JPH02228532A - 力検出装置およびその応用 - Google Patents
力検出装置およびその応用Info
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- JPH02228532A JPH02228532A JP1050462A JP5046289A JPH02228532A JP H02228532 A JPH02228532 A JP H02228532A JP 1050462 A JP1050462 A JP 1050462A JP 5046289 A JP5046289 A JP 5046289A JP H02228532 A JPH02228532 A JP H02228532A
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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。
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およびその応用、特に単結晶基板上
に形成されたピエゾ抵抗効果を有する抵抗素子を用いた
力検出装置およびその応用に関する。
に形成されたピエゾ抵抗効果を有する抵抗素子を用いた
力検出装置およびその応用に関する。
一般に、機械加工において、製品の寸法精度は最も重要
な商品価値となる。この寸法の測定をするために、従来
から種々の自動計ｎｊ技術が開発され、利用されてきた
。たとえば、空気マイクロメータを利用した自動定寸装
置、物品の寸法および形状を測定する接触式センサなど
が知られている。
な商品価値となる。この寸法の測定をするために、従来
から種々の自動計ｎｊ技術が開発され、利用されてきた
。たとえば、空気マイクロメータを利用した自動定寸装
置、物品の寸法および形状を測定する接触式センサなど
が知られている。
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その物品の三次元方向の寸法およ
び形状を測定するものであり、原理的には力検出装置を
応用したものである。プローブが受けた力に基づく変位
はオン／オフスイッチの信号に変換される。したがって
、出力信号はオン／オフのデジタル信号となり、精度の
高い検出を行うことができない。また、プローブが物体
に対して接触している微小面の方向を検出することもで
きない。
表面を辿ることによりその物品の三次元方向の寸法およ
び形状を測定するものであり、原理的には力検出装置を
応用したものである。プローブが受けた力に基づく変位
はオン／オフスイッチの信号に変換される。したがって
、出力信号はオン／オフのデジタル信号となり、精度の
高い検出を行うことができない。また、プローブが物体
に対して接触している微小面の方向を検出することもで
きない。
上述した従来の接触検出装置の欠点を克服するため、本
願発明者は特願昭６３−２５３２０号明細書に、新規な
接触検出装置を開示している。この新規な接触検出装置
は、ピエゾ抵抗効果を有する単結晶基板上に複数の抵抗
素子を形成し、接触子に加わった力に基づきこの基板に
機械的変形を生じさせ、接触子の受けた力を抵抗素子の
電気抵抗の変化として検出する力検出装置を利用したも
のである。この新規な接触検出装置により、精度の高い
接触検出が可能になる。また、接触子に受けた力を、各
方向成分ごとに検出することができるので、接触面方位
の認識が可能になる。
願発明者は特願昭６３−２５３２０号明細書に、新規な
接触検出装置を開示している。この新規な接触検出装置
は、ピエゾ抵抗効果を有する単結晶基板上に複数の抵抗
素子を形成し、接触子に加わった力に基づきこの基板に
機械的変形を生じさせ、接触子の受けた力を抵抗素子の
電気抵抗の変化として検出する力検出装置を利用したも
のである。この新規な接触検出装置により、精度の高い
接触検出が可能になる。また、接触子に受けた力を、各
方向成分ごとに検出することができるので、接触面方位
の認識が可能になる。
しかしながら、この新規な接触検出装置には、ある１つ
の方向の力成分の検出値に、別な方向成分が影響を与え
るという問題がある。本願発明は、この新規な接触検出
装置に更に改良を加えることができるように、別な方向
成分の力の影響を抑えた正確な検出値が得られる力検出
装置を提供することを目的とする。
の方向の力成分の検出値に、別な方向成分が影響を与え
るという問題がある。本願発明は、この新規な接触検出
装置に更に改良を加えることができるように、別な方向
成分の力の影響を抑えた正確な検出値が得られる力検出
装置を提供することを目的とする。
本願第１の発明は力検出装置において、加わった力を機
械的変形に変換する起歪体と、この起歪体に連接され、
この起歪体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加わった力の方向を認識しつるよう
な配列で各検出方向グループごとに形成した半導体基板
と、各検出方向グループに属する抵抗素子の抵抗値の変
化に基づいて、加わった力を、各方向成分ごとに演算し
