JP2014119347A - Force sensor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To detect a three-axis force and a three-axis moment, while achieving the miniaturization and the cost down.SOLUTION: The inside structural body 200 composed of a triangle pole is arranged at a position of an original point Q of an αβγ coordinate system, and a cylindrical outside structural body 100 which is outside the inside structure body 200, and further, a cylindrical outer shell structural body 300 which is outside the outside structural body 100 are arranged. The inside structural body 200 and the outer shell structural body 300 are connected, and basic sensors S1, S2, S3 are connected between the inside structural body 200 and the outside structure body 100. The outside structural body 100 is fixed on a pedestal, and when an outside force is acted on the outer shell structure body 300, the inside structural body 200 is made to operate by a relative displacement, and a distortion is generated in each basic sensor. Each basic sensor is defined with a separate XYZ coordinate system, respectively, and moments Mx, My around an X axis, a Y axis are detected based on the generated distortions. Forces Fα, Fβ, Fγ in each coordinate axis direction of the αβγ coordinate system and moments Mα, Mβ, Mγ around each coordinate axis can be obtained by the calculation based on the detection values Mx, My of each basic sensor.

Description

本発明は、力覚センサに関し、特に、三次元直交座標系における任意軸方向の力成分もしくは任意軸まわりのモーメント成分を検出する力覚センサに関する。   The present invention relates to a force sensor, and more particularly to a force sensor that detects a force component in an arbitrary axis direction or a moment component around an arbitrary axis in a three-dimensional orthogonal coordinate system.

ロボットをはじめとする様々な産業機械では、アームの間節部分に作用する力を検出する力覚センサが利用されている。特に、コンピュータ制御で駆動させる産業機械の場合、各部に作用する力を、三次元座標系における所定軸方向の力成分と所定軸まわりのモーメント成分とに分けて検出することが重要になる。   In various industrial machines including robots, force sensors that detect forces acting on the joints between arms are used. In particular, in the case of an industrial machine driven by computer control, it is important to detect the force acting on each part separately for a force component in a predetermined axis direction and a moment component around the predetermined axis in a three-dimensional coordinate system.

このように三次元の各軸方向の力成分および各軸まわりのモーメント成分を独立して検出する機能をもつセンサとして、たとえば、下記の特許文献1には、半導体基板上に形成されたピエゾ抵抗素子を利用した力覚センサが開示されている。この力覚センサでは、検出対象となる力の作用により機械的な撓みが生じる起歪体に半導体基板を接合し、この半導体基板上に形成したピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化を検出することにより作用した力の検出が行われる。また、特許文献2には、この特許文献1に開示された技術を更に改良して、構造を単純化し、コストダウンを図ることができる力覚センサが開示されている。   As a sensor having a function of independently detecting a three-dimensional force component in each axial direction and a moment component around each axis as described above, for example, Patent Document 1 listed below discloses a piezoresistor formed on a semiconductor substrate. A force sensor using an element is disclosed. In this force sensor, a semiconductor substrate is bonded to a strain generating body in which mechanical bending occurs due to the action of a force to be detected, and a change in the resistance value of a piezoresistive element formed on the semiconductor substrate is detected. The applied force is detected. Patent Document 2 discloses a force sensor that can further improve the technique disclosed in Patent Document 1, simplify the structure, and reduce costs.

一方、特許文献3には、2枚の平行基板の間に四本の支柱を渡した構造体を用い、各支柱の変位状態を容量素子を用いて検知することにより、三次元座標系の各座標軸方向の力成分と各座標軸まわりのモーメント成分をそれぞれ独立して検出可能な6軸型の力覚センサが開示されている。   On the other hand, Patent Document 3 uses a structure in which four struts are passed between two parallel substrates, and detects the displacement state of each strut using a capacitive element. A 6-axis type force sensor capable of independently detecting a force component in the coordinate axis direction and a moment component around each coordinate axis is disclosed.

特開昭63−266325号公報JP-A 63-266325 特許第4987162号公報Japanese Patent No. 4987162 特開2004−325367号公報JP 2004-325367 A

近年、力覚センサの用途は様々な分野にまで広がってきており、個々の用途に応じて、任意の座標軸方向の力成分や任意の座標軸まわりのモーメント成分を検出でき、しかも小型化やコストダウンを図ることができる力覚センサが望まれている。前掲の特許文献1,2に開示された力覚センサは、構造が比較的単純であるため、小型化やコストダウンを図るメリットは得られるが、特定の座標軸方向の力成分や特定の座標軸まわりのモーメント成分しか検出することができないため、利用可能な用途は限定されてしまう。   In recent years, the use of force sensors has expanded to various fields, and it is possible to detect force components in the direction of arbitrary coordinate axes and moment components around arbitrary coordinate axes according to individual applications, and to reduce size and cost. There is a demand for a force sensor that can achieve this. The force sensors disclosed in the above-mentioned Patent Documents 1 and 2 have a relatively simple structure, so that the advantage of miniaturization and cost reduction can be obtained, but the force component in the specific coordinate axis direction and the specific coordinate axis Since only the moment component can be detected, usable applications are limited.

一方、前掲の特許文献3に開示された力覚センサは、6軸型のセンサであるため、三次元座標系の任意の座標軸方向の力成分と任意の座標軸まわりのモーメント成分をそれぞれ独立して検出することが可能な利点を有している。しかしながら、その構造は複雑であり、小型化やコストダウンを図ることは困難である。   On the other hand, since the force sensor disclosed in Patent Document 3 is a 6-axis sensor, a force component in an arbitrary coordinate axis direction of a three-dimensional coordinate system and a moment component around an arbitrary coordinate axis are independently obtained. It has the advantage that it can be detected. However, the structure is complicated and it is difficult to reduce the size and cost.

そこで本発明は、要望に応じて、任意の座標軸方向の力成分や任意の座標軸まわりのモーメント成分を検出することができ(必要なら、三次元座標系の各座標軸方向の力成分と各座標軸まわりのモーメント成分の6軸成分を検出することができ)、しかも、小型化およびコストダウンを図ることが可能な力覚センサを提供することを目的とする。   Therefore, the present invention can detect a force component in an arbitrary coordinate axis direction and a moment component around an arbitrary coordinate axis as desired (if necessary, the force component in each coordinate axis direction of the three-dimensional coordinate system and the direction around each coordinate axis). It is an object of the present invention to provide a force sensor that can detect the six-axis component of the moment component) and that can be reduced in size and cost.

(1) 本発明の第1の態様は、力覚センサにおいて、
内部に収容空間を有する外側構造体と、
少なくとも一部がこの収容空間内に収容された内側構造体と、
複数n組(但し、n≧3)の基本センサと、
このn組の基本センサの出力に基づいて演算を行う演算手段と、
を設け、
n組の基本センサのそれぞれは、
外側構造体の所定位置に設けられた外側接続点と内側構造体の所定位置に設けられた内側接続点とを直接もしくは間接的に連結する連結機能と、
外側接続点および内側接続点のうちの一方を固定した状態において他方に作用する外力に基づいて、外側接続点と内側接続点との相対位置関係が変化するように弾性変形する変形機能と、
外側接続点と内側接続点とを結ぶ連結線上に位置する原点Oと、連結線上に配置されたZ軸と、このZ軸に直交するX軸と、Z軸およびX軸の双方に直交するY軸と、を有するXYZ三次元直交座標系を定義したときに、外力のX軸まわりのモーメント成分MxおよびY軸まわりのモーメント成分Myの少なくとも一方を検出する検出機能と、を有するようにし、
演算手段が、n組の基本センサのそれぞれが検出した検出値を用いた演算を行うことにより、外側構造体および内側構造体について、一方を固定した状態において他方に作用した力もしくはモーメントまたはその双方を検出するようにしたものである。
(1) A first aspect of the present invention is a force sensor,
An outer structure having a receiving space inside;
An inner structure at least partially housed in the housing space;
A plurality of n sets (where n ≧ 3) of basic sensors;
A calculation means for calculating based on the outputs of the n sets of basic sensors;
Provided,
Each of the n sets of basic sensors
A connection function for directly or indirectly connecting an outer connection point provided at a predetermined position of the outer structure and an inner connection point provided at a predetermined position of the inner structure;
A deformation function that elastically deforms so that the relative positional relationship between the outer connection point and the inner connection point changes based on an external force acting on the other of the outer connection point and the inner connection point, and
The origin O located on the connecting line connecting the outer connecting point and the inner connecting point, the Z axis arranged on the connecting line, the X axis orthogonal to the Z axis, and the Y axis orthogonal to both the Z axis and the X axis And a detection function for detecting at least one of the moment component Mx around the X axis and the moment component My around the Y axis of the external force when an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system having an axis is defined,
The calculation means performs a calculation using the detection values detected by each of the n sets of basic sensors, so that the force and / or moment applied to the other of the outer structure and the inner structure in a state where one is fixed. Is to be detected.

(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、
外側構造体を、内側構造体の全部もしくは一部を内部に収容する筒状の構造体によって構成し、各基本センサが、筒状の構造体の内周面上の外側接続点と内側構造体の外周面上の内側接続点とを連結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,
The outer structure is configured by a cylindrical structure that accommodates all or part of the inner structure therein, and each basic sensor is connected to an outer connection point and an inner structure on the inner peripheral surface of the cylindrical structure. Are connected to the inner connection point on the outer peripheral surface.

(3) 本発明の第3の態様は、上述の第2の態様に係る力覚センサにおいて、
外側構造体の更に外側に設けられ、筒状の構造体からなる外殻構造体と、
この外殻構造体と内側構造体とを接続する連結部材と、
を更に設けたものである。
(3) According to a third aspect of the present invention, in the force sensor according to the second aspect described above,
An outer shell structure provided on the outer side of the outer structure and made of a cylindrical structure; and
A connecting member for connecting the outer shell structure and the inner structure;
Is further provided.

(4) 本発明の第4の態様は、上述の第3の態様に係る力覚センサにおいて、
外殻構造体を、その中心軸が上下方向を向くように配置したときに、その上方開口部を覆う板状部材によって連結部材が構成され、この板状部材の下面周囲部に外殻構造体が接合され、この板状部材の下面中央部に内側構造体の上面が接続されているようにしたものである。
(4) According to a fourth aspect of the present invention, in the force sensor according to the third aspect described above,
When the outer shell structure is arranged so that the central axis thereof is directed in the vertical direction, a connecting member is constituted by a plate-like member covering the upper opening, and the outer shell structure is formed around the lower surface of the plate-like member. Are joined, and the upper surface of the inner structure is connected to the center of the lower surface of the plate-like member.

(5) 本発明の第5の態様は、上述の第4の態様に係る力覚センサにおいて、
外側構造体と外殻構造体とが、共通の軸を中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成され、外側構造体に対する内側構造体の変位が所定の許容範囲に達した場合に、外側構造体の外周面と外殻構造体の内周面とが接触し、それ以上の変位が制限されるように、外側構造体と外殻構造体との間隔が所定値に設定されており、
各基本センサが、外側構造体に対する内側構造体の変位が上記許容範囲内である限りにおいて、正常な検出機能を果たすことができ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 fourth aspect described above,
When the outer structure and the outer shell structure are constituted by a concentric cylindrical structure having a common axis as a central axis, and the displacement of the inner structure relative to the outer structure reaches a predetermined allowable range, the outer structure The interval between the outer structure and the outer shell structure is set to a predetermined value so that the outer peripheral surface of the structure is in contact with the inner peripheral surface of the outer shell structure, and further displacement is limited,
Each basic sensor can perform a normal detection function as long as the displacement of the inner structure relative to the outer structure is within the allowable range.

(6) 本発明の第6の態様は、上述の第4または第5の態様に係る力覚センサにおいて、
外側構造体と外殻構造体とが、共通の軸を中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成され、
外殻構造体の内周面には、内側に向かう制御突起が設けられており、外側構造体の外周面には、制御突起の先端部を収容する制御溝が設けられており、外側構造体に対する内側構造体の変位が所定の許容範囲に達した場合に、制御突起の先端部と制御溝の溝形成面とが接触し、それ以上の変位が制限されるように、制御突起の先端部と制御溝の溝形成面との間隔が所定値に設定されており、
各基本センサが、外側構造体に対する内側構造体の変位が上記許容範囲内である限りにおいて、正常な検出機能を果たすことができ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 fourth or fifth aspect described above,
The outer structure and the outer shell structure are constituted by a concentric cylindrical structure having a common axis as a central axis,
The inner peripheral surface of the outer shell structure is provided with a control projection directed inward, and the outer peripheral surface of the outer structure is provided with a control groove for accommodating the tip of the control projection. The tip of the control projection so that the tip of the control projection and the groove-forming surface of the control groove come into contact with each other and the displacement is further limited when the displacement of the inner structure relative to And the distance between the groove forming surface of the control groove is set to a predetermined value,
Each basic sensor can perform a normal detection function as long as the displacement of the inner structure relative to the outer structure is within the allowable range.

(7) 本発明の第7の態様は、上述の第4または第5の態様に係る力覚センサにおいて、
外側構造体と外殻構造体とが、共通の軸を中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成され、
外側構造体の外周面には、外側に向かう制御突起が設けられており、外殻構造体の内周面には、制御突起の先端部を収容する制御溝が設けられており、外側構造体に対する内側構造体の変位が所定の許容範囲に達した場合に、制御突起の先端部と制御溝の溝形成面とが接触し、それ以上の変位が制限されるように、制御突起の先端部と制御溝の溝形成面との間隔が所定値に設定されており、
各基本センサが、外側構造体に対する内側構造体の変位が上記許容範囲内である限りにおいて、正常な検出機能を果たすことができるようにしたものである。
(7) A seventh aspect of the present invention is the force sensor according to the fourth or fifth aspect described above,
The outer structure and the outer shell structure are constituted by a concentric cylindrical structure having a common axis as a central axis,
A control projection directed outward is provided on the outer peripheral surface of the outer structure, and a control groove for receiving a tip portion of the control projection is provided on the inner peripheral surface of the outer shell structure. The tip of the control projection so that the tip of the control projection and the groove-forming surface of the control groove come into contact with each other and the displacement is further limited when the displacement of the inner structure relative to And the distance between the groove forming surface of the control groove is set to a predetermined value,
Each basic sensor can perform a normal detection function as long as the displacement of the inner structure relative to the outer structure is within the allowable range.

(8) 本発明の第8の態様は、上述の第2〜第7の態様に係る力覚センサにおいて、
外側構造体を、その中心軸が上下方向を向くように配置したときに、外側構造体の下方開口部を覆う底板部材と、この底板部材の上面に固定された回路基板と、を更に設け、演算手段を、この回路基板上に形成された演算回路によって構成したものである。
(8) The eighth aspect of the present invention is the force sensor according to the second to seventh aspects described above,
A bottom plate member that covers the lower opening of the outer structure when the outer structure is arranged so that the central axis thereof is directed in the vertical direction, and a circuit board fixed to the upper surface of the bottom plate member are further provided. The arithmetic means is constituted by an arithmetic circuit formed on the circuit board.

(9) 本発明の第9の態様は、上述の第2〜第8の態様に係る力覚センサにおいて、
外側構造体の外側接続点近傍部分を構成する基本センサ取付部に基本センサを取り付けるようにし、
この基本センサ取付部の周囲には、その輪郭線に沿って、外側構造体の壁部を貫通する複数の壁部貫通スリットを設け、隣接する壁部貫通スリット間に可撓性をもったビーム部が形成されるようにし、基本センサ取付部が周囲からビーム部によって支持され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 second to eighth aspects described above,
Attach the basic sensor to the basic sensor mounting part that forms the vicinity of the outer connection point of the outer structure,
Around this basic sensor mounting part, a plurality of wall through slits that penetrate the wall of the outer structure are provided along the contour line, and a flexible beam is provided between adjacent wall through slits. The basic sensor mounting portion is supported by the beam portion from the periphery.

(10) 本発明の第10の態様は、上述の第9の態様に係る力覚センサにおいて、
基本センサ取付部が円形の輪郭線を有し、この輪郭線に沿って、4組の円弧状の壁部貫通スリットが設けられており、隣接する壁部貫通スリット間にそれぞれビーム部を配置することにより合計4組のビーム部が形成され、基本センサ取付部が周囲から4組のビーム部によって支持され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 ninth aspect described above,
The basic sensor mounting portion has a circular contour line, and four sets of arc-shaped wall through slits are provided along the contour, and the beam portions are arranged between the adjacent wall through slits. As a result, a total of four sets of beam portions are formed, and the basic sensor mounting portion is supported by the four sets of beam portions from the periphery.

(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、
内側構造体を、少なくともその一部が外側構造体の内部に収容された柱状の構造体によって構成し、各基本センサが、外側構造体の内周面上の外側接続点と上記柱状の構造体の外周面上の内側接続点とを連結す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 inner structure is constituted by a columnar structure at least a part of which is accommodated in the outer structure, and each basic sensor is connected to an outer connection point on the inner peripheral surface of the outer structure and the columnar structure. Are connected to the inner connection point on the outer peripheral surface.

(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において、
内側構造体を、正三角形の断面をもつ三角柱によって構成し、
この三角柱の各側面にそれぞれ内側接続点が設けられ、3組の基本センサが、それぞれ各内側接続点と外側構造体の対向位置に設けられた外側接続点とを連結する連結機能を有するようにしたものである。
(12) According to a twelfth aspect of the present invention, in the force sensor according to the eleventh aspect described above,
The inner structure is constituted by a triangular prism having an equilateral triangular cross section,
An inner connection point is provided on each side surface of the triangular prism, and three sets of basic sensors each have a connecting function for connecting each inner connection point and the outer connection point provided at the opposite position of the outer structure. It is a thing.

(13) 本発明の第13の態様は、上述の第11の態様に係る力覚センサにおいて、
内側構造体を、正三角形の断面をもつ三角錐によって構成し、
この三角錐の各側面にそれぞれ内側接続点が設けられ、3組の基本センサが、それぞれ各内側接続点と外側構造体の対向位置に設けられた外側接続点とを連結する連結機能を有するようにしたものである。
(13) According to a thirteenth aspect of the present invention, in the force sensor according to the eleventh aspect described above,
The inner structure is constituted by a triangular pyramid having an equilateral triangular cross section,
An inner connection point is provided on each side of the triangular pyramid, and three sets of basic sensors have a connecting function to connect each inner connection point and the outer connection point provided at the opposite position of the outer structure. It is a thing.

(14) 本発明の第14の態様は、上述の第11の態様に係る力覚センサにおいて、
内側構造体を、正方形の断面をもつ四角柱によって構成し、
この四角柱の各側面にそれぞれ内側接続点が設けられ、4組の基本センサが、それぞれ各内側接続点と外側構造体の対向位置に設けられた外側接続点とを連結する連結機能を有するようにしたものである。
(14) According to a fourteenth aspect of the present invention, in the force sensor according to the eleventh aspect described above,
The inner structure is constituted by a square column having a square cross section,
An inner connection point is provided on each side surface of the quadrangular prism, and four sets of basic sensors have a connecting function to connect each inner connection point and the outer connection point provided at the opposite position of the outer structure. It is a thing.

(15) 本発明の第15の態様は、上述の第11の態様に係る力覚センサにおいて、
内側構造体を、正方形の断面をもつ四角錐によって構成し、
この四角錐の各側面にそれぞれ内側接続点が設けられ、4組の基本センサが、それぞれ各内側接続点と外側構造体の対向位置に設けられた外側接続点とを連結する連結機能を有するようにしたものである。
(15) According to a fifteenth aspect of the present invention, in the force sensor according to the eleventh aspect described above,
The inner structure is constituted by a square pyramid with a square cross section,
An inner connection point is provided on each side surface of the quadrangular pyramid, and four sets of basic sensors have a connecting function for connecting each inner connection point and the outer connection point provided at the opposite position of the outer structure. It is a thing.

(16) 本発明の第16の態様は、上述の第11〜第15の態様に係る力覚センサにおいて、
外側接続点と内側接続点とを結ぶ連結線が、内側構造体を構成する柱状の構造体の外面に対して直交するように、各基本センサを配置したものである。
(16) According to a sixteenth aspect of the present invention, in the force sensor according to the above eleventh to fifteenth aspects,
Each basic sensor is arranged such that the connecting line connecting the outer connection point and the inner connection point is orthogonal to the outer surface of the columnar structure constituting the inner structure.

(17) 本発明の第17の態様は、上述の第1の態様に係る力覚センサにおいて、
外側構造体および内側構造体を、それぞれ筒状の構造体によって構成し、
外側構造体の第1の側壁、内側構造体の第1の側壁、内側構造体の第2の側壁、外側構造体の第2の側壁を貫通する直線を複数n本定義し、これらn本の直線をそれぞれn組の基本センサに対応する参照線と定義したときに、
内側構造体の各参照線が貫通する第1の側壁にはそれぞれ挿通孔が形成されており、
各基本センサが、対応する参照線が貫通する外側構造体の第1の側壁の内周面に設けられた外側接続点と、対応する参照線が貫通する内側構造体の第2の側壁の内周面に設けられた内側接続点とを、対応する参照線が貫通する内側構造体の第1の側壁に形成された挿通孔を通して連結する連結機能を有するようにしたものである。
(17) According to a seventeenth aspect of the present invention, in the force sensor according to the first aspect described above,
Each of the outer structure and the inner structure is constituted by a cylindrical structure,
A plurality of n straight lines penetrating the first side wall of the outer structure, the first side wall of the inner structure, the second side wall of the inner structure, and the second side wall of the outer structure are defined. When defining straight lines as reference lines corresponding to n sets of basic sensors,
Insertion holes are respectively formed in the first side walls through which the reference lines of the inner structure pass,
Each basic sensor has an outer connection point provided on the inner peripheral surface of the first side wall of the outer structure through which the corresponding reference line passes, and an inner side of the second side wall of the inner structure through which the corresponding reference line passes. It has a connecting function of connecting an inner connection point provided on the peripheral surface through an insertion hole formed in the first side wall of the inner structure through which the corresponding reference line passes.

(18) 本発明の第18の態様は、上述の第17の態様に係る力覚センサにおいて、
外側構造体を、その中心軸が上下方向を向くように配置したときに、その上方開口部を覆う天板部材を更に設けたものである。
(18) According to an eighteenth aspect of the present invention, in the force sensor according to the seventeenth aspect described above,
A top plate member is further provided to cover the upper opening when the outer structure is arranged so that its central axis is directed in the vertical direction.

(19) 本発明の第19の態様は、上述の第18の態様に係る力覚センサにおいて、
外側構造体と内側構造体とを、共通の軸を中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成し、内側構造体に対する外側構造体の変位が所定の許容範囲に達した場合に、内側構造体の外周面と外側構造体の内周面とが接触し、それ以上の変位が制限されるように、内側構造体と外側構造体との間隔を所定値に設定し、
各基本センサが、内側構造体に対する外側構造体の変位が上記許容範囲内である限りにおいて、正常な検出機能を果たすことができるようにしたものである。
(19) According to a nineteenth aspect of the present invention, in the force sensor according to the eighteenth aspect described above,
When the outer structure and the inner structure are constituted by a concentric cylindrical structure having a common axis as a central axis, and the displacement of the outer structure with respect to the inner structure reaches a predetermined allowable range, the inner structure The outer peripheral surface of the body and the inner peripheral surface of the outer structure are in contact with each other, and the distance between the inner structure and the outer structure is set to a predetermined value so that further displacement is limited,
Each basic sensor can perform a normal detection function as long as the displacement of the outer structure relative to the inner structure is within the allowable range.

(20) 本発明の第20の態様は、上述の第18または第19の態様に係る力覚センサにおいて、
外側構造体と内側構造体とを、共通の軸を中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成し、内側構造体に対する外側構造体の変位が所定の許容範囲に達した場合に、内側構造体に形成された挿通孔と、この挿通孔を通る基本センサの一部分とが接触し、それ以上の変位が制限されるように、基本センサの一部分と挿通孔との間隔を所定値に設定し、
各基本センサが、内側構造体に対する外側構造体の変位が上記許容範囲内である限りにおいて、正常な検出機能を果たすことができるようにしたものである。
(20) According to a twentieth aspect of the present invention, in the force sensor according to the eighteenth or nineteenth aspect described above,
When the outer structure and the inner structure are constituted by a concentric cylindrical structure having a common axis as a central axis, and the displacement of the outer structure with respect to the inner structure reaches a predetermined allowable range, the inner structure The interval between the basic sensor part and the insertion hole is set to a predetermined value so that the insertion hole formed in the body comes into contact with a part of the basic sensor that passes through the insertion hole and further displacement is limited. ,
Each basic sensor can perform a normal detection function as long as the displacement of the outer structure relative to the inner structure is within the allowable range.

(21) 本発明の第21の態様は、上述の第19または第20の態様に係る力覚センサにおいて、
外側接続点と内側接続点とを結ぶ連結線が、外側構造体および内側構造体の共通中心軸に対して直交するように、各基本センサを配置したものである。
(21) According to a twenty-first aspect of the present invention, in the force sensor according to the nineteenth or twentieth aspect described above,
Each basic sensor is arranged such that the connecting line connecting the outer connection point and the inner connection point is orthogonal to the common central axis of the outer structure and the inner structure.

(22) 本発明の第22の態様は、上述の第17〜第21の態様に係る力覚センサにおいて、
外側構造体の第1の側壁の参照線との交差部分近傍が、他の部分に比べて肉厚の薄いダイアフラム部を構成し、基本センサの一端がこのダイアフラム部に接合されているようにしたものである。
(22) According to a twenty-second aspect of the present invention, in the force sensor according to the seventeenth to twenty-first aspects described above,
The vicinity of the intersection with the reference line of the first side wall of the outer structure constitutes a diaphragm portion that is thinner than the other portions, and one end of the basic sensor is joined to this diaphragm portion. Is.

(23) 本発明の第23の態様は、上述の第17〜第22の態様に係る力覚センサにおいて、
複数n組の基本センサが、それぞれ連結機能を果たすための竿状部を有しており、少なくとも一部の基本センサの竿状部を、他の基本センサの竿状部との接触を回避できるように湾曲させるようにしたものである。
(23) According to a twenty-third aspect of the present invention, in the force sensor according to the seventeenth to twenty-second aspects described above,
A plurality of n sets of basic sensors each have a hook-shaped portion for performing a connection function, and at least some of the basic sensors can avoid contact with the hook-shaped portions of other basic sensors. It is made to curve like this.

(24) 本発明の第24の態様は、上述の第17〜第23の態様に係る力覚センサにおいて、
内側構造体を、その中心軸が上下方向を向くように配置したときに、内側構造体の下方開口部を覆う底板部材と、この底板部材の上面に固定された回路基板と、を更に設け、演算手段を、回路基板上に形成された演算回路によって構成したものである。
(24) According to a twenty-fourth aspect of the present invention, in the force sensor according to the seventeenth to twenty-third aspects described above,
A bottom plate member that covers the lower opening of the inner structure when the inner structure is arranged so that the central axis thereof is directed in the vertical direction, and a circuit board fixed to the upper surface of the bottom plate member are further provided. The arithmetic means is constituted by an arithmetic circuit formed on a circuit board.

(25) 本発明の第25の態様は、上述の第17〜第24の態様に係る力覚センサにおいて、
外側構造体の更に外側に設けられ、筒状の構造体からなる外殻構造体と、
外側構造体と外殻構造体とを接続する連結部材と、
を更に設けたものである。
(25) According to a twenty-fifth aspect of the present invention, in the force sensor according to the seventeenth to twenty-fourth aspects described above,
An outer shell structure provided on the outer side of the outer structure and made of a cylindrical structure; and
A connecting member that connects the outer structure and the outer shell structure;
Is further provided.

(26) 本発明の第26の態様は、上述の第1〜第11、第17〜第25の態様に係る力覚センサにおいて、
内側構造体の内部に定義された原点Qにおいて互いに直交するα軸,β軸,γ軸を有するαβγ三次元直交座標系を定義したときに、
各基本センサについてそれぞれ定義されたXYZ三次元直交座標系のZ軸が、原点Qを通る方向に定義されており、
演算手段が、α軸方向に作用した力成分Fα、β軸方向に作用した力成分Fβ、γ軸方向に作用した力成分Fγ、α軸まわりに作用したモーメント成分Mα、β軸まわりに作用したモーメント成分Mβ、γ軸まわりに作用したモーメント成分Mγの少なくとも1成分を検出するようにしたものである。
(26) According to a twenty-sixth aspect of the present invention, in the force sensor according to the first to eleventh and seventeenth to twenty-fifth aspects described above,
When defining an αβγ three-dimensional orthogonal coordinate system having an α axis, a β axis, and a γ axis orthogonal to each other at the origin Q defined inside the inner structure,
The Z-axis of the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system defined for each basic sensor is defined in the direction passing through the origin Q,
The computing means acted about the force component Fα acting in the α-axis direction, the force component Fβ acting in the β-axis direction, the force component Fγ acting in the γ-axis direction, the moment component Mα acting around the α-axis, and the β-axis. At least one component of the moment component Mγ and the moment component Mγ acting around the γ-axis is detected.

(27) 本発明の第27の態様は、上述の第26の態様に係る力覚センサにおいて、
各基本センサのそれぞれについて定義された各X軸および各Z軸が、αβ平面に含まれる軸となり、各基本センサのそれぞれについて定義された各Y軸が、γ軸に平行になるように定義したものである。
(27) According to a twenty-seventh aspect of the present invention, in the force sensor according to the twenty-sixth aspect described above,
Each X axis and each Z axis defined for each basic sensor are axes included in the αβ plane, and each Y axis defined for each basic sensor is defined to be parallel to the γ axis. Is.

(28) 本発明の第28の態様は、上述の第27の態様に係る力覚センサにおいて、
各Z軸が互いに120°をなすように3組の基本センサを配置するようにしたものである。
(28) According to a twenty-eighth aspect of the present invention, in the force sensor according to the twenty-seventh aspect described above,
Three sets of basic sensors are arranged so that each Z-axis forms 120 ° with respect to each other.

(29) 本発明の第29の態様は、上述の第28の態様に係る力覚センサにおいて、
αβ平面上において、α軸の方向を0°、β軸の方向を90°とする方位角を定義し、更に、方位角210°の方向を向いたδ軸と、方位角330°の方向を向いたε軸と、を定義したときに、
第1の基本センサについて定義されたZ軸正方向がβ軸負方向に一致し、第2の基本センサについて定義されたZ軸正方向がδ軸負方向に一致し、第3の基本センサについて定義されたZ軸正方向がε軸負方向に一致するように、互いに検出感度が等しい3組の基本センサが配置されており、
演算手段が、第1の基本センサが検出したX軸まわりのモーメント成分をMx1、第1の基本センサが検出したY軸まわりのモーメント成分をMy1、第2の基本センサが検出したX軸まわりのモーメント成分をMx2、第2の基本センサが検出したY軸まわりのモーメント成分をMy2、第3の基本センサが検出したX軸まわりのモーメント成分をMx3、第3の基本センサが検出したY軸まわりのモーメント成分をMy3としたときに、所定の係数値K11,K12,K13,K14,K15,K16を用いた
Fα=K11(−My1+1/2・My2+1/2・My3)
Fβ=K12(−√3/2・My2+√3/2・My3)
Fγ=K13(Mx1+Mx2+Mx3)
Mα=K14(Mx1−1/2・Mx2−1/2・Mx3)
Mβ=K15(√3/2・Mx2−√3/2・Mx3)
Mγ=K16(My1+My2+My3)
なる演算を行うことにより、力成分Fα,Fβ,Fγおよびモーメント成分Mα,Mβ,Mγの6成分を検出するようにしたものである。
(29) According to a twenty-ninth aspect of the present invention, in the force sensor according to the twenty-eighth aspect described above,
On the αβ plane, an azimuth angle is defined with the α axis direction being 0 ° and the β axis direction being 90 °. Further, the δ axis facing the azimuth angle 210 ° direction and the azimuth angle 330 ° direction When we define the facing ε axis,
The Z-axis positive direction defined for the first basic sensor matches the β-axis negative direction, the Z-axis positive direction defined for the second basic sensor matches the δ-axis negative direction, and the third basic sensor Three basic sensors having the same detection sensitivity are arranged so that the defined Z-axis positive direction coincides with the ε-axis negative direction,
The computing means Mx1 moment component around the X axis detected by the first basic sensor, My1 moment component around the Y axis detected by the first basic sensor, and around the X axis detected by the second basic sensor. Moment component Mx2, moment component around Y axis detected by second basic sensor My2, moment component around X axis detected by third basic sensor Mx3, moment component around Y axis detected by third basic sensor Fα = K11 (−My1 + 1/2 · My2 + 1/2 · My3) using predetermined coefficient values K11, K12, K13, K14, K15, and K16, where My3 is the moment component
Fβ = K12 (−√3 / 2 · My2 + √3 / 2 · My3)
Fγ = K13 (Mx1 + Mx2 + Mx3)
Mα = K14 (Mx1-1 / Mx2-1 / Mx3)
Mβ = K15 (√3 / 2 · Mx2−√3 / 2 · Mx3)
Mγ = K16 (My1 + My2 + My3)
6 components of force components Fα, Fβ, Fγ and moment components Mα, Mβ, Mγ are detected by performing the following calculation.

(30) 本発明の第30の態様は、上述の第27の態様に係る力覚センサにおいて、
各Z軸が互いに90°をなすように4組の基本センサを配置するようにしたものである。
(30) According to a thirtieth aspect of the present invention, in the force sensor according to the twenty-seventh aspect,
Four sets of basic sensors are arranged so that each Z-axis forms 90 ° with respect to each other.

(31) 本発明の第31の態様は、上述の第30の態様に係る力覚センサにおいて、
第1の基本センサについて定義されたZ軸正方向がβ軸負方向に一致し、第2の基本センサについて定義されたZ軸正方向がα軸正方向に一致し、第3の基本センサについて定義されたZ軸正方向がβ軸正方向に一致し、第4の基本センサについて定義されたZ軸正方向がα軸負方向に一致するように、互いに検出感度が等しい4組の基本センサが配置されており、
演算手段が、第1の基本センサが検出したX軸まわりのモーメント成分をMx1、第1の基本センサが検出したY軸まわりのモーメント成分をMy1、第2の基本センサが検出したX軸まわりのモーメント成分をMx2、第2の基本センサが検出したY軸まわりのモーメント成分をMy2、第3の基本センサが検出したX軸まわりのモーメント成分をMx3、第3の基本センサが検出したY軸まわりのモーメント成分をMy3、第4の基本センサが検出したX軸まわりのモーメント成分をMx4、第4の基本センサが検出したY軸まわりのモーメント成分をMy4としたときに、所定の係数値K21,K22,K23,K24,K25,K26を用いた
Fα=K21(−My1+My3)
Fβ=K22(−My2+My4)
Fγ=K23(Mx1+Mx2+Mx3+Mx4)
Mα=K24(Mx1−Mx3)
Mβ=K25(Mx2−Mx4)
Mγ=K26(My1+My2+My3+My4)
なる演算を行うことにより、力成分Fα,Fβ,Fγおよびモーメント成分Mα,Mβ,Mγの6成分を検出するようにしたものである。
(31) According to a thirty-first aspect of the present invention, in the force sensor according to the thirtieth aspect described above,
The Z-axis positive direction defined for the first basic sensor matches the β-axis negative direction, the Z-axis positive direction defined for the second basic sensor matches the α-axis positive direction, and the third basic sensor Four sets of basic sensors having the same detection sensitivity so that the defined Z-axis positive direction matches the β-axis positive direction and the Z-axis positive direction defined for the fourth basic sensor matches the α-axis negative direction Is placed,
The computing means Mx1 moment component around the X axis detected by the first basic sensor, My1 moment component around the Y axis detected by the first basic sensor, and around the X axis detected by the second basic sensor. Moment component Mx2, moment component around Y axis detected by second basic sensor My2, moment component around X axis detected by third basic sensor Mx3, moment component around Y axis detected by third basic sensor , The moment component around the X axis detected by the fourth basic sensor is Mx4, and the moment component around the Y axis detected by the fourth basic sensor is My4. Using K22, K23, K24, K25, K26 Fα = K21 (−My1 + My3)
Fβ = K22 (−My2 + My4)
Fγ = K23 (Mx1 + Mx2 + Mx3 + Mx4)
Mα = K24 (Mx1-Mx3)
Mβ = K25 (Mx2-Mx4)
Mγ = K26 (My1 + My2 + My3 + My4)
6 components of force components Fα, Fβ, Fγ and moment components Mα, Mβ, Mγ are detected by performing the following calculation.

(32) 本発明の第32の態様は、上述の第26の態様に係る力覚センサにおいて、
各基本センサについて定義された各Z軸が、αβ平面に対して傾斜角θをなす方向を向き、各基本センサについて定義された各Y軸が、γ軸に対して傾斜角θをなす方向を向くように、各基本センサを配置したものである。
(32) A thirty-second aspect of the present invention provides the force sensor according to the twenty-sixth aspect,
Each Z axis defined for each basic sensor points in a direction that makes an inclination angle θ with respect to the αβ plane, and each Y axis that is defined for each basic sensor indicates a direction that makes an inclination angle θ with respect to the γ axis. Each basic sensor is arranged so as to face.

(33) 本発明の第33の態様は、上述の第1〜第32の態様に係る力覚センサにおいて、
各基本センサを、作用した外力を受ける受力体と、この受力体が受けた力に基づいて変形するダイアフラム部を有する起歪体と、受力体とダイアフラム部とを接続する接続部材と、ダイアフラム部の歪みを検出する検出素子と、検出素子の検出結果に基づいてモーメント成分MxおよびMyの少なくとも一方を電気信号として出力する検出回路と、によって構成したものである。
(33) According to a thirty-third aspect of the present invention, in the force sensor according to the first to thirty-second aspects described above,
Each basic sensor, a force receiving body that receives an applied external force, a strain generating body having a diaphragm portion that is deformed based on the force received by the force receiving body, and a connection member that connects the force receiving body and the diaphragm portion The detection element detects the distortion of the diaphragm portion, and the detection circuit outputs at least one of the moment components Mx and My as an electric signal based on the detection result of the detection element.

(34) 本発明の第34の態様は、上述の第33の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子として、ダイアフラム部の歪みを抵抗値の変化として検出するピエゾ抵抗素子を用いるようにしたものである。
(34) According to a thirty-fourth aspect of the present invention, in the force sensor according to the thirty-third aspect described above,
As the detecting element, a piezoresistive element that detects the distortion of the diaphragm portion as a change in resistance value is used.

(35) 本発明の第35の態様は、上述の第34の態様に係る力覚センサにおいて、
起歪体が、XY平面に平行な上面および下面をもった板状部材によって構成され、起歪体の上面の中央部に定義された検出用領域には、下面側に向かって検出用溝が形成されており、この検出用溝の底部によってダイアフラム部が形成され、この検出用溝の周囲には側壁部が形成され、ダイアフラム部の下面と側壁部の下面とは同一平面上に位置し、
受力体は、起歪体の下方に所定間隔をおいて配置され、
接続部材は、Z軸上に配置された柱状部材によって構成され、その上端はダイアフラム部の下面中央部に接続され、その下端は受力体の上面中央部に接続されており、
XYZ三次元直交座標系の原点Oの位置に配置され、ダイアフラム部に接合された歪検出基板を更に有し、歪検出基板は、上面および下面がXY平面に平行な面をなし、検出用溝の底面にダイアフラム部の変形によって生じる応力が伝達されるように接合され、
ピエゾ抵抗素子は、歪検出基板の上面の所定箇所に形成されており、
検出回路は、ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化に基づいて、モーメント成分MxもしくはMyまたはその双方を示す電気信号を出力するようにしたものである。
(35) According to a thirty-fifth aspect of the present invention, in the force sensor according to the thirty-fourth aspect described above,
The strain body is constituted by a plate-like member having an upper surface and a lower surface parallel to the XY plane, and a detection groove defined in the central portion of the upper surface of the strain body has a detection groove toward the lower surface side. The diaphragm portion is formed by the bottom portion of the detection groove, the side wall portion is formed around the detection groove, and the lower surface of the diaphragm portion and the lower surface of the side wall portion are located on the same plane,
The force receiving body is arranged below the strain body at a predetermined interval,
The connecting member is constituted by a columnar member arranged on the Z axis, the upper end thereof is connected to the lower surface center portion of the diaphragm portion, and the lower end thereof is connected to the upper surface center portion of the force receiving body,
The strain detection board further includes a strain detection board disposed at the position of the origin O of the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system and joined to the diaphragm portion. The strain detection board has a top surface and a bottom face parallel to the XY plane, and a detection groove. Is joined to the bottom surface of the diaphragm so that the stress caused by the deformation of the diaphragm is transmitted,
The piezoresistive element is formed at a predetermined location on the upper surface of the strain detection substrate,
The detection circuit outputs an electric signal indicating the moment component Mx and / or My based on the change in the electric resistance of the piezoresistive element.

(36) 本発明の第36の態様は、上述の第33の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子として、ダイアフラム部の変位を静電容量値の変化として検出する静電容量素子を用いるようにしたものである。
(36) The thirty-sixth aspect of the present invention is the force sensor according to the thirty-third aspect described above,
As the detection element, a capacitance element that detects the displacement of the diaphragm portion as a change in capacitance value is used.

本発明に係る力覚センサによれば、内側構造体を外側構造体に収容する構成を採り、両者間を複数n組(但し、n≧3)の基本センサによって接続し、各基本センサによって検出したモーメント成分に対する演算を行うようにしたため、比較的単純な構造により小型化およびコストダウンを図りつつ、要望に応じて、任意の座標軸方向の力成分や任意の座標軸まわりのモーメント成分を検出することができるようになる。もちろん、必要なら、三次元座標系の各座標軸方向の力成分と各座標軸まわりのモーメント成分の6軸成分を検出する力覚センサを実現することができる。   According to the force sensor of the present invention, the inner structure is accommodated in the outer structure, and the two are connected by a plurality of n sets of basic sensors (where n ≧ 3) and detected by each of the basic sensors. Since the calculation is performed on the moment component, the force component in the direction of the arbitrary coordinate axis and the moment component around the arbitrary coordinate axis can be detected as desired while reducing the size and cost by a relatively simple structure. Will be able to. Of course, if necessary, it is possible to realize a force sensor that detects the six-axis component of the force component in each coordinate axis direction of the three-dimensional coordinate system and the moment component around each coordinate axis.

本発明に係る力覚センサに利用可能な基本センサの一例(ピエゾ抵抗素子を用いた例)についての基本構造体の上面図(上図(a) )および側面図(下図(b) )である。It is the top view (upper figure (a)) and side view (lower figure (b)) of a basic structure about an example (example using a piezoresistive element) which can be used for a force sensor concerning the present invention. . 図1に示す基本構造体のカバー18を取り外した状態を示す上面図(上図(a) )およびXZ平面で切断した側断面図(下図(b) )である(カバー接着部19のハッチングは、断面を示すものではなく、領域を示すものである)。1 is a top view (upper view (a)) showing a state in which the cover 18 of the basic structure shown in FIG. 1 has been removed, and a side sectional view (lower view (b)) cut along the XZ plane (the hatching of the cover bonding portion 19 is shown in FIG. , Not a cross section, but a region). 図1に示す基本構造体の下面図である。It is a bottom view of the basic structure shown in FIG. 図3に示す基本構造体に4本のネジNを挿通した状態を示す下面図である。FIG. 4 is a bottom view showing a state where four screws N are inserted through the basic structure shown in FIG. 3. 図1に示す基本構造体のカバー18を取り外した状態を示す上面図(上図(a) )および切断線W−Wの位置で切断した側断面図(下図(b) )である(カバー接着部19のハッチングは、断面を示すものではなく、領域を示すものである)。FIG. 2 is a top view (upper view (a)) showing a state in which the cover 18 of the basic structure shown in FIG. 1 is removed, and a side sectional view (lower view (b)) cut at the position of the cutting line WW. The hatching of the portion 19 does not indicate a cross section but indicates a region). 図1に示す基本構造体にY軸まわりのモーメント成分+Myが作用したときの変形状態を示すXZ平面での側断面図である。It is a sectional side view in the XZ plane which shows a deformation | transformation state when the moment component + My around Y-axis acts on the basic structure shown in FIG. 図1に示す基本構造体にZ軸方向の力成分+Fzが作用したときの変形状態を示すXZ平面での側断面図である。It is a sectional side view in the XZ plane which shows a deformation | transformation state when force component + Fz of a Z-axis direction acts on the basic structure shown in FIG. 図1に示す基本センサにおけるピエゾ抵抗素子の配置例を示す上面図である(ハッチングは、ピエゾ抵抗素子の形成領域を示すものであり、断面を示すものではない)。It is a top view which shows the example of arrangement | positioning of the piezoresistive element in the basic sensor shown in FIG. 1 (a hatching shows the formation area of a piezoresistive element, and does not show a cross section). 図8に示す配置例における各ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化を示す表である。It is a table | surface which shows the change of the resistance value of each piezoresistive element in the example of arrangement | positioning shown in FIG. 図8に示す配置例において、Y軸まわりのモーメント成分Myを検出するための検出回路を示す回路図である。FIG. 9 is a circuit diagram showing a detection circuit for detecting a moment component My around the Y axis in the arrangement example shown in FIG. 8. 図8に示す配置例において、X軸まわりのモーメント成分Mxを検出するための検出回路を示す回路図である。FIG. 9 is a circuit diagram showing a detection circuit for detecting a moment component Mx around the X axis in the arrangement example shown in FIG. 8. 本発明の第1の実施形態に係る力覚センサをαβ平面で切断した横断面図である(基本センサS1〜S3については上面図)。It is the cross-sectional view which cut | disconnected the force sensor which concerns on the 1st Embodiment of this invention by the (alpha) (beta) plane (it is a top view about basic sensors S1-S3). 本発明の第1の実施形態に係る力覚センサをεγ平面で切断した縦断面図である(基本センサS3については側面図)。It is the longitudinal cross-sectional view which cut | disconnected the force sensor which concerns on the 1st Embodiment of this invention by (epsilon) plane (it is a side view about basic sensor S3). 図12に示す力覚センサの構成要素となる基本センサS1〜S3の座標軸(X軸,Y軸,Z軸)の方向を示す横断面図である。It is a cross-sectional view which shows the direction of the coordinate axis (X-axis, Y-axis, Z-axis) of basic sensor S1-S3 used as the component of the force sensor shown in FIG. 図12に示す力覚センサの内側構造体200に対して、α軸正方向の力+Fαが作用したときの各基本センサS1〜S3の検出動作を示す横断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing detection operations of the basic sensors S1 to S3 when a positive force + Fα is applied to the inner structure 200 of the force sensor shown in FIG. 12. 図12に示す力覚センサの内側構造体200に対して、β軸正方向の力+Fβが作用したときの各基本センサS1〜S3の検出動作を示す横断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing detection operations of the basic sensors S1 to S3 when a force + Fβ in the β-axis positive direction is applied to the inner structure 200 of the force sensor shown in FIG. 12. 図12に示す力覚センサの内側構造体200に対して、γ軸正方向の力+Fγが作用したときの各基本センサS1〜S3の検出動作を示す横断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing detection operations of the basic sensors S1 to S3 when a force + Fγ in the positive direction of the γ-axis acts on the inner structure 200 of the force sensor shown in FIG. 12. 図12に示す力覚センサの内側構造体200に対して、α軸正方向まわりのモーメント+Mαが作用したときの各基本センサS1〜S3の検出動作を示す横断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing detection operations of the basic sensors S1 to S3 when a moment + Mα about the positive direction of the α-axis is applied to the inner structure 200 of the force sensor shown in FIG. 12. 図12に示す力覚センサの内側構造体200に対して、β軸正方向まわりのモーメント+Mβが作用したときの各基本センサS1〜S3の検出動作を示す横断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing detection operations of the basic sensors S1 to S3 when a moment + Mβ around the β-axis positive direction is applied to the inner structure 200 of the force sensor shown in FIG. 12. 図12に示す力覚センサの内側構造体200に対して、γ軸正方向まわりのモーメント+Mγが作用したときの各基本センサS1〜S3の検出動作を示す横断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing detection operations of the basic sensors S1 to S3 when a moment + Mγ about the positive direction of the γ-axis acts on the inner structure 200 of the force sensor shown in FIG. 図12に示す力覚センサの内側構造体200に対して、外力の6軸成分が作用したときの各基本センサS1〜S3から出力される検出値を示すテーブルである。13 is a table showing detection values output from the basic sensors S1 to S3 when six-axis components of external force act on the inner structure 200 of the force sensor shown in FIG. 図12に示す力覚センサによって6軸成分を検出するために行う演算の式を示す図である。It is a figure which shows the formula of the calculation performed in order to detect a 6-axis component with the force sensor shown in FIG. 本発明の第2の実施形態に係る力覚センサをεγ平面で切断した縦断面図である(基本センサS3については側面図)。It is the longitudinal cross-sectional view which cut | disconnected the force sensor which concerns on the 2nd Embodiment of this invention by (epsilon) plane (it is a side view about basic sensor S3). 本発明の第3の実施形態に係る力覚センサをεγ平面で切断した縦断面図である(基本センサS3については側面図)。It is the longitudinal cross-sectional view which cut | disconnected the force sensor which concerns on the 3rd Embodiment of this invention by (epsilon) γ plane (it is a side view about basic sensor S3). 本発明の第4の実施形態に係る力覚センサをαβ平面で切断した横断面図である(基本センサS1′〜S3′については上面図)。It is the cross-sectional view which cut | disconnected the force sensor which concerns on the 4th Embodiment of this invention by (alpha) (beta) plane (it is a top view about basic sensors S1'-S3 '). 本発明の第4の実施形態に係る力覚センサをεγ平面で切断した縦断面図である(基本センサS3′については側面図)。It is the longitudinal cross-sectional view which cut | disconnected the force sensor which concerns on the 4th Embodiment of this invention in (epsilon) plane (it is a side view about basic sensor S3 '). 本発明の第4の実施形態の変形例に係る力覚センサをεγ平面で切断した縦断面図である(基本センサS3′については側面図)。It is the longitudinal cross-sectional view which cut | disconnected the force sensor which concerns on the modification of the 4th Embodiment of this invention by (epsilon) γ plane (it is a side view about basic sensor S3 '). 本発明の変形例に係る力覚センサをαβ平面で切断した横断面図である(基本センサS1〜S4については上面図)。It is the cross-sectional view which cut | disconnected the force sensor which concerns on the modification of this invention by the (alpha) (beta) plane (it is a top view about basic sensors S1-S4). 図28に示す力覚センサによって6軸成分を検出するために行う演算の式を示す図である。It is a figure which shows the type | formula of the calculation performed in order to detect a 6-axis component with the force sensor shown in FIG. 本発明の別な変形例に係る力覚センサの外側構造体100Eの構造を示す斜視図である(基本センサS1〜S3の取り付け状態を破線で示してある)。It is a perspective view which shows the structure of the outer structure 100E of the force sensor which concerns on another modification of this invention (The attachment state of basic sensor S1-S3 is shown with the broken line). 本発明に係る力覚センサに利用可能な基本センサの別な一例(静電容量素子を用いた例)を示す側面図である。It is a side view which shows another example (example using a capacitive element) of the basic sensor which can be utilized for the force sensor which concerns on this invention. 図31に示す基本センサにおける起歪体70の上面図である。It is a top view of the strain body 70 in the basic sensor shown in FIG.

