JP2010112864A - Force sensor - Google Patents

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Yasunori Kawanami
康範 川浪
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Sony Corp
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Sony Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a multiaxial force sensor compactly manufactured at low cost, and sensing a plurality of translation forces in the axial direction and a plurality of moments around axes. <P>SOLUTION: It is possible to reduce a distance for distorting a strain element for the reason that a conductivity sensing rubber or an electrostatic capacitance is used for detecting the moments (M<SB>x</SB>, M<SB>y</SB>) around two axes, thereby a sensor diameter can be reduced. Also, a structure is simplified, so that a height can be ≤10 mm, thereby eliminating the need for performing a complicated interference removal operation. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、力を感知する力センサーに係り、特に、複数の軸方向の並進力並びに複数の軸回りのモーメントを感知する多軸の力センサーに関する。   The present invention relates to a force sensor that senses force, and more particularly to a multi-axis force sensor that senses a plurality of axial translational forces and moments about a plurality of axes.

センサーは、例えば動物の五感などで検知可能な物理量を計測の対象とし、コンピューターなどの電子機器で処理し易い信号に変換するデバイスである。音、光、温度、圧力、流量などさまざまなセンサーが普及している。   A sensor is a device that converts a physical quantity that can be detected by, for example, the five senses of an animal into a signal that can be easily processed by an electronic device such as a computer. Various sensors such as sound, light, temperature, pressure, and flow rate are prevalent.

このうち、力を感知する力は、材料や構造物に印加される力を計測するために広く利用されている。また、最近では、情報機器(パソコンやPDA(Personal Digital Assistant)、ゲーム機など)のタッチパネルを介したユーザー操作や、さらには日常生活で活躍するロボットとの接触を介したコミュニケーションなどにおいて、ユーザーの触動作を検出するデバイスとしても利用されている。   Of these, the force sensing force is widely used to measure the force applied to materials and structures. Recently, in user operations via the touch panel of information devices (such as personal computers, PDAs (Personal Digital Assistants), and game machines), and further through communication with contacts with robots that are active in daily life, It is also used as a device that detects tactile movements.

こういったさまざまな製品に組み込むには、多軸の力を感知し、低コスト且つ小型に製作することが望まれている。   In order to be incorporated into such various products, it is desired to produce multi-axis force and to manufacture at low cost and in a small size.

例えば、小型化が容易で、且つ、6分力の各力成分を独立に検出できる6分力力覚センサーについて提案がなされている(例えば、特許文献1を参照のこと)。この6軸力覚センサーは、互いに直交する第1軸及び第2軸方向に各々延びる第1及び第2のセンサー要素を各長手方向中間部で十字状に交差させて一体化してなる第1十字形センサーと、第1十字形センサーとの間に第1軸及び第2軸の双方と直交する第3軸方向の間隔を隔てて平行に配置された第2十字形センサーを備え、第1、第2十字形センサーのいずれか一方は第3軸方向の並進力と第1軸、第2軸回りの各モーメントの検出に用いられ、第1、第2十字形センサーの他方は第1、第2軸方向の各並進力と第3軸回りのモーメントの検出に用いられる。要するに、この6軸力センサーは、図17に示すように、第1乃至第3の各軸方向にそれぞれ伸びる起歪体からなる構造体で、起歪体の側面に接着した歪みゲージの出力を基に、各軸方向の並進力並びに各軸回りのモーメントを検出するものである。しかしながら、このような計測方法によると、起歪体を十分に歪ませる必要があり、言い換えれば起歪体の長さが必要となり、センサーを小さな径で製作することが困難である。   For example, a 6-component force sensor that can be easily miniaturized and can independently detect each force component of 6-component force has been proposed (see, for example, Patent Document 1). This six-axis force sensor is a tenth unit formed by integrating first and second sensor elements extending in the first and second axis directions orthogonal to each other in a cross shape at each longitudinal intermediate portion. A second cruciform sensor disposed in parallel with a gap in a third axial direction perpendicular to both the first axis and the second axis between the letter-shaped sensor and the first cruciform sensor; One of the second cruciform sensors is used to detect the translational force in the third axis direction and each moment around the first and second axes, and the other of the first and second cruciform sensors is the first and second ones. It is used to detect each translational force in the biaxial direction and moment about the third axis. In short, as shown in FIG. 17, this 6-axis force sensor is a structure composed of a strain generating body extending in each of the first to third axial directions, and outputs the output of a strain gauge adhered to the side surface of the strain generating body. Based on this, the translational force in each axial direction and the moment around each axis are detected. However, according to such a measuring method, it is necessary to sufficiently distort the strain generating body, in other words, the length of the strain generating body is required, and it is difficult to manufacture the sensor with a small diameter.

また、起歪体に対して歪みゲージを接着するのではなく、スパッタリングによってプロセス的に形成することで、歪みゲージの貼り付けという面倒な手作業を省略することもできるが(例えば、特許文献2を参照のこと)、起歪体を十分に歪ませるには、センサーを小さな径で製作できない点は上述と相違しない。   In addition, the troublesome manual work of attaching the strain gauge can be omitted by forming the strain gauge in a process by sputtering rather than bonding the strain gauge to the strain generating body (for example, Patent Document 2). In order to sufficiently distort the strain generating body, the sensor cannot be manufactured with a small diameter.

