CN110542495A - 位移检测方式的力传感器 - Google Patents

Abstract

一种位移检测方式的力传感器，其具备缓和由外力以外的因素引起的部件的变形的机构。力传感器具备第一缓和部和第二缓和部中的至少一个，第一缓和部设置在第一基板部、第一连结部、第二基板部和第二连结部中的至少一个，并且能够沿着与第一轴正交的平面弹性变形，第二缓和部设置在第二基板部、第二连结部、第三基板部和第三连结部中的至少一个，并且能够沿着第一轴弹性变形。

Description

位移检测方式的力传感器

技术领域

本发明涉及位移检测方式的力传感器。

背景技术

位移检测方式的力传感器在对传感器主体施加力(载荷)时，检测因该力而变形的传感器主体的伴随变形的位移量，基于检测出的位移量来检测力。例如，日本特开2004-301731号公报公开了根据在传感器主体的规定部位形成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结构体和内侧箱状结构体，使外侧箱状结构体的侧面及上表面与内侧箱状结构体的侧面及上表面分别对置，形成整体连通的间隙，在间隙的规定部位分别配置在正交的三轴坐标系的任一轴向上对置的多组电极，在各个对置电极之间形成静电电容。若外侧箱状结构体因力(负荷)而变形，则间隙的形状及尺寸相应地变化，各个对置电极间的静电电容变化。构成为根据该静电容量的变化，算出外侧箱状结构体相对于内侧箱状结构体的位移量，基于算出的位移量，能够检测施加在外侧箱状结构体上的力的各轴向的力分量以及绕各轴的力矩分量。

另外，日本特开2016-070824号公报公开了以下的结构：在检测正交三轴坐标系中的各轴向的力分量以及绕各轴的力矩分量的位移检测方式的六轴力传感器中，由第一检测部和第二检测部各分担3轴检测力分量和力矩分量。

并且，日本特开2006-125873号公报公开了在受到与应变电阻元件同等的热影响的位置且不受应力影响的位置设置温度补偿用电阻元件，旨在进行高精度的应力检测的多轴力传感器用芯片和多轴力传感器。

在位移检测方式的力传感器中，由于使用环境的温度变化或内部发热等作用于该传感器的力以外的因素，在用于检测位移量的部件上产生挠曲、变形，作为力传感器的测定精度有时会降低。

发明内容

本公开的一个方式涉及一种力传感器，包括：第一基板部；第二基板部，与所述第一基板部分离配置；第三基板部，与所述第二基板部分离配置；第一桥梁部，用于对所述第一基板部进行定位；第二桥梁部，用于对所述第二基板部进行定位；第三桥梁部，用于对所述第三基板部进行定位；第一连结部，连结所述第一基板部和所述第一桥梁部；第二连结部，连结所述第二基板部和所述第二桥梁部；第三连结部，连结所述第三基板部和所述第三桥梁部；第一支柱部，连结所述第一桥梁部和所述第二桥梁部；第二支柱部，连结所述第二桥梁部和所述第三桥梁部；第一检测部，检测所述第一基板部和所述第二基板部的相对位移；以及第二检测部，检测所述第二基板部和所述第三基板部的相对位移，所述力传感器的特征在于，所述第一基板部和所述第一连结部中的至少一方构成为能够弹性变形，所述第二支柱部构成为能够弹性变形，所述第一检测部将根据所述第一基板部和所述第二基板部的沿着第一轴的相对移动以及所述第一基板部和所述第二基板部的绕沿着与所述第一轴正交的平面的中心轴线的相对旋转中的至少一方变化的值作为第一检测值进行检测，所述第二检测部将根据所述第二基板部和所述第三基板部的沿着与所述第一轴正交的平面的相对移动以及绕沿着所述第一轴的中心轴线的相对旋转中的至少一方而变化的值作为第二检测值进行检测，所述力传感器具备第一缓和部和第二缓和部中的至少一个，所述第一缓和部设置在所述第一基板部、所述第一连结部、所述第二基板部和所述第二连结部中的至少一个，并且能够沿着与所述第一轴正交的平面弹性变形，所述第二缓和部设置在所述第二基板部、所述第二连结部、所述第三基板部和所述第三连结部中的至少一个，并且能够沿着所述第一轴弹性变形。

