JP5667723B1 - Force sensor - Google Patents

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Abstract

【課題】内部空間を確保しつつ、力とモーメントの検出感度のバランスを調整する。【解決手段】Z軸が中心軸となるように、導電性弾性体からなる円形の検出リング210を配置し、その下方に円盤状の支持体100、上方にワッシャ状の受力体300を配置する。X軸上に配置された接続部材221,222により、検出リング210の外周面を支持体100に接続し、Y軸上に配置された接続部材231,232により、検出リング210の外周面を受力体300に接続する。支持体100を固定した状態で受力体300に力やモーメントが作用すると、検出リング210が歪みを生じる。支持体100上に設けられた8組の電極E1〜E8と検出リング210の対向面とから構成される8組の容量素子の容量値に基づき、力およびモーメントを検出する。検出リング210は上下に複数枚積層させることができ、その枚数により検出感度のバランスを調整する。【選択図】図12A balance between detection sensitivity of force and moment is adjusted while securing an internal space. A circular detection ring 210 made of a conductive elastic body is disposed so that the Z axis is a central axis, a disk-shaped support body 100 is disposed below, and a washer-shaped force receiving body 300 is disposed above. To do. The outer peripheral surface of the detection ring 210 is connected to the support 100 by connecting members 221 and 222 arranged on the X axis, and the outer peripheral surface of the detection ring 210 is received by connecting members 231 and 232 arranged on the Y axis. Connect to force body 300. When a force or moment is applied to the force receiving body 300 with the support 100 fixed, the detection ring 210 is distorted. Forces and moments are detected based on the capacitance values of the eight sets of capacitive elements formed by the eight sets of electrodes E1 to E8 provided on the support 100 and the opposing surfaces of the detection ring 210. A plurality of detection rings 210 can be stacked one above the other, and the balance of detection sensitivity is adjusted according to the number of detection rings 210. [Selection] Figure 12

Description

本発明は、力覚センサに関し、特に、三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを検出するのに適したセンサに関する。   The present invention relates to a force sensor, and more particularly to a sensor suitable for detecting a force in each coordinate axis direction and a moment around each coordinate axis in a three-dimensional orthogonal coordinate system.

ロボットや産業機械の動作制御を行うために、種々のタイプの力覚センサが利用されている。また、電子機器の入力装置のマン・マシンインターフェイスとしても、小型の力覚センサが組み込まれている。このような用途に用いる力覚センサには、小型化およびコストダウンを図るために、できるだけ構造を単純にするとともに、三次元空間内での各座標軸に関する力をそれぞれ独立して検出できるようにすることが要求される。   Various types of force sensors are used to control the operation of robots and industrial machines. A small force sensor is also incorporated as a man-machine interface of an input device of an electronic device. In order to reduce the size and reduce the cost, the force sensor used for such an application has a simple structure as much as possible, and can detect the force relating to each coordinate axis in a three-dimensional space independently. Is required.

現在、一般に利用されている多軸力覚センサは、機械的構造部に作用した力の特定の方向成分を、特定の部分に生じた変位として検出するタイプのものと、特定の部分に生じた機械的な歪みとして検出するタイプのものに分類される。前者の変位検出タイプの代表格は、静電容量素子式の力覚センサであり、一対の電極により容量素子を構成しておき、作用した力によって一方の電極に生じた変位を、容量素子の静電容量値に基づいて検出するものである。たとえば、下記の特許文献1(対応米国公報が特許文献2)や特許文献3(対応米国公報が特許文献4)には、この静電容量式の多軸力覚センサが開示されている。   Currently, the multi-axis force sensor that is generally used is a type that detects a specific direction component of a force acting on a mechanical structure part as a displacement generated in a specific part and a specific part. It is classified as a type to detect as mechanical strain. A typical example of the former displacement detection type is a capacitive element type force sensor, in which a capacitive element is configured by a pair of electrodes, and the displacement generated in one electrode by the applied force is detected by the capacitive element. The detection is based on the capacitance value. For example, Patent Document 1 (corresponding US publication is Patent Document 2) and Patent Document 3 (corresponding United States Publication is Patent Document 4) below disclose this capacitance-type multi-axis force sensor.

一方、後者の機械的な歪み検出タイプの代表格は、歪みゲージ式の力覚センサであり、作用した力によって生じた機械的な歪みを、ストレインゲージなどの電気抵抗の変化として検出するものである。たとえば、下記の特許文献5(対応米国公報が特許文献6)には、この歪みゲージ式の多軸力覚センサが開示されている。   On the other hand, a representative of the latter type of mechanical strain detection is a strain gauge type force sensor that detects mechanical strain caused by the applied force as a change in electrical resistance such as a strain gauge. is there. For example, the following Patent Document 5 (corresponding US publication is Patent Document 6) discloses this strain gauge type multi-axis force sensor.

また、機械的構造部の形態についても、小型化や薄型化を図るために様々な提案がなされている。たとえば、特許文献7には、円柱状の剛体部の外側に可撓性をもったリング状の荷重検出部を配置して両者間を連結し、モーメントの作用により生じるリング状の荷重検出部のひづみを検出するセンサが開示されている。また、特許文献8には、内側リングと外側リングという2組のリングを同心円状に配置して両者間を連結し、一方のリングに作用した力を他方のリングに伝達して変形させ、この変形態様を検出するセンサが開示されている。   Various proposals have also been made on the form of the mechanical structure in order to reduce the size and thickness. For example, Patent Document 7 discloses a ring-shaped load detection unit that is generated by the action of a moment by disposing a flexible ring-shaped load detection unit on the outside of a cylindrical rigid body unit. A sensor for detecting strain is disclosed. Further, in Patent Document 8, two sets of rings, an inner ring and an outer ring, are arranged concentrically and connected between them, and the force acting on one ring is transmitted to the other ring to be deformed. A sensor for detecting a deformation mode is disclosed.

特開2004−325367号公報JP 2004-325367 A 米国特許第7219561号公報US Pat. No. 7,219,561 特開2004−354049号公報JP 2004-354049 A 米国特許第6915709号公報US Pat. No. 6,915,709 特開平8−122178号公報JP-A-8-122178 米国特許第5490427号公報US Pat. No. 5,490,427 特開平6−094548号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-094548 特許第4963138号公報Japanese Patent No. 4963138

作用した力やモーメントを電気的に検出するためには、電気信号を取り出す配線や信号処理回路が必要になるが、小型化が要求される力覚センサにおいて、配線や回路を組み込むスペースは限られている。たとえば、前掲の特許文献7,8に開示されている力覚センサでは、機械的構造部として、内側部材と外側部材とを同心円状に配置した構造を採用しているため、全体的に薄型を図ることが可能になる。   In order to electrically detect the applied force and moment, wiring and signal processing circuits that extract electrical signals are required. However, in force sensors that require miniaturization, the space for wiring and circuits is limited. ing. For example, in the force sensors disclosed in the above-mentioned Patent Documents 7 and 8, since a structure in which an inner member and an outer member are concentrically arranged is employed as a mechanical structure portion, the overall thickness is reduced. It becomes possible to plan.

しかしながら、内側部材と外側部材という入れ子式の構造を採るため、配線や回路を組み込むための内部スペースは限られ、装置外部に設けられたコネクターから信号を取り出す形態を採用せざるを得ない場合が多い。このような力覚センサをロボットアームに取り付ける場合、配線をロボットアームの外側に実装してロボットの制御装置本体まで接続する必要があるため、ロボートアームの駆動時に、配線が外部の物体と接触して断線するような事故が生じやすい。   However, because the inner structure and the outer member have a nested structure, the internal space for incorporating the wiring and circuit is limited, and there is a case where it is necessary to adopt a form in which a signal is taken out from a connector provided outside the apparatus. Many. When such a force sensor is attached to the robot arm, it is necessary to mount the wiring outside the robot arm and connect it to the robot controller's main body. Therefore, when the robot arm is driven, the wiring contacts an external object. Accidents such as disconnection are likely to occur.

また、力とモーメントとの双方を検出する機能をもった力覚センサの場合、実用上、力の検出感度とモーメントの検出感度とのバランスがとれていた方が好ましいが、これまで提案されている機械的構造部をもったセンサでは、両者のバランスを調整した設計を行うことが困難である。   Moreover, in the case of a force sensor having a function for detecting both force and moment, it is preferable that a balance between force detection sensitivity and moment detection sensitivity is practically used. With a sensor having a mechanical structure, it is difficult to design with a balance between the two.

そこで本発明は、内部空間を確保しつつ、力の検出感度とモーメントの検出感度とのバランスを調整した設計を行いやすい小型の力覚センサを提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a small force sensor that facilitates a design in which the balance between force detection sensitivity and moment detection sensitivity is adjusted while securing an internal space.

(1) 本発明の第1の態様は、XYZ三次元直交座標系における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うち、少なくとも1軸に関する力もしくはモーメントを検出する力覚センサにおいて、
Z軸が中心軸となるようにXY平面に平行な配置平面上に配置され、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により少なくとも一部に弾性変形を生じる複数m本(m≧2)の検出リングと、
検出リングの下方に配置された支持体と、
検出リングの上方に配置された受力体と、
検出リングを所定の固定点の位置において支持体に固定する支持接続部材と、
検出リングを所定の作用点の位置において受力体に接続する受力接続部材と、
検出リングの弾性変形を電気的に検出する検出素子と、
検出素子の検出結果に基づいて、支持体を固定した状態において、受力体に作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントの検出値を出力する検出回路と、
を設け、
固定点のXY平面への投影像と作用点のXY平面への投影像とが異なる位置に形成され、
複数m本の検出リングは、互いに所定間隔をおいてZ軸方向に隣接して配置され、個々の検出リングは、いずれもZ軸が中心軸となるようにXY平面に平行な個々の配置平面上に配置されており、
支持体は最も下方に位置する検出リングの更に下方に配置され、受力体は最も上方に位置する検出リングの更に上方に配置され、
個々の検出リングの固定点は支持接続部材によって支持体に固定されており、個々の検出リングの作用点は受力接続部材によって受力体に固定されているようにしたものである。
(1) A first aspect of the present invention is a force sensor that detects a force or a moment related to at least one axis among a force in each coordinate axis direction and a moment around each coordinate axis in an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system.
A plurality of m (m ≧ 2) detection rings that are arranged on an arrangement plane parallel to the XY plane so that the Z axis is the central axis, and that are elastically deformed at least in part by the action of a force or moment to be detected. When,
A support disposed below the detection ring;
A force receiving body disposed above the detection ring;
A support connection member for fixing the detection ring to the support at the position of a predetermined fixing point;
A force receiving connection member for connecting the detection ring to the force receiving body at the position of the predetermined action point;
A detection element for electrically detecting elastic deformation of the detection ring;
A detection circuit that outputs a detection value of a force in a predetermined coordinate axis direction acting on the force receiving member or a moment around the predetermined coordinate axis in a state where the support is fixed based on a detection result of the detection element;
Provided,
The projection image of the fixed point on the XY plane and the projection image of the action point on the XY plane are formed at different positions ,
A plurality of m detection rings are arranged adjacent to each other in the Z axis direction at a predetermined interval, and each detection ring is an individual arrangement plane parallel to the XY plane so that the Z axis is the central axis. Is located on top
The support body is disposed further below the lowermost detection ring, and the force receiving body is disposed further above the uppermost detection ring.
The fixing points of the individual detection rings are fixed to the support body by the support connection member, and the action points of the individual detection rings are fixed to the reception body by the force receiving connection member.

(2) 本発明の第2の態様は、上述した第1の態様に係る力覚センサにおいて、
個々の検出リングの固定点および作用点のXY平面への投影像は互いに重なり合い、
支持接続部材は、XY平面上の同一位置に投影像を形成する、異なる検出リングの各固定点の近傍を、相互に接続するとともに支持体に固定し、
受力接続部材は、XY平面上の同一位置に投影像を形成する、異なる検出リングの各作用点の近傍を、相互に接続するとともに受力体に固定するようにしたものである。
(2) According to a second aspect of the present invention, in the force sensor according to the first aspect described above,
The projected images of the fixed points and the action points of the individual detection rings on the XY plane overlap each other,
The support connection member connects the vicinity of each fixed point of different detection rings, which form a projected image at the same position on the XY plane, and fixes the support connection member to the support.
The force receiving connection member is configured to connect the vicinity of each action point of different detection rings, which form a projection image at the same position on the XY plane, to each other and to be fixed to the force receiving body.

(3) 本発明の第3の態様は、上述した第1または第2の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングの輪郭に沿った環状路に、複数n個(n≧2)の固定点と複数n個の作用点とが交互に配置されており、
検出素子が、隣接配置された固定点と作用点との間の位置に定義された測定点の近傍における検出リングの弾性変形を電気的に検出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 plurality of n (n ≧ 2) fixed points and a plurality of n action points are alternately arranged on the annular path along the contour of the detection ring,
The detection element is configured to electrically detect elastic deformation of the detection ring in the vicinity of the measurement point defined at a position between the fixed point and the action point arranged adjacent to each other.

(4) 本発明の第4の態様は、上述した第3の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングの輪郭に沿った環状路に、第1の固定点、第1の作用点、第2の固定点、第2の作用点の順に、2個の固定点および2個の作用点が配置されており、
当該環状路における第1の固定点と第1の作用点との間の位置に配置された第1の測定点、当該環状路における第1の作用点と第2の固定点との間の位置に配置された第2の測定点、当該環状路における第2の固定点と第2の作用点との間の位置に配置された第3の測定点、当該環状路における第2の作用点と第1の固定点との間の位置に配置された第4の測定点をそれぞれ定義したときに、検出素子が、第1〜第4の測定点の近傍における検出リングの弾性変形を電気的に検出するようにしたものである。
(4) According to a fourth aspect of the present invention, in the force sensor according to the third aspect described above,
Two fixed points and two action points are arranged in the order of the first fixed point, the first action point, the second fixed point, and the second action point on the annular path along the contour of the detection ring. Has been
A first measurement point disposed at a position between the first fixed point and the first action point in the annular path; a position between the first action point and the second fixed point in the ring path; A second measurement point disposed at a position, a third measurement point disposed at a position between the second fixed point and the second action point in the ring road, and a second action point in the ring path; When each of the fourth measurement points arranged at a position between the first fixed point and the first measurement point is defined, the detection element electrically detects the elastic deformation of the detection ring in the vicinity of the first to fourth measurement points. It is intended to be detected.

(5) 本発明の第5の態様は、上述した第4の態様に係る力覚センサにおいて、
第1の固定点のXY平面への投影像がX軸正領域上に、第1の作用点のXY平面への投影像がY軸正領域上に、第2の固定点のXY平面への投影像がX軸負領域上に、第2の作用点のXY平面への投影像がY軸負領域上に、それぞれ位置し、
XY平面への投影像がX軸正領域上に位置するように配置された第1の支持接続部材により、検出リングの第1の固定点近傍が支持体に接続され、
XY平面への投影像がX軸負領域上に位置するように配置された第2の支持接続部材により、検出リングの第2の固定点近傍が支持体に接続され、
XY平面への投影像がY軸正領域上に位置するように配置された第1の受力接続部材により、検出リングの第1の作用点近傍が受力体に接続され、
XY平面への投影像がY軸負領域上に位置するように配置された第2の受力接続部材により、検出リングの第2の作用点近傍が受力体に接続され、
検出素子が、XY平面への投影像がXY座標系の第1象限、第2象限、第3象限、第4象限にそれぞれ位置する第1の測定点、第2の測定点、第3の測定点、第4の測定点の近傍における検出リングの弾性変形を電気的に検出す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 fourth aspect described above,
The projected image of the first fixed point on the XY plane is on the X-axis positive region, the projected image of the first working point on the XY plane is on the Y-axis positive region, and the second fixed point is projected on the XY plane. The projected image is located on the X axis negative region, and the projected image of the second action point on the XY plane is located on the Y axis negative region,
By the first support connection member arranged so that the projected image on the XY plane is positioned on the X-axis positive region, the vicinity of the first fixed point of the detection ring is connected to the support,
By the second support connection member arranged so that the projected image on the XY plane is positioned on the X-axis negative region, the vicinity of the second fixed point of the detection ring is connected to the support,
By the first force receiving connection member arranged so that the projected image on the XY plane is positioned on the Y-axis positive region, the vicinity of the first action point of the detection ring is connected to the force receiving body,
By the second force receiving connection member arranged so that the projected image on the XY plane is positioned on the Y-axis negative region, the vicinity of the second action point of the detection ring is connected to the force receiving body,
The detection element has a first measurement point, a second measurement point, and a third measurement in which the projected image on the XY plane is located in the first quadrant, the second quadrant, the third quadrant, and the fourth quadrant of the XY coordinate system, respectively. The elastic deformation of the detection ring in the vicinity of the point and the fourth measurement point is electrically detected.

(6) 本発明の第6の態様は、上述した第5の態様に係る力覚センサにおいて、
XYZ三次元直交座標系における原点Oを通り、正の領域がXY平面の第1象限、負の領域がXY平面の第3象限に位置し、X軸に対して45°をなすV軸と、XYZ三次元直交座標系における原点Oを通り、正の領域がXY平面の第2象限、負の領域がXY平面の第4象限に位置し、V軸に対して直交するW軸と、を定義したときに、第1の測定点のXY平面への投影像がV軸正領域に、第2の測定点のXY平面への投影像がW軸正領域に、第3の測定点のXY平面への投影像がV軸負領域に、第4の測定点のXY平面への投影像がW軸負領域に、それぞれ位置するようにしたものである。
(6) A sixth aspect of the present invention is the force sensor according to the fifth aspect described above,
A V-axis that passes through the origin O in the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system, the positive region is located in the first quadrant of the XY plane, the negative region is located in the third quadrant of the XY plane, and forms 45 ° with respect to the X axis; Defines the W axis that passes through the origin O in the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system, the positive region is located in the second quadrant of the XY plane, the negative region is located in the fourth quadrant of the XY plane, and is orthogonal to the V axis. Then, the projection image of the first measurement point on the XY plane is in the V-axis positive region, the projection image of the second measurement point on the XY plane is in the W-axis positive region, and the XY plane of the third measurement point The projection image onto the XY plane is located in the V-axis negative region, and the projection image of the fourth measurement point on the XY plane is located in the W-axis negative region.

(7) 本発明の第7の態様は、上述した第1〜第6の態様に係る力覚センサにおいて、
支持接続部材および受力接続部材が、検出リングの外周面から更に外側に突出する部材によって構成されており、
支持接続部材の下面は、最も下方に位置する検出リングの下面よりも下方に位置し、支持体の上面に接続され、最も下方に位置する検出リングの下面と支持体の上面との間には所定の空隙が形成され、
受力接続部材の上面は、最も上方に位置する検出リングの上面よりも上方に位置し、受力体の下面に接続され、最も上方に位置する検出リングの上面と受力体の下面との間には所定の空隙が形成されているようにしたものである。
(7) A seventh aspect of the present invention is the force sensor according to the first to sixth aspects described above,
The support connection member and the force receiving connection member are constituted by members that protrude further outward from the outer peripheral surface of the detection ring,
The lower surface of the support connection member is positioned below the lower surface of the lowermost detection ring and is connected to the upper surface of the support, and between the lower surface of the lowermost detection ring and the upper surface of the support A predetermined gap is formed,
The upper surface of the force receiving connection member is located above the upper surface of the uppermost detection ring and is connected to the lower surface of the force receiving body, and the upper surface of the uppermost detection ring and the lower surface of the force receiving body A predetermined gap is formed between them.

(8) 本発明の第8の態様は、上述した第7の態様に係る力覚センサにおいて、
支持接続部材および受力接続部材のXY平面への投影像が、支持体のXY平面への投影像の内部に包含され、かつ、受力体のXY平面への投影像の内部に包含されているようにしたものである。
(8) The eighth aspect of the present invention is the force sensor according to the seventh aspect described above,
The projection image of the support connection member and the force receiving connection member on the XY plane is included in the projection image of the support body on the XY plane, and is included in the projection image of the support body on the XY plane. It is what you have.

(9) 本発明の第9の態様は、上述した第1〜第6の態様に係る力覚センサにおいて、
支持接続部材が、最も下方に位置する検出リングの下面と支持体とを接続する部材と、上下に隣接する個々の検出リング対について上方検出リングの下面と下方検出リングの上面とを接続する部材と、によって構成されており、
受力接続部材が、最も上方に位置する検出リングの上面と受力体とを接続する部材と、上下に隣接する個々の検出リング対について上方検出リングの下面と下方検出リングの上面とを接続する部材と、によって構成されているようにしたものである。
(9) According to a ninth aspect of the present invention, in the force sensor according to the first to sixth aspects described above,
A support connecting member is a member that connects the lower surface of the lowermost detection ring and the support, and a member that connects the lower surface of the upper detection ring and the upper surface of the lower detection ring for each pair of detection rings adjacent vertically And consists of
The force receiving connection member connects the upper surface of the uppermost detection ring and the force receiving member, and the lower detection ring upper surface and the lower detection ring upper surface for each pair of detection rings adjacent vertically. And a member to be configured.

(10) 本発明の第10の態様は、上述した第1〜第9の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングを、Z軸が中心軸となるように配置平面上に配置された円形のリングによって構成したものである。
(10) The tenth aspect of the present invention is the force sensor according to the first to ninth aspects described above,
The detection ring is constituted by a circular ring arranged on the arrangement plane so that the Z axis becomes the central axis.

(11) 本発明の第11の態様は、上述した第1〜第10の態様に係る力覚センサにおいて、
支持体を、検出リングの下方に配置され、XY平面に平行な板面を有する盤状部材によって構成し、
受力体を、検出リングの上方に配置され、XY平面に平行な板面を有する盤状部材によって構成したものである。
(11) The eleventh aspect of the present invention is the force sensor according to the first to tenth aspects described above,
The support is configured by a plate-like member disposed below the detection ring and having a plate surface parallel to the XY plane,
The force receiving body is configured by a plate-like member that is disposed above the detection ring and has a plate surface parallel to the XY plane.

(12) 本発明の第12の態様は、上述した第11の態様に係る力覚センサにおいて、
支持体および受力体の一方もしくは双方を、中心部に開口部を有する盤状部材によって構成したものである。
(12) According to a twelfth aspect of the present invention, in the force sensor according to the eleventh aspect described above,
One or both of the support body and the force receiving body is constituted by a disk-shaped member having an opening at the center.

(13) 本発明の第13の態様は、上述した第1〜第12の態様に係る力覚センサにおいて、
支持体および受力体を、作用する力もしくはモーメントが所定の許容範囲内である限り実質的な変形を生じない剛体によって構成したものである。
(13) The thirteenth aspect of the present invention is the force sensor according to the first to twelfth aspects described above,
The support body and the power receiving body are configured by a rigid body that does not substantially deform as long as the applied force or moment is within a predetermined allowable range.

(14) 本発明の第14の態様は、上述した第1〜第13の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子が、検出リングの所定の測定点の変位を電気的に検出するようにしたものである。
(14) The fourteenth aspect of the present invention is the force sensor according to the first to thirteenth aspects described above,
The detection element is configured to electrically detect the displacement of a predetermined measurement point of the detection ring.

(15) 本発明の第15の態様は、上述した第14の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子が、検出リングの測定点近傍の測定対象面と、支持体もしくは受力体に固定され測定対象面に対向する対向基準面と、の距離を電気的に検出するようにしたものである。
(15) According to a fifteenth aspect of the present invention, in the force sensor according to the fourteenth aspect described above,
The detection element is configured to electrically detect the distance between the measurement target surface in the vicinity of the measurement point of the detection ring and the opposing reference surface fixed to the support body or the force receiving body and facing the measurement target surface. .

(16) 本発明の第16の態様は、上述した第15の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングの内周面の測定点近傍に内側測定対象面を定義し、
この内側測定対象面に対向する内側対向基準面を有し、支持体の上面もしくは受力体の下面に固定された固定構造体を更に設け、
検出素子が、内側測定対象面と内側対向基準面との距離を電気的に検出するようにしたものである。
(16) According to a sixteenth aspect of the present invention, in the force sensor according to the fifteenth aspect described above,
Define the inner measurement target surface near the measurement point on the inner peripheral surface of the detection ring,
A fixed structure that has an inner facing reference surface facing the inner measurement target surface and is fixed to the upper surface of the support or the lower surface of the force receiving member;
The detection element is configured to electrically detect the distance between the inner measurement target surface and the inner facing reference surface.

(17) 本発明の第17の態様は、上述した第15の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングの下面の測定点近傍に下側測定対象面を定義し、
検出素子が、下側測定対象面と支持体の上面との距離を電気的に検出するようにしたものである。
(17) A seventeenth aspect of the present invention is the force sensor according to the fifteenth aspect described above,
Define the lower measurement target surface near the measurement point on the lower surface of the detection ring,
The detection element is configured to electrically detect the distance between the lower measurement target surface and the upper surface of the support.

(18) 本発明の第18の態様は、上述した第15〜第17の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子を、測定対象面に設けられた変位電極と、対向基準面に設けられた固定電極と、を有する容量素子によって構成したものである。
(18) According to an eighteenth aspect of the present invention, in the force sensor according to the fifteenth to seventeenth aspects described above,
The detection element is constituted by a capacitive element having a displacement electrode provided on the measurement target surface and a fixed electrode provided on the opposing reference surface.

(19) 本発明の第19の態様は、上述した第18の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングを可撓性をもった導電性材料によって構成し、検出リングの表面を共通変位電極として容量素子を構成したものである。
(19) The nineteenth aspect of the present invention is the force sensor according to the eighteenth aspect described above,
The detection ring is made of a conductive material having flexibility, and a capacitive element is formed by using the surface of the detection ring as a common displacement electrode.

(20) 本発明の第20の態様は、上述した第6の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングが、Z軸が中心軸となるように、支持体上方の配置平面上に配置された円形のリングであり、
検出素子が、
検出リングの内周面の第1の測定点近傍位置に配置された第1の変位電極と、検出リングの内側の第1の変位電極に対向する位置に配置され、支持体の上面に固定された第1の固定電極と、によって構成される第1の容量素子と、
検出リングの内周面の第2の測定点近傍位置に配置された第2の変位電極と、検出リングの内側の第2の変位電極に対向する位置に配置され、支持体の上面に固定された第2の固定電極と、によって構成される第2の容量素子と、
検出リングの内周面の第3の測定点近傍位置に配置された第3の変位電極と、検出リングの内側の第3の変位電極に対向する位置に配置され、支持体の上面に固定された第3の固定電極と、によって構成される第3の容量素子と、
検出リングの内周面の第4の測定点近傍位置に配置された第4の変位電極と、検出リングの内側の第4の変位電極に対向する位置に配置され、支持体の上面に固定された第4の固定電極と、によって構成される第4の容量素子と、
検出リングの下面の第1の測定点近傍位置に配置された第5の変位電極と、支持体の上面の第5の変位電極に対向する位置に配置された第5の固定電極とによって構成される第5の容量素子と、
検出リングの下面の第2の測定点近傍位置に配置された第6の変位電極と、支持体の上面の第6の変位電極に対向する位置に配置された第6の固定電極とによって構成される第6の容量素子と、
検出リングの下面の第3の測定点近傍位置に配置された第7の変位電極と、支持体の上面の第7の変位電極に対向する位置に配置された第7の固定電極とによって構成される第7の容量素子と、
検出リングの下面の第4の測定点近傍位置に配置された第8の変位電極と、支持体の上面の第8の変位電極に対向する位置に配置された第8の固定電極とによって構成される第8の容量素子と、
を有するようにしたものである。
(20) According to a twentieth aspect of the present invention, in the force sensor according to the sixth aspect described above,
The detection ring is a circular ring arranged on an arrangement plane above the support so that the Z-axis is the central axis;
The sensing element
The first displacement electrode disposed in the vicinity of the first measurement point on the inner peripheral surface of the detection ring and the first displacement electrode disposed on the inner side of the detection ring are disposed at positions facing the first displacement electrode and fixed to the upper surface of the support. A first capacitive element comprising: a first fixed electrode;
The second displacement electrode disposed in the vicinity of the second measurement point on the inner peripheral surface of the detection ring and the second displacement electrode disposed on the inner side of the detection ring are disposed at positions facing the second displacement electrode, and are fixed to the upper surface of the support. A second capacitive element constituted by a second fixed electrode;
A third displacement electrode disposed in the vicinity of the third measurement point on the inner peripheral surface of the detection ring and a position opposed to the third displacement electrode inside the detection ring are fixed to the upper surface of the support. A third capacitive element constituted by a third fixed electrode;
A fourth displacement electrode disposed in the vicinity of the fourth measurement point on the inner peripheral surface of the detection ring and a position facing the fourth displacement electrode on the inner side of the detection ring are fixed to the upper surface of the support. A fourth capacitive element constituted by a fourth fixed electrode;
The fifth displacement electrode is disposed at a position near the first measurement point on the lower surface of the detection ring, and the fifth fixed electrode is disposed at a position facing the fifth displacement electrode on the upper surface of the support. A fifth capacitive element;
A sixth displacement electrode disposed at a position near the second measurement point on the lower surface of the detection ring and a sixth fixed electrode disposed at a position facing the sixth displacement electrode on the upper surface of the support. A sixth capacitive element;
The seventh displacement electrode is disposed at a position near the third measurement point on the lower surface of the detection ring, and the seventh fixed electrode is disposed at a position facing the seventh displacement electrode on the upper surface of the support. A seventh capacitor element;
An eighth displacement electrode disposed in the vicinity of the fourth measurement point on the lower surface of the detection ring and an eighth fixed electrode disposed at a position facing the eighth displacement electrode on the upper surface of the support. An eighth capacitive element;
It is made to have.

(21) 本発明の第21の態様は、上述した第20の態様に係る力覚センサにおいて、
互いに所定間隔をおいてZ軸方向に隣接して配置された上方検出リングと下方検出リングとを備え、この2本の検出リングは、いずれもZ軸が中心軸となるようにXY平面に平行な個々の配置平面上に配置され、
上方検出リングの第1の固定点のXY平面への投影像と、下方検出リングの第1の固定点のXY平面への投影像と、は互いに重なり合い、
上方検出リングの第2の固定点のXY平面への投影像と、下方検出リングの第2の固定点のXY平面への投影像と、は互いに重なり合い、
上方検出リングの第1の作用点のXY平面への投影像と、下方検出リングの第1の作用点のXY平面への投影像と、は互いに重なり合い、
上方検出リングの第2の作用点のXY平面への投影像と、下方検出リングの第2の作用点のXY平面への投影像と、は互いに重なり合い、
第1の支持接続部材により、上方検出リングの第1の固定点近傍と下方検出リングの第1の固定点近傍とが相互に接続されるとともに、支持体にも接続され、
第2の支持接続部材により、上方検出リングの第2の固定点近傍と下方検出リングの第2の固定点近傍とが相互に接続されるとともに、支持体にも接続され、
第1の受力接続部材により、上方検出リングの第1の作用点近傍と下方検出リングの第1の作用点近傍とが相互に接続されるとともに、受力体にも接続され、
第2の受力接続部材により、上方検出リングの第2の作用点近傍と下方検出リングの第2の作用点近傍とが相互に接続されるとともに、受力体にも接続され、
第1の変位電極は、上方検出リングの内周面の第1の測定点近傍位置と、下方検出リングの内周面の第1の測定点近傍位置と、の2箇所に分散して配置され、第1の固定電極は、この2箇所に分散して配置された変位電極の双方に対向し、
第2の変位電極は、上方検出リングの内周面の第2の測定点近傍位置と、下方検出リングの内周面の第2の測定点近傍位置と、の2箇所に分散して配置され、第2の固定電極は、この2箇所に分散して配置された変位電極の双方に対向し、
第3の変位電極は、上方検出リングの内周面の第3の測定点近傍位置と、下方検出リングの内周面の第3の測定点近傍位置と、の2箇所に分散して配置され、第3の固定電極は、この2箇所に分散して配置された変位電極の双方に対向し、
第4の変位電極は、上方検出リングの内周面の第4の測定点近傍位置と、下方検出リングの内周面の第4の測定点近傍位置と、の2箇所に分散して配置され、第4の固定電極は、この2箇所に分散して配置された変位電極の双方に対向し、
第5の変位電極は、下方検出リングの下面の第1の測定点近傍位置に配置され、第6の変位電極は、下方検出リングの下面の第2の測定点近傍位置に配置され、第7の変位電極は、下方検出リングの下面の第3の測定点近傍位置に配置され、第8の変位電極は、下方検出リングの下面の第4の測定点近傍位置に配置されているようにしたものである。
(21) According to a twenty-first aspect of the present invention, in the force sensor according to the twentieth aspect described above,
An upper detection ring and a lower detection ring are arranged adjacent to each other in the Z-axis direction at a predetermined interval, and both of these two detection rings are parallel to the XY plane so that the Z-axis is the central axis. Placed on individual placement planes,
The projection image of the first fixed point of the upper detection ring on the XY plane and the projection image of the first fixed point of the lower detection ring on the XY plane overlap each other.
The projected image of the second fixed point of the upper detection ring on the XY plane and the projected image of the second fixed point of the lower detection ring on the XY plane overlap each other,
The projection image of the first action point of the upper detection ring on the XY plane and the projection image of the first action point of the lower detection ring on the XY plane overlap each other,
The projection image of the second action point of the upper detection ring on the XY plane and the projection image of the second action point of the lower detection ring on the XY plane overlap each other.
The first support connection member connects the vicinity of the first detection point of the upper detection ring and the vicinity of the first detection point of the lower detection ring to each other and is also connected to the support body.
By the second support connection member, the vicinity of the second fixed point of the upper detection ring and the vicinity of the second fixed point of the lower detection ring are connected to each other and also connected to the support,
The first force receiving connection member connects the vicinity of the first action point of the upper detection ring and the vicinity of the first action point of the lower detection ring to each other and is also connected to the force receiving body,
By the second force receiving connection member, the vicinity of the second action point of the upper detection ring and the vicinity of the second action point of the lower detection ring are connected to each other and also connected to the force receiving body,
The first displacement electrodes are distributed and arranged in two locations: a position near the first measurement point on the inner peripheral surface of the upper detection ring and a position near the first measurement point on the inner peripheral surface of the lower detection ring. The first fixed electrode is opposed to both of the displacement electrodes that are dispersedly disposed at the two locations.
The second displacement electrodes are distributed and arranged at two locations, a position near the second measurement point on the inner peripheral surface of the upper detection ring and a position near the second measurement point on the inner peripheral surface of the lower detection ring. The second fixed electrode is opposed to both of the displacement electrodes distributed in the two locations,
The third displacement electrodes are distributed and arranged in two locations: a position near the third measurement point on the inner peripheral surface of the upper detection ring and a position near the third measurement point on the inner peripheral surface of the lower detection ring. The third fixed electrode is opposed to both of the displacement electrodes arranged in a dispersed manner at the two locations,
The fourth displacement electrodes are distributed and arranged in two locations: a position near the fourth measurement point on the inner peripheral surface of the upper detection ring and a position near the fourth measurement point on the inner peripheral surface of the lower detection ring. The fourth fixed electrode is opposed to both of the displacement electrodes arranged in a dispersed manner at the two locations.
The fifth displacement electrode is disposed at a position near the first measurement point on the lower surface of the lower detection ring, and the sixth displacement electrode is disposed at a position near the second measurement point on the lower surface of the lower detection ring. The displacement electrode is arranged in the vicinity of the third measurement point on the lower surface of the lower detection ring, and the eighth displacement electrode is arranged in the vicinity of the fourth measurement point on the lower surface of the lower detection ring. Is.

