DE102018009244A1

DE102018009244A1 - Krafterfassungsstruktur mit Wegerfassung und Kraftsensor mit Wegerfassung

Info

Publication number: DE102018009244A1
Application number: DE102018009244.6A
Authority: DE
Inventors: Tetsuro Sakano; Shunichi Odaka
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2017-11-28
Filing date: 2018-11-23
Publication date: 2019-05-29
Anticipated expiration: 2038-11-24
Also published as: CN112129429A; CN109839231B; DE102018009244B4; US10677672B2; JP6626074B2; CN109839231A; JP2019095407A; CN112129429B; US20190162613A1

Abstract

Krafterfassungsstruktur mit Wegerfassung. Die Krafterfassungsstruktur umfasst einen ersten Endabschnitt; einen zweiten Endabschnitt; einen Verbindungsabschnitt, der den ersten und zweiten Endabschnitt mit drei Freiheitsgraden elastisch verbindet; einen Erfassungsteil, der eine relative Verschiebung zwischen dem ersten und zweiten Endabschnitt erfasst, die mit einer elastischen Verformung des Verbindungsabschnitts einhergeht. Der Erfassungsteil umfasst einen ersten differenziell erfassenden Teilabschnitt, der eine Relativbewegung zwischen dem ersten und dem zweiten Endabschnitt entlang einer ersten Achse als erste Bewegungsdaten unter Verwendung von Signalen erfasst, die in der Phase umgekehrt sind; einen zweiten differenziell erfassenden Teilabschnitt, der eine Relativbewegung zwischen dem ersten und dem zweiten Endabschnitt entlang einer zweiten Achse als zweite Bewegungsdaten unter Verwendung von Signalen erfasst, die in der Phase umgekehrt sind; und einen dritten differenziell erfassenden Teilabschnitt, der eine Relativdrehung zwischen dem ersten und dem zweiten Endabschnitt um eine Mittelachse entlang einer dritten Achse als Drehungsdaten unter Verwendung von Signalen, die in der Phase umgekehrt sind, erfasst.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Krafterfassungsstruktur mit Wegerfassung. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Kraftsensor, der eine Krafterfassungsstruktur mit Wegerfassung umfasst.
Beschreibung des Standes der Technik
Ein Kraftsensor mit Wegerfassung ist dazu konfiguriert, beim Aufbringen einer Kraft (oder Last) auf ein Bestandteil desselben eine Verschiebung des Bestandteils zu erfassen, die mit der durch die aufgebrachte Kraft verursachte Verformung des Bestandteils einhergeht, und dadurch die Kraft basierend auf dem erfassten Verschiebungsbetrag zu erfassen. So offenbart beispielsweise die ungeprüfte Japanische Patentschrift Nr. 2004-301731 ( JP 2004-301731 A ) einen Kraftsensor, der einen Verschiebungsbetrag erfasst, indem eine Kapazitätsänderung an einer vorbestimmten Position auf einem Sensorkörper erfasst wird. Der Kraftsensor umfasst eine äußere kastenförmige Struktur und eine innere kastenförmige Struktur. Die Seitenflächen und Oberseiten der äußeren kastenförmigen Struktur liegen den Seitenflächen beziehungsweise Oberseiten der inneren kastenförmigen Struktur gegenüber, und zwischen diesen ist ein Spalt so ausgebildet, dass er sich durchgehend über den Sensorkörper erstreckt. Eine Mehrzahl von Elektrodenpaaren ist jeweils an bestimmten Stellen in dem Spalt so angeordnet, dass die Elektroden von jedem Paar in Richtung einer beliebigen Achse eines dreiachsigen rechtwinkligen Koordinatensystems einander gegenüberliegen, um so eine Kapazität zwischen den gegenüberliegenden Elektroden jedes Paares zu bilden (d.h. einen Kondensator zu bilden). Wenn die äußere kastenförmige Struktur durch eine Kraft (oder Last) verformt wird, ändern sich Form und Abmessungen des Spaltes entsprechend, und die Kapazität zwischen den jeweils gegenüberliegenden Elektroden ändert sich. Der Kraftsensor ist dazu konfiguriert, aus der Kapazitätsänderung einen Verschiebungsbetrag der äußeren kastenförmigen Struktur relativ zu der inneren kastenförmigen Struktur zu berechnen und basierend auf dem berechneten Verschiebungsbetrag eine Kraftkomponente in einer Richtung jeder Achse und eine Momentenkomponente um jede Achse der auf die äußere kastenförmige Struktur ausgeübten Kraft zu erfassen.
Andererseits offenbart die ungeprüfte Japanische Patentschrift Nr. 2016-070824 ( JP 2016-070824 A ) einen sechsachsigen Kraftsensor mit Wegerfassung, der dazu konfiguriert ist, in einem dreiachsigen rechtwinkligen Koordinatensystem eine Kraftkomponente in einer Richtung jeder Achse und eine Momentkomponente um jede Achse zu erfassen, wobei ein erster Erfassungsteil und ein zweiter Erfassungsteil die Kraft- und Momentenkomponenten gemeinsam erfassen, wobei der erste Erfassungsteil drei Achsen zugeordnet ist und der zweite Erkennungsteil den anderen drei Achsen zugeordnet ist.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
In einer Krafterfassungsstruktur mit Wegerfassung und einem Kraftsensor mit Wegerfassung, die eine Verschiebung eines Bestandteils einhergehend mit einer durch eine Kraft verursachte Verformung des Bestandteils erfassen und dadurch Kraft- und Momentenkomponenten in Bezug auf drei oder mehr Achsen erfassen, ist es wünschenswert, eine Abweichung (in der vorliegenden Offenbarung als „Drift“ bezeichnet) eines Erfassungswerts in einem Fall zu verhindern, in dem das Bestandteil aufgrund anderer Umgebungsfaktoren als einer Kraft, wie Temperatur oder Feuchtigkeit, eine Verformung oder eine charakteristische Veränderung erfährt.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt eine Krafterfassungsstruktur bereit, umfassend einen ersten Endabschnitt; einen zweiten Endabschnitt; einen Verbindungsabschnitt, der den ersten Endabschnitt mit dem zweiten Endabschnitt elastisch verbindet; einen Erfassungsteil, der eine relative Verschiebung zwischen dem ersten Endabschnitt und dem zweiten Endabschnitt einhergehend mit einer elastischen Verformung des Verbindungsabschnitts erfasst und basierend auf der relativen Verschiebung einen Erfassungswert ausgibt, der zum Erfassen einer ersten Kraftkomponente in einer Richtung einer ersten Achse, einer zweiten Kraftkomponente in einer Richtung einer zur ersten Achse orthogonalen zweiten Achse und einer Momentenkomponente um eine dritte Achse, die zu sowohl der ersten Achse als auch der zweiten Achse orthogonal ist, einer Kraft verwendet wird, die auf den ersten Endabschnitt oder den zweiten Endabschnitt ausgeübt wird; wobei der Erfassungsteil einen ersten differenziell erfassenden Teilabschnitt umfasst, der auf differenzielle Weise eine Relativbewegung zwischen dem ersten Endabschnitt und dem zweiten Endabschnitt entlang der ersten Achse als erste Bewegungsdaten erfasst, indem Signale verwendet werden, die in der Phase zueinander umkehrt sind; einen zweiten differenziell erfassenden Teilabschnitt, der auf differenzielle Weise eine Relativbewegung zwischen dem ersten Endabschnitt und dem zweiten Endabschnitt entlang der zweiten Achse als zweite Bewegungsdaten erfasst, indem Signale verwendet werden, die in der Phase zueinander umgekehrt sind; und einen dritten differenziell erfassenden Teilabschnitt, der auf differenzielle Weise eine Relativdrehung zwischen dem ersten Endabschnitt und dem zweiten Endabschnitt um eine Mittelachse entlang der dritten Achse als Drehungsdaten erfasst, indem Signale verwendet werden, die in der Phase zueinander umgekehrt sind, sodass der Erfassungsteil den Erfassungswert basierend auf den ersten Bewegungsdaten, den zweiten Bewegungsdaten und den Drehungsdaten ausgibt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt einen Kraftsensor bereit, der die oben beschriebene Krafterfassungsstruktur umfasst.
In der Krafterfassungsstruktur des obigen Aspekts erfassen der erste differenziell erfassende Teilabschnitt, der zweite differenziell erfassende Teilabschnitt und der dritte differenziell erfassende Teilabschnitt des Erfassungsteils die ersten Bewegungsdaten, die zweiten Bewegungsdaten und die Drehungsdaten in differenzieller Weise, sodass eine Abweichung der Signale, die sich aus Maßänderungen usw. des ersten Spalts und des zweiten Spalt, die durch andere Umgebungsfaktoren als eine Kraft verursacht wird, ergeben, durch eine Differenz zwischen den in der Phase umgekehrten Signalen aufgehoben wird. Folglich ist es in der Krafterfassungsstruktur auch dann möglich, wenn ein Bestandteil (insbesondere ein Bestandteil des Erfassungsteils) aufgrund von anderen Umgebungsfaktoren als eine Kraft, wie z.B. Temperatur oder Feuchtigkeit, eine Verformung oder eine charakteristische Änderung erfährt, die ersten Bewegungsdaten, die zweiten Bewegungsdaten und die Drehungsdaten, die eine kraftbedingte Verschiebung genau darstellen, zu erfassen und dadurch die Genauigkeit und Präzision des Erfassungswertes zu verbessern.
Gemäß dem Kraftsensor des anderen Aspekts ist es aufgrund der Bereitstellung der Krafterfassungsstruktur möglich, die Genauigkeit und Präzision des von dem Erfassungsteil ausgegebenen Erfassungswertes zu verbessern.
