JPH0821721B2 - 力検出装置 - Google Patents
力検出装置Info
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- JPH0821721B2 JPH0821721B2 JP61240294A JP24029486A JPH0821721B2 JP H0821721 B2 JPH0821721 B2 JP H0821721B2 JP 61240294 A JP61240294 A JP 61240294A JP 24029486 A JP24029486 A JP 24029486A JP H0821721 B2 JPH0821721 B2 JP H0821721B2
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- JP
- Japan
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- force
- axis
- axis direction
- bridge circuit
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- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
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- Measurement Of Force In General (AREA)
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、たとえばロボツト用力覚センサやマンマシ
ンインターフエ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。
ンインターフエ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。
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MX,MY,MZ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。
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MX,MY,MZ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ツク構造に形成し、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54−21021号公報、
特開昭59−95433号公報、特開昭61−57825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,FY,FZとモー
メントMX,MY,MZ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
うにブロツ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。
起歪体を立体的なブロツク構造に形成し、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54−21021号公報、
特開昭59−95433号公報、特開昭61−57825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,FY,FZとモー
メントMX,MY,MZ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
うにブロツ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、ブロツク状の素材から製
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
続はブリツ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。
が切削加工や放電加工であり、ブロツク状の素材から製
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
続はブリツ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ツクを形成している
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。
やプレートを組合せて立体的なブロツクを形成している
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。
この点、中央支持体と外周支持体と両者間を接続する
複数のビームとを共通の半導体材料で一体化構成して平
面的な起歪体を形成することが、例えば、特開昭61−22
3626号公報に開示されている。この際、各ビーム上に半
導体ゲージ抵抗(検出素子)を周知の半導体技術を用い
て一体に形成することも開示されている。これによれ
ば、検出素子を具備した起歪体の製作が容易であり、か
つ、力検出時のヒステリシスの発生が防止される。さら
には、ビーム部分の剛性を中央支持体や外周支持体の剛
性よりも小さくすることにより感度を向上させることも
開示されている。
複数のビームとを共通の半導体材料で一体化構成して平
面的な起歪体を形成することが、例えば、特開昭61−22
3626号公報に開示されている。この際、各ビーム上に半
導体ゲージ抵抗(検出素子)を周知の半導体技術を用い
て一体に形成することも開示されている。これによれ
ば、検出素子を具備した起歪体の製作が容易であり、か
つ、力検出時のヒステリシスの発生が防止される。さら
には、ビーム部分の剛性を中央支持体や外周支持体の剛
性よりも小さくすることにより感度を向上させることも
開示されている。
上記特開昭61−223626号公報に記載されたセンサ構造
によると、複数のビーム中の第1のビームの外周支持体
側に第1,2の検出素子が配設されているとともにこの第
1のビームの内周支持体側に第3,4の検出素子が配設さ
れ、さらに、第1のビームと同一線上の第2のビームの
外周支持体側には第5の検出素子、内周支持体側には第
6の検出素子が配設されている。そして、同一線上に配
設された第2,4,5,6の検出素子をこれらの平衡が崩れた
時に出力を生ずるように接続して力検出用のブリツジ回
路が形成されているとともに、内周支持体の中心に対し
てねじれの位置に配設された第1,3,5,6の検出素子をこ
れらの平衡が崩れた時に出力を生ずるように接続したモ
ーメント検出用のブリツジ回路が形成されている。
によると、複数のビーム中の第1のビームの外周支持体
側に第1,2の検出素子が配設されているとともにこの第
1のビームの内周支持体側に第3,4の検出素子が配設さ
れ、さらに、第1のビームと同一線上の第2のビームの
外周支持体側には第5の検出素子、内周支持体側には第
6の検出素子が配設されている。そして、同一線上に配
設された第2,4,5,6の検出素子をこれらの平衡が崩れた
時に出力を生ずるように接続して力検出用のブリツジ回
路が形成されているとともに、内周支持体の中心に対し
てねじれの位置に配設された第1,3,5,6の検出素子をこ
れらの平衡が崩れた時に出力を生ずるように接続したモ
ーメント検出用のブリツジ回路が形成されている。
これにより、第1,2のビームの方向をX軸方向とし、
起歪体平面内でX軸に直交する方向をY軸方向とし、こ
れらのX軸及びY軸に直交する方向をZ軸方向とする
と、起歪体にかかるZ軸方向の力は力検出用のブリツジ
回路により検出され、Y軸方向の力はX軸回りに作用す
るモーメントとしてモーメント検出用のブリツジ回路に
