CN1860355A - 多轴传感器单元及使用它的多轴传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明在降低功耗的同时，可以简化布线并降低成本。测量从外部施加的多个轴上的力、力矩、加速度和角加速度中的任何一个或多个参数的多轴传感器单元10包括配置在一个平面上的8个应变计R11～R24和连接各应变计R11～R24形成的1个桥式电路11。因此，与过去相比，减少了桥式电路11和应变计R11～R24，在降低功耗的同时，简化了布线并降低了成本。

Description

多轴传感器单元及使用它的多轴传感器
技术领域
本发明涉及能够测量从外部施加给第1部件和第2部件的多个轴上的力、力矩、加速度和角速度中的任何一种的多轴传感器单元及使用它的多轴传感器。
背景技术
作为这一类的多轴传感器，已知的有利用半导体的单结晶衬底检测力或力矩的装置。在专利文献1中公开了一种多轴传感器105，如图21、图22和图23A～C所示，包括具有设在中央的受力部100、设在周围的固定部101及连接它们的圆环状的隔膜部102的应变体103和由安装在该应变体103上的压电元件等构成的检测元件R11～R34。
检测元件R11～R34设在各应变体103的上面。在各应变体103的上面设定以受力部100为中心相互正交的X轴和Y轴，以及它们中间倾斜的轴S。检测元件R11～R34配置在各轴上的隔膜部102的边缘部分。
在该多轴传感器105中，为了测定X、Y、Z轴的3轴方向的力或力矩，由各检测元件R11～R34构成桥式电路。具体地说，利用X轴上的检测元件R11～R14构成图23A所示的桥式电路106，由此得到电压Vx。利用Y轴上的检测元件R21～R24构成图23B所示的桥式电路107，由此得到电压Vy。利用S轴上的检测元件R31～R34构成图23C所示的桥式电路108，由此得到电压Vz。利用由这3个桥式电路106～108得到的电压Vx、Vy、Vz的组合，可以算出X、Y、Z轴3轴方向的力或力矩。
专利文献1：特开平4-194634号公报(图2、图3、图7、第3页左下栏第3行～右下栏第6行、第4页右下栏第9行～第15行)
在专利文献1记载的技术中，因使用3个桥式电路106～108，故功耗大。为了构成3个桥式电路106～108，使布线变得复杂。特别，当在硅半导体衬底上形成检测元件R11～R14时，因必须进行使作为检测元件R14～R14的压电元件的端子信号暂时向半导体衬底的外部引出布线等处理，故当桥式电路106～108是3个时，结构就会变得复杂。从而提高了成本。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种多轴传感器单元和使用它的多轴传感器，在降低功耗的同时，可以简化布线并降低成本。
本发明的第1方面提供的多轴传感器单元，测量从外部施加的多个轴上的力、力矩、加速度和角加速度中的任何一个或多个，具备配置在一个平面上的8个应变计和连接各应变计形成的1个桥式电路。
若按照该结构，因应变计仅仅是8个且只有1个桥式电路，故和过去将12个应变计分成每4个为1组，驱动3个桥式电路的情况相比，可以将功耗降低到约为原来的1/6。即，因每一个桥式电路的应变计的个数增加了2倍，故合成电阻也变为2倍，因桥式电路由3个变成1个，故功耗是原来的1/3。这里，因功耗W＝V2/R，故(1/3)×(1/2)变成1/6。
此外，因桥式电路只有1个，故布线简单。因此，引线不会立体交叉，容易构成桥式电路。进而，因可以减少应变计的数量，故部件数少，减少了粘贴作业的工时，从而降低了成本。
本发明的第2方面提供的多轴传感器单元，测量从外部施加的多个轴上的力、力矩、加速度和角加速度中的任何一个或多个，具备配置在一个平面上的8个应变计和连接各应变计形成的2个桥式电路。。
若按照该结构，因应变计仅仅是8个且由2个桥式电路构成，故和过去将12个应变计分成每4个为1组，驱动3个桥式电路的情况相比，可以将功耗降低至约2/3。
此外，因桥式电路只有2个，故布线简单。因此，引线不会立体交叉，容易构成桥式电路。因此，当利用IC工艺或溅射技术形成桥时，不必使引线交叉，因此可以减少应变计的数量，故部件数少，减少了粘贴作业的工时，从而降低了成本。
