JPH05332859A

JPH05332859A - 力検出器

Info

Publication number: JPH05332859A
Application number: JP4138795A
Authority: JP
Inventors: Kunitoshi Nishimura; 国俊西村; Toshitaka Shimomura; 俊隆下村
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 1992-05-29
Filing date: 1992-05-29
Publication date: 1993-12-17

Abstract

(57)【要約】【目的】小型、堅牢で、ノイズの影響を受けにくく、
検出感度の高い力検出器を提供する。【構成】円筒状基体２の外周表面に歪みゲージ素子５
_1,５_2,５_3,５₄を一体的に形成するとともに、基体の一
端開口を塞ぐようにセラミック基板３を設け、この基板
３に前記歪みゲージ素子と電気的に接続されるブリッジ
回路１０_Z1,１０ _Z2を有する信号処理回路４を設けた構
成であるから、小型、堅牢にできる。しかも、ゲージ素
子と回路とが近接はしているから、ノイズの影響を受け
にくく、検出感度も高くできる。また、回路は基体２の
空洞２Ａ内に収納されているから、安定性、信頼性を確
保できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、力検出器に関する。例
えば、各種測定器において、測定圧の検出に好適な力検
出器に関する。

【０００２】

【背景技術】各種測定器において、測定精度を高めるた
めには測定圧を一定に保つ必要がある。従来、測定圧を
一定に保つ方法として、人間の感覚を利用するタイプ、
重力を利用するタイプ、ばね圧を利用するタイプなど各
種あるが、測定速度を高めたり、測定精度を更に高くす
るためにはいずれのタイプも不十分である。

【０００３】そこで、薄板に歪みゲージを形成し、その
歪みゲージと外部の信号処理回路（ブリッジ回路を含
む）とを信号線で接続した力検出器を用いて測定圧を監
視し、測定圧を一定に保つことが考えられる。あるい
は、シリコン基板上にＬＳＩのプロセス技術で作った圧
力センサを用いることなどが考えられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
力検出器は、非常に高感度であるものの、外部の信号処
理回路まで含めると小型とは言い難いことから、測定器
などに組み込むには大きすぎるという欠点がある。しか
も、歪みゲージと外部の信号処理回路とが信号線で接続
されていることから、ノイズの影響を受けやすいという
欠点もある。

【０００５】また、後者の圧力センサは、高感度で大き
さも非常に小さいが、力検出器としては不向きである。
何故なら、シリコン薄膜の変形を利用した圧力検出原理
であるため、流体や気体などの圧力検出に適している
が、測定器に適用するためには、力を流体圧に変換する
必要があり、この細工が困難であるからである。

【０００６】ここに、本発明の目的は、このような従来
の欠点を解消し、小型、堅牢で、しかも、ノイズの影響
を受けにくく、検出感度の高い力検出器を提供すること
にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そのため、本発明の力検
出器は、基体の周面に歪みゲージを一体的に形成すると
ともに、前記基体の軸方向一端に前記歪みゲージと電気
的に接続される配線を施した基板を設け、この基板に前
記配線を介して前記歪みゲージと接続されかつその歪み
ゲージの抵抗値の変化から基体に作用する力を検出する
信号処理回路を設けた、構成としてある。

【０００８】

【作用】基体の周面に歪みゲージを形成するとともに、
その一端に基板を設け、この基板に信号処理回路を設け
た構成であるから、小型、堅牢に構成できる。しかも、
歪みゲージと検出回路とが近接しているから、ノイズの
影響を受けにくく、検出感度も高くできる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の力検出器について好適な実施
例を挙げ、添付図面を参照しながら詳細に説明する。

【００１０】第１実施例第１実施例を図１〜図５に示す。図１は本実施例の力検
出器の外観斜視図、図２はその断面図、図３はその分解
斜視図である。これらの図に示す如く、本実施例の力検
出器１は、内部に空洞２Ａを有する円筒形状の基体２
と、この基体２の一端開口を塞ぐセラミック基板３と、
このセラミック基板３に取り付けられた信号処理回路４
とから構成されている。