て求める演算手段と、 １検出方向グループに属する抵抗素子が別な検出方向に
関する力の影響によって生ずる抵抗値変化、を相殺する
ような固有の補正係数を予め記憶した記憶手段と、 を設け、演算手段が補正係数を用い、各検出方向間の干
渉を相殺する演算を行うようにしたものである。
械的変形に変換する起歪体と、この起歪体に連接され、
この起歪体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加わった力の方向を認識しつるよう
な配列で各検出方向グループごとに形成した半導体基板
と、各検出方向グループに属する抵抗素子の抵抗値の変
化に基づいて、加わった力を、各方向成分ごとに演算し
て求める演算手段と、 １検出方向グループに属する抵抗素子が別な検出方向に
関する力の影響によって生ずる抵抗値変化、を相殺する
ような固有の補正係数を予め記憶した記憶手段と、 を設け、演算手段が補正係数を用い、各検出方向間の干
渉を相殺する演算を行うようにしたものである。
本願第２の発明は接触検出装置において、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体と、を有する力
変換手段と、起歪体に連接され、この起歪体で変換され
た機械的変形に基づいて抵抗値が変化する抵抗素子を接
触子の接触端に加わった力の方向を認識しつるような配
列で各検出方向グループごとに形成した半導体基板と、 起歪体を装置本体に対して支持する支持手段と、各検出
方向グループに属する抵抗素子の抵抗値の変化に基づい
て、接触子の接触端に加わった力を、各方向成分ごとに
演算して求める演算手段と、１検出方向グループに属す
る抵抗素子が別な検出方向に関する力の影響によって生
ずる抵抗値変化、を相殺するような固有の補正係数を予
め記憶した記憶手段と、 を設け、演算手段が記憶手段内の補正係数を用い、各検
出方向間の干渉を相殺する演算を行えるようにしたもの
である。
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体と、を有する力
変換手段と、起歪体に連接され、この起歪体で変換され
た機械的変形に基づいて抵抗値が変化する抵抗素子を接
触子の接触端に加わった力の方向を認識しつるような配
列で各検出方向グループごとに形成した半導体基板と、 起歪体を装置本体に対して支持する支持手段と、各検出
方向グループに属する抵抗素子の抵抗値の変化に基づい
て、接触子の接触端に加わった力を、各方向成分ごとに
演算して求める演算手段と、１検出方向グループに属す
る抵抗素子が別な検出方向に関する力の影響によって生
ずる抵抗値変化、を相殺するような固有の補正係数を予
め記憶した記憶手段と、 を設け、演算手段が記憶手段内の補正係数を用い、各検
出方向間の干渉を相殺する演算を行えるようにしたもの
である。
本発明の検出装置では、その装置固有の補正係数が予め
求められ記憶される。この補正係数は一般に各装置ごと
に異なる数値となる。演算手段は、この固有の補正係数
を用いて、実際の抵抗素子から与えられる測定値を補正
する。したがって、補正後の値は、各検出方向間の干渉
のない正確な検出値となる。
求められ記憶される。この補正係数は一般に各装置ごと
に異なる数値となる。演算手段は、この固有の補正係数
を用いて、実際の抵抗素子から与えられる測定値を補正
する。したがって、補正後の値は、各検出方向間の干渉
のない正確な検出値となる。
以下、本発明を図示する実施例に基づいて説明する。第
１図は本発明の一実施例に係る接触検出装置の構成を示
すブロック図である。この装置は、物体との接触状態を
電気信号として出力する検出部１００と、この検出部１
００からの検出信号を増幅する増幅回路２００と、ここ
で増幅されたアナログ信号をデジタル化するＡ／Ｄ変換
器３００と、デジタル化された信号に基づいて所定の演
算を行い、物体との接触状態を示す信号を出力する演算
回路（ＣＰＵ）４００と、この演算回路４００に補正係
数を与える係数メモリ５００と、によって構成されてい
る。係数メそり５００には、検出部１００の固有の補正
係数が記憶されている。
１図は本発明の一実施例に係る接触検出装置の構成を示
すブロック図である。この装置は、物体との接触状態を
電気信号として出力する検出部１００と、この検出部１
００からの検出信号を増幅する増幅回路２００と、ここ
で増幅されたアナログ信号をデジタル化するＡ／Ｄ変換
器３００と、デジタル化された信号に基づいて所定の演
算を行い、物体との接触状態を示す信号を出力する演算
回路（ＣＰＵ）４００と、この演算回路４００に補正係
数を与える係数メモリ５００と、によって構成されてい
る。係数メそり５００には、検出部１００の固有の補正
係数が記憶されている。
検出部１００の具体的な構成例を、第２図の側断面図に
示す。この検出部１００の中枢をなす部分は、単結晶基
板１０と起歪体２０からなるセンサ部である。そこでま
ず、このセンサ部の構成について詳述する。第３図（ａ
）および（ｂ）は、このセンサ部の側断面図および上面
図である。ここで、Ｘ軸、Ｙ軸、２輪を図の方向に定義
するものとする。第３図（ａ）は同図（ｂ）に示すセン
サ部をＸ軸に沿って切断した断面図に相当する。
