JPS6321530A - Force detector - Google Patents

Force detector

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JPS6321530A
JPS6321530A JP61166391A JP16639186A JPS6321530A JP S6321530 A JPS6321530 A JP S6321530A JP 61166391 A JP61166391 A JP 61166391A JP 16639186 A JP16639186 A JP 16639186A JP S6321530 A JPS6321530 A JP S6321530A
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detection
flat plate
strain
acting
supporting
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Koji Izumi
泉 耕二
Hirotoshi Eguchi
裕俊 江口
Yuji Kimura
裕治 木村
Hidekazu Oota
英一 太田
Yutaka Ebi
海老 豊
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Ricoh Co Ltd
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Ricoh Co Ltd
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Abstract

PURPOSE:To facilitate the manufacture of a strain generator by forming the flat plate-shaped object to be strained that is formed with a detecting surface between a central portion and a periphery both having a high rigidity, masking either the central portion or the periphery a supporting portion and the other a point of action and forming detecting elements on the detecting surface. CONSTITUTION:A supporting portion 4 and an acting portion 7 have a higher rigidity than that of a flat plate portion 8 and, furthermore, the supporting, acting and flat plate portions 4, 7 and 8, respectively, are integrally formed in a flat plate-shaped object 1 to be strained. Thus, a fixed portion and a load detector are connected to the supporting and acting portions 4 and 7, respectively, whereby neither hysteresis nor nonlinearity is generated. Although a strain is liable to be produced in a detecting surface 9 by a stress produced by a thread fastening 3 or the like in the supporting and the acting portions 4 and 7 as fastening portions, since the supporting and acting portions 4 and 7, respectively, have a far higher rigidity than that of the flat plate portion 8, the strain caused by the fastening of other members is not produced in detecting elements 14.

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。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Technical Field The present invention relates to a force detection device used, for example, in a force sensor for a robot, a three-dimensional input device as a man-machine interface, and the like.

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。
2. Description of the Related Art A conventional force detection device includes a strain body that elastically deforms when an external force is applied thereto, and a plurality of detection elements that change electrical resistance through mechanical deformation of the strain body. The strength of the external force is detected by extracting the change in electrical resistance as an electrical signal.

−i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。
-i, in this type of force detection device, the external force acts on a fixed point, and the x, y,
Forces Fx, Fy, Fz and moment M x in the z coordinate system,
The independent component forces of M y and M z act as shown in FIG. 14.

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54−210
21号公報、特開昭59−95433号公報、特開昭6
1−57825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座標おの力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
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。
In order to detect each component force, there is a force detection device in which the strain body is formed into a three-dimensional block structure so that the external force can be detected separately as multi-axial force components. Publication No. 54-11903, Publication No. 54-210
No. 21, JP-A-59-95433, JP-A-Sho 6
This method is disclosed in Japanese Patent Application Laid-open No. 1-57825, Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-79129, and the like. In particular, the detection surface of the independent force components of the x, y, z coordinates of the forces Fx, Fy, Fz and moments M x , M y , M z at the point of application, that is, the surface to which the strain gauge is attached is as follows. , which is characterized by the use of a plane perpendicular to the component force, and the strain-generating body must have a three-dimensional structure as a block structure as described above.

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。
In such a structure, the means for manufacturing the strain-generating body is cutting or electric discharge machining, and the strain body must be manufactured from a block-shaped material.

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。
Therefore, processing is difficult and complicated. In addition, it is common to attach a strain gauge detection element to each force detection element of each component, and to connect these electrically with a bridge, which makes it complicated to run lead wires around, making it difficult to downsize. However, it is difficult to reduce costs and has low mass productivity.

また、外力を多軸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聞届がある。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。
In addition, there are also structures that combine structures and plates to form a three-dimensional block in order to separate external forces into multiaxial components, and this structure is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 83929/1983. There is. In devices with such a structure, the detection bodies for each component are fastened together with screws, etc., and it is reported that reproducibility is poor. That is, hysteresis and nonlinearity occur due to the deformation of the fastening portion.

