JPH0575055B2 - - Google Patents

Info

Publication number
JPH0575055B2
JPH0575055B2 JP60065357A JP6535785A JPH0575055B2 JP H0575055 B2 JPH0575055 B2 JP H0575055B2 JP 60065357 A JP60065357 A JP 60065357A JP 6535785 A JP6535785 A JP 6535785A JP H0575055 B2 JPH0575055 B2 JP H0575055B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
resistor
semiconductor
resistors
force
moment
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP60065357A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS61223626A (en
Inventor
Hiroshi Tanigawa
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NEC Corp
Original Assignee
Nippon Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Electric Co Ltd filed Critical Nippon Electric Co Ltd
Priority to JP60065357A priority Critical patent/JPS61223626A/en
Publication of JPS61223626A publication Critical patent/JPS61223626A/en
Publication of JPH0575055B2 publication Critical patent/JPH0575055B2/ja
Granted legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/18Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G01L5/161Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance
    • G01L5/162Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance of piezoresistors
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G01L5/161Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance
    • G01L5/1627Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance of strain gauges

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明はロボツトアーム等に用いられる力およ
びモーメントを検出するセンサに関する。 (従来技術とその問題点) 従来、ロボツト応用分野では、グリツパあるい
はフインガが対象物体を把持した時の把持力、即
ち、当該物体からの反力を検出することが強く要
望されていた。かかる把持力が検出されるなら
ば、該把持力に応じてグリツパの開閉量を制御す
ることにより、当該物体が軟かつたり、脆かつた
りしても、破損することなく把持でき、所望の動
作を達成できるからである。かかる要望をみたす
ために、種々のセンサが提案されてきた。米国ジ
エツト推進研究所で利用されているセンサを第9
図に示す(自動化技術、第13巻、第1号、第49〜
52ページ)。同図aにおいて、101は中央支持
体、102は外周支持体、103〜106はビー
ムである。通常中央支持体101はその中央部に
設けられた穴を介して第1の受容棒(図示せず)
に強固に固定されている。また、外周支持体10
2はその周囲部を用いて第2の受容棒(図示せ
ず)に強固に固定されている。さらに、複数のビ
ームの表面には、複数の歪ゲージ(107として
例示)が接着されており、ビーム個々の変形(即
ち歪)を検出できるようにされている。 前記第2の受容棒は例えばロボツトアームの本
体側に位置し、前記第1の受容棒は例えばロボツ
トアームの物体側に位置している。かかる構成に
おいて、グリツパあるいはフインガが対象物体を
把持して空中に持ち上げた場合、第1の第2の受
容棒間には力およびモーメントが誘起される。か
かる力およびモーメントは、対象物体の荷重、形
状、重心位置およびアームの姿勢に応じて決定さ
れることが知られている。かかる力およびモーメ
ントは同図aに示されたX,Y,Z軸について、
同図bに示す6つの成分、即ち、FX(X軸方向の
力)、FY(Y軸方向の力)、FZ(Z軸方向の力)、
MX(X軸まわりのモーメント)、MY(Y軸まわり
のモーメント)、MZ(Z軸まわりのモーメント)
の組み合せで定義することが可能である。また、
この6つの成分が誘起された時には、前記4つの
ビームには同図bのW1〜W8に示す8つの変形が
発生する。この変形は、前記した如く、各ビーム
に接着された歪ゲージにより、個別に検出され
る。換言するならば、歪ゲージの出力信号から、
8つの変形を求め、さらに、次式に示すマトリク
スにより前記6つの成分を求めることができる。 FX FY FZ MX MY MZ= O k21 O O O k61O O k32 O k52 Ok13 O O O O k63O O k34 k44 O OO k25 O O O k65O O k36 O k56 Ok17 O O O O k67O O k38 k48 O OW1 W2 W3 W4 W5 W6 W7 W8 ここで、knoは主としてビームの剛性により決
定される変換係数であり、剛性を変化させること
により、前記6つの成分の検出感度を変化させる
ことができる。剛性の変化方法については、材
質、断面形状、太さ、長さ等を適宜決定すること
により達成される。上式に示したマトリクスの演
算は、通常、ロボツトコントローラ内に格納され
ているマイクロプロセツサ等により行なわれる。
勿論、歪ゲージで発生する微小な抵抗値変化を、
抵抗・電圧変換回路、電圧増幅回路、特性補償回
路、A/D変換器等によりデイジタル量に変換し
てからマイクロプロセツサに供給されなければな
らないことは言うまでもない。第9図に例示し
た、従来技術のセンサでは下記の問題点があつ
た。 (1) 中央支持体、外周支持体、複数のビームは、
通常、金属ブロツクから切削により形成され
る。このため、当該構造体を作成するための加
工時間が長く、しかも、切削精度(特にビーム
の形状、寸法)が前記6つの成分の検出感度の
精度に影響する。即ち、高精度で該検出感度バ
ラツキの少ない当該構造体を安価に大量生産す
ることは困難である。 (2) 中央支持体、外周支持体、複数のビームを切
削加工で作成する時には、当該構造体に小型化
が困難である。さらに、切削加工では加工精度
が10μm程度であるので、小型化するに従い、
該ビームの相対精度(ここでは該加工精度とビ
ーム断面の寸法との比を一例として考える)が
劣化し、前項(1)での該検出精度のバラツキが大
きくなる。 (3) 歪ゲージを接着する時には、接着剤に起因す
るクリープ現象が発生し、センサの長期安定性
の維持が困難となる。本発明で対象としている
ロボツト分野では、グリツパあるいはフインガ
が対象物体を把持している期間はかなり長い場
合が想定される。作業内容にも依るが、数10分
に及ぶこともある。かかる長期間内で一定の対
象物体の把持状態とアームの姿勢とが実現され
ている時に、該クリープ現象が発生すると、該
センサからの出力が変化するので、ロボツトコ
ントローラには、あたかも、当該把持状態と当
該アームの姿勢とが変化しているかのように見
えるため、所望しないロボツトの誤動作が発生
することいなる。 (4) 該歪ゲージは通常ブリツジ回路により電圧信
号として検出されるが、この電圧信号値はミリ
ボルト程度であり、しかも、その出力インピー
ダンスは数100オームと高い値を有している。
かかる低電圧信号を所望のレベルまで増幅する
ために高価なシグナルコンデイシヨナと称され
る直流増幅器が必要である。さらに、高出力イ