より検出される。
起歪体平面内でX軸に直交する方向をY軸方向とし、こ
れらのX軸及びY軸に直交する方向をZ軸方向とする
と、起歪体にかかるZ軸方向の力は力検出用のブリツジ
回路により検出され、Y軸方向の力はX軸回りに作用す
るモーメントとしてモーメント検出用のブリツジ回路に
より検出される。
また、X軸に直交するY軸方向のビーム上にも同様の
検出素子を配設してモーメント検出用のブリツジ回路を
形成すれば、X軸方向の力はY軸回りに作用するモーメ
ントとしてモーメント検出用のブリツジ回路により検出
できる旨も記載されている。
検出素子を配設してモーメント検出用のブリツジ回路を
形成すれば、X軸方向の力はY軸回りに作用するモーメ
ントとしてモーメント検出用のブリツジ回路により検出
できる旨も記載されている。
ところが、特開昭61−223626号公報に記載されたセン
サ構造によると、Z軸方向の力検出において内周支持体
の中心を通る中心線から外れた線上に配設させた第2,4,
5,6の検出素子に基づき検出しているので、内周支持体
の中心にかかるZ軸方向の力を正確に検出できない。ま
た、Z軸方向の力検出用の検出素子とY軸方向の力(X
軸回りのモーメント)検出用の検出素子とが同一のビー
ムを兼用して配設されているので、これらの力検出に際
して他軸方向の力による干渉出力が生じてしまい、この
点でも力の検出精度が悪い。
サ構造によると、Z軸方向の力検出において内周支持体
の中心を通る中心線から外れた線上に配設させた第2,4,
5,6の検出素子に基づき検出しているので、内周支持体
の中心にかかるZ軸方向の力を正確に検出できない。ま
た、Z軸方向の力検出用の検出素子とY軸方向の力(X
軸回りのモーメント)検出用の検出素子とが同一のビー
ムを兼用して配設されているので、これらの力検出に際
して他軸方向の力による干渉出力が生じてしまい、この
点でも力の検出精度が悪い。
目的 本発明は、製作の容易な平板状起歪体を用いながら、
X,Y,Z座標系をなす3軸方向の力検出を、他軸方向の力
の干渉の小さい状態で高精度に行うことができる力検出
装置を得ることを目的とする。
X,Y,Z座標系をなす3軸方向の力検出を、他軸方向の力
の干渉の小さい状態で高精度に行うことができる力検出
装置を得ることを目的とする。
構成 本発明は、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、これらの中心部と周辺部との間
にXY平面内でX軸方向とY軸方向とX軸及びY軸に対し
て45度の角度を持つ方向との4方向分の少なくとも8つ
に分離されたアームを有する検出面を形成し、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、前記検出面の機械的変形により
電気抵抗が変化する検出素子を、前記4方向分の8つの
各アームに対して前記中心部の中心を通る中心線上に位
置させ、かつ、アームの中心部側と周辺部側とに分離さ
せて少なくとも2つずつ設け、X軸方向のアーム上に設
けた4つの検出素子のバランスが崩れた時に出力を生ず
るようにこれらの4つの検出素子を接続して第1のブリ
ツジ回路を形成し、Y軸方向のアーム上に設けた4つの
検出素子のバランスが崩れた時に出力を生ずるようにこ
れらの4つの検出素子を接続して第2のブリツジ回路を
形成し、X軸及びY軸に対して45度の角度を持つ方向の
アーム上に設けた8つの検出素子のバランスが崩れた時
に出力を生ずるようにこれらの8つの検出素子を接続し
て第3のブリツジ回路を形成し、これらの第1,2及び3
のブリツジ回路の各出力により、Y軸方向、X軸方向及
び前記XY平面に直交するZ軸方向の力を検出するように
した。これにより、3軸方向の各々の力の検出が個別の
アームを用いて独立して行われるので、他軸方向の力に
よる干渉出力が極力小さい状態で高精度に行えるように
構成したものである。
とし他方を作用部とし、これらの中心部と周辺部との間
にXY平面内でX軸方向とY軸方向とX軸及びY軸に対し
て45度の角度を持つ方向との4方向分の少なくとも8つ
に分離されたアームを有する検出面を形成し、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、前記検出面の機械的変形により
電気抵抗が変化する検出素子を、前記4方向分の8つの
各アームに対して前記中心部の中心を通る中心線上に位
置させ、かつ、アームの中心部側と周辺部側とに分離さ
せて少なくとも2つずつ設け、X軸方向のアーム上に設
けた4つの検出素子のバランスが崩れた時に出力を生ず
るようにこれらの4つの検出素子を接続して第1のブリ
ツジ回路を形成し、Y軸方向のアーム上に設けた4つの
検出素子のバランスが崩れた時に出力を生ずるようにこ
れらの4つの検出素子を接続して第2のブリツジ回路を
形成し、X軸及びY軸に対して45度の角度を持つ方向の
アーム上に設けた8つの検出素子のバランスが崩れた時
に出力を生ずるようにこれらの8つの検出素子を接続し
て第3のブリツジ回路を形成し、これらの第1,2及び3
のブリツジ回路の各出力により、Y軸方向、X軸方向及
び前記XY平面に直交するZ軸方向の力を検出するように
した。これにより、3軸方向の各々の力の検出が個別の
アームを用いて独立して行われるので、他軸方向の力に
よる干渉出力が極力小さい状態で高精度に行えるように
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1はリング状に形成された厚
み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。
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1はリング状に形成された厚
み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。
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、検出面9によるXY平面内においてX軸方向とY軸
方向とX軸及びY軸に対して45度の角度を持つ方向との
4方向に沿うように前記アーム部11を位置決めしてい
る。
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、検出面9によるXY平面内においてX軸方向とY軸
方向とX軸及びY軸に対して45度の角度を持つ方向との
4方向に沿うように前記アーム部11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Y1,Y2,
Y3,Y4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Y1,Y4とは外側の拡
開部13に位置し、前記Y2,Y3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
ようにブリツジ結合されており、Y1,Y2,Y3,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。これにより、第1のブリツジ回路が
形成されている。
Y3,Y4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Y1,Y4とは外側の拡
開部13に位置し、前記Y2,Y3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
ようにブリツジ結合されており、Y1,Y2,Y3,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。これにより、第1のブリツジ回路が
形成されている。
また、前記X軸と直交する前記X軸上における前記拡
