JP3144757U - Force sensor - Google Patents

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JP3144757U
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暢久 西沖
和廣 岡田
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Abstract

【課題】過度な外力が作用しても、肉薄部に障害が生じない構造とした力覚センサを提供する。
【解決手段】第1の基板100の下方に第2の基板200を配置し、その下に第3の基板300を接合する。第1の基板100の肉薄部115,125と第2の基板200の肉薄部215,225との間を柱状体T1,T2で接続する。第2の基板200を固定した状態で、第1の基板100に外力が作用すると、柱状体T1,T2が傾斜して肉薄部215,225が変形する。この変形を、容量素子からなる変形測定部S1,S2で測定し外力を検出する。第1の基板100の周囲には、凹部H21,H22が掘られ、その底面には、より小さな径をもつ貫通孔H11,H12が形成される。貫通孔H11,H12には、下端が第2の基板200の上面に固定された係止ピン51,52が挿通し、その頭部には貫通孔より大きな径をもつストッパ部材が取り付けられる。
【選択図】図1
Provided is a force sensor having a structure in which a thin portion is not damaged even when an excessive external force is applied.
A second substrate is disposed below the first substrate, and a third substrate is bonded to the second substrate. The thin portions 115 and 125 of the first substrate 100 and the thin portions 215 and 225 of the second substrate 200 are connected by columnar bodies T1 and T2. When an external force is applied to the first substrate 100 with the second substrate 200 fixed, the columnar bodies T1 and T2 are inclined and the thin portions 215 and 225 are deformed. This deformation is measured by deformation measuring units S1 and S2 made of a capacitive element, and an external force is detected. Concave portions H21 and H22 are dug around the first substrate 100, and through holes H11 and H12 having smaller diameters are formed on the bottom surfaces thereof. Locking pins 51 and 52 whose lower ends are fixed to the upper surface of the second substrate 200 are inserted into the through holes H11 and H12, and a stopper member having a diameter larger than that of the through hole is attached to the head.
[Selection] Figure 1

Description

本考案は、力覚センサに関し、特に、検出対象となる外力に基づいて可撓性をもった肉薄部に撓みを生じさせ、その変形状態を電気的に検出するタイプの力覚センサに関する。   The present invention relates to a force sensor, and more particularly, to a force sensor of a type that causes a thin portion having flexibility based on an external force to be detected to bend and electrically detects the deformation state.

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

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

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

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

上述したタイプの力覚センサでは、力の検出感度を高めるためには、肉薄部の厚み寸法を小さくしたり、撓みやすい材質で構成したりして、その可撓性を高める必要がある。逆に、堅牢性を高めるためには、肉薄部の厚み寸法を大きくしたり、撓みにくい材質で構成したりして、その可撓性を低減する必要がある。このため、力覚センサを設計する際には、その用途に応じた力の測定レンジに合致した肉薄部を組む込むことになる。   In the force sensor of the type described above, in order to increase the force detection sensitivity, it is necessary to increase the flexibility by reducing the thickness dimension of the thin portion or by using a material that is easily bent. On the other hand, in order to increase the robustness, it is necessary to increase the thickness dimension of the thin part or to make the thin part difficult to bend to reduce the flexibility. For this reason, when designing a force sensor, a thin portion that matches the force measurement range according to the application is incorporated.

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

そこで本考案は、過度な外力が作用しても、肉薄部に障害が生じない構造を有する力覚センサを提供することを目的とする。   In view of the above, an object of the present invention is to provide a force sensor having a structure in which a thin portion is not damaged even when an excessive external force is applied.

(1) 本考案の第1の態様は、力覚センサを、
複数箇所にそれぞれ可撓性をもった上端側肉薄部が形成されている第1の基板と、
第1の基板の下方に所定の間隔をおいて対向するように配置され、各上端側肉薄部に対向する位置に、それぞれ可撓性をもった下端側肉薄部が形成されている第2の基板と、
互いに対向する位置にある上端側肉薄部と下端側肉薄部とについて、それぞれ上端側肉薄部の下面と下端側肉薄部の上面とを相互に接続する複数の柱状体と、
第2の基板を固定した状態において第1の基板に対して外力が作用した場合に、この外力によって各下端側肉薄部もしくは各上端側肉薄部の変形状態を電気的に測定する変形測定部と、
変形測定部の測定結果に基づいて、外力の向きおよび大きさを検出する検出回路と、
によって構成し、
第1の基板の周囲部分の所定箇所には、上面側から所定の深さまで掘られ、所定の径を有する凹部を形成し、
凹部の底面には、凹部の径よりも小さな径を有し、第1の基板の下面まで貫通する貫通孔を形成し、
貫通孔には、下端が第2の基板の上面に固定された係止ピンを挿通し、
この係止ピンを、「第2の基板の上面から上方に伸び、上端が凹部の底面より所定寸法だけ上方へ突き出し、貫通孔の径よりも小さな径を有する支柱部材」と、「この支柱部材の上端に接続され、貫通孔の径よりも大きく凹部の径よりも小さい径を有するストッパ部材」と、によって構成したものである。
(1) The first aspect of the present invention is a force sensor,
A first substrate in which a flexible upper end side thin portion is formed in each of a plurality of locations;
The second substrate is disposed so as to be opposed to the lower portion of the first substrate at a predetermined interval, and a flexible lower end side thin portion is formed at a position facing each upper end thin portion. A substrate,
A plurality of columnar bodies that mutually connect the lower surface of the upper end side thin portion and the upper surface of the lower end side thin portion with respect to the upper end side thin portion and the lower end side thin portion at positions facing each other,
A deformation measuring unit for electrically measuring a deformation state of each lower end side thin portion or each upper end side thin portion by the external force when an external force is applied to the first substrate in a state where the second substrate is fixed; ,
A detection circuit for detecting the direction and magnitude of the external force based on the measurement result of the deformation measuring unit;
Composed by
In a predetermined portion of the peripheral portion of the first substrate, a concave portion having a predetermined diameter is formed by digging to a predetermined depth from the upper surface side,
The bottom surface of the recess has a diameter smaller than the diameter of the recess, and a through-hole penetrating to the lower surface of the first substrate is formed,
The through hole is inserted with a locking pin whose lower end is fixed to the upper surface of the second substrate,
This locking pin is "a column member that extends upward from the upper surface of the second substrate, has an upper end protruding upward by a predetermined dimension from the bottom surface of the recess, and has a diameter smaller than the diameter of the through-hole" and "this column member And a stopper member having a diameter larger than the diameter of the through hole and smaller than the diameter of the concave portion.

(2) 本考案の第2の態様は、上述の第1の態様に係る力覚センサにおいて、
柱状体が、「上端側肉薄部と同一材料の一体構造体からなり、上端側肉薄部から下方に伸びる上方柱状突起部」と、「下端側肉薄部と同一材料の一体構造体からなり、下端側肉薄部から上方に伸びる下方柱状突起部」と、によって構成されているようにしたものである。
(2) A second aspect of the present invention is the force sensor according to the first aspect described above,
The columnar body is composed of an integral structure made of the same material as the upper end side thin portion and extends downward from the upper end side thin portion, and an integral structure of the same material as the lower end thin portion, and the lower end And a lower columnar protrusion extending upward from the side thin portion ”.

(3) 本考案の第3の態様は、上述の第1または第2の態様に係る力覚センサにおいて、
第2の基板の下面に接合された第3の基板を更に設け、
導電性材料からなる下端側肉薄部を、第3の基板の上面との間に所定の空間が確保されるように、第2の基板の下面よりも所定寸法だけ上方に配置し、
第3の基板の上面の下端側肉薄部の対向部分に、複数の電極を形成し、
変形測定部が、下端側肉薄部と複数の電極のそれぞれとの間の静電容量を電気的に検出することにより、下端側肉薄部の変形状態を測定するようにしたものである。
(3) A third aspect of the present invention is the force sensor according to the first or second aspect described above,
A third substrate bonded to the lower surface of the second substrate;
A lower end side thin portion made of a conductive material is disposed above the lower surface of the second substrate by a predetermined dimension so as to ensure a predetermined space between the upper surface of the third substrate,
A plurality of electrodes are formed on the opposing portion of the lower end side thin portion of the upper surface of the third substrate,
The deformation measurement unit is configured to measure the deformation state of the lower end side thin portion by electrically detecting the capacitance between the lower end side thin portion and each of the plurality of electrodes.

(4) 本考案の第4の態様は、上述の第1〜第3の態様に係る力覚センサにおいて、
貫通孔が内径φ10をもった円柱状の空洞からなり、凹部が内径φ20をもった円柱状の空洞からなり、支柱部材が外径φ30をもった円柱状の部材からなり、ストッパ部材が外径φ40をもった円柱状の部材からなり、
第1の基板に外力が作用していない状態において、貫通孔、凹部、支柱部材、ストッパ部材を構成する各円柱の中心軸が一致するような同心配置がなされ、φ30<φ10<φ40<φ20に設定されているようにしたものである。
(4) A fourth aspect of the present invention is the force sensor according to the first to third aspects described above,
The through hole is formed of a cylindrical cavity having an inner diameter φ10, the concave portion is formed of a cylindrical cavity having an inner diameter φ20, the support member is formed of a cylindrical member having an outer diameter φ30, and the stopper member is an outer diameter It consists of a cylindrical member with φ40,
In a state where no external force is applied to the first substrate, the concentric arrangement is made such that the central axes of the respective cylinders constituting the through hole, the concave portion, the column member, and the stopper member coincide with each other, and φ30 <φ10 <φ40 <φ20. It is what is set.

(5) 本考案の第5の態様は、上述の第1〜第4の態様に係る力覚センサにおいて、
第2の基板上面に、その中心点で直交する2本の配置軸と、この中心点を中心とする半径rの円と、を定義したときに、この円と2本の配置軸とが交差する4つの交点位置に4本の支柱部材が配置されており、各支柱部材の上端にそれぞれストッパ部材が固定されており、
第1の基板には、4本の支柱部材を挿通するのに適した4箇所に、それぞれ貫通孔および凹部が設けられているようにしたものである。
(5) A fifth aspect of the present invention is the force sensor according to the first to fourth aspects described above,
When two placement axes that are orthogonal to each other at the center point and a circle with a radius r centered on the center point are defined on the upper surface of the second substrate, the circle and the two placement axes intersect. Four strut members are arranged at the four intersection positions, and a stopper member is fixed to the upper end of each strut member,
In the first substrate, through holes and recesses are respectively provided at four locations suitable for inserting the four support members.