在本发明的多轴传感器单元中，在具有具备设在中央的受力部和设在外围的固定部及连接它们的圆环状的隔膜部的应变体，并且，上述应变计的配置位置是与上述隔膜的中心线正交的线上上述隔膜的外缘部和内缘部的4个位置及在与上述线正交的线上上述隔膜的外缘部和内缘部的4个位置。若按照该结构，可以检测出向2个正交的轴方向的力和力矩，进而向与这些轴正交的轴方向的力。
在本发明的多轴传感器单元中，上述应变计也可以是压阻元件。若按照该结构，因压电元件与薄膜应变计相比，应变率大10倍或以上，所以，与使用金属箔应变计的情况相比，灵敏度可以大10倍或以上。同样，在本发明的多轴传感器单元中，上述应变计也可以是利用溅射法形成的应变计。利用该制造方法形成的应变计与一般的金属箔应变计相比，应变率大10倍或以上，所以，与使用一般的金属箔应变计的情况相比，灵敏度可以大10倍或以上。
本发明的第3方面提供的多轴传感器单元具备多个上述任何一方面记载的多轴传感器单元。若按照该结构，可以高精度检测3个轴的力和力矩或加速度和角加速度。
在本发明的多轴传感器中，上述多轴传感器单元也可以以上述多轴传感器的中心点为中心等角度间隔，且距上述中心点等距离配置。若按照该结构，可以根据各多轴传感器单元的应变计的电阻值的变化通过较简单的计算算出多个轴上的力、力矩、加速度和角加速度。
在本发明的多轴传感器中，上述角度可以是90度。若按照该结构，可以容易地算出以多轴传感器的中心点作为原点的直角坐标的X轴和Y轴的力、力矩、加速度和角加速度。
在本发明的多轴传感器中，上述多轴传感器单元可以分别配置在以上述中心点作为原点的X轴和Y轴的正负方向上。若按照该结构，可以极为容易地算出X轴和Y轴的力、力矩、加速度和角加速度。
在本发明的多轴传感器中，上述角度可以是120度。若按照该结构，通过3个多轴传感器单元，可以算出多个轴上的力、力矩、加速度和角加速度，所以，能够更加简化多轴传感器的结构。
在本发明的多轴传感器中，上述应变计的配置位置可以是连接上述多轴传感器的中心点和上述多轴传感器单元的中心点的线上上述隔膜的外缘部和内缘部，以及，上述多轴传感器单元的中心点的上述线的正交线上上述隔膜的外缘部和内缘部。若按照该结构，可以将应变计安装在多轴传感器单元中应变最大的部位，所以，能提高灵敏度。
在本发明的多轴传感器中，也可以具有：第1部件，包括具备上述应变计的上述多轴传感器单元；和第2部件，包括与上述多轴传感器单元对置而且不具备上述应变计的上述应变体，并且，将对置的应变体的上述受力部彼此连接起来，测量作用在上述第1部件和上述第2部件之间的多个轴上的力和力矩。若按照该结构，只要在一方部件上设置多轴传感器单元，就可以测量多个轴上的力和力矩。
在本发明的多轴传感器中，具备上述多轴传感器单元和设在上述多轴传感器单元的中央部上的作用体，并且，测量作用于该多轴传感器单元上的多个轴上的加速度和角加速度。若按照该结构，只要在一方部件上设置多轴传感器单元，就可以测量多个轴上的加速度和角加速度。
附图说明
图1A是描述本发明第1实施方式的多轴传感器单元的图，是描绘应变计的配置的平面图。
图1B是描述本发明第1实施方式的多轴传感器单元的图，是中央纵剖面的正面图。
图2是表示当对多轴传感器加力Fx时的位移和应变计的电阻值的变化的中央纵剖面的正面图。
图3是表示当对多轴传感器加力Fz时的位移和应变计的电阻值的变化的中央纵剖面的正面图。
图4是表示一例桥式电路的电路图。
图5是表示使用了OP放大器的节点电压的计算处理的例子的图。
图6A是表示用来计算Fx的一例桥式电路的电路图，是整体的电路图。
图6B是表示用来计算Fx的一例桥式电路的电路图，实质上是等效电路图。
图7A是用来计算Fz的参照图，是表示施加力的方向的图。
图7B是用来计算Fz的参照图，是表示在箭头T1方向施加力时的桥式电路的图。
图7C是用来计算Fz的参照图，是表示在箭头T2方向施加力时的桥式电路的图。
图7D是用来计算Fz的参照图，是表示在箭头T3方向施加力时的桥式电路的图。
图7E是用来计算Fz的参照图，是表示在箭头T4方向施加力时的桥式电路的图。
