JPH02165027A

JPH02165027A - 力覚センサ

Info

Publication number: JPH02165027A
Application number: JP63321719A
Authority: JP
Inventors: Hirotoshi Eguchi; 裕俊江口; Hiroshi Yamazaki; 博史山崎; Junichi Takahashi; 淳一高橋
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1988-12-20
Filing date: 1988-12-20
Publication date: 1990-06-26

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】産業上の利用分野本発明は、産業用ロボットやマンマシンインターフェイ
スとしての三次元入力装置等に利用され従来の技術従来の力覚センサを第３図ないし第７図に基づいて説明
する。起歪体１は、その中心部が作用部２とされその周
辺部は支持部３とされている。この起歪体１の中心には
力伝達体４が取り付けられており、この力伝達体４の周
囲には作用した力により変形する肉厚の薄いダイヤフラ
ムＳが形成されている。また、前記起歪体１上には単結
晶基板６が接着固定されており、この単結晶基板６の表
面にはｘ、ｙ、ｚ軸方向の各成分力を検出する検出素子
７　（Ｒｘ、　〜Ｒｘ、、　Ｒｙ、　〜Ｒｙ、、　Ｒｚ
、　〜Ｒｚ４）がそれぞれの軸線Ａ、Ｂ、Ｃに沿って４
個ずつ形成されている。この場合、検出素子７は第５図
（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すようなブリッジ回路８に結線
されており、これにより検出電圧■の出力値によって各
成分力（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｆｚ）を検出できるようになって
いる。

発明が解決しようとする課題上述したような従来の装置における力の成分力の検出原
理について説明する。今、第６図に示すように、Ｘ軸方
向の成分力を検出する検出素子Ｒｘ−Ｒｘ、は、Ｙ軸方
向の軸線Ａに沿って形成されているものとする。この状
態において、起歪体１の力伝達体６の先端にＹ軸方向に
対して角度Ｏをなす方向に力Ｆが作用しているものとす
ると、検出素子７の形成された方向の分力Ｆ　ｃｏｓθ
　によるモーメントＭｘが発生してダイヤフラム５が変
形し、これにより単結晶基板６が歪を生じ検出素子Ｒｘ
、〜Ｒｘ４がその歪を検出する。

この場合、歪の変化様子を起歪体１との位置関係で示す
と第７図のようになる。ｅ＝ｏ°の時、Ｒｘ、〜Ｒｘ４
に生じる歪を各々ε。１〜ε。、とすると、θがある角
度の時にそれらＲｘ、〜Ｒｘ４に生じる歪ε３、〜ε１
．は、 ε口＝ε。ＬＣＯ３θ　　　　・・・（１）ただし、ｉ
＝１〜４で表されることになる。

また、このθ＝Ｏ″の時、検出素子Ｒｘ、とＲｘ４、Ｒ
ｘ、とＲｘ、はそれぞれダイヤフラム５の中心点Ｐから
等距離に形成されているため、 ε０１＝−ε。、　　　・・・（２） ε。、＝−ε。、　　　・・・（３） ε。１ε。、＜０　　　　・・・（４）のような関係が
得られる。

そして、このような歪を検出する検出素子７は、写真製
版技術や半導体技術等を用いて単結晶基板６上の中心点
Ｐから所定の対称な位置に誤差なく正確に設けられてい
るわけである。さらに、この場合、単結晶基板６を起歪
体１上に接着固定させる時、その単結晶基板６及び起歪
体１のダイヤフラム５の中心点Ｐ（軸線Ａ、Ｂ、Ｃの交
差する点）を一致させた状態で接合しなければならない
が、しかし、実際の組み立ての段階で完全に位置ズレす
ることなく接合させることは非常に困難なことである。

このような位置ズレが力検出に無視できないほどの大き
さになると、（２）〜（４）式のような関係が成り立た
なくなり、その結果、ブリッジ回路８により得られる出
力の値が誤差を含んだものとなり成分力を正確に検出す
ることができないという問題が生じる。

