JP2017062147A - Force sensor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To notify abnormality to the outside when it occurs.SOLUTION: A diaphragm part 120 is provided inside a toric support part 110. An external force acting on a force receiving part 210 is applied to the center of the diaphragm part 120 via a force conveyance part 220. Four detection points P21-P24 are defined on a detection reference circle G1 at the bottom face of the diaphragm part 120. A-system displacement electrodes E21A-E24A are disposed on the outside of the detection points P21-P24, and B-system displacement electrodes E21B-E24B are disposed in the inside. An A-system capacitive element is formed by the A-system displacement electrodes E21A-E24A and fixed electrodes E11A-E14A that face the foregoing, and a B-system capacitive element is formed by the B-system displacement electrodes E21B-E24B and fixed electrodes E11B-E14B that face the foregoing. When a difference between a detection value obtained from the A-system capacitive element and a detection value obtained from the B-system capacitive element exceeds a tolerance, a difference error is outputted.SELECTED DRAWING: Figure 16

Description

本発明は、外力を検出する力覚センサに関し、特に、弾性変形部に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出することにより、作用した外力の所定方向成分を検出する力覚センサに関する。   The present invention relates to a force sensor that detects an external force, and more particularly, to a force sensor that detects a predetermined direction component of an applied external force by electrically detecting bending or displacement generated in an elastically deformable portion.

ロボットや産業機械の動作制御を行うために、種々のタイプの力覚センサが利用されている。このような用途に用いる力覚センサには、小型化およびコストダウンを図るために、できるだけ構造を単純にするとともに、三次元空間内での各座標軸に関する力をそれぞれ独立して検出できるようにすることが望まれている。   Various types of force sensors are used to control the operation of robots and industrial machines. In order to reduce the size and reduce the cost, the force sensor used for such an application has a simple structure as much as possible, and can detect the force relating to each coordinate axis in a three-dimensional space independently. It is hoped that.

このような要求に応えるため、一部分に弾性変形部が設けられた検出用構造体を用意し、この弾性変形部に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出することにより、作用した外力の所定方向成分を検出する力覚センサが提案されている。たとえば、下記の特許文献1,2には、ダイアフラム部に生じた撓みをピエゾ抵抗素子を用いて検出する力覚センサが開示されており、特許文献3には、ダイアフラム部に生じた変位を容量素子を用いて検出する力覚センサが開示されている。また、特許文献4には、ダイアフラム部の代わりにビーム構造を有する4本の橋梁部に生じた撓みをピエゾ抵抗素子を用いて検出する力覚センサが開示されている。   In order to meet such requirements, a detection structure provided with a part of the elastic deformation part is prepared, and a predetermined direction of the applied external force is detected by electrically detecting deflection or displacement generated in the elastic deformation part. A force sensor for detecting a component has been proposed. For example, the following Patent Documents 1 and 2 disclose a force sensor that detects a deflection generated in the diaphragm portion using a piezoresistive element, and Patent Document 3 discloses a displacement generated in the diaphragm portion as a capacitance. A force sensor that detects using an element is disclosed. Further, Patent Document 4 discloses a force sensor that uses a piezoresistive element to detect bending generated in four bridge portions having a beam structure instead of a diaphragm portion.

一方、同様の原理に基づいて、作用した外力を各座標軸方向の並進力と各座標軸まわりのモーメントとに分け、合計6軸成分をそれぞれ独立して検出可能な力覚センサも提案されている。たとえば、特許文献5には、外力を4本の柱状力伝達体を介して4組の局在ダイアフラムに伝達し、各局在ダイアフラムの変位態様を容量素子によって検出することにより、外力の6軸成分を独立して検出可能な力覚センサが開示されている。また、特許文献6には、1軸まわりのモーメントの検出に特化することにより、トルクセンサとして利用可能な力覚センサが開示されている。   On the other hand, based on the same principle, there has also been proposed a force sensor that divides the applied external force into a translational force in the direction of each coordinate axis and a moment around each coordinate axis and can independently detect a total of six axis components. For example, in Patent Document 5, an external force is transmitted to four sets of localized diaphragms via four columnar force transmission bodies, and a displacement mode of each localized diaphragm is detected by a capacitive element, whereby a six-axis component of the external force is obtained. Has been disclosed. Patent Document 6 discloses a force sensor that can be used as a torque sensor by specializing in detecting moments around one axis.

特開平3−202778号公報Japanese Patent Laid-Open No. 3-202778 特開平4−084725号公報Japanese Patent Laid-Open No. 4-084725 特開2010−008343号公報JP 2010-008343 A 特開2004−069405号公報JP 2004-066945 A 特開2004−325367号公報JP 2004-325367 A 特開2012−037300号公報JP 2012-037300 A

近年、急激な高齢化社会に向け、生活支援ロボットや医療支援ロボットの需要が高まってきており、産業界のみならず、一般市民生活へもロボットの普及が進んでゆくものと予想される。このように、人とロボットとが共存する社会では、ロボットが人に危害を加えることがないように、ロボットの安全性を十分に確保しておくことが極めて重要である。   In recent years, the demand for life support robots and medical support robots has been increasing toward a rapidly aging society, and it is expected that the spread of robots will not only extend to the industrial world, but also to the general public. Thus, in a society where humans and robots coexist, it is extremely important to ensure the safety of the robots sufficiently so that the robots do not harm humans.

一方、ロボットの動作制御を行うためには力覚センサが不可欠であり、力覚センサの動作不良はロボットの安全性を損なう要因になる。特に、生活支援ロボットや医療支援ロボットに組み込まれている力覚センサに異常が発生すると、ロボットが正常に動作することができなくなり、要介護者や患者に対して危害を及ぼす可能性がある。   On the other hand, a force sensor is indispensable for controlling the operation of the robot, and the operation failure of the force sensor becomes a factor that impairs the safety of the robot. In particular, if an abnormality occurs in a force sensor incorporated in a life support robot or medical support robot, the robot cannot operate normally, and there is a possibility of causing harm to a care recipient or patient.

ところが、前掲の各特許文献に開示されている従来の力覚センサは、上述したとおり、弾性変形部に生じた撓みや変位をピエゾ抵抗素子や容量素子などの検出素子によって電気的に検出するものであるため、検出素子の破損、信号線の断線、信号処理回路の不調などの不良要因を皆無にすることは困難である。しかも、これらの力覚センサは、異常が発生している場合にも、何らかの検出値を出力し続けるため、ロボットの制御部が異常発生を認識できなかった場合には、ロボットが誤動作することになり、人に危害が及ぶ可能性がある。   However, as described above, the conventional force sensor disclosed in each of the above-mentioned patent documents electrically detects bending and displacement generated in the elastically deforming portion by a detecting element such as a piezoresistive element or a capacitive element. For this reason, it is difficult to eliminate all the failure factors such as breakage of the detection element, disconnection of the signal line, and malfunction of the signal processing circuit. In addition, these force sensors continue to output some detection value even when an abnormality occurs, so that if the robot controller cannot recognize the abnormality, the robot will malfunction. May harm people.

そこで本発明は、異常が生じた場合にこれを外部に報知することができる力覚センサを提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a force sensor that can notify the outside when an abnormality occurs.

(1) 本発明の第1の態様は、作用した外力の所定方向成分を検出する力覚センサにおいて、
力の作用により弾性変形を生じる弾性変形部と、この弾性変形部を支持する支持部と、検出対象となる外力を受ける受力部と、この受力部に加えられた外力を弾性変形部の所定箇所に伝達する力伝達部と、を有する検出用構造体と、
弾性変形部の所定位置に定義された複数n個の検出点の、第1の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出するn個のA系統検出素子と、
n個の検出点の、第1の近傍部分とは異なる第2の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出するn個のB系統検出素子と、
を設け、
任意のi(1≦i≦n)について、第i番目のA系統検出素子は、第i番目の検出点の第1の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出し、第i番目のB系統検出素子は、第i番目の検出点の第2の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出するようにし、
更に、
n個のA系統検出素子によって検出された電気的な検出信号に基づいて、受力部に加えられた外力の所定方向成分を示すA系統検出値を出力するA系統信号処理手段と、
n個のB系統検出素子によって検出された電気的な検出信号に基づいて、受力部に加えられた外力の所定方向成分を示すB系統検出値を出力するB系統信号処理手段と、
A系統検出値とB系統検出値とを比較し、両者の差分dを求め、A系統検出値もしくはB系統検出値またはこれら両者に基づいて算出された所定の算出値を最終検出値として出力するとともに、差分dが所定の許容値Tを超えていた場合には、差分エラーを出力する比較手段と、
を設けるようにしたものである。
(1) A first aspect of the present invention provides a force sensor for detecting a predetermined direction component of an applied external force,
An elastic deformation part that generates elastic deformation by the action of a force, a support part that supports the elastic deformation part, a force receiving part that receives an external force to be detected, and an external force applied to the force receiving part A structure for detection having a force transmitting portion for transmitting to a predetermined location;
N A-line detection elements for electrically detecting deflection or displacement generated in the first vicinity of a plurality of n detection points defined at predetermined positions of the elastic deformation portion;
n number of B system detection elements for electrically detecting deflection or displacement generated in a second vicinity portion different from the first vicinity portion of the n detection points;
Provided,
For any i (1 ≦ i ≦ n), the i-th A-line detection element electrically detects the deflection or displacement of the first vicinity of the i-th detection point, and the i-th B The system detection element is configured to electrically detect deflection or displacement of the second vicinity of the i-th detection point,
Furthermore,
A system signal processing means for outputting an A system detection value indicating a predetermined direction component of the external force applied to the force receiving portion based on electrical detection signals detected by the n A system detection elements;
B system signal processing means for outputting a B system detection value indicating a predetermined direction component of the external force applied to the force receiving portion based on the electrical detection signals detected by the n B system detection elements;
The A system detection value and the B system detection value are compared, a difference d between them is obtained, and a predetermined calculation value calculated based on the A system detection value or the B system detection value or both is output as the final detection value. And a comparison means for outputting a difference error when the difference d exceeds a predetermined allowable value T;
Is provided.

(2) 本発明の第2の態様は、上述した第1の態様に係る力覚センサにおいて、
XYZ三次元直交座標系を定義したときに、検出用構造体が、
Z軸を中心軸としてXY平面もしくはXY平面に平行な平面に沿って延びる薄板状のダイアフラム部によって構成された弾性変形部と、この弾性変形部の周囲を支持固定する環状構造体によって構成された支持部と、を有する下部構造体と、
弾性変形部の上方に所定距離をおいてZ軸が中心軸となるように配置された板状基板によって構成された受力部と、受力部の下面中央と弾性変形部の上面中央とをZ軸に沿って接続する力伝達部と、を有する上部構造体と、
を備え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,
When the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system is defined, the detection structure is
Consists of an elastically deformable portion constituted by a thin-plate-like diaphragm portion extending along an XY plane or a plane parallel to the XY plane with the Z axis as a central axis, and an annular structure that supports and fixes the periphery of the elastically deformable portion A lower structure having a support portion;
A force receiving portion constituted by a plate-like substrate disposed so that the Z-axis becomes a central axis at a predetermined distance above the elastic deformation portion, and a lower surface center of the force receiving portion and an upper surface center of the elastic deformation portion. An upper structure having a force transmission portion connected along the Z-axis;
Is provided.

(3) 本発明の第3の態様は、上述した第1の態様に係る力覚センサにおいて、
XYZ三次元直交座標系を定義したときに、検出用構造体が、
Z軸上に位置する中央部と、中央部からXY平面もしくはXY平面に平行な平面に沿って放射状に延びる複数本の薄板状の橋梁部と、を有する弾性変形部と、この弾性変形部の周囲を支持固定する環状構造体によって構成された支持部と、を有する下部構造体と、
弾性変形部の上方に所定距離をおいてZ軸が中心軸となるように配置された板状基板によって構成された受力部と、受力部の下面中央と中央部の上面とをZ軸に沿って接続する力伝達部と、を有する上部構造体と、
を備えるようにしたものである。
(3) According to a third aspect of the present invention, in the force sensor according to the first aspect described above,
When the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system is defined, the detection structure is
An elastic deformation portion having a central portion located on the Z axis, and a plurality of thin plate-like bridge portions extending radially from the central portion along a plane parallel to the XY plane or the XY plane; A lower structure having a support portion configured by an annular structure that supports and fixes the surroundings;
A force receiving portion constituted by a plate-like substrate disposed at a predetermined distance above the elastically deforming portion so that the Z axis becomes the central axis, and the center of the lower surface of the force receiving portion and the upper surface of the central portion are connected to the Z axis. An upper structure having a force transmission portion connected along
Is provided.

(4) 本発明の第4の態様は、上述した第3の態様に係る力覚センサにおいて、
弾性変形部が、中央部からX軸正方向に向かって延びる薄板状の第1橋梁部と、中央部からX軸負方向に向かって延びる薄板状の第2橋梁部と、中央部からY軸正方向に向かって延びる薄板状の第3橋梁部と、中央部からY軸負方向に向かって延びる薄板状の第4橋梁部と、を有す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,
The elastically deforming portion includes a thin plate-like first bridge portion extending from the center portion toward the X-axis positive direction, a thin plate-like second bridge portion extending from the center portion toward the X-axis negative direction, and a Y-axis extending from the center portion. A thin plate-like third bridge portion extending in the positive direction and a thin plate-like fourth bridge portion extending in the Y-axis negative direction from the central portion are provided.

(5) 本発明の第5の態様は、上述した第1の態様に係る力覚センサにおいて、
XYZ三次元直交座標系を定義したときに、検出用構造体が、Z軸を中心軸としてXY平面もしくはXY平面に平行な平面に沿って延びる基板によって構成された下部構造体と、この下部構造体の上方に配置された上部構造体と、を備えており、
下部構造体を構成する基板には、複数m箇所にXY平面もしくはXY平面に平行な平面に沿った方向に延びる薄板状の局在ダイアフラム部が形成されており、下部構造体のうち、これらm組の局在ダイアフラム部の部分が弾性変形部を構成し、それ以外の部分が支持部を構成しており、
上部構造体は、下部構造体を構成する基板の上方に所定距離をおいてZ軸が中心軸となるように配置された板状基板によって構成された受力部と、受力部の下面の所定箇所とm組のダイアフラム部の上面中央とを接続するm組の力伝達部と、を有しているようにしたものである。
(5) According to a fifth aspect of the present invention, in the force sensor according to the first aspect described above,
When the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system is defined, the detection structure is configured by a substrate extending along the XY plane or a plane parallel to the XY plane with the Z axis as a central axis, and the lower structure An upper structure disposed above the body,
A thin plate-like localized diaphragm portion extending in a direction along an XY plane or a plane parallel to the XY plane is formed at a plurality of m locations on the substrate constituting the lower structure. The part of the localized diaphragm part of the set constitutes the elastic deformation part, and the other part constitutes the support part,
The upper structure includes a force receiving portion constituted by a plate-like substrate arranged so that the Z axis is a central axis at a predetermined distance above the substrate constituting the lower structure, and a lower surface of the force receiving portion. And m sets of force transmission portions that connect a predetermined portion and the center of the upper surface of the m sets of diaphragm portions.

(6) 本発明の第6の態様は、上述した第5の態様に係る力覚センサにおいて、
m=4に設定することにより、下部構造体を構成する基板には、4箇所にXY平面もしくはXY平面に平行な平面に沿った方向に延びる薄板状の局在ダイアフラム部が形成されており、各局在ダイアフラム部の下面は共通の検出基準面に含まれ、
上部構造体は、下部構造体を構成する基板の上方に所定距離をおいてZ軸が中心軸となるように配置された板状基板によって構成された受力部と、受力部の下面と4組の局在ダイアフラム部の上面とを接続する4組の力伝達部と、を有しており、
4組の力伝達部のうち、第1の力伝達部は、正のX軸と交差するZ軸に平行な直線に沿って、受力部の下面の所定位置と第1の局在ダイアフラム部の上面中央とを接続し、第2の力伝達部は、負のX軸と交差するZ軸に平行な直線に沿って、受力部の下面の所定位置と第2の局在ダイアフラム部の上面中央とを接続し、第3の力伝達部は、正のY軸と交差するZ軸に平行な直線に沿って、受力部の下面の所定位置と第3の局在ダイアフラム部の上面中央とを接続し、第4の力伝達部は、負のY軸と交差するZ軸に平行な直線に沿って、受力部の下面の所定位置と第4の局在ダイアフラム部の上面中央とを接続しているようにしたものである。
(6) According to a sixth aspect of the present invention, in the force sensor according to the fifth aspect described above,
By setting m = 4, a thin plate-like localized diaphragm portion extending in a direction along the XY plane or a plane parallel to the XY plane is formed at four locations on the substrate constituting the lower structure, The lower surface of each localized diaphragm is included in a common detection reference plane,
The upper structure includes a force receiving portion configured by a plate-like substrate disposed at a predetermined distance above the substrate constituting the lower structure so that the Z axis is the central axis, and a lower surface of the force receiving portion. 4 sets of force transmission parts connecting the upper surfaces of the 4 sets of localized diaphragm parts,
Of the four sets of force transmission units, the first force transmission unit is configured to follow a predetermined position on the lower surface of the force receiving unit and a first localized diaphragm unit along a straight line parallel to the Z axis that intersects the positive X axis. The second force transmission unit is connected to a predetermined position on the lower surface of the force receiving unit and the second localized diaphragm unit along a straight line parallel to the Z axis intersecting the negative X axis. The third force transmission unit connects the center of the upper surface, and the third force transmission unit has a predetermined position on the lower surface of the force receiving unit and the upper surface of the third localized diaphragm unit along a straight line parallel to the Z axis that intersects the positive Y axis. The fourth force transmission unit is connected to the center of the upper surface of the fourth localized diaphragm unit along a straight line parallel to the Z axis that intersects the negative Y axis. Are connected to each other.

(7) 本発明の第7の態様は、上述した第2〜第6の態様に係る力覚センサにおいて、
XY平面もしくはXY平面に平行な平面上に検出基準面を定義し、この検出基準面上にZ軸を中心とした検出基準円を描いたときに、n個の検出点がすべて検出基準円上に配置されているようにしたものである。
(7) The seventh aspect of the present invention is the force sensor according to the second to sixth aspects described above,
When a detection reference plane is defined on the XY plane or a plane parallel to the XY plane and a detection reference circle centered on the Z-axis is drawn on this detection reference plane, all n detection points are on the detection reference circle. It is made to arrange in.

(8) 本発明の第8の態様は、上述した第7の態様に係る力覚センサにおいて、
各検出点について、Z軸から遠い側を外側、Z軸に近い側を内側と呼んだときに、任意のi(1≦i≦n)について、
第i番目のA系統検出素子は、第i番目の検出点の外側の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出し、
第i番目のB系統検出素子は、第i番目の検出点の内側の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出するようにしたものである。
(8) The eighth aspect of the present invention is the force sensor according to the seventh aspect described above,
For each detection point, when the side far from the Z axis is called the outside and the side close to the Z axis is called the inside, for any i (1 ≦ i ≦ n),
The i-th A-system detection element electrically detects a deflection or a displacement in the vicinity of the outside of the i-th detection point,
The i-th B system detection element is configured to electrically detect bending or displacement in the vicinity of the inside of the i-th detection point.

(9) 本発明の第9の態様は、上述した第1〜第8の態様に係る力覚センサにおいて、
n個のA系統検出素子の一部もしくは全部によって検出された電気的な検出信号と、n個のB系統検出素子の一部もしくは全部によって検出された電気的な検出信号と、の双方に基づいて、受力部に加えられた外力の所定方向成分を示す補助系統検出値を出力する補助系統信号処理手段を更に設け、
比較手段が、A系統検出値とB系統検出値との差分dに加えて、更に、A系統検出値と補助系統検出値との差分dAおよびB系統検出値と補助系統検出値との差分dBを求め、差分d,dA,dBのいずれかが所定の許容値Tを超えていた場合には、差分エラーを出力するようにしたものである。
(9) The ninth aspect of the present invention is the force sensor according to the first to eighth aspects described above,
Based on both electrical detection signals detected by some or all of the n A-system detection elements and electrical detection signals detected by some or all of the n B-system detection elements An auxiliary system signal processing means for outputting an auxiliary system detection value indicating a predetermined direction component of the external force applied to the force receiving unit,
In addition to the difference d between the A system detection value and the B system detection value, the comparison means further includes a difference dA between the A system detection value and the auxiliary system detection value and a difference dB between the B system detection value and the auxiliary system detection value. When any of the differences d, dA, and dB exceeds a predetermined allowable value T, a difference error is output.

(10) 本発明の第10の態様は、上述した第9の態様に係る力覚センサにおいて、
比較手段が、dA<dBの場合はA系統検出値を最終検出値として出力し、dA>dBの場合はB系統検出値を最終検出値として出力し、dA=dBの場合はA系統検出値またはB系統検出値を最終検出値として出力す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,
When dA <dB, the comparison means outputs the A system detection value as the final detection value, when dA> dB, the B system detection value is output as the final detection value, and when dA = dB, the A system detection value. Alternatively, the B system detection value is output as the final detection value.

(11) 本発明の第11の態様は、上述した第9または第10の態様に係る力覚センサにおいて、
比較手段が、差分d,dA,dBのうちの2つが所定の許容値Tを超えていた場合には、当該2つの差分の算出にともに関与した検出値を誤検出値と推定し、この誤検出値を除く2つの検出値の一方またはこれら両方に基づいて算出された所定の算出値を最終検出値として出力する例外処理を行うようにしたものである。
(11) An eleventh aspect of the present invention is the force sensor according to the ninth or tenth aspect described above,
When two of the differences d, dA, and dB exceed a predetermined allowable value T, the comparison unit estimates a detection value that is involved in the calculation of the two differences as a false detection value. Exception processing is performed in which a predetermined calculated value calculated based on one or both of two detected values excluding the detected value is output as a final detected value.

(12) 本発明の第12の態様は、上述した第1〜第8の態様に係る力覚センサにおいて、
比較手段が、A系統検出値およびB系統検出値について、所定の許容レンジ内であるか否かを判定し、当該許容レンジを超えていた場合は、レンジアウトエラーを出力するようにしたものである。
(12) The twelfth aspect of the present invention is the force sensor according to the first to eighth aspects described above,
The comparison means determines whether or not the A system detection value and the B system detection value are within a predetermined allowable range, and outputs a range-out error when exceeding the allowable range. is there.

(13) 本発明の第13の態様は、上述した第12の態様に係る力覚センサにおいて、
比較手段が、A系統検出値のみが許容レンジを超えていた場合は、B系統検出値を最終検出値として出力し、B系統検出値のみが許容レンジを超えていた場合は、A系統検出値を最終検出値として出力し、A系統検出値およびB系統検出値の双方が許容レンジを超えていた場合は、許容レンジ内の所定のダミー値を最終検出値として出力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 twelfth aspect described above,
The comparison means outputs the B system detection value as the final detection value when only the A system detection value exceeds the allowable range, and the A system detection value when only the B system detection value exceeds the allowable range. Is output as the final detection value, and when both the A system detection value and the B system detection value exceed the allowable range, a predetermined dummy value within the allowable range is output as the final detection value. .

(14) 本発明の第14の態様は、上述した第1〜第8の態様に係る力覚センサにおいて、
比較手段が、A系統検出値およびB系統検出値の平均値を算出し、当該平均値を最終検出値として出力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 first to eighth aspects described above,
The comparison means calculates an average value of the A system detection value and the B system detection value, and outputs the average value as a final detection value.

(15) 本発明の第15の態様は、上述した第1〜第14の態様に係る力覚センサにおいて、
任意のi(1≦i≦n)について、
第i番目のA系統検出素子は、第i番目の検出点の第1の近傍部分に配置されたピエゾ抵抗素子によって構成され、当該近傍部分に生じた撓みを電気抵抗値の変化として示す検出信号を出力し、
第i番目のB系統検出素子は、第i番目の検出点の第2の近傍部分に配置されたピエゾ抵抗素子によって構成され、当該近傍部分に生じた撓みを電気抵抗値の変化として示す検出信号を出力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 first to fourteenth aspects described above,
For any i (1 ≦ i ≦ n)
The i-th A-system detection element is constituted by a piezoresistive element arranged in the first vicinity of the i-th detection point, and indicates a detection signal indicating a deflection occurring in the vicinity as a change in electric resistance value. Output
The i-th B system detection element is constituted by a piezoresistive element arranged in the second vicinity of the i-th detection point, and indicates a detection signal indicating a deflection occurring in the vicinity as a change in electric resistance value. Is output.

(16) 本発明の第16の態様は、上述した第1〜第14の態様に係る力覚センサにおいて、
任意のi(1≦i≦n)について、
第i番目のA系統検出素子は、第i番目の検出点の第1の近傍部分に配置された第i番目のA系統変位電極と、この第i番目のA系統変位電極に対向するように支持部に固定された第i番目のA系統固定電極と、を有する第i番目のA系統容量素子によって構成され、当該第1の近傍部分に生じた変位を静電容量値の変化として示す検出信号を出力し、
第i番目のB系統検出素子は、第i番目の検出点の第2の近傍部分に配置された第i番目のB系統変位電極と、この第i番目のB系統変位電極に対向するように支持部に固定された第i番目のB系統固定電極と、を有する第i番目のB系統容量素子によって構成され、当該第2の近傍部分に生じた変位を静電容量値の変化として示す検出信号を出力するようにしたものである。
(16) According to a sixteenth aspect of the present invention, in the force sensor according to the first to fourteenth aspects described above,
For any i (1 ≦ i ≦ n)
The i-th A-system detection element is disposed so as to face the i-th A-system displacement electrode disposed in the first vicinity of the i-th detection point and the i-th A-system displacement electrode. Detecting the displacement generated in the first vicinity portion as a change in capacitance value, comprising an i-th A-system fixed electrode having an i-th A-system fixed electrode fixed to the support portion Output signal,
The i-th B system detection element is disposed so as to face the i-th B system displacement electrode disposed in the second vicinity of the i-th detection point and the i-th B system displacement electrode. A detection unit configured to include a displacement of the second neighboring portion as a change in capacitance value. A signal is output.

(17) 本発明の第17の態様は、上述した第2または第4の態様に係る力覚センサにおいて、
ダイアフラム部または各橋梁部の上面もしくは下面に検出基準面を定義し、X軸およびY軸を検出基準面に投影して得られるX軸投影像およびY軸投影像を定義したときに、
n=4に設定することにより検出基準面上に4個の検出点が定義されており、検出基準面上にZ軸を中心とした検出基準円を描いたときに、第1番目の検出点は正のX軸投影像と検出基準円との交点に位置し、第2番目の検出点は負のX軸投影像と検出基準円との交点に位置し、第3番目の検出点は正のY軸投影像と検出基準円との交点に位置し、第4番目の検出点は負のY軸投影像と検出基準円との交点に位置し、
各検出点について、Z軸から遠い側を外側、Z軸に近い側を内側と呼んだときに、
第1番目のA系統検出素子は、第1番目の検出点の外側の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出し、第1番目のB系統検出素子は、第1番目の検出点の内側の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出し、
第2番目のA系統検出素子は、第2番目の検出点の外側の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出し、第2番目のB系統検出素子は、第2番目の検出点の内側の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出し、
第3番目のA系統検出素子は、第3番目の検出点の外側の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出し、第3番目のB系統検出素子は、第3番目の検出点の内側の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出し、
第4番目のA系統検出素子は、第4番目の検出点の外側の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出し、第4番目のB系統検出素子は、第4番目の検出点の内側の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出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 second or fourth aspect described above,
When the detection reference plane is defined on the upper surface or the lower surface of the diaphragm section or each bridge section, and the X-axis projection image and the Y-axis projection image obtained by projecting the X axis and the Y axis onto the detection reference plane are defined,
By setting n = 4, four detection points are defined on the detection reference plane, and when the detection reference circle centered on the Z axis is drawn on the detection reference plane, the first detection point Is located at the intersection of the positive X-axis projection image and the detection reference circle, the second detection point is located at the intersection of the negative X-axis projection image and the detection reference circle, and the third detection point is positive. The fourth detection point is located at the intersection of the negative Y-axis projection image and the detection reference circle,
For each detection point, when the side far from the Z axis is called the outside, the side near the Z axis is called the inside,
The first A-line detection element electrically detects a deflection or a displacement generated in the vicinity of the outside of the first detection point, and the first B-line detection element is the first detection point. Electrically detecting deflections or displacements that occur in the vicinity of the inside,
The second A-line detection element electrically detects deflection or displacement generated in the vicinity of the outside of the second detection point, and the second B-line detection element is the second detection point. Electrically detecting deflections or displacements that occur in the vicinity of the inside,
The third A-line detection element electrically detects a deflection or a displacement that has occurred in the vicinity of the outside of the third detection point, and the third B-line detection element is the third detection point. Electrically detecting deflections or displacements that occur in the vicinity of the inside,
The fourth A-line detection element electrically detects a deflection or a displacement that has occurred in the vicinity of the outside of the fourth detection point, and the fourth B-line detection element is the fourth detection point. In this way, the deflection or displacement generated in the vicinity of the inside is electrically detected.

(18) 本発明の第18の態様は、上述した第17の態様に係る力覚センサにおいて、
各検出素子はダイアフラム部または各橋梁部の上面もしくは下面に埋め込まれたピエゾ抵抗素子によって構成されており、各ピエゾ抵抗素子は、埋め込まれた位置に生じた撓みを電気抵抗値の変化として出力する機能を有し、
第1番目のA系統検出素子は、第1番目の検出点の外側にX軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子R1Aからなり、第1番目のB系統検出素子は、第1番目の検出点の内側にX軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子R1Bからなり、
第2番目のA系統検出素子は、第2番目の検出点の外側にX軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子R2Aからなり、第2番目のB系統検出素子は、第2番目の検出点の内側にX軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子R2Bからなり、
第3番目のA系統検出素子は、第3番目の検出点の外側にY軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子R3Aからなり、第3番目のB系統検出素子は、第3番目の検出点の内側にY軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子R3Bからなり、
第4番目のA系統検出素子は、第4番目の検出点の外側にY軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子R4Aからなり、第4番目のB系統検出素子は、第4番目の検出点の内側にY軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子R4Bからなるようにしたものである。
(18) According to an eighteenth aspect of the present invention, in the force sensor according to the seventeenth aspect described above,
Each detection element is composed of a piezoresistive element embedded in the upper surface or the lower surface of the diaphragm part or each bridge part, and each piezoresistive element outputs a deflection generated at the embedded position as a change in electric resistance value. Has function,
The first A-system detection element is composed of a piezoresistive element R1A arranged along the X-axis projection image outside the first detection point, and the first B-system detection element is the first It consists of a piezoresistive element R1B arranged along the X-axis projection image inside the detection point,
The second A-system detection element is composed of a piezoresistive element R2A arranged along the X-axis projection image outside the second detection point, and the second B-system detection element is the second It consists of a piezoresistive element R2B arranged along the X-axis projection image inside the detection point,
The third A-line detection element is composed of a piezoresistive element R3A arranged along the Y-axis projection image outside the third detection point, and the third B-line detection element is the third It consists of a piezoresistive element R3B arranged along the Y-axis projection image inside the detection point,
The fourth A-system detection element is composed of a piezoresistive element R4A arranged along the Y-axis projection image outside the fourth detection point, and the fourth B-system detection element is the fourth This is composed of a piezoresistive element R4B arranged along the Y-axis projection image inside the detection point.

(19) 本発明の第19の態様は、上述した第18の態様に係る力覚センサにおいて、
8組のピエゾ抵抗素子R1A〜R4A,R1B〜R4Bの抵抗値をそれぞれ同じ符号を用いてR1A〜R4A,R1B〜R4Bと表したときに、
A系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数K1A,K2A,K3Aを用いて、
FzA=K1A×(R1A+R2A+R3A+R4A)
MxA=K2A×(R3A−R4A)
MyA=K3A×(R1A−R2A)
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のZ軸方向の力成分FzA、X軸まわりのモーメント成分MxA、Y軸まわりのモーメント成分MyAを示すA系統検出値を出力し、
B系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数K1B,K2B,K3Bを用いて、
FzB=K1B×(R1B+R2B+R3B+R4B)
MxB=K2B×(R3B−R4B)
MyB=K3B×(R1B−R2B)
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のZ軸方向の力成分FzB、X軸まわりのモーメント成分MxB、Y軸まわりのモーメント成分MyBを示すB系統検出値を出力す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 resistance values of the eight sets of piezoresistive elements R1A to R4A and R1B to R4B are expressed as R1A to R4A and R1B to R4B, respectively,
A system signal processing means uses a predetermined signed proportional coefficient K1A, K2A, K3A,
FzA = K1A × (R1A + R2A + R3A + R4A)
MxA = K2A × (R3A-R4A)
MyA = K3A × (R1A-R2A)
Or a signal process corresponding to the calculation process, the force component FzA in the Z-axis direction of the external force applied to the force receiving portion, the moment component MxA around the X axis, and the moment component MyA around the Y axis are obtained. A system detection value is output,
The B system signal processing means uses a predetermined signed proportional coefficient K1B, K2B, K3B,
FzB = K1B × (R1B + R2B + R3B + R4B)
MxB = K2B × (R3B-R4B)
MyB = K3B × (R1B-R2B)
Or a signal process corresponding to the calculation process, the force component FzB in the Z-axis direction of the external force applied to the force receiving portion, the moment component MxB around the X axis, and the moment component MyB around the Y axis are obtained. The B system detection value shown is output.

(20) 本発明の第20の態様は、上述した第17の態様に係る力覚センサにおいて、
各検出素子はダイアフラム部または各橋梁部の上面もしくは下面に固定された変位電極と、この変位電極に対向するように支持部に固定された固定電極と、を有する容量素子によって構成されており、各容量素子は、変位電極が固定された位置に生じた変位を静電容量値の変化として出力する機能を有し、
第1番目のA系統検出素子は、第1番目の検出点の外側に配置された容量素子C1Aからなり、第1番目のB系統検出素子は、第1番目の検出点の内側に配置された容量素子C1Bからなり、
第2番目のA系統検出素子は、第2番目の検出点の外側に配置された容量素子C2Aからなり、第2番目のB系統検出素子は、第2番目の検出点の内側に配置された容量素子C2Bからなり、
第3番目のA系統検出素子は、第3番目の検出点の外側に配置された容量素子C3Aからなり、第3番目のB系統検出素子は、第3番目の検出点の内側に配置された容量素子C3Bからなり、
第4番目のA系統検出素子は、第4番目の検出点の外側に配置された容量素子C4Aからなり、第4番目のB系統検出素子は、第4番目の検出点の内側に配置された容量素子C4Bからな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 seventeenth aspect described above,
Each detection element is constituted by a capacitive element having a displacement electrode fixed to the upper surface or the lower surface of the diaphragm portion or each bridge portion, and a fixed electrode fixed to the support portion so as to face the displacement electrode. Each capacitive element has a function of outputting a displacement generated at a position where the displacement electrode is fixed as a change in capacitance value,
The first A-system detection element is composed of a capacitive element C1A arranged outside the first detection point, and the first B-system detection element is arranged inside the first detection point. A capacitor element C1B,
The second A-line detection element is composed of a capacitive element C2A arranged outside the second detection point, and the second B-line detection element is arranged inside the second detection point. A capacitor element C2B,
The third A-line detection element is composed of a capacitive element C3A arranged outside the third detection point, and the third B-line detection element is arranged inside the third detection point. Capacitance element C3B,
The fourth A-system detection element is composed of a capacitive element C4A arranged outside the fourth detection point, and the fourth B-system detection element is arranged inside the fourth detection point. The capacitor C4B is used.

(21) 本発明の第21の態様は、上述した第20の態様に係る力覚センサにおいて、
8組の容量素子C1A〜C4A,C1B〜C4Bの静電容量値をそれぞれ同じ符号を用いてC1A〜C4A,C1B〜C4Bと表したときに、
A系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数K1A,K2A,K3Aを用いて、
FzA=K1A×(C1A+C2A+C3A+C4A)
MxA=K2A×(C3A−C4A)
MyA=K3A×(C1A−C2A)
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のZ軸方向の力成分FzA、X軸まわりのモーメント成分MxA、Y軸まわりのモーメント成分MyAを示すA系統検出値を出力し、
B系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数K1B,K2B,K3Bを用いて、
FzB=K1B×(C1B+C2B+C3B+C4B)
MxB=K2B×(C3B−C4B)
MyB=K3B×(C1B−C2B)
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のZ軸方向の力成分FzB、X軸まわりのモーメント成分MxB、Y軸まわりのモーメント成分MyBを示すB系統検出値を出力するようにしたものである。
(21) According to a twenty-first aspect of the present invention, in the force sensor according to the twentieth aspect described above,
When the capacitance values of the eight sets of capacitive elements C1A to C4A and C1B to C4B are expressed as C1A to C4A and C1B to C4B using the same reference numerals,
A system signal processing means uses a predetermined signed proportional coefficient K1A, K2A, K3A,
FzA = K1A × (C1A + C2A + C3A + C4A)
MxA = K2A × (C3A-C4A)
MyA = K3A × (C1A-C2A)
Or a signal process corresponding to the calculation process, the force component FzA in the Z-axis direction of the external force applied to the force receiving portion, the moment component MxA around the X axis, and the moment component MyA around the Y axis are obtained. A system detection value is output,
The B system signal processing means uses a predetermined signed proportional coefficient K1B, K2B, K3B,
FzB = K1B × (C1B + C2B + C3B + C4B)
MxB = K2B × (C3B-C4B)
MyB = K3B × (C1B-C2B)
Or a signal process corresponding to the calculation process, the force component FzB in the Z-axis direction of the external force applied to the force receiving portion, the moment component MxB around the X axis, and the moment component MyB around the Y axis are obtained. The B system detection value shown is output.

(22) 本発明の第22の態様は、上述した第2または第4の態様に係る力覚センサにおいて、
ダイアフラム部または各橋梁部の上面もしくは下面に検出基準面を定義し、X軸およびY軸を検出基準面に投影して得られるX軸投影像およびY軸投影像を定義したときに、
n=4に設定することにより検出基準面上に4個の検出点が定義されており、検出基準面上にZ軸を中心とした検出基準円を描いたときに、第1番目の検出点は正のX軸投影像と検出基準円との交点に位置し、第2番目の検出点は負のX軸投影像と検出基準円との交点に位置し、第3番目の検出点は正のY軸投影像と検出基準円との交点に位置し、第4番目の検出点は負のY軸投影像と検出基準円との交点に位置し、
第1番目のA系統検出素子は、第1番目の検出点の、Y座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第1番目のB系統検出素子は、第1番目の検出点の、Y座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
第2番目のA系統検出素子は、第2番目の検出点の、Y座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第2番目のB系統検出素子は、第2番目の検出点の、Y座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
第3番目のA系統検出素子は、第3番目の検出点の、X座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第3番目のB系統検出素子は、第3番目の検出点の、X座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
第4番目のA系統検出素子は、第4番目の検出点の、X座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第4番目のB系統検出素子は、第4番目の検出点の、X座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出す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 second or fourth aspect described above,
When the detection reference plane is defined on the upper surface or the lower surface of the diaphragm section or each bridge section, and the X-axis projection image and the Y-axis projection image obtained by projecting the X axis and the Y axis onto the detection reference plane are defined,
By setting n = 4, four detection points are defined on the detection reference plane, and when the detection reference circle centered on the Z axis is drawn on the detection reference plane, the first detection point Is located at the intersection of the positive X-axis projection image and the detection reference circle, the second detection point is located at the intersection of the negative X-axis projection image and the detection reference circle, and the third detection point is positive. The fourth detection point is located at the intersection of the negative Y-axis projection image and the detection reference circle,
The first A-system detection element electrically detects a displacement of the first detection point in the vicinity where the Y coordinate value is negative, and the first B-system detection element is the first Electrically detecting the displacement of the second detection point in the vicinity where the Y coordinate value is positive,
The second A-line detection element electrically detects a displacement of the second detection point in the vicinity where the Y coordinate value is negative, and the second B-line detection element is the second Electrically detecting the displacement of the second detection point in the vicinity where the Y coordinate value is positive,
The third A system detection element electrically detects a displacement of the third detection point in the vicinity where the X coordinate value is negative, and the third B system detection element is the third Electrically detecting the displacement of the first detection point in the vicinity where the X coordinate value is positive,
The fourth A-line detection element electrically detects a displacement of the fourth detection point in the vicinity where the X coordinate value is negative, and the fourth B-line detection element is the fourth The displacement generated in the vicinity of the first detection point in the vicinity where the X coordinate value is positive is detected electrically.

(23) 本発明の第23の態様は、上述した第22の態様に係る力覚センサにおいて、
各検出素子はダイアフラム部または各橋梁部の上面もしくは下面に固定された変位電極と、この変位電極に対向するように支持部に固定された固定電極と、を有する容量素子によって構成されており、各容量素子は、変位電極が固定された位置に生じた変位を静電容量値の変化として出力する機能を有し、
第1番目のA系統検出素子は、第1番目の検出点の、Y座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子C1Aからなり、第1番目のB系統検出素子は、第1番目の検出点の、Y座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子C1Bからなり、
第2番目のA系統検出素子は、第2番目の検出点の、Y座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子C2Aからなり、第2番目のB系統検出素子は、第2番目の検出点の、Y座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子C2Bからなり、
第3番目のA系統検出素子は、第3番目の検出点の、X座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子C3Aからなり、第3番目のB系統検出素子は、第3番目の検出点の、X座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子C3Bからなり、
第4番目のA系統検出素子は、第4番目の検出点の、X座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子C4Aからなり、第4番目のB系統検出素子は、第4番目の検出点の、X座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子C4Bからな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 twenty-second aspect described above,
Each detection element is constituted by a capacitive element having a displacement electrode fixed to the upper surface or the lower surface of the diaphragm portion or each bridge portion, and a fixed electrode fixed to the support portion so as to face the displacement electrode. Each capacitive element has a function of outputting a displacement generated at a position where the displacement electrode is fixed as a change in capacitance value,
The first A-system detection element is composed of a capacitive element C1A arranged in the vicinity of the first detection point where the Y coordinate value is negative, and the first B-system detection element is the first detection point. Consisting of a capacitive element C1B arranged in the vicinity of the detection point at which the Y coordinate value is positive,
The second A-system detection element includes a capacitive element C2A arranged in the vicinity of the second detection point where the Y coordinate value is negative, and the second B-system detection element is the second detection point. Consisting of a capacitive element C2B arranged in the vicinity of the detection point of which the Y coordinate value is positive,
The third A-system detection element is composed of a capacitive element C3A arranged in the vicinity of the third detection point where the X coordinate value is negative, and the third B-system detection element is the third detection point. Consisting of a capacitive element C3B arranged in the vicinity of the detection point of which the X coordinate value is positive,
The fourth A-system detection element is composed of a capacitive element C4A arranged in the vicinity of the fourth detection point where the X coordinate value is negative, and the fourth B-system detection element is the fourth detection point. The detection point is composed of a capacitive element C4B arranged in the vicinity of the positive X coordinate value.

(24) 本発明の第24の態様は、上述した第23の態様に係る力覚センサにおいて、
8組の容量素子C1A〜C4A,C1B〜C4Bの静電容量値をそれぞれ同じ符号を用いてC1A〜C4A,C1B〜C4Bと表したときに、
A系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数K1A,K2A,K3Aを用いて、
FzA=K1A×(C1A+C2A+C3A+C4A)
MxA=K2A×(C3A−C4A)
MyA=K3A×(C1A−C2A)
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のZ軸方向の力成分FzA、X軸まわりのモーメント成分MxA、Y軸まわりのモーメント成分MyAを示すA系統検出値を出力し、
B系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数K1B,K2B,K3Bを用いて、
FzB=K1B×(C1B+C2B+C3B+C4B)
MxB=K2B×(C3B−C4B)
MyB=K3B×(C1B−C2B)
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のZ軸方向の力成分FzB、X軸まわりのモーメント成分MxB、Y軸まわりのモーメント成分MyBを示すB系統検出値を出力するようにしたものである。
(24) According to a twenty-fourth aspect of the present invention, in the force sensor according to the twenty-third aspect described above,
When the capacitance values of the eight sets of capacitive elements C1A to C4A and C1B to C4B are expressed as C1A to C4A and C1B to C4B using the same reference numerals,
A system signal processing means uses a predetermined signed proportional coefficient K1A, K2A, K3A,
FzA = K1A × (C1A + C2A + C3A + C4A)
MxA = K2A × (C3A-C4A)
MyA = K3A × (C1A-C2A)
Or a signal process corresponding to the calculation process, the force component FzA in the Z-axis direction of the external force applied to the force receiving portion, the moment component MxA around the X axis, and the moment component MyA around the Y axis are obtained. A system detection value is output,
The B system signal processing means uses a predetermined signed proportional coefficient K1B, K2B, K3B,
FzB = K1B × (C1B + C2B + C3B + C4B)
MxB = K2B × (C3B-C4B)
MyB = K3B × (C1B-C2B)
Or a signal process corresponding to the calculation process, the force component FzB in the Z-axis direction of the external force applied to the force receiving portion, the moment component MxB around the X axis, and the moment component MyB around the Y axis are obtained. The B system detection value shown is output.

(25) 本発明の第25の態様は、上述した第24の態様に係る力覚センサにおいて、
所定の符号付き比例係数K2C,K3Cを用いて、
MxC=K2C×((C1A+C2A)−(C1B+C2B))
MyC=K3C×((C3B+C4B)−(C3A+C4A))
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のX軸まわりのモーメント成分MxCおよびY軸まわりのモーメント成分MyCを示す補助系統検出値を出力する補助系統信号処理手段を更に有し、
比較手段が、A系統検出値とB系統検出値との差分dに加えて、更に、A系統検出値と補助系統検出値との差分dAおよびB系統検出値と補助系統検出値との差分dBを求め、差分d,dA,dBのいずれかが所定の許容値Tを超えていた場合には、差分エラーを出力するようにしたものである。
(25) According to a twenty-fifth aspect of the present invention, in the force sensor according to the twenty-fourth aspect described above,
Using predetermined signed proportional coefficients K2C, K3C,
MxC = K2C × ((C1A + C2A) − (C1B + C2B))
MyC = K3C × ((C3B + C4B) − (C3A + C4A))
The auxiliary system detection value indicating the moment component MxC around the X-axis and the moment component MyC around the Y-axis of the external force applied to the force receiving portion is output by performing the following computation processing or signal processing corresponding to the computation processing. It further has auxiliary system signal processing means,
In addition to the difference d between the A system detection value and the B system detection value, the comparison means further includes a difference dA between the A system detection value and the auxiliary system detection value and a difference dB between the B system detection value and the auxiliary system detection value. When any of the differences d, dA, and dB exceeds a predetermined allowable value T, a difference error is output.