图8是表示另一例桥式电路的电路图。
图9是表示又一例桥式电路的电路图。
图10是表示桥式电路其他例子的电路图。
图11是表示又一桥式电路其他例子的电路图。
图12是表示一例检测电路的图。
图13是表示当利用检测电路求Mx或My时形成的桥式电路的电路图。
图14是表示当利用检测电路求Fz时形成的桥式电路的电路图。
图15是描述第2实施方式的多轴传感器单元的中央纵剖面正面图。
图16是描述第3实施方式的多轴传感器单元的部分省略的纵剖面图。
图17A是描述本发明第4实施方式的多轴传感器的图，是描述从第2部件一侧向Z轴方向透视时的应变计的配置的平面图。
图17B是描述本发明第4实施方式的多轴传感器的图，是中央纵剖面的正面图。
图18是表示正交坐标轴的斜视图。
图19是表示一例桥式电路的电路图。
图20是描述第5实施方式的多轴传感器的从第2部件一侧向Z轴方向透视时的应变计的配置的平面图。
图21是描述现有的多轴传感器单元的中央纵剖面的正面图。
图22是描述现有的多轴传感器单元的应变计的配置的平面图。
图23A是描述现有的多轴传感器单元的由应变计形成的桥式电路的电路图。
图23B是描述现有的多轴传感器单元的由应变计形成的桥式电路的电路图。
图23C是描述现有的多轴传感器单元的由应变计形成的桥式电路的电路图。
符号说明
1多轴传感器           2第1部件            3第2部件
4～7多轴传感器单元    10多轴传感器单元    11桥式电路
12应变体              13受力部            14固定部
15隔膜部              R11~R48应变计
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的最佳实施方式。图1A是本发明第1实施方式的多轴传感器单元10的从应变计的安装面看过去的平面图，图1B是多轴传感器单元10的中央纵剖面的正面图。在图1A和图1B中，多轴传感器单元10是测量外加的多个轴上的力、力矩、加速度、角角加速度中的任何一个或多个的装置。该多轴传感器单元10具有配置在一个平面上的8个应变计R11～R24和连接各应变计R11～R24形成的1个桥式电路11。
各应变计R11～R24安装在由铝或SUS等金属可挠性材料形成的应变体12上。应变体12包括设在中央的受力部13、设在外围的固定部14和连接它们的圆环状的隔膜部15。固定部14是用来将多轴传感器单元10安装在别的装置上的部件，很厚而且刚性强，即使对受力部13施加外力也很难发生畸变或变形。隔膜部15很薄，而且容易变形。受力部13呈棒状，能以很高的效率将从外部接受的力传送给隔膜部15。因此，当对受力部13施加外力时，所产生的畸变或变形几乎都集中在隔膜部15上。
作为应变计R11～R24，可以使用金属箔应变计或金属线应变计。应变计R11～R24是一种电阻，是将其粘贴在发生变形处来使用的检测元件。通过发生变形引起电阻变化，可以测定应变ε。一般带有对于因拉伸产生的应变ε电阻值变大，对于因压缩产生的应变ε，电阻值变小的比例特性。此外，通常，材料在应力σ对应变ε成正比的弹性区使用。
应变计R11～R24的配置位置是与隔膜部15的中心线(Z轴)正交的线(X轴)上隔膜部15的外缘部和内缘部的4个位置以及在与X轴正交的线(Y轴)上的隔膜部15的外缘部和内缘部的4个位置。应变计R11～R24粘贴在各位置上。因任何一个应变计R11～R24都设在隔膜部15的边缘部，故能够有效地接收应变体12发生的应变。
图2示出当对多轴传感器单元10的受力部13施加X轴方向的力Fx时的状态和各应变计R11～R14的变化。力Fx以与受力部13的作用点13a和多轴传感器单元10的原点O的距离L对应的力矩My(绕Y轴转动的力矩)的形式作用。这时，X轴上所有的应变计R11～R14如图所示那样产生位移且可以检测出应变。图中，应变计R11～R24的(+)表示接受拉伸方向的应变，电阻值增加，(-)表示接受压缩方向的应变，电阻值减小。
其次，当对多轴传感器单元10的受力部13施加Y轴方向的力Fy时，力Fy以与受力部13的作用点13a和多轴传感器单元10的原点O的距离L对应的力矩Mx(绕X轴转动的力矩)的形式作用。因为这一状态可以认为是使上述施加X轴方向的力Fx时的状态旋转90度后的状态，所以，这里予以省略。