以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。本発明に係る力覚センサは、3組以上の基本センサを組み合わせて構成される装置である。そこで、ここでは便宜上、基本センサの具体例の構成および動作を§1,§2で述べ、この基本センサを利用して構成した力覚センサの実施形態を§3以降で説明することにする。   Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiments. The force sensor according to the present invention is an apparatus configured by combining three or more basic sensors. Therefore, for the sake of convenience, the configuration and operation of a specific example of the basic sensor will be described in §1 and §2, and embodiments of the force sensor configured using this basic sensor will be described in §3 and thereafter.

<<< §1. 具体的な基本センサの構成例 >>>
ここでは、まず、本発明に係る力覚センサの一部品として利用される基本センサの具体的な構成例を述べる。ここで述べる基本センサは、前掲の特許文献2(特許第4987162号公報)に開示されているセンサであり、その詳細は、特許文献2に説明されている。そこで、以下の説明では、その構造と動作を簡単に述べることにする。
<<< §1. Specific configuration example of basic sensor >>>
Here, first, a specific configuration example of the basic sensor used as one part of the force sensor according to the present invention will be described. The basic sensor described here is a sensor disclosed in the above-mentioned Patent Document 2 (Japanese Patent No. 4987162), and details thereof are described in Patent Document 2. Therefore, in the following description, the structure and operation will be briefly described.

図1には、この基本センサを構成する基本構造体の上面図(上段の図(a) )および側面図(下段の図(b) )が示されている。下段の側面図に示されているように、この基本構造体の主たる構成要素は、起歪体10、接続部材20、受力体30である。   FIG. 1 shows a top view (upper view (a)) and a side view (lower view (b)) of the basic structure constituting the basic sensor. As shown in the lower side view, main components of the basic structure are the strain body 10, the connection member 20, and the force receiving body 30.

図1の上段の上面図に示されているとおり、起歪体10は、XY平面に平行な上面および下面をもった板状部材によって構成されている。起歪体10の内部には、下段の側面図に破線で示すように、検出用溝G1が設けられており、この検出用溝Gの底部によってダイアフラム部11が形成されている。一方、この検出用溝G1の周囲には側壁部12が形成されている。また、検出用溝G1の底面(ダイアフラム部11の上面)には、歪検出基板40が配置されている。   As shown in the top view in the upper part of FIG. 1, the strain body 10 is constituted by a plate-like member having an upper surface and a lower surface parallel to the XY plane. As shown by a broken line in the lower side view, a detection groove G1 is provided inside the strain body 10, and a diaphragm portion 11 is formed by the bottom of the detection groove G. On the other hand, a side wall 12 is formed around the detection groove G1. Further, a strain detection substrate 40 is disposed on the bottom surface of the detection groove G1 (the top surface of the diaphragm portion 11).

ここでは、説明の便宜上、この歪検出基板40の中心位置に原点Oをとり、図示の各方向にX軸,Y軸,Z軸をとることにより、XYZ三次元直交座標系を定義する。すなわち、上段の上面図では、右方向にX軸、上方向にY軸が定義され、Z軸は紙面に垂直な方向を向く。また、下段の側面図では、右方向にX軸、上方向にZ軸が定義され、Y軸は紙面に垂直な方向を向く。   Here, for convenience of explanation, an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system is defined by taking the origin O at the center position of the strain detection substrate 40 and taking the X, Y, and Z axes in the directions shown in the figure. That is, in the top view of the upper stage, the X axis is defined in the right direction, the Y axis is defined in the upward direction, and the Z axis is oriented in a direction perpendicular to the paper surface. In the lower side view, the X axis is defined in the right direction, the Z axis is defined in the upper direction, and the Y axis is oriented in a direction perpendicular to the paper surface.

ここに示す例の場合、受力体30も、XY平面に平行な上面および下面をもった板状部材によって構成されている。そして、その内部には、図に破線で示すように、検出用溝G2が設けられており、この検出用溝Gの底部によってダイアフラム部31が形成されている。一方、この検出用溝G2の周囲には側壁部32が形成されている。図示する例の場合、起歪体10および受力体30は、同じ直径をもった円盤状の部材によって構成されており、Z軸が中心軸となるように配置されているため、上面図において、受力体30は起歪体10に完全に重なった状態になっている。   In the case of the example shown here, the force receiving body 30 is also configured by a plate-like member having an upper surface and a lower surface parallel to the XY plane. And as shown with a broken line in the figure, the detection groove | channel G2 is provided in the inside, and the diaphragm part 31 is formed of the bottom part of this detection groove | channel G. On the other hand, a side wall 32 is formed around the detection groove G2. In the case of the illustrated example, the strain body 10 and the force receiving body 30 are configured by disk-shaped members having the same diameter, and are arranged so that the Z axis is the central axis. The force receiving body 30 is completely overlapped with the strain body 10.

受力体30は、起歪体10の下方に所定間隔をおいて配置され、両者間は接続部材20によって接続される。接続部材20は、Z軸上に配置された柱状部材(この例の場合は、円柱状の部材)によって構成され、その上端はダイアフラム部11の下面中央部に接続され、その下端はダイアフラム部31の上面中央部に接続されている。   The force receiving body 30 is arranged below the strain body 10 with a predetermined interval, and the two are connected by the connecting member 20. The connecting member 20 is constituted by a columnar member (in this example, a columnar member) arranged on the Z axis, and its upper end is connected to the center of the lower surface of the diaphragm portion 11 and its lower end is the diaphragm portion 31. Is connected to the central portion of the upper surface.

ここに示す例の場合、起歪体10、接続部材20、受力体30は、同一材料(たとえば、コバールや42−アロイなどのシリコン基板と線膨張係数の近い金属、もしくはステンレスやアルミニウムなどの金属)からなる一体構造体によって構成されている。したがって、起歪体10と接続部材20との接続部および接続部材20と受力体30との接続部は、接着剤などによる接合ではなく、同一材料からなる連続構造体によって構成されている。   In the case of the example shown here, the strain body 10, the connection member 20, and the force receiving body 30 are made of the same material (for example, a metal having a linear expansion coefficient close to that of a silicon substrate such as Kovar or 42-alloy, or stainless steel or aluminum). It is comprised by the integral structure which consists of a metal. Therefore, the connection part between the strain body 10 and the connection member 20 and the connection part between the connection member 20 and the force receiving body 30 are not joined by an adhesive or the like, but are constituted by a continuous structure made of the same material.

図1上段の上面図に描かれている花弁状のカバー18は、検出用溝G1の上部を覆う蓋として機能する。後述するように、検出用溝G1の平面形状は、このカバー18の輪郭形状よりもひとまわり小さい花弁状をしている。下段の側面図に破線で描かれている検出用溝G1は、起歪体10をXZ平面で切断したときの検出用溝G1の輪郭位置を示すものである。図1上段に示すとおり、起歪体10の側壁部12には、4箇所にネジ孔15が形成されている(下段の側面図では、これらのネジ孔は図示省略)。また、起歪体10の側壁部12から外部へ突き出している回路基板50は、検出回路を実装するための基板であり、その一端は検出用溝G1にまで達している。   The petal-like cover 18 depicted in the top view of FIG. 1 functions as a lid that covers the upper part of the detection groove G1. As will be described later, the planar shape of the detection groove G1 has a petal shape that is slightly smaller than the contour shape of the cover 18. The detection groove G1 drawn with a broken line in the lower side view indicates the contour position of the detection groove G1 when the strain body 10 is cut along the XZ plane. As shown in the upper part of FIG. 1, four screw holes 15 are formed in the side wall portion 12 of the strain body 10 (the screw holes are not shown in the lower side view). Further, the circuit board 50 protruding outward from the side wall portion 12 of the strain generating body 10 is a board for mounting the detection circuit, and one end thereof reaches the detection groove G1.

この基本センサの内部の基本構造は、図2を参照することにより更に明瞭になる。図2には、図1に示す基本構造体のカバー18を取り外した状態を示す上面図(上段の図(a) )およびXZ平面で切断した側断面図(下段の図(b) )が示されている。ここで、上段の上面図において、花弁状の輪郭f1と輪郭f2との間に挟まれたドットによるハッチングを施した部分は、カバー18の下面周辺部を接着するためのカバー接着部19の領域を示すものである(ハッチングは領域を示すためのものであり、断面を示すものではない)。   The basic structure inside the basic sensor will be further clarified by referring to FIG. 2 shows a top view (upper view (a)) showing a state in which the cover 18 of the basic structure shown in FIG. 1 is removed, and a side sectional view (lower view (b)) cut along the XZ plane. Has been. Here, in the upper plan view of the upper stage, the hatched portion by the dots sandwiched between the petal-like contours f1 and f2 is an area of the cover adhesion portion 19 for adhering the lower surface peripheral portion of the cover 18 (Hatching is for indicating a region, not for a cross section).

図2下段の側断面図に示されているとおり、カバー接着部19は、起歪体10の上面から、カバー18の厚みに相当する寸法だけ下がった位置に形成された段差部である。また、図2上段に示す花弁状の輪郭f2は、図1に示すカバー18の輪郭形状に一致する。したがって、図にハッチングを施して示したカバー接着部19の部分に接着剤を塗布し、上方からカバー18を段差部に嵌合すれば、カバー18の下面周囲部をカバー接着部19に接着固定することができる。   As shown in the side sectional view of the lower part of FIG. 2, the cover bonding portion 19 is a step portion formed at a position that is lowered from the upper surface of the strain body 10 by a dimension corresponding to the thickness of the cover 18. Further, the petal-like contour f2 shown in the upper part of FIG. 2 matches the contour shape of the cover 18 shown in FIG. Therefore, if the adhesive is applied to the portion of the cover bonding portion 19 shown hatched in the figure and the cover 18 is fitted to the stepped portion from above, the peripheral portion of the lower surface of the cover 18 is bonded and fixed to the cover bonding portion 19. can do.

一方、カバー接着部19の内側の輪郭f1は、検出用溝G1の輪郭を示すものである。すなわち、起歪体10の上面の中央部には、花弁状の輪郭f1の内部に相当する検出用領域が定義されており、この検出用領域には、起歪体10の下面側に向かって均一の深さをもつ検出用溝G1が形成されている。図2下段の側断面図は、この基本構造体をXZ平面で切断した断面を示しているため、検出用溝G1の一部の縦断面しか現れていないが、図2上段の上面図に示すとおり、検出用溝G1は、花弁状の平面形状を有している。検出用溝G1の深さは均一であり、この検出用溝G1の底部には、均一の厚みをもった花弁状のダイアフラム部11が形成されている。ダイアフラム部11は、肉厚が薄いため、検出対象となる力の作用を受けると撓み(機械的変形)を生じる。図示のとおりダイアフラム部11の下面と側壁部12の下面とは同一平面上に位置する。   On the other hand, the inner contour f1 of the cover bonding portion 19 indicates the contour of the detection groove G1. That is, a detection area corresponding to the inside of the petal-like contour f1 is defined at the center of the upper surface of the strain body 10, and the detection area is directed toward the lower surface side of the strain body 10. A detection groove G1 having a uniform depth is formed. The side sectional view of the lower part of FIG. 2 shows a section obtained by cutting the basic structure along the XZ plane, so that only a part of the longitudinal section of the detection groove G1 appears, but the top view of FIG. As described above, the detection groove G1 has a petal-like planar shape. The depth of the detection groove G1 is uniform, and a petal-shaped diaphragm portion 11 having a uniform thickness is formed at the bottom of the detection groove G1. Since the diaphragm portion 11 is thin, the diaphragm portion 11 is bent (mechanically deformed) when subjected to the action of a force to be detected. As illustrated, the lower surface of the diaphragm portion 11 and the lower surface of the side wall portion 12 are located on the same plane.

歪検出基板40は、上面および下面がXY平面に平行な面をなす正方形状の半導体基板であり、Z軸が中心軸となるように配置される。図2上段の上面図に示すとおり、検出用溝G1の花弁状の平面形状は、この正方形状をした歪検出基板40を収容するのに適した形状になっている。図2下段の側断面図に示すとおり、歪検出基板40は、検出用溝G1の底面(すなわち、ダイアフラム部11の上面)にダイアフラム部11の変形によって生じる応力が伝達されるように接合される(具体的には、歪検出基板40は、下面全面に接着剤を塗布して、ダイアフラム部11の上面に接着される)。   The strain detection substrate 40 is a square semiconductor substrate having an upper surface and a lower surface that are parallel to the XY plane, and is arranged so that the Z axis is the central axis. As shown in the top view in the upper part of FIG. 2, the petal-like planar shape of the detection groove G <b> 1 is a shape suitable for accommodating the square-shaped strain detection substrate 40. 2, the strain detection substrate 40 is joined to the bottom surface of the detection groove G1 (that is, the upper surface of the diaphragm portion 11) so that the stress generated by the deformation of the diaphragm portion 11 is transmitted. (Specifically, the strain detection substrate 40 is bonded to the upper surface of the diaphragm portion 11 by applying an adhesive on the entire lower surface).

歪検出基板40の上面の所定箇所にはピエゾ抵抗素子Aが形成されている(下段の側断面図では図示省略)。ここに示す例の場合、歪検出基板40はシリコン基板によって構成されており、ピエゾ抵抗素子Aは、このシリコン基板の上面層にP型もしくはN型の不純物を注入した領域として構成できる。図2上段の例では、破線で示す接続部材20の位置の外側直近部に8組のピエゾ抵抗素子Aが配置されているが、ピエゾ抵抗素子の数や配置は、この例に限定されるものではない。   A piezoresistive element A is formed at a predetermined position on the upper surface of the strain detection substrate 40 (not shown in the lower side sectional view). In the example shown here, the strain detection substrate 40 is configured by a silicon substrate, and the piezoresistive element A can be configured as a region in which P-type or N-type impurities are implanted into the upper surface layer of the silicon substrate. In the example in the upper part of FIG. 2, eight sets of piezoresistive elements A are arranged in the immediate vicinity of the position of the connecting member 20 indicated by a broken line, but the number and arrangement of the piezoresistive elements are limited to this example. is not.

要するに、この基本センサに用いる歪検出基板40は、上面および下面がXY平面に平行な面をなし、検出用溝G1の底面にダイアフラム部11の変形によって生じる応力が伝達されるように接合され、上面の所定箇所にピエゾ抵抗素子が形成されたものであればよい。回路基板50には、ピエゾ抵抗素子Aの電気抵抗の変化に基づいて、受力体30が受けた力を示す電気信号を出力する検出回路(図示省略)が実装されている。   In short, the strain detection substrate 40 used in this basic sensor has a top surface and a bottom surface that are parallel to the XY plane, and is joined to the bottom surface of the detection groove G1 so that stress generated by deformation of the diaphragm portion 11 is transmitted. Any device may be used as long as a piezoresistive element is formed at a predetermined position on the upper surface. On the circuit board 50, a detection circuit (not shown) that outputs an electric signal indicating the force received by the force receiving body 30 based on a change in the electric resistance of the piezoresistive element A is mounted.

一方、受力体30は、起歪体10とほぼ同じ構造をもった構成要素である。起歪体10には、上面側に検出用溝G1が設けられているのに対して、受力体30には、下面側に検出用溝G2が設けられている。ここで、検出用溝G2の平面形状は、円形をしている。検出用溝G1内には、歪検出基板40が配置されているのに対して、検出用溝G2内には、そのような構成要素は設けられておらず、カバーも設けられていない。なお、前掲の特許文献2(特許第4987162号公報)に開示されているセンサの場合、受力体30側には検出用溝G2は設けられていない。本発明に用いる基本センサでは、受力体30側にも検出用溝G2を設けることにより、受力体30自身にも可撓性をもたせ、本願に示す6軸力覚センサの検出感度の向上を図っている。   On the other hand, the force receiving body 30 is a component having substantially the same structure as the strain body 10. The strain body 10 is provided with a detection groove G1 on the upper surface side, whereas the force receiving body 30 is provided with a detection groove G2 on the lower surface side. Here, the planar shape of the detection groove G2 is circular. While the strain detection substrate 40 is disposed in the detection groove G1, such a component is not provided in the detection groove G2, and no cover is provided. In the case of the sensor disclosed in the above-mentioned Patent Document 2 (Japanese Patent No. 4987162), the detection groove G2 is not provided on the force receiving body 30 side. In the basic sensor used in the present invention, by providing the detection groove G2 also on the force receiving body 30 side, the force receiving body 30 itself has flexibility, and the detection sensitivity of the 6-axis force sensor shown in the present application is improved. I am trying.

結局、この基本センサは、ダイアフラム部11を有する起歪体10と、ダイアフラム部31を有する受力体30と、両ダイアフラム部11,31を接続する接続部材20と、XYZ三次元直交座標系の原点Oの位置に配置され、ダイアフラム部11に接合された歪検出基板40と、検出対象となる力を電気信号として出力する検出回路(回路基板50上に実装された回路)と、を備え、XYZ三次元直交座標系における所定軸方向の力成分および所定軸まわりのモーメント成分を検出する機能を有している。   After all, this basic sensor includes a strain generating body 10 having a diaphragm portion 11, a force receiving body 30 having a diaphragm portion 31, a connecting member 20 for connecting both diaphragm portions 11 and 31, and an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system. A strain detection board 40 disposed at the position of the origin O and joined to the diaphragm unit 11; and a detection circuit (circuit mounted on the circuit board 50) that outputs a force to be detected as an electrical signal; It has a function of detecting a force component in a predetermined axis direction and a moment component around the predetermined axis in the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system.

起歪体10の側壁部12の4箇所に形成されたネジ孔15は、起歪体10を外部の物体に固定するための貫通孔(ネジは切られていない)である。図2下段の側断面図には、左右のネジ孔15に、それぞれネジNを挿通させた状態が描かれている。これらのネジNは、起歪体10の上方に配置された物体(§3で述べる実施形態の場合は、内側構造体200)に形成されたネジ孔内の雌ネジに螺合する。こうして、起歪体10は、4本のネジNによって、当該物体にしっかりと固定されることになる。   The screw holes 15 formed at four locations on the side wall portion 12 of the strain body 10 are through holes (screws are not cut) for fixing the strain body 10 to an external object. In the side sectional view of the lower part of FIG. 2, a state in which the screws N are inserted through the left and right screw holes 15 is depicted. These screws N are screwed into female screws in screw holes formed in an object (in the embodiment described in §3, the inner structure 200) disposed above the strain body 10. In this way, the strain body 10 is firmly fixed to the object by the four screws N.

なお、図2下段の側断面図に示すとおり、受力体30の側壁部32の外周部分には、4箇所に開口部33が設けられている。各開口部33は、各ネジ孔15の真下の位置に形成されおり、ネジ孔15に挿通されたネジNを回転するための器具(ドライバー)を挿入するために利用される。   As shown in the side sectional view of the lower stage of FIG. 2, four openings 33 are provided on the outer peripheral portion of the side wall 32 of the force receiving body 30. Each opening 33 is formed at a position directly below each screw hole 15 and is used to insert a tool (driver) for rotating the screw N inserted through the screw hole 15.

図3は、図1に示す基本構造体の下面図であり、図4は、図3に示す基本構造体に4本のネジNを挿通した状態を示す下面図である。上述したとおり、受力体30の外周部には、起歪体10のネジ孔15に挿通されたネジNを回転するための器具(ドライバー)を挿入するための開口部33(図示のとおり、受力体30の外周部から中心軸方向に向かって形成されたU字状の切り欠き部)が形成されている。   3 is a bottom view of the basic structure shown in FIG. 1, and FIG. 4 is a bottom view showing a state in which four screws N are inserted through the basic structure shown in FIG. As described above, in the outer peripheral portion of the force receiving body 30, an opening 33 (as shown in the drawing) for inserting a tool (driver) for rotating the screw N inserted through the screw hole 15 of the strain body 10. A U-shaped cutout portion formed from the outer periphery of the force receiving body 30 toward the central axis is formed.

この基本センサを相手方の物体(§3で述べる実施形態の場合は、内側構造体200)に取り付けるには、4箇所にある開口部33を利用して、受力体30の下面側から4本のネジNを起歪体10のネジ孔15に挿通し、器具(ドライバー)で回転させることにより、4本のネジNを固定すればよい。図4は、こうして4本のネジNによる固定が完了した状態を示している。   In order to attach the basic sensor to the counterpart object (in the case of the embodiment described in §3, the inner structure 200), four openings 33 are provided from the lower surface side of the force receiving body 30 using the openings 33 at four locations. The four screws N may be fixed by inserting the screws N through the screw holes 15 of the strain body 10 and rotating them with a tool (driver). FIG. 4 shows a state where the fixing with the four screws N is completed in this way.

開口部33が、それぞれX軸もしくはY軸に沿った位置に形成されているのに対して、受力体30の外周部における45°ずれた4箇所には、受力体30をその下方に配置されている物体(§3で述べる実施形態の場合は、外側構造体100)に固定するためのネジ孔35が形成されている。   While the opening 33 is formed at a position along the X axis or the Y axis, respectively, the force receiving body 30 is positioned below the four positions at 45 ° on the outer periphery of the force receiving body 30. A screw hole 35 is formed for fixing to the arranged object (in the case of the embodiment described in §3, the outer structure 100).

図5は、図1に示す基本構造体のカバー18を取り外した状態を示す上面図(上段の図(a) )およびその側断面図(下段の図(b) )である。ここで、図5上段の上面図は、図2上段の上面図を時計まわりに45°回転させたものに相当し、図5下段の側断面図は、図5上段に示す構造体を切断線W−Wの位置で切断した断面を示している。したがって、この側断面図には、左右にネジ孔35が現れている。受力体30に形成されたネジ孔35の内部には、雌ネジが形成されており、下方に配置された物体(§3で述べる実施形態の場合は、外側構造体100)側から導出された4本のネジの先端部と螺合する。これにより、受力体30を当該物体にしっかりと固定することができる。   FIG. 5 is a top view (upper view (a)) and a side sectional view (lower view (b)) showing a state where the cover 18 of the basic structure shown in FIG. 1 is removed. Here, the top view in FIG. 5 corresponds to the top view in FIG. 2 rotated clockwise by 45 °, and the side cross-sectional view in FIG. 5 shows the structure shown in FIG. The cross section cut | disconnected in the position of WW is shown. Therefore, screw holes 35 appear on the left and right in this side sectional view. A female screw is formed inside the screw hole 35 formed in the force receiving body 30 and is led out from the side of the object (in the embodiment described in §3, the outer structure 100) disposed below. It is screwed with the tip of the four screws. Thereby, the force receiving body 30 can be firmly fixed to the object.

なお、図5下段の側断面図に示された検出用溝G1の輪郭形状は、図2下段の側断面図に示された検出用溝G1の輪郭形状とは異なっているが、これは前者が切断線W−Wの位置における断面を示しているのに対して、後者はXZ平面による断面を示しているためである。図5下段の側断面図には、輪郭f1,f2の相違によって生じる段差構造により、カバー接着部19が形成される様子が明瞭に示されている。また、起歪体10の側壁部12に、外部から検出用溝G1へ向かって貫通した挿入口が設けられ、検出回路が実装された回路基板50が、この挿入口に挿入固定されている状態も明瞭に示されている。歪検出基板40の上面に設けられた各ピエゾ抵抗素子A(下段の側断面図では図示省略)と、回路基板50上に設けられた検出回路との間には、ボンディングワイヤ47を含む配線が施される。   Note that the contour shape of the detection groove G1 shown in the side sectional view of the lower stage of FIG. 5 is different from the contour shape of the detection groove G1 shown in the side sectional view of the lower stage of FIG. This is because the latter shows a cross section at the position of the cutting line WW, whereas the latter shows a cross section by the XZ plane. The lower side sectional view of FIG. 5 clearly shows that the cover bonding portion 19 is formed by the step structure generated by the difference between the contours f1 and f2. In addition, an insertion port that penetrates from the outside toward the detection groove G1 is provided in the side wall portion 12 of the strain generating body 10, and the circuit board 50 on which the detection circuit is mounted is inserted and fixed in the insertion port. Is also clearly shown. Between each piezoresistive element A (not shown in the lower side sectional view) provided on the upper surface of the strain detection board 40 and a detection circuit provided on the circuit board 50, wiring including bonding wires 47 is provided. Applied.

<<< §2. 具体的な基本センサの動作 >>>
続いて、§1で述べた基本センサの動作を説明する。ここでは、まず、この基本センサに外力が作用したとき、ダイアフラム部11がどのように変形し、歪検出基板40にどのような応力が作用するかを考えてみよう。図6は、図1に示す基本構造体にY軸まわりのモーメント成分+Myが作用したときの変形状態を示すXZ平面での側断面図である。図において、Y軸は、原点Oにおいて紙面に垂直奥方向を向いた軸である。
<<< §2. Specific basic sensor operation >>>
Subsequently, the operation of the basic sensor described in §1 will be described. Here, first, let us consider how the diaphragm portion 11 is deformed when an external force is applied to the basic sensor and what kind of stress is applied to the strain detection substrate 40. FIG. 6 is a sectional side view on the XZ plane showing a deformation state when the moment component + My around the Y-axis acts on the basic structure shown in FIG. In the figure, the Y axis is an axis that is oriented in the depth direction perpendicular to the paper surface at the origin O.

なお、本願では、特定の座標軸まわりのモーメント成分の符号は、当該特定の座標軸の正方向に右ネジを進めるための回転方向を正にとることにする。したがって、図示の例の場合、モーメント成分+Myは、Y軸を中心軸として、受力体30を時計まわりに回転させる力になり、モーメント成分−Myは、Y軸を中心軸として、受力体30を反時計まわりに回転させる力になる。   In the present application, the sign of the moment component around the specific coordinate axis is positive in the rotation direction for advancing the right screw in the positive direction of the specific coordinate axis. Therefore, in the case of the illustrated example, the moment component + My is a force that rotates the force receiving body 30 clockwise around the Y axis as the center axis, and the moment component -My is a force receiving body around the Y axis as the center axis. This is the force to rotate 30 counterclockwise.

ダイアフラム部11,31は、他の部分よりも肉厚が薄い膜状の構造部であるため、外力が作用すると弾性変形により撓みを生じることになる。したがって、起歪体10を固定した状態において、受力体30に対してモーメント成分+Myが作用すると、ダイアフラム部11,31は図示のように変形し、歪検出基板40には図示のような変形が生じることになる。その結果、歪検出基板40の上面には、図に矢印で示すような応力が加わる。すなわち、歪検出基板40の上面の中央付近(接続部材20の接続領域の外側直近部)に着目すると、図の左側では伸びる方向への応力(引張り応力)が加わり、図の右側では縮む方向への応力(圧縮応力)が加わる。その結果、各位置に配置されたピエゾ抵抗素子の電気抵抗に変化が生じることになる。   The diaphragm portions 11 and 31 are film-like structural portions that are thinner than the other portions. Therefore, when an external force is applied, the diaphragm portions 11 and 31 are bent due to elastic deformation. Therefore, when the moment component + My acts on the force receiving member 30 in a state where the strain generating body 10 is fixed, the diaphragm portions 11 and 31 are deformed as illustrated, and the strain detecting substrate 40 is deformed as illustrated. Will occur. As a result, a stress as indicated by an arrow is applied to the upper surface of the strain detection substrate 40. That is, when attention is paid to the vicinity of the center of the upper surface of the strain detection substrate 40 (the immediate vicinity of the outside of the connection region of the connection member 20), a stress (tensile stress) is applied on the left side of the drawing and contracted on the right side of the drawing. Stress (compressive stress) is applied. As a result, a change occurs in the electric resistance of the piezoresistive element arranged at each position.

たとえば、シリコン基板上に形成されたP型のピエゾ抵抗素子の場合、伸びる方向への応力が作用すると抵抗値は増加し、縮む方向への応力が作用すると抵抗値は減少する。N型のピエゾ抵抗素子の場合は、これと逆の結果が生じる。そこで、回路基板50上に、このようなピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化を検知する検出回路を設けておけば、受力体30に作用した外力成分を電気信号として検出することができる。   For example, in the case of a P-type piezoresistive element formed on a silicon substrate, the resistance value increases when a stress in the extending direction acts, and the resistance value decreases when a stress in the contracting direction acts. In the case of an N-type piezoresistive element, the opposite result occurs. Therefore, if a detection circuit for detecting such a change in the resistance value of the piezoresistive element is provided on the circuit board 50, the external force component acting on the force receiving body 30 can be detected as an electric signal.

各ピエゾ抵抗素子に加わる応力は、受力体30に作用した外力成分の種類によって異なる。たとえば、負のモーメント成分−Myが作用した場合、図6とは左右逆転した変形態様が得られることになる。図7は、図1に示す基本構造体にZ軸方向の力成分+Fzが作用したときの変形状態を示すXZ平面での側断面図である。歪検出基板40の中央部が上方(Z軸正方向)に押し上げられ、歪検出基板40の上面の中央付近に着目すると、左右いずれの位置においても伸びる方向への応力が加わる。負の力成分−Fz(図7の下方へ向かう力成分)が作用した場合は、これとは逆に、左右いずれの位置においても縮む方向への応力が加わることになる。   The stress applied to each piezoresistive element varies depending on the type of external force component acting on the force receiving body 30. For example, when the negative moment component -My acts, a deformation mode that is reversed from the left and right of FIG. 6 is obtained. FIG. 7 is a cross-sectional side view on the XZ plane showing a deformation state when a force component + Fz in the Z-axis direction acts on the basic structure shown in FIG. When the central portion of the strain detection substrate 40 is pushed upward (Z-axis positive direction) and attention is paid to the vicinity of the center of the upper surface of the strain detection substrate 40, stress is applied in the extending direction at either the left or right position. When a negative force component -Fz (a force component directed downward in FIG. 7) is applied, conversely, stress is applied in a contracting direction at either the left or right position.

図8は、図5に示す8組のピエゾ抵抗素子Aの配置を詳細に示す上面図である。説明の便宜上、8組のピエゾ抵抗素子にA1〜A8の符号を付して示してある。なお、この図8におけるハッチングは、ピエゾ抵抗素子A1〜A8の形成領域を示すものであり、断面を示すものではない。   FIG. 8 is a top view showing in detail the arrangement of the eight sets of piezoresistive elements A shown in FIG. For convenience of explanation, eight sets of piezoresistive elements are denoted by reference numerals A1 to A8. In addition, the hatching in FIG. 8 indicates a formation region of the piezoresistive elements A1 to A8, and does not indicate a cross section.

具体的には、この例の場合、歪検出基板40の上面には、X軸方向が長手方向となるように、X軸正領域に沿って配置された第1のピエゾ抵抗素子A1および第2のピエゾ抵抗素子A2と、X軸方向が長手方向となるように、X軸負領域に沿って配置された第3のピエゾ抵抗素子A3および第4のピエゾ抵抗素子A4と、Y軸方向が長手方向となるように、Y軸正領域に沿って配置された第5のピエゾ抵抗素子A5および第6のピエゾ抵抗素子A6と、Y軸方向が長手方向となるように、Y軸負領域に沿って配置された第7のピエゾ抵抗素子A7および第8のピエゾ抵抗素子A8と、が設けられている。   Specifically, in the case of this example, the first piezoresistive element A1 and the second piezoresistive element A1 and the second piezoresistive element A2 that are arranged along the X-axis positive region so that the X-axis direction is the longitudinal direction on the upper surface of the strain detection substrate 40 The piezoresistive element A2, the third piezoresistive element A3 and the fourth piezoresistive element A4 arranged along the X-axis negative region so that the X-axis direction is the longitudinal direction, and the Y-axis direction being the longitudinal direction. The fifth piezoresistive element A5 and the sixth piezoresistive element A6 arranged along the Y-axis positive region so as to be in the direction, and along the Y-axis negative region so that the Y-axis direction is the longitudinal direction. A seventh piezoresistive element A7 and an eighth piezoresistive element A8 are provided.

ここで、第1〜第8のピエゾ抵抗素子A1〜A8は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、その電気的特性は同一になる。したがって、各素子に同じ条件で応力が加われば、いずれも同じ抵抗値変化を生じることになる。また、各ピエゾ抵抗素子A1〜A8の配置パターンは、XZ平面およびYZ平面に関して対称形をなすようになっており、図8の上面図に示されている平面パターンは、X軸に関して線対称、Y軸に関しても線対称の図形になっている。   Here, the first to eighth piezoresistive elements A1 to A8 are composed of piezoresistive elements of the same material and the same size, and their electrical characteristics are the same. Therefore, if stress is applied to each element under the same condition, the same resistance value change occurs. Further, the arrangement pattern of the piezoresistive elements A1 to A8 is symmetric with respect to the XZ plane and the YZ plane, and the plane pattern shown in the top view of FIG. The Y-axis is also a line-symmetric figure.

図9は、図8に示す8組のピエゾ抵抗素子A1〜A8の抵抗値の変化を示す表である。図に「+Mx」と標記された行の各欄は、受力体30にX軸正まわりのモーメント成分+Mxが作用したときの抵抗値変化を示し、「+My」と標記された行の各欄は、受力体30にY軸正まわりのモーメント成分+Myが作用したときの抵抗値変化を示し、「+Fz」と標記された行の各欄は、受力体30にZ軸正方向の力成分+Fzが作用したときの抵抗値変化を示している。ここで、「+」は抵抗値が増加することを示し、「−」は抵抗値が減少することを示し、「0」は抵抗値に変化が生じないことを示す。   FIG. 9 is a table showing changes in resistance values of the eight sets of piezoresistive elements A1 to A8 shown in FIG. Each column in the row labeled “+ Mx” in the figure indicates a change in resistance value when a moment component + Mx around the positive X-axis acts on the force receiving member 30, and each column in the row labeled “+ My”. Indicates a change in resistance value when a moment component + My about the positive Y-axis acts on the force receiving member 30, and each column in the row labeled “+ Fz” indicates the force in the Z-axis positive direction on the force receiving member 30. The resistance value change when the component + Fz acts is shown. Here, “+” indicates that the resistance value increases, “−” indicates that the resistance value decreases, and “0” indicates that the resistance value does not change.

図9の表において、「+My」の欄の結果がこのようになることは、図6の変形態様を見れば容易に理解できよう。8組のピエゾ抵抗素子A1〜A8は、いずれもP型のピエゾ抵抗素子であるので、図6の変形態様を考慮すれば、図8に示す上面図において、素子A1,A2には長手方向に縮む応力が作用して抵抗値は減少し、素子A3,A4には長手方向に伸びる応力が作用して抵抗値は増加することがわかる。これに対して、素子A5〜A8については、長手方向に関する伸縮応力は発生しないため、抵抗値に変化は生じない。「+Mx」の欄の結果が得られる理由も同様である。   In the table of FIG. 9, it can be easily understood that the result in the column of “+ My” becomes like this by looking at the modification of FIG. Since the eight sets of piezoresistive elements A1 to A8 are all P-type piezoresistive elements, considering the modification of FIG. 6, in the top view shown in FIG. It can be seen that the contraction stress acts to decrease the resistance value, and the elements A3 and A4 are subjected to the stress extending in the longitudinal direction to increase the resistance value. On the other hand, for the elements A5 to A8, since the stretching stress in the longitudinal direction is not generated, the resistance value does not change. The reason why the result in the column “+ Mx” is obtained is also the same.

一方、「+Fz」の欄の結果がこのようになることは、図7の変形態様を見れば容易に理解できよう。図7の変形態様を考慮すれば、図8に示す上面図において、すべてのピエゾ抵抗素子A1〜A8には長手方向に伸びる応力が作用して抵抗値は増加することがわかる。なお、逆まわりのモーメント成分「−Mx」,「−My」や、逆方向の力成分「−Fz」が作用した場合は、図9の表に示す各符号を逆転した結果が得られることになる。   On the other hand, it can be easily understood that the result of the column of “+ Fz” becomes like this by looking at the modification of FIG. If the deformation | transformation aspect of FIG. 7 is considered, in the top view shown in FIG. 8, it turns out that the stress which extends to a longitudinal direction acts on all the piezoresistive elements A1-A8, and resistance value increases. In addition, when reverse-direction moment components “−Mx” and “−My” and a reverse direction force component “−Fz” are applied, the result obtained by reversing the signs shown in the table of FIG. 9 is obtained. Become.

この図9の表に示す結果を踏まえれば、図10および図11に示す検出回路により、Y軸まわりのモーメント成分MyおよびX軸まわりのモーメント成分Mxの検出が可能になることがわかる。   Based on the results shown in the table of FIG. 9, it can be seen that the detection circuit shown in FIGS. 10 and 11 can detect the moment component My around the Y axis and the moment component Mx around the X axis.

図10に示す検出回路は、第1のピエゾ抵抗素子A1と第2のピエゾ抵抗素子A2とを第1の対辺に配置し、第3のピエゾ抵抗素子A3と第4のピエゾ抵抗素子A4とを第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてY軸まわりのモーメント成分Myの検出を行う回路である。直流電源Eから所定の電源電圧を供給すると、ブリッジが平衡条件を維持している間は、両端子Ty1,Ty2は等電位を保つが、平衡状態が崩れると、両端子間に電位差Vyが生じることになる。この電位差Vyは、Y軸まわりのモーメント成分Myの向きおよび大きさを示す電気信号になる。   In the detection circuit shown in FIG. 10, the first piezoresistive element A1 and the second piezoresistive element A2 are arranged on the first opposite side, and the third piezoresistive element A3 and the fourth piezoresistive element A4 are arranged. This is a circuit that detects a moment component My around the Y-axis using a Wheatstone bridge arranged on the second opposite side. When a predetermined power supply voltage is supplied from the DC power supply E, the terminals Ty1 and Ty2 maintain an equipotential while the bridge maintains the equilibrium condition. However, when the equilibrium state is lost, a potential difference Vy is generated between the two terminals. It will be. This potential difference Vy becomes an electric signal indicating the direction and magnitude of the moment component My around the Y axis.

たとえば、モーメント成分+Myが作用すると、図9の表に示すとおり、ピエゾ抵抗素子A1,A2の抵抗値は減少し、ピエゾ抵抗素子A3,A4の抵抗値は増加するので、端子Ty1側が正、端子Ty2側が負となる電圧Vyが発生する。逆まわりのモーメント成分−Myが作用した場合は、電圧Vyの符号が逆転する。また、作用したモーメント成分が大きければ、電圧Vyの絶対値も大きくなる。   For example, when the moment component + My acts, as shown in the table of FIG. 9, the resistance values of the piezoresistive elements A1 and A2 decrease and the resistance values of the piezoresistive elements A3 and A4 increase, so that the terminal Ty1 side is positive, the terminal A voltage Vy that is negative on the Ty2 side is generated. When the counterclockwise moment component -My is applied, the sign of the voltage Vy is reversed. Further, if the applied moment component is large, the absolute value of the voltage Vy is also large.

同様に、図11に示す検出回路は、第5のピエゾ抵抗素子A5と第6のピエゾ抵抗素子A6とを第1の対辺に配置し、第7のピエゾ抵抗素子A7と第8のピエゾ抵抗素子A8とを第2の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてX軸まわりのモーメント成分Mxの検出を行う回路である。直流電源Eから所定の電源電圧を供給すると、ブリッジが平衡条件を維持している間は、両端子Tx1,Tx2は等電位を保つが、平衡状態が崩れると、両端子間に電位差Vxが生じることになる。この電位差Vxは、X軸まわりのモーメント成分Mxの向きおよび大きさを示す電気信号になる。   Similarly, the detection circuit shown in FIG. 11 has a fifth piezoresistive element A5 and a sixth piezoresistive element A6 arranged on the first opposite side, and a seventh piezoresistive element A7 and an eighth piezoresistive element. This is a circuit for detecting the moment component Mx around the X axis using a Wheatstone bridge in which A8 is arranged on the second opposite side. When a predetermined power supply voltage is supplied from the DC power supply E, the terminals Tx1 and Tx2 maintain an equipotential while the bridge maintains the equilibrium condition. However, when the equilibrium state is lost, a potential difference Vx occurs between the terminals. It will be. This potential difference Vx becomes an electric signal indicating the direction and magnitude of the moment component Mx around the X axis.

なお、モーメント成分Mxが作用した場合は、ピエゾ抵抗素子A1〜A4の抵抗値変化は生じないので、図10に示す検出回路が、モーメント成分Mxを誤検出することはない。また、力成分Fzが作用した場合は、ピエゾ抵抗素子A1〜A8のすべての抵抗値が増加することになるので、図10に示す検出回路は、ブリッジの平衡条件を維持し、力成分Fzを誤検出することはない。同様に、図11に示す検出回路は、モーメント成分Myや力成分Fzを誤検出することはない。このように、図10および図11に示す検出回路は、他軸成分の干渉を排除した正確な検出値を得ることができる。   Note that when the moment component Mx acts, the resistance values of the piezoresistive elements A1 to A4 do not change, so the detection circuit shown in FIG. 10 does not erroneously detect the moment component Mx. Further, when the force component Fz is applied, all the resistance values of the piezoresistive elements A1 to A8 are increased. Therefore, the detection circuit shown in FIG. 10 maintains the equilibrium condition of the bridge, and the force component Fz is There is no false detection. Similarly, the detection circuit shown in FIG. 11 does not erroneously detect the moment component My and the force component Fz. As described above, the detection circuit shown in FIGS. 10 and 11 can obtain an accurate detection value from which interference of other axis components is eliminated.

また、図10および図11に示す検出回路は、いずれもホイートストンブリッジを用いた差分検出を行う回路になっており、回路基板50に実装されることになる。差分検出が行われるため、実使用環境(特に温度環境)の変化によって各ピエゾ抵抗素子の電気的特性に変化が生じても、その影響が検出値として出力されることはない。たとえば、温度変化によって、8組のピエゾ抵抗素子の電気抵抗が増減したとしても、これらの増減は8組のピエゾ抵抗素子すべてに対して生じる現象であるため、外力が作用していない状態では、ブリッジ回路の平衡条件はそのまま維持され、検出電圧が出力されることはない。このように、図10および図11に示す検出回路は、実使用環境の影響を排除した正確な検出を行うことが可能である。   The detection circuits shown in FIGS. 10 and 11 are both circuits that perform differential detection using a Wheatstone bridge, and are mounted on the circuit board 50. Since the difference detection is performed, even if a change occurs in the electrical characteristics of each piezoresistive element due to a change in the actual use environment (particularly the temperature environment), the influence is not output as a detection value. For example, even if the electrical resistance of the eight sets of piezoresistive elements increases or decreases due to temperature changes, these increases and decreases are phenomena that occur for all eight sets of piezoresistive elements. The balanced condition of the bridge circuit is maintained as it is, and no detection voltage is output. As described above, the detection circuits shown in FIGS. 10 and 11 can perform accurate detection without the influence of the actual use environment.

なお、図9の表の「+Fz」の欄の結果を踏まえれば、8組のピエゾ抵抗素子A1〜A8の抵抗値の総和の変動量として、Z軸方向の力成分を検出できることがわかる。すなわち、外力が何ら作用していない状態における8組のピエゾ抵抗素子A1〜A8の抵抗値の総和を基準値として測定しておけば、当該抵抗値の総和が基準値より増加すれば、増加分はZ軸正方向の力成分+Fzの大きさを示すものになり、当該抵抗値の総和が基準値より減少すれば、減少分はZ軸負方向の力成分−Fzの大きさを示すものになる。ただ、Z軸方向の力成分に関しては、差分検出を行うことはできないため、実使用環境の変化に起因した検出誤差が含まれることになる。   Note that, based on the result in the column “+ Fz” in the table of FIG. 9, it can be seen that the force component in the Z-axis direction can be detected as the variation amount of the sum of the resistance values of the eight pairs of piezoresistive elements A1 to A8. That is, if the sum of the resistance values of the eight sets of piezoresistive elements A1 to A8 in a state where no external force is applied is measured as a reference value, if the sum of the resistance values increases from the reference value, the increase amount Indicates the magnitude of the force component + Fz in the Z-axis positive direction. If the sum of the resistance values decreases from the reference value, the decrease indicates the magnitude of the force component -Fz in the Z-axis negative direction. Become. However, since a difference cannot be detected for the force component in the Z-axis direction, a detection error due to a change in the actual usage environment is included.