さらに、別の構造のものとしては、特開昭60−221
288号公報に、いわゆる8角応力リングが開示されて
いる。このような8角応カセンサにおいては、外力が一
方向の圧覚センサとしては使えるが、多軸力用としては
使用することができないと云う問題点がある。
Furthermore, as for another structure, JP-A-60-221
No. 288 discloses a so-called octagonal stress ring. Such an octagonal stress sensor has a problem in that it can be used as a pressure sensor for applying external force in one direction, but cannot be used for multi-axial force.

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。
Purpose The present invention aims to provide a force sensing element whose strain-generating body is easy to manufacture and whose sensing element can also be easily formed.

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もしくは射出成形によ
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。
Structure The present invention forms a plate-shaped flexural body in which a detection surface is formed between a highly rigid center portion and a peripheral portion, and uses one of the center portion and the peripheral portion as a supporting portion and the other as an acting portion. A detection element is formed on the detection surface. This results in
Since the strain body has a flat plate shape, it can be formed with only a slight cutting process during production, and can also be processed by press processing such as fine blanking, casting, or injection molding. By forming the detection surface into a flat surface, the detection element can be formed using a thin film semiconductor.

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とされている。
A first embodiment of the present invention will be described based on FIGS. 1 to 13. First, the plate-shaped flexure element 1 has a ring-shaped peripheral part 2 that is thick and has high rigidity. Eight mounting holes 3 are formed. This peripheral portion 2 serves as a support portion 4 that is fixed to a fixed portion (not shown).

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。
Further, a thick disc-shaped central portion 5 is formed in the center, and four attachment holes 6 are formed through the central portion 5 in the thickness direction. A member (not shown) is attached to this central portion 5, and this central portion 5 serves as an acting portion 7 for receiving an external force.

さらに、前記支持部4と前記作用部7との間には厚さの
汚い平板部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と二の幅狭部
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。
Further, a thin flat plate part 8 is formed between the support part 4 and the action part 7, and the surface of this flat plate part 8 is used as a detection surface 9. Eight holes 10 having a relatively large diameter are formed in such a flat plate portion 8 at equal intervals. Eight arms 11 are formed radially through these holes 10 to connect the inner and outer peripheries. These arms 11 have a narrowest part 12 at the center thereof and substantially trapezoidal expanded parts 13 located at both ends of the second narrow part 12. The arm portion 11 is positioned along the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction having an angle of 45 degrees with respect to the X-axis and the Y-axis.

ついで、前記X軸上における前記拡開部13にはY、、
Y、、Y、、Y、 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Y、、Y、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
ブリッジ結合されており、Y、、Y、、Y、、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。
Next, the expanded portion 13 on the X axis has Y,...
Detection elements 14 are formed by strain gauges labeled Y, , Y, , Y,. These detection elements 14
Of these, Y, , Y4 are located in the outer expanded portion 13, and Y, , Y, are located in the inner expanded portion 13. These detection elements 14 are bridge-coupled as shown in FIG. 5, and are connected so that when the balance of the detection elements 14 Y, , Y, , Y, , Y4 is lost, an output Vy is generated. ing.

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、、x、、x、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、、X4 とは外側の拡開
部13に位置し、前記X、 、 X。
Further, detection elements 14 made of strain gauges are formed in the expanded portion 13 on the Y axis perpendicular to the X axis, and are labeled x, , x, , x, , x. Of these detection elements 14, the X, .

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ッジ結合さレテおり、
x、、x、、x、、x、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ている
is located in the inner expanded portion 13. These detection elements 14 are bridge-coupled and arranged as shown in FIG.
When the detection elements 14 consisting of x, , x, , x, , x are out of balance, they are connected so that an output Vx is generated.

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 lz、、z
、、z、、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、z、、z、、z、、z、は内側の前記拡開部1
3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、2..2.と2.
.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Vzが発生するものである。
Further, in the expanded portion 13 located on the Z axis having an angle of 45 degrees with respect to the X axis and the Y axis, Z l lz, z
, , z, , z, , z, , z, , eight detection elements 14 are formed. Among these detection elements 14, z, , z4 . z,, z, are located in the expanded portion 13 on the outside, and z,, z,, z,, z, are located in the expanded portion 1 on the inside.
It is located at 3. These detection elements 14 are connected as shown in FIG. That is, 2. .. 2. and 2.
.. 2. and 2. .. 2. and 2. .. 2. are bridge-coupled as a unit, and when the balance between these is disrupted, an output Vz is generated.

