の部分については第一
の実施例と同じなのでその説明については省略する。 次に、第一の発明の第三の実施例を第10図に基づいて
説明する。本実施例は検出素子の形成されている単結晶
基板が第一の実施例と相違するものである。すなわち、
単結晶基板１は、（111）面からなるものであり、第10
図に示すように、そのピエゾ抵抗係数πl,πｔの値は、
その中心点Ｏの位置からどの方位に対しても等しい値を
もつものとなつている。 これにより、検出素子３の検出感度はその形成方位に
制約を受けないため、中心点Ｏを通る軸上であればどの
方位に対しても自由な方向に検出素子３を形成すること
が可能となる。すなわち、（111）面に面方位を選ぶこ
とにより、Ｚ軸方向の検出感度の補正を制約を受けずに
行うことができる。 なお、上述した第一の発明の第一の実施例乃至第三の
実施例では、外力を検出するために起歪体４を用いて行
なったものであるが、外力を検出するための第二の発明
としては、起歪体４を別個に形成せずに単結晶基板１だ
けで起歪体４を構成するようにしてもよい。すなわち、
第二の発明としては、図示しない支持部、作用部、力伝
達体を単結晶基板により構成して外力の検出を行うもの
である。 効果 第一の発明は上述のように、中心部と周辺部とのいず
れか一方を支持部とし他方を作用部とする起歪体を設
け、前記支持部と前記作用部との間に位置して外力によ
り変形する単結晶基板を設け、この単結晶基板にピエゾ
抵抗係数に方位性をもたない（111）面よりなる検出面
を形成し、この検出面の中心を通る複数の軸上に機械的
変形により電気抵抗を変化させる検出素子を形成したの
で、コンパクトな構造のものとすることができ、特に、
検出素子は単結晶基板の（111）面よりなる検出面に形
成されているため、各検出素子による検出成分の相互干
渉を低減することができると云う効果を有する。 第二の発明は、中心部と周辺部とのいずれか一方を支
持部とし他方を作用部とする起歪体を単結晶基板により
形成し、この起歪体にピエゾ抵抗係数に方位性をもたな
い（111）面よりなる検出面を形成し、この検出面の中
心を通る複数の軸上に機械的変形により電気抵抗を変化
させる検出素子を形成したので、起歪体は単結晶基板に
より一体的に形成されているため、大きな外力を検出す
ることができないと云う制約はあるものの、その構造を
きわめて簡単にすることができると云う効果を有する。
【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平面図、第２図は
その縦断側面図、第３図はｎ−Si（110）基板のピエゾ
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図はブリツジ回路図、第６図はX,Y,Z軸各
方向に作用する応力の状態を示す特性図、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平面図、
第９図はその縦断側面図、第10図は本発明の第三の実施
例を示すｎ−Si（111）基板のピエゾ抵抗係数を示す特
性図である。 １……単結晶基板、２……検出面、３……検出素子、４
……起歪体、６……支持部、８……作用部
その縦断側面図、第３図はｎ−Si（110）基板のピエゾ
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図はブリツジ回路図、第６図はX,Y,Z軸各
方向に作用する応力の状態を示す特性図、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平面図、
第９図はその縦断側面図、第10図は本発明の第三の実施
例を示すｎ−Si（111）基板のピエゾ抵抗係数を示す特
性図である。 １……単結晶基板、２……検出面、３……検出素子、４
……起歪体、６……支持部、８……作用部
フロントページの続き
(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 小坂 大介
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 松本 庄司
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 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
(56)参考文献 特開 昭61−223626（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−214582（ＪＰ，Ａ)
特開 昭63−266325（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．中心部と周辺部とのいずれか一方を支持部とし他方
を作用部とする起歪体を設け、前記支持部と前記作用部
との間に位置して外力により変形する単結晶基板を設
け、この単結晶基板にピエゾ抵抗係数に方位性をもたな
い（111）面よりなる検出面を形成し、この検出面の中
心を通る複数の軸上に機械的変形により電気抵抗を変化
させる検出素子を形成したことを特徴とする二成分以上
の力検出装置。 ２．中心部と周辺部とのいずれか一方を支持部とし他方
を作用部とする起歪体を単結晶基板により形成し、この
起歪体にピエゾ抵抗係数に方位性をもたない（111）面
よりなる検出面を形成し、この検出面の中心を通る複数
の軸上に機械的変形により電気抵抗を変化させる検出素
子を形成したことを特徴とする二成分以上の力検出装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62221085A JP2746298B2 (ja) | 1987-09-03 | 1987-09-03 | 二成分以上の力検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62221085A JP2746298B2 (ja) | 1987-09-03 | 1987-09-03 | 二成分以上の力検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6463831A JPS6463831A (en) | 1989-03-09 |
| JP2746298B2 true JP2746298B2 (ja) | 1998-05-06 |
Family
ID=16761253
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62221085A Expired - Fee Related JP2746298B2 (ja) | 1987-09-03 | 1987-09-03 | 二成分以上の力検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2746298B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7458281B2 (en) | 2004-10-26 | 2008-12-02 | Honda Motor Co., Ltd. | Multi-axis force sensor chip and multi-axis force sensor using same |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1327870B1 (en) | 2002-01-11 | 2013-05-08 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Six-axis force sensor |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0697697B2 (ja) * | 1985-03-20 | 1994-11-30 | 株式会社日立製作所 | 半導体圧力変換装置 |
| JPS61223626A (ja) * | 1985-03-29 | 1986-10-04 | Nec Corp | センサ |
| JPH0617834B2 (ja) * | 1987-04-24 | 1994-03-09 | 株式会社エンプラス研究所 | 力検出装置 |
-
1987
- 1987-09-03 JP JP62221085A patent/JP2746298B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7458281B2 (en) | 2004-10-26 | 2008-12-02 | Honda Motor Co., Ltd. | Multi-axis force sensor chip and multi-axis force sensor using same |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6463831A (en) | 1989-03-09 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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