JPS6312930A

JPS6312930A - 力検出素子

Info

Publication number: JPS6312930A
Application number: JP61157521A
Authority: JP
Inventors: Hirotoshi Eguchi; 裕俊江口; Koji Izumi; 泉　耕二; Hidekazu Oota; 英一太田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1986-07-04
Filing date: 1986-07-04
Publication date: 1988-01-20

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】（技術分野）本発明は力検出素子に関する。

（従来技術）力検出素子は、起歪体と呼ばれる弾性体の弾性変形を利
用して、起歪体に作用している力や、モーメントを検出
する素子であって、産業用ロボットのリストセンサーや
荷重測定装置、操舵装置や操縦装置等に関連して知られ
、゛種々のものが提案されている。

力やモーメントの検出は電気的に行なわれる。

すなわち、起歪体表面の所定の位置に、電気抵抗性の歪
センサーが設けられる。起歪体にカやモーメントが作用
して起歪体が弾性変形すると、歪センサーは起歪体と共
に変形し、この変形による歪センサーの抵抗値が変化す
ることになる。この抵抗値の変化を電気的に検出するこ
とによって起歪体のひずみ量が知られ、このひずみ量に
もとづいて、起歪体に作用しているカやモーメントが知
られる訳である。

ところで、従来知られている力検出センサーには、改良
の方向として、大別すると次の二つの方向がある。すな
おち、その一つは検出精度の向上であり、他は製造の容
易化である。

力検出センサーにおける検出精度は、歪センサーのゲー
ジ率によって定まる。歪センサーの抵抗値および長さを
、それぞれ、Ｒ，Ｌとし、長さＬがΔＬだけ変形により
変化したときの抵抗値変化をΔＲとすると、ケージ率Ｇ
は、６：ΔＲ／Ｒ ΔＬ／Ｌ ΔＬで定義される。ここで、下は変化率すなわち。

ひずみ（ξで表す）であり、力検出素子に使われる歪セ
ンサーではＥの変化は１０−５〜１０−３の範囲である
。ゲージ率Ｇは、歪センサーの変形量と、変形に伴う抵
抗値変化との関係を定める量であり、当然、ゲージ率Ｇ
が大きいほど、力の検出精度が高くなり、より精細な力
検出が可能となる。また。

検出感度が高くなれば、起歪体は、剛でコンパクトな構
造が選べることになる。

ところで、例えば、特開昭５８−１１３９３０号公報、
特開昭５９−７５１０４号公報、特開昭５９−２３１４
３１号公報等に提案されている力検出素子では、歪セン
サーとして金属箔歪センサーが用いられており、このた
め、検出精度の向上が望めない。これは、金属の抵抗率
ρが、変形によって変化しないため。

ゲージ率Ｇが、２ないし３という極めて低い値しかとれ
ないということによる。

一方、力検出素子の製造に関しては、実公昭５４−１１
９０３号公報、実公昭５４−２１０２１号公報、特開昭
５９−９５４３３号公報等に、起歪体と歪センサーを別
々に作製し、歪センサーを起歪体表面に貼着するという
製造方式が開示されている。しかし、この製造方式では
、歪センサーの貼付作業や結線等が面倒であり、力検出
素子の作製は必ずしも容易でない、また、かかる方式で
製造された力検出素子は、その検出精度が、歪センサー
の貼着位置精度や、接着剤の種類、結線精度等に左右さ
れるため、検出精度が各固体ごとにばらつき易いという
問題もある。

また、起歪体としては金属製のものが従来一般に用いら
れてきた。金属製の起歪体はその加工に時間がかかり、
このことが力検出素子の製造容易化へのひとつの支障と
なっていた。また、金属製の起歪体はそれ自体が導電性
であるため、歪センサーを設けるにあたっては、起歪体
表面を絶縁加工する必要があり、このことも製造容易化
への支障となっていた。

（目　　的）本発明は上述の如き事情に鑑みて成されたものであって
、その目的とするところは、製造が容易であり、かつ、
検出精度の高く、剛でコンパクトな構造とすることが可
能な新規な力検出素子の提供にある。

