JPH02203229A - 力検出装置 - 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〕 本発明は力検出装置、特にＸＹＺ三次元座標系において
、原点を作用点として各軸方向に作用する力および各軸
回りに作用するモーメントを検出する力検出装置に関す
る。

〔従来の技術〕

一般に、ある作用点に働く力を検出する装置は、この力
の作用によって生じる応力歪みを検出することによって
間接的に力の検出を行っている。応力歪みの検出は、力
の作用によって応力歪みを生じる起歪体の各部にストレ
ーンゲージなどの検出器を設け、この検出器の抵抗値な
どの変化を測定することによって行われている。

最近では、機械的変形によって電気抵抗が変化するとい
うピエゾ抵抗効果の性質を備えた抵抗素子を、半導体基
板上に配列し、この抵抗素子の抵抗値の変化から力を検
出する技術も提案されている。力の作用によって半導体
基板上に機械的な歪みを起こさせ、これによって生じる
抵抗素子の抵抗値の変化を電気的に検出するのである。

たとえば、特開昭６３−２６６３２９号公報には、ＸＹ
平面上に広がった基板上の、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に
沿った所定位置に、複数の抵抗素子を形成し、これら抵
抗素子を特有のブリッジ回路に組むことにより、各軸方
向に作用した力および各軸回りに作用したモーメントを
、ブリッジ電圧の変化として検出できる技術が開示され
ている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、前述の公報に開示された力検出装置には
、次のような問題点がある。

（１）　　作用した力に基づいて基板上に機械的な歪み
を生じやすくするため、基板の数箇所をくりぬき、Ｘ軸
方向に沿った第１の架橋部と、Ｙ軸方向に沿った第２の
架橋部とを形成している。ところが、この基板を金属な
どでできた起歪体に接着して用いる場合、起歪体上面に
接着材をのせ、高温下でこの接着材を溶融させ、その上
に基板をのせて接着を行うことになる。しかしながら、
基板にはくりぬき部があるため、溶融した接着材が、く
りぬき部を浸透して基板表面に出てきてしまう。

このように基板表面に出てきた接着材は、基板表面に施
された種々の配線に対して悪影響を及ぼし好ましくない
。

（２）　　架橋部の歪み方にはゆらぎが生じやすく、正
確な測定値が得られない場合がある。

（ａ）　　ｘｙｚの３軸方向の力および３軸回りのモー
メントという６成分の検出が可能であるが、測定対象と
なる成分の測定値に別な成分が干渉を及ぼし、正確な測
定値が得られない場合がある。

そこで本発明は、これらの問題点を解決することのでき
る力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〕

（１）　　本願節１の発明は、ＸＹＺ三次元座標系で、
原点を作用点として軸方向に作用する力あるいは軸回り
に作用するモーメントを検出する力検出装置において、 上面がＸＹ平面上に含まれ、この上面に、Ｘ軸圧方向に
沿った第１の領域と、Ｘ軸負方向に沿つた第２の領域と
、Ｙ軸圧方向に沿った第３の領域と、Ｙ軸負方向に沿っ
た第４の領域と、を有する基板を用意し、 この基板の上面の前述の各領域の境界部分に、下面まで
には達しないような深さの溝を形成することにより、原
点に力が作用した場合に、基板上面に生ずる歪みが４つ
の領域でそれぞれ特徴をもつようにし、 ４つの領域のそれぞれに、機械的変形によって電気抵抗
が変化する性質をもつ抵抗素子を形成し、これらの抵抗
素子の電気抵抗の変化に基づいて、原点に作用する力あ
るいは軸回りに作用するモーメントを検出するようにし
たものである。

（２）　　本願第２の発明は、ＸＹＺ三次元座標系で、
原点を作用点としてＸ軸方向に作用する力を検出する力
検出装置において、 原点の両側にＹ軸に沿って形成された架橋部を設け、 原点にＸ軸方向の力を加えることによって架橋部に歪み
が生じるように、架橋部の両端を固定部として固定し、 架橋部のＸＹ平面上に、機械的変形によって電気抵抗が
変化する性質をもつ複数の抵抗素子からなる抵抗素子群
を、 Ｙ軸圧方向の原点側にＹ軸を挟んで一対、Ｙ軸負方向の
原点側にＹ軸を挟んで一対、Ｙ軸圧方向の固定部鋼にＹ
軸を挟んで一対、Ｙ軸負方向の固定部鋼にＹ軸を挟んで
一対、の各位置に設け、 これら抵抗素子群のうち、第１象限の原点側にある抵抗
素子群の抵抗素子と、第２象限の固定部鋼にある抵抗素
子群の抵抗素子と、を直列接続して第１の辺を構成し、 これら抵抗素子群のうち、第４象限の原点側にある抵抗
素子群の抵抗素子と、第３象限の固定部鋼にある抵抗素
子群の抵抗素子と、を直列接続して第２の辺を構成し、 これら抵抗素子群のうち、第２象限の原点側にある抵抗
素子群の抵抗素子と、第１象限の固定部鋼にある抵抗素
子群の抵抗素子と、を直列接続して第３の辺を構成し、 これら抵抗素子群のうち、第３象限の原点側にある抵抗
素子群の抵抗素子と、第４象限の固定部鋼にある抵抗素
子群の抵抗素子と、を直列接続して第４の辺を構成し、 この４つの辺について、第１の辺と第２の辺が互いに対
辺に、第３の辺と第４の辺とが互いに対辺に、なるよう
にしてブリッジ回路を形成し、この回路のブリッジ電圧
によって、Ｘ軸方向に作用する力を検出するようにした
ものである。

