JPH0389130A - 圧力・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〕 この発明は、ロボットの力覚センサ等として使用される
力検出装置に関し、特に力ないしモーメントと共に圧力
の検出も可能とした装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来より、この種の力検出装置として、半導体の単結晶
基板を利用して力ないしモーメントを検出する装置が知
られている。その−例として、特開昭６３−２２６０７
４号公報に開示されている力検出装置について説明する
。

この力検出装置は、機械的変形により電気抵抗を変化さ
せる検出素子を備えた検出面が一面に形威された半導体
等の単結晶基板と、中心部と周辺部のいずれか一方を支
持部とし、他方を作用部とした起歪体を備えて戒り、こ
の起歪体の表面に前記単結晶基板を接着固定したもので
ある。この構成により、検出素子を単結晶基板の表面に
直接的に形成した場合に、作用部に作用する外力を起歪
体により受けさせることができ、その起歪体が変形する
ことにより単結晶基板を変形させるので、単結晶基板で
は受けることのできない大きさの荷重を受けることがで
き、また、衝撃荷重が作用部に印加されても、その衝撃
は単結晶基板に直接伝達されることがなく、起歪体によ
り緩衝されるので、単結晶基板が脆性の高い材質であっ
ても十分に保護される等の効果を有するものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、前記力検出装置では、起歪体に作用する
力及びモーメントを検出できるだけであるため、例えば
ロボット・アームに作用する力及びモーメントは検出で
きるが、ロボット・フィンガーの駆動用圧力すなわちロ
ボット・フィンガーのグリップ反力を検出することはで
きない。このため、前記力検出装置を使用する場合には
、ロボット・フィンガーのグリップ反力検出用の圧力検
出装置を別個に設ける必要があるが、こうするとロボッ
ト・アームに圧力検出装置の取付場所を設けなければな
らないと共に、嵩が高くなってしまう難点がある。

そこでこの発明は、一つの装置で、ロボット・アーム等
に作用する力及びモーメントだけでなく、ロボット・フ
ィンガーの駆動用圧力等の圧力をも検出できる圧力・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〕

前記目的を達成するためこの発明が講じた技術的手段は
、機械的変形によって電気抵抗を変化させる検出素子を
一面に形成した単結晶基板と、前記単結晶基板が接着さ
れた、中心部と周辺部のいずれか一方を支持部とし他方
を作用部とした起歪体と、 前記単結晶基板に接して設けた圧力室と、前記圧力室に
圧力を導入する圧力導入路とを備え、 前記検出素子は、前記起歪体に作用する力を検出する素
子と前記圧力室内の圧力を検出する素子とを含んでいる
ことを特徴とするものである。

前記圧力室は、前記単結晶基板を切欠して設けることが
でき、また、前記圧力導入路は、前記起歪体に取り付け
られた力伝達体を通って設けることができる。

さらに、前記単結晶基板の検出面に、前記力検出用の素
子と圧力検出用の素子とを分離する切込を設けることも
可能である。

〔作用〕

以上の技術的手段によると、起歪体に作用した力ないし
モーメントによって当該起歪体が変形し、これによって
起歪体に接着された単結晶基板に内部応力が発生する。

この内部応力による歪みによって力検出用の検出素子が
変形し、ピエゾ抵抗効果によってその抵抗が変化する。

この抵抗変化を電気信号として取り出すと、作用した力
ないしモーメントを検出することができる。

また圧力導入路を通って、単結晶基板に接して設けた圧
力室に圧力が導入されると、この圧力により単結晶基板
が変形し、当該変形部分に設けた圧力検出用の検出素子
が変形する。こうして、力・モーメントを検出する場合
と同様にして圧力の−検出を行うことができる。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を添付図面を参照しながら説明
する。

第１図〜第４図は、この発明に係る力検出装置の一実施
例を示しており、力検出袋？ｉ！（１０）は、円板状の
起歪体（１１）と、当該起歪体（１１）の表面に接着さ
れた正方形の単結晶基板（１２）と、前記起歪体（１１
）の中心に直角をなして突設された丸棒状の力伝達体（
１３）とを有している。単結晶基板（１２）は、起歪体
（１１）の上面（力伝達体（１３）と反対側の面）に形
成された円形の窪み（１４）内に設けられている。