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、SiN、あるいは内部応力の少ないa−
5i:H膜を2000〜10000人プラズマCVD法
にて作成する。
The detection element 14 positioned as described above is formed by thin film technology. That is, the plate-shaped strain body 1 is made of aluminum alloy or stainless steel.
A buffer layer is deposited on the buffer layer. Specifically, this buffer layer is made of SiN or a-
A 5i:H film is created by a 2,000 to 10,000-person plasma CVD method.

つぎに、このバッファ層の上に半導体薄膜をその厚さが
5000〜20000 A 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。
Next, a semiconductor thin film is laminated on this buffer layer to a thickness of 5,000 to 20,000 A, and a highly conductive material (for example, Al) is added to serve as an electrode material.

Ni−Cr、Mo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μC−3i(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A
l−3L (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。
metal thin film such as Ni-Cr, Mo) from 2000 to 5000
Laminate layers one after another to a human thickness. Specifically, the semiconductor thin film is μC-3i (microcrystalline silicon) created by plasma CVD method or photoexcitation CVD method.
or n”a-3i: H is used, and A is used as the electrode material.
1-3L (Si: 2 to 3 wt%) is produced by a vapor deposition method or a sputtering method.

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聞届がない
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−5i: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。
Next, the electrode material is patterned into a predetermined shape by photolithography and etching methods. As etching,
Although both the wet method and the dry method have no effect on the shape, dry etching is preferable in order to avoid any influence on the device characteristics. In addition, in the case of a-5i:H, CF4-0□ (3 to 20 wt%
) Etching with good reproducibility and precision is possible by using a mixed gas.

また、Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mzの力の6成
分の検出と検出素子14のブリッ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SiN、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−ル部を作成する。S i N 4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。
Further, since detection of the six force components Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz and a bridge circuit for the detection element 14 are required, the wiring density becomes high, so multilayer wiring is required. For this purpose, an interlayer insulating material such as photosensitive polyimide or SiN is laminated. When photosensitive polyimide is used, it is applied using a roll coater or spinner, and contact holes are created through photolithography and etching processes. In the case of S i N 4, a film is formed by plasma CVD, and after resist coating, a contact hole portion is created by photolithography and etching steps.

さらに、第2次電極材料(例えばAI、Ni−Cr。Furthermore, secondary electrode materials (e.g. AI, 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。
MO, etc.) is laminated thereon, and predetermined wiring and pad portions are formed by photolithography and etching processes.

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S 
I Q * +  S Ll N 4 を堆積形成する
Next, as a passivation film to improve moisture resistance and prevent mechanical damage, for example, parylene or S
I Q * + S Ll N 4 is deposited.

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
極材料のショート、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大きいものである。
The primary electrode pattern, the interlayer insulating part, and the secondary electrode pattern may be formed in advance of such a means for forming the detection element 14. By doing this,
Defective products up to this step can be excluded, and the yield in the final step can be improved. The failure mode in the detection element 14 portion is 25% short-circuit or disconnection of the primary and secondary electrode materials, and about 20% is short-circuit due to poor insulation in the interlayer insulation part or disconnection due to defective contact hole. , the majority of defects occur up to this stage. Therefore, the effect of eliminating these defects at an early process stage is significant.

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。
Further, when depositing the semiconductor thin film, a metal mask having openings only in necessary parts may be used to form the semiconductor thin film only in predetermined positions. This eliminates the need for photolithography and etching steps for the semiconductor thin film, simplifies the process, and makes it possible to manufacture the detection element 14 portion at low cost.

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。
In such a configuration, the principle of detection of the flat strain body 1 will be explained based on FIGS. 8(a) and 8(b).