本考案に係る力覚センサによれば、外力の作用を受ける第1の基板の変位が、第2の基板の上面および係止ピンによって所定範囲内に制限されるため、過度な外力が作用しても、第1の基板の変位が安全な許容範囲内に抑えられる。したがって、過度な外力が作用しても、肉薄部に障害が生じない構造を実現できる。   According to the force sensor of the present invention, the displacement of the first substrate that receives the action of the external force is limited within a predetermined range by the upper surface of the second substrate and the locking pin, so that an excessive external force acts. However, the displacement of the first substrate is suppressed within a safe allowable range. Therefore, it is possible to realize a structure in which no trouble occurs in the thin portion even when an excessive external force is applied.

以下、本考案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 embodiment.

<<< §1.基本的実施形態の構成要素 >>>
図1は、本考案の基本的実施形態に係る力覚センサの側断面図であり、図2は、図1に示す力覚センサの右上部分の拡大側断面図である。ここでは、説明の便宜上、図1に示すように、この力覚センサのほぼ中心位置に原点Oを定義し、図示の各方向にX軸,Y軸,Z軸をもったXYZ三次元直交座標系を定義して以下の説明を行うことにする。図1は、この力覚センサをXZ平面に沿って切断した状態を示す側断面図であり、Y軸は紙面に対して垂直方向を向いていることになる。
<<< §1. Components of basic embodiment >>
FIG. 1 is a side sectional view of a force sensor according to a basic embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged side sectional view of an upper right portion of the force sensor shown in FIG. Here, for convenience of explanation, as shown in FIG. 1, an origin O is defined at the substantially central position of the force sensor, and XYZ three-dimensional orthogonal coordinates having an X axis, a Y axis, and a Z axis in the illustrated directions. The system will be defined and the following explanation will be given. FIG. 1 is a side sectional view showing a state in which the force sensor is cut along the XZ plane, and the Y-axis is oriented in a direction perpendicular to the paper surface.

図3は、図1に示す力覚センサを各部品に分解した状態を示す側断面図である。ここでは、まず、この図3を参照しながら、個々の部品の構造を説明する。図示のとおり、この力覚センサの基本構成要素は、第1の基板100、第2の基板200、第3の基板300である。ここで、第1の基板100、第2の基板200、第3の基板300は、同一の平面形状を有する角盤状の構成要素である。一方、係止ピン51,52は、後述するように、第1の基板100の変位を制御するために取り付けられる付加的な構成要素である。   FIG. 3 is a side sectional view showing a state where the force sensor shown in FIG. 1 is disassembled into parts. Here, first, the structure of each part will be described with reference to FIG. As illustrated, the basic components of the force sensor are a first substrate 100, a second substrate 200, and a third substrate 300. Here, the 1st board | substrate 100, the 2nd board | substrate 200, and the 3rd board | substrate 300 are square plate-shaped components which have the same planar shape. On the other hand, the locking pins 51 and 52 are additional components that are attached to control the displacement of the first substrate 100, as will be described later.

図4は、第1の基板100の上面図である。図示のとおり、第1の基板100は、平面形状が正方形をなす盤状の構成要素である。その上面の周囲部分の4箇所(X軸上方位置およびY軸上方位置)には、円柱状の凹部H21〜H24が掘られており、その底面には、より小さな径をもった円柱状の貫通孔H11〜H14が形成されている。   FIG. 4 is a top view of the first substrate 100. As illustrated, the first substrate 100 is a disk-shaped component having a square planar shape. Cylindrical recesses H21 to H24 are dug in four places (X-axis upper position and Y-axis upper position) around the upper surface, and a cylindrical through hole with a smaller diameter is formed on the bottom surface. Holes H11 to H14 are formed.

この凹部H21〜H24と貫通孔H11〜H14との位置関係は、図3の側断面図に明瞭に示されている(図3は、XZ平面に沿った側断面図であるので、凹部H21,H22と貫通孔H11,H12のみが示されている)。貫通孔H11〜H14を構成する各円柱と凹部H21〜H24を構成する各円柱は、それぞれ中心軸を共通にする同心配置になっている。また、貫通孔H11〜H14を構成する円柱の径をφ10,凹部を構成する円柱の径をφ20とすれば、φ10<φ20に設定されている。   The positional relationship between the recesses H21 to H24 and the through holes H11 to H14 is clearly shown in the side sectional view of FIG. 3 (FIG. 3 is a side sectional view along the XZ plane. Only H22 and through holes H11, H12 are shown). The cylinders constituting the through holes H11 to H14 and the cylinders constituting the recesses H21 to H24 are concentrically arranged with a common central axis. Further, if the diameter of the cylinder constituting the through holes H11 to H14 is φ10 and the diameter of the cylinder constituting the recess is φ20, then φ10 <φ20.

図4に破線で示されているとおり、第1の基板100の下面側には、4箇所(X軸上方位置およびY軸上方位置)にドーナツ状の溝が掘られており、このドーナツ状の溝の内側には、上方柱状突起部110,120,130,140が設けられ、ドーナツ状の溝の上方部分は、上端側肉薄部115,125,135,145を構成している。図4において、上方柱状突起部110,120,130,140の外周円と上端側肉薄部115,125,135,145の外周円は、それぞれ中心点を共通にする同心円になっている。   As indicated by broken lines in FIG. 4, doughnut-shaped grooves are dug in four places (X-axis upper position and Y-axis upper position) on the lower surface side of the first substrate 100. Upper columnar protrusions 110, 120, 130, and 140 are provided inside the groove, and the upper portion of the donut-shaped groove constitutes upper-end-side thin portions 115, 125, 135, and 145. In FIG. 4, the outer circumference circles of the upper columnar projections 110, 120, 130, and 140 and the outer circumference circles of the upper end side thin portions 115, 125, 135, and 145 are concentric circles having a common center point.

この上方柱状突起部110,120,130,140と上端側肉薄部115,125,135,145との位置関係は、図3の側断面図に明瞭に示されている(図3は、XZ平面に沿った側断面図であるので、上方柱状突起部110,120と上端側肉薄部115,125のみが示されている)。上端側肉薄部115,125,135,145の厚みは、可撓性を生じるのに十分な寸法に設定されており、厚み寸法を小さくすればするほど可撓性は増すが堅牢性は低下し、厚み寸法を大きくすればするほど可撓性は低下するが堅牢性は増すことになる。   The positional relationship between the upper columnar protrusions 110, 120, 130, and 140 and the upper end side thin portions 115, 125, 135, and 145 is clearly shown in the side sectional view of FIG. 3 (FIG. 3 shows the XZ plane). Only the upper columnar protrusions 110, 120 and the upper end side thin portions 115, 125 are shown). The thickness of the upper end side thin portions 115, 125, 135, and 145 is set to a dimension sufficient to produce flexibility. The smaller the thickness dimension, the greater the flexibility but the lower the robustness. As the thickness dimension increases, the flexibility decreases but the robustness increases.

一方、図5は、第2の基板200の上面図である。図示のとおり、第2の基板200も、平面形状が正方形をなす盤状の構成要素である。その上面の4箇所(X軸上方位置およびY軸上方位置)には、第1の基板100の下面に掘られたドーナツ状の溝に対向するように、対称形をなすドーナツ状の溝が掘られており、このドーナツ状の溝の内側には、下方柱状突起部210,220,230,240が設けられ、ドーナツ状の溝の下方部分は、下端側肉薄部215,225,235,245を構成している。図5において、下方柱状突起部210,220,230,240の外周円と上端側肉薄部215,225,235,245の外周円は、それぞれ中心点を共通にする同心円になっている。   On the other hand, FIG. 5 is a top view of the second substrate 200. As illustrated, the second substrate 200 is also a disk-shaped component having a square planar shape. Symmetrical donut-shaped grooves are dug in four locations on the upper surface (X-axis upper position and Y-axis upper position) so as to face the donut-shaped grooves dug in the lower surface of the first substrate 100. The lower columnar protrusions 210, 220, 230, and 240 are provided inside the donut-shaped groove, and the lower portion of the donut-shaped groove is provided with lower-end thin portions 215, 225, 235, and 245. It is composed. In FIG. 5, the outer circumference circles of the lower columnar projections 210, 220, 230, and 240 and the outer circumference circles of the upper end side thin portions 215, 225, 235, and 245 are concentric circles having a common center point.

この下方柱状突起部210,220,230,240と下端側肉薄部215,225,235,245との位置関係は、図3の側断面図に明瞭に示されている(図3は、XZ平面に沿った側断面図であるので、下方柱状突起部210,220と下端側肉薄部215,225のみが示されている)。下端側肉薄部215,225,235,245の厚みは、可撓性を生じるのに十分な寸法に設定されており、厚み寸法を小さくすればするほど可撓性は増すが堅牢性は低下し、厚み寸法を大きくすればするほど可撓性は低下するが堅牢性は増すことになる。   The positional relationship between the lower columnar projections 210, 220, 230, and 240 and the lower end side thin portions 215, 225, 235, and 245 is clearly shown in the side sectional view of FIG. 3 (FIG. 3 shows the XZ plane). Only the lower columnar protrusions 210 and 220 and the lower end thin portions 215 and 225 are shown). The thickness of the lower end side thin portions 215, 225, 235, and 245 is set to a dimension sufficient to produce flexibility. The smaller the thickness dimension, the greater the flexibility but the lower the robustness. As the thickness dimension increases, the flexibility decreases but the robustness increases.

なお、図3に示すとおり、上端側肉薄部115,125,135,145は、第1の基板100の上面位置に形成されているのに対して、下端側肉薄部215,225,235,245は、第2の基板200の上面と下面とのほぼ中間位置に形成されている。そのため、下端側肉薄部215,225,235,245の下方には、それぞれ円柱状の空洞部が形成されている。この空洞部には、後述するように、変形測定部が形成されることになる。   As shown in FIG. 3, the upper end side thin portions 115, 125, 135, and 145 are formed at the upper surface position of the first substrate 100, whereas the lower end side thin portions 215, 225, 235, and 245 are formed. Is formed at a substantially intermediate position between the upper surface and the lower surface of the second substrate 200. Therefore, cylindrical hollow portions are respectively formed below the lower end side thin portions 215, 225, 235, and 245. In this hollow portion, as will be described later, a deformation measuring portion is formed.

