JP5687384B1 - Force sensor - Google Patents
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Abstract
【課題】十分な堅牢性を確保しつつ、検出感度を高める。【解決手段】原点Oを中心に配置された円盤状の内側部材110と、原点Oを中心に配置された円環状の外側部材120と、両者を接続する2本の弧状アーム130,140と、によって基本構造体100が形成される。外側部材120の下面には、支持基板200が接合され、底板部210の上面には、固定電極E1〜E12が取り付けられる。弧状アーム130,140の所定位置に、測定点H1〜H4が定義され、固定電極E1〜E8は、その近傍に配置される。固定電極E9〜E12は、内側部材110の下方に配置される。内側部材110に外力が作用すると、弧状アーム130,140が撓みを生じる。固定電極E1〜E12とその対向面とによって容量素子が形成され、これら容量素子の容量値の変化に基づいて、内側部材110に作用した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。【選択図】図13[PROBLEMS] To increase detection sensitivity while ensuring sufficient robustness. A disk-shaped inner member 110 disposed around an origin O, an annular outer member 120 disposed around an origin O, and two arc-shaped arms 130 and 140 connecting the two, Thus, the basic structure 100 is formed. The support substrate 200 is bonded to the lower surface of the outer member 120, and the fixed electrodes E1 to E12 are attached to the upper surface of the bottom plate portion 210. Measurement points H1 to H4 are defined at predetermined positions of the arc-shaped arms 130 and 140, and the fixed electrodes E1 to E8 are arranged in the vicinity thereof. The fixed electrodes E9 to E12 are disposed below the inner member 110. When an external force is applied to the inner member 110, the arc-shaped arms 130 and 140 are bent. Capacitance elements are formed by the fixed electrodes E <b> 1 to E <b> 12 and their opposing surfaces, and based on changes in the capacitance values of these capacitance elements, the forces in the coordinate axes and the moments around the coordinate axes that act on the inner member 110 are detected. [Selection] Figure 13
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.
上述したように、力覚センサは様々な用途に利用されており、単純な構造をもった高感度のセンサの需要が見込まれている。しかしながら、従来提案されている力覚センサの場合、検出感度をより高めるためには、微小な力が作用した場合にも検出に必要な十分な撓みが得られるように、可撓性構造部分を細くあるいは薄くする必要がある。このため、過度の力の作用によって破損が生じ易く、堅牢性が低下するという問題がある。 As described above, force sensors are used in various applications, and demand for highly sensitive sensors having a simple structure is expected. However, in the case of a force sensor that has been proposed in the past, in order to further increase the detection sensitivity, the flexible structure portion is provided so that sufficient deflection necessary for detection can be obtained even when a minute force is applied. It needs to be thin or thin. For this reason, there is a problem that damage is likely to occur due to the action of excessive force, and the robustness is lowered.
また、力の各軸成分とモーメントの各軸成分とを検出する機能をもった力覚センサの場合、実用上、各成分ごとの検出感度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、これらのバランスを調整した設計を行うことが困難である。 In addition, in the case of a force sensor that has the function of detecting each axis component of force and each axis component of moment, it is preferable that the detection sensitivity of each component is balanced in practice. It is difficult for a sensor having a mechanical structure portion to be designed with these balances adjusted.
そこで本発明は、十分な堅牢性を確保しつつ、高い検出感度をもった力覚センサを提供することを目的とする。また、力やモーメントの各軸成分の検出感度のバランスを調整しやすい力覚センサを提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a force sensor having high detection sensitivity while ensuring sufficient robustness. It is another object of the present invention to provide a force sensor that can easily adjust the balance of detection sensitivity of each axis component of force and moment.
(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、
XYZ三次元直交座標系のZ軸上に配置された内側部材と、
Z軸の周囲を取り囲むように配置され、内側部材を内部に収容した外側部材と、
内側部材と外側部材とを接続する役割を果たし、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性質を有し、内側部材の周囲を部分的に取り囲むように配置された複数n本(n≧2)の弧状アームと、
を有する基本構造体と、
弧状アーム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、内側部材および外側部材の一方を固定した状態において、他方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、
複数n本の弧状アームのうち、第i(1≦i≦n)の弧状アームの内側端部は内側部材上の第iの内側接続点に接続され、外側端部は外側部材上の第iの外側接続点に接続されており、第1〜第nの内側接続点は、内側部材上で異なる位置にある点であり、第1〜第nの外側接続点は、外側部材上で異なる位置にある点であ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.
An inner member disposed on the Z-axis of the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system;
An outer member disposed around the Z axis and containing the inner member therein;
It plays the role of connecting the inner member and the outer member, has the property of causing elastic deformation at least in part by the action of the force or moment to be detected, and is arranged so as to partially surround the inner member A plurality of n (n ≧ 2) arc-shaped arms;
A basic structure having
A detecting element for electrically detecting elastic deformation of the arcuate arm;
A detection circuit that outputs a detection value of a force in a predetermined coordinate axis direction acting on the other or a moment around a predetermined coordinate axis in a state where one of the inner member and the outer member is fixed based on a detection result of the detection element;
Provided,
Of the plurality of n arcuate arms, the inner end of the i-th (1 ≦ i ≦ n) arcuate arm is connected to the i-th inner connection point on the inner member, and the outer end is the i-th on the outer member. The first to nth inner connection points are at different positions on the inner member, and the first to nth outer connection points are different positions on the outer member. It is a point that is.
(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、
内側部材が、XY平面に平行な上面および下面を有し、Z軸が中心軸となるように配置された円盤状部材によって構成され、
外側部材が、XY平面に平行な上面および下面を有し、Z軸が中心軸となるように配置された円環状部材によって構成され、
上記円盤状部材が上記円環状部材の内部に収容されてい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 inner member has a top surface and a bottom surface parallel to the XY plane, and is constituted by a disk-shaped member arranged so that the Z axis is the central axis.
The outer member has an upper surface and a lower surface parallel to the XY plane, and is configured by an annular member arranged so that the Z axis is the central axis.
The disk-shaped member is accommodated in the annular member.
(3) 本発明の第3の態様は、上述した第2の態様に係る力覚センサにおいて、
n=2に設定し、内側部材と外側部材とが第1の弧状アームと第2の弧状アームとによって接続されるようにし、
XY平面もしくはXY平面に平行な所定の平面を配置平面と定義し、この配置平面上に、第1の内側接続点、第2の内側接続点、第1の外側接続点、第2の外側接続点が配置され、第1の内側接続点と第2の内側接続点とを結ぶ連結直線および第1の外側接続点と第2の外側接続点とを結ぶ連結直線が、それぞれZ軸と交差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 second aspect described above,
n = 2, the inner member and the outer member are connected by the first arcuate arm and the second arcuate arm,
An XY plane or a predetermined plane parallel to the XY plane is defined as an arrangement plane, and on this arrangement plane, a first inner connection point, a second inner connection point, a first outer connection point, and a second outer connection Points are arranged, and a connecting straight line connecting the first inner connecting point and the second inner connecting point and a connecting straight line connecting the first outer connecting point and the second outer connecting point respectively intersect the Z axis. It is what I did.
(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、
第1の弧状アームが、Z軸を中心とした円弧に沿って伸びる第1の円弧状部と、第1の円弧状部の一端を第1の内側接続点に接続する第1の内側接続部と、第1の円弧状部の他端を第1の外側接続点に接続する第1の外側接続部と、を有し、
第2の弧状アームが、Z軸を中心とした円弧に沿って伸びる第2の円弧状部と、第2の円弧状部の一端を第2の内側接続点に接続する第2の内側接続部と、第2の円弧状部の他端を第2の外側接続点に接続する第2の外側接続部と、を有するようにしたものである。
(4) According to a fourth aspect of the present invention, in the force sensor according to the third aspect described above,
A first arc-shaped portion in which a first arc-shaped arm extends along an arc centered on the Z axis, and a first inner connecting portion that connects one end of the first arc-shaped portion to a first inner connection point; And a first outer connecting portion that connects the other end of the first arc-shaped portion to the first outer connecting point,
A second arcuate arm extending along an arc centered on the Z axis, and a second inner connecting part for connecting one end of the second arcuate part to the second inner connection point And a second outer connecting portion that connects the other end of the second arc-shaped portion to the second outer connecting point.
(5) 本発明の第5の態様は、上述した第3または第4の態様に係る力覚センサにおいて、
基本構造体が、Z軸を回転軸として180°回転させたときの形状が回転前の形状と同一となる、180°の回転対称構造を有するようにしたものである。
(5) According to a fifth aspect of the present invention, in the force sensor according to the third or fourth aspect described above,
The basic structure has a 180 [deg.] Rotationally symmetric structure in which the shape when rotated 180 [deg.] About the Z axis is the same as the shape before the rotation.
(6) 本発明の第6の態様は、上述した第2の態様に係る力覚センサにおいて、
n=3に設定し、内側部材と外側部材とが、第1の弧状アーム、第2の弧状アーム、第3の弧状アームによって接続されるようにし、
XY平面もしくはXY平面に平行な所定の平面を配置平面と定義し、この配置平面上に、第1の内側接続点、第2の内側接続点、第3の内側接続点、第1の外側接続点、第2の外側接続点、第3の外側接続点が配置され、第1の内側接続点と第1の外側接続点とを結ぶ連結直線、第2の内側接続点と第2の外側接続点とを結ぶ連結直線、第3の内側接続点と第3の外側接続点とを結ぶ連結直線が、それぞれZ軸と交差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 second aspect described above,
n = 3 so that the inner member and the outer member are connected by the first arcuate arm, the second arcuate arm, the third arcuate arm,
An XY plane or a predetermined plane parallel to the XY plane is defined as an arrangement plane, and on this arrangement plane, a first inner connection point, a second inner connection point, a third inner connection point, and a first outer connection A point, a second outer connection point, a third outer connection point, a connecting straight line connecting the first inner connection point and the first outer connection point, the second inner connection point and the second outer connection The connecting straight line connecting the points and the connecting straight line connecting the third inner connecting point and the third outer connecting point intersect with the Z axis, respectively.
(7) 本発明の第7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、
第1の弧状アームが、Z軸の周囲を部分的に取り囲む第1の湾曲部と、第1の湾曲部の一端を第1の内側接続点に接続する第1の内側接続部と、第1の湾曲部の他端を第1の外側接続点に接続する第1の外側接続部と、を有し、
第2の弧状アームが、Z軸の周囲を部分的に取り囲む第2の湾曲部と、第2の湾曲部の一端を第2の内側接続点に接続する第2の内側接続部と、第2の湾曲部の他端を第2の外側接続点に接続する第2の外側接続部と、を有し、
第3の弧状アームが、Z軸の周囲を部分的に取り囲む第3の湾曲部と、第3の湾曲部の一端を第3の内側接続点に接続する第3の内側接続部と、第3の湾曲部の他端を第3の外側接続点に接続する第3の外側接続部と、を有す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 sixth aspect described above,
A first curved portion in which the first arcuate arm partially surrounds the periphery of the Z-axis; a first inner connection portion that connects one end of the first curved portion to the first inner connection point; A first outer connecting portion for connecting the other end of the curved portion to the first outer connecting point,
A second curved portion in which the second arcuate arm partially surrounds the periphery of the Z-axis; a second inner connection portion that connects one end of the second curved portion to the second inner connection point; A second outer connecting portion that connects the other end of the curved portion to a second outer connecting point,
A third curved portion in which the third arcuate arm partially surrounds the periphery of the Z-axis, a third inner connection portion that connects one end of the third curved portion to the third inner connection point, and a third And a third outer connecting portion for connecting the other end of the curved portion to the third outer connecting point.
(8) 本発明の第8の態様は、上述した第6または第7の態様に係る力覚センサにおいて、
基本構造体が、Z軸を回転軸として120°回転させたときの形状が回転前の形状と同一となる、120°の回転対称構造を有するようにしたものである。
(8) According to an eighth aspect of the present invention, in the force sensor according to the sixth or seventh aspect described above,
The basic structure has a 120 [deg.] Rotationally symmetric structure in which the shape when rotated by 120 [deg.] About the Z axis is the same as the shape before the rotation.
(9) 本発明の第9の態様は、上述した第2の態様に係る力覚センサにおいて、
内側部材と外側部材とが、第1〜第nの弧状アームなる合計n本の弧状アームによって接続されるようにし、
基本構造体が、Z軸を回転軸として(360/n)°回転させたときの形状が回転前の形状と同一となる、(360/n)°の回転対称構造を有するようにしたものである。
(9) A ninth aspect of the present invention is the force sensor according to the second aspect described above,
The inner member and the outer member are connected by a total of n arcuate arms that are first to nth arcuate arms,
The basic structure has a (360 / n) ° rotationally symmetric structure in which the shape when rotated (360 / n) ° about the Z axis is the same as the shape before rotation. is there.
(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、
内側部材および外側部材が、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ようにしたものである。
(10) According to a tenth aspect of the present invention, in the force sensor according to the first to ninth aspects described above,
The inner member and the outer member are constituted by rigid bodies that do not substantially deform as long as the applied force or moment is within a predetermined allowable range.
(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、
Z軸を垂直軸として基本構造体の下方に配置された支持基板を更に設け、
この支持基板は、基本構造体に対向する底板部と、この底板部の周囲から上方に隆起した縁周部とを有し、
基本構造体の外側部材の下面は、縁周部の上面に固定されており、基本構造体の内側部材の下面と底板部の上面との間に空洞部が形成されており、内側部材が、この空洞部を含む周囲空間内で変位可能となるように弧状アームによって支持されているようにしたものである。
(11) The eleventh aspect of the present invention is the force sensor according to the first to tenth aspects described above,
A support substrate disposed below the basic structure with the Z axis as a vertical axis;
This support substrate has a bottom plate portion that faces the basic structure, and an edge peripheral portion that protrudes upward from the periphery of the bottom plate portion,
The lower surface of the outer member of the basic structure is fixed to the upper surface of the peripheral edge portion, and a cavity is formed between the lower surface of the inner member of the basic structure and the upper surface of the bottom plate portion. It is supported by an arcuate arm so as to be displaceable in the surrounding space including the hollow portion.
(12) 本発明の第12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、
互いに所定間隔をおいて上下に隣接するように配置された複数m個(m≧2)の基本構造体を用意し、
この複数m個の基本構造体を、Z軸を垂直軸として上方から下方に向かって、第1〜第mの基本構造体と呼んだときに、第j(1≦j≦m−1)の基本構造体の内側部材の下面と第(j+1)の基本構造体の内側部材の上面とは接続され、第j(1≦j≦m−1)の基本構造体の外側部材の下面と第(j+1)の基本構造体の外側部材の上面とは接続されるようにし、
相互に接続されたm個の内側部材の全体が積層内側部材として機能し、相互に接続されたm個の外側部材の全体が積層外側部材として機能するようにし、
検出素子が、複数m個の基本構造体の全弧状アームもしくはその中から選択された一部の弧状アームの弾性変形を電気的に検出し、検出回路が、検出素子の検出結果に基づいて、積層内側部材および積層外側部材の一方を固定した状態において、他方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ようにしたものである。
(12) The twelfth aspect of the present invention is the force sensor according to the first to tenth aspects described above,
Preparing a plurality of m (m ≧ 2) basic structures arranged so as to be vertically adjacent to each other at a predetermined interval;
When the plurality of m basic structures are called first to mth basic structures from the top to the bottom with the Z axis as the vertical axis, the jth (1 ≦ j ≦ m−1) The lower surface of the inner member of the basic structure and the upper surface of the inner member of the (j + 1) th basic structure are connected, and the lower surface of the outer member of the jth (1 ≦ j ≦ m−1) basic structure and the ( j + 1) is connected to the upper surface of the outer member of the basic structure,
The entire m inner members connected to each other function as a laminated inner member, and the entire m outer members connected to each other function as a laminated outer member;
The detection element electrically detects the elastic deformation of the whole arc-shaped arm of the plurality of m basic structures or a part of the arc-shaped arm selected from the arms, and the detection circuit is based on the detection result of the detection element, In a state in which one of the laminated inner member and the laminated outer member is fixed, a detection value of a force acting on the other coordinate axis direction or a moment around the given coordinate axis is output.
(13) 本発明の第13の態様は、上述した第12の態様に係る力覚センサにおいて、
第mの基本構造体の下方に配置された支持基板を更に設け、
この支持基板は、第mの基本構造体に対向する底板部と、この底板部の周囲から上方に隆起した縁周部とを有し、
第mの基本構造体の外側部材の下面は、縁周部の上面に固定されており、第mの基本構造体の内側部材の下面と底板部の上面との間に空洞部が形成されており、積層内側部材が、空洞部を含む周囲空間内で変位可能となるように弧状アームによって支持されているようにしたものである。
(13) According to a thirteenth aspect of the present invention, in the force sensor according to the twelfth aspect described above,
A support substrate disposed below the m-th basic structure is further provided;
The support substrate has a bottom plate portion facing the m-th basic structure, and an edge peripheral portion that protrudes upward from the periphery of the bottom plate portion,
The lower surface of the outer member of the mth basic structure is fixed to the upper surface of the peripheral edge, and a cavity is formed between the lower surface of the inner member of the mth basic structure and the upper surface of the bottom plate portion. The laminated inner member is supported by an arc arm so as to be displaceable in the surrounding space including the cavity.
(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、弧状アームの所定の測定点の変位を電気的に検出することにより、当該弧状アームの弾性変形を検出するようにしたものである。
(14) According to a fourteenth aspect of the present invention, in the force sensor according to the first to thirteenth aspects described above,
The detecting element detects the elastic deformation of the arcuate arm by electrically detecting the displacement of a predetermined measurement point of the arcuate arm.
(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、弧状アームの所定の測定点近傍の測定対象面と、内側部材または外側部材に固定され、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 a predetermined measurement point of the arc-shaped arm and the opposed reference surface fixed to the inner member or the outer member and facing the measurement target surface. It is.
(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、
弧状アームの内側面もしくは外側面の測定点近傍に脇側測定対象面を定義し、
この脇側測定対象面に対向する脇側対向基準面を有し、内側部材または外側部材に固定された固定構造体を更に設け、
検出素子が、脇側測定対象面と脇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 side measurement surface near the measurement point on the inner or outer surface of the arc arm,
It has a side-facing reference plane facing this side-side measurement target surface, and further includes a fixed structure fixed to the inner member or the outer member,
The detection element is configured to electrically detect the distance between the side measurement target surface and the side opposite reference surface.
(17) 本発明の第17の態様は、上述した第16の態様に係る力覚センサにおいて、
内側部材もしくは弧状アームの所定箇所に付加的測定点を更に設け、内側部材もしくは弧状アームの下面における付加的測定点の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、外側部材に固定され下側測定対象面に対向する下側対向基準面と、の距離を電気的に検出するようにしたものである。
(17) According to a seventeenth aspect of the present invention, in the force sensor according to the sixteenth aspect described above,
An additional measurement point is further provided at a predetermined position of the inner member or the arc arm, and a lower measurement target surface is defined in the vicinity of the additional measurement point on the lower surface of the inner member or the arc arm,
The detection element is configured to electrically detect the distance between the lower measurement target surface and the lower opposing reference surface that is fixed to the outer member and faces the lower measurement target surface.
(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、
弧状アームおよび内側部材を導電性材料によって構成し、弧状アームもしくは内側部材の表面を変位電極として容量素子を構成したものである。
(19) According to a nineteenth aspect of the present invention, in the force sensor according to the eighteenth aspect described above,
The arc-shaped arm and the inner member are made of a conductive material, and the capacitor element is formed by using the surface of the arc-shaped arm or the inner member as a displacement electrode.
(20) 本発明の第20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、
弧状アームもしくは内側部材の表面に絶縁層を介して変位電極を形成することにより、容量素子を構成したものである。
(20) According to a twentieth aspect of the present invention, in the force sensor according to the eighteenth aspect described above,
The capacitive element is configured by forming a displacement electrode on the surface of the arc-shaped arm or the inner member via an insulating layer.
(21) 本発明の第21の態様は、上述した第1〜第5の態様に係る力覚センサにおいて、
n=2に設定し、内側部材と外側部材とが第1の弧状アームと第2の弧状アームとによって接続されるようにし、
XY平面もしくはXY平面に平行な所定の平面を配置平面と定義し、この配置平面上に、第1の内側接続点、第2の内側接続点、第1の外側接続点、第2の外側接続点が配置されているようにし、
第1の内側接続点が、配置平面上へのY軸の負領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第2の内側接続点が、配置平面上へのY軸の正領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第1の外側接続点が、配置平面上へのY軸の正領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第2の外側接続点が、配置平面上へのY軸の負領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、
右ネジをZ軸正方向に進める回転方向を左まわり方向、右ネジをZ軸負方向に進める回転方向を右まわり方向、と定義したときに、第1の弧状アームは、第1の内側接続点から第1の外側接続点に向かって、左まわり方向および右まわり方向のうちのいずれか一方の選択方向に伸び、第2の弧状アームは、第2の内側接続点から第2の外側接続点に向かって、上記選択方向と同じ方向に伸び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 first to fifth aspects described above,
n = 2, the inner member and the outer member are connected by the first arcuate arm and the second arcuate arm,
An XY plane or a predetermined plane parallel to the XY plane is defined as an arrangement plane, and on this arrangement plane, a first inner connection point, a second inner connection point, a first outer connection point, and a second outer connection Make sure the points are placed,
The first inner connection point is arranged on or near the projection image of the negative area of the Y axis on the arrangement plane, and the second inner connection point is the projection image of the positive area of the Y axis on the arrangement plane. The first outer connection point is arranged on or near the projection image of the positive region of the Y axis on the arrangement plane, and the second outer connection point is arranged on the arrangement plane. Arranged on or near the projected image of the negative region of the Y axis,
When the rotation direction in which the right screw is advanced in the Z-axis positive direction is defined as a counterclockwise direction and the rotation direction in which the right screw is advanced in the Z-axis negative direction is defined as a clockwise direction, the first arc-shaped arm is connected to the first inner connection. The second arcuate arm extends from the second inner connection point to the second outer connection point, extending from the point toward the first outer connection point in one of the left-handed direction and the right-handed direction. The point extends in the same direction as the selection direction toward the point.
(22) 本発明の第22の態様は、上述した第21の態様に係る力覚センサにおいて、
各弧状アームの中心線が配置平面上に位置するようにし、
XY平面上において、X軸を左まわり方向に45°回転させたW1軸と、Y軸を左まわり方向に45°回転させたW2軸と、を定義し、配置平面上へのW1軸の正領域の投影像と弧状アームの中心線との交点に第1の測定点を定義し、配置平面上へのW1軸の負領域の投影像と弧状アームの中心線との交点に第2の測定点を定義し、配置平面上へのW2軸の正領域の投影像と弧状アームの中心線との交点に第3の測定点を定義し、配置平面上へのW2軸の負領域の投影像と弧状アームの中心線との交点に第4の測定点を定義したときに、
検出素子が、第1〜第4の測定点の変位を電気的に検出することにより、各弧状アームの弾性変形を検出するようにしたものである。
(22) According to a twenty-second aspect of the present invention, in the force sensor according to the twenty-first aspect described above,
Make sure that the centerline of each arcuate arm is on the placement plane,
On the XY plane, a W1 axis obtained by rotating the X axis by 45 ° in the counterclockwise direction and a W2 axis obtained by rotating the Y axis by 45 ° in the counterclockwise direction are defined. A first measurement point is defined at the intersection of the projected image of the region and the center line of the arc arm, and a second measurement is performed at the intersection of the projected image of the negative region of the W1 axis on the placement plane and the center line of the arc arm. A point is defined, a third measurement point is defined at the intersection of the projected image of the positive area of the W2 axis on the placement plane and the center line of the arc arm, and the projected image of the negative area of the W2 axis on the placement plane And when the fourth measurement point is defined at the intersection of the arc arm centerline,
The detection element detects the elastic deformation of each arcuate arm by electrically detecting the displacement of the first to fourth measurement points.
(23) 本発明の第23の態様は、上述した第22の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子が、第1の測定点近傍に配置された第1の容量素子および第2の容量素子と、第2の測定点近傍に配置された第3の容量素子および第4の容量素子と、第3の測定点近傍に配置された第5の容量素子および第6の容量素子と、第4の測定点近傍に配置された第7の容量素子および第8の容量素子と、を有しており、
第1の容量素子は、弧状アームの外側の第1の測定点近傍に配置され内側部材または外側部材に固定された第1の固定電極と、弧状アームの表面における第1の固定電極に対向する領域に形成された第1の変位電極と、によって構成され、
第2の容量素子は、弧状アームの内側の第1の測定点近傍に配置され内側部材または外側部材に固定された第2の固定電極と、弧状アームの表面における第2の固定電極に対向する領域に形成された第2の変位電極と、によって構成され、
第3の容量素子は、弧状アームの内側の第2の測定点近傍に配置され内側部材または外側部材に固定された第3の固定電極と、弧状アームの表面における第3の固定電極に対向する領域に形成された第3の変位電極と、によって構成され、
第4の容量素子は、弧状アームの外側の第2の測定点近傍に配置され内側部材または外側部材に固定された第4の固定電極と、弧状アームの表面における第4の固定電極に対向する領域に形成された第4の変位電極と、によって構成され、
第5の容量素子は、弧状アームの外側の第3の測定点近傍に配置され内側部材または外側部材に固定された第5の固定電極と、弧状アームの表面における第5の固定電極に対向する領域に形成された第5の変位電極と、によって構成され、
第6の容量素子は、弧状アームの内側の第3の測定点近傍に配置され内側部材または外側部材に固定された第6の固定電極と、弧状アームの表面における第6の固定電極に対向する領域に形成された第6の変位電極と、によって構成され、
第7の容量素子は、弧状アームの内側の第4の測定点近傍に配置され内側部材または外側部材に固定された第7の固定電極と、弧状アームの表面における第7の固定電極に対向する領域に形成された第7の変位電極と、によって構成され、
第8の容量素子は、弧状アームの外側の第4の測定点近傍に配置され内側部材または外側部材に固定された第8の固定電極と、弧状アームの表面における第8の固定電極に対向する領域に形成された第8の変位電極と、によって構成され、
検出回路が、検出素子の検出結果に基づいて、内側部材および外側部材の一方を固定した状態において、他方に作用したX軸方向の力Fx、Y軸方向の力Fyおよび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 twenty-second aspect described above,
A first capacitive element and a second capacitive element arranged in the vicinity of the first measurement point; a third capacitive element and a fourth capacitive element arranged in the vicinity of the second measurement point; A fifth capacitive element and a sixth capacitive element disposed in the vicinity of the third measurement point; and a seventh capacitive element and an eighth capacitive element disposed in the vicinity of the fourth measurement point. And
The first capacitive element is disposed in the vicinity of the first measurement point on the outer side of the arc-shaped arm, and is opposed to the first fixed electrode fixed to the inner member or the outer member, and the first fixed electrode on the surface of the arc-shaped arm. A first displacement electrode formed in the region,
The second capacitive element is disposed in the vicinity of the first measurement point inside the arcuate arm and is opposed to the second fixed electrode fixed to the inner member or the outer member, and the second fixed electrode on the surface of the arcuate arm. A second displacement electrode formed in the region,
The third capacitive element is disposed in the vicinity of the second measurement point on the inner side of the arc-shaped arm, and is opposed to the third fixed electrode fixed to the inner member or the outer member, and the third fixed electrode on the surface of the arc-shaped arm. A third displacement electrode formed in the region,
The fourth capacitive element is disposed in the vicinity of the second measurement point on the outer side of the arc-shaped arm, and is opposed to the fourth fixed electrode fixed to the inner member or the outer member, and the fourth fixed electrode on the surface of the arc-shaped arm. A fourth displacement electrode formed in the region,
The fifth capacitive element is disposed in the vicinity of the third measurement point on the outer side of the arc-shaped arm, and is opposed to the fifth fixed electrode fixed to the inner member or the outer member, and the fifth fixed electrode on the surface of the arc-shaped arm. A fifth displacement electrode formed in the region,
The sixth capacitive element is disposed in the vicinity of the third measurement point on the inner side of the arc-shaped arm and faces the sixth fixed electrode fixed to the inner member or the outer member, and the sixth fixed electrode on the surface of the arc-shaped arm. A sixth displacement electrode formed in the region,
The seventh capacitive element is disposed in the vicinity of the fourth measurement point on the inner side of the arc-shaped arm and faces the seventh fixed electrode fixed to the inner member or the outer member, and the seventh fixed electrode on the surface of the arc-shaped arm. A seventh displacement electrode formed in the region,
The eighth capacitive element is disposed in the vicinity of the fourth measurement point on the outer side of the arc-shaped arm and faces the eighth fixed electrode fixed to the inner member or the outer member, and the eighth fixed electrode on the surface of the arc-shaped arm. And an eighth displacement electrode formed in the region,
In a state where one of the inner member and the outer member is fixed by the detection circuit based on the detection result of the detection element, the force Fx in the X axis direction, the force Fy in the Y axis direction, and the moment Mz around the Z axis are applied to the other member. The detected value is output.
(24) 本発明の第24の態様は、上述した第23の態様に係る力覚センサにおいて、
第1〜第4の測定点に加えて、更に、弧状アームもしくは内側部材の所定箇所に第5〜第8の測定点を付加的に定義し、第5の測定点は、配置平面上へのX軸の正領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置され、第6の測定点は、配置平面上へのX軸の負領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置され、第7の測定点は、配置平面上へのY軸の正領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置され、第8の測定点は、配置平面上へのY軸の負領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置されるようにし、
検出素子が、第5の測定点近傍に配置された第9の容量素子と、第6の測定点近傍に配置された第10の容量素子と、第7の測定点近傍に配置された第11の容量素子と、第8の測定点近傍に配置された第12の容量素子と、を更に有しており、
Z軸を垂直軸とした場合に、
第9の容量素子は、弧状アームもしくは内側部材の下方の第5の測定点近傍に配置され外側部材に固定された第9の固定電極と、弧状アームもしくは内側部材の下面における第9の固定電極に対向する領域に形成された第9の変位電極と、によって構成され、
第10の容量素子は、弧状アームもしくは内側部材の下方の第6の測定点近傍に配置され外側部材に固定された第10の固定電極と、弧状アームもしくは内側部材の下面における第10の固定電極に対向する領域に形成された第10の変位電極と、によって構成され、
第11の容量素子は、弧状アームもしくは内側部材の下方の第7の測定点近傍に配置され外側部材に固定された第11の固定電極と、弧状アームもしくは内側部材の下面における第11の固定電極に対向する領域に形成された第11の変位電極と、によって構成され、
第12の容量素子は、弧状アームもしくは内側部材の下方の第8の測定点近傍に配置され外側部材に固定された第12の固定電極と、弧状アームもしくは内側部材の下面における第12の固定電極に対向する領域に形成された第12の変位電極と、によって構成され、
検出回路が、検出素子の検出結果に基づいて、内側部材および外側部材の一方を固定した状態において、他方に作用した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および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。
(24) According to a twenty-fourth aspect of the present invention, in the force sensor according to the twenty-third aspect described above,
In addition to the first to fourth measurement points, further, fifth to eighth measurement points are additionally defined at predetermined positions of the arc-shaped arm or the inner member, and the fifth measurement point is placed on the arrangement plane. The sixth measurement point is arranged on the projection image of the positive region of the X axis or in the vicinity thereof, and the sixth measurement point is arranged on the projection image of the negative region of the X axis on the arrangement plane or in the vicinity thereof. The point is arranged on the projection image of the positive area of the Y axis on the arrangement plane or a position near it, and the eighth measurement point is on the projection image of the negative area of the Y axis on the arrangement plane or a position near it. To be placed in
The detection element includes a ninth capacitive element disposed in the vicinity of the fifth measurement point, a tenth capacitive element disposed in the vicinity of the sixth measurement point, and an eleventh element disposed in the vicinity of the seventh measurement point. And a twelfth capacitive element disposed in the vicinity of the eighth measurement point,
When the Z axis is the vertical axis,
The ninth capacitive element includes a ninth fixed electrode disposed in the vicinity of the fifth measurement point below the arc-shaped arm or the inner member and fixed to the outer member, and a ninth fixed electrode on the lower surface of the arc-shaped arm or the inner member. And a ninth displacement electrode formed in a region opposite to
The tenth capacitive element is arranged in the vicinity of the sixth measurement point below the arc-shaped arm or the inner member and fixed to the outer member, and the tenth fixed electrode on the lower surface of the arc-shaped arm or the inner member And a tenth displacement electrode formed in a region opposite to
The eleventh capacitive element includes an eleventh fixed electrode disposed in the vicinity of the seventh measurement point below the arc-shaped arm or the inner member and fixed to the outer member, and an eleventh fixed electrode on the lower surface of the arc-shaped arm or the inner member. And an eleventh displacement electrode formed in a region opposite to
The twelfth capacitive element includes a twelfth fixed electrode disposed in the vicinity of the eighth measurement point below the arcuate arm or the inner member and fixed to the outer member, and a twelfth fixed electrode on the lower surface of the arcuate arm or the inner member. And a twelfth displacement electrode formed in a region opposite to
In a state where one of the inner member and the outer member is fixed by the detection circuit based on the detection result of the detection element, the force Fx in the X-axis direction, the force Fy in the Y-axis direction, and the force Fz in the Z-axis direction applied to the other member The detection values of the moment Mx around the X axis, the moment My around the Y axis, and the moment Mz around the Z axis are output.
(25) 本発明の第25の態様は、上述した第24の態様に係る力覚センサにおいて、
基本構造体の下方に配置された支持基板を更に設け、
この支持基板は、基本構造体に対向する底板部と、この底板部の周囲から上方に隆起した縁周部とを有し、
基本構造体の外側部材の下面は、縁周部の上面に固定されており、基本構造体の内側部材の下面と底板部の上面との間に空洞部が形成されており、内側部材が、空洞部を含む周囲空間内で変位可能となるように弧状アームによって支持されており、
第1〜第12の固定電極が、底板部の上面に固定されているようにしたものである。
(25) According to a twenty-fifth aspect of the present invention, in the force sensor according to the twenty-fourth aspect described above,
Further provided a support substrate disposed below the basic structure,
This support substrate has a bottom plate portion that faces the basic structure, and an edge peripheral portion that protrudes upward from the periphery of the bottom plate portion,
The lower surface of the outer member of the basic structure is fixed to the upper surface of the peripheral edge portion, and a cavity is formed between the lower surface of the inner member of the basic structure and the upper surface of the bottom plate portion. Supported by an arcuate arm so as to be displaceable in the surrounding space including the cavity,
The first to twelfth fixed electrodes are fixed to the upper surface of the bottom plate portion.
(26) 本発明の第26の態様は、上述した第24または第25の態様に係る力覚センサにおいて、
第1の弧状アームが、第1の内側接続点から第1の外側接続点に向かって左まわり方向に伸び、第2の弧状アームが、第2の内側接続点から第2の外側接続点に向かって左まわり方向に伸びており、
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、第9の容量素子の静電容量値をC9、第10の容量素子の静電容量値をC10、第11の容量素子の静電容量値をC11、第12の容量素子の静電容量値をC12、としたときに、
Fx=+C1−C2+C3−C4−C5+C6−C7+C8
Fy=+C1−C2+C3−C4+C5−C6+C7−C8
Fz=−(C9+C10+C11+C12)
Mx=−C11+C12
My=+C9−C10
Mz=+C1−C2−C3+C4+C5−C6−C7+C8
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。
(26) According to a twenty-sixth aspect of the present invention, in the force sensor according to the twenty-fourth or twenty-fifth aspect described above,
A first arcuate arm extends counterclockwise from the first inner connection point toward the first outer connection point, and a second arcuate arm extends from the second inner connection point to the second outer connection point. It extends in the counterclockwise direction,
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. The capacitance value of C9, the capacitance value of the ninth capacitance element C9, the capacitance value of the tenth capacitance element C10, the capacitance value of the eleventh capacitance element C11, When the capacitance value of the capacitive element is C12,
Fx = + C1-C2 + C3-C4-C5 + C6-C7 + C8
Fy = + C1-C2 + C3-C4 + C5-C6 + C7-C8
Fz =-(C9 + C10 + C11 + C12)
Mx = −C11 + C12
My = + C9-C10
Mz = + C1-C2-C3 + C4 + C5-C6-C7 + C8
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.