【００１１】前記基体２の外周表面には、化学的処理に
より、歪みゲージ５が形成されている。歪みゲージ５
は、基体２の外周表面に化学的処理により導電膜がその
周方向に沿ってジグザグ状に折り返し形成されたもの
で、図４（Ａ）（Ｂ）に示す如く、その周方向に分割さ
れた４つの歪みゲージ素子５_1,５_2,５_3,５₄を含む。な
お、ジグザグ状パターンの線幅、折り返しの回数、ピッ
チ、長さなどは、歪みゲージ５を構成する材料の特性や
必要とする検出感度に応じて決定されている。また、歪
みゲージ１１を構成する材料としては、金属の場合では
銅−ニッケル合金など、半導体の場合ではゲルマニウム
やシリコンの蒸着膜などが好適である。

【００１２】前記セラミック基板３は、前記基体２の外
径寸法より僅か大きい外径寸法を有する円盤に形成され
ている。円盤の表面側には、前記歪みゲージ５の各歪み
ゲージ素子５₁〜５₄と電気的に接続される配線６がプ
リントされているとともに、中心位置にその配線６を介
して各歪みゲージ素子５₁〜５₄と接続される信号処理
回路４が設けられている。信号処理回路４への電源供給
線７およびそこからの出力信号線８は、基板３に形成さ
れたスルーホール９を通じて基板３の裏面側に導き出さ
れている。

【００１３】前記信号処理回路４には、図５に示すブリ
ッジ回路１０_z1，１０_z2が形成されている。つまり、４
つの歪みゲージ素子５₁〜５₄のうち、基体２の軸線を
中心とする対称位置に配置された２つの歪みゲージ素子
５₁,５₃および５_2,５₄をそれぞれ対向する辺に挿入し
た２つのブリッジ回路１０_z1，１０_z2が形成されてい
る。なお、矩形枠で囲まれた抵抗は、ダミー抵抗である
（以下、同様である。）。各ブリッジ回路３１，３２の
出力Ｖ_1,Ｖ₂は、互いに加算され基体２の軸方向（Ｚ方
向）の力Ｆｚ（図４参照）に比例した信号として出力さ
れる。

【００１４】ところで、前記基体２の外周面に歪みゲー
ジ５を化学的処理により一体的に形成するには、次のよ
うにして行う。図６はそのプロセスを示している。な
お、ここでは、基体２が金属性の場合である。まず、
（Ａ）において、基体２を回転させ、その基体２の外周
表面にＣＶＤ法などにより絶縁膜１１（例えば、ＳｉＯ
₂など）を形成する。続いて、（Ｂ）において、絶縁膜
１１の上に蒸着、メッキなどの処理により金属膜や半導
体膜などの導電膜１２を形成する。

【００１５】次に、（Ｃ）において、その上にポジ形レ
ジスト膜１３をコーティングした後、（Ｄ）において、
レーザビーム１４などを照射して図３，図４に示すジグ
ザグパターンを描く。このとき、歪みゲージ５の部分に
おける線は細く、配線部分における線は十分太く描く。
続いて、（Ｅ）において、現像により光を照射した部分
以外のレジスト膜１３を取り去ったのち、露出した導電
膜１２をエッチングにより除去する。これにより、図
３，図４に示す歪みゲージができるが、最後に保護膜で
覆えば完成である。

【００１６】ちなみに、ここで説明した化学的処理は、
ＬＳＩ製造のプロセスとほぼ同様であるが、パターン形
成の表面が平坦でなく、円筒面であるある点で異なる。
しかし、ＬＳＩの製造装置に基体２を回転させるための
回転駆動機構を付加すれば、実現することができる。し
かも、パターンルールが１００μｍオーダ以上であるこ
とを考えれば、ＬＳＩ製造よりはるかに容易である。

【００１７】次に、本実施例の力検出器１の組立て方法
および使用例を説明する。まず、組立てに当たっては、
セラミック基板３の中心位置に信号処理回路４を置き、
それをプリント配線６と電気的に接続する。続いて、そ
の信号処理回路４が空洞２Ａ内に収まるように基体２を
基板３上に載せたのち、基体２の外周表面の各歪みゲー
ジ素子５₁〜５₄の端子部分とセラミック基板３上のプ
リント配線６の必要箇所とを半田で接続する。これによ
り、力検出器１が組立てられる。なお、基体２の下端
面、つまり、セラミック基板３の配線６と接する部分は
絶縁処理が施されている。