図6は、第3の基板300の上面図である。図示のとおり、第3の基板300も、平面形状が正方形をなす盤状の構成要素である。その上面には、図示のとおり、合計20枚の電極E11〜E45が配置されている。この20枚の電極は、図示のとおり、5枚ずつ4組の電極群に分けられる。第1のグループに所属する5枚の電極E11〜E15は、下方柱状突起部210および下端側肉薄部215に対向する位置に配置されており、下端側肉薄部215の変形状態の測定に利用される。第2のグループに所属する5枚の電極E21〜E25は、下方柱状突起部220および下端側肉薄部225に対向する位置に配置されており、下端側肉薄部225の変形状態の測定に利用される。第3のグループに所属する5枚の電極E31〜E35は、下方柱状突起部230および下端側肉薄部235に対向する位置に配置されており、下端側肉薄部235の変形状態の測定に利用される。第4のグループに所属する5枚の電極E41〜E45は、下方柱状突起部240および下端側肉薄部245に対向する位置に配置されており、下端側肉薄部245の変形状態の測定に利用される。   FIG. 6 is a top view of the third substrate 300. As illustrated, the third substrate 300 is also a disk-shaped component having a square planar shape. As shown in the drawing, a total of 20 electrodes E11 to E45 are arranged on the upper surface. The 20 electrodes are divided into 4 electrode groups each having 5 sheets as shown. The five electrodes E11 to E15 belonging to the first group are arranged at positions facing the lower columnar protrusion 210 and the lower end thin portion 215, and are used for measuring the deformation state of the lower end thin portion 215. The The five electrodes E21 to E25 belonging to the second group are arranged at positions facing the lower columnar projection 220 and the lower end thin part 225, and are used for measuring the deformation state of the lower end thin part 225. The The five electrodes E31 to E35 belonging to the third group are disposed at positions facing the lower columnar protrusion 230 and the lower end thin portion 235, and are used for measuring the deformation state of the lower end thin portion 235. The The five electrodes E41 to E45 belonging to the fourth group are arranged at positions facing the lower columnar protrusion 240 and the lower end thin portion 245, and are used for measuring the deformation state of the lower end thin portion 245. The

各グループに所属する5枚の電極のうち、1枚は下方柱状突起部の中心軸の延長線上に中心点をもった円形の電極であり、残りの4枚は、その周囲を取り囲むように配置された扇形の電極である。たとえば、図6において、電極E15は、下方柱状突起部210の中心軸の延長線上に中心点をもった円形の電極であり、電極E11〜E14は、その周囲を取り囲む位置に配置された扇形の電極である。   Of the five electrodes belonging to each group, one is a circular electrode with a center point on the extension of the central axis of the lower columnar projection, and the remaining four are arranged to surround the periphery This is a fan-shaped electrode. For example, in FIG. 6, the electrode E15 is a circular electrode having a center point on the extension line of the central axis of the lower columnar protrusion 210, and the electrodes E11 to E14 are fan-shaped electrodes arranged at positions surrounding the periphery. Electrode.

第1の基板100は、上端側肉薄部が測定に十分な可撓性を有する材質で構成する必要があるので、ステンレス、アルミニウム、チタンなどの金属で構成するのが好ましい。また、第2の基板200は、下端側肉薄部が測定に十分な可撓性を有し、かつ、導電性の材質で構成する必要があるので、やはりステンレス、アルミニウム、チタンなどの金属で構成するのが好ましい。一方、第3の基板300は、その上面に、図6に示す20枚の電極E11〜E45を形成する必要があるので、これらの電極が相互に短絡しないように、たとえば、セラミックなどの絶縁性基板で構成するのが好ましい。なお、図6では図示を省略しているが、各電極E11〜E45に対しては、第3の基板300の上面において、外部の検出回路に対する配線がなされている。   The first substrate 100 is preferably made of a metal such as stainless steel, aluminum, titanium, or the like because the upper end side thin portion needs to be made of a material having sufficient flexibility for measurement. In addition, the second substrate 200 needs to be formed of a conductive material because the lower end side thin portion has sufficient flexibility for measurement, and is also formed of a metal such as stainless steel, aluminum, titanium, or the like. It is preferable to do this. On the other hand, since it is necessary to form the 20 electrodes E11 to E45 shown in FIG. 6 on the upper surface of the third substrate 300, in order to prevent these electrodes from being short-circuited with each other, for example, an insulating material such as ceramics is used. It is preferable to use a substrate. Although not shown in FIG. 6, the electrodes E <b> 11 to E <b> 45 are wired to an external detection circuit on the upper surface of the third substrate 300.

図3に示すように、第1のグループに所属する5枚の電極E11〜E15の上方には、導電性材料からなる下端側肉薄部215が所定間隔をおいて対向するように配置されている。このため、各電極E11〜E15と下端側肉薄部215の各対向領域とによって、静電容量素子C11〜C15が形成されることになる。この静電容量素子C11〜C15は、下端側肉薄部215の変形状態を電気的に測定する変形測定部S1として機能する。また、第2のグループに所属する5枚の電極E21〜E25とその上方に配置された下端側肉薄部225の各対向領域とによって形成される静電容量素子C21〜C25は、下端側肉薄部225の変形状態を電気的に測定する変形測定部S2として機能する。同様に、第3のグループに所属する5枚の電極E31〜E35とその上方に配置された下端側肉薄部235の各対向領域とによって形成される静電容量素子C31〜C35は、下端側肉薄部235の変形状態を電気的に測定する変形測定部S3として機能し、第4のグループに所属する5枚の電極E41〜E45とその上方に配置された下端側肉薄部245の各対向領域とによって形成される静電容量素子C41〜C45は、下端側肉薄部245の変形状態を電気的に測定する変形測定部S4として機能する。   As shown in FIG. 3, above the five electrodes E11 to E15 belonging to the first group, a lower end side thin portion 215 made of a conductive material is arranged to face each other with a predetermined interval. . For this reason, the capacitive elements C11 to C15 are formed by the electrodes E11 to E15 and the opposing regions of the lower end side thin portion 215. The capacitance elements C11 to C15 function as a deformation measuring unit S1 that electrically measures the deformation state of the lower end side thin portion 215. Further, the capacitance elements C21 to C25 formed by the five electrodes E21 to E25 belonging to the second group and the opposing regions of the lower end side thin portion 225 disposed above the electrodes are the lower end side thin portion. It functions as a deformation measuring unit S2 that electrically measures the deformation state of 225. Similarly, the capacitance elements C31 to C35 formed by the five electrodes E31 to E35 belonging to the third group and the opposing regions of the lower end side thin portion 235 arranged above the electrodes are the lower end side thin portion. Each of the opposing regions of the five electrodes E41 to E45 belonging to the fourth group and the lower-side thin part 245 disposed above the functioning as a deformation measuring unit S3 that electrically measures the deformation state of the unit 235 The electrostatic capacitance elements C41 to C45 formed by the above function as a deformation measuring unit S4 that electrically measures the deformation state of the lower end side thin portion 245.

外部に設けられた検出回路(図示省略)は、これら変形測定部S1〜S4の測定結果に基づいて、第1の基板100に作用した外力の向きおよび大きさを検出する機能を果たす。   A detection circuit (not shown) provided outside has a function of detecting the direction and magnitude of the external force applied to the first substrate 100 based on the measurement results of the deformation measurement units S1 to S4.

<<< §2.基本的実施形態の構造 >>>
図1に示す力覚センサは、図3に示す第1の基板100,第2の基板200,第3の基板300を上下方向に重ねて接合し、更に、係止ピン51〜54を取り付けたものである。すなわち、第1の基板100と第2の基板200との接合は、上方柱状突起部110,120,130,140の各下端を、下方柱状突起部210,220,230,240の各上端に接合することによってなされる。このとき、上方柱状突起部110,120,130,140の各下端は、第1の基板100の下面よりも若干下方に突き出しており、下方柱状突起部210,220,230,240の各上端は、第2の基板200の上面よりも若干上方に突き出しているため、第1の基板100の下面と第2の基板200の上面とは、所定の空隙を確保した状態で平行になる。図2に示す寸法L1は、この空隙の寸法を示すものである。
<<< §2. Structure of basic embodiment >>
The force sensor shown in FIG. 1 has the first substrate 100, the second substrate 200, and the third substrate 300 shown in FIG. 3 joined in an up-and-down direction, and further, locking pins 51 to 54 are attached. Is. That is, the first substrate 100 and the second substrate 200 are joined by joining the lower ends of the upper columnar protrusions 110, 120, 130, and 140 to the upper ends of the lower columnar protrusions 210, 220, 230, and 240, respectively. Made by doing. At this time, the lower ends of the upper columnar protrusions 110, 120, 130, and 140 protrude slightly below the lower surface of the first substrate 100, and the upper ends of the lower columnar protrusions 210, 220, 230, and 240 are Since it protrudes slightly above the upper surface of the second substrate 200, the lower surface of the first substrate 100 and the upper surface of the second substrate 200 are parallel to each other while a predetermined gap is secured. A dimension L1 shown in FIG. 2 indicates the dimension of the gap.

結局、上端側肉薄部115と同一材料の一体構造体からなり、上端側肉薄部115から下方に伸びる上方柱状突起部110と、下端側肉薄部215と同一材料の一体構造体からなり、下端側肉薄部215から上方に伸びる下方柱状突起部210と、を接合することによって、1本の柱が構成されることになる。以下、この柱を柱状体T1と呼ぶことにする。同様に、上方柱状突起部120と下方柱状突起部220とを接合することにより得られる柱を柱状体T2と呼び、上方柱状突起部130と下方柱状突起部230とを接合することにより得られる柱を柱状体T3と呼び、上方柱状突起部140と下方柱状突起部240とを接合することにより得られる柱を柱状体T4と呼ぶ。   After all, it consists of an integral structure of the same material as the upper end side thin portion 115, an upper columnar projection 110 extending downward from the upper end thin portion 115, and an integral structure of the same material as the lower end thin portion 215, and the lower end side. One column is formed by joining the lower columnar protrusion 210 extending upward from the thin portion 215. Hereinafter, this column is referred to as a columnar body T1. Similarly, a column obtained by joining the upper columnar projection 120 and the lower columnar projection 220 is called a columnar body T2, and a column obtained by joining the upper columnar projection 130 and the lower columnar projection 230. Is called a columnar body T3, and a column obtained by joining the upper columnar protrusion 140 and the lower columnar protrusion 240 is called a columnar body T4.

一方、第2の基板200の下面は、第3の基板300の上面に接合される。前述したとおり、下端側肉薄部215,225,235,245の下方には、それぞれ円柱状の空洞部が形成されており、各電極E11〜E45は、この空洞部内に収容されることになる。   On the other hand, the lower surface of the second substrate 200 is bonded to the upper surface of the third substrate 300. As described above, columnar cavities are formed below the lower end side thin portions 215, 225, 235, and 245, and the electrodes E11 to E45 are accommodated in the cavities.

