特許 7408638 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】

(24)【登録日】2023-12-22

(45)【発行日】2024-01-05

(54)【発明の名称】力センサ

(51)【国際特許分類】

   G01L 5/1627 20200101AFI20231225BHJP

【ＦＩ】

G01L5/1627

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2021511181

(86)(22)【出願日】2020-02-13

(86)【国際出願番号】 JP2020005491

(87)【国際公開番号】W WO2020202821

(87)【国際公開日】2020-10-08

【審査請求日】2023-01-10

(31)【優先権主張番号】P 2019071572

(32)【優先日】2019-04-03

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(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

(73)【特許権者】

【識別番号】000139403

【氏名又は名称】株式会社ワコム

(74)【代理人】

【識別番号】100091546

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 正美

(74)【代理人】

【識別番号】100206379

【弁理士】

【氏名又は名称】丸山 正

(72)【発明者】

【氏名】丹羽 英二

(72)【発明者】

【氏名】杉山 義久

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 謙

【審査官】大森 努

(56)【参考文献】

【文献】独国特許出願公開第１０３０７９７８（ＤＥ，Ａ１）

【文献】実開平０７－０１６１３２（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開平１０－１５３４９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／１５０９９４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平０８－１４５７６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０３５２３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１４６３０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１２７５８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－２０９１０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－２１１２９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０４４２１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１７３２８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－０８６７０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特公昭４０－０２５３９２（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】特表２００８－５３３４８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－２００４７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】欧州特許出願公開第０１７９３２１１（ＥＰ，Ａ２）

【文献】米国特許第０８２５６３０６（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】国際公開第９９／０２７３３８（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｌ ５／１６２７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

板状部材の少なくとも一方の面部の絶縁材上にひずみ受感材が配設されており、前記板状部材の前記面部に印加された力に応じて前記板状部材に生じるひずみを前記ひずみ受感材で感知することで、前記印加された力を感知する力センサであって、
前記ひずみ受感材は、ひずみの受感感度に方向性依存がないストリップ状の導電性材で構成されているとともに、前記板状部材の面部において前記力の印加部からの距離が異なる第１のリング状領域と第２のリング状領域とのそれぞれと、前記面部において前記力の印加部を中心とした円周方向をｎ（ｎ≧２の整数）個に分割して形成された少なくとも１つの扇形領域とが重なる領域に配置されており、
前記少なくとも１つの扇形領域において、前記ストリップ状の導電性材は、前記第１のリング状領域に２本及び前記第２のリング状領域に２本の合計４本が、それぞれ成膜されて薄膜として形成されていると共に、導体パターンが成膜されて形成されていることで、前記４本の前記ストリップ状の導電性材によってブリッジ回路が構成されており、
前記第１のリング状領域と前記第２のリング状領域は、一方のリング状領域では伸長ひずみが発生し、他方のリング状領域では収縮ひずみが発生するように設定されている
ことを特徴とする力センサ。

【請求項2】

前記板状部材は円板状の形状を有し、前記一方の面部は円形の面であり、前記力の印加部は、前記円形の前記一方の面部の中心部である
ことを特徴とする請求項１に記載の力センサ。

【請求項3】

前記ｎ個の前記扇形領域の全てにおいて、前記第１のリング状領域に薄膜として形成されている前記２本の前記ストリップ状の導電性材と、前記第２のリング状領域に薄膜として形成されている２本の前記ストリップ状の導電性材と、成膜されて形成されている導体パターンとにより形成されたブリッジ回路が構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の力センサ。

【請求項4】

前記ひずみ受感材は、前記ストリップ状の導電性材の長手方向が、前記板状部材の前記面部に印加される前記力の印加部を中心とした放射状の方向に対して交差する方向となるように前記板状部材に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の力センサ。

【請求項5】

前記ストリップ状の導電性材は、弧形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の力センサ。

【請求項6】

前記ストリップ状の導電性材は、直線形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の力センサ。

【請求項7】

前記ストリップ状の導電性材の長手方向は、前記板状部材の前記面部に印加される前記力の印加部を中心とした放射状の方向に対して所定角度変位していることを特徴とする請求項１に記載の力センサ。

【請求項8】

第１のリング状領域あるいは前記第２のリング状領域に対応して、前記力の印加部を中心とした放射状の方向に対して交差する方向に複数本の前記ストリップ状の導電性材が配設されているとともに、前記複数本の前記ストリップ状の導電性材は互いが順次連結されていることを特徴とする請求項１に記載の力センサ。

【請求項9】

前記ストリップ状の導電性材は、Ｃｒおよび不可避不純物からなるＣｒ薄膜、またはＣｒ、Ｎ及び不可避不純物からなるＣｒ－Ｎ薄膜で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の力センサ。

【請求項10】

前記板状部材は絶縁性基板で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の力センサ。

【請求項11】

前記絶縁性基板は金属基板に絶縁材が配設されて構成されていることを特徴とする請求項１０に記載の力センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、受けた力に応じて生じるひずみなどの変位を検出することに基づいて、前記受けた力を検出するようにする力センサに関する。

【背景技術】

【0002】

力センサとして、ひずみ受感材の電気抵抗が、当該ひずみ受感材のひずみ（弾性ひずみだけでなく塑性ひずみを含む）によって変化する現象を利用したひずみゲージを用いるものが知られている。ひずみゲージは、ひずみ受感材の電気抵抗率が応力により変化するピエゾ抵抗効果（piezoresistive effect）や、印加された力に比例した分極（表面電荷）が現れる圧電効果（piezoelectric effect）を利用したものである。

【0003】

ひずみゲージを用いた力センサとしては、印加された力の互いに直交する３軸方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）の力成分を検出する、いわゆる３軸力センサも提案されている（特許文献１参照）。このひずみゲージを用いた３軸力検出部材を、電子ペンに用いた場合、電子ペンの軸心方向の圧力（筆圧）のみならず、電子ペンの傾き角や電子ペンのペン先の摩擦力なども検出することができて便利である。

【0004】

図７は、前述の特許文献１の３軸力検出部材の一例を示すものである。この例の力検出部材は、起歪部１０１と、この起歪部１０１に一体に結合された力受付部１０２と、起歪部１０１に取り付けられる力センサ１０３とからなる。この例では、起歪部１０１の平面に対して直交する方向をＺ軸方向、起歪部１０１の平面に平行な方向であって、互いに直交する方向をＸ軸方向及びＹ軸方向としている。

【0005】

図７（Ａ）は、この例の力検出部材を横方向（Ｘ軸方向あるいはＹ軸方向）から見た図であり、図７（Ｂ）は、この例の力検出部材の斜視図である。そして、図７（Ｃ）～（Ｅ）は、この例の力検出部材の縦断面図（Ｚ軸方向を含む方向の断面図）であり、図７（Ｃ）は、力受付部１０２に何等の力も受けていない状態、図７（Ｄ）は、力受付部１０２にＺ軸方向の力を受けた状態、図７（Ｅ）は、力受付部１０２にＸ軸方向又はＹ軸方向の力を受けた状態、をそれぞれ示している。なお、図７（Ｂ）～（Ｅ）では、便宜上、力受付部１０２は起歪部１０１の近傍のみ示している。

【0006】

力受付部１０２は、起歪部１０１との結合側とは反対側の先端部に印加される力を受け付けて、起歪部１０１に伝達する機能を備えるもので、この例では、棒状部材とされる。

【0007】

起歪部１０１は、図７（Ｂ）及び図７（Ｃ）に示すように、円筒状のダイヤフラム保持部１０１ｂの一方の開口部側に、薄い円板状のダイヤフラム１０１ａが設けられた構造を備えている。そして、起歪部１０１は、円板状のダイヤフラム１０１ａの中央部において棒状の力受付部１０２と結合されている。

【0008】

ダイヤフラム１０１ａの、力受付部１０２との結合側と反対側の面には、力センサ１０３が貼り付けられて取り付けられている。図８（Ａ）は、力センサ１０３の従来の構成の一例を示すものである。

【0009】

この例の力センサ１０３は、図８（Ａ）に示すように、例えば円板形状の絶縁性フィルムシートからなるフレキシブル基板１０３ａ上に、受けたひずみ変位に応じて抵抗値を変えるひずみ受感材１０４が、複数個配設されたものからなる。図８（Ａ）に示すように、この例では、ひずみ受感材１０４としては、６個のひずみ受感材１０４Ｘ１，１０４Ｘ２，１０４Ｙ１，１０４Ｙ２，１０４Ｚ１，１０４Ｚ２，１０４Ｚ３，１０４Ｚ４がフレキシブル基板上に配設されている。この例では、ひずみ受感材１０４Ｘ１，１０４Ｘ２，１０４Ｙ１，１０４Ｙ２，１０４Ｚ１，１０４Ｚ２，１０４Ｚ３，１０４Ｚ４の抵抗値は、ひずみが印加されていないときには、互いに等しくなるようにされている。なお、以下の説明で、複数個のひずみ受感材１０４のそれぞれを区別する必要がないときには、ひずみ受感材１０４と記述することとする。

【0010】

ひずみ受感材１０４Ｘ１と１０４Ｘ２とは、力受付部１０２の軸心方向に直交する方向であるＸ軸方向のひずみを検知するためのもので、フレキシブル基板１０３ａの中心位置１０３ａｃ（力の印加位置）を通るＸ軸方向の直線上において、中心位置１０３ａｃを挟む両側において、当該中心位置１０３ａｃから等距離の位置にそれぞれ設けられている。

【0011】

ひずみ受感材１０４Ｙ１と１０４Ｙ２とは、力受付部１０２の軸心方向に直交すると共にＸ軸方向と直交する方向であるＹ軸方向のひずみを検知するためのもので、中心位置１０３ａｃを通るＹ軸方向の直線上において、中心位置１０３ａｃを挟む両側において、当該中心位置１０３ａｃから等距離の位置にそれぞれ設けられている。

【0012】

そして、ひずみ受感材１０４Ｚ１，１０４Ｚ２，１０４Ｚ３，１０４Ｚ４は、力受付部１０２の軸心方向であるＺ軸方向のひずみを検知するためのものである。図８（Ａ）の例では、中心位置１０３ａｃを通る直線であって、他のひずみ受感材１０４Ｘ１，１０４Ｘ２，１０４Ｙ１，１０４Ｙ２と重ならないように所定角度傾いた直線上において、中心位置１０３ａｃを挟む両側において、２個ずつのひずみ受感材１０４Ｚ１，１０４Ｚ３と、ひずみ受感材１０４Ｚ２，１０４Ｚ４とが点対称の位置に設けられている。

