JP2010008343A - Force sensor and process for assembling the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a structure in which no failures occur in a diaphragm section even when excessive force is applied. <P>SOLUTION: A conductive diaphragm section 210 supported by a pedestal 220 therearound is provided, and electrodes E11 to E15 are provided on an upper surface of a base section 410 disposed below the diaphragm section 210. Above an upper surface of the diaphragm section, a board-like force receptor 110 is connected via a columnar connection section 120. Because the diaphragm section 210 bends when external force is applied to the board-like force receptor 110, the external force is detected according to values of capacitance with respect to the electrodes E11 to E15. The board-like force receptor 110 includes lower hole sections H11 and H12 and upper hole sections H21 and H22 in each of which pillar members 31 and 32 and stopper members 41 and 42 are disposed. Each of the pillar members 31 and 32 has its lower end attached to the pedestal 220. Displacement of the board-like force receptor 110 is restricted by the upper surface of the pedestal 220 and the stopper members 41 and 42. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、力覚センサに関し、特に、検出対象となる外力に基づいてダイアフラム部に撓みを生じさせ、その変形状態を電気的に検出するタイプの力覚センサに関する。   The present invention relates to a force sensor, and more particularly to a force sensor of a type that causes a diaphragm portion to bend based on an external force to be detected and electrically detects the deformation state.

可撓性をもった薄板からなるダイアフラム部に外力を作用させ、このダイアフラム部の変形状態を電気的に検出することにより、作用した外力の大きさや向きを検出するタイプの力覚センサが実用化されている。このタイプのセンサは、比較的構造が単純であり、製造コストを低く抑えることができるため、量産型の製品として様々な産業分野で利用されている。また、加速度に基づく力を外力として検出するようにすれば、加速度センサへの応用が可能になり、コリオリ力を外力として検出するようにすれば、角速度センサへの応用も可能になる。   Practical use of a force sensor that detects the magnitude and direction of the applied external force by applying an external force to the flexible diaphragm and electrically detecting the deformation state of the diaphragm. Has been. This type of sensor has a relatively simple structure and can be manufactured at a low cost. Therefore, it is used as a mass-produced product in various industrial fields. Further, if a force based on acceleration is detected as an external force, it can be applied to an acceleration sensor, and if a Coriolis force is detected as an external force, it can be applied to an angular velocity sensor.

ダイアフラム部の変形状態を電気的に検出する方法としては、静電容量素子を利用する方法、ピエゾ抵抗素子を利用する方法、圧電素子を利用する方法などが提案されている。これら各素子を複数箇所に配置し、ダイアフラム部の個々の位置の変位を電気信号として検出することにより、XYZ三次元直交座標系において、作用した外力の各座標軸方向成分の大きさをそれぞれ独立して検出することが可能になる。   As a method for electrically detecting the deformation state of the diaphragm portion, a method using a capacitive element, a method using a piezoresistive element, a method using a piezoelectric element, and the like have been proposed. By arranging each of these elements at a plurality of locations and detecting the displacement of each position of the diaphragm portion as an electrical signal, the magnitude of each coordinate axis direction component of the applied external force in the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system is independent. Can be detected.

たとえば、下記の特許文献1,2には、ダイアフラム部の各部の変位を静電容量素子を利用して検出することにより、各座標軸方向に作用した力をそれぞれ独立して検出することが可能な多次元力センサが開示されている。また、特許文献3,4には、ダイアフラム部の個々の位置に設けられたピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化に基づいて、各座標軸方向の力を検出する多次元力センサが開示されており、特許文献5,6には、圧電素子に生じる電荷に基づいて、ダイアフラム部の各部の変位を検出し、外力として作用した加速度に基づく力やコリオリ力を検出することにより、各座標軸方向の加速度や各座標軸まわりの角速度の検出を行う多軸センサが開示されている。   For example, in Patent Documents 1 and 2 below, it is possible to independently detect forces acting in the coordinate axis directions by detecting displacement of each part of the diaphragm part using a capacitance element. A multidimensional force sensor is disclosed. Patent Documents 3 and 4 disclose multidimensional force sensors that detect forces in the directions of the respective coordinate axes based on changes in electrical resistance of piezoresistive elements provided at individual positions of the diaphragm portion. In Patent Documents 5 and 6, the displacement of each part of the diaphragm portion is detected based on the electric charge generated in the piezoelectric element, and the force based on the acceleration acting as an external force or the Coriolis force is detected, so that A multi-axis sensor that detects angular velocity around each coordinate axis is disclosed.

更に、下記の特許文献7,8には、複数のダイアフラム部に生じる撓みをそれぞれ別個独立して検出することにより、XYZ軸方向に作用した力とともに、XYZ軸まわりに作用したモーメントを検出することが可能な6軸センサが開示されている。
特開平4−148833号公報 特開2001−165790号公報 特開平6−174571号公報 特開2004−69405号公報 特開平8−226931号公報 特開2002−71705号公報 特開2004−325367号公報 特開2004−354049号公報
Further, in Patent Documents 7 and 8 below, by detecting the bending generated in a plurality of diaphragm portions separately and independently, the moment acting around the XYZ axis is detected together with the force acting in the XYZ axis direction. A six-axis sensor capable of the above is disclosed.
JP-A-4-148833 JP 2001-165790 A JP-A-6-174571 JP 2004-69405 A JP-A-8-226931 JP 2002-71705 A JP 2004-325367 A JP 2004-354049 A

上述したタイプの力覚センサでは、力の検出感度を高めるためには、ダイアフラム部の肉厚を薄くしたり、撓みやすい材質で構成したりして、その可撓性を高める必要がある。逆に、堅牢性を高めるためには、ダイアフラム部の肉厚を厚くしたり、撓みにくい材質で構成したりして、その可撓性を低減する必要がある。このため、力覚センサを設計する際には、その用途に応じた力の測定レンジに合致したダイアフラム部を組み込むことになる。   In the force sensor of the type described above, in order to increase the force detection sensitivity, it is necessary to reduce the thickness of the diaphragm portion or to make it flexible and to increase its flexibility. On the other hand, in order to increase the robustness, it is necessary to reduce the flexibility by increasing the thickness of the diaphragm portion or by using a material that is difficult to bend. For this reason, when designing a force sensor, a diaphragm unit matching the force measurement range according to the application is incorporated.

ところが、用途に応じた所定の測定レンジに対応した力覚センサを設計したとしても、実用上は、必ずしも当該測定レンジ内の外力が常に作用するとは限らず、何らかの事情で、過度な外力が加わってしまう事態も避けられない。このように、力覚センサに、その測定レンジをはるかに超えるような過大な外力が作用すると、ダイアフラム部にその弾性変形の限界を超えた過大な撓みが生じることになり、外力を取り去った後もダイアフラム部の形が元に復帰しなかったり、ダイアフラム部に破損が生じたりする弊害が生じる。特に、わずかな外力に対しても撓みを生じるような繊細なダイアフラム部を組み込んだ高感度の力覚センサの場合、過度の外力が作用するとダイアフラム部が破損してしまう可能性が高い。このため、実用上は、検出感度と堅牢性とのバランスを考慮した製品設計を行わざるを得ず、また、検出感度を重視した製品については、その取り扱いに十分注意する必要があった。   However, even if a force sensor corresponding to a predetermined measurement range according to the application is designed, in practice, an external force within the measurement range does not always act, and an excessive external force is applied for some reason. It is inevitable that the situation will end up. Thus, if an excessive external force that far exceeds the measurement range acts on the force sensor, excessive deflection exceeding the elastic deformation limit will occur in the diaphragm, and after the external force is removed However, there is a problem that the shape of the diaphragm portion does not return to its original shape, or the diaphragm portion is damaged. In particular, in the case of a high-sensitivity force sensor incorporating a delicate diaphragm portion that causes bending even with a slight external force, the diaphragm portion is likely to be damaged when an excessive external force is applied. For this reason, in practical use, it is necessary to design a product in consideration of the balance between detection sensitivity and robustness, and it is necessary to pay sufficient attention to the handling of products that place importance on detection sensitivity.

そこで本発明は、過度な外力が作用しても、ダイアフラム部に障害が生じない構造を有する力覚センサを提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a force sensor having a structure that does not cause a failure in a diaphragm portion even when an excessive external force is applied.

(1) 本発明の第1の態様は、可撓性をもった薄板からなるダイアフラム部と、ダイアフラム部の周囲を支持する台座と、ダイアフラム部の上方に配置された盤状受力体と、ダイアフラム部と盤状受力体とを接続する柱状接続部と、ダイアフラム部の変形状態を電気的に検出することにより、台座を固定した状態において盤状受力体に作用した力を検出する検出部と、を備える力覚センサにおいて、
ダイアフラム部の上面および台座の上面が第1の基準平面を形成し、盤状受力体の下面が第1の基準平面に対向する第2の基準平面を形成し、盤状受力体に力が作用していない状態において、第1の基準平面と第2の基準平面とが、所定の間隙をおいて平行な状態に維持されるように構成し、
台座上面の所定箇所に、第1の基準平面に対して垂直上方に伸びる支柱部材の下端が固定され、第2の基準平面に対して平行な第3の基準平面によって盤状受力体を上層部分と下層部分とに仕切ったときに、支柱部材は、その上端が上層部分に達する長さを有するようにし、
盤状受力体の下層部分における支柱部材が伸びてくる位置に、支柱部材の外径よりも大きな内径をもつ下層孔部が形成され、盤状受力体の上層部分の下層孔部の上方に隣接した位置に、下層孔部の内径よりも大きな内径をもつ上層孔部が形成され、支柱部材は、下層孔部を挿通し、その上端が第3の基準平面より所定の空隙寸法だけ上方に位置し、
上層孔部内には、下層孔部の内径よりも大きく、上層孔部の内径よりも小さい外径をもち、支柱部材の上端に固定されたストッパ部材が配置されているようにしたものである。
(1) According to a first aspect of the present invention, there is provided a diaphragm portion made of a thin plate having flexibility, a pedestal that supports the periphery of the diaphragm portion, a disk-shaped force receiving body disposed above the diaphragm portion, A columnar connecting part that connects the diaphragm part and the disk-shaped power receiver, and a detection that detects the force acting on the disk-shaped power receiver in a state where the base is fixed by electrically detecting the deformation state of the diaphragm part. A force sensor comprising:
The upper surface of the diaphragm part and the upper surface of the pedestal form a first reference plane, and the lower surface of the disk-shaped force receiving member forms a second reference plane opposite to the first reference plane. In a state in which is not acting, the first reference plane and the second reference plane are configured to be maintained in a parallel state with a predetermined gap,
A lower end of a column member extending vertically upward with respect to the first reference plane is fixed at a predetermined position on the upper surface of the pedestal, and the disc-shaped force receiving body is placed on the upper layer by a third reference plane parallel to the second reference plane. When partitioning into a part and a lower layer part, the strut member has a length so that the upper end reaches the upper layer part,
A lower layer hole having an inner diameter larger than the outer diameter of the column member is formed at a position where the column member extends in the lower layer portion of the plate-shaped force receiving member, and above the lower layer hole portion of the upper layer portion of the disk-shaped force receiving member. An upper layer hole portion having an inner diameter larger than the inner diameter of the lower layer hole portion is formed at a position adjacent to, and the support member is inserted through the lower layer hole portion, and its upper end is above the third reference plane by a predetermined gap dimension. Located in
In the upper layer hole, a stopper member having an outer diameter larger than the inner diameter of the lower layer hole and smaller than the inner diameter of the upper layer hole and fixed to the upper end of the support member is arranged.

(2) 本発明の第2の態様は、上述の第1の態様に係る力覚センサにおいて、
下面の中央部分をくり貫くことにより空洞部が形成された1枚の基板を用意し、この基板の空洞部の上方に残った肉薄部分によりダイアフラム部を構成し、空洞部を取り囲む周囲部分により台座を構成し、基板の上面を第1の基準平面とするようにしたものである。
(2) According to a second aspect of the present invention, in the force sensor according to the first aspect described above,
Prepare a single substrate with a cavity formed by hollowing out the central portion of the lower surface, and form a diaphragm portion with a thin portion remaining above the cavity portion of this substrate, and a pedestal with a peripheral portion surrounding the cavity portion In which the upper surface of the substrate is the first reference plane.

(3) 本発明の第3の態様は、上述の第1または第2の態様に係る力覚センサにおいて、
盤状受力体と柱状接続部とが同一材料の一体構造体からなり、盤状受力体の下面から連なる下方への突出部により、柱状接続部が構成されているようにしたものである。
(3) According to a third aspect of the present invention, in the force sensor according to the first or second aspect described above,
The disk-shaped force receiving body and the columnar connection portion are made of an integral structure made of the same material, and the columnar connection portion is configured by a downward projecting portion continuous from the lower surface of the disk-shaped force receiving body. .

(4) 本発明の第4の態様は、上述の第1〜第3の態様に係る力覚センサにおいて、
導電性を有するダイアフラム部の下方に所定間隔をおいて、ダイアフラム部に対向するように配置された複数の電極と、これら電極を支持固定する土台部と、ダイアフラム部と複数の電極のそれぞれとの間の静電容量を電気的に検出する検出回路と、によって検出部を構成したものである。
(4) According to a fourth aspect of the present invention, in the force sensor according to the first to third aspects described above,
A plurality of electrodes arranged to face the diaphragm portion at a predetermined interval below the conductive diaphragm portion, a base portion for supporting and fixing these electrodes, and each of the diaphragm portion and the plurality of electrodes And a detection circuit configured to electrically detect a capacitance between them.

(5) 本発明の第5の態様は、上述の第1〜第4の態様に係る力覚センサにおいて、
下層孔部が内径φ10をもった円柱状の空洞からなり、上層孔部が内径φ20をもった円柱状の空洞からなり、支柱部材が外径φ30をもった円柱状の部材からなり、ストッパ部材が外径φ40をもった円柱状の部材からなり、
盤状受力体に力が作用していない状態において、下層孔部、上層孔部、支柱部材、ストッパ部材を構成する各円柱の中心軸が一致するような同心配置がなされ、φ30<φ10<φ40<φ20に設定されているようにしたものである。
(5) According to a fifth aspect of the present invention, in the force sensor according to the first to fourth aspects described above,
The lower layer hole is made of a cylindrical cavity having an inner diameter φ10, the upper layer hole is made of a columnar cavity having an inner diameter φ20, and the column member is made of a columnar member having an outer diameter φ30, and a stopper member Consists of a cylindrical member having an outer diameter of φ40,
In a state where no force is applied to the disk-shaped force receiving member, the concentric arrangement is made such that the central axes of the respective cylinders constituting the lower layer hole portion, the upper layer hole portion, the column member, and the stopper member coincide with each other, and φ30 <φ10 < In this case, φ40 <φ20 is set.

(6) 本発明の第6の態様は、上述の第1〜第5の態様に係る力覚センサにおいて、
ダイアフラム部の上面中心位置と盤状受力体の下面中心位置とが、1本の柱状接続部によって接続されているようにしたものである。
(6) According to a sixth aspect of the present invention, in the force sensor according to the first to fifth aspects described above,
The upper surface center position of the diaphragm part and the lower surface center position of the disk-shaped force receiving body are connected by a single columnar connection part.

(7) 本発明の第7の態様は、上述の第1〜第6の態様に係る力覚センサにおいて、
第1の基準平面上に、ダイアフラム部の上面の中心点で直交する2本の配置軸と、この中心点を中心とする半径rの円と、を定義したときに、定義した円と2本の配置軸とが交差する4つの交点位置に4本の支柱部材が配置されており、各支柱部材の上端にそれぞれストッパ部材が固定されており、
盤状受力体には、4本の支柱部材を挿通するのに適した4箇所に、それぞれ下層孔部および上層孔部が設けられているようにしたものである。
(7) According to a seventh aspect of the present invention, in the force sensor according to the first to sixth aspects described above,
When two arrangement axes that are orthogonal to each other at the center point of the upper surface of the diaphragm portion and a circle with a radius r centered on the center point are defined on the first reference plane, the defined circle and two Four strut members are arranged at four intersection positions where the arrangement axis intersects, and a stopper member is fixed to the upper end of each strut member,
The disc-shaped force receiving member is provided with a lower layer hole and an upper layer hole at four locations suitable for inserting four support members, respectively.

(8) 本発明の第8の態様は、上述の第1〜第7の態様に係る力覚センサにおいて、
盤状受力体に力が作用していない状態において、下層孔部の全部分が台座の上方に位置するように、下層孔部を配置したものである。
(8) The eighth aspect of the present invention is the force sensor according to the first to seventh aspects described above,
In the state where no force is applied to the disk-shaped force receiving body, the lower layer hole is disposed so that the entire lower layer hole is positioned above the pedestal.

