CN105466611B - 位移检测方式的六轴力传感器 - Google Patents

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    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G01L5/165Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in capacitance

Abstract

本发明提供六轴力传感器,其具备固定部、第一可动部、将第一可动部连结为能够相对于固定部弹性地位移的第一连结部、第二可动部、将第二可动部连结为能够相对于第一可动部弹性地位移的第二连结部、检测第一可动部相对于固定部的位移量的第一检测部、以及检测第二可动部相对于第一可动部的位移量的第二检测部。六轴力传感器根据由第一检测部检测到的检测值以及由第二检测部检测到的检测值,能够检测施加于第二可动部的力的、正交三轴坐标系中的第一轴的方向的力成分、第二轴的方向的力成分、第三轴的方向的力成分、绕第一轴的力矩成分、绕第二轴的力矩成分以及绕第三轴的力矩成分。

Description

位移检测方式的六轴力传感器
技术领域
[0001] 本发明涉及位移检测方式的六轴力传感器。
背景技术
[0002] 当对传感器主体施加有力(负载)时,位移检测方式的力传感器对因该力而变形了 的传感器主体的伴随变形而产生的位移量进行检测,并基于检测到的位移量对力进行检 测。例如日本专利第4271475号公报(JP4271475B2)中,公开了根据形成于传感器主体的规 定部位的静电电容的变化来检测位移量的力传感器。该力传感器具备外侧箱状构造体和内 侧箱状构造体,使外侧箱状构造体的侧面以及上表面分别与内侧箱状构造体的侧面以及上 表面对置,而在整体形成连通的间隙,并在间隙的规定位置配置有分别沿正交三轴坐标系 的任一个轴向对置的多组电极,而在各个对置电极之间形成了静电电容。若外侧箱状构造 体因力(负载)而变形,则间隙的形状以及尺寸与之对应地变化,从而各个对置电极间的静 电电容变化。根据该静电电容的变化,计算外侧箱状构造体相对于内侧箱状构造体的位移 量,并基于计算出的位移量,而构成为能够对施加于外侧箱状构造体的力的各轴向的力成 分以及绕各轴的力矩成分进行检测。
发明内容
[0003] 在对正交三轴坐标系中的各轴向的力成分以及绕各轴的力矩成分进行检测的位 移检测方式的六轴力传感器中,期望:具有能够高精度地检测各个六轴的位移量的构造,另 一方面能够简化该构造而使部件的加工、组装变得容易,从而能够减少制造成本。
[0004]本发明的一个方案是一种六轴力传感器,其具备:固定部;第一可动部;第一连结 部,其在正交三轴坐标系中,将第一可动部连结为能够相对于固定部在与第一轴平行的方 向、与正交于第一轴的第二轴平行的方向、以及以与第一轴和第二轴双方正交的第三轴为 中心的旋转方向上弹性地位移;第二可动部;第二连结部,其在正交三轴坐标系中,将第二 可动部连结为能够相对于第一可动部在以第一轴为中心的旋转方向、以第二轴为中心的旋 转方向、以及与第三轴平行的方向上弹性地位移;第一检测部,其检测第一可动部相对于固 定部的位移量;以及第二检测部,其检测第二可动部相对于第一可动部的位移量,根据由第 一检测部检测到的检测值以及由第二检测部检测到的检测值,能够检测施加于第二可动部 的力的、第一轴的方向的力成分、第二轴的方向的力成分、第三轴的方向的力成分、绕第一 轴的力矩成分、绕第二轴的力矩成分、以及绕第三轴的力矩成分。
[0005]根据一个方案的六轴力传感器,由于各个六轴的位移量的检测能够由第一检测部 和第二检测部以每三个自由度分担来实施,所以能够进行高精度的位移量检测。产生作为 第一检测部的检测对象的位移量的构成部件、和产生作为第二检测部的检测对象的位移量 的构成部件具有均允许三个自由度的位移的结构即可,而且由于上述构成部件双方共用第 一可动部,所以六轴力传感器的构造简化,而部件的加工、组装变得容易,从而减少制造成 本。
附图说明
[0006] 图丨是以示意图的方式表示第一实施方式的六轴力传感器的结构的立体图。
[0007] 图2是图1的六轴力传感器的主视图。
[0008] 图3是图1的六轴力传感器的俯视图。
[0009] 图4是从其它方向表示图1的六轴力传感器的立体图。
[0010] 图5是沿图4的线V-V切开的六轴力传感器的立体图。
[0011] 图6是沿图4的线V-V切开的六轴力传感器的俯视图。
[0012] 图7A是表示能够装备于图1的六轴力传感器的电极的结构的图,是表不第一检测 部的图。
[0013] 图7B是表示能够装备于图1的六轴力传感器的电极的结构的图,是表示第二检测 部的图。
[0014] 图8是表示变形例的第一检测部的切开立体图。
[0015] 图9是第二实施方式的六轴力传感器的主视图。
[0016] 图10是以示意图的方式表示图9的六轴力传感器的结构的剖视图。
具体实施方式
[0017] 以下,参照附图对本发明的实施方式进行说明。纵观全部附图,对对应的构成要素 标注通用的符号。