【0013】

この例の力検出部材において、Ｚ軸方向の力が力受付部１０２を介して起歪部１０１に印加された場合には、起歪部１０１のダイヤフラム１０１ａは、引張・圧縮応力を受け、図７（Ｄ）に示すように、力受付部１０２のＺ軸方向の変位に応じて下側に凸となるように湾曲する。そして、力センサ１０３も、ダイヤフラム１０１ａの湾曲に応じて変位する。この場合に、図７（Ｄ）に示すように、ダイヤフラム１０１ａ、つまり、力センサ１０３においては、中心位置１０３ａｃの近傍においては、伸長変位を生じ、中心位置１０３ａｃから離れたダイヤフラム保持部１０１ｂ側においては、収縮変位を生じる。

【0014】

したがって、ひずみ受感材１０４Ｚ１と１０４Ｚ３とでは、一方は増加する方向の抵抗変化をし、他方は減少する方向の抵抗変化をするので、ひずみ受感材１０４Ｚ１とひずみ受感材１０４Ｚ３との抵抗値の差を検出することで、Ｚ軸方向の力成分を検出することができる。ひずみ受感材１０４Ｚ２とひずみ受感材１０４Ｚ４とにおいても、同様となる。そこで、ひずみ受感材１０４Ｚ１とひずみ受感材１０４Ｚ３との抵抗値の差の出力と、ひずみ受感材１０４Ｚ２とひずみ受感材１０４Ｚ４との抵抗値の差の出力とを加算して、Ｚ軸方向の力成分の検出出力とすることができる。

【0015】

すなわち、４個のひずみ受感材１０４Ｚ１，１０４Ｚ２，１０４Ｚ３，１０４Ｚ４により、図９（Ａ）に示すようなブリッジ回路を構成することで、力検出部材は、印加された力のＺ軸方向の力成分の検出出力を得ることができる。図９（Ａ）において、端子Ｅには電源電圧が印加され、端子Ｇは接地され、端子Ｚａ，Ｚｂ間に、Ｚ軸方向の力成分の検出出力電圧が得られる。

【0016】

また、力検出部材においては、印加された力のＸ軸方向の力成分あるいはＹ軸方向の力成分は、力受付部１０２の長さに応じた曲げモーメントとして作用し、起歪部１０１のダイヤフラム１０１ａには、曲げ応力及びせん断応力が加わる。これにより、図７（Ｅ）に示すように、Ｘ軸方向あるいはＹ軸方向の力の印加方向において、力受付部１０２との結合部（ダイヤフラム１０１ａの中心位置１０１ａｃ）を挟む両側の一方側では、ダイヤフラム１０１ａが収縮するように変位し、他方側では、ダイヤフラム１０１ａが伸長するように変位する。

【0017】

力センサ１０３に配設されているひずみ受感材１０４Ｘ１と１０４Ｘ２、あるいはひずみ受感材１０４Ｙ１と１０４Ｙ２は、生じた変位に応じて、一方は増加する方向の抵抗変化をし、他方は減少する方向の抵抗変化をする。したがって、ひずみ受感材１０４Ｘ１とひずみ受感材１０４Ｘ２との抵抗値の差を検出することで、Ｘ軸方向の力成分を検出することができ、ひずみ受感材１０４Ｙ１と１０４Ｙ２との抵抗値の差を検出することで、Ｙ軸方向の力成分を検出することができる。

【0018】

図９（Ｂ）にＹ軸方向の力の検出出力電圧を得るブリッジ回路の構成例を、図９（Ｃ）にＸ軸方向の力の検出出力電圧を得るブリッジ回路の構成例を、それぞれ示す。なお、図９（Ｂ）及び図９（Ｃ）において、ＲＹ１，ＲＹ２及びＲＸ１，ＲＸ２は、抵抗値がひずみ受感材１０４Ｘ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２にひずみが印加されていないときと同一の抵抗値を示す固定抵抗（リファレンス抵抗）であり、これらは、この例の力センサ１０３の外部に設けられる。

【0019】

従来、ひずみ受感材１０４を構成する材料として例えばＣｕ－Ｎｉ合金が、ひずみ感度を決定するゲージ率は小さい（例えばゲージ率は２）が、温度定数が直線的で安定しているので、ブリッジ回路でひずみ受感材の抵抗値の互いの温度変換分を打ち消せるため温度変化に対して安定であるという点で良く用いられている。なお、ひずみ受感材１０４としては、半導体の炭素、ケイ素、ゲルマニウム等も知られているが、これらはゲージ率は比較的大きい（ゲージ率は１０～１７０）が、ひずみ受感方向の異方性が大きく、また、温度係数が高く、また、非直線的であるために、温度変化に対する変動が大きく安定性に欠けるので、その用途は限定的となっている。

【0020】

ひずみ受感材１０４が、例えばＣｕ－Ｎｉ合金からなる場合には、その金属細線や金属箔を、図８（Ｂ）の拡大図に示すように、その長手方向が半径方向（ひずみの発生方向）に沿うような状態で、ジグザグ状に折り曲げて半径方向に直交する方向（円周方向）に配設したものとして構成されている。図８（Ｂ）では、ひずみ受感材１０４Ｙ１の例を示しているが、他のひずみ受感材１０４Ｘ１，１０４Ｘ２，１０４Ｙ１，１０４Ｚ１，１０４Ｚ２，１０４Ｚ３，１０４Ｚ４も同様である。

【0021】

このように、金属細線や金属箔からなるストリップ状のひずみ受感材１０４の長手方向が半径方向に沿うようにすると共に、ジグザグ状に折り曲げて円周方向にも配設するのは、以下のような理由による。すなわち、従来のひずみ受感材では、長手方向のひずみ受感感度は大きいが、幅方向（長手方向に直交する方向）のひずみ受感感度は非常に低いものであるため、ストリップ状の導電性材からなるひずみ受感材は、その長手方向を、印加される力に応じてダイヤフラム１０１ａに生じるひずみの発生方向であるダイヤフラム１０１ａの半径方向に沿って配設する必要がある。

【0022】

しかし、従来のひずみ受感材１０４では、１本のストリップ状の導電部材を半径方向に配設しただけでは抵抗値が小さすぎるために、金属細線や金属箔の全長を長くして所望の抵抗値を確保して適当な検出出力電圧を得るようにする必要があった。

【0023】

したがって、ひずみ受感材１０４Ｘ１，１０４Ｘ２，１０４Ｙ１，１０４Ｙ２，１０４Ｚ１，１０４Ｚ２，１０４Ｚ３，１０４Ｚ４のそれぞれは、図８（Ｂ）に示すように、ダイヤフラム１０２の半径方向の長さＬが有効なひずみ受感長であるが、周方向にジグザク状に折り曲げることで大きな抵抗値を確保しているために、比較的大きな面積を必要とすることになる。

【0024】

なお、ダイヤフラム１０１ａには、半径方向のみではなく、周方向にもひずみ変形は生じる。そして、上述のように、ひずみ受感材１０４は、ダイヤフラム１０１ａの周方向にも配設されているような状態となるが、前述もしたように、従来のひずみ受感材１０４は、ストリップ状の導電性材の幅方向にはひずみ受感感度は非常に小さい（殆ど感知しない）ので、従来のひずみ受感材１０４では、周方向のひずみ変形は殆ど検知しない。

【0025】

なお、ひずみ受感材１０４を炭素、ケイ素、ゲルマニウムなどの半導体材料で構成する場合にも、上記に倣ってそれらの半導体材料のゲージ率の高い結晶方位を長手方向に配し、その長手方向が半径方向（ひずみの発生方向）に沿うような状態で設けられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0026】

【文献】特開２０１０－１６４４９５号公報

【文献】特許第６０８４３９３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0027】

ところで、最近は、この種の力センサについては、更なる小型化の要請が大きくなっている。しかしながら、図７及び図８を用いて説明した力センサ１０３では、更なる小型化が困難となる問題があった。

【0028】

すなわち、その主たる理由は、上述した従来のひずみ受感材１０４（１０４Ｘ１，１０４Ｘ２，１０４Ｙ１，１０４Ｙ２，１０４Ｚ１，１０４Ｚ２，１０４Ｚ３，１０４Ｚ４）は、上述したように、ほぼその長手方向のみでしかひずみを受感することができず、このため、ひずみを受感する有効部分が、力センサ１０３の半径方向（ひずみの発生方向）の長さ部分であるため、印加される力を所定のひずみ感度で検出するには、力センサ１０３の径を小さくすることが困難であるということである。

【0029】

また、上述したように、印加された力を検出するためには、各軸方向用のブリッジ回路が必要となるが、当該ブリッジ回路を構成するための導体パターンは、力センサ１０３のフレキシブル基板１０３ａ上に形成することが多い。しかし、上述のように、従来のひずみ受感材１０４が、力センサ１０３の半径方向及び周方向に大きな占有面積を占めるので、ブリッジ回路を構成するためのスペースが取り難くなるという問題もある。さらに、上述の従来の力センサ１０３の例では、Ｘ軸方向用及びＹ軸方向用のブリッジ回路としては基準抵抗を必要とし、この基準抵抗は、力センサ１０３の外部に設ける必要があるという問題もある。

【0030】

この発明は、以上の問題点を解決することができるようにした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】

【0031】

上記の課題を解決するために、
板状部材の少なくとも一方の面部の絶縁材上にひずみ受感材が配設されており、前記板状部材の前記面部に交差する方向に印加された力に応じて前記板状部材に生じるひずみを前記ひずみ受感材で感知することで、前記印加された力を感知する力センサであって、
前記ひずみ受感材は、ひずみの受感感度に方向性がないストリップ状の導電性材で構成されているとともに、前記板状部材の面部において前記力の印加部からの距離が異なる第１のリング状領域と第２のリング状領域とのそれぞれと、前記面部において前記力の印加部を中心とした円周方向をｎ（ｎ≧２の整数）個に分割して形成された少なくとも１つの扇形領域とが重なる領域に配置されており、
前記少なくとも１つの扇形領域において、前記ストリップ状の導電性材は、前記第１のリング状領域に２本及び前記第２のリング状領域に２本の合計４本が、それぞれ成膜されて薄膜として形成されていると共に、導体パターンが成膜されて形成されていることで、前記４本の前記ストリップ状の導電性材によってブリッジ回路が構成されており、
前記第１のリング状領域と前記第２のリング状領域は、一方のリング状領域では伸長ひずみが発生し、他方のリング状領域では収縮ひずみが発生するように設定されている
ことを特徴とする力センサを提供する。