(27) 本発明の第27の態様は、上述した第24または第25の態様に係る力覚センサにおいて、
第1の弧状アームが、第1の内側接続点から第1の外側接続点に向かって右まわり方向に伸び、第2の弧状アームが、第2の内側接続点から第2の外側接続点に向かって右まわり方向に伸びており、
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、第9の容量素子の静電容量値をC9、第10の容量素子の静電容量値をC10、第11の容量素子の静電容量値をC11、第12の容量素子の静電容量値をC12、としたときに、
Fx=+C1−C2+C3−C4−C5+C6−C7+C8
Fy=+C1−C2+C3−C4+C5−C6+C7−C8
Fz=−(C9+C10+C11+C12)
Mx=−C11+C12
My=+C9−C10
Mz=−C1+C2+C3−C4−C5+C6+C7−C8
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。
(27) According to a twenty-seventh aspect of the present invention, in the force sensor according to the twenty-fourth or twenty-fifth aspect described above,
A first arcuate arm extends clockwise from the first inner connection point toward the first outer connection point, and a second arcuate arm extends from the second inner connection point to the second outer connection point. It extends in the clockwise direction,
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. The capacitance value of C9, the capacitance value of the ninth capacitance element C9, the capacitance value of the tenth capacitance element C10, the capacitance value of the eleventh capacitance element C11, When the capacitance value of the capacitive element is C12,
Fx = + C1-C2 + C3-C4-C5 + C6-C7 + C8
Fy = + C1-C2 + C3-C4 + C5-C6 + C7-C8
Fz =-(C9 + C10 + C11 + C12)
Mx = −C11 + C12
My = + C9-C10
Mz = -C1 + C2 + C3-C4-C5 + C6 + C7-C8
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.
(28) 本発明の第28の態様は、上述した第1〜第5の態様に係る力覚センサを構成する基本構造体を2組と、
この2組の基本構造体の弧状アームの弾性変形を電気的に検出する検出素子と、
この検出素子の検出結果に基づいて、上記2組の基本構造体の内側部材および上記2組の基本構造体の外側部材の一方を固定した状態において、他方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、
上記2組の基本構造体は、Z軸を垂直軸として上下方向に隣接するように配置されており、いずれもn=2に設定することにより、内側部材と外側部材とが第1の弧状アームと第2の弧状アームとによって接続されており、かつ、XY平面に平行な所定の平面を配置平面と定義したときに、この配置平面上に、第1の内側接続点、第2の内側接続点、第1の外側接続点、第2の外側接続点が配置されており、
上記2組の基本構造体のうちの上方に配置された一方を上段基本構造体と呼び、下方に配置された他方を下段基本構造体と呼んだ場合に、上段基本構造体の内側部材の下面と下段基本構造体の内側部材の上面との間に両者を接続する内側中間部材が設けられており、上段基本構造体の外側部材の下面と下段基本構造体の外側部材の上面との間に両者を接続する外側中間部材が設けられており、
上段基本構造体の内側部材と、内側中間部材と、下段基本構造体の内側部材は、相互に接続され、全体が積層内側部材として機能し、上段基本構造体の外側部材と、外側中間部材と、下段基本構造体の外側部材は、相互に接続され、全体が積層外側部材として機能し、
検出素子は、上段基本構造体および下段基本構造体の弧状アームの弾性変形を電気的に検出し、検出回路は、検出素子の検出結果に基づいて、積層内側部材および積層外側部材の一方を固定した状態において、他方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ようにしたものである。
(28) According to a twenty-eighth aspect of the present invention, two sets of basic structures constituting the force sensor according to the first to fifth aspects described above are provided.
A detecting element for electrically detecting elastic deformation of the arc-shaped arms of the two sets of basic structures;
Based on the detection result of the detection element, in a state where one of the inner members of the two sets of basic structures and the outer member of the two sets of basic structures is fixed, A detection circuit that outputs a detection value of a moment around a predetermined coordinate axis;
Provided,
The two sets of basic structures are arranged so as to be adjacent in the vertical direction with the Z axis as a vertical axis, and by setting n = 2 in both cases, the inner member and the outer member become the first arc-shaped arm. And a second arcuate arm, and a predetermined plane parallel to the XY plane is defined as an arrangement plane, the first inner connection point and the second inner connection are defined on the arrangement plane. A point, a first outer connection point, a second outer connection point are arranged,
The lower surface of the inner member of the upper basic structure when one of the two sets of basic structures is called the upper basic structure and the other lower one is called the lower basic structure. An inner intermediate member is provided between the upper member and the upper surface of the inner member of the lower basic structure, and between the lower surface of the outer member of the upper basic structure and the upper surface of the outer member of the lower basic structure. An outer intermediate member that connects the two is provided,
The inner member of the upper basic structure, the inner intermediate member, and the inner member of the lower basic structure are connected to each other, and the whole functions as a laminated inner member. The outer member of the upper basic structure, the outer intermediate member, The outer members of the lower basic structure are connected to each other, and the whole functions as a laminated outer member.
The detection element electrically detects elastic deformation of the arc-shaped arms of the upper basic structure and the lower basic structure, and the detection circuit fixes one of the laminated inner member and the laminated outer member based on the detection result of the detection element. In this state, the detection value of the force in the direction of the predetermined coordinate axis acting on the other or the moment around the predetermined coordinate axis is output.
(29) 本発明の第29の態様は、上述した第28の態様に係る力覚センサにおいて、
上段基本構造体および下段基本構造体が、幾何学的に合同となる構造体であり、両者は、Z軸を共通の中心軸として配置され、かつ、下段基本構造体は上段基本構造体をZ軸を回転軸として90°回転させた向きに配置されているようにしたものである。
(29) According to a twenty-ninth aspect of the present invention, in the force sensor according to the twenty-eighth aspect described above,
The upper basic structure and the lower basic structure are geometrically congruent structures, both of which are arranged with the Z axis as a common central axis, and the lower basic structure is the upper basic structure Z The shaft is arranged in a direction rotated by 90 ° about the rotation axis.
(30) 本発明の第30の態様は、上述した第29の態様に係る力覚センサにおいて、
上段基本構造体として、
第1の内側接続点が、配置平面上へのY軸の負領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第2の内側接続点が、配置平面上へのY軸の正領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第1の外側接続点が、配置平面上へのY軸の正領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第2の外側接続点が、配置平面上へのY軸の負領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、
右ネジをZ軸正方向に進める回転方向を左まわり方向、右ネジをZ軸負方向に進める回転方向を右まわり方向、と定義したときに、第1の弧状アームは、第1の内側接続点から第1の外側接続点に向かって、左まわり方向および右まわり方向のうちのいずれか一方の選択方向に伸び、第2の弧状アームは、第2の内側接続点から第2の外側接続点に向かって、上記選択方向と同じ方向に伸びている構造体を用い、
下段基本構造体として、
上段基本構造体と幾何学的に合同となる構造体を、Z軸を回転軸として90°回転させた向きに配置した構造体を用いるようにしたものである。
(30) According to a thirtieth aspect of the present invention, in the force sensor according to the twenty-ninth aspect described above,
As the upper basic structure,
The first inner connection point is arranged on or near the projection image of the negative area of the Y axis on the arrangement plane, and the second inner connection point is the projection image of the positive area of the Y axis on the arrangement plane. The first outer connection point is arranged on or near the projection image of the positive region of the Y axis on the arrangement plane, and the second outer connection point is arranged on the arrangement plane. Arranged on or near the projected image of the negative region of the Y axis,
When the rotation direction in which the right screw is advanced in the Z-axis positive direction is defined as a counterclockwise direction and the rotation direction in which the right screw is advanced in the Z-axis negative direction is defined as a clockwise direction, the first arc-shaped arm is connected to the first inner connection. The second arcuate arm extends from the second inner connection point to the second outer connection point, extending from the point toward the first outer connection point in one of the left-handed direction and the right-handed direction. Using a structure extending in the same direction as the selection direction toward the point,
As the lower basic structure,
A structure in which a structure geometrically congruent with the upper basic structure is arranged in a direction rotated by 90 ° about the Z axis as a rotation axis is used.
(31) 本発明の第31の態様は、上述した第28の態様に係る力覚センサにおいて、
上段基本構造体および下段基本構造体は、幾何学的に合同となる構造体であり、両者は、Z軸を共通の中心軸として配置され、かつ、下段基本構造体は上段基本構造体をX軸もしくはY軸を回転軸として180°回転させ、更に、Z軸を回転軸として90°回転させた向きに配置されているようにしたものである。
(31) According to a thirty-first aspect of the present invention, in the force sensor according to the twenty-eighth aspect described above,
The upper basic structure and the lower basic structure are geometrically congruent structures, both of which are arranged with the Z axis as a common central axis, and the lower basic structure is the upper basic structure X It is arranged so that it is rotated by 180 ° with the axis or Y axis as the rotation axis and further rotated by 90 ° with the Z axis as the rotation axis.
(32) 本発明の第32の態様は、上述した第31の態様に係る力覚センサにおいて、
上段基本構造体として、
第1の内側接続点が、配置平面上へのY軸の負領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第2の内側接続点が、配置平面上へのY軸の正領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第1の外側接続点が、配置平面上へのY軸の正領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第2の外側接続点が、配置平面上へのY軸の負領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、
右ネジをZ軸正方向に進める回転方向を左まわり方向、右ネジをZ軸負方向に進める回転方向を右まわり方向、と定義したときに、第1の弧状アームは、第1の内側接続点から第1の外側接続点に向かって、左まわり方向および右まわり方向のうちのいずれか一方の選択方向に伸び、第2の弧状アームは、第2の内側接続点から第2の外側接続点に向かって、上記選択方向と同じ方向に伸びている構造体を用い、
下段基本構造体として、
上段基本構造体と幾何学的に合同となる構造体を、X軸もしくはY軸を回転軸として180°回転させ、更に、Z軸を回転軸として90°回転させた向きに配置した構造体を用いるようにしたものである。
(32) According to a thirty-second aspect of the present invention, in the force sensor according to the thirty-first aspect described above,
As the upper basic structure,
The first inner connection point is arranged on or near the projection image of the negative area of the Y axis on the arrangement plane, and the second inner connection point is the projection image of the positive area of the Y axis on the arrangement plane. The first outer connection point is arranged on or near the projection image of the positive region of the Y axis on the arrangement plane, and the second outer connection point is arranged on the arrangement plane. Arranged on or near the projected image of the negative region of the Y axis,
When the rotation direction in which the right screw is advanced in the Z-axis positive direction is defined as a counterclockwise direction and the rotation direction in which the right screw is advanced in the Z-axis negative direction is defined as a clockwise direction, the first arc-shaped arm is connected to the first inner connection. The second arcuate arm extends from the second inner connection point to the second outer connection point, extending from the point toward the first outer connection point in one of the left-handed direction and the right-handed direction. Using a structure extending in the same direction as the selection direction toward the point,
As the lower basic structure,
A structure in which a structure that is geometrically congruent with the upper basic structure is rotated 180 ° with the X-axis or Y-axis as a rotation axis, and is further rotated 90 ° with the Z-axis as a rotation axis. It is intended to be used.
(33) 本発明の第33の態様は、上述した第30または第32の態様に係る力覚センサにおいて、
上段基本構造体および下段基本構造体のそれぞれについて、各弧状アームの中心線が配置平面上に位置するようにし、
上段基本構造体について、配置平面上へのX軸の正領域の投影像と弧状アームの中心線との交点に第1の測定点を定義し、配置平面上へのX軸の負領域の投影像と弧状アームの中心線との交点に第2の測定点を定義し、
下段基本構造体について、配置平面上へのY軸の正領域の投影像と弧状アームの中心線との交点に第3の測定点を定義し、配置平面上へのY軸の負領域の投影像と弧状アームの中心線との交点に第4の測定点を定義し、
検出素子が、第1〜第4の測定点の変位を電気的に検出することにより、各弧状アームの弾性変形を検出するようにしたものである。
(33) According to a thirty-third aspect of the present invention, in the force sensor according to the thirtieth or thirty-second aspect described above,
For each of the upper basic structure and the lower basic structure, the center line of each arc-shaped arm is positioned on the arrangement plane,
For the upper basic structure, a first measurement point is defined at the intersection of the projected image of the positive region of the X axis on the placement plane and the center line of the arc arm, and the negative region of the X axis is projected on the placement plane. Define a second measurement point at the intersection of the image and the center line of the arcuate arm,
For the lower basic structure, a third measurement point is defined at the intersection of the projected image of the positive area of the Y axis on the placement plane and the center line of the arcuate arm, and the negative area of the Y axis is projected on the placement plane. Define a fourth measurement point at the intersection of the image and the centerline of the arcuate arm,
The detection element detects the elastic deformation of each arcuate arm by electrically detecting the displacement of the first to fourth measurement points.
(34) 本発明の第34の態様は、上述した第33の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子が、第1の測定点近傍に配置された第1の容量素子と、第2の測定点近傍に配置された第2の容量素子と、第3の測定点近傍に配置された第3の容量素子と、第4の測定点近傍に配置された第4の容量素子と、を有しており、
第1の容量素子は、弧状アームの外側もしくは内側の第1の測定点近傍に配置され積層内側部材または積層外側部材に固定された第1の固定電極と、弧状アームの表面における第1の固定電極に対向する領域に形成された第1の変位電極と、によって構成され、
第2の容量素子は、弧状アームの外側もしくは内側の第2の測定点近傍に配置され積層内側部材または積層外側部材に固定された第2の固定電極と、弧状アームの表面における第2の固定電極に対向する領域に形成された第2の変位電極と、によって構成され、
第3の容量素子は、弧状アームの外側もしくは内側の第3の測定点近傍に配置され積層内側部材または積層外側部材に固定された第3の固定電極と、弧状アームの表面における第3の固定電極に対向する領域に形成された第3の変位電極と、によって構成され、
第4の容量素子は、弧状アームの外側もしくは内側の第4の測定点近傍に配置され積層内側部材または積層外側部材に固定された第4の固定電極と、弧状アームの表面における第4の固定電極に対向する領域に形成された第4の変位電極と、によって構成され、
検出回路が、検出素子の検出結果に基づいて、積層内側部材および積層外側部材の一方を固定した状態において、他方に作用したX軸方向の力Fx、Y軸方向の力Fyおよび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。
(34) According to a thirty-fourth aspect of the present invention, in the force sensor according to the thirty-third aspect described above,
The detection element includes a first capacitive element disposed near the first measurement point, a second capacitive element disposed near the second measurement point, and a third capacitive element disposed near the third measurement point. And a fourth capacitive element disposed in the vicinity of the fourth measurement point,
The first capacitive element is disposed near the first measurement point on the outer side or inner side of the arc-shaped arm and fixed to the laminated inner member or the laminated outer member, and the first fixed on the surface of the arc-shaped arm. A first displacement electrode formed in a region facing the electrode,
The second capacitive element is disposed in the vicinity of the second measurement point outside or inside the arcuate arm and fixed to the laminated inner member or the laminated outer member, and the second fixed electrode on the surface of the arcuate arm. A second displacement electrode formed in a region facing the electrode,
The third capacitor element is disposed near the third measurement point on the outer side or the inner side of the arc-shaped arm and fixed to the laminated inner member or the laminated outer member, and the third fixed electrode on the surface of the arc-shaped arm. A third displacement electrode formed in a region facing the electrode,
The fourth capacitor element is arranged near the fourth measurement point on the outer side or the inner side of the arc-shaped arm, and is fixed to the laminated inner member or the laminated outer member. The fourth fixed element is on the surface of the arc-shaped arm. A fourth displacement electrode formed in a region facing the electrode,
Based on the detection result of the detection element, when the detection circuit fixes one of the laminated inner member and the laminated outer member, the force Fx in the X-axis direction, the force Fy in the Y-axis direction, The detection value of the moment Mz is output.
(35) 本発明の第35の態様は、上述した第34の態様に係る力覚センサにおいて、
第1〜第4の測定点に加えて、更に、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の所定箇所に第5〜第8の測定点を定義し、第5の測定点は、下段基本構造体の配置平面上へのX軸の正領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置され、第6の測定点は、下段基本構造体の配置平面上へのX軸の負領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置され、第7の測定点は、下段基本構造体の配置平面上へのY軸の正領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置され、第8の測定点は、下段基本構造体の配置平面上へのY軸の負領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置されるようにし、
検出素子が、第5の測定点近傍に配置された第5の容量素子と、第6の測定点近傍に配置された第6の容量素子と、第7の測定点近傍に配置された第7の容量素子と、第8の測定点近傍に配置された第8の容量素子と、を更に有しており、
第5の容量素子は、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の下方の第5の測定点近傍に配置され下段基本構造体の外側部材に固定された第5の固定電極と、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の下面における第5の固定電極に対向する領域に形成された第5の変位電極と、によって構成され、
第6の容量素子は、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の下方の第6の測定点近傍に配置され下段基本構造体の外側部材に固定された第6の固定電極と、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の下面における第6の固定電極に対向する領域に形成された第6の変位電極と、によって構成され、
第7の容量素子は、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の下方の第7の測定点近傍に配置され下段基本構造体の外側部材に固定された第7の固定電極と、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の下面における第7の固定電極に対向する領域に形成された第7の変位電極と、によって構成され、
第8の容量素子は、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の下方の第8の測定点近傍に配置され下段基本構造体の外側部材に固定された第8の固定電極と、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の下面における第8の固定電極に対向する領域に形成された第8の変位電極と、によって構成され、
検出回路が、検出素子の検出結果に基づいて、積層内側部材および積層外側部材の一方を固定した状態において、他方に作用した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および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。
(35) According to a thirty-fifth aspect of the present invention, in the force sensor according to the thirty-fourth aspect described above,
In addition to the first to fourth measurement points, the fifth to eighth measurement points are defined at predetermined positions of the arc-shaped arm or the inner member of the lower basic structure, and the fifth measurement point is the lower basic structure. The sixth measurement point is located on the projected image of the negative region of the X-axis on the plane of placement of the lower basic structure. Alternatively, the seventh measurement point is arranged on the projection image of the positive region of the Y axis on the arrangement plane of the lower basic structure or in the vicinity thereof, and the eighth measurement point is arranged on the lower stage. It is arranged on the projection image of the negative area of the Y axis on the arrangement plane of the basic structure or in the vicinity thereof,
The detection element includes a fifth capacitive element disposed in the vicinity of the fifth measurement point, a sixth capacitive element disposed in the vicinity of the sixth measurement point, and a seventh capacitive element disposed in the vicinity of the seventh measurement point. And an eighth capacitive element disposed in the vicinity of the eighth measurement point,
The fifth capacitive element includes a fifth fixed electrode disposed in the vicinity of the fifth measurement point below the arc-shaped arm or the inner member of the lower basic structure, and fixed to the outer member of the lower basic structure, and the lower basic structure A fifth displacement electrode formed in a region facing the fifth fixed electrode on the lower surface of the arcuate arm or the inner member of the body,
The sixth capacitive element includes a sixth fixed electrode disposed in the vicinity of the sixth measurement point below the arc-shaped arm or the inner member of the lower basic structure, and fixed to the outer member of the lower basic structure, and the lower basic structure A sixth displacement electrode formed in a region facing the sixth fixed electrode on the arcuate arm of the body or the lower surface of the inner member, and
The seventh capacitive element includes a seventh fixed electrode disposed in the vicinity of the seventh measurement point below the arc-shaped arm or the inner member of the lower basic structure, and fixed to the outer member of the lower basic structure, and the lower basic structure An arcuate arm of the body or a seventh displacement electrode formed in a region facing the seventh fixed electrode on the lower surface of the inner member,
The eighth capacitive element includes an eighth fixed electrode disposed in the vicinity of the eighth measurement point below the arc-shaped arm or inner member of the lower basic structure, and fixed to the outer member of the lower basic structure, and the lower basic structure An arcuate arm of the body or an eighth displacement electrode formed in a region facing the eighth fixed electrode on the lower surface of the inner member,
In a state where one of the laminated inner member and the laminated outer member is fixed based on the detection result of the detection element, the detection circuit acts on the other in the X-axis direction force Fx, the Y-axis direction force Fy, and the Z-axis direction. The detection values of the force Fz, the moment Mx around the X axis, the moment My around the Y axis, and the moment Mz around the Z axis are output.
(36) 本発明の第36の態様は、上述した第35の態様に係る力覚センサにおいて、
下段基本構造体の下方に配置された支持基板を更に設け、
この支持基板は、下段基本構造体に対向する底板部と、この底板部の周囲から上方に隆起した縁周部とを有し、
下段基本構造体の外側部材の下面は、縁周部の上面に固定されており、下段基本構造体の内側部材の下面と底板部の上面との間に空洞部が形成されており、積層内側部材が、空洞部を含む周囲空間内で変位可能となるように弧状アームによって支持されており、
第1〜第8の固定電極が、底板部の上面に固定されているようにしたものである。
(36) The thirty-sixth aspect of the present invention is the force sensor according to the thirty-fifth aspect described above,
Further provided a support substrate disposed below the lower basic structure,
The support substrate has a bottom plate portion that faces the lower basic structure, and an edge peripheral portion that protrudes upward from the periphery of the bottom plate portion,
The lower surface of the outer member of the lower basic structure is fixed to the upper surface of the peripheral edge, and a cavity is formed between the lower surface of the inner member of the lower basic structure and the upper surface of the bottom plate, The member is supported by an arcuate arm so as to be displaceable within the surrounding space including the cavity,
The first to eighth fixed electrodes are fixed to the upper surface of the bottom plate portion.
本発明に係る力覚センサでは、内側部材と外側部材とが、少なくとも一部に弾性変形を生じる性質を有する複数n本の弧状アームによって接続される。このため、たとえば、外側部材を固定した状態において、内側部材に外力が作用すると、弧状アームに弾性変形が生じて、内側部材に変位が生じる。そして、この弧状アームの弾性変形を、検出素子によって電気的に検出することにより、作用した外力の検出が行われる。 In the force sensor according to the present invention, the inner member and the outer member are connected by a plurality of n arc-shaped arms having a property of causing elastic deformation at least in part. For this reason, for example, when an external force is applied to the inner member in a state where the outer member is fixed, the arc-shaped arm is elastically deformed and the inner member is displaced. And the external force which acted is detected by detecting the elastic deformation of this arc-shaped arm electrically with a detection element.
弧状アームは、内側部材上の接続点と外側部材上の接続点とを弧状に連結する部材であり、弧の曲がり具合を変えることにより容易に弾性変形を生じる性質を有しており、アーム部分を細くしたり薄くしたりしなくても、微小な外力に対しても十分な変形が生じる。このため、十分な堅牢性を確保しつつ、高い検出感度をもった力覚センサを提供することが可能になる。 The arc-shaped arm is a member that connects the connection point on the inner member and the connection point on the outer member in an arc shape, and has the property of easily generating elastic deformation by changing the bending state of the arc. Even if it is not made thinner or thinner, sufficient deformation occurs even with a minute external force. For this reason, it becomes possible to provide a force sensor having high detection sensitivity while ensuring sufficient robustness.
また、本発明に係る力覚センサを構成する基本構造体は、内側部材の周囲に外側部材を配置し、両者間に弧状アームを配置した構造を有しているため、このような基本構造体を上下に複数m個だけ積層することができる。このように、複数の基本構造体を上下に積層する構造を採用すると、力やモーメントの各軸成分の検出感度のバランスを容易に調整することが可能になる。 Further, the basic structure constituting the force sensor according to the present invention has a structure in which an outer member is arranged around the inner member and an arc-shaped arm is arranged between the two members. A plurality of m can be stacked vertically. As described above, by adopting a structure in which a plurality of basic structures are stacked one above the other, it becomes possible to easily adjust the balance of detection sensitivity of each axis component of force and moment.
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。 Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiments.
<<< §1. 本発明に係る力覚センサの基本構造体 >>>
はじめに、本発明に係る力覚センサの物理的な構造部分をなす基本構造体の形状およびその変形態様を、図1〜図10を参照しながら説明する。§2で詳述するように、本発明に係る力覚センサは、この基本構造体に、更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。
<<< §1. Basic structure of force sensor according to the present invention >>
First, the shape of the basic structure that forms the physical structure of the force sensor according to the present invention and the modification thereof will be described with reference to FIGS. As described in detail in
図1(a) 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体100の上面図であり、図1(b) は、この基本構造体100の下面に支持基板200を付加することにより構成される全体構造体の側面図である。ここでは、説明の便宜上、図示のとおり、基本構造体100の中心位置に点Oをとり、この点Oを原点とするXYZ三次元直交座標系を定義する。
FIG. 1A is a top view of a
具体的には、図1(a) において、X軸は図の右方、Y軸は図の上方、Z軸は紙面垂直手前方向に向かう座標軸であり、図1(b) において、X軸は図の右方、Y軸は紙面垂直奥方向、Z軸は図の上方に向かう座標軸である。本発明に係る力覚センサは、このような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。 Specifically, in FIG. 1 (a), the X-axis is the right side of the figure, the Y-axis is the upper side of the figure, the Z-axis is the coordinate axis toward the front side of the drawing, and in FIG. In the right side of the figure, the Y axis is a vertical direction in the drawing, and the Z axis is a coordinate axis directed upward in the figure. 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 forces in the direction of each coordinate axis and moments around each coordinate axis in such an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system.
図1(a) に示すとおり、この基本構造体100は、XYZ三次元直交座標系のZ軸上に配置された円盤状の内側部材110と、Z軸の周囲を取り囲むように配置され、内側部材110を内部に収容した円環状(リング状)の外側部材120と、内側部材110と外側部材120とを接続する役割を果たす2本の弧状アーム130,140を有している。
As shown in FIG. 1 (a), this
図1(b) の側面図に示すとおり、内側部材110は、XY平面に平行な上面および下面を有し、Z軸が中心軸となるように配置された円盤状部材によって構成され、外側部材120は、XY平面に平行な上面および下面を有し、Z軸が中心軸となるように配置された円環状部材(ワッシャ状の部材)によって構成されており、円盤状部材110が円環状部材120の内部に収容されている状態になっている。
As shown in the side view of FIG. 1 (b), the
2本の弧状アーム130,140は、いずれも、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性質を有し、内側部材110の周囲を部分的に取り囲むように配置されている。具体的には、図1(a) に示すとおり、第1の弧状アーム130は、内側部材110の右側の半周部分を取り囲むように配置されており、第2の弧状アーム140は、内側部材110の左側の半周部分を取り囲むように配置されている。なお、本願にいう「弧状」という文言は、必ずしも正確な「円弧」を意味するものではなく、「一般的な湾曲線」を広く含む意味で用いている。
Each of the two arc-shaped
第1の弧状アーム130の内側端部は内側部材110上の第1の内側接続点P1に接続され、外側端部は外側部材120上の第1の外側接続点Q1に接続されている。また、第2の弧状アーム140の内側端部は内側部材110上の第2の内側接続点P2に接続され、外側端部は外側部材120上の第2の外側接続点Q2に接続されている。ここで、第1の内側接続点P1および第2の内側接続点P2は、円盤状の内側部材110の外周部の異なる位置にある点であり、第1の外側接続点Q1および第2の内側接続点Q2は、円環状の外側部材120の内周部の異なる位置にある点である。
The inner end of the first
図1(a) に示すとおり、第1の弧状アーム130は、Z軸を中心とした円弧に沿って伸びる第1の円弧状部131と、第1の円弧状部131の一端を第1の内側接続点P1に接続する第1の内側接続部132と、第1の円弧状部131の他端を第1の外側接続点Q1に接続する第1の外側接続部133と、を有している。一方、第2の弧状アーム140は、Z軸を中心とした円弧に沿って伸びる第2の円弧状部141と、第2の円弧状部141の一端を第2の内側接続点P2に接続する第2の内側接続部142と、第2の円弧状部141の他端を第2の外側接続点Q2に接続する第2の外側接続部143と、を有している。
As shown in FIG. 1A, the first arc-shaped
図1(b) に示すとおり、Z軸を垂直軸とした場合、基本構造体100の下方には、支持基板200が配置されている。なお、本願では、基本構造体100に関しての「上下」という文言は、Z軸を垂直軸として、Z軸正方向を「上」、Z軸負方向を「下」と呼んで用いることにする。支持基板200は、基本構造体100と同じ外径を有する円盤状の基板であり、Z軸を中心軸として配置されている。支持基板200は、基本構造体100に対向する底板部210と、この底板部210の周囲から上方に隆起した縁周部220とを有している。
As shown in FIG. 1B, when the Z axis is a vertical axis, a
この基本構造体100および支持基板200の構造は、図2および図3の断面図ならびに図4の上面図を参照すると、より容易に把握できよう。図2(a) は、図1(a) に示す基本構造体100をXY平面で切断した横断面図であり、円盤状の内側部材110が、円環状の外側部材120の内部に、第1の弧状アーム130および第2の弧状アーム140によって支持されている状態が明瞭に示されている。
The structures of the
図2(b) は、図1(b) に示す全体構造体(基本構造体100に支持基板200を付加したもの)をXZ平面で切断した縦断面図であり、図3は、これをYZ平面で切断した縦断面図である。図示のとおり、基本構造体100の外側部材120の下面は、支持基板200の縁周部220の上面に固定されており、基本構造体100の内側部材110の下面と底板部210の上面との間に空洞部250が形成されている。内側部材110は、この空洞部250を含む周囲空間内で変位可能となるように、2本の弧状アーム130,140によって支持されている。
FIG. 2 (b) is a longitudinal sectional view of the entire structure shown in FIG. 1 (b) (with the
図4は、支持基板200の上面図である。ここに示す実施例の場合、円盤状の絶縁性基板の上面中央部を円形に切削することにより円柱状の空洞部250を形成し、その周囲に円環状の縁周部220を残す加工を行っている。空洞部250の下方には、円盤状の底板部210が形成されている。内側部材110は、この底板部210の上方に浮いた状態となるように、2本の弧状アーム130,140によって支持される。
FIG. 4 is a top view of the
上述したとおり、2本の弧状アーム130,140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一部に弾性変形を生じる性質を有している。このため、支持基板200およびこの支持基板200に接続された外側部材120を固定した状態において、内側部材110に外力が作用すると、2本の弧状アーム130,140に弾性変形(撓み)が生じ、内側部材110は変位することになる。もちろん、作用反作用の法則により、内側部材110を固定した状態において、支持基板200およびこの支持基板200に接続された外側部材120に外力が作用した場合も同様である。
As described above, the two arc-shaped
§2で詳述するように、本発明に係る力覚センサでは、この弧状アーム130,140に生じた弾性変形を電気的に検出する検出素子が設けられる。そして、検出回路によって、検出素子による検出結果に対して所定の演算を施すことにより、内側部材110および外側部材120の一方を固定した状態において、他方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ことができる。
As described in detail in
なお、内側部材110および外側部材120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しておくのが好ましい。そうすれば、作用した外力によって弧状アーム130,140に効率良く弾性変形を生じさせることができ、検出感度を高めることができる。
The
実用上は、基本構造体100全体を金属や樹脂などの同一材料による一体構造体として構成し、弧状アーム130,140の部分を細くすることにより、内側部材110および外側部材120に比べて、十分な弾性を有するようにすればよい。たとえば、1枚の金属円盤に対して切削加工を施して基本構造体100を形成すれば、加工工程を単純化することができ、製造コストを低減させることができる。
Practically, the entire
この場合、内側部材110および外側部材120ならびに弧状アーム130,140は、いずれも同一の金属材料によって構成されることになるが、弧状アーム130,140の部分を十分に細くすれば(検出感度に応じた寸法をもった太さに設計すればよい)、実質的に、内側部材110および外側部材120の部分を剛体として機能させ、弧状アーム130,140の部分を弾性体として機能させることができる。
In this case, the
図1(a) に示す第1の内側接続点P1、第2の内側接続点P2、第1の外側接続点Q1、第2の外側接続点Q2は、いずれもXY平面上の点である。本願では、これら各接続点が配置される平面を配置平面と呼ぶことにする。§1,§2で述べる基本的実施形態に係る基本構造体100の場合、配置平面はXY平面に一致するが、§4で述べる二段積層式の実施形態の場合、配置平面はそれぞれXY平面に平行な所定平面になる。
The first inner connection point P1, the second inner connection point P2, the first outer connection point Q1, and the second outer connection point Q2 shown in FIG. 1A are all points on the XY plane. In the present application, a plane on which these connection points are arranged is referred to as an arrangement plane. In the case of the
図1(a) に示す実施例の場合、第1の内側接続点P1と第2の内側接続点P2とを結ぶ連結直線はZ軸と交差する(すなわち、原点Oを通る)。また、第1の外側接続点Q1と第2の外側接続点Q2とを結ぶ連結直線もZ軸と交差する(すなわち、原点Oを通る)。別言すれば、第1の内側接続点P1と第2の内側接続点P2とは、原点Oに関して反対の位置にあり、第1の外側接続点Q1と第2の内側接続点Q2とは、原点Oに関して反対の位置にある。このような構成を採用することにより、図示の基本構造体100は、Z軸を回転軸として180°回転させたときの形状が回転前の形状と同一となる構造(ここでは、「180°の回転対称構造」と呼ぶ)を有していることになる。
In the embodiment shown in FIG. 1 (a), the connecting straight line connecting the first inner connecting point P1 and the second inner connecting point P2 intersects the Z axis (that is, passes through the origin O). The connecting straight line connecting the first outer connection point Q1 and the second outer connection point Q2 also intersects the Z axis (that is, passes through the origin O). In other words, the first inner connection point P1 and the second inner connection point P2 are at opposite positions with respect to the origin O, and the first outer connection point Q1 and the second inner connection point Q2 are It is in the opposite position with respect to the origin O. By adopting such a configuration, the illustrated
このように、基本構造体100が180°の回転対称構造をなすように設計しておくと、外力が作用したときに弧状アーム130,140に生じる弾性変形の態様にも座標軸に関する所定の対称性が現れることになるので、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際に必要な演算処理を単純化するメリットが得られる。したがって、実用上は、このような180°の回転対称構造をなすような設計を行うのが好ましい。
Thus, if the
続いて、図2に示す基本構造体100について、外側部材120を固定した状態で、内側部材110に各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用した場合の弧状アーム130,140の弾性変形の態様および内側部材110の傾斜の態様を、図5〜図10を参照して説明する。なお、図5〜図10は、変形状態の特徴を模式的に説明するための図であり、実際の変形態様を正確に示すものではない。
Subsequently, with respect to the
図5は、図2に示す基本構造体100の内側部材110にX軸正方向の力+Fxが作用したときの変形態様を示す図であり、上段の図(a) はXY平面で切断した横断面図、下段の図(b) はXZ平面で切断した縦断面図である。内側部材110にX軸正方向の力+Fxが作用すると、内側部材110は図の右方へと移動し、弧状アーム130,140には、これに応じた撓みが生じることになる。具体的には、図示のとおり、弧状アーム130,140は全体的に図の右方へと変位を生じる。
FIG. 5 is a diagram showing a deformation mode when a force + Fx in the X-axis positive direction is applied to the
図6は、図2に示す基本構造体100の内側部材110にY軸正方向の力+Fyが作用したときの変形態様を示す図であり、上段の図(a) はXY平面で切断した横断面図、下段の図(b) はXZ平面で切断した縦断面図である。内側部材110にY軸正方向の力+Fyが作用すると、内側部材110は図の上方へと移動し、弧状アーム130,140には、これに応じた撓みが生じることになる。具体的には、図示のとおり、弧状アーム130,140は全体的に図の上方へと変位を生じる。
FIG. 6 is a view showing a deformation mode when a force + Fy in the Y-axis positive direction is applied to the
このとき、第1の弧状アーム130に対しては、全長を縮める応力が加わるため、湾曲の程度が大きくなり、全体的に図の上方への変位を生じるとともに、X軸近傍部分が図の右方へと膨らむ変形(矢印R1参照)が生じる点は留意しておくべきである。一方、第2の弧状アーム140に対しては、全長を伸ばす応力が加わるため、湾曲の程度が小さくなり、全体的に図の上方への変位を生じるとともに、X軸近傍部分が図の右方へと逸れる変形(矢印R2参照)が生じる点も留意しておくべきである。
At this time, the first
図7は、図2に示す基本構造体100の内側部材110にZ軸正方向の力+Fzが作用したときの変形態様を示す図であり、上段の図(a) はXY平面で切断した横断面図、下段の図(b) はXZ平面で切断した縦断面図である。内側部材110にZ軸正方向の力+Fzが作用すると、内側部材110は図の紙面垂直手前方向へと移動し(内側部材110内に記されている「丸に上」の記号は、紙面垂直手前方向への変位を示している)、弧状アーム130,140には、これに応じた撓みが生じることになる。具体的には、図7(b) に示すとおり、弧状アーム130,140の内側部分は、内側部材110の図の上方への変位に引きづられて、図の上方へと変位を生じる。
FIG. 7 is a diagram showing a deformation mode when a force + Fz in the positive direction of the Z-axis is applied to the
図8は、図2に示す基本構造体100の内側部材110にX軸正まわりのモーメント+Mxが作用したときの変形態様を示す図であり、上段の図(a) はXY平面で切断した横断面図、下段の図(b) はYZ平面で切断した縦断面図である。なお、図8(b) はXZ平面で切断した断面図ではなく、YZ平面で切断した断面図であるため、図8(a) では、右方向がX軸正方向になっているが、図8(b) では、右方向がY軸正方向になっている。本願では、特定の座標軸の正方向に右ネジを進める回転方向のモーメントを、当該特定の座標軸まわりの正方向のモーメントと定義している。したがって、図示の例の場合、X軸正まわりのモーメント+Mxは、図8(b) において(X軸正方向は、紙面垂直手前方向)、反時計まわりのモーメントということになる。
FIG. 8 is a view showing a deformation mode when a moment + Mx about the positive X axis acts on the
図8(a) において、内側部材110内に記されている「丸に上」の記号および「丸に下」の記号は、紙面垂直手前方向および垂直奥方向への変位を示している。内側部材110に対して、X軸正まわりのモーメント+Mxが作用すると、図8(a) に示されている内側部材110の上半分については紙面垂直手前方向への力が加わり、下半分については紙面垂直奥方向への力が加わることになり、弧状アーム130,140には、これに応じた撓みが生じることになる。
In FIG. 8 (a), the symbols “upper circle” and “lower circle” written in the
図9は、図2に示す基本構造体100の内側部材110にY軸正まわりのモーメント+Myが作用したときの変形態様を示す図であり、上段の図(a) はXY平面で切断した横断面図、下段の図(b) はXZ平面で切断した縦断面図である。図9(b) に示すとおり、Y軸正まわりのモーメント+Myは、図において時計まわりのモーメントということになる。
FIG. 9 is a diagram showing a deformation mode when a moment + My around the Y axis acts on the
図9(a) において、内側部材110内に記されている「丸に上」の記号および「丸に下」の記号は、紙面垂直手前方向および垂直奥方向への変位を示している。内側部材110に対して、Y軸正まわりのモーメント+Myが作用すると、図9(a) に示されている内側部材110の左半分については紙面垂直手前方向への力が加わり、右半分については紙面垂直奥方向への力が加わることになり、弧状アーム130,140には、これに応じた撓みが生じることになる。
In FIG. 9 (a), the symbol “upper circle” and the symbol “lower circle” written in the
図10は、図2に示す基本構造体100の内側部材110にZ軸正まわりのモーメント+Mzが作用したときの変形態様を示す図であり、上段の図(a) はXY平面で切断した横断面図、下段の図(b) はXZ平面で切断した縦断面図である。図10(a) に示すとおり、Z軸正まわりのモーメント+Mzは、図において(Z軸正方向は、紙面垂直手前方向)反時計まわりのモーメントということになる。
FIG. 10 is a diagram showing a deformation mode when a moment + Mz about the positive Z axis acts on the
内側部材110に対して、Z軸正まわりのモーメント+Mzが作用すると、内側部材110が図10(a) において反時計まわりに回転し、弧状アーム130,140には、これに応じた撓みが生じることになる。具体的には、第1の弧状アーム130に対しては、全長を縮める応力が加わるため、湾曲の程度が大きくなり、外側へ膨らむ変形が生じることになる。同様に、第2の弧状アーム140に対しても、全長を縮める応力が加わるため、湾曲の程度が大きくなり、外側へ膨らむ変形が生じることになる。
When a moment + Mz about the positive Z-axis acts on the
以上、図2に示す基本構造体100について、外側部材120を固定した状態で、内側部材110に各座標軸方向の力+Fx,+Fy,+Fzおよび各座標軸まわりのモーメント+Mx,+My,+Mzが作用した場合の弧状アーム130,140の弾性変形の態様および内側部材110の傾斜の態様を説明した。本発明の基本的な実施形態に係る力覚センサは、弧状アーム130,140の弾性変形の態様および内側部材110の傾斜の態様を検出素子によって検出することにより、作用した力+Fx,+Fy,+Fzおよびモーメント+Mx,+My,+Mzの検出値を出力する機能を有している。この機能については、次の§2において詳述する。
As described above, in the
<<< §2. 基本的実施形態に係る力覚センサ >>>
本発明の基本的実施形態に係る力覚センサは、§1で述べた基本構造体100に、弧状アーム130,140の弾性変形を電気的に検出する検出素子と、この検出素子の検出結果に基づいて、内側部材110および外側部材120の一方を固定した状態において、他方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、を付加したものである。
<<< §2. Force sensor according to basic embodiment >>
The force sensor according to the basic embodiment of the present invention includes a detection element that electrically detects elastic deformation of the arc-shaped
図5〜図10を参照して説明したとおり、外力が作用したときの弧状アーム130,140の弾性変形の態様は、作用した外力の向きに応じて異なり、弾性変形の程度は、作用した外力の大きさに応じて異なる。したがって、弧状アーム130,140に生じた弾性変形を、検出素子によって電気的に検出した上で、この検出結果について検出回路による適切な処理を行えば、作用した力+Fx,+Fy,+Fzおよびモーメント+Mx,+My,+Mzの検出値を得ることができる。
As described with reference to FIGS. 5 to 10, the manner of elastic deformation of the arc-shaped
弧状アームに生じた弾性変形を電気的に検出する1つの方法として、弧状アーム表面に発生する応力を検出する方法を採ることができる。たとえば、弧状アーム表面の所定箇所にストレインゲージを貼り付けておき、このストレインゲージのゲージ抵抗を測定する方法を採れば、各部に生じた応力を電気的に検出することができ、弧状アームに生じた弾性変形の態様および大きさを把握することができる。 As one method for electrically detecting the elastic deformation generated in the arcuate arm, a method for detecting the stress generated on the surface of the arcuate arm can be adopted. For example, if a strain gauge is affixed to a predetermined location on the surface of the arc-shaped arm and the gauge resistance of the strain gauge is measured, the stress generated in each part can be detected electrically, and the stress generated in the arc-shaped arm can be detected. It is possible to grasp the mode and size of the elastic deformation.
