JP3168408B2 - Force sensor - Google Patents

Force sensor

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JP3168408B2 JP07953297A JP7953297A JP3168408B2 JP 3168408 B2 JP3168408 B2 JP 3168408B2 JP 07953297 A JP07953297 A JP 07953297A JP 7953297 A JP7953297 A JP 7953297A JP 3168408 B2 JP3168408 B2 JP 3168408B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、ロボットや所謂
パソコン等の入力装置として使用できる力覚センサに関
するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a force sensor which can be used as an input device for a robot or a personal computer.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の力覚センサは、ブロック状の金属
材料を中ぐり加工等することにより上下の平行板とこれ
ら相互を一定間隔で繋ぐ複数の歪み発生部とを一体形成
してあり、前記した各歪み発生部に複数の歪みゲージ
(半導体歪みゲージ)を貼り付けるようにして構成して
ある。
2. Description of the Related Art In a conventional force sensor, an upper and lower parallel plate and a plurality of strain generating portions connecting these members at regular intervals are formed integrally by boring a block-shaped metal material. A plurality of strain gauges (semiconductor strain gauges) are attached to each of the strain generating portions described above.

【0003】したがって、この力覚センサでは、機械加
工に要する困難さ及びゲージの貼り付けに要する技術的
困難さから、高コストになると共に、機械加工及びゲー
ジの貼り付け作業の善し悪しで性能が大きく左右される
という問題があった。
[0003] Therefore, this force sensor requires high cost due to the difficulty required for machining and the technical difficulty required for attaching the gauge, and has a large performance due to the quality of the machining and the attachment of the gauge. There was a problem of being affected.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】そこで、この発明で
は、低コストで且つ性能の均一化が容易な力覚センサを
提供することを課題とする。
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a force sensor which is low in cost and easy to make the performance uniform.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】この発明の力覚センサ
は、トッププレート1とボトムプレート2とを複数のロ
ッド3で連結してあり、前記プレート1,2相互の連結
は一端側が3自由度のジョイントにより、他端側が2自
由度のジョイントによるものとしてあり、前記ロッド3
にはロッド軸線方向の圧縮・引張力を検出できるセンサ
4を具備させてある。
In the force sensor of the present invention, the top plate 1 and the bottom plate 2 are connected by a plurality of rods 3, and the connection between the plates 1 and 2 has one end having three degrees of freedom. And the other end of the rod 3 is a joint having two degrees of freedom.
Is provided with a sensor 4 capable of detecting a compression / tensile force in the axial direction of the rod.

【0006】なお、上記力覚センサに関して、トッププ
レート1の上面に入力軸を突設するようにしてもよい。
[0006] In the force sensor, an input shaft may be protruded from the upper surface of the top plate 1.

【0007】また、上記力覚センサに関して、3自由度
のジョイントはボールジョイントであり、2自由度のジ
ョイントはユニバーサルジョイントであるものとするこ
とができる。
Further, regarding the force sensor, the joint having three degrees of freedom may be a ball joint, and the joint having two degrees of freedom may be a universal joint.

【0008】なお、この力覚センサの機能等については
以下の発明の実施の形態の欄において説明する。
The function and the like of the force sensor will be described in the following embodiments of the invention.

【0009】[0009]

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
面に従って説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0010】図1、図2は、この発明の実施形態はX・
Y・Z軸上の力、及びその軸回りのMX ・MY ・MZ
ーメントを検出する6自由度の力覚センサSを示すもの
である。
FIGS. 1 and 2 show an embodiment of the present invention.
Force on Y · Z-axis, and 6 shows the force sensor S of freedom to detect the M X · M Y · M Z moment about its axis.

