JP7369585B2 - force sensor array - Google Patents

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Description

本発明は、導電性部材、特にCr基薄膜からなる導電性部材を用いた複数の力センサにより構成されている力センサアレイに関する。 The present invention relates to a force sensor array constituted by a plurality of force sensors using conductive members, particularly conductive members made of Cr-based thin films.

力センサアレイなどからなる面内圧力分布センサ(面圧分布センサ)により、例えば、人の立位時の足裏、椅子に着席時の椅子座面上、横たわっている時のベッド上などにおける力(圧力)分布の測定が行われている。そこで用いられる力センサは導電性ゴムからなるもので、ほぼ平坦な薄いシート状をなす。それらは簡便に分解能良く面圧分布を計測できるが、測定値の精度、繰り返し耐久性、3軸計測(せん断方向成分検知)、動的計測時の耐荷重などに課題がある。一方、ダイアフラム等の起歪構造体を用いた力センサには、シリコン基材からなるMEMS素子およびステンレス等の金属からなる起歪体上に薄膜センサを形成したものがある。前者は耐荷重や耐衝撃性に問題があり、後者は主にひずみゲージが用いられるが小型化が難しく、さらに従来の金属箔ひずみゲージの場合は高感度化にも課題があった。 An in-plane pressure distribution sensor (surface pressure distribution sensor) consisting of a force sensor array detects, for example, the force on the sole of a person's feet when standing, on the seat of a chair when sitting on a chair, on the bed when lying down, etc. (Pressure) distribution measurements are being carried out. The force sensor used there is made of conductive rubber and is shaped like a thin, almost flat sheet. Although they can easily measure surface pressure distribution with good resolution, there are issues with the accuracy of measurement values, repeat durability, three-axis measurement (shear direction component detection), and load capacity during dynamic measurement. On the other hand, force sensors using a strain-generating structure such as a diaphragm include those in which a thin film sensor is formed on a MEMS element made of a silicon base material and a strain-generating body made of a metal such as stainless steel. The former has problems with load capacity and impact resistance, while the latter mainly uses strain gauges, but it is difficult to miniaturize, and in the case of conventional metal foil strain gauges, there is also a problem in increasing sensitivity.

本発明者により、Crおよび不可避不純物からなるCr基薄膜またはCr、Nおよび不可避不純物からなるCr基薄膜により構成されている導電性部材が提案されている(特許文献1参照)。これらの導電性部材は、歪センサをなすものであり、薄膜、細線または箔形状のセンサ材の電気抵抗が弾性ひずみによって変化する現象を利用して、その抵抗変化を測定することにより、ひずみや応力、ひいては各種力学量の計測ならびに変換に用いられる。ひずみセンサの感度は、ゲージ率Gfによって決まり、Gfの値は一般に次の関係式(1)により与えられる。 The present inventor has proposed a conductive member configured of a Cr-based thin film made of Cr and unavoidable impurities or a Cr-based thin film made of Cr, N and unavoidable impurities (see Patent Document 1). These conductive members form strain sensors, and utilize the phenomenon that the electrical resistance of a sensor material in the form of a thin film, thin wire, or foil changes due to elastic strain, and by measuring the change in resistance, strain and It is used to measure and convert stress and various mechanical quantities. The sensitivity of the strain sensor is determined by the gauge factor Gf, and the value of Gf is generally given by the following relational expression (1).

Gf=(ΔR/R)/(Δl/l)
=1+2σ+(Δρ/ρ)/(Δl/l) ‥(1)。
Gf=(ΔR/R)/(Δl/l)
=1+2σ+(Δρ/ρ)/(Δl/l) (1).

ここで、R、σおよびρは、それぞれ導電性部材である薄膜、細線または箔の全抵抗、ポアソン比および電気比抵抗である。またlは被測定体の全長であり、よってΔl/lは被測定体に生じるひずみを表す。Crのゲージ率は大きく、それはひずみによる電子構造の変化に起因して、(1)式の右辺最終項の比抵抗の変化率Δρ/ρが大幅に変化することによる。薄膜化してもゲージ率は同様に大きく(成膜条件によっては減少する)、また、他元素を含むとゲージ率は基本的に減少するものの、その添加量が少量であれば従来の市販箔ひずみゲージよりも大きな3以上のゲージ率を示す。逆に言えば、ゲージ率が3以上を示すCrからなる導電性部材またはCrおよび/または複数の元素からなる導電性部材は、上記のCrの電子構造変化に起因して比抵抗が大きく変化する性質をもつものであり、そのようなCr基薄膜全てが本発明における導電性部材の対象である。それらは同時に、スパッタリング等で作製したCr基薄膜が、特許文献1に見られるようなひずみに対する縦感度(主軸感度)と同程度の大きさの横感度を持つことが可能であり、それは電子構造の変化に起因する(1)式の(Δρ/ρ)/(Δl/l)の変化が等方的であることによる。 Here, R, σ, and ρ are the total resistance, Poisson's ratio, and electrical specific resistance of the thin film, thin wire, or foil, which are the conductive members, respectively. Further, l is the total length of the object to be measured, and therefore Δl/l represents the strain occurring in the object to be measured. The gauge factor of Cr is large, and this is because the rate of change in resistivity Δρ/ρ, the last term on the right side of equation (1), changes significantly due to changes in the electronic structure due to strain. Even if the film is made thinner, the gauge factor is still large (it decreases depending on the film forming conditions), and if other elements are added, the gauge factor basically decreases, but if the amount added is small, it will not be the same as the conventional commercially available strained foil. Shows a gauge factor of 3 or more, which is larger than the gauge. Conversely, a conductive member made of Cr having a gauge factor of 3 or more or a conductive member made of Cr and/or a plurality of elements has a large change in specific resistance due to the above-mentioned change in the electronic structure of Cr. All such Cr-based thin films are intended as conductive members in the present invention. At the same time, a Cr-based thin film produced by sputtering etc. can have a horizontal sensitivity comparable to the longitudinal sensitivity (principal axis sensitivity) to strain as seen in Patent Document 1, which is due to the fact that the electronic structure This is because the change in (Δρ/ρ)/(Δl/l) in equation (1) caused by the change in is isotropic.

したがって、この導電性部材は、測定用の電流が流れる方向である受感部の長手方向が、対象物のひずみの方向に対して垂直になるように配置され、測定用の電流が流れる方向である受感部の長手方向が、対象物のひずみの方向に対して平行になるように配置された場合と、同程度のゲージ率(3以上)を有する。そのほか、本発明者により、CrおよびMnからなるCr基薄膜またはCrおよびAlからなるCr基薄膜、ならびにCr、AlおよびNからなるCr基薄膜のそれぞれにより構成されている導電性部材が提案されている(特許文献2~3参照)。 Therefore, this conductive member is arranged so that the longitudinal direction of the sensing part, which is the direction in which the measurement current flows, is perpendicular to the direction of strain on the object, and It has a gauge factor (3 or more) comparable to that in a case where the longitudinal direction of a certain sensing part is arranged parallel to the direction of strain of the object. In addition, the present inventor has proposed a conductive member composed of a Cr-based thin film made of Cr and Mn, a Cr-based thin film made of Cr and Al, and a Cr-based thin film made of Cr, Al, and N. (See Patent Documents 2 and 3).

特許第6084393号公報Patent No. 6084393 特開2018091705号公報JP2018091705A 特開2018091848号公報JP2018091848A

従来のひずみゲージ式のダイアフラム型面圧分布センサは、導電性部材について縦感度を用いた径方向配置を利用することからダイアフラム型素子の起歪部の幅(径方向の長さ)が大きくなるため、ダイアフラム自身の小型化や一素子内での受感部の多数配列が難しかった。それ故、分布センサにおける素子数の高密度化(=高分解能化)、軽量化と高耐荷重化の両立、せん断方向(面内方向)成分の検知またはせん断方向のノイズ除去などが困難であった。その課題の解決のために、本発明は、ゲージ率について等方性を有する導電性部材の応用範囲の拡張を図り得る力センサアレイを提供することを目的とする。 Conventional strain gauge-type diaphragm surface pressure distribution sensors use a radial arrangement of conductive members with longitudinal sensitivity, which increases the width (radial length) of the strain-generating part of the diaphragm element. Therefore, it has been difficult to miniaturize the diaphragm itself and to arrange multiple sensing sections within one element. Therefore, it is difficult to increase the density of elements (higher resolution) in distributed sensors, to achieve both weight reduction and higher load capacity, to detect components in the shear direction (in-plane direction), or to remove noise in the shear direction. Ta. In order to solve this problem, an object of the present invention is to provide a force sensor array that can expand the range of applications of a conductive member having isotropy in terms of gauge factor.

本発明は、Cr基薄膜およびその大きな横感度を利用した周方向配置からなる導電性部材を用いることを特徴とし、上記の課題を解決することができる。周方向(同心円状)配置の利用により、フォトリソグラフィーで実現可能な非常に細い線幅相当に導電性部材の位置分解能が高いために、起歪体における非常に狭い起歪部にも複数の導電性部材を配設することが可能であり、しかも、そのためにダイアフラムの小型化も実現でき、アレイの高分解能化が可能となる。また、その非常に狭い起歪部により起歪体個々の高耐荷重化も可能となり、さらに、その高い位置分解能によってひずみの最大値をそのまま利用できること、併せて径方向および周方向のそれぞれのひずみが重畳して増倍したひずみ量を利用できることから、より大きな出力も得ることができる。一方、その高い位置分解能から、起歪体の主面面内の4つの方位にそれぞれ周方向に配した導電性部材を構築できることから、せん断方向(面内方向)成分の検知が精度良く可能である。また、導電性部材が周方向に一周する形状をとることにより面内方向の成分を相殺してZ成分(面に垂直な方向成分)のみ精度良く検知することができる。 The present invention is characterized by using a conductive member consisting of a Cr-based thin film and a circumferential arrangement that takes advantage of its large lateral sensitivity, and can solve the above-mentioned problems. By using the circumferential (concentric circle) arrangement, the positional resolution of the conductive member is high enough to correspond to the extremely narrow line width that can be achieved with photolithography, so multiple conductors can be formed even in the extremely narrow strain-generating part of the strain-generating body. In addition, the diaphragm can be made smaller and the array can have higher resolution. In addition, the extremely narrow strain-generating part makes it possible to increase the load capacity of each strain-generating element, and furthermore, its high positional resolution allows the maximum value of strain to be used as it is, and in addition, the strain in each of the radial and circumferential directions can be used as is. Since it is possible to utilize the amount of strain that has been multiplied by superimposing them, a larger output can also be obtained. On the other hand, due to its high positional resolution, it is possible to construct conductive members arranged circumferentially in each of the four directions within the main surface of the strain-generating body, making it possible to accurately detect the shear direction (in-plane direction) component. be. Moreover, by having the conductive member take a shape that goes around the circumferential direction, the component in the in-plane direction can be canceled out, and only the Z component (component in the direction perpendicular to the plane) can be detected with high accuracy.

本発明の力センサアレイは、複数の力センサと、複数の導線部材と、前記複数の力センサおよび前記複数の導線部材を指定配置態様で固定する樹脂部材と、を備えている力センサアレイであって、前記複数の力センサのそれぞれが、平板状の起歪体と、前記起歪体に力を伝達する突出部と、前記起歪体を全周にわたり連続的または離散的に支持する支持部と、前記起歪体の一対の主面のうち少なくとも一方の主面に配置されている、当該主面方向に等方的なゲージ率を有する導電性部材と、を備え、前記起歪体に対して主面の垂線方向成分および面内方向成分のうち少なくとも一方を有する力が作用した際に極点を基準とした前記起歪体の経線方向についての第1ひずみ量および前記起歪体の緯線方向についての第2ひずみ量の大きさの和が基準値以上となる指定緯度範囲において、前記導電性部材が緯線方向に弧状に延在するように前記起歪体の少なくとも一方の主面に配置され、前記導線部材が、前記導電性部材とともにひずみ検知用回路を構成し、前記導電性部材は、前記起歪体のひずみ量に応じて電気抵抗値が変化する抵抗体であることを特徴とする。 The force sensor array of the present invention includes a plurality of force sensors, a plurality of conducting wire members, and a resin member that fixes the plurality of force sensors and the plurality of conducting wire members in a designated arrangement manner. Each of the plurality of force sensors includes a flat plate-shaped strain body, a protrusion that transmits force to the strain body, and a support that supports the strain body continuously or discretely over the entire circumference. and a conductive member having an isotropic gauge factor in the direction of the main surface, the conductive member being disposed on at least one of the pair of main surfaces of the flexure element, A first strain amount in the meridian direction of the flexure element with reference to the pole when a force having at least one of a component perpendicular to the main surface and an in-plane component acts on the flexure element; In a specified latitude range in which the sum of the magnitudes of the second strain amounts in the latitude direction is greater than or equal to a reference value, the conductive member is attached to at least one main surface of the strain-generating body so as to extend in an arc shape in the latitude direction. The conductive wire member constitutes a strain detection circuit together with the conductive member, and the conductive member is a resistor whose electrical resistance value changes depending on the amount of strain of the flexure element. shall be.

当該構成の力センサアレイによれば、各力センサにおいて、直接的または樹脂部材を介して間接的に突出部に力が作用すると、当該突出部から起歪体に対して当該力が伝達されて当該起歪体にひずみが生じる。指定緯度範囲は、起歪体の経線方向についての第1ひずみ量および起歪体の緯線方向についての第2ひずみ量の大きさの和が基準値以上となる緯度範囲である。よって、各力センサにおける導電性部材の端点間の電気抵抗値の変化量の増大、起歪体に作用した力の測定精度の向上、ならびに、複数の力センサを備えている力センサアレイに対する力の作用態様の測定精度の向上が図られる。 According to the force sensor array having this configuration, in each force sensor, when a force acts on the protrusion directly or indirectly via the resin member, the force is transmitted from the protrusion to the strain body. Strain occurs in the strain-generating body. The designated latitude range is a latitude range in which the sum of the first strain amount in the meridian direction of the flexure body and the second strain amount in the latitude direction of the flexure body is equal to or greater than a reference value. Therefore, the amount of change in electrical resistance value between the end points of the conductive member in each force sensor is increased, the measurement accuracy of the force acting on the strain body is improved, and the force on the force sensor array including a plurality of force sensors is increased. The measurement accuracy of the mode of action is improved.

