JPH07117470B2 - 力検出装置 - Google Patents
力検出装置Info
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- JPH07117470B2 JPH07117470B2 JP61166391A JP16639186A JPH07117470B2 JP H07117470 B2 JPH07117470 B2 JP H07117470B2 JP 61166391 A JP61166391 A JP 61166391A JP 16639186 A JP16639186 A JP 16639186A JP H07117470 B2 JPH07117470 B2 JP H07117470B2
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Description
【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、たとえばロボツト用力覚センサやマンマシン
インターフエースとしての三次元入力装置等に利用され
る力検出装置に関するものである。
インターフエースとしての三次元入力装置等に利用され
る力検出装置に関するものである。
従来の技術 従来の力検出装置は、外力が印加されることにより弾性
変形する起歪体にこの起歪体の機械的変形により電気抵
抗を変化させる複数の検出素子を形成し、これらの検出
素子の電気的抵抗変化を電気的信号として取り出して外
力の強さを検出しているものである。
変形する起歪体にこの起歪体の機械的変形により電気抵
抗を変化させる複数の検出素子を形成し、これらの検出
素子の電気的抵抗変化を電気的信号として取り出して外
力の強さを検出しているものである。
一般に、この種の力検出装置において、外力は一定の一
点に作用するものであり、その作用点におけるX,Y,Z座
標系の力FX,FY,FZとモーメントMX,MY,MZとの独立した各
成分力は第14図に示すように作用しているものである。
点に作用するものであり、その作用点におけるX,Y,Z座
標系の力FX,FY,FZとモーメントMX,MY,MZとの独立した各
成分力は第14図に示すように作用しているものである。
このような各成分力を検出するために、力検出装置の起
歪体を立体的なブロツク構造に形成し、外力を多軸力成
分として分離検出するようにしたものが存し、この構造
は実公昭54−11903号公報、実公昭54−21021号公報、特
開昭59−95433号公報、特開昭61−57825号公報、特開昭
61−79129号公報等により開示されている。とくに、前
述の作用点におけるX,Y,Z座標系の力FX,FY,FZとモーメ
ントMX,MY,MZとの独立した各成分力の検出面、すなわ
ち、ストレンゲージの貼付面は、成分力に垂直な面を用
いていることに特徴があるものであり、起歪体は前述の
ようにブロツク構造としての三次元的な構造にならざる
を得ないものである。
歪体を立体的なブロツク構造に形成し、外力を多軸力成
分として分離検出するようにしたものが存し、この構造
は実公昭54−11903号公報、実公昭54−21021号公報、特
開昭59−95433号公報、特開昭61−57825号公報、特開昭
61−79129号公報等により開示されている。とくに、前
述の作用点におけるX,Y,Z座標系の力FX,FY,FZとモーメ
ントMX,MY,MZとの独立した各成分力の検出面、すなわ
ち、ストレンゲージの貼付面は、成分力に垂直な面を用
いていることに特徴があるものであり、起歪体は前述の
ようにブロツク構造としての三次元的な構造にならざる
を得ないものである。
このような構造のものにおいては、起歪体の製作手段が
切削加工や放電加工であり、ブロツク状の素材から作製
しなければならないものである。そのため、加工が困難
かつ煩雑である。また、各成分の力検出要素毎にストレ
ンゲージによる検出素子を貼着し、これらの電気的接続
はブリツジ結合されるのが一般的であるので、リード線
のはいまわしが煩雑であり、コンパクト化や低コスト化
をすることが難しく、量産性が低いと云う問題点を有し
ているものである。
切削加工や放電加工であり、ブロツク状の素材から作製
しなければならないものである。そのため、加工が困難
かつ煩雑である。また、各成分の力検出要素毎にストレ
ンゲージによる検出素子を貼着し、これらの電気的接続
はブリツジ結合されるのが一般的であるので、リード線
のはいまわしが煩雑であり、コンパクト化や低コスト化
をすることが難しく、量産性が低いと云う問題点を有し
ているものである。
また、外力を多軸力成分として分離するために構造物や
プレートを組合せて立体的なブロツクを形成しているも
のも存し、この構造のものは特開昭61−83929号公報に
開示されている。このような構造のものにおいては、各
成分毎の検出体がビス等により締結されているため、再
現性に乏しいと云う問題がある。すなわち、締結部の変
形によりヒステリシスや非線形性が生じることになる。
プレートを組合せて立体的なブロツクを形成しているも
のも存し、この構造のものは特開昭61−83929号公報に
開示されている。このような構造のものにおいては、各
成分毎の検出体がビス等により締結されているため、再
現性に乏しいと云う問題がある。すなわち、締結部の変
形によりヒステリシスや非線形性が生じることになる。
目的 本発明は、起歪体の製作が容易であり、検出素子の形成
も簡単に行うことができる力検出素子を得ることを目的
とする。
も簡単に行うことができる力検出素子を得ることを目的
とする。
構成 本発明は、剛性の高い中心部と周辺部との間に検出面を
形成した平板状起歪体を形成し、前記中心部と前記周辺
部とのいずれか一方を支持部とし他方を作用点とすると
ともに前記検出面に検出素子を形成する。これにより、
起歪体は平板状であるため、その製作時に僅かな切削加
工をするだけで形成することができ、また、フアインブ
ランキング等のプレス加工や鋳造による加工も可能であ
り、しかも、検出面を平面に形成することにより、検出
素子の形成を薄膜半導体を用いて行うことができるよう
に構成したものである。
形成した平板状起歪体を形成し、前記中心部と前記周辺
部とのいずれか一方を支持部とし他方を作用点とすると
ともに前記検出面に検出素子を形成する。これにより、
起歪体は平板状であるため、その製作時に僅かな切削加
工をするだけで形成することができ、また、フアインブ