開部13にはX1,X2,X3,X4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
X1,X4とは外側の拡開部13に位置し、前記X2,X3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ツジ結合されており、X1,X2,X3,X4
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。これにより、第2のブリツ
ジ回路が形成されている。
開部13にはX1,X2,X3,X4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
X1,X4とは外側の拡開部13に位置し、前記X2,X3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ツジ結合されており、X1,X2,X3,X4
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。これにより、第2のブリツ
ジ回路が形成されている。
さらに、X軸及びY軸に対して45度の角度を持つ方向
のアーム11に位置する前記拡開部13には、Z1,Z2,Z3,Z4,
Z5,Z6,Z7,Z8と表示した8個の検出素子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、Z1,Z4,Z5,Z8は外側の前記拡開部13
に位置し、Z2,Z3,Z6,Z7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。これにより、第3のブリツジ回路が形成さ
れている。すなわち、Z1,Z4とZ2,Z3とZ5,Z8とZ6,Z7とが
それぞれユニツトになってブリツジ結合されており、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。
のアーム11に位置する前記拡開部13には、Z1,Z2,Z3,Z4,
Z5,Z6,Z7,Z8と表示した8個の検出素子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、Z1,Z4,Z5,Z8は外側の前記拡開部13
に位置し、Z2,Z3,Z6,Z7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。これにより、第3のブリツジ回路が形成さ
れている。すなわち、Z1,Z4とZ2,Z3とZ5,Z8とZ6,Z7とが
それぞれユニツトになってブリツジ結合されており、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られた検出素子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1は単
結晶、すなわちSi n−(110)ウエ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。
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1は単
結晶、すなわちSi n−(110)ウエ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)ウエハを酸化し、表面にSiO2を形成す
る。このSiO2は次工程の拡散のマスクとして使用する。
る。このSiO2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はSiO2を除去し、拡散窓明を行
う。
う。
(拡散工程) B・Nプレート、Bcl3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。
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、Si3N4デポシジヨン工程) 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。
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。
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。
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ツク性を改善す
るためにシンタリングを行う。
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。
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+−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をブリツジ結合して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。
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+−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をブリツジ結合して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、周囲の支持体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(+)ている
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つてい
る。
状起歪体1と同様な断面のものであり、周囲の支持体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(+)ている
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つてい
る。
このような検出原理を示す平板状起歪体1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
ことができなかつたことに比べると顕著な効果をもたら
すものである。
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
ことができなかつ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4,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4,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。
剛性が高く、しかも、支持部4,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4,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。
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O0が存し、この作用点O0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O1に作用するものとする。そこで、感圧部材の作
用点O1に働くFX,FY,FZ,MX,MYの成分は、検出面9の作用
点O0では、FZ,MX,MYの3成分力として検出されるもので
ある。
出面9の中心に作用点O0が存し、この作用点O0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O1に作用するものとする。そこで、感圧部材の作
用点O1に働くFX,FY,FZ,MX,MYの成分は、検出面9の作用
