JPS6394690A - 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５４−２１０
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座標系の力Ｆｘ、Ｆｖ、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。

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。特に、起歪体
と歪ゲージとは、別材料により形成されているものであ
るため、力検出時のヒステリシスの発生を防ぐことがで
きないものである。

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、検出素子を具備した起歪体の製作が容易で、
ヒステリシスの発生のない力検出装置を得ることを目的
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
形成した単結晶による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半導体プレ
ーナプロセス技術により形成する。これにより、起歪体
はエツチングにより簡単に形成することができ、しかも
、検出面を平面に形成することにより、半導体プレーナ
プロセス技術を利用して検出素子の形成を起歪体の表面
に直接的にきわめて簡単に形成することができ、そのた
め、ヒステリシスの発生のおそれがないように構成した
ものである。

本発明の一実施例を第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は単結晶基板よりなるもの
であり、その平板状起歪体ｌ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。

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個の六ｌＯ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１
１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、、
Ｙ、、Ｙ、、Ｙ、と表示されたストレンゲージによる検
出素子１４が後述の半導体プレーナプロセス技術により
形成されている。これらの検出素子１４の内、前記Ｙ、
、Ｙ、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、Ｙｌ　１　Ｙ　１１　Ｙ　３１　Ｙ　４　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Ｘ、Ｉ　Ｘ　！　ｌ　Ｘ　３１　Ｘ　４　と
表示されたストレンゲージによる検出素子１４が後述の
半導体プレーナプロセス技術により形成されている。

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、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れており、ｘ、、ｘ、、ｘ
３．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。

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が後述する半導体プレーナプロセス技術によ
り形成されている。これらの検出素子１４の内、ｚ、、
ｚ、、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、２、．２．　と２．．２３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。

前述のように位置決めされた検出素子１４は、第１５図
に示すように半導体プレーナプロセス技術により形成さ
れているものである。すなわち、前記平板状起歪体ｌは
単結晶、すなわち、Ｓｉ　ｎ−（１１０）ウェハにより
形成されているものであるが、まず、つぎにその工程を
説明する。

（酸化工程） Ｓｉ　ｎ　　（１１０）ウェハを酸化し、表面にＳｉｏ
２を形成する。このＳｉＯ□は次工程の拡散のマスクと
して使用する。

（拡散窓明工程） 選択拡散を行うためにＳｉＯ□を除去し、拡散窓明を行
う。

（拡散工程） Ｂ−Ｎプレート、Ｂｃｌ、等により拡散を行う。

ボロンはシリコン面が露出している所のみ拡散し、ｎ型
からｐ型に変わる。

（ＣＶＤ、Ｓｉ３Ｎ、デポジション工程）表面は外部か
らの汚染に対するバリアとし、裏面はシリコン基板をエ
ツチングする時のマスクとして使う。

（コンタクトホールエツチング工程） ゲージ抵抗を電気的に接続するためにコンタクトホール
をエツチングし、窓明をする。

（アルミ蒸着工程） アルミニウムによりゲージ抵抗の相互接続及び外部回路
への電気的接続を図る。

（シンタリング） アルミニウムとゲージ抵抗とのオーミック性を改善する
ためにシンタリングを行う。

このような過程を経てから、必要に応じて平板状起歪体
１に分離するダイシングを行い、また、前述の各部の形
状形成を行う。

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（＋）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ｌにおいて、作
用的に重要な点は平板状起歪体１自体に検出素子１４が
同一部材として形成されている点であり、これにより、
力検出時にヒステリシスの発生がない点に特長がある。

そのため、従来のように起歪体と検出素子とが接着等で
一体化されていても、それらが別部材で構成されている
以上、ヒステリシスの発生やクリープの発生等を避ける
ことができなかったことに比べると顕著な効果をもたら
すものである。

さらにまた、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４９作用部７゜平板部８が一
体的に形成されていることも、この種の起歪体としては
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４９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０．が存し、この作用点
Ｏ０に高さ乙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０１　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　ｚ、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、Ｘ、、Ｘ、、Ｘ、、Ｘ４（７
）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「Ｏ」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、、Ｙ、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、２．．２□ｌ　Ｚ　３　？　Ｚ　４１　Ｚ　＆　
ｌ　Ｚ　＠　ｌ　Ｚ　？　ｌ　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２４．２．と２１，２．と
２．．２．と７７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ｒＱＪになるため、出力Ｖ
ｚ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度方向にある軸
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ｒＱＪ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、、Ｘ４　が＋側の変形であり、Ｘ、、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
ＶｘはｒＱＪ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。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。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に形成された六１０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。

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
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、しかも、Ｍ　ｘ　、　Ｍ　ｙ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。

なお、前記実施例においては、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ｌ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。

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単結晶基板によ
り形成し、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半
導体プレーナプロセス技術により形成したので、単結晶
による平板状起歪体をエツチングにより簡単に製作する
ことができ、しかも、検出素子もその起歪体自体に直接
的に形成することができ、これにより、ヒステリシスの
発生の恐れがなく、また、起歪体の変形が検出素子に誤
差なく伝達されて正確な検出値を得ることができ、さら
に、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、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。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一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１
１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図はハクマクプロセスを示すフ
ローチャートである。 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 出　願　人　　　株式会社　リコー ３はし くａ） 、５５図　　　３６図 ３７菌 」０

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
   単結晶基板による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半導体プレーナプロセス技
   術により形成したことを特徴とする力検出装置。