JPH01201103A - 接触検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は接触検出装置、特に物体に接触したときの三次
元座標系における接触点の座標または接触点の微小面の
方向を検出する接触検出装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、機械加工において製品の寸法は最も重要な商品価
値となる。寸法の測定をするためには種々の自動計４ｐ
１技術が開発され、そして、利用されてきた。その中に
は空気マイクロメータを利用した自動定寸装置、また、
物品の寸法および形状を測定する接触式センサがある。

この接触式センサはプローブが物品に接触し、物品の表
面を辿ることにより三次元方向の寸法および形状を測定
するものである。プローブが受けた変位は接触または非
接触となるスイッチの信号に変換されるものが多い。し
たがって、この信号はスイッチのｏｎ。

ｏｆｆに基づいたディジタル出力信号である。この他に
プローブの変位を差動トランスや感圧ゴムが受けること
により変位をアナログ信号として出力するものもある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら上記のような従来の接触センサはプローブ
の微小な動作をみると、プローブか物体の表面に接触し
たり離れたりするもので精度の良い接触センサとは言え
ない。また、プローブが物体の表面に接触してもプロー
ブが物体に接触している微小面の方向が検知できない。

さらに、プローブが物体に接触している微小面の方向を
連続的に検知することができない。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり
、受けた力を正確に電気信号に変換し、接触子が物体に
接触することにより受けた力の方向を容易に検出でき、
また、接触子が物体に接触している微小面の方向を検知
できる接触検出装置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段〕 上記目的を達成するために本発明は、物体に対して接触
を行う接触子と、物体との接触に起因して接触子に加わ
る力を機械的変形に変換する起歪平板と、を有する力変
換手段と、起歪平板に連接され、この起歪平板で変換さ
れた機械的変形に基づいて抵抗値か変化する抵抗素子を
接触子の接触端に加わった力の方向を認識しうるような
配列で形成した半導体基板と、起歪平板を装置本体に対
して支持する支持手段とを備えたものである。

〔作　用〕

上記のような構成の接触検出装置は接触子の接触端が物
体に接触することにより力を受けると、この力は起歪平
板に機械的変形を与える。起歪平成が受けた機械的変形
は接触子に加わった力の方向を認識するように配列され
た抵抗素子の抵抗値を変化させる。この変化した抵抗値
を検出することにより接触端に加わった力の方向と、接
触子が物体に接触している微小面の方向がわかる。

〔実施例〕

以下に本発明の接触検出装置を図面に基づいて説明する
。第１図は本発明の接触検出装置１を示す一実施例であ
り、接触検出装置１の断面図である。接触検出装置１は
装置本体としてのケース２内に部品を組み込んだもので
ある。ケース２には開口３が形成されており、この開口
３から接触子としてのスタイラス４が突出ている。スタ
イラス４にはケース２を挟んでケース２の外側と内側に
開口３の径よりも大きな停止片５が形成されている。こ
の停止片５はスタイラス４の変位を制限するものである
。スタイラス４の先端部は外側の停止片５と内側の停止
片５との間で分れる状態にねじ止めされている。また、
内側の停止片５を有するスタイラス４は後述する起歪平
板としての起歪体６から突出ている誘歪部としての突起
部７にねじ止めされている。なお、上記したスタイラス
４の接続はねじ止めに代わり差込み式や互いに噛合った
ものであってもよい。

起歪体６は第２図に示すように円形であって、上記の突
起部７は起歪体６の軸線上に突出ている。

起歪体６の支持部６ａは台板８にねじ止めされており、
起歪体６の突起部７は台板８に形成された窓部９を貫通
している。この窓部９の径に対応する起歪体６の突起部
７の周りは他の部分よりも幾分薄く形成された可撓部１
０となっている。起歪体６の材質としてはＳｉ単結晶基
板の線膨張係数に近い金属、例えばコバール（鉄、コバ
ルト、ニッケルの合金）等が用いられている。

台板８は第１図に断面で示されているが円形のものであ
る。スタイラス４が延びている側の台板８の面で、かつ
、外周部近くは支持体１１にねじ止めされている。この
支持体１１はケース２内に固定されている。