ンピーダンスの該低レベル信号を外乱雑音の混
入を受けることなく効率良く伝送するための信
号伝送路や該外乱雑音の除去回路が不可避であ
り、周辺回路の高価格化を招いており、当該セ
ンサの広範な普及が妨げられていた。 (5) 前記マトリクス演算がコントローラ内部でソ
フトウエアを用いて行なわれる場合に演算に要
する時間が長いため、ロボツトの高速動作が困
難となつていた。さらに演算実行のために、ロ
ボツト制御用の他の演算が犠性となり制御の高
度化も困難であつた。 以上のように、従来のセンサでは、小型化、低
価格化、検出感度のバラツキ低減、長期安定性等
において限界があり、ロボツト制御用センサとし
て満足できるものでは無かつた。 (発明の目的) 本発明の目的は、かかる従来技術の欠点を排除
し、ロボツト制御に適し、かつ、応用分野を拡げ
得るセンサを提供することにある。 (発明の構成) 本発明によれば、中央支持体と外周支持体と両
者を接続する複数のビームとが共通の半導体材料
で一体化構成されており、複数のビームを構成す
る第1のビームの外周支持体に第1、第2の半導
体ゲージ抵抗が、中央支持体側に第3、第4の半
導体ゲージ抵抗がそれぞれ埋設され、第1のビー
ムに対向する位置に存在する第2のビームの外周
支持体側に第5の半導体ゲージ抵抗が中央支持体
側に第6の半導体ゲージ抵抗がそれぞれ埋設され
ており、第1、第3、第5、第6の半導体ゲージ
抵抗群で第1のフルブリツジ回路が構成され、第
1、第5の抵抗の接続節点は励起電源の第1の極
性を有する端子に、第3、第6の抵抗の接続節点
は該電源の第2の極性を有する端子にそれぞれ接
続される手段を有し、第5、第6の抵抗の接続節
点は第1の出力端子に、第1、第3の抵抗の接続
節点は第2の出力端子に接続される手段を有し、
第4、第2、第5、第6の半導体ゲージ抵抗群で
第2のフルブリツジ回路が構成され、第4、第2
の抵抗の接続節点は第3の出力端子に接続される
手段を有することを特徴とするセンサが得られ
る。 (実施例) 以下実施例により本発明を詳細に説明する。 第1図は本発明の一実施例を示す図である。同
図aはセンサを構成する半導体基板10の平面図
であり、同図b,cはそれぞれ同図a中に示した
A−A′、B−B′での断面図である。同図におい
て、基板10の材料は例えば単結晶シリコンであ
る。1は中央支持体、2は外周支持体、3,4は
該支持体1と2を接続する第1、第2のビームで
あり、2の1〜4は共通の前記半導体材料で一体
化構成されている。同図aには4本のビームが示
されているが、4本に限定されることなく、2本
以上の複数であつて良い。しかしながら、以下の
説明で明らかにされるように、4本のビームの場
合が最も好ましい。ビーム3の外周支持体側には
第1および第2の半導体ゲージ抵抗(それぞれ1
1,12)が、また中央支持体側には第3および
第4の半導体ゲージ抵抗(それぞれ13,14)
が埋設されている。第1のビーム3に対向する位
置に存在する第2のビーム4の外周支持体側には
第5の半導体ゲージ抵抗15が中央支持体側には
第6の半導体ゲージ抵抗16がそれぞれ埋設され
ている。該半導体ゲージ抵抗群は周知の半導体技
術を用いて形成され、例えば基板10がn型の場
合には、抵抗群はp型である。10に示した半導
体基板は、下記に例示する製造方法によつて作成
される。 (1) 熱拡散、イオン打ち込み技術により前記半導
体ゲージ抵抗群を所望の位置に形成する。抵抗
を接着しているわけではないので接着剤に起因
するクリープ現象がなく長期にわたつて安定で
ある。 (2) 外周支持体2の内外周、中央支持体1の外
周、およびビーム3,4の外縁に沿つてパター
ニングを施こし、前記半導体基板の不要部分を
除去する。この除去方法については、周知の方
法、例えば、硝酸とフツ酸の混合液等による等
方性エツチング、アルカリ溶液による異方性エ
ツチング等がある。なお、ビーム内での抵抗の
埋設位置は、センサの感度、オフセツト等の特
性に悪影響を及ぼすので、十分に位置精度を確
保して、所望の位置に埋設されていることが必
要である。なお、位置精度を確保するために
は、上記(1)(2)の工程を逆にしてもよい。かかる
製法により作成された第1図の実施例の動作に
ついて次に説明する。第2図は第1図に示した
半導体基板を力およびモーメント検出のための
センサとして構成したときの、構造断面図例で
ある。図において、20は該中央支持体と結合
された第1の受容棒であり、円柱形状の棒が例
示されている。21は該外周支持体と結合され
た第2の受容棒であり、20,21共に円柱形
状の棒が例示されている。また、図では、半導
体基板10の断面は、第1図cと同様、第1図
aでのB−B′での断面図が示されている。受
容棒20と支持体1との結合手段については何
ら制限は無い。例えば、接着剤による接合、共
晶合金による接合、1の中央部に設けられた穴
(図示せず)と20の中央部に設けられた雌メ
ジ(図示せず)とによるネジ結合等であつてよ
い。また、該受容棒21と該支持体2との結合
手段についても何ら制限は無い。例えば、接着
剤による接合、共晶合金による接合等であつて
良い。勿論、これらの結合は、結合力が大きい
こと、および、作動温度変動に伴なう熱歪の効
果が少ないことが要求されることが当述であ
る。受容棒20,21については円柱形状を対
象として例示されているが、他の形状、例えば
四角柱や、四角柱と円柱との組み合せであつて
も良い。かかる形状の選択については、それぞ
れの一端が半導体基板10と結合しやすく、か
つ、他の一端近傍が他の機械要素、例えばロボ
ツトアームのグリツパやフインガ、またはアー
ム本体と結合しやすければ良い。勿論、該受容
傍20,21の材料の機械的強度が大きく、か
つ、材料および形状に起因する機械的剛性が大
きいことが必要である。 第3図は、第2図と同様な当該センサ構造断面
図であり、受容棒の一方にモーメントが印加した
場合が示されている。図において、半導体基板
0の断面は、第2図bと同様、第2図aのA−
A′での断面図として例示されている。また、第
2図と同様、受容棒20,21は共に円柱形状と
して示されている。同図では、一方の受容棒21
が機械的に固定され、他の受容棒20には、紙面
内でのモーメント30が印加された時の変形が概
念的に示されている。この変形は第4図により詳
細に示されている。もしモーメント30による変
形量が微小であり、かつビーム3,4が共に薄板
理論に従う挙動を示すのでビーム3と4での変形
は同図に示すように同一となる。勿論、かかる仮
定においては、中央支持体は斜めになることにな
り、同図の形状とは矛盾しているかのように考え
られる。しかしながら、かかる状況は、第4図の
縦方向を誇張して描いたために発生しているにす
ぎない。モーメント30の存在により、ビーム
3,4には「曲がり」が発生し、この「曲がり」
に対応してビーム3,4には引張および圧縮の応
力が誘起される。第4図においては、抵抗12,
16には引張力が、また、抵抗14,15には圧
縮力が作用している。かかる応力下では、周知の
ピエゾ抵抗効果により、該抵抗群12,14,1
5,16の抵抗値が変化する。即ち、受容棒2
0,21間に印加されたモーメントを電気的信号
(即ち抵抗値変化)として検出することができる。 第5図は、第3図と同一の当該センサに、40
で示した力が印加している時の変形を概念的に示
したものである。かかる力(ちから)40の供給
により、ビーム3および4には対称な「曲がり」
が発生する。該「曲がり」の形状は、片持ち梁の
自由端を固定された境界(ビルト イン エツジ
(biult−in edge)と称されている)条件下で移
動させた時の形状と等しくなる。該「曲がり」の
変形に対応してビームには引張あるいは圧縮の応
力が誘起される。同図においては、抵抗11,1
5には圧縮力が抵抗13,16には引張力が作用
している。かかる応力下では、周知のピエゾ抵抗
効果により、抵抗群11,13,16,15の抵
抗値が変化する。即ち、受容棒20,21間に印
加された圧縮力および引張力(第5図と逆の状況
になる)を電気的信号(即ち、抵抗値変化)とし
て検出することができる。 第6図は、第1図aを用いて説明した当該半導
体ゲージ抵抗群の回路構成を例示した図である。
同図では便宜上、該抵抗の番号と、回路素子とし
ての抵抗とを同一番号で表わしている。さらに同
図では、各ゲージ抵抗の抵抗値変化も示されてい
る。即ち、同図aは第3図に示した如きモーメン
トが作用した時、また、同図bは第5図に示した
如き力が作用した時において、当該抵抗値が前記
ピエゾ抵抗効果により増大する場合は上向の矢印
が、減少する場合には下向の矢印がそれぞれ示さ