（３）　　本願第３の発明は、ＸＹＺ三次元座標系で、
原点を作用点としてＺ軸方向に作用する力を検出する力
検出装置において、 原点の両側にＸ軸に沿って形成された架橋部を設け、 原点に２軸方向の力を加えることによって架橋部に歪み
が生じるように、架橋部の両端を固定部として固定し、 架橋部のＸＹ平面上に、機械的変形によって電気抵抗が
変化する性質をもつ複数の抵抗素子からなる抵抗素子群
を、 Ｘ軸圧方向の原点側の位置、 Ｘ軸負方向の原点側の位置、 Ｘ軸圧方向の固定部鋼の位置、 Ｘ軸負方向の固定部鋼の位置、 の各位置に、いずれもほぼＸ軸上にのるように設け、 これら抵抗素子群のうち、Ｘ軸圧方向の固定部鋼の抵抗
素子群の１抵抗素子と、Ｘ軸負方向の固定部鋼にある抵
抗素子群の１抵抗素子と、を直列接続して第１の辺を構
成し、 これら抵抗素子群のうち、同じくＸ軸圧方向の固定部鋼
の抵抗素子群の別な１抵抗素子と、同じくＸ軸負方向の
固定部鋼にある抵抗素子群の別な１抵抗素子と、を直列
接続して第２の辺を構成し、これら抵抗素子群のうち、
Ｘ軸圧方向の原点側の抵抗素子群の１抵抗素子と、Ｘ軸
負方向の原点側にある抵抗素子群の１抵抗素子と、を直
列接続して第３の辺を構成し、 これら抵抗素子群のうち、同じくＸ軸圧方向の原点側の
抵抗素子群の別な１抵抗素子と、同じくＸ軸負方向の原
点側にある抵抗素子群の別な１抵抗素子と、を直列接続
して第４の辺を構成し、この４つの辺について、第１の
辺と第２の辺が互いに対辺に、第３の辺とｍ４の辺とが
互いに対辺に、なるようにしてブリッジ回路を形成し、
この回路のブリッジ電圧によって、Ｚ軸方向に作用する
力を検出するようにしたものである。

（４〉　　本願箱４の発明は、ＸＹｚ三次元座標系で、
原点を作用点としてＸ軸回りに作用するモーメントを検
出する力検出装置において、原点の両側にＹ軸に沿って
形成された架橋部を設け、 原点にＸ軸回りのモーメントを加えることによって架橋
部に歪みが生じるように、架橋部の両端を固定部として
固定し、 架橋部のＸＹ平面上に、機械的変形によって電気抵抗が
変化する性質をもつ複数の抵抗素子からなる抵抗素子群
を、 Ｙ軸圧方向の原点側の位置、 Ｙ軸負方向の原点側の位置、 Ｙ軸圧方向の固定部鋼の位置、 Ｙ軸負方向の固定部鋼の位置、 の各位置に、いずれもほぼＹ軸上にのるように設け、 これら抵抗素子群のうち、Ｙ軸圧方向の固定部鋼の抵抗
素子群の１抵抗素子と、Ｙ軸負方向の原点側にある抵抗
素子群の１抵抗素子と、を直列接続して第１の辺を構成
し、 これら抵抗素子群のうち、同じくＹ軸圧方向の固定部鋼
の抵抗素子群の別な１抵抗素子と、同じくＹ軸負方向の
原点側にある抵抗素子群の別な１抵抗素子と、を直列接
続して第２の辺を構成し、これら抵抗素子群のうち、Ｙ
軸圧方向の原点側の抵抗素子群の１抵抗素子と、Ｙ軸負
方向の固定部鋼にある抵抗素子群の１抵抗素子と、を直
列接続して第３の辺を構成し、 これら抵抗素子群のうち、同じくＹ軸正方向の原点側の
抵抗素子群の別な１抵抗素子と、同じくＹ軸負方向の固
定部鋼にある抵抗素子群の別なｌ抵抗素子と、を直列接
続して第４の辺を構成し、この４つの辺について、第１
の辺と第２の辺が互いに対辺に、第３の辺と第４の辺と
が互いに対辺に、なるようにしてブリッジ回路を形成し
、この回路のブリッジ電圧によって、Ｘ軸回りに作用す
るモーメントを検出するようにしたものである。

〔作　用〕

本願箱１の発明による力検出装置では、基板の上面に、
下面までには達しないような深さの溝が形成される。原
点に力が作用すると、各領域に生じる歪みが、この溝の
作用によって各領域ごとに特徴をもったものになる。す
なわち、従来装置における架橋部が、基板をくりぬくこ
となく形成できるのである。したがって、起歪体上の溶
融した接着材が基板表面まで浸透してくることはない。

本願箱２の発明による力検出装置では、Ｙ軸に沿って架
橋部を設け、このＹ軸周辺に形成された抵抗素子によっ
てＸ方向に作用する力を検出している。Ｘ方向の力は、
架橋部の長手方向に対して直角であるため、架橋部に生
じる歪みはゆらぎのない安定したものとなる。したがっ
て、ゆらぎのない正確な測定値が得られるようになる。