【0011】力覚センサSは、図1や図2に示すよう
に、トッププレート1とボトムプレート2とを6本のロ
ッド3で連結してあると共に、前記プレート1,2相互
の連結は上端側が2自由度のジョイントJ2により、下
端側が3自由度のジョイントJ3により成されており、
前記ロッド3にはロッド軸線方向の圧縮・引張力を検出
できるセンサ4を具備させてある。
As shown in FIGS. 1 and 2, the force sensor S has a top plate 1 and a bottom plate 2 connected by six rods 3, and the plates 1 and 2 are connected to each other at the upper end. The side is formed by a joint J2 having two degrees of freedom, and the lower end is formed by a joint J3 having three degrees of freedom.
The rod 3 is provided with a sensor 4 capable of detecting a compression / tensile force in the rod axis direction.

【0012】トッププレート1は上面視円形状に形成さ
れた剛性の高いもので、図1に示す如くその上面には指
で操作する入力軸10を突設してある。
The top plate 1 has a high rigidity formed in a circular shape when viewed from above, and an input shaft 10 operated by a finger protrudes from the upper surface thereof as shown in FIG.

【0013】ボトムプレート2は、図2に示すように上
面視円形状に形成されており、剛性の高いものとしてあ
る。なお、このボトムプレート2は図2に示すように、
ベースBSに固定されている。
The bottom plate 2 is formed in a circular shape when viewed from above as shown in FIG. 2, and has high rigidity. The bottom plate 2 is, as shown in FIG.
Fixed to the base BS.

【0014】また、ジョイントJ3はボールジョイント
により、他方ジョイントJ2はユニバーサルジョイント
により、それぞれ構成してある。なお、これらジョイン
トJ2,J3は市販されているものがそのまま使用でき
る。ここで、図2に示すように、ジョイントJ3は二個
一組として120°間隔で配置させてあり、ジョイント
J2は前記ジョイントJ3から60°ずらして二個一組
にして120°間隔で配置させている。なお、これらジ
ョイントJ2,J3は上記入力軸10を中心とした同一
円周上に位置するものとしてある。
The joint J3 is constituted by a ball joint and the joint J2 is constituted by a universal joint. Note that commercially available joints J2 and J3 can be used as they are. Here, as shown in FIG. 2, the joints J3 are arranged as a pair at intervals of 120 °, and the joints J2 are shifted at an angle of 60 ° from the joint J3 and arranged at intervals of 120 °. ing. The joints J2 and J3 are located on the same circumference around the input shaft 10.

【0015】センサ4は、歪みを発生する起歪部とこれ
に貼られた歪みゲージにより構成してある。なお、この
形式の力覚センサでは、センサ組み立て前に予めロッド
3に貼り付けることができることから、作業性が良いと
共に貼り付けに熟練度をあまり要しない。また、このセ
ンサ4はロッド3に作用する圧縮・引張力のみが検出で
きればよいので、静電容量センサや、導電性ゴム等様々
な形式のものを選択することができる。
The sensor 4 is composed of a strain-generating portion for generating a strain and a strain gauge attached to the strain-generating portion. In this type of force sensor, since the force sensor can be attached to the rod 3 in advance before assembling the sensor, the workability is good and the attachment does not require much skill. Since the sensor 4 only needs to be able to detect the compression / tensile force acting on the rod 3, various types such as a capacitance sensor and conductive rubber can be selected.

【0016】この力覚センサは上記のような構成として
あるから、困難な機械加工を必要とすることなく且つゲ
ージの貼り付け作業が容易になり、したがって、低コス
トになると共に性能の均一化が容易なものとなる。
Since this force sensor is configured as described above, it does not require difficult machining and facilitates the work of attaching the gauge. Therefore, the cost is reduced and the performance is made uniform. It will be easy.

【0017】次に、この力覚センサの検出原理を図3に
基づいて説明する。なお、図3中の符号は以下のものを
示している。
Next, the detection principle of this force sensor will be described with reference to FIG. In addition, the code | symbol in FIG. 3 shows the following.