(9) 本発明の第9の態様は、上述の第1〜第8の態様に係る力覚センサにおいて、
上層孔部を形成する壁面のうちのストッパ部材の表面に対向する部分、ストッパ部材の表面のうちの上層孔部を形成する壁面に対向する部分、下層孔部を形成する壁面のうちの支柱部材の表面に対向する部分、支柱部材の表面のうちの下層孔部を形成する壁面に対向する部分、の中の少なくとも1箇所に、対向面にまでは達しない高さを有し、所定の圧力が加わると塑性変形する材料からなる突起部を設けるようにしたものである。
(9) According to a ninth aspect of the present invention, in the force sensor according to the first to eighth aspects described above,
The portion of the wall surface that forms the upper layer hole portion that faces the surface of the stopper member, the portion of the surface of the stopper member that faces the wall surface that forms the upper layer hole portion, and the column member of the wall surface that forms the lower layer hole portion At least one of a portion facing the surface of the support member and a portion facing the wall surface forming the lower layer hole portion of the surface of the support member, and has a height that does not reach the facing surface, and a predetermined pressure Protrusions made of a material that is plastically deformed when the is applied are provided.

(10) 本発明の第10の態様は、上述の第1〜第8の態様に係る力覚センサにおいて、
上層孔部を形成する壁面のうちのストッパ部材の表面に対向する部分、ストッパ部材の表面のうちの上層孔部を形成する壁面に対向する部分、下層孔部を形成する壁面のうちの支柱部材の表面に対向する部分、支柱部材の表面のうちの下層孔部を形成する壁面に対向する部分、の中の少なくとも1箇所に、対向面にまでは達しない厚みを有し、所定の圧力が加わると光学的特性が変化し、圧力が除去された後も変化後の光学的特性を維持する性質をもつ材料からなるフィルム層を設けるようにしたものである。
(10) According to a tenth aspect of the present invention, in the force sensor according to the first to eighth aspects described above,
The portion of the wall surface that forms the upper layer hole portion that faces the surface of the stopper member, the portion of the surface of the stopper member that faces the wall surface that forms the upper layer hole portion, and the column member of the wall surface that forms the lower layer hole portion At least one of the portion facing the surface of the column member and the portion facing the wall surface forming the lower layer hole portion of the surface of the support member has a thickness that does not reach the facing surface, and a predetermined pressure is applied. When applied, the optical characteristics change, and a film layer made of a material having the property of maintaining the optical characteristics after the change is provided even after the pressure is removed.

(11) 本発明の第11の態様は、上述の第1〜第10の態様に係る力覚センサにおいて、
支柱部材およびストッパ部材が、一体構造をなす係止ピンによって構成され、
係止ピンの中心軸には軸芯孔が形成され、台座上面の支柱部材を固定する位置には雌ネジ孔が形成され、
係止ピンが、雄ネジが形成されたボルトを軸芯孔に挿通させて螺合させることにより、台座に締めつけ固定されているようにしたものである。
(11) The eleventh aspect of the present invention is the force sensor according to the first to tenth aspects described above,
The strut member and the stopper member are constituted by a locking pin that forms an integral structure,
A shaft hole is formed in the central axis of the locking pin, and a female screw hole is formed at a position for fixing the column member on the upper surface of the base.
The locking pin is fastened and fixed to the pedestal by inserting and screwing a bolt with a male screw formed into the shaft hole.

(12) 本発明の第12の態様は、上述の第11の態様に係る力覚センサの組立方法において、
内径が係止ピンのストッパ部材の外径に一致し、外径が上層孔部の内径に一致する円筒状治具を用意し、
円筒状治具を上層孔部に嵌合させ、係止ピンを円筒状治具の内部に嵌合させた状態で、ボルトによって係止ピンを台座に対して締めつけ固定し、
その後、円筒状治具を脱離させることにより係止ピンの取り付けを行うようにしたものである。
(12) A twelfth aspect of the present invention is the force sensor assembly method according to the eleventh aspect described above,
Prepare a cylindrical jig whose inner diameter matches the outer diameter of the stopper member of the locking pin and whose outer diameter matches the inner diameter of the upper layer hole,
In a state where the cylindrical jig is fitted into the upper layer hole and the locking pin is fitted inside the cylindrical jig, the locking pin is fastened and fixed to the pedestal with a bolt,
Thereafter, the locking pin is attached by removing the cylindrical jig.

本発明に係る力覚センサによれば、盤状受力体の変位が、台座上面、支柱部材およびストッパ部材によって所定範囲内に制限されるため、過度な外力が作用しても、盤状受力体の変位が安全な許容範囲内に抑えられる。したがって、過度な外力が作用しても、ダイアフラム部に障害が生じない構造を実現できる。また、本発明に係る力覚センサの組立方法によれば、ストッパ部材を台座上に固定する際に、円筒状治具による正確な位置合わせが行われるため、盤状受力体の変位の許容範囲寸法を正確に設定することができる。   According to the force sensor of the present invention, the displacement of the disk-shaped force receiving body is limited within a predetermined range by the upper surface of the pedestal, the column member, and the stopper member. The displacement of the force body is kept within a safe tolerance. Therefore, even if an excessive external force is applied, a structure in which no failure occurs in the diaphragm portion can be realized. Further, according to the method for assembling the force sensor according to the present invention, when the stopper member is fixed on the pedestal, accurate positioning is performed by the cylindrical jig. The range dimension can be set accurately.

以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。   Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiments.

<<< §1.基本的実施形態の構造 >>>
図1は、本発明の基本的実施形態に係る力覚センサの側断面図であり、図2は、この力覚センサの上面図である。ここでは、説明の便宜上、盤状受力体110の重心位置に原点Oを定義し、図示のような各方向にX軸,Y軸,Z軸をもったXYZ三次元直交座標系を定義して以下の説明を行うことにする。図1は、図2に示す力覚センサをXZ平面に沿って切断した状態を示す側断面図であり、Y軸は紙面に対して垂直方向を向いていることになる。
<<< §1. Structure of basic embodiment >>
FIG. 1 is a side sectional view of a force sensor according to a basic embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a top view of the force sensor. Here, for convenience of explanation, an origin O is defined at the center of gravity of the plate-shaped force receiving body 110, and an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system having an X axis, a Y axis, and a Z axis in each direction as illustrated is defined. The following explanation will be given. FIG. 1 is a side sectional view showing a state in which the force sensor shown in FIG. 2 is cut along the XZ plane, and the Y-axis is oriented in a direction perpendicular to the paper surface.

図3は、図1に示す力覚センサを各部品に分解した状態を示す側断面図である。ここでは、まず、この図3を参照しながら、個々の部品の構造を説明する。図示のとおり、この力覚センサの基本構成要素は、第1の基板100、第2の基板200、第3の基板300、検出部400である。ここで、第1の基板100、第2の基板200、第3の基板300は、同一の径をもった円盤状の構成要素であり、検出部400は、これらよりも径が小さい円盤状の構成要素である。   FIG. 3 is a side sectional view showing a state where the force sensor shown in FIG. 1 is disassembled into parts. Here, first, the structure of each part will be described with reference to FIG. As illustrated, the basic components of the force sensor are a first substrate 100, a second substrate 200, a third substrate 300, and a detection unit 400. Here, the first substrate 100, the second substrate 200, and the third substrate 300 are disk-shaped components having the same diameter, and the detection unit 400 is a disk-shaped component having a smaller diameter. It is a component.

第1の基板100は、盤状受力体110と柱状接続部120とによって構成されている。盤状受力体110は、全体形状が円盤状をなす構成要素であり、後述するように、その4箇所に円柱状の孔部が形成されている。この孔部の径は、盤状受力体110の下層部分10と上層部分20とでは異なっている。たとえば、図3に示す側断面図において、下層孔部H11,H12の径φ10は、上層孔部H21,H22の径φ20よりも小さく設定されており、下層部分10と上層部分20との境界において段差が形成されている。   The first substrate 100 is constituted by a plate-shaped force receiving body 110 and a columnar connecting portion 120. The disk-shaped force receiving body 110 is a component having a disk shape as a whole, and columnar holes are formed at four locations as will be described later. The diameter of the hole is different between the lower layer portion 10 and the upper layer portion 20 of the disk-shaped force receiving body 110. For example, in the side cross-sectional view shown in FIG. 3, the diameter φ10 of the lower layer holes H11 and H12 is set smaller than the diameter φ20 of the upper layer holes H21 and H22, and at the boundary between the lower layer part 10 and the upper layer part 20 A step is formed.

柱状接続部120は、盤状受力体110の下面中央部に接合された高さL1をもった円柱状の部材であり、その中心軸はZ軸上に位置する。ここに示す例の場合、盤状受力体110と柱状接続部120とは、同一材料の一体構造体からなり、盤状受力体110の下面から連なる下方への突出部により、柱状接続部120が構成されている。   The columnar connecting portion 120 is a columnar member having a height L1 joined to the lower surface central portion of the disc-shaped force receiving member 110, and the central axis thereof is located on the Z axis. In the case of the example shown here, the disk-shaped force receiving body 110 and the columnar connection part 120 are made of an integral structure of the same material, and the columnar connection part is formed by a downward projecting portion continuous from the lower surface of the disk-shaped force receiving body 110. 120 is configured.

図4は、第1の基板100の上面図である。図に破線で示すように、柱状接続部120は、盤状受力体110の下面中心に位置する。また、図示のとおり、X軸の正の部分に下層孔部H11および上層孔部H21が形成され、X軸の負の部分に下層孔部H12および上層孔部H22が形成され、Y軸の正の部分に下層孔部H13および上層孔部H23が形成され、Y軸の負の部分に下層孔部H14および上層孔部H24が形成されている。4つの下層孔部H11〜H14はいずれも同一サイズの円柱状の空洞を構成する。同様に、4つの上層孔部H21〜H24はいずれも同一サイズの円柱状の空洞を構成する。   FIG. 4 is a top view of the first substrate 100. As shown by a broken line in the figure, the columnar connecting portion 120 is located at the center of the lower surface of the disk-shaped force receiving body 110. Further, as shown in the figure, the lower layer hole H11 and the upper layer hole H21 are formed in the positive part of the X axis, the lower layer hole H12 and the upper layer hole H22 are formed in the negative part of the X axis, and the positive part of the Y axis is formed. The lower layer hole portion H13 and the upper layer hole portion H23 are formed in this portion, and the lower layer hole portion H14 and the upper layer hole portion H24 are formed in the negative portion of the Y axis. All of the four lower layer holes H11 to H14 constitute a cylindrical cavity of the same size. Similarly, all of the four upper layer holes H21 to H24 form a cylindrical cavity of the same size.

一方、図3に示す第2の基板200は、1枚の円盤状の基板の下面の中央部分を、径φHをもった円柱状にくり貫くことにより構成される。図3に示すとおり、第2の基板200の下面側には、径φHをもった円柱状の空洞部Hが形成される。この空洞部Hの上方に残った肉薄部分によりダイアフラム部210が構成され、その周囲の肉厚部分(空洞部Hを取り囲む周囲部分)により台座220が構成される。図5は、この第2の基板200の下面図であり、薄い円板からなるダイアフラム部210の周囲を円環状の台座220が支持している状態が明瞭に示されている。   On the other hand, the second substrate 200 shown in FIG. 3 is configured by punching a central portion of the lower surface of one disk-shaped substrate into a cylindrical shape having a diameter φH. As shown in FIG. 3, a cylindrical hollow portion H having a diameter φH is formed on the lower surface side of the second substrate 200. The thin portion remaining above the hollow portion H constitutes the diaphragm portion 210, and the peripheral thick portion (the peripheral portion surrounding the hollow portion H) constitutes the base 220. FIG. 5 is a bottom view of the second substrate 200, and clearly shows a state where an annular pedestal 220 supports the periphery of a diaphragm portion 210 made of a thin disc.

ダイアフラム部210は、可撓性をもった薄板となり、この力覚センサの検出感度は、このダイアフラム部210の可撓性の程度に依存することになる。通常、ダイアフラム部210の厚みを薄くすればするほど、可撓性は高まり、検出感度は向上するが、逆に、堅牢性は低下し、破損しやすくなる。   The diaphragm unit 210 is a flexible thin plate, and the detection sensitivity of the force sensor depends on the degree of flexibility of the diaphragm unit 210. Usually, as the thickness of the diaphragm portion 210 is reduced, the flexibility is increased and the detection sensitivity is improved, but conversely, the robustness is lowered and is easily damaged.

図3に示すとおり、ダイアフラム部210の上面と台座220の上面とは、同一の平面(第2の基板200の上面)を形成する。ここでは、説明の便宜上、この第2の基板200の上面を第1の基準平面S1と呼ぶことにする。同様に、盤状受力体110の下面を第2の基準平面S2と呼び、盤状受力体110の下層部分10と上層部分20との境界面を第3の基準平面S3と呼ぶことにする。盤状受力体110に力が作用していない状態においては、第1の基準平面S1と第2の基準平面S2とは平行な状態になる。これに対して、第2の基準平面S2と第3の基準平面S3とは常に平行である。   As shown in FIG. 3, the upper surface of the diaphragm part 210 and the upper surface of the pedestal 220 form the same plane (the upper surface of the second substrate 200). Here, for convenience of explanation, the upper surface of the second substrate 200 is referred to as a first reference plane S1. Similarly, the lower surface of the disc-shaped force receiving member 110 is referred to as a second reference plane S2, and the boundary surface between the lower layer portion 10 and the upper layer portion 20 of the disc-shaped force receiving member 110 is referred to as a third reference plane S3. To do. In a state where no force is applied to the disk-shaped force receiving body 110, the first reference plane S1 and the second reference plane S2 are in a parallel state. On the other hand, the second reference plane S2 and the third reference plane S3 are always parallel.

第3の基板300は、台座220や検出部400を固定するための支持基板として機能するものであり、ここに示す例の場合、単なる円盤である。実用上は、この力覚センサを利用する装置の筐体の一部などをそのまま第3の基板300として利用することができる。   The third substrate 300 functions as a support substrate for fixing the pedestal 220 and the detection unit 400. In the example shown here, the third substrate 300 is a simple disk. Practically, a part of the housing of the device using this force sensor can be used as it is as the third substrate 300.

検出部400は、ダイアフラム部210の変形状態を電気的に検出する機能をもった構成要素であり、台座220を固定した状態において、盤状受力体110に作用した力を検出する働きをする。ここに示す実施形態の場合、検出部400は、円柱状の土台部410と、その上面に形成された5枚の電極E11〜E15と、図示されていない検出回路と、によって構成されている。   The detection unit 400 is a component having a function of electrically detecting the deformation state of the diaphragm unit 210, and functions to detect a force acting on the disk-shaped force receiving body 110 in a state where the base 220 is fixed. . In the case of the embodiment shown here, the detection unit 400 is configured by a columnar base 410, five electrodes E11 to E15 formed on the upper surface thereof, and a detection circuit (not shown).

図6は、第3の基板300の上に検出部400を取り付けた状態を示す上面図である。図示のとおり、円盤からなる第3の基板300上に、円柱状の土台部410が載置され、その上面に5枚の電極E11〜E15が配置されている。土台部410は、第2の基板200に設けられた空洞部Hに収容可能な大きさの円柱状構造体であり、電極E11〜E15が相互に短絡することのないように、絶縁材料から構成されている。   FIG. 6 is a top view showing a state in which the detection unit 400 is attached on the third substrate 300. As shown in the figure, a cylindrical base 410 is placed on a third substrate 300 made of a disk, and five electrodes E11 to E15 are arranged on the upper surface thereof. The base 410 is a cylindrical structure having a size that can be accommodated in the cavity H provided in the second substrate 200, and is made of an insulating material so that the electrodes E11 to E15 are not short-circuited to each other. Has been.

5枚の電極E11〜E15は、ダイアフラム部210に対向する位置に配置された導電性材料からなる層である。一方、ここに示す実施形態の場合、ダイアフラム部210も、導電性材料から構成されており、5枚の電極E11〜E15とこれに対向するダイアフラム部210の各部分とによって、合計5組の容量素子C11〜C15が形成されることになる。§3で述べるとおり、この5組の容量素子C11〜C15の静電容量値を図示されていない検出回路によって測定すれば、ダイアフラム部210の変形状態を把握することができ、盤状受力体110に作用した外力の向きや大きさを検出することが可能になる。   The five electrodes E <b> 11 to E <b> 15 are layers made of a conductive material disposed at a position facing the diaphragm portion 210. On the other hand, in the case of the embodiment shown here, the diaphragm portion 210 is also made of a conductive material, and a total of five sets of capacities are formed by the five electrodes E11 to E15 and the portions of the diaphragm portion 210 facing the electrodes. Elements C11 to C15 are formed. As described in §3, if the capacitance values of the five capacitive elements C11 to C15 are measured by a detection circuit (not shown), the deformation state of the diaphragm section 210 can be grasped, and the disk-shaped power receiving body The direction and magnitude of the external force acting on 110 can be detected.