ランキング等のプレス加工や鋳造による加工も可能であ
り、しかも、検出面を平面に形成することにより、検出
素子の形成を薄膜半導体を用いて行うことができるよう
に構成したものである。
本発明の第一の実施例を第１図乃至第13図に基づいて説
明する。まず、平板状起歪体１はリング状に形成された
厚さが厚くて剛性の高い周辺部２を有し、この周辺部２
には同一円周上に位置して厚さ方向に貫通した８個の取
付孔３が形成されている。この周辺部２は図示しない固
定部に固定される支持部４に連結されている。
明する。まず、平板状起歪体１はリング状に形成された
厚さが厚くて剛性の高い周辺部２を有し、この周辺部２
には同一円周上に位置して厚さ方向に貫通した８個の取
付孔３が形成されている。この周辺部２は図示しない固
定部に固定される支持部４に連結されている。
また、中央には厚さが厚い円板状の中心部５が形成さ
れ、この中心部５には４個の取付孔６が厚さ方向に貫通
して形成されている。この中心部５には、図示しない部
材が取付けられ、この中心部５は外力を受けるための作
用部７とされている。
れ、この中心部５には４個の取付孔６が厚さ方向に貫通
して形成されている。この中心部５には、図示しない部
材が取付けられ、この中心部５は外力を受けるための作
用部７とされている。
さらに、前記支持部４と前記作用部７との間には厚さの
薄い検出部となる平板部８が形成され、この平板部８の
表面は検出面９とされている。このような平板部８には
比較的直径の大きい８個の穴10が等間隔に形成されてい
る。これらの穴10により内外周を連結する８本のアーム
11が放射状に形成されている。これらのアーム11はそれ
らの中心部分において最も幅の狭い幅狭部12とこの幅狭
部12の両端に位置して略台形の拡開部13とよりなるもの
である。そして、Ｘ軸方向とＹ軸方向とＸ軸及びＹ軸に
対して45度の角度を持つＺ軸方向とに沿うように前記ア
ーム部11を位置決めしている。
薄い検出部となる平板部８が形成され、この平板部８の
表面は検出面９とされている。このような平板部８には
比較的直径の大きい８個の穴10が等間隔に形成されてい
る。これらの穴10により内外周を連結する８本のアーム
11が放射状に形成されている。これらのアーム11はそれ
らの中心部分において最も幅の狭い幅狭部12とこの幅狭
部12の両端に位置して略台形の拡開部13とよりなるもの
である。そして、Ｘ軸方向とＹ軸方向とＸ軸及びＹ軸に
対して45度の角度を持つＺ軸方向とに沿うように前記ア
ーム部11を位置決めしている。
ついで、前記Ｘ軸上における前記拡開部13にはY1,Y2,
Y3,Y4と表示されたストレンゲージによる検出素子14が
形成されている。これらの検出素子14の内、前記Y1,Y4
とは外側の拡開部13に位置し、前記Y2,Y3とは内側の拡
開部13に位置している。そして、これらの検出素子14は
第５図に示すようにブリツジ結合されており、Y1,Y2,
Y3,Y4なる検出素子14のバランスが崩れた時には出力VY
が発生するように接続されている。
Y3,Y4と表示されたストレンゲージによる検出素子14が
形成されている。これらの検出素子14の内、前記Y1,Y4
とは外側の拡開部13に位置し、前記Y2,Y3とは内側の拡
開部13に位置している。そして、これらの検出素子14は
第５図に示すようにブリツジ結合されており、Y1,Y2,
Y3,Y4なる検出素子14のバランスが崩れた時には出力VY
が発生するように接続されている。
また、前記Ｘ軸と直交する前記Ｙ軸上における前記拡開
部13にはX1,X2,X3,X4と表示されたストレンゲージによ
る検出素子14が形成されている。これらの検出素子14の
内、前記X1,X4とは外側の拡開部13に位置し、前記X2X3
とは内側の拡開部13に位置している。これらの検出素子
14は第６図に示すようにブリツジ結合されており、X1,X
2,X3,X4なる検出素子14のバランスが崩れた時には出力X
Xが発生するように接続されている。
部13にはX1,X2,X3,X4と表示されたストレンゲージによ
る検出素子14が形成されている。これらの検出素子14の
内、前記X1,X4とは外側の拡開部13に位置し、前記X2X3
とは内側の拡開部13に位置している。これらの検出素子
14は第６図に示すようにブリツジ結合されており、X1,X
2,X3,X4なる検出素子14のバランスが崩れた時には出力X
Xが発生するように接続されている。
さらに、Ｘ軸及びＹ軸に対して45度の角度を持つＺ軸上
に位置する前記拡開部13には、Z1,Z2,Z3,Z4,Z5,Z6,Z7,Z
8と表示した８個の検出素子14が形成されている。これ
らの検出素子14の内、Z1,Z4,Z5,Z8は外側の前記拡開部1
3に位置し、Z2,Z3,Z6,Z7は内輪の前記拡開部13に位置し
ている。これらの検出素子14は第７図に示すように接続
されている。すなわち、Z1,Z4とZ2,Z3とZ5,Z8とZ6,Z7と
がそれぞれユニツトになつてブリツジ結合されており、
これらのバランスが崩れた時には出力VZが発生するもの
である。
に位置する前記拡開部13には、Z1,Z2,Z3,Z4,Z5,Z6,Z7,Z
8と表示した８個の検出素子14が形成されている。これ
らの検出素子14の内、Z1,Z4,Z5,Z8は外側の前記拡開部1
3に位置し、Z2,Z3,Z6,Z7は内輪の前記拡開部13に位置し
ている。これらの検出素子14は第７図に示すように接続
されている。すなわち、Z1,Z4とZ2,Z3とZ5,Z8とZ6,Z7と
がそれぞれユニツトになつてブリツジ結合されており、
これらのバランスが崩れた時には出力VZが発生するもの
である。
以上で示した平板状起歪体の検出素子14は従来から使わ
れてきた金属箔歪ゲージを用いることも可能であった。
起歪体の平板化の必要性は、歪センサの薄膜形成技術に
とっても重要である。
れてきた金属箔歪ゲージを用いることも可能であった。
起歪体の平板化の必要性は、歪センサの薄膜形成技術に
とっても重要である。
前述のように位置決めされた検出素子14は、薄膜技術に
より形成されているものである。すなわち、前記平板状
起歪体１はアルミニウム合金またはステンレス鋼により
形成されているものであるが、まず、その検出面９には
バツフア層が堆積形成される。このバツフア層として具
体的には、Si3N4あるいは内部応力の少ないSiOX膜を200
0〜10000ÅプラズマCVD法にて作成する。つぎに、この
