特許 6874045 力センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6874045

(24)【登録日】2021年4月23日

(45)【発行日】2021年5月19日

(54)【発明の名称】力センサ

(51)【国際特許分類】

   G01L 1/22 20060101AFI20210510BHJP

【ＦＩ】

   G01L1/22 F

【請求項の数】5

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2019-51968(P2019-51968)

(22)【出願日】2019年3月19日

(65)【公開番号】特開2020-153791(P2020-153791A)

(43)【公開日】2020年9月24日

【審査請求日】2021年1月19日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000173795

【氏名又は名称】公益財団法人電磁材料研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110000800

【氏名又は名称】特許業務法人創成国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】丹羽 英二

【審査官】 大森 努

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１６−１５１５３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１７０３５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０２６３６７９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特許第６０８４３９３（ＪＰ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｌ １／２２，５／００−５／２８，

Ｇ０１Ｂ ７／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

弾性を有する起歪体と、
前記起歪体を全周にわたり連続的または離散的に支持する支持部と、
前記起歪体の主面に配置されている、当該主面方向に等方的なゲージ率を有する導電性部材と、を備え、
前記起歪体に対して主面の垂線方向成分を有する力が作用した際に極点を基準とした前記起歪体の経線方向についての第１ひずみ量および前記起歪体の緯線方向についての第２ひずみ量の大きさの和が基準値以上となる指定緯度範囲において、前記導電性部材が１箇所で分断された前記極点を取り囲む環状に延在するように前記起歪体の主面に配置され、
前記導電性部材は、前記起歪体のひずみ量に応じて電気抵抗値が変化する抵抗体であることを特徴とする力センサ。

【請求項2】

請求項１記載の力センサにおいて、
前記起歪体の形状が、前記極点を通る主面の垂線に平行な軸線を基準とする回転対称性または前記極点を通る主面に垂直な平面を基準とする鏡像対称性を有し、
前記起歪体の周縁における前記支持部による連続的または離散的な支持態様が、前記軸線を基準とする回転対称性または前記平面を基準とする鏡像対称性を有し、
前記導電性部材が、前記軸線を基準とする回転対称性または前記平面を基準とする鏡像対称性を有するように前記起歪体の前記主面に配置されていることを特徴とする力センサ。

【請求項3】

請求項１または２に記載の力センサにおいて、
前記起歪体の少なくとも一方の主面に配置され、前記導電性部材とともにひずみ検知用回路を構成する導線部材をさらに備えていることを特徴とする力センサ。

【請求項4】

請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の力センサにおいて、
前記起歪体の前記極点を基準として広がる基準領域に当接または取り付けられた状態で、前記起歪体に力を伝達する力伝達部材をさらに備えていることを特徴とする力センサ。

【請求項5】

請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の力センサにおいて、
前記導電性部材がＣｒ基薄膜により構成されていることを特徴とする力センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、導電性部材を用いた力センサに関する。

【背景技術】

【0002】

本発明者により、Ｃｒおよび不可避不純物からなるＣｒ基薄膜またはＣｒ、Ｎおよび不可避不純物からなるＣｒ基薄膜により構成されている導電性部材が提案されている（特許文献１参照）。

【0003】

この導電性部材は、測定用の電流が流れる方向である受感部の長手方向が、対象物のひずみの方向に対して垂直になるように配置されている。測定用の電流が流れる方向である受感部の長手方向が、対象物のひずみの方向に対して平行になるように配置された場合と、同程度のゲージ率（３以上）を有する。すなわち、この導電性部材は、ゲージ率について等方性を示す。そのほか、本発明者により、ＣｒおよびＭｎからなるＣｒ基薄膜またはＣｒおよびＡｌからなるＣｒ基薄膜、ならびにＣｒ、ＡｌおよびＮからなるＣｒ基薄膜のそれぞれにより構成されている導電性部材が提案されている（特許文献２〜３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第６０８４３９３号公報

【特許文献2】特開２０１８−０９１７０５号公報

【特許文献3】特開２０１８−０９１８４８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、ゲージ率について等方性を有する導電性部材の応用範囲の拡張を図り得る力センサを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の力センサは、弾性を有する起歪体と、前記起歪体を全周にわたり連続的または
離散的に支持する支持部と、前記起歪体の主面に配置されている、当該主面方向に等方的
なゲージ率を有する導電性部材と、を備え、前記起歪体に対して主面の垂線方向成分を有
する力が作用した際に極点を基準とした前記起歪体の経線方向についての第１ひずみ量お
よび前記起歪体の緯線方向についての第２ひずみ量の大きさの和が基準値以上となる指定
緯度範囲において、前記導電性部材が１箇所で分断された前記極点を取り囲む環状に延在
するように前記起歪体の主面に配置され、
前記導電性部材は、前記起歪体のひずみ量に応じて電気抵抗値が変化する抵抗体であることを特徴とする。

【0007】

当該構成の力センサによれば、支持部により周縁を全周にわたり連続的または離散的に支持されている起歪体の主面において、極点を取り囲むように環状に延在する指定緯度範囲に導電性部材が１箇所で分断された環状に延在するように配置されている。

【0008】

起歪体に力が作用した場合、緯度範囲において極点を挟んで反対側にある一対の箇所のそれぞれにおける起歪体のひずみの垂線方向成分の極性が同じになる一方で当該ひずみの主面方向成分の極性が逆になる。このため、極点を取り囲む１箇所で分断された環状に延在する導電性部材の当該一対の箇所において、起歪体のひずみの垂線方向成分に応じた電気抵抗値の変化が重畳され、その一方で起歪体のひずみの主面方向成分に応じた電気抵抗値の変化が相殺されうる。よって、導電性部材の端点間の電気抵抗値の変化量に基づき、起歪体に作用した力のうち主面方向成分が少なくとも部分的に除去され、当該力の垂線方向成分が測定されうる。