本発明に係る力覚センサでは、更に、図3の上方に示す支柱部材31,32およびストッパ部材41,42が重要な役割を果たす。支柱部材31,32は、径φ30をもった円柱状の部材であり、ストッパ部材41,42は、より大きな径φ40をもった円柱状の部材である。図示のとおり、ストッパ部材41は支柱部材31の上端の同心位置に固着され、ストッパ部材42は支柱部材32の上端の同心位置に固着される。   In the force sensor according to the present invention, the support members 31, 32 and the stopper members 41, 42 shown in the upper part of FIG. The support members 31 and 32 are columnar members having a diameter φ30, and the stopper members 41 and 42 are columnar members having a larger diameter φ40. As shown in the figure, the stopper member 41 is fixed at a concentric position at the upper end of the column member 31, and the stopper member 42 is fixed at a concentric position at the upper end of the column member 32.

以上、図3に示す各部品の構造をそれぞれ説明したが、この力覚センサは、これらの部品を相互に接合することによって構成される。すなわち、第3の基板300の中央部に、図6に示すように、土台部410を載置固定し、その上に、第2の基板200を被せて、台座220の底面を第3の基板300の上面に接合する。更に、この第2の基板200の上に、第1の基板100を載せ、ダイアフラム部210の上面中央に、柱状接続部120の下面を接合して取り付ける。最後に、上端にストッパ部材41,42が固着された状態の支柱部材31,32を、盤状受力体110の各孔部に挿通し、その下面を台座220の上面に固定すれば、図1,図2に示す力覚センサが完成する。   The structure of each component shown in FIG. 3 has been described above. This force sensor is configured by joining these components to each other. That is, as shown in FIG. 6, the base portion 410 is placed and fixed on the center portion of the third substrate 300, and the second substrate 200 is placed thereon, and the bottom surface of the pedestal 220 is placed on the third substrate. Bonded to the top surface of 300. Further, the first substrate 100 is placed on the second substrate 200, and the lower surface of the columnar connecting portion 120 is bonded and attached to the center of the upper surface of the diaphragm portion 210. Finally, the column members 31 and 32 with the stopper members 41 and 42 fixed to the upper ends are inserted into the holes of the plate-shaped force receiving body 110, and the lower surface thereof is fixed to the upper surface of the pedestal 220. 1, the force sensor shown in FIG. 2 is completed.

図1に示すとおり、第2の基板200の上面(第1の基準平面S1)と、盤状受力体110の下面(第2の基準平面S2)との間には、柱状接続部120の長さL1に相当する空隙が確保される。また、支柱部材31,32の上端は、盤状受力体110の下層部分10と上層部分20との境界面(第3の基準平面S3)より所定の空隙寸法L2だけ上方に位置しているため、ストッパ部材41,42の下面と上層孔部H21,H22の底面との間にも寸法L2だけの空隙が確保される。   As shown in FIG. 1, between the upper surface (first reference plane S1) of the second substrate 200 and the lower surface (second reference plane S2) of the plate-shaped force receiving body 110, the columnar connecting portion 120 is provided. A gap corresponding to the length L1 is secured. Further, the upper ends of the support members 31 and 32 are positioned above the boundary surface (third reference plane S3) between the lower layer portion 10 and the upper layer portion 20 of the disc-shaped force receiving member 110 by a predetermined gap dimension L2. Therefore, a gap having a dimension L2 is also secured between the lower surfaces of the stopper members 41 and 42 and the bottom surfaces of the upper layer holes H21 and H22.

なお、図1や図3の側断面図には、その全部は示されていないが、実際には、図2の上面図に示すとおり、盤状受力体110には、4箇所に孔部が形成されており、個々の孔部にそれぞれ支柱部材およびストッパ部材が挿入され、各支柱部材の下面は、台座220の上面に固定される。すなわち、図2において、下層孔部H11および上層孔部H21内には、支柱部材31およびストッパ部材41が挿入され、下層孔部H12および上層孔部H22内には、支柱部材32およびストッパ部材42が挿入され、下層孔部H13および上層孔部H23内には、支柱部材33およびストッパ部材43が挿入され、下層孔部H14および上層孔部H24内には、支柱部材34およびストッパ部材44が挿入される。   Although not all of them are shown in the side sectional views of FIGS. 1 and 3, in fact, as shown in the top view of FIG. Are formed, and a column member and a stopper member are inserted into each hole, and the lower surface of each column member is fixed to the upper surface of the pedestal 220. That is, in FIG. 2, the column member 31 and the stopper member 41 are inserted into the lower layer hole H11 and the upper layer hole H21, and the column member 32 and the stopper member 42 are inserted into the lower layer hole H12 and the upper layer hole H22. Is inserted into the lower layer hole H13 and the upper layer hole H23, and the column member 33 and the stopper member 43 are inserted into the lower layer hole H14 and the upper layer hole H24. Is done.

図2の上面図には、4箇所の孔部の各位置に、それぞれ4重同心円が描かれている。最も内側の破線の円は支柱部材の外径(φ30)を示し、その外側の破線の円は下層孔部の内径(φ10)を示し、更にその外側の実線の円はストッパ部材の外径(φ40)を示し、最も外側の実線は上層孔部の内径(φ20)を示している。ここで、φ30<φ10<φ40<φ20である。   In the top view of FIG. 2, quadruple concentric circles are drawn at each position of the four holes. The innermost broken line circle indicates the outer diameter (φ30) of the support member, the outer broken line circle indicates the inner diameter (φ10) of the lower layer hole, and the outer solid line circle indicates the outer diameter of the stopper member ( φ40), and the outermost solid line indicates the inner diameter (φ20) of the upper layer hole. Here, φ30 <φ10 <φ40 <φ20.

上面図に4重同心円が描かれるのは、各下層孔部が内径φ10をもった円柱状の空洞からなり、各上層孔部が内径φ20をもった円柱状の空洞からなり、各支柱部材が外径φ30をもった円柱状の部材からなり、各ストッパ部材が外径φ40をもった円柱状の部材からなり、盤状受力体110に力が作用していない状態において、下層孔部、上層孔部、支柱部材、ストッパ部材を構成する各円柱の中心軸が一致するような同心配置がなされているためである。   Quadruple concentric circles are drawn in the top view because each lower layer hole is formed of a cylindrical cavity having an inner diameter φ10, each upper layer hole is formed of a columnar cavity having an inner diameter φ20, and each column member is In the state where each stopper member is made of a columnar member having an outer diameter φ40 and no force is applied to the disk-shaped force receiving body 110, This is because a concentric arrangement is made such that the central axes of the respective cylinders constituting the upper layer hole portion, the column member, and the stopper member coincide with each other.

また、ここに示す実施形態の場合、各4重同心円の配置がXY座標上で対称性を有している。すなわち、図2の上面図において、盤状受力体110の中心点Pを中心として半径rの円を描いた場合、X軸正領域に描かれた4重同心円の配置点Qは、この半径rの円とX軸正領域との交点に位置する。同様に、X軸負領域に描かれた4重同心円の配置点は、この半径rの円とX軸負領域との交点に位置し、Y軸正領域に描かれた4重同心円の配置点は、この半径rの円とY軸正領域との交点に位置し、Y軸負領域に描かれた4重同心円の配置点は、この半径rの円とY軸負領域との交点に位置する。このような対称性をもった配置をとっているのは、盤状受力体110の変位制御を効果的に行うための配慮である。   In the embodiment shown here, the arrangement of each quadruple concentric circle has symmetry on the XY coordinates. That is, in the top view of FIG. 2, when a circle with a radius r is drawn around the center point P of the disk-shaped force receiving body 110, the arrangement point Q of the quadruple concentric circles drawn in the X-axis positive region is Located at the intersection of the circle of r and the positive X-axis region. Similarly, the arrangement point of the quadruple concentric circle drawn in the X-axis negative area is located at the intersection of the circle of radius r and the X-axis negative area, and the arrangement point of the quadruple concentric circle drawn in the Y-axis positive area Is located at the intersection of this circle of radius r and the Y-axis positive region, and the arrangement point of the quadruple concentric circle drawn in the Y-axis negative region is located at the intersection of this circle of radius r and the Y-axis negative region To do. The arrangement having such symmetry is in consideration for effective displacement control of the disk-shaped force receiving body 110.

要するに、第2の基板200の上面(第1の基準平面S1)における4本の支柱部材31〜34の配置位置に着目すると、ダイアフラム部210の上面の中心点で直交する2本の配置軸と、この中心点を中心とする半径rの円と、を定義したときに、この円と2本の配置軸とが交差する4つの交点位置に4本の支柱部材31〜34が配置されていることになる。そして、各支柱部材31〜34の上端には、それぞれストッパ部材41〜44が固定されており、盤状受力体110には、この4本の支柱部材31〜34を挿通するのに適した4箇所に、それぞれ下層孔部H11〜H14および上層孔部H21〜H24が設けられていることになる。もちろん、本発明を実施する上で、支柱部材およびストッパ部材の数や配置は、図示の実施形態に限定されるものではない。たとえば、3組の支柱部材およびストッパ部材を半径rの円周上に中心角120°ずつ隔てて配置するようにしてもよいし、6組の支柱部材およびストッパ部材を半径rの円周上に中心角60°ずつ隔てて配置するようにしてもよい。あるいは、一直線上に3組以上を並べて配置してもかまわない。   In short, paying attention to the arrangement positions of the four support members 31 to 34 on the upper surface (first reference plane S1) of the second substrate 200, the two arrangement axes orthogonal to each other at the center point of the upper surface of the diaphragm portion 210 When a circle with a radius r centered on the center point is defined, four support members 31 to 34 are arranged at four intersection positions where the circle and two arrangement axes intersect. It will be. And the stopper members 41-44 are being fixed to the upper end of each support | pillar members 31-34, respectively, and it is suitable for inserting these four support | pillar members 31-34 in the disc-shaped force receiving body 110. The lower layer hole portions H11 to H14 and the upper layer hole portions H21 to H24 are provided at four locations, respectively. Of course, in carrying out the present invention, the number and arrangement of the support members and the stopper members are not limited to the illustrated embodiment. For example, three sets of strut members and stopper members may be arranged on the circumference of radius r with a central angle of 120 ° apart, or six sets of strut members and stopper members on the circumference of radius r. You may make it arrange | position at intervals of 60 degrees of center angles. Or you may arrange | position 3 or more sets side by side on a straight line.

なお、本発明に係る力覚センサを構成する各部品の材質は、各部品としての機能を果たすのに適した材質であれば、どのようなものを用いてもかまわない。ここに示す実施形態の場合、第1の基板100および第2の基板200には、いずれも金属(たとえば、アルミニウムやステンレス等)の基板を加工した材料を用いており、土台部410はセラミックや合成樹脂、電極E11〜E15は金や銅によって構成している。また、支柱部材31〜34およびストッパ部材41〜44には、アルミニウムやステンレスなどの金属を用いている。   In addition, as long as the material of each component which comprises the force sensor which concerns on this invention is a material suitable for fulfill | performing the function as each component, what kind of thing may be used. In the case of the embodiment shown here, the first substrate 100 and the second substrate 200 are both made of a metal (for example, aluminum or stainless steel) processed material, and the base portion 410 is made of ceramic or The synthetic resin and the electrodes E11 to E15 are made of gold or copper. Further, the support members 31 to 34 and the stopper members 41 to 44 are made of metal such as aluminum or stainless steel.

<<< §2.基本的実施形態における変位制御 >>>
続いて、図1,図2に示す構造をもった力覚センサにおいて、盤状受力体110の変位制御が適確に行われることを説明する。この力覚センサによる力検出の基本原理は、可撓性をもった薄板からなるダイアフラム部210の周囲を台座220で支持し、ダイアフラム部210とその上方に配置された盤状受力体110とを柱状接続部120によって接続した構造とし、ダイアフラム部210の変形状態を検出部400によって電気的に検出することにより、台座220を固定した状態において盤状受力体110に作用した力を検出する、というものである。
<<< §2. Displacement control in basic embodiment >>
Next, it will be described that the displacement control of the disc-shaped force receiving body 110 is appropriately performed in the force sensor having the structure shown in FIGS. The basic principle of force detection by this force sensor is that the periphery of a diaphragm portion 210 made of a flexible thin plate is supported by a pedestal 220, and the diaphragm portion 210 and a disk-shaped force receiving member 110 disposed above the diaphragm portion 210 are provided. Are connected by the columnar connecting portion 120, and the deformation state of the diaphragm portion 210 is electrically detected by the detecting portion 400, thereby detecting the force acting on the disk-shaped force receiving member 110 in a state where the pedestal 220 is fixed. That's it.

盤状受力体110に作用する外力が大きければ大きいほど、盤状受力体110は大きな変位を生じることになり、その結果、ダイアフラム部210に生じる変形の度合いは大きくなり、検出部400によって大きな電気信号の検出がなされることになる。しかしながら、既に述べたとおり、測定レンジをはるかに超えるような過大な外力が作用すると、ダイアフラム部210にその弾性変形の限界を超えた過大な撓みが生じることになり、外力を取り去った後もダイアフラム部210の形が元に復帰しなかったり、ダイアフラム部210に破損が生じたりする弊害が生じる。§1で述べた力覚センサは、盤状受力体110の変位量を許容範囲内に抑制する構造を有しているため、たとえ過度な外力が作用したとしても、盤状受力体110の変位は制御され、ダイアフラム部210に障害が生じるのを防ぐ機能を有している。   The greater the external force acting on the disk-shaped force receiving body 110, the greater the displacement of the disk-shaped force receiving body 110. As a result, the degree of deformation generated in the diaphragm section 210 increases, and the detection section 400 A large electrical signal is detected. However, as described above, when an excessive external force far exceeding the measurement range is applied, excessive deflection exceeding the elastic deformation limit occurs in the diaphragm portion 210, and the diaphragm is removed even after the external force is removed. There is a problem that the shape of the portion 210 does not return to its original shape or the diaphragm portion 210 is damaged. Since the force sensor described in §1 has a structure that suppresses the amount of displacement of the disk-shaped force receiving body 110 within an allowable range, even if an excessive external force is applied, the disk-shaped force receiving body 110 is detected. The displacement is controlled and has a function of preventing the diaphragm unit 210 from being damaged.

ここで、この力覚センサの構造上の特徴に着目すると、ダイアフラム部210の上面および台座220の上面が第1の基準平面S1を形成し、盤状受力体110の下面が第2の基準平面S2を形成するとすれば、盤状受力体110に力が作用していない状態において、第1の基準平面S1と第2の基準平面S2とは、柱状接続部120の長さL1に相当する間隙をおいて平行な状態に維持されている。   Here, paying attention to the structural features of the force sensor, the upper surface of the diaphragm portion 210 and the upper surface of the pedestal 220 form a first reference plane S1, and the lower surface of the disk-shaped force receiving body 110 is a second reference surface. If the plane S <b> 2 is formed, the first reference plane S <b> 1 and the second reference plane S <b> 2 correspond to the length L <b> 1 of the columnar connecting portion 120 in a state where no force is applied to the disc-shaped force receiving body 110. Are maintained in a parallel state with a gap.

また、台座220の上面の所定の4箇所に、第1の基準平面S1に対して垂直上方に伸びる支柱部材31〜34の下端が固定され、第2の基準平面S2に対して平行な第3の基準平面S3によって盤状受力体110を上層部分20と下層部分10とに仕切ったときに、支柱部材31〜34は、その上端が上層部分に達する長さを有している。   Further, the lower ends of the support members 31 to 34 extending vertically upward with respect to the first reference plane S1 are fixed at four predetermined positions on the upper surface of the pedestal 220, and a third parallel to the second reference plane S2 is fixed. When the disc-shaped force receiving member 110 is partitioned into the upper layer portion 20 and the lower layer portion 10 by the reference plane S3, the column members 31 to 34 have such a length that the upper ends thereof reach the upper layer portion.