課題を解決するための手段そこで、このような問題点を解決するために、機械的変
形により電気抵抗を変化させる検出素子が検出面の中心
点を通る複数の軸線上に複数個形成された単結晶基板を
、中心部と周辺部とのいずれか一方を支持部とし他方を
作用部とした起歪体に接着固定してなる力覚センサにお
いて、前記複数の軸線のうち少なくとも一つの軸線上に
おける前記中心点からそれぞれ対称な位置に、少なくと
も２個ずつ前記軸線方向に沿って略同一位置に検出素子
を形成した。

作用これにより、略同一位置に少なくとも２個ずつ形成され
た検出素子により単結晶基板に生じる歪を検出すること
によって、起歪体と単結晶基板との接着時に生じる位置
ズレの影響を受けることなく成分力を精度良く検出する
ことができる。

実施例本発明の一実施例を第１図及び第２図、第７図に基づい
て説明する。なお、力覚センサの全体構成については従
来技術で述べたのでその説明は省略し、ここでは本発明
に係る単結晶基板上に形成される検出素子の形成方法に
ついて説明する。

単結晶基板６の中心点Ｐを通る軸線Ａ、Ｂ、Ｃ上には、
各成分力（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｆｚ）を検出するために検出素
子７が形成されている。まず、モーメントＭｘを検出す
るためにＹ方向の軸線Ａ上には、本発明に係る検出素子
Ｒｘ、〜Ｒｘ、が形成されている。この場合、Ｒｘ、、
Ｒｘ、とＲｘ、、Ｒｘ、、及び、Ｒｘ、、Ｒｘ、とＲｘ
、、Ｒｘ、は、それぞれ中心点Ｐから対称な位置に形成
されている。また、Ｒｘ。

とＲｘ、　、　Ｒｘ、とＲｘ、　、　Ｒｘ、とＲｘ、、
Ｒｘ、とＲｘ、とは、それぞれ軸線六方向に沿って略伺
−位置に形成されている。これにより、軸線Ａ上には、
検出素子７が略同一位置に２個ずつ対称な位置に４組形
成されていることになる。そして、これら計８個の検出
素子７は、第２図に示すようなブリッジ回路９に結線さ
れた構成となり、これにより検出電圧■により出力を得
て成分力Ｍｘの検出を行っている。

なお、この他に単結晶基板６上には、他の成分力（Ｍｙ
、Ｆｚ）をそれぞれ検出するために、Ｘ方向の軸線Ｂ上
に中心点Ｐから対称の位置に検出素子ＲＶｒ〜Ｒｙ４が
形成され、また、Ｘ方向の軸線ＢとＹ方向の軸線Ａとを
２分割する方向の軸線Ｃ上には中心点Ｐから対称の位置
に検出素子Ｒｚ、〜Ｒｚ、が形成されている。

このような構成において、以下、単結晶基板６の軸線Ａ
上における略同一位置に検出素子７を２個ずつ対称に４
組形成したことにより、接合時に生じる起歪体１と単結
晶基板６との位置ズレの影響を受けることなく正確に成
分力を検出することができる理由について説明する。

今、起歪体１と単結晶基板６との間で接合時に位置ズレ
が生じたものとする。この時、第７図に示した歪分布か
ら、第１表のような関係が得られる。

第　　１　　表ただし、士は歪の増加、−は歪の減少を示す。

そして、位置ズレによって生じた歪の変化量をΔε、〉
０（ｉ＝１〜８）とおいて、検出素子Ｒｘ。

〜Ｒｘ、にそれぞれ生じる歪ε１．〜ε１８を（１）式
の関係から求めると、 ε、１＝（ε。１＋Δε、）ｃｏｓＯ・・・（５）ε１
．＝（ε。２−Δε、）ｃｏｓｆ９　　・・・（６）ε
１３：（ε０３−Δε、）ｃｏｓＯ・・（７）ε１　＝
（ε。、＋Δε４）ｃｏｓＯ・・・（８）εＩ６＝ε１
１　　　　　　　　　　・・・（９）ε、＝ε１□　　
　　　　　　　・・・（１０）ε１．＝ε１．　　　　
　　　　　・・・（１１）εＩＳ＝ε１．　　　　　　
　　　・・・（１２）となる。