本願箱３の発明および第４の発明にょる力検出装置では
、はぼ軸上に配置された抵抗素子によって、軸方向の力
または軸回りのモーメントを検出している。このように
抵抗素子をほぼ軸上に配することにより、別な軸方向の
力あるいは軸回りのモーメントの影響が抑えられ、他の
成分の干渉を受けることのない正確な測定値が得られる
ようになる。

〔実施例〕

以下、本発明を図示する実施例に基づいて説明する。

装置の構成 第１図（ａ）は、本発明の一実施例に係る力検出装置の
上面図、同図（ｂ）および（Ｃ）は同装置を切断線Ａ−
Ａに沿って切った断面図である。この実施例では、基板
１０の表面上に２４組の抵抗素子群Ｒ１−１２４が形成
されている。基板１０はシリコンの単結晶基板からなり
、上面の８か所に溝Ｇ１〜Ｇ８が形成されている。この
溝６１〜Ｇ８は、基板１０の下面にまでは到達していな
い、別言すれば、基板１０を上下に貫通するくりぬき孔
にはなっていない点が特徴である。この様子は、第１図
（ｂ）または（Ｃ）の断面図を見るとよく理解できよう
。このような溝は、基板１０をエツチング処理すること
によって容易に形成することができる。

異方性エツチングを施せば、同図（ｂ）に示すような断
面形状をもつ溝が形成できるし、等方性エツチングを施
せば、同図（Ｃ）に示すような断面形状をもつ溝が形成
できる。このような溝を形成することによって、基板１
０の上面は、領域１１〜１４の４つの領域に区画され、
基板中央の作用点Ｐに力が作用した場合、各領域ごとに
特徴をもった機械的な歪みが生じることになる。溝０１
〜Ｇ８を基板の下面にまで達するように堀り下げてくり
ぬくと、領域１１〜１４はそれぞれ橋を形成することに
なるが、この実施例のように、下面にまで達しない溝で
あっても、基板１０上面で生じる機械的歪みに関する現
象については、領域１１〜１４が橋と同等の働きをする
ことになる。そこで、以下の説明では、第２図に模式的
に示すように、領域１１〜１４を架橋部１１〜１４と呼
ぶことする。また、基板１０の上面中央に定めた作用点
Ｐを原点として、図のようにＸＹＺ三次元座標系を定義
する。Ｚ軸は原点Ｐから紙面上方に向かう軸となる。

さて、抵抗素子群Ｒ１−Ｒ２４は、それぞれが複数の抵
抗素子で構成されている。第１図（ａ）に示す各抵抗素
子群の位置は、その抵抗素子群に所属する抵抗素子が分
布する領域を示しているにすぎない。たとえば、抵抗素
子群Ｒ３は、第３図に示すように、４つの抵抗素子「１
〜「４によって構成されており、この抵抗素子ｒ１〜ｒ
４が、第１図（ａ）においてＲ３と記された領域に分布
していることになる。なお、各抵抗素子は、その長手方
向が第１図（ａ）に示す抵抗素子群Ｒ１〜Ｒ２４の長手
方向に一致するように配するのが、高感度を得る上で好
ましい。この抵抗素子群の配列の特徴は、群Ｒ３、Ｒ４
、ＲＬ５．　ＲＩＢが、それぞれほぼＸ軸上に配され、
群Ｒ９、ＲＩＯ，Ｒ２１，Ｒ２２が、それぞれほぼＹ軸
上に配され、残りの群は、Ｘ軸またはＹ軸の両側に沿っ
て、軸から少し距離をおいて配されている点である。こ
のシンメトリックな配列は、第２図に模式的に示されて
いる。各抵抗素子は、単結晶基板上に不純物を拡散する
ことによって形成される。このようにして形成した抵抗
素子はピエゾ抵抗効果を示し、機械的変形によって電気
抵抗が変仕する性質をもっている。

基板１０の周囲は固定され、作用点Ｐに対する固定部と
なる。そこで、偶数符号を付した抵抗素子群を原点側の
抵抗素子群、奇数符号を付した抵抗素子群を固定部鋼の
抵抗素子群と呼ぶことにする。このように基板１０の周
囲を固定部とすれば、作用点Ｐに力が加わったときに、
架橋部１１〜１４に様々な応力歪みが生じるのである。

この歪みによって、各抵抗素子群の抵抗素子に電気抵抗
の変化が生じる。本装置は、この電気抵抗の変化に基づ
いて作用点Ｐに加わった力の検出を行うのである。なお
、実際には、作用点Ｐに何らかの起歪体が接着され、こ
の起歪体を介して作用点Ｐに力が加えられる。

上述のように配された２４組の抵抗素子群を用いて、第
４図（ａ）〜（ｒ）に示すような６とおりのブリッジが
形成されている。各ブリッジにはそれぞれ電源３０が接
続され、また、ＦＸ、ＦＹＦＺ、ＭＸ、ＭＹ、ＭＺｌ、
：比例シタ電圧ＶＦＸ。

ＶＦＹ　、ＶＦＺ　、ＶＭＸ　、ＶＭＹ　、ＶＭＺをブ
リッジ電圧として出力する電圧計４１〜４６が接続され
ている。

なお、このブリッジ回路図で示されている各抵抗素子の
記号は、その抵抗素子群の中の１つの抵抗素子を意味し
ており、同一記号が付されている抵抗素子であってもそ
れらは同一の抵抗素子群に属する別な抵抗素子を意味す
るものとする。たとえば、第４図の回路図中、Ｒ３と記
された抵抗素子は同図（Ｃ）に２か所、同図（ｅ）に２
か所、合計で４か所に用いられているが、これらはそれ
ぞれ第３図に示す４つの抵抗素子ｒ１〜「４を用いてお
り、互いに電気的に独立した別な抵抗素子である。ここ
では、説明の便宜上、抵抗素子群Ｒｘ（ｘ−１〜２４）
に属する１抵抗素子を示すのにも、同一記号Ｒｘを用い
ることにする。