Figurenliste
Die Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher, wobei:

1 eine perspektivische Ansicht ist, die eine gesamte Konfiguration einer Krafterfassungsstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform darstellt;
2 eine Vorderansicht der Krafterfassungsstruktur von 1 ist;
3 eine Schnittansicht der Krafterfassungsstruktur entlang der Linie III-III in 2 ist;
4A eine Schnittansicht entsprechend 3 ist und ein Beispiel einer Verschiebungsbewegung der Krafterfassungsstruktur von 1 darstellt;
4B eine Vorderansicht entsprechend 2 ist und die Verschiebungsbewegung von 4A darstellt;
4C eine Schnittansicht entsprechend 3 ist und ein weiteres Beispiels einer Verschiebungsbewegung der Krafterfassungsstruktur von 1 darstellt;
4D eine Schnittansicht entsprechend 3 ist und ein weiteres Beispiel für eine Verschiebungsbewegung der Krafterfassungsstruktur von 1 darstellt;
4E ist eine Schnittansicht entsprechend 3 ist und noch ein weiteres Beispiel für eine Verschiebungsbewegung der Krafterfassungsstruktur von 1 darstellt;
5A ist eine Darstellung zur Erläuterung eines Beispiels für einen Zustand eines Erfassungsteils zu einem Zeitpunkt des Auftretens einer Drift ist;
5B eine teilweise vergrößerte Ansicht von 5A ist;
6 eine Darstellung zur Erläuterung eines weiteren Beispiels für einen Zustand eines Erfassungsteils zu einem Zeitpunkt des Auftretens einer Drift ist;
7A eine Modifikation eines Erfassungsteils darstellt;
7B eine Modifikation eines Erfassungsteils darstellt;
8 eine Darstellung zur Erläuterung eines weiteren Beispiels für einen Zustand eines Erfassungsteils zum Zeitpunkt des Auftretens einer Drift ist;
9 ist eine Schnittansicht entsprechend 3 ist und eine Krafterfassungsstruktur gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt;
10 eine Schnittansicht entsprechend 3 ist und eine Krafterfassungsstruktur gemäß einer dritten Ausführungsform darstellt;
11 ist eine Vorderansicht ist, die konzeptionell und schematisch eine Konfiguration eines sechsachsigen Kraftsensors mit der Krafterfassungsstruktur von 1 darstellt;
12A eine Bewegung der Krafterfassungsstruktur des sechsachsigen Kraftsensors von 11 darstellt;
12B eine Bewegung der Krafterfassungsstruktur des sechsachsigen Kraftsensors von 11 darstellt;
12C eine Bewegung der Krafterfassungsstruktur des sechsachsigen Kraftsensors von 11 darstellt;
13A eine Bewegung einer zusätzlichen Erfassungsstruktur des sechsachsigen Kraftsensors von 11 darstellt;
13B eine Bewegung einer zusätzlichen Erfassungsstruktur des sechsachsigen Kraftsensors von 11 darstellt; und
13C eine Bewegung einer zusätzlichen Erfassungsstruktur des sechsachsigen Kraftsensors von 11 darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden im Folgenden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen sind entsprechende Bestandteile durch gemeinsame Bezugsziffern gekennzeichnet.
1 bis 3 stellen eine gesamte Konfiguration einer Krafterfassungsstruktur 10 gemäß einer ersten Ausführungsform dar. Die Krafterfassungsstruktur 10 umfasst einen ersten Endabschnitt 12; einen zweiten Endabschnitt 14; einen Verbindungsabschnitt 16, der den ersten Endabschnitt 12 mit dem zweiten Endabschnitt 14 mit drei Freiheitsgraden elastisch verbindet; und einen Erfassungsabschnitt 18, der eine relative Verschiebung zwischen dem ersten Endabschnitt 12 und dem zweiten Endabschnitt 14 erfasst, wobei die relative Verschiebung mit der elastischen Verformung des Verbindungsabschnitts 16 einhergeht.
Der erste Endabschnitt 12 und der zweite Endabschnitt 14 können jeweils als ein Basiselement konfiguriert werden, das direkt oder indirekt an einer Maschine oder Struktur, wie einem Roboterarm (nicht dargestellt; im Folgenden als Maschinenanlage bezeichnet), befestigt ist, wenn die Krafterfassungsstruktur 10 an der Maschinenanlage montiert ist. Der erste Endabschnitt 12 und der zweite Endabschnitt 14 können jeweils auch als kraftaufnehmendes Element konfiguriert werden, das an einem Objekt, wie einer Roboterhand (nicht dargestellt; im Folgenden als Krafterzeuger bezeichnet), das eine von der Krafterfassungsstruktur 10 zu erfassende Kraft (oder Last) erzeugt, befestigt ist und die zu erfassende Kraft aufnimmt. Die Krafterfassungsstruktur 10 kann so verwendet werden, dass einer von dem ersten Endabschnitt 12 und dem zweiten Endabschnitt 14 als Basiselement angeordnet wird und der andere als Kraftaufnahmeelement angeordnet wird.
In einem Fall, in dem beispielsweise der erste Endabschnitt 12 als das Basiselement und der zweite Endabschnitt 14 als das Kraftaufnahmeelement verwendet wird, wird die von dem Krafterzeuger auf den zweiten Endabschnitt 14 ausgeübte Kraft (oder Last) dann von dem zweiten Endabschnitt 14 auf den Verbindungsabschnitt 16 aufgebracht. Die aufgebrachte Kraft verformt den Verbindungsabschnitt 16 elastisch und bewirkt gleichzeitig, dass der zweite Endabschnitt 14 relativ zu dem ersten Endabschnitt 12 elastisch in eine Richtung verschoben wird, die als die vorbestimmten drei Freiheitsgrade definiert ist.
So sind beispielsweise in einer Konfiguration, in der ein dreiachsiges rechtwinkliges Koordinatensystem (X-Y-Z) im Raum definiert ist, wie in den mehreren Zeichnungen dargestellt, der erste Endabschnitt 12 und der zweite Endabschnitt 14 derart konfiguriert, dass sie sich relativ in einer Richtung entlang einer ersten Achse (oder X-Achse) bewegen, sich relativ in einer Richtung entlang einer zweiten Achse (oder Y-Achse) bewegen und sich relativ um eine Mittelachse entlang einer dritten Achse (oder Z-Achse) drehen können, während die elastische Verformung des Verbindungsabschnitts 16 damit einhergeht. In dieser Konfiguration werden die drei Freiheitsgrade durch eine Bewegung in der Richtung entlang jeweils der ersten (X) und zweiten (Y) Achse und einer Drehung um die Mittelachse entlang der dritten (Z) Achse definiert. Der erste Endabschnitt 12 und der zweite Endabschnitt 14 können in einer beliebigen Richtung relativ zueinander oder in einer Kombination von zwei oder mehr Richtungen aus den obigen drei Richtungen verschoben werden, abhängig von der auf den ersten Endabschnitt 12 oder den zweiten Endabschnitt 14 ausgeübten Kraft.
Es ist zu beachten, dass in der vorliegenden Offenbarung der Ausdruck „entlang...“ ein Begriff ist, um eine ungefähre Ausrichtung unter Verwendung einer der Achsen eines Koordinatensystems darzustellen, und eine Konfiguration, die parallel zu einer Achse ist, eine Konfiguration, die etwas von der parallelen Konfiguration abweicht (d.h. im Wesentlichen parallel zu einer Achse ist), und eine Konfiguration umfasst, die eine Achse in einem Winkel von, z.B., 45 Grad oder weniger schneidet.
Der Erfassungsteil 18 erfasst eine Relativverschiebung (oder einen Verschiebungsbetrag aufgrund einer Relativbewegung) zwischen dem ersten Endabschnitt 12 und dem zweiten Endabschnitt 14 in Verbindung mit den vorgenannten drei Richtungen. Der Erfassungsteil 18 gibt basierend auf der erfassten Relativverschiebung in drei Richtungen einen Erfassungswert D aus, der zum Erfassen einer ersten Kraftkomponente in der Richtung einer ersten Achse (X-Achse, in der Zeichnung), einer zweiten Kraftkomponente in der Richtung einer zur ersten Achse orthogonalen zweiten Achse (Y-Achse, in der Zeichnung) und einer dritten Momentenkomponente um eine dritte Achse (Z-Achse, in der Zeichnung), die sowohl zur ersten Achse als auch zur zweiten Achse orthogonal ist, der auf den ersten Endabschnitt 12 oder den zweiten Endabschnitt 14 ausgeübt Kraft verwendet wird.
Die Krafterfassungsstruktur 10 kann als dreiachsiger Kraftsensor verwendet werden, der in der Lage ist, Kraftkomponenten in den Richtungen von zwei Achsen und eine Momentenkomponente um eine Achse auf die oben beschriebene Weise zu erfassen. Alternativ kann die Krafterfassungsstruktur 10 mit einer zusätzlichen Erfassungsstruktur kombiniert werden, die in der Lage ist, die andere(n) Komponente(n) in Bezug auf eine oder mehrere Achsen zu erfassen, um so einen mindestens vierachsigen Kraftsensor zu bilden. In dieser Konfiguration kann der erste Endabschnitt 12 oder der zweite Endabschnitt 14 als ein Krafteingangsabschnitt oder Kraftausgangsabschnitt in Bezug auf die zusätzliche Erfassungsstruktur verwendet werden. Eine Konfiguration eines solchen mindestens vierachsigen Kraftsensors wird später beschrieben.
Der Erfassungsteil 18 umfasst einen ersten differenziell erfassenden Teilabschnitt 20, der differenziell eine Relativbewegung zwischen dem ersten Endabschnitt 12 und dem zweiten Endabschnitt 14 entlang der ersten Achse (X-Achse, in der Zeichnung) als erste Bewegungsdaten d1 erfasst, indem Signale verwendet werden, die in der Phase zueinander umgekehrt sind; einen zweiten differenziell erfassenden Teilabschnitt 22, der differenziell eine Relativbewegung zwischen dem ersten Endabschnitt 12 und dem zweiten Endabschnitt 14 entlang der zweiten Achse (Y-Achse, in der Zeichnung) als zweite Bewegungsdaten d2 erfasst, indem Signale verwendet werden, die in der Phase zueinander umgekehrt sind; und einen dritten differenziell erfassenden Teilabschnitt 24, der differenziell eine Relativdrehung zwischen dem ersten Endabschnitt 12 und dem zweiten Endabschnitt 14 um eine Mittelachse entlang der dritten Achse (Z-Achse, in der Zeichnung) als Drehungsdaten d3 erfasst, indem Signale verwendet werden, die in der Phase zueinander umgekehrt sind.
Der erste differenziell erfassende Teilabschnitt 20 umfasst eine Mehrzahl von (zwei, in der Zeichnung) ersten Flächen 26, die in dem ersten Endabschnitt 12 vorgesehen sind, und eine Mehrzahl von (zwei, in der Zeichnung) zweiten Flächen 28, die in dem zweiten Endabschnitt 14 vorgesehen sind und jeweils den ersten Flächen 26 gegenüberliegen. Der erste differenziell erfassende Teilabschnitt 20 erfasst, als die ersten Bewegungsdaten d1, Änderungen, die entgegengesetzt in der Phase in einer Mehrzahl von (zwei, in der Zeichnung) ersten Spalten 30 zwischen den ersten Flächen 26 und den zweiten Flächen 28 auftreten.