ただ、ここで説明する基本的実施形態では、弧状アームの所定箇所の変位を検出する方法を採用している。すなわち、弧状アーム130,140に所定の測定点を設定し、検出素子によって、この測定点の変位を電気的に検出することにより、当該弧状アーム130,140の弾性変形を検出する方法を採っている。具体的には、検出素子によって、弧状アーム130,140の測定点近傍の測定対象面と、内側部材110または外側部材120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ことになる。
However, in the basic embodiment described here, a method of detecting the displacement of a predetermined portion of the arc-shaped arm is adopted. That is, a method for detecting elastic deformation of the
このように、変位を生じる測定対象面と、固定された対向基準面と、の間の距離を電気的に測定する方法としては、光学的な測定方法、磁気的な測定方法などが知られているが、最も単純な方法は、容量素子の静電容量値を利用した測定方法である。すなわち、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検出素子を構成しておけば、この容量素子の静電容量値に基づいて両電極間の距離(すなわち、測定対象面と対向基準面との間の距離)を検出することができる。これは、容量素子の静電容量値が、両電極間の距離に反比例するという物理的な性質を有しているためである。 As described above, an optical measurement method, a magnetic measurement method, or the like is known as a method for electrically measuring the distance between the measurement target surface that causes the displacement and the fixed counter reference surface. However, the simplest method is a measurement method using the capacitance value of the capacitive element. In other words, if a detection element is configured by a capacitive element having a displacement electrode provided on the measurement target surface and a fixed electrode provided on the opposing reference plane, both are determined based on the capacitance value of the capacitive element. The distance between the electrodes (that is, the distance between the measurement target surface and the opposing reference surface) can be detected. This is because the capacitance value of the capacitive element has a physical property that it is inversely proportional to the distance between both electrodes.
図11は、図4に示す支持基板200の上面に、12枚の固定電極E1〜E12を配置した状態を示す上面図である。前述したとおり、支持基板200は、円盤状の底板部210の周囲に円環状の縁周部220を設けた構造を有しており、内部に空洞部250が形成されている。12枚の固定電極E1〜E12は、図示のとおり、底板部210の上面の所定位置に固定される。なお、ここに示す実施例の場合、支持基板200は、絶縁性材料によって構成されているため、12枚の固定電極E1〜E12を底板部210の上面に直接固定しているが、支持基板200を金属などの導電性材料によって構成した場合には、何らかの絶縁層を介して、12枚の固定電極E1〜E12を底板部210の上面に固定する必要がある。
FIG. 11 is a top view showing a state in which twelve fixed electrodes E1 to E12 are arranged on the upper surface of the
ここでは、固定電極E1〜E8の配置を説明する便宜上、図示のとおり、W1軸とW2軸とを定義する。これらの軸はいずれもXY平面上の軸であり、W1軸は、XY平面上において、X軸を左まわり方向(図における反時計まわり)に45°回転させた軸であり、W2軸は、XY平面上において、Y軸を左まわり方向(図における反時計まわり)に45°回転させた軸である。図示のとおり、固定電極E1,E2はW1軸の正領域に配置され、固定電極E3,E4はW1軸の負領域に配置され、固定電極E5,E6はW2軸の正領域に配置され、固定電極E7,E8はW2軸の正領域に配置されている。
Here, for convenience of describing the arrangement of the fixed electrodes E1 to E8, the W1 axis and the W2 axis are defined as illustrated. These axes are all axes on the XY plane, the W1 axis is an axis obtained by rotating the
これら固定電極E1〜E8は、長方形の板をわずかに湾曲させた形状を有する同一サイズの電極であり、固定電極E1,E4,E5,E8は弧状アーム130,140の外側面(Z軸から遠い面)に対向する位置に配置され、固定電極E2,E3,E6,E7は弧状アーム130,140の内側面(Z軸に近い面)に対向する位置に配置されている。ここに示す実施例の場合、固定電極E1,E4,E5,E8は、Z軸を中心軸として第1の径をもった円柱面に沿った位置に配置されており、固定電極E2,E3,E6,E7は、Z軸を中心軸として第2の径をもった円柱面に沿った位置に配置されている。なお、固定電極E1〜E8としては、湾曲のない長方形の板をそのまま用いてもかまわない(他の実施例についても同様)。
The fixed electrodes E1 to E8 are electrodes of the same size having a shape obtained by slightly curving a rectangular plate, and the fixed electrodes E1, E4, E5, and E8 are the outer surfaces of the arc-shaped
一方、固定電極E9〜E12は、底板部210の上面に固定された同一サイズの円盤状の電極であり、X軸およびY軸を底板部210の上面に投影した場合、固定電極E9はX軸正領域の投影像上に配置され、固定電極E10はX軸負領域の投影像上に配置され、固定電極E11はY軸正領域の投影像上に配置され、固定電極E12はY軸負領域の投影像上に配置されている。図11において、破線の円は、内側部材110の位置を示している。固定電極E9〜E12は、いずれもこの破線の円の内側に配置されている。これは、固定電極E9〜E12が、内側部材110の下面に対向する位置に配置されていることを示している。この実施例では、各固定電極E9〜E12の中心点とZ軸との距離は同一に設定されており、各固定電極E9〜E12は、Z軸から等距離の位置に配置されている。
On the other hand, the fixed electrodes E9 to E12 are disk-shaped electrodes of the same size fixed to the upper surface of the
図12は、図2に示す全体構造体に、12枚の固定電極E1〜E12を配置した状態を示す縦断面図である。この縦断面図は、全体構造体を、図11に示すW1軸に沿ったW1−Z平面で切断した断面図になっているため、4枚の固定電極E1〜E4の断面が示されている(図示の便宜上、固定電極E1〜E4は断面部分のみを図示している)。 FIG. 12 is a longitudinal sectional view showing a state in which twelve fixed electrodes E1 to E12 are arranged in the entire structure shown in FIG. This vertical cross-sectional view is a cross-sectional view of the entire structure cut along the W1-Z plane along the W1 axis shown in FIG. 11, so the cross sections of the four fixed electrodes E1 to E4 are shown. (For convenience of illustration, only the cross-sectional portions of the fixed electrodes E1 to E4 are shown).
図12の中央奥には、固定電極E6の正面図が示されている(固定電極E5は、固定電極E6の奥に隠れている)。前述したとおり、8枚の固定電極E1〜E8は、いずれも図示されている固定電極E6と同様に、長方形状の板状電極(たとえば、金属板)であり、弧状アーム130,140の内側面もしくは外側面に対向する位置に配置されている。
12 is a front view of the fixed electrode E6 (the fixed electrode E5 is hidden behind the fixed electrode E6). As described above, each of the eight fixed electrodes E1 to E8 is a rectangular plate-like electrode (for example, a metal plate) like the fixed electrode E6 shown in the figure, and the inner surfaces of the arc-shaped
具体的には、固定電極E1は、第1の弧状アーム130の外側面に対向する位置に配置され、固定電極E2は、第1の弧状アーム130の内側面に対向する位置に配置され、固定電極E3は、第2の弧状アーム140の内側面に対向する位置に配置され、固定電極E4は、第2の弧状アーム140の外側面に対向する位置に配置されている。
Specifically, the fixed electrode E1 is disposed at a position facing the outer surface of the first
ここに示す実施例の場合、支持基板200は絶縁性材料によって構成されているが、基本構造体100は金属などの導電性材料によって構成されている。したがって、第1の弧状アーム130の表面、第2の弧状アーム140の表面、内側部材110の表面は、いずれも変位電極E0として機能する。たとえば、第1の弧状アーム130および第2の弧状アーム140の表面の、各固定電極E1〜E4の対向部分は、それぞれが変位電極E0として機能する。本願の図では、説明の便宜上、必要に応じて、これら変位電極E0を太線で示すことにする。
In the embodiment shown here, the
図12において、第1の弧状アーム130の右側に描かれた太線は、固定電極E1に対向する変位電極E0を示しており、第1の弧状アーム130の左側に描かれた太線は、固定電極E2に対向する変位電極E0を示している。同様に、第2の弧状アーム140の右側に描かれた太線は、固定電極E3に対向する変位電極E0を示しており、第2の弧状アーム140の左側に描かれた太線は、固定電極E4に対向する変位電極E0を示している。これらの変位電極E0は、導電性材料からなる第1の弧状アーム130および第2の弧状アーム140の表面の部分領域であり、相互に導通している。したがって、各変位電極E0は電気的には単一の共通電極として機能することになる。
In FIG. 12, the thick line drawn on the right side of the first
図12は、全体構造体をW1−Z平面で切断した断面図であるが、W2−Z平面で切断した断面図も同様の構造になる。すなわち、固定電極E5〜E8に対向した、第1の弧状アーム130および第2の弧状アーム140の表面の部分領域が、それぞれ変位電極E0として機能することになる。なお、図12では、固定電極E10,E11は、切断面より奥に位置する電極になるため、内側部材110には、これら固定電極E10,E11に対向する変位電極E0を示す太線が描かれていないが、実際には、内側部材110の下面の図の奥の部分に、固定電極E10,E11に対向する変位電極E0が存在することになる。
FIG. 12 is a cross-sectional view of the entire structure cut along the W1-Z plane, but a cross-sectional view cut along the W2-Z plane has the same structure. That is, the partial regions on the surfaces of the first arc-shaped
図13(a) は、図2に示す全体構造体に、12枚の固定電極E1〜E12を配置した状態を示す横断面図(XY平面で切断した断面図)であり、図13(b) は、これをXZ平面で切断した縦断面図である。この図においても、各弧状アーム130,140や内側部材110の表面の、各固定電極E1〜E12の対向部分によって構成される変位電極E0を太線で示してある。また、図13(a) には、支持基板200上に形成された4枚の固定電極E9〜E12の位置を破線で示してある。
FIG. 13A is a cross-sectional view (cross-sectional view cut along the XY plane) showing a state in which twelve fixed electrodes E1 to E12 are arranged in the entire structure shown in FIG. These are the longitudinal cross-sectional views which cut | disconnected this by XZ plane. Also in this figure, the displacement electrode E0 comprised by the opposing part of each fixed electrode E1-E12 of the surface of each arc-shaped arm 130,140 or the
なお、本願の各図は、センサの設計図ではなく、発明の原理を説明するための図であるため、各部の寸法比は実寸どおりの寸法比を示すものではない。特に、個々の電極の厚みや位置は、図面上、デフォルメされたものとなっており、実寸どおりのものにはなっていない。 Each drawing of the present application is not a design drawing of the sensor, but a drawing for explaining the principle of the invention. Therefore, the dimensional ratio of each part does not show the dimensional ratio as the actual size. In particular, the thicknesses and positions of the individual electrodes are deformed on the drawing, and are not exactly the same.
図13(a) には、XY平面(配置平面)上の所定位置に、8個の測定点H1〜H8を定義した状態が示されている。具体的には、第1の測定点H1は、第1の弧状アーム130の中心線(アームの長手方向に沿って伸びる中心線)とW1軸の正領域との交点位置に定義され、第2の測定点H2は、第2の弧状アーム140の中心線とW1軸の負領域との交点位置に定義され、第3の測定点H3は、第2の弧状アーム140の中心線とW2軸の正領域との交点位置に定義され、第4の測定点H4は、第1の弧状アーム130の中心線とW2軸の負領域との交点位置に定義されている。なお、各弧状アームの中心線は、いずれも配置平面(ここに示す実施例では、XY平面)上に位置している。
FIG. 13 (a) shows a state in which eight measurement points H1 to H8 are defined at predetermined positions on the XY plane (arrangement plane). Specifically, the first measurement point H1 is defined at the intersection point between the center line of the first arcuate arm 130 (center line extending along the longitudinal direction of the arm) and the positive region of the W1 axis. The measurement point H2 is defined as the intersection position of the center line of the second
一方、第5の測定点H5は、内側部材110内のX軸の正領域上に定義され、第6の測定点H6は、内側部材110内のX軸の負領域上に定義され、第7の測定点H7は、内側部材110内のY軸の正領域上に定義され、第8の測定点H8は、内側部材110内のX軸の負領域上に定義されている。
On the other hand, the fifth measurement point H5 is defined on the positive region of the X axis in the
ここに示す実施例の場合、4個の測定点H1〜H4は、XY平面上における原点Oを中心とした同一の円の円周上の点として定義され、4個の測定点H5〜H8も、XY平面上における原点Oを中心とした同一の円の円周上の点として定義されている。各測定点を、このように対称性をもった位置に定義しておけば、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ための演算式が単純化される。 In the case of the embodiment shown here, the four measurement points H1 to H4 are defined as points on the circumference of the same circle around the origin O on the XY plane, and the four measurement points H5 to H8 are also defined. , Defined as a point on the circumference of the same circle around the origin O on the XY plane. If each measurement point is defined in such a symmetrical position, an arithmetic expression for obtaining a force in each coordinate axis direction and a moment around each coordinate axis is simplified.
このように、8個の測定点H1〜H8を基準にすると、まず、W1軸に沿った位置に関しては、固定電極E1とこれに対向する変位電極(太線部分)とによって第1の測定点H1の外側近傍に配置された第1の容量素子C1が形成され、固定電極E2とこれに対向する変位電極(太線部分)とによって第1の測定点H1の内側近傍に配置された第2の容量素子C2が形成され、固定電極E3とこれに対向する変位電極(太線部分)とによって第2の測定点H2の内側近傍に配置された第3の容量素子C3が形成され、固定電極E4とこれに対向する変位電極(太線部分)とによって第2の測定点H2の外側近傍に配置された第4の容量素子C4が形成されることになる。 As described above, when the eight measurement points H1 to H8 are used as a reference, first, with respect to the position along the W1 axis, the first measurement point H1 is defined by the fixed electrode E1 and the displacement electrode (thick line portion) facing the fixed electrode E1. The first capacitor C1 is formed near the outside of the first capacitor C1, and the second capacitor is disposed near the inside of the first measurement point H1 by the fixed electrode E2 and the displacement electrode (thick line portion) facing the fixed electrode E2. An element C2 is formed, and a third capacitive element C3 disposed near the inner side of the second measurement point H2 is formed by the fixed electrode E3 and a displacement electrode (bold line portion) facing the fixed electrode E3. The fourth capacitive element C4 disposed near the outside of the second measurement point H2 is formed by the displacement electrode (thick line portion) that faces the center.
また、W2軸に沿った位置に関しては、固定電極E5とこれに対向する変位電極(太線部分)とによって第3の測定点H3の外側近傍に配置された第5の容量素子C5が形成され、固定電極E6とこれに対向する変位電極(太線部分)とによって第3の測定点H3の内側近傍に配置された第6の容量素子C6が形成され、固定電極E7とこれに対向する変位電極(太線部分)とによって第4の測定点H4の内側近傍に配置された第7の容量素子C7が形成され、固定電極E8とこれに対向する変位電極(太線部分)とによって第4の測定点H4の外側近傍に配置された第8の容量素子C8が形成されることになる。 In addition, with respect to the position along the W2 axis, a fifth capacitive element C5 disposed near the outside of the third measurement point H3 is formed by the fixed electrode E5 and the displacement electrode (thick line portion) facing the fixed electrode E5. The fixed electrode E6 and the displacement electrode (thick line portion) opposed thereto form a sixth capacitive element C6 disposed near the inside of the third measurement point H3, and the fixed electrode E7 and the displacement electrode ( The seventh capacitive element C7 disposed near the inner side of the fourth measurement point H4 is formed by the thick line portion), and the fourth measurement point H4 is formed by the fixed electrode E8 and the displacement electrode (thick line portion) opposed thereto. Thus, the eighth capacitive element C8 is formed in the vicinity of the outer side.
そして、X軸に沿った位置に関しては、固定電極E9とこれに対向する変位電極(太線部分)とによって第5の測定点H5の下方に配置された第9の容量素子C9が形成され、固定電極E10とこれに対向する変位電極(太線部分)とによって第6の測定点H6の下方に配置された第10の容量素子C10が形成されることになる。また、Y軸に沿った位置に関しては、固定電極E11とこれに対向する変位電極とによって第7の測定点H7の下方に配置された第11の容量素子C11が形成され、固定電極E12とこれに対向する変位電極とによって第8の測定点H8の下方に配置された第12の容量素子C12が形成されることになる。 As for the position along the X axis, the ninth capacitive element C9 disposed below the fifth measurement point H5 is formed by the fixed electrode E9 and the displacement electrode (thick line portion) opposed to the fixed electrode E9. The tenth capacitive element C10 disposed below the sixth measurement point H6 is formed by the electrode E10 and the displacement electrode (thick line portion) opposed to the electrode E10. As for the position along the Y-axis, the eleventh capacitive element C11 disposed below the seventh measurement point H7 is formed by the fixed electrode E11 and the displacement electrode facing the fixed electrode E11. Accordingly, a twelfth capacitive element C12 disposed below the eighth measurement point H8 is formed by the displacement electrode opposed to the first electrode.
このように、ここに示す実施例の場合、内側部材110、外側部材120、弧状アーム130,140が導電性材料によって構成されているため、弧状アーム130,140もしくは内側部材110の表面の一部分を、12枚の固定電極E1〜E12に対向する変位電極E0として利用することができ、12組の容量素子C1〜C12を構成することができる。
Thus, in the case of the embodiment shown here, the
結局、弧状アーム130,140の内側面もしくは外側面の測定点H1〜H4の近傍に脇側測定対象面(図13(a) の太線部分)を定義すれば、8枚の固定電極E1〜E8は、この脇側測定対象面に対向する脇側対向基準面を有し、外側部材120に固定された固定構造体として機能することになり(実際には、各固定電極E1〜E8は、支持基板200を介して外側部材120に間接的に固定されている)、8組の容量素子C1〜C8は、脇側測定対象面と脇側対向基準面との距離を電気的に検出する検出素子としての役割を果たすことになる。
After all, if the side measurement target surface (the bold line portion in FIG. 13 (a)) is defined in the vicinity of the measurement points H1 to H4 on the inner or outer surface of the arc-shaped
また、内側部材110の所定箇所には、付加的測定点H5〜H8が定義されている。そして、内側部材110の下面における付加的測定点H5〜H8の近傍に下側測定対象面(図13(b) の太線部分)を定義すれば、4枚の固定電極E9〜E12は、この下側測定対象面に対向する下側対向基準面を有し、外側部材120に固定された固定構造体として機能することになり(実際には、各固定電極E9〜E12は、支持基板200を介して外側部材120に間接的に固定されている)、4組の容量素子C9〜C12は、下側測定対象面と下側対向基準面との距離を電気的に検出する検出素子としての役割を果たすことになる。
Further, additional measurement points H <b> 5 to H <b> 8 are defined at predetermined locations on the
このように、8枚の固定電極E1〜E8とこれらに対向する変位電極とによって構成される容量素子C1〜C8は、測定点H1〜H4の径方向(W1軸もしくはW2軸に沿った方向)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H1〜H4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、4枚の固定電極E9〜E12とこれらに対向する変位電極とによって構成される容量素子C9〜C12は、測定点H5〜H8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H5〜H8の水平方向(XY平面に平行な方向)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 C8 configured by the eight fixed electrodes E1 to E8 and the displacement electrodes facing the fixed electrodes E1 to E8 are in the radial direction of the measurement points H1 to H4 (direction along the W1 axis or W2 axis). However, the detection result is not affected by the displacement of the measurement points H1 to H4 in the vertical direction (Z-axis direction). Similarly, the capacitive elements C9 to C12 constituted by the four fixed electrodes E9 to E12 and the displacement electrodes opposed thereto have a function of detecting displacement in the vertical direction (Z-axis direction) of the measurement points H5 to H8. However, the detection result is not affected by the displacement of the measurement points H5 to H8 in the horizontal direction (direction parallel to the XY plane). The reason is as follows.
いま、図14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14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. 14, the area inside the projection image A indicated by the broken line is the effective opposing area of this capacitive element. However, both electrodes Ea and Eb are displaced in a 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14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. 14 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13に示す力覚センサにおける容量素子C9〜C12も同様の特徴を有している。すなわち、固定電極E9〜E12のサイズに比べて、変位電極E0(内側部材110の下面)のサイズの方が大きいため、測定点H5〜H8が水平方向(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。 The capacitive elements C9 to C12 in the force sensor shown in FIG. 13 have the same characteristics. That is, since the size of the displacement electrode E0 (the lower surface of the inner member 110) is larger than the size of the fixed electrodes E9 to E12, the measurement points H5 to H8 are displaced in the horizontal 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C9〜C12を構成する固定電極E9〜E12を、対向する変位電極E0の形成面(内側部材110の下面)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C9〜C12は、測定点H5〜H8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H5〜H8が水平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C9〜C12によって水平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C9〜C12の静電容量値の変化は、専ら、測定点H5〜H8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 E9 to E12 constituting the capacitive elements C9 to C12 onto the formation surface of the opposing displacement electrode E0 (the lower surface of the inner member 110) is included in the displacement electrode E0. It has become a relationship. For this reason, the capacitive elements C9 to C12 have a function of detecting displacement in the vertical direction (Z-axis direction) of the measurement points H5 to H8, but the measurement points H5 to H8 are displaced in the horizontal direction. However, as long as the displacement is within a predetermined allowable range, the displacement in the horizontal direction is not detected by the capacitive elements C9 to C12. In other words, changes in the capacitance values of the capacitive elements C9 to C12 can be handled exclusively as information indicating the vertical displacement (Z-axis direction) of the measurement points H5 to H8.
続いて、容量素子C1〜C8について考えてみる。図13(a) の横断面図に示されているように、容量素子C1〜C8は、固定電極E1〜E8と、弧状アーム130,140の表面の対向部分(太線部分)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〜E8は、図12の縦断面図に示されているように、支持基板200の底板部210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〜E8の高さは、その上端が基本構造体100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、基本構造体100を支持基板200の上面に接合すると、基本構造体100の上面より更に上方に、固定電極E1〜E8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 C8. As shown in the cross-sectional view of FIG. 13 (a), the capacitive elements C1 to C8 include the displacement electrodes E0 including the fixed electrodes E1 to E8 and the opposing portions (thick line portions) on the surfaces of the arc-shaped
このような構成を採れば、弧状アーム130,140の測定点H1〜H4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〜E8と対向電極E0(太線部分)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 H1 to H4 of the arc-shaped
たとえば、図12に太線で示した4箇所の部分を、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)。固定電極E5〜E8についても同様である。このため、容量素子C1〜C8は、測定点H1〜H4の径方向の変位検出を行う機能を有しているが、測定点H1〜H4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〜C8によって上下方向の変位が検出されることはない。同様の理由により、周方向の変位が検出されることもない。別言すれば、容量素子C1〜C8の静電容量値の変化は、専ら、測定点H1〜H4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。 For example, if the four portions indicated by bold lines in FIG. 12 are grasped as displacement electrodes facing the fixed electrodes E1 to E4, respectively, the projected images of these displacement electrodes projected onto the facing fixed electrodes E1 to E4 are: The relation is included in the fixed electrodes E1 to E4, respectively (the fixed electrodes E1 to E4 are spread vertically). The same applies to the fixed electrodes E5 to E8. For this reason, the capacitive elements C1 to C8 have a function of detecting the displacement in the radial direction of the measurement points H1 to H4, but the measurement points H1 to H4 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 C8. For the same reason, circumferential displacement is not detected. In other words, changes in the capacitance values of the capacitive elements C1 to C8 can be handled exclusively as information indicating the radial displacement of the measurement points H1 to H4.
図15(a) ,(b) は、このような前提において、図13に示す力覚センサの支持基板200(外側部材120)を固定した状態で、内側部材110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〜C12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。
15 (a) and 15 (b) show the force in the direction of each coordinate axis with respect to the
なお、テーブルの「C1〜C12」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(弧状アームもしくは内側部材の表面の一部の領域)は変位電極である。 In addition, the parenthesis written in the “C1 to C12” 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 (an arc-shaped arm or a partial region of the surface of the inner member) is a displacement electrode.
前述したように、容量素子C1〜C8の静電容量値の変化は、専ら、測定点H1〜H4の径方向の変位を示し、容量素子C9〜C12の静電容量値の変化は、専ら、測定点H5〜H8の上下方向(Z軸方向)の変位を示すことになる。そして、内側部材110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各弧状アーム130,140の弾性変形の態様は、図5〜図10に示したとおりである。これらの事実を踏まえれば、図15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 C8 exclusively indicates the radial displacement of the measurement points H1 to H4, and the change in capacitance value of the capacitive elements C9 to C12 is exclusively This indicates the displacement in the vertical direction (Z-axis direction) of the measurement points H5 to H8. And the mode of elastic deformation of each arcuate arm 130,140 when the six-axis component of force + Fx, + Fy, + Fz, moment + Mx, + My, + Mz is applied to the
たとえば、力+Fxが作用した場合、各弧状アーム130,140は図5に示すような弾性変形を生じることになり、全体的に図の右方に変位する。このため、図13(a) に示す測定点H1〜H4も図の右方に変位し、固定電極E1,E8,E6,E3には近づくが、固定電極E2,E7,E5,E4からは遠ざかる。このため、容量素子C1,C8,C6,C3の静電容量値は増加し、容量素子C2,C7,C5,C4の静電容量値は減少する。このとき、測定点H1〜H4はZ軸方向には変位しないので、容量素子C9〜C12の静電容量値に変化は生じない。図15(a) ,(b) 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 a force + Fx is applied, the arc-shaped
一方、力+Fyが作用した場合、各弧状アーム130,140は図6に示すような弾性変形を生じることになり、全体的に図の上方に変位する。このため、図13(a) に示す測定点H1〜H4も図の上方に変位し、固定電極E1,E5,E7,E3には近づくが、固定電極E2,E6,E8,E4からは遠ざかる。このため、容量素子C1,C5,C7,C3の静電容量値は増加し、容量素子C2,C6,C8,C4の静電容量値は減少する。このとき、測定点H1〜H4はZ軸方向には変位しないので、容量素子C9〜C12の静電容量値に変化は生じない。図15(a) ,(b) 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。
On the other hand, when the force + Fy is applied, the arc-shaped
そして、力+Fzが作用した場合、各弧状アーム130,140は図7に示すような弾性変形を生じることになる。すなわち、内側部材110はZ軸正方向に変位するが、弧状アーム130,140は若干傾斜するものの、測定点H1〜H4の径方向の変位は生じない。このため、容量素子C1〜C8の静電容量値に変化は生じない。ところが、内側部材110はZ軸正方向に変位するため、容量素子C9〜C12の電極間隔は広くなり、静電容量値は減少する。図15(a) ,(b) 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。
And when force + Fz acts, each arc-shaped arm 130,140 will produce elastic deformation as shown in FIG. That is, the
一方、モーメント+Mxが作用した場合、各弧状アーム130,140は図8に示すような弾性変形を生じることになる。すなわち、内側部材110はX軸まわりに傾斜するが、測定点H1〜H4の径方向の変位は生じない(厳密に言えば、微小な変位が生じるが、実質的に無視しうる量である)。このため、容量素子C1〜C8の静電容量値に変化は生じない。ところが、内側部材110がX軸まわりに傾斜するため、容量素子C11の電極間隔は広くなり、その静電容量値は減少し、容量素子C12の電極間隔は狭くなり、その静電容量値は増加する。このとき、容量素子C9,C10については、一部の電極間隔は広くなり、一部の電極間隔は狭くなるため、全体的には、静電容量値に変化は生じない。図15(a) ,(b) 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 is applied, the arc-shaped
また、モーメント+Myが作用した場合、各弧状アーム130,140は図9に示すような弾性変形を生じることになる。すなわち、内側部材110はY軸まわりに傾斜するが、測定点H1〜H4の径方向の変位は生じない(厳密に言えば、微小な変位が生じるが、実質的に無視しうる量である)。このため、容量素子C1〜C8の静電容量値に変化は生じない。ところが、内側部材110がY軸まわりに傾斜するため、容量素子C9の電極間隔は狭くなり、その静電容量値は増加し、容量素子C10の電極間隔は広くなり、その静電容量値は減少する。このとき、容量素子C11,C12については、一部の電極間隔は広くなり、一部の電極間隔は狭くなるため、全体的には、静電容量値に変化は生じない。図15(a) ,(b) 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。
Further, when the moment + My is applied, the arc-shaped
最後に、モーメント+Mzが作用した場合、各弧状アーム130,140は図10に示すような弾性変形を生じることになる。すなわち、各弧状アーム130,140はいずれも外側に膨らむので、測定点H1〜H4は外側に変位する。したがって、外側に配置された固定電極E1,E4,E5,E8には近づくが、内側に配置された固定電極E2,E3,E6,E7からは遠ざかる。このため、容量素子C1,C4,C5,C8の静電容量値は増加し、容量素子C2,C3,C6,C7の静電容量値は減少する。このとき、測定点H1〜H4はZ軸方向には変位しないので、容量素子C9〜C12の静電容量値に変化は生じない。図15(a) ,(b) 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 arc-shaped
図15のテーブルに示すとおり、12組の容量素子C1〜C12の静電容量値(ここでは、便宜上、静電容量値も同じ符号C1〜C12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〜C12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. 15, the six-axis component acts on the change pattern of the capacitance values of the 12 sets of capacitive elements C1 to C12 (here, for convenience, the capacitance values are also indicated by the same reference numerals C1 to C12). 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 C12, the detection values of the six-axis components can be output independently.