【0009】

また、指定緯度範囲は、起歪体の経線方向についての第１ひずみ量および起歪体の緯線方向についての第２ひずみ量の大きさの和が基準値以上となる緯度範囲である。よって、導電性部材の端点間の電気抵抗値の変化量の増大、ひいては起歪体に作用した力の垂線方向成分の測定精度の向上が図られる。

【0010】

前記起歪体の形状が、前記極点を通る主面の垂線に平行な軸線を基準とする回転対称性または前記極点を通る主面に垂直な平面を基準とする鏡像対称性を有し、前記起歪体の周縁における前記支持部による連続的または離散的な支持態様が、前記軸線を基準とする回転対称性または前記平面を基準とする鏡像対称性を有し、前記導電性部材が、前記軸線を基準とする回転対称性または前記平面を基準とする鏡像対称性を有するように前記起歪体の前記主面に配置されていることが好ましい。

【0011】

前記導電性部材がＣｒ基薄膜（蒸着膜）により構成されている場合、導電性部材の電気抵抗は、縦ひずみおよび横ひずみによる形状変化への寄与分よりも、当該導電性部材の格子構造、ひいてはキャリア（電子）のバンドエネルギー構造の変化への寄与分によって大きく変化するので、起歪体に作用した力の垂線方向成分の測定精度のさらなる向上が図られる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の第１実施形態としての力センサの構成に関する説明図。

【図2】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った力センサの断面図。

【図3】第１実施形態における起歪体のひずみ量に関する説明図。

【図4】第１実施形態におけるひずみ検知用回路の例示図。

【図5A】第１の力作用態様に応じた力センサの機能に関する説明図。

【図5B】第２の力作用態様に応じた力センサの機能に関する説明図。

【図5C】第３の力作用態様に応じた力センサの機能に関する説明図。

【図6】本発明の第２実施形態としての力センサの構成に関する説明図。

【図7】第２実施形態における起歪体のひずみ量に関する説明図。

【図8】本発明の第３実施形態としての力センサの構成に関する説明図。

【図9A】第３実施形態におけるひずみ検知用回路の第１例示図。

【図9B】第３実施形態におけるひずみ検知用回路の第２例示図。

【図10】本発明の第４実施形態としての力センサの構成に関する説明図。

【図11A】第４実施形態におけるひずみ検知用回路の第１例示図。

【図11B】第４実施形態におけるひずみ検知用回路の第２例示図。

【図12】本発明の第５実施形態としての力センサの構成に関する説明図。

【図13】第５実施形態におけるひずみ検知用回路の例示図。

【図14】本発明の第６実施形態としての力センサの構成に関する説明図。

【図15】第６実施形態の起歪体の拘束方位領域におけるひずみ量に関する説明図。

【図16】第６実施形態の起歪体の非拘束方位領域におけるひずみ量に関する説明図。

【図17】第７実施形態の起歪体の拘束方位領域におけるひずみ量に関する説明図。

【図18】第７実施形態の起歪体の非拘束方位領域におけるひずみ量に関する説明図。

【発明を実施するための形態】

【0013】

（第１実施形態）
（構成）
図１および図２に示されている本発明の第１実施形態としての力センサは、起歪体１０（起歪体）と、導電性部材２０と、導線部材４１〜４３と、を備えている。力センサの構成要素の位置および姿勢の説明のため、起歪体１０の上面１０１の中心点を原点とする３次元直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を用いる。

【0014】

起歪体１０は、Ｚ方向を厚さ方向とし、一対の主面としてＸ−Ｙ平面に略平行な一対の主面として上面１０１および下面１０２を有する略円板形状に形成されている。起歪体１０の厚さは均一であってもよく、局所的に肉薄になる領域が存在する場合のように不均一であってもよい。起歪体１０の形状は、極点Ｏを通る上面１０１の垂線に平行な軸線（ｚ軸）を基準とする回転対称性または極点Ｏを通る上面１０１に垂直な平面（例えば、ｘ−ｚ平面）を基準とする鏡像対称性を有している。

【0015】

起歪体１０は、その周縁部に全周にわたって外側に張り出している環状の張出部１１を備えている。起歪体１０は、各張出部１１において支持部１２により全周にわたり固定または支持されている。張出部１１および支持部１２の固定方式は、ボルト−ナット等の機械的な固定方式のほか、接着または溶接などの固定方式が採用されてもよい。また、張出部１１および支持部１２は切削加工および／または鋳造など一体成型された構造体であってもよい。起歪体１０の周縁の張出部１１における支持部１２による連続的な支持態様が、前記軸線を基準とする回転対称性（前記回転対称性と相違していてもよい。）または前記平面を基準とする鏡像対称性を有している。

【0016】

前記のように起歪体１０が張出部１１において支持部１２により支持されていることにより、起歪体１０に力が作用した際に起歪体１０にひずみが生じる。

【0017】

図３には、起歪体１０の上面１０１に対して全体的に一様に力が作用した場合における当該起歪体１０のひずみ特性の計算結果が示されている。極点Ｏから支持部１２により固定されている点までの経線方向または径方向についての起歪体１０のひずみ量である「第１ひずみ量」の変化態様が一点鎖線で示され、緯線方向または周方向についての起歪体１０のひずみ量である「第２ひずみ量」の変化態様が二点鎖線で示され、両者の和が実線で示されている（計算結果を示す図において以下同様である。）。「負」のひずみ量は起歪体１０（正確には上面１０１（応力負荷側表面））の収縮量を表わしている一方、「正」のひずみ量は起歪体１０（同上）の伸長量を表わしている。