附图说明

通过与附图相关的以下实施方式的描述，本发明的目的、特征和优点将变得更加明显。在该附图中，

图1是第一实施方式所涉及的力传感器的截面图，

图2是图1的力传感器的俯视图，

图3是图1的力传感器的侧视图，

图4是第二实施方式所涉及的力传感器的截面图，

图5是图4的力传感器的侧视图，

图6是第三实施方式所涉及的力传感器的截面图，

图7表示使力作用于第一实施方式所涉及的力传感器的例子，

图8表示使力作用于第一实施方式所涉及的力传感器的例子，

图9表示使力作用于第一实施方式所涉及的力传感器的例子，

图10表示使力作用于第一实施方式所涉及的力传感器的例子，

图11表示第一检测部的具体结构的一例，

图12表示第一检测部的具体结构的其他例子，

图13是表示将第一检测部的第一检测元件和第二检测元件对置配置的例子的立体图，

图14表示第一检测元件或第二检测元件的具体结构的其他例子，

图15表示第二检测部的第三检测元件或第四检测元件的具体结构的一例，

图16表示第二检测部的具体结构的一例，为了清楚起见，第三检测元件和第四检测元件位于相互不对置的位置，

图17表示第二检测部的具体结构的一例，

图18表示包含多个第二检测部的结构的一例，

图19表示第二检测部的具体结构的其他例子，为了清楚起见，第三检测元件和第四检测元件位于相互不对置的位置，

图20是从其他角度观察图19的第二检测部的具体结构的图，

图21是从其他角度观察图16的第二检测部的具体结构的图，

图22表示作为比较例的不具有缓和机构的力传感器的结构例。

图23表示在图22的力传感器中电极间的距离变化的例子，

图24表示在具有印刷基板的力传感器上设置有缓和部的例子，

图25表示第一缓和部的具体结构的一例，

图26表示第一缓和部的具体结构的其他例子，

图27表示第一缓和部的具体结构的其他例子，

图28表示第二缓和部的具体结构的一例，

图29表示第二缓和部的具体结构的其他例子，

图30表示从其他方向观察图29的第二缓和部的图，

图31表示第二缓和部的具体结构的其他例子，

图32表示第二缓和部的具体结构的其他例子，

图33表示从其他方向观察图32的第二缓和部的图，

图34表示具备第一缓和部和第二缓和部的两方的功能的结构例，

图35表示具备第一缓和部和第二缓和部的两方的功能的其他结构例，

图36表示第一缓和部或第二缓和部所具有的孔的形状的具体例，

图37表示第一缓和部或第二缓和部所具有的孔的形状的具体例，

图38表示第一缓和部或第二缓和部所具有的孔的形状的具体例，

图39表示第一缓和部或第二缓和部所具有的孔的形状的具体例，

图40表示第一缓和部或第二缓和部所具有的孔的形状的具体例，

图41表示在具有印刷基板的力传感器上设置有第一缓和部的例子，

图42表示在具有印刷基板的力传感器上设置有第一缓和部及第二缓和部的例子，

图43表示在具有印刷基板的力传感器上设置有第一缓和部及第二缓和部的其他例子，

图44说明第一实施方式所涉及的力传感器中的第一缓和部的作用效果，

图45是图44的力传感器中的第一检测部的放大图，

图46说明第二或第三实施方式涉及的力传感器中的第一缓和部的作用效果。

具体实施方式

图1～图3分别是第一实施方式涉及的位移检测方式的力传感器10的截面图、俯视图以及侧视图。力传感器10例如能够作为配置在机器人主体(旋转体等)与设置面之间的6轴力传感器或者安装在机器人的指尖的力觉传感器来使用，构成为能够测定作用于该传感器的力的大小和方向。力传感器10包括：第一基板部12；第二基板部14，与第一基板部12分离配置；第三基板部16，与第二基板部14分离配置；大致圆环状的第一桥梁部18，用于将第一基板部12定位于规定位置；大致圆环状的第二桥梁部20，用于将第二基板部14定位于规定位置；大致圆环状的第三桥梁部22，用于将第三基板部16定位在规定位置上；第一连结部24，连结第一基板部12和所述第一桥梁部18；第二连结部26，连结第二基板部14和第二桥梁部20；第三连结部28，连结第三基板部16和第三桥梁部22；第一支柱部30，连结第一桥梁部18和第二桥梁部20；第二支柱部32，连结第二桥梁部20和第三桥梁部22；第一检测部34，检测第一基板部12和第二基板部14的相对位移；以及第二检测部36，检测第二基板部14和第三基板部16的相对位移。

例如，第一基板部12经由第一连结部24安装于第一桥梁部18，在将一个部件安装于另一个部件的情况下，例如可以使用螺栓将两部件紧固、固定，也可以以两部件一体化的方式进行加工、熔敷。另外，也可以在两部件相互接触的部分分别设置凹形状及凸形状等，能够进行正确的定位。这对于其他部件的安装、后述的实施方式也是同样的。

第一基板部12具备沿着与第一轴38(在图1的例子中为上下方向)正交的平面延伸的两个以上的第一连结部24，各个第一连结部24在力传感器10受到力(外力)时弹性变形，使得第一基板部12和第二基板部14相对地产生向沿着第一轴38的方向的移动、或者绕沿着与第一轴38正交的平面的中心轴线的旋转、或者向沿着第一轴38的方向的移动以及绕沿着与第一轴38正交的平面的中心轴线的旋转。在此，由第一基板部12和第一连结部24构成的部分为发生弹性变形的结构，设定为第一基板部12能够弹性变形，第一连结部24能够弹性变形，或者第一基板部12及第一连结部24两方都能够弹性变形中的任一个。

在第一实施方式中，力传感器10具有两个以上例如四个第一连结部24(图2)，以通过对置的两个第一连结部24的中心的直线相互正交的方式配置(在俯视图中在周向上以90°的等间隔配置)。另外，第二连结部26、第三连结部28也同样为2个以上，例如4个，并以通过对置的两个连结部的中心的直线相互正交的方式配置。

第二基板部14具备沿着第一轴38延伸的两个以上的第二支柱部32，各个第二支柱部32在力传感器10受到力时弹性变形，使得第二基板部14和第三基板部16相对地产生向沿着与第一轴38正交的平面的方向的移动、或者绕沿着第一轴38的中心轴线的旋转、或者向沿着与第一轴38正交的平面的方向的移动和绕沿着第一轴38的中心轴线的旋转。另外，第三基板部16经由第二支柱部32与第二基板部14连结。