本発明の力センサアレイにおいて、前記複数の力センサのそれぞれの前記起歪体の異なる複数の指定経度範囲のそれぞれにおいて、複数の前記ひずみ検知用回路のそれぞれを構成する複数群の前記導電性部材のそれぞれが緯線方向に弧状に延在するように前記起歪体の主面に配置されていることが好ましい。 In the force sensor array of the present invention, a plurality of groups of the conductive members constituting each of the plurality of strain detection circuits are provided in each of a plurality of different specified longitude ranges of the strain body of each of the plurality of force sensors. It is preferable that each of them be arranged on the main surface of the strain body so as to extend in an arc shape in the latitude direction.

当該構成の力センサアレイによれば、突出部を介して起歪体に力が作用した場合、各指定経度範囲に配置されている各群を構成する一または複数の導電性部材の端点間の電気抵抗値に基づき、当該各指定経度範囲のそれぞれにおける起歪体のひずみ態様の測定精度の向上が図られる。さらに、各指定経度範囲のそれぞれにおける起歪体のひずみ態様が総合されることにより、突出部を介して起歪体に作用した力の主面方向成分(または主面方向成分および垂線方向成分)の測定精度の向上、ひいては複数の力センサを備えている力センサアレイに対する力の作用態様の測定精度の向上が図られる。 According to the force sensor array having this configuration, when a force is applied to the strain body through the protrusion, the distance between the end points of one or more conductive members constituting each group arranged in each designated longitude range Based on the electrical resistance value, it is possible to improve the accuracy of measuring the strain state of the strain body in each of the specified longitude ranges. Furthermore, by integrating the strain state of the flexure element in each designated longitude range, the principal plane direction component (or principal plane direction component and normal direction component) of the force acting on the flexure element through the protrusion is calculated. This improves the measurement accuracy of the force sensor array, and further improves the measurement accuracy of the manner in which force acts on a force sensor array including a plurality of force sensors.

本発明の力センサアレイにおいて、前記複数の力センサのそれぞれの前記起歪体の前記指定緯度範囲において、前記導電性部材が1箇所で分断された前記極点を取り囲む環状に延在するように前記起歪体の主面に配置されていることが好ましい。 In the force sensor array of the present invention, in the specified latitude range of the strain-generating body of each of the plurality of force sensors, the conductive member extends in an annular shape surrounding the polar point separated at one location. Preferably, it is arranged on the main surface of the flexure element.

当該構成の力センサによれば、突出部を介して起歪体に力が作用した場合、緯度範囲において極点を挟んで反対側にある一対の箇所のそれぞれにおいて、起歪体に垂直方向成分の力が作用した場合に生じるひずみの極性が同じになる一方で起歪体に主面方向成分の力が作用した場合に生じるひずみの極性が逆になる。このため、極点を取り囲む1箇所で分断された環状に延在する導電性部材の当該一対の箇所において、起歪体に垂直方向成分の力が作用した場合に生じるひずみ量に応じた電気抵抗値の変化が重畳され、その一方で起歪体に主面方向成分の力が作用した場合に生じるひずみ量に応じた電気抵抗値の変化が相殺されうる。よって、導電性部材の端点間の電気抵抗値の変化量に基づき、起歪体に作用した力のうち主面方向成分が少なくとも部分的に除去され、当該力の垂線方向成分が高精度で測定され、ひいては複数の力センサを備えている力センサアレイに対する力の作用態様の測定精度の向上が図られる。 According to the force sensor configured in this manner, when a force acts on the strain body through the protrusion, a vertical component is applied to the strain body at each of a pair of locations on opposite sides of the pole in the latitude range. The polarity of the strain generated when a force is applied is the same, while the polarity of the strain generated when a force in the direction of the principal surface is applied to the strain body is reversed. Therefore, at the pair of locations of the annularly extending conductive member separated at one location surrounding the pole, the electrical resistance value is determined according to the amount of strain that occurs when a vertical component of force acts on the strain-generating body. On the other hand, the changes in the electrical resistance value depending on the amount of strain that occur when a force in the direction of the principal surface is applied to the strain-generating body can be canceled out. Therefore, based on the amount of change in the electrical resistance value between the end points of the conductive member, the component in the principal plane direction of the force acting on the flexure element is at least partially removed, and the perpendicular component of the force can be measured with high accuracy. Therefore, it is possible to improve the accuracy of measuring the manner in which force acts on a force sensor array including a plurality of force sensors.

前記起歪体の形状が、前記極点を通る主面の垂線に平行な軸線を基準とする回転対称性または前記極点を通る主面に垂直な平面を基準とする鏡像対称性を有し、前記起歪体の周縁における前記支持部による連続的または離散的な支持態様が、前記軸線を基準とする回転対称性または前記平面を基準とする鏡像対称性を有し、前記導電性部材が、前記軸線を基準とする回転対称性または前記平面を基準とする鏡像対称性を有するように前記起歪体の前記主面に配置されていることが好ましい。 The shape of the strain body has rotational symmetry with respect to an axis parallel to a perpendicular line of the main surface passing through the pole point or mirror symmetry with respect to a plane perpendicular to the main surface passing through the pole point, and The continuous or discrete support mode by the support portion at the periphery of the flexure element has rotational symmetry with respect to the axis or mirror symmetry with respect to the plane, and the conductive member It is preferable that the strain-generating body is disposed on the principal surface of the strain body so as to have rotational symmetry with respect to an axis or mirror symmetry with respect to the plane.

前記導電性部材がCr基薄膜(蒸着膜)により構成されている場合、導電性部材の電気抵抗は、縦ひずみおよび横ひずみによる形状変化への寄与分よりも、当該導電性部材の格子構造、ひいてはキャリア(電子)のバンドエネルギー構造の変化への寄与分によって大きく変化するので、起歪体に作用した力の垂線方向成分の測定精度のさらなる向上が図られる。 When the conductive member is composed of a Cr-based thin film (deposited film), the electrical resistance of the conductive member is due to the lattice structure of the conductive member, rather than the contribution to shape change due to longitudinal strain and transverse strain. Furthermore, since it changes greatly depending on the contribution of carriers (electrons) to changes in the band energy structure, it is possible to further improve the measurement accuracy of the normal component of the force acting on the strain body.

本発明の第1実施形態としての力センサアレイの概略説明図。FIG. 1 is a schematic explanatory diagram of a force sensor array according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態としての力センサアレイの構成に関する説明図。FIG. 1 is an explanatory diagram regarding the configuration of a force sensor array as a first embodiment of the present invention. 第1実施形態の力センサの導電性部材の配置態様に関する説明図。FIG. 4 is an explanatory diagram regarding the arrangement of conductive members of the force sensor according to the first embodiment. 図3のIV-IV線に沿った力センサの断面図。4 is a cross-sectional view of the force sensor taken along line IV-IV in FIG. 3. FIG. 第1実施例の起歪体の構成に関する説明図。FIG. 3 is an explanatory diagram regarding the configuration of the strain body of the first embodiment. 第1実施例の起歪体の第1のひずみ態様に関する説明図。FIG. 4 is an explanatory diagram regarding a first strain mode of the flexure element of the first embodiment. 第1実施例の起歪体の第2のひずみ態様に関する説明図。FIG. 6 is an explanatory diagram regarding a second strain mode of the flexure element of the first embodiment. 第1実施例の起歪体の第3のひずみ態様に関する説明図。FIG. 7 is an explanatory diagram regarding a third strain mode of the flexure element of the first embodiment. 第2実施例の起歪体の構成に関する説明図。FIG. 7 is an explanatory diagram regarding the configuration of the strain body of the second embodiment. 第2実施例の起歪体の第1のひずみ態様に関する説明図。FIG. 7 is an explanatory diagram regarding the first strain mode of the flexure element of the second embodiment. 第2実施例の起歪体の第2のひずみ態様に関する説明図。FIG. 7 is an explanatory diagram regarding a second strain mode of the flexure element of the second example. 第2実施例の起歪体の第3のひずみ態様に関する説明図。FIG. 7 is an explanatory diagram regarding a third strain mode of the flexure element of the second embodiment. 第3実施例の起歪体の構成に関する説明図。FIG. 7 is an explanatory diagram regarding the configuration of the strain body of the third embodiment. 第3実施例の起歪体の第1のひずみ態様に関する説明図。FIG. 7 is an explanatory diagram regarding the first strain mode of the flexure element of the third embodiment. 第3実施例の起歪体の第2のひずみ態様に関する説明図。FIG. 7 is an explanatory diagram regarding a second strain mode of the flexure element of the third embodiment. 第3実施例の起歪体の第3のひずみ態様に関する説明図。FIG. 7 is an explanatory diagram regarding a third strain mode of the flexure element of the third embodiment. 一実施形態におけるひずみ検知用回路の例示図。FIG. 2 is an illustrative diagram of a strain sensing circuit in one embodiment. 本発明の第2実施形態としての力センサアレイの構成に関する説明図。FIG. 7 is an explanatory diagram regarding the configuration of a force sensor array according to a second embodiment of the present invention. 他の実施形態の力センサの導電性部材の配置態様に関する説明図。FIG. 7 is an explanatory diagram regarding the arrangement of conductive members of a force sensor according to another embodiment. 第1の力作用態様に応じた力センサの機能に関する説明図。FIG. 6 is an explanatory diagram regarding the function of the force sensor according to the first force application mode. 第2の力作用態様に応じた力センサの機能に関する説明図。FIG. 7 is an explanatory diagram regarding the function of the force sensor according to the second force application mode. 第3の力作用態様に応じた力センサの機能に関する説明図。FIG. 7 is an explanatory diagram regarding the function of the force sensor according to the third force application mode.

(構成)
図1および図2に示されている本発明の第1実施形態としての力センサアレイは、複数の力センサ1と、複数の導線部材2と、複数の力センサ1および複数の導線部材2を固定する樹脂部材3と、を備えている。複数の力センサ1は、例えば、同一平面上で正方格子状に整列して配置されている。力センサ1は、突出部11の上部が樹脂部材3の上端面より突出することで露出する一方、残りの部分が樹脂部材3に埋設されている。
(composition)
A force sensor array according to a first embodiment of the present invention shown in FIGS. 1 and 2 includes a plurality of force sensors 1, a plurality of conductor members 2, a plurality of force sensors 1 and a plurality of conductor members 2. and a resin member 3 for fixing. For example, the plurality of force sensors 1 are arranged in a square grid on the same plane. In the force sensor 1, the upper part of the protrusion 11 is exposed by protruding from the upper end surface of the resin member 3, while the remaining part is embedded in the resin member 3.

複数の力センサ1は、同一平面上で三角格子状または放射状など、他の規則的な配置態様にしたがって配置されていてもよく、不規則的な配置態様にしたがって配置されていてもよい。複数の力センサ1は、同一平面上ではなく、複数の平面のそれぞれの上に配置されていてもよく、同一曲面上に配置されていてもよい。 The plurality of force sensors 1 may be arranged on the same plane according to other regular arrangement patterns such as a triangular lattice shape or radial arrangement, or may be arranged according to an irregular arrangement arrangement. The plurality of force sensors 1 may be arranged not on the same plane, but on each of a plurality of planes, or on the same curved surface.

図3に示されているように、力センサ1は、起歪体10(起歪体)と、導電性部材211~218および221~228と、を備えている。導電性部材211~218および221~228を区別しない場合、「導電性部材20」と表現する。力センサの構成要素の位置および姿勢の説明のため、起歪体10の第1主面101の中心点を原点とする3次元直交座標系(X,Y,Z)を用いる。 As shown in FIG. 3, the force sensor 1 includes a strain body 10 (straight body) and conductive members 211 to 218 and 221 to 228. When the conductive members 211 to 218 and 221 to 228 are not distinguished from each other, they are expressed as "conductive members 20." In order to explain the positions and postures of the components of the force sensor, a three-dimensional orthogonal coordinate system (X, Y, Z) whose origin is the center point of the first principal surface 101 of the strain body 10 will be used.

起歪体10は、Z方向を厚さ方向とし、一対の主面としてX-Y平面に略平行な第1主面101および第2主面102を有する略円板形状に形成されている。起歪体10は、例えば、弾性を有する金属もしくは合成樹脂またはこれらの組み合わせにより構成されている。起歪体10が金属などの導電性材料からなる場合、その第1主面101は少なくとも導電性部材20が形成される領域において、絶縁性薄膜18により被覆されている。これにより、起歪体10と導電性部材20とが電気的に絶縁されている。 The strain-generating body 10 has a thickness direction in the Z direction, and is formed into a substantially disk shape having a pair of principal surfaces, a first principal surface 101 and a second principal surface 102, which are substantially parallel to the XY plane. The strain body 10 is made of, for example, an elastic metal, a synthetic resin, or a combination thereof. When the strain body 10 is made of a conductive material such as metal, its first main surface 101 is covered with an insulating thin film 18 at least in the region where the conductive member 20 is formed. Thereby, the strain body 10 and the conductive member 20 are electrically insulated.

起歪体10の厚さは均一であってもよく、局所的に肉薄になる領域が存在する場合のように不均一であってもよい。起歪体10の形状は、極点Oを通る第1主面101の垂線に平行な軸線(z軸)を基準とする回転対称性または極点Oを通る第1主面101に垂直な平面(例えば、x-z平面)を基準とする鏡像対称性を有している。 The thickness of the strain-generating body 10 may be uniform, or may be non-uniform as in the case where there are locally thinned regions. The shape of the strain body 10 has rotational symmetry with respect to an axis (z-axis) parallel to the perpendicular to the first main surface 101 passing through the pole point O, or a plane perpendicular to the first main surface 101 passing through the pole point O (e.g. , xz plane) as a reference.