图3示出当对多轴传感器单元10的受力部13施加Z轴方向的力Fz时的状态和各应变计R11～R24的变化。
表1示出应变计R11～R24相对上述各力和力矩的变化。表中，+表示电阻值增加，-表示电阻值减小，0表示电阻值基本不变。此外，若是反方向的力或力矩的情况况，则符号相反。
【表1】
  应变计   X轴   Y轴
  R11   R12   R13   R14   R21   R22   R23   R24
  Fx(My)   -   +   -   +   0   0   0   0
  Fy(Mx)   0   0   0   0   -   +   -   +
  Fz   -   +   +   -   -   +   +   -
图4示出连接各应变计R11～R24而成的桥式电路11。在该桥式电路11中，从驱动电压V+到GND串联R11→R12→R23→R24，同时，串联R14→R13→R22→R21。再有，R12和R14可以互相替换。而且，设R11和R12的节点a的电压为Va，设R13和R14的节点b的电压为Vb，设R23和R24的节点c的电压为Vc，设R21和R22的节点d的电压为Vd。再有，可以使R12与R23的节点g和R13与R22的节点h短路。
图1A示出连接各应变计R11～R24的布线图(图中的双点划线)。通过这样布线，因没有重叠的部分，故引线不必交叉，可以通过1次溅射制造出来，可以简化工序、降低成本。
图5示出各节点电压Va～Vd和力或力矩的关系。力Fx和力矩My可以作为节点电压Va、Vb的差Vx(＝Va-Vb)测定。力Fy和力矩Mx可以作为节点电压Vc、Vd的差Vy(＝Vc-Vd)测定。力Fz可以作为节点电压Va、Vc的差(Va-Vc)与节点电压Vb、Vd的差(Vb-Vd)的和Vz(＝(Va-Vc)+(Vb-Vd))测定。或者，如该图中的括弧所示，力Fz也可以作为节点电压Va、Vd的差(Va-Vd)与节点电压Vb、Vc的差(Vb-Vc)的和Vz(＝(Va-Vd)+(Vb-Vc))测定。这些运算可以使用OP放大器19直接进行电路运算，或者，也可以将各节点电压AD变换后利用计算机来进行运算处理。
这里，简单说明根据各节点电压Va～Vd计算力或力矩的原理。当施加力Fx(力矩My)时，只有R11～R14变化，R21～R24不变化。因此，图6A所示的桥式电路11和该图B所示的电路相同。这是以前使用的桥式电路11，结果Vx＝Va-Vb。
此外，当施加力Fz时，如图7A所示，因力Fz的方向不同工作的应变计R11～R24相异。图7B示出在图7A的箭头T1的方向施加力时的变化，图7C示出在图7A的箭头T2的方向施加力时的变化，图7D示出在图7A的箭头T3的方向施加力时的变化，图7E示出在图7A的箭头T4的方向施加力时的变化。
这里，例如，若是Vz＝Va-Vc或Vz＝Vb-Vd，当在箭头T1的方向作用Fx和Fy的合力时，Fz没有反应。此外，若是Vz＝Va-Vd或Vz＝Vb-Vc，则Fz有反应。它们的关系如表2所示。
【表2】
  力矩   Va-Vc   Va-Vd   Vb-Vc   Vb-Vd
  T1方向   0   +   -   0
  T2方向   -   0   0   +
  T3方向   -   0   0   +
  T4方向   0   +   -   0
因此，通过使Vz＝(Va-Vc)+(Vb-Vd)，即使作用箭头T1～T4方向的力，也可以相互抵消而正确地输出Fz。同样，也可以设Vz＝(Va-Vd)+(Vb-Vc)。再有，节点电压Va～Vd在各模式下的变化通过将应变计的电阻变大(+)时设定为(R+ΔR)、在应变计的电阻变小(-)时设定为(R-ΔR)，符合欧姆定律的分压。
再有，在本实施方式中，求出了Fx(力矩My)、Fy(力矩Mx)和Fz，但不限于此，也可以求出各轴方向上的加速度或角加速度。这时，通过在受力部13的尖端安装重量体，可以加大受力部13的接触，提高灵敏度。