【００１８】また、使用に当たっては、図７のようにし
て使用することができる。図７は本実施例の力検出器１
をベンチ型マイクロメータ２０に用いた例である。同ベ
ンチ型マイクロメータ２０は、ベンチ型基台２１の一方
の立腕部２２にアンビル支持具２３を介してアンビル２
４を、他方の立腕部２５にアンビル２４と同軸上にマイ
クロメータヘッド２６をそれぞれ保持するとともに、マ
イクロメータヘッド２６のスピンドル２７をシンブル２
８の回動操作のほか、基台２１に内蔵のモータ（スイッ
チ２９によって起動停止される図示省略のモータ）の駆
動によってアンビル２４に対して進退させるようにした
ものである。ここでは、アンビル２４の先端に本実施例
の力検出器１が設けられている。

【００１９】いま、アンビル２４の先端に設けられた力
検出器１とスピンドル２７との間に被測定物を挿入した
のち、スイッチ２９をオンしてモータを駆動させると、
マイクロメータヘッド２６のスピンドル２７がアンビル
２４へ向かって進出される。やがて、スピンドル２７の
先端が被測定物に接し、スピンドル２７と力検出器１と
の間で被測定物を挟持した状態になると、力検出器１に
は軸方向の力Ｆｚが作用する。すると、信号処理回路４
からは、その力Ｆｚに比例した信号（Ｖ₁+Ｖ₂)が出力さ
れる。従って、その信号（Ｖ₁+Ｖ₂)を監視し、予め設定
した基準レベルに達したときにモータを停止させるよう
にすれば、測定圧を常に一定に保つことができる。

【００２０】従って、第１実施例によれば、円筒状の基
体２の外周表面に化学的処理により４つの歪みゲージ素
子５_1,５_2,５_3,５₄を形成し、この歪みゲージ素子５_1,
５_2,５_3,５₄を含んで２つのブリッジ回路１０_z1，１０
_z2を構成したので、そのブリッジ回路３１，３２の出力
Ｖ_1,Ｖ₂を互いに加算すれば、軸方向の力Ｆｚに比例し
た信号を得ることができる。しかも、基体２の一端開口
を塞いでセラミック基板３を設け、このセラミック基板
３に前記ブリッジ回路１０_z1，１０_z2を含む信号処理回
路４を設けてあるので、小型、堅牢に構成できるととも
に、ノイズの影響を受けにくく、検出感度も高くでき
る。特に、信号処理回路４は基体２の空洞２Ａ内に密封
状態で収納されているので、動作の安定性、信頼性を確
保できる。更に、組立ても容易で、安価である。

【００２１】第２実施例第２実施例を図８および図９に示す。なお、これらの図
の説明に当たって、前述した図１〜図７と同一構成要件
については、同一符号を付し、その説明を省略する。

【００２２】本実施例は、軸方向（Ｚ方向）に対して直
角方向の２つの力Ｆｘ，Ｆｙを検出できるようにしたも
ので、図８（Ａ）（Ｂ）に示す如く、基体２の外周表面
に４つの歪みゲージ素子５_11,５_12,５_13,５₁₄がＸお
よびＹ軸を中心とした対称位置にそれぞれ形成されてい
る。また、信号処理回路４には、図９に示す如く、４つ
の歪みゲージ素子５_11,５_12,５₁₃のうち、基体２の軸
線を中心とする対称位置に配置された２つの歪みゲージ
素子５_11,５₁₃および５_12,５₁₄がそれぞれ隣接する辺
に挿入された２つのブリッジ回路１０ｙ，１０ｘが形成
されている。

【００２３】従って、第２実施例によれば、第１実施例
で述べた効果に加え、軸方向（Ｚ方向）に対して直角な
力Ｆｘに比例した信号Ｖ₃をブリッジ回路１０ｘから得
ることができ、また、軸方向（Ｚ方向）に対して直角で
かつ力Ｆｘに対して直角な力Ｆｙに比例した信号Ｖ₄を
ブリッジ回路１０ｙから得ることができる。そのため、
例えば、被測定物とプローブとを互いに直交する二次元
方向へ相対移動させながら両者を接触させて被測定物の
寸法などを測定する二次元測定機などに利用できる。

【００２４】なお、図４の歪みゲージ素子５_1,５_2,５_3,
５₄と図８の歪みゲージ素子５_11,５_12,５_13,５₁₄と
を基体２の外周面に形成し、それぞれブリッジ回路１０
_z1，１０_z2、１０ｙ，１０ｘを組めば、同時に３方向の
力Ｆｚ，Ｆｘ，Ｆｙに比例した信号を得ることができ
る。