(22) 本発明の第22の態様は、上述した第20または第21の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングを可撓性をもった導電性材料によって構成し、検出リングの表面を共通変位電極として各容量素子を構成したものである。
(22) According to a twenty-second aspect of the present invention, in the force sensor according to the twentieth or twenty-first aspect described above,
The detection ring is made of a conductive material having flexibility, and each capacitive element is formed by using the surface of the detection ring as a common displacement electrode.

(23) 本発明の第23の態様は、上述した第20〜第22の態様に係る力覚センサにおいて、
検出回路が、第1の容量素子の静電容量値をC1、第2の容量素子の静電容量値をC2、第3の容量素子の静電容量値をC3、第4の容量素子の静電容量値をC4、第5の容量素子の静電容量値をC5、第6の容量素子の静電容量値をC6、第7の容量素子の静電容量値をC7、第8の容量素子の静電容量値をC8としたときに、
Fx=−C1+C2+C3−C4
Fy=+C1+C2−C3−C4
Fz=−C5−C6−C7−C8
Mx=−C5−C6+C7+C8
My=+C5−C6−C7+C8
Mz=+C1−C2+C3−C4
なる演算式に基づいて、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の検出値を出力するようにしたものである。
(23) According to a twenty-third aspect of the present invention, in the force sensor according to the twentieth to twenty-second aspects described above,
The detection circuit sets the capacitance value of the first capacitance element to C1, the capacitance value of the second capacitance element to C2, the capacitance value of the third capacitance element to C3, and the capacitance value of the fourth capacitance element. The capacitance value is C4, the capacitance value of the fifth capacitance element is C5, the capacitance value of the sixth capacitance element is C6, the capacitance value of the seventh capacitance element is C7, and the eighth capacitance element. When the capacitance value of C8 is C8,
Fx = −C1 + C2 + C3-C4
Fy = + C1 + C2-C3-C4
Fz = -C5-C6-C7-C8
Mx = -C5-C6 + C7 + C8
My = + C5-C6-C7 + C8
Mz = + C1-C2 + C3-C4
Based on the following formula, the detection of the force Fx in the X-axis direction, the force Fy in the Y-axis direction, the force Fz in the Z-axis direction, the moment Mx around the X-axis, the moment My around the Y-axis, and the moment Mz around the Z-axis A value is output.

本発明に係る力覚センサでは、弾性変形を生じる検出リングの固定点を下方の支持体に接続し、作用点を上方の受力体に接続し、3つの構成要素を上下に積層配置する構造を採用したため、検出リングの内部に十分なスペースを確保することができる。また、そのような積層構造を採用すれば、複数の検出リングを上下に積層することもできるため、力の検出感度とモーメントの検出感度とのバランスを、用いる検出リングの個数によって容易に調整することが可能になる。   In the force sensor according to the present invention, a structure in which a fixed point of a detection ring that generates elastic deformation is connected to a lower support body, an action point is connected to an upper power receiving body, and three components are stacked one above the other. Therefore, a sufficient space can be secured inside the detection ring. Also, if such a laminated structure is adopted, a plurality of detection rings can be stacked one above the other, so the balance between the force detection sensitivity and the moment detection sensitivity can be easily adjusted by the number of detection rings used. It becomes possible.

このように、本発明によれば、内部空間を確保しつつ、力の検出感度とモーメントの検出感度とのバランスを調整した設計を行いやすい小型の力覚センサを提供することが可能になる。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide a small force sensor that facilitates a design in which the balance between the force detection sensitivity and the moment detection sensitivity is adjusted while securing the internal space.

本発明の基本的な実施形態に係る力覚センサの基本構造部の分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of the basic structure part of the force sensor which concerns on fundamental embodiment of this invention. 図1に示す基本構造部を組み立てて、ロボットアームの関節部分に利用する状態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the state which assembles | assembles the basic structure part shown in FIG. 1, and uses for the joint part of a robot arm. 図1に示す基本構造部の上面図(図(a) )および側面図(図(b) )である。FIG. 2 is a top view (FIG. (A)) and a side view (FIG. (B)) of the basic structure shown in FIG. 図3に示す基本構造部をXZ平面で切断した状態を示す断面図(図(a) )およびYZ平面で切断した状態を示す断面図(図(b) )である。FIG. 4 is a cross-sectional view (FIG. (A)) showing a state in which the basic structure shown in FIG. 3 is cut along the XZ plane and a cross-sectional view (FIG. (B)) showing a state cut along the YZ plane. 図1に示す中間体200の上面図(図(a) )および検出リング210の部分のみを抜き出した上面図(図(b) )である。2 is a top view (FIG. (A)) of the intermediate body 200 shown in FIG. 1 and a top view (FIG. (B)) in which only the detection ring 210 is extracted. 図1に示す基本構造部において、支持部100を固定した状態において受力部300にX軸正方向の力+Fxが加わったときの検出リング210の変形態様を示す平面図である(破線は変形前の状態を示す)。1 is a plan view showing a deformation mode of the detection ring 210 when a force + Fx in the X-axis positive direction is applied to the force receiving portion 300 in a state where the support portion 100 is fixed in the basic structure portion shown in FIG. Shows previous state). 図1に示す基本構造部において、支持部100を固定した状態において受力部300にY軸正方向の力+Fyが加わったときの検出リング210の変形態様を示す平面図である(破線は変形前の状態を示す)。1 is a plan view showing a deformation mode of the detection ring 210 when a force + Fy in the Y-axis positive direction is applied to the force receiving portion 300 in a state where the support portion 100 is fixed in the basic structure portion shown in FIG. Shows previous state). 図1に示す基本構造部において、支持部100を固定した状態において受力部300にZ軸正方向の力+Fzが加わったときの検出リング210の変形態様を示す側面図である。FIG. 3 is a side view showing a deformation mode of the detection ring 210 when a force + Fz in the positive Z-axis direction is applied to the force receiving portion 300 in a state where the support portion 100 is fixed in the basic structure portion shown in FIG. 1. 図1に示す基本構造部において、支持部100を固定した状態において受力部300にX軸正まわりのモーメント+Mxが加わったときの検出リング210の変形態様を示す側面図である。2 is a side view showing a deformation mode of the detection ring 210 when a moment + Mx about the positive X-axis is applied to the force receiving portion 300 in a state where the support portion 100 is fixed in the basic structure portion shown in FIG. 図1に示す基本構造部において、支持部100を固定した状態において受力部300にY軸正まわりのモーメント+Myが加わったときの検出リング210の変形態様を示す側面図である。FIG. 6 is a side view showing a deformation mode of the detection ring 210 when a moment + My about the positive Y-axis is applied to the force receiving portion 300 in a state where the support portion 100 is fixed in the basic structure portion shown in FIG. 1. 図1に示す基本構造部において、支持部100を固定した状態において受力部300にZ軸正まわりのモーメント+Mzが加わったときの検出リング210の変形態様を示す平面図である(破線は変形前の状態を示す)。1 is a plan view showing a deformation mode of the detection ring 210 when a moment + Mz about the positive Z-axis is applied to the force receiving portion 300 in a state where the support portion 100 is fixed in the basic structure portion shown in FIG. Shows previous state). 本発明の基本的な実施形態に係る力覚センサの基本構造部に固定電極を付加した状態の分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of a state where a fixed electrode is added to the basic structure of the force sensor according to the basic embodiment of the present invention. 図12に示す支持体100の上面図である(参考のため、検出リング200の位置を破線で示す)。FIG. 13 is a top view of the support body 100 shown in FIG. 12 (for reference, the position of the detection ring 200 is indicated by a broken line). 図12に示す基本的な実施形態に係る力覚センサに検出素子として用いられる8組の容量素子を示す平面図である。FIG. 13 is a plan view showing eight sets of capacitive elements used as detection elements in the force sensor according to the basic embodiment shown in FIG. 12. 図12に示す基本的な実施形態に係る力覚センサで用いられる各容量素子の対向電極のサイズの関係を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the size relationship of the counter electrode of each capacitive element used with the force sensor which concerns on fundamental embodiment shown in FIG. 図12に示す基本的な実施形態に係る力覚センサに対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの容量素子C1〜C8の静電容量値の変化を示すテーブルである。13 is a table showing changes in capacitance values of capacitive elements C1 to C8 when a force in each coordinate axis direction and a moment around each coordinate axis are applied to the force sensor according to the basic embodiment shown in FIG. . 図12に示す基本的な実施形態に係る力覚センサに対して作用する各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを求める演算式を示す図である。It is a figure which shows the computing equation which calculates | requires the force of each coordinate axis direction which acts on the force sensor which concerns on basic embodiment shown in FIG. 12, and the moment around each coordinate axis. 図12に示す基本的な実施形態に係る力覚センサに用いる検出回路を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the detection circuit used for the force sensor which concerns on fundamental embodiment shown in FIG. 図1に示す基本的な実施形態に利用されている中間体200の変形例200Aを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the modification 200A of the intermediate body 200 utilized for basic embodiment shown in FIG. 図1に示す基本的な実施形態における中間体200の代わりに、図19に示す変形例に係る中間体200Aを用いて構成した基本構造部の側面図である。FIG. 20 is a side view of a basic structure configured using an intermediate body 200A according to a modified example shown in FIG. 19 instead of the intermediate body 200 in the basic embodiment shown in FIG. 1. 図20に示す基本構造部をXZ平面で切断した状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state which cut | disconnected the basic structure part shown in FIG. 20 by XZ plane. 図1に示す基本的な実施形態に利用されている中間体200の別な変形例200Bを示す斜視図である。It is a perspective view which shows another modification 200B of the intermediate body 200 utilized for basic embodiment shown in FIG. 図1に示す基本的な実施形態における中間体200の代わりに、図22に示す変形例に係る中間体200Bを用いて構成した基本構造部の側面図である。It is a side view of the basic structure part comprised using the intermediate body 200B which concerns on the modification shown in FIG. 22 instead of the intermediate body 200 in basic embodiment shown in FIG. 図23に示す基本構造部をXZ平面で切断した状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state which cut | disconnected the basic structure part shown in FIG. 23 by XZ plane. 本発明に係る力覚センサに用いる中間体の種々のサンプルについて、検出リングの数や各部の寸法を示す表である。It is a table | surface which shows the number of detection rings, and the dimension of each part about the various samples of the intermediate body used for the force sensor which concerns on this invention. 図25に示す8種類のサンプルを用いた力覚センサにおける力とモーメントの検出感度のバランスを示す表である。It is a table | surface which shows the balance of the detection sensitivity of the force and moment in the force sensor using eight types of samples shown in FIG. 図21に示す基本構造部における支持体100の代わりに、支持体100Cを用いた変形例をXZ平面で切断した状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state which cut | disconnected the modification using the support body 100C in the XZ plane instead of the support body 100 in the basic structure part shown in FIG. 図24に示すダブルリング式基本構造部における受力体300の代わりに、受力体300Dを用いた変形例をXZ平面で切断した状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state cut | disconnected by the XZ plane using the power receiving body 300D instead of the power receiving body 300 in the double ring type basic structure part shown in FIG. 本発明における支持接続部材および受力接続部材の構造バリエーションを示す平面図である。It is a top view which shows the structural variation of the support connection member and force receiving connection member in this invention. シングルリング式基本構造部について、図29(b) に示す変形例を適用した例をXZ平面で切断した状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state which cut | disconnected the example which applied the modification shown in FIG.29 (b) about the single-ring-type basic structure part by XZ plane. ダブルリング式基本構造部について、図29(b) に示す変形例を適用した例をXZ平面で切断した状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state which cut | disconnected the example which applied the modification shown in FIG.29 (b) about a double ring type basic structure part by XZ plane.

<<< §1. 基本的実施形態に係る力覚センサの基本構造 >>>
はじめに、本発明の基本的実施形態に係る力覚センサの基本構造を説明する。本発明に係る力覚センサは、XYZ三次元直交座標系における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うち、少なくとも1軸に関する力もしくはモーメントを検出する機能を有している。そこで、以下、この力覚センサの基本構造部の構成を、XYZ三次元直交座標系に配置された状態について説明する。
<<< §1. Basic structure of force sensor according to basic embodiment >>
First, the basic structure of a force sensor according to a basic embodiment of the present invention will be described. The force sensor according to the present invention has a function of detecting a force or a moment related to at least one axis among a force in each coordinate axis direction and a moment around each coordinate axis in an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system. Therefore, the configuration of the basic structure of the force sensor will be described below in a state where it is arranged in an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system.

図1は、本発明の基本的な実施形態に係る力覚センサの基本構造部の分解斜視図である。後述するように、本発明に係る力覚センサは、この基本構造部に、更に、検出素子と検出回路を付加することにより構成される。図示のとおり、この基本構造部は、支持体100、中間体200、受力体300を上下方向に並べて配置し、相互に接合したものである。   FIG. 1 is an exploded perspective view of a basic structure of a force sensor according to a basic embodiment of the present invention. As will be described later, the force sensor according to the present invention is configured by further adding a detection element and a detection circuit to the basic structure portion. As shown in the figure, this basic structure is formed by arranging a support body 100, an intermediate body 200, and a force receiving body 300 side by side in the vertical direction and joining them together.

ここでは説明の便宜上、図に一点鎖線の矢印で示すようにX軸、Y軸、Z軸をとって、XYZ三次元直交座標系を定義する。支持体100、中間体200、受力体300は、いずれもZ軸が中心軸となるように配置されている。   Here, for convenience of explanation, an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system is defined by taking the X-axis, Y-axis, and Z-axis as indicated by a dashed line arrow in the figure. The support body 100, the intermediate body 200, and the force receiving body 300 are all arranged such that the Z axis is the central axis.

中間体200は、力やモーメントを検出する際に最も重要な役割を果たす構成要素であり、検出リング210、支持接続部材221,222、受力接続部材231,232を有している。ここに示す例の場合、中間体200は、一体成形体として構成されており、検出リング210、支持接続部材221,222、受力接続部材231,232は、この一体成形体の個々の部分により構成されることになる。もちろん、中間体200は、必ずしも一体成形体として構成する必要はなく、個々の部分を接合して得られる構造体にしてもかまわない。   The intermediate body 200 is a component that plays the most important role in detecting force and moment, and includes a detection ring 210, support connection members 221 and 222, and force receiving connection members 231 and 232. In the case of the example shown here, the intermediate body 200 is configured as an integrally formed body, and the detection ring 210, the support connection members 221, 222, and the force receiving connection members 231, 232 are formed by individual parts of the integrally formed body. Will be composed. Of course, the intermediate body 200 does not necessarily have to be configured as an integrally molded body, and may be a structure obtained by joining individual portions.

検出リング210は、Z軸が中心軸となるようにXY平面上に配置された円筒状(ワッシャ状)の環状構造体であり外周面も内周面も円柱面を構成する。また、この検出リング210は、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により弾性変形を生じる材料から構成されている。支持接続部材221,222は、この検出リング210とX軸との交点位置を下方の支持体100に固定するための部材であり、その下面は支持体100の上面に接合される。一方、受力接続部材231,232は、この検出リング210とY軸との交点位置を上方の受力体300に固定するための部材であり、その上面は受力体300の下面に接合される。   The detection ring 210 is a cylindrical (washer-like) annular structure disposed on the XY plane so that the Z axis is the central axis, and both the outer peripheral surface and the inner peripheral surface form a cylindrical surface. The detection ring 210 is made of a material that is elastically deformed by the action of a force or moment to be detected. The support connection members 221 and 222 are members for fixing the intersection position of the detection ring 210 and the X axis to the lower support body 100, and the lower surfaces thereof are joined to the upper surface of the support body 100. On the other hand, the force receiving connection members 231 and 232 are members for fixing the intersection position of the detection ring 210 and the Y axis to the upper force receiving member 300, and the upper surface thereof is joined to the lower surface of the force receiving member 300. The

支持体100は、検出リング210の下方に配置され、支持接続部材221,222を介して検出リング210を支持固定する役割を果たす。一方、受力体300は、検出リング210の上方に配置され、作用した力やモーメント(検出対象)を受力接続部材231,232を介して検出リング210に伝達する役割を果たす。図示の例の場合、支持体100は上下両面がXY平面に平行な板面を有する円盤状部材であり、Z軸が中心軸となるように配置されている。また、受力体300も上下両面がXY平面に平行な板面を有する円盤状部材であり、Z軸が中心軸となるように配置されている。なお、受力体300には、中心に円形の開口部Hが設けられているが、これは後述するように、内部に配線を施すための便宜である。   The support body 100 is disposed below the detection ring 210 and plays a role of supporting and fixing the detection ring 210 via the support connection members 221 and 222. On the other hand, the force receiving body 300 is disposed above the detection ring 210 and plays a role of transmitting an applied force or moment (detection target) to the detection ring 210 via the force receiving connection members 231 and 232. In the case of the illustrated example, the support body 100 is a disk-like member having plate surfaces whose upper and lower surfaces are parallel to the XY plane, and is arranged so that the Z axis is the central axis. The force receiving body 300 is also a disk-like member having plate surfaces whose upper and lower surfaces are parallel to the XY plane, and is arranged so that the Z axis is the central axis. The force receiving member 300 is provided with a circular opening H at the center, which is convenient for wiring inside as will be described later.

このような基本構造部を用いれば、支持体100を固定した状態において、受力体300に作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントを検出することができる。図2は、図1に示す基本構造部を組み立てて、ロボットアームの関節部分に利用する状態を示す斜視図である。図の下方には、ロボットの第1アーム部400が配置され、図の上方には、ロボットの第2アーム部500が配置されている。   By using such a basic structure portion, it is possible to detect a force in a predetermined coordinate axis direction or a moment around a predetermined coordinate axis applied to the force receiving body 300 in a state where the support body 100 is fixed. FIG. 2 is a perspective view showing a state in which the basic structure shown in FIG. 1 is assembled and used for the joint portion of the robot arm. A first arm part 400 of the robot is arranged below the figure, and a second arm part 500 of the robot is arranged above the figure.

基本構造部の支持体100の下面を第1アーム部400に接続し、受力体300の上面を第2アーム部500に接続すれば、当該基本構造部をロボットアームの関節として利用することができ、かつ、第1アーム部400を固定した状態において、第2アーム部500に作用した力やモーメントを検出する力覚センサとしての機能を果たすことができる。実際には、盤状の支持体100および盤状の受力体300には、ボルトを挿通するための孔部を形成しておき、この孔部を利用して、それぞれ第1アーム部400への固定や第2アーム部500への固定を行うことができるようにしておくのが好ましい。   If the lower surface of the support body 100 of the basic structure part is connected to the first arm part 400 and the upper surface of the force receiving body 300 is connected to the second arm part 500, the basic structure part can be used as a joint of the robot arm. In addition, in a state where the first arm unit 400 is fixed, it can function as a force sensor that detects a force or moment acting on the second arm unit 500. Actually, a hole for inserting a bolt is formed in the disk-shaped support body 100 and the disk-shaped force receiving body 300, and each hole is used to reach the first arm section 400. It is preferable to be able to fix to the second arm portion 500.

もっとも、作用反作用の法則により、第1アーム部400を固定した状態において、第2アーム部500に作用した力やモーメントは、第2アーム部500を固定した状態において、第1アーム部400に作用した力やモーメントと、方向は逆転するものの等価である。   However, according to the law of action and reaction, when the first arm unit 400 is fixed, the force or moment applied to the second arm unit 500 acts on the first arm unit 400 in the state where the second arm unit 500 is fixed. The force and moment are equivalent, although the direction is reversed.

したがって、本発明に係る力覚センサは、支持体100を固定した状態において、受力体300に作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントを検出するセンサと言うこともできるが、逆に、受力体300を固定した状態において(この場合、部材300は支持体と呼ぶべきものになる)、支持体100に作用した(この場合、部材100は受力体と呼ぶべきものになる)所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントを検出するセンサと言うこともできる。   Therefore, the force sensor according to the present invention can be said to be a sensor that detects a force in a predetermined coordinate axis direction or a moment around a predetermined coordinate axis applied to the force receiving body 300 in a state where the support body 100 is fixed. On the contrary, in a state where the force receiving body 300 is fixed (in this case, the member 300 is to be called a support), the member 100 acts on the support 100 (in this case, the member 100 is to be called a power receiving body). It can be said that the sensor detects a force in a predetermined coordinate axis direction or a moment around the predetermined coordinate axis.

このように、図示の基本構造部において、部材100を固定した状態において部材300に作用した力やモーメントを検出することと、部材300を固定した状態において部材100に作用した力やモーメントを検出することとは、物理的には等価である。ただ、本願明細書では、説明の便宜上、部材100を支持体100と呼び、部材300を受力体300と呼び、前者を固定した状態において、後者に作用した力やモーメントを検出する例について、以下の説明を行うことにする。   In this manner, in the illustrated basic structure, the force and moment acting on the member 300 when the member 100 is fixed and the force and moment acting on the member 100 when the member 300 is fixed are detected. That is physically equivalent. However, in this specification, for convenience of explanation, the member 100 is referred to as the support body 100, the member 300 is referred to as the force receiving body 300, and an example in which the force or moment acting on the latter is detected in a state where the former is fixed. The following explanation will be given.

また、本願明細書では、説明の便宜上、検出リング200の下方に支持体100を配置し、検出リング200の上方に受力体300を配置した例を説明するが、もちろん、ここで言う「上方/下方」とは、図を参照しながら説明を行う上での便宜上の位置を示すものである。したがって、本発明に係る力覚センサの実装時には、天地を逆にして、検出リング200の上方に支持体100が配置され、検出リング200の下方に受力体300が配置されるような向きで利用しても何ら支障はない。   In this specification, for convenience of explanation, an example in which the support body 100 is disposed below the detection ring 200 and the force receiving body 300 is disposed above the detection ring 200 will be described. "/ Down" indicates a position for convenience in explanation with reference to the drawings. Therefore, when the force sensor according to the present invention is mounted, the support body 100 is disposed above the detection ring 200 and the power receiving body 300 is disposed below the detection ring 200 with the top and bottom reversed. There is no problem even if you use it.

続いて、この基本構造部の構造について、より詳細な説明を行う。図3(a) は、図1に示す基本構造部の上面図である。ここでは、便宜上、中間体200の位置を破線で示す。受力体300は、中央に円形の開口部Hを有するワッシャ状の部材であり、ここに示す実施例の場合、開口部Hの径は、検出リング200の内径と一致している。したがって、この図3(a) の上面図では、この開口部Hの奥に、円盤状の支持体100の上面が覗いている。   Subsequently, the structure of the basic structure will be described in more detail. FIG. 3A is a top view of the basic structure shown in FIG. Here, for convenience, the position of the intermediate 200 is indicated by a broken line. The force receiving body 300 is a washer-like member having a circular opening H at the center. In the example shown here, the diameter of the opening H coincides with the inner diameter of the detection ring 200. Therefore, in the top view of FIG. 3 (a), the upper surface of the disk-shaped support body 100 is viewed from behind the opening H.

また、ここに示す実施例の場合、支持体100の外径と受力体300の外径とが等しいため、上面図では、両者の外側輪郭線は重なっている。一方、検出リング210の外径は、支持体100や受力体300の外径よりも小さく設定されており、後述するように、検出リング210が変形を生じても、支持体100および受力体300の外側輪郭線より外側に食み出すことはない。   Further, in the case of the embodiment shown here, the outer diameter of the support body 100 and the outer diameter of the force receiving body 300 are equal to each other. On the other hand, the outer diameter of the detection ring 210 is set to be smaller than the outer diameters of the support body 100 and the force receiving body 300. As will be described later, even if the detection ring 210 is deformed, the support body 100 and the force receiving force are set. It does not protrude outside the outer contour line of the body 300.

図1に示すように、支持接続部材221,222および受力接続部材231,232は、検出リング210の外周面から更に外側に突出する部材によって構成されている。しかも、支持接続部材221,222の上面は検出リング210の上面に揃っているが、下面は検出リング210の下面よりも所定寸法d1だけ下方に突き出している。このため、支持接続部材221,222の下面を支持体100の上面に接合したとき、検出リング210と支持体100との間に寸法d1の空隙が確保されることになる。一方、受力接続部材231,232の下面は検出リング210の下面に揃っているが、上面は検出リング210の上面よりも所定寸法d2だけ上方に突き出している。このため、受力接続部材231,232の上面を受力体300の下面に接合したとき、検出リング210と受力体300との間に寸法d2の空隙が確保されることになる。ここに示す実施例の場合、d1=d2に設定している。   As shown in FIG. 1, the support connection members 221 and 222 and the force receiving connection members 231 and 232 are configured by members that protrude further outward from the outer peripheral surface of the detection ring 210. Moreover, the upper surfaces of the support connection members 221 and 222 are aligned with the upper surface of the detection ring 210, but the lower surface protrudes downward from the lower surface of the detection ring 210 by a predetermined dimension d 1. For this reason, when the lower surfaces of the support connection members 221 and 222 are joined to the upper surface of the support body 100, a gap having a dimension d1 is secured between the detection ring 210 and the support body 100. On the other hand, the lower surfaces of the force receiving connection members 231 and 232 are aligned with the lower surface of the detection ring 210, but the upper surface protrudes upward by a predetermined dimension d 2 from the upper surface of the detection ring 210. For this reason, when the upper surfaces of the force receiving connection members 231 and 232 are joined to the lower surface of the force receiving member 300, a gap of the dimension d2 is secured between the detection ring 210 and the force receiving member 300. In the embodiment shown here, d1 = d2 is set.

図3(b) は、図1に示す基本構造部の側面図である。ここでは図示のとおり、原点Oを円形の検出リング210の中心点(支持体100の上面と受力体300の下面との中間位置)に定義し、図の右方向をX軸正方向、図の上方向をZ軸正方向、図の紙面垂直奥方向をY軸正方向にとってXYZ三次元座標系を定義している。図示のとおり、検出リング210のX軸に沿った方向の両端(図の左右両端)は、支持接続部材221,222によって支持体100の上面に接合されており、検出リング210のY軸に沿った方向の両端は、受力接続部材231,232(部材231は奥に位置するため、図3(b) には現れていない)によって受力体300の下面に接合されている。   FIG. 3B is a side view of the basic structure shown in FIG. Here, as shown in the figure, the origin O is defined as the center point of the circular detection ring 210 (intermediate position between the upper surface of the support body 100 and the lower surface of the force receiving body 300), and the right direction in the figure is the positive X-axis direction, An XYZ three-dimensional coordinate system is defined with the upward direction as the Z-axis positive direction and the vertical direction in the drawing as the Y-axis positive direction. As shown in the drawing, both ends (left and right ends in the figure) of the detection ring 210 in the direction along the X axis are joined to the upper surface of the support body 100 by support connection members 221 and 222, and along the Y axis of the detection ring 210. Both ends in the above direction are joined to the lower surface of the force receiving body 300 by force receiving connecting members 231 and 232 (the member 231 is located at the back, and does not appear in FIG. 3B).

その結果、検出リング210と下方の支持体100との間には空隙寸法d1が確保され、検出リング210と上方の受力体300との間には空隙寸法d2が確保され、検出リング210の各部は、これら空隙寸法d1,d2の範囲内において、上下に変形することが可能である。   As a result, a gap dimension d1 is secured between the detection ring 210 and the lower support body 100, and a gap dimension d2 is secured between the detection ring 210 and the upper force receiving body 300. Each part can be deformed up and down within the range of these gap dimensions d1 and d2.

図4(a) は、図3に示す基本構造部をXZ平面で切断した状態を示す断面図、図4(b) は、これをYZ平面で切断した状態を示す断面図である。図4(a) の断面図には、検出リング210が、X軸に沿った方向の両端部において、支持接続部材221,222を介して支持体100の上面に接合され、Y軸に沿った奥端部において、受力接続部材231を介して受力体300の下面に接合された状態が示されている。同様に、図4(b) の断面図には、検出リング210が、Y軸に沿った方向の両端部において、受力接続部材231,232を介して受力体300の下面に接合され、X軸に沿った奥端部において、受力接続部材222を介して支持体100の上面に接合された状態が示されている。   4A is a cross-sectional view showing a state in which the basic structure shown in FIG. 3 is cut along the XZ plane, and FIG. 4B is a cross-sectional view showing a state in which the basic structure is cut along the YZ plane. In the cross-sectional view of FIG. 4A, the detection ring 210 is joined to the upper surface of the support body 100 via the support connection members 221 and 222 at both ends in the direction along the X axis, and along the Y axis. A state in which the back end portion is joined to the lower surface of the force receiving body 300 via the force receiving connecting member 231 is shown. Similarly, in the cross-sectional view of FIG. 4B, the detection ring 210 is joined to the lower surface of the force receiving body 300 via the force receiving connecting members 231 and 232 at both ends in the direction along the Y axis. A state in which the back end portion along the X axis is joined to the upper surface of the support body 100 via the force receiving connection member 222 is shown.

図1および図2の斜視図、図3(a) の上面図、図3(b) の側面図、図4(a) ,(b) の側断面図を参照すれば、支持体100,中間体200,受力体300からなる基本構造部の具体的な構造が容易に理解できよう。   With reference to the perspective views of FIGS. 1 and 2, the top view of FIG. 3 (a), the side view of FIG. 3 (b), and the side cross-sectional views of FIGS. 4 (a) and 4 (b), The specific structure of the basic structure composed of the body 200 and the force receiving body 300 can be easily understood.

なお、検出リング210は、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により、少なくともその一部に弾性変形を生じる必要がある。これは、本発明に係る力覚センサが、検出リング210に生じた弾性変形に基づいて、作用した力もしくはモーメントの検出を行うためである。そのため、検出リング210の少なくとも一部は、可撓性を有する材料によって構成する必要がある。   The detection ring 210 needs to be elastically deformed at least partially due to the action of a force or moment to be detected. This is because the force sensor according to the present invention detects the applied force or moment based on the elastic deformation generated in the detection ring 210. Therefore, at least a part of the detection ring 210 needs to be made of a flexible material.

これに対して、支持体100は検出リング210を支持固定する役割を果たす構成要素であり、受力体300は検出リング210に力やモーメントを作用させる役割を果たす構成要素であるため、原理的には、弾性変形を生じる弾性体で構成してもよいし、弾性変形を生じない剛体で構成してもよい。ただ、実用上、支持体100および受力体300は、作用する力もしくはモーメントが所定の許容範囲内である限り実質的な変形を生じない剛体によって構成するのが好ましい。これは、作用する力もしくはモーメントを、できるだけ効率的に検出リング210に伝達するためである。同様の理由により、支持接続部材221,222や受力接続部材231,232も、作用する力もしくはモーメントが所定の許容範囲内である限り実質的な変形を生じない剛体によって構成するのが好ましい。   On the other hand, the support body 100 is a component that plays a role of supporting and fixing the detection ring 210, and the force receiving body 300 is a component that plays a role of applying a force and a moment to the detection ring 210. Alternatively, it may be composed of an elastic body that causes elastic deformation, or may be composed of a rigid body that does not cause elastic deformation. However, in practice, the support body 100 and the force receiving body 300 are preferably formed of a rigid body that does not substantially deform as long as the applied force or moment is within a predetermined allowable range. This is to transmit the acting force or moment to the detection ring 210 as efficiently as possible. For the same reason, it is preferable that the support connection members 221 and 222 and the force receiving connection members 231 and 232 are also constituted by rigid bodies that do not substantially deform as long as the applied force or moment is within a predetermined allowable range.

基本構造部の各部は、原理的には任意の材料によって構成することができるが、商業的な利用を考慮すると、金属(たとえば、アルミニウム合金、鉄系金属)やプラスチックなどの一般的な工業材料を用いて構成するのが好ましい。このような一般的な工業材料からなる部材は、通常、その形態によって弾性体になったり剛体になったりする。たとえば、金属の場合、ブロック状の金属塊であれば剛体として振る舞うが、薄い板状にすれば弾性体として振る舞うことになろう。したがって、支持体100、中間体200、受力体300は、同一の材料で構成したとしても、その形態を変えることにより、それぞれに与えられた役割を果たすことができる。   In principle, each part of the basic structure can be composed of any material, but considering commercial use, general industrial materials such as metals (eg, aluminum alloys, ferrous metals) and plastics It is preferable to configure using A member made of such a general industrial material usually becomes an elastic body or a rigid body depending on its form. For example, in the case of metal, if it is a block-shaped metal lump, it will behave as a rigid body, but if it is made thin, it will behave as an elastic body. Therefore, even if the support body 100, the intermediate body 200, and the force receiving body 300 are made of the same material, they can perform their respective roles by changing their forms.

たとえば、支持体100、中間体200、受力体300をすべて同一のアルミニウム合金で構成したとしても、図1の斜視図に示すように、検出リング210は、その径方向の幅やZ軸方向の厚みをある程度小さくとることにより、実質的に全体が弾性変形を生じる弾性体として機能させることができる。これに対して、受力体300は、その径方向の幅をある程度大きくとることにより、実質的に弾性変形を生じない剛体として機能させることができる。   For example, even if the support body 100, the intermediate body 200, and the force receiving body 300 are all made of the same aluminum alloy, the detection ring 210 has a radial width or a Z-axis direction as shown in the perspective view of FIG. By making the thickness of the film small to some extent, it can function as an elastic body that substantially undergoes elastic deformation. On the other hand, the force receiving body 300 can function as a rigid body that does not substantially undergo elastic deformation by increasing the radial width to some extent.

もちろん、受力体300に力やモーメントが加わると、厳密に言えば、受力体300自身にも若干の弾性変形が生じることになるが、検出リング210に生じる弾性変形に比べてわずかな弾性変形であれば無視することができ、実質的に剛体と考えて支障はない。そこで、ここに示す実施例では、支持体100および受力体300が剛体であり、力やモーメントによる弾性変形は、専ら検出リング210において生じるものとして説明を行うことにする。   Of course, when a force or moment is applied to the force receiving body 300, strictly speaking, a slight elastic deformation occurs in the force receiving body 300 itself, but it is slightly less elastic than the elastic deformation generated in the detection ring 210. If it is a deformation, it can be ignored and there is no problem in considering it as a rigid body. Therefore, in the embodiment shown here, the description will be made on the assumption that the support body 100 and the force receiving body 300 are rigid bodies, and elastic deformation due to a force or a moment occurs exclusively in the detection ring 210.

<<< §2. 基本的実施形態に係る力覚センサの検出原理 >>>
本発明に係る力覚センサは、XYZ三次元直交座標系における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うち、少なくとも1軸に関する力もしくはモーメントを検出する機能を有している。そこで、以下、§1で述べた基本構造部を有する力覚センサによる力およびモーメントの検出原理を説明する。
<<< §2. Detection principle of force sensor according to basic embodiment >>
The force sensor according to the present invention has a function of detecting a force or a moment related to at least one axis among a force in each coordinate axis direction and a moment around each coordinate axis in an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system. Therefore, the principle of detection of force and moment by the force sensor having the basic structure described in §1 will be described below.

まず、図5を参照しながら、支持体100および受力体300に対する検出リング210の固有の接続位置を説明する。図5(a) は、図1に示す中間体200の上面図である。参考のため、支持体100の位置(受力体300の位置も同様)が破線で示されている。前述したとおり、X軸上に配置された支持接続部材221,222は、検出リング210を下方の支持体100に接続する役割を果たし、Y軸上に配置された受力接続部材231,232は、検出リング210を上方の受力体300に接続する役割を果たす。   First, with reference to FIG. 5, a unique connection position of the detection ring 210 with respect to the support body 100 and the force receiving body 300 will be described. FIG. 5A is a top view of the intermediate body 200 shown in FIG. For reference, the position of the support body 100 (the same applies to the position of the force receiving body 300) is indicated by a broken line. As described above, the support connection members 221 and 222 disposed on the X axis serve to connect the detection ring 210 to the lower support body 100, and the force receiving connection members 231 and 232 disposed on the Y axis are The detection ring 210 is connected to the upper force receiving member 300.