(26) 本発明の第26の態様は、上述した第6の態様に係る力覚センサにおいて、
X軸およびY軸を検出基準面に投影して得られるX軸投影像およびY軸投影像を定義し、検出基準面上にZ軸を中心とした検出基準円を描いたときに、
n=4に設定することにより、各局在ダイアフラム部の下面中央にそれぞれ1つの検出点が定義されており、第1番目の検出点は正のX軸投影像と検出基準円との交点に位置し、第2番目の検出点は負のX軸投影像と検出基準円との交点に位置し、第3番目の検出点は正のY軸投影像と検出基準円との交点に位置し、第4番目の検出点は負のY軸投影像と検出基準円との交点に位置し、
各検出点について、Z軸から遠い側を外側、Z軸に近い側を内側と呼んだときに、
第1番目のA系統検出素子は、第1番目の検出点の外側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第1番目のB系統検出素子は、第1番目の検出点の内側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
第2番目のA系統検出素子は、第2番目の検出点の外側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第2番目のB系統検出素子は、第2番目の検出点の内側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
第3番目のA系統検出素子は、第3番目の検出点の外側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第3番目のB系統検出素子は、第3番目の検出点の内側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
第4番目のA系統検出素子は、第4番目の検出点の外側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第4番目のB系統検出素子は、第4番目の検出点の内側の近傍部分に生じた変位を電気的に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 sixth aspect described above,
When an X-axis projection image and a Y-axis projection image obtained by projecting the X axis and the Y axis onto the detection reference plane are defined, and a detection reference circle centered on the Z axis is drawn on the detection reference plane,
By setting n = 4, one detection point is defined at the center of the lower surface of each localized diaphragm portion, and the first detection point is located at the intersection of the positive X-axis projection image and the detection reference circle. And the second detection point is located at the intersection of the negative X-axis projection image and the detection reference circle, and the third detection point is located at the intersection of the positive Y-axis projection image and the detection reference circle, The fourth detection point is located at the intersection of the negative Y-axis projection image and the detection reference circle,
For each detection point, when the side far from the Z axis is called the outside, the side near the Z axis is called the inside,
The first A-line detection element electrically detects a displacement generated in the vicinity of the outside of the first detection point, and the first B-line detection element is located inside the first detection point. The electrical displacement is detected in the vicinity of
The second A-line detection element electrically detects a displacement generated in the vicinity of the outside of the second detection point, and the second B-line detection element is located inside the second detection point. The electrical displacement is detected in the vicinity of
The third A-line detection element electrically detects a displacement generated in the vicinity of the outside of the third detection point, and the third B-line detection element is located inside the third detection point. The electrical displacement is detected in the vicinity of
The fourth A-line detection element electrically detects a displacement generated in the vicinity of the outside of the fourth detection point, and the fourth B-line detection element is located inside the fourth detection point. The displacement generated in the vicinity of is electrically detected.

(27) 本発明の第27の態様は、上述した第26の態様に係る力覚センサにおいて、
各検出素子は各局在ダイアフラム部の下面に固定された変位電極と、この変位電極に対向するように支持部に固定された固定電極と、を有する容量素子によって構成されており、各容量素子は、変位電極が固定された位置に生じた変位を静電容量値の変化として出力する機能を有し、
第1番目のA系統検出素子は、第1番目の検出点の外側に配置された容量素子C1Aからなり、第1番目のB系統検出素子は、第1番目の検出点の内側に配置された容量素子C1Bからなり、
第2番目のA系統検出素子は、第2番目の検出点の外側に配置された容量素子C2Aからなり、第2番目のB系統検出素子は、第2番目の検出点の内側に配置された容量素子C2Bからなり、
第3番目のA系統検出素子は、第3番目の検出点の外側に配置された容量素子C3Aからなり、第3番目のB系統検出素子は、第3番目の検出点の内側に配置された容量素子C3Bからなり、
第4番目のA系統検出素子は、第4番目の検出点の外側に配置された容量素子C4Aからなり、第4番目のB系統検出素子は、第4番目の検出点の内側に配置された容量素子C4Bからなるようにしたものである。
(27) According to a twenty-seventh aspect of the present invention, in the force sensor according to the twenty-sixth aspect described above,
Each detection element is composed of a capacitive element having a displacement electrode fixed to the lower surface of each localized diaphragm portion and a fixed electrode fixed to the support portion so as to face the displacement electrode. , Having a function of outputting the displacement generated at the position where the displacement electrode is fixed as a change in capacitance value,
The first A-system detection element is composed of a capacitive element C1A arranged outside the first detection point, and the first B-system detection element is arranged inside the first detection point. A capacitor element C1B,
The second A-line detection element is composed of a capacitive element C2A arranged outside the second detection point, and the second B-line detection element is arranged inside the second detection point. A capacitor element C2B,
The third A-line detection element is composed of a capacitive element C3A arranged outside the third detection point, and the third B-line detection element is arranged inside the third detection point. Capacitance element C3B,
The fourth A-system detection element is composed of a capacitive element C4A arranged outside the fourth detection point, and the fourth B-system detection element is arranged inside the fourth detection point. The capacitor C4B is used.

(28) 本発明の第28の態様は、上述した第27の態様に係る力覚センサにおいて、
8組の容量素子C1A〜C4A,C1B〜C4Bの静電容量値をそれぞれ同じ符号を用いてC1A〜C4A,C1B〜C4Bと表したときに、
A系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数K1A,K2A,K3Aを用いて、
FzA=K1A×(C1A+C2A+C3A+C4A)
MxA=K2A×(C3A−C4A)
MyA=K3A×(C1A−C2A)
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のZ軸方向の力成分FzA、X軸まわりのモーメント成分MxA、Y軸まわりのモーメント成分MyAを示すA系統検出値を出力し、
B系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数K1B,K2B,K3Bを用いて、
FzB=K1B×(C1B+C2B+C3B+C4B)
MxB=K2B×(C3B−C4B)
MyB=K3B×(C1B−C2B)
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のZ軸方向の力成分FzB、X軸まわりのモーメント成分MxB、Y軸まわりのモーメント成分MyBを示すB系統検出値を出力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,
When the capacitance values of the eight sets of capacitive elements C1A to C4A and C1B to C4B are expressed as C1A to C4A and C1B to C4B using the same reference numerals,
A system signal processing means uses a predetermined signed proportional coefficient K1A, K2A, K3A,
FzA = K1A × (C1A + C2A + C3A + C4A)
MxA = K2A × (C3A-C4A)
MyA = K3A × (C1A-C2A)
Or a signal process corresponding to the calculation process, the force component FzA in the Z-axis direction of the external force applied to the force receiving portion, the moment component MxA around the X axis, and the moment component MyA around the Y axis are obtained. A system detection value is output,
The B system signal processing means uses a predetermined signed proportional coefficient K1B, K2B, K3B,
FzB = K1B × (C1B + C2B + C3B + C4B)
MxB = K2B × (C3B-C4B)
MyB = K3B × (C1B-C2B)
Or a signal process corresponding to the calculation process, the force component FzB in the Z-axis direction of the external force applied to the force receiving portion, the moment component MxB around the X axis, and the moment component MyB around the Y axis are obtained. The B system detection value shown is output.

(29) 本発明の第29の態様は、上述した第6の態様に係る力覚センサにおいて、
X軸およびY軸を検出基準面に投影して得られるX軸投影像およびY軸投影像を定義し、検出基準面上にZ軸を中心とした検出基準円を描いたときに、
n=4に設定することにより、各局在ダイアフラム部の下面中央にそれぞれ1つの検出点が定義されており、第1番目の検出点は正のX軸投影像と検出基準円との交点に位置し、第2番目の検出点は負のX軸投影像と検出基準円との交点に位置し、第3番目の検出点は正のY軸投影像と検出基準円との交点に位置し、第4番目の検出点は負のY軸投影像と検出基準円との交点に位置し、
第1番目のA系統検出素子は、第1番目の検出点の、Y座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第1番目のB系統検出素子は、第1番目の検出点の、Y座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
第2番目のA系統検出素子は、第2番目の検出点の、Y座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第2番目のB系統検出素子は、第2番目の検出点の、Y座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
第3番目のA系統検出素子は、第3番目の検出点の、X座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第3番目のB系統検出素子は、第3番目の検出点の、X座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
第4番目のA系統検出素子は、第4番目の検出点の、X座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第4番目のB系統検出素子は、第4番目の検出点の、X座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に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 sixth aspect described above,
When an X-axis projection image and a Y-axis projection image obtained by projecting the X axis and the Y axis onto the detection reference plane are defined, and a detection reference circle centered on the Z axis is drawn on the detection reference plane,
By setting n = 4, one detection point is defined at the center of the lower surface of each localized diaphragm portion, and the first detection point is located at the intersection of the positive X-axis projection image and the detection reference circle. And the second detection point is located at the intersection of the negative X-axis projection image and the detection reference circle, and the third detection point is located at the intersection of the positive Y-axis projection image and the detection reference circle, The fourth detection point is located at the intersection of the negative Y-axis projection image and the detection reference circle,
The first A-system detection element electrically detects a displacement of the first detection point in the vicinity where the Y coordinate value is negative, and the first B-system detection element is the first Electrically detecting the displacement of the second detection point in the vicinity where the Y coordinate value is positive,
The second A-line detection element electrically detects a displacement of the second detection point in the vicinity where the Y coordinate value is negative, and the second B-line detection element is the second Electrically detecting the displacement of the second detection point in the vicinity where the Y coordinate value is positive,
The third A system detection element electrically detects a displacement of the third detection point in the vicinity where the X coordinate value is negative, and the third B system detection element is the third Electrically detecting the displacement of the first detection point in the vicinity where the X coordinate value is positive,
The fourth A-line detection element electrically detects a displacement of the fourth detection point in the vicinity where the X coordinate value is negative, and the fourth B-line detection element is the fourth The displacement generated in the vicinity of the first detection point in the vicinity where the X coordinate value is positive is detected electrically.

(30) 本発明の第30の態様は、上述した第29の態様に係る力覚センサにおいて、
各検出素子は各局在ダイアフラム部の下面に固定された変位電極と、この変位電極に対向するように支持部に固定された固定電極と、を有する容量素子によって構成されており、各容量素子は、変位電極が固定された位置に生じた変位を静電容量値の変化として出力する機能を有し、
第1番目のA系統検出素子は、第1番目の検出点の、Y座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子C1Aからなり、第1番目のB系統検出素子は、第1番目の検出点の、Y座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子C1Bからなり、
第2番目のA系統検出素子は、第2番目の検出点の、Y座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子C2Aからなり、第2番目のB系統検出素子は、第2番目の検出点の、Y座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子C2Bからなり、
第3番目のA系統検出素子は、第3番目の検出点の、X座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子C3Aからなり、第3番目のB系統検出素子は、第3番目の検出点の、X座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子C3Bからなり、
第4番目のA系統検出素子は、第4番目の検出点の、X座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子C4Aからなり、第4番目のB系統検出素子は、第4番目の検出点の、X座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子C4Bからな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-ninth aspect described above,
Each detection element is composed of a capacitive element having a displacement electrode fixed to the lower surface of each localized diaphragm portion and a fixed electrode fixed to the support portion so as to face the displacement electrode. , Having a function of outputting the displacement generated at the position where the displacement electrode is fixed as a change in capacitance value,
The first A-system detection element is composed of a capacitive element C1A arranged in the vicinity of the first detection point where the Y coordinate value is negative, and the first B-system detection element is the first detection point. Consisting of a capacitive element C1B arranged in the vicinity of the detection point at which the Y coordinate value is positive,
The second A-system detection element includes a capacitive element C2A arranged in the vicinity of the second detection point where the Y coordinate value is negative, and the second B-system detection element is the second detection point. Consisting of a capacitive element C2B arranged in the vicinity of the detection point of which the Y coordinate value is positive,
The third A-system detection element is composed of a capacitive element C3A arranged in the vicinity of the third detection point where the X coordinate value is negative, and the third B-system detection element is the third detection point. Consisting of a capacitive element C3B arranged in the vicinity of the detection point of which the X coordinate value is positive,
The fourth A-system detection element is composed of a capacitive element C4A arranged in the vicinity of the fourth detection point where the X coordinate value is negative, and the fourth B-system detection element is the fourth detection point. The detection point is composed of a capacitive element C4B arranged in the vicinity of the positive X coordinate value.

(31) 本発明の第31の態様は、上述した第30の態様に係る力覚センサにおいて、
8組の容量素子C1A〜C4A,C1B〜C4Bの静電容量値をそれぞれ同じ符号を用いてC1A〜C4A,C1B〜C4Bと表したときに、
A系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数K1A,K2A,K3Aを用いて、
FzA=K1A×(C1A+C2A+C3A+C4A)
MxA=K2A×(C3A−C4A)
MyA=K3A×(C1A−C2A)
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のZ軸方向の力成分FzA、X軸まわりのモーメント成分MxA、Y軸まわりのモーメント成分MyAを示すA系統検出値を出力し、
B系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数K1B,K2B,K3Bを用いて、
FzB=K1B×(C1B+C2B+C3B+C4B)
MxB=K2B×(C3B−C4B)
MyB=K3B×(C1B−C2B)
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のZ軸方向の力成分FzB、X軸まわりのモーメント成分MxB、Y軸まわりのモーメント成分MyBを示すB系統検出値を出力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,
When the capacitance values of the eight sets of capacitive elements C1A to C4A and C1B to C4B are expressed as C1A to C4A and C1B to C4B using the same reference numerals,
A system signal processing means uses a predetermined signed proportional coefficient K1A, K2A, K3A,
FzA = K1A × (C1A + C2A + C3A + C4A)
MxA = K2A × (C3A-C4A)
MyA = K3A × (C1A-C2A)
Or a signal process corresponding to the calculation process, the force component FzA in the Z-axis direction of the external force applied to the force receiving portion, the moment component MxA around the X axis, and the moment component MyA around the Y axis are obtained. A system detection value is output,
The B system signal processing means uses a predetermined signed proportional coefficient K1B, K2B, K3B,
FzB = K1B × (C1B + C2B + C3B + C4B)
MxB = K2B × (C3B-C4B)
MyB = K3B × (C1B-C2B)
Or a signal process corresponding to the calculation process, the force component FzB in the Z-axis direction of the external force applied to the force receiving portion, the moment component MxB around the X axis, and the moment component MyB around the Y axis are obtained. The B system detection value shown is output.

(32) 本発明の第32の態様は、上述した第31の態様に係る力覚センサにおいて、
所定の符号付き比例係数K2C,K3Cを用いて、
MxC=K2C×((C1A+C2A)−(C1B+C2B))
MyC=K3C×((C3B+C4B)−(C3A+C4A))
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のX軸まわりのモーメント成分MxCおよびY軸まわりのモーメント成分MyCを示す補助系統検出値を出力する補助系統信号処理手段を更に有し、
比較手段が、A系統検出値とB系統検出値との差分dに加えて、更に、A系統検出値と補助系統検出値との差分dAおよびB系統検出値と補助系統検出値との差分dBを求め、差分d,dA,dBのいずれかが所定の許容値Tを超えていた場合には、差分エラーを出力するようにしたものである。
(32) According to a thirty-second aspect of the present invention, in the force sensor according to the thirty-first aspect described above,
Using predetermined signed proportional coefficients K2C, K3C,
MxC = K2C × ((C1A + C2A) − (C1B + C2B))
MyC = K3C × ((C3B + C4B) − (C3A + C4A))
The auxiliary system detection value indicating the moment component MxC around the X-axis and the moment component MyC around the Y-axis of the external force applied to the force receiving portion is output by performing the following computation processing or signal processing corresponding to the computation processing. It further has auxiliary system signal processing means,
In addition to the difference d between the A system detection value and the B system detection value, the comparison means further includes a difference dA between the A system detection value and the auxiliary system detection value and a difference dB between the B system detection value and the auxiliary system detection value. When any of the differences d, dA, and dB exceeds a predetermined allowable value T, a difference error is output.

本発明に係る力覚センサでは、検出用構造体の弾性変形部の所定位置に複数n個の検出点が定義され、これら個々の検出点の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を検出するために、A系統検出素子とB系統検出素子との2通りの検出素子が設けられ、2通りの検出値が求められる。そして、両検出値の差分が所定の許容値を超えていた場合には、差分エラーが出力される。したがって、何らかの異常が生じた場合には、差分エラーとして異常を報知することができる。   In the force sensor according to the present invention, a plurality of n detection points are defined at predetermined positions of the elastically deforming portion of the detection structure, and in order to detect deflection or displacement generated in the vicinity of these individual detection points. The two detection elements of the A system detection element and the B system detection element are provided, and two detection values are obtained. If the difference between the two detection values exceeds a predetermined allowable value, a difference error is output. Therefore, when any abnormality occurs, the abnormality can be notified as a difference error.

力覚センサに用いられる一般的な検出用構造体の側断面図(図(a) )および下部構造体100の上面図(図(b) )である。FIG. 2 is a side sectional view of a general detection structure used for a force sensor (FIG. (A)) and a top view of the lower structure 100 (FIG. (B)). 図1に示す検出用構造体の受力部210に対して、力−Fzおよびモーメント+Myが作用したときの変形状態を示す側断面図である。It is a sectional side view which shows a deformation | transformation state when force -Fz and moment + My act with respect to the force receiving part 210 of the structure for a detection shown in FIG. 力覚センサに用いられる別な検出用構造体の側断面図(図(a) )および下部構造体100′の上面図(図(b) )である。FIG. 10 is a side sectional view (FIG. (A)) of another detection structure used in the force sensor and a top view (FIG. (B)) of the lower structure 100 ′. 図1に示す検出用構造体に検出素子としてピエゾ抵抗素子を組み込んだ従来の力覚センサを示す側断面図(図(a) )および下部構造体100の上面図(図(b) )である。FIG. 2 is a side sectional view (FIG. (A)) showing a conventional force sensor incorporating a piezoresistive element as a detection element in the detection structure shown in FIG. 1 and a top view (FIG. (B)) of a lower structure 100. . 図4に示す力覚センサによる力−Fzおよびモーメント+Myの検出原理を示す側断面図である。FIG. 5 is a side sectional view showing the principle of detection of force −Fz and moment + My by the force sensor shown in FIG. 4. 図1に示す検出用構造体に検出素子として容量素子を組み込んだ従来の力覚センサを示す側断面図(図(a) )および下部構造体100の下面図(図(b) )である。FIG. 2 is a side sectional view (FIG. (A)) showing a conventional force sensor in which a capacitive element is incorporated as a detection element in the detection structure shown in FIG. 1 and a bottom view (FIG. (B)) of a lower structure 100. 図6に示す力覚センサによる力−Fzおよびモーメント+Myの検出原理を示す側断面図である。FIG. 7 is a side sectional view showing the principle of detection of a force −Fz and a moment + My by the force sensor shown in FIG. 6. 図4に示す力覚センサにおける各ピエゾ抵抗素子R1〜R4の抵抗値の変化を示す表および作用した外力の所定方向成分を求める演算式を示す図である。FIG. 5 is a table showing a change in resistance value of each piezoresistive element R1 to R4 in the force sensor shown in FIG. 4 and a calculation formula for obtaining a predetermined direction component of an applied external force. 図6に示す力覚センサにおける各容量素子C1〜C4の静電容量値の変化を示す表および作用した外力の所定方向成分を求める演算式を示す図である。It is a figure which shows the arithmetic expression which calculates | requires the table | surface which shows the capacitance value change of each capacitive element C1-C4 in the force sensor shown in FIG. 6, and the predetermined direction component of the applied external force. 図4および図6に示す力覚センサにおける各検出素子D1〜D4の配置を示す上面図である。It is a top view which shows arrangement | positioning of each detection element D1-D4 in the force sensor shown in FIG. 4 and FIG. 図10に示す検出素子D1〜D4から得られる検出信号の値D1〜D4を用いて、作用した外力の所定方向成分を求める演算式を示す図である。It is a figure which shows the computing equation which calculates | requires the predetermined direction component of the applied external force using the detection signal values D1-D4 obtained from the detection elements D1-D4 shown in FIG. 従来の力覚センサと本発明に係る力覚センサとの基本構成の相違を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the difference of the basic composition of the conventional force sensor and the force sensor which concerns on this invention. 本発明に係る力覚センサにおける各検出素子D1A〜D4A,D1B〜D4Bの配置を示す上面図である。It is a top view which shows arrangement | positioning of each detection element D1A-D4A, D1B-D4B in the force sensor which concerns on this invention. 図13に示す検出素子D1A〜D4A,D1B〜D4Bから得られる検出信号の変化を示す表および作用した外力の所定方向成分を求める演算式を示す図である。It is a figure which shows the arithmetic expression which calculates | requires the table | surface which shows the change of the detection signal obtained from detection element D1A-D4A, D1B-D4B shown in FIG. 13, and the predetermined direction component of the applied external force. 図1に示す検出用構造体に検出素子としてピエゾ抵抗素子を組み込んだ本発明に係る力覚センサを示す側断面図(図(a) )および下部構造体100の上面図(図(b) )である。FIG. 1 is a side sectional view showing a force sensor according to the present invention in which a piezoresistive element is incorporated as a detection element in the detection structure shown in FIG. 1 (FIG. 1A), and a top view of a lower structure 100 (FIG. It is. 図1に示す検出用構造体に検出素子として容量素子を組み込んだ本発明に係る力覚センサを示す側断面図(図(a) )および下部構造体100の下面図(図(b) )である。FIG. 1 is a side sectional view (FIG. (A)) showing a force sensor according to the present invention in which a capacitive element is incorporated as a detection element in the detection structure shown in FIG. 1 and a bottom view (FIG. (B)) of a lower structure 100. is there. 図16に示す力覚センサの基本構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the basic composition of the force sensor shown in FIG. 図17に示す比較手段45の具体的な処理手順を示す流れ図である。It is a flowchart which shows the specific process sequence of the comparison means 45 shown in FIG. 図16に示す力覚センサの変形例を示す側断面図(図(a) )および下部構造体100の下面図(図(b) )である。FIG. 17 is a side sectional view (FIG. (A)) showing a modification of the force sensor shown in FIG. 16 and a bottom view (FIG. (B)) of the lower structure 100. FIG. 図19に示す力覚センサにおいて、補助系統信号処理を加えた場合の基本構成を示すブロック図である。FIG. 20 is a block diagram showing a basic configuration when auxiliary system signal processing is added to the force sensor shown in FIG. 19. 本発明に係る力覚センサの別な実施形態に用いられる検出用構造体の側断面図(図(a) )および下部構造体400の下面図(図(b) )である。FIG. 6 is a side sectional view (FIG. (A)) of a detection structure used in another embodiment of the force sensor according to the present invention and a bottom view (FIG. (B)) of the lower structure 400. 図21に示す検出用構造体の受力部510に対して、力−Fzおよびモーメント+Myが作用したときの変形状態を示す側断面図である。FIG. 22 is a side sectional view showing a deformed state when a force −Fz and a moment + My are applied to the force receiving portion 510 of the detection structure shown in FIG. 21. 図21に示す検出用構造体に検出素子として容量素子を組み込んだ本発明の別な実施形態に係る力覚センサを示す側断面図(図(a) )および下部構造体100の下面図(図(b) )である。FIG. 21 is a side sectional view (FIG. (A)) showing a force sensor according to another embodiment of the present invention in which a capacitive element is incorporated as a detection element in the detection structure shown in FIG. 21, and a bottom view of the lower structure 100 (FIG. (b)). 図23に示す力覚センサにおける容量素子の配置パターンを変更した変形例を示す側断面図(図(a) )および下部構造体100の下面図(図(b) )である。FIG. 24 is a side sectional view (FIG. (A)) showing a modified example in which the arrangement pattern of the capacitive element in the force sensor shown in FIG. 23 is changed and a bottom view (FIG. (B)) of the lower structure 100.

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

<<< §1. 従来の一般的な力覚センサの構成 >>>
まず§1では、説明の便宜上、前掲の各特許文献等に開示されている従来の一般的な力覚センサの構造および動作を述べておく。
<<< §1. Configuration of a conventional general force sensor >>>
First, in §1, the structure and operation of a conventional general force sensor disclosed in the above-mentioned patent documents and the like will be described for convenience of explanation.

<1−1.ダイアフラム部を有する検出用構造体>
図1は、従来の一般的な力覚センサに用いられているダイアフラム部を有する検出用構造体の一例を示す図である。たとえば、前掲の特許文献1〜3に開示されている力覚センサには、図1に示す検出用構造体に類似した構造体が用いられている。
<1-1. Detection structure having a diaphragm portion>
FIG. 1 is a diagram showing an example of a detection structure having a diaphragm portion used in a conventional general force sensor. For example, a structure similar to the structure for detection shown in FIG. 1 is used for the force sensor disclosed in Patent Documents 1 to 3 described above.

図1(a) は、この検出用構造体の側断面図である。図示の例の場合、検出用構造体は、下部構造体100と上部構造体200によって構成されている。図1(b) は、下部構造体100の上面図である。下部構造体100は、円盤の下面側に円柱状の溝Hを形成した構造をなし、円筒状の支持部110と、円形薄板状のダイアフラム部120とを有している。ダイアフラム部120の周囲は支持部110によって支持固定され、中央部125には外力が伝達される。一方、上部構造体200は、円盤状の受力部210と、円柱状の力伝達部220とを有している。力伝達部220は、受力部210の下面の中央部とダイアフラム部120の上面の中央部125とを接続している。   FIG. 1 (a) is a side sectional view of this detection structure. In the case of the illustrated example, the detection structure is constituted by the lower structure 100 and the upper structure 200. FIG. 1B is a top view of the lower structure 100. The lower structure 100 has a structure in which a cylindrical groove H is formed on the lower surface side of the disk, and includes a cylindrical support portion 110 and a circular thin plate-like diaphragm portion 120. The periphery of the diaphragm portion 120 is supported and fixed by the support portion 110, and external force is transmitted to the central portion 125. On the other hand, the upper structure 200 includes a disk-shaped force receiving portion 210 and a columnar force transmitting portion 220. The force transmission part 220 connects the center part of the lower surface of the force receiving part 210 and the center part 125 of the upper surface of the diaphragm part 120.

下部構造体100と上部構造体200は、金属や樹脂などの一般的な材料によって構成することができるが、ダイアフラム部120は、外力の作用により弾性変形を生じる必要があるので、検出対象となる外力が作用したときに可撓性を呈する厚みに設定する。他の部分は、できるだけ剛体として作用するのが好ましいので、ダイアフラム部120に比べて十分に肉厚の材料によって構成すればよい。   The lower structure 100 and the upper structure 200 can be made of a general material such as metal or resin. However, the diaphragm 120 needs to be elastically deformed by the action of an external force, and is therefore a detection target. The thickness is set so as to exhibit flexibility when an external force is applied. The other portions preferably act as rigid bodies as much as possible, and therefore may be made of a material that is sufficiently thicker than the diaphragm portion 120.

ここで説明の便宜上、図示のとおり、ダイアフラム部120の中心に原点Oをとり、図1(a) の右方向にX軸、図1(a) の上方向にZ軸、図1(b) の上方向にY軸をとり、XYZ三次元直交座標系を定義し、当該座標系を用いて以下の動作説明を行うことにする。図1(a) に示されている下部構造体100は、図1(b) に示されている下部構造体100をXZ平面で切断した断面図に相当する。   For convenience of explanation, as shown in the figure, the origin O is set at the center of the diaphragm 120, the X axis is in the right direction in FIG. 1 (a), the Z axis is in the upward direction in FIG. 1 (a), and FIG. Taking the Y axis in the upward direction, an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system is defined, and the following operation will be described using the coordinate system. The lower structure 100 shown in FIG. 1 (a) corresponds to a cross-sectional view of the lower structure 100 shown in FIG. 1 (b) cut along the XZ plane.

結局、図示のような座標系を定義した場合、下部構造体100は、Z軸を中心軸としてXY平面に沿って延びる薄板状のダイアフラム部によって構成された弾性変形部120と、この弾性変形部120の周囲を支持固定する環状構造体によって構成された支持部110と、を有する基板状の構成要素であり、上部構造体200は、弾性変形部120の上方に所定距離をおいてZ軸が中心軸となるように配置された板状基板によって構成された受力部210と、この受力部210の下面中央と弾性変形部120の上面中央とをZ軸に沿って接続する力伝達部220と、を有する構成要素である。   After all, when a coordinate system as shown in the figure is defined, the lower structure 100 includes an elastic deformation portion 120 configured by a thin plate-like diaphragm portion extending along the XY plane with the Z axis as a central axis, and the elastic deformation portion. And a support part 110 configured by an annular structure that supports and fixes the periphery of 120, and the upper structure 200 has a Z-axis at a predetermined distance above the elastic deformation part 120. A force receiving portion 210 constituted by a plate-like substrate arranged so as to be the central axis, and a force transmitting portion that connects the lower surface center of the force receiving portion 210 and the upper surface center of the elastic deformation portion 120 along the Z axis. 220.

なお、図示の例は、円盤状の部材の下面側に溝Hを掘ることにより、下部構造体100の上層の残存層としてダイアフラム部120が形成されているため、ダイアフラム部120はXY平面に沿って延びる薄板状構造体によって構成されているが、溝Hは、必ずしも下面側に形成する必要はなく、上面側に形成してもよいし(この場合は、下層の残存層としてダイアフラム部が形成される)、上面側と下面側との両方に形成してもよい(この場合は、中間の残存層としてダイアフラム部が形成される)。要するに、弾性変形部120は、Z軸を中心軸として、XY平面もしくはXY平面に平行な平面に沿って延びる薄板状のダイアフラム部によって構成すればよい。   In the illustrated example, the diaphragm portion 120 is formed along the XY plane because the diaphragm portion 120 is formed as a remaining upper layer of the lower structure 100 by digging the groove H on the lower surface side of the disk-shaped member. However, the groove H is not necessarily formed on the lower surface side, and may be formed on the upper surface side (in this case, a diaphragm portion is formed as a remaining lower layer). May be formed on both the upper surface side and the lower surface side (in this case, the diaphragm portion is formed as an intermediate remaining layer). In short, the elastically deformable portion 120 may be configured by a thin plate-like diaphragm portion extending along the XY plane or a plane parallel to the XY plane with the Z axis as the central axis.

また、図示の例は、下部構造体100と上部構造体200とを接合することにより検出用構造体を構成した例であるが、検出用構造体は、全体が一体構造をなすような構造にしてもかまわない。要するに、この力覚センサに用いる検出用構造体は、力の作用により弾性変形を生じる弾性変形部120と、この弾性変形部120を支持する支持部110と、検出対象となる外力を受ける受力部210と、この受力部210に加えられた外力を弾性変形部120の所定箇所に伝達する力伝達部220と、を有していればよい。   In the example shown in the figure, the detection structure is configured by joining the lower structure 100 and the upper structure 200. However, the detection structure has a structure that forms an integral structure as a whole. It doesn't matter. In short, the detection structure used in the force sensor includes an elastic deformation portion 120 that undergoes elastic deformation by the action of force, a support portion 110 that supports the elastic deformation portion 120, and a receiving force that receives an external force to be detected. What is necessary is just to have the part 210 and the force transmission part 220 which transmits the external force applied to this force receiving part 210 to the predetermined location of the elastic deformation part 120.

続いて、この図1に示す検出用構造体に外力が作用した場合の変形態様を説明する。ここでは、支持部110を固定した状態において、受力部210に具体的な外力成分が加わった場合の変形態様を示す。たとえば、この検出用構造体をロボットアームの関節部として用い、支持部110をロボットアームの上腕部に取り付け、受力部210を下腕部に取り付けた場合、上腕部を固定した状態において下腕部に作用した外力により、弾性変形部120に変形が生じることになる。   Subsequently, a modification mode when an external force is applied to the detection structure shown in FIG. 1 will be described. Here, the deformation | transformation aspect at the time of a specific external force component being added to the force receiving part 210 in the state which fixed the support part 110 is shown. For example, when this detection structure is used as a joint part of a robot arm, the support part 110 is attached to the upper arm part of the robot arm, and the force receiving part 210 is attached to the lower arm part, the lower arm is in a state where the upper arm part is fixed. Due to the external force acting on the part, the elastic deformation part 120 is deformed.

図2(a) は、受力部210にZ軸負方向の並進力−Fz(図の下方への力)が加わったときの検出用構造体の変形態様を示す側断面図である。図示のとおり、力−Fzが力伝達部220を介して弾性変形部120(ダイアフラム部)の中央部125に伝わり、弾性変形部120は下に凸となるように弾性変形する。逆に、Z軸正方向の並進力+Fz(図の上方への力)が加わった場合は、弾性変形部120は上に凸となるように弾性変形する。   FIG. 2A is a side sectional view showing a deformation mode of the detection structure when a translational force −Fz (downward force in the figure) in the negative Z-axis direction is applied to the force receiving portion 210. As shown in the figure, the force -Fz is transmitted to the central portion 125 of the elastic deformation portion 120 (diaphragm portion) via the force transmission portion 220, and the elastic deformation portion 120 is elastically deformed so as to protrude downward. On the contrary, when a translational force + Fz (upward force in the figure) in the positive direction of the Z axis is applied, the elastically deforming portion 120 is elastically deformed so as to be convex upward.

一方、図2(b) は、受力部210にY軸正まわりのモーメント+My(図では時計まわりのモーメント:なお、本願では、右ねじを所定の座標軸正方向に進めるための回転方向を、当該座標軸についての正まわりと定義している)が加わったときの検出用構造体の変形態様を示す側断面図である。図示のとおり、モーメント+Myが力伝達部220を介して弾性変形部120(ダイアフラム部)の中央部125に伝わり、弾性変形部120は図示のように、右半分が下に凸、左半分が上に凸となるように弾性変形する。逆に、Y軸負まわりのモーメント−My(図では反時計まわりのモーメント)が加わった場合は、弾性変形部120は、右半分が上に凸、左半分が下に凸となるように弾性変形する。なお、X軸まわりのモーメント±Mxが加わったときの変形態様は、図2(b) をYZ平面で切断した側断面図と考えればよい。   On the other hand, FIG. 2 (b) shows that the force receiving portion 210 has a positive Y-axis moment + My (clockwise moment in the figure: in this application, the rotational direction for advancing the right screw in the positive direction of the predetermined coordinate axis, It is a sectional side view showing a deformation mode of the structure for detection when a positive rotation about the coordinate axis is added. As shown in the figure, the moment + My is transmitted to the central portion 125 of the elastic deformation portion 120 (diaphragm portion) via the force transmission portion 220, and the elastic deformation portion 120 has the right half convex downward and the left half upward as shown. It is elastically deformed to be convex. Conversely, when a negative Y-axis moment -My (counterclockwise moment in the figure) is applied, the elastic deformation portion 120 is elastic so that the right half is convex upward and the left half is convex downward. Deform. The deformation mode when the moment ± Mx around the X axis is applied may be considered as a side sectional view of FIG. 2 (b) cut along the YZ plane.

このように、受力部210に様々な方向成分をもった外力が作用すると、当該外力に応じて、弾性変形部120には固有の変形が生じ、各部に撓みや変位が生じることになる。こうして生じた各部の撓みや変位を、検出素子によって電気信号として取り出すことにより、作用した外力を個々の方向成分ごとに検出することができる。   As described above, when external forces having various directional components are applied to the force receiving portion 210, the elastic deformation portion 120 is deformed inherently according to the external force, and each portion is bent or displaced. By taking out the bending and displacement of each part thus generated as an electrical signal by the detection element, the applied external force can be detected for each individual direction component.

<1−2.橋梁部を有する検出用構造体>
図3は、ダイアフラム部の代わりに橋梁部を有する検出用構造体の一例を示す図である。たとえば、前掲の特許文献4に開示されている力覚センサには、図3に示す検出用構造体に類似した構造体が用いられている。
<1-2. Detection structure with bridge>
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a detection structure having a bridge portion instead of the diaphragm portion. For example, a structure similar to the structure for detection shown in FIG. 3 is used in the force sensor disclosed in Patent Document 4 described above.

図3(a) は、この検出用構造体の側断面図である。この例の場合も、検出用構造体は、下部構造体100′と上部構造体200によって構成されている。ここで、図3(a) に示す上部構造体200は、§1−1で述べた図1(a) に示す検出用構造体に用いられている上部構造体200と全く同じ構造をもった部材である。これに対して、図3(a) に示す下部構造体100′は、図1(a) に示す上部構造体100とは若干異なる構造を有している。   FIG. 3 (a) is a side sectional view of this detection structure. Also in this example, the detection structure is constituted by the lower structure 100 ′ and the upper structure 200. Here, the upper structure 200 shown in FIG. 3A has the same structure as the upper structure 200 used in the detection structure shown in FIG. 1A described in §1-1. It is a member. In contrast, the lower structure 100 ′ shown in FIG. 3A has a slightly different structure from the upper structure 100 shown in FIG.

図3(b) は、下部構造体100′の上面図である。この下部構造体100′は、支持部110と、4本の橋梁部121〜124と、中央部125とを有している。支持部110は、図1に示す支持部110と同様に円筒状の構成要素であり、4本の橋梁部121〜124の外側端部を支持固定する役割を果たす。中央部125は、図1に示す中央部115と同様に、中心にZ軸が挿通する部材であり、その上面には力伝達部220の下端が接続されている。4本の橋梁部121〜124は、中央部125からXY平面に沿って放射状に延びる薄板状の部材である。   FIG. 3B is a top view of the lower structure 100 ′. The lower structure 100 ′ has a support part 110, four bridge parts 121 to 124, and a central part 125. The support portion 110 is a cylindrical component similar to the support portion 110 shown in FIG. 1 and plays a role of supporting and fixing the outer end portions of the four bridge portions 121 to 124. The central portion 125 is a member through which the Z-axis is inserted at the center, similarly to the central portion 115 shown in FIG. 1, and the lower end of the force transmission portion 220 is connected to the upper surface thereof. The four bridge portions 121 to 124 are thin plate members extending radially from the central portion 125 along the XY plane.

図3(a) に示すように、円筒状の支持部110の内部には、円柱状の溝Hが形成されているが、図3(b) に示す4箇所の扇形開口部を通して、溝Hは下部構造体100′の上方空間へと連なっている。   As shown in FIG. 3 (a), a cylindrical groove H is formed inside the cylindrical support portion 110, and the groove H passes through the four fan-shaped openings shown in FIG. 3 (b). Is connected to the upper space of the lower structure 100 '.

下部構造体100′と上部構造体200は、金属や樹脂などの一般的な材料によって構成することができるが、4本の橋梁部121〜124は、外力の作用により弾性変形を生じる必要があるので、検出対象となる外力が作用したときに可撓性を呈する厚みに設定する。他の部分は、できるだけ剛体として作用するのが好ましいので、4本の橋梁部121〜124に比べて十分に肉厚の材料によって構成すればよい。   The lower structure 100 ′ and the upper structure 200 can be made of a general material such as metal or resin, but the four bridge portions 121 to 124 need to be elastically deformed by the action of an external force. Therefore, the thickness is set so as to exhibit flexibility when an external force to be detected is applied. The other portions preferably act as rigid bodies as much as possible, and therefore may be made of a sufficiently thick material as compared with the four bridge portions 121 to 124.

ここでも説明の便宜上、図示のとおり、中央部125の中心に原点Oをとり、図3(a) の右方向にX軸、図3(a) の上方向にZ軸、図3(b) の上方向にY軸をとり、XYZ三次元直交座標系を定義し、当該座標系を用いて以下の動作説明を行うことにする。図3(a) に示されている下部構造体100′は、図3(b) に示されている下部構造体100′をXZ平面で切断した断面図に相当する。   Here, for convenience of explanation, as shown in the drawing, the origin O is set at the center of the central portion 125, the X axis is in the right direction in FIG. 3 (a), the Z axis is in the upward direction in FIG. 3 (a), and FIG. Taking the Y axis in the upward direction, an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system is defined, and the following operation will be described using the coordinate system. The lower structure 100 ′ shown in FIG. 3 (a) corresponds to a cross-sectional view of the lower structure 100 ′ shown in FIG. 3 (b) cut along the XZ plane.

結局、図3に示す検出用構造体は、図1に示す検出用構造体の弾性変形部120(ダイアフラム部)を、4本の橋梁部121〜124に置き換えたものということができ、4本の橋梁部121〜124および中央部125が弾性変形部120として機能することになる。図示の例の場合、4本の橋梁部121〜124は、XY平面の位置に配置されているが、もちろん、4本の橋梁部121〜124の位置はXY平面に沿って延びる位置に限定されるものではなく、XY平面に平行な別な平面に沿って延びる位置に配置してもかまわない。また、図示の例では、4本の橋梁部121〜124が設けられているが、橋梁部は4本に限定されるものではなく、複数本であれば任意の本数にしてかまわない。各部の材質は、図1に示す検出用構造体と同様でよい。   After all, the detection structure shown in FIG. 3 can be said to be obtained by replacing the elastic deformation portion 120 (diaphragm portion) of the detection structure shown in FIG. 1 with four bridge portions 121 to 124. The bridge portions 121 to 124 and the central portion 125 function as the elastic deformation portion 120. In the case of the illustrated example, the four bridge portions 121 to 124 are arranged at positions on the XY plane, but of course, the positions of the four bridge portions 121 to 124 are limited to positions extending along the XY plane. However, it may be arranged at a position extending along another plane parallel to the XY plane. In the illustrated example, four bridge portions 121 to 124 are provided. However, the number of bridge portions is not limited to four, and any number of bridge portions may be used as long as there are a plurality of bridge portions. The material of each part may be the same as that of the detection structure shown in FIG.

このように、この§1−2で述べる検出用構造体の特徴は、下部構造体100′と上部構造体200によって構成されており、下部構造体100′が、複数本の橋梁部からなる弾性変形部と、この弾性変形部の周囲を支持固定する環状構造体によって構成された支持部110と、を備えている点である。より具体的には、弾性変形部は、Z軸上に位置する中央部125と、この中央部125からXY平面もしくはXY平面に平行な平面に沿って放射状に延びる複数本の薄板状の橋梁部(この例では4本の橋梁部121〜124)と、によって構成されている。   As described above, the characteristic of the detection structure described in §1-2 is constituted by the lower structure 100 ′ and the upper structure 200, and the lower structure 100 ′ is an elastic structure composed of a plurality of bridge portions. It is a point provided with the deformation | transformation part and the support part 110 comprised by the cyclic | annular structure which supports and fixes the circumference | surroundings of this elastic deformation part. More specifically, the elastically deforming portion includes a central portion 125 located on the Z axis and a plurality of thin plate-like bridge portions extending radially from the central portion 125 along a plane parallel to the XY plane or the XY plane. (In this example, four bridge portions 121 to 124).

一方、上部構造体200は、弾性変形部(121〜125)の上方に所定距離をおいてZ軸が中心軸となるように配置された板状基板によって構成された受力部210と、この受力部210の下面中央と弾性変形部の中央部125の上面とをZ軸に沿って接続する力伝達部220と、を有している。   On the other hand, the upper structure 200 includes a force receiving portion 210 configured by a plate-like substrate disposed so that the Z axis is a central axis at a predetermined distance above the elastic deformation portions (121 to 125), And a force transmission unit 220 that connects the center of the lower surface of the force receiving unit 210 and the upper surface of the central part 125 of the elastically deforming unit along the Z-axis.

特に、図3(b) に例示した検出用構造体の場合、弾性変形部は、中央部125からX軸正方向に向かって延びる薄板状の第1橋梁部121と、中央部125からX軸負方向に向かって延びる薄板状の第2橋梁部122と、中央部125からY軸正方向に向かって延びる薄板状の第3橋梁部123と、中央部125からY軸負方向に向かって延びる薄板状の第4橋梁部124と、を有している。このため、後述するような具体的な検出素子の配置を採用する場合に適した構造になっている。   In particular, in the case of the detection structure illustrated in FIG. 3B, the elastically deforming portion includes a thin plate-like first bridge portion 121 extending from the central portion 125 toward the X-axis positive direction, and the central portion 125 extending from the X-axis. A thin plate-like second bridge portion 122 extending toward the negative direction, a thin plate-like third bridge portion 123 extending from the central portion 125 toward the Y-axis positive direction, and a central portion 125 extending toward the Y-axis negative direction. And a fourth bridge portion 124 having a thin plate shape. For this reason, the structure is suitable when a specific arrangement of detection elements as described later is employed.

このように、図1に示す例では、弾性変形部をダイアフラム部120によって構成しているのに対し、図3に示す例では、弾性変形部を複数本の橋梁部121〜124によって構成している。ダイアフラム部120も複数本の橋梁部121〜124も、外力の作用によって撓みを生じる点は同じであり、検出用構造体用の弾性変形部は、ダイアフラム部によって構成してもよいし、複数本の橋梁部によって構成してもよい。   Thus, in the example shown in FIG. 1, the elastic deformation portion is configured by the diaphragm portion 120, whereas in the example shown in FIG. 3, the elastic deformation portion is configured by a plurality of bridge portions 121 to 124. Yes. The diaphragm portion 120 and the plurality of bridge portions 121 to 124 are the same in that they are bent by the action of an external force, and the elastic deformation portion for the detection structure may be constituted by a diaphragm portion, or a plurality of bridge portions 121 to 124 may be formed. You may comprise by the bridge part.

本願では、便宜上、以下の説明において、検出用構造体用の弾性変形部をダイアフラム部によって構成した例を代表例として示すことにするが、これらの例におけるダイアフラム部は、適宜、複数本の橋梁部に置き換えることが可能である。   In this application, for the sake of convenience, in the following description, an example in which the elastic deformation portion for the detection structure is configured by a diaphragm portion will be shown as a representative example, but the diaphragm portion in these examples may include a plurality of bridges as appropriate. It is possible to replace it with a part.

なお、図3に示す検出用構造体に外力が作用した場合の変形態様は、図2に示す変形態様と同様であるため、ここでは説明は省略する。   In addition, since the deformation | transformation aspect when an external force acts on the structure for a detection shown in FIG. 3 is the same as the deformation | transformation aspect shown in FIG. 2, description is abbreviate | omitted here.

<1−3.ピエゾ抵抗素子を用いた例>
図4は、図1に示す検出用構造体に検出素子としてピエゾ抵抗素子を組み込んだ従来の力覚センサを示す図である。図4(a) は、この力覚センサをXZ平面で切断した状態を示す側断面図、図4(b) は、この力覚センサの下部構造体100の上面図である。
<1-3. Example using piezoresistive element>
FIG. 4 is a view showing a conventional force sensor in which a piezoresistive element is incorporated as a detection element in the detection structure shown in FIG. FIG. 4 (a) is a side sectional view showing a state in which the force sensor is cut along the XZ plane, and FIG. 4 (b) is a top view of the lower structure 100 of the force sensor.