更に、各貫通孔H11〜H14内には、係止ピン51〜54が挿通され、その下端は第2の基板200の上面に固定される。図3に示すように、係止ピン51は、径φ30をもった円柱状の支柱部材31と、径φ40をもった円柱状のストッパ部材41によって構成されており、係止ピン52は、径φ30をもった円柱状の支柱部材32と、径φ40をもった円柱状のストッパ部材42によって構成されている。図示は省略するが、係止ピン53,54も同様の構造をもつ。図示のとおり、各ストッパ部材は各支柱部材の上端の同心位置に固着されている。ここに示す例の場合、係止ピン51〜54は、ステンレスなどの金属によって構成されており、第2の基板200の上層部分にネジなどを利用して固定されている。   Further, the locking pins 51 to 54 are inserted into the through holes H11 to H14, and the lower ends thereof are fixed to the upper surface of the second substrate 200. As shown in FIG. 3, the locking pin 51 includes a columnar column member 31 having a diameter φ30 and a columnar stopper member 41 having a diameter φ40. It is constituted by a columnar column member 32 having φ30 and a columnar stopper member 42 having a diameter φ40. Although illustration is omitted, the locking pins 53 and 54 have the same structure. As illustrated, each stopper member is fixed to a concentric position at the upper end of each column member. In the example shown here, the locking pins 51 to 54 are made of a metal such as stainless steel, and are fixed to the upper layer portion of the second substrate 200 using screws or the like.

図2の拡大側断面図に示されているとおり、貫通孔H11は内径φ10をもった円柱状の空洞からなり、凹部H21は内径φ20をもった円柱状の空洞からなり、支柱部材31は外径φ30をもった円柱状の部材からなり、ストッパ部材41は外径φ40をもった円柱状の部材からなる。そして、第1の基板100に外力が作用していない状態において、貫通孔H11、凹部H21、支柱部材31、ストッパ部材41を構成する各円柱の中心軸が一致するような同心配置がなされ、φ30<φ10<φ40<φ20に設定されている。また、第1の基板100に外力が作用していない状態において、第1の基板100の下面と第2の基板200の上面との間には空隙寸法L1が確保されており、凹部H21の底面とストッパ部材41の下面との間には空隙寸法L2が確保されている。他の3箇所に取り付けられた係止ピン52,53,54の周辺の構造も全く同様である。   As shown in the enlarged side sectional view of FIG. 2, the through hole H11 is formed of a cylindrical cavity having an inner diameter φ10, the concave portion H21 is formed of a cylindrical cavity having an inner diameter φ20, and the column member 31 is externally provided. The stopper member 41 is made of a columnar member having an outer diameter φ40. Then, in a state where no external force is applied to the first substrate 100, a concentric arrangement is made such that the central axes of the respective cylinders constituting the through hole H11, the recess H21, the support member 31, and the stopper member 41 coincide with each other, and φ30 <Φ10 <φ40 <φ20 is set. Further, in the state where no external force is applied to the first substrate 100, a gap dimension L1 is secured between the lower surface of the first substrate 100 and the upper surface of the second substrate 200, and the bottom surface of the recess H21. And the lower surface of the stopper member 41 have a gap dimension L2. The structure around the locking pins 52, 53, and 54 attached to the other three locations is exactly the same.

前述したとおり、図4は、第1の基板100の上面図であり、周囲部分の4箇所に貫通孔H11〜H14が設けられている。係止ピン51〜54は、それぞれ貫通孔H11〜H14を挿通した状態で、第2の基板200の上面に固定される。したがって、第2の基板200の上面に、その中心点で直交する2本の配置軸と、この中心点を中心とする半径rの円と、を定義した場合、係止ピン51〜54の下部を構成する4本の支柱部材31〜34は、上記円と2本の配置軸とが交差する4つの交点位置に配置されることになる。第1の基板100に設けられた貫通孔H11〜H14および凹部H21〜H24は、上記4本の支柱部材31〜34を挿通するのに適した位置に配置されており、各支柱部材31〜34の上端に固定されたストッパ部材41〜44は、それぞれ凹部H21〜H24の中心位置に収まることになる。   As described above, FIG. 4 is a top view of the first substrate 100, and the through holes H11 to H14 are provided at four locations in the peripheral portion. The locking pins 51 to 54 are fixed to the upper surface of the second substrate 200 in a state of being inserted through the through holes H11 to H14, respectively. Therefore, when two arrangement axes perpendicular to the center point and a circle with a radius r centering on the center point are defined on the upper surface of the second substrate 200, the lower portions of the locking pins 51 to 54 are defined. The four strut members 31 to 34 constituting the are arranged at four intersection positions where the circle and the two arrangement axes intersect. The through holes H11 to H14 and the recesses H21 to H24 provided in the first substrate 100 are arranged at positions suitable for inserting the four column members 31 to 34, and the column members 31 to 34 are disposed. The stopper members 41 to 44 fixed to the upper ends of the recesses fit in the center positions of the recesses H21 to H24, respectively.

結局、図1に示す力覚センサの主たる構成要素は、次のとおりである。
(1) 4箇所にそれぞれ可撓性をもった上端側肉薄部115,125,135,145が形成されている第1の基板100
(2) この第1の基板100の下方に所定の間隔L1をおいて対向するように配置され、各上端側肉薄部115,125,135,145に対向する位置に、それぞれ可撓性をもった下端側肉薄部215,225,235,245が形成されている第2の基板200
(3) 互いに対向する位置にある上端側肉薄部115,125,135,145の下面と下端側肉薄部215,225,235,245の上面とを、それぞれ相互に接続する柱状体T1,T2,T3,T4
(4) 第2の基板200の下面に接合された第3の基板300
(5) 第2の基板200を固定した状態において第1の基板100に対して外力が作用した場合に、各柱状体T1,T2,T3,T4から伝達される力によって生じる各下端側肉薄部215,225,235,245の変形状態を電気的に測定する変形測定部S1〜S4(具体的には、導電性をもった下端側肉薄部215,225,235,245自身と、これらに対向する電極E11〜E45)
(6) これら変形測定部S1〜S4の測定結果に基づいて、作用した外力の向きおよび大きさを検出する検出回路(図示されていない)
After all, the main components of the force sensor shown in FIG. 1 are as follows.
(1) First substrate 100 in which upper-end thin portions 115, 125, 135, and 145 having flexibility are formed at four locations, respectively.
(2) The first substrate 100 is disposed below the first substrate 100 with a predetermined interval L1 so as to be opposed to each other, and has flexibility at positions opposed to the respective upper end side thin portions 115, 125, 135, 145. The second substrate 200 on which the lower end side thin portions 215, 225, 235, 245 are formed.
(3) Columnar bodies T1, T2, which respectively connect the lower surfaces of the upper-side thin portions 115, 125, 135, 145 and the upper surfaces of the lower-side thin portions 215, 225, 235, 245 at the positions facing each other. T3, T4
(4) Third substrate 300 bonded to the lower surface of second substrate 200
(5) When the external force is applied to the first substrate 100 in a state where the second substrate 200 is fixed, each lower-side thin portion generated by the force transmitted from each columnar body T1, T2, T3, T4 Deformation measuring units S1 to S4 that electrically measure the deformation state of 215, 225, 235, and 245 (specifically, the lower end side thin portions 215, 225, 235, and 245 having conductivity, and facing them) Electrodes E11 to E45)
(6) A detection circuit (not shown) for detecting the direction and magnitude of the applied external force based on the measurement results of the deformation measuring units S1 to S4.

しかも、この力覚センサでは、第1の基板100の周囲部分の所定箇所に、「上面側から所定の深さまで掘られ、所定の径φ20を有する凹部H21〜H24」が形成されており、更に、この凹部H21〜H24の底面には、「凹部の径φ20よりも小さな径φ10を有し、第1の基板100の下面まで貫通する貫通孔H11〜H14」が形成されている。そして、各貫通孔H11〜H14には、下端が第2の基板200の上面に固定された係止ピン51〜54が挿通している。ここで、この係止ピン51〜54は、「第2の基板200の上面から上方に伸び、上端が凹部H21〜H24の底面より所定寸法L2だけ上方へ突き出し、貫通孔H11〜H14の径φ10よりも小さな径φ30を有する支柱部材31〜34」と、「この支柱部材31〜34の上端に接続され、貫通孔H11〜H14の径φ10よりも大きく凹部の径φ20よりも小さい径φ40を有するストッパ部材41〜44」と、を有していることになる。   Moreover, in this force sensor, “recesses H21 to H24 that are dug to a predetermined depth from the upper surface side and have a predetermined diameter φ20” are formed at predetermined locations around the first substrate 100. Further, In the bottom surfaces of the recesses H21 to H24, “through holes H11 to H14 having a diameter φ10 smaller than the recess diameter φ20 and penetrating to the lower surface of the first substrate 100” are formed. Then, through the through holes H11 to H14, locking pins 51 to 54 whose lower ends are fixed to the upper surface of the second substrate 200 are inserted. Here, the locking pins 51 to 54 are “extending upward from the upper surface of the second substrate 200, the upper ends projecting upward from the bottom surfaces of the recesses H 21 to H 24 by a predetermined dimension L 2, and the diameter φ10 of the through holes H 11 to H 14. Column member 31 to 34 having a smaller diameter φ30 ”and“ having a diameter φ40 that is connected to the upper ends of the column members 31 to 34 and is larger than the diameter φ10 of the through holes H11 to H14 and smaller than the diameter φ20 of the recess. Stopper members 41 to 44 ".

<<< §3.基本的実施形態における変位制御 >>>
続いて、図1に示す構造をもった力覚センサにおいて、外力の作用を直接受ける第1の基板100の変位制御が適確に行われることを説明する。この力覚センサによる力検出の基本原理は、第2の基板200および第3の基板300を固定した状態において、第1の基板100に対して外力を作用させ、各肉薄部に撓みを生じさせ、下端側肉薄部215,225,235,245の変形状態を変形測定部S1〜S4で測定し、検出回路によって、作用した外力の向きおよび大きさを検出する、というものである。
<<< §3. Displacement control in basic embodiment >>
Next, it will be described that in the force sensor having the structure shown in FIG. 1, the displacement control of the first substrate 100 that directly receives the action of the external force is appropriately performed. The basic principle of force detection by the force sensor is that an external force is applied to the first substrate 100 in a state where the second substrate 200 and the third substrate 300 are fixed, and each thin portion is bent. The deformation state of the lower end side thin portions 215, 225, 235, 245 is measured by the deformation measurement units S1 to S4, and the direction and magnitude of the applied external force are detected by the detection circuit.