第一检测部34具有：配置在第一基板部12上的至少一个的第一检测元件40(在图1的例子中为电极)；和以与第一检测元件40对置的方式配置在第二基板部14上的至少一个的第二检测元件42(在图1的例子中为电极)，第二检测部36具有：配置在第二基板部14上的至少一个的第三检测元件44(在图1的例子中为电极)；和以与第三检测元件44对置的方式配置在第三基板部16上的至少一个的第四检测元件46(在图1的例子中为电极)。通过增加相互对置的第一检测元件和第二检测元件、及相互对置的第三检测元件和第四检测元件的数量，能够增大可检测的力及力的力矩的自由度。在本实施例中，如后所述，相互对置的第一检测元件和第二检测元件分别为4个，相互对置的第三检测元件和第四检测元件分别为4个，但不限于此。第一基板部12、第二基板部14及第二支柱部32优选配置为，作用于力传感器10的力不在第二基板部14中传播而作用于第一基板部12和第二支柱部32两方。通过这样的结构和部件的弹性变形的方向，第一基板部12和第二基板部14的相对位移及第二基板部14和第三基板部16的相对位移能够正确地对应分别分担作用于力传感器10的力的三个自由度的力分量以及力的力矩分量，能够提高力传感器的准确度。

另外，本公开中的“沿”、“沿着”等表述不仅表示与轴或平面等对象一致或平行，还表示大致的方向性。例如，沿某一轴或平面的方向(轴)包含相对于由该轴或平面表示的方向一致或平行的方向(轴)、从平行稍微避开(即大致平行的)的方向(轴)、以及例如以小于45度、小于30度、小于20度、小于10度或小于5度的角度交叉的方向(轴)。

第一支柱部30及第二支柱部32可以具有圆柱、四棱柱等多边形状等任意形状，沿着支柱的长轴的半径的长度(固定值、沿着长轴任意变化、根据相位改变长度等)、长轴方向的长度、根数也可以是任意的。

连接第一桥梁部18和第二桥梁部20的第一支柱部30优选刚性比连接第二桥梁部20和第三桥梁部22的第二支柱部32大。因此，优选使第一支柱部30变粗而使数量增多，或者使第一桥梁部18、第二桥梁部20及第一支柱部30实质上一体化(参照后述第二及第三实施方式)来提高刚性，另一方面将第二支柱部32构成为能够弹性变形。由此，在力沿着与第一轴38正交的平面的方向作用于力传感器10的情况下，能够尽量减小第一基板部12和第二基板部14的、沿着与第一轴38正交的平面的方向的相对位移，并且尽量增大第二基板部14和第三基板部16的、沿着与第一轴38正交的平面的方向的相对位移。

另外，为了防湿、防尘、电磁波的屏蔽等目的，优选在第一支柱部30、第二支柱部32的周围以覆盖力传感器10整体的方式安装罩。

图4是第二实施方式涉及的力传感器10a的截面图，图5是力传感器10a的侧视图。另外，在第二实施方式中，仅说明与第一实施方式不同的点，对于可以与第一实施方式相同的部分省略说明。

在第二实施方式中，第一桥梁部18、第二桥梁部20及第一支柱部30被一体化而构成为实质上一个部件48，通过这样的结构，能够减少制作这三个部件所需的工时和成本，并且部件48能够具有比上述三个部件的组合高的刚性。另外，在第二实施方式中，第一基板部12及第二基板部14分别经由第一连结部24及第二连结部26安装于部件48。

图6是第三实施方式涉及的力传感器10b的截面图。另外，在第三实施方式中，仅说明与第一实施方式的不同点，对于可以与第一实施方式相同的部分省略说明。

第三实施方式也与第二实施方式相同，第一桥梁部18、第二桥梁部20及第一支柱部30被一体化而实质上构成为一个部件50，第二连结部26在沿着第一轴38的方向(在图6的例子中为部件50的下表面)上安装于部件50。另外，第三连结部28也在沿着第一轴38的方向(在图6的例子中为第三桥梁部22的下表面)上安装于第三桥梁部22。通过这样的结构，除了能够得到与第二实施方式同样的效果之外，还能够得到各部件的组装变得容易的效果。另外，在第三实施方式中，第一基板部12及第二基板部14分别经由第一连结部24及第二连结部26安装于部件50。

图7～图10表示将第一实施方式涉及的力传感器10安装或设置在任意的物体上使力作用在力传感器10上的例子。在图7中，能够构成为如下地安装物体：将第三基板部16作为设置侧直接或间接地固定，将作为未固定侧的第一基板部12作为力作用侧直接或间接地(例如通过接合器52)在箭头54的方向上作用力。在图8中，能够构成为如下地安装物体：将相对于第三基板部16经由第三桥梁部22在与第二支柱部32的另外一侧连接的部分(框体部分)56作为设置部分(设置侧)直接或间接地固定，将作为未固定侧的、相对于第一基板部12经由第一桥梁部18在与第一支柱部30的另外一侧连接的部分(框体部分)58作为力所作用侧，直接或间接地(例如通过接合器52)在箭头54的方向上作用力。

在图9中，能够构成为如下地安装物体：将第一基板部12作为设置侧直接或间接地固定，将作为未固定侧的第三基板部16作为力作用侧，直接或间接地(例如通过接合器52)在箭头54的方向上作用力。在图10中，能够构成为如下地安装物体：将相对于第一基板部12经由第一桥梁部18在与第一支柱部30的另外一侧连接的部分(框体部分)58作为设置部分(设置侧)直接或间接地固定，将作为未固定侧的、相对于第三基板部16经由第三桥梁部22在与第二支柱部32的另外一侧连接的部分(框体部分)56作为力作用侧，直接或间接地(例如通过接合器52)在箭头54的方向上作用力。另外，在图9的情况下，有时位于设置侧的第一基板部12发生弹性变形，因此优选经由适当形状的接合器(未图示)进行设置。