装置の動作 以下、上述の装置の動作について説明する。第１図に示
すような抵抗素子の配置を行うと、作用点Ｐに力または
モーメントＦＸ、ＦＹ、ＦＺ。

ＭＸ、ＭＹ、ＭＺが加わったときに、各抵抗素子Ｒ１−
Ｒ２４は第５図に示す表（各抵抗素子はＰ型の半導体か
ら成るものとする）のような電気抵抗変化を生じる。こ
こで“０１は変化なし、“＋。

は電気抵抗の増加、　−°は電気抵抗の減少を示す。　
ここで、第５図のような結果が得られる理由を第６図〜
第９図を参照して簡単に説明する。

第６図〜第９図は、作用点Ｐに力またはモーメントＦＸ
、ＦＹ、ＦＺ、ＭＸ、ＭＹ、ＭＺが加わったときに、架
橋部に生じる応力歪みおよび電気抵抗の変化を示す図で
、各図（ａ）は架橋部の上面図、各図（ｂ）は正断面図
、各図（Ｃ）は側断面図である。

たとえば、第６図では、作用点ＰにＸ軸方向の力ＦＸが
作用したときの状態が示されている。力ＦＸにより架橋
部１１は伸び、架橋部１３は縮むことになる。したがっ
て、架橋部１１にある抵抗素子（Ｒ１−Ｒｅ）は伸びて
電気抵抗が増加しくＰ型半導体の場合）、架橋部１３に
ある抵抗素子（Ｒ１３〜Ｒ１８）は縮んで電気抵抗が減
少する。架橋部１２および１４にある抵抗素子は、配置
位置によって伸びたり縮んだりする。結局、第５図の表
第１欄のような結果が得られることが容易に理解できよ
う。力ＦＹが作用した場合は、第６図のＸ軸とＹ軸とを
単に入れ替えただけであるから、第５図の表第２欄のよ
うな結果になる。また、力ＦＺが作用した場合は、第７
図に示す状態になり、同表第３欄のような結果になる。

一方、モーメントが作用した場合は次のようになる。ま
ず、Ｘ軸回りのモーメントＭＸが作用した場合は、第８
図に示す状態になり、同表第４欄のような結果が得られ
る。Ｙ軸回りのモーメントＭＹが作用した場合は、第８
図でＸ軸とＹ軸とを単に入れ替えただけであるから、同
表第５欄のような結果が得られる。最後に、Ｚ軸回りの
モーメントＭｚが作用した場合は、第９図に示す状態に
なり、同表第６欄のような結果が得られる。

さて、ここで各抵抗素子Ｒ１〜Ｒ２４によって第４図に
示すようなブリッジが構成されていることを考慮すれば
、作用点Ｐに加わるＦＸ、ＦＹ。

ＦＺ、ＭＸ、ＭＹ、ＭＺと、電圧計４１〜４６１．：現
しル検出電圧ＶＦＸ、ＶＦＹ、ＶＦＺ、ＶＭＸ。

ＶＭＹ　、ＶＭＺとの関係は、第１０図に示す表のよう
になる。ここで、′Ｏｍは電圧変化が生じないことを示
し、“Ｖ”は加わる力に依存した電圧変化が生じること
を示す。電圧変化の極性は加わる力の向きに依存し、電
圧変化の大きさは加わる力の大きさに依存することにな
る。

第１０図に示すような表が得られることは、第４図の回
路図でブリッジのそれぞれ対辺となる抵抗素子の抵抗値
の積が互いに等しい場合に、電圧変化がないことを考え
れば容易に理解できよう。

たとえば、力ＦＸが加わった場合、各抵抗素子は第５図
の表第１欄のような電気抵抗の変化を生じる。ここで第
４図（ａ）を参照すると、Ｒ２０，Ｒ２３Ｒ７，Ｒ１２
はともに抵抗値が増加し、Ｒ８、Ｒ１１゜Ｒ１９，Ｒ２
４はともに抵抗値が減少する。したがって、対辺となる
抵抗素子の抵抗値の積に大きな差が生じ、電圧変化“■
゛が検出されることになる。

一方、第４図（ｂ）〜（ｆ）のブリッジ回路においては
、ブリッジ電圧に変化は生じない。たとえば、第４図（
ｂ）の回路では、Ｒ１とＲ６は＋゛で抵抗値が増加する
が、その対辺となるＲ１４とＲ１７は“で抵抗値が減少
してしまう。同じことが、もう一方の対辺を構成するＲ
２　、　Ｒ５、Ｒ１３，Ｒ１８についても成り立ち、結
局ブリッジ電圧に変化は生じないのである。このように
、力ＦＸの作用はＶＦＸにのみ影響を及ぼし、ＶＦＸの
測定によって力ＦＸを独立して検出することができる。

なお、実際の量産品では、各抵抗素子の特性にばらつき
があるため、他成分の力の影響を完全に排除することは
困難であるが、この点に関しては「本実施例の効果（３
）」において後述する。

以上、結局第１０図の表において、対角成分のみが“Ｖ
”であり、それ以外はすべて“０°であるということは
、何ら演算を行うことなしに、各検出値を直接電圧計の
読みとして得ることができることを示している。