Der zweite differenziell erfassende Teilabschnitt 22 umfasst eine Mehrzahl von (zwei, in der Zeichnung) dritten Flächen 32, die in dem ersten Endabschnitt 12 vorgesehen sind, und eine Mehrzahl von (zwei, in der Zeichnung) vierten Flächen 34, die in dem zweiten Endabschnitt 14 vorgesehen sind und den dritten Flächen 32 jeweils gegenüberliegen. Der zweite differenziell erfassende Teilabschnitt 22 erfasst als die zweiten Bewegungsdaten d2 Änderungen, die entgegengesetzt in der Phase in einer Mehrzahl von (zwei, in der Zeichnung) zweiten Spalten 36 zwischen den dritten Flächen 32 und den vierten Flächen 34 auftreten.
Der dritte differenziell erfassende Teilabschnitt 24 umfasst eine erste Fläche 26 und eine dritte Fläche 32, die in dem ersten Endabschnitt 12 vorgesehen ist, eine der ersten Fläche 26 gegenüberliegende zweite Fläche 28 und eine der dritten Fläche 32 gegenüberliegende vierte Fläche 34, wobei die zweite und vierte Fläche 28, 34 in dem zweiten Endabschnitt 14 vorgesehen sind. Der dritte differenziell erfassende Teilabschnitt 24 erfasst, als Drehungsdaten d3, Änderungen, die entgegengesetzt in der Phase in einem ersten Spalt 30 zwischen der ersten Fläche 26 und der zweiten Fläche 28 und einem zweiten Spalt 36 zwischen der dritten Fläche 32 und der vierten Fläche 34 auftreten.
Der Erfassungsteil 18 gibt basierend auf den ersten Bewegungsdaten d1, die von dem ersten differenziell erfassenden Teilabschnitt 20 erfasst werden, den zweiten Bewegungsdaten d2, die von dem zweiten differenziell erfassenden Teilabschnitt 22 erfasst werden, und den Drehungsdaten d3, die von dem dritten differenziell erfassenden Teilabschnitt 24 erfasst werden, den Erfassungswert D aus.
Die konkrete Konfiguration der Krafterfassungsstruktur 10 wird im Folgenden mit Bezugnahme auf die 1 bis 4E ausführlich beschrieben. In der folgenden Beschreibung wird für die Krafterfassungsstruktur 10 ein rechtwinkliges dreiachsiges Koordinatensystem (X-Y-Z) definiert, und zum besseren Verständnis werden Ausdrücke wie „oben“, „unten“ usw. verwendet, die die Ausrichtung in den Zeichnungen anzeigen. Diese Ausdrücke schränken jedoch keine Ausrichtung zum Zeitpunkt der Verwendung der Krafterfassungsstruktur 10 ein.
Der erste Endabschnitt 12 ist wie eine flache Platte mit einem in der Draufsicht im Wesentlichen quadratischen Profil geformt. Der erste Endabschnitt 12 umfasst eine planare Oberseite 12a, die sich entlang einer virtuellen Ebene (X-Y-Ebene) erstreckt, die durch die erste Achse (X-Achse) und die zweite Achse (Y-Achse) definiert wird. Eine elastische Säule 38, die sich in einer Richtung entlang der dritten Achse (Z-Achse) erstreckt, ist an jeder der vier Ecken der Oberseite 12a so vorgesehen, dass sie von der Oberseite 12a nach oben ragt. Der Verbindungsabschnitt 16 besteht aus vier elastischen Säulen 38.
Der zweite Endabschnitt 14 ist wie eine flache Platte mit einem in der Draufsicht im Wesentlichen quadratischen Profil geformt, das der Form des ersten Endabschnitts 12 entspricht. Der zweite Endabschnitt 14 umfasst eine planare Unterseite 14a, die der Oberseite 12a des ersten Endabschnitts 12 gegenüberliegt. Jede der vier elastischen Säulen 38 des Verbindungsabschnitts 16 ist an ihrem oberen Ende an dem zweiten Endabschnitt 14 an jeder der vier Ecken der Unterseite 14a befestigt. Der erste Endabschnitt 12 und der zweite Endabschnitt 14 weisen eine Steifigkeit auf, die in der Lage ist, deren eigene Formen gegen eine auf den ersten Endabschnitt 12 oder den zweiten Endabschnitt 14 ausgeübte Kraft beizubehalten.
In dieser Ausführungsform ist das rechtwinklige Koordinatensystem so definiert, dass in einem Gleichgewichtszustand (3) frei von elastischer Verformung des Verbindungsabschnitts 16 die erste Achse (X-Achse) und die zweite Achse (Y-Achse) parallel zu den vier Seiten der im Wesentlichen quadratischen Ober- und Unterseite 12a und 14a angeordnet sind und die dritte Achse (Z-Achse) parallel zu einer Achse angeordnet ist, die durch die Mittelpunkte der Ober- und Unterseite 12a und 14a verläuft. Es ist zu beachten, dass die Formen des ersten Endabschnitts 12 und des zweiten Endabschnitts 14 nicht auf die dargestellte rechtwinklige flache Platte beschränkt sind und beispielsweise eine kreisförmige Scheibe oder ein anderes Polygon sein können.
Jede der vier elastischen Säulen 42 ist so konstruiert, dass sie durch eine Kraft in einer Richtung parallel zur dritten Achse (Z-Achse) nicht leicht verformt (d.h. verlängert oder zusammengezogen) werden kann, aber durch eine Kraft in einer Richtung parallel zur ersten Achse (X-Achse), eine Kraft in einer Richtung parallel zur zweiten Achse (Y-Achse) oder eine Kraft in einer Drehrichtung um die dritte Achse (Z-Achse) elastisch so gebogen wird, wie wenn sich eine Säule neigt. Wenn eine Kraft auf den ersten Endabschnitt 12 oder den zweiten Endabschnitt 14 ausgeübt wird, weisen vier elastische Säulen 38 aufgrund der Steifigkeit des ersten Endabschnitts 12 und des zweiten Endabschnitts 14 ausschließlich die oben genannte elastische Verformung auf. Wenn sich die elastischen Säulen 38 durch Aufnehmen der vorgenannten Kraft elastisch verformen, verursachen der erste Endabschnitt 12 und der zweite Endabschnitt 14 eine Relativbewegung in einer Richtung entlang einer virtuellen Ebene (X-Y-Ebene), die die erste Achse (X-Achse) und die zweite Achse (Y-Achse) umfasst, oder eine Relativdrehung um eine Mittelachse entlang der dritten Achse (Z-Achse).
Jede elastische Säule 38 kann, wie dargestellt, eine rechtwinklige Säulenform aufweisen oder verschiedene andere Formen aufweisen, wie beispielsweise eine kreisförmige Säule oder andere polygonale Säulen. Insbesondere kann jede elastische Säule 38, wie dargestellt, eine völlig gleichmäßige Dicke aufweisen, oder eine dünnere oder dickere Mittellänge oder eine dünnere oder dickere Endlänge aufweisen, oder kombinierte gekrümmte Außenflächen aufweisen. Vier elastische Säulen 38 können, wie dargestellt, eine gleiche Länge aufweisen oder voneinander unterschiedliche Längen aufweisen. In dem Fall, in dem vier elastische Säulen 38 eine gleiche Länge aufweisen, sind die Oberseite 12a des ersten Endabschnitts 12 und die Unterseite 14a des zweiten Endabschnitts 14 parallel angeordnet.
Die Positionen der ersten elastischen Säulen 38 sind nicht auf die vier Ecken der Oberseite 12a des ersten Endabschnitts 12 beschränkt und können beispielsweise an beliebigen Punkten entlang der vier Seiten der Oberseite 12a angeordnet werden. Die Anzahl der elastischen Säulen 42 ist nicht auf vier beschränkt und kann drei oder fünf oder mehr betragen. Der Verbindungsabschnitt 16 muss dabei lediglich die Verschiebung zwischen dem ersten Endabschnitt 12 und dem zweiten Endabschnitt in den vorgenannten drei Freiheitsgraden ermöglichen, und basierend auf dieser Voraussetzung kann eine gewünschte Anzahl von ersten elastischen Säulen 38 an gewünschten Positionen vorgesehen werden.
Der erste Endabschnitt 12 ist mit vier ersten Blöcken 40 und 42 versehen, die jeweils von der Oberseite 12a in einer Richtung entlang der dritten Achse (Z-Achse) hervorragen (1 bis 3). Jeder erste Block 40, 42 ist wie ein rechtwinkliges Parallelepiped geformt und an einer vorbestimmten Position auf der Oberseite 12a angeordnet. Jeder von zwei ersten Blöcken 40 umfasst eine erste Fläche 26, die sich entlang einer virtuellen Ebene (X-Z-Ebene) erstreckt, die durch die erste Achse (X-Achse) und die dritte Achse (Z-Achse) definiert wird (3). Jeder der beiden verbleibenden zwei ersten Blöcke 42 umfasst eine dritte Fläche 26, die sich entlang einer virtuellen Ebene (Y-Z-Ebene) erstreckt, die durch die zweite Achse (Y-Achse) und die dritte Achse (Z-Achse) definiert wird (3).
Der zweite Endabschnitt 14 ist mit vier zweiten Blöcken 44 und 46 versehen, die jeweils von der Unterseite 14a in einer Richtung entlang der dritten Achse (Z-Achse) hervorragen (1 bis 3). Jeder erste Zwischenblock 44, 46 ist wie ein rechtwinkliges Parallelepiped geformt und an einer vorbestimmten Position auf der Unterseite 14a angeordnet, die der Position jedes ersten Blocks 40, 42 entspricht. Jeder von zwei zweiten Blöcken 44 umfasst eine zweite Fläche 28, die sich entlang einer virtuellen Ebene (X-Z-Ebene) erstreckt, die durch die erste Achse (X-Achse) und die dritte Achse (Z-Achse) definiert wird. Jeder von den verbleibenden zwei zweiten Blöcken 46 umfasst eine vierte Fläche 34, die sich entlang einer virtuellen Ebene (Y-Z-Ebene) erstreckt, die durch die zweite Achse (Y-Achse) und die dritte Achse (Z-Achse) definiert wird (3).
