(57)【要約】【課題】歪センサを正確に所定の位置に配置することができる３次元圧力センサを提供する。【解決手段】棒状スタッド１１２と、圧力センサを固定するためのベース部材１０１と、前記棒状スタッド１１２の一端とベース部材１０１との間に結合される板状の曲げ歪検出板１０３と、この曲げ歪検出板１０３の表面に配置される歪センサ１０８〜１１１とを備え、前記曲げ歪検出板１０３は、十字形状部を有し、この十字形状部の中心には前記棒状スタッド１１２が結合されており、前記十字形状部の周辺部分にはベース部材１０１が結合されている。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）棒状スタッドと、
（ｂ）圧力センサを固定するためのベース部材と、
（ｃ）前記棒状スタッドの一端とベース部材との間に結合される板状の曲げ歪検出板と、
（ｄ）該曲げ歪検出板の表面に配置される歪センサとを備え、
（ｅ）前記曲げ歪検出板は、十字形状部を有し、該十字形状部の中心には前記棒状スタッドが結合されており、該十字形状の周辺部分にはベース部材が結合されており、前記十字形状部を形成する、上向きアーム、右向きアーム、下向きアーム、および左向きアームの表面上に各々、Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄなる歪センサが配置されており、信号処理回路は、前記棒状スタッドの先端に加えられる接触圧力がない場合の歪センサ抵抗値を、各々、Ｒａ０、Ｒｂ０、Ｒｃ０、Ｒｄ０とし、接触圧力が加えられた場合の歪センサ抵抗値を各々、Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄとするとき、〔（Ｒａ−Ｒａ０）＋（Ｒｂ−Ｒｂ０）＋（Ｒｃ−Ｒｃ０）＋（Ｒｄ−Ｒｄ０）〕の定数倍を、前記棒状スタッド軸方向接触圧力値とし、〔（Ｒａ−Ｒａ０）−（Ｒｃ−Ｒｃ０）〕の定数倍を前後の接触圧力値とし、〔（Ｒｂ−Ｒｂ０）−（Ｒｄ−Ｒｄ０）〕の定数倍を左右の接触圧力値として信号出力手段に出力するように構成することを特徴とする３次元圧力センサ。
【請求項２】
請求項１記載の３次元圧力センサにおいて、前記曲げ歪検出板は、十字形状部を有し、該十字形状部の周辺は各々結合されており、前記十字形状部の中心には棒状スタッドが結合されており、また、前記曲げ歪検出板は、十字形状部を結合する周辺部分で、十字形状の方向とほぼ４５度の方向上において前記ベース部材と結合されることを特徴とする３次元圧力センサ。
【請求項３】
請求項１記載の３次元圧力センサにおいて、前記曲げ歪検出板は、十字形状部を有し、該十字形状部の中心には前記棒状スタッドが結合されており、前記十字形状部の周辺部分にはベース部材が結合されており、前記十字形状を形成する各４個のアーム表面の、棒状スタッド寄りの部分には、各々、Ｓａ１、Ｓａ２、Ｓａ３、Ｓｂ１、Ｓｂ２、Ｓｂ３、Ｓｃ１、Ｓｃ２、Ｓｃ３、Ｓｄ１、Ｓｄ２、Ｓｄ３なる歪センサが配置されており、また、前記十字形状を形成する各４個のアーム表面の前記ベース部材寄りの部分には、Ｓａ４、Ｓｂ４、Ｓｃ４、Ｓｄ４なる歪センサが配置されており、信号処理回路は、Ｓａ１とＳｃ１との直列回路、Ｓａ４とＳｃ４との直列回路、Ｓｂ１とＳｄ１との直列回路、およびＳｂ４とＳｄ４との直列回路の４つのアームにより形成されるブリッジの出力電圧を適宜増幅して前記棒状スタッド軸方向の接触圧力値とし、また、Ｓａ２、Ｓｃ２、Ｓａ３、Ｓｃ３を各アームとするブリッジの出力を適宜増幅して前後方向の接触圧力値とし、さらに、Ｓｂ２、Ｓｄ２、Ｓｂ３、Ｓｄ３を各アームとするブリッジの出力を適宜増幅して左右方向の接触圧力値として各々信号出力手段に出力することを特徴とする３次元圧力センサ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項記載の３次元圧力センサにおいて、前記歪センサは絶縁材料上に形成されたＣｒＮ，ＣｕＮｉまたはＮｉＣｒ薄膜よりなることを特徴とする３次元圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３次元圧力センサに関するものである。