第一检测部34将根据在第一基板部12与第二基板部14之间的沿着第一轴38的相对移动以及绕沿着与第一轴38正交的平面的中心轴线的相对旋转而变化的值作为第一检测值进行检测。如图1所示，第一检测部34具有设置在第一基板部12上的第一检测元件40和设置在第二基板部14上的第二检测元件42。第一检测部34检测出的第一检测值是用于获取第一轴38的方向的力分量、绕与第一轴38正交的第二轴的力的力矩分量以及绕与第一轴和第二轴两方正交的第三轴的力的力矩分量的值。

在本实施例中，第一检测值是根据第一基板部12和第二基板部14的相对位移而变化的静电电容的变化值。在这种情况下，作为第一检测元件40和第二检测元件42，设置相互对置的2个(一对)电极，检测与该电极间的间隙对应的静电电容的变化。作为其他例子，第一检测值也可以是根据第一基板部12和第二基板部14的相对位移而变化的电荷量、电感、光量、超声波、磁等的变化量。另外，第一检测值也可以是表示根据第一基板部12和第二基板部14的相对位移而变化的、图像上的对应点的变化的值、或与图像信息相关的值。

在本实施例中，第一检测部34由相互对置的第一检测元件40和第二检测元件42的多个组构成。在第一检测元件40和第二检测元件42上安装有电极，或者第一检测元件40和第二检测元件42构成为电极，在相互对置的第一检测元件40和第二检测元件42的组中，相同形状的电极对置。例如，第一检测元件40和第二检测元件42是由FPC(柔性印刷电路)构成的电极。

例如，如图11和图12所示，在第一基板部12上安装有多个第一检测元件40，在第二基板部14上安装有多个第二检测元件42。更详细地说，将第一检测元件40的电极的形状设为中心角为90度以下(在图示例中为90度)的扇形的形状，通过组合相同形状的4个第一检测元件40而成为构成1个圆的形状。即，作为扇形形状的电极的第一检测元件40组合多个而形成圆形状，并安装在第一基板部12上。

关于第二检测元件42的电极的形状，也与第一检测元件40同样，形成中心角为90度以下(在图示例中为90度)的扇形的形状，通过组合相同形状4个第二检测元件42而成为构成1个圆的形状。即，作为扇形形状的电极的第二检测元件42组合多个而形成圆形状，并安装在第二基板部14上。

如图13所示，构成第一检测元件40的电极与构成第二检测元件42的电极对置，更具体而言，构成第一检测元件40的4个电极和构成第二检测元件42的4个电极分别对置配置。通过这样的结构，第一检测部34具有相互对置的第一检测元件40和第二检测元件42这4个组，能够获取4个静电电容值作为第一检测值。根据所获取的4个静电电容的值，能够算出第一轴38的方向的力分量、绕与第一轴38正交的第二轴的力的力矩分量以及绕与第一轴和第二轴两方正交的第三轴的力的力矩分量。

另外，在使用多个第一检测元件40和第二检测元件42的电极组来构成第一检测部的情况下，只要相互对置的第一检测元件40和第二检测元件42的电极的形状相同即可，多个第一检测元件40的电极的形状也可以互不相同。同样，多个第二检测元件42的电极的形状也可以互不相同。

图14表示第一检测元件40或第二检测元件42为8个的情况下的结构例。在该情况下，在图11或图12的例子中，将90度的中心角为45度以下(在图示例中为45度)的8个扇形形状组合而构成1个圆。在图14例子中，由于能够得到8个静电电容的值作为第一检测值，因此通过将这些值作为2个系统(包含2组相当于上述4个静电电容值的数据)的数据进行处理，能够在传感器的故障检测中使用，或者能够提高传感器的检测精度。

第二检测部36将根据沿着与第一轴38正交的平面的第二基板部14与第三基板部16的相对移动以及绕沿着第一轴38的中心轴线的相对旋转而变化的值作为第二检测值进行检测。如图1所示，第二检测部36具有设置在第二基板部14上的第三检测元件44和设置在第三基板部16上的第四检测元件46。第二检测部36检测的第二检测值是用于获取第二轴的方向的力分量、第三轴的方向的力分量、以及绕第一轴38的力的力矩分量的值。

在本实施例中，第二检测值是根据第二基板部14和第三基板部16的相对位移而变化的静电电容的变化值。在这种情况下，作为第三检测元件44和第四检测元件46，设置相互对置的2个(一对)电极，检测与该电极间的间隙对应的静电电容的变化。另外，第二检测部36不限于一对电极，也可以构成为多对电极(参照后述的图18等)。作为其他例子，第二检测值也可以是根据第二基板部14和第三基板部16的相对位移而变化的电荷量、电感、光量、超声波、磁等的变化量。另外，第二检测值也可以是表示根据第二基板部14和第三基板部16的相对位移而变化的、图像上的对应点的变化的值、或与图像信息相关的值。

在本实施例中，第二检测部36由相互对置的第三检测元件44和第四检测元件46的多组构成。在第三检测元件44和第四检测元件46上安装有电极，或者第三检测元件44和第四检测元件46构成为电极，在相互对置的第三检测元件44和第四检测元件46的组中，相同形状的电极对置。例如，如图15所示，第三检测元件44和第四检测元件46设为由在长方体部件45上粘贴了FPC(Flexible printed circuits，柔性印刷电路)47的部件构成的电极。

图16和图17表示第二检测部36的具体例。在第二基板部14上安装有多个(在图16中仅图示一个)第三检测元件44，在第三基板部16上安装有多个(在图16中仅示出一个)第四检测元件46。在图16中，为了清楚起见，第三检测元件44和第四检测元件46位于相互不对置的位置，但实际上如图17所示，第三检测元件44和第四检测元件46配置为它们的电极47相互对置。