そこで、ここでは説明の便宜上、図5(a) に二点鎖線で示す環状路S(検出リング210の環状中心線)とX軸との交点P1,P2を固定点と呼び、Y軸との交点Q1,Q2を作用点と呼ぶことにする。第1の固定点P1はX軸正領域上の点、第2の固定点P2はX軸負領域上の点、第1の作用点Q1はY軸正領域上の点、第2の作用点Q2はY軸負領域上の点ということになる。   Therefore, for convenience of explanation, intersections P1 and P2 between the circular path S (annular center line of the detection ring 210) shown in FIG. 5 (a) and the X axis are called fixed points, Intersection points Q1 and Q2 will be referred to as action points. The first fixed point P1 is a point on the X-axis positive region, the second fixed point P2 is a point on the X-axis negative region, the first action point Q1 is a point on the Y-axis positive region, and the second action point Q2 is a point on the Y-axis negative region.

前述したように、支持体100を固定した状態において、受力体300に加えられた力もしくはモーメントを検出する動作を考える場合、検出リング210における固定点P1,P2は、支持体100上に固定された文字通り「固定点」として機能し、検出リング210における作用点Q1,Q2は、受力体300に加えられた外力が作用する文字通り「作用点」として機能することになる。したがって、支持接続部材221,222は、検出リング210を固定点P1,P2の位置において支持体100に固定する機能を果たし、受力接続部材231,232は、検出リング210を作用点Q1,Q2の位置において受力体300に接続する機能を果たすことになる。   As described above, when the operation of detecting the force or moment applied to the force receiving body 300 in the state where the support body 100 is fixed, the fixing points P1 and P2 in the detection ring 210 are fixed on the support body 100. The action points Q1 and Q2 in the detection ring 210 function as literally “action points” to which the external force applied to the force receiving body 300 acts. Therefore, the support connection members 221 and 222 function to fix the detection ring 210 to the support body 100 at the positions of the fixing points P1 and P2, and the force receiving connection members 231 and 232 support the detection ring 210 at the operation points Q1 and Q2. In this position, the function of connecting to the force receiving body 300 is achieved.

図5(b) は、図5(a) に示す中間体200から、検出リング210の部分のみを抜き出して示す上面図である。上述したとおり、固定点P1,P2はX軸上の点であり、作用点Q1,Q2はY軸上の点である。ここでは、更に、図示のようなV軸およびW軸を定義し、これら各軸V,Wと二点鎖線で示す環状路S(検出リング210の環状中心線)との交点R1〜R4を測定点と呼ぶことにする。   FIG. 5 (b) is a top view showing only the detection ring 210 extracted from the intermediate body 200 shown in FIG. 5 (a). As described above, the fixed points P1 and P2 are points on the X axis, and the action points Q1 and Q2 are points on the Y axis. Here, the V axis and the W axis as shown in the figure are further defined, and the intersections R1 to R4 between these axes V and W and the circular path S (annular center line of the detection ring 210) indicated by a two-dot chain line are measured. Let's call it a point.

ここで、V軸は、XYZ三次元直交座標系における原点Oを通り、正の領域がXY平面の第1象限、負の領域がXY平面の第3象限に位置し、X軸に対して45°をなす軸であり、W軸は、XYZ三次元直交座標系における原点Oを通り、正の領域がXY平面の第2象限、負の領域がXY平面の第4象限に位置し、V軸に対して直交する軸である。したがって、第1の測定点R1はV軸正領域に位置する点であり、第2の測定点R2はW軸正領域に位置する点であり、第3の測定点R3はV軸負領域に位置する点であり、第4の測定点R4はW軸負領域に位置する点ということになる。   Here, the V axis passes through the origin O in the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system, the positive region is located in the first quadrant of the XY plane, the negative region is located in the third quadrant of the XY plane, and is 45 with respect to the X axis. The W axis passes through the origin O in the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system, the positive region is located in the second quadrant of the XY plane, the negative region is located in the fourth quadrant of the XY plane, and the V axis Is an axis orthogonal to. Therefore, the first measurement point R1 is a point located in the V-axis positive region, the second measurement point R2 is a point located in the W-axis positive region, and the third measurement point R3 is located in the V-axis negative region. The fourth measurement point R4 is a point located in the W-axis negative region.

続いて、§1で述べた基本構造部の支持体100を固定した状態において、受力体300に各座標軸方向に関する力およびモーメントが加えられた場合に、検出リング210にどのような外力が加わり、どのような弾性変形が生じるかを考えてみよう。図5(b) に示す検出リング210において、固定点P1,P2は支持体100上に固定されており、受力体300に加えられた力やモーメントは、作用点Q1,Q2に外力として作用するので、検出リング210は、作用点Q1,Q2に作用する外力の向きに応じた弾性変形を生じることになる。   Subsequently, in the state where the support body 100 of the basic structure section described in § 1 is fixed, any external force is applied to the detection ring 210 when a force and a moment in each coordinate axis direction are applied to the force receiving body 300. Let's consider what kind of elastic deformation occurs. In the detection ring 210 shown in FIG. 5 (b), the fixing points P1 and P2 are fixed on the support body 100, and the force or moment applied to the force receiving body 300 acts as an external force on the action points Q1 and Q2. Therefore, the detection ring 210 is elastically deformed according to the direction of the external force acting on the action points Q1 and Q2.

図6は、支持体100を固定した状態において受力体300にX軸正方向の力+Fxが加わったときの検出リング210の変形態様を示す平面図である。ここで、破線は変形前の状態(図5(b) の状態)を示し、実線が変形後の状態を示している。固定点P1,P2は固定されているため定位置を保つが、作用点Q1,Q2は、X軸正方向の力+Fxの作用を受けて図の右方向に移動する。その結果、検出リング210の2点P1,Q1間の部分および2点P1,Q2間の部分は、原点Oから遠ざかる方向に弾性変形を生じ、2点P2,Q1間の部分および2点P2,Q2間の部分は、原点Oに近づく方向に弾性変形を生じる。各測定点R1〜R4の位置に着目すれば、測定点R1,R4は外側に変位し、測定点R2,R3は内側に変位することになる。このとき、Z軸方向に関する変位は生じない。   FIG. 6 is a plan view showing a deformation mode of the detection ring 210 when a force + Fx in the X-axis positive direction is applied to the force receiving body 300 in a state where the support body 100 is fixed. Here, the broken line indicates the state before the deformation (the state in FIG. 5B), and the solid line indicates the state after the deformation. Since the fixed points P1 and P2 are fixed, the fixed positions are maintained, but the action points Q1 and Q2 move to the right in the figure under the action of the force + Fx in the X-axis positive direction. As a result, the portion between the two points P1 and Q1 and the portion between the two points P1 and Q2 of the detection ring 210 are elastically deformed in the direction away from the origin O, and the portion between the two points P2 and Q1 and the two points P2 and P2. The portion between Q2 is elastically deformed in a direction approaching the origin O. If attention is paid to the positions of the measurement points R1 to R4, the measurement points R1 and R4 are displaced outward, and the measurement points R2 and R3 are displaced inward. At this time, no displacement in the Z-axis direction occurs.

図7は、支持体100を固定した状態において受力体300にY軸正方向の力+Fyが加わったときの検出リング210の変形態様を示す平面図である。ここでも、破線は変形前の状態(図5(b) の状態)を示し、実線が変形後の状態を示している。固定点P1,P2は固定されているため定位置を保つが、作用点Q1,Q2は、Y軸正方向の力+Fyの作用を受けて図の上方向に移動する。その結果、検出リング210の2点P1,Q1間の部分および2点P2,Q1間の部分は、原点Oに近づく方向に弾性変形を生じ、2点P1,Q2間の部分および2点P2,Q2間の部分は、原点Oから遠ざかる方向に弾性変形を生じる。各測定点R1〜R4の位置に着目すれば、測定点R1,R2は内側に変位し、測定点R3,R4は外側に変位することになる。このとき、Z軸方向に関する変位は生じない。   FIG. 7 is a plan view showing a deformation mode of the detection ring 210 when a force + Fy in the Y-axis positive direction is applied to the force receiving body 300 in a state where the support body 100 is fixed. Here, the broken line indicates the state before the deformation (the state in FIG. 5B), and the solid line indicates the state after the deformation. Since the fixed points P1 and P2 are fixed, the fixed positions are maintained, but the action points Q1 and Q2 are moved upward in the figure under the action of the force + Fy in the Y-axis positive direction. As a result, the portion between the two points P1 and Q1 and the portion between the two points P2 and Q1 of the detection ring 210 are elastically deformed in a direction approaching the origin O, and the portion between the two points P1 and Q2 and the two points P2 and P2. The portion between Q2 undergoes elastic deformation in the direction away from the origin O. If attention is paid to the positions of the measurement points R1 to R4, the measurement points R1 and R2 are displaced inward, and the measurement points R3 and R4 are displaced outward. At this time, no displacement in the Z-axis direction occurs.

図8は、支持体100を固定した状態において受力体300にZ軸正方向の力+Fzが加わったときの検出リング210の変形態様を示す側面図である(右がX軸正方向)。固定点P1,P2は固定されているため定位置を保つが、作用点Q1,Q2は、Z軸正方向の力+Fzの作用を受けて図の上方向に移動する。その結果、検出リング210の2点P1,Q1間の部分、2点P2,Q1間の部分、2点P1,Q2間の部分、2点P2,Q2間の部分は、図の上方に引き上げられるように弾性変形を生じる。各測定点R1〜R4の位置に着目すれば、測定点R1〜R4はいずれもZ軸正方向(図の上方)に変位する。このとき、X軸方向およびY軸方向に関する変位は生じない。   FIG. 8 is a side view showing a deformation mode of the detection ring 210 when the force + Fz in the Z-axis positive direction is applied to the force receiving body 300 in a state where the support body 100 is fixed (the right is the X-axis positive direction). Since the fixed points P1 and P2 are fixed, the fixed positions are maintained, but the action points Q1 and Q2 move upward in the figure under the action of the force + Fz in the Z-axis positive direction. As a result, the portion between the two points P1 and Q1 of the detection ring 210, the portion between the two points P2 and Q1, the portion between the two points P1 and Q2, and the portion between the two points P2 and Q2 are pulled upward in the figure. Thus, elastic deformation occurs. If attention is paid to the positions of the measurement points R1 to R4, the measurement points R1 to R4 are all displaced in the positive direction of the Z axis (upward in the figure). At this time, no displacement occurs in the X-axis direction and the Y-axis direction.

図9は、支持体100を固定した状態において受力体300にX軸正まわりのモーメント+Mxが加わったときの検出リング210の変形態様を示す側面図である(右がY軸正方向)。なお、本願では、所定の座標軸まわりに作用するモーメントの符号を、当該座標軸の正方向に右ネジを進めるための当該右ネジの回転方向を正にとることにする。したがって、図9に示すモーメント+Mxの回転方向は、右ネジをX軸正方向(図の手前方向)に進めるための回転方向になる。   FIG. 9 is a side view showing a deformation mode of the detection ring 210 when a moment + Mx about the positive X-axis is applied to the force receiving member 300 in a state where the support 100 is fixed (the right is the Y-axis positive direction). In the present application, the sign of the moment acting around the predetermined coordinate axis is positive in the direction of rotation of the right screw for advancing the right screw in the positive direction of the coordinate axis. Therefore, the rotational direction of the moment + Mx shown in FIG. 9 is the rotational direction for advancing the right screw in the positive X-axis direction (frontward in the figure).

この場合も、固定点P1,P2は固定されているため定位置を保つが、モーメント+Mxの作用により、作用点Q1は図の上方向に移動し、作用点Q2は図の下方向に移動する。その結果、検出リング210の2点P1,Q1間の部分および2点P2,Q1間の部分は、図の上方に引き上げられるように弾性変形を生じ、2点P1,Q2間の部分、2点P2,Q2間の部分は、図の下方に引き下げられるように弾性変形を生じる。各測定点R1〜R4の位置に着目すれば、測定点R1,R2はZ軸正方向(図の上方)に変位し、測定点R3,R4はZ軸負方向(図の下方)に変位する。このとき、X軸方向およびY軸方向に関する変位は生じない。   Also in this case, since the fixed points P1 and P2 are fixed, the fixed positions are maintained. However, the action point Q1 moves upward and the action point Q2 moves downward in the figure by the action of the moment + Mx. . As a result, the portion between the two points P1 and Q1 and the portion between the two points P2 and Q1 of the detection ring 210 are elastically deformed so as to be pulled upward in the figure, and the portion between the two points P1 and Q2 and the two points The portion between P2 and Q2 undergoes elastic deformation so as to be pulled downward in the figure. If attention is paid to the positions of the respective measurement points R1 to R4, the measurement points R1 and R2 are displaced in the Z-axis positive direction (upward in the figure), and the measurement points R3 and R4 are displaced in the Z-axis negative direction (lower in the figure). . At this time, no displacement occurs in the X-axis direction and the Y-axis direction.

図10は、支持体100を固定した状態において受力体300にY軸正まわりのモーメント+Myが加わったときの検出リング210の変形態様を示す側面図である(右がX軸正方向)。この場合も、固定点P1,P2は固定されているため定位置を保つが、モーメント+Myの作用により、作用点Q1,Q2には、図において時計まわりの方向に回転させる外力が作用する。その結果、検出リング210の2点P1,Q1間の部分および2点P1,Q2間の部分は、図の下方に引き下げられるように弾性変形を生じ、2点P2,Q1間の部分、2点P2,Q2間の部分は、図の上方に引き上げられるように弾性変形を生じる。各測定点R1〜R4の位置に着目すれば、測定点R1,R4はZ軸負方向(図の下方)に変位し、測定点R2,R3はZ軸正方向(図の上方)に変位する。このとき、X軸方向およびY軸方向に関する変位は生じない。   FIG. 10 is a side view showing a deformation mode of the detection ring 210 when the moment + My about the positive Y-axis is applied to the force receiving member 300 in a state where the support 100 is fixed (the right is the positive X-axis direction). Also in this case, since the fixed points P1 and P2 are fixed, the fixed positions are maintained, but due to the action of the moment + My, an external force that rotates in the clockwise direction in the drawing acts on the action points Q1 and Q2. As a result, the portion between the two points P1 and Q1 and the portion between the two points P1 and Q2 of the detection ring 210 are elastically deformed so as to be pulled downward in the figure, and the portion between the two points P2 and Q1 and the two points The portion between P2 and Q2 undergoes elastic deformation so as to be pulled upward in the figure. If attention is paid to the positions of the measurement points R1 to R4, the measurement points R1 and R4 are displaced in the Z-axis negative direction (downward in the figure), and the measurement points R2 and R3 are displaced in the Z-axis positive direction (upward in the figure). . At this time, no displacement occurs in the X-axis direction and the Y-axis direction.

図11は、支持体100を固定した状態において受力体300にZ軸正まわりのモーメント+Mzが加わったときの検出リング210の変形態様を示す平面図である。ここでも、破線は変形前の状態(図5(b) の状態)を示し、実線が変形後の状態を示している。固定点P1,P2は固定されているため定位置を保つが、作用点Q1,Q2は、Z軸正まわりのモーメント+Mzの作用を受け、図において反時計まわりの方向に移動する。その結果、検出リング210の2点P1,Q1間の部分および2点P2,Q2間の部分は、原点Oに近づく方向に弾性変形を生じ、2点P1,Q2間の部分および2点P2,Q1間の部分は、原点Oから遠ざかる方向に弾性変形を生じる。各測定点R1〜R4の位置に着目すれば、測定点R1,R3は内側に変位し、測定点R2,R4は外側に変位することになる。このとき、Z軸方向に関する変位は生じない。   FIG. 11 is a plan view showing a deformation mode of the detection ring 210 when a moment + Mz around the positive Z-axis is applied to the force receiving body 300 in a state where the support body 100 is fixed. Here, the broken line indicates the state before the deformation (the state in FIG. 5B), and the solid line indicates the state after the deformation. Since the fixed points P1 and P2 are fixed, the fixed positions are maintained. However, the operating points Q1 and Q2 are affected by a moment + Mz around the positive Z axis and move in the counterclockwise direction in the figure. As a result, the portion between the two points P1 and Q1 and the portion between the two points P2 and Q2 of the detection ring 210 are elastically deformed in the direction approaching the origin O, and the portion between the two points P1 and Q2 and the two points P2 and P2. The portion between Q1 undergoes elastic deformation in the direction away from the origin O. If attention is paid to the positions of the measurement points R1 to R4, the measurement points R1 and R3 are displaced inward, and the measurement points R2 and R4 are displaced outward. At this time, no displacement in the Z-axis direction occurs.

以上、図6〜図11を参照しながら、支持体100を固定した状態において受力体300に、力+Fx,+Fy,+Fz,モーメント+Mx,+My,+Mzの6軸成分が加わったときの検出リング210の弾性変形の態様を説明した。これらの説明から、6軸成分が作用したときに、検出リング210にはそれぞれ固有の弾性変形が生じることがわかる。本発明に係る力覚センサは、この検出リング210に生じる固有の弾性変形を電気的に検出することにより、上記6軸成分を別個独立して検出するものである。その具体的な手法については、次の§3で詳述する。   As described above, with reference to FIGS. 6 to 11, the detection ring when the six-axis components of force + Fx, + Fy, + Fz, moment + Mx, + My, + Mz are applied to the force receiving body 300 with the support body 100 fixed. The elastic deformation mode 210 has been described. From these explanations, it can be seen that each of the detection rings 210 undergoes inherent elastic deformation when the six-axis component is applied. The force sensor according to the present invention detects the above six-axis components separately by electrically detecting the inherent elastic deformation generated in the detection ring 210. The specific method will be described in detail in the next §3.

<<< §3. 基本的実施形態に係る力覚センサの検出素子および検出回路 >>>
本発明に係る力覚センサは、§1で述べた基本構造部に、検出素子および検出回路を付加することにより構成される。検出素子は、検出リング210の弾性変形を電気的に検出する役割を果たし、検出回路は、検出素子の検出結果に基づいて、支持体100を固定した状態において、受力体300に作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントの検出値を出力する役割を果たす。ここでは、この検出素子と検出回路の具体的な実施例を説明する。
<<< §3. Detection element and detection circuit of force sensor according to basic embodiment >>
The force sensor according to the present invention is configured by adding a detection element and a detection circuit to the basic structure described in §1. The detection element plays a role of electrically detecting elastic deformation of the detection ring 210, and the detection circuit is based on a detection result of the detection element, and a predetermined force that has acted on the force receiving body 300 in a state where the support body 100 is fixed. It serves to output a detected value of a force in the direction of the coordinate axis or a moment around a predetermined coordinate axis. Here, a specific embodiment of the detection element and the detection circuit will be described.

検出素子は、図6〜図11に示すような検出リング210の弾性変形を電気的に検出することができる素子であれば、どのような素子であってもかまわない。ただ、実用上は、検出リングの測定点R1〜R4の変位を電気的に検出することができる検出素子を用いるのが好ましい。より具体的には、検出リング210の測定点R1〜R4近傍の測定対象面と、これら測定対象面に対向し、支持体100もしくは受力体300に固定された対向基準面と、の距離を電気的に検出する素子を用いるのが好ましい。ここでは、そのような検出素子として、容量素子を用いた実施例を述べる。   The detection element may be any element as long as it can electrically detect elastic deformation of the detection ring 210 as shown in FIGS. However, in practice, it is preferable to use a detection element that can electrically detect the displacement of the measurement points R1 to R4 of the detection ring. More specifically, the distance between the measurement target surface in the vicinity of the measurement points R1 to R4 of the detection ring 210 and the opposing reference surface that is opposed to the measurement target surface and is fixed to the support body 100 or the force receiving body 300 is determined. It is preferable to use an electrically detecting element. Here, an embodiment using a capacitive element as such a detection element will be described.

図12は、図1に示す基本的な実施形態に係る力覚センサの基本構造部に、容量素子を構成するための固定電極を付加した状態の分解斜視図である。具体的には、この実施例の場合、円盤状の支持体100の上面に、8枚の固定電極E1〜E8が付加されている。ここでは、図示のとおり、XY平面上に定義されたX軸,Y軸,V軸,W軸(図5(b) 参照)を支持体100の上面に正射影投影して得られる投影軸として、それぞれX′軸,Y′軸,V′軸,W′軸を定義することにする。図12では、支持体100の上面に定義されたこれらの投影軸が一点鎖線で示されている。また、8枚の固定電極E1〜E8の位置を明確にするため、支持体100の上面には、検出リング210の正射影投影像が破線で示されている。   FIG. 12 is an exploded perspective view of the basic structure of the force sensor according to the basic embodiment shown in FIG. 1 with a fixed electrode for constituting a capacitive element added thereto. Specifically, in this embodiment, eight fixed electrodes E <b> 1 to E <b> 8 are added to the upper surface of the disk-shaped support body 100. Here, as shown in the drawing, the X axis, Y axis, V axis, and W axis (see FIG. 5B) defined on the XY plane are projected as projection axes obtained by orthogonal projection onto the upper surface of the support 100. The X ′ axis, the Y ′ axis, the V ′ axis, and the W ′ axis are defined respectively. In FIG. 12, these projection axes defined on the upper surface of the support 100 are indicated by a one-dot chain line. Further, in order to clarify the positions of the eight fixed electrodes E1 to E8, an orthogonal projection image of the detection ring 210 is indicated by a broken line on the upper surface of the support 100.

図示のとおり、第1の固定電極E1はV′軸正領域に配置され、第2の固定電極E2はW′軸正領域に配置され、第3の固定電極E3はV′軸負領域に配置され、第4の固定電極E4はW′軸負領域に配置されている。ここで、外径が検出リング210の内径よりも若干小さい円筒を、その中心軸がZ軸に一致するように支持体100の上面に配置したとすると、4枚の固定電極E1〜E4は、いずれも、当該円筒の一部をなす湾曲した導電性部材によって構成されている。したがって、中間体200を支持体100の上面に接合した場合、4枚の固定電極E1〜E4は、いずれも、検出リング210の内周面に対向した状態になる。   As shown, the first fixed electrode E1 is disposed in the V′-axis positive region, the second fixed electrode E2 is disposed in the W′-axis positive region, and the third fixed electrode E3 is disposed in the V′-axis negative region. The fourth fixed electrode E4 is arranged in the W′-axis negative region. Here, if a cylinder whose outer diameter is slightly smaller than the inner diameter of the detection ring 210 is arranged on the upper surface of the support body 100 so that its central axis coincides with the Z axis, the four fixed electrodes E1 to E4 are: Both are constituted by a curved conductive member forming a part of the cylinder. Therefore, when the intermediate body 200 is joined to the upper surface of the support body 100, the four fixed electrodes E1 to E4 are all in a state of facing the inner peripheral surface of the detection ring 210.

一方、図示のとおり、第5の固定電極E5はV′軸正領域における第1の固定電極E1の外側に配置され、第6の固定電極E6はW′軸正領域における第2の固定電極E2の外側に配置され、第7の固定電極E7はV′軸負領域における第3の固定電極E3の外側に配置され、第8の固定電極E8はW′軸負領域における第4の固定電極E4の外側に配置されている。ここで、外径が検出リング210の外径よりも若干小さく、内径が検出リング210の内径よりも若干大きいワッシャ状構造体を、その中心軸がZ軸に一致するように支持体100の上面に配置したとすると、4枚の固定電極E5〜E8は、いずれも、当該ワッシャ状構造体の一部をなす円弧状の導電性部材によって構成されている。したがって、中間体200を支持体100の上面に接合した場合、4枚の固定電極E5〜E8は、いずれも、検出リング210の下面に対向した状態になる。   On the other hand, as shown in the figure, the fifth fixed electrode E5 is disposed outside the first fixed electrode E1 in the V′-axis positive region, and the sixth fixed electrode E6 is the second fixed electrode E2 in the W′-axis positive region. The seventh fixed electrode E7 is disposed outside the third fixed electrode E3 in the V′-axis negative region, and the eighth fixed electrode E8 is the fourth fixed electrode E4 in the W′-axis negative region. It is arranged outside. Here, the washer-like structure whose outer diameter is slightly smaller than the outer diameter of the detection ring 210 and whose inner diameter is slightly larger than the inner diameter of the detection ring 210 is an upper surface of the support body 100 so that the center axis thereof coincides with the Z axis. If it arrange | positions, all four fixed electrodes E5-E8 are comprised by the circular-arc-shaped electroconductive member which makes a part of the said washer-like structure. Therefore, when the intermediate body 200 is joined to the upper surface of the support body 100, the four fixed electrodes E5 to E8 are all opposed to the lower surface of the detection ring 210.

図13は、図12に示す支持体100の上面図である。参考のため、検出リング210の位置(検出リング210の支持体100の上面への正射影投影像)を破線で示してある。この図13の上面図では、8枚の固定電極E1〜E8は、いずれも原点Oの投影点O′を中心として配置された円弧状の電極として描かれているが、固定電極E1〜E4と、固定電極E5〜E8とは、互いに異なる形態をもった電極である。   FIG. 13 is a top view of the support body 100 shown in FIG. For reference, the position of the detection ring 210 (orthographic projection image of the detection ring 210 on the upper surface of the support 100) is indicated by a broken line. In the top view of FIG. 13, the eight fixed electrodes E1 to E8 are all drawn as arcuate electrodes arranged around the projection point O ′ of the origin O, but the fixed electrodes E1 to E4 and The fixed electrodes E5 to E8 are electrodes having different forms.

すなわち、固定電極E1〜E4は、上述したとおり、検出リング210の内径よりも若干小さい外径をもった円筒の一部分(投影軸V′およびW′と当該円筒との交点の近傍部分)によって構成されており、支持体100の上面からZ軸に沿った方向に立ち上がる壁のような構造体である。一方、固定電極E5〜E8は、支持体100の上面に形成された円弧状の薄い層である。   That is, as described above, the fixed electrodes E1 to E4 are configured by a part of a cylinder having an outer diameter slightly smaller than the inner diameter of the detection ring 210 (a part near the intersection between the projection axes V ′ and W ′ and the cylinder). It is a structure like a wall that rises from the upper surface of the support 100 in the direction along the Z axis. On the other hand, the fixed electrodes E <b> 5 to E <b> 8 are arc-shaped thin layers formed on the upper surface of the support 100.

このように、固定電極E1〜E4と固定電極E5〜E8の形態は大きく異なるが、これら8枚の固定電極は、いずれも支持体100の上面に固定されており、検出リング210の表面の一部分と対向する位置に配置される、という共通の特徴を有している。そして、各固定電極E1〜E8と検出リング210の表面の対向部分とによって、それぞれ容量素子が構成されることになる。なお、支持体100として樹脂などの絶縁材料を用いる場合は、支持体100の上面に固定電極E1〜E8を直接形成することができるが、支持体100として金属などの導電性材料を用いる場合には、各固定電極E1〜E8が相互に短絡しないように、支持体100の上面と各固定電極E1〜E8との間に絶縁層を形成する必要がある。   As described above, the fixed electrodes E1 to E4 and the fixed electrodes E5 to E8 are greatly different in form, but these eight fixed electrodes are all fixed to the upper surface of the support body 100, and are part of the surface of the detection ring 210. It has the common feature that it is arrange | positioned in the position which opposes. And each capacitive element is comprised by each fixed electrode E1-E8 and the opposing part of the surface of the detection ring 210, respectively. When an insulating material such as a resin is used as the support 100, the fixed electrodes E1 to E8 can be directly formed on the upper surface of the support 100. However, when a conductive material such as a metal is used as the support 100, Needs to form an insulating layer between the upper surface of the support 100 and the fixed electrodes E1 to E8 so that the fixed electrodes E1 to E8 do not short-circuit each other.

図14は、図12に示す基本的な実施形態に係る力覚センサに検出素子として用いられる8組の容量素子C1〜C8を示す平面図である。この図14は、当該力覚センサから、検出リング210と8組の固定電極E1〜E8のみを抽出して示した平面図である。ここに示す実施例の場合、検出リング210は金属などの導電性材料によって構成されており、その表面は、共通の電極E0として機能する。8組の固定電極E1〜E8が支持体100上に固定されている電極であるのに対して、検出リング210は、力やモーメントの作用によって弾性変形を生じるため、その表面からなる電極E0は変位することになる。そこで、ここでは、検出リング210の表面からなる電極を変位電極E0と呼ぶことにする。   FIG. 14 is a plan view showing eight sets of capacitive elements C1 to C8 used as detection elements in the force sensor according to the basic embodiment shown in FIG. FIG. 14 is a plan view showing only the detection ring 210 and eight sets of fixed electrodes E1 to E8 extracted from the force sensor. In the embodiment shown here, the detection ring 210 is made of a conductive material such as a metal, and the surface thereof functions as a common electrode E0. While the eight sets of fixed electrodes E1 to E8 are electrodes fixed on the support body 100, the detection ring 210 is elastically deformed by the action of force or moment. Will be displaced. Therefore, here, an electrode formed on the surface of the detection ring 210 is referred to as a displacement electrode E0.

検出リング210全体を金属などの導電性材料で構成した場合、全体が1つの電極として機能することになるが、ここでは、容量素子としての機能を考えるため、8組の固定電極E1〜E8に対向する個々の部分を、それぞれ別個の変位電極として把握し、合計8組の変位電極が存在するものとする。結局、8組の固定電極E1〜E8と、これらに対向する8組の変位電極E0とによって、8組の容量素子C1〜C8が形成されることになる。   When the entire detection ring 210 is made of a conductive material such as metal, the whole functions as one electrode. Here, in order to consider the function as a capacitive element, eight sets of fixed electrodes E1 to E8 are provided. It is assumed that the individual portions facing each other are grasped as separate displacement electrodes, and a total of eight sets of displacement electrodes exist. Eventually, eight sets of capacitive elements C1 to C8 are formed by the eight sets of fixed electrodes E1 to E8 and the eight sets of displacement electrodes E0 opposed thereto.

具体的には、固定電極E1〜E4については、図に太線で示すように、検出リング210の内周面の一部分が対向する変位電極となり、両者により、容量素子C1〜C4が形成される。一方、固定電極E5〜E8(検出リング210の下方に位置するため、図14では破線で示されている)については、検出リング210の下面の対向領域(図14の平面図では、固定電極E5〜E8と同一位置にある同一形状の領域)が対向する変位電極となり、両者により、容量素子C5〜C8が形成される。   Specifically, as shown by bold lines in the figure, the fixed electrodes E1 to E4 become displacement electrodes in which a part of the inner peripheral surface of the detection ring 210 is opposed, and the capacitive elements C1 to C4 are formed by both. On the other hand, with respect to the fixed electrodes E5 to E8 (because they are located below the detection ring 210, they are indicated by broken lines in FIG. 14), the opposing region on the lower surface of the detection ring 210 (in the plan view of FIG. 14, the fixed electrode E5). ˜E8 and the same shape region) are opposed displacement electrodes, and the capacitive elements C5 to C8 are formed by both.

一般に、一対の電極からなる容量素子は、当該電極間の距離を電気的に検出する検出素子として機能する。これは、容量素子の静電容量値が電極間距離に反比例する性質を有しているためである。したがって、8組の容量素子C1〜C8の静電容量値を測定すれば、各容量素子C1〜C8の電極間距離を求めることができる。ここで、各容量素子C1〜C8の一方の電極は、変位を生じない固定電極E1〜E8であるため、8組の容量素子C1〜C8の静電容量値の変動は、各固定電極E1〜E8に対向している変位電極、すなわち、検出リング210の特定箇所の変位を示すことになる。   In general, a capacitive element including a pair of electrodes functions as a detection element that electrically detects a distance between the electrodes. This is because the capacitance value of the capacitive element has a property that is inversely proportional to the distance between the electrodes. Therefore, if the electrostatic capacitance values of the eight capacitive elements C1 to C8 are measured, the distance between the electrodes of the capacitive elements C1 to C8 can be obtained. Here, since one electrode of each of the capacitive elements C1 to C8 is a fixed electrode E1 to E8 that does not cause a displacement, the variation in the capacitance value of the eight capacitive elements C1 to C8 varies with each fixed electrode E1 to E8. The displacement electrode facing E8, that is, the displacement of a specific portion of the detection ring 210 is indicated.

図14に示されているとおり、容量素子C1,C5は第1の測定点R1の近傍位置に配置された検出素子であり、第1の測定点R1の変位を検出する役割を果たす。より具体的には、第1の容量素子C1は、第1の測定点R1のV軸方向の変位検出を行い、第5の容量素子C5は、第1の測定点R1のZ軸方向の変位検出を行うことになる。同様に、容量素子C2,C6は第2の測定点R2の近傍位置に配置された検出素子であり、第2の測定点R2の変位を検出する役割を果たす。より具体的には、第2の容量素子C2は、第2の測定点R2のW軸方向の変位検出を行い、第6の容量素子C6は、第2の測定点R2のZ軸方向の変位検出を行うことになる。   As shown in FIG. 14, the capacitive elements C1 and C5 are detection elements arranged in the vicinity of the first measurement point R1, and play a role of detecting the displacement of the first measurement point R1. More specifically, the first capacitive element C1 detects the displacement of the first measurement point R1 in the V-axis direction, and the fifth capacitive element C5 detects the displacement of the first measurement point R1 in the Z-axis direction. Detection will be performed. Similarly, the capacitive elements C2 and C6 are detection elements arranged in the vicinity of the second measurement point R2, and play a role of detecting the displacement of the second measurement point R2. More specifically, the second capacitive element C2 detects the displacement of the second measurement point R2 in the W-axis direction, and the sixth capacitive element C6 detects the displacement of the second measurement point R2 in the Z-axis direction. Detection will be performed.

また、容量素子C3,C7は第3の測定点R3の近傍位置に配置された検出素子であり、第3の測定点R3の変位を検出する役割を果たす。より具体的には、第3の容量素子C3は、第3の測定点R3のV軸方向の変位検出を行い、第7の容量素子C7は、第3の測定点R3のZ軸方向の変位検出を行うことになる。同様に、容量素子C4,C8は第4の測定点R4の近傍位置に配置された検出素子であり、第4の測定点R4の変位を検出する役割を果たす。より具体的には、第4の容量素子C4は、第4の測定点R4のW軸方向の変位検出を行い、第8の容量素子C8は、第4の測定点R4のZ軸方向の変位検出を行うことになる。   Capacitance elements C3 and C7 are detection elements arranged in the vicinity of the third measurement point R3, and play a role of detecting the displacement of the third measurement point R3. More specifically, the third capacitive element C3 detects the displacement of the third measurement point R3 in the V-axis direction, and the seventh capacitive element C7 detects the displacement of the third measurement point R3 in the Z-axis direction. Detection will be performed. Similarly, the capacitive elements C4 and C8 are detection elements disposed in the vicinity of the fourth measurement point R4, and play a role of detecting the displacement of the fourth measurement point R4. More specifically, the fourth capacitive element C4 detects the displacement of the fourth measurement point R4 in the W-axis direction, and the eighth capacitive element C8 detects the displacement of the fourth measurement point R4 in the Z-axis direction. Detection will be performed.