特に、パソコン画面上のカーソルを移動するためのポインタ、あるいはロボットあるいは種々の製造機械の制御用とかＴＶゲームに用いられるジョイステックに用いられる、接触圧力を３次元的に検出するセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の圧力センサとしては、３次元の立体構造により６次元の力を検出する圧力センサがある。
【０００３】
図６は、下記特許文献１に示す、従来の６軸力覚センサの斜視図である。
【０００４】
この図において、受けた力を歪に変換するいわゆる起歪体１の構造を示している。この起歪体１は中心部分に支持部２が配置されるとともに、この支持部２の周囲に、４つの力作用部３，３，…が同心状に配置されている。また、これら相互間に橋絡状に配置される弾性ビームは、４本の第１弾性ビーム４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄと４本の第２弾性ビーム５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄとからなる。６は力作用部３に穿設された取付ボルト用穴である。歪センサはこの起歪体表面に合計２８個が接合されている。これらの歪センサが接合される場所は、立体の外側および十字構造の内側である。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−１４９８１１号公報  第２−３頁  図１
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の圧力センサは、立体構造であるため、小型化が困難であり、また、立体構造の中に歪センサを配置するため、歪センサを所定の位置に正確に配置するのが大変難しく、低コスト化が困難であった。
【０００７】
本発明は、上記状況に鑑みて、歪センサを正確に所定の位置に配置することができる３次元圧力センサを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕３次元圧力センサにおいて、棒状スタッドと、圧力センサを固定するためのベース部材と、前記棒状スタッドの一端とベース部材との間に結合される板状の曲げ歪検出板と、この曲げ歪検出板の表面に配置される歪センサとを備え、前記曲げ歪検出板は、十字形状部を有し、この十字形状部の中心には前記棒状スタッドが結合されており、この十字形状の周辺部分にはベース部材が結合されており、前記十字形状部を形成する、上向きアーム、右向きアーム、下向きアーム、および左向きアームの表面上に各々、Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄなる歪センサが配置されており、信号処理回路は、前記棒状スタッドの先端に加えられる接触圧力がない場合の歪センサ抵抗値を、各々、Ｒａ０、Ｒｂ０、Ｒｃ０、Ｒｄ０とし、接触圧力が加えられた場合の歪センサ抵抗値を各々、Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄとするとき、〔（Ｒａ−Ｒａ０）＋（Ｒｂ−Ｒｂ０）＋（Ｒｃ−Ｒｃ０）＋（Ｒｄ−Ｒｄ０）〕の定数倍を、前記棒状スタッド軸方向接触圧力値とし、〔（Ｒａ−Ｒａ０）−（Ｒｃ−Ｒｃ０）〕の定数倍を前後の接触圧力値とし、〔（Ｒｂ−Ｒｂ０）−（Ｒｄ−Ｒｄ０）〕の定数倍を左右の接触圧力値として信号出力手段に出力するように構成することを特徴とする。
【０００９】
