JP6002868B1 - 力覚センサおよびこれに用いる構造体 - Google Patents
力覚センサおよびこれに用いる構造体 Download PDFInfo
- Publication number
- JP6002868B1 JP6002868B1 JP2016510339A JP2016510339A JP6002868B1 JP 6002868 B1 JP6002868 B1 JP 6002868B1 JP 2016510339 A JP2016510339 A JP 2016510339A JP 2016510339 A JP2016510339 A JP 2016510339A JP 6002868 B1 JP6002868 B1 JP 6002868B1
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- axis
- force
- graphic
- point
- pedestal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
- G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
- G01L5/165—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in capacitance
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
- G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
- G01L5/161—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance
- G01L5/1627—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance of strain gauges
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
- G01L5/22—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers
- G01L5/223—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers to joystick controls
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
- G01L1/142—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
Abstract
Description
Z軸が垂直軸となるように座標系を定義したときに、Z軸上に配置された受力体(100)と、受力体の下方に配置された支持体(200)と、受力体と支持体とを接続し、力もしくはモーメントの作用により、少なくとも一部分が弾性変形を生じる変形体(300)と、を含む基本構造体(1000)と、
変形体の変形もしくは変位、または、受力体もしくは支持体の変位を検出する検出素子(C1〜C4)と、
検出素子の検出結果に基づいて、受力体および支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用したZ軸方向の力FzおよびY軸まわりのモーメントMyを示す電気信号を出力する検出回路(900)と、
を設け、
変形体(300)は、所定箇所が受力体(100)に接続され弾性変形を生じる弾性変形部(310)と、この弾性変形部の所定箇所を支持体(200)に固定する第1台座部(320)および第2台座部(330)と、を有し、
XZ平面もしくはXZ平面に平行な平面によって基本構造体(1000)を切断したときに、受力体の断面に現れる幾何学的な図形を受力体図形(100f)と呼び、支持体の断面に現れる幾何学的な図形を支持体図形(200f)と呼び、変形体の断面に現れる幾何学的な図形を変形体図形(300f)と呼んだときに、変形体図形は、弾性変形部(310)の断面である弾性変形部図形(310f)と、第1台座部(320)の断面である第1台座部図形(320f)と、第2台座部(330)の断面である第2台座部図形(330f)と、を含んでおり、
弾性変形部図形(310f)は、受力体図形(100f)の輪郭上に定義された第1受力点(P1)と第2受力点(P2)とを結ぶ所定の接続経路(R1)に沿って配置され、第1受力点(P1)と第2受力点(P2)とを連結する図形であり、
第1台座部図形(320f)は、接続経路(R1)上に定義された第1中継点(m1)の近傍において弾性変形部図形(310f)に接続されており、第2台座部図形(330f)は、接続経路(R1)上に定義された第2中継点(m2)の近傍において弾性変形部図形(310f)に接続されており、
弾性変形部(310)は、第1受力点(P1)と第2受力点(P2)とを連結しており、第1台座部(320)は、弾性変形部(310)の第1中継点(m1)の近傍と支持体(200)上に定義された第1支持点(Q1)とを連結しており、第2台座部(330)は、弾性変形部(310)の第2中継点(m2)の近傍と支持体(200)上に定義された第2支持点(Q2)とを連結しており、
第1受力点(P1)は、負のX座標値をもつ位置に配置され、第2受力点(P2)は、正のX座標値をもつ位置に配置されており、
支持体(200)を固定した状態で受力体(100)に力Fzが作用したとき、および、支持体(200)を固定した状態で受力体(100)にモーメントMyが作用したとき、弾性変形部(310)の第1中継点(m1)の近傍が、第1台座部(320)との接続点(m1′)を支点として第1台座部(320)に対してX軸方向に揺動し、弾性変形部(310)の第2中継点(m2)の近傍が、第2台座部(330)との接続点を支点として第2台座部(330)に対してX軸方向に揺動するようにしたものである。
弾性変形部図形(310f)が、接続経路(R1)の第1受力点(P1)から第1中継点(m1)に至る区間に沿って配置された第1外側腕状部図形(311f)と、接続経路(R1)の第1中継点(m1)から第2中継点(m2)に至る区間に沿って配置された内側腕状部図形(312f)と、接続経路(R1)の第2中継点(m2)から第2受力点(P2)に至る区間に沿って配置された第2外側腕状部図形(313f)と、を有するようにしたものである。
第1台座部図形(320f)の接続端が、弾性変形部図形(310f)の第1中継点(m1)の近傍の下方に接続され、第2台座部図形(330f)の接続端が、弾性変形部図形(310f)の第2中継点(m2)の近傍の下方に接続されているようにしたものである。
第1台座部図形(320f)が、接続経路(R1)上に定義された第1中継点(m1)と支持体図形(200f)の輪郭上に定義された第1支持点(Q1)とを結ぶ第1支持経路(R2)に沿って配置され、弾性変形部図形(310f)と支持体図形(200f)とを連結する図形であり、
第2台座部図形(330f)が、接続経路(R1)上に定義された第2中継点(m2)と支持体図形(200f)の輪郭上に定義された第2支持点(Q2)とを結ぶ第2支持経路(R3)に沿って配置され、弾性変形部図形(310f)と支持体図形(200f)とを連結する図形であるようにしたものである。
支持体(200)を固定した状態で受力体(100)に力Fzが作用したとき、および、支持体(200)を固定した状態で受力体(100)にモーメントMyが作用したとき、弾性変形部図形(310f)の第1中継点(m1)の近傍が、第1支持経路(R2)と弾性変形部図形(310f)の輪郭との交点(m1′)を支点として第1台座部図形(320f)に対して揺動し、弾性変形部図形(310f)の第2中継点(m2)の近傍が、第2支持経路(R3)と弾性変形部図形(310f)の輪郭との交点(m2′)を支点として第2台座部図形(330f)に対して揺動するようにしたものである。
第1中継点(m1)から第2中継点(m2)に向かって辿った接続経路(R1,R4,R5,R7)が、XY平面に交差する第1の長手方向軸(L1,L2,L4)に沿って下方に向かう下降経路と、XY平面に交差する第2の長手方向軸(Z,L3,L5)に沿って上方に向かう上昇経路と、を有し、
内側腕状部図形(312f、342f,352f)が、下降経路に沿った下降腕状部と上昇経路に沿った上昇腕状部とを有するようにしたものである。
第1の長手方向軸(L1,L2)および第2の長手方向軸(Z,L3)がZ軸に平行な軸であるようにしたものである。
第1の長手方向軸もしくは第2の長手方向軸(Z)が、YZ平面に含まれる軸であるようにしたものである。
接続経路(R1,R4,R5,R7)が、Z軸に平行な縦方向経路とX軸に平行な横方向経路とを有し、
第1受力点(P1)および第2受力点(P2)からは縦方向経路が伸び、第1中継点(m1)および第2中継点(m2)が横方向経路上に定義されているようにしたものである。
接続経路(R6)の第1中継点(m1)と第2中継点(m2)との間の区間に、下方に湾曲してから上方に湾曲する湾曲路が設けられており、
内側腕状部図形(362f)が、この湾曲路に沿った湾曲部を有するようにしたものである。
第1台座部図形(425f)の接続端が、弾性変形部図形(470f)の第1中継点(m1)の近傍の下方に接続され、第2台座部図形(435f)の接続端が、弾性変形部図形(470f)の第2中継点(m2)の近傍の上方に接続されているようにしたものである。
第1中継点(m1)から第2中継点(m2)に向かって辿った接続経路(R8)が、XY平面に交差する長手方向軸(L6)に沿って下方に向かう下降経路を有し、
内側腕状部図形(472f)が、この下降経路に沿った下降腕状部を有するようにしたものである。
長手方向軸(L6)がZ軸に平行な軸であるようにしたものである。
第1台座部図形の接続端が、弾性変形部図形の第1中継点(m1)の近傍の上方に接続され、第2台座部図形の接続端が、弾性変形部図形の第2中継点(m2)の近傍の上方に接続されているようにしたものである。
接続経路(R9)上の第2中継点(m2)と第2受力点(P2)との間に、更に、第3中継点(m3)が定義されており、
変形体は、弾性変形部、第1台座部、第2台座部に加えて、更に、第3台座部を有し、
第3台座部は、弾性変形部の第3中継点(m3)の近傍と支持体(250)上に定義された第3支持点(Q3)とを連結しており、
弾性変形部図形(480f)が、接続経路(R9)の第1受力点(P1)から第1中継点(m1)に至る区間に沿って配置された第1外側腕状部図形(481f)と、接続経路(R9)の第1中継点(m1)から第2中継点(m2)に至る区間に沿って配置された第1内側腕状部図形(482f)と、接続経路(R9)の第2中継点(m2)から第3中継点(m3)に至る区間に沿って配置された第2内側腕状部図形(483f)と、接続経路(R9)の第3中継点(m3)から第2受力点(P2)に至る区間に沿って配置された第2外側腕状部図形(484f)と、を有するようにしたものである。
第1台座部図形(426f)の接続端が、弾性変形部図形(480f)の第1中継点(m1)の近傍の下方に接続され、第2台座部図形(436f)の接続端が、弾性変形部図形(480f)の第2中継点(m2)の近傍の下方に接続され、第3台座部の断面である第3台座部図形(496f)の接続端が、弾性変形部図形(480f)の第3中継点(m3)の近傍の上方に接続されているようにしたものである。
接続経路(R7)の第1受力点(P1)と第1中継点(m1)との間の区間に、U字状をなす第1U字状迂回路(U1)が設けられており、第1外側腕状部図形(411f)が第1U字状迂回路に沿った第1U字状迂回部を有しており、
接続経路(R7)の第2中継点(m2)と第2受力点(P2)との間の区間に、U字状をなす第2U字状迂回路(U2)が設けられており、第2外側腕状部図形(413f)が第2U字状迂回路に沿った第2U字状迂回部を有しているようにしたものである。
第1U字状迂回路(U1)および第2U字状迂回路(U2)が、Z軸に平行な一対の縦方向迂回路とこれら一対の縦方向迂回路を結ぶX軸に平行な横方向迂回路との組み合わせによって構成されているようにしたものである。
第1外側腕状部図形(441f;451f)、内側腕状部図形(442f;452f)、第2外側腕状部図形(443f;453f)の全部もしくは一部に、接続経路に直交する方向に関する幅が狭くなったくびれ部(41〜43;51a,51b,52a,52b,53a,53b)を設けるようにしたものである。
第1外側腕状部図形(461f)、内側腕状部図形(462f)、第2外側腕状部図形(463f)の全部もしくは一部に、接続経路に直交する方向に突き出した重量調整部図形(62f)を設けるようにしたものである。
第1外側腕状部図形(461f)の受力体図形(150f)に対する接続部および第2外側腕状部図形(463f)の受力体図形(150f)に対する接続部に、接続経路に直交する方向に突き出したフランジ部図形(61f,63f)を設けるようにしたものである。
第1台座部図形(320f)および第2台座部図形(330f)の弾性変形部図形(310f)に対する接続端が、他の部分に比べて幅が狭い狭窄図形を構成しているようにしたものである。