図4(b) に示すとおり、この例の場合、弾性変形部120(ダイアフラム部)の上面に、4組のピエゾ抵抗素子R1〜R4(黒塗りの小さな長方形で示す)が配置されている。具体的には、抵抗素子R1,R2はX軸に沿った位置に配置され、抵抗素子R3,R4はY軸に沿った位置に配置されている。図4(a) の側断面図に示されているとおり、各抵抗素子R1〜R4は、弾性変形部120の上面に埋め込まれているため、外力の作用により弾性変形部120が変形した場合、その上面の各位置に生じる撓みを電気抵抗の変化として検出することが可能である。   As shown in FIG. 4B, in this example, four sets of piezoresistive elements R1 to R4 (indicated by small black rectangles) are arranged on the upper surface of the elastic deformation portion 120 (diaphragm portion). Specifically, the resistance elements R1 and R2 are disposed at positions along the X axis, and the resistance elements R3 and R4 are disposed at positions along the Y axis. As shown in the side sectional view of FIG. 4A, each of the resistance elements R1 to R4 is embedded in the upper surface of the elastic deformation portion 120. Therefore, when the elastic deformation portion 120 is deformed by the action of an external force, It is possible to detect a deflection occurring at each position on the upper surface as a change in electrical resistance.

ここでは、説明の便宜上、図4(b) に×印で示すように、弾性変形部120の上面の各位置に検出点P11〜P14を定義する。4組の抵抗素子R1〜R4は、それぞれ検出点P11〜P14の位置に配置されており、検出点P11〜P14の位置に生じた撓みを電気抵抗の変化として検出することができる。図示の例の場合、抵抗素子R1は検出点P11の位置に長手方向がX軸方向を向くように配置され、抵抗素子R2は検出点P12の位置に長手方向がX軸方向を向くように配置され、抵抗素子R3は検出点P13の位置に長手方向がY軸方向を向くように配置され、抵抗素子R4は検出点P14の位置に長手方向がY軸方向を向くように配置されている。   Here, for convenience of explanation, detection points P11 to P14 are defined at respective positions on the upper surface of the elastic deformation portion 120, as indicated by x in FIG. The four sets of resistance elements R1 to R4 are disposed at the positions of the detection points P11 to P14, respectively, and can detect the deflection generated at the positions of the detection points P11 to P14 as changes in electrical resistance. In the case of the illustrated example, the resistance element R1 is arranged at the position of the detection point P11 so that the longitudinal direction thereof faces the X-axis direction, and the resistance element R2 is arranged at the position of the detection point P12 so that the longitudinal direction thereof faces the X-axis direction. The resistive element R3 is arranged at the position of the detection point P13 so that the longitudinal direction thereof faces the Y-axis direction, and the resistive element R4 is arranged at the position of the detection point P14 so that the longitudinal direction thereof faces the Y-axis direction.

図5は、図4に示す力覚センサによる力−Fzおよびモーメント+Myの検出原理を示す側断面図である。この力覚センサの場合、図5(a) に示すとおり、受力部210に下方への力−Fzが加わると、弾性変形部120は下に凸となるように弾性変形する。このとき、弾性変形部120の上面に位置する検出点P11,P12には、図に白矢印で示すとおり、X軸方向に関して縮む応力が加わる。同様に、弾性変形部120の上面に位置する検出点P13,P14には、Y軸方向に関して縮む応力が加わる。このため、4組の抵抗素子R1〜R4の抵抗値は減少する。逆に、上方への力+Fzが加わると、弾性変形部120は上に凸となるように弾性変形するので、弾性変形部120の上面に位置する検出点P11〜P14には、X軸もしくはY軸方向に関して伸びる応力が加わり、4組の抵抗素子R1〜R4の抵抗値は増加する。   FIG. 5 is a side sectional view showing the principle of detection of force -Fz and moment + My by the force sensor shown in FIG. In the case of this force sensor, as shown in FIG. 5 (a), when a downward force -Fz is applied to the force receiving portion 210, the elastic deformation portion 120 is elastically deformed so as to protrude downward. At this time, stress that contracts in the X-axis direction is applied to the detection points P11 and P12 located on the upper surface of the elastic deformation portion 120, as indicated by white arrows in the figure. Similarly, stress that contracts in the Y-axis direction is applied to the detection points P13 and P14 located on the upper surface of the elastic deformation portion 120. For this reason, the resistance values of the four sets of resistance elements R1 to R4 decrease. On the other hand, when an upward force + Fz is applied, the elastic deformation part 120 is elastically deformed so as to be convex upward, so that the detection points P11 to P14 located on the upper surface of the elastic deformation part 120 may have X axis Stress that extends in the axial direction is applied, and the resistance values of the four sets of resistance elements R1 to R4 increase.

一方、受力部210にY軸正まわりのモーメント+Myが加わると、図5(b) に示すとおり、弾性変形部120は、右半分が下に凸、左半分が上に凸となるように弾性変形するので、図に白矢印で示すとおり、検出点P11にはX軸方向に関して縮む応力が加わり、検出点P12にはX軸方向に関して伸びる応力が加わる。このため、抵抗素子R1の抵抗値は減少し、抵抗素子R2の抵抗値は増加する。このとき、抵抗素子R3,R4の抵抗値に有意な変化は生じない。   On the other hand, when a moment + My about the Y-axis is applied to the force receiving portion 210, the elastic deformation portion 120 has a right half convex downward and a left half convex upward as shown in FIG. 5 (b). Since it is elastically deformed, as shown by the white arrow in the figure, stress that contracts in the X-axis direction is applied to the detection point P11, and stress that extends in the X-axis direction is applied to the detection point P12. For this reason, the resistance value of the resistance element R1 decreases and the resistance value of the resistance element R2 increases. At this time, no significant change occurs in the resistance values of the resistance elements R3 and R4.

Y軸負まわりのモーメント−Myが加わった場合の抵抗値の増減の態様は上記と逆になる。また、X軸まわりのモーメント±Mxが加わった場合は、抵抗素子R3,R4の抵抗値が増減し、抵抗素子R1,R2の抵抗値に有意な変化は生じない。以上、弾性変形部120の上面に各検出点P11〜P14を定義した場合の動作であるが、弾性変形部120の下面に各検出点を定義し、各ピエゾ抵抗素子を弾性変形部120の下面に配置した場合は、伸縮の形態が逆になるため、抵抗素子の増減も逆になる。これら各抵抗素子の増減を電気的に検出すれば、作用した外力を個々の方向成分ごとに検出することができる。   The manner in which the resistance value increases or decreases when the moment -My around the negative Y-axis is applied is the reverse of the above. Further, when a moment ± Mx about the X axis is applied, the resistance values of the resistance elements R3 and R4 increase and decrease, and no significant change occurs in the resistance values of the resistance elements R1 and R2. The operation is as described above when the detection points P11 to P14 are defined on the upper surface of the elastic deformation portion 120. The detection points are defined on the lower surface of the elastic deformation portion 120, and each piezoresistive element is connected to the lower surface of the elastic deformation portion 120. Since the expansion and contraction forms are reversed, the increase and decrease of the resistance elements are also reversed. If the increase / decrease of each resistance element is electrically detected, the applied external force can be detected for each direction component.

<1−4.容量素子を用いた例>
図6は、図1に示す検出用構造体に検出素子として容量素子を組み込んだ従来の力覚センサを示す図である。図6(a) は、この力覚センサをXZ平面で切断した状態を示す側断面図、図6(b) は、この力覚センサの下部構造体100の下面図である。図1(b) や図4(b) が上面図であったのに対して、図6(b) は下部構造体100を下方から見上げた下面図であるため、図面上、Y軸の向きが逆転している。
<1-4. Example using capacitive element>
FIG. 6 is a diagram showing a conventional force sensor in which a capacitive element is incorporated as a detection element in the detection structure shown in FIG. FIG. 6A is a side sectional view showing a state where the force sensor is cut along the XZ plane, and FIG. 6B is a bottom view of the lower structure 100 of the force sensor. 1 (b) and 4 (b) are top views, while FIG. 6 (b) is a bottom view of the lower structure 100 as viewed from below. Is reversed.

ここに示す例の場合、図6(b) に示すとおり、弾性変形部120(ダイアフラム部)の下面の各位置に検出点P21〜P24が定義されており、これら各検出点P21〜P24の変位を検出するために、4組の容量素子C1〜C4が設けられている。すなわち、図6(b) に示すとおり、弾性変形部120の下面には、各検出点P21〜P24の位置に、それぞれ小さな円盤状の変位電極E21〜E24が固定されている。具体的には、変位電極E21,E22はX軸に沿った位置に配置され、変位電極E23,E24はY軸に沿った位置に配置されている。   In the example shown here, as shown in FIG. 6 (b), detection points P21 to P24 are defined at respective positions on the lower surface of the elastic deformation portion 120 (diaphragm portion), and the displacements of these detection points P21 to P24 are defined. 4 sets of capacitive elements C1 to C4 are provided. That is, as shown in FIG. 6 (b), small disc-shaped displacement electrodes E21 to E24 are fixed on the lower surface of the elastic deformation portion 120 at the positions of the detection points P21 to P24, respectively. Specifically, the displacement electrodes E21 and E22 are disposed at positions along the X axis, and the displacement electrodes E23 and E24 are disposed at positions along the Y axis.

一方、図6(a) に示すとおり、円筒状の支持部110の内部には、円盤状の電極支持基板300が配置されており、この電極支持基板300の上面には、4枚の固定電極E11〜E14が配置されている。電極支持基板300は、固定電極E11〜E14を支持するための構成要素であり、その外周面は支持部110の内周面に接続されている。固定電極E11〜E14は、変位電極E21〜E24と同じサイズの円盤状の電極であり、それぞれ変位電極E21〜E24に対向する位置に配置されている。すなわち、固定電極E11〜E14の平面的な配置は、図6(b) に示す変位電極E21〜E24の平面的な配置と同じになる。   On the other hand, as shown in FIG. 6 (a), a disk-shaped electrode support substrate 300 is disposed inside the cylindrical support portion 110, and four fixed electrodes are disposed on the upper surface of the electrode support substrate 300. E11 to E14 are arranged. The electrode support substrate 300 is a component for supporting the fixed electrodes E <b> 11 to E <b> 14, and the outer peripheral surface thereof is connected to the inner peripheral surface of the support part 110. The fixed electrodes E11 to E14 are disk-shaped electrodes having the same size as the displacement electrodes E21 to E24, and are disposed at positions facing the displacement electrodes E21 to E24, respectively. That is, the planar arrangement of the fixed electrodes E11 to E14 is the same as the planar arrangement of the displacement electrodes E21 to E24 shown in FIG.

こうして、4枚の変位電極E21〜E24とこれに対向する4枚の固定電極E11〜E14とによって、合計4組の容量素子C1〜C4が構成される。すなわち、容量素子C1は変位電極E21と固定電極E11とによって構成され、検出点P21の変位を検出するために利用され、容量素子C2は変位電極E22と固定電極E12とによって構成され、検出点P22の変位を検出するために利用され、容量素子C3は変位電極E23と固定電極E13とによって構成され、検出点P23の変位を検出するために利用され、容量素子C4は変位電極E24と固定電極E14とによって構成され、検出点P24の変位を検出するために利用される。図では、これら容量素子C1〜C4の符号を、各変位電極E21〜E24の符号の近くに括弧書きで示してある。   Thus, the four displacement electrodes E21 to E24 and the four fixed electrodes E11 to E14 facing the displacement electrodes E21 to E24 constitute a total of four capacitive elements C1 to C4. That is, the capacitive element C1 is configured by the displacement electrode E21 and the fixed electrode E11, and is used to detect the displacement of the detection point P21. The capacitive element C2 is configured by the displacement electrode E22 and the fixed electrode E12, and the detection point P22. The capacitive element C3 is composed of the displacement electrode E23 and the fixed electrode E13, and is used to detect the displacement of the detection point P23. The capacitive element C4 is used for detecting the displacement of the displacement electrode E24 and the fixed electrode E14. And is used to detect the displacement of the detection point P24. In the drawing, the reference numerals of the capacitive elements C1 to C4 are shown in parentheses near the reference numerals of the displacement electrodes E21 to E24.

図示の便宜上、図6(a) では、ダイアフラム部120の厚みと電極支持基板300の厚みとの差があまりないように描かれているが、実際には、ダイアフラム部120は弾性変形部として機能するために十分に薄く、電極支持基板300は剛体として機能するために十分に厚い。したがって、各変位電極E21〜E24は、ダイアフラム部120の変形に応じて変位するが、各固定電極E11〜E14は、電極支持基板300が変形しないため変位しない。このため、外力が作用してダイアフラム部120が撓むと、各検出点P21〜P24が変位を生じ、当該変位を、各容量素子C1〜C4の静電容量値の変化として電気的に検出することができる。   For convenience of illustration, FIG. 6A shows that there is not much difference between the thickness of the diaphragm portion 120 and the thickness of the electrode support substrate 300, but in actuality, the diaphragm portion 120 functions as an elastic deformation portion. The electrode support substrate 300 is sufficiently thin to function as a rigid body. Accordingly, the displacement electrodes E21 to E24 are displaced according to the deformation of the diaphragm portion 120, but the fixed electrodes E11 to E14 are not displaced because the electrode support substrate 300 is not deformed. For this reason, when an external force acts and the diaphragm part 120 bends, each detection point P21-P24 produces a displacement, The said displacement is electrically detected as a change of the electrostatic capacitance value of each capacitive element C1-C4. Can do.

図7は、図6に示す力覚センサによる力−Fzおよびモーメント+Myの検出原理を示す側断面図である。この力覚センサの場合、図7(a) に示すとおり、受力部210に下方への力−Fzが加わると、弾性変形部120は下に凸となるように弾性変形する。このとき、弾性変形部120の下面に位置する検出点P21,P22は、図の下方へ変位するため、これら検出点P21,P22の位置に配置されている容量素子C1,C2の電極間距離は減少し、静電容量値は増加する。検出点P23,P24も同様に下方へ変位するため、容量素子C3,C4の電極間距離も減少し、静電容量値は増加する。すなわち、下方への力−Fzの作用により、全容量素子C1〜C4の電極間距離が減少し、静電容量値は増加する。逆に、上方への力+Fzが加わると、全容量素子C1〜C4の電極間距離が増加し、静電容量値は減少する。   FIG. 7 is a side sectional view showing the principle of detection of force -Fz and moment + My by the force sensor shown in FIG. In the case of this force sensor, as shown in FIG. 7 (a), when a downward force -Fz is applied to the force receiving portion 210, the elastic deformation portion 120 is elastically deformed so as to protrude downward. At this time, since the detection points P21 and P22 located on the lower surface of the elastic deformation portion 120 are displaced downward in the figure, the distance between the electrodes of the capacitive elements C1 and C2 arranged at the positions of the detection points P21 and P22 is It decreases and the capacitance value increases. Since the detection points P23 and P24 are similarly displaced downward, the distance between the electrodes of the capacitive elements C3 and C4 also decreases, and the capacitance value increases. That is, due to the downward force -Fz, the distance between the electrodes of all the capacitive elements C1 to C4 decreases, and the capacitance value increases. Conversely, when an upward force + Fz is applied, the distance between the electrodes of all the capacitive elements C1 to C4 increases, and the capacitance value decreases.

一方、受力部210にY軸正まわりのモーメント+Myが加わると、図7(b) に示すとおり、弾性変形部120は、右半分が下に凸、左半分が上に凸となるように弾性変形するので、容量素子C1の電極間距離は減少して静電容量値は増加するが、容量素子C2の電極間距離は増加して静電容量値は減少する。このとき、容量素子C3,C4の電極間距離は、一部では増加するが、他の一部では減少するため、静電容量値に有意な変化は生じない。   On the other hand, when a moment + My about the Y-axis is applied to the force receiving portion 210, the elastic deformation portion 120 has a right half projecting downward and a left half projecting upward as shown in FIG. 7B. Due to elastic deformation, the distance between the electrodes of the capacitive element C1 decreases and the capacitance value increases, but the distance between the electrodes of the capacitive element C2 increases and the capacitance value decreases. At this time, the distance between the electrodes of the capacitive elements C3 and C4 increases in part, but decreases in the other part, so that there is no significant change in the capacitance value.

Y軸負まわりのモーメント−Myが加わった場合の静電容量値の増減の態様は上記と逆になる。また、X軸まわりのモーメント±Mxが加わった場合は、容量素子C3,C4の静電容量値が増減し、容量素子C1,C2の静電容量値に有意な変化は生じない。これら各容量素子の増減を電気的に検出すれば、作用した外力を個々の方向成分ごとに検出することができる。   The manner in which the capacitance value increases or decreases when the moment -My around the negative Y-axis is applied is the reverse of the above. Further, when a moment ± Mx about the X axis is applied, the capacitance values of the capacitive elements C3 and C4 increase and decrease, and no significant change occurs in the capacitance values of the capacitive elements C1 and C2. If the increase / decrease of each capacitive element is electrically detected, the applied external force can be detected for each direction component.

<1−5.信号処理>
これまで、§1−3においてピエゾ抵抗素子を用いた従来の力覚センサの構成を例示し、§1−4において容量素子を用いた従来の力覚センサの構成を例示した。ここでは、これらの力覚センサについて、受力部210に加えられた外力のZ軸方向の力成分Fz、X軸まわりのモーメント成分Mx、Y軸まわりのモーメント成分Myを示す検出値を出力するための信号処理を簡単に述べておく。
<1-5. Signal processing>
Up to now, the configuration of a conventional force sensor using a piezoresistive element is illustrated in §1-3, and the configuration of a conventional force sensor using a capacitive element is illustrated in §1-4. Here, for these force sensors, detection values indicating the force component Fz in the Z-axis direction of the external force applied to the force receiving portion 210, the moment component Mx around the X axis, and the moment component My around the Y axis are output. The signal processing for this will be briefly described.

図8は、§1−3で述べた図4に示す力覚センサにおいて、3種類の外力成分Fz,Mx,Myが作用したときの各ピエゾ抵抗素子R1〜R4の抵抗値の変化を示す表および作用した外力の所定方向成分を求める演算式を示す図である。上段の表において、「+」は抵抗値の増加を示し、「−」は抵抗値の減少を示し、「0」は抵抗値に有意な変化が生じないことを示している。各抵抗素子R1〜R4について、このような抵抗値変化が生じることは、既に§1−3で述べたとおりである。   FIG. 8 is a table showing changes in resistance values of the piezoresistive elements R1 to R4 when three types of external force components Fz, Mx, and My act on the force sensor shown in FIG. 4 described in §1-3. It is a figure which shows the computing equation which calculates | requires the predetermined direction component of the applied external force. In the upper table, “+” indicates an increase in resistance value, “−” indicates a decrease in resistance value, and “0” indicates that no significant change occurs in the resistance value. As described above in §1-3, such a resistance value change occurs in each of the resistance elements R1 to R4.

したがって、各抵抗素子R1〜R4の抵抗値をそれぞれ同じ符号を用いてR1〜R4と表せば、下段に示す演算式:
Fz=K1×(R1+R2+R3+R4)
Mx=K2×(R3−R4)
My=K3×(R2−R1)
に基づく演算を行うことにより、3種類の外力成分Fz,Mx,Myを算出することができる。ここで、K1,K2,K3は所定の比例係数であり、Fz,Mx,Myを正確な力の検出値として出力するためのスケーリングファクターになる。また、用いるピエゾ抵抗素子の電気的特性が上例とは異なる場合(たとえば、縮む応力に対して抵抗値が増加し、伸びる応力に対して抵抗値が減少するような特性をもっている場合)は、必要に応じて、比例係数K1,K2,K3に負の値をもたせるようにすればよい。
Therefore, when the resistance values of the respective resistance elements R1 to R4 are expressed as R1 to R4 using the same reference numerals, the arithmetic expression shown in the lower stage:
Fz = K1 × (R1 + R2 + R3 + R4)
Mx = K2 × (R3-R4)
My = K3 × (R2-R1)
By performing the calculation based on, three types of external force components Fz, Mx, and My can be calculated. Here, K1, K2, and K3 are predetermined proportional coefficients, and become scaling factors for outputting Fz, Mx, and My as accurate force detection values. In addition, when the electrical characteristics of the piezoresistive element used are different from the above example (for example, when the resistance value increases with respect to shrinking stress and the resistance value decreases with respect to expanding stress), If necessary, the proportionality coefficients K1, K2, and K3 may have negative values.

なお、図示の演算式で算出した検出値Fzは、零点が正しく設定されていないため、実際には、何ら外力が作用していないときの算出値Fzが検出値0として出力されるよう零点補正を行う必要がある。検出値MxやMyについては、差分演算値になっているので、理論上は、何ら外力が作用していないときの算出値Mx,Myは0になるはずである。   Note that the zero value of the detection value Fz calculated by the arithmetic expression shown in the figure is not set correctly, so that the zero value correction is actually performed so that the calculation value Fz when no external force is applied is output as the detection value 0. Need to do. Since the detected values Mx and My are differential calculation values, the calculated values Mx and My when no external force is applied should theoretically be zero.

また、実用上は、上記演算処理を行う代わりに、当該演算処理に相当する信号処理を行うことも可能である。たとえば、MxやMyの値は差分演算値として与えられるので、各抵抗素子を用いてブリッジ回路を構成し、当該ブリッジ回路のブリッジ電圧として、差分演算値に相当するアナログ信号を出力することも可能である。このような具体的な信号処理の手法は、既に公知の技術であるため、ここでは説明は省略する。   Further, in practice, instead of performing the above arithmetic processing, it is also possible to perform signal processing corresponding to the arithmetic processing. For example, since the values of Mx and My are given as differential calculation values, it is possible to configure a bridge circuit using each resistance element and output an analog signal corresponding to the differential calculation value as the bridge voltage of the bridge circuit. It is. Since such a specific signal processing technique is already a known technique, a description thereof is omitted here.

一方、図9は、§1−4で述べた図6に示す力覚センサにおいて、3種類の外力成分Fz,Mx,Myが作用したときの各容量素子C1〜C4の静電容量値の変化を示す表および作用した外力の所定方向成分を求める演算式を示す図である。上段の表において、「+」は静電容量値の増加を示し、「−」は静電容量値の減少を示し、「0」は静電容量値に有意な変化が生じないことを示している。各容量素子C1〜C4について、このような抵抗値変化が生じることは、既に§1−4で述べたとおりである。   On the other hand, FIG. 9 shows changes in the capacitance values of the capacitive elements C1 to C4 when three types of external force components Fz, Mx, and My act on the force sensor shown in FIG. 6 described in §1-4. FIG. 6 is a diagram showing a calculation formula for obtaining a predetermined direction component of an applied external force and a table showing the above. In the upper table, “+” indicates an increase in capacitance value, “−” indicates a decrease in capacitance value, and “0” indicates that no significant change occurs in the capacitance value. Yes. Such a change in resistance value occurs in each of the capacitive elements C1 to C4, as already described in §1-4.

したがって、各容量素子C1〜C4の静電容量値をそれぞれ同じ符号を用いてC1〜C4と表せば、下段に示す演算式:
Fz=−K1×(C1+C2+C3+C4)
Mx=K2×(C4−C3)
My=K3×(C1−C2)
に基づく演算を行うことにより、3種類の外力成分Fz,Mx,Myを算出することができる。ここで、K1,K2,K3は所定の比例係数であり、Fz,Mx,Myを正確な力の検出値として出力するためのスケーリングファクターになる。
Therefore, if the capacitance values of the capacitive elements C1 to C4 are expressed as C1 to C4 using the same symbols, respectively, the arithmetic expression shown in the lower stage:
Fz = −K1 × (C1 + C2 + C3 + C4)
Mx = K2 × (C4-C3)
My = K3 × (C1-C2)
By performing the calculation based on, three types of external force components Fz, Mx, and My can be calculated. Here, K1, K2, and K3 are predetermined proportional coefficients, and become scaling factors for outputting Fz, Mx, and My as accurate force detection values.

なお、図示の演算式で算出した検出値Fzも、零点が正しく設定されていないため、実際には、何ら外力が作用していないときの算出値Fzが検出値0として出力されるよう零点補正を行う必要がある。検出値MxやMyについては、差分演算値になっているので、理論上は、何ら外力が作用していないときの算出値Mx,Myは0になるはずである。   Note that the detected value Fz calculated by the illustrated arithmetic expression is not set to the zero point correctly, so that the zero value correction is actually performed so that the calculated value Fz when no external force is applied is output as the detected value 0. Need to do. Since the detected values Mx and My are differential calculation values, the calculated values Mx and My when no external force is applied should theoretically be zero.

また、実際には、各容量素子C1〜C4の静電容量値C1〜C4を電気信号として取り出すには、C/V変換回路などを用いる必要があるが、そのような具体的な信号処理回路は公知であるため、ここでは説明は省略する。   In practice, in order to take out the capacitance values C1 to C4 of the capacitive elements C1 to C4 as electric signals, it is necessary to use a C / V conversion circuit or the like. Is well known, and the description is omitted here.

結局、§1−3で述べた図4に示す力覚センサの場合は、各検出素子としてピエゾ抵抗素子R1〜R4を用いているため、図8の下段に示す演算式に基づく演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行う手段を用意しておく必要があり、§1−4で述べた図6に示す力覚センサの場合は、各検出素子として容量素子C1〜C4を用いているため、図9の下段に示す演算式に基づく演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行う手段を用意しておく必要がある。   After all, in the case of the force sensor shown in FIG. 4 described in §1-3, since the piezoresistive elements R1 to R4 are used as the detection elements, the arithmetic processing based on the arithmetic expression shown in the lower part of FIG. It is necessary to prepare means for performing signal processing corresponding to the arithmetic processing. In the case of the force sensor shown in FIG. 6 described in §1-4, the capacitive elements C1 to C4 are used as the detection elements. Therefore, it is necessary to prepare means for performing arithmetic processing based on the arithmetic expression shown in the lower part of FIG. 9 or signal processing corresponding to the arithmetic processing.

図10は、図4および図6に示す力覚センサにおける各検出素子D1〜D4のダイアフラム部120に対する配置を示す上面図である。図4に示す力覚センサの場合、各検出素子D1〜D4は、ダイアフラム部120の上面に埋め込まれたピエゾ抵抗素子R1〜R4であり、図6に示す力覚センサの場合、各検出素子D1〜D4は、ダイアフラム部120の下面に固定された変位電極とこれに対向する固定電極とによって構成される容量素子C1〜C4ということになる。図10は、ピエゾ抵抗素子や容量素子といった素子を、一般概念としての検出素子D1〜D4として示したものであり、図に符号D1〜D4が付された4組の正方形は、このような一般概念としての検出素子D1〜D4の配置を示すものである。   FIG. 10 is a top view showing the arrangement of the detection elements D1 to D4 with respect to the diaphragm portion 120 in the force sensor shown in FIGS. 4 and 6. In the case of the force sensor shown in FIG. 4, the detection elements D1 to D4 are piezoresistive elements R1 to R4 embedded in the upper surface of the diaphragm 120. In the case of the force sensor shown in FIG. ˜D4 are capacitive elements C1 to C4 configured by a displacement electrode fixed to the lower surface of the diaphragm 120 and a fixed electrode facing the displacement electrode. FIG. 10 shows elements such as piezoresistive elements and capacitive elements as detection elements D1 to D4 as general concepts, and four sets of squares denoted by reference signs D1 to D4 in the figure are such general The arrangement | positioning of the detection elements D1-D4 as a concept is shown.

ここで、第1番目の検出素子D1は第1番目の検出点P1の撓みもしくは変位を電気的に検出する素子であり、第2番目の検出素子D2は第2番目の検出点P2の撓みもしくは変位を電気的に検出する素子であり、第3番目の検出素子D3は第3番目の検出点P3の撓みもしくは変位を電気的に検出する素子であり、第4番目の検出素子D4は第4番目の検出点P4の撓みもしくは変位を電気的に検出する素子である。   Here, the first detection element D1 is an element that electrically detects the bending or displacement of the first detection point P1, and the second detection element D2 is the bending or displacement of the second detection point P2. The third detection element D3 is an element that electrically detects deflection or displacement of the third detection point P3, and the fourth detection element D4 is the fourth detection element D4. This is an element for electrically detecting the deflection or displacement of the second detection point P4.

この図10に示す例のように、各検出素子D1〜D4を、検出点P1〜P4の撓みもしくは変位を電気的に検出する機能をもった一般的な素子として把握した場合、作用した外力の所定方向成分を求める演算式は、図11に示すような一般式で表現することができる。この式において、変数Fz,Mx,Myは、受力部210に加えられた外力のZ軸方向の力成分Fz、X軸まわりのモーメント成分Mx、Y軸まわりのモーメント成分Myを示す検出値であり、変数D1〜D4は、図10に示す各検出素子D1〜D4から得られる検出信号の値であり、K1,K2,K3は所定の符号付き比例係数である。   When the detection elements D1 to D4 are grasped as general elements having a function of electrically detecting the deflection or displacement of the detection points P1 to P4 as in the example shown in FIG. An arithmetic expression for obtaining the predetermined direction component can be expressed by a general expression as shown in FIG. In this equation, variables Fz, Mx, My are detected values indicating the force component Fz in the Z-axis direction of the external force applied to the force receiving portion 210, the moment component Mx around the X axis, and the moment component My around the Y axis. Yes, variables D1 to D4 are values of detection signals obtained from the detection elements D1 to D4 shown in FIG. 10, and K1, K2, and K3 are predetermined signed proportional coefficients.

ここで、比例係数K1,K2,K3の符号は、各検出素子D1〜D4として実際にどのような検出素子を用いるか(たとえば、ピエゾ抵抗素子か容量素子か)、各検出素子D1〜D4をどこに配置するか(たとえば、ダイアフラム部の上面か下面か)、といった事情により決定される。たとえば、§1−3で述べた図4に示す力覚センサの場合は、実際には、図8の下段に示す演算式が用いられることになるが、当該演算式は、図11に示す一般式において、変数D1〜D4を抵抗値R1〜R4に置き換え、比例係数K3を負の値に設定した式に他ならない。同様に、§1−4で述べた図6に示す力覚センサの場合は、実際には、図9の下段に示す演算式が用いられることになるが、当該演算式は、図11に示す一般式において、変数D1〜D4を静電容量値C1〜C4に置き換え、比例係数K1,K2を負の値に設定した式に他ならない。   Here, the signs of the proportional coefficients K1, K2, and K3 indicate what detection element is actually used as each of the detection elements D1 to D4 (for example, a piezoresistive element or a capacitive element), and indicates each detection element D1 to D4. It is determined depending on circumstances such as where to place (for example, the upper surface or the lower surface of the diaphragm portion). For example, in the case of the force sensor shown in FIG. 4 described in §1-3, the arithmetic expression shown in the lower part of FIG. 8 is actually used. The arithmetic expression is the general expression shown in FIG. In the equation, the variables D1 to D4 are replaced with the resistance values R1 to R4, and the equation is nothing but the proportionality coefficient K3 is set to a negative value. Similarly, in the case of the force sensor shown in FIG. 6 described in §1-4, the arithmetic expression shown in the lower part of FIG. 9 is actually used, but the arithmetic expression is shown in FIG. In the general formula, the variables D1 to D4 are replaced with the capacitance values C1 to C4 and the proportional coefficients K1 and K2 are set to negative values.

このように、K1,K2,K3を符号付きの比例係数として扱うようにすれば、いずれのケースにも図11の一般式を適用することが可能である。そこで、以下の各実施例では、この図11の一般式を用いた説明を行うことにするが、比例係数K1,K2,K3には、個々の実施例ごとに、それぞれ適切な符号が設定されているものとする。   Thus, if K1, K2, and K3 are handled as signed proportional coefficients, the general formula of FIG. 11 can be applied to any case. Accordingly, in each of the following embodiments, description will be made using the general formula of FIG. 11. However, in the proportional coefficients K1, K2, and K3, appropriate codes are set for the respective embodiments. It shall be.

<<< §2. 本発明の基本的な実施形態 >>>
続いて、この§2では、本発明に係る力覚センサの基本的な実施形態を説明する。
<<< §2. Basic embodiment of the present invention >>
Subsequently, in §2, a basic embodiment of the force sensor according to the present invention will be described.

<2−1.本発明の基本概念>
はじめに、従来の力覚センサの問題点とともに、本発明の基本概念を説明する。図12は、従来の力覚センサと本発明に係る力覚センサとの基本構成の相違を示すブロック図である。
<2-1. Basic concept of the present invention>
First, the basic concept of the present invention will be described along with the problems of the conventional force sensor. FIG. 12 is a block diagram showing a difference in basic configuration between a conventional force sensor and the force sensor according to the present invention.

図12(a) には、§1で述べた従来の力覚センサの基本構成がブロック図として示されている。図示のとおり、この力覚センサは、検出用構造体10と、検出素子20と、信号処理手段30とを有している。検出用構造体10は、図1や図3に例示した機械的な構造体であり、力の作用により弾性変形を生じる弾性変形部を含んでいる。既に述べたとおり、この検出用構造体10に検出対象となる外力が作用すると、弾性変形部に変形が生じる。   FIG. 12 (a) shows a basic configuration of the conventional force sensor described in §1 as a block diagram. As shown in the figure, this force sensor has a detection structure 10, a detection element 20, and a signal processing means 30. The detection structure 10 is a mechanical structure illustrated in FIGS. 1 and 3 and includes an elastic deformation portion that generates elastic deformation by the action of a force. As already described, when an external force to be detected acts on the detection structure 10, the elastic deformation portion is deformed.

検出用構造体10内の弾性変形部には複数の検出点が定義されており、検出素子20は、各検出点近傍の変形を電気信号として検出する機能を有する。§1では、検出素子20として、各検出点近傍の撓みを電気信号として検出するピエゾ抵抗素子を用いた例や、各検出点近傍の変位を電気信号として検出する容量素子を用いた例を述べた。   A plurality of detection points are defined in the elastic deformation part in the detection structure 10, and the detection element 20 has a function of detecting deformation near each detection point as an electric signal. In §1, an example in which a piezoresistive element that detects deflection near each detection point as an electrical signal is used as the detection element 20 or a capacitance element that detects displacement in the vicinity of each detection point as an electrical signal is described. It was.

各検出素子20によって得られた検出信号は信号処理手段30に与えられる。この信号処理手段30は、各素子からの電気的な検出信号に基づいて、検出用構造体10に作用した外力の所定方向成分を示す検出値を求め、これを最終検出値として出力する機能を有する。図11には、4組の検出素子D1〜D4から得られる検出信号の値D1〜D4に基づいて、3種類の外力成分Fz,Mx,Myの検出値を算出する演算式が示されている。信号処理手段30は、このような演算式に基づいて、外力成分Fz,Mx,My等を算出し、これを最終検出値として出力する機能を果たす。   The detection signal obtained by each detection element 20 is given to the signal processing means 30. The signal processing means 30 has a function of obtaining a detection value indicating a predetermined direction component of the external force applied to the detection structure 10 based on an electrical detection signal from each element, and outputting this as a final detection value. Have. FIG. 11 shows an arithmetic expression for calculating detection values of three types of external force components Fz, Mx, and My based on detection signal values D1 to D4 obtained from four sets of detection elements D1 to D4. . The signal processing means 30 has a function of calculating external force components Fz, Mx, My, and the like based on such an arithmetic expression and outputting them as final detection values.

しかしながら、このような構成をもった従来の力覚センサには、様々な要因によって異常が発生する問題があることは、既に述べたとおりである。たとえば、検出用構造体は物理的な構造体であるため、各部が機械的な損傷を受けると、正常に機能しなくなる。同様に、検出素子20も、ピエゾ抵抗素子や容量素子といった繊細な部品を含む部品であり損傷を受けやすい。たとえば、容量素子の場合、電極間に不純物が侵入すると正常に動作しなくなってしまう。また、検出素子20と信号処理手段30との間には信号線の配線が不可欠であるが、この信号線が断線すると、正常な検出信号を得ることができなくなる。もちろん、信号処理手段30を構成する電子回路に不調が生じることもある。   However, as described above, the conventional force sensor having such a configuration has a problem that abnormality occurs due to various factors. For example, since the detection structure is a physical structure, if each part is mechanically damaged, it will not function normally. Similarly, the detection element 20 is a part including delicate parts such as a piezoresistive element and a capacitive element, and is easily damaged. For example, in the case of a capacitive element, if impurities enter between the electrodes, it will not operate normally. Further, the wiring of the signal line is indispensable between the detection element 20 and the signal processing means 30, but if this signal line is disconnected, a normal detection signal cannot be obtained. Of course, malfunction may occur in the electronic circuit constituting the signal processing means 30.

前述したとおり、生活支援ロボットや医療支援ロボットに利用されている力覚センサに異常が生じると、当該ロボットが誤動作することになり、人に危害が及ぶ可能性がある。特に、医療支援ロボットの制御が破綻して暴走を招くと、人命にかかわる重大事に至る可能性もある。   As described above, when an abnormality occurs in a force sensor used in a life support robot or a medical support robot, the robot malfunctions, and there is a possibility of harming a person. In particular, if the control of the medical support robot breaks down and causes runaway, there is a possibility that it may lead to a serious matter related to human life.

一般に、システムの安全性を確保する方法として、検出系や制御系を多重化して冗長性をもたせ、一方に異常が発生しても他方に正常な機能を維持させるというフォールトレランス(耐障害性)という考え方が普及している。   In general, as a method to ensure system safety, fault detection (fault tolerance) is to provide redundancy by multiplexing detection systems and control systems, and to maintain normal functions in the other even if an abnormality occurs. The idea of this is prevalent.

このような考え方に鑑みれば、図12(b) に示すような力覚センサを構成することが可能である。この図12(b) に示す力覚センサは、図12(a) に示す力覚センサ2組に、更に、比較手段40を付加することにより構成されている。すなわち、図の上段に一点鎖線で囲って示す第1のセンサSAおよび図の下段に一点鎖線で囲って示す第2のセンサSBは、いずれも図12(a) に示す力覚センサと同じものである。検出対象となる外力は、第1のセンサSAの検出用構造体10Aに加えられるとともに、第2のセンサSBの検出用構造体10Bにも加えられる。第1のセンサSAと第2のセンサSBとは、別個独立したセンサであり、それぞれ独立した検出値を出力する。   In view of such a way of thinking, it is possible to configure a force sensor as shown in FIG. The force sensor shown in FIG. 12 (b) is configured by further adding a comparing means 40 to the two force sensors shown in FIG. 12 (a). That is, the first sensor SA surrounded by the dashed line in the upper part of the figure and the second sensor SB enclosed by the dashed line in the lower part of the figure are both the same as the force sensor shown in FIG. It is. The external force to be detected is applied to the detection structure 10A of the first sensor SA and also to the detection structure 10B of the second sensor SB. The first sensor SA and the second sensor SB are separate and independent sensors and output independent detection values.

具体的には、第1のセンサSAでは、外力に基づいて検出用構造体10Aの各検出点近傍に生じた変形が検出素子20Aによって検出され、得られた検出信号を信号処理手段30Aによって処理することにより第1のセンサの検出値VAが出力される。同様に、第2のセンサSBでは、同じ外力に基づいて検出用構造体10Bの各検出点近傍に生じた変形が検出素子20Bによって検出され、得られた検出信号を信号処理手段30Bによって処理することにより第2のセンサの検出値VBが出力される。   Specifically, in the first sensor SA, the deformation generated in the vicinity of each detection point of the detection structure 10A based on the external force is detected by the detection element 20A, and the obtained detection signal is processed by the signal processing means 30A. As a result, the detection value VA of the first sensor is output. Similarly, in the second sensor SB, the deformation generated in the vicinity of each detection point of the detection structure 10B based on the same external force is detected by the detection element 20B, and the obtained detection signal is processed by the signal processing means 30B. As a result, the detection value VB of the second sensor is output.

こうして、2つの独立した検出値VA,VBが得られたら、比較手段40において、これらを比較し、両者の差が所定の許容範囲内であれば、いずれか一方の検出値もしくは両者の平均値等を最終検出値として出力すればよい。もし、両者の差が所定の許容範囲を超えていた場合には、何らかのエラー出力を行うようにする。そうすれば、エラー出力がない限り、センサSA,SBの双方において近似した検出値が得られていることになり、最終検出値は、一応、信頼できる値として取り扱うことができる。そして万一、エラー出力がなされた場合には、ロボットの制御系は、ロボットの駆動を緊急停止するなどの非常措置をとることにより、人に危害が及ぶことを回避することができる。   Thus, when two independent detection values VA and VB are obtained, the comparison means 40 compares them, and if the difference between the two is within a predetermined allowable range, either one of the detection values or the average value of the two is obtained. Etc. may be output as the final detection value. If the difference between the two exceeds a predetermined allowable range, some error output is performed. Then, as long as there is no error output, approximate detection values are obtained in both the sensors SA and SB, and the final detection value can be treated as a reliable value for the time being. In the unlikely event that an error is output, the control system of the robot can avoid harming humans by taking emergency measures such as emergency stop of the driving of the robot.

しかしながら、図12(b) に示す力覚センサには、2組の独立したセンサが含まれているため、装置全体が大型化し、製造コストが高騰することは避けられない。また、図12(b) のブロック図には、同一の外力が2組の検出用構造体10A,10Bのそれぞれに加えられている状態が示されているが、実際には、検出用構造体10A,10Bはそれぞれ別個独立した物理的な構造体であるため、両者を直近に隣接配置したとしても、両センサSA,SBの検出対象とする外力は同一にはならない。このため、2つの独立した検出値VA,VBの間には、潜在的に誤差が含まれていることになる。   However, since the force sensor shown in FIG. 12B includes two sets of independent sensors, it is inevitable that the entire apparatus becomes large and the manufacturing cost increases. In the block diagram of FIG. 12 (b), the same external force is applied to each of the two sets of detection structures 10A, 10B. Since 10A and 10B are separate and independent physical structures, the external forces that are the detection targets of both sensors SA and SB are not the same even if they are arranged adjacent to each other. For this reason, an error is potentially included between the two independent detection values VA and VB.

そこで、本発明に係る力覚センサでは、図12(c) のブロック図に示すような基本構成を採用している。この力覚センサの特徴は、検出用構造体については、図12(a) に示す例と同様に単一の構造体によって構成しつつ、検出素子および信号処理手段については、図12(b) に示す例と同様に2組設けて冗長性を確保するようにした点にある。   Therefore, the force sensor according to the present invention employs a basic configuration as shown in the block diagram of FIG. The force sensor is characterized in that the detection structure is constituted by a single structure as in the example shown in FIG. 12 (a), while the detection element and signal processing means are shown in FIG. 12 (b). As in the example shown in FIG. 4, two sets are provided to ensure redundancy.

すなわち、検出対象となる外力は、単一の検出用構造体10に加えられるが、この検出用構造体10の各検出点近傍に生じた変形は、A系統検出素子25AとB系統検出素子25Bとによってそれぞれ検出される。実際には、検出用構造体10には複数n個の検出点が定義され、これらn個の検出点近傍の撓みもしくは変位を検出するためにn個のA系統検出素子25Aとn個のB系統検出素子25Bとが設けられる。そして、n個のA系統検出素子25Aからの検出信号は、A系統信号処理手段35Aによって処理されてA系統検出値Aとして出力され、n個のB系統検出素子25Bからの検出信号は、B系統信号処理手段35Bによって処理されてB系統検出値Bとして出力される。   That is, the external force to be detected is applied to the single detection structure 10, but the deformations that occur in the vicinity of each detection point of this detection structure 10 are the A system detection element 25 </ b> A and the B system detection element 25 </ b> B. And detected respectively. Actually, a plurality of n detection points are defined in the detection structure 10, and n A system detection elements 25A and n B detection points are detected in order to detect deflection or displacement in the vicinity of the n detection points. A system detection element 25B is provided. The detection signals from the n A system detection elements 25A are processed by the A system signal processing means 35A and output as the A system detection value A, and the detection signals from the n B system detection elements 25B are B It is processed by the system signal processing means 35B and output as the B system detection value B.

こうして、2つの独立した検出値A,Bが得られたら、比較手段45において、これらを比較し、両者の差が所定の許容範囲内であれば、いずれか一方の検出値もしくは両者の平均値等を最終検出値として出力すればよい。もし、両者の差が所定の許容範囲を超えていた場合には、何らかのエラー出力を行うようにする。そうすれば、エラー出力がない限り、A系統とB系統との双方において近似した検出値が得られていることになり、最終検出値は、一応、信頼できる値として取り扱うことができる。そして万一、エラー出力がなされた場合には、ロボットの制御系は、ロボットの駆動を緊急停止するなどの非常措置をとることにより、人に危害が及ぶことを回避することができる。   In this way, when two independent detection values A and B are obtained, the comparison means 45 compares them, and if the difference between the two is within a predetermined allowable range, either one of the detection values or the average value of the two is obtained. Etc. may be output as the final detection value. If the difference between the two exceeds a predetermined allowable range, some error output is performed. By doing so, unless there is an error output, approximate detection values are obtained in both the A system and the B system, and the final detection values can be treated as reliable values. In the unlikely event that an error is output, the control system of the robot can avoid harming humans by taking emergency measures such as emergency stop of the driving of the robot.

このように、図12(c) に示す本発明に係る力覚センサでは、A系統とB系統との2つの系統を経ることにより、A系統検出値AおよびB系統検出値Bという2通りの検出値を得ることができるので、比較手段45において両者を比較することにより、両者の差分が所定の許容値を超えていた場合にエラーを出力して、何らかの異常が生じていることを外部に報知することができる。   In this way, in the force sensor according to the present invention shown in FIG. 12 (c), the two types of A system detection value A and B system detection value B are obtained by passing through two systems of A system and B system. Since the detection value can be obtained, the comparison means 45 compares the two to output an error when the difference between the two exceeds a predetermined allowable value, indicating that some abnormality has occurred to the outside. Can be notified.

しかも、検出用構造体10の部分は単一の構造体によって構成されているため、装置全体の大きさは、図12(a) に示す力覚センサとほぼ同じになる。検出素子および信号処理手段の部分は2系統を用意する必要があるが、製造プロセスは1系統分でも2系統分でも大差はなく、製造コストも図12(a) に示す力覚センサの製造コストを若干上回る程度に抑えることができる。もちろん、検出用構造体10の部分は単一であるため、A系統検出値AおよびB系統検出値Bは、同一の外力を検出対象とした検出値ということになる。   Moreover, since the detection structure 10 is composed of a single structure, the overall size of the apparatus is substantially the same as that of the force sensor shown in FIG. It is necessary to prepare two systems for the detection element and the signal processing means, but the manufacturing process is not significantly different for one system or two systems, and the manufacturing cost is also the manufacturing cost of the force sensor shown in FIG. Can be suppressed to a level slightly above. Of course, since the structure 10 for detection is single, the A system detection value A and the B system detection value B are detection values for the same external force as detection targets.