起歪体（１１）の下面（力伝達体（１３）側の面）には
、力伝達体（１３）を取り囲むように円環状の凹部（１
５）が形成してあり、この凹部（１５）により起歪体（
１１）の肉厚を薄くして弾性変形部（１６）を形成して
いる。

起歪体（１１）に力ないしモーメントが作用すると、は
とんど弾性変形部（１６）のみが変形し、これに伴って
単結晶基板（１２）が変形するようにしているのである
。起歪体（１１）の上面周縁には、ロボットのアームに
取り付ける際に当該アームに接触される取付面（１７）
が設けてあり、取付面（１７）にはさらに、取付用のボ
ルトが貫通する複数の貫通孔（１８）が設けてある。

単結晶基板（１２）は、この実施例ではシリコン単結晶
体から構成されており、接着面と反対側（上面）を検出
面（１９）としている。検出面（１９〉には、第３図に
明瞭に示すように１６個の検出素子（２０）が形成・配
置しである。各検出素子（２０）は、ピエゾ抵抗効果を
利用して力及びモーメント、さらには圧力を検出するも
ので、検出素子（２０）に生じた歪みを電気抵抗の変化
に変えて電気信号として出力するものである。これらの
検出素子（２ｏ）は、いずれも細長い棒状とされてほと
んど長手方向にのみ電流が流れるようにしである。

単結晶基板（１２）の接着面側（下面）の中心部には、
単結晶基板（１２）を円形に切欠することにより圧力室
（２１）が形成しであると共に、単結晶基板（１２）の
中心部の肉厚を薄くして、円板状の圧力作用部（２２）
を形成している。この圧力作用部（２２）には、−力伝
達体（１３）の下端より力伝達体（１３）と起歪体（１
１）の内部に貫通して設けた圧力導入路（２３）より圧
力が導入されるようになっている。導入された圧力によ
って、単結晶基板（１２）の圧力作用部（２２）はダイ
ヤフラムのように変形する。圧力導入路（２３）の開口
部には、継手取付用のネジ孔（２４）が設けてある。

１６個の検出素子（２０）のうちの１２個は、互いに直
交するＸ、Ｙ、Ｚ３軸を、Ｚ軸を力伝達体（１３）に沿
って、Ｘ軸及びＹ軸を起歪体（１１）に沿って設定した
場合に、Ｚ軸方向の力Ｆ２、Ｘ軸周りのモーメントＭｘ
及びＹ軸周りのモーメントＭｖを検出するように構成し
である。このうち、Ｘ軸周りのモーメントＭ８を検出す
る４個の素子ＲＸ＋、ＲＫＺｓ　ＲＸＩ、ＲＮＡは、正
方形の単結晶基板（１２）の一つの対角線（Ｘ軸）上に
配置してあり、Ｙ軸周りのモーメントＭ７を検出する４
個の素子Ｒ０、Ｒ７□、ＲＹＩ、ＲＹ４は、前記対角線
と直交する他の対角線（Ｙ軸）上に配置しである。また
、Ｚ軸方向の力Ｆ２を検出する４個の素子Ｒ２１ｓ　Ｒ
ＺＩ、Ｒ２１、ＲＺＩは、検出素子ＲＹＩｓ　ＲＹＩ、
ＲＹＩ、ＲＹ４の載っている対角線（Ｙ軸）に対して１
５°をなす直線に沿って配置しである。ＭＸ　、Ｍｖ　
、　Ｆ　ｚを検出する各素子は、それぞれ、各直線上で
単結晶基板（１２）の中心点に対して対称の位置にある
。

なおＭｘを検出する素子ＲＸＩ、　Ｒａｔ、　ＲＸ３、
Ｒ８４と、Ｍｙを検出するＲＹＩ、Ｒｙｚ、ＲＶ３、Ｒ
Ｙ４は、互いに直交する直線上に配置する必要があるが
、Ｆ２を検出するＲＺＩ、Ｒ２□、Ｒ２１、Ｒ２４は、
これら両直線に重ならない直線上に配置すればよく、例
えば半導体基板（３２）を三等分する直線すなわち前記
両対角線に対して４５°をなす直線に沿って配置する等
、任意の角度で配置することができる。