点O0では、FZ,MX,MY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、X1,X2,X3,X4の検出素子14により構成さ
れた第6図に示すブリツジ回路の出力VXは「0」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、Y1,Y2,Y3,Y4と表示された検出素子1
4がそれぞれ変形し、第5図に示すブリツジ回路の出力V
Y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、Z1,Z2,Z3,Z4,Z5,Z6,Z7,Z8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図に示すブリツジ回
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、Z1とZ4,Z2とZ3,Z5とZ8,Z6とZ7との伸び縮み
の変形の方向は各々逆方向であり、第7図に示すブリツ
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。
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、X1,X2,X3,X4の検出素子14により構成さ
れた第6図に示すブリツジ回路の出力VXは「0」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、Y1,Y2,Y3,Y4と表示された検出素子1
4がそれぞれ変形し、第5図に示すブリツジ回路の出力V
Y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、Z1,Z2,Z3,Z4,Z5,Z6,Z7,Z8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図に示すブリツジ回
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、Z1とZ4,Z2とZ3,Z5とZ8,Z6とZ7との伸び縮み
の変形の方向は各々逆方向であり、第7図に示すブリツ
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。
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。
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「0」となる。
(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「0」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、X1,X4が+側の変形であり、X2,X3が−側の変形で
あり、第6図に示すブリツジ回路の出力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「0」
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。
(b)(c)(d)に示されるが、MX成分検出部におい
ては、X1,X4が+側の変形であり、X2,X3が−側の変形で
あり、第6図に示すブリツジ回路の出力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「0」
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部ないし第13図の出力状態をまとめる
と、第1表に示すようになる。
と、第1表に示すようになる。
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ツジ回路
によりその出力を「0」とすることが可能になつた。
検出素子14により検出し、他の干渉成分はブリツジ回路
によりその出力を「0」とすることが可能になつた。
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。
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に形成された穴10に
よりアーム11が形成され、このアーム11の拡開部13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
状態になつている。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
があつ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。
よりアーム11が形成され、このアーム11の拡開部13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
状態になつている。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
があつ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、平板状起歪対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Z1,Z2,Z3,Z4,
Z5,Z6,Z7,Z8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成分の検出が良好に為され、しかも、MX,MY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。
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Z1,Z2,Z3,Z4,
Z5,Z6,Z7,Z8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成分の検出が良好に為され、しかも、MX,MY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。
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。
効果 本発明は、上述のように平板状起歪体の検出面に、そ
のXY平面内において、X軸方向とY軸方向とX軸及びY
軸に対して45度の角度を持つ方向との4方向分の少なく
とも8つのアームを分離させて形成し、これらの8つの
アームの中心線上に位置させて各々中心部側と内周部側
とに分離させた少なくとも2つずつの検出素子を設け、
X軸方向のアーム上の4つの検出素子により第1のブリ
ツジ回路を形成し、Y軸方向のアーム上の4つの検出素
子により第2のブリツジ回路を形成し、X軸及びY軸に
対して45度の角度を持つ方向のアーム上の8つの検出素
子の組合せにより第3のブリツジ回路を形成して、これ
らの第1,2及び3のブリツジ回路の各出力により、Y軸
方向、X軸方向及びXY平面に直交するZ軸方向の力を検
出するようにしたので、3軸方向の各々の力検出を平板
状起歪体の中心部の中心に作用する力として正確に検出
することができ、特に、3軸方向の各々の力の検出を各
々別個のアーム上に設けた検出素子を用いて独立して行
うので、他軸方向の力による干渉出力が極力小さい状態
で高精度に行うことができる等の効果を有するものであ
る。
のXY平面内において、X軸方向とY軸方向とX軸及びY
軸に対して45度の角度を持つ方向との4方向分の少なく
とも8つのアームを分離させて形成し、これらの8つの
アームの中心線上に位置させて各々中心部側と内周部側
とに分離させた少なくとも2つずつの検出素子を設け、
X軸方向のアーム上の4つの検出素子により第1のブリ
ツジ回路を形成し、Y軸方向のアーム上の4つの検出素