【0032】

上述の構成の力センサにおいては、板状部材の面部に印加される力の印加部を中心とした第１のリング部と前記第１のリング部とにひずみ受感材が配置されており、第１のリング部のひずみ受感材と、第２のリング部のひずみ受感材との一方で伸長ひずみ、他方で収縮ひずみを検知するようにすることが可能である。

【0033】

ひずみ受感材として、ひずみの受感感度に方向性がないストリップ状の導電性材、例えばＣｒおよび不可避不純物からなるＣｒ薄膜、またはＣｒ、Ｎ及び不可避不純物からなるＣｒ－Ｎ薄膜で構成されているストリップ状の導電性材を用いることで、小型で高感度の力センサを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0034】

【図1】この発明による力センサの実施形態を備える力検出部材の構成例を説明するための図である。

【図2】この発明による力センサの実施形態の構成例を説明するための図である。

【図3】この発明による力センサの実施形態の構成例を説明するための図である。

【図4】この発明による力センサの実施形態に適用される回路の例を示す回路図である。

【図5】この発明による力センサの実施形態と比較例とのシミュレーション結果の例を説明するための図である。

【図6】この発明による力センサの他の実施形態の構成を説明するための図である。

【図7】従来の力センサを備える力検出部材の例を説明するための図である。

【図8】従来の力センサの一例を説明するための図である。

【図9】従来の力センサの一例を説明するための回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0035】

以下、この発明による力センサの実施形態を、図を参照しながら説明する。

【0036】

図１は、この実施形態の力センサ１を用いた力検出部材２を示すものである。この例の力検出部材２は、台座部２１と、力受付部２２と、力センサ１とにより構成される。図１（Ａ）は、この例の力検出部材２を、力センサ１の板状部材１０の面部１０ａに平行な方向から見た側面図、図１（Ｂ）は、板状部材１０の一方の面部１０ａとは反対側の面部１０ｂを斜め方向から見た斜視図、図１（Ｃ）は、板状部材１０の一方の面部１０ａ側を斜め方向から見た斜視図、図１（Ｄ）は、板状部材１０の面部１０ａを当該面部１０ａに直交する方向から見た底面図である。図１（Ｅ）は、力検出部材２における、台座部２１側の縦断面図である。

【0037】

図２及び図３は、この発明の実施形態の力センサ１の構成例を説明するための図である。この例の力センサ１は、弾性を有する絶縁性部材からなる板状部材１０の一方の面部１０ａに、複数個のひずみ受感材１１が配設されて形成されている。図２は、この実施形態の力センサ１の板状部材１０の一方の面部１０ａに配設される複数のひずみ受感材１１の配設位置と、印加された力に応じて板状部材１０に発生するひずみとの関係を示している。図３（Ａ）に示すように、板状部材１０の一方の面部１０ａには、複数のひずみ受感材１１と共に、それらを電気的に接続するための導電パターン１２も形成されるが、図２（Ａ）では、その導電パターン１２は省略してある。

【0038】

図２（Ａ）及び図３（Ａ）は、力センサ１を、その板状部材１０の一方の面部１０ａに対して直交する方向であって、当該一方の面部１０ａ側から見た図を示している。また、図３（Ｂ）は、力センサ１を、板状部材１０の面部に平行な方向から見た側面図である。この図３（Ｂ）に示すように、この例では、板状部材１０は、一定の厚さｄを有する円板状で構成されている。

【0039】

この実施形態の力センサ１では、板状部材１０は、弾性を有する材料からなる板例えば金属板、この例では、ＳＵＳで構成されている。この例では、板状部材１０の一方の面１０ａ側に絶縁層（図示は省略）が設けられて絶縁性部材とされる。そして、板状部材１０の一方の面１０ａ側の絶縁層上に、後述するように、ひずみ受感材１１及び導電パターン１２が成膜されて形成されることで、力センサ１が形成される。この実施形態の力センサ１では、従来のようにフレキシブル基板にひずみ受感材を配設したものを、ダイヤフラムを構成する起歪体に接着材により接着する構成ではないので、従来のような接着材の影響によりひずみ受感特性がばらつくなどという不具合を回避することができる。

【0040】

図１（Ａ）～（Ｃ）に示すように、力検出部材２の台座部２１は、力センサ１の円板状の板状部材１０と同じ外径を有する筒状部材で構成されている。台座部２１は、この例では、ＳＵＳで構成されている。この台座部２１の外径と内径とにより決まる厚さ分の端面に対して、力センサ１の板状部材１０の面部１０ａの周縁部１０Ｅ（図２及び図３参照）が、例えば接合されることで、台座部２１に力センサ１が固定される。

【0041】

なお、この場合の接合方法は、溶接でもよいし、接着材により接合する方法でもよい。また、台座部２１と力センサ１との結合方法は、この例のような接合に限られる訳ではなく、台座部２１と板状部材１０とを一体に構成してもよいし、台座部２１と外径及び内径寸法が等しい筒状体により、板状部材１０を挟持して固定するように構成してもよい。

【0042】

力受付部２２は、印加される力を受け付けて、力センサ１の板状部材１０に伝達する機能を備えるもので、この例では、例えばＳＵＳで構成された棒状部材とされる。この力受付部２２は、その軸心方向の一方の端部が、力センサ１の板状部材１０の中心部において、板状部材１０と結合される。この例では、図１（Ｅ）の断面図に示すように、板状部材１０を介してネジ２３が力受付部２２の軸心方向の端部に対してねじ込まれることにより、力受付部２２が、板状体部１０に対して結合される。力センサ１の板状部材１０の中心部には、図１（ＤＥ）に示すように、ネジ２３が挿入される貫通孔１０ｃが形成されている。この例では、板状部材１０が、その中心部において、ネジ２３の円柱状頭部２３ａと力受付部２２の軸心方向の端部とにより挟持されることにより、力受付部２２が力センサ１に対して結合される。

【0043】

なお、力受付部２２と力センサ１との結合方法は、この例のようなネジ止めに限られるものではないことは言うまでもない。例えば、力受付部２２の軸心方向の一方の端部が、板状部材１０の面部１０ａの反対側の中心部と溶接などにより接合されていてもよいし、接着材により接合するようにしてもよい。また、力受付部２２と板状部材１０とを一体に構成してもよい。

【0044】

なお、この例では、力受付部２２の軸心方向の一方の端部は、力センサ１の一方の面部１０ａとは反対側の面部の中央で結合するようにしたが、板状部材１０の面部１０ａ側において結合するようにしても、勿論よい。

【0045】

この例では、以上のように、力センサ１の板状部材１０は、その周縁部１０Ｅが台座部２１に固定されると共に、その中心部において力受付部２２が例えばネジ２３によりネジ止めされて結合されるので、図１（Ｄ）に示すように、ネジ２３の円柱状頭部２３ａの周縁の位置と、筒状の台座部２１の内径の位置との間の幅Ｗのリング状領域ＲＧが、力受付部２２に印加される力に応じて弾性ひずみを生じることが可能である領域となる。

【0046】

すなわち、ねじ２３の円柱状頭部２３ａの半径をｒｉ、台座部２１の内径をｒｏとすると、図１（Ｄ）及び図２（Ａ）に示すように、力センサ１の板状部材１０において、その中心位置Ｏｃを中心とする半径が、ｒｉ≦ｒ≦ｒｏの範囲であるリング状領域ＲＧが、力受付部２２から伝達される力に対応して弾性ひずみが発生する領域となる。

【0047】

図１（Ｄ）、図２（Ａ）及び図３（Ａ）に示すように、この実施形態の力センサ１においては、板状部材１０の一方の面部１０ａの、幅Ｗのリング状領域ＲＧに、ひずみ受感材１１が複数個設けられる。

【0048】

ところで、この例の力検出部材２においては、力センサ１の板状部材１０は、一定の厚さｄを有する円板形状であって、その周縁部１０Ｅで固定されると共に、その中心位置Ｏｃ（図２（Ａ）参照）に、力受付部２２を通じて力が印加される。

【0049】

ここで、板状部材１０の幅Ｗのリング状領域ＲＧの幅方向の中心位置の半径をｒｃ（ｒｃ＝（ｒｉ＋ｒｏ）／２）に設定して、当該リング状領域ＲＧを、半径ｒｉ～半径ｒｃの範囲の内側に位置する第１のリング状領域ＲＧ１と、半径ｒｃ～半径ｒｏの範囲の外側に位置する第２のリング状領域ＲＧ２とに分割する。すると、リング状領域ＲＧの内側の第１のリング状領域ＲＧ１と外側の第２のリング状領域ＲＧ２とでは、力受付部２２に力が印加されたときには、互いに逆向きのひずみが生じる。

【0050】

すなわち、力センサ１の板状部材１０が、力受付部２２を介して面部１０ａに直交する方向の力（Ｚ軸方向の力）を受けると、板状部材１０は、図２（Ｂ）に示すように、下に突となるように弾性変形する。この場合に、Ｚ軸方向の力以外の力が零であるときには、板状部材１０においては、中心Ｏｃから放射方向における同じ半径位置においては、全周に亘って等しいひずみを生じる。そして、そのひずみは、印加された力の大きさに応じたものとなると共に、図２（Ｂ）に示すように、第１のリング状領域ＲＧ１では、伸長ひずみとなり、また、第２のリング状領域ＲＧ２では、収縮ひずみとなって、互いに逆方向のひずみが生じる。