結局、本発明に係る力覚センサは、図12(c) にブロック図として示すとおり、検出用構造体10と、n個のA系統検出素子25Aと、n個のB系統検出素子25Bと、A系統信号処理手段35Aと、B系統信号処理手段35Bと、比較手段45と、を備え、検出用構造体10に作用した外力の所定方向成分を最終検出値として出力するとともに、比較手段45によって異常が生じていると認識された場合には、エラーを出力して外部に報知する機能を有している。   As a result, the force sensor according to the present invention includes a detection structure 10, n A system detection elements 25A, n B system detection elements 25B, as shown in a block diagram in FIG. A system signal processing means 35A, B system signal processing means 35B, and comparison means 45 are provided, and a predetermined direction component of external force acting on the detection structure 10 is output as a final detection value. When it is recognized that an abnormality has occurred, it has a function of outputting an error and notifying the outside.

ここで、検出用構造体10は、§1で述べた従来の力覚センサに用いられていた検出用構造体と同様に、力の作用により弾性変形を生じる弾性変形部120と、この弾性変形部120を支持する支持部110と、検出対象となる外力を受ける受力部210と、この受力部210に加えられた外力を弾性変形部120の所定箇所に伝達する力伝達部220と、を有している。そして、弾性変形部120の所定位置には、複数n個の検出点が定義される。   Here, in the same way as the detection structure used in the conventional force sensor described in §1, the detection structure 10 includes an elastic deformation portion 120 that generates elastic deformation by the action of force, and the elastic deformation. A support portion 110 that supports the portion 120, a force receiving portion 210 that receives an external force to be detected, a force transmission portion 220 that transmits the external force applied to the force receiving portion 210 to a predetermined location of the elastic deformation portion 120, have. A plurality of n detection points are defined at predetermined positions of the elastic deformation portion 120.

n個のA系統検出素子25Aは、この複数n個の検出点の、第1の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出する検出素子であり、n個のB系統検出素子25Bは、この複数n個の検出点の、第1の近傍部分とは異なる第2の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出する検出素子である。   The n A-line detection elements 25A are detection elements that electrically detect bending or displacement generated in the first vicinity of the plurality of n detection points, and the n B-line detection elements 25B are A detection element that electrically detects the bending or displacement of the plurality of n detection points generated in a second neighboring portion different from the first neighboring portion.

ここで、任意のi(1≦i≦n)に着目すると、第i番目のA系統検出素子は、第i番目の検出点の第1の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出し、第i番目のB系統検出素子は、第i番目の検出点の第2の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出する役割を果たす。たとえば、第1番目のA系統検出素子は、第1番目の検出点の第1の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出し、第1番目のB系統検出素子は、第1番目の検出点の第2の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出する。   Here, paying attention to an arbitrary i (1 ≦ i ≦ n), the i-th A system detection element electrically detects the deflection or displacement of the first vicinity of the i-th detection point, The i-th B system detection element plays a role of electrically detecting deflection or displacement of the second vicinity of the i-th detection point. For example, the first A-line detection element electrically detects the deflection or displacement of the first vicinity of the first detection point, and the first B-line detection element detects the first detection point. The deflection or displacement of the second vicinity of the point is electrically detected.

一方、A系統信号処理手段35Aは、n個のA系統検出素子25Aによって検出された電気的な検出信号に基づいて、受力部210に加えられた外力の所定方向成分を示すA系統検出値Aを出力する。同様に、B系統信号処理手段35Bは、n個のB系統検出素子25Bによって検出された電気的な検出信号に基づいて、受力部210に加えられた外力の所定方向成分を示すB系統検出値Bを出力する。   On the other hand, the A system signal processing means 35A is based on the electrical detection signals detected by the n A system detection elements 25A and indicates the A system detection value indicating the predetermined direction component of the external force applied to the force receiving section 210. A is output. Similarly, the B system signal processing unit 35B detects the B system detection indicating the predetermined direction component of the external force applied to the force receiving unit 210 based on the electrical detection signals detected by the n B system detection elements 25B. Outputs value B.

そして、比較手段45は、A系統検出値AとB系統検出値Bとを比較し、両者の差分dを求め、A系統検出値AもしくはB系統検出値Bまたはこれら両者に基づいて算出された所定の算出値(たとえば、両者の平均値)を最終検出値として出力するとともに、当該差分dが所定の許容値Tを超えていた場合には、差分エラーを出力する機能を有している。   And the comparison means 45 compares A system detection value A and B system detection value B, calculates | requires the difference d of both, and was calculated based on A system detection value A or B system detection value B, or these both A predetermined calculation value (for example, an average value of both) is output as a final detection value, and when the difference d exceeds a predetermined allowable value T, a difference error is output.

この差分エラーは、A系統検出値AとB系統検出値Bとの間に、所定の許容値Tを超える齟齬が生じていることを示すものであり、力覚センサに何らかの異常が生じていることを示す信号になる。このように、本発明に係る力覚センサには、上記異常が生じた場合に、これを差分エラーとして外部に報知する機能が備わっているため、ロボットなどに組み込んで利用した場合、ロボットの制御装置に異常発生を認識させることができ、ロボットの誤動作により人に危害が及ぶことを防止することができる。   This difference error indicates that a wrinkle exceeding a predetermined allowable value T has occurred between the A system detection value A and the B system detection value B, and some abnormality has occurred in the force sensor. It becomes the signal which shows that. As described above, since the force sensor according to the present invention has a function of notifying the outside as a difference error when the above abnormality occurs, when the sensor is incorporated in a robot or the like, the robot control is performed. It is possible to cause the apparatus to recognize the occurrence of an abnormality, and to prevent humans from being harmed due to a malfunction of the robot.

図12(c) に示す本発明の構成を、図12(b) に示す構成と比べると、検出用構造体10について冗長性をもたせる対策が省かれているため、検出用構造体10に物理的な損傷が生じてしまうと、正しい検出値を出力することができなくなってしまう。しかしながら、一般に、検出用構造体10の耐久性は、検出素子20や信号処理手段30の耐久性よりも高いため、図12(c) に示すように、検出素子20や信号処理手段30の部分について冗長性をもたせる対策をとっても、力覚センサの信頼性を十分に向上させることができる。   When the configuration of the present invention shown in FIG. 12C is compared with the configuration shown in FIG. 12B, a measure for providing redundancy to the detection structure 10 is omitted. If a mechanical damage occurs, a correct detection value cannot be output. However, in general, the durability of the detection structure 10 is higher than the durability of the detection element 20 and the signal processing means 30, and therefore, as shown in FIG. Even if a measure for providing redundancy is taken, the reliability of the force sensor can be sufficiently improved.

後の実施例で述べるとおり、比較手段45には、A系統検出値AとB系統検出値Bのうち、より適切な方(信頼性の高い方)を選択的に出力する機能をもたせることが可能である。したがって、図12(c) に示すように、検出素子や信号処理手段の部分について冗長性をもたせ、A系統とB系統とを別個独立させておくようにすれば、一方の系統に故障が生じても、他方の系統の検出値を最終検出値として出力することができ、信頼性を向上させることができる。   As will be described later in the embodiment, the comparison means 45 may have a function of selectively outputting a more appropriate one (higher reliability) of the A system detection value A and the B system detection value B. Is possible. Therefore, as shown in FIG. 12 (c), if the detection element and the signal processing means are provided with redundancy so that the A system and the B system are made independent independently, a failure occurs in one system. However, the detection value of the other system can be output as the final detection value, and the reliability can be improved.

特に、検出素子については、実環境での使用により、信号線の断線や異物の混入による不良が生じやすい、たとえば、容量素子を用いた場合、各電極への配線の損傷や、対向する電極間への不純物の混入があると、正常に動作することができなくなる。また、高湿度環境で使用した場合は、結露や微浸水により静電容量値は大きく変動してしまうため、出力される静電容量値は、正しい電極間距離に対応したものにはならなくなる。本発明に係る力覚センサでは、検出素子および信号処理手段の部分を多重化しているため、このような問題を解決し、一方の系統に故障が生じても、他方の系統の検出値を最終検出値として出力することにより信頼性を向上させることができる。   In particular, detection elements are prone to failure due to disconnection of signal lines or contamination of foreign objects due to use in the actual environment. For example, when capacitive elements are used, damage to wiring to each electrode or between opposing electrodes If impurities are mixed in, normal operation cannot be achieved. Further, when used in a high humidity environment, the capacitance value greatly fluctuates due to condensation or slight water immersion, so that the output capacitance value does not correspond to the correct inter-electrode distance. In the force sensor according to the present invention, the detection element and the signal processing means are multiplexed. Therefore, even if a failure occurs in one system, the detection value of the other system is finalized. Reliability can be improved by outputting as a detection value.

<2−2.具体的な検出素子の配置および信号処理>
続いて、本発明に係る力覚センサにおける検出素子の具体的な配置例と当該検出素子から得られる検出信号についての具体的な信号処理の方法を示す。
<2-2. Specific Detection Element Arrangement and Signal Processing>
Next, a specific arrangement example of the detection elements in the force sensor according to the present invention and a specific signal processing method for the detection signals obtained from the detection elements will be described.

前述した§1では、図10を参照して、従来の一般的な力覚センサにおける各検出素子D1〜D4のダイアフラム部120に対する配置を説明した。図13は、この図10に示す従来例と対比させて、本発明に係る力覚センサにおける各検出素子D1A〜D4A,D1B〜D4Bの配置例を示す上面図である。   In §1 described above, the arrangement of the detection elements D1 to D4 in the conventional general force sensor with respect to the diaphragm 120 is described with reference to FIG. FIG. 13 is a top view showing an arrangement example of the detection elements D1A to D4A and D1B to D4B in the force sensor according to the present invention in comparison with the conventional example shown in FIG.

図10に示す従来例の場合、ダイアフラム部120の所定箇所に4個の検出点P1〜P4が定義され、当該検出点P1〜P4の位置におけるダイアフラム部120の撓みもしくは変位を検出するために、4組の検出素子D1〜D4(実際には、ピエゾ抵抗素子R1〜R4や容量素子C1〜C4)が配置されている。前述したように、図に符号D1〜D4が付された4組の正方形は、一般概念としての検出素子D1〜D4の配置を示すものである。   In the case of the conventional example shown in FIG. 10, four detection points P1 to P4 are defined at predetermined positions of the diaphragm portion 120, and in order to detect bending or displacement of the diaphragm portion 120 at the positions of the detection points P1 to P4, Four sets of detection elements D1 to D4 (actually, piezoresistive elements R1 to R4 and capacitive elements C1 to C4) are arranged. As described above, the four sets of squares denoted by reference numerals D1 to D4 in the drawing indicate the arrangement of the detection elements D1 to D4 as a general concept.

これに対して、図13に示す本発明に係る例の場合、ダイアフラム部120の所定箇所に4個の検出点P1〜P4が定義されている点は同じであるが、4組の検出素子D1〜D4の代わりに8組の検出素子D1A〜D4A,D1B〜D4Bが配置されている。ここでも、図に符号D1A〜D4A,D1B〜D4Bが付された8組の矩形は、一般概念としての検出素子D1A〜D4A,D1B〜D4Bの配置を図形のシンボルを用いて示すものであり、実際の物理的形状を示しているわけではない。実際には、これら8組の検出素子D1A〜D4A,D1B〜D4Bは、所定の形状をもったピエゾ抵抗素子や容量素子によって構成される。   On the other hand, in the example according to the present invention shown in FIG. 13, the four detection points P <b> 1 to P <b> 4 are defined at predetermined positions of the diaphragm unit 120, but four sets of detection elements D <b> 1. 8 sets of detection elements D1A to D4A and D1B to D4B are arranged instead of to D4. Again, the eight sets of rectangles labeled D1A to D4A and D1B to D4B in the figure indicate the arrangement of the detection elements D1A to D4A and D1B to D4B as a general concept using graphic symbols. It does not show the actual physical shape. Actually, these eight sets of detection elements D1A to D4A and D1B to D4B are configured by piezoresistive elements and capacitive elements having a predetermined shape.

この図13に示す例の場合、XY平面(もしくはXY平面に平行な任意の平面でもよい)上に検出基準面を定義し、この検出基準面上にZ軸を中心とした検出基準円G1(図では一点鎖線の円で示す)を描くと、4個の検出点P1〜P4は、いずれも検出基準円G1上に位置している。別言すれば、4個の検出点P1〜P4は、いずれもZ軸から等距離の位置に配置されている。   In the example shown in FIG. 13, a detection reference plane is defined on the XY plane (or an arbitrary plane parallel to the XY plane), and a detection reference circle G1 (centered on the Z axis) is formed on the detection reference plane. In the drawing, the four detection points P1 to P4 are all located on the detection reference circle G1. In other words, the four detection points P1 to P4 are all arranged at positions equidistant from the Z axis.

もちろん、本発明を実施する上で、n個の検出点は任意の位置に定義してかまわないが、実用上は、図示のように、n個の検出点がいずれもZ軸から等距離の位置にくるように、別言すれば、XY平面もしくはXY平面に平行な平面上に検出基準面を定義し、この検出基準面上にZ軸を中心とした検出基準円G1を描いたときに、n個の検出点がすべてこの検出基準円G1上に配置されているようにするのが好ましい。これは、そのような対称性をもった配置を採用することにより、各検出素子から得られる検出信号の値にも対称性が見られるようになり、信号処理手段による信号処理(演算処理)を単純化できるためである。   Of course, in implementing the present invention, the n detection points may be defined at arbitrary positions, but in practice, as shown in the figure, all the n detection points are equidistant from the Z axis. In other words, when the detection reference plane is defined on the XY plane or a plane parallel to the XY plane and the detection reference circle G1 centered on the Z axis is drawn on this detection reference plane It is preferable that all the n detection points are arranged on the detection reference circle G1. This is because by adopting such a symmetrical arrangement, the value of the detection signal obtained from each detection element is also symmetrical, and signal processing (arithmetic processing) by the signal processing means is performed. This is because it can be simplified.

いま、検出点P1〜P4について、Z軸から遠い側を外側、Z軸に近い側を内側と呼ぶことにすると、図13に示されている8組の検出素子のうち、符号末尾にAが付されている4組の検出素子D1A〜D4Aは、検出点P1〜P4の外側に配置されており、符号末尾にBが付されている4組の検出素子D1B〜D4Bは、検出点P1〜P4の内側に配置されていることがわかる。ここで、外側に配置されている4組の検出素子D1A〜D4Aは、図12(c) に示すA系統検出素子に相当し、内側に配置されている4組の検出素子D1B〜D4Bは、図12(c) に示すB系統検出素子に相当する。   For the detection points P1 to P4, when the side far from the Z axis is referred to as the outside, and the side close to the Z axis is referred to as the inside, among the eight sets of detection elements shown in FIG. The four detection elements D1A to D4A that are attached are arranged outside the detection points P1 to P4, and the four sets of detection elements D1B to D4B that are suffixed with B are the detection points P1 to P4. It can be seen that it is arranged inside P4. Here, the four sets of detection elements D1A to D4A arranged on the outside correspond to the A system detection elements shown in FIG. 12C, and the four sets of detection elements D1B to D4B arranged on the inside are: This corresponds to the B system detection element shown in FIG.

第1番目のA系統検出素子D1Aは、第1番目の検出点P1の外側の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出し、第1番目のB系統検出素子D1Bは、第1番目の検出点P1の内側の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出する。   The first A-system detection element D1A electrically detects the deflection or displacement of the vicinity of the outside of the first detection point P1, and the first B-system detection element D1B is the first detection. The bending or displacement of the portion near the inside of the point P1 is electrically detected.

図10に示す従来例の場合、検出点P1の位置の撓みもしくは変位を検出する役割を果たす素子は、検出素子D1のみであるため、検出素子D1を検出点P1の直上に配置することが可能である。これに対して、図13に示す本発明に係る例の場合、検出点P1の位置の撓みもしくは変位を検出する役割を果たす素子として、A系統検出素子D1AとB系統検出素子D1Bとを設ける必要がある。このため、図13に示す実施例の場合、A系統検出素子D1Aについては、検出点P1から若干外れるが、その外側近傍位置に配置し、B系統検出素子D1Bについては、やはり検出点P1から若干外れるが、その内側近傍位置に配置する、という配置方法を採用している。   In the case of the conventional example shown in FIG. 10, the detection element D1 is the only element that detects the deflection or displacement of the position of the detection point P1, so the detection element D1 can be arranged immediately above the detection point P1. It is. On the other hand, in the case of the example according to the present invention shown in FIG. 13, it is necessary to provide the A system detection element D1A and the B system detection element D1B as elements that detect the deflection or displacement of the position of the detection point P1. There is. Therefore, in the case of the embodiment shown in FIG. 13, the A system detection element D1A is slightly deviated from the detection point P1, but it is arranged in the vicinity of the outside thereof, and the B system detection element D1B is slightly deviated from the detection point P1. Although it comes off, the arrangement method of arranging in the position near the inside is adopted.

したがって、A系統検出素子D1AおよびB系統検出素子D1Bは、いずれも検出点P1の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出する素子として機能することになるが、厳密に言えば、A系統検出素子D1Aは検出点P1の外側近傍部分、B系統検出素子D1Bは検出点P1の内側近傍部分についての検出を行うため、両者から得られる検出信号の値は完全には一致しない。   Therefore, both the A system detection element D1A and the B system detection element D1B function as elements that electrically detect deflection or displacement in the vicinity of the detection point P1, but strictly speaking, the A system detection element Since the element D1A detects the portion near the outside of the detection point P1, and the B system detection element D1B detects the portion near the inside of the detection point P1, the values of the detection signals obtained from both do not completely match.

同様に、第2番目のA系統検出素子D2Aは、第2番目の検出点P2の外側の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出し、第2番目のB系統検出素子D2Bは、第2番目の検出点P2の内側の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出する。また、第3番目のA系統検出素子D3Aは、第3番目の検出点P3の外側の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出し、第3番目のB系統検出素子D3Bは、第3番目の検出点P3の内側の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出する。そして、第4番目のA系統検出素子D4Aは、第4番目の検出点P4の外側の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出し、第4番目のB系統検出素子D4Bは、第4番目の検出点P4の内側の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出する。   Similarly, the second A-system detection element D2A electrically detects the deflection or displacement of the vicinity near the outside of the second detection point P2, and the second B-system detection element D2B The bending or displacement of the vicinity portion inside the second detection point P2 is electrically detected. The third A-system detection element D3A electrically detects the deflection or displacement of the vicinity of the outside of the third detection point P3, and the third B-system detection element D3B is the third The deflection or displacement of the vicinity inside the detection point P3 is electrically detected. And the 4th A system detection element D4A electrically detects the bending or displacement of the vicinity part outside the 4th detection point P4, and the 4th B system detection element D4B is the 4th The deflection or displacement of the vicinity inside the detection point P4 is electrically detected.

なお、図13では、n=4に設定することにより、4個の検出点P1〜P4を定義し、各検出点P1〜P4の外側に4組のA系統検出素子D1A〜D4Aを配置し、各検出点P1〜P4の内側に4組のB系統検出素子D1B〜D4Bを配置した例を示してあるが、一般論として、複数n個の検出点を定義した場合、任意のi(1≦i≦n)について、第i番目のA系統検出素子DiAは、第i番目の検出点Piの外側の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出し、第i番目のB系統検出素子DiBは、第i番目の検出点Piの内側の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出するようにすればよい。そうするには、第i番目のA系統検出素子DiAを、第i番目の検出点Piの外側に配置し、第i番目のB系統検出素子DiBを、第i番目の検出点Piの内側に配置すればよい。   In FIG. 13, by setting n = 4, four detection points P1 to P4 are defined, and four sets of A system detection elements D1A to D4A are arranged outside the detection points P1 to P4. Although an example in which four sets of B-system detection elements D1B to D4B are arranged inside each detection point P1 to P4 is shown as a general theory, when a plurality of n detection points are defined, any i (1 ≦ 1 For i ≦ n), the i-th A-system detection element DiA electrically detects the deflection or displacement of the vicinity of the outside of the i-th detection point Pi, and the i-th B-system detection element DiB is The bending or displacement of the vicinity of the inside of the i-th detection point Pi may be detected electrically. To do so, the i-th A-system detection element DiA is arranged outside the i-th detection point Pi, and the i-th B-system detection element DiB is placed inside the i-th detection point Pi. What is necessary is just to arrange.

ここで、X軸上に配置された検出素子D1A,D1B,D2B,D2Aが、それぞれX軸方向に伸びるピエゾ抵抗素子であり、Y軸上に配置された検出素子D3A,D3B,D4B,D4Aが、それぞれY軸方向に伸びるピエゾ抵抗素子であるとすると、これら各検出素子D1A〜D4A,D1B〜D4Bから得られる検出信号の変化を示す表は、図14(a) ,(b) に示すようになる。   Here, the detection elements D1A, D1B, D2B, and D2A arranged on the X axis are piezoresistive elements extending in the X axis direction, and the detection elements D3A, D3B, D4B, and D4A arranged on the Y axis are Assuming that the piezoresistive elements extend in the Y-axis direction, a table showing changes in detection signals obtained from the detection elements D1A to D4A and D1B to D4B is shown in FIGS. 14 (a) and 14 (b). become.

図14(a) は、3種類の外力成分Fz,Mx,Myが作用したときの各A系統検出素子D1A〜D4Aの抵抗値の変化を示し、図14(b) は、各B系統検出素子D1B〜D4Bの抵抗値の変化を示す。具体的には、「+」は抵抗値の増加を示し、「−」は抵抗値の減少を示し、「0」は抵抗値に有意な変化が生じないことを示している。図14(a) ,(b) に示す表は、図8に示す表と全く同じであり、各検出素子がピエゾ抵抗素子である場合に、このような結果が得られることは、既に§1で説明したとおりである。   FIG. 14 (a) shows changes in the resistance values of the A system detection elements D1A to D4A when three types of external force components Fz, Mx, and My act, and FIG. 14 (b) shows each B system detection element. The change of the resistance value of D1B-D4B is shown. Specifically, “+” indicates an increase in resistance value, “−” indicates a decrease in resistance value, and “0” indicates that no significant change occurs in the resistance value. The tables shown in FIGS. 14 (a) and 14 (b) are exactly the same as the table shown in FIG. 8. When each detection element is a piezoresistive element, it is already §1 that such a result is obtained. As explained in.

ここで、A系統検出素子D1A〜D4Aによって検出された抵抗値を、同じ符号を用いてD1A〜D4Aと表し、これらの抵抗値から算出された3種類の外力成分をFzA,MxA,MyAと表すことにすれば、各外力成分は、図14(a) の下段に示すように、所定の比例係数K1A,K2A,K3Aを用いて、
FzA=K1A×(D1A+D2A+D3A+D4A)
MxA=K2A×(D3A−D4A)
MyA=K3A×(D1A−D2A)
なる演算式に基づく演算によって算出することができる(K3Aは負の係数になる)。
Here, the resistance values detected by the A system detection elements D1A to D4A are represented as D1A to D4A using the same reference numerals, and the three types of external force components calculated from these resistance values are represented as FzA, MxA, and MyA. If this is the case, each external force component, as shown in the lower part of FIG.
FzA = K1A × (D1A + D2A + D3A + D4A)
MxA = K2A × (D3A−D4A)
MyA = K3A × (D1A−D2A)
(K3A becomes a negative coefficient).

同様に、B系統検出素子D1B〜D4Bによって検出された抵抗値を、同じ符号を用いてD1B〜D4Bと表し、これらの抵抗値から算出された3種類の外力成分をFzB,MxB,MyBと表すことにすれば、各外力成分は、図14(b) の下段に示すように、所定の比例係数K1B,K2B,K3Bを用いて、
FzB=K1B×(D1B+D2B+D3B+D4B)
MxB=K2B×(D3B−D4B)
MyB=K3B×(D1B−D2B)
なる演算式に基づく演算によって算出することができる(K3Bは負の係数になる)。
Similarly, resistance values detected by the B system detection elements D1B to D4B are represented as D1B to D4B using the same reference numerals, and three types of external force components calculated from these resistance values are represented as FzB, MxB, and MyB. If this is the case, each external force component, as shown in the lower part of FIG. 14 (b), uses a predetermined proportional coefficient K1B, K2B, K3B,
FzB = K1B × (D1B + D2B + D3B + D4B)
MxB = K2B × (D3B-D4B)
MyB = K3B × (D1B-D2B)
(K3B becomes a negative coefficient).

上記各演算式は、図11に示す一般式に対応するものであり、各比例係数K1A,K2A,K3A,K1B,K2B,K3Bは、いずれも符号付きの比例係数であり、各検出値についてのスケーリングファクターとしての役割を果たすとともに、各検出値の正負の符号を正しいものにする役割も果たす。   Each of the above arithmetic expressions corresponds to the general expression shown in FIG. 11, and each of the proportional coefficients K1A, K2A, K3A, K1B, K2B, K3B is a proportional coefficient with a sign. In addition to serving as a scaling factor, it also serves to correct the sign of each detected value.

もちろん、各検出素子をダイアフラム部120の上面に配置するか下面に配置するかといった条件や、各検出素子としてピエゾ抵抗素子を用いるか容量素子を用いるかといった条件により、各比例係数の符号は変わることになる。   Of course, the sign of each proportionality coefficient changes depending on whether each detection element is arranged on the upper surface or the lower surface of the diaphragm 120 and whether each detection element is a piezoresistive element or a capacitive element. It will be.

また、A系統検出素子D1A〜D4Aは各検出点P1〜P4の外側に配置されており、B系統検出素子D1B〜D4Bは各検出点P1〜P4の内側に配置されているため、各検出素子から得られる検出信号の値の絶対値は、A系統とB系統とで異なることになるが、スケーリングファクターとしての役割を果たす比例係数の値を適切に設定すれば、A系統検出値AとB系統検出値Bとを等しくすることができる。   Further, the A system detection elements D1A to D4A are arranged outside the detection points P1 to P4, and the B system detection elements D1B to D4B are arranged inside the detection points P1 to P4. The absolute value of the detection signal value obtained from the A system differs between the A system and the B system. However, if the value of the proportionality coefficient that serves as a scaling factor is appropriately set, the A system detection values A and B The system detection value B can be made equal.

たとえば、検出構造体にZ軸負方向への外力−Fzが加わった場合、ダイアフラム部120は図5(a) に示すように変形するので、各検出点P1〜P4をダイアフラム部120の上面に定義した場合、各検出点P1〜P4の近傍には、いずれも半径方向への圧縮力が作用し、図14(a) ,(b) の表の「−Fz」欄に「−」が示されているとおり、ピエゾ抵抗素子からなる8組の検出素子D1A〜D4A,D1B〜D4Bの抵抗値はいずれも減少する。しかしながら、各検出点P1〜P4の外側に配置されたA系統検出素子D1A〜D4Aと、内側に配置されたB系統検出素子D1B〜D4Bとでは、減少量の絶対値は異なってくる。   For example, when an external force −Fz in the negative Z-axis direction is applied to the detection structure, the diaphragm 120 is deformed as shown in FIG. 5A, so that the detection points P1 to P4 are placed on the upper surface of the diaphragm 120. When defined, a compressive force in the radial direction acts in the vicinity of each of the detection points P1 to P4, and “-” is shown in the “−Fz” column of the tables of FIGS. 14 (a) and 14 (b). As shown, the resistance values of the eight detection elements D1A to D4A and D1B to D4B made of piezoresistive elements are all reduced. However, the absolute value of the amount of decrease differs between the A system detection elements D1A to D4A arranged outside the detection points P1 to P4 and the B system detection elements D1B to D4B arranged inside.

すなわち、外力が何ら作用しない状態において、8組の検出素子D1A〜D4A,D1B〜D4Bの抵抗値がすべて同一になるようにしておいても、外力−Fzが加わった時点において、A系統検出素子D1A〜D4Aの抵抗値とB系統検出素子D1B〜D4Bとの間には差が生じることになる。その結果、A系統検出素子の抵抗値の和「D1A+D2A+D3A+D4A」とB系統検出素子の抵抗値の和「D1B+D2B+D3B+D4B」とは等しくならない。   That is, in a state where no external force is applied, even if the resistance values of the eight detection elements D1A to D4A and D1B to D4B are all the same, when the external force -Fz is applied, the A system detection element There will be a difference between the resistance values of D1A to D4A and the B system detection elements D1B to D4B. As a result, the sum of resistance values “D1A + D2A + D3A + D4A” of the A system detection element and the sum of resistance values of the B system detection element “D1B + D2B + D3B + D4B” are not equal.

それでも、比例係数K1AとK1Bとをそれぞれ適切な値に設定しておけば、
FzA=K1A×(D1A+D2A+D3A+D4A)
FzB=K1B×(D1B+D2B+D3B+D4B)
なる2つの演算式によって算出される検出値FzA,FzBが、互いに等しくなるような調整が可能である。
Still, if you set proportional coefficients K1A and K1B to appropriate values,
FzA = K1A × (D1A + D2A + D3A + D4A)
FzB = K1B × (D1B + D2B + D3B + D4B)
It is possible to adjust so that the detection values FzA and FzB calculated by the two arithmetic expressions are equal to each other.

各比例定数K1A,K2A,K3A,K1B,K2B,K3Bの適切な値は、用いる検出用構造体10の形状、材質、各部の寸法、各検出素子の位置、各検出素子の検出特性などに応じて決定されるため、具体的な力覚センサを用いた試験を経て、最適値を設定すればよい。   Appropriate values for the proportional constants K1A, K2A, K3A, K1B, K2B, and K3B depend on the shape, material, dimensions of each part, position of each detection element, detection characteristics of each detection element, and the like. Therefore, an optimal value may be set through a test using a specific force sensor.

各比例定数を最適値に設定しておけば、図12(c) に示すA系統信号処理手段35Aから出力されるA系統検出値A(具体的には、上述した演算式で算出されたFzA,MxA,MyA)と、B系統信号処理手段35Bから出力されるB系統検出値B(具体的には、上述した演算式で算出されたFzB,MxB,MyB)とは、理論的には等しくなる。   If each proportionality constant is set to an optimum value, the A system detection value A (specifically, FzA calculated by the above-described arithmetic expression) output from the A system signal processing means 35A shown in FIG. , MxA, MyA) and the B system detection value B output from the B system signal processing means 35B (specifically, FzB, MxB, MyB calculated by the above-described arithmetic expression) are theoretically equal. Become.

そこで、比較手段45において、A系統検出値AとB系統検出値Bとを比較し、両者の差分dを求め、A系統検出値AもしくはB系統検出値Bまたはこれら両者に基づいて算出された所定の算出値(たとえば、両者の平均値)を最終検出値(上例の場合、Fz,Mx,Myの3軸成分の検出値)として出力するとともに、当該差分dが所定の許容値Tを超えていた場合には、差分エラーを出力するようにする。この力覚センサが正常に動作していれば、差分dは許容値T内に収まると考えられるので、比較手段45から差分エラーが出力されない限り、最終検出値は信頼性の高い値として取り扱うことができる。   Therefore, in the comparison means 45, the A system detection value A and the B system detection value B are compared, the difference d between them is obtained, and the A system detection value A or the B system detection value B or both are calculated. A predetermined calculated value (for example, an average value of both) is output as a final detected value (in the above example, a detected value of the three-axis components of Fz, Mx, My), and the difference d indicates a predetermined allowable value T If it has exceeded, a difference error is output. If the force sensor is operating normally, the difference d is considered to be within the allowable value T. Therefore, unless the difference error is output from the comparison means 45, the final detection value should be treated as a highly reliable value. Can do.

なお、上例のように、3軸成分Fz,Mx,Myを検出する機能をもった力覚センサの場合、差分dは、これら3軸成分のそれぞれについて求めるようにする。すなわち、
d(Fz)=絶対値(FzA−FzB)
d(Mx)=絶対値(MxA−MxB)
d(My)=絶対値(MyA−MyB)
なる式に基づいて、各軸成分の差分d(Fz),d(Mx),d(My)を求め、これらが許容値Tを超えているか否かを判定する。許容値Tとしては、3軸共通の値を用いてもよいし、必要であれば、差分d(Fz)用の許容値T(Fz)、差分d(Mx)用の許容値T(Mx)、差分d(My)用の許容値T(My)をそれぞれ設定しておいてもよい。
In the case of a force sensor having a function of detecting the triaxial components Fz, Mx, and My as in the above example, the difference d is obtained for each of these triaxial components. That is,
d (Fz) = absolute value (FzA−FzB)
d (Mx) = absolute value (MxA−MxB)
d (My) = absolute value (MyA−MyB)
Based on the following formula, differences d (Fz), d (Mx), and d (My) of the respective axis components are obtained, and it is determined whether or not these exceed the allowable value T. As the allowable value T, a value common to the three axes may be used. If necessary, an allowable value T (Fz) for the difference d (Fz) and an allowable value T (Mx) for the difference d (Mx). The allowable value T (My) for the difference d (My) may be set.

3軸成分のそれぞれについて別個に差分を求めるようにすると、たとえば、Error(Fz),Error(Mx),Error(My)のように、3軸成分のそれぞれについて別個に差分エラーを出力することができる。この場合、差分エラーが出力された場合の各検出値の取り扱いについては、当該力覚センサが組み込まれたロボット等の制御装置の運用方針に委ねるようにすればよい。たとえば、3軸成分の最終検出値Fz,Mx,Myとともに、Error(Fz)のみが出力された場合、差分エラーが出力されていないMx,Myについては正常と認識した取り扱いを行うようにしてもよいが、Fzについて差分エラーが出力された以上、安全を期して、すべての検出値を異常とする取り扱いを行うようにしてもよい。   If the difference is separately determined for each of the three axis components, for example, a difference error may be output separately for each of the three axis components such as Error (Fz), Error (Mx), and Error (My). it can. In this case, handling of each detection value when a difference error is output may be left to the operation policy of a control device such as a robot in which the force sensor is incorporated. For example, when only the error (Fz) is output together with the final detection values Fz, Mx, and My of the three-axis components, the Mx and My that are not output the difference error may be handled as recognized as normal. However, as long as a differential error is output for Fz, it is possible to handle all detected values as abnormal for safety.

もちろん、比較手段45からは単一の差分エラーのみを出力するようにしてもよい。この場合、各軸成分の差分d(Fz),d(Mx),d(My)のいずれか1つでも許容値を超えていた場合には、共通の差分エラーが出力されることになる。   Of course, the comparison means 45 may output only a single difference error. In this case, if any one of the differences d (Fz), d (Mx), and d (My) between the axis components exceeds the allowable value, a common difference error is output.

なお、ここに示す実施例の場合、比較手段45は、差分エラーの出力と最終検出値の出力とを別個独立して行う運用を採用しているため、差分エラーの出力の有無にかかわらず、常に何らかの最終検出値(3軸成分Fz,Mx,Myの検出値)が出力される。別言すれば、差分エラーが出力されている場合にも、信頼性に劣る最終検出値の出力がそのまま継続して行われることになる。これは、信頼性に劣る最終検出値であっても、その取り扱い方法については、ロボット等の制御装置側の方針に委ねるという設計思想に基づくものである。もちろん、必要に応じて、差分エラーが出力された場合には、最終検出値の出力を控える(たとえば、0を示す検出値を出力する)という設計を行うことも可能である。   In the case of the embodiment shown here, the comparison means 45 employs an operation in which the output of the difference error and the output of the final detection value are performed separately and independently. Some final detection values (detection values of the triaxial components Fz, Mx, My) are always output. In other words, even when a differential error is output, the output of the final detection value that is inferior in reliability is continued as it is. This is based on a design philosophy that even a final detection value that is inferior in reliability is handled by a policy on the side of a control device such as a robot. Of course, if a difference error is output, it is possible to design to refrain from outputting the final detection value (for example, output a detection value indicating 0) if necessary.

<2−3.ピエゾ抵抗素子を用いた実施例>
続いて、検出素子としてピエゾ抵抗素子を用いた実施例を述べる。図15は、図1に示す検出用構造体に検出素子としてピエゾ抵抗素子を組み込んだ本発明に係る力覚センサを示す図である。ここで、図15(a) は、この力覚センサをXZ平面で切断した側断面図であり、図15(b) は、この力覚センサの下部構造体100の上面図である。
<2-3. Example Using Piezoresistive Element>
Subsequently, an embodiment using a piezoresistive element as the detection element will be described. FIG. 15 is a diagram showing a force sensor according to the present invention in which a piezoresistive element is incorporated as a detection element in the detection structure shown in FIG. Here, FIG. 15A is a side sectional view of the force sensor cut along the XZ plane, and FIG. 15B is a top view of the lower structure 100 of the force sensor.

§1−3では、図4を参照しながら、検出素子としてピエゾ抵抗素子を用いた従来の力覚センサの一例の構造および動作を説明した。図15に示す本発明に係る力覚センサの基本構造および基本的動作は、図4に示す従来の力覚センサの基本構造および基本的動作に準じたものになる。そこで、以下、図4に示す従来の力覚センサと対比しながら、図15に示す本発明に係る力覚センサについての説明を行う。   In §1-3, the structure and operation of an example of a conventional force sensor using a piezoresistive element as a detection element has been described with reference to FIG. The basic structure and basic operation of the force sensor according to the present invention shown in FIG. 15 are based on the basic structure and basic operation of the conventional force sensor shown in FIG. Therefore, the force sensor according to the present invention shown in FIG. 15 will be described below in comparison with the conventional force sensor shown in FIG.

まず、検出用構造体の部分については、両者間に相違はない。すなわち、図15に示す力覚センサに用いられている検出用構造体は、下部構造体100と上部構造体200とによって構成され、弾性変形部120として、薄板状のダイアフラム部が用いられている。また、この図15においても、説明の便宜上、ダイアフラム部120の中心を原点Oとして、図示のようなXYZ三次元直交座標系を定義する。そして、下部構造体100の上面(ダイアフラム部120の上面)を検出基準面と呼ぶことにする。この検出基準面は、複数n個の検出点を配置するための平面であり、XY平面を検出基準面としてもよいが、図示の実施例の場合は、各ピエゾ抵抗素子がダイアフラム部120の上面に埋め込まれているため、便宜上、ダイアフラム部120の上面(XY平面に平行な平面)を検出基準面に設定することにする。   First, there is no difference between the two parts of the detection structure. That is, the detection structure used in the force sensor shown in FIG. 15 includes the lower structure 100 and the upper structure 200, and a thin diaphragm portion is used as the elastic deformation portion 120. . In FIG. 15 as well, for convenience of explanation, an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system as shown is defined with the center of the diaphragm 120 as the origin O. The upper surface of the lower structure 100 (the upper surface of the diaphragm portion 120) is referred to as a detection reference surface. The detection reference plane is a plane for arranging a plurality of n detection points, and the XY plane may be the detection reference plane. In the illustrated embodiment, each piezoresistive element is the upper surface of the diaphragm unit 120. Therefore, for the sake of convenience, the upper surface of the diaphragm 120 (a plane parallel to the XY plane) is set as the detection reference plane.

図15(b) に示すように、この検出基準面上に、Z軸を中心とした検出基準円G1(図では一点鎖線の円で示す)を描くと、4個の検出点P11〜P14は、いずれも検出基準円G1上に位置している。別言すれば、4個の検出点P11〜P14は、いずれも下部構造体100の上面におけるZ軸から等距離(検出基準円G1の半径)の位置に配置されている。しかも、検出点P11,P12はX軸に沿った直線上に配置され、検出点P13,P14はY軸に沿った直線上に配置されている。このような幾何学的な構成は、各検出素子の配置に対称性を生み、検出信号の値にも対称性が得られることになるので、信号処理手段による信号処理を単純化できるメリットがある。   As shown in FIG. 15 (b), when a detection reference circle G1 (indicated by a one-dot chain circle in the figure) centered on the Z axis is drawn on this detection reference plane, four detection points P11 to P14 are obtained. , Both are located on the detection reference circle G1. In other words, the four detection points P <b> 11 to P <b> 14 are all arranged at the same distance (the radius of the detection reference circle G <b> 1) from the Z axis on the upper surface of the lower structure 100. Moreover, the detection points P11 and P12 are arranged on a straight line along the X axis, and the detection points P13 and P14 are arranged on a straight line along the Y axis. Such a geometric configuration has a merit that the signal processing by the signal processing means can be simplified because symmetry is generated in the arrangement of the detection elements and the value of the detection signal is also symmetric. .

ここで述べるピエゾ抵抗素子を用いた実施例の特徴は、ダイアフラム部120に複数n個の検出点を定義し、このうちの第i番目の検出点Pi(iは、1≦i≦nを満足する任意の整数)の近傍に、第i番目のA系統検出素子DiAを構成するピエゾ抵抗素子と、第i番目のB系統検出素子DiBを構成するピエゾ抵抗素子という2組のピエゾ抵抗素子を配置した点にある。ここで、第i番目のA系統検出素子DiAは、第i番目の検出点Piの第1の近傍部分に配置されたピエゾ抵抗素子によって構成され、当該近傍部分に生じた撓みを電気抵抗値の変化として示す検出信号を出力し、第i番目のB系統検出素子DiBは、第i番目の検出点Piの第2の近傍部分に配置されたピエゾ抵抗素子によって構成され、当該近傍部分に生じた撓みを電気抵抗値の変化として示す検出信号を出力する。   A feature of the embodiment using the piezoresistive element described here is that a plurality of n detection points are defined in the diaphragm unit 120, and the i-th detection point Pi (i satisfies 1 ≦ i ≦ n). Two sets of piezoresistive elements, i.e., a piezoresistive element that constitutes the i-th A-system detection element DiA and a piezoresistive element that constitutes the i-th B-system detection element DiB, are arranged in the vicinity of It is in the point. Here, the i-th A-system detection element DiA is configured by a piezoresistive element disposed in the first vicinity of the i-th detection point Pi, and the deflection generated in the vicinity is determined by the electric resistance value. A detection signal indicated as a change is output, and the i-th B system detection element DiB is configured by a piezoresistive element arranged in the second vicinity of the i-th detection point Pi, and is generated in the vicinity A detection signal indicating deflection as a change in electric resistance value is output.

図15に示す具体的な実施例は、n=4に設定した例であり、説明の便宜上、上述したように、ダイアフラム部120の上面に検出基準面を定義し、X軸およびY軸をこの検出基準面に投影して得られるX軸投影像およびY軸投影像を定義すれば、次のような構成を有している。まず、n=4に設定しているため、検出基準面上には4個の検出点が定義されている。ここで、図15(b) に示すように、検出基準面上にZ軸を中心とした検出基準円G1を描けば、第1番目の検出点P11は正のX軸投影像と検出基準円G1との交点に位置し、第2番目の検出点P12は負のX軸投影像と検出基準円G1との交点に位置し、第3番目の検出点P13は正のY軸投影像と検出基準円G1との交点に位置し、第4番目の検出点P14は負のY軸投影像と検出基準円G1との交点に位置している。   The specific example shown in FIG. 15 is an example in which n = 4 is set. For convenience of explanation, as described above, a detection reference plane is defined on the upper surface of the diaphragm section 120, and the X axis and the Y axis are If an X-axis projection image and a Y-axis projection image obtained by projecting on the detection reference plane are defined, the following configuration is provided. First, since n = 4 is set, four detection points are defined on the detection reference plane. Here, as shown in FIG. 15B, if a detection reference circle G1 centered on the Z-axis is drawn on the detection reference plane, the first detection point P11 is a positive X-axis projection image and a detection reference circle. Located at the intersection with G1, the second detection point P12 is located at the intersection between the negative X-axis projection image and the detection reference circle G1, and the third detection point P13 is detected as the positive Y-axis projection image. Located at the intersection with the reference circle G1, the fourth detection point P14 is located at the intersection between the negative Y-axis projection image and the detection reference circle G1.

そして、各検出点P11〜P14について、Z軸から遠い側を外側、Z軸に近い側を内側と呼べば、各検出点P11〜P14の遠近両側の近傍部分の撓みを検出するために、4組のA系統検出素子と4組のB系統検出素子とが設けられており、これら全8組の検出素子からの検出信号に基づいて、3軸成分Fz,Mx,Myの検出が行われることになる。   For each of the detection points P11 to P14, if the side far from the Z axis is referred to as the outside, and the side close to the Z axis is referred to as the inside, the detection points P11 to P14 have 4 A set of A-system detection elements and 4 sets of B-system detection elements are provided, and detection of the triaxial components Fz, Mx, My is performed based on detection signals from all eight sets of detection elements. become.

具体的には、まず、第1番目のA系統検出素子は、第1番目の検出点P11の外側にX軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子R1Aからなり、第1番目のB系統検出素子は、第1番目の検出点P11の内側にX軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子R1Bからなる。同様に、第2番目のA系統検出素子は、第2番目の検出点P12の外側にX軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子R2Aからなり、第2番目のB系統検出素子は、第2番目の検出点P12の内側にX軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子R2Bからなる。これらの各ピエゾ抵抗素子R1A,R1B,R2B,R2Aは、いずれもその長手方向(抵抗素子としての方向)がX軸に沿った向きなるように配置されている。   Specifically, first, the first A-system detection element is composed of a piezoresistive element R1A arranged along the X-axis projection image outside the first detection point P11, and the first B-system detection element. The detection element is composed of a piezoresistive element R1B arranged along the X-axis projection image inside the first detection point P11. Similarly, the second A-system detection element is composed of a piezoresistive element R2A arranged along the X-axis projection image outside the second detection point P12, and the second B-system detection element is It consists of a piezoresistive element R2B arranged along the X-axis projection image inside the second detection point P12. These piezoresistive elements R1A, R1B, R2B, and R2A are all arranged so that their longitudinal directions (directions as resistive elements) are along the X axis.

また、第3番目のA系統検出素子は、第3番目の検出点P13の外側にY軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子R3Aからなり、第3番目のB系統検出素子は、第3番目の検出点P13の内側にY軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子R3Bからなる。更に、第4番目のA系統検出素子は、第4番目の検出点P14の外側にY軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子R4Aからなり、第4番目のB系統検出素子は、第4番目の検出点P14の内側にY軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子R4Bからなる。これらの各ピエゾ抵抗素子R3A,R3B,R4B,R4Aは、いずれもその長手方向(抵抗素子としての方向)がY軸に沿った向きなるように配置されている。   The third A-system detection element is composed of a piezoresistive element R3A arranged along the Y-axis projection image outside the third detection point P13, and the third B-system detection element is It consists of a piezoresistive element R3B arranged along the Y-axis projection image inside the third detection point P13. Further, the fourth A-system detection element is composed of a piezoresistive element R4A arranged along the Y-axis projection image outside the fourth detection point P14, and the fourth B-system detection element is It consists of a piezoresistive element R4B arranged along the Y-axis projection image inside the fourth detection point P14. These piezoresistive elements R3A, R3B, R4B, and R4A are all arranged so that their longitudinal directions (directions as resistive elements) are along the Y axis.