なお、上述のようなブリッジを構成することによって、
応力以外の要因に基づく抵抗変化の影響を打消すことが
できる。たとえば、温度によって各抵抗素子の電気抵抗
が変化するが、ブリッジを構成するすべての抵抗素子が
ほぼ同等に変化するため、この温度変化の影響は相殺さ
れるのである。

したがって、このブリッジ構成によってより高精度の測
定が可能になる。

本実施例の効果 最後に上述の実施例の効果を、従来装置に対比して述べ
ておく。まず、参考のために、特開昭６３−２６６３２
９号公報に開示されている従来装置の概要を説明する。

第１１図はこの従来装置の上面図、第１２図はこの装置
におけるＸ軸方向の力ＦＸを検出ためのブリッジ回路図
である。第１１図に示すように、この装置は十文字状の
架橋部２１〜２４と、その外側に円周状に形成された固
定部２５を有する。各架橋部には、それぞれ抵抗素子群
Ｒ１−ＲｌＢが形成されている。隣接する架橋部の間に
は、４分円状のくりぬき部２６が設けられている。この
くりぬき部２６は基板の上面から下面に達する貫通孔で
ある。逆に言えば、このくりぬき部２６を設けたために
、４つの架橋部２１〜２４が形成されたことになる。抵
抗素子群Ｒ１〜Ｒ１Ｂに属する抵抗素子を組み合わせて
６とおりのブリッジ回路が組まれており、ＦＸ、ＦＹ。

ＦＺ、ＭＸ、ＭＹ、ＭＺという６成分の力が検出できる
。第１２図には、このうちＦＸを検出するためのブリッ
ジ回路を示す。電源３０からこのブリッジに電圧を供給
すれば、電圧計４７によって力ＦＸを検出することがで
きる。なお、詳細については上記公報を参照されたい。

さて、この従来装置には、前述したように３つの問題点
がある。本実施例の装置では、これらの問題点を解決す
ることができる。以下、各問題点ごとに述べる。

（１）　　従来装置の第１の問題点は、基板を起歪体に
接着する場合、接着材が基板のくりぬき部を浸透して基
板表面にまで出てきてしまい配線に悪影響を与えるとい
う点であった。この様子を第１３図に示す。この第１３
図は、従来装置の基板２０を起歪体５０に接着した状態
を示す。起歪体５０は金属でできており、上面から見る
と円形をした部材である。その中心に位置する作用部５
１は下方に突出しており、その周囲には厚みが薄いため
に可撓性をもった可撓部５２が形成されており、更にそ
の外周には固定部５３が形成されている。この起歪体５
０の上面には接着剤層６０を介して、基板２０が接着さ
れている。固定部５３を固定した状態で、作用部５１に
力を加えると、可撓部５２が撓み、起歪体５０に機械的
歪みが生じる。この歪みはそのまま基板２０に伝達され
る。

こうして、作用部５１に加えた力を、基板２０上の作用
点Ｐに加えられた力として検出することができる。基板
２０としては、通常半導体基板が用いられるために、直
接大きな力を加えることができないが、このように起歪
体５０に接着して用いるようにすれば、大きな力の測定
も可能になる。

ところで、従来装置の基板２０には、前述のようにくり
ぬき部２６が設けられているため、接着工程において、
溶融した接着材６０が、このくりぬき部２６を通って基
板上面にまで出てきてしまうのである。基板２０の上面
には、抵抗素子が形成されるとともに、種々の配線がな
されており、接着材はこの配線に悪影響を及ぼす。

これに対し、本実施例の装置では、基板１０の上面に溝
Ｇが形成されているものの、この溝Ｇは下面にまでは達
していないため、第１４図に示すように、起歪体５０に
接着した場合であっても、基板下面の接着材６０が上面
にまで浸透するという弊害はない。これは、起歪体を用
いた量産品を生産する上で大きなメリットになる。

（２）　　従来装置の第２の問題点は、架橋部に生じる
歪みにゆらぎが生じるため、安定した測定値が得られな
いという点であった。この現象を、Ｘ軸方向の力ＦＸを
検出する場合を例にとって、もう少し詳しく説明する。

作用点Ｐに力ＦＸが加わったときの基板の状態は、１６
図に示したとおりである。同図（ａ）に示すように、架
橋部１１は伸び、架橋部１３は縮み、架橋部１２．１４
はねじれることになる。

ここで、従来装置と本実施例の装置との根本的な相違は
、従来装置が第６図（ａ）の架橋部１１および１３にあ
る抵抗素子（第１１図では架橋部２２．２４に相当）を
利用して力ＦＸを測定している（第１２図のブリッジ参
照）のに対し、本実施例の装置は架橋部１２および１４
にある抵抗素子を利用して力ＦＸを測定している点にあ
る。第６図（ａ）に示すように、架橋部１１にある抵抗
素子は“十″を示し、架橋部１３にある抵抗素子は”を
示すため、従来装置ではこの抵抗直の変化を利用して力
ＦＸを検出していたのである。

ところが、実際には、架橋部１３にある抵抗素子の抵抗
値の変化は、かなり不安定なものになる。

すなわち、第６図（ｂ）に力ＦＸが作用したときの基板
の断面状態が示されているが、これは理想的な状態を示
したものであって、実際には断面形状はこのように平ら
なものにはならない。実際の断面形状は、第１５図（ａ
）または（ｂ）のようになる。