第1の基板100に作用する外力が大きければ大きいほど、第1の基板100は大きな変位を生じることになり、その結果、各肉薄部に生じる変形の度合いは大きくなる。しかしながら、既に述べたとおり、測定レンジをはるかに超えるような過大な外力が作用すると、各肉薄部にその弾性変形の限界を超えた過大な撓みが生じることになり、外力を取り去った後も各肉薄部の形が元に復帰しなかったり、各肉薄部に破損が生じたりする弊害が生じる。図1に示す力覚センサは、第1の基板100の変位量を許容範囲内に抑制する構造を有しているため、たとえ過度な外力が作用したとしても、第1の基板100の変位は制御され、各肉薄部に障害が生じるのを防ぐ機能を有している。   The greater the external force that acts on the first substrate 100, the greater the displacement of the first substrate 100. As a result, the degree of deformation that occurs in each thin portion increases. However, as described above, if an excessive external force far exceeding the measurement range is applied, each thin section will be excessively bent beyond its elastic deformation limit. There is a problem that the shape of the thin portion does not return to its original shape, or the thin portions are damaged. The force sensor shown in FIG. 1 has a structure that suppresses the amount of displacement of the first substrate 100 within an allowable range. Therefore, even if an excessive external force is applied, the displacement of the first substrate 100 is It is controlled and has a function of preventing the occurrence of failure in each thin portion.

たとえば、図7は、第1の基板100に対して、Z軸正方向の力+Fzが作用した場合の変位制御を示す側断面図である。Z軸正方向の力+Fzは、図示のとおり、第1の基板100を上方へと変位させる力であり、各肉薄部は、図示のような撓みを生じることになる。この力覚センサの場合、Z軸正方向への変位は、最大でも図2に示す空隙寸法L2になるように制御される。これは、第1の基板100がZ軸正方向にL2だけ変位すると、図7に示すように、凹部H21〜H24の底面周囲部が、係止ピン51〜54の頭部をなすストッパ部材41〜44の下面周囲部に当接し、これ以上の上方への変位を妨げるためである。空隙寸法L2を適当な値に設定しておけば、第1の基板100の上方への変位を、各肉薄部が損傷を受けない範囲内に抑制することができる。   For example, FIG. 7 is a side sectional view showing displacement control when a force + Fz in the positive direction of the Z axis is applied to the first substrate 100. The force + Fz in the positive direction of the Z axis is a force that displaces the first substrate 100 upward as shown in the figure, and each thin portion is bent as shown in the figure. In the case of this force sensor, the displacement in the positive direction of the Z-axis is controlled so as to be at most the gap dimension L2 shown in FIG. This is because when the first substrate 100 is displaced by L2 in the positive direction of the Z-axis, as shown in FIG. 7, the bottom peripheral portions of the concave portions H21 to H24 form the heads of the locking pins 51 to 54. This is because it abuts on the periphery of the lower surface of ˜44 and prevents further upward displacement. If the gap dimension L2 is set to an appropriate value, the upward displacement of the first substrate 100 can be suppressed within a range in which each thin portion is not damaged.

一方、図8は、第1の基板100に対して、Z軸負方向の力−Fzが作用した場合の変位制御を示す側断面図である。Z軸負方向の力−Fzは、図示のとおり、第1の基板100を下方へと変位させる力であり、各肉薄部は、図示のような撓みを生じることになる。この力覚センサの場合、Z軸負方向への変位は、最大でも図2に示す空隙寸法L1になるように制御される。これは、第1の基板100がZ軸負方向にL1だけ変位すると、図8に示すように、第1の基板100の下面が第2の基板200の上面に当接し、これ以上の下方への変位を妨げるためである。空隙寸法L1を適当な値に設定しておけば、第1の基板100の下方への変位を、各肉薄部が損傷を受けない範囲内に抑制することができる。   On the other hand, FIG. 8 is a side sectional view showing displacement control when a force −Fz in the negative Z-axis direction acts on the first substrate 100. As shown in the drawing, the Z-axis negative direction force -Fz is a force that displaces the first substrate 100 downward, and each thin portion is bent as shown in the drawing. In the case of this force sensor, the displacement in the negative Z-axis direction is controlled so as to be at most the gap dimension L1 shown in FIG. This is because when the first substrate 100 is displaced by L1 in the negative Z-axis direction, the lower surface of the first substrate 100 comes into contact with the upper surface of the second substrate 200 as shown in FIG. This is to prevent displacement. If the gap dimension L1 is set to an appropriate value, the downward displacement of the first substrate 100 can be suppressed within a range in which each thin portion is not damaged.

続いて、モーメントが作用した場合を考えよう。図9は、第1の基板100に対して、Y軸正方向まわり(ここでは、右ねじをY軸正方向に進めるための回転方向をY軸正方向まわりと呼ぶことにする)のモーメント+Myが作用した場合の変位制御を示す側断面図である。Y軸正方向まわりのモーメント+Myは、図示のとおり、第1の基板100の右端を下方へ、左端を上方へと変位させる力であり、各肉薄部には、図示のような撓みが生じることになる。この力覚センサでは、このようなモーメント+Myに基づく変位は、最大でも図9に示す状態になるように制御される。これは、第1の基板100の右端が下方へと変位すると、図9に示すように、その下面が第2の基板200の上面に当接し、これ以上の下方への変位を妨げるとともに、第1の基板100の左端が上方へと変位すると、図9に示すように、凹部H22の底面周囲部が、係止ピン52の頭部をなすストッパ部材42の下面周囲部に当接し、これ以上の上方への変位を妨げるためである。   Next, consider the case where a moment is applied. FIG. 9 shows the moment + My about the first substrate 100 around the Y-axis positive direction (here, the rotational direction for advancing the right screw in the Y-axis positive direction is called the Y-axis positive direction). It is a sectional side view which shows the displacement control when acted. As shown in the drawing, the moment + My about the positive direction of the Y-axis is a force that displaces the right end of the first substrate 100 downward and the left end upward, and each thin portion is bent as shown in the drawing. become. In this force sensor, the displacement based on such moment + My is controlled so as to be in the state shown in FIG. 9 at the maximum. This is because when the right end of the first substrate 100 is displaced downward, as shown in FIG. 9, its lower surface abuts on the upper surface of the second substrate 200, preventing further downward displacement, and When the left end of one substrate 100 is displaced upward, as shown in FIG. 9, the peripheral portion of the bottom surface of the recess H22 comes into contact with the peripheral portion of the lower surface of the stopper member 42 that forms the head of the locking pin 52. This is to prevent the upward displacement of.

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

一方、図10は、第1の基板100に対して、X軸正方向の力+Fxが作用した場合の変位制御を示す側断面図である。X軸正方向の力+Fxは、図示のとおり、第1の基板100を図の右方向へと変位させる力であり、各肉薄部には、図示のような撓みが生じることになる。この力覚センサの場合、X軸正方向への変位は、最大でも図10に示す状態になるように制御される。これは、第1の基板100がX軸正方向に図示の位置まで変位すると、凹部H21〜H24の側壁部が係止ピン51〜54の頭部をなすストッパ部材41〜44の外周面に当接し、これ以上の右方への変位を妨げるためである。図11は、図10の状態を示す上面図であり、4つの凹部H21〜H24の側壁部が、それぞれストッパ部材41〜44の外周面に当接した状態が明瞭に示されている。   On the other hand, FIG. 10 is a side sectional view showing displacement control when a force + Fx in the positive direction of the X-axis is applied to the first substrate 100. As shown in the figure, the X-axis positive direction force + Fx is a force that displaces the first substrate 100 in the right direction in the drawing, and the thin portions are bent as shown in the drawing. In the case of this force sensor, the displacement in the X-axis positive direction is controlled so as to be in the state shown in FIG. 10 at the maximum. This is because when the first substrate 100 is displaced in the X-axis positive direction to the position shown in the drawing, the side walls of the recesses H21 to H24 abut against the outer peripheral surfaces of the stopper members 41 to 44 forming the heads of the locking pins 51 to 54. This is to prevent further displacement to the right. FIG. 11 is a top view showing the state of FIG. 10 and clearly shows a state in which the side walls of the four recesses H21 to H24 are in contact with the outer peripheral surfaces of the stopper members 41 to 44, respectively.

逆に、X軸負方向の力−Fxが作用した場合は、図10を左右反転させた状態になるので、同様にして、その変位は所定の許容範囲に制御される。また、Y軸正方向の力+FyやY軸負方向の力−Fyが作用した場合も、同様の変位制御が行われることになる。前述したとおり、凹部H21〜H24の内径はφ20、ストッパ部材41〜44の外径はφ40であるから、結局、X軸およびY軸に関する正または負方向への変位は、最大でも「(φ20−φ40)/2」なる値に制御されることになる。したがって、寸法値φ20,φ40を適当な値に設定しておけば、第1の基板100の水平方向への変位を、各肉薄部が損傷を受けない範囲内に抑制することができる。   On the contrary, when the force -Fx in the negative X-axis direction is applied, the state is reversed left and right in FIG. 10, and similarly, the displacement is controlled within a predetermined allowable range. The same displacement control is also performed when a force + Fy in the Y-axis positive direction or a force -Fy in the Y-axis negative direction is applied. As described above, since the inner diameter of the recesses H21 to H24 is φ20 and the outer diameter of the stopper members 41 to 44 is φ40, the displacement in the positive or negative direction with respect to the X axis and the Y axis is eventually “(φ20− It is controlled to a value of “φ40) / 2”. Therefore, if the dimension values φ20 and φ40 are set to appropriate values, the displacement of the first substrate 100 in the horizontal direction can be suppressed within a range in which each thin portion is not damaged.

最後に、Z軸まわりのモーメントが作用した場合を考えよう。図12は、第1の基板100に対して、Z軸正方向まわりのモーメント+Mzが作用した場合の変位制御を示す上面図である。Z軸正方向まわりのモーメント+Mzは、図示のとおり、上方から見た場合に、第1の基板100を反時計回りに回転変位させる力である。この力覚センサでは、このようなモーメント+Mzに基づく変位は、最大でも図12に示す状態になるように制御される。これは、第1の基板100が反時計回りに回転変位すると、図示のとおり、4つの凹部H21〜H24の側壁部が、それぞれストッパ部材41〜44の外周面に当接し、これ以上の反時計回りへの回転変位を妨げるためである。   Finally, consider the case where a moment around the Z axis is applied. FIG. 12 is a top view showing displacement control when a moment + Mz around the positive direction of the Z-axis is applied to the first substrate 100. As shown in the drawing, the moment + Mz about the positive direction of the Z-axis is a force that rotates and displaces the first substrate 100 counterclockwise when viewed from above. In this force sensor, the displacement based on the moment + Mz is controlled so as to be in the state shown in FIG. 12 at the maximum. This is because when the first substrate 100 is rotationally displaced counterclockwise, the side walls of the four recesses H21 to H24 come into contact with the outer peripheral surfaces of the stopper members 41 to 44, respectively, as shown in the figure. This is to prevent rotational displacement around.