【0051】

したがって、第１のリング状領域ＲＧ１と第２のリング状領域ＲＧ２とに、それぞれひずみ受感材１１を設けて、第１のリング状領域ＲＧ１での伸長ひずみと、第２のリング状領域ＲＧ２での収縮ひずみとをそれぞれ検知することで、Ｚ軸方向の力を検出することができる。すなわち、第１のリング状領域ＲＧ１に設けたひずみ受感材１１と第２のリング状領域ＲＧ２に設けたひずみ受感材と、互いに逆方向（増加方向と減少方向）に抵抗値が変化するので、その抵抗値の変化分に基づいて、力センサ１に印加されるＺ軸方向の力を検出することができる。

【0052】

また、力受付部２２を介して力センサ１の板状部材１０の面部１０ａに平行する方向の力（Ｘ軸方向またはＹ軸方向の力）を受けると、板状部材１０は、図２（Ｃ）に示すように、板状部材１０の中心位置Ｏｃを中心として非対称に波打つようなひずみ変形をする。そして、そのひずみ変形の度合は、印加された力の大きさに応じたものとなると共に、図２（Ｃ）に示すように、板状部材１０では、中心Ｏｃを中心として互いに逆向きのひずみが生じる。

【0053】

すなわち、図２（Ｃ）に示すように、力受付部２２に印加される力の方向から見て、中心位置Ｏｃよりも手前側においては、第１のリング状領域ＲＧ１では収縮ひずみが生じ、また、第２のリング状領域ＲＧ２では伸長ひずみが生じる。また、力受付部２２に印加される力の方向から見て、中心位置Ｏｃよりも後ろ側においては、第１のリング状領域ＲＧ１では伸長ひずみが生じ、また、外側の第２のリング状領域ＲＧ２では収縮ひずみが生じる。なおこの例の場合、図２（Ｃ）に示すように、第１のリング状領域ＲＧ１では、その最内周側の部分におけるひずみが大きくなり、また、第２のリング状領域ＲＧ２では、その最外周側の部分におけるひずみが大きくなるので、ひずみ受感材１１は、そのひずみが大きくなる部分に対応して配設されている。

【0054】

したがって、第１のリング状領域ＲＧ１に配設されたひずみ受感材１１のひずみに応じた抵抗値の変化と、第２のリング状領域ＲＧ２に配設されたひずみ受感材１１のひずみに応じた抵抗値の変化とから、Ｘ軸方向又はＹ軸方向の力成分を検出することができる。そして、この場合に、中心位置Ｏｃよりも手前側の第１のリング状領域ＲＧ１及び第２のリング状領域ＲＧ２と、後ろ側の第１のリング状領域ＲＧ１及び第２のリング状領域ＲＧ２とでは、発生するひずみの態様が逆向きであることから、中心位置Ｏｃよりも手前側と後ろ側とのそれぞれにおいてひずみ受感材１１で検出したひずみ検出出力の差分を取ることで、Ｘ軸方向又はＹ軸方向の力成分の検出出力として、相乗的な大きさの検出出力が得られる。

【0055】

この実施形態の力検出部材２の力センサ１の板状部材１０では、以上のようなひずみ発生態様となることを踏まえて、実施形態の力検出部材２では、この力センサ１の板状部材１０上に、以下に説明するように、ひずみ受感材１１を配設することで、３軸力センサを構成するようにする。

【0056】

この実施形態の力検出部材２においては、力センサ１の板状部材１０の面部１０ａに直交する、力受付部２２の軸心方向に印加される力をＺ軸方向の力として受けて、その大きさを検出する。また、この実施形態の力検出部材２においては、力センサ１の板状部材１０の面部１０ａに平行な、力受付部２２の軸心方向に直交する方向に印加される力であって、互いに直交する方向の力を、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の力として受けて、その大きさを検出する。

【0057】

そこで、この実施形態の力センサ１においては、３軸力センサとするために、図２（Ａ）及び図３（Ａ）において点線で分割して示すように、円板からなる板状部材１０の一方の面部１０ａは、円周方向が４分割されて、それぞれ９０度角範囲の４個の扇形領域ＳＸ１，ＳＹ１，ＳＸ２，ＳＹ２に領域分割される。この場合に、図２（Ａ）に示すように、この例では、扇形領域ＳＸ１とＳＸ２とは、中心位置Ｏｃを中心としてＸ軸方向に対向し、扇形領域ＳＹ１とＳＹ２は、中心位置Ｏｃを中心としてＹ軸方向に対向するように構成される。

【0058】

そして、この実施形態では、各扇形領域ＳＸ１，ＳＹ１，ＳＸ２，ＳＹ２のそれぞれにおいて、力受付部２２を介して板状部材１０に印加される力に応じて第１のリング状領域ＲＧ１及び第２のリング状領域ＲＧ２で互いに逆向きに生じるひずみ（伸長ひずみと収縮ひずみ）を検知するようにひずみ受感材１１を配設する。

【0059】

すなわち、この実施形態では、板状部材１０の一方の面部１０ａの各扇形領域ＳＸ１，ＳＹ１，ＳＸ２，ＳＹ２のそれぞれにおけるリング状領域ＲＧの第１のリング状領域ＲＧ１と第２のリング状領域ＲＧ２とのそれぞれにひずみ受感材１１を設ける。

【0060】

そして、この実施形態では、各扇形領域ＳＸ１，ＳＹ１，ＳＸ２，ＳＹ２のそれぞれにおいて、ひずみ検出回路を構成するブリッジ回路を構成することができるように、第１のリング状領域ＲＧ１と第２のリング状領域ＲＧ２とのそれぞれの周方向に、２個ずつのひずみ受感材１１を設ける。

【0061】

図２（Ａ）及び図３（Ａ）では、板状部材１０の一方の面部１０ａの各扇形領域ＳＸ１，ＳＹ１，ＳＸ２，ＳＹ２のそれぞれに設けるひずみ受感材１１を区別することができるように、参照符号１１に括弧を付随させ、その括弧内に別の参照符号を付している。以下の説明において、ひずみ受感材１１を区別する必要がないときには、そのままの参照符号を用いてひずみ受感材１１と記載し、区別する必要があるときには、括弧内の参照符号を用いて説明することとする。

【0062】

すなわち、図２（Ａ）及び図３（Ａ）に示すように、扇形領域ＳＸ１においては、第１のリング状領域ＲＧ１には、その周方向に沿って２個のひずみ受感材Ｘ１，Ｘ２が、第２のリング状領域ＲＧ２には、その周方向に沿って２個のひずみ受感材Ｘ３，Ｘ４が、それぞれ設けられる。また、扇形領域ＳＸ２においては、第１のリング状領域ＲＧ１には、その周方向に沿って２個のひずみ受感材Ｘ５，Ｘ６が、第２のリング状領域ＲＧ２には、その周方向に沿って２個のひずみ受感材Ｘ７，Ｘ８が、それぞれ設けられる。

【0063】

また、扇形領域ＳＹ１においては、第１のリング状領域ＲＧ１には、その周方向に沿って２個のひずみ受感材Ｙ１，Ｙ２が、第２のリング状領域ＲＧ２には、その周方向に沿って２個のひずみ受感材Ｙ３，Ｙ４が、それぞれ設けられる。また、扇形領域ＳＹ２においては、第１のリング状領域ＲＧ１には、その周方向に沿って２個のひずみ受感材Ｙ５，Ｙ６が、第２のリング状領域ＲＧ２には、その周方向に沿って２個のひずみ受感材Ｙ７，Ｙ８が、それぞれ設けられる。

【0064】

ここで、ひずみ受感材１１としては、この実施形態では、ひずみ変形に応じて抵抗値が変化する導電性材であって、所定幅ｋの帯状導体（ストリップ状の導体）を用いるが、この例では、以下に説明するような優れた特徴を備えるひずみ受感材のストリップ状の導電性材を用いるようにする。

【0065】

前述したように、従来、一般的に使用されているＣｕ－Ｎｉ合金などのひずみ受感材を用いた帯状導体（ストリップ状の導体）は、ほぼその長手方向にしかひずみの受感感度を有していない。そのため、ストリップ状の導体からなるひずみ受感材は、図８（Ｂ）に示したように、ひずみの発生方向である半径方向（力の印加点から見た放射方向）に、その長手方向を合わせて配置すると共に、材料の抵抗値が低いために、円周方向に複数折り返すようなジグザグ状パターンを形成して抵抗値を大きくするようにしなければならない。

【0066】

このため、従来のひずみ受感材を用いる場合は、そのパターン面積が大きくなり、特に、ひずみ受感材のパターンの板状部材１０の半径方向の長さを所定長さにする必要があるために、これを、第１のリング状領域ＲＧ１と、第２のリング状領域ＲＧ２とに配設するようにすると、板状部材１０（ダイヤフラム）の大きさ（径）を小さくすることができず、力センサ１の小型化は困難である。

【0067】

この実施形態では、このような欠点を改善したひずみ受感材を用いる。すなわち、この例においては、ひずみ受感材として用いるストリップ状の導電性材は、Ｃｒおよび不可避不純物からなるＣｒ薄膜、またはＣｒ、Ｎ及び不可避不純物からなるＣｒ－Ｎ薄膜で構成する（特許第６０８４３９３号公報（特許文献２として先行技術文献の欄に記載）参照）。以下に説明する実施形態では、ひずみ受感材１１としては、Ｃｒ－Ｎ薄膜を用いる。

【0068】

このＣｒ－Ｎ薄膜で構成されるストリップ状の導電性材は、ひずみの受感感度に方向性はなく（等方性）、長手方向だけでなく、幅方向（横方向）にも感度を備え、しかも、その感度の大きさを規定するゲージ率も高い。また、前記特許文献２にも記載されているように、Ｃｒ－Ｎ薄膜は、ゲージ率が高いだけでなく、抵抗温度係数（ＴＣＲ）が約ゼロ（＜±５０ｐｐｍ／℃）に制御可能であって温度変化に対して安定であり、さらには、高抵抗（数１０ｋΩ）であってひずみ受感材１１のパターン面積は小さくてよいという特徴もある。

【0069】

この実施形態の力センサ１では、ひずみ受感材１１の上記の特徴を利用して、以下に説明するように、板状部材１０の一方の面部１０ａ上にひずみ受感材１１を配置する。高抵抗率のひずみ受感材１１により、小さな面積で高抵抗値が得られ、これにより発生するひずみをピンポイントで検出できるために高感度化が可能であり、更に、高抵抗のために小面積のひずみ受感材１１で良く、力センサ１を小型化することができる。