【0018】i:各リンク番号を表す添字 d:微少変位後を表す添字 F:外力ベクトル D:変位ベクトル K:機構全体の剛性マトリクス Ti :トッププレート上の各ジョイントiの中心を示す
ベクトル Bi :ベースプレート上の各ジョイントiの中心を示す
ベクトル E:ベースプレート中心からトッププレート中心をさす
ベクトル Ed:微少変位後のベースプレート中心からトッププレ
ート中心をさすベクトル Li :ベースプレート上の各ジョイントの中心からトッ
ププレート上の各対応するジョイントの中心までをさす
ベクトル Ldi :微少変位後のベースプレート上の各ジョイント
の中心からトッププレート上の各対応するジョイントの
中心までをさすベクトル この力覚センサの機構において、図1に示す如くボトム
プレート2が固定され、入力軸10を介してトッププレ
ート1に外力ベクトルFが作用した場合、機構全体が力
学的に平衡状態であることから、トッププレート1はD
=KFだけ微少変位することになる。
I: Subscript indicating each link number d: Subscript indicating after minute displacement F: External force vector D: Displacement vector K: Stiffness matrix of the whole mechanism T i : Vector indicating the center of each joint i on the top plate B i: vector indicates the center of each joint i of the base plate E: vector refers to the top plate around the base plate center Ed: vector refers to the top plate around the base plate center after minute displacement L i: from the center of each joint on the base plate A vector Ld i pointing to the center of each corresponding joint on the top plate Ld i : a vector pointing from the center of each joint on the base plate to the center of each corresponding joint on the top plate after a minute displacement. , Bottom plate 2 as shown in FIG. Fixed, when an external force vector F to the top plate 1 via the input shaft 10 is applied, since the entire mechanism is mechanically equilibrium, the top plate 1 is D
= KF.

【0019】ボトムプレート2はベースBSに固定され
ており、トッププレート1は十分にリンク(ロッド3及
びセンサ4を組み合わせたものと対応)と比較して剛性
が高いものを使用しているから変位Dはリンクのみの変
位の総和であり、また、リンクはその両端が上述の如く
多自由度のジョイントで支持されているからリンクには
軸方向の圧縮・引張力fi だけが作用することになる
(ジョイントでの摩擦は微少なので無視する)。
The bottom plate 2 is fixed to the base BS, and the top plate 1 is sufficiently rigid compared to the link (corresponding to the combination of the rod 3 and the sensor 4). D is the sum of the displacement of the link only, also link to the opposite ends thereof by compression and tensile force f i in the axial direction or link from being supported by the joint multi-freedom as described above is applied Yes (ignoring friction at joints is very small).

【0020】この力fi をリンクに取り付けた単軸のセ
ンサ4で検知する。ここで、機構及びリンクの変位は微
少変位であるので、その変位により各リンクに発生する
圧縮・引張力fi の反力と外力ベクトルFとの関係は比
例関係に近似できる。
This force f i is detected by a single-axis sensor 4 attached to the link. Here, since the displacement of the mechanism and the link is small displacement relation between the reaction force and the external force vector F of the compression and tensile force f i generated in each link by the displacement can be approximated proportional.

【0021】図3に、トッププレート1に外力ベクトル
Fが加わった場合における全体の微少の変位ベクトルD
とそれぞれのリンクの変位の関係を示す。
FIG. 3 shows the entire small displacement vector D when an external force vector F is applied to the top plate 1.
And the relationship between the displacement of each link.

【0022】ここで、初期状態では、Li =E+Ti
i ・・・・・式 外力ベクトルFにより微少の変位ベクトルDが生じ Ldi =Ed+Tdi −Bdi ・・・・・式’ Ed=E+D 次に、外力ベクトルFがモーメントの場合、Ti のベク
トルは回転することになり、その方向は3×3行列Mで
表すものとしてTdi =MTi であり、δθの微少回転
を生じたものとする。
Here, in the initial state, L i = E + T i
B i · · · · · formula external force by the vector F cause slight displacement vectors D Ld i = Ed + Td i -Bd i ····· formula 'Ed = E + D Then, when the external force vector F is moment, T i the vector will be rotated, that direction is the Td i = MT i as represented by 3 × 3 matrix M, and that produced a slight rotation of .delta..theta.