[0018] 图1〜图3中表示第一实施方式的六轴力传感器10。六轴力传感器10具备:固定部 12;第一可动部14;第一连结部18,其在正交三轴坐标系16中,将第一可动部14连结为相对 于固定部12能够在与第一轴(图中X轴)平行的方向、与正交于第一轴的第二轴(图中Y轴)平 行的方向、以及以与第一轴和第二轴双方正交的第三轴(图中Z轴)为中心的旋转方向上弹 性地位移;第二可动部2〇;第二连结部22,其在正交三轴坐标系16中,将第二可动部20连结 为相对于第一可动部14能够在以第一轴(X轴)为中心的旋转方向、以第二轴(Y轴)为中心的 旋转方向、以及与第三轴(Z轴)平行的方向上弹性地位移;第一检测部24,其检测第一可动 部14相对于固定部12的位移量;以及第二检测部26,其检测第二可动部20相对于第一可动 部14的位移量。
[0019]固定部12是当例如在机器人臂等机械、构造体(未图示。以下为机械类。)安装力传 感器10时被直接或者间接地固定于该机械类的基础部分。第二可动部20是例如安装在机器 人手等、产生作为力传感器10的检测对象的力(负载)的物体(未图示。以下为力产生物体。) 而承接该力的力承接部分。从力产生物体施加于第二可动部20的力(负载)从第二可动部20 施加到第二连结部22而使第二连结部22弹性变形,并且使第二可动部20相对于第一可动部 14主要在以第一轴(X轴)为中心的旋转方向、以第二轴(Y轴)为中心的旋转方向、以及与第 三轴(Z轴)平行的方向中任一个方向或者两个方向以上的组合方向上弹性地位移。第二检 测部26对第二可动部20随着第二连结部22的弹性变形而产生的、相对于第一可动部14在各 轴上的位移量进行检测。并且,从第二可动部20施加于第二连结部22的力从第二连结部22 向第一可动部14传递,另外从第一可动部14对第一连结部18施加而使第一连结部18弹性变 形,并且使第一可动部14相对于固定部I2主要在与第一轴(X轴)平行的方向、与第二轴(Y 轴)平行的方向、以及以第三轴(Z轴)为中心的旋转方向中任一个方向或者两个方向以上的 组合方向上弹性地位移。第一检测部24对第一可动部14随着第一连结部18的弹性变形而产 生的、相对于固定部12在各轴上的位移量进行检测。
[0020] 在图1〜图3的实施方式中,固定部12具有立方体形状,在沿第一轴和第二轴所成 的假想平面(XY平面)展开的矩形平面状的面12a的四角分别设置在与第三轴(Z轴)平行的 方向上延长的柱状的第一连结部18。第一可动部14具备矩形平板状的第一部分28、矩形框 状的第二部分30、以及介于第一部分28与第二部分30之间的矩形平板状的第三部分32。第 一部分28和第三部分32相互独立地形成,而相互一体固定。并且,第二部分30和第三部分32 相互独立地形成,而相互一体固定。第一部分28与第三部分32之间的固定、以及第二部分30 与第三部分32之间的固定例如能够通过两者共用的螺栓34而以所谓的共同紧固式的方式 进行(图2)。或者,第一部分28与第三部分32之间的固定、以及第二部分30与第三部分32之 间的固定也能够分别通过其它的螺栓等固定机构来进行。
[0021] 第一部分28具有在俯视(图中从Z轴方向上方观察的形态)的情况下与固定部12相 同的外形的立方体形状,具有经由空间36与固定部12的面12a对置的矩形平面状的面28a (图2)。四个第一连结部18分别在与固定部12连结的端部(图中下端)的相反侧的端部(图中 上端),与第一部分28的面28a的四角连结。在该实施方式中,固定部12、第一连结部18以及 第一部分28由相互相同的材料形成为一体,而构成了呈长方体状的外观的单一构造体。 [0022] 第三部分32具有在俯视(图中从Z轴方向上方观察的形态)的情况下与第一部分28 相同的外形的立方体形状,外形匹配地重叠固定于第一部分28。第三部分32具有朝向第一 部分28的面28a的相反侧的矩形平面状的面32a (图2)。第二部分30具有在俯视(图中从Z轴 方向上方观察的形态)的情况下与第三部分32相同的矩形的外形,外形匹配地固定于第三 部分32。第二部分30具有经由空间38与第三部分32的面32a对置的矩形框状且平面状的面 30a (图 2)。
[0023] 在该实施方式中,在矩形框状的第二部分30的相当于四边的部分的中央,形成有 共计四个贯通孔30b,在这些贯通孔3〇b分别插通螺栓34的轴部34a。各螺栓34的轴部34a的 外螺纹部分在第三部分32的贯通孔32b通过,并与形成于相同的位置的第一部分28的螺纹 孔28b螺纹结合,其中,第三部分:32的贯通孔32b在与第二部分30的贯通孔30b对应的位置形 成。由此,第一部分28、第二部分3〇以及第三部分32相互一体连结。在该实施方式中,第一部 分28、第二部分3〇以及第三部分32由相互相同或者不同的材料形成,相互一体地固定而呈 长方体状的外观。
[0024] 在第二部分3〇与第三部分32之间插入隔离物39 (图2)。在该实施方式中,具有中心 孔的共计四个环状的隔离物39以在其中心孔插通有各个螺栓34的轴部34a的状态,配置于 第二部分30与第三部分:32之间。隔离物39具有规定的厚度,利用其厚度来规定空间38的在 第三轴(Z轴)方向上的尺寸。也能够代替作为独立的部件的隔离物39,而在第二部分30的面 30a或者第三部分:32的面Ma,设置突出规定高度的突起,利用该突起来规定空间38的尺寸。 [0025]四个第一连结部18分别在固定部12与第一可动部14的第一部分28之间,作为在其 本身非变形时与第三轴(Z轴)平行地配置的弹性梁而起作用。作为弹性梁的第一连结部18 不会容易地因与第三轴(Z轴)平行的方向的力而变形(也就是说伸缩),另一方面,因与第一 轴(X轴)平行的方向的力、与第二轴(Y轴)平行的方向的力、或者绕第三轴(Z轴)的旋转方向 的力而弹性地产生柱倾倒那样的挠曲。通过这样的第一连结部18的作用,第一可动部14难 以相对于固定部12在与第三轴(Z轴)平行的方向上位移,另一方面,能够在与第一轴(X轴) 平行的方向、与第二轴(Y轴)平行的方向、以及以第三轴(Z轴)为中心的旋转方向上弹性地 位移。此外,在各个第一连结部18未挠曲的状态下,第一可动部14的面28a、30a、32a配置为 与第一轴和第二轴所成的假想平面(XY平面)平行。