起歪体10における確実な起歪のため、起歪体10の上方および下方に樹脂部材3との間隙または樹脂部材3の外部空間に連通する開口部が設けられていてもよい。 For reliable strain generation in the strain body 10, openings communicating with the gap between the strain body 10 and the resin member 3 or the external space of the resin member 3 may be provided above and below the strain body 10.

図3および図4に示されているように、力センサ1は、起歪体10の第2主面102の中央部から突出している略円柱状の突出部11を備えている。突出部11は、略角柱状、略円錐状、略角錐状、略円錐台状または略角錐台状など、様々な形状であってもよい。起歪体10および突出部11は切削加工および/または鋳造など一体成型された構造体である。突出部11が、ボルト-ナット方式などの機械的方式または接着もしくは溶接などの接合方式によって起歪体10に対して接合されていてもよい。突出部11が起歪体10から離間し、起歪体10の第2主面102と突出部11の下端との間に樹脂部材3の一部が介在していてもよい。 As shown in FIGS. 3 and 4, the force sensor 1 includes a substantially cylindrical protrusion 11 protruding from the center of the second main surface 102 of the strain body 10. As shown in FIGS. The protruding portion 11 may have various shapes such as a substantially prismatic shape, a substantially conical shape, a substantially pyramidal shape, a substantially truncated cone shape, or a substantially truncated pyramid shape. The strain body 10 and the protrusion 11 are integrally formed structures by cutting and/or casting. The protruding portion 11 may be joined to the strain body 10 by a mechanical method such as a bolt-and-nut method, or a joining method such as adhesion or welding. The protrusion 11 may be spaced apart from the flexure element 10, and a portion of the resin member 3 may be interposed between the second main surface 102 of the flexure element 10 and the lower end of the protrusion 11.

突出部11の上端高さ位置(Z座標値)は、支持部12の上端高さ位置よりも高い(図4参照)。突出部11の上端高さ位置は、支持部12の上端高さ位置と同一であってもよく、支持部12の上端高さ位置よりも低くてもよい。 The upper end height position (Z coordinate value) of the protruding portion 11 is higher than the upper end height position of the support portion 12 (see FIG. 4). The height position of the upper end of the protruding part 11 may be the same as the height position of the upper end of the support part 12, or may be lower than the height position of the upper end of the support part 12.

突出部11の下端部が起歪体10の凹部に入り込むことで、突出部11が起歪体10に対して揺動可能に支持されていてもよい。この場合、例えば、起歪体10にその第2主面102から下方に略球冠状に窪んだ凹部が形成され、突出部11が、起歪体10の第2主面102に形成された凹部に対応する略球冠状の下端部を有している。突出部11の下端部の形状が、先端縁部が全周にわたり面取りされた略円柱形状または円錐台形状などの様々な形状に変更されてもよい。 The protrusion 11 may be swingably supported relative to the flexure element 10 by the lower end of the protrusion 11 entering the recess of the flexure element 10 . In this case, for example, a concave portion recessed downward from the second main surface 102 of the flexure element 10 in a substantially spherical crown shape is formed, and the protrusion 11 is formed in the recess formed on the second main surface 102 of the flexure element 10. It has a substantially spherical lower end corresponding to the spherical shape. The shape of the lower end of the protrusion 11 may be changed to various shapes, such as a substantially cylindrical shape or a truncated cone shape, in which the tip edge is chamfered over the entire circumference.

起歪体10は、その第2主面102の周縁部から突出している略円環状の支持部12により全周にわたり固定または支持されている。起歪体10および支持部12は切削加工および/または鋳造など一体成型された構造体である。支持部12が、ボルト-ナット方式などの機械的方式または接着もしくは溶接などの接合方式によって起歪体10に対して接合されていてもよい。起歪体10の周縁部における支持部12による連続的な支持態様が、前記軸線を基準とする回転対称性(前記回転対称性と相違していてもよい。)または前記平面を基準とする鏡像対称性を有している。 The strain body 10 is fixed or supported over its entire circumference by a substantially annular support portion 12 that protrudes from the peripheral edge of its second main surface 102 . The strain body 10 and the support portion 12 are integrally formed structures by cutting and/or casting. The support portion 12 may be joined to the strain body 10 by a mechanical method such as a bolt-and-nut method, or a joining method such as adhesion or welding. The continuous support mode by the support portion 12 at the peripheral edge of the strain-generating body 10 has rotational symmetry with respect to the axis (which may be different from the rotational symmetry) or a mirror image with respect to the plane. It has symmetry.

支持部12の下端高さ位置(Z座標値)は、起歪体10の第1主面101の高さ位置と同一である(図4参照)。支持部12の上端高さ位置は起歪体10の第1主面101の高さ位置より低くしてもよい。 The lower end height position (Z coordinate value) of the support portion 12 is the same as the height position of the first main surface 101 of the strain body 10 (see FIG. 4). The height position of the upper end of the support portion 12 may be lower than the height position of the first main surface 101 of the strain body 10.

ここで、図5に示されているように、起歪体10として、厚さ0.1mm、半径2.0mmの円板形状のSUS316L(ヤング率:193GPa、ポアソン比:0.28)が想定された。突出部11として、高さ0.8mm、半径0.5mmのSUS316Lが想定された。支持部12として、高さ0.5mm、内径3.0mm、外径4.0mmのSUS316Lが想定された。突出部11の上端に対してZ方向(円板の厚さ方向)に100Nの力が作用した場合、起歪体10の中心を基準とする円筒極座標系(r,θ,z)において定義された0.05mm刻みのメッシュのそれぞれにおけるひずみが有限要素法にしたがって計算された。 Here, as shown in FIG. 5, a disk-shaped SUS316L (Young's modulus: 193 GPa, Poisson's ratio: 0.28) with a thickness of 0.1 mm and a radius of 2.0 mm is assumed as the strain-generating body 10. It was done. As the protrusion 11, SUS316L with a height of 0.8 mm and a radius of 0.5 mm was assumed. As the support part 12, SUS316L with a height of 0.5 mm, an inner diameter of 3.0 mm, and an outer diameter of 4.0 mm was assumed. When a force of 100 N is applied to the upper end of the protrusion 11 in the Z direction (thickness direction of the disc), The strain in each of the 0.05 mm meshes was calculated according to the finite element method.

図6Aには、突出部11を介して起歪体10に対して垂線方向(Z方向)に局所的に力が作用した場合における当該起歪体10の第1主面101におけるひずみ特性の計算結果が示されている。極点Oから支持部12により固定されている点までの経線方向または径方向についての起歪体10のひずみ量である「第1ひずみ量」の変化態様が破線で示され、緯線方向または周方向についての起歪体10のひずみ量である「第2ひずみ量」の変化態様が一点鎖線で示され、両者の合成値(和)が実線で示されている。「負」のひずみ量は起歪体10(正確には第1主面101(応力負荷側と反対側の表面))の収縮量を表わしている一方、「正」のひずみ量は起歪体10(同上)の伸長量を表わしている。 FIG. 6A shows a calculation of the strain characteristics on the first principal surface 101 of the strain body 10 when a force is locally applied to the strain body 10 in the perpendicular direction (Z direction) through the protrusion 11. Results are shown. The manner in which the "first strain amount" changes in the meridian direction or the radial direction from the pole point O to the point fixed by the support part 12 is shown by a broken line, and the change mode in the latitudinal direction or circumferential direction is The change mode of the "second strain amount" which is the strain amount of the flexure element 10 is shown by a dashed-dotted line, and the composite value (sum) of both is shown by a solid line. A "negative" amount of strain represents the amount of contraction of the strain-generating body 10 (more precisely, the first principal surface 101 (the surface opposite to the stress loading side)), while a "positive" strain amount represents the amount of contraction of the strain-generating body 10. 10 (same as above).

経線の長さD(ここでは半径の2mm)を基準として、極点Oから距離0.68D~0.76Dの範囲にある環状の負ひずみ指定緯度範囲R-において第1ひずみ量および第2ひずみ量の和が「負」であって、かつ、基準値以下である。基準値は、負のひずみ量に関してはその最小値の80%として設定された。基準値が負のひずみ量の最小値の50%に設定された場合、負ひずみ指定緯度範囲R-は極点Oから距離0.62D~0.79Dの範囲になる。ここで、極点Oから距離0.25D以内の緯度範囲が突出部11の存在領域に相当し、極点Oから距離0.75~1.0Dの緯度範囲が支持部12の存在領域に相当する。 The first strain amount and the second strain amount in the annular negative strain designated latitude range R - within a distance of 0.68D to 0.76D from the pole O based on the meridian length D (radius 2 mm here). The sum is "negative" and is less than or equal to the reference value. The reference value was set as 80% of the minimum value for negative strain amounts. When the reference value is set to 50% of the minimum value of the amount of negative strain, the designated negative strain latitude range R - is a distance range of 0.62D to 0.79D from the pole O. Here, the latitude range within a distance of 0.25D from the pole O corresponds to the region in which the protrusion 11 exists, and the latitude range within a distance of 0.75 to 1.0D from the pole O corresponds to the region in which the support part 12 exists.

経線の長さDを基準として、極点Oから距離0.23D~0.31Dの範囲にある環状の正ひずみ指定緯度範囲R+において第1ひずみ量および第2ひずみ量の和が「正」であって、かつ、基準値以上である。正ひずみ指定緯度範囲R+は、負ひずみ指定緯度範囲R-により囲まれている。基準値は、正のひずみ量に関してはその最大値の80%として設定された。基準値が正のひずみ量の最大値の50%に設定された場合、正ひずみ指定緯度範囲R+は極点Oから距離0.21D~0.38Dの範囲になる。 The sum of the first strain amount and the second strain amount is "positive" in the annular positive strain specified latitude range R + in the range of distance 0.23D to 0.31D from the pole O based on the length D of the meridian. Yes, and above the standard value. The positive strain specified latitude range R + is surrounded by the negative strain specified latitude range R - . The reference value was set as 80% of its maximum value for positive strain amounts. When the reference value is set to 50% of the maximum value of the positive strain amount, the positive strain specified latitude range R + is a distance range of 0.21D to 0.38D from the pole O.

図6Bには、突出部11を介して起歪体10に対して、その主面方向(せん断方向)のうち例えば+Y方向に局所的に20Nの力が作用した場合における当該起歪体10の第1主面101における線分(X=0、-D≦Y≦D)に沿ったひずみ特性の計算結果が示されている。「D」は径線の長さ(ここでは半径の2mm)である。表示方法等については図6Aと同様である。 FIG. 6B shows the state of the strain body 10 when a force of 20 N is locally applied to the strain body 10 through the protrusion 11 in, for example, the +Y direction of its main surface direction (shear direction). Calculation results of strain characteristics along a line segment (X=0, -D≦Y≦D) on the first principal surface 101 are shown. "D" is the length of the radial line (here, the radius is 2 mm). The display method and the like are the same as in FIG. 6A.

当該線分に沿った第1正ひずみ指定緯度範囲{0.70D≦Y≦0.75D}において第1ひずみ量および第2ひずみ量の和が「正」であって、かつ、基準値以上である。基準値は、正のひずみ量に関してはその最大値の80%として設定された。基準値が正のひずみ量の最大値の50%に設定された場合、当該線分に沿った第1正ひずみ指定緯度範囲は{0.66D≦Y≦0.79D}になる。ここで、極点Oから距離0.25D以内の緯度範囲が突出部11の存在領域に相当し、極点Oから距離0.75~1.0Dの緯度範囲が支持部12の存在領域に相当する。 The sum of the first strain amount and the second strain amount is “positive” in the first positive strain specified latitude range {0.70D≦Y≦0.75D} along the line segment, and is equal to or greater than the reference value. be. The reference value was set as 80% of its maximum value for positive strain amounts. When the reference value is set to 50% of the maximum value of the positive strain amount, the first positive strain specified latitude range along the line segment is {0.66D≦Y≦0.79D}. Here, the latitude range within a distance of 0.25D from the pole O corresponds to the region in which the protrusion 11 exists, and the latitude range within a distance of 0.75 to 1.0D from the pole O corresponds to the region in which the support part 12 exists.

また、当該線分に沿った第1負ひずみ指定緯度範囲{-0.75D≦Y≦-0.70D}において第1ひずみ量および第2ひずみ量の和が「負」であって、かつ、基準値以下である。基準値は、負のひずみ量に関してはその最小値の80%として設定された。基準値が負のひずみ量の最小値の50%に設定された場合、当該線分に沿った第1負ひずみ指定緯度範囲は{-0.79D≦Y≦-0.66D}になる。 Further, the sum of the first strain amount and the second strain amount is “negative” in the first negative strain specified latitude range {-0.75D≦Y≦-0.70D} along the line segment, and It is below the standard value. The reference value was set as 80% of the minimum value for negative strain amounts. When the reference value is set to 50% of the minimum value of the amount of negative strain, the first specified negative strain latitude range along the line segment is {-0.79D≦Y≦-0.66D}.

さらに、当該線分に沿った第2負ひずみ指定緯度範囲{0.25D≦Y≦0.29D}において第1ひずみ量および第2ひずみ量の和が「負」であって、かつ、基準値以下である。第2負ひずみ指定緯度範囲は、第1正ひずみ指定緯度範囲よりも極点Oに対して近い。基準値は、負のひずみ量に関してはその最小値の80%として設定された。基準値が負のひずみ量の最小値の50%に設定された場合、当該線分に沿った第2負ひずみ指定緯度範囲は{0.20D≦Y≦0.37D}になる。 Furthermore, the sum of the first strain amount and the second strain amount is "negative" in the second negative strain specified latitude range {0.25D≦Y≦0.29D} along the line segment, and the reference value It is as follows. The second designated negative strain latitude range is closer to the pole O than the first designated positive strain latitude range. The reference value was set as 80% of the minimum value for negative strain amounts. When the reference value is set to 50% of the minimum value of the amount of negative strain, the second negative strain designated latitude range along the line segment is {0.20D≦Y≦0.37D}.