〔２〕上記〔１〕記載の３次元圧力センサにおいて、前記曲げ歪検出板は、十字形状部を有し、この十字形状部の周辺は各々結合されており、前記十字形状部の中心には棒状スタッドが結合されており、また、前記曲げ歪検出板は、十字形状部を結合する周辺部分で、十字形状の方向とほぼ４５度の方向上において前記ベース部材と結合されることを特徴とする。
【００１０】
〔３〕上記〔１〕記載の３次元圧力センサにおいて、前記曲げ歪検出板は、十字形状部を有し、この十字形状部の中心には前記棒状スタッドが結合されており、前記十字形状部の周辺部分にはベース部材が結合されており、前記十字形状を形成する各４個のアーム表面の、棒状スタッド寄りの部分には、各々、Ｓａ１、Ｓａ２、Ｓａ３、Ｓｂ１、Ｓｂ２、Ｓｂ３、Ｓｃ１、Ｓｃ２、Ｓｃ３、Ｓｄ１、Ｓｄ２、Ｓｄ３なる歪センサが配置されており、また、前記十字形状を形成する各４個のアーム表面の前記ベース部材寄りの部分には、Ｓａ４、Ｓｂ４、Ｓｃ４、Ｓｄ４なる歪センサが配置されており、信号処理回路は、Ｓａ１とＳｃ１との直列回路、Ｓａ４とＳｃ４との直列回路、Ｓｂ１とＳｄ１との直列回路、およびＳｂ４とＳｄ４との直列回路の４つのアームにより形成されるブリッジの出力電圧を適宜増幅して前記棒状スタッド軸方向の接触圧力値とし、また、Ｓａ２、Ｓｃ２、Ｓａ３、Ｓｃ３を各アームとするブリッジの出力を適宜増幅して前後方向の接触圧力値とし、さらに、Ｓｂ２、Ｓｄ２、Ｓｂ３、Ｓｄ３を各アームとするブリッジの出力を適宜増幅して左右方向の接触圧力値として各々信号出力手段に出力することを特徴とする。
【００１１】
〔４〕上記〔１〕〜〔３〕のいずれか１項記載の３次元圧力センサにおいて、前記歪センサは絶縁材料上に形成されたＣｒＮ，ＣｕＮｉまたはＮｉＣｒ薄膜よりなることを特徴とする。
【００１２】
このように、本発明の３次元圧力センサは、棒状スタッドと、圧力センサを固定するためのベース部材と、棒状スタッドの一端とベース部材の間に配置される十字形状の曲げ歪検出板と、および十字形状の各アーム上に配置される複数の歪センサよりなり、これら歪センサの出力の和および差を取ることにより３次元圧力値を分離検出する。
【００１３】
曲げ歪検出板の十字形状部の端部は、隣り合う他の端部と円弧状に結合されており、十字形状方向と約４５度ずれた線上付近で曲げ歪検出板とベース部材との結合がなされる。
【００１４】
十字形状を構成する４つのアーム上には各々４個の歪センサが配置され、これら１６個の歪センサを直列接続して３つのブリッジ回路を形成し、３つのブリッジ回路出力は、各々、軸方向成分、前後方向成分、および左右方向成分を出力するように構成される。
【００１５】
また、歪センサはＣｒＮ，ＣｕＮｉまたはＮｉＣｒよりなる薄膜により形成される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明の第１の３次元圧力センサの構成例を示す図である。
【００１８】
この図において、１０１は円形の穴１０２が形成されたリング状のベース部材、１０３はベース部材１０１上に配置される曲げ歪検出板であり、この曲げ歪検出板１０３はほぼ十字形の部分を残して、４箇所に穴１０４〜１０７が形成され、棒状スタッド１１２はその十字形のほぼ中央に結合される。歪センサ１０８〜１１１は棒状スタッド１１２の軸方向の圧力と、前後方向圧力および左右方向圧力を検出するように曲げ歪検出板１０３の４箇所に配置する。
【００１９】
このように、本発明の３次元圧力センサは、ベース部材１０１、棒状スタッド１１２の間には曲げ歪検出板１０３が配置される。曲げ歪検出板１０３の上には複数個の歪センサ１０４〜１０７が結合、または曲げ歪検出板１０３の上に直接形成される。本発明の様に棒状スタッド先端の接触が一点で行われる場合には、棒状スタッドに対して回転モーメントあるいは曲げモーメントを加えることは原理的にできないので、その接触点から得られる圧力情報は６個ではなく、３個である。
【００２０】