[0026] 在上述实施方式中,在固定部12的面12a的四角配置有第一连结部18,但也可以代 替地,在矩形的面12a的相当于四边的外缘附近部位各自的中央设置第一连结部18。并且, 在固定部12以及第一可动部14不具有图示的长方体状的外观、而例如具有圆板状的外观的 情况下,也可以例如在每隔中心角120度的位置形成共计三个第一连结部18。固定部12以及 第一可动部14能够具有各种外观,相对应地能够在所希望的位置形成所希望个数的第一连 结部18,但优选,第一连结部18在第一可动部14相对于固定部12位移的期间、前者的面28a 和后者的面12a能够维持大致平行的姿势的位置形成。各第一连结部18也可以是图示的四 棱柱状的形状,也可以是圆柱、其它的多棱柱状的形状。各第一连结部18也可以如图示那样 地整体具有一样的粗细,也可以是长度方向中央或者长度方向一端细或者粗的形状、或组 合有多个曲面的形状。这样,第一连结部18能够使第一可动部14相对于固定部12进行上述 的三个自由度的弹性地位移即可,能够采用上述中的各种结构。
[0027] 在图1〜图3的实施方式中,第二可动部20具备立方体形状的基板部分40、和从基 板部分40突出的立方体形状的突出部分42 (图1、图3)。基板部分40相对于突出部分42具有 在俯视(图中从Z轴方向上方观察的形态)的情况下稍大的相似的外形,在比突出部分42向 侧方伸出的区域的四角,分别设有第二连结部22。基板部分40相对于第一可动部14的矩形 框状的第二部分30,具有在俯视(图中从Z轴方向上方观察的形态)的情况下小的相似的外 形、和相同的厚度(图中Z轴方向尺寸),配置在由第二部分30包围的位置。基板部分40具有 位于与第二部分30的面30a相同的一侧(图2中下侧)的矩形平面状的面40a (图2),在面40a 的相反侧(图2中上侧)形成突出部分42。在基板部分40与第二部分30之间,沿与立方体形状 的基板部分40的四边相当的外缘分别形成沿第一轴(X轴)方向或者第二轴(Y轴)方向延伸 的狭缝44 (图1、图3)。在沿第一轴(X轴)方向延伸的一对狭缝44与它们旁边的沿第二轴(Y 轴)方向延伸的一对狭缝44之间,分别形成共计四个第二连结部22 (图3)。
[0028] 四个第二连结部22分别在第一可动部14的第二部分30与第二可动部20的基板部 分40之间,作为在其本身非变形时沿第一轴和第二轴所成的假想平面(XY平面)配置的弹性 梁而起作用。作为弹性梁的第二连结部22不会容易地因与第一轴(X轴)平行的方向的力以 及与第二轴(Y轴)平行的方向的力而变形(也就是说伸缩),另一方面,因与第三轴(Z轴)平 行的方向的力、绕第一轴(X轴)的旋转方向的力、或者绕第二轴(Y轴)的旋转方向的力而弹 性地产生梁倾倒那样的挠曲。通过这样的第二连结部22的作用,第二可动部20难以相对于 第一可动部14在与第一轴(X轴)平行的方向以及与第二轴(Y轴)平行的方向上位移,另一方 面,能够在以第一轴(X轴)为中心的旋转方向、以第二轴(Y轴)为中心的旋转方向、以及与第 三轴(Z轴)平行的方向上弹性地位移。此外,在各个第二连结部22未挠曲的状态下,第二可 动部20的面40a配置为与第一轴和第二轴所成的假想平面(XY平面)平行。
[0029] 在该实施方式中,第二部分30、第二连结部22以及基板部分40由相互相同的材料 形成为一体,而构成了呈长方体状的外观的单一构造体。在该构造体还增加通过螺栓34而 一体地固定于第二部分30的第三部分32,也能够视为单一构造体。基板部分40和突出部分 42也可以由相互相同的材料形成为一体,也可以相互分开地形成,而相互固定为一体。突出 部分42在与基板部分40的面40a相反的一侧的面42a具备供力产生物体安装的多个安装孔 46(图1、图3)。
[0030]在上述实施方式中,第二可动部20的基板部分40以及突出部分42的外观形成为立 方体形状,但也可以具有圆柱状或其它的多棱柱状的外观。例如在第二可动部2〇是圆柱状 的情况下,在其周围每隔中心角120度设置一个而形成共计三个圆弧状地延伸的狭缝44,从 而能够在沿周向相邻的狭缝44之间形成共计三个第二连结部22。相对应地,第一可动部14 的一体化所使用的螺栓34也能够在各个圆弧状狭缝44的中心附近的共计三个位置使用。并 且,也可以构成为,在狭缝44内的任意的位置以不阻碍基板部分40和第二部分30的相对位 移的程度将它们相互连结,在相邻的第二连结部22之间形成非贯通的槽而不是贯通的狭缝 44。或者,第二连结部22也能够形成为在基板部分40与第二部分30之间延伸的隔膜状的形 状。第一可动部14以及第二可动部20能够具有各种外观,相对应地能够在所希望位置形成 所希望个数的第二连结部22,但优选,第二连结部22在第二可动部20相对于第一可动部14 位移的期间、前者的面40a和后者的面32a在第一轴(X轴)方向以及第二轴(Y轴)方向上的位 置关系不会变化那样的位置形成。这样,第二连结部22能够使第二可动部20相对于第一可 动部14进行上述的三个自由度的弹性地位移即可,能够采用上述中的各种结构。