図16は、図13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15に示すテーブルを参照すれば理解できる。たとえば、図15のテーブルの+Fxの行を参照すれば、「+」が記されたC1,C3,C6,C8の和と、「−」が記されたC2,C4,C5,C7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. 16 is a diagram showing specific arithmetic expressions for obtaining forces Fx, Fy, Fz in the respective coordinate axes and moments Mx, My, Mz around the respective 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. 15, the sum of C1, C3, C6, and C8 marked with “+” and the sum of C2, C4, C5, and C7 marked with “−” It can be seen that a detected value of + Fx is obtained by the difference between. 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15のテーブルにおける「+」と「−」とが逆転するので、図16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16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,C3,C5,C7は増加し、C2,C4,C6,C8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. 15 are reversed. If the arithmetic expression shown in FIG. 16 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. 16 does not receive interference from other axis components, so that each detection value for the six-axis component can be obtained independently. For example, when + Fy acts, C1, C3, C5, and C7 increase and C2, C4, C6, and C8 decrease. However, in the arithmetic expressions for Fx and Mz, these increase and decrease components are canceled each other. Therefore, the Fy component is not included in the detection values for Fx and Mz. Similarly, interference does not occur for the other axial components.
図16に示すとおり、力Fz以外の演算式は、2組の容量値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、基本構造体100の上方に天蓋基板を設け、この天蓋基板の下面に固定電極を追加し(たとえば、図11において、XY平面を対称面として固定電極E9〜E12と対称となるような電極を形成すればよい)、内側部材110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H5〜H8と天蓋基板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C9〜C12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. 16, the arithmetic expressions other than the force Fz have a format for obtaining a difference between 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. If difference detection is desired for Fz as well, a canopy substrate is provided above the
図17は、図13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300および検出素子(容量素子C1〜C12)を示す図である。検出回路300は、12組の容量素子C1〜C12の静電容量値に基づく所定の演算処理(図16の演算式に基づく演算処理)を行うことにより、Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzなる検出値を出力する機能を果たす。なお、ここで述べる実施例の場合、基本構造体100を金属などの導電性材料によって構成しているため、各容量素子C1〜C12の一方の電極(変位電極E0)は、基本構造体100の表面の一部によって構成される。したがって、検出回路300に対する配線は、基本構造体100の所定の配線箇所に対する1本の配線のみで十分である。
FIG. 17 is a diagram showing a
図18は、図13に示す力覚センサに用いる検出回路300の詳細構成を示す回路図である。この検出回路は、図16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、12組の容量素子C1〜C12の静電容量値C1〜C12は、C/V変換器301〜312によって、それぞれ電圧値V1〜V12に変換される。続いて、加減算回路321〜326によって、それぞれ図16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。
FIG. 18 is a circuit diagram showing a detailed configuration of the
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16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C1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「C1+C3」になるので、加減算回路321における「V1+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. 16 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 C1 and C3 are connected in parallel, the capacitance value of the capacitive element pair after the connection is “C1 + C3”, so that the calculation of “V1 + V3” in the addition /
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16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301〜312の後段にA/D変換器を接続すれば、静電容量値C1〜C12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16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. 16 can of course be performed by digital computation. For example, if an A / D converter is connected to the subsequent stage of the C /
<<< §3. 基本的実施形態の変形例および基本技術概念 >>>
ここでは、§2で述べた本発明の基本的実施形態に係る力覚センサについて、いくつかの変形例を述べるとともに、当該実施形態の基本技術概念をまとめることにする。
<<< §3. Modification of basic embodiment and basic technical concept >>>
Here, some modifications of the force sensor according to the basic embodiment of the present invention described in
<3−1.基本的実施形態の変形例>
図19(a) は、図13に示す基本的な実施形態の変形例に係る力覚センサの横断面図(XY平面で切断した断面図)であり、図19(b) はこれをXZ平面で切断した断面を示す縦断面図である。図13に示す基本的な実施形態との相違は、固定電極E9〜E12の代わりに、固定電極E9′〜E12′を設けた点だけである。図13に示す基本的な実施形態の場合、固定電極E9〜E12を、支持基板200の底板部210上面における内側部材110の下方に配置する構成を採用していた。別言すれば、図13に示す基本的な実施形態の場合、測定点H5〜H8(ここでは、測定点H1〜H4と区別するために、測定点H5〜H8を付加的測定点と呼ぶことにする)を、内側部材110内の所定箇所に設定していた。
<3-1. Modification of Basic Embodiment>
FIG. 19 (a) is a cross-sectional view (cross-sectional view cut along the XY plane) of a force sensor according to a modification of the basic embodiment shown in FIG. 13, and FIG. 19 (b) is an XZ plane. It is a longitudinal cross-sectional view which shows the cross section cut | disconnected by. The only difference from the basic embodiment shown in FIG. 13 is that fixed electrodes E9 ′ to E12 ′ are provided instead of the fixed electrodes E9 to E12. In the case of the basic embodiment shown in FIG. 13, the configuration in which the fixed electrodes E <b> 9 to E <b> 12 are disposed below the
これに対して、図19に示す変形例では、内側部材110内の付加的測定点H5〜H8の代わりに、弧状アーム130,140内に付加的測定点H5′〜H8′を設定しており、これら付加的測定点H5′〜H8′の下方位置に固定電極E9′〜E12′を設けている。すなわち、図19(a) に示すとおり、第1の測定点H1〜第4の測定点H4については、図13に示す基本的な実施形態と同じ位置に定義されているが、第5の測定点H5′は、第1の弧状アーム130の円弧状部131の中心線とX軸の正領域との交点位置に定義され、第6の測定点H6′は、第2の弧状アーム140の円弧状部141の中心線とX軸の負領域との交点位置に定義されている。一方、第7の測定点H7′は、第2の弧状アーム140の内側接続部142の外側端の位置に定義され、第8の測定点H8′は、第1の弧状アーム130の内側接続部132の外側端の位置に定義されている。
On the other hand, in the modification shown in FIG. 19, instead of the additional measurement points H5 to H8 in the
そして、固定電極E9′〜E12′は、支持基板200の底板部210上面における、各付加的測定点H5′〜H8′の下方位置に配置されている。図19(a) には、4枚の固定電極E9′〜E12′の位置が破線の円で描かれている。これらの各円は、図面上、各付加的測定点H5′〜H8′を中心点とした円になる。
The fixed electrodes E9 ′ to E12 ′ are arranged at positions below the additional measurement points H5 ′ to H8 ′ on the upper surface of the
図19(b) には、付加的測定点H5′の下方に円盤状の固定電極E9′が配置され、付加的測定点H6′の下方に円盤状の固定電極E10′が配置されている状態が示されている。第1の弧状アーム130の下面における固定電極E9′の対向部分(太線部分)は変位電極として機能し、相互に対向する一対の電極により第9の容量素子C9′が形成される。また、第2の弧状アーム140の下面における固定電極E10′の対向部分(太線部分)は変位電極として機能し、相互に対向する一対の電極により第10の容量素子C10′が形成される。同様に、固定電極E11′とこれに対向する変位電極によって第11の容量素子C11′が形成され、固定電極E12′とこれに対向する変位電極によって第12の容量素子C12′が形成される。
In FIG. 19B, a disk-shaped fixed electrode E9 'is disposed below the additional measurement point H5', and a disk-shaped fixed electrode E10 'is disposed below the additional measurement point H6'. It is shown. The facing portion (thick line portion) of the fixed electrode E9 ′ on the lower surface of the first arc-shaped
この図19に示す変形例における容量素子C9′〜C12′の機能は、図13に示す基本的な実施形態における容量素子C9〜C12の機能と全く同じであり、静電容量値の増減態様は、図15(b) に示す容量素子C9〜C12の態様と変わりはない。したがって、容量素子C9〜C12の代わりに、容量素子C9′〜C12′を用いた変形例でも、Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzの6軸成分を独立して検出することができる。 The functions of the capacitive elements C9 ′ to C12 ′ in the modification shown in FIG. 19 are exactly the same as the functions of the capacitive elements C9 to C12 in the basic embodiment shown in FIG. This is the same as the capacitive elements C9 to C12 shown in FIG. Therefore, the six-axis components Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz can be independently detected even in the modification using the capacitive elements C9 ′ to C12 ′ instead of the capacitive elements C9 to C12.
なお、図19(a) に示す変形例の場合、付加的測定点H5′およびH6′は正確にX軸上の点になっているが、付加的測定点H7′およびH8′はY軸から若干外れた位置の点になっている。このため、たとえば、図19(b) に示す固定電極E11′は、中心から若干左方向にずれた位置に配置されている。もちろん、検出感度をできるだけ高めるという観点では、付加的測定点H5′およびH6′をX軸上の点として定義し、付加的測定点H7′およびH8′をY軸上の点として定義するのが好ましいが、実用上は、図示の例のように、各軸の近傍位置であれば、各軸から若干外れた位置に定義しても、補正演算を行うことにより補正が可能であるため問題はない。 In the case of the modification shown in FIG. 19 (a), the additional measurement points H5 'and H6' are exactly points on the X axis, but the additional measurement points H7 'and H8' are from the Y axis. The point is slightly off. For this reason, for example, the fixed electrode E11 ′ shown in FIG. 19B is arranged at a position slightly shifted to the left from the center. Of course, from the viewpoint of increasing the detection sensitivity as much as possible, the additional measurement points H5 'and H6' are defined as points on the X axis, and the additional measurement points H7 'and H8' are defined as points on the Y axis. Practically, as shown in the example in the figure, if it is a position near each axis, it can be corrected by performing a correction operation even if it is defined at a position slightly off from each axis. Absent.
図13に示す基本的な実施形態における容量素子C9〜C12の役割は、図15(b) のテーブルに示されているとおり、力FzおよびモーメントMx,Myを検出することにある。このような役割を果たす上では、容量素子C9〜C12は、必ずしも内側部材110の下方に設ける必要はなく、弧状アーム130,140の下方に設けてもかまわない。図19に示す変形例は、このような観点から、内側部材110の下方に設けられている容量素子C9〜C12の代わりに、弧状アーム130,140の下方に設けられている容量素子C9′〜C12′を用いるようにした例である。
The role of the capacitive elements C9 to C12 in the basic embodiment shown in FIG. 13 is to detect the force Fz and the moments Mx and My as shown in the table of FIG. In order to fulfill such a role, the capacitive elements C9 to C12 are not necessarily provided below the
なお、これまでの実施例では、固定電極E1〜E8を支持基板200の底板部210上に固定した例を示した。支持基板200は外側部材120に固定されているので、結局、これまでの実施例は、固定電極E1〜E8を外側部材120に固定した例ということができる。
In the above embodiments, the fixed electrodes E <b> 1 to E <b> 8 are fixed on the
これに対して、固定電極E1〜E8を内側部材110に固定した変形例も可能である。弧状アーム130,140は、内側部材110と外側部材120とを接続する部材であり、弧状アーム130,140が弾性変形を生じた場合、内側部材110に対しても変位するし、外側部材120に対しても変位することになる。したがって、固定電極E1〜E8を内側部材110に固定した場合でも、弧状アーム130,140の弾性変形を容量素子E1〜E8の静電容量値の変化として検出することが可能である。
On the other hand, a modification in which the fixed electrodes E1 to E8 are fixed to the
以上、図1に示すように、特定の構造をもった基本構造体100をXYZ三次元直交座標系に対して特定の向きに配置した実施例を述べてきたが、もちろん、基本構造体100の配置は、必ずしも図1に示す向きに限定されるものではない。たとえば、図1に示す基本構造体100をZ軸を回転軸として時計まわり、あるいは反時計まわりに90°回転させた配置を採用することも可能である。この場合、X軸とY軸が入れ替わったり、座標軸の正負の方向が入れ替わったりするため、静電容量値の変化態様は、図15のテーブルに示すものとは若干異なったものになる。
As described above, as shown in FIG. 1, the embodiment in which the
また、図1に示す基本構造体100をX軸もしくはY軸を回転軸として180°回転させた配置を採用することも可能である。別言すれば、基本構造体100を裏返して配置した変形例ということになる。このような変形例では、Z軸の正負の向きが逆転するため、図15(a) のテーブルの「+Mz」の欄の符号が逆転することになり、図16のMzの式の右辺の各項の符号も逆転することになる。
It is also possible to employ an arrangement in which the
更に、弧状アームの本数を3本以上にする変形例も可能である。図20は、3本の弧状アームを有する基本構造体400の横断面図(XY平面で切断した断面を示す)である。この変形例に係る基本構造体400は、内側部材410と外側部材420との間を、3本の弧状アーム430,440,450で接続した形態を採るものである。
Furthermore, a modification in which the number of arc-shaped arms is three or more is also possible. FIG. 20 is a cross-sectional view (showing a cross section cut along the XY plane) of the
内側部材410は、これまで述べてきた実施例における内側部材110と同じくZ軸を中心軸として配置された円盤状の部材であり、その外周部には、図示のとおり、第1の内側接続点P1、第2の内側接続点P2、第3の内側接続点P3が定義されている。一方、外側部材420は、これまで述べてきた実施例における外側部材120と同じくZ軸を中心軸として配置された円環状の部材であり、その内周部には、図示のとおり、第1の外側接続点Q1、第2の外側接続点Q2、第3の外側接続点Q3が定義されている。
The
これら各接続点P1,P2,P3,Q1,Q2,Q3は、いずれもXY平面上の点であり、第1の弧状アーム430は、第1の内側接続点P1と第1の外側接続点Q1とを接続し、第2の弧状アーム440は、第2の内側接続点P2と第2の外側接続点Q2とを接続し、第3の弧状アーム450は、第3の内側接続点P3と第3の外側接続点Q3とを接続している。もちろん、これら3本の弧状アーム430,440,450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一部に弾性変形を生じる性質を有しており、図示のとおり、内側部材410の周囲を部分的に取り囲むように配置されている。
These connection points P1, P2, P3, Q1, Q2, and Q3 are all points on the XY plane, and the first arc-shaped
なお、図1に示す基本構造体100を構成する第1の弧状アーム130および第2の弧状アーム140の円弧状部131,141は、Z軸を中心とした正確な円弧に沿って伸びる構造物であるのに対して、図20に示す基本構造体400を構成する3本の弧状アーム430,440,450は、Z軸を中心とした円弧ではなく、当該円弧の近傍に沿って伸びる渦巻状の湾曲部によって構成されている。このように、本発明に用いる「弧状アーム」とは、必ずしも正確な円弧に沿ったアームである必要はなく、内側部材の周囲を部分的に取り囲むように湾曲したアームであれば足りる。
The arc-shaped
結局、図20に示す基本構造体400の場合、第1の弧状アーム430が、Z軸の周囲を部分的に取り囲む第1の湾曲部と、この第1の湾曲部の一端を第1の内側接続点P1に接続する第1の内側接続部と、第1の湾曲部の他端を第1の外側接続点Q1に接続する第1の外側接続部と、を有しており、第2の弧状アーム440が、Z軸の周囲を部分的に取り囲む第2の湾曲部と、この第2の湾曲部の一端を第2の内側接続点P2に接続する第2の内側接続部と、第2の湾曲部の他端を第2の外側接続点Q2に接続する第2の外側接続部と、を有しており、第3の弧状アーム450が、Z軸の周囲を部分的に取り囲む第3の湾曲部と、この第3の湾曲部の一端を第3の内側接続点P3に接続する第3の内側接続部と、第3の湾曲部の他端を第3の外側接続点Q3に接続する第3の外側接続部と、を有している。
After all, in the case of the
もちろん、弧状アームの数は、4本以上であってもかまわない。一般論としては、内側部材と外側部材とを接続する役割を果たす複数n本(n≧2)の弧状アームが設けられており、各弧状アームが、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性質を有し、内側部材の周囲を部分的に取り囲むように配置されていればよい。 Of course, the number of arc-shaped arms may be four or more. In general terms, a plurality of n (n ≧ 2) arc-shaped arms that serve to connect the inner member and the outer member are provided, and each arc-shaped arm is at least caused by the action of a force or moment to be detected. It is only necessary to have a property of causing elastic deformation in part and to be disposed so as to partially surround the inner member.
なお、これら複数n本の弧状アームによって、外側部材の内部に内側部材を安定して支持するため、個々の内側接続点は互いに異なる点となるようにし、個々の外側接続点も互いに異なる点となるようにする。すなわち、複数n本の弧状アームのうち、第i(1≦i≦n)の弧状アームの内側端部は内側部材上の第iの内側接続点に接続され、外側端部は外側部材上の第iの外側接続点に接続されており、第1〜第nの内側接続点は、内側部材上で異なる位置にある点となり、第1〜第nの外側接続点は、外側部材上で異なる位置にある点となるようにする。 In addition, in order to stably support the inner member inside the outer member by the plurality of n arcuate arms, the individual inner connection points are different from each other, and the individual outer connection points are also different from each other. To be. That is, among the plurality of n arc-shaped arms, the inner end of the i-th (1 ≦ i ≦ n) arc-shaped arm is connected to the i-th inner connection point on the inner member, and the outer end is on the outer member. It is connected to the i-th outer connection point, and the first to n-th inner connection points are at different positions on the inner member, and the first to n-th outer connection points are different on the outer member. Try to be a point in position.
図1(a) に示す基本構造体100は、n=2に設定することにより、内側部材110と外側部材120とが第1の弧状アーム130と第2の弧状アーム140とによって接続されるようにした例である。この例の場合、XY平面を配置平面と定義すれば、この配置平面上に、第1の内側接続点P1、第2の内側接続点P2、第1の外側接続点Q1、第2の外側接続点Q2が配置されており、第1の内側接続点P1と第2の内側接続点P2とを結ぶ連結直線および第1の外側接続点Q1と第2の外側接続点Q2とを結ぶ連結直線が、それぞれZ軸と交差するようにしている。
In the
このような構成を採れば、基本構造体100が、Z軸を回転軸として180°回転させたときの形状が回転前の形状と同一となる、180°の回転対称構造になり、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算出するための演算式を単純化するメリットが得られることは、既に述べたとおりである。また、180°の回転対称構造を採用すると、内側部材110を正反対に位置する2箇所の内側接続点P1,P2で支持することができるので、堅牢性をもった構造が実現できる。なお、§4で述べる二段積層式の実施形態の場合、XY平面の代わりに、XY平面に平行な所定の平面が配置平面になる(この点については、§4で詳述する)。
By adopting such a configuration, the
これに対して、図20に示す基本構造体400は、n=3に設定することにより、内側部材410と外側部材420とが、第1の弧状アーム430、第2の弧状アーム440、第3の弧状アーム450によって接続されるようにした例である。この例の場合も、XY平面を配置平面と定義すれば、この配置平面上に、第1の内側接続点P1、第2の内側接続点P2、第3の内側接続点P3、第1の外側接続点Q1、第2の外側接続点Q2、第3の外側接続点Q3が配置されている(§4で述べる二段積層式の実施形態の場合、XY平面の代わりに、XY平面に平行な所定の平面が配置平面になる)。そして、第1の内側接続点P1と第1の外側接続点Q1とを結ぶ連結直線、第2の内側接続点P2と第2の外側接続点Q2とを結ぶ連結直線、第3の内側接続点P3と第3の外側接続点Q3とを結ぶ連結直線が、それぞれZ軸と交差するようにしている。
On the other hand, in the
このような構成を採れば、基本構造体400が、Z軸を回転軸として120°回転させたときの形状が回転前の形状と同一となる、120°の回転対称構造になり、やはり、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算出するための演算式を単純化することができ、また、内側部材110に対して、堅牢性をもった支持構造が実現できる。
By adopting such a configuration, the
一般論として述べれば、内側部材と外側部材とを、第1〜第nの弧状アームなる合計n本(n≧2)の弧状アームによって接続する構成を採用する場合、基本構造体が、Z軸を回転軸として(360/n)°回転させたときの形状が回転前の形状と同一となる、(360/n)°の回転対称構造を有するようにすればよい。 Generally speaking, when a configuration in which the inner member and the outer member are connected by a total of n (n ≧ 2) arc-shaped arms, which are first to n-th arc-shaped arms, the basic structure is the Z axis It is only necessary to have a (360 / n) ° rotationally symmetric structure in which the shape when rotated by (360 / n) ° is the same as the shape before rotation.
このように、本発明に係る力覚センサを構成する基本構造体において、内側部材と外側部材とを接続する弧状アームの本数nは、2以上の任意の数でかまわないが、実用上は、§1,§2で述べたように、n=2に設定して、内側部材110と外側部材120との間を、第1の弧状アーム130および第2の弧状アーム140によって接続する構成を採るのが好ましい。これは、2箇所の内側接続点P1,P2において内側部材110を支持すれば、実用上、十分堅牢な支持構造を実現することができ、構造を単純化することができるためである。しかも、§2で述べたように、検出素子(容量素子)を特定箇所に配置すれば、力およびモーメントの6軸成分を独立して検出することが可能になる。
Thus, in the basic structure constituting the force sensor according to the present invention, the number n of arc-shaped arms connecting the inner member and the outer member may be an arbitrary number of 2 or more. As described in §1 and §2, n = 2 is set and the
<3−2.基本的実施形態の基本技術概念>
ここでは、§2で述べた基本的実施形態に係る力覚センサの基本技術概念をまとめておく。なお、本願では、説明の便宜上、右ネジをZ軸正方向に進める回転方向を左まわり方向、右ネジをZ軸負方向に進める回転方向を右まわり方向、と定義することにする。たとえば、図1(a) の上面図の場合、反時計まわりの方向が左まわり方向、時計まわりの方向が右まわり方向ということになる。
<3-2. Basic technical concept of basic embodiment>
Here, the basic technical concept of the force sensor according to the basic embodiment described in §2 is summarized. In the present application, for convenience of explanation, a rotation direction in which the right screw is advanced in the Z-axis positive direction is defined as a counterclockwise direction, and a rotation direction in which the right screw is advanced in the Z-axis negative direction is defined as a clockwise direction. For example, in the top view of FIG. 1 (a), the counterclockwise direction is the counterclockwise direction and the clockwise direction is the clockwise direction.
このような定義を行った場合、図1(a) に示す基本構造体100の第1の弧状アーム130は、第1の内側接続点P1から第1の外側接続点Q1に向かって、左まわり方向に伸び、第2の弧状アーム140は、第2の内側接続点P2から第2の外側接続点Q2に向かって、左まわり方向に伸びている。別言すれば、第1の弧状アーム130も第2の弧状アーム140も、同一の左まわり方向に伸びていることになる。
When such a definition is made, the first arc-shaped
一方、この図1(a) に示す基本構造体100を、X軸もしくはY軸を回転軸として180°回転させて裏返しにした場合、物理的には同一の基本構造体100でありながら、上方から見たときの弧状アームの伸びる方向は逆まわりになる。すなわち、第1の弧状アーム130も第2の弧状アーム140も、右まわり方向に伸びていることになる。
On the other hand, when the
このように、第1の弧状アーム130および第2の弧状アーム140が、右まわりになるか、左まわりになるかは、XYZ三次元直交座標系に基本構造体100を表向きに配置するか、裏向きに配置するか、によって異なることになるが、どのような向きに配置したとしても、第1の弧状アーム130および第2の弧状アーム140が、同一の回転方向に伸びていることに変わりはない。もちろん、一方の弧状アームが右まわりに伸び、他方の弧状アームが左まわりに伸びているような基本構造体を用いることも可能であるが、実用上は、両弧状アームが同一の回転方向に伸びているような構造を採用した方が、狭い空間を有効利用して両弧状アームを効率的に配置することができるので好ましい。
As described above, whether the first arc-shaped
要するに、一般論としては、第1の弧状アーム130は、第1の内側接続点P1から第1の外側接続点Q2に向かって、左まわり方向および右まわり方向のうちのいずれか一方の選択方向に伸び、第2の弧状アーム140は、第2の内側接続点P2から第2の外側接続点Q2に向かって、上記選択方向と同じ方向に伸びているような構造を採用すればよい。
In short, as a general rule, the first
なお、図1(a) に示すとおり、第1の内側接続点P1は、配置平面(各接続点P1,P2,Q1,Q2が配置されている平面、これまでの実施例の場合はXY平面自身になるが、§4で述べる二段積層式の実施形態の場合、XY平面に平行な所定の平面が配置平面になる)上へのY軸の負領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第2の内側接続点P2は、配置平面上へのY軸の正領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第1の外側接続点Q1は、配置平面上へのY軸の正領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第2の外側接続点Q2は、配置平面上へのY軸の負領域の投影像上もしくはその近傍に配置されている。 As shown in FIG. 1 (a), the first inner connection point P1 has an arrangement plane (a plane on which the connection points P1, P2, Q1, and Q2 are arranged, and in the case of the previous embodiments, an XY plane. Although it is itself, in the case of the two-stage stacked embodiment described in §4, it is arranged on the projection image of the negative region of the Y axis on or in the vicinity thereof on a predetermined plane parallel to the XY plane) The second inner connection point P2 is arranged on or near the projection image of the positive region of the Y axis on the arrangement plane, and the first outer connection point Q1 is positive of the Y axis on the arrangement plane. The second outer connection point Q2 is disposed on or near the projected image of the negative region of the Y axis on the placement plane.
このような基本構造体100を用いて、X軸方向の力Fx、Y軸方向の力Fy、Z軸まわりのモーメントMzという3軸成分の検出を行うには、図13(a) に示す4個の測定点H1〜H4を定義し、その変位を電気的に検出すればよい。
In order to detect the three-axis components such as the force Fx in the X-axis direction, the force Fy in the Y-axis direction, and the moment Mz around the Z-axis using such a
具体的には、図13(a) に示すように、XY平面上において、X軸を左まわり方向に45°回転させたW1軸と、Y軸を左まわり方向に45°回転させたW2軸と、を定義し、配置平面上へのW1軸の正領域の投影像と弧状アーム130の中心線との交点に第1の測定点H1を定義し、配置平面上へのW1軸の負領域の投影像と弧状アーム140の中心線との交点に第2の測定点H2を定義し、配置平面上へのW2軸の正領域の投影像と弧状アーム140の中心線との交点に第3の測定点H3を定義し、配置平面上へのW2軸の負領域の投影像と弧状アーム130の中心線との交点に第4の測定点H4を定義し、検出素子によって、各測定点H1〜H4の変位を電気的に検出することにより、各弧状アーム130,140の弾性変形を検出すればよい。
Specifically, as shown in FIG. 13A, on the XY plane, the W1 axis obtained by rotating the X axis by 45 ° counterclockwise and the W2 axis obtained by rotating the Y axis by 45 ° counterclockwise. The first measurement point H1 is defined at the intersection of the projected image of the positive area of the W1 axis on the arrangement plane and the center line of the arc-shaped
図13に示す実施形態の場合、Fx,Fy,Mz検出用の検出素子として8組の容量素子C1〜C8が用いられている。すなわち、第1の測定点H1近傍に配置された第1の容量素子C1および第2の容量素子C2と、第2の測定点H2近傍に配置された第3の容量素子C3および第4の容量素子C4と、第3の測定点H3近傍に配置された第5の容量素子C5および第6の容量素子C6と、第4の測定点H4近傍に配置された第7の容量素子C7および第8の容量素子C8と、が設けられている。 In the case of the embodiment shown in FIG. 13, eight sets of capacitive elements C1 to C8 are used as detection elements for detecting Fx, Fy, and Mz. That is, the first capacitor element C1 and the second capacitor element C2 arranged in the vicinity of the first measurement point H1, and the third capacitor element C3 and the fourth capacitor arranged in the vicinity of the second measurement point H2. The element C4, the fifth capacitor element C5 and the sixth capacitor element C6 arranged in the vicinity of the third measurement point H3, and the seventh capacitor element C7 and the eighth capacitor element arranged in the vicinity of the fourth measurement point H4. Capacitance element C8.
ここで、第1の容量素子C1は、弧状アーム130の外側の第1の測定点H1近傍に配置され外側部材120(あるいは内側部材110でもよい)に固定された第1の固定電極E1と、弧状アーム130の表面における第1の固定電極E1に対向する領域に形成された第1の変位電極E0と、によって構成され、第2の容量素子C2は、弧状アーム130の内側の第1の測定点H1近傍に配置され外側部材120(あるいは内側部材110でもよい)に固定された第2の固定電極E2と、弧状アーム130の表面における第2の固定電極E2に対向する領域に形成された第2の変位電極E0と、によって構成される。
Here, the first capacitive element C1 is disposed in the vicinity of the first measurement point H1 outside the arc-shaped
また、第3の容量素子C3は、弧状アーム140の内側の第2の測定点H2近傍に配置され外側部材120(あるいは内側部材110でもよい)に固定された第3の固定電極E3と、弧状アーム140の表面における第3の固定電極E3に対向する領域に形成された第3の変位電極E0と、によって構成され、第4の容量素子C4は、弧状アーム140の外側の第2の測定点H2近傍に配置され外側部材120(あるいは内側部材110でもよい)に固定された第4の固定電極E4と、弧状アーム140の表面における第4の固定電極E4に対向する領域に形成された第4の変位電極E0と、によって構成される。
The third capacitive element C3 includes a third fixed electrode E3 disposed in the vicinity of the second measurement point H2 inside the arc-shaped
そして、第5の容量素子C5は、弧状アーム140の外側の第3の測定点H3近傍に配置され外側部材120(あるいは内側部材110でもよい)に固定された第5の固定電極E5と、弧状アーム140の表面における第5の固定電極E5に対向する領域に形成された第5の変位電極E0と、によって構成され、第6の容量素子C6は、弧状アーム140の内側の第3の測定点H3近傍に配置され外側部材120(あるいは内側部材110でもよい)に固定された第6の固定電極E6と、弧状アーム140の表面における第6の固定電極E6に対向する領域に形成された第6の変位電極E0と、によって構成される。
The fifth capacitive element C5 includes a fifth fixed electrode E5 disposed in the vicinity of the third measurement point H3 outside the arc-shaped
最後に、第7の容量素子C7は、弧状アーム130の内側の第4の測定点H4近傍に配置され外側部材120(あるいは内側部材110でもよい)に固定された第7の固定電極E7と、弧状アーム130の表面における第7の固定電極E7に対向する領域に形成された第7の変位電極E0と、によって構成され、第8の容量素子C8は、弧状アーム130の外側の第4の測定点H4近傍に配置され外側部材120(あるいは内側部材110でもよい)に固定された第8の固定電極E8と、弧状アーム130の表面における第8の固定電極E8に対向する領域に形成された第8の変位電極E0と、によって構成される。
Finally, the seventh capacitive element C7 is disposed in the vicinity of the fourth measurement point H4 inside the arc-shaped
検出回路300は、これら検出素子(容量素子C1〜C8)の検出結果に基づいて、内側部材110および外側部材120の一方を固定した状態において、他方に作用したX軸方向の力Fx、Y軸方向の力FyおよびZ軸まわりのモーメントMzの3軸に関する検出値を出力することができる(図16の式Fx,Fy,Mz参照)。
Based on the detection results of these detection elements (capacitance elements C1 to C8), the
一方、上記3軸成分に加えて、更に、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の3軸に関する検出値を含む合計6軸の検出値を出力するには、更に、図13(a) に示す4個の付加的測定点H5〜H8(あるいは、図19に示す4個の付加的測定点H5′〜H8′でもよい)を定義し、その変位を電気的に検出すればよい。 On the other hand, in addition to the above three-axis components, a total of six-axis detection values including detection values for the three axes of the force Fz in the Z-axis direction, the moment Mx about the X-axis, and the moment My about the Y-axis are output. Further defines four additional measurement points H5 to H8 (or four additional measurement points H5 ′ to H8 ′ shown in FIG. 19) shown in FIG. What is necessary is just to detect electrically.
図13に示す実施形態の場合、測定点H1〜H4に加えて、更に、内側部材110の所定箇所に第5〜第8の測定点H5〜H8を付加的に定義している。また、図19に示す実施形態の場合、測定点H1〜H4に加えて、更に、弧状アーム130,140の所定箇所に第5〜第8の測定点H5′〜H8′を付加的に定義している。
In the embodiment shown in FIG. 13, in addition to the measurement points H <b> 1 to H <b> 4, fifth to eighth measurement points H <b> 5 to H <b> 8 are additionally defined at predetermined locations on the
ここで、第5の測定点H5,H5′は、配置平面上へのX軸の正領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置され、第6の測定点H6,H6′は、配置平面上へのX軸の負領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置され、第7の測定点H7,H7′は、配置平面上へのY軸の正領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置され、第8の測定点H8,H8′は、配置平面上へのY軸の負領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置されるようにする。 Here, the fifth measurement points H5 and H5 ′ are arranged on the projection image of the positive region of the X axis on the arrangement plane or in the vicinity thereof, and the sixth measurement points H6 and H6 ′ are on the arrangement plane. The seventh measurement points H7 and H7 'are arranged on the projection image of the positive region of the Y axis on the arrangement plane or in the vicinity thereof. Then, the eighth measurement points H8 and H8 ′ are arranged on the projection image of the negative region of the Y axis on the arrangement plane or in the vicinity thereof.
そして、検出素子として、第5の測定点H5,H5′近傍に配置された第9の容量素子C9,C9′と、第6の測定点H6,H6′近傍に配置された第10の容量素子C10,C10′と、第7の測定点H7,H7′近傍に配置された第11の容量素子C11,C11′と、第8の測定点H8,H8′近傍に配置された第12の容量素子C12,C12′と、を更に設ければよい。 As detection elements, ninth capacitive elements C9 and C9 ′ arranged in the vicinity of the fifth measurement points H5 and H5 ′ and tenth capacitive elements arranged in the vicinity of the sixth measurement points H6 and H6 ′. C10, C10 ', the eleventh capacitive elements C11, C11' arranged in the vicinity of the seventh measurement points H7, H7 ', and the twelfth capacitive element arranged in the vicinity of the eighth measurement points H8, H8'. C12 and C12 ′ may be further provided.
ここで、第9の容量素子C9,C9′は、内側部材110もしくは弧状アーム130の下方の第5の測定点H5,H5′近傍に配置され外側部材120に固定された第9の固定電極E9,E9′と、内側部材110もしくは弧状アーム130の下面における第9の固定電極E9,E9′に対向する領域に形成された第9の変位電極E0と、によって構成され、第10の容量素子C10,C10′は、内側部材110もしくは弧状アーム140の下方の第6の測定点H6,H6′近傍に配置され外側部材120に固定された第10の固定電極E10,E10′と、内側部材110もしくは弧状アーム140の下面における第10の固定電極E10,E10′に対向する領域に形成された第10の変位電極E0と、によって構成される。
Here, the ninth capacitive elements C9 and C9 ′ are arranged in the vicinity of the fifth measurement points H5 and H5 ′ below the
同様に、第11の容量素子C11,C11′は、内側部材110もしくは弧状アーム140の下方の第7の測定点H7,H7′近傍に配置され外側部材120に固定された第11の固定電極E11,E11′と、内側部材110もしくは弧状アーム140の下面における第11の固定電極E11,E11′に対向する領域に形成された第11の変位電極E0と、によって構成され、第12の容量素子C12,C12′は、内側部材110もしくは弧状アーム130の下方の第8の測定点H8,H8′近傍に配置され外側部材120に固定された第12の固定電極E12,E12′と、内側部材110もしくは弧状アーム130の下面における第12の固定電極E12,E12′に対向する領域に形成された第12の変位電極E0と、によって構成される。
Similarly, the eleventh capacitive elements C11 and C11 ′ are arranged in the vicinity of the seventh measurement points H7 and H7 ′ below the
検出回路300は、これら検出素子(容量素子C1〜C12)の検出結果に基づいて、内側部材110および外側部材120の一方を固定した状態において、他方に作用した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およびZ軸まわりのモーメントMzの検出値を出力することができる。
Based on the detection results of these detection elements (capacitance elements C1 to C12), the
図1(a) に示すように、第1の弧状アーム130が、第1の内側接続点P1から第1の外側接続点Q2に向かって左まわり方向に伸び、第2の弧状アーム140が、第2の内側接続点P2から第2の外側接続点Q2に向かって左まわり方向に伸びている基本構造体100を用いている場合、検出回路300は、図16に示すとおり、
Fx=+C1−C2+C3−C4−C5+C6−C7+C8
Fy=+C1−C2+C3−C4+C5−C6+C7−C8
Fz=−(C9+C10+C11+C12)
Mx=−C11+C12
My=+C9−C10
Mz=+C1−C2−C3+C4+C5−C6−C7+C8
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ができる。
As shown in FIG. 1 (a), the first
Fx = + C1-C2 + C3-C4-C5 + C6-C7 + C8
Fy = + C1-C2 + C3-C4 + C5-C6 + C7-C8
Fz =-(C9 + C10 + C11 + C12)
Mx = −C11 + C12
My = + C9-C10
Mz = + C1-C2-C3 + C4 + C5-C6-C7 + C8
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 can be output.