なお、図15に示す実施例の場合、ダイアフラム部120の上面を検出基準面とし、各検出点P11〜P14をダイアフラム部120の上面に配置し、各ピエゾ抵抗素子をダイアフラム部120の上面に埋め込むようにしているが、ダイアフラム部120の下面を検出基準面とし、各検出点P11〜P14をダイアフラム部120の下面に配置し、各ピエゾ抵抗素子をダイアフラム部120の下面に埋め込むようにしてもかまわない。いずれの場合も、各ピエゾ抵抗素子は、埋め込まれた位置に生じた撓みを電気抵抗値の変化として出力する。具体的には、図15に示す実施例の場合、3軸成分Fz,Mx,Myの作用により、図14(a) ,(b) の表に示すような抵抗値変化が生じることになる。   In the case of the embodiment shown in FIG. 15, the upper surface of the diaphragm unit 120 is used as a detection reference surface, the detection points P11 to P14 are arranged on the upper surface of the diaphragm unit 120, and each piezoresistive element is embedded in the upper surface of the diaphragm unit 120. However, the lower surface of the diaphragm unit 120 may be used as a detection reference surface, the detection points P11 to P14 may be arranged on the lower surface of the diaphragm unit 120, and the piezoresistive elements may be embedded in the lower surface of the diaphragm unit 120. Absent. In either case, each piezoresistive element outputs the deflection generated at the embedded position as a change in electrical resistance value. Specifically, in the embodiment shown in FIG. 15, the resistance value changes as shown in the tables of FIGS. 14A and 14B occur due to the action of the triaxial components Fz, Mx, and My.

そこで、図12(c) に示すように、A系統信号処理手段35AとB系統信号処理手段35Bとを設けておけば、8組の検出素子からの検出信号に基づく演算により、3軸成分Fz,Mx,Myを最終検出値として出力することができる。   Therefore, as shown in FIG. 12 (c), if the A-system signal processing means 35A and the B-system signal processing means 35B are provided, the three-axis component Fz can be calculated by calculation based on the detection signals from the eight detection elements. , Mx, My can be output as final detection values.

具体的には、8組のピエゾ抵抗素子R1A〜R4A,R1B〜R4Bの抵抗値をそれぞれ同じ符号を用いてR1A〜R4A,R1B〜R4Bと表せば、
A系統信号処理手段35Aは、所定の符号付き比例係数K1A,K2A,K3Aを用いて、
FzA=K1A×(R1A+R2A+R3A+R4A)
MxA=K2A×(R3A−R4A)
MyA=K3A×(R1A−R2A)
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のZ軸方向の力成分FzA、X軸まわりのモーメント成分MxA、Y軸まわりのモーメント成分MyAを示すA系統検出値Aを出力することができる。
Specifically, if the resistance values of the eight sets of piezoresistive elements R1A to R4A and R1B to R4B are expressed as R1A to R4A and R1B to R4B using the same reference numerals,
The A system signal processing means 35A uses a predetermined signed proportional coefficient K1A, K2A, K3A,
FzA = K1A × (R1A + R2A + R3A + R4A)
MxA = K2A × (R3A-R4A)
MyA = K3A × (R1A-R2A)
Or a signal process corresponding to the calculation process, the force component FzA in the Z-axis direction of the external force applied to the force receiving portion, the moment component MxA around the X axis, and the moment component MyA around the Y axis are A system detection value A shown can be output.

一方、B系統信号処理手段35Bは、所定の符号付き比例係数K1B,K2B,K3Bを用いて、
FzB=K1B×(R1B+R2B+R3B+R4B)
MxB=K2B×(R3B−R4B)
MyB=K3B×(R1B−R2B)
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のZ軸方向の力成分FzB、X軸まわりのモーメント成分MxB、Y軸まわりのモーメント成分MyBを示すB系統検出値Bを出力することができる。
On the other hand, the B system signal processing means 35B uses a predetermined signed proportional coefficient K1B, K2B, K3B,
FzB = K1B × (R1B + R2B + R3B + R4B)
MxB = K2B × (R3B-R4B)
MyB = K3B × (R1B-R2B)
Or a signal process corresponding to the calculation process, the force component FzB in the Z-axis direction of the external force applied to the force receiving portion, the moment component MxB around the X axis, and the moment component MyB around the Y axis are obtained. The B system detection value B shown can be output.

そこで比較手段45は、既に述べたとおり、A系統検出値AとB系統検出値Bとを比較し、両者の差分dを求め、A系統検出値AもしくはB系統検出値Bまたはこれら両者に基づいて算出された所定の算出値(たとえば、両者の平均値)を最終検出値Fz,Mx,Myとして出力するとともに、当該差分dが所定の許容値Tを超えていた場合には、差分エラーを出力する。   Therefore, as described above, the comparing means 45 compares the A system detection value A and the B system detection value B to obtain the difference d between them, and based on the A system detection value A or the B system detection value B or both. Is output as final detection values Fz, Mx, My, and if the difference d exceeds a predetermined allowable value T, a difference error is output. Output.

前述したとおり、本発明を実施する上では、すべての検出点が検出基準円G1上に配置されているようにするのが好ましい。これは、すべての検出点を検出基準円G1上に配置することにより、各検出素子の配置に対称性が得られるようになり、検出信号の値にも対称性が得られ、信号処理手段による信号処理を単純化できるためである。   As described above, in order to implement the present invention, it is preferable that all the detection points are arranged on the detection reference circle G1. This is because by arranging all the detection points on the detection reference circle G1, symmetry can be obtained in the arrangement of each detection element, and the symmetry of the detection signal value can also be obtained by the signal processing means. This is because signal processing can be simplified.

たとえば、上例の場合、ピエゾ抵抗素子R1A,R2Aは、YZ平面に関して対称性を有しており、ピエゾ抵抗素子R3A,R4Aは、XZ平面に関して対称性を有している。このため、何ら外力が作用していない状態では、
MxA=K2A×(R3A−R4A)
MyA=K3A×(R1A−R2A)
なる演算結果はいずれも0になるので、MxAおよびMyAの出力についての零点補正処理を省略することができる。
For example, in the above example, the piezoresistive elements R1A and R2A have symmetry with respect to the YZ plane, and the piezoresistive elements R3A and R4A have symmetry with respect to the XZ plane. For this reason, in the state where no external force is acting,
MxA = K2A × (R3A-R4A)
MyA = K3A × (R1A-R2A)
Therefore, the zero point correction process for the outputs of MxA and MyA can be omitted.

同様に、上例の場合、ピエゾ抵抗素子R1B,R2Bは、YZ平面に関して対称性を有しており、ピエゾ抵抗素子R3B,R4Bは、XZ平面に関して対称性を有している。このため、何ら外力が作用していない状態では、
MxB=K2B×(R3B−R4B)
MyB=K3B×(R1B−R2B)
なる演算結果はいずれも0になるので、MxBおよびMyBの出力についての零点補正処理も省略することができる。
Similarly, in the case of the above example, the piezoresistive elements R1B and R2B have symmetry with respect to the YZ plane, and the piezoresistive elements R3B and R4B have symmetry with respect to the XZ plane. For this reason, in the state where no external force is acting,
MxB = K2B × (R3B-R4B)
MyB = K3B × (R1B-R2B)
Since both of the calculation results are 0, the zero point correction process for the MxB and MyB outputs can be omitted.

<2−4.容量素子を用いた実施例>
続いて、検出素子として容量素子を用いた実施例を述べる。図16は、図1に示す検出用構造体に検出素子として容量素子を組み込んだ本発明に係る力覚センサを示す図である。ここで、図16(a) は、この力覚センサをXZ平面で切断した側断面図であり、図16(b) は、この力覚センサの下部構造体100の下面図である(下から見上げた図であるため、Y軸は下方を向いている)。
<2-4. Example Using Capacitance Element>
Subsequently, an embodiment using a capacitive element as a detection element will be described. FIG. 16 is a diagram showing a force sensor according to the present invention in which a capacitive element is incorporated as a detection element in the detection structure shown in FIG. Here, FIG. 16A is a side sectional view of the force sensor cut along the XZ plane, and FIG. 16B is a bottom view of the lower structure 100 of the force sensor (from the bottom). (Because this is a looked up view, the Y-axis faces downward).

§1−4では、図6を参照しながら、検出素子として容量素子を用いた従来の力覚センサの一例の構造および動作を説明した。図16に示す本発明に係る力覚センサの基本構造および基本的動作は、図6に示す従来の力覚センサの基本構造および基本的動作に準じたものになる。そこで、以下、図6に示す従来の力覚センサと対比しながら、図16に示す本発明に係る力覚センサについての説明を行う。   In §1-4, the structure and operation of an example of a conventional force sensor using a capacitive element as a detection element has been described with reference to FIG. The basic structure and basic operation of the force sensor according to the present invention shown in FIG. 16 are based on the basic structure and basic operation of the conventional force sensor shown in FIG. Therefore, the force sensor according to the present invention shown in FIG. 16 will be described below in comparison with the conventional force sensor shown in FIG.

まず、検出用構造体の部分については、両者間に相違はない。すなわち、図16に示す力覚センサに用いられている検出用構造体は、下部構造体100と上部構造体200とによって構成され、弾性変形部120として、薄板状のダイアフラム部が用いられている。また、この図16においても、説明の便宜上、ダイアフラム部120の中心を原点Oとして、図示のようなXYZ三次元直交座標系を定義する。そして、ダイアフラム部120の下面を検出基準面と呼ぶことにする。この検出基準面は、複数n個の検出点を配置するための平面であり、ダイアフラム部120の上面やXY平面を検出基準面としてもよいが、ダイアフラム部120の下方に変位電極が配置される関係上、ここでは、ダイアフラム部120の下面(XY平面に平行な平面)を検出基準面に設定する。   First, there is no difference between the two parts of the detection structure. That is, the detection structure used in the force sensor shown in FIG. 16 includes the lower structure 100 and the upper structure 200, and a thin plate-like diaphragm portion is used as the elastic deformation portion 120. . In FIG. 16 as well, for convenience of explanation, an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system as shown is defined with the center of the diaphragm 120 as the origin O. And the lower surface of the diaphragm part 120 will be called a detection reference plane. The detection reference plane is a plane on which a plurality of n detection points are arranged. The upper surface of the diaphragm 120 or the XY plane may be used as a detection reference plane, but a displacement electrode is arranged below the diaphragm 120. In relation to this, here, the lower surface of the diaphragm 120 (a plane parallel to the XY plane) is set as the detection reference plane.

図16(b) に示すように、ここでも検出基準面上に、Z軸を中心とした検出基準円G1(図では一点鎖線の円で示す)を描くと、4個の検出点P21〜P24は、いずれも検出基準円G1上に位置している。別言すれば、4個の検出点P21〜P24は、いずれもダイアフラム部120の下面におけるZ軸から等距離(検出基準円G1の半径)の位置に配置されている。しかも、検出点P21,P22はX軸に沿った直線上に配置され、検出点P23,P24はY軸に沿った直線上に配置されている。このような幾何学的な構成は、前述したとおり、各検出素子の配置に対称性を生み、検出信号の値にも対称性が得られることになるので、信号処理手段による信号処理を単純化できるメリットがある。   As shown in FIG. 16 (b), when a detection reference circle G1 (shown by a one-dot chain line in the figure) centered on the Z-axis is drawn on the detection reference plane, four detection points P21 to P24 are drawn. Are both located on the detection reference circle G1. In other words, the four detection points P <b> 21 to P <b> 24 are all arranged at the same distance (the radius of the detection reference circle G <b> 1) from the Z axis on the lower surface of the diaphragm portion 120. Moreover, the detection points P21 and P22 are arranged on a straight line along the X axis, and the detection points P23 and P24 are arranged on a straight line along the Y axis. As described above, such a geometric configuration creates symmetry in the arrangement of each detection element, and also provides symmetry in the value of the detection signal, thus simplifying signal processing by the signal processing means. There is a merit that can be done.

ここで述べる容量素子を用いた実施例の特徴は、ダイアフラム部120に複数n個の検出点を定義し、このうちの第i番目の検出点Pi(iは、1≦i≦nを満足する任意の整数)の近傍に、第i番目のA系統検出素子DiAを構成する容量素子と、第i番目のB系統検出素子DiBを構成する容量素子という2組の容量素子を配置した点にある。   A feature of the embodiment using the capacitive element described here is that a plurality of n detection points are defined in the diaphragm unit 120, and the i-th detection point Pi (i satisfies 1 ≦ i ≦ n). In the vicinity of (an arbitrary integer), two sets of capacitive elements, i.e., a capacitive element constituting the i-th A-system detection element DiA and a capacitive element constituting the i-th B-system detection element DiB are arranged. .

図16に示す具体的な実施例は、n=4に設定した例であり、上述したように、ダイアフラム部120の下面に検出基準面を定義し、X軸およびY軸をこの検出基準面に投影して得られるX軸投影像およびY軸投影像を定義し、検出基準面上にZ軸を中心とした検出基準円G1を描けば、第1番目の検出点P21は正のX軸投影像と検出基準円G1との交点に位置し、第2番目の検出点P22は負のX軸投影像と検出基準円G1との交点に位置し、第3番目の検出点P23は正のY軸投影像と検出基準円G1との交点に位置し、第4番目の検出点P24は負のY軸投影像と検出基準円G1との交点に位置している。   The specific example shown in FIG. 16 is an example in which n = 4 is set. As described above, the detection reference plane is defined on the lower surface of the diaphragm 120, and the X axis and the Y axis are defined as the detection reference plane. If an X-axis projection image and a Y-axis projection image obtained by projection are defined and a detection reference circle G1 centered on the Z axis is drawn on the detection reference plane, the first detection point P21 is a positive X-axis projection. The second detection point P22 is located at the intersection of the negative X-axis projection image and the detection reference circle G1, and the third detection point P23 is positive Y. The fourth detection point P24 is located at the intersection between the negative projected image and the detection reference circle G1, and is located at the intersection between the axial projection image and the detection reference circle G1.

そして、ダイアフラム部120の下面には、図16(b) に示すように、8枚の半円状の変位電極E21A,E21B,E22A,E22B,E23A,E23B,E24A,E24Bが配置されており、これら8枚の変位電極に対向するように、支持基板300(外周部が支持部110の内周面に固定された円盤状の基板)上に、8枚の半円状の固定電極E11A,E11B,E12A,E12B,E13A,E13B,E14A,E14B(平面的な配置パターンは、図16(b) に示す8枚の変位電極の配置パターンと同じ)が配置されている。そして、個々の変位電極と、これに対向する個々の固定電極とにより容量素子が形成されている。図16(b) には、こうして形成される8組の容量素子を括弧付きの符号C1A,C1B,C2A,C2B,C3A,C3B,C4A,C4Bで示してある。   Further, as shown in FIG. 16 (b), eight semicircular displacement electrodes E21A, E21B, E22A, E22B, E23A, E23B, E24A, E24B are arranged on the lower surface of the diaphragm 120, Eight semicircular fixed electrodes E11A and E11B are formed on the support substrate 300 (a disk-shaped substrate whose outer peripheral portion is fixed to the inner peripheral surface of the support portion 110) so as to face the eight displacement electrodes. , E12A, E12B, E13A, E13B, E14A, E14B (the planar arrangement pattern is the same as the arrangement pattern of the eight displacement electrodes shown in FIG. 16B). A capacitive element is formed by the individual displacement electrodes and the individual fixed electrodes opposed thereto. In FIG. 16B, the eight capacitive elements formed in this way are indicated by parenthesized symbols C1A, C1B, C2A, C2B, C3A, C3B, C4A, and C4B.

なお、変位電極をダイアフラム部120の下面ではなく、上面に設けるようにし、その上方に固定電極を配置する構造(すなわち、容量素子をダイアフラム部120の上方に配置する構造)を採用することも可能であるが、図16(a) に示すように、ダイアフラム部120の上方に受力部210が配置されている検出用構造体を用いる場合は、図示のように、変位電極をダイアフラム部120の下面に設ける構造(すなわち、容量素子をダイアフラム部120の下方に配置する構造)を採用する方が、全体的な構造を単純化することができる。   It is also possible to adopt a structure in which the displacement electrode is provided not on the bottom surface of the diaphragm portion 120 but on the top surface, and the fixed electrode is disposed above the displacement electrode (that is, the capacitor element is disposed above the diaphragm portion 120). However, as shown in FIG. 16 (a), when the detection structure in which the force receiving portion 210 is disposed above the diaphragm portion 120 is used, the displacement electrode is connected to the diaphragm portion 120 as shown in the drawing. The overall structure can be simplified by adopting the structure provided on the lower surface (that is, the structure in which the capacitive element is disposed below the diaphragm portion 120).

結局、任意のi(1≦i≦n)について、第i番目のA系統検出素子DiAは、第i番目の検出点Piの第1の近傍部分に配置された第i番目のA系統変位電極と、この第i番目のA系統変位電極に対向するように支持部110に固定された第i番目のA系統固定電極と、を有する第i番目のA系統容量素子CiAによって構成され、当該第1の近傍部分に生じた変位を静電容量値の変化として示す検出信号を出力することになる。また、第i番目のB系統検出素子DiBは、第i番目の検出点Piの第2の近傍部分に配置された第i番目のB系統変位電極と、この第i番目のB系統変位電極に対向するように支持部110に固定された第i番目のB系統固定電極と、を有する第i番目のB系統容量素子CiBによって構成され、当該第2の近傍部分に生じた変位を静電容量値の変化として示す検出信号を出力することになる。   Eventually, for an arbitrary i (1 ≦ i ≦ n), the i-th A-system detection element DiA is the i-th A-system displacement electrode disposed in the first vicinity of the i-th detection point Pi. And an i-th A-system capacitive element CiA having an i-th A-system fixed electrode fixed to the support 110 so as to face the i-th A-system displacement electrode, A detection signal indicating a displacement generated in the vicinity of 1 as a change in capacitance value is output. The i-th B-system detection element DiB is connected to the i-th B-system displacement electrode disposed in the second vicinity of the i-th detection point Pi, and the i-th B-system displacement electrode. The i-th B-system capacitive element CiB having an i-th B-system fixed electrode fixed to the support portion 110 so as to face each other, and the displacement generated in the second vicinity is electrostatic capacitance A detection signal indicated as a change in value is output.

ここで、各検出点P21〜P24について、Z軸から遠い側を外側、Z軸に近い側を内側と呼べば、各検出点P21〜P24の遠近両側の近傍部分の変位を検出するために、4組のA系統検出素子と4組のB系統検出素子とが設けられており、これら全8組の検出素子からの検出信号に基づいて、3軸成分Fz,Mx,Myの検出が行われることになる。   Here, for each of the detection points P21 to P24, if the side far from the Z axis is referred to as the outside and the side close to the Z axis is referred to as the inside, Four sets of A-line detection elements and four sets of B-line detection elements are provided, and the detection of the triaxial components Fz, Mx, My is performed based on detection signals from all the eight sets of detection elements. It will be.

具体的には、まず、第1番目のA系統検出素子は、第1番目の検出点P21の外側に配置された容量素子C1A(変位電極E21Aと固定電極E11A)からなり、第1番目のB系統検出素子は、第1番目の検出点P21の内側に配置された容量素子C1B(変位電極E21Bと固定電極E11B)からなる。同様に、第2番目のA系統検出素子は、第2番目の検出点P22の外側に配置された容量素子C2A(変位電極E22Aと固定電極E12A)からなり、第2番目のB系統検出素子は、第2番目の検出点P22の内側に配置された容量素子C2B(変位電極E22Bと固定電極E12B)からなる。   Specifically, first, the first A-system detection element is composed of a capacitive element C1A (displacement electrode E21A and fixed electrode E11A) arranged outside the first detection point P21. A system | strain detection element consists of capacitive element C1B (displacement electrode E21B and fixed electrode E11B) arrange | positioned inside the 1st detection point P21. Similarly, the second A-system detection element is composed of a capacitive element C2A (displacement electrode E22A and fixed electrode E12A) arranged outside the second detection point P22, and the second B-system detection element is The capacitive element C2B (displacement electrode E22B and fixed electrode E12B) disposed inside the second detection point P22.

また、第3番目のA系統検出素子は、第3番目の検出点P23の外側に配置された容量素子C3A(変位電極E23Aと固定電極E13A)からなり、第3番目のB系統検出素子は、第3番目の検出点P23の内側に配置された容量素子C3B(変位電極E23Bと固定電極E13B)からなる。そして、第4番目のA系統検出素子は、第4番目の検出点P24の外側に配置された容量素子C4A(変位電極E24Aと固定電極E14A)からなり、第4番目のB系統検出素子は、第4番目の検出点P24の内側に配置された容量素子C4B(変位電極E24Bと固定電極E14B)からなる。   The third A-line detection element is composed of a capacitive element C3A (displacement electrode E23A and fixed electrode E13A) arranged outside the third detection point P23, and the third B-line detection element is It consists of a capacitive element C3B (displacement electrode E23B and fixed electrode E13B) arranged inside the third detection point P23. And the 4th A system detection element consists of capacitive element C4A (displacement electrode E24A and fixed electrode E14A) arranged outside the 4th detection point P24, and the 4th B system detection element is The capacitive element C4B (displacement electrode E24B and fixed electrode E14B) is arranged inside the fourth detection point P24.

これらの8組の容量素子は、それぞれの変位電極が固定された位置に生じた変位を静電容量値の変化として出力する。具体的には、図16に示す実施例の場合、3軸成分Fz,Mx,Myの作用により、A系統の容量素子についても、B系統の容量素子についても、図9の表に示すような静電容量値の変化が生じることになる。そこで、図12(c) に示すように、A系統信号処理手段35AとB系統信号処理手段35Bとを設けておけば、8組の検出素子からの検出信号に基づく演算により、3軸成分Fz,Mx,Myを最終検出値として出力することができる。   These eight sets of capacitive elements output the displacement generated at the position where each displacement electrode is fixed as a change in capacitance value. Specifically, in the case of the embodiment shown in FIG. 16, due to the action of the triaxial components Fz, Mx, My, both the A-system capacitive element and the B-system capacitive element are as shown in the table of FIG. 9. A change in capacitance value will occur. Therefore, as shown in FIG. 12 (c), if the A-system signal processing means 35A and the B-system signal processing means 35B are provided, the three-axis component Fz can be calculated by calculation based on the detection signals from the eight detection elements. , Mx, My can be output as final detection values.

具体的には、8組の容量素子C1A〜C4A,C1B〜C4Bの静電容量値をそれぞれ同じ符号を用いてC1A〜C4A,C1B〜C4Bと表せば、
A系統信号処理手段35Aは、所定の符号付き比例係数K1A,K2A,K3Aを用いて、
FzA=K1A×(C1A+C2A+C3A+C4A)
MxA=K2A×(C3A−C4A)
MyA=K3A×(C1A−C2A)
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のZ軸方向の力成分FzA、X軸まわりのモーメント成分MxA、Y軸まわりのモーメント成分MyAを示すA系統検出値Aを出力することができる。
Specifically, if the capacitance values of the eight sets of capacitive elements C1A to C4A and C1B to C4B are expressed as C1A to C4A and C1B to C4B using the same reference numerals,
The A system signal processing means 35A uses a predetermined signed proportional coefficient K1A, K2A, K3A,
FzA = K1A × (C1A + C2A + C3A + C4A)
MxA = K2A × (C3A-C4A)
MyA = K3A × (C1A-C2A)
Or a signal process corresponding to the calculation process, the force component FzA in the Z-axis direction of the external force applied to the force receiving portion, the moment component MxA around the X axis, and the moment component MyA around the Y axis are A system detection value A shown can be output.

一方、B系統信号処理手段35Bは、所定の符号付き比例係数K1B,K2B,K3Bを用いて、
FzB=K1B×(C1B+C2B+C3B+C4B)
MxB=K2B×(C3B−C4B)
MyB=K3B×(C1B−C2B)
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のZ軸方向の力成分FzB、X軸まわりのモーメント成分MxB、Y軸まわりのモーメント成分MyBを示すB系統検出値Bを出力することができる。
On the other hand, the B system signal processing means 35B uses a predetermined signed proportional coefficient K1B, K2B, K3B,
FzB = K1B × (C1B + C2B + C3B + C4B)
MxB = K2B × (C3B-C4B)
MyB = K3B × (C1B-C2B)
Or a signal process corresponding to the calculation process, the force component FzB in the Z-axis direction of the external force applied to the force receiving portion, the moment component MxB around the X axis, and the moment component MyB around the Y axis are obtained. The B system detection value B shown can be output.

そこで比較手段45は、既に述べたとおり、A系統検出値AとB系統検出値Bとを比較し、両者の差分dを求め、A系統検出値AもしくはB系統検出値Bまたはこれら両者に基づいて算出された所定の算出値(たとえば、両者の平均値)を最終検出値Fz,Mx,Myとして出力するとともに、当該差分dが所定の許容値Tを超えていた場合には、差分エラーを出力する。   Therefore, as described above, the comparing means 45 compares the A system detection value A and the B system detection value B to obtain the difference d between them, and based on the A system detection value A or the B system detection value B or both. Is output as final detection values Fz, Mx, My, and if the difference d exceeds a predetermined allowable value T, a difference error is output. Output.

この図16に示す実施例の場合も、すべての検出点P21〜P24が検出基準円G1上に配置されているため、各検出素子の配置に対称性が得られ、検出信号の値にも対称性が得られ、信号処理手段による信号処理を単純化できるメリットが得られる。   Also in the embodiment shown in FIG. 16, since all the detection points P21 to P24 are arranged on the detection reference circle G1, symmetry is obtained in the arrangement of each detection element, and the value of the detection signal is also symmetric. And the advantage that the signal processing by the signal processing means can be simplified.

たとえば、容量素子C1A,C2Aは、YZ平面に関して対称性を有しており、容量素子C3A,C4Aは、XZ平面に関して対称性を有している。このため、何ら外力が作用していない状態では、
MxA=K2A×(C3A−C4A)
MyA=K3A×(C1A−C2A)
なる演算結果はいずれも0になるので、MxAおよびMyAの出力についての零点補正処理を省略することができる。
For example, the capacitive elements C1A and C2A have symmetry with respect to the YZ plane, and the capacitive elements C3A and C4A have symmetry with respect to the XZ plane. For this reason, in the state where no external force is acting,
MxA = K2A × (C3A-C4A)
MyA = K3A × (C1A-C2A)
Therefore, the zero point correction process for the outputs of MxA and MyA can be omitted.

同様に、容量素子C1B,C2Bは、YZ平面に関して対称性を有しており、容量素子C3B,C4Bは、XZ平面に関して対称性を有している。このため、何ら外力が作用していない状態では、
MxB=K2B×(C3B−C4B)
MyB=K3B×(C1B−C2B)
なる演算結果はいずれも0になるので、MxBおよびMyBの出力についての零点補正処理も省略することができる。
Similarly, the capacitive elements C1B and C2B have symmetry with respect to the YZ plane, and the capacitive elements C3B and C4B have symmetry with respect to the XZ plane. For this reason, in the state where no external force is acting,
MxB = K2B × (C3B-C4B)
MyB = K3B × (C1B-C2B)
Since both of the calculation results are 0, the zero point correction process for the MxB and MyB outputs can be omitted.

<2−5.信号処理手段および比較手段>
§2−1で説明したとおり、本発明に係る力覚センサの特徴は、図12(c) のブロック図に示すように、単一の検出用構造体10に加えられた外力を、n個のA系統検出素子25Aとn個のB系統検出素子25Bとによってそれぞれ検出し、これらから得られる検出信号を、A系統信号処理手段35AとB系統信号処理手段35Bとによって処理することにより、A系統検出値AとB系統検出値Bとを求め、比較手段45においてこれらを比較する、というものである。
<2-5. Signal processing means and comparison means>
As explained in §2-1, the force sensor according to the present invention is characterized by n external forces applied to a single detection structure 10 as shown in the block diagram of FIG. The A system detection element 25A and the n B system detection elements 25B respectively detect the detection signals obtained from the A system detection element 25A and the B system signal processing means 35B. The system detection value A and the system B detection value B are obtained, and the comparison means 45 compares them.

たとえば、§2−4で説明した図16に示す実施例に係る力覚センサの基本構成を、図12(c) にならってブロック図で示すと図17のようになる。この場合、検出用構造体10は、図16(a) に示すように、下部構造体100と上部構造体200との積層構造体によって構成される。また、図16(b) に示されているように、A系統検出素子25Aは、4組のA系統容量素子C1A〜C4Aによって構成され、B系統検出素子25Bは、4組のB系統容量素子C1B〜C4Bによって構成される。   For example, the basic configuration of the force sensor according to the embodiment shown in FIG. 16 described in §2-4 is shown in FIG. 17 as a block diagram following FIG. 12 (c). In this case, the detection structure 10 is constituted by a laminated structure of the lower structure 100 and the upper structure 200 as shown in FIG. Further, as shown in FIG. 16 (b), the A system detection element 25A is composed of four sets of A system capacitance elements C1A to C4A, and the B system detection element 25B is composed of four sets of B system capacitance elements. It is comprised by C1B-C4B.

そして、A系統容量素子C1A〜C4Aからは、それぞれ同じ符号で示す静電容量値C1A〜C4Aを示す検出信号が出力され、A系統信号処理手段35Aに与えられる。同様に、B系統容量素子C1B〜C4Bからは、それぞれ同じ符号で示す静電容量値C1B〜C4Bを示す検出信号が出力され、B系統信号処理手段35Bに与えられる。実際には、各信号処理手段35A,35Bの入力段には、各容量素子を構成する一対の電極間の静電容量値を電気信号として取り込むための電気回路(たとえば、C/V変換回路)が備わっている。   Then, detection signals indicating capacitance values C1A to C4A indicated by the same reference numerals are output from the A-system capacitive elements C1A to C4A, respectively, and are provided to the A-system signal processing means 35A. Similarly, detection signals indicating electrostatic capacitance values C1B to C4B indicated by the same reference numerals are output from the B system capacitive elements C1B to C4B, respectively, and are provided to the B system signal processing means 35B. Actually, an electric circuit (for example, a C / V conversion circuit) for taking in the capacitance value between a pair of electrodes constituting each capacitive element as an electric signal at the input stage of each signal processing means 35A, 35B. Is equipped.

A系統信号処理手段35Aは、取り込んだ検出信号C1A〜C4Aに基づいて、図示のような演算式に基づく演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことにより、3軸成分FzA,MxA,MyAをA系統検出値Aとして出力する。同様に、B系統信号処理手段35Bは、取り込んだ検出信号C1B〜C4Bに基づいて、図示のような演算式に基づく演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことにより、3軸成分FzB,MxB,MyBをB系統検出値Bとして出力する。   The A-system signal processing means 35A performs, based on the detected signals C1A to C4A, the arithmetic processing based on the arithmetic expression as shown in the figure or the signal processing corresponding to the arithmetic processing, thereby performing triaxial components FzA, MxA, MyA is output as the A system detection value A. Similarly, the B-system signal processing means 35B performs the arithmetic processing based on the arithmetic expression as shown on the basis of the captured detection signals C1B to C4B or the signal processing corresponding to the arithmetic processing, thereby performing the triaxial component FzB. , MxB, MyB are output as the B system detection value B.

取り込んだ検出信号をデジタル信号に変換して処理する場合は、論理素子やマイクロプロセッサなどのデジタル回路を用いた演算処理によって、各検出値を求めることができる。実際には、所定のサンプリング周期で検出信号を取り込み、当該サンプリング周期ごとに、検出値A,Bの出力が行われる。取り込んだ検出信号をアナログ信号のまま処理する場合は、必要な演算処理に相当する信号処理をアナログ回路によって実行すればよい。   When the captured detection signal is converted into a digital signal and processed, each detection value can be obtained by arithmetic processing using a digital circuit such as a logic element or a microprocessor. Actually, the detection signal is captured at a predetermined sampling period, and the detection values A and B are output at each sampling period. When the captured detection signal is processed as an analog signal, signal processing corresponding to necessary calculation processing may be executed by an analog circuit.

こうして得られたA系統検出値A(FzA,MxA,MyA)およびB系統検出値B(FzB,MxB,MyB)は、比較手段45に与えられる。この比較手段45も、論理素子やマイクロプロセッサを用いたデジタル回路によって構成してもよいし、同等の処理を実行可能なアナログ回路によって構成してもかまわない。なお、図17のブロック図では、A系統信号処理手段35A、B系統信号処理手段35B、比較手段45がそれぞれ別なブロックとして描かれているが、これらの構成要素をマイクロプロセッサを用いたデジタル回路によって構成する場合は、同一のICチップ内に組み込んでしまってかまわない。   The A system detection value A (FzA, MxA, MyA) and the B system detection value B (FzB, MxB, MyB) obtained in this way are given to the comparison means 45. This comparison means 45 may also be constituted by a digital circuit using a logic element or a microprocessor, or may be constituted by an analog circuit capable of executing equivalent processing. In the block diagram of FIG. 17, the A system signal processing means 35A, the B system signal processing means 35B, and the comparison means 45 are depicted as separate blocks, but these constituent elements are digital circuits using a microprocessor. May be incorporated in the same IC chip.

要するに、A系統信号処理手段35AおよびB系統信号処理手段35Bは、それぞれ別系統の信号を入力し、それぞれ別系統の信号を出力する構成になっていればよく、A系統とB系統との信号処理が別個独立して実施されるようにすれば、本発明に必要な冗長性は確保できる。もちろん、冗長性を高めるため、A系統信号処理手段35A、B系統信号処理手段35B、比較手段45を、すべて別々のICチップで構成してもかまわない。   In short, the A system signal processing means 35A and the B system signal processing means 35B only need to be configured to input signals of different systems and output signals of different systems, respectively. If the processing is performed separately and independently, the redundancy required for the present invention can be secured. Of course, in order to increase redundancy, the A system signal processing means 35A, the B system signal processing means 35B, and the comparison means 45 may all be configured by separate IC chips.

比較手段45の第1の役割は、検出値Aもしくは検出値Bまたはこれら両者に基づいて算出された所定の算出値を最終検出値として出力することである。たとえば、A系統を主系統、B系統を副系統と定めておき、常に、A系統検出値Aを最終検出値Fz,Mx,Myとして出力するようにしてもよい。この場合、B系統検出値Bは、A系統検出値Aとの比較を行うためだけに用いられることになる。もちろん、A系統を副系統、B系統を主系統と定めてもかまわない。あるいは、A系統検出値AおよびB系統検出値Bの平均値を算出し、当該平均値を最終検出値として出力するようにしてもよい。この場合、各最終検出値は、Fz=(FzA+FzB)/2,Mx=(MxA+MxB)/2,My=(MyA+MyB)/2なる演算によって求まる。   The first role of the comparison unit 45 is to output a detection value A or a detection value B or a predetermined calculation value calculated based on both as a final detection value. For example, the A system may be determined as the main system and the B system as the sub system, and the A system detection value A may always be output as the final detection values Fz, Mx, My. In this case, the B system detection value B is used only for comparison with the A system detection value A. Of course, the A system may be determined as the sub-system and the B system as the main system. Alternatively, an average value of the A system detection value A and the B system detection value B may be calculated, and the average value may be output as the final detection value. In this case, each final detection value is obtained by the calculation of Fz = (FzA + FzB) / 2, Mx = (MxA + MxB) / 2, My = (MyA + MyB) / 2.

比較手段45の第2の役割は、A系統検出値AとB系統検出値Bとを比較し、両者の差分dを求め、当該差分dが所定の許容値Tを超えていた場合には、差分エラーを出力することである。具体的には、§2−2で述べたように、
d(Fz)=絶対値(FzA−FzB)
d(Mx)=絶対値(MxA−MxB)
d(My)=絶対値(MyA−MyB)
なる式に基づいて、各軸成分の差分d(Fz),d(Mx),d(My)を求め、これらが許容値Tを超えているか否かを判定する。許容値Tとしては、3軸共通の値を設定してもよいし、それぞれ別個の値を設定してもよい。また、差分エラーの出力方法も、3軸成分のそれぞれについて別個のエラーを出力するようにしてもよいし、少なくとも1軸成分についてエラーが生じた場合には共通の差分エラーを出力するようにしてもよい。
The second role of the comparison means 45 is to compare the A system detection value A and the B system detection value B, find the difference d between the two, and if the difference d exceeds a predetermined allowable value T, It is to output a difference error. Specifically, as described in §2-2,
d (Fz) = absolute value (FzA−FzB)
d (Mx) = absolute value (MxA−MxB)
d (My) = absolute value (MyA−MyB)
Based on the following formula, differences d (Fz), d (Mx), and d (My) of the respective axis components are obtained, and it is determined whether or not these exceed the allowable value T. As the allowable value T, a value common to the three axes may be set, or a different value may be set for each. Also, the difference error output method may output a separate error for each of the three axis components, or output a common difference error when an error occurs for at least one axis component. Also good.

既に述べたとおり、比較手段45から差分エラーを出力するようにすれば、当該力覚センサが組み込まれたロボット等の制御装置は、当該差分エラーに基づき、適切な制御を行うことができる。ただ、ここに示す実施例の場合、比較手段45には、差分エラーの他に、レンジアウトエラーを出力する機能を併せもたせている。このレンジアウトエラーは、A系統検出値AもしくはB系統検出値Bが、所定の許容レンジを超えていることを示すエラーである。   As described above, if a difference error is output from the comparison unit 45, a control device such as a robot incorporating the force sensor can perform appropriate control based on the difference error. However, in the embodiment shown here, the comparison means 45 is also provided with a function for outputting a range-out error in addition to the difference error. This range-out error is an error indicating that the A system detection value A or the B system detection value B exceeds a predetermined allowable range.

一般に、何らかの検出値を電気信号として出力するセンサの場合、出力する検出値には所定の許容レンジが設定され、当該許容レンジ内の検出値についてのみ、適正な検出値としての保証がなされる。通常、この許容レンジを多少超える出力がなされたとしても、直ちには、検出用構造体に損傷が生じる事態にはならないよう、余裕をもった設計がなされることが多いが、いずれにしても、許容レンジを超える検出値は、当該センサが保証する適正な検出値にはならない。   In general, in the case of a sensor that outputs some detection value as an electric signal, a predetermined allowable range is set for the detection value to be output, and only a detection value within the allowable range is guaranteed as an appropriate detection value. Normally, even if an output that exceeds this allowable range is made slightly, a design with a margin is often made so as not to immediately cause damage to the detection structure. A detection value exceeding the allowable range is not a proper detection value guaranteed by the sensor.

そこで、ここに示す実施例では、比較手段45にレンジアウトエラーを出力する機能を付加している。すなわち、比較手段45は、A系統検出値AおよびB系統検出値Bのそれぞれについて、所定の許容レンジ内であるか否かを判定し、当該許容レンジを超えていた場合は、レンジアウトエラーを出力する処理を行う。結局、比較手段45からは、最終出力値Fz,Mx,Myに加えて、差分dが所定の許容値Tを超えていた場合には、差分エラーが出力され、検出値A,Bが所定の許容レンジを超えていた場合には、レンジアウトエラーが出力されることになる。   Therefore, in the embodiment shown here, a function for outputting a range-out error is added to the comparison means 45. That is, the comparison means 45 determines whether or not each of the A system detection value A and the B system detection value B is within a predetermined allowable range, and if it exceeds the allowable range, a range out error is generated. Perform output processing. Eventually, from the comparison means 45, in addition to the final output values Fz, Mx, My, if the difference d exceeds a predetermined allowable value T, a difference error is output, and the detection values A, B are predetermined. If the allowable range is exceeded, a range-out error is output.

図18は、図17に示す比較手段45の具体的な処理手順を示す流れ図である。まず、ステップS1において、A系統検出値AおよびB系統検出値Bが入力される。実際には、所定のサンプリング周期で検出値A,Bの入力が行われることになる。上述した各実施例は、3軸成分Fz,Mx,Myの検出機能をもった力覚センサの例であるため、検出値Aは、FzA,MxA,MyAの3軸成分であり、検出値Bは、FzB,MxB,MyBの3軸成分である。   FIG. 18 is a flowchart showing a specific processing procedure of the comparison means 45 shown in FIG. First, in step S1, A system detection value A and B system detection value B are input. Actually, the detection values A and B are input at a predetermined sampling period. Each of the above-described embodiments is an example of a force sensor having a detection function of the three-axis components Fz, Mx, and My. Therefore, the detection value A is a three-axis component of FzA, MxA, and MyA, and the detection value B Is a triaxial component of FzB, MxB, and MyB.

続くステップS2では、入力した検出値A,Bの中から、特定の軸成分が抽出される。上述したとおり、ステップS1では、3軸成分Fz,Mx,Myについての検出値A,Bが入力されているので、ステップS2では、まず、この3軸成分についての特定の軸成分が1つだけ抽出されることになる。ここでは、まず、成分Fzが特定の軸成分として抽出されたものとしよう。具体的には、検出値AとしてFzAが抽出され、検出値BとしてFzBが抽出されることになる。   In the subsequent step S2, a specific axis component is extracted from the input detection values A and B. As described above, since the detection values A and B for the three-axis components Fz, Mx, and My are input in step S1, first, in step S2, there is only one specific axis component for this three-axis component. Will be extracted. Here, first, let us assume that the component Fz is extracted as a specific axial component. Specifically, FzA is extracted as the detection value A, and FzB is extracted as the detection value B.

そして、ステップS3において、入力した検出値A,Bが所定の許容レンジ内か否かの判定が行われる。ここに示す例の場合、FzA,FzBについては許容レンジR(Fz)を設定し、MxA,MxBについては許容レンジR(Mx)を設定し、MyA,MyBについては許容レンジR(My)を設定しており、それぞれ設定された許容レンジ内か否かの判定を行うようにしている。したがって、ステップS2において、検出値AとしてFzAが抽出され、検出値BとしてFzBが抽出された場合、これら検出値A,Bが許容レンジR(Fz)内であるか否かが判定される。もちろん、3軸成分に共通の許容レンジを設定するようにしてもかまわない。   In step S3, it is determined whether or not the input detection values A and B are within a predetermined allowable range. In the case of the example shown here, the allowable range R (Fz) is set for FzA and FzB, the allowable range R (Mx) is set for MxA and MxB, and the allowable range R (My) is set for MyA and MyB. Thus, it is determined whether each is within the set allowable range. Therefore, when FzA is extracted as the detection value A and FzB is extracted as the detection value B in step S2, it is determined whether or not these detection values A and B are within the allowable range R (Fz). Of course, a common allowable range may be set for the three-axis components.

このステップS3において、検出値A,Bの双方が許容レンジ内であるとの判定がなされた場合は、ステップS4へと進み、検出値A,Bの差の絶対値として差分dが算出される。上例の場合、FzAとFzBとの差の絶対値が差分d(Fz)として算出される。そして、ステップS5において、差分dが所定の許容値Tを超えているか否かの判定が行われ、許容値Tを超えていた場合には、ステップS7へ進み、差分エラーの出力が行われる。許容値Tは、前述したとおり、各軸成分ごとに別個に設定してもよいし、共通の許容値を設定してもよい。また、差分エラーには、必要に応じて、エラーが生じた特定の軸成分(上例の場合はFz)を示す情報を含ませてもよい。   If it is determined in step S3 that both the detected values A and B are within the allowable range, the process proceeds to step S4, and the difference d is calculated as the absolute value of the difference between the detected values A and B. . In the case of the above example, the absolute value of the difference between FzA and FzB is calculated as the difference d (Fz). In step S5, it is determined whether or not the difference d exceeds a predetermined allowable value T. If the difference d exceeds the allowable value T, the process proceeds to step S7, and a differential error is output. As described above, the tolerance value T may be set separately for each axis component, or a common tolerance value may be set. Further, the difference error may include information indicating a specific axis component (Fz in the above example) in which the error has occurred, as necessary.

続いて、ステップS6において、検出値AもしくはB、またはその平均値を最終検出値として出力する処理が行われる。上述したように、A系統を主系統、B系統を副系統と定めておいた場合、ステップS6では、常に、A系統検出値だけが最終検出値として出力される(上例の場合は、FzAがそのまま最終検出値Fzとして出力される)。一方、両者の平均値を採用する場合、ステップS6では、検出値A,Bの平均値が最終検出値として出力される(上例の場合は、Fz=(FzA+FzB)/2なる演算によって得られた値が、最終検出値Fzとして出力される)。   Subsequently, in step S6, a process of outputting the detection value A or B or its average value as the final detection value is performed. As described above, when the A system is defined as the main system and the B system is defined as the sub system, in step S6, only the A system detection value is always output as the final detection value (in the above example, FzA Is output as the final detection value Fz as it is). On the other hand, when the average value of both is adopted, in step S6, the average value of the detection values A and B is output as the final detection value (in the above example, obtained by the calculation Fz = (FzA + FzB) / 2). Value is output as the final detection value Fz).

一方、ステップS3において、検出値A,Bの一方は許容レンジ内であるものの、他方が許容レンジを超えているとの判定がなされた場合は、ステップS8へと進み、レンジアウトエラーの出力が行われる。このレンジアウトエラーには、必要に応じて、エラーが生じた特定の軸成分(上例の場合はFz)を示す情報や、A系統/B系統のいずれがレンジアウトになったかを示す情報を含ませてもよい。そして、ステップS9において、検出値A,Bのうち、許容レンジ内の方を最終検出値として出力する。   On the other hand, if it is determined in step S3 that one of the detection values A and B is within the allowable range but the other is out of the allowable range, the process proceeds to step S8, and a range out error is output. Done. For this range-out error, if necessary, information indicating the specific axis component (Fz in the above example) where the error has occurred, and information indicating which of the A system / B system is out of range. It may be included. In step S9, the detected value A or B within the allowable range is output as the final detected value.

また、ステップS3において、検出値A,Bの両方が許容レンジを超えているとの判定がなされた場合は、ステップS10へと進み、レンジアウトエラーの出力が行われる。このレンジアウトエラーには、必要に応じて、エラーが生じた特定の軸成分(上例の場合はFz)を示す情報や、A系統/B系統の両方がレンジアウトになったことを示す情報を含ませてもよい。そして、ステップS11において、検出値A,Bに代えて、所定のダミー値を最終検出値として出力する。   If it is determined in step S3 that both detection values A and B exceed the allowable range, the process proceeds to step S10, and a range out error is output. For this range-out error, if necessary, information indicating a specific axis component (Fz in the above example) in which the error has occurred, or information indicating that both of the A system / B system are out of range. May be included. In step S11, instead of the detection values A and B, a predetermined dummy value is output as the final detection value.