作用点Ｐより右側の部分は縮むのであるが、平らのまま
縮むことは希で、同図（ａ）のように上側に反りを生じ
たり、同図（ｂ）のように下側に反りを生じたりするの
である。なお、第１５図では実際の装置における各部の
位置関係を明確にするために、起歪体５０の作用部５１
および固定部５３の断面を合わせて示しである。このよ
うな反りが生じると、抵抗素子の抵抗値変化に影響を及
ぼす。

しかも反りは常に一定ではなく、その都度多様に変化す
るため、架橋部１３にある抵抗素子の抵抗値の変化には
ゆらぎが生じる結果となる。このため、従来装置では安
定した測定値を得ることができないという問題が生じて
いたのである。

これに対し、本実施例の装置では、力ＦＸを測定するの
に、架橋部１２および１４にある抵抗素子を利用してい
る。力ＦＸが作用した場合、この架橋部１２および１４
には前述のような反りは生じず、常に安定した抵抗値変
化が得られ、常に安定した測定値を得ることができる。

要するに、従来装置では、Ｘ軸方向の力を測定するため
にＸ軸に沿って分布している抵抗素子を利用していたの
に対し、本実施例の装置では、Ｙ軸に沿って分布してい
る抵抗素子を利用したのである。

以上、本実施例の装置のメリットを、Ｘ軸方向の力ＦＸ
を測定する場合について説明したが、Ｙ軸方向の力ＦＹ
を測定する場合にも全く同様のメリットが得られる。

（３）　　従来装置の第３の問題点は、対象となる力成
分の測定系に別な成分が干渉を及ぼし、正確な測定値が
得られないという点であった。前述の公報には、ブリッ
ジをうまく組み合わせることによって、このような他成
分の干渉のない正確な測定値が得られる旨の記載がある
。すなわち、ＦＸ。

ＦＹ、ＦＺ、ＭＸ、ＭＹ、ＭＺという６成分を検出する
ためにそれぞれ６つのブリッジ回路が組まれる。このう
ちのある１つのブリッジ回路、たとえばＭＸを検出する
ためのブリッジ回路について、そのブリッジを構成する
各抵抗素子に着目すれば、確かに他の５成分の力の作用
によっても抵抗値の変化が生じているが、この変化はブ
リッジ回路によって互いに相殺され、ブリッジ電圧の変
化として検出されるのは、ＭＸという１成分だけとなる
旨の記載がなされている。簡単に言えば、測定対象でな
い力成分に対しては、ブリッジの一方では“十′の変化
を示し、他方では“−“の変化を示すようになるため、
両者で打ち消しあうということである。しかしながら、
このようなブリッジ回路による他成分の相殺を行うため
には、用いるすべての抵抗素子の大きさ、形状、材質な
どを同じにしてすべての抵抗値を等しくし、かつ、機械
的歪みによる抵抗変化率も等しくするという理想的な条
件を満足させねばならない。すなわち、“＋。

と“−”とで他成分の力を相殺する原理を用いる以上、
“＋”の値と“−”の値とが等しくなければ、完全な相
殺はできないわけである。したがって、現実的にはこの
ような条件を満足させた製品を製造することは不可能で
あり、従来装置を量産した場合には、他成分の干渉を受
けざるを得ないのである。

本実施例の装置では、はぼ軸上に配された抵抗素子を用
いてブリッジ回路を組むという手法をとることによって
、このような他成分の干渉を抑制しているのである。抵
抗素子群の配列における、従来装置と本実施例の装置と
の顕著な差は、１１１図のＲ１−Ｒ１＆の配列と第２図
のＲ１−Ｒ２４の配列を対比するとわかるように、本実
施例の装置ではほぼ軸上に抵抗素子群Ｒ３、Ｒ４、Ｒ１
５゜ＲｌＢ、　Ｒ９、ＲＩＯ，Ｒ２１，Ｒ２２が配され
ている点である。このように、はぼ軸上に配された抵抗
素子は、ある力成分が加わった場合の抵抗値の変化が常
に°０″になるという特徴をもっている。たとえば、第
２図において、Ｙ軸上に配された抵抗素子群Ｒ９、ＲＩ
Ｏ，Ｒ２１，Ｒ２２に着目すれば、第６図（ａ）に示す
ように、力ＦＸが加わった場合には変化“０°を示し、
第９図（ａ）に示すように、モーメントＭＺが加わった
場合にも変化“０”を示す。本実施例の装置では、ＦＺ
、ＭＸ、ＭＹを検出するブリッジ回路に、このような軸
上の抵抗素子群を採用している。たとえば、ＭＸを検出
するブリッジ回路では、第４図（ｄ）に示すように、Ｙ
軸上に配列された抵抗素子群Ｒ９、ＲＩＯ，Ｒ２１゜Ｒ
２２を用いている。したがって、力ＦＸやモーメントＭ
Ｚといった測定対象でない他成分の力が加わったとして
も、これらの抵抗素子群の抵抗値の変化は“Ｏ″であり
、ブリッジ電圧は発生しないことになる。

従来装置では、前述のように“＋“と“−゛とで、他成
分の力を相殺する原理を用いていたが、“＋”の値と“
−”の値とが等しくなければ、完全な相殺はできないわ
けである。これに対し、本実施例の装置では、特定の他
成分の力に対してもともと変化“Ｏ”を示す抵抗素子を
用いているので、抵抗素子間に特性のばらつきがあって
も、この特定の他成分の力は検出されないのである。も
っとも、他成分の力すべてに対して、変化“０“を示す
わけではないので、用いる抵抗素子としては、従来装置
と同様に、可能な限り大きさ、形状、材質などが同じも
のを用いるようにすべきである。