【0023】そこで、この機構ではLi はリンクiの方
向と長さであり、リンク長さをliとすれば、li
(Li ・Li 1/2 であり、また、変位後のリンク長さ
ldiは、ldi =(Ldi ・Ldi 1/2 である。こ
こで、リンクiが伸びた長さはδl=ldi −li であ
る。
Therefore, in this mechanism, L i is the direction and length of the link i, and if the link length is l i , then l i =
(L i · L i ) 1/2 , and the link length ld i after the displacement is l d i = (L d i · L d i ) 1/2 . The length of the link i is extended is δl = ld i -l i.

【0024】また、Ji ,Jdi をそれぞれリンクの方
向を示す単位ベクトルとすると、 Ji =Li /ll ,Jdi =Ldi /ldi ここで、を書きあらためると Jdi ldi =Ed+Tdi −Bi ・・・・・式 発生した変位ベクトルDは微少変位であることから式
を微分して式を整理すると、δlとδDは共に微少変位
であることから近似的に δl=XδD(なお、δl=δl1 ・・・δli )・・・式 の関係をもつことになる。
Further, J i, when a unit vector representing each direction of link Jd i, J i = L i / l l, Jd i = Ld i / ld i Here, the writing has been amended when Jd i ld i = Ed + Td i -B i Expression Since the generated displacement vector D is a minute displacement, the expression is differentiated to arrange the expression. Since both δl and δD are minute displacements, approximately δl = XδD (δl = δl 1 ... Δl i ).

【0025】ここで、δD=(δEδθ)であり、X
(detX≠0)は係数行列である。リンクに発生する
力はfi 、外力ベクトルはFであり、リンクに発生する
微少変位δl、トッププレートの微少変位δDより、こ
の機構は力学的に平衡状態であることから、仮想仕事の
原理より、δDF−δlf=0であり、式より、F=
Xf f=(δf1 ・・・・・fi ) ここで、係数行列Xの成分は、既知の負荷(荷重とモー
メント)を機構に加え、そのときの各リンクに取り付け
られた単軸の力覚センサの出力fを測定することで決定
することができる。
Here, δD = (δEδθ), and X
(DetX ≠ 0) is a coefficient matrix. The force generated in the link is f i , and the external force vector is F. Since the mechanism is in a mechanically balanced state based on the minute displacement δl and the minute displacement δD of the top plate, the mechanism is based on the principle of virtual work. , ΔDF−δlf = 0, and from the equation, F =
Xf f = (δf 1 ... F i ) Here, the components of the coefficient matrix X are obtained by applying a known load (load and moment) to the mechanism and applying a single-axis force attached to each link at that time. It can be determined by measuring the output f of the sensation sensor.

【0026】よってこの機構はある外力ベクトルFが加
わった場合、各リンクに取り付けられた圧縮・引張力を
検出するセンサ4の出力の変化をとらえ、係数行列Xを
用いて計算することで外力ベクトルFは算出される。
Therefore, when a certain external force vector F is applied, this mechanism captures a change in the output of the sensor 4 for detecting the compression / tension force attached to each link, and calculates the coefficient using the coefficient matrix X to calculate the external force vector. F is calculated.

【0027】なお、上記実施形態にかえて、ロッド3の
配列を図4に示すものとすることができる。要するに、
トッププレート1及びボトムプレート2並びに全てのロ
ッド3が、平行リンク機構を構成していなければよいの
である。
The arrangement of the rods 3 can be changed to that shown in FIG. 4 instead of the above embodiment. in short,
It is only necessary that the top plate 1 and the bottom plate 2 and all the rods 3 do not constitute a parallel link mechanism.