Die erste Fläche 26 und die zweite Fläche 28, die sich entlang derselben virtuellen Ebene (X-Z-Ebene) an einer einander entsprechenden Position erstrecken, sind so angeordnet, dass sie sich im Wesentlichen parallel zueinander in einem Gleichgewichtszustand gegenüberliegen, in dem der erste Verbindungsabschnitt 16 nicht elastisch verformt ist. In jedem von zwei Paaren der einander gegenüberliegenden ersten Fläche 26 und zweiten Fläche 28 wird der erste Spalt 30 zwischen den Flächen 26 und 28 gebildet (3). In dem Gleichgewichtszustand, in dem sich der Verbindungsabschnitt 16 nicht elastisch verformt, können zwei erste Spalte 30 miteinander identische Formen und Abmessungen aufweisen.
Die dritte Fläche 32 und die vierte Fläche 34, die sich entlang derselben virtuellen Ebene (X-Z-Ebene) an einer einander entsprechenden Position erstrecken, sind so angeordnet, dass sie sich im Wesentlichen parallel zueinander in einem Gleichgewichtszustand gegenüberliegen, in dem der Verbindungsabschnitt 16 nicht elastisch verformt ist. In jedem von zwei Paaren der einander gegenüberliegenden dritten Fläche 32 und vierten Fläche 34 wird der zweite Spalt 36 zwischen den Flächen 32 und 34 gebildet (3). In dem Gleichgewichtszustand, in dem sich der Verbindungsabschnitt 16 nicht elastisch verformt, können zwei zweite Spalte 36 miteinander identische Formen und Abmessungen aufweisen.
Ferner umfassen zwei erste Blöcke 40, die in dem ersten Endabschnitt 12 ausgebildet sind, und zwei zweite Blöcke 44, die in dem zweiten Endabschnitt 14 ausgebildet sind, jeweils die ersten Flächen 26 und die zweiten Flächen 28, die die Bestandteile des ersten differenziell erfassenden Teilabschnitts 20 sind. In diesem Zusammenhang sind ein Paar nebeneinandergestellter erster und zweiter Blöcke 40 und 44 und das andere Paar nebeneinandergestellter erster und zweiter Blöcke 40 und 44 in dem ersten Endabschnitt 12 und zweiten Endabschnitt 14 so vorgesehen, dass die nebeneinandergestellte Beziehung zwischen „erster“ und „zweiter“ in der Richtung der ersten Achse (X-Achse) umgekehrt ist (3).
Ferner umfassen zwei erste Blöcke 42, die in dem ersten Endabschnitt 12 ausgebildet sind, und zwei zweite Blöcke 46, die in dem zweiten Endabschnitt 14 gebildet sind, jeweils die dritten Flächen 32 und die vierten Flächen 34, die Bestandteile des zweiten differenziell erfassenden Teilabschnitts 22 sind. In diesem Zusammenhang sind ein Paar nebeneinandergestellter erster und zweiter Blöcke 42 und 46 und das andere Paar nebeneinandergestellter erster und zweiter Blöcke 42 und 46 im ersten Endabschnitt 12 und im zweiten Endabschnitt 14 so vorgesehen, dass die nebeneinandergestellte Beziehung zwischen „erster“ und „zweiter“ in der Richtung der zweiten Achse (Y-Achse) umgekehrt ist (3).
Ferner umfassen zwei erste Blöcke 40 und zwei erste Blöcke 42, die in dem ersten Endabschnitt 12 ausgebildet sind, und zwei zweite Blöcke 44 und zwei zweite Blöcke 46, die in dem zweiten Endabschnitt 14 ausgebildet sind, jeweils die ersten und dritten Flächen 26 und 32 und die zweiten und vierten Flächen 28 und 34, die Bestandteile des dritten differenziell erfassenden Teilabschnitts 24 sind. In diesem Zusammenhang sind ein Paar nebeneinandergestellter erster und zweiter Blöcke 40 und 44 und zwei Paare nebeneinandergestellter erster und zweiter Blöcke 42 und 46 im ersten Endabschnitt 12 und im zweiten Endabschnitt 14 so vorgesehen, dass die nebeneinandergestellte Beziehung zwischen „erster“ und „zweiter“ in der Drehrichtung um die dritte Achse (Z-Achse) umgekehrt ist (3).
Wenn sich ausgehend von dem in den 1 bis 3 dargestellten Gleichgewichtszustand der erste Endabschnitt 12 und der zweite Endabschnitt 14 relativ in der Richtung entlang der ersten Achse (X-Achse) bewegen, dann bewegen sich der erste und der zweite Block 40 und 44, die in Richtung der X-Achse nebeneinanderliegen, entsprechend relativ zueinander, und die Abmessungen von zwei ersten Spalten 30 ändern sich entsprechend dem Weg der Relativbewegung (4A bis 4C). Wenn sich gleichermaßen der erste Endabschnitt 12 und der zweite Endabschnitt 14 relativ in der Richtung entlang der zweiten Achse (Y-Achse) bewegen, dann bewegen sich der erste und zweite Block 42 und 46, die in Richtung der y-Achse nebeneinander angeordnet sind, entsprechend relativ zueinander, und die Abmessungen von zwei zweiten Spalten 36 ändern sich entsprechend dem Weg der Relativbewegung ( 4D). Wenn sich andererseits der erste Endabschnitt 12 und der zweite Endabschnitt 14 relativ um eine Mittelachse entlang der dritten Achse (Z-Achse) drehen (im dargestellten Beispiel eine Mittelachse 12b des ersten Endabschnitts 12 mit einem in der Draufsicht rechtwinkligen Profil), drehen sich der erste und zweite Block 40 und 44 entsprechend zueinander und der erste und zweite Block 42 und 46 drehen sich entsprechend relativ zueinander, und die Abmessungen von zwei ersten Spalten 30 und die Abmessungen von zwei zweiten Spalten 36 ändern sich entsprechend dem Winkel der relativen Drehung (4E). Während der relativen Bewegung oder Drehung verformen sich der erste Endabschnitt 12 und der zweite Endabschnitt 14 nicht, und nur der Verbindungsabschnitt 16 (oder die elastischen Säulen 38) verformt sich elastisch.
Wenn sich beispielsweise, wie in den 4A und 4B dargestellt, der zweite Endabschnitt 14 relativ zum ersten Endabschnitt 12 in der positiven Richtung der X-Achse (nach rechts, in der Zeichnung) bewegt, vergrößert sich die Abmessung von einem (unteren, in 4A) ersten Spalt 30 und die Abmessung des anderen (oberen, in 4A) ersten Spalts 30 verkleinert sich entsprechend der Vergrößerung des unteren ersten Spalts 30, da die nebeneinandergestellte Beziehung eines Paares von ersten und zweiten Blöcken 40 und 44 relativ zu der nebeneinandergestellten Beziehung des anderen Paares von ersten und zweiten Blöcken 40 und 44 in Richtung der X-Achse umgekehrt ist. Wenn sich gleichermaßen, wie in 4C dargestellt, der zweite Endabschnitt 14 relativ zu dem ersten Endabschnitt 12 in der negativen Richtung der X-Achse (nach links, in der Zeichnung) bewegt, verkleinert sich die Abmessung von einem (unteren, in 4A) ersten Spalt 30 und die Abmessung des anderen (oberen, in 4A) ersten Spalts 30 vergrößert sich entsprechend der Verkleinerung des unteren ersten Spalts 30. Der erste differenziell erfassende Teilabschnitt 20 erkennt als die ersten Bewegungsdaten d1 die obigen Maßänderungen, die in zwei ersten Spalten 30 entgegengesetzt in der Phase auftreten, indem die Änderungen in Signale umgewandelt werden, die in der Phase zueinander umkehrt sind, und eine arithmetische Verarbeitung für die Signale in einer differenziellen Weise durchgeführt wird.
Es ist zu beachten, dass wenn sich der erste Endabschnitt 12 und der zweite Endabschnitt 14 relativ in Richtung der X-Achse bewegen, sich der erste Block 42 und der zweite Block 46 gleichzeitig relativ in Richtung der X-Achse bewegen. Ein Verschiebungsverhältnis entlang einer Richtung innerhalb der Ebene zwischen der dritten Fläche 32 und der vierten Fläche 34 (mit anderen Worten, ein Änderungsverhältnis des zweiten Spaltes 36) während der Relativbewegung ist jedoch verglichen mit einem Änderungsverhältnis des ersten Spaltes 30 ausreichend klein, und somit ist es möglich, die arithmetische Verarbeitung so durchzuführen, dass die Änderung des zweiten Spaltes 36 aus den ersten Bewegungsdaten d1 ausgeschlossen wird.
Wenn sich ferner beispielsweise, wie in 4D dargestellt, der zweite Endabschnitt 14 relativ zu dem ersten Endabschnitt 12 in der positiven Richtung der Y-Achse (nach oben, in der Zeichnung) bewegt, vergrößert sich die Abmessung von einen (linken, in 40) zweiten Spalt 36 und die Abmessung des anderen (rechten, in 4D) zweiten Spalts 36 verkleinert sich entsprechend der Vergrößerung des linken zweiten Spaltes 36, da die nebeneinandergestellte Beziehung von einem Paar von ersten und zweiten Blöcken 42 und 46 relativ zu der nebeneinandergestellten Beziehung des anderen Paares von ersten und zweiten Blöcken 42 und 46 in Richtung der Y-Achse umgekehrt ist. Wenn sich gleichermaßen, obwohl nicht dargestellt, der zweite Endabschnitt 14 relativ zu dem ersten Endabschnitt 12 in der negativen Richtung der Y-Achse (nach unten, in der Zeichnung) bewegt, verkleinert sich die Abmessung von einem (linken, in 40) zweiten Spalt 36 und die Abmessung des anderen (rechten, in 40) zweiten Spalts 36 vergrößert sich entsprechend der Verkleinerung des linken zweiten Spalts 36. Der zweite differenziell erfassende Teilabschnitt 22 erfasst als die zweiten Bewegungsdaten d2 die obigen Maßänderungen, die entgegengesetzt in der Phase in zwei zweiten Spalten 36 auftreten, indem die Änderungen in Signale umgewandelt werden, die zueinander in der Phase umgekehrt sind, und eine arithmetische Verarbeitung für die Signale in differenzieller Weise durchführt wird.