また、当該線分に沿った第2正ひずみ指定緯度範囲{-0.29D≦Y≦-0.25D}において第1ひずみ量および第2ひずみ量の和が「正」であって、かつ、基準値以上である。第2正ひずみ指定緯度範囲は、第1負ひずみ指定緯度範囲よりも極点Oに対して近い。基準値は、正のひずみ量に関してはその最大値の80%として設定された。基準値が正のひずみ量の最大値の50%に設定された場合、当該線分に沿った第2正ひずみ指定緯度範囲は{-0.37D≦Y≦-0.20D}になる。 Further, the sum of the first strain amount and the second strain amount is “positive” in the second positive strain specified latitude range {-0.29D≦Y≦-0.25D} along the line segment, and It is above the standard value. The second positive strain specified latitude range is closer to the pole O than the first negative strain specified latitude range. The reference value was set as 80% of its maximum value for positive strain amounts. When the reference value is set to 50% of the maximum value of the amount of positive strain, the second positive strain specified latitude range along the line segment is {-0.37D≦Y≦-0.20D}.

すなわち、起歪体10の第1主面101における線分(X=0、-D≦Y≦D)に沿ったひずみ特性は、極点Oを基準として符号を反転させたような特性である。また、同じ主面方向において逆方向の力、例えば-Y方向の力が作用した場合は、これらの第1正ひずみ、第1負ひずみ、第2負ひずみ、第2正ひずみの各指定範囲において生じるひずみの符号はいずれも+Y方向の力が作用した場合とは逆になるが、極点Oを基準として符号が反転した特性であることに変わりは無い。 That is, the strain characteristics along the line segment (X=0, -D≦Y≦D) on the first principal surface 101 of the strain-generating body 10 are such that the sign is reversed with respect to the pole point O. In addition, if a force in the opposite direction, for example, a force in the -Y direction, acts in the same principal surface direction, in each specified range of the first positive strain, first negative strain, second negative strain, and second positive strain. Although the sign of the resulting strain is opposite to that when a force in the +Y direction is applied, it is still a characteristic in which the sign is reversed with respect to the pole point O.

図6Cには、突出部11を介して起歪体10に対して、その主面方向(せん断方向)のうち、+Y方向に局所的に力が作用した場合における当該起歪体10の第1主面101における線分(0≦X≦D、Y=0)に沿ったひずみ特性の計算結果が示されている。表示方法等については図6Aと同様である。 FIG. 6C shows the first part of the strain body 10 when a force is locally applied to the strain body 10 in the +Y direction of the main surface direction (shear direction) through the protrusion 11. Calculation results of strain characteristics along a line segment (0≦X≦D, Y=0) on the main surface 101 are shown. The display method and the like are the same as in FIG. 6A.

図6Cから、極点Oから支持部12に至るまで、起歪体10に非常に小さなひずみしか生じないことがわかる。対称性から線分(-D≦X≦0、Y=0)に沿ったひずみ特性の計算結果も同様であり、故に、主面方向において力が作用する方向と垂直な方向には起歪体10にほとんどひずみが生じないことが確認される。 It can be seen from FIG. 6C that only a very small strain occurs in the strain body 10 from the pole point O to the support portion 12. Due to the symmetry, the calculation results of the strain characteristics along the line segment (-D≦X≦0, Y=0) are also similar, and therefore, there is a strain-generating body in the direction perpendicular to the direction in which the force acts in the principal plane direction. It is confirmed that almost no distortion occurs in 10.

起歪体10の第1主面101において、導電性部材20が、極点Oを通り第1主面101に垂直な平面を基準として鏡像対称性を有する、1箇所で分断された環状に延在するように配置された力センサによれば、図6Bに示されているひずみ特性に由来して力の主面方向成分は検知されず、垂直方向成分のみが精度良く検出される。したがって、導電性部材20が、垂線方向に局所的に力が作用した場合における負ひずみ指定緯度範囲R-および/または正ひずみ指定緯度範囲R+に含まれるように配置されることが好ましい(図6A参照)。 On the first main surface 101 of the flexure element 10, the conductive member 20 extends in an annular shape divided at one point and has mirror symmetry with respect to a plane passing through the pole O and perpendicular to the first main surface 101. According to the force sensor arranged in such a manner, the component of the force in the principal plane direction is not detected due to the strain characteristics shown in FIG. 6B, and only the vertical component is detected with high accuracy. Therefore, it is preferable that the conductive member 20 is arranged so as to be included in the specified negative strain latitude range R - and/or the specified positive strain latitude range R + when a force is applied locally in the perpendicular direction (Fig. (See 6A).

起歪体10の第1主面101において極点Oを基準とした同じ円周角を有する4つの方位範囲のそれぞれに、周方向に延在するように導電性部材20が配置された力センサの場合、3軸方向力センシングができる。したがって、導電性部材20が、垂線方向に局所的に力が作用した場合における負ひずみ指定緯度範囲R-および/または正ひずみ指定緯度範囲R+に少なくとも部分的に含まれ(図6A参照)、かつ、任意の緯線に沿ってせん断方向(主面方向)の力の検知が精度良く可能な第1正ひずみ指定緯度範囲、第2正ひずみ指定緯度範囲、第1負ひずみ指定緯度範囲および第2負ひずみ指定緯度範囲のうち少なくとも1つにおいて当該緯線に交差または直交するように延在していることが好ましい(図6B参照)。 A force sensor in which conductive members 20 are arranged to extend in the circumferential direction in each of four azimuth ranges having the same circumferential angle with respect to the pole O on the first main surface 101 of the strain body 10. In this case, triaxial force sensing is possible. Therefore, the conductive member 20 is at least partially included in the specified negative strain latitude range R and/or the specified positive strain latitude range R + when a force is applied locally in the perpendicular direction (see FIG. 6A); In addition, a first positive strain designated latitude range, a second positive strain designated latitude range, a first negative strain designated latitude range, and a second designated latitude range allow for accurate detection of force in the shear direction (principal surface direction) along any latitude line. It is preferable that the negative strain extends so as to intersect or perpendicularly intersect with the latitude in at least one of the specified latitude ranges (see FIG. 6B).

図7に示されているように、起歪体10として、厚さ0.4mm、半径2.0mmの円板形状のSUS316L(ヤング率:193GPa、ポアソン比:0.28)が想定された。突出部11として、高さ0.5mm、半径1.0mmのSUS316Lが想定された。支持部12として、高さ0.2mm、内径3.0mm、外径4.0mmのSUS316Lが想定された。突出部11の上端に対してZ方向(円板の厚さ方向)に1000Nの力が作用した場合、起歪体10の中心を基準とする円筒極座標系(r,θ,z)において定義された0.05mm刻みのメッシュのそれぞれにおけるひずみが有限要素法にしたがって計算された。 As shown in FIG. 7, a disk-shaped SUS316L (Young's modulus: 193 GPa, Poisson's ratio: 0.28) with a thickness of 0.4 mm and a radius of 2.0 mm was assumed as the strain-generating body 10. As the protrusion 11, SUS316L with a height of 0.5 mm and a radius of 1.0 mm was assumed. As the support part 12, SUS316L with a height of 0.2 mm, an inner diameter of 3.0 mm, and an outer diameter of 4.0 mm was assumed. When a force of 1000 N is applied to the upper end of the protrusion 11 in the Z direction (thickness direction of the disk), The strain in each of the 0.05 mm meshes was calculated according to the finite element method.

図8Aには、図7に示されている形状寸法を有する起歪体10において、突出部11を介して起歪体10に対して垂線方向に局所的に力が作用した場合における当該起歪体10の第1主面101におけるひずみ特性の計算結果が示されている。表示方法等については図6Aと同様である。 FIG. 8A shows the strain generated when a force is locally applied in the perpendicular direction to the strain body 10 through the protrusion 11 in the strain body 10 having the shape and dimensions shown in FIG. Calculation results of strain characteristics on the first principal surface 101 of the body 10 are shown. The display method and the like are the same as in FIG. 6A.

経線の長さD(ここでは半径の2mm)を基準として、極点Oから距離0.98D~1.0Dの範囲にある環状の負ひずみ指定緯度範囲R-において第1ひずみ量および第2ひずみ量の和が「負」であって、かつ、基準値以下である。基準値は、負のひずみ量に関してはその最小値の80%として設定された。基準値が負のひずみ量の最小値の50%に設定された場合、負ひずみ指定緯度範囲R-は極点Oから距離0.77D~1.0Dの範囲になる。ここで、極点Oから距離0.5D以内の緯度範囲が突出部11の存在領域に相当し、極点Oから距離0.75~1.0Dの緯度範囲が支持部12の存在領域に相当する。 The first strain amount and the second strain amount in the annular negative strain designated latitude range R - within a distance of 0.98D to 1.0D from the pole O based on the meridian length D (here, the radius is 2 mm). The sum is "negative" and is less than or equal to the reference value. The reference value was set as 80% of the minimum value for negative strain amounts. When the reference value is set to 50% of the minimum value of the amount of negative strain, the designated negative strain latitude range R - is a distance range of 0.77D to 1.0D from the pole O. Here, the latitude range within a distance of 0.5D from the pole O corresponds to the region where the protrusion 11 exists, and the latitude range from the pole O to a distance of 0.75 to 1.0D corresponds to the region where the support portion 12 exists.

経線の長さDを基準として、極点Oから距離0.30D~0.53Dの範囲にある環状の正ひずみ指定緯度範囲R+において第1ひずみ量および第2ひずみ量の和が「正」であって、かつ、基準値以上である。正ひずみ指定緯度範囲R+は、負ひずみ指定緯度範囲R-により囲まれている。基準値は、正のひずみ量に関してはその最大値の80%として設定された。基準値が正のひずみ量の最大値の50%に設定された場合、正ひずみ指定緯度範囲R+は極点Oから距離0D~0.58Dの範囲になる。 The sum of the first strain amount and the second strain amount is "positive" in the annular positive strain specified latitude range R + in the range of distance 0.30D to 0.53D from the pole O based on the length D of the meridian. Yes, and above the standard value. The positive strain specified latitude range R + is surrounded by the negative strain specified latitude range R - . The reference value was set as 80% of its maximum value for positive strain amounts. When the reference value is set to 50% of the maximum value of the positive strain amount, the positive strain specified latitude range R + is a distance range of 0D to 0.58D from the pole O.

図8Bには、突出部11を介して起歪体10に対して、その主面方向(せん断方向)のうち例えば+Y方向に局所的に200Nの力が作用した場合における当該起歪体10の第1主面101における線分(X=0、-D≦Y≦D)に沿ったひずみ特性の計算結果が示されている。「D」は径線の長さ(ここでは半径の2mm)である。表示方法等については図6Aと同様である。 FIG. 8B shows the state of the flexure element 10 when a force of 200 N is locally applied to the flexure element 10 through the protrusion 11 in, for example, the +Y direction of its main surface direction (shear direction). Calculation results of strain characteristics along a line segment (X=0, -D≦Y≦D) on the first principal surface 101 are shown. "D" is the length of the radial line (here, the radius is 2 mm). The display method and the like are the same as in FIG. 6A.

当該線分に沿った第1正ひずみ指定緯度範囲{0.98D≦Y≦D}において第1ひずみ量および第2ひずみ量の和が「正」であって、かつ、基準値以上である。基準値は、正のひずみ量に関してはその最大値の80%として設定された。基準値が正のひずみ量の最大値の50%に設定された場合、当該線分に沿った第1正ひずみ指定緯度範囲は{0.86D≦Y≦D}になる。ここで、極点Oから距離0.5D以内の緯度範囲が突出部11の存在領域に相当し、極点Oから距離0.75~1.0Dの緯度範囲が支持部12の存在領域に相当する。 In the first positive strain specified latitude range {0.98D≦Y≦D} along the line segment, the sum of the first strain amount and the second strain amount is “positive” and is greater than or equal to the reference value. The reference value was set as 80% of its maximum value for positive strain amounts. When the reference value is set to 50% of the maximum positive strain amount, the first positive strain specified latitude range along the line segment is {0.86D≦Y≦D}. Here, the latitude range within a distance of 0.5D from the pole O corresponds to the region where the protrusion 11 exists, and the latitude range from the pole O to a distance of 0.75 to 1.0D corresponds to the region where the support portion 12 exists.

また、当該線分に沿った第1負ひずみ指定緯度範囲{-D≦Y≦-0.98D}において第1ひずみ量および第2ひずみ量の和が「負」であって、かつ、基準値以下である。基準値は、負のひずみ量に関してはその最小値の80%として設定された。基準値が負のひずみ量の最小値の50%に設定された場合、当該線分に沿った第1負ひずみ指定緯度範囲は{-D≦Y≦-0.86D}になる。 In addition, the sum of the first strain amount and the second strain amount is “negative” in the first negative strain specified latitude range {-D≦Y≦-0.98D} along the line segment, and the reference value It is as follows. The reference value was set as 80% of the minimum value for negative strain amounts. When the reference value is set to 50% of the minimum value of the amount of negative strain, the first negative strain specified latitude range along the line segment is {-D≦Y≦-0.86D}.