【0018】

ここで、起歪体１０として、厚さ０．１ｍｍ、半径２．５ｍｍの円板形状のＳＵＳ３１６Ｌ（ヤング率：１９３ＧＰａ、ポアソン比：０．２８）が用いられた。起歪体１０に対してＺ方向（円板の厚さ方向）に０．５ＭＰａの圧力が作用した場合、当該起歪体１０の中心を基準とする円筒極座標系（ｒ,θ,ｚ）において定義された０．１ｍｍ刻みのメッシュのそれぞれにおけるひずみが有限要素法にしたがって計算された。

【0019】

第１ひずみ量および第２ひずみ量の和（負値）の大きさの最大値の８０％に基準値が設定された場合、経線の長さＤを基準として、極点Ｏから距離０．２８Ｄ以下の範囲において当該ひずみ量の和（負値）の大きさが基準値以上である。負のひずみ量の和の大きさの最大値の９５％に基準値が設定された場合、極点Ｏから距離０．１８Ｄ以下の範囲において第１ひずみ量および第２ひずみ量の和（負値）の大きさが基準値以上である。

【0020】

第１ひずみ量および第２ひずみ量の和（正値）の大きさの最大値の８０％に基準値が設定された場合、経線の長さＤを基準として、極点Ｏから距離０．８８Ｄ以上の範囲において当該ひずみ量の和（正値）の大きさが基準値以上である。正のひずみ量の和の大きさの最大値の９５％に基準値が設定された場合、極点Ｏから距離０．９２Ｄ以上の範囲において第１ひずみ量および第２ひずみ量の和（正値）の大きさが基準値以上である。

【0021】

導電性部材２０は、極点Ｏから支持部１２により固定されている点までの経線に沿って、極点Ｏから距離０．９２Ｄ以上の第２指定緯度範囲Ｒ２において当該経線と直交する緯線に沿って１箇所で分断された略円環状に延在するように配置されている。導電性部材２０が、前記軸線を基準とする回転対称性（前記回転対称性と相違していてもよい。）または前記平面を基準とする鏡像対称性を有するように起歪体１０の上面１０１に配置されている。極点Ｏから距離０．１８Ｄ以下の略円形状の第１指定緯度範囲Ｒ１に含まれるように導電性部材２０が配置されていてもよい。

【0022】

起歪体１０は、例えば、弾性を有する金属もしくは合成樹脂またはこれらの組み合わせにより構成されている。起歪体１０が金属などの導電性材料からなる場合、その上面１０１は少なくとも導電性部材２０および導線部材４１〜４３が形成される領域において、絶縁性薄膜により被覆されている。これにより、起歪体１０と、導電性部材２０および導線部材４１〜４３とが電気的に絶縁されている。

【0023】

導電性部材２０は、起歪体１０の上面１０１に形成されている。導電性部材２０は、ゲージ率（ゲージ率は３以上である。）について等方性を有しており、例えば、特許文献１に記載されているＣｒおよび不可避不純物からなるＣｒ薄膜、または、Ｃｒ、Ｎおよび不可避不純物からなるＣｒ−Ｎ薄膜により構成されている。Ｃｒ−Ｎ薄膜は、例えば、一般式Ｃｒ_100-xＮ_xで表され、組成比ｘは原子％で０．０００１≦ｘ≦３０である。

【0024】

導電性部材２０は、一般式Ｃｒ_100-xＭｎ_x（ｘは原子％であり、０．１≦ｘ≦３４である）または一般式Ｃｒ_100-xＡｌ_x（ｘは原子％であり、４≦ｘ≦２５である）で表されるＣｒ基薄膜により構成されていてもよい（特許文献２参照）。導電性部材２０は、一般式Ｃｒ_100-x-yＡｌ_xＮ_y（ｘ、ｙは原子％であり、４≦ｘ≦２５、０．１≦ｙ≦２０である。）で表されるＣｒ基薄膜により構成されていてもよい（特許文献３参照）。当該薄膜は、スパッタリング法等により起歪体１０の上面１０１に形成される。Ｃｒ−Ｎ薄膜は、抵抗温度係数（ＴＣＲ）が極めて小さいため（＜±５０ｐｐｍ／℃）、温度変化に対して安定である。

【0025】

導電性部材２０の一端部は、端子Ｔ１、第１導線部材４１、端子Ｔ２、第２導線部材４２、端子Ｔ３、第３導線部材４３および端子Ｔ４を順に介して導電性部材２０の他端部に接続されている。

【0026】

導線部材４１〜４３は、第１導電性部材２１および第２導電性部材２２とともに１アクティブゲージ法（２線式または３線式）のブリッジ回路を構成する（図４参照）。導電性部材２０の厚さ、幅および長さ、さらには電気伝導率などの電気特性のそれぞれは、ブリッジ回路（ひずみ検出用回路）を構成する観点から適当に設計されている。導線部材４１〜４３の厚さ、幅および長さ、さらには素材（電気伝導率を定める。）のそれぞれは、導電性部材２０と同様に当該ブリッジ回路を構成する観点から適当に設計されている。