Es ist zu beachten, dass wenn sich der erste Endabschnitt 12 und der zweite Endabschnitt 14 relativ in Richtung der Y-Achse bewegen, sich der erste Block 40 und der zweite Block 44 gleichzeitig relativ in der Richtung der Y-Achse bewegen. Ein Verschiebungsverhältnis entlang einer Richtung innerhalb der Ebene zwischen der ersten Fläche 26 und der zweiten Fläche 28 (mit anderen Worten, ein Änderungsverhältnis des ersten Spaltes 30) während der Relativbewegung ist jedoch verglichen mit einem Änderungsverhältnis des zweiten Spaltes 36 ausreichend klein, und daher ist es möglich, die arithmetische Verarbeitung so durchzuführen, dass die Änderung des ersten Spaltes 30 aus den zweiten Bewegungsdaten d2 ausgeschlossen wird.
Wenn sich zudem, wie beispielsweise in 4E dargestellt, der zweite Endabschnitt 14 relativ zu dem ersten Endabschnitt 12 nach rechts in Bezug auf die positive Richtung der Z-Achse (gegen den Uhrzeigersinn, in der Zeichnung) dreht, vergrößern sich die Abmessungen von zwei ersten Spalten 30 und die Abmessungen von zwei zweiten Spalten 36 verkleinern sich entsprechend der Vergrößerung von zwei ersten Spalten 30, da die nebeneinandergestellte Beziehung von zwei Paaren von ersten und zweiten Blöcken 40 und 44 relativ zu der nebeneinandergestellten Beziehung von zwei Paaren von ersten und zweiten Blöcken 42 und 46 in Drehrichtung um die Z-Achse umgekehrt ist. Wenn sich gleichermaßen, obwohl nicht dargestellt, der zweite Endabschnitt 14 relativ zu dem ersten Endabschnitt 12 nach links in Bezug auf die positive Richtung der Z-Achse (im Uhrzeigersinn, in der Zeichnung) dreht, verkleinern sich die Abmessungen von zwei ersten Spalten 30 und die Abmessungen von zwei zweiten Spalten 36 vergrößern sich entsprechend der Verkleinerung von zwei ersten Spalten 30. Der dritte differenziell erfassende Teilabschnitt 24 erfasst als die Drehungsdaten d3 die obigen Maßänderungen, die entgegengesetzt in der Phase in dem ersten und zweiten Spalt 30 und 36 auftreten, indem die Änderungen in Signale umgewandelt werden, die in der Phase umgekehrt sind, und eine arithmetische Verarbeitung für die Signale in differenzieller Weise durchgeführt wird.
Der erste Spalt 30 und der zweite Spalt 36 können jeweils eine elektrostatische Kapazität (im Folgenden als Kapazität bezeichnet) als ein Beispiel für ein Bestandteil aufweisen, um die Maßänderung des ersten Spaltes 30 durch eine numerische Größe darzustellen. Um in dieser Konfiguration die Relatiwerschiebung in Verbindung mit den vorgenannten drei Richtungen zu erfassen, kann der Erfassungsteil 18 für den ersten und zweiten Spalt 30 und 36 mit mindestens drei kapazitätsbildenden Teilen (d.h. Elektrodenpaaren), die elektrisch unabhängig voneinander sind, versehen werden. In der krafterfassenden Struktur umfasst jeder der insgesamt vier ersten und zweiten Spalte 30 und 36 ein einziges kapazitätsbildendes Teil. Der Erfassungsteil 18 erfasst eine Kapazitätsänderung in jedem der kapazitätsbildenden Teile und gibt dabei den ersten Erfassungswert D aus.
So ist beispielsweise eine Elektrode 48 in der ersten Fläche 26 des ersten Blocks 40 ausgebildet, wie in 3 dargestellt, und eine Elektrode 50 mit einer Fläche, die mit derjenigen der Elektrode 48 identisch ist, ist in der zweiten Fläche 28 des gegenüberliegenden zweiten Blocks 44 ausgebildet. Die einander gegenüberliegenden Elektroden 48 und 50 (d.h. ein Elektrodenpaar) bilden einen kapazitätsbildenden Teil und stellen im ersten Spalt 30 eine vorbestimmte Kapazität bereit, die die Elektroden 48 und 50 elektrisch voneinander isoliert. Eine Änderung des ersten Spaltes 30 kann erfasst werden, indem beispielsweise eine vorbestimmte Spannung mit einer vorgegebenen Frequenz an eine Elektrode 48 des Elektrodenpaares angelegt und der Wert des in der anderen Elektrode 50 fließenden Stroms gemessen wird.
Gleichermaßen wird eine Elektrode 52 in der dritten Fläche 32 des ersten Blocks 42 ausgebildet, und eine Elektrode 54 mit einer Fläche, die mit derjenigen der Elektrode 52 identisch ist, ist in der vierten Fläche 34 des gegenüberliegenden zweiten Blocks 46 ausgebildet. Die einander gegenüberliegenden Elektroden 52 und 54 (d.h. ein Elektrodenpaar) bilden einen kapazitätsbildenden Teil und stellen in dem zweiten Spalt 36 eine vorbestimmte Kapazität bereit, die die Elektroden 52 und 54 elektrisch voneinander isoliert. Eine Änderung im zweiten Spalt 36 kann erfasst werden, indem beispielsweise eine vorbestimmte Spannung mit einer vorbestimmten Frequenz an eine Elektrode 52 des Elektrodenpaares angelegt und der Wert des in der anderen Elektrode 54 fließenden Stroms gemessen wird.
Wenn sich beispielsweise, wie in den 4A bis 4C dargestellt, der erste Endabschnitt 12 und der zweite Endabschnitt 14 relativ zueinander in einer Richtung entlang der ersten Achse (X-Achse) bewegen, werden die Elektroden 48 und 50, die sich in einer Richtung entlang der ersten Achse (X-Achse) gegenüberliegen, relativ zueinander in einer Richtung aufeinander zu oder voneinander weg verschoben (oder führen eine Translationsbewegung oder parallel Verschiebung aus), um den ersten Spalt 30 gleichmäßig zu verkleinern oder zu vergrößern. Da sich zu diesem Zeitpunkt, wie vorstehend beschrieben, die Abmessungen von zwei ersten Spalten 30 entgegengesetzt in der Phase ändern, ändern sich zu diesem Zeitpunkt auch die Kapazitäten der ersten Spalten 30 entgegengesetzt in der Phase, sodass über zwei Elektrodenpaare 48, 50 elektrische Signale erhalten werden, die in der Phase umgekehrt sind. Der erste differenziell erfassende Teilabschnitt 20 führt die arithmetische Verarbeitung differenziell für die phasenumgekehrten elektrischen Signale durch und erfasst die verarbeiteten elektrischen Signale als die ersten Bewegungsdaten d1.
Wenn sich ferner, wie beispielsweise in 4D dargestellt, der erste Endabschnitt 12 und der zweite Endabschnitt 14 relativ zueinander in einer Richtung entlang der zweiten Achse (Y-Achse) bewegen, werden die Elektroden 52 und 54, die sich in einer Richtung der zweiten Achse (Y-Achse) gegenüberliegen, relativ zueinander in einer Richtung aufeinander zu oder voneinander weg verschoben (oder führen eine Translationsbewegung oder Parallelverschiebung aus), um den zweiten Spalt 36 gleichmäßig zu verkleinern oder zu vergrößern. Da sich zu diesem Zeitpunkt, wie vorstehend beschrieben, die Abmessungen von zwei zweiten Spalten 36 entgegengesetzt in der Phase ändern, ändern sich auch die Kapazitäten der zweiten Spalten 36 entgegengesetzt in der Phase, sodass über zwei Elektrodenpaare 52, 54 elektrische Signale erhalten werden, die in der Phase zueinander umkehrt sind. Der zweite differenziell erfassende Teilabschnitt 22 führt eine arithmetische Verarbeitung für die phasenumgekehrten elektrischen Signale in differenzieller Weise durch und erfasst die verarbeiteten elektrischen Signale als die zweiten Bewegungsdaten d2.
Wenn sich zudem, wie beispielsweise in 4E dargestellt, der erste Endabschnitt 12 und der zweite Endabschnitt 14 relativ zueinander um eine Mittelachse 12b entlang der dritten Achse (Z-Achse) drehen, werden die in einer Richtung der ersten Achse (X-Achse) gegenüberliegenden Elektroden 48 und 50 relativ zueinander geneigt, und die in einer Richtung der zweiten Achse (Y-Achse) gegenüberliegenden Elektroden 52 und 54 werden relativ zueinander so geneigt, dass sich der erste und zweite Spalt 30 und 36 jeweils an einem Endbereich verkleinert und am anderen Endbereich im Elektrodenpaar vergrößert. Da sich zu diesem Zeitpunkt, wie vorstehend beschrieben, die Abmessung des ersten Spalts 30 und die Abmessung des zweiten Spaltes 36 entgegengesetzt in der Phase ändern, ändert sich auch die Kapazität des ersten Spalts 30 und die Kapazität des zweiten Spalts 36 entgegengesetzt in der Phase, sodass durch das Elektrodenpaar 48, 50 und das Elektrodenpaar 52, 54 elektrische Signale erhalten werden, die zueinander in der Phase umkehrt sind. Der dritte differenziell erfassende Teilabschnitt 24 führt eine arithmetische Verarbeitung in differenzieller Weise für die phasenumgekehrten elektrischen Signale durch und erfasst die verarbeiteten elektrischen Signale als die Drehungsdaten d3.
In der Krafterfassungsstruktur 10 ist ein Bestandteil zur Darstellung der Maßänderung von jeweils dem ersten Spalt 30 und dem zweiten Spalt 36 durch eine numerische Größe nicht auf die Kapazität beschränkt. So kann beispielsweise die Maßänderung des ersten Spaltes 30 oder des zweiten Spaltes 36 durch Messen der magnetischen Permeanz, der Lichtmenge usw. im ersten Spalt 30 oder im zweiten Spalt 36 oder durch Messen des aufgrund einer als eine Elektrode des Elektrodenpaares 48, 50 oder eine Elektrode des Elektrodenpaares 52, 54 ausgebildeten Wicklung erzeugten Wirbelstroms erfasst werden. Dementsprechend kann der erste differenziell erfassende Teilabschnitt 20 die Änderungen in den ersten Spalten 30 unter Verwendung von Kapazität, Wirbelstrom, magnetischer Permeanz und Lichtmenge erfassen. Ferner kann der zweite differenziell erfasste Teilabschnitt 22 die Änderungen in den zweiten Spalten 36 unter Verwendung von einem aus Kapazität, Wirbelstrom, magnetischer Permeanz und Lichtmenge erfassen. Zudem kann der dritte differenziell erfassende Teilabschnitt 24 die Änderung des ersten Spaltes 30 und die Änderung des zweiten Spaltes 36 unter Verwendung von einem aus Kapazität, Wirbelstrom, magnetischer Permeanz und Lichtmenge erfassen.