また、図18に示すように、土台に対して複数本の柱を建て、いずれかの柱に力が加わったときのその柱の根元付近の土台部分で生じる歪みを(図示しない歪みゲージを用いて)検出する多軸センサーについて提案がなされている(例えば、特許文献3を参照のこと)。しかしながら、各柱の強度及び土台の中心から柱までの距離が必要であるから、センサーを小さな径で製作できない点は上述と相違しない。また、いずれか1つの柱にしか力が加わっていなくても、他の柱の根元にある歪みゲージにも影響を与えてしまうので、軸毎の力並びにモーメントを取り出すには干渉除去演算を行なう必要がある。   In addition, as shown in FIG. 18, when a plurality of pillars are built on the base and a force is applied to any of the pillars, the strain generated in the base portion near the base of the pillar (using a strain gauge not shown) A proposal has been made regarding a multi-axis sensor to be detected (see, for example, Patent Document 3). However, since the strength of each column and the distance from the center of the base to the column are necessary, the point that the sensor cannot be manufactured with a small diameter is not different from the above. In addition, even if force is applied to only one of the columns, it also affects the strain gauge at the base of the other column, so interference removal calculation is performed to extract the force and moment for each axis. There is a need.

特開2000−266620号公報JP 2000-266620 A 特開2005−300465号公報JP-A-2005-300465 特開2005−31062号公報JP 2005-31062 A

本発明の目的は、複数の軸方向の並進力並びに複数の軸回りのモーメントを感知する多軸構成の、優れた力センサーを提供することにある。   An object of the present invention is to provide an excellent force sensor having a multi-axis configuration that senses a plurality of axial translational forces and moments about a plurality of axes.

本発明のさらなる目的は、低コストで且つ小型に製作することができる、優れた多軸力センサーを提供することにある。   A further object of the present invention is to provide an excellent multi-axis force sensor that can be manufactured at a low cost and in a small size.

本願は、上記課題を参酌してなされたものであり、請求項1に記載の発明は、
XY方向の並進力Fx、Fyを計測する第1の計測部と、
Z方向に加わる力を感知する複数の感圧部をXY平面上に分散して配置し、各感圧部で感知した複数のZ方向の力に基づいて、Z方向の並進力Fz、及びXY各軸回りのモーメントMx、Myを計測する第2の計測部と、
を具備することを特徴とする力センサーである。
The present application has been made in consideration of the above problems, and the invention according to claim 1
A first measurement unit for measuring translational forces F x and F y in the XY directions;
A plurality of pressure sensing units that sense a force applied in the Z direction are arranged in a distributed manner on the XY plane, and based on a plurality of Z direction forces sensed by each pressure sensing unit, a translational force F z in the Z direction, and XY about each axis moment M x, and a second measuring unit for measuring the M y,
A force sensor.

また、本願の請求項2に記載の発明によれば、前記第1の計測部は、起歪体及び前記起歪体の2方向の歪みを検出する歪みセンサーで構成される。   According to the invention described in claim 2 of the present application, the first measurement unit is configured by a strain sensor and a strain sensor that detects strain in two directions of the strain body.

また、本願の請求項3に記載の発明によれば、前記第2の計測部の前記複数の感圧部は、ゴムの圧縮により抵抗値が変化する導電性感圧ゴム方式の素子からなる。   According to the invention described in claim 3 of the present application, the plurality of pressure sensitive parts of the second measuring part are composed of a conductive pressure sensitive rubber type element whose resistance value is changed by rubber compression.

また、本願の請求項4に記載の発明によれば、前記第2の計測部の前記複数の感圧部は、静電板の間隔が変動することにより静電容量が変化する静電容量方式の素子からなる。   Further, according to the invention described in claim 4 of the present application, the plurality of pressure sensitive units of the second measurement unit is a capacitance type in which the capacitance changes as the interval between the electrostatic plates changes. It consists of the element.

本発明によれば、複数の軸方向の並進力並びに複数の軸回りのモーメントを感知する5軸構成の、優れた力センサーを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide an excellent force sensor having a five-axis configuration that senses a plurality of axial translational forces and moments about a plurality of axes.

また、本発明によれば、低コストで且つ小型に製作することができる、優れた多軸力センサーを提供することができる。   In addition, according to the present invention, it is possible to provide an excellent multi-axis force sensor that can be manufactured at a low cost and in a small size.

本願の請求項1に記載の発明によれば、第1の計測部が、起歪体の2方向の歪みを基にXY方向の並進力Fx、Fyを計測する一方、第2の計測部が、XY平面上に分散して配置された複数の感圧部から得られる複数のZ方向の並進力を演算して、Z方向の並進力FzとともにXY各軸回りのモーメントMx、Myを算出するようにしており、低コストで且つ小型に製作することができる。 According to the invention described in claim 1 of the present application, the first measurement unit measures the translational forces F x and F y in the XY directions based on the strain in the two directions of the strain generating body, while the second measurement. Unit calculates a plurality of Z-direction translational forces obtained from a plurality of pressure-sensitive parts distributed on the XY plane, and together with the Z-direction translational force F z , moments M x around the XY axes, and to calculate the M y, it can be fabricated and compact at a low cost.