このように、本実施例の装置では、従来装置に比べ、他
成分の力が測定値に与える干渉を抑制することができる
。

〔発明の効果〕

（１）　　本願第１の発明によれば、力検出装置におい
て、基板上面に下面までには達しないような深さの溝を
設けて架橋部を形成するようにしたため、基板を接着す
る場合に接着剤が基板上面にまで浸透することがなく、
配線に悪影響を与えることがない。

（２）　　本願第２の発明によれば、力検出装置におい
て、Ｙ軸に沿って架橋部を設け、このＹ軸周辺に形成さ
れた抵抗素子によってＸ方向に作用する力を検出するよ
うにしたため、ゆらぎのない正確な測定値が得られるよ
うになる。

（３）　　本願第３の発明および第４の発明によれば、
力検出装置において、はぼ軸上に配置された抵抗素子に
よって、軸方向の力または軸回りのモーメントを検出す
るようにしたため、他の成分の干渉を抑制した正確な測
定値が得られるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の一実施例に係る力検出装置の上
面図、同図（ｂ）　、　（ｃ）は同装置を切断線Ａ−Ａ
で切った断面図、第２図は第１図に示す装置の抵抗素子
群の配列を示す模式図、第３図は第１図に示す装置の１
抵抗素子群を構成する複数の抵抗素子を示す図、第４図
（ａ）〜（ｆ’）は第１図に示す装置の各抵抗素子を組
み合わせたブリッジ回路を示す図、第５図は第１図に示
す装置の各抵抗素子の抵抗変化を示す図表、第６図は第
１図に示す装置にＸ軸方向の力が作用したときの状態を
示す図、第７図は第１図に示す装置にＹ軸方向の力が作
用したときの状態を示す図、第８図は第１図に示す装置
にＸ軸回りのモーメントが作用したときの状態を示す図
、第９図は第１図に示す装置にＺ軸回りのモーメントが
作用したときの状態を示す図、第１０図は第１図に示す
装置において検出すべき力と検出電圧との関係を示す図
表、第１１図は従来の力検出装置の上面図、第１２図は
第１１図に示す従来装置の各抵抗素子を組み合わせたブ
リッジ回路の１つを示す図、第１３図は第１１図に示す
従来装置を起歪体に接着した状態を示す図、第１４図は
第１図に示す本発明の装置を起歪体に接着した状態を示
す図、第１５図は基板の歪みにゆらぎが生ずることを説
明する図である。 １０・・・基板、１１〜１４・・・架橋部、２０・・・
基板、２１〜２４・・・架橋部、２５・・・固定部、２
６・・・くりぬき部、３０・・・電源、４１〜４７・・
・電圧計、５０・・・起歪体、５１・・・作用部、５２
・・・可撓部、５３・・・固定部、６０・・・接着材、
Ｇ、Ｇｌ〜Ｇ８・・・溝、Ｒ１−Ｒ２４・・・抵抗素子
群、ｒ１〜「４・・・抵抗素子、Ｐ・・・作用点。 出願人代理人　　志　　村　　　　　浩第３図 第１図 （α） （ｂ） （Ｃ） （ｄ） （ｅ） 第４図 ご１ Ｎ ♂１ づ１ よ１ 第１３図 第１４図 第１５図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）ＸＹＺ三次元座標系において、原点を作用点とし
   て軸方向に作用する力あるいは軸回りに作用するモーメ
   ントを検出する力検出装置であって、 上面がＸＹ平面上に含まれ、この上面に、Ｘ軸正方向に
   沿った第１の領域と、Ｘ軸負方向に沿った第２の領域と
   、Ｙ軸圧方向に沿った第３の領域と、Ｙ軸負方向に沿っ
   た第４の領域と、を有する基板を用意し、 この基板の上面の前記各領域の境界部分に、下面までに
   は達しないような深さの溝を形成することにより、前記
   原点に力が作用した場合に、前記基板上面に生ずる歪み
   が前記４つの領域でそれぞれ特徴をもつようにし、 前記４つの領域のそれぞれに、機械的変形によって電気
   抵抗が変化する性質をもつ抵抗素子を形成し、これらの
   抵抗素子の電気抵抗の変化に基づいて、前記原点に作用
   する力あるいは前記軸回りに作用するモーメントを検出
   することを特徴とする力検出装置。
2. （２）ＸＹＺ三次元座標系において、原点を作用点とし
   てＸ軸方向に作用する力を検出する力検出装置であつて
   、 原点の両側にＹ軸に沿って形成された架橋部を設け、 原点にＸ軸方向の力を加えることによって前記架橋部に
   歪みが生じるように、前記架橋部の両端を固定部として
   固定し、 前記架橋部のＸＹ平面上に、機械的変形によって電気抵
   抗が変化する性質をもつ複数の抵抗素子からなる抵抗素
   子群を、 Ｙ軸圧方向の原点側にＹ軸を挟んで一対、 Ｙ軸負方向の原点側にＹ軸を挟んで一対、 Ｙ軸圧方向の固定部側にＹ軸を挟んで一対、Ｙ軸負方向
   の固定部側にＹ軸を挟んで一対、の各位置に設け、 前記抵抗素子群のうち、第１象限の原点側にある抵抗素