スタイラス４が形成された側とは反対側の起歪体ｓ上に
は半導体基板としての単結晶基板１２が接着されている
。この単結晶基板１２は第２図に示すように四角い形状
であり、三次元座標とじて矢印でＸ軸、そして、Ｙ軸を
定め、第１図に矢印でＺ軸を定める。第２図においてシ
リコンの単結晶基板１２上には合計１２個の抵抗素子Ｒ
が形成されている。抵抗素子Ｒｘｌ〜Ｒｘ４はＸ軸上に
配され、Ｘ軸方向に受ける応力による電気抵抗の検出に
用いられる。抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４はＹ軸上に配され
、Ｙ軸方向に受ける応力による電気抵抗の検出に用いら
れる。抵抗素子Ｒｚｌ〜Ｒｚ４はＸ軸に平行で、この近
傍にある軸上に配されＺ軸方向に受ける応力による電気
抵抗の検出に用いられる。それぞれの抵抗素子Ｒの具体
的な構造およびその製造方法については後述するとして
、これらの抵抗素子Ｒは機械的変形により電気抵抗が変
化するピエゾ抵抗効果を有する素子である。単結晶基板
１２上には保護カバー１３が披されており、単結晶基板
１２を保護している。

第３図には接触検出装置１の他の実施例か示されている
。この例は第１図に基づいて説明した接触検出装置１と
同じ構成を有するので同じ構成には同じ符号を付し、詳
細な説明は省略する。この場合、スタイラス４が延びて
いる側の台板８の面で、かつ、外周部近くには、１字状
の環状溝１４が形成されている。この環状溝１４にはケ
ース２内に固定されている他の支持体としての環状支持
体１１ａの鋭い支持エツジ１５が接触している。

即ち、環状支持体１１ａが台板８を支持している。

単結晶基板１２上の保護カバー１３には座板１６が被さ
れ、この座板１６にはコイルスプリング１７の一端が固
定されている。コイルスプリング１７の他端はコイルス
プリング１７に弾発力を与える状態にケース２の内側に
固定されている。

したがって、コイルスプリング１７の弾発力によな構成
によりスタイラス４が力を受けたときに力に応じた応力
歪みが起歪体６の可撓部１０に生ずる。

上記した第１図および第３図に示す接触検出装置１に共
通するそれぞれの抵抗素子Ｒは基本的に第４図に示すよ
うな配線がなされる。即ち、抵抗素子ＲＸＩ−ＲＸ４は
第４図（ａ）に示すようなブリッジ回路に組まれる。抵
抗素子Ｒｙｌ〜Ｒｙ４および抵抗素子Ｒｚｌ−Ｒｚ４も
それぞれ第４図（ｂ）、第４図（Ｃ）に示すようなブリ
ッジ回路に組まれる。それぞれのブリッジ回路には電源
１８から所定の電圧または電流が供給されておりスタイ
ラス４が受けた力により起歪体６の可撓部１０に歪みが
生ずると、歪みを生じた抵抗素子Ｒのうちいずれかの抵
抗素子の電気抵抗が変化するのでブリッジ回路の平衡条
件がくずれて電圧計１９の針が振れることになる。

このように応力を生じた抵抗素子の電気抵抗を■１定す
るために、第２図に示す単結晶基板１２上おいて、それ
ぞれの抵抗素子Ｒは電気的にポンディングパッド２０に
接続され、ポンディングパッド２０はボンディングワイ
ヤ２１によって外部配線用の電極２２に接続されている
。電極２２は配線孔２３を通り制御装置（図示省略）に
接続される。