また、本願の請求項2に記載の発明によれば、起歪体に2方向に撓みが生じると、歪みゲージ3よる計測結果を基に、各方向の並進力Fx、Fyを計測することができる。 According to the invention described in claim 2 of the present application, when the strain generating body is bent in two directions, the translational forces F x and F y in each direction are measured based on the measurement result by the strain gauge 3. be able to.

また、本願の請求項3に記載の発明によれば、Z方向の力が印加されたときに、導電性感圧ゴム方式の各感圧部の抵抗値の変化から各感圧部に印加された力F0〜F3を求め、各力F0〜F3からZ方向の並進力Fz、及びXY各軸回りのモーメントMx、Myを求めることができる。 Further, according to the invention described in claim 3 of the present application, when a force in the Z direction is applied, it is applied to each pressure sensitive part from a change in resistance value of each pressure sensitive part of the conductive pressure sensitive rubber system. the calculated force F 0 to F 3, the force F 0 to F 3 in the Z direction of the translational force F z, and XY around the axes moments M x, can be obtained M y.

また、本願の請求項4に記載の発明によれば、Z方向の力が印加されたときに、静電容量方式の各感圧部の静電容量の変化に伴う測定電圧の変化から各感圧部に印加された力F0〜F3を求め、各力F0〜F3からZ方向の並進力Fz、及びXY各軸回りのモーメントMx、Myを求めることができる。 Further, according to the invention described in claim 4 of the present application, when a force in the Z direction is applied, each sensitivity is detected from a change in measured voltage accompanying a change in capacitance of each pressure sensitive part of the capacitance method. the calculated force F 0 to F 3 applied to the pressure part, a translational force in the Z direction from each force F 0 ~F 3 F z, and XY around the axes moments M x, can be obtained M y.

本願の請求項3、4に記載の発明によれば、導電性感圧ゴム若しくは静電容量を2軸回りのモーメント(Mx,My)の検出に使用するという理由で、起歪体を歪ませるための距離を小さくすることが可能である。この結果、センサー外径を小さくすることができる。また、構造がシンプルであるため、高さも10mm以下にすることが可能であり、複雑な干渉除去演算を行なう必要もない。加えて、歪みゲージを2方向の並進力(Fx,Fy)の検出に使用するという理由で、基準がずれることが小さくて済む。さらに、導電性感圧ゴム部若しくは静電容量部と歪みゲージを用いるという理由で、導電性感圧ゴム(数十円)+歪みゲージ(数百円)+構造体費という安価で、既製品の1/10程度で製作することが可能である。 According to the invention described in claim 3 and 4, the conductive pressure sensitive rubber or the capacitance of the two axes of the moment (M x, M y) on the grounds that used to detect the distortion of the flexure element It is possible to reduce the distance for storing. As a result, the outer diameter of the sensor can be reduced. Further, since the structure is simple, the height can be reduced to 10 mm or less, and there is no need to perform complicated interference removal calculation. In addition, since the strain gauge is used for detecting the translational forces (F x , F y ) in two directions, it is possible to reduce the deviation of the reference. Furthermore, because of the use of a conductive pressure-sensitive rubber part or a capacitance part and a strain gauge, the conductive pressure-sensitive rubber (tens of yen) + strain gauge (several hundred yen) + structure cost is low, and it is 1 It is possible to manufacture at about / 10.

本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。   Other objects, features, and advantages of the present invention will become apparent from more detailed description based on embodiments of the present invention described later and the accompanying drawings.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1及び図2には、本発明の一実施形態に係る5軸力センサーの組み立て構成、並びに分解図をそれぞれ示している。   1 and 2 show an assembly configuration and an exploded view of a five-axis force sensor according to an embodiment of the present invention, respectively.

図示の5軸力センサー10は、高さ方向(Z軸方向)に印加された圧力によって生じる歪み量に応じて抵抗値又は静電容量を変化させる感圧部1と、感圧部1における抵抗体又は静電容量の変化を電圧信号として測定するセンサー部2と、表面にX軸方向及びY軸方向の歪み量測定用の2組の歪みゲージ3が表面に配設されたほぼ四角柱形状の起歪体4と、これらのセンサー構成要素1〜4を支持する第1乃至第3の構造体6〜8と、構造体を係止する係止部5で構成される。歪みゲージは、機械的な寸法の微小な変化を電気信号として検出するデバイスである(周知)。   The illustrated five-axis force sensor 10 includes a pressure-sensitive unit 1 that changes a resistance value or capacitance according to an amount of strain generated by pressure applied in a height direction (Z-axis direction), and a resistance in the pressure-sensitive unit 1. A sensor unit 2 that measures a change in body or capacitance as a voltage signal, and a substantially quadrangular prism shape in which two sets of strain gauges 3 for measuring the amount of strain in the X-axis direction and Y-axis direction are arranged on the surface The strain body 4, the first to third structures 6 to 8 that support these sensor components 1 to 4, and the locking portion 5 that locks the structure. A strain gauge is a device that detects a minute change in mechanical dimensions as an electrical signal (well known).