In der Krafterfassungsstruktur 10 ist in einem Fall, in dem ein Bestandteil (insbesondere ein Bestandteil des Erfassungsteils 18) aufgrund von anderen Umgebungsfaktoren als einer Kraft, wie beispielsweise einer Temperatur oder Luftfeuchtigkeit, eine Verformung oder eine charakteristische Änderung erfährt, zu befürchten, dass die ersten Bewegungsdaten d1, die zweiten Bewegungsdaten d2 und die Drehungsdaten d3 schwanken und eine Drift bei dem Erfassungswert D auftritt. So können beispielsweise, wie in 5A dargestellt, die einander gegenübergestellten ersten und zweiten Blöcke 40 und 44 im gleichen Modus (d.h. spiegelbildlich) aufgrund einer Temperaturänderung in der Umgebung verformt werden. Wie in 5B in vergrößertem Maßstab dargestellt, wird die Elektrode 48 am ersten Block 40 mit einer dort dazwischenliegenden Isolationsschicht 56 ausgebildet, und da sich die Materialien dieser drei Elemente voneinander unterscheiden, kann die dargestellte Verformung, die sich aus einer Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten ergibt, aufgrund der Temperaturänderung auftreten. Die dargestellte Verformung tritt im gleichen Modus im zweiten Block 44 auf, und dadurch kann sich die Abmessung des ersten Spaltes 30 möglicherweise ändern, obwohl auf die Krafterfassungsstruktur 10 keine Kraft ausgeübt wird (5A). Der zweite Spalt 36 involviert ebenfalls analoge Probleme.
Wie in 6 dargestellt, gibt es ferner auch einen Fall, in dem die Isolationsschichten 56 der einander gegenübergestellten ersten und zweiten Blöcke 40 und 44 aufgrund einer Feuchtigkeitsänderung in der Umgebung im gleichen Modus eine Verformung (oder eine hygroskopische Ausdehnung) erfahren können. In diesem Fall kann sich möglicherweise auch die Abmessung des ersten Spaltes 30 ändern, obwohl auf die Krafterfassungsstruktur 10 keine Kraft ausgeübt wird. Es ist zu beachten, dass sich bei variierender Dicke der Isolationsschicht 56 eine Dielektrizitätskonstante der Isolationsschicht 56 oder eine schwebende Kapazität zwischen der Isolationsschicht 56 und dem ersten Block 40 ändern kann, und eine solche charakteristische Änderung der Isolationsschicht 56 möglicherweise den Erfassungswert D beeinflussen kann. Der zweite Spalt 36 involviert ebenfalls analoge Probleme.
Wie beispielsweise in den 7A und 7B dargestellt, kann in einer Konfiguration, bei der die einander gegenübergestellten ersten und zweiten Blöcke 40 und 44 den zweiten Block 44 umfassen, der mit einer Wicklung 58 (z.B. durch Ätzen einer Metallplattenelektrode in Wirbelform ausgebildet) anstelle der Elektrode 50 versehen ist, die Änderung des ersten Spaltes 30 erfasst werden, indem eine vorbestimmte Spannung mit einer vorbestimmten Frequenz an die Wicklung 58 angelegt und eine Stromänderung in der Wicklung 58 gemessen wird, die aufgrund eines in der Elektrode 48 des ersten Blocks 40 erzeugten Wirbelstroms auftritt. Wie aus einer in 8 dargestellten Ersatzschaltung ersichtlich, kann in dieser Konfiguration ein Signal (Sig) durch die folgende Gleichung erhalten werden: $Sig = | E0 \times (R 1 + L1j) / (R 0 + R1 + L1j) |$
Ändert sich der Widerstandswert der Elektrode 48 oder der Wicklung 58 aufgrund einer Temperaturänderung in der Umgebung, variiert demnach das Signal, als ob die Induktivität des ersten Spaltes 30 variiert (d.h. sich die Spaltabmessung ändert). Der zweite Spalt 36 involviert ebenfalls analoge Probleme.
Zu den oben genannten verschiedenen Umständen weist die Krafterfassungsstruktur 10 die vorgenannte Konfiguration auf, wobei der erste differenziell erfassende Teilabschnitt 20, der zweite differenziell erfassende Teilabschnitt 22 und der dritte differenziell erfassende Teilabschnitt 24 des Erfassungsteils 18 die ersten Bewegungsdaten d1, die zweiten Bewegungsdaten d2 und die Drehungsdaten d3 differenziell erfassen, so dass eine Schwankung der Signale, die sich aus durch andere Umgebungsfaktoren als eine Kraft verursachte Abmessungsänderungen usw. des ersten Spalts 30 und des zweiten Spalts 36 ergibt, durch eine Differenz zwischen den phasenumgekehrten Signalen aufgehoben wird. Folglich ist es in der Krafterfassungsstruktur 10 auch dann möglich, wenn ein Bestandteil (insbesondere ein Bestandteil des Erfassungsteils 18) aufgrund von anderen Umgebungsfaktoren als einer Kraft, wie z.B. einer Temperatur oder Feuchtigkeit, eine Verformung oder eine charakteristische Änderung erfährt, die ersten Bewegungsdaten d1, die zweiten Bewegungsdaten d2 und die Drehungsdaten d3, die eine kraftbedingte Verschiebung genau darstellen, zu erfassen und dadurch die Genauigkeit und Präzision des Erfassungswertes D zu verbessern.
9 stellt eine gesamte Konfiguration einer Krafterfassungsstruktur 60 gemäß einer zweiten Ausführungsform dar. Die Krafterfassungsstruktur 60 weist eine Konfiguration analog zu der vorgenannten Krafterfassungsstruktur 10 auf, mit Ausnahme der Konfiguration des Verbindungsabschnitts 16. Daher werden entsprechende Bestandteile durch gemeinsame Bezugsziffern gekennzeichnet, um eine wiederholte Beschreibung derselben zu vermeiden.
Die Krafterfassungsstruktur 60 umfasst einen ersten Endabschnitt 12; einen zweiten Endabschnitt 14 (1); einen Verbindungsabschnitt 16, der den ersten Endabschnitt 12 mit dem zweiten Endabschnitt 14 mit drei Freiheitsgraden elastisch verbindet; und einen Erfassungsabschnitt 18, der eine relative Verschiebung zwischen dem ersten Endabschnitt 12 und dem zweiten Endabschnitt 14 erfasst, wobei die relative Verschiebung mit der elastischen Verformung des Verbindungsabschnitts 16 einhergeht. Der Verbindungsabschnitt 16 besteht aus drei elastischen Säulen 62, die sich in einer Richtung entlang der dritten Achse (Z-Achse) erstrecken, die an vorbestimmten Stellen entlang drei Seiten der Oberseite 12a des ersten Endabschnitts 12 so vorgesehen sind, dass sie von der Oberseite 12a nach oben ragen.
Wenn in der Krafterfassungsstruktur 60 eine Kraft auf den ersten Endabschnitt 12 oder den zweiten Endabschnitt 14 ausgeübt wird, führen ein erster differenziell erfassender Teilabschnitt 20, ein zweiter differenziell erfassender Teilabschnitt 22 und ein dritter differenziell erfassender Teilabschnitt 24 einen Wegerfassungsvorgang analog zu dem Wegerfassungsvorgang in der Krafterfassungsstruktur 10 aus. Somit gibt der Erfassungsteil 18 basierend auf ersten Bewegungsdaten d1, zweiten Bewegungsdaten d2 und Drehungsdaten d3, die differenziell von dem ersten differenziell erfassenden Teilabschnitt 20, dem zweiten differenziell erfassenden Teilabschnitt 22 beziehungsweise dem dritten differenziell erfassenden Teilabschnitt 24 erfasst werden, einen Erfassungswert D aus. Dementsprechend kann die Krafterfassungsstruktur 60 vorteilhafte Wirkungen erzielen, die denen der Krafterfassungsstruktur 10 entsprechen.
10 stellt eine gesamte Konfiguration einer Krafterfassungsstruktur 70 gemäß einer dritten Ausführungsform dar. Die Krafterfassungsstruktur 70 weist eine Konfiguration analog zu der vorgenannten Krafterfassungsstruktur 10 auf, mit Ausnahme der Konfiguration des Verbindungsabschnitts 16. Daher werden entsprechende Bestandteile durch gemeinsame Bezugsziffern gekennzeichnet, um eine wiederholte Beschreibung derselben zu vermeiden.
Die Krafterfassungsstruktur 70 umfasst einen ersten Endabschnitt 12; einen zweiten Endabschnitt 14 (1); einen Verbindungsabschnitt 16, der den ersten Endabschnitt 12 mit dem zweiten Endabschnitt 14 mit drei Freiheitsgraden elastisch verbindet; und einen Erfassungsabschnitt 18, der eine relative Verschiebung zwischen dem ersten Endabschnitt 12 und dem zweiten Endabschnitt 14 erfasst, wobei die relative Verschiebung mit der elastischen Verformung des Verbindungsabschnitts 16 einhergeht. Der Verbindungsabschnitt 16 besteht aus vier elastischen Säulen 72, die sich in einer Richtung entlang der dritten Achse (Z-Achse) erstrecken und an vier Stellen nahe der Mitte der Oberseite 12a des ersten Endabschnitts 12 so vorgesehen sind, dass sie von der Oberseite 12a nach oben ragen.
Wenn in der Krafterfassungsstruktur 70 eine Kraft auf den ersten Endabschnitt 12 oder den zweiten Endabschnitt 14 ausgeübt wird, führen ein erster differenziell erfassender Teilabschnitt 20, ein zweiter differenziell erfassender Teilabschnitt 22 und ein dritter differenziell erfassender Teilabschnitt 24 einen Wegerfassungsvorgang analog zu dem Wegerfassungsvorgang in der Krafterfassungsstruktur 10 aus. Somit gibt der Erfassungsteil 18 basierend auf ersten Bewegungsdaten d1, zweiten Bewegungsdaten d2 und Drehungsdaten d3, die differenziell von dem ersten differenziell erfassenden Teilabschnitt 20, dem zweiten differenziell erfassenden Teilabschnitt 22 beziehungsweise dem dritten differenziell erfassenden Teilabschnitt 24 erfasst werden, einen Erfassungswert D aus. Dementsprechend kann die Krafterfassungsstruktur 70 vorteilhafte Wirkungen erzielen, die denen der Krafterfassungsstruktur 10 entsprechen.