バツフア層の上に半導体薄膜をその厚さが5000〜20000
Åになるように積層し、さらに、電極材料となる高導電
材料（たとえば、Al,Ni−Cr,Mo等の金属薄膜）を2000〜
5000Åの厚さをもって順次積層する。具体的には、半導
体薄膜としては、プラズマCVD法あるいは光励起CVD法で
作成したμｃ−Si（マイクロクリスタルシリコン）が、
n+a−Si:Hを使用し、電極材料としてはAl−Si（Si:2〜3
wt％）を蒸着法あるいはスパツタリング法によつて作成
する。
より形成されているものである。すなわち、前記平板状
起歪体１はアルミニウム合金またはステンレス鋼により
形成されているものであるが、まず、その検出面９には
バツフア層が堆積形成される。このバツフア層として具
体的には、Si3N4あるいは内部応力の少ないSiOX膜を200
0〜10000ÅプラズマCVD法にて作成する。つぎに、この
バツフア層の上に半導体薄膜をその厚さが5000〜20000
Åになるように積層し、さらに、電極材料となる高導電
材料（たとえば、Al,Ni−Cr,Mo等の金属薄膜）を2000〜
5000Åの厚さをもって順次積層する。具体的には、半導
体薄膜としては、プラズマCVD法あるいは光励起CVD法で
作成したμｃ−Si（マイクロクリスタルシリコン）が、
n+a−Si:Hを使用し、電極材料としてはAl−Si（Si:2〜3
wt％）を蒸着法あるいはスパツタリング法によつて作成
する。
つぎに、電極材料をフオトリソ、エツチング工法によつ
て所定の形状にパターン化する。エツチングとしては、
ウエツト法、ドライ法とがともに形状的には問題がない
が、素子特性に対する影響を避けるためには、ドライエ
ツチが望ましい。また、ａ−Si:Hの場合、プラズマエツ
チング装置によりCF4−O2（３〜20wt％）の混合ガスを
使用することで再現性、精度とも良好なエツチングが可
能である。
て所定の形状にパターン化する。エツチングとしては、
ウエツト法、ドライ法とがともに形状的には問題がない
が、素子特性に対する影響を避けるためには、ドライエ
ツチが望ましい。また、ａ−Si:Hの場合、プラズマエツ
チング装置によりCF4−O2（３〜20wt％）の混合ガスを
使用することで再現性、精度とも良好なエツチングが可
能である。
また、FX,FY,FZ,MX,MY,MZの力の６成分の検出と検出素
子14のブリツジ回路とを必要とすることから配線密度が
高くなるため、多層配線としなければならない。そのた
めに、層間絶縁材料、例えば感光性ポリイミドあるいは
Si3N4を積層する。感光性ポリイミドを使用する場合に
は、ロールコータあるいはスピナーによつて塗布し、フ
オトリソ、エツチング工程によりコンタクトホール部を
作成する。Si3N4の場合には、プラズマCVD法によつて成
膜をし、レジスト塗布後にフオトリソ、エツチング工程
によりコンタクトホール部を作成する。
子14のブリツジ回路とを必要とすることから配線密度が
高くなるため、多層配線としなければならない。そのた
めに、層間絶縁材料、例えば感光性ポリイミドあるいは
Si3N4を積層する。感光性ポリイミドを使用する場合に
は、ロールコータあるいはスピナーによつて塗布し、フ
オトリソ、エツチング工程によりコンタクトホール部を
作成する。Si3N4の場合には、プラズマCVD法によつて成
膜をし、レジスト塗布後にフオトリソ、エツチング工程
によりコンタクトホール部を作成する。
さらに、第２次電極材料（例えばAl,Ni−Cr,Mo等）をこ
の上に積層し、フオトリソ、エツチング工程により所定
の配線及びパツド部を形成する。
の上に積層し、フオトリソ、エツチング工程により所定
の配線及びパツド部を形成する。
つぎに、耐湿性の向上及び機械的損傷の防止のためのパ
シベーシヨン膜として、例えばパリレンあるいはSiO2,S
i3N4を堆積形成する。
シベーシヨン膜として、例えばパリレンあるいはSiO2,S
i3N4を堆積形成する。
このような検出素子14の形成手段に対して、第１次電極
パターン、層間絶縁部、第２次電極パターンを先に形成
しておくこともできる。このようにすることにより、こ
の工程までの不良品を除外することができ、最終工程で
の歩留まりを向上させることができるものである。検出
素子14部分での不良モードは、第１次及び第２次電極パ
タのシヨート、断線が25％であり、層間絶縁部の絶縁不
良によるシヨート、コンタクトホール不良品による断線
が20％程度であり、この工程までの不良が大半を占めて
いる。そのため、早い工程段階でこれらの不良を除外で
きる効果は大きいものである。
パターン、層間絶縁部、第２次電極パターンを先に形成
しておくこともできる。このようにすることにより、こ
の工程までの不良品を除外することができ、最終工程で
の歩留まりを向上させることができるものである。検出
素子14部分での不良モードは、第１次及び第２次電極パ
タのシヨート、断線が25％であり、層間絶縁部の絶縁不
良によるシヨート、コンタクトホール不良品による断線
が20％程度であり、この工程までの不良が大半を占めて
いる。そのため、早い工程段階でこれらの不良を除外で
きる効果は大きいものである。
また、半導体薄膜の堆積形成の際に、必要な部分だけに
開口部を設けたメタルマスクを使用して所定の位置だけ
に半導体薄膜を形成するようにしても良い。これによ
り、半導体薄膜のフオトリソ、エツチング工程が不用と
なり、プロセスが簡略化でき、低コストで検出素子14部
分の製造が可能にある。
開口部を設けたメタルマスクを使用して所定の位置だけ
に半導体薄膜を形成するようにしても良い。これによ
り、半導体薄膜のフオトリソ、エツチング工程が不用と
なり、プロセスが簡略化でき、低コストで検出素子14部
分の製造が可能にある。
このような構成において、第８図（ａ）（ｂ）に基づい
て平板状起歪体１の検出原理について説明する。まず、
第８図において、ビームまたはプレートによる起歪体15
が固定部16と可動部17との間に取付けられており、この
起歪体15の上下面には中心からの距離を等しくして検出
素子としてのストレンゲージ18が設けられている。そし
て、第８図（ａ）に示す状態は可動部17に負荷が加えら
れていない状態であり、第８図（ｂ）に示す状態は、Ｆ
なる下方への負荷が印加されて可動部17が下方へ移動し
た状態である。このとき、起歪体15は固定部16側の上面
が伸び、下面が縮小し、可動部17側の上面が縮小し、下
面が伸びている。すなわち、ストレンゲージ18には絶対