感圧部1及びセンサー部2は、第1の構造体6と第3の構造体8の間に挟持されている。また、第1の構造体6と第2の構造体7はポール・ジョイントになっており、ほぼ円弧形状を那須第1の構造体6は円弧中心に沿って回転可能に構造体7に支持されている。また、起歪体4と第1の構造体6は、係止部5で締結され、一定の与圧がかけられている。   The pressure sensing unit 1 and the sensor unit 2 are sandwiched between the first structure 6 and the third structure 8. Further, the first structure 6 and the second structure 7 are pole joints, and the Nasu first structure 6 is supported by the structure 7 so as to be rotatable along the center of the arc. ing. In addition, the strain body 4 and the first structure 6 are fastened by the locking portion 5 and are applied with a certain pressure.

図3には、図1に示した5軸力センサー10が、水平すなわちX軸方向及びY軸方向の各並進力Fx、Fyを計測するための動作原理を図解している。 FIG. 3 illustrates an operating principle for the 5-axis force sensor 10 shown in FIG. 1 to measure the translational forces F x and F y in the horizontal direction, that is, in the X-axis direction and the Y-axis direction.

図1並びに図2に示したように、構造体7は、構造体6を介して起歪体4に締結されている。したがって、構造体7に並進力Fx、Fyが加わると、構造体7は水平方向(すなわちXY平面内で)スライドし、これに伴って起歪体4にはX軸又はY軸方向に撓みが生じることから、歪みゲージ3による計測結果を基に、各並進力Fx、Fyを計測することができる。かかる歪みゲージ方式のセンサー構成については当業界で周知であるので、本明細書ではこれ以上説明しない。2方向の並進力Fx、Fyを計測する機能は、本願の請求項1における第1の計測部に相当する。 As shown in FIGS. 1 and 2, the structure body 7 is fastened to the strain body 4 via the structure body 6. Therefore, when the translational forces F x and F y are applied to the structure 7, the structure 7 slides in the horizontal direction (that is, in the XY plane), and accordingly, the strain body 4 moves in the X-axis or Y-axis direction. Since the bending occurs, the translational forces F x and F y can be measured based on the measurement result by the strain gauge 3. Such strain gauge type sensor configurations are well known in the art and will not be described further herein. The function of measuring the translation forces F x and F y in the two directions corresponds to the first measurement unit in claim 1 of the present application.

図4には、感圧部1の構成例を示している。図示の例では、感圧部1は、4個の均一な導電性感圧ゴム部1−0、1−1、1−2、1−3で構成され、それぞれ歪み量に応じて抵抗値が変化する可変抵抗R0〜R3として作用する。感圧部1は、本願の請求項1における第2の計測部に相当する。 FIG. 4 shows a configuration example of the pressure sensitive unit 1. In the illustrated example, the pressure-sensitive part 1 is composed of four uniform conductive pressure-sensitive rubber parts 1-0, 1-1, 1-2, and 1-3, and the resistance value changes in accordance with the amount of strain. Acting as variable resistors R 0 to R 3 . The pressure sensitive unit 1 corresponds to a second measuring unit in claim 1 of the present application.

図5には、導電性感圧ゴム部1−0、1−1、1−2、1−3からなる各可変抵抗R0〜R3の配置例を示している。 FIG. 5 shows an arrangement example of the variable resistors R 0 to R 3 including the conductive pressure-sensitive rubber portions 1-0, 1-1, 1-2, and 1-3.

起歪体4を用いて並進力Fx、Fyを計測するXY平面に対し、各可変抵抗R0〜R3は、原点から距離Lだけ離間した同心円上で、第1〜第4象限にちょうど分散して配置されている。 With respect to the XY plane for measuring the translational forces F x and F y using the strain body 4, the variable resistors R 0 to R 3 are in concentric circles separated from the origin by a distance L in the first to fourth quadrants. Just distributed.

図6には、感圧部1が備える可変抵抗R0〜R3の抵抗値を計測するセンサー部2の等価回路を示している。 FIG. 6 shows an equivalent circuit of the sensor unit 2 that measures the resistance values of the variable resistors R 0 to R 3 included in the pressure sensing unit 1.

感圧部1にZ方向の力を加えると、各可変抵抗R0〜R3の抵抗値が変化する。センサー部2では、抵抗値R0〜R3の変化をそれぞれ電圧V0〜V3の変化として計測する。 The addition of Z-direction force to the pressure sensing section 1, the resistance value of the variable resistor R 0 to R 3 are changed. The sensor unit 2 measures changes in the resistance values R 0 to R 3 as changes in the voltages V 0 to V 3 , respectively.