【００２５】第３実施例第３実施例を図１０に示す。なお、これらの図の説明に
当たって、前述した図１〜図７と同一構成要件について
は、同一符号を付し、その説明を省略する。

【００２６】本実施例は、図４の歪みゲージ素子５_1,５
_2,５_3,５₄をそれぞれ図１０の４つのブリッジ回路１０
_1,１０_2,１０_3,１０₄に組み込み、その出力ｅ_1,ｅ_2,ｅ
_3,ｅ ₄を演算して同時に３方向の力Ｆｚ，Ｆｘ，Ｆｙに
比例した信号が得られるようにしたものである。

【００２７】各ブリッジ回路１０_1,〜１０₄の出力ｅ_1,
ｅ_2,ｅ_3,ｅ₄は、ｅ₁＝−αＦｘ＋βＦｙ＋γＦｚ ………………（１）ｅ₂＝−αＦｘ−βＦｙ＋γＦｚ ………………（２）ｅ₃＝αＦｘ−βＦｙ＋γＦｚ ………………（３）ｅ₄＝αＦｘ＋βＦｙ＋γＦｚ ………………（４）で与えられる。なお、α，β，γは係数である。

【００２８】この（１）〜（４）式から、ｅ₁＋ｅ₂＋ｅ₃＋ｅ₄＝４γＦｚ ………（５）（ｅ₃＋ｅ₄）−（ｅ₁＋ｅ₂）＝４αＦｘ………
（６）（ｅ₁＋ｅ₄）−（ｅ₂＋ｅ₃）＝４βＦｙ………
（７）が成り立つ。

【００２９】従って、第３実施例によれば、第１実施例
で述べた効果に加え、同時に３方向の力Ｆｚ，Ｆｘ，Ｆ
ｙを検出することができるから、三次元測定機のタッチ
信号プローブに組み込めば、被測定物との接触を高感度
で検出することができる。

【００３０】以上、本発明について好適な実施例を挙げ
て説明したが、本発明は、この実施例に限られるもので
なく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の改
良並びに設計の変更が可能である。

【００３１】例えば、信号処理回路４については、基体
２の空洞２Ａ内に収まりきらない場合には、図１１に示
す如く、基板３の裏面側に取り付けるようにしてもよ
い。この場合、信号処理回路４の全てを基板３の裏面側
に取り付けるのではなく、基体２の空洞２Ａ内に収まり
きらない一部を基板３の裏面側に取り付けるようにして
もよい。

【００３２】また、上記各実施例では、力検出器１を測
定器に用いた例について説明したが、使用例としては必
ずしも測定器に限られるものでなく、一般の加工機械や
制御機械など力を検出する必要のある部位に取り付けて
用いることもできる。

【００３３】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、小型、堅
牢で、しかも、ノイズの影響を受けにくく、検出感度の
高い力検出器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す外観斜視図である。

【図２】同上実施例の断面図である。

【図３】同上実施例の分解斜視図である。

【図４】同上実施例の歪みゲージパターンを示す図であ
る。

【図５】同上実施例のブリッジ回路を示す図である。

【図６】同上実施例の歪みゲージ製造プロセスを示す図
である。

【図７】同上実施例の力検出器をベンチ型マイクロメー
タに用いた使用例を示す図である。

【図８】本発明の第２実施例における歪みゲージパター
ンを示す図である。

【図９】同上実施例のブリッジ回路を示す図である。

【図１０】本発明の第３実施例におけるブリッジ回路を
示す図である。

【図１１】本発明の変形例を示す断面図である。

【符号の説明】

１力検出器２基体３セラミック基板４信号処理回路５歪みゲージ５_1,〜５₄、５_11,〜５₁₄歪みゲージ素子１０_z1，１０_z2、１０_x,１０_y、１０₁〜１０₄ ブリ
ッジ回路１６配線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基体の周面に歪みゲージを一体的に形成す
るとともに、前記基体の軸方向一端に前記歪みゲージと
電気的に接続される配線を施した基板を設け、この基板
に前記配線を介して前記歪みゲージと接続されかつその
歪みゲージの抵抗値の変化から基体に作用する力を検出
する信号処理回路を設けた、ことを特徴とする力検出
器。