さらに、当該線分に沿った第2負ひずみ指定緯度範囲{0.41D≦Y≦0.54D}において第1ひずみ量および第2ひずみ量の和が「負」であって、かつ、基準値以下である。第2負ひずみ指定緯度範囲は、第1正ひずみ指定緯度範囲よりも極点Oに対して近い。基準値は、負のひずみ量に関してはその最小値の80%として設定された。基準値が負のひずみ量の最小値の50%に設定された場合、当該線分に沿った第2負ひずみ指定緯度範囲は{0.33D≦Y≦0.60D}になる。 Furthermore, the sum of the first strain amount and the second strain amount is “negative” in the second negative strain specified latitude range {0.41D≦Y≦0.54D} along the line segment, and the reference value It is as follows. The second designated negative strain latitude range is closer to the pole O than the first designated positive strain latitude range. The reference value was set as 80% of the minimum value for negative strain amounts. When the reference value is set to 50% of the minimum value of the amount of negative strain, the second negative strain designated latitude range along the line segment is {0.33D≦Y≦0.60D}.

また、当該線分に沿った第2正ひずみ指定緯度範囲{-0.54D≦Y≦-0.41D}において第1ひずみ量および第2ひずみ量の和が「正」であって、かつ、基準値以上である。第2正ひずみ指定緯度範囲は、第1負ひずみ指定緯度範囲よりも極点Oに対して近い。基準値は、正のひずみ量に関してはその最大値の80%として設定された。基準値が正のひずみ量の最大値の50%に設定された場合、当該線分に沿った第2正ひずみ指定緯度範囲は{-0.60D≦Y≦-0.33D}になる。 Further, the sum of the first strain amount and the second strain amount is "positive" in the second positive strain specified latitude range {-0.54D≦Y≦-0.41D} along the line segment, and It is above the standard value. The second positive strain specified latitude range is closer to the pole O than the first negative strain specified latitude range. The reference value was set as 80% of its maximum value for positive strain amounts. When the reference value is set to 50% of the maximum value of the amount of positive strain, the second positive strain specified latitude range along the line segment is {-0.60D≦Y≦-0.33D}.

すなわち、起歪体10の第1主面101における線分(X=0、-D≦Y≦D)に沿ったひずみ特性は、極点Oを基準として符号を反転させたような特性である。 That is, the strain characteristics along the line segment (X=0, -D≦Y≦D) on the first principal surface 101 of the strain-generating body 10 are such that the sign is reversed with respect to the pole point O.

図8Cには、突出部11を介して起歪体10に対して、その主面方向(せん断方向)のうち、+Y方向に局所的に力が作用した場合における当該起歪体10の第1主面101における線分(0≦X≦D、Y=0)に沿ったひずみ特性の計算結果が示されている。表示方法等については図6Aと同様である。 FIG. 8C shows the first part of the strain body 10 when a force is locally applied to the strain body 10 in the +Y direction of the main surface direction (shear direction) through the protrusion 11. Calculation results of strain characteristics along a line segment (0≦X≦D, Y=0) on the main surface 101 are shown. The display method and the like are the same as in FIG. 6A.

図8Cから、極点Oから支持部12に至るまで、起歪体10に非常に小さなひずみしか生じないことがわかる。対称性から線分(-D≦X≦0、Y=0)に沿ったひずみ特性の計算結果も同様であり、故に、主面方向において力が作用する方向と垂直な方向には起歪体10にほとんどひずみが生じないことが確認される。 It can be seen from FIG. 8C that only a very small strain occurs in the strain body 10 from the pole point O to the support portion 12. Due to the symmetry, the calculation results of the strain characteristics along the line segment (-D≦X≦0, Y=0) are also similar, and therefore, there is a strain-generating body in the direction perpendicular to the direction in which the force acts in the principal plane direction. It is confirmed that almost no distortion occurs in 10.

起歪体10の第1主面101において、導電性部材20が、極点Oを通り第1主面101に垂直な平面を基準として鏡像対称性を有する、1箇所で分断された環状に延在するように配置された力センサによれば、図8Bに示されているひずみ特性に由来して力の主面方向成分は検知されず、垂直方向成分のみが精度良く検出される。したがって、導電性部材20が、垂線方向に局所的に力が作用した場合における負ひずみ指定緯度範囲R-および/または正ひずみ指定緯度範囲R+に含まれるように配置されることが好ましい(図8A参照)。 On the first main surface 101 of the flexure element 10, the conductive member 20 extends in an annular shape divided at one point and has mirror symmetry with respect to a plane passing through the pole O and perpendicular to the first main surface 101. According to the force sensor arranged in such a manner, the component of the force in the principal plane direction is not detected due to the strain characteristics shown in FIG. 8B, and only the vertical component is detected with high accuracy. Therefore, it is preferable that the conductive member 20 is arranged so as to be included in the specified negative strain latitude range R - and/or the specified positive strain latitude range R + when a force is applied locally in the perpendicular direction (Fig. (See 8A).

起歪体10の第1主面101において極点Oを基準とした同じ円周角を有する4つの方位範囲のそれぞれに、周方向に延在するように導電性部材20が配置された力センサの場合、3軸方向力センシングができる。したがって、導電性部材20が、垂線方向に局所的に力が作用した場合における負ひずみ指定緯度範囲R-および/または正ひずみ指定緯度範囲R+に少なくとも部分的に含まれ(図8A参照)、かつ、任意の緯線に沿ってせん断方向(主面方向)の力の検知が精度良く可能な第1正ひずみ指定緯度範囲、第2正ひずみ指定緯度範囲、第1負ひずみ指定緯度範囲および第2負ひずみ指定緯度範囲のうち少なくとも1つにおいて当該緯線に交差するように延在していることが好ましい(図8B参照)。 A force sensor in which conductive members 20 are arranged to extend in the circumferential direction in each of four azimuth ranges having the same circumferential angle with respect to the pole O on the first main surface 101 of the strain body 10. In this case, triaxial force sensing is possible. Therefore, the conductive member 20 is at least partially included in the specified negative strain latitude range R - and/or the specified positive strain latitude range R + when a force is applied locally in the perpendicular direction (see FIG. 8A), In addition, a first positive strain designated latitude range, a second positive strain designated latitude range, a first negative strain designated latitude range, and a second designated latitude range allow for accurate detection of force in the shear direction (principal surface direction) along any latitude line. It is preferable that the negative strain extends so as to intersect the latitude in at least one of the specified latitude ranges (see FIG. 8B).

図9に示されているように、起歪体10として、厚さ0.2mm、半径2.0mmの円板形状のSUS316L(ヤング率:193GPa、ポアソン比:0.28)が想定された。突出部11として、高さ0.7mm、半径1.0mmのSUS316Lが想定された。支持部12として、高さ0.4mm、内径3.0mm、外径4.0mmのSUS316Lが想定された。突出部11の上端に対してZ方向(円板の厚さ方向)に1000Nの力が作用した場合、起歪体10の中心を基準とする円筒極座標系(r,θ,z)において定義された0.05mm刻みのメッシュのそれぞれにおけるひずみが有限要素法にしたがって計算された。 As shown in FIG. 9, a disk-shaped SUS316L (Young's modulus: 193 GPa, Poisson's ratio: 0.28) with a thickness of 0.2 mm and a radius of 2.0 mm was assumed as the strain-generating body 10. As the protrusion 11, SUS316L with a height of 0.7 mm and a radius of 1.0 mm was assumed. As the support part 12, SUS316L with a height of 0.4 mm, an inner diameter of 3.0 mm, and an outer diameter of 4.0 mm was assumed. When a force of 1000 N is applied to the upper end of the protrusion 11 in the Z direction (thickness direction of the disk), The strain in each of the 0.05 mm meshes was calculated according to the finite element method.

図10Aには、図9に示されている形状寸法を有する起歪体10において、突出部11を介して起歪体10に対して垂線方向に局所的に力が作用した場合における当該起歪体10の第1主面101におけるひずみ特性の計算結果が示されている。表示方法等については図6Aと同様である。 FIG. 10A shows the strain generated when a force is locally applied in the perpendicular direction to the strain body 10 through the protrusion 11 in the strain body 10 having the shape and dimensions shown in FIG. Calculation results of strain characteristics on the first principal surface 101 of the body 10 are shown. The display method and the like are the same as in FIG. 6A.

経線の長さD(ここでは半径の2mm)を基準として、極点Oから距離0.71D~0.80Dの範囲にある環状の負ひずみ指定緯度範囲R-において第1ひずみ量および第2ひずみ量の和が「負」であって、かつ、基準値以下である。基準値は、負のひずみ量に関してはその最小値の80%として設定された。基準値が負のひずみ量の最小値の50%に設定された場合、負ひずみ指定緯度範囲R-は極点Oから距離0.68D~0.86Dの範囲になる。ここで、極点Oから距離0.5D以内の緯度範囲が突出部11の存在領域に相当し、極点Oから距離0.75~1.0Dの緯度範囲が支持部12の存在領域に相当する。 The first strain amount and the second strain amount in the annular negative strain designated latitude range R - within a distance of 0.71D to 0.80D from the pole O based on the meridian length D (radius 2 mm here). The sum is "negative" and is less than or equal to the reference value. The reference value was set as 80% of the minimum value for negative strain amounts. When the reference value is set to 50% of the minimum value of the amount of negative strain, the designated negative strain latitude range R - is a distance range of 0.68D to 0.86D from the pole O. Here, the latitude range within a distance of 0.5D from the pole O corresponds to the region where the protrusion 11 exists, and the latitude range from the pole O to a distance of 0.75 to 1.0D corresponds to the region where the support portion 12 exists.

経線の長さDを基準として、極点Oから距離0.44D~0.54Dの範囲にある環状の正ひずみ指定緯度範囲R+において第1ひずみ量および第2ひずみ量の和が「正」であって、かつ、基準値以上である。正ひずみ指定緯度範囲R+は、負ひずみ指定緯度範囲R-により囲まれている。基準値は、正のひずみ量に関してはその最大値の80%として設定された。基準値が正のひずみ量の最大値の50%に設定された場合、正ひずみ指定緯度範囲R+は極点Oから距離0.38D~0.58Dの範囲になる。 The sum of the first strain amount and the second strain amount is "positive" in the annular positive strain specified latitude range R + in the range of distance 0.44D to 0.54D from the pole O with the length D of the meridian as a reference. Yes, and above the standard value. The positive strain specified latitude range R + is surrounded by the negative strain specified latitude range R - . The reference value was set as 80% of its maximum value for positive strain amounts. When the reference value is set to 50% of the maximum value of the positive strain amount, the specified positive strain latitude range R + is a distance range of 0.38D to 0.58D from the pole O.

図10Bには、突出部11を介して起歪体10に対して、その主面方向(せん断方向)のうち例えば+Y方向に局所的に200Nの力が作用した場合における当該起歪体10の第1主面101における線分(X=0、-D≦Y≦D)に沿ったひずみ特性の計算結果が示されている。「D」は径線の長さ(ここでは半径の2mm)である。表示方法等については図6Aと同様である。 FIG. 10B shows the state of the flexure element 10 when a force of 200 N is locally applied to the flexure element 10 through the protrusion 11 in, for example, the +Y direction of its main surface direction (shear direction). Calculation results of strain characteristics along a line segment (X=0, -D≦Y≦D) on the first principal surface 101 are shown. "D" is the length of the radial line (here, the radius is 2 mm). The display method and the like are the same as in FIG. 6A.

当該線分に沿った第1正ひずみ指定緯度範囲{0.72D≦Y≦0.80D}において第1ひずみ量および第2ひずみ量の和が「正」であって、かつ、基準値以上である。基準値は、正のひずみ量に関してはその最大値の80%として設定された。基準値が正のひずみ量の最大値の50%に設定された場合、当該線分に沿った第1正ひずみ指定緯度範囲は{0.70D≦Y≦D}になる。ここで、極点Oから距離0.5D以内の緯度範囲が突出部11の存在領域に相当し、極点Oから距離0.75~1.0Dの緯度範囲が支持部12の存在領域に相当する。 The sum of the first strain amount and the second strain amount is “positive” in the first positive strain specified latitude range {0.72D≦Y≦0.80D} along the line segment, and is equal to or greater than the reference value. be. The reference value was set as 80% of its maximum value for positive strain amounts. When the reference value is set to 50% of the maximum value of the amount of positive strain, the first positive strain specified latitude range along the line segment is {0.70D≦Y≦D}. Here, the latitude range within a distance of 0.5D from the pole O corresponds to the region where the protrusion 11 exists, and the latitude range from the pole O to a distance of 0.75 to 1.0D corresponds to the region where the support portion 12 exists.

また、当該線分に沿った第1負ひずみ指定緯度範囲{-0.80D≦Y≦-0.72D}において第1ひずみ量および第2ひずみ量の和が「負」であって、かつ、基準値以上下である。基準値は、負のひずみ量に関してはその最小値の80%として設定された。基準値が負のひずみ量の最小値の50%に設定された場合、当該線分に沿った第1負ひずみ指定緯度範囲は{-D≦Y≦-0.70D}になる。 Further, the sum of the first strain amount and the second strain amount is "negative" in the first negative strain specified latitude range {-0.80D≦Y≦-0.72D} along the line segment, and It is below the standard value. The reference value was set as 80% of the minimum value for negative strain amounts. When the reference value is set to 50% of the minimum value of the amount of negative strain, the first negative strain specified latitude range along the line segment is {-D≦Y≦-0.70D}.

さらに、当該線分に沿った第2負ひずみ指定緯度範囲{0.47D≦Y≦0.53D}において第1ひずみ量および第2ひずみ量の和が「負」であって、かつ、基準値以下である。第2負ひずみ指定緯度範囲は、第1正ひずみ指定緯度範囲よりも極点Oに対して近い。基準値は、負のひずみ量に関してはその最小値の80%として設定された。基準値が負のひずみ量の最小値の50%に設定された場合、当該線分に沿った第2負ひずみ指定緯度範囲は{0.41D≦Y≦0.58D}になる。 Furthermore, the sum of the first strain amount and the second strain amount is "negative" in the second negative strain specified latitude range {0.47D≦Y≦0.53D} along the line segment, and the reference value It is as follows. The second designated negative strain latitude range is closer to the pole O than the first designated positive strain latitude range. The reference value was set as 80% of the minimum value for negative strain amounts. When the reference value is set to 50% of the minimum value of the amount of negative strain, the second negative strain designated latitude range along the line segment is {0.41D≦Y≦0.58D}.