そして、各可変抵抗R0〜R3からの測定電圧V0〜V3に対して、所定のキャリブレーションを施すことによって、各導電性感圧ゴム部1−0、1−1、1−2、1−3に印加された力F0〜F3に変換することができる。さらに、以下の式(1)によって、各力F0〜F3からZ方向の並進力Fz、及びXY各軸回りのモーメントMx、Myを求めることができる。 Each variable resistor R 0 to R relative to the measurement voltage V 0 ~V 3 from 3, by performing a predetermined calibration, the conductive pressure sensitive rubber portion 1-0,1-1,1-2, It can be converted into forces F 0 to F 3 applied to 1-3. Further, by the following equation (1), each force F 0 to F 3 in the Z direction of the translational force F z, and XY around the axes moments M x, can be obtained M y.

図7には、図1に示した5軸力センサー10が、高さ方向すなわちZ軸方向の並進力Fz、並びにX軸又はY軸回りのモーメントMx、Myを計測するための動作原理を図解している。 Figure 7, is a 5-axis force sensor 10 shown in FIG. 1, the translational force in the height direction, that is Z-axis direction F z, and X-axis or Y-axis moment M x, the operation for measuring the M y Illustrates the principle.

構造体7全体を上からZ軸方向に押すと、感圧部1が印加された力Fzに応じて導電性感圧ゴム部1−0、1−1、1−2、1−3はほぼ一様に圧縮されて、各々の抵抗値R0〜R3がほぼ同じく変化する。そして、センサー部2は感圧部1における抵抗体の変化を電圧信号に変換して、さらに上式(1)に従ってX軸方向の並進力Fzを測定することができる。構造体7に印加された力にモーメント成分が含まれない場合には、各導電性感圧ゴム部1−0、1−1、1−2、1−3から計測される力F0〜F3は一定となることから、上式(1)において、モーメントMx、Myはともに0になる。 Pressing the Z-axis direction of the entire construction 7 from above, the conductive pressure sensitive rubber portion 1-0,1-1,1-2,1-3 in response to forces F z that pressure sensing section 1 is applied almost By being uniformly compressed, each of the resistance values R 0 to R 3 changes almost the same. Then, the sensor unit 2 can convert the change in resistance in the pressure sensing section 1 into a voltage signal, measuring the translational force F z in the X-axis direction in accordance with further the above equation (1). When the moment component is not included in the force applied to the structure 7, forces F 0 to F 3 measured from the conductive pressure-sensitive rubber portions 1-0, 1-1, 1-2, 1-3. since the constant in the above equation (1), the moment M x, M y are both zero.

他方、構造体7の端部をZ方向に押すと、導電性感圧ゴム部1−0、1−1、1−2、1−3の一部のみが圧縮され(あるいは不均一に圧縮され)、各々の抵抗値R0〜R3が不均一に変化する。そして、センサー部2は感圧部1における抵抗体の変化を電圧信号に変換して、さらに上式(1)に従ってX軸方向の並進力Fz、並びにX軸又はY軸回りのモーメントMx、Myを測定することができる。 On the other hand, when the end of the structure 7 is pushed in the Z direction, only a part of the conductive pressure-sensitive rubber parts 1-0, 1-1, 1-2, 1-3 is compressed (or compressed non-uniformly). Each of the resistance values R 0 to R 3 varies non-uniformly. Then, the sensor unit 2 converts the change of the resistor in the pressure sensing unit 1 into a voltage signal, and further translates the translation force F z in the X-axis direction and the moment M x about the X-axis or Y-axis according to the above equation (1). , it can be measured M y.

図4〜図6に示したような感圧部1が4個の均一な導電性感圧ゴム部1−0、1−1、1−2、1−3で構成された実施形態によれば、導電性感圧ゴムを2軸回りのモーメント(Mx,My)の検出に使用するという理由で、起歪体を歪ませるための距離を小さくすることが可能である。この結果、センサー外径を小さくすることができる。また、構造がシンプルであるため、高さも10mm以下にすることが可能であり、複雑な干渉除去演算を行なう必要もない。加えて、歪みゲージを2方向の並進力(Fx,Fy)の検出に使用するという理由で、基準がずれることが小さくて済む。さらに、導電性感圧ゴム部と歪みゲージを用いるという理由で、導電性感圧ゴム(数十円)+歪みゲージ(数百円)+構造体費という低コストで製作することが可能であり、この価格は既製品の1/10程度に相当する。 According to the embodiment in which the pressure sensitive part 1 as shown in FIGS. 4 to 6 is composed of four uniform conductive pressure sensitive rubber parts 1-0, 1-1, 1-2, 1-3. the conductive pressure-sensitive rubber 2 about the axis of the moment (M x, M y) on the grounds that used to detect, it is possible to reduce the distance to distort the flexure element. As a result, the outer diameter of the sensor can be reduced. Further, since the structure is simple, the height can be reduced to 10 mm or less, and there is no need to perform complicated interference removal calculation. In addition, since the strain gauge is used for detecting the translational forces (F x , F y ) in two directions, it is possible to reduce the deviation of the reference. Furthermore, because of the use of the conductive pressure-sensitive rubber part and strain gauge, it is possible to produce the conductive pressure-sensitive rubber (several tens of yen) + strain gauge (several hundred yen) + structure cost at a low cost. The price corresponds to about 1/10 of the ready-made product.