示す。この検出部１００の中枢をなす部分は、単結晶基
板１０と起歪体２０からなるセンサ部である。そこでま
ず、このセンサ部の構成について詳述する。第３図（ａ
）および（ｂ）は、このセンサ部の側断面図および上面
図である。ここで、Ｘ軸、Ｙ軸、２輪を図の方向に定義
するものとする。第３図（ａ）は同図（ｂ）に示すセン
サ部をＸ軸に沿って切断した断面図に相当する。
このセンサ部では、シリコンの単結晶基板１０上に、合
計１２個の抵抗素子Ｒが形成されている。
計１２個の抵抗素子Ｒが形成されている。
第１のグループをなす抵抗素子ＲＸＩ−ＲＸ４はＸ軸上
に配されＸ軸方向の力検出に用いられ、第２のグループ
をなす抵抗素子Ｒｙｌ〜Ｒｙ４はＹ軸上に配されＹ軸方
向の力検出に用いられ、第３のグループをなす抵抗素子
Ｒｚｌ〜Ｒｚ４はＸ軸に平行でこの近傍にある軸上に配
されＸ軸方向の力検出に用いられる。各抵抗素子Ｒは機
械的変形によってその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。
に配されＸ軸方向の力検出に用いられ、第２のグループ
をなす抵抗素子Ｒｙｌ〜Ｒｙ４はＹ軸上に配されＹ軸方
向の力検出に用いられ、第３のグループをなす抵抗素子
Ｒｚｌ〜Ｒｚ４はＸ軸に平行でこの近傍にある軸上に配
されＸ軸方向の力検出に用いられる。各抵抗素子Ｒは機
械的変形によってその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。
この単結晶基板１０は起歪体２ｏに接着されている。第
３図に示す例では、起歪体２ｏは周囲の支持部２１と、
可撓性をもたせるために肉厚を薄くした可撓部２２と、
中心に突出した作用部２３とから構成される。起歪体２
ｏの材質としては、コバール（鉄、コバルト、ニッケル
の合金）が用いられる。コバールはシリコン単結晶基板
１ｏとほぼ同程度の熱膨脹率を有するため、単結晶基板
１０に接着されていても、温度変化によって生じる熱応
力が極めて小さいという利点を有する。この起歪体２０
には取付孔２４が設けられており、ここを通してビス止
めされる。
３図に示す例では、起歪体２ｏは周囲の支持部２１と、
可撓性をもたせるために肉厚を薄くした可撓部２２と、
中心に突出した作用部２３とから構成される。起歪体２
ｏの材質としては、コバール（鉄、コバルト、ニッケル
の合金）が用いられる。コバールはシリコン単結晶基板
１ｏとほぼ同程度の熱膨脹率を有するため、単結晶基板
１０に接着されていても、温度変化によって生じる熱応
力が極めて小さいという利点を有する。この起歪体２０
には取付孔２４が設けられており、ここを通してビス止
めされる。
各抵抗素子には第４図に示すような配線がなされる。す
なわち、第１のグループに属する抵抗素子ＲｘＬ〜Ｒｘ
４は第４図（ａ）に示すようなブリッジ回路に組まれ、
第２のグループに属する。抵抗素子Ｒｙｌ−Ｒｙ４は同
図（ｂ）に示すようなブリッジ回路に組まれ、第３のグ
ループに属する抵抗素子Ｒｚｌ〜Ｒｚ４は同図（Ｃ）に
示すようなブリッジ回路に組まれる。各ブリッジ回路に
は電［５０から所定の電圧または電流が供給され、各ブ
リッジ電圧は電圧計５１〜５３によって測定される。各
抵抗素子Ｒに対してこのような配線を行うため、第３図
に示すように単結晶基板１０上で各抵抗素子Ｒに電気的
に接続されているポンディングパッド１１と外部配線用
の電極１３とが、ボンディングワイヤ１２で接続される
。電極１３は配線孔２５を通して外部に導出されている
。
なわち、第１のグループに属する抵抗素子ＲｘＬ〜Ｒｘ
４は第４図（ａ）に示すようなブリッジ回路に組まれ、
第２のグループに属する。抵抗素子Ｒｙｌ−Ｒｙ４は同
図（ｂ）に示すようなブリッジ回路に組まれ、第３のグ
ループに属する抵抗素子Ｒｚｌ〜Ｒｚ４は同図（Ｃ）に
示すようなブリッジ回路に組まれる。各ブリッジ回路に
は電［５０から所定の電圧または電流が供給され、各ブ
リッジ電圧は電圧計５１〜５３によって測定される。各
抵抗素子Ｒに対してこのような配線を行うため、第３図
に示すように単結晶基板１０上で各抵抗素子Ｒに電気的
に接続されているポンディングパッド１１と外部配線用
の電極１３とが、ボンディングワイヤ１２で接続される
。電極１３は配線孔２５を通して外部に導出されている
。
さて、再び第２図に示す検出部１００の構成を説明する
。この検出部１００の中央部には前述した単結晶基板１
０と起歪体２０とからなるセンサ部が組み込まれている
。起歪体２０が、支持部２１、可撓部２２、作用部２３
を有することは前述のとおりである。また、単結晶基板
１０上の素子はボンディングワイヤ１２によって電極に
接続され、電極１３に対して外部からの配線（図示省略
）がなされる。単結晶基板１０の上部には保護カバー４
０が設けられている。
。この検出部１００の中央部には前述した単結晶基板１
０と起歪体２０とからなるセンサ部が組み込まれている
。起歪体２０が、支持部２１、可撓部２２、作用部２３
を有することは前述のとおりである。また、単結晶基板
１０上の素子はボンディングワイヤ１２によって電極に
接続され、電極１３に対して外部からの配線（図示省略
）がなされる。単結晶基板１０の上部には保護カバー４