【0028】また、上記実施形態にかえて、プレート
1,2相互の連結は上端側が3自由度のジョイントJ3
により、下端側が2自由度のジョイントJ2により成さ
れてるものとすることができる。そして、3自由度のジ
ョイントJ3はボールジョインに限られるものではな
く、2自由度のジョイントJ2はユニバーサルジョイン
トに限られるものではない。
Further, in place of the above-described embodiment, the connection between the plates 1 and 2 is made by a joint J3 having three degrees of freedom at the upper end side.
Accordingly, the lower end side can be formed by the joint J2 having two degrees of freedom. The joint J3 having three degrees of freedom is not limited to the ball joint, and the joint J2 having two degrees of freedom is not limited to the universal joint.

【0029】さらに、トッププレート1とボトムプレー
ト2とを連結するロッド3は、上記実施形態のような6
本に限られるものではなく、適切に自由度を拘束するこ
とにより力覚を検出する軸数にあわせてリンクを減らす
ことができ、3本でX・Y・Zの3軸の力覚センサを構
成することができる。
Further, the rod 3 connecting the top plate 1 and the bottom plate 2 has the same structure as the above-described embodiment.
The number of links is reduced according to the number of axes for detecting force sense by appropriately restricting the degree of freedom, and the three-axis X, Y, and Z force sensor can be used with three. Can be configured.

【0030】[0030]

【発明の効果】この発明は上記のような構成であるか
ら、次の効果を有する。
The present invention has the following effects since it has the above-described configuration.

【0031】発明の実施の形態の欄に記載した内容から
も明らかなように、低コストで且つ性能の均一化が容易
な力覚センサを提供できた。
As is clear from the contents described in the section of the embodiment of the invention, a force sensor which is low in cost and easy to make the performance uniform can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】この発明の実施形態の力覚センサの正面図。FIG. 1 is a front view of a force sensor according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1のA−A断面図。FIG. 2 is a sectional view taken along line AA of FIG.

【図3】前記力覚センサの原理を説明するための図。FIG. 3 is a view for explaining the principle of the force sensor.

【図4】他の実施形態の力覚センサの上面図。FIG. 4 is a top view of a force sensor according to another embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 トッププレート 2 ボトムプレート 3 ロッド 4 センサ 1 Top plate 2 Bottom plate 3 Rod 4 Sensor

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 トッププレート(1)とボトムプレート
(2)とを複数のロッド(3)で連結してあり、前記プ
レート(1)(2)相互の連結は一端側が3自由度のジ
ョイントにより、他端側が2自由度のジョイントによる
ものとしてあり、前記ロッド(3)にはロッド軸線方向
の圧縮・引張力を検出できるセンサ(4)を具備させて
あることを特徴とする力覚センサ。
1. A top plate (1) and a bottom plate (2) are connected by a plurality of rods (3), and the plates (1) and (2) are connected to each other by a joint having one degree of freedom at one end. A force sensor characterized in that the other end is formed by a joint having two degrees of freedom, and the rod (3) is provided with a sensor (4) capable of detecting a compression / tensile force in a rod axial direction.
【請求項2】 トッププレート(1)の上面に入力軸
(10)を突設してあることを特徴とする請求項1記載
の力覚センサ。
2. The force sensor according to claim 1, wherein an input shaft is protruded from an upper surface of the top plate.
【請求項3】 3自由度のジョイントはボールジョイン
トであり、2自由度のジョイントはユニバーサルジョイ
ントであることを特徴とする請求項1又は2記載の力覚
センサ。
3. The force sensor according to claim 1, wherein the joint having three degrees of freedom is a ball joint, and the joint having two degrees of freedom is a universal joint.
【請求項4】 センサ(4)は、ロッド(3)のロッド
軸線方向の圧縮・引張力のみを検出できるものとしてあ
ることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の
力覚センサ。
4. A force sensor according to claim 1, wherein the sensor (4) is capable of detecting only the compression / tensile force of the rod (3) in the rod axis direction. .
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