逆に、Z軸負方向まわりのモーメント−Mzが作用した場合は、上方から見ると、第1の基板100を時計回りに回転変位させることになる。この場合も同様に、4つの凹部H21〜H24の側壁部が、それぞれストッパ部材41〜44の外周面に当接し、これ以上の時計回りへの回転変位が妨げられる。   Conversely, when the moment -Mz around the negative Z-axis direction is applied, the first substrate 100 is rotationally displaced clockwise when viewed from above. In this case as well, the side walls of the four recesses H21 to H24 abut against the outer peripheral surfaces of the stopper members 41 to 44, respectively, and further clockwise displacement is prevented.

かくして、図1に示す力覚センサでは、第1の基板100に対して、X軸方向の力±Fx、Y軸方向の力±Fy、Z軸方向の力±Fz、X軸まわりのモーメント±Mx、Y軸まわりのモーメント±My、Z軸まわりのモーメント±Mzのいずれが作用した場合にも、その変位が所定の許容範囲に抑制されることになる。このように、各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントのいずれが加えられても、第1の基板100に対する変位制御が適確に行われることは非常に重要な効果である。   Thus, in the force sensor shown in FIG. 1, the force ± Fx in the X-axis direction, the force ± Fy in the Y-axis direction, the force ± Fz in the Z-axis direction, and the moment ± about the X-axis are applied to the first substrate 100. Regardless of which of Mx, the moment about the Y axis ± My, or the moment about the Z axis ± Mz, the displacement is suppressed within a predetermined allowable range. As described above, it is a very important effect that the displacement control with respect to the first substrate 100 is accurately performed regardless of any of the force in the direction of each coordinate axis and the moment around each coordinate axis.

力覚センサを何らかの製品に組み込んで実際に利用する場合、本来の測定対象となる外力を検出する通常の使用環境だけでなく、ユーザが製品自体を物にぶつけたり、床の上に落下させたりする非常事態も考慮に入れておく必要がある。そのような非常事態では、どの方向から力覚センサにどのような衝撃力が加わるかを予測することはできない。ここに示す実施形態では、上述したように、3軸方向の力±Fx,±Fy,±Fz、および3軸まわりのモーメント±Mx,±My,±Mzのいずれが作用したとしても、第1の基板100に対する適確な変位制御が行われるため、衝突や落下という非常事態が発生しても、肉薄部の破損を防止できる。   When a force sensor is incorporated into a product and actually used, not only the normal operating environment for detecting the external force that is the original measurement target, but also the user hits the product itself or drops it on the floor. It is necessary to take into account the emergency situation. In such an emergency, it is impossible to predict what impact force will be applied to the force sensor from which direction. In the embodiment shown here, as described above, even if any of the forces ± Fx, ± Fy, ± Fz in the three axes and the moments ± Mx, ± My, ± Mz around the three axes is applied, the first Therefore, even when an emergency such as a collision or a drop occurs, the thin portion can be prevented from being damaged.

また、従来は、必要とされる測定レンジと肉薄部の弾性変形領域とのバランスや、肉薄部の堅牢性を考慮して、肉薄部に用いる材質を選択する必要があったが、本考案を利用すれば、そのような制限から解放されることになる。すなわち、本考案に係る力覚センサでは、第1の基板100の最大変位量は、図2に示す空隙寸法L1,L2や、凹部H21〜H24の内径φ20およびストッパ部材41〜44の外径φ40を所望の値に設定することにより、任意に設定することができる。したがって、肉薄部にどのような材質を用いたとしても、許容変位量を所望の値に設定することが可能になる。   In the past, it was necessary to select the material used for the thin part in consideration of the balance between the required measurement range and the elastic deformation area of the thin part, and the robustness of the thin part. If used, you will be freed from such restrictions. That is, in the force sensor according to the present invention, the maximum displacement amount of the first substrate 100 is the gap dimensions L1 and L2 shown in FIG. 2, the inner diameter φ20 of the recesses H21 to H24, and the outer diameter φ40 of the stopper members 41 to 44. Can be set arbitrarily by setting to a desired value. Therefore, no matter what material is used for the thin portion, the allowable displacement can be set to a desired value.

<<< §4.力検出の原理 >>>
本考案に係る力覚センサは、肉薄部の変形状態を電気的に検出することにより、第1の基板100に作用した外力を検出するものである。図1に示す力覚センサの場合、導電性の下端側肉薄部215,225,235,245と、これらに対向するように配置された合計20枚の電極E11〜E45(図6参照)とによって構成される20組の容量素子C11〜C45が変形測定部S1〜S4として機能し、下端側肉薄部215,225,235,245の変形状態が測定される。具体的には、各容量素子C11〜C45の静電容量を電気的に検出する測定回路(図示省略)が設けられており、検出回路は、この測定回路によって測定された静電容量値に対して所定の演算を施すことにより、第1の基板100に作用した外力の向きと大きさとを検出する。
<<< §4. Principle of force detection >>
The force sensor according to the present invention detects an external force acting on the first substrate 100 by electrically detecting the deformation state of the thin portion. In the case of the force sensor shown in FIG. 1, the conductive lower end side thin portions 215, 225, 235, and 245, and a total of 20 electrodes E 11 to E 45 (see FIG. 6) arranged so as to oppose them. The 20 capacitive elements C11 to C45 that are configured function as the deformation measuring units S1 to S4, and the deformation states of the lower end side thin portions 215, 225, 235, and 245 are measured. Specifically, a measurement circuit (not shown) that electrically detects the capacitance of each of the capacitive elements C11 to C45 is provided, and the detection circuit detects the capacitance value measured by the measurement circuit. The direction and magnitude of the external force acting on the first substrate 100 are detected by performing a predetermined calculation.

このように各容量素子の静電容量値に基づいて、第1の基板100に作用した外力の向きと大きさとを検出する具体的な手法や、具体的な検出回路の構成例は、前掲の特許文献7,8などに開示されている公知の技術である。この公知の技術によれば、XYZ軸方向に作用した力±Fx,±Fy,±Fzと、XYZ軸まわりに作用したモーメント±Mx,±My,±Mzのすべてを独立して検出することが可能になる。   As described above, a specific method for detecting the direction and magnitude of the external force applied to the first substrate 100 based on the capacitance value of each capacitive element, and a specific configuration example of the detection circuit are described above. This is a known technique disclosed in Patent Documents 7 and 8 and the like. According to this known technique, all of the forces ± Fx, ± Fy, ± Fz acting in the XYZ axis direction and the moments ± Mx, ± My, ± Mz acting around the XYZ axis can be detected independently. It becomes possible.

具体的には、たとえば、図7に示すように、Z軸正方向の力+Fzが作用した場合、20組の容量素子C11〜C45は、いずれも電極間隔が広がるので静電容量値は小さくなる。逆に、図8に示すように、Z軸負方向の力−Fzが作用した場合、20組の容量素子C11〜C45は、いずれも電極間隔が狭くなるので静電容量値は大きくなる。したがって、たとえば、各容量素子C11〜C45について測定された静電容量値を、同じ記号C11〜C45で示すことにすれば、Z軸方向の力Fzは、Fz=−(C15+C25+C35+C45)なる演算によって求めることができる。   Specifically, for example, as shown in FIG. 7, when a force + Fz in the positive direction of the Z-axis is applied, the capacitance value of each of the 20 capacitive elements C11 to C45 is small because the electrode interval is widened. . On the other hand, as shown in FIG. 8, when the force -Fz in the negative direction of the Z-axis is applied, the capacitance value of each of the 20 capacitive elements C11 to C45 is increased because the electrode interval is reduced. Therefore, for example, if the capacitance values measured for the capacitive elements C11 to C45 are indicated by the same symbols C11 to C45, the force Fz in the Z-axis direction is obtained by the calculation Fz = − (C15 + C25 + C35 + C45). be able to.

一方、図10に示すように、X軸正方向の力+Fxが作用した場合、容量素子C11,C21,C31,C41は、いずれも電極間隔が狭くなるので静電容量値は大きくなり、容量素子C12,C22,C32,C42は、いずれも電極間隔が広くなるので静電容量値は小さくなる。X軸負方向の力−Fxが作用した場合は、その逆の現象が起こる。したがって、X軸方向の力Fxは、たとえば、Fx=(C11+C21+C31+C41)−(C12+C22+C32+C42)なる演算によって求めることができる。同様にして、Y軸方向の力Fyは、たとえば、Fy=(C13+C23+C33+C43)−(C14+C24+C34+C44)なる演算によって求めることができる。   On the other hand, as shown in FIG. 10, when a force + Fx in the X-axis positive direction is applied, the capacitance elements C11, C21, C31, and C41 all have a small capacitance between the electrodes, so that the capacitance value increases. In C12, C22, C32, and C42, since the electrode interval is wide, the capacitance value is small. When the force -Fx in the negative X-axis direction is applied, the reverse phenomenon occurs. Therefore, the force Fx in the X-axis direction can be obtained, for example, by a calculation of Fx = (C11 + C21 + C31 + C41) − (C12 + C22 + C32 + C42). Similarly, the force Fy in the Y-axis direction can be obtained, for example, by a calculation of Fy = (C13 + C23 + C33 + C43) − (C14 + C24 + C34 + C44).