れている。ただし、第3図、第5図において、圧
縮応力が作用する時には抵抗値減少が、引張応力
が作用する時には抵抗値増大が起こるものと仮定
している。当該仮定は全ての場合に成立するもの
ではないが、シリコンの110方向に配置された
該ゲージ抵抗については成立しており、また、本
記載では便宜上仮定されたものでもある。 第6図において、第1、第3、第5、第6の半
導体ゲージ抵抗群11,13,15,16はリソ
グラフイ技術によつて半導体基板上に形成された
配線で第1のフルブリツジ回路を構成しており、
第1、第5の抵抗接続節点は励起電圧源60、あ
るいは励起電流源61の第1の極性を有する端子
62に、一方、該第3、第6の該抵抗接続節点は
励起電圧源60、あるいは励起電流源61の第2
の極性を有する端子63にそれぞれ接続されてい
る。また同様にして第5、第6の抵抗接続節点は
第1の出力端子64に、第1、第3の抵抗接続節
点は第2の出力端子65に接続される手段を有し
ている。また、同様にして第4、第2、第5、第
6の半導体ゲージ抵抗群14,12,15,16
は第2のフルブリツジ回路を構成する手段を有し
ており、第2、第4の抵抗接続節点は第3の出力
端子66に接続される手段を有している。以上の
記載で用いたフルブリツジ回路は4アーム・アク
テイブ・ブリツジ回路とも称されており、抵抗値
の微小変化を電圧出力として安定に変換する機能
があることは周知である。かかる回路構成の説明
から、第4、第5の抵抗接続節点は端子62に、
また、第2、第6の抵抗接続節点は端子63に接
続されていることは自明である。同図aにおい
て、前記モーメント作用時には該第1のフルブリ
ツジ回路のバランスがくずれて、端子64,65
間には電圧信号が出力される。一方、第2のフル
ブリツジ回路ではバランスがくずれないため、端
子64,66間には電圧信号が出力されない。さ
らに、同図bにおいて、前記力作用時には第1の
フルブリツジ回路のバランスはくずれず端子6
4,65間には電圧信号が出力されない。一方、
第2のフルブリツジ回路ではバランズがくずれる
ため端子64,66間には電圧信号が出力され
る。なお、第6図において6個の半導体ゲージ抵
抗は、力およびモーメントが作用しない時の抵抗
値が全て等しく、かつ、ピエゾ抵抗効果による該
抵抗の抵抗値変化量は全て等しい。かかる条件
は、第1図aに示した該抵抗群の形状と不純物濃
度条件を等しくし、かつ、該ビームでの配列位置
を選択する例えば構造体の中心点に対して対称に
設けることにより、容易に達成される。勿論、製
造プロセス上での各種誤差要因のために、かかる
条件が完全に満足されない場合には、該ゲージ抵
抗群のいずれか、あるいは複数の該ゲージ抵抗群
の個々に、並直列に補正抵抗を複数個挿入するこ
とにより、実質的にこの条件を成立させることは
可能である。かかる調整法については当該分野の
技術者にとつて周知であるため、また、本発明の
本質とはならないため詳述しない。以上の動作に
従えば、出力端子64,65間にモーメントのみ
に対応する信号が、また、出力端子64,66間
には力のみに対応する信号が得られることが明ら
かである。即ち、本発明の本実施例によれば、従
来技術ではマトリクス演算によりモーメントと力
とを分離していた欠点が完全に排除されたことに
なる。 また、第1図aに示した平面図で水平方向に配
置、対抗したビームに半導体ゲージ抵抗を埋設さ
せ、第6図に示した回路と同様な回路を構成すれ
ば、第3図に示したモーメント30と直角な方向
に作用するモーメントを検出することが可能とな
る。かかる結果、モーメント30および30と直
交する該モーメント以外のモーメントも、それぞ
れのモーメント成分として分離検出できることが
明らかである。 第6図の構成では、第1、第2のフルブリツジ
回路が共通の該抵抗15,16を共有している。
かかる構成は回路の簡便化のために採用されたも
のである。勿論、該第1、第2のフルブリツジ回
路を分離させても良い。かかる構成は第7図に例
示されており、新たに必要とされる該第5、第6
の半導体ゲージ抵抗に相当する第7、第8のゲー
ジ抵抗17,18は、第1図aのビーム4領域
に、15,16に隣接している抵抗群17,18
を用いれば良い。かかる場合には、電圧信号は出
力端子64′,65間と64″,66間に分離して
出力される。 第6図の構成では、励起電圧源として60にて
示した単一電源を例示した。これに限らず、互い
に絶対値が等しい正負電圧を発生する電源を用い
ても良い。かかる場合には、第6図における出力
端子64の電位は大略接地電位になるため、該出
力端子からの配線形成上有利な点が多い。 本発明で用いたゲージ抵抗は半導体のピエゾ抵
抗効果を用いているので、従来の金属箔ゲージ抵
抗と比較して、同一応力(あるいは同一歪)に対
して抵抗値変化が約2桁大きいという利点があ
る。このため、フルブリツジ回路を構成した時の
出力電圧は約100mV以上にも達し、該出力電圧
をケーブルにより配線しても、外乱雑音の影響を
相対的に低減できる利点がある。しかしながら、
作動温度による感度変化が大きい。即ち、温度特
性が悪いという欠点がある。当該センサでは、半
導体基板を用いるため、当該センサを周知の半導
体集積回路と一体化することが可能であるという
新たな利点が存在する。例えば、第1図におい
て、中央支持体1と外周支持体2では、本発明の
詳細な説明から明らかなように、当該受容体2
0,21間に印加される力およびモーメントから
誘起される応力成分は皆無に近いので、かかる支
持体領域に信号処理回路を集積化しても当該応力
とは無関係となる。かかる信号処理回路として
は、増幅回路、温度補償回路、各種演算回路、出
力回路等があり、いずれも周知の回路技術を駆使
すれば実現可能であり、勿論、信号処理回路を適
切に設計して応力が生じても回路動作が変化しな
いようにする。例えばトランジスタの寸法比だけ
で回路動作が決定されるようにすれば、ビーム領
域に信号処理回路を集積化することも可能とな
る。 第1図は、中央支持体、外周支持体が円形であ
る場合が示されているがこの限りではない。即
ち、当該支持体はいずれも、ビームの両端を固定
化維持する機能を持てば良いので、円形以外に、
正方形を採用しても構わない。かかる選択は本発
明の本質ではなく、むしろ、受容体との結合の容
易さや、ロボツト構成要素に容易に実装されるこ
とを勘案してなされるべきである。 またビームに埋設された前記半導体ゲージ抵抗
の配列については、本発明とは無関係に、任意に
選択できる。勿論、誘起された応力を抵抗値変化
に変換する際の変換係数を大きく、かつ、該係数
が一定(即ち、応力・抵抗値変化が直線的であ
る)であるような配置を採ることが好ましい。 第8図は本発明の他の実施例を示す図である。
図において、第1図と同一番号は同一構成要素を
示している。また前記ゲージ抵抗群は省略されて
いる。同図a,b,cは、それぞれ、本実施例で
の該半導体基板10の平面図、A−A′部での断
面図、B−B′部での断面図である。前記実施例
との第一の相異点は、同図bで示すように、エツ
チング等周知の技術を用いて、該ビーム3,4等
の厚さを該支持体1および2の厚さよりも薄く
し、かつ、同図aで示すように、該ビーム3,4
等の幅を小さくした点にある。かかる形状の選択
は、該受容体(図示せず)への力およびモーメン
トが微小であつても該抵抗値変化が大きくなるよ
うになされたためである。即ち、かかる形状の選
択は当該センサの高感度化に有効である。本実施
例の前記実施例との第2の相異点は、該中央支持
体の表面に熱的安定性向上のための第1の緩衝層
50を、また、該外周支持体の裏面に熱的安定性
向上のための第2の緩衝層51を設けた点にあ
る。通常シリコン等の半導体材料の熱膨張係数は
小さいので、前記受容体との間で熱膨張係数差に
起因する熱歪が特性劣化の原因となる。特に、該
受容体を金属で構成する場合には、かかる特性劣
化は特に顕著な問題となる。第1、第2の緩衝層
は、該熱膨張係数差を低減するために採用された
ものであり、該半導体基板と前記受容体の熱膨張
係数値の中間の値を有する材料、あるいは、該半
導体基板の熱膨張係数値とほぼ等しい値を有する
材料が良い。より具体的にはパイレツクス等の硼
硅酸ガラスが好ましいが、この限りではない。か
かる緩衝層50,51がパイレツクス等である場
合には、該半導体基板10との接着を陽極結合技
術を用いることができる。本実施例においては、
図示していない該受容体との結合は半導体基板
0と直接さされることなく、当該緩衝層を介して
行なわれることを言うまでもない。かかる結合に
陽極結合を用いることは可能である。また、緩衝
層50,51の基板10との位置関係は図示した