そして、盤状受力体110の下層部分10における支柱部材31〜34が伸びてくる位置に、支柱部材31〜34の外径φ30よりも大きな内径φ10をもつ下層孔部H11〜H14が形成され、盤状受力体110の上層部分20の下層孔部H11〜H14の上方に隣接した位置に、下層孔部H11〜H14の内径φ10よりも大きな内径φ20をもつ上層孔部H21〜H24が形成されており、支柱部材31〜34は、下層孔部H11〜H14を挿通し、その上端が第3の基準平面S3より所定の空隙寸法L2だけ上方に位置している。更に、上層孔部H21〜H24内には、下層孔部H11〜H14の内径φ10よりも大きく、上層孔部H21〜H24の内径φ20よりも小さい外径φ40をもち、支柱部材31〜34の上端に固定されたストッパ部材41〜44が配置されていることになる。   Then, lower layer holes H11 to H14 having an inner diameter φ10 larger than the outer diameter φ30 of the column members 31 to 34 are formed at positions where the column members 31 to 34 extend in the lower layer portion 10 of the disk-shaped power receiving body 110. The upper layer holes H21 to H24 having an inner diameter φ20 larger than the inner diameter φ10 of the lower layer holes H11 to H14 are formed at positions adjacent to the upper layer part H11 to H14 of the upper layer part 20 of the plate-shaped force receiving body 110. The column members 31 to 34 are inserted through the lower layer holes H11 to H14, and their upper ends are positioned above the third reference plane S3 by a predetermined gap dimension L2. Further, the upper layer holes H21 to H24 have an outer diameter φ40 that is larger than the inner diameter φ10 of the lower layer holes H11 to H14 and smaller than the inner diameter φ20 of the upper layer holes H21 to H24. The stopper members 41 to 44 fixed to the are arranged.

このような構造をもった力覚センサでは、盤状受力体110に対して、どのような成分をもった外力が作用したとしても、盤状受力体110に生じる変位を所定の許容範囲内に抑制することができる。   In the force sensor having such a structure, even if an external force having any component acts on the disk-shaped force receiving body 110, the displacement generated in the disk-shaped power receiving body 110 is set within a predetermined allowable range. Can be suppressed within.

たとえば、図7は、盤状受力体110に対して、Z軸正方向の力+Fzが作用した場合の変位制御を示す側断面図である。Z軸正方向の力+Fzは、図示のとおり、盤状受力体110を上方へと変位させる力であり、ダイアフラム部210は、その中央部分が上方へ引っ張り上げられるような撓みを生じることになる。この力覚センサの場合、Z軸正方向への変位は、最大でも図1に示す空隙寸法L2になるように制御される。これは、盤状受力体110がZ軸正方向にL2だけ変位すると、図7に示すように、上層孔部H21〜H24の底面(孔部の段差部分)が、ストッパ部41〜44の下面周囲部に当接し、これ以上の上方への変位を妨げるためである。空隙寸法L2を適当な値に設定しておけば、盤状受力体110の上方への変位を、ダイアフラム部210が損傷を受けない範囲内に抑制することができる。   For example, FIG. 7 is a side sectional view showing displacement control when a force + Fz in the positive direction of the Z axis is applied to the disc-shaped force receiving body 110. As shown in the drawing, the Z-axis positive direction force + Fz is a force that displaces the disc-shaped force receiving member 110 upward, and the diaphragm portion 210 is bent so that its central portion is pulled upward. Become. In the case of this force sensor, the displacement in the positive direction of the Z-axis is controlled so as to be at most the gap dimension L2 shown in FIG. As shown in FIG. 7, when the disc-shaped force receiving member 110 is displaced by L2 in the positive direction of the Z axis, the bottom surfaces of the upper layer holes H21 to H24 (stepped portions of the holes) This is because it abuts on the lower surface periphery and prevents further upward displacement. If the gap dimension L2 is set to an appropriate value, the upward displacement of the disk-shaped force receiving body 110 can be suppressed within a range in which the diaphragm portion 210 is not damaged.

一方、図8は、盤状受力体110に対して、Z軸負方向の力−Fzが作用した場合の変位制御を示す側断面図である。Z軸負方向の力−Fzは、図示のとおり、盤状受力体110を下方へと変位させる力であり、ダイアフラム部210は、その中央部分が下方へ引っ張り下げられるような撓みを生じることになる。この力覚センサの場合、Z軸負方向への変位は、最大でも図1に示す空隙寸法L1になるように制御される。これは、盤状受力体110がZ軸負方向にL1だけ変位すると、図8に示すように、盤状受力体110の下面周囲部分が台座220の上面に当接し、これ以上の下方への変位を妨げるためである。空隙寸法L1を適当な値に設定しておけば、盤状受力体110の下方への変位を、ダイアフラム部210が損傷を受けない範囲内に抑制することができる。   On the other hand, FIG. 8 is a side sectional view showing displacement control when a force −Fz in the negative Z-axis direction acts on the disc-shaped force receiving body 110. As shown in the drawing, the Z-axis negative direction force -Fz is a force that displaces the disk-shaped force receiving member 110 downward, and the diaphragm portion 210 bends so that its central portion is pulled downward. become. In the case of this force sensor, the displacement in the negative Z-axis direction is controlled so as to be at most the gap dimension L1 shown in FIG. This is because when the disc-shaped force receiving body 110 is displaced by L1 in the negative Z-axis direction, the lower surface peripheral portion of the disc-shaped force receiving body 110 abuts on the upper surface of the pedestal 220 as shown in FIG. This is to prevent displacement. If the gap dimension L1 is set to an appropriate value, the downward displacement of the disk-shaped force receiving body 110 can be suppressed within a range where the diaphragm portion 210 is not damaged.

なお、図8では、図示の便宜上、ダイアフラム部210の下面が電極の上面に接触している状態が描かれているが、実際には、盤状受力体110が最も下方に変位した状態においても、ダイアフラム部210の下面と電極の上面との間に隙間が確保されるようにし、両者が短絡しないようにするのが好ましい。   In FIG. 8, for convenience of illustration, a state in which the lower surface of the diaphragm portion 210 is in contact with the upper surface of the electrode is illustrated, but in actuality, in a state in which the disc-shaped force receiving body 110 is displaced to the lowest position. However, it is preferable that a gap be secured between the lower surface of the diaphragm portion 210 and the upper surface of the electrode so that they are not short-circuited.

続いて、モーメントが作用した場合を考えよう。図9は、盤状受力体110に対して、Y軸正方向まわり(ここでは、右ねじをY軸正方向に進めるための回転方向をY軸正方向まわりと呼ぶことにする)のモーメント+Myが作用した場合の変位制御を示す側断面図である。Y軸正方向まわりのモーメント+Myは、図示のとおり、盤状受力体110の右端を下方へ、左端を上方へと変位させる力であり、ダイアフラム部210には、図示のような撓みが生じることになる。この力覚センサでは、このようなモーメント+Myに基づく変位は、最大でも図9に示す状態になるように制御される。これは、盤状受力体110の右端が下方へと変位すると、図9に示すように、その下面が台座220の上面に当接し、これ以上の下方への変位を妨げるとともに、盤状受力体110の左端が上方へと変位すると、図9に示すように、上層孔部H22の底面(孔部の段差部分)が、ストッパ部材42の下面周囲部に当接し、これ以上の上方への変位を妨げるためである。   Next, consider the case where a moment is applied. FIG. 9 shows a moment around the Y-axis positive direction with respect to the disc-shaped force receiving body 110 (here, the rotation direction for advancing the right screw in the Y-axis positive direction is referred to as the Y-axis positive direction). It is a sectional side view showing displacement control when + My acts. The moment + My about the positive direction of the Y-axis is a force that displaces the right end of the disc-shaped force receiving body 110 downward and the left end upward as shown in the figure, and the diaphragm section 210 bends as shown in the figure. It will be. In this force sensor, the displacement based on such moment + My is controlled so as to be in the state shown in FIG. 9 at the maximum. As shown in FIG. 9, when the right end of the disc-shaped force receiving body 110 is displaced downward, the lower surface thereof abuts against the upper surface of the pedestal 220, preventing further downward displacement, and the disc-shaped receiving member 110. When the left end of the force member 110 is displaced upward, as shown in FIG. 9, the bottom surface of the upper layer hole H22 (stepped portion of the hole) comes into contact with the peripheral portion of the lower surface of the stopper member 42 and further upwards. This is to prevent displacement.

逆に、Y軸負方向まわりのモーメント−Myが作用した場合は、図9を左右反転させた状態になるので、同様にして、その変位は所定の許容範囲に制御される。また、この力覚センサは、図2の上面図において、90°回転させても全く同じ構造を維持するので、X軸とY軸とを入れ換えても同じ現象が生じる。したがって、X軸まわりのモーメント+Mx,−Myが作用した場合も、同様の変位制御が行われることになる。   On the contrary, when the moment -My around the Y-axis negative direction is applied, the state is reversed left and right in FIG. 9, and similarly, the displacement is controlled within a predetermined allowable range. In addition, the force sensor maintains the same structure even when rotated 90 ° in the top view of FIG. 2, and the same phenomenon occurs even if the X axis and the Y axis are interchanged. Therefore, the same displacement control is performed even when the moments + Mx, -My around the X axis are applied.

一方、図10は、盤状受力体110に対して、X軸正方向の力+Fxが作用した場合の変位制御を示す側断面図である。X軸正方向の力+Fxは、図示のとおり、盤状受力体110を図の右方向へと変位させる力であり、ダイアフラム部210は、図示の右側部分が横方向に縮み、左側部分が横方向に伸びるような撓みを生じることになる。この力覚センサの場合、X軸正方向への変位は、最大でも図10に示す状態になるように制御される。これは、盤状受力体110がX軸正方向に図示の位置まで変位すると、上層孔部H21〜H24の側壁部がストッパ部材41〜44の外周面に当接し、これ以上の右方への変位を妨げるためである。図11は、図10の状態を示す上面図であり、4つの上層孔部H21〜H24の側壁部が、それぞれストッパ部材41〜44の外周面に当接した状態が明瞭に示されている。   On the other hand, FIG. 10 is a side cross-sectional view showing displacement control when force + Fx in the X-axis positive direction is applied to the disk-shaped force receiving body 110. As shown in the figure, the X-axis positive direction force + Fx is a force that displaces the disc-shaped force receiving body 110 in the right direction in the figure, and the diaphragm part 210 is contracted in the lateral direction on the right side and the left side part in the figure. The bending which extends to a horizontal direction will be produced. In the case of this force sensor, the displacement in the X-axis positive direction is controlled so as to be in the state shown in FIG. 10 at the maximum. This is because when the disc-shaped force receiving body 110 is displaced in the X-axis positive direction to the position shown in the figure, the side wall portions of the upper layer holes H21 to H24 abut against the outer peripheral surface of the stopper members 41 to 44, and to the right. This is to prevent displacement. FIG. 11 is a top view showing the state of FIG. 10, and clearly shows a state in which the side wall portions of the four upper layer hole portions H21 to H24 are in contact with the outer peripheral surfaces of the stopper members 41 to 44, respectively.

逆に、X軸負方向の力−Fxが作用した場合は、図10を左右反転させた状態になるので、同様にして、その変位は所定の許容範囲に制御される。また、Y軸正方向の力+FyやY軸負方向の力−Fyが作用した場合も、同様の変位制御が行われることになる。前述したとおり、上層孔部H21〜H24の内径はφ20、ストッパ部材41〜44の外径はφ40であるから、結局、X軸およびY軸に関する正または負方向への変位は、最大でも「(φ20−φ40)/2」なる値に制御されることになる。したがって、寸法値φ20,φ40を適当な値に設定しておけば、盤状受力体110の水平方向への変位を、ダイアフラム部210が損傷を受けない範囲内に抑制することができる。   On the contrary, when the force -Fx in the negative X-axis direction is applied, the state is reversed left and right in FIG. 10, and similarly, the displacement is controlled within a predetermined allowable range. The same displacement control is also performed when a force + Fy in the Y-axis positive direction or a force -Fy in the Y-axis negative direction is applied. As described above, since the inner diameters of the upper layer holes H21 to H24 are φ20 and the outer diameters of the stopper members 41 to 44 are φ40, the displacement in the positive or negative direction with respect to the X axis and the Y axis is eventually “( It is controlled to a value of “φ20−φ40) / 2”. Therefore, if the dimension values φ20 and φ40 are set to appropriate values, the horizontal displacement of the disc-shaped force receiving member 110 can be suppressed within a range where the diaphragm portion 210 is not damaged.

最後に、Z軸まわりのモーメントが作用した場合を考えよう。図12は、盤状受力体110に対して、Z軸正方向まわりのモーメント+Mzが作用した場合の変位制御を示す上面図である。Z軸正方向まわりのモーメント+Mzは、図示のとおり、上方から見た場合に、盤状受力体110を反時計回りに回転変位させる力であり、ダイアフラム部210には、捩れるような撓みが生じることになる。この力覚センサでは、このようなモーメント+Mzに基づく変位は、最大でも図12に示す状態になるように制御される。これは、盤状受力体110が反時計回りに回転変位すると、図示のとおり、4つの上層孔部H21〜H24の側壁部が、それぞれストッパ部材41〜44の外周面に当接し、これ以上の反時計回りへの回転変位を妨げるためである。   Finally, consider the case where a moment around the Z axis is applied. FIG. 12 is a top view showing displacement control when a moment + Mz around the positive direction of the Z-axis acts on the disc-shaped force receiving body 110. The moment + Mz around the positive direction of the Z-axis is a force that rotates and displaces the disk-shaped force receiving member 110 counterclockwise when viewed from above, as shown in the figure. Will occur. In this force sensor, the displacement based on the moment + Mz is controlled so as to be in the state shown in FIG. 12 at the maximum. This is because when the disc-shaped force receiving member 110 is rotationally displaced counterclockwise, the side wall portions of the four upper layer holes H21 to H24 come into contact with the outer peripheral surfaces of the stopper members 41 to 44, respectively, as shown in the figure. This is to prevent the counterclockwise rotational displacement.

逆に、Z軸負方向まわりのモーメント−Mzが作用した場合は、上方から見ると、盤状受力体110を時計回りに回転変位させることになる。この場合も同様に、4つの上層孔部H21〜H24の側壁部が、それぞれストッパ部材41〜44の外周面に当接し、これ以上の時計回りへの回転変位が妨げられる。   On the other hand, when the moment -Mz around the negative direction of the Z-axis acts, when viewed from above, the disc-shaped force receiving body 110 is rotationally displaced clockwise. In this case as well, the side wall portions of the four upper layer holes H21 to H24 come into contact with the outer peripheral surfaces of the stopper members 41 to 44, respectively, and further clockwise rotational displacement is prevented.

かくして、§1で述べた力覚センサでは、盤状受力体110に対して、X軸方向の力±Fx、Y軸方向の力±Fy、Z軸方向の力±Fz、X軸まわりのモーメント±Mx、Y軸まわりのモーメント±My、Z軸まわりのモーメント±Mzのいずれが作用した場合にも、その変位が所定の許容範囲に抑制されることになる。このように、各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントのいずれが加えられても、盤状受力体110に対する変位制御が適確に行われることは非常に重要な効果である。   Thus, in the force sensor described in §1, the force ± Fx in the X-axis direction, the force ± Fy in the Y-axis direction, the force ± Fz in the Z-axis direction, Regardless of the moment ± Mx, the moment ± My about the Y axis, or the moment ± Mz about the Z axis, the displacement is suppressed to a predetermined allowable range. As described above, it is a very important effect that the displacement control with respect to the disc-shaped force receiving body 110 is accurately performed regardless of which of the force in the direction of each coordinate axis and the moment around each coordinate axis is applied.

力覚センサを何らかの製品に組み込んで実際に利用する場合、本来の測定対象となる外力を検出する通常の使用環境だけでなく、ユーザが製品自体を物にぶつけたり、床の上に落下させたりする非常事態も考慮に入れておく必要がある。そのような非常事態では、どの方向から力覚センサにどのような衝撃力が加わるかを予測することはできない。ここに示す実施形態では、上述したように、3軸方向の力±Fx,±Fy,±Fz、および3軸まわりのモーメント±Mx,±My,±Mzのいずれが作用したとしても、盤状受力体110に対する適確な変位制御が行われるため、衝突や落下という非常事態が発生しても、ダイアフラム部の破損を防止できる。   When a force sensor is incorporated into a product and actually used, not only the normal operating environment for detecting the external force that is the original measurement target, but also the user hits the product itself or drops it on the floor. It is necessary to take into account the emergency situation. In such an emergency, it is impossible to predict what impact force will be applied to the force sensor from which direction. In the embodiment shown here, as described above, even if any of the forces ± Fx, ± Fy, ± Fz in the three axes and the moments ± Mx, ± My, ± Mz around the three axes is applied, Since accurate displacement control with respect to the force receiving body 110 is performed, even if an emergency such as a collision or a drop occurs, the diaphragm portion can be prevented from being damaged.