このように、容量素子C1〜C4は、検出リング210内の測定点R1〜R4の径方向の変位検出を行う機能を有しているが、当該検出結果は、測定点R1〜R4の上下方向(Z軸方向)の変位の影響を受けることはない。同様に、容量素子C5〜C8は、検出リング210内の測定点R5〜R8の上下方向(Z軸方向)の変位検出を行う機能を有しているが、当該検出結果は、測定点R5〜R8の径方向の変位の影響を受けることはない。その理由は、次のとおりである。   As described above, the capacitive elements C1 to C4 have a function of detecting the displacement in the radial direction of the measurement points R1 to R4 in the detection ring 210. The detection result is the vertical direction of the measurement points R1 to R4. It is not affected by the displacement in the (Z-axis direction). Similarly, the capacitive elements C5 to C8 have a function of detecting displacement in the vertical direction (Z-axis direction) of the measurement points R5 to R8 in the detection ring 210. The detection results are obtained from the measurement points R5 to R8. It is not affected by the radial displacement of R8. The reason is as follows.

いま、図15に示すような一対の対向電極Ea,Ebから構成される容量素子の静電容量値を考えてみよう。この例の場合、両電極Ea,Ebは、いずれも矩形の板状電極であるが、電極Eaの縦および横のサイズは、電極Ebの縦および横のサイズよりも大きくなっている。しかも、両電極Ea,Ebは、それぞれの中心点が向かい合う位置に配置されているので、電極Ebを電極Eaの形成面に投影した投影像A(正射影投影像)は、電極Eaの内部に包含されている。要するに、電極Eaは、電極Ebよりも、ひとまわり大きなサイズになっている。   Now, let us consider the capacitance value of a capacitive element composed of a pair of counter electrodes Ea and Eb as shown in FIG. In this example, both the electrodes Ea and Eb are rectangular plate electrodes, but the vertical and horizontal sizes of the electrode Ea are larger than the vertical and horizontal sizes of the electrode Eb. In addition, since both the electrodes Ea and Eb are arranged at positions where their respective center points face each other, a projection image A (orthographic projection image) obtained by projecting the electrode Eb onto the formation surface of the electrode Ea is formed inside the electrode Ea. Is included. In short, the electrode Ea is slightly larger than the electrode Eb.

この図15に示す例の場合、破線で示す投影像Aの内部の面積が、この容量素子の有効対向面積ということになるが、両電極Ea,Ebが電極面に平行な方向に変位しても、投影像Aが電極Ea内に包含されている限り、有効対向面積は一定であるので、静電容量値に変化は生じない。したがって、たとえば、電極Ebが電極面に垂直な方向に変位した場合、電極間距離に変化が生じて静電容量値が変化することになるが、電極Ebが電極面に平行な方向に変位した場合、電極間距離は変化せず、また、投影像Aが電極Ea内に包含されている限り、有効対向面積も変化しないので、静電容量値に変化は生じない。   In the example shown in FIG. 15, the area inside the projected image A indicated by the broken line is the effective opposing area of this capacitive element, but both electrodes Ea and Eb are displaced in the direction parallel to the electrode surface. However, as long as the projection image A is included in the electrode Ea, the effective opposing area is constant, so that the capacitance value does not change. Therefore, for example, when the electrode Eb is displaced in the direction perpendicular to the electrode surface, the distance between the electrodes changes and the capacitance value changes, but the electrode Eb is displaced in the direction parallel to the electrode surface. In this case, the distance between the electrodes does not change, and as long as the projection image A is included in the electrode Ea, the effective facing area does not change, so the capacitance value does not change.

したがって、図15に示す容量素子は、両電極Ea,Ebの、電極面に垂直な方向に関する変位検出を行う機能を有しているが、当該検出結果は、両電極Ea,Ebの、電極面に平行な方向に関する変位の影響を受けることはない。   Therefore, the capacitive element shown in FIG. 15 has a function of performing displacement detection in the direction perpendicular to the electrode surface of both electrodes Ea and Eb, but the detection result is the electrode surface of both electrodes Ea and Eb. Is not affected by the displacement in the direction parallel to.

図14に示す力覚センサにおける容量素子C5〜C8も同様の特徴を有している。すなわち、固定電極E5〜E8のサイズに比べて、変位電極E0(検出リング210の下面)のサイズの方が大きいため、測定点R1〜R4が径方向(XY平面に平行な方向)に変位を生じたとしても、当該変位が所定の許容範囲(有効対向面積が一定に維持される範囲)である限り、静電容量値に変化は生じない。   Capacitance elements C5 to C8 in the force sensor shown in FIG. 14 have the same characteristics. That is, since the size of the displacement electrode E0 (the lower surface of the detection ring 210) is larger than the size of the fixed electrodes E5 to E8, the measurement points R1 to R4 are displaced in the radial direction (direction parallel to the XY plane). Even if it occurs, the capacitance value does not change as long as the displacement is within a predetermined allowable range (a range in which the effective facing area is kept constant).

このように、容量素子C5〜C8を構成する固定電極E5〜E8を、対向する変位電極E0(検出リング210の下面)の形成面に投影した投影像は、当該変位電極E0の内部に包含される関係になっている。このため、容量素子C5〜C8は、測定点R1〜R4の上下方向(Z軸方向)の変位検出を行う機能を有しているが、測定点R1〜R4が径方向に変位を生じたとしても、当該変位が所定の許容範囲内である限り、容量素子C5〜C8によって径方向の変位が検出されることはない。別言すれば、容量素子C5〜C8の静電容量値の変化は、専ら、測定点R1〜R4の上下方向(Z軸方向)の変位を示す情報として取り扱うことが可能になる。   As described above, the projection image obtained by projecting the fixed electrodes E5 to E8 constituting the capacitive elements C5 to C8 onto the formation surface of the opposing displacement electrode E0 (the lower surface of the detection ring 210) is included in the displacement electrode E0. It has become a relationship. For this reason, although the capacitive elements C5 to C8 have a function of detecting displacement in the vertical direction (Z-axis direction) of the measurement points R1 to R4, the measurement points R1 to R4 are displaced in the radial direction. However, as long as the displacement is within a predetermined allowable range, the displacement in the radial direction is not detected by the capacitive elements C5 to C8. In other words, changes in the capacitance values of the capacitive elements C5 to C8 can be handled exclusively as information indicating the vertical displacement (Z-axis direction) of the measurement points R1 to R4.

続いて、容量素子C1〜C4について考えてみる。図14の平面図に示されているように、容量素子C1〜C4は、固定電極E1〜E4と、検出リング210の内周面の対向部分(図では太線で示す)からなる変位電極E0と、によって構成される素子である。ここで、固定電極E1〜E4は、図12の斜視図に示されているように、支持体100の上面から上方へと伸びる電極である。実際には、この固定電極E1〜E4の高さは、その上端が検出リング210の上面よりも更に上に突き出るように設定されている。したがって、中間体200を支持体100の上面に接合すると、検出リング210の上面より更に上方に、固定電極E1〜E4の上端が所定量δだけ食み出した状態になる。   Next, consider the capacitive elements C1 to C4. As shown in the plan view of FIG. 14, the capacitive elements C1 to C4 include fixed electrodes E1 to E4 and a displacement electrode E0 including opposing portions (indicated by bold lines) of the inner peripheral surface of the detection ring 210. , Is an element constituted by. Here, the fixed electrodes E1 to E4 are electrodes extending upward from the upper surface of the support body 100 as shown in the perspective view of FIG. Actually, the height of the fixed electrodes E <b> 1 to E <b> 4 is set so that the upper end protrudes further above the upper surface of the detection ring 210. Therefore, when the intermediate body 200 is joined to the upper surface of the support body 100, the upper ends of the fixed electrodes E1 to E4 protrude beyond the upper surface of the detection ring 210 by a predetermined amount δ.

このような構成を採れば、検出リング210の測定点R1〜R4が上下方向(Z軸方向)に変位したとしても、当該変位量が上記所定量δの範囲内である限り、固定電極E1〜E4と対向電極E0(検出リング210の内周部分の対向面)との有効対向面積に変化は生じない。   With such a configuration, even if the measurement points R1 to R4 of the detection ring 210 are displaced in the vertical direction (Z-axis direction), as long as the displacement amount is within the predetermined amount δ, the fixed electrodes E1 to E1 are used. There is no change in the effective facing area between E4 and the facing electrode E0 (the facing surface of the inner peripheral portion of the detection ring 210).

結局、図14に太線で示した4箇所の部分(検出リング210の内周面の一部分)を、それぞれ固定電極E1〜E4に対向する変位電極として把握すれば、これら変位電極を、対向する固定電極E1〜E4に投影した投影像は、それぞれ当該固定電極E1〜E4の内部に包含される関係になっている(固定電極E1〜E4の方が上下に広がっている)。このため、容量素子C1〜C4は、測定点R1〜R4の径方向の変位検出を行う機能を有しているが、測定点R1〜R4が上下方向(Z軸方向)に変位を生じたとしても、当該変位が所定の許容範囲内である限り、容量素子C1〜C4によって上下方向の変位が検出されることはない。別言すれば、容量素子C1〜C4の静電容量値の変化は、専ら、測定点R1〜R4の径方向の変位を示す情報として取り扱うことが可能になる。   After all, if the four portions (part of the inner peripheral surface of the detection ring 210) indicated by bold lines in FIG. 14 are grasped as displacement electrodes facing the fixed electrodes E1 to E4, these displacement electrodes are fixed to face each other. The projection images projected on the electrodes E1 to E4 are in a relationship included in the fixed electrodes E1 to E4, respectively (the fixed electrodes E1 to E4 spread upward and downward). For this reason, the capacitive elements C1 to C4 have a function of detecting displacement in the radial direction of the measurement points R1 to R4, but the measurement points R1 to R4 are displaced in the vertical direction (Z-axis direction). However, as long as the displacement is within a predetermined allowable range, the displacement in the vertical direction is not detected by the capacitive elements C1 to C4. In other words, changes in the capacitance values of the capacitive elements C1 to C4 can be handled exclusively as information indicating the radial displacement of the measurement points R1 to R4.

図16は、このような前提において、図12に示す力覚センサの支持体100を固定した状態で受力体300に対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの容量素子C1〜C8の静電容量値の変化を示すテーブルである。このテーブルで「+」は静電容量値が増加すること(両電極間距離が狭くなること)を示し、「−」は静電容量値が減少すること(両電極間距離が広くなること)を示し、「0」は静電容量値が変動しないことを示している。   FIG. 16 shows the capacity when force in the direction of each coordinate axis and moment about each coordinate axis are applied to the force receiving body 300 with the support 100 of the force sensor shown in FIG. It is a table which shows the change of the electrostatic capacitance value of element C1-C8. In this table, “+” indicates that the capacitance value increases (the distance between both electrodes decreases), and “−” indicates that the capacitance value decreases (the distance between both electrodes increases). “0” indicates that the capacitance value does not vary.

なお、テーブルの「C1〜C8」欄に付記された括弧書きは、各容量素子を構成する一対の対向電極を示している。たとえば、C1欄の(E1&E0)は、容量素子C1が一対の対向電極E1,E0で構成されることを示している。ここで、電極E1は固定電極、電極E0(検出リング210の内周面の一部の領域もしくは下面の一部の領域)は変位電極である。   In addition, the parenthesis written in the “C1 to C8” column of the table indicates a pair of counter electrodes constituting each capacitor element. For example, (E1 & E0) in the C1 column indicates that the capacitive element C1 includes a pair of counter electrodes E1 and E0. Here, the electrode E1 is a fixed electrode, and the electrode E0 (a part of the inner peripheral surface of the detection ring 210 or a part of the lower surface) is a displacement electrode.

前述したように、容量素子C1〜C4の静電容量値の変化は、専ら、測定点R1〜R4の径方向の変位を示し、容量素子C5〜C8の静電容量値の変化は、専ら、測定点R1〜R4の上下方向(Z軸方向)の変位を示すことになる。そして、受力体300に対して、力+Fx,+Fy,+Fz,モーメント+Mx,+My,+Mzの6軸成分が加わったときの検出リング210の弾性変形の態様は、図6〜図11に示したとおりである。これらの事実を踏まえれば、図16のテーブルに示すような結果が得られることは容易に理解できよう。   As described above, the change in capacitance value of the capacitive elements C1 to C4 exclusively indicates the radial displacement of the measurement points R1 to R4, and the change in capacitance value of the capacitive elements C5 to C8 is exclusively The displacement in the vertical direction (Z-axis direction) of the measurement points R1 to R4 is indicated. And the aspect of elastic deformation of the detection ring 210 when the six-axis components of force + Fx, + Fy, + Fz, moment + Mx, + My, + Mz are applied to the force receiving body 300 is shown in FIGS. It is as follows. Based on these facts, it can be easily understood that the results shown in the table of FIG. 16 are obtained.

たとえば、力+Fxが作用した場合、検出リング210は図6の実線に示すような弾性変形を生じることになり、測定点R1,R4は径方向に沿って原点Oから遠ざかり、測定点R2,R3は径方向に沿って原点Oに近づく。このため、容量素子C1,C4の静電容量値は減少し、容量素子C2,C3の静電容量値は増加する。このとき、測定点R1〜R4はZ軸方向には変位しないので、容量素子C5〜C8の静電容量値に変化は生じない。図16のテーブルの「+Fx」の欄の結果は、このような現象に基づいて得られた結果である。   For example, when the force + Fx is applied, the detection ring 210 is elastically deformed as shown by the solid line in FIG. 6, and the measurement points R1 and R4 are moved away from the origin O along the radial direction. Approaches the origin O along the radial direction. For this reason, the capacitance values of the capacitive elements C1 and C4 decrease, and the capacitance values of the capacitive elements C2 and C3 increase. At this time, since the measurement points R1 to R4 are not displaced in the Z-axis direction, the capacitance values of the capacitive elements C5 to C8 do not change. The result in the column “+ Fx” in the table of FIG. 16 is a result obtained based on such a phenomenon.

そして、力+Fyが作用した場合、検出リング210は図7の実線に示すような弾性変形を生じることになり、測定点R1,R2は径方向に沿って原点Oに近づき、測定点R3,R4は径方向に沿って原点Oから遠ざかる。このため、容量素子C1,C2の静電容量値は増加し、容量素子C3,C4の静電容量値は減少する。このとき、測定点R1〜R4はZ軸方向には変位しないので、容量素子C5〜C8の静電容量値に変化は生じない。図16のテーブルの「+Fy」の欄の結果は、このような現象に基づいて得られた結果である。   When the force + Fy is applied, the detection ring 210 is elastically deformed as shown by the solid line in FIG. 7, and the measurement points R1, R2 approach the origin O along the radial direction, and the measurement points R3, R4. Moves away from the origin O along the radial direction. For this reason, the capacitance values of the capacitive elements C1 and C2 increase, and the capacitance values of the capacitive elements C3 and C4 decrease. At this time, since the measurement points R1 to R4 are not displaced in the Z-axis direction, the capacitance values of the capacitive elements C5 to C8 do not change. The result in the column “+ Fy” in the table of FIG. 16 is a result obtained based on such a phenomenon.

また、力+Fzが作用した場合、検出リング210は図8に示すような弾性変形を生じることになり、測定点R1〜R4はいずれも上方向(Z軸正方向)に変位する。このため、容量素子C5〜C8の静電容量値は減少する。このとき、測定点R1〜R4は径方向には変位しないので、容量素子C1〜C4の静電容量値に変化は生じない。図16のテーブルの「+Fz」の欄の結果は、このような現象に基づいて得られた結果である。   When force + Fz is applied, the detection ring 210 is elastically deformed as shown in FIG. 8, and the measurement points R1 to R4 are all displaced upward (Z-axis positive direction). For this reason, the capacitance values of the capacitive elements C5 to C8 decrease. At this time, since the measurement points R1 to R4 are not displaced in the radial direction, the capacitance values of the capacitive elements C1 to C4 do not change. The result in the column “+ Fz” in the table of FIG. 16 is a result obtained based on such a phenomenon.

一方、モーメント+Mxが作用した場合、検出リング210は図9に示すような弾性変形を生じることになり、測定点R1,R2は上方向(Z軸正方向)に変位し、測定点R3,R4は下方向(Z軸負方向)に変位する。このため、容量素子C5,C6の静電容量値は減少し、容量素子C7,C8の静電容量値は増加する。このとき、測定点R1〜R4は径方向には変位しないので、容量素子C1〜C4の静電容量値に変化は生じない。図16のテーブルの「+Mx」の欄の結果は、このような現象に基づいて得られた結果である。   On the other hand, when the moment + Mx acts, the detection ring 210 is elastically deformed as shown in FIG. 9, and the measurement points R1 and R2 are displaced upward (Z-axis positive direction), and the measurement points R3 and R4. Is displaced downward (Z-axis negative direction). For this reason, the capacitance values of the capacitive elements C5 and C6 decrease, and the capacitance values of the capacitive elements C7 and C8 increase. At this time, since the measurement points R1 to R4 are not displaced in the radial direction, the capacitance values of the capacitive elements C1 to C4 do not change. The result in the column “+ Mx” in the table of FIG. 16 is a result obtained based on such a phenomenon.

また、モーメント+Myが作用した場合、検出リング210は図10に示すような弾性変形を生じることになり、測定点R1,R4は下方向(Z軸負方向)に変位し、測定点R2,R3は上方向(Z軸正方向)に変位する。このため、容量素子C5,C8の静電容量値は増加し、容量素子C6,C7の静電容量値は減少する。このとき、測定点R1〜R4は径方向には変位しないので、容量素子C1〜C4の静電容量値に変化は生じない。図16のテーブルの「+My」の欄の結果は、このような現象に基づいて得られた結果である。   When the moment + My is applied, the detection ring 210 is elastically deformed as shown in FIG. 10, the measurement points R1, R4 are displaced downward (Z-axis negative direction), and the measurement points R2, R3. Is displaced upward (Z-axis positive direction). For this reason, the capacitance values of the capacitive elements C5 and C8 increase, and the capacitance values of the capacitive elements C6 and C7 decrease. At this time, since the measurement points R1 to R4 are not displaced in the radial direction, the capacitance values of the capacitive elements C1 to C4 do not change. The result in the column “+ My” in the table of FIG. 16 is a result obtained based on such a phenomenon.

最後に、モーメント+Mzが作用した場合、検出リング210は図11の実線に示すような弾性変形を生じることになり、測定点R1,R3は径方向に沿って原点Oに近づき、測定点R2,R4は径方向に沿って原点Oから遠ざかる。このため、容量素子C1,C3の静電容量値は増加し、容量素子C2,C4の静電容量値は減少する。このとき、測定点R1〜R4はZ軸方向には変位しないので、容量素子C5〜C8の静電容量値に変化は生じない。図16のテーブルの「+Mz」の欄の結果は、このような現象に基づいて得られた結果である。   Finally, when the moment + Mz is applied, the detection ring 210 is elastically deformed as shown by the solid line in FIG. 11, and the measurement points R1 and R3 approach the origin O along the radial direction. R4 moves away from the origin O along the radial direction. For this reason, the capacitance values of the capacitive elements C1 and C3 increase, and the capacitance values of the capacitive elements C2 and C4 decrease. At this time, since the measurement points R1 to R4 are not displaced in the Z-axis direction, the capacitance values of the capacitive elements C5 to C8 do not change. The result in the column “+ Mz” in the table of FIG. 16 is a result obtained based on such a phenomenon.

図16のテーブルに示すとおり、8組の容量素子C1〜C8の静電容量値(ここでは、便宜上、静電容量値も同じ符号C1〜C8で示す)の変化パターンは、6軸成分が作用した個々の場合のそれぞれで異なり、しかも作用した力やモーメントが大きくなればなるほど、静電容量値の変動量も大きくなる。そこで、検出回路により、これら静電容量値C1〜C8の測定値に基づく所定の演算を施せば、6軸成分の検出値を独立して出力することが可能になる。   As shown in the table of FIG. 16, the six-axis component acts on the change pattern of the capacitance values of the eight capacitive elements C1 to C8 (here, for convenience, the capacitance values are also indicated by the same symbols C1 to C8). The amount of variation in the capacitance value increases as the applied force or moment increases. Therefore, if the detection circuit performs a predetermined calculation based on the measured values of the capacitance values C1 to C8, the detection values of the six-axis components can be output independently.

図17は、図12に示す力覚センサに対して作用する各座標軸方向の力Fx,Fy,Fzおよび各座標軸まわりのモーメントMx,My,Mzを求める具体的な演算式を示す図である。このような演算式によって、個々の検出値が得られる理由は、図16に示すテーブルを参照すれば理解できる。たとえば、図16のテーブルの+Fxの行を参照すれば、「+」が記されたC2,C3の和と、「−」が記されたC1,C4の和と、の差により、+Fxの検出値が得られることがわかる。他の検出値についても同様である。   FIG. 17 is a diagram showing specific arithmetic expressions for obtaining the forces Fx, Fy, Fz in the coordinate axis directions and the moments Mx, My, Mz around the coordinate axes acting on the force sensor shown in FIG. The reason why each detection value can be obtained by such an arithmetic expression can be understood by referring to the table shown in FIG. For example, referring to the + Fx row in the table of FIG. 16, + Fx is detected by the difference between the sum of C2 and C3 marked with “+” and the sum of C1 and C4 marked with “−”. It can be seen that the value is obtained. The same applies to other detection values.

また、負方向の力−Fx,−Fy,−Fzおよび負まわりのモーメント−Mx,−My,−Mzが作用した場合は、図16のテーブルにおける「+」と「−」とが逆転するので、図17に示す演算式をそのまま利用すれば、各検出値を負の値として得ることができる。この図17に示す6軸成分の演算式は、他軸成分の干渉を受けないので、6軸成分についての各検出値を独立して得ることができる。たとえば、+Fyが作用した場合、C1,C2は増加し、C3,C4は減少するが、FxやMzについての演算式では、これらの増加および減少成分は互いにキャンセルされるので、FxやMzについての検出値にFyの成分が含まれることはない。その他の軸成分についても、同様に、干渉が生じることはない。   Further, when negative forces -Fx, -Fy, -Fz and negative moments -Mx, -My, -Mz are applied, "+" and "-" in the table of FIG. 16 are reversed. If the arithmetic expression shown in FIG. 17 is used as it is, each detected value can be obtained as a negative value. The arithmetic expression for the six-axis component shown in FIG. 17 does not receive interference from the other-axis component, so that each detection value for the six-axis component can be obtained independently. For example, when + Fy acts, C1 and C2 increase and C3 and C4 decrease. However, in the calculation formulas for Fx and Mz, these increase and decrease components are canceled with each other. The detected value does not include the Fy component. Similarly, interference does not occur for the other axial components.

図17に示すとおり、力Fz以外の演算式は、2組の容量値の和についての差分を求める形式になっている。このような差分検出は、温度環境の変化により基本構造部が膨張もしくは収縮し、対向電極間距離が変動する誤差が生じたとしても、生じた誤差を相互にキャンセルすることができるので、外乱成分を含まない正確な検出結果を得る上で好ましい。なお、Fzについても差分検出を行いたい場合は、受力体300の下面にも固定電極を追加し(たとえば、図12において、XY平面を対称面として固定電極E5〜E8と対称となるような電極を形成すればよい)、検出リング210の上面の対向部分を変位電極とする容量素子を形成すればよい。当該容量素子は、測定点R1〜R4と受力体300の下面との距離を測定する役割を果たすので、これらの容量素子の容量値と容量素子C5〜C8の容量値との間で差分をとるようにすればよい。   As shown in FIG. 17, the arithmetic expressions other than the force Fz have a format for obtaining a difference with respect to the sum of two sets of capacitance values. In such a difference detection, even if an error occurs in which the basic structure expands or contracts due to a change in the temperature environment and the distance between the counter electrodes fluctuates, the generated error can be canceled mutually. It is preferable for obtaining an accurate detection result that does not contain any. In addition, when it is desired to detect the difference with respect to Fz, a fixed electrode is also added to the lower surface of the force receiving body 300 (for example, in FIG. 12, the XY plane is symmetrical with respect to the fixed electrodes E5 to E8 with respect to the XY plane). An electrode may be formed), and a capacitive element having a displacement electrode on the opposing portion of the upper surface of the detection ring 210 may be formed. Since the capacitive element plays a role of measuring the distance between the measurement points R1 to R4 and the lower surface of the force receiving body 300, the difference between the capacitance values of these capacitive elements and the capacitive values of the capacitive elements C5 to C8 is obtained. Just take it.

図18は、図12に示す力覚センサに用いる検出回路を示す回路図である。この検出回路は、図17に示す演算式に基づいて、力Fx,Fy,FzおよびモーメントMx,My,Mzの検出値を電圧値として出力する回路である。まず、8組の容量素子C1〜C8の静電容量値C1〜C8は、C/V変換器11〜18によって、それぞれ電圧値V1〜V8に変換される。続いて、加減算回路21〜26によって、それぞれ図17に示す演算式に基づく加減算が行われ、演算結果がそれぞれFx,Fy,Mz,Mx,My,Fzの検出値として出力される。   18 is a circuit diagram showing a detection circuit used in the force sensor shown in FIG. This detection circuit is a circuit that outputs detected values of the forces Fx, Fy, Fz and moments Mx, My, Mz as voltage values based on the arithmetic expression shown in FIG. First, the capacitance values C1 to C8 of the eight sets of capacitive elements C1 to C8 are converted into voltage values V1 to V8 by the C / V converters 11 to 18, respectively. Subsequently, addition / subtraction is performed by the addition / subtraction circuits 21 to 26 based on the calculation expressions shown in FIG. 17, and the calculation results are output as detection values of Fx, Fy, Mz, Mx, My, and Fz, respectively.

もちろん、この図18に示す検出回路は一例を示すものであり、原理的に図17の演算式に基づく検出結果が出力できれば、どのような回路を用いてもかまわない。たとえば、一対の容量素子を並列接続すれば、接続後の容量素子対の静電容量値は、個々の容量素子の静電容量値の和になるので、図18に示す回路図において、たとえば、容量素子C2とC3とを並列接続すれば、接続後の容量素子対の静電容量値は「C2+C3」になるので、加減算回路21における「V2+V3」の演算は省略することができる。   Of course, the detection circuit shown in FIG. 18 shows an example, and any circuit may be used as long as the detection result based on the arithmetic expression of FIG. 17 can be output in principle. For example, if a pair of capacitive elements are connected in parallel, the capacitance value of the capacitive element pair after connection is the sum of the capacitance values of the individual capacitive elements. Therefore, in the circuit diagram shown in FIG. If the capacitive elements C2 and C3 are connected in parallel, the capacitance value of the capacitive element pair after the connection is “C2 + C3”, so that the calculation of “V2 + V3” in the adder / subtractor circuit 21 can be omitted.

また、図18は、アナログ演算器を用いた検出回路を示すものであるが、図17に示す演算は、もちろん、デジタル演算によって行うことも可能である。たとえば、C/V変換器11〜18の後段にA/D変換器を接続すれば、静電容量値C1〜C8をそれぞれデジタル値として取り込むことができるので、マイクロコンピュータなどのデジタル回路により、図17に示す演算を行い、各検出値をデジタル値として出力することができる。   FIG. 18 shows a detection circuit using an analog computing unit, but the computation shown in FIG. 17 can of course be performed by digital computation. For example, if an A / D converter is connected to the subsequent stage of the C / V converters 11 to 18, the capacitance values C1 to C8 can be captured as digital values, respectively. The detection value can be output as a digital value by performing the calculation shown in FIG.

最後に、図12に示す力覚センサで利用されている検出素子および検出回路の特徴をまとめておくと、次のように言うことができる。   Finally, the characteristics of the detection elements and detection circuits used in the force sensor shown in FIG. 12 can be summarized as follows.

まず、図12に示す力覚センサにおいて、容量素子C1〜C4として実装されている検出素子は、検出リング210の内周面の各測定点R1〜R4の近傍に内側測定対象面(図14の太線部分)を定義し、この内側測定対象面に対向する内側対向基準面を有し支持体100の上面に固定された固定構造体を設けたときに、内側測定対象面と内側対向基準面との距離を電気的に検出する機能を果たす素子ということができる。図12に示す例の場合、固定電極E1〜E4が固定構造体ということになり、その内側面が内側対向基準面ということになる。容量素子C1〜C4は、内側測定対象面(図14の太線部分)と内側対向基準面(固定電極E1〜E4の内側面)との距離を、静電容量値C1〜C4として検出する機能を果たす。   First, in the force sensor shown in FIG. 12, the detection elements mounted as the capacitive elements C1 to C4 are arranged on the inner measurement target surface (in FIG. 14) in the vicinity of the measurement points R1 to R4 on the inner peripheral surface of the detection ring 210. A thick line portion) is defined, and a fixed structure having an inner facing reference surface facing the inner measurement target surface and fixed to the upper surface of the support 100 is provided. It can be said that the element fulfills the function of electrically detecting the distance. In the case of the example shown in FIG. 12, the fixed electrodes E1 to E4 are fixed structures, and the inner side surfaces are inner facing reference surfaces. Capacitance elements C1 to C4 have a function of detecting the distance between the inner measurement target surface (the thick line portion in FIG. 14) and the inner facing reference surface (the inner surface of the fixed electrodes E1 to E4) as capacitance values C1 to C4. Fulfill.

なお、図12に示す実施例の場合、固定構造体となる固定電極E1〜E4を支持体100の上面に固定しているが、受力体300の下面に固定した構造を採用してもかまわない。この場合、固定電極E1〜E4は、その上端が受力体300の下面に接合され、受力体300の下面から下方に伸びる構造体になる。この場合、固定電極E1〜E4は、支持体100に対しては変位することになるが、検出リング210と受力体300との相対的な変位を考える上では、受力体300に固定された固定電極として機能することができ、これまで述べてきた実施例と同等の役割を果たすことができる。   In the case of the embodiment shown in FIG. 12, the fixed electrodes E <b> 1 to E <b> 4 that are fixed structures are fixed to the upper surface of the support body 100, but a structure fixed to the lower surface of the force receiving body 300 may be adopted. Absent. In this case, the fixed electrodes E <b> 1 to E <b> 4 have a structure in which upper ends thereof are joined to the lower surface of the force receiving body 300 and extend downward from the lower surface of the force receiving body 300. In this case, the fixed electrodes E <b> 1 to E <b> 4 are displaced with respect to the support body 100, but are fixed to the force receiving body 300 in consideration of relative displacement between the detection ring 210 and the force receiving body 300. It can function as a fixed electrode and can play the same role as the embodiments described so far.

一方、図12に示す力覚センサにおいて、容量素子C5〜C8として実装されている検出素子は、検出リング210の下面の測定点R1〜R4の近傍に下側測定対象面を定義したときに、当該下側測定対象面と支持体100の上面との距離を電気的に検出する機能を果たす素子ということができる。容量素子C5〜C8は、検出リング210の下面の測定点R1〜R4近傍の部分領域として定義された下側測定対象面と、これに対向する支持体100の上面の所定箇所に設けられた固定電極E5〜E8との距離を、静電容量値C5〜C8として検出する機能を果たす。   On the other hand, in the force sensor shown in FIG. 12, when the detection elements mounted as the capacitive elements C5 to C8 define the lower measurement target surface in the vicinity of the measurement points R1 to R4 on the lower surface of the detection ring 210, It can be said that the element has a function of electrically detecting the distance between the lower measurement target surface and the upper surface of the support 100. The capacitive elements C5 to C8 are fixed at a predetermined position on the lower measurement target surface defined as a partial region in the vicinity of the measurement points R1 to R4 on the lower surface of the detection ring 210 and the upper surface of the support body 100 facing the lower measurement target surface. It functions to detect distances from the electrodes E5 to E8 as capacitance values C5 to C8.

もちろん、固定電極E5〜E8を支持体100の上面に設ける代わりに、受力体300の下面(XY平面を対称面としたときの対称位置)に設けるようにしてもかまわない。この場合、容量素子C5〜C8は、受力体300の下面に設けられた固定電極E5〜E8と、検出リング210の上面の測定点R1〜R4近傍の部分領域として定義された上側測定対象面と、によって構成される容量素子ということになる。固定電極E5〜E8を受力体300の下面に設けると、固定電極E5〜E8は支持体100に対して変位することになるが、やはり検出リング210と受力体300との相対的な変位を考える上では、受力体300に固定された固定電極として機能することができ、これまで述べてきた実施例と同等の役割を果たすことができる。   Of course, instead of providing the fixed electrodes E <b> 5 to E <b> 8 on the upper surface of the support body 100, the fixed electrodes E <b> 5 to E <b> 8 may be provided on the lower surface of the force receiving body 300 (symmetrical position when the XY plane is a symmetric plane). In this case, the capacitive elements C5 to C8 are fixed electrodes E5 to E8 provided on the lower surface of the force receiving member 300, and upper measurement target surfaces defined as partial regions in the vicinity of the measurement points R1 to R4 on the upper surface of the detection ring 210. That is, it is a capacitive element constituted by. When the fixed electrodes E5 to E8 are provided on the lower surface of the force receiving body 300, the fixed electrodes E5 to E8 are displaced with respect to the support body 100. However, the relative displacement between the detection ring 210 and the force receiving body 300 is also performed. , It can function as a fixed electrode fixed to the force receiving body 300, and can play a role equivalent to the embodiments described so far.

要するに、各測定点R1〜R4の変位を検出する検出素子として、容量素子を用いる場合は、検出リング210側の測定対象面に設けられた変位電極と、これに対向する支持体100側もしくは受力体300側の対向基準面に設けられた固定電極と、によって容量素子を構成すればよい。   In short, when a capacitive element is used as a detection element for detecting the displacement of each of the measurement points R1 to R4, the displacement electrode provided on the measurement target surface on the detection ring 210 side and the support 100 side or the receiving surface facing the displacement electrode. A capacitive element may be configured by the fixed electrode provided on the opposing reference surface on the force body 300 side.

特に、これまで述べた実施例の場合、検出リング210を可撓性をもった導電性材料によって構成したため、検出リング210の表面を共通変位電極E0として利用することができ、構造を単純化することができる。たとえば、図12に示す実施例では、支持体100の上面側には、8組の別個独立した固定電極E1〜E8を設ける必要があるものの、検出リング210側には、実際には何ら個別の変位電極を設ける必要はない。これは検出リング210の表面が共通の電極層としての役割を果たし、検出リング210の表面における、各固定電極E1〜E8の対向部分が各容量素子C1〜C8の個別の変位電極として機能するためである。   In particular, in the case of the embodiments described so far, since the detection ring 210 is made of a conductive material having flexibility, the surface of the detection ring 210 can be used as the common displacement electrode E0, thereby simplifying the structure. be able to. For example, in the embodiment shown in FIG. 12, it is necessary to provide eight sets of independent fixed electrodes E1 to E8 on the upper surface side of the support body 100. There is no need to provide a displacement electrode. This is because the surface of the detection ring 210 serves as a common electrode layer, and the opposing portions of the fixed electrodes E1 to E8 on the surface of the detection ring 210 function as individual displacement electrodes of the capacitive elements C1 to C8. It is.

もちろん、検出リング210を樹脂などの絶縁性材料によって構成した場合には、検出リング210の表面における、各固定電極E1〜E8の対向部分に個別の変位電極を設けるようにすればよい。この場合、図15を用いて説明したように、各容量素子C1〜C8を構成する一方の電極を他方の電極の形成面に投影した投影像が、当該他方の電極の内部に包含される関係が維持されるようにしておけば、容量素子C1〜C4の静電容量値の変化は、専ら、測定点R1〜R4の径方向の変位を示し、容量素子C5〜C8の静電容量値の変化は、専ら、測定点R1〜R4の上下方向(Z軸方向)の変位を示すことになり、より正確な検出を行うことが可能になる。   Of course, when the detection ring 210 is made of an insulating material such as a resin, an individual displacement electrode may be provided on the surface of the detection ring 210 facing each of the fixed electrodes E1 to E8. In this case, as described with reference to FIG. 15, the projection image obtained by projecting one electrode constituting each of the capacitive elements C1 to C8 onto the formation surface of the other electrode is included in the other electrode. Is maintained, the change in the capacitance value of the capacitive elements C1 to C4 exclusively indicates the displacement in the radial direction of the measurement points R1 to R4, and the capacitance value of the capacitive elements C5 to C8. The change exclusively indicates the displacement in the vertical direction (Z-axis direction) of the measurement points R1 to R4, so that more accurate detection can be performed.