側に限定されることはない。即ち、中央支持体1
の裏面に、51を外周支持体2の表面に設けても
良い。 以上、力およびモーメントの検出が可能な新規
なセンサについて実施例を挙げ詳細な説明を行つ
た。 このような発明によれば、半導体集積回路技術
を用いて当該センサを製造できるため、小型化、
低価格化、高精度化、が容易に達成される。ま
た、該半導体ゲージ抵抗は接着剤を用いることな
く、前記ビームと一体化されているので、クリー
プ現象は発生せず、秀れた長期信頼性を確保する
ことができる。さらに、ロボツトコントローラ内
で複雑なマトリクス演算を施こすことなく、当該
センサから力およびモーメントに対応する出力信
号が分離して、個別に得られる。本発明によるセ
ンサはロボツト工学の進展に著しく寄与し、その
効果は大きいものである。 (発明の効果) このような発明によれば、半導体を用いたセン
サで力とモーメントを分離して同時に検出するこ
とが可能になるので、上記したロボツト応用分野
に限定されることなく、多くの機械工学分野への
適用が可能となる。例えば、三次元計測機用のタ
ツチセンサにも本発明は利用でき、その効果は大
きいものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to a sensor for detecting force and moment used in a robot arm or the like. (Prior Art and its Problems) Conventionally, in the field of robot applications, there has been a strong desire to detect the gripping force when a gripper or finger grips an object, that is, the reaction force from the object. If such a gripping force is detected, by controlling the opening/closing amount of the gripper according to the gripping force, even if the object is soft or brittle, it can be gripped without breaking and the desired movement can be achieved. This is because it can be achieved. Various sensors have been proposed to meet such demands. The 9th sensor used at the Jet Propulsion Laboratory in the United States
As shown in the figure (Automation Technology, Volume 13, No. 1, No. 49-
page 52). In the figure a, 101 is a central support, 102 is an outer peripheral support, and 103 to 106 are beams. Typically, the central support 101 is connected to a first receiving rod (not shown) through a hole provided in its central portion.
is firmly fixed. In addition, the outer peripheral support 10
2 is firmly fixed by its periphery to a second receiving rod (not shown). Further, a plurality of strain gauges (illustrated as 107) are bonded to the surfaces of the plurality of beams, so that deformation (that is, strain) of each beam can be detected. The second receiving rod is located, for example, on the main body side of the robot arm, and the first receiving rod is located, for example, on the object side of the robot arm. In such a configuration, when the grippers or fingers grasp and lift an object into the air, forces and moments are induced between the first and second receiving rods. It is known that such force and moment are determined depending on the load, shape, center of gravity position, and posture of the arm of the target object. These forces and moments are about the X, Y, and Z axes shown in Figure a.
The six components shown in figure b are F X (force in the X-axis direction), F Y (force in the Y-axis direction), F Z (force in the Z-axis direction),
M X (moment around the X axis), M Y (moment around the Y axis), M Z (moment around the Z axis)
It is possible to define a combination of Also,
When these six components are induced, eight deformations shown as W 1 to W 8 in the figure b occur in the four beams. This deformation is detected individually by strain gauges bonded to each beam, as described above. In other words, from the strain gauge output signal,
Eight deformations are obtained, and furthermore, the above six components can be obtained using a matrix shown in the following equation. F X F Y F Z M _ _ _ _ _ _ _ _ 65 O O k 36 O k 56 Ok 17 O O O O O k 67 O O k 38 k 48 O OW 1 W 2 W 3 W 4 W 5 W 6 W 7 W 8Here , k no is mainly due to the stiffness of the beam. This is a determined conversion coefficient, and by changing the rigidity, the detection sensitivity of the six components can be changed. The method of changing the rigidity is achieved by appropriately determining the material, cross-sectional shape, thickness, length, etc. The calculation of the matrix shown in the above equation is normally performed by a microprocessor or the like stored in the robot controller.