【0070】

すなわち、この実施形態では、ストリップ状の導電性材からなるひずみ受感材１１は、図２（Ａ）及び図３（Ａ）においてハッチングを付して示すように、その長手方向を、板状部材１０における力の印加点（板状部材１０の中心位置）から見た放射方向を長手方向に揃えるのではなく、円周方向に沿うように配設する。すなわち、この実施形態では、複数個のひずみ受感材１１のそれぞれは弧形状を有するものとして、円周方向に沿うようにして、板状部材１０の面部１０ａ上に配設する。この場合に、この実施形態では、ひずみ受感材１１を構成するそれぞれストリップ状の導電性材は、板状部材１０が印加された力に応じて第１のリング状領域ＲＧ１と第２のリング状領域ＲＧ２とのそれぞれに生じるひずみの発生部位に、その幅方向をピンポイントに合わせて配設するようにする。

【0071】

このようにひずみ受感材１１を配設することで、力センサ１では、ひずみを十分な感度で、かつ、検出出力電圧の大きさを保持して検出することができる。すなわち、幅ｋのストリップ状の導電性材からなるひずみ受感材１１の長手方向を、円周方向に沿って配設した場合、当該ひずみ受感材１１の幅ｋの長さの幅方向部分においてひずみが検知され、その幅ｋの長さの幅方向部分におけるひずみ検知が、ひずみ受感材１１の長手方向の長さ分に亘って行われることになる。

【0072】

また、印加された力に応じて板状部材１０が弾性変形をするので、板状部材１０の中心位置Ｏｃを中心とした放射方向のみでなく、円周方向にもひずみが生じるが、ひずみ受感材１１は、その円周方向のひずみに応じても変位して、その抵抗値を変えることで、当該円周方向のひずみをも検知する。さらに、この実施形態のひずみ受感材１１を構成する導電性材の抵抗値は高く、低消費電力を維持しつつ、局所的なひずみに合わせて、小さな面積のひずみ受感材を設けることできる。したがって、この実施形態の力センサ１では、ひずみ受感材１１のそれぞれにおいて、印加された力に対応したひずみを十分に検知することができる。

【0073】

そして、この実施形態では、板状部材１０の一方の面部１０ａにおいて、第１のリング状領域ＲＧ１に配設されるひずみ受感材Ｘ１、Ｘ２，Ｘ５、Ｘ６及びひずみ受感材Ｙ１，Ｙ２，Ｙ５，Ｙ６は、当該第１のリング状領域ＲＧ１において印加された力に応じて発生するひずみが大きく発生する位置、この例では、第１のリング状領域ＲＧ１の幅方向（半径方向）の、中心位置Ｏｃから半径ｒｉ分だけ離れた最内周側位置又はその近傍に配設される。すなわち、ひずみ受感材Ｘ１、Ｘ２，Ｘ５、Ｘ６及びひずみ受感材Ｙ１，Ｙ２，Ｙ５，Ｙ６のそれぞれを構成するストリップ状の導電性材の幅方向を、第１のリング状領域ＲＧ１において、発生するひずみが大きい幅方向（半径方向）の、中心位置Ｏｃから半径ｒｉ分だけ離れた最内周側位置又はその近傍にピンポイントに合わせると共に、ストリップ状の導電性材の長手方向を、当該ひずみが発生している周方向に合わせて配設される。

【0074】

以上のようにして、ひずみ受感材Ｘ１、Ｘ２，Ｘ５、Ｘ６及びひずみ受感材Ｙ１，Ｙ２，Ｙ５，Ｙ６は、板状部材１０の一方の面部１０ａにおいて、中心位置Ｏｃから同一の半径位置において、周方向に沿って、ひずみ発生位置に合わせて配設される。

【0075】

同様に、第２のリング状領域ＲＧ２に配設されるひずみ受感材Ｘ３、Ｘ４，Ｘ７、Ｘ８及びひずみ受感材Ｙ３，Ｙ４，Ｙ７，Ｙ８は、当該第２のリング状領域ＲＧ２において印加された力に応じたひずみが大きく発生する位置、この例では、第２のリング状領域ＲＧ２の幅方向（半径方向）の、中心位置Ｏｃから半径ｒ０分だけ離れた最外周側位置又はその近傍に配設される。したがって、ひずみ受感材Ｘ３、Ｘ４，Ｘ７、Ｘ８及びひずみ受感材Ｙ３，Ｙ４，Ｙ７，Ｙ８は、板状部材１０の一方の面部１０ａの第２のリング状領域ＲＧ２において、中心位置Ｏｃから同一の半径位置において、周方向に沿って、ひずみ発生位置に合わせて配設される。

【0076】

なお、図３では、説明の便宜上、ひずみ受感材１１の配設位置は、第１のリング状領域ＲＧ１及び第２のリング状領域ＲＧ２の半径方向の中央となっているが、実際上は、図２に示したのと同様に、ひずみの大きさが最大となる位置に配置されているのは勿論である。

【0077】

そして、第１のリング状領域ＲＧ１に配設されるひずみ受感材Ｘ１、Ｘ２，Ｘ５、Ｘ６及びひずみ受感材Ｙ１，Ｙ２，Ｙ５，Ｙ６と、第２のリング状領域ＲＧ２に配設されるひずみ受感材Ｘ３、Ｘ４，Ｘ７、Ｘ８及びひずみ受感材Ｙ３，Ｙ４，Ｙ７，Ｙ８とは、図２（Ａ）及び図３（Ａ）に示すように、板状部材１０の中心位置Ｏｃを中心とした放射方向、すなわち、ひずみの発生方向に整列するように配設される。

【0078】

さらに、この実施形態においては、第１のリング状領域ＲＧ１に配設されるひずみ受感材Ｘ１、Ｘ２，Ｘ５、Ｘ６及びひずみ受感材Ｙ１，Ｙ２，Ｙ５，Ｙ６と、第２のリング状領域ＲＧ２に配設されるひずみ受感材Ｘ３、Ｘ４，Ｘ７、Ｘ８及びひずみ受感材Ｙ３，Ｙ４，Ｙ７，Ｙ８との内、少なくとも中心位置Ｏｃから放射方向（半径方向）に並ぶ２個ずつのひずみ受感材１１は、ひずみが発生していないときの抵抗値が等しくなるように構成されている。

【0079】

この実施形態では、板状部材１０の中心位置Ｏｃとした放射方向の全てで、ひずみの受感感度が等しくなるようにするために、第１のリング状領域ＲＧ１に周方向に配設されるひずみ受感材Ｘ１、Ｘ２，Ｘ５、Ｘ６及びひずみ受感材Ｙ１，Ｙ２，Ｙ５，Ｙ６は、ひずみが発生していないときの抵抗値が、全て同一の値となるようにしている。したがって、この例では、ひずみ受感材Ｘ１～Ｘ８及びひずみ受感材Ｙ１～Ｙ８の全てを、ひずみが発生していないときの抵抗値が等しくなるように形成している。

【0080】

この場合に、ひずみ受感材１１の抵抗値は、ストリップ状の導電性材の幅と、長手方向の長さと、厚さ及び導電性材の材料により決まるが、導電性材の材料としては、この例では、ひずみ受感材Ｘ１～Ｘ８及びひずみ受感材Ｙ１～Ｙ８の全てのストリップ状の導電性材の材料としてはＣｒ－Ｎが用いられているので、導電性材の幅と、長手方向の長さと、厚さとを等しくすることで、ひずみが発生していないときの抵抗値が等しくなるようにしている。しかし、ひずみ受感材Ｘ１～Ｘ８及びひずみ受感材Ｙ～Ｙ８のストリップ状の導電性材の幅と、長手方向の長さと、厚さとをそれぞれ調整することで、ひずみが発生していないときの抵抗値が等しくなるようにしてもよい。

【0081】

この実施形態の力センサ１のひずみ受感材１１で用いられるＣｒ－Ｎからなるストリップ状の導電性材は、前記特許文献２に開示されているように、従来例のようにフレキシブル基板に形成するのではなく、薄膜として起歪体である板状部材１０自身に直接的に形成することができる。

【0082】

そこで、この実施形態の力センサ１は、板状部材１０の一方の面部１０ａに、予め、ひずみ受感材１１のそれぞれが、成膜処理されて薄膜として形成されると共に、導体パターン１２が同様に成膜処理されることで形成される。したがって、この実施形態の力センサ１の製造には、ひずみ受感材がパターニングされて配設されたフレキシブル基板を接着材により接着する工程が不要であるので、量産が容易である。そして、この実施形態の力センサ１を、その板状部材１０の周縁部１０Ｅで台座部２１に結合し、力受付部２２を、板状部材１０の中央部において例えばネジ止めして結合することで、力検出部材２を生成することができるので、力検出部材２の製造も簡単であるという特徴も備える。

【0083】

この実施形態の力センサ１においては、前述したように、板状部材１０の一方の面部１０ａの各扇形領域ＳＸ１，ＳＹ１，ＳＸ２，ＳＹ２のそれぞれに配設される４個のひずみ受感材により、ひずみ検出回路を構成するブリッジ回路が構成される。導電パターン１２は、図３（Ａ）に示すように配設されることで、各扇形領域ＳＸ１，ＳＹ１，ＳＸ２，ＳＹ２のそれぞれにおいて、ブリッジ回路が形成される。なお、図３（Ａ）においては、ハッチングを付して示したひずみ受感材１１と区別するために、導電パターン１２は、白抜きの線路パターンとして示している。

【0084】

各扇形領域ＳＸ１，ＳＹ１，ＳＸ２，ＳＹ２のそれぞれに配設される４個のひずみ受感材１１で構成されるブリッジ回路は、同様の構成を有する。図４は、扇形領域ＳＸ１において、４個のひずみ受感材Ｘ１～Ｘ４が導電パターン１２により電気的に接続されて形成されるブリッジ回路の構成を、その代表例として示す図である。

【0085】

すなわち、図４に示すように、電源電圧Ｖｃｃが供給される端子ｔＶと、接地される端子ｔＧとの間に、ひずみ受感材Ｘ１とひずみ受感材Ｘ３との直列回路と、ひずみ受感材Ｘ２とひずみ受感材Ｘ４との直列回路とが並列に接続される。そして、ひずみ受感材Ｘ１とひずみ受感材Ｘ３との接続点から第１の出力端子ｔＯ（－）が、また、ひずみ受感材Ｘ２とひずみ受感材Ｘ４との接続点から第２の出力端子ｔＯ（＋）が、それぞれ導出される。端子ｔＶ，ｔＧ，ｔＯ（－），ｔＯ（＋）は、図３（Ａ）に示すように、板状部材１０の面部１０ａに形成されている。