これら（５）〜（１２）式をもとに、第２図のブリッジ
回路９により得られる出力電圧■を求めると、・（１３
）ただし、Ｇ：ゲージ率Ｅ：電源電圧と求められる。

一方、第７図の関係から、発生する歪量の絶対値が等し
い場合、微小な位置ズレによる歪の変化量の絶対値はほ
ぼ等しくなる。本実施例の場合、（２）〜（４）式の関
係が成り立っていることから、さらに、 ε。、＝−ε。２　　　　　　　・・・　（１４）４十
（Ｊｌ（ε＋ｔ＋ε＋Ｊ＋（ε＋ｓ＋Ｅ＋ｙ月が成り立
つ位置を第７図から探し出し、その位置に検出素子７を
形成することによって、Δε、＝Δε　　　　　　　　
　　　・・・　（１５）ただし、（ｉ＝１〜４）の関係を得ることができる。

これら（１４）及び（１５）式の関係を（１３）式に用
いると、Ｖ　＝　−ε、、Ｇ　Ｅｃｏｓθ　　　　　　　・　（
１６）となる。

これにより、検出電圧■は、位置ズレによる歪の変化量
Δε１の影響を受けることなく出力を得ることができる
ため、成分力の検出を誤差を含むことなく正確に検出す
ることができる。

上述したように、起歪体１と単結晶基板６との間に接合
時に生じる位置ズレの影響をなくし正確な成分力の検出
を行うためには、第一に、同一個所に２個ずつ形成され
る検出素子７の形成軸は軸線Ａと略同−直線上になけれ
ばならず、第二に、Ｒｘ、、Ｒｘ４．Ｒｘ、、Ｒｘ、、
　　及び、Ｒｘ、　、　Ｒｘ、　、　Ｒｘ、　。

Ｒｘ、はそれぞれ中心点Ｐから等距離にあり、第三に、
Ｒｘ、とＲｘ２とに生じる歪は絶対値が等しく符号が逆
の関係になければならないことなどが上げられ、これら
の諸条件を満足することによって位置ズレの影響を受け
ることなく正確に成分力の検出を行うことができる。

なお、本実施例は成分力の検出としてモーメントＭＸを
検出する場合について述べたが、この他にＭｙ、Ｆｚの
成分力も同様な考え方で検出することができる。

発明の効果本発明は、複数の軸線のうち少なくとも一つの軸線上に
おける中心点からそれぞれ対称な位置に、少なくとも２
個ずつ軸線方向に沿って略同一位置に検出素子を形成し
たことにより、起歪体と単結晶基板との接着時に生じる
位置ズレの影響をなくし各成分力を誤差を含むことなく
精度良く検出することができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す力覚センサの平面図、
第２図はそのモーメントＭｘを検出するためのブリッジ
回路、第３図は従来の力覚センサを示す平面図、第４図
はその縦断側面図、第５図は各成分力を検出するための
ブリッジ回路、第６図は力の成分力の検出原理を示す説
明図、第７図は起歪体のダイヤフラムにおける歪分布を
示す波形図である。１・・起歪体、２・・・作用部、３・・・支持部、６・
・・単結晶基板、７・・・検出素子、Ａ、Ｂ、Ｃ・・・
軸線、Ｐ・・・中心点出　願　人　　　　株式会社　リ　コ

Claims

【特許請求の範囲】

　機械的変形により電気抵抗を変化させる検出素子が検
出面の中心点を通る複数の軸線上に複数個形成された単
結晶基板を、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た起歪体に接着固定してなる力覚
センサにおいて、前記複数の軸線のうち少なくとも一つ
の軸線上における前記中心点からそれぞれ対称な位置に
、少なくとも２個ずつ前記軸線方向に沿つて略同一位置
に検出素子を形成したことを特徴とする力覚センサ。