作为桥式电路11，不限于图4所示的电路。例如，也可以如图8所示，从驱动电压V+到GND串联R13→R14→R21→R22，同时，串联R12→R11→R24→R23。再有，可以使R14与R21的节点g和R11与R24的节点h短路。也可以如图9所示，从驱动电压V+到GND串联R11→R12→R23→R24，同时，串联R14→R13→R22→R21。再有，可以使R12与R23的节点g和R13与R22的节点h短路。此外，也可以释放节点g和h的短路。
进而，也可以像图10所示那样，是将由R11～R14构成的桥式电路11a和由R21～R24构成的桥式电路11b并联形成的桥式电路11。这时，Fx(My)在R11～R14的桥式电路11a中可以利用Vx＝Va-Vb算出，Fy(Mx)在R21～R24的桥式电路11b中可以利用Vy＝Vc-Vd算出。此外，Fz可以利用Vz＝(Va-Vc)+(Vb-Vd)或Vz＝(Va-Vd)+(Vb-Vc)、或Vz＝Va+Vb或Vz＝Vc+Vd算出。再有，这样，使用2个桥式电路11的多轴传感器单元10与图4所示的使用1个桥式电路11的多轴传感器单元10比较，灵敏度大约是其2倍。
或者，也可以像图11所示那样，是将由R11～R14构成的桥式电路11a和由R21～R24构成的桥式电路11b并联形成的桥式电路11。在这里，替换了图10所示的由R21～R24形成的桥式电路11b中的应变计R11～R24。这时，Fx(My)在R11～R14的桥式电路11a中可以利用Vx＝Va-Vb算出，Fy(Mx)在R21～R24的桥式电路11b中可以利用Vy＝Vc-Vd算出。此外，Fz可以利用Vz＝Va+Vb+Vc+Vd)、或Vz＝Va+Vb或Vz＝Vc+Vd算出。
另一方面，不限于上述固定的桥式电路11，也可以利用像图12所示那样的检测电路16。该检测电路16具有呈环状连接的应变计R11～R24、为了对应变计R11～R24切换驱动电压V+和GND而设的开关17和控制该开关7同时进行节点电压的运算处理算出力和力矩的微机18。应变计R11～R24的连接和节点电压的设定和图4所示的桥式电路11一样。这里，设定R11和R14的节点e、R21和R24的节点f。
当求力矩Mx、My时，微机18的输出端口的信号PO为OFF，使开关17的输出端子与图中的1、3、5侧连接。由此，桥式电路11的节点e、f与驱动电压V连接，节点g、h与GND连接。即，由利用应变计R11～R14构成的桥式电路11a和利用应变计R21～R24构成的桥式电路11b构成桥式电路11。图13示出这时的桥式电路11。而且，力矩Mx(力Fy)可以作为节点电压Vc和Vd的差Vy检测出来。此外，力矩My(力Fx)可以作为节点电压Va和Vb的差Vx检测出来。
当求力Fz时，微机18的信号PO为ON，使开关17的输出端子与图中的2、4、6侧连接。由此，桥式电路11的节点b与驱动电压V连接，节点c与GND连接。节点g、h与GND分离，节点e、f与驱动电压V+分离。检测电路16变成由8个应变计R11～R24构成的1个桥式电路11。图14示出这时的桥式电路11。力Fz可以作为节点电压Va和Vd的差Vz检测出来。
这些电压Vx、Vy、Vz经OP放大器19运算后输入微机18的AD变换端口。在微机18中与输出端口PO的状态(ON、OFF)对应，判别是检测力矩Mx、My还是检测力Fz，，可以忽略不要的数据、例如检测力矩Mx、My时力Fz的数据。
通过重复该动作，可以利用时分割方法高精度检测出力矩Mx、My和力Fz。
其次，参照图15说明本发明的第2实施方式。如图15所示，第2实施方式使用压阻元件作为应变计R101～R204。而且，利用半导体制造工艺，将1个多轴传感器单元10所需要的压阻元件集成在1块硅半导体衬底20上，再通过管芯接合(焊接)固定在应变体12上。压阻元件与金属箔应变计比较，应变率大10倍或以上，与使用金属箔应变计相比，灵敏度可以大出10倍或以上。此外，利用IC的半导体工艺，不仅是作为检测元件的压阻元件，信号处理用的OP放大器等电路元件都可以在同一块半导体衬底20上集成并制作出来。