０が設けられている。
このようなセンサ部は、止めねじ１４によってその支持
部２１が合板１０１に固着されている。
部２１が合板１０１に固着されている。
合板１０１は環状をしており、中央部の貫通孔１０２に
作用部２３が挿通している。合板１０１は同じく環状を
した台座１０３を介してボディ１０４に固着されている
。ボディ１０４の下部には開口１０５が設けられており
、この開口３０５にはスタイラス１０６が挿通している
。スタイラス１０６は上部１０６ａと下部１０６ｂとか
らなり、両者はねじによって脱着自在となっている。
作用部２３が挿通している。合板１０１は同じく環状を
した台座１０３を介してボディ１０４に固着されている
。ボディ１０４の下部には開口１０５が設けられており
、この開口３０５にはスタイラス１０６が挿通している
。スタイラス１０６は上部１０６ａと下部１０６ｂとか
らなり、両者はねじによって脱着自在となっている。
スタイラス上部１０６ａは起歪体２０の作用部２３の先
端に固着されている。一方、スタイラス下部１０６ｂの
下端にはボール状の接触部１０６Ｃが設けられている。
端に固着されている。一方、スタイラス下部１０６ｂの
下端にはボール状の接触部１０６Ｃが設けられている。
このスタイラス１０６は物体に対する接触子として機能
する。すなわち、接触部１０６Ｃが物体に接触すると、
作用部２３にその接触に応じた変位が生じる。
する。すなわち、接触部１０６Ｃが物体に接触すると、
作用部２３にその接触に応じた変位が生じる。
スタイラス上部１０６ａにはストッパ１０６ｄが、スタ
イラス下部１０６ｂにはストッパ１０６ｅが、それぞれ
形成されており、スタイラス１０６の変位を制限し、起
歪体２０を保護している。
イラス下部１０６ｂにはストッパ１０６ｅが、それぞれ
形成されており、スタイラス１０６の変位を制限し、起
歪体２０を保護している。
いま、ボディ１０４を移動させることによって、スタイ
ラス１０６の接触部１０６Ｃが物体に接触した場合を考
える。この場合、物体との接触によって接触部１０６Ｃ
に加わった力はスタイラス１０６を伝わり、作用部２３
へ達する。作用部２３先端の作用点Ｓ（第３図（ａ）参
照）に加えられた力は次のようにして検出される。すな
わち、作用点Ｓに力を加えると、起歪体２０にこの加え
た力に応じた応力歪みが生じることになる。前述のよう
に可撓部２２は肉厚か薄く可撓性を有するため、作用部
２３と支持部２１との間に変位が生じ、各抵抗素子Ｒが
機械的に変形することになる。この変形によって各抵抗
素子Ｒの電気抵抗が変化し、結局、加えた力は第４図に
示す各ブリッジ電圧の変化として検出される。
ラス１０６の接触部１０６Ｃが物体に接触した場合を考
える。この場合、物体との接触によって接触部１０６Ｃ
に加わった力はスタイラス１０６を伝わり、作用部２３
へ達する。作用部２３先端の作用点Ｓ（第３図（ａ）参
照）に加えられた力は次のようにして検出される。すな
わち、作用点Ｓに力を加えると、起歪体２０にこの加え
た力に応じた応力歪みが生じることになる。前述のよう
に可撓部２２は肉厚か薄く可撓性を有するため、作用部
２３と支持部２１との間に変位が生じ、各抵抗素子Ｒが
機械的に変形することになる。この変形によって各抵抗
素子Ｒの電気抵抗が変化し、結局、加えた力は第４図に
示す各ブリッジ電圧の変化として検出される。
第４図に示すブリッジ回路は、原理的には、検出対象と
なった方向成分の力だけが電圧計の目盛りに現れるよう
な構成になっている。たとえば、Ｘ軸方向の力を検出す
るための電圧計５１は、第４図（ａ）のようなブリッジ
電圧を検出している。
なった方向成分の力だけが電圧計の目盛りに現れるよう
な構成になっている。たとえば、Ｘ軸方向の力を検出す
るための電圧計５１は、第４図（ａ）のようなブリッジ
電圧を検出している。
このブリッジ電圧は、原理的には、スタイラス先端滲接
触部１０６ｃｌ、：Ｘ軸方向の力が加わった場合（厳密
には、基板１０の表面における力が検出されるので、接
触部１０６Ｃに加わった力はモーメントとして検出して
いることになる）にだけ出力が得られ、Ｙ軸、Ｚ軸方向
に力が加わった場合は出力は得られない。その理由につ
いては、特願昭６３−２５３２０号明細書に詳述されて
いるが、簡単に説明すると次のようになる。いま、第３
図において、作用点ＳにＸ軸方向の力が加わったことを
考えると、抵抗素子ＲｘｌとＲｘ３は伸び、抵抗素子Ｒ
ｘ２とＲＸ４は縮むことになる。各抵抗素子がＰ型シリ
コンからなるとすれば、抵抗素子ＲｘＬとＲｘ３は抵抗
値が増加し、抵抗素子Ｒｘ２とＲｘ４は抵抗値が減少す
ることになる。その結果、第４図（ａ）のブリッジのバ
ランスが崩れ、電圧計５１に出力が現れる。同様に、Ｙ
軸方向の力が加わったことを考えると、抵抗素子Ｒｘｉ
〜Ｒｘ４はＹ軸方向に対して直角に並んでいるので、抵
抗値の変化は生じず、ブリッジは平衡を保ち、電圧計５
１に出力は現れない。同様に、Ｚ軸方向の力が加わった
ことを考えると、抵抗素子Ｒｘ２とＲＸ３は伸びて抵抗
値が増加し、抵抗素子ＲｘｌとＲＸ４は縮んで抵抗値が
減少する。ところが、第４図（ａ）のブリッジは、これ
らの抵抗値変化を相殺するように組まれているため、ブ