図8〜図12には、図1に示した5軸力センサー10における、各並進力Fx、Fy、Fz、並びにX軸又はY軸回りのモーメントMx、Myを計測した出力データを例示している。各図において、横軸が時間[秒]であり、縦軸が出力電圧値[V]である。但し、いずれもサンプリング速度は100マイクロ秒とする。 The 8 to 12, in 5-axis force sensor 10 shown in FIG. 1, the translational force F x, F y, F z , and X-axis or Y-axis moment M x, the output obtained by measuring the M y The data is illustrated. In each figure, the horizontal axis is time [second], and the vertical axis is output voltage value [V]. However, in all cases, the sampling rate is 100 microseconds.

図4〜図6には、感圧部1が4個の均一な導電性感圧ゴム部1−0、1−1、1−2、1−3で構成された実施形態を示したが、感圧ゴムに代えて、圧力に応じて静電容量を変化させる4個の静電容量部を用いて感圧部1を構成することもできる。   4 to 6 show an embodiment in which the pressure-sensitive part 1 is composed of four uniform conductive pressure-sensitive rubber parts 1-0, 1-1, 1-2, and 1-3. Instead of the pressure rubber, the pressure-sensitive portion 1 can be configured by using four capacitance portions that change the capacitance according to the pressure.

図13には、静電容量部C0〜C3の配置例を示している。起歪体4を用いて並進力Fx、Fyを計測するXY平面に対し、各静電容量部C0〜C3は、原点から距離Lだけ離間した同心円上で、第1〜第4象限にちょうど分散して配置されている。 FIG. 13 shows an arrangement example of the capacitance units C 0 to C 3 . With respect to the XY plane in which the translational forces F x and F y are measured using the strain body 4, the capacitance units C 0 to C 3 are first to fourth on concentric circles separated by a distance L from the origin. Distributed just in the quadrant.

図14には、感圧部1が備える静電容量部C0〜C3の静電容量を計測するセンサー部2の等価回路を示している。 FIG. 14 shows an equivalent circuit of the sensor unit 2 that measures the capacitances of the capacitance units C 0 to C 3 included in the pressure-sensitive unit 1.

コンデンサーの静電容量Cは、対向する極板間の誘電率εと、極板の面積S及び極板間距離dにより決定され、C=εS/dが成り立つ(周知)。したがって、静電容量部に力が加わって極板間距離dが減少すると、これに伴う静電容量Cの変化量に応じて、図15に示すようにチャージ曲線が変化する。   The capacitance C of the capacitor is determined by the dielectric constant ε between the opposing electrode plates, the area S of the electrode plates, and the distance d between the electrode plates, and C = εS / d is established (well known). Therefore, when a force is applied to the capacitance portion and the distance d between the electrode plates decreases, the charge curve changes as shown in FIG. 15 according to the amount of change in the capacitance C associated therewith.

センサー部2では、時刻t1における各静電容量部C0〜C3からの電圧V0〜V3を計測する。そして、各測定電圧V0〜V3に対して、所定のキャリブレーションを施すことによって、各静電容量部C0〜C3に印加された力F0〜F3に変換することができる。さらに、以下の式(2)によって、各力F0〜F3からZ方向の並進力Fz、及びXY各軸回りのモーメントMx、Myを求めることができる。 The sensor unit 2 measures voltages V 0 to V 3 from the capacitance units C 0 to C 3 at time t 1 . Then, for each measurement voltage V 0 ~V 3, by performing a predetermined calibration can be converted to a force F 0 to F 3 applied to the capacitive element C 0 -C 3. Further, by the following equation (2), each force F 0 to F 3 in the Z direction of the translational force F z, and XY around the axes moments M x, can be obtained M y.

図7に示したように、構造体7全体を上からZ軸方向に押すと、感圧部1が印加された力Fzに応じて各静電容量部はほぼ一様に圧縮されて、各々の静電容量値C0〜C3がほぼ同じく変化する。そして、センサー部2は感圧部1における静電容量の変化を電圧信号に変換して、さらに上式(2)に従ってX軸方向の並進力Fzを測定することができる。 As shown in FIG. 7, when the entire structure 7 is pushed in the Z-axis direction from above, each electrostatic capacity part is compressed almost uniformly according to the force F z applied by the pressure-sensitive part 1, Each of the capacitance values C 0 to C 3 changes almost the same. Then, the sensor unit 2 can convert the change in capacitance in the pressure sensing section 1 into a voltage signal, measuring the translational force F z in the X-axis direction in accordance with further the above equation (2).

他方、構造体7の端部をZ方向に押すと、静電容量部の一部のみが圧縮され(あるいは不均一に圧縮され)、各々の静電容量値C0〜C3が不均一に変化する。そして、センサー部2は感圧部1における静電容量の変化を電圧信号に変換して、さらに上式(2)に従ってX軸方向の並進力Fz、並びにX軸又はY軸回りのモーメントMx、Myを測定することができる。 On the other hand, when the end portion of the structure 7 is pushed in the Z direction, only a part of the capacitance portion is compressed (or compressed non-uniformly), and the capacitance values C 0 to C 3 become non-uniform. Change. The sensor unit 2 converts the capacitance change in the pressure sensing unit 1 into a voltage signal, and further translates the translation force F z in the X-axis direction and the moment M about the X-axis or Y-axis according to the above equation (2). x, it is possible to measure the M y.