もっとも、§3以降で述べる力覚センサに利用する場合、基本センサは、X軸まわりのモーメント成分MxおよびY軸まわりのモーメント成分Myを検出する機能を有していれば足り、Z軸方向の力成分Fzを検出する機能は不要である。よって、ここで述べたセンサを、本発明に係る力覚センサ用の基本センサとして利用するにあたっては、Z軸方向の力成分Fzについての正確な検出ができなくても何ら支障は生じない。   However, when used for the force sensor described in §3 and later, it is sufficient that the basic sensor has a function of detecting the moment component Mx around the X axis and the moment component My around the Y axis. The function of detecting the force component Fz is not necessary. Therefore, when the sensor described here is used as the basic sensor for the force sensor according to the present invention, no trouble is caused even if the force component Fz in the Z-axis direction cannot be accurately detected.

<<< §3. 第1の実施形態の構造 >>>
ここでは、本発明に係る力覚センサの第1の実施形態の構造を説明する。図12は、この第1の実施形態に係る力覚センサの横断面図である。この力覚センサは、三次元直交座標系における所望の座標軸方向の力成分および所望の座標軸まわりのモーメント成分を検出する機能を有している。そこで、ここでは、図面の右方向にα軸、上方向にβ軸、紙面に垂直な手前方向にγ軸をとったαβγ三次元直交座標系を定義し、以下の説明を行うことにする。
<<< §3. Structure of the first embodiment >>
Here, the structure of the first embodiment of the force sensor according to the present invention will be described. FIG. 12 is a cross-sectional view of the force sensor according to the first embodiment. This force sensor has a function of detecting a force component in a desired coordinate axis direction and a moment component around the desired coordinate axis in a three-dimensional orthogonal coordinate system. Therefore, here, an αβγ three-dimensional orthogonal coordinate system is defined with the α axis in the right direction of the drawing, the β axis in the upward direction, and the γ axis in the front direction perpendicular to the paper surface, and the following explanation will be given.

なお、§1,§2で述べた基本センサの説明では、XYZ三次元直交座標系を定義し、X軸まわりのモーメント成分MxおよびY軸まわりのモーメント成分Myを検出する機能を説明したが、本願では、便宜上、基本センサの動作説明に用いる三次元直交座標系をXYZ三次元直交座標系、本発明に係る力覚センサの動作説明に用いる三次元直交座標系をαβγ三次元直交座標系と区別することにする。XYZ三次元直交座標系は、個々の基本センサごとに定義されるローカル座標系であるのに対して、αβγ三次元直交座標系は、力覚センサ全体に定義されるグローバル座標系ということになる。   In the description of the basic sensor described in §1 and §2, the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system is defined, and the function of detecting the moment component Mx around the X axis and the moment component My around the Y axis has been described. In this application, for the sake of convenience, the three-dimensional orthogonal coordinate system used for explaining the operation of the basic sensor is an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system, and the three-dimensional orthogonal coordinate system used for explaining the operation of the force sensor according to the present invention is an αβγ three-dimensional orthogonal coordinate system. I will make a distinction. The XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system is a local coordinate system defined for each basic sensor, whereas the αβγ three-dimensional orthogonal coordinate system is a global coordinate system defined for the entire force sensor. .

図12は、この力覚センサをαβ平面で切断した横断面図であり、図の中心に示す点Qは、αβγ三次元直交座標系の原点を示している(γ軸は、点Qにおいて紙面に直交する軸になる)。この力覚センサは、α軸方向に作用した力成分Fα、β軸方向に作用した力成分Fβ、γ軸方向に作用した力成分Fγ、α軸まわりに作用したモーメント成分Mα、β軸まわりに作用したモーメント成分Mβ、γ軸まわりに作用したモーメント成分Mγの6成分を検出することが可能な6軸力覚センサとして機能する。   FIG. 12 is a cross-sectional view of the force sensor cut along the αβ plane. A point Q shown in the center of the figure indicates the origin of the αβγ three-dimensional orthogonal coordinate system (the γ-axis is the plane of the paper at the point Q). Becomes an axis orthogonal to the This force sensor includes a force component Fα acting in the α-axis direction, a force component Fβ acting in the β-axis direction, a force component Fγ acting in the γ-axis direction, a moment component Mα acting around the α-axis, and a β-axis around It functions as a 6-axis force sensor capable of detecting 6 components of the acting moment component Mβ and the acting moment component Mγ.

図示のとおり、この力覚センサの基本的な構成要素は、内部に収容空間を有する円筒状の外側構造体100、この収容空間内に収容された内側構造体200、外側構造体100の更に外側に配置された外殻構造体300、3組の基本センサS1,S2,S3、そして図示されていない演算手段である。演算手段は、後述するように、基本センサS1〜S3の出力に基づいて、検出対象となる6成分を求めるために必要な演算を行う機能を有する。   As shown in the figure, the basic components of the force sensor are a cylindrical outer structure 100 having a housing space therein, an inner structure 200 housed in the housing space, and an outer side of the outer structure 100. 3 is an outer shell structure 300, three sets of basic sensors S1, S2, S3, and arithmetic means not shown. As will be described later, the calculation means has a function of performing calculations necessary for obtaining six components to be detected based on the outputs of the basic sensors S1 to S3.

基本センサS1〜S3は、図示のとおり、起歪体10、接続部材20、受力体30によって構成されている。ここでは、この3組の基本センサを相互に区別するため、「S1〜S3」という異なる符号を付しているが、この3組の基本センサは、いずれも、§1,§2で説明した基本センサSである。別言すれば、この第1の実施形態に係る力覚センサには、§1,§2で説明した基本センサSが3組用いられていることになる。基本センサSの構造については既に詳細に説明したので、以降の図では、各基本センサの内部構造の図示は省略する。したがって、図12は、基本的には横断面図であるが、基本センサS1〜S3の部分については上面図が示されている。   The basic sensors S <b> 1 to S <b> 3 are configured by a strain body 10, a connection member 20, and a force receiving body 30 as illustrated. Here, in order to distinguish these three sets of basic sensors from each other, different symbols “S1 to S3” are given, but all of these three sets of basic sensors have been described in §1 and §2. This is the basic sensor S. In other words, three sets of basic sensors S described in §1 and §2 are used in the force sensor according to the first embodiment. Since the structure of the basic sensor S has already been described in detail, the internal structure of each basic sensor is not shown in the following drawings. Therefore, FIG. 12 is basically a cross-sectional view, but a top view of the basic sensors S1 to S3 is shown.

内側構造体200は、断面が正三角形をした柱状の構造体であり、γ軸が中心軸となるように配置されている。一方、外側構造体100および外殻構造体300は、γ軸を共通の中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成されている。3組の基本センサS1〜S3は、内側構造体200の側面と外側構造体100の内周面との間に配置され、両者を接続する機能を果たしている。すなわち、この第1の実施形態では、外側構造体100は、内側構造体200を内部に収容する筒状の構造体によって構成され、各基本センサS1〜S3が、この筒状の外側構造体100の内周面上の外側接続点と内側構造体200の外周面上の内側接続点とを連結するように接続されていることになる。   The inner structure 200 is a columnar structure whose cross section is a regular triangle, and is arranged so that the γ-axis becomes the central axis. On the other hand, the outer structure 100 and the outer shell structure 300 are constituted by concentric cylindrical structures having the γ-axis as a common central axis. Three sets of basic sensors S <b> 1 to S <b> 3 are arranged between the side surface of the inner structure 200 and the inner peripheral surface of the outer structure 100, and serve to connect the two. That is, in the first embodiment, the outer structure 100 is configured by a cylindrical structure that houses the inner structure 200 therein, and each of the basic sensors S1 to S3 is the cylindrical outer structure 100. The outer connection point on the inner peripheral surface of the inner structure 200 and the inner connection point on the outer peripheral surface of the inner structure 200 are connected to each other.

ここでは、各基本センサS1〜S3の具体的な配置を説明するため、αβ平面上において、α軸の方向を0°とし、反時計まわりに360°までの方位角を定義する。また、図示のとおり、α軸,β軸に加えて、更に、δ軸およびε軸を定義する。α軸,β軸,δ軸,ε軸は、いずれもαβ平面上の軸であり、それぞれの方位角は、0°,90°,210°,330°である(いずれも、各軸の正方向の方位角)。したがって、β軸,δ軸,ε軸の3軸に着目すると、これら3軸は、αβ平面上において互いに120°をなす軸ということになる。そして、3組の基本センサS1〜S3は、この3軸に沿って配置されている。   Here, in order to describe a specific arrangement of each of the basic sensors S1 to S3, on the αβ plane, the α axis direction is set to 0 °, and azimuth angles up to 360 ° are defined counterclockwise. Further, as shown, in addition to the α axis and the β axis, a δ axis and an ε axis are defined. The α-axis, β-axis, δ-axis, and ε-axis are all axes on the αβ plane, and their azimuth angles are 0 °, 90 °, 210 °, and 330 ° (all are positive for each axis). Direction azimuth). Therefore, when attention is paid to the three axes of the β axis, the δ axis, and the ε axis, these three axes are axes that form 120 ° with respect to each other on the αβ plane. And 3 sets of basic sensors S1-S3 are arrange | positioned along these 3 axes | shafts.

具体的には、第1の基本センサS1は、β軸が中心軸となるように配置されており、外側構造体100の内周面とβ軸正領域との交点に位置する外側接続点Jβと、内側構造体200の外周面とβ軸正領域との交点に位置する内側接続点Iβとを連結するように接続されている。同様に、第2の基本センサS2は、δ軸が中心軸となるように配置されており、外側構造体100の内周面とδ軸正領域との交点に位置する外側接続点Jδと、内側構造体200の外周面とδ軸正領域との交点に位置する内側接続点Iδとを連結するように接続されており、第3の基本センサS3は、ε軸が中心軸となるように配置されており、外側構造体100の内周面とε軸正領域との交点に位置する外側接続点Jεと、内側構造体200の外周面とε軸正領域との交点に位置する内側接続点Iεとを連結するように接続されている。   Specifically, the first basic sensor S1 is arranged such that the β axis is the central axis, and the outer connection point Jβ located at the intersection of the inner peripheral surface of the outer structure 100 and the β axis positive region. And the inner connection point Iβ located at the intersection of the outer peripheral surface of the inner structure 200 and the β-axis positive region is connected. Similarly, the second basic sensor S2 is arranged so that the δ axis becomes the central axis, and the outer connection point Jδ located at the intersection of the inner peripheral surface of the outer structure 100 and the δ axis positive region, The third basic sensor S3 is connected so as to connect the inner connection point Iδ located at the intersection of the outer peripheral surface of the inner structure 200 and the δ-axis positive region so that the ε-axis becomes the central axis. An outer connection point Jε located at the intersection of the inner peripheral surface of the outer structure 100 and the ε-axis positive region, and an inner connection located at the intersection of the outer peripheral surface of the inner structure 200 and the ε-axis positive region. The point Iε is connected so as to be connected.

なお、§1で述べたとおり、各基本センサSを構成する起歪体10および受力体30は、いずれも板状の部材であるため、取付対象となる相手方の物体面は平面であることが望ましい。この第1の実施形態の場合、内側構造体200は、断面が正三角形であり、その外周面は平面であるので、起歪体10を取り付けるには支障はない。これに対して、外側構造体100は、完全な円筒形にすると、内周面が曲面になるため、板状の受力体30をそのまま取り付けるには好ましくない。そこで、ここに示す実施例では、図示のとおり、外側構造体100の内周面のうち、基本センサS1〜S3の受力体30を取り付ける部分については平面となるような形状を採用している。   Note that, as described in §1, each of the strain generating body 10 and the force receiving body 30 constituting each basic sensor S is a plate-like member, so that the object surface of the counterpart to be attached is a plane. Is desirable. In the case of the first embodiment, the inner structure 200 has an equilateral triangle in cross section, and its outer peripheral surface is a flat surface. Therefore, there is no problem in attaching the strain body 10. On the other hand, if the outer structure 100 is made into a complete cylindrical shape, the inner peripheral surface becomes a curved surface, which is not preferable for attaching the plate-shaped force receiving body 30 as it is. Therefore, in the embodiment shown here, as shown in the drawing, a portion of the inner peripheral surface of the outer structure 100 to which the force receiving body 30 of the basic sensors S1 to S3 is attached is a flat shape. .

このため、外側構造体100は、β軸正領域,δ軸正領域,ε軸正領域と交差する部分近傍の肉厚が若干厚くなっている。また、この肉厚部分の外周面には、図示のとおり、制御溝111,112,113が設けられており、外殻構造体300の内周面に設けられた制御突起311,312,313の先端部を収容できる構造となっている。これら制御突起および制御溝の機能については後述する。   For this reason, the outer structure 100 is slightly thicker in the vicinity of the portion that intersects the β-axis positive region, the δ-axis positive region, and the ε-axis positive region. Further, as shown in the figure, control grooves 111, 112, 113 are provided on the outer peripheral surface of this thick portion, and control protrusions 311, 312, 313 provided on the inner peripheral surface of the outer shell structure 300 are provided. It has a structure that can accommodate the tip. The functions of these control protrusions and control grooves will be described later.

このように、各基本センサS1〜S3の起歪体10は、内側構造体200の外周面上の所定位置に設けられた内側接続点Iβ,Iδ,Iε(図では黒丸で示す)に接合固定され、各基本センサS1〜S3の受力体30は、外側構造体100の内周面上の所定位置に設けられた外側接続点Jβ,Jδ,Jε(図では黒丸で示す)に接合固定される。§1で述べたとおり、実際には、起歪体10および受力体30はネジで固定されているが、図12以降の各図では、ネジの図示は省略する。   As described above, the strain body 10 of each of the basic sensors S1 to S3 is bonded and fixed to the inner connection points Iβ, Iδ, and Iε (indicated by black circles) provided at predetermined positions on the outer peripheral surface of the inner structure 200. The force receiving bodies 30 of the basic sensors S1 to S3 are joined and fixed to outer connection points Jβ, Jδ, Jε (shown by black circles in the figure) provided at predetermined positions on the inner peripheral surface of the outer structure 100. The As described in §1, the strain generating body 10 and the force receiving body 30 are actually fixed with screws, but the illustration of the screws is omitted in the drawings after FIG.

なお、図1(b) に示すように、起歪体10の上面には検出用溝G1が形成されており、受力体30の下面には検出用溝G2が形成されている。このため、図12に示す構造において、起歪体10は内側接続点Iβ,Iδ,Iεに直接接続されるわけではなく、受力体30も外側接続点Jβ,Jδ,Jεに直接接続されるわけではないが、これらは各接続点の周囲部分に直接固定されるので、結局、各基本センサS1〜S3は、外側構造体100の所定位置に設けられた外側接続点Jβ,Jδ,Jεと内側構造体200の所定位置に設けられた内側接続点Iβ,Iδ,Iεとを間接的に連結する連結機能を果たすことになる。   As shown in FIG. 1B, a detection groove G <b> 1 is formed on the upper surface of the strain body 10, and a detection groove G <b> 2 is formed on the lower surface of the force receiving body 30. For this reason, in the structure shown in FIG. 12, the strain body 10 is not directly connected to the inner connection points Iβ, Iδ, Iε, and the force receiving body 30 is also directly connected to the outer connection points Jβ, Jδ, Jε. However, since these are directly fixed to the peripheral portion of each connection point, the basic sensors S1 to S3 are eventually connected to the outer connection points Jβ, Jδ, Jε provided at predetermined positions of the outer structure 100, respectively. The connecting function of indirectly connecting the inner connection points Iβ, Iδ, and Iε provided at predetermined positions of the inner structure 200 is achieved.

もちろん、一端が外側接続点に直接固定され、他端が内側接続点に直接固定されるような構造をもった基本センサを用いて、両接続点間を直接的に連結するようにしてもかまわない。また、内側構造体200は、その側面に基本センサS1〜S3を接続する機能を有していれば足りるので、内部を空洞にした筒状体によって構成してもかまわない。   Of course, a basic sensor having a structure in which one end is directly fixed to the outer connection point and the other end is directly fixed to the inner connection point may be used to directly connect the two connection points. Absent. Further, the inner structure 200 only needs to have a function of connecting the basic sensors S1 to S3 to the side surface thereof, and therefore may be configured by a cylindrical body having a hollow inside.

図12に示す力覚センサの構造は、図13の縦断面図を参照することにより、更に明確になる。図13に示す縦断面図は、図12に示す力覚センサをεγ平面で切断した縦断面図に相当する。すなわち、この力覚センサを、αβ平面上において、150°および−330°の方位角に対応する断面(ε軸に沿った位置)で切断した断面図ということになる。この図13でも、基本センサS3については、断面図ではなく側面図が示されている。   The structure of the force sensor shown in FIG. 12 will be further clarified by referring to the longitudinal sectional view of FIG. The longitudinal sectional view shown in FIG. 13 corresponds to a longitudinal sectional view of the force sensor shown in FIG. 12 cut along the εγ plane. That is, the force sensor is a cross-sectional view cut along a cross section (position along the ε axis) corresponding to azimuth angles of 150 ° and −330 ° on the αβ plane. Also in FIG. 13, the basic sensor S3 is not a cross-sectional view but a side view.

前述したとおり、外側構造体100および外殻構造体300は、γ軸を共通の中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成されているが、外側構造体100の下方には、円板状の底板部材150が取り付けられており、外殻構造体300の上方には、円板状の連結部材250が取り付けられている。そして、内側構造体200の上部は連結部材250の下面中央部に取り付けられており、底板部材150は、台座400の上面に固定されている。   As described above, the outer structure body 100 and the outer shell structure body 300 are configured by concentric cylindrical structures having the γ-axis as a common central axis. A bottom plate member 150 is attached, and a disk-shaped connecting member 250 is attached above the outer shell structure 300. The upper part of the inner structure 200 is attached to the center of the lower surface of the connecting member 250, and the bottom plate member 150 is fixed to the upper surface of the pedestal 400.

図13において、外側構造体100の左側の側壁(ε軸負領域と交差する部分)に比べて、右側の側壁(ε軸正領域と交差する部分)の方が厚くなっているのは、前述したように、右側の側壁の内面に、第3の基本センサS3の受力体30を接続するための平面を設けたためである。この肉厚部分の外周面には制御溝113が設けられており、外殻構造体300の内周面に設けられた制御突起313の先端部が収容されている。   In FIG. 13, the right side wall (portion intersecting the ε-axis negative region) is thicker than the left side wall (portion intersecting the ε-axis negative region) of the outer structure 100 as described above. This is because a plane for connecting the force receiving body 30 of the third basic sensor S3 is provided on the inner surface of the right side wall as described above. A control groove 113 is provided on the outer peripheral surface of the thick portion, and the tip end portion of the control protrusion 313 provided on the inner peripheral surface of the outer shell structure 300 is accommodated.

第3の基本センサS3の受力体30は、外側構造体100の内周面に固定され、起歪体10は、内側構造体200の外周面に固定されており、第3の基本センサS3によって、外側接続点Jεと内側接続点Iεとが接続されることになる。図13には現れていないが、第1の基本センサS1および第2の基本センサS2の取付具合も、全く同様である。別言すれば、図12に示す力覚センサを、β軸に沿って切断した縦断面図やδ軸に沿って切断した縦断面図も、図13の縦断面図と同様の図になる。   The force receiving body 30 of the third basic sensor S3 is fixed to the inner peripheral surface of the outer structure 100, and the strain body 10 is fixed to the outer peripheral surface of the inner structure 200. The third basic sensor S3 Thus, the outer connection point Jε and the inner connection point Iε are connected. Although not appearing in FIG. 13, the mounting conditions of the first basic sensor S1 and the second basic sensor S2 are exactly the same. In other words, the longitudinal sectional view taken along the β axis and the longitudinal sectional view taken along the δ axis of the force sensor shown in FIG. 12 are also similar to the longitudinal sectional view of FIG.

ここに示す実施形態の場合、内側構造体200は、正三角形の横断面をもつ三角柱によって構成されている。図13において、内側構造体200の縦断面部分が、γ軸に対して左右対称になっていないのは、三角柱の縦断面を示しているためである。この三角柱からなる内側構造体200の各側面におけるβ軸,δ軸,ε軸との交点位置に、それぞれ内側接続点Iβ,Iδ,Iεが設けられ、3組の基本センサS1〜S3が、それぞれ内側接続点Iβ,Iδ,Iεと外側構造体100の対向位置に設けられた外側接続点Jβ,Jδ,Jεとを連結する連結機能を果たすことになる。   In the embodiment shown here, the inner structure 200 is constituted by a triangular prism having a regular triangular cross section. In FIG. 13, the reason why the longitudinal section of the inner structure 200 is not symmetrical with respect to the γ-axis is that it shows a longitudinal section of a triangular prism. Inner connection points Iβ, Iδ, and Iε are provided at intersections with the β-axis, δ-axis, and ε-axis on each side surface of the inner structure 200 made of a triangular prism, and three sets of basic sensors S1 to S3 are respectively provided. The connecting function of connecting the inner connection points Iβ, Iδ, Iε and the outer connection points Jβ, Jδ, Jε provided at the opposing positions of the outer structure 100 is achieved.

ここに示す実施例の場合、図にドットによるハッチングを施して示すとおり、外側構造体100と底板部材150とは、同一材料によって構成された一体構造をなすカップ状の構造体によって構成されており、その底面は、台座400の上面に接着されている。また、底板部材150の上面には、回路基板500が固着されている。この回路基板500は、後述する演算手段を構成する演算回路が形成された半導体基板である。図示は省略するが、各基本センサS1〜S3と回路基板500との間には、各基本センサS1〜S3によって検出された検出値を伝達するための配線が施される。   In the case of the embodiment shown here, as shown by hatching with dots in the figure, the outer structure 100 and the bottom plate member 150 are constituted by a cup-shaped structure that forms an integral structure made of the same material. The bottom surface is bonded to the top surface of the pedestal 400. Further, the circuit board 500 is fixed to the upper surface of the bottom plate member 150. The circuit board 500 is a semiconductor substrate on which an arithmetic circuit that constitutes arithmetic means to be described later is formed. Although illustration is omitted, between the basic sensors S1 to S3 and the circuit board 500, wiring for transmitting detection values detected by the basic sensors S1 to S3 is provided.

一方、この実施例の場合、図に斜線によるハッチングを施して示すとおり、内側構造体200、連結部材250、外殻構造体300も、同一材料からなる一体構造をなす構造体によって構成されている。連結部材250は、内側構造体200と、その外側に設けられた筒状の外殻構造体300とを接続する機能を有し、外力が作用したときに、内側構造体200、連結部材250、外殻構造体300は、一体となって変位することになる。   On the other hand, in the case of this embodiment, as shown in the drawing by hatching with hatching, the inner structure 200, the connecting member 250, and the outer shell structure 300 are also constituted by a structure having an integral structure made of the same material. . The connecting member 250 has a function of connecting the inner structure 200 and the cylindrical outer shell structure 300 provided on the outer side thereof, and when an external force is applied, the inner structure 200, the connecting member 250, The outer shell structure 300 is displaced integrally.

この例の場合、外殻構造体300は、γ軸を中心軸とする円筒状構造体であり、図13に示すように、γ軸が上下方向を向くように配置したときに、筒状の外殻構造体300の上方開口部を覆う円形の板状部材によって連結部材250が構成されている。そして、この板状部材250の下面周囲部に外殻構造体300が接合され、板状部材250の下面中央部に内側構造体200の上面が接続されていることになる。   In the case of this example, the outer shell structure 300 is a cylindrical structure having the γ-axis as the central axis. As shown in FIG. 13, when the outer shell structure 300 is disposed so that the γ-axis is directed in the vertical direction, The connecting member 250 is configured by a circular plate-like member that covers the upper opening of the outer shell structure 300. The outer shell structure 300 is joined to the periphery of the lower surface of the plate-like member 250, and the upper surface of the inner structure 200 is connected to the center of the lower surface of the plate-like member 250.

もちろん、連結部材250は、必ずしも板状部材によって構成する必要はなく、内側構造体200と外殻構造体300とを接続する機能を果たす構造体であれば、どのような構造体によって構成してもかまわない。ただ、図示の例のように、連結部材250を、筒状の外殻構造体300の上方開口部を覆う板状部材によって構成すれば、装置内部を覆うカバーとしての機能を果たす利点が得られる。   Of course, the connecting member 250 is not necessarily configured by a plate-like member, and may be configured by any structure as long as it is a structure that functions to connect the inner structure 200 and the outer shell structure 300. It doesn't matter. However, if the connecting member 250 is configured by a plate-like member that covers the upper opening of the cylindrical outer shell structure 300 as in the illustrated example, the advantage of serving as a cover that covers the inside of the apparatus can be obtained. .

外側構造体100、内側構造体200、連結部材250、外殻構造体300は、できるだけ剛性を有する構造体で構成するのが好ましい。これらを十分な剛性を有する構造体によって構成しておけば、検出対象となる外力を各基本センサS1〜S3に効率的に伝達することができ、検出感度を向上させることができる。ここに示す実施例の場合、図にドットによるハッチングを施して示した外側構造体100と底板部材150とをアルミニウム合金によって構成し、図に斜線によるハッチングを施して示した内側構造体200、連結部材250、外殻構造体300もアルミニウム合金によって構成し、更に、台座400もアルミニウム合金によって構成している。もちろん、各部の材質は、アルミニウム合金に限定されるものではなく、たとえば、SUS(ステンレス鋼)などの鉄系合金を用いてもかまわない。   The outer structure 100, the inner structure 200, the connecting member 250, and the outer shell structure 300 are preferably composed of structures having rigidity as much as possible. If these are configured by a structure having sufficient rigidity, an external force to be detected can be efficiently transmitted to each of the basic sensors S1 to S3, and detection sensitivity can be improved. In the case of the embodiment shown here, the outer structure 100 and the bottom plate member 150 shown by hatching with dots in the figure are made of aluminum alloy, and the inner structure 200 shown by hatching with hatching in the figure, The member 250 and the outer shell structure 300 are also made of an aluminum alloy, and the pedestal 400 is also made of an aluminum alloy. Of course, the material of each part is not limited to an aluminum alloy, and for example, an iron-based alloy such as SUS (stainless steel) may be used.

一方、各基本センサS1〜S3は、図1に示すように、ダイアフラム部11,31を有しており、外力が作用すると、たとえば、図6や図7に示すような弾性変形を生じる性質を有している。結局、図13に示す力覚センサは、外側構造体100、底板部材150、台座400からなる第1の剛体群と、内側構造体200、連結部材250、外殻構造体300からなる第2の剛体群とを、弾性変形可能な基本センサS1〜S3によって接続した構造を有していることになる。   On the other hand, each basic sensor S1 to S3 has diaphragm portions 11 and 31, as shown in FIG. 1, and has the property of causing elastic deformation as shown in FIGS. 6 and 7, for example, when an external force is applied. Have. After all, the force sensor shown in FIG. 13 includes a first rigid body group including the outer structure 100, the bottom plate member 150, and the base 400, and a second rigid body group including the inner structure 200, the connecting member 250, and the outer shell structure 300. It has the structure which connected the rigid body group by basic sensors S1-S3 which can be elastically deformed.

したがって、たとえば、台座400を固定した状態とし、連結部材250もしくは外殻構造体300に対して何らかの外力を作用させたとすると、当該外力によって基本センサS1〜S3が弾性変形することになり、上記第1の剛体群に対して、上記第2の剛体群が変位を生じることになる。逆に、第2の剛体群を固定した状態において、第1の剛体群に外力を作用させた場合は、第2の剛体群に対して、第1の剛体群が変位を生じることになる。もっとも、作用反作用の法則により、これらの現象は根本的には同じであるため、本願では、前者のケースを例にとって以下の説明を行うことにする。   Therefore, for example, when the base 400 is fixed and some external force is applied to the connecting member 250 or the outer shell structure 300, the basic sensors S1 to S3 are elastically deformed by the external force. The second rigid body group is displaced with respect to one rigid body group. Conversely, when an external force is applied to the first rigid body group in a state where the second rigid body group is fixed, the first rigid body group is displaced relative to the second rigid body group. However, since these phenomena are fundamentally the same according to the law of action and reaction, in the present application, the following explanation will be given taking the former case as an example.

台座400を固定した状態にすると、図12の横断面図において、外側構造体100は固定された状態になる。その状態で、外殻構造体300(もしくは、その上方に接続された円板状の連結部材250)に対して外力が作用すると、当該外力は内側構造体200へと伝達される。この内側構造体200は、基本センサS1〜S3によって、三方から支持されているが、上述したとおり、基本センサS1〜S3は外力の作用により弾性変形するので、この弾性変形に応じて、内側構造体200は外側構造体100の内部の収容空間内で変位する。   When the base 400 is fixed, the outer structure 100 is fixed in the cross-sectional view of FIG. In this state, when an external force is applied to the outer shell structure 300 (or the disk-like connecting member 250 connected thereabove), the external force is transmitted to the inner structure 200. The inner structure 200 is supported from three sides by the basic sensors S1 to S3. As described above, the basic sensors S1 to S3 are elastically deformed by the action of an external force. The body 200 is displaced within the accommodation space inside the outer structure 100.

ここで、基本センサS1〜S3は、作用した外力のモーメント成分MxおよびMyを検出する機能を有しており、その検出値は、前述した回路基板500上の演算回路へ電気信号として与えられる。演算回路は、各基本センサS1〜S3から与えられた検出値に対して所定の演算処理を行うことにより、外殻構造体300(もしくは、その上方に接続された円板状の連結部材250)に作用した外力について、各座標軸方向の力成分Fα,Fβ,Fγおよび各座標軸まわりのモーメント成分Mα,Mβ,Mγを検出する処理を行うことになる。具体的な演算内容については、§4において詳述する。   Here, the basic sensors S1 to S3 have a function of detecting the moment components Mx and My of the applied external force, and the detected values are given as electric signals to the arithmetic circuit on the circuit board 500 described above. The arithmetic circuit performs a predetermined arithmetic process on the detection values given from the basic sensors S1 to S3, so that the outer shell structure 300 (or the disk-shaped connecting member 250 connected above the outer shell structure 300). With respect to the external force applied to, the force components Fα, Fβ, Fγ in the respective coordinate axes and the moment components Mα, Mβ, Mγ around the coordinate axes are detected. Specific calculation contents will be described in detail in §4.

上述したように、基本センサS1〜S3は、外力の作用により弾性変形する性質を有している。すなわち、外力が作用すると、当該外力に応じた態様で変形するが、外力が作用しなくなると、元の状態に復帰する性質を有している。しかしながら、通常、このような弾性変形の性質が維持されるのは、作用した外力の大きさが所定の許容範囲内である場合に限られ、過度の外力が作用した場合、弾性変形の性質は損なわれてしまう。そうなると、基本センサは正常な検出機能を果たすことができなくなる。そこで、この第1の実施形態に係る力覚センサには、基本センサS1〜S3に過度の外力が加わらないようにするための2通りの制御構造が組み込まれている。   As described above, the basic sensors S1 to S3 have a property of being elastically deformed by the action of an external force. That is, when an external force is applied, it is deformed in a mode corresponding to the external force, but when the external force is no longer applied, it returns to its original state. However, normally, the property of such elastic deformation is maintained only when the magnitude of the applied external force is within a predetermined allowable range. When excessive external force is applied, the property of elastic deformation is It will be damaged. In this case, the basic sensor cannot perform a normal detection function. Thus, the force sensor according to the first embodiment incorporates two control structures for preventing excessive external force from being applied to the basic sensors S1 to S3.

第1の制御構造は、外側構造体100と外殻構造体300とを、共通のγ軸を中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成したことにより実現されている。図12に示すように、外側構造体100の外周面と外殻構造体300の内周面との間には所定の空隙が形成されている。そこで、この空隙の寸法を適切に設定することにより、外側構造体100に対する外殻構造体300の変位を適切な範囲内に制御し、基本センサS1〜S3に過度の外力が加わらないようにしている。外側構造体100に対する外殻構造体300の変位を適切な範囲内に制御できれば、外側構造体100に対する内側構造体200の変位も所定の許容範囲内に制御することができるので、各基本センサS1〜S3は、正常な検出機能を果たすことができる。   The first control structure is realized by configuring the outer structure body 100 and the outer shell structure body 300 with concentric cylindrical structures having a common γ-axis as a central axis. As shown in FIG. 12, a predetermined gap is formed between the outer peripheral surface of the outer structure 100 and the inner peripheral surface of the outer shell structure 300. Therefore, by appropriately setting the size of the gap, the displacement of the outer shell structure 300 with respect to the outer structure 100 is controlled within an appropriate range so that excessive external force is not applied to the basic sensors S1 to S3. Yes. If the displacement of the outer shell structure 300 relative to the outer structure 100 can be controlled within an appropriate range, the displacement of the inner structure 200 relative to the outer structure 100 can also be controlled within a predetermined allowable range. ~ S3 can perform a normal detection function.

要するに、外側構造体100に対する内側構造体200の変位が所定の許容範囲に達した場合に(すなわち、作用する外力の大きさが、各基本センサS1〜S3が正常な検出機能を果たすことが可能な範囲内の所定値に達した場合に)、外側構造体100の外周面と外殻構造体300の内周面とが接触し、それ以上の変位が制限されるように、外側構造体100と外殻構造体300との間隔を所定値に設定する設計を行うようにすればよい。   In short, when the displacement of the inner structure 200 with respect to the outer structure 100 reaches a predetermined allowable range (that is, the magnitude of the acting external force allows each of the basic sensors S1 to S3 to perform a normal detection function. The outer structure 100 so that the outer peripheral surface of the outer structure 100 and the inner peripheral surface of the outer shell structure 300 are in contact with each other and further displacement is limited. The design may be such that the distance between the outer shell structure 300 and the outer shell structure 300 is set to a predetermined value.

本願発明者が試作した具体的な力覚センサの場合、すなわち、各基本センサS1〜S3として、直径10mm、高さ7mmのサイズの構造体を用い、外殻構造体300として、直径25mmのサイズの円筒状構造体を用いた実施例の場合、外側構造体100と外殻構造体300との間隔を10〜20μm程度に設定すれば、実用上、十分な検出感度が得られ、基本センサS1〜S3に対して加わる外力を、正常な検出機能を果たすことができる範囲内に制限することが可能であった。   In the case of a specific force sensor prototyped by the inventor of the present application, that is, a structure having a diameter of 10 mm and a height of 7 mm is used as each of the basic sensors S1 to S3, and the outer shell structure 300 is a size having a diameter of 25 mm. In the case of the embodiment using the cylindrical structure, if the distance between the outer structure 100 and the outer shell structure 300 is set to about 10 to 20 μm, practically sufficient detection sensitivity can be obtained, and the basic sensor S1. It was possible to limit the external force applied to -S3 within a range in which a normal detection function can be performed.

図12に示す力覚センサが採用している第2の制御構造は、制御突起と制御溝との組み合わせである。図示のとおり、外殻構造体300の内周面には、内側に向かう制御突起311,312,313が設けられており、外側構造体100の外周面には、これらの制御突起の先端部を収容する制御溝111,112,113が設けられている。しかも、外側構造体100に対する内側構造体200の変位が所定の許容範囲に達した場合に(すなわち、外側構造体100に対する外殻構造体300の変位が所定の許容範囲に達した場合に)、各制御突起311,312,313の先端部と各制御溝111,112,113の溝形成面とが接触し、それ以上の変位が制限されるように、各制御突起の先端部と各制御溝の溝形成面との間隔が適切な値(この実施例の場合は、10〜20μm程度)に設定されている。   The second control structure adopted by the force sensor shown in FIG. 12 is a combination of a control protrusion and a control groove. As shown in the figure, control protrusions 311, 312, and 313 facing inward are provided on the inner peripheral surface of the outer shell structure 300, and tip portions of these control protrusions are provided on the outer peripheral surface of the outer structure 100. Control grooves 111, 112, and 113 are provided. Moreover, when the displacement of the inner structure 200 with respect to the outer structure 100 reaches a predetermined allowable range (that is, when the displacement of the outer shell structure 300 with respect to the outer structure 100 reaches a predetermined allowable range), The tip of each control projection and each control groove so that the tip of each control projection 311, 312, 313 is in contact with the groove forming surface of each control groove 111, 112, 113 and further displacement is limited. Is set to an appropriate value (in this embodiment, about 10 to 20 μm).

各基本センサS1〜S3は、外側構造体100に対する内側構造体200の変位が、上述した許容範囲内である限りにおいて、正常な検出機能を果たすことができるので、これら制御突起と制御溝とによる制御構造により、基本センサS1〜S3に対して加わる外力を、正常な検出機能を果たすことができる範囲内に制限することが可能になる。   Each of the basic sensors S1 to S3 can perform a normal detection function as long as the displacement of the inner structure 200 with respect to the outer structure 100 is within the allowable range described above. The control structure makes it possible to limit the external force applied to the basic sensors S1 to S3 within a range in which a normal detection function can be achieved.

図示のとおり、ここに示す実施例の場合、制御突起311と制御溝111との組み合わせはβ軸上に配置されており、制御突起312と制御溝112との組み合わせはδ軸上に配置されており、制御突起313と制御溝113との組み合わせはε軸上に配置されている。このように、制御突起と制御溝との組み合わせを、120°ずつずれた位置に合計3組配置すれば、様々な方向に作用する外力成分に対して、効率的な変位制御を行うことが可能になる。   As shown in the figure, in the example shown here, the combination of the control projection 311 and the control groove 111 is arranged on the β axis, and the combination of the control projection 312 and the control groove 112 is arranged on the δ axis. The combination of the control protrusion 313 and the control groove 113 is arranged on the ε axis. As described above, if a total of three combinations of the control projection and the control groove are arranged at positions shifted by 120 °, efficient displacement control can be performed for external force components acting in various directions. become.

特に、β軸上に配置された制御突起311と制御溝111との組み合わせは、第1の基本センサS1に対して高さ方向(図1におけるZ軸方向)に加わる力を許容範囲内に制御するのに効果的であり、δ軸上に配置された制御突起312と制御溝112との組み合わせは、第2の基本センサS2に対して高さ方向に加わる力を許容範囲内に制御するのに効果的であり、ε軸上に配置された制御突起313と制御溝113との組み合わせは、第3の基本センサS3に対して高さ方向に加わる力を許容範囲内に制御するのに効果的である。   In particular, the combination of the control protrusion 311 and the control groove 111 arranged on the β-axis controls the force applied to the first basic sensor S1 in the height direction (Z-axis direction in FIG. 1) within an allowable range. The combination of the control projection 312 and the control groove 112 arranged on the δ axis controls the force applied in the height direction to the second basic sensor S2 within an allowable range. The combination of the control protrusion 313 and the control groove 113 arranged on the ε axis is effective in controlling the force applied to the third basic sensor S3 in the height direction within an allowable range. Is.

このように、図12に示す実施形態の場合、外側構造体100と外殻構造体300とを、γ軸を共通の中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成し、両者間の空隙寸法を適切な値に設定するという第1の制御構造と、制御突起と制御溝との組み合わせを配置するという第2の制御構造と、の2通りの制御構造を採用することにより、各基本センサS1〜S3に加わる外力を所定の許容範囲内に維持している。   Thus, in the case of the embodiment shown in FIG. 12, the outer structure 100 and the outer shell structure 300 are constituted by a concentric cylindrical structure having the γ-axis as a common central axis, and the gap dimension between the two structures. By adopting two types of control structures, a first control structure for setting the value to an appropriate value and a second control structure for arranging a combination of control protrusions and control grooves, each basic sensor S1 The external force applied to .about.S3 is maintained within a predetermined allowable range.

なお、図12に示す例では、外殻構造体300の内周面に、内側に向かう制御突起を形成し、外側構造体の外周面に、これら制御突起の先端部を収容する制御溝を設ける構造としているが、制御突起と制御溝の位置関係は逆にしてもかまわない。すなわち、外側構造体100の外周面に、外側に向かう制御突起を設け、外殻構造体300の内周面に、制御突起の先端部を収容する制御溝を設けるようにしてもかまわない。この場合も、外側構造体100に対する内側構造体200の変位が所定の許容範囲に達した場合に、制御突起の先端部と制御溝の溝形成面とが接触し、それ以上の変位が制限されるように、制御突起の先端部と制御溝の溝形成面との間隔を適切な値に設定しておけば、各基本センサS1〜S3に加わる外力を所定の許容範囲内に維持することができ、正常な検出機能を維持させることができる。   In the example shown in FIG. 12, control protrusions directed inward are formed on the inner peripheral surface of the outer shell structure 300, and control grooves for accommodating the tip portions of these control protrusions are provided on the outer peripheral surface of the outer structure. Although the structure is adopted, the positional relationship between the control protrusion and the control groove may be reversed. That is, a control protrusion directed outward may be provided on the outer peripheral surface of the outer structure 100, and a control groove for accommodating the tip of the control protrusion may be provided on the inner peripheral surface of the outer shell structure 300. Also in this case, when the displacement of the inner structure 200 with respect to the outer structure 100 reaches a predetermined allowable range, the tip end portion of the control protrusion comes into contact with the groove forming surface of the control groove, and further displacement is limited. As described above, if the distance between the tip of the control protrusion and the groove forming surface of the control groove is set to an appropriate value, the external force applied to each of the basic sensors S1 to S3 can be maintained within a predetermined allowable range. The normal detection function can be maintained.

<<< §4. 第1の実施形態の検出動作 >>>
続いて、§3で述べた本発明の第1の実施形態に係る力覚センサの検出動作を説明する。図12に示す力覚センサの主要な構成要素は、既に述べたとおり、内部に収容空間を有する外側構造体100と、この収容空間内に収容された内側構造体200と、3組の基本センサS1〜S3と、これら基本センサS1〜S3の出力に基づいて演算を行う演算手段(図12には示されていない)である。
<<< §4. Detection Operation of First Embodiment >>>
Subsequently, the detection operation of the force sensor according to the first embodiment of the present invention described in §3 will be described. As described above, main components of the force sensor shown in FIG. 12 are the outer structure 100 having a housing space therein, the inner structure 200 housed in the housing space, and three sets of basic sensors. Calculation means (not shown in FIG. 12) that performs calculations based on S1 to S3 and the outputs of these basic sensors S1 to S3.

なお、§3で述べた力覚センサには、更に、外殻構造体300および連結部材250が設けられているが、これらの構成要素は、外力を内側構造体200に効率よく伝達させるための補助的な構成要素であり、本発明に係る力覚センサを構成する上で必須のものではない。   The force sensor described in §3 is further provided with an outer shell structure 300 and a connecting member 250. These components are used for efficiently transmitting an external force to the inner structure 200. It is an auxiliary component and is not essential when configuring the force sensor according to the present invention.

図13に示すとおり、この力覚センサには、外側構造体100を中心軸が上下方向を向くように配置した場合に、外側構造体100の下方開口部を覆うような底板部材150が設けられており、この底板部材150の上面に回路基板500が固定されている。上述した演算手段は、この回路基板500上に形成された演算回路によって構成され、後述する検出動作は、この回路基板500上に形成された演算回路によって実行されることになる。なお、この底板部材150や台座400も、本発明に必須の構成要素ではないが、回路基板500を支持する上では有用である。   As shown in FIG. 13, this force sensor is provided with a bottom plate member 150 that covers the lower opening of the outer structure 100 when the outer structure 100 is arranged so that the central axis is directed in the vertical direction. The circuit board 500 is fixed to the upper surface of the bottom plate member 150. The arithmetic means described above is constituted by an arithmetic circuit formed on the circuit board 500, and a detection operation described later is executed by the arithmetic circuit formed on the circuit board 500. The bottom plate member 150 and the pedestal 400 are not essential components of the present invention, but are useful for supporting the circuit board 500.

回路基板500上にマイクロプロセッサを設けておけば、後述する検出動作は、このマイクロプロセッサによるデジタル演算によって行うことも可能である。更に、必要があれば、このマイクロプロセッサによって、感度補正、温度補正、他軸感度補正等の信号処理を行うことも可能である。   If a microprocessor is provided on the circuit board 500, a detection operation to be described later can be performed by digital calculation by the microprocessor. Furthermore, if necessary, this microprocessor can perform signal processing such as sensitivity correction, temperature correction, and other axis sensitivity correction.

内部構造体200は、図13に示すとおり、外側構造体100の内部に収容された柱状の構造体(この例の場合は断面が正三角形となる三角柱)によって構成され、3組の基本センサS1〜S3は、図12に示すとおり、外側構造体100の内周面上の外側接続点Jβ,Jδ,Jεと内側構造体(三角柱)200の外周面上の内側接続点Iβ,Iδ,Iεとを連結する役割を果たすことになる。   As shown in FIG. 13, the internal structure 200 is constituted by a columnar structure housed inside the outer structure 100 (in this example, a triangular prism whose section is an equilateral triangle), and three sets of basic sensors S1. ˜S3 are, as shown in FIG. 12, outer connection points Jβ, Jδ, Jε on the inner peripheral surface of the outer structure 100 and inner connection points Iβ, Iδ, Iε on the outer peripheral surface of the inner structure (triangular prism) 200. Will play a role in linking.

ここで、本発明に係る力覚センサに用いられる各基本センサS1〜S3の基本機能を整理しておこう。各基本センサの第1の基本機能は、外側構造体100の所定位置に設けられた外側接続点Jβ,Jδ,Jεと内側構造体200の所定位置に設けられた内側接続点Iβ,Iδ,Iεとを連結する連結機能である。外側接続点と内側接続点とは、必ずしも直接的に連結する必要はなく、その周囲にセンサの端部を固定することにより間接的に連結されていてもかまわない。   Here, let us organize the basic functions of the basic sensors S1 to S3 used in the force sensor according to the present invention. The first basic function of each basic sensor is that outer connection points Jβ, Jδ, Jε provided at predetermined positions of the outer structure 100 and inner connection points Iβ, Iδ, Iε provided at predetermined positions of the inner structure 200. Is a connecting function for connecting The outer connection point and the inner connection point are not necessarily connected directly, and may be indirectly connected by fixing the end of the sensor around the periphery.

図12に示す例の場合、基本センサS1〜S3の起歪体10や受力体30には、検出用溝G1,G2が形成されており、外側接続点および内側接続点はこれら溝G1,G2内に位置する。このため、両者は直接的に接続されているわけではないが、その周囲に起歪体10および受力体30を接合することにより、間接的に連結された状態になっている。   In the case of the example shown in FIG. 12, detection grooves G1 and G2 are formed in the strain body 10 and the force receiving body 30 of the basic sensors S1 to S3, and the outer connection point and the inner connection point are the grooves G1, G2. Located in G2. For this reason, although both are not connected directly, it has become the state connected indirectly by joining the strain body 10 and the force receiving body 30 to the circumference | surroundings.

各基本センサの第2の基本機能は、外側接続点および内側接続点のうちの一方を固定した状態において他方に作用する外力に基づいて、両点の相対位置関係が変化するように弾性変形する変形機能である。図12に示す力覚センサに外力が作用したときに(たとえば、外側構造体100を固定した状態において、内側構造体200に力を加えたときに)、外側構造体100に対して内側構造体200が変位するのは、各基本センサS1〜S3が弾性変形する変形機能を有しているためである。図1に示す基本センサSの場合、少なくともダイアフラム部11,31が弾性変形する機能をもっているため、図6や図7に例示するような弾性変形が生じることになる。   The second basic function of each basic sensor is elastically deformed so that the relative positional relationship between the two points changes based on an external force acting on the other one of the outer connection point and the inner connection point in a fixed state. It is a transformation function. When an external force is applied to the force sensor shown in FIG. 12 (for example, when a force is applied to the inner structure 200 in a state where the outer structure 100 is fixed), the inner structure with respect to the outer structure 100 is used. The reason why 200 is displaced is that each of the basic sensors S1 to S3 has a deformation function of elastically deforming. In the case of the basic sensor S shown in FIG. 1, since at least the diaphragm parts 11 and 31 have a function of elastic deformation, elastic deformation as exemplified in FIGS. 6 and 7 occurs.