これに対して、第1の弧状アーム130が、第1の内側接続点P1から第1の外側接続点Q2に向かって右まわり方向に伸び、第2の弧状アーム140が、第2の内側接続点P2から第2の外側接続点Q2に向かって右まわり方向に伸びている基本構造体(図1(a) に示す基本構造体100を裏返しにした構造体)を用いている場合、Z軸方向の正負が逆転するため、上記式におけるMzの式を、
Mz=−C1+C2+C3−C4−C5+C6+C7−C8
と反転させればよい。
On the other hand, the first arc-shaped
Mz = -C1 + C2 + C3-C4-C5 + C6 + C7-C8
And reverse.
<<< §4. 二段積層式の実施形態 >>>
ここでは、基本構造体を2組用いた二段積層式の実施形態を説明する。
<<< §4. Two-tiered stack embodiment >>>
Here, a two-layered embodiment using two sets of basic structures will be described.
<4−1.基本構造体の4つのバリエーション>
図21(a) は、この二段積層式の実施形態に係る力覚センサに用いる基本構造体100Lの横断面図(XY平面で切断した断面を示す)であり、図21(b) は、これをXZ平面で切断した側断面図である。
<4-1. Four variations of basic structure>
FIG. 21 (a) is a cross-sectional view (showing a cross section cut along the XY plane) of the
この基本構造体100Lは、基本的には、図1に示されている基本構造体100と同じ機能を果たす構成要素であり、両者の相違は、2本の弧状アームの接続位置が若干異なっている点だけである。そこで、両者の対応関係が明確になるように、図21に示す基本構造体100Lの各構成要素には、図1に示されている基本構造体100の対応する構成要素の符号の末尾にLを付した符号を用いている。
The
具体的には、基本構造体100Lは、Z軸を中心軸として配置された円盤状部材によって構成される内側部材110Lと、Z軸を中心軸として配置された円環状部材によって構成される外側部材120Lと、これら両者を接続する第1の弧状アーム部130Lおよび第2の弧状アーム部140Lと、を有している。
Specifically, the
ここで、XY平面を配置平面と定義すると、この配置平面上に、第1の内側接続点P1、第2の内側接続点P2、第1の外側接続点Q1、第2の外側接続点Q2が配置されており、第1の内側接続点P1と第2の内側接続点P2と結ぶ連結直線(この例の場合はY軸に一致する)および第1の外側接続点Q1と第2の外側接続点Q2とを結ぶ連結直線は、それぞれZ軸と交差する。図1に示す基本構造体100と比較すると、図21に示す基本構造体100Lでは、第1の内側接続点P1および第2の内側接続点P2がY軸上に配置され、第1の外側接続点Q1および第2の外側接続点Q2は、Y軸から若干離れた位置に配置されている。
If the XY plane is defined as an arrangement plane, the first inner connection point P1, the second inner connection point P2, the first outer connection point Q1, and the second outer connection point Q2 are on the arrangement plane. A connecting straight line connecting the first inner connection point P1 and the second inner connection point P2 (which coincides with the Y-axis in this example) and the first outer connection point Q1 and the second outer connection. The connecting straight lines connecting the points Q2 each intersect the Z axis. Compared with the
第1の弧状アーム130Lは、第1の内側接続点P1と第1の外側接続点Q1とを接続する役割を果たし、Z軸を中心とした円弧に沿って伸びる第1の円弧状部131Lと、第1の円弧状部131Lの一端を第1の内側接続点P1に接続する第1の内側接続部132Lと、第1の円弧状部131Lの他端を第1の外側接続点Q1に接続する第1の外側接続部133Lと、を有している。同様に、第2の弧状アーム140Lは、第2の内側接続点P2と第2の外側接続点Q2とを接続する役割を果たし、Z軸を中心とした円弧に沿って伸びる第2の円弧状部141Lと、第2の円弧状部141Lの一端を第2の内側接続点P2に接続する第2の内側接続部142Lと、第2の円弧状部141Lの他端を第2の外側接続点Q2に接続する第2の外側接続部143Lと、を有している。
The first
また、点G1はX軸正領域上の点、点G2はX軸負領域上の点、点G3はY軸正領域上の点、点G4はY軸負領域上の点であり、ここでは、これら4点G1〜G4を軸上点と呼ぶことにする。図示のとおり、この軸上点G1〜G4の近傍は空隙部になっており、後述するように、固定電極を配置するスペースが確保されている。この§4で述べる実施形態も、§2で述べた基本的実施形態と同様に、各弧状アームの弾性変形を電気的に検出する検出素子として容量素子を利用しており、軸上点G1〜G4に配置される固定電極E1〜E4が、容量素子の一方の電極を形成することになる。 Point G1 is a point on the X-axis positive region, point G2 is a point on the X-axis negative region, point G3 is a point on the Y-axis positive region, and point G4 is a point on the Y-axis negative region. These four points G1 to G4 are called on-axis points. As shown in the drawing, the vicinity of the axial points G1 to G4 is a gap, and a space for arranging the fixed electrode is secured as will be described later. Similarly to the basic embodiment described in §2, the embodiment described in §4 also uses a capacitive element as a detection element that electrically detects the elastic deformation of each arc-shaped arm. The fixed electrodes E1 to E4 arranged in G4 form one electrode of the capacitive element.
続いて、この図21に示す基本構造体100Lを、XYZ三次元直交座標系に配置するいくつかのバリエーションを、図22および図23を用いて説明する。図22(a) には、基本構造体100Lの横断面図が示され、図22(b) には、基本構造体100Rの横断面図が示され、図23(a) には、基本構造体100LLの横断面図が示され、図23(b) には、基本構造体100RRの横断面図が示されている。いずれの図も、基本構造体をXY平面で切断した断面を示している。なお、いずれの図においても、XYZ三次元直交座標系の各座標軸の向きは同一であり、図の右方がX軸正方向、図の上方がY軸正方向、紙面垂直手前方向がZ軸正方向になる。
Next, some variations in which the
ここに図示されている4つのバリエーション係る基本構造体100L,100R,100LL,100RRは、物理的には全く同一の構造体である。ただ、XYZ三次元直交座標系への配置態様が異なっているため、便宜上、異なる符号を付して示してある。図22(a) に示す基本構造体100Lは、図21(a) に示す構造体を、図21(a) に示す態様と同一の態様で配置したものである。これに対して、図22(b) に示す基本構造体100Rは、図21(a) に示す構造体を裏返しにした状態(X軸もしくはY軸を回転軸として、180°回転させた状態)で配置したものである。
The
既に述べたとおり、本願では、説明の便宜上、右ネジをZ軸正方向に進める回転方向を左まわり方向、右ネジをZ軸負方向に進める回転方向を右まわり方向、と定義している。したがって、図22(a) に示す基本構造体100Lの2本の弧状アーム130L,140Lは、いずれも内側から外側に向かって左まわり方向に伸びている。基本構造体100Lの符号末尾のLは、「左まわり(Left)」の頭文字をとったものである。一方、図22(b) に示す基本構造体100Rの2本の弧状アーム130R,140Rは、いずれも内側から外側に向かって右まわり方向に伸びている。基本構造体100Rの符号末尾のRは、「右まわり(Right)」の頭文字をとったものである。
As already described, in the present application, for convenience of explanation, the rotation direction in which the right screw is advanced in the Z-axis positive direction is defined as the counterclockwise direction, and the rotation direction in which the right screw is advanced in the Z-axis negative direction is defined as the clockwise direction. Accordingly, the two arc-shaped
ここでは、図22(a) に示すように、基本構造体100Lの第1の弧状アーム130Lの中心線とX軸の正領域との交点に第1の測定点H11を定義し、基本構造体100Lの第2の弧状アーム140Lの中心線とX軸の負領域との交点に第2の測定点H12を定義する。そして、第1の測定点H11の外側近傍に第1の固定電極E1を配置し、第2の測定点H12の外側近傍に第2の固定電極E2を配置し、これら各固定電極E1,E2と、各弧状アーム130L,140Lの外側表面の対向領域に形成された変位電極(太線部分)とによって、第1の容量素子C1および第2の容量素子C2を形成する。
Here, as shown in FIG. 22 (a), a first measurement point H11 is defined at the intersection of the center line of the first arc-shaped
同様に、図22(b) に示すように、基本構造体100Rの第1の弧状アーム130Rの中心線とX軸の正領域との交点に第1の測定点H11を定義し、基本構造体100Rの第2の弧状アーム140Rの中心線とX軸の負領域との交点に第2の測定点H12を定義する。そして、第1の測定点H11の外側近傍に第1の固定電極E1を配置し、第2の測定点H12の外側近傍に第2の固定電極E2を配置し、これら各固定電極E1,E2と、各弧状アーム130R,140Rの外側表面の対向領域に形成された変位電極(太線部分)とによって、第1の容量素子C1および第2の容量素子C2を形成する。
Similarly, as shown in FIG. 22 (b), a first measurement point H11 is defined at the intersection of the center line of the first arc-shaped
一方、図23(a) に示す基本構造体100LLは、図22(a) に示す基本構造体100Lを左まわり(右まわりでも実質的には同じ)に90°回転させて配置したものであり、図23(b) に示す基本構造体100RRは、図22(b) に示す基本構造体100Rを左まわり(右まわりでも実質的には同じ)に90°回転させて配置したものである。
On the other hand, the basic structure 100LL shown in FIG. 23 (a) is obtained by rotating the
ここでは、図23(a) に示すように、基本構造体100LLの第1の弧状アーム130Lの中心線とY軸の正領域との交点に第3の測定点H13を定義し、基本構造体100LLの第2の弧状アーム140Lの中心線とY軸の負領域との交点に第4の測定点H14を定義する。そして、第3の測定点H13の外側近傍に第3の固定電極E3を配置し、第4の測定点H14の外側近傍に第4の固定電極E4を配置し、これら各固定電極E3,E4と、各弧状アーム130L,140Lの外側表面の対向領域に形成された変位電極(太線部分)とによって、第3の容量素子C3および第4の容量素子C4を形成する。
Here, as shown in FIG. 23 (a), a third measurement point H13 is defined at the intersection of the center line of the first arc-shaped
同様に、図23(b) に示すように、基本構造体100RRの第1の弧状アーム130Rの中心線とY軸の正領域との交点に第3の測定点H13を定義し、基本構造体100RRの第2の弧状アーム140Rの中心線とY軸の負領域との交点に第4の測定点H14を定義する。そして、第3の測定点H13の外側近傍に第3の固定電極E3を配置し、第4の測定点H14の外側近傍に第4の固定電極E4を配置し、これら各固定電極E3,E4と、各弧状アーム130R,140Rの外側表面の対向領域に形成された変位電極(太線部分)とによって、第3の容量素子C3および第4の容量素子C4を形成する。
Similarly, as shown in FIG. 23B, a third measurement point H13 is defined at the intersection of the center line of the first arc-shaped
なお、上例の場合、各固定電極E1〜E4を、各測定点H11〜H14の外側近傍に設けているが、各固定電極E1〜E4を、各測定点H11〜H14の内側近傍(各弧状アームの内側)に設けることも可能である。ただ、各固定電極E1〜E4を内側に設ける場合は、内側接続部132L,142Lの位置をずらして、相互に干渉しないように配慮することが必要になる。
In the above example, the fixed electrodes E1 to E4 are provided in the vicinity of the outer sides of the measurement points H11 to H14. However, the fixed electrodes E1 to E4 are provided in the vicinity of the inner sides of the measurement points H11 to H14 (each arc shape). It can also be provided inside the arm). However, when the fixed electrodes E1 to E4 are provided on the inner side, it is necessary to consider the positions of the inner connecting
図24は、図22および図23に示す基本構造体100L,100R,100LL,100RRに対して力+Fx,+Fyおよびモーメント+Mzが作用したときの各容量素子C1〜C4の静電容量値の変化を示すテーブルである。いずれも外側部材120L,120Rを固定した状態において、内側部材110L,110Rに外力が作用した場合を示している。
FIG. 24 shows changes in capacitance values of the capacitive elements C1 to C4 when forces + Fx, + Fy and moment + Mz are applied to the
このテーブルで「+」もしくは「++」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、「−」もしくは「−−」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。また、「++」は「+」に比べて増加量が大きく、「−−」は「−」に比べて減少量が大きいことを示している。 In this table, “+” or “++” indicates that the capacitance value increases (the distance between both electrodes decreases), and “−” or “−−” indicates that the capacitance value decreases ( “0” indicates that the capacitance value does not fluctuate. In addition, “++” indicates that the increase amount is larger than “+”, and “−−” indicates that the decrease amount is larger than “−”.
図15(a) のテーブルは、図13(a) に示すように、W1軸およびW2軸上に配置した8枚の固定電極E1〜E8によって構成される8組の容量素子C1〜C8についての静電容量値の変化を示すものであるのに対して、図24のテーブルは、図21に示す軸上点G1〜G4に配置した4枚の固定電極E1〜E4によって構成される4組の容量素子C1〜C4についての静電容量値の変化を示すものである。よって、両テーブルの内容は大きく異なっているが、図24のテーブルに示すような結果が得られることは、やはり図5〜図10に示す変形態様を参照すれば容易に理解できる。 As shown in FIG. 13A, the table of FIG. 15A shows eight sets of capacitive elements C1 to C8 configured by eight fixed electrodes E1 to E8 arranged on the W1 axis and the W2 axis. 24 shows the change of the capacitance value, whereas the table of FIG. 24 has four sets of four fixed electrodes E1 to E4 arranged at the axial points G1 to G4 shown in FIG. The change of the electrostatic capacitance value about capacitive element C1-C4 is shown. Therefore, although the contents of the two tables are greatly different, it can be easily understood that the results shown in the table of FIG. 24 are obtained by referring to the modification modes shown in FIGS.
たとえば、図22(a) に示す基本構造体100Lについて、内側部材110Lに力+Fxが作用した場合、各弧状アーム130L,140Lは図5に示すような弾性変形を生じることになり、全体的に図の右方に変位する。したがって、図22(a) に示す測定点H11,H12も図の右方に変位し、測定点H11は固定電極E1に近づき、測定点H12は固定電極E2から遠ざかる。このため、容量素子C1の静電容量値は大きく増加して「++」となり、容量素子C2の静電容量値は大きく減少して「−−」となる。
For example, when a force + Fx is applied to the
一方、図22(a) に示す基本構造体100Lについて、内側部材110Lに力+Fyが作用した場合、各弧状アーム130L,140Lは図6に示すような弾性変形を生じることになる。すなわち、第1の弧状アーム130Lに対しては、全長を縮める応力が加わるため、湾曲の程度が大きくなり、全体的には、図の上方への変位が生じるものの、X軸近傍部分が図の右方へと若干膨らむ変形(矢印R1参照)が生じる。一方、第2の弧状アーム140Lに対しては、全長を伸ばす応力が加わるため、湾曲の程度が小さくなり、全体的には、図の上方への変位が生じるものの、X軸近傍部分が図の右方へと若干逸れる変形(矢印R2参照)が生じる。したがって、図22(a) に示す測定点H11は固定電極E1に若干だけ近づき、測定点H12は固定電極E2から若干だけ遠ざかる。このため、容量素子C1の静電容量値は若干増加して「+」となり、容量素子C2の静電容量値は若干減少して「−」となる。
On the other hand, when a force + Fy is applied to the
また、図22(a) に示す基本構造体100Lについて、内側部材110Lにモーメント+Mzが作用した場合、各弧状アーム130L,140Lは図10に示すような弾性変形を生じることになる。すなわち、各弧状アーム130L,140Lは、若干外側へと膨らむ変形を生じる。したがって、図22(a) に示す測定点H11は固定電極E1に若干だけ近づき、測定点H12は固定電極E2に若干だけ近づく。このため、容量素子C1の静電容量値は若干増加して「+」となり、容量素子C2の静電容量値も若干増加して「+」となる。
Further, in the
以上、図24のテーブルの「100L」の欄の結果が得られる理由を説明したが、「100R」の欄の結果が得られる理由も同様である。基本構造体100Rでは、各弧状アームの伸びる回転方向が基本構造体100Lとは逆になっているため、力+Fyが作用した場合およびモーメント+Mzが作用した場合の結果が逆転することになる。また、基本構造体100Lを90°回転させたものが基本構造体100LLであり、基本構造体100Rを90°回転させたものが基本構造体100RRであることを踏まえれば、図24のテーブルの「100LL」の欄の結果が得られる理由や「100RR」の欄の結果が得られる理由も容易に理解できよう。
The reason why the result of the column “100L” in the table of FIG. 24 has been described above is the same as the reason why the result of the column “100R” is obtained. In the
なお、力+Fz、モーメント+Mx,+Myが作用した場合は、図7〜図9に示すような弾性変形が生じることになるが、各測定点H11〜H14に有意な変位は生じない。したがって、図24の「共通」の欄に示すとおり、+Fz,+Mx,+Myの作用に対して静電容量値C1〜C4は変化しない。また、図24のテーブルは、+Fx,+Fy,+Mzが作用したときの各静電容量値の増減を示すものであるが、もちろん、−Fx,−Fy,−Mzが作用したときの各静電容量値の増減の結果は、このテーブルに示されている符号を逆転させたものになる。 When force + Fz and moments + Mx and + My are applied, elastic deformation as shown in FIGS. 7 to 9 occurs, but no significant displacement occurs at each measurement point H11 to H14. Therefore, as shown in the column “common” in FIG. 24, the capacitance values C1 to C4 do not change with respect to the effects of + Fz, + Mx, and + My. The table of FIG. 24 shows the increase and decrease of each capacitance value when + Fx, + Fy, and + Mz act. Of course, each electrostatic capacitance when -Fx, -Fy, and -Mz act. The result of increase / decrease in the capacitance value is obtained by reversing the sign shown in this table.
<4−2.2組の基本構造体の組み合わせ>
図24のテーブルに示す結果を踏まえると、基本構造体100L,100R,100LL,100RRという4通りのバリエーション(前述したように、これらは物理的には同一の構造体であるが、XYZ三次元直交座標系における配置態様が異なっている)の中から、特定の2組を選択して組み合わせれば、力Fx,FyおよびモーメントMzという3軸成分を独立して検出できる。以下、その理由を説明する。
<Combination of 4-2.2 sets of basic structures>
Based on the results shown in the table of FIG. 24, there are four variations of
一般に4種類の品物の中から任意の2品を選択する組み合わせは合計6通りある。したがって、100L,100R,100LL,100RRという4通りのバリエーションの中から任意の2組を選択する組み合わせは6通り存在する。ただ、4組の容量素子C1〜C4を利用することが可能な組み合わせに限定すると、4通りのみになる。 Generally, there are a total of six combinations for selecting any two items from four types of items. Therefore, there are six combinations for selecting any two sets from the four variations of 100L, 100R, 100LL, and 100RR. However, if there are only four combinations of capacitative elements C1 to C4 that can be used, there are only four types.
図25は、そのような4通りの組み合わせについて、力+Fx,+Fyおよびモーメント+Mzが作用したときの各容量素子C1〜C4の静電容量値の変化を示すテーブルである。すなわち、番号1は、基本構造体100Lと100LLとの組み合わせを示し、番号2は、基本構造体100Lと100RRとの組み合わせを示し、番号3は、基本構造体100Rと100RRとの組み合わせを示し、番号4は、基本構造体100Rと100LLとの組み合わせを示している。番号1〜4のいずれも、4組の容量素子C1〜C4を利用することが可能な組み合わせである。このテーブルにおいて、各容量素子C1〜C4の静電容量値の変化を示す各符号欄は、図24のテーブルの対応する符号欄の内容を嵌め込んだものである。
FIG. 25 is a table showing changes in capacitance values of the capacitive elements C1 to C4 when force + Fx, + Fy and moment + Mz are applied to such four combinations. That is,
この図25に示すテーブルの内容を踏まえると、番号1および番号3の組み合わせについては、図26に示す演算式による演算を行うことにより、力Fx,FyおよびモーメントMzの値をそれぞれ独立して求めることができることがわかる。
Considering the contents of the table shown in FIG. 25, for the combinations of
たとえば、番号1は、基本構造体100Lと100LLとの組み合わせであるが、図26上段に示すとおり、
Fx=(C1+C4)−(C2+C3)
Fy=(C1+C3)−(C2+C4)
Mz=C1+C2+C3+C4
なる演算式により、Fx,Fy,Mzの検出値を得ることができる。ここで、C1〜C4は、各容量素子C1〜C4の静電容量値である。
For example,
Fx = (C1 + C4) − (C2 + C3)
Fy = (C1 + C3) − (C2 + C4)
Mz = C1 + C2 + C3 + C4
The detected values of Fx, Fy, and Mz can be obtained by the following arithmetic expression. Here, C1 to C4 are capacitance values of the capacitive elements C1 to C4.
たとえば、力+Fxのみが作用した場合、図25のテーブルの番号1の欄の+Fxの符号欄を見ると、C1は「++」,C2は「−−」,C3は「−」,C4は「+」であるから、上掲のFxの演算式により、作用した力+Fxが検出できることがわかる。一方、力+Fyのみが作用した場合、+Fyの符号欄を見ると、C1は「+」,C2は「−」,C3は「++」,C4は「−−」であるから、上掲のFxの演算式の演算結果は0になる。また、モーメント+Mzのみが作用した場合、+Mzの符号欄を見ると、いずれも「+」であるから、上掲のFxの演算式の演算結果は0になる。
For example, when only the force + Fx acts, looking at the + Fx code column in the
結局、上掲のFxの演算式の演算結果は、力Fxの成分のみを含む検出値になり、検出結果に他軸成分が混入することはない。同様の理由により、上掲のFyの演算式の演算結果は、力Fyの成分のみを含む検出値になり、上掲のMzの演算式の演算結果は、モーメントMzの成分のみを含む検出値になる。このように、番号1の組み合わせであれば、図26上段の演算式を用いた演算を行うことにより、力Fx,FyおよびモーメントMzの値をそれぞれ独立して検出できる。
Eventually, the calculation result of the above-described Fx equation becomes a detection value including only the component of the force Fx, and no other axis component is mixed in the detection result. For the same reason, the calculation result of the above Fy arithmetic expression is a detection value including only the component of the force Fy, and the calculation result of the above Mz arithmetic expression is the detection value including only the component of the moment Mz. become. Thus, if the combination is
なお、ここで述べる実施例の場合、前述したとおり、基本構造体が180°の回転対称構造を有しているため、上掲の各演算式による演算によって、他軸成分が相殺されることになるが、基本構造体が対称性を有していない場合には、適宜、各静電容量値に補正係数を乗じる補正を行うようにすればよい。 In the case of the embodiment described here, as described above, since the basic structure has a 180 ° rotationally symmetric structure, the other axis components are canceled out by the calculation using the above-described respective arithmetic expressions. However, if the basic structure does not have symmetry, correction may be made by multiplying each capacitance value by a correction coefficient as appropriate.
一方、番号3は、基本構造体100Rと100RRとの組み合わせであるが、図26下段に示すとおり、
Fx=(C1+C3)−(C2+C4)
Fy=(C2+C3)−(C1+C4)
Mz=−(C1+C2+C3+C4)
なる演算式を用いた演算を行うことにより、力Fx,FyおよびモーメントMzの値をそれぞれ独立して検出できる。その理由は、図25のテーブルの番号3の欄を参照すれば、容易に理解できよう。
On the other hand,
Fx = (C1 + C3) − (C2 + C4)
Fy = (C2 + C3) − (C1 + C4)
Mz =-(C1 + C2 + C3 + C4)
By performing the calculation using the following equation, the values of the forces Fx and Fy and the moment Mz can be detected independently. The reason can be easily understood by referring to the column of
これに対して、番号2および番号4の組み合わせについては、他軸成分を排除した独立検出を行うことはできない。たとえば、番号2の組み合わせについて、
Fx=(C1+C3)−(C2+C4)
なる演算式を適用して力Fxを検出しようとした場合、力+Fxのみが作用しているのであれば、図25のテーブルの番号2の欄の+Fxの符号欄を見ると、C1は「++」,C2は「−−」,C3は「+」,C4は「−」であるから、上掲の演算式によって、力Fxの値を得ることができる。しかしながら、力+Fyが作用している場合、図25のテーブルの番号2の欄の+Fyの符号欄を見ると、C1は「+」,C2は「−」,C3は「++」,C4は「−−」であるから、上掲の演算式によって、力Fxの値として誤検出されてしまうことになる。
On the other hand, for the combination of No. 2 and No. 4, independent detection that excludes other axis components cannot be performed. For example, for the combination of
Fx = (C1 + C3) − (C2 + C4)
When the force Fx is detected by applying the following equation, if only the force + Fx is acting, the code column of + Fx in the column of
以上のことから、この§4で述べる二段積層式の実施形態に用いる2組の基本構造体としては、番号1の組み合わせ(基本構造体100Lと100LL)もしくは番号3の組み合わせ(基本構造体100Rと100RR)が適していることになる。
From the above, two sets of basic structures used in the two-stage stacked embodiment described in §4 are the combination of number 1 (
もっとも、厳密な検出精度が要求されない用途に利用される力覚センサの場合は、番号1〜4のいずれの組み合わせを用いてもかまわない。これは、図25のテーブルにおいて、「+」または「−」が記載されている特定の符号欄を「0」と近似した取扱いが可能になるためである。もちろん、図25のテーブルにおける「+」は静電容量値が若干増加することを示しており、「−」は静電容量値が若干減少することを示している。しかしながら、「+」が示されている欄の増加量の絶対値や「−」が示されている欄の減少量の絶対値は、「++」が示されている欄の増加量の絶対値や「−−」が示されている欄の減少量の絶対値に比べると小さい。したがって、厳密な検出精度が要求されない場合には、「+」や「−」を近似的に「0」として取り扱っても支障はない。
However, in the case of a force sensor used for an application in which strict detection accuracy is not required, any combination of
図27に示すテーブルは、このような考え方に基づいて、図25のテーブルにおいて、一部の「+」欄および一部の「−」欄を近似的に「0」に置き換えたものである。この図27に示すテーブルを前提とすれば、番号1〜4のいずれの組み合わせについても、力Fx,FyおよびモーメントMzの値をそれぞれ独立して検出することができる。図28は、そのような検出を行う際に用いる演算式を示す図である。
The table shown in FIG. 27 is based on such a concept, in which some “+” columns and some “−” columns in the table of FIG. 25 are approximately replaced with “0”. Assuming the table shown in FIG. 27, the values of forces Fx, Fy and moment Mz can be detected independently for any combination of
たとえば、番号1の組み合わせ(基本構造体100Lと100LL)については、図27に示すテーブルを前提とすれば、
Fx=C1−C2
Fy=C3−C4
Mz=C1+C2+C3+C4
なる演算式を用いた演算を行うことにより、力Fx,FyおよびモーメントMzの値をそれぞれ独立して検出できる。
For example, for the combination of number 1 (
Fx = C1-C2
Fy = C3-C4
Mz = C1 + C2 + C3 + C4
By performing the calculation using the following equation, the values of the forces Fx and Fy and the moment Mz can be detected independently.
また、番号2の組み合わせ(基本構造体100Lと100RR)については、図27に示すテーブルを前提とすれば、
Fx=C1−C2
Fy=C3−C4
Mz=C1+C2−C3−C4
なる演算式を用いた演算を行うことにより、力Fx,FyおよびモーメントMzの値をそれぞれ独立して検出できる。
For the combination of number 2 (
Fx = C1-C2
Fy = C3-C4
Mz = C1 + C2-C3-C4
By performing the calculation using the following equation, the values of the forces Fx and Fy and the moment Mz can be detected independently.
一方、番号3の組み合わせ(基本構造体100Rと100RR)については、図27に示すテーブルを前提とすれば、
Fx=C1−C2
Fy=C3−C4
Mz=−(C1+C2+C3+C4)
なる演算式を用いた演算を行うことにより、力Fx,FyおよびモーメントMzの値をそれぞれ独立して検出できる。
On the other hand, for the combination of number 3 (
Fx = C1-C2
Fy = C3-C4
Mz =-(C1 + C2 + C3 + C4)
By performing the calculation using the following equation, the values of the forces Fx and Fy and the moment Mz can be detected independently.
そして、番号4の組み合わせ(基本構造体100Rと100LL)については、図27に示すテーブルを前提とすれば、
Fx=C1−C2
Fy=C3−C4
Mz=−C1−C2+C3+C4
なる演算式を用いた演算を行うことにより、力Fx,FyおよびモーメントMzの値をそれぞれ独立して検出できる。
For the combination of number 4 (
Fx = C1-C2
Fy = C3-C4
Mz = -C1-C2 + C3 + C4
By performing the calculation using the following equation, the values of the forces Fx and Fy and the moment Mz can be detected independently.
図27のテーブルを前提とすれば、図28に示す各演算式によって得られる力Fx,FyおよびモーメントMzの値は、他軸成分の混入のない正しい値になる。ただ、前述したとおり、この図27のテーブルは、本来は、「+」もしくは「−」とすべき欄を近似的に「0」に置き換えたものであるので、実際には、図28に示す各演算式によって得られる検出値は、他軸成分の混入が生じているため、誤差を含むものになる。 If the table of FIG. 27 is assumed, the values of the forces Fx, Fy and moment Mz obtained by the respective arithmetic expressions shown in FIG. 28 are correct values without mixing of other axis components. However, as described above, the table in FIG. 27 is originally a column in which “+” or “−” is approximately replaced with “0”, and therefore, actually shown in FIG. The detection value obtained by each arithmetic expression includes an error because the other axis component is mixed.
このように、図28に示す演算式を採用して各検出値を求める方法は、図26に示す演算式を採用して各検出値を求める方法(番号1および3の組み合わせに限定される)に比べて、他軸成分の混入に基づく誤差が生じるというデメリットがある。しかしながら、図28に示す演算式を採用して各検出値を求める方法のうち、番号2および4の組み合わせについては、モーメントMzを差分検出できるというメリットがある。
As described above, the method for obtaining each detection value by employing the arithmetic expression shown in FIG. 28 is a method for obtaining each detection value by employing the arithmetic expression shown in FIG. 26 (limited to the combination of
すなわち、図26に示す演算式では、モーメントMzの絶対値は、「C1+C2+C3+C4」なる和によって決まるため、温度や実装時に加わる応力の影響などのノイズ成分が混入してしまう可能性がある。これに対して、図28の番号2および4の組み合わせについては、Fx,Fy,Mzのすべての演算式が差分演算、すなわち、複数の静電容量値の差を求める演算を含んでいるため、温度や実装時に加わる応力の影響は相殺され、ノイズ成分の混入を排除できるというメリットが得られる。
That is, in the arithmetic expression shown in FIG. 26, the absolute value of the moment Mz is determined by the sum of “C1 + C2 + C3 + C4”, so there is a possibility that noise components such as the temperature and the effect of stress applied during mounting may be mixed. On the other hand, for the combinations of
したがって、実用上は、他軸成分の混入というデメリットと、温度や実装時に加わる応力に起因したノイズ成分の混入というデメリット(モーメントMz検出に関するデメリット)とを比較して、前者のデメリットが受け入れ難い用途の場合は、番号1および3の組み合わせを採用して、図26の演算式に基づく演算を行うようにし、後者のデメリットが受け入れ難い用途の場合は、番号2および4の組み合わせを採用して、図28の演算式に基づく演算を行うようにすればよい。
Therefore, in practical use, it is difficult to accept the former demerit by comparing the demerit of mixing other axis components with the demerit of mixing noise components due to temperature and stress applied during mounting (demerit related to moment Mz detection). In the case of the above, the combination of
また、他軸成分の混入というデメリットは、必要に応じて、所定の補正演算を行うことにより排除することも可能である。したがって、他軸成分の混入の程度が、補正演算で是正可能な範囲であれば、番号2および4の組み合わせを採用して、図28の演算式に基づく演算および補正演算を行うようにすれば、他軸成分の混入というデメリットと、温度や実装時に加わる応力に起因したノイズ成分の混入というデメリットとの双方を排除した力覚センサを実現することも可能である。
Further, the demerit of mixing other axis components can be eliminated by performing a predetermined correction calculation as necessary. Therefore, if the degree of mixing of other axis components is within a range that can be corrected by the correction calculation, the combination of
なお、これまでの説明は、検出値に他軸成分が混入することは、検出精度を低下させるデメリットである、との前提の説明であったが、用途によっては、他軸成分の混入が問題にならないケースもある。たとえば、地震の振動エネルギーを検出する用途の場合、水平方向の力の合力のみが検出できれば十分なケースもある。このようなケースでは、力Fxと力Fyとを区別して検出する必要はないので、力Fxの検出成分に力Fyの検出成分が混入しても何ら支障は生じない。このような用途まで視野に入れた場合、利用可能な演算式は、図26や図28に示す演算式に限定されるものではない。 In addition, the description so far has been based on the premise that mixing the other axis component in the detection value is a demerit that lowers the detection accuracy. However, depending on the application, mixing of the other axis component is a problem. There are cases where this is not possible. For example, in an application for detecting vibration energy of an earthquake, it may be sufficient if only the resultant force in the horizontal direction can be detected. In such a case, there is no need to detect the force Fx and the force Fy separately, so that no trouble occurs even if the detection component of the force Fy is mixed with the detection component of the force Fx. When such a purpose is taken into consideration, usable arithmetic expressions are not limited to the arithmetic expressions shown in FIG. 26 and FIG.