次に、第５図ないし第７図に基づいて接触検出装置１の
基本的な動作を説明する。

スタイラス４が物体に接触してスタイラス４が力を受け
ると起歪体６の可撓部１０に歪みが生ずる。

この可撓部１０に生じた歪みか第５図はＸ軸方向に生じ
た場合、第６図はＹ軸方向に生じた場合、第７図はＸ軸
方向に生じた場合であり、それぞれの抵抗素子Ｒに加わ
る応力（伸びる方向を＋、縮む方向を一１変化なしをＯ
で示す）を示したものである。各図は、第２図に示す抵
抗素子ＲＸＩ〜ＲＸ４に沿った断面を（ａ）、抵抗素子
Ｒｙｌ〜Ｒｙ４に沿った断面を（ｂ）、そして、Ｘ軸に
平行で抵抗素子Ｒｚｌ〜Ｒｚ４に沿った断面を（ｃ）と
して示している。

まず、Ｘ軸方向の場合、第５図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）
の矢印Ｆｘ　　（第５図（ｂ）では紙面に垂直な方向）
で示す方向に力が加わり、それぞれ図示する極性の応力
が発生する。それぞれの抵抗素子Ｒには、この応力に対
応した抵抗変化が生じる。

例えば、抵抗素子Ｒｘｌの抵抗は減り（−）、抵抗素子
Ｒｘ２の抵抗は増え（＋）、抵抗素子Ｒｙｌの抵抗は変
化しない（０）。また、Ｙ軸方向およびＸ軸方向の場合
は、上記した説明と同様にそれぞれ第６図（ａ）、（ｂ
）、（ｃ）および第７図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す
ような矢印ＦｙおよびＦｚで示す方向に力が加わり、図
示の通り応力が発生する。それぞれの抵抗素子Ｒには、
この応力に対応した抵抗変化が生じる。結局、加わる力
と各抵抗素子Ｒの変化の関係を表にまとめると、く表　
１〉 上記のような接触検出装置１の基本的な動作に基づいて
、第１図に示す接触検出装置１の動作を説明する。スタ
イラス４が物体にＸ軸方向またはＹ軸方向から接触する
ことにより起歪体６の可撓部１０の部分にはモーメント
が生ずる。このモーメントにより可撓部１０には歪みが
生ずる。そして、Ｘ軸方向に力がかかると同じように可
撓部１０には歪みが生ずる。この歪みは上記したよう（
；Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＸ軸方向の方向性を持たせ
たそれぞれの抵抗素子Ｒの抵抗値を変化させるので、こ
の信号を検出することによりスタイラス４が受けた力の
方向（接触した物体の微小な面の傾きおよび座標）が検
出される。

第３図に示す接触検出装置１の場合は第１図の説明と同
じようにスタイラス４が物体に接触すると、接触した方
向がＸ軸またはＹ軸方向の場合は起歪体６の可撓部１０
の部分にモーメントが生ずる。また、スタイラス４が２
軸方向の場合は可撓部１０の部分に力が生ずる。この生
じたモーメントまたは力により起歪体６の可撓部１０に
歪みを生ずる。スタイラス４が力を受けたときは、その
力に応じて台板８の一部が環状支持体１１ａから離れ、
台板８と環状支持体１１ａとの接触部分は弧の接触とな
る。この弧の接触は台板８と支持エツジ１５とは円形と
なっているので円形上の任意の部分で生ずることになり
、スタイラス４の受ける力がいかなる方向であろうとも
起歪体６の可撓部１０に生ずる歪みの方向はスタイラス
４が受けた力の方向に一致することなる。したがって、
それぞれの抵抗素子Ｒはスタイラス４が受けた力の方向
を正確な電気抵抗に変化することができる。

したがって、スタイラス４が受けた力の方向（接触した
物体の微小な面の傾きおよび座標）が検出される。さら
に、スタイラス４が強い力を受けた検出装置１の説明で
は可撓部１０において、Ｚ軸方向は力、Ｘ軸、Ｙ軸方向
はモーメントとして力（変位：変位は力に比例する）を
検出したが、スタイラス４の長さの変化に対応するため
にはＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の全ての方向は力によって検
出した方が望ましい場合がある。このＸ軸方向およびＹ
軸方向を力成分として検出する説明は特願昭６２−１０
１２７２号（発明の名称二力検出装置）に開示されてい
る。