Of course, minute changes in resistance that occur in strain gauges can be
Needless to say, the signal must be converted into a digital quantity using a resistance/voltage conversion circuit, voltage amplification circuit, characteristic compensation circuit, A/D converter, etc. before being supplied to the microprocessor. The conventional sensor illustrated in FIG. 9 has the following problems. (1) The central support, peripheral support, and multiple beams are
It is usually formed by cutting from a metal block. For this reason, the processing time for creating the structure is long, and the cutting accuracy (particularly the shape and dimensions of the beam) affects the accuracy of the detection sensitivity of the six components. That is, it is difficult to inexpensively mass-produce the structure with high precision and little variation in detection sensitivity. (2) When creating the central support, the peripheral support, and multiple beams by cutting, it is difficult to miniaturize the structure. Furthermore, the machining accuracy in cutting is about 10 μm, so as the size becomes smaller,
The relative accuracy of the beam (here, the ratio of the processing accuracy to the beam cross-sectional size is considered as an example) deteriorates, and the variation in the detection accuracy in the previous item (1) increases. (3) When gluing strain gauges, a creep phenomenon occurs due to the adhesive, making it difficult to maintain long-term stability of the sensor. In the field of robots, which is the subject of the present invention, it is assumed that the gripper or finger grips a target object for a fairly long period of time. Depending on the content of the work, it can take up to several tens of minutes. If the creep phenomenon occurs when a certain target object gripping state and arm posture are achieved within such a long period of time, the output from the sensor changes, so the robot controller Since the state and the posture of the arm appear to be changing, undesired malfunctions of the robot may occur. (4) The strain gauge is usually detected as a voltage signal by a bridge circuit, but this voltage signal value is on the order of millivolts, and its output impedance is as high as several hundreds of ohms.
In order to amplify such low voltage signals to a desired level, an expensive DC amplifier called a signal conditioner is required. Furthermore, signal transmission lines and disturbance noise removal circuits for efficiently transmitting the low-level signals with high output impedance without being mixed with disturbance noise are unavoidable, leading to higher prices for peripheral circuits. , the widespread use of such sensors has been hindered. (5) When the matrix calculation is performed using software inside the controller, the time required for the calculation is long, making it difficult to operate the robot at high speed. Furthermore, in order to perform the calculation, other calculations for robot control are sacrificed, making it difficult to improve the sophistication of the control. As described above, conventional sensors have limitations in terms of miniaturization, cost reduction, reduction of variation in detection sensitivity, long-term stability, etc., and are not satisfactory as sensors for robot control. (Objective of the Invention) An object of the present invention is to eliminate the drawbacks of the prior art, to provide a sensor suitable for robot control and capable of expanding the field of application. (Structure of the Invention) According to the present invention, the central support body, the peripheral support body, and the plurality of beams connecting them are integrally constituted by a common semiconductor material, and the first beam constituting the plurality of beams A first and a second semiconductor gauge resistor are embedded in the outer peripheral support, and a third and fourth semiconductor gauge resistor are embedded in the central support, respectively, and the second beam is located at a position opposite to the first beam. A fifth semiconductor gauge resistor is embedded on the outer peripheral support side, and a sixth semiconductor gauge resistor is embedded on the central support side, and the first, third, fifth, and sixth semiconductor gauge resistor groups form a first full bridge circuit. The connection nodes of the first and fifth resistors are connected to the terminals of the excitation power source having the first polarity, and the connection nodes of the third and sixth resistors are connected to the terminals of the power source having the second polarity. The connecting node of the fifth and sixth resistors is connected to the first output terminal, and the connecting node of the first and third resistors is connected to the second output terminal. ,
A second full bridge circuit is configured by the fourth, second, fifth, and sixth semiconductor gauge resistor groups;
A sensor is obtained, characterized in that the connection node of the resistor has means connected to the third output terminal. (Examples) The present invention will be explained in detail below using examples. FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of the present invention. Figure a is a plan view of the semiconductor substrate 10 constituting the sensor, and figures b and c are cross-sectional views taken along lines A-A' and B-B' shown in figure a, respectively. In the figure, the material of the substrate 10 is, for example, single crystal silicon. 1 is a central support, 2 is a peripheral support, 3 and 4 are first and second beams connecting the supports 1 and 2, and 1 to 4 of 2 are integrally constructed of the same semiconductor material. has been done. Although four beams are shown in Figure a, the number is not limited to four and may be two or more. However, as will become clear in the discussion below, the four beam case is most preferred. First and second semiconductor gauge resistors (each with 1
1, 12), and third and fourth semiconductor gauge resistors (13, 14, respectively) on the central support side.
