JPH04249728A - カウンターウェイト取付軸を持った半導体三軸力覚センサー - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は自動化製造装置やロボッ
トの物品把握部で把握力の自動設定等に使用する力覚セ
ンサーの入力部に関し、特に拡散歪ゲージを形成したシ
リコン単結晶基板よりなるセンサーチップを起歪体上に
接合した半導体三軸力覚センサーに関する。

【０００２】

【従来の技術】先ず、本考案の対象となる拡散型力覚セ
ンサーについて説明する。

【０００３】従来から知られた力覚センサーは三次元構
造に加工された起歪体にストレインゲージを貼付したも
のであるが、大きさや感度、更に価格の面で充分なもの
であるとは言えないものであった。

【０００４】ところが、このような従来からの力覚セン
サーに改良を加え、シリコン単結晶基板に機械的外力を
加えると結晶格子に歪みを生じ、半導体中のキャリア数
や移動度が変化して抵抗率が変わる現象即ちピエゾ抵抗
効果を利用して起歪体の歪みを抵抗の変化に変換し、ブ
リッジ回路により起歪体に加わる力を電気信号に変換す
るセンサーチップを用いた拡散型三次元力覚センサーが
考え出された。

【０００５】図３に示すものは上述の拡散型三次元力覚
センサー（以下単に力覚センサーという）断面図である
。この力覚センサー１０の起歪体１１は外周部１１ａと
、中心部に垂直に突出した検出アーム１３と、これら外
周部１１ａと検出アーム１３の間は環状のダイアフラム
１２で形成し、このダイアフラム１２の前記検出アーム
１３と反対側の面にはシリコン単結晶板のセンサーチッ
プ１４が貼付してある。

【０００６】このセンサーチップ１４には、前記ダイア
フラム１２の外周部１１ａ側のエッジ部１２ａと検出ア
ーム１３側のエッジ部１２ｂに対応する位置にゲージ抵
抗１４−１、１４−２、１４−３、１４−４が一つの直
径上に並んで形成されている。なお、検出アーム１３の
先端には、被測定物と接続するようにねじ孔１３ａが穿
設してある。

【０００７】図４、図５、図６は上述の力覚センサー１
０のゲージ抵抗１４−１、１４−２、１４−３、１４−
４で構成されたブリッジ回路で、ダイアフラム１２の各
ゲージ抵抗１４−１、１４−２、１４−３、１４−４が
外力を受けた時、ブリッジ回路各辺の電気抵抗Ｒｘ１　
〜Ｒｘ４　、Ｒｙ１〜Ｒｙ４　、Ｒｚ１　〜Ｒｚ４　は
表１に示す変化を起こし、Ｘ軸モーメント（Ｍｘ）、Ｙ
軸モーメント（Ｍｙ）、Ｚ軸押張力（Ｆｚ）を検出する
ことが出来る。図４はＭｘ用、図５はＭｙ用、図６はＦ
ｚ用である。

【０００８】ここで、各ゲージ抵抗１４−１、１４−２
、１４−３、１４−４はＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各ブリッジ
抵抗Ｒｘ１　〜Ｒｘ４　、Ｒｙ１　〜Ｒｙ４　、Ｒｚ１
　〜Ｒｚ４　に共通である。

【０００９】

【００１０】そこで、例えばＦｚの押力が検出アーム１
３に負荷された場合について考えてみると、図７のよう
に検出アーム１３はダイアフラム１２の方向に押され、
図９の断面図のようにダイアフラム１２はエッジ部１２
ａ、１２ｂ、１２ｂ、１２ａの位置で、■、■は上向き
に湾曲し、■、■は下向きに湾曲する。この結果、図６
の回路によってブリッジ出力は 　　Ｖｚ＝Ｉ×（Ｒｚ１　・Ｒｚ４　−Ｒｚ２　・Ｒｚ
３　）／（Ｒｚ１　＋Ｒｚ２　＋Ｒｚ３　　　　　　　
　　＋Ｒｚ４　） の数式から出力が検出される。即ち、ブリッジの対角線
同士（Ｒｚ１　とＲｚ４　）、（Ｒｚ２　とＲｚ３　）
が同じ方向（＋又は−）に変化すると出力が検出される
。

【００１１】この原理は図８、図１０の場合のＸ方向、
Ｙ方向の傾き（Ｍｘ、Ｍｙ）の場合も全く同様に図４の
回路からＭｘに、図５の回路からＭｙにそれぞれ対応す
る出力Ｖｘ、Ｖｙが検出される。

【００１２】

【考案が解決しようとする課題】ところで、図３に示す
ような従来の力覚センサーを用いてロボット用グリッパ
ーを作り、ワークの挿入作業等を行う場合、グリッパー
とワークの重量が力覚センサーに常に負荷されているた
め、グリッパーの姿勢によりモーメントであるＭｘ、Ｍ
ｙ及び力のＦｚが変化してしまい、力の制御が煩雑にな
ったり、特にグリッパーとワークを合わせた重心が力覚
センサーから遠い位置にあると定格モーメントの大きな
力覚センサーを使用しなければならず、その結果、力の
検出精度を低下させてしまうという問題があった。