また、当該線分に沿った第2正ひずみ指定緯度範囲{-0.53D≦Y≦-0.47D}において第1ひずみ量および第2ひずみ量の和が「正」であって、かつ、基準値以上である。第2正ひずみ指定緯度範囲は、第1負ひずみ指定緯度範囲よりも極点Oに対して近い。基準値は、正のひずみ量に関してはその最大値の80%として設定された。基準値が正のひずみ量の最大値の50%に設定された場合、当該線分に沿った第2正ひずみ指定緯度範囲は{-0.58D≦Y≦-0.41D}になる。 Further, the sum of the first strain amount and the second strain amount is “positive” in the second positive strain specified latitude range {-0.53D≦Y≦-0.47D} along the line segment, and It is above the standard value. The second positive strain specified latitude range is closer to the pole O than the first negative strain specified latitude range. The reference value was set as 80% of its maximum value for positive strain amounts. When the reference value is set to 50% of the maximum value of the amount of positive strain, the second positive strain specified latitude range along the line segment is {-0.58D≦Y≦-0.41D}.

すなわち、起歪体10の第1主面101における線分(X=0、-D≦Y≦D)に沿ったひずみ特性は、極点Oを基準として符号を反転させたような特性である。 That is, the strain characteristics along the line segment (X=0, -D≦Y≦D) on the first principal surface 101 of the strain-generating body 10 are such that the sign is reversed with respect to the pole point O.

図10Cには、突出部11を介して起歪体10に対して、その主面方向(せん断方向)のうち、+Y方向に局所的に力が作用した場合における当該起歪体10の第1主面101における線分(0≦X≦D、Y=0)に沿ったひずみ特性の計算結果が示されている。表示方法等については図6Aと同様である。 FIG. 10C shows the first part of the strain body 10 when a force is locally applied to the strain body 10 in the +Y direction of the main surface direction (shear direction) through the protrusion 11. Calculation results of strain characteristics along a line segment (0≦X≦D, Y=0) on the main surface 101 are shown. The display method and the like are the same as in FIG. 6A.

図10Cから、極点Oから支持部12に至るまで、起歪体10に非常に小さなひずみしか生じないことがわかる。対称性から線分(-D≦X≦0、Y=0)に沿ったひずみ特性の計算結果も同様であり、故に、主面方向において力が作用する方向と垂直な方向には起歪体10にほとんどひずみが生じないことが確認される。 It can be seen from FIG. 10C that only a very small strain occurs in the strain body 10 from the pole point O to the support portion 12. Due to the symmetry, the calculation results of the strain characteristics along the line segment (-D≦X≦0, Y=0) are also similar, and therefore, there is a strain-generating body in the direction perpendicular to the direction in which the force acts in the principal plane direction. It is confirmed that almost no distortion occurs in 10.

起歪体10の第1主面101において、導電性部材20が、極点Oを通り第1主面101に垂直な平面を基準として鏡像対称性を有する、1箇所で分断された環状に延在するように配置された力センサによれば、図10Bに示されているひずみ特性に由来して力の主面方向成分は検知されず、垂直方向成分のみが精度良く検出される。したがって、導電性部材20が、垂線方向に局所的に力が作用した場合における負ひずみ指定緯度範囲R-および/または正ひずみ指定緯度範囲R+に含まれるように配置されることが好ましい(図10A参照)。 On the first main surface 101 of the flexure element 10, the conductive member 20 extends in an annular shape divided at one point and has mirror symmetry with respect to a plane passing through the pole O and perpendicular to the first main surface 101. According to the force sensor arranged in such a manner, the component of the force in the principal plane direction is not detected due to the strain characteristics shown in FIG. 10B, and only the vertical component is detected with high accuracy. Therefore, it is preferable that the conductive member 20 is arranged so as to be included in the specified negative strain latitude range R - and/or the specified positive strain latitude range R + when a force is applied locally in the perpendicular direction (Fig. 10A).

起歪体10の第1主面101において極点Oを基準とした同じ円周角を有する4つの方位範囲のそれぞれに、周方向に延在するように導電性部材20が配置された力センサの場合、3軸方向力センシングができる。したがって、導電性部材20が、垂線方向に局所的に力が作用した場合における負ひずみ指定緯度範囲R-および/または正ひずみ指定緯度範囲R+に少なくとも部分的に含まれ(図10A参照)、かつ、せん断方向(主面方向)の力の検知が精度良く可能な第1正ひずみ指定緯度範囲、第2正ひずみ指定緯度範囲、第1負ひずみ指定緯度範囲および第2負ひずみ指定緯度範囲のうち少なくとも1つに交差するように延在していることが好ましい(図10B参照)。 A force sensor in which conductive members 20 are arranged to extend in the circumferential direction in each of four azimuth ranges having the same circumferential angle with respect to the pole O on the first main surface 101 of the strain body 10. In this case, triaxial force sensing is possible. Therefore, the conductive member 20 is at least partially included in the specified negative strain latitude range R and/or the specified positive strain latitude range R + when a force is applied locally in the perpendicular direction (see FIG. 10A), and a first positive strain specified latitude range, a second positive strain specified latitude range, a first negative strain specified latitude range, and a second negative strain specified latitude range, in which the force in the shear direction (principal surface direction) can be detected with high accuracy. It is preferable that it extends so as to intersect at least one of them (see FIG. 10B).

図3に示されているように、起歪体10の第1主面101の負ひずみ指定緯度範囲R-において、8つの経度範囲[45(n-1)°+δ,45n°-δ](n=1~8)(δは例えば1°~5°)のそれぞれに緯線方向に延在する略円弧状の導電性部材211~218のそれぞれが配置されている。導電性部材211~218のそれぞれが、突出部11の存在領域から外れるように配置されていてもよく、突出部11の存在領域に含まれるように配置されていてもよい。 As shown in FIG. 3, in the latitude range R - where negative strain is specified on the first principal surface 101 of the strain body 10, there are eight longitude ranges [45(n-1)°+δ, 45n°-δ]( Conductive members 211 to 218 each having a substantially arc shape extending in the latitude direction are arranged at each of the positions where n=1 to 8) (δ is, for example, 1° to 5°). Each of the conductive members 211 to 218 may be arranged so as to be outside the region where the protrusion 11 exists, or may be arranged so as to be included in the region where the protrusion 11 exists.

起歪体10の第1主面101の正ひずみ指定緯度範囲R+において、当該8つの経度範囲のそれぞれに緯線方向に延在する略円弧状の導電性部材221~228のそれぞれが配置されている。導電性部材221~228のそれぞれが、支持部12の存在領域から外れるように配置されていてもよく、支持部12の存在領域に含まれるように配置されていてもよい。 In the positive strain specified latitude range R + of the first principal surface 101 of the flexure element 10, substantially arc-shaped conductive members 221 to 228 extending in the latitude direction are arranged in each of the eight longitude ranges. There is. Each of the conductive members 221 to 228 may be arranged so as to be outside the region where the support section 12 exists, or may be arranged so as to be included in the region where the support section 12 exists.

導電性部材20は、起歪体10の第1主面101に形成されている。導電性部材20は、ゲージ率(ゲージ率は3以上である。)について等方性を有しており、例えば、特許文献1に記載されているCrおよび不可避不純物からなるCr薄膜、または、Cr、Nおよび不可避不純物からなるCr-N薄膜により構成されている。Cr-N薄膜は、例えば、一般式Cr100-xxで表され、組成比xは原子%で0.0001≦x≦30である。 The conductive member 20 is formed on the first main surface 101 of the strain body 10 . The conductive member 20 has isotropy in terms of gauge factor (gauge factor is 3 or more), and is made of, for example, a Cr thin film made of Cr and inevitable impurities described in Patent Document 1, or Cr , N and inevitable impurities. The Cr--N thin film is, for example, represented by the general formula Cr 100-x N x , and the composition ratio x is 0.0001≦x≦30 in atomic %.

導電性部材20は、一般式Cr100-xMnx(xは原子%であり、0.1≦x≦34である)または一般式Cr100-xAlx(xは原子%であり、4≦x≦25である)で表されるCr基薄膜により構成されていてもよい(特許文献2参照)。導電性部材20は、一般式Cr100-x-yAlxy(x、yは原子%であり、4≦x≦25、0.1≦y≦20である。)で表されるCr基薄膜により構成されていてもよい(特許文献3参照)。導電性部材20は、従来の箔ひずみゲージよりも大きなゲージ率(ゲージ率は3以上)を示すとともに、縦感度と横感度がほぼ等しい等方的なゲージ率を有する上記以外のCr基薄膜(Crに少量の他元素が一元素または複数元素含まれた薄膜)により構成されていてもよい。当該薄膜は、スパッタリング法等により起歪体10の第1主面101または絶縁性薄膜18の上に形成される。Cr-N薄膜は、抵抗温度係数(TCR)が極めて小さいため(<±50ppm/℃)、温度変化に対して安定である。 The conductive member 20 has a general formula Cr 100-x Mn x (x is atomic % and 0.1≦x≦34) or a general formula Cr 100-x Al x (x is atomic % and 4 ≦x≦25) (see Patent Document 2). The conductive member 20 is a Cr-based thin film represented by the general formula Cr 100-xy Al x N y (x, y are atomic %, and 4≦x≦25, 0.1≦y≦20). (See Patent Document 3). The conductive member 20 is made of a Cr-based thin film other than the above ( It may be formed of a thin film containing one or more elements in Cr and a small amount of other elements. The thin film is formed on the first main surface 101 of the strain body 10 or the insulating thin film 18 by sputtering or the like. The Cr--N thin film has an extremely small temperature coefficient of resistance (TCR) (<±50 ppm/° C.) and is therefore stable against temperature changes.

複数の導線部材2のそれぞれは、導電性部材M(M=211~218、221~228)の両端部に対して電極端子M-およびM+のそれぞれを介して接続されている。「M-」は導電性部材Mの低経度側(方位角(0°~360°)が小さい側)の電極端子を表わし、「M+」は導電性部材Mの高経度側(方位角が大きい側)の電極端子を表わしている。 Each of the plurality of conducting wire members 2 is connected to both ends of the conductive member M (M=211 to 218, 221 to 228) via electrode terminals M- and M+, respectively. "M-" represents the electrode terminal on the low longitude side (the side where the azimuth angle (0° to 360°) is small) of the conductive member M, and "M+" represents the electrode terminal on the high longitude side (the side where the azimuth angle is large) of the conductive member M. side) represents the electrode terminal.

導線部材2のうち「第1導線部材群」は、第1指定経度範囲[-45°(=315°),45°]に配置されている導電性部材218、211、228および221とともに4アクティブゲージ法の「第1ブリッジ回路」を構成するように、樹脂部材3に埋設されている(図11参照)。導線部材2のうち「第2導線部材群」は、第2指定経度範囲[45°,135°]に配置されている導電性部材212、213、222および223とともに4アクティブゲージ法の「第2ブリッジ回路」を構成するように、樹脂部材3に埋設されている。導線部材2のうち「第3導線部材群」は、第3指定経度範囲[135°,225°]に配置されている導電性部材214、215、224および225とともに4アクティブゲージ法の「第3ブリッジ回路」を構成するように、樹脂部材3に埋設されている。導線部材2のうち「第4導線部材群」は、第4指定経度範囲[225°,315°]に配置されている導電性部材216、217、226および227とともに4アクティブゲージ法の「第4ブリッジ回路」を構成するように、樹脂部材3に埋設されている。ここで用いる4アクティブゲージ法では、2線式のほかに3線式が用いられてもよい。 Among the conductive wire members 2, the "first conductive wire member group" includes four active conductive members 218, 211, 228, and 221 located in the first specified longitude range [-45° (=315°), 45°]. It is embedded in the resin member 3 so as to constitute the "first bridge circuit" of the gauge method (see FIG. 11). Among the conductive wire members 2, the "second conductive wire member group" is the "second conductive wire member group" of the 4 active gauge method together with the conductive members 212, 213, 222, and 223 arranged in the second specified longitude range [45°, 135°]. It is embedded in the resin member 3 so as to constitute a bridge circuit. Among the conductive wire members 2, the "third conductive wire member group" is the "third conductive wire member group" of the 4 active gauge method along with the conductive members 214, 215, 224, and 225 arranged in the third specified longitude range [135°, 225°]. It is embedded in the resin member 3 so as to constitute a bridge circuit. Among the conductive wire members 2, the "fourth conductive wire member group" is the "fourth conductive wire member group" of the four active gauge method together with the conductive members 216, 217, 226, and 227 arranged in the fourth specified longitude range [225°, 315°]. It is embedded in the resin member 3 so as to constitute a bridge circuit. In the four-active gauge method used here, a three-wire system may be used in addition to the two-wire system.

導電性部材20の厚さ、幅および長さ、さらには電気伝導率などの電気特性のそれぞれは、ブリッジ回路(ひずみ検出用回路)を構成する観点から適当に設計されている。導線部材2の厚さ、幅および長さ、さらには素材(電気伝導率を定める。)のそれぞれは、導電性部材20と同様に当該ブリッジ回路を構成する観点から適当に設計されている。 The thickness, width, length, and electrical properties of the conductive member 20, such as electrical conductivity, are appropriately designed from the viewpoint of forming a bridge circuit (strain detection circuit). The thickness, width, length, and material (which determines electrical conductivity) of the conductive wire member 2 are appropriately designed from the viewpoint of constructing the bridge circuit, similarly to the conductive member 20.