is buried. A fifth semiconductor gauge resistor 15 and a sixth semiconductor gauge resistor 16 are embedded in the outer peripheral support side of the second beam 4 located opposite the first beam 3, and the sixth semiconductor gauge resistor 16 in the central support side. The semiconductor gauge resistor group is formed using well-known semiconductor technology; for example, if the substrate 10 is n-type, the resistor group is p-type. The semiconductor substrate shown in 10 is produced by the manufacturing method illustrated below. (1) The semiconductor gauge resistor group is formed at a desired position by thermal diffusion and ion implantation techniques. Since the resistor is not glued, there is no creep phenomenon caused by adhesives, and it is stable over a long period of time. (2) Patterning is performed along the inner and outer peripheries of the outer peripheral support 2, the outer periphery of the central support 1, and the outer edges of the beams 3 and 4, and unnecessary portions of the semiconductor substrate are removed. This removal method includes well-known methods such as isotropic etching using a mixed solution of nitric acid and hydrofluoric acid, anisotropic etching using an alkaline solution, and the like. Note that the buried position of the resistor within the beam has a negative effect on the sensitivity, offset, and other characteristics of the sensor, so it is necessary to ensure sufficient positional accuracy and to bury the resistor at a desired position. Note that in order to ensure positional accuracy, the steps (1) and (2) above may be reversed. The operation of the embodiment shown in FIG. 1 produced by such a manufacturing method will be described next. FIG. 2 is an example of a structural cross-sectional view when the semiconductor substrate shown in FIG. 1 is configured as a sensor for detecting force and moment. In the figure, 20 is a first receiving rod coupled to the central support, and a cylindrical rod is illustrated. Reference numeral 21 denotes a second receiving rod coupled to the outer peripheral support, and both 20 and 21 are exemplified as cylindrical rods. Further, in the figure, the cross section of the semiconductor substrate 10 is shown as a cross section taken along line BB' in FIG. 1a, similar to FIG. 1c. There are no restrictions on the means for connecting the receiving rod 20 and the support 1. For example, bonding with adhesive, bonding with eutectic alloy, screw connection with a hole (not shown) provided in the center of 1 and a female thread (not shown) provided in the center of 20, etc. It's okay. Further, there is no restriction on the means for connecting the receiving rod 21 and the support body 2. For example, the bonding may be performed using an adhesive, a eutectic alloy, or the like. Of course, these bonds are required to have a large bonding force and to have little effect of thermal distortion due to fluctuations in operating temperature. Although the receiving rods 20 and 21 are illustrated as having a cylindrical shape, they may have other shapes, such as a square pole or a combination of a square pole and a cylinder. Regarding the selection of such a shape, it is sufficient that one end of each can be easily connected to the semiconductor substrate 10 , and the vicinity of the other end can be easily connected to other mechanical elements, such as the gripper or finger of the robot arm, or the arm body. Of course, it is necessary that the material of the receptacles 20, 21 has high mechanical strength and high mechanical rigidity due to the material and shape. FIG. 3 is a cross-sectional view of the sensor structure similar to FIG. 2, showing the case where a moment is applied to one of the receiving rods. In the figure, a semiconductor substrate 1
The cross section of 0 is the same as that of FIG. 2b, and is A-
It is illustrated as a cross-sectional view at A'. Further, as in FIG. 2, the receiving rods 20 and 21 are both shown as having a cylindrical shape. In the figure, one receiving rod 21
is mechanically fixed, and the deformation of the other receiving rod 20 when a moment 30 in the plane of the paper is applied is conceptually shown. This modification is shown in more detail in FIG. If the amount of deformation caused by the moment 30 is minute and both beams 3 and 4 behave in accordance with the thin plate theory, the deformations in beams 3 and 4 will be the same as shown in the figure. Of course, under such an assumption, the central support would be oblique, which would seem to contradict the shape shown in the figure. However, such a situation occurs only because the vertical direction of FIG. 4 is exaggerated. Due to the presence of moment 30, "bending" occurs in beams 3 and 4, and this "bending"
Correspondingly, tensile and compressive stresses are induced in the beams 3, 4. In FIG. 4, the resistor 12,
A tensile force acts on the resistor 16, and a compressive force acts on the resistors 14 and 15. Under such stress, due to the well-known piezoresistive effect, the resistance groups 12, 14, 1
The resistance values of 5 and 16 change. That is, the receiving rod 2
The moment applied between 0 and 21 can be detected as an electrical signal (ie, a change in resistance value). FIG. 5 shows the same sensor as in FIG.
This conceptually shows the deformation when the force shown in is applied. By supplying such force 40, beams 3 and 4 have a symmetrical "bend".
occurs. The shape of the "bend" is equal to the shape when the free end of the cantilever is moved under fixed boundary (referred to as built-in edge) conditions. Tensile or compressive stress is induced in the beam in response to the "bending" deformation. In the figure, resistors 11,1
A compressive force acts on the resistor 5, and a tensile force acts on the resistors 13 and 16. Under such stress, the resistance values of the resistor groups 11, 13, 16, and 15 change due to the well-known piezoresistive effect. That is, the compressive force and tensile force applied between the receiving rods 20 and 21 (the situation is opposite to that in FIG. 5) can be detected as an electrical signal (ie, a change in resistance value). FIG. 6 is a diagram illustrating the circuit configuration of the semiconductor gauge resistor group described using FIG. 1a.
In the figure, for convenience, the number of the resistor and the resistor as a circuit element are represented by the same number. Furthermore, the same figure also shows changes in resistance values of each gauge resistor. That is, when a moment as shown in Fig. 3 is applied in Figure a, and a force as shown in Figure 5 is applied in Figure b, the resistance value increases due to the piezoresistive effect. An upward arrow is indicated for the case, and a downward arrow is indicated for the decrease. However, in FIGS. 3 and 5, it is assumed that the resistance value decreases when compressive stress is applied, and the resistance value increases when tensile stress acts. Although this assumption does not hold true in all cases, it holds true for the gauge resistor arranged in the 110 direction of silicon, and is also assumed for convenience in this description. In FIG. 6, first, third, fifth, and sixth semiconductor gauge resistance groups 11, 13, 15, and 16 form a first full bridge circuit using wiring formed on a semiconductor substrate by lithography technology. It consists of
The first and fifth resistance connection nodes are connected to a terminal 62 having a first polarity of an excitation voltage source 60 or an excitation current source 61, while the third and sixth resistance connection nodes are connected to an excitation voltage source 60, Or the second one of the excitation current source 61
The terminals 63 are respectively connected to terminals 63 having polarities of . Similarly, the fifth and sixth resistance connection nodes have means connected to the first output terminal 64, and the first and third resistance connection nodes have means connected to the second output terminal 65. Similarly, the fourth, second, fifth, and sixth semiconductor gauge resistance groups 14, 12, 15, 16
has means for configuring a second full bridge circuit, and the second and fourth resistance connection nodes have means for being connected to the third output terminal 66. The full bridge circuit used in the above description is also called a four-arm active bridge circuit, and it is well known that it has a function of stably converting minute changes in resistance value into voltage output. From the description of this circuit configuration, the fourth and fifth resistance connection nodes are connected to the terminal 62,
Further, it is obvious that the second and sixth resistance connection nodes are connected to the terminal 63. In Figure a, when the moment acts, the balance of the first full bridge circuit is lost, and the terminals 64, 65
A voltage signal is output between them. On the other hand, since the second full bridge circuit does not lose its balance, no voltage signal is output between the terminals 64 and 66. Furthermore, in Figure b, when the force is applied, the balance of the first full bridge circuit does not collapse and the terminal 6
No voltage signal is output between 4 and 65. on the other hand,
Since the second full bridge circuit is unbalanced, a voltage signal is output between the terminals 64 and 66. In FIG. 6, the six semiconductor gauge resistors all have the same resistance value when no force or moment is applied, and the amount of change in resistance value of the resistors due to the piezoresistance effect is all the same. These conditions can be achieved by making the shape of the resistor group and the impurity concentration conditions equal to each other as shown in FIG. easily achieved. Of course, if such conditions are not completely satisfied due to various error factors in the manufacturing process, a correction resistor may be added in parallel and series to one of the gauge resistor groups or to each of the multiple gauge resistor groups. By inserting a plurality of them, it is possible to substantially satisfy this condition. Such adjustment methods are well known to those skilled in the art and are not essential to the present invention, so they will not be described in detail. If the above operation is followed, it is clear that a signal corresponding only to the moment can be obtained between the output terminals 64 and 65, and a signal corresponding only to the force can be obtained between the output terminals 64 and 66. That is, according to this embodiment of the present invention, the drawback of separating moment and force by matrix calculation in the prior art is completely eliminated. Furthermore, if a semiconductor gauge resistor is placed horizontally in the plan view shown in Fig. 1a and embedded in the opposing beam, and a circuit similar to the circuit shown in Fig. 6 is constructed, the circuit shown in Fig. 3 can be constructed. It becomes possible to detect moments acting in a direction perpendicular to the moment 30. As a result, it is clear that moments 30 and moments other than the moment orthogonal to 30 can also be detected separately as their respective moment components. In the configuration of FIG. 6, the first and second full bridge circuits share the common resistors 15 and 16.