結局、図12に示す実施例の場合、検出リング210は、Z軸が中心軸となるように、支持体100上方の所定の配置平面(この例では、XY平面)に配置された円形のリングであり、検出素子として、図14に示すように、次のような8組の容量素子が設けられていることになる。
(1) 検出リング210の内周面の第1の測定点R1近傍位置に配置された第1の変位電極(検出リング210の内周面のV軸正領域との交点近傍領域:図の太線部分)と、検出リング210の内側の上記第1の変位電極に対向する位置に配置され、支持体100の上面に固定された第1の固定電極E1と、によって構成される第1の容量素子C1。
(2) 検出リング210の内周面の第2の測定点R2近傍位置に配置された第2の変位電極(検出リング210の内周面のW軸正領域との交点近傍領域:図の太線部分)と、検出リング210の内側の上記第2の変位電極に対向する位置に配置され、支持体100の上面に固定された第2の固定電極E2と、によって構成される第2の容量素子C2。
(3) 検出リング210の内周面の第3の測定点R3近傍位置に配置された第3の変位電極(検出リング210の内周面のV軸負領域との交点近傍領域:図の太線部分)と、検出リング210の内側の上記第3の変位電極に対向する位置に配置され、支持体100の上面に固定された第3の固定電極E3と、によって構成される第3の容量素子C3。
(4) 検出リング210の内周面の第4の測定点R4近傍位置に配置された第4の変位電極(検出リング210の内周面のW軸負領域との交点近傍領域:図の太線部分)と、検出リング210の内側の上記第4の変位電極に対向する位置に配置され、支持体100の上面に固定された第4の固定電極E4と、によって構成される第4の容量素子C4。
(5) 検出リング210の下面の第1の測定点R1近傍位置に配置された第5の変位電極(検出リング210の下面の測定点R1の下方に位置する領域)と、支持体100の上面の第5の変位電極に対向する位置に配置された第5の固定電極E5とによって構成される第5の容量素子C5。
(6) 検出リング210の下面の第2の測定点R2近傍位置に配置された第6の変位電極(検出リング210の下面の測定点R2の下方に位置する領域)と、支持体100の上面の第6の変位電極に対向する位置に配置された第6の固定電極E6とによって構成される第6の容量素子C6。
(7) 検出リング210の下面の第3の測定点R3近傍位置に配置された第7の変位電極(検出リング210の下面の測定点R3の下方に位置する領域)と、支持体100の上面の第7の変位電極に対向する位置に配置された第7の固定電極E7とによって構成される第7の容量素子C7。
(8) 検出リング210の下面の第4の測定点R4近傍位置に配置された第8の変位電極(検出リング210の下面の測定点R4の下方に位置する領域)と、支持体100の上面の第8の変位電極に対向する位置に配置された第8の固定電極E8とによって構成される第8の容量素子C8。
After all, in the embodiment shown in FIG. 12, the detection ring 210 is a circular ring arranged on a predetermined arrangement plane (in this example, the XY plane) above the support 100 so that the Z axis becomes the central axis. As shown in FIG. 14, the following eight sets of capacitive elements are provided as detection elements.
(1) First displacement electrode (region near the intersection with the V-axis positive region on the inner peripheral surface of the detection ring 210: thick line in the figure) disposed near the first measurement point R1 on the inner peripheral surface of the detection ring 210 Portion) and a first fixed electrode E1 disposed at a position facing the first displacement electrode inside the detection ring 210 and fixed to the upper surface of the support 100. C1.
(2) Second displacement electrode disposed in the vicinity of the second measurement point R2 on the inner peripheral surface of the detection ring 210 (region near the intersection with the W-axis positive region on the inner peripheral surface of the detection ring 210: bold line in the figure) Portion) and a second fixed electrode E2 disposed at a position facing the second displacement electrode inside the detection ring 210 and fixed to the upper surface of the support 100. C2.
(3) Third displacement electrode (region near the intersection with the V-axis negative region on the inner peripheral surface of the detection ring 210: thick line in the figure) disposed at a position near the third measurement point R3 on the inner peripheral surface of the detection ring 210 Portion) and a third fixed electrode E3 disposed at a position facing the third displacement electrode inside the detection ring 210 and fixed to the upper surface of the support 100. C3.
(4) Fourth displacement electrode (region near the intersection with the W-axis negative region on the inner peripheral surface of the detection ring 210: thick line in the figure) disposed in the vicinity of the fourth measurement point R4 on the inner peripheral surface of the detection ring 210 Portion) and a fourth fixed element E4 arranged at a position facing the fourth displacement electrode inside the detection ring 210 and fixed to the upper surface of the support 100. C4.
(5) a fifth displacement electrode (a region located below the measurement point R1 on the lower surface of the detection ring 210) disposed on the lower surface of the detection ring 210 in the vicinity of the first measurement point R1; A fifth capacitive element C5 constituted by a fifth fixed electrode E5 disposed at a position facing the fifth displacement electrode.
(6) A sixth displacement electrode (a region located below the measurement point R2 on the lower surface of the detection ring 210) disposed in the vicinity of the second measurement point R2 on the lower surface of the detection ring 210, and the upper surface of the support body 100 A sixth capacitive element C6 constituted by a sixth fixed electrode E6 disposed at a position facing the sixth displacement electrode.
(7) a seventh displacement electrode (a region located below the measurement point R3 on the lower surface of the detection ring 210) disposed on the lower surface of the detection ring 210 in the vicinity of the third measurement point R3; A seventh capacitive element C7 including a seventh fixed electrode E7 disposed at a position facing the seventh displacement electrode.
(8) An eighth displacement electrode (a region located below the measurement point R4 on the lower surface of the detection ring 210) disposed on the lower surface of the detection ring 210 in the vicinity of the fourth measurement point R4, and the upper surface of the support body 100. An eighth capacitive element C8 constituted by the eighth fixed electrode E8 disposed at a position facing the eighth displacement electrode.

ここで、各容量素子C1〜C8を構成する一方の電極を他方の電極の形成面に投影した投影像は、他方の電極の内部に包含されるようになっており、検出リング210の変位が所定の許容範囲内である限り、各容量素子の有効対向面積は一定に維持される。このため、前述したとおり、容量素子C1〜C4の静電容量値の変化は、専ら、測定点R1〜R4の径方向の変位を示し、容量素子C5〜C8の静電容量値の変化は、専ら、測定点R1〜R4の上下方向(Z軸方向)の変位を示すことになり、正確な検出が可能になる。また、実際には、検出リング210は、可撓性をもった導電性材料によって構成されているため、検出リング210の表面が共通の電極として機能し、各容量素子C1〜C8を構成する変位電極は、いずれも検出リング210の表面の部分領域によって構成されることになる。   Here, the projection image obtained by projecting one electrode constituting each of the capacitive elements C1 to C8 onto the formation surface of the other electrode is included in the other electrode, and the displacement of the detection ring 210 is reduced. As long as it is within a predetermined allowable range, the effective facing area of each capacitive element is kept constant. For this reason, as described above, the change in the capacitance value of the capacitive elements C1 to C4 exclusively indicates the radial displacement of the measurement points R1 to R4, and the change in the capacitance value of the capacitive elements C5 to C8 is Only the displacement of the measurement points R1 to R4 in the vertical direction (Z-axis direction) is indicated, and accurate detection becomes possible. In practice, since the detection ring 210 is made of a conductive material having flexibility, the surface of the detection ring 210 functions as a common electrode, and displacements that constitute the capacitive elements C1 to C8. Each of the electrodes is constituted by a partial region on the surface of the detection ring 210.

一方、この力覚センサの検出回路は、第1の容量素子の静電容量値をC1、第2の容量素子の静電容量値をC2、第3の容量素子の静電容量値をC3、第4の容量素子の静電容量値をC4、第5の容量素子の静電容量値をC5、第6の容量素子の静電容量値をC6、第7の容量素子の静電容量値をC7、第8の容量素子の静電容量値をC8としたときに、図17に示すとおり、
Fx=−C1+C2+C3−C4
Fy=+C1+C2−C3−C4
Fz=−C5−C6−C7−C8
Mx=−C5−C6+C7+C8
My=+C5−C6−C7+C8
Mz=+C1−C2+C3−C4
なる演算式に基づいて、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の検出値を出力する機能を果たす。具体的な検出回路の例は、図18の回路図に示したとおりである。
On the other hand, the detection circuit of this force sensor has a capacitance value of the first capacitive element C1, a capacitance value of the second capacitive element C2, a capacitance value of the third capacitive element C3, The capacitance value of the fourth capacitive element is C4, the capacitance value of the fifth capacitive element is C5, the capacitance value of the sixth capacitive element is C6, and the capacitance value of the seventh capacitive element is When the capacitance value of C7 and the eighth capacitive element is C8, as shown in FIG.
Fx = −C1 + C2 + C3-C4
Fy = + C1 + C2-C3-C4
Fz = -C5-C6-C7-C8
Mx = -C5-C6 + C7 + C8
My = + C5-C6-C7 + C8
Mz = + C1-C2 + C3-C4
Based on the following formula, the detection of the force Fx in the X-axis direction, the force Fy in the Y-axis direction, the force Fz in the Z-axis direction, the moment Mx around the X-axis, the moment My around the Y-axis, and the moment Mz around the Z-axis Serves to output values. A specific example of the detection circuit is as shown in the circuit diagram of FIG.

なお、図18の回路図に示すとおり、8組の容量素子C1〜C8と検出回路との間には配線を施す必要がある。本発明に係る力覚センサの場合、図12に示すとおり、検出リング210の内部に十分なスペースを確保することができるため、この内部スペースを利用して、各容量素子を構成する電極に対する配線が可能になる。特に、図12に示す実施例の場合、受力体300に開口部Hが形成されているため、この開口部Hを通して配線を力覚センサの外部へと導出することが可能である。もちろん、必要があれば、図18に示す検出回路を半導体集積回路として構成し、検出リング210の内部スペースに収容することもできる。   As shown in the circuit diagram of FIG. 18, it is necessary to provide wiring between the eight capacitive elements C1 to C8 and the detection circuit. In the case of the force sensor according to the present invention, as shown in FIG. 12, a sufficient space can be secured inside the detection ring 210. Therefore, the wiring for the electrodes constituting each capacitive element is made using this internal space. Is possible. In particular, in the case of the embodiment shown in FIG. 12, since the opening H is formed in the force receiving body 300, the wiring can be led out of the force sensor through the opening H. Of course, if necessary, the detection circuit shown in FIG. 18 can be configured as a semiconductor integrated circuit and accommodated in the internal space of the detection ring 210.

<<< §4. 本発明の変形例 >>>
以上、§1〜§3では、本発明の基本的実施形態に係る力覚センサの構造および動作を説明した。ここでは、この基本的実施形態に対する変形例をいくつか述べておく。
<<< §4. Modification of the present invention >>
As described above, in §1 to §3, the structure and operation of the force sensor according to the basic embodiment of the present invention have been described. Here, some modifications to the basic embodiment will be described.

<4−1.中間体に関する変形例>
はじめに、中間体200に関する変形例を述べる。図19は、図1に示す基本的な実施形態に利用されている中間体200の変形例を示す斜視図である。この変形例に係る中間体200Aは、検出リング210A、支持接続部材221A,222A、受力接続部材231A,232Aによって構成される。これら各構成要素の基本的な形態および機能は、これまで述べた基本的実施形態に係る中間体200の検出リング210、支持接続部材221,222、受力接続部材231,232とほぼ同じである。
<4-1. Modified example of intermediate>
First, the modification regarding the intermediate body 200 is described. FIG. 19 is a perspective view showing a modification of the intermediate body 200 used in the basic embodiment shown in FIG. The intermediate body 200A according to this modification includes a detection ring 210A, support connection members 221A and 222A, and force receiving connection members 231A and 232A. The basic form and function of each of these components are substantially the same as the detection ring 210, the support connection members 221, 222, and the force receiving connection members 231, 232 of the intermediate body 200 according to the basic embodiment described so far. .

ただ、図1に示す中間体200と図19に示す中間体200Aとを比較するとわかるとおり、前者の検出リング210に比べて後者の検出リング210Aは高さ方向の厚み(Z軸方向の厚み)が小さく設定されており、同一材料によって構成した場合でも、前者の検出リング210に比べて後者の検出リング210Aの方が撓みやすくなっている。したがって、検出リング210を採用した力覚センサよりも、検出リング210Aを採用した力覚センサの方が検出感度が高くなる。   However, as can be seen by comparing the intermediate body 200 shown in FIG. 1 with the intermediate body 200A shown in FIG. 19, the latter detection ring 210A has a thickness in the height direction (thickness in the Z-axis direction) compared to the former detection ring 210. Is set smaller, and the latter detection ring 210 </ b> A is more easily bent than the former detection ring 210 even when the same material is used. Therefore, the detection sensitivity of the force sensor using the detection ring 210A is higher than that of the force sensor using the detection ring 210.

要するに、より精度の高い力覚センサが必要な場合には、図19の変形例に示すような高さ方向の厚みが小さい検出リング200Aを用い、より定格荷重の大きな力覚センサが必要な場合には、図1の基本的実施形態に示すような高さ方向の厚みが大きい検出リング200を用いるようにすればよい。   In short, when a force sensor with higher accuracy is required, a detection ring 200A having a small thickness in the height direction as shown in the modification of FIG. 19 is used, and a force sensor with a larger rated load is required. For this purpose, a detection ring 200 having a large thickness in the height direction as shown in the basic embodiment of FIG. 1 may be used.

検出の基本原理に関しては、図1に示す中間体200を用いた力覚センサと、図19に示す中間体200Aを用いた力覚センサとの間に違いはない。すなわち、図19に示す中間体200Aにおいて、X軸上に配置された支持接続部材221A,222Aの下面は、Y軸上に配置された受力接続部材231A,232Aの下面より下方に突出しているため、受力接続部材231A,232Aの下面と支持体100の上面との間には所定の空隙が確保される。同様に、Y軸上に配置された受力接続部材231A,232Aの上面は、X軸上に配置された支持接続部材221A,222Aの上面より上方に突出しているため、支持接続部材221A,222Aの上面と受力体300の下面との間には所定の空隙が確保される。   Regarding the basic principle of detection, there is no difference between a force sensor using the intermediate body 200 shown in FIG. 1 and a force sensor using the intermediate body 200A shown in FIG. That is, in the intermediate body 200A shown in FIG. 19, the lower surfaces of the support connection members 221A and 222A arranged on the X axis protrude downward from the lower surfaces of the force receiving connection members 231A and 232A arranged on the Y axis. Therefore, a predetermined gap is secured between the lower surfaces of the force receiving connection members 231A and 232A and the upper surface of the support body 100. Similarly, since the upper surfaces of the force receiving connection members 231A and 232A arranged on the Y axis protrude above the upper surfaces of the support connection members 221A and 222A arranged on the X axis, the support connection members 221A and 222A. A predetermined gap is secured between the upper surface of the power receiving member 300 and the lower surface of the force receiving member 300.

図20は、図1に示す基本的な実施形態における中間体200の代わりに、図19に示す変形例に係る中間体200Aを用いて構成した基本構造部の側面図であり、図21は、当該基本構造部をXZ平面で切断した状態を示す断面図である。図20,図21を、図3(b) ,図4と比較すればわかるとおり、両者の相違は、検出リングのZ軸方向の厚みだけであり、動作原理に根本的な違いはない。検出リング210Aは、Z軸方向の厚みが小さいため撓みが生じ易くなり、検出感度を高めることができる。また、検出リング210Aの下面と支持体100の上面との距離や、検出リング210Aの上面と受力体300の下面との距離も大きく確保できるため、測定点R1〜R4の変位量を大きくとることができ、この点においても、検出感度を高める効果が得られる。   20 is a side view of a basic structure configured using an intermediate body 200A according to a modified example shown in FIG. 19 instead of the intermediate body 200 in the basic embodiment shown in FIG. It is sectional drawing which shows the state which cut | disconnected the said basic structure part by XZ plane. As can be seen by comparing FIGS. 20 and 21 with FIGS. 3B and 4, the only difference is the thickness of the detection ring in the Z-axis direction, and there is no fundamental difference in the operating principle. Since the detection ring 210 </ b> A has a small thickness in the Z-axis direction, the detection ring 210 </ b> A is likely to be bent, and the detection sensitivity can be increased. In addition, since the distance between the lower surface of the detection ring 210A and the upper surface of the support body 100 and the distance between the upper surface of the detection ring 210A and the lower surface of the force receiving body 300 can be ensured, the amount of displacement at the measurement points R1 to R4 is increased. In this respect, the effect of increasing the detection sensitivity can be obtained.

一方、図22は、図1に示す基本的な実施形態に利用されている中間体200の別な変形例を示す斜視図である。この変形例に係る中間体200Bの特徴は、上方検出リング211Bおよび下方検出リング212Bという2組の検出リングを上下2段に配置した構造を有する点である。すなわち、この変形例に係る中間体200Bは、上方検出リング211B、下方検出リング212B、支持接続部材221B,222B、受力接続部材231B,232Bによって構成される。   On the other hand, FIG. 22 is a perspective view showing another modified example of the intermediate body 200 used in the basic embodiment shown in FIG. A feature of the intermediate body 200B according to this modification is that it has a structure in which two detection rings, an upper detection ring 211B and a lower detection ring 212B, are arranged in two upper and lower stages. That is, the intermediate body 200B according to this modified example includes the upper detection ring 211B, the lower detection ring 212B, the support connection members 221B and 222B, and the force receiving connection members 231B and 232B.

ここで、支持接続部材221B,222Bは、上方検出リング211Bおよび下方検出リング212Bの双方をX軸正方向端およびX軸負方向端で支持し、支持体100の上面に接続する機能を果たし、受力接続部材231B,232Bは、上方検出リング211Bおよび下方検出リング212Bの双方をY軸正方向端およびY軸負方向端で支持し、受力体200の下面に接続する機能を果たす。   Here, the support connection members 221B and 222B serve to support both the upper detection ring 211B and the lower detection ring 212B at the X axis positive direction end and the X axis negative direction end and connect to the upper surface of the support body 100, The force receiving connection members 231 </ b> B and 232 </ b> B support both the upper detection ring 211 </ b> B and the lower detection ring 212 </ b> B at the Y axis positive direction end and the Y axis negative direction end, and serve to connect to the lower surface of the force receiving body 200.

この図22に示す中間体200Bにおいても、X軸上に配置された支持接続部材221B,222Bの下面は、Y軸上に配置された受力接続部材231B,232Bの下面より下方に突出しているため、受力接続部材231B,232Bおよび下方検出リング212Bの下面と支持体100の上面との間には所定の空隙が確保される。同様に、Y軸上に配置された受力接続部材231B,232Bの上面は、X軸上に配置された支持接続部材221B,222Bの上面より上方に突出しているため、支持接続部材221B,222Bおよび上方検出リング211Bの上面と受力体300の下面との間には所定の空隙が確保される。   Also in the intermediate body 200B shown in FIG. 22, the lower surfaces of the support connection members 221B and 222B arranged on the X axis protrude downward from the lower surfaces of the force receiving connection members 231B and 232B arranged on the Y axis. Therefore, a predetermined gap is secured between the lower surfaces of the force receiving connection members 231B and 232B and the lower detection ring 212B and the upper surface of the support body 100. Similarly, the upper surfaces of the force receiving connection members 231B and 232B arranged on the Y axis protrude upward from the upper surfaces of the support connection members 221B and 222B arranged on the X axis, and thus the support connection members 221B and 222B. A predetermined gap is secured between the upper surface of the upper detection ring 211B and the lower surface of the force receiving member 300.

図23は、図1に示す基本的な実施形態における中間体200の代わりに、図22に示す変形例に係る中間体200Bを用いて構成した基本構造部の側面図であり、図24は、当該基本構造部をXZ平面で切断した状態を示す断面図である。前述した中間体200Aを用いた変形例と比較するために、図20,図21に示す構造と図23,図24に示す構造とを比較すると、前者では単一の検出リング210Aしか用いられていないのに対して、後者では上方検出リング211Bおよび下方検出リング212Bという2組の検出リングが用いられている点が大きな相違点であることがわかる。   FIG. 23 is a side view of a basic structure configured using an intermediate body 200B according to a modified example shown in FIG. 22 instead of the intermediate body 200 in the basic embodiment shown in FIG. It is sectional drawing which shows the state which cut | disconnected the said basic structure part by XZ plane. For comparison with the above-described modification using the intermediate 200A, when comparing the structure shown in FIGS. 20 and 21 with the structure shown in FIGS. 23 and 24, only the single detection ring 210A is used in the former. On the other hand, in the latter, it can be seen that a major difference is that two sets of detection rings, that is, an upper detection ring 211B and a lower detection ring 212B are used.

図20,図21に示す構造の場合、検出リング210AはXY平面上に配置されているが、図23,図24に示す構造の場合、2組の検出リングの配置位置は、いずれもXY平面上ではない。すなわち、上方検出リング211Bは、XY平面より若干上方にずれた位置に配置され、下方検出リング212Bは、XY平面より若干下方にずれた位置に配置されている。本発明では、このように、各検出リング211B,212Bの配置位置がXY平面からずれていても、基本的な検出原理に影響はない。   In the case of the structure shown in FIGS. 20 and 21, the detection ring 210A is arranged on the XY plane. However, in the case of the structure shown in FIGS. 23 and 24, the arrangement positions of the two detection rings are both XY plane. Not above. That is, the upper detection ring 211B is arranged at a position slightly shifted from the XY plane, and the lower detection ring 212B is arranged at a position slightly shifted from the XY plane. In the present invention, even if the arrangement positions of the detection rings 211B and 212B are deviated from the XY plane in this way, the basic detection principle is not affected.

本発明に用いる検出リングは、Z軸が中心軸となるように、XY平面に平行な所定の配置平面(XY平面であってもよい)上に配置され、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により少なくとも一部に弾性変形を生じるものであれば足りる。図23,図24に示す構造の場合、上方検出リング211Bは、XY平面の上方に位置し、XY平面に平行な配置平面上に配置されており、下方検出リング212Bは、XY平面の下方に位置し、XY平面に平行な配置平面上に配置されている。したがって、上方検出リング211Bおよび下方検出リング212Bは、いずれも、これまで述べてきた基本的実施形態に係る検出リング210と同等の機能を果たすことができる。   The detection ring used in the present invention is arranged on a predetermined arrangement plane (which may be the XY plane) parallel to the XY plane so that the Z axis is the central axis, and the action of the force or moment to be detected It is sufficient if at least a part causes elastic deformation. In the case of the structure shown in FIGS. 23 and 24, the upper detection ring 211B is located above the XY plane and is arranged on an arrangement plane parallel to the XY plane, and the lower detection ring 212B is below the XY plane. It is located and arranged on an arrangement plane parallel to the XY plane. Accordingly, both the upper detection ring 211B and the lower detection ring 212B can perform the same function as the detection ring 210 according to the basic embodiment described so far.

ここでは、この2組の検出リング211B,212Bのそれぞれについて、測定点R1〜R4を定義することにする。具体的には、上方検出リング211Bについては、図5(b) に示す検出リング210上の各測定点R1〜R4に対応する位置に測定点R1〜R4が定義され、下方検出リング212Bについても、同様に、図5(b) に示す検出リング210上の各測定点R1〜R4に対応する位置に測定点R1〜R4が定義される。   Here, measurement points R1 to R4 are defined for each of the two detection rings 211B and 212B. Specifically, for the upper detection ring 211B, measurement points R1 to R4 are defined at positions corresponding to the measurement points R1 to R4 on the detection ring 210 shown in FIG. Similarly, measurement points R1 to R4 are defined at positions corresponding to the measurement points R1 to R4 on the detection ring 210 shown in FIG.

支持接続部材221B,222Bおよび受力接続部材231B,232Bによる上方検出リング211Bおよび下方検出リング212Bの接続態様は全く同じなので、支持体100を固定した状態において受力体300に、力+Fx,+Fy,+Fz,モーメント+Mx,+My,+Mzの6軸成分が加わったとき、上方検出リング211Bに生じる弾性変形の態様と、下方検出リング212Bに生じる弾性変形の態様とは全く同じになる。したがって、上方検出リング211Bに定義された4つの測定点R1〜R4の変位の態様と、下方検出リング212Bに定義された4つの測定点R1〜R4の変位の態様とは全く等価になり、両検出リング211B,212Bの変形動作は、いわばシンクロナイズしたものになる。   Since the connection form of the upper detection ring 211B and the lower detection ring 212B by the support connection members 221B and 222B and the force reception connection members 231B and 232B is exactly the same, the force + Fx, + Fy is applied to the force reception body 300 in a state where the support body 100 is fixed. , + Fz, moments + Mx, + My, and + Mz, the form of elastic deformation that occurs in the upper detection ring 211B is exactly the same as the form of elastic deformation that occurs in the lower detection ring 212B. Therefore, the displacement mode of the four measurement points R1 to R4 defined in the upper detection ring 211B is completely equivalent to the displacement mode of the four measurement points R1 to R4 defined in the lower detection ring 212B. The deformation | transformation operation | movement of the detection rings 211B and 212B becomes what was synchronized.

中間体200として、図22に示す中間体200Bを用いた変形例の場合も、検出素子を構成するための固定電極E1〜E8の構成は、図12に示す基本的実施形態の構成と同じでかまわない。図12に示す構成において、中間体200を図22に示す中間体200Bに交換すると、4組の固定電極E1〜E4は、上方検出リング211Bの内周面と下方検出リング212Bの内周面との双方に対向することになるが、相互に対向する電極によって4組の容量素子C1〜C4が形成される点に変わりはない。   Also in the modification using the intermediate body 200B shown in FIG. 22 as the intermediate body 200, the configuration of the fixed electrodes E1 to E8 for configuring the detection element is the same as the configuration of the basic embodiment shown in FIG. It doesn't matter. In the configuration shown in FIG. 12, when the intermediate body 200 is replaced with the intermediate body 200B shown in FIG. 22, the four fixed electrodes E1 to E4 are connected to the inner peripheral surface of the upper detection ring 211B and the inner peripheral surface of the lower detection ring 212B. However, there is no change in that the four capacitive elements C1 to C4 are formed by the electrodes facing each other.

すなわち、上方検出リング211Bの内周面のV軸正領域の近傍領域と、これに向かい合った固定電極E1の対向領域と、によって構成される容量素子を第1の上方容量素子C1(upper)と定義し、下方検出リング212Bの内周面のV軸正領域の近傍領域と、これに向かい合った固定電極E1の対向領域と、によって構成される容量素子を第1の下方容量素子C1(lower)と定義した場合、第1の容量素子C1は、第1の上方容量素子C1(upper)と第1の下方容量素子C1(lower)とを並列接続した容量素子ということになり、その静電容量値は、各測定点R1の径方向の変位を示すものになる。   That is, a capacitive element constituted by a region in the vicinity of the V-axis positive region on the inner peripheral surface of the upper detection ring 211B and the opposing region of the fixed electrode E1 facing this is referred to as a first upper capacitive element C1 (upper). A capacitive element defined by a region near the V-axis positive region on the inner peripheral surface of the lower detection ring 212B and the opposing region of the fixed electrode E1 facing this is defined as a first lower capacitive element C1 (lower) In this case, the first capacitive element C1 is a capacitive element in which a first upper capacitive element C1 (upper) and a first lower capacitive element C1 (lower) are connected in parallel. The value indicates the radial displacement of each measurement point R1.

また、上方検出リング211Bの内周面のW軸正領域の近傍領域と、これに向かい合った固定電極E2の対向領域と、によって構成される容量素子を第2の上方容量素子C2(upper)と定義し、下方検出リング212Bの内周面のW軸正領域の近傍領域と、これに向かい合った固定電極E2の対向領域と、によって構成される容量素子を第2の下方容量素子C2(lower)と定義した場合、第2の容量素子C2は、第2の上方容量素子C2(upper)と第2の下方容量素子C2(lower)とを並列接続した容量素子ということになり、その静電容量値は、各測定点R2の径方向の変位を示すものになる。   Further, a capacitive element constituted by a region near the W-axis positive region on the inner peripheral surface of the upper detection ring 211B and a facing region of the fixed electrode E2 facing this is referred to as a second upper capacitive element C2 (upper). A capacitive element defined by a region near the W-axis positive region on the inner peripheral surface of the lower detection ring 212B and a region facing the fixed electrode E2 facing the second lower capacitive element C2 (lower) In this case, the second capacitive element C2 is a capacitive element in which a second upper capacitive element C2 (upper) and a second lower capacitive element C2 (lower) are connected in parallel. The value indicates the radial displacement of each measurement point R2.

そして、上方検出リング211Bの内周面のV軸負領域の近傍領域と、これに向かい合った固定電極E3の対向領域と、によって構成される容量素子を第3の上方容量素子C3(upper)と定義し、下方検出リング212Bの内周面のV軸負領域の近傍領域と、これに向かい合った固定電極E3の対向領域と、によって構成される容量素子を第3の下方容量素子C3(lower)と定義した場合、第3の容量素子C3は、第3の上方容量素子C3(upper)と第3の下方容量素子C3(lower)とを並列接続した容量素子ということになり、その静電容量値は、各測定点R3の径方向の変位を示すものになる。   A capacitive element constituted by a region in the vicinity of the V-axis negative region on the inner peripheral surface of the upper detection ring 211B and a facing region of the fixed electrode E3 facing this is referred to as a third upper capacitive element C3 (upper). A capacitive element defined by a region near the V-axis negative region on the inner peripheral surface of the lower detection ring 212B and the opposing region of the fixed electrode E3 facing the third negative capacitive element C3 (lower) The third capacitive element C3 is a capacitive element in which a third upper capacitive element C3 (upper) and a third lower capacitive element C3 (lower) are connected in parallel. The value indicates the radial displacement of each measurement point R3.

最後に、上方検出リング211Bの内周面のW軸負領域の近傍領域と、これに向かい合った固定電極E4の対向領域と、によって構成される容量素子を第4の上方容量素子C4(upper)と定義し、下方検出リング212Bの内周面のW軸負領域の近傍領域と、これに向かい合った固定電極E4の対向領域と、によって構成される容量素子を第4の下方容量素子C4(lower)と定義した場合、第4の容量素子C4は、第4の上方容量素子C4(upper)と第4の下方容量素子C4(lower)とを並列接続した容量素子ということになり、その静電容量値は、各測定点R4の径方向の変位を示すものになる。   Finally, a capacitive element constituted by a region near the W-axis negative region on the inner circumferential surface of the upper detection ring 211B and a region facing the fixed electrode E4 facing the fourth upper capacitive device C4 (upper) And a capacitive element constituted by a region near the W-axis negative region on the inner peripheral surface of the lower detection ring 212B and a region facing the fixed electrode E4 facing the fourth lower capacitive element C4 (lower ) Is defined as a capacitive element in which a fourth upper capacitive element C4 (upper) and a fourth lower capacitive element C4 (lower) are connected in parallel. The capacitance value indicates the radial displacement of each measurement point R4.

一方、図12に示す構成において、中間体200を図22に示す中間体200Bに交換すると、4組の固定電極E5〜E8は、下方検出リング212Bの下面に対向することになるので、相互に対向する電極によって4組の容量素子C5〜C8が形成される点に変わりはなく、その静電容量値は、下方検出リング212B側の測定点R1〜R4のZ軸方向の変位を示すものになる。この場合、上方検出リング211B側の測定点R1〜R4のZ軸方向の変位は検出されないが、力+Fx,+Fy,+Fz,モーメント+Mx,+My,+Mzの6軸成分の検出を行う上では何ら支障は生じない。   On the other hand, in the configuration shown in FIG. 12, when the intermediate body 200 is replaced with the intermediate body 200B shown in FIG. 22, the four fixed electrodes E5 to E8 face the lower surface of the lower detection ring 212B. The four capacitive elements C5 to C8 are formed by the opposing electrodes, and the capacitance value indicates the displacement in the Z-axis direction of the measurement points R1 to R4 on the lower detection ring 212B side. Become. In this case, the displacement in the Z-axis direction of the measurement points R1 to R4 on the upper detection ring 211B side is not detected, but there is no problem in detecting the six-axis components of force + Fx, + Fy, + Fz, moment + Mx, + My, + Mz. Does not occur.

もちろん、上方検出リング211B側の測定点R1〜R4のZ軸方向の変位も検出するようにし、下方検出リング212B側の測定点R1〜R4のZ軸方向の変位と上方検出リング211B側の測定点R1〜R4のZ軸方向の変位との双方を用いて(たとえば、両者の平均値を用いて)、検出対象となる力やモーメントの検出を行うようにすれば、検出精度をより向上させることが可能である。その場合には、受力体300の下面にも、固定電極E5〜E8に対応する位置(XY平面を対称面としたときの対称位置)に4組の電極を設け、これらの電極と上方検出リング211Bの対向面とによって4組の容量素子を形成し、この4組の容量素子の静電容量値に基づいて、上方検出リング211B側の測定点R1〜R4のZ軸方向の変位を検出するようにすればよい。   Of course, the displacement in the Z-axis direction of the measurement points R1 to R4 on the upper detection ring 211B side is also detected, and the displacement in the Z-axis direction of the measurement points R1 to R4 on the lower detection ring 212B side and the measurement on the upper detection ring 211B side are detected. If both the displacements in the Z-axis direction of the points R1 to R4 (for example, using the average value of both) are used to detect the force and moment to be detected, the detection accuracy is further improved. It is possible. In that case, four electrodes are provided on the lower surface of the force receiving body 300 at positions corresponding to the fixed electrodes E5 to E8 (symmetric positions when the XY plane is a symmetric plane), and these electrodes and the upper detection are provided. Four sets of capacitive elements are formed by the opposing surfaces of the ring 211B, and displacements in the Z-axis direction of the measurement points R1 to R4 on the upper detection ring 211B side are detected based on the capacitance values of the four sets of capacitive elements. You just have to do it.

<4−2.複数の検出リングを用いる変形例の特徴>
§4−1では、図22に示すように、上方検出リング211Bおよび下方検出リング212Bという2組の検出リングを上下2段に配置した構造を有する中間体200Bを用いる変形例を述べたが、3組以上の検出リングを上下に配置した構造を有する中間体を用いることも可能である。
<4-2. Features of Modification Using Multiple Detection Rings>
In §4-1, as shown in FIG. 22, the modification using the intermediate body 200B having a structure in which two detection rings of the upper detection ring 211B and the lower detection ring 212B are arranged in two upper and lower stages is described. It is also possible to use an intermediate having a structure in which three or more sets of detection rings are arranged vertically.