【0027】

（機能）
本発明の第１実施形態としての力センサ（例えば、流体圧センサ）によれば、支持部１２により周縁を全周にわたり連続的に支持されている起歪体１０の主面１０１において、極点Ｏを取り囲むように環状に延在する指定緯度範囲に導電性部材が１箇所で分断された環状に延在するように配置されている。

【0028】

起歪体１０に力Ｆが作用した場合、第２指定緯度範囲Ｒ２（または第１指定緯度範囲Ｒ１）において極点Ｏを挟んで反対側にある一対の箇所のそれぞれにおける起歪体１０のひずみの垂線方向成分の極性が同じになる（図５Ａ参照）。その一方、この場合、当該一対の箇所のそれぞれにおける起歪体１０のひずみの主面方向成分の極性が逆になる（図５Ｂおよび図５Ｃ参照）。

【0029】

このため、１箇所で分断された環状の導電性部材２０の当該一対の箇所において、起歪体１０のひずみの垂線方向成分に応じた電気抵抗値の変化が重畳され、その一方でひずみの主面方向成分に応じた電気抵抗値の変化が相殺されうる。よって、導電性部材２０の端点間の電気抵抗値の変化量に基づき、起歪体１０に作用した力のうち主面方向成分が少なくとも部分的に除去され、当該力の垂線方向成分が測定されうる。

【0030】

また、指定緯度範囲Ｒ２は、起歪体１０の経線方向についての第１ひずみ量および緯線方向についての第２ひずみ量の大きさの和が基準値以上となる緯度範囲である（図３参照）。よって、導電性部材２０の端点間の電気抵抗値の変化量の増大、ひいては起歪体１０に作用した力の垂線方向成分の測定精度の向上が図られる。

【0031】

導電性部材２０が（１）Ｃｒおよび不可避不純物からなるＣｒ基薄膜またはＣｒ、Ｎおよび不可避不純物からなるＣｒ基薄膜、（２）ＣｒおよびＭｎからなるＣｒ基薄膜またはＣｒおよびＡｌからなるＣｒ基薄膜、ならびに（３）Ｃｒ、ＡｌおよびＮからなるＣｒ基薄膜のうちいずれか１つのＣｒ基薄膜により構成されている。このため、導電性部材２０の電気抵抗は、縦ひずみおよび横ひずみによる形状変化への寄与分よりも、当該導電性部材の格子構造、ひいてはキャリア（電子）のバンドエネルギー構造の変化への寄与分によって大きく変化するので、起歪体１０に作用した力の測定精度のさらなる向上が図られる。

【0032】

（第２実施形態）
（構成）
図６に示されている本発明の第２実施形態としての力センサは、起歪体１０の極点Ｏを中心とする基準領域（例えば、円形状の領域）において、起歪体１０の上面１０１に当接する略柱状の力伝達部材３０を備えている。これ以外の点では、本発明の第２実施形態としての力センサは、本発明の第１実施形態としての力センサ（図１および図２参照）とほぼ同様の構成であるため、共通の構成要素に対して同一の符号を用いるとともに説明を省略する。

【0033】

起歪体１０にその上面１０１から下方に略球冠状に窪んだ凹部が形成され、力伝達部材３０が、起歪体１０の上面１０１に形成された凹部に対応する、略球冠状に突出している凸部を有していてもよい。力伝達部材３０の凸部が起歪体１０の凹部に入り込むことで、凸部３０の略凸曲面状の接触面において起歪体１０との接触している。力伝達部材３０の先端形状が、先端縁部が全周にわたり面取りされた略円柱形状または円錐台形状などの様々な形状に変更されてもよい。力伝達部材３０が、起歪体１０に当接するのではなく、ボルト−ナット方式などの機械的方式によって起歪体１０に機械的に連結されていてもよい。

【0034】

図７には、周縁が全周にわたって連続的に支持部１２により支持または拘束されている略円板形状の起歪体１０の上面１０１の極点Ｏを中心とする略円形状の基準領域に対して局所的に力が作用した場合における当該起歪体１０のひずみ特性の計算結果が示されている。

【0035】

ここで、起歪体１０として、厚さ０．１ｍｍ、半径２．５ｍｍの円板形状のＳＵＳ３１６Ｌ（ヤング率：１９３ＧＰａ、ポアソン比：０．２８）が用いられた。極点Ｏを含む微小領域に起歪体１０に対してＺ方向（円板の厚さ方向）に１Ｎの力が作用した場合、当該起歪体１０の中心を基準とする円筒極座標系（ｒ,θ,ｚ）において定義された０．１ｍｍ刻みのメッシュのそれぞれにおけるひずみが有限要素法にしたがって計算された。

【0036】

第１ひずみ量および第２ひずみ量の和（負値）の大きさの最大値の８０％に基準値が設定された場合、経線の長さＤを基準として、極点Ｏから距離０．０５Ｄ以下の範囲において当該ひずみ量の和（負値）の大きさが基準値以上である。負のひずみ量の和の大きさの最大値の９５％に基準値が設定された場合、極点Ｏから距離０．０３Ｄ以下の範囲において第１ひずみ量および第２ひずみ量の和（負値）の大きさが基準値以上である。

【0037】

第１ひずみ量および第２ひずみ量の和（正値）の大きさの最大値の８０％に基準値が設定された場合、経線の長さＤを基準として、極点Ｏから距離０．９４Ｄ以上の範囲において当該ひずみ量の和（正値）の大きさが基準値以上である。正のひずみ量の和の大きさの最大値の９５％に基準値が設定された場合、極点Ｏから距離０．９５Ｄ以上の範囲において第１ひずみ量および第２ひずみ量の和（正値）の大きさが基準値以上である。