This configuration was adopted to simplify the circuit. Of course, the first and second full bridge circuits may be separated. Such a configuration is illustrated in FIG. 7, and the newly required fifth and sixth
The seventh and eighth gauge resistors 17 and 18 corresponding to the semiconductor gauge resistors 17 and 18 are located in the beam 4 region of FIG.
You can use . In such a case, voltage signals are output separately between output terminals 64' and 65 and between output terminals 64'' and 66. In the configuration of FIG. 6, a single power supply indicated by 60 is used as an excitation voltage source. However, the present invention is not limited to this, and a power supply that generates positive and negative voltages having the same absolute value may be used.In such a case, since the potential of the output terminal 64 in FIG. Since the gauge resistor used in the present invention uses the piezoresistance effect of semiconductors, it has many advantages in forming wiring for the same stress (or strain) compared to conventional metal foil gauge resistors. It has the advantage that the change in resistance value is approximately two orders of magnitude larger.As a result, when a full bridge circuit is configured, the output voltage reaches approximately 100mV or more, and even if the output voltage is wired with a cable, the influence of disturbance noise is relatively However, it has the advantage of being able to reduce
Sensitivity changes greatly depending on operating temperature. That is, it has the disadvantage of poor temperature characteristics. Since the sensor uses a semiconductor substrate, there is a new advantage in that the sensor can be integrated with a well-known semiconductor integrated circuit. For example, in FIG. 1, the central support 1 and the peripheral support 2 have a central support 1 and a peripheral support 2.
Since the stress component induced by the force and moment applied between 0 and 21 is almost non-existent, even if a signal processing circuit is integrated in such a support region, it has nothing to do with the stress. Such signal processing circuits include amplifier circuits, temperature compensation circuits, various arithmetic circuits, output circuits, etc., all of which can be realized by making full use of well-known circuit technology, and of course, by appropriately designing the signal processing circuit. To prevent circuit operation from changing even when stress occurs. For example, if the circuit operation is determined only by the size ratio of the transistors, it becomes possible to integrate a signal processing circuit in the beam region. Although FIG. 1 shows a case where the central support and the peripheral support are circular, this is not the case. In other words, since all of the supports need only have the function of fixing both ends of the beam, it is possible to
You may also use a square shape. Such a selection is not essential to the invention, but rather should be made taking into account ease of binding to receptors and ease of implementation into robotic components. Further, the arrangement of the semiconductor gauge resistors embedded in the beam can be arbitrarily selected regardless of the present invention. Of course, it is preferable to adopt an arrangement in which the conversion coefficient when converting the induced stress into a resistance value change is large and the coefficient is constant (that is, the stress/resistance value change is linear). . FIG. 8 is a diagram showing another embodiment of the present invention.
In the figure, the same numbers as in FIG. 1 indicate the same components. Further, the gauge resistor group is omitted. Figures a, b, and c are a plan view, a cross-sectional view taken along line A-A', and a cross-sectional view taken along line B-B', respectively, of the semiconductor substrate 10 in this embodiment. The first difference from the previous embodiment is that, as shown in FIG. As shown in FIG.
The point is that the width of etc. has been reduced. This shape was selected so that even if the force and moment applied to the receptor (not shown) are minute, the change in resistance value becomes large. That is, selection of such a shape is effective in increasing the sensitivity of the sensor. The second difference between this embodiment and the above embodiments is that a first buffer layer 50 is provided on the surface of the central support to improve thermal stability, and a first buffer layer 50 is provided on the back surface of the peripheral support. The second buffer layer 51 is provided to improve physical stability. Since the coefficient of thermal expansion of a semiconductor material such as silicon is usually small, thermal strain caused by the difference in coefficient of thermal expansion between the material and the receptor causes characteristic deterioration. In particular, when the receptor is made of metal, such deterioration of characteristics becomes a particularly significant problem. The first and second buffer layers are adopted to reduce the difference in thermal expansion coefficients, and are made of a material having an intermediate value of thermal expansion coefficients between the semiconductor substrate and the receptor, or A material having a coefficient of thermal expansion approximately equal to that of the semiconductor substrate is preferable. More specifically, borosilicate glass such as Pyrex is preferred, but it is not limited thereto. When the buffer layers 50 and 51 are made of pyrex or the like, anodic bonding techniques can be used for adhesion to the semiconductor substrate 10 . In this example,
The bond with the receptor (not shown) is the semiconductor substrate 1.
Needless to say, this is done through the buffer layer without being directly connected to 0. It is possible to use anodic bonding for such bonding. Further, the positional relationship between the buffer layers 50 and 51 with respect to the substrate 10 is not limited to the illustrated side. That is, the central support 1
51 may be provided on the surface of the outer peripheral support 2. In the above, a detailed explanation has been given of examples of a novel sensor capable of detecting force and moment. According to such an invention, since the sensor can be manufactured using semiconductor integrated circuit technology, miniaturization and
Lower costs and higher precision can be easily achieved. Furthermore, since the semiconductor gauge resistor is integrated with the beam without using an adhesive, no creep phenomenon occurs and excellent long-term reliability can be ensured. Furthermore, output signals corresponding to force and moment can be separated and obtained individually from the sensor without performing complex matrix calculations within the robot controller. The sensor according to the present invention has significantly contributed to the advancement of robotics, and its effects are significant. (Effect of the invention) According to such an invention, it becomes possible to separate force and moment and detect them simultaneously using a sensor using a semiconductor, so it is applicable not only to the above-mentioned robot application field but also to many other applications. Application to the mechanical engineering field becomes possible. For example, the present invention can be applied to a touch sensor for a three-dimensional measuring machine, and its effects are significant.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図〜第8図は本発明の実施例を示す図。第
9図は力およびモーメントを検出するセンサの従
来例を示す図。 10……半導体基板、1,101……中央支持
体、2,102……外周支持体、3,4,10
3,104,105,106……ビーム、11,
12,13,14,15,16,17,18……
半導体ゲージ抵抗、20,21……受容体、30
……モーメント、40……力、50,51……緩
衝層、62,63,64,64′64″,65,6
6……端子、60,61……励起電源。
1 to 8 are diagrams showing embodiments of the present invention. FIG. 9 is a diagram showing a conventional example of a sensor for detecting force and moment. 10 ...Semiconductor substrate, 1,101...Central support, 2,102...Outer support, 3,4,10
3,104,105,106...beam, 11,
12, 13, 14, 15, 16, 17, 18...