このように複数の検出リングを用いる変形例の構造を一般論として述べれば、互いに所定間隔をおいてZ軸方向に隣接して配置された複数m本(m≧2)の検出リングを備え、個々の検出リングは、いずれもZ軸が中心軸となるようにXY平面に平行な個々の配置平面上に配置されており、支持体100は最も下方に位置する検出リングの更に下方に配置され、受力体300は最も上方に位置する検出リングの更に上方に配置された構造ということができる。図22に示す実施例のように、個々の検出リング(図22の実施例の場合は、m=2であるため、上方検出リング211Bと下方検出リング212B)のそれぞれの固定点P1,P2は支持接続部材221B,222Bによって支持体100に固定され、個々の検出リングのそれぞれの作用点Q1,Q2は受力接続部材231B,232Bによって受力体300に固定されている。   In general, the structure of the modified example using a plurality of detection rings includes a plurality of m (m ≧ 2) detection rings arranged adjacent to each other in the Z-axis direction at a predetermined interval. Each detection ring is arranged on an individual arrangement plane parallel to the XY plane so that the Z axis is the central axis, and the support 100 is arranged further below the lowest detection ring. The force receiving body 300 can be said to be a structure arranged further above the detection ring located at the uppermost position. As in the embodiment shown in FIG. 22, the fixed points P <b> 1 and P <b> 2 of the individual detection rings (upper detection ring 211 </ b> B and lower detection ring 212 </ b> B because m = 2 in the embodiment of FIG. 22) are It is fixed to the support body 100 by the support connection members 221B and 222B, and the action points Q1 and Q2 of the individual detection rings are fixed to the force reception body 300 by the force reception connection members 231B and 232B.

実用上は、複数m本の検出リングは、いずれもZ軸が中心軸となるように個々の配置平面上に配置された同一形状同一寸法の円形のリングとし、個々の検出リングの固定点P1,P2の位置(図22の例の場合、支持接続部材221B,222Bによって支持されている位置)および作用点Q1,Q2の位置(図22の例の場合、受力接続部材231B,232Bによって支持されている位置)が、平面的に同じ位置にくるようにするのが好ましい。別言すれば、個々の検出リングの固定点P1,P2および作用点Q1,Q2のXY平面への投影像が互いに重なり合うようにすればよい。たとえば、図22には、上方検出リング211Bの固定点P1と下方検出リング212Bの固定点P1とが例示されているが、これら一対の固定点P1のXY平面への投影像は互いに重なり合う。   In practice, each of the plurality of m detection rings is a circular ring of the same shape and the same size arranged on each arrangement plane so that the Z axis is the central axis, and the fixing point P1 of each detection ring , P2 (in the case of FIG. 22, the positions supported by the support connection members 221B, 222B) and the positions of the action points Q1, Q2 (in the case of the example in FIG. 22, supported by the force receiving connection members 231B, 232B) It is preferable that the positions are set to the same position in a plane. In other words, the projected images of the fixed points P1 and P2 and the action points Q1 and Q2 of the individual detection rings on the XY plane may overlap each other. For example, FIG. 22 illustrates a fixed point P1 of the upper detection ring 211B and a fixed point P1 of the lower detection ring 212B. The projection images of the pair of fixed points P1 on the XY plane overlap each other.

このような構造を採用すれば、支持接続部材は、XY平面上の同一位置に投影像を形成する、異なる検出リングの各固定点の近傍を、相互に接続するとともに支持体100に固定することができ、受力接続部材は、XY平面上の同一位置に投影像を形成する、異なる検出リングの各作用点の近傍を、相互に接続するとともに受力体300に固定することができるので、支持接続部材および受力接続部材の構造を単純化することができる。   If such a structure is adopted, the support connecting member connects the vicinity of each fixing point of different detection rings, which form a projected image at the same position on the XY plane, and is fixed to the support 100. Since the force receiving connection member can connect the vicinity of each action point of different detection rings, which form a projected image at the same position on the XY plane, to each other and be fixed to the force receiving body 300, The structure of the support connection member and the force receiving connection member can be simplified.

たとえば、図22に示す例の場合、支持接続部材221Bは、上方検出リング211Bの固定点P1および下方検出リング212Bの固定点P1(いずれも、XY平面への投影像がX軸正領域上の同一位置にくる点)の近傍を、相互に接続するとともに支持体100に固定する役割を果たしており、支持接続部材222Bは、上方検出リング211Bの固定点P2および下方検出リング212Bの固定点P2(図22では図示が省略されているが、いずれもXY平面への投影像がX軸負領域上の同一位置にくる点)の近傍を、相互に接続するとともに支持体100に固定する役割を果たしている。   For example, in the case of the example shown in FIG. 22, the support connection member 221B is configured such that the fixed point P1 of the upper detection ring 211B and the fixed point P1 of the lower detection ring 212B (both projected images on the XY plane are on the X-axis positive region. The points near the same position) are connected to each other and fixed to the support 100, and the support connecting member 222B is fixed to the fixed point P2 of the upper detection ring 211B and the fixed point P2 of the lower detection ring 212B ( Although not shown in FIG. 22, in both cases, the vicinity of the point at which the projected image on the XY plane is at the same position on the X-axis negative region is connected to each other and fixed to the support 100. Yes.

同様に、図22に示す例の場合、受力接続部材231Bは、上方検出リング211Bの作用点Q1および下方検出リング212Bの作用点Q1(図22では図示が省略されているが、いずれもXY平面への投影像がY軸正領域上の同一位置にくる点)の近傍を、相互に接続するとともに受力体300に固定する役割を果たしており、受力接続部材232Bは、上方検出リング211Bの作用点Q2および下方検出リング212Bの作用点Q2(図22では図示が省略されているが、いずれもXY平面への投影像がY軸負領域上の同一位置にくる点)の近傍を、相互に接続するとともに受力体300に固定する役割を果たしている。このため、図22に示す実施例における支持接続部材221B,222Bおよび受力接続部材231B,232Bの構造は、図19に示す実施例における支持接続部材221A,222Aおよび受力接続部材231A,232Aの構造と同様に、非常に単純なものになる。   Similarly, in the case of the example shown in FIG. 22, the force receiving connection member 231 </ b> B includes the action point Q <b> 1 of the upper detection ring 211 </ b> B and the action point Q <b> 1 of the lower detection ring 212 </ b> B. The projection image onto the plane plays a role of connecting to each other and fixing to the force receiving body 300 in the vicinity of the point where the projected image on the Y-axis positive region is at the same position, and the force receiving connection member 232B is an upper detection ring 211B. Near the action point Q2 and the action point Q2 of the lower detection ring 212B (although not shown in FIG. 22, the projection image on the XY plane is at the same position on the Y-axis negative region) It plays a role of connecting to each other and fixing to the force receiving body 300. For this reason, the structure of the support connection members 221B and 222B and the force receiving connection members 231B and 232B in the embodiment shown in FIG. 22 is the same as that of the support connection members 221A and 222A and the force receiving connection members 231A and 232A in the embodiment shown in FIG. Like the structure, it becomes very simple.

要するに、複数m本の検出リングを用いた変形例においても、固定点P1,P2および作用点Q1,Q2の位置は、1本の検出リングを用いた基本的実施形態と同様に定めればよい。具体的には、個々の検出リングのそれぞれについて、図5(b) に示す位置に固定点P1,P2および作用点Q1,Q2を設定すればよい。   In short, even in a modification using a plurality of m detection rings, the positions of the fixed points P1 and P2 and the action points Q1 and Q2 may be determined in the same manner as in the basic embodiment using one detection ring. . Specifically, the fixed points P1 and P2 and the action points Q1 and Q2 may be set at the positions shown in FIG.

また、測定点R1〜R4の位置も、1本の検出リングを用いた基本的実施形態と同様に、個々の検出リングのそれぞれについて、図5(b) に示す位置に4組の測定点R1〜R4を設定すればよい。すなわち、複数m本の検出リングを用いた変形例の場合も、XYZ三次元直交座標系における原点Oを通り、正の領域がXY平面の第1象限、負の領域がXY平面の第3象限に位置し、X軸に対して45°をなすV軸と、XYZ三次元直交座標系における原点Oを通り、正の領域がXY平面の第2象限、負の領域がXY平面の第4象限に位置し、V軸に対して直交するW軸と、を定義し、個々の検出リングのそれぞれについて、XY平面への投影像がV軸正領域上に位置する点として第1の測定点R1を設定し、XY平面への投影像がW軸正領域上に位置する点として第2の測定点R2を設定し、XY平面への投影像がV軸負領域上に位置する点として第3の測定点R3を設定し、XY平面への投影像がW軸負領域上に位置する点として第4の測定点R4を設定すればよい。   Similarly to the basic embodiment using one detection ring, the positions of the measurement points R1 to R4 are four sets of measurement points R1 at the positions shown in FIG. 5 (b) for each detection ring. ~ R4 may be set. That is, even in the modification using a plurality of m detection rings, the positive region passes through the origin O in the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system, the positive region is the first quadrant of the XY plane, and the negative region is the third quadrant of the XY plane. Passing through the V axis that is 45 ° to the X axis and the origin O in the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system, the positive area is the second quadrant of the XY plane, and the negative area is the fourth quadrant of the XY plane And a W-axis orthogonal to the V-axis. For each of the individual detection rings, a first measurement point R1 is defined as a point where the projection image on the XY plane is located on the V-axis positive region. , The second measurement point R2 is set as a point where the projection image on the XY plane is located on the W-axis positive region, and the third measurement point is set as a point where the projection image on the XY plane is located on the V-axis negative region. The fourth measurement point R3 is set, and the fourth projected point on the XY plane is located on the W-axis negative region. The measurement point R4 may be set.

特に、m=2に設定した変形例、すなわち、図12に示す基本的な実施形態における中間体200の代わりに、図22に示す中間体200Bを採用した変形例に係る力覚センサは、次のような構造上の特徴を有している。   In particular, a force sensor according to a modified example in which m = 2 is adopted, that is, a modified example employing the intermediate 200B shown in FIG. 22 instead of the intermediate 200 in the basic embodiment shown in FIG. It has the following structural features.

まず、検出リングに関しては、互いに所定間隔をおいてZ軸方向に隣接して配置された上方検出リング211Bと下方検出リング212Bとを備えており、この2本の検出リング211B,212Bは、いずれもZ軸が中心軸となるようにXY平面に平行な個々の配置平面上に配置された同一形状同一寸法の円形のリングとなっている。   First, the detection ring is provided with an upper detection ring 211B and a lower detection ring 212B that are arranged adjacent to each other in the Z-axis direction at a predetermined interval, and the two detection rings 211B and 212B are either Also, it is a circular ring of the same shape and the same size arranged on each arrangement plane parallel to the XY plane so that the Z axis becomes the central axis.

しかも、上述したとおり、上方検出リング211Bの第1の固定点P1のXY平面への投影像と、下方検出リング212Bの第1の固定点P1のXY平面への投影像と、は互いに重なり合い、上方検出リング211Bの第2の固定点P2のXY平面への投影像と、下方検出リング212Bの第2の固定点P2のXY平面への投影像と、は互いに重なり合い、上方検出リング211Bの第1の作用点Q1のXY平面への投影像と、下方検出リング212Bの第1の作用点Q1のXY平面への投影像と、は互いに重なり合い、上方検出リング211Bの第2の作用点Q2のXY平面への投影像と、下方検出リング212Bの第2の作用点Q2のXY平面への投影像と、は互いに重なり合っている。   Moreover, as described above, the projection image of the first fixed point P1 of the upper detection ring 211B on the XY plane and the projection image of the first fixed point P1 of the lower detection ring 212B on the XY plane overlap each other. The projection image of the second fixed point P2 of the upper detection ring 211B on the XY plane and the projection image of the second fixed point P2 of the lower detection ring 212B on the XY plane overlap each other, and the first detection point of the upper detection ring 211B. The projected image of the first operating point Q1 on the XY plane and the projected image of the first operating point Q1 of the lower detection ring 212B on the XY plane overlap each other, and the second operating point Q2 of the upper detection ring 211B The projection image on the XY plane and the projection image on the XY plane of the second action point Q2 of the lower detection ring 212B overlap each other.

また、第1の支持接続部材221Bにより、上方検出リング211Bの第1の固定点P1の近傍と下方検出リング212Bの第1の固定点P1の近傍とが相互に接続されるとともに、支持体100にも接続され、第2の支持接続部材222Bにより、上方検出リング211Bの第2の固定点P2の近傍と下方検出リング212Bの第2の固定点P2の近傍とが相互に接続されるとともに、支持体100にも接続され、第1の受力接続部材231Bにより、上方検出リング211Bの第1の作用点Q1の近傍と下方検出リング212Bの第1の作用点Q1の近傍とが相互に接続されるとともに、受力体300にも接続され、第2の受力接続部材232Bにより、上方検出リング211Bの第2の作用点Q2の近傍と下方検出リング212Bの第2の作用点Q2の近傍とが相互に接続されるとともに、受力体300にも接続されている。   In addition, the first support connection member 221B connects the vicinity of the first fixed point P1 of the upper detection ring 211B and the vicinity of the first fixed point P1 of the lower detection ring 212B to each other, and also supports the support body 100. The second support connection member 222B connects the vicinity of the second fixed point P2 of the upper detection ring 211B and the vicinity of the second fixed point P2 of the lower detection ring 212B to each other, Also connected to the support 100, the first force receiving connection member 231B connects the vicinity of the first action point Q1 of the upper detection ring 211B and the vicinity of the first action point Q1 of the lower detection ring 212B to each other. At the same time, it is also connected to the force receiving body 300, and the second force receiving connection member 232B allows the vicinity of the second action point Q2 of the upper detection ring 211B and the first of the lower detection ring 212B. With the vicinity they are mutually connected in the point Q2, and is also connected to the force receiving member 300.

一方、この変形例に係る力覚センサに検出素子として用いられる固定電極E1〜E8は、§4−1で述べたとおり、図12に示す基本的実施形態に用いられている固定電極E1〜E8をそのまま利用すればよい。この場合、各固定電極E1〜E8に対応する変位電極は、次のような各位置に構成された電極になる。もっとも、上方検出リング211Bおよび下方検出リング212Bを導電性材料によって構成すれば、個々の変位電極は、実際には、上方検出リング211Bもしくは下方検出リング212Bの表面の一部分の領域によって構成されることになる。   On the other hand, the fixed electrodes E1 to E8 used as detection elements in the force sensor according to this modification are fixed electrodes E1 to E8 used in the basic embodiment shown in FIG. 12 as described in §4-1. Can be used as is. In this case, the displacement electrodes corresponding to the fixed electrodes E1 to E8 are electrodes configured at the following positions. However, if the upper detection ring 211B and the lower detection ring 212B are made of a conductive material, each displacement electrode is actually constituted by a region of a part of the surface of the upper detection ring 211B or the lower detection ring 212B. become.

第1の変位電極は、上方検出リング211Bの内周面の第1の測定点R1の近傍位置と、下方検出リング212Bの内周面の第1の測定点R1の近傍位置と、の2箇所に分散して配置され、第1の固定電極E1は、この2箇所に分散して配置された変位電極の双方に対向した電極になる。第2の変位電極は、上方検出リング211Bの内周面の第2の測定点R2の近傍位置と、下方検出リング212Bの内周面の第2の測定点R2の近傍位置と、の2箇所に分散して配置され、第2の固定電極E2は、この2箇所に分散して配置された変位電極の双方に対向した電極になる。第3の変位電極は、上方検出リング211Bの内周面の第3の測定点R3の近傍位置と、下方検出リング212Bの内周面の第3の測定点R3の近傍位置と、の2箇所に分散して配置され、第3の固定電極E3は、この2箇所に分散して配置された変位電極の双方に対向した電極になる。そして第4の変位電極は、上方検出リング211Bの内周面の第4の測定点R4の近傍位置と、下方検出リング212Bの内周面の第4の測定点R4の近傍位置と、の2箇所に分散して配置され、第4の固定電極E4は、この2箇所に分散して配置された変位電極の双方に対向した電極になる。   The first displacement electrode has two positions: a position near the first measurement point R1 on the inner peripheral surface of the upper detection ring 211B and a position near the first measurement point R1 on the inner peripheral surface of the lower detection ring 212B. The first fixed electrode E1 is an electrode opposed to both of the displacement electrodes arranged in the two locations. The second displacement electrode has two positions: a position near the second measurement point R2 on the inner peripheral surface of the upper detection ring 211B and a position near the second measurement point R2 on the inner peripheral surface of the lower detection ring 212B. The second fixed electrode E2 is an electrode that faces both of the displacement electrodes that are dispersed and arranged at the two locations. The third displacement electrode has two positions: a position near the third measurement point R3 on the inner peripheral surface of the upper detection ring 211B and a position near the third measurement point R3 on the inner peripheral surface of the lower detection ring 212B. The third fixed electrode E3 is an electrode that faces both of the displacement electrodes that are dispersed and arranged at the two locations. The fourth displacement electrode has two positions: a position near the fourth measurement point R4 on the inner peripheral surface of the upper detection ring 211B and a position near the fourth measurement point R4 on the inner peripheral surface of the lower detection ring 212B. The fourth fixed electrode E4 is disposed in a distributed manner at the positions, and is an electrode facing both of the displacement electrodes disposed at the two positions.

また、第5の変位電極は、下方検出リング212Bの下面の第1の測定点R1の近傍位置に配置され、第5の固定電極E5は、この第5の変位電極に対向した電極になる。第6の変位電極は、下方検出リング212Bの下面の第2の測定点R2の近傍位置に配置され、第6の固定電極E6は、この第6の変位電極に対向した電極になる。第7の変位電極は、下方検出リング212Bの下面の第3の測定点R3の近傍位置に配置され、第7の固定電極E7は、この第7の変位電極に対向した電極になる。そして第8の変位電極は、下方検出リング212Bの下面の第4の測定点R4の近傍位置に配置され、第8の固定電極E8は、この第8の変位電極に対向した電極になる。   The fifth displacement electrode is disposed in the vicinity of the first measurement point R1 on the lower surface of the lower detection ring 212B, and the fifth fixed electrode E5 is an electrode facing the fifth displacement electrode. The sixth displacement electrode is disposed in the vicinity of the second measurement point R2 on the lower surface of the lower detection ring 212B, and the sixth fixed electrode E6 is an electrode facing the sixth displacement electrode. The seventh displacement electrode is arranged in the vicinity of the third measurement point R3 on the lower surface of the lower detection ring 212B, and the seventh fixed electrode E7 is an electrode facing the seventh displacement electrode. The eighth displacement electrode is arranged in the vicinity of the fourth measurement point R4 on the lower surface of the lower detection ring 212B, and the eighth fixed electrode E8 is an electrode opposed to the eighth displacement electrode.

<4−3.複数の検出リングを用いる変形例のメリット>
ここでは、複数の検出リングを用いて力覚センサを構成するメリットを述べておく。これまで、中間体の形態としては、図1に示すような1本の厚型検出リング210を用いた中間体200、図19に示すような1本の薄型検出リング210Aを用いた中間体200A、そして図22に示すような2本の薄型検出リング210Bを用いた中間体200Bを例示した。一般に、検出リングの高さ方向の厚みおよび径方向の厚みを変えると、同じ材質でも弾性変形のしやすさが変わるため、力覚センサとしての検出感度が変化する。
<4-3. Advantages of Modification Using Multiple Detection Rings>
Here, the merit of configuring a force sensor using a plurality of detection rings will be described. Up to now, as the form of the intermediate body, an intermediate body 200 using one thick detection ring 210 as shown in FIG. 1 and an intermediate body 200A using one thin detection ring 210A as shown in FIG. An intermediate 200B using two thin detection rings 210B as shown in FIG. 22 is illustrated. In general, when the thickness in the height direction and the thickness in the radial direction of the detection ring are changed, the ease of elastic deformation changes even with the same material, so the detection sensitivity as a force sensor changes.

したがって、§4−1で述べたとおり、精度の高い力覚センサが必要な場合には、図19に示す例のような厚みが小さい検出リング200Aを用い、定格荷重の大きな力覚センサが必要な場合には、図1に示す例のように厚みが大きい検出リング200を用いるようにすればよい。検出リングの数も同様に、力覚センサとしての検出感度に影響を及ぼすファクターである。したがって、設計者は、検出リングの数を変えることによって、設計対象となる力覚センサの精度や定格荷重を調整することも可能である。   Therefore, as described in §4-1, when a highly accurate force sensor is required, a detection ring 200A having a small thickness as in the example shown in FIG. 19 is used, and a force sensor having a large rated load is required. In such a case, a detection ring 200 having a large thickness may be used as in the example shown in FIG. Similarly, the number of detection rings is a factor that affects detection sensitivity as a force sensor. Therefore, the designer can adjust the precision and load rating of the force sensor to be designed by changing the number of detection rings.

ただ、本願発明者は、力とモーメントとの双方を検出する機能をもった力覚センサの場合、検出リングの数が、力の検出感度とモーメントの検出感度とのバランスを調整する上で重要なファクターになることを見出した。   However, in the case of a force sensor having a function of detecting both force and moment, the inventor of the present application determines the number of detection rings to adjust the balance between force detection sensitivity and moment detection sensitivity. I found out that it would be an important factor.

一般的に、検出リングの各部の厚み等を変えると、全体的に弾性変形のしやすさが変わることになる。たとえば、厚みを小さくして弾性変形しやすくすると、力とモーメントの検出感度はいずれも増加し、厚みを大きくして弾性変形しにくくすると、力とモーメントの検出感度はいずれも減少する。また、同じサイズの検出リングの数を増やしてゆくと、中間体全体としては弾性変形しにくくなるため(外力が個々の検出リングに分散してしまうため)、力とモーメントの検出感度はいずれも減少する。   Generally, when the thickness of each part of the detection ring is changed, the ease of elastic deformation as a whole changes. For example, when the thickness is reduced and the elastic deformation is facilitated, the detection sensitivity of both force and moment increases, and when the thickness is increased and the elastic deformation is difficult, the detection sensitivity of both force and moment decreases. In addition, if the number of detection rings of the same size is increased, the intermediate body as a whole becomes less likely to elastically deform (because external forces are distributed to the individual detection rings), so the detection sensitivity of both force and moment is both Decrease.

しかしながら、本願発明者が行った実験によると、検出リングの数を増やした場合の検出感度の減少程度が力とモーメントとでは異なる、という結果が得られた。この実験結果を踏まえると、検出リングの数は、力の検出感度とモーメントの検出感度とのバランスを調整するファクターとして非常に有効であることがわかる。したがって、複数の検出リングを用いる変形例は、力の検出感度とモーメントの検出感度とのバランスを調整した設計を行いやすくする、という固有のメリットを有することになる。   However, according to an experiment conducted by the inventor of the present application, it was found that the degree of decrease in detection sensitivity when the number of detection rings is increased is different between force and moment. Based on this experimental result, it can be seen that the number of detection rings is very effective as a factor for adjusting the balance between the force detection sensitivity and the moment detection sensitivity. Therefore, the modification using a plurality of detection rings has a unique merit of facilitating the design in which the balance between the force detection sensitivity and the moment detection sensitivity is adjusted.

§3で述べた基本的実施形態に係る力覚センサの場合、力+Fx,+Fy,+Fz,モーメント+Mx,+My,+Mzの6軸成分の検出を行うことができる。ここで、力+Fx,+Fy,+Fzの検出感度はほぼ同じであるが、これら力についての検出感度と、モーメント+Mx,+My,+Mzの検出感度との間には、かなりの差が生じることになり、実用上は、何らかの是正を行うのが好ましい。   In the case of the force sensor according to the basic embodiment described in §3, six-axis components of force + Fx, + Fy, + Fz, moment + Mx, + My, + Mz can be detected. Here, the detection sensitivities of the forces + Fx, + Fy, and + Fz are almost the same, but there is a considerable difference between the detection sensitivities for these forces and the detection sensitivities of the moments + Mx, + My, and + Mz. In practice, some correction is preferably performed.

もっとも、力とモーメントは、そもそも異なる物理量であるため、両者の値を直接的に比較することはできない。すなわち、力は単位「N(ニュートン)」で表現される物理量であるのに対して、モーメントは単位「N・m」で表現される物理量(トルク)であり、「力の大きさF」と「力の作用線と回転中心との距離L」との積として定義されるものである。ただ、実用上は、この力覚センサを実装予定の利用環境において、上記距離Lとして具体的な数値を想定することができるので、特定用途向けの力覚センサを設計する際には、標準的な距離Lを設定した上で、力の検出感度とモーメントの検出感度とのバランスを調整するのが好ましい。   However, since force and moment are different physical quantities in the first place, the values of both cannot be directly compared. That is, the force is a physical quantity expressed in the unit “N (Newton)”, whereas the moment is a physical quantity (torque) expressed in the unit “N · m”. It is defined as the product of “distance L between the force line of action and the center of rotation”. However, practically, a specific numerical value can be assumed as the distance L in the usage environment where the force sensor is planned to be mounted. Therefore, when designing a force sensor for a specific application, it is a standard. It is preferable to adjust the balance between the detection sensitivity of the force and the detection sensitivity of the moment after setting a simple distance L.

そこで、本願発明者は、図19に示す中間体200Aに類似した構造体として、次のような具体的な寸法をもった構造体を設計し(各部の寸法比は、図19に示す中間体200Aの各部の寸法比とは異なったものになる)、支持体100を固定した状態において受力体300に力+Fx,+Fy,+Fz,モーメント+Mx,+My,+Mzの6軸成分を作用させた場合の具体的な変形態様を示す数値を求めるシミュレーションを行った。以下、このような特定の寸法をもった中間体を、便宜上、「サンプルS1」と呼ぶことにする。
検出リング210Aの外径:27.5mm
検出リング210Aの内径:24.5mm
検出リング210Aの径方向の厚み(幅):1.5mm
検出リング210Aの高さ方向の厚み(幅):5.5mm
各接続部材221A,222A,232A,232Aの径方向寸法:10mm
(検出リング210Aの内周位置から、各接続部材の外周位置までの寸法)
Therefore, the present inventor designed a structure having the following specific dimensions as a structure similar to the intermediate body 200A shown in FIG. 19 (the dimensional ratio of each part is the intermediate body shown in FIG. 19). 200A, when the support body 100 is fixed, the force receiving body 300 is subjected to 6-axis components of force + Fx, + Fy, + Fz, moment + Mx, + My, + Mz. The simulation which calculates | requires the numerical value which shows the specific deformation | transformation aspect of was performed. Hereinafter, the intermediate having such specific dimensions is referred to as “sample S1” for convenience.
Outer diameter of detection ring 210A: 27.5 mm
Inner diameter of detection ring 210A: 24.5 mm
Radial thickness (width) of detection ring 210A: 1.5 mm
Thickness (width) of detection ring 210A in the height direction: 5.5 mm
Radial dimension of each connecting member 221A, 222A, 232A, 232A: 10mm
(Dimensions from the inner peripheral position of the detection ring 210A to the outer peripheral position of each connecting member)

具体的には、受力体300に、それぞれ200Nの力+Fx,+Fy,+Fzを作用させた場合と、それぞれ10N・mのモーメント+Mx,+My,+Mzを作用させた場合について、検出リング210Aに生じる具体的な変形態様を示す数値を求めることにした。ここで、具体的な変形態様を示す数値としては、図16の表の対応欄に「+」もしくは「−」が示されている容量素子(電極間距離に有意な変化が生じる容量素子)について生じた変位量の絶対値の平均値(以下、平均変位量Δと呼ぶ)を用いている。その結果、サンプルS1については、次のような平均変位量が得られた(単位:mm)。
力+Fxを作用させた場合:平均変位量Δ=0.12
力+Fyを作用させた場合:平均変位量Δ=0.12
力+Fzを作用させた場合:平均変位量Δ=0.14
モーメント+Mxを作用させた場合:平均変位量Δ=0.30
モーメント+Myを作用させた場合:平均変位量Δ=0.30
モーメント+Mzを作用させた場合:平均変位量Δ=0.063
Specifically, the detection ring 210 </ b> A is generated when a force + Fx, + Fy, + Fz of 200 N is applied to the force receiving body 300 and when a moment + Mx, + My, + Mz of 10 N · m is applied, respectively. A numerical value indicating a specific deformation mode is determined. Here, as a numerical value indicating a specific modification, a capacitive element (a capacitive element in which a significant change is made in the inter-electrode distance) in which “+” or “−” is shown in the corresponding column of the table of FIG. An average value of the absolute values of the generated displacement amounts (hereinafter referred to as an average displacement amount Δ) is used. As a result, the following average displacement amount was obtained for the sample S1 (unit: mm).
When force + Fx is applied: average displacement Δ = 0.12
When force + Fy is applied: average displacement Δ = 0.12
When force + Fz is applied: average displacement Δ = 0.14
When moment + Mx is applied: average displacement Δ = 0.30
When moment + My is applied: average displacement Δ = 0.30
When moment + Mz is applied: average displacement Δ = 0.063

なお、ここでは、力+Fx,+Fy,+Fzについては200N、モーメント+Mx,+My,+Mzについては10N・mという値を用いているが、これは上記寸法値をもったサンプルS1を用いた一般的な力覚センサの用途において、「力の作用線と回転中心との距離L」としてL=50mm(当該力覚センサを実装予定の利用環境において妥当と思われる想定距離)という設定を行ったためである。すなわち、回転中心から所定軸に沿って50mm離れた地点に、当該所定軸に直交する方向に200Nの力が作用すると、回転中心には、200N×0.05m=10N・mのモーメントが作用することになるので、当該利用環境において、力の検出感度とモーメントの検出感度とのバランスを評価する上では、適切な力およびモーメントの値になっている。すなわち、いずれも200Nの外力が受力体300に作用した場合を前提とした平均変位量Δということになる。   Here, values of 200N are used for the forces + Fx, + Fy, and + Fz, and values of 10 N · m are used for the moments + Mx, + My, and + Mz, and this is a general value using the sample S1 having the above-described dimension values. This is because, in the use of the force sensor, L = 50 mm (assumed distance that seems to be appropriate in the usage environment where the force sensor is expected to be mounted) is set as the “distance L between the force action line and the rotation center”. . That is, when a force of 200 N acts in a direction perpendicular to the predetermined axis at a point 50 mm away from the rotation center along the predetermined axis, a moment of 200 N × 0.05 m = 10 N · m acts on the rotation center. Therefore, in evaluating the balance between the force detection sensitivity and the moment detection sensitivity in the use environment, the values are appropriate force and moment values. That is, the average displacement amount Δ is based on the assumption that an external force of 200 N acts on the force receiving body 300.

上記結果を踏まえると、少なくともL=50mmという設定環境においては、力の検出感度とモーメントの検出感度とのバランスは必ずしも良好とは言えない。そこで、本願発明者は、上記サンプルS1に対して、各部の寸法を変更したり、検出リングの数を変更したりすることにより、中間体についていくつかのバリエーションを作成し、これらバリエーションについても、同様の設定環境において、平均変位量Δを求めるシミュレーションを行った。   Based on the above results, the balance between the force detection sensitivity and the moment detection sensitivity is not necessarily good in at least the setting environment of L = 50 mm. Therefore, the inventor of the present application creates several variations for the intermediate by changing the size of each part or the number of detection rings for the sample S1, and for these variations, In the same setting environment, a simulation for obtaining the average displacement amount Δ was performed.

図25は、これら中間体の種々のサンプルについて、検出リングの数や各部の寸法を示す表である。この表に掲載されている8通りのサンプルのうち、サンプルS1〜S3は1本の検出リング(シングルリング)を用いたサンプル(図19に示す中間体200Aに相当)、サンプルW1〜W4は2本の検出リング(ダブルリング)を用いたサンプル(図22に示す中間体200Bに相当)、そしてサンプルT1は3本の検出リング(トリプルリング)を用いたサンプル(図示はされていないが、図22に示す中間体200Bにおいて、上方検出リング211Bと下方検出リング212Bとの間に、同じサイズの中間検出リングを付加したもの)である。なお、図25の表における「リング間隔」は、最も上方に配置された検出リングの下面と最も下方に配置された検出リングの上面との距離を示すものである。   FIG. 25 is a table showing the number of detection rings and the dimensions of each part for various samples of these intermediates. Of the eight samples listed in this table, samples S1 to S3 are samples using one detection ring (single ring) (corresponding to the intermediate 200A shown in FIG. 19), and samples W1 to W4 are 2 samples. Sample using two detection rings (double ring) (corresponding to the intermediate 200B shown in FIG. 22), and sample T1 is a sample using three detection rings (triple ring) (not shown) 22 in which an intermediate detection ring of the same size is added between the upper detection ring 211B and the lower detection ring 212B. The “ring interval” in the table of FIG. 25 indicates the distance between the lower surface of the uppermost detection ring and the upper surface of the lowermost detection ring.

この図25の表に示されている8種類のサンプルのうち、サンプルS1は、上述した各寸法値をもった基本となるサンプルであり、サンプルS2は、検出リングの高さ方向の厚みを2倍の11mmに変更したサンプルであり、サンプルS3は、検出リングの径方向の厚みを2倍の3mmに変更したサンプルである。一方、サンプルW1は、サンプルS1と同サイズの検出リングを2本に増やしたサンプルであり、サンプルW2〜W4は、サンプルW1における2本の検出リングの間隔を狭めたり、広げたりしたサンプルである。また、サンプルT1は、サンプルS1と同サイズの検出リングを3本に増やしたサンプルである。   Of the eight types of samples shown in the table of FIG. 25, the sample S1 is a basic sample having the above-described dimension values, and the sample S2 has a thickness of 2 in the height direction of the detection ring. Sample S3 is a sample in which the thickness of the detection ring in the radial direction is changed to 3 mm, which is twice as large. On the other hand, the sample W1 is a sample in which the number of detection rings of the same size as the sample S1 is increased to two, and the samples W2 to W4 are samples in which the interval between the two detection rings in the sample W1 is narrowed or widened. . Sample T1 is a sample in which the number of detection rings of the same size as sample S1 is increased to three.

図26は、図25に示す8種類のサンプルを用いた力覚センサにおける力とモーメントの検出感度のバランスを示す表である。具体的には、図26(a) は、200Nの力Fx,Fzが作用したときの平均変位量Δと、10N・mのモーメントMy,Mzが作用したときの平均変位量Δとを示す表であり、図26(b) は、図26(a) に示す結果をFzについての平均変位量Δに基づいて規格化した結果を示す表である。なお、力Fyが作用したときの結果は力Fxが作用したときの結果と等しくなり、モーメントMxが作用したときの結果はモーメントMyが作用したときの結果と等しくなるため、図26ではFy,Mxについての結果表示を省略している。   FIG. 26 is a table showing the balance between the detection sensitivity of the force and the moment in the force sensor using the eight types of samples shown in FIG. Specifically, FIG. 26 (a) is a table showing an average displacement amount Δ when 200N forces Fx and Fz are applied and an average displacement amount Δ when 10N · m moments My and Mz are applied. FIG. 26 (b) is a table showing the results of normalizing the results shown in FIG. 26 (a) based on the average displacement amount Δ for Fz. Since the result when the force Fy is applied is equal to the result when the force Fx is applied, and the result when the moment Mx is applied is equal to the result when the moment My is applied, FIG. The result display for Mx is omitted.

前述したとおり、平均変位量Δは、容量素子についての電極間距離の変位量の平均を示すものであり、実質的に検出感度を示すパラメータということになる。図26(b) の表では、Fzについての平均変位量Δに基づく規格化が行われているため、Fzの欄はすべて1.00になっている。ここで、検出感度についてバランスがとれた力覚センサを実現する上では、すべての欄の平均変位量Δが、Δ=1.00になるのが理想的である。ただ、6軸成分のすべてがΔ=1.00となるような設計は現実的には非常に困難であるので、実用上は、FzについてΔ=1.00となる規格化を行った上で、他軸成分の平均変位量Δができるだけ1.00に近くなるような設計を行うことになる。   As described above, the average displacement amount Δ indicates the average displacement amount of the inter-electrode distance for the capacitive element, and is a parameter that substantially indicates the detection sensitivity. In the table of FIG. 26 (b), normalization is performed based on the average displacement amount Δ for Fz, so all the Fz columns are 1.00. Here, in order to realize a force sensor balanced in detection sensitivity, it is ideal that the average displacement amount Δ in all the columns is Δ = 1.00. However, since it is very difficult to design such that all of the 6-axis components are Δ = 1.00, in practice, Fz is standardized so that Δ = 1.00. Therefore, the design is made so that the average displacement amount Δ of the other-axis component is as close to 1.00 as possible.