[0031]在图1〜图3的实施方式中,在固定部12与第一可动部14之间,形成具有静电电容 的第一间隙48 (图2)。第一检测部24通过检测第一间隙48的静电电容的变化,来对第一可动 部14相对于固定部12的位移量进行检测。并且,在图1〜图3的实施方式中,在第一可动部14 与第二可动部20之间,形成具有静电电容的第二间隙5〇(图2)。第二检测部26通过检测第二 间隙50的静电电容的变化,来对第二可动部20相对于第一可动部14的位移量进行检测。 [0032] 参照图2以及图4〜图7A详述第一检测部24的结构。其中,图5以及图6沿图4的线V- V切开六轴力传感器10进行表示。
[0033]固定部12具有从面12a向第三轴(Z轴)方向(图4中上方)分别突出的两个固定块 52。各固定块52具有与面12a相比充分小的长方体形状,在空间36内配置在面12a的规定位 置。一个固定块52具有沿第一轴和第三轴所成的假想平面(XZ平面)展开的第一固定面52a (图6)。另一个固定块52具有沿第二轴和第三轴所成的假想平面(YZ平面)展开的第一固定 面52a (图6)。因此,一个固定块52的第一固定面52a和另一个固定块52的第一固定面52a沿 相互以90度的角度交叉的方向延伸。
[0034] 另一方面,第一可动部14具有从第一部分28的面28a向第三轴(Z轴)方向(图4中下 方)分别突出的两个可动块54。各可动块54具有与面28a相比充分小的立方体形状,在空间 36内配置在面28a的规定位置。一个可动块54在各个第一连结部18未挠曲的状态下,具有沿 第一轴和第三轴所成的假想平面(XZ平面)展开的第一可动面54a。另一个可动块54在各个 第一连结部18未挠曲的状态下,具有沿第二轴和第三轴所成的假想平面(YZ平面)展开的第 一可动面54a。因此,一个可动块54的第一可动面54a和另一个可动块54的第一可动面54a沿 相互以90度的角度交叉的方向延伸。
[0035] 两个第一可动面54a分别在能够与沿对应的假想平面展开的两个第一固定面52a 分别平行地对置的位置配置。在各个第一连结部18未挠曲的状态下,与第一轴和第三轴所 成的假想平面(XZ平面)平行的第一固定面52a以及第一可动面54a相互平行地在第二轴(Y 轴)方向上对置,与第二轴和第三轴所成的假想平面(YZ平面)平行的第一固定面52a以及第 一可动面54a相互平行地在第一轴(X轴)方向上对置。在这两组相互对置的第一固定面52a 与第一可动面54a之间,分别形成第一间隙48。在各个第一连结部18未挠曲的状态下,两个 第一间隙48能够具有相互相同的形状以及尺寸。
[0036] 第一检测部24具有设于两个第一间隙48且相互在电方面独立的共计三个以上的 静电电容形成部。各静电电容形成部由形成于一个固定块52的第一固定面52a的固定电极 56、和形成于对置的一个可动块54的第一可动面54a的可动电极58构成。第一间隙48使相互 对置的固定电极56与可动电极58之间电绝缘。利用相互对置的固定电极56和可动电极58, 来在第一间隙48形成规定的静电电容。
[0037] 图7A中,表示形成于一个固定块52的第一固定面52a的固定电极56、或者形成于一 个可动块54的第一可动面54a的可动电极58的一个实施例的结构。在该实施例中,在一个固 定块52的第一固定面52a,形成沿长边方向相互邻接的矩形轮廓的一对固定电极56。这些固 定电极56具有相互相同的轮廓形状,相互电绝缘并配置为长方形。同样,在一个可动块54的 第一可动面54a,形成有沿长边方向相互邻接的矩形轮廓的一对可动电极58。这些可动电极 58具有相互相同的轮廓形状,相互电绝缘并配置为长方形。固定电极56和可动电极58具有 相互相同的轮廓形状。在各个第一连结部18未挠曲的状态下,相互对置的固定电极56和可 动电极58配置在当沿对置方向观察的情况下使各自的轮廓相互相对的位置。利用这些相互 对置的共计四组固定电极56和可动电极58,来在两个第一间隙48分别各形成两个、整体共 计四个静电电容。
[0038] 在具备图7A的实施例的静电电容形成部的六轴力传感器10中,若第一可动部14相 对于固定部12沿第一轴(X轴)方向位移,则沿第一轴(X轴)方向对置的第一固定面52a和第 一可动面54a向相互接近或者远离的方向相对地平行移动,而一样地缩小或者放大第一间 隙48。由此,沿第一轴(X轴)方向对置的两组固定电极56与可动电极58之间的静电电容以相 互相同的形态变化。第一检测部24检测上述静电电容的相同形态的变化,并将其作为第一 可动部14相对于固定部12在第一轴(X轴)方向上的位移量的检测值而输出。同样,若第一可 动部14相对于固定部12沿第二轴(Y轴)方向位移,则沿第二轴(Y轴)方向对置的第一固定面 52a和第一可动面54a向相互接近或者远离的方向相对地平行移动,而一样地缩小或者放大 第一间隙48。由此,沿第二轴(Y轴)方向对置的两组固定电极56与可动电极58之间的静电电 容以相互相同的形态变化。第一检测部24检测上述静电电容的相同形态的变化,并将其作 为第一可动部14相对于固定部12在第二轴(Y轴)方向上的位移量的检测值而输出。