其次，参照图16说明本发明的第3实施方式。如图16所示，第3实施方式使用利用溅射形成的氧化铬膜21作为应变计和桥式电路。即，利用溅射在应变体12上形成绝缘膜22，并利用溅射在其上形成氧化铬膜21，再在其上形成保护膜23。绝缘膜22是为了使应变体12和氧化铬膜21不导通而设的。氧化铬膜利用溅射形成，可以使应变计和导电的桥式电路同时形成。成为应变计部分在应变检测方向的线宽变细，电阻大。保护膜23是为了防止氧化和因物理接触而造成的损伤而设的。
进而，参照图17～图18说明本发明的第4实施方式。图17A是描述本发明第4实施方式的多轴传感器1的从第2部件3一侧向Z轴方向透视时的应变计R11～R48的配置的平面图，图17B是多轴传感器1的中央纵剖面的正面图。在图17A和图17B中，多轴传感器1具有多个多轴传感器单元4～7，同时，测量从外部加在第1部件2和第2部件3的多个轴上的力、力矩、加速度和角加速度中的任何一个。第1部件2和第2部件3由圆盘状的法兰(flange)构成。应变计R11～R48安装在第1部件2的表侧面2a。
第1部件2具有4个多轴传感器单元4、5、6、7。这里，4个多轴传感器单元4、5、6、7都和第1实施方式的多轴传感器单元10的结构相同，分别设有和上述一样的桥式电路11或检测电路16。第2部件3具有和第1部件2的多轴传感器单元4～7对置的4个应变体12。相互对置的多轴传感器单元4～7和应变体12的受力部13彼此之间利用螺栓9连接，使第1部件2和第2部件3一体化。
多轴传感器单元4～7以多轴传感器1的中心点O为中心等角度间隔，且距上述中心点O等距离配置。这里是以90度的间隔进行配置。进而，多轴传感器单元4～7分别配置在以中心点O为原点的X轴和Y轴的正负方向上。由此，该多轴传感器1作为用来测定3维空间的3个正交轴的力及围绕该轴的力矩的6轴力传感器起作用。此外，将从原点O向第1部件2侧引出的垂线作为Z轴。图18示出X轴、Y轴、Z轴的方向及相对各轴的力矩Mx、My、Mz的方向。
各多轴传感器单元4～7大小和厚度相同。因此，刚性相等。所以，当第1部件2、第2部件3和受力部13整体位移而构成平行四边形的4个边时，在应变计R11～R48上产生与作用于各多轴传感器单元4～7上的力的方向和大小对应的应变，因此，能高精度检测力或力矩。再有，为了使应变计的安装作业简单和对应变计进行保护，也可以在安装位置上设置阶梯。此外，也可以在隔膜部15之外的部分形成用于安装到其他部件上的塞孔(tap hole)。
图19示出连接各应变计R11～R24形成的桥式电路11。再有，桥式电路11可以使用在第1实施方式中已说明的任何一种电路，这里，只说明其中的一个例子。如图19所示，对于多轴传感器单元4设置将由R11～R14构成的桥式电路和由R15～R18构成的桥式电路并联后形成的桥式电路11。此外，对于多轴传感器单元5～7设置将由R21～R24、R31～R34、R41～R44构成的桥式电路和由R25～R28、R35～R38、R45～R48构成的桥式电路分别并联后形成的桥式电路11。
这里，设利用由应变计R11～R18构成的桥式电路11检测出的表示X、Y、Z轴方向的力的信号分别为Vx1、Vy1、Vz1。而且，若设R11和R12节点a1的电压为Va1、R13和R14节点b1的电压为Vb1、R17和R18节点c1的电压为Vc1、R15和R16节点d1的电压为Vd1，则可以利用下面的运算来测定。
Vx1＝Va1-Vb1
Vy1＝Vc1-Vd1
Vz1＝Va1+Vb1-Vc1-Vd1
再有，对于利用由应变计R21～R28、R31～R38、R41～R48构成的桥式电路11检测出的表示X、Y、Z轴方向的力的信号分别为Vx2、Vy2、Vz2、Vx3、Vy3、Vz3、Vx4、Vy4、Vz4，也可以同样进行测定。但是，Vy1和Vy3、Vx2和Vx4的表示力的方向的信号的极性相反，Vz1、Vz2、Vz3、Vz4的表示力的方向的信号的极性相同。
因此，在本实施方式中，利用由各多轴传感器单元4～7得到的结果，可以通过下面的运算求出6轴的力和力矩。但是，在各多轴传感器单元4～7的3轴的信号输出中，也有未使用的信号。这里，在下面的运算中，可以使用已知的或新的方法将各电阻值变换成电压，再通过OP放大器进行运算，或者，也可以使用AD变换器，由微处理器或计算机来进行计算。