Die Krafterfassungsstruktur 10, 60 oder 70 ist dazu konfiguriert, basierend auf dem durch den Erfassungsteil 18 erhaltenen Erfassungswert D eine Erfassung der vorgenannten ersten Kraftkomponente, zweiten Kraftkomponente und Momentenkomponente einer auf den ersten Endabschnitt 12 oder den zweiten Endabschnitt 14 ausgeübten Kraft zu ermöglichen. Die Erfassung der Kraft- und Momentenkomponenten kann durch eine Rechenvorrichtung verwirklicht werden, die getrennt von der Krafterfassungsstruktur 10, 60, 70 vorgesehen ist. Alternativ, wie in 1 dargestellt, kann die Krafterfassungsstruktur 10, 60, 70 selbst mit einem Berechnungsteil 80 versehen werden, der die erste Kraftkomponente, die zweite Kraftkomponente und die Momentenkomponente einer auf den ersten Endabschnitt 12 oder den zweiten Endabschnitt 14 einwirkenden Kraft unter Verwendung des vom Erfassungsteil 18 erfassten Erfassungswertes D berechnet.
Die Berechnung zum Berechnen der Kraft- und Momentenkomponenten aus dem ersten Erfassungswert D kann beispielsweise durch ein Verfahren zum Durchführen einer Matrixberechnung zwischen dem Erfassungswerten D und einer im Voraus erhaltenen Transformationskoeffizientenmatrix durchgeführt werden. Die Transformationskoeffizientenmatrix kann erhalten werden, indem eine bekannte Last auf Krafterfassungsstruktur 10, 60, 70, in verschiedene Richtungen aufgebracht wird, Verschiebungsdaten gesammelt werden, die den Kraft- und Momentenkomponenten der aufgebrachten Last entlang der drei Achsen entsprechen, und ein bekanntes mathematisches Verfahren in Bezug auf die gesammelten Verschiebungsdaten ausgeführt wird. In der Konfiguration, bei der eine Kapazität für eine Wegerfassung verwendet wird, ist die Kapazität umgekehrt proportional zur Abmessung eines jeden ersten Spalts 30 und zweiten Spalts 36, sodass der Erfassungsteil 18 aus einer inversen Zahl von erfassten Änderungen der Kapazität einen Verschiebungsbetrag erhalten kann und den Erfassungswert D basierend auf dem erhaltenen Verschiebungsbetrag ausgeben kann. Alternativ kann beispielsweise der Berechnungsteil 80 unter Verwendung eines bekannten mathematischen Verfahrens die Kraft- und Momentenkomponenten basierend auf den Rohdaten der vom Erfassungsteil 18 erfassten Kapazitätsänderung (d.h. dem Erfassungswert der Kapazität) direkt erhalten. In diesem Fall gibt der erste Erfassungsteil 18 die erfassten Änderungen der jeweiligen Kapazitäten als den Erfassungswert D aus. Der Berechnungsteil 80 kann die Kraft- und Momentenkomponenten berechnen, indem er den Erfassungswert D mit einem Steifigkeitswert (bekannter Wert) des Verbindungsteils 16 multipliziert.
Die Krafterfassungsstruktur 10, 60, 70 kann mit einer zusätzlichen Erfassungsstruktur kombiniert werden, die in der Lage ist, die andere(n) Komponente(n) in Bezug auf eine oder mehrere Achsen einer Kraft zu erfassen, die auf den ersten Endabschnitt 12 oder den zweiten Endabschnitt 14 ausgeübt wird, und die sich von den vorgenannten dreiachsigen Komponenten unterscheidet (unterscheiden), um einen mindestens vierachsigen Kraftsensor zu bilden. Eine Konfiguration eines sechsachsigen Kraftsensors 90 als eine Ausführungsform des mindestens vierachsigen Kraftsensors wird im Folgenden mit Bezug auf die 11 bis 13C beschrieben. Es ist zu beachten, dass in den 11 bis 13C die Konfiguration eines zweiten Endabschnitts 14 aus Darstellungsgründen vereinfacht ist.
Der sechsachsige Kraftsensor 90 umfasst eine Krafterfassungsstruktur 10 und eine zusätzliche Erfassungsstruktur 92 mit einem zweiten Endabschnitt 14, der mit der Krafterfassungsstruktur 10 gemeinsam genutzt wird. Die zusätzliche Erfassungsstruktur 92 umfasst den zweiten Endabschnitt 14; einen dem zweiten Endabschnitt 14 gegenüberliegenden dritten Endabschnitt 94; einen zweiten Verbindungsabschnitt 96, der den zweiten Endabschnitt 14 mit dem dritten Endabschnitt 94 mit zweiten drei Freiheitsgraden, die sich von den drei Freiheitsgraden des Verbindungsabschnitts 16 der Krafterfassungsstruktur 10 unterscheiden, elastisch verbindet; und einen zweiten Erfassungsabschnitt 98, der eine relative Verschiebung zwischen dem zweiten Endabschnitt 14 und dem dritten Endabschnitt 94 erfasst, wobei die relative Verschiebung mit der elastischen Verformung des zweiten Verbindungsabschnitts 96 einhergeht.
So sind beispielsweise in einer Konfiguration, in der ein dreiachsiges rechtwinkliges Koordinatensystem (X-Y-Z) im Raum definiert ist, wie in der Zeichnung dargestellt, der zweite Endabschnitt 14 und der dritte Endabschnitt 94 so konfiguriert, dass sie sich relativ um eine Mittelachse entlang einer ersten Achse (oder X-Achse) drehen können, relativ um eine Mittelachse entlang einer zweiten Achse (oder Y-Achse) drehen können und sich relativ in einer Richtung entlang einer dritten Achse (oder Z-Achse) bewegen können, während die elastische Verformung des zweiten Verbindungsabschnitts 96 damit einhergeht. In dieser Konfiguration werden die zweiten drei Freiheitsgrade durch eine Drehung um jede der Mittelachsen entlang der ersten Achse (X-Achse) und der zweiten Achse (Y-Achse) und eine Bewegung in Richtung der dritten Achse (Z-Achse) definiert. Der zweite Endabschnitt 14 und der dritte Endabschnitt 94 können in einer beliebigen Richtung oder in einer Kombination von zwei oder mehr Richtungen aus den obigen drei Richtungen relativ zueinander verschoben werden, abhängig von der auf den dritten Endabschnitt 94 oder den ersten Endabschnitt 12 der Krafterfassungsstruktur 10 ausgeübten Kraft.
Der zweite Erfassungsteil 98 erfasst eine Relativverschiebung (oder einen Verschiebungsbetrag aufgrund einer Relativbewegung) zwischen dem zweiten Endabschnitt 14 und dem dritten Endabschnitt 94 in Verbindung mit den vorgenannten drei Richtungen. Der zweite Erfassungsteil 98 gibt, basierend auf der erfassten Relativverschiebung in drei Richtungen, einen zweiten Erfassungswert D2 aus, der zum Erfassen einer ersten Momentenkomponente um eine erste Achse (X-Achse, in der Zeichnung), einer zweiten Momentenkomponente um eine zur ersten Achse orthogonalen zweiten Achse (Y-Achse, in der Zeichnung) und einer dritten Kraftkomponente in Richtung einer dritten Achse (Z-Achse, in der Zeichnung), die sowohl zur ersten Achse als auch zur zweiten Achse orthogonal ist, der auf den dritten Endabschnitt 94 oder den ersten Endabschnitt 12 ausgeübten Kraft verwendet wird.
12A bis 12C stellen schematisch ein Beispiel für die Konfiguration und Betriebsweise des Erfassungsteils 18 der Krafterfassungsstruktur 10 dar. Wie zuvor mit Bezugnahme auf die 4A bis 4E beschrieben, erfasst der erste differenziell erfassende Teilabschnitt 20, der zweite differenziell erfassende Teilabschnitt 22 und der dritte differenziell erfassende Teilabschnitt 24 des Erfassungsteils 18 differenziell die ersten Bewegungsdaten d1, die zweiten Bewegungsdaten d2 und die Drehungsdaten d3.
Die 13A bis 13C stellen schematisch ein Beispiel der Konfiguration und der Betriebsweise des zweiten Erfassungsteils 98 dar. In dem dargestellten Beispiel umfasst der zweite Endabschnitt 14 eine fünfte Fläche 100, der dritte Endabschnitt 94 eine der fünften Fläche 100 gegenüberliegende sechste Fläche 102, und zwischen der fünften Fläche 100 und der sechsten Fläche 102 ist ein dritter Spalt 104 ausgebildet, wobei der dritte Spalt 104 eine Abmessung aufweist, die sich gemäß der relativen Verschiebung zwischen dem zweiten Endabschnitt 14 und dem dritten Endabschnitt 94 ändert. Der zweite Erfassungsteil 98 erfasst eine Maßänderung des dritten Spalts 104 und gibt den zweiten Erfassungswert D2 aus.
Wenn sich der zweite Endabschnitt 14 und der dritte Endabschnitt 94 relativ in der Richtung entlang der dritten Achse (Z-Achse) bewegen, ändert sich die Abmessung des dritten Spaltes 104 entsprechend dem Weg der Relativbewegung (13A und 13B). Wenn sich andererseits der zweite Endabschnitt 14 und der dritte Endabschnitt 94 relativ um eine Mittelachse entlang der zweiten Achse (Y-Achse) drehen (im dargestellten Beispiel eine Mittelachse 94a in einem rechtwinkligen vertikalen Abschnitt des dritten Endabschnitts 94, der wie ein rechtwinkliges Parallelepiped geformt ist), ändert sich die Abmessung des dritten Spalts 104 gemäß dem Winkel der relativen Drehung (13C). Gleichermaßen ändert sich, wenn sich der zweite Endabschnitt 14 und der dritte Endabschnitt 94 relativ um eine Mittelachse entlang der ersten Achse (X-Achse) drehen, die Abmessung des dritten Spaltes 104 gemäß dem Winkel der Relativdrehung (nicht dargestellt). Während der relativen Bewegung oder Drehung verformen sich der zweite Endabschnitt 14 und der dritte Endabschnitt 94 nicht, und nur der zweite Verbindungsabschnitt 96 verformt sich elastisch.