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カく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。
First, in FIG. 8, a strain body 15 such as a beam or a plate is installed between a fixed part 16 and a movable part 17, and the upper and lower surfaces of this strain body 15 are arranged at equal distances from the center. A strain gauge 18 is provided as a detection element. The state shown in FIG. 8(a) is a state in which no load is applied to the movable part 17, and the state shown in FIG.
) is a state in which a downward load F is applied and the movable portion 17 has moved downward. At this time, the upper surface of the strain body 15 on the fixed part 16 side is elongated, the lower surface is reduced, the upper surface on the movable part 17 side is reduced, and the lower surface is elongated.

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。
That is, a strain having the same absolute value and an opposite sign occurs in the strain gauge 18, and the resistance changes accordingly.

一般にこの4枚のストレンゲージ18をブリッジ結合し
て感度を4倍にして出力を取り出すようにしている。
Generally, these four strain gauges 18 are bridge-coupled to quadruple the sensitivity and output.

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(+)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。
Next, the one shown in FIG. 9 has a cross section similar to that of the flat plate-shaped flexure element 1 in this embodiment, and the surrounding support part 4 is fixed to a fixed part (not shown), and the central acting part 7 An external force acts on it. Now, FIG. 9(a) shows a state where no load is acting on the acting part 7, and FIG. 9(b) shows a state where Fz
This is a state where a vertical load of In this state, one side from the central acting part 7 is shown in FIG. 8(b).
The state is similar to that shown in FIG. 1, in which the two inner detection elements 14 are contracted (-) and the two outer detection elements 14 are expanded (+). The state shown in FIG. 9(c) is a state in which a moment M is applied to the acting portion 7. In this state, the left and right sides exhibit antisymmetrical deflection states, and the deflection states of the inner and outer detection elements 14 have opposite signs.

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42
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。
In the plate-shaped flexure element 1 exhibiting such a detection principle, the support part 4 and the action part 7 have higher rigidity than the flat part 8, and the support part 42 and the action part 7. An important requirement is that the flat plate portion 8 be integrally formed. That is, the support part 4
A fixed part and a load detection body are connected to the and acting part 7, but if deformation or play occurs in these fastened parts due to external force, hysteresis may occur in the output.
Nonlinearity may occur. Therefore, the supporting portion 4 and the acting portion 7 have higher rigidity than the flat plate portion 8, and the supporting portion 42 has higher rigidity than the flat plate portion 8.
Action part 7. Since the flat plate portion 8 is integrally formed, hysteresis and nonlinearity do not occur. In addition, the support part 4 and the action part 7, which serve as fastening parts, are likely to be subject to stress due to screw tightening, etc., which may easily cause distortion in the detection surface 9. Since the rigidity is much higher than that of the flat plate portion 8, the detection element 14 will not be distorted due to fastening of other members.

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。
Generally, a pressure-sensitive member protruding in the Z-axis direction is attached to the centrally located acting part 7, but if a force Fx is applied to the tip of the pressure-sensitive member, My If a force Fy is applied to the tip of the pressure-sensitive member, a moment Mx will be generated in the acting portion 7. Therefore, three external forces My, Mx, and Fz are representative.

この応力関係を第10図に基づいて説明する。This stress relationship will be explained based on FIG. 10.

まず、検出面9の中心に作用点○。が存し、二の作用点
0゜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0.に働< Fx、Fy、Fz、M
x、Myの成分は、検出面9の作用点0゜では、Fz、
Mx、Myの3成分力として検出されるものである。
First, a point of action ○ is placed at the center of the detection surface 9. A pressure sensitive member with a height L is attached to the second point of action 0°, and an external force is applied to this pressure sensitive member at the point of action 0°. It shall act on Therefore, the point of action of the pressure sensitive member is 0. < Fx, Fy, Fz, M
The components of x and My are Fz,
This is detected as a three-component force of Mx and My.