受力体(100)および支持体(200)が、XY平面に平行な上面および下面をもつ板状部材によって構成されているようにしたものである。
弾性変形部(310)が、細長い腕状部材を屈曲させた構造体によって構成されているようにしたものである。
検出素子が、弾性変形部の所定箇所の伸縮状態を電気的に検出することにより、変形体の変形状態の検出を行うようにしたものである。
検出素子が、弾性変形部の所定箇所と支持体の所定箇所との間の距離を電気的に検出することにより、変形体の変位状態の検出を行うようにしたものである。
検出素子が、弾性変形部の所定箇所に形成された変位電極と、支持体の変位電極に対向する位置に形成された固定電極と、を有する複数の容量素子によって構成され、
検出回路が、複数の容量素子の静電容量値に基づく演算処理を行うことにより、Z軸方向の力FzおよびY軸まわりのモーメントMyを示す電気信号を出力するようにしたものである。
変形体(500)が、所定箇所が受力体(150)に接続され弾性変形を生じるX軸に関する弾性変形部(510)と、このX軸に関する弾性変形部の所定箇所を支持体(250)に固定するX軸に関する第1台座部(520)およびX軸に関する第2台座部(530)と、所定箇所が受力体(150)に接続され弾性変形を生じるY軸に関する弾性変形部(540)と、このY軸に関する弾性変形部の所定箇所を支持体(250)に固定するY軸に関する第1台座部(550)およびY軸に関する第2台座部(560)と、を有し、
XZ平面もしくはXZ平面に平行な平面によって基本構造体を切断したときに、受力体の断面に現れる幾何学的な図形をX軸に関する受力体図形(150fx)と呼び、支持体の断面に現れる幾何学的な図形をX軸に関する支持体図形(250fx)と呼び、変形体の断面に現れる幾何学的な図形をX軸に関する変形体図形(500fx)と呼んだときに、
X軸に関する変形体図形は、X軸に関する弾性変形部(510)の断面であるX軸に関する弾性変形部図形(510f)と、X軸に関する第1台座部(520)の断面であるX軸に関する第1台座部図形(520f)と、X軸に関する第2台座部(530)の断面であるX軸に関する第2台座部図形(530f)と、を含んでおり、
YZ平面もしくはYZ平面に平行な平面によって基本構造体を切断したときに、受力体の断面に現れる幾何学的な図形をY軸に関する受力体図形(150fy)と呼び、支持体の断面に現れる幾何学的な図形をY軸に関する支持体図形(250fy)と呼び、変形体の断面に現れる幾何学的な図形をY軸に関する変形体図形(500fy)と呼んだときに、
Y軸に関する変形体図形は、Y軸に関する弾性変形部(540)の断面であるY軸に関する弾性変形部図形(540f)と、Y軸に関する第1台座部(550)の断面であるY軸に関する第1台座部図形(550f)と、Y軸に関する第2台座部(560)の断面であるY軸に関する第2台座部図形(560f)と、を含んでおり、
X軸に関する弾性変形部図形(510f)は、X軸に関する受力体図形(150fx)の輪郭上に定義されたX軸に関する第1受力点(P11)とX軸に関する第2受力点(P12)とを結ぶ所定のX軸に関する接続経路(R10)に沿って配置され、X軸に関する第1受力点(P11)とX軸に関する第2受力点(P12)とを連結する図形であり、
X軸に関する第1台座部図形(520f)は、X軸に関する接続経路(R10)上に定義されたX軸に関する第1中継点(m11)の近傍においてX軸に関する弾性変形部図形(510f)に接続されており、X軸に関する第2台座部図形(530f)は、X軸に関する接続経路(R10)上に定義されたX軸に関する第2中継点(m12)の近傍においてX軸に関する弾性変形部図形(510f)に接続されており、
Y軸に関する弾性変形部図形(540f)は、Y軸に関する受力体図形(150fy)の輪郭上に定義されたY軸に関する第1受力点(P21)とY軸に関する第2受力点(P22)とを結ぶ所定のY軸に関する接続経路(R11)に沿って配置され、Y軸に関する第1受力点(P21)とY軸に関する第2受力点(P22)とを連結する図形であり、
Y軸に関する第1台座部図形(550f)は、Y軸に関する接続経路(R11)上に定義されたY軸に関する第1中継点(m21)の近傍においてY軸に関する弾性変形部図形(540f)に接続されており、Y軸に関する第2台座部図形(560f)は、Y軸に関する接続経路(R11)上に定義されたY軸に関する第2中継点(m22)の近傍においてY軸に関する弾性変形部図形(540f)に接続されており、
X軸に関する弾性変形部(510)は、X軸に関する第1受力点(P11)とX軸に関する第2受力点(P12)とを連結しており、X軸に関する第1台座部(520)は、X軸に関する弾性変形部(510)のX軸に関する第1中継点(m11)の近傍と支持体(250)上に定義されたX軸に関する第1支持点(Q11)とを連結しており、X軸に関する第2台座部(530)は、X軸に関する弾性変形部(510)のX軸に関する第2中継点(m12)の近傍と支持体(250)上に定義されたX軸に関する第2支持点(Q12)とを連結しており、
Y軸に関する弾性変形部(540)は、Y軸に関する第1受力点(P21)とY軸に関する第2受力点(P22)とを連結しており、Y軸に関する第1台座部(550)は、Y軸に関する弾性変形部(540)のY軸に関する第1中継点(m21)の近傍と支持体(250)上に定義されたY軸に関する第1支持点(Q21)とを連結しており、Y軸に関する第2台座部(560)は、Y軸に関する弾性変形部(540)のY軸に関する第2中継点(m22)の近傍と支持体(250)上に定義されたY軸に関する第2支持点(Q22)とを連結しており、
X軸に関する第1受力点(P11)は、負のX座標値をもつ位置に配置され、X軸に関する第2受力点(P12)は、正のX座標値をもつ位置に配置され、Y軸に関する第1受力点(P21)は、負のY座標値をもつ位置に配置され、Y軸に関する第2受力点(P22)は、正のY座標値をもつ位置に配置されており、
支持体(250)を固定した状態で受力体(150)に力Fzが作用したとき、および、支持体(250)を固定した状態で受力体(150)にモーメントMyが作用したとき、X軸に関する弾性変形部(510)のX軸に関する第1中継点(m11)の近傍が、X軸に関する第1台座部(520)との接続点を支点としてX軸に関する第1台座部(520)に対してX軸方向に揺動し、X軸に関する弾性変形部(510)のX軸に関する第2中継点(m12)の近傍が、X軸に関する第2台座部(530)との接続点を支点としてX軸に関する第2台座部(530)に対してX軸方向に揺動し、
支持体(250)を固定した状態で受力体(150)に力Fzが作用したとき、および、支持体(250)を固定した状態で受力体(150)にモーメントMxが作用したとき、Y軸に関する弾性変形部(540)のY軸に関する第1中継点(m21)の近傍が、Y軸に関する第1台座部(550)との接続点を支点としてY軸に関する第1台座部(550)に対してY軸方向に揺動し、Y軸に関する弾性変形部(540)のY軸に関する第2中継点(m22)の近傍が、Y軸に関する第2台座部(560)との接続点を支点としてY軸に関する第2台座部(560)に対してY軸方向に揺動し、
検出回路(900)が、検出素子の検出結果に基づいて、受力体および支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用したZ軸方向の力FzおよびY軸まわりのモーメントMyを示す電気信号に加えて、更に、X軸まわりのモーメントMxを示す電気信号を出力するようにしたものである。
X軸に関する弾性変形部(510)が、XZ平面上に配置された細長い腕状部材を屈曲させた構造体によって構成されており、Y軸に関する弾性変形部(540)が、YZ平面上に配置された細長い腕状部材を屈曲させた構造体によって構成されており、X軸に関する弾性変形部(510)とY軸に関する弾性変形部(540)とが、Z軸と交差する位置において融合しているようにしたものである。
X軸に関する変形体図形(500fx)は、変形体(500)をXZ平面によって切断したときに得られる断面図形であり、Y軸に関する変形体図形(500fy)は、変形体(500)をYZ平面によって切断したときに得られる断面図形であり、
X軸に関する弾性変形部図形(510f)およびY軸に関する弾性変形部図形(540f)は、いずれもZ軸について対称形状をなし、X軸に関する弾性変形部図形(510f)とY軸に関する弾性変形部図形(540f)とは幾何学的な合同図形であり、X軸に関する弾性変形部(510)およびY軸に関する弾性変形部(540)が、合同図形をZ軸を中心軸として回転することにより得られる回転体からなる統合弾性変形部(570)の一部によって構成されているようにしたものである。
X軸に関する第1台座部図形(520f)およびX軸に関する第2台座部図形(530f)によって構成されるX軸に関する台座部図形群と、Y軸に関する第1台座部図形(550f)およびY軸に関する第2台座部図形(560f)によって構成されるY軸に関する台座部図形群とは、いずれもZ軸について対称形状をなし、X軸に関する台座部図形群とY軸に関する台座部図形群とは幾何学的な合同図形であり、X軸に関する第1台座部(520)、X軸に関する第2台座部(530)、Y軸に関する第1台座部(550)、Y軸に関する第2台座部(560)が、上記合同図形をZ軸を中心軸として回転することにより得られる回転体からなる統合台座部(580)の一部によって構成されているようにしたものである。
X軸に関する接続経路(R10)のX軸に関する第1受力点(P11)とX軸に関する第1中継点(m11)との間の区間に、U字状をなすX軸に関する第1U字状迂回路(U11)が設けられており、X軸に関する接続経路(R10)のX軸に関する第2中継点(m12)とX軸に関する第2受力点(P12)との間の区間に、U字状をなすX軸に関する第2U字状迂回路(U12)が設けられており、
Y軸に関する接続経路(R11)のY軸に関する第1受力点(P21)とY軸に関する第1中継点(m21)との間の区間に、U字状をなすY軸に関する第1U字状迂回路(U21)が設けられており、Y軸に関する接続経路(R11)のY軸に関する第2中継点(m22)とY軸に関する第2受力点(P22)との間の区間に、U字状をなすY軸に関する第2U字状迂回路(U22)が設けられており、
検出素子が、
X軸に関する弾性変形部(510)のうちのX軸に関する第1U字状迂回路(U11)に沿って配置された部分の底面に固定された第1変位電極(E11)と、支持体(250)の上面の第1変位電極に対向する部分に固定された第1固定電極(E21)と、によって構成される第1容量素子(C1)と、
X軸に関する弾性変形部(510)のうちのX軸に関する第2U字状迂回路(U12)に沿って配置された部分の底面に固定された第2変位電極(E12)と、支持体(250)の上面の第2変位電極に対向する部分に固定された第2固定電極(E22)と、によって構成される第2容量素子(C2)と、
Y軸に関する弾性変形部(540)のうちのY軸に関する第1U字状迂回路(U21)に沿って配置された部分の底面に固定された第3変位電極(E13)と、支持体(250)の上面の第3変位電極に対向する部分に固定された第3固定電極(E23)と、によって構成される第3容量素子(C3)と、
Y軸に関する弾性変形部(540)のうちのY軸に関する第2U字状迂回路(U22)に沿って配置された部分の底面に固定された第4変位電極(E14)と、支持体(250)の上面の第4変位電極に対向する部分に固定された第4固定電極(E24)と、によって構成される第4容量素子(C4)と、
を有し、
検出回路(900)が、第1容量素子(C1)の静電容量値と第2容量素子(C2)の静電容量値との差をY軸まわりのモーメントMyを示す電気信号として出力し、第3容量素子(C3)の静電容量値と第4容量素子(C4)の静電容量値との差をX軸まわりのモーメントMxを示す電気信号として出力し、第1容量素子(C1)の静電容量値、第2容量素子(C2)の静電容量値、第3容量素子(C3)の静電容量値、第4容量素子(C4)の静電容量値の総和をZ軸方向の力Fzを示す電気信号として出力するようにしたものである。
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Z軸方向の力FzおよびY軸まわりのモーメントMyを検出する機能を有するようにし、
Z軸が垂直軸となるように座標系を定義したときに、Z軸上に配置された受力体(5100)と、受力体の下方に配置された支持体(5200)と、受力体と支持体とを接続し、力もしくはモーメントの作用により、少なくとも一部分が弾性変形を生じる検出用変形体(5300)と、受力体と支持体との間に接続された補助構造体(5401〜5404)と、検出用変形体の変形もしくは変位、または、受力体もしくは支持体の変位を検出する検出素子と、検出素子の検出結果に基づいて、受力体および支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用したZ軸方向の力FzおよびY軸まわりのモーメントMyを示す電気信号を出力する検出回路と、を設けるようにしたものである。
弾性変形部(5410)と、第1台座部(5420)と、第2台座部(5430)と、を有し、