図13〜図14に示したような感圧部1が4個の均一な静電容量部で構成された実施形態によれば、静電容量部を2軸回りのモーメント(Mx,My)の検出に使用するという理由で、起歪体を歪ませるための距離を小さくすることが可能である。この結果、センサー外径を小さくすることができる。また、構造がシンプルであるため、高さも10mm以下にすることが可能であり、複雑な干渉除去演算を行なう必要もない。加えて、歪みゲージを2方向の並進力(Fx,Fy)の検出に使用するという理由で、基準がずれることが小さくて済む。さらに、静電容量部と歪みゲージを用いるという理由で、静電容量部(数十円)+歪みゲージ(数百円)+構造体費という低コストで製作することが可能であり、この価格は既製品の1/10程度に相当する。 According to the embodiment the pressure sensitive portion 1 as shown in FIGS. 13 14 are constituted by four uniform capacitance unit, the capacitance section 2 about the axis of the moment (M x, M y ), The distance for distorting the strain generating body can be reduced. As a result, the outer diameter of the sensor can be reduced. Further, since the structure is simple, the height can be reduced to 10 mm or less, and there is no need to perform complicated interference removal calculation. In addition, since the strain gauge is used for detecting the translational forces (F x , F y ) in two directions, it is possible to reduce the deviation of the reference. Furthermore, because it uses a capacitance part and a strain gauge, it can be manufactured at a low cost: capacitance part (tens of yen) + strain gauge (several hundred yen) + structure cost. Corresponds to about 1/10 of the ready-made product.

なお、これまでは5軸の力センサーについて説明してきたが、起歪体4に取り付ける歪みゲージを、図16に示すように2つの歪みゲージが90度に交差するよう配置すれば、Z軸回りの捻りモーメントMzを検出することができ、6軸力センサーを構成することも可能である。言い換えれば、本発明の要旨は5軸の検出に限定されるものではない。 Up to now, the 5-axis force sensor has been described, but if the strain gauge attached to the strain generating body 4 is arranged so that the two strain gauges intersect at 90 degrees as shown in FIG. The torsional moment Mz can be detected, and a six-axis force sensor can be configured. In other words, the gist of the present invention is not limited to 5-axis detection.

以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。   The present invention has been described in detail above with reference to specific embodiments. However, it is obvious that those skilled in the art can make modifications and substitutions of the embodiment without departing from the gist of the present invention.

本発明に係る5軸力センサーは、例えばロボットの指先などのエンド・エフェクターに取り付けて、3軸方向の並進力Fx、Fy、Fz、及び2軸回りのモーメントMx、Myの感知に用いることができるが、本発明の要旨はこれに限定されるものではない。例えば、情報機器や家電製品、各種産業用機器にも本発明に係る5軸力センサーを適用することができる。 5-axis force sensor according to the present invention, for example, attached to the end effector, such as a fingertip of the robot, translational forces in three axial directions F x, F y, F z , and 2 about the axis of moment M x, the M y Although it can be used for sensing, the gist of the present invention is not limited to this. For example, the 5-axis force sensor according to the present invention can be applied to information equipment, home appliances, and various industrial equipment.

要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。   In short, the present invention has been disclosed in the form of exemplification, and the description of the present specification should not be interpreted in a limited manner. In order to determine the gist of the present invention, the claims should be taken into consideration.