値が等しく符号＋−が逆の歪が発生してそれに応じた抵
抗変化をする。一般にこの４枚のストレンゲージ18をブ
リツジ結合して１枚のストレンゲージの場合と比較し感
度を４倍にして出力を取り出すようにしている。
て平板状起歪体１の検出原理について説明する。まず、
第８図において、ビームまたはプレートによる起歪体15
が固定部16と可動部17との間に取付けられており、この
起歪体15の上下面には中心からの距離を等しくして検出
素子としてのストレンゲージ18が設けられている。そし
て、第８図（ａ）に示す状態は可動部17に負荷が加えら
れていない状態であり、第８図（ｂ）に示す状態は、Ｆ
なる下方への負荷が印加されて可動部17が下方へ移動し
た状態である。このとき、起歪体15は固定部16側の上面
が伸び、下面が縮小し、可動部17側の上面が縮小し、下
面が伸びている。すなわち、ストレンゲージ18には絶対
値が等しく符号＋−が逆の歪が発生してそれに応じた抵
抗変化をする。一般にこの４枚のストレンゲージ18をブ
リツジ結合して１枚のストレンゲージの場合と比較し感
度を４倍にして出力を取り出すようにしている。
つぎに、第９図に示すものは、本実施例における平板状
起歪体１と同様な断面のものであり、周囲の支持部４は
図示しない固定部に固定され、中心の作用部７に外力が
作用するものである。いま、第９図（ａ）は作用部７に
荷重が作用していない状態であり、第９図（ｂ）はFZな
る垂直荷重が作用している状態である。この状態におい
ては、中心の作用部７から片側は前述の第８図（ｂ）に
示す状態と同様であり、内側の二つの検出素子14は縮み
（−）、外側の二つの検出素子14は伸び（＋）ているも
のである。第９図（ｃ）に示す状態は作用部７にモーメ
ントＭが作用した状態である。この状態においては、左
右で反対称の撓状態を示し、内側と外側との検出素子14
のそれぞれの撓状態が逆の符号を示す状態になつてい
る。
起歪体１と同様な断面のものであり、周囲の支持部４は
図示しない固定部に固定され、中心の作用部７に外力が
作用するものである。いま、第９図（ａ）は作用部７に
荷重が作用していない状態であり、第９図（ｂ）はFZな
る垂直荷重が作用している状態である。この状態におい
ては、中心の作用部７から片側は前述の第８図（ｂ）に
示す状態と同様であり、内側の二つの検出素子14は縮み
（−）、外側の二つの検出素子14は伸び（＋）ているも
のである。第９図（ｃ）に示す状態は作用部７にモーメ
ントＭが作用した状態である。この状態においては、左
右で反対称の撓状態を示し、内側と外側との検出素子14
のそれぞれの撓状態が逆の符号を示す状態になつてい
る。
このよう検出原理を示す平板状起歪体１において、支持
部４と作用部７とが平板部８よりも剛性が高く、しか
も、支持部4,作用部7,平板部８が一体的に形成されてい
ることが重要な要件である。すなわち、支持部４と作用
部７と固定部及び荷重検出体が結合されるものである
が、これらの締結部に外力による変形又は遊びが生じる
ことがあると出力にヒステリシスが生じたり、非線形性
が生じたりする。そのため、支持部４と作用部７とが平
板部８よりも剛性が高く、しかも、支持部4,作用部7,平
板部８が一体的に形成されていることにより、ヒステリ
シスの発生や非線形性が発生したりすることがない。ま
た、締結部としての支持部４と作用部７とには、ねじ締
め等による応力が発生して検出面９に歪を発生させ易い
ものであるが、これらの支持部４と作用部７とは平板部
８よりもはるかに剛性が高いので、検出素子14に他部材
の締結を原因とする歪が発生することがない。
部４と作用部７とが平板部８よりも剛性が高く、しか
も、支持部4,作用部7,平板部８が一体的に形成されてい
ることが重要な要件である。すなわち、支持部４と作用
部７と固定部及び荷重検出体が結合されるものである
が、これらの締結部に外力による変形又は遊びが生じる
ことがあると出力にヒステリシスが生じたり、非線形性
が生じたりする。そのため、支持部４と作用部７とが平
板部８よりも剛性が高く、しかも、支持部4,作用部7,平
板部８が一体的に形成されていることにより、ヒステリ
シスの発生や非線形性が発生したりすることがない。ま
た、締結部としての支持部４と作用部７とには、ねじ締
め等による応力が発生して検出面９に歪を発生させ易い
ものであるが、これらの支持部４と作用部７とは平板部
８よりもはるかに剛性が高いので、検出素子14に他部材
の締結を原因とする歪が発生することがない。
一般に、中心に位置する作用部７にはＺ軸方向に突出す
る感圧部材が取付けられるものであるが、その感圧部材
の先端にFXなる力が作用したとすれば、作用部７ではMY
なるモーメントになり、感圧部材の先端にFYなる力が作
用したとすれば、作用部７ではMXなるモーメントとな
る。そのため、MY,MX,MZの三つの外力が代表的なものと
なる。
る感圧部材が取付けられるものであるが、その感圧部材
の先端にFXなる力が作用したとすれば、作用部７ではMY
なるモーメントになり、感圧部材の先端にFYなる力が作
用したとすれば、作用部７ではMXなるモーメントとな
る。そのため、MY,MX,MZの三つの外力が代表的なものと
なる。
この応力関係を第10図に基づいて説明する。まず、検出
面９の中心に作用点O0が存し、この作用点O0に高さＬの
感圧部材が取付けられ、この感圧部材に対して外力が作
用点O1に作用するものとする。そこで、感圧部材の作用
点O1に働くFX,F,FY,FZ,MX,MYの成分は、検出面９の作用
点O0では、FZ,MX,MYの３成分として検出されるものであ
る。
面９の中心に作用点O0が存し、この作用点O0に高さＬの
感圧部材が取付けられ、この感圧部材に対して外力が作
用点O1に作用するものとする。そこで、感圧部材の作用
点O1に働くFX,F,FY,FZ,MX,MYの成分は、検出面９の作用
点O0では、FZ,MX,MYの３成分として検出されるものであ
る。
つぎに、第11図ないし第13図に基づいて平板状起歪体１
に外力が作用した代表的な状態について説明する。ま
ず、作用力として作用部７にモーメントMYのみが作用す
る状態を第11図（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示す。この
とき、第11図（ａ）に示すようにMX成分検出部において
は変形がなく、X1,X2,X3,X4の検出素子14により構成さ
れた第６図に示すブリツジ回路の出力VXは「０」であ