【0038】

導電性部材２０は、極点Ｏから経線に沿って距離０．９４Ｄ以上の略円環状の第２指定緯度範囲Ｒ２において、極点Ｏを緯線に沿って取り囲む１箇所で分断されている略円環状に延在するように配置されている。導電性部材２０は、極点Ｏから経線に沿って距離０．０５Ｄ以下の略円形状の第１指定緯度範囲Ｒ１において、極点Ｏを緯線に沿って取り囲む１箇所で分断されている略円環状に延在するように配置されていてもよい。

【0039】

（機能）
本発明の第２実施形態としての力センサによれば、導電性部材２０の端点間の電気抵抗値の変化量の増大、ひいては起歪体１０に作用した力の垂線方向成分の測定精度の向上が図られる。

【0040】

（第３実施形態）
（構成）
図８に示されている本発明の第３実施形態としての力センサでは、起歪体１０の上面１０１の第２指定緯度範囲Ｒ２において、基準点Ｏを取り囲む１箇所において分断している略円環状に延在している第１導電性部材２１および第２導電性部材２２が内側から順に配置されている。

【0041】

第１導電性部材２１は、一端部で端子Ｔ１、第１導線部材４１および端子Ｔ４を順に介して第２導電性部材２２の他端部に接続され、他端部で端子Ｔ２、第２導線部材４２および端子Ｔ３を順に介して第２導電性部材２２の一端部に接続されている。第２導電性部材２２は、一端部で端子Ｔ３、第２導線部材４２および端子Ｔ２を順に介して第１導電性部材２１の他端部に接続され、他端部で端子Ｔ４、第１導線部材４１および端子Ｔ１を順に介して第１導電性部材２１の一端部に接続されている。

【0042】

導線部材４１〜４２は、第１導電性部材２１および第２導電性部材２２とともに２アクティブゲージ法のブリッジ回路を構成する（図９Ａ参照）。導線部材４１〜４２は、第１導電性部材２１および第２導電性部材２２とともに１アクティブゲージ法（直列式）のブリッジ回路を構成していてもよい（図９Ｂ参照）。

【0043】

第１導電性部材２１および第２導電性部材２２のそれぞれの厚さ、幅および長さ、さらには電気伝導率などの電気特性のそれぞれは、ブリッジ回路（ひずみ検出用回路）を構成する観点から適当に設計されている。導線部材４１〜４２の厚さ、幅および長さ、さらには素材（電気伝導率を定める。）のそれぞれは、第１導電性部材２１および第２導電性部材２２のそれぞれと同様に当該ブリッジ回路を構成する観点から適当に設計されている。

【0044】

これら以外の点では、本発明の第３実施形態としての力センサは、本発明の第１実施形態としての力センサ（図１および図２参照）とほぼ同様の構成であるため、共通の構成要素に対して同一の符号を用いるとともに説明を省略する。第１導電性部材２１および第２導電性部材２２は、第１実施形態の導電性部材２０と同様にＣｒ基薄膜により構成されている。

【0045】

（機能）
本発明の第３実施形態としての力センサによれば、導電性部材２０の端点間の電気抵抗値の変化量の増大、ひいては起歪体１０に作用した力の垂線方向成分の測定精度の向上が図られる。

【0046】

（第４実施形態）
（構成）
図１０に示されている本発明の第４実施形態としての力センサでは、第１指定緯度範囲Ｒ１において、基準点Ｏを取り囲む１箇所において分断している略円環状に延在している第１導電性部材２１が、起歪体１０の上面１０１に配置されている。第２指定緯度範囲Ｒ２において、基準点Ｏを取り囲む１箇所において分断している略円環状に延在している第２導電性部材２２が、起歪体１０の上面１０１に配置されている。

【0047】

第１導電性部材２１は、一端部で端子Ｔ１、第１導線部材４１および端子Ｔ４を順に介して第２導電性部材２２の他端部に接続され、他端部で端子Ｔ２、第２導線部材４２および端子Ｔ３を順に介して第２導電性部材２２の一端部に接続されている。第２導電性部材２２は、一端部で端子Ｔ３、第２導線部材４２および端子Ｔ２を順に介して第１導電性部材２１の他端部に接続され、他端部で端子Ｔ４、第１導線部材４１および端子Ｔ１を順に介して第１導電性部材２１の一端部に接続されている。

【0048】

導線部材４１〜４２は、第１導電性部材２１および第２導電性部材２２とともに対辺２アクティブゲージ法（２線式）のブリッジ回路を構成する（図１１Ａ参照）。導線部材４１〜４２は、第１導電性部材２１および第２導電性部材２２とともに対辺２アクティブゲージ法（３線式）のブリッジ回路を構成していてもよい（図１１Ｂ参照）。

【0049】

第１導電性部材２１および第２導電性部材２２のそれぞれの厚さ、幅および長さ、さらには電気伝導率などの電気特性のそれぞれは、ブリッジ回路（ひずみ検出用回路）を構成する観点から適当に設計されている。導線部材４１〜４２の厚さ、幅および長さ、さらには素材（電気伝導率を定める。）のそれぞれは、第１導電性部材２１および第２導電性部材２２のそれぞれと同様に当該ブリッジ回路を構成する観点から適当に設計されている。

【0050】

これら以外の点では、本発明の第４実施形態としての力センサは、本発明の第１実施形態としての力センサ（図１および図２参照）とほぼ同様の構成であるため、共通の構成要素に対して同一の符号を用いるとともに説明を省略する。第１導電性部材２１および第２導電性部材２２は、第１実施形態の導電性部材２０と同様にＣｒ基薄膜により構成されている。