また、従来は、必要とされる測定レンジとダイアフラム部の弾性変形領域とのバランスや、ダイアフラム部の堅牢性を考慮して、ダイアフラム部に用いる材質を選択する必要があったが、本発明を利用すれば、そのような制限から解放されることになる。すなわち、本発明に係る力覚センサでは、盤状受力体110の最大変位量は、図1に示す空隙寸法L1,L2や、上層孔部H21〜H24の内径φ20およびストッパ部材41〜44の外径φ40を所望の値に設定することにより、任意に設定することができる。したがって、ダイアフラム部にどのような材質を用いたとしても、許容変位量を所望の値に設定することが可能になる。   In the past, it was necessary to select the material used for the diaphragm part in consideration of the balance between the required measurement range and the elastic deformation region of the diaphragm part, and the robustness of the diaphragm part. If used, you will be freed from such restrictions. That is, in the force sensor according to the present invention, the maximum displacement amount of the disk-shaped force receiving body 110 is the gap dimensions L1 and L2 shown in FIG. 1, the inner diameter φ20 of the upper layer holes H21 to H24, and the stopper members 41 to 44. By setting the outer diameter φ40 to a desired value, it can be arbitrarily set. Therefore, no matter what material is used for the diaphragm portion, the allowable displacement can be set to a desired value.

<<< §3.検出部の機能 >>>
本発明に係る力覚センサは、ダイアフラム部の変形状態を電気的に検出することにより、盤状受力体に作用した外力を検出するものである。検出部400は、このダイアフラム部の変形状態の検出を行う構成要素であり、§1,§2で述べた実施形態に係る力覚センサの場合、図6の上面図に示されているように、ダイアフラム部210に対向するように配置された5枚の電極E11〜E15と、これら電極を支持固定する土台部410と、ダイアフラム部210と各電極E11〜E15の間の静電容量を電気的に検出する検出回路(図示省略)と、によって検出部400が構成されている。
<<< §3. Detection unit function >>
The force sensor according to the present invention detects an external force acting on a disk-shaped power receiving body by electrically detecting the deformation state of the diaphragm portion. The detection unit 400 is a component that detects the deformation state of the diaphragm unit, and in the case of the force sensor according to the embodiment described in §1 and §2, as shown in the top view of FIG. The five electrodes E11 to E15 arranged to face the diaphragm portion 210, the base portion 410 that supports and fixes these electrodes, and the capacitance between the diaphragm portion 210 and each of the electrodes E11 to E15 are electrically The detection unit 400 is configured by a detection circuit (not shown) that detects the above.

図1の側断面図に示されているとおり、各電極E11〜E15は、ダイアフラム部の下方に所定間隔をおいて配置された状態になる。ここで、ダイアフラム部210は導電性材料から構成されており、5枚の電極E11〜E15とこれに対向するダイアフラム部210の各部分とによって、合計5組の容量素子C11〜C15が形成される。図示されていない検出回路は、この5組の容量素子C11〜C15の静電容量値をそれぞれ測定して、ダイアフラム部210の変形状態を把握し、盤状受力体110に作用した外力の向きや大きさを検出する機能を有している。   As shown in the side sectional view of FIG. 1, the electrodes E11 to E15 are arranged at a predetermined interval below the diaphragm portion. Here, the diaphragm portion 210 is made of a conductive material, and a total of five sets of capacitive elements C11 to C15 are formed by the five electrodes E11 to E15 and each portion of the diaphragm portion 210 facing the electrodes E11 to E15. . The detection circuit (not shown) measures the capacitance values of the five capacitative elements C11 to C15, grasps the deformation state of the diaphragm 210, and the direction of the external force acting on the disk-shaped force receiving body 110. And a function of detecting the size.

具体的には、たとえば、図7に示すように、Z軸正方向の力+Fzが作用した場合、5組の容量素子C11〜C15は、いずれも電極間隔が広がるので静電容量値は小さくなる。逆に、図8に示すように、Z軸負方向の力−Fzが作用した場合、5組の容量素子C11〜C15は、いずれも電極間隔が狭くなるので静電容量値は大きくなる。したがって、たとえば、容量素子C15(電極E15と、導電性ダイアフラム部210の対向部分とによって構成される容量素子)を、Z軸方向の力±Fz検出用に利用すれば、容量素子C15の静電容量値の増減は、Z軸方向の力±Fzを示すものになる。   Specifically, for example, as shown in FIG. 7, when a force + Fz in the positive direction of the Z-axis is applied, the capacitance values of the five sets of capacitive elements C11 to C15 all become small because the electrode spacing increases. . Conversely, as shown in FIG. 8, when the force −Fz in the negative Z-axis direction is applied, the capacitance values of the five sets of capacitive elements C <b> 11 to C <b> 15 all increase because the electrode spacing becomes narrow. Therefore, for example, if the capacitive element C15 (the capacitive element constituted by the electrode E15 and the opposing portion of the conductive diaphragm portion 210) is used for detecting the force ± Fz in the Z-axis direction, the electrostatic capacitance of the capacitive element C15 is detected. The increase / decrease in the capacitance value indicates the force ± Fz in the Z-axis direction.

また、図9に示すように、Y軸まわりのモーメント+Myが作用した場合、5組の容量素子C11〜C15のうち、C11の静電容量値は増加し、C12の静電容量値は減少する。逆まわりのモーメント−Myが作用した場合は、C11の静電容量値は減少し、C12の静電容量値は増加する。したがって、これら両容量素子C11,C12の静電容量値の差は、Y軸まわりのモーメント±Myを示すものになる。同様に、容量素子C13,C14の静電容量値の差は、X軸まわりのモーメント±Mxを示すものになる。   As shown in FIG. 9, when the moment + My around the Y-axis is applied, among the five capacitive elements C11 to C15, the capacitance value of C11 increases and the capacitance value of C12 decreases. . When the counter-rotating moment -My is applied, the capacitance value of C11 decreases and the capacitance value of C12 increases. Therefore, the difference between the capacitance values of both the capacitive elements C11 and C12 indicates the moment ± My around the Y axis. Similarly, the difference between the capacitance values of the capacitive elements C13 and C14 indicates a moment ± Mx around the X axis.

このように、力覚センサにおいて、ダイアフラム部210の変形状態を複数の容量素子の静電容量値に基づいて把握し、所定軸方向の力や所定軸まわりのモーメントを検出する技術は、前掲の特許文献1,2などに開示されている公知技術であるので、ここでは詳しい説明は省略する。   As described above, in the force sensor, the technology for grasping the deformation state of the diaphragm unit 210 based on the capacitance values of the plurality of capacitive elements and detecting the force in the predetermined axis direction and the moment around the predetermined axis is described above. Since this is a known technique disclosed in Patent Documents 1 and 2, etc., detailed description thereof is omitted here.

本発明は、ダイアフラム部を有する力覚センサにおいて、過度の力が作用した場合に、このダイアフラム部の破損を防ぐための変位制御に係る技術である。したがって、ダイアフラム部の変形状態を検出する具体的な手法は、発明の本質部分ではなく、検出部400としては、ダイアフラム部210の変形状態を電気的に検出する機能をもったものであれば、どのようなものを用いてもかまわない。   The present invention is a technique related to displacement control for preventing damage to a diaphragm portion when an excessive force is applied to the force sensor having the diaphragm portion. Therefore, the specific method for detecting the deformation state of the diaphragm portion is not an essential part of the invention, and the detection unit 400 has a function of electrically detecting the deformation state of the diaphragm portion 210. Anything can be used.

たとえば、前掲の特許文献3,4には、ダイアフラム部の所定位置にピエゾ抵抗素子を配置しておき、各ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化に基づいて、ダイアフラム部の個々の部分の機械的伸縮状態を把握する技術が開示されている。本発明では、このようなピエゾ抵抗素子を検出部として用いることも可能である。その場合、ダイアフラム部210は絶縁材料で構成するようにし、台座部410や電極E11〜E15を設ける代わりに、ダイアフラム部の上面または下面に(もしくは、内部に埋め込んでもよい)、ピエゾ抵抗素子を配置し、ブリッジ回路などを利用して、これらピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化を検出し、ダイアフラム部210の変形状態を電気的に検出するようにすればよい。   For example, in the above-mentioned Patent Documents 3 and 4, a piezoresistive element is arranged at a predetermined position of the diaphragm part, and the mechanical expansion and contraction of individual parts of the diaphragm part is performed based on the change in the electric resistance of each piezoresistive element. A technique for grasping the state is disclosed. In the present invention, such a piezoresistive element can also be used as a detection unit. In that case, the diaphragm part 210 is made of an insulating material, and instead of providing the pedestal part 410 and the electrodes E11 to E15, a piezoresistive element is arranged on the upper surface or the lower surface of the diaphragm part (or may be embedded inside). Then, a change in the electrical resistance of these piezoresistive elements may be detected using a bridge circuit or the like, and the deformation state of the diaphragm unit 210 may be detected electrically.

具体的には、たとえば、ダイアフラム部210の表面にXY平面の正射影を求め、この正射影上のX軸正領域に一対、X軸負領域に一対、合計4組のピエゾ抵抗素子を配置すれば、盤状受力体110に作用したX軸方向の力FxおよびY軸まわりのモーメントMyを検出することができる。同様に、この正射影上のY軸正領域に一対、Y軸負領域に一対、合計4組のピエゾ抵抗素子を配置すれば、盤状受力体110に作用したY軸方向の力FyおよびX軸まわりのモーメントMxを検出することができる。更に、このダイアフラム部210の表面に、その中心点を原点とし、任意の方向を向いた任意の座標軸を定義し、この任意の座標軸の正の領域に一対、負の領域に一対、合計4組のピエゾ抵抗素子を配置すれば、盤状受力体110に作用したZ軸方向の力Fzを検出することができる。このような素子の具体的配置は、たとえば、前掲の特許文献3,4などに開示されている公知の事項であるので、ここでは詳細な説明は省略する。   Specifically, for example, an orthogonal projection of the XY plane is obtained on the surface of the diaphragm unit 210, and a total of four pairs of piezoresistive elements are arranged, one pair in the X-axis positive region and one pair in the X-axis negative region on the orthogonal projection. For example, it is possible to detect the force Fx in the X-axis direction and the moment My around the Y-axis acting on the disc-shaped force receiving body 110. Similarly, if a total of four sets of piezoresistive elements, one pair in the Y-axis positive region and one pair in the Y-axis negative region on this orthogonal projection, are arranged, the force Fy in the Y-axis direction acting on the disc-shaped force receiving member 110 and The moment Mx around the X axis can be detected. Further, on the surface of the diaphragm unit 210, an arbitrary coordinate axis is defined with the center point as an origin and directed in an arbitrary direction, and a pair of a positive region and a pair of a negative region of the arbitrary coordinate axis, a total of four sets. If the piezoresistive element is arranged, it is possible to detect the force Fz in the Z-axis direction acting on the disk-shaped force receiving body 110. The specific arrangement of such elements is a well-known matter disclosed in, for example, the above-mentioned Patent Documents 3 and 4, and detailed description thereof is omitted here.

もちろん、これらの素子は、ダイアフラム部210の上面に設けても、下面に設けてもかまわない。あるいは、上面と下面との双方に素子を配置し、これらを組み合わせて検出を行うようにしてもかまわない。たとえば、上面に設けた素子によって、X軸方向およびY軸方向の力やモーメントを検出し、下面に設けた素子によって、Z軸方向の力やモーメントを検出するようなことも可能である。   Of course, these elements may be provided on the upper surface or the lower surface of the diaphragm section 210. Alternatively, elements may be arranged on both the upper surface and the lower surface, and detection may be performed by combining these elements. For example, it is also possible to detect forces and moments in the X-axis direction and Y-axis direction with elements provided on the upper surface, and detect forces and moments in the Z-axis direction with elements provided on the lower surface.

なお、ダイアフラム部の個々の部分の機械的伸縮状態を検出する素子としては、必ずしもピエゾ抵抗素子を用いる必要はない。機械的な伸縮状態に応じて電気的性質に変化が生じる素子であれば、どのような素子でも、ダイアフラム部の各部の変形状態を電気的に検出することが可能である。このような素子は、一般に、歪ゲージと呼ばれており、金属箔を用いた素子(たとえば、アルミニウムや銅、あるいはこれらの合金からなる素子)や半導体を用いた素子が実用されている。   Note that it is not always necessary to use a piezoresistive element as an element for detecting the mechanical expansion / contraction state of each part of the diaphragm. Any element that changes its electrical properties in accordance with the mechanical expansion and contraction state can electrically detect the deformation state of each part of the diaphragm portion. Such an element is generally called a strain gauge, and an element using a metal foil (for example, an element made of aluminum, copper, or an alloy thereof) or an element using a semiconductor is in practical use.

また、前掲の特許文献5,6には、圧電素子に生じる電荷に基づいて、ダイアフラム部の各部の変位を検出する技術が開示されている。本発明では、このような圧電素子を検出部として用いることも可能である。この場合、台座部410や電極E11〜E15を設ける代わりに、ダイアフラム部210の変形に応じて応力が生じる所定位置に圧電素子を配置し、各圧電素子に発生する電荷を測定することにより、ダイアフラム部210の変形状態を電気的に検出するようにすればよい。   Also, the above-mentioned Patent Documents 5 and 6 disclose techniques for detecting displacement of each part of the diaphragm part based on electric charges generated in the piezoelectric element. In the present invention, such a piezoelectric element can also be used as the detection unit. In this case, instead of providing the pedestal part 410 and the electrodes E11 to E15, the piezoelectric element is arranged at a predetermined position where stress is generated according to the deformation of the diaphragm part 210, and the electric charge generated in each piezoelectric element is measured, whereby the diaphragm The deformation state of the part 210 may be detected electrically.

なお、前掲の特許文献7,8には、複数のダイアフラム部に生じる撓みをそれぞれ別個独立して検出することにより、XYZ軸方向に作用した力±Fx,±Fy,±Fzと、XYZ軸まわりに作用したモーメント±Mx,±My,±Mzのすべてを独立して検出することが可能な6軸センサが開示されている。本発明は、このような6軸センサにも適用可能である。これまで述べた基本的な実施形態は、単一のダイアフラム部210を用い、ダイアフラム部210の上面中心位置と盤状受力体110の下面中心位置とを、1本の柱状接続部120によって接続した構成を採っていたが、本発明は、前掲の特許文献7,8に開示されている6軸センサのように、複数のダイアフラム部を用い、個々のダイアフラム部と盤状受力体との間を、それぞれ独立した柱状接続部で接続した構成を採るセンサにも適用可能である。別言すれば、本発明は、複数のダイアフラム部を用いるセンサや、複数の柱状接続部を用いるセンサにも適用可能な技術である。また、上述の実施形態では、1枚の薄板状のダイアフラム部210を用いていたが、ダイアフラム部は必ずしも1枚の板で構成する必要はなく、たとえば、平面図が十字状をなすビーム構造体(2本の薄板状橋梁部を十文字状に重ねた構造体)によって構成してもよい。要するに、本発明にいうダイアフラム部とは、可撓性をもった薄板からなる構造体であればどのような構造のものでもよい。   In the above-mentioned Patent Documents 7 and 8, forces ± Fx, ± Fy, ± Fz acting in the XYZ-axis directions and around the XYZ-axis are detected by independently detecting deflections generated in a plurality of diaphragm portions. A six-axis sensor capable of independently detecting all of the moments ± Mx, ± My, and ± Mz acting on is disclosed. The present invention is also applicable to such a six-axis sensor. In the basic embodiment described so far, a single diaphragm portion 210 is used, and the center position of the upper surface of the diaphragm portion 210 and the center position of the bottom surface of the disk-shaped force receiving body 110 are connected by a single columnar connection portion 120. However, the present invention uses a plurality of diaphragm portions as in the 6-axis sensor disclosed in the above-mentioned Patent Documents 7 and 8, and each of the diaphragm portions and the disk-shaped force receiving body is used. The present invention can also be applied to a sensor having a configuration in which the gaps are connected by independent columnar connecting portions. In other words, the present invention is a technique applicable to a sensor using a plurality of diaphragm portions and a sensor using a plurality of columnar connection portions. Further, in the above-described embodiment, one thin plate-like diaphragm portion 210 is used. However, the diaphragm portion does not necessarily need to be constituted by one plate, and for example, a beam structure whose plan view forms a cross shape. You may comprise by (the structure which piled up the two thin-plate bridge parts in the cross shape.). In short, the diaphragm portion referred to in the present invention may have any structure as long as it is a structure made of a thin plate having flexibility.