リッジは平衡を保ち、電圧計５１に出力は現れない。
触部１０６ｃｌ、：Ｘ軸方向の力が加わった場合（厳密
には、基板１０の表面における力が検出されるので、接
触部１０６Ｃに加わった力はモーメントとして検出して
いることになる）にだけ出力が得られ、Ｙ軸、Ｚ軸方向
に力が加わった場合は出力は得られない。その理由につ
いては、特願昭６３−２５３２０号明細書に詳述されて
いるが、簡単に説明すると次のようになる。いま、第３
図において、作用点ＳにＸ軸方向の力が加わったことを
考えると、抵抗素子ＲｘｌとＲｘ３は伸び、抵抗素子Ｒ
ｘ２とＲＸ４は縮むことになる。各抵抗素子がＰ型シリ
コンからなるとすれば、抵抗素子ＲｘＬとＲｘ３は抵抗
値が増加し、抵抗素子Ｒｘ２とＲｘ４は抵抗値が減少す
ることになる。その結果、第４図（ａ）のブリッジのバ
ランスが崩れ、電圧計５１に出力が現れる。同様に、Ｙ
軸方向の力が加わったことを考えると、抵抗素子Ｒｘｉ
〜Ｒｘ４はＹ軸方向に対して直角に並んでいるので、抵
抗値の変化は生じず、ブリッジは平衡を保ち、電圧計５
１に出力は現れない。同様に、Ｚ軸方向の力が加わった
ことを考えると、抵抗素子Ｒｘ２とＲＸ３は伸びて抵抗
値が増加し、抵抗素子ＲｘｌとＲＸ４は縮んで抵抗値が
減少する。ところが、第４図（ａ）のブリッジは、これ
らの抵抗値変化を相殺するように組まれているため、ブ
リッジは平衡を保ち、電圧計５１に出力は現れない。
以上の原理により、電圧計５１は加えられた力のうち、
Ｘ軸方向成分だけを検出できる。同様に、電圧計５２は
Ｙ軸方向成分だけを、電圧計５３はＺ軸方向成分だけを
、検出できる。しかしながら、以上のことは原理的に言
えることであって、実際にはこのような理想的な検出部
を製造することは非、常に困難である。上述の原理は、
すべての抵抗素子が全く同じ抵抗値を有し、しがも同じ
応力を与えると同じ抵抗値変化が得られるという理想的
な状態においてのみ成り立つのである。実際にこの検出
部を大量生産した場合には、このような理想的な抵抗素
子形成を行うことは不可能である。
Ｘ軸方向成分だけを検出できる。同様に、電圧計５２は
Ｙ軸方向成分だけを、電圧計５３はＺ軸方向成分だけを
、検出できる。しかしながら、以上のことは原理的に言
えることであって、実際にはこのような理想的な検出部
を製造することは非、常に困難である。上述の原理は、
すべての抵抗素子が全く同じ抵抗値を有し、しがも同じ
応力を与えると同じ抵抗値変化が得られるという理想的
な状態においてのみ成り立つのである。実際にこの検出
部を大量生産した場合には、このような理想的な抵抗素
子形成を行うことは不可能である。
第５図に、実際に製造した検出部１００について、各方
向に力を加えた場合の電圧計の出力測定結果を示す。同
図（ａ）はＸ方向にのみ力を加えた場合、同図（ｂ）は
Ｙ方向にのみ力を加えた場合、同図（ｃ）はＺ方向にの
み力を加えた場合、につぃての測定結果を示すグラフで
ある。いずれも横軸には加えた力の大きさＦをとり、縦
軸には電圧計の出力電圧Ｖを示す。また、グラフ中のＶ
Ｘ。
向に力を加えた場合の電圧計の出力測定結果を示す。同
図（ａ）はＸ方向にのみ力を加えた場合、同図（ｂ）は
Ｙ方向にのみ力を加えた場合、同図（ｃ）はＺ方向にの
み力を加えた場合、につぃての測定結果を示すグラフで
ある。いずれも横軸には加えた力の大きさＦをとり、縦
軸には電圧計の出力電圧Ｖを示す。また、グラフ中のＶ
Ｘ。
Ｖｙ、Ｖｚは、それぞれＸ方向の力を検出するための電
圧計５１．Ｙ方向の力を検出するための電圧計５２．Ｚ
方向の力を検出するための電圧計５３の出力電圧を示す
。たとえば、同図（ａ）では、電圧計５１の出力電圧Ｖ
ｘが、加えたＸ方向の力に比例して現れているが、本来
具れるべきでないＶｙ、Ｖｚも現れている。本発明の要
点は、このＶｙ、Ｖｚを最終的な検出部から除去するた
めの補正を行う点にある。
圧計５１．Ｙ方向の力を検出するための電圧計５２．Ｚ
方向の力を検出するための電圧計５３の出力電圧を示す
。たとえば、同図（ａ）では、電圧計５１の出力電圧Ｖ
ｘが、加えたＸ方向の力に比例して現れているが、本来
具れるべきでないＶｙ、Ｖｚも現れている。本発明の要
点は、このＶｙ、Ｖｚを最終的な検出部から除去するた
めの補正を行う点にある。
いま、ｘ、ｙ、ｚ方向に加えられた力を、それぞれＦＸ
、Ｆｙ、Ｆｚで表し、各方向成分の力を検出するために
設けられた電圧計５１． ５２゜５３の出力電圧をそれ
ぞれＶｚ、Ｖｙ、Ｖｚで表す。そして列ベクトルＦｖｅ
ｃ −（Ｆ ｘ、 Ｆ ｙ。
、Ｆｙ、Ｆｚで表し、各方向成分の力を検出するために
設けられた電圧計５１． ５２゜５３の出力電圧をそれ
ぞれＶｚ、Ｖｙ、Ｖｚで表す。そして列ベクトルＦｖｅ
ｃ −（Ｆ ｘ、 Ｆ ｙ。
Ｆｚ）、列ベクトルＶｖｅｃ ｍ （Ｖｘ、 Ｖｙ、
Ｖｚ）と定義すれば、 Ｖｖｅｃ −Ｋｖｅｃ ＠Ｆｖｅｃ なる関係が成り立つ。ここでＫ ｖｅｃは３行３列の行
列でセンサの特性行列と呼ばれる。前述の理想的な条件
のもとでは、この特性行列Ｋ ｖｅｃは対角成分だけを
もったベクトルとなるが、実際には対角成分以外が存在
し、干渉成分として作用する。
Ｖｚ）と定義すれば、 Ｖｖｅｃ −Ｋｖｅｃ ＠Ｆｖｅｃ なる関係が成り立つ。ここでＫ ｖｅｃは３行３列の行