<4−3.二段積層式の実施形態の具体的構造>
続いて、二段積層式の実施形態に係る力覚センサの具体的な構造を説明する。図29は、この力覚センサの積層構造体を構成する4つの構成要素を分離して示した側面図である。図示のとおり、この積層構造体は、上段基本構造体100a、中間基板500、下段基本構造体100b、支持基板200という4つの構成要素を上下に積層することによって構成される。
<4-3. Specific Structure of Embodiment with Two-Stage Stacking Type>
Next, a specific structure of the force sensor according to the two-layer stacked embodiment will be described. FIG. 29 is a side view showing four components constituting the laminated structure of the force sensor in isolation. As shown in the figure, this stacked structure is configured by vertically stacking four constituent elements of an upper
ここで、上段基本構造体100aおよび下段基本構造体100bは、図22および図23に示す4つのバリエーション係る基本構造体100L,100R,100LL,100RRの中から選択された2組の基本構造体である。4つのバリエーションの中から2組を選択する組み合わせは、図25,図27,図28のテーブルに番号1〜4として示したとおりである。
Here, the upper
たとえば、番号1の組み合わせを採用することにすれば、基本構造体100Lと100LLとが選択されることになるので、上段基本構造体100aとして基本構造体100Lを用い、下段基本構造体100bとして基本構造体100LLを用いればよい。あるいは、上下を逆にして、上段基本構造体100aとして基本構造体100LLを用い、下段基本構造体100bとして基本構造体100Lを用いてもよい。ここでは、便宜上、上段基本構造体100aとして基本構造体100Lを用い、下段基本構造体100bとして基本構造体100LLを用いた例を代表例として、以下の説明を行うことにする。
For example, if the combination of
§4−1で述べたとおり、基本構造体100L,100R,100LL,100RRは、物理的には全く同一の構造体であり、XYZ三次元直交座標系への配置態様が異なっているだけである。したがって、図29に示す上段基本構造体100aおよび下段基本構造体100bは、実際には、全く同一の構造体になる。別言すれば、全く同一の部品を2個用意し、向きを変えて配置すれば足りる。たとえば、番号1の組み合わせを採用した場合、図22(a) に示す基本構造体100Lを部品として2個用意し、1個目を、図22(a) に示す向きのまま上段基本構造体100aとして配置し、2個目は、これをZ軸まわりに90°回転させて図23(a) に示す向きに修正し、下段基本構造体100bとして配置すればよい。
As described in §4-1, the
なお、この二段積層式の実施形態を示す図では、便宜上、上段基本構造体100aの構造を説明するための座標系として、原点OaをもつXaYaZ三次元直交座標系を用い、下段基本構造体100bの構造を説明するための座標系として、原点ObをもつXbYbZ三次元直交座標系を用い、積層構造体の全体構造を説明するための座標系として、原点OをもつXYZ三次元直交座標系を用いることにする。なお、Z軸は積層構造体の中心軸であるため、原点の位置は異なるものの、便宜上、いずれの座標系でも共通の軸として取り扱う。
In the figure showing the embodiment of the two-stage stacked type, for convenience, a lower basic structure is used by using a XaYaZ three-dimensional orthogonal coordinate system having an origin Oa as a coordinate system for explaining the structure of the upper
ここで述べる代表例の場合、上段基本構造体100aとして基本構造体100Lを用い、下段基本構造体100bとして基本構造体100LLを用いているので、基本構造体100Lについては、図22(a) に示す原点O,X軸,Y軸を、それぞれ原点Oa,Xa軸,Ya軸と読み替え、基本構造体100LLについては、図23(a) に示す原点O,X軸,Y軸を、それぞれ原点Ob,Xb軸,Yb軸と読み替える必要がある。
In the case of the representative example described here, since the
図29に示すとおり、上段基本構造体100aについてのXaYaZ三次元直交座標系、積層構造体全体についてのXYZ三次元直交座標系、下段基本構造体100bについてのXbYbZ三次元直交座標系は、いずれもZ軸を共通軸としているため、原点Oa,O,Obは、いずれもこの共通Z軸上に位置することになり、XaYa平面、XY平面、XbYb平面は、互いに平行な平面になる。
As shown in FIG. 29, the XaYaZ three-dimensional orthogonal coordinate system for the upper
図30は、図29に示す4つの構成要素100a,500,100b,200を積層して積層構造体を構成した状態を示す側面図である。この状態においても、Z軸が共通軸となり、XaYa平面、XY平面、XbYb平面が、互いに平行な平面になる点に変わりはない。なお、積層構造体全体についてのXYZ三次元直交座標系の原点Oは、中間基板500の中心点に定義される。
FIG. 30 is a side view showing a state where the four
図31は、図30に示す中間基板500をXY平面で切断した状態を示す横断面図である。図示のとおり、中間基板500は、内側中間部材510と外側中間部材520と、によって構成されている。内側中間部材510は、その上下に配置された内側部材を相互に接続するための部材であり、内側部材と同サイズの円盤状の部材である。一方、外側中間部材520は、その上下に配置された外側部材を相互に接続するための部材であり、外側部材と同サイズの円環状の部材である。なお、支持基板200は、§1で述べた支持基板200と全く同一の構造体であり、その上面図は、図4に示したとおりである。
FIG. 31 is a cross-sectional view showing a state in which the
図32は、図30に示す積層構造体をXZ平面で切断した状態を示す縦断面図である。図示のとおり、上段基本構造体100aの内側部材110aの下面に内側中間部材510の上面が接合され、下段基本構造体100bの内側部材110b(左右は、弧状アーム130b,140bに連なっている)の上面に内側中間部材510の下面が接合されている。また、上段基本構造体100aの外側部材120aの下面に外側中間部材520の上面が接合され、下段基本構造体100bの外側部材120bの上面に外側中間部材520の下面が接合されている。そして、下段基本構造体100bの外側部材120bの下面は、支持基板200の縁周部220の上面に接合されている。したがって、下段基本構造体100bの内側部材110bの下面と底板部210の上面との間には、空洞部250が形成される。
FIG. 32 is a longitudinal sectional view showing a state in which the laminated structure shown in FIG. 30 is cut along the XZ plane. As illustrated, the upper surface of the inner
結局、図32に示す積層構造体では、上段基本構造体100aの内側部材110a、内側中間部材510、下段基本構造体100bの内側部材110bが上下方向に3層積層した状態で相互に接合され、全体が積層内側部材として機能することになる。同様に、上段基本構造体100aの外側部材120a、外側中間部材520、下段基本構造体100bの外側部材120bが上下方向に3層積層した状態で相互に接合され、全体が積層外側部材として機能することになる。この積層外側部材は、支持基板200に接合される。
After all, in the laminated structure shown in FIG. 32, the
一方、上段基本構造体100aの弧状アーム130a,140aおよび下段基本構造体100bの弧状アーム130b,140bは、それぞれ別個独立したアームとして機能する。したがって、積層内側部材と積層外側部材とは、少なくとも一部に弾性変形を生じる性質をもった4本の弧状アーム130a,140a,130b,140bによって接続されることになる。図32に示すとおり、積層内側部材と積層外側部材との間には、空洞部250を含めた周囲空間が形成されており、積層内側部材は、外力の作用を受けたときに、この周囲空間内で変位することができる。
On the other hand, the arc-shaped
外力の作用を受けた積層内側部材が変位を生じると、4本の弧状アーム130a,140a,130b,140bに弾性変形が生じることになる。そこで、この弾性変形を電気的に検出する検出素子を設けておき、この検出素子の検出結果に基づいて、外力として作用した力やモーメントを求める点は、これまで述べてきた基本的な実施形態と同様である。以下、検出素子として容量素子を用いた実施例について述べる。
When the laminated inner member subjected to the action of the external force is displaced, the four arc-shaped
図33は、二段積層式の実施形態に係る力覚センサの支持基板200の上面に、8枚の固定電極E1〜E8を配置した状態を示す上面図である。§2で述べた実施形態の場合、図11に示すように、支持基板200上に合計12枚の固定電極E1〜E12を設けていたが、ここで述べる二段積層式の実施形態の場合、図33に示すように、支持基板200上に合計8枚の固定電極E1〜E8を設ければ足りる。
FIG. 33 is a top view showing a state in which eight fixed electrodes E1 to E8 are arranged on the upper surface of the
まず、図33に示す固定電極E5〜E8は、図11に示す固定電極E9〜E12に対応する円盤状の電極であり、形状および配置は図11に示す固定電極E9〜E12と全く同じである。すなわち、X軸およびY軸を底板部210の上面に投影した場合、固定電極E5はX軸正領域の投影像上に配置され、固定電極E6はX軸負領域の投影像上に配置され、固定電極E7はY軸正領域の投影像上に配置され、固定電極E8はY軸負領域の投影像上に配置されている。
First, the fixed electrodes E5 to E8 shown in FIG. 33 are disk-shaped electrodes corresponding to the fixed electrodes E9 to E12 shown in FIG. 11, and the shape and arrangement are exactly the same as those of the fixed electrodes E9 to E12 shown in FIG. . That is, when the X axis and the Y axis are projected onto the upper surface of the
図に破線で示す円は、下段基本構造体100bの内側部材110bの位置を示すものであり、固定電極E5〜E8は、いずれもこの破線の円内に配置されている。これは、固定電極E5〜E8が、内側部材110bの下面に対向する位置に配置されていることを示している。この実施例では、各固定電極E5〜E8の中心点とZ軸との距離は同一に設定されており、各固定電極E5〜E8は、Z軸から等距離の位置に配置されている。
A circle indicated by a broken line in the drawing indicates a position of the
一方、図33に示す固定電極E1〜E4は、図11に示す固定電極E1,E4,E5,E8と同様に、各弧状アームの外側に配置される電極であり、長方形の板をわずかに湾曲させた形状を有する同一サイズの電極である。ただ、図11に示す固定電極E1,E4,E5,E8が、W1軸もしくはW2軸上に配置されていたのに対し、図33に示す固定電極E1〜E4は、X軸もしくはY軸上に配置されている(正確に表現すれば、XY平面への投影像がX軸もしくはY軸上にくるような位置に配置されている)。また、図33に示す固定電極E1〜E4は、長方形の板をわずかに湾曲させた形状を有する同一サイズの支持部材S1〜S4によって支持されている。 On the other hand, the fixed electrodes E1 to E4 shown in FIG. 33 are electrodes arranged on the outer side of each arc-like arm similarly to the fixed electrodes E1, E4, E5, and E8 shown in FIG. It is the electrode of the same size which made the shape made. However, the fixed electrodes E1, E4, E5, and E8 shown in FIG. 11 are arranged on the W1 axis or the W2 axis, whereas the fixed electrodes E1 to E4 shown in FIG. 33 are on the X axis or the Y axis. (To be precise, the projection image on the XY plane is arranged at a position on the X axis or the Y axis). Also, the fixed electrodes E1 to E4 shown in FIG. 33 are supported by support members S1 to S4 of the same size having a shape obtained by slightly curving a rectangular plate.
ここで、支持部材S1〜S4は、底板部210の上面に、上方に伸びるように固定された絶縁性の構造体であり、その上端は、いずれも上段基本構造体100aの上面から更に上方へと突き出している。支持部材S1〜S4の具体的な配置は、図33に示されているとおり、支持部材S1がX軸正領域、支持部材S2がX軸負領域、支持部材S3がY軸正領域、支持部材S4がY軸負領域である。ここに示す実施例の場合、支持部材S1〜S4は、Z軸を中心軸とした円柱面(各弧状アームを内包する円柱の表面)に沿った位置に配置されている。
Here, the support members S1 to S4 are insulating structures fixed to the upper surface of the
一方、固定電極E1〜E4は、それぞれ支持部材S1〜S4によって支持された電極であるが、その上下方向の寸法は、支持部材S1〜S4の上下方向の寸法に比べて短く設定されている。別言すれば、固定電極E1,E2は、上段基本構造体100aの弧状アーム130a,140aの側面に対向する電極として必要十分な位置に形成され、固定電極E3,E4は、下段基本構造体100bの弧状アーム130b,140bの側面に対向する電極として必要十分な位置に形成されている。その様子は、図34に明瞭に示されている。
On the other hand, the fixed electrodes E1 to E4 are electrodes supported by the support members S1 to S4, respectively, but the vertical dimension thereof is set shorter than the vertical dimension of the support members S1 to S4. In other words, the fixed electrodes E1 and E2 are formed at necessary and sufficient positions as electrodes facing the side surfaces of the arc-shaped
図34は、図32に示す積層構造体に、8枚の固定電極E1〜E8を配置した状態を示す縦断面図であり、XZ平面で切断した断面を示している。積層構造体が、100a,500,100b,200なる4つの構成要素を上下に積層した構造体であることは、既に述べたとおりである。
FIG. 34 is a longitudinal sectional view showing a state in which eight fixed electrodes E1 to E8 are arranged in the laminated structure shown in FIG. 32, and shows a section cut along the XZ plane. As described above, the stacked structure is a structure in which four
図の右端近傍には、支持部材S1の上方近くに固定電極E1が配置された状態が示されており、図の左端近傍には、支持部材S2の上方近くに固定電極E2が配置された状態が示されている。固定電極E1は、上段基本構造体100aの弧状アーム130aの外側面に対向する位置に配置されており、弧状アーム130aの表面の対向面(太線部分)は、固定電極E1に対向する変位電極E0として機能する。同様に、固定電極E2は、上段基本構造体100aの弧状アーム140aの外側面に対向する位置に配置されており、弧状アーム140aの表面の対向面(太線部分)は、固定電極E2に対向する変位電極E0として機能する。
A state in which the fixed electrode E1 is arranged near the upper part of the support member S1 is shown near the right end of the figure, and a state in which the fixed electrode E2 is arranged near the upper part of the support member S2 near the left end of the figure. It is shown. The fixed electrode E1 is disposed at a position facing the outer surface of the arc-shaped
ここで、固定電極E1とこれに対向する変位電極E0(太線部分)との関係および固定電極E2とこれに対向する変位電極E0(太線部分)との関係は、図14で説明した関係になっている。 Here, the relationship between the fixed electrode E1 and the displacement electrode E0 (thick line portion) opposed thereto and the relationship between the fixed electrode E2 and the displacement electrode E0 (thick line portion) opposed thereto are the relationships described in FIG. ing.
図34の中央部の奥には、支持部材S3が描かれている。この支持部材S3は、固定電極E3を支持する部材である。固定電極E3は、下段基本構造体100bの弧状アーム130b(内側部材110bの奥に位置するアーム)の外側面に対向する位置に配置されており、図には、内側部材110bの下方に一部が覗いている状態が示されている。また、図34には現れていないが、内側部材110bの手前側には、固定電極E4を支持するための支持部材S4が配置されている。ここで、固定電極E4は、下段基本構造体100bの弧状アーム140b(内側部材110bの手前に位置するアーム)の外側面に対向する位置に配置されている。
A support member S3 is drawn at the back of the center of FIG. The support member S3 is a member that supports the fixed electrode E3. The fixed electrode E3 is disposed at a position facing the outer surface of the arc-shaped
弧状アーム130bの表面の固定電極E3に対向する部分は変位電極E0として機能し、弧状アーム140bの表面の固定電極E4に対向する部分も変位電極E0として機能する。ここで、固定電極E3とこれに対向する変位電極E0との関係および固定電極E4とこれに対向する変位電極E0との関係は、図14で説明した関係になっている。
The portion facing the fixed electrode E3 on the surface of the arc-shaped
図34には、底板部210の上面に固定された固定電極E5,E6,E7も描かれている(固定電極E8は、図34には現れていないが、紙面の手前側に位置する)。また、図34では、内側部材110bの下面における、固定電極E5に対向する部分および固定電極E6に対向する部分が太線で示されている。この太線部分は、それぞれ固定電極E5に対向する変位電極E0および固定電極E6に対向する変位電極E0として機能する。
34 also shows fixed electrodes E5, E6, and E7 fixed to the upper surface of the bottom plate portion 210 (the fixed electrode E8 is not shown in FIG. 34, but is located on the front side of the paper surface). Further, in FIG. 34, a portion facing the fixed electrode E5 and a portion facing the fixed electrode E6 on the lower surface of the
ここに示す実施例の場合、上段基本構造体100a、中間基板500、下段基本構造体100bは、いずれも金属などの導電性材料によって構成されているため、図に太線で示す変位電極E0は互いに電気的に導通しており、共通電極として機能することになる。これに対して、支持基板200は、樹脂などの絶縁性材料によって構成されているため、固定電極E5〜E8は、それぞれ電気的に独立した個別電極として機能する。もちろん、支持基板200を金属などの導電性材料によって構成することも可能であるが、その場合、固定電極E5〜E8は、底板部210の上面に絶縁層を介して固定する必要がある。
In the case of the embodiment shown here, the upper
図35(a) は、図34に示す二段積層式の実施形態に係る力覚センサをXaYa平面で切断した状態を示す横断面図であり、図35(b) は、これをXbYb平面で切断した状態を示す横断面図である(破線の円で示すE5〜E8は、支持基板200上に配置された各固定電極の位置を示している)。もちろん、これまで述べてきた実施例と同様に、各固定電極E1〜E8と、これらに対向する個々の変位電極E0とによって、容量素子C1〜C8が形成されることになる。 FIG. 35 (a) is a cross-sectional view showing a state in which the force sensor according to the two-layer stacked embodiment shown in FIG. 34 is cut along the XaYa plane, and FIG. 35 (b) is a cross-sectional view along the XbYb plane. It is a cross-sectional view which shows the state cut | disconnected (E5-E8 shown with the circle of a broken line has shown the position of each fixed electrode arrange | positioned on the support substrate 200). Of course, as in the embodiments described so far, the capacitive elements C1 to C8 are formed by the fixed electrodes E1 to E8 and the individual displacement electrodes E0 facing the fixed electrodes E1 to E8.
前述したとおり、ここに示す実施例は、上段基本構造体100aとして基本構造体100Lを用い、下段基本構造体100bとして基本構造体100LLを用いた例(番号1の組み合わせ)であるため、図35(a) に示す上段基本構造体100aは、図22(a) に示す基本構造体100Lと同じものであり、図35(b) に示す下段基本構造体100bは、図23(a) に示す基本構造体100LLと同じものである。
As described above, the embodiment shown here is an example (combination of number 1) using the
図35(a) に示すとおり、各弧状アーム部の外側位置のXa軸およびYa軸上には、支持部材S1〜S4が配置されている。また、図35(b) に示すとおり、各弧状アーム部の外側位置のXb軸およびYb軸上にも、支持部材S1〜S4が配置されている。上述したとおり、支持部材S1〜S4は、底板部210の上面から上方に向かって伸びる絶縁性の板状部材であり、下段基本構造体100bと上段基本構造体100aとの双方の空隙部を貫通するように配置されている。
As shown in FIG. 35 (a), support members S1 to S4 are arranged on the Xa axis and the Ya axis at the outer positions of the arc-shaped arm portions. Further, as shown in FIG. 35 (b), support members S1 to S4 are also arranged on the Xb axis and the Yb axis at the outer positions of the respective arc-shaped arm portions. As described above, the support members S1 to S4 are insulating plate-like members extending upward from the upper surface of the
これに対して、固定電極E1,E2は、支持部材S1,S2の上段基本構造体100aの位置近傍に配置された電極であり、固定電極E3,E4は、支持部材S3,S4の下段基本構造体100bの位置近傍に配置された電極である。このため、図35(a) には、測定点H11,H12の近傍に配置された固定電極E1,E2の断面と、これに対向する弧状アーム表面側の変位電極(太線部分)とが示されている(図35(a) に現れている固定電極E3,E4は、XaYa平面ではなく、その下方に位置するXbYb平面に配置されている電極である)。
On the other hand, the fixed electrodes E1 and E2 are electrodes arranged near the position of the upper
同様に、図35(b) には、測定点H13,H14の近傍に配置された固定電極E3,E4の断面と、これに対向する弧状アーム表面側の変位電極(太線部分)とが示されている(XbYb平面の位置では、支持部材S1,S2に固定電極は形成されていない)。また、図35(b) には、底板部210の上面に形成された4枚の円盤状の固定電極E5〜E8の位置が破線の円で示されている。これら固定電極E5〜E8は、図示する測定点H15〜H18の近傍に配置された電極である。ここで、測定点H15はXb軸正領域上の点、測定点H16はXb軸負領域上の点、測定点H17はYb軸正領域上の点、測定点H18はYb軸負領域上の点であり、いずれも原点Obから等距離の点として定義される。
Similarly, FIG. 35 (b) shows a cross section of the fixed electrodes E3 and E4 arranged in the vicinity of the measurement points H13 and H14, and a displacement electrode (thick line portion) on the arc-shaped arm surface side facing this. (In the position of the XbYb plane, no fixed electrode is formed on the support members S1 and S2.) Further, in FIG. 35 (b), the positions of the four disk-shaped fixed electrodes E5 to E8 formed on the upper surface of the
結局、図35(a) に示す上段基本構造体100aおよび固定電極E1,E2は、図22(a) に示す基本構造体100Lおよび電極E1,E2と等価であり、図35(b) に示す下段基本構造体100bおよび固定電極E3,E4は、図23(a) に示す基本構造体100LLおよび電極E3,E4と等価である。したがって、図25のテーブルの番号1の組み合わせを適用することができる(もちろん、図27のテーブルの番号1の組み合わせを適用してもよい)。一方、図35(b) に示す下段基本構造体100bおよび固定電極E5〜E8は、図13(a) に示す基本構造体100および固定電極E9〜E12と等価になるので、図15(b) のテーブルのC9〜C12の欄をC5〜C8と読み替えて適用することができる。
After all, the upper
したがって、図35に示す構造を有す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各容量素子C1〜C8の静電容量値の変化を示すテーブルとして、図36に示すテーブルが得られる(いずれも、正符号の外力を示すものであるが、負符号の外力が作用した場合は、各欄の符号を逆転させた結果が得られる)。ここで、図36に示すテーブルのC1〜C4の+Fx,+Fy,+Mz欄は、図25のテーブルの番号1の対応欄を転記したものになっており、+Fz,+Mx,+My欄は、図24のテーブルの「共通」欄を転記したものになっており、C5〜C8の欄は、図15(b) のC9〜C12欄をC5〜C8欄と読み替えて転記したものになっている。
Therefore, as a table showing changes in capacitance values of the capacitive elements C1 to C8 when a force in the direction of each coordinate axis and a moment around each coordinate axis are applied to the force sensor having the structure shown in FIG. The table shown in FIG. 36 is obtained (both indicate positive signs of external force, but when negative signs of external force are applied, the result of reversing the sign of each column is obtained). Here, the + Fx, + Fy, + Mz columns of C1 to C4 in the table shown in FIG. 36 are the corresponding columns of
この図36のテーブルに示す結果を踏まえると、図35に示す構造を有する力覚センサの場合、検出回路300によって、図37の演算式に基づく演算、すなわち、
Fx=(C1+C4)−(C2+C3)
Fy=(C1+C3)−(C2+C4)
Fz=−(C5+C6+C7+C8)
Mx=−C7+C8
My=+C5−C6
Mz=C1+C2+C3+C4
なる演算を行えば、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の検出値をそれぞれ求めることができる。しかも、図36のテーブルに示す結果を見ればわかるとおり、上記各演算式に基づいて算出された検出値には、他軸成分の混入はないので、6軸成分の検出値をそれぞれ独立して得ることができる。
Based on the results shown in the table of FIG. 36, in the case of the force sensor having the structure shown in FIG. 35, the
Fx = (C1 + C4) − (C2 + C3)
Fy = (C1 + C3) − (C2 + C4)
Fz = − (C5 + C6 + C7 + C8)
Mx = −C7 + C8
My = + C5-C6
Mz = C1 + C2 + C3 + C4
When the following calculation is performed, the detected values 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 Can be obtained respectively. In addition, as can be seen from the results shown in the table of FIG. 36, the detection values calculated based on the above-described arithmetic expressions do not include other axis components. Can be obtained.
もちろん、上述の演算式は、上段基本構造体100aとして基本構造体100Lを用い、下段基本構造体100bとして基本構造体100LLを用いた例(番号1の組み合わせ)についてのものであるので、別な組み合わせを採用した場合には、当該組み合わせに応じた演算式を用いる必要がある。
Of course, the above arithmetic expression is for an example (combination of number 1) in which the
<4−4.二段積層式の実施形態のメリット>
§2では、図13に例示するような基本的な実施形態に係る力覚センサを説明し、§4では、図35に例示するような二段積層式の実施形態に係る力覚センサを説明した。両者は、いずれも力Fx,Fy,Fz、モーメントMx,My,Mzの6軸成分の検出値をそれぞれ独立して求める機能を有している。ここで、前者では、単一の基本構造体100のみを用いればよいのに対して、後者では、2組の基本構造体100a,100bを用いる必要があるため、基本構造体の数という点では、前者の方が構造が単純になる。
<4-4. Advantages of the two-stage stacked embodiment>
In §2, a force sensor according to a basic embodiment as illustrated in FIG. 13 is described, and in §4, a force sensor according to a two-layer stacked embodiment as illustrated in FIG. 35 is described. did. Both of them have a function of independently obtaining detection values of six-axis components of forces Fx, Fy, Fz and moments Mx, My, Mz. Here, in the former, it is only necessary to use a single
しかしながら、前者では、図13に示すように、合計12枚の固定電極E1〜E12が必要になるのに対して、後者では、図35に示すように、合計8枚の固定電極E1〜E8のみを設ければよいので、電極構成という点では、後者の方が構造が単純になる。 However, the former requires a total of 12 fixed electrodes E1 to E12 as shown in FIG. 13, whereas the latter requires only a total of 8 fixed electrodes E1 to E8 as shown in FIG. Therefore, the latter is simpler in terms of electrode configuration.
前者に対する後者の顕著なメリットは、力やモーメントの各軸成分の検出感度のバランスを調整しやすくなる、という点である。このメリットは、図38の表を見るとよくわかる。この表は、図13に示す基本的な実施形態に係る力覚センサ(基本構造体を1段重ねにしたもの)と、図35に示す二段積層式の実施形態に係る力覚センサ(基本構造体を2段重ねにしたもの)と、について、力Fx,Fy,Fz、モーメントMx,My,Mzの6軸成分を作用させたとき、それぞれの検出値を求めるために利用される容量素子(各検出値の演算式に静電容量値が用いられる容量素子)の平均変位量Δ(単位:μm)を実験により求めた結果を示すものである。 The remarkable merit of the latter over the former is that it becomes easy to adjust the balance of detection sensitivity of each axis component of force and moment. This advantage can be clearly seen by looking at the table in FIG. This table shows the force sensor according to the basic embodiment shown in FIG. 13 (the basic structure is stacked in one stage) and the force sensor according to the two-layer stacked embodiment shown in FIG. Capacitance elements used for obtaining respective detection values when 6-axis components of forces Fx, Fy, Fz and moments Mx, My, Mz are applied to The average displacement amount (DELTA) (unit: micrometer) of (capacitance element in which an electrostatic capacitance value is used for the calculation formula of each detection value) is shown as a result of an experiment.
この実験では、外側部材(積層外側部材)を固定した状態において、内側部材(積層内側部材)に力Fx,Fy,Fz、モーメントMx,My,Mzの6軸成分を作用させている。具体的には、力Fx,Fy,Fzとしては、いずれも25Nの力を加え、モーメントMx,My,Mzとしては、いずれも25N・cmのモーメントを加えている。 In this experiment, six-axis components of forces Fx, Fy, Fz and moments Mx, My, Mz are applied to the inner member (laminated inner member) in a state where the outer member (laminate outer member) is fixed. Specifically, as the forces Fx, Fy, and Fz, a force of 25N is applied, and as the moments Mx, My, and Mz, a moment of 25N · cm is applied.
この表において、平均変位量Δは、作用した外力成分についての検出感度を示すパラメータとなり、平均変位量Δが大きい結果が示されている外力成分ほど、検出感度が高いことになる。一般的な用途では、6軸成分の検出感度が、できるだけ同じになるのが好ましい。 In this table, the average displacement amount Δ is a parameter indicating the detection sensitivity for the applied external force component, and the external force component for which the average displacement amount Δ is large indicates higher detection sensitivity. In general applications, it is preferable that the detection sensitivities of the six-axis components be as similar as possible.
このような観点で、この表を見てみると、1段重ねの力覚センサの場合、力Fxの検出感度「80」と力Fyの検出感度「15」との間には、大きな差が生じていることがわかる。これは、図13(a) を見ればわかるように、2本の弧状アーム130,140が、いずれもY軸近傍に端点を有するアームになっており、X軸方向には変位しやすいが、Y軸方向には変位しにくい構造をもっているためである。
From this point of view, in the case of a one-stage force sensor, there is a large difference between the detection sensitivity “80” of the force Fx and the detection sensitivity “15” of the force Fy. You can see that it has occurred. As can be seen from FIG. 13 (a), the two arc-shaped
これに対して、2段重ねの力覚センサの場合、力Fxの検出感度と力Fyの検出感度は、いずれも「19」になっており、両者の感度に差は生じていない。これは、図35に示すとおり、上段基本構造体100aと下段基本構造体100bとが、90°回転させた配置関係になっており、上下2段に重ねた積層構造体に関しては、X軸方向に関する変位のしやすさと、Y軸方向に関する変位のしやすさと、の間に差が生じなくなっているためである。
On the other hand, in the case of a two-stage force sensor, the detection sensitivity of the force Fx and the detection sensitivity of the force Fy are both “19”, and there is no difference between the two sensitivities. As shown in FIG. 35, the upper
もちろん、モーメントの検出感度についても同様のことが言える。すなわち、1段重ねの力覚センサの場合、モーメントMxの検出感度「140」とモーメントMyの検出感度「70」との間には、大きな差が生じているが、2段重ねの力覚センサの場合、モーメントMxの検出感度とモーメントMyの検出感度は、いずれも「35」になっており、両者の感度に差は生じていない。 Of course, the same can be said about the detection sensitivity of the moment. In other words, in the case of the one-step stacked force sensor, there is a large difference between the detection sensitivity “140” of the moment Mx and the detection sensitivity “70” of the moment My. In this case, the detection sensitivity of the moment Mx and the detection sensitivity of the moment My are both “35”, and there is no difference between the two sensitivities.
また、2段重ねの力覚センサでは、力の検出感度とモーメントの検出感度との差を是正する効果も得られる。たとえば、1段重ねの力覚センサの場合、モーメントMxの検出感度「140」は、力Fzの検出感度「100」に対して1.40倍になっているのに対して、2段重ねの力覚センサの場合、モーメントMxの検出感度「35」は、力Fzの検出感度「45」に対して0.78倍になっており、感度差は是正されている。 The two-stage force sensor can also correct the difference between the force detection sensitivity and the moment detection sensitivity. For example, in the case of a one-stage force sensor, the detection sensitivity “140” of the moment Mx is 1.40 times the detection sensitivity “100” of the force Fz, whereas In the case of the force sensor, the detection sensitivity “35” of the moment Mx is 0.78 times the detection sensitivity “45” of the force Fz, and the sensitivity difference is corrected.
このように、二段積層式の実施形態では、力やモーメントの各軸成分の検出感度のバランスが調整される点が大きな特徴である。 As described above, the two-stage stacked embodiment is characterized in that the balance of detection sensitivity of each axis component of force and moment is adjusted.
<4−5.二段積層式の実施形態の基本技術概念>
最後に、§4で述べた二段積層式の実施形態に係る力覚センサの基本技術概念をまとめておく。この二段積層式の実施形態に係る力覚センサは、結局、§1で述べた基本構造体100を2組と、この2組の基本構造体100の弧状アーム130,140の弾性変形を電気的に検出する検出素子と、この検出素子の検出結果に基づいて、2組の基本構造体100の内側部材110および2組の基本構造体100の外側部材120の一方を固定した状態において、他方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、を備えたセンサということになる。
<4-5. Basic Technical Concept of Two-tiered Stacking Embodiment>
Finally, the basic technical concept of the force sensor according to the embodiment of the two-stage stacking type described in §4 is summarized. In the force sensor according to the two-layered embodiment, two sets of the
上述した実施形態の場合、2組の基本構造体100は、Z軸を垂直軸として上下方向に隣接するように配置されており、いずれもn=2に設定することにより、内側部材110と外側部材120とが第1の弧状アーム130と第2の弧状アーム140とによって接続されており、かつ、XY平面に平行な所定の平面(具体的には、図35(a) に示すXaYa平面もしくは図35(b) に示すXbYb平面)を配置平面と定義したときに、この配置平面上に、第1の内側接続点P1、第2の内側接続点P2、第1の外側接続点Q1、第2の外側接続点Q2が配置されている。
In the case of the above-described embodiment, the two sets of the
上述した実施例の説明では、この2組の基本構造体100のうち、上方に配置された一方を上段基本構造体100aと呼び、下方に配置された他方を下段基本構造体100bと呼んでいる。
In the description of the above-described embodiments, one of the two sets of
そして、図32に示すように、上段基本構造体100aの内側部材110aの下面と下段基本構造体100bの内側部材110bの上面との間には、両者を接続する内側中間部材510が設けられており、上段基本構造体100aの外側部材120aの下面と下段基本構造体100bの外側部材120bの上面との間には、両者を接続する外側中間部材520が設けられている。
As shown in FIG. 32, an inner
その結果、上段基本構造体100aの内側部材110aと、内側中間部材510と、下段基本構造体100bの内側部材110bは、相互に接続され、全体が積層内側部材として機能する。同様に、上段基本構造体100aの外側部材120aと、外側中間部材520と、下段基本構造体100bの外側部材120bは、相互に接続され、全体が積層外側部材として機能する。
As a result, the
そして、上段基本構造体100aおよび下段基本構造体100bの双方について、弧状アーム130a,140a,130b,140bの弾性変形を電気的に検出する検出素子(上述した実施例の場合は容量素子C1〜C8)が設けられ、検出回路300が、これら検出素子の検出結果に基づいて、積層内側部材および積層外側部材の一方を固定した状態において、他方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ことになる。
For both the upper
実際には、上段基本構造体100aおよび下段基本構造体100bは、幾何学的に合同となる構造体であり、両者は、Z軸を共通の中心軸として配置される。そして、図25のテーブルに番号1もしくは番号3として記載されている組み合わせを採用する場合、下段基本構造体100bは、上段基本構造体100aをZ軸を回転軸として90°回転させた向きに配置した構造体になる。
Actually, the upper
より具体的には、番号1もしくは番号3として記載されている組み合わせを採用する場合、上段基本構造体100aとして、第1の内側接続点P1が、配置平面上へのY軸の負領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第2の内側接続点P2が、配置平面上へのY軸の正領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第1の外側接続点Q1が、配置平面上へのY軸の正領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第2の外側接続点Q2が、配置平面上へのY軸の負領域の投影像上もしくはその近傍に配置された基本構造体を用いればよい。
More specifically, when the combination described as No. 1 or No. 3 is adopted, as the upper
この場合、右ネジをZ軸正方向に進める回転方向を左まわり方向、右ネジをZ軸負方向に進める回転方向を右まわり方向、と定義したときに、第1の弧状アームは、第1の内側接続点P1から第1の外側接続点Q2に向かって、左まわり方向(基本構造体100Lの場合)および右まわり方向(基本構造体100Rの場合)のうちのいずれか一方の選択方向に伸びており、第2の弧状アームは、第2の内側接続点P2から第2の外側接続点Q2に向かって、上記選択方向と同じ方向に伸びているようにする。
In this case, when the rotation direction in which the right screw is advanced in the Z-axis positive direction is defined as a counterclockwise direction, and the rotation direction in which the right screw is advanced in the Z-axis negative direction is defined as a clockwise direction, the first arcuate arm is Direction from the inner connection point P1 to the first outer connection point Q2 in either the left-handed direction (in the case of the
また、下段基本構造体100bとしては、上述した上段基本構造体100aと幾何学的に合同となる構造体を、Z軸を回転軸として90°回転させた向きに配置した構造体を用いるようにすればよい。
Further, as the lower
一方、図25のテーブルに番号2もしくは番号4として記載されている組み合わせを採用する場合については、やはり上段基本構造体100aおよび下段基本構造体100bは、幾何学的に合同となる構造体でよく、両者を、Z軸を共通の中心軸として配置すればよい。ただ、この場合、下段基本構造体100bは、上段基本構造体100aをX軸もしくはY軸を回転軸として180°回転させ、更に、Z軸を回転軸として90°回転させた向きに配置した構造体になる。
On the other hand, when the combination described as
より具体的には、番号2もしくは番号4として記載されている組み合わせを採用する場合、上段基本構造体100aとして、第1の内側接続点P1が、配置平面(XaYa平面)上へのY軸の負領域の投影像(Ya軸の負領域)上もしくはその近傍に配置され、第2の内側接続点P2が、配置平面(XaYa平面)上へのY軸の正領域の投影像(Ya軸の正領域)上もしくはその近傍に配置され、第1の外側接続点Q1が、配置平面(XaYa平面)上へのY軸の正領域の投影像(Ya軸の正領域)上もしくはその近傍に配置され、第2の外側接続点Q2が、配置平面(XaYa平面)上へのY軸の負領域の投影像(Ya軸の負領域)上もしくはその近傍に配置された基本構造体を用いればよい。
More specifically, when the combination described as No. 2 or No. 4 is adopted, as the upper
この場合、右ネジをZ軸正方向に進める回転方向を左まわり方向、右ネジをZ軸負方向に進める回転方向を右まわり方向、と定義したときに、第1の弧状アームは、第1の内側接続点P1から第1の外側接続点Q1に向かって、左まわり方向(基本構造体100Lの場合)および右まわり方向(基本構造体100Rの場合)のうちのいずれか一方の選択方向に伸びており、第2の弧状アームは、第2の内側接続点P2から第2の外側接続点Q2に向かって、上記選択方向と同じ方向に伸びているようにする。
In this case, when the rotation direction in which the right screw is advanced in the Z-axis positive direction is defined as a counterclockwise direction, and the rotation direction in which the right screw is advanced in the Z-axis negative direction is defined as a clockwise direction, the first arcuate arm is From the inner connection point P1 to the first outer connection point Q1, in the selection direction of either the left-handed direction (in the case of the
また、下段基本構造体100bとしては、上述した上段基本構造体100aと幾何学的に合同となる構造体を、X軸もしくはY軸を回転軸として180°回転させ、更に、Z軸を回転軸として90°回転させた向きに配置した構造体を用いるようにすればよい。
Further, as the lower
各検出素子の配置に関しては、次のようにすればよい。まず、上段基本構造体100aについては、配置平面(XaYa平面)上へのX軸の正領域の投影像(Xa軸の正領域)と弧状アームの中心線との交点に第1の測定点H11を定義し、配置平面(XaYa平面)上へのX軸の負領域の投影像(Xa軸の負領域)と弧状アームの中心線との交点に第2の測定点H12を定義する(図22参照)。次に、下段基本構造体100bについては、配置平面(XbYb平面)上へのY軸の正領域の投影像(Yb軸の正領域)と弧状アームの中心線との交点に第3の測定点H13を定義し、配置平面(XbYb平面)上へのY軸の負領域の投影像(Yb軸の負領域)と弧状アームの中心線との交点に第4の測定点H14を定義する(図23参照)。そして、検出素子が、第1〜第4の測定点H11〜H14の変位を電気的に検出することにより、各弧状アームの弾性変形を検出するようにすればよい。
The arrangement of the detection elements may be as follows. First, for the upper
検出素子として容量素子を用いる場合は、第1の測定点H11の近傍に配置された第1の容量素子C1と、第2の測定点H12の近傍に配置された第2の容量素子C2と、第3の測定点H13の近傍に配置された第3の容量素子C3と、第4の測定点H14の近傍に配置された第4の容量素子C4と、を設けるようにすればよい。 When a capacitive element is used as the detection element, a first capacitive element C1 disposed in the vicinity of the first measurement point H11, a second capacitive element C2 disposed in the vicinity of the second measurement point H12, What is necessary is just to provide the 3rd capacitive element C3 arrange | positioned in the vicinity of the 3rd measurement point H13, and the 4th capacitive element C4 arrange | positioned in the vicinity of the 4th measurement point H14.