【0086】

この図４の回路において、ひずみが生じていない場合には、ひずみ受感材Ｘ１～Ｘ４の抵抗値は全て等しいので、出力端子ｔＯ（－）及び出力端子ｔＯ（＋）の出力電圧は等しく、その差の出力電圧はゼロである。

【0087】

そして、力センサ１に力が印加されたときには、ひずみ受感材Ｘ１が存在する第１のリング状領域ＲＧ１と、ひずみ受感材Ｘ３が存在する第２のリング状領域ＲＧ２とでは、印加された力に応じて互いに逆向きのひずみを受けるので、ひずみ受感材Ｘ１とひずみ受感材Ｘ３とでは逆方向に抵抗値が変化する。そして、出力端子ｔＯ（－）には、ひずみ受感材Ｘ１の抵抗値とひずみ受感材Ｘ３の抵抗値との差分に応じた電圧が得られると共に、出力端子ｔＯ（＋）には、ひずみ受感材Ｘ２の抵抗値とひずみ受感材Ｘ４の抵抗値との差分に応じた、出力端子ｔＯ（－）とは逆向きの電圧が得られる。したがって、出力端子ｔＯ（－）に得られる電圧と、出力端子ｔＯ（＋）に得られる出力電圧との差分の電圧として、力センサ１に印加された力のＸ軸方向の力成分に応じた出力電圧ＥＸ１が得られる。

【0088】

前述もしたように、他の扇形領域ＳＸ２，ＳＹ１，ＳＹ２においても、同様によりブリッジ回路が形成されて、力センサ１に印加された力に応じた出力電圧が得られる。すなわち、扇形領域ＳＸ２の場合には、図４において、括弧内に示すように、扇形領域ＳＸ１のひずみ受感材Ｘ１に代えてひずみ受感材Ｘ５が、ひずみ受感材Ｘ２に代えてひずみ受感材Ｘ６が、ひずみ受感材Ｘ３に代えてひずみ受感材Ｘ７が、ひずみ受感材Ｘ４に代えてひずみ受感材Ｘ８が、接続されることで、出力端子ｔＯ（－）に得られる電圧と、出力端子ｔＯ（＋）に得られる出力電圧との差分の電圧として、力センサ１に印加された力のＸ軸方向の力成分に応じた出力電圧ＥＸ２が得られる。

【0089】

また、扇形領域ＳＹ１の場合には、図４における、ひずみ受感材Ｘ１に代えてひずみ受感材Ｙ１が、ひずみ受感材Ｘ２に代えてひずみ受感材Ｙ２が、ひずみ受感材Ｘ３に代えてひずみ受感材Ｙ３が、ひずみ受感材Ｘ４に代えてひずみ受感材Ｙ４が、接続されることで、出力端子ｔＯ（－）に得られる電圧と、出力端子ｔＯ（＋）に得られる出力電圧との差分の電圧として、力センサ１に印加された力のＹ軸方向の力成分に応じた出力電圧ＥＹ１が得られる。

【0090】

さらに、扇形領域ＳＹ２の場合には、図４における、ひずみ受感材Ｘ１に代えてひずみ受感材Ｙ５が、ひずみ受感材Ｘ２に代えてひずみ受感材Ｙ６が、ひずみ受感材Ｘ３に代えてひずみ受感材Ｙ７が、ひずみ受感材Ｘ４に代えてひずみ受感材Ｙ８が、接続されることで、出力端子ｔＯ（－）に得られる電圧と、出力端子ｔＯ（＋）に得られる出力電圧との差分の電圧として、力センサ１に印加された力のＹ軸方向の力成分に応じた出力電圧ＥＹ２が得られる。

【0091】

そして、以上のようにして、扇形領域ＳＸ１，ＳＸ２，ＳＹ１，ＳＹ２に形成されている４個のブリッジ回路のそれぞれの出力電圧ＥＸ１，ＥＸ２，ＥＹ１，ＥＹ２を用いることで、力検出部材２の力受付部２２に印加された力のＺ軸方向の力成分についての出力電圧ＥＺ、Ｘ軸方向の力成分についての出力電圧ＥＸ及びＹ軸方向の力成分についての出力電圧ＥＹが、次のような演算式より得られる。

【0092】

すなわち、Ｚ軸方向の力成分については、図２（Ｂ）に示したように、板状部材１０の中心位置Ｏｃを中心とする放射方向に同様のひずみ変形が生じるので、力検出部材２の検出出力電圧ＥＺは、
ＥＺ＝ＥＸ１＋ＥＸ２＋ＥＹ１＋ＥＹ２
として算出される。

【0093】

また、Ｘ軸方向の力成分については、図２（Ｃ）に示したように、板状部材１０の中心位置Ｏｃの手前側と、後ろ側とで、逆向きのひずみが生じるので、力検出部材２の検出出力電圧ＥＸは、
ＥＸ＝ＥＸ１－ＥＸ２
として算出される。

【0094】

また、Ｙ軸方向の力成分についても、同様に、図２（Ｃ）に示したように、板状部材１０の中心位置Ｏｃの手前側と、後ろ側とで、逆向きのひずみが生じるので、力検出部材２の検出出力電圧ＥＹは、
ＥＹ＝ＥＹ１－ＥＹ２
として算出される。

【0095】

［実施形態の効果］
以上説明したように、上述の実施形態の力センサ１によれば、円板状の板状部材１０の中心位置から放射方向（半径方向）に異なる位置の領域である第１のリング状領域ＲＧ１と、第２のリング状領域ＲＧ２とのそれぞれに、ひずみ受感材１１を配置することで、力センサ１に印加される力を検出することができる。

【0096】

この場合に、ひずみ受感材１１は、ストリップ状の導電性材の幅方向位置を、リング状領域ＲＧ１，ＲＧ２のそれぞれの、ひずみ発生位置に合わせた半径方向位置とすると共に、ストリップ状の導電性材の長手方向を、ひずみ発生位置に合わせた円周方向に沿って配置するので、円板状の板状部材１０の半径方向に占めるひずみ受感材１１の領域面積を小さくでき、このため、板状部材１０の半径を小さくできて、力センサ１の小型化が可能となる。

【0097】

そして、この実施形態の力センサ１では、板状部材１０に直接的にひずみ受感材１１の薄膜を形成すると共に、ブリッジ回路を構成するためのひずみ受感材１１間を電気的に接続するための導電パターンも、板状部材１０上に形成するようにしたので、冒頭で説明した従来の力センサのように、フレキシブル基板にひずみ受感材を形成して当該フレキシブル基板を起歪体としての板状部材に接着材により接着する必要はない。このため、力センサ１の製造が容易になると共に、従来のような接着材の存在によるひずみの受感感度の低下やばらつき、及び、応力－ひずみ特性の変化、は生じないというメリットがある。また、フレキシブル基板（ポリイミドなど）は、温度特性がダイヤフラムや板状部材とは異なるので、力センサの温度特性に影響を与えていたが、これを考慮する必要がないというメリットもある。

【0098】

また、この実施形態の力センサ１では、ひずみ受感材１１は、Ｃｒ、Ｎ及び不可避不純物からなるＣｒ－Ｎ薄膜で構成されているので、ひずみの受感感度に方向性依存がなく、高感度の力センサを実現できると言う効果もある。なお、上述したように、ひずみ受感材１１としては、Ｃｒおよび不可避不純物からなるＣｒ薄膜であってもよい。

【0099】

そして、この実施形態の力センサ１では、上述したように、円板状の板状部材１０を円周方向に分割した扇形領域のそれぞれにおいて、印加される力に応じて当該扇形領域に生じるひずみを検知するブリッジ回路を構成することができ、その複数のブリッジ回路の出力を用いて、印加された力のＸ軸方向の成分、Ｙ軸方向の成分、Ｚ軸方向の成分を、高感度で検出することができる。

【0100】

出願人は、上述した実施形態の力センサ１の効果を確認するために、従来のひずみ受感材料を用いた力センサを比較例として作成し、両者のひずみ検出についてのシミュレーションを行った。この比較例及びシミュレーション結果について、図５を参照しながら説明する。

【0101】

従来一般的に用いられているひずみ受感材料の一例としてのＣｕ―Ｎｉ合金を用いて、この実施形態の力センサ１と同様の構成を有する力センサ１´を作成すると、図５（Ａ）のような構成となる。比較を容易にするために、図５（Ｂ）に、この実施形態の力センサ１を示す。

【0102】

図５（Ａ）と図５（Ｂ）とから分かるように、比較例の力センサ１´においては、各扇形領域ＳＸ１，ＳＸ２，ＳＹ１，ＳＹ２に配設するひずみ受感材の形状が、この実施形態の力センサ１のひずみ受感材１１とは異なる。すなわち、比較例の力センサ１´のひずみ受感材は、図示のようなジグザグ状パターンとされている。なお、説明の簡単のため、図５（Ａ）及び（Ｂ）では、扇形領域ＳＸ１を代表して符号を配しており、比較例の力センサ１´においては、この扇形領域ＳＸ１に、ジグザグ状パターンのひずみ受感材Ｘ１´～Ｘ４´が配されている。

【0103】

前述したように、従来一般的に用いられているひずみ受感材料は、Ｃｕ―Ｎｉ合金に限らず、ひずみ受感方向の異方性が大きく、ストリップ状のひずみ受感材の幅方向の感度がほとんどないために、板状部材１０の径方向に長さが変わるようにパターンを配置する必要があった。そして、ひずみ受感材料の抵抗値が低いために、発熱・消費電流の観点から、図５（Ａ）に示すように、ひずみ受感材Ｘ１´～Ｘ４´は複数回折り返したジグザグ状パターンとして抵抗値を大きくするようにしているのである。

