JPS63153441A - 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】 技術分野 本発明は、たとえばロボット用力覚センサやマンマシン
インターフェ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。

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Ｍ　ｘ　、
　Ｍ　ｙ　、　Ｍ　ｚ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ック構造に形成し、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．−２
１．０２１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ッ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、ブロック状の素材から製作
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ッ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ッ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、検出素子及びそ
の出力増幅素子の形成も簡単に行うことができ、かつ、
コンパクトで低コストの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、ファインブ
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、また
、検出素子の出力増幅をする増幅回路の形成も容易に行
な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１８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と連結されている。

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。

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Ｙ、、
Ｙ２．Ｙ、、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Ｙ、、Ｙ４　とは外側の拡開部１３に位置し、
前記Ｙ２．Ｙ、とは内側の拡開部１３に位置している。

また、ＯＰｙと表示された出力増幅素子１５が穴１０の
外側に位置している。

そして、これらの検出素子１４及び出力増幅素子２０は
第５図に示すようにブリッジ結合及び配線されており、
Ｙ、、Ｙ２．Ｙ、、Ｙ４なる検出素子１４のバランスが
崩れた時には出力■Ｙが発生するように接続され、出力
ＶｙはＯＰｙなる出力増幅素子２０によって信号レベル
となる。

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ｘ、　、ｘ、、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Ｘ、、Ｘうとは外側の拡
開部１３に位置し、前記Ｘ、　、　Ｘ３とは内側の拡開
部１３に位置している。また、ＯＰｘと表示された出力
増幅素子２０が穴１０の外側に位置している。これらの
検出素子１４及び出力増幅素子２０は第６図に示すよう
にブリッジ結合及び配線されており、ｘ、、ｘ２．ｘ３
．ｘ４なる検出素子１４のバランスが崩れた時には出力
Ｖｘが発生するように接続され、出力ＶｘはＯＰｘなる
出力増幅素子２０によって信号レベルとなる。

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、Ｚ　ｌ　ｌｚ２．ｚ
、、ｚ４．ｚ、、ｚ、、ｚ、、ｚ、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、ｚ、、ｚ４．ｚ、、ｚ、は外側の前記拡開部１３に
位置し、ｚ２．ｚ、、ｚ、、ｚ７は内側の前記拡開部１
３に位置している。また、ＯＰｚと表示された出力増幅
素子２０が穴１０の外側に位置している。これらの検出
素子１４及び出力増幅素子２ｏは第７図に示すように接
続されている。すなわち、２．．２４と２２．２．と２
．．２．と２．．２゜とがそれぞれユニットになってブ
リッジ結合されており、これらのバランスが崩れた時に
は出力■２が発生するものであり、出力Ｖｚは○Ｐ７．
と表示された出力増幅素子２０によって信号レベルとな
る。

以上で示した平板状起歪体１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。平板状起歪体１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及び出力増幅
素子２０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はアルミニュウム合金
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にはバッファ層が堆積形成される
。このバッファ層として具体的には、Ｓｉ、Ｎ、あるい
は内部比力の少ないＳｉＯｘ膜を２０００〜１００００
人　プラズマＣＶＤ法にて作成する。つぎに、このバッ
ファ層の上に検出素子１４及び出力増幅素子２０を作成
する。まず、検出素子１４から説明すると、半導体薄膜
を厚さが５０００〜２００００人になるように積層する
。次に、フォトリソ、エツチング工程により半導体薄膜
を所定の形状にパターン化する。さらに、電極材料とな
る高導電材料（たとえば、ＡＲ，Ｎ１−Ｃｒ　、　Ｍ　
ｏ等の金属薄膜）を２０００〜５０００人の厚さをもっ
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ｎ型
μｃ−８ｉ　（マイクロクリスタルシリコン）か、ｎ”
ａ−３ｉ　：　Ｈを使用し、電極材料としてはＡＭ−３
ｉ　（Ｓｉ　：　２〜３ｗｔ％）を蒸着法あるいはスパ
ッタリング法によって作成する。

つぎに、電極材料をフォトリソ、エツチング工法によっ
て所定の形状にパターン化する。エツチングとしては、
ウェット法、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
ッチが望ましい。また、ａ−３ｉ：　Ｈの場合、プラズ
マエツチング装置によりＣＦ４−０□　（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。

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
極パターンのショート、断線が２５％であり、層間絶縁
部の絶縁不良によるショート、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太きいものである。

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
、半導体薄膜のフォトリソ、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
分の製造が可能になる。