列でセンサの特性行列と呼ばれる。前述の理想的な条件
のもとでは、この特性行列Ｋ ｖｅｃは対角成分だけを
もったベクトルとなるが、実際には対角成分以外が存在
し、干渉成分として作用する。
この特性行列Ｋ ｖｅｃは、第５図に示すような実測値
から求めることができる。そこで、第１図の係数メモリ
５００に、検出部１００に固有の特性行列Ｋ ｗｅｅを
補正係数として記憶させておくのである。検出部１００
からの出力（すなわち、第４図の電圧計５１〜５３の出
力電圧Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ）は、増幅回路２００．Ａ／Ｄ
変換部３００を経て演算回路４００に与えられる。演算
回路４００は、係数メモリから特性行列Ｋ ｖｅｃを読
出し、この逆行列Ｋｖｅｃ”を求め、 Ｆ ｖｅｃ −Ｋ ｖａｃ ’ ・Ｖ−ｖｅａなる演算
によって列ベクトルＦ ｖｅｃを求めることができる。
から求めることができる。そこで、第１図の係数メモリ
５００に、検出部１００に固有の特性行列Ｋ ｗｅｅを
補正係数として記憶させておくのである。検出部１００
からの出力（すなわち、第４図の電圧計５１〜５３の出
力電圧Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ）は、増幅回路２００．Ａ／Ｄ
変換部３００を経て演算回路４００に与えられる。演算
回路４００は、係数メモリから特性行列Ｋ ｖｅｃを読
出し、この逆行列Ｋｖｅｃ”を求め、 Ｆ ｖｅｃ −Ｋ ｖａｃ ’ ・Ｖ−ｖｅａなる演算
によって列ベクトルＦ ｖｅｃを求めることができる。
すなわち、他の成分の干渉のない正確なＦｘ、Ｆｙ、Ｆ
ｚが求まる。なお、係数メモリ５００に特性行列Ｋ ｖ
ｅｃを記憶させておく代わりに、その逆行列Ｋｖｅｃ’
を記憶させておけば、逆行列を求める演算を省略するこ
とができる。この実施例の装置では、更に、 一■ ａ−ｔａｎ （Ｆｙ／Ｆｘ） β−ｔａｎ （Ｆｚ／Ｆｙ） 一■ γ−ｔａｎ （Ｆｘ／Ｆｚ） なる演算を行って、角度α、β、γを求め、これを最終
的な出力としている。ここで、これらの角度α、β、γ
は、作用した力をＸＹＺ三次元座標系における三次元ベ
クトルと考えたときに、このベクトルをＸＹ平面、Ｙｚ
平面、ＸＺ平面にそれぞれ投影した投影ベクトルがＸ軸
、Ｙ軸、Ｚ軸となす角度に相当する。結局、この角度α
、β、γは、接触面の法線方向の傾きを表す値となる。
ｚが求まる。なお、係数メモリ５００に特性行列Ｋ ｖ
ｅｃを記憶させておく代わりに、その逆行列Ｋｖｅｃ’
を記憶させておけば、逆行列を求める演算を省略するこ
とができる。この実施例の装置では、更に、 一■ ａ−ｔａｎ （Ｆｙ／Ｆｘ） β−ｔａｎ （Ｆｚ／Ｆｙ） 一■ γ−ｔａｎ （Ｆｘ／Ｆｚ） なる演算を行って、角度α、β、γを求め、これを最終
的な出力としている。ここで、これらの角度α、β、γ
は、作用した力をＸＹＺ三次元座標系における三次元ベ
クトルと考えたときに、このベクトルをＸＹ平面、Ｙｚ
平面、ＸＺ平面にそれぞれ投影した投影ベクトルがＸ軸
、Ｙ軸、Ｚ軸となす角度に相当する。結局、この角度α
、β、γは、接触面の法線方向の傾きを表す値となる。
なお、第２図に示すように、スタイラスの接触部１０６
ｃに作用するＸ方向の力およびＹ方向の力は、実際には
基板１０において作用するモーメントとして検出される
ことになる。したがって、接触部１０６ｃに作用する力
の絶対値を求めるには、スタイラスの長さｇが必要にな
る。この実施例の装置では、係数メモリ５００に特性行
列Ｋ ｖｅｃとともにスタイラスの長さｇを記憶させて
いる。また、この他にも検出部１００固有の補正係数を
記憶させておくと便利である。たとえば、検出＃１００
内の抵抗素子は、温度によつて感度が異なる。そこで、
この温度特性や、その他の非直線性に関する特性データ
を係数メモリ５００に予め記憶させておけば、演算回路
４００はこれらのデータに基づいた補正演算を行うこと
ができる。
ｃに作用するＸ方向の力およびＹ方向の力は、実際には
基板１０において作用するモーメントとして検出される
ことになる。したがって、接触部１０６ｃに作用する力
の絶対値を求めるには、スタイラスの長さｇが必要にな
る。この実施例の装置では、係数メモリ５００に特性行
列Ｋ ｖｅｃとともにスタイラスの長さｇを記憶させて
いる。また、この他にも検出部１００固有の補正係数を
記憶させておくと便利である。たとえば、検出＃１００
内の抵抗素子は、温度によつて感度が異なる。そこで、
この温度特性や、その他の非直線性に関する特性データ
を係数メモリ５００に予め記憶させておけば、演算回路
４００はこれらのデータに基づいた補正演算を行うこと
ができる。
このように、係数メモリ５００に記憶させた特性データ
は、検出部１００に固有の値であり、特定の検出部につ
いてのみ意味をもつ値である。したがって、検出部１０
０を取り替えた場合には、係数メモリ５００の記憶デー
タも取り替える必要がある。そこで、係数メモリ５００
をＰＲＯＭのような１チツプのＩＣで構成しておき、検
出部とセットで販売するようにするのが好ましい。ある