【0104】

以上のような構成とされた図５（Ａ）の比較例の力センサ１´と、図５（Ｂ）のこの実施形態の力センサ１に対して、その板状部材１０の中心位置に結合された棒状の力受付部２２（図５では図示は省略）を介して、Ｚ軸方向（板状部材１０に対して直交する方向）の同じ力を印加したときのシミュレーション結果は、図５（Ｃ）の表に示すようなものとなる。図５（Ｃ）の右端に示す検出歪み量は、力センサ１´において、ひずみ受感材Ｘ１´～Ｘ４´により扇形領域ＳＸ１において検出されるトータルの歪み量である。

【0105】

なお、このシミュレーションにおいては、力センサ１及び力センサ１´の板状部材１０の外径は６ｍｍ、板状部材１０の厚さは０．５ｍｍ、力受付部２２の径は２ｍｍ、板状部材１０が固定される周縁部１０Ｅの幅は０．７ｍｍとされている。

【0106】

この図５（Ｃ）の表に示されるように、図５（Ａ）の比較例の従来パターンの力センサ１´においては、ひずみ受感材Ｘ１´～Ｘ４´は、板状部材１０の径方向のひずみ変化のみを検出し、板状部材１０の周方向のひずみ変化は検出できないことが分かる。

【0107】

比較例の力センサ１´においては、ひずみ受感材Ｘ１´～Ｘ４´は、抵抗値を大きくするためジグザグ状パターンとしているために、検出面積が大きくなってしまい、ピンポイントに集中する最大ひずみを検出することは困難となっている。そして、比較例の力センサ１´では、ひずみ受感材Ｘ１´～Ｘ４´をフルブリッジ構成などを精度良くパターンとして形成することを考えると、実用的な抵抗値を得ることができず（板状部材１０の径が６ｍｍでは１００Ω以下）、図４に示すようなブリッジ回路を構成したときに検出される検出出力は、例えば０．１ｍＶ／Ｖ以下の値しか得られない。

【0108】

これに対して、この実施形態の力センサ１のひずみ受感材Ｘ１～Ｘ４においては、板状部材１０の径方向のひずみ変化のみならず、板状部材１０の周方向のひずみ変化も検出できることが分かる。そして、図５（Ｃ）の右端に示すように、この実施形態の力センサ１の扇形領域ＳＸ１において検出されるトータルの歪み量は、比較例の力センサ１´の扇形領域ＳＸ１において検出されるトータルの歪み量の２倍以上となっていることが分かる。

【0109】

この実施形態の力センサ１のひずみ受感材Ｘ１～Ｘ４は、薄膜を微細プロセスでパターン形成することができるＣｒ－Ｎ薄膜で構成されるので、高抵抗（微細プロセスで５０μｍ以下の細いパターンが形成可能であり、膜が薄いため面抵抗が高く、ｋΩオーダーが可能）である。また、この実施形態の力センサ１のひずみ受感材Ｘ１～Ｘ４によれば、微細パターンにより形成されることと、ストリップ状のパターンの幅方向の感度（横感度）による検出が可能であるので、省スペースで、且つ、ピンポイントのひずみ検出が可能となる。さらに、Ｃｒ－Ｎ薄膜自体がゲージ率が高いため、同じひずみ値でも、高い出力を得ることができる。図４に示すようなブリッジ回路を構成したときの出力として、数ｍＶ／Ｖの出力が得られ、高出力の小型の力センサを実現できる。

【0110】

［力センサの変形例］
＜ひずみ受感材のパターンの他の例＞
上述の実施形態では、ひずみ受感材１１は、ストリップ状の導電性材の長手方向を板状部材１０の円周方向に沿わせて配置するので、板状部材１０を円周方向に分割した扇形領域のそれぞれに配設する場合には、その長手方向の長さは、その扇形領域の角度分よりも短くなって、ストリップ状の導電性材の長手方向の長さが制限され、抵抗値も制限されることになる。

【0111】

この問題を改善した例の力センサ１Ａを、図６に示す。なお、図６の例の力センサ１Ａにおいて、上述した実施形態の力センサ１と同一部分には、同一参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

【0112】

図６に示すように、この例の力センサ１Ａにおいては、上述した力センサ１と同様に、４個の扇形領域ＳＸ１，ＳＹ１，ＳＸ２，ＳＹ２のそれぞれにおいて、第１のリング状領域ＲＧ１と、第２のリング状領域ＲＧ２とに、その周方向にそれぞれ２個ずつのひずみ受感材１１Ａが設けられるが、この例の力センサ１Ａにおけるひずみ受感材１１Ａのパターン形状は、上述の実施形態の力センサ１のひずみ受感材１１と異なる。その他の構成は、この例の力センサ１Ａと、上述の実施形態の例の力センサ１とは、同様である。なお、図６においては、ひずみ受感材１１Ａの部分は、ハッチングを付して示し、ひずみ受感材１１Ａの間を電気的に接続する導電パターン１２Ａは、白抜きの線路パターンとして示す。

【0113】

なお、図６では、説明の便宜上、ひずみ受感材１１Ａの配設位置は、第１のリング状領域ＲＧ１及び第２のリング状領域ＲＧ２の半径方向の中央となっているが、実際上は、図２に示したのと同様に、ひずみの大きさが最大となる位置に配置されているのは勿論である。

【0114】

上述の実施形態の力センサ１と同様に、図６では、この例の力センサ１Ａの板状部材１０の一方の面部１０ａの各扇形領域ＳＸ１，ＳＹ１，ＳＸ２，ＳＹ２のそれぞれに設けるひずみ受感材１１Ａを区別することができるように、参照符号１１Ａに括弧を付随させ、その括弧内に別の参照符号を付している。以下の説明において、ひずみ受感材１１Ａを区別する必要がないときには、そのままひずみ受感材１１Ａと記載し、区別する必要があるときには、括弧内の参照符号を用いて説明することとする。

【0115】

すなわち、図６に示すように、板状部材１０の扇形領域ＳＸ１においては、第１のリング状領域ＲＧ１に２個のひずみ受感材Ｘ１Ａ，Ｘ２Ａが、第２のリング状領域ＲＧ２に２個のひずみ受感材Ｘ３Ａ，Ｘ４Ａが、その周方向にそれぞれ設けられる。また、扇形領域ＳＸ２においては、第１のリング状領域ＲＧ１に、２個のひずみ受感材Ｘ５Ａ，Ｘ６Ａが、第２のリング状領域ＲＧ２に、２個のひずみ受感材Ｘ７Ａ，Ｘ８Ａが、その周方向にそれぞれ設けられる。

【0116】

また、扇形領域ＳＹ１においては、第１のリング状領域ＲＧ１に２個のひずみ受感材Ｙ１Ａ，Ｙ２Ａが、第２のリング状領域ＲＧ２に２個のひずみ受感材Ｙ３Ａ，Ｙ４Ａが、その周方向にそれぞれ設けられる。また、扇形領域ＳＹ２においては、第１のリング状領域ＲＧ１に２個のひずみ受感材Ｙ５Ａ，Ｙ６Ａが、第２のリング状領域ＲＧ２に２個のひずみ受感材Ｙ７Ａ，Ｙ８Ａが、その周方向にそれぞれ設けられる。

【0117】

ここで、ひずみ受感材１１Ａとしては、上述の実施形態のひずみ受感材１１と同様に、Ｃｒおよび不可避不純物からなるＣｒ薄膜、またはＣｒ、Ｎ及び不可避不純物からなるＣｒ－Ｎ薄膜で構成する所定幅のストリップ状の導電性材が用いられる。図６の例においても、ひずみ受感材１１Ａのストリップ状の導電性材は、Ｃｒ－Ｎ薄膜を用いている。

【0118】

そして、この例の力センサ１Ａにおいては、ひずみ受感材１１Ａは、図６に示すように、ストリップ状の導電性材の長手方向を、板状部材１０の円周方向に沿った方向とすると共に、半径方向においてジグザグ状に折り返すことで、ストリップ状の導電性材の長手方向の全長を、上述の実施形態の力センサ１のひずみ受感材１１より長くするようにしている。

【0119】

すなわち、この例のひずみ受感材１１Ａは、板状部材１０の中心位置Ｏｃを中心とした周方向の複数本のストリップ状の導電性材が、板状部材１０の中心位置Ｏｃを中心とした放射方向に配設されると共に、それらの複数本のストリップ状の導電性材の長手方向の端部が互いに順次連結されて１本のストリップ状の導電性材となるように形成されている。

【0120】

この例の場合においても、ひずみ受感材Ｘ１Ａ～Ｘ８Ａ及びひずみ受感材Ｙ１Ａ～Ｙ８Ａの全てを、ひずみが発生していないときの抵抗値が等しくなるように形成している。この例では、ひずみ受感材Ｘ１Ａ～Ｘ８Ａ及びひずみ受感材Ｙ１Ａ～Ｙ８Ａの全てのストリップ状の導電性材の幅と、厚さと、長手方向の全長とを等しくすることで、ひずみが発生していないときの抵抗値が等しくなるようにしている。

【0121】

この場合において、上述した実施形態の力センサ１においては、ひずみ受感材１１は、折り返しの無い１本のストリップ状の導電性材で構成されているので、第１のリング状領域ＲＧ１に配設するひずみ受感材Ｘ１，Ｘ２，Ｘ５，Ｘ６及びＹ１，Ｙ２，Ｙ５，Ｙ６と、第２のリング状領域ＲＧ２に配設するひずみ受感材Ｘ３，Ｘ４，Ｘ７，Ｘ８及びＹ３，Ｙ４，Ｙ７，Ｙ８とでは、図２（Ａ）及び図３（Ａ）に示したように、ストリップ状の導電性材の円周方向の長さ（長手方向の）を、等しくするようにした。

【0122】

しかし、この図６の例では、ひずみ受感材１１Ａは、板状部材１０の半径方向に折り返すように構成されるので、ひずみ受感材１１Ａのストリップ状の導電性材の長手方向の全長は、折り返し分を含めた長さとすることができる。このため、図６に示すように、第１のリング状領域ＲＧ１に配設するひずみ受感材Ｘ１，Ｘ２，Ｘ５，Ｘ６及びＹ１，Ｙ２，Ｙ５，Ｙ６と、第２のリング状領域ＲＧ２に配設するひずみ受感材Ｘ３，Ｘ４，Ｘ７，Ｘ８及びＹ３，Ｙ４，Ｙ７，Ｙ８とでは、円周方向の長さを異ならせることが可能である。この場合に、ひずみ受感材１１Ａのストリップ状の導電性材の長手方向の全長を等しくして無ひずみ時の抵抗値を等しくするために、図６に示すように、第１のリング状領域ＲＧ１に配設するひずみ受感材Ｘ１，Ｘ２，Ｘ５，Ｘ６及びＹ１，Ｙ２，Ｙ５，Ｙ６と、第２のリング状領域ＲＧ２に配設するひずみ受感材Ｘ３，Ｘ４，Ｘ７，Ｘ８及びＹ３，Ｙ４，Ｙ７，Ｙ８とでは、折り返しの回数などが異なる。