Semiconductor gauge resistance, 20, 21...Receptor, 30
...Moment, 40...Force, 50,51...Buffer layer, 62,63,64,64'64'',65,6
6...terminal, 60, 61...excitation power supply.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 中央支持体と外周支持体と両者を接続する複
数のビームとが共通の半導体材料で一体化構成さ
れており、複数のビームを構成する第1のビーム
の外周支持体側に第1、第2の半導体ゲージ抵抗
が、中央支持体側に第3、第4の半導体ゲージ抵
抗がそれぞれ埋設され、第1のビームに対向する
位置に存在する第2のビームの外周支持体側に第
5の半導体ゲージ抵抗が中央支持体側に第6の半
導体ゲージ抵抗がそれぞれ埋設されており、第
1、第3、第5、第6の半導体ゲージ抵抗群で第
1のフルブリツジ回路が構成され、第1、第5の
抵抗の接続節点は励起電源の第1の極性を有する
端子に、第3、第6の該抵抗の接続節点は該電源
の第2の極性を有する端子にそれぞれ接続される
手段を有し、第5、第6の抵抗の接続節点は第1
の出力端子に、第1、第3の抵抗の接続節点は第
2の出力端子に接続される手段を有し、第4、第
2、第5、第6の半導体ゲージ抵抗群は第2のフ
ルブリツジ回路が構成され、第4、第2抵抗の接
続節点は第3の出力端子に接続される手段を有す
ることを特徴とするセンサ。
1 The central support body, the peripheral support body, and a plurality of beams connecting the two are integrally constructed of a common semiconductor material, and a first beam, a second beam, and a second beam are placed on the side of the peripheral support body of the first beam constituting the plurality of beams. A third and a fourth semiconductor gauge resistor are embedded in the central support side, respectively, and a fifth semiconductor gauge resistor is embedded in the outer peripheral support side of the second beam, which is located at a position facing the first beam. A sixth semiconductor gauge resistor is embedded in the central support side, and the first, third, fifth, and sixth semiconductor gauge resistor groups constitute a first full bridge circuit, and the first and fifth semiconductor gauge resistors are A connecting node of the resistor has means for connecting to a terminal having a first polarity of the excitation power source, and a third and a sixth connecting node of the resistor have means respectively connected to a terminal having a second polarity of the power source; 5. The connection node of the sixth resistor is the first
The connection nodes of the first and third resistors have means connected to the second output terminal, and the fourth, second, fifth and sixth groups of semiconductor gauge resistors are connected to the second output terminal. A sensor comprising a full bridge circuit, and a connection node between the fourth and second resistors having means connected to a third output terminal.
JP60065357A 1985-03-29 1985-03-29 Sensor Granted JPS61223626A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP60065357A JPS61223626A (en) 1985-03-29 1985-03-29 Sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP60065357A JPS61223626A (en) 1985-03-29 1985-03-29 Sensor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS61223626A JPS61223626A (en) 1986-10-04
JPH0575055B2 true JPH0575055B2 (en) 1993-10-19

Family

ID=13284622

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP60065357A Granted JPS61223626A (en) 1985-03-29 1985-03-29 Sensor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPS61223626A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008096230A (en) * 2006-10-11 2008-04-24 Nitta Ind Corp Strain gauge type sensor

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07117470B2 (en) * 1986-07-15 1995-12-18 株式会社リコー Force detector
JPH0821721B2 (en) * 1986-10-09 1996-03-04 株式会社リコー Force detection device
US4967605A (en) * 1987-04-24 1990-11-06 Wacoh Corporation Detector for force and acceleration using resistance element
JPS63266329A (en) * 1987-04-24 1988-11-02 Nekushii Kenkyusho:Kk Force detector
US4905523A (en) * 1987-04-24 1990-03-06 Wacoh Corporation Force detector and moment detector using resistance element
JPH0652269B2 (en) * 1987-04-24 1994-07-06 株式会社エンプラス研究所 Acceleration detection device
JPH0617834B2 (en) * 1987-04-24 1994-03-09 株式会社エンプラス研究所 Force detector
JPH0197827A (en) * 1987-07-08 1989-04-17 Ricoh Co Ltd Semiconductor diffusion-type stress sensor
JP2746298B2 (en) * 1987-09-03 1998-05-06 株式会社リコー Force detector for two or more components
JP2607096B2 (en) * 1987-09-18 1997-05-07 株式会社エンプラス研究所 Force / moment detector
DE3854347D1 (en) * 1987-09-18 1995-09-28 Wako Kk Grippers for robots.
JP2596759B2 (en) * 1987-09-18 1997-04-02 株式会社エンプラス研究所 Force detection device
JPH05180714A (en) * 1992-01-07 1993-07-23 Bando Chem Ind Ltd Pulley device for measuring tension
EP1327870B1 (en) * 2002-01-11 2013-05-08 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Six-axis force sensor
JP2005106679A (en) * 2003-09-30 2005-04-21 Nitta Ind Corp Multiaxial sensor unit and multiaxial sensor using the same
JP4997801B2 (en) * 2006-03-20 2012-08-08 日産自動車株式会社 Suspension body input load measuring device
JP5243704B2 (en) * 2006-08-24 2013-07-24 本田技研工業株式会社 Force sensor
JP6776152B2 (en) * 2017-02-24 2020-10-28 日本電産コパル電子株式会社 A strain-causing body and a force sensor equipped with the strain-causing body

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008096230A (en) * 2006-10-11 2008-04-24 Nitta Ind Corp Strain gauge type sensor

Also Published As

Publication number Publication date
JPS61223626A (en) 1986-10-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JPH0575055B2 (en)
US7500406B2 (en) Multiaxial sensor
JP4192084B2 (en) Multi-axis sensor
EP0311695B1 (en) Force and moment detector using resistor
US5691471A (en) Acceleration and angular velocity detector
WO2010019278A1 (en) Solid-state inertial sensor on chip
JPH10177033A (en) Acceleration measuring instrument
JP4335545B2 (en) Sensor for detecting both pressure and acceleration and manufacturing method thereof
WO2022257947A1 (en) Torque sensor
CN105021846A (en) Six-axis integrated miniature acceleration sensor and manufacturing method therefor
JPS61223625A (en) Sensor
Jin et al. A six-component silicon micro force sensor
JPH11333765A (en) Micro-manipulator having force sensor
JP6232943B2 (en) Force detection device, robot, and electronic component transfer device
JPH0821721B2 (en) Force detection device
KR102333525B1 (en) torque detector
JP6232942B2 (en) Force detection device, robot, and electronic component transfer device
JP6820102B2 (en) Torque detector and manufacturing method of torque detector
JPS6157825A (en) Multiaxial force sensor
JP7432973B1 (en) force sensor
JPS6312930A (en) Force detecting element
JP7438569B2 (en) force sensor
JP7353004B1 (en) torque sensor
Liang et al. A novel thin six-dimensional wrist force/torque sensor with isotropy
JP2596759B2 (en) Force detection device

Legal Events

Date Code Title Description
EXPY Cancellation because of completion of term