弾性変形部(5410)は、少なくとも一部分が弾性変形を生じる構造体であり、その一端には受力体(5100)の第1箇所に固定するための第1受力点(P1)が設けられ、その他端には受力体(5100)の第2箇所に固定するための第2受力点(P2)が設けられており、第1受力点と第2受力点とを接続する所定の接続経路(R12)に沿った腕状構造体をなし、
第1台座部(5420)は、その一端が接続経路(R12)上に定義された第1中継点(m1)の近傍において弾性変形部(5410)に接続されており、その他端には、支持体(5200)の第1箇所に固定するための第1支持点(Q1)が設けられており、
第2台座部(5430)は、その一端が接続経路(R12)上に定義された第2中継点(m2)の近傍において弾性変形部(5410)に接続されており、その他端には、支持体(5200)の第2箇所に固定するための第2支持点(Q2)が設けられており、
第1台座部(5420)の第1支持点(Q1)および第2台座部(5430)の第2支持点(Q2)を固定した状態で、弾性変形部(5410)の第1受力点(P1)および第2受力点(P2)に力が作用したときに、弾性変形部(5410)の第1中継点(m1)の近傍が、第1台座部(5420)との接続点を支点として第1台座部(5420)に対して揺動し、弾性変形部(5410)の第2中継点(m2)の近傍が、第2台座部(5430)との接続点を支点として第2台座部(5430)に対して揺動するようにしたものである。
接続経路(R12)が、VW二次元直交座標系のVW平面上に設けられており、弾性変形部(5410)が、VW平面に沿って伸びる腕状構造体をなし、
重心位置にVW二次元直交座標系の原点(G)を定義したときに、第1受力点(P1)はVW二次元直交座標系の第2象限に位置し、第2受力点(P2)はVW二次元直交座標系の第1象限に位置し、第1支持点(Q1)はVW二次元直交座標系の第3象限に位置し、第2支持点(Q2)はVW二次元直交座標系の第4象限に位置するようにしたものである。
VW平面に平行な平面からなる上面と、VW平面に平行な平面からなる下面と、を有する板状部材によって構成したものである。
第1中継点(m1)から第2中継点(m2)に向かうように接続経路(R12)を辿ったときに、接続経路(R12)が、W軸負方向に進む第1進行路(r1)とW軸正方向に進む第2進行路(r2)とを有するようにしたものである。
第1進行路(r1)もしくは第2進行路(r2)が、VW二次元直交座標系の原点(G)を通る経路であるようにしたものである。
接続経路(R12)が、W軸に平行な縦方向経路とV軸に平行な横方向経路とを有し、
第1受力点(P1)および第2受力点(P2)からは縦方向経路が伸び、第1中継点(m1)および第2中継点(m2)が横方向経路上に定義されているようにしたものである。
接続経路(R12)の第1受力点(P1)と第1中継点(m1)との間の区間に、U字状をなす第1U字状迂回路(U1)が設けられており、接続経路(R12)の第2中継点(m2)と第2受力点(P2)との間の区間に、U字状をなす第2U字状迂回路(U2)が設けられているようにしたものである。
第1U字状迂回路(U1)および第2U字状迂回路(U2)が、W軸に平行な一対の縦方向迂回路とこれら一対の縦方向迂回路を結ぶV軸に平行な横方向迂回路との組み合わせによって構成されているようにしたものである。
弾性変形部(5410;5510)を構成する腕状構造体の一部に、接続経路(R12)に直交する方向に関する幅が狭くなったくびれ部(54;55)を設けるようにしたものである。
弾性変形部(5410;5510)を構成する腕状構造体の特定箇所に、接続経路(R12)に直交する方向に突き出した重量調整部(62)を設けるようにしたものである。
第1台座部(5420;5520)および第2台座部(5430;5530)の弾性変形部(5410;5510)に対する接続端が、他の部分に比べて幅が狭い狭窄先端部(5421,5431;5521,5531)を構成しているようにしたものである。
受力体(5100)と、支持体(5200)と、受力体と支持体とを接続する検出用変形体(5300)と、検出用変形体の弾性変形を検出する検出素子(D)と、検出素子の検出結果に基づいて、作用した力もしくはモーメントの検出信号を出力する検出回路(5900)と、上記補助構造体(5400;5500)と、を設け、
補助構造体の第1受力点(P1)および第2受力点(P2)が、受力体(5100)の下面に接合され、補助構造体の第1支持点(Q1)および第2支持点(Q2)が、支持体(5200)の上面に接合されているようにしたものである。
受力体(5100)および支持体(5200)が、XY平面に平行な上面および下面をもつ板状部材によって構成されており、Z軸が受力体(5100)および支持体(5200)を挿通しており、
受力体(5100)と支持体(5200)とを接続する検出用変形体(5300)の周囲を取り囲むように、4組の補助構造体が組み込まれており、
第1の補助構造体(5401)は、そのVW平面が正のX軸と交差する位置に、V軸がY軸に平行になり、W軸がZ軸に平行になる向きに配置されており、
第2の補助構造体(5402)は、そのVW平面が正のY軸と交差する位置に、V軸がX軸に平行になり、W軸がZ軸に平行になる向きに配置されており、
第3の補助構造体(5403)は、そのVW平面が負のX軸と交差する位置に、V軸がY軸に平行になり、W軸がZ軸に平行になる向きに配置されており、
第4の補助構造体(5404)は、そのVW平面が負のY軸と交差する位置に、V軸がX軸に平行になり、W軸がZ軸に平行になる向きに配置されており、
各補助構造体の第1受力点(P1)および第2受力点(P2)が、受力体(5100)の下面に接合され、各補助構造体の第1支持点(Q1)および第2支持点(Q2)が、支持体(5200)の上面に接合されているようにしたものである。
§1. 従来の力覚センサの基本構造およびその問題点(図1〜図3)
§2. 本発明に係る基本構造体の構造(図4〜図7)
§3. 本発明に係る基本構造体の本質的な機能(図8,図9)
§4. 本発明に係る基本構造体の変形例
4−0.基本構造体1000の特徴(図10)
4−1.第1の変形例(図11)
4−2.第2の変形例(図12)
4−3.第3の変形例(図13)
4−4.第4の変形例(図14)
4−5.第5の変形例(図15)
4−6.第6の変形例(図16)
4−7.第7の変形例(図17)
4−8.第8の変形例(図18)
4−9.第9の変形例(図19)
4−10.各変形例の組み合わせ
4−11.基本構造体の三次元構造
4−12.モーメントMxの検出感度調整
§5. 本発明に係る力覚センサの基本的実施形態
5−1.本発明に係る力覚センサの基本的な構成要素
5−2.力覚センサ3000の断面構造(図20,図21)
5−3.力覚センサ3000の検出動作
5−4.力覚センサ3000の第1の三次元構造例(図22)
5−5.力覚センサ3000の第2の三次元構造例(図23)
5−6.力覚センサ3000の他の実施例
§6. 本発明に係る補助構造体とこれを組み込んだ力覚センサ
6−1.補助構造体の概念(図24)
6−2.補助構造体を組み込んだ力覚センサ(図25)
6−3.実用的な補助構造体の実施形態(図26,図27)
6−4.補助構造体の具体的な変形形態(図28〜図36)
はじめに、説明の便宜上、前掲の特許文献1〜3に開示されている従来の多軸力覚センサの基本構造とその問題点を述べておく。図1は、特許文献1に開示されている力覚センサによる力およびモーメントの検出原理を示す正面図である。
図4は、本発明の基本的な実施形態に係る力覚センサ用の基本構造体1000の正面図である。この基本構造体1000は、§1で述べた従来の基本構造体と同様に、受力体100、支持体200、変形体300によって構成されている。ここでも、この基本構造体1000の中心位置に原点O、図の右方向にX軸、図の上方向にZ軸、図の紙面垂直奥方向にY軸をとり、XYZ三次元直交座標系を定義する。ここで、受力体100および支持体200が、XY平面に平行な上面および下面をもつ板状部材によって構成されている点は、§1で述べた従来の基本構造体と同じであるが、変形体300の構造は、従来のものと比べて大きく異なっている。
前述した§2では、図4に示す基本構造体1000について、外力が作用した場合に、弾性変形部310の第1中継点m1の近傍および第2中継点m2の近傍に揺動変位が生じることを説明した。ここでは、このような揺動変位が生じることを前提として、支持体200を固定した状態において、受力体100にZ軸方向の力FzもしくはY軸まわりのモーメントMyが作用したときの基本構造体1000の全体の変形態様を考えてみよう。
続いて、§2および§3で述べた基本構造体1000について、いくつかの変形例を述べておく。
まず、変形例を述べる前に、図4に示す基本構造体1000の特徴を説明しておく。図10は、図4に示す基本構造体1000における内側腕状部312の構造を説明する正断面図であり、その実体的な内容は、図5と全く同じである。ただ、説明の便宜上、Z軸および長手方向軸L1が一点鎖線で描かれている。
図11は、図10に示す基本構造体1000の第1の変形例を説明する正断面図である。図10に示す基本構造体1000と図11に示す基本構造体1001との相違は、前者の変形体図形300fが後者では変形体図形301fに置き換えられている点だけである。より具体的には、第1台座部図形320fおよび第2台座部図形330fについては変更はないので、両者の相違は、前者の弾性変形部図形310fが後者では弾性変形部図形340fに置き換えられている点だけである。
図12は、図10に示す基本構造体1000の第2の変形例を説明する正断面図である。図10に示す基本構造体1000と図12に示す基本構造体1002との相違は、前者の変形体図形300fが後者では変形体図形302fに置き換えられている点だけである。より具体的には、第1台座部図形320fおよび第2台座部図形330fについては変更はないので、両者の相違は、前者の弾性変形部図形310fが後者では弾性変形部図形350fに置き換えられている点だけである。
図13は、図10に示す基本構造体1000の第3の変形例を説明する正断面図である。図10に示す基本構造体1000と図13に示す基本構造体1003との相違は、前者の変形体図形300fが後者では変形体図形303fに置き換えられている点だけである。より具体的には、第1台座部図形320fおよび第2台座部図形330fについては変更はないので、両者の相違は、前者の弾性変形部図形310fが後者では弾性変形部図形360fに置き換えられている点だけである。
これまで、図10に示す基本構造体1000の変形例として、内側腕状部312の構造を変更した例を述べてきた。ここでは、第1外側腕状部311および第2外側腕状部313の構造を変更した例を述べることにする。
図15は、図10に示す基本構造体1000の第5の変形例を説明する正断面図である。実際には、この図15に示す基本構造体2001は、図14に示す基本構造体2000に対して、若干の変更を施したものである。すなわち、図14に示す基本構造体2000と図15に示す基本構造体2001との相違点は、前者の変形部図形400fが後者では変形部図形401fに置き換えられている点だけである。
図16は、図10に示す基本構造体1000の第6の変形例を説明する正断面図である。実際には、この図16に示す基本構造体2002は、図15に示す基本構造体2001におけるくびれ部の位置および形状に、若干の変更を施したものである。すなわち、図15に示す基本構造体2001と図16に示す基本構造体2002との相違点は、前者の変形部図形401fが後者では変形部図形402fに置き換えられている点だけである。
図17は、図10に示す基本構造体1000の第7の変形例を説明する正断面図である。実際には、この図17に示す基本構造体2003は、図14に示す基本構造体2000に対して、若干の変更を施したものである。すなわち、図14に示す基本構造体2000と図17に示す基本構造体2003との相違点は、前者の変形部図形400fが後者では変形部図形403fに置き換えられている点だけである。
図18は、図10に示す基本構造体1000の第8の変形例を説明する正断面図である。この図18に示す基本構造体2004も、受力体160と支持体260との間に変形体404を設けた構造を有する。そして、受力体160および支持体260として、上下両面がXY平面に平行となる板状部材を用いている点も、これまでの実施例と同様である。
図19は、図10に示す基本構造体1000の第9の変形例を説明する正断面図である。この図19に示す基本構造体2005も、受力体150と支持体250との間に変形体405を設けた構造を有する。そして、受力体150および支持体250として、上下両面がXY平面に平行となる板状部材を用いている点も、これまでの実施例と同様である。
これまで、§4−0において、図4に示す基本構造体1000の特徴を説明し、§4−1から§4−9において、この基本構造体1000に対する様々な変形例を述べてきた。もちろん、個々の変形例は自由に組み合わせることが可能である。たとえば、§4−1から§4−3では、内側腕状部の形態に関する種々の変形例を述べ、§4−4では、外側腕状部の形態に関する種々の変形例を述べたが、これらの変形例は相互に組み合わせることができる。もちろん、§4−5,§4−6で述べたくぼみ部や、§4−7で述べた重量調整部やフランジ部は、たとえば、§4−8,§4−9で述べた変形例において利用することも可能である。要するに、これまで述べてきた個々の変形例の概念は、技術的な矛盾が生じない範囲で相互に組み合わせて利用できる。