このような場合には、図１に示すように歪センサ１０４〜１０７の配置は、曲げ歪検出板１０３の表面上のみで十分である。また、一般に曲げ歪検出板１０３の伸び変形は無視できるので、曲げ変形のみを検出すればよい。この前提に立てば、曲げ歪検出板１０３の表面上に形成する歪センサ１０４〜１０７はベース部材１０１の両面には必要なく、どちらか片面のみで十分である。
【００２１】
また、図１において、曲げ歪検出板１０３をベース部材１０１の裏面に結合することも可能であり、これによれば３次元圧力センサの高さ寸法を更に低くすることが可能である。  曲げ歪検出板１０３の曲げ歪はその曲げ歪検出板１０３の中心から上下および左右に引いた直線上に最も大きな歪が現れ、これらの直線の間での歪は少である。そこで、この例では歪が大きい部分の上に歪センサ１０８〜１１１を形成し、その他の部分については歪が大きい部分に歪が集中するよう、曲げ歪検出板１０３に４箇所の穴１０４〜１０７が形成されている。
【００２２】
この場合に、３方向から加えられた圧力と、各歪センサの出力の関係は表１のようになる。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
ここで、歪センサ出力とは例えば抵抗値変化の意味であり、＋および−とは抵抗値の変化方向を示す。０は変化しないことを意味する。ここで、歪みセンサ１０８（Ｓａ）、１０９（Ｓｂ）、１１０（Ｓｃ）、１１１（Ｓｄ）の変化の和を取れば、上下方向および左右方向圧力による抵抗値変化はキャンセルされて出て来ないので、軸方向の圧力が得られる。また、歪みセンサ１０８（Ｓａ）と１１０（Ｓｃ）の差を取れば上下方向の圧力を得ることができ、１０９（Ｓｂ）と１１１（Ｓｄ）の差を取れば左右方向の圧力を得ることができる。
【００２５】
この場合に、抵抗値については、変化量が必要なので、あらかじめ、圧力０の場合の抵抗値を測定し、この抵抗値を基準としてこれからの変化を測定すればよい。また、抵抗値の変化は圧力値そのものではなく、それぞれの場合に応じてある比例係数（符号を含む）を決めて、抵抗値変化に比例係数を掛けて圧力を求める必要がある。このようにして、各圧力値は次のようにして決定される。
（１）棒状スタッドの軸方向圧力値；
〔（Ｒａ−Ｒａ０）＋（Ｒｂ−Ｒｂ０）＋（Ｒｃ−Ｒｃ０）＋（Ｒｄ−Ｒｄ０）〕の定数倍
（２）上下方向の圧力値；
〔（Ｒａ−Ｒａ０）−（Ｒｃ−Ｒｃ０）〕の定数倍
（３）左右方向の圧力値；
〔（Ｒｂ−Ｒｂ０）−（Ｒｄ−Ｒｄ０）〕の定数倍
ここに、Ｒａ０、Ｒｂ０、Ｒｃ０、Ｒｄ０は圧力０の場合の抵抗値、Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄは圧力が加わった場合の抵抗値である。
【００２６】
図２は本発明の第２の３次元圧力センサの構成例を示す図である。
【００２７】
この図において、２０１は円形の穴２０２が形成されたリング状のベース部材、２０３はベース部材２０１上に配置される曲げ歪検出板であり、この曲げ歪検出板２０３はほぼ十字形の部分を残して、４箇所には穴２０４〜２０７が形成され、棒状スタッド２１２はその十字形のほぼ中央に結合される。２０８〜２１１は曲げ歪検出板２０３とベース部材２０１との結合部である。なお、歪センサ（図示なし）は棒状スタッド２１２の軸方向の圧力と、前後方向圧力および左右方向圧力を検出するように曲げ歪検出板２０３の４箇所に配置する。
【００２８】
このように、曲げ歪検出板２０３については、中心付近は十字形であるが、周囲は十字形が互いに接続された構造になっている。この理由は、曲げ歪検出板２０３とベース部材２０１との結合構造に関連する。曲げ歪検出板２０３が曲げ変形を起こす場合には、一般に曲げ歪検出板２０３の周辺は図２の矢印で示すように、力２１３〜２１６が働き、内側に引っ張られるような変形を起こす。
【００２９】