(機能)
本発明の一実施形態としての力センサアレイによれば、各力センサ1において、直接的または樹脂部材3を介して間接的に突出部11に力が作用すると、突出部11から起歪体10に対して当該力が伝達されて起歪体10にひずみが生じる。
(function)
According to the force sensor array as an embodiment of the present invention, in each force sensor 1, when force acts on the protrusion 11 directly or indirectly via the resin member 3, the force from the protrusion 11 causes the strain body 10 to The force is transmitted to the strain body 10, causing strain in the strain body 10.

導電性部材20が配置されている指定緯度範囲R+およびR-は、起歪体10の経線方向についての第1ひずみ量および起歪体10の緯線方向についての第2ひずみ量の大きさの和が基準値以上となる緯度範囲である(図5参照)。第1~第4指定経度範囲に配置されている第1~第4導電性部材群のそれぞれを構成する複数の導電性部材20の端点間の電気抵抗値に基づき、当該各指定経度範囲のそれぞれにおける起歪体10のひずみ態様の測定精度の向上が図られる。 The designated latitude ranges R + and R in which the conductive member 20 is arranged are the magnitudes of the first strain amount in the meridian direction of the flexure body 10 and the second strain amount in the latitude direction of the flexure body 10 . This is the latitude range where the sum is equal to or greater than the reference value (see FIG. 5). Based on the electrical resistance value between the end points of the plurality of conductive members 20 constituting each of the first to fourth conductive member groups arranged in the first to fourth designated longitude ranges, each of the designated longitude ranges is The accuracy of measuring the strain state of the strain-generating body 10 can be improved.

起歪体10に作用した力FのX方向成分FX(一の主面方向成分)、第1ブリッジ回路の出力E1および第3ブリッジ回路の出力E3の差(=E1-E3)に基づいて測定されうる。起歪体10に作用した力FのY方向成分FY(他の主面方向成分)は、第2ブリッジ回路の出力E2および第4ブリッジ回路の出力E4の差(=E2-E4)に基づいて測定されうる。起歪体10に作用した力FのZ方向成分FZ(垂線方向成分)は、第1~第4ブリッジ回路の出力E1~E4の和(=E1+E2+E3+E4)に基づいて測定されうる。よって、突出部11を介して起歪体10に作用した力FのX方向成分、Y方向成分およびZ方向成分の測定精度の向上、ひいては複数の力センサ1を備えている力センサアレイに対する力の作用態様の測定精度の向上が図られる。 The difference between the X-direction component F x (component in the direction of one principal surface) of the force F acting on the strain body 10, the output E 1 of the first bridge circuit, and the output E 3 of the third bridge circuit (=E 1 - E 3 ) can be measured based on The Y-direction component F Y (other main surface direction component) of the force F acting on the strain body 10 is calculated by the difference between the output E 2 of the second bridge circuit and the output E 4 of the fourth bridge circuit (=E 2 - E 4 ). The Z-direction component F Z (perpendicular component) of the force F acting on the strain body 10 is the sum of the outputs E 1 to E 4 of the first to fourth bridge circuits (=E 1 +E 2 +E 3 +E 4 ). can be measured based on Therefore, the measurement accuracy of the X-direction component, Y-direction component, and Z-direction component of the force F acting on the strain body 10 via the protrusion 11 is improved, and the force on the force sensor array including the plurality of force sensors 1 is improved. The measurement accuracy of the mode of action is improved.

(本発明の他の実施形態)
前記実施形態では、すべての導電性部材20が起歪体10の第1主面101に形成されていたが、他の実施形態として、一部の導電性部材20が第1主面101に形成される一方で残りの導電性部材20が第2主面102に形成されていてもよい。この場合、導電性部材の位置および負荷の形態によっては第1主面101および第2主面102の別によって正負の符号が異なる場合があるので、注意を要する。ひずみ検知用回路を構成するための導線部材を配置するため、起歪体10に貫通孔が設けられていてもよく、ビア構造を有する導線部材が起歪体10に埋設されていてもよい。
(Other embodiments of the present invention)
In the embodiment, all the conductive members 20 are formed on the first main surface 101 of the strain-generating body 10, but in another embodiment, some of the conductive members 20 are formed on the first main surface 101. However, the remaining conductive member 20 may be formed on the second main surface 102. In this case, care must be taken because the positive and negative signs may differ depending on the first principal surface 101 and the second principal surface 102 depending on the position of the conductive member and the form of the load. A through hole may be provided in the strain body 10 in order to arrange a conductor member for configuring the strain detection circuit, or a conductor member having a via structure may be embedded in the strain body 10.

前記実施形態では、起歪体10が略円形板状であったが、他の実施形態として、起歪体10が略楕円形板状、略三角形状、略矩形板状、略平行四辺形板状、略台形板状または略正多角形板状(正方形、正十二角形板状、正二十角形板状など)、様々な形状とされてもよい。起歪体10は極点Oを通り、第1主面101に垂直な軸線(例えばZ軸)まわりの回転対称性を有する形状のほか、ひずみ量が等しければ、回転対称性を有しない形状であってもよく、起歪体10の極点Oが起歪体10の中心点からずれていてもよい。 In the embodiment described above, the strain body 10 has a substantially circular plate shape, but in other embodiments, the strain body 10 may have a substantially elliptical plate shape, a substantially triangular plate shape, a substantially rectangular plate shape, or a substantially parallelogram plate shape. It may have various shapes, such as a substantially trapezoidal plate shape, a substantially regular polygonal plate shape (square, regular dodecagonal plate shape, regular icosagonal plate shape, etc.). The strain body 10 may have a shape that passes through the pole O and has rotational symmetry about an axis (for example, the Z axis) perpendicular to the first principal surface 101, or a shape that does not have rotational symmetry if the amount of strain is equal. Alternatively, the pole point O of the strain-generating body 10 may be shifted from the center point of the strain-generating body 10.

前記実施形態では、起歪体10の第1主面101において一のブリッジ回路を構成する一の導電性部材群が配置される指定経度範囲の数が「4」であったが、指定経度範囲の数は2もしくは3または5以上の複数であってもよい。 In the embodiment described above, the number of designated longitude ranges in which one group of conductive members constituting one bridge circuit is arranged on the first principal surface 101 of the strain-generating body 10 is "4"; The number may be 2 or 3 or a plurality of 5 or more.

前記実施形態では、起歪体10の第1主面101における複数の指定経度範囲のそれぞれに一のブリッジ回路を構成する一の導電性部材群が配置されていたが、複数の指定経度範囲のうち一部の指定経度範囲のみに一のブリッジ回路を構成する一の導電性部材群が配置されていてもよい。 In the embodiment described above, one conductive member group constituting one bridge circuit is disposed in each of a plurality of designated longitude ranges on the first principal surface 101 of the flexure element 10. One group of conductive members constituting one bridge circuit may be arranged only in a part of the specified longitude range.

前記実施形態では、起歪体10の第1主面101において指定経度範囲に配置されている導電性部材20により一のブリッジ回路として4アクティブゲージ法のブリッジ回路が構成されていたが、1アクティブゲージ法(2線式または3線式)のブリッジ回路、または、2アクティブゲージ法(2線式または3線式)のブリッジ回路が構成されるように指定経度範囲に1または2の導電性部材20が配置されてもよい。 In the embodiment described above, a bridge circuit using a 4-active gauge method was configured as one bridge circuit by the conductive members 20 arranged in a specified longitude range on the first principal surface 101 of the flexure element 10. One or two conductive members within a specified longitude range to configure a gauge method (2-wire or 3-wire) bridge circuit or 2 active gauge method (2-wire or 3-wire) bridge circuit. 20 may be arranged.

図12に示されているように、各力センサ1の突出部11を含む全部が樹脂部材3に埋設されるように当該各力センサ1が樹脂部材3により固定されていてもよい。この場合、図7に示されているように、突出部11の上方において樹脂部材3の上端面を局所的に隆起または突出させる隆起部31が形成されていてもよい。 As shown in FIG. 12, each force sensor 1 may be fixed by the resin member 3 so that the entire force sensor 1 including the protrusion 11 is embedded in the resin member 3. In this case, as shown in FIG. 7, a protrusion 31 may be formed above the protrusion 11 to locally protrude or protrude the upper end surface of the resin member 3.

一または複数の導電性部材20が、複数の指定緯度範囲のうち少なくとも1つの指定緯度範囲において、1箇所で分断された略円環状または略円弧状に延在するように配置されていてもよい。例えば、図13に示されているように、起歪体10の第1主面101の指定緯度範囲R+およびR-のそれぞれにおいて、基準点Oを取り囲む1箇所において分断している略円環状に延在している導電性部材21~22のそれぞれが内側から順に配置されている。導電性部材21~22とともに2アクティブゲージ法のブリッジ回路を構成する。 One or more conductive members 20 may be arranged in at least one designated latitude range out of a plurality of designated latitude ranges so as to extend in a substantially circular or circular arc shape separated at one point. . For example, as shown in FIG. 13, in each of the specified latitude ranges R + and R - of the first principal surface 101 of the flexure element 10, a substantially annular shape is divided at one point surrounding the reference point O. The conductive members 21 to 22 extending from the inside are arranged in order from the inside. Together with the conductive members 21 and 22, a bridge circuit of the two active gauge method is constructed.

導電性部材21~22のそれぞれの厚さ、幅および長さ、さらには電気伝導率などの電気特性のそれぞれは、ブリッジ回路(ひずみ検出用回路)を構成する観点から適当に設計されている。導線部材2の厚さ、幅および長さ、さらには素材(電気伝導率を定める。)のそれぞれは、導電性部材21~22のそれぞれと同様に当該ブリッジ回路を構成する観点から適当に設計されている。 The thickness, width, and length of each of the conductive members 21 to 22, as well as electrical characteristics such as electrical conductivity, are appropriately designed from the viewpoint of constructing a bridge circuit (strain detection circuit). The thickness, width, length, and material (which determines electrical conductivity) of the conductive wire member 2 are appropriately designed from the viewpoint of configuring the bridge circuit, similarly to each of the conductive members 21 to 22. ing.

起歪体10に力Fが作用した場合、指定緯度範囲R+およびR-のそれぞれにおいて極点Oを挟んで反対側にある一対の箇所のそれぞれにおける起歪体10に垂直方向の力が作用する場合に生じるひずみの極性が同じになる(図14A参照)。その一方、この場合、当該一対の箇所のそれぞれにおける起歪体10に主面方向の力が作用する場合に生じるひずみの極性が逆になる(図14Bおよび図14C参照)。 When a force F acts on the strain body 10, a vertical force acts on the strain body 10 at each of a pair of locations on opposite sides of the pole O in each of the designated latitude ranges R + and R - . The polarity of the strain produced in both cases is the same (see FIG. 14A). On the other hand, in this case, the polarity of the strain that occurs when a force in the principal surface direction is applied to the strain body 10 at each of the pair of locations is reversed (see FIGS. 14B and 14C).

このため、1箇所で分断された環状の導電性部材21~22のそれぞれの当該一対の箇所において、起歪体10に垂直方向の力が作用する場合に生じるひずみ量に応じた電気抵抗値の変化が重畳され、その一方で主面方向(X方向およびY方向)の力が作用する場合に生じるひずみ量に応じた電気抵抗値の変化が相殺されうる。よって、導電性部材21~22のそれぞれの端点間の電気抵抗値の変化量に基づき、起歪体10に作用した力のうち主面方向成分が除去され、当該力の垂線方向成分(Z方向成分)が高精度で測定されうる。また、指定緯度範囲R+およびR-のそれぞれに略円環状の同じ抵抗値をもつ2つの導電性部材20が設置され、4アクティブゲージ法を用いて、より高精度に計測することもできる。 Therefore, at each pair of locations of the annular conductive members 21 to 22 that are separated at one location, the electrical resistance value changes depending on the amount of strain that occurs when a vertical force is applied to the flexure element 10. The changes are superimposed, and on the other hand, the changes in the electrical resistance value depending on the amount of strain that occur when a force in the main surface direction (X direction and Y direction) is applied can be canceled out. Therefore, based on the amount of change in the electrical resistance value between the respective end points of the conductive members 21 and 22, the main surface direction component of the force acting on the strain body 10 is removed, and the perpendicular direction component (Z direction) of the force is removed. components) can be measured with high precision. Further, two approximately annular conductive members 20 having the same resistance value are installed in each of the specified latitude ranges R + and R - , and a four-active gauge method can be used to perform measurement with higher accuracy.

横感度を利用した周方向配置によって小型になったダイアフラム型起歪体力センサ素子を2次元的に多数並べて配列し、ゴムや樹脂など(樹脂部材)に埋め込んで薄板状に形成した力センサアレイを利用することによって面内圧力分布(面圧分布)を測定可能とする柔軟なシート状センサを構築できる。起歪体素子の配列は、汎用的には図1のように一定の間隔で縦横に並び、柔軟なシート的な曲げが可能になるような素子間幅を適度にとる状態が好ましい。起歪体素子の大きさ、素子の配列間隔、素子間幅、全体の大きさ(素子数)などの数値は、用途や仕様によって決められる。 A force sensor array is created by arranging a large number of diaphragm strain force sensor elements two-dimensionally, which have been made smaller by circumferential arrangement using lateral sensitivity, and forming them into a thin plate by embedding them in rubber, resin, etc. (resin member). By utilizing this, a flexible sheet-like sensor that can measure in-plane pressure distribution (surface pressure distribution) can be constructed. In general, it is preferable that the flexure element elements be arranged vertically and horizontally at regular intervals as shown in FIG. 1, with an appropriate width between the elements so as to enable flexible sheet-like bending. Numerical values such as the size of the flexure element, the arrangement interval of the elements, the inter-element width, and the overall size (number of elements) are determined depending on the use and specifications.

また、用途によっては起歪体素子を一定間隔で縦横方向に配置するのではなく、個々の起歪体素子をシート内の特定の(任意の)位置(部位に)に設置して分布計測に利用することもできる。 Also, depending on the application, instead of arranging the flexural elements at regular intervals in the vertical and horizontal directions, individual flexural elements may be installed at specific (arbitrary) positions (parts) within the sheet for distribution measurement. You can also use it.