そして、各基本センサの第3の基本機能は、外側接続点および内側接続点のうちの一方を固定した状態において他方に作用する外力を検出する検出機能である。もっとも、検出対象となる外力は、所定軸まわりのモーメント成分だけで十分である。より具体的には、外側接続点と内側接続点とを結ぶ連結線上に位置する原点Oと、この連結線上に配置されたZ軸と、このZ軸に直交するX軸と、Z軸およびX軸の双方に直交するY軸と、を有するXYZ三次元直交座標系を定義したときに、作用した外力のX軸まわりのモーメント成分MxおよびY軸まわりのモーメント成分Myを検出する検出機能を有していればよい。   And the 3rd basic function of each basic sensor is a detection function which detects the external force which acts on the other in the state where one of the outside connection point and the inside connection point is fixed. However, the moment component around the predetermined axis is sufficient for the external force to be detected. More specifically, the origin O located on the connecting line connecting the outer connecting point and the inner connecting point, the Z axis arranged on the connecting line, the X axis orthogonal to the Z axis, the Z axis, and the X axis When an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system having a Y-axis orthogonal to both axes is defined, it has a detection function for detecting the moment component Mx around the X-axis and the moment component My around the Y-axis of the applied external force. If you do.

§1,§2で述べた具体的な基本センサは、上述した3つの基本機能を備えた理想的なセンサと言える。演算手段は、3組の基本センサS1〜S3のそれぞれが検出した検出値を用いた演算を行うことにより、外側構造体100および内側構造体200について、一方を固定した状態において他方に作用した力およびモーメントを検出することができる。以下、その検出原理を詳細に説明する。   The specific basic sensors described in §1 and §2 can be said to be ideal sensors having the three basic functions described above. The calculation means performs a calculation using the detection values detected by each of the three sets of basic sensors S1 to S3, so that the force applied to the other of the outer structure 100 and the inner structure 200 in a state where one is fixed. And moments can be detected. Hereinafter, the detection principle will be described in detail.

はじめに、各座標系の関係を正確に定義しておく。図1および図2では、XYZ三次元直交座標系を図示のとおりに定義して、基本センサSの構造および動作を説明した。当該説明によれば、基本センサSは、このXYZ座標系において、X軸まわりのモーメント成分MxおよびY軸まわりのモーメント成分Myを検出することができる。   First, the relationship between each coordinate system is defined accurately. 1 and 2, the structure and operation of the basic sensor S have been described by defining the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system as shown. According to the description, the basic sensor S can detect the moment component Mx around the X axis and the moment component My around the Y axis in the XYZ coordinate system.

なお、この基本センサSは、Z軸方向の力成分Fzの検出も可能であるが、本発明の力覚センサでは、力成分Fzの検出値は利用しない。本願発明者が基本センサSを試作して感度測定を行ったところ、モーメント成分Mx,Myの検出感度が、力成分Fzの検出感度に比べて極めて高い結果が得られた。たとえば、モーメント成分Mx,Myとして、10N・cmの大きさのモーメントを加える測定と、力成分Fzとして10Nを加える測定を行ったところ、前者の感度を100とすると、後者の感度は1〜10程度であった。もちろん、このような感度差は、増幅回路で補正可能な範囲内なので、基本センサSをMx,My,Fzの検出が可能な3軸センサとして利用する上では何ら支障は生じないが、本発明では、Z軸方向の力成分Fzの検出は不要であり、感度の高いMx,My成分のみを用いた効率的な検出が可能になる。   The basic sensor S can detect the force component Fz in the Z-axis direction, but the force sensor of the present invention does not use the detected value of the force component Fz. When the inventor of the present application prototyped the basic sensor S and measured the sensitivity, the detection sensitivity of the moment components Mx and My was extremely high compared to the detection sensitivity of the force component Fz. For example, when the moment component Mx, My is measured by applying a moment having a magnitude of 10 N · cm and the force component Fz is measured by adding 10 N, the former sensitivity is 100, and the latter sensitivity is 1-10. It was about. Of course, since such a sensitivity difference is within a range that can be corrected by the amplifier circuit, there is no problem in using the basic sensor S as a three-axis sensor capable of detecting Mx, My, and Fz. Therefore, it is not necessary to detect the force component Fz in the Z-axis direction, and efficient detection using only Mx and My components with high sensitivity becomes possible.

このように、XYZ三次元直交座標系が、個々の基本センサSについて定義されたローカル座標系であるのに対して、αβγ三次元直交座標系は、力覚センサの検出対象となる力やモーメントの方向を示すためのグローバル座標系である。図12に示す例の場合、内側構造体200の内部(三角柱の中心軸上の1点)に原点Qを定義し、この原点Qにおいて互いに直交するα軸,β軸,γ軸を有するαβγ三次元直交座標系が定義されている。したがって、このαβγグローバル座標系内に、3つの基本センサS1〜S3のそれぞれについて定義されたXYZローカル座標系が配置されることになる。   As described above, the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system is a local coordinate system defined for each basic sensor S, whereas the αβγ three-dimensional orthogonal coordinate system is a force or moment to be detected by the force sensor. This is a global coordinate system for indicating the direction of. In the case of the example shown in FIG. 12, the origin Q is defined inside the inner structure 200 (one point on the central axis of the triangular prism), and the αβγ cubic having the α, β, and γ axes orthogonal to each other at the origin Q. An original Cartesian coordinate system is defined. Therefore, the XYZ local coordinate system defined for each of the three basic sensors S1 to S3 is arranged in the αβγ global coordinate system.

図14は、図12に示す力覚センサの構成要素となる基本センサS1〜S3の座標軸(X軸,Y軸,Z軸)の方向を示す横断面図(αβ平面で切った断面図)である。図1(b) に示すとおり、基本センサSの座標系の原点Oは、歪検出基板40の中心位置に定義されており、板状部材によって構成された起歪体10および受力体20の上面および下面がXY平面に平行になるように、XYZ座標系が定義されている。したがって、図14においても、各基本センサS1〜S3について、同様の方法でXYZ座標系を定義している。   FIG. 14 is a cross-sectional view (cross-sectional view cut along the αβ plane) showing the directions of the coordinate axes (X-axis, Y-axis, Z-axis) of the basic sensors S1 to S3 that are components of the force sensor shown in FIG. is there. As shown in FIG. 1 (b), the origin O of the coordinate system of the basic sensor S is defined at the center position of the strain detection board 40, and the strain generating body 10 and the force receiving body 20 constituted by plate members are used. The XYZ coordinate system is defined so that the upper and lower surfaces are parallel to the XY plane. Therefore, also in FIG. 14, the XYZ coordinate system is defined by the same method for each of the basic sensors S1 to S3.

すなわち、基本センサS1の原点Oはβ軸上に位置し、基本センサS2の原点Oはδ軸上に位置し、基本センサS3の原点Oはε軸上に位置するように配置されており、各基本センサS1〜S3についてそれぞれ定義されたXYZ座標系のZ軸が、αβγ座標系の原点Qを通る方向に定義されている(原点Qに向かう方向がZ軸の正方向になる)。また、各基本センサS1〜S3のそれぞれについて定義された各X軸および各Z軸は、αβ平面に含まれる軸となり、各基本センサS1〜S3のそれぞれについて定義された各Y軸は、γ軸に平行になるように定義されている(図の紙面に対して垂直に、紙面裏側に向かう方向がY軸の正方向になる)。   That is, the origin O of the basic sensor S1 is located on the β axis, the origin O of the basic sensor S2 is located on the δ axis, and the origin O of the basic sensor S3 is located on the ε axis. The Z axis of the XYZ coordinate system defined for each of the basic sensors S1 to S3 is defined in a direction passing through the origin Q of the αβγ coordinate system (the direction toward the origin Q is the positive direction of the Z axis). In addition, each X axis and each Z axis defined for each of the basic sensors S1 to S3 are axes included in the αβ plane, and each Y axis defined for each of the basic sensors S1 to S3 is a γ axis. (The direction perpendicular to the paper surface of the drawing and toward the back side of the paper surface is the positive direction of the Y axis).

結果的に、各基本センサS1〜S3のそれぞれについて定義された各X軸の正方向は、図14において、原点Qを中心とした円についての反時計まわりの接線方向になり、各Z軸は互いに120°をなすように配置されることになる。すなわち、第1の基本センサS1について定義されたZ軸正方向がβ軸負方向に一致し、第2の基本センサS2について定義されたZ軸正方向がδ軸負方向に一致し、第3の基本センサS3について定義されたZ軸正方向がε軸負方向に一致するように、互いに検出感度が等しい3組の基本センサが配置されることになる。このような構成を採ると、演算手段による演算を単純化することができる。   As a result, the positive direction of each X axis defined for each of the basic sensors S1 to S3 is a counterclockwise tangential direction with respect to a circle centered on the origin Q in FIG. They are arranged so as to form 120 ° with respect to each other. That is, the Z-axis positive direction defined for the first basic sensor S1 matches the β-axis negative direction, the Z-axis positive direction defined for the second basic sensor S2 matches the δ-axis negative direction, The three basic sensors having the same detection sensitivity are arranged so that the positive Z-axis direction defined for the basic sensor S3 coincides with the negative ε-axis direction. When such a configuration is adopted, the calculation by the calculation means can be simplified.

演算手段は、第1の基本センサS1が検出したX軸まわりのモーメント成分Mx1、第1の基本センサS1が検出したY軸まわりのモーメント成分My1、第2の基本センサS2が検出したX軸まわりのモーメント成分Mx2、第2の基本センサS2が検出したY軸まわりのモーメント成分My2、第3の基本センサS3が検出したX軸まわりのモーメント成分Mx3、第3の基本センサS3が検出したY軸まわりのモーメント成分My3に基づいて、次のような原理で、この力覚センサに作用した力のα軸方向に作用した力成分Fα、β軸方向に作用した力成分Fβ、γ軸方向に作用した力成分Fγ、α軸まわりに作用したモーメント成分Mα、β軸まわりに作用したモーメント成分Mβ、γ軸まわりに作用したモーメント成分Mγを検出することができる。以下、各成分の検出原理を説明する。   The calculating means includes a moment component Mx1 around the X axis detected by the first basic sensor S1, a moment component My1 around the Y axis detected by the first basic sensor S1, and a around X axis detected by the second basic sensor S2. Moment component Mx2, the moment component My2 around the Y axis detected by the second basic sensor S2, the moment component Mx3 around the X axis detected by the third basic sensor S3, and the Y axis detected by the third basic sensor S3 Based on the surrounding moment component My3, the force component Fα acting in the α-axis direction of the force acting on the force sensor, the force component Fβ acting in the β-axis direction, acting in the γ-axis direction on the basis of the following principle Force component Fγ, moment component Mα acting around the α axis, moment component Mβ acting around the β axis, and moment component Mγ acting around the γ axis It can be. Hereinafter, the detection principle of each component will be described.

図15は、図12に示す力覚センサの内側構造体200に対して、α軸正方向の力+Fαが作用したときの各基本センサS1〜S3の検出動作を示す横断面図である。たとえば、台座400を固定した状態において、外殻構造体300をα軸正方向に平行移動させるような力+Fαを加えると、外殻構造体300と一体となった内側構造体200に対しても、力+Fαが作用することになる。図15において、α軸正方向を向いた白矢印は、力+Fαの作用方向を示すものである。   FIG. 15 is a cross-sectional view illustrating the detection operation of each of the basic sensors S1 to S3 when a positive force + Fα is applied to the inner structure 200 of the force sensor illustrated in FIG. For example, when a force + Fα that translates the outer shell structure 300 in the positive direction of the α-axis is applied in a state where the pedestal 400 is fixed, the inner structure 200 integrated with the outer shell structure 300 is also applied. , Force + Fα acts. In FIG. 15, the white arrow pointing in the positive direction of the α axis indicates the direction of action of the force + Fα.

内側構造体200に対して、このような外力+Fαが作用すると、各基本センサS1〜S3には、図に白矢印で示す回転方向を向いたモーメントが作用し、それぞれ所定の態様で弾性変形を生じることになる。そして、このような基本センサの弾性変形により、内側構造体200はα軸正方向に変位する。換言すれば、内側構造体200をα軸正方向に変位させると、各基本センサS1〜S3には、図に白矢印で示す回転方向を向いたモーメントが作用することなる。   When such an external force + Fα acts on the inner structure 200, a moment in the rotational direction indicated by a white arrow in the figure acts on each of the basic sensors S1 to S3, and elastic deformation is performed in a predetermined manner. Will occur. The inner structure 200 is displaced in the positive direction of the α axis by such elastic deformation of the basic sensor. In other words, when the inner structure 200 is displaced in the positive direction of the α axis, a moment directed in the rotational direction indicated by the white arrow in the drawing acts on each of the basic sensors S1 to S3.

具体的には、内側構造体200に対してα軸正方向の力+Fαが作用すると、第1の基本センサS1には、図の下面(内側構造体200に接触した面)をα軸正方向に移動させる力が作用するため、原点O1に関しては、図示のとおり、Y軸負まわりのモーメント成分−My1(図において、原点O1の近傍を反時計まわりに回転させる力)が作用する。この場合、力+Fαは、内側構造体200をα軸正方向に平行移動させる力であるから、原点O1に関して作用するX軸まわりのモーメント成分Mx1は零である。   Specifically, when a force + Fα in the α-axis positive direction acts on the inner structure 200, the lower surface of the figure (the surface in contact with the inner structure 200) is placed on the first basic sensor S1 in the α-axis positive direction. Therefore, as shown in the figure, a moment component -My1 (a force that rotates the vicinity of the origin O1 counterclockwise in the drawing) acts on the origin O1. In this case, since the force + Fα is a force that translates the inner structure 200 in the positive direction of the α axis, the moment component Mx1 around the X axis acting on the origin O1 is zero.

一方、第2の基本センサS2には、図の右上面(内側構造体200に接触した面)をα軸正方向に移動させる力が作用するため、原点O2に関しては、図示のとおり、Y軸正まわりのモーメント成分+My2(図において、原点O2の近傍を時計まわりに回転させる力)が作用する。この場合も、原点O2に関して作用するX軸まわりのモーメント成分Mx2は零である。   On the other hand, the second basic sensor S2 is acted on by a force that moves the right upper surface in the drawing (the surface in contact with the inner structure 200) in the positive direction of the α axis. A positive moment component + My2 (in the drawing, a force that rotates the vicinity of the origin O2 in the clockwise direction) acts. Also in this case, the moment component Mx2 around the X axis acting on the origin O2 is zero.

同様に、第3の基本センサS3には、図の左上面(内側構造体200に接触した面)をα軸正方向に移動させる力が作用するため、原点O3に関しては、図示のとおり、Y軸正まわりのモーメント成分+My3(図において、原点O3の近傍を時計まわりに回転させる力)が作用する。この場合も、原点O3に関して作用するX軸まわりのモーメント成分Mx3は零である。   Similarly, the third basic sensor S3 is acted on by a force that moves the upper left surface of the drawing (the surface in contact with the inner structure 200) in the positive direction of the α axis. A moment component + My3 (a force that rotates the vicinity of the origin O3 in the clockwise direction in the drawing) acts on the positive axis. Also in this case, the moment component Mx3 around the X axis acting on the origin O3 is zero.

このように、α軸正方向の力+Fαが作用したとき、各基本センサS1〜S3からは、いずれもY軸まわりのモーメント成分Myの値を示す検出値が得られる(X軸まわりのモーメント成分Mxの値を示す検出値は零である)。ただ、図に示す各基本センサS1〜S3の配置を見ればわかるとおり、検出感度は、基本センサごとに若干異なっている。   As described above, when the force + Fα in the α-axis positive direction is applied, each of the basic sensors S1 to S3 obtains a detection value indicating the value of the moment component My around the Y-axis (moment component around the X-axis). The detection value indicating the value of Mx is zero). However, as can be seen from the arrangement of the basic sensors S1 to S3 shown in the figure, the detection sensitivity is slightly different for each basic sensor.

すなわち、各基本センサS1〜S3に対して、Y軸まわりのモーメントMyの発生に寄与する力は、内側構造体200に加えられた外力+Fαのうち、内側構造体200の側面方向成分ということになり、各側面とα軸とのなす角をφとすれば、「Fα×cosφ」なる成分のみがモーメントMyの発生に寄与する力ということになる。ここで、第1の基本センサS1の場合、φ=0°であるから、Fα×cosφ=Fαとなるが、第2および第3の基本センサS2,S3の場合、φ=60°であるから、Fα×cosφ=1/2・Fαになる。   That is, for each of the basic sensors S1 to S3, the force that contributes to the generation of the moment My around the Y axis is the side direction component of the inner structure 200 out of the external force + Fα applied to the inner structure 200. Thus, if the angle formed between each side surface and the α axis is φ, only the component “Fα × cosφ” is the force that contributes to the generation of the moment My. Here, in the case of the first basic sensor S1, φ = 0 °, so Fα × cosφ = Fα. However, in the case of the second and third basic sensors S2 and S3, φ = 60 °. Fα × cosφ = 1/2 · Fα.

別言すれば、内側構造体200に対して、同じ大きさの外力+Fαが加えられたとしても、基本センサS1から出力されるY軸まわりのモーメントMyの絶対値を1とすると、基本センサS2,S3から出力されるY軸まわりのモーメントMyの絶対値は1/2になる。結局、内側構造体200に対して、α軸正方向の外力+Fαが作用した場合、各基本センサS1〜S3から出力されるX軸まわりのモーメントMx1〜Mx3およびY軸まわりのモーメントMy1〜My3の検出値は、その符号を考慮してまとめると、図15の下段に示す表のようになる。   In other words, even if an external force + Fα having the same magnitude is applied to the inner structure 200, if the absolute value of the moment My around the Y axis output from the basic sensor S1 is 1, the basic sensor S2 , S3, the absolute value of the moment My around the Y axis is ½. Eventually, when an external force + Fα in the positive direction of the α-axis acts on the inner structure 200, moments Mx1 to Mx3 around the X axis and moments My1 to My3 around the Y axis output from the basic sensors S1 to S3. The detection values are summarized in the table shown in the lower part of FIG.

なお、説明の便宜上、断面図の白矢印には、回転方向を示す符号+もしくは−を付して、「−My1」,「+My2」,「+My3」のように記載しているが、図の下段の表における検出値「Mx1」,「My1」,......は、符号を含んだ変数値(すなわち、正もしくは負の値)を示している。後述する図16〜図20についても同様である。   For convenience of explanation, a white arrow in the cross-sectional view is attached with a sign + or − indicating the rotation direction, and is described as “−My1”, “+ My2”, “+ My3”. The detection values “Mx1”, “My1”,... In the lower table indicate variable values including signs (that is, positive or negative values). The same applies to FIGS. 16 to 20 described later.

図15の表に示すとおり、X軸まわりのモーメントMx1〜Mx3の検出値は、いずれも零になり、Y軸まわりのモーメントMy1〜My3の各検出値は、My1=−1、My2=+1/2、My3=+1/2になる。ここで、各検出値の符号は、各基本センサに作用したモーメントの回転方向(各座標軸の正方向に右ネジを進める回転方向を正とする)を示しており、各検出値の絶対値は、内側構造体200に作用した外力のうち、各基本センサにモーメントとして寄与する有効成分の割合を示している。具体的には、上述したとおり、各基本センサの最大感度方向(Mxを検出する際にはY軸方向、Myを検出する際にはX軸方向)と作用した外力の方向とのなす角をφとすれば、各検出値の絶対値は、cosφで与えられることになる。   As shown in the table of FIG. 15, the detected values of the moments Mx1 to Mx3 around the X axis are all zero, and the detected values of the moments My1 to My3 around the Y axis are My1 = −1 and My2 = + 1 / 2, My3 = + 1/2. Here, the sign of each detection value indicates the rotation direction of the moment acting on each basic sensor (the rotation direction in which the right screw is advanced in the positive direction of each coordinate axis is positive), and the absolute value of each detection value is The ratio of the effective component which contributes to each basic sensor as a moment among the external forces which acted on the inner structure 200 is shown. Specifically, as described above, the angle formed between the maximum sensitivity direction of each basic sensor (the Y-axis direction when detecting Mx and the X-axis direction when detecting My) and the direction of the applied external force. If φ, the absolute value of each detected value is given by cosφ.

各基本センサS1〜S3を、モーメントMx,Myの値を線形検出値として出力できるように調整しておけば、図15の下段に示す表の値も、線形出力値として得られることになる。たとえば、単位外力+Fαが加えられたときに、図示のように、My1=−1、My2=+1/2、My3=+1/2なる検出値が得られたとすれば、その2倍の外力+2Fαが加えられたときには、My1=−2、My2=+1、My3=+1なる検出値が得られることになる。また、逆方向(α軸負方向)を向いた単位外力−Fαが加えられたときには、各検出値の符号は逆転し、My1=+1、My2=−1/2、My3=−1/2なる検出値が得られることになる。   If the basic sensors S1 to S3 are adjusted so that the values of the moments Mx and My can be output as linear detection values, the values in the table shown in the lower part of FIG. 15 are also obtained as linear output values. For example, when a unit external force + Fα is applied and detection values of My1 = −1, My2 = + 1/2, My3 = + 1/2 are obtained as shown in the figure, the double external force + 2Fα is When added, detection values of My1 = -2, My2 = + 1, My3 = + 1 are obtained. Further, when a unit external force -Fα directed in the reverse direction (α-axis negative direction) is applied, the sign of each detection value is reversed, and My1 = + 1, My2 = −1 / 2, My3 = −1 / 2. A detection value is obtained.

図16は、図12に示す力覚センサの内側構造体200に対して、β軸正方向の力+Fβが作用したときの各基本センサS1〜S3の検出動作を示す横断面図である。このような外力+Fβが作用すると、各基本センサS1〜S3には、図に白矢印で示す回転方向を向いたモーメントが作用する。   FIG. 16 is a cross-sectional view showing the detection operation of each of the basic sensors S1 to S3 when a force + Fβ in the positive direction of the β axis is applied to the inner structure 200 of the force sensor shown in FIG. When such an external force + Fβ acts, a moment directed in the rotational direction indicated by the white arrow in the figure acts on each of the basic sensors S1 to S3.

具体的には、第1の基本センサS1には、原点O1に対してZ軸方向の力が作用するものの、モーメントは作用しないので、モーメント成分は、Mx1=0,My1=0になる。一方、第2の基本センサS2には、図の右上面(内側構造体200に接触した面)をβ軸正方向に移動させる力が作用するため、原点O2に関しては、図示のとおり、Y軸負まわりのモーメント成分−My2(図において、原点O2の近傍を反時計まわりに回転させる力)が作用するが、X軸まわりのモーメント成分Mx2は零である。同様に、第3の基本センサS3には、図の左上面(内側構造体200に接触した面)をβ軸正方向に移動させる力が作用するため、原点O3に関しては、図示のとおり、Y軸正まわりのモーメント成分+My3(図において、原点O3の近傍を時計まわりに回転させる力)が作用するが、X軸まわりのモーメント成分Mx3は零である。   Specifically, although a force does not act on the first basic sensor S1 in the Z-axis direction with respect to the origin O1, the moment components are Mx1 = 0 and My1 = 0. On the other hand, the second basic sensor S2 is acted on by a force that moves the right upper surface (the surface that is in contact with the inner structure 200) in the positive direction of the β-axis, so that the origin O2 is Y-axis as illustrated. Although a negative moment component -My2 (a force that rotates the vicinity of the origin O2 counterclockwise in the figure) acts, the moment component Mx2 around the X axis is zero. Similarly, the third basic sensor S3 is acted on by a force that moves the upper left surface of the drawing (the surface in contact with the inner structure 200) in the positive direction of the β axis. A moment component around the positive axis + My3 (in the figure, a force that rotates the vicinity of the origin O3 clockwise) acts, but the moment component Mx3 around the X axis is zero.

ここでも、各基本センサの最大感度方向と作用した外力の方向とのなす角をφとすれば、基本センサS2,S3についてはφ=30°になるので、モーメント発生に寄与する有効成分の割合は、cos30°=√3/2になる。したがって、内側構造体200に対して、β軸正方向の外力+Fβが作用した場合、各基本センサS1〜S3から出力されるX軸まわりのモーメントMx1〜Mx3およびY軸まわりのモーメントMy1〜My3の検出値は、図16の下段に示す表のようになる。   Again, if the angle between the maximum sensitivity direction of each basic sensor and the direction of the applied external force is φ, φ = 30 ° for the basic sensors S2 and S3, so the ratio of effective components contributing to moment generation Is cos 30 ° = √3 / 2. Therefore, when an external force + Fβ in the positive direction of the β axis acts on the inner structure 200, moments Mx1 to Mx3 around the X axis and moments My1 to My3 around the Y axis output from each of the basic sensors S1 to S3. The detected values are as shown in the table in the lower part of FIG.

図17は、図12に示す力覚センサの内側構造体200に対して、γ軸正方向の力+Fγ(紙面垂直上方に向かう力)が作用したときの各基本センサS1〜S3の検出動作を示す横断面図である。このような外力+Fγが作用すると、各基本センサS1〜S3には、図に白矢印で示す回転方向を向いたモーメントが作用する。   FIG. 17 shows the detection operation of each of the basic sensors S1 to S3 when a force in the positive direction of the γ axis + Fγ (force directed upward in the drawing) is applied to the inner structure 200 of the force sensor shown in FIG. It is a cross-sectional view shown. When such an external force + Fγ is applied, a moment directed in the rotational direction indicated by the white arrow in the figure is applied to each of the basic sensors S1 to S3.

具体的には、第1の基本センサS1には、図の下面(内側構造体200に接触した面)をγ軸正方向に移動させる力が作用するため、原点O1に関しては、図示のとおり、X軸正まわりのモーメント成分+Mx1(図において、原点O1の近傍を矢印の進行方向を向いて時計まわりに回転させる力)が作用するが、Y軸まわりのモーメント成分My1は零である。   Specifically, since the force that moves the lower surface (the surface in contact with the inner structure 200) in the γ-axis positive direction acts on the first basic sensor S1, with respect to the origin O1, as illustrated, A moment component + Mx1 (a force that rotates the vicinity of the origin O1 in the clockwise direction in the direction of the arrow in the drawing) acts, but the moment component My1 around the Y axis is zero.

同様に、第2の基本センサS2には、図の右上面(内側構造体200に接触した面)をγ軸正方向に移動させる力が作用するため、原点O2に関しては、図示のとおり、X軸正まわりのモーメント成分+Mx2(図において、原点O2の近傍を矢印の進行方向を向いて時計まわりに回転させる力)が作用するが、Y軸まわりのモーメント成分My2は零である。全く同様に、第3の基本センサS3には、図の左上面(内側構造体200に接触した面)をγ軸正方向に移動させる力が作用するため、原点O3に関しては、図示のとおり、X軸正まわりのモーメント成分+Mx3(図において、原点O3の近傍を矢印の進行方向を向いて時計まわりに回転させる力)が作用するが、Y軸まわりのモーメント成分My3は零である。   Similarly, the second basic sensor S2 is acted on by a force that moves the upper right surface (the surface in contact with the inner structure 200) in the positive direction of the γ-axis, so that the origin O2 is X as shown in the figure. A moment component around the positive axis + Mx2 (in the drawing, a force that rotates the vicinity of the origin O2 in the clockwise direction in the direction of travel of the arrow) acts, but the moment component My2 around the Y axis is zero. Exactly in the same manner, the third basic sensor S3 is acted on by a force that moves the upper left surface (the surface in contact with the inner structure 200) in the positive direction of the γ-axis. A moment component + Mx3 (a force that rotates the vicinity of the origin O3 in the clockwise direction in the direction of the arrow in the drawing) acts, but the moment component My3 about the Y axis is zero.

ここでも、各基本センサの最大感度方向と作用した外力の方向とのなす角をφとすれば、いずれの基本センサS1〜S3についてもφ=0°になるので、モーメント発生に寄与する有効成分の割合は、cos0°=1になる。したがって、内側構造体200に対して、γ軸正方向の外力+Fγが作用した場合、各基本センサS1〜S3から出力されるX軸まわりのモーメントMx1〜Mx3およびY軸まわりのモーメントMy1〜My3の検出値は、図17の下段に示す表のようになる。   Again, if the angle between the maximum sensitivity direction of each basic sensor and the direction of the applied external force is φ, φ = 0 ° for any of the basic sensors S1 to S3, so that the active component contributing to moment generation The ratio of cos 0 ° = 1. Therefore, when an external force + Fγ in the positive direction of the γ-axis acts on the inner structure 200, the moments Mx1 to Mx3 around the X axis and the moments My1 to My3 around the Y axis output from the basic sensors S1 to S3. The detected values are as shown in the table in the lower part of FIG.

図18は、図12に示す力覚センサの内側構造体200に対して、α軸正まわりのモーメント+Mαが作用したときの各基本センサS1〜S3の検出動作を示す横断面図である。このようなモーメント+Mαが作用すると、各基本センサS1〜S3には、図に白矢印で示す回転方向を向いたモーメントが作用する。   18 is a cross-sectional view showing the detection operation of each of the basic sensors S1 to S3 when a moment + Mα about the positive α axis acts on the inner structure 200 of the force sensor shown in FIG. When such a moment + Mα acts, a moment in the rotational direction indicated by the white arrow in the figure acts on each of the basic sensors S1 to S3.

具体的には、第1の基本センサS1には、図の下面(内側構造体200に接触した面)をγ軸正方向(紙面垂直上方)に移動させる力が作用するため、原点O1に関しては、図示のとおり、X軸正まわりのモーメント成分+Mx1(図において、原点O1の近傍を矢印の進行方向を向いて時計まわりに回転させる力)が作用するが、Y軸まわりのモーメント成分My1は零である。   Specifically, a force that moves the lower surface (the surface in contact with the inner structure 200) in the figure in the positive direction of the γ-axis (upwardly perpendicular to the paper surface) acts on the first basic sensor S1. As shown in the figure, the moment component + Mx1 (the force that rotates the vicinity of the origin O1 in the clockwise direction in the direction of the arrow in the drawing) acts, but the moment component My1 around the Y axis is zero. It is.

一方、第2の基本センサS2には、図の右上面(内側構造体200に接触した面)をγ軸負方向(紙面垂直下方)に移動させる力が作用するため、原点O2に関しては、図示のとおり、X軸負まわりのモーメント成分−Mx2(図において、原点O2の近傍を矢印の進行方向を向いて反時計まわりに回転させる力)が作用するが、Y軸まわりのモーメント成分My2は零である。同様に、第3の基本センサS3には、図の左上面(内側構造体200に接触した面)をγ軸負方向(紙面垂直下方)に移動させる力が作用するため、原点O3に関しては、図示のとおり、X軸負まわりのモーメント成分−Mx3(図において、原点O3の近傍を矢印の進行方向を向いて反時計まわりに回転させる力)が作用するが、Y軸まわりのモーメント成分My3は零である。   On the other hand, the second basic sensor S2 is acted on by a force that moves the right upper surface (the surface in contact with the inner structure 200) in the negative γ-axis direction (vertically below the paper surface). As shown in the figure, the moment component -Mx2 (a force that rotates the vicinity of the origin O2 in the counterclockwise direction in the direction of the arrow in the drawing) acts, but the moment component My2 around the Y axis is zero. It is. Similarly, a force that moves the upper left surface (the surface in contact with the inner structure 200) in the γ-axis negative direction (downwardly perpendicular to the paper surface) acts on the third basic sensor S3. As shown in the figure, a moment component −Mx3 (a force that rotates the vicinity of the origin O3 in the counterclockwise direction in the direction of the arrow in the drawing) acts, but the moment component My3 around the Y axis is Zero.

ここでも、各基本センサの最大感度方向と作用した外力の方向とのなす角をφとすれば、基本センサS1についてはφ=0°であるため、モーメント発生に寄与する有効成分の割合は、cos0°=1になるが、基本センサS2,S3についてはφ=60°になるので、モーメント発生に寄与する有効成分の割合は、cos60°=1/2になる。したがって、内側構造体200に対して、α軸正まわりのモーメント+Mαが作用した場合、各基本センサS1〜S3から出力されるX軸まわりのモーメントMx1〜Mx3およびY軸まわりのモーメントMy1〜My3の検出値は、図18の下段に示す表のようになる。   Again, if the angle between the maximum sensitivity direction of each basic sensor and the direction of the applied external force is φ, since φ = 0 ° for the basic sensor S1, the proportion of active components contributing to moment generation is Although cos 0 ° = 1, φ = 60 ° for the basic sensors S2 and S3, so the ratio of the active component contributing to the moment generation is cos 60 ° = 1/2. Accordingly, when a moment + Mα about the positive α axis acts on the inner structure 200, the moments Mx1 to Mx3 about the X axis and the moments My1 to My3 about the Y axis output from each of the basic sensors S1 to S3. The detected values are as shown in the table in the lower part of FIG.

図19は、図12に示す力覚センサの内側構造体200に対して、β軸正まわりのモーメント+Mβが作用したときの各基本センサS1〜S3の検出動作を示す横断面図である。このようなモーメント+Mβが作用すると、各基本センサS1〜S3には、図に白矢印で示す回転方向を向いたモーメントが作用する。   FIG. 19 is a cross-sectional view showing the detection operation of each of the basic sensors S1 to S3 when a moment + Mβ around the positive β axis acts on the inner structure 200 of the force sensor shown in FIG. When such a moment + Mβ acts, a moment directed in the rotational direction indicated by the white arrow in the figure acts on each of the basic sensors S1 to S3.

具体的には、第1の基本センサS1には、図の下面(内側構造体200に接触した面)をβ軸まわりに回転させるモーメント、すなわち、Z軸まわりのモーメントが作用することになるが、X軸まわりのモーメント成分Mx1とY軸まわりのモーメント成分My1は零である。   Specifically, a moment that rotates the lower surface (the surface in contact with the inner structure 200) around the β axis, that is, a moment around the Z axis, acts on the first basic sensor S1. The moment component Mx1 around the X axis and the moment component My1 around the Y axis are zero.

一方、第2の基本センサS2には、図の右上面(内側構造体200に接触した面)をγ軸正方向(紙面垂直上方)に移動させる力が作用するため、原点O2に関しては、図示のとおり、X軸正まわりのモーメント成分+Mx2(図において、原点O2の近傍を矢印の進行方向を向いて時計まわりに回転させる力)が作用するが、Y軸まわりのモーメント成分My2は零である。同様に、第3の基本センサS3には、図の左上面(内側構造体200に接触した面)をγ軸負方向(紙面垂直下方)に移動させる力が作用するため、原点O3に関しては、図示のとおり、X軸負まわりのモーメント成分−Mx3(図において、原点O3の近傍を矢印の進行方向を向いて反時計まわりに回転させる力)が作用するが、Y軸まわりのモーメント成分My3は零である。   On the other hand, the second basic sensor S2 is acted on by a force that moves the upper right side of the drawing (the surface in contact with the inner structure 200) in the positive direction of the γ-axis (vertically upward on the paper surface). As shown, a moment component + Mx2 (in the figure, a force that rotates the vicinity of the origin O2 in the clockwise direction in the direction of travel of the arrow) acts, but the moment component My2 around the Y axis is zero. . Similarly, a force that moves the upper left surface (the surface in contact with the inner structure 200) in the γ-axis negative direction (downwardly perpendicular to the paper surface) acts on the third basic sensor S3. As shown in the figure, a moment component −Mx3 (a force that rotates the vicinity of the origin O3 in the counterclockwise direction in the direction of the arrow in the drawing) acts, but the moment component My3 around the Y axis is Zero.

ここでも、各基本センサの最大感度方向と作用した外力の方向とのなす角をφとすれば、基本センサS1についてはφ=0°であるため、モーメント発生に寄与する有効成分の割合は、cos0°=1になるが、基本センサS2,S3についてはφ=30°になるので、モーメント発生に寄与する有効成分の割合は、cos30°=√3/2になる。したがって、内側構造体200に対して、β軸正まわりのモーメント+Mβが作用した場合、各基本センサS1〜S3から出力されるX軸まわりのモーメントMx1〜Mx3およびY軸まわりのモーメントMy1〜My3の検出値は、図19の下段に示す表のようになる。   Again, if the angle between the maximum sensitivity direction of each basic sensor and the direction of the applied external force is φ, since φ = 0 ° for the basic sensor S1, the proportion of active components contributing to moment generation is Although cos 0 ° = 1, φ = 30 ° for the basic sensors S2 and S3, so the ratio of the active component contributing to the moment generation is cos 30 ° = √3 / 2. Accordingly, when the moment + Mβ around the β axis is applied to the inner structure 200, the moments Mx1 to Mx3 around the X axis and the moments My1 to My3 around the Y axis output from the basic sensors S1 to S3. The detected values are as shown in the table in the lower part of FIG.

なお、図1に示す基本センサSは、その構造上、Z軸まわりのモーメント成分Mzが作用したときに、必ずしも十分な変形を生じる可撓性を有していない。したがって、図19において、力覚センサの内側構造体200に対して、β軸正まわりのモーメント+Mβが作用したときに、第1の基本センサS1が、第2および第3の基本センサS2,S3に生じる変形を抑制する作用を生じさせる可能性がある。後述する§8.2では、この点を改善するための変形例を例示する。   Note that the basic sensor S shown in FIG. 1 does not necessarily have sufficient flexibility to cause sufficient deformation when the moment component Mz around the Z-axis is applied. Therefore, in FIG. 19, when the moment + Mβ around the β-axis is applied to the inner structure 200 of the force sensor, the first basic sensor S1 is changed to the second and third basic sensors S2, S3. There is a possibility of causing an effect of suppressing the deformation that occurs. In §8.2 described later, a modification for improving this point is illustrated.

図20は、図12に示す力覚センサの内側構造体200に対して、γ軸正まわりのモーメント+Mγが作用したときの各基本センサS1〜S3の検出動作を示す横断面図である。このようなモーメント+Mγが作用すると、図において、内側構造体200を反時計まわりに回転させる力が加わることになり、各基本センサS1〜S3には、図に白矢印で示す回転方向を向いたモーメントが作用する。   FIG. 20 is a cross-sectional view showing the detection operation of each of the basic sensors S1 to S3 when a moment + Mγ about the positive γ-axis acts on the inner structure 200 of the force sensor shown in FIG. When such a moment + Mγ is applied, a force for rotating the inner structure 200 counterclockwise in the drawing is applied, and each of the basic sensors S1 to S3 faces the rotation direction indicated by the white arrow in the drawing. Moment acts.

具体的には、第1の基本センサS1には、図の下面(内側構造体200に接触した面)をα軸負方向に移動させる力が作用するため、原点O1に関しては、図示のとおり、Y軸正まわりのモーメント成分+My1(図において、原点O1の近傍を時計まわりに回転させる力)が作用する。このとき、X軸まわりのモーメント成分Mx1は零である。全く同様に、第2の基本センサS2については、原点O2の近傍を時計まわりに回転させる力、すなわち、Y軸正まわりのモーメント成分+My2が作用するが、X軸まわりのモーメント成分Mx2は零である。また、第3の基本センサS3については、原点O3の近傍を時計まわりに回転させる力、すなわち、Y軸正まわりのモーメント成分+My3が作用するが、X軸まわりのモーメント成分Mx3は零である。   Specifically, since the force that moves the lower surface (the surface in contact with the inner structure 200) in the α-axis negative direction acts on the first basic sensor S <b> 1, the origin O <b> 1 is as shown in the figure. A moment component + My1 (in the drawing, a force that rotates the vicinity of the origin O1 in the clockwise direction) acts on the Y axis. At this time, the moment component Mx1 around the X axis is zero. Exactly in the same manner, for the second basic sensor S2, a force that rotates the vicinity of the origin O2 in the clockwise direction, that is, a moment component + My2 around the positive Y axis acts, but the moment component Mx2 around the X axis is zero. is there. For the third basic sensor S3, a force that rotates the vicinity of the origin O3 in the clockwise direction, that is, a moment component + My3 around the positive Y axis acts, but the moment component Mx3 around the X axis is zero.

ここで、各基本センサの最大感度方向と作用した外力の方向とのなす角φを考慮すると、いずれの基本センサについても、φ=0°となるため、モーメント発生に寄与する有効成分の割合は、cos0°=1になる。したがって、内側構造体200に対して、γ軸正まわりのモーメント+Mγが作用した場合、各基本センサS1〜S3から出力されるX軸まわりのモーメントMx1〜Mx3およびY軸まわりのモーメントMy1〜My3の検出値は、図20の下段に示す表のようになる。   Here, considering the angle φ between the maximum sensitivity direction of each basic sensor and the direction of the applied external force, since φ = 0 ° for any basic sensor, the proportion of active components contributing to moment generation is , Cos 0 ° = 1. Therefore, when a moment + Mγ about the positive γ-axis acts on the inner structure 200, the moments Mx1 to Mx3 about the X-axis and the moments My1 to My3 about the Y-axis output from each of the basic sensors S1 to S3. The detected values are as shown in the table in the lower part of FIG.

以上、図12および図13に示す力覚センサについて、台座400を固定した状態において、内側構造体200に対して、外力の6軸成分Fα,Fβ,Fγ,Mα,Mβ,Mγを作用させた場合に、各基本センサS1〜S3からどのような出力(モーメントMxおよびMyの検出値)が得られるかを説明した。図21は、これらの結果をまとめたテーブルである。   As described above, in the force sensor shown in FIGS. 12 and 13, the six-axis components Fα, Fβ, Fγ, Mα, Mβ, and Mγ of the external force are applied to the inner structure 200 with the base 400 fixed. In this case, what kind of output (detected values of moments Mx and My) is obtained from each of the basic sensors S1 to S3 has been described. FIG. 21 is a table summarizing these results.

このテーブルには、外力の6軸成分として、それぞれ正の力成分+Fα,+Fβ,+Fγ、および正のモーメント成分+Mα,+Mβ,+Mγを作用させた結果が示されているが、負の成分−Fα,−Fβ,−Fγ,−Mα,−Mβ,−Mγを作用させた場合は、テーブル内の各検出値の符号を逆転させた結果が得られることになる。また、このテーブル内の各検出値の絶対値は、上述したとおり、基本センサの最大感度方向と作用した外力の方向とが一致した場合(φ=0°の場合)を基準値1としたものであり、各基本センサS1〜S3の検出感度を示す相対的な値になる。   This table shows the results of applying positive force components + Fα, + Fβ, + Fγ and positive moment components + Mα, + Mβ, + Mγ as the six-axis components of the external force, respectively, but the negative component −Fα. , -F [beta], -F [gamma], -M [alpha], -M [beta], -M [gamma], the result obtained by reversing the sign of each detected value in the table is obtained. In addition, as described above, the absolute value of each detection value in this table is the reference value 1 when the maximum sensitivity direction of the basic sensor matches the direction of the applied external force (when φ = 0 °). And a relative value indicating the detection sensitivity of each of the basic sensors S1 to S3.

この図21のテーブルに示す結果を考慮すると、図22に示すような演算式に基づいて、6軸成分Fα,Fβ,Fγ,Mα,Mβ,Mγが得られることがわかる(詳細は後述する具体的な数値を代入した例を参照)。これらの演算式は、6つの検出値Mx1,My1,Mx2,My2,Mx3,My3に、図21のテーブルに示す各検出値を係数として乗じて加算する式になっている。たとえば、α軸方向の力成分Fαを算出するための演算式は
Fα=K11(−My1+1/2・My2+1/2・My3)
となっているが、これは、6つの検出値Mx1,My1,Mx2,My2,Mx3,My3に、それぞれ図21のテーブルの第1行目に示されている検出値「0」,「−1」,「0」,「+1/2」,「0」,「+1/2」を係数として乗じて加算した式になっている。なお、右辺最初の係数K11は、最終的なFαの値のスケーリングを行うためのファクタである。
Considering the results shown in the table of FIG. 21, it can be seen that the six-axis components Fα, Fβ, Fγ, Mα, Mβ, and Mγ can be obtained based on the arithmetic expression as shown in FIG. See example of substituting numerical values). These arithmetic expressions are expressions in which the six detection values Mx1, My1, Mx2, My2, Mx3, My3 are multiplied by the respective detection values shown in the table of FIG. 21 as coefficients and added. For example, the arithmetic expression for calculating the force component Fα in the α-axis direction is Fα = K11 (−My1 + 1/2 · My2 + 1/2 · My3)
This is because the six detection values Mx1, My1, Mx2, My2, Mx3, My3 are detected values “0”, “−1” shown in the first row of the table of FIG. 21, respectively. ], “0”, “+1/2”, “0”, “+1/2” are multiplied as coefficients and added. The first coefficient K11 on the right side is a factor for scaling the final Fα value.

結局、この力覚センサの場合、3組の基本センサS1〜S3から得られた6組のモーメント検出値Mx1,My1,Mx2,My2,Mx3,My3に基づいて、
Fα=K11(−My1+1/2・My2+1/2・My3)
Fβ=K12(−√3/2・My2+√3/2・My3)
Fγ=K13(Mx1+Mx2+Mx3)
Mα=K14(Mx1−1/2・Mx2−1/2・Mx3)
Mβ=K15(√3/2・Mx2−√3/2・Mx3)
Mγ=K16(My1+My2+My3)
なる演算を行うことにより、α軸方向に作用した力成分Fα、β軸方向に作用した力成分Fβ、γ軸方向に作用した力成分Fγ、α軸まわりに作用したモーメント成分Mα、β軸まわりに作用したモーメント成分Mβ、γ軸まわりに作用したモーメント成分Mγの6軸成分を検出することができる。
After all, in the case of this force sensor, based on the six sets of detected moments Mx1, My1, Mx2, My2, Mx3, My3 obtained from the three sets of basic sensors S1 to S3,
Fα = K11 (−My1 + ½ · My2 + ½ · My3)
Fβ = K12 (−√3 / 2 · My2 + √3 / 2 · My3)
Fγ = K13 (Mx1 + Mx2 + Mx3)
Mα = K14 (Mx1-1 / Mx2-1 / Mx3)
Mβ = K15 (√3 / 2 · Mx2−√3 / 2 · Mx3)
Mγ = K16 (My1 + My2 + My3)
By performing the following calculation, the force component Fα acting in the α-axis direction, the force component Fβ acting in the β-axis direction, the force component Fγ acting in the γ-axis direction, the moment component Mα acting around the α-axis, around the β-axis It is possible to detect the six-axis components of the moment component Mβ acting on the moment and the moment component Mγ acting around the γ-axis.

回路基板500上には、このような演算を行うための演算回路を組み込んでおけばよい。なお、上記式におけるK11,K12,K13,K14,K15,K16は、それぞれ適切なスケーリングを行うためのファクタであり、実用上は、力覚センサの試作品を用いた較正プロセスにおいて、正しい単位系での最終出力が得られるように、各係数値の値を定めるようにすればよい。   An arithmetic circuit for performing such an operation may be incorporated on the circuit board 500. Note that K11, K12, K13, K14, K15, and K16 in the above equation are factors for performing appropriate scaling, respectively. In practice, in a calibration process using a prototype of a force sensor, a correct unit system is used. The value of each coefficient value may be determined so that the final output at is obtained.

ここで重要な点は、上記演算式により6軸成分を求めると、他軸成分の干渉を受けることなく、各成分の検出値を独立して得ることができる点である。以下、この点を、図22に示す各演算式の変数に、具体的な検出値を代入することによって示そう。   The important point here is that when the six-axis component is obtained by the above-described arithmetic expression, the detection value of each component can be obtained independently without receiving interference from other axis components. Hereinafter, this point will be shown by substituting specific detection values into the variables of the respective arithmetic expressions shown in FIG.