この変形は極めて微細なものであるが、この微細な変形を許容しない場合には曲げ歪変形自体が拘束されて、圧力と歪センサ出力の関係が比例関係にならず、徐々に傾斜が低下するいわゆるクリッピング現象を呈することが分かった。そこで、曲げ歪検出板２０３とベース部材２０１との結合は、十字形の延長上では行なわず、十字形の周辺を結合した部分で十字形と４５度異なる線上で行なうこととした。結合方法としては、スポット溶接、電子ビーム溶接等が適用可能である。
【００３０】
図３は本発明の３次元圧力センサの歪センサの配置を示す図、図４はその歪みセンサの回路図である。
【００３１】
図３において、３０１は曲げ歪検出板、３０２〜３０５は４個の穴、３０６〜３０９は曲げ歪検出板３０１とベース部材（図示なし）との結合部、Ｓａ１〜Ｓａ４は第１の歪センサ、Ｓｂ１〜Ｓｂ４は第２の歪センサ、Ｓｃ１〜Ｓｃ４は第３の歪センサ、Ｓｄ１〜Ｓｄ４は第４の歪センサである。
【００３２】
３次元圧力センサ全体構造は図１と同様であり、図３は曲げ歪検出板の部分のみを示している。この場合には、曲げ歪検出板３０１上に配置された歪センサとしては十字の各アームに対して中心付近に結合される棒状スタッド（図示なし）に近い位置に各々３個、ベース部材に近い位置に各１個、合計１６個の歪センサが配置されている。
【００３３】
図４において、歪センサＳａ１〜Ｓａ４，Ｓｂ１〜Ｓｂ４，Ｓｃ１〜Ｓｃ４，Ｓｄ１〜Ｓｄ４の回路図が示されている。つまり、Ｓａ１とＳｃ１の直列回路と、Ｓａ４とＳｃ４との直列回路と、Ｓｂ１とＳｄ１との直列回路と、Ｓｂ４とＳｄ４との直列回路とを入力電圧３１０を印加したホイストーンブリッジ接続すると、その出力として軸方向圧力３１１を得ることができる。
【００３４】
また、Ｓａ２とＳｃ２とＳａ３とＳｃ３とで入力電圧３１０を印加したホイストーンブリッジ接続すると、その出力として前後方向圧力３１２を得ることができる。
【００３５】
更に、Ｓｄ２とＳｂ３とＳｄ３とＳｂ２とで入力電圧３１０を印加したホイストーンブリッジ接続すると、その出力として左右方向圧力３１３を得ることができる。
【００３６】
この場合の圧力とセンサ出力の関係は、表１と同様に＋−を定義するとき、表２のようになる。
【００３７】
【表２】
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【００３８】
ここで、Ｓａ４、Ｓｂ４、Ｓｃ４、Ｓｄ４がＳａ１〜Ｓａ３等と比較して符号が反転する理由は、図３において中心付近に結合された棒状スタッド（図示なし）に圧力が加わるとき、曲げ歪検出板の曲げ変形は単に円弧の一部のような変形でなく、途中に変曲点の存在するＳ字状の変形になる。それは周辺部分がベース部材に結合されているからである。従って、曲げ歪検出板の表面上では、片側の面の中でも、棒状スタッドに近い部分とベース部材に近い部分では歪センサの出力としては符号が逆転するような場所が存在する。これを利用すれば、ブリッジ回路の４つの素子を歪センサのみで構成することができる。また、この構成では、各アームに複数個の独立した歪センサを配置しているので、これらの歪センサを用いて複数個のブリッジ回路を直接構成することができる。図４はこのブリッジ回路の例である。この場合には、図１に示す実施例のように各センサの出力に対して更に加減算を施すことなく、直接ブリッジ出力として３方向の圧力を得ることができる。このことにより、各圧力成分をより正確に、また簡単な回路で検出することが可能になる。
【００３９】
図５は本発明の第３の３次元圧力センサの構成例を示す図である。
【００４０】
従来、歪センサには、樹脂基板の上に圧延基板の上に圧延成形した抵抗歪材料を接着等の手段で接合したものが用いられる。この歪センサは曲げ歪検出板上に接着して使用する。しかし、歪センサを多数個配置する場合には、通常の歪センサでは形が大きく、実行が難しい。この実施例では、曲げ歪検出板４０１が金属である場合には、その表面上にＡｌ２  Ｏ３  またはＳｉＯ２  等の絶縁膜４０２を形成し、その上にＣｒＮ，ＣｕＮｉまたはＮｉＣｒからなる歪センサ４０３を形成するようにしている。この形成プロセスはフォトプロセスおよびスパッタプロセスであり、極めて微細な形状の形成が比較的容易に実現できる。