Fx＝Vx4-Vx2
Fy＝Vy3-Vy1
Fz＝Vz1+Vz2+Vz3+Vz4
Mx＝Vz4-Vz2
My＝Vz3-Vz1
Mz＝Vy1+Vx2+Vy3+Vx4
再有，关于使用了作为用来测定3维空间的3个正交轴的力及围绕该轴的力矩的6轴力传感器起作用的多轴传感器1的桥式电路11的计算方法，在本案申请人的日本国特愿2000-172045号公报中有详细记载。
进而，参照图20说明本发明的第5实施方式。图20是描述第5实施方式的多轴传感器1的从第2部件3一侧向Z轴方向透视时的应变计R11～R38的配置的平面图。在第5实施方式中，第1部件2具有3个多轴传感器单元4～6。第2部件3具有与各多轴传感器单元4～6对置的3个应变体12。多轴传感器单元4～6以多轴传感器1的中心点O为中心以120度的间隔，而且，距中心点等距离配置。
本实施方式的3个多轴传感器单元4、5、6都和第1实施方式的多轴传感器单元10的结构相同，分别设有和上述一样的桥式电路11或检测电路16。这时，利用从各多轴传感器单元4～6得到的结果，可以检测出6轴的力和力矩分量。因此，本实施方式的多轴传感器1和上述第4实施方式一样，作为用来测定3维空间的3个正交轴的力及围绕该轴的力矩的6轴力传感器起作用。再有，关于使用了多轴传感器1的桥式电路11的计算方法，因和第4实施方式一样，故省略其详细说明。
其次，说明本发明的第6实施方式。在上述第4和第5实施方式中，第1部件2和第2部件3相互装配在一起，但是，也可以单独使用第1部件2。这时，通过在多轴传感器单元10的受力部13安装重量体来作为作用体，可以测量作用于多轴传感器单元10的多个轴上的加速度和角加速度。
上面，说明了本发明的最佳实施方式，但本发明不限于上述实施方式，只要是在权利要求书记载的范围内，可以进行各种各样的设计变更。例如，在上述桥式电路11中，采用了施加恒定电压和GND的驱动方式，但不限于此，也可以加正负双向电压进行驱动。或者，也可以取代恒定电压而加恒定电流进行驱动。
此外，上述各实施方式的应变计的配置当然不限于图示的形式。即使变更应变计的配置，通过计算桥式电路11的各节点电压的差或和等，也可以求出Mx、My、Fz等。
而且，在上述实施方式中，是检测3轴或6轴的力或力矩的传感器，但不限于此，例如，也可以使用检测X轴和Y轴2方向的力或力矩的2轴传感器。此外，也可以使用检测X轴、Y轴、Z轴中任何一个方向的力或力矩的单轴传感器。
工业上利用的可能性
本发明适合用来作为能检测从外部作用的正交的3轴方向的力及该轴旋转方向的力矩的共6个分量中的至少1个分量的方向和大小的多轴传感器单元和多轴传感器。因此，例如，对于在娱乐领域具有实用前景的类人机器人(Humanoid Robot)，若将本发明的多轴传感器单元和多轴传感器装入类人机器人的手或脚中，则可以以很好的响应特性高精度地检测出作用在类人机器人的手或脚上的力或力矩，而且比现有的传感器的成本低。
权利要求书
(按照条约第19条的修改)
1、一种多轴传感器单元，测量从外部施加的2个或更多轴上的力、力矩、加速度和角加速度中的任何一个或多个，其特征在于，
具备配置在一个平面上的8个应变计和连接各应变计形成的1个桥式电路。
2、一种多轴传感器单元，测量从外部施加的3个或更多轴上的力、力矩、加速度和角加速度中的任何一个或多个，其特征在于，
具备配置在一个平面上的8个应变计和连接各应变计形成的2个桥式电路。
3、权利要求1或2记载的多轴传感器单元，其特征在于，
具有具备设在中央的受力部和设在外围的固定部及连接它们的圆环状的隔膜部的应变体，并且，
上述应变计的配置位置是与上述隔膜的中心线正交的线上上述隔膜的外缘部和内缘部的4个位置及在与上述线正交的线上上述隔膜的外缘部和内缘部的4个位置。
4、权利要求1～3中的任何一项记载的多轴传感器单元，其特征在于，上述应变计是由压阻元件或利用溅射法形成的应变计。
5、一种多轴传感器，其特征在于，具备多个权利要求1～4中的任何一项记载的上述多轴传感器单元。
6、权利要求5记载的多轴传感器，其特征在于，上述多轴传感器单元以上述多轴传感器的中心点为中心等角度间隔且距上述中心点等距离配置。