ここで、第1の容量素子C1は、弧状アームの外側もしくは内側の第1の測定点H11の近傍に配置され積層内側部材または積層外側部材に固定された第1の固定電極E1と、弧状アームの表面における第1の固定電極E1に対向する領域に形成された第1の変位電極E0と、によって構成された容量素子である。 Here, the first capacitive element C1 includes a first fixed electrode E1 disposed in the vicinity of the first measurement point H11 outside or inside the arc-shaped arm and fixed to the laminated inner member or the laminated outer member, and the arc-shaped arm. And a first displacement electrode E0 formed in a region facing the first fixed electrode E1 on the surface of the capacitor.
また、第2の容量素子C2は、弧状アームの外側もしくは内側の第2の測定点H12の近傍に配置され積層内側部材または積層外側部材に固定された第2の固定電極E2と、弧状アームの表面における第2の固定電極E2に対向する領域に形成された第2の変位電極E0と、によって構成された容量素子である。 The second capacitive element C2 includes a second fixed electrode E2 disposed near the second measurement point H12 outside or inside the arc-shaped arm and fixed to the laminated inner member or the laminated outer member, and the arc-shaped arm. It is a capacitive element constituted by a second displacement electrode E0 formed in a region facing the second fixed electrode E2 on the surface.
そして、第3の容量素子C3は、弧状アームの外側もしくは内側の第3の測定点H13の近傍に配置され積層内側部材または積層外側部材に固定された第3の固定電極E3と、弧状アームの表面における第3の固定電極E3に対向する領域に形成された第3の変位電極E0と、によって構成された容量素子である。 The third capacitive element C3 includes a third fixed electrode E3 disposed in the vicinity of the third measurement point H13 outside or inside the arc-shaped arm and fixed to the laminated inner member or the laminated outer member, and the arc-shaped arm. It is a capacitive element constituted by a third displacement electrode E0 formed in a region facing the third fixed electrode E3 on the surface.
最後の第4の容量素子C4は、弧状アームの外側もしくは内側の第4の測定点H14の近傍に配置され積層内側部材または積層外側部材に固定された第4の固定電極E4と、弧状アームの表面における第4の固定電極E4に対向する領域に形成された第4の変位電極E0と、によって構成された容量素子である。 The last fourth capacitive element C4 is disposed in the vicinity of the fourth measurement point H14 outside or inside the arcuate arm and fixed to the laminated inner member or laminated outer member, and the arcuate arm It is a capacitive element constituted by a fourth displacement electrode E0 formed in a region facing the fourth fixed electrode E4 on the surface.
検出回路は、これら容量素子C1〜C4によって構成される検出素子の検出結果に基づいて、積層内側部材および積層外側部材の一方を固定した状態において、他方に作用したX軸方向の力Fx、Y軸方向の力FyおよびZ軸まわりのモーメントMzの検出値を出力することができる。 The detection circuit, based on the detection results of the detection elements constituted by these capacitive elements C1 to C4, in a state in which one of the laminated inner member and the laminated outer member is fixed, the X-axis direction forces Fx and Y acting on the other Detection values of the axial force Fy and the moment Mz around the Z-axis can be output.
6軸すべての検出値が得られるようにするには、上述した第1〜第4の測定点H11〜H14に加えて、更に、下段基本構造体100bの弧状アームもしくは内側部材の所定箇所に第5〜第8の測定点H15〜H18を定義すればよい(図35(b) 参照)。ここで、第5の測定点H15は、下段基本構造体の配置平面(XbYb平面)上へのX軸の正領域の投影像(Xb軸の正領域)上もしくはその近傍位置に配置され、第6の測定点H16は、下段基本構造体の配置平面(XbYb平面)上へのX軸の負領域の投影像(Xb軸の負領域)上もしくはその近傍位置に配置され、第7の測定点H17は、下段基本構造体の配置平面(XbYb平面)上へのY軸の正領域(Yb軸の正領域)の投影像上もしくはその近傍位置に配置され、第8の測定点H18は、下段基本構造体の配置平面(XbYb平面)上へのY軸の負領域の投影像(Yb軸の負領域)上もしくはその近傍位置に配置されるようにすればよい。
In order to obtain the detection values for all six axes, in addition to the first to fourth measurement points H11 to H14 described above, the detection is further performed at a predetermined position on the arc-shaped arm or the inner member of the lower
そして、検出素子として、更に、第5の測定点H15の近傍に配置された第5の容量素子C5と、第6の測定点H16の近傍に配置された第6の容量素子C6と、第7の測定点H17の近傍に配置された第7の容量素子C7と、第8の測定点H18の近傍に配置された第8の容量素子C8と、を設けるようにする。 As detection elements, a fifth capacitive element C5 arranged in the vicinity of the fifth measurement point H15, a sixth capacitive element C6 arranged in the vicinity of the sixth measurement point H16, and a seventh element The seventh capacitive element C7 disposed in the vicinity of the second measurement point H17 and the eighth capacitive element C8 disposed in the vicinity of the eighth measurement point H18 are provided.
ここで、第5の容量素子C5は、下段基本構造体100bの弧状アームもしくは内側部材の下方の第5の測定点H15の近傍に配置され下段基本構造体100bの外側部材に固定された第5の固定電極E5と、下段基本構造体100bの弧状アームもしくは内側部材の下面における第5の固定電極E5に対向する領域に形成された第5の変位電極E0と、によって構成された容量素子である。
Here, the fifth capacitive element C5 is arranged in the vicinity of the fifth measurement point H15 below the arc-shaped arm of the lower
また、第6の容量素子C6は、下段基本構造体100bの弧状アームもしくは内側部材の下方の第6の測定点H16の近傍に配置され下段基本構造体100bの外側部材に固定された第6の固定電極E6と、下段基本構造体100bの弧状アームもしくは内側部材の下面における第6の固定電極E6に対向する領域に形成された第6の変位電極E0と、によって構成された容量素子である。
The sixth capacitive element C6 is arranged in the vicinity of the arc-shaped arm of the lower
そして、第7の容量素子C7は、下段基本構造体100bの弧状アームもしくは内側部材の下方の第7の測定点H17の近傍に配置され下段基本構造体100bの外側部材に固定された第7の固定電極E7と、下段基本構造体100bの弧状アームもしくは内側部材の下面における第7の固定電極E7に対向する領域に形成された第7の変位電極E0と、によって構成された容量素子である。
The seventh capacitive element C7 is disposed in the vicinity of the arcuate arm of the lower
最後の第8の容量素子C8は、下段基本構造体100bの弧状アームもしくは内側部材の下方の第8の測定点H18の近傍に配置され下段基本構造体100bの外側部材に固定された第8の固定電極E8と、下段基本構造体100bの弧状アームもしくは内側部材の下面における第8の固定電極E8に対向する領域に形成された第8の変位電極E0と、によって構成された容量素子である。
The last eighth capacitive element C8 is arranged in the vicinity of the arc-shaped arm of the lower
検出回路は、これら容量素子C1〜C8によって構成される検出素子の検出結果に基づいて、積層内側部材および積層外側部材の一方を固定した状態において、他方に作用した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およびZ軸まわりのモーメントMzの検出値を出力することができる。 The detection circuit, based on the detection results of the detection elements constituted by these capacitive elements C1 to C8, in the state where one of the laminated inner member and the laminated outer member is fixed, the X-axis direction forces Fx and Y acting on the other Detection values of the axial force Fy, the Z-axis force Fz, the X-axis moment Mx, the Y-axis moment My, and the Z-axis moment Mz can be output.
なお、図34に示す実施例の場合、下段基本構造体100bの下方に支持基板200が配置されている。この支持基板200は、下段基本構造体100bに対向する底板部210と、この底板部210の周囲から上方に隆起した縁周部220とを有しており、下段基本構造体100bの外側部材120bの下面は、縁周部220の上面に固定されており、下段基本構造体100bの内側部材110bの下面と底板部210の上面との間に空洞部250が形成されており、積層内側部材(110a,510,110b)が、この空洞部250を含む周囲空間内で変位可能となるように弧状アームによって支持されている。また、第1〜第8の固定電極E1〜E8は、底板部210の上面に固定されている。
In the case of the example shown in FIG. 34, the
<<< §5. その他の変形例 >>>
最後に、これまで述べてきた様々な実施例に対する更なる変形例をいくつか列挙しておく。
<<< §5. Other variations >>
Finally, some further variations on the various embodiments described so far are listed.
図39は、本発明に係る力覚センサにおける電極構成の変形例を示す基本構造体100Lの横断面図(XY平面で切断した断面を示す)である。図の右側の測定点H11の近傍には、支持部材SAに支持された固定電極EAと、支持部材SBに支持された固定電極EBとが示されている。図13には、支持基板200の底板部210の上面に固定電極E1〜E12を直接固定した例が示されているが、底板部210が金属などの導電性材料から構成されている場合は、図39に示す例のように、絶縁性材料からなる支持部材SA,SBを介して、固定電極EA,EBを底板部210の上面に固定する必要がある。
FIG. 39 is a cross-sectional view (showing a cross section taken along the XY plane) of a
一方、図39の左側の測定点H12の近傍には、絶縁性材料からなる支持部材SCを介して変位電極ECを形成し、これに対向する位置に、支持部材SDを介して、固定電極EDを底板部210の上面に固定した状態が示されている。固定電極EDに比べて、変位電極ECの方が広い電極になっているのは、両電極間に、図14で述べた関係が維持されるようにするためである。
On the other hand, in the vicinity of the measurement point H12 on the left side of FIG. 39, a displacement electrode EC is formed via a support member SC made of an insulating material, and a fixed electrode ED is placed at a position opposite to this via a support member SD. The state which fixed to the upper surface of the
測定点H12の近傍の測定対象面(弧状アーム140Lの外側面)と、これに対向する対向基準面(支持部材SDの表面)との距離を測定するという基本原理によれば、図示のように、変位電極ECと固定電極EDとを個別に設けて容量素子を構成するのが基本的手法と言える。
According to the basic principle of measuring the distance between the surface to be measured in the vicinity of the measurement point H12 (the outer surface of the arc-shaped
ただ、これまで述べてきた実施例では、基本構造体100Lを金属などの導電性材料によって構成したため、基本構造体100Lの表面の個々の部分領域を変位電極として代用している。たとえば、図39の右側の測定点H11の変位を検出するための容量素子の変位電極としては、図に太線で示すように、弧状アーム130Lの表面の一部が代用されている。このように、基本構造体100Lを金属などの導電性材料によって構成すれば、その表面の部分領域を個別の変位電極として代用することができるため、電極構成は単純化され、また、配線も単純化される。
However, in the embodiments described so far, since the
しかしながら、基本構造体100Lは、この力覚センサの主要な構造部を占める大きな構造体であるため、電気的なノイズの影響を受けることは否めない。また、本来は意図していない箇所に無用な容量素子が形成されてしまう懸念もある。
However, since the
たとえば、図39に示す例において、固定電極EAは、弧状アーム130Lの測定点H11の近傍の外側面に形成された変位電極(太線部分)に対向しており、両電極によって容量素子CAが形成されることになる。こうして形成された容量素子CAは、意図どおりの検出素子ということになる。しかしながら、固定電極EAは、導電性材料からなる外側部材120Lの内側面にも対向しているため、固定電極EAと外側部材120Lの内側対向面との間にも、予期せぬ容量素子が形成されることになる。
For example, in the example shown in FIG. 39, the fixed electrode EA faces the displacement electrode (thick line portion) formed on the outer surface in the vicinity of the measurement point H11 of the arc-shaped
もちろん、実際には、固定電極EAは、弧状アーム130Lの近傍に配置され、外側部材120Lから離れた位置に置かれるため(前述したとおり、本願の各図は、説明の便宜上、デフォルメされたものとなっており、実寸どおりのものにはなっていない)、上述した予期せぬ容量素子の影響は微小なものになるが、電気的なノイズ成分の要因になることは否めない。また、外側部材120Lをセンサの装置筐体などに固定して用いるような場合、装置筐体を伝わって電気的ノイズ成分が混入することになる。
Of course, in actuality, the fixed electrode EA is disposed in the vicinity of the arc-shaped
図39の左側の測定点H12の近傍に示す例のように、弧状アーム(もしくは内側部材)の表面に絶縁層を介して変位電極を形成することにより、容量素子を構成するようにすれば、電極形成や配線作業は複雑になるが、このような電気的ノイズ成分の混入を排除することができる。 As in the example shown in the vicinity of the measurement point H12 on the left side of FIG. 39, if a displacement electrode is formed on the surface of the arc-shaped arm (or inner member) via an insulating layer, the capacitive element is configured. Electrode formation and wiring work are complicated, but such an electrical noise component can be eliminated.
ところで、§4では、2組の基本構造体を上下方向に積層した二段積層式の実施形態を述べたが、もちろん、基本構造体を3組以上積層するようにしてもかまわない。このように、複数の基本構造体を上下方向に積層した実施形態に係る力覚センサを一般論として説明すれば、互いに所定間隔をおいて上下に隣接するように配置された複数m個(m≧2)の基本構造体を備えた力覚センサということになる。 By the way, in §4, an embodiment of a two-stage stacking type in which two sets of basic structures are stacked in the vertical direction has been described. Of course, three or more sets of basic structures may be stacked. As described in general terms, the force sensor according to the embodiment in which a plurality of basic structures are stacked in the vertical direction will be described as a general theory. A plurality of m sensors (m That is, a force sensor having a basic structure of ≧ 2).
ここで、複数m個の基本構造体を、Z軸を垂直軸として上方から下方に向かって、第1〜第mの基本構造体と呼んだ場合、第j(1≦j≦m−1)の基本構造体の内側部材の下面と第(j+1)の基本構造体の内側部材の上面とが接続され、第j(1≦j≦m−1)の基本構造体の外側部材の下面と第(j+1)の基本構造体の外側部材の上面とが接続されるようにする。そうすれば、相互に接続されたm個の内側部材は、全体が積層内側部材として機能し、相互に接続されたm個の外側部材は、全体が積層外側部材として機能することになる。 Here, when the plurality of m basic structures are referred to as the first to mth basic structures from the top to the bottom with the Z axis as the vertical axis, the jth (1 ≦ j ≦ m−1) The lower surface of the inner member of the basic structure is connected to the upper surface of the inner member of the (j + 1) th basic structure, and the lower surface of the outer member of the jth (1 ≦ j ≦ m−1) basic structure and the The upper surface of the outer member of the basic structure (j + 1) is connected. Then, the m inner members connected to each other function as a laminated inner member, and the m outer members connected to each other function as a laminated outer member.
検出素子は、これら複数m個の基本構造体の全弧状アームもしくはその中から選択された一部の弧状アームの弾性変形を電気的に検出するようにし、検出回路は、検出素子の検出結果に基づいて、積層内側部材および積層外側部材の一方を固定した状態において、他方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ればよい。 The detection element is configured to electrically detect the elastic deformation of all the arc-shaped arms of the plurality of m basic structures or a part of the arc-shaped arms selected from them, and the detection circuit is configured to detect the detection result of the detection element. On the basis of this, in a state where one of the laminated inner member and the laminated outer member is fixed, a detection value of a force acting on the other coordinate axis direction or a moment around the given coordinate axis may be output.
一番下層に支持基板を設ける場合は、第mの基本構造体の下方に支持基板を配置すればよい。この支持基板は、第mの基本構造体に対向する底板部と、この底板部の周囲から上方に隆起した縁周部とを有した構造体になるようにする。そして、第mの基本構造体の外側部材の下面が、縁周部の上面に固定され、第mの基本構造体の内側部材の下面と底板部の上面との間に空洞部が形成され、積層内側部材が、この空洞部を含む周囲空間内で変位可能となるように弧状アームによって支持されているようにすればよい。 When a support substrate is provided in the lowermost layer, the support substrate may be disposed below the mth basic structure. The support substrate is a structure having a bottom plate portion facing the m-th basic structure and an edge peripheral portion protruding upward from the periphery of the bottom plate portion. Then, the lower surface of the outer member of the mth basic structure is fixed to the upper surface of the peripheral edge portion, and a cavity is formed between the lower surface of the inner member of the mth basic structure and the upper surface of the bottom plate portion, The laminated inner member may be supported by the arc-shaped arm so as to be displaceable in the surrounding space including the cavity.
100,100L,100LL,100R,100RR:基本構造体
100a:上段基本構造体
100b:下段基本構造体
110,110a,110b,110L,110R:内側部材
120,120a,120b,120L,120R:外側部材
130,130a,130L,130R:第1の弧状アーム
131,131L:第1の弧状アームの円弧状部
132,132L:第1の弧状アームの内側接続部
133,133L:第1の弧状アームの外側接続部
140,140a,140L,140R:第2の弧状アーム
141,141L:第2の弧状アームの円弧状部
142,142L:第2の弧状アームの内側接続部
143,143L:第2の弧状アームの外側接続部
200:支持基板
210:底板部
220:縁周部
250:空洞部
300:検出回路
301〜312:C/V変換回路
321〜326:加減算回路
400:基本構造体
410:内側部材
420:外側部材
430:第1の弧状アーム
440:第2の弧状アーム
450:第3の弧状アーム
500:中間基板
510:内側中間部材
520:外側中間部材
A:対向領域(電極Ebの投影像)
C1〜C12:容量素子/容量素子の静電容量値
E0:共通変位電極(導電性材料からなる基本構造体の表面)
E1〜E12,E9′〜E12′:固定電極
EA,Ea,EB,Eb,EC,ED:電極
Fx:X軸方向の力
Fy:Y軸方向の力
Fz:Z軸方向の力
G1〜G4:軸上点
H1〜H18,H5′〜H8′:測定点
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
Oa:XaYaZ三次元直交座標系の原点
Ob:XbYbZ三次元直交座標系の原点
P1:第1の内側接続点
P2:第2の内側接続点
P3:第3の内側接続点
Q1:第1の外側接続点
Q2:第2の外側接続点
Q3:第3の外側接続点
R1,R2:変位方向を示す矢印
S1〜S4:支持部材
SA,SB,SC,SD:支持部材
U1:Y軸に対して反時計まわりに120°をなす座標軸
U2:Y軸に対して時計まわりに120°をなす座標軸
V1〜V12:電圧信号
W1:X軸に対して反時計まわりに45°をなす座標軸
W2:Y軸に対して反時計まわりに45°をなす座標軸
X:XYZ三次元直交座標系の座標軸
Xa:XaYaZ三次元直交座標系の座標軸
Xb:XbYbZ三次元直交座標系の座標軸
Y:XYZ三次元直交座標系の座標軸
Ya:XaYaZ三次元直交座標系の座標軸
Yb:XbYbZ三次元直交座標系の座標軸
Z:XYZ三次元直交座標系の座標軸
100, 100L, 100LL, 100R, 100RR:
C1 to C12: Capacitance element / Capacitance element capacitance value E0: Common displacement electrode (surface of basic structure made of conductive material)
E1-E12, E9'-E12 ': Fixed electrodes EA, Ea, EB, Eb, EC, ED: Electrodes Fx: Force in the X-axis direction Fy: Force in the Y-axis direction Fz: Forces in the Z-axis direction G1-G4: On-axis points H1 to H18, H5 'to H8': Measurement point Mx: Moment about X axis My: Moment about Y axis Mz: Moment about Z axis O: Origin of XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system Oa: XaYaZ cubic Origin Ob of the original Cartesian coordinate system Ob: Origin P1: XbYbZ Three-dimensional Cartesian coordinate system P1: First inner connection point P2: Second inner connection point P3: Third inner connection point Q1: First outer connection point Q2: Second outer connection point Q3: Third outer connection points R1, R2: Arrows indicating displacement directions S1 to S4: Support members SA, SB, SC, SD: Support member U1: Counterclockwise with respect to the Y axis Coordinate axis U2 forming 120 °: Hour relative to Y axis Coordinate axes V1 to V12 forming 120 ° around: Voltage signal W1: Coordinate axis forming 45 ° counterclockwise with respect to the X axis W2: Coordinate axis forming 45 ° counterclockwise with respect to the Y axis X: XYZ three-dimensional Cartesian coordinate system Xa: XaYaZ three-dimensional Cartesian coordinate system Xb: XbYbZ three-dimensional Cartesian coordinate system Y: XYZ three-dimensional Cartesian coordinate system Ya: XaYaZ three-dimensional Cartesian coordinate system Yb: XbYbZ three-dimensional Coordinate axis Z of Cartesian coordinate system: Coordinate axis of XYZ three-dimensional Cartesian coordinate system
Claims (34)
前記XYZ三次元直交座標系のZ軸上に配置された内側部材と、
前記Z軸の周囲を取り囲むように配置され、前記内側部材を内部に収容した外側部材と、
前記内側部材と前記外側部材とを接続する役割を果たし、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性質を有し、前記内側部材の周囲を部分的に取り囲むように配置された複数n本(n≧2)の弧状アームと、
を有する複数m個(m≧2)の基本構造体と、
前記弧状アーム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、前記内側部材および前記外側部材の一方を固定した状態において、他方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、
前記複数n本の弧状アームのうち、第i(1≦i≦n)の弧状アームの内側端部は前記内側部材上の第iの内側接続点に接続され、外側端部は前記外側部材上の第iの外側接続点に接続されており、第1〜第nの内側接続点は、前記内側部材上で異なる位置にある点であり、第1〜第nの外側接続点は、前記外側部材上で異なる位置にある点であり、
前記複数m個(m≧2)の基本構造体は、互いに所定間隔をおいて上下に隣接するように配置され、
前記複数m個の基本構造体を、Z軸を垂直軸として上方から下方に向かって、第1〜第mの基本構造体と呼んだときに、第j(1≦j≦m−1)の基本構造体の内側部材の下面と第(j+1)の基本構造体の内側部材の上面とは接続され、第j(1≦j≦m−1)の基本構造体の外側部材の下面と第(j+1)の基本構造体の外側部材の上面とは接続され、
相互に接続されたm個の内側部材は、全体が積層内側部材として機能し、相互に接続されたm個の外側部材は、全体が積層外側部材として機能し、
前記検出素子は、前記複数m個の基本構造体の全弧状アームもしくはその中から選択された一部の弧状アームの弾性変形を電気的に検出し、前記検出回路は、前記検出素子の検出結果に基づいて、前記積層内側部材および前記積層外側部材の一方を固定した状態において、他方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,
An inner member disposed on the Z-axis of the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system;
An outer member disposed so as to surround the Z axis, and containing the inner member therein;
It plays the role of connecting the inner member and the outer member, has the property of causing elastic deformation at least in part by the action of the force or moment to be detected, and so as to partially surround the inner member A plurality of arranged n (n ≧ 2) arcuate arms;
A plurality of m (m ≧ 2) basic structures having
A detection element for electrically detecting elastic deformation of the arcuate arm;
A detection circuit that outputs a detection value of a force in a predetermined coordinate axis direction acting on the other or a moment around a predetermined coordinate axis in a state where one of the inner member and the outer member is fixed based on a detection result of the detection element When,
With
Of the plurality of n arcuate arms, the inner end of the i-th (1 ≦ i ≦ n) arcuate arm is connected to the i-th inner connection point on the inner member, and the outer end is on the outer member. Are connected to the i-th outer connection point, the first to n-th inner connection points are at different positions on the inner member, and the first to n-th outer connection points are the outer sides. Is in a different position on the member ,
The plurality of m (m ≧ 2) basic structures are arranged vertically adjacent to each other at a predetermined interval,
When the plurality of m basic structures are referred to as first to mth basic structures from the top to the bottom with the Z axis as the vertical axis, the jth (1 ≦ j ≦ m−1) The lower surface of the inner member of the basic structure and the upper surface of the inner member of the (j + 1) th basic structure are connected, and the lower surface of the outer member of the jth (1 ≦ j ≦ m−1) basic structure and the ( j + 1) is connected to the upper surface of the outer member of the basic structure,
The m inner members connected to each other function as a laminated inner member, and the m outer members connected to each other function as a laminated outer member.
The detection element electrically detects an elastic deformation of the whole arc-shaped arm of the plurality of m basic structures or a part of the arc-shaped arm selected therefrom, and the detection circuit detects a detection result of the detection element. Based on the above, in a state in which one of the laminated inner member and the laminated outer member is fixed, a force in the predetermined coordinate axis direction acting on the other or a detected value of a moment around the predetermined coordinate axis is output. Sense sensor.
内側部材が、XY平面に平行な上面および下面を有し、Z軸が中心軸となるように配置された円盤状部材によって構成され、
外側部材が、XY平面に平行な上面および下面を有し、Z軸が中心軸となるように配置された円環状部材によって構成され、
前記円盤状部材が前記円環状部材の内部に収容されていることを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 1,
The inner member has a top surface and a bottom surface parallel to the XY plane, and is constituted by a disk-shaped member arranged so that the Z axis is the central axis.
The outer member has an upper surface and a lower surface parallel to the XY plane, and is configured by an annular member arranged so that the Z axis is the central axis.
The force sensor, wherein the disk-shaped member is accommodated in the annular member.
n=2に設定し、内側部材と外側部材とが第1の弧状アームと第2の弧状アームとによって接続されるようにし、
XY平面もしくはXY平面に平行な所定の平面を配置平面と定義し、この配置平面上に、第1の内側接続点、第2の内側接続点、第1の外側接続点、第2の外側接続点が配置され、第1の内側接続点と第2の内側接続点とを結ぶ連結直線および第1の外側接続点と第2の外側接続点とを結ぶ連結直線が、それぞれZ軸と交差するようにしたことを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 2,
n = 2, the inner member and the outer member are connected by the first arcuate arm and the second arcuate arm,
An XY plane or a predetermined plane parallel to the XY plane is defined as an arrangement plane, and on this arrangement plane, a first inner connection point, a second inner connection point, a first outer connection point, and a second outer connection Points are arranged, and a connecting straight line connecting the first inner connecting point and the second inner connecting point and a connecting straight line connecting the first outer connecting point and the second outer connecting point respectively intersect the Z axis. A force sensor characterized by the above.
第1の弧状アームが、Z軸を中心とした円弧に沿って伸びる第1の円弧状部と、前記第1の円弧状部の一端を第1の内側接続点に接続する第1の内側接続部と、前記第1の円弧状部の他端を第1の外側接続点に接続する第1の外側接続部と、を有し、
第2の弧状アームが、Z軸を中心とした円弧に沿って伸びる第2の円弧状部と、前記第2の円弧状部の一端を第2の内側接続点に接続する第2の内側接続部と、前記第2の円弧状部の他端を第2の外側接続点に接続する第2の外側接続部と、を有することを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 3, wherein
A first arcuate arm extending along an arc centered on the Z axis, and a first inner connection connecting one end of the first arcuate part to a first inner connection point; And a first outer connecting portion that connects the other end of the first arc-shaped portion to a first outer connecting point,
A second arcuate arm extending along an arc centered on the Z-axis, and a second inner connection connecting one end of the second arcuate part to a second inner connection point And a second outer connecting portion that connects the other end of the second arc-shaped portion to a second outer connecting point.
基本構造体が、Z軸を回転軸として180°回転させたときの形状が回転前の形状と同一となる、180°の回転対称構造を有することを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 3 or 4,
A force sensor characterized by having a 180 [deg.] Rotationally symmetric structure in which the basic structure has the same shape when rotated 180 [deg.] About the Z axis as the rotation axis.
n=3に設定し、内側部材と外側部材とが、第1の弧状アーム、第2の弧状アーム、第3の弧状アームによって接続されるようにし、
XY平面もしくはXY平面に平行な所定の平面を配置平面と定義し、この配置平面上に、第1の内側接続点、第2の内側接続点、第3の内側接続点、第1の外側接続点、第2の外側接続点、第3の外側接続点が配置され、第1の内側接続点と第1の外側接続点とを結ぶ連結直線、第2の内側接続点と第2の外側接続点とを結ぶ連結直線、第3の内側接続点と第3の外側接続点とを結ぶ連結直線が、それぞれZ軸と交差するようにしたことを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 2,
n = 3 so that the inner member and the outer member are connected by the first arcuate arm, the second arcuate arm, the third arcuate arm,
An XY plane or a predetermined plane parallel to the XY plane is defined as an arrangement plane, and on this arrangement plane, a first inner connection point, a second inner connection point, a third inner connection point, and a first outer connection A point, a second outer connection point, a third outer connection point, a connecting straight line connecting the first inner connection point and the first outer connection point, the second inner connection point and the second outer connection A force sensor characterized in that a connecting straight line connecting points and a connecting straight line connecting a third inner connecting point and a third outer connecting point each intersect with the Z axis.
第1の弧状アームが、Z軸の周囲を部分的に取り囲む第1の湾曲部と、前記第1の湾曲部の一端を第1の内側接続点に接続する第1の内側接続部と、前記第1の湾曲部の他端を第1の外側接続点に接続する第1の外側接続部と、を有し、
第2の弧状アームが、Z軸の周囲を部分的に取り囲む第2の湾曲部と、前記第2の湾曲部の一端を第2の内側接続点に接続する第2の内側接続部と、前記第2の湾曲部の他端を第2の外側接続点に接続する第2の外側接続部と、を有し、
第3の弧状アームが、Z軸の周囲を部分的に取り囲む第3の湾曲部と、前記第3の湾曲部の一端を第3の内側接続点に接続する第3の内側接続部と、前記第3の湾曲部の他端を第3の外側接続点に接続する第3の外側接続部と、を有することを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 6, wherein
A first curved portion in which the first arcuate arm partially surrounds the periphery of the Z axis; a first inner connection portion that connects one end of the first curved portion to a first inner connection point; A first outer connecting portion for connecting the other end of the first bending portion to the first outer connecting point;
A second curved portion in which the second arcuate arm partially surrounds the periphery of the Z-axis; a second inner connection portion that connects one end of the second curved portion to a second inner connection point; A second outer connecting portion that connects the other end of the second bending portion to a second outer connecting point;
A third curved portion in which a third arcuate arm partially surrounds the periphery of the Z-axis; a third inner connection portion that connects one end of the third curved portion to a third inner connection point; A force sensor comprising: a third outer connecting portion that connects the other end of the third bending portion to a third outer connecting point.
基本構造体が、Z軸を回転軸として120°回転させたときの形状が回転前の形状と同一となる、120°の回転対称構造を有することを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 6 or 7,
A force sensor characterized in that the basic structure has a 120 [deg.] Rotationally symmetric structure in which the shape when rotated by 120 [deg.] About the Z axis is the same as the shape before rotation.
内側部材と外側部材とが、第1〜第nの弧状アームなる合計n本の弧状アームによって接続されるようにし、
基本構造体が、Z軸を回転軸として(360/n)°回転させたときの形状が回転前の形状と同一となる、(360/n)°の回転対称構造を有することを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 2,
The inner member and the outer member are connected by a total of n arcuate arms that are first to nth arcuate arms,
The basic structure has a (360 / n) ° rotationally symmetric structure in which the shape when rotated by (360 / n) ° about the Z axis is the same as the shape before rotation. Force sensor.
内側部材および外側部材が、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 9,
A force sensor, wherein the inner member and the outer member 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.
第mの基本構造体の下方に配置された支持基板を更に備え、
前記支持基板は、前記第mの基本構造体に対向する底板部と、この底板部の周囲から上方に隆起した縁周部とを有し、
前記第mの基本構造体の外側部材の下面は、前記縁周部の上面に固定されており、前記第mの基本構造体の内側部材の下面と前記底板部の上面との間に空洞部が形成されており、積層内側部材が、前記空洞部を含む周囲空間内で変位可能となるように弧状アームによって支持されていることを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to any one of claims 1 to 10 ,
A support substrate disposed below the m-th basic structure;
The support substrate has a bottom plate portion facing the m-th basic structure, and an edge peripheral portion protruding upward from the periphery of the bottom plate portion,
The lower surface of the outer member of the m-th basic structure is fixed to the upper surface of the peripheral edge portion, and a cavity is formed between the lower surface of the inner member of the m-th basic structure and the upper surface of the bottom plate portion. The force sensor is characterized in that the laminated inner member is supported by an arc-shaped arm so as to be displaceable in the surrounding space including the cavity.
検出素子が、弧状アームの所定の測定点の変位を電気的に検出することにより、当該弧状アームの弾性変形を検出することを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to any one of claims 1 to 11 ,
A force sensor, wherein the detection element detects elastic deformation of the arcuate arm by electrically detecting a displacement of a predetermined measurement point of the arcuate arm.
検出素子が、弧状アームの所定の測定点近傍の測定対象面と、内側部材または外側部材に固定され、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 12 , wherein
The detection element is configured to electrically detect a distance between a measurement target surface in the vicinity of a predetermined measurement point of the arc-shaped arm and an opposing reference surface fixed to the inner member or the outer member and facing the measurement target surface. Force sensor.
弧状アームの内側面もしくは外側面の測定点近傍に脇側測定対象面を定義し、
この脇側測定対象面に対向する脇側対向基準面を有し、内側部材または外側部材に固定された固定構造体を更に設け、
検出素子が、前記脇側測定対象面と前記脇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 13 ,
Define the side measurement surface near the measurement point on the inner or outer surface of the arc arm,
It has a side-facing reference plane facing this side-side measurement target surface, and further includes a fixed structure fixed to the inner member or the outer member,
A force sensor, wherein the detection element electrically detects a distance between the side measurement target surface and the side opposite reference surface.
内側部材もしくは弧状アームの所定箇所に付加的測定点を更に設け、内側部材もしくは弧状アームの下面における前記付加的測定点の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、外側部材に固定され前記下側測定対象面に対向する下側対向基準面と、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 14 , wherein
An additional measurement point is further provided at a predetermined position of the inner member or the arc-shaped arm, and a lower measurement target surface is defined in the vicinity of the additional measurement point on the lower surface of the inner member or the arc-shaped arm,
A force sensor, wherein the detection element electrically detects a distance between the lower measurement target surface and a lower facing reference surface fixed to an outer member and facing the lower measurement target surface.
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 13 to 15 ,
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.
弧状アームおよび内側部材を導電性材料によって構成し、弧状アームもしくは内側部材の表面を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 16 , wherein
A force sensor characterized in that an arc-shaped arm and an inner member are made of a conductive material, and a capacitive element is formed by using the surface of the arc-shaped arm or the inner member as a displacement electrode.