（構　　成）以下１本発明を説明する。

本発明の力検出素子は絶縁性起歪体と、歪センサーと、
結線用のリード部とを有する。そして。

本発明の特徴とするところは、以下の２点にある。

すなわち、その第１は、歪センサーと、結線用のリード
部とが、絶縁性起歪体の表面に、薄膜パターンとして、
絶縁性起歪体と一体的に形成され。

上記歪センサーがピエゾ抵抗体薄膜であり、リード部が
高導電性薄膜であることである。

第２は、絶縁性起歪体がセラミックで構成されているこ
とである。

歪みセンサーとリード部とが、絶縁性起歪体の表面に薄
膜パターンとして形成されるとは、歪センサーとリード
部とを含むパターンを、絶縁性起歪体表面に薄膜技術に
より形成することを意味する。かかる特徴により、力検
出素子の作製は、従来の貼付法に比して大幅に簡単化さ
れ、製造上の精度も向上する。

また、歪センサーを構成するピエゾ抵抗体薄膜は、ひず
みと抵抗値変化の直線性が良く、ゲージ率Ｇの温度依存
性が低く、ゲージ率Ｇの経時変化も少ない、また、ゲー
ジ率Ｇは、金属製の歪センサーのそれに比して１オーダ
ー高く、従って、従来の金属箔歪センサーを用いる力検
出素子に比して１オーダー高い検出精度が期待でき、そ
の分起歪体のコンパクト化が図れる。

なお、ピエゾ抵抗体薄膜の材料としては、アモルファス
シリコン（ａ−５ｉ）、マイクロクリスタルシリコン（
μｃ−３ｉ）、ポリシリコン（ｐｏｌｙ−３ｉ）。

アモルファスゲルマニウム（ａ−Ｇｅ）、マイクロクリ
スタルゲルマニウム（μｃ−Ｇｅ）、アモルファスシリ
コン系合金等をあげることができる。

また、セラミックは起歪体に必要とされる十分なりフグ
率を有する。たとえば、金属のアルミニウムと、セラミ
ックとしてのアルミナとを比較して見ると、アルミニウ
ムではヤング率は０．４１　Ｘ１０’ｋｇ／ｃｍ２であ
るが、アルミナではヤング率は３６５Ｘ　１０”ｋｇ／
ａｍ”であり、アルミナが起歪体材料として十分に使用
可能であることを示している。また、セラミックは、金
属に比して熱膨張率、熱伝導率も小さいので、セラミッ
クにより起歪体を構成することにより、熱に影響されに
くい力検出素子の実現が期待される。

また、絶縁性起歪体の作製は焼結で行なえばよく、型さ
えあれば、切削等の後加工が殆ど不要ないしは簡便化さ
れ、また絶縁処理の必要がない。

従って、絶縁性起歪体をセラミックとすることにより力
検出素子の製造を大幅に容易化できる。

焼結材料としては一般には金属酸化物、例えばＡ１２０
ｊ（アルミナ）、Ｍｇ０２（マグネシア）、ＺｒＯ（ジ
ルコニア）等を用いうるが、いずれにせよ、高純度のセ
ラミック材料を用いねばならない。

高純度の材料でないと、アルカリイオンの不純物が含有
されており、このようなもので起歪体を構成した場合、
その表面に歪センサーを蒸着、パターン化する場合、上
記不純物が歪センサーに混入して特性を劣化させる虞れ
あるからである。

以下、図面を参照しながら具体的に説明する。

第１図は本発明による力検出素子の具体的な形態の一例
を斜視図によって示している。第１図に示す力検出素子
において、符号１０で示す平板状の部分を絶縁性起歪体
の基部、符号１２Ａ、　１２Ｂ、　１２Ｃ。

１２Ｄで示す柱状部分をビーム、符号１４で示す十字型
の部分をダイアプラムと称する。

力検出素子の構成要素としての絶縁性起歪体はセラミッ
クで構成され、特に、この実施例においては、高純度の
アルミナを１８００℃で焼結したものである。焼結時間
は、一般に、この温度下では１〜２時間が適当である。

さて、かかる絶縁性起歪体の表面に歪センサーとリード
部とを含むパターンが薄膜技術により形成されている訳
である。歪センサーはピエゾ抵抗体薄膜により形成され
、リード部は高導電性薄膜で形成される訳であるが、こ
の実施例では、歪センサーはアモルファスシリコンによ
り、リード部はアルミニウムにより構成されている。

第１図に、符号ＸＩ、　Ｘ２．　Ｙｌ、　Ｙ２．　Ｚｌ
、　Ｚ２．　Ｚ３゜Ｚ４．　ＭＸＩ、　ＭＸ２．　ＭＹ
Ｉ、　ＭＹ２．　ＭＺＩ、　ＭＸ２で示す部分は歪セン
サーを示している。ビーム１２Ｂ、　１２Ｃ，１２０の
、第１図では隠れている面にも、所定位置に所定個数の
歪センサーが設けられている。