[0039] 若第一可动部14相对于固定部12在以第三轴(Z轴)为中心的旋转方向上位移,则 沿第一轴(X轴)方向对置的第一固定面52a和第一可动面54a相对倾斜,并且沿第二轴(Y轴) 方向对置的第一固定面52a和第一可动面54a相对倾斜,而使各个第一间隙48在固定电极56 或者可动电极58的长度方向的一端侧缩小并且在另一端侧放大。由此,沿第一轴(X轴)方向 对置的两组固定电极56与可动电极58之间的静电电容以相互不同的形态变化,并且,沿第 二轴(Y轴)方向对置的两组固定电极56与可动电极58之间的静电电容以相互不同的形态变 化。第一检测部24检测上述静电电容的相互不同的形态的变化,并将其作为第一可动部14 相对于固定部12在以第三轴(Z轴)为中心的旋转方向上的位移量的检测值而输出。
[0040]即使在第一可动部14相对于固定部12产生了合成有第一轴(X轴)方向、第二轴(Y 轴)方向以及绕第三轴(Z轴)的旋转方向中任意两个以上的方向的位移时,基于沿第一轴(X 轴)方向对置的两组固定电极56与可动电极58之间的静电电容的变化、以及沿第二轴(Y轴) 方向对置的两组固定电极56与可动电极58之间的静电电容的变化,第一检测部24也能够将 第一可动部14的位移量的第一轴(X轴)方向成分、第二轴(Y轴)方向成分以及绕第三轴(Z 轴)的旋转方向成分作为检测值而输出。
[0041] 第一检测部24对第一可动部14相对于固定部12的、在与第一轴(X轴)平行的方向、 与第二轴(Y轴)平行的方向、以及以第三轴(Z轴)为中心的旋转方向上的位移量进行检测。 因此,若在两个第一间隙4S至少形成三个静电电容,则能够检测上述各轴向的位移量。例 如,两组相互对置的第一固定面52a和第一可动面54a中任意一组仅具有一组相互对置的固 定电极56和可动电极58,能够构成为形成单一静电电容。或者,通过在相互对置的一组第一 固定面52a和第一可动面54a形成相互对置的三组以上的固定电极56和可动电极58、或设置 三组以上的相互对置的固定块52以及可动块54,也能够在整体上形成共计五个以上的静电 电容。此外,对于在一组第一固定面52a和第一可动面54a形成的固定电极56和可动电极58 而言,将其中一方作为一个大幅的电极而给予共通电位,并将另一方作为两个以上的小幅 的电极而分别独立地给予电位,由此也能够具有与图7A的实施例同等的功能。或者,也可以 也排除这样的大幅的电极,而将第一固定面52a和第一可动面54a中任一方设为接地电位。 [0042] 图8中表示具备三组相互对置的固定块52以及可动块54的变形例的第一检测部 24/的结构。在该变形例中,在固定部12的面12a的规定位置设置三个固定块52,在第一可动 部14的第一部分28的面28a (图4)的规定位置设置三个可动块54。各固定块52具有沿包括第 二轴的假想平面展开的第一固定面52a (图6)。一个固定块52的第一固定面52a和另一个固 定块52的第一固定面52a沿相互以60度的角度交叉的方向延伸。各可动块54具有沿包括第 三轴的假想平面展开的第一可动面54a (图6)。一个可动块54的第一可动面54a和另一个可 动块54的第一可动面54a沿相互以60度的角度交叉的方向延伸。三个第一可动面54a分别在 能够与沿对应的假想平面展开的三个第一固定面52a分别平行地对置的位置配置。在上述 三组相互对置的第一固定面52a与第一可动面54a之间分别形成有第一间隙48。
[0043] 在图8所示的变形例中,在三个第一间隙48分别形成相互对置的一组固定电极56 以及可动电极58 (图6),而能够在整体上形成共计三个静电电容。第一检测部2V基于共计 三组固定电极56与可动电极58之间的静电电容的变化,而能够对第一可动部14相对于固定 部I2的、在第一轴(X轴)方向上的位移量、在第二轴(Y轴)方向上的位移量、以及绕第三轴(Z 轴)的旋转方向上的位移量进行检测。
[0044] 固定电极56以及可动电极58例如由柔性印刷电路形成,能够通过粘贴于第一固定 面52a以及第一可动面54a来形成。或者,能够通过蒸镀、导电性油墨的印刷等其它的各种方 法来形成固定电极56以及可动电极58。固定块52也可以一体地形成于固定部12,也可以与 固定部12分开地形成而安装于固定部12。同样,可动块54也可以一体地形成于第一可动部 14的第一部分28,也可以与第一部分28分开地形成而安装于第一部分28。在任意情况下,均 构成为,至少固定块52以及可动块54由电绝缘性的材料制成,或者与固定电极56以及可动 电极58电绝缘。但在对第一固定面52a或者第一可动面54a给予接地电位的情况下,能够使 用金属制的固定块52或者可动块54。
[0045] 通过将固定块52以及可动块54中的至少一方设为与固定部12以及第一部分28中 的至少一方分开的部件,由此第一间隙48的形成变得容易。例如,首先在固定部12的面12a 的规定位置安装并固定块52并固定,以将规定厚度的薄板夹在第一固定面52a与第一可动 面54a之间的状态对可动块54进行定位,并以该状态将可动块54安装并固定于第一部分28 的面28a。若在可动块54的安装结束后,除去薄板,则确保与薄板的厚度相当的尺寸的第一 间隙48。
[0046] 接下来,参照图2、图3以及图7B详细叙述第二检测部26的结构。