7、权利要求6记载的多轴传感器，其特征在于，上述角度是90度。
8、权利要求7记载的多轴传感器，其特征在于，上述多轴传感器单元分别配置在以上述中心点作为原点的X轴和Y轴的正负方向上。
9、权利要求6记载的多轴传感器，其特征在于，上述角度是120度。
10、权利要求5～9中的任何一项记载的多轴传感器，其特征在于，上述应变计的配置位置是连接上述多轴传感器的中心点和上述多轴传感器单元的中心点的线上上述隔膜的外缘部和内缘部，以及，上述多轴传感器单元的中心点的上述线的正交线上上述隔膜的外缘部和内缘部。
11、权利要求5～10中的任何一项记载的多轴传感器，其特征在于，
具有：第1部件，包括具备上述应变计的上述多轴传感器单元；和第2部件，包括与上述多轴传感器单元对置而且不具备上述应变计的上述应变体，并且，
将对置的应变体的上述受力部彼此连接起来，测量作用在上述第1部件和上述第2部件之间的多个轴上的力和力矩。
12、权利要求5～10中记载的多轴传感器，其特征在于，
具备上述多轴传感器单元和设在上述多轴传感器单元的上述受力部上的作用体，并且，测量作用于该多轴传感器单元上的多个轴上的加速度和角加速度。
               根据条约第19条(1)的说明
明确了权利要求的第1项和第2项的发明涉及能够测量数量比连接一个平面上配置的8个应变计形成的桥式电路的数量多的轴的力、力矩、加速度和角加速度的多轴传感器单元。
在文献1(JP 11-132874A)和文献2(JP 5-52447B2)中，记载了能够测量数量与连接一个平面上配置的8个应变计形成的桥式电路的数量相同的轴的力的荷重元(load cell)。

Claims (12)

1、一种多轴传感器单元，测量从外部施加的多个轴上的力、力矩、加速度和角加速度中的任何一个或多个，其特征在于，
具备配置在一个平面上的8个应变计和连接各应变计形成的1个桥式电路。
2、一种多轴传感器单元，测量从外部施加的多个轴上的力、力矩、加速度和角加速度中的任何一个或多个，其特征在于，
具备配置在一个平面上的8个应变计和连接各应变计形成的2个桥式电路。
3、权利要求1或2记载的多轴传感器单元，其特征在于，
具有具备设在中央的受力部和设在外围的固定部及连接它们的圆环状的隔膜部的应变体，并且，
上述应变计的配置位置是与上述隔膜的中心线正交的线上上述隔膜的外缘部和内缘部的4个位置及在与上述线正交的线上上述隔膜的外缘部和内缘部的4个位置。
4、权利要求1～3中的任何一项记载的多轴传感器单元，其特征在于，上述应变计是由压阻元件或利用溅射法形成的应变计。
5、一种多轴传感器，其特征在于，具备多个权利要求1～4中的任何一项记载的上述多轴传感器单元。
6、权利要求5记载的多轴传感器，其特征在于，上述多轴传感器单元以上述多轴传感器的中心点为中心等角度间隔且距上述中心点等距离配置。
7、权利要求6记载的多轴传感器，其特征在于，上述角度是90度。
8、权利要求7记载的多轴传感器，其特征在于，上述多轴传感器单元分别配置在以上述中心点作为原点的X轴和Y轴的正负方向上。
9、权利要求6记载的多轴传感器，其特征在于，上述角度是120度。
10、权利要求5～9中的任何一项记载的多轴传感器，其特征在于，上述应变计的配置位置是连接上述多轴传感器的中心点和上述多轴传感器单元的中心点的线上上述隔膜的外缘部和内缘部，以及，上述多轴传感器单元的中心点的上述线的正交线上上述隔膜的外缘部和内缘部。
11、权利要求5～10中的任何一项记载的多轴传感器，其特征在于，
具有：第1部件，包括具备上述应变计的上述多轴传感器单元；和第2部件，包括与上述多轴传感器单元对置而且不具备上述应变计的上述应变体，并且，
将对置的应变体的上述受力部彼此连接起来，测量作用在上述第1部件和上述第2部件之间的多个轴上的力和力矩。
12、权利要求5～10中记载的多轴传感器，其特征在于，
具备上述多轴传感器单元和设在上述多轴传感器单元的上述受力部上的作用体，并且，测量作用于该多轴传感器单元上的多个轴上的加速度和角加速度。
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