次に、出力増幅素子２０の構成及び作成法について説明
する。前記出力増幅素子２０は、通常ＯＰアンプと呼ば
れる素子と同等のアンプ回路で構成されている。一般の
ＯＰアンプは結晶ＳｉのＭＯＳトランジスタによって構
成されているが、本発明では薄膜技術により作成した薄
膜トランジスタ（ＴＰＴ）を結晶ＳｊのＭＯＳト畏ンジ
スタの代用として使用し○Ｐアンプを構成している。Ｔ
ＰＴを用いることで、−貫した薄膜プロセスにより、検
出素子１４と出力増幅素子２０を同時に、同一平面的に
作成することができる。第１５図および第１６図に示す
ものはＴＰＴを使用したＯＰアンプの回路図である。ま
ず、第１５図に示すものは、Ｐチャンネル人力型ＯＰア
ンプであり、Ｑ１〜Ｑ、で表示された、Ｐチャンネル型
ＴＰＴ３０によって構成される。第１６図に示すものは
、ｎチャンネル入力型ＯＰアンプであり、Ｐ、〜Ｐ８で
表示されたｎチャンネル型ＴＦＴ３１によって構成され
ている。

ついで、第１７図および第１８図にはＴＰＴの構造を示
した。ゲート電極３６に印加されるゲート電圧によって
活性層３４とゲート絶縁物３５との界面にできる空芝層
の幅を制御し、ソース電極３９、ドレイン電極間に流れ
る電流を制御するのがＴＰＴの動作原理である。

以下にＴＰＴの作成法を説明する。前述の検出素子１４
の作成と同じように、バッファ層の」二に半導体薄膜を
厚さが５０００〜２０００人になるように堆積する。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法で成膜したμｃ−３ｉ（マイクロ
クリスタルシリコン）か、ａ−５ｉ：Ｈを使用する。こ
の場合、成膜時にメタルマスクを使用し、所定の位置（
第２図の穴１０の外側部）のみにμｃ−３ｉあるいはａ
−３ｉ：Ｈを堆積する。この半導体薄膜がＴＰＴの活性
層となるわけである。次にこの半導体薄膜をフォトリソ
、エツチング工程によって所定の形状（２０μ×１０μ
）にパターン化する。

さらに、プラズマＣＶＤ法によりゲート絶縁物３５とな
るＳｉ３Ｎ、あるいはＳｉＯ２を１０００〜５０００人
堆積し、その」二にゲート電極３６となるＡｆｌ、Ｃｒ
、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｔｉ等金属材料を蒸着、あるいはス
パッタリングで積層し、エツチングによって絶縁物及び
金属材料をパターン化する。ソース、ドレイン部となる
拡散層３３は、イオン抽入装置によってＰ原子あるいは
Ｂ原子を半導体薄膜にドープして作成するが、Ｐチャン
ネルＴＰＴの場合はＢ原子をドープし、ｎチャンネルＴ
ＰＴの場合はＰ原子をそれぞれドープする。

次工程は各種電極部を形成するためのもので、先ず、層
間絶縁物４０となるＳｉ、Ｎ４をプラズマＣＶＤ法によ
って約３０００〜７０００人堆積させ、エツチング工程
によりコンタクトホール３８を形成する。この上に金属
材料例えば、Ａｎ、Ｃｒ、ＮｉＣｒ、Ｗ、Ｔｉを蒸着、
スパッタリングで堆積し、パターン化することで、ソー
ス電極３９、ドレイン電極４０を形成し、ＴＰＴが完成
する。

ａ−５ｉ：Ｈ及びμｃ−３ｉを活性層として使用した場
合のＴＰＴの特性は、それぞれ、ＯＮ／○ＦＦ電流比１
０“、キャリア移動度１　、０　ｃｏｔ／Ｖ。

Ｓ及び０Ｎ１０　Ｆ　Ｆ電流比１０’、キャリア移動度
１．６〜２．０ゴ／Ｖ、Ｓであった。

さらに特性を向上させるために、レーザービームを半導
体薄膜に照射し、多結晶体に改質することができる。レ
ーザーはＣＷＡｒあるいはにレーザーを使用し、パワー
密度１００〜７００Ｊ／ｃｄ程度で半導体薄膜上を走査
することで結晶粒が成長し、多結晶体的な膜となる。こ
のようなレーザービームによる改質を行なった活性層を
もったＴＰＴの特性は、０Ｎ１０ＦＦ電流比１０’〜１
０１′、キャリア移動度２００〜３５０ｃｎｆ／Ｖ、Ｓ
であり、特性的には十分である。

このようにして、検出素子１４とＴＰＴからなる出力増
幅素子２０が作成されるが、実際の工程では、それぞれ
を単独に作成するのではなく共通の工程は２つの素子間
で同時に行なうことができる。

また、Ｆ　ｘ、　Ｆ　Ｙ、　Ｆ　ｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ
の力の６成分の検出と検出素子１４のブリッジ回路及び
出力増幅素子２０との結線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Ｓｉ、Ｎ４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って
塗布し、フォトリソ、エツチング工程によりコンタクト
ホール部を作成する。Ｓｉ、Ｎ４の場合には、プラズマ
ＣＶＤ法によって成膜をし、レジスト塗布後にフォトリ
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Ａｎ、Ｎｉ−Ｃｒ。