<<< §4.係止ピンを用いた実施例とその組立方法 >>>
図1に示す実施形態で説明したとおり、本発明における変位制御には、支柱部材31〜34およびストッパ部材41〜44が重要な働きをする。ここで、過度な外力が作用した場合にも、十分な変位制御機能を果たすためには、支柱部材31〜34の下端を台座220の上面にしっかりと固定するとともに、ストッパ部材41〜44を支柱部材31〜34の上端にしっかりと固定する必要がある。
<<< §4. Example using locking pin and its assembly method >>
As described in the embodiment shown in FIG. 1, the column members 31 to 34 and the stopper members 41 to 44 play an important role in the displacement control in the present invention. Here, in order to perform a sufficient displacement control function even when an excessive external force is applied, the lower ends of the support members 31 to 34 are firmly fixed to the upper surface of the base 220, and the stopper members 41 to 44 are attached to the support columns. It is necessary to firmly fix the upper ends of the members 31 to 34.

そこで、ここでは、支柱部材31〜34およびストッパ部材41〜44を、一体構造をなす係止ピンによって構成した具体的な実施例を示す。図13は、このような係止ピンを用いた力センサの一例を示す側断面図である。この図13に示す実施例の基本構造は、図1に示す力覚センサの構造と全く同じであるが、支柱部材とストッパ部材の具体的な構造が断面図として示されている。図13に示す係止ピン51は、図1に示す支柱部材31およびストッパ部材41を一体構造体によって構成したものであり、ステンレスなどの金属で構成されている。同様に、図13に示す係止ピン52は、図1に示す支柱部材32およびストッパ部材42を一体構造体によって構成したものである。図13の側断面図には2本しか示されていないが、この実施例では、合計4本の係止ピンが用いられることになる。   Therefore, here, a specific embodiment in which the support members 31 to 34 and the stopper members 41 to 44 are configured by locking pins that form an integral structure is shown. FIG. 13 is a side sectional view showing an example of a force sensor using such a locking pin. The basic structure of the embodiment shown in FIG. 13 is exactly the same as that of the force sensor shown in FIG. 1, but the specific structure of the support member and the stopper member is shown as a sectional view. A locking pin 51 shown in FIG. 13 is a structure in which the support member 31 and the stopper member 41 shown in FIG. 1 are formed of an integral structure, and is made of a metal such as stainless steel. Similarly, the locking pin 52 shown in FIG. 13 is a structure in which the support member 32 and the stopper member 42 shown in FIG. Although only two are shown in the side sectional view of FIG. 13, a total of four locking pins are used in this embodiment.

図示のとおり、各係止ピン51,52の中心軸には軸芯孔が形成され、台座220上面の各支柱部材を固定する位置には雌ネジ孔が形成されており、各係止ピン51,52は、雄ネジが形成されたボルト61,62を軸芯孔に挿通させて螺合させることにより、台座220に締めつけ固定されている。このように、ボルト61,62の先端部分を台座220内の雌ネジ孔内に螺合させて固定し、しかもボルト61,62の頭部によって、係止ピン51,52の軸芯孔内の段差部を係止する構造をとっているため、係止ピン51,52は、台座220上に非常に堅固に固定されることになる。   As shown in the drawing, an axial core hole is formed in the central axis of each locking pin 51, 52, and a female screw hole is formed at a position for fixing each column member on the upper surface of the pedestal 220. , 52 are fastened and fixed to the pedestal 220 by inserting bolts 61, 62, on which male screws are formed, into the shaft hole and screwing them together. In this manner, the tip portions of the bolts 61 and 62 are fixed by screwing into the female screw holes in the pedestal 220, and the heads of the bolts 61 and 62 are inserted into the shaft core holes of the locking pins 51 and 52. Since the step portion is locked, the locking pins 51 and 52 are fixed on the base 220 very firmly.

図14は、図13に示す力覚センサの組立方法を示す側断面図である。図の左側部分には、組立前の係止ピン52とボルト62とが示されている。台座220上の、ボルト62を取り付ける位置には、雌ネジ孔H72が形成されており、ボルト62の先端部分には、この雌ネジ孔H72に螺合する雄ネジが形成されている。一方、係止ピン52は、その中心軸に、ボルト62を挿通するための軸芯孔H52が形成されている。この軸芯孔H52内には段差部が設けられており、段差部の上方部分はボルト62の頭部を収容するのに十分な径を有するが、段差部の下方部分はボルト62の頭部よりも小さな径となっている。したがって、このボルト62の頭部により、係止ピン52を係止することができる。   14 is a side sectional view showing a method for assembling the force sensor shown in FIG. In the left part of the figure, a locking pin 52 and a bolt 62 before assembly are shown. A female screw hole H72 is formed at a position where the bolt 62 is attached on the base 220, and a male screw that is screwed into the female screw hole H72 is formed at the tip of the bolt 62. On the other hand, the locking pin 52 is formed with an axial hole H52 through which the bolt 62 is inserted at the center axis thereof. A step portion is provided in the shaft hole H52, and the upper portion of the step portion has a diameter sufficient to accommodate the head of the bolt 62, but the lower portion of the step portion is the head of the bolt 62. It has a smaller diameter. Therefore, the locking pin 52 can be locked by the head of the bolt 62.

図14に示す円筒状治具70は、内壁面および外壁面が同心円柱をなす筒状の構造体であり、ボルト61,62によって係止ピン51,52を台座220上に取り付ける際の位置合わせを行うための道具である。この円筒状治具70の内径φ40は、係止ピン51,52のストッパ部材(図3の符号41,42で示す部分)の外径φ40に一致し、外径φ20は、上層孔部H21,H22の内径φ20に一致する。したがって、円筒状治具70を構成する円筒の肉厚の寸法は、「(φ20−φ40)/2」に等しくなる。   A cylindrical jig 70 shown in FIG. 14 is a cylindrical structure in which an inner wall surface and an outer wall surface are concentric columns, and alignment is performed when the locking pins 51 and 52 are mounted on the base 220 by bolts 61 and 62. It is a tool to do. An inner diameter φ40 of the cylindrical jig 70 coincides with an outer diameter φ40 of a stopper member (parts indicated by reference numerals 41 and 42 in FIG. 3) of the locking pins 51 and 52, and the outer diameter φ20 is the upper layer hole H21, It corresponds to the inner diameter φ20 of H22. Therefore, the thickness of the cylinder constituting the cylindrical jig 70 is equal to “(φ20−φ40) / 2”.

図の右側部分は、この円筒状治具70を用いて、係止ピン51とボルト61とを台座220の上面に取り付ける作業を行っている状態を示している。すなわち、まず、円筒状治具70を、盤状受力体110の上層孔部H21に嵌合させる。上述したように、円筒状治具70の外形φ20は、上層孔部H21の内径φ20に一致しているため、両者は正確な同心位置を維持しながら嵌合する。続いて、係止ピン51を円筒状治具70の内部に入れて嵌合させる。上述したように、円筒状治具70の内径φ40は、係止ピン51の外径φ40(ストッパ部材の部分の径)に一致しているため、やはり両者は正確な同心位置を維持しながら嵌合する。結局、円筒状治具70を介在させることにより、係止ピン51を上層孔部H21内の正確な同心位置に配置することができる。   The right part of the figure shows a state in which the cylindrical pin 70 is used to attach the locking pin 51 and the bolt 61 to the upper surface of the pedestal 220. That is, first, the cylindrical jig 70 is fitted into the upper layer hole H21 of the disc-shaped force receiving member 110. As described above, the outer diameter φ20 of the cylindrical jig 70 coincides with the inner diameter φ20 of the upper layer hole H21, so that they fit together while maintaining an accurate concentric position. Subsequently, the locking pin 51 is inserted into the cylindrical jig 70 and fitted. As described above, since the inner diameter φ40 of the cylindrical jig 70 matches the outer diameter φ40 of the locking pin 51 (the diameter of the stopper member portion), both of them are fitted while maintaining an accurate concentric position. Match. Eventually, by interposing the cylindrical jig 70, the locking pin 51 can be disposed at an exact concentric position in the upper layer hole H21.

こうして、係止ピン51を円筒状治具70の内部に嵌合させた状態で、ボルト61によって係止ピン51を台座220に対して締めつけ固定し、その後、円筒状治具70を上方へ引き抜いて脱離させることにより係止ピン51の取り付けを行うようにする。そうすれば、係止ピン51を上層孔部H21内の正確な同心位置に位置合わせした状態で取り付けることができるようになり、係止ピン51の外周面と上層孔部H21の内周面との間の距離を、いずれの箇所においても寸法「(φ20−φ40)/2」に設定することができる。この寸法は、盤状受力体110の水平方向への変位の許容範囲を規定する値となるので、組立作業時に、この寸法を均一に設定できれば、水平方向への変位の許容範囲をいずれの方向についても同一の値に設定することができる。   In this way, with the locking pin 51 fitted in the cylindrical jig 70, the locking pin 51 is fastened and fixed to the base 220 with the bolt 61, and then the cylindrical jig 70 is pulled upward. The locking pin 51 is attached by detaching it. Then, the locking pin 51 can be attached in a state where the locking pin 51 is aligned with the exact concentric position in the upper layer hole H21, and the outer peripheral surface of the locking pin 51 and the inner peripheral surface of the upper layer hole H21. Can be set to the dimension “(φ20−φ40) / 2” at any location. This dimension is a value that defines the allowable range of displacement in the horizontal direction of the disk-shaped force receiving member 110. Therefore, if this dimension can be set uniformly during assembly work, the allowable range of displacement in the horizontal direction can be set to any value. The direction can also be set to the same value.

なお、この実施例のように、各係止ピンをボルトで取り付けるようにすれば、盤状受力体110の上方からの作業を行うだけで済み、空洞部H内の空間には何ら干渉を及ぼすことはない。したがって、予め、第2の基板200を第3の基板300に接合し、検出系の電気部品を含む検出部400を収容した状態で空洞部Hを密閉しておくことが可能であり、耐環境性能の高い密閉構造型センサを実現できる。   If each locking pin is attached with a bolt as in this embodiment, it is only necessary to perform an operation from above the disk-shaped force receiving body 110, and there is no interference in the space in the cavity H. There is no effect. Therefore, it is possible to seal the cavity H in a state where the second substrate 200 is bonded to the third substrate 300 in advance and the detection unit 400 including the detection system electrical components is accommodated. A high performance sealed structure type sensor can be realized.

<<< §5.本発明の変形例 >>>
最後に、本発明のいくつかの変形例を述べておく。
<<< §5. Modification of the present invention >>
Finally, some modifications of the present invention will be described.

(1) 下方への変位制御をより確実に行う変形例
§2では、図1に示す力覚センサの盤状受力体110に対して、様々な方向から力やモーメントが作用したとしても、図7〜図12に示すように、その変位が所定の許容範囲内に制御されることを述べた。ここで、再び、図8に着目してみる。この図8は、盤状受力体110に対して、Z軸負方向の力−Fzが作用した場合の変位制御を示す側断面図である。既に述べたとおり、盤状受力体110に対して下方への力−Fzが作用しても、図8に示すように、盤状受力体110の下面周囲部分が台座220の上面に当接した段階で変位は制御される。
(1) Modified example in which the downward displacement control is performed more reliably In §2, even if forces and moments are applied from various directions to the disk-shaped force receiving body 110 of the force sensor shown in FIG. As shown in FIGS. 7 to 12, it has been described that the displacement is controlled within a predetermined allowable range. Here, attention is again paid to FIG. FIG. 8 is a side cross-sectional view showing displacement control when a force -Fz in the negative Z-axis direction acts on the disc-shaped force receiving body 110. As described above, even if a downward force -Fz is applied to the disk-shaped force receiving body 110, the lower surface peripheral portion of the disk-shaped power receiving body 110 contacts the upper surface of the pedestal 220 as shown in FIG. The displacement is controlled at the contact stage.

ただ、図8に示されているとおり、盤状受力体110の周囲部分の下方への変位は、台座220によって阻まれることになるが、盤状受力体110の中央部分(ダイアフラム210に対向する部分)は、ダイアフラム部210に接触した状態となっているため、この盤状受力体110の中央部分によって、ダイアフラム部210を更に下方へと押し下げる力が加えられる可能性がある。特に、非常に大きな下方への力が作用すると、盤状受力体110の中央部分によって、ダイアフラム部210が損傷する可能性が出てくる。   However, as shown in FIG. 8, the downward displacement of the peripheral portion of the disk-shaped force receiving body 110 is blocked by the pedestal 220, but the central portion of the disk-shaped power receiving body 110 (in the diaphragm 210). Since the opposing portion) is in contact with the diaphragm portion 210, a force that pushes the diaphragm portion 210 further downward may be applied by the central portion of the disc-shaped force receiving member 110. In particular, when a very large downward force is applied, the diaphragm 210 may be damaged by the central portion of the disc-shaped force receiving member 110.

このような状況にも対処できるように、下方への変位制御をより確実に行うには、盤状受力体110の中央部分の下方への変位を、台座220によって阻むことができる構造を採ればよい。図15は、このような構造を採った力覚センサの一例をXZ平面に沿って切断した状態を示す側断面図である。この図15に示す変形例は、図1に示す基本的実施形態におけるダイアフラム部210の外径、台座220の内径、土台部410の外径を、いずれも小さくしたものである。   In order to cope with such a situation, in order to more reliably control the downward displacement, adopt a structure in which the downward displacement of the central portion of the disk-shaped force receiving body 110 can be prevented by the pedestal 220. That's fine. FIG. 15 is a side sectional view showing a state in which an example of the force sensor having such a structure is cut along the XZ plane. The modification shown in FIG. 15 is obtained by reducing the outer diameter of the diaphragm portion 210, the inner diameter of the pedestal 220, and the outer diameter of the base portion 410 in the basic embodiment shown in FIG.

この変形例における盤状受力体110と台座220との位置関係は、図16の分解図に明瞭に示されている。すなわち、この変形例の第1の基板100の各部の寸法は、図1に示す基本的実施形態と全く同じであるが、第2の基板200については、ダイアフラム部210の外径φH(すなわち、台座220の内径)が図1に示す基本的実施形態のものよりも小さくなっている。その結果、空洞部Hの径も小さくなるため、これに合わせて、土台部410の外径も小さく設計してある。図16の上段に示すように、下層孔部H11の内側壁面と下層孔部H12の内側壁面との距離をJとすると、φH<Jになる。したがって、図16において、第1の基板100をそのまま図の下方へと移動させると、下層孔部H11を構成する壁部111および下層孔部H12を構成する壁部112は、いずれも台座220の上面に当接することになる。   The positional relationship between the disk-shaped force receiving member 110 and the pedestal 220 in this modification is clearly shown in the exploded view of FIG. That is, the dimensions of the respective parts of the first substrate 100 of this modification are exactly the same as those of the basic embodiment shown in FIG. 1, but the second substrate 200 has an outer diameter φH (that is, the diaphragm portion 210). The inner diameter of the pedestal 220 is smaller than that of the basic embodiment shown in FIG. As a result, the diameter of the hollow portion H is reduced, and accordingly, the outer diameter of the base portion 410 is designed to be small. As shown in the upper part of FIG. 16, if the distance between the inner wall surface of the lower hole H11 and the inner wall surface of the lower hole H12 is J, φH <J. Therefore, in FIG. 16, when the first substrate 100 is moved downward in the drawing, the wall 111 constituting the lower layer hole H11 and the wall 112 constituting the lower layer hole H12 are both of the pedestal 220. It will contact the upper surface.

図17は、この変形例に係る力覚センサにZ軸負方向の力−Fzが作用した場合の変位制御を示す側断面図である。壁部111,112は台座220の上面に当接しており、盤状受力体110の中央部分の下方への変位は、台座220によって阻まれることになる。したがって、大きな下方への力が作用した場合でも、盤状受力体110の中央部分からダイアフラム部210に対して加わる押圧力を抑制でき、ダイアフラム部210の損傷を避けることができる。   FIG. 17 is a side sectional view showing displacement control when a force -Fz in the negative Z-axis direction is applied to the force sensor according to this modification. The wall portions 111 and 112 are in contact with the upper surface of the pedestal 220, and the downward displacement of the central portion of the disc-shaped force receiving body 110 is prevented by the pedestal 220. Therefore, even when a large downward force is applied, it is possible to suppress the pressing force applied to the diaphragm portion 210 from the central portion of the disk-shaped force receiving body 110, and to prevent the diaphragm portion 210 from being damaged.

結局、この変形例の要点は、盤状受力体110に何ら外力が作用していない状態において、下層孔部H11〜H14の全部分が台座220の上方に位置するように(別言すれば、ダイアフラム部210の上方には、下層孔部H11〜H14の一部分たりとも、かからないように)、各下層孔部H11〜H14を配置する点にある。   After all, the main point of this modified example is that all the lower layer holes H11 to H14 are located above the pedestal 220 in a state where no external force is applied to the disk-shaped power receiving body 110 (in other words, The lower layer hole portions H11 to H14 are arranged above the diaphragm portion 210 (so as not to cover a part of the lower layer hole portions H11 to H14).