起歪体（１１）に作用する力及びモーメントを検出する
１２個の検出素子ＲＸＩ、　ＲＸｔ、Ｒ１１１、ＲＮＡ
、ＲＹ１％　Ｒ’ｆＺ、ＲＶ３、ＲＹ４、Ｒ２１、Ｒ２
□、ＲＺＩ、Ｒ２４は、いずれも、起歪体（１１）の弾
性変形部（１６）に重なるように描いた円環内に位置し
ている。

他の４個の検出素子Ｒ□、Ｒｐ２、Ｒｐ３、Ｒ□は、圧
力導入路（２３）を通って圧力室（２１）内に導入され
た圧力Ｐを検出するもので、そのうち、Ｒ□とＲ３，は
Ｒ１、Ｒ７□、ＲＹＩ、ＲＹ４の載っている対角線（Ｙ
軸）上にあり、ＲｏとＲｏは当該対角線方向に延びてい
ると共にこの対角線を挟んで両側に対称となるように配
置しである。これらの検出素子Ｒ□、Ｒｏ、Ｒ１、Ｒ□
は、いずれも単結晶基板（１２）に形成した円形の圧力
作用部（２２）内にある。

なおＲ□、Ｒｏ、Ｒ１、Ｒ□は、ＲＸＩ、Ｒ，、、Ｒ１
、ＲＮＡの載っている対角線（Ｘ軸）上に設けてもよい
。

例えば、単結晶基板（３２）としてｎ−３ｉ（１１０）
ウェハを使用した場合、ＲＸＩ、Ｒｘｚ、ＲＸ３、ＲＮ
Ａと、ＲＹＩ、ＲＹ２、ＲＹＩ、ＲＹ４と、Ｒ□、Ｒｐ
ｚ、Ｒｐ３、Ｒｏなる検出素子（２０）は、＜１１０＞
方向に対して４５°をなす方向に配置され、ＲｚＩ、Ｒ
２□、Ｒ２３、ＲＺ４なる検出素子（４０）は、＜１１
０＞方向に対して３０″′をなす方向に配置されること
になる。

検出面（１９）には、さらに各検出素子（２０）に接続
された１６個の電極（２５）が設けてあり、これらの電
極（２５）を介して検出素子（２０）の出力信号を取り
出すようにしている。

起歪体（１１）の窪み（１４）には、単結晶基板（１２
）の周囲に、正方形の溝（２６）を介してＦＰＣ（フレ
キシブル　プリント　サーキット）基板（２７）が接着
しである。当該ＦＰＣ基板（２７）には、１６個のポン
ディングパッド（２８）が取り付けてあり、検出素子（
２０）の１６個の電極（２５）との間にワイヤボンディ
ング線（２９〉が架けである。こうして、各検出素子（
２０）の出力信号をＦＰＣ基板（２７）に伝達し、ＦＰ
Ｃ基板（２７）を介して各出力信号を独立して外部に引
き出すようにしている。なお、前記溝（２６）によって
、単結晶基板（１２）とＦＰＣ基板（２７）は隔離され
ているので、これらは相互に影響を及ぼすことはない。

起歪体（１１）の上面には、前記単結晶基板（１２）及
びＦＰＣ基板（２７）を覆う保護カバー（３０）が取り
付けてあり、こうして単結晶基板（１２）を外気と遮断
している。

以上の構成とした力検出装置（１０〉は、起歪体（１゛
１）の取付面（１７）をロボット・アームの所定箇所に
接触させると共に、貫通孔（１８）にボルトを挿通して
ネジ込むことにより固定される。しかし、起歪体（１１
）の単結晶基板（１２）と反対側の面（３１）を介して
取り付けることもできる。力伝達体（３３）の先端のネ
ジ孔（２４）には、ロボット・フィンガーの駆動（グリ
ップ）を行う空気圧を導入するための空気圧用継手がネ
ジ込まれる。