Ｍｏ等）をこの上に積層し、フォトリソ、エツチング工
程により所定の配線及びパッド部を形成する。

このようにして、検出素子１４と出力増幅素子２０とそ
れらの配線の全てが同一平面上に形成される。

つぎに、耐湿性の向上及び機械的損傷の防止のためのパ
シベーション膜として、例えばパリレンあるいは５ｉｎ
２．Ｓｉ３Ｎ４を堆積形成する。

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
子−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をブリッジ結合し
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＝１８− 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（十）で
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
っている。

このような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４２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とには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４１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、Ｆｚ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Ｏ６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０．に作用するものとする。そこで
、感圧部材の作用点０１に働＜　Ｆ　ｘ、　Ｆ　Ｙ、　
Ｆ　７．、ＭＸ、ＭＹの成分は、検出面９の作用点Ｏ０
では、Ｆ　ｚ　、　Ｍ　ｘ　、　Ｍ　ｙの３成分力とし
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】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にモ一メント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、ｘ、、ｘ２．ｘ３．ｘ、　ノ
検出素子１４により構成された第６図に示すブリッジ回
路の出力ＶｘはｒＱＪ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、Ｙ、
、Ｙ２．Ｙ、、Ｙ４　と表示された検出素子１４がそれ
ぞれ変形し、第５図に示すブリッジ回路の出力Ｖｙ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、ｚ、、ｚ２．ｚ３．ｚ４．ｚ、、ｚ、、ｚ、、
ｚ、　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図に示すブリッジ回路により求められること
によりほとんど「Ｏ」になる。すなわち、Ｚｌ　と２４
．２２と２．．２．と２．　、　、２８　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
ブリッジ回路において各辺の合成抵抗がそれぞれ相殺さ
れて「Ｏ」になるため、出力Ｖｚは「０」になる。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、Ｆ
ｚ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。

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、Ｘ、、Ｘ、が＋側の変形であり、Ｘ２．Ｘ３が
一側の変形であり、第６図に示すブリッジ回路の出力Ｖ
ｘは「０」である。また、Ｍｙ成分検出部の出力Ｖｙも
同様な理由で「ＯＪ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。

第１表 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］４により検出し、他の干渉成分はブリッジ回路
によりその出力をｒＱＪ　とすることが可能になった。

つぎに、平板状起歪体１の平板部８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に外ツノが
作用した時、平板部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、各成分の応ノブの干
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］１の拡開部１
３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］Ｏ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っている。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ｚ、、ｚ、、
ｚ、、ｚ、、ｚ、、ｚ、、ｚ、、ｚ、なる検出素子１４
を配設することが可能にかる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酸成分検出が良
好に為され、しかも、Ｍｘ、Ｍｖ酸成分検出時にその成
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１９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１
９に検出素子１４を貼付したものである。すなわち、Ｘ
軸に沿ったアーム１１の側面１９にはＦｙ検出用の検出
素子１４が貼付され、Ｙ軸に沿ったアーム１１の側面１
９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。

したがって、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。

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ＩＯ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。

効果 本発明は、上述のように中心部と周辺部とのい　９ｑ　
− ずれか一方を支持部とし他方を作用部とし、これらの両
者間に検出面を形成し、この検出面よりも前記中心部と
前記周辺部との剛性を大きくした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、前
記検出面と同一面内に前記検出素子に接続された複数の
出力増幅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、しかも、従来のブロック状のもので
あれば製作することができない工法を採用することがで
き、検出素子及び出力増幅素子も薄膜半導体を利用して
形成することができ、これにより、均等な性能を有する
検出素子の配列を行うことができ、それらの位置も正確
になり、とくに、各成分毎のブリッジ化をする複雑なリ
ード線の配線が容易になり、コンパクト化を行なうこと
ができるとともに大幅な低コスト化を図ることができる
等の効果を有するものである。

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【図面の簡単な説明】

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成分検出部のブリッジ回路を示す電気回路図、
第６図はＭｘ成分検出部のブリッジ回路を示す電気回路
図、第７図はＦｚ成分検出部のブリッジ回路を示す電気
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図及び第１６図はＴＰＴを
使用した○Ｐアンプの回路図、第１７図はそのＴ　Ｐ　
Ｔ’の平面図、第１８図はＴＰＴの断面図、第１９図は
本発明の第二の実施例を示す斜視図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 中心部と周辺部とのいずれか一方を支持部とし他方を作
   用部とし、これらの両者間に検出面を形成し、この検出
   面よりも前記中心部と前記周辺部との剛性を大きくした
   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、前記検出面と同一面内に前記検出素
   子に接続された複数の出力増幅素子を形成したことを特
   徴とする力検出装置。