このような観点で図26(b) の表を見ると、シングルリングのサンプルS1〜S3に比べて、ダブルリングのサンプルW1〜W4もしくはトリプルリングT1の方が、全体的に理想に近い結果を示していることがわかる。もちろん、理想的な平均変位量ΔがΔ=1.00であることを考慮すると、ダブルリングやトリプルリングのサンプルについて得られた結果は、決して十分とは言えないものの、シングルリングのサンプルに比べれば、6軸成分全体についての検出感度のバランスは改善されていることがわかる。   From this point of view, the table in FIG. 26 (b) shows that the double ring samples W1 to W4 or the triple ring T1 are generally closer to the ideal than the single ring samples S1 to S3. You can see that Of course, considering that the ideal average displacement Δ is Δ = 1.00, the results obtained for the double ring and triple ring samples are by no means sufficient, but compared to the single ring samples. For example, it can be seen that the balance of detection sensitivity for the entire six-axis component is improved.

要するに、シングルリングの構造を採用している限りは、サンプルS2,S3のように検出リングの厚みを変えても、検出感度のバランスを改善する効果はほとんど見られないが、ダブルリングやトリプルリングの構造を採用した変形例(複数の検出リングを用いる変形例)では、検出感度のバランスを改善する効果が見られることになる。別言すれば、複数の検出リングを上下に積層する積層構造を採用すれば、力の検出感度とモーメントの検出感度とのバランスを、用いる検出リングの個数によって容易に調整することが可能になるので、内部空間を確保しつつ、力の検出感度とモーメントの検出感度とのバランスを調整した設計を行いやすい小型の力覚センサを提供することが可能になる。   In short, as long as the single ring structure is adopted, changing the thickness of the detection ring as in samples S2 and S3 shows little effect of improving the balance of detection sensitivity, but double or triple rings. In a modified example employing this structure (modified example using a plurality of detection rings), an effect of improving the balance of detection sensitivity can be seen. In other words, if a laminated structure in which a plurality of detection rings are stacked one above the other is adopted, the balance between the force detection sensitivity and the moment detection sensitivity can be easily adjusted according to the number of detection rings used. Therefore, it is possible to provide a small force sensor that facilitates a design in which the balance between force detection sensitivity and moment detection sensitivity is adjusted while securing the internal space.

なお、ダブルリングの構造を採用した4通りのサンプルW1〜W4の構造上の相違は、図25の表に示されているとおり、上方検出リング211Bと下方検出リング212Bとの間隔だけである。図26(b) に示す結果からは、間隔を狭くした方がよいのか、広くした方がよいのか、を一概に断定することはできないが、少なくともリング間隔は、バランス改善効果に影響を及ぼすパラメータの1つになっているので、実用上は、種々の間隔を試行錯誤で設定し、最も改善効果が期待できる間隔を決定すればよい。   The difference in structure between the four samples W1 to W4 adopting the double ring structure is only the distance between the upper detection ring 211B and the lower detection ring 212B, as shown in the table of FIG. From the results shown in FIG. 26 (b), it cannot be determined in general whether the interval should be narrower or wider, but at least the ring interval is a parameter that affects the balance improvement effect. Therefore, in practice, various intervals may be set by trial and error, and the interval at which the most improvement effect can be expected is determined.

また、図26(b) に示すとおり、トリプルリングのサンプルT1の結果と、ダブルリングW1〜W4の結果との間には、それほど大きな違いは見られなかった。本願発明者は、検出リングの本数を3本以上に増やしても、それほど大きなバランス改善効果は期待できないものと考えている。したがって、バランス改善効果を得るという観点からは、2本の検出リングを用いれば十分と言える。   Further, as shown in FIG. 26 (b), no significant difference was found between the results of the triple ring sample T1 and the results of the double rings W1 to W4. The inventor of the present application believes that even if the number of detection rings is increased to 3 or more, a great balance improvement effect cannot be expected. Therefore, it can be said that it is sufficient to use two detection rings from the viewpoint of obtaining a balance improvement effect.

<4−4.支持体および受力体に関する変形例>
ここでは、支持体および受力体に関する変形例を述べる。これまで述べてきた実施例では、たとえば、図1の斜視図に示されているように、支持体100および受力体300として、いずれも円盤状の部材を用いた例を述べたが、支持体100および受力体300の形態は必ずしも円盤にする必要はなく、任意形状の板状部材を用いて構成してもかまわないし、必ずしも板状部材である必要もない。本発明に係る力覚センサにおいて、支持体100および受力体300は、一方を固定した状態において他方に力を作用させることができればよいので、その形状は特に特定の形状に限定されるものではない。
<4-4. Modified examples of support and power receiving body>
Here, the modification regarding a support body and a power receiving body is described. In the embodiment described so far, for example, as shown in the perspective view of FIG. 1, as the support body 100 and the force receiving body 300, both use a disk-shaped member. The form of the body 100 and the force receiving body 300 is not necessarily a disk, and may be configured using a plate-shaped member having an arbitrary shape, and is not necessarily a plate-shaped member. In the force sensor according to the present invention, the support body 100 and the force receiving body 300 need only be able to apply a force to the other in a state where one is fixed, so that the shape is not particularly limited to a specific shape. Absent.

ただ、図2に例示するように、ロボットの第1アーム部400と第2アーム部500との間に介挿して実装するようなケースを考慮すると、支持体100および受力体300を板状部材によって構成しておいた方が、取付作業が容易になる。また、中間体200に用いられる検出リング210としては、円形リングを用いるのが好ましいので、実際には、支持体100および受力体300も円盤状の部材で構成しておいた方が形状の整合性がとれて効率的である。したがって、実用上は、これまで述べてきた実施例のように、支持体100および受力体300を、上下両面がXY平面に平行になるように配置された円盤状部材によって構成するのが好ましい。   However, as illustrated in FIG. 2, when considering a case where the robot is mounted by being interposed between the first arm unit 400 and the second arm unit 500 of the robot, the support body 100 and the force receiving body 300 are plate-shaped. The installation work becomes easier when it is made of members. In addition, since it is preferable to use a circular ring as the detection ring 210 used for the intermediate body 200, in practice, the support body 100 and the force receiving body 300 are also formed of disk-shaped members. It is consistent and efficient. Therefore, in practice, as in the embodiments described so far, it is preferable that the support body 100 and the force receiving body 300 are constituted by disk-shaped members arranged so that the upper and lower surfaces are parallel to the XY plane. .

なお、これまで述べてきた実施例の場合、図1の斜視図に示されているように、支持体100としては、単なる円盤状の部材を用い、受力体300としては、円盤状の部材の中央に円形の開口部Hを設けたワッシャ状の部材を用いている。開口部Hは、内部に配線を通すための便宜である。たとえば、図12には、検出素子として支持体100の上面に8枚の固定電極E1〜E8を設けた例が示されているが、これら各電極に対する配線を基本構造部の外部まで導出し、検出回路を外部に設ける場合には、受力体300に設けられた開口部Hを通して配線を取り出すことができる。   In the case of the embodiment described so far, as shown in the perspective view of FIG. 1, a simple disk-shaped member is used as the support body 100, and a disk-shaped member is used as the force receiving body 300. A washer-like member provided with a circular opening H at the center of is used. The opening H is convenient for passing wiring inside. For example, FIG. 12 shows an example in which eight fixed electrodes E1 to E8 are provided on the upper surface of the support body 100 as detection elements, and the wiring for each of these electrodes is led out to the outside of the basic structure portion. When the detection circuit is provided outside, the wiring can be taken out through the opening H provided in the force receiving body 300.

あるいは、検出リング210の内部スペースに検出回路を配置する場合でも、当該検出回路からの検出信号(図18に示す検出回路における出力Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz)を出力ための信号線を外部に導出する際には、検出リング210の内部スペースから受力体300に設けられた開口部Hを通して信号線を取り出すことができる。   Alternatively, even when a detection circuit is arranged in the internal space of the detection ring 210, a signal for outputting a detection signal from the detection circuit (outputs Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz in the detection circuit shown in FIG. 18). When the line is led out, the signal line can be taken out from the internal space of the detection ring 210 through the opening H provided in the force receiving member 300.

もちろん、開口部Hは、必ずしも受力体300側に設ける必要はなく、支持体100側に設けてもかまわないし、両方に設けるようにしてもかまわない。要するに、支持体100および受力体300の一方もしくは双方を、中心部に開口部Hを有する盤状部材によって構成しておけば、当該開口部Hを通して、検出素子に対する配線や、検出回路からの信号線を外部に取り出すことが可能になる。   Of course, the opening H is not necessarily provided on the force receiving member 300 side, and may be provided on the support member 100 side, or may be provided on both. In short, if one or both of the support body 100 and the force receiving body 300 is configured by a plate-like member having an opening H at the center, the wiring from the detection element and the detection circuit through the opening H are provided. The signal line can be taken out to the outside.

図27は、図21に示す基本構造部における支持体100の代わりに、支持体100Cを用いた変形例をXZ平面で切断した状態を示す断面図である。支持体100Cは、円盤状の支持体100の中央部に円形の開口部hを設けたものである。この図27に示す変形例の場合、円盤状の受力体300にも円形の開口部Hが設けられているため、配線や信号線は開口部Hを通して図の上方に導出することもできるし、開口部hを通して図の下方に導出することもできる。なお、支持体100Cの上面には、8枚の固定電極E1〜E8を設ける必要があるため、開口部hの直径は、開口部Hの直径よりも若干小さくなっている。   FIG. 27 is a cross-sectional view showing a state in which a modification using the support 100C is cut along the XZ plane in place of the support 100 in the basic structure shown in FIG. The support 100 </ b> C is obtained by providing a circular opening h at the center of the disc-shaped support 100. In the case of the modification shown in FIG. 27, since the disk-shaped force receiving member 300 is also provided with a circular opening H, the wiring and the signal line can be led out through the opening H in the figure. It is also possible to lead out downward in the figure through the opening h. In addition, since it is necessary to provide the eight fixed electrodes E1 to E8 on the upper surface of the support 100C, the diameter of the opening h is slightly smaller than the diameter of the opening H.

もちろん、支持体や受力体には、必ずしも開口部を設ける必要はない。たとえば、各固定電極E1〜E8に対する配線や、検出リングの内部スペースに設けた検出回路からの信号線を、中間体の側方から外部へ導出する構成を採る場合は、支持体および受力体に開口部を形成する必要はない。   Of course, it is not always necessary to provide an opening in the support or power receiving body. For example, when adopting a configuration in which wiring for each of the fixed electrodes E1 to E8 and a signal line from a detection circuit provided in the internal space of the detection ring are led out from the side of the intermediate body, the support and power receiving body It is not necessary to form an opening in.

図28は、図24に示すダブルリング式基本構造部における受力体300の代わりに、受力体300Dを用いた変形例をXZ平面で切断した状態を示す断面図である。受力体300には円形の開口部Hが設けられていたが、図28に示す受力体300Dは単なる円盤状の部材である。このため、図28に示す基本構造部の場合、支持体100にも受力体300Dにも開口部は形成されていない。しかしながら、この変形例の場合、たとえば、上方検出リング211Bと下方検出リング212Bとの間の空隙部を利用して、側方から検出リングの内部空間に対する配線や信号線の出し入れが可能であるため、上下に開口部がなくても支障は生じない。   FIG. 28 is a cross-sectional view showing a modification in which a force receiving body 300D is cut in the XZ plane instead of the force receiving body 300 in the double ring basic structure shown in FIG. The force receiving member 300 is provided with a circular opening H, but the force receiving member 300D shown in FIG. 28 is a simple disk-shaped member. For this reason, in the case of the basic structure shown in FIG. 28, neither the support body 100 nor the force receiving body 300D has an opening. However, in the case of this modification, for example, it is possible to insert / remove wirings and signal lines to / from the internal space of the detection ring from the side by using the gap between the upper detection ring 211B and the lower detection ring 212B. Even if there are no openings above and below, there will be no trouble.

<4−5.接続部材に関する変形例>
ここでは、支持接続部材および受力接続部材に関する変形例を述べる。図29(a) は、これまで述べてきた基本的実施形態に係る検出リング210と、支持接続部材221,222および受力接続部材231,232(図では、太い破線で示してある)との位置関係を示す平面図である。既に述べたとおり、図示のようにXY座標系を定義した場合、検出リング210におけるX軸上の点として定義された固定点P1,P2は、支持接続部材221,222によって支持体100の上面に固定され、検出リング210におけるY軸上の点として定義された作用点Q1,Q2は、受力接続部材231,232によって受力体300の下面に固定される。
<4-5. Modified example of connection member>
Here, the modification regarding a support connection member and a force receiving connection member is described. FIG. 29 (a) shows the detection ring 210 according to the basic embodiment described so far, and the support connection members 221, 222 and the force receiving connection members 231, 232 (shown by thick broken lines in the figure). It is a top view which shows a positional relationship. As described above, when the XY coordinate system is defined as illustrated, the fixed points P1 and P2 defined as points on the X axis in the detection ring 210 are placed on the upper surface of the support body 100 by the support connection members 221 and 222. The action points Q1 and Q2 defined as points on the Y axis in the detection ring 210 are fixed to the lower surface of the force receiving body 300 by the force receiving connecting members 231 and 232.

このように、これまで述べてきた実施例は(種々の変形例を含めて)、支持接続部材221,222および受力接続部材231,232が、検出リング210の外周面から更に外側に突出する部材によって構成されている。そして、支持接続部材221,222の下面は、検出リング210(複数の検出リングがある変形例の場合には、最も下方に位置する検出リング)の下面よりも下方に位置し、支持体100の上面に接続され、検出リング210(複数の検出リングがある変形例の場合には、最も下方に位置する検出リング)の下面と支持体100の上面との間には所定の空隙が形成される。また、受力接続部材231,232の上面は、検出リング210(複数の検出リングがある変形例の場合には、最も上方に位置する検出リング)の上面よりも上方に位置し、受力体300の下面に接続され、検出リング210(複数の検出リングがある変形例の場合には、最も上方に位置する検出リング)の上面と受力体300の下面との間には所定の空隙が形成されている。   Thus, in the embodiments described so far (including various modifications), the support connection members 221 and 222 and the force receiving connection members 231 and 232 protrude further outward from the outer peripheral surface of the detection ring 210. It is comprised by the member. The lower surfaces of the support connecting members 221 and 222 are located below the lower surface of the detection ring 210 (in the case of a modification having a plurality of detection rings, the lowest detection ring), and A predetermined gap is formed between the lower surface of the detection ring 210 (in the case of a modification having a plurality of detection rings, the detection ring positioned at the lowermost position) connected to the upper surface and the upper surface of the support body 100. . Further, the upper surfaces of the force receiving connection members 231 and 232 are located above the upper surface of the detection ring 210 (the uppermost detection ring in the case of a modification having a plurality of detection rings). A predetermined gap is connected between the upper surface of the detection ring 210 (the uppermost detection ring in the case of a modification having a plurality of detection rings) and the lower surface of the force receiving body 300. Is formed.

しかも、支持接続部材221,222および受力接続部材231,232のXY平面への投影像は、支持体100のXY平面への投影像の内部に包含され、かつ、受力体300のXY平面への投影像の内部に包含されている。別言すれば、図2の斜視図に示されているように、中間体200は、支持体100と受力体300との間に挟まれた円柱状空間内にすっぽりと収容された状態になっている。   Moreover, the projection images of the support connecting members 221 and 222 and the force receiving connection members 231 and 232 on the XY plane are included in the projection image of the support 100 on the XY plane, and the XY plane of the force receiving body 300 is included. It is included in the projection image. In other words, as shown in the perspective view of FIG. 2, the intermediate body 200 is completely accommodated in a cylindrical space sandwiched between the support body 100 and the force receiving body 300. It has become.

このように、検出リング210の外周部に各接続部材を配置して、支持体100もしくは受力体300に接続する構造を採用すると、支持体100もしくは受力体300に対する接続面の面積を比較的広くとることができ、接続強度を十分に確保する上で好ましい。また、図2の斜視図に示されているように、中間体200が、支持体100と受力体300との間に挟まれた円柱状空間内にすっぽりと収容された状態になっているため、検出リングに弾性変形が生じたとしても、検出リングの膨らんだ変形部分が上記円柱状空間の外側に食み出すことはなく、検出リングの一部が外部の物体に接触して検出結果に悪影響を及ぼすような事態は発生しない。   As described above, when the connection members are arranged on the outer peripheral portion of the detection ring 210 and connected to the support body 100 or the force receiving body 300, the area of the connection surface with respect to the support body 100 or the force receiving body 300 is compared. It is preferable for ensuring sufficient connection strength. Further, as shown in the perspective view of FIG. 2, the intermediate body 200 is completely accommodated in a cylindrical space sandwiched between the support body 100 and the force receiving body 300. Therefore, even if elastic deformation occurs in the detection ring, the swelled deformation part of the detection ring does not protrude outside the cylindrical space, and a detection result is obtained when a part of the detection ring contacts an external object. There will be no situation that adversely affects

しかしながら、検出リングの内部に配線や回路を組み込むためスペースを確保するという観点からは、検出リングの直径はできるだけ大きくした方が好ましい。図29(b) は、このような観点に基づく変形例を示す平面図であり、検出リング210Eと、支持接続部材221E,222Eおよび受力接続部材231E,232E(図では、太い破線で示してある)との位置関係を示している。   However, it is preferable to make the diameter of the detection ring as large as possible from the viewpoint of securing space in order to incorporate wiring and circuits inside the detection ring. FIG. 29 (b) is a plan view showing a modified example based on such a viewpoint. The detection ring 210E, the support connection members 221E and 222E, and the force receiving connection members 231E and 232E (shown by thick broken lines in the figure). It shows the positional relationship.

図29(b) に示す検出リング210Eは、図29(a) に示す検出リング210に比べて直径が大きく設定されている。その代わり、支持接続部材221E,222Eおよび受力接続部材231E,232Eは、検出リング210Eの外周部ではなく、上面もしくは下面に配置されている。   The detection ring 210E shown in FIG. 29 (b) has a larger diameter than the detection ring 210 shown in FIG. 29 (a). Instead, the support connection members 221E and 222E and the force receiving connection members 231E and 232E are arranged not on the outer periphery of the detection ring 210E but on the upper surface or the lower surface.

すなわち、図29(b) に示すように、単一の検出リング210Eのみを用いたシングルリング式基本構造部について、上下両面からの接続方式を採用する場合には、支持接続部材221E,222Eは、当該検出リング210Eの下面と支持体100とを接続する部材によって構成され、受力接続部材231E,232Eは、当該検出リング210Eの上面と受力体300とを接続する部材によって構成される。   That is, as shown in FIG. 29 (b), when the connection method from the upper and lower sides is adopted for the single ring type basic structure using only the single detection ring 210E, the support connection members 221E and 222E are The force receiving connection members 231E and 232E are constituted by members that connect the upper surface of the detection ring 210E and the force receiving body 300.

図30は、シングルリング式基本構造部について、図29(b) に示す変形例を適用した例をXZ平面で切断した状態を示す断面図である。図示のとおり、検出リング210Eの下面の固定点P1,P2の位置(図の左右両端位置)には、支持接続部材221E,222Eが配置され、支持体100の上面に対する接続が行われている。また、検出リング210Eの上面の作用点Q1,Q2の位置(図の中央位置)には、受力接続部材231E,232Eが配置され(図には、奥に位置する受力接続部材231Eのみが現れている)、受力体300の下面に対する接続が行われている。   FIG. 30 is a cross-sectional view showing a state in which an example in which the modification shown in FIG. 29B is applied to the single-ring basic structure is cut along the XZ plane. As shown in the drawing, support connection members 221E and 222E are arranged at the positions of the fixing points P1 and P2 on the lower surface of the detection ring 210E (left and right end positions in the drawing), and the connection to the upper surface of the support body 100 is performed. Also, force receiving connection members 231E and 232E are arranged at the positions of the operation points Q1 and Q2 on the upper surface of the detection ring 210E (center position in the figure) (only the force receiving connection member 231E located in the back is shown in the figure). The connection to the lower surface of the force receiving body 300 is made.

一方、図22に示す例のように、複数の検出リングを積層したマルチリング式基本構造部について、図29(b) に示すような上下両面からの接続方式を採用する場合には、支持接続部材221E,222Eを、最も下方に位置する検出リングと支持体とを接続する部材と、上下に隣接する個々の検出リング対について上方検出リングの下面と下方検出リングの上面とを接続する部材と、によって構成すればよい。同様に、受力接続部材231E,232Eを、最も上方に位置する検出リングと受力体とを接続する部材と、上下に隣接する個々の検出リング対について上方検出リングの下面と下方検出リングの上面とを接続する部材と、によって構成すればよい。   On the other hand, as in the example shown in FIG. 22, when the connection method from the upper and lower sides as shown in FIG. 29 (b) is adopted for the multi-ring basic structure in which a plurality of detection rings are stacked, the support connection Members 221E and 222E for connecting the detection ring located at the lowest position and the support, and members for connecting the lower surface of the upper detection ring and the upper surface of the lower detection ring for each pair of detection rings adjacent vertically It may be configured by. Similarly, the force receiving connecting members 231E and 232E are connected to the uppermost detection ring and the force receiving member, and the upper detection ring lower surface and the lower detection ring of each of the upper and lower adjacent detection ring pairs. What is necessary is just to comprise by the member which connects an upper surface.

図31は、図22に示すダブルリング式基本構造部について、図29(b) に示すような上下両面からの接続を行う変形例を適用した例をXZ平面で切断した状態を示す断面図である。   FIG. 31 is a cross-sectional view showing a state in which an example in which the double-ring basic structure shown in FIG. 22 is modified by connecting the upper and lower surfaces as shown in FIG. 29B is cut along the XZ plane. is there.

図示のとおり、上方検出リング211Fの上面の作用点Q1,Q2の位置(図の中央位置)には、受力接続部材231F1,232F1が配置され(図には、奥に位置する受力接続部材231F1のみが現れている)、受力体300の下面に対する接続が行われている。そして、更に、上方検出リング211Fの下面の作用点Q1,Q2の位置(図の中央位置)と、下方検出リング212Fの上面の作用点Q1,Q2の位置(図の中央位置)と、の間には、受力接続部材231F2,232F2が配置されている(図には、奥に位置する受力接続部材231F2のみが現れている)。   As shown in the figure, force receiving connection members 231F1 and 232F1 are disposed at the positions of the action points Q1 and Q2 on the upper surface of the upper detection ring 211F (center position in the figure) (in the figure, the force receiving connection members located in the back). Only 231F1 appears), the connection to the lower surface of the force receiving body 300 is made. Further, between the positions of the action points Q1, Q2 on the lower surface of the upper detection ring 211F (center position in the figure) and the positions of the action points Q1, Q2 on the upper surface of the lower detection ring 212F (center position in the figure). Are provided with force receiving connection members 231F2 and 232F2 (only the force receiving connection member 231F2 located at the back appears in the figure).

一方、下方検出リング212Fの下面の固定点P1,P2の位置(図の左右両端位置)には、支持接続部材221F2,222F2が配置され、支持体100の上面に対する接続が行われている。そして、更に、上方検出リング211Fの下面の固定点P1,P2の位置(図の左右両端位置)と、下方検出リング212Fの上面の固定点P1,P2の位置(図の左右両端位置)と、の間には、支持接続部材221F1,222F1が配置されている。   On the other hand, support connection members 221F2 and 222F2 are arranged at positions (fixed left and right positions in the figure) of the fixing points P1 and P2 on the lower surface of the lower detection ring 212F, and are connected to the upper surface of the support body 100. Further, the positions of the fixing points P1, P2 on the lower surface of the upper detection ring 211F (the left and right end positions in the drawing), the positions of the fixing points P1, P2 on the upper surface of the lower detection ring 212F (the left and right both ends positions in the drawing), Between them, support connection members 221F1 and 222F1 are arranged.

結局、この図31に示す変形例の場合、支持接続部材221F1,221F2が、上下両検出リングの固定点P1を支持体100に固定するための支持接続部材としての機能を果たし、支持接続部材222F1,222F2が、上下両検出リングの固定点P2を支持体100に固定するための支持接続部材としての機能を果たす。同様に、受力接続部材231F1,231F2が、上下両検出リングの作用点Q1を受力体300に固定するための受力接続部材としての機能を果たし、受力接続部材232F1,232F2(図31には現れていない)が、上下両検出リングの作用点Q2を受力体300に固定するための受力接続部材としての機能を果たす。   After all, in the modification shown in FIG. 31, the support connection members 221F1 and 221F2 function as support connection members for fixing the fixing points P1 of the upper and lower detection rings to the support body 100, and the support connection member 222F1. , 222F2 functions as a support connection member for fixing the fixing point P2 of the upper and lower detection rings to the support body 100. Similarly, the force receiving connection members 231F1 and 231F2 serve as force receiving connection members for fixing the action point Q1 of the upper and lower detection rings to the force receiving body 300, and the force receiving connection members 232F1 and 232F2 (FIG. 31). However, it functions as a force receiving connection member for fixing the action point Q2 of the upper and lower detection rings to the force receiving body 300.

図30および図31に示す変形例のように、接続部材を検出リングの上面もしくは下面に接続する形態を採用すると、支持体100もしくは受力体300に対する接続面の面積はあまり大きくとることはできず、また、検出リングに弾性変形が生じた場合に、検出リングの膨らんだ変形部分が外側に食み出して外部の物体に接触するおそれが生じるものの、検出リングの直径を大きくすることができるため、配線や回路を組み込むためスペースを十分に確保することができるというメリットが得られる。   If the connection member is connected to the upper surface or the lower surface of the detection ring as in the modification shown in FIGS. 30 and 31, the area of the connection surface with respect to the support body 100 or the force receiving body 300 cannot be made too large. In addition, when elastic deformation occurs in the detection ring, the swelled deformation portion of the detection ring may protrude to the outside and come into contact with an external object, but the diameter of the detection ring can be increased. Therefore, there is a merit that a sufficient space can be secured for incorporating wiring and circuits.

なお、これまで述べてきた実施例は、いずれも検出リング上に2組の固定点P1,P2と2組の作用点Q1,Q2を設定した例であるため、これに応じて、2組の支持接続部材221,222と2組の受力接続部材231,232を設けているが、本発明を実施する上で、固定点Pおよび作用点Qは、必ずしも2組ずつに限定されるものではない。本発明における固定点Pは、検出リング上の1点であって支持体に対して接続される点を意味し、本発明における作用点Qは、検出リング上の1点であって受力体に対して接続される点を意味するものである。   The embodiments described so far are examples in which two sets of fixed points P1 and P2 and two sets of action points Q1 and Q2 are set on the detection ring. The support connection members 221 and 222 and the two pairs of force receiving connection members 231 and 232 are provided. However, in carrying out the present invention, the fixed point P and the action point Q are not necessarily limited to two sets. Absent. The fixed point P in the present invention means one point on the detection ring and connected to the support, and the action point Q in the present invention is one point on the detection ring and is a force receiving body. Means a point connected to.

したがって、原理的には、少なくとも1つの固定点Pと少なくとも1つの作用点Qとが定義されており、かつ、固定点PのXY平面への投影像と作用点QのXY平面への投影像とが異なる位置に形成されるような定義が行われていれば足りる(固定点PのXY平面への投影像と作用点QのXY平面への投影像とが同じ位置に形成されてしまうと、外力の作用により検出リングに弾性変形が生じないため、検出を行うことができなくなる)。   Accordingly, in principle, at least one fixed point P and at least one action point Q are defined, and a projection image of the fixed point P onto the XY plane and a projection image of the action point Q onto the XY plane. It is sufficient that the definition is formed at different positions (if the projected image of the fixed point P on the XY plane and the projected image of the action point Q on the XY plane are formed at the same position. Since the elastic deformation does not occur in the detection ring due to the action of external force, the detection cannot be performed).

もっとも、実用上は、2以上の固定点Pと2以上の作用点Qを設けるのが好ましい。具体的には、検出リングの輪郭に沿った環状路に、複数n個(n≧2)の固定点Pと複数n個の作用点Qとが交互に配置されるように定義し、検出素子によって、隣接配置された固定点Pと作用点Qとの間の位置に定義された測定点Rの近傍における検出リングの弾性変形を電気的に検出するようにすればよい。   However, in practice, it is preferable to provide two or more fixed points P and two or more action points Q. Specifically, a plurality of n (n ≧ 2) fixed points P and a plurality of n action points Q are defined alternately on the annular path along the contour of the detection ring, Thus, the elastic deformation of the detection ring in the vicinity of the measurement point R defined at the position between the fixed point P and the action point Q arranged adjacent to each other may be electrically detected.

これまで述べてきた実施例は、いずれも、n=2に設定した例であり、図5(b) に示すように、検出リング210の輪郭に沿った環状路S(図では二点鎖線で示されている)に、第1の固定点P1、第1の作用点Q1、第2の固定点P2、第2の作用点Q2の順に、2個の固定点および2個の作用点を配置し、当該環状路Sにおける第1の固定点P1と第1の作用点Q1との間の位置に配置された第1の測定点R1、当該環状路Sにおける第1の作用点Q1と第2の固定点P2との間の位置に配置された第2の測定点R2、当該環状路Sにおける第2の固定点P2と第2の作用点Q2との間の位置に配置された第3の測定点R3、当該環状路Sにおける第2の作用点Q2と第1の固定点P1との間の位置に配置された第4の測定点R4をそれぞれ定義したときに、検出素子が、これら第1〜第4の測定点R1〜R4の近傍における検出リング210の弾性変形を電気的に検出する機能を果たすことになる。   Each of the embodiments described so far is an example in which n = 2 is set, and as shown in FIG. 5 (b), an annular path S (indicated by a two-dot chain line in the figure) along the contour of the detection ring 210. Are arranged in the order of the first fixed point P1, the first action point Q1, the second fixed point P2, and the second action point Q2. The first measurement point R1 arranged at a position between the first fixed point P1 and the first action point Q1 in the annular path S, the first action point Q1 and the second action point in the annular path S, The second measurement point R2 disposed at a position between the second fixed point P2 and the third measurement point disposed at a position between the second fixed point P2 and the second action point Q2 in the circular path S. A measurement point R3 and a fourth measurement point R4 arranged at a position between the second action point Q2 and the first fixed point P1 in the circular path S are respectively provided. When defined, the detection element functions to electrically detect elastic deformation of the detection ring 210 in the vicinity of the first to fourth measurement points R1 to R4.

特に、これまで述べてきた実施例では、2組の固定点P1,P2と、2組の作用点Q1,Q2とが、互いに直交する座標系上の点となるような定義を行っている。このような定義を行うことにより、力+Fx,+Fy,+Fz,モーメント+Mx,+My,+Mzという三次元直交座標系における6軸成分を効率的に検出することが可能になる。   In particular, in the embodiments described so far, two sets of fixed points P1 and P2 and two sets of action points Q1 and Q2 are defined to be points on a coordinate system orthogonal to each other. By performing such a definition, it becomes possible to efficiently detect the six-axis components in the three-dimensional orthogonal coordinate system of force + Fx, + Fy, + Fz, moment + Mx, + My, + Mz.

図5(b) に示す例の場合は、固定点P1,P2および作用点Q1,Q2は、いずれもXY平面上の点になるが、図22に示すように2組の検出リング211B,212Bを用いる変形例の場合は、個々のリングごとにそれぞれ固定点P1,P2および作用点Q1,Q2が定義され、これらの点は必ずしもXY平面上の点にはならない。ただ、このような複数のリングを用いる変形例も含めて、2組の固定点P1,P2と2組の作用点Q1,Q2の配置および中間体の構造は、次のように言うことができる。   In the example shown in FIG. 5B, the fixed points P1 and P2 and the action points Q1 and Q2 are all points on the XY plane, but as shown in FIG. 22, two sets of detection rings 211B and 212B are used. In the case of the modification using, fixed points P1 and P2 and action points Q1 and Q2 are defined for each ring, and these points are not necessarily points on the XY plane. However, the arrangement of the two sets of fixed points P1 and P2 and the two sets of action points Q1 and Q2 and the structure of the intermediate body including the modification using such a plurality of rings can be said as follows. .

まず、第1の固定点P1のXY平面への投影像はX軸正領域上に、第1の作用点Q1のXY平面への投影像はY軸正領域上に、第2の固定点P2のXY平面への投影像がX軸負領域上に、第2の作用点Q2のXY平面への投影像がY軸負領域上に、それぞれ位置している。   First, the projection image of the first fixed point P1 on the XY plane is on the X-axis positive region, the projection image of the first action point Q1 on the XY plane is on the Y-axis positive region, and the second fixed point P2. The projected image on the XY plane is positioned on the X-axis negative region, and the projected image of the second action point Q2 on the XY plane is positioned on the Y-axis negative region.

そして、XY平面への投影像がX軸正領域上に位置するように配置された第1の支持接続部材により、検出リングの第1の固定点P1近傍が支持体に接続され、XY平面への投影像がX軸負領域上に位置するように配置された第2の支持接続部材により、検出リングの第2の固定点P2近傍が支持体に接続されている。同様に、XY平面への投影像がY軸正領域上に位置するように配置された第1の受力接続部材により、検出リングの第1の作用点Q1近傍が受力体に接続され、XY平面への投影像がY軸負領域上に位置するように配置された第2の受力接続部材により、検出リングの第2の作用点Q2近傍が受力体に接続されている。   The vicinity of the first fixed point P1 of the detection ring is connected to the support by the first support connection member arranged so that the projected image on the XY plane is positioned on the X-axis positive region, and is moved to the XY plane. A second support connection member arranged so that the projected image of the detection ring is positioned on the X-axis negative region, the vicinity of the second fixed point P2 of the detection ring is connected to the support. Similarly, the vicinity of the first action point Q1 of the detection ring is connected to the force receiving body by the first force receiving connecting member arranged so that the projected image on the XY plane is positioned on the Y-axis positive region, The vicinity of the second action point Q2 of the detection ring is connected to the force receiving body by the second force receiving connection member arranged so that the projected image on the XY plane is positioned on the Y-axis negative region.

更に、検出素子は、XY平面への投影像がXY座標系の第1象限、第2象限、第3象限、第4象限にそれぞれ位置する第1の測定点R1、第2の測定点R2、第3の測定点R3、第4の測定点R4の近傍における検出リングの弾性変形を電気的に検出する役割を果たすことになる。   Further, the detection element includes a first measurement point R1, a second measurement point R2, and a projection image onto the XY plane, which are respectively located in the first quadrant, the second quadrant, the third quadrant, and the fourth quadrant of the XY coordinate system. It plays a role of electrically detecting the elastic deformation of the detection ring in the vicinity of the third measurement point R3 and the fourth measurement point R4.

<4−6.検出素子に関する変形例>
最後に、検出素子に関する変形例を述べる。これまで述べてきた実施例は、いずれも検出素子として容量素子を利用した例であるが、本発明に用いる検出素子は、検出リングの弾性変形を電気的に検出することができる素子であれば、どのような素子を用いてもかまわない。
<4-6. Modified example regarding detection element>
Finally, a modification regarding the detection element will be described. Each of the embodiments described so far is an example in which a capacitive element is used as the detection element. However, the detection element used in the present invention is an element that can electrically detect elastic deformation of the detection ring. Any element may be used.