第８図は接触検出装置１の他の例である。このスタイラ
ス４が物体に接触することにより力を受けると、保護カ
バー１３が紙面上で左右に回転する変位を受ける。この
時、保護カバー１３の上面が湾曲しているので、保護カ
バー１３は座板１６をコイルスプリング１７の弾発力に
抗して押しあげるように作用する。この時、座板１６は
ケース２の内側に沿って上方に動くので座板１６は案内
となる。この案内の作用はこの接触検出装置１を第３図
に示した接触検出装置１と同様に倣い検出装置として使
用する場合に有効である。

なお、第１図、第３図および第８図おいて、スタイラス
４に形成されている停止片５はスタイラス４が受ける変
位が大き過ぎる時に起歪体６の可Ｂ部１０を破損しない
ようにすることができる。

スタイラス４に大きい力がかかり、スタイラス４の先端
が破損しても先端はねじ止めとなっているので新しいも
のに取り替えることができる。

また、スタイラス４が受けるＸ軸方向、Ｙ軸方向および
Ｚ軸方向の力によってブリッジ回路から出力される１＝
号を検出しながらスタイラス４を物体の表面に沿って移
動させれば、物体の寸法や形状を二次元の成分で高精度
に表すことができる。

さらに、環状支持体１１ａには支持エツジ１５を形成し
たが、この支持エツジ１５に 代わり環状に複数の突起を形成することもできる。

第９図は接触検出装置１の他の例である。このスタイラ
ス４と、起歪体６の可撓部１０に形成されている突起部
７との間には弾性部材としてのコイルスプリング２４が
それぞれに固定されている。

この例は第３図に示した接触検出装置１と同様に倣いプ
ローブとして有効である。コイルスプリング２４を取付
けたことによってスタイラス４が物体に接触し、そして
、スタイラス４が力を受けたときに生ずる変位はコイル
スプリング２４０弾性力の作用により大きくすることが
できる。この例も同じようにスタイラス４が横方向から
力を受けると起歪体６の可撓部１０の部分にはモーメン
トが生ずる。Ｚ軸方向に力がかかると可撓部１０の部分
に力が生ずる。このモーメントまたは力によって抵抗素
子Ｒの抵抗値を変化させることは上記に説明したものと
同様である。なお、コイルスプリング２４の代わりに、
ゴムや合成樹脂等を使用することもできる。

次に、ピエゾ抵抗効果を有する抵抗素子Ｒの製造方法を
簡単に説明する。

以下に述べる抵抗素子Ｒの配置および半導体基板の条件
等については特開昭６２−１０１２６９号（発明の名称
二カ検出装置）に開示されている。

この抵抗素子Ｒは半導体基板上に半導体ブレーナプロセ
スにより形成されるものである。まず、第１０図（ａ）
に示すように、Ｎ！２のシリコン基板１０１を熱酸化し
、表面に酸化シリコン層１０２を形成する。

続いて同図（ｂ）に示すように、この酸化シリコン層１
０２を写真法によってエツチングして、開口部１０３を
形成する。

続いて同図（Ｃ）に示すように、この開口部からほう素
を熱拡散し、Ｐ型拡散領域１０４を形成する。なお、こ
の熱拡散の工程で、開口部１０３には酸化シリコン層］
０５が形成されることになる。

次に、同図（ｄ）に示すように、ＣＶＤ法によって窒化
シリコン層１０６を積層し、 窒化シリコン層１０６を保護層として形成する。

そして同図（ｅ）に示すように、この窒化シリコン層１
０６および酸化シリコン層１０５に写真法によってコン
タクトホールを開口した後、同図（ｆ）に示すように、
アルミニウム配線層１０７を薄石形成する。

そして、最後にこのアルミニウム配線層１０７を写真法
によりパターニングし、同図（ｇ）に示すような構造を
得る。

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

〔発明の効果〕

以上述べたことから本発明の接触検出装置は接触子の受
けた力が起歪平板に機械的変形を生じさせ、この機械的
変形は接触子に加わった力の方向を認識するように配さ
れた抵抗素子によって電気抵抗に変換されるので、接触
子が物体に接触することにより受けた力を正確に電気信
号に変化させることができ、また、接触子の受けた力が
どの方向から受けたものかを容易に検出することができ
る。