る。また、MY成分検出部は、第11図（ｂ）に示すような
変形モードとなり、Y1,Y2,Y3,Y4と表示された検出素子1
4がそれぞれ変形し、第５図に示すブリツジ回路の出力V
YがモーメントMYに応じた値を示す。さらに、FZ成分検
出部は、第11図（ｃ）（ｄ）に示すような変形モードと
なり、Z1,Z2,Z3,Z4,Z5,Z6,Z7,Z8と表示した８個の検出
素子14がそれぞれ変形する。しかしながら、この変形度
合いが小さいこと、その出力は第７図に示すブリツジ回
路により求められることによりほとんど「０」になる。
すなわち、Z1とZ4,Z2とZ3,Z5とZ8,Z6とZ7との伸び縮み
の変形の方向は各々逆方向であり、第７図に示すブリツ
ジ回路において各辺の合成抵抗がそれぞれ相殺されて
「０」になるため、出力VZは「０」になる。
に外力が作用した代表的な状態について説明する。ま
ず、作用力として作用部７にモーメントMYのみが作用す
る状態を第11図（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示す。この
とき、第11図（ａ）に示すようにMX成分検出部において
は変形がなく、X1,X2,X3,X4の検出素子14により構成さ
れた第６図に示すブリツジ回路の出力VXは「０」であ
る。また、MY成分検出部は、第11図（ｂ）に示すような
変形モードとなり、Y1,Y2,Y3,Y4と表示された検出素子1
4がそれぞれ変形し、第５図に示すブリツジ回路の出力V
YがモーメントMYに応じた値を示す。さらに、FZ成分検
出部は、第11図（ｃ）（ｄ）に示すような変形モードと
なり、Z1,Z2,Z3,Z4,Z5,Z6,Z7,Z8と表示した８個の検出
素子14がそれぞれ変形する。しかしながら、この変形度
合いが小さいこと、その出力は第７図に示すブリツジ回
路により求められることによりほとんど「０」になる。
すなわち、Z1とZ4,Z2とZ3,Z5とZ8,Z6とZ7との伸び縮み
の変形の方向は各々逆方向であり、第７図に示すブリツ
ジ回路において各辺の合成抵抗がそれぞれ相殺されて
「０」になるため、出力VZは「０」になる。
ここではFZ成分検出に８個のストレンゲージを用いてい
るが、X,Y軸またはX,Y軸と45゜方向にある軸のひとつの
軸方向で４個のストレンゲージを用いても検出は可能で
ある。しかし、FZ以外の力（モーメント）の干渉を小さ
くするために本方式を採用した。
るが、X,Y軸またはX,Y軸と45゜方向にある軸のひとつの
軸方向で４個のストレンゲージを用いても検出は可能で
ある。しかし、FZ以外の力（モーメント）の干渉を小さ
くするために本方式を採用した。
つぎに、モーメントMXのみが作用する状態は、第12図
（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示されるが、この場合はMX
成分検出部の出力VXが発生し、MY成分検出部の出力VYは
「０」となる。また、FZ成分検出部の出力VZについて
は、前述の第11図（ｃ）（ｄ）における場合と同様な理
由により「０」となる。
（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示されるが、この場合はMX
成分検出部の出力VXが発生し、MY成分検出部の出力VYは
「０」となる。また、FZ成分検出部の出力VZについて
は、前述の第11図（ｃ）（ｄ）における場合と同様な理
由により「０」となる。
さらに、力FZのみが作用する場合は、第13図（ａ）
（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示されるが、MX成分検出部におい
ては、X1,X4が＋側の変形であり、X2,X3が−側の変形で
あり、第６図に示すブリツジ回路の出力VXは「０」であ
る。また、MY成分検出部の出力VYも同様な理由で「０」
である。一方、FZ成分検出部の出力VZは一個の検出素子
14の８倍の出力が得られる。
（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示されるが、MX成分検出部におい
ては、X1,X4が＋側の変形であり、X2,X3が−側の変形で
あり、第６図に示すブリツジ回路の出力VXは「０」であ
る。また、MY成分検出部の出力VYも同様な理由で「０」
である。一方、FZ成分検出部の出力VZは一個の検出素子
14の８倍の出力が得られる。
このような第11図ないし第13図の出力状態をまとめる
と、第１表に示すようになる。
と、第１表に示すようになる。
このように最大感度の方向の変形を歪ゲージとしての検
出素子14により検出し、他の干渉成分はブリツジ回路に
よりその出力を「０」とすることが可能になつた。
出素子14により検出し、他の干渉成分はブリツジ回路に
よりその出力を「０」とすることが可能になつた。
つぎに、平板状起歪体１の平板部に穴10を形成したこと
により、各成分の応力分離が良好に行われている。例え
ば、平板部８に穴10がなくて円形ダイヤフラムにより形
成されているものとすれば、作用部７に外力が作用した
時、平板次８に生じる曲げ応力は動径方向に生じること
はもちろんのことであるが、周方向にも略同程度の応力
が生じてしまうものである。この周方向の応力の発生は
各成分毎に検出する場合、他の成分に大きく干渉する。
しかしながら、前述のように中心から等距離で円周上に
等間隔で複数の穴10が形成されていることにより、平板
部８に発生する周方向の曲げ応力を小さくし、歪の発生
を主として動径方向にのみ表われるようにしている。こ
のような作用により、各成分の応力の干渉がなく、その
応力分離が良好に行われるものである。
により、各成分の応力分離が良好に行われている。例え
ば、平板部８に穴10がなくて円形ダイヤフラムにより形
成されているものとすれば、作用部７に外力が作用した
時、平板次８に生じる曲げ応力は動径方向に生じること
はもちろんのことであるが、周方向にも略同程度の応力
が生じてしまうものである。この周方向の応力の発生は
各成分毎に検出する場合、他の成分に大きく干渉する。
しかしながら、前述のように中心から等距離で円周上に
等間隔で複数の穴10が形成されていることにより、平板
部８に発生する周方向の曲げ応力を小さくし、歪の発生
を主として動径方向にのみ表われるようにしている。こ
のような作用により、各成分の応力の干渉がなく、その
応力分離が良好に行われるものである。