图18表示包含多个第二检测部的结构例。在此，将4个第三检测元件44a-44d分别设为如上所述粘贴有电极长方体的部件，将4个第四检测元件46a-46d分别设为粘贴有与该电极相同形状的电极的长方体的部件，第三检测元件44a-44d的电极和第四检测元件46a-46d的电极分别对置配置，构成四个第二检测部36a-36d。这样，通过设置多组(在图示例中为4组)相互对置的电极，能够获取多个(在此为4个)静电电容的值作为第二检测值。

在图18中，设为与第三检测元件44a和第四检测元件46a对置的电极面正交的直线49a和与第三检测元件44c和第四检测元件46c对置的电极面正交的直线49c平行。另外，设为与第三检测元件44b和第四检测元件46b对置的电极面正交的直线49b和与第三检测元件44d和第四检测元件46d对置的电极面正交的直线49d平行。并且，直线49a(49c)和直线49b(49d)设为相互垂直。根据这样结构，能够获取4个静电电容的值作为第二检测值，根据所获取的4个静电电容的值，能够算出与第一轴38正交的第二轴的方向的力分量、与第一轴和第二轴两方正交的第三轴的方向的力分量、以及绕第一轴的力的力矩分量。

图19和图20表示第二检测部的其他结构例。例如，第二检测部36a具有安装在第二基板部14上的两个第三检测元件44a和安装在第三基板部16上的一个第四检测元件46a，第四检测元件46a在其两面具有电极47，各第三检测元件44a具有与粘贴在第四检测元件46a的各面上的电极对置的电极47。因此，图20中的第二检测部36a相对于图18中的第二检测部36a具有图21所示的实质上1组电极，实质上具有2组电极，优选地，所有(总共四个)电极彼此平行。

另外，第二检测部36b-36d也与第二检测部36a同样，实质上可以是具备2组电极的结构。在这种情况下，由于能够得到8个电容值作为第二检测值，因此通过将这些值作为2个系统(包含2组相当于上述4个静电电容值的数据)的数据进行处理，能够在传感器的故障检测中使用，或者能够提高传感器的检测精度。

如上所述，在本实施例中，根据第一检测部34获取的第一检测值和第二检测部36(36a-36d)获取的第二检测值，能够算出作用于力传感器的相互正交的3轴方向的力分量、绕上述3轴的各轴的力的力矩分量。

本公开中的检测值获取部构成为获取由第一检测单元34和第二检测单元36检测到的值，例如，能够以处理器等方式安装在印刷基板60(参照后述的图24等)上。在本实施例中，通过对印刷基板60接通电源，力传感器内部被加热，有时使力传感器内部的部件挠曲。此时，在没有后述的第一缓和部62或第二缓和部64的情况下，由于上述的挠曲，第一基板部12和第二基板部14的相对位移、第二基板部14和第三基板部16的相对位移有时会发生变化。但是，通过在力传感器的内部具备印刷基板60，获取第一检测部34和第二检测部36检测出的值的部分被一体化，不需要在力传感器的外部另外设置印刷基板，作为系统变得紧凑，容易操作。

本公开中的力运算部基于第一检测值及第二检测值来运算相互正交的三轴方向的力分量、绕该三轴的各轴的力的力矩分量。力运算部以处理器等方式安装在力传感器所具备的印刷基板60上，由此，仅使用力传感器而不需要使用外部的控制装置等，能够输出力数据。另外，力运算部也可以以处理器等的方式包含在连接有力传感器的控制装置中。

图22作为与本公开的比较例，示出了不具有缓和机构的力传感器110的结构例。另外，在图22中，对于与第一实施方式涉及的力传感器10实质上同等的构成要素，用在力传感器的构成要素的参照符号上加上100后的参照符号来表示。

如力传感器110那样，在不具备后述缓和机构的结构中，由于从设置在力传感器的内部的印刷基板60等发热品散热等作用于力传感器的外力以外的因素，构成第一检测部134或第二检测部136的部件有时会变形。例如，如图23所示，由安装有构成第一检测部134的电极140及142中的电极142的第二检测元件42、第二基板部14、第二连结部26构成的部分因热而挠曲，由此电极间的距离d变化，有时不能准确地测定作用于力传感器的力。

因此，力传感器具备能够沿着与第一轴38正交的平面弹性变形的第一缓和部62、以及能够沿着第一轴38弹性变形的第二缓和部64中的至少一方。首先，第一缓和部62是为了吸收或缓和由热引起的力传感器内部的部件的挠曲而能够沿着与第一轴38正交的平面弹性变形并容易传递热而使热散失的缓和机构。因此，在因外力以外的内部产生的热等因素而产生第一基板部12与第二基板部14的相对位移的情况下，通过在第一基板部12、第一连结部24、第二基板部14、第二连结部26的至少一个上设置第一缓和部62，能够降低由第一检测部34检测出的第一基板部12与第二基板部14的相对位移的误差。

例如如图24所示，由于存在于力传感器10内部的印刷基板60等发热的物体的热，第二基板部14挠曲，在第一基板部12和第二基板部14可能产生相对位移的情况下，优选在第二连结部26设置第一缓和部62。

图25表示第一缓和部62的具体结构的一例。在将第一缓和部62设置于第一连结部24或第二连结部26的情况下，通过在第一连结部24或第二连结部26形成一个以上的孔66，第一基板部12或第二基板部14能够沿着与第一轴38垂直的平面弹性位移。

图26表示第一缓和部62的具体结构的其他例子。在将第一缓和部62设置在第一基板部12或第二基板部14上的情况下，在第一基板部12或第二基板部14上形成一个孔68，第一基板部12或第二基板部14能够沿着与第一轴38垂直的平面弹性地位移。