即ち、接触子が物体に接触した接触点の座標および接触
点の微小な面の傾き等の方向を検出することができ、さ
らに、力の方向を認識するように配されたそれぞれの抵
抗素子の出力信号を検出しながら連続的に接触点の座標
および接触点の微小な面の傾き等の方向を検出すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の接触検出装置を示す断面図、第２図は
第１図に矢印Ａ−Ａにより示す横断面図、第３図は接触
検出装置の他の例を示す断面図、第４図は第２因に示す
抵抗素子のブリッジ構成を示す回路図、第５図、第６図
および第７図は第２図に示す抵抗素子のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ
軸方向に力がかかったときに発生する応力を示す断面図
、第８図は接触検出装置の他の例を示す断面図、第９図
は接触検出装置の他の例を示す断面図、第１０図は第２
図に示す抵抗素子を単結晶基板上に形成する工程図であ
る。 １・・・接触検出装置、２・・・装置本体（ケース）、
（４・・・接触子（スタイラス）、６・・・起歪平板（
起歪体））・・・力変換手段、６ａ・・・支持部、７・
・・誘歪部（突起部）、８・・・台板、１０・・・可撓
部、（１１・・・支持体、ｌｌａ・・・環状支持体）・
・・支持手段、１２・・・半導体基板（単結晶基板）、
１４・・・環状溝、１５・・・支持エツジ、１７．２４
・・・弾性部材（コイルスプリング）、Ｒ・・・抵抗素
子。 図面の浄吉（内容（こ変更なし） 嵩ｌ　図 為４　図 ハロ図 為７図 ２　　　　娩８図 ）２・１ 娩９図 ／１０２ ′１０６ 嶌１０図 手続補正書坊式） 昭和６３年６月　　日 １、事件の表示 昭和６３年　特許願第２５３２０号 ２、発明の名称 接触検出装置 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住所　埼玉県浦和市常盤三丁目２３番５号４、補正命令
の日付 昭和６３年５月１１日 （発送臼　昭和６３年５月３１日） ５、補正の対象 図　　面

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、物体に対して接触を行う接触子と、物体との接触に
   起因して前記接触子に加わる力を機械的変形に変換する
   起歪平板と、を有する力変換手段と、 前記起歪平板に連接され、この起歪平板で変換された機
   械的変形に基づいて抵抗値が変化する抵抗素子を前記接
   触子の接触端に加わった力の方向を認識しうるような配
   列で形成した半導体基板と、前記起歪平板を装置本体に
   対して支持する支持手段と、 を備えることを特徴とする接触検出装置。 ２、起歪平板が、支持手段によって装置本体に固着され
   る支持部と、接触子に加わった力を受ける誘歪部と、前
   記支持部と前記誘歪部との間に設けられた可撓性を有す
   る可撓部と、を有することを特徴とする請求項１に記載
   の接触検出装置。 ３、誘歪部と接触子とが弾性的に接続されていることを
   特徴とする請求項２に記載の接触検出装置。 ４、起歪平板が、支持手段によって装置本体に支持され
   る支持部と、接触子に加わった力を受ける誘歪部と、前
   記支持部と前記誘歪部との間に設けられた可撓性を有す
   る可撓部と、を有し、支持手段が、装置本体に固着され
   上面に少なくとも３つの支持点をもった支持体と、前記
   支持点によって下面が支持され前記支持部に固着された
   台板と、前記台板を前記支持点に向けて押圧する弾性部
   材と、を有することを特徴とする請求項１に記載の接触
   検出装置。 ５、起歪平板が、支持手段によって装置本体に支持され
   る支持部と、接触子に加わった力を受ける誘歪部と、前
   記支持部と前記誘歪部との間に設けられた可撓性を有す
   る可撓部と、を有し、支持手段が、装置本体に固着され
   上面に環状の支持エッジをもった支持体と、下面に前記
   支持エッジに適合する環状溝をもち前記支持部に固着さ
   れた台板と、前記台板を前記支持エッジに向けて押圧す
   る弾性部材と、を有することを特徴とする請求項１に記
   載の接触検出装置。