シート状態には、配列した起歪体素子および配線類を樹脂部材(ゴムや樹脂等のエンジニアリングプラスチックからなる部材)に埋め込むことで形成される。その埋め込むための樹脂等の材質(材料)は用途により強度、柔軟さ、耐熱性等の観点から決められ、単一の素材からなる場合だけでなく、複数の素材から構成される場合もある。 The sheet state is formed by embedding arrayed flexure element elements and wiring in a resin member (a member made of engineering plastic such as rubber or resin). The material used for embedding, such as resin, is determined depending on the application from the viewpoint of strength, flexibility, heat resistance, etc., and may be made of not only a single material but also multiple materials.

シート形状は、大きさ(広さ)および厚さともに、基本的には起歪体素子と電極配線(導線部材)を全て覆って埋め込まれた状態にできる寸法であり、さらに、力等の力学量の伝達性、柔軟性、周囲環境との緩衝性(弾力性や強度、起歪体素子の保護)、電力入力・信号出力端子の設置方法とその位置および周囲への固定方法およびその部位などを考慮して決められる。 The sheet shape, in terms of size (width) and thickness, basically has dimensions that allow it to be embedded in a state that covers all of the flexure element and electrode wiring (conductor wire member), and also has dimensions that allow it to be embedded in a state where it covers all of the flexure element and electrode wiring (conductor wire member). Quantity transferability, flexibility, buffering performance with the surrounding environment (elasticity, strength, protection of the flexure element), installation method and position of power input/signal output terminals, method of fixing them to the surroundings, and their locations, etc. It can be decided taking into account.

基本的には起歪体素子は樹脂部材に埋め込まれるが、その一部、例えば突出部の先端が樹脂部材から外に露出していてもよい。さらに、起歪体素子が樹脂部材に埋め込まれることなく、互いに溶接や接着等により接合してシートとなすこと、他の板材等に溶接や接着により接合してシートを成すこと、外周固定部またはその一部が他の素子と一体的に連続した状態でありシートを成すこともあり得る。 Basically, the strain element is embedded in the resin member, but a portion thereof, for example, the tip of the protruding portion, may be exposed outside the resin member. Furthermore, the flexural elements may not be embedded in a resin member, but may be joined to each other by welding or adhesive to form a sheet, or may be joined to other plate materials, etc. by welding or adhesive to form a sheet, and the outer peripheral fixed part or A part of it may be integrally continuous with other elements and form a sheet.

個々のダイアフラム型起歪体素子への電力供給およびそれからの信号取り出しのための電極配線(導線部材)は、個別に結線するかまたはマトリックス状に配線して順次切り替えにより個別に信号の入出力を行う方法など位置情報を併せて取得可能な既存の配線技術を用いることができる。ブリッジの場合は入力側から電圧を印加し、出力側から電圧信号を取り出す。個別に例えば四端子法を用いる場合は入力側から電流を印加し、出力側から電圧信号を取り出す。その他、既存の抵抗変化型の信号検出方法を利用できる。ダイアフラム型起歪体素子のセンサ膜(導電性部材)形成面上に形成された電極に電極配線(導線部材)の接合部を重ねるように合わせて、ピンプローブなどによる確実な接触やハンダ等による溶接などにより電極配線(導線部材)との接合を図る。配線を通して得られる信号は、リレー等の切替機などによって順次計測装置に送られ、データとして処理、認識、記録、蓄積される。 Electrode wiring (conductor wire members) for supplying power to each diaphragm type strain element and extracting signals from it can be connected individually or wired in a matrix and switched sequentially to input and output signals individually. It is possible to use existing wiring techniques that can also acquire position information, such as how to do this. In the case of a bridge, voltage is applied from the input side and a voltage signal is extracted from the output side. For example, when using the four-terminal method, a current is applied from the input side and a voltage signal is taken out from the output side. In addition, existing resistance change type signal detection methods can be used. Align the joint of the electrode wiring (conducting wire member) so that it overlaps the electrode formed on the sensor film (conductive member) forming surface of the diaphragm type strain element, and make sure contact with a pin probe or the like or by soldering. Attempt to join the electrode wiring (conducting wire member) by welding or the like. Signals obtained through the wiring are sequentially sent to measuring devices by switching devices such as relays, and are processed, recognized, recorded, and accumulated as data.

配列したダイアフラム型起歪体素子に電極配線(導線部材)を接合したものを樹脂部材に埋め込むことで圧力分布センサシートを形成することができる。また、電極部を露出させた状態で配列した起歪体素子をシート状に樹脂部材に埋め込み、別の樹脂シート上に形成した電極配線(導線部材)パターンを起歪体素子シートの電極露出部分に配線の接合部を重ねるようにして接着またはさらに樹脂等で埋め込むことで一体化し、起歪体素子と配線からなる圧力分布センサシートを形成することができる。 A pressure distribution sensor sheet can be formed by embedding an arrangement of diaphragm type strain body elements to which electrode wiring (conducting wire members) are bonded in a resin member. In addition, the flexure element elements arranged with the electrode parts exposed are embedded in a resin member in the form of a sheet, and the electrode wiring (conductor member) pattern formed on another resin sheet is connected to the exposed electrode part of the flexure element sheet. A pressure distribution sensor sheet consisting of the strain element and the wiring can be formed by overlapping the joint parts of the wiring and integrating them by adhesion or further embedding with a resin or the like.

力などの力学量を受ける突出部は、用途および仕様に応じて、外部からの入力がより円滑に、より伝達性が良好となるように、そのレバーの先端が樹脂部材からなるシート表面から突き出ていても良く、また、受感部上部のシート表面に樹脂部材を膨らませて突き出た形状としてもよい。 Depending on the application and specifications, the protruding part that receives mechanical quantities such as force may have its lever tip protruding from the surface of the sheet made of resin material, so that input from the outside can be transmitted more smoothly and better. Alternatively, the resin member may be inflated and protruded from the sheet surface above the sensing portion.

ダイアフラムが受感部の無い側に良好に沈み込むことができるように、ダイアフラムに接する箇所または下部をダイアフラムと同等の面積程度、空洞にしても良く、また、その領域を空洞にするのではなく、周囲の埋め込みに用いた樹脂部材よりも柔軟な素材で埋めるようにしてもよい。 In order to allow the diaphragm to sink well into the side where there is no sensing part, the area in contact with the diaphragm or the lower part may be made hollow with an area equivalent to that of the diaphragm, or rather than making that area hollow. Alternatively, it may be filled with a material that is more flexible than the resin member used to fill the surrounding area.

そのような、本発明にかかる力センサアレイからなる面内圧力分布(面圧分布)を測定可能とする柔軟なシート状センサは、上述の、人の立位時の足裏、椅子に着席時の椅子座面上、横たわっている時のベッド上などにおける力(圧力)分布の測定装置、玄関や窓など家の出入りする箇所の地面の上などに設置して使用する防犯装置または徘徊検知装置、靴底または靴内における1軸もしくは3軸の床反力または荷重の分布計測装置、衣服等人体の身に着けるものに作用する力分布を検出する装置、ならびにロボット等の触覚センサ装置など、様々な力分布を計測する用途への応用が期待できる。さらに、導電性部材の線幅をフォトリソグラフィーで可能な限界まで細くすることができるため、ミクロンオーダーの径のダイアフラムとすることも可能であり、それを素子とした超高分解能な力の分布センサを構築することができる。 Such a flexible sheet-like sensor that can measure the in-plane pressure distribution (surface pressure distribution) made of the force sensor array according to the present invention can be used to A device for measuring force (pressure) distribution on the seat of a chair, on a bed when lying down, etc., a security device or a wandering detection device installed on the ground at entrances and windows, etc. , devices for measuring the distribution of 1-axis or 3-axis ground reaction forces or loads in the soles of shoes or inside shoes, devices for detecting the distribution of forces acting on things worn by the human body such as clothing, and tactile sensor devices for robots, etc. It can be expected to be applied to measuring various force distributions. Furthermore, since the line width of the conductive member can be made thinner to the limit possible with photolithography, it is also possible to create a diaphragm with a diameter on the order of microns, which can be used as an element to create an ultra-high resolution force distribution sensor. can be constructed.

1‥力センサ、2‥導線部材、3‥樹脂部材、10‥起歪体、11‥突出部、12‥支持部、20、211~218、221~228‥導電性部材、101‥起歪体の第1主面、102‥起歪体の第2主面、O‥極点、R+‥正ひずみ指定緯度範囲、R-‥負ひずみ指定緯度範囲。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1. Force sensor, 2. Conductive wire member, 3. Resin member, 10. Strainable body, 11. Protrusion, 12. Supporting portion, 20, 211-218, 221-228. Conductive member, 101. Strainable body. 102...Second principal surface of strain body, O...Pole, R + ...Positive strain specified latitude range, R -... Negative strain specified latitude range.

Claims (5)

複数の力センサと、複数の導線部材と、前記複数の力センサおよび前記複数の導線部材を指定配置態様で固定する樹脂部材と、を備えている力センサアレイであって、
前記複数の力センサのそれぞれが、
平板状の起歪体と、
前記起歪体に力を伝達する突出部と、
前記起歪体を全周にわたり連続的または離散的に支持する支持部と、
前記起歪体の一対の主面のうち少なくとも一方の主面に配置されている、当該主面方向に等方的なゲージ率を有する導電性部材と、を備え、
前記起歪体に対して主面の垂線方向成分を有する力が作用した際に極点を基準とした前記起歪体の経線方向についての第1ひずみ量および前記起歪体の緯線方向についての第2ひずみ量の大きさの和が基準値以上となる指定緯度範囲において、前記導電性部材が緯線方向に弧状に延在するように前記起歪体の少なくとも一方の主面に配置され、
前記導線部材が、前記導電性部材とともにひずみ検知用回路を構成し、
前記導電性部材は、前記起歪体のひずみ量に応じて電気抵抗値が変化する抵抗体であることを特徴とする力センサアレイ。
A force sensor array comprising a plurality of force sensors, a plurality of conducting wire members, and a resin member that fixes the plurality of force sensors and the plurality of conducting wire members in a specified arrangement manner,
Each of the plurality of force sensors is
A flat plate-shaped strain body,
a protrusion that transmits force to the strain body;
a support part that supports the strain body continuously or discretely over the entire circumference;
an electrically conductive member having an isotropic gauge factor in the direction of the principal surface, the conductive member being disposed on at least one of the pair of principal surfaces of the strain-generating body;
When a force having a component perpendicular to the main surface acts on the flexure element, a first strain amount in the meridian direction of the flexure element and a second strain in the latitude direction of the flexure element with reference to the pole point. The conductive member is arranged on at least one main surface of the strain-generating body so as to extend in an arc shape in the latitude direction in a designated latitude range where the sum of the magnitudes of the two strain amounts is equal to or greater than a reference value,
The conductive wire member constitutes a strain detection circuit together with the conductive member,
The force sensor array is characterized in that the conductive member is a resistor whose electrical resistance value changes depending on the amount of strain of the strain-generating body .
請求項1記載の力センサアレイにおいて、
前記複数の力センサのそれぞれの前記起歪体の異なる複数の指定経度範囲のそれぞれにおいて、複数の前記ひずみ検知用回路のそれぞれを構成する複数群の前記導電性部材のそれぞれが緯線方向に弧状に延在するように前記起歪体の主面に配置されていることを特徴とする力センサアレイ。
The force sensor array according to claim 1,
In each of a plurality of different specified longitude ranges of the strain-generating body of each of the plurality of force sensors, each of the plurality of groups of conductive members constituting each of the plurality of strain detection circuits is arranged in an arc shape in the latitude direction. A force sensor array, characterized in that the force sensor array is arranged on the main surface of the strain body so as to extend.
請求項1記載の力センサアレイにおいて、
前記複数の力センサのそれぞれの前記起歪体の前記指定緯度範囲において、前記導電性部材が1箇所で分断された前記極点を取り囲む環状に延在するように前記起歪体の主面に配置されていることを特徴とする力センサアレイ。
The force sensor array according to claim 1,
In the specified latitude range of the strain body of each of the plurality of force sensors, the conductive member is arranged on the main surface of the strain body so as to extend in an annular shape surrounding the polar point separated at one point. A force sensor array characterized by:
請求項1~3のうちいずれか1項に記載の力センサアレイにおいて、
前記起歪体の形状が、前記極点を通る主面の垂線に平行な軸線を基準とする回転対称性または前記極点を通る主面に垂直な平面を基準とする鏡像対称性を有し、
前記起歪体の周縁における前記支持部による連続的または離散的な支持態様が、前記軸線を基準とする回転対称性または前記平面を基準とする鏡像対称性を有し、
前記導電性部材が、前記軸線を基準とする回転対称性または前記平面を基準とする鏡像対称性を有するように前記起歪体の前記主面に配置されていることを特徴とする力センサアレイ。
The force sensor array according to any one of claims 1 to 3,
The shape of the strain body has rotational symmetry with respect to an axis parallel to a perpendicular line of the main surface passing through the pole point or mirror symmetry with respect to a plane perpendicular to the main surface passing through the pole point,
The continuous or discrete support mode by the support portion at the periphery of the strain-generating body has rotational symmetry with respect to the axis or mirror symmetry with respect to the plane,
The force sensor array is characterized in that the conductive member is arranged on the main surface of the strain-generating body so as to have rotational symmetry with respect to the axis or mirror symmetry with respect to the plane. .
請求項1~4のうちいずれか1項に記載の力センサアレイにおいて、
前記導電性部材がCr基薄膜により構成されていることを特徴とする力センサアレイ。
The force sensor array according to any one of claims 1 to 4,
A force sensor array characterized in that the conductive member is composed of a Cr-based thin film.
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