また、平板状起歪体１の平板部８に形成された穴10によ
りアーム11が形成され、このアーム11の拡開部13に検出
素子14が位置している。この拡開部13は互いに隣合う二
個の穴10により形成されているものであり、略台形に近
似した形状をしている。そして、円周方向に対しては、
隣合う拡開部13と互いに分離された形をしており、前述
のように円周方向の曲げ応力による干渉が生じない状態
になつている。しかも、拡開部13はアーム11部分の基部
に位置しているので、動径方向の曲げ応力が発生し易い
部分であり、外力により発生する歪の検出には適当な位
置である。さらに、拡開部13に発生する曲げ応力の分布
を見ると、アーム11の基部における前記拡開部13におい
ては、その応力分布が比較的均一であり、しかも、干渉
が少ない。そのため、検出素子14をストレンゲージとし
て平板状起歪体１に貼付する場合、多少の位置ずれがあ
っても歪検出の精度のバラツキがなく、これにより多少
の位置ずれは許容されることになり、貼付位置の精度に
対して厳しい条件を付ける必要がないものである。
りアーム11が形成され、このアーム11の拡開部13に検出
素子14が位置している。この拡開部13は互いに隣合う二
個の穴10により形成されているものであり、略台形に近
似した形状をしている。そして、円周方向に対しては、
隣合う拡開部13と互いに分離された形をしており、前述
のように円周方向の曲げ応力による干渉が生じない状態
になつている。しかも、拡開部13はアーム11部分の基部
に位置しているので、動径方向の曲げ応力が発生し易い
部分であり、外力により発生する歪の検出には適当な位
置である。さらに、拡開部13に発生する曲げ応力の分布
を見ると、アーム11の基部における前記拡開部13におい
ては、その応力分布が比較的均一であり、しかも、干渉
が少ない。そのため、検出素子14をストレンゲージとし
て平板状起歪体１に貼付する場合、多少の位置ずれがあ
っても歪検出の精度のバラツキがなく、これにより多少
の位置ずれは許容されることになり、貼付位置の精度に
対して厳しい条件を付ける必要がないものである。
つぎに、平板状起歪体１の平板部８に８個の穴10が形成
されていることにより、Ｘ軸とＹ軸との動径方向に対し
て、それらと45度の角度を持つ位置にZ1,Z2,Z3,Z4,Z5,Z
6,Z7,Z8なる検出素子14を配設することが可能になる。
このような検出素子14の配設により、第１表に示すよう
にFZ成分の検出が良好に為され、しかも、MX,MY成分の
検出時にその成分以外の検出値を有効に消去することが
できるものである。
されていることにより、Ｘ軸とＹ軸との動径方向に対し
て、それらと45度の角度を持つ位置にZ1,Z2,Z3,Z4,Z5,Z
6,Z7,Z8なる検出素子14を配設することが可能になる。
このような検出素子14の配設により、第１表に示すよう
にFZ成分の検出が良好に為され、しかも、MX,MY成分の
検出時にその成分以外の検出値を有効に消去することが
できるものである。
ついで、第15図に基づいて本発明の第二の実施例を説明
する。本実施例は前述の第一の実施例と同様な構成が採
用されている他に、平板状起歪体１の穴10の側面19に検
出素子14を貼付したものである。すなわち、Ｘ軸に沿つ
たアーム11の側面19にはFY検出用の検出素子14が貼付さ
れ、Ｙ軸に沿つたアーム11の側面19にはFX検出用の検出
素子14が貼付され、Ｘ軸及びＹ軸と45度の角度をなすア
ーム11の側面19にはモーメントMZ検出用の検出素子14が
貼付されている。したがつて、本実施例によれば、Ｘ軸
回りのモーメントMZも検出することができるものであ
る。
する。本実施例は前述の第一の実施例と同様な構成が採
用されている他に、平板状起歪体１の穴10の側面19に検
出素子14を貼付したものである。すなわち、Ｘ軸に沿つ
たアーム11の側面19にはFY検出用の検出素子14が貼付さ
れ、Ｙ軸に沿つたアーム11の側面19にはFX検出用の検出
素子14が貼付され、Ｘ軸及びＹ軸と45度の角度をなすア
ーム11の側面19にはモーメントMZ検出用の検出素子14が
貼付されている。したがつて、本実施例によれば、Ｘ軸
回りのモーメントMZも検出することができるものであ
る。
なお、前記の各実施例においては、平板状起歪体１を円
板状のものとして説明したが、その外周形状は円板状に
限られるものではなく、正方形状、矩形状、多角形状そ
の他の任意の形状により形成することが可能である。
板状のものとして説明したが、その外周形状は円板状に
限られるものではなく、正方形状、矩形状、多角形状そ
の他の任意の形状により形成することが可能である。
また、平板状起歪体１の平板部８に穴10を形成したもの
について説明したが、前述のように各応力の干渉を許容
した簡易形のものでよい場合には、それらの穴10を形成
することなく、ダイヤフラム形状としておいてもよいも
のである。
について説明したが、前述のように各応力の干渉を許容
した簡易形のものでよい場合には、それらの穴10を形成
することなく、ダイヤフラム形状としておいてもよいも
のである。
さらに、検出軸の方向に関しては、前記実施例のように
X,Y,Zの三方向をすべて検出するものとせず、例えばＸ
軸とＹ軸との二方向だけの検出を行うものとして構成し
てもよいものである。
X,Y,Zの三方向をすべて検出するものとせず、例えばＸ
軸とＹ軸との二方向だけの検出を行うものとして構成し
てもよいものである。
効果 本発明は上述のように、互いに取付面を備えいずれか一
方を支持部とし他方を作用部とした板圧の厚い中心部と
周辺部とを形成し、この中心部と周辺部とを前記取付面
とは同一平面上に位置しないように検出面が形成された
板厚の薄い検出部により連結して前記中心部と前記周辺
部と前記検出部とが一体の平板状起歪体を形成し、この
平板状起歪体の前記検出面にこの検出面の機械的変形に
より電気抵抗を変化させる検出素子を形成したので、平
板状起歪体の製作がきわめて容易であり、特に、検出面
の検出素子の変形は、中心部と周辺部との取付面との間
に段部が存在することからそれらの取付面に作用する外
力の影響を受けることがなく、これにより、正確な外力
測定を行なうことができ、また、検出素子の感度を高め
ることもできると云う効果を有するものである。
方を支持部とし他方を作用部とした板圧の厚い中心部と
周辺部とを形成し、この中心部と周辺部とを前記取付面
とは同一平面上に位置しないように検出面が形成された