いは、検出部とセットにして特性データの入ったフロッ
ピを販売するようにし、特性データをフロッピから係数
メモリに読み込むようにしてもよい。
は、検出部１００に固有の値であり、特定の検出部につ
いてのみ意味をもつ値である。したがって、検出部１０
０を取り替えた場合には、係数メモリ５００の記憶デー
タも取り替える必要がある。そこで、係数メモリ５００
をＰＲＯＭのような１チツプのＩＣで構成しておき、検
出部とセットで販売するようにするのが好ましい。ある
いは、検出部とセットにして特性データの入ったフロッ
ピを販売するようにし、特性データをフロッピから係数
メモリに読み込むようにしてもよい。
以上、本発明を一実施例について説明したが、本発明は
この実施例に限定されるものではなく、種々の適用のし
かたができよう。たとえば、上述の実施例では、センサ
部として第３図に示す構造のものを用いたが、特願昭６
２−１０１２７２号明細書に記載されているような力お
よびモーメントをともに検出しうるような構造のものを
用いてもかまわない。
この実施例に限定されるものではなく、種々の適用のし
かたができよう。たとえば、上述の実施例では、センサ
部として第３図に示す構造のものを用いたが、特願昭６
２−１０１２７２号明細書に記載されているような力お
よびモーメントをともに検出しうるような構造のものを
用いてもかまわない。
また、上述の実施例では、接触検出装置に本発明を適用
した場合を説明したが、この接触検出装置は結局、接触
子に加わる力を検出する力検出装置であり、本発明は接
触検出装置のみに限定されるものではなく、力検出装置
およびその応用に広く適用できるものである（ＰＣＴ／
Ｊ Ｐ８ｇ１００３９５号国際公開公報参照）。たとえ
ば、接触子先端部に錘りを形成すれば、前述の国際公開
公報に詳述されているようにこの力検出装置を加速度検
出装置として利用することができ、接触子先端部に磁性
体を形成すれば前述の国際公開公報に詳述されているよ
うに、この力検出装置を磁気検出装置として利用するこ
とができる。本発明はこれらの各検出装置に対しても広
く適用しうるちのである。
した場合を説明したが、この接触検出装置は結局、接触
子に加わる力を検出する力検出装置であり、本発明は接
触検出装置のみに限定されるものではなく、力検出装置
およびその応用に広く適用できるものである（ＰＣＴ／
Ｊ Ｐ８ｇ１００３９５号国際公開公報参照）。たとえ
ば、接触子先端部に錘りを形成すれば、前述の国際公開
公報に詳述されているようにこの力検出装置を加速度検
出装置として利用することができ、接触子先端部に磁性
体を形成すれば前述の国際公開公報に詳述されているよ
うに、この力検出装置を磁気検出装置として利用するこ
とができる。本発明はこれらの各検出装置に対しても広
く適用しうるちのである。
以上のとおり本発明によれば、力検出装置において、別
な検出方向に関する力の影響によって生ずる抵抗値変化
を相殺するような固有の補正係数を予め記憶した記憶手
段を設け、検出値の補正を行うようにしたため、各検出
方向について干渉のない正確な検出値が得られるように
なる。
な検出方向に関する力の影響によって生ずる抵抗値変化
を相殺するような固有の補正係数を予め記憶した記憶手
段を設け、検出値の補正を行うようにしたため、各検出
方向について干渉のない正確な検出値が得られるように
なる。
第１図は本発明の一実施例に係る接触検出装置の構成を
示すブロック図、第２図は第１図に示す装置の検出部の
側断面図、第３図（ａ）および（ｂ）は第２図に示す検
出部の中枢を形成するセンサ部の側断面図および上面図
、第４図は第３図に示すセンサ部の抵抗素子についての
ブリッジ回路を示す回路図、第５図は第４図に示すブリ
ッジによって生成される出力電圧と加えた力の関係を示
すグラフである。 出願人代理人 志 村 浩惰２図 （ａ） 第３図 （Ｃ） 第５図 第４図
示すブロック図、第２図は第１図に示す装置の検出部の
側断面図、第３図（ａ）および（ｂ）は第２図に示す検
出部の中枢を形成するセンサ部の側断面図および上面図
、第４図は第３図に示すセンサ部の抵抗素子についての
ブリッジ回路を示す回路図、第５図は第４図に示すブリ
ッジによって生成される出力電圧と加えた力の関係を示
すグラフである。 出願人代理人 志 村 浩惰２図 （ａ） 第３図 （Ｃ） 第５図 第４図
Claims (2)
- （１）加わった力を機械的変形に変換する起歪体と、 この起歪体に連接され、この起歪体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加わった力
の方向を認識しうるような配列で各検出方向グループご
とに形成した半導体基板と、各検出方向グループに属す
る前記抵抗素子の抵抗値の変化に基づいて、加わった力
を、各方向成分ごとに演算して求める演算手段と、 １検出方向グループに属する前記抵抗素子が別な検出方
向に関する力の影響によって生ずる抵抗値変化、を相殺
するような固有の補正係数を予め記憶した記憶手段と、 を備え、前記演算手段が前記補正係数を用い、各検出方
向間の干渉を相殺する演算を行うようにしたことを特徴
とする力検出装置。 - （２）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