【0123】

この図６の例においても、力センサ１Ａの板状部材１０の各扇形領域ＳＸ１，ＳＹ１，ＳＸ２，ＳＹ２のそれぞれに配設される４個のひずみ受感材１１Ａが、導体パターン１２Ａにより、図６に示すように接続されてブリッジ回路が構成される。例えば扇形領域ＳＸ１では、図４において、ひずみ受感材Ｘ１がＸ１Ａに、ひずみ受感材Ｘ２がＸ２Ａに、ひずみ受感材Ｘ３がＸ３Ａに、ひずみ受感材Ｘ４がＸ４Ａに、それぞれ変更されたブリッジ回路が生成される。

【0124】

したがって、図６の例の力センサ１Ａにおいても、出力端子ｔＯ（－）に得られる電圧と、出力端子ｔＯ（＋）に得られる出力電圧との差分の電圧として、印加された力に応じた出力電圧ＥＸ１Ａが得られる。そして、他の扇形領域ＳＸ２，ＳＹ１，ＳＹ２においても、同様によりブリッジ回路が形成されて、力センサ１に印加された力に応じた出力電圧ＥＸ２Ａ、ＥＹ１Ａ、ＥＹ２Ａが得られる。

【0125】

そして、力センサ１Ａに印加される力のＺ軸方向の力成分についての検出出力電圧ＥＺＡ、Ｘ軸方向の力成分についての検出出力電圧ＥＸＡ及びＹ軸方向の力成分についての検出出力電圧ＥＹＡは、
ＥＺＡ＝ＥＸ１Ａ＋ＥＸ２Ａ＋ＥＹ１Ａ＋ＥＹ２Ａ
ＥＸＡ＝ＥＸ１Ａ－ＥＸ２Ａ
ＥＹＡ＝ＥＹ１Ａ－ＥＹ２Ａ
として算出される。

【0126】

この図６の例の力センサ１Ａによれば、ひずみ受感材１１Ａの長手方向の全長を、当該ひずみ受感材１１Ａが配される扇形領域の周方向の長さよりも長くすることができるので、ひずみ受感材１１Ａの抵抗値を大きくすることができ、感度の低下を極力抑えながら、抵抗値を大きくすることで消費電力を低下させることができるという効果を奏する。

【0127】

＜その他の変形例＞
上述の実施形態では板状部材の１０の一方の面部１０aにひずみ受感材１１が配設されている例を説明してきたが、ひずみ受感材１１は面部１０aとは反対側の面部１０ｂに配設して形成されていてもよい。その場合は生じるひずみは面部１０aとは符号が反対になるだけで、同様の受感状態を示す。

【0128】

また、上述の実施形態では、弾性歪が発生する領域として、リング状領域ＲＧ内、第１のリング状領域ＲＧ１、第２のリング状領域ＲＧ２のそれぞれを取り上げたが、弾性歪が発生する領域としてはこれらの領域に限定されるものではない。例えば、力センサ１の１Ａの外周部が固定されいる場合にはこの外周部の領域にも弾性歪が発生しており、板状部材の１０の一方の面部１０ｂにおいてこの外周部１０Ｅの領域に発生する弾性歪を検出することもできる。

【0129】

上述の実施形態では、力センサ１，１Ａに印加される力のＺ軸方向の力成分、Ｘ軸方向の力成分及びＹ軸方向の力成分の３軸方向の力成分に応じたひずみ検出出力を得るようにしたので、板状部材１０の一方の面部１０ａを、４個の扇形領域ＳＸ１，ＳＸ２，ＳＹ１，ＳＹ２に分けて、それぞれの領域にひずみ受感材１１，１１Ａを設けるようにしたが、このような構成に限られる訳ではない。

【0130】

例えば、力センサ１，１Ａに印加される力のＺ軸方向の力成分と、Ｘ軸方向の力成分及びＹ軸方向の力成分の一方との２軸方向の力成分に応じたひずみ検出出力を得るようにする場合には、板状部材１０の一方の面部１０ａをＸ軸方向に２分割、あるいはＹ軸方向に２分割することで形成される２個の半円形領域のそれぞれにおいて、第１のリング状領域ＲＧ１に２個のひずみ受感材１１又は１１Ａを、第２のリング状領域ＲＧ１に２個のひずみ受感材１１又は１１Ａを、それぞれ配設すればよい。

【0131】

ただし、力センサ１，１Ａに印加される力のＸ軸方向の力成分とＹ軸方向の力成分との２軸方向の力成分に応じたひずみ検出出力を得るようにする場合には、上述した力センサ１と同様にする必要がある。

【0132】

また、力センサ１，１Ａに印加される力のＺ軸方向の力成分のみを検出する場合において、板状部材１０の一方の面部１０ａ上にブリッジ回路を構成する場合には、上述の２軸方向を検出する場合と同様に、２個の半円形領域のそれぞれにおいて、第１のリング状領域ＲＧ１に２個のひずみ受感材１１又は１１Ａを、第２のリング状領域ＲＧ２に２個のひずみ受感材１１又は１１Ａを、それぞれ配設すればよい。

【0133】

なお、力センサ１，１Ａに印加される力のＺ軸方向の力成分のみを検出する場合においては、第１のリング状領域ＲＧ１にリング状の１個のひずみ受感材１１又は１１Ａを配設すると共に、第２のリング状領域ＲＧ２にリング状の１個のひずみ受感材１１又は１１Ａを、それぞれ配設するようにしてもよい。その場合において、当該２個のリング状のひずみ受感材１１又は１１Ａの抵抗値は、互いに等しくなるように形成すると共に、外部に同じ抵抗値のリファレンスの抵抗器を設けて、それらにより、ブリッジ回路を構成することで、力センサ１，１Ａに印加される力のＺ軸方向の力成分を検出することが可能である。

【0134】

なお、力センサ１，１Ａに印加される力のＸ軸方向の力成分のみを検出する場合には、板状部材１０の一方の面部１０ａを、Ｘ軸方向に２分割した２個の半円領域のそれぞれにおいて、第１のリング状領域ＲＧ１にひずみ受感材１１又は１１Ａを配設すると共に、第２のリング状領域ＲＧ２にひずみ受感材１１又は１１Ａを、それぞれ配設すればよい。

【0135】

同様に、力センサ１，１Ａに印加される力のＹ軸方向の力成分のみを検出する場合には、板状部材１０の一方の面部１０ａを、Ｙ軸方向に２分割した２個の半円領域のそれぞれにおいて、第１のリング状領域ＲＧ１にひずみ受感材１１又は１１Ａを配設すると共に、第２のリング状領域ＲＧ２にひずみ受感材１１又は１１Ａを、それぞれ配設すればよい。

【0136】

なお、上述の実施形態では、ひずみ受感材１１，１１Ａは、板状部材１０の円周方向に沿って、弧形状に形成するようにしたが、直線状に形成してもよい。

【0137】

また、ひずみ受感材１１，１１Ａの長手方向は、板状部材１０の第１及び第２のリング状領域ＲＧ１及びＲＧ２において、円周方向に正確に沿わせて配設する必要はなく、円周方向に対して交差する方向に配設するようにしてもよい。

【0138】

換言すれば、ひずみ受感材１１，１１Ａの長手方向は、力センサ１，１Ａにおける力の印加部である中心位置Ｏｃを中心とした放射方向に直交する方向に沿わせなくてもよく、力の印加部を中心として放射状の方向に生じる歪の方向に対して、例えば時計回り方向を＋方向としたとき、＋方向側または－方向側に９０度の角度まで変位していてもよい。

【0139】

なお、上述の実施形態では、力センサ１，１Ａの板状部材１０は、ＳＵＳで構成したが、板状部材１０は、ＳＵＳに限らず、その他の弾性材料を用いることができることは言うまでもない。

【0140】

また、ひずみ受感材１１，１１Ａを構成する導電性材は、Ｃｒおよび不可避不純物からなるＣｒ薄膜、またはＣｒ、Ｎ及び不可避不純物からなるＣｒ－Ｎ薄膜に限られるものではなく、ストリップ状の導電性材として、その幅方向にも、ひずみ受感感度を有する材料であればよい。

【0141】

また、力センサの板状部材１０の一方の面部１０ａ上に、ひずみ受感材と共に形成する回路は、ブリッジ回路の全部ではなく、一部であってもよい。また、ひずみ受感材と共に形成する回路は、ブリッジ回路に限らず、ひずみ受感材を用いて印加された力に応じたひずみを感知するための回路であれば、どのような回路であってもよい。更には、ブリッジ回路を構成するひずみ受感材のそれぞれは異なる抵抗値であっても良く、ひずみ受感材のそれぞれの抵抗値はブリッジ回路の平衡条件を満たすように設定されれば良い。

【0142】

また、力センサの板状部材１０は、円板ではなく、多角形状であってもよく、その場合のリング状領域も、多角形状であってもよい。

【0143】

また、力センサの板状部材１０は、一定の厚さとしたが、力の印加部を中心とした放射方向において厚さが変化しているものであってもよい。例えば、上述の実施形態の力センサ１，１Ａの場合において、第１のリング状領域ＲＧ１及び第２のリング状領域ＲＧ２において、ひずみ受感材を配設する部分近傍は、ひずみ変形がし易いように厚さを他の部分よりも薄く構成してもよい。

【符号の説明】

【0144】

１，１Ａ…力センサ、２…力検出部材、１０…板状部材、１１，１１Ａ…ひずみ受感材、１２，１２Ａ…導体パターン、２１…台座部、２２…力受付部、ＲＧ…リング状領域、ＲＧ１…第１のリング状領域、ＲＧ２…第２のリング状領域、ＳＸ１，ＳＸ２，ＳＹ１，ＳＹ２…扇形領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】