板厚の薄い検出部により連結して前記中心部と前記周辺
部と前記検出部とが一体の平板状起歪体を形成し、この
平板状起歪体の前記検出面にこの検出面の機械的変形に
より電気抵抗を変化させる検出素子を形成したので、平
板状起歪体の製作がきわめて容易であり、特に、検出面
の検出素子の変形は、中心部と周辺部との取付面との間
に段部が存在することからそれらの取付面に作用する外
力の影響を受けることがなく、これにより、正確な外力
測定を行なうことができ、また、検出素子の感度を高め
ることもできると云う効果を有するものである。
第１図は本発明の第一の実施例を示す斜視図、第２図は
その平面図、第３図は第２図におけるＡ−Ａ線部の断面
図、第４図は第２図におけるＢ−Ｂ線部の断面図、第５
図はMY成分検出部のブリツジ回路を示す電気回路図、第
６図はMX成分検出部のブリツジ回路を示す電気回路図、
第７図はFZ成分検出部のブリツジ回路を示す電気回路
図、第８図は検出原理を示す側面図、第９図は平板状起
歪体に外力が作用した状態の検出原理を示す側面図、第
10図は作用部に作用する力の状態を示す斜視図、第11図
はモーメントMYが作用した時の平板状起歪体の変形状態
を示す側面図、第12図はモーメントMXが作用した時の平
板状起歪体の変形状態を示す側面図、第13図は力FZが作
用した時の平板状起歪体の変形状態を示す側面図、第14
図は外力の作用した場合の各成分力を示すベクトル図、
第15図は本発明の第二の実施例を示す斜視図である。 １……平板状起歪体、２……周辺部、４……支持部、５
……中心部、７……作用部、９……検出面、14……検出
素子
その平面図、第３図は第２図におけるＡ−Ａ線部の断面
図、第４図は第２図におけるＢ−Ｂ線部の断面図、第５
図はMY成分検出部のブリツジ回路を示す電気回路図、第
６図はMX成分検出部のブリツジ回路を示す電気回路図、
第７図はFZ成分検出部のブリツジ回路を示す電気回路
図、第８図は検出原理を示す側面図、第９図は平板状起
歪体に外力が作用した状態の検出原理を示す側面図、第
10図は作用部に作用する力の状態を示す斜視図、第11図
はモーメントMYが作用した時の平板状起歪体の変形状態
を示す側面図、第12図はモーメントMXが作用した時の平
板状起歪体の変形状態を示す側面図、第13図は力FZが作
用した時の平板状起歪体の変形状態を示す側面図、第14
図は外力の作用した場合の各成分力を示すベクトル図、
第15図は本発明の第二の実施例を示す斜視図である。 １……平板状起歪体、２……周辺部、４……支持部、５
……中心部、７……作用部、９……検出面、14……検出
素子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 太田 英一 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 海老 豊 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (56)参考文献 特開 昭61−223626（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−38632（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−93833（ＪＰ，Ｕ)
Claims (3)
- 【請求項１】互いに取付面を備えいずれか一方を支持部
とし他方を作用部とした板厚の厚い中心部と周辺部とを
形成し、この中心部と周辺部とを前記取付面とは同一平
面上に位置しないように検出面が形成された板厚の薄い
検出部により連結して前記中心部と前記周辺部と前記検
出部とが一体の平板状起歪体を形成し、この平板状起歪
体の前記検出面にこの検出面の機械的変形により電気抵
抗を変化させる検出素子を形成したことを特徴とする力
検出装置。 - 【請求項２】複数の検出素子を同一平面内に形成したこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の力検出装
置。 - 【請求項３】検出素子を薄膜により形成したことを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の力検出装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61166391A JPH07117470B2 (ja) | 1986-07-15 | 1986-07-15 | 力検出装置 |
| US07/073,290 US4836034A (en) | 1986-07-15 | 1987-07-14 | Force sensing apparatus |
| US07/289,252 US4911023A (en) | 1986-07-15 | 1988-12-23 | Force sensing apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61166391A JPH07117470B2 (ja) | 1986-07-15 | 1986-07-15 | 力検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6321530A JPS6321530A (ja) | 1988-01-29 |
| JPH07117470B2 true JPH07117470B2 (ja) | 1995-12-18 |
Family
ID=15830548
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61166391A Expired - Lifetime JPH07117470B2 (ja) | 1986-07-15 | 1986-07-15 | 力検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07117470B2 (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017166847A (ja) * | 2016-03-14 | 2017-09-21 | トヨタ自動車株式会社 | 力センサの設計方法 |
| JP2018132455A (ja) * | 2017-02-16 | 2018-08-23 | ミネベアミツミ株式会社 | センサ一体型軸支持構造およびセンサ構造体 |