また、図9に示すように、Y軸正方向まわりのモーメント+Myが作用した場合、5組の容量素子C11〜C15は、いずれも電極間隔が狭くなるので静電容量値は大きくなり、5組の容量素子C21〜C25は、いずれも電極間隔が広くなるので静電容量値は小さくなる。逆まわりのモーメント−Myが作用した場合は、その逆の現象が起こる。したがって、Y軸まわりのモーメントMyは、たとえば、My=(C11+C12+C13+C14+C15)−(C21+C22+C23+C24+C25)なる演算によって求めることができる。同様にして、X軸まわりのモーメントMxは、たとえば、Mx=(C41+C42+C43+C44+C45)−(C31+C32+C33+C34+C35)なる演算によって求めることができる。   Further, as shown in FIG. 9, when the moment + My around the Y-axis positive direction is applied, all of the five capacitive elements C11 to C15 have a large capacitance value because the electrode interval becomes narrow. The capacitive elements C21 to C25 all have a large capacitance between electrodes, so that the capacitance value becomes small. When the reverse rotation moment -My acts, the reverse phenomenon occurs. Therefore, the moment My around the Y-axis can be obtained by, for example, the calculation My = (C11 + C12 + C13 + C14 + C15) − (C21 + C22 + C23 + C24 + C25). Similarly, the moment Mx around the X axis can be obtained by, for example, the calculation of Mx = (C41 + C42 + C43 + C44 + C45) − (C31 + C32 + C33 + C34 + C35).

更に、図12に示すように、Z軸正方向まわりのモーメント+Mzが作用した場合、容量素子C13,C24,C32,C41は、いずれも電極間隔が狭くなるので静電容量値は大きくなり、容量素子C14,C23,C31,C42は、いずれも電極間隔が広くなるので静電容量値は小さくなる。逆まわりのモーメント−Mzが作用した場合は、その逆の現象が起こる。したがって、Z軸まわりのモーメントMzは、たとえば、Mz=(C13+C24+C32+C41)−(C14+C23+C31+C42)なる演算によって求めることができる。   Furthermore, as shown in FIG. 12, when a moment + Mz around the positive direction of the Z-axis is applied, the capacitance elements C13, C24, C32, and C41 all have a small capacitance between the electrodes, so that the capacitance value increases. All of the elements C14, C23, C31, and C42 have a large electrode interval, so that the capacitance value becomes small. When the reverse rotation moment -Mz is applied, the reverse phenomenon occurs. Therefore, the moment Mz around the Z-axis can be obtained, for example, by an operation of Mz = (C13 + C24 + C32 + C41) − (C14 + C23 + C31 + C42).

かくして、図1に示す力覚センサでは、XYZ軸方向に作用した力±Fx,±Fy,±Fzと、XYZ軸まわりに作用したモーメント±Mx,±My,±Mzのすべてを独立して検出することが可能になる。もっとも、上述した検出方法は、ほんの一例を示すものであり、この他にも様々な検出方法を適用することが可能である。これら様々な検出方法については、前掲の特許文献7,8などに開示されているので、ここでは詳しい説明は省略する。また、特願2008−108855明細書には、他軸成分の干渉を排除したより正確な検出方法が提案されており、本考案に係る力覚センサにも適用することが可能である。   Thus, the force sensor shown in FIG. 1 independently detects all of the forces ± Fx, ± Fy, ± Fz acting in the XYZ axis directions and the moments ± Mx, ± My, ± Mz acting around the XYZ axes. It becomes possible to do. However, the detection method described above is only an example, and various other detection methods can be applied. Since these various detection methods are disclosed in the above-mentioned Patent Documents 7 and 8, etc., detailed description thereof is omitted here. Japanese Patent Application No. 2008-108855 proposes a more accurate detection method that eliminates interference of other axis components, and can also be applied to a force sensor according to the present invention.

また、図1に示す実施形態では、変形測定部によって下端側肉薄部215,225,235,245の変形状態を測定したが、上端側肉薄部115,125,135,145の変形状態を測定することによっても、作用した外力の検出が可能である。   In the embodiment shown in FIG. 1, the deformation measurement unit measures the deformation state of the lower end side thin portions 215, 225, 235, and 245, but measures the deformation state of the upper end side thin portions 115, 125, 135, and 145. Thus, the applied external force can be detected.

本考案は、肉薄部を有する力覚センサにおいて、過度の力が作用した場合に、この肉薄部の破損を防ぐための変位制御に係る技術である。したがって、肉薄部の変形状態を検出する具体的な手法は、本考案の本質部分ではなく、変形測定部としては、いずれかの肉薄部の変形状態を電気的に検出する機能をもったものであれば、どのようなものを用いてもかまわない。   The present invention is a technique relating to displacement control for preventing damage to a thin portion when an excessive force is applied to a force sensor having the thin portion. Therefore, the specific method for detecting the deformation state of the thin part is not the essential part of the present invention, and the deformation measuring part has a function of electrically detecting the deformation state of any thin part. You can use whatever you want.

たとえば、前掲の特許文献3,4には、肉薄部の所定位置にピエゾ抵抗素子を配置しておき、各ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化に基づいて、肉薄部の個々の部分の機械的伸縮状態を把握する技術が開示されている。本考案では、このようなピエゾ抵抗素子を変形測定部として用いることも可能である。その場合、肉薄部は絶縁材料で構成するようにし、肉薄部の表面に(もしくは、内部に埋め込んでもよい)、ピエゾ抵抗素子を配置し、ブリッジ回路などを利用して、これらピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化を検出し、肉薄部の変形状態を電気的に検出するようにすればよい。   For example, in the above-mentioned Patent Documents 3 and 4, a piezoresistive element is arranged at a predetermined position of the thin part, and the mechanical expansion and contraction of the individual parts of the thin part based on the change in electric resistance of each piezoresistive element. A technique for grasping the state is disclosed. In the present invention, such a piezoresistive element can also be used as a deformation measuring unit. In that case, the thin part is made of an insulating material, and a piezoresistive element is arranged on the surface of the thin part (or may be embedded inside), and a piezoresistive element is used by using a bridge circuit or the like. What is necessary is just to detect the change of resistance and to electrically detect the deformation state of the thin portion.

また、前掲の特許文献5,6には、圧電素子に生じる電荷に基づいて、肉薄部の各部の変位を検出する技術が開示されている。本考案では、このような圧電素子を変形測定部として用いることも可能である。この場合、肉薄部の変形に応じて応力が生じる所定位置に圧電素子を配置し、各圧電素子に発生する電荷を測定することにより、肉薄部の変形状態を電気的に検出するようにすればよい。   Moreover, the above-mentioned Patent Documents 5 and 6 disclose techniques for detecting the displacement of each portion of the thin portion based on the electric charge generated in the piezoelectric element. In the present invention, such a piezoelectric element can be used as a deformation measuring unit. In this case, if the piezoelectric element is arranged at a predetermined position where stress is generated according to the deformation of the thin part, and the electric charge generated in each piezoelectric element is measured, the deformation state of the thin part is electrically detected. Good.

更に、図1に示す実施形態では、第1の基板100側の4箇所に上端側肉薄部が設けられ、第2の基板200側の4箇所に下端側肉薄部が設けられ、両者を接続するために4本の柱状体T1〜T4が設けられているが、本考案を実施する上では、上端側肉薄部や下端側肉薄部は、それぞれ複数箇所に設けておけば足り、必ずしも4箇所に設けておく必要はない。同様に、柱状体も必ずしも4本に限定されるものではなく、複数の柱状体が設けられていればよい。   Further, in the embodiment shown in FIG. 1, the upper end side thin portion is provided at four locations on the first substrate 100 side, and the lower end side thin portion is provided at four locations on the second substrate 200 side to connect the two. For this purpose, four columnar bodies T1 to T4 are provided. However, in carrying out the present invention, it is sufficient that the upper end side thin portion and the lower end side thin portion are provided at a plurality of locations, respectively. It is not necessary to have it. Similarly, the number of columnar bodies is not necessarily limited to four, and a plurality of columnar bodies may be provided.

また、図1に示す実施形態では、4本の係止ピン51〜54を用いて変位制御を行っているため、凹部および貫通孔も4箇所に設けているが、係止ピンの数も4本に限定されるものではなく、また、その配置も任意でかまわない。たとえば、3本の係止ピンを、円周に沿って中心角120°おきに配置するようにしてもよいし、6本の係止ピンを、円周に沿って中心角60°おきに配置するようにしてもよい。あるいは、一直線上に3本以上の係止ピンを並べて配置するようにしてもかまわない。   In the embodiment shown in FIG. 1, since the displacement control is performed using the four locking pins 51 to 54, the recesses and the through holes are provided in four places, but the number of the locking pins is four. The arrangement is not limited to the book, and the arrangement may be arbitrary. For example, three locking pins may be arranged at a central angle of 120 ° along the circumference, or six locking pins are arranged at a central angle of 60 ° along the circumference. You may make it do. Alternatively, three or more locking pins may be arranged side by side on a straight line.

なお、これまで述べた実施形態では、貫通孔、凹部、支柱部材、ストッパ部材の形状を円柱状としていたが、これらは必ずしも円柱状にする必要はなく、たとえば、四角柱、六角柱などの角柱状であってもよいし、その他の任意形状でもかまわない。本願にいう「径」とは、円についての半径や直径のみを意味するものではなく、ある方向についての「さしわたし」の長さを意味するものである。したがって、貫通孔、凹部、支柱部材、ストッパ部材の形状を任意形状にした場合、変位制御の対象となる個々の方向についての「径」が、φ30<φ10<φ40<φ20という寸法条件を満たしていればよい。   In the embodiments described so far, the shape of the through hole, the concave portion, the support member, and the stopper member is a cylindrical shape. However, it is not always necessary to use a cylindrical shape. It may be a columnar shape or any other arbitrary shape. “Diameter” as used in the present application does not mean only the radius or diameter of a circle, but the length of “I am” in a certain direction. Therefore, when the shape of the through hole, recess, strut member, and stopper member is an arbitrary shape, the “diameter” in each direction targeted for displacement control satisfies the dimensional condition of φ30 <φ10 <φ40 <φ20. Just do it.