图27表示第一缓和部62的具体结构的其他例子。在将第一缓和部62设置于第一基板部12或第二基板部14的情况下，在第一基板部12或第二基板部14上形成多个孔70，第一基板部12或第二基板部14能够沿着与第一轴38垂直的平面弹性地位移。另外，在图25～图27的任一个中，也可以将第一缓和部62设置在由金属板等构成的第一基板部12、第二基板部14、第一连结部24或第二连结部26中的至少一个上并构成为孔，能够容易地散发在力传感器内部产生的热。另外，在将第一缓和部62构成为孔的情况下，为了不阻碍从外部作用于第一基板部12、第二基板部14的力的传递而使刚性适当并为了便于传热，优选将孔的周围部分设为适当的宽度。

接着，第二缓和部64是为了吸收或缓和由热引起的力传感器内部的部件的挠曲而能够沿着第一轴38弹性变形并容易传递热而使热散失的缓和机构。因此，在由于外力以外的内部产生的热等因素而产生第二基板部14与第三基板部16的相对位移的情况下，通过在第二基板部14、第二连结部26、第三基板部16、第三连结部28的至少一个上设置第二缓和部64，能够降低由第二检测部36检测出的第二基板部14与第三基板部16的相对位移的误差。

例如如图24所示，通过存在于力传感器10的内部的印刷基板60等发热的物体的热，力传感器10的内部的温度上升，在第三基板部16及第三连结部28挠曲而存在第二基板部14与第三基板部16的相对位移的情况下，优选在第三连结部28设置第二缓和部64。

图28表示第二缓和部64的具体结构的一例。在将第二缓和部64设置在第二连结部26或第三连结部28上的情况下，首先在第二连结部26或第三连结部28上设置沿着第一轴38延伸的翼片部分72，通过在翼片部分72中形成一个或多个孔74，第二基板部14或第三基板部16能够沿着第一轴38弹性地位移。

图29和图30表示第二缓和部64的具体结构的其他例子。在将第二缓和部64设置于第二基板部14或第三基板部16的情况下，在第二基板部14或第三基板部16上形成在与跟第一轴38正交的平面平行的方向上延伸的多个贯通孔76，第二基板部14或第三基板部16能够沿着第一轴38弹性地位移。另外，在该情况下，在与跟第一轴38正交的平面平行的方向且与贯通孔76的轴线正交的方向上也具备第一缓和部的功能。另外，在图30和后述的图31中，省略了第二连结部26和第三连结部28的图示。

图31表示第二缓和部64的具体结构的另一个例子。在将第二缓和部64设置于第二基板部14或第三基板部16的情况下，通过在第二基板部14或第三基板部16上形成在与跟第一轴38正交的平面平行的方向上延伸的1个贯通孔78，从而第二基板部14或第三基板部16能够沿着第一轴38弹性地位移。另外，在该情况下，在与跟第一轴38正交的平面平行的方向且与贯通孔78的轴线正交的方向上也具备第一缓和部的功能。在此，通过将孔截面形状设为椭圆，能够相对地改变与第一轴38平行的方向的弹性的柔软性和与跟第一轴38正交的平面平行的方向且与贯通孔78的轴线正交的方向的弹性柔软度。另外，在图28～图31的任一个中，也可以将第二缓和部64设置在由金属板等构成的第二基板部14、第三基板部16、第二连结部26或第三连结部28中的至少一个上构成为孔，能够使在力传感器内部产生的热容易散发。另外，在将第二缓和部64构成为孔的情况下，为了不阻碍从外部作用于第二基板部14、第三基板部16的力的传递而使刚性适当并为了便于传热，优选将孔的周围部分设为适当的宽度。

图32和图33表示第二缓和部64的具体结构的其他例子。如图29、图30所示，在第二基板部14或第三基板部16上设置与跟第一轴38正交的平面平行的多个贯通孔76，并且形成与这些贯通孔的轴线正交的多个贯通孔77。由此，第二基板部14或第三基板部16能够沿着第一轴38弹性位移，且能够在与跟第一轴38正交的平面平行且在正交的两个方向上也具备第一缓和部的功能。此时，通过将贯通孔的截面形状设为椭圆，改变椭圆的长轴与短轴的长度之比，能够相对地改变沿着第一轴38的方向的弹性的柔软性和与跟第一轴38正交的平面平行的方向且与各个贯通孔的轴线正交的方向的弹性的柔软性。

图34表示具备第一缓和部和第二缓和部两方的功能的结构例。通过将第二连结部26构成为拱形，并在该拱形部分形成一个以上的孔80，第二基板部14能够在沿着与第一轴38垂直的平面的方向及沿着第一轴的方向的任意一个方向上都能够弹性位移。

图35表示具备第一缓和部和第二缓和部两方的功能的其他结构例。通过将第二基板部14构成为拱形，并在该拱形部分形成一个以上的孔82，第二基板部14能够在沿着与第一轴38垂直的平面的方向及沿着第一轴的方向的任意一个方向上都能够弹性位移。

如上所述，在本公开涉及的实施方式中，优选“在第一基板部、第一连结部、第二基板部和第二连结部中的至少一个上设置沿着与第一轴正交的平面弹性变形的第一缓和部”、或者“在第二基板部、第二连结部、第三基板部、第三连结部的至少一个部分设置沿着第一轴弹性变形的第二缓和部”、或者“在第一基板部、第一连结部、第二基板部、第二连结部的至少一个部分设置沿着与第一轴正交的平面弹性变形的第一缓和部，且在第二基板部、第二连结部、第三基板部、第三连结部中的至少一个部分设置沿着第一轴弹性变形的第二缓和部”。