まず、力成分Fαについての演算式について考えてみよう。いま、内側構造体200に外力+Fαが作用したとすると、図21のテーブルの第1行目に示すような検出値(Mx1=0,My1=−1,Mx2=0,My2=+1/2,Mx3=0,My3=+1/2)が得られることになる。そこで、図22の第1行目の式に、これらの検出値を代入すると、Fα=K11(−(−1)+1/2(+1/2)+1/2(+1/2))=K11(3/2)なる演算結果が得られる。すなわち、力成分Fαの検出値として、K11(3/2)なる値が出力されることになる。係数K11を適切な値に設定しておけば、この検出値は力成分Fαについての正しい値を示すことになる。   First, let us consider the calculation formula for the force component Fα. Now, assuming that an external force + Fα is applied to the inner structure 200, detection values (Mx1 = 0, My1 = −1, Mx2 = 0, My2 = + 1/2, as shown in the first row of the table of FIG. 21). Mx3 = 0, My3 = + 1/2) is obtained. Therefore, by substituting these detection values into the expression in the first row of FIG. 22, Fα = K11 (− (− 1) + ½ (+ ½) + ½ (+ ½)) = K11 ( 3/2) is obtained. That is, a value of K11 (3/2) is output as the detected value of the force component Fα. If the coefficient K11 is set to an appropriate value, this detected value indicates a correct value for the force component Fα.

このとき、他の5軸成分が同時に作用していたとしても、上記演算式を用いた演算を行えば、他軸成分が、力成分Fαの検出値として誤検出されることはない。たとえば、力成分+Fβが作用していたとすると、図21のテーブルの第2行目に示すように、My1=0,My2=−√3/2,My3=+√3/2が検出値として得られるが、図22の第1行目の式に、これらの検出値を代入すると、Fα=K11(0+1/2(−√3/2)+1/2(+√3/2))=0になり、力成分Fαの検出値として出力されることはない。また、力成分+Fγが作用していたとすると、図21のテーブルの第3行目に示すように、My1=0,My2=0,My3=0が検出値として得られるので、図22の第1行目の式に、これらの検出値を代入すると、Fα=K11(0+0+0)=0になり、やはり力成分Fαの検出値として出力されることはない。   At this time, even if the other five-axis components act simultaneously, the other-axis component is not erroneously detected as the detected value of the force component Fα if the calculation using the above-described arithmetic expression is performed. For example, if force component + Fβ is acting, My1 = 0, My2 = −√3 / 2, My3 = + √3 / 2 are obtained as detected values as shown in the second row of the table of FIG. However, if these detection values are substituted into the expression in the first row of FIG. 22, Fα = K11 (0 + 1/2 (−√3 / 2) +1/2 (+ √3 / 2)) = 0. Therefore, the detected value of the force component Fα is not output. If force component + Fγ is acting, as shown in the third row of the table of FIG. 21, My1 = 0, My2 = 0, and My3 = 0 are obtained as detection values, so the first of FIG. Substituting these detection values into the equation on the line results in Fα = K11 (0 + 0 + 0) = 0, which is not output as the detection value of the force component Fα.

モーメント成分Mα,Mβ,Mγについても同様である。たとえば、モーメント成分+Mαや+Mβが作用していたとすると、図21のテーブルの第4行目および第5行目に示すように、My1=0,My2=0,My3=0が検出値として得られるので、図22の第1行目の式に、これらの検出値を代入すると、Fα=K11(0+0+0)=0になり、やはり力成分Fαの検出値として出力されることはない。また、モーメント成分+Mγが作用していたとすると、図21のテーブルの第6行目に示すように、My1=+1,My2=+1,My3=+1が検出値として得られるので、図22の第1行目の式に、これらの検出値を代入すると、Fα=K11(−(+1)+1/2(+1)+1/2(+1))=0になり、力成分Fαの検出値として出力されることはない。結局、図22の第1行目の式による演算結果は、力成分Fαの検出値のみを示すものになり、他軸成分の干渉を受けることはない。   The same applies to the moment components Mα, Mβ, and Mγ. For example, assuming that moment components + Mα and + Mβ are acting, My1 = 0, My2 = 0, and My3 = 0 are obtained as detection values as shown in the fourth and fifth rows of the table of FIG. Therefore, if these detection values are substituted into the expression in the first row of FIG. 22, Fα = K11 (0 + 0 + 0) = 0, and no detection value of the force component Fα is output. If the moment component + Mγ is acting, My1 = + 1, My2 = + 1, and My3 = + 1 are obtained as detection values as shown in the sixth row of the table of FIG. If these detection values are substituted into the equation on the line, Fα = K11 (− (+ 1) +1/2 (+1) +1/2 (+1)) = 0, which is output as the detection value of the force component Fα. There is nothing. After all, the calculation result by the expression in the first row of FIG. 22 shows only the detected value of the force component Fα, and does not receive interference from other axis components.

次に、力成分Fβについての演算式について考えてみる。内側構造体200に外力+Fβが作用したとすると、図21のテーブルの第2行目に示すような検出値(Mx1=0,My1=0,Mx2=0,My2=−√3/2,Mx3=0,My3=+√3/2)が得られることになる。そこで、図22の第2行目の式に、これらの検出値を代入すると、Fβ=K12(−√3/2(−√3/2)+√3/2(+√3/2))=K12(3/2)なる演算結果が得られる。すなわち、力成分Fβの検出値として、K12(3/2)なる値が出力されることになる。係数K12を適切な値に設定しておけば、この検出値は力成分Fβについての正しい値を示すことになる。   Next, consider an arithmetic expression for the force component Fβ. If an external force + Fβ is applied to the inner structure 200, detection values (Mx1 = 0, My1 = 0, Mx2 = 0, My2 = −√3 / 2, Mx3) as shown in the second row of the table of FIG. = 0, My3 = + √3 / 2). Therefore, by substituting these detection values into the expression in the second row of FIG. 22, Fβ = K12 (−√3 / 2 (−√3 / 2) + √3 / 2 (+ √3 / 2)). = K12 (3/2) is obtained. That is, the value K12 (3/2) is output as the detected value of the force component Fβ. If the coefficient K12 is set to an appropriate value, the detected value indicates a correct value for the force component Fβ.

このとき、他の5軸成分が同時に作用していたとしても、誤検出されることはない。たとえば、力成分+Fαが作用していたとすると、図21のテーブルの第1行目に示すように、My2=+1/2,My3=+1/2が検出値として得られるが、図22の第2行目の式に、これらの検出値を代入すると、Fβ=K12(−√3/2(+1/2)+√3/2(+1/2))=0になり、力成分Fβの検出値として出力されることはない。また、力成分+Fγが作用していたとすると、図21のテーブルの第3行目に示すように、My2=0,My3=0が検出値として得られるので、図22の第2行目の式に、これらの検出値を代入すると、Fβ=K12(0+0)=0になり、やはり力成分Fβの検出値として出力されることはない。   At this time, even if the other five-axis components act simultaneously, they are not erroneously detected. For example, if the force component + Fα is acting, My2 = + 1/2 and My3 = + 1/2 are obtained as detection values as shown in the first row of the table of FIG. 21, but the second value of FIG. Substituting these detection values into the equation on the line yields Fβ = K12 (−√3 / 2 (+1/2) + √3 / 2 (+1/2)) = 0, and the detection value of the force component Fβ Will not be output. If force component + Fγ is acting, My2 = 0 and My3 = 0 are obtained as detection values as shown in the third row of the table of FIG. 21, so the equation of the second row of FIG. If these detected values are substituted, Fβ = K12 (0 + 0) = 0 is obtained, and the detected value of the force component Fβ is not output.

モーメント成分Mα,Mβ,Mγについても同様である。たとえば、モーメント成分+Mαや+Mβが作用していたとすると、図21のテーブルの第4行目および第5行目に示すように、My2=0,My3=0が検出値として得られるので、図22の第2行目の式に、これらの検出値を代入すると、Fβ=K12(0+0)=0になる。また、モーメント成分+Mγが作用していたとすると、図21のテーブルの第6行目に示すように、My2=+1,My3=+1が検出値として得られるので、図22の第2行目の式に、これらの検出値を代入すると、Fβ=K12(−√3/2(+1)+√3/2(+1))=0になり、力成分Fβの検出値として出力されることはない。結局、図22の第2行目の式による演算結果は、力成分Fβの検出値のみを示すものになり、他軸成分の干渉を受けることはない。   The same applies to the moment components Mα, Mβ, and Mγ. For example, assuming that moment components + Mα and + Mβ are acting, My2 = 0 and My3 = 0 are obtained as detection values as shown in the fourth and fifth rows of the table of FIG. Substituting these detection values into the expression in the second row of the equation, Fβ = K12 (0 + 0) = 0. Further, if the moment component + Mγ is acting, My2 = + 1 and My3 = + 1 are obtained as detection values as shown in the sixth row of the table of FIG. 21, so the equation of the second row of FIG. If these detected values are substituted into Fβ = K12 (−√3 / 2 (+1) + √3 / 2 (+1)) = 0, it is not output as the detected value of the force component Fβ. After all, the calculation result by the expression in the second row in FIG. 22 shows only the detected value of the force component Fβ, and does not receive interference from other axis components.

同様に、力成分Fγについての演算式について考えてみる。内側構造体200に外力+Fγが作用したとすると、図21のテーブルの第3行目に示すような検出値(Mx1=+1,My1=0,Mx2=+1,My2=0,Mx3=+1,My3=0)が得られることになる。そこで、図22の第3行目の式に、これらの検出値を代入すると、Fγ=K13((+1)+(+1)+(+1))=K13×3なる演算結果が得られる。すなわち、力成分Fγの検出値として、K13×3なる値が出力されることになる。係数K13を適切な値に設定しておけば、この検出値は力成分Fγについての正しい値を示すことになる。   Similarly, consider an arithmetic expression for the force component Fγ. If an external force + Fγ is applied to the inner structure 200, detection values (Mx1 = + 1, My1 = 0, Mx2 = + 1, My2 = 0, Mx3 = + 1, My3) as shown in the third row of the table of FIG. = 0). Therefore, by substituting these detection values into the expression on the third row in FIG. 22, a calculation result of Fγ = K13 ((+ 1) + (+ 1) + (+ 1)) = K13 × 3 is obtained. That is, a value of K13 × 3 is output as the detected value of the force component Fγ. If the coefficient K13 is set to an appropriate value, this detected value indicates a correct value for the force component Fγ.

このとき、他の5軸成分が同時に作用していたとしても、誤検出されることはない。たとえば、力成分+Fαや+Fβが作用していたとすると、図21のテーブルの第1行目および第2行目に示すように、Mx1=0,Mx2=0,Mx3=0が検出値として得られるので、図22の第3行目の式に、これらの検出値を代入すると、Fγ=K13(0+0+0)=0になり、力成分Fγの検出値として出力されることはない。   At this time, even if the other five-axis components act simultaneously, they are not erroneously detected. For example, if force components + Fα and + Fβ are acting, Mx1 = 0, Mx2 = 0, and Mx3 = 0 are obtained as detection values as shown in the first and second rows of the table of FIG. Therefore, if these detection values are substituted into the expression in the third row in FIG. 22, Fγ = K13 (0 + 0 + 0) = 0, and is not output as the detection value of the force component Fγ.

モーメント成分Mα,Mβ,Mγについても同様である。たとえば、モーメント成分+Mαが作用していたとすると、図21のテーブルの第4行目に示すように、Mx1=+1,Mx2=−1/2,Mx3=−1/2が検出値として得られるので、図22の第3行目の式に、これらの検出値を代入すると、Fγ=K13((+1)+(−1/2)+(−1/2))=0になり、力成分Fγの検出値として出力されることはない。同様に、モーメント成分+Mβが作用していたとすると、図21のテーブルの第5行目に示すように、Mx1=0,Mx2=+√3/2,Mx3=−√3/2が検出値として得られるので、図22の第3行目の式に、これらの検出値を代入すると、Fγ=K13((0)+(+√3/2)+(−√3/2))=0になり、力成分Fγの検出値として出力されることはない。   The same applies to the moment components Mα, Mβ, and Mγ. For example, if the moment component + Mα is acting, Mx1 = + 1, Mx2 = −1 / 2, and Mx3 = −1 / 2 are obtained as detection values as shown in the fourth row of the table of FIG. When these detected values are substituted into the expression in the third row of FIG. 22, Fγ = K13 ((+ 1) + (− 1/2) + (− 1/2)) = 0, and the force component Fγ Are not output as detected values. Similarly, if the moment component + Mβ is acting, as shown in the fifth row of the table of FIG. 21, Mx1 = 0, Mx2 = + √3 / 2, and Mx3 = −√3 / 2 are detected values. Therefore, if these detection values are substituted into the expression in the third row of FIG. 22, Fγ = K13 ((0) + (+ √3 / 2) + (− √3 / 2)) = 0. Therefore, the detected value of the force component Fγ is not output.

また、モーメント成分+Mγが作用していたとすると、図21のテーブルの第6行目に示すように、Mx1=0,Mx2=0,Mx3=0が検出値として得られるので、図22の第3行目の式に、これらの検出値を代入すると、Fγ=K13(0+0+0)=0になり、力成分Fγの検出値として出力されることはない。結局、図22の第3行目の式による演算結果は、力成分Fγの検出値のみを示すものになり、他軸成分の干渉を受けることはない。   If the moment component + Mγ is acting, as shown in the sixth row of the table of FIG. 21, Mx1 = 0, Mx2 = 0, and Mx3 = 0 are obtained as detection values. Substituting these detection values into the equation on the line results in Fγ = K13 (0 + 0 + 0) = 0, and is not output as the detection value of the force component Fγ. After all, the calculation result by the expression in the third row in FIG. 22 shows only the detected value of the force component Fγ, and does not receive interference from other axis components.

続いて、モーメント成分Mαについての演算式について考えてみる。内側構造体200にモーメント+Mαが作用したとすると、図21のテーブルの第4行目に示すような検出値(Mx1=+1,My1=0,Mx2=−1/2,My2=0,Mx3=−1/2,My3=0)が得られることになる。そこで、図22の第4行目の式に、これらの検出値を代入すると、Mα=K14((+1)−1/2(−1/2)−1/2(−1/2))=K14(3/2)なる演算結果が得られる。すなわち、モーメント成分Mαの検出値として、K14(3/2)なる値が出力されることになる。係数K14を適切な値に設定しておけば、この検出値はモーメント成分Mαについての正しい値を示すことになる。   Next, consider an arithmetic expression for the moment component Mα. If the moment + Mα acts on the inner structure 200, the detection values (Mx1 = + 1, My1 = 0, Mx2 = −1 / 2, My2 = 0, Mx3 =) as shown in the fourth row of the table of FIG. -1/2, My3 = 0). Therefore, if these detection values are substituted into the expression in the fourth row of FIG. 22, Mα = K14 ((+ 1) −1/2 (−1/2) −1/2 (−1/2)) = An operation result of K14 (3/2) is obtained. That is, the value K14 (3/2) is output as the detected value of the moment component Mα. If the coefficient K14 is set to an appropriate value, the detected value indicates a correct value for the moment component Mα.

このとき、他の5軸成分が同時に作用していたとしても、誤検出されることはない。たとえば、力成分+Fαや+Fβが作用していたとすると、図21のテーブルの第1行目および第2行目に示すように、Mx1=0,Mx2=0,Mx3=0が検出値として得られるので、図22の第4行目の式に、これらの検出値を代入すると、Mα=K14(0+0+0)=0になり、モーメント成分Mαの検出値として出力されることはない。また、力成分+Fγが作用していたとすると、図21のテーブルの第3行目に示すように、Mx1=+1,Mx2=+1,Mx3=+1が検出値として得られるので、図22の第4行目の式に、これらの検出値を代入すると、Mα=K14((+1)−1/2(+1)−1/2(+1))=K14(0)=0になり、モーメント成分Mαの検出値として出力されることはない。   At this time, even if the other five-axis components act simultaneously, they are not erroneously detected. For example, if force components + Fα and + Fβ are acting, Mx1 = 0, Mx2 = 0, and Mx3 = 0 are obtained as detection values as shown in the first and second rows of the table of FIG. Therefore, if these detection values are substituted into the expression in the fourth row of FIG. 22, Mα = K14 (0 + 0 + 0) = 0 is obtained and is not output as the detection value of the moment component Mα. If force component + Fγ is acting, Mx1 = + 1, Mx2 = + 1, and Mx3 = + 1 are obtained as detection values as shown in the third row of the table of FIG. Substituting these detection values into the equation on the line yields Mα = K14 ((+ 1) −1/2 (+1) −1/2 (+1)) = K14 (0) = 0, and the moment component Mα It is not output as a detection value.

モーメント成分Mβ,Mγについても同様である。たとえば、モーメント成分+Mβが作用していたとすると、図21のテーブルの第5行目に示すように、Mx1=0,Mx2=+√3/2,Mx3=−√3/2が検出値として得られるので、図22の第4行目の式に、これらの検出値を代入すると、Mα=K14((0)−1/2(+√3/2)−1/2(−√3/2))=K14(0)=0になり、モーメント成分Mαの検出値として出力されることはない。   The same applies to the moment components Mβ and Mγ. For example, if the moment component + Mβ is acting, as shown in the fifth row of the table of FIG. 21, Mx1 = 0, Mx2 = + √3 / 2, and Mx3 = −√3 / 2 are obtained as detection values. Therefore, if these detected values are substituted into the expression on the fourth row in FIG. 22, Mα = K14 ((0) −1/2 (+ √3 / 2) −1/2 (−√3 / 2). )) = K14 (0) = 0, and is not output as a detected value of the moment component Mα.

また、モーメント成分+Mγが作用していたとすると、図21のテーブルの第6行目に示すように、Mx1=0,Mx2=0,Mx3=0が検出値として得られるので、図22の第4行目の式に、これらの検出値を代入すると、Mα==K14((0)−1/2(0)−1/2(0))=0になり、モーメント成分Mαの検出値として出力されることはない。結局、図22の第4行目の式による演算結果は、モーメント成分Mαの検出値のみを示すものになり、他軸成分の干渉を受けることはない。   If the moment component + Mγ is acting, as shown in the sixth row of the table of FIG. 21, Mx1 = 0, Mx2 = 0, and Mx3 = 0 are obtained as detection values. If these detection values are substituted into the equation on the line, Mα == K14 ((0) −1/2 (0) −1/2 (0)) = 0, which is output as the detection value of the moment component Mα. It will never be done. As a result, the calculation result by the expression in the fourth row in FIG. 22 shows only the detected value of the moment component Mα, and does not receive interference from other axis components.

次に、モーメント成分Mβについての演算式について考えてみる。内側構造体200にモーメント+Mβが作用したとすると、図21のテーブルの第5行目に示すような検出値(Mx1=0,My1=0,Mx2=+√3/2,My2=0,Mx3=−√3/2,My3=0)が得られることになる。そこで、図22の第5行目の式に、これらの検出値を代入すると、Mβ=K15(√3/2(+√3/2)−√3/2(−√3/2))=K15(3/2)なる演算結果が得られる。すなわち、モーメント成分Mβの検出値として、K15(3/2)なる値が出力されることになる。係数K15を適切な値に設定しておけば、この検出値はモーメント成分Mβについての正しい値を示すことになる。   Next, consider an arithmetic expression for the moment component Mβ. If the moment + Mβ acts on the inner structure 200, the detection values (Mx1 = 0, My1 = 0, Mx2 = + √3 / 2, My2 = 0, Mx3) as shown in the fifth row of the table of FIG. = -√3 / 2, My3 = 0). Therefore, when these detected values are substituted into the expression in the fifth row of FIG. 22, Mβ = K15 (√3 / 2 (+ √3 / 2) −√3 / 2 (−√3 / 2)) = An operation result of K15 (3/2) is obtained. That is, a value of K15 (3/2) is output as the detected value of the moment component Mβ. If the coefficient K15 is set to an appropriate value, the detected value indicates a correct value for the moment component Mβ.

このとき、他の5軸成分が同時に作用していたとしても、誤検出されることはない。たとえば、力成分+Fαや+Fβが作用していたとすると、図21のテーブルの第1行目および第2行目に示すように、Mx2=0,Mx3=0が検出値として得られるので、図22の第5行目の式に、これらの検出値を代入すると、Mβ=K15(0+0)=0になり、モーメント成分Mβの検出値として出力されることはない。また、力成分+Fγが作用していたとすると、図21のテーブルの第3行目に示すように、Mx2=+1,Mx3=+1が検出値として得られるので、図22の第5行目の式に、これらの検出値を代入すると、Mβ=K15(√3/2(+1)−√3/2(+1))=K15(0)=0になり、モーメント成分Mβの検出値として出力されることはない。   At this time, even if the other five-axis components act simultaneously, they are not erroneously detected. For example, if force components + Fα and + Fβ are acting, Mx2 = 0 and Mx3 = 0 are obtained as detection values as shown in the first and second rows of the table in FIG. If these detected values are substituted into the expression on the fifth line, Mβ = K15 (0 + 0) = 0, and the detected value of the moment component Mβ is not output. If force component + Fγ is acting, Mx2 = + 1 and Mx3 = + 1 are obtained as detection values as shown in the third row of the table of FIG. 21, so that the equation of the fifth row of FIG. When these detected values are substituted into Mβ = K15 (√3 / 2 (+1) −√3 / 2 (+1)) = K15 (0) = 0, it is output as a detected value of the moment component Mβ. There is nothing.

モーメント成分Mα,Mγについても同様である。たとえば、モーメント成分+Mαが作用していたとすると、図21のテーブルの第4行目に示すように、Mx2=−1/2,Mx3=−1/2が検出値として得られるので、図22の第5行目の式に、これらの検出値を代入すると、Mβ=K15(√3/2(−1/2)−√3/2(−1/2))=K15(0)=0になり、モーメント成分Mβの検出値として出力されることはない。   The same applies to the moment components Mα and Mγ. For example, if the moment component + Mα is acting, Mx2 = −1 / 2 and Mx3 = −1 / 2 are obtained as detection values as shown in the fourth row of the table of FIG. Substituting these detection values into the expression in the fifth row, Mβ = K15 (√3 / 2 (−1/2) −√3 / 2 (−1/2)) = K15 (0) = 0 Therefore, it is not output as the detected value of the moment component Mβ.

また、モーメント成分+Mγが作用していたとすると、図21のテーブルの第6行目に示すように、Mx2=0,Mx3=0が検出値として得られるので、図22の第4行目の式に、これらの検出値を代入すると、Mβ=K15(√3/2(0)−√3/2(0))=K15(0)=0になり、モーメント成分Mβの検出値として出力されることはない。結局、図22の第5行目の式による演算結果は、モーメント成分Mβの検出値のみを示すものになり、他軸成分の干渉を受けることはない。   Further, if the moment component + Mγ is acting, Mx2 = 0 and Mx3 = 0 are obtained as detection values as shown in the sixth row of the table of FIG. 21, so the equation of the fourth row of FIG. If these detected values are substituted into Mβ = K15 (√3 / 2 (0) −√3 / 2 (0)) = K15 (0) = 0, the detected value of the moment component Mβ is output. There is nothing. As a result, the calculation result by the expression in the fifth row in FIG. 22 shows only the detected value of the moment component Mβ, and does not receive interference from other axis components.

最後に、モーメント成分Mγについての演算式について考えてみる。内側構造体200にモーメント+Mγが作用したとすると、図21のテーブルの第6行目に示すような検出値(Mx1=0,My1=+1,Mx2=0,My2=+1,Mx3=0,My3=+1)が得られることになる。そこで、図22の第6行目の式に、これらの検出値を代入すると、Mγ=K16((+1)+(+1)+(+1))=K16×3なる演算結果が得られる。すなわち、モーメント成分Mγの検出値として、K16×3なる値が出力されることになる。係数K16を適切な値に設定しておけば、この検出値はモーメント成分Mγについての正しい値を示すことになる。   Finally, consider the equation for the moment component Mγ. If the moment + Mγ is applied to the inner structure 200, the detection values (Mx1 = 0, My1 = + 1, Mx2 = 0, My2 = + 1, Mx3 = 0, My3) as shown in the sixth row of the table of FIG. = + 1) is obtained. Therefore, by substituting these detection values into the expression in the sixth row in FIG. 22, a calculation result of Mγ = K16 ((+ 1) + (+ 1) + (+ 1)) = K16 × 3 is obtained. That is, a value of K16 × 3 is output as the detected value of the moment component Mγ. If the coefficient K16 is set to an appropriate value, this detected value shows a correct value for the moment component Mγ.

このとき、他の5軸成分が同時に作用していたとしても、誤検出されることはない。たとえば、力成分+Fαが作用していたとすると、図21のテーブルの第1行目に示すように、My1=−1,My2=+1/2,My3=+1/2が検出値として得られるので、図22の第6行目の式に、これらの検出値を代入すると、Mγ=K16((−1)+(+1/2)+(+1/2))=0になり、モーメント成分Mγの検出値として出力されることはない。   At this time, even if the other five-axis components act simultaneously, they are not erroneously detected. For example, if force component + Fα is acting, My1 = -1, My2 = + 1/2, My3 = + 1/2 are obtained as detection values as shown in the first row of the table of FIG. When these detection values are substituted into the expression on the sixth line in FIG. 22, Mγ = K16 ((− 1) + (+ 1/2) + (+ 1/2)) = 0, and the moment component Mγ is detected. It is not output as a value.

また、力成分+Fβが作用していたとすると、図21のテーブルの第2行目に示すように、My1=0,My2=−√3/2,My3=+√3/2が検出値として得られるので、図22の第6行目の式に、これらの検出値を代入すると、Mγ=K16((0)+(−√3/2)+(+√3/2))=0になり、モーメント成分Mγの検出値として出力されることはない。一方、力成分+Fγが作用していたとすると、図21のテーブルの第3行目に示すように、My1=0,My2=0,My3=0が検出値として得られるので、図22の第6行目の式に、これらの検出値を代入すると、Mγ=K16((0)+(0)+(0))=0になり、モーメント成分Mγの検出値として出力されることはない。   If force component + Fβ is acting, My1 = 0, My2 = −√3 / 2, My3 = + √3 / 2 are obtained as detected values as shown in the second row of the table of FIG. Therefore, if these detected values are substituted into the expression on the sixth line in FIG. 22, Mγ = K16 ((0) + (− √3 / 2) + (+ √3 / 2)) = 0. The detected value of the moment component Mγ is not output. On the other hand, if force component + Fγ is acting, My1 = 0, My2 = 0 and My3 = 0 are obtained as detection values as shown in the third row of the table of FIG. If these detected values are substituted into the equation on the line, Mγ = K16 ((0) + (0) + (0)) = 0 is obtained and is not output as a detected value of the moment component Mγ.

モーメント成分Mα,Mβについても同様である。モーメント成分+MαやMβが作用していたとすると、図21のテーブルの第4行目および第5行目に示すように、My1=0,My2=0,My3=0が検出値として得られるので、図22の第6行目の式に、これらの検出値を代入すると、Mγ=K16((0)+(0)+(0))=0になり、モーメント成分Mγの検出値として出力されることはない。結局、図22の第6行目の式による演算結果は、モーメント成分Mγの検出値のみを示すものになり、他軸成分の干渉を受けることはない。   The same applies to the moment components Mα and Mβ. If moment components + Mα and Mβ are acting, My1 = 0, My2 = 0, and My3 = 0 are obtained as detection values as shown in the fourth and fifth rows of the table of FIG. When these detection values are substituted into the expression on the sixth row in FIG. 22, Mγ = K16 ((0) + (0) + (0)) = 0 is output, and is output as the detection value of the moment component Mγ. There is nothing. As a result, the calculation result by the expression on the sixth line in FIG. 22 shows only the detected value of the moment component Mγ, and does not receive interference from other axis components.

このように、本発明の第1の実施形態に係る力覚センサでは、外側構造体100に内側構造体200を収容する構成を採り、両者間を3組の基本センサS1〜S3によって接続し、演算手段によって、これら基本センサS1〜S3によって検出したモーメント成分MxおよびMyに基づく演算を行うことにより、αβγ座標系に作用した外力の6軸成分Fα,Fβ,Fγ,Mα,Mβ,Mγを、他軸干渉を受けることなしに検出することが可能になる。基本センサS1〜S3としては、2軸まわりのモーメント成分MxおよびMyのみを検出する機能を設けておけばよいので、たとえば、図1に例示したような比較的単純な構造を有するセンサを利用することができる。   Thus, in the force sensor which concerns on the 1st Embodiment of this invention, the structure which accommodates the inner side structure 200 in the outer side structure 100 is taken, both are connected by 3 sets of basic sensors S1-S3, By calculating based on the moment components Mx and My detected by the basic sensors S1 to S3 by the calculation means, the six-axis components Fα, Fβ, Fγ, Mα, Mβ, Mγ of the external force acting on the αβγ coordinate system are obtained. It becomes possible to detect without receiving interference from other axes. As the basic sensors S1 to S3, it is only necessary to provide a function of detecting only the moment components Mx and My around the two axes. For example, a sensor having a relatively simple structure as illustrated in FIG. 1 is used. be able to.

<<< §5. 第2の実施形態 >>>
続いて、本発明の第2の実施形態に係る力覚センサについて説明する。図23は、この第2の実施形態に係る力覚センサの縦断面図である(基本センサS3については側面図)。図23の縦断面図と図13の縦断面図とを比較するとわかるとおり、第2の実施形態の構造は、上述した第1の実施形態の構造とほとんど同じであるが、外殻構造体300、連結部材250、底板部材150が省略されており、代わりに、蓋板部材270が設けられている。
<<< §5. Second Embodiment >>>
Subsequently, a force sensor according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 23 is a longitudinal sectional view of the force sensor according to the second embodiment (a side view of the basic sensor S3). As can be seen by comparing the longitudinal sectional view of FIG. 23 and the longitudinal sectional view of FIG. 13, the structure of the second embodiment is almost the same as the structure of the first embodiment described above, but the outer shell structure 300. The connecting member 250 and the bottom plate member 150 are omitted, and a lid plate member 270 is provided instead.

図23の縦断面図においても、図13に示す縦断面図と同様に、αβγ三次元直交座標系が定義されており、図示の断面は、第2の実施形態に係る力覚センサをεγ平面で切断した断面に対応する。この第2の実施形態をαβ平面で切断した横断面図は、図12に示す横断面図から外殻構造体300を省略したものになる。このように、第1の実施形態と第2の実施形態とは、多くの部分において構成要素を共通にするため、第2の実施形態の各構成要素の符号には、第1の実施形態の対応する構成要素の符号に「A」を付した符号を用いることにする。   Also in the longitudinal sectional view of FIG. 23, the αβγ three-dimensional orthogonal coordinate system is defined similarly to the longitudinal sectional view shown in FIG. 13, and the illustrated sectional view shows the force sensor according to the second embodiment on the εγ plane. Corresponds to the cross section cut by. The cross-sectional view of the second embodiment cut along the αβ plane is obtained by omitting the outer shell structure 300 from the cross-sectional view shown in FIG. Thus, since the first embodiment and the second embodiment share the same constituent elements in many parts, the reference numerals of the respective constituent elements of the second embodiment have the same reference numerals as those of the first embodiment. The reference numerals of “A” are used for the corresponding constituent elements.

たとえば、図23に示す外側構造体100Aは、図13に示す外側構造体100に対応するものであり、両者は、制御溝111〜113の有無を除いて、全く同じ円筒状の構造を有している。ただ、図13に示す外側構造体100の下面には、底板部材150が一体構造として連なっているが、図23に示す力覚センサでは、底板部材150に対応する構成要素は省略されている。   For example, the outer structure 100A shown in FIG. 23 corresponds to the outer structure 100 shown in FIG. 13, and both have the same cylindrical structure except for the presence or absence of the control grooves 111 to 113. ing. However, although the bottom plate member 150 is connected to the lower surface of the outer structure 100 shown in FIG. 13 as an integral structure, components corresponding to the bottom plate member 150 are omitted in the force sensor shown in FIG.

また、図23に示す内側構造体200Aは、図13に示す内側構造体200に対応するものであり、両者は、全く同じ三角柱(横断面は正三角形)からなる柱状の構造体である。ただ、図13に示す内側構造体200の上面には、連結部材250が一体構造として連なっており、更に、外殻構造体300が一体構造として連なっているが、図23に示す力覚センサでは、連結部材250や外殻構造体300に対応する構成要素は省略されている。その代わりに、内側構造体200Aの上面には、段差をもった円板状の蓋板部材270の下面中心部が接合されている。また、蓋板部材270の下面周縁部と外側構造体100Aの上面との間には、図示のとおり、シリコンゴムからなる充填層280が介挿されている。シリコンゴムは柔軟性を有する材料であるため、蓋板部材270は外側構造体100Aに対して自由に変位することができる。   Further, the inner structure 200A shown in FIG. 23 corresponds to the inner structure 200 shown in FIG. 13, and both are columnar structures made of exactly the same triangular prism (transverse section is a regular triangle). However, on the upper surface of the inner structure 200 shown in FIG. 13, the connecting member 250 is connected as an integrated structure, and the outer shell structure 300 is connected as an integrated structure. However, in the force sensor shown in FIG. The components corresponding to the connecting member 250 and the outer shell structure 300 are omitted. Instead, the center portion of the lower surface of the disc-shaped cover plate member 270 having a step is joined to the upper surface of the inner structure 200A. In addition, a filling layer 280 made of silicon rubber is interposed between the peripheral edge of the lower surface of the cover plate member 270 and the upper surface of the outer structure 100A as shown in the figure. Since silicon rubber is a flexible material, the lid plate member 270 can be freely displaced with respect to the outer structure 100A.

図23に示す台座400Aは、図13に示す台座400に対応するものである。いずれも内側構造体100Aもしくは100を指示する土台としての機能を果たすが、図13に示す台座400の上面には底板部材150が接合されているのに対して、図23に示す台座400Aの上面には内側構造体100Aの下面が接続されている。また、図13に示す台座400の外縁部は、外殻構造体300の位置まで延びているが、図23に示す台座400Aの外縁部は、内側構造体100Aの周囲部の位置で終端している。   A pedestal 400A shown in FIG. 23 corresponds to the pedestal 400 shown in FIG. Each serves as a base for instructing the inner structure 100A or 100, but the bottom plate member 150 is joined to the upper surface of the pedestal 400 shown in FIG. 13, whereas the upper surface of the pedestal 400A shown in FIG. Is connected to the lower surface of the inner structure 100A. Further, the outer edge of the pedestal 400 shown in FIG. 13 extends to the position of the outer shell structure 300, but the outer edge of the pedestal 400A shown in FIG. 23 terminates at the position of the peripheral part of the inner structure 100A. Yes.

図23に示す回路基板500Aは、図13に示す回路基板500に対応するものである。ただ、回路基板500は、底板部材150の上面に固定されていたが、図23に示す力覚センサでは底板部材が省略されているため、回路基板500Aは台座400Aの上面に固定されている。別言すれば、図23に示す力覚センサの場合、台座400Aが底板部材としての機能を兼ねていることになる。   A circuit board 500A shown in FIG. 23 corresponds to the circuit board 500 shown in FIG. However, the circuit board 500 is fixed to the upper surface of the bottom plate member 150. However, since the bottom plate member is omitted in the force sensor shown in FIG. 23, the circuit board 500A is fixed to the upper surface of the base 400A. In other words, in the case of the force sensor shown in FIG. 23, the pedestal 400A also functions as a bottom plate member.

上述したとおり、この図23に示す力覚センサをαβ平面で切断した横断面図は、図12に示す横断面図から外殻構造体300を省略したものとほぼ同じである。したがって、この第2の実施形態に係る力覚センサの検出原理は、上述した第1の実施形態に係る力覚センサの検出原理と全く同じであり、回路基板500Aの検出処理機能は、§4で述べた回路基板500の検出処理機能と全く同じである。   As described above, the cross-sectional view of the force sensor shown in FIG. 23 cut along the αβ plane is substantially the same as the cross-sectional view shown in FIG. 12 with the outer shell structure 300 omitted. Therefore, the detection principle of the force sensor according to the second embodiment is exactly the same as the detection principle of the force sensor according to the first embodiment described above, and the detection processing function of the circuit board 500A is §4. This is exactly the same as the detection processing function of the circuit board 500 described above.

図13に示す第1の実施形態と図23に示す第2の実施形態とを比べると、前者よりも後者の方が装置の構造が単純化され、小型化が図られていることがわかる。用いられている3組の基本センサS1〜S3は、両者で共通しており、外側構造体100,100Aおよび内側構造体200,200Aの基本的な部分のサイズも両者で共通しているため、両者の検出機能や感度は全く同じである。   Comparing the first embodiment shown in FIG. 13 and the second embodiment shown in FIG. 23, it can be seen that the structure of the apparatus is simplified and the size of the latter is reduced compared to the former. The three basic sensors S1 to S3 used are common to both, and the sizes of the basic portions of the outer structure 100, 100A and the inner structure 200, 200A are also common to both. Both detection functions and sensitivities are the same.

また、前者では、内側構造体200の上部の一部が、外側構造体100の内部に設けられた収容空間から上方に食み出した構造になっているのに対して、後者では、外側構造体100Aの内部に設けられた収容空間内に内側構造体200Aの全体が収容された構造となっている。内側構造体は、少なくともその一部が、外側構造体の内部に設けられた収容空間内に収容されていれば、基本センサSを両者間に配置することができるので、前者のように、その一部分が収容空間から食み出す構造にしてもかまわない。ただ、後者のように、その全体を収容空間内に収容する構造を採れば、装置全体の小型化を図ることができる。   Further, in the former, a part of the upper part of the inner structure 200 has a structure that protrudes upward from the accommodation space provided inside the outer structure 100, whereas in the latter, the outer structure The entire inner structure 200A is housed in a housing space provided inside the body 100A. As long as at least a part of the inner structure is accommodated in the accommodating space provided inside the outer structure, the basic sensor S can be disposed between the two. You may make it the structure where a part protrudes from accommodation space. However, if the entire structure is accommodated in the accommodation space as in the latter case, the entire apparatus can be reduced in size.

このように、図23に示す第2の実施形態は、図13に示す第1の実施形態に比べて、構造を単純化し、小型化を図ることができるという点においてメリットを有している。台座400Aを固定した状態において、内側構造体200Aに作用する外力を検出する用途に利用する場合は、検出対象となる外力を蓋板部材270に伝達させればよい。ただ、デメリットとしては、内側構造体200Aのすべての方向に関する変位を制御する構造を採用することが困難であるため、基本センサS1〜S3に過度の外力が加わらないようにするための変位の制御対策が不十分になる。なお、蓋板部材270およびシリコンゴム充填層280は、外側構造体100Aの内部に塵埃などが入るのを防ぐカバーとしての役割を果たすが、防塵対策が不要な環境で用いる場合には、省略してもかまわない。   As described above, the second embodiment shown in FIG. 23 has an advantage in that the structure can be simplified and the size can be reduced as compared with the first embodiment shown in FIG. When the external force acting on the inner structure 200A is detected in a state where the base 400A is fixed, the external force to be detected may be transmitted to the cover plate member 270. However, as a disadvantage, since it is difficult to adopt a structure that controls displacement in all directions of the inner structure 200A, displacement control for preventing excessive external force from being applied to the basic sensors S1 to S3. Countermeasures are insufficient. The lid plate member 270 and the silicon rubber filling layer 280 serve as a cover for preventing dust and the like from entering the outer structure 100A, but are omitted when used in an environment where dust prevention measures are not required. It doesn't matter.

この図23に示す第2の実施形態に対して、図13に示す第1の実施形態は、外殻構造体300や連結部材250を設けたため、構造は若干複雑になり、サイズも若干大きくなるが、外側構造体100の内部空間は連結部材250によって覆われているため、内部に塵埃などが入りにくい構造になっている。また、検出対象となる外力は、外殻構造体300の外周面に作用させてもよいし、連結部材250の上面に作用させてもよいので、様々な実環境で利用することができる。   In contrast to the second embodiment shown in FIG. 23, the first embodiment shown in FIG. 13 is provided with the outer shell structure 300 and the connecting member 250, so that the structure is slightly complicated and the size is slightly increased. However, since the inner space of the outer structure 100 is covered with the connecting member 250, the structure is such that dust and the like are difficult to enter. Further, the external force to be detected may be applied to the outer peripheral surface of the outer shell structure 300 or may be applied to the upper surface of the connecting member 250, so that it can be used in various real environments.

更に、図13に示す第1の実施形態の重要なメリットは、各基本センサSに過度の外力が加わることを防ぐための制御構造を実現できる点である。すなわち、§3で述べたように、外側構造体100と外殻構造体300とを、γ軸を共通の中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成し、両者間の間隔を所定値に設定することにより第1の制御構造が実現でき、制御突起311,312,313と制御溝111,112,113との組み合わせにより第2の制御構造が実現できる。   Furthermore, an important merit of the first embodiment shown in FIG. 13 is that a control structure for preventing an excessive external force from being applied to each basic sensor S can be realized. That is, as described in §3, the outer structure body 100 and the outer shell structure body 300 are constituted by concentric cylindrical structures having the γ-axis as a common central axis, and the distance between the two is set to a predetermined value. The first control structure can be realized by setting, and the second control structure can be realized by a combination of the control protrusions 311, 312, 313 and the control grooves 111, 112, 113.

結局、一般的な用途に利用する場合には、§3,§4で述べた第1の実施形態が好ましいが、より小型のセンサを必要とする特定の用途向けには、第2の実施形態を利用すればよい。   Eventually, the first embodiment described in §3 and §4 is preferable for use in general applications, but the second embodiment is used for a specific application that requires a smaller sensor. Can be used.

<<< §6. 第3の実施形態 >>>
続いて、本発明の第3の実施形態に係る力覚センサについて説明する。図24は、この第3の実施形態に係る力覚センサの縦断面図である(基本センサS3については側面図)。図24の縦断面図と図13の縦断面図とを比較するとわかるとおり、第3の実施形態の構造は、第1の実施形態の構造とほとんど同じであるが、内側構造体および外側構造体の形状が若干異なっており、その結果、3組の基本センサS1〜S3の向きが異なっている。
<<< §6. Third embodiment >>>
Subsequently, a force sensor according to a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 24 is a longitudinal sectional view of the force sensor according to the third embodiment (a side view of the basic sensor S3). As can be seen from a comparison between the longitudinal sectional view of FIG. 24 and the longitudinal sectional view of FIG. 13, the structure of the third embodiment is almost the same as the structure of the first embodiment. Are slightly different, and as a result, the directions of the three basic sensors S1 to S3 are different.

この図24の縦断面図においても、図13に示す縦断面図と同様に、αβγ三次元直交座標系が定義されており、図示の断面は、第3の実施形態に係る力覚センサをεγ平面で切断した断面に対応する。この第3の実施形態の各構成要素の符号には、第1の実施形態の対応する構成要素の符号に「B」を付した符号を用いることにする。   Also in the longitudinal sectional view of FIG. 24, the αβγ three-dimensional orthogonal coordinate system is defined similarly to the longitudinal sectional view shown in FIG. 13. The illustrated sectional view shows the force sensor according to the third embodiment as εγ. Corresponds to a cross section cut along a plane. As the reference numerals of the constituent elements of the third embodiment, the reference numerals of the corresponding constituent elements of the first embodiment with “B” are used.

まず、図24に示す外殻構造体300Bおよび連結部材250Bは、図13に示す外殻構造体300および連結部材250と同じものである。また、図24に示す底板部材150B,台座400B,回路基板500Bは、それぞれ図13に示す底板部材150,台座400,回路基板500と同じものである(回路基板500,500Bに形成される検出回路の機能は若干異なる)。但し、外殻構造体300Bには、制御突起311〜313は設けられておらず、内側構造体100B側には、制御溝111,112,113は設けられていない。したがって、この実施例の場合、外側構造体100Bと外殻構造体300Bとの間隔を所定値に設定することにより、制御構造を実現している。   First, the outer shell structure 300B and the connecting member 250B shown in FIG. 24 are the same as the outer shell structure 300 and the connecting member 250 shown in FIG. Also, the bottom plate member 150B, the pedestal 400B, and the circuit board 500B shown in FIG. 24 are the same as the bottom plate member 150, the pedestal 400, and the circuit board 500 shown in FIG. 13 (detection circuits formed on the circuit boards 500 and 500B). Is slightly different). However, the control projections 311 to 313 are not provided on the outer shell structure 300B, and the control grooves 111, 112, and 113 are not provided on the inner structure 100B side. Therefore, in this embodiment, the control structure is realized by setting the interval between the outer structure body 100B and the outer shell structure body 300B to a predetermined value.

一方、図13に示す内側構造体200と図24に示す内側構造体200Bとを比べると、両者では形状が大きく異なっていることがわかるであろう。前述したとおり、図13に示す内側構造体200は、正三角形の横断面をもつ三角柱によって構成されており、この三角柱の各側面にそれぞれ3組の基本センサS1〜S3が取り付けられている。   On the other hand, when the inner structure 200 shown in FIG. 13 and the inner structure 200B shown in FIG. 24 are compared, it will be understood that the shapes of the two are greatly different. As described above, the inner structure 200 shown in FIG. 13 is configured by a triangular prism having a regular triangular cross section, and three sets of basic sensors S1 to S3 are attached to each side surface of the triangular prism.

これに対して、図24に示す内側構造体200Bは、正三角形の横断面をもつ三角錐によって構成されている。すなわち、この内側構造体200Bを、αβ平面に平行な面で切断すると、得られる切断面は正三角形になるが(3つの頂点は、図12に示す例と同様に、β軸、δ軸、ε軸上に位置する)、切断面の位置を図24に示すγ軸に沿って上方に移動させてゆくと、断面に得られる正三角形は徐々に小さくなってゆく。   On the other hand, the inner structure 200B shown in FIG. 24 is configured by a triangular pyramid having a regular triangular cross section. That is, when this inner structure 200B is cut along a plane parallel to the αβ plane, the obtained cut surface becomes an equilateral triangle (the three vertices are the β axis, δ axis, When the position of the cutting plane is moved upward along the γ-axis shown in FIG. 24, the equilateral triangle obtained in the cross section gradually becomes smaller.

図24に示す第3の実施形態の場合、この内側構造体200Bを構成する三角錐の各側面にそれぞれ内側接続点が設けられ、3組の基本センサS1〜S3が、それぞれ各内側接続点と外側構造体100Bの対向位置に設けられた外側接続点とを連結する連結機能を有する。そのため、外側構造体100Bの内周面の上方部分は、内側構造体200Bを構成する三角錐の各側面に平行となるような対向面を形成している。各基本センサS1〜S3は、内側構造体200Bを構成する三角錐の各側面と、外側構造体100Bの内周に設けられた各対向面と、の間に接続されることになる。   In the case of the third embodiment shown in FIG. 24, an inner connection point is provided on each side surface of the triangular pyramid constituting the inner structure 200B, and three sets of basic sensors S1 to S3 are respectively connected to the inner connection points. It has the connection function which connects the outer connection point provided in the opposing position of the outer side structure 100B. Therefore, the upper part of the inner peripheral surface of the outer structure 100B forms a facing surface that is parallel to each side surface of the triangular pyramid constituting the inner structure 200B. Each basic sensor S1 to S3 is connected between each side surface of the triangular pyramid constituting the inner structure 200B and each facing surface provided on the inner periphery of the outer structure 100B.

図24には、第3の基本センサS3の接続状態が示されている。この第3の基本センサS3は、内側構造体200Bを構成する三角錐の側面上に設けられた内側接続点Iθ(黒丸で示す)と、外側構造体100Bの内周に設けられた対向面上の外側接続点Jθ(白丸で示す)と、を接続する役割を果たしている。ここで、内側接続点Iθと外側接続点Jθとを通る直線は、第3の基本センサS3について定義されたZ軸に対応し、αβ平面に対して傾斜角θをなす方向を向いている。第1の基本センサS1および第2の基本センサS2も、同様に三角錐の側面とその対向面との間に取り付けられている。   FIG. 24 shows the connection state of the third basic sensor S3. The third basic sensor S3 includes an inner connection point Iθ (indicated by a black circle) provided on the side surface of the triangular pyramid constituting the inner structure 200B, and an opposing surface provided on the inner periphery of the outer structure 100B. The outer connection point Jθ (indicated by a white circle) is connected. Here, the straight line passing through the inner connection point Iθ and the outer connection point Jθ corresponds to the Z axis defined for the third basic sensor S3 and faces the direction that forms the inclination angle θ with respect to the αβ plane. Similarly, the first basic sensor S1 and the second basic sensor S2 are attached between the side surface of the triangular pyramid and its opposing surface.