本考案の基本的実施形態に係る力覚センサをXZ平面に沿って切断した状態を示す側断面図である。It is a sectional side view which shows the state which cut | disconnected the force sensor which concerns on fundamental embodiment of this invention along XZ plane. 図1に示す力覚センサの右上部分の拡大側断面図である。It is an expanded sectional side view of the upper right part of the force sensor shown in FIG. 図1に示す力覚センサを各部品に分解した状態を示す側断面図である。It is a sectional side view which shows the state which decomposed | disassembled the force sensor shown in FIG. 1 into each component. 図3に示す第1の基板100の上面図である。FIG. 4 is a top view of the first substrate 100 shown in FIG. 3. 図3に示す第2の基板200の上面図である。FIG. 4 is a top view of the second substrate 200 shown in FIG. 3. 図3に示す第3の基板300の上面図である。FIG. 4 is a top view of a third substrate 300 shown in FIG. 3. 図1に示す力覚センサにZ軸正方向の力+Fzが作用した場合の変位制御を示す側断面図である。FIG. 3 is a side sectional view showing displacement control when a force + Fz in the positive direction of the Z-axis acts on the force sensor shown in FIG. 1. 図1に示す力覚センサにZ軸負方向の力−Fzが作用した場合の変位制御を示す側断面図である。FIG. 3 is a side sectional view showing displacement control when a force −Fz in a negative Z-axis direction acts on the force sensor shown in FIG. 1. 図1に示す力覚センサにY軸正方向まわりのモーメント+Myが作用した場合の変位制御を示す側断面図である。FIG. 3 is a side sectional view showing displacement control when a moment + My around the positive direction of the Y-axis acts on the force sensor shown in FIG. 1. 図1に示す力覚センサにX軸正方向の力+Fxが作用した場合の変位制御を示す側断面図である。It is a sectional side view which shows displacement control when force + Fx of the X-axis positive direction acts on the force sensor shown in FIG. 図1に示す力覚センサにX軸正方向の力+Fxが作用した場合の変位制御を示す上面図である。It is a top view which shows displacement control when force + Fx of the X-axis positive direction acts on the force sensor shown in FIG. 図1に示す力覚センサにZ軸正方向まわりのモーメント+Mzが作用した場合の変位制御を示す上面図である。It is a top view which shows the displacement control when the moment + Mz around the Z-axis positive direction acts on the force sensor shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

31〜34:支柱部材
41〜44:ストッパ部材
51〜54:係止ピン
100:第1の基板
110:上方柱状突起部
115:上端側肉薄部
120:上方柱状突起部
125:上端側肉薄部
130:上方柱状突起部
135:上端側肉薄部
140:上方柱状突起部
145:上端側肉薄部
200:第2の基板
210:下方柱状突起部
215:下端側肉薄部
220:下方柱状突起部
225:下端側肉薄部
230:下方柱状突起部
235:下端側肉薄部
240:下方柱状突起部
245:下端側肉薄部
300:第3の基板
C11〜C45:容量素子/容量素子の静電容量値
E11〜E45:電極
+Fx:X軸正方向への力
+Fz:Z軸正方向への力
−Fz:Z軸負方向への力
+My:Y軸正方向まわりのモーメント
+Mz:Z軸正方向まわりのモーメント
H11〜H14:凹部
H21〜H24:貫通孔
L1,L2:空隙寸法
O:座標系の原点
S1〜S4:変形測定部
T1〜T4:柱状体
X,Y,Z:三次元直交座標系の座標軸
φ10:貫通孔H11〜H14の内径
φ20:凹部H21〜H24の内径
φ30:支柱部材31〜34の外径
φ40:ストッパ部材41〜44の外径
31-34: support members 41-44: stopper members 51-54: locking pin 100: first substrate 110: upper columnar projection 115: upper end thin portion 120: upper columnar protrusion 125: upper end thin portion 130 : Upper columnar protrusion 135: Upper columnar thin part 140: Upper columnar protrusion 145: Upper columnar thin part 200: Second substrate 210: Lower columnar protrusion 215: Lower columnar thin part 220: Lower columnar protrusion 225: Lower end Side thin portion 230: lower columnar protrusion 235: lower end thin portion 240: lower columnar protrusion 245: lower end thin portion 300: third substrate C11 to C45: capacitance elements E11 to E45 of capacitance elements / capacitance elements : Electrode + Fx: Force in the positive direction of the X axis + Fz: Force in the positive direction of the Z axis-Fz: Force in the negative direction of the Z axis + My: Moment about the positive direction of the Y axis + Mz: Moment H about the positive direction of the Z axis 1 to H14: recessed portions H21 to H24: through holes L1, L2: gap size O: origin of coordinate system S1 to S4: deformation measuring portions T1 to T4: columnar bodies X, Y, Z: coordinate axis φ10 of three-dimensional orthogonal coordinate system : Inner diameter φ20 of through holes H11 to H14: Inner diameter φ30 of recesses H21 to H24: Outer diameter of support members 31 to 34 φ40: Outer diameter of stopper members 41 to 44

Claims (5)

複数箇所にそれぞれ可撓性をもった上端側肉薄部が形成されている第1の基板と、
前記第1の基板の下方に所定の間隔をおいて対向するように配置され、前記各上端側肉薄部に対向する位置に、それぞれ可撓性をもった下端側肉薄部が形成されている第2の基板と、
互いに対向する位置にある上端側肉薄部と下端側肉薄部とについて、それぞれ上端側肉薄部の下面と下端側肉薄部の上面とを相互に接続する複数の柱状体と、
前記第2の基板を固定した状態において前記第1の基板に対して外力が作用した場合に、この外力によって前記各下端側肉薄部もしくは前記各上端側肉薄部の変形状態を電気的に測定する変形測定部と、
前記変形測定部の測定結果に基づいて、前記外力の向きおよび大きさを検出する検出回路と、
を備え、
前記第1の基板の周囲部分の所定箇所には、上面側から所定の深さまで掘られ、所定の径を有する凹部が形成されており、
前記凹部の底面には、前記凹部の径よりも小さな径を有し、前記第1の基板の下面まで貫通する貫通孔が形成されており、
前記貫通孔には、下端が前記第2の基板の上面に固定された係止ピンが挿通しており、
前記係止ピンは、「前記第2の基板の上面から上方に伸び、上端が前記凹部の底面より所定寸法だけ上方へ突き出し、前記貫通孔の径よりも小さな径を有する支柱部材」と、「この支柱部材の上端に接続され、前記貫通孔の径よりも大きく前記凹部の径よりも小さい径を有するストッパ部材」と、を有することを特徴とする力覚センサ。
A first substrate in which a flexible upper end side thin portion is formed in each of a plurality of locations;
The first substrate is disposed so as to oppose the first substrate at a predetermined interval, and a flexible lower end side thin portion is formed at a position facing the upper end side thin portion. Two substrates;
A plurality of columnar bodies that mutually connect the lower surface of the upper end side thin portion and the upper surface of the lower end side thin portion with respect to the upper end side thin portion and the lower end side thin portion at positions facing each other,
When an external force is applied to the first substrate in a state where the second substrate is fixed, the deformation state of each lower end side thin portion or each upper end side thin portion is electrically measured by this external force. A deformation measuring unit;
A detection circuit for detecting the direction and magnitude of the external force based on the measurement result of the deformation measurement unit;
With
A predetermined portion of the peripheral portion of the first substrate is dug to a predetermined depth from the upper surface side, and a recess having a predetermined diameter is formed,
The bottom surface of the recess has a diameter smaller than the diameter of the recess, and a through-hole penetrating to the lower surface of the first substrate is formed,
A locking pin having a lower end fixed to the upper surface of the second substrate is inserted through the through hole,
The locking pin is "a column member that extends upward from the upper surface of the second substrate, has an upper end protruding upward by a predetermined dimension from the bottom surface of the recess, and has a diameter smaller than the diameter of the through hole", A force sensor having a stopper member connected to an upper end of the support member and having a diameter larger than the diameter of the through hole and smaller than the diameter of the recess.
請求項1に記載の力覚センサにおいて、
柱状体が、「上端側肉薄部と同一材料の一体構造体からなり、上端側肉薄部から下方に伸びる上方柱状突起部」と、「下端側肉薄部と同一材料の一体構造体からなり、下端側肉薄部から上方に伸びる下方柱状突起部」と、によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 1,
The columnar body is composed of an integral structure of the same material as the upper end side thin part, and is composed of an integral structure of the same material as the lower end side thin part, A force sensor comprising: a lower columnar protrusion extending upward from the side thin portion.
請求項1または2に記載の力覚センサにおいて、
第2の基板の下面に接合された第3の基板を更に備え、
下端側肉薄部は、導電性材料から構成され、前記第3の基板の上面との間に所定の空間が確保されるように、前記第2の基板の下面よりも所定寸法だけ上方に配置されており、
前記第3の基板の上面の前記下端側肉薄部の対向部分には、複数の電極が形成されており、
変形測定部が、前記下端側肉薄部と前記複数の電極のそれぞれとの間の静電容量を電気的に検出することにより、前記下端側肉薄部の変形状態を測定することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 1 or 2,
A third substrate bonded to the lower surface of the second substrate;
The thin portion on the lower end side is made of a conductive material and is disposed above the lower surface of the second substrate by a predetermined dimension so as to ensure a predetermined space between the upper surface of the third substrate. And
A plurality of electrodes are formed on a portion of the upper surface of the third substrate facing the lower-end thin portion,
The deformation measuring unit measures a deformation state of the lower end side thin portion by electrically detecting capacitance between the lower end side thin portion and each of the plurality of electrodes. Sense sensor.
請求項1〜3のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
貫通孔が内径φ10をもった円柱状の空洞からなり、凹部が内径φ20をもった円柱状の空洞からなり、支柱部材が外径φ30をもった円柱状の部材からなり、ストッパ部材が外径φ40をもった円柱状の部材からなり、
第1の基板に外力が作用していない状態において、貫通孔、凹部、支柱部材、ストッパ部材を構成する各円柱の中心軸が一致するような同心配置がなされ、φ30<φ10<φ40<φ20に設定されていることを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to any one of claims 1 to 3,
The through hole is formed of a cylindrical cavity having an inner diameter φ10, the concave portion is formed of a cylindrical cavity having an inner diameter φ20, the support member is formed of a cylindrical member having an outer diameter φ30, and the stopper member is an outer diameter It consists of a cylindrical member with φ40,
In a state where no external force is applied to the first substrate, the concentric arrangement is made such that the central axes of the respective cylinders constituting the through hole, the concave portion, the column member, and the stopper member coincide with each other, and φ30 <φ10 <φ40 <φ20. Force sensor characterized by being set.
請求項1〜4のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
第2の基板上面に、その中心点で直交する2本の配置軸と、前記中心点を中心とする半径rの円と、を定義したときに、前記円と前記2本の配置軸とが交差する4つの交点位置に4本の支柱部材が配置されており、各支柱部材の上端にそれぞれストッパ部材が固定されており、
第1の基板には、前記4本の支柱部材を挿通するのに適した4箇所に、それぞれ貫通孔および凹部が設けられていることを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to any one of claims 1 to 4,
When two arrangement axes orthogonal to each other at the center point and a circle with a radius r centered on the center point are defined on the upper surface of the second substrate, the circle and the two arrangement axes are Four strut members are arranged at the four intersecting points, and stopper members are respectively fixed to the upper ends of the strut members.
The force sensor according to claim 1, wherein the first substrate is provided with through-holes and recesses at four locations suitable for inserting the four support members.
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