つぎに、第11図ないし第13図に基づいて平9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成分部
においては変形がなく、X I IX、、X、、X、の
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「OJ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、
、Y、、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、、z、、z、、z、、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。
Next, a typical state in which an external force is applied to the flat nine-plate strain body 1 will be explained based on FIGS. 11 to 13. First, FIGS. 11(a), (b), (c), and (d) show a state in which only the moment MY acts on the acting portion 7 as an acting force. At this time, as shown in FIG. 11(a), there is no deformation in the Mx component part, and the output Vx of the bridge circuit shown in FIG. is "OJ". Also, the My component detection section is in a deformation mode as shown in FIG. 11(b), and Y,
, Y, , Y, , Y4 are respectively deformed, and the output Vy of the bridge circuit shown in FIG. 5 shows a value corresponding to the moment MY. The deformation mode is as shown in Figures (c) and (d), z,,z,,z,,z,,z,,z,,z,,z
, the eight detection elements 14 are deformed.

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「0」になる。すなわち、Z、と24.2.
と23.2.と2..2.とZ、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「0」にな
るため、出力Vzは「0」になる。
However, since the degree of this deformation is small and the output is determined by the bridge circuit shown in FIG. 7, it becomes almost "0". That is, Z, and 24.2.
and 23.2. and 2. .. 2. The directions of expansion and contraction of and Z are opposite directions, and in the bridge circuit shown in Figure 7, the combined resistances of each side cancel each other out and become "0", so the output Vz becomes "0". Become.

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rQJ となる。
Next, the state where only moment Mx acts is the 12th
As shown in Figures (a), (b), (c), and (d), in this case, the output Vx of the Mx component detection section is generated, and the output Vy of the My component detection section is "0". Further, the output Vz of the Fz component detection section becomes rQJ for the same reason as in the case in FIGS. 11(C) and (d) described above.

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、、X4 が+側の変形であり、X、、X、
が−側の変形であり、第6図に示すブリッジ回路の出力
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「O」である。−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
Furthermore, when only force Fz acts, Fig. 13(a)
As shown in (b), (c), and (d), in the Mx component detection section, X,,X4 is a + side deformation, and X,,X,
is a negative side modification, and the output Vx of the bridge circuit shown in FIG. 6 is "0". In addition, the output VY of the My component detection section
is also "O" for the same reason. On the other hand, the output Vz of the Fz component detection section is eight times that of one detection element 14.

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。
The output states shown in FIGS. 11 to 13 are summarized as shown in Table 1.

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14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「0」とすることが可能になった。
Table 1 In this way, deformation in the direction of maximum sensitivity is detected by the detection element 14 as a strain gauge, and the output of other interference components can be set to "0" by the bridge circuit.

つぎに、平板状起歪体1の平板部8に穴1oを形成した
ことによ゛す、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にの周方向の応力の
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。
Next, by forming the hole 1o in the flat plate portion 8 of the flat plate-shaped strain-generating body 1, stress separation of each component is performed well. For example, if the flat plate part 8 does not have a hole 10 and is formed by a circular diaphragm, when an external force is applied to the acting part 7, the bending stress generated in the flat plate part 8 will naturally occur in the radial direction. Although approximately the same stress is generated in the circumferential direction, when the generation of stress in the circumferential direction is detected for each component, it greatly interferes with other components. However, as described above, by forming the plurality of holes 10 at equal intervals on the circumference at equal distances from the center, the bending stress in the circumferential direction generated in the flat plate part 8 is reduced,
The generation of strain is made to appear mainly only in the radial direction. Due to such an effect, there is no interference between the stresses of each component, and the stress separation is performed satisfactorily.

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1
3に検出素子14が位置している。
Further, an arm 11 is formed by a hole 10 formed in the flat plate part 8 of the flat plate-like strain body 1, and an enlarged part 1 of this arm 11 is formed.
A detection element 14 is located at 3.

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っている。し
がも、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。
This expanded portion 13 is formed by two holes 10 adjacent to each other, and has a shape approximately approximating a trapezoid. In the circumferential direction, the expanded portions 13 are separated from each other, and as described above, interference due to bending stress in the circumferential direction does not occur. However, since the expanded portion 13 is located at the base of the arm 11 portion, it is a portion where bending stress in the radial direction is likely to occur.
This is an appropriate position for detecting strain caused by external force.