§2で説明したとおり、図4に示す基本構造体1000において、弾性変形部310は、接続経路R1に沿って伸びる細長い腕状部材を屈曲させた構造体によって構成される。ここで、この細長い腕状部材は、横断面が矩形であっても、円形であってもよいし、別な任意形状であってもよい。また、内部が中空のパイプによって構成してもかまわない。
これまで、図8および図9に示す原理に基づいて、力Fzの検出感度とモーメントMyの検出感度とのバランスを調整する機能をもった基本構造体を説明してきたが、全く同じ原理により、力Fzの検出感度とモーメントMxの検出感度とのバランスを調整する機能をもった基本構造体を実現できることは容易に理解できよう。すなわち、図8および図9における横軸XをY軸に置き換えれば、図9に示されているY軸まわりのモーメントMyは、X軸まわりのモーメントMxに置き換えられるので、この基本構造体1000は、力Fzの検出感度とモーメントMxの検出感度とのバランスを調整する役割を果たすことになる。
これまで、§2〜§4において、本発明に係る基本構造体を様々な実施例について説明した。この基本構造体の重要な特徴は、既に述べたとおり、力Fzの検出感度とモーメントMyの検出感度とのバランス調整を行う機能を備えている点にあり、本発明に固有の作用効果は、この基本構造体のバランス調整機能に基づいて奏されるものである。そこで、ここでは、これまで述べてきた基本構造体を用いた力覚センサの基本的実施形態を説明する。
前掲の特許文献1〜3にも開示されているとおり、機械的な構造部分として、検出対象となる外力を受ける受力体と、この受力体を支持するための支持体と、受力体と支持体との間に設けられ弾性変形を生じる変形体と、を含む基本構造体を採用した力覚センサは公知である。本発明に係る力覚センサも、受力体、支持体、変形体を有する基本構造体を採用する点に変わりはない。ただ、本発明の特徴は、力Fzの検出感度とモーメントMyの検出感度とのバランス調整を行う機能にあるので、本発明に係る力覚センサは、XYZ三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントのうち、少なくともZ軸方向の力FzおよびY軸まわりのモーメントMyを検出する機能を備えたセンサということになる。
続いて、XYZ三次元直交座標系における6軸成分のうち、力Fz,モーメントMx,モーメントMyの3軸成分を検出することができる力覚センサ3000の断面構造を説明する。図20および図21は、このような力覚センサ3000の構成を示す断面図およびブロック図である。図20の上段に描かれている断面図は、この力覚センサ3000の基本構造体の部分をXZ平面で切った正断面図であり、図21の上段に描かれている断面図は、基本構造体の部分をYZ平面で切った側断面図である。
続いて、図20および図21に示した力覚センサ3000による具体的な検出動作を説明する。この力覚センサ3000は、§5−2で述べた基本構造体に、検出素子と検出回路とを付加することにより構成される。ここに示す実施例は、検出素子として4組の容量素子を用いている。
これまで、§5−2において、力覚センサ3000の断面構造を説明し、§5−3において、力覚センサ3000の検出動作を説明した。そして、この力覚センサ3000によれば、3軸成分Fz,Mx,Myの検出感度を均一化するメリットが得られる点も説明した。ここで、力Fzの検出感度とモーメントMyの検出感度とが均一化される効果は、基本構造体をXZ平面によって切断したときの断面構造が図20に示す固有の特徴を有しているために得られる効果であり、力Fzの検出感度とモーメントMxの検出感度とが均一化される効果は、基本構造体をYZ平面によって切断したときの断面構造が図21に示す固有の特徴を有しているために得られる効果である。
図23は、図20および図21に示す力覚センサ3000を三次元構造体として具現化した第2の実施例である力覚センサ3002を示す上面図およびブロック図である。やはり上段の上面図は、受力体150を取り外した状態の基本構造体および検出素子(容量素子を構成する電極)を示し、下段のブロック図は、検出回路900を示している。
§5−4および§5−5では、図20および図21に示す断面構造を有する力覚センサ3000の具体的な三次元構造の実施例を説明したが、もちろん、本発明に係る力覚センサの三次元構造は、これらの実施例に限定されるものではない。また、本発明に係る力覚センサの断面構造は、図20および図21に示す例に限られるものではなく、たとえば、§4で述べた様々な変形例に係る断面構造を有するものでもかまわない。
<6−1.補助構造体の概念>
これまで、§2,§3において、本発明に係る基本構造体の構造および本質的な機能(モーメントの検出感度と力の検出感度とのバランスを調整する機能)を説明し、§4において、当該基本構造体の変形例を述べ、§5において、当該基本構造体を用いた力覚センサの全体構成を述べた。
ここでは、具体的に、前掲の特許文献3に開示されている従来型の力覚センサに、本発明に係る補助構造体(これまで、本発明に係る力覚センサ用の変形体として説明してきた構造体)を組み込むことにより、当該従来型の力覚センサにおけるモーメントの検出感度と力の検出感度とのバランス調整に成功した例を説明する。
ここでは、§6−2で述べた補助構造体5401〜5404のより実用的な実施形態を述べる。図25には、補助構造体5401〜5404の配置位置を矩形で示したものの、その具体的な構造の図示は省略した。もっとも、この補助構造体5401〜5404の役割は、モーメントおよび力の検出感度のバランスを調整することであるので、前述したとおり、これまで述べてきた変形体300,301,302,303,400,401,402,403,404,405、500は、いずれも補助構造体として利用することが可能である。
続いて、力覚センサ5000に組み込まれた補助構造体5400が、具体的にどのように変形するかを簡単に説明しておく。図28は、図25に示す力覚センサにおける4組の補助構造体の具体的な配置を示す図である。ここで、図(a) は上面図、図(b) は右側面図、図(c) は背面図、図(d) は左側面図、図(e) は正面図である。
11,12:ダイアフラム部
13:受力体
20,25:支持体
21,22:ダイアフラム部
23:支持体
31〜36:柱状部材(変形体)
41〜43:くびれ部
51a,51b:くびれ部
52a,52b:くびれ部
53a,53b:くびれ部
54,55:くびれ部
61f,63f:フランジ部図形
62:重量調整部
62f:重量調整部図形
100:受力体
100f:受力体図形
150:受力体
150f:受力体図形
150fx:X軸に関する受力体図形
150fy:Y軸に関する受力体図形
160f:受力体図形
200:支持体
200f:支持体図形
250:支持体
250f:支持体図形
250fx:X軸に関する支持体図形
250fy:Y軸に関する支持体図形
260f:支持体図形
300:変形体
300f〜303f:変形体図形
310:弾性変形部
310f:弾性変形部図形
311:第1外側腕状部
311f:第1外側腕状部図形
312:内側腕状部
312f:内側腕状部図形
313:第2外側腕状部
313f:第2外側腕状部図形
320:第1台座部
320f:第1台座部図形
321:第1台座狭窄部
321f:第1台座狭窄部図形
330:第2台座部
330f:第2台座部図形
331:第2台座狭窄部
331f:第2台座狭窄部図形
340f:弾性変形部図形
341f:第1外側腕状部図形
342f:内側腕状部図形
343f:第2外側腕状部図形
350f:弾性変形部図形
351f:第1外側腕状部図形
352f:内側腕状部図形
353f:第2外側腕状部図形
360f:弾性変形部図形
361f:第1外側腕状部図形
362f:内側腕状部図形
363f:第2外側腕状部図形
400f〜405f:変形体図形
410f:弾性変形部図形
411f:第1外側腕状部図形
412f:内側腕状部図形
413f:第2外側腕状部図形
420f:第1台座部図形
425f:第1台座部図形
426f:第1台座部図形
430f:第2台座部図形
435f:第2台座部図形
436f:第2台座部図形
440f:弾性変形部図形
441f:第1外側腕状部図形
442f:内側腕状部図形
443f:第2外側腕状部図形
450f:弾性変形部図形
451f:第1外側腕状部図形
452f:内側腕状部図形
453f:第2外側腕状部図形
460f:弾性変形部図形
461f:第1外側腕状部図形
462f:内側腕状部図形
463f:第2外側腕状部図形
470f:弾性変形部図形
471f:第1外側腕状部図形
472f:内側腕状部図形
473f:第2外側腕状部図形
480f:弾性変形部図形
481f:第1外側腕状部図形
482f:第1内側腕状部図形
483f:第2内側腕状部図形
483f:第2外側腕状部図形
496f:第3台座部図形
500:変形体
500fx:X軸に関する変形体図形
500fy:Y軸に関する変形体図形
510:X軸に関する弾性変形部
510f:X軸に関する弾性変形部図形
511f:X軸に関する第1外側腕状部図形
512f:X軸に関する内側腕状部図形
513f:X軸に関する第2外側腕状部図形
520:X軸に関する第1台座部
520f:X軸に関する第1台座部図形
530:X軸に関する第2台座部
530f:X軸に関する第2台座部図形
540:Y軸に関する弾性変形部
540f:Y軸に関する弾性変形部図形
541f:Y軸に関する第1外側腕状部図形
542f:Y軸に関する内側腕状部図形
543f:Y軸に関する第2外側腕状部図形
550:Y軸に関する第1台座部
550f:Y軸に関する第1台座部図形
560:Y軸に関する第2台座部
560f:Y軸に関する第2台座部図形
570:統合弾性変形部(回転体)
580:統合台座部(回転体)
900:検出回路
1000〜1003:基本構造体
2000〜2005:基本構造体
3000〜3002:力覚センサ
4000:従来型の力覚センサ
4100:受力体
4200:支持体
4300:検出用変形体
4310〜4380:柱状部材
4900:検出回路
5000:力覚センサ
5100:受力体
5200:支持体
5300:検出用変形体
5400〜5404:補助構造体
5410:弾性変形部
5420:第1台座部
5421:狭窄先端部
5430:第2台座部
5431:狭窄先端部
5500:補助構造体
5510:弾性変形部
5520:第1台座部
5521:狭窄先端部
5530:第2台座部
5531:狭窄先端部
5900:検出回路
B1〜B8:ベースポイント
C1〜C4:容量素子
D:検出素子
d1〜d4:各部の寸法
E11〜E14:変位電極
E21〜E24:固定電極
Fx:X軸方向への並進力
Fy:Y軸方向への並進力
Fz:Z軸方向への並進力
fz:Z軸方向への分力
G:VWニ次元直交座標系の原点
L1〜L6:長手方向軸
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
m1:第1中継点
m1′:支点
m2:第2中継点
m3:第3中継点
m11:X軸に関する第1中継点
m12:X軸に関する第2中継点
m21:Y軸に関する第1中継点
m22:Y軸に関する第2中継点
O:XYZ三次元直交座標系の原点
P1:第1受力点
P2:第2受力点
P11:X軸に関する第1受力点
P12:X軸に関する第2受力点
P21:Y軸に関する第1受力点
P22:Y軸に関する第2受力点
Q1:第1支持点
Q2:第2支持点
Q3:第2支持点
Q11:X軸に関する第1支持点
Q12:X軸に関する第2支持点
Q21:Y軸に関する第1支持点
Q22:Y軸に関する第2支持点
R1:接続経路
R2:第1支持経路
R3:第2支持経路
R4〜R9:接続経路
R10:X軸に関する接続経路
R11:Y軸に関する接続経路
R12:接続経路
r1:第1進行路
r2:第2進行路
S,S1〜S4:揺動方向を示す矢印
U:U字状部
U1:第1U字状迂回路
U2:第2U字状迂回路
U11:X軸に関する第1U字状迂回路
U12:X軸に関する第2U字状迂回路
U21:Y軸に関する第1U字状迂回路
U22:Y軸に関する第2U字状迂回路
V:VW二次元直交座標系の座標軸
W:VW二次元直交座標系の座標軸
X:XYZ三次元直交座標系の座標軸
Y:XYZ三次元直交座標系の座標軸
Z:XYZ三次元直交座標系の座標軸
Claims (47)
- 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Z軸方向の力FzおよびY軸まわりのモーメントMyを検出する力覚センサであって、
Z軸が垂直軸となるように座標系を定義したときに、Z軸上に配置された受力体と、前記受力体の下方に配置された支持体と、前記受力体と前記支持体とを接続し、力もしくはモーメントの作用により、少なくとも一部分が弾性変形を生じる変形体と、を含む基本構造体と、