【００１３】この問題を解決するために、従来では図２
に示したように、カウンターウェイト２１をグリッパー
２０に一体で取付け、どのような姿勢においても静止し
ており、外力が加わらない限りモーメントが発生しない
ように構成していた。同図でグリッパー２０及びカウン
ターウェイト２１は検出アーム１３に螺合等の方法で固
定されており、カウンターウェイト２１は力覚センサー
１０を取付けているフレーム２２の外側に大きく張り出
した状態となっている。

【００１４】ところが、図２に示すように、カウンター
ウェイト２１は力覚センサー１０を覆うように作らなけ
ればならず、力覚センサー１０を含む検出部分が大型化
してしまい、この検出部分を使用する装置全体も大型化
せざるを得ないという問題がある。

【００１５】本考案は上述の問題を解決して、必要以上
の大型の力覚センサーを使用せず、この結果、装置全体
の大型化を防止することが可能な力覚センサーを提供す
ることを課題とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
めに、拡散型ゲージ抵抗を形成したシリコン単結晶基板
よりなるセンサーチップ３４を起歪体３１上に接合して
なる力覚センサー３０において、前記起歪体３１の中心
部に起歪体３１と一体で設けられた検出アーム３３の前
記起歪体３１側の延長線上に前記起歪体３１と一体で設
けられたカウンターウェイト取付け軸３５（以下単に取
付け軸という）と、この取付け軸３５に固定したカウン
ターウェイト３７とを設けたものである。

【００１７】

【実施例】図１は本考案の力覚センサー及びその取付け
部分の断面図である。この力覚センサー３０は従来の力
覚センサー１０と基本的には同じであるが、起歪体３１
の中央部のダイアフラム３２の中心に一体で設けられた
検出アーム３３のダイアフラム３２側の延長線上に一体
で設けられた取付け軸３５が形成されている。

【００１８】この取付け軸３５を設けるために、センサ
ーチップ３４は中心部に取付け軸３５を貫通する孔が穿
設されており、カバー３６にはその中心部に貫通してい
る取付け軸３５が傾斜しても接触しない程度の大きさの
孔３６ａが穿設されている。

【００１９】上述の取付け軸３５の先端側にはカウンタ
ーウェイト３７がねじ３８による緊締や溶着、接着等の
方法で固定してある。又、取付け軸３５と反対側の検出
アーム３３にはカウンターウェイトの付いていないグリ
ッパー３９が螺合等の方法で固定されている。このカウ
ンターウェイト３７はその外径が力覚センサー３０の外
径より小さい外径とし、この力覚センサー３０をフレー
ム２２に取付けてもフレーム２２内に収まるように構成
されている。

【００２０】

【考案の効果】カウンターウェイトそのものの動作は従
来の図２に示す力覚センサーの場合と同じであるが、本
考案の力覚センサーはカウンターウェイトをグリッパー
と別個に設けることにより、全体を小型化することが可
能となった。

【００２１】この結果、本考案の力覚センサーを使用す
る装置は大型化することなく、力の制御を簡単にするこ
とが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の力覚センサーの断面図

【図２】従来の
改良された力覚センサーの断面図

【図３】従来の力覚セ
ンサーの断面図

【図４】Ｘ軸用ブリッジ回路図

【図５】Ｙ軸用ブリッジ回路図

【図６】Ｚ軸用ブリッジ回路図

【図７】Ｚ軸方向の押張力の変形シミュレーション図

【
図８】Ｘ（Ｙ）軸方向の変形シミュレーション図

【図９
】Ｚ軸方向の押力を受けた場合の起歪体の断面図

【図１
０】Ｘ（Ｙ）軸方向のモーメントを受けた場合の起歪体
の断面図

【符号の説明】

３０　　力覚センサー ３１　　起歪体 ３２　　ダイアフラム ３３　　検出アーム ３４　　センサーチップ ３５　　カウンターウェイト取付け軸 ３６　　カバー ３７　　カウンターウェイト ３８　　ねじ ３９　　グリッパー

Claims (1)

【特許請求の範囲】 】
1. 【請求項１】　　拡散型ゲージ抵抗を形成したシリコン
   単結晶基板よりなるセンチーチップを起歪体上に接合し
   てなる拡散型力覚センサーにおいて、前記起歪体の中心
   部に起歪体と一体で設けられた検出アームの前記起歪体
   側の延長線上に前記起歪体と一体で設けられたカウンタ
   ーウェイト取付け軸と、このカウンターウェイト取付け
   軸に固定したカウンターウェイトとを設けたことを特徴
   とするカウンターウェイト取付軸を持った半導体三軸力
   覚センサー。