る起歪体と、を有する力変換手段と、 前記起歪体に連接され、この起歪体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
各検出方向グループごとに形成した半導体基板と、 前記起歪体を装置本体に対して支持する支持手段と、 各検出方向グループに属する前記抵抗素子の抵抗値の変
化に基づいて、前記接触子の接触端に加わった力を、各
方向成分ごとに演算して求める演算手段と、 １検出方向グループに属する前記抵抗素子が別な検出方
向に関する力の影響によって生ずる抵抗値変化、を相殺
するような固有の補正係数を予め記憶した記憶手段と、 を備え、前記演算手段が前記補正係数を用い、各検出方
向間の干渉を相殺する演算を行うようにしたことを特徴
とする接触検出装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1050462A JPH02228532A (ja) | 1989-03-02 | 1989-03-02 | 力検出装置およびその応用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1050462A JPH02228532A (ja) | 1989-03-02 | 1989-03-02 | 力検出装置およびその応用 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02228532A true JPH02228532A (ja) | 1990-09-11 |
Family
ID=12859541
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1050462A Pending JPH02228532A (ja) | 1989-03-02 | 1989-03-02 | 力検出装置およびその応用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH02228532A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010038913A (ja) * | 2008-07-10 | 2010-02-18 | Yamaha Motor Co Ltd | 磁歪式荷重センサおよびそれを備えた移動体 |
| WO2019069620A1 (ja) * | 2017-10-03 | 2019-04-11 | アズビル株式会社 | トルク検出装置 |
| JP2019132636A (ja) * | 2018-01-30 | 2019-08-08 | ミネベアミツミ株式会社 | センサアッセンブリ、スタイラスペン、作品描画手法指導システム、歯科技工器具、歯科技工手法表示システム、医療用器具、遠隔手術システム、及び手術手法表示システム |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62134338A (ja) * | 1985-12-05 | 1987-06-17 | Nissan Motor Co Ltd | 車両用ヘツドアツプデイスプレイ装置 |
| JPS62216839A (ja) * | 1986-03-19 | 1987-09-24 | Nissan Motor Co Ltd | 車両用表示装置 |
| JPH0281731A (ja) * | 1988-09-19 | 1990-03-22 | Canon Inc | ヘッドアップディスプレイ装置 |
-
1989
- 1989-03-02 JP JP1050462A patent/JPH02228532A/ja active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62134338A (ja) * | 1985-12-05 | 1987-06-17 | Nissan Motor Co Ltd | 車両用ヘツドアツプデイスプレイ装置 |
| JPS62216839A (ja) * | 1986-03-19 | 1987-09-24 | Nissan Motor Co Ltd | 車両用表示装置 |
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO2019069620A1 (ja) * | 2017-10-03 | 2019-04-11 | アズビル株式会社 | トルク検出装置 |
| JP2019066375A (ja) * | 2017-10-03 | 2019-04-25 | アズビル株式会社 | トルク検出装置 |
| JP2019132636A (ja) * | 2018-01-30 | 2019-08-08 | ミネベアミツミ株式会社 | センサアッセンブリ、スタイラスペン、作品描画手法指導システム、歯科技工器具、歯科技工手法表示システム、医療用器具、遠隔手術システム、及び手術手法表示システム |
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