【００４１】
これらの材料の中で、ＣｒＮはゲージ率（加えられた歪みに対する抵抗変化率）が約６と、通常の抵抗歪材料の２に対して約３倍大きいので、加えられた圧力に対する出力感度の向上が可能である。
【００４２】
本発明は、棒状スタッドとベース部材、これらの間に配置される板状の曲げ歪検出板、および曲げ歪検出板表面に配置される歪センサよりなり、棒状スタッドに加えられる３次元圧力を歪センサにより検出する。３次元圧力を効果的に検出するため、曲げ歪検出板およびセンサ構造に新規の工夫がなされる。
【００４３】
本発明により、大変小さく、しかも低コストのジョイスティックの実現が可能になる。ジョイスティックはＴＶゲームのみならず、ロボットあるいは種々の製造機械の制御用としても広く応用できる。
【００４４】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００４５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００４６】
（Ａ）棒状スタッドの一端に加えられた３次元圧力値を、十字形状の曲げ歪検出板の上に配置した複数個の歪センサの出力のみから検出することが可能であり、小型化で、しかも曲げ歪検出板が２次元であることから、板上の所定の位置に歪センサを配置することは容易なので、低コストの３次元圧力センサが実現できる。
【００４７】
（Ｂ）曲げ歪検出板の曲げ変形については、一般に板の面内での長さ方向変化を伴う。このため、曲げ歪検出板をベース部材に結合する場合には、十字形状の上で結合が行なわれると、板の長さ方向変化が曲げ変形を抑制してしまうため、歪センサ出力は加えられた圧力に対して単純な比例関係にならない。そのため、十字形状の先端部を互いに円弧状に結合し、ベース部材との結合は十字形状と４５度ずれた方向にすることにより、この問題を解決した。
【００４８】
（Ｃ）十字形状の各アーム上に配置された歪センサ出力は、加えられた３次元圧力成分に対して特有の符号関係が存在するので、この性質を利用してブリッジ回路を構成することにより、ブリッジ回路出力が特定の圧力成分のみに感応するように構成する。これにより、精度の高い３次元成分の分離が可能になる。
【００４９】
（Ｄ）歪センサをＣｒＮ，ＣｕＮｉまたはＮｉＣｒ薄膜で形成することにより、３次元圧力センサとして一層の精度の向上と、小型化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の３次元圧力センサの構成例を示す図である。
【図２】本発明の第２の３次元圧力センサの構成例を示す図である。
【図３】本発明の３次元圧力センサの歪センサの配置を示す図である。
【図４】本発明の３次元圧力センサの歪センサの回路図である。
【図５】本発明の第３の３次元圧力センサの構成例を示す図である。
【図６】従来の６軸力覚センサの斜視図である。
【符号の説明】
１０１，２０１    ベース部材
１０２，２０２  円形の穴
１０３，２０３，３０１，４０１    曲げ歪検出板
１０４〜１０７，２０４〜２０７，３０２〜３０５    穴
１１２，２１２    棒状スタッド
１０８〜１１１，４０３    歪センサ
２０８〜２１１，３０６〜３０９    結合部
２１３〜２１６    力
３１０    入力電圧
３１１    軸方向圧力
３１２    前後方向圧力
３１３    左右方向圧力
４０２    絶縁膜（樹脂ベース）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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