   子群の抵抗素子と、第２象限の固定部側にある抵抗素子
   群の抵抗素子と、を直列接続して第１の辺を構成し、 前記抵抗素子群のうち、第４象限の原点側にある抵抗素
   子群の抵抗素子と、第３象限の固定部側にある抵抗素子
   群の抵抗素子と、を直列接続して第２の辺を構成し、 前記抵抗素子群のうち、第２象限の原点側にある抵抗素
   子群の抵抗素子と、第１象限の固定部側にある抵抗素子
   群の抵抗素子と、を直列接続して第３の辺を構成し、 前記抵抗素子群のうち、第３象限の原点側にある抵抗素
   子群の抵抗素子と、第４象限の固定部側にある抵抗素子
   群の抵抗素子と、を直列接続して第４の辺を構成し、 前記４つの辺について、第１の辺と第２の辺が互いに対
   辺に、第３の辺と第４の辺とが互いに対辺に、なるよう
   にしてブリッジ回路を形成し、この回路のブリッジ電圧
   によって、Ｘ軸方向に作用する力を検出することを特徴
   とする力検出装置。
3. （３）ＸＹＺ三次元座標系において、原点を作用点とし
   てＺ軸方向に作用する力を検出する力検出装置であって
   、 原点の両側にＸ軸に沿って形成された架橋部を設け、 原点にＺ軸方向の力を加えることによって前記架橋部に
   歪みが生じるように、前記架橋部の両端を固定部として
   固定し、 前記架橋部のＸＹ平面上に、機械的変形によって電気抵
   抗が変化する性質をもつ複数の抵抗素子からなる抵抗素
   子群を、 Ｘ軸正方向の原点側の位置、 Ｘ軸負方向の原点側の位置、 Ｘ軸正方向の固定部側の位置、 Ｘ軸負方向の固定部側の位置、 の各位置に、いずれもほぼＸ軸上にのるように設け、 前記抵抗素子群のうち、Ｘ軸正方向の固定部側の抵抗素
   子群の１抵抗素子と、Ｘ軸負方向の固定部側にある抵抗
   素子群の１抵抗素子と、を直列接続して第１の辺を構成
   し、 前記抵抗素子群のうち、同じくＸ軸正方向の固定部鋼の
   抵抗素子群の別な１抵抗素子と、同じくＸ軸負方向の固
   定部側にある抵抗素子群の別な１抵抗素子と、を直列接
   続して第２の辺を構成し、前記抵抗素子群のうち、Ｘ軸
   正方向の原点側の抵抗素子群の１抵抗素子と、Ｘ軸負方
   向の原点側にある抵抗素子群の１抵抗素子と、を直列接
   続して第３の辺を構成し、 前記抵抗素子群のうち、同じくＸ軸正方向の原点側の抵
   抗素子群の別な１抵抗素子と、同じくＸ軸負方向の原点
   側にある抵抗素子群の別な１抵抗素子と、を直列接続し
   て第４の辺を構成し、前記４つの辺について、第１の辺
   と第２の辺が互いに対辺に、第３の辺と第４の辺とが互
   いに対辺に、なるようにしてブリッジ回路を形成し、こ
   の回路のブリッジ電圧によって、Ｚ軸方向に作用する力
   を検出することを特徴とする力検出装置。
4. （４）ＸＹＺ三次元座標系において、原点を作用点とし
   てＸ軸回りに作用するモーメントを検出する力検出装置
   であって、 原点の両側にＹ軸に沿って形成された架橋部を設け、 原点にＸ軸回りのモーメントを加えることによって前記
   架橋部に歪みが生じるように、前記架橋部の両端を固定
   部として固定し、 前記架橋部のＸＹ平面上に、機械的変形によって電気抵
   抗が変化する性質をもつ複数の抵抗素子からなる抵抗素
   子群を、 Ｙ軸正方向の原点側の位置、 Ｙ軸負方向の原点側の位置、 Ｙ軸正方向の固定部側の位置、 Ｙ軸負方向の固定部側の位置、 の各位置に、いずれもほぼＹ軸上にのるように設け、 前記抵抗素子群のうち、Ｙ軸正方向の固定部側の抵抗素
   子群の１抵抗素子と、Ｙ軸負方向の原点側にある抵抗素
   子群の１抵抗素子と、を直列接続して第１の辺を構成し
   、 前記抵抗素子群のうち、同じくＹ軸正方向の固定部側の
   抵抗素子群の別な１抵抗素子と、同じくＹ軸負方向の原
   点側にある抵抗素子群の別な１抵抗素子と、を直列接続
   して第２の辺を構成し、前記抵抗素子群のうち、Ｙ軸正
   方向の原点側の抵抗素子群の１抵抗素子と、Ｙ軸負方向
   の固定部側にある抵抗素子群の１抵抗素子と、を直列接
   続して第３の辺を構成し、 前記抵抗素子群のうち、同じくＹ軸正方向の原点側の抵
   抗素子群の別な１抵抗素子と、同じくＹ軸負方向の固定
   部側にある抵抗素子群の別な１抵抗素子と、を直列接続
   して第４の辺を構成し、前記４つの辺について、第１の
   辺と第２の辺が互いに対辺に、第３の辺と第４の辺とが
   互いに対辺に、なるようにしてブリッジ回路を形成し、
   この回路のブリッジ電圧によって、Ｘ軸回りに作用する
   モーメントを検出することを特徴とする力検出装置。