(2) 過負荷検出が可能な構造をもった変形例
本発明に係る力覚センサの重要な特徴は、過度な外力が作用しても、ダイアフラム部に損傷が生じるのを防ぐ構造にある。しかしながら、そのような構造をもつ力覚センサであっても、極度の過負荷が加わった場合には、ダイアフラム部に損傷が生じることは避けられない。たとえば、産業ロボットの間接部分に取り付けられた力覚センサの場合、ロボット自体が高所から落下したり、高速移動中に衝突したりすると、これまで述べてきた力覚センサでも、ダイアフラム部への損傷発生が避けられないケースがある。
(2) Modification with structure capable of detecting overload An important feature of the force sensor according to the present invention is a structure that prevents damage to the diaphragm portion even when an excessive external force is applied. However, even with a force sensor having such a structure, when an extreme overload is applied, damage to the diaphragm is inevitable. For example, in the case of a force sensor attached to an indirect part of an industrial robot, if the robot itself falls from a high place or collides during high-speed movement, the force sensor described so far will also be applied to the diaphragm section. There are cases where damage is inevitable.

このような過負荷の発生は、力覚センサに電源が投入され、電気的な検出信号が出力されている最中であれば、当該信号をモニタすることにより認識可能である。しかしながら、実用上は、力覚センサには常に電源供給が行われているわけではないので、落下事故や衝突事故などが生じたときに、力覚センサが作動中でなければ、極度の過負荷が加わった事実を認識することはできない。   The occurrence of such an overload can be recognized by monitoring the signal while the power sensor is turned on and an electrical detection signal is being output. However, in practice, the force sensor is not always supplied with power, so when a fall accident or a collision accident occurs, if the force sensor is not in operation, an extreme overload will occur. It is not possible to recognize the fact that.

ここで述べる変形例は、このような極度の過負荷が加わった事実を、物理的痕跡として残す機能を有している。たとえば、図18は、図1に示す力覚センサに、過負荷検出用の突起部を設けた状態を示す部分拡大側断面図である。この図18に示す基本構造体は、図1に示す力覚センサの右上部分に対応するものであるが、各孔部を形成する壁面や係止ピンの表面の数箇所に、円錐状の突起部が設けられている。これら突起部は、所定の圧力(ある閾値以上の圧力)が加わると塑性変形する材料(たとえば、アルミニウムやSASなどの金属でよい)から構成されており、極度の過負荷が加わったときに塑性変形を生じることにより、当該過負荷を物理的痕跡として残す機能を果たす。   The modification described here has a function of leaving the fact that such an extreme overload is applied as a physical trace. For example, FIG. 18 is a partially enlarged side sectional view showing a state in which the force sensor shown in FIG. 1 is provided with a protrusion for detecting overload. The basic structure shown in FIG. 18 corresponds to the upper right portion of the force sensor shown in FIG. 1, but conical protrusions are formed at several positions on the wall surface and the surface of the locking pin forming each hole. Is provided. These protrusions are made of a material that can be plastically deformed (for example, a metal such as aluminum or SAS) when a predetermined pressure (pressure equal to or higher than a certain threshold) is applied, and is plastic when an extreme overload is applied. By causing the deformation, it functions to leave the overload as a physical trace.

たとえば、図18において、ストッパ部材41の右方に配置された3つの突起部P1は、第1の基板100を図の左方へ移動させる極度の過負荷が加わると、その先端部が対向面に押し付けられて塑性変形を生じることになる。同様に、ストッパ部材41の左方に配置された3つの突起部P2は、第1の基板100を図の右方へ移動させる極度の過負荷が加わると、その先端部が対向面に押し付けられて塑性変形を生じることになる。また、ストッパ部材41の下方に配置された3つの突起部P3および3つの突起部P4は、第1の基板100を図の上方へ移動させる極度の過負荷が加わると、その先端部が対向面に押し付けられて塑性変形を生じることになり、第1の基板100の下方に配置された3つの突起部P7は、第1の基板100を図の下方へ移動させる極度の過負荷が加わると、その先端部が対向面に押し付けられて塑性変形を生じることになる。   For example, in FIG. 18, when the extreme overload that moves the first substrate 100 to the left in the drawing is applied to the three protrusions P1 arranged on the right side of the stopper member 41, the front ends thereof are opposed to each other. Will cause plastic deformation. Similarly, the three protrusions P2 disposed on the left side of the stopper member 41 are pressed against the opposing surface when extreme overload is applied to move the first substrate 100 to the right in the drawing. This will cause plastic deformation. Further, the three protrusions P3 and the three protrusions P4 disposed below the stopper member 41 have their front ends facing the opposite surface when an extreme overload is applied to move the first substrate 100 upward in the drawing. The three projections P7 disposed below the first substrate 100 are subjected to plastic deformation and are subjected to extreme overload that moves the first substrate 100 downward in the figure. The front end portion is pressed against the opposing surface to cause plastic deformation.

また、支柱部材31の右方に配置された3つの突起部P5や左方に配置された3つの突起部P6も、同様に、第1の基板100を左方もしくは右方へ移動させる極度の過負荷が加わると塑性変形を生じる。ここで、突起部P1と突起部P5は、同じ方向の過負荷検出が可能であるが、その感度が異なることになる。突起部P2と突起部P6も同様である。   Similarly, the three protrusions P5 arranged on the right side of the column member 31 and the three protrusions P6 arranged on the left side are also extremely movable to move the first substrate 100 leftward or rightward. When overloaded, plastic deformation occurs. Here, the protrusion P1 and the protrusion P5 can detect overload in the same direction, but have different sensitivities. The same applies to the protrusions P2 and P6.

このように、塑性変形を生じさせるための過負荷の方向や大きさは、個々の突起部によって異なるので、図示の例のように、様々な箇所に様々な突起部を設けておくようにすれば、いずれの突起部に塑性変形が生じているかを確認することにより、作用した過負荷の方向や大きさを認識することが可能になる。特に、図示の例のような円錐状(角錐状でもよい)の突起部を用いるようにすれば、塑性変形は、その先端部分に集中して生じることになるので、確認作業が容易になる。   As described above, the direction and magnitude of overload for causing plastic deformation varies depending on the individual protrusions. Therefore, as shown in the illustrated example, various protrusions should be provided at various locations. For example, it is possible to recognize the direction and magnitude of the applied overload by confirming which projection portion has undergone plastic deformation. In particular, if a conical (or pyramid-shaped) protrusion as shown in the example shown in the figure is used, the plastic deformation is concentrated on the tip portion, so that the confirmation work is facilitated.

特に、図18に示す例の場合、突起部P1,P2の形状は、上層孔部H21を上方から覗き込むことにより、目視確認もしくは拡大鏡を用いた確認を行うことができる。同様に、突起部P7の形状は、第1の基板100と第2の基板200との間の隙間を側方から覗き込むことにより確認でき、その他の各突起部の形状も、必要に応じて、ストッパ部材41を取り外す作業を行えば、確認することができる。   In particular, in the case of the example shown in FIG. 18, the shape of the protrusions P1 and P2 can be visually confirmed or confirmed using a magnifying glass by looking into the upper layer hole H21 from above. Similarly, the shape of the protrusion P7 can be confirmed by looking into the gap between the first substrate 100 and the second substrate 200 from the side, and the shape of each of the other protrusions can be changed as necessary. If the operation of removing the stopper member 41 is performed, it can be confirmed.

通常、金属は、加えられた圧力が所定の弾性限界に達するまでは弾性変形を生じ、圧力の強度が弾性限界を超えると塑性変形に転じる性質を有しており、この弾性限界は、金属の種類によって異なる。したがって、様々な箇所に、様々な形状、様々な大きさ、様々な材質からなる突起部を設けておけば、加えられた過負荷の方向や大きさによって、各突起部に生じる塑性変形の態様が異なるので、どのような過負荷が作用したのかを、各突起部に残された塑性変形の痕跡から分析することも可能である。   Usually, a metal has a property of causing elastic deformation until an applied pressure reaches a predetermined elastic limit, and when the strength of the pressure exceeds the elastic limit, it turns into plastic deformation. It depends on the type. Therefore, if projections made of various shapes, sizes, and materials are provided at various locations, the mode of plastic deformation that occurs in each projection depending on the direction and size of the applied overload. Therefore, it is also possible to analyze what overload was applied from the trace of plastic deformation left in each projection.

なお、図18に示す例では、係止ピン(ストッパ部材41および支柱部材31)側と、これに対向する上層孔部21および下層孔部H11の壁面側との双方に、それぞれ突起部を設けているが、もちろん、いずれか一方の側にのみ設けてもかまわない。要するに、ここで述べる変形例では、上層孔部H21を形成する壁面のうちのストッパ部材41の表面に対向する部分、ストッパ部材41の表面のうちの上層孔部H21を形成する壁面に対向する部分、下層孔部H11を形成する壁面のうちの支柱部材31の表面に対向する部分、支柱部材31の表面のうちの下層孔部H11を形成する壁面に対向する部分、の中の少なくとも1箇所に(実用上は、図示の例のように、複数箇所に設けるのが好ましい)、対向面にまでは達しない高さを有し、所定の圧力が加わると塑性変形する材料からなる突起部を設けるようにすればよい。   In the example shown in FIG. 18, protrusions are provided on both the locking pin (stopper member 41 and column member 31) side and on the wall surface side of the upper layer hole 21 and the lower layer hole H11 facing each other. Of course, it may be provided only on one side. In short, in the modification described here, a portion of the wall surface forming the upper layer hole H21 that faces the surface of the stopper member 41, and a portion of the surface of the stopper member 41 that faces the wall surface forming the upper layer hole H21. In at least one of the portion of the wall surface that forms the lower layer hole H11 that faces the surface of the column member 31 and the portion of the surface of the column member 31 that faces the wall surface that forms the lower layer hole portion H11 (Practically, it is preferable to be provided at a plurality of locations as in the example shown in the figure.) Protruding portions made of a material that has a height that does not reach the opposing surface and plastically deforms when a predetermined pressure is applied. What should I do?

もちろん、これらの突起部に塑性変形が生じるのは、この力覚センサに定格を超えた外力(過負荷)が作用した場合に限られる。別言すれば、各突起部は、定格以下の外力が作用している限り、対向面には接触しないか、あるいは接触したとしても弾性変形の範囲内の圧力しか加わらないように設計されている。したがって、定期点検時に、各突起部の形状を検査し、塑性変形が確認できなければ、当該センサは、これまで定格以下の外力しか作用しない正常な状態で使用されていると認識することができる。これに対して、いずれかの突起部に塑性変形が認められれば、当該センサには定格を超える過負荷が作用したと判断できる。もちろん、定格を超える過負荷の作用を示す痕跡が残っていたとしても、本発明に係るセンサには、ダイアフラム部の破損を防止する構造が備わっているため、必ずしも故障しているとは限らない。ただ、塑性変形が示す過負荷が極めて大きい場合には、故障している可能性が高まるので、必要に応じて、新たなセンサと交換するような対策を採ることができる。   Of course, plastic deformation occurs in these protrusions only when an external force (overload) exceeding the rating is applied to the force sensor. In other words, as long as an external force below the rating is applied, each protrusion is designed not to contact the opposing surface or to apply only pressure within the range of elastic deformation even if contacted. . Therefore, at the time of periodic inspection, if the shape of each protrusion is inspected and plastic deformation cannot be confirmed, it can be recognized that the sensor has been used in a normal state in which only an external force below the rated value has been applied. . On the other hand, if plastic deformation is observed in any of the protrusions, it can be determined that an overload exceeding the rating is applied to the sensor. Of course, even if a trace indicating the effect of overload exceeding the rating remains, the sensor according to the present invention has a structure for preventing the diaphragm portion from being damaged, and thus does not necessarily have a failure. . However, if the overload indicated by plastic deformation is extremely large, the possibility of failure increases, so that measures such as replacement with a new sensor can be taken as necessary.

なお、突起部の代わりに、対向面にまでは達しない厚みを有し、所定の圧力(ある閾値以上の圧力)が加わると光学的特性が変化し、当該圧力が除去された後も変化後の光学的特性を維持する性質をもつ材料からなるフィルム層を設けることもできる。図18に示すフィルム層P8は、このような性質をもったフィルム層であり、その機能は、突起部P7と同様に、第1の基板100に対して加えられた下方への過負荷を物理的な痕跡として残す機能である。   In addition, instead of the protrusion, it has a thickness that does not reach the opposing surface, and when a predetermined pressure (pressure above a certain threshold) is applied, the optical characteristics change, and even after the pressure is removed It is also possible to provide a film layer made of a material having the property of maintaining the above optical characteristics. The film layer P8 shown in FIG. 18 is a film layer having such a property, and its function is to physically apply a downward overload applied to the first substrate 100, like the protrusion P7. It is a function to leave as a trace.

たとえば、所定の圧力が加わるとその色彩が変化し、当該圧力が除去された後も変化後の色彩を維持する性質をもつ材料によってフィルム層P8を形成しておけば、第1の基板100に対して下方への過負荷が作用し、フィルム層P8が第2の基板200の上面(台座の上面)に押し付けられると、フィルム層P8には、色彩の変化としてその痕跡が残ることになる。よって、これを目視観察することにより、下方への過負荷が作用した事実を認識することができる。   For example, when a predetermined pressure is applied, the color changes, and after the pressure is removed, the film layer P8 is formed of a material having the property of maintaining the changed color. On the other hand, when an overload is applied downward and the film layer P8 is pressed against the upper surface (the upper surface of the pedestal) of the second substrate 200, the film layer P8 leaves a trace as a color change. Therefore, by visually observing this, it is possible to recognize the fact that a downward overload acts.

(3) 係止ピン等の形状に関する変形例
これまで述べた実施形態では、上層孔部、下層孔部、支柱部材、ストッパ部材の形状を円柱状としていたが、これらは必ずしも円柱状にする必要はなく、たとえば、四角柱、六角柱などの角柱状であってもよいし、その他の任意形状でもかまわない。本願にいう「径」とは、円についての半径や直径のみを意味するものではなく、ある方向についての「さしわたし」の長さを意味するものである。したがって、上層孔部、下層孔部、支柱部材、ストッパ部材の形状を任意形状にした場合、変位制御の対象となる個々の方向についての「径」が、φ30<φ10<φ40<φ20という寸法条件を満たしていればよい。
(3) Modification regarding shape of locking pin etc. In the embodiment described so far, the shape of the upper layer hole portion, the lower layer hole portion, the column member, and the stopper member is a cylindrical shape, but these are necessarily required to be a cylindrical shape. For example, it may be a prismatic shape such as a quadrangular prism or a hexagonal prism, or any other arbitrary shape. “Diameter” as used in the present application does not mean only the radius or diameter of a circle, but the length of “I am” in a certain direction. Therefore, when the upper layer hole portion, the lower layer hole portion, the support member, and the stopper member are arbitrarily shaped, the “diameter” in each direction subject to displacement control is a dimensional condition of φ30 <φ10 <φ40 <φ20. As long as

本発明の基本的実施形態に係る力覚センサをXZ平面に沿って切断した状態を示す側断面図である。It is a sectional side view which shows the state which cut | disconnected the force sensor which concerns on fundamental embodiment of this invention along XZ plane. 図1に示す力覚センサの上面図である。It is a top view of the force sensor shown in FIG. 図1に示す力覚センサを各部品に分解した状態を示す側断面図である。It is a sectional side view which shows the state which decomposed | disassembled the force sensor shown in FIG. 1 into each component. 図3に示す第1の基板100の上面図である。FIG. 4 is a top view of the first substrate 100 shown in FIG. 3. 図3に示す第2の基板200の下面図である。FIG. 4 is a bottom view of the second substrate 200 shown in FIG. 3. 図3に示す第3の基板300の上に検出部400を取り付けた状態を示す上面図である。FIG. 4 is a top view illustrating a state where a detection unit 400 is attached on the third substrate 300 illustrated in FIG. 3. 図1に示す力覚センサにZ軸正方向の力+Fzが作用した場合の変位制御を示す側断面図である。FIG. 3 is a side sectional view showing displacement control when a force + Fz in the positive direction of the Z-axis acts on the force sensor shown in FIG. 1. 図1に示す力覚センサにZ軸負方向の力−Fzが作用した場合の変位制御を示す側断面図である。FIG. 3 is a side sectional view showing displacement control when a force −Fz in a negative Z-axis direction acts on the force sensor shown in FIG. 1. 図1に示す力覚センサにY軸正方向まわりのモーメント+Myが作用した場合の変位制御を示す側断面図である。FIG. 3 is a side sectional view showing displacement control when a moment + My around the positive direction of the Y-axis acts on the force sensor shown in FIG. 1. 図1に示す力覚センサにX軸正方向の力+Fxが作用した場合の変位制御を示す側断面図である。It is a sectional side view which shows displacement control when force + Fx of the X-axis positive direction acts on the force sensor shown in FIG. 図1に示す力覚センサにX軸正方向の力+Fxが作用した場合の変位制御を示す上面図である。It is a top view which shows displacement control when force + Fx of the X-axis positive direction acts on the force sensor shown in FIG. 図1に示す力覚センサにZ軸正方向まわりのモーメント+Mzが作用した場合の変位制御を示す上面図である。It is a top view which shows the displacement control when the moment + Mz around the Z-axis positive direction acts on the force sensor shown in FIG. 図1に示す力覚センサにおける支柱部材およびストッパ部材の固定方法の一例を示す側断面図である。It is a sectional side view which shows an example of the fixing method of the support | pillar member and stopper member in the force sensor shown in FIG. 図13に示す力覚センサの組立方法を示す側断面図である。It is a sectional side view which shows the assembly method of the force sensor shown in FIG. 本発明の変形例に係る力覚センサをXZ平面に沿って切断した状態を示す側断面図である。It is a sectional side view which shows the state which cut | disconnected the force sensor which concerns on the modification of this invention along XZ plane. 図15に示す力覚センサを分解したときの一部の部品を示す側断面図である。FIG. 16 is a side sectional view showing some components when the force sensor shown in FIG. 15 is disassembled. 図15に示す力覚センサにZ軸負方向の力−Fzが作用した場合の変位制御を示す側断面図である。FIG. 16 is a side sectional view showing displacement control when a force −Fz in the negative Z-axis direction acts on the force sensor shown in FIG. 15. 図1に示す力覚センサに、過負荷検出用の突起部を設けた状態を示す部分拡大側断面図である。FIG. 2 is a partially enlarged side cross-sectional view showing a state where a projection for detecting an overload is provided on the force sensor shown in FIG. 1.