【0051】

（機能）
本発明の第４実施形態としての力センサによれば、導電性部材２０の端点間の電気抵抗値の変化量の増大、ひいては起歪体１０に作用した力の垂線方向成分の測定精度の向上が図られる。

【0052】

（第５実施形態）
（構成）
図１２に示されている本発明の第５実施形態としての力センサでは、起歪体１０の上面１０１の第１指定緯度範囲Ｒ１において、基準点Ｏを取り囲む１箇所において分断している略円環状に延在している第１導電性部材２１および第２導電性部材２２が内側から順に配置されている。起歪体１０の上面１０１の第２指定緯度範囲Ｒ２において、基準点Ｏを取り囲む１箇所において分断している略円環状に延在している第３導電性部材２３および第４導電性部材２４が内側から順に配置されている。

【0053】

第１導電性部材２１は、一端部で端子Ｔ１および第２導線部材４２を順に介して第４導電性部材２４の他端部に接続され、他端部で端子Ｔ２を介して第２導電性部材２２の一端部に接続されている。第２導電性部材２２は、一端部で端子Ｔ２を介して第１導電性部材２１の他端部に接続され、他端部で端子Ｔ３および第１導線部材４１を順に介して第３導電性部材２３の一端部に接続されている。第３導電性部材２３は、一端部で第１導線部材４１および端子Ｔ３を順に介して第２導電性部材２２の他端部に接続され、他端部で端子Ｔ４を介して第４導電性部材２４の一端部に接続されている。第４導電性部材２４は、一端部で端子Ｔ４を介して第３導電性部材２３の他端部に接続され、他端部で第２導線部材４２および端子Ｔ１を順に介して第１導電性部材２１の一端部に接続されている。

【0054】

導線部材４１〜４２は、導電性部材２１〜２４とともに４アクティブゲージ法のブリッジ回路を構成する（図１３参照）。

【0055】

導電性部材２１〜２４のそれぞれの厚さ、幅および長さ、さらには電気伝導率などの電気特性のそれぞれは、ブリッジ回路（ひずみ検出用回路）を構成する観点から適当に設計されている。導線部材４１〜４２の厚さ、幅および長さ、さらには素材（電気伝導率を定める。）のそれぞれは、導電性部材２１〜２４のそれぞれと同様に当該ブリッジ回路を構成する観点から適当に設計されている。

【0056】

これら以外の点では、本発明の第５実施形態としての力センサは、本発明の第１実施形態としての力センサ（図１および図２参照）とほぼ同様の構成であるため、共通の構成要素に対して同一の符号を用いるとともに説明を省略する。導電性部材２１〜２４のそれぞれは、第１実施形態の導電性部材２０と同様にＣｒ基薄膜により構成されている。

【0057】

（機能）
本発明の第５実施形態としての力センサによれば、導電性部材２０の端点間の電気抵抗値の変化量の増大、ひいては起歪体１０に作用した力の垂線方向成分の測定精度の向上が図られる。

【0058】

（第６実施形態）
（構成）
図１４に示されている本発明の第６実施形態としての力センサでは、起歪体１０は、その周縁部に局所的に張り出している４つの張出部１１を備えている。４つの張出部１１は、極点Ｏを通り、上面１０１に垂直な軸線（Ｚ軸）を基準として４回対称性を有するように配置されている。起歪体１０は、各張出部１１において支持部１２により固定または支持されている。張出部１１は、例えば中心角１５°〜４５°の略扇形状である。例えば、左右の張出部１１はＸ軸を基準として鏡像対称性を有するように配置され、上下の張出部１１はＹ軸を基準として鏡像対称性を有するように配置されている。

【0059】

極点Ｏからみて起歪体１０が支持部１２により支持または固定されている方位角範囲に含まれる起歪体１０の領域が「拘束方位領域」として定義され、それ以外の領域が「非拘束方位領域」として定義される。

【0060】

図１５には、起歪体１０の上面１０１に対して全体的に一様に力が作用した場合における当該起歪体１０の「拘束方位領域」の中心経線に沿ったひずみ特性の計算結果が示されている。「負」のひずみ量は起歪体１０（正確には上面１０１（応力負荷側表面））の収縮量を表わしている一方、「正」のひずみ量は起歪体１０の伸長量を表わしている。計算条件は、第２実施形態と同様である（図７参照）。

【0061】

第１ひずみ量および第２ひずみ量の和（負値）の大きさの最大値の８０％に基準値が設定された場合、経線の長さＤを基準として、極点Ｏから距離０．３３Ｄ以下の範囲において当該ひずみ量の和（負値）の大きさが基準値以上である。負のひずみ量の和の大きさの最大値の９５％に基準値が設定された場合、極点Ｏから距離０．１７Ｄ以下の範囲において第１ひずみ量および第２ひずみ量の和（負値）の大きさが基準値以上である。

【0062】

第１ひずみ量および第２ひずみ量の和（正値）の大きさの最大値の８０％に基準値が設定された場合、経線の長さＤを基準として、極点Ｏから距離０．９２Ｄ以上の範囲において当該ひずみ量の和（正値）の大きさが基準値以上である。正のひずみ量の和の大きさの最大値の９５％に基準値が設定された場合、極点Ｏから距離０．９５Ｄ以上の範囲において第１ひずみ量および第２ひずみ量の和（正値）の大きさが基準値以上である。