[0047] 第一可动部14具有沿与第三轴(Z轴)正交的假想平面展开的第二固定面32a来作 为第三部分32的面32a。第二可动部20具有在各个第二连结部22未挠曲的状态下沿与第三 轴(Z轴)正交的假想平面展开的第二可动面40a来作为基板部分40的面40a。第二可动面40a 配置在能够与第二固定面32a平行地对置的位置。在各个第二连结部22未挠曲的状态下,第 二固定面32a以及第二可动面40a相互平行地沿第三轴(Z轴)方向对置。在相互对置的第二 固定面32a与第二可动面40a之间,形成第二间隙50。此外,称作第二固定面32a的名称是表 现与第二可动面40a的相对的动作关系的名称,与上述的第一固定面52a不同,并不是指在 六轴力传感器10中总是固定地配置的面。
[0048] 第二检测部26具有设于第二间隙50且相互电独立的共计三个以上的静电电容形 成部。各静电电容形成部由形成于第二固定面32a的固定电极60、和形成于第二可动面40a 的可动电极62构成。第二间隙5〇使相互对置的固定电极60与可动电极62之间电绝缘。利用 相互对置的固定电极6〇和可动电极62,来在第二间隙5〇形成规定的静电电容。此外,称作固 定电极60的名称是表现与可动电极62的相对的动作关系的名称,与上述的固定电极56不 同,并不是指在六轴力传感器10中总是固定地配置的电极。
[0049]图7B中表示形成于第二固定面32a的固定电极60或者形成于第二可动面40a的可 动电极62的一个实施例的结构。在该实施例中,在第二固定面32a,形成沿周向相互邻接的 扇形轮廓的三个固定电极60。上述固定电极60具有中心角120度的相互相同的轮廓形状,相 互电绝缘地配置为圆形。同样,在第二可动面40a,形成沿周向相互邻接的扇形轮廓的三个 可动电极62。上述可动电极62具有中心角120度的相互相同的轮廓形状,相互电绝缘地配置 为圆形。固定电极60和可动电极62具有相互相同的轮廓形状。在各个第一连结部18未挠曲 的状态下,相互对置的固定电极60和可动电极62在当沿对置方向观察的情况下使各自的轮 廓相互相对的位置配置。利用上述相互对置的共计三组固定电极60和可动电极62,来在第 二间隙50形成共计三个静电电容。
[OOSO]在具备图7B的实施例的静电电容形成部的六轴力传感器1〇中,若第二可动部20相 对于第一可动部14沿第三轴(Z轴)方向位移,则沿第三轴(Z轴)方向对置的第二固定面32a 和第二可动面40a向相互接近或者远离的方向相对地平行移动,而一样地缩小或者放大第 二间隙50。由此,三组固定电极60与可动电极62之间的静电电容以相互相同的形态变化。第 二检测部26检测这些静电电容的相同形态的变化,来将其作为第二可动部20相对于第一可 动部14在第三轴(Z轴)方向上的位移量的检测值而输出。
[0051] 若第二可动部20相对于第一可动部14在以第一轴(X轴)或者第二轴(Y轴)为中心 的旋转方向上位移,则第二固定面32a和第二可动面40a相对倾斜,而使第二间隙50在固定 电极60或者可动电极62的径向的一端侧缩小并且在另一端侧放大。由此,沿第三轴(2轴)方 向对置的三组固定电极60与可动电极62之间的静电电容分别以不同的形态变化。第二检测 部26检测这些静电电容的相互不同的形态的变化,来将其作为第二可动部20相对于第一可 动部14在以第一轴(X轴)或者第二轴(Y轴)为中心的旋转方向上的位移量的检测值而输出。 [0052]即使在第二可动部2〇相对于第一可动部14产生了合成有绕第一轴(X轴)的旋转方 向、绕第二轴(Y轴)的旋转方向以及第三轴(Z轴)方向中任意两个以上的方向的位移时,基 于沿第三轴(Z轴)方向对置的三组固定电极60与可动电极62之间的静电电容的变化,第二 检测部26也能够将第二可动部20的位移量的绕第一轴(X轴)的旋转方向成分、绕第二轴(Y 轴)的旋转方向成分以及第三轴(Z轴)方向成分作为检测值而输出。
[0053] 第二检测部26对第二可动部2〇相对于第一可动部14的、在以第一轴(X轴)为中心 的旋转方向、以第二轴(Y轴)为中心的旋转方向、以及与第三轴(Z轴)平行的方向上的位移 量进行检测。因此,若在第二间隙5至少形成三个静电电容,则能够检测上述各轴向的位移 量。例如,通过在第二固定面3¾和第二可动面40a形成相互对置的四组以上的固定电极60 核可动电极62,也能够形成共计四个以上的静电电容。并且,固定电极60以及可动电极62能 够具有图示的扇形以外的形状、以及图示的圆形配置以外的配置。此外,对于形成于第二固 定面32a的固定电极60和形成于第二可动面40a的可动电极62而言,将其中一方作为一个大 幅的电极而给予共通电位,并将另一方作为三个以上的小幅的电极而分别独立地给予电 位,由此也能够具有与图7B的实施例同等的功能。或者,也可以也排除这样的大幅的电极, 而将第二固定面32a和第二可动面40a中任一方设为接地电位,由此也能够形成静电电容。 [0054]固定电极60以及可动电极62例如由柔性印刷电路形成,能够通过粘贴于第二固定 面32a以及第二可动面40a来形成。或者,能够通过蒸镀、导电性油墨的印刷等其它的各种方 法来形成固定电极60以及可动电极62。第一可动部14的第三部分32以及第二可动部20的基 板部分40由电气绝缘性的材料制成,或者与固定电极60以及可动电极62电绝缘。但在对第 二固定面32a或者第二可动面40a给予接地电位的情况下,能够使用金属制的第三部分32或 者基板部分40。第二间隙50通过用于在第一可动部14的第二部分30与第三部分32之间形成 空间38的隔离物39 (或者具有同等的功能的突起)而能够确保规定尺寸。