次に、以上の構成とした圧力・力検出装置（１０〉の作
動状態について説明する。

力伝達体（１３）に力ないしモーメントが作用して、起
歪体（１１）が変形すると、それに伴って単結晶基板（
１２）が変形し、各検出素子（２０）に歪みが生じる。

例えば、Ｘ軸周りのモーメントＭＸが作用すると、単結
晶基板（１２）の弾性変形部（１６）に生じる応力は第
６図に示すようになる。すると、ピエゾ抵抗効果により
、この応力分布に応じて各検出素子（２ｏ）の電気抵抗
値が変化するので、各検出素子（２ｏ）の出力信号を、
第５図にＲＸ　Ｉ　％　ＲＸ　ｔ、ＲＸ３、ＲＮＡなる
素子について示しているように、４個の検出素子（２０
）毎にブリッジを組んで検出する。すなわち、ＲＸＩ％
　ＲＸ２、ＲＸ３、ＲＮＡによって第１のブリッジを形
成し、ＲＹＩＳＲＹ□、Ｒｙ２、ＲＹ４によって第２の
ブリッジを形成し、ＲＺＩ、　Ｒｚｚ、ＲＺ３、Ｒ２４
によって第３のブリッジを形成して、各成分毎に別個に
検出するのである。こうすると、単結晶基板（１２）に
圧力作用部（２２）を設けていない従来の検出装置と同
様にしてＭ、、Ｍ、及びＦ２を互いに干渉されることな
く検出することができる。

また、圧力室（２１）に導入された圧力の検出は、次の
ようにして行うことができる。

力伝達体（１３）に設けた圧力導入路（２３）を通じて
圧力室（２１）に圧力が導入されると、第４図に示すよ
うに単結晶基板（１２〉の圧力作用部（２２）が変形す
る。この変形によって検出素子Ｒ□、ＲＰｔ、Ｒｏ、Ｒ
８が歪み、電気抵抗値が変化するので、検出素子Ｒ□、
ＲＰｔ、ＲＰｔ、Ｒ□によって第４のブリッジを形成し
て、前記力及びモーメントの場合と同様にしてその出力
信号を検出すればよい。

検出素子Ｒ□、Ｒｏ、ＲＰｆｆ、Ｒ□によってブリッジ
を形成して出力信号を得る方式には、定電圧駆動と定電
流駆動の２種類がある。

定電圧駆動の場合は、第７図（ａ）に示すようにブリッ
ジを組み、印加電圧を■１、出力電圧をＶ。とすると、
出力電圧■。は次式で表される。

ここで、検出素子Ｒ□、Ｒｏ、Ｒｏ、Ｒ８の抵抗値がす
べて等しくＲであり、圧力が作用したときにＲ□とＲＰ
３はΔＲだけ、ＲｏとＲ□は−ΔＲだけ変化したとする
と、出力電圧Ｖ０の変化量ΔＶ０は、 従って、出力電圧■。の変化量ΔＶ０を検出することに
より、検出素子（２０）の抵抗変化を通じて圧力Ｐを検
出することができることになる。

定電流駆動の場合は、第７図（ｂ）に示すようにブリッ
ジを組み、印加電流を■とすると、出力電圧ｖ０は次式
で表される。

ここで、前記と同様に、検出素子ＲＰＩ％　ＲＰＺ、Ｒ
ＰＩ、Ｒ□の抵抗値がすべて等しくＲであり、圧力が作
用したときにＲＰＩとＲＰ３はΔＲだけ、ＲＰＺとＲ６
は一ΔＲだけ変化したとすると、出力電圧■。の変化量
Δｖ０は、 Δｖ０＝ΔＲ１ となり、定電圧駆動の場合と同様にして圧力Ｐを検出す
ることができる。

このように、圧力Ｐは定電圧駆動、定電流駆動のいずれ
でも検出可能であるが、温度変化に対しては定電流駆動
の方が有利である。これは、定電流駆動の場合は、検出
素子の抵抗の温度特性がピエゾ抵抗係数の温度特性を相
殺し自己補償される７ため、定電圧駆動の場合に比較し
て温度変化に対する感度変化が小さくなるからである。