【0063】

図１６には、起歪体１０の上面１０１に対して全体的に力が作用した場合における当該起歪体１０の「非拘束方位領域」の中心経線に沿ったひずみ特性の計算結果が示されている。計算条件は第１実施形態と同様である。

【0064】

第１ひずみ量および第２ひずみ量の和（負値）の大きさの最大値の８０％に基準値が設定された場合、経線の長さＤを基準として、極点Ｏから距離０．２３Ｄ以下の範囲において当該ひずみ量の和（負値）の大きさが基準値以上である。負のひずみ量の和の大きさの最大値の９５％に基準値が設定された場合、極点Ｏから距離０．１１Ｄ以下の範囲において第１ひずみ量および第２ひずみ量の和（負値）の大きさが基準値以上である。

【0065】

第１ひずみ量および第２ひずみ量の和（正値）の大きさの最大値の８０％に基準値が設定された場合、経線の長さＤを基準として、極点Ｏから距離０．７３Ｄ〜０．８６Ｄの範囲において当該ひずみ量の和（正値）の大きさが基準値以上である。正のひずみ量の和の大きさの最大値の９５％に基準値が設定された場合、極点Ｏから距離０．７８Ｄ〜０．８２Ｄの範囲において第１ひずみ量および第２ひずみ量の和（正値）の大きさが基準値以上である。

【0066】

図１４には、当該計算結果が反映された第１指定緯度範囲Ｒ１および第２指定緯度範囲Ｒ２が示されている。導電性部材２０は、１箇所で分断された環状に延在しているものの、第２指定緯度範囲Ｒ２の形状に適応して、拘束方位領域では経線方向の比較的外側（極点Ｏから距離が約０．９２Ｄ以上の範囲）において緯線方向に広がり、非拘束方位領域では経線方向の比較的内側（極点Ｏから距離が約０．７３Ｄ〜０．８６Ｄの範囲）において緯線方向に広がっている。

【0067】

これら以外の点では、本発明の第６実施形態としての力センサは、本発明の第１実施形態としての力センサ（図１および図２参照）とほぼ同様の構成であるため、共通の構成要素に対して同一の符号を用いるとともに説明を省略する。

【0068】

（第７実施形態）
（構成）
本発明の第７実施形態としての力センサは、起歪体１０の極点Ｏを中心とする基準領域（例えば、円形状の領域）において、起歪体１０の上面１０１に当接する略柱状の力伝達部材３０を備えている。これ以外の点では、本発明の第２実施形態としての力センサは、本発明の第６実施形態としての力センサ（図１４参照）とほぼ同様の構成であるため、共通の構成要素に対して同一の符号を用いるとともに説明を省略する。

【0069】

図１７には、起歪体１の上面１０１に対して基準領域に局所的に力が作用した場合における当該起歪体１の「拘束方位領域」の中心経線に沿ったひずみ特性の計算結果が示されている。計算条件は第２実施形態と同様である。

【0070】

第１ひずみ量および第２ひずみ量の和（負値）の大きさの最大値の８０％に基準値が設定された場合、経線の長さＤを基準として、極点Ｏから距離０．０４Ｄ以下の範囲において当該ひずみ量の和（負値）の大きさが基準値以上である。負のひずみ量の和の大きさの最大値の９５％に基準値が設定された場合、極点Ｏから距離０．０１Ｄ以下の範囲において第１ひずみ量および第２ひずみ量の和（負値）の大きさが基準値以上である。ただし、第１ひずみ量および第２ひずみ量の和が負である場合、第１ひずみ量および第２ひずみ量の和が正である場合よりも当該和が顕著に大きくなるため、例えば、正のひずみ量に関してはその最大値の５０％が当該基準値として設定されてもよい。これは他の実施形態でも同様である。

【0071】

第１ひずみ量および第２ひずみ量の和（正値）の大きさの最大値の８０％に基準値が設定された場合、経線の長さＤを基準として、極点Ｏから距離０．９１Ｄ以上の範囲において当該ひずみ量の和（正値）の大きさが基準値以上である。正のひずみ量の和の大きさの最大値の９５％に基準値が設定された場合、極点Ｏから距離０．９４Ｄ以上の範囲において第１ひずみ量および第２ひずみ量の和（正値）の大きさが基準値以上である。

【0072】

図１８には、起歪体１の上面１０１の基準点Ｏを中心とする略円形状の基準領域に対して局所的に力が作用した場合における当該起歪体１の「非拘束方位領域」の中心経線に沿ったひずみ特性の計算結果が示されている。

【0073】

第１ひずみ量および第２ひずみ量の和（負値）の大きさの最大値の８０％に基準値が設定された場合、経線の長さＤを基準として、極点Ｏから距離０．０２Ｄ以下の範囲において当該ひずみ量の和（負値）の大きさが基準値以上である。負のひずみ量の和の大きさの最大値の９５％に基準値が設定された場合、極点Ｏから距離０．０１Ｄ以下の範囲において第１ひずみ量および第２ひずみ量の和（負値）の大きさが基準値以上である。

【0074】

第１ひずみ量および第２ひずみ量の和（正値）の大きさの最大値の８０％に基準値が設定された場合、経線の長さＤを基準として、極点Ｏから距離０．６０Ｄ〜０．７７Ｄの範囲において当該ひずみ量の和（正値）の大きさが基準値以上である。正のひずみ量の和の大きさの最大値の９５％に基準値が設定された場合、極点Ｏから距離０．６５Ｄ〜０．７２Ｄの範囲において第１ひずみ量および第２ひずみ量の和（正値）の大きさが基準値以上である。