図1は、本発明の一実施形態に係る5軸力センサーの組み立て構成を示した図である。FIG. 1 is a view showing an assembly configuration of a five-axis force sensor according to an embodiment of the present invention. 図2は、本発明の一実施形態に係る5軸力センサーの分解図である。FIG. 2 is an exploded view of a 5-axis force sensor according to an embodiment of the present invention. 図3は、図1に示した5軸力センサー10がX軸方向及びY軸方向の各並進力Fx、Fyを計測するための動作原理を説明するための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining an operating principle for the 5-axis force sensor 10 shown in FIG. 1 to measure the translational forces F x and F y in the X-axis direction and the Y-axis direction. 図4は、感圧部1の構成例を示した図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of the pressure sensitive unit 1. 図5は、導電性感圧ゴム部1−0、1−1、1−2、1−3からなる各可変抵抗R0〜R3の配置例を示した図である。FIG. 5 is a diagram showing an arrangement example of the variable resistors R 0 to R 3 including the conductive pressure-sensitive rubber portions 1-0, 1-1, 1-2, and 1-3. 図6は、感圧部1が備える可変抵抗R0〜R3の抵抗値を計測するセンサー部2の等価回路を示した図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an equivalent circuit of the sensor unit 2 that measures resistance values of the variable resistors R 0 to R 3 included in the pressure-sensitive unit 1. 図7は、図1に示した5軸力センサー10がZ軸方向の並進力Fz、並びにX軸又はY軸回りのモーメントMx、Myを計測するための動作原理を説明するための図である。Figure 7 is a five-axis force sensor 10 shown in FIG. 1 is the Z-axis direction of the translational force F z, and X-axis or Y-axis moment M x, for explaining the operating principle for measuring the M y FIG. 図8は、図1に示した5軸力センサー10における並進力Fxを計測した出力データ例を示した図である。Figure 8 is a diagram showing an output example of data obtained by measuring the translational force F x in the 5-axis force sensor 10 shown in FIG. 図9は、図1に示した5軸力センサー10における並進力Fyを計測した出力データ例を示した図である。Figure 9 is a diagram showing an output example of data obtained by measuring the translational force F y in 5-axis force sensor 10 shown in FIG. 図10は、図1に示した5軸力センサー10における並進力Fzを計測した出力データ例を示した図である。Figure 10 is a diagram showing an output example of data obtained by measuring the translational force F z in the 5-axis force sensor 10 shown in FIG. 図11は、図1に示した5軸力センサー10におけるX軸回りのモーメントMxを計測した出力データ例を示した図である。FIG. 11 is a diagram illustrating an example of output data obtained by measuring the moment M x about the X axis in the five-axis force sensor 10 illustrated in FIG. 1. 図12は、図1に示した5軸力センサー10におけるY軸回りのモーメントMyを計測した出力データ例を示した図である。Figure 12 is a diagram showing an output example of data obtained by measuring the moment M y around the Y axis in the 5-axis force sensor 10 shown in FIG. 図13は、静電容量部C0〜C3の配置例を示した図である。FIG. 13 is a diagram illustrating an arrangement example of the capacitance units C 0 to C 3 . 図14は、感圧部1が備える静電容量部C0〜C3の静電容量を計測するセンサー部2の等価回路を示した図である。FIG. 14 is a diagram illustrating an equivalent circuit of the sensor unit 2 that measures the capacitances of the capacitance units C 0 to C 3 included in the pressure-sensitive unit 1. 図15は、静電容量部C0〜C3のチャージ曲線を示した図である。FIG. 15 is a diagram illustrating charge curves of the capacitance units C 0 to C 3 . 図16は、起歪体4及び歪みゲージ3の変形例を示した図である。FIG. 16 is a view showing a modification of the strain body 4 and the strain gauge 3. 図17は、第1乃至第3の各軸方向にそれぞれ伸びる起歪体からなる構造体を例示した図である。FIG. 17 is a diagram exemplifying a structure made of a strain generating body extending in each of the first to third axial directions. 図18は、土台に対して複数本の柱を建て、いずれかの柱に力が加わったときのその柱の根元付近の土台部分で生じる歪みを検出する多軸センサーを示した図である。FIG. 18 is a diagram showing a multi-axis sensor that detects a strain generated in a base portion near the base of a pillar when a plurality of pillars are built on the base and a force is applied to any of the pillars.

符号の説明Explanation of symbols

1…感圧部
2…センサー部
3…歪みゲージ
4…起歪体
5…係止部
6…第1の構造体
7…第2の構造体
8…第3の構造体
10…5軸力センサー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Pressure-sensitive part 2 ... Sensor part 3 ... Strain gauge 4 ... Strain body 5 ... Locking part 6 ... 1st structure 7 ... 2nd structure 8 ... 3rd structure 10 ... 5-axis force sensor

Claims (4)

XY方向の並進力Fx、Fyを計測する第1の計測部と、
Z方向に加わる力を感知する複数の感圧部をXY平面上に分散して配置し、各感圧部で感知した複数のZ方向の力に基づいて、Z方向の並進力Fz、及びXY各軸回りのモーメントMx、Myを計測する第2の計測部と、
を具備することを特徴とする力センサー。
A first measurement unit for measuring translational forces F x and F y in the XY directions;
A plurality of pressure sensing units that sense a force applied in the Z direction are arranged in a distributed manner on the XY plane, and based on a plurality of Z direction forces sensed by each pressure sensing unit, a translational force F z in the Z direction, and XY about each axis moment M x, and a second measuring unit for measuring the M y,
A force sensor comprising:
前記第1の計測部は、起歪体及び前記起歪体の2方向の歪みを検出する歪みセンサーで構成される、
ことを特徴とする請求項1に記載の力センサー。
The first measurement unit includes a strain body and a strain sensor that detects strain in two directions of the strain body.
The force sensor according to claim 1.
前記第2の計測部の前記複数の感圧部は、ゴムの圧縮により抵抗値が変化する導電性感圧ゴム方式の素子からなる、
ことを特徴とする請求項1又は2のいずれかに記載の力センサー。
The plurality of pressure-sensitive parts of the second measurement unit are composed of a conductive pressure-sensitive rubber type element whose resistance value is changed by rubber compression.
The force sensor according to claim 1 or 2, wherein
前記第2の計測部の前記複数の感圧部は、静電板の間隔が変動することにより静電容量が変化する静電容量方式の素子からなる、
ことを特徴とする請求項1又は2のいずれかに記載の力センサー。
The plurality of pressure sensing units of the second measurement unit are composed of capacitance type elements in which the capacitance changes as the interval between the electrostatic plates varies.
The force sensor according to claim 1 or 2, wherein
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