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番9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。
Furthermore, looking at the distribution of bending stress generated in the expanded portion 13, the stress distribution is relatively uniform in the expanded portion 13 at the base of the arm 11, and there is little interference. Therefore, when the sensing element 14 is attached as a strain gauge to the flat plate-like strain body 1, there is no variation in the accuracy of strain detection even if there is some positional deviation, and therefore, some positional deviation is tolerated. Therefore, there is no need to impose strict conditions on the accuracy of the pasting position.

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酸成分検出が良好に為され
、しがも、Mx、My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。
Next, since the eight holes 10 are formed in the flat plate part 8 of the flat plate-like strain body 1, a position having an angle of 45 degrees with respect to the radial direction of the X-axis and the Y-axis is formed. niz, , ,
z , z , , z , , z , , z ,
, z , , z , it becomes possible to arrange the detection elements 14 . By arranging the detection element 14 in this way, as shown in Table 1, the Fz acid component can be detected well, and when the Mx and My acid components are detected, detected values of other components are effectively erased. It is something that can be done.

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、平版状起歪体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。
Next, a second embodiment of the present invention will be described based on FIG. 15. This embodiment employs the same configuration as the first embodiment described above, and also has the following features:
9 with a detection element 14 attached thereto. That is, X
A detection element 14 for FY detection is attached to the side surface 19 of the arm 11 along the axis, and the side surface 19 of the arm 11 along the Y axis is attached to the detection element 14 for FY detection.
A detection element 14 for detecting Fx is attached to 9, and a detection element 14 for detecting moment Mz is attached to a side surface 19 of arm 11 that forms an angle of 45 degrees with the X and Y axes.

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。
Therefore, according to this embodiment, the moment Mz around the X-axis can also be detected.

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。
In each of the above-mentioned embodiments, the plate-shaped strain-generating body 1 is described as having a disk shape, but the outer peripheral shape thereof is not limited to a disk shape, and may be square, rectangular, polygonal, etc. It is possible to form it in any shape.

また、平板状起歪体1の平板部8に六10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。
In addition, although the explanation has been made regarding the case in which holes 10 are formed in the flat plate portion 8 of the flat plate-shaped strain body 1, if a simple type that allows interference of various stresses is sufficient as described above, those holes 10 may be formed. It is also possible to leave it in the shape of a diaphragm without forming it.

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。
Furthermore, regarding the direction of the detection axis, instead of detecting all three directions, x, y, and z, as in the previous embodiment, it may be configured to detect only two directions, for example, the X axis and the Y axis. It is a good thing.

効果 本発明は、上述のように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8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、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。
Effects As described above, in the present invention, one of the center part and the peripheral part is used as a support part and the other part is used as an action part, and a detection surface is formed between these two parts, and the detection surface is larger than the center part and the peripheral part. A flat plate-shaped 8-distortion body with increased rigidity with respect to the peripheral portion is formed, and a detection element that changes the electrical resistance by mechanical deformation of this detection surface is formed on the detection surface of this flat plate-shaped distortion body. It is extremely easy to manufacture the strain-generating body, and it is possible to use a manufacturing method that would not be possible with conventional block-shaped objects, and the detection element can also be formed using thin film semiconductors. Due to this.

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る等の効果
を有するものである。
It is possible to arrange detection elements with uniform performance,
Their positions are also more accurate, and in particular, the wiring of complicated lead wires for bridging each component is facilitated.