ステップS11で出力するダミー値としては、許容レンジ内の所定の値を予め設定しておくようにする。たとえば、外力が全く作用していないときに出力される検出値(零点を示す値)をダミー値として設定しておけばよい。検出値A,Bに代えて、許容レンジ内のダミー値を出力する理由は、許容レンジを超えた値を最終検出値として出力してしまうと、当該最終検出値を利用する機器(たとえば、ロボットの制御装置)に不測の障害が生じる可能性があるためである。   As the dummy value output in step S11, a predetermined value within the allowable range is set in advance. For example, a detection value (a value indicating a zero point) output when no external force is applied may be set as a dummy value. The reason for outputting the dummy value within the allowable range instead of the detection values A and B is that if a value exceeding the allowable range is output as the final detection value, a device that uses the final detection value (for example, a robot) This is because an unexpected failure may occur in the control device.

前述のとおり、許容レンジは、当該力覚センサが保証する適正な検出値の範囲であり、ロボットの制御装置などは、検出値が当該許容レンジ内の値になることを前提とした設計がなされることになる。このため、最終検出値として、許容レンジを超えた値を出力すると、当該最終検出値を受け取ったロボットの制御装置などでは、想定外の事態が生じるおそれがある。   As described above, the allowable range is a range of an appropriate detection value guaranteed by the force sensor, and a robot control device or the like is designed on the assumption that the detection value is within the allowable range. Will be. For this reason, if a value exceeding the allowable range is output as the final detection value, an unexpected situation may occur in the robot control device or the like that has received the final detection value.

そこで、比較手段45内の処理において、検出値A,Bが共に許容レンジを超えていた場合は、レンジアウトエラーを出力して異常を報知するとともに、最終検出値としては、許容レンジ内のダミー値を出力するようにしている。このダミー値は、もちろん正しい検出値ではないが、ロボットの制御装置などは、レンジアウトエラーの報知を受けることにより、当該ダミー値が正しい検出値ではないことを認識することができるので、問題は生じない。   Therefore, in the processing in the comparison means 45, if both the detection values A and B exceed the allowable range, a range out error is output to notify the abnormality, and the final detection value is a dummy within the allowable range. The value is output. This dummy value is of course not a correct detection value, but a robot control device or the like can recognize that the dummy value is not a correct detection value by receiving a notification of a range-out error. Does not occur.

こうして、ステップS2で抽出した特定の軸成分(上例の場合はFz)についての処理が完了したら、ステップS12を経て、再びステップS2へと戻り、別な特定の軸成分(たとえば、MxやMy)について、同様の処理が繰り返される。こうして、すべての軸成分(上例の場合は、3軸成分Fx,Mx,My)についての処理が完了したら、比較手段45の処理(1サンプリング周期において入力された検出値A,Bに対する処理)は終了する。   Thus, when the process for the specific axis component extracted in step S2 (Fz in the above example) is completed, the process returns to step S2 again via step S12, and another specific axis component (for example, Mx or My). ), The same processing is repeated. Thus, when the processing for all the axis components (in the above example, the three-axis components Fx, Mx, My) is completed, the processing of the comparison means 45 (processing for the detection values A, B input in one sampling period) Ends.

要するに、図18の流れ図に示されている実施例の場合、比較手段45は、A系統検出値Aのみが許容レンジを超えていた場合は、B系統検出値Bを最終検出値として出力し、B系統検出値Bのみが許容レンジを超えていた場合は、A系統検出値Aを最終検出値として出力し、A系統検出値AおよびB系統検出値Bの双方が許容レンジを超えていた場合は、許容レンジ内の所定のダミー値を最終検出値として出力する処理を行うことになる。   In short, in the case of the embodiment shown in the flowchart of FIG. 18, when only the A system detection value A exceeds the allowable range, the comparison means 45 outputs the B system detection value B as the final detection value, When only the B system detection value B exceeds the allowable range, the A system detection value A is output as the final detection value, and both the A system detection value A and the B system detection value B exceed the allowable range. Performs processing for outputting a predetermined dummy value within the allowable range as the final detection value.

<<< §3. 本発明の変形例 >>>
これまで、§2において、本発明に係る力覚センサの基本的な実施形態を説明した。ここでは、これら基本的な実施形態に対するいくつかの変形例を述べておく。
<<< §3. Modification of the present invention >>
So far, in §2, the basic embodiment of the force sensor according to the present invention has been described. Here, some modifications to these basic embodiments will be described.

<3−1.検出素子の配置を変えた変形例>
図19は、図16に示す力覚センサの変形例を示す側断面図(図19(a) )および下部構造体100の下面図(図19(b) )である。図16に示す力覚センサと図19に示す力覚センサとの相違は、8組の検出素子(容量素子)の配置だけである。したがって、図19に示されている力覚センサの各構成要素の符号は、図16に示されている力覚センサの対応する構成要素の符号と同じものを付して示してある。
<3-1. Modified example in which arrangement of detection elements is changed>
FIG. 19 is a side sectional view (FIG. 19A) showing a modification of the force sensor shown in FIG. 16, and a bottom view of the lower structure 100 (FIG. 19B). The force sensor shown in FIG. 16 is different from the force sensor shown in FIG. 19 only in the arrangement of eight detection elements (capacitance elements). Accordingly, the reference numerals of the constituent elements of the force sensor shown in FIG. 19 are the same as those of the corresponding constituent elements of the force sensor shown in FIG.

図19に示す力覚センサは、図16に示す検出用構造体と全く同じ検出用構造体を有しており、ダイアフラム部120の下面に検出基準面が定義されており、この検出基準面上に4個の検出点P21〜P24が定義されている。各検出点P21〜P24の位置も、図16に示す実施例と全く同じである。そして、これら4個の検出点P21〜P24の近傍部分に生じた変位を検出するために、4組のA系統検出素子と4組のB系統検出素子とが形成されている点も、図16に示す実施例と同じである。ただ、各検出素子の配置が若干異なっている。   The force sensor shown in FIG. 19 has the same detection structure as the detection structure shown in FIG. 16, and a detection reference plane is defined on the lower surface of the diaphragm portion 120. Four detection points P21 to P24 are defined. The positions of the detection points P21 to P24 are also exactly the same as in the embodiment shown in FIG. In addition, in order to detect displacement generated in the vicinity of these four detection points P21 to P24, four sets of A-system detection elements and four sets of B-system detection elements are formed. The same as the embodiment shown in FIG. However, the arrangement of the detection elements is slightly different.

図16に示す実施例は、図13に示す検出素子の基本的な配置方針に従って、容量素子を配置した例である。この図13に示す基本的な配置方針は、A系統検出素子を各検出点の外側の近傍部分に配置し、B系統検出素子を各検出点の内側の近傍部分に配置する、というものであった。このため、図13には、4組のA系統検出素子D1A〜D4Aを検出点P1〜P4の外側に配置し、4組のB系統検出素子D1B〜D4Bを検出点P1〜P4の内側に配置した例が示されている。   The embodiment shown in FIG. 16 is an example in which capacitive elements are arranged according to the basic arrangement policy of the detection elements shown in FIG. The basic arrangement policy shown in FIG. 13 is that the A system detection element is arranged in the vicinity of the outside of each detection point, and the B system detection element is arranged in the vicinity of the inside of each detection point. It was. For this reason, in FIG. 13, four sets of A system detection elements D1A to D4A are arranged outside the detection points P1 to P4, and four sets of B system detection elements D1B to D4B are arranged inside the detection points P1 to P4. An example is shown.

これに対して、図19に示す変形例における検出素子の基本的な配置方針は、X軸もしくはY軸を挟んだ両側に、それぞれA系統検出素子とB系統検出素子とを隣接配置する、というものである。   On the other hand, the basic arrangement policy of the detection elements in the modification shown in FIG. 19 is that the A system detection element and the B system detection element are adjacently arranged on both sides of the X axis or the Y axis, respectively. Is.

具体的には、図19(b) に示すとおり、第1番目のA系統検出素子C1Aは、第1番目の検出点P21の、Y座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出できるような位置に配置され、第1番目のB系統検出素子C1Bは、第1番目の検出点P21の、Y座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出できるような位置に配置されている。同様に、第2番目のA系統検出素子C2Aは、第2番目の検出点P22の、Y座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出できるような位置に配置され、第2番目のB系統検出素子C2Bは、第2番目の検出点P22の、Y座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出できるような位置に配置されている。   Specifically, as shown in FIG. 19 (b), the first A-system detection element C1A electrically detects the displacement generated in the vicinity of the first detection point P21 where the Y coordinate value is negative. The first B-system detection element C1B can electrically detect the displacement generated in the vicinity of the first detection point P21 where the Y coordinate value is positive. It is arranged in the position. Similarly, the second A-system detection element C2A is arranged at a position where the displacement generated in the vicinity of the second detection point P22 where the Y coordinate value is negative can be electrically detected. The second B system detection element C2B is arranged at a position where the displacement generated in the vicinity of the second detection point P22 where the Y coordinate value is positive can be electrically detected.

また、第3番目のA系統検出素子C3Aは、第3番目の検出点P23の、X座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出できるような位置に配置され、第3番目のB系統検出素子C3Bは、第3番目の検出点P23の、X座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出できるような位置に配置されている。更に、第4番目のA系統検出素子C4Aは、第4番目の検出点P24の、X座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出できるような位置に配置され、第4番目のB系統検出素子C4Bは、第4番目の検出点P24の、X座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出できるような位置に配置されている。   The third A-system detection element C3A is arranged at a position where the displacement generated in the vicinity of the third detection point P23 where the X coordinate value is negative can be electrically detected. The B-th system detection element C3B is arranged at a position where the displacement generated in the vicinity of the third detection point P23 where the X coordinate value is positive can be electrically detected. Further, the fourth A-system detection element C4A is disposed at a position where the displacement generated in the vicinity of the fourth detection point P24 where the X coordinate value is negative can be electrically detected. The B-th system detection element C4B is arranged at a position where the displacement generated in the vicinity of the fourth detection point P24 where the X coordinate value is positive can be electrically detected.

図19に示す変形例の場合、図16に示す実施例と同様に、支持部110に固定された電極支持基板300が設けられており、この電極支持基板300上に固定した固定電極を利用することにより合計8組の容量素子が形成されており、これら容量素子を検出素子として用いている。   In the case of the modification shown in FIG. 19, as in the embodiment shown in FIG. 16, an electrode support substrate 300 fixed to the support portion 110 is provided, and a fixed electrode fixed on the electrode support substrate 300 is used. As a result, a total of eight capacitive elements are formed, and these capacitive elements are used as detection elements.

すなわち、各容量素子C1A〜C4A,C1B〜C4Bは、ダイアフラム部120の下面に固定された半円状の変位電極E21A〜E24A,E21B〜E24Bと、これら変位電極に対向するように電極支持基板300上に固定された半円状の固定電極E11A〜E14A,E11B〜E14Bと、によって構成されており、それぞれの変位電極が固定された位置に生じた変位を静電容量値の変化として出力する機能を有する。   That is, each of the capacitive elements C1A to C4A and C1B to C4B includes semicircular displacement electrodes E21A to E24A and E21B to E24B fixed to the lower surface of the diaphragm 120, and the electrode support substrate 300 so as to face these displacement electrodes. The semi-circular fixed electrodes E11A to E14A and E11B to E14B fixed on the top, and the function of outputting the displacement generated at the position where each displacement electrode is fixed as the change in the capacitance value Have

具体的には、第1番目のA系統検出素子は、第1番目の検出点P21の、Y座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子C1A(変位電極E21Aと固定電極E11A)からなり、第1番目のB系統検出素子は、第1番目の検出点P21の、Y座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子C1B(変位電極E21Bと固定電極E11B)からなる。同様に、第2番目のA系統検出素子は、第2番目の検出点P22の、Y座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子C2A(変位電極E22Aと固定電極E12A)からなり、第2番目のB系統検出素子は、第2番目の検出点P22の、Y座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子C2B(変位電極E22Bと固定電極E12B)からなる。   Specifically, the first A-line detection element is from a capacitive element C1A (displacement electrode E21A and fixed electrode E11A) arranged in the vicinity of the first detection point P21 where the Y coordinate value is negative. Thus, the first B-system detection element is composed of a capacitive element C1B (displacement electrode E21B and fixed electrode E11B) arranged in the vicinity of the first detection point P21 where the Y coordinate value is positive. Similarly, the second A-system detection element includes a capacitive element C2A (displacement electrode E22A and fixed electrode E12A) disposed in the vicinity of the second detection point P22 where the Y coordinate value is negative. The second B-system detection element includes a capacitive element C2B (displacement electrode E22B and fixed electrode E12B) arranged in the vicinity of the second detection point P22 where the Y coordinate value is positive.

また、第3番目のA系統検出素子は、第3番目の検出点P23の、X座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子C3A(変位電極E23Aと固定電極E13A)からなり、第3番目のB系統検出素子は、第3番目の検出点P23の、X座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子C3B(変位電極E23Bと固定電極E13B)からなる。更に、第4番目のA系統検出素子は、第4番目の検出点P24の、X座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子C4A(変位電極E24Aと固定電極E14A)からなり、第4番目のB系統検出素子は、第4番目の検出点P24の、X座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子C4B(変位電極E24Bと固定電極E14B)からなる。   The third A-system detection element includes a capacitive element C3A (displacement electrode E23A and fixed electrode E13A) disposed in the vicinity of the third detection point P23 where the X coordinate value is negative. The third B-system detection element includes a capacitive element C3B (displacement electrode E23B and fixed electrode E13B) disposed in the vicinity of the third detection point P23 where the X coordinate value is positive. Further, the fourth A-system detection element is composed of a capacitive element C4A (displacement electrode E24A and fixed electrode E14A) arranged in the vicinity of the fourth detection point P24 where the X coordinate value is negative. The fourth B-system detection element includes a capacitive element C4B (displacement electrode E24B and fixed electrode E14B) arranged in the vicinity of the fourth detection point P24 where the X coordinate value is positive.

このように、図19に示す力覚センサの検出素子の配置は、図16に示す力覚センサの検出素子の配置とは若干異なっているが、第1番目のA系統検出素子および第1番目のB系統検出素子は、いずれも第1番目の検出点P21の近傍部分の変位を検出し、第2番目のA系統検出素子および第2番目のB系統検出素子は、いずれも第2番目の検出点P22の近傍部分の変位を検出し、第3番目のA系統検出素子および第3番目のB系統検出素子は、いずれも第3番目の検出点P23の近傍部分の変位を検出し、第4番目のA系統検出素子および第4番目のB系統検出素子は、いずれも第4番目の検出点P24の近傍部分の変位を検出する、という本質的な特徴に変わりはない。   As described above, the arrangement of the detection elements of the force sensor shown in FIG. 19 is slightly different from the arrangement of the detection elements of the force sensor shown in FIG. Each of the B system detection elements detects a displacement in the vicinity of the first detection point P21, and both the second A system detection element and the second B system detection element are the second ones. A displacement in the vicinity of the detection point P22 is detected, and the third A-line detection element and the third B-line detection element both detect a displacement in the vicinity of the third detection point P23, and The 4th A system detection element and the 4th B system detection element remain unchanged in the essential feature that both detect the displacement in the vicinity of the fourth detection point P24.

したがって、この図19に示す力覚センサの場合も、図16に示す力覚センサと同様の信号処理を行うことにより、3軸成分Fz,Mx,Myを検出することが可能である。   Accordingly, in the case of the force sensor shown in FIG. 19, it is possible to detect the triaxial components Fz, Mx, and My by performing the same signal processing as that of the force sensor shown in FIG.

すなわち、8組の容量素子C1A〜C4A,C1B〜C4Bの静電容量値をそれぞれ同じ符号を用いてC1A〜C4A,C1B〜C4Bと表せば、A系統信号処理手段35Aは、所定の符号付き比例係数K1A,K2A,K3Aを用いて、
FzA=K1A×(C1A+C2A+C3A+C4A)
MxA=K2A×(C3A−C4A)
MyA=K3A×(C1A−C2A)
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、FzA,MxA,MyAを示すA系統検出値Aを出力することができる。
That is, if the capacitance values of the eight sets of capacitive elements C1A to C4A and C1B to C4B are expressed as C1A to C4A and C1B to C4B using the same symbols, respectively, the A-system signal processing means 35A has a predetermined signed proportionality. Using the coefficients K1A, K2A, K3A,
FzA = K1A × (C1A + C2A + C3A + C4A)
MxA = K2A × (C3A-C4A)
MyA = K3A × (C1A-C2A)
The A system detection value A indicating FzA, MxA, MyA can be output by performing the following arithmetic processing or signal processing corresponding to the arithmetic processing.

同様に、B系統信号処理手段35Bは、所定の符号付き比例係数K1B,K2B,K3Bを用いて、
FzB=K1B×(C1B+C2B+C3B+C4B)
MxB=K2B×(C3B−C4B)
MyB=K3B×(C1B−C2B)
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、FzB,MxB,MyBを示すB系統検出値Bを出力することができる。
Similarly, the B system signal processing means 35B uses a predetermined signed proportional coefficient K1B, K2B, K3B,
FzB = K1B × (C1B + C2B + C3B + C4B)
MxB = K2B × (C3B-C4B)
MyB = K3B × (C1B-C2B)
The B system detection value B indicating FzB, MxB, MyB can be output by performing the following arithmetic processing or signal processing corresponding to the arithmetic processing.

<3−2.補助系統信号処理を加えた変形例>
上述した§3−1では、図19を参照しながら、検出素子の配置を変えた変形例を説明した。この変形例の特徴は、A系統検出素子とB系統検出素子の配置パターンを、検出点の内側か外側かで分けるのではなく、座標軸の正側か負側かで分ける点にある。このように、座標軸の正側か負側かで分ける配置パターンを採用すると、A系統信号処理およびB系統信号処理に加えて、更に、補助系統信号処理を加えることができるというメリットが得られる。ここでは、この補助系統信号処理を加えた変形例について述べることにする。
<3-2. Modified example with auxiliary system signal processing>
In §3-1 described above, the modification in which the arrangement of the detection elements is changed has been described with reference to FIG. The feature of this modification is that the arrangement pattern of the A system detection element and the B system detection element is not divided on the inside or outside of the detection point, but on the positive side or the negative side of the coordinate axis. As described above, when the arrangement pattern divided on the positive side or the negative side of the coordinate axis is employed, in addition to the A system signal processing and the B system signal processing, it is possible to obtain an advantage that the auxiliary system signal processing can be further added. Here, a modified example in which the auxiliary system signal processing is added will be described.

図20は、図19に示す力覚センサにおいて、補助系統信号処理を加えた場合の基本構成を示すブロック図である。§2−5では、図17のブロック図を参照して、図16に示す力覚センサについての信号処理を説明したが、ここでは、図20のブロック図を参照して、図19に示す力覚センサについての信号処理(補助系統信号処理を加えた例)を説明する。   FIG. 20 is a block diagram showing a basic configuration when auxiliary system signal processing is added to the force sensor shown in FIG. In §2-5, the signal processing for the force sensor shown in FIG. 16 has been described with reference to the block diagram of FIG. 17, but here, the force shown in FIG. 19 will be described with reference to the block diagram of FIG. Signal processing (an example in which auxiliary system signal processing is added) for the sense sensor will be described.

図20に示すブロック図は、図17に示すブロック図に、補助系統信号処理手段35Cを付加し、比較手段45に、この補助系統信号処理手段35Cから出力される補助系統検出値Cを考慮した処理を実行させるようにしたものである。A系統検出素子25AおよびB系統検出素子25Bは、図19に示す配置パターンを採用した容量素子C1A〜C4A,C1B〜C4Bによって構成されているが、A系統信号処理手段35AおよびB系統信号処理手段35Bにおいて実行される信号処理は、§2−5で述べた処理と変わりはない。   In the block diagram shown in FIG. 20, the auxiliary system signal processing means 35C is added to the block diagram shown in FIG. 17, and the auxiliary system detection value C output from the auxiliary system signal processing means 35C is considered in the comparison means 45. The processing is executed. The A system detection element 25A and the B system detection element 25B are configured by capacitive elements C1A to C4A and C1B to C4B adopting the arrangement pattern shown in FIG. 19, but the A system signal processing means 35A and the B system signal processing means. The signal processing executed in 35B is not different from the processing described in §2-5.

すなわち、A系統信号処理手段35Aでは、図示のブロック内に記載された演算式に基づく演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理が実行され、A系統検出値A(FzA,MxA,MyA)が出力され、B系統信号処理手段35Bでは、図示のブロック内に記載された演算式に基づく演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理が実行され、B系統検出値B(FzB,MxB,MyB)が出力される。   That is, in the A system signal processing means 35A, arithmetic processing based on the arithmetic expression described in the illustrated block or signal processing corresponding to the arithmetic processing is executed, and the A system detection value A (FzA, MxA, MyA) is obtained. In the B system signal processing means 35B, the arithmetic processing based on the arithmetic expression described in the illustrated block or the signal processing corresponding to the arithmetic processing is executed, and the B system detection value B (FzB, MxB, MyB) Is output.

一方、補助系統信号処理手段35Cは、A系統検出素子25Aからの検出信号(静電容量値C1A〜C4A)と、B系統検出素子25Bからの検出信号(静電容量値C1B〜C4B)と、の双方を取り込み、図示のブロック内に記載された演算式に基づく演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことにより、MxC,MyCを補助系統検出値Cとして出力する。この補助系統検出値Cは、A系統検出値AやB系統検出値Bとは異なる演算処理で得られた値であるが、全く独立した第3の系統の検出値ではなく、A系統とB系統とを取り混ぜた演算処理により得られる値である。   On the other hand, the auxiliary system signal processing means 35C includes detection signals (capacitance values C1A to C4A) from the A system detection element 25A, detection signals (capacitance values C1B to C4B) from the B system detection element 25B, and And MxC and MyC are output as auxiliary system detection values C by performing arithmetic processing based on arithmetic expressions described in the illustrated block or signal processing corresponding to the arithmetic processing. The auxiliary system detection value C is a value obtained by a calculation process different from the A system detection value A and the B system detection value B, but is not a detection value of a completely independent third system, but the A system and B It is a value obtained by calculation processing that mixes the system.

具体的には、補助系統信号処理手段35Cでは、所定の符号付き比例係数K2C,K3Cを用いて、
MxC=K2C×((C1A+C2A)−(C1B+C2B))
MyC=K3C×((C3B+C4B)−(C3A+C4A))
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、外力のX軸まわりのモーメント成分MxCおよびY軸まわりのモーメント成分MyCを示す補助系統検出値Cを出力する。
Specifically, the auxiliary system signal processing means 35C uses predetermined signed proportional coefficients K2C and K3C,
MxC = K2C × ((C1A + C2A) − (C1B + C2B))
MyC = K3C × ((C3B + C4B) − (C3A + C4A))
The auxiliary system detection value C indicating the moment component MxC around the X axis and the moment component MyC around the Y axis of the external force is output by performing the following calculation processing or signal processing corresponding to the calculation processing.

上記演算式に基づいて、Y軸まわりのモーメント成分MyCが得られる理由は、図7(b) の変形態様を参照すれば理解できるであろう。当該変形態様が生じた場合、検出点P21は下方に変位し、検出点P22は上方に変位するので、図19(b) に示す容量素子C1A,C1B,C2A,C2Bの静電容量値は大きく変動する。一方、図19(b) に示す検出点P23およびP24の近傍部分の変位に着目すると、検出点P21およびP22の近傍部分ほど大きな変位ではないものの、Y軸を境にして、図の右側部分(X座標値が正となる部分)は下方に変位し、図の左側部分(X座標値が負となる部分)は上方に変位することがわかる。   The reason why the moment component MyC around the Y-axis can be obtained based on the above arithmetic expression can be understood with reference to the modification shown in FIG. When the deformation mode occurs, the detection point P21 is displaced downward and the detection point P22 is displaced upward, so that the capacitance values of the capacitive elements C1A, C1B, C2A, C2B shown in FIG. fluctuate. On the other hand, when attention is paid to the displacement in the vicinity of the detection points P23 and P24 shown in FIG. 19 (b), the displacement is not as large as that in the vicinity of the detection points P21 and P22. It can be seen that the part where the X coordinate value is positive is displaced downward, and the left part of the figure (the part where the X coordinate value is negative) is displaced upward.

したがって、Y軸を境にして、図の右側に配置された容量素子C3B,C4Bの静電容量値は増加し、図の左側に配置された容量素子C3A,C4Aの静電容量値は減少することになる。上述の式MyC=K3C×((C3B+C4B)−(C3A+C4A))は、このような現象を踏まえた算出式である。X軸まわりのモーメント成分MxCが、上述の式MxC=K2C×((C1A+C2A)−(C1B+C2B))によって得られる理由も同様である。   Therefore, with the Y axis as a boundary, the capacitance values of the capacitive elements C3B and C4B arranged on the right side of the figure increase, and the capacitance values of the capacitive elements C3A and C4A arranged on the left side of the figure decrease. It will be. The above formula MyC = K3C × ((C3B + C4B) − (C3A + C4A)) is a calculation formula based on such a phenomenon. The reason why the moment component MxC around the X axis is obtained by the above-described equation MxC = K2C × ((C1A + C2A) − (C1B + C2B)) is also the same.

もちろん、補助系統検出値C(MxC,MyC)の算出に用いられる静電容量値の変動量は、A系統検出値AやB系統検出値Bの算出に用いられる静電容量値の変動量に比べて小さいため、補助系統検出値Cの精度はA系統検出値AやB系統検出値Bの精度よりも低くなる。したがって、この補助系統検出値Cは、最終検出値として利用するにはあまり適切とは言えないが、後述するように、比較手段45による差分エラーの判定に第3の値として利用するには有用である。   Of course, the fluctuation amount of the capacitance value used for calculating the auxiliary system detection value C (MxC, MyC) is the fluctuation amount of the capacitance value used for calculating the A system detection value A and the B system detection value B. Since it is small, the accuracy of the auxiliary system detection value C is lower than the accuracy of the A system detection value A and the B system detection value B. Therefore, this auxiliary system detection value C is not very suitable for use as a final detection value, but is useful for use as a third value for determination of a difference error by the comparison means 45 as will be described later. It is.

具体的には、図20に示す実施例の場合、比較手段45には、A系統検出値AとB系統検出値Bに加えて、更に、補助系統検出値Cが与えられるので、A系統検出値AとB系統検出値Bとの差分dに加えて、A系統検出値Aと補助系統検出値Cとの差分dA(検出値Aと検出値Cの差の絶対値)およびB系統検出値Bと補助系統検出値Cとの差分dB(検出値Bと検出値Cの差の絶対値)を求めることができる。そこで、この3通りの差分d,dA,dBのいずれかが所定の許容値Tを超えていた場合に、差分エラーを出力する運用を行うことができる。   Specifically, in the case of the embodiment shown in FIG. 20, the comparison unit 45 is further provided with the auxiliary system detection value C in addition to the A system detection value A and the B system detection value B. In addition to the difference d between the value A and the B system detection value B, the difference dA (the absolute value of the difference between the detection value A and the detection value C) and the B system detection value between the A system detection value A and the auxiliary system detection value C The difference dB between B and the auxiliary system detection value C (absolute value of the difference between the detection value B and the detection value C) can be obtained. Therefore, when any of the three types of differences d, dA, and dB exceeds a predetermined allowable value T, an operation of outputting a difference error can be performed.

このように、3つの検出値を相互に比較して差分エラーを出力する運用を採れば、前述した2つの検出値の比較により差分エラーを出力する運用に比べて、より確実な異常報知を行うことが可能になる。   In this way, if the operation of outputting the difference error by comparing the three detection values with each other is taken, more reliable abnormality notification is performed as compared with the operation of outputting the difference error by comparing the two detection values described above. It becomes possible.

また、この3つの検出値を相互に比較した結果を利用すれば、比較手段45は、より適切な値を最終検出値として出力することが可能になる。たとえば、A系統検出値Aか、B系統検出値Bか、のいずれか一方を選択的に最終検出値として出力することにしておき、上記差分dAおよびdBを、選択の基準として利用することができる。具体的には、比較手段45は、上述した3通りの差分d,dA,dBを求めた後、dA<dBの場合はA系統検出値Aを最終検出値として出力し、dA>dBの場合はB系統検出値Bを最終検出値として出力すればよい。   If the result of comparing these three detection values is used, the comparison means 45 can output a more appropriate value as the final detection value. For example, one of the A system detection value A and the B system detection value B is selectively output as the final detection value, and the difference dA and dB can be used as a selection criterion. it can. Specifically, the comparison unit 45 obtains the above-described three differences d, dA, and dB, and then outputs the A system detection value A as the final detection value when dA <dB, and when dA> dB. May output the B system detection value B as the final detection value.

別言すれば、検出値A,Bのうち、第3の検出値Cに近い方を最終検出値として出力することになる。dA=dBの場合は、検出値A,Bのいずれを最終検出値としてもかまわない。このような選択方法を採用すれば、検出値A,Bに食い違いが生じていた場合、第3の検出値Cに近い方が最終的に選択されることになるので、より信頼性の高い値が最終検出値として出力されることになる。   In other words, the detection value A or B that is closer to the third detection value C is output as the final detection value. When dA = dB, either detection value A or B may be used as the final detection value. If such a selection method is adopted, if there is a discrepancy between the detection values A and B, the one closer to the third detection value C is finally selected, and thus a more reliable value. Is output as the final detection value.

あるいは、上述した3通りの差分d,dA,dBを求めた後、これらが所定の許容値Tを超えているか否かを判定し、もし、3つのうちの2つが所定の許容値Tを超えていた場合には、当該2つの差分の算出にともに関与した検出値を誤検出値と推定し、この誤検出値を除く2つの検出値のいずれか一方(またはこれら2つの検出値に基づいて算出された平均値などの所定の算出値でもよい)を最終検出値として出力する例外処理を行うようにしてもよい。   Alternatively, after obtaining the above three differences d, dA, and dB, it is determined whether or not these exceed a predetermined allowable value T, and if two of the three exceed the predetermined allowable value T If it is, the detection value involved in the calculation of the two differences is estimated as a false detection value, and one of the two detection values excluding this false detection value (or based on these two detection values) An exception process may be performed in which a predetermined calculated value such as a calculated average value may be output as a final detection value.

たとえば、上例の場合、差分dは検出値AとBの差、差分dAは検出値AとCの差、差分dBは検出値BとCの差であるから、もし、3通りの差分d,dA,dBのうち、差分dおよびdAの2つだけが許容値Tを超えていた場合は、「AとBの差」および「AとCの差」は大きく、「BとCの差」は小さいことになる。この場合、「AとBの差」および「AとCの差」の算出にともに関与した検出値Aだけが異常値を示している可能性が高い。よって、この場合は、検出値Aを誤検出値と推定し、この誤検出値Aを除く2つの検出値B,Cのいずれか一方(またはこれら2つの検出値に基づいて算出された平均値など)を最終検出値として出力する例外処理を行うようにすれば、より信頼性の高い値が最終検出値として出力されることになる。   For example, in the above example, the difference d is the difference between the detection values A and B, the difference dA is the difference between the detection values A and C, and the difference dB is the difference between the detection values B and C. , DA, and dB, when only two of the differences d and dA exceed the allowable value T, the “difference between A and B” and the “difference between A and C” are large, and the “difference between B and C” "Is small. In this case, there is a high possibility that only the detected value A involved in the calculation of “difference between A and B” and “difference between A and C” indicates an abnormal value. Therefore, in this case, the detection value A is estimated as a false detection value, and one of the two detection values B and C excluding the false detection value A (or an average value calculated based on these two detection values) Etc.) is output as the final detection value, a more reliable value is output as the final detection value.

以上、図19に示す実施例、すなわち、n=4に設定して4箇所に検出点P21〜P24を定義し、これらの検出点近傍部分の変位を容量素子を用いて検出する実施例について、補助系統信号処理を加える変形例を説明したが、もちろん、当該変形例は、n=4に設定する実施例や、検出素子として容量素子を用いる実施例に限定されるものではない。   As described above, in the embodiment shown in FIG. 19, that is, in the embodiment where n = 4 is set and the detection points P21 to P24 are defined at four locations, and the displacement in the vicinity of these detection points is detected using the capacitive element, Although the modified example which adds auxiliary system signal processing was demonstrated, of course, the modified example is not limited to the example which sets n = 4, and the example which uses a capacitive element as a detection element.

要するに、ここで述べた補助系統信号処理を加える変形例では、§2で述べた基本的実施形態に用いられているA系統信号処理手段35AおよびB系統信号処理手段35Bに加えて、n個のA系統検出素子の一部もしくは全部によって検出された電気的な検出信号と、n個のB系統検出素子の一部もしくは全部によって検出された電気的な検出信号と、の双方に基づいて、受力部に加えられた外力の所定方向成分を示す補助系統検出値Cを出力する補助系統信号処理手段35Cを更に設け、比較手段45によって、A系統検出値A,B系統検出値B,補助系統検出値Cを相互に比較して、差分エラーの出力処理や適切な最終検出値の出力処理を実行させるようにすればよい。   In short, in the modified example in which the auxiliary system signal processing described here is added, in addition to the A system signal processing means 35A and the B system signal processing means 35B used in the basic embodiment described in §2, Based on both of the electrical detection signals detected by some or all of the A system detection elements and the electrical detection signals detected by some or all of the n B system detection elements. Auxiliary system signal processing means 35C for outputting an auxiliary system detection value C indicating a predetermined direction component of the external force applied to the force section is further provided, and the A system detection value A, the B system detection value B, and the auxiliary system are provided by the comparison means 45. The detection values C may be compared with each other to execute a difference error output process or an appropriate final detection value output process.

もちろん、比較手段45によるこのような処理は、デジタル回路を用いた演算処理によって行ってもよいし、アナログ回路を用いた信号処理によって行ってもかまわない。   Of course, such processing by the comparison means 45 may be performed by arithmetic processing using a digital circuit, or may be performed by signal processing using an analog circuit.

<3−3.検出用構造体の変形例>
これまで述べてきた実施例は、いずれも図1に示すように、下部構造体100および上部構造体200を積層してなる検出用構造体を用いたものであり、単一のダイアフラム部120の所定箇所に定義された複数n個の検出点について、その近傍部分の撓みもしくは変位を検出するタイプのものであった。しかしながら、本発明に利用可能な検出用構造体は、図1に示すタイプに限定されるものではない。特に、弾性変形部は、力の作用により弾性変形を生じる性質を有していれば足り、必ずしも単一のダイアフラム部120によって構成する必要はない。
<3-3. Modification Example of Detection Structure>
In each of the embodiments described so far, as shown in FIG. 1, a detection structure formed by stacking the lower structure 100 and the upper structure 200 is used. For a plurality of n detection points defined in a predetermined place, the detection point is a type that detects the deflection or displacement of the vicinity thereof. However, the detection structure usable in the present invention is not limited to the type shown in FIG. In particular, the elastically deformable portion only needs to have a property of causing elastic deformation by the action of force, and does not necessarily need to be configured by the single diaphragm portion 120.

たとえば、図3には、ダイアフラム部120の代わりに、4本の橋梁部121〜124を弾性変形部として用いた下部構造体100′と上部構造体200とを積層してなる検出用構造体の例を示した。もちろん、本発明に係る力覚センサは、この図3に示すようなタイプの検出用構造体を用いて構成してもかまわない。その場合、これまでの説明におけるダイアフラム部120を、4本の橋梁部121〜124に置き換えればよい。この4本の橋梁部121〜124の変形態様は、基本的には、図2に示すダイアフラム部120の変形態様と同じであるので、各検出素子の配置や各信号処理手段の処理内容は、これまで述べた実施例と同じでよい。   For example, FIG. 3 shows a detection structure in which a lower structure 100 ′ and an upper structure 200 using four bridge portions 121 to 124 as elastic deformation portions instead of the diaphragm portion 120 are stacked. An example is shown. Of course, the force sensor according to the present invention may be configured using a detection structure of the type shown in FIG. In that case, what is necessary is just to replace the diaphragm part 120 in the above description with the four bridge parts 121-124. Since the deformation modes of the four bridge portions 121 to 124 are basically the same as the deformation modes of the diaphragm portion 120 shown in FIG. 2, the arrangement of each detection element and the processing content of each signal processing means are as follows. It may be the same as the embodiment described so far.

ここでは、更に別な検出用構造体の変形例を、図21を参照しながら述べる。図1に示す検出用構造体は、支持体110によって周囲から支持された単一のダイアフラム部120上に、複数n個の検出点をすべて配置する形態をとるものであるのに対して、図21に示す検出用構造体は、支持体によって周囲から支持された複数m枚のダイアフラム部上に、複数n個の検出点を分散させて配置する形態をとるものである。   Here, another modification of the structure for detection will be described with reference to FIG. The detection structure shown in FIG. 1 takes a form in which a plurality of n detection points are arranged on a single diaphragm portion 120 supported from the periphery by a support 110, whereas FIG. The detection structure 21 has a form in which a plurality of n detection points are dispersed and arranged on a plurality of m diaphragm portions supported from the periphery by a support.

ここに示す変形例の場合、図12(b) に示す例のように、検出用構造体10がそっくり多重化されるわけではない。ただ、複数m枚のダイアフラム部を用いるため、ダイアフラム部(弾性変形部)については多重化がなされることになる。したがって、検出用構造体に損傷が生じた場合に対する信頼性は、これまで述べてきた基本的な実施形態よりも向上することになる。   In the case of the modification shown here, the detection structure 10 is not completely multiplexed as in the example shown in FIG. However, since a plurality of m diaphragm portions are used, the diaphragm portions (elastic deformation portions) are multiplexed. Therefore, the reliability when the detection structure is damaged is improved as compared with the basic embodiments described so far.

図21(a) は、この変形例に係る検出用構造体の側断面図である。この例の場合も、検出用構造体は、下部構造体400と上部構造体500によって構成されている。ここで、図21(a) に示す上部構造体500は、§1−1で述べた図1(a) に示す検出用構造体に用いられている上部構造体200と同様に、円盤状の基板からなる受力部510と、この受力部510の下面と下部構造体400の上面とを接続する円柱状の力伝達部521〜524とを有している。   FIG. 21 (a) is a side sectional view of a detection structure according to this modification. Also in this example, the detection structure is composed of the lower structure 400 and the upper structure 500. Here, the upper structure 500 shown in FIG. 21 (a) has a disk-like shape, similar to the upper structure 200 used in the detection structure shown in FIG. 1 (a) described in §1-1. It has a force receiving portion 510 made of a substrate, and cylindrical force transmitting portions 521 to 524 connecting the lower surface of the force receiving portion 510 and the upper surface of the lower structure 400.

図1(a) に示す検出用構造体の場合、力伝達部220は、受力部210の下面の中央部とダイアフラム部120の上面の中央部125とを接続する単一の円柱状部材であるが、図21(a) に示す検出用構造体には、合計4本の力伝達部521〜524が設けられている。これは、図21(a) に示す変形例の場合、下部構造体400側には4枚の局在ダイアフラム部421〜424が設けられており、そのそれぞれの上面中央部と上部構造体500の下面とを接続するためである。   In the case of the detection structure shown in FIG. 1 (a), the force transmission unit 220 is a single cylindrical member that connects the central portion of the lower surface of the force receiving portion 210 and the central portion 125 of the upper surface of the diaphragm portion 120. However, a total of four force transmission portions 521 to 524 are provided in the detection structure shown in FIG. In the modification shown in FIG. 21 (a), four localized diaphragm portions 421 to 424 are provided on the lower structure 400 side. This is for connecting the lower surface.

下部構造体400の構造は、図21(b) の下面図に明瞭に示されている。図示のとおり、下部構造体400は、全体的には円盤状の構造体であり、その下面の4箇所に円柱状の溝H1〜H4が掘られている。各溝H1〜H4の底部(下部構造体400の上層部)は、肉厚が薄い円盤状のダイアフラム部を構成している。したがって、下部構造体400には、4箇所にそれぞれ円盤状のダイアフラム部が形成されていることになる。ここでは、各ダイアフラム部を局在ダイアフラム部421〜424と呼ぶことにする。下部構造体400のうち、局在ダイアフラム部421〜424を除く部分が支持部410になる。円盤状の各局在ダイアフラム部421〜424は、いずれも周囲を肉厚の支持部410によって支持された状態になっている。   The structure of the lower structure 400 is clearly shown in the bottom view of FIG. As shown in the figure, the lower structure 400 is a disk-like structure as a whole, and cylindrical grooves H1 to H4 are dug in four places on the lower surface thereof. The bottom of each of the grooves H1 to H4 (the upper layer portion of the lower structure 400) constitutes a thin disk-shaped diaphragm portion. Therefore, the lower structure 400 is formed with disk-shaped diaphragm portions at four locations. Here, each diaphragm part will be referred to as localized diaphragm parts 421-424. Of the lower structure 400, a portion excluding the localized diaphragm portions 421 to 424 becomes the support portion 410. Each of the disk-shaped localized diaphragm portions 421 to 424 is in a state where the periphery is supported by the thick support portion 410.

この変形例においても、下部構造体400と上部構造体500は、金属や樹脂などの一般的な材料によって構成することができる。局在ダイアフラム部421〜424は、外力の作用により弾性変形を生じる必要があるので、検出対象となる外力が作用したときに可撓性を呈する厚みに設定する。他の部分は、できるだけ剛体として作用するのが好ましいので、十分な肉厚を確保するようにする。   Also in this modified example, the lower structure 400 and the upper structure 500 can be made of a general material such as metal or resin. Since the localized diaphragm parts 421 to 424 need to be elastically deformed by the action of an external force, the localized diaphragm parts 421 to 424 are set to have a thickness that exhibits flexibility when an external force to be detected acts. The other portions preferably act as rigid bodies as much as possible, so that a sufficient thickness is ensured.

図21(b) には、破線の円によって、各局在ダイアフラム部421〜424の上面に接続される力伝達部521〜524の位置が示されている。前述したとおり、力伝達部521〜524は円柱状の部材であり、上部構造体500の下面の所定箇所と、各局在ダイアフラム部421〜424の上面中央とを接続する。   In FIG. 21 (b), the positions of the force transmission parts 521 to 524 connected to the upper surfaces of the localized diaphragm parts 421 to 424 are indicated by broken-line circles. As described above, the force transmission parts 521 to 524 are columnar members, and connect predetermined portions on the lower surface of the upper structure 500 to the upper surface centers of the localized diaphragm parts 421 to 424.

図示の例は、4組の局在ダイアフラム部421〜424を設けた例であるが、局在ダイアフラム部の数は任意でよい。ここでも、図示のとおり、下部構造体400の上層部分の中心位置に原点OをとってXYZ三次元直交座標系を定義すると、図21に示す変形例に係る検出用構造体の構造的特徴は、次のように言うことができる。   The illustrated example is an example in which four sets of localized diaphragm portions 421 to 424 are provided, but the number of localized diaphragm portions may be arbitrary. Again, as shown in the figure, when the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system is defined with the origin O at the center position of the upper layer portion of the lower structure 400, the structural features of the detection structure according to the modification shown in FIG. Can be said as follows.

まず、この検出用構造体は、Z軸を中心軸としてXY平面(XY平面に平行な平面でもよい)に沿って延びる基板によって構成された下部構造体400と、この下部構造体400の上方に配置された上部構造体500と、を備えている。そして、下部構造体400を構成する基板には、複数m箇所にXY平面(XY平面に平行な平面でもよい)に沿った方向に延びる薄板状の局在ダイアフラム部421〜424が形成されており、下部構造体400のうち、これらm組の局在ダイアフラム部421〜424の部分が弾性変形部を構成し、それ以外の部分が支持部410を構成している。   First, the detection structure includes a lower structure 400 formed of a substrate extending along an XY plane (may be a plane parallel to the XY plane) with the Z axis as a central axis, and above the lower structure 400. The upper structure 500 is disposed. The substrate constituting the lower structure 400 is formed with thin plate-like localized diaphragm portions 421 to 424 extending in a direction along the XY plane (or a plane parallel to the XY plane) at a plurality of m locations. In the lower structure 400, these m sets of localized diaphragm portions 421 to 424 constitute an elastic deformation portion, and the other portions constitute a support portion 410.

一方、上部構造体510は、受力部510とm組の力伝達部521〜524とを有している。ここで、受力部510は、下部構造体400を構成する基板の上方に所定距離をおいてZ軸が中心軸となるように配置された板状基板によって構成されており、m組の力伝達部521〜524は、受力部510の下面の所定箇所とm組のダイアフラム部421〜424の上面中央とを接続している。   On the other hand, the upper structure 510 includes a force receiving portion 510 and m sets of force transmitting portions 521 to 524. Here, the force receiving portion 510 is configured by a plate-like substrate that is arranged at a predetermined distance above the substrate constituting the lower structure 400 so that the Z-axis becomes the central axis, and m sets of force The transmission parts 521 to 524 connect a predetermined location on the lower surface of the force receiving part 510 and the center of the upper surface of the m sets of diaphragm parts 421 to 424.

図21の例は、m=4に設定した例であるため、下部構造体400を構成する基板には、4箇所にXY平面もしくはXY平面に平行な平面に沿った方向に延びる薄板状の局在ダイアフラム部421〜424が形成されている。実用上は、この例のように、m=4に設定し、4組の局在ダイアフラム部421〜424を、図示する位置に配置するのが好ましい。   Since the example of FIG. 21 is an example in which m = 4 is set, the substrate constituting the lower structure 400 has thin plate-like stations extending in four directions along the XY plane or a plane parallel to the XY plane. Existing diaphragm portions 421 to 424 are formed. Practically, it is preferable to set m = 4 as shown in this example and arrange the four sets of localized diaphragm portions 421 to 424 at the positions shown in the figure.

図21(a) に示すとおり、4組の局在ダイアフラム部421〜424はいずれも同じ厚みを有しており、その下面は共通平面に含まれる。ここで、この共通平面上に共通の検出基準面を設定し、この検出基準面上に4個の検出点P21〜P24を配置すれば(図21(b) 参照)、これら検出点P21〜P24の配置は、図16や図19に示す実施例と同等になる。円盤上の各局在ダイアフラム部421〜424は、各検出点P21〜P24が中心位置となるように配置されている。   As shown in FIG. 21 (a), the four sets of localized diaphragm portions 421 to 424 all have the same thickness, and their lower surfaces are included in a common plane. Here, if a common detection reference plane is set on this common plane and four detection points P21 to P24 are arranged on this detection reference plane (see FIG. 21B), these detection points P21 to P24 are arranged. This arrangement is equivalent to the embodiment shown in FIGS. The localized diaphragm portions 421 to 424 on the disk are arranged so that the detection points P21 to P24 are at the center positions.