由于第一缓和部62及第二缓和部64这样的缓和机构能够在规定的方向上弹性变形且形成为散热的结构，因此优选具有一个以上的孔(包括贯通的孔、未贯通的凹形状、空洞)。例如，在图25中，一个连结部具有一个矩形的孔66，但也可以将该矩形的孔置换为图36-图40所示的一个或多个孔。也可以使第一缓和部62或第二缓和部具有1个至多个图36-图40所示的简单形状的孔、或1个至多个复杂的曲线形状的孔。并且，优选缓和机构以成为适当的宽度的方式加粗孔附近的框部分等，促进热的传导或扩散而容易散热。

或者如图1所示，由橡胶等可弹性变形的材料构成第一连结部24或第二连结部26，第一连结部24或第二连结部26也可以具有第一缓和部62或第二缓和部64的功能。

图41～图43作为图24的变形例，表示适当变更了印刷基板60、第一缓和部62及第二缓和部64的配置位置的例子。在图41的力传感器中，印刷基板60安装在第三基板部16的下面侧，作为发热体起作用。另外，图41的力传感器10具有设置在第二连结部26上的第一缓和部62，但不具有第二缓和部。

在图42的力传感器中，印刷基板60安装在第三基板部16的下表面侧并作为发热体起作用。另外，在图42的力传感器10中，在第二连结部26设置有第一缓和部62及第二缓和部64，在第三连结部28设置有第二缓和部64。

在图43的力传感器中，印刷基板60安装在第一基板部12的上表面侧并作为发热体起作用。另外，在图43的力传感器10中，在第一连结部24上设置有第一缓和部62，在第三连结部28上设置有第二缓和部64。这样，第一缓和部62及第二缓和部64的个数、配置位置能够根据印刷基板60的大小、配置位置、力传感器的结构(框体的有无、第一检测部和第二检测部的结构等)适当设定、变更。

图44至图46是用于说明本公开中的实施例的缓和机构的作用效果的图。如参照图22-图23所说明的那样，在不具备缓和机构的力传感器中，通过来自印刷基板等发热体的散热，构成第一检测部、第二检测部的部件变形，有时作用于力传感器的力的测定精度降低。

但是，如图44所示，在具有第一缓和部62的力传感器10中，即使由于印刷基板60的发热而在第二基板部14等部件上产生挠曲等变形，也可如图45所示，第一缓和部62释放热，且向适当方向弹性变形而缓和部件的挠曲，能够在第一检测部34中适当地检测应测定的方向的位移。

同样地，如图46所示，在第一桥梁部、第二桥梁部及第一支柱部被一体化的力传感器10a或10b中，通过设置第一缓和部62，能够提高第一检测部34的测定精度。

另外，在图44及图46的例子中，在第二连结部26设置第一缓和部62，实现了伴随第二基板部14的变形的第一检测部34中的测定误差的降低。

在图42中，示出了第二缓和部64设置在第二连结部26、第三连结部28上的例子，但在第二缓和部设置在第二基板部、第二连结部26、第三基板部16、第三连结部28的情况下，即使由于位于力传感器内部的印刷基板等发热体的发热而使构成第一检测部34、第二检测部36的部件变形，也可与第一缓和部62的作用相同，第二缓和部64向适当的方向弹性变形而缓和部件的挠曲，且使热尽可能地散放，能够在第一检测部34、第二检测部36中适当地检测应测定的方向的位移，提高第一检测部34、第二检测部36的测定精度。

在力传感器10中，第一支柱部30及第二支柱部32弹性变形，在力传感器10a或10b中，第二支柱部32弹性变形，这些弹性变形引起的电极间的位移比第一缓和部62引起的电极间的位移大，因此对于第一检测部34、第二检测部36，通常不会因第一缓和部62的变形而产生不良影响。或者，为了该不良影响不涉及到第一检测部34、第二检测部36的测定精度，优选使由第一支柱部30及第二支柱部32的弹性变形引起的电极间的位移相对于由第一缓和部62引起的电极间的位移相对较大，或者扩大第一检测部34、第二检测部36的电极面积。

在力传感器10中，第一支柱部30及第二支柱部32弹性变形，在力传感器10a或10b中，第二支柱部32弹性变形，这些弹性变形引起的电极间的位移比第二缓和部64引起的电极间的位移大，因此对于第一检测部34、第二检测部36，通常不会因第二缓和部64变形而产生不良影响。或者，为了该不良影响不涉及到第一检测部34、第二检测部36的测定精度，优选使由第一支柱部30及第二支柱部32的弹性变形引起的电极间的位移相对于由第二缓和部64引起的电极间的位移相对较大，或者扩大第一检测部34、第二检测部36的电极面积。

在图44～图46中，说明了在第二连结部26设置有沿着与第一轴38正交的平面弹性变形的缓和机构即第一缓和部62的情况，在第二基板部14上设置第一缓和部62的情况也相同。另外，在第一基板部12、第一连结部24设置第一缓和部62的情况下，能够降低伴随由外力以外的热等因素引起的第一基板部12的变形的、第一基板部12和第二基板部14的相对位移的检测误差。另外，在第二基板部14、第二连结部26设置有第一缓和部62的情况下，能够降低伴随由外力以外的热等因素引起的第一基板部12的变形的、第一基板部12和第二基板部14的相对位移的检测误差。另外，在第一基板部12、第一连结部24上设置第一缓和部62的情况下，也可以在第二基板部14或第二连结部26上进一步设置第一缓和部62。