結局、この第3の実施形態の場合、各基本センサS1〜S3について定義された各Z軸が、αβ平面に対して傾斜角θをなす方向を向くことになり、その結果、各基本センサS1〜S3について定義された各Y軸は、γ軸に対して傾斜角θをなす方向を向くようになる。別言すれば、この第3の実施形態は、図13に示す第1の実施形態における各基本センサS1〜S3の向きを、原点Qを中心として仰角(傾斜角)θだけγ軸正方向に傾斜させて配置したものと言うことができる。   Eventually, in the case of the third embodiment, each Z-axis defined for each basic sensor S1 to S3 is directed in a direction that forms an inclination angle θ with respect to the αβ plane, and as a result, each basic sensor S1. Each of the Y axes defined for .about.S3 is oriented in a direction that forms an inclination angle .theta. With respect to the .gamma. Axis. In other words, in the third embodiment, the directions of the basic sensors S1 to S3 in the first embodiment shown in FIG. 13 are set in the positive direction of the γ axis by the elevation angle (inclination angle) θ with the origin Q as the center. It can be said that they are arranged at an angle.

このように、第3の実施形態では、各基本センサS1〜S3について定義されるXYZ座標系の向きが、第1の実施形態とは異なるため、各基本センサS1〜S3によって検出されたモーメント成分Mx1,My1,Mx2,My2,Mx3,My3に基づいて、作用した外力のαβγ座標系における各座標軸方向の力成分Fα,Fβ,Fγおよび各座標軸まわりのモーメント成分Mα,Mβ,Mγを求めるために必要な演算処理は、§4で述べた第1の実施形態の検出動作で説明した演算処理(図22に示す演算式に基づく演算処理)とは異なったものになる。   As described above, in the third embodiment, the orientation of the XYZ coordinate system defined for each basic sensor S1 to S3 is different from that in the first embodiment, and thus the moment component detected by each basic sensor S1 to S3. Based on Mx1, My1, Mx2, My2, Mx3, My3, in order to obtain the force components Fα, Fβ, Fγ in the direction of each coordinate axis and the moment components Mα, Mβ, Mγ around each coordinate axis in the αβγ coordinate system of the applied external force Necessary arithmetic processing is different from the arithmetic processing described in the detection operation of the first embodiment described in section 4 (the arithmetic processing based on the arithmetic expression shown in FIG. 22).

すなわち、6軸成分Fα,Fβ,Fγ,Mα,Mβ,Mγを、モーメント成分Mx1,My1,Mx2,My2,Mx3,My3に基づいて求める演算式(他軸干渉を排除可能な演算式)は、傾斜角θに関する三角関数を含む式になる。この演算式は、かなり複雑な式になるため、ここでは掲載を省略するが、第1の実施形態と同様の原理により、各基本センサS1〜S3の幾何学的な配置に基づいて求めることができる。したがって、回路基板500Bには、当該演算式に基づいて必要な演算処理を行う演算回路を設けておけばよい。   That is, an arithmetic expression for calculating the six-axis components Fα, Fβ, Fγ, Mα, Mβ, and Mγ based on the moment components Mx1, My1, Mx2, My2, Mx3, My3 (an arithmetic expression that can eliminate other-axis interference) is The equation includes a trigonometric function related to the inclination angle θ. Since this arithmetic expression is a fairly complicated expression, it is not shown here, but can be obtained based on the geometrical arrangement of the basic sensors S1 to S3 based on the same principle as in the first embodiment. it can. Therefore, the circuit board 500B may be provided with an arithmetic circuit that performs necessary arithmetic processing based on the arithmetic expression.

このように、ここで述べた第3の実施形態に係る力覚センサでは、各基本センサS1〜S3がαβ平面に対して傾斜角θだけ傾斜した方向に取り付けられているため、各検出値を得るために必要な演算処理は若干複雑になる。しかしながら、各基本センサS1〜S3の配置の自由度が増すため、装置全体の設計自由度を向上させることができる。たとえば、「高さを抑制してできるだけ平らなセンサを設計したい」といった要望や、「高さは増してもよいが、径ができるだけ小さいセンサを設計したい」といった要望など、設計上の様々な要望に応えることが容易になる。   As described above, in the force sensor according to the third embodiment described here, each of the basic sensors S1 to S3 is attached in a direction inclined by the inclination angle θ with respect to the αβ plane. The arithmetic processing necessary for obtaining is slightly complicated. However, since the freedom degree of arrangement | positioning of each basic sensor S1-S3 increases, the design freedom degree of the whole apparatus can be improved. For example, various requests in design such as "I want to design a sensor that is as flat as possible while suppressing height" and "I want to design a sensor that can increase in height but have the smallest diameter" It becomes easy to meet.

<<< §7. 第4の実施形態 >>>
ここで述べる第4の実施形態は、外側構造体と内側構造体との間に3組の基本センサを接続する、という基本原理に関しては、これまで述べてきた各実施形態と同じであるが、個々の基本センサの構造とその接続方法が大きく異なっている。
<<< §7. Fourth Embodiment >>>
In the fourth embodiment described here, the basic principle of connecting three sets of basic sensors between the outer structure and the inner structure is the same as each of the embodiments described so far. The structure of each basic sensor and its connection method are greatly different.

図25は、この第4の実施形態に係る力覚センサをαβ平面で切断した横断面図、図26は、εγ平面で切断した縦断面図である(いずれも各基本センサS1′〜S3′の部分については上面図や側面図を示す)。αβγ座標系上におけるδ軸およびε軸の向きは、これまで述べてきた各実施形態の例と全く同様である。この第4の実施形態の各構成要素の符号には、第1の実施形態の対応する構成要素の符号に「C」を付した符号を用いることにする。   25 is a cross-sectional view of the force sensor according to the fourth embodiment cut along the αβ plane, and FIG. 26 is a vertical cross-sectional view cut along the εγ plane (all of the basic sensors S1 ′ to S3 ′). (A top view and a side view are shown for this part). The directions of the δ axis and the ε axis on the αβγ coordinate system are exactly the same as those of the embodiments described so far. As the reference numerals of the constituent elements of the fourth embodiment, the reference numerals of the corresponding constituent elements of the first embodiment with “C” added are used.

図25に示すとおり、この力覚センサの主たる構成要素は、外側構造体100C、内側構造体200C、3組の基本センサS1′〜S3′である。外側構造体100Cおよび内側構造体200Cは、それぞれ筒状の構造体によって構成されており、外側構造体100Cの内側に、内側構造体200Cが配置されている。特に、ここに示す実施例の場合、外側構造体100Cと内側構造体200Cは、γ軸を共通の中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成されている。   As shown in FIG. 25, main components of the force sensor are an outer structure 100C, an inner structure 200C, and three sets of basic sensors S1 ′ to S3 ′. The outer structure body 100C and the inner structure body 200C are each constituted by a cylindrical structure body, and the inner structure body 200C is disposed inside the outer structure body 100C. In particular, in the case of the embodiment shown here, the outer structure 100C and the inner structure 200C are constituted by concentric cylindrical structures having the γ-axis as a common central axis.

第1〜第3の実施形態の場合、外側構造体100,100A,100Bは筒状の構造体であるが、その内側に配置される内側構造体200,200A,200Bは柱状もしくは錐状の構造体であった(もちろん、内部を空洞にして筒状にする変形例も可能)。これに対して、ここに示す第4の実施形態では、内側構造体200Cも筒状の構造体によって構成されている。これは、各基本センサS1′〜S3′が、内側構造体200Cの内周面に設けられた内側接続点Iβ,Iδ,Iε(図では黒丸で示す)と、外側構造体100Cの内周面に設けられた外側接続点Jβ,Jδ,Jε(図では白丸で示す)とを連結する構造を採用するためである。   In the case of the first to third embodiments, the outer structures 100, 100A, 100B are cylindrical structures, but the inner structures 200, 200A, 200B arranged on the inner side thereof are columnar or conical structures. (Of course, a modified example in which the inside is hollow and cylindrical) is also possible. On the other hand, in 4th Embodiment shown here, the inner side structure 200C is also comprised by the cylindrical structure. This is because each of the basic sensors S1 ′ to S3 ′ has inner connection points Iβ, Iδ, Iε (shown by black circles in the figure) provided on the inner peripheral surface of the inner structure 200C and the inner peripheral surface of the outer structure 100C. This is because a structure for connecting the outer connection points Jβ, Jδ, and Jε (indicated by white circles in the figure) provided in FIG.

図25に示すとおり、第1の基本センサS1′は、β軸に沿って伸びる方向に配置され、第2の基本センサS2′は、δ軸に沿って伸びる方向に配置され、第3の基本センサS3′は、ε軸に沿って伸びる方向に配置されている。そこで、ここでは説明の便宜上、β軸を第1の基本センサS1′に対応する参照線と定義し、δ軸を第2の基本センサS2′に対応する参照線と定義し、ε軸を第3の基本センサS3′に対応する参照線と定義することにする。   As shown in FIG. 25, the first basic sensor S1 ′ is arranged in a direction extending along the β-axis, and the second basic sensor S2 ′ is arranged in a direction extending along the δ-axis. The sensor S3 ′ is arranged in a direction extending along the ε axis. Therefore, for convenience of explanation, the β axis is defined as a reference line corresponding to the first basic sensor S1 ′, the δ axis is defined as a reference line corresponding to the second basic sensor S2 ′, and the ε axis is defined as the first. 3 is defined as a reference line corresponding to the basic sensor S3 ′.

そうすると、各参照線は、外側構造体100Cの第1の側壁、内側構造体200Cの第1の側壁、内側構造体200Cの第2の側壁、外側構造体100Cの第2の側壁を貫通する直線になり、各参照線が貫通する内側構造体200Cの第1の側壁にはそれぞれ挿通孔が形成されていることになる。   Then, each reference line is a straight line that passes through the first sidewall of the outer structure 100C, the first sidewall of the inner structure 200C, the second sidewall of the inner structure 200C, and the second sidewall of the outer structure 100C. Thus, through holes are formed in the first side walls of the inner structure 200C through which the respective reference lines penetrate.

たとえば、第1の基本センサS1′に対応する参照線であるβ軸を図の下方(座標軸βの負方向)から図の上方(座標軸βの正方向)へと順に辿ってゆくと、当該参照線は、外側構造体100Cの第1の側壁(図の下方の壁)、内側構造体200Cの第1の側壁(図の下方の壁)、内側構造体200Cの第2の側壁(図の上方の壁)、外側構造体100Cの第2の側壁(図の上方の壁)を貫通する直線になる。そして、内側構造体200Cの第1の側壁(図の下方の壁)には挿通孔211が形成されている。   For example, when the β axis that is the reference line corresponding to the first basic sensor S1 ′ is sequentially traced from the lower side of the figure (the negative direction of the coordinate axis β) to the upper side of the figure (the positive direction of the coordinate axis β), the reference is made. The lines indicate the first side wall (the lower wall in the figure) of the outer structure 100C, the first side wall (the lower wall in the figure) of the inner structure 200C, and the second side wall (the upper side in the figure) of the inner structure 200C. And a straight line that penetrates through the second side wall (the upper wall in the figure) of the outer structure 100C. An insertion hole 211 is formed in the first side wall (the lower wall in the figure) of the inner structure 200C.

同様に、第2の基本センサS2′に対応する参照線であるδ軸を図の右上(座標軸δの負方向)から図の左下(座標軸δの正方向)へと順に辿ってゆくと、当該参照線は、外側構造体100Cの第1の側壁(図の右上の壁)、内側構造体200Cの第1の側壁(図の右上の壁)、内側構造体200Cの第2の側壁(図の左下の壁)、外側構造体100Cの第2の側壁(図の左下の壁)を貫通する直線になる。そして、内側構造体200Cの第1の側壁(図の右上の壁)には挿通孔212が形成されている。   Similarly, when the δ axis that is the reference line corresponding to the second basic sensor S2 ′ is sequentially traced from the upper right (negative direction of the coordinate axis δ) to the lower left (positive direction of the coordinate axis δ) of the figure, The reference lines are the first side wall (upper right wall in the figure) of the outer structure 100C, the first side wall (upper right wall in the figure) of the inner structure 200C, and the second side wall (in the figure) of the inner structure 200C. (Lower left wall), a straight line passing through the second side wall (lower left wall in the figure) of the outer structure 100C. An insertion hole 212 is formed in the first side wall (the upper right wall in the figure) of the inner structure 200C.

また、第3の基本センサS3′に対応する参照線であるε軸を図の左上(座標軸εの負方向)から図の右下(座標軸εの正方向)へと順に辿ってゆくと、当該参照線は、外側構造体100Cの第1の側壁(図の左上の壁)、内側構造体200Cの第1の側壁(図の左上の壁)、内側構造体200Cの第2の側壁(図の右下の壁)、外側構造体100Cの第2の側壁(図の右下の壁)を貫通する直線になる。そして、内側構造体200Cの第1の側壁(図の左上の壁)には挿通孔213が形成されている。   Further, when the ε axis that is a reference line corresponding to the third basic sensor S3 ′ is sequentially traced from the upper left (negative direction of the coordinate axis ε) to the lower right (positive direction of the coordinate axis ε) of the figure, The reference lines are the first side wall (upper left wall in the figure) of the outer structure 100C, the first side wall (upper left wall in the figure) of the inner structure 200C, and the second side wall (upper side of the figure) of the inner structure 200C. (Lower right wall), a straight line passing through the second side wall (lower right wall in the figure) of the outer structure 100C. An insertion hole 213 is formed in the first side wall (upper left wall in the figure) of the inner structure 200C.

ここで述べる第4の実施形態に用いられている3組の基本センサS1′〜S3′は、これまで述べてきた第1〜第3の実施形態に用いられている基本センサS1〜S3(§1,§2で述べたセンサ)とは若干構造が異なっているが、その基本機能は同じである。すなわち、図25に示す基本センサS1′〜S3′は、起歪体10に竿状部21〜23を取り付けた構造を有する。なお、ここでは、説明の便宜上、各竿状部21,22,23にそれぞれ異なる符号を付して示すが、これら各竿状部は実質的に全く同一の構造体である。起歪体10は、図1に示す基本センサSの起歪体10と同じものであり、竿状部21,22,23は、連結機能を果たすための細長い部材である。   Three sets of basic sensors S1 ′ to S3 ′ used in the fourth embodiment described here are the basic sensors S1 to S3 (§) used in the first to third embodiments described so far. Although the structure is slightly different from the sensor described in 1 and §2, the basic function is the same. That is, the basic sensors S 1 ′ to S 3 ′ shown in FIG. 25 have a structure in which the hooks 21 to 23 are attached to the strain body 10. Here, for convenience of explanation, the hooks 21, 22, and 23 are denoted by different reference numerals, but the hooks are substantially the same structure. The strain body 10 is the same as the strain body 10 of the basic sensor S shown in FIG. 1, and the hook-shaped portions 21, 22, and 23 are elongate members for performing a connecting function.

一方、外側構造体100Cの第1の側壁の参照線との交差部分近傍には、他の部分に比べて肉厚の薄いダイアフラム部が形成されており、各基本センサS1′〜S3′の一端は、このダイアフラム部に接合されている。具体的には、図25に示す外側構造体100Cの下方内周面には、取付溝121が掘られており、肉厚の薄いダイアフラム部131が形成されており、第1の基本センサS1′の竿状部21の端部は、このダイアフラム部131の内側面に接合されている。同様に、外側構造体100Cの右上内周面には、取付溝122が掘られており、肉厚の薄いダイアフラム部132が形成されており、第2の基本センサS2′の竿状部22の端部は、このダイアフラム部132の内側面に接合されており、外側構造体100Cの左上内周面には、取付溝123が掘られており、肉厚の薄いダイアフラム部133が形成されており、第3の基本センサS3′の竿状部23の端部は、このダイアフラム部133の内側面に接合されている。   On the other hand, in the vicinity of the intersection with the reference line of the first side wall of the outer structure 100C, a diaphragm portion that is thinner than the other portions is formed, and one end of each of the basic sensors S1 ′ to S3 ′. Are joined to the diaphragm. Specifically, a mounting groove 121 is formed in the lower inner peripheral surface of the outer structure 100C shown in FIG. 25 to form a thin diaphragm portion 131, and the first basic sensor S1 ′. The end portion of the bowl-shaped portion 21 is joined to the inner surface of the diaphragm portion 131. Similarly, a mounting groove 122 is dug in the upper right inner peripheral surface of the outer structure 100C, a thin diaphragm portion 132 is formed, and the flange portion 22 of the second basic sensor S2 ′ is formed. The end portion is joined to the inner surface of the diaphragm portion 132, and a mounting groove 123 is dug in the upper left inner peripheral surface of the outer structure 100C, so that a thin diaphragm portion 133 is formed. The end portion of the bowl-shaped portion 23 of the third basic sensor S3 ′ is joined to the inner side surface of the diaphragm portion 133.

結局、この第4の実施形態の場合、各基本センサS1′〜S3′は、対応する参照線(β軸,δ軸,ε軸)が貫通する外側構造体100Cの第1の側壁の内周面に設けられた外側接続点Jβ,Jδ,Jεと、対応する参照線が貫通する内側構造体200Cの第2の側壁の内周面に設けられた内側接続点Iβ,Iδ,Iεとを、対応する参照線が貫通する内側構造体200Cの第1の側壁に形成された挿通孔211,212,213を通して連結する連結機能を有していることになる。   After all, in the case of the fourth embodiment, each of the basic sensors S1 ′ to S3 ′ has an inner periphery of the first side wall of the outer structure 100C through which the corresponding reference line (β axis, δ axis, ε axis) passes. Outer connection points Jβ, Jδ, Jε provided on the surface and inner connection points Iβ, Iδ, Iε provided on the inner peripheral surface of the second side wall of the inner structure 200C through which the corresponding reference line passes, It has the connection function to connect through the insertion holes 211, 212, and 213 formed in the first side wall of the inner structure 200C through which the corresponding reference line passes.

また、各基本センサS1′,S2′,S3′の起歪体10には、図1(b) に示すように、ダイアフラム部11が設けられているため、各基本センサS1′,S2′,S3′は、外側接続点Jβ,Jδ,Jεと内側接続点Iβ,Iδ,Iεとを連結する連結機能に加えて、両接続点の相対位置関係が変化するように弾性変形する変形機能も有していることになる。   Further, as shown in FIG. 1 (b), a diaphragm portion 11 is provided in the strain generating body 10 of each basic sensor S1 ', S2', S3 ', so that each basic sensor S1', S2 ', S3 ′ has a deformation function that elastically deforms so that the relative positional relationship between the two connection points changes in addition to the connection function that links the outer connection points Jβ, Jδ, and Jε and the inner connection points Iβ, Iδ, and Iε. Will be.

更に、図示の実施例の場合、竿状部21,22,23の端部は、外側構造体100Cに設けられたダイアフラム部131,132,133に接続されている。そのため、各基本センサS1′,S2′,S3′の弾性変形機能と、ダイアフラム部131,132,133の弾性変形機能とが協働動作することができるようになり、内側構造体200Cを固定した状態において外側構造体100Cに外力が作用した場合、この力覚センサを円滑に変形させることが可能になる。   Further, in the case of the illustrated embodiment, the end portions of the flange portions 21, 22, and 23 are connected to diaphragm portions 131, 132, and 133 provided in the outer structure 100C. Therefore, the elastic deformation function of each basic sensor S1 ′, S2 ′, S3 ′ and the elastic deformation function of the diaphragm portions 131, 132, 133 can be operated in cooperation, and the inner structure 200C is fixed. When an external force is applied to the outer structure 100C in the state, the force sensor can be smoothly deformed.

もちろん、各基本センサS1′〜S3′は、第1〜第3の実施形態に用いられていた基本センサS1〜S3と同様の検出機能を有している。すなわち、外側接続点と内側接続点とを結ぶ連結線上に原点Oを定義し、この連結線上に配置されたZ軸と、このZ軸に直交するX軸と、Z軸およびX軸の双方に直交するY軸と、を有するXYZ三次元直交座標系を定義したとき、各基本センサS1′〜S3′は、内側構造体200Cを固定した状態において外側構造体100Cに作用した外力のX軸まわりのモーメント成分MxおよびY軸まわりのモーメント成分Myを検出することができる。   Of course, each of the basic sensors S1 ′ to S3 ′ has a detection function similar to that of the basic sensors S1 to S3 used in the first to third embodiments. That is, the origin O is defined on a connecting line connecting the outer connecting point and the inner connecting point, and the Z axis arranged on the connecting line, the X axis orthogonal to the Z axis, and both the Z axis and the X axis are defined. When an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system having an orthogonal Y axis is defined, each of the basic sensors S1 'to S3' has an external force acting on the outer structure 100C around the X axis in a state where the inner structure 200C is fixed. Moment component Mx and the moment component My around the Y-axis can be detected.

したがって、図14に示す例と同様に、各基本センサS1′〜S3′について、歪検出基板40の中心位置に原点Oをとり、各座標軸β,δ,εの方向にZ軸を定義し、紙面垂直方向にY軸を定義し、Z軸とY軸との双方に直交する方向にX軸を定義して、個々の基本センサS1′〜S3′ごとにXYZ座標系を定義すれば、演算手段は、各基本センサS1′〜S3′のそれぞれが検出したX軸まわりのモーメント成分Mx1,Mx2,Mx3およびY軸まわりのモーメント成分My1,My2,My3を用いた演算を行うことにより、外側構造体100Cおよび内側構造体200Cについて、一方を固定した状態において他方に作用した外力のαβγ座標系の各座標軸方向の力成分Fα,Fβ,Fγと各座標軸まわりのモーメント成分Mα,Mβ,Mγとを求めることができる。具体的な演算方法は、§4で述べた演算方法と同様であり、図22に示す演算式を利用した演算を行うことにより、他軸干渉を排除した検出値を得ることができる。   Accordingly, as in the example shown in FIG. 14, for each of the basic sensors S1 ′ to S3 ′, the origin O is set at the center position of the strain detection substrate 40, and the Z-axis is defined in the directions of the coordinate axes β, δ, and ε. If the Y-axis is defined in the direction perpendicular to the page, the X-axis is defined in the direction perpendicular to both the Z-axis and the Y-axis, and the XYZ coordinate system is defined for each of the basic sensors S1 'to S3' The means performs an operation using the moment components Mx1, Mx2, Mx3 around the X axis and the moment components My1, My2, My3 around the Y axis detected by each of the basic sensors S1 'to S3', thereby obtaining the outer structure. For the body 100C and the inner structure 200C, the force components Fα, Fβ, Fγ of the external force acting on the other in the state where one of them is fixed and the moment component Mα, Mβ, Mγ can be obtained. A specific calculation method is the same as the calculation method described in §4, and a detection value that eliminates interference from other axes can be obtained by performing a calculation using the calculation formula shown in FIG.

この第4の実施形態に係る力覚センサの内部構造は、図26の縦断面図に詳細に示されている。上述したとおり、外側構造体100Cおよび内側構造体200Cは、γ軸を共通の中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成されている。そして、図示のとおり、外側構造体100Cには、中心軸γが上下方向を向くように配置したときに、その上方開口部を覆う円板状の天板部材150Cが設けられている。また、内側構造体200Cの下方には、その下方開口部を覆う円板状の底板部材250Cが取り付けられており、この底板部材250Cは、台座400Cの上面に固定されている。   The internal structure of the force sensor according to the fourth embodiment is shown in detail in the longitudinal sectional view of FIG. As described above, the outer structure 100C and the inner structure 200C are configured by concentric cylindrical structures having the γ-axis as a common central axis. As shown in the figure, the outer structure 100C is provided with a disk-shaped top plate member 150C that covers the upper opening when the central axis γ is arranged in the vertical direction. A disc-shaped bottom plate member 250C that covers the lower opening is attached to the lower side of the inner structure 200C, and the bottom plate member 250C is fixed to the upper surface of the base 400C.

図26は、図25に示す力覚センサをεγ平面で切断した縦断面図であり(基本センサS3′の部分は側面図)、図の横方向がε軸の方向になる。そして、このε軸(参照軸)に沿って第3の基本センサS3′が配置されている。具体的には、外側構造体100Cの左側の側壁(第1の側壁)の内周面には、取付溝123が掘られており、肉厚の薄いダイアフラム部133が形成されている。そして、第3の基本センサS3′を構成する竿状部23は、このダイアフラム部133の内側面に左端部が接合されており、内側構造体200Cの左側の側壁(第1の側壁)に形成された挿通孔213を通ってε軸(参照軸)に沿って右方へと伸びている。竿状部23の右端部には、起歪体10のダイアフラム部が接続されており、この起歪体10は、内側構造体200Cの右側の側壁(第2の側壁)の内周面に固着されている。   FIG. 26 is a longitudinal sectional view of the force sensor shown in FIG. 25 cut along the εγ plane (the basic sensor S3 ′ is a side view), and the horizontal direction in the figure is the direction of the ε axis. A third basic sensor S3 ′ is arranged along the ε axis (reference axis). Specifically, the attachment groove 123 is dug in the inner peripheral surface of the left side wall (first side wall) of the outer structure 100C, and a thin diaphragm portion 133 is formed. The flange-like portion 23 constituting the third basic sensor S3 ′ has a left end joined to the inner side surface of the diaphragm portion 133, and is formed on the left side wall (first side wall) of the inner structure 200C. It extends rightward along the ε-axis (reference axis) through the insertion hole 213 formed. A diaphragm portion of the strain body 10 is connected to the right end portion of the bowl-shaped portion 23, and the strain body 10 is fixed to the inner peripheral surface of the right side wall (second side wall) of the inner structure 200C. Has been.

こうして、第3の基本センサS3′は、図の左方に示す外側接続点Jε(ε軸とダイアフラム133の内面との交点)と、図の右方に示す内側接続点Iε(ε軸と内側構造体200Cの内周面との交点)と、を挿通孔213を通して連結する連結機能を果たすことになる。図26では、図が繁雑になるのを避けるため、第1の基本センサS1′および第2の基本センサS2′については、竿状部21および22をεγ平面で切断した断面部分のみが示されているが、これら基本センサS1′,S2′についての連結形態も全く同様である。   Thus, the third basic sensor S3 ′ has an outer connection point Jε (intersection of the ε axis and the inner surface of the diaphragm 133) shown on the left side of the drawing and an inner connection point Iε (ε axis and the inner side shown on the right side of the drawing). And a connecting function of connecting through the insertion hole 213 with the inner peripheral surface of the structure 200C. In FIG. 26, only the cross-sectional portion obtained by cutting the bowl-shaped portions 21 and 22 along the εγ plane is shown for the first basic sensor S1 ′ and the second basic sensor S2 ′ in order to prevent the drawing from becoming complicated. However, the connection form of these basic sensors S1 'and S2' is exactly the same.

なお、3組の基本センサS1′,S2′,S3′を配置する参照線となるβ軸,δ軸,ε軸は、αβγ座標系の原点Qで交差するため、竿状部21,22,23を直線状の部材によって構成すると、原点Q付近で互いに接触してしまうことになる。このような相互干渉を避けるためには、少なくとも一部の基本センサの竿状部を、他の基本センサの竿状部との接触を回避できるように湾曲させればよい。   Note that the β-axis, δ-axis, and ε-axis serving as reference lines for arranging the three basic sensors S1 ′, S2 ′, and S3 ′ intersect at the origin Q of the αβγ coordinate system. If 23 is comprised by a linear member, it will mutually contact in the origin Q vicinity. In order to avoid such mutual interference, at least some hooks of the basic sensors may be curved so as to avoid contact with hooks of other basic sensors.

図示の例の場合、第1の基本センサS1′の竿状部21は直線状の細長い円柱状部材によって構成されているが(図では、原点Qの位置に楕円状の切断面が示されている)、第3の基本センサS3′の竿状部23は、図示のとおり、基本的には直線状の細長い円柱状部材によって構成されているものの、原点Q付近では、竿状部21の上方を通過できるように上方に湾曲している。一方、第2の基本センサS2′の竿状部22も、基本的には直線状の細長い円柱状部材によって構成されているものの、原点Q付近では、竿状部21の下方を通過できるように下方に湾曲している(図では、原点Qの下方位置に楕円状の切断面が示されている)。   In the case of the illustrated example, the bowl-shaped portion 21 of the first basic sensor S1 ′ is constituted by a linear elongated cylindrical member (in the drawing, an elliptical cut surface is shown at the position of the origin Q). As shown in the figure, the bowl-shaped portion 23 of the third basic sensor S3 ′ is basically composed of a straight and elongated cylindrical member, but in the vicinity of the origin Q, above the bowl-shaped portion 21. It is curved upward so that it can pass through. On the other hand, the bowl-shaped part 22 of the second basic sensor S2 ′ is basically also constituted by a straight and elongated cylindrical member, but can pass under the bowl-shaped part 21 in the vicinity of the origin Q. It is curved downward (in the figure, an elliptical cut surface is shown below the origin Q).

図26に示す力覚センサでは、図に斜線によるハッチングを施して示すとおり、内側構造体200Cと底板部材250Cとは、同一材料によって構成された一体構造をなすカップ状の構造体によって構成されており、その底面は、台座400Cの上面に接着されている。一方、図にドットによるハッチングを施して示すとおり、外側構造体100Cと天板部材150Cとは、やはり同一材料によって構成された一体構造をなすカップ状の構造体によって構成されている。   In the force sensor shown in FIG. 26, as shown by hatching in the drawing, the inner structure 200C and the bottom plate member 250C are configured by a cup-shaped structure that forms an integral structure made of the same material. The bottom surface is bonded to the top surface of the base 400C. On the other hand, as shown by hatching with dots in the figure, the outer structure 100C and the top plate member 150C are configured by a cup-shaped structure that is also formed of the same material and forms an integral structure.

結局、この力覚センサは、2組のカップ状構造体を、弾性変形機能をもった3組の基本センサS1′〜S3′によって連結した基本構造を有していることになり、台座400Cを固定した状態において、外側構造体100Cもしくは天板部材150Cに外力を作用させると、前述したとおり、当該外力について、Fα,Fβ,Fγ,Mα,Mβ,Mγという6軸成分を検出することが可能になる。   After all, this force sensor has a basic structure in which two sets of cup-shaped structures are connected by three sets of basic sensors S1 'to S3' having an elastic deformation function. When an external force is applied to the outer structure 100C or the top plate member 150C in the fixed state, as described above, it is possible to detect the six-axis components Fα, Fβ, Fγ, Mα, Mβ, and Mγ for the external force. become.

この第4の実施形態では、基本センサS1′〜S3′の一部分(竿状部22,23の一部分)を湾曲構造にし、内側構造体200Cに挿通孔211〜213を設ける等の加工が必要になるが、第1の実施形態に比べると、外径を小さく設計できるという利点が得られる。   In the fourth embodiment, a part of the basic sensors S1 ′ to S3 ′ (parts of the bowl-shaped portions 22 and 23) has a curved structure, and processing such as providing the insertion holes 211 to 213 in the inner structure 200C is necessary. However, as compared with the first embodiment, there is an advantage that the outer diameter can be designed to be small.

図26に示すとおり、底板部材250Cの上面には、回路基板500Cが固着されている。図示は省略するが、各基本センサS1′〜S3′と回路基板500Cとの間には、各基本センサS1′〜S3′によって検出された検出値Mx1,Mx2,Mx3,My1,My2,My3を伝達するための配線が施されており、回路基板500Cには、これらの検出値に基づいて上記6軸成分を求める演算を行うための演算回路が形成されている。   As shown in FIG. 26, the circuit board 500C is fixed to the upper surface of the bottom plate member 250C. Although not shown, detection values Mx1, Mx2, Mx3, My1, My2, My3 detected by the basic sensors S1 'to S3' are provided between the basic sensors S1 'to S3' and the circuit board 500C. Wiring for transmission is provided, and an arithmetic circuit for performing calculation for obtaining the six-axis component based on these detection values is formed on the circuit board 500C.

また、前述した第1の実施形態に係る力覚センサと同様に、この第4の実施形態に係る力覚センサにも、基本センサS1′〜S3′に過度の外力が加わらないようにするための2通りの制御構造が組み込まれている。   Similarly to the force sensor according to the first embodiment described above, the force sensor according to the fourth embodiment is also adapted to prevent an excessive external force from being applied to the basic sensors S1 ′ to S3 ′. These two control structures are incorporated.

第1の制御構造は、外側構造体100Cと内側構造体200Cとを、γ軸を共通の中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成したことにより実現されている。図26に示すように、外側構造体100Cの内周面と内側構造体200Cの外周面との間には所定の空隙が形成されている。そこで、この空隙の寸法を適切に設定することにより、内側構造体200Cに対する外側構造体100Cの変位を適切な範囲内に制御し、基本センサS1′〜S3′に過度の外力が加わらないようにしている。   The first control structure is realized by configuring the outer structure body 100C and the inner structure body 200C with a concentric cylindrical structure body having the γ-axis as a common central axis. As shown in FIG. 26, a predetermined gap is formed between the inner peripheral surface of the outer structure 100C and the outer peripheral surface of the inner structure 200C. Therefore, by appropriately setting the size of the gap, the displacement of the outer structure 100C with respect to the inner structure 200C is controlled within an appropriate range so that excessive external force is not applied to the basic sensors S1 ′ to S3 ′. ing.

要するに、内側構造体200Cに対する外側構造体100Cの変位が所定の許容範囲に達した場合に、内側構造体200Cの外周面と外側構造体100Cの内周面とが接触し、それ以上の変位が制限されるように、内側構造体200Cと外側構造体100Cとの間隔が所定値に設定されており、各基本センサS1′〜S3′が、内側構造体200Cに対する外側構造体100Cの変位が上記許容範囲内である限りにおいて、正常な検出機能を果たすように設計すればよい。   In short, when the displacement of the outer structure 100C with respect to the inner structure 200C reaches a predetermined allowable range, the outer peripheral surface of the inner structure 200C and the inner peripheral surface of the outer structure 100C come into contact with each other, and further displacement occurs. The distance between the inner structure 200C and the outer structure 100C is set to a predetermined value so that the basic sensors S1 ′ to S3 ′ have the displacement of the outer structure 100C relative to the inner structure 200C as described above. What is necessary is just to design so that a normal detection function may be fulfill | permitted as long as it is in an allowable range.

この第4の実施形態に係る力覚センサが採用している第2の制御構造は、竿状部21〜23と挿通孔211〜213との組み合わせである。たとえば、図26に示す竿状部23は、内側構造体200Cの側壁に設けられた挿通孔213を通るように配置されている。そこで、内側構造体200Cに対する外側構造体100Cの変位が所定の許容範囲に達した場合に、内側構造体200Cに形成された挿通孔213と、この挿通孔213を通る竿状部23(すなわち、基本センサS3′の一部分)とが接触し、それ以上の変位が制限されるように、挿通孔213との間隔を所定値に設定しておき、基本センサS3′が、内側構造体200Cに対する外側構造体100Cの変位が上記許容範囲内である限りにおいて、正常な検出機能を果たすように設計すればよい。基本センサS1′,S2′についても同様である。   The second control structure adopted by the force sensor according to the fourth embodiment is a combination of the hook-shaped portions 21 to 23 and the insertion holes 211 to 213. For example, the bowl-shaped portion 23 shown in FIG. 26 is disposed so as to pass through the insertion hole 213 provided in the side wall of the inner structure 200C. Therefore, when the displacement of the outer structure 100C relative to the inner structure 200C reaches a predetermined allowable range, the insertion hole 213 formed in the inner structure 200C and the hook-like portion 23 (that is, the insertion hole 213 passing through the insertion hole 213) The gap with the insertion hole 213 is set to a predetermined value so that the further displacement is limited, and the basic sensor S3 ′ is outside the inner structure 200C. As long as the displacement of the structure 100C is within the allowable range, it may be designed to perform a normal detection function. The same applies to the basic sensors S1 'and S2'.

なお、図25および図26に示す実施形態では、外側構造体100Cの外周面にダイアフラム部131,132,133が露出している。このため、側面から加えられた外力がダイアフラム部131,132,133に直接作用すると、この部分が直接変形し、正確な検出値を得ることができないおそれがある。   In the embodiment shown in FIGS. 25 and 26, diaphragm portions 131, 132, and 133 are exposed on the outer peripheral surface of the outer structure 100C. For this reason, when an external force applied from the side acts directly on the diaphragm portions 131, 132, and 133, this portion may be directly deformed, and an accurate detection value may not be obtained.

このような弊害を避けるためには、図27に示す変形例のように、外側構造体100Cの更に外側に、筒状の構造体からなる外殻構造体300Cを設け、その上方に円板状の連結部材350Cを設け、連結部材350Cを天板部材150Cの上面に接着することにより、外殻構造体300Cと外側構造体100Cとを接続するようにすればよい。この変形例では、台座400Cを固定した状態において、外殻構造体300Cもしくは連結部材350Cに外力を作用させると、当該外力は、天板部材150Cを介して外側構造体100Cに伝達され、各基本センサS1′〜S3′が弾性変形することにより、図にドットによるハッチングを施した構成部分が一体となって変位を生じることになる。しかも、ダイアフラム部131,132,133は、外殻構造体300Cによって保護されているため、外力の作用を直接受けることはない。また、外側構造体100Cの外周面と、外殻構造体300Cの内周面との間には、所定の空隙が確保されているため、ダイアフラム部131,132,133の自由変形が阻害されることもない。   In order to avoid such an adverse effect, an outer shell structure 300C made of a cylindrical structure is provided on the outer side of the outer structure 100C as in the modification shown in FIG. The connecting member 350C may be provided, and the connecting member 350C may be bonded to the upper surface of the top plate member 150C to connect the outer shell structure 300C and the outer structure 100C. In this modification, when an external force is applied to the outer shell structure 300C or the connecting member 350C in a state where the pedestal 400C is fixed, the external force is transmitted to the outer structure 100C via the top plate member 150C. When the sensors S1 'to S3' are elastically deformed, the components hatched with dots in the figure are integrated and displaced. In addition, since the diaphragm portions 131, 132, and 133 are protected by the outer shell structure 300C, they are not directly subjected to the action of external force. In addition, since a predetermined gap is secured between the outer peripheral surface of the outer structure 100C and the inner peripheral surface of the outer shell structure 300C, free deformation of the diaphragm portions 131, 132, and 133 is hindered. There is nothing.

<<< §8. 種々の変形例 >>>
これまで、本発明に係る力覚センサを、第1〜第4の実施形態に基づいて説明した。ここでは、これらの実施形態に対するいくつかの変形例を述べることにする。
<<< §8. Various modifications >>
So far, the force sensor according to the present invention has been described based on the first to fourth embodiments. Here, some modifications to these embodiments will be described.

<8.1 基本センサの数に関する変形例>
今まで述べた実施形態では、3組の基本センサが用いられていたが、本発明を実施するにあたり、基本センサの数は3組に限定されるものではない。本発明に係る力覚センサは、3組以上であれば、任意の数の基本センサを用いて構成することができる。要するに、本発明に係る力覚センサは、内部に収容空間を有する外側構造体と、少なくとも一部がこの収容空間内に収容された内側構造体との間を、複数n組(但し、n≧3)の基本センサによって連結し、演算手段によって、これらn組の基本センサの検出値を用いた演算を行うことにより、作用した外力の検出が行われるようにすればよい。
<8.1 Modification regarding the number of basic sensors>
In the embodiments described so far, three sets of basic sensors have been used. However, in implementing the present invention, the number of basic sensors is not limited to three sets. The force sensor according to the present invention can be configured using any number of basic sensors as long as there are three or more pairs. In short, the force sensor according to the present invention includes a plurality of n sets (provided that n ≧≧) between an outer structure having an accommodation space inside and an inner structure at least a part of which is accommodated in the accommodation space. The applied external force may be detected by connecting with the basic sensor of 3) and performing calculation using the detection values of these n sets of basic sensors by the calculation means.

図28は、4組の基本センサを用いた変形例に係る力覚センサをαβ平面で切断した横断面図(基本センサS1〜S4については上面図)である。ここでは、図の上方に配置された基本センサを第1の基本センサS1と呼び、以下、反時計まわりの順に、第2の基本センサS2、第3の基本センサS3、第4の基本センサS4と呼ぶことにする。第1の基本センサS1は、β軸正領域が中心軸となるように配置され、第2の基本センサS2は、α軸負領域が中心軸となるように配置され、第3の基本センサS3は、β軸負領域が中心軸となるように配置され、第4の基本センサS4は、α軸正領域が中心軸となるように配置されている。   FIG. 28 is a cross-sectional view (a top view of the basic sensors S1 to S4) in which a force sensor according to a modification using four sets of basic sensors is cut along an αβ plane. Here, the basic sensor arranged in the upper part of the drawing is referred to as a first basic sensor S1, and hereinafter, the second basic sensor S2, the third basic sensor S3, and the fourth basic sensor S4 in the counterclockwise order. I will call it. The first basic sensor S1 is arranged so that the β-axis positive region is the central axis, and the second basic sensor S2 is arranged so that the α-axis negative region is the central axis, and the third basic sensor S3 Are arranged so that the β-axis negative region becomes the central axis, and the fourth basic sensor S4 is arranged so that the α-axis positive region becomes the central axis.

この変形例は、図12に示す第1の実施形態における基本センサの数を3組から4組に変更した例であり、基本的な構造は、§3で述べた第1の実施形態と同様である。そこで、この変形例の各構成要素の符号には、第1の実施形態の対応する構成要素の符号に「D」を付した符号を用いることにする。両者の相違は、第1の実施形態では、図12に示すように内側構造体200が三角柱によって構成されていたのに対し、図28に示す変形例の内側構造体200Dは四角柱によって構成されており、その4つの側面に、それぞれ基本センサS1〜S4が設けられている点である。   This modification is an example in which the number of basic sensors in the first embodiment shown in FIG. 12 is changed from three to four, and the basic structure is the same as that of the first embodiment described in §3. It is. Therefore, as the reference numerals of the constituent elements in this modification, the reference numerals of the corresponding constituent elements in the first embodiment with “D” are used. The difference between the two is that in the first embodiment, the inner structure 200 is configured by a triangular prism as shown in FIG. 12, whereas the inner structure 200D of the modified example shown in FIG. 28 is configured by a square pole. The basic sensors S1 to S4 are provided on the four side surfaces, respectively.

図示のとおり、内側構造体200Dは、正方形の断面をもつ四角柱によって構成されており、この内側構造体200Dの外側に、円筒状の外側構造体100Dが配置され、更にその外側に外殻構造体300Dが配置されている。その余の構成は、§3で述べた第1の実施形態と同様である。   As shown in the figure, the inner structure 200D is configured by a square column having a square cross section, and a cylindrical outer structure 100D is disposed outside the inner structure 200D, and an outer shell structure is formed outside the cylindrical outer structure 100D. A body 300D is arranged. The rest of the configuration is the same as that of the first embodiment described in §3.

すなわち、外殻構造体300Dの上方開口部を覆う円板状部材によって連結部材が構成され、内側構造体200Dの上面は、この連結部材の下面に接合されている。そして、この連結部材は、内側構造体200Dおよび外殻構造体300Dと一体構造をなす。また、外側構造体100Dの下方には、その開口部を覆う底板部材が形成されており、この底板部材は台座に固定されている。そして、演算手段は、底板部材の上面に固定された回路基板上に形成された演算回路によって構成されている。   That is, the connecting member is constituted by a disk-like member that covers the upper opening of the outer shell structure 300D, and the upper surface of the inner structure 200D is joined to the lower surface of the connecting member. And this connection member makes integral structure with inner structure 200D and outer shell structure 300D. Further, a bottom plate member that covers the opening is formed below the outer structure 100D, and the bottom plate member is fixed to the pedestal. And the calculating means is comprised by the calculating circuit formed on the circuit board fixed to the upper surface of the baseplate member.

外側構造体100Dと外殻構造体300Dとは、γ軸を共通の中心軸とする同心円筒をなし、両者の間には所定の空隙寸法が確保されている。この空隙の寸法は、外側構造体100Dに対する外殻構造体300Dの変位を適切な範囲内に制御可能な寸法に設定されており、基本センサS1〜S4に過度の外力が加わらないような制御構造が実現されている。なお、この変形例では、制御溝と制御突起からなる制御構造は省略されているが、もちろん必要に応じて、制御溝と制御突起からなる制御構造を追加してもかまわない。   The outer structure 100D and the outer shell structure 300D are concentric cylinders having the γ-axis as a common central axis, and a predetermined gap dimension is secured between them. The dimension of the gap is set to a dimension that can control the displacement of the outer shell structure 300D with respect to the outer structure 100D within an appropriate range, and a control structure that does not apply an excessive external force to the basic sensors S1 to S4. Is realized. In this modified example, the control structure including the control groove and the control protrusion is omitted, but a control structure including the control groove and the control protrusion may be added as needed.

内側構造体200Dを構成する四角柱の各側面には、4組の内側接続点(黒丸で示す)が設けられている。すなわち、α軸正領域との交点位置には内側接続点Iα+が設けられ、α軸負領域との交点位置には内側接続点Iα−が設けられ、β軸正領域との交点位置には内側接続点Iβ+が設けられ、β軸負領域との交点位置には内側接続点Iβ−が設けられている。これに対して、外側構造体100Dの内周面における対向位置には、4組の外側接続点(白丸で示す)が設けられている。すなわち、α軸正領域との交点位置には外側接続点Jα+が設けられ、α軸負領域との交点位置には外側接続点Jα−が設けられ、β軸正領域との交点位置には外側接続点Jβ+が設けられ、β軸負領域との交点位置には外側接続点Jβ−が設けられている。   Four sets of inner connection points (indicated by black circles) are provided on each side surface of the quadrangular prism constituting the inner structure 200D. That is, an inner connection point Iα + is provided at the intersection point with the α-axis positive region, an inner connection point Iα− is provided at the intersection point with the α-axis negative region, and an inner point at the intersection point with the β-axis positive region. A connection point Iβ + is provided, and an inner connection point Iβ− is provided at the intersection point with the β-axis negative region. On the other hand, four sets of outer connection points (indicated by white circles) are provided at opposing positions on the inner peripheral surface of the outer structure 100D. In other words, the outer connection point Jα + is provided at the intersection position with the α-axis positive region, the outer connection point Jα− is provided at the intersection position with the α-axis negative region, and the outer connection point Jα− is provided at the intersection position with the β-axis positive region. A connection point Jβ + is provided, and an outer connection point Jβ− is provided at the intersection point with the β-axis negative region.

4組の基本センサS1〜S4は、図示のとおり、これら各内側接続点と各外側接続点とを連結する連結機能を果たすことになる。各基本センサS1〜S4は、図1に示す基本センサSによって構成されており、上記連結機能の他に、外力の作用により弾性変形する変形機能と、作用した外力によって生じたモーメント成分を検出する検出機能と、を有している。各基本センサS1〜S4は、互いに検出感度が等しい同一のセンサである。   As shown in the figure, the four sets of basic sensors S1 to S4 fulfill a connecting function for connecting these inner connection points and outer connection points. Each of the basic sensors S1 to S4 is configured by the basic sensor S shown in FIG. 1, and detects a deformation function that is elastically deformed by the action of an external force and a moment component generated by the applied external force in addition to the above-described connection function. And a detection function. The basic sensors S1 to S4 are the same sensor having the same detection sensitivity.