一方、上部構造体500は、下部構造体400を構成する基板の上方に所定距離をおいてZ軸が中心軸となるように配置された板状基板によって構成された受力部510と、この受力部510の下面と4組の局在ダイアフラム部421〜424の上面とを接続する4組の力伝達部521〜524と、を有している。   On the other hand, the upper structure 500 includes a force receiving portion 510 configured by a plate-like substrate disposed so that the Z axis is a central axis at a predetermined distance above the substrate constituting the lower structure 400, and 4 sets of force transmission parts 521-524 which connect the lower surface of force receiving part 510 and the upper surfaces of 4 sets of localized diaphragm parts 421-424.

これら4組の力伝達部のうち、第1の力伝達部521は、正のX軸と交差するZ軸に平行な直線に沿って、受力部510の下面の所定位置と第1の局在ダイアフラム部421の上面中央とを接続し、第2の力伝達部522は、負のX軸と交差するZ軸に平行な直線に沿って、受力部510の下面の所定位置と第2の局在ダイアフラム部422の上面中央とを接続し、第3の力伝達部523は、正のY軸と交差するZ軸に平行な直線に沿って、受力部510の下面の所定位置と第3の局在ダイアフラム部423の上面中央とを接続し、第4の力伝達部524は、負のY軸と交差するZ軸に平行な直線に沿って、受力部510の下面の所定位置と第4の局在ダイアフラム部424の上面中央とを接続している。   Of these four sets of force transmission units, the first force transmission unit 521 is located along a straight line parallel to the Z axis that intersects the positive X axis and the first position on the lower surface of the force receiving unit 510. The second force transmission unit 522 is connected to a predetermined position on the lower surface of the force receiving unit 510 and a second position along a straight line parallel to the Z axis that intersects the negative X axis. The third force transmission portion 523 is connected to a predetermined position on the lower surface of the force receiving portion 510 along a straight line parallel to the Z axis intersecting with the positive Y axis. The fourth localized force diaphragm 423 is connected to the center of the upper surface of the third localized diaphragm 423, and the fourth force transmission unit 524 is formed along a straight line parallel to the Z axis intersecting with the negative Y axis. The position and the center of the upper surface of the fourth localized diaphragm portion 424 are connected.

結局、図21に示す検出用構造体の例は、m=4に設定して下部構造体400に4組の局在ダイアフラム部421〜424(弾性変形部)を設け、n=4に設定して、この弾性変形部上に4個の検出点P21〜P24を設定した例ということができる。mとnをいずれも4に設定したため、局在ダイアフラム部と検出点とを1対1に対応させ、各局在ダイアフラム部421〜424の下面中心位置にそれぞれ検出点P21〜P24が定義されることになる。また、各力伝達部521〜524は、各検出点P21〜P24の上方に接続されることになる。   After all, in the example of the detection structure shown in FIG. 21, m = 4 is set, and four sets of localized diaphragm portions 421 to 424 (elastic deformation portions) are provided in the lower structure 400, and n = 4 is set. Thus, it can be said that four detection points P21 to P24 are set on the elastic deformation portion. Since both m and n are set to 4, there is a one-to-one correspondence between the localized diaphragm portions and the detection points, and detection points P21 to P24 are defined at the center positions of the lower surfaces of the localized diaphragm portions 421 to 424, respectively. become. Moreover, each force transmission part 521-524 is connected above each detection point P21-P24.

図22(a) は、図21に示す検出用構造体の受力部510に対して、力−Fzが作用したときの変形状態を示す側断面図であり、図22(b) は、モーメント+Myが作用したときの変形状態を示す側断面図である。下部構造体400に対しては、4本の力伝達部521〜524から4組の局在ダイアフラム部421〜424の上面中央位置に外力が伝達されることになるので、変形態様は個々の局在ダイアフラム部421〜424ごとに異なるが、各検出点P21〜P24の近傍部分の変位を検出することにより、作用した外力の所定方向成分を算出できる点に代わりはない。実際、図22に示す検出用構造体の変形態様を、図2に示す検出用構造体の変形態様と比べてみると、各検出点P21〜P24の近傍部分の変形態様の特徴は似通っていることがわかるであろう。   FIG. 22 (a) is a side sectional view showing a deformed state when force -Fz is applied to the force receiving portion 510 of the detection structure shown in FIG. 21, and FIG. 22 (b) is a moment. It is a sectional side view which shows a deformation | transformation state when + My acts. Since the external force is transmitted from the four force transmitting portions 521 to 524 to the center positions of the upper surfaces of the four localized diaphragm portions 421 to 424 with respect to the lower structure 400, the deformation mode can be changed for each local station. Although different for each existing diaphragm portion 421 to 424, there is no substitute for the fact that the predetermined direction component of the applied external force can be calculated by detecting the displacement in the vicinity of each detection point P21 to P24. In fact, when the deformation mode of the detection structure shown in FIG. 22 is compared with the deformation mode of the detection structure shown in FIG. 2, the characteristics of the deformation modes in the vicinity of the detection points P21 to P24 are similar. You will understand that.

ただ、図22に示す検出用構造体の場合、各検出点P21〜P24の上方に各力伝達部521〜524が接続されているため、各検出点P21〜P24の直近部分については、撓みはほとんど生じない。そこで、ここでは、検出素子として容量素子を用いた実施例を示すことにする。   However, in the case of the detection structure shown in FIG. 22, since the force transmission parts 521 to 524 are connected above the detection points P21 to P24, the deflection is not caused in the immediate vicinity of the detection points P21 to P24. Almost does not occur. Therefore, here, an embodiment in which a capacitive element is used as the detection element will be described.

図23は、この図21に示す検出用構造体に検出素子として8組の容量素子を組み込んだ実施形態に係る力覚センサを示す側断面図(図(a) )および下部構造体400の下面図(図(b) )である。固定電極を配置するため、4組の局在ダイアフラム部421〜424の下方には、所定距離をおいて、4組の電極支持基板601〜604が付加されている。これら電極支持基板601〜604は、いずれも周囲が支持部410に固定された円盤状の部材である。8組の容量素子は、外側に配置された4組のA系統容量素子C1A〜C4Aと、内側に配置された4組のB系統容量素子C1B〜C4Bとによって構成される。   FIG. 23 is a sectional side view (FIG. (A)) showing a force sensor according to an embodiment in which eight sets of capacitive elements are incorporated as detection elements in the detection structure shown in FIG. It is a figure (figure (b)). In order to arrange the fixed electrodes, four sets of electrode support substrates 601 to 604 are added below the four sets of localized diaphragm portions 421 to 424 at a predetermined distance. Each of these electrode support substrates 601 to 604 is a disk-shaped member whose periphery is fixed to the support portion 410. The eight sets of capacitive elements are configured by four sets of A-system capacitive elements C1A to C4A arranged on the outer side and four sets of B-system capacitive elements C1B to C4B arranged on the inner side.

この図23においても、説明の便宜上、下部構造体400の上層部分の中心位置に原点Oをとって、図示のようなXYZ三次元直交座標系を定義することにする。そして、前述のように、各局在ダイアフラム部421〜424の下面を含む面を共通の検出基準面に設定し、図23(b) に示すように、この検出基準面上にZ軸を中心とした検出基準円G2を描けば、各検出点P21〜P24は、いずれもこの検出基準円G2上に配置されている。   Also in FIG. 23, for convenience of explanation, an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system as illustrated is defined with the origin O at the center position of the upper layer portion of the lower structure 400. Then, as described above, the surface including the lower surface of each of the localized diaphragm portions 421 to 424 is set as a common detection reference surface, and the Z axis is centered on this detection reference surface as shown in FIG. If the detected reference circle G2 is drawn, all the detection points P21 to P24 are arranged on the detection reference circle G2.

図示の例は、局在ダイアフラム部の数mおよび検出点の数nをいずれも4に設定した例であり、各局在ダイアフラム部の下面中央にそれぞれ1つの検出点が定義されている。ここで、X軸およびY軸を検出基準面に投影して得られるX軸投影像およびY軸投影像を定義すれば、図23(b) に示すように、第1番目の検出点P21は正のX軸投影像と検出基準円G2との交点に位置し、第2番目の検出点P22は負のX軸投影像と検出基準円G2との交点に位置し、第3番目の検出点P23は正のY軸投影像と検出基準円G2との交点に位置し、第4番目の検出点P24は負のY軸投影像と検出基準円G2との交点に位置する。   The illustrated example is an example in which the number m of localized diaphragm portions and the number n of detection points are both set to 4, and one detection point is defined at the center of the lower surface of each localized diaphragm portion. Here, if an X-axis projection image and a Y-axis projection image obtained by projecting the X-axis and the Y-axis onto the detection reference plane are defined, as shown in FIG. 23 (b), the first detection point P21 is The second detection point P22 is located at the intersection between the positive X-axis projection image and the detection reference circle G2, and the third detection point is located at the intersection between the negative X-axis projection image and the detection reference circle G2. P23 is located at the intersection of the positive Y-axis projection image and the detection reference circle G2, and the fourth detection point P24 is located at the intersection of the negative Y-axis projection image and the detection reference circle G2.

そして、各検出点P21〜P24について、Z軸から遠い側を外側、Z軸に近い側を内側と呼ぶことにすれば、第1番目のA系統検出素子は、第1番目の検出点P21の外側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第1番目のB系統検出素子は、第1番目の検出点P21の内側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出する。同様に、第2番目のA系統検出素子は、第2番目の検出点P22の外側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第2番目のB系統検出素子は、第2番目の検出点P22の内側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出する。   For each of the detection points P21 to P24, if the side far from the Z axis is referred to as the outside, and the side close to the Z axis is referred to as the inside, the first A-system detection element is the first detection point P21. The displacement generated in the outer vicinity portion is electrically detected, and the first B-system detection element electrically detects the displacement generated in the inner vicinity portion of the first detection point P21. Similarly, the second A system detection element electrically detects the displacement generated in the vicinity of the outside of the second detection point P22, and the second B system detection element is the second The displacement generated in the vicinity of the inside of the detection point P22 is electrically detected.

また、第3番目のA系統検出素子は、第3番目の検出点P23の外側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第3番目のB系統検出素子は、第3番目の検出点P23の内側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、更に、第4番目のA系統検出素子は、第4番目の検出点P24の外側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第4番目のB系統検出素子は、第4番目の検出点P24の内側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出する。   Further, the third A-line detection element electrically detects a displacement generated in the vicinity of the outside of the third detection point P23, and the third B-line detection element is the third detection point. The displacement generated in the vicinity portion inside the point P23 is electrically detected, and the fourth A-system detection element electrically detects the displacement generated in the vicinity portion outside the fourth detection point P24. The fourth B system detection element detects and electrically detects the displacement generated in the vicinity of the inside of the fourth detection point P24.

特に、図23に示す実施例は、検出素子として容量素子を用いた例であり、各容量素子は、局在ダイアフラム部421〜424の下面に固定された変位電極E21A〜E24A,E21B〜E24Bと、電極支持基板601〜604の上面に固定された固定電極E11A〜E14A,E11B〜E14B(各変位電極E21A〜E24A,E21B〜E24Bに対向するように配置された電極)とによって構成され、変位電極が固定された位置に生じた変位を静電容量値の変化として出力する機能を有する。このような8組の容量素子の配置は、図16に示す力覚センサにおける8組の容量素子の配置に対応するものである。   In particular, the embodiment shown in FIG. 23 is an example in which a capacitive element is used as a detection element, and each capacitive element includes displacement electrodes E21A to E24A and E21B to E24B fixed to the lower surfaces of the localized diaphragm portions 421 to 424. The fixed electrodes E11A to E14A and E11B to E14B (electrodes disposed so as to face the displacement electrodes E21A to E24A and E21B to E24B) fixed to the upper surfaces of the electrode support substrates 601 to 604, and the displacement electrodes Has a function of outputting a displacement generated at a fixed position as a change in capacitance value. Such an arrangement of eight capacitive elements corresponds to the arrangement of eight capacitive elements in the force sensor shown in FIG.

具体的には、第1番目のA系統検出素子は、第1番目の検出点P21の外側に配置された容量素子C1Aからなり、第1番目のB系統検出素子は、第1番目の検出点P21の内側に配置された容量素子C1Bからなり、同様に、第2番目のA系統検出素子は、第2番目の検出点P22の外側に配置された容量素子C2Aからなり、第2番目のB系統検出素子は、第2番目の検出点P22の内側に配置された容量素子C2Bからなる。   Specifically, the first A-system detection element is composed of a capacitive element C1A arranged outside the first detection point P21, and the first B-system detection element is the first detection point. Similarly, the second A-system detection element is composed of a capacitance element C2A disposed outside the second detection point P22, and the second B-system detection element is composed of the capacitance element C1B disposed inside P21. A system | strain detection element consists of capacitive element C2B arrange | positioned inside the 2nd detection point P22.

また、第3番目のA系統検出素子は、第3番目の検出点P23の外側に配置された容量素子C3Aからなり、第3番目のB系統検出素子は、第3番目の検出点P23の内側に配置された容量素子C3Bからなり、更に、第4番目のA系統検出素子は、第4番目の検出点P24の外側に配置された容量素子C4Aからなり、第4番目のB系統検出素子は、第4番目の検出点P24の内側に配置された容量素子C4Bからなる。   The third A-system detection element is composed of a capacitive element C3A arranged outside the third detection point P23, and the third B-system detection element is inside the third detection point P23. In addition, the fourth A-line detection element is composed of the capacitive element C4A arranged outside the fourth detection point P24, and the fourth B-line detection element is , And the capacitive element C4B disposed inside the fourth detection point P24.

ここで、図22に示す検出用構造体の変形態様の特徴は、図2に示す検出用構造体の変形態様の特徴と、実質的には同じであり、この図23に示す力覚センサにおいても、図17に示すA系統信号処理手段35AおよびB系統信号処理手段35Bを用いることにより、受力部510に加えられた外力のZ軸方向の力成分Fz、X軸まわりのモーメント成分Mx、Y軸まわりのモーメント成分Myを算出することができる。   Here, the feature of the deformation mode of the detection structure shown in FIG. 22 is substantially the same as the feature of the deformation mode of the detection structure shown in FIG. 2, and in the force sensor shown in FIG. Also, by using the A system signal processing means 35A and the B system signal processing means 35B shown in FIG. 17, the force component Fz in the Z-axis direction of the external force applied to the force receiving portion 510, the moment component Mx around the X-axis, The moment component My around the Y axis can be calculated.

すなわち、8組の容量素子C1A〜C4A,C1B〜C4Bの静電容量値をそれぞれ同じ符号を用いてC1A〜C4A,C1B〜C4Bと表した場合、A系統信号処理手段35Aは、所定の符号付き比例係数K1A,K2A,K3Aを用いて、
FzA=K1A×(C1A+C2A+C3A+C4A)
MxA=K2A×(C3A−C4A)
MyA=K3A×(C1A−C2A)
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、3軸成分FzA,MxA,MyAを示すA系統検出値を出力することができる。
同様に、B系統信号処理手段35Bは、所定の符号付き比例係数K1B,K2B,K3Bを用いて、
FzB=K1B×(C1B+C2B+C3B+C4B)
MxB=K2B×(C3B−C4B)
MyB=K3B×(C1B−C2B)
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、3軸成分FzB,MxB,MyBを示すB系統検出値を出力することができる。なお、比較手段45の処理動作は、これまで述べてきた実施例と同じである。
That is, when the capacitance values of the eight sets of capacitive elements C1A to C4A and C1B to C4B are expressed as C1A to C4A and C1B to C4B, respectively, using the same reference numerals, the A system signal processing means 35A has a predetermined sign. Using proportional coefficients K1A, K2A, K3A,
FzA = K1A × (C1A + C2A + C3A + C4A)
MxA = K2A × (C3A-C4A)
MyA = K3A × (C1A-C2A)
A system detection value indicating the three-axis components FzA, MxA, and MyA can be output by performing the following arithmetic processing or signal processing corresponding to the arithmetic processing.
Similarly, the B system signal processing means 35B uses a predetermined signed proportional coefficient K1B, K2B, K3B,
FzB = K1B × (C1B + C2B + C3B + C4B)
MxB = K2B × (C3B-C4B)
MyB = K3B × (C1B-C2B)
The B system detection value indicating the three-axis components FzB, MxB, and MyB can be output by performing the following arithmetic processing or signal processing corresponding to the arithmetic processing. The processing operation of the comparison means 45 is the same as that in the embodiments described so far.

<3−4.変形例の組み合わせ>
これまで、§2−1〜§2−5において本発明の基本的な実施形態を述べ、§3−1〜§3−3においてその変形例を述べた。もちろん、これらの実施形態や変形例は、必要に応じて相互に組み合わせて適用することも可能である。
<3-4. Combination of modifications>
So far, the basic embodiments of the present invention have been described in §2-1 to 2-5, and modifications thereof have been described in §3-1 to 3-3. Of course, these embodiments and modifications can be applied in combination with each other as necessary.

図24に示す組み合わせ例は、§3−3で述べた変形例(図23に示す力覚センサ)における容量素子の配置について、§3−1で述べた変形例を適用した例である。すなわち、図23に示す力覚センサと図24に示す力覚センサとの相違は、8組の容量素子の配置のみである。   The combination example shown in FIG. 24 is an example in which the modification example described in §3-1 is applied to the arrangement of the capacitive elements in the modification example (force sensor shown in FIG. 23) described in §3-3. That is, the difference between the force sensor shown in FIG. 23 and the force sensor shown in FIG. 24 is only the arrangement of eight capacitive elements.

具体的には、図23に示す力覚センサでは、図16に示す力覚センサと同様に、A系統検出素子を各検出点の外側の近傍部分に配置し、B系統検出素子を各検出点の内側の近傍部分に配置する、という方針を採用したものであるのに対して、図24に示す力覚センサでは、図19に示す力覚センサと同様に、X軸もしくはY軸を挟んだ両側に、それぞれA系統検出素子とB系統検出素子とを隣接配置する、という方針を採用したものである。   Specifically, in the force sensor shown in FIG. 23, similarly to the force sensor shown in FIG. 16, the A-line detection element is arranged in the vicinity of the outside of each detection point, and the B-line detection element is set to each detection point. 24, the force sensor shown in FIG. 24 sandwiches the X-axis or Y-axis in the same manner as the force sensor shown in FIG. The policy that the A system detection element and the B system detection element are arranged adjacent to each other is adopted.

図23に示す力覚センサと図24に示す力覚センサとは、用いる検出用構造体やn個の検出点の配置に関しては何ら変わりはない。いずれも、局在ダイアフラム部の数mおよび検出点の数nを4に設定した例であり、4組の局在ダイアフラム部421〜424の下面中央に、それぞれ1つずつ検出点P21〜P24が定義されている。また、検出素子を容量素子によって構成するために、4組の電極支持基板601〜604が設けられている点も変わりはない。   The force sensor shown in FIG. 23 and the force sensor shown in FIG. 24 are the same in terms of the detection structure used and the arrangement of n detection points. Both are examples in which the number m of the localized diaphragm portions and the number n of the detection points are set to 4, and one detection point P21 to P24 is respectively provided at the center of the bottom surface of the four sets of localized diaphragm portions 421 to 424. Is defined. In addition, since the detection element is configured by a capacitive element, there is no change in that four sets of electrode support substrates 601 to 604 are provided.

したがって、各局在ダイアフラム部421〜424の下面位置に共通の検出基準面を設定し、X軸およびY軸を当該検出基準面に投影して得られるX軸投影像およびY軸投影像を定義し、当該検出基準面上にZ軸を中心とした検出基準円G2を描けば、第1番目の検出点P21は正のX軸投影像と検出基準円G2との交点に位置し、第2番目の検出点P22は負のX軸投影像と検出基準円G2との交点に位置し、第3番目の検出点P23は正のY軸投影像と検出基準円G2との交点に位置し、第4番目の検出点P24は負のY軸投影像と検出基準円G2との交点に位置している。   Therefore, a common detection reference plane is set at the lower surface position of each of the localized diaphragm portions 421 to 424, and an X-axis projection image and a Y-axis projection image obtained by projecting the X axis and the Y axis onto the detection reference plane are defined. If the detection reference circle G2 centered on the Z-axis is drawn on the detection reference plane, the first detection point P21 is located at the intersection of the positive X-axis projection image and the detection reference circle G2, and the second Detection point P22 is located at the intersection of the negative X-axis projection image and the detection reference circle G2, and the third detection point P23 is located at the intersection of the positive Y-axis projection image and the detection reference circle G2. The fourth detection point P24 is located at the intersection of the negative Y-axis projection image and the detection reference circle G2.

そして、第1番目のA系統検出素子は、第1番目の検出点P21の、Y座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第1番目のB系統検出素子は、第1番目の検出点P21の、Y座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出する。同様に、第2番目のA系統検出素子は、第2番目の検出点P22の、Y座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第2番目のB系統検出素子は、第2番目の検出点P22の、Y座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出する。   The first A-line detection element electrically detects a displacement of the first detection point P21 in the vicinity where the Y coordinate value is negative, and the first B-line detection element is The displacement generated in the vicinity of the first detection point P21 where the Y coordinate value is positive is electrically detected. Similarly, the second A system detection element electrically detects a displacement of the second detection point P22 in the vicinity where the Y coordinate value is negative, and the second B system detection element. Detects electrically the displacement generated in the vicinity of the second detection point P22 where the Y coordinate value is positive.

また、第3番目のA系統検出素子は、第3番目の検出点P23の、X座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第3番目のB系統検出素子は、第3番目の検出点P23の、X座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出する。更に、第4番目のA系統検出素子は、第4番目の検出点P24の、X座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第4番目のB系統検出素子は、第4番目の検出点P24の、X座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出する。   The third A system detection element electrically detects a displacement of the third detection point P23 in the vicinity where the X coordinate value is negative, and the third B system detection element is The displacement generated in the vicinity of the third detection point P23 where the X coordinate value is positive is electrically detected. Further, the fourth A-line detection element electrically detects a displacement of the fourth detection point P24 in the vicinity where the X coordinate value is negative, and the fourth B-line detection element is The displacement generated in the vicinity of the fourth detection point P24 where the X coordinate value is positive is electrically detected.

特に、図24に示す実施例は、検出素子として容量素子を用いた例であり、各容量素子は、局在ダイアフラム部421〜424の下面に固定された変位電極E21A〜E24A,E21B〜E24Bと、電極支持基板601〜604の上面に固定された固定電極E11A〜E14A,E11B〜E14B(各変位電極E21A〜E24A,E21B〜E24Bに対向するように配置された電極)とによって構成され、変位電極が固定された位置に生じた変位を静電容量値の変化として出力する機能を有する。このような8組の容量素子の配置は、図19に示す力覚センサにおける8組の容量素子の配置に対応するものである。   In particular, the embodiment shown in FIG. 24 is an example in which a capacitive element is used as a detection element, and each capacitive element includes displacement electrodes E21A to E24A and E21B to E24B fixed to the lower surfaces of the localized diaphragm portions 421 to 424. The fixed electrodes E11A to E14A and E11B to E14B (electrodes disposed so as to face the displacement electrodes E21A to E24A and E21B to E24B) fixed to the upper surfaces of the electrode support substrates 601 to 604, and the displacement electrodes Has a function of outputting a displacement generated at a fixed position as a change in capacitance value. Such an arrangement of the eight capacitive elements corresponds to the arrangement of the eight capacitive elements in the force sensor shown in FIG.

具体的には、第1番目のA系統検出素子は、第1番目の検出点P21の、Y座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子C1Aからなり、第1番目のB系統検出素子は、第1番目の検出点P21の、Y座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子C1Bからなる。同様に、第2番目のA系統検出素子は、第2番目の検出点P22の、Y座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子C2Aからなり、第2番目のB系統検出素子は、第2番目の検出点P22の、Y座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子C2Bからなる。   Specifically, the first A-system detection element includes a capacitive element C1A arranged in the vicinity of the first detection point P21 where the Y coordinate value is negative, and the first B-system detection element. The element is composed of a capacitive element C1B arranged in the vicinity of the first detection point P21 where the Y coordinate value is positive. Similarly, the second A-system detection element is composed of a capacitive element C2A arranged in the vicinity of the second detection point P22 where the Y coordinate value is negative, and the second B-system detection element is The second detection point P22 includes a capacitive element C2B arranged in the vicinity of the Y coordinate value that is positive.

また、第3番目のA系統検出素子は、第3番目の検出点P23の、X座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子C3Aからなり、第3番目のB系統検出素子は、第3番目の検出点P23の、X座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子C3Bからなる。更に、第4番目のA系統検出素子は、第4番目の検出点P24の、X座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子C4Aからなり、第4番目のB系統検出素子は、第4番目の検出点P24の、X座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子C4Bからなる。   The third A-system detection element is composed of a capacitive element C3A arranged in the vicinity of the third detection point P23 where the X coordinate value is negative, and the third B-system detection element is It consists of a capacitive element C3B arranged in the vicinity of the third detection point P23 where the X coordinate value is positive. Further, the fourth A-system detection element is composed of a capacitive element C4A arranged in the vicinity of the fourth detection point P24 where the X coordinate value is negative, and the fourth B-system detection element is The fourth detection point P24 includes a capacitive element C4B arranged in the vicinity where the X coordinate value is positive.

この図24に示す力覚センサにおいても、図17に示すA系統信号処理手段35AおよびB系統信号処理手段35Bを用いることにより、受力部510に加えられた外力のZ軸方向の力成分Fz、X軸まわりのモーメント成分Mx、Y軸まわりのモーメント成分Myを算出することができる。   Also in the force sensor shown in FIG. 24, the force component Fz in the Z-axis direction of the external force applied to the force receiving portion 510 is obtained by using the A system signal processing means 35A and the B system signal processing means 35B shown in FIG. The moment component Mx around the X axis and the moment component My around the Y axis can be calculated.

すなわち、8組の容量素子C1A〜C4A,C1B〜C4Bの静電容量値をそれぞれ同じ符号を用いてC1A〜C4A,C1B〜C4Bと表した場合、A系統信号処理手段35Aは、所定の符号付き比例係数K1A,K2A,K3Aを用いて、
FzA=K1A×(C1A+C2A+C3A+C4A)
MxA=K2A×(C3A−C4A)
MyA=K3A×(C1A−C2A)
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、3軸成分FzA,MxA,MyAを示すA系統検出値を出力することができる。
That is, when the capacitance values of the eight sets of capacitive elements C1A to C4A and C1B to C4B are expressed as C1A to C4A and C1B to C4B, respectively, using the same reference numerals, the A system signal processing means 35A has a predetermined sign. Using proportional coefficients K1A, K2A, K3A,
FzA = K1A × (C1A + C2A + C3A + C4A)
MxA = K2A × (C3A-C4A)
MyA = K3A × (C1A-C2A)
A system detection value indicating the three-axis components FzA, MxA, and MyA can be output by performing the following arithmetic processing or signal processing corresponding to the arithmetic processing.

同様に、B系統信号処理手段35Bは、所定の符号付き比例係数K1B,K2B,K3Bを用いて、
FzB=K1B×(C1B+C2B+C3B+C4B)
MxB=K2B×(C3B−C4B)
MyB=K3B×(C1B−C2B)
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、3軸成分FzB,MxB,MyBを示すB系統検出値を出力することができる。なお、比較手段45の処理動作は、これまで述べてきた実施例と同じである。
Similarly, the B system signal processing means 35B uses a predetermined signed proportional coefficient K1B, K2B, K3B,
FzB = K1B × (C1B + C2B + C3B + C4B)
MxB = K2B × (C3B-C4B)
MyB = K3B × (C1B-C2B)
The B system detection value indicating the three-axis components FzB, MxB, and MyB can be output by performing the following arithmetic processing or signal processing corresponding to the arithmetic processing. The processing operation of the comparison means 45 is the same as that in the embodiments described so far.

この図24に示す力覚センサの場合、図19に示す力覚センサと同様に、§3−2で説明した補助系統信号処理を加えた変形例を適用することも可能である。その場合は、図20に示す例のように、A系統信号処理手段35AおよびB系統信号処理手段35Bの他に、更に、補助系統信号処理手段35Cを加えればよい。この補助系統信号処理手段35Cは、§3−2で説明したとおり、所定の符号付き比例係数K2C,K3Cを用いて、
MxC=K2C×((C1A+C2A)−(C1B+C2B))
MyC=K3C×((C3B+C4B)−(C3A+C4A))
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のX軸まわりのモーメント成分MxCおよびY軸まわりのモーメント成分MyCを示す補助系統検出値Cを出力する構成要素である。
In the case of the force sensor shown in FIG. 24, as in the case of the force sensor shown in FIG. In that case, auxiliary system signal processing means 35C may be added in addition to A system signal processing means 35A and B system signal processing means 35B, as in the example shown in FIG. As described in § 3-2, this auxiliary system signal processing means 35C uses predetermined signed proportional coefficients K2C and K3C,
MxC = K2C × ((C1A + C2A) − (C1B + C2B))
MyC = K3C × ((C3B + C4B) − (C3A + C4A))
The auxiliary system detection value C indicating the moment component MxC around the X axis and the moment component MyC around the Y axis of the external force applied to the force receiving portion is output by performing the following calculation processing or signal processing corresponding to the calculation processing It is a component to do.

このように、補助系統検出値Cを算出するようにすれば、比較手段45は、A系統検出値AとB系統検出値Bとの差分dに加えて、更に、A系統検出値Aと補助系統検出値Cとの差分dAおよびB系統検出値Bと補助系統検出値Cとの差分dBを求め、差分d,dA,dBのいずれかが所定の許容値Tを超えていた場合には、差分エラーを出力することができる。また、差分d,dA,dBを利用して、より適切な値を最終検出値として出力することも可能になる。このような処理の詳細は、既に§3−2で説明したとおりである。   As described above, if the auxiliary system detection value C is calculated, the comparison unit 45 further adds the A system detection value A and the auxiliary system in addition to the difference d between the A system detection value A and the B system detection value B. When the difference dA between the system detection value C and the difference dB between the B system detection value B and the auxiliary system detection value C is obtained, and any of the differences d, dA, dB exceeds a predetermined allowable value T, A differential error can be output. It is also possible to output a more appropriate value as the final detection value by using the differences d, dA, and dB. Details of such processing are as already described in §3-2.

以上、本発明に係る力覚センサを、作用した外力のZ軸方向の力成分Fz、X軸まわりのモーメント成分Mx、Y軸まわりのモーメント成分Myの3軸成分を検出するセンサの実施例について説明したが、もちろん、本発明はこのような3軸検出用の力覚センサに限定されるものではなく、たとえば、前掲の特許文献5に開示されているような6軸検出用の力覚センサや、前掲の特許文献6に開示されているようなトルクセンサ(モーメント成分Mzのみを検出する1軸検出用の力覚センサ)に適用することもできる。   As described above, the force sensor according to the present invention is an example of a sensor that detects the three-axis components of the force component Fz in the Z-axis direction of the applied external force, the moment component Mx around the X axis, and the moment component My around the Y axis. As described above, of course, the present invention is not limited to such a force sensor for 3-axis detection. For example, a force sensor for 6-axis detection as disclosed in Patent Document 5 mentioned above. Alternatively, the present invention can also be applied to a torque sensor (one-axis detection force sensor that detects only the moment component Mz) as disclosed in the aforementioned Patent Document 6.

なお、図21に示すm組の局在ダイアフラム部を有する検出用構造体は、前掲の特許文献5に開示されている6軸検出用の力覚センサの検出用構造体としても利用可能である。したがって、実用上、当該6軸検出用の力覚センサの製造ラインを利用して、図23や図24に示す力覚センサを製造することが可能である。   Note that the detection structure having m sets of localized diaphragm portions shown in FIG. 21 can also be used as a detection structure of a force sensor for 6-axis detection disclosed in Patent Document 5 described above. . Therefore, in practice, it is possible to manufacture the force sensor shown in FIG. 23 or FIG. 24 using the manufacturing line of the force sensor for 6-axis detection.

10,10A,10B:検出用構造体
20,20A,20B:検出素子
25A:A系統検出素子
25B:B系統検出素子
30,30A,30B:信号処理手段
35A:A系統信号処理手段
35B:B系統信号処理手段
35C:補助系統信号処理手段
40:比較手段
45:比較手段
100,100′:下部構造体
110:支持部
120:弾性変形部(ダイアフラム部)
121〜124:弾性変形部(橋梁部)
125:中央部
200:上部構造体
210:受力部
220:力伝達部
300:電極支持基板
400:下部構造体
410:支持部
421〜424:弾性変形部(局在ダイアフラム部)
500:上部構造体
510:受力部
521〜524:力伝達部
601〜604:電極支持基板
A:A系統検出値
B:B系統検出値
C:補助系統検出値
C1〜C4:容量素子(その静電容量値)
C1A〜C4A:A系統容量素子(その静電容量値)
C1B〜C4B:B系統容量素子(その静電容量値)
D1〜D4:検出素子(そこから得られる検出信号の値)
D1A〜D4A:A系統検出素子(そこから得られる検出信号の値)
D1B〜D4B:B系統検出素子(そこから得られる検出信号の値)
d,dA,dB:差分
E11〜E14:固定電極
E11A〜E14A:A系統固定電極
E11B〜E14B:B系統固定電極
E21〜E24:変位電極
E21A〜E24A:A系統変位電極
E21B〜E24B:B系統変位電極
Fz:外力のZ軸方向の力成分
FzA:外力のZ軸方向の力成分のA系統検出値
FzB:外力のZ軸方向の力成分のB系統検出値
G1,G2:検出基準円
H,H1〜H4:溝
K1〜K3:比例係数
K1A〜K3A:A系統用比例係数
K1B〜K3B:B系統用比例係数
K2C,K3C:補助系統用比例係数
Mx:外力のX軸まわりのモーメント成分
MxA:外力のX軸まわりのモーメント成分のA系統検出値
MxB:外力のX軸まわりのモーメント成分のB系統検出値
My:外力のY軸まわりのモーメント成分
MyA:外力のY軸まわりのモーメント成分のA系統検出値
MyB:外力のY軸まわりのモーメント成分のB系統検出値
O:XYZ三次元直交座標系の原点
P1〜P4:検出点
P11〜P14:検出点
P21〜P24:検出点
R1〜R4:ピエゾ抵抗素子(その抵抗値)
R1A〜R4A:A系統ピエゾ抵抗素子
R1B〜R4B:B系統ピエゾ抵抗素子
S1〜S10:流れ図の各ステップ
SA:第1のセンサ
SB:第2のセンサ
T:許容値
VA:第1のセンサの検出値
VB:第2のセンサの検出値
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
10, 10A, 10B: detection structures 20, 20A, 20B: detection element 25A: A system detection element 25B: B system detection elements 30, 30A, 30B: signal processing means 35A: A system signal processing means 35B: B system Signal processing means 35C: auxiliary system signal processing means 40: comparison means 45: comparison means 100, 100 ': lower structure 110: support part 120: elastic deformation part (diaphragm part)
121-124: Elastic deformation part (bridge part)
125: central part 200: upper structure 210: force receiving part 220: force transmission part 300: electrode support substrate 400: lower structure 410: support parts 421 to 424: elastic deformation part (localized diaphragm part)
500: upper structure 510: force receiving portions 521 to 524: force transmitting portions 601 to 604: electrode support substrate A: A system detection value B: B system detection value C: auxiliary system detection values C1 to C4: capacitive element Capacitance value)
C1A to C4A: A-system capacitive element (capacitance value thereof)
C1B to C4B: B-system capacitive element (capacitance value thereof)
D1 to D4: detection elements (values of detection signals obtained therefrom)
D1A to D4A: A system detection element (value of detection signal obtained therefrom)
D1B to D4B: B system detection element (value of detection signal obtained therefrom)
d, dA, dB: Differences E11 to E14: Fixed electrodes E11A to E14A: A system fixed electrodes E11B to E14B: B system fixed electrodes E21 to E24: Displacement electrodes E21A to E24A: A system displacement electrodes E21B to E24B: B system displacement Electrode Fz: Force component in the Z-axis direction of external force FzA: A-system detected value of force component in the Z-axis direction of external force FzB: B-system detected value of force component in the Z-axis direction of external force G1, G2: Detection reference circle H, H1 to H4: Grooves K1 to K3: Proportional coefficient K1A to K3A: Proportional coefficient for system A K1B to K3B: Proportional coefficient for system B K2C, K3C: Proportional coefficient for auxiliary system Mx: Moment component MxA of external force around X axis: A system detected value MxB of the moment component of the external force around the X axis: B system detected value of the moment component of the external force around the X axis My: Moment component My of the external force around the Y axis : A system detected value MyB of moment component around Y axis of external force MyB: B system detected value of moment component around Y axis of external force O: Origin P1 to P4 of XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system: Detection points P11 to P14: Detection Points P21 to P24: Detection points R1 to R4: Piezoresistive element (its resistance value)
R1A to R4A: System A piezoresistive elements R1B to R4B: System B piezoresistive elements S1 to S10: Steps SA of the flowchart: First sensor SB: Second sensor T: Allowable value VA: First sensor detection Value VB: Detected value of second sensor X: Coordinate axis of XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system Y: Coordinate axis of XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system Z: Coordinate axis of XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system

(1) 本発明の第1の態様は、作用した外力の所定方向成分を検出する力覚センサにおいて、
力の作用により弾性変形を生じる弾性変形部と、この弾性変形部を支持する支持部と、検出対象となる外力を受ける受力部と、この受力部に加えられた外力を弾性変形部の所定箇所に伝達する力伝達部と、を有する検出用構造体と、
弾性変形部の所定位置に定義された複数n個の各検出点の第1の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出するn個のA系統検出素子と、
n個の各検出点の第1の近傍部分とは異なる第2の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出するn個のB系統検出素子と、
を設け、
任意のi(1≦i≦n)について、第i番目のA系統検出素子は、第i番目の検出点の第1の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出し、第i番目のB系統検出素子は、第i番目の検出点の第2の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出するようにし、
更に、
n個のA系統検出素子によって検出された電気的な検出信号に基づいて、受力部に加えられた外力の所定方向成分を示すA系統検出値を出力するA系統信号処理手段と、
n個のB系統検出素子によって検出された電気的な検出信号に基づいて、受力部に加えられた外力の所定方向成分を示すB系統検出値を出力するB系統信号処理手段と、
A系統検出値とB系統検出値とを比較し、両者の差分dを求め、A系統検出値もしくはB系統検出値またはこれら両者に基づいて算出された所定の算出値を最終検出値として出力するとともに、差分dが所定の許容値Tを超えていた場合には、差分エラーを出力する比較手段と、
を設けるようにしたものである。
(1) A first aspect of the present invention provides a force sensor for detecting a predetermined direction component of an applied external force,
An elastic deformation part that generates elastic deformation by the action of a force, a support part that supports the elastic deformation part, a force receiving part that receives an external force to be detected, and an external force applied to the force receiving part A structure for detection having a force transmitting portion for transmitting to a predetermined location;
N A-line detection elements that electrically detect bending or displacement generated in the first vicinity of each of a plurality of n detection points defined at predetermined positions of the elastic deformation portion;
n B-system detection elements that electrically detect deflection or displacement generated in a second vicinity different from the first vicinity of each of the n detection points ;
Provided,
For any i (1 ≦ i ≦ n), the i-th A-line detection element electrically detects the deflection or displacement of the first vicinity of the i-th detection point, and the i-th B The system detection element is configured to electrically detect deflection or displacement of the second vicinity of the i-th detection point,
Furthermore,
A system signal processing means for outputting an A system detection value indicating a predetermined direction component of the external force applied to the force receiving portion based on electrical detection signals detected by the n A system detection elements;
B system signal processing means for outputting a B system detection value indicating a predetermined direction component of the external force applied to the force receiving portion based on the electrical detection signals detected by the n B system detection elements;
The A system detection value and the B system detection value are compared, a difference d between them is obtained, and a predetermined calculation value calculated based on the A system detection value or the B system detection value or both is output as the final detection value. And a comparison means for outputting a difference error when the difference d exceeds a predetermined allowable value T;
Is provided.

Claims (32)

