JPS6321530A - 力検出装置 - Google Patents

力検出装置

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JPS6321530A
JPS6321530A JP61166391A JP16639186A JPS6321530A JP S6321530 A JPS6321530 A JP S6321530A JP 61166391 A JP61166391 A JP 61166391A JP 16639186 A JP16639186 A JP 16639186A JP S6321530 A JPS6321530 A JP S6321530A
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Koji Izumi
泉 耕二
Hirotoshi Eguchi
裕俊 江口
Yuji Kimura
裕治 木村
Hidekazu Oota
英一 太田
Yutaka Ebi
海老 豊
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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。
−i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座標おの力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
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。
また、外力を多軸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聞届がある。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。
さらに、別の構造のものとしては、特開昭60−221
288号公報に、いわゆる8角応力リングが開示されて
いる。このような8角応カセンサにおいては、外力が一
方向の圧覚センサとしては使えるが、多軸力用としては
使用することができないと云う問題点がある。
目的 本発明は、起歪体の製作が容易であり、検出素子の形成
も簡単に行うことができる力検出素子を得ることを目的
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形成する。これにより、
起歪体は平板状であるため、その製作時に僅かな切削加
工をするだけで形成することができ、また、ファインブ
ランキング等のプレス加工や鋳造もしくは射出成形によ
る加工も可能であり、しかも、検出面を平面に形成する
ことにより、検出素子の形成を薄膜半導体を用いて行う
ことができるように構成したものである。
本発明の第一の実施例を第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とされている。
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
汚い平板部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と二の幅狭部
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が形成されている。これらの検出素子14
の内、前記Y、、Y4 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、Y、、Y、、Y、、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。
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、、x、、x、、x、と表示されたストレ
ンゲージによる検出素子14が形成されている。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レテおり、
x、、x、、x、、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が形成されている。これらの検出素子14の
内、z、、z4.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1
3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.
.2.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、薄膜技術
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はアルミニュウム合金またはステンレス鋼に
より形成されているものであるが、まず、その検出面9
にはバッファ層が堆積形成される。このバッファ層とし
て具体的には、SiN、あるいは内部応力の少ないa−
5i:H膜を2000〜10000人プラズマCVD法
にて作成する。
つぎに、このバッファ層の上に半導体薄膜をその厚さが
5000〜20000 A になるように積層し、さら
に、電極材料となる高導電材料(たとえば、Al。
Ni−Cr、Mo等の金属薄膜)を2000〜5000
人の厚さをもって順次積層する。具体的には、半導体薄
膜としては、プラズマCVD法あるいは光励起CVD法
で作成したμC−3i(マイクロクリスタルシリコン)
か、n”a−3i: Hを使用し、電極材料としてはA
l−3L (Si: 2〜3wt%)を蒸着法あるいは
スパッタリング法によって作成する。
つぎに、電極材料をフォトリソ、エツチング工法によっ
て所定の形状にパターン化する。エツチングとしては、
ウェット法、ドライ法とがともに形状的には聞届がない
が、素子特性に対する影響を避けるためには、ドライエ
ッチが望ましい。また、a−5i:Hの場合、プラズマ
エツチング装置によりCF4−0□ (3〜20wt%
)の混合ガスを使用することで再現性、精度とも良好な
エツチングが可能である。
また、Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mzの力の6成
分の検出と検出素子14のブリッジ回路とを必要とする
ことから配線密度が高くなるため、多層配線としなけれ
ばならない。そのために、層間絶縁材料、例えば感光性
ポリイミドあるいはSiN、を積層する。感光性ポリイ
ミドを使用する場合には、ロールコータあるいはスピナ
ーによって塗布し、フォトリソ、エツチング工程により
コンタクトホ−ル部を作成する。S i N 4の場合
には、プラズマCVD法によって成膜をし、レジスト塗
布後にフォトリソ、エツチング工程によりコンタクトホ
ール部を作成する。
さらに、第2次電極材料(例えばAI、Ni−Cr。
MO等)をこの上に積層し、フォトリソ、エツチング工
程により所定の配線及びパッド部を形成する。
つ、ぎに、耐湿性の向上及び機械的損傷の防止のための
パシベーション膜として、例えばパリレンあるいはS 
I Q * +  S Ll N 4 を堆積形成する
。
このような検出素子14の形成手段に対して、第1次電
極パターン、層間絶縁部、第2次電極パターンを先に形
成しておくこともできる。このようにすることにより、
この工程までの不良品を除外することができ、最終工程
での歩留まりを向上させることができるものである。検
出素子14部分での不良モードは、第1次及び第2次電
極材料のショート、断線が25%であり、層間絶縁部の
絶縁不良によるショート、コンタクトホール不良品によ
る断線が20%程度であり、この工程までの不良が大半
を占めている。そのため、早い工程段階でこれらの不良
を除外できる効果は大きいものである。
また、半導体薄膜の堆積形成の際に、必要な部分だけに
開口部を設けたメタルマスクを使用して所定の位置だけ
に半導体薄膜を形成するようにしても良い。これにより
、半導体薄膜のフォトリソ、エツチング工程が不用とな
り、プロセスが簡略化でき、低コストで検出素子14部
分の製造が可能になる。
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カく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1において、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42作用部7.平板部8が一体的に形成さ
れていることが重要な要件である。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42
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○。が存し、二の作用点
0゜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0.に作用するものとする。そこで
、感圧部材の作用点0.に働< Fx、Fy、Fz、M
x、Myの成分は、検出面9の作用点0゜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9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成分部
においては変形がなく、X I IX、、X、、X、の
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「OJ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、、Y4 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、z、、z、、z、、z、、z、、z、、z、、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「0」になる。すなわち、Z、と24.2.