ここでも、力覚センサ全体について、中心点Qを原点とするαβγグローバル座標系を定義し、個々の基本センサS1〜S4のそれぞれについて、歪検出基板の中心位置を原点OとするXYZローカル座標系を定義すれば、各基本センサS1〜S4は、それぞれのXYZ座標系におけるX軸まわりのモーメント成分MxおよびY軸まわりのモーメント成分Myを検出することができる。ただ、図12に示す第1の実施形態の場合、3組の基本センサS1〜S3の各Z軸が、互いに120°をなすように、β軸,δ軸,ε軸に沿って配置されていたのに対し、図28に示す変形例の場合、4組の基本センサS1〜S4の各Z軸が、互いに90°をなすように、β軸負方向、α軸正方向、β軸正方向、α軸負方向に沿って配置されている。別言すれば、各基本センサS1〜S4のZ軸正方向は、いずれも原点Qに向かう方向を向いている。   Here again, an αβγ global coordinate system with the center point Q as the origin is defined for the entire force sensor, and an XYZ local coordinate system with the center position of the strain detection board as the origin O for each of the basic sensors S1 to S4. , Each of the basic sensors S1 to S4 can detect the moment component Mx around the X axis and the moment component My around the Y axis in the respective XYZ coordinate systems. However, in the case of the first embodiment shown in FIG. 12, the Z axes of the three sets of basic sensors S1 to S3 are arranged along the β axis, the δ axis, and the ε axis so as to form 120 ° from each other. On the other hand, in the modification shown in FIG. 28, the β-axis negative direction, the α-axis positive direction, and the β-axis positive direction so that the Z axes of the four sets of basic sensors S1 to S4 form 90 ° with each other. Are arranged along the negative direction of the α-axis. In other words, the Z-axis positive direction of each of the basic sensors S1 to S4 is directed toward the origin Q.

具体的には、第1の基本センサS1について定義されたZ軸正方向はβ軸負方向に一致し、第2の基本センサS2について定義されたZ軸正方向はα軸正方向に一致し、第3の基本センサS3について定義されたZ軸正方向はβ軸正方向に一致し、第4の基本センサS4について定義されたZ軸正方向はα軸負方向に一致する。また、図14に示す第1の実施形態の場合と同様に、各基本センサS1〜S4についてのY軸正方向は、紙面垂直下方向(紙面の裏側に向かう方向)に定義され、X軸正方向は、原点Qを中心とした円について反時計まわりの接線方向に定義されるものとする。   Specifically, the Z-axis positive direction defined for the first basic sensor S1 matches the β-axis negative direction, and the Z-axis positive direction defined for the second basic sensor S2 matches the α-axis positive direction. The Z-axis positive direction defined for the third basic sensor S3 matches the β-axis positive direction, and the Z-axis positive direction defined for the fourth basic sensor S4 matches the α-axis negative direction. Further, as in the case of the first embodiment shown in FIG. 14, the Y-axis positive direction for each of the basic sensors S1 to S4 is defined as the vertical downward direction (the direction toward the back side of the paper surface), and the X-axis positive direction. The direction is defined as a tangential direction counterclockwise with respect to a circle centered on the origin Q.

結局、この変形例の場合、4組の基本センサS1〜S4のそれぞれから、X軸まわりのモーメント成分MxおよびY軸まわりのモーメント成分Myが検出され、演算手段は、合計8組の検出値に基づいて、作用した外力のαβγ座標系における6軸成分を求める演算を行うことができる。第1の実施形態の場合、図22に示す演算式に基づく演算により6軸成分が得られたのに対して、ここに示す変形例の場合、図29に示す演算式に基づく演算により6軸成分を得ることができる。   Eventually, in the case of this modification, the moment component Mx around the X axis and the moment component My around the Y axis are detected from each of the four sets of basic sensors S1 to S4. Based on this, it is possible to calculate 6-axis components in the αβγ coordinate system of the applied external force. In the case of the first embodiment, six-axis components are obtained by the calculation based on the calculation formula shown in FIG. 22, whereas in the modification shown here, the six-axis component is calculated by the calculation based on the calculation formula shown in FIG. Ingredients can be obtained.

すなわち、この変形例に係る力覚センサの演算手段は、第1の基本センサS1が検出したX軸まわりのモーメント成分をMx1、第1の基本センサS1が検出したY軸まわりのモーメント成分をMy1、第2の基本センサS2が検出したX軸まわりのモーメント成分をMx2、第2の基本センサS2が検出したY軸まわりのモーメント成分をMy2、第3の基本センサS3が検出したX軸まわりのモーメント成分をMx3、第3の基本センサS3が検出したY軸まわりのモーメント成分をMy3、第4の基本センサS4が検出したX軸まわりのモーメント成分をMx4、第4の基本センサS4が検出したY軸まわりのモーメント成分をMy4としたときに、所定の係数値K21,K22,K23,K24,K25,K26を用いた
Fα=K21(−My1+My3)
Fβ=K22(−My2+My4)
Fγ=K23(Mx1+Mx2+Mx3+Mx4)
Mα=K24(Mx1−Mx3)
Mβ=K25(Mx2−Mx4)
Mγ=K26(My1+My2+My3+My4)
なる演算を行うことにより、力成分Fα,Fβ,Fγおよびモーメント成分Mα,Mβ,Mγの6成分を検出することができる。
That is, the calculation means of the force sensor according to this modified example uses Mx1 as the moment component around the X axis detected by the first basic sensor S1, and My1 as the moment component around the Y axis as detected by the first basic sensor S1. The moment component around the X axis detected by the second basic sensor S2 is Mx2, the moment component around the Y axis detected by the second basic sensor S2 is My2, and the moment component around the X axis detected by the third basic sensor S3 is The moment component Mx3, the moment component around the Y axis detected by the third basic sensor S3 is My3, the moment component around the X axis detected by the fourth basic sensor S4 is detected by Mx4, and the fourth basic sensor S4 When the moment component around the Y-axis is My4, Fα = K2 using predetermined coefficient values K21, K22, K23, K24, K25, K26 (-My1 + My3)
Fβ = K22 (−My2 + My4)
Fγ = K23 (Mx1 + Mx2 + Mx3 + Mx4)
Mα = K24 (Mx1-Mx3)
Mβ = K25 (Mx2-Mx4)
Mγ = K26 (My1 + My2 + My3 + My4)
It is possible to detect six components of force components Fα, Fβ, Fγ and moment components Mα, Mβ, Mγ.

しかも、上記演算式によって求めた6軸成分は、第1の実施形態と同様に、他軸干渉のない独立した検出値になる。ここでは、上記演算式によって、各軸成分の検出値が得られる理由および他軸成分の干渉を排除できる理由についての個別の説明は省略するが、§4で詳述した第1の実施形態についての検出動作を踏まえれば、上記演算式によって他軸干渉のない6軸成分が求まることは容易に理解できよう。   In addition, the 6-axis component obtained by the above arithmetic expression becomes an independent detection value free from other-axis interference, as in the first embodiment. Here, although the individual explanation about the reason why the detection value of each axis component is obtained by the above arithmetic expression and the reason why the interference of other axis components can be eliminated is omitted, the first embodiment described in detail in §4 is omitted. Based on this detection operation, it can be easily understood that the 6-axis component free from other-axis interference can be obtained by the above calculation formula.

図22に示す演算式(120°おきに3組の基本センサを配置した場合の演算式)と、図29に示す演算式(90°おきに4組の基本センサを配置した場合の演算式)とを比べればわかるとおり、前者が各項にルート演算を含む係数値が乗じられた式であるのに対して、後者は単純な加減算のみである。したがって、90°おきに4組の基本センサを配置した変形例は、演算手段の演算負担が軽減されるというメリットを有している。しかしながら、120°おきに3組の基本センサを配置した変形例に比べると、基本センサの数が増えるため、装置が大型化し、コスト高になるというデメリットが生じることになる。   Calculation formula shown in FIG. 22 (calculation formula when three sets of basic sensors are arranged every 120 °) and calculation formula shown in FIG. 29 (calculation formula when four sets of basic sensors are arranged every 90 °) As can be seen from the above, the former is an expression in which each term is multiplied by a coefficient value including a root operation, whereas the latter is only a simple addition / subtraction. Therefore, the modification in which four sets of basic sensors are arranged every 90 ° has an advantage that the calculation load of the calculation means is reduced. However, as compared with the modified example in which three sets of basic sensors are arranged at intervals of 120 °, the number of basic sensors is increased, resulting in a disadvantage that the apparatus is increased in size and cost.

以上、§3,§4で述べた第1の実施形態を基本として、用いる基本センサの数を3組から4組に増やす変形例を述べたが、もちろん、§5〜§7で述べた第2〜第4の実施形態についても、基本センサの数を3組から4組に増やす変形が可能である。   As described above, based on the first embodiment described in §3 and §4, the modification in which the number of basic sensors to be used is increased from 3 to 4 has been described. Also in the second to fourth embodiments, the number of basic sensors can be changed from three to four.

たとえば、第3の実施形態では、図24に示すような三角錐状の内側構造体200Bを用いる例を示したが、内側構造体を、正方形の横断面をもつ四角錐(いわゆる、ピラミッド型)によって構成し、この四角錐の各側面にそれぞれ内側接続点を設け、4組の基本センサにより、それぞれ各内側接続点と外側構造体の対向位置に設けられた外側接続点とを連結すれば、第3の実施形態の基本センサの数を3組から4組に増やした変形例が実現できる。   For example, in the third embodiment, an example in which a triangular pyramid-shaped inner structure 200B as shown in FIG. 24 is used has been described. However, the inner structure is a quadrangular pyramid having a square cross section (so-called pyramid type). And connecting each of the inner connection points and the outer connection points provided at the opposing positions of the outer structure by four sets of basic sensors. A modification in which the number of basic sensors of the third embodiment is increased from 3 to 4 can be realized.

この場合、4組の基本センサは、中心軸(Z軸)がαβ平面に対して傾斜角θだけ傾斜した状態で配置されることになるが、これら中心軸をαβ平面に投影した投影線は、α軸またはβ軸上に位置することになる。このように、4組の基本センサの中心軸(Z軸)を傾斜角θだけ傾斜させる変形例の場合、演算手段は、図29に示す演算式ではなく、角度θの三角関数を含んだより複雑な演算式を用いた演算を行う必要があるが、装置設計の自由度が増すため、高さを抑制したい、あるいは、径の大きさを抑制したい等の要望に応えることが容易になる。   In this case, the four basic sensors are arranged with the central axis (Z-axis) inclined by an inclination angle θ with respect to the αβ plane, but the projection lines obtained by projecting these central axes on the αβ plane are , Located on the α-axis or β-axis. As described above, in the modification in which the central axes (Z-axis) of the four sets of basic sensors are inclined by the inclination angle θ, the calculation means is not the calculation expression shown in FIG. 29 but includes a trigonometric function of the angle θ. Although it is necessary to perform a calculation using a complicated arithmetic expression, the degree of freedom in device design increases, so that it becomes easy to meet demands for suppressing the height or suppressing the size of the diameter.

もちろん、用いる基本センサの数は3組や4組に限定されるものではなく、5組以上の基本センサを用いる構成を採ることも可能である。ただ、基本センサの数を増やせば増やすほど、装置は大型化し、コストも高騰することになるので、実際には、3組もしくは4組の基本センサを用いるのが好ましい。一般に、外側構造体によって内側構造体を変位自在に安定して支持するには、3組の基本センサを用いれば十分であるので、実用上は、3組の基本センサを用いた実施形態が最適と言える。   Of course, the number of basic sensors to be used is not limited to three or four, and a configuration using five or more basic sensors may be employed. However, the larger the number of basic sensors, the larger the device and the higher the cost. Therefore, it is actually preferable to use three or four basic sensors. In general, it is sufficient to use three sets of basic sensors to stably support the inner structure by the outer structure so that the inner structure can be freely displaced. Therefore, in practice, an embodiment using three sets of basic sensors is optimal. It can be said.

なお、本発明に係る力覚センサを構成する基本センサは、外側接続点と内側接続点と連結する連結機能を有しているが、外側接続点の位置および内側接続点の位置は、これまで述べてきた実施形態や変形例に示されている位置に限定されるものではない。   The basic sensor constituting the force sensor according to the present invention has a connecting function for connecting the outer connection point and the inner connection point, but the position of the outer connection point and the position of the inner connection point have hitherto been It is not limited to the positions shown in the embodiments and modifications described above.

ただ、実用上は、第1〜第3の実施形態のように、内側構造体として柱状の構造体を利用する場合には、外側接続点と内側接続点とを結ぶ連結線が、内側構造体を構成する柱状の構造体の外面に対して直交するように、各基本センサを配置するようにし、第4の実施形態のように、内側構造体および外側構造体として同心の円筒状構造体を利用する場合には、外側接続点と内側接続点とを結ぶ連結線が、外側構造体および内側構造体の共通中心軸に対して直交するように、各基本センサを配置するのが好ましい。このような配置を採れば、各基本センサのZ軸が、αβγ座標系のγ軸もしくは原点Gを中心として放射状に外側に向くような配置が可能になり、演算手段による演算処理をより単純化する効果が得られるようになる。   However, practically, as in the first to third embodiments, when a columnar structure is used as the inner structure, the connecting line connecting the outer connection point and the inner connection point is the inner structure. Each of the basic sensors is arranged so as to be orthogonal to the outer surface of the columnar structure that forms the structure, and concentric cylindrical structures are used as the inner structure and the outer structure as in the fourth embodiment. When used, it is preferable to arrange each basic sensor so that a connecting line connecting the outer connection point and the inner connection point is orthogonal to the common central axis of the outer structure and the inner structure. If such an arrangement is adopted, the Z-axis of each basic sensor can be arranged radially outward with the γ-axis or origin G of the αβγ coordinate system as the center, and the calculation processing by the calculation means is further simplified. The effect to do.

<8.2 基本センサ取付部の構造に関する変形例>
§3では、図12および図13に示す第1の実施形態の構造を説明した。この第1の実施形態では、外側構造体100は円筒状の構造体であり、3組の基本センサS1〜S3の受力体30は、この外側構造体100の内周面に固定されている。一方、§4では、この第1の実施形態による検出動作を説明した。特に、図19を参照した説明では、内側構造体200に対してβ軸正まわりのモーメント+Mβが作用したときの検出動作を述べた。
<8.2 Modification regarding structure of basic sensor mounting part>
In §3, the structure of the first embodiment shown in FIGS. 12 and 13 has been described. In the first embodiment, the outer structure 100 is a cylindrical structure, and the force receiving bodies 30 of the three basic sensors S1 to S3 are fixed to the inner peripheral surface of the outer structure 100. . On the other hand, in §4, the detection operation according to the first embodiment has been described. In particular, in the description with reference to FIG. 19, the detection operation when the moment + Mβ around the β axis is applied to the inner structure 200 has been described.

この図19に示す検出動作では、第1の基本センサS1に対しても、β軸正まわりのモーメント+Mβが作用することになるが、図1に示す基本センサSは、その構造上、Z軸まわりのモーメント成分Mzが作用したときに、必ずしも十分な変形を生じる可撓性を有していない。すなわち、図1(b) の側面図に示すとおり、接続部材20の上下両端はダイアフラム部11,31の中心部に接続されているため、この基本センサSは、図6や図7に例示するような変形は生じやすい。しかしながら、ダイアフラム部11,31に対してZ軸まわりのモーメントMzを加えても、必ずしも十分な変形が生じるわけではない。したがって、図19に示すように、力覚センサの内側構造体200に対して、β軸正まわりのモーメント+Mβが作用した場合、第1の基本センサS1はβ軸まわりに十分な変形を生じることができず、第2および第3の基本センサS2,S3に生じる変形を抑制し、検出感度を低下させてしまう可能性がある。   In the detection operation shown in FIG. 19, the moment + Mβ around the β axis is also applied to the first basic sensor S1, but the basic sensor S shown in FIG. When the surrounding moment component Mz acts, it is not necessarily flexible enough to cause sufficient deformation. That is, as shown in the side view of FIG. 1 (b), the upper and lower ends of the connecting member 20 are connected to the central portions of the diaphragm portions 11 and 31, and therefore this basic sensor S is exemplified in FIGS. Such deformation is likely to occur. However, even if a moment Mz around the Z axis is applied to the diaphragm portions 11 and 31, sufficient deformation does not necessarily occur. Accordingly, as shown in FIG. 19, when a moment + Mβ around the β axis is applied to the inner structure 200 of the force sensor, the first basic sensor S1 is sufficiently deformed around the β axis. May not be able to be performed, and deformation that occurs in the second and third basic sensors S2 and S3 may be suppressed and detection sensitivity may be reduced.

そもそも、図1に示す基本センサSは、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軸方向の力Fzを検出するセンサであるため、これらのモーメントや力が作用した場合は検出に十分な変形が生じるように設計されているが、Z軸まわりのモーメントMzが作用した場合には、必ずしも十分な変形が生じるわけではない。一方、この基本センサSを本発明に係る力覚センサに利用し、たとえば、図19に示すように、β軸まわりのモーメントMβの検出に利用する場合には、少なくとも第1の基本センサS1は、Z軸まわりのモーメントMzが作用したときに十分な変形が生じる構造を有しているのが好ましい。   In the first place, the basic sensor S shown in FIG. 1 is a sensor that detects a moment Mx around the X axis, a moment My around the Y axis, and a force Fz in the Z axis direction, and therefore detects when these moments or forces are applied. However, when the moment Mz around the Z-axis is applied, sufficient deformation does not necessarily occur. On the other hand, when the basic sensor S is used for the force sensor according to the present invention, for example, as shown in FIG. 19, for detecting the moment Mβ around the β axis, at least the first basic sensor S1 is It is preferable to have a structure in which sufficient deformation occurs when the moment Mz about the Z-axis acts.

図1に示す基本センサSにZ軸まわりに関する可撓性をもたせる方法の1つは、接続部材20の部分に加工を施し、Z軸を中心として捻れる方向に変形しやすい構造にすることである。ただ、この方法には、接続部材20の構造が複雑になり、製造コストの高騰を招くという問題がある。別な方法としては、接続部材20の全長を伸ばすという方法もある。一般的な金属によって接続部材20を構成した場合、ある程度の弾性変形が生じるので、その全長が長くなればなるほど、捻れ方向の変形は生じやすくなる。しかしながら、接続部材20の全長を長くすると、本発明に係る力覚センサの径は大きくならざるを得ず、小型化を図ることができなくなる。   One method of providing the basic sensor S shown in FIG. 1 with flexibility about the Z-axis is to process the connection member 20 so that the base sensor S is easily deformed in the direction of twisting about the Z-axis. is there. However, this method has a problem that the structure of the connecting member 20 becomes complicated and the manufacturing cost increases. Another method is to extend the entire length of the connecting member 20. When the connecting member 20 is made of a general metal, a certain amount of elastic deformation occurs. Therefore, the longer the overall length, the easier the deformation in the twisting direction occurs. However, if the total length of the connecting member 20 is increased, the diameter of the force sensor according to the present invention must be increased, and the size cannot be reduced.

ここで述べる変形例は、このような問題を解決する一方法を提案するものであり、その特徴は、基本センサS自体にZ軸まわりの可撓性を与える代わりに、外側構造体側に同等の機能を生じさせる構造を設ける点にある。図30は、第1の実施形態に係る力覚センサの外側構造体100の変形例に相当する外側構造体100Eを示す斜視図である。なお、この図30では、説明の便宜上、外側構造体100Eの内部に3組の基本センサS1〜S3(図では、破線で描かれている)を配置した状態を示す。実際には、第1の実施形態に係る力覚センサを構成するためには、3組の基本センサS1〜S3の内側に配置される三角柱状の内側構造体200や、外側構造体100Eの更に外側に配置される外殻構造体300等の構成要素が必要になるが、図30では、説明の便宜上、他の構成要素の図示は省略している。   The modification described here proposes a method for solving such a problem, and its feature is equivalent to that of the outer structure side instead of giving the basic sensor S itself flexibility around the Z axis. The structure is to provide a function. FIG. 30 is a perspective view showing an outer structure 100E corresponding to a modification of the outer structure 100 of the force sensor according to the first embodiment. For convenience of explanation, FIG. 30 shows a state in which three sets of basic sensors S1 to S3 (drawn by broken lines in the figure) are arranged inside the outer structure 100E. Actually, in order to configure the force sensor according to the first embodiment, the triangular prism-shaped inner structure 200 and the outer structure 100E further disposed inside the three sets of basic sensors S1 to S3. Although components such as the outer shell structure 300 disposed on the outside are necessary, in FIG. 30, illustration of other components is omitted for convenience of explanation.

図30に示す外側構造体100Eは、§3で述べた外側構造体100と同様に円筒状の構造体であるが、その壁部の所定箇所には、外側から内側まで貫通する壁部貫通スリットが設けられており、この壁部貫通スリットで囲まれた部分が基本センサ取付部を構成している。具体的には、図30に示す例の場合、外側構造体100Eには、3組の基本センサ取付部160,170,180が形成されている。   The outer structure 100E shown in FIG. 30 is a cylindrical structure similar to the outer structure 100 described in §3, but a wall portion through slit that penetrates from the outside to the inside at a predetermined portion of the wall portion. The portion surrounded by the wall portion through slit constitutes the basic sensor mounting portion. Specifically, in the example shown in FIG. 30, three sets of basic sensor attachment portions 160, 170, and 180 are formed on the outer structure 100E.

ここで、第1の基本センサ取付部160は、外側構造体100Eとβ軸とが交差する外側接続点近傍の円形部分であり、その内側には、破線で示すように第1の基本センサS1が取り付けられる。同様に、第2の基本センサ取付部170は、外側構造体100Eとγ軸とが交差する外側接続点近傍の円形部分であり、その内側には、破線で示すように第2の基本センサS2が取り付けられる。また、第3の基本センサ取付部180は、外側構造体100Eとε軸とが交差する外側接続点近傍の円形部分であり、その内側には、破線で示すように第3の基本センサS3が取り付けられる。   Here, the first basic sensor mounting portion 160 is a circular portion in the vicinity of the outer connection point where the outer structure 100E and the β-axis intersect, and inside the first basic sensor S1 as indicated by a broken line. Is attached. Similarly, the second basic sensor mounting portion 170 is a circular portion in the vicinity of the outer connection point where the outer structure 100E and the γ-axis intersect, and inside the second basic sensor S2 as shown by a broken line. Is attached. The third basic sensor mounting portion 180 is a circular portion in the vicinity of the outer connection point where the outer structure 100E and the ε-axis intersect, and inside the third basic sensor S3, as shown by a broken line, It is attached.

図30の正面に示されているとおり、第3の基本センサ取付部180は、輪郭が円形をした円板状部材(厳密に言えば、円筒の一部を構成する湾曲円板状部材)であり、その周囲には、4組の円弧状をした壁部貫通スリットSL1〜SL4が設けられている。また、隣接する一対の壁部貫通スリット間には、それぞれビーム部181〜184が形成されている。具体的には、壁部貫通スリットSL1,SL2の間にはビーム部181が形成され、壁部貫通スリットSL2,SL3の間にはビーム部182が形成され、壁部貫通スリットSL3,SL4の間にはビーム部183が形成され、壁部貫通スリットSL4,SL1の間にはビーム部184が形成されている。   As shown in the front of FIG. 30, the third basic sensor mounting portion 180 is a disk-shaped member having a circular outline (strictly speaking, a curved disk-shaped member constituting a part of a cylinder). There are provided four sets of wall-shaped through slits SL1 to SL4 around the arc. Further, beam portions 181 to 184 are formed between a pair of adjacent wall portion through slits. Specifically, a beam portion 181 is formed between the wall portion through slits SL1 and SL2, and a beam portion 182 is formed between the wall portion through slits SL2 and SL3, and between the wall portion through slits SL3 and SL4. A beam portion 183 is formed, and a beam portion 184 is formed between the wall portion through slits SL4 and SL1.

結局、第3の基本センサ取付部180は、その周囲を4組の壁部貫通スリットSL1〜SL4で囲まれ、4組のビーム部181〜184によって周囲から支持されていることになる。ここで、4組のビーム部181〜184は、外側構造体100Eの本体部と同じ材質(たとえば、アルミニウム合金)からなる構造体であるが、厚みが小さいために変形に十分な可撓性を有している。このため、第3の基本センサ取付部180は、外力の作用により、所定の自由度の範囲内で外側構造体100Eの本体部に対して変位(たとえば、ε軸を中心として捩じれるような変位や、ε軸の軸方向への変位)を生じることができる。第1および第2の基本センサ取付部160,170についても全く同様である。   Eventually, the third basic sensor mounting portion 180 is surrounded by four sets of wall portion through slits SL1 to SL4 and is supported from the periphery by the four sets of beam portions 181 to 184. Here, the four sets of beam portions 181 to 184 are structures made of the same material (for example, an aluminum alloy) as the main body portion of the outer structure 100E. However, since the thickness is small, sufficient flexibility for deformation is provided. Have. For this reason, the third basic sensor mounting portion 180 is displaced with respect to the main body portion of the outer structure 100E within a predetermined degree of freedom by the action of an external force (for example, a displacement that is twisted around the ε axis). Or displacement of the ε-axis in the axial direction). The same applies to the first and second basic sensor attachment portions 160 and 170.

このように、図30に示す変形例では、外側構造体100Eの外側接続点(β軸,γ軸,ε軸との交点)の近傍部分が、基本センサ取付部160,170,180を構成しており、各基本センサS1,S2,S3は、これら基本センサ取付部160,170,180の内側に取り付けられている。しかも、基本センサ取付部160,170,180の周囲には、各基本センサ取付部の輪郭線に沿って、外側構造体100Eの壁部を貫通する複数の壁部貫通スリット(SL1〜SL4等)が設けられ、隣接する壁部貫通スリット間に可撓性をもったビーム部(181〜184等)が形成されている。その結果、基本センサ取付部160,170,180は、周囲からこれらビーム部によって支持されている。   As described above, in the modification shown in FIG. 30, the vicinity of the outer connection point (intersection with the β axis, γ axis, and ε axis) of the outer structure 100E constitutes the basic sensor mounting portion 160, 170, 180. Each basic sensor S1, S2, S3 is mounted inside these basic sensor mounting portions 160, 170, 180. In addition, around the basic sensor attachment portions 160, 170, 180, a plurality of wall portion through slits (SL1 to SL4, etc.) penetrating the wall portion of the outer structure 100E along the outline of each basic sensor attachment portion. Are provided, and flexible beam portions (181 to 184, etc.) are formed between adjacent through-wall slits. As a result, the basic sensor mounting portions 160, 170, and 180 are supported by these beam portions from the periphery.

特に、図30に例示する変形例の場合、基本センサ取付部160,170,180は、いずれも円形の輪郭線を有し、この輪郭線に沿って、4組の円弧状の壁部貫通スリット(SL1〜SL4等)が設けられており、隣接する壁部貫通スリット間にそれぞれ可撓性を有するビーム部(181〜184等)を配置することにより合計4組のビーム部が形成され、基本センサ取付部160,170,180は、それぞれ周囲から合計4組のビーム部によって支持されていることになる。   In particular, in the case of the modification illustrated in FIG. 30, each of the basic sensor mounting portions 160, 170, and 180 has a circular contour line, and four sets of arc-shaped wall through slits along the contour line. (SL1 to SL4 etc.) are provided, and a total of four beam parts are formed by arranging flexible beam parts (181 to 184 etc.) between the adjacent wall through slits. Each of the sensor mounting portions 160, 170, and 180 is supported by a total of four beam portions from the periphery.

この図30に示す変形例では、図19に示すモーメントMβの検出動作においても、十分な検出感度を確保することが可能になる。すなわち、3組の基本センサS1〜S3自身は、Z軸まわりに関する十分な可撓性を有していなくても、基本センサ取付部160,170,180が、各基本センサのZ軸まわり(β軸,γ軸,ε軸まわり)に関する十分な可撓性を有しているため、図19に示す検出動作においても、第1の基本センサS1により変位が抑制されることはなく、第2および第3の基本センサS2,S3から、十分な感度をもった検出値が得られることになる。   In the modification shown in FIG. 30, sufficient detection sensitivity can be secured even in the moment Mβ detection operation shown in FIG. That is, even if the three basic sensors S1 to S3 themselves do not have sufficient flexibility around the Z axis, the basic sensor mounting portions 160, 170, and 180 can be moved around the Z axis of each basic sensor (β 19), the displacement is not suppressed by the first basic sensor S1 even in the detection operation shown in FIG. Detection values having sufficient sensitivity can be obtained from the third basic sensors S2 and S3.

なお、図30に示す変形例は、各基本センサS1〜S3に過度の外力が作用しないように制御構造を設ける際にもメリットがある。図12に示すように、第1の実施形態には、制御突起311,312,313と制御溝111,112,113との組合わせからなる制御構造が設けられており、両者の間隔が所定寸法となるような設計を行うことにより、各基本センサS1〜S3を破損から保護することができる。   Note that the modification shown in FIG. 30 is also advantageous when providing a control structure so that excessive external force does not act on each of the basic sensors S1 to S3. As shown in FIG. 12, the first embodiment is provided with a control structure comprising a combination of control protrusions 311, 312, 313 and control grooves 111, 112, 113, and the distance between the two is a predetermined dimension. By performing such a design, the basic sensors S1 to S3 can be protected from damage.

たとえば、図1に示す基本センサSの場合、Z軸方向の力+Fzが作用すると、図7に示すような変形が生じることになる。本願発明者が試作した基本センサの場合、Z軸方向の力Fzに対する定格荷重を加えたときのダイアフラム部11および31の中心部の変位はそれぞれ5μm程度であった(ピエゾ抵抗素子を用いた基本センサでは、この程度の変位でも十分に検出が可能である)。この場合、定格荷重時のZ軸方向に関する変位は合計で10μm程度ということになる。ここで、たとえば、定格荷重の5倍以上の外力が作用した場合に変位が制御されるようにするには、Z軸方向に関する変位量を50μm以下に抑制する制御構造が必要になる。別言すれば、図12に示す構造の場合、各制御突起311,312,313と各制御溝111,112,113の底面との間隔を50μmに設定する必要がある。しかしながら、実際には、制御突起と制御溝との間隔を50μm程度とする加工を行うには、精度の高い加工技術が要求され、決して容易な作業ではない。   For example, in the case of the basic sensor S shown in FIG. 1, when a force + Fz in the Z-axis direction is applied, deformation as shown in FIG. 7 occurs. In the case of the basic sensor prototyped by the inventor of the present application, the displacement of the central portions of the diaphragm portions 11 and 31 when a rated load with respect to the force Fz in the Z-axis direction is applied is about 5 μm (basic using a piezoresistive element) The sensor can sufficiently detect such a displacement). In this case, the displacement in the Z-axis direction at the rated load is about 10 μm in total. Here, for example, in order to control the displacement when an external force more than five times the rated load is applied, a control structure that suppresses the displacement amount in the Z-axis direction to 50 μm or less is required. In other words, in the case of the structure shown in FIG. 12, it is necessary to set the distance between each control protrusion 311, 312, 313 and the bottom surface of each control groove 111, 112, 113 to 50 μm. However, in practice, in order to perform a process in which the distance between the control protrusion and the control groove is about 50 μm, a highly accurate processing technique is required, which is not an easy operation.

これに対して、図30の変形例に示す構造を採用すれば、基本センサ取付部160,170,180自身がZ軸方向(β軸,γ軸,ε軸方向)に変位するため、各基本センサS1〜S3のZ軸方向に関する変位量を、見かけ上、増幅させる効果が得られる。この見かけの増幅率は、ビーム部の縦、横、長さの寸法値に応じて定まるので、試作品を作成したり、FEM解析の手法を利用したりすることにより、求めることができる。たとえば、こうして求められた増幅率が4であったとすれば、制御突起と制御溝との間隔は、50μm×4=200μmに設定すればよいことになり、加工のし易さは格段に向上する。   On the other hand, if the structure shown in the modified example of FIG. 30 is adopted, the basic sensor mounting portions 160, 170, 180 themselves are displaced in the Z-axis direction (β-axis, γ-axis, ε-axis direction). An effect of apparently amplifying the displacement amount of the sensors S1 to S3 in the Z-axis direction is obtained. Since this apparent amplification factor is determined according to the vertical, horizontal, and length dimension values of the beam portion, it can be obtained by creating a prototype or using a technique of FEM analysis. For example, if the amplification factor thus obtained is 4, the distance between the control protrusion and the control groove may be set to 50 μm × 4 = 200 μm, and the ease of processing is remarkably improved. .

以上、図12および図13に示す第1の実施形態について、筒状の外側構造体の壁部にスリットおよびビーム構造を採用し、基本センサ取付部が変位するようにした変形例を述べたが、このような変形例は、第2〜第4の実施形態についても同様に採用することが可能である。   As described above, in the first embodiment shown in FIGS. 12 and 13, the modification in which the slit and the beam structure are employed in the wall portion of the cylindrical outer structure and the basic sensor mounting portion is displaced has been described. Such a modification can be similarly applied to the second to fourth embodiments.

<8.3 基本センサの構造に関する変形例>
第1〜第3の実施形態に示す3組の基本センサS1〜S3は、いずれも図1に示す基本センサSによって構成されており、第4の実施形態に示す3組の基本センサS1′〜S3′は、この図1に示す基本センサSを一部変形したもの(接続部材20および受力体30の部分を竿状部21〜23に置き換えたもの)である。前述したとおり、図1に示す基本センサSは、モーメントMx,Myの検出感度が優れており、本願発明者が知る限り、本発明に係る力覚センサに利用するのに最適のセンサである。
<8.3 Modification of Basic Sensor Structure>
All of the three sets of basic sensors S1 to S3 shown in the first to third embodiments are constituted by the basic sensor S shown in FIG. 1, and the three sets of basic sensors S1 ′ to S1 ′ shown in the fourth embodiment. S3 'is a partial modification of the basic sensor S shown in FIG. 1 (replacement of the connecting member 20 and the force receiving body 30 with the hook-shaped portions 21 to 23). As described above, the basic sensor S shown in FIG. 1 has excellent detection sensitivity of the moments Mx and My, and as far as the inventor of the present application knows, the basic sensor S is an optimal sensor for use in the force sensor according to the present invention.

図1に示す基本センサSの主たる構成要素は、作用した外力を受ける受力体30、この受力体30が受けた力に基づいて変形するダイアフラム部11を有する起歪体10、受力体30と上記ダイアフラム部11とを接続する接続部材20、上記ダイアフラム部11の歪みを検出する検出素子A、この検出素子Aの検出結果に基づいてモーメント成分MxおよびMyを電気信号として出力する検出回路であり、検出素子Aとしては、図8に示すとおり、ダイアフラム部11の歪みを抵抗値の変化として検出するピエゾ抵抗素子A1〜A8が用いられている。   The main components of the basic sensor S shown in FIG. 1 are a force receiving body 30 that receives an applied external force, a strain generating body 10 that has a diaphragm portion 11 that deforms based on the force received by the force receiving body 30, and a force receiving body. 30 and a connecting member 20 that connects the diaphragm section 11, a detection element A that detects distortion of the diaphragm section 11, and a detection circuit that outputs moment components Mx and My as electrical signals based on the detection result of the detection element A As the detection element A, as shown in FIG. 8, piezoresistive elements A1 to A8 that detect the distortion of the diaphragm portion 11 as a change in resistance value are used.

より具体的には、図1に示す基本センサSの場合、起歪体10が、XY平面に平行な上面および下面をもった板状部材によって構成され、起歪体10の上面の中央部に定義された検出用領域には、下面側に向かって検出用溝G1が形成されている。そして、この検出用溝G1の底部によってダイアフラム部11が形成され、この検出用溝G1の周囲には側壁部12が形成され、ダイアフラム部11の下面と側壁部12の下面とは同一平面上に位置する構造になっている。   More specifically, in the case of the basic sensor S shown in FIG. 1, the strain generating body 10 is configured by a plate-like member having an upper surface and a lower surface parallel to the XY plane, and is formed at the center of the upper surface of the strain generating body 10. In the defined detection region, a detection groove G1 is formed toward the lower surface side. And the diaphragm part 11 is formed by the bottom part of this detection groove | channel G1, and the side wall part 12 is formed in the circumference | surroundings of this detection groove | channel G1, and the lower surface of the diaphragm part 11 and the lower surface of the side wall part 12 are on the same plane. The structure is located.

一方、受力体30は、起歪体10の下方に所定間隔をおいて配置され、接続部材20は、Z軸上に配置された柱状部材によって構成され、その上端はダイアフラム部11の下面中央部に接続され、その下端は受力体30の上面中央部に接続されている。   On the other hand, the force receiving body 30 is disposed below the strain body 10 at a predetermined interval, the connecting member 20 is constituted by a columnar member disposed on the Z axis, and the upper end thereof is the center of the lower surface of the diaphragm portion 11. The lower end is connected to the center of the upper surface of the force receiving body 30.

また、検出用溝G1の底面(ダイアフラム部11の上面)には、歪検出基板40が接合されている。この歪検出基板40は、XYZ三次元直交座標系の原点Oの位置に配置され、上面および下面がXY平面に平行な面をなし、ダイアフラム部11の変形によって生じる応力が伝達されるように、ダイアフラム部11の上面に接合されている。そして、図8に示すように、この歪検出基板40の上面の所定箇所には、ピエゾ抵抗素子A1〜A8が形成されており、回路基板50上に形成された検出回路は、これらピエゾ抵抗素子A1〜A8の電気抵抗の変化に基づいて、モーメント成分Mx,Myを示す電気信号を出力する。   Further, the strain detection substrate 40 is bonded to the bottom surface of the detection groove G1 (the top surface of the diaphragm portion 11). The strain detection substrate 40 is disposed at the position of the origin O of the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system, the upper surface and the lower surface form a surface parallel to the XY plane, and the stress generated by the deformation of the diaphragm portion 11 is transmitted. It is joined to the upper surface of the diaphragm part 11. As shown in FIG. 8, piezoresistive elements A1 to A8 are formed at predetermined positions on the upper surface of the strain detection substrate 40, and the detection circuit formed on the circuit board 50 includes these piezoresistive elements. Based on the change in electric resistance of A1 to A8, an electric signal indicating the moment components Mx and My is output.

このように、図1に示す基本センサSは、ピエゾ抵抗素子A1〜A8によりダイアフラム部11の歪みを検出し、モーメント成分Mx,Myを示す電気信号を出力する機能をもったセンサであるが、ダイアフラム部11の歪みを検出する検出素子としては、必ずしもピエゾ抵抗素子を用いる必要はない。たとえば、ピエゾ抵抗素子の代わりに、ダイアフラム部の変位を静電容量値の変化として検出する静電容量素子を検出素子として用いることもできる。   As described above, the basic sensor S shown in FIG. 1 is a sensor having a function of detecting distortion of the diaphragm portion 11 by the piezoresistive elements A1 to A8 and outputting electric signals indicating the moment components Mx and My. A piezoresistive element is not necessarily used as a detection element that detects the distortion of the diaphragm section 11. For example, instead of the piezoresistive element, a capacitive element that detects the displacement of the diaphragm portion as a change in the capacitance value can be used as the detection element.

図31は、静電容量素子を用いた基本センサの一例を示す側面図である。この基本センサは、図示のとおり、円板状の補助基板60、円板状の起歪体70、円柱状の接続部材80、円板状の受力体90を、Z軸を共通の中心軸として配置し、相互に接続したものである。   FIG. 31 is a side view showing an example of a basic sensor using a capacitive element. As shown in the figure, this basic sensor includes a disk-shaped auxiliary substrate 60, a disk-shaped strain generating body 70, a columnar connection member 80, a disk-shaped force receiving body 90, and a Z-axis as a common central axis. Are arranged and connected to each other.

補助基板60は、単なる円板状の基板であるが、その下面中央には、円板状の共通固定電極E0が形成されている。起歪体70は、図1に示す基本センサSの起歪体10に類似した構造体であり、上面の円形領域には、検出用溝G3が掘られており、この検出用溝G3の底面は、肉厚の薄いダイアフラム部71、その周囲は側壁部72を構成している。一方、受力体90は、図1に示す基本センサSの受力体30と同様の構造体であり、下面の円形領域には、検出用溝G4が掘られており、この検出用溝G4の底面は、肉厚の薄いダイアフラム部91、その周囲は側壁部92を構成している。円柱状の接続部材80は、ダイアフラム部71の中央部とダイアフラム部91の中央部とを接続する機能を果たす。   The auxiliary substrate 60 is a simple disk-shaped substrate, and a disk-shaped common fixed electrode E0 is formed at the center of the lower surface thereof. The strain-generating body 70 is a structure similar to the strain-generating body 10 of the basic sensor S shown in FIG. 1, and a detection groove G3 is dug in a circular region on the upper surface, and the bottom surface of the detection groove G3. Is a thin diaphragm portion 71 and its periphery constitutes a side wall portion 72. On the other hand, the force receiving body 90 is a structure similar to the force receiving body 30 of the basic sensor S shown in FIG. 1, and a detection groove G4 is dug in a circular region on the lower surface, and this detection groove G4. The bottom surface of FIG. 1 constitutes a thin diaphragm portion 91 and the periphery thereof constitutes a side wall portion 92. The columnar connection member 80 fulfills the function of connecting the central portion of the diaphragm portion 71 and the central portion of the diaphragm portion 91.

図32は、図31に示す基本センサにおける起歪体70の上面図である。上述したとおり、起歪体70の上面には、円形の検出用溝G3が掘られており、その底面は薄い円板状のダイアフラム部71を形成している。そして、このダイアフラム部71の上面には、図示のとおり、4枚の扇形の個別変位電極E1〜E4が形成されている。図示の位置にXYZ座標系の原点Oを定義し、図の右方向にX軸、上方向にY軸を定義した場合、電極E1はX軸正領域に配置され、電極E2はY軸正領域に配置され、電極E3はX軸負領域に配置され、電極E4はY軸負領域に配置されている。これら4枚の個別変位電極E1〜E4は、外力の作用によって変形するダイアフラム部71の上面に形成されているため、外力の作用によって変位することになる。   32 is a top view of the strain body 70 in the basic sensor shown in FIG. As described above, the circular detection groove G <b> 3 is dug on the upper surface of the strain generating body 70, and a thin disk-shaped diaphragm portion 71 is formed on the bottom surface thereof. And on the upper surface of this diaphragm part 71, as shown in the figure, four fan-shaped individual displacement electrodes E1 to E4 are formed. When the origin O of the XYZ coordinate system is defined at the illustrated position, the X axis is defined in the right direction of the figure, and the Y axis is defined in the upward direction, the electrode E1 is disposed in the X axis positive region and the electrode E2 is in the Y axis positive region. The electrode E3 is disposed in the X-axis negative region, and the electrode E4 is disposed in the Y-axis negative region. Since these four individual displacement electrodes E1 to E4 are formed on the upper surface of the diaphragm portion 71 that is deformed by the action of the external force, they are displaced by the action of the external force.

一方、補助基板60の下面に形成された共通固定電極E0は、4枚の個別変位電極E1〜E4の全体に対して対向する1枚の円形の電極であり、ダイアフラム部71の変形の影響を受けずに固定状態を維持する電極である。ここで、4枚の個別変位電極E1〜E4と、これらに対向する共通固定電極E0の扇形の部分領域と、によって構成される静電容量素子をそれぞれ容量素子C1〜C4と呼ぶことにすると、各容量素子C1〜C4を構成する対向電極間の距離は、ダイアフラム部71の変形によって変化し、その結果、各容量素子C1〜C4の静電容量値に変動が生じることになる。   On the other hand, the common fixed electrode E0 formed on the lower surface of the auxiliary substrate 60 is a single circular electrode facing the whole of the four individual displacement electrodes E1 to E4, and the influence of the deformation of the diaphragm portion 71 is reduced. It is an electrode which maintains a fixed state without receiving. Here, when the electrostatic capacitance elements constituted by the four individual displacement electrodes E1 to E4 and the fan-shaped partial region of the common fixed electrode E0 facing them are referred to as capacitance elements C1 to C4, respectively. The distance between the counter electrodes constituting each of the capacitive elements C1 to C4 changes due to the deformation of the diaphragm portion 71, and as a result, the capacitance values of the capacitive elements C1 to C4 vary.

したがって、各容量素子C1〜C4の静電容量値の変動を電気的に検出すれば、この検出結果に基づいて、ダイアフラム部71の変形態様を認識することができ、補助基板60および受力体90のうちの一方を固定した状態において、他方に作用した外力を検出することができる。具体的には、X軸まわりのモーメント成分Mxは、容量素子C2,C4の静電容量値の差として得ることができ、Y軸まわりのモーメント成分Myは、容量素子C1,C3の静電容量値の差として得ることができる。このような検出原理は、たとえば、特許第2841240号公報などに開示されている公知の技術であるため、ここでは詳しい説明は省略する。   Therefore, if a change in the capacitance value of each of the capacitive elements C1 to C4 is electrically detected, the deformation mode of the diaphragm portion 71 can be recognized based on the detection result, and the auxiliary substrate 60 and the power receiving body can be recognized. In a state where one of 90 is fixed, an external force acting on the other can be detected. Specifically, the moment component Mx around the X axis can be obtained as a difference between the capacitance values of the capacitive elements C2 and C4, and the moment component My around the Y axis can be obtained from the capacitances of the capacitive elements C1 and C3. It can be obtained as a difference in values. Since such a detection principle is a known technique disclosed in, for example, Japanese Patent No. 2841240, detailed description thereof is omitted here.

結局、図1に示す基本センサS(ピエゾ抵抗素子を検出素子として利用したセンサ)の代わりに、図31に示す基本センサ(容量素子を検出素子として利用したセンサ)を利用しても、本発明に係る力覚センサを構成することが可能である。このように、本発明に係る力覚センサに用いる基本センサは、図1に示す基本センサに限定されるものではなく、別な構造や別な検出原理をもったセンサであってもかまわない。   Finally, instead of the basic sensor S (sensor using a piezoresistive element as a detection element) shown in FIG. 1, the basic sensor (sensor using a capacitive element as a detection element) shown in FIG. 31 may be used. It is possible to constitute a force sensor according to the above. As described above, the basic sensor used in the force sensor according to the present invention is not limited to the basic sensor shown in FIG. 1, and may be a sensor having a different structure or a different detection principle.

要するに、本発明に係る力覚センサに利用する基本センサは、外側接続点と内側接続点とを結ぶ連結線上に位置する原点Oと、この連結線上に配置されたZ軸と、このZ軸に直交するX軸と、Z軸およびX軸の双方に直交するY軸と、を有するXYZ三次元直交座標系を定義したときに、作用した外力のX軸まわりのモーメント成分MxあるいはY軸まわりのモーメント成分Myを検出する検出機能を有していれば、その実体構造はどのようなものであってもかまわない。   In short, the basic sensor used for the force sensor according to the present invention includes the origin O located on the connecting line connecting the outer connecting point and the inner connecting point, the Z axis arranged on the connecting line, and the Z axis. When an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system having an X axis orthogonal to each other and a Y axis orthogonal to both the Z axis and the X axis is defined, the moment component Mx around the X axis of the applied external force or around the Y axis As long as it has a detection function for detecting the moment component My, the substance structure may be anything.