作用した外力の所定方向成分を検出する力覚センサであって、
力の作用により弾性変形を生じる弾性変形部と、この弾性変形部を支持する支持部と、検出対象となる外力を受ける受力部と、この受力部に加えられた外力を前記弾性変形部の所定箇所に伝達する力伝達部と、を有する検出用構造体と、
前記弾性変形部の所定位置に定義された複数n個の検出点の、第1の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出するn個のA系統検出素子と、
前記n個の検出点の、前記第1の近傍部分とは異なる第2の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出するn個のB系統検出素子と、
を備え、
任意のi(1≦i≦n)について、第i番目のA系統検出素子は、第i番目の検出点の第1の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出し、第i番目のB系統検出素子は、第i番目の検出点の第2の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出し、
更に、
前記n個のA系統検出素子によって検出された電気的な検出信号に基づいて、前記受力部に加えられた外力の前記所定方向成分を示すA系統検出値を出力するA系統信号処理手段と、
前記n個のB系統検出素子によって検出された電気的な検出信号に基づいて、前記受力部に加えられた外力の前記所定方向成分を示すB系統検出値を出力するB系統信号処理手段と、
前記A系統検出値と前記B系統検出値とを比較し、両者の差分dを求め、前記A系統検出値もしくは前記B系統検出値またはこれら両者に基づいて算出された所定の算出値を最終検出値として出力するとともに、前記差分dが所定の許容値Tを超えていた場合には、差分エラーを出力する比較手段と、
を備えることを特徴とする力覚センサ。
A force sensor for detecting a predetermined direction component of an applied external force,
An elastic deformation part that generates elastic deformation by the action of a force; a support part that supports the elastic deformation part; a force receiving part that receives an external force to be detected; and an external force applied to the force receiving part to the elastic deformation part A structure for detection having a force transmission part for transmitting to a predetermined position of
N A-line detection elements for electrically detecting deflection or displacement generated in the first vicinity of a plurality of n detection points defined at predetermined positions of the elastic deformation portion;
N number of B system detection elements for electrically detecting deflection or displacement generated in a second vicinity portion different from the first vicinity portion of the n detection points;
With
For any i (1 ≦ i ≦ n), the i-th A-line detection element electrically detects the deflection or displacement of the first vicinity of the i-th detection point, and the i-th B The system detection element electrically detects the deflection or displacement of the second vicinity of the i-th detection point,
Furthermore,
A system signal processing means for outputting an A system detection value indicating the predetermined direction component of the external force applied to the force receiving section based on an electrical detection signal detected by the n A system detection elements; ,
B system signal processing means for outputting a B system detection value indicating the predetermined direction component of the external force applied to the force receiving unit based on the electrical detection signals detected by the n B system detection elements; ,
The A system detection value and the B system detection value are compared, the difference d between them is obtained, and the predetermined detection value calculated based on the A system detection value or the B system detection value or both is finally detected A comparison means for outputting a difference error when the difference d exceeds a predetermined allowable value T.
A force sensor characterized by comprising:
請求項1に記載の力覚センサにおいて、
XYZ三次元直交座標系を定義したときに、検出用構造体が、
Z軸を中心軸としてXY平面もしくはXY平面に平行な平面に沿って延びる薄板状のダイアフラム部によって構成された弾性変形部と、この弾性変形部の周囲を支持固定する環状構造体によって構成された支持部と、を有する下部構造体と、
前記弾性変形部の上方に所定距離をおいてZ軸が中心軸となるように配置された板状基板によって構成された受力部と、前記受力部の下面中央と前記弾性変形部の上面中央とをZ軸に沿って接続する力伝達部と、を有する上部構造体と、
を備えることを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 1,
When the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system is defined, the detection structure is
Consists of an elastically deformable portion constituted by a thin-plate-like diaphragm portion extending along an XY plane or a plane parallel to the XY plane with the Z axis as a central axis, and an annular structure that supports and fixes the periphery of the elastically deformable portion A lower structure having a support portion;
A force receiving portion constituted by a plate-like substrate disposed at a predetermined distance above the elastic deformation portion so that the Z-axis becomes a central axis, a lower surface center of the force receiving portion, and an upper surface of the elastic deformation portion An upper structure having a force transmission part connecting the center along the Z axis;
A force sensor characterized by comprising:
請求項1に記載の力覚センサにおいて、
XYZ三次元直交座標系を定義したときに、検出用構造体が、
Z軸上に位置する中央部と、前記中央部からXY平面もしくはXY平面に平行な平面に沿って放射状に延びる複数本の薄板状の橋梁部と、を有する弾性変形部と、この弾性変形部の周囲を支持固定する環状構造体によって構成された支持部と、を有する下部構造体と、
前記弾性変形部の上方に所定距離をおいてZ軸が中心軸となるように配置された板状基板によって構成された受力部と、前記受力部の下面中央と前記中央部の上面とをZ軸に沿って接続する力伝達部と、を有する上部構造体と、
を備えることを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 1,
When the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system is defined, the detection structure is
An elastic deformation portion having a central portion located on the Z-axis, and a plurality of thin plate-like bridge portions extending radially from the central portion along a plane parallel to the XY plane or the XY plane, and the elastic deformation portion A lower structure having a support portion configured by an annular structure that supports and fixes the periphery of
A force receiving portion constituted by a plate-like substrate disposed at a predetermined distance above the elastically deforming portion so that the Z-axis becomes a central axis; a center of a lower surface of the force receiving portion; and an upper surface of the center portion A superconductor having a force transmission part connecting the Z-axis along the Z-axis,
A force sensor characterized by comprising:
請求項3に記載の力覚センサにおいて、
弾性変形部が、中央部からX軸正方向に向かって延びる薄板状の第1橋梁部と、中央部からX軸負方向に向かって延びる薄板状の第2橋梁部と、中央部からY軸正方向に向かって延びる薄板状の第3橋梁部と、中央部からY軸負方向に向かって延びる薄板状の第4橋梁部と、を有することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 3, wherein
The elastically deforming portion includes a thin plate-like first bridge portion extending from the center portion toward the X-axis positive direction, a thin plate-like second bridge portion extending from the center portion toward the X-axis negative direction, and a Y-axis extending from the center portion. A force sensor comprising: a thin plate-like third bridge portion extending in a positive direction; and a thin plate-like fourth bridge portion extending in a Y-axis negative direction from a central portion.
請求項1に記載の力覚センサにおいて、
XYZ三次元直交座標系を定義したときに、検出用構造体が、Z軸を中心軸としてXY平面もしくはXY平面に平行な平面に沿って延びる基板によって構成された下部構造体と、この下部構造体の上方に配置された上部構造体と、を備えており、
前記下部構造体を構成する基板には、複数m箇所にXY平面もしくはXY平面に平行な平面に沿った方向に延びる薄板状の局在ダイアフラム部が形成されており、前記下部構造体のうち、これらm組の局在ダイアフラム部の部分が弾性変形部を構成し、それ以外の部分が支持部を構成しており、
前記上部構造体は、前記下部構造体を構成する基板の上方に所定距離をおいてZ軸が中心軸となるように配置された板状基板によって構成された受力部と、前記受力部の下面の所定箇所と前記m組のダイアフラム部の上面中央とを接続するm組の力伝達部と、を有していることを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 1,
When the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system is defined, the detection structure is configured by a substrate extending along the XY plane or a plane parallel to the XY plane with the Z axis as a central axis, and the lower structure An upper structure disposed above the body,
A thin plate-like localized diaphragm portion extending in a direction along an XY plane or a plane parallel to the XY plane is formed at a plurality of m locations on the substrate constituting the lower structure, and among the lower structures, These m sets of localized diaphragm portions constitute elastic deformation portions, and other portions constitute support portions,
The upper structure includes a force receiving portion configured by a plate-like substrate disposed at a predetermined distance above the substrate constituting the lower structure so that the Z axis is a central axis; and the force receiving portion A force sensor comprising: m sets of force transmitting portions that connect a predetermined portion of the lower surface of the set and the center of the upper surface of the m sets of diaphragm portions.
請求項5に記載の力覚センサにおいて、
m=4に設定することにより、下部構造体を構成する基板には、4箇所にXY平面もしくはXY平面に平行な平面に沿った方向に延びる薄板状の局在ダイアフラム部が形成されており、各局在ダイアフラム部の下面は共通の検出基準面に含まれ、
上部構造体は、下部構造体を構成する基板の上方に所定距離をおいてZ軸が中心軸となるように配置された板状基板によって構成された受力部と、前記受力部の下面と前記4組の局在ダイアフラム部の上面とを接続する4組の力伝達部と、を有しており、
前記4組の力伝達部のうち、第1の力伝達部は、正のX軸と交差するZ軸に平行な直線に沿って、前記受力部の下面の所定位置と第1の局在ダイアフラム部の上面中央とを接続し、第2の力伝達部は、負のX軸と交差するZ軸に平行な直線に沿って、前記受力部の下面の所定位置と第2の局在ダイアフラム部の上面中央とを接続し、第3の力伝達部は、正のY軸と交差するZ軸に平行な直線に沿って、前記受力部の下面の所定位置と第3の局在ダイアフラム部の上面中央とを接続し、第4の力伝達部は、負のY軸と交差するZ軸に平行な直線に沿って、前記受力部の下面の所定位置と第4の局在ダイアフラム部の上面中央とを接続していることを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 5, wherein
By setting m = 4, a thin plate-like localized diaphragm portion extending in a direction along the XY plane or a plane parallel to the XY plane is formed at four locations on the substrate constituting the lower structure, The lower surface of each localized diaphragm is included in a common detection reference plane,
The upper structure includes a force receiving portion constituted by a plate-like substrate disposed at a predetermined distance above the substrate constituting the lower structure so that the Z axis is a central axis, and a lower surface of the force receiving portion And four sets of force transmission portions connecting the upper surfaces of the four sets of localized diaphragm portions,
Of the four sets of force transmission units, the first force transmission unit is arranged along a straight line parallel to the Z axis intersecting with the positive X axis and a predetermined position and a first localization on the lower surface of the force receiving unit. The second force transmission unit is connected to a center of the upper surface of the diaphragm unit, and the second force transmitting unit is located along a straight line parallel to the Z axis intersecting with the negative X axis and a predetermined position on the lower surface of the force receiving unit and the second localization. The third force transmitting portion connects the center of the upper surface of the diaphragm portion, and the third force transmitting portion is located along a straight line parallel to the Z axis intersecting with the positive Y axis and a predetermined position on the lower surface of the force receiving portion and the third localization The fourth force transmitting portion is connected to the center of the upper surface of the diaphragm portion, and the fourth position is located along a straight line parallel to the Z axis intersecting with the negative Y axis. A force sensor characterized by connecting the center of the upper surface of the diaphragm portion.
請求項2〜6のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
XY平面もしくはXY平面に平行な平面上に検出基準面を定義し、この検出基準面上にZ軸を中心とした検出基準円を描いたときに、n個の検出点がすべて前記検出基準円上に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 2 to 6,
When a detection reference plane is defined on the XY plane or a plane parallel to the XY plane, and a detection reference circle centered on the Z axis is drawn on this detection reference plane, all the n detection points are the detection reference circles. A force sensor arranged on the top.
請求項7に記載の力覚センサにおいて、
各検出点について、Z軸から遠い側を外側、Z軸に近い側を内側と呼んだときに、任意のi(1≦i≦n)について、
第i番目のA系統検出素子は、第i番目の検出点の外側の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出し、
第i番目のB系統検出素子は、第i番目の検出点の内側の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 7, wherein
For each detection point, when the side far from the Z axis is called the outside and the side close to the Z axis is called the inside, for any i (1 ≦ i ≦ n),
The i-th A-system detection element electrically detects a deflection or a displacement in the vicinity of the outside of the i-th detection point,
A force sensor, wherein the i-th B system detection element electrically detects a deflection or a displacement of a portion near the inside of the i-th detection point.
請求項1〜8のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
n個のA系統検出素子の一部もしくは全部によって検出された電気的な検出信号と、n個のB系統検出素子の一部もしくは全部によって検出された電気的な検出信号と、の双方に基づいて、受力部に加えられた外力の所定方向成分を示す補助系統検出値を出力する補助系統信号処理手段を更に備え、
比較手段が、A系統検出値とB系統検出値との差分dに加えて、更に、A系統検出値と補助系統検出値との差分dAおよびB系統検出値と補助系統検出値との差分dBを求め、前記差分d,dA,dBのいずれかが所定の許容値Tを超えていた場合には、差分エラーを出力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 8,
Based on both electrical detection signals detected by some or all of the n A-system detection elements and electrical detection signals detected by some or all of the n B-system detection elements An auxiliary system signal processing means for outputting an auxiliary system detection value indicating a predetermined direction component of the external force applied to the force receiving unit,
In addition to the difference d between the A system detection value and the B system detection value, the comparison means further includes a difference dA between the A system detection value and the auxiliary system detection value and a difference dB between the B system detection value and the auxiliary system detection value. The force sensor outputs a difference error when any of the differences d, dA, and dB exceeds a predetermined allowable value T.
請求項9に記載の力覚センサにおいて、
比較手段が、dA<dBの場合はA系統検出値を最終検出値として出力し、dA>dBの場合はB系統検出値を最終検出値として出力し、dA=dBの場合はA系統検出値またはB系統検出値を最終検出値として出力することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 9, wherein
When dA <dB, the comparison means outputs the A system detection value as the final detection value, when dA> dB, the B system detection value is output as the final detection value, and when dA = dB, the A system detection value. Or the force sensor which outputs B system | strain detected value as a final detected value.
請求項9または10に記載の力覚センサにおいて、
比較手段が、差分d,dA,dBのうちの2つが所定の許容値Tを超えていた場合には、当該2つの差分の算出にともに関与した検出値を誤検出値と推定し、この誤検出値を除く2つの検出値の一方またはこれら両方に基づいて算出された所定の算出値を最終検出値として出力する例外処理を行うことを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 9 or 10,
When two of the differences d, dA, and dB exceed a predetermined allowable value T, the comparison unit estimates a detection value that is involved in the calculation of the two differences as a false detection value. A force sensor characterized by performing an exceptional process for outputting a predetermined calculated value calculated based on one or both of two detected values excluding a detected value as a final detected value.
請求項1〜8のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
比較手段が、A系統検出値およびB系統検出値について、所定の許容レンジ内であるか否かを判定し、当該許容レンジを超えていた場合は、レンジアウトエラーを出力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 8,
The comparison means determines whether or not the A system detection value and the B system detection value are within a predetermined allowable range, and outputs a range-out error when exceeding the allowable range. Force sensor.
請求項12に記載の力覚センサにおいて、
比較手段が、A系統検出値のみが許容レンジを超えていた場合は、B系統検出値を最終検出値として出力し、B系統検出値のみが許容レンジを超えていた場合は、A系統検出値を最終検出値として出力し、A系統検出値およびB系統検出値の双方が許容レンジを超えていた場合は、許容レンジ内の所定のダミー値を最終検出値として出力することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 12, wherein
The comparison means outputs the B system detection value as the final detection value when only the A system detection value exceeds the allowable range, and the A system detection value when only the B system detection value exceeds the allowable range. Is output as the final detection value, and when both the A system detection value and the B system detection value exceed the allowable range, a predetermined dummy value within the allowable range is output as the final detection value. Sense sensor.
請求項1〜8のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
比較手段が、A系統検出値およびB系統検出値の平均値を算出し、当該平均値を最終検出値として出力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 8,
A force sensor, wherein the comparison means calculates an average value of the A system detection value and the B system detection value and outputs the average value as a final detection value.
請求項1〜14のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
任意のi(1≦i≦n)について、
第i番目のA系統検出素子は、第i番目の検出点の第1の近傍部分に配置されたピエゾ抵抗素子によって構成され、当該近傍部分に生じた撓みを電気抵抗値の変化として示す検出信号を出力し、
第i番目のB系統検出素子は、第i番目の検出点の第2の近傍部分に配置されたピエゾ抵抗素子によって構成され、当該近傍部分に生じた撓みを電気抵抗値の変化として示す検出信号を出力することを特徴とする力覚センサ。
In the force sensor in any one of Claims 1-14,
For any i (1 ≦ i ≦ n)
The i-th A-system detection element is constituted by a piezoresistive element arranged in the first vicinity of the i-th detection point, and indicates a detection signal indicating a deflection occurring in the vicinity as a change in electric resistance value. Output
The i-th B system detection element is constituted by a piezoresistive element arranged in the second vicinity portion of the i-th detection point, and a detection signal indicating a deflection generated in the vicinity portion as a change in electric resistance value A force sensor.
請求項1〜14のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
任意のi(1≦i≦n)について、
第i番目のA系統検出素子は、第i番目の検出点の第1の近傍部分に配置された第i番目のA系統変位電極と、この第i番目のA系統変位電極に対向するように支持部に固定された第i番目のA系統固定電極と、を有する第i番目のA系統容量素子によって構成され、当該第1の近傍部分に生じた変位を静電容量値の変化として示す検出信号を出力し、
第i番目のB系統検出素子は、第i番目の検出点の第2の近傍部分に配置された第i番目のB系統変位電極と、この第i番目のB系統変位電極に対向するように支持部に固定された第i番目のB系統固定電極と、を有する第i番目のB系統容量素子によって構成され、当該第2の近傍部分に生じた変位を静電容量値の変化として示す検出信号を出力することを特徴とする力覚センサ。
In the force sensor in any one of Claims 1-14,
For any i (1 ≦ i ≦ n)
The i-th A-system detection element is disposed so as to face the i-th A-system displacement electrode disposed in the first vicinity of the i-th detection point and the i-th A-system displacement electrode. Detecting the displacement generated in the first vicinity portion as a change in capacitance value, comprising an i-th A-system fixed electrode having an i-th A-system fixed electrode fixed to the support portion Output signal,
The i-th B system detection element is disposed so as to face the i-th B system displacement electrode disposed in the second vicinity of the i-th detection point and the i-th B system displacement electrode. Detected by a change in capacitance value, which is constituted by an i-th B-system capacitive element having an i-th B-system fixed electrode fixed to a support portion, and which shows a displacement generated in the second vicinity portion A force sensor that outputs a signal.
請求項2または4に記載の力覚センサにおいて、
ダイアフラム部または各橋梁部の上面もしくは下面に検出基準面を定義し、X軸およびY軸を前記検出基準面に投影して得られるX軸投影像およびY軸投影像を定義したときに、
n=4に設定することにより前記検出基準面上に4個の検出点が定義されており、前記検出基準面上にZ軸を中心とした検出基準円を描いたときに、第1番目の検出点は正のX軸投影像と前記検出基準円との交点に位置し、第2番目の検出点は負のX軸投影像と前記検出基準円との交点に位置し、第3番目の検出点は正のY軸投影像と前記検出基準円との交点に位置し、第4番目の検出点は負のY軸投影像と前記検出基準円との交点に位置し、
各検出点について、Z軸から遠い側を外側、Z軸に近い側を内側と呼んだときに、
第1番目のA系統検出素子は、前記第1番目の検出点の外側の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出し、第1番目のB系統検出素子は、前記第1番目の検出点の内側の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出し、
第2番目のA系統検出素子は、前記第2番目の検出点の外側の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出し、第2番目のB系統検出素子は、前記第2番目の検出点の内側の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出し、
第3番目のA系統検出素子は、前記第3番目の検出点の外側の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出し、第3番目のB系統検出素子は、前記第3番目の検出点の内側の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出し、
第4番目のA系統検出素子は、前記第4番目の検出点の外側の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出し、第4番目のB系統検出素子は、前記第4番目の検出点の内側の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 2 or 4,
When the detection reference plane is defined on the upper surface or the lower surface of the diaphragm section or each bridge section, and the X-axis projection image and the Y-axis projection image obtained by projecting the X axis and the Y axis onto the detection reference plane are defined,
By setting n = 4, four detection points are defined on the detection reference plane. When a detection reference circle centered on the Z axis is drawn on the detection reference plane, the first detection point is drawn. The detection point is located at the intersection of the positive X-axis projection image and the detection reference circle, the second detection point is located at the intersection of the negative X-axis projection image and the detection reference circle, and the third The detection point is located at the intersection of the positive Y-axis projection image and the detection reference circle, the fourth detection point is located at the intersection of the negative Y-axis projection image and the detection reference circle,
For each detection point, when the side far from the Z axis is called the outside, the side near the Z axis is called the inside,
The first A-line detection element electrically detects a deflection or a displacement that has occurred in the vicinity of the outside of the first detection point, and the first B-line detection element is the first Electrically detects deflection or displacement that occurs in the vicinity of the inside of the detection point,
The second A-line detection element electrically detects a deflection or a displacement that has occurred in the vicinity of the outside of the second detection point, and the second B-line detection element is the second Electrically detects deflection or displacement that occurs in the vicinity of the inside of the detection point,
The third A-line detection element electrically detects deflection or displacement generated in the vicinity of the outside of the third detection point, and the third B-line detection element is the third Electrically detects deflection or displacement that occurs in the vicinity of the inside of the detection point,
The fourth A-line detection element electrically detects deflection or displacement generated in the vicinity of the outside of the fourth detection point, and the fourth B-line detection element is the fourth A force sensor characterized by electrically detecting a deflection or a displacement generated in a portion near the inside of a detection point.
請求項17に記載の力覚センサにおいて、
各検出素子はダイアフラム部または各橋梁部の上面もしくは下面に埋め込まれたピエゾ抵抗素子によって構成されており、各ピエゾ抵抗素子は、埋め込まれた位置に生じた撓みを電気抵抗値の変化として出力する機能を有し、
第1番目のA系統検出素子は、第1番目の検出点の外側にX軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子R1Aからなり、第1番目のB系統検出素子は、第1番目の検出点の内側にX軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子R1Bからなり、
第2番目のA系統検出素子は、第2番目の検出点の外側にX軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子R2Aからなり、第2番目のB系統検出素子は、第2番目の検出点の内側にX軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子R2Bからなり、
第3番目のA系統検出素子は、第3番目の検出点の外側にY軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子R3Aからなり、第3番目のB系統検出素子は、第3番目の検出点の内側にY軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子R3Bからなり、
第4番目のA系統検出素子は、第4番目の検出点の外側にY軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子R4Aからなり、第4番目のB系統検出素子は、第4番目の検出点の内側にY軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子R4Bからなることを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 17,
Each detection element is composed of a piezoresistive element embedded in the upper surface or the lower surface of the diaphragm part or each bridge part, and each piezoresistive element outputs a deflection generated at the embedded position as a change in electric resistance value. Has function,
The first A-system detection element is composed of a piezoresistive element R1A arranged along the X-axis projection image outside the first detection point, and the first B-system detection element is the first It consists of a piezoresistive element R1B arranged along the X-axis projection image inside the detection point,
The second A-system detection element is composed of a piezoresistive element R2A arranged along the X-axis projection image outside the second detection point, and the second B-system detection element is the second It consists of a piezoresistive element R2B arranged along the X-axis projection image inside the detection point,
The third A-line detection element is composed of a piezoresistive element R3A arranged along the Y-axis projection image outside the third detection point, and the third B-line detection element is the third It consists of a piezoresistive element R3B arranged along the Y-axis projection image inside the detection point,
The fourth A-system detection element is composed of a piezoresistive element R4A arranged along the Y-axis projection image outside the fourth detection point, and the fourth B-system detection element is the fourth A force sensor comprising a piezoresistive element R4B arranged along a Y-axis projection image inside a detection point.
請求項18に記載の力覚センサにおいて、
8組のピエゾ抵抗素子R1A〜R4A,R1B〜R4Bの抵抗値をそれぞれ同じ符号を用いてR1A〜R4A,R1B〜R4Bと表したときに、
A系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数K1A,K2A,K3Aを用いて、
FzA=K1A×(R1A+R2A+R3A+R4A)
MxA=K2A×(R3A−R4A)
MyA=K3A×(R1A−R2A)
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のZ軸方向の力成分FzA、X軸まわりのモーメント成分MxA、Y軸まわりのモーメント成分MyAを示すA系統検出値を出力し、
B系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数K1B,K2B,K3Bを用いて、
FzB=K1B×(R1B+R2B+R3B+R4B)
MxB=K2B×(R3B−R4B)
MyB=K3B×(R1B−R2B)
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のZ軸方向の力成分FzB、X軸まわりのモーメント成分MxB、Y軸まわりのモーメント成分MyBを示すB系統検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 18,
When the resistance values of the eight sets of piezoresistive elements R1A to R4A and R1B to R4B are expressed as R1A to R4A and R1B to R4B, respectively,
A system signal processing means uses a predetermined signed proportional coefficient K1A, K2A, K3A,
FzA = K1A × (R1A + R2A + R3A + R4A)
MxA = K2A × (R3A-R4A)
MyA = K3A × (R1A-R2A)
Or a signal process corresponding to the calculation process, the force component FzA in the Z-axis direction of the external force applied to the force receiving portion, the moment component MxA around the X axis, and the moment component MyA around the Y axis are obtained. A system detection value is output,
The B system signal processing means uses a predetermined signed proportional coefficient K1B, K2B, K3B,
FzB = K1B × (R1B + R2B + R3B + R4B)
MxB = K2B × (R3B-R4B)
MyB = K3B × (R1B-R2B)
Or a signal process corresponding to the calculation process, the force component FzB in the Z-axis direction of the external force applied to the force receiving portion, the moment component MxB around the X-axis, and the moment component MyB around the Y-axis are obtained. A force sensor that outputs a detected B system detection value.
請求項17に記載の力覚センサにおいて、
各検出素子はダイアフラム部または各橋梁部の上面もしくは下面に固定された変位電極と、この変位電極に対向するように支持部に固定された固定電極と、を有する容量素子によって構成されており、各容量素子は、変位電極が固定された位置に生じた変位を静電容量値の変化として出力する機能を有し、
第1番目のA系統検出素子は、第1番目の検出点の外側に配置された容量素子C1Aからなり、第1番目のB系統検出素子は、第1番目の検出点の内側に配置された容量素子C1Bからなり、
第2番目のA系統検出素子は、第2番目の検出点の外側に配置された容量素子C2Aからなり、第2番目のB系統検出素子は、第2番目の検出点の内側に配置された容量素子C2Bからなり、
第3番目のA系統検出素子は、第3番目の検出点の外側に配置された容量素子C3Aからなり、第3番目のB系統検出素子は、第3番目の検出点の内側に配置された容量素子C3Bからなり、
第4番目のA系統検出素子は、第4番目の検出点の外側に配置された容量素子C4Aからなり、第4番目のB系統検出素子は、第4番目の検出点の内側に配置された容量素子C4Bからなることを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 17,
Each detection element is constituted by a capacitive element having a displacement electrode fixed to the upper surface or the lower surface of the diaphragm portion or each bridge portion, and a fixed electrode fixed to the support portion so as to face the displacement electrode. Each capacitive element has a function of outputting a displacement generated at a position where the displacement electrode is fixed as a change in capacitance value,
The first A-system detection element is composed of a capacitive element C1A arranged outside the first detection point, and the first B-system detection element is arranged inside the first detection point. A capacitor element C1B,
The second A-line detection element is composed of a capacitive element C2A arranged outside the second detection point, and the second B-line detection element is arranged inside the second detection point. A capacitor element C2B,
The third A-line detection element is composed of a capacitive element C3A arranged outside the third detection point, and the third B-line detection element is arranged inside the third detection point. Capacitance element C3B,
The fourth A-system detection element is composed of a capacitive element C4A arranged outside the fourth detection point, and the fourth B-system detection element is arranged inside the fourth detection point. A force sensor comprising a capacitive element C4B.
請求項20に記載の力覚センサにおいて、
8組の容量素子C1A〜C4A,C1B〜C4Bの静電容量値をそれぞれ同じ符号を用いてC1A〜C4A,C1B〜C4Bと表したときに、
A系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数K1A,K2A,K3Aを用いて、
FzA=K1A×(C1A+C2A+C3A+C4A)
MxA=K2A×(C3A−C4A)
MyA=K3A×(C1A−C2A)
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のZ軸方向の力成分FzA、X軸まわりのモーメント成分MxA、Y軸まわりのモーメント成分MyAを示すA系統検出値を出力し、
B系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数K1B,K2B,K3Bを用いて、
FzB=K1B×(C1B+C2B+C3B+C4B)
MxB=K2B×(C3B−C4B)
MyB=K3B×(C1B−C2B)
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のZ軸方向の力成分FzB、X軸まわりのモーメント成分MxB、Y軸まわりのモーメント成分MyBを示すB系統検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 20,
When the capacitance values of the eight sets of capacitive elements C1A to C4A and C1B to C4B are expressed as C1A to C4A and C1B to C4B using the same reference numerals,
A system signal processing means uses a predetermined signed proportional coefficient K1A, K2A, K3A,
FzA = K1A × (C1A + C2A + C3A + C4A)
MxA = K2A × (C3A-C4A)
MyA = K3A × (C1A-C2A)
Or a signal process corresponding to the calculation process, the force component FzA in the Z-axis direction of the external force applied to the force receiving portion, the moment component MxA around the X axis, and the moment component MyA around the Y axis are obtained. A system detection value is output,
The B system signal processing means uses a predetermined signed proportional coefficient K1B, K2B, K3B,
FzB = K1B × (C1B + C2B + C3B + C4B)
MxB = K2B × (C3B-C4B)
MyB = K3B × (C1B-C2B)
Or a signal process corresponding to the calculation process, the force component FzB in the Z-axis direction of the external force applied to the force receiving portion, the moment component MxB around the X-axis, and the moment component MyB around the Y-axis are obtained. A force sensor that outputs a detected B system detection value.
請求項2または4に記載の力覚センサにおいて、
ダイアフラム部または各橋梁部の上面もしくは下面に検出基準面を定義し、X軸およびY軸を前記検出基準面に投影して得られるX軸投影像およびY軸投影像を定義したときに、
n=4に設定することにより前記検出基準面上に4個の検出点が定義されており、前記検出基準面上にZ軸を中心とした検出基準円を描いたときに、第1番目の検出点は正のX軸投影像と前記検出基準円との交点に位置し、第2番目の検出点は負のX軸投影像と前記検出基準円との交点に位置し、第3番目の検出点は正のY軸投影像と前記検出基準円との交点に位置し、第4番目の検出点は負のY軸投影像と前記検出基準円との交点に位置し、
第1番目のA系統検出素子は、前記第1番目の検出点の、Y座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第1番目のB系統検出素子は、前記第1番目の検出点の、Y座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
第2番目のA系統検出素子は、前記第2番目の検出点の、Y座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第2番目のB系統検出素子は、前記第2番目の検出点の、Y座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
第3番目のA系統検出素子は、前記第3番目の検出点の、X座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第3番目のB系統検出素子は、前記第3番目の検出点の、X座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
第4番目のA系統検出素子は、前記第4番目の検出点の、X座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第4番目のB系統検出素子は、前記第4番目の検出点の、X座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 2 or 4,
When the detection reference plane is defined on the upper surface or the lower surface of the diaphragm section or each bridge section, and the X-axis projection image and the Y-axis projection image obtained by projecting the X axis and the Y axis onto the detection reference plane are defined,
By setting n = 4, four detection points are defined on the detection reference plane. When a detection reference circle centered on the Z axis is drawn on the detection reference plane, the first detection point is drawn. The detection point is located at the intersection of the positive X-axis projection image and the detection reference circle, the second detection point is located at the intersection of the negative X-axis projection image and the detection reference circle, and the third The detection point is located at the intersection of the positive Y-axis projection image and the detection reference circle, the fourth detection point is located at the intersection of the negative Y-axis projection image and the detection reference circle,
The first A-line detection element electrically detects a displacement of the first detection point in the vicinity where the Y-coordinate value is negative, and the first B-line detection element is Electrically detecting a displacement of the first detection point in the vicinity where the Y coordinate value is positive;
The second A-system detection element electrically detects a displacement generated in the vicinity of the second detection point where the Y coordinate value is negative, and the second B-system detection element is Electrically detecting a displacement of the second detection point in the vicinity where the Y coordinate value is positive;
The third A system detection element electrically detects a displacement of the third detection point in the vicinity where the X coordinate value is negative, and the third B system detection element Electrically detecting a displacement of the third detection point in the vicinity where the X coordinate value is positive;
The fourth A-line detection element electrically detects a displacement generated in the vicinity of the fourth detection point where the X coordinate value is negative, and the fourth B-line detection element is A force sensor that electrically detects a displacement of a fourth detection point in the vicinity where the X coordinate value is positive.
請求項22に記載の力覚センサにおいて、
各検出素子はダイアフラム部または各橋梁部の上面もしくは下面に固定された変位電極と、この変位電極に対向するように支持部に固定された固定電極と、を有する容量素子によって構成されており、各容量素子は、変位電極が固定された位置に生じた変位を静電容量値の変化として出力する機能を有し、
第1番目のA系統検出素子は、第1番目の検出点の、Y座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子C1Aからなり、第1番目のB系統検出素子は、第1番目の検出点の、Y座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子C1Bからなり、
第2番目のA系統検出素子は、第2番目の検出点の、Y座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子C2Aからなり、第2番目のB系統検出素子は、第2番目の検出点の、Y座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子C2Bからなり、
第3番目のA系統検出素子は、第3番目の検出点の、X座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子C3Aからなり、第3番目のB系統検出素子は、第3番目の検出点の、X座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子C3Bからなり、
第4番目のA系統検出素子は、第4番目の検出点の、X座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子C4Aからなり、第4番目のB系統検出素子は、第4番目の検出点の、X座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子C4Bからなることを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 22, wherein
Each detection element is constituted by a capacitive element having a displacement electrode fixed to the upper surface or the lower surface of the diaphragm portion or each bridge portion, and a fixed electrode fixed to the support portion so as to face the displacement electrode. Each capacitive element has a function of outputting a displacement generated at a position where the displacement electrode is fixed as a change in capacitance value,
The first A-system detection element is composed of a capacitive element C1A arranged in the vicinity of the first detection point where the Y coordinate value is negative, and the first B-system detection element is the first detection point. Consisting of a capacitive element C1B arranged in the vicinity of the detection point at which the Y coordinate value is positive,
The second A-system detection element includes a capacitive element C2A arranged in the vicinity of the second detection point where the Y coordinate value is negative, and the second B-system detection element is the second detection point. Consisting of a capacitive element C2B arranged in the vicinity of the detection point of which the Y coordinate value is positive,
The third A-system detection element is composed of a capacitive element C3A arranged in the vicinity of the third detection point where the X coordinate value is negative, and the third B-system detection element is the third detection point. Consisting of a capacitive element C3B arranged in the vicinity of the detection point of which the X coordinate value is positive,
The fourth A-system detection element is composed of a capacitive element C4A arranged in the vicinity of the fourth detection point where the X coordinate value is negative, and the fourth B-system detection element is the fourth detection point. A force sensor comprising a capacitive element C4B arranged in the vicinity of the detection point of which the X coordinate value is positive.
請求項23に記載の力覚センサにおいて、
8組の容量素子C1A〜C4A,C1B〜C4Bの静電容量値をそれぞれ同じ符号を用いてC1A〜C4A,C1B〜C4Bと表したときに、
A系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数K1A,K2A,K3Aを用いて、
FzA=K1A×(C1A+C2A+C3A+C4A)
MxA=K2A×(C3A−C4A)
MyA=K3A×(C1A−C2A)
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のZ軸方向の力成分FzA、X軸まわりのモーメント成分MxA、Y軸まわりのモーメント成分MyAを示すA系統検出値を出力し、
B系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数K1B,K2B,K3Bを用いて、
FzB=K1B×(C1B+C2B+C3B+C4B)
MxB=K2B×(C3B−C4B)
MyB=K3B×(C1B−C2B)
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のZ軸方向の力成分FzB、X軸まわりのモーメント成分MxB、Y軸まわりのモーメント成分MyBを示すB系統検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 23, wherein
When the capacitance values of the eight sets of capacitive elements C1A to C4A and C1B to C4B are expressed as C1A to C4A and C1B to C4B using the same reference numerals,
A system signal processing means uses a predetermined signed proportional coefficient K1A, K2A, K3A,
FzA = K1A × (C1A + C2A + C3A + C4A)
MxA = K2A × (C3A-C4A)
MyA = K3A × (C1A-C2A)
Or a signal process corresponding to the calculation process, the force component FzA in the Z-axis direction of the external force applied to the force receiving portion, the moment component MxA around the X axis, and the moment component MyA around the Y axis are obtained. A system detection value is output,
The B system signal processing means uses a predetermined signed proportional coefficient K1B, K2B, K3B,
FzB = K1B × (C1B + C2B + C3B + C4B)
MxB = K2B × (C3B-C4B)
MyB = K3B × (C1B-C2B)
Or a signal process corresponding to the calculation process, the force component FzB in the Z-axis direction of the external force applied to the force receiving portion, the moment component MxB around the X-axis, and the moment component MyB around the Y-axis are obtained. A force sensor that outputs a detected B system detection value.
請求項24に記載の力覚センサにおいて、
所定の符号付き比例係数K2C,K3Cを用いて、
MxC=K2C×((C1A+C2A)−(C1B+C2B))
MyC=K3C×((C3B+C4B)−(C3A+C4A))
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のX軸まわりのモーメント成分MxCおよびY軸まわりのモーメント成分MyCを示す補助系統検出値を出力する補助系統信号処理手段を更に有し、
比較手段が、A系統検出値とB系統検出値との差分dに加えて、更に、A系統検出値と補助系統検出値との差分dAおよびB系統検出値と補助系統検出値との差分dBを求め、前記差分d,dA,dBのいずれかが所定の許容値Tを超えていた場合には、差分エラーを出力することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 24, wherein
Using predetermined signed proportional coefficients K2C, K3C,
MxC = K2C × ((C1A + C2A) − (C1B + C2B))
MyC = K3C × ((C3B + C4B) − (C3A + C4A))
The auxiliary system detection value indicating the moment component MxC around the X-axis and the moment component MyC around the Y-axis of the external force applied to the force receiving portion is output by performing the following computation processing or signal processing corresponding to the computation processing. It further has auxiliary system signal processing means,
In addition to the difference d between the A system detection value and the B system detection value, the comparison means further includes a difference dA between the A system detection value and the auxiliary system detection value and a difference dB between the B system detection value and the auxiliary system detection value. The force sensor outputs a difference error when any of the differences d, dA, and dB exceeds a predetermined allowable value T.
請求項6に記載の力覚センサにおいて、
X軸およびY軸を検出基準面に投影して得られるX軸投影像およびY軸投影像を定義し、前記検出基準面上にZ軸を中心とした検出基準円を描いたときに、
n=4に設定することにより、各局在ダイアフラム部の下面中央にそれぞれ1つの検出点が定義されており、第1番目の検出点は正のX軸投影像と前記検出基準円との交点に位置し、第2番目の検出点は負のX軸投影像と前記検出基準円との交点に位置し、第3番目の検出点は正のY軸投影像と前記検出基準円との交点に位置し、第4番目の検出点は負のY軸投影像と前記検出基準円との交点に位置し、
各検出点について、Z軸から遠い側を外側、Z軸に近い側を内側と呼んだときに、
第1番目のA系統検出素子は、前記第1番目の検出点の外側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第1番目のB系統検出素子は、前記第1番目の検出点の内側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
第2番目のA系統検出素子は、前記第2番目の検出点の外側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第2番目のB系統検出素子は、前記第2番目の検出点の内側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
第3番目のA系統検出素子は、前記第3番目の検出点の外側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第3番目のB系統検出素子は、前記第3番目の検出点の内側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
第4番目のA系統検出素子は、前記第4番目の検出点の外側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第4番目のB系統検出素子は、前記第4番目の検出点の内側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 6, wherein
When an X-axis projection image and a Y-axis projection image obtained by projecting the X axis and the Y axis onto the detection reference plane are defined, and a detection reference circle centered on the Z axis is drawn on the detection reference plane,
By setting n = 4, one detection point is defined in the center of the lower surface of each localized diaphragm portion, and the first detection point is the intersection of the positive X-axis projection image and the detection reference circle. The second detection point is located at the intersection of the negative X-axis projection image and the detection reference circle, and the third detection point is at the intersection of the positive Y-axis projection image and the detection reference circle. And the fourth detection point is located at the intersection of the negative Y-axis projection image and the detection reference circle,
For each detection point, when the side far from the Z axis is called the outside, the side near the Z axis is called the inside,
The first A-line detection element electrically detects a displacement generated in the vicinity of the outside of the first detection point, and the first B-line detection element is the first detection point. Detect the displacement generated in the vicinity of the inside of the
The second A-line detection element electrically detects a displacement generated in the vicinity of the outside of the second detection point, and the second B-line detection element is the second detection point. Detect the displacement generated in the vicinity of the inside of the
The third A-line detection element electrically detects a displacement that has occurred in the vicinity of the outside of the third detection point, and the third B-line detection element is the third detection point. Detect the displacement generated in the vicinity of the inside of the
The fourth A-line detection element electrically detects a displacement generated in the vicinity of the outside of the fourth detection point, and the fourth B-line detection element is the fourth detection point. A force sensor characterized by electrically detecting a displacement generated in the vicinity of the inner side of the head.
請求項26に記載の力覚センサにおいて、
各検出素子は各局在ダイアフラム部の下面に固定された変位電極と、この変位電極に対向するように支持部に固定された固定電極と、を有する容量素子によって構成されており、各容量素子は、変位電極が固定された位置に生じた変位を静電容量値の変化として出力する機能を有し、
第1番目のA系統検出素子は、第1番目の検出点の外側に配置された容量素子C1Aからなり、第1番目のB系統検出素子は、第1番目の検出点の内側に配置された容量素子C1Bからなり、
第2番目のA系統検出素子は、第2番目の検出点の外側に配置された容量素子C2Aからなり、第2番目のB系統検出素子は、第2番目の検出点の内側に配置された容量素子C2Bからなり、
第3番目のA系統検出素子は、第3番目の検出点の外側に配置された容量素子C3Aからなり、第3番目のB系統検出素子は、第3番目の検出点の内側に配置された容量素子C3Bからなり、
第4番目のA系統検出素子は、第4番目の検出点の外側に配置された容量素子C4Aからなり、第4番目のB系統検出素子は、第4番目の検出点の内側に配置された容量素子C4Bからなることを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 26, wherein
Each detection element is composed of a capacitive element having a displacement electrode fixed to the lower surface of each localized diaphragm portion and a fixed electrode fixed to the support portion so as to face the displacement electrode. , Having a function of outputting the displacement generated at the position where the displacement electrode is fixed as a change in capacitance value,
The first A-system detection element is composed of a capacitive element C1A arranged outside the first detection point, and the first B-system detection element is arranged inside the first detection point. A capacitor element C1B,
The second A-line detection element is composed of a capacitive element C2A arranged outside the second detection point, and the second B-line detection element is arranged inside the second detection point. A capacitor element C2B,
The third A-line detection element is composed of a capacitive element C3A arranged outside the third detection point, and the third B-line detection element is arranged inside the third detection point. Capacitance element C3B,
The fourth A-system detection element is composed of a capacitive element C4A arranged outside the fourth detection point, and the fourth B-system detection element is arranged inside the fourth detection point. A force sensor comprising a capacitive element C4B.
請求項27に記載の力覚センサにおいて、
8組の容量素子C1A〜C4A,C1B〜C4Bの静電容量値をそれぞれ同じ符号を用いてC1A〜C4A,C1B〜C4Bと表したときに、
A系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数K1A,K2A,K3Aを用いて、
FzA=K1A×(C1A+C2A+C3A+C4A)
MxA=K2A×(C3A−C4A)
MyA=K3A×(C1A−C2A)
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のZ軸方向の力成分FzA、X軸まわりのモーメント成分MxA、Y軸まわりのモーメント成分MyAを示すA系統検出値を出力し、
B系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数K1B,K2B,K3Bを用いて、
FzB=K1B×(C1B+C2B+C3B+C4B)
MxB=K2B×(C3B−C4B)
MyB=K3B×(C1B−C2B)
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のZ軸方向の力成分FzB、X軸まわりのモーメント成分MxB、Y軸まわりのモーメント成分MyBを示すB系統検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 27, wherein
When the capacitance values of the eight sets of capacitive elements C1A to C4A and C1B to C4B are expressed as C1A to C4A and C1B to C4B using the same reference numerals,
A system signal processing means uses a predetermined signed proportional coefficient K1A, K2A, K3A,
FzA = K1A × (C1A + C2A + C3A + C4A)
MxA = K2A × (C3A-C4A)
MyA = K3A × (C1A-C2A)
Or a signal process corresponding to the calculation process, the force component FzA in the Z-axis direction of the external force applied to the force receiving portion, the moment component MxA around the X axis, and the moment component MyA around the Y axis are obtained. A system detection value is output,
The B system signal processing means uses a predetermined signed proportional coefficient K1B, K2B, K3B,
FzB = K1B × (C1B + C2B + C3B + C4B)
MxB = K2B × (C3B-C4B)
MyB = K3B × (C1B-C2B)
Or a signal process corresponding to the calculation process, the force component FzB in the Z-axis direction of the external force applied to the force receiving portion, the moment component MxB around the X-axis, and the moment component MyB around the Y-axis are obtained. A force sensor that outputs a detected B system detection value.
請求項6に記載の力覚センサにおいて、
X軸およびY軸を検出基準面に投影して得られるX軸投影像およびY軸投影像を定義し、前記検出基準面上にZ軸を中心とした検出基準円を描いたときに、
n=4に設定することにより、各局在ダイアフラム部の下面中央にそれぞれ1つの検出点が定義されており、第1番目の検出点は正のX軸投影像と前記検出基準円との交点に位置し、第2番目の検出点は負のX軸投影像と前記検出基準円との交点に位置し、第3番目の検出点は正のY軸投影像と前記検出基準円との交点に位置し、第4番目の検出点は負のY軸投影像と前記検出基準円との交点に位置し、
第1番目のA系統検出素子は、前記第1番目の検出点の、Y座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第1番目のB系統検出素子は、前記第1番目の検出点の、Y座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
第2番目のA系統検出素子は、前記第2番目の検出点の、Y座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第2番目のB系統検出素子は、前記第2番目の検出点の、Y座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
第3番目のA系統検出素子は、前記第3番目の検出点の、X座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第3番目のB系統検出素子は、前記第3番目の検出点の、X座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
第4番目のA系統検出素子は、前記第4番目の検出点の、X座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第4番目のB系統検出素子は、前記第4番目の検出点の、X座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 6, wherein
When an X-axis projection image and a Y-axis projection image obtained by projecting the X axis and the Y axis onto the detection reference plane are defined, and a detection reference circle centered on the Z axis is drawn on the detection reference plane,
By setting n = 4, one detection point is defined in the center of the lower surface of each localized diaphragm portion, and the first detection point is the intersection of the positive X-axis projection image and the detection reference circle. The second detection point is located at the intersection of the negative X-axis projection image and the detection reference circle, and the third detection point is at the intersection of the positive Y-axis projection image and the detection reference circle. And the fourth detection point is located at the intersection of the negative Y-axis projection image and the detection reference circle,
The first A-line detection element electrically detects a displacement of the first detection point in the vicinity where the Y-coordinate value is negative, and the first B-line detection element is Electrically detecting a displacement of the first detection point in the vicinity where the Y coordinate value is positive;
The second A-system detection element electrically detects a displacement generated in the vicinity of the second detection point where the Y coordinate value is negative, and the second B-system detection element is Electrically detecting a displacement of the second detection point in the vicinity where the Y coordinate value is positive;
The third A system detection element electrically detects a displacement of the third detection point in the vicinity where the X coordinate value is negative, and the third B system detection element Electrically detecting a displacement of the third detection point in the vicinity where the X coordinate value is positive;
The fourth A-line detection element electrically detects a displacement generated in the vicinity of the fourth detection point where the X coordinate value is negative, and the fourth B-line detection element is A force sensor that electrically detects a displacement of a fourth detection point in the vicinity where the X coordinate value is positive.
請求項29に記載の力覚センサにおいて、
各検出素子は各局在ダイアフラム部の下面に固定された変位電極と、この変位電極に対向するように支持部に固定された固定電極と、を有する容量素子によって構成されており、各容量素子は、変位電極が固定された位置に生じた変位を静電容量値の変化として出力する機能を有し、
第1番目のA系統検出素子は、第1番目の検出点の、Y座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子C1Aからなり、第1番目のB系統検出素子は、第1番目の検出点の、Y座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子C1Bからなり、
第2番目のA系統検出素子は、第2番目の検出点の、Y座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子C2Aからなり、第2番目のB系統検出素子は、第2番目の検出点の、Y座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子C2Bからなり、
第3番目のA系統検出素子は、第3番目の検出点の、X座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子C3Aからなり、第3番目のB系統検出素子は、第3番目の検出点の、X座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子C3Bからなり、
第4番目のA系統検出素子は、第4番目の検出点の、X座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子C4Aからなり、第4番目のB系統検出素子は、第4番目の検出点の、X座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子C4Bからなることを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 29,
Each detection element is composed of a capacitive element having a displacement electrode fixed to the lower surface of each localized diaphragm portion and a fixed electrode fixed to the support portion so as to face the displacement electrode. , Having a function of outputting the displacement generated at the position where the displacement electrode is fixed as a change in capacitance value,
The first A-system detection element is composed of a capacitive element C1A arranged in the vicinity of the first detection point where the Y coordinate value is negative, and the first B-system detection element is the first detection point. Consisting of a capacitive element C1B arranged in the vicinity of the detection point at which the Y coordinate value is positive,
The second A-system detection element includes a capacitive element C2A arranged in the vicinity of the second detection point where the Y coordinate value is negative, and the second B-system detection element is the second detection point. Consisting of a capacitive element C2B arranged in the vicinity of the detection point of which the Y coordinate value is positive,
The third A-system detection element is composed of a capacitive element C3A arranged in the vicinity of the third detection point where the X coordinate value is negative, and the third B-system detection element is the third detection point. Consisting of a capacitive element C3B arranged in the vicinity of the detection point of which the X coordinate value is positive,
The fourth A-system detection element is composed of a capacitive element C4A arranged in the vicinity of the fourth detection point where the X coordinate value is negative, and the fourth B-system detection element is the fourth detection point. A force sensor comprising a capacitive element C4B arranged in the vicinity of the detection point of which the X coordinate value is positive.
請求項30に記載の力覚センサにおいて、
8組の容量素子C1A〜C4A,C1B〜C4Bの静電容量値をそれぞれ同じ符号を用いてC1A〜C4A,C1B〜C4Bと表したときに、
A系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数K1A,K2A,K3Aを用いて、
FzA=K1A×(C1A+C2A+C3A+C4A)
MxA=K2A×(C3A−C4A)
MyA=K3A×(C1A−C2A)
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のZ軸方向の力成分FzA、X軸まわりのモーメント成分MxA、Y軸まわりのモーメント成分MyAを示すA系統検出値を出力し、
B系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数K1B,K2B,K3Bを用いて、
FzB=K1B×(C1B+C2B+C3B+C4B)
MxB=K2B×(C3B−C4B)
MyB=K3B×(C1B−C2B)
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のZ軸方向の力成分FzB、X軸まわりのモーメント成分MxB、Y軸まわりのモーメント成分MyBを示すB系統検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 30, wherein
When the capacitance values of the eight sets of capacitive elements C1A to C4A and C1B to C4B are expressed as C1A to C4A and C1B to C4B using the same reference numerals,
A system signal processing means uses a predetermined signed proportional coefficient K1A, K2A, K3A,
FzA = K1A × (C1A + C2A + C3A + C4A)
MxA = K2A × (C3A-C4A)
MyA = K3A × (C1A-C2A)
Or a signal process corresponding to the calculation process, the force component FzA in the Z-axis direction of the external force applied to the force receiving portion, the moment component MxA around the X axis, and the moment component MyA around the Y axis are obtained. A system detection value is output,
The B system signal processing means uses a predetermined signed proportional coefficient K1B, K2B, K3B,
FzB = K1B × (C1B + C2B + C3B + C4B)
MxB = K2B × (C3B-C4B)
MyB = K3B × (C1B-C2B)
Or a signal process corresponding to the calculation process, the force component FzB in the Z-axis direction of the external force applied to the force receiving portion, the moment component MxB around the X-axis, and the moment component MyB around the Y-axis are obtained. A force sensor that outputs a detected B system detection value.
請求項31に記載の力覚センサにおいて、
所定の符号付き比例係数K2C,K3Cを用いて、
MxC=K2C×((C1A+C2A)−(C1B+C2B))
MyC=K3C×((C3B+C4B)−(C3A+C4A))
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のX軸まわりのモーメント成分MxCおよびY軸まわりのモーメント成分MyCを示す補助系統検出値を出力する補助系統信号処理手段を更に有し、
比較手段が、A系統検出値とB系統検出値との差分dに加えて、更に、A系統検出値と補助系統検出値との差分dAおよびB系統検出値と補助系統検出値との差分dBを求め、前記差分d,dA,dBのいずれかが所定の許容値Tを超えていた場合には、差分エラーを出力することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 31, wherein
Using predetermined signed proportional coefficients K2C, K3C,
MxC = K2C × ((C1A + C2A) − (C1B + C2B))
MyC = K3C × ((C3B + C4B) − (C3A + C4A))
The auxiliary system detection value indicating the moment component MxC around the X-axis and the moment component MyC around the Y-axis of the external force applied to the force receiving portion is output by performing the following computation processing or signal processing corresponding to the computation processing. It further has auxiliary system signal processing means,
In addition to the difference d between the A system detection value and the B system detection value, the comparison means further includes a difference dA between the A system detection value and the auxiliary system detection value and a difference dB between the B system detection value and the auxiliary system detection value. The force sensor outputs a difference error when any of the differences d, dA, and dB exceeds a predetermined allowable value T.
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