子により第2のブリツジ回路を形成し、X軸及びY軸に
対して45度の角度を持つ方向のアーム上の8つの検出素
子の組合せにより第3のブリツジ回路を形成して、これ
らの第1,2及び3のブリツジ回路の各出力により、Y軸
方向、X軸方向及びXY平面に直交するZ軸方向の力を検
出するようにしたので、3軸方向の各々の力検出を平板
状起歪体の中心部の中心に作用する力として正確に検出
することができ、特に、3軸方向の各々の力の検出を各
々別個のアーム上に設けた検出素子を用いて独立して行
うので、他軸方向の力による干渉出力が極力小さい状態
で高精度に行うことができる等の効果を有するものであ
る。
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成分検出部のブリツジ回路を示す電気回路図、第6図
はMX成分検出部のブリツジ回路を示す電気回路図、第7
図はFZ成分検出部のブリツ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
は薄膜プロセスを示すフローチヤートである。 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
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成分検出部のブリツジ回路を示す電気回路図、第6図
はMX成分検出部のブリツジ回路を示す電気回路図、第7
図はFZ成分検出部のブリツ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
は薄膜プロセスを示すフローチヤートである。 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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山崎 博史 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 (72)発明者 泉 耕二 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 (56)参考文献 特開 昭61−223626(JP,A) 特開 昭63−21531(JP,A) 特開 昭63−75533(JP,A) 特開 昭63−21530(JP,A) 特開 昭63−153441(JP,A) 特開 昭63−210633(JP,A) 特開 昭63−226073(JP,A) 特開 昭63−226074(JP,A) 特開 昭59−95433(JP,A) 特開 昭61−57825(JP,A) 特開 昭61−79129(JP,A) 特開 昭61−83929(JP,A) 実公 昭54−11903(JP,Y2) 実公 昭54−21021(JP,Y2)
Claims (1)
- 【請求項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、これらの中心部と周辺部との間
にXY平面内でX軸方向とY軸方向とX軸及びY軸に対し
て45度の角度を持つ方向との4方向分の少なくとも8つ
に分離されたアームを有する検出面を形成し、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、 前記検出面の機械的変形により電気抵抗が変化する検出
素子を、前記4方向分の8つの各アームに対して前記中
心部の中心を通る中心線上に位置させ、かつ、アームの
中心部側と周辺部側とに分離させて少なくとも2つずつ
設け、 X軸方向のアーム上に設けた4つの検出素子の平衡が崩
れた時に出力を生ずるようにこれらの4つの検出素子を
接続して第1のブリツジ回路を形成し、 Y軸方向のアーム上に設けた4つの検出素子の平衡が崩
れた時に出力を生ずるようにこれらの4つの検出素子を
接続して第2のブリツジ回路を形成し、 X軸及びY軸に対して45度の角度を持つ方向のアーム上
に設けた8つの検出素子の平衡が崩れた時に出力を生ず
るようにこれらの8つの検出素子を接続して第3のブリ
ツジ回路を形成し、 これらの第1,2及び3のブリツジ回路の各出力により、
Y軸方向、X軸方向及び前記XY平面に直交するZ軸方向
の力を検出するようにしたことを特徴とする力検出装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61240294A JPH0821721B2 (ja) | 1986-10-09 | 1986-10-09 | 力検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61240294A JPH0821721B2 (ja) | 1986-10-09 | 1986-10-09 | 力検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6394690A JPS6394690A (ja) | 1988-04-25 |
| JPH0821721B2 true JPH0821721B2 (ja) | 1996-03-04 |
Family
ID=17057336
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61240294A Expired - Lifetime JPH0821721B2 (ja) | 1986-10-09 | 1986-10-09 | 力検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0821721B2 (ja) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63169078A (ja) * | 1987-01-06 | 1988-07-13 | Nippon Denso Co Ltd | 半導体振動・加速度センサ |
| EP0333872B1 (en) * | 1987-09-18 | 1995-08-23 | Wacoh Corporation | Gripper for a robot |
| JP2002328420A (ja) * | 2001-04-27 | 2002-11-15 | Sony Corp | 撮影装置及び操作スイッチ |
| JP5303101B2 (ja) * | 2006-05-02 | 2013-10-02 | 本田技研工業株式会社 | 力覚センサ用チップ |
| JP5461281B2 (ja) * | 2010-03-31 | 2014-04-02 | ミネベア株式会社 | 車両用シート位置制御センサ |
| JP6919965B2 (ja) * | 2018-01-29 | 2021-08-18 | ミネベアミツミ株式会社 | センサチップ及び力覚センサ装置 |
| CN111670349B (zh) * | 2018-01-29 | 2022-04-26 | 美蓓亚三美株式会社 | 传感器芯片及力传感器装置 |
| JP6957823B2 (ja) * | 2018-01-29 | 2021-11-02 | ミネベアミツミ株式会社 | センサチップ及び力覚センサ装置 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61223626A (ja) * | 1985-03-29 | 1986-10-04 | Nec Corp | センサ |
-
1986
- 1986-10-09 JP JP61240294A patent/JPH0821721B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6394690A (ja) | 1988-04-25 |
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