【0075】

導電性部材２０は、１箇所で分断された環状に延在しているものの、第２指定緯度範囲Ｒ２の形状に適応して、拘束方位領域では経線方向の比較的外側（極点Ｏから距離が約０．９１Ｄ以上の範囲）において緯線方向に広がり、非拘束方位領域では経線方向の比較的内側（極点Ｏから距離が約０．６０Ｄ〜０．７７Ｄの範囲）において緯線方向に広がっている。

【0076】

これら以外の点では、本発明の第７実施形態としての力センサは、本発明の第６実施形態としての力センサ（図１および図２参照）とほぼ同様の構成であるため、共通の構成要素に対して同一の符号を用いるとともに説明を省略する。

【0077】

（本発明の他の実施形態）
前記実施形態では、すべての導電性部材が起歪体１０の上面１０１に形成されていたが、他の実施形態として、一部の導電性部材が上面１０１に形成される一方で残りの導電性部材が下面１０２に形成されていてもよい。この場合、導電性部材の位置および負荷の形態によっては上面１０１および下面１０２の別によって正負の符号が異なる場合があるので、注意を要する。ひずみ検知用回路を構成するための導線部材を配置するため、起歪体１０に貫通孔が設けられていてもよく、ビア構造を有する導線部材が起歪体１０に埋設されていてもよい。

【0078】

前記実施形態では、起歪体１０が略円形板状であったが、他の実施形態として、起歪体１０が略楕円形板状、略三角形状、略矩形板状、略平行四辺形板状、略台形板状または略正多角形板状（正方形、正十二角形板状、正二十角形板状など）、様々な形状とされてもよい。起歪体１０は極点Ｏを通り、上面１０１に垂直な軸線（例えばＺ軸）まわりの回転対称性を有する形状のほか、回転対称性を有しない形状であってもよい。起歪体１０の極点Ｏが起歪体１０の中心点からずれていてもよい。

【0079】

第６および第７実施形態では、起歪体１０が離散的に突出する複数の張出部１１において支持部１２により支持されていたが、他の実施形態として、張出部１１が省略されて起歪体１０の周縁部が直接的に支持部１２により支持されていてもよい。

【0080】

第６および第７実施形態では、支持部１２により起歪体１０の周縁が等方的（緯線方向について規則的）に支持されていた（拘束方位領域がＺ軸回りの回転対称性を有するように定義されていた。）。他の実施形態として支持部１２により起歪体１０の周縁が不規則的に支持されていてもよい。例えば、方位角範囲３４０°〜２０°、４０°〜８０°、１２０°〜１８０°および２２０°〜２６０°のそれぞれにおいて拘束方位領域が定義されるように、起歪体１０の周縁が固定部材１２により支持されていてもよい。 第６および第７実施形態では、支持部１２による起歪体１０の周縁の支持箇所は４つであったが、他の実施形態として支持箇所は２箇所、３箇所または５箇所以上であってもよい。

【0081】

第６および第７実施形態では、起歪体１０において、複数の拘束方位領域が、極点Ｏを通る上面１０１に垂直な平面を基準とする鏡像対称性を有するように定義され、複数の導電性部材のそれぞれが、起歪体１０の上面１０１において当該複数の拘束方位領域のそれぞれに配置されていてもよい。例えば、起歪体１０において、６個の方位角範囲３４５°〜１５°、４５°〜７５°、１０５°〜１３５°、１６５°〜１９５°、２２５°〜２５５°および２８５°〜３１５°のそれぞれに含まれる６個の拘束方位領域が定義され、６ｎ個（ｎ＝１，２，‥）の導電性部材のうちｎ個の導電性部材それぞれが、起歪体１０の上面１０１において当該６個の拘束方位領域のそれぞれに配置されていてもよい。この場合、６個の拘束方位領域はＹ−Ｚ平面を基準とする鏡像対称性を有するように配置されている。

【0082】

第６および第７実施形態では、起歪体１０において、複数の非拘束領域が、当該平面を基準とする鏡像対称性を有するように定義され、複数の導電性部材のそれぞれが、起歪体１０の上面１０１において複数の非拘束方位領域のそれぞれに配置されていてもよい。例えば、起歪体１０において、６個の方位角範囲１５°〜４５°、７５°〜１０５°、１３５°〜１６５°、１９５°〜２２５°、２５５°〜２８５°および３１５°〜３４５°のそれぞれに含まれる６つの非拘束方位領域が定義され、６ｎ個（ｎ＝１，２，‥）の導電性部材のうちｎ個の導電性部材それぞれが、起歪体１０の上面１０１において当該６個の非拘束方位領域のそれぞれに配置されていてもよい。この場合、６個の非拘束方位領域はＹ−Ｚ平面を基準とする鏡像対称性を有するように配置されている。

【0083】

拘束方位領域および／または非拘束方位領域が前記平面を基準とする鏡像対称性を有するように起歪体１０の上面１０１に配置されている場合、複数の導電性部材のそれぞれが、当該平面を基準とする鏡像対称性を有するように起歪体１０の上面１０１に配置されていてもよい。

【符号の説明】

【0084】

１０‥起歪体、２０、２１、２２、２２、２３、２４‥導電性部材、３０‥力伝達部材、４１、４２、４３、４４‥導線部材、１０１‥起歪体の上面（主面）、１０２‥起歪体の下面（主面）、Ｏ‥極点、Ｒ１‥第１指定緯度範囲、Ｒ２‥第２指定緯度範囲。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図10】

【図11A】

【図11B】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】