Analog zum ersten Spalt 30 und dem zweiten Spalt 36 der Krafterfassungsstruktur 10 weist der dritte Spalt 104 eine Kapazität als Beispiel für den Bestandteil zum Darstellen der Maßänderung des dritten Spaltes 104 durch eine numerische Größe auf. Alternativ ist es möglich, die Maßänderung des dritten Spaltes 104 durch Verwendung von einem aus Wirbelstrom, magnetischer Permeanz, Lichtmenge usw. zu erfassen.
Wie vorstehend beschrieben, weist der sechsachsige Kraftsensor 90 eine Konfiguration auf, bei der der erste Endabschnitt 12 und der zweite Endabschnitt 14 durch den Verbindungsabschnitt 16 mit ersten drei Freiheitsgraden miteinander verbunden sind und der zweite Endabschnitt 14 und der dritte Endabschnitt 94 durch den zweiten Verbindungsabschnitt 96 mit den zweiten drei Freiheitsgraden, die sich von den ersten drei Freiheitsgraden unterscheiden, miteinander verbunden sind, und wobei der Erfassungsteil 18 die relative Verschiebung zwischen dem ersten Endabschnitt 12 und dem zweiten Endabschnitt 14 in den ersten drei Freiheitsgraden erfasst und der zweite Erfassungsteil 98, der sich von dem Erfassungsteil 18 unterscheidet, die relative Verschiebung zwischen dem zweiten Endabschnitt 14 und dem dritten Endabschnitt 94 in den zweiten drei Freiheitsgraden erfasst. Dementsprechend können der Erfassungsteil 18 und der zweite Erfassungsteil 98 die relative Verschiebung zwischen dem ersten Endteil 12 und dem dritten Endteil 94 in sechs Freiheitsgraden gemeinsam erfassen, wobei der Erfassungsteil 18 drei Freiheitsgraden und der zweite Erfassungsteil 98 den anderen drei Freiheitsgraden zugeordnet ist. Da der Erfassungsteil 18 und der zweite Erfassungsteil 98 jeweils gemeinsam den Erfassungswert D basierend auf der relativen Verschiebung in den ersten drei Freiheitsgraden und den zweiten Erfassungswert D2 basierend auf der relativen Verschiebung in den zweiten drei Freiheitsgraden ausgeben können, ist es möglich, die Genauigkeit des Erfassungswerts D und des zweiten Erfassungswerts D2, die zum Erfassen von dreiachsigen Kraftkomponenten und dreiachsigen Momentenkomponenten verwendet werden, zu verbessern.
Da insbesondere der sechsachsige Kraftsensor 90 die Krafterfassungsstruktur 10 umfasst, ist es auch dann, wenn ein Bestandteil (insbesondere ein Bestandteil des Erfassungsteils 18) eine Verformung erfährt oder eine charakteristische Änderung aufgrund von anderen Umgebungsfaktoren als einer Kraft, wie z.B. einer Temperatur oder Feuchtigkeit auftritt, möglich, die ersten Bewegungsdaten d1, die zweiten Bewegungsdaten d2 und die Drehungsdaten d3, die eine kraftbedingte Verschiebung genau darstellen, zu erfassen und dadurch die Genauigkeit und Präzision des Erfassungswertes D zu verbessern. Obwohl nicht dargestellt, ist es ferner möglich, den zweiten Erfassungsteil 98 der zusätzlichen Erfassungsstruktur 92 mit einem differenziellen Wegerfassungsmechanismus analog zu dem in dem Erfassungsteil 18 zu versehen.
Obwohl die Ausführungsformen der Offenbarung beschrieben wurden, werden Fachleute verstehen, dass verschiedene Änderungen oder Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der nachfolgenden Ansprüche abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2004301731 [0002]
JP 2004301731 A [0002]
JP 2016070824 [0003]
JP 2016070824 A [0003]

Claims

Krafterfassungsstruktur (10; 60; 70) umfassend: einen ersten Endabschnitt (12); einen zweiten Endabschnitt (14); einen Verbindungsabschnitt (16), der den ersten Endabschnitt (12) mit dem zweiten Endabschnitt (14) elastisch verbindet; einen Erfassungsteil (18), der eine relative Verschiebung zwischen dem ersten Endabschnitt (12) und dem zweiten Endabschnitt (14) einhergehend mit einer elastischen Verformung des Verbindungsabschnitts (16) erfasst und basierend auf der relativen Verschiebung einen Erfassungswert (D) ausgibt, der zum Erfassen einer ersten Kraftkomponente in einer Richtung einer ersten Achse, einer zweiten Kraftkomponente in einer Richtung einer zur ersten Achse orthogonalen zweiten Achse und einer Momentkomponente um eine dritte Achse, die zu sowohl der ersten Achse als auch der zweiten Achse orthogonal ist, einer Kraft verwendet wird, die auf den ersten Endabschnitt (12) oder den zweiten Endabschnitt (14) ausgeübt wird; wobei der Erfassungsteil (18) umfasst: einen ersten differenziell erfassenden Teilabschnitt (20), der auf differenzielle Weise eine Relativbewegung zwischen dem ersten Endabschnitt (12) und dem zweiten Endabschnitt (14) entlang der ersten Achse als erste Bewegungsdaten (d1) erfasst, indem Signale verwendet werden, die in der Phase zueinander umkehrt sind; einen zweiten differenziell erfassenden Teilabschnitt (22), der auf differenzielle Weise eine Relativbewegung zwischen dem ersten Endabschnitt (12) und dem zweiten Endabschnitt (14) entlang der zweiten Achse als zweite Bewegungsdaten (d2) erfasst, indem Signale verwendet werden, die in der Phase zueinander umgekehrt sind; und einen dritten differenziell erfassenden Teilabschnitt (24), der auf differenzielle Weise eine Relativdrehung zwischen dem ersten Endabschnitt (12) und dem zweiten Endabschnitt (14) um eine Mittelachse entlang der dritten Achse als Drehungsdaten (d3) erfasst, indem Signale verwendet werden, die in der Phase zueinander umgekehrt sind, so dass der Erfassungsteil (18) den Erfassungswert (D) basierend auf den ersten Bewegungsdaten (d1), den zweiten Bewegungsdaten (d2) und den Drehungsdaten (d3) ausgibt.
Krafterfassungsstruktur (10; 60; 70) nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Berechnungsteil (80), der die erste Kraftkomponente, die zweite Kraftkomponente und die Momentenkomponente unter Verwendung des Erfassungswertes (D) berechnet.
Krafterfassungsstruktur (10; 60; 70) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste differenziell erfassende Teilabschnitt (20) eine Mehrzahl von ersten Flächen (26), die in dem ersten Endabschnitt (12) vorgesehen sind, und eine Mehrzahl von zweiten Flächen (28), die in dem zweiten Endabschnitt (14) vorgesehen sind und jeweils den ersten Flächen (26) gegenüberliegen, umfasst, und als die ersten Bewegungsdaten (d1) Änderungen erfasst, die entgegengesetzt in der Phase in einer Mehrzahl von ersten Spalten (30) zwischen den ersten Flächen (26) und den zweiten Flächen (26) auftreten.
Krafterfassungsstruktur (10; 60; 70) nach Anspruch 3, wobei der erste differenziell erfassende Teilabschnitt (20) die Änderungen in den ersten Spalten (30) unter Verwendung von Kapazität, Wirbelstrom, magnetischer Permeanz oder Lichtmenge erfasst.
Krafterfassungsstruktur (10; 60; 70) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der zweite differenziell erfassende Teilabschnitt (22) eine Mehrzahl von dritten Flächen (32), die in dem ersten Endabschnitt (12) vorgesehen sind, und eine Mehrzahl von vierten Flächen (34), die in dem zweiten Endabschnitt (14) vorgesehen sind und jeweils den dritten Flächen (32) gegenüberliegen, umfasst, und als die zweiten Bewegungsdaten (d2) Änderungen erfasst, die entgegengesetzt in der Phase in einer Mehrzahl von zweiten Spalten (36) zwischen den dritten Flächen (32) und den vierten Flächen (34) auftreten.
Krafterfassungsstruktur (10; 60; 70) nach Anspruch 5, wobei der zweite differenziell erfassende Teilabschnitt (22) die Änderungen in den zweiten Spalten (36) unter Verwendung von Kapazität, Wirbelstrom, magnetischer Permeanz oder Lichtmenge erfasst.
Krafterfassungsstruktur (10; 60; 70) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der dritte differenziell erfassende Teilabschnitt (24) eine erste Fläche (26) und eine dritte Fläche (32), die in dem ersten Endabschnitt (12) vorgesehen sind, eine der ersten Fläche (26) gegenüberliegende zweite Fläche (28) und eine der dritten Fläche (32) gegenüberliegende vierte Fläche (34) umfasst, wobei die zweite und vierte Fläche in dem zweiten Endabschnitt (14) vorgesehen sind, und als Drehungsdaten (d3) Änderungen erfasst, die entgegengesetzt in der Phase in einem ersten Spalt (30) zwischen der ersten Fläche (26) und der zweiten Fläche (28) und einem zweiten Spalt (36) zwischen der dritten Fläche (32) und der vierten Fläche (34) auftreten.
Krafterfassungsstruktur (10; 60; 70) nach Anspruch 7, wobei der dritte differenziell erfassende Teilabschnitt (24) die Änderung des ersten Spaltes (30) und die Änderung des zweiten Spaltes (36) unter Verwendung von Kapazität, Wirbelstrom, magnetischer Permeanz oder Lichtmenge erfasst.
Krafterfassungsstruktur (10; 60; 70) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Verbindungsabschnitt (16) eine Mehrzahl von elastischen Säulen (38; 62; 72) umfasst, die sich in einer Richtung entlang der dritten Achse zwischen dem ersten Endabschnitt (12) und dem zweiten Endabschnitt (14) erstrecken; und wobei jede der elastischen Säulen (38; 62; 72) sich aufgrund der darauf ausgeübten Kraft elastisch so verformt, dass die Relativbewegung oder die Relativdrehung zwischen dem ersten Endabschnitt (12) und dem zweiten Endabschnitt (14) verursacht wird.
Kraftsensor (90), umfassend die Krafterfassungsstruktur (10; 60; 70) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.