弧状アームもしくは内側部材の表面に絶縁層を介して変位電極を形成することにより、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 16 , wherein
A force sensor characterized in that a capacitive element is formed by forming a displacement electrode on the surface of an arc-shaped arm or an inner member via an insulating layer.
n=2に設定し、内側部材と外側部材とが第1の弧状アームと第2の弧状アームとによって接続されるようにし、
XY平面もしくはXY平面に平行な所定の平面を配置平面と定義し、この配置平面上に、第1の内側接続点、第2の内側接続点、第1の外側接続点、第2の外側接続点が配置されており、
第1の内側接続点が、配置平面上へのY軸の負領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第2の内側接続点が、配置平面上へのY軸の正領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第1の外側接続点が、配置平面上へのY軸の正領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第2の外側接続点が、配置平面上へのY軸の負領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、
右ネジをZ軸正方向に進める回転方向を左まわり方向、右ネジをZ軸負方向に進める回転方向を右まわり方向、と定義したときに、第1の弧状アームは、前記第1の内側接続点から前記第1の外側接続点に向かって、左まわり方向および右まわり方向のうちのいずれか一方の選択方向に伸び、第2の弧状アームは、前記第2の内側接続点から前記第2の外側接続点に向かって、前記選択方向に伸び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 5,
n = 2, the inner member and the outer member are connected by the first arcuate arm and the second arcuate arm,
An XY plane or a predetermined plane parallel to the XY plane is defined as an arrangement plane, and on this arrangement plane, a first inner connection point, a second inner connection point, a first outer connection point, and a second outer connection Dots are placed,
The first inner connection point is arranged on or near the projection image of the negative area of the Y axis on the arrangement plane, and the second inner connection point is the projection image of the positive area of the Y axis on the arrangement plane. The first outer connection point is arranged on or near the projection image of the positive region of the Y axis on the arrangement plane, and the second outer connection point is arranged on the arrangement plane. Arranged on or near the projected image of the negative region of the Y axis,
When the rotation direction in which the right screw is advanced in the Z-axis positive direction is defined as a counterclockwise direction and the rotation direction in which the right screw is advanced in the Z-axis negative direction is defined as a clockwise direction, the first arcuate arm is the first inner side. A second arcuate arm extends from the second inner connection point to the first outer connection point in a selection direction of either a left-handed direction or a right-handed direction. A force sensor that extends in the selection direction toward the outer connection point of the two.
各弧状アームの中心線が配置平面上に位置するようにし、
XY平面上において、X軸を左まわり方向に45°回転させたW1軸と、Y軸を左まわり方向に45°回転させたW2軸と、を定義し、配置平面上への前記W1軸の正領域の投影像と弧状アームの中心線との交点に第1の測定点を定義し、配置平面上への前記W1軸の負領域の投影像と弧状アームの中心線との交点に第2の測定点を定義し、配置平面上への前記W2軸の正領域の投影像と弧状アームの中心線との交点に第3の測定点を定義し、配置平面上への前記W2軸の負領域の投影像と弧状アームの中心線との交点に第4の測定点を定義したときに、
検出素子が、前記第1〜第4の測定点の変位を電気的に検出することにより、各弧状アームの弾性変形を検出することを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 19 ,
Make sure that the centerline of each arcuate arm is on the placement plane,
On the XY plane, a W1 axis obtained by rotating the X axis by 45 ° counterclockwise and a W2 axis obtained by rotating the Y axis by 45 ° counterclockwise are defined, and the W1 axis on the placement plane is defined. A first measurement point is defined at the intersection of the projected image of the positive region and the center line of the arcuate arm, and a second measurement point is defined at the intersection of the projected image of the negative region of the W1 axis on the placement plane and the centerline of the arcuate arm. The third measurement point is defined at the intersection of the projected image of the positive region of the W2 axis on the placement plane and the center line of the arcuate arm, and the negative of the W2 axis on the placement plane is defined. When a fourth measurement point is defined at the intersection of the projected image of the region and the center line of the arcuate arm,
A force sensor, wherein the detection element detects elastic deformation of each arcuate arm by electrically detecting displacement of the first to fourth measurement points.
検出素子が、第1の測定点近傍に配置された第1の容量素子および第2の容量素子と、第2の測定点近傍に配置された第3の容量素子および第4の容量素子と、第3の測定点近傍に配置された第5の容量素子および第6の容量素子と、第4の測定点近傍に配置された第7の容量素子および第8の容量素子と、を有しており、
前記第1の容量素子は、弧状アームの外側の前記第1の測定点近傍に配置され内側部材または外側部材に固定された第1の固定電極と、弧状アームの表面における前記第1の固定電極に対向する領域に形成された第1の変位電極と、によって構成され、
前記第2の容量素子は、弧状アームの内側の前記第1の測定点近傍に配置され内側部材または外側部材に固定された第2の固定電極と、弧状アームの表面における前記第2の固定電極に対向する領域に形成された第2の変位電極と、によって構成され、
前記第3の容量素子は、弧状アームの内側の前記第2の測定点近傍に配置され内側部材または外側部材に固定された第3の固定電極と、弧状アームの表面における前記第3の固定電極に対向する領域に形成された第3の変位電極と、によって構成され、
前記第4の容量素子は、弧状アームの外側の前記第2の測定点近傍に配置され内側部材または外側部材に固定された第4の固定電極と、弧状アームの表面における前記第4の固定電極に対向する領域に形成された第4の変位電極と、によって構成され、
前記第5の容量素子は、弧状アームの外側の前記第3の測定点近傍に配置され内側部材または外側部材に固定された第5の固定電極と、弧状アームの表面における前記第5の固定電極に対向する領域に形成された第5の変位電極と、によって構成され、
前記第6の容量素子は、弧状アームの内側の前記第3の測定点近傍に配置され内側部材または外側部材に固定された第6の固定電極と、弧状アームの表面における前記第6の固定電極に対向する領域に形成された第6の変位電極と、によって構成され、
前記第7の容量素子は、弧状アームの内側の前記第4の測定点近傍に配置され内側部材または外側部材に固定された第7の固定電極と、弧状アームの表面における前記第7の固定電極に対向する領域に形成された第7の変位電極と、によって構成され、
前記第8の容量素子は、弧状アームの外側の前記第4の測定点近傍に配置され内側部材または外側部材に固定された第8の固定電極と、弧状アームの表面における前記第8の固定電極に対向する領域に形成された第8の変位電極と、によって構成され、
検出回路が、前記検出素子の検出結果に基づいて、前記内側部材および前記外側部材の一方を固定した状態において、他方に作用したX軸方向の力Fx、Y軸方向の力Fyおよび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 claim 20 ,
A first capacitive element and a second capacitive element arranged in the vicinity of the first measurement point; a third capacitive element and a fourth capacitive element arranged in the vicinity of the second measurement point; A fifth capacitive element and a sixth capacitive element disposed in the vicinity of the third measurement point; and a seventh capacitive element and an eighth capacitive element disposed in the vicinity of the fourth measurement point. And
The first capacitive element is disposed in the vicinity of the first measurement point outside the arc-shaped arm and fixed to the inner member or the outer member, and the first fixed electrode on the surface of the arc-shaped arm. And a first displacement electrode formed in a region opposite to
The second capacitive element includes a second fixed electrode disposed in the vicinity of the first measurement point inside the arcuate arm and fixed to the inner member or the outer member, and the second fixed electrode on the surface of the arcuate arm. And a second displacement electrode formed in a region opposite to
The third capacitive element is disposed in the vicinity of the second measurement point inside the arc-shaped arm and fixed to the inner member or the outer member, and the third fixed electrode on the surface of the arc-shaped arm. And a third displacement electrode formed in a region opposite to
The fourth capacitive element includes a fourth fixed electrode disposed near the second measurement point outside the arc-shaped arm and fixed to the inner member or the outer member, and the fourth fixed electrode on the surface of the arc-shaped arm. And a fourth displacement electrode formed in a region opposite to
The fifth capacitive element is disposed in the vicinity of the third measurement point outside the arc-shaped arm and fixed to the inner member or the outer member, and the fifth fixed electrode on the surface of the arc-shaped arm. And a fifth displacement electrode formed in a region opposite to
The sixth capacitive element is disposed in the vicinity of the third measurement point inside the arc-shaped arm and fixed to the inner member or the outer member, and the sixth fixed electrode on the surface of the arc-shaped arm. And a sixth displacement electrode formed in a region opposite to
The seventh capacitive element is disposed in the vicinity of the fourth measurement point inside the arc-shaped arm and fixed to the inner member or the outer member, and the seventh fixed electrode on the surface of the arc-shaped arm. And a seventh displacement electrode formed in a region opposite to
The eighth capacitive element is disposed in the vicinity of the fourth measurement point outside the arcuate arm and fixed to the inner member or the outer member, and the eighth fixed electrode on the surface of the arcuate arm. And an eighth displacement electrode formed in a region opposite to
Based on the detection result of the detection element, when the detection circuit fixes one of the inner member and the outer member, the force Fx in the X-axis direction, the force Fy in the Y-axis direction, and the Z-axis rotation A force sensor that outputs a detected value of the moment Mz.
第1〜第4の測定点に加えて、更に、弧状アームもしくは内側部材の所定箇所に第5〜第8の測定点を付加的に定義し、第5の測定点は、配置平面上へのX軸の正領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置され、第6の測定点は、配置平面上へのX軸の負領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置され、第7の測定点は、配置平面上へのY軸の正領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置され、第8の測定点は、配置平面上へのY軸の負領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置されるようにし、
検出素子が、第5の測定点近傍に配置された第9の容量素子と、第6の測定点近傍に配置された第10の容量素子と、第7の測定点近傍に配置された第11の容量素子と、第8の測定点近傍に配置された第12の容量素子と、を更に有しており、
Z軸を垂直軸とした場合に、
前記第9の容量素子は、弧状アームもしくは内側部材の下方の前記第5の測定点近傍に配置され外側部材に固定された第9の固定電極と、弧状アームもしくは内側部材の下面における前記第9の固定電極に対向する領域に形成された第9の変位電極と、によって構成され、
前記第10の容量素子は、弧状アームもしくは内側部材の下方の前記第6の測定点近傍に配置され外側部材に固定された第10の固定電極と、弧状アームもしくは内側部材の下面における前記第10の固定電極に対向する領域に形成された第10の変位電極と、によって構成され、
前記第11の容量素子は、弧状アームもしくは内側部材の下方の前記第7の測定点近傍に配置され外側部材に固定された第11の固定電極と、弧状アームもしくは内側部材の下面における前記第11の固定電極に対向する領域に形成された第11の変位電極と、によって構成され、
前記第12の容量素子は、弧状アームもしくは内側部材の下方の前記第8の測定点近傍に配置され外側部材に固定された第12の固定電極と、弧状アームもしくは内側部材の下面における前記第12の固定電極に対向する領域に形成された第12の変位電極と、によって構成され、
検出回路が、前記検出素子の検出結果に基づいて、前記内側部材および前記外側部材の一方を固定した状態において、他方に作用した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および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 claim 21 , wherein
In addition to the first to fourth measurement points, further, fifth to eighth measurement points are additionally defined at predetermined positions of the arc-shaped arm or the inner member, and the fifth measurement point is placed on the arrangement plane. The sixth measurement point is arranged on the projection image of the positive region of the X axis or in the vicinity thereof, and the sixth measurement point is arranged on the projection image of the negative region of the X axis on the arrangement plane or in the vicinity thereof. The point is arranged on the projection image of the positive area of the Y axis on the arrangement plane or a position near it, and the eighth measurement point is on the projection image of the negative area of the Y axis on the arrangement plane or a position near it. To be placed in
The detection element includes a ninth capacitive element disposed in the vicinity of the fifth measurement point, a tenth capacitive element disposed in the vicinity of the sixth measurement point, and an eleventh element disposed in the vicinity of the seventh measurement point. And a twelfth capacitive element disposed in the vicinity of the eighth measurement point,
When the Z axis is the vertical axis,
The ninth capacitive element is disposed in the vicinity of the fifth measurement point below the arcuate arm or the inner member and fixed to the outer member, and the ninth capacitor element on the lower surface of the arcuate arm or the inner member. A ninth displacement electrode formed in a region facing the fixed electrode of
The tenth capacitive element is disposed in the vicinity of the sixth measurement point below the arcuate arm or the inner member and fixed to the outer member, and the tenth electrode on the lower surface of the arcuate arm or the inner member. A tenth displacement electrode formed in a region facing the fixed electrode of
The eleventh capacitive element is arranged in the vicinity of the seventh measurement point below the arcuate arm or the inner member and fixed to the outer member, and the eleventh electrode on the lower surface of the arcuate arm or the inner member. And an eleventh displacement electrode formed in a region facing the fixed electrode of
The twelfth capacitive element is arranged in the vicinity of the eighth measurement point below the arcuate arm or the inner member and fixed to the outer member, and the twelfth electrode on the lower surface of the arcuate arm or the inner member. And a twelfth displacement electrode formed in a region facing the fixed electrode of
In a state where one of the inner member and the outer member is fixed based on the detection result of the detection element, the detection circuit acts on the other in the X-axis direction force Fx, the Y-axis direction force Fy, and the Z-axis direction. A force sensor that outputs detected values of the force Fz, the moment Mx about the X axis, the moment My about the Y axis, and the moment Mz about the Z axis.
第mの基本構造体の下方に配置された支持基板を更に備え、
前記支持基板は、前記第mの基本構造体に対向する底板部と、この底板部の周囲から上方に隆起した縁周部とを有し、
前記第mの基本構造体の外側部材の下面は、前記縁周部の上面に固定されており、前記第mの基本構造体の内側部材の下面と前記底板部の上面との間に空洞部が形成されており、積層内側部材が、前記空洞部を含む周囲空間内で変位可能となるように弧状アームによって支持されており、
第1〜第12の固定電極が、前記底板部の上面に固定されていることを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 22 , wherein
A support substrate disposed below the m-th basic structure;
The support substrate has a bottom plate portion facing the m-th basic structure, and an edge peripheral portion protruding upward from the periphery of the bottom plate portion,
The lower surface of the outer member of the m-th basic structure is fixed to the upper surface of the peripheral edge portion, and a cavity is formed between the lower surface of the inner member of the m-th basic structure and the upper surface of the bottom plate portion. Is formed, and the laminated inner member is supported by an arcuate arm so as to be displaceable in the surrounding space including the cavity,
A force sensor, wherein the first to twelfth fixed electrodes are fixed to the upper surface of the bottom plate portion.
第1の弧状アームが、第1の内側接続点から第1の外側接続点に向かって左まわり方向に伸び、第2の弧状アームが、第2の内側接続点から第2の外側接続点に向かって左まわり方向に伸びており、
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、第9の容量素子の静電容量値をC9、第10の容量素子の静電容量値をC10、第11の容量素子の静電容量値をC11、第12の容量素子の静電容量値をC12、としたときに、
Fx=+C1−C2+C3−C4−C5+C6−C7+C8
Fy=+C1−C2+C3−C4+C5−C6+C7−C8
Fz=−(C9+C10+C11+C12)
Mx=−C11+C12
My=+C9−C10
Mz=+C1−C2−C3+C4+C5−C6−C7+C8
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 claim 22 or 23 ,
A first arcuate arm extends counterclockwise from the first inner connection point toward the first outer connection point, and a second arcuate arm extends from the second inner connection point to the second outer connection point. It extends in the counterclockwise direction,
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. The capacitance value of C9, the capacitance value of the ninth capacitance element C9, the capacitance value of the tenth capacitance element C10, the capacitance value of the eleventh capacitance element C11, When the capacitance value of the capacitive element is C12,
Fx = + C1-C2 + C3-C4-C5 + C6-C7 + C8
Fy = + C1-C2 + C3-C4 + C5-C6 + C7-C8
Fz =-(C9 + C10 + C11 + C12)
Mx = −C11 + C12
My = + C9-C10
Mz = + C1-C2-C3 + C4 + C5-C6-C7 + C8
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.
第1の弧状アームが、第1の内側接続点から第1の外側接続点に向かって右まわり方向に伸び、第2の弧状アームが、第2の内側接続点から第2の外側接続点に向かって右まわり方向に伸びており、
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、第9の容量素子の静電容量値をC9、第10の容量素子の静電容量値をC10、第11の容量素子の静電容量値をC11、第12の容量素子の静電容量値をC12、としたときに、
Fx=+C1−C2+C3−C4−C5+C6−C7+C8
Fy=+C1−C2+C3−C4+C5−C6+C7−C8
Fz=−(C9+C10+C11+C12)
Mx=−C11+C12
My=+C9−C10
Mz=−C1+C2+C3−C4−C5+C6+C7−C8
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 claim 22 or 23 ,
A first arcuate arm extends clockwise from the first inner connection point toward the first outer connection point, and a second arcuate arm extends from the second inner connection point to the second outer connection point. It extends in the clockwise direction,
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. The capacitance value of C9, the capacitance value of the ninth capacitance element C9, the capacitance value of the tenth capacitance element C10, the capacitance value of the eleventh capacitance element C11, When the capacitance value of the capacitive element is C12,
Fx = + C1-C2 + C3-C4-C5 + C6-C7 + C8
Fy = + C1-C2 + C3-C4 + C5-C6 + C7-C8
Fz =-(C9 + C10 + C11 + C12)
Mx = −C11 + C12
My = + C9-C10
Mz = -C1 + C2 + C3-C4-C5 + C6 + C7-C8
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.
前記XYZ三次元直交座標系のZ軸上に配置された内側部材と、
前記Z軸の周囲を取り囲むように配置され、前記内側部材を内部に収容した外側部材と、
前記内側部材と前記外側部材とを接続する役割を果たし、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性質を有し、前記内側部材の周囲を部分的に取り囲むように配置された2本の弧状アームと、
を有する2組の基本構造体と、
前記2組の基本構造体の弧状アーム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2組の基本構造体の内側部材および前記2組の基本構造体の外側部材の一方を固定した状態において、他方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2組の基本構造体は、Z軸を垂直軸として上下方向に隣接するように配置されており、いずれも内側部材と外側部材とが第1の弧状アームと第2の弧状アームとによって接続されており、かつ、XY平面に平行な所定の平面を配置平面と定義したときに、前記第1の弧状アームの内側端部は前記内側部材上の第1の内側接続点に接続され、前記第1の弧状アームの外側端部は前記外側部材上の第1の外側接続点に接続され、前記第2の弧状アームの内側端部は前記内側部材上の第2の内側接続点に接続され、前記第2の弧状アームの外側端部は前記外側部材上の第2の外側接続点に接続され、前記第1の内側接続点と前記第2の内側接続点とは前記配置平面上の異なる位置にある点であり、前記第1の外側接続点と前記第2の外側接続点とは前記配置平面上の異なる位置にある点であり
前記2組の基本構造体のうちの上方に配置された一方を上段基本構造体と呼び、下方に配置された他方を下段基本構造体と呼んだ場合に、前記上段基本構造体の内側部材の下面と前記下段基本構造体の内側部材の上面との間に両者を接続する内側中間部材が設けられており、前記上段基本構造体の外側部材の下面と前記下段基本構造体の外側部材の上面との間に両者を接続する外側中間部材が設けられており、
前記上段基本構造体の内側部材と、前記内側中間部材と、前記下段基本構造体の内側部材は、相互に接続され、全体が積層内側部材として機能し、前記上段基本構造体の外側部材と、前記外側中間部材と、前記下段基本構造体の外側部材は、相互に接続され、全体が積層外側部材として機能し、
前記検出素子は、前記上段基本構造体および前記下段基本構造体の弧状アームの弾性変形を電気的に検出し、前記検出回路は、前記検出素子の検出結果に基づいて、前記積層内側部材および前記積層外側部材の一方を固定した状態において、他方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,
An inner member disposed on the Z-axis of the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system;
An outer member disposed so as to surround the Z axis, and containing the inner member therein;
It plays the role of connecting the inner member and the outer member, has the property of causing elastic deformation at least in part by the action of the force or moment to be detected, and so as to partially surround the inner member Two arcuate arms arranged;
Two sets of basic structures having
A detection element for electrically detecting elastic deformation of the arc-shaped arms of the two sets of basic structures;
Based on the detection result of the detection element, in a state where one of the inner members of the two sets of basic structures and the outer member of the two sets of basic structures is fixed, A detection circuit that outputs a detection value of a moment around a predetermined coordinate axis;
With
The two sets of basic structures are arranged so as to be adjacent in the vertical direction with the Z axis as a vertical axis, and in both cases, the inner member and the outer member are connected by the first arc-shaped arm and the second arc-shaped arm. And when the predetermined plane parallel to the XY plane is defined as an arrangement plane, the inner end of the first arcuate arm is connected to a first inner connection point on the inner member, The outer end of the first arcuate arm is connected to a first outer connection point on the outer member, and the inner end of the second arcuate arm is connected to a second inner connection point on the inner member. The outer end of the second arcuate arm is connected to a second outer connection point on the outer member, and the first inner connection point and the second inner connection point are different on the arrangement plane. The first outer connection point and the second outer connection point. It is referred to as the upper base structure one disposed above of the different positions in a point that the two sets of basic structures on the said arrangement plane, called the other disposed below the lower base structure In this case, an inner intermediate member is provided between the lower surface of the inner member of the upper basic structure and the upper surface of the inner member of the lower basic structure, and the outer member of the upper basic structure. An outer intermediate member is provided between the lower surface of the lower basic structure and the upper surface of the outer member of the lower basic structure.
The inner member of the upper basic structure, the inner intermediate member, and the inner member of the lower basic structure are connected to each other, and the whole functions as a laminated inner member, and the outer member of the upper basic structure, The outer intermediate member and the outer member of the lower basic structure are connected to each other, and the whole functions as a laminated outer member,
The detecting element, the upper base structure and electrically detecting the elastic deformation of the arcuate arms of the lower base structure, the detection circuit based on the detection result of the detecting element, the laminated inner member and the A force sensor that outputs a detected value of a force in a predetermined coordinate axis direction or a moment around a predetermined coordinate axis applied to the other in a state where one of the laminated outer members is fixed.
上段基本構造体および下段基本構造体は、幾何学的に合同となる構造体であり、両者は、Z軸を共通の中心軸として配置され、かつ、下段基本構造体は上段基本構造体をZ軸を回転軸として90°回転させた向き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 26 , wherein
The upper basic structure and the lower basic structure are geometrically congruent structures, both of which are arranged with the Z axis as a common central axis, and the lower basic structure is the upper basic structure Z A force sensor characterized in that the force sensor is disposed in a direction rotated by 90 ° about an axis.
上段基本構造体として、
第1の内側接続点が、配置平面上へのY軸の負領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第2の内側接続点が、配置平面上へのY軸の正領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第1の外側接続点が、配置平面上へのY軸の正領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第2の外側接続点が、配置平面上へのY軸の負領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、
右ネジをZ軸正方向に進める回転方向を左まわり方向、右ネジをZ軸負方向に進める回転方向を右まわり方向、と定義したときに、第1の弧状アームは、前記第1の内側接続点から前記第1の外側接続点に向かって、左まわり方向および右まわり方向のうちのいずれか一方の選択方向に伸び、第2の弧状アームは、前記第2の内側接続点から前記第2の外側接続点に向かって、前記選択方向に伸びている構造体を用い、
下段基本構造体として、
前記上段基本構造体と幾何学的に合同となる構造体を、Z軸を回転軸として90°回転させた向きに配置した構造体を用いることを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 27 , wherein
As the upper basic structure,
The first inner connection point is arranged on or near the projection image of the negative area of the Y axis on the arrangement plane, and the second inner connection point is the projection image of the positive area of the Y axis on the arrangement plane. The first outer connection point is arranged on or near the projection image of the positive region of the Y axis on the arrangement plane, and the second outer connection point is arranged on the arrangement plane. Arranged on or near the projected image of the negative region of the Y axis,
When the rotation direction in which the right screw is advanced in the Z-axis positive direction is defined as a counterclockwise direction and the rotation direction in which the right screw is advanced in the Z-axis negative direction is defined as a clockwise direction, the first arcuate arm is the first inner side. A second arcuate arm extends from the second inner connection point to the first outer connection point in a selection direction of either a left-handed direction or a right-handed direction. Using the structure extending in the selection direction toward the outer connection point of 2;
As the lower basic structure,
A force sensor using a structure in which a structure geometrically congruent with the upper basic structure is arranged in a direction rotated by 90 ° about a Z axis as a rotation axis.
上段基本構造体および下段基本構造体は、幾何学的に合同となる構造体であり、両者は、Z軸を共通の中心軸として配置され、かつ、下段基本構造体は上段基本構造体をX軸もしくはY軸を回転軸として180°回転させ、更に、Z軸を回転軸として90°回転させた向き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 26 , wherein
The upper basic structure and the lower basic structure are geometrically congruent structures, both of which are arranged with the Z axis as a common central axis, and the lower basic structure is the upper basic structure X The force sensor is arranged in a direction rotated by 180 ° with the axis or Y axis as the rotation axis and further rotated by 90 ° with the Z axis as the rotation axis.
上段基本構造体として、
第1の内側接続点が、配置平面上へのY軸の負領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第2の内側接続点が、配置平面上へのY軸の正領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第1の外側接続点が、配置平面上へのY軸の正領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第2の外側接続点が、配置平面上へのY軸の負領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、
右ネジをZ軸正方向に進める回転方向を左まわり方向、右ネジをZ軸負方向に進める回転方向を右まわり方向、と定義したときに、第1の弧状アームは、前記第1の内側接続点から前記第1の外側接続点に向かって、左まわり方向および右まわり方向のうちのいずれか一方の選択方向に伸び、第2の弧状アームは、前記第2の内側接続点から前記第2の外側接続点に向かって、前記選択方向に伸びている構造体を用い、
下段基本構造体として、
前記上段基本構造体と幾何学的に合同となる構造体を、X軸もしくはY軸を回転軸として180°回転させ、更に、Z軸を回転軸として90°回転させた向きに配置した構造体を用いることを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 29 ,
As the upper basic structure,
The first inner connection point is arranged on or near the projection image of the negative area of the Y axis on the arrangement plane, and the second inner connection point is the projection image of the positive area of the Y axis on the arrangement plane. The first outer connection point is arranged on or near the projection image of the positive region of the Y axis on the arrangement plane, and the second outer connection point is arranged on the arrangement plane. Arranged on or near the projected image of the negative region of the Y axis,
When the rotation direction in which the right screw is advanced in the Z-axis positive direction is defined as a counterclockwise direction and the rotation direction in which the right screw is advanced in the Z-axis negative direction is defined as a clockwise direction, the first arcuate arm is the first inner side. A second arcuate arm extends from the second inner connection point to the first outer connection point in a selection direction of either a left-handed direction or a right-handed direction. Using the structure extending in the selection direction toward the outer connection point of 2;
As the lower basic structure,
A structure in which the structure that is geometrically congruent with the upper basic structure is rotated 180 ° with the X-axis or Y-axis as the rotation axis, and is further rotated 90 ° with the Z-axis as the rotation axis Force sensor characterized by using
上段基本構造体および下段基本構造体のそれぞれについて、各弧状アームの中心線が配置平面上に位置するようにし、
上段基本構造体について、配置平面上へのX軸の正領域の投影像と弧状アームの中心線との交点に第1の測定点を定義し、配置平面上へのX軸の負領域の投影像と弧状アームの中心線との交点に第2の測定点を定義し、
下段基本構造体について、配置平面上へのY軸の正領域の投影像と弧状アームの中心線との交点に第3の測定点を定義し、配置平面上へのY軸の負領域の投影像と弧状アームの中心線との交点に第4の測定点を定義し、
検出素子が、前記第1〜第4の測定点の変位を電気的に検出することにより、各弧状アームの弾性変形を検出することを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 28 or 30 ,
For each of the upper basic structure and the lower basic structure, the center line of each arc-shaped arm is positioned on the arrangement plane,
For the upper basic structure, a first measurement point is defined at the intersection of the projected image of the positive region of the X axis on the placement plane and the center line of the arc arm, and the negative region of the X axis is projected on the placement plane. Define a second measurement point at the intersection of the image and the center line of the arcuate arm,
For the lower basic structure, a third measurement point is defined at the intersection of the projected image of the positive area of the Y axis on the placement plane and the center line of the arcuate arm, and the negative area of the Y axis is projected on the placement plane. Define a fourth measurement point at the intersection of the image and the centerline of the arcuate arm,
A force sensor, wherein the detection element detects elastic deformation of each arcuate arm by electrically detecting displacement of the first to fourth measurement points.
検出素子が、第1の測定点近傍に配置された第1の容量素子と、第2の測定点近傍に配置された第2の容量素子と、第3の測定点近傍に配置された第3の容量素子と、第4の測定点近傍に配置された第4の容量素子と、を有しており、
前記第1の容量素子は、弧状アームの外側もしくは内側の前記第1の測定点近傍に配置され積層内側部材または積層外側部材に固定された第1の固定電極と、弧状アームの表面における前記第1の固定電極に対向する領域に形成された第1の変位電極と、によって構成され、
前記第2の容量素子は、弧状アームの外側もしくは内側の前記第2の測定点近傍に配置され積層内側部材または積層外側部材に固定された第2の固定電極と、弧状アームの表面における前記第2の固定電極に対向する領域に形成された第2の変位電極と、によって構成され、
前記第3の容量素子は、弧状アームの外側もしくは内側の前記第3の測定点近傍に配置され積層内側部材または積層外側部材に固定された第3の固定電極と、弧状アームの表面における前記第3の固定電極に対向する領域に形成された第3の変位電極と、によって構成され、
前記第4の容量素子は、弧状アームの外側もしくは内側の前記第4の測定点近傍に配置され積層内側部材または積層外側部材に固定された第4の固定電極と、弧状アームの表面における前記第4の固定電極に対向する領域に形成された第4の変位電極と、によって構成され、
検出回路が、前記検出素子の検出結果に基づいて、積層内側部材および積層外側部材の一方を固定した状態において、他方に作用したX軸方向の力Fx、Y軸方向の力Fyおよび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 claim 31 , wherein
The detection element includes a first capacitive element disposed near the first measurement point, a second capacitive element disposed near the second measurement point, and a third capacitive element disposed near the third measurement point. And a fourth capacitive element disposed in the vicinity of the fourth measurement point,
The first capacitive element is disposed in the vicinity of the first measurement point outside or inside the arc-shaped arm and fixed to the laminated inner member or the laminated outer member, and the first capacitive element on the surface of the arc-shaped arm. A first displacement electrode formed in a region facing one fixed electrode,
The second capacitive element is disposed in the vicinity of the second measurement point outside or inside the arcuate arm and fixed to the laminated inner member or the laminated outer member, and the second capacitive element on the surface of the arcuate arm. A second displacement electrode formed in a region facing the two fixed electrodes,
The third capacitive element is disposed near the third measurement point outside or inside the arc-shaped arm and fixed to the laminated inner member or the laminated outer member, and the third capacitive element on the surface of the arc-shaped arm. A third displacement electrode formed in a region facing the three fixed electrodes,
The fourth capacitive element is disposed in the vicinity of the fourth measurement point outside or inside the arcuate arm and fixed to the laminated inner member or laminated outer member, and the fourth capacitor element on the surface of the arcuate arm. A fourth displacement electrode formed in a region facing the four fixed electrodes,
Based on the detection result of the detection element, when the detection circuit fixes one of the laminated inner member and the laminated outer member, the force Fx in the X-axis direction, the force Fy in the Y-axis direction, and the Z-axis rotation A force sensor that outputs a detected value of the moment Mz.
第1〜第4の測定点に加えて、更に、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の所定箇所に第5〜第8の測定点を定義し、第5の測定点は、下段基本構造体の配置平面上へのX軸の正領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置され、第6の測定点は、下段基本構造体の配置平面上へのX軸の負領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置され、第7の測定点は、下段基本構造体の配置平面上へのY軸の正領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置され、第8の測定点は、下段基本構造体の配置平面上へのY軸の負領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置されるようにし、
検出素子が、第5の測定点近傍に配置された第5の容量素子と、第6の測定点近傍に配置された第6の容量素子と、第7の測定点近傍に配置された第7の容量素子と、第8の測定点近傍に配置された第8の容量素子と、を更に有しており、
前記第5の容量素子は、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の下方の前記第5の測定点近傍に配置され下段基本構造体の外側部材に固定された第5の固定電極と、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の下面における前記第5の固定電極に対向する領域に形成された第5の変位電極と、によって構成され、
前記第6の容量素子は、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の下方の前記第6の測定点近傍に配置され下段基本構造体の外側部材に固定された第6の固定電極と、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の下面における前記第6の固定電極に対向する領域に形成された第6の変位電極と、によって構成され、
前記第7の容量素子は、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の下方の前記第7の測定点近傍に配置され下段基本構造体の外側部材に固定された第7の固定電極と、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の下面における前記第7の固定電極に対向する領域に形成された第7の変位電極と、によって構成され、
前記第8の容量素子は、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の下方の前記第8の測定点近傍に配置され下段基本構造体の外側部材に固定された第8の固定電極と、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の下面における前記第8の固定電極に対向する領域に形成された第8の変位電極と、によって構成され、
検出回路が、前記検出素子の検出結果に基づいて、積層内側部材および積層外側部材の一方を固定した状態において、他方に作用した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および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 claim 32 , wherein
In addition to the first to fourth measurement points, the fifth to eighth measurement points are defined at predetermined positions of the arc-shaped arm or the inner member of the lower basic structure, and the fifth measurement point is the lower basic structure. The sixth measurement point is located on the projected image of the negative region of the X-axis on the plane of placement of the lower basic structure. Alternatively, the seventh measurement point is arranged on the projection image of the positive region of the Y axis on the arrangement plane of the lower basic structure or in the vicinity thereof, and the eighth measurement point is arranged on the lower stage. It is arranged on the projection image of the negative area of the Y axis on the arrangement plane of the basic structure or in the vicinity thereof,
The detection element includes a fifth capacitive element disposed in the vicinity of the fifth measurement point, a sixth capacitive element disposed in the vicinity of the sixth measurement point, and a seventh capacitive element disposed in the vicinity of the seventh measurement point. And an eighth capacitive element disposed in the vicinity of the eighth measurement point,
The fifth capacitive element includes a fifth fixed electrode disposed in the vicinity of the fifth measurement point below the arc-shaped arm or inner member of the lower basic structure, and fixed to the outer member of the lower basic structure; A fifth displacement electrode formed in a region of the arcuate arm of the basic structure or the lower surface of the inner member facing the fifth fixed electrode, and
The sixth capacitive element includes a sixth fixed electrode disposed in the vicinity of the sixth measurement point below the arc-shaped arm or inner member of the lower basic structure, and fixed to the outer member of the lower basic structure; A sixth displacement electrode formed in a region of the arcuate arm of the basic structure or the lower surface of the inner member facing the sixth fixed electrode, and
The seventh capacitive element includes a seventh fixed electrode disposed in the vicinity of the seventh measurement point below the arc-shaped arm or inner member of the lower basic structure, and fixed to the outer member of the lower basic structure; A seventh displacement electrode formed in a region of the arcuate arm of the basic structure or the lower surface of the inner member facing the seventh fixed electrode, and
The eighth capacitive element includes an eighth fixed electrode disposed in the vicinity of the eighth measurement point below the arc-shaped arm or inner member of the lower basic structure, and fixed to the outer member of the lower basic structure; An arcuate arm of the basic structure or an eighth displacement electrode formed in a region facing the eighth fixed electrode on the lower surface of the inner member;
In a state in which the detection circuit fixes one of the laminated inner member and the laminated outer member based on the detection result of the detection element, the force Fx in the X-axis direction, the force Fy in the Y-axis direction, and the Z-axis direction applied to the other A force sensor that outputs detected values of the force Fz, the moment Mx about the X axis, the moment My about the Y axis, and the moment Mz about the Z axis.
下段基本構造体の下方に配置された支持基板を更に備え、
前記支持基板は、前記下段基本構造体に対向する底板部と、この底板部の周囲から上方に隆起した縁周部とを有し、
前記下段基本構造体の外側部材の下面は、前記縁周部の上面に固定されており、前記下段基本構造体の内側部材の下面と前記底板部の上面との間に空洞部が形成されており、積層内側部材が、前記空洞部を含む周囲空間内で変位可能となるように弧状アームによって支持されており、
第1〜第8の固定電極が、前記底板部の上面に固定されていることを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 33 ,
It further includes a support substrate disposed below the lower basic structure,
The support substrate has a bottom plate portion facing the lower basic structure, and an edge peripheral portion protruding upward from the periphery of the bottom plate portion,
The lower surface of the outer member of the lower basic structure is fixed to the upper surface of the peripheral edge, and a cavity is formed between the lower surface of the inner member of the lower basic structure and the upper surface of the bottom plate portion. The laminated inner member is supported by an arcuate arm so as to be displaceable in the surrounding space including the cavity,
A force sensor, wherein the first to eighth fixed electrodes are fixed to the upper surface of the bottom plate portion.
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