第１図下面のようにｘ、ｙ、ｚ軸を定めると、第１図の
力検出素子により、この素子に作用する力Ｆ（７）Ｘ、
Ｙ、Ｚ方向の成分ＦＸ、　ＦＹ、　ＦＺ、および、素子
に作用するモーメントＭの各成分ＭＸ、　ＭＹ、　ＭＺ
を検出できる。因に、歪センサ−ＸＩ、　Ｘ２および。

第１図に示されていない歪センサーＸ３．　Ｘ４はＦＸ
を検出するためのものであり、歪センサ−Ｙｌ、　Ｙ２
゜Ｙ３．　Ｙ４（Ｙ３．　Ｙ４は第１図に示しされてい
ない）はＦＹを検出するものであり、歪センサ−Ｚｌ、
　Ｚ２．　Ｚ３゜Ｚ４はＦＺを検出するためのものであ
る。

また、歪センサ−ＭＸＩ、　ＭＸ２はＭＸを検出するた
めのものであり、　ＭＹ、　ＮＺの検出には歪センサ−
ＭＹＩ。

ＭＺＩ等が用いられる。

第２図は、第１図に示す例において、リード部と歪セン
サーとの関係を示している。ただし、図があまり繁雑と
なるのを避けるため、　ＦＸ、　ＦＹ、’ＦＺ検出用の
歪センサ−ＸＩ、　Ｘ２．・・・Ｚ３．Ｚ４と、これら
に関連するリード部のみを示した。第２図に示されてい
ない歪センサーＭＸＩ等のリード部は、歪センサーｘ１
等のリード部と重なり合う部分があるが、かかる部分で
は互いに絶縁されていることはいうまでもない。゛リード部は、結線部分と、端子部ＴＸ、　ＴＶ、　ＴＺ
とからなる。各端子部ＴＸ等はそれぞれ４つの部分から
なり、そのうちの２個は電源への接続用であり、他の２
個が検出出力用である。リード部を構成するのは高導電
性薄膜であるが、該実施例では、この高導電性薄膜の材
料は前述の如くアルミニウムである。他の材料としては
クロム、ニッケルクロム合金が好適である。

ＦＸ等の力の成分の検出や、ＭＸ等、モーメントの成分
の検出等については、すでに良く知られているので、そ
の詳細な説明については他の公知文献にゆずり、ここで
は、簡単にＦＸとＦＺの検出について手短かに説明する
。

第３図（Ｉ）は第１図に示す力検出素子を上方から見た
図を示す。なお、モーメント検出用の歪センサーＭＸＩ
等の図示は省略されている。

歪センサ−Ｘｉ、　Ｘ２．　Ｘ３．　Ｘ４、Ｙｌ、　Ｙ
２．　Ｙ３．　Ｙ４は。

各ビームの所定の面に、第３図（１）の如くに配備され
ている。センサーｘ１とｘ２、Ｘ３とｘ４、ＹｌとＹ２
、Ｙ３とＹ４は、それぞれ、第３図（１）の図面に直交
する方向へつらなるように配置されており、したがって
、これらの対のうちの一方は、他方のかげになって図に
あられせないので、図に現れていない歪センサーの符号
が括弧に入れて示しである。

第３図（１）の状態を、同図下方（Ｙ方向）から見た状
態を第３図（ｎ）に示す（この図では歪センサ−Ｙｌ、
　Ｙ２の図示が省略されている）。

今、第３図（ｎ）に示す状態において、力検出素子に図
の右方から、Ｘ方向の力ＦＸが作用すると、起歪体は第
３図（ｍ）の如くに変形する。起歪体のこの変形に伴っ
て、起歪体に一体的に形成された歪センサ−Ｘｉ、　Ｘ
２．　Ｘ３．　Ｘ４にひずみが生ずる。このとき、歪セ
ンサ−Ｘｉ、Ｘ４のひずみは′のび″であり、歪センサ
ーＸ２．　Ｘ３のひずみは１１ちぢみ″である。　歪セ
ンサ−Ｘ１ないしｘ４は電気抵抗体であって、その抵抗
値は起歪体にひずみが発生していないときは互いに等し
い。対称性からして、上記１′のび”と“ちぢみ″のひ
ずみ量は絶対値としてはうに、ホイートストーンブリッ
ジに、リード部によって回路構成され、起歪体のカＦＸ
による歪みは。