前記変形体の変形もしくは変位、または、前記受力体もしくは前記支持体の変位を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、前記受力体および前記支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用したZ軸方向の力FzおよびY軸まわりのモーメントMyを示す電気信号を出力する検出回路と、
を備え、
前記変形体は、所定箇所が前記受力体に接続され弾性変形を生じる弾性変形部と、この弾性変形部の所定箇所を前記支持体に固定する第1台座部および第2台座部と、を有し、
XZ平面もしくはXZ平面に平行な平面によって前記基本構造体を切断したときに、前記受力体の断面に現れる幾何学的な図形を受力体図形と呼び、前記支持体の断面に現れる幾何学的な図形を支持体図形と呼び、前記変形体の断面に現れる幾何学的な図形を変形体図形と呼んだときに、前記変形体図形は、前記弾性変形部の断面である弾性変形部図形と、前記第1台座部の断面である第1台座部図形と、前記第2台座部の断面である第2台座部図形と、を含んでおり、
前記弾性変形部図形は、前記受力体図形の輪郭上に定義された第1受力点と第2受力点とを結ぶ所定の接続経路に沿って配置され、前記第1受力点と前記第2受力点とを連結する図形であり、
前記第1台座部図形は、前記接続経路上に定義された第1中継点の近傍において前記弾性変形部図形に接続されており、前記第2台座部図形は、前記接続経路上に定義された第2中継点の近傍において前記弾性変形部図形に接続されており、
前記弾性変形部は、前記第1受力点と前記第2受力点とを連結しており、前記第1台座部は、前記弾性変形部の前記第1中継点の近傍と前記支持体上に定義された第1支持点とを連結しており、前記第2台座部は、前記弾性変形部の前記第2中継点の近傍と前記支持体上に定義された第2支持点とを連結しており、
前記第1受力点は、負のX座標値をもつ位置に配置され、前記第2受力点は、正のX座標値をもつ位置に配置されており、
前記支持体を固定した状態で前記受力体に力Fzが作用したとき、および、前記支持体を固定した状態で前記受力体にモーメントMyが作用したとき、前記弾性変形部の前記第1中継点の近傍が、前記第1台座部との接続点を支点として前記第1台座部に対してX軸方向に揺動し、前記弾性変形部の前記第2中継点の近傍が、前記第2台座部との接続点を支点として前記第2台座部に対してX軸方向に揺動することを特徴とする力覚センサ。 - 請求項1に記載の力覚センサにおいて、
弾性変形部図形が、接続経路の第1受力点から第1中継点に至る区間に沿って配置された第1外側腕状部図形と、接続経路の第1中継点から第2中継点に至る区間に沿って配置された内側腕状部図形と、接続経路の第2中継点から第2受力点に至る区間に沿って配置された第2外側腕状部図形と、を有することを特徴とする力覚センサ。 - 請求項2に記載の力覚センサにおいて、
第1台座部図形の接続端が、弾性変形部図形の第1中継点の近傍の下方に接続され、第2台座部図形の接続端が、弾性変形部図形の第2中継点の近傍の下方に接続されていることを特徴とする力覚センサ。 - 請求項3に記載の力覚センサにおいて、
第1台座部図形が、接続経路上に定義された第1中継点と支持体図形の輪郭上に定義された第1支持点とを結ぶ第1支持経路に沿って配置され、弾性変形部図形と支持体図形とを連結する図形であり、
第2台座部図形が、接続経路上に定義された第2中継点と支持体図形の輪郭上に定義された第2支持点とを結ぶ第2支持経路に沿って配置され、弾性変形部図形と支持体図形とを連結する図形であることを特徴とする力覚センサ。 - 請求項4に記載の力覚センサにおいて、
支持体を固定した状態で受力体に力Fzが作用したとき、および、支持体を固定した状態で受力体にモーメントMyが作用したとき、弾性変形部図形の第1中継点の近傍が、第1支持経路と弾性変形部図形の輪郭との交点を支点として第1台座部図形に対して揺動し、弾性変形部図形の第2中継点の近傍が、第2支持経路と弾性変形部図形の輪郭との交点を支点として第2台座部図形に対して揺動することを特徴とする力覚センサ。 - 請求項3〜5のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
第1中継点から第2中継点に向かって辿った接続経路が、XY平面に交差する第1の長手方向軸に沿って下方に向かう下降経路と、XY平面に交差する第2の長手方向軸に沿って上方に向かう上昇経路と、を有し、
内側腕状部図形が、前記下降経路に沿った下降腕状部と前記上昇経路に沿った上昇腕状部とを有することを特徴とする力覚センサ。 - 請求項6に記載の力覚センサにおいて、
第1の長手方向軸および第2の長手方向軸がZ軸に平行な軸であることを特徴とする力覚センサ。 - 請求項7に記載の力覚センサにおいて、
第1の長手方向軸もしくは第2の長手方向軸が、YZ平面に含まれる軸であることを特徴とする力覚センサ。 - 請求項7または8に記載の力覚センサにおいて、
接続経路が、Z軸に平行な縦方向経路とX軸に平行な横方向経路とを有し、
第1受力点および第2受力点からは前記縦方向経路が伸び、第1中継点および第2中継点が前記横方向経路上に定義されていることを特徴とする力覚センサ。 - 請求項3に記載の力覚センサにおいて、
接続経路の第1中継点と第2中継点との間の区間に、下方に湾曲してから上方に湾曲する湾曲路が設けられており、
内側腕状部図形が、前記湾曲路に沿った湾曲部を有することを特徴とする力覚センサ。 - 請求項2に記載の力覚センサにおいて、
第1台座部図形の接続端が、弾性変形部図形の第1中継点の近傍の下方に接続され、第2台座部図形の接続端が、弾性変形部図形の第2中継点の近傍の上方に接続されていることを特徴とする力覚センサ。 - 請求項11に記載の力覚センサにおいて、
第1中継点から第2中継点に向かって辿った接続経路が、XY平面に交差する長手方向軸に沿って下方に向かう下降経路を有し、
内側腕状部図形が、前記下降経路に沿った下降腕状部を有することを特徴とする力覚センサ。 - 請求項12に記載の力覚センサにおいて、
長手方向軸がZ軸に平行な軸であることを特徴とする力覚センサ。 - 請求項2に記載の力覚センサにおいて、
第1台座部図形の接続端が、弾性変形部図形の第1中継点の近傍の上方に接続され、第2台座部図形の接続端が、弾性変形部図形の第2中継点の近傍の上方に接続されていることを特徴とする力覚センサ。 - 請求項1に記載の力覚センサにおいて、
接続経路上の第2中継点と第2受力点との間に、更に、第3中継点が定義されており、
変形体は、弾性変形部、第1台座部、第2台座部に加えて、更に、第3台座部を有し、
前記第3台座部は、前記弾性変形部の前記第3中継点の近傍と支持体上に定義された第3支持点とを連結しており、
弾性変形部図形が、接続経路の第1受力点から第1中継点に至る区間に沿って配置された第1外側腕状部図形と、接続経路の第1中継点から第2中継点に至る区間に沿って配置された第1内側腕状部図形と、接続経路の第2中継点から第3中継点に至る区間に沿って配置された第2内側腕状部図形と、接続経路の第3中継点から第2受力点に至る区間に沿って配置された第2外側腕状部図形と、を有することを特徴とする力覚センサ。 - 請求項15に記載の力覚センサにおいて、
第1台座部図形の接続端が、弾性変形部図形の第1中継点の近傍の下方に接続され、第2台座部図形の接続端が、弾性変形部図形の第2中継点の近傍の下方に接続され、第3台座部の断面である第3台座部図形の接続端が、弾性変形部図形の第3中継点の近傍の上方に接続されていることを特徴とする力覚センサ。 - 請求項2に記載の力覚センサにおいて、
接続経路の第1受力点と第1中継点との間の区間に、U字状をなす第1U字状迂回路が設けられており、第1外側腕状部図形が前記第1U字状迂回路に沿った第1U字状迂回部を有しており、
接続経路の第2中継点と第2受力点との間の区間に、U字状をなす第2U字状迂回路が設けられており、第2外側腕状部図形が前記第2U字状迂回路に沿った第2U字状迂回部を有していることを特徴とする力覚センサ。 - 請求項17に記載の力覚センサにおいて、
第1U字状迂回路および第2U字状迂回路が、Z軸に平行な一対の縦方向迂回路とこれら一対の縦方向迂回路を結ぶX軸に平行な横方向迂回路との組み合わせによって構成されていることを特徴とする力覚センサ。 - 請求項2〜18のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
第1外側腕状部図形、内側腕状部図形、第2外側腕状部図形の全部もしくは一部に、接続経路に直交する方向に関する幅が狭くなったくびれ部を設けたことを特徴とする力覚センサ。 - 請求項2〜19のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
第1外側腕状部図形、内側腕状部図形、第2外側腕状部図形の全部もしくは一部に、接続経路に直交する方向に突き出した重量調整部図形を設けたことを特徴とする力覚センサ。 - 請求項2〜20のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
第1外側腕状部図形の受力体図形に対する接続部および第2外側腕状部図形の受力体図形に対する接続部に、接続経路に直交する方向に突き出したフランジ部図形を設けたことを特徴とする力覚センサ。 - 請求項1〜21のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
第1台座部図形および第2台座部図形の弾性変形部図形に対する接続端が、他の部分に比べて幅が狭い狭窄図形を構成していることを特徴とする力覚センサ。 - 請求項1〜22のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
受力体および支持体が、XY平面に平行な上面および下面をもつ板状部材によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。 - 請求項1〜23のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
弾性変形部が、細長い腕状部材を屈曲させた構造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。 - 請求項1〜24のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
検出素子が、弾性変形部の所定箇所の伸縮状態を電気的に検出することにより、変形体の変形状態の検出を行うことを特徴とする力覚センサ。 - 請求項1〜24のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
検出素子が、弾性変形部の所定箇所と支持体の所定箇所との間の距離を電気的に検出することにより、変形体の変位状態の検出を行うことを特徴とする力覚センサ。 - 請求項26に記載の力覚センサにおいて、
検出素子が、弾性変形部の所定箇所に形成された変位電極と、支持体の前記変位電極に対向する位置に形成された固定電極と、を有する複数の容量素子によって構成され、
検出回路が、前記複数の容量素子の静電容量値に基づく演算処理を行うことにより、Z軸方向の力FzおよびY軸まわりのモーメントMyを示す電気信号を出力することを特徴とする力覚センサ。 - 請求項1〜23のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
変形体が、所定箇所が受力体に接続され弾性変形を生じるX軸に関する弾性変形部と、このX軸に関する弾性変形部の所定箇所を支持体に固定するX軸に関する第1台座部およびX軸に関する第2台座部と、所定箇所が受力体に接続され弾性変形を生じるY軸に関する弾性変形部と、このY軸に関する弾性変形部の所定箇所を支持体に固定するY軸に関する第1台座部およびY軸に関する第2台座部と、を有し、
XZ平面もしくはXZ平面に平行な平面によって基本構造体を切断したときに、受力体の断面に現れる幾何学的な図形をX軸に関する受力体図形と呼び、支持体の断面に現れる幾何学的な図形をX軸に関する支持体図形と呼び、変形体の断面に現れる幾何学的な図形をX軸に関する変形体図形と呼んだときに、
前記X軸に関する変形体図形は、前記X軸に関する弾性変形部の断面であるX軸に関する弾性変形部図形と、前記X軸に関する第1台座部の断面であるX軸に関する第1台座部図形と、前記X軸に関する第2台座部の断面であるX軸に関する第2台座部図形と、を含んでおり、
YZ平面もしくはYZ平面に平行な平面によって基本構造体を切断したときに、受力体の断面に現れる幾何学的な図形をY軸に関する受力体図形と呼び、支持体の断面に現れる幾何学的な図形をY軸に関する支持体図形と呼び、変形体の断面に現れる幾何学的な図形をY軸に関する変形体図形と呼んだときに、
前記Y軸に関する変形体図形は、前記Y軸に関する弾性変形部の断面であるY軸に関する弾性変形部図形と、前記Y軸に関する第1台座部の断面であるY軸に関する第1台座部図形と、前記Y軸に関する第2台座部の断面であるY軸に関する第2台座部図形と、を含んでおり、
前記X軸に関する弾性変形部図形は、前記X軸に関する受力体図形の輪郭上に定義されたX軸に関する第1受力点とX軸に関する第2受力点とを結ぶ所定のX軸に関する接続経路に沿って配置され、前記X軸に関する第1受力点と前記X軸に関する第2受力点とを連結する図形であり、