と23.2.と2..2.とZ、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「0」にな
るため、出力Vzは「0」になる。
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、、X、
が−側の変形であり、第6図に示すブリッジ回路の出力
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「O」である。−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「0」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1oを形成した
ことによ゛す、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にの周方向の応力の
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
がも、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番9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
、しがも、Mx、My酸成分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。
ついで、第15図に基づいて本発明の第二の実施例を説
明する。本実施例は前述の第一の実施例と同様な構成が
採用されている他に、平版状起歪体1の穴10の側面1
9に検出素子14を貼付したものである。すなわち、X
軸に沿ったアーム11の側面19にはFY検出用の検出
素子14が貼付され、Y軸に沿ったアーム11の側面1
9にはFx検出用の検出素子14が貼付され、X軸及び
Y軸と45度の角度をなすアーム11の側面19にはモ
ーメントMz検出用の検出素子14が貼付されている。
したがって、本実施例によれば、X軸回りのモーメント
Mzも検出することができるものである。
なお、前記の各実施例においては、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1の平板部8に六10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8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形成したので、平板
状起歪体の製作がきわめて容易であり、しかも、従来の
ブロック状のものであれば製作することができない工法
を採用することができ、検出素子も薄膜半導体を利用し
て形成することができ、これにより。
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、とくに、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図は本発明の第一の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 Ia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M
x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図は本発明の第二の実
施例を示す斜視図である。 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 3」 図 37図 3.3図 h J 、10図 ÷ −手続術U正店に(自J′り 昭和61年 9月 1日 特願昭61−166391号 2、発明の名称 力検出装置 3、補正をする者 一1t l’l:どの関係  特許出願人化所 東京都
大11.1区中馬込1丁目3番6号4、代 理 人 〒107 特j頭昭61−166391号補正書 この出願に関し、明細書中の記載を下記のように補正す
る。 記 ■、第4頁第3行目の「多軸成分」を「多軸力成分」に
補正する。 2、第4頁第12行目乃至第17行目の文を削除する。 3、第5頁第12行目の「もしくは射出成形Jを削除す
る。 4、第6頁第5行目の「支持部4とされている。」を「
支持部4に連結されている。」に補正する。 5、第9頁第1行目と第2行目との間に次の文を加入す
る6 1以上で示した平板状起歪体の検出素子14は従来から
使われてきた金属箔歪ゲージを用いることも可能であっ
た。起歪体の平板化の必要性は、歪センサの薄膜形成技
術にとっても重要である。」 6、第9頁第8行目のrsiN、Jをrsi、N、Jに
補正する。 7、第9頁第8行目のra−5i:H膜」をrsiOx
膜」に補正する。 8、第9頁第16行目のrltC−5iJを「μC−3
iJに補正する。 96第10頁第15行目のrSiN、JをrSi、N、
Jに補正する。 10、第11頁第1行目の「SiN4」をrsi、N4
」に補正する。 11、第13頁第12行目の「結合して感度を」を次の
ように補正する。 「結合して1枚のストレンゲージの場合と比較し感度を
J 12、第16頁第15行目のr M x成分部に」をr
Mx成分検出部に」に補正する。 13、第17頁第15行目に次の文を加入する。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1.  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
    させる検出素子を形成したことを特徴とする力検出装置
    。
  2.  2.複数の検出素子を同一平面内に形成したことを特
    徴とする特許請求の範囲第1項記載の力検出装置。
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