歪センサ−１個等の抵抗変化により出方電圧Ｖとして検
出される。従って、この出方電圧Ｖに対応させて力ＦＸ
を検出できる。なお、上記のように、４つの歪センサ−
Ｘｉないしｘ４をホイートストーンブリッジに組んで、
力検出を行なうと、歪センサ−１個を用いる場合に比し
て四倍の出力を得ることができ、それだけ高精度で検出
を行なうことができる。

このため、第１図に示す力検出素子では、力成分ＦＸの
みならず、ＦＹ、　ＦＺの検出、モーメント成分ＭＸ、
　ＭＹ、　ＭＺの検出もすべて、対応する歪センサーを
ホイートストーンブリッジに組んで高精度の検出を行な
っている。

力ＦＹの検出は上に説明したＦＸの検出と全く同様であ
る。

次に、ＦＺの検出につき説明すると、第３図（Ｉ）に示
すように、歪センサ−Ｚｌ、Ｚ３の対と、歪センサ−Ｚ
２．　Ｚ４の対とでは、十字型ダイアフラム１４の中心
からの配設距離が異なる。従って、十字型ダイアフラム
１４の中心に力ＦＺが作用して、十字型ダイヤフラム１
４が、第４図の如く変形すると、歪センサー２１．Ｚ３
では、ちぢむ方向の変形が生じ、歪センサ−Ｚ２．２４
では、のびの方向の変形が生ずるので、これを利用して
力ＦＺを検出できる。

力検出素子の形態は、第１図に示す如きものに限らず、
第５図に示す如きものも可能であり、また、公知の種々
のものが本発明の力検出素子として実現可能である。第
６図において、符号Ｘ１１゜Ｘ１２．　Ｙｌ（、Ｙｌ２
．　Ｚｌｌ、　２１２．２１３．２１４は歪センサーを
示す。結線用のリード部は図が繁雑になるのを防ぐため
、第５図に図示されていない。

なお、絶縁性起歪体上に、歪センサ−、リード部を形成
するには、まず絶縁性起歪体表面に、ピエゾ抵抗体薄膜
、例えばアモルファスシリコンの薄膜を形成して、この
薄膜を所定の歪センサーの配置形状にあわせてパターン
ニングし、さらに高導電性薄膜を形成したのち、これを
リード部の形状にパターンニングすればよい。

ピエゾ抵抗体薄膜や、高導電性薄膜を形成するには、公
知の薄膜技術で行なえばよく、パターンニングを行なう
には、例えば、フォトエツチング法等を利用すればよい
、あるいは、光ｃｖＤや、イオンビームデポジット方式
で、薄膜形成とパターンニングを同時に行なうこともで
きる。

（効　　果）以上、本発明によれば新規な力検出素子を提供できる。

本発明の力検出素子は、起歪体がセラミックで構成され
るため、従来の金属製起歪体に比して作製が容易であり
、また起歪体自体が絶縁性であるので、絶縁処理の必要
がない。また、歪センサ−、リード部はいずれも絶縁性
起歪体にパターンニングされるので、力検出素子をコン
パクトかつ容易に作製でき、製造コストも低減化される
。また、歪センサーとしてピエゾ抵抗体薄膜を用いるの
で、検出精度もよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明の一実施例につき、絶縁性起歪体と歪
センサーの配置を示す斜視図、第２図は上記実施例にお
ける分力検出用歪センサとそのリード部を示す斜視図、
第３図ないし第４図は力検出を説明するための図、第５
図は、本発明の別実施例につき絶縁性起歪体と歪センサ
ーとを示す斜視図である。１０・・・絶縁性起歪体の基部、　１２Ａ、　１２Ｂ、
　１２Ｃ。１２０・・・絶縁性起歪体のビーム、１４・・・絶縁性
起歪体の十字型ダイアプラム、Ｘｉ、　Ｘ２・・・歪セ
ンサ−、うＺ（ロ）Ｉ７ｆ）４口ｌ

Claims

【特許請求の範囲】絶縁性起歪体と、この絶縁性起歪体の表面に、ピエゾ抵
抗体薄膜パターンとして絶縁性起歪体と一体に形成され
た歪センサーと、上記表面に高導電性薄膜パターンとし
て上記絶縁性起歪体と一体に形成されたリード部と、を
有し、上記絶縁性起歪体がセラミックで構成されていることを
特徴とする力検出素子。