符号の説明Explanation of symbols

10:盤状受力体の下層部分
20:盤状受力体の上層部分
31〜34:支柱部材
41〜44:ストッパ部材
51,52:係止ピン
61,62:ボルト
70:円筒状治具
100:第1の基板
110:盤状受力体
111,112:壁部
120:柱状接続部
200:第2の基板
210:ダイアフラム部
220:台座
300:第3の基板
400:検出部
410:土台部
E11〜E15:電極
+Fx:X軸正方向への力
+Fz:Z軸正方向への力
−Fz:Z軸負方向への力
+My:Y軸正方向まわりのモーメント
+Mz:Z軸正方向まわりのモーメント
H:空洞部
H11〜H14:下層孔部
H21〜H24:上層孔部
H51,H52:軸芯孔
H71,H72:雌ネジ孔
J:中央部分の寸法
L1:柱状接続部の長さ
L2:空隙寸法
P:中心点
P1〜P7:突起部
Q:配置点
r:円の半径
S1:第1の基準平面
S2:第2の基準平面
S3:第3の基準平面
X,Y,Z:三次元直交座標系の座標軸
φH:空洞部Hの内径
φ10:下層孔部H11〜H14の内径
φ20:上層孔部H21〜H24の内径
φ30:支柱部材31〜34の外径
φ40:ストッパ部材41〜44の外径
10: Lower layer portion 20 of the disk-shaped power receiver 20: Upper layer portions 31-34 of the disk-shaped power receiver: Column members 41-44: Stopper members 51, 52: Locking pins 61, 62: Bolt 70: Cylindrical jig DESCRIPTION OF SYMBOLS 100: 1st board | substrate 110: Disk-shaped receiving body 111,112: Wall part 120: Columnar connection part 200: 2nd board | substrate 210: Diaphragm part 220: Base 300: 3rd board | substrate 400: Detection part 410: Base Portions E11 to E15: Electrode + Fx: Force in the positive direction of the X axis + Fz: Force in the positive direction of the Z axis-Fz: Force in the negative direction of the Z axis + My: Moment about the positive direction of the Y axis + Mz: Around the positive direction of the Z axis Moment H: Cavity H11-H14: Lower layer hole H21-H24: Upper layer hole H51, H52: Shaft hole H71, H72: Female screw hole J: Center portion dimension L1: Columnar connecting portion length L2: Gap size P: Center points P1 to P7: Origin Q: Arrangement point r: Circle radius S1: First reference plane S2: Second reference plane S3: Third reference plane X, Y, Z: Coordinate axis φH of three-dimensional orthogonal coordinate system: Cavity H Inner diameter φ10: inner diameter φ20 of lower layer holes H11 to H14: inner diameter φ30 of upper layer holes H21 to H24: outer diameter of strut members 31 to 34 φ40: outer diameter of stopper members 41 to 44

Claims (12)

可撓性をもった薄板からなるダイアフラム部と、
前記ダイアフラム部の周囲を支持する台座と、
前記ダイアフラム部の上方に配置された盤状受力体と、
前記ダイアフラム部と前記盤状受力体とを接続する柱状接続部と、
前記ダイアフラム部の変形状態を電気的に検出することにより、前記台座を固定した状態において前記盤状受力体に作用した力を検出する検出部と、
を備え、
前記ダイアフラム部の上面および前記台座の上面が第1の基準平面を形成し、前記盤状受力体の下面が前記第1の基準平面に対向する第2の基準平面を形成し、前記盤状受力体に力が作用していない状態において、前記第1の基準平面と前記第2の基準平面とが、所定の間隙をおいて平行な状態に維持されるように構成され、
前記台座上面の所定箇所に、前記第1の基準平面に対して垂直上方に伸びる支柱部材の下端が固定され、前記第2の基準平面に対して平行な第3の基準平面によって前記盤状受力体を上層部分と下層部分とに仕切ったときに、前記支柱部材は、その上端が前記上層部分に達する長さを有し、
前記盤状受力体の前記下層部分における前記支柱部材が伸びてくる位置に、前記支柱部材の外径よりも大きな内径をもつ下層孔部が形成され、前記盤状受力体の前記上層部分の前記下層孔部の上方に隣接した位置に、前記下層孔部の内径よりも大きな内径をもつ上層孔部が形成され、前記支柱部材は、前記下層孔部を挿通し、その上端が前記第3の基準平面より所定の空隙寸法だけ上方に位置し、
前記上層孔部内には、前記下層孔部の内径よりも大きく、前記上層孔部の内径よりも小さい外径をもち、前記支柱部材の上端に固定されたストッパ部材が配置されていることを特徴とする力覚センサ。
A diaphragm made of a flexible thin plate;
A pedestal that supports the periphery of the diaphragm portion;
A disc-shaped force receiving member disposed above the diaphragm portion;
A columnar connecting portion connecting the diaphragm portion and the disk-shaped force receiving member;
A detection unit for detecting a force acting on the disc-shaped force receiving member in a state where the pedestal is fixed by electrically detecting a deformation state of the diaphragm unit;
With
The upper surface of the diaphragm part and the upper surface of the pedestal form a first reference plane, and the lower surface of the disk-shaped force receiving member forms a second reference plane opposite to the first reference plane, In a state where no force is applied to the force receiving body, the first reference plane and the second reference plane are configured to be maintained in a parallel state with a predetermined gap therebetween,
A lower end of a column member extending vertically upward with respect to the first reference plane is fixed at a predetermined position on the upper surface of the pedestal, and the disc-shaped support is received by a third reference plane parallel to the second reference plane. When the force body is partitioned into an upper layer portion and a lower layer portion, the support member has a length that the upper end reaches the upper layer portion,
A lower layer hole having an inner diameter larger than the outer diameter of the column member is formed at a position where the column member extends in the lower layer portion of the plate-shaped force receiving member, and the upper layer portion of the disk-shaped force receiving member An upper layer hole portion having an inner diameter larger than the inner diameter of the lower layer hole portion is formed at a position adjacent to the lower layer hole portion of the lower layer hole portion. 3 above the reference plane of 3 by a predetermined gap dimension,
A stopper member having an outer diameter larger than the inner diameter of the lower layer hole portion and smaller than the inner diameter of the upper layer hole portion and fixed to the upper end of the column member is disposed in the upper layer hole portion. Force sensor.
請求項1に記載の力覚センサにおいて、
下面の中央部分をくり貫くことにより空洞部が形成された1枚の基板を用意し、この基板の前記空洞部の上方に残った肉薄部分によりダイアフラム部を構成し、前記空洞部を取り囲む周囲部分により台座を構成し、前記基板の上面を第1の基準平面とすることを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 1,
A peripheral portion surrounding the cavity is prepared by preparing a single substrate in which a cavity is formed by hollowing out a central portion of the lower surface, and forming a diaphragm portion by a thin portion remaining above the cavity of the substrate. A force sensor characterized by comprising a pedestal and using the upper surface of the substrate as a first reference plane.
請求項1または2に記載の力覚センサにおいて、
盤状受力体と柱状接続部とが同一材料の一体構造体からなり、盤状受力体の下面から連なる下方への突出部により、柱状接続部が構成されていることを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 1 or 2,
The disk-shaped force receiving body and the columnar connecting portion are made of an integral structure of the same material, and the columnar connecting portion is constituted by a downward projecting portion continuous from the lower surface of the disk-shaped power receiving body. Sense sensor.
請求項1〜3のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
導電性を有するダイアフラム部の下方に所定間隔をおいて、前記ダイアフラム部に対向するように配置された複数の電極と、これら電極を支持固定する土台部と、前記ダイアフラム部と前記複数の電極のそれぞれとの間の静電容量を電気的に検出する検出回路と、によって検出部が構成されていることを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to any one of claims 1 to 3,
A plurality of electrodes arranged to face the diaphragm portion at a predetermined interval below the conductive diaphragm portion, a base portion for supporting and fixing these electrodes, the diaphragm portion and the plurality of electrodes A force sensor characterized in that a detection unit is configured by a detection circuit that electrically detects capacitance between each of them.
請求項1〜4のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
下層孔部が内径φ10をもった円柱状の空洞からなり、上層孔部が内径φ20をもった円柱状の空洞からなり、支柱部材が外径φ30をもった円柱状の部材からなり、ストッパ部材が外径φ40をもった円柱状の部材からなり、
盤状受力体に力が作用していない状態において、下層孔部、上層孔部、支柱部材、ストッパ部材を構成する各円柱の中心軸が一致するような同心配置がなされ、φ30<φ10<φ40<φ20に設定されていることを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to any one of claims 1 to 4,
The lower layer hole is made of a cylindrical cavity having an inner diameter φ10, the upper layer hole is made of a columnar cavity having an inner diameter φ20, and the column member is made of a columnar member having an outer diameter φ30, and a stopper member Consists of a cylindrical member having an outer diameter of φ40,
In a state where no force is applied to the disk-shaped force receiving member, the concentric arrangement is made such that the central axes of the respective cylinders constituting the lower layer hole portion, the upper layer hole portion, the column member, and the stopper member coincide with each other, and φ30 <φ10 < A force sensor characterized in that φ40 <φ20.
請求項1〜5のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
ダイアフラム部の上面中心位置と盤状受力体の下面中心位置とが、1本の柱状接続部によって接続されていることを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to any one of claims 1 to 5,
A force sensor characterized in that the center position of the upper surface of the diaphragm portion and the center position of the lower surface of the disc-shaped force receiving member are connected by a single columnar connecting portion.
請求項1〜6のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
第1の基準平面上に、ダイアフラム部の上面の中心点で直交する2本の配置軸と、前記中心点を中心とする半径rの円と、を定義したときに、前記円と前記2本の配置軸とが交差する4つの交点位置に4本の支柱部材が配置されており、各支柱部材の上端にそれぞれストッパ部材が固定されており、
盤状受力体には、前記4本の支柱部材を挿通するのに適した4箇所に、それぞれ下層孔部および上層孔部が設けられていることを特徴とする力覚センサ。
In the force sensor in any one of Claims 1-6,
When two arrangement axes orthogonal to the center point of the upper surface of the diaphragm portion and a circle with a radius r centering on the center point are defined on the first reference plane, the circle and the two Four strut members are arranged at four intersection positions where the arrangement axis intersects, and a stopper member is fixed to the upper end of each strut member,
A force sensor, wherein the disk-shaped force receiving member is provided with a lower layer hole and an upper layer hole at four locations suitable for inserting the four strut members.
請求項1〜7のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
盤状受力体に力が作用していない状態において、下層孔部の全部分が台座の上方に位置するように、下層孔部が配置されていることを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to any one of claims 1 to 7,
A force sensor characterized in that the lower layer hole is arranged so that the entire lower layer hole is positioned above the pedestal in a state where no force is applied to the disk-shaped force receiving body.
請求項1〜8のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
上層孔部を形成する壁面のうちのストッパ部材の表面に対向する部分、ストッパ部材の表面のうちの上層孔部を形成する壁面に対向する部分、下層孔部を形成する壁面のうちの支柱部材の表面に対向する部分、支柱部材の表面のうちの下層孔部を形成する壁面に対向する部分、の中の少なくとも1箇所に、対向面にまでは達しない高さを有し、所定の圧力が加わると塑性変形する材料からなる突起部が設けられていることを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to any one of claims 1 to 8,
The portion of the wall surface that forms the upper layer hole portion that faces the surface of the stopper member, the portion of the surface of the stopper member that faces the wall surface that forms the upper layer hole portion, and the column member of the wall surface that forms the lower layer hole portion At least one of a portion facing the surface of the support member and a portion facing the wall surface forming the lower layer hole portion of the surface of the support member, and has a height that does not reach the facing surface, and a predetermined pressure A force sensor characterized in that a protrusion made of a material that plastically deforms when applied is provided.
請求項1〜8のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
上層孔部を形成する壁面のうちのストッパ部材の表面に対向する部分、ストッパ部材の表面のうちの上層孔部を形成する壁面に対向する部分、下層孔部を形成する壁面のうちの支柱部材の表面に対向する部分、支柱部材の表面のうちの下層孔部を形成する壁面に対向する部分、の中の少なくとも1箇所に、対向面にまでは達しない厚みを有し、所定の圧力が加わると光学的特性が変化し、前記圧力が除去された後も変化後の光学的特性を維持する性質をもつ材料からなるフィルム層が設けられていることを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to any one of claims 1 to 8,
The portion of the wall surface that forms the upper layer hole portion that faces the surface of the stopper member, the portion of the surface of the stopper member that faces the wall surface that forms the upper layer hole portion, and the column member of the wall surface that forms the lower layer hole portion At least one of the portion facing the surface of the column member and the portion facing the wall surface forming the lower layer hole portion of the surface of the support member has a thickness that does not reach the facing surface, and a predetermined pressure is applied. A force sensor comprising a film layer made of a material having a property of changing optical characteristics when applied and maintaining the changed optical characteristics even after the pressure is removed.
請求項1〜10のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
支柱部材およびストッパ部材が、一体構造をなす係止ピンによって構成され、
前記係止ピンの中心軸には軸芯孔が形成され、台座上面の支柱部材を固定する位置には雌ネジ孔が形成され、
前記係止ピンが、雄ネジが形成されたボルトを前記軸芯孔に挿通させて螺合させることにより、台座に締めつけ固定されていることを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to any one of claims 1 to 10,
The strut member and the stopper member are constituted by a locking pin that forms an integral structure,
An axial core hole is formed in the central axis of the locking pin, and a female screw hole is formed at a position for fixing the column member on the pedestal upper surface.
The force sensor, wherein the locking pin is fastened and fixed to a pedestal by inserting and screwing a bolt on which a male screw is formed into the shaft hole.
請求項11に記載の力覚センサの組立方法において、
内径が係止ピンのストッパ部材の外径に一致し、外径が上層孔部の内径に一致する円筒状治具を用意し、
前記円筒状治具を前記上層孔部に嵌合させ、係止ピンを前記円筒状治具の内部に嵌合させた状態で、ボルトによって前記係止ピンを台座に対して締めつけ固定し、
その後、前記円筒状治具を脱離させることにより係止ピンの取り付けを行うことを特徴とする力覚センサの組立方法。
The force sensor assembly method according to claim 11,
Prepare a cylindrical jig whose inner diameter matches the outer diameter of the stopper member of the locking pin and whose outer diameter matches the inner diameter of the upper layer hole,
In the state where the cylindrical jig is fitted into the upper layer hole, and the locking pin is fitted inside the cylindrical jig, the locking pin is fastened and fixed to the base with a bolt,
Thereafter, the locking pin is attached by detaching the cylindrical jig, and a force sensor assembling method is characterized.
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