对于第二缓和部64也同样，在第二基板部、第二连结部设置第二缓和部64的情况下，能够降低伴随由外力以外的热等因素引起的第二基板部14的变形的、第二基板部14和第三基板部16的相对位移的检测误差。在第三基板部16、第三连结部28设置第二缓和部64的情况下，能够降低伴随由外力以外的热等因素引起的第三基板部16的变形的、第二基板部14和第三基板部16的相对位移的检测误差。

这样，对于在第一基板部12、第一连结部24、第二基板部14、第二连结部26中的至少一个上设置的第一缓和部62、或者在第二基板部14、第二连结部26、第三基板部16、第三连结部28中的至少一个上设置的第二缓和部64，通过设置第一缓和部62和第二缓和部64中的至少一个，能够降低由外力以外的热等因素引起的第一检测部34或第二检测部36的检测误差，能够提高测定精度。

根据本公开，能够缓和力传感器的部件由于除外力之外的因素而产生变形和位移，并且能够减小检测到的力和净力之间的误差。

Claims (11)

1.一种力传感器，包括：

第一基板部；

第二基板部，与所述第一基板部分离配置；

第三基板部，与所述第二基板部分离配置；

第一桥梁部，用于对所述第一基板部进行定位；

第二桥梁部，用于对所述第二基板部进行定位；

第三桥梁部，用于对所述第三基板部进行定位；

第一连结部，连结所述第一基板部和所述第一桥梁部；

第二连结部，连结所述第二基板部和所述第二桥梁部；

第三连结部，连结所述第三基板部和所述第三桥梁部；

第一支柱部，连结所述第一桥梁部和所述第二桥梁部；

第二支柱部，连结所述第二桥梁部和所述第三桥梁部；

第一检测部，检测所述第一基板部和所述第二基板部的相对位移；以及

第二检测部，检测所述第二基板部和所述第三基板部的相对位移，

所述力传感器的特征在于，

所述第一基板部和所述第一连结部中的至少一方构成为能够弹性变形，

所述第二支柱部构成为能够弹性变形，

所述第一检测部将根据所述第一基板部和所述第二基板部的沿着第一轴的相对移动以及所述第一基板部和所述第二基板部的绕沿着与所述第一轴正交的平面的中心轴线的相对旋转中的至少一方而变化的值作为第一检测值进行检测，

所述第二检测部将根据所述第二基板部和所述第三基板部的沿着与所述第一轴正交的平面的相对移动以及绕沿着所述第一轴的中心轴线的相对旋转中的至少一方而变化的值作为第二检测值进行检测，

所述力传感器具备第一缓和部和第二缓和部中的至少一个，所述第一缓和部设置在所述第一基板部、所述第一连结部、所述第二基板部和所述第二连结部中的至少一个，并且能够沿着与所述第一轴正交的平面弹性变形，所述第二缓和部设置在所述第二基板部、所述第二连结部、所述第三基板部和所述第三连结部中的至少一个，并且能够沿着所述第一轴弹性变形。

2.根据权利要求1所述的力传感器，其特征在于，

所述第一检测部检测出的所述第一检测值是用于获取所述第一轴的方向的力分量、绕与所述第一轴正交的第二轴的力的力矩分量及绕与所述第一轴和所述第二轴两方正交的第三轴的力的力矩分量的值，

所述第二检测部检测出的所述第二检测值是用于获取所述第二轴的方向的力分量、所述第三轴的方向的力分量及绕所述第一轴的力的力矩分量的值。

3.根据权利要求1或2所述的力传感器，其特征在于，

所述第一基板部具备沿着与所述第一轴正交的平面延伸的2个以上的所述第一连结部，

各个所述第一连结部在所述力传感器受到力时弹性变形，使得所述第一基板部和所述第二基板部相对地产生向沿着所述第一轴的方向的移动、或者绕沿着与所述第一轴正交的平面的中心轴线的旋转、或者向沿着所述第一轴的方向的移动以及绕沿着与所述第一轴正交的平面的中心轴线的旋转。

4.根据权利要求1所述的力传感器，其特征在于，

所述第二基板部具备沿着所述第一轴延伸的2个以上的所述第二支柱部，

各个所述第二支柱部在所述力传感器受到力时弹性变形，使得所述第二基板部和所述第三基板部相对地产生向沿着与所述第一轴正交的平面的方向的移动、或者绕沿着所述第一轴的中心轴线的旋转、或者向沿着与所述第一轴正交的平面的方向的移动以及绕沿着所述第一轴的中心轴线的旋转。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的力传感器，其特征在于，

所述第一支柱部形成与所述第一桥梁部及所述第二桥梁部一体化的结构。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的力传感器，其特征在于，

所述第一缓和部具有形成在所述第一基板部、所述第一连结部、所述第二基板部及所述第二连结部中的至少一个的1个以上的孔。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的力传感器，其特征在于，

所述第二缓和部具有形成在所述第二基板部、所述第二连结部、所述第三基板部及所述第三连结部中的至少一个的1个以上的孔。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的力传感器，其特征在于，

所述第一检测值是表示根据所述第一基板部和所述第二基板部的相对位移而变化的静电电容的变化的值。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的力传感器，其特征在于，

所述第二检测值是表示根据所述第二基板部和所述第三基板部的相对位移而变化的静电电容的变化的值。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的力传感器，其特征在于，

所述力传感器还具备：检测值获取部，获取所述第一检测部和所述第二检测部检测出的值；以及印刷基板，安装有所述检测值获取部。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的力传感器，其特征在于，

所述力传感器还具备力运算部，所述力运算部基于所述第一检测值及所述第二检测值来运算互相正交的三轴方向的力分量、绕所述三轴的各轴的力的力矩分量。