[0055] 六轴力传感器10根据由第一检测部24检测到的上述的位移量的检测值以及由第 二检测部26检测到的上述的位移量的检测值,能够检测施加于第二可动部20的力的、第一 轴(图中X轴)的方向的力成分、第二轴(图中Y轴)的方向的力成分、第三轴(图中Z轴)的方向 的力成分、绕第一轴的力矩成分、绕第二轴的力矩成分、以及绕第三轴的力矩成分。上述力 成分以及力矩成分的检测能够通过与六轴力传感器1〇不同的运算装置来实施。或者,如图1 所示,六轴力传感器1〇能够具备运算部64,该运算部M基于第一检测部24检测到的位移量 的检测值以及第二检测部26检测到的位移量的检测值,来计算施加于第二可动部20的力 的、第一轴(图中X轴)的方向的力成分、第二轴(图中Y轴)的方向的力成分、第三轴(图中Z 轴)的方向的力成分、绕第一轴的力矩成分、绕第二轴的力矩成分、以及绕第三轴的力矩成 分。
[0056] 根据位移量的检测值来求出力成分、力矩成分的运算,例如能够通过对位移量的 检测值和预先求出的转换系数矩阵进行矩阵运算的方法来执行。转换系数矩阵能够通过如 下公知的数学方法来求出:相对于六轴力传感器1〇在各种方向上施加已知的负载,而收集 与该负载的力以及力矩的六轴向成分对应的位移数据,并根据上述位移数据来求出。此处, 由于静电电容与固定电极56、60及可动电极58、62之间的距离成反比例,所以第一检测部24 以及第二检测部26能够从检测到的静电电容的变化量的倒数开始求出第一可动部14以及 第二可动部20的位移量并将其作为检测值而输出。但是,通过使用公知的数学方法,基于第 一检测部24以及第二检测部26所检测到的静电电容的变化量的原始数据(也就是说静电电 容的检测值),例如运算部64也能够直接地求出力成分以及力矩成分。在该情况下,第一检 测部24以及第二检测部26将检测到的静电电容的变化量作为检测值而输出。在本实施方式 中,第一检测部24以及第二检测部26检测静电电容的变化被定义为在数学的观点上与第一 检测部24以及第二检测部26检测对应的可动部14、20的位移量同义。
[0057] 第一实施方式的六轴力传感器10中,利用第一连结部18将固定部12和第一可动部 14相互连结为,第一可动部14能够以三个自由度的形态位移,并且利用第二连结部22将第 一可动部14和第二可动部20相互连结为,第二可动部20能够以与第一可动部14不同的三个 自由度的形态位移,第一检测部24构成为对第一可动部14相对于固定部12的位移量进行检 测,另一方面,与第一检测部24不同,第二检测部26构成为对第二可动部20相对于第一可动 部14的位移量进行检测。由于各个六轴的位移量的检测能够由第一检测部24和第二检测部 2e以每三个自由度分担来实施,所以能够进行高精度的位移量检测。产生作为第一检测部 24的检测对象的位移量的构成部件、和产生作为第二检测部26的检测对象的位移量的构成 部件具有均允许三个自由度的位移的结构即可,而且由于上述构成部件双方共用第一可动 部14,所以六轴力传感器10的构造简化,而部件的加工、组装变得容易,从而减少制造成本。 [0058] 尤其在六轴力传感器10中,由于构成为,在固定部12与第一可动部14之间形成第 一间隙48,而第一检测部24检测第一间隙48的静电电容的变化,在第一可动部14与第二可 动部2〇之间形成第二间隙50,而第二检测部26检测第二间隙50的静电电容的变化,所以能 够分别精度良好地形成第一间隙48和第二间隙5(L其结果,能够高精度地检测第一间隙48 以及第二间隙50的静电电容的变化,从而能够分别高精度地检测第一可动部14相对于固定 部12的位移量、以及第二可动部20相对于第一可动部14的位移量。
[0059]图9以及图10中表示第二实施方式的六轴力传感器70。六轴力传感器70除了省略 了六轴力传感器10的第一可动部14的第三部分32的方面以外,具有与六轴力传感器10相同 的结构。由此,对对应的构成要素标注共用的符号并省略其说明。
[0060] 六轴力传感器70具备固定部12、第一可动部72、第一连结部18、第二可动部20、第 二连结部22、第一检测部24以及第二检测部26。第一可动部72具备矩形平板状的第一部分 28和矩形框状的第二部分30。第一部分28和第二部分30相互独立地形成,并相互固定为一 体。第一部分28和第二部分30能够通过例如螺栓34相互固定。第一部分28的、与面28a相反 的一侧(图中上働的面28c经由空间38与第二部分30的面30a对置。
[0061]第一可动部72具有沿与第三轴(Z轴)正交的假想平面展开的第二固定面28c来作 为第一部分28的面28c。第二可动部20的面40a即第二可动面40a配置在能够与第二固定面 28c平行地对置的位置。在各个第二连结部22未挠曲的状态下,第二固定面28c以及第二可 动面40a相互平行地沿第三轴(Z轴)方向对置。在相互对置的第二固定面28c与第二可动面 40a之间,形成第二间隙5〇。设于第二间隙50的共计三个以上的静电电容形成部由形成于第 二固定面28c的固定电极60、和形成于第二可动面4〇a的可动电极62构成。第二间隙50通过 用于在第一可动部14的第一部分28与第二部分30之间形成空间38的隔离物39 (或者具有同 等的功能的突起)而能够确保规定尺寸。 >