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

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 Ia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M
x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 3」 図 37図 3.3図 h J 、10図 ÷ −手続術U正店に(自J′り 昭和61年 9月 1日 特願昭61−166391号 2、発明の名称 力検出装置 3、補正をする者 一1t l’l:どの関係  特許出願人化所 東京都
大11.1区中馬込1丁目3番6号4、代 理 人 〒107 特j頭昭61−166391号補正書 この出願に関し、明細書中の記載を下記のように補正す
る。 記 ■、第4頁第3行目の「多軸成分」を「多軸力成分」に
補正する。 2、第4頁第12行目乃至第17行目の文を削除する。 3、第5頁第12行目の「もしくは射出成形Jを削除す
る。 4、第6頁第5行目の「支持部4とされている。」を「
支持部4に連結されている。」に補正する。 5、第9頁第1行目と第2行目との間に次の文を加入す
る6 1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。」 6、第9頁第8行目のrsiN、Jをrsi、N、Jに
補正する。 7、第9頁第8行目のra−5i:H膜」をrsiOx
膜」に補正する。 8、第9頁第16行目のrltC−5iJを「μC−3
iJに補正する。 96第10頁第15行目のrSiN、JをrSi、N、
Jに補正する。 10、第11頁第1行目の「SiN4」をrsi、N4
」に補正する。 11、第13頁第12行目の「結合して感度を」を次の
ように補正する。 「結合して1枚のストレンゲージの場合と比較し感度を
J 12、第16頁第15行目のr M x成分部に」をr
Mx成分検出部に」に補正する。 13、第17頁第15行目に次の文を加入する。
FIG. 1 is a perspective view showing a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a plan view thereof, FIG. 3 is a cross-sectional view of the A-A Ia section in FIG. A cross-sectional view of the line B-B,
FIG. 5 is an electric circuit diagram showing the bridge circuit of the My component detection section, FIG. 6 is an electric circuit diagram showing the bridge circuit of the Mx component detection section, and FIG. 7 is an electric circuit diagram showing the bridge circuit of the Fz component detection section. , Fig. 8 is a side view showing the detection principle, Fig. 9 is a side view showing the detection principle when an external force is applied to the flat plate-like strain body, and Fig. 10 is a perspective view showing the state of the force acting on the acting part. Figure 11 is a side view showing the deformation state of the flat plate-like strain body when moment My acts on it, and Figure 12 is a side view showing the deformation state of the flat plate-shaped flexure element when moment My acts on it.
Fig. 13 is a side view showing the deformation state of the flat plate-like flexure body when force Fz is applied, and Fig. 14 is a side view showing the deformation state of the plate-like flexure body when force Fz is applied. FIG. 15 is a vector diagram showing each component force in the case where the force is applied, and FIG. 15 is a perspective view showing a second embodiment of the present invention. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Flat strain body, 2... Peripheral part, 4... Support part, 5... Center part, 7... Acting part, 9... Detection surface, 14... Detection Element 3'' Figure 37Figure 3.3Figure h 3. Person making the amendment 1t l'l: What relationship Patent applicant's office Nakamagome 1-3-6-4, 11.1-ku, University of Tokyo 1-3-6 Agent Address: 107 Tokusho No. 61-166391 Amendment Regarding this application, the description in the specification is amended as follows: "Multiaxial component" in the third line of page 4 is amended to "multiaxial force component". 2, page 4 Delete the sentences from line 12 to line 17. 3. Delete "or injection molding J" in line 12 of page 5. 4. Delete "or injection molding J" in line 5 of page 6. ” is changed to “
It is connected to the support part 4. ”. 5. Add the following sentence between the first and second lines of page 9.6 The flat plate-like strain body sensing element 14 shown above is a conventional metal foil strain gauge. It was also possible to use The necessity of flattening the strain-generating body is also important for the thin film formation technology of strain sensors. 6. Correct rsiN, J on page 9, line 8 to rsi, N, J. 7, page 9, line 8, ra-5i:H film” with rsiOx
Correct to “membrane”. 8, page 9, line 16, rltC-5iJ is “μC-3
Correct to iJ. 96 page 10 line 15 rSiN,J is rSi,N,
Correct to J. 10, "SiN4" in the first line of page 11 is rsi, N4
”. 11, page 13, line 12, "combining to increase sensitivity" is corrected as follows. "Compare the sensitivity with the case of combining one strain gauge and set it to the r M x component part of J12, page 16, line 15".
to the Mx component detection section. 13. Add the following sentence to the 15th line of page 17.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims]  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たことを特徴とする力検出装置
1. A flat plate in which one of a center part and a peripheral part is used as a support part and the other part is used as an action part, a detection surface is formed between the two, and the rigidity of the center part and the peripheral part is greater than that of the detection surface. 1. A force detection device comprising: a flat flexure body; and a detection element that changes electrical resistance by mechanical deformation of the detection surface, is formed on the detection surface of the flat flexure body.
 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。
2. 2. The force detection device according to claim 1, wherein a plurality of detection elements are formed in the same plane.
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