前記X軸に関する第1台座部図形は、前記X軸に関する接続経路上に定義されたX軸に関する第1中継点の近傍において前記X軸に関する弾性変形部図形に接続されており、前記X軸に関する第2台座部図形は、前記X軸に関する接続経路上に定義されたX軸に関する第2中継点の近傍において前記X軸に関する弾性変形部図形に接続されており、
前記Y軸に関する弾性変形部図形は、前記Y軸に関する受力体図形の輪郭上に定義されたY軸に関する第1受力点とY軸に関する第2受力点とを結ぶ所定のY軸に関する接続経路に沿って配置され、前記Y軸に関する第1受力点と前記Y軸に関する第2受力点とを連結する図形であり、
前記Y軸に関する第1台座部図形は、前記Y軸に関する接続経路上に定義されたY軸に関する第1中継点の近傍において前記Y軸に関する弾性変形部図形に接続されており、前記Y軸に関する第2台座部図形は、前記Y軸に関する接続経路上に定義されたY軸に関する第2中継点の近傍において前記Y軸に関する弾性変形部図形に接続されており、
前記X軸に関する弾性変形部は、前記X軸に関する第1受力点と前記X軸に関する第2受力点とを連結しており、前記X軸に関する第1台座部は、前記X軸に関する弾性変形部の前記X軸に関する第1中継点の近傍と前記支持体上に定義されたX軸に関する第1支持点とを連結しており、前記X軸に関する第2台座部は、前記X軸に関する弾性変形部の前記X軸に関する第2中継点の近傍と前記支持体上に定義されたX軸に関する第2支持点とを連結しており、
前記Y軸に関する弾性変形部は、前記Y軸に関する第1受力点と前記Y軸に関する第2受力点とを連結しており、前記Y軸に関する第1台座部は、前記Y軸に関する弾性変形部の前記Y軸に関する第1中継点の近傍と前記支持体上に定義されたY軸に関する第1支持点とを連結しており、前記Y軸に関する第2台座部は、前記Y軸に関する弾性変形部の前記Y軸に関する第2中継点の近傍と前記支持体上に定義されたY軸に関する第2支持点とを連結しており、
前記X軸に関する第1受力点は、負のX座標値をもつ位置に配置され、前記X軸に関する第2受力点は、正のX座標値をもつ位置に配置され、前記Y軸に関する第1受力点は、負のY座標値をもつ位置に配置され、前記Y軸に関する第2受力点は、正のY座標値をもつ位置に配置されており、
前記支持体を固定した状態で前記受力体に力Fzが作用したとき、および、前記支持体を固定した状態で前記受力体にモーメントMyが作用したとき、前記X軸に関する弾性変形部の前記X軸に関する第1中継点の近傍が、前記X軸に関する第1台座部との接続点を支点として前記X軸に関する第1台座部に対してX軸方向に揺動し、前記X軸に関する弾性変形部の前記X軸に関する第2中継点の近傍が、前記X軸に関する第2台座部との接続点を支点として前記X軸に関する第2台座部に対してX軸方向に揺動し、
前記支持体を固定した状態で前記受力体に力Fzが作用したとき、および、前記支持体を固定した状態で前記受力体にモーメントMxが作用したとき、前記Y軸に関する弾性変形部の前記Y軸に関する第1中継点の近傍が、前記Y軸に関する第1台座部との接続点を支点として前記Y軸に関する第1台座部に対してY軸方向に揺動し、前記Y軸に関する弾性変形部の前記Y軸に関する第2中継点の近傍が、前記Y軸に関する第2台座部との接続点を支点として前記Y軸に関する第2台座部に対してY軸方向に揺動し、
検出回路が、検出素子の検出結果に基づいて、前記受力体および前記支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用したZ軸方向の力FzおよびY軸まわりのモーメントMyを示す電気信号に加えて、更に、X軸まわりのモーメントMxを示す電気信号を出力することを特徴とする力覚センサ。 - 請求項28に記載の力覚センサにおいて、
X軸に関する弾性変形部が、XZ平面上に配置された細長い腕状部材を屈曲させた構造体によって構成されており、Y軸に関する弾性変形部が、YZ平面上に配置された細長い腕状部材を屈曲させた構造体によって構成されており、前記X軸に関する弾性変形部と前記Y軸に関する弾性変形部とが、Z軸と交差する位置において融合していることを特徴とする力覚センサ。 - 請求項28に記載の力覚センサにおいて、
X軸に関する変形体図形)は、変形体をXZ平面によって切断したときに得られる断面図形であり、Y軸に関する変形体図形は、変形体をYZ平面によって切断したときに得られる断面図形であり、
X軸に関する弾性変形部図形およびY軸に関する弾性変形部図形は、いずれもZ軸について対称形状をなし、前記X軸に関する弾性変形部図形と前記Y軸に関する弾性変形部図形とは幾何学的な合同図形であり、X軸に関する弾性変形部およびY軸に関する弾性変形部が、前記合同図形をZ軸を中心軸として回転することにより得られる回転体からなる統合弾性変形部の一部によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。 - 請求項30に記載の力覚センサにおいて、
X軸に関する第1台座部図形およびX軸に関する第2台座部図形によって構成されるX軸に関する台座部図形群と、Y軸に関する第1台座部図形およびY軸に関する第2台座部図形によって構成されるY軸に関する台座部図形群とは、いずれもZ軸について対称形状をなし、前記X軸に関する台座部図形群と前記Y軸に関する台座部図形群とは幾何学的な合同図形であり、X軸に関する第1台座部)、X軸に関する第2台座部、Y軸に関する第1台座部、Y軸に関する第2台座部が、前記合同図形をZ軸を中心軸として回転することにより得られる回転体からなる統合台座部の一部によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。 - 請求項28〜31のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
X軸に関する接続経路のX軸に関する第1受力点とX軸に関する第1中継点との間の区間に、U字状をなすX軸に関する第1U字状迂回路が設けられており、X軸に関する接続経路のX軸に関する第2中継点とX軸に関する第2受力点との間の区間に、U字状をなすX軸に関する第2U字状迂回路が設けられており、
Y軸に関する接続経路のY軸に関する第1受力点とY軸に関する第1中継点との間の区間に、U字状をなすY軸に関する第1U字状迂回路が設けられており、Y軸に関する接続経路のY軸に関する第2中継点とY軸に関する第2受力点との間の区間に、U字状をなすY軸に関する第2U字状迂回路が設けられており、
検出素子が、
X軸に関する弾性変形部のうちの前記X軸に関する第1U字状迂回路に沿って配置された部分の底面に固定された第1変位電極と、支持体の上面の前記第1変位電極に対向する部分に固定された第1固定電極)と、によって構成される第1容量素子と、
X軸に関する弾性変形部のうちの前記X軸に関する第2U字状迂回路に沿って配置された部分の底面に固定された第2変位電極と、支持体の上面の前記第2変位電極に対向する部分に固定された第2固定電極と、によって構成される第2容量素子と、
Y軸に関する弾性変形部のうちの前記Y軸に関する第1U字状迂回路に沿って配置された部分の底面に固定された第3変位電極と、支持体の上面の前記第3変位電極に対向する部分に固定された第3固定電極と、によって構成される第3容量素子と、
Y軸に関する弾性変形部のうちの前記Y軸に関する第2U字状迂回路に沿って配置された部分の底面に固定された第4変位電極と、支持体の上面の前記第4変位電極に対向する部分に固定された第4固定電極と、によって構成される第4容量素子と、
を有し、
検出回路が、前記第1容量素子の静電容量値と前記第2容量素子の静電容量値との差をY軸まわりのモーメントMyを示す電気信号として出力し、前記第3容量素子の静電容量値と前記第4容量素子の静電容量値との差をX軸まわりのモーメントMxを示す電気信号として出力し、前記第1容量素子の静電容量値、前記第2容量素子の静電容量値、前記第3容量素子の静電容量値、前記第4容量素子の静電容量値の総和をZ軸方向の力Fzを示す電気信号として出力することを特徴とする力覚センサ。 - 請求項1〜22のいずれかに記載の力覚センサにおける変形体と同一構造を有する力覚センサ用の補助構造体。
- 請求項33に記載の補助構造体が組み込まれた力覚センサであって、
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Z軸方向の力FzおよびY軸まわりのモーメントMyを検出する機能を有し、
Z軸が垂直軸となるように座標系を定義したときに、Z軸上に配置された受力体と、前記受力体の下方に配置された支持体と、前記受力体と前記支持体とを接続し、力もしくはモーメントの作用により、少なくとも一部分が弾性変形を生じる検出用変形体と、前記受力体と前記支持体との間に接続された前記補助構造体と、前記検出用変形体の変形もしくは変位、または、前記受力体もしくは前記支持体の変位を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、前記受力体および前記支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用したZ軸方向の力FzおよびY軸まわりのモーメントMyを示す電気信号を出力する検出回路と、を備えることを特徴とする力覚センサ。 - 受力体と、支持体と、前記受力体と前記支持体とを接続する検出用変形体と、を有し、力もしくはモーメントの作用により生じる前記検出用変形体の弾性変形を検出することにより、作用した力もしくはモーメントの検出を行う力覚センサに、部品の一部として組み込んで用いられる補助構造体であって、
弾性変形部と、第1台座部と、第2台座部と、を有し、
前記弾性変形部は、少なくとも一部分が弾性変形を生じる構造体であり、その一端には前記受力体の第1箇所に固定するための第1受力点が設けられ、その他端には前記受力体の第2箇所に固定するための第2受力点が設けられており、前記第1受力点と前記第2受力点とを接続する所定の接続経路に沿った腕状構造体をなし、
前記第1台座部は、その一端が前記接続経路上に定義された第1中継点の近傍において前記弾性変形部に接続されており、その他端には、前記支持体の第1箇所に固定するための第1支持点が設けられており、
前記第2台座部は、その一端が前記接続経路上に定義された第2中継点の近傍において前記弾性変形部に接続されており、その他端には、前記支持体の第2箇所に固定するための第2支持点が設けられており、
前記第1台座部の前記第1支持点および前記第2台座部の前記第2支持点を固定した状態で、前記弾性変形部の前記第1受力点および前記第2受力点に力が作用したときに、前記弾性変形部の前記第1中継点の近傍が、前記第1台座部との接続点を支点として前記第1台座部に対して揺動し、前記弾性変形部の前記第2中継点の近傍が、前記第2台座部との接続点を支点として前記第2台座部に対して揺動することを特徴とする力覚センサ用の補助構造体。 - 請求項35に記載の力覚センサ用の補助構造体において、
接続経路が、VW二次元直交座標系のVW平面上に設けられており、弾性変形部が、前記VW平面に沿って伸びる腕状構造体をなし、
重心位置に前記VW二次元直交座標系の原点を定義したときに、第1受力点は前記VW二次元直交座標系の第2象限に位置し、第2受力点は前記VW二次元直交座標系の第1象限に位置し、第1支持点は前記VW二次元直交座標系の第3象限に位置し、第2支持点は前記VW二次元直交座標系の第4象限に位置することを特徴とする力覚センサ用の補助構造体。 - 請求項36に記載の力覚センサ用の補助構造体において、
VW平面に平行な平面からなる上面と、VW平面に平行な平面からなる下面と、を有する板状部材によって構成されていることを特徴とする力覚センサ用の補助構造体。 - 請求項36または37に記載の力覚センサ用の補助構造体において、
第1中継点から第2中継点に向かうように接続経路を辿ったときに、前記接続経路が、W軸負方向に進む第1進行路とW軸正方向に進む第2進行路とを有することを特徴とする力覚センサ用の補助構造体。 - 請求項38に記載の力覚センサ用の補助構造体において、
第1進行路もしくは第2進行路が、VW二次元直交座標系の原点を通る経路であることを特徴とする力覚センサ用の補助構造体。 - 請求項36〜39のいずれかに記載の力覚センサ用の補助構造体において、
接続経路が、W軸に平行な縦方向経路とV軸に平行な横方向経路とを有し、
第1受力点および第2受力点からは前記縦方向経路が伸び、第1中継点および第2中継点が前記横方向経路上に定義されていることを特徴とする力覚センサ用の補助構造体。 - 請求項36〜40のいずれかに記載の力覚センサ用の補助構造体において、
接続経路の第1受力点と第1中継点との間の区間に、U字状をなす第1U字状迂回路が設けられており、接続経路の第2中継点と第2受力点との間の区間に、U字状をなす第2U字状迂回路が設けられていることを特徴とする力覚センサ用の補助構造体。 - 請求項41に記載の力覚センサ用の補助構造体において、
第1U字状迂回路および第2U字状迂回路が、W軸に平行な一対の縦方向迂回路とこれら一対の縦方向迂回路を結ぶV軸に平行な横方向迂回路との組み合わせによって構成されていることを特徴とする力覚センサ用の補助構造体。 - 請求項36〜42のいずれかに記載の力覚センサ用の補助構造体において、