たとえば、ストレインゲージを検出素子として利用すれば、検出リングの弾性変形を各部の機械的な歪みとして電気的に検出することができる。具体的には、検出リングの測定点Rの近傍にストレインゲージを貼り付けておき、これらストレインゲージを検出素子として用いた検出回路として、ホイートストンブリッジ回路を用意しておくようにすれば、ブリッジ電圧として作用した力やモーメントを検出することが可能である。   For example, if a strain gauge is used as a detection element, elastic deformation of the detection ring can be electrically detected as mechanical strain of each part. Specifically, if a strain gauge is attached in the vicinity of the measurement point R of the detection ring and a Wheatstone bridge circuit is prepared as a detection circuit using these strain gauges as a detection element, the bridge voltage It is possible to detect the force and moment acting as.

また、これまで述べてきた実施例は、検出素子として容量素子を利用し、検出リング上の測定点Rの変位を容量素子の静電容量値の変動として検出する例であるが、測定点Rの変位を電気的に検出可能な検出素子は、必ずしも容量素子に限定されるものではなく、一般的に、距離の検出が可能な素子であれば、どのような検出素子を利用してもかまわない。   Further, the embodiments described so far are examples in which a capacitive element is used as a detection element, and the displacement of the measurement point R on the detection ring is detected as a change in the capacitance value of the capacitive element. The detection element that can electrically detect the displacement of the electrode is not necessarily limited to the capacitive element, and in general, any detection element that can detect the distance may be used. Absent.

たとえば、検出リングの少なくとも測定点Rの近傍が導電性材料によって構成されていれば、その近傍において支持体に固定された渦電流変位計を検出素子として利用することが可能である。渦電流変位計は、高周波磁界によって測定点Rの近傍に渦電流を発生させる機能を有するとともに、コイルに生じるインピーダンス変化を検知する機能を有しており、当該インピーダンス変化に基づいて測定点Rとの距離を測定することができる。したがって、これまで述べてきた容量素子と同様の機能を果たすことができる。   For example, if at least the vicinity of the measurement point R of the detection ring is made of a conductive material, an eddy current displacement meter fixed to the support in the vicinity thereof can be used as the detection element. The eddy current displacement meter has a function of generating an eddy current in the vicinity of the measurement point R by a high-frequency magnetic field and a function of detecting an impedance change generated in the coil. Based on the impedance change, the eddy current displacement meter Can be measured. Therefore, the function similar to that of the capacitive element described so far can be achieved.

また、検出リングの少なくとも測定点Rの近傍を磁石によって構成しておけば、その近傍において支持体に固定されたホール素子を検出素子として利用することが可能である。ホール素子に作用する磁界の強度は、測定点R近傍の磁石の変位によって変化するので、ホール素子による磁界の検出値を、距離測定値として用いることが可能になる。   Further, if at least the vicinity of the measurement point R of the detection ring is constituted by a magnet, the Hall element fixed to the support in the vicinity thereof can be used as the detection element. Since the strength of the magnetic field acting on the Hall element changes due to the displacement of the magnet in the vicinity of the measurement point R, the detected value of the magnetic field by the Hall element can be used as the distance measurement value.

この他、光ビームを利用した距離測定器を検出素子として利用することもできる。たとえば、検出リングの測定点Rの近傍に対して斜め方向に光ビームを照射する光ビーム照射器と、照射面から反射された光ビームを受光する光ビーム受光器とを、支持体側に固定しておき、光ビーム受光器による光ビームの受光位置に基づいて距離測定値を出力する測定回路を用意しておけばよい。検出リング200の測定点R近傍が変位すると、光ビームの照射位置および反射ビームの射出方向が変化することになるので、光ビーム受光器による光ビームの受光位置も変化する。したがって、測定回路は、この受光位置に基づいて距離測定値を出力することができる。   In addition, a distance measuring device using a light beam can also be used as a detection element. For example, a light beam irradiator that irradiates a light beam obliquely with respect to the vicinity of the measurement point R of the detection ring and a light beam receiver that receives a light beam reflected from the irradiation surface are fixed to the support side. A measurement circuit that outputs a distance measurement value based on the light beam receiving position of the light beam receiver may be prepared. When the vicinity of the measurement point R of the detection ring 200 is displaced, the irradiation position of the light beam and the emission direction of the reflected beam change, so that the light beam receiving position by the light beam receiver also changes. Therefore, the measurement circuit can output a distance measurement value based on the light receiving position.

11〜18:C/V変換回路
21〜26:加減算回路
100:支持体
100C:支持体
200:中間体
200A:中間体
200B:中間体
210:検出リング
210A:検出リング
210E:検出リング
211B,211F:上方検出リング
212B,212F:下方検出リング
221,222:支持接続部材
221A,222A:支持接続部材
221B,222B:支持接続部材
221E,222E:支持接続部材
221F1,221F2,222F1,222F2:支持接続部材
231,232:受力接続部材
231A,232A:受力接続部材
231B,232B:受力接続部材
231E,232E:受力接続部材
231F1,231F2,232F1,232F2:受力接続部材
300:受力体
300D:受力体
400:ロボットの第1アーム部
500:ロボットの第2アーム部
A:対向領域(電極Ebの投影像)
C1〜C8:容量素子
d1,d2:空隙寸法
E0:共通変位電極(検出リング210の表面)
E1〜E8:固定電極
Ea,Eb:電極
Fx:X軸方向の力
Fy:Y軸方向の力
Fz:Z軸方向の力
H,h:開口部
Mx:X軸まわりのモーメント
My:Y軸まわりのモーメント
Mz:Z軸まわりのモーメント
O:XYZ三次元直交座標系の原点
O′:原点Oの投影点
P1:第1の固定点
P2:第2の固定点
Q1:第1の作用点
Q2:第2の作用点
R1:第1の測定点
R2:第2の測定点
R3:第3の測定点
R4:第4の測定点
S:検出リング210の輪郭に沿った環状路
S1〜S3:シングルリングのサンプル
T1:トリプルリングのサンプル
V:X軸およびY軸に対して45°傾斜した座標軸
V′:V軸の支持体100上面への投影軸
V1〜V8:電圧信号
W:X軸およびY軸に対して45°傾斜した座標軸
W′:W軸の支持体100上面への投影軸
W1〜W4:ダブルリングのサンプル
X:XYZ三次元直交座標系の座標軸
X′:X軸の支持体100上面への投影軸
Y:XYZ三次元直交座標系の座標軸
Y′:Y軸の支持体100上面への投影軸
Z:XYZ三次元直交座標系の座標軸
11 to 18: C / V conversion circuits 21 to 26: addition / subtraction circuit 100: support 100C: support 200: intermediate 200A: intermediate 200B: intermediate 210: detection ring 210A: detection ring 210E: detection rings 211B, 211F : Upper detection rings 212B and 212F: Lower detection rings 221 and 222: Support connection members 221A and 222A: Support connection members 221B and 222B: Support connection members 221E and 222E: Support connection members 221F1, 221F2, 222F1, and 222F2: Support connection members 231 and 232: force receiving connection members 231A and 232A: force receiving connection members 231B and 232B: force receiving connection members 231E and 232E: force receiving connection members 231F1, 231F2, 232F1 and 232F2: force receiving connection member 300: force receiving body 300D : Power receiving body 400: Robot First arm portion 500: second arm of the robot A: opposing area (projected image of the electrode Eb)
C1 to C8: Capacitance elements d1, d2: Gap size E0: Common displacement electrode (surface of detection ring 210)
E1 to E8: Fixed electrode Ea, Eb: Electrode Fx: Force in the X axis direction Fy: Force in the Y axis direction Fz: Force in the Z axis direction H, h: Opening Mx: Moment about the X axis My: Around the Y axis Moment Mz: moment about Z axis O: origin O ′ of XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system: projection point P1 of origin O: first fixed point P2: second fixed point Q1: first action point Q2: Second action point R1: First measurement point R2: Second measurement point R3: Third measurement point R4: Fourth measurement point S: Circular paths S1 to S3 along the contour of the detection ring 210: Single Ring sample T1: Triple ring sample V: Coordinate axis inclined at 45 ° with respect to the X axis and the Y axis V ′: Projection axes V1 to V8 of the V axis on the upper surface of the support 100: Voltage signal W: X axis and Y Coordinate axis W ′ inclined at 45 ° with respect to the axis: W-axis support 100 upper surface Projection axes W1 to W4: Sample of double ring X: Coordinate axis X ′ of XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system X: Projection axis Y of X axis on upper surface of support 100 Y: Coordinate axis Y ′ of XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system Y: Y Projection axis Z on the upper surface of the support 100: coordinate axis of XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system

Claims (23)

XYZ三次元直交座標系における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うち、少なくとも1軸に関する力もしくはモーメントを検出する力覚センサであって、
Z軸が中心軸となるようにXY平面に平行な配置平面上に配置され、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により少なくとも一部に弾性変形を生じる複数m本(m≧2)の検出リングと、
前記検出リングの下方に配置された支持体と、
前記検出リングの上方に配置された受力体と、
前記検出リングを所定の固定点の位置において前記支持体に固定する支持接続部材と、
前記検出リングを所定の作用点の位置において前記受力体に接続する受力接続部材と、
前記検出リングの弾性変形を電気的に検出する検出素子と、
前記検出素子の検出結果に基づいて、前記支持体を固定した状態において、前記受力体に作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントの検出値を出力する検出回路と、
を備え、
前記固定点のXY平面への投影像と前記作用点のXY平面への投影像とが異なる位置に形成されており、
前記複数m本の検出リングは、互いに所定間隔をおいてZ軸方向に隣接して配置され、個々の検出リングは、いずれもZ軸が中心軸となるようにXY平面に平行な個々の配置平面上に配置されており、
前記支持体は最も下方に位置する検出リングの更に下方に配置され、前記受力体は最も上方に位置する検出リングの更に上方に配置され、
個々の検出リングの固定点は前記支持接続部材によって前記支持体に固定されており、個々の検出リングの作用点は前記受力接続部材によって前記受力体に固定されていることを特徴とする力覚センサ。
A force sensor for detecting a force or a moment related to at least one of a force in each coordinate axis direction and a moment around each coordinate axis in an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system,
A plurality of m (m ≧ 2) detection rings that are arranged on an arrangement plane parallel to the XY plane so that the Z axis is the central axis, and that are elastically deformed at least in part by the action of a force or moment to be detected. When,
A support disposed below the detection ring;
A force receiving body disposed above the detection ring;
A support connection member for fixing the detection ring to the support at a position of a predetermined fixing point;
A force receiving connection member for connecting the detection ring to the force receiving body at a position of a predetermined action point;
A detection element for electrically detecting elastic deformation of the detection ring;
A detection circuit that outputs a detection value of a force in a predetermined coordinate axis direction acting on the force receiving body or a moment around a predetermined coordinate axis in a state where the support is fixed based on a detection result of the detection element;
With
The projected image of the fixed point on the XY plane and the projected image of the working point on the XY plane are formed at different positions ,
The plurality of m detection rings are arranged adjacent to each other in the Z-axis direction at a predetermined interval, and each detection ring is individually arranged parallel to the XY plane so that the Z-axis is a central axis. Arranged on a plane,
The support body is disposed further below the lowermost detection ring, and the force receiving body is disposed further above the uppermost detection ring.
The fixing points of the individual detection rings are fixed to the support body by the support connection member, and the action points of the individual detection rings are fixed to the power reception body by the force receiving connection member. Force sensor.
請求項1に記載の力覚センサにおいて、
個々の検出リングの固定点および作用点のXY平面への投影像は互いに重なり合い、
支持接続部材は、XY平面上の同一位置に投影像を形成する、異なる検出リングの各固定点の近傍を、相互に接続するとともに支持体に固定し、
受力接続部材は、XY平面上の同一位置に投影像を形成する、異なる検出リングの各作用点の近傍を、相互に接続するとともに受力体に固定することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 1 ,
The projected images of the fixed points and the action points of the individual detection rings on the XY plane overlap each other,
The support connection member connects the vicinity of each fixed point of different detection rings, which form a projected image at the same position on the XY plane, and fixes the support connection member to the support.
A force sensor is characterized in that the force receiving connection member forms a projected image at the same position on the XY plane, connects the vicinity of each action point of different detection rings to each other and fixes it to the force receiving body.
請求項1または2に記載の力覚センサにおいて、
検出リングの輪郭に沿った環状路に、複数n個(n≧2)の固定点と複数n個の作用点とが交互に配置されており、
検出素子が、隣接配置された固定点と作用点との間の位置に定義された測定点の近傍における検出リングの弾性変形を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 1 or 2 ,
A plurality of n (n ≧ 2) fixed points and a plurality of n action points are alternately arranged on the annular path along the contour of the detection ring,
A force sensor, wherein the detection element electrically detects elastic deformation of a detection ring in the vicinity of a measurement point defined at a position between a fixed point and an action point arranged adjacent to each other.
請求項3に記載の力覚センサにおいて、
検出リングの輪郭に沿った環状路に、第1の固定点、第1の作用点、第2の固定点、第2の作用点の順に、2個の固定点および2個の作用点が配置されており、
前記環状路における前記第1の固定点と前記第1の作用点との間の位置に配置された第1の測定点、前記環状路における前記第1の作用点と前記第2の固定点との間の位置に配置された第2の測定点、前記環状路における前記第2の固定点と前記第2の作用点との間の位置に配置された第3の測定点、前記環状路における前記第2の作用点と前記第1の固定点との間の位置に配置された第4の測定点をそれぞれ定義したときに、検出素子が、前記第1〜第4の測定点の近傍における検出リングの弾性変形を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 3 , wherein
Two fixed points and two action points are arranged in the order of the first fixed point, the first action point, the second fixed point, and the second action point on the annular path along the contour of the detection ring. Has been
A first measurement point arranged at a position between the first fixed point and the first action point in the annular path; the first action point and the second fixed point in the annular path; A second measurement point arranged at a position between the second measurement point, a third measurement point arranged at a position between the second fixed point and the second action point in the annular path, in the annular path When each of the fourth measurement points arranged at a position between the second action point and the first fixed point is defined, the detection element is in the vicinity of the first to fourth measurement points. A force sensor that electrically detects elastic deformation of a detection ring.
請求項4に記載の力覚センサにおいて、
第1の固定点のXY平面への投影像がX軸正領域上に、第1の作用点のXY平面への投影像がY軸正領域上に、第2の固定点のXY平面への投影像がX軸負領域上に、第2の作用点のXY平面への投影像がY軸負領域上に、それぞれ位置し、
XY平面への投影像がX軸正領域上に位置するように配置された第1の支持接続部材により、検出リングの第1の固定点近傍が支持体に接続され、
XY平面への投影像がX軸負領域上に位置するように配置された第2の支持接続部材により、検出リングの第2の固定点近傍が支持体に接続され、
XY平面への投影像がY軸正領域上に位置するように配置された第1の受力接続部材により、検出リングの第1の作用点近傍が受力体に接続され、
XY平面への投影像がY軸負領域上に位置するように配置された第2の受力接続部材により、検出リングの第2の作用点近傍が受力体に接続され、
検出素子が、XY平面への投影像がXY座標系の第1象限、第2象限、第3象限、第4象限にそれぞれ位置する第1の測定点、第2の測定点、第3の測定点、第4の測定点の近傍における検出リングの弾性変形を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 4 ,
The projected image of the first fixed point on the XY plane is on the X-axis positive region, the projected image of the first working point on the XY plane is on the Y-axis positive region, and the second fixed point is projected on the XY plane. The projected image is located on the X axis negative region, and the projected image of the second action point on the XY plane is located on the Y axis negative region,
By the first support connection member arranged so that the projected image on the XY plane is positioned on the X-axis positive region, the vicinity of the first fixed point of the detection ring is connected to the support,
By the second support connection member arranged so that the projected image on the XY plane is positioned on the X-axis negative region, the vicinity of the second fixed point of the detection ring is connected to the support,
By the first force receiving connection member arranged so that the projected image on the XY plane is positioned on the Y-axis positive region, the vicinity of the first action point of the detection ring is connected to the force receiving body,
By the second force receiving connection member arranged so that the projected image on the XY plane is positioned on the Y-axis negative region, the vicinity of the second action point of the detection ring is connected to the force receiving body,
The detection element has a first measurement point, a second measurement point, and a third measurement in which the projected image on the XY plane is located in the first quadrant, the second quadrant, the third quadrant, and the fourth quadrant of the XY coordinate system, respectively. A force sensor characterized by electrically detecting elastic deformation of the detection ring in the vicinity of the point and the fourth measurement point.
請求項5に記載の力覚センサにおいて、
XYZ三次元直交座標系における原点Oを通り、正の領域がXY平面の第1象限、負の領域がXY平面の第3象限に位置し、X軸に対して45°をなすV軸と、XYZ三次元直交座標系における原点Oを通り、正の領域がXY平面の第2象限、負の領域がXY平面の第4象限に位置し、V軸に対して直交するW軸と、を定義したときに、第1の測定点のXY平面への投影像がV軸正領域に、第2の測定点のXY平面への投影像がW軸正領域に、第3の測定点のXY平面への投影像がV軸負領域に、第4の測定点のXY平面への投影像がW軸負領域に、それぞれ位置することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 5 , wherein
A V-axis that passes through the origin O in the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system, the positive region is located in the first quadrant of the XY plane, the negative region is located in the third quadrant of the XY plane, and forms 45 ° with respect to the X axis; Defines the W axis that passes through the origin O in the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system, the positive region is located in the second quadrant of the XY plane, the negative region is located in the fourth quadrant of the XY plane, and is orthogonal to the V axis. Then, the projection image of the first measurement point on the XY plane is in the V-axis positive region, the projection image of the second measurement point on the XY plane is in the W-axis positive region, and the XY plane of the third measurement point The force sensor is characterized in that the projected image on the XY plane is located in the V-axis negative region and the projected image of the fourth measurement point on the XY plane is located in the W-axis negative region.
請求項1〜6のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
支持接続部材および受力接続部材が、検出リングの外周面から更に外側に突出する部材によって構成されており、
前記支持接続部材の下面は、最も下方に位置する検出リングの下面よりも下方に位置し、支持体の上面に接続され、最も下方に位置する検出リングの下面と支持体の上面との間には所定の空隙が形成され、
前記受力接続部材の上面は、最も上方に位置する検出リングの上面よりも上方に位置し、受力体の下面に接続され、最も上方に位置する検出リングの上面と受力体の下面との間には所定の空隙が形成されていることを特徴とする力覚センサ。
In the force sensor in any one of Claims 1-6 ,
The support connection member and the force receiving connection member are constituted by members that protrude further outward from the outer peripheral surface of the detection ring,
The lower surface of the support connection member is positioned below the lower surface of the lowermost detection ring , connected to the upper surface of the support, and between the lower surface of the lowermost detection ring and the upper surface of the support A predetermined gap is formed,
The upper surface of the force receiving connection member is located above the upper surface of the uppermost detection ring and connected to the lower surface of the force receiving body, and the upper surface of the uppermost detection ring and the lower surface of the force receiving body A force sensor characterized in that a predetermined gap is formed between the two.
請求項7に記載の力覚センサにおいて、
支持接続部材および受力接続部材のXY平面への投影像が、支持体のXY平面への投影像の内部に包含され、かつ、受力体のXY平面への投影像の内部に包含されていることを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 7 , wherein
The projection image of the support connection member and the force receiving connection member on the XY plane is included in the projection image of the support body on the XY plane, and is included in the projection image of the support body on the XY plane. A force sensor.
請求項1〜6のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
支持接続部材が、最も下方に位置する検出リングの下面と支持体とを接続する部材と、上下に隣接する個々の検出リング対について上方検出リングの下面と下方検出リングの上面とを接続する部材と、によって構成されており、
受力接続部材が、最も上方に位置する検出リングの上面と受力体とを接続する部材と、上下に隣接する個々の検出リング対について上方検出リングの下面と下方検出リングの上面とを接続する部材と、によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
In the force sensor in any one of Claims 1-6 ,
A support connecting member is a member that connects the lower surface of the lowermost detection ring and the support, and a member that connects the lower surface of the upper detection ring and the upper surface of the lower detection ring for each pair of detection rings adjacent vertically And consists of
The force receiving connection member connects the upper surface of the uppermost detection ring and the force receiving member, and the lower detection ring upper surface and the lower detection ring upper surface for each pair of detection rings adjacent vertically. And a force sensor.
請求項1〜9のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
検出リングが、Z軸が中心軸となるように配置平面上に配置された円形のリングであ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 9 ,
A force sensor, wherein the detection ring is a circular ring arranged on an arrangement plane so that the Z axis is a central axis.
請求項1〜10のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
支持体が、検出リングの下方に配置され、XY平面に平行な板面を有する盤状部材であり、
受力体が、検出リングの上方に配置され、XY平面に平行な板面を有する盤状部材であることを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to any one of claims 1 to 10 ,
The support is a disk-shaped member disposed below the detection ring and having a plate surface parallel to the XY plane,
A force sensor, wherein the force receiving body is a disk-shaped member disposed above the detection ring and having a plate surface parallel to the XY plane.
請求項11に記載の力覚センサにおいて、
支持体および受力体の一方もしくは双方が、中心部に開口部を有する盤状部材であることを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 11 , wherein
One or both of a support body and a power receiving body are disk-shaped members which have an opening part in center part, The force sensor characterized by the above-mentioned.
請求項1〜12のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
支持体および受力体が、作用する力もしくはモーメントが所定の許容範囲内である限り実質的な変形を生じない剛体によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to any one of claims 1 to 12 ,
A force sensor, wherein the support body and the power receiving body are constituted by a rigid body that does not substantially deform as long as an applied force or moment is within a predetermined allowable range.
請求項1〜13のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
検出素子が、検出リングの所定の測定点の変位を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to any one of claims 1 to 13 ,
A force sensor, wherein the detection element electrically detects a displacement of a predetermined measurement point of the detection ring.
請求項14に記載の力覚センサにおいて、
検出素子が、検出リングの測定点近傍の測定対象面と、支持体もしくは受力体に固定され前記測定対象面に対向する対向基準面と、の距離を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 14 , wherein
The detection element is configured to electrically detect a distance between a measurement target surface in the vicinity of a measurement point of the detection ring and an opposing reference surface that is fixed to a support body or a force receiving member and faces the measurement target surface. Force sensor.
請求項15に記載の力覚センサにおいて、
検出リングの内周面の測定点近傍に内側測定対象面を定義し、
この内側測定対象面に対向する内側対向基準面を有し、支持体の上面もしくは受力体の下面に固定された固定構造体を更に設け、
検出素子が、前記内側測定対象面と前記内側対向基準面との距離を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 15 ,
Define the inner measurement target surface near the measurement point on the inner peripheral surface of the detection ring,
A fixed structure that has an inner facing reference surface facing the inner measurement target surface and is fixed to the upper surface of the support or the lower surface of the force receiving member;
A force sensor, wherein the detection element electrically detects a distance between the inner measurement target surface and the inner facing reference surface.
請求項15に記載の力覚センサにおいて、
検出リングの下面の測定点近傍に下側測定対象面を定義し、
検出素子が、前記下側測定対象面と支持体の上面との距離を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 15 ,
Define the lower measurement target surface near the measurement point on the lower surface of the detection ring,
A force sensor, wherein the detection element electrically detects a distance between the lower measurement target surface and the upper surface of the support.
請求項15〜17のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
検出素子が、測定対象面に設けられた変位電極と、対向基準面に設けられた固定電極と、を有する容量素子によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to any one of claims 15 to 17 ,
A force sensor, wherein the detection element is constituted by a capacitive element having a displacement electrode provided on a measurement target surface and a fixed electrode provided on a counter reference surface.
請求項18に記載の力覚センサにおいて、
検出リングを可撓性をもった導電性材料によって構成し、検出リングの表面を共通変位電極として容量素子を構成したことを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 18 ,
A force sensor characterized in that the detection ring is made of a conductive material having flexibility, and a capacitive element is formed by using the surface of the detection ring as a common displacement electrode.
請求項6に記載の力覚センサにおいて、
検出リングが、Z軸が中心軸となるように、支持体上方の配置平面上に配置された円形のリングであり、
検出素子が、
前記検出リングの内周面の第1の測定点近傍位置に配置された第1の変位電極と、前記検出リングの内側の前記第1の変位電極に対向する位置に配置され、支持体の上面に固定された第1の固定電極と、によって構成される第1の容量素子と、
前記検出リングの内周面の第2の測定点近傍位置に配置された第2の変位電極と、前記検出リングの内側の前記第2の変位電極に対向する位置に配置され、支持体の上面に固定された第2の固定電極と、によって構成される第2の容量素子と、
前記検出リングの内周面の第3の測定点近傍位置に配置された第3の変位電極と、前記検出リングの内側の前記第3の変位電極に対向する位置に配置され、支持体の上面に固定された第3の固定電極と、によって構成される第3の容量素子と、
前記検出リングの内周面の第4の測定点近傍位置に配置された第4の変位電極と、前記検出リングの内側の前記第4の変位電極に対向する位置に配置され、支持体の上面に固定された第4の固定電極と、によって構成される第4の容量素子と、
前記検出リングの下面の第1の測定点近傍位置に配置された第5の変位電極と、前記支持体の上面の前記第5の変位電極に対向する位置に配置された第5の固定電極とによって構成される第5の容量素子と、
前記検出リングの下面の第2の測定点近傍位置に配置された第6の変位電極と、前記支持体の上面の前記第6の変位電極に対向する位置に配置された第6の固定電極とによって構成される第6の容量素子と、
前記検出リングの下面の第3の測定点近傍位置に配置された第7の変位電極と、前記支持体の上面の前記第7の変位電極に対向する位置に配置された第7の固定電極とによって構成される第7の容量素子と、
前記検出リングの下面の第4の測定点近傍位置に配置された第8の変位電極と、前記支持体の上面の前記第8の変位電極に対向する位置に配置された第8の固定電極とによって構成される第8の容量素子と、
を有することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 6 , wherein
The detection ring is a circular ring arranged on an arrangement plane above the support so that the Z-axis is the central axis;
The sensing element
A first displacement electrode disposed in the vicinity of the first measurement point on the inner peripheral surface of the detection ring, and a position opposed to the first displacement electrode inside the detection ring, the upper surface of the support body A first capacitive element fixed to the first capacitive element, and
A second displacement electrode disposed in the vicinity of the second measurement point on the inner circumferential surface of the detection ring, and a position opposed to the second displacement electrode inside the detection ring; A second capacitive element constituted by a second fixed electrode fixed to
A third displacement electrode disposed in the vicinity of the third measurement point on the inner circumferential surface of the detection ring, and a position opposed to the third displacement electrode inside the detection ring; A third capacitive element constituted by a third fixed electrode fixed to
A fourth displacement electrode disposed in the vicinity of the fourth measurement point on the inner circumferential surface of the detection ring, and a position opposed to the fourth displacement electrode on the inner side of the detection ring; A fourth capacitive element constituted by a fourth fixed electrode fixed to
A fifth displacement electrode disposed at a position near the first measurement point on the lower surface of the detection ring; and a fifth fixed electrode disposed at a position facing the fifth displacement electrode on the upper surface of the support. A fifth capacitive element configured by:
A sixth displacement electrode disposed at a position near the second measurement point on the lower surface of the detection ring; a sixth fixed electrode disposed at a position facing the sixth displacement electrode on the upper surface of the support; A sixth capacitive element configured by:
A seventh displacement electrode disposed at a position near the third measurement point on the lower surface of the detection ring; and a seventh fixed electrode disposed at a position facing the seventh displacement electrode on the upper surface of the support. A seventh capacitive element configured by:
An eighth displacement electrode disposed at a position near the fourth measurement point on the lower surface of the detection ring; and an eighth fixed electrode disposed at a position facing the eighth displacement electrode on the upper surface of the support. An eighth capacitive element configured by:
A force sensor characterized by comprising:
請求項20に記載の力覚センサにおいて、
互いに所定間隔をおいてZ軸方向に隣接して配置された上方検出リングと下方検出リングとを備え、この2本の検出リングは、いずれもZ軸が中心軸となるようにXY平面に平行な個々の配置平面上に配置され、
上方検出リングの第1の固定点のXY平面への投影像と、下方検出リングの第1の固定点のXY平面への投影像と、は互いに重なり合い、
上方検出リングの第2の固定点のXY平面への投影像と、下方検出リングの第2の固定点のXY平面への投影像と、は互いに重なり合い、
上方検出リングの第1の作用点のXY平面への投影像と、下方検出リングの第1の作用点のXY平面への投影像と、は互いに重なり合い、
上方検出リングの第2の作用点のXY平面への投影像と、下方検出リングの第2の作用点のXY平面への投影像と、は互いに重なり合い、
第1の支持接続部材により、上方検出リングの第1の固定点近傍と下方検出リングの第1の固定点近傍とが相互に接続されるとともに、支持体にも接続され、
第2の支持接続部材により、上方検出リングの第2の固定点近傍と下方検出リングの第2の固定点近傍とが相互に接続されるとともに、支持体にも接続され、
第1の受力接続部材により、上方検出リングの第1の作用点近傍と下方検出リングの第1の作用点近傍とが相互に接続されるとともに、受力体にも接続され、
第2の受力接続部材により、上方検出リングの第2の作用点近傍と下方検出リングの第2の作用点近傍とが相互に接続されるとともに、受力体にも接続され、
第1の変位電極は、上方検出リングの内周面の第1の測定点近傍位置と、下方検出リングの内周面の第1の測定点近傍位置と、の2箇所に分散して配置され、第1の固定電極は、この2箇所に分散して配置された変位電極の双方に対向し、
第2の変位電極は、上方検出リングの内周面の第2の測定点近傍位置と、下方検出リングの内周面の第2の測定点近傍位置と、の2箇所に分散して配置され、第2の固定電極は、この2箇所に分散して配置された変位電極の双方に対向し、
第3の変位電極は、上方検出リングの内周面の第3の測定点近傍位置と、下方検出リングの内周面の第3の測定点近傍位置と、の2箇所に分散して配置され、第3の固定電極は、この2箇所に分散して配置された変位電極の双方に対向し、
第4の変位電極は、上方検出リングの内周面の第4の測定点近傍位置と、下方検出リングの内周面の第4の測定点近傍位置と、の2箇所に分散して配置され、第4の固定電極は、この2箇所に分散して配置された変位電極の双方に対向し、
第5の変位電極は、下方検出リングの下面の第1の測定点近傍位置に配置され、第6の変位電極は、下方検出リングの下面の第2の測定点近傍位置に配置され、第7の変位電極は、下方検出リングの下面の第3の測定点近傍位置に配置され、第8の変位電極は、下方検出リングの下面の第4の測定点近傍位置に配置されていることを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 20 ,
An upper detection ring and a lower detection ring are arranged adjacent to each other in the Z-axis direction at a predetermined interval, and both of these two detection rings are parallel to the XY plane so that the Z-axis is the central axis. Placed on individual placement planes,
The projection image of the first fixed point of the upper detection ring on the XY plane and the projection image of the first fixed point of the lower detection ring on the XY plane overlap each other.
The projected image of the second fixed point of the upper detection ring on the XY plane and the projected image of the second fixed point of the lower detection ring on the XY plane overlap each other,
The projection image of the first action point of the upper detection ring on the XY plane and the projection image of the first action point of the lower detection ring on the XY plane overlap each other,
The projection image of the second action point of the upper detection ring on the XY plane and the projection image of the second action point of the lower detection ring on the XY plane overlap each other.
The first support connection member connects the vicinity of the first detection point of the upper detection ring and the vicinity of the first detection point of the lower detection ring to each other and is also connected to the support body.
By the second support connection member, the vicinity of the second fixed point of the upper detection ring and the vicinity of the second fixed point of the lower detection ring are connected to each other and also connected to the support,
The first force receiving connection member connects the vicinity of the first action point of the upper detection ring and the vicinity of the first action point of the lower detection ring to each other and is also connected to the force receiving body,
By the second force receiving connection member, the vicinity of the second action point of the upper detection ring and the vicinity of the second action point of the lower detection ring are connected to each other and also connected to the force receiving body,
The first displacement electrodes are distributed and arranged in two locations: a position near the first measurement point on the inner peripheral surface of the upper detection ring and a position near the first measurement point on the inner peripheral surface of the lower detection ring. The first fixed electrode is opposed to both of the displacement electrodes that are dispersedly disposed at the two locations.
The second displacement electrodes are distributed and arranged at two locations, a position near the second measurement point on the inner peripheral surface of the upper detection ring and a position near the second measurement point on the inner peripheral surface of the lower detection ring. The second fixed electrode is opposed to both of the displacement electrodes distributed in the two locations,
The third displacement electrodes are distributed and arranged in two locations: a position near the third measurement point on the inner peripheral surface of the upper detection ring and a position near the third measurement point on the inner peripheral surface of the lower detection ring. The third fixed electrode is opposed to both of the displacement electrodes arranged in a dispersed manner at the two locations,
The fourth displacement electrodes are distributed and arranged in two locations: a position near the fourth measurement point on the inner peripheral surface of the upper detection ring and a position near the fourth measurement point on the inner peripheral surface of the lower detection ring. The fourth fixed electrode is opposed to both of the displacement electrodes arranged in a dispersed manner at the two locations.
The fifth displacement electrode is disposed at a position near the first measurement point on the lower surface of the lower detection ring, and the sixth displacement electrode is disposed at a position near the second measurement point on the lower surface of the lower detection ring. The displacement electrode is arranged near the third measurement point on the lower surface of the lower detection ring, and the eighth displacement electrode is arranged near the fourth measurement point on the lower surface of the lower detection ring. Force sensor.
請求項20または21に記載の力覚センサにおいて、
検出リングを可撓性をもった導電性材料によって構成し、検出リングの表面を共通変位電極として各容量素子を構成したことを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to claim 20 or 21 ,
A force sensor characterized in that the detection ring is made of a conductive material having flexibility, and each capacitive element is formed by using the surface of the detection ring as a common displacement electrode.
請求項20〜22のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
検出回路が、第1の容量素子の静電容量値をC1、第2の容量素子の静電容量値をC2、第3の容量素子の静電容量値をC3、第4の容量素子の静電容量値をC4、第5の容量素子の静電容量値をC5、第6の容量素子の静電容量値をC6、第7の容量素子の静電容量値をC7、第8の容量素子の静電容量値をC8としたときに、
Fx=−C1+C2+C3−C4
Fy=+C1+C2−C3−C4
Fz=−C5−C6−C7−C8
Mx=−C5−C6+C7+C8
My=+C5−C6−C7+C8
Mz=+C1−C2+C3−C4
なる演算式に基づいて、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の検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。
The force sensor according to any one of claims 20 to 22 ,
The detection circuit sets the capacitance value of the first capacitance element to C1, the capacitance value of the second capacitance element to C2, the capacitance value of the third capacitance element to C3, and the capacitance value of the fourth capacitance element. The capacitance value is C4, the capacitance value of the fifth capacitance element is C5, the capacitance value of the sixth capacitance element is C6, the capacitance value of the seventh capacitance element is C7, and the eighth capacitance element. When the capacitance value of C8 is C8,
Fx = −C1 + C2 + C3-C4
Fy = + C1 + C2-C3-C4
Fz = -C5-C6-C7-C8
Mx = -C5-C6 + C7 + C8
My = + C5-C6-C7 + C8
Mz = + C1-C2 + C3-C4
Based on the following formula, the detection of the force Fx in the X-axis direction, the force Fy in the Y-axis direction, the force Fz in the Z-axis direction, the moment Mx around the X-axis, the moment My around the Y-axis, and the moment Mz around the Z-axis A force sensor that outputs a value.
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