[0062]第二实施方式的六轴力传感器7〇与第一实施方式的六轴力传感器10相同地起作 用,根据由第一检测部24检测到的检测值以及由第二检测部26检测到的检测值,能够检测 施加于第二可动部20的力的、第一轴(X轴)的方向的力成分、第二轴(Y轴)的方向的力成分、 第三轴(Z轴)的方向的力成分、绕第一轴的力矩成分、绕第二轴的力矩成分、以及绕第三轴 的力矩成分。具有这样的结构的六轴力传感器70起到与上述的六轴力传感器1〇的效果同等 的效果。另外,六轴力传感器70的第一可动部72的结构与第一可动部14相比简化,从而能够 进一步削减制造成本。
[0063] 以上,基于附图对本发明的实施方式的结构进行了说明,但本发明不限定于图示 结构。例如,第一检测部以及第二检测部不限定于根据静电电容的变化来检测位移量的上 述结构,能够是具备光学式、磁式等其它的位移量检测结构的结构。这样,本领域技术人员 会理解在不脱离后述的权利要求书所公开的范围的情况下能够得到各种修改以及变更。

Claims (12)

1. 一种六轴力传感器,其特征在于,具备: 固定部,其具有沿正交坐标系中第三轴的假想平面展开的第一固定面; 第一可动部,其具有与上述第一固定面平行地对置的第一可动面,并且具有沿与上述 第三轴正交的假想平面展开的第二固定面; 、 第一连结部,其在正交三轴坐标系中,将上述第一可动部连结为能够相对于上述固定 部在与第一轴平行的方向、与正交于该第一轴的第二轴平行的方向、以及以与该第一轴和 该第二轴双方正交的第三轴为中心的旋转方向上弹性地位移; 第二可动部,其具有与上述第二固定面平行地对置的第二可动面; 第二连结部,其在上述正交三轴坐标系中,将上述第二可动部连结为能够相对于上述 第一可动部在以上述第一轴为中心的旋转方向、以上述第二轴为中心的旋转方向、以及与 上述第三轴平行的方向上弹性地位移; 第一检测部,其基于上述第一固定面与上述第一可动面的相对移动,检测上述第一可 动部相对于上述固定部的位移量;以及 第二检测部,其基于上述第二固定面与上述第二可动面的相对移动,检测上述第二可 动部相对于上述第一可动部的位移量, 根据由上述第一检测部检测到的检测值以及由上述第二检测部检测到的检测值,能够 检测施加于上述第二可动部的力的、上述第一轴的方向的力成分、上述第二轴的方向的力 成分、上述第三轴的方向的力成分、绕上述第一轴的力矩成分、绕上述第二轴的力矩成分、 以及绕上述第三轴的力矩成分。
2. 根据权利要求1所述的六轴力传感器,其特征在于, 还具备运算部,该运算部基于由上述第一检测部检测到的检测值以及由上述第二检测 部检测到的检测值,来运算施加于上述第二可动部的力的、上述第一轴的方向的力成分、上 述第二轴的方向的力成分、上述第三轴的方向的力成分、绕上述第一轴的力矩成分、绕上述 第二轴的力矩成分、以及绕上述第三轴的力矩成分。
3. 根据权利要求1或2所述的六轴力传感器,其特征在于, 在上述第一固定面与上述第一可动面之间形成具有静电电容的第一间隙,上述第一检 测部通过检测该第一间隙中的该静电电容的变化,来检测上述第一可动部的上述位移量。
4. 根据权利要求3所述的六轴力传感器,其特征在于, 上述固定部具有多个上述第一固定面,该多个上述第一固定面沿包括上述第三轴的假 想平面展开,并且沿相互以6〇度以上的角度交叉的方向延伸, 上述第一可动部具有多个上述第一可动面,该多个上述第一可动面分别配置在与该多 个上述第一固定面平行地对置的位置,并且沿相互以6〇度以上的角度交叉的方向延伸, 在多组相互对置的该第一固定面与该第一可动面之间分别形成上述第一间隙。
5. 根据权利要求4所述的六轴力传感器,其特征在于, 上述第一检测部具有设于多个上述第一间隙且相互电独立的共计三个以上的静电电 容形成部。
6. 根据权利要求1或2所述的六轴力传感器,其特征在于, 在上述第二固定面与上述第二可动面之间形成具有静电电容的第二间隙,上述第二检 测部通过检测该第二间隙中的该静电电容的变化,来检测上述第二可动部的上述位移量。
7.根据权利要求6所述的六轴力传感器,其特征在于, 上述第一可动部具有沿与上述第三轴正交的假想平面展开的上述第二固定面,上述第 二可动部具有配置在与该第二固定面平行地对置的位置的上述第二可动面,在该第二固定 面与该第二可动面之间形成上述第二间隙。
8.根据权利要求7所述的六轴力传感器,其特征在于, 上述第二检测部具有设于上述第二间隙且相互电独立的三个以上的静电电容形成部。
9. 根据权利要求1或2所述的六轴力传感器,其特征在于, 上述第一可动部具有: 第一部分,其一体地形成于上述第一连结部;以及 第二部分,其与该第一部分分开形成并固定于该第一部分,且一体地形成于上述第二 连结部。
10. 根据权利要求9所述的六轴力传感器,其特征在于, 上述第一可动部具有第三部分,该第三部分是介于上述第一部分与上述第二部分之间 的部分,且与上述第一部分以及上述第二部分分开形成,并固定于上述第一部分以及上述 第二部分。
11. 根据权利要求1或2所述的六轴力传感器,其特征在于, 上述第一连结部具有在上述固定部与上述第一可动部之间延伸的多个弹性梁。
12. 根据权利要求1或2所述的六轴力传感器,其特征在于, 上述第二连结部具有在上述第一可动部与上述第二可动部之间延伸的多个弹性梁。
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