第８図は、この発明の他の実施例を示したものである。

この実施例は、単結晶基板（１２）の検出面（１９）に
、Ｒ□、ＲＰＺ、Ｒｏ、Ｒ□なる検出素子（２０）を取
り囲むように円形の切込（３２）を設けた点が異なるの
みである。この切込（３２）は、エツチング技術によっ
て容易に形成することができる。

こうすると、力、モーメントを検出する１２個の検出素
子Ｒｘ１ｓ　Ｒｘｚｓ　ＲＸ３、ＲＮＡ、ＲＹＩ、Ｒ’
／Ｚ、ＲＹ！、ＲＹ４、ＲＺＩ、Ｒｏ、ＲＺ３、Ｒ２４
と、圧力を検出する４個の検出素子Ｒ，，，Ｒ，，、Ｒ
Ｐ３、ＲＰ４とが、切込（３２）によって分離されるの
で、力、モーメント検出回路と圧力検出回路との干渉を
避けることかでき、より正確な検出が可能となる利点が
ある。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、この発明の圧力・力検
出装置（１０）は、単結晶基板（１２）に力及びモーメ
ントを検出する素子（２０）と圧力を検出する素子（２
０）とを設け、力及びモーメントを、起歪体（１１）に
接着した単結晶基板（１２）が力及びモーメントによっ
て起歪体（１１）と共に変形することを通じて検出し、
圧力を、単結晶基板（１２）に接して設けた圧力室（２
１）に圧力を導入して、当該圧力によって単結晶基板（
１２）の圧力作用部（２２）が変形することを通じて検
出しているので、一つの単結晶基板（１２）によって力
及びモーメントだけでなく、圧力をも検出することがで
きるという効果がある。

圧力室（２１）を、単結晶基板（１２）を切欠して設け
ると、圧力室（２１）の形成と圧力作用部（２２）の形
成を当時に行うことができる。

また、起歪体（１１）に力伝達体（１３）を取り付けて
、当該力伝達体（１３）内に圧、力導入路（２３）を設
けると、力伝達体（１３）が圧力導入路（２３）用の部
材を兼ねることができ、構成が簡単になる。

さらに、単結晶基板（１２）の検出面（１９）に切込（
３２）を設けて、力検出用の検出素子（２０）と圧力検
出用の検出素子（２０）とを機械的に分離すると、雨検
出素子（２０）間の干渉を避けることができ、より正確
な検出が可能となる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図はこの発明に係る力・モーメント検出装
置の一実施例を示したもので、第１図は縦断面図、第２
図は保護カバーと取り外した状態の平面図、第３図は第
２図の部分拡大図、第４図は単結晶基板の圧力作用部が
変形した状態を示す部分拡大図である。 第５図はモーメン）　Ｍ　ｘ検出用のブリッジ回路図、
第６図は応力発生状態を示す特性図、第７図は圧力Ｐ検
出用のブリッジ回路図である。 第８図は他の実施例を示す第４図（ｂ）と同様の図であ
る。 （１０）・・・圧力・力検出装置 ・・・起歪体 ・・・力伝達体 ・・・弾性変形部 ・・・検出素子 ・・・圧力作用部 ・・・切込 （１２）・・・単結晶基板 （１５）・・・凹部 （１９）・・・検出面 （２１）・・・圧力室 （２３）・・・圧力導入路

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、機械的変形によって電気抵抗を変化させる検出素子
   を一面に形成した単結晶基板と、 前記単結晶基板が接着された、中心部と周 辺部のいずれか一方を支持部とし他方を作用部とした起
   歪体と、 前記単結晶基板に接して設けた圧力室と、 前記圧力室に圧力を導入する圧力導入路と を備え、 前記検出素子は、前記起歪体に作用する力 を検出する素子と前記圧力室内の圧力を検出する素子と
   を含んでいることを特徴とする圧力・力検出装置。 ２、前記圧力室が、前記単結晶基板を切欠して設けてあ
   る請求項１に記載の圧力・力検出装置。 ３、前記圧力導入路が、前記起歪体に取り付けられた力
   伝達体内を通って設けてある請求項１または２に記載の
   圧力・力検出装置。 ４、前記単結晶基板の検出面に、前記力検出用の素子と
   圧力検出用の素子とを分離する切込が設けてある請求項
   １ないし３のいずれかに記載の圧力・力検出装置。