| JP2019113562A (ja) * | 2019-02-22 | 2019-07-11 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 力覚センサ |
| JP2019179039A (ja) * | 2019-06-25 | 2019-10-17 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 力覚センサ |
| JP2020112569A (ja) * | 2020-03-24 | 2020-07-27 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 力覚センサ |
| JP2021039129A (ja) * | 2020-03-24 | 2021-03-11 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 力覚センサ |
| US11085836B2 (en) | 2017-03-06 | 2021-08-10 | Tri-Force Management Corporation | Force sensor that detects at least one of a force in each axial direction and a moment around each axis in an XYZ three-dimensional coordinate system |
| JP2021119359A (ja) * | 2020-11-25 | 2021-08-12 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 力覚センサ |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3210643B2 (ja) * | 1999-05-12 | 2001-09-17 | 川崎重工業株式会社 | 鉄道車両の接地端子台 |
| JP3669421B2 (ja) * | 2000-04-25 | 2005-07-06 | 日産自動車株式会社 | トルク計測装置 |
| JP4303091B2 (ja) | 2003-11-10 | 2009-07-29 | ニッタ株式会社 | 歪みゲージ型センサおよびこれを利用した歪みゲージ型センサユニット |
| JP5719521B2 (ja) * | 2010-03-30 | 2015-05-20 | ミネベア株式会社 | ３軸力センサ |
| JP6047703B2 (ja) * | 2014-09-26 | 2016-12-21 | 株式会社レプトリノ | 力覚センサ |
| JP2018119923A (ja) * | 2017-01-27 | 2018-08-02 | セイコーエプソン株式会社 | 力検出装置およびロボット |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5793833U (ja) * | 1980-12-01 | 1982-06-09 | ||
| JPS6038632A (ja) * | 1983-08-10 | 1985-02-28 | Yamato Scale Co Ltd | 走行性能測定装置 |
| JPS61223626A (ja) * | 1985-03-29 | 1986-10-04 | Nec Corp | センサ |
-
1986
- 1986-07-15 JP JP61166391A patent/JPH07117470B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017166847A (ja) * | 2016-03-14 | 2017-09-21 | トヨタ自動車株式会社 | 力センサの設計方法 |
| JP2018132455A (ja) * | 2017-02-16 | 2018-08-23 | ミネベアミツミ株式会社 | センサ一体型軸支持構造およびセンサ構造体 |
| US11085836B2 (en) | 2017-03-06 | 2021-08-10 | Tri-Force Management Corporation | Force sensor that detects at least one of a force in each axial direction and a moment around each axis in an XYZ three-dimensional coordinate system |
| JP2019113562A (ja) * | 2019-02-22 | 2019-07-11 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 力覚センサ |
| JP2019179039A (ja) * | 2019-06-25 | 2019-10-17 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 力覚センサ |
| JP2020112569A (ja) * | 2020-03-24 | 2020-07-27 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 力覚センサ |
| JP2021039129A (ja) * | 2020-03-24 | 2021-03-11 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 力覚センサ |
| JP2021119359A (ja) * | 2020-11-25 | 2021-08-12 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 力覚センサ |
| JP2022088538A (ja) * | 2020-11-25 | 2022-06-14 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 力覚センサ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6321530A (ja) | 1988-01-29 |
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