弾性変形部を構成する腕状構造体の一部に、接続経路に直交する方向に関する幅が狭くなったくびれ部を設けたことを特徴とする力覚センサ用の補助構造体。 - 請求項36〜43のいずれかに記載の力覚センサ用の補助構造体において、
弾性変形部を構成する腕状構造体の特定箇所に、接続経路に直交する方向に突き出した重量調整部を設けたことを特徴とする力覚センサ用の補助構造体。 - 請求項36〜44のいずれかに記載の力覚センサ用の補助構造体において、
第1台座部および第2台座部の弾性変形部に対する接続端が、他の部分に比べて幅が狭い狭窄先端部を構成していることを特徴とする力覚センサ用の補助構造体。 - 請求項36〜45のいずれかに記載の補助構造体が部品の一部として組み込まれた力覚センサであって、
受力体と、支持体と、前記受力体と前記支持体とを接続する検出用変形体と、前記検出用変形体の弾性変形を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、作用した力もしくはモーメントの検出信号を出力する検出回路と、前記補助構造体と、を備え、
前記補助構造体の第1受力点および第2受力点が、前記受力体の下面に接合され、前記補助構造体の第1支持点および第2支持点が、前記支持体の上面に接合されていることを特徴とする力覚センサ。 - 請求項46に記載の力覚センサにおいて、
受力体および支持体が、XY平面に平行な上面および下面をもつ板状部材によって構成されており、Z軸が前記受力体および前記支持体を挿通しており、
前記受力体と前記支持体とを接続する検出用変形体の周囲を取り囲むように、4組の補助構造体が組み込まれており、
第1の補助構造体は、そのVW平面が正のX軸と交差する位置に、V軸がY軸に平行になり、W軸がZ軸に平行になる向きに配置されており、
第2の補助構造体は、そのVW平面が正のY軸と交差する位置に、V軸がX軸に平行になり、W軸がZ軸に平行になる向きに配置されており、
第3の補助構造体は、そのVW平面が負のX軸と交差する位置に、V軸がY軸に平行になり、W軸がZ軸に平行になる向きに配置されており、
第4の補助構造体は、そのVW平面が負のY軸と交差する位置に、V軸がX軸に平行になり、W軸がZ軸に平行になる向きに配置されており、
前記各補助構造体の第1受力点および第2受力点が、前記受力体の下面に接合され、前記各補助構造体の第1支持点および第2支持点が、前記支持体の上面に接合されていることを特徴とする力覚センサ。
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/JP2015/061300 WO2016163033A1 (ja) | 2015-04-07 | 2015-04-07 | 力覚センサおよびこれに用いる構造体 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP6002868B1 true JP6002868B1 (ja) | 2016-10-05 |
JPWO2016163033A1 JPWO2016163033A1 (ja) | 2017-04-27 |
Family
ID=57048652
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2016510339A Active JP6002868B1 (ja) | 2015-04-07 | 2015-04-07 | 力覚センサおよびこれに用いる構造体 |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US9995644B2 (ja) |
EP (1) | EP3104151B1 (ja) |
JP (1) | JP6002868B1 (ja) |
CN (1) | CN106255870B (ja) |
WO (1) | WO2016163033A1 (ja) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2020012844A (ja) * | 2018-01-09 | 2020-01-23 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 力覚センサ |
JP2021135279A (ja) * | 2020-02-25 | 2021-09-13 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 力覚センサ |
JP2021135103A (ja) * | 2020-02-25 | 2021-09-13 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 力覚センサ |
JP2021135284A (ja) * | 2020-08-19 | 2021-09-13 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 力覚センサ |
JP2022174264A (ja) * | 2020-08-19 | 2022-11-22 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 力覚センサ |
JP2023508377A (ja) * | 2019-12-23 | 2023-03-02 | ニューラ ロボティクス ゲーエムベーハー | 長さの変化を測定するための装置 |
JP7432976B1 (ja) | 2023-10-17 | 2024-02-19 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 力覚センサ |
Families Citing this family (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5529328B1 (ja) | 2013-09-04 | 2014-06-25 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 発電素子 |
WO2016121129A1 (ja) | 2015-01-26 | 2016-08-04 | 株式会社ワコーテック | 力覚センサ |
JP5996078B1 (ja) | 2015-10-19 | 2016-09-21 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 発電素子 |
CN109073486B (zh) * | 2017-03-06 | 2019-11-26 | 三角力量管理株式会社 | 力觉传感器 |
US11860048B2 (en) | 2017-07-10 | 2024-01-02 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Capacitive and tactile sensors and related sensing methods |
JP6257017B1 (ja) | 2017-09-26 | 2018-01-10 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 力覚センサ |
CN110476045B (zh) * | 2018-01-09 | 2022-08-12 | 三角力量管理株式会社 | 力觉传感器 |
CN112673338A (zh) * | 2018-07-10 | 2021-04-16 | 小利兰·斯坦福大学托管委员会 | 电容式和触觉传感器及相关感测方法 |
JP6999586B2 (ja) * | 2019-01-28 | 2022-01-18 | 日本電産コパル電子株式会社 | 弾性体とそれを用いた力覚センサ |
JP6999587B2 (ja) * | 2019-01-28 | 2022-01-18 | 日本電産コパル電子株式会社 | 弾性体とそれを用いた力覚センサ |
CN111513492A (zh) * | 2020-07-03 | 2020-08-11 | 支付宝(杭州)信息技术有限公司 | 用于陈列物品的智能设备和物品监测的方法 |
CN112539863B (zh) * | 2020-12-02 | 2021-09-14 | 苏州大学 | 三维力柔性触觉传感器及其制备方法与解耦方法 |
CN115683438B (zh) * | 2022-11-02 | 2024-06-25 | 重庆大学 | L型结构的三维接触力测量方法 |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3970640B2 (ja) * | 2002-03-05 | 2007-09-05 | 本田技研工業株式会社 | 6軸力センサ |
JP4387691B2 (ja) * | 2003-04-28 | 2009-12-16 | 株式会社ワコー | 力検出装置 |
JP4907050B2 (ja) * | 2003-03-31 | 2012-03-28 | 株式会社ワコー | 力検出装置 |
JP4931971B2 (ja) * | 2009-08-17 | 2012-05-16 | 株式会社ワコー | 力検出装置 |
JP5439068B2 (ja) * | 2009-07-08 | 2014-03-12 | 株式会社ワコー | 力検出装置 |
JP5568771B2 (ja) * | 2003-03-31 | 2014-08-13 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 力検出装置 |
Family Cites Families (38)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5182515A (en) | 1987-04-24 | 1993-01-26 | Wacoh Corporation | Detector for magnetism using a resistance element |
DE3852271T2 (de) | 1987-04-24 | 1995-07-06 | Enplas Lab Inc | Kraft- und momentendetektor unter verwendung eines widerstandes. |
US4967605A (en) | 1987-04-24 | 1990-11-06 | Wacoh Corporation | Detector for force and acceleration using resistance element |
US5092645A (en) | 1987-09-18 | 1992-03-03 | Wacoh Corporation | Robotic gripper having strain sensors formed on a semiconductor substrate |
US5263375A (en) | 1987-09-18 | 1993-11-23 | Wacoh Corporation | Contact detector using resistance elements and its application |
US5035148A (en) | 1989-02-01 | 1991-07-30 | Wacoh Corporation | Force detector using resistance elements |
JP2681215B2 (ja) | 1989-05-29 | 1997-11-26 | 株式会社ワコー | 積層基板を用いたセンサの製造方法 |
US5531092A (en) | 1989-12-28 | 1996-07-02 | Okada; Kazuhiro | Device for moving a suspended weight body |
US6864677B1 (en) | 1993-12-15 | 2005-03-08 | Kazuhiro Okada | Method of testing a sensor |
US5295386A (en) | 1989-12-28 | 1994-03-22 | Kazuhiro Okada | Apparatus for detecting acceleration and method for testing this apparatus |
US5421213A (en) | 1990-10-12 | 1995-06-06 | Okada; Kazuhiro | Multi-dimensional force detector |
US6314823B1 (en) | 1991-09-20 | 2001-11-13 | Kazuhiro Okada | Force detector and acceleration detector and method of manufacturing the same |
US5492020A (en) | 1991-03-30 | 1996-02-20 | Okada; Kazuhiro | Detector for a physical quantity having a self-testing function |