なお、図1に示す基本センサSでは、受力体30側にも検出用溝G2を堀り、ダイアフラム部31を形成しており、図31に示す基本センサでは、受力体90側にも検出用溝G4を堀り、ダイアフラム部91を形成しているが、受力体30,90側のダイアフラム部31,91は必須のものではない。すなわち、起歪体10,70側に掘られた検出用溝G1,G3によって形成されるダイアフラム部11,71は、外力の作用によって生じる撓みを電気的に検出するために必要なものであるが、受力体30,90側のダイアフラム部31,91は、このような検出に直接的に利用されるものではないので、受力体30,90側の検出用溝G2,G4は省略してもかまわない。   In the basic sensor S shown in FIG. 1, the detection groove G2 is also formed on the force receiving body 30 side to form a diaphragm portion 31, and in the basic sensor shown in FIG. 31, the force receiving body 90 side is also formed. Although the detection groove G4 is dug to form the diaphragm portion 91, the diaphragm portions 31 and 91 on the force receiving bodies 30 and 90 side are not essential. That is, the diaphragm portions 11 and 71 formed by the detection grooves G1 and G3 dug on the strain-generating bodies 10 and 70 side are necessary for electrically detecting the bending caused by the action of the external force. Since the diaphragms 31 and 91 on the force receiving bodies 30 and 90 side are not directly used for such detection, the detection grooves G2 and G4 on the force receiving bodies 30 and 90 side are omitted. It doesn't matter.

ただ、受力体30,90側に検出用溝G2,G4を堀り、ダイアフラム部31,91を形成しておくと、外力の検出に直接的に利用されるダイアフラム部11,71に対して、より効果的に撓みを生じさせることができるようになり、検出感度を向上させることができる。したがって、実用上は、図1や図31に示す例のように、受力体30,90側にも検出用溝G2,G4を堀り、ダイアフラム部31,91を形成しておくのが好ましい。   However, if the detection grooves G2 and G4 are dug in the force receiving bodies 30 and 90 and the diaphragm portions 31 and 91 are formed, the diaphragm portions 11 and 71 that are directly used for detecting the external force are used. Thus, it becomes possible to cause the deflection more effectively, and the detection sensitivity can be improved. Therefore, in practice, it is preferable to form the diaphragm portions 31 and 91 by digging the detection grooves G2 and G4 on the force receiving bodies 30 and 90 side as in the examples shown in FIGS. .

また、図1に示す基本センサSや図31に示す基本センサでは、各ダイアフラム部を薄い円板状の膜によって構成しているが、ダイアフラム部は、必ずしも膜状の構造体によって構成する必要はなく、たとえば、十字状のビーム構造体によって各ダイアフラム部を構成してもかまわない。図25に示す第4の実施形態におけるダイアフラム部131〜133についても同様である。要するに、本願におけるダイアフラム部は、一般的な膜状構造体である必要はなく、弾性変形する機能をもった可撓性部材であれば、どのような構造体で構成してもかまわない。   Further, in the basic sensor S shown in FIG. 1 and the basic sensor shown in FIG. 31, each diaphragm portion is configured by a thin disk-shaped film, but the diaphragm portion is not necessarily configured by a film-like structure. For example, each diaphragm part may be configured by a cross-shaped beam structure. The same applies to the diaphragm portions 131 to 133 in the fourth embodiment shown in FIG. In short, the diaphragm portion in the present application does not need to be a general film-like structure, and may be formed of any structure as long as it is a flexible member having a function of elastic deformation.

<8.4 その他の変形例>
以上、本発明に係る力覚センサを、第1〜第4の実施形態について説明し、更に、その変形例をいくつか述べたが、これまで述べてきた事項は自由に組み合わせて利用することが可能である。たとえば、第1の実施形態で述べた制御突起と制御溝による制御機構は、他の実施形態や変形例においても採用することが可能である。
<8.4 Other Modifications>
As mentioned above, although the force sensor which concerns on this invention was demonstrated about the 1st-4th embodiment and also some modifications were described, the matter described so far can be used combining freely. Is possible. For example, the control mechanism using the control protrusion and the control groove described in the first embodiment can be employed in other embodiments and modifications.

また、これまで述べた実施形態の場合、基本センサSの起歪体10側を内側構造体に接続し、受力体30側を外側構造体に接続しているが、基本センサSは、一端を固定した状態において、他端に作用した外力のモーメント成分Mx,Myを検出する機能を有しているので、逆向き、すなわち、基本センサSの受力体30側を内側構造体に接続し、起歪体10側を外側構造体に接続して用いてもかまわない。   In the embodiment described so far, the strain sensor 10 side of the basic sensor S is connected to the inner structure body, and the force receiving body 30 side is connected to the outer structure body. In the fixed state, it has a function of detecting moment components Mx and My of the external force acting on the other end, so that the force sensor 30 side of the basic sensor S is connected to the inner structure in the reverse direction. The strain generating body 10 side may be connected to the outer structure for use.

同様に、本発明に係る力覚センサ自体も、外側構造体および内側構造体について、一方を固定した状態において他方に作用した外力を検出する機能を有しているので、たとえば、図13に示す実施形態において、台座400を固定した状態において、外殻構造体300に作用した外力を検出する用途に利用することもできるし、逆に、外殻構造体300を固定した状態において、台座400に作用した外力を検出する用途に利用することもできる。   Similarly, the force sensor itself according to the present invention also has a function of detecting an external force applied to the other of the outer structure and the inner structure in a state where one is fixed. In the embodiment, it can be used for detecting an external force applied to the outer shell structure 300 in a state where the base 400 is fixed, and conversely, in the state where the outer shell structure 300 is fixed, It can also be used for detecting the applied external force.

また、これまで述べた実施形態では、αβγ座標系において、作用した外力の6軸成分、すなわち、α軸方向に作用した力成分Fα、β軸方向に作用した力成分Fβ、γ軸方向に作用した力成分Fγ、α軸まわりに作用したモーメント成分Mα、β軸まわりに作用したモーメント成分Mβ、γ軸まわりに作用したモーメント成分Mγの6つの成分をすべて検出する機能をもった力覚センサを述べたが、本発明に係る力覚センサは、必ずしもこれら6軸成分のすべてを検出する機能を有している必要はなく、これら6軸成分のうちの少なくとも1成分を検出することができればよい。   In the embodiments described so far, in the αβγ coordinate system, the six-axis components of the applied external force, that is, the force component Fα acting in the α-axis direction, the force component Fβ acting in the β-axis direction, and acting in the γ-axis direction. A force sensor having a function of detecting all six components of the force component Fγ, the moment component Mα acting around the α axis, the moment component Mβ acting around the β axis, and the moment component Mγ acting around the γ axis As described above, the force sensor according to the present invention does not necessarily have a function of detecting all of these six-axis components, and it is sufficient that at least one of these six-axis components can be detected. .

すなわち、力覚センサの用途によっては、6軸成分すべてではなく、その一部の成分のみを検出できれば足りるケースもあるので、用途に応じて、6軸成分のうち必要な成分についての検出機能を設けておけば足りる。したがって、演算手段は、図22や図29に示すような演算式に基づいて6軸成分のすべてを求める演算機能を有している必要はなく、用途に応じて必要な成分についての演算機能を有していれば足りる。また、一部の成分の検出機能を省いた結果、特定の基本センサの特定のモーメント検出値が不要になった場合には、当該基本センサによる当該特定のモーメント検出値の検出機能も省くことができる。したがって、各基本センサは、必ずしもモーメント成分MxおよびMyの双方を検出する機能を有している必要はなく、少なくとも一方を検出する機能を有していればよい。   In other words, depending on the use of the force sensor, it may be sufficient to detect only a part of the six-axis components, but not all of the six-axis components. It is enough if it is provided. Therefore, the calculation means does not need to have a calculation function for obtaining all six-axis components based on the calculation formulas as shown in FIG. 22 and FIG. 29, and has a calculation function for necessary components according to the application. It is enough if you have it. In addition, if a specific moment detection value of a specific basic sensor becomes unnecessary as a result of omitting the detection function of some components, the detection function of the specific moment detection value by the basic sensor may be omitted. it can. Therefore, each basic sensor does not necessarily need to have a function of detecting both moment components Mx and My, and may have a function of detecting at least one of them.

要するに、本発明に係る力覚センサは、内側構造体の少なくとも一部を外側構造体に収容する構成を採り、両者間を複数n組(但し、n≧3)の基本センサによって接続し、各基本センサによって検出したモーメント成分に対する演算を行い、要望に応じた任意の座標軸方向の力成分や任意の座標軸まわりのモーメント成分を検出するようにすればよい。そうすることにより、比較的単純な構造により小型化およびコストダウンを図りつつ、要望に応じた外力成分を検出することができるようになる。   In short, the force sensor according to the present invention has a configuration in which at least a part of the inner structure is accommodated in the outer structure, and a plurality of n sets (however, n ≧ 3) are connected between the two, The moment component detected by the basic sensor may be calculated to detect the force component in the arbitrary coordinate axis direction and the moment component around the arbitrary coordinate axis as desired. By doing so, it becomes possible to detect an external force component according to a demand while achieving downsizing and cost reduction with a relatively simple structure.

もっとも、6軸成分のうちの一部の成分の検出機能を省略したとしても、大幅なコストダウンを図ることはできないので、実用上は、これまで述べてきた実施形態やその変形例のように、三次元αβγ座標系の各座標軸方向の力成分と各座標軸まわりのモーメント成分の6軸成分をすべて検出する機能をもった力覚センサを構成するのが好ましい。   However, even if the detection function for some of the six-axis components is omitted, it is not possible to achieve a significant cost reduction. Therefore, in practice, as in the embodiment described above and its modifications. It is preferable to configure a force sensor having a function of detecting all the six-axis components of the force component in each coordinate axis direction of the three-dimensional αβγ coordinate system and the moment component around each coordinate axis.

10:起歪体
11:ダイアフラム部
12:側壁部
15:ネジ孔(ネジ挿通用貫通孔)
18:カバー
19:カバー接着部
20:接続部材
21〜23:竿状部
30:受力体
31:ダイアフラム部
32:側壁部
33:開口部
35:ネジ孔(雌ネジ形成孔)
40:歪検出基板
47:ボンディングワイヤ
50:回路基板
60:補助基板
70:起歪体
71:ダイアフラム部
72:側壁部
80:接続部材
90:受力体
91:ダイアフラム部
92:側壁部
100,100A,100B,100C,100D,100E:外側構造体
111,112,113:制御溝
121,122,123:取付溝
131,132,133:ダイアフラム部
150,150B:底板部材
150C:天板部材
160:第1の基本センサ取付部
170:第2の基本センサ取付部
180:第3の基本センサ取付部
181〜184:ビーム部
200,200A,200B,200C,200D:内側構造体
211,212,213:挿通孔
250,250B:連結部材
250C:底板部材
270:蓋板部材
280:シリコンゴム充填層
300,300B,300C,300D:外殻構造体
311,312,313:制御突起
350C:連結部材
400,400A,400B,400C,400D:台座
500,500A,500B,500C,500D:回路基板
A,A1〜A8:ピエゾ抵抗素子
E:直流電源
E0:共通固定電極
E1〜E4:個別変位電極
Fz:Z軸方向の力成分
Fα:α軸方向の力成分
Fβ:β軸方向の力成分
Fγ:γ軸方向の力成分
f1:検出用溝(検出用領域)の輪郭線
f2:カバー接着部の外側輪郭線
G1〜G4:検出用溝
Iβ,Iδ,Iε,Iθ:内側接続点
Iα+,Iα−,Iβ+,Iβ−:内側接続点
Jβ,Jδ,Jε,Jθ:外側接続点
Jα+,Jα−,Jβ+,Jβ−:内側接続点
K11〜K26:演算に用いる係数
Mx:X軸まわりのモーメント成分
Mx1:基本センサS1によって検出されるX軸まわりのモーメント成分
Mx2:基本センサS2によって検出されるX軸まわりのモーメント成分
Mx3:基本センサS3によって検出されるX軸まわりのモーメント成分
My:Y軸まわりのモーメント成分
My1:基本センサS1によって検出されるY軸まわりのモーメント成分
My2:基本センサS2によって検出されるY軸まわりのモーメント成分
My3:基本センサS3によって検出されるY軸まわりのモーメント成分
Mα:α軸まわりのモーメント成分
Mβ:β軸まわりのモーメント成分
Mγ:γ軸まわりのモーメント成分
N:ネジ
O,O1,O2,O3:XYZ三次元直交座標系の原点
Q:αβγ三次元直交座標系の原点
S:基本センサ
S1,S1′:第1の基本センサ
S2,S2′:第2の基本センサ
S3,S3′:第3の基本センサ
S4:第4の基本センサ
SL1〜SL4:壁部貫通スリット
Tx1,Tx2:モーメント成分Mxの出力端子
Ty1,Ty2:モーメント成分Myの出力端子
Vx:モーメント成分Mxに対応する出力電圧
Vy:モーメント成分Myに対応する出力電圧
W:切断線
X:XYZ三次元直交座標系の座標軸
Y:XYZ三次元直交座標系の座標軸
Z:XYZ三次元直交座標系の座標軸
α:αβγ三次元直交座標系の座標軸
β:αβγ三次元直交座標系の座標軸
γ:αβγ三次元直交座標系の座標軸
δ:αβ平面上の軸(α軸に対して210°をなす軸)
ε:αβ平面上の軸(α軸に対して330°をなす軸)
θ:傾斜角
10: Strain body 11: Diaphragm part 12: Side wall part 15: Screw hole (through hole for screw insertion)
18: Cover 19: Cover bonding part 20: Connection member 21-23: Hook 30: Power receiving body 31: Diaphragm part 32: Side wall part 33: Opening part 35: Screw hole (internal thread forming hole)
40: Strain detection board 47: Bonding wire 50: Circuit board 60: Auxiliary board 70: Strain body 71: Diaphragm part 72: Side wall part 80: Connection member 90: Power receiving body 91: Diaphragm part 92: Side wall part 100, 100A , 100B, 100C, 100D, 100E: outer structures 111, 112, 113: control grooves 121, 122, 123: mounting grooves 131, 132, 133: diaphragm portions 150, 150B: bottom plate member 150C: top plate member 160: first 1 basic sensor mounting portion 170: second basic sensor mounting portion 180: third basic sensor mounting portions 181 to 184: beam portions 200, 200A, 200B, 200C, 200D: inner structures 211, 212, 213: insertion Holes 250, 250B: Connecting member 250C: Bottom plate member 270: Cover plate member 280: Filled with silicon rubber 300, 300B, 300C, 300D: outer shell structures 311, 312, 313: control protrusion 350C: connecting member 400, 400A, 400B, 400C, 400D: pedestal 500, 500A, 500B, 500C, 500D: circuit board A, A1 A8: Piezoresistive element E: DC power supply E0: Common fixed electrode E1-E4: Individual displacement electrode Fz: Force component in the Z-axis direction Fα: Force component in the α-axis direction Fβ: Force component in the β-axis direction Fγ: γ-axis Directional force component f1: Contour line of detection groove (detection region) f2: Outer contour lines G1 to G4 of cover adhesion portion: Detection grooves Iβ, Iδ, Iε, Iθ: Inner connection points Iα +, Iα−, Iβ + , Iβ−: Inner connection points Jβ, Jδ, Jε, Jθ: Outer connection points Jα +, Jα−, Jβ +, Jβ−: Inner connection points K11 to K26: Coefficients used for calculation Mx: Moment component around the X axis Mx1: Moment component around X axis detected by basic sensor S1 Mx2: Moment component around X axis detected by basic sensor S2 Mx3: Moment component around X axis detected by basic sensor S3 My: Around Y axis Moment component My1: moment component around the Y axis detected by the basic sensor S1 My2: moment component around the Y axis detected by the basic sensor S2 My3: moment component around the Y axis detected by the basic sensor S3: Moment component around α axis Mβ: Moment component around β axis Mγ: Moment component around γ axis N: Screw O, O1, O2, O3: Origin of XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system Q: αβγ Three-dimensional orthogonal coordinate system Origin S: Basic sensors S1, S1 ′: First basic sensors S2, S2 ′: 2 basic sensors S3, S3 ': 3rd basic sensor S4: 4th basic sensor SL1-SL4: Wall part penetration slits Tx1, Tx2: Output terminal Ty1, Ty2 of moment component Mx: Output terminal Vx of moment component My : Output voltage Vy corresponding to moment component Mx: output voltage W corresponding to moment component My: cutting line X: coordinate axis of XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system Y: coordinate axis of XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system Z: XYZ three-dimensional orthogonal coordinate Coordinate axis of system α: αβγ Coordinate axis of 3D Cartesian coordinate system β: Coordinate axis of αβγ 3D Cartesian coordinate system γ: Coordinate axis of αβγ 3D Cartesian coordinate system δ: Axis on αβ plane (210 ° with respect to α axis) axis)
ε: axis on αβ plane (axis forming 330 ° with respect to α axis)
θ: Inclination angle

Claims (36)

内部に収容空間を有する外側構造体と、
少なくとも一部が前記収容空間内に収容された内側構造体と、
複数n組(但し、n≧3)の基本センサと、
前記n組の基本センサの出力に基づいて演算を行う演算手段と、
を備え、
前記n組の基本センサのそれぞれは、
前記外側構造体の所定位置に設けられた外側接続点と前記内側構造体の所定位置に設けられた内側接続点とを直接もしくは間接的に連結する連結機能と、
前記外側接続点および前記内側接続点のうちの一方を固定した状態において他方に作用する外力に基づいて、前記外側接続点と前記内側接続点との相対位置関係が変化するように弾性変形する変形機能と、
前記外側接続点と前記内側接続点とを結ぶ連結線上に位置する原点Oと、前記連結線上に配置されたZ軸と、このZ軸に直交するX軸と、前記Z軸および前記X軸の双方に直交するY軸と、を有するXYZ三次元直交座標系を定義したときに、前記外力のX軸まわりのモーメント成分MxおよびY軸まわりのモーメント成分Myの少なくとも一方を検出する検出機能と、を有し、
前記演算手段は、前記n組の基本センサのそれぞれが検出した検出値を用いた演算を行うことにより、前記外側構造体および前記内側構造体について、一方を固定した状態において他方に作用した力もしくはモーメントまたはその双方を検出することを特徴とする力覚センサ。
An outer structure having a receiving space inside;
An inner structure at least partially housed in the housing space;
A plurality of n sets (where n ≧ 3) of basic sensors;
A calculation means for performing calculation based on the outputs of the n sets of basic sensors;
With
Each of the n sets of basic sensors is
A connection function for directly or indirectly connecting an outer connection point provided at a predetermined position of the outer structure and an inner connection point provided at a predetermined position of the inner structure;
Deformation that elastically deforms so that the relative positional relationship between the outer connection point and the inner connection point changes based on an external force acting on the other of the outer connection point and the inner connection point in a fixed state. Function and
An origin O located on a connecting line connecting the outer connecting point and the inner connecting point, a Z-axis disposed on the connecting line, an X-axis orthogonal to the Z-axis, the Z-axis and the X-axis A detection function for detecting at least one of the moment component Mx around the X axis and the moment component My around the Y axis of the external force when an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system having a Y axis orthogonal to both is defined; Have
The calculation means performs a calculation using a detection value detected by each of the n sets of basic sensors, whereby the outer structure and the inner structure have a force acting on the other in a state where one is fixed or A force sensor characterized by detecting a moment or both.
請求項1に記載の力覚センサにおいて、
外側構造体が、内側構造体の全部もしくは一部を内部に収容する筒状の構造体によって構成され、各基本センサが、前記筒状の構造体の内周面上の外側接続点と前記内側構造体の外周面上の内側接続点とを連結することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 1,
The outer structure is configured by a cylindrical structure that accommodates all or part of the inner structure therein, and each basic sensor is connected to the outer connection point on the inner peripheral surface of the cylindrical structure and the inner side. A force sensor characterized by connecting an inner connection point on an outer peripheral surface of a structure.
請求項2に記載の力覚センサにおいて、
外側構造体の更に外側に設けられ、筒状の構造体からなる外殻構造体と、
前記外殻構造体と内側構造体とを接続する連結部材と、
を更に備えることを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 2,
An outer shell structure provided on the outer side of the outer structure and made of a cylindrical structure; and
A connecting member for connecting the outer shell structure and the inner structure;
A force sensor further comprising:
請求項3に記載の力覚センサにおいて、
外殻構造体を、その中心軸が上下方向を向くように配置したときに、その上方開口部を覆う板状部材によって連結部材が構成され、前記板状部材の下面周囲部に前記外殻構造体が接合され、前記板状部材の下面中央部に内側構造体の上面が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 claim 3, wherein
When the outer shell structure is arranged so that its central axis is directed in the vertical direction, a connecting member is constituted by a plate-like member covering the upper opening, and the outer shell structure is formed around the lower surface of the plate-like member. A force sensor, characterized in that the body is joined and the upper surface of the inner structure is connected to the center of the lower surface of the plate-like member.
請求項4に記載の力覚センサにおいて、
外側構造体と外殻構造体とが、共通の軸を中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成され、外側構造体に対する内側構造体の変位が所定の許容範囲に達した場合に、前記外側構造体の外周面と前記外殻構造体の内周面とが接触し、それ以上の変位が制限されるように、前記外側構造体と前記外殻構造体との間隔が所定値に設定されており、
各基本センサが、外側構造体に対する内側構造体の変位が前記許容範囲内である限りにおいて、正常な検出機能を果たすことを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 4,
When the outer structure and the outer shell structure are constituted by a concentric cylindrical structure having a common axis as a central axis, and the displacement of the inner structure with respect to the outer structure reaches a predetermined allowable range, The distance between the outer structure and the outer shell structure is set to a predetermined value so that the outer peripheral surface of the outer structure and the inner peripheral surface of the outer shell structure are in contact with each other, and further displacement is limited. Has been
A force sensor characterized in that each basic sensor performs a normal detection function as long as the displacement of the inner structure relative to the outer structure is within the allowable range.
請求項4または5に記載の力覚センサにおいて、
外側構造体と外殻構造体とが、共通の軸を中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成され、
前記外殻構造体の内周面には、内側に向かう制御突起が設けられており、前記外側構造体の外周面には、前記制御突起の先端部を収容する制御溝が設けられており、外側構造体に対する内側構造体の変位が所定の許容範囲に達した場合に、前記制御突起の先端部と前記制御溝の溝形成面とが接触し、それ以上の変位が制限されるように、前記制御突起の先端部と前記制御溝の溝形成面との間隔が所定値に設定されており、
各基本センサが、外側構造体に対する内側構造体の変位が前記許容範囲内である限りにおいて、正常な検出機能を果たすことを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 4 or 5,
The outer structure and the outer shell structure are constituted by a concentric cylindrical structure having a common axis as a central axis,
The inner peripheral surface of the outer shell structure is provided with a control projection directed inward, and the outer peripheral surface of the outer structure is provided with a control groove for accommodating the tip of the control protrusion, When the displacement of the inner structure relative to the outer structure reaches a predetermined allowable range, the tip portion of the control protrusion and the groove forming surface of the control groove come into contact with each other, and further displacement is limited. The distance between the tip of the control protrusion and the groove forming surface of the control groove is set to a predetermined value,
A force sensor characterized in that each basic sensor performs a normal detection function as long as the displacement of the inner structure relative to the outer structure is within the allowable range.
請求項4または5に記載の力覚センサにおいて、
外側構造体と外殻構造体とが、共通の軸を中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成され、
前記外側構造体の外周面には、外側に向かう制御突起が設けられており、前記外殻構造体の内周面には、前記制御突起の先端部を収容する制御溝が設けられており、外側構造体に対する内側構造体の変位が所定の許容範囲に達した場合に、前記制御突起の先端部と前記制御溝の溝形成面とが接触し、それ以上の変位が制限されるように、前記制御突起の先端部と前記制御溝の溝形成面との間隔が所定値に設定されており、
各基本センサが、外側構造体に対する内側構造体の変位が前記許容範囲内である限りにおいて、正常な検出機能を果たすことを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 4 or 5,
The outer structure and the outer shell structure are constituted by a concentric cylindrical structure having a common axis as a central axis,
The outer peripheral surface of the outer structure is provided with a control projection directed outward, and the inner peripheral surface of the outer shell structure is provided with a control groove that accommodates the tip of the control projection, When the displacement of the inner structure relative to the outer structure reaches a predetermined allowable range, the tip portion of the control protrusion and the groove forming surface of the control groove come into contact with each other, and further displacement is limited. The distance between the tip of the control protrusion and the groove forming surface of the control groove is set to a predetermined value,
A force sensor characterized in that each basic sensor performs a normal detection function as long as the displacement of the inner structure relative to the outer structure is within the allowable range.
請求項2〜7のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
外側構造体を、その中心軸が上下方向を向くように配置したときに、前記外側構造体の下方開口部を覆う底板部材と、この底板部材の上面に固定された回路基板と、を更に備え、演算手段が、前記回路基板上に形成された演算回路によって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 2 to 7,
A bottom plate member that covers a lower opening of the outer structure when the outer structure is disposed so that a central axis thereof is directed in the vertical direction, and a circuit board fixed to the upper surface of the bottom plate member. The force sensor is constituted by an arithmetic circuit formed on the circuit board.
請求項2〜8のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
外側構造体の外側接続点近傍部分を構成する基本センサ取付部に基本センサが取り付けられており、
前記基本センサ取付部の周囲には、前記基本センサ取付部の輪郭線に沿って、前記外側構造体の壁部を貫通する複数の壁部貫通スリットが設けられ、隣接する壁部貫通スリット間に可撓性をもったビーム部が形成され、前記基本センサ取付部が周囲から前記ビーム部によって支持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 2 to 8,
The basic sensor is attached to the basic sensor mounting part that forms the vicinity of the outer connection point of the outer structure.
Around the basic sensor mounting portion, a plurality of wall through slits are provided through the wall of the outer structure along the outline of the basic sensor mounting portion, and between the adjacent wall through slits. A force sensor, wherein a flexible beam portion is formed, and the basic sensor mounting portion is supported by the beam portion from the periphery.
請求項9に記載の力覚センサにおいて、
基本センサ取付部が円形の輪郭線を有し、この輪郭線に沿って、4組の円弧状の壁部貫通スリットが設けられており、隣接する壁部貫通スリット間にそれぞれビーム部を配置することにより合計4組のビーム部が形成され、前記基本センサ取付部が周囲から前記4組のビーム部によって支持されていることを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 9, wherein
The basic sensor mounting portion has a circular contour line, and four sets of arc-shaped wall through slits are provided along the contour, and the beam portions are arranged between the adjacent wall through slits. Thus, a total of four sets of beam portions are formed, and the basic sensor mounting portion is supported by the four sets of beam portions from the periphery.
請求項1〜10のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
内側構造体が、少なくともその一部が外側構造体の内部に収容された柱状の構造体によって構成され、各基本センサが、前記外側構造体の内周面上の外側接続点と前記柱状の構造体の外周面上の内側接続点とを連結す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 inner structure is constituted by a columnar structure at least a part of which is accommodated in the outer structure, and each basic sensor includes an outer connection point on the inner peripheral surface of the outer structure and the columnar structure. A force sensor that connects an inner connection point on an outer peripheral surface of a body.
請求項11に記載の力覚センサにおいて、
内側構造体が、正三角形の断面をもつ三角柱によって構成され、
この三角柱の各側面にそれぞれ内側接続点が設けられ、3組の基本センサが、それぞれ前記各内側接続点と外側構造体の対向位置に設けられた外側接続点とを連結する連結機能を有することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 11, wherein
The inner structure is constituted by a triangular prism having an equilateral triangular cross section,
Inner connection points are provided on each side of the triangular prism, and three sets of basic sensors each have a connecting function for connecting the inner connection points and the outer connection points provided at positions facing the outer structure. Force sensor characterized by.
請求項11に記載の力覚センサにおいて、
内側構造体が、正三角形の断面をもつ三角錐によって構成され、
この三角錐の各側面にそれぞれ内側接続点が設けられ、3組の基本センサが、それぞれ前記各内側接続点と外側構造体の対向位置に設けられた外側接続点とを連結する連結機能を有することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 11, wherein
The inner structure is constituted by a triangular pyramid having an equilateral triangular cross section,
Each side face of the triangular pyramid is provided with an inner connection point, and three sets of basic sensors each have a connecting function for connecting each inner connection point and the outer connection point provided at the opposite position of the outer structure. A force sensor characterized by that.
請求項11に記載の力覚センサにおいて、
内側構造体が、正方形の断面をもつ四角柱によって構成され、
この四角柱の各側面にそれぞれ内側接続点が設けられ、4組の基本センサが、それぞれ前記各内側接続点と外側構造体の対向位置に設けられた外側接続点とを連結する連結機能を有することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 11, wherein
The inner structure is constituted by a quadrangular prism with a square cross section,
Inner connection points are provided on the respective side surfaces of the quadrangular prism, and four sets of basic sensors each have a connecting function for connecting the inner connection points and the outer connection points provided at the opposing positions of the outer structure. A force sensor characterized by that.
請求項11に記載の力覚センサにおいて、
内側構造体が、正方形の断面をもつ四角錐によって構成され、
この四角錐の各側面にそれぞれ内側接続点が設けられ、4組の基本センサが、それぞれ前記各内側接続点と外側構造体の対向位置に設けられた外側接続点とを連結する連結機能を有することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 11, wherein
The inner structure is constituted by a square pyramid with a square cross section,
Inner connection points are provided on the respective sides of the quadrangular pyramid, and four sets of basic sensors each have a connecting function for connecting the inner connection points and the outer connection points provided at opposite positions of the outer structure. A force sensor characterized by that.
請求項11〜15のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
外側接続点と内側接続点とを結ぶ連結線が、内側構造体を構成する柱状の構造体の外面に対して直交するように、各基本センサ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 11 to 15,
Force sensor characterized in that each basic sensor is arranged so that the connecting line connecting the outer connection point and the inner connection point is orthogonal to the outer surface of the columnar structure constituting the inner structure. .
請求項1に記載の力覚センサにおいて、
外側構造体および内側構造体が、それぞれ筒状の構造体によって構成され、
前記外側構造体の第1の側壁、前記内側構造体の第1の側壁、前記内側構造体の第2の側壁、前記外側構造体の第2の側壁を貫通する直線を複数n本定義し、これらn本の直線をそれぞれn組の基本センサに対応する参照線と定義したときに、
前記内側構造体の前記各参照線が貫通する第1の側壁にはそれぞれ挿通孔が形成されており、
各基本センサが、対応する参照線が貫通する外側構造体の第1の側壁の内周面に設けられた外側接続点と、対応する参照線が貫通する内側構造体の第2の側壁の内周面に設けられた内側接続点とを、対応する参照線が貫通する内側構造体の第1の側壁に形成された挿通孔を通して連結する連結機能を有することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 1,
The outer structure and the inner structure are each constituted by a cylindrical structure,
Defining a plurality of n straight lines penetrating the first sidewall of the outer structure, the first sidewall of the inner structure, the second sidewall of the inner structure, and the second sidewall of the outer structure; When these n straight lines are defined as reference lines corresponding to n sets of basic sensors,
An insertion hole is formed in each first side wall through which each reference line of the inner structure passes,
Each basic sensor has an outer connection point provided on the inner peripheral surface of the first side wall of the outer structure through which the corresponding reference line passes, and an inner side of the second side wall of the inner structure through which the corresponding reference line passes. A force sensor having a connection function of connecting an inner connection point provided on a peripheral surface through an insertion hole formed in a first side wall of an inner structure through which a corresponding reference line passes.
請求項17に記載の力覚センサにおいて、
外側構造体を、その中心軸が上下方向を向くように配置したときに、その上方開口部を覆う天板部材を更に設けたことを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 17,
A force sensor, further comprising a top plate member that covers the upper opening when the outer structure is disposed so that the central axis thereof is directed in the vertical direction.
請求項18に記載の力覚センサにおいて、
外側構造体と内側構造体とが、共通の軸を中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成され、内側構造体に対する外側構造体の変位が所定の許容範囲に達した場合に、前記内側構造体の外周面と前記外側構造体の内周面とが接触し、それ以上の変位が制限されるように、前記内側構造体と前記外側構造体との間隔が所定値に設定されており、
各基本センサが、内側構造体に対する外側構造体の変位が前記許容範囲内である限りにおいて、正常な検出機能を果たすことを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 18,
When the outer structure and the inner structure are constituted by concentric cylindrical structures having a common axis as a central axis, and the displacement of the outer structure with respect to the inner structure reaches a predetermined allowable range, the inner structure The distance between the inner structure and the outer structure is set to a predetermined value so that the outer peripheral surface of the structure is in contact with the inner peripheral surface of the outer structure and further displacement is limited. ,
A force sensor characterized in that each basic sensor performs a normal detection function as long as the displacement of the outer structure relative to the inner structure is within the allowable range.
請求項18または19に記載の力覚センサにおいて、
外側構造体と内側構造体とが、共通の軸を中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成され、内側構造体に対する外側構造体の変位が所定の許容範囲に達した場合に、内側構造体に形成された挿通孔と、この挿通孔を通る基本センサの一部分とが接触し、それ以上の変位が制限されるように、前記基本センサの一部分と前記挿通孔との間隔が所定値に設定されており、
各基本センサが、内側構造体に対する外側構造体の変位が前記許容範囲内である限りにおいて、正常な検出機能を果たすことを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 18 or 19,
When the outer structure and the inner structure are configured by a concentric cylindrical structure having a common axis as a central axis, and the displacement of the outer structure with respect to the inner structure reaches a predetermined allowable range, the inner structure The interval between the part of the basic sensor and the insertion hole is set to a predetermined value so that the insertion hole formed in the body contacts with a part of the basic sensor passing through the insertion hole and further displacement is limited. Is set,
A force sensor characterized in that each basic sensor performs a normal detection function as long as the displacement of the outer structure relative to the inner structure is within the allowable range.
請求項19または20に記載の力覚センサにおいて、
外側接続点と内側接続点とを結ぶ連結線が、外側構造体および内側構造体の共通中心軸に対して直交するように、各基本センサ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 claim 19 or 20,
A force sensor, wherein each basic sensor is arranged such that a connecting line connecting an outer connection point and an inner connection point is orthogonal to a common central axis of the outer structure and the inner structure.
請求項17〜21のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
外側構造体の第1の側壁の参照線との交差部分近傍が、他の部分に比べて肉厚の薄いダイアフラム部を構成し、基本センサの一端が前記ダイアフラム部に接合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 17 to 21,
The vicinity of the intersection with the reference line of the first side wall of the outer structure constitutes a diaphragm portion that is thinner than the other portions, and one end of the basic sensor is joined to the diaphragm portion. Force sensor.
請求項17〜22のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
複数n組の基本センサが、それぞれ連結機能を果たすための竿状部を有しており、少なくとも一部の基本センサの竿状部は、他の基本センサの竿状部との接触を回避できるように湾曲し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 17 to 22,
A plurality of n sets of basic sensors each have a hook-shaped portion for performing a connection function, and at least some of the basic sensors can avoid contact with the hook-shaped portions of other basic sensors. Force sensor characterized by being curved like this.
請求項17〜23のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
内側構造体を、その中心軸が上下方向を向くように配置したときに、前記内側構造体の下方開口部を覆う底板部材と、この底板部材の上面に固定された回路基板と、を更に備え、演算手段が、前記回路基板上に形成された演算回路によって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 17 to 23,
A bottom plate member that covers a lower opening of the inner structure when the inner structure is disposed such that a central axis thereof is directed in a vertical direction; and a circuit board fixed to the upper surface of the bottom plate member. The force sensor is constituted by an arithmetic circuit formed on the circuit board.
請求項17〜24のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
外側構造体の更に外側に設けられ、筒状の構造体からなる外殻構造体と、
前記外側構造体と前記外殻構造体とを接続する連結部材と、
を更に備えることを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to any one of claims 17 to 24,
An outer shell structure provided on the outer side of the outer structure and made of a cylindrical structure; and
A connecting member connecting the outer structure and the outer shell structure;
A force sensor further comprising:
請求項1〜11、17〜25のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
内側構造体の内部に定義された原点Qにおいて互いに直交するα軸,β軸,γ軸を有するαβγ三次元直交座標系を定義したときに、
各基本センサについてそれぞれ定義されたXYZ三次元直交座標系のZ軸が、前記原点Qを通る方向に定義されており、
演算手段は、前記α軸方向に作用した力成分Fα、前記β軸方向に作用した力成分Fβ、前記γ軸方向に作用した力成分Fγ、前記α軸まわりに作用したモーメント成分Mα、前記β軸まわりに作用したモーメント成分Mβ、前記γ軸まわりに作用したモーメント成分Mγの少なくとも1成分を検出す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 11 and 17 to 25,
When defining an αβγ three-dimensional orthogonal coordinate system having an α axis, a β axis, and a γ axis orthogonal to each other at the origin Q defined inside the inner structure,
The Z axis of the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system defined for each basic sensor is defined in a direction passing through the origin Q,
The computing means includes a force component Fα acting in the α-axis direction, a force component Fβ acting in the β-axis direction, a force component Fγ acting in the γ-axis direction, a moment component Mα acting around the α-axis, the β A force sensor for detecting at least one of a moment component Mβ acting around an axis and a moment component Mγ acting around the γ-axis.
請求項26に記載の力覚センサにおいて、
各基本センサのそれぞれについて定義された各X軸および各Z軸が、αβ平面に含まれる軸となり、各基本センサのそれぞれについて定義された各Y軸が、γ軸に平行になるように定義されていることを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 26, wherein
Each X-axis and each Z-axis defined for each basic sensor are axes included in the αβ plane, and each Y-axis defined for each basic sensor is defined to be parallel to the γ-axis. A force sensor.
請求項27に記載の力覚センサにおいて、
各Z軸が互いに120°をなすように配置された3組の基本センサを備えることを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 27, wherein
A force sensor comprising three sets of basic sensors arranged so that each Z-axis forms 120 ° with respect to each other.
請求項28に記載の力覚センサにおいて、
αβ平面上において、α軸の方向を0°、β軸の方向を90°とする方位角を定義し、更に、方位角210°の方向を向いたδ軸と、方位角330°の方向を向いたε軸と、を定義したときに、
第1の基本センサについて定義されたZ軸正方向がβ軸負方向に一致し、第2の基本センサについて定義されたZ軸正方向がδ軸負方向に一致し、第3の基本センサについて定義されたZ軸正方向がε軸負方向に一致するように、互いに検出感度が等しい3組の基本センサが配置されており、
演算手段が、前記第1の基本センサが検出したX軸まわりのモーメント成分をMx1、前記第1の基本センサが検出したY軸まわりのモーメント成分をMy1、前記第2の基本センサが検出したX軸まわりのモーメント成分をMx2、前記第2の基本センサが検出したY軸まわりのモーメント成分をMy2、前記第3の基本センサが検出したX軸まわりのモーメント成分をMx3、前記第3の基本センサが検出したY軸まわりのモーメント成分をMy3としたときに、所定の係数値K11,K12,K13,K14,K15,K16を用いた
Fα=K11(−My1+1/2・My2+1/2・My3)
Fβ=K12(−√3/2・My2+√3/2・My3)
Fγ=K13(Mx1+Mx2+Mx3)
Mα=K14(Mx1−1/2・Mx2−1/2・Mx3)
Mβ=K15(√3/2・Mx2−√3/2・Mx3)
Mγ=K16(My1+My2+My3)
なる演算を行うことにより、力成分Fα,Fβ,Fγおよびモーメント成分Mα,Mβ,Mγの6成分を検出することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 28, wherein
On the αβ plane, an azimuth angle is defined with the α axis direction being 0 ° and the β axis direction being 90 °. Further, the δ axis facing the azimuth angle 210 ° direction and the azimuth angle 330 ° direction When we define the facing ε axis,
The Z-axis positive direction defined for the first basic sensor matches the β-axis negative direction, the Z-axis positive direction defined for the second basic sensor matches the δ-axis negative direction, and the third basic sensor Three basic sensors having the same detection sensitivity are arranged so that the defined Z-axis positive direction coincides with the ε-axis negative direction,
The computing means Mx1 the moment component around the X axis detected by the first basic sensor, My1 the moment component around the Y axis detected by the first basic sensor, and the X detected by the second basic sensor. The moment component around the axis is Mx2, the moment component around the Y axis detected by the second basic sensor is My2, the moment component around the X axis detected by the third basic sensor is Mx3, the third basic sensor When the moment component around the Y axis detected by is set to My3, Fα = K11 (−My1 + 1/2 · My2 + 1/2 · My3) using predetermined coefficient values K11, K12, K13, K14, K15, and K16
Fβ = K12 (−√3 / 2 · My2 + √3 / 2 · My3)
Fγ = K13 (Mx1 + Mx2 + Mx3)
Mα = K14 (Mx1-1 / Mx2-1 / Mx3)
Mβ = K15 (√3 / 2 · Mx2−√3 / 2 · Mx3)
Mγ = K16 (My1 + My2 + My3)
A force sensor that detects six components of force components Fα, Fβ, Fγ and moment components Mα, Mβ, Mγ by performing the following calculation.
請求項27に記載の力覚センサにおいて、
各Z軸が互いに90°をなすように配置された4組の基本センサを備えることを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 27, wherein
A force sensor comprising four sets of basic sensors arranged so that each Z-axis forms 90 ° with each other.
請求項30に記載の力覚センサにおいて、
第1の基本センサについて定義されたZ軸正方向がβ軸負方向に一致し、第2の基本センサについて定義されたZ軸正方向がα軸正方向に一致し、第3の基本センサについて定義されたZ軸正方向がβ軸正方向に一致し、第4の基本センサについて定義されたZ軸正方向がα軸負方向に一致するように、互いに検出感度が等しい4組の基本センサが配置されており、
演算手段が、前記第1の基本センサが検出したX軸まわりのモーメント成分をMx1、前記第1の基本センサが検出したY軸まわりのモーメント成分をMy1、前記第2の基本センサが検出したX軸まわりのモーメント成分をMx2、前記第2の基本センサが検出したY軸まわりのモーメント成分をMy2、前記第3の基本センサが検出したX軸まわりのモーメント成分をMx3、前記第3の基本センサが検出したY軸まわりのモーメント成分をMy3、前記第4の基本センサが検出したX軸まわりのモーメント成分をMx4、前記第4の基本センサが検出したY軸まわりのモーメント成分をMy4としたときに、所定の係数値K21,K22,K23,K24,K25,K26を用いた
Fα=K21(−My1+My3)
Fβ=K22(−My2+My4)
Fγ=K23(Mx1+Mx2+Mx3+Mx4)
Mα=K24(Mx1−Mx3)
Mβ=K25(Mx2−Mx4)
Mγ=K26(My1+My2+My3+My4)
なる演算を行うことにより、力成分Fα,Fβ,Fγおよびモーメント成分Mα,Mβ,Mγの6成分を検出することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 30, wherein
The Z-axis positive direction defined for the first basic sensor matches the β-axis negative direction, the Z-axis positive direction defined for the second basic sensor matches the α-axis positive direction, and the third basic sensor Four sets of basic sensors having the same detection sensitivity so that the defined Z-axis positive direction matches the β-axis positive direction and the Z-axis positive direction defined for the fourth basic sensor matches the α-axis negative direction Is placed,
The computing means Mx1 the moment component around the X axis detected by the first basic sensor, My1 the moment component around the Y axis detected by the first basic sensor, and the X detected by the second basic sensor. The moment component around the axis is Mx2, the moment component around the Y axis detected by the second basic sensor is My2, the moment component around the X axis detected by the third basic sensor is Mx3, the third basic sensor When the moment component around the Y axis detected by is My3, the moment component around the X axis detected by the fourth basic sensor is Mx4, and the moment component around the Y axis detected by the fourth basic sensor is My4 Fα = K21 (−My1 + My3) using predetermined coefficient values K21, K22, K23, K24, K25, K26
Fβ = K22 (−My2 + My4)
Fγ = K23 (Mx1 + Mx2 + Mx3 + Mx4)
Mα = K24 (Mx1-Mx3)
Mβ = K25 (Mx2-Mx4)
Mγ = K26 (My1 + My2 + My3 + My4)
A force sensor that detects six components of force components Fα, Fβ, Fγ and moment components Mα, Mβ, Mγ by performing the following calculation.
請求項26に記載の力覚センサにおいて、
各基本センサについて定義された各Z軸が、αβ平面に対して傾斜角θをなす方向を向き、各基本センサについて定義された各Y軸が、γ軸に対して傾斜角θをなす方向を向くように、各基本センサ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 claim 26, wherein
Each Z axis defined for each basic sensor points in a direction that makes an inclination angle θ with respect to the αβ plane, and each Y axis that is defined for each basic sensor indicates a direction that makes an inclination angle θ with respect to the γ axis. A force sensor characterized in that each basic sensor is arranged to face.
請求項1〜32のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
各基本センサが、作用した外力を受ける受力体と、この受力体が受けた力に基づいて変形するダイアフラム部を有する起歪体と、前記受力体と前記ダイアフラム部とを接続する接続部材と、前記ダイアフラム部の歪みを検出する検出素子と、前記検出素子の検出結果に基づいてモーメント成分MxおよびMyの少なくとも一方を電気信号として出力する検出回路と、を備え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 32,
Each basic sensor receives a force receiving body that receives the applied external force, a strain generating body having a diaphragm section that deforms based on the force received by the force receiving body, and a connection that connects the force receiving body and the diaphragm section. A force that includes a member, a detection element that detects distortion of the diaphragm portion, and a detection circuit that outputs at least one of moment components Mx and My as an electrical signal based on a detection result of the detection element. Sense sensor.
請求項33に記載の力覚センサにおいて、
検出素子として、ダイアフラム部の歪みを抵抗値の変化として検出するピエゾ抵抗素子を用いたことを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 33,
A force sensor using a piezoresistive element that detects a distortion of a diaphragm portion as a change in resistance value as a detecting element.
請求項34に記載の力覚センサにおいて、
起歪体が、XY平面に平行な上面および下面をもった板状部材によって構成され、前記起歪体の上面の中央部に定義された検出用領域には、下面側に向かって検出用溝が形成されており、この検出用溝の底部によってダイアフラム部が形成され、この検出用溝の周囲には側壁部が形成され、前記ダイアフラム部の下面と前記側壁部の下面とは同一平面上に位置し、
前記受力体は、前記起歪体の下方に所定間隔をおいて配置され、
前記接続部材は、Z軸上に配置された柱状部材によって構成され、その上端は前記ダイアフラム部の下面中央部に接続され、その下端は前記受力体の上面中央部に接続されており、
XYZ三次元直交座標系の原点Oの位置に配置され、ダイアフラム部に接合された歪検出基板を更に有し、前記歪検出基板は、上面および下面がXY平面に平行な面をなし、前記検出用溝の底面に前記ダイアフラム部の変形によって生じる応力が伝達されるように接合され、
ピエゾ抵抗素子は、前記歪検出基板の上面の所定箇所に形成されており、
検出回路は、前記ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化に基づいて、モーメント成分MxもしくはMyまたはその双方を示す電気信号を出力することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 34, wherein
The strain body is constituted by a plate-like member having an upper surface and a lower surface parallel to the XY plane, and the detection region defined in the center of the upper surface of the strain body has a detection groove toward the lower surface side. The diaphragm portion is formed by the bottom portion of the detection groove, and a side wall portion is formed around the detection groove. The lower surface of the diaphragm portion and the lower surface of the side wall portion are on the same plane. Position to,
The force receiving body is disposed at a predetermined interval below the strain body,
The connection member is constituted by a columnar member arranged on the Z axis, the upper end thereof is connected to the lower surface central portion of the diaphragm portion, and the lower end thereof is connected to the upper surface central portion of the force receiving body,
The strain detection board further includes a strain detection board disposed at the position of the origin O of the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system and bonded to the diaphragm. The top and bottom faces of the strain detection board are parallel to the XY plane. It is joined to the bottom surface of the groove so that the stress generated by the deformation of the diaphragm portion is transmitted,
The piezoresistive element is formed at a predetermined location on the upper surface of the strain detection substrate,
The detection circuit outputs an electrical signal indicating a moment component Mx and / or My based on a change in electrical resistance of the piezoresistive element.
請求項33に記載の力覚センサにおいて、
検出素子として、ダイアフラム部の変位を静電容量値の変化として検出する静電容量素子を用いたことを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 33,
A force sensor using a capacitance element that detects a displacement of a diaphragm portion as a change in capacitance value as a detection element.
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