JP3141954B2 (ja) | 1991-07-17 | 2001-03-07 | 株式会社ワコー | 圧電素子を用いた力・加速度・磁気のセンサ |
JP3027457B2 (ja) | 1991-10-25 | 2000-04-04 | 和廣 岡田 | 多次元方向に関する力・加速度・磁気の検出装置 |
JPH05215627A (ja) | 1992-02-04 | 1993-08-24 | Kazuhiro Okada | 多次元方向に関する力・加速度・磁気の検出装置 |
US6282956B1 (en) | 1994-12-29 | 2001-09-04 | Kazuhiro Okada | Multi-axial angular velocity sensor |
US5646346A (en) | 1994-11-10 | 1997-07-08 | Okada; Kazuhiro | Multi-axial angular velocity sensor |
JP3256346B2 (ja) | 1993-07-29 | 2002-02-12 | 和廣 岡田 | 圧電素子を用いた力・加速度・磁気のセンサ |
JP3549590B2 (ja) | 1994-09-28 | 2004-08-04 | 和廣 岡田 | 加速度・角速度センサ |
JP3585980B2 (ja) | 1995-02-21 | 2004-11-10 | 株式会社ワコー | 角速度センサ |
US6003371A (en) | 1995-02-21 | 1999-12-21 | Wacoh Corporation | Angular velocity sensor |
JPH0949856A (ja) | 1995-05-31 | 1997-02-18 | Wako:Kk | 加速度センサ |
JPH09119943A (ja) | 1995-10-24 | 1997-05-06 | Wako:Kk | 加速度センサ |
EP0851212B1 (en) | 1996-07-10 | 2005-04-06 | Wacoh Corporation | Angular velocity sensor |
US6367326B1 (en) | 1996-07-10 | 2002-04-09 | Wacoh Corporation | Angular velocity sensor |
JP4176849B2 (ja) | 1997-05-08 | 2008-11-05 | 株式会社ワコー | センサの製造方法 |
JP2000249609A (ja) | 1999-03-01 | 2000-09-14 | Wakoo:Kk | 静電容量式センサ |
JP4295883B2 (ja) | 1999-12-13 | 2009-07-15 | 株式会社ワコー | 力検出装置 |
US6809529B2 (en) | 2001-08-10 | 2004-10-26 | Wacoh Corporation | Force detector |
US6823744B2 (en) | 2002-01-11 | 2004-11-30 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Six-axis force sensor |
JP4216525B2 (ja) | 2002-05-13 | 2009-01-28 | 株式会社ワコー | 加速度センサおよびその製造方法 |
JP4090939B2 (ja) * | 2002-05-29 | 2008-05-28 | ニッタ株式会社 | 静電容量式センサおよびその製造方法 |
JP4125931B2 (ja) | 2002-08-26 | 2008-07-30 | 株式会社ワコー | 回転操作量の入力装置およびこれを利用した操作装置 |
JP4271475B2 (ja) | 2003-03-31 | 2009-06-03 | 株式会社ワコー | 力検出装置 |
JP2008190931A (ja) | 2007-02-02 | 2008-08-21 | Wacoh Corp | 加速度と角速度との双方を検出するセンサ |
JP4948630B2 (ja) | 2010-08-05 | 2012-06-06 | 株式会社トライフォース・マネジメント | トルクセンサ |
CN103430000B (zh) * | 2011-07-27 | 2015-06-24 | 三角力量管理株式会社 | 力传感器 |
-
2015
- 2015-04-07 CN CN201580021706.9A patent/CN106255870B/zh active Active
- 2015-04-07 JP JP2016510339A patent/JP6002868B1/ja active Active
- 2015-04-07 EP EP15843091.8A patent/EP3104151B1/en active Active
- 2015-04-07 US US14/904,559 patent/US9995644B2/en active Active
- 2015-04-07 WO PCT/JP2015/061300 patent/WO2016163033A1/ja active Application Filing
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3970640B2 (ja) * | 2002-03-05 | 2007-09-05 | 本田技研工業株式会社 | 6軸力センサ |
JP4907050B2 (ja) * | 2003-03-31 | 2012-03-28 | 株式会社ワコー | 力検出装置 |
JP5568771B2 (ja) * | 2003-03-31 | 2014-08-13 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 力検出装置 |
JP5568768B2 (ja) * | 2003-03-31 | 2014-08-13 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 力検出装置 |
JP4387691B2 (ja) * | 2003-04-28 | 2009-12-16 | 株式会社ワコー | 力検出装置 |
JP5439068B2 (ja) * | 2009-07-08 | 2014-03-12 | 株式会社ワコー | 力検出装置 |
JP4931971B2 (ja) * | 2009-08-17 | 2012-05-16 | 株式会社ワコー | 力検出装置 |
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2020012844A (ja) * | 2018-01-09 | 2020-01-23 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 力覚センサ |
JP2023508377A (ja) * | 2019-12-23 | 2023-03-02 | ニューラ ロボティクス ゲーエムベーハー | 長さの変化を測定するための装置 |
JP2021135279A (ja) * | 2020-02-25 | 2021-09-13 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 力覚センサ |
JP2021135103A (ja) * | 2020-02-25 | 2021-09-13 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 力覚センサ |
JP2021135284A (ja) * | 2020-08-19 | 2021-09-13 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 力覚センサ |
JP7160375B2 (ja) | 2020-08-19 | 2022-10-25 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 力覚センサ |
JP2022174264A (ja) * | 2020-08-19 | 2022-11-22 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 力覚センサ |
JP7199131B2 (ja) | 2020-08-19 | 2023-01-05 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 力覚センサ |
JP7432976B1 (ja) | 2023-10-17 | 2024-02-19 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 力覚センサ |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP3104151B1 (en) | 2020-01-15 |
EP3104151A1 (en) | 2016-12-14 |
EP3104151A4 (en) | 2018-03-07 |
CN106255870B (zh) | 2018-04-27 |
US20170248482A1 (en) | 2017-08-31 |
JPWO2016163033A1 (ja) | 2017-04-27 |
CN106255870A (zh) | 2016-12-21 |
WO2016163033A1 (ja) | 2016-10-13 |
US9995644B2 (en) | 2018-06-12 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6002868B1 (ja) | 力覚センサおよびこれに用いる構造体 | |
JP4387691B2 (ja) | 力検出装置 | |
JP6053247B1 (ja) | 力覚センサ | |
CN101910789B (zh) | 角速度传感器 | |
CN201083760Y (zh) | 三轴集成压阻式加速度传感器 | |
US20090193893A1 (en) | Angular velocity sensor | |
JP2004354049A (ja) | 力検出装置 | |
JP2009162787A (ja) | 力検出装置 | |
JP5476195B2 (ja) | 力検出機能をもった駆動装置 | |
CN105628012A (zh) | 陀螺传感器、电子设备以及移动体 | |
CN104097202A (zh) | 机械手、机械手控制装置以及机械手系统 | |
CN101467050B (zh) | 加速度传感器 | |
JP6914344B2 (ja) | マスタアームおよびロボット | |
JP6505273B2 (ja) | 力覚センサ | |
JP2019109259A (ja) | 力覚センサ | |
CN103411595A (zh) | 一种单轴微机电系统陀螺仪 | |
JP2021135104A (ja) | 力覚センサ | |
JP2654602B2 (ja) | 半導体力学量センサ | |
JP5248182B2 (ja) | 力検出装置 | |
JP6330501B2 (ja) | 振動型角速度センサ | |
JP4931971B2 (ja) | 力検出装置 | |
CN107067912A (zh) | 一种可以感知振动的倒立摆机电系统 | |
JP6293246B2 (ja) | 力覚センサ | |
CN203364833U (zh) | 一种单轴微机电系统陀螺仪 | |
JP3136188U (ja) | 力検出装置 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20160630 |
|
A871 | Explanation of circumstances concerning accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871 Effective date: 20160630 |
|
A975 | Report on accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971005 Effective date: 20160727 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20160802 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20160803 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20160830 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20160905 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6002868 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |