JP6611761B2 - Strain gauge and multi-axis force sensor - Google Patents
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Description
本発明は、ひずみゲージ及び該ひずみゲージを備える多軸力センサに関する。 The present invention relates to a strain gauge and a multi-axis force sensor including the strain gauge.
ひずみゲージを備える多軸力センサは、ロボット、ゲーム機器、各種計測機器、その他の機器において広く活用されている。特許文献1、2には、ひずみゲージを含む多軸力センサの一例が開示されている。
Multi-axis force sensors equipped with strain gauges are widely used in robots, game machines, various measuring instruments, and other devices.
ひずみゲージを備える多軸力センサにおいては、周囲温度の変化に起因する計測誤差の存在が認識されており、その抑制が望まれている。 In a multi-axis force sensor having a strain gauge, the existence of measurement errors due to changes in ambient temperature is recognized, and suppression thereof is desired.
そこで本発明は、周囲温度の変化に起因する計測誤差の発生が抑制されたひずみゲージ、及びこれを備える多軸力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 strain gauge in which the occurrence of measurement errors due to changes in ambient temperature is suppressed, and a multi-axis force sensor including the strain gauge.
本発明の第1の態様に従えば、
荷重を受けてひずむ起歪部材に取り付けられて、前記起歪部材の第1方向に作用する荷重の第1ホイートストンブリッジ回路による検出、及び前記起歪部材の第1方向に直交する第2方向に作用する荷重の第2ホイートストンブリッジ回路による検出に用いられるひずみゲージであって、
基材と、
前記基材上に形成された回路パターンとを備え、
前記基材は、前記起歪部材の荷重を受けてひずみが生じる起歪領域に取り付けられる受感領域と、前記起歪領域の外側に配置される不感領域とを有し、
前記回路パターンは、第1ホイートストンブリッジ回路を構成する2つの第1方向ひずみ受感素子と、第2ホイートストンブリッジ回路を構成する2つの第2方向ひずみ受感素子と、第1ホイートストンブリッジ回路を構成する第1方向固定抵抗素子及び第2ホイートストンブリッジ回路を構成する第2方向固定抵抗素子の少なくとも一方を含み、
前記2つの第1方向ひずみ受感素子、前記2つの第2方向ひずみ受感素子、並びに前記第1方向固定抵抗素子及び第2方向固定抵抗素子の少なくとも一方は同一材料で形成されており、
前記2つの第1方向ひずみ受感素子及び前記2つの第2方向ひずみ受感素子は前記受感領域に形成されており、前記第1方向固定抵抗素子及び第2方向固定抵抗素子の少なくとも一方は前記不感領域に形成されているひずみゲージが提供される。
According to the first aspect of the present invention,
Detection by a first Wheatstone bridge circuit of a load that is attached to a strain generating member that is distorted by receiving a load and acts in the first direction of the strain generating member, and in a second direction orthogonal to the first direction of the strain generating member A strain gauge used for detecting the acting load by a second Wheatstone bridge circuit,
A substrate;
A circuit pattern formed on the substrate,
The base material has a sensitive region attached to a strain generating region in which strain is generated by receiving a load of the strain generating member, and a dead region disposed outside the strain generating region,
The circuit pattern constitutes two first directional strain sensitive elements constituting a first Wheatstone bridge circuit, two second directional strain sensitive elements constituting a second Wheatstone bridge circuit, and a first Wheatstone bridge circuit. Including at least one of a first directional fixed resistance element and a second directional fixed resistance element constituting the second Wheatstone bridge circuit,
At least one of the two first direction strain sensitive elements, the two second direction strain sensitive elements, and the first direction fixed resistance element and the second direction fixed resistance element are formed of the same material,
The two first direction strain sensitive elements and the two second direction strain sensitive elements are formed in the sensitive region, and at least one of the first direction fixed resistive element and the second direction fixed resistive element is A strain gauge formed in the dead area is provided.
第1の態様のひずみゲージにおいて、前記回路パターンは、第1ホイートストンブリッジ回路を構成する2つの第1方向固定抵抗素子と第2ホイートストンブリッジ回路を構成する2つの第2方向固定抵抗素子とを含んでもよく、前記2つの第1方向ひずみ受感素子、前記2つの第2方向ひずみ受感素子、前記2つの第1方向固定抵抗素子、及び前記2つの第2方向固定抵抗素子は同一材料で形成されていてもよく、前記2つの第1方向固定抵抗素子、及び前記2つの第2方向固定抵抗素子は前記不感領域に形成されていてもよい。 In the strain gauge according to the first aspect, the circuit pattern includes two first directional fixed resistance elements constituting the first Wheatstone bridge circuit and two second directional fixed resistance elements constituting the second Wheatstone bridge circuit. The two first direction strain sensitive elements, the two second direction strain sensitive elements, the two first direction fixed resistance elements, and the two second direction fixed resistance elements may be formed of the same material. The two first direction fixed resistance elements and the two second direction fixed resistance elements may be formed in the dead region.
第1の態様のひずみゲージにおいて、前記回路パターンは少なくとも1つの端子を更に含んでもよく、前記少なくとも1つの端子が、前記不感領域に形成されていてもよい。 In the strain gauge of the first aspect, the circuit pattern may further include at least one terminal, and the at least one terminal may be formed in the insensitive area.
第1の態様のひずみゲージは、前記不感領域において、前記少なくとも1つの端子が、前記第1方向固定抵抗素子及び第2方向固定抵抗素子の少なくとも一方の前記受感領域とは反対側に設けられていてもよい。 In the strain gauge according to the first aspect, in the insensitive region, the at least one terminal is provided on a side opposite to the sensitive region of at least one of the first direction fixed resistance element and the second direction fixed resistance element. It may be.
第1の態様のひずみゲージにおいて、前記不感領域は、前記受感領域の両側に一対設けられていてもよい。 In the strain gauge of the first aspect, a pair of the insensitive areas may be provided on both sides of the sensitive area.
第1の態様のひずみゲージにおいて、前記回路パターンは2つの第3方向ひずみ受感素子又は2つの第3方向固定抵抗素子を更に含んでもよく、前記2つの第3方向ひずみ受感素子又は2つの第3方向固定抵抗素子は、第1ホイートストンブリッジ回路と第2ホイートストンブリッジ回路とを接続して第3ホイートストンブリッジ回路を構成してもよい。 In the strain gauge of the first aspect, the circuit pattern may further include two third direction strain sensitive elements or two third direction fixed resistance elements, and the two third direction strain sensitive elements or two The third directional fixed resistance element may constitute a third Wheatstone bridge circuit by connecting the first Wheatstone bridge circuit and the second Wheatstone bridge circuit.
本発明の第2の態様に従えば、
起歪板と、
前記起歪板に接続された荷重作用部と、
前記起歪板に取り付けられた第1の態様のひずみゲージとを備える多軸力センサが提供される。
According to the second aspect of the present invention,
A strain plate,
A load application unit connected to the strain plate;
A multi-axis force sensor comprising the strain gauge according to the first aspect attached to the strain generating plate is provided.
本発明のひずみゲージ及び当該ひずみゲージを備える多軸力センサにおいては、周囲温度の変化に起因する計測誤差の発生が抑制されている。 In the strain gauge of the present invention and the multi-axis force sensor including the strain gauge, occurrence of measurement errors due to changes in ambient temperature is suppressed.
<実施形態>
本発明のひずみゲージ及び多軸力センサの実施形態について、ひずみゲージ20と、これを適用する3軸力センサ100を例として、図1〜図4を参照して説明する。
<Embodiment>
An embodiment of a strain gauge and a multi-axis force sensor of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4 by taking a
図1に、ひずみゲージ20が3軸力センサ100の起歪体11(図3(a)、図3(b)参照)に取り付けられる前の状態を示す。ひずみゲージ20は、図1に示す通り、矩形の基材21と、基材21の表面上にプリントされた回路パターンCPを含む。基材21は、受感領域21s及びこれを挟む不感領域21n1、21n2を有し、回路パターンCPは、6つのひずみ受感素子X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2と、4つの固定抵抗素子RX1、RX2、RY1、RY2と、8つの端子T1〜T8と、これらを接続する配線Wとを含む。なお、以下の説明では、ひずみゲージ20及びこれを含む3軸力センサ100において、不感領域21n1、21n2が受感領域21sを挟む方向をy方向(第2方向)とし、基材21の表面上においてy方向に直交する方向をx方向(第1方向)とする。また、x方向及びy方向に直交する軸の方向をz方向(第3方向)とする。
FIG. 1 shows a state before the
ここで、図3(a)及び図3(b)に示す3軸力センサ100において、起歪板11は、3軸力センサ100に荷重作用部12を介して加えられる外部からの荷重を受けてひずむ円板状である。起歪板11におけるひずみは、起歪板11の表面及び裏面(z方向に直交する上下面)において生じ、起歪板11の側面(z方向と平行な周面)においては生じないか無視できるほど小さい。本明細書においては、本実施形態における起歪板11の表面及び裏面のように、起歪板11のうち外部荷重を受けてひずむ領域を「起歪領域」と呼ぶこととする。起歪板11の径及び厚さは任意である。
Here, in the
荷重作用部12は、起歪板11の表面の中央から、起歪板11の回転軸Aの方向(z方向)に直立する。荷重作用部12は、外部からの荷重を受けて移動し、起歪板11にひずみを生じさせる部分であり、例えば断面形状が正方形の角柱である。荷重作用部12は、角柱の中心軸が起歪板11の回転軸Aと一致するよう、即ち起歪板11と同軸状に、起歪板11の表面に設けられている。起歪板11及び荷重作用部12は、例えば合成樹脂素材により一体成形されている。
The
図1に戻って、基材21は、可撓性を有する例えば樹脂フィルムであり、中央の円形状の受感領域21sと、受感領域21sを挟む一対の不感領域21n1、21n2とを有する。樹脂フィルムとしては、ポリエステル、ポリイミド等を使用することができる。また、受感領域21s、不感領域21n1、21n2をそれぞれ異なる材料より形成することも可能であるが、これらを同一の材料により形成して全領域の温度特性(抵抗温度係数等)を等しくすることが望ましい。また、この場合は、一体に形成された材料(例えばポリエステル、ポリイミド等のシート)内の近傍の部位より受感領域21s、不感領域21n1、21n2を一体に切り出して基材21を形成することがより望ましい。これにより各領域の温度特性をより均一にすることができる。
Returning to FIG. 1, the
受感領域21sは、起歪板11の裏面に貼り付けられる領域であるため、起歪板11の裏面と同等かそれより小さい径を有する。受感領域21sの一面上には、中心cをx方向に挟んでひずみ受感素子(第1方向ひずみ受感素子)X1、X2が、y方向に挟んでひずみ受感素子(第2方向ひずみ受感素子)Y1、Y2が形成されており、外周に沿ってひずみ受感素子(第3方向ひずみ受感素子)Z1、Z2が形成されている。
Since the
ひずみ受感素子X1、X2は、それぞれy方向をグリッドの幅方向として、互いに平行に形成されている。ひずみ受感素子X1とひずみ受感素子X2とは、それぞれ中心cから等距離の位置に形成されており、ひずみ受感素子X1とひずみ受感素子X2との間のx方向の距離は、荷重作用部12のx方向の幅よりも大きい。
The strain sensitive elements X 1 and X 2 are formed in parallel to each other with the y direction as the grid width direction. The sensitive elements X 2 and strain sensitive elements X 1 strain, are formed respectively from the center c equidistant, in the x direction between the sensitive elements X 2 and strain sensitive elements X 1 strain The distance is larger than the width of the
ひずみ受感素子Y1、Y2は、それぞれx方向をグリッドの幅方向として、互いに平行に形成されている。ひずみ受感素子Y1とひずみ受感素子Y2とは、それぞれ中心cから等距離の位置に形成されており、ひずみ受感素子Y1とひずみ受感素子Y2との間のy方向の距離は、荷重作用部12のy方向の幅よりも大きい。
The strain sensitive elements Y 1 and Y 2 are formed in parallel to each other with the x direction as the grid width direction. The strain sensitive element Y 1 and the strain sensitive element Y 2 are formed at equal distances from the center c, respectively, and are arranged in the y direction between the strain sensitive element Y 1 and the strain sensitive element Y 2 . The distance is larger than the width of the
ひずみ受感素子Z1、Z2は、それぞれ円弧状であり、受感領域21sの周方向をグリッドの幅方向として、x方向に対向して形成されている。ひずみ受感素子Z1、Z2は、ひずみ受感素子X1、X2、Y1、Y2の中心cとは反対側(外側)に配置されている。
Each of the strain sensitive elements Z 1 and Z 2 has an arc shape, and is formed to face the x direction with the circumferential direction of the
一対の不感領域21n1、21n2は、y方向に受感領域21sを挟む形状である。
The pair of insensitive areas 21n1, 21n2 has a shape that sandwiches the
不感領域21n1の表面上における受感領域21sから遠い部分には、それぞれx方向に延びる固定抵抗素子(第1方向固定抵抗素子)RX1、RX2が、x方向に並んで形成されており、受感領域21sに近い部分には、x方向に並ぶ4つの端子T1、T2、T3、T4が形成されている。すなわち、不感領域21n1においては、固定抵抗素子RX1、RX2が端子T1〜T4の、受感領域21sとは反対側に配置されている。
Fixed resistance elements (first direction fixed resistance elements) RX 1 and RX 2 extending in the x direction are formed side by side in the x direction at portions far from the
同様に、不感領域21n2の表面上における受感領域21sから遠い部分には、それぞれx方向に延びる固定抵抗素子(第2方向固定抵抗素子)RY1、RY2が、x方向に並んで形成されており、受感領域21sに近い部分には、x方向に並ぶ4つの端子T5、T6、T7、T8が形成されている。すなわち、不感領域21n2においては、固定抵抗素子RY1、RY2が端子T5〜T8の、受感領域21sとは反対側に配置されている。
Similarly, fixed resistance elements (second direction fixed resistance elements) RY 1 and RY 2 extending in the x direction are formed side by side in the x direction at portions far from the
図1及び図2に示す通り、配線Wは、ひずみ受感素子X1、X2、固定抵抗素子RX1、RX2を接続して第1ブリッジ回路(第1ホイートストンブリッジ回路)BC1を構成している。また、ひずみ受感素子X1と固定抵抗素子RX1との間に端子T1が、ひずみ受感素子X1、X2の間に端子T2が、固定抵抗素子RX1、RX2の間に端子T3が、ひずみ受感素子X2と固定抵抗素子RX2との間に端子T4が接続されている。 As shown in FIGS. 1 and 2, the wiring W forms a first bridge circuit (first Wheatstone bridge circuit) BC1 by connecting the strain sensing elements X 1 and X 2 and the fixed resistance elements RX 1 and RX 2. ing. Further, the terminal T 1 is between the strain sensitive element X 1 and the fixed resistance element RX 1 , the terminal T 2 is between the strain sensitive elements X 1 and X 2 , and between the fixed resistance elements RX 1 and RX 2 . to the terminal T 3, the terminal T 4 is connected between the strain sensitive elements X 2 and the fixed resistance element RX 2.
同様に、配線Wは、ひずみ受感素子Y1、Y2、固定抵抗素子RY1、RY2を接続して第2ブリッジ回路(第2ホイートストンブリッジ回路)BC2を構成している。ひずみ受感素子Y1と固定抵抗素子RY1の間に端子T8が、ひずみ受感素子Y1、Y2の間に端子T6が、固定抵抗素子RY1、RY2の間に端子T7が、ひずみ受感素子Y2と固定抵抗素子RY2の間に端子T5が接続されている。 Similarly, the wiring W constitutes a second bridge circuit (second Wheatstone bridge circuit) BC2 by connecting the strain sensitive elements Y 1 and Y 2 and the fixed resistance elements RY 1 and RY 2 . The terminal T 8 is between the strain sensitive element Y 1 and the fixed resistance element RY 1 , the terminal T 6 is between the strain sensitive elements Y 1 and Y 2 , and the terminal T is between the fixed resistance elements RY 1 and RY 2. 7, the terminal T 5 is connected between the strain sensitive elements Y 2 and the fixed resistance element RY 2.
ひずみ受感素子Z1の一端はひずみ受感素子X1と固定抵抗素子RX1との間において第1ブリッジ回路BC1に接続されており、他端はひずみ受感素子Y1と固定抵抗素子RY1との間において第2ブリッジ回路BC2に接続されている。同様に、ひずみ受感素子Z2の一端はひずみ受感素子X2と固定抵抗素子RX2との間において第1ブリッジ回路BC1に接続されており、他端はひずみ受感素子Y2と固定抵抗素子RY2との間において第2ブリッジ回路BC2に接続されている。これにより、一対の対辺部に第1ブリッジ回路BC1と第2ブリッジ回路BC2をそれぞれ有し、他の一対の対辺部にひずみ受感素子Z1、Z2をそれぞれ有する第3ブリッジ回路(第3ホイートストンブリッジ回路)BC3を構成している。 Is connected to the first bridge circuit BC1 between the one end of the strain sensitive elements Z 1 and sensitive elements X 1 strain and the fixed resistance element RX 1, the other end the strain sensitive elements Y 1 and the fixed resistance element RY 1 is connected to the second bridge circuit BC2. Similarly, the strain is connected to the first bridge circuit BC1 between the one end of the sensitive elements Z 2 are the sensitive elements X 2 strain and the fixed resistance element RX 2, the other end to the sensitive elements Y 2 strain fixed It is connected to the second bridge circuit BC2 between the resistive element RY 2. As a result, the third bridge circuit (the third bridge circuit having the first bridge circuit BC1 and the second bridge circuit BC2 on the pair of opposite sides and the strain sensing elements Z 1 and Z 2 on the other pair of opposite sides, respectively. Wheatstone bridge circuit) BC3 is configured.
回路パターンCPに含まれるひずみ受感素子X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2、固定抵抗素子RX1、RX2、RY1、RY2、配線Wは互いに同じ材料により、さらに好ましくは一つの材料内の近傍の部位により形成されている。この材料は、一例として銅、銅/ニッケルなどの銅合金等である。回路パターンCPの基材21上へのプリントは、フォトエッチング、印刷、蒸着、スパッタリング等により行うことができる。
The strain sensitive elements X 1 , X 2 , Y 1 , Y 2 , Z 1 , Z 2 , fixed resistance elements RX 1 , RX 2 , RY 1 , RY 2 , and wiring W included in the circuit pattern CP are made of the same material. More preferably, it is formed by a nearby portion in one material. This material is, for example, copper, a copper alloy such as copper / nickel, or the like. The circuit pattern CP can be printed on the
ひずみゲージ20は、基材21の、回路パターンCPが形成された面とは反対側の面が起歪板11に接するように、起歪板11に貼り付けられている。
The
具体的には、基材21の受感領域21sは、中心cが起歪板11の回転軸Aに一致するように、起歪板11の裏面に貼り付けられている。なお、上記の通りひずみ受感素子X1、X2の間のx方向の距離は荷重作用部12のx方向の寸法より大きく、ひずみ受感素子Y1、Y2間のy方向の距離は荷重作用部12のy方向の寸法より大きい。したがって、基材21の受感部21sを起歪板11に貼り付けた状態においては、ひずみ受感素子X1、X2及びひずみ受感素子Y1、Y2は、それぞれ、x方向及びy方向において荷重作用部12の外側の、ひずみが比較的大きく生じる領域に配置される。なお、図1及び図4においては、起歪板11に基材21を貼り付けた状態における荷重作用部12の輪郭を点線で示し、荷重作用部12とひずみ受感素子X1、X2、Y1、Y2との位置関係を示している。
Specifically, the
3軸力センサ100に貼り付けられた基材21において、不感領域21n1に形成された端子T1、T2、T3、T4、不感領域21n2に形成された端子T5、T6、T7、T8は、起歪板11の径方向外側(即ち、起歪領域の外側)に露出している。
In the
次に、本実施形態のひずみゲージ20及び3軸力センサ100の使用方法と動作について説明する。
Next, the usage method and operation of the
3軸力センサ100を例えばロボットハンドの触覚センサとして用いる場合には、まず、3軸力センサ100を、ロボットハンドの指先に固定する。次いで、端子T1〜T8と信号処理部(不図示)とを、それぞれ、リード線L1〜L8(図2)を用いて接続する。端子T1〜T8とリード線L1〜L8の接合は任意の方法で行うことができ、例えばはんだや異方性導電フィルム(ACF)を用いて行うことができる。
When the
端子T1、T5は、それぞれ、リード線L1、L5により、信号処理部の電源(不図示)に接続される。端子T2、T3、端子T6、T7、端子T4、T8は、それぞれ、リード線L2、L3、リード線L6、L7、リード線L4、L8により、信号処理部内のアンプ(不図示)を介して、信号処理部内の演算部(不図示)に接続される。 Terminals T 1 and T 5 are connected to a power source (not shown) of the signal processing unit by lead wires L 1 and L 5 , respectively. Terminals T 2 , T 3 , Terminals T 6 , T 7 , Terminals T 4 , T 8 are respectively connected to signals by lead wires L 2 , L 3 , lead wires L 6 , L 7 , lead wires L 4 , L 8 . It is connected to a calculation unit (not shown) in the signal processing unit via an amplifier (not shown) in the processing unit.
3軸力センサ100の動作時には、電源により端子T1と端子T5との間に入力電圧Eiをかける。第1ブリッジ回路BC1、第2ブリッジ回路BC2、第3ブリッジ回路BC3を構成する各ひずみ受感素子の抵抗値及び各固定抵抗素子の抵抗値は、基材21の受感領域21sにたわみがない状態において、端子T2、T3間で電圧が等しくなり、端子T6、T7間で電圧が等しくなり、端子T4、T8間で電圧が等しくなるように調整されている。したがって、起歪板11にひずみが生じておらず、受感領域21sにたわみがない状態(図3(a))においては、端子T2、T3間、端子T6、T7間、端子T4、T8間に電位差はなく、演算部はひずみを算出しない。
3 During operation of the
次に、荷重作用部12にx方向の荷重が付加されると、荷重作用部12が荷重を受けて移動し、起歪板11にひずみを生じさせる(図3(b))。この時、起歪板11に貼り付けられたひずみゲージ20の基材21の受感領域21sも、起歪板11と一体にたわみ、ひずみ受感素子X1には圧縮ひずみが、ひずみ受感素子X2には伸びひずみが生じる。これにより、ひずみ受感素子X1、X2の抵抗値がそれぞれ変化し、ひずみ受感素子X1、X2を含む第1ブリッジ回路BC1の端子T2、T3間に電位差が生じる。演算部はこの電位差に基づいて、起歪板11に生じたひずみの量を求め、荷重作用部12に作用したx方向の荷重の大きさを求める。なおこの時、起歪領域の外側、すなわち不感領域21n1及び21n2にはひずみは生じておらず、固定抵抗素子RX1、RX2の抵抗値は一定である。荷重作用部12にy方向の荷重が付加された場合も、同様にして作用したy方向の荷重の大きさを求める。
Next, when a load in the x direction is applied to the
荷重作用部12にZ方向の荷重が付加された場合には、起歪板11及び基材21の受感領域21sは中心が突出するように湾曲するため、ひずみ受感素子X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2の全てにおいて延びひずみが生じる。これにより、第1ブリッジ回路BC1の合成抵抗、第2ブリッジ回路BC2の合成抵抗、ひずみ受感素子Z1、Z2の抵抗値がそれぞれ変化し、第3ブリッジ回路BC3の端子T4、T8間に電位差が生じる。演算部はこの電位差に基づいて、起歪板11に生じたひずみの量を求め、荷重作用部12に作用したZ方向の荷重の大きさを求める。
When the
ここで、第1ブリッジ回路BC1の固定抵抗素子RX1、RX2、第2ブリッジ回路BC2の固定抵抗素子RY1、RY2を基材21上にプリントし、ひずみ受感素子X1、X2、Y1、Y2と同一の材料により形成する意義について説明する。
Here, the fixed resistance elements RX 1 and RX 2 of the first bridge circuit BC1 and the fixed resistance elements RY 1 and RY 2 of the second bridge circuit BC2 are printed on the
(1)固定抵抗素子RX1、RX2、RY1、RY2をこのように形成することにより、固定抵抗素子RX1、RX2、RY1、RY2が、ひずみ受感素子X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2と同一の材料で、且つこれらに近接した位置に形成されることになる。ここで、温度変化に対する抵抗値の変化の割合を示す抵抗温度係数は、材料に依存する物性値であるため、本実施形態では全ひずみ受感素子と全固定抵抗素子の抵抗温度係数は等しい。また、固定抵抗素子RX1、RX2、RY1、RY2が基材21上に形成されており、ひずみ受感素子X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2の近傍に形成されているため、全ひずみ受感素子と全固定抵抗素子に影響する周囲温度の変化は実質的に同一となる。したがって、周囲温度に変化が生じた場合には、全ひずみ受感素子の抵抗値と全固定抵抗素子の抵抗値は同一の割合で変化する。
(1) By forming the fixed resistance elements RX 1 , RX 2 , RY 1 , RY 2 in this way, the fixed resistance elements RX 1 , RX 2 , RY 1 , RY 2 are transformed into the strain sensitive elements X 1 , X 2 , Y 1 , Y 2 , Z 1 , Z 2, and the same material and are formed at positions close to them. Here, the resistance temperature coefficient indicating the rate of change of the resistance value with respect to the temperature change is a physical property value that depends on the material. Therefore, in this embodiment, the resistance temperature coefficients of the all strain sensitive elements and all the fixed resistance elements are equal. Further, fixed resistance elements RX 1 , RX 2 , RY 1 , RY 2 are formed on the
第1ブリッジ回路BC1、第2ブリッジ回路BC2、第3ブリッジ回路BC3においては、それぞれに含まれる抵抗素子(ひずみ受感素子及び固定抵抗素子)の間で抵抗値のバランスが変化した場合に、端子T2、T3間、端子T6、T7間、端子T4、T8間に電位差が生じ、これに基づきひずみが検出される。したがって周囲温度の変化によりひずみ受感素子の抵抗値及び固定抵抗素子の抵抗値の間のバランスが変化した場合には、このバランスの変化により計測誤差が生じ得る。しかしながら、本実施形態においては、周囲温度に変化が生じた場合には、全ひずみ受感素子の抵抗値と全固定抵抗素子の抵抗値が同一の割合で変化するため、周囲の温度が変化した場合でも各素子間の抵抗値のバランスは変化せず、計測誤差の発生が抑制される。なお、回路パターンCPの形成時に、一体の塊りとして準備された材料(銅、銅合金等)の近傍の部位を用いてひずみ受感素子等を形成することで、ひずみ受感素子X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2、固定抵抗素子RX1、RX2、RY1、RY2、配線Wの抵抗温度係数をより均一とでき、計測誤差の発生をより良好に抑制することができる。 In the first bridge circuit BC1, the second bridge circuit BC2, and the third bridge circuit BC3, when the balance of the resistance value changes between the resistance elements (strain sensitive element and fixed resistance element) included therein, the terminals Potential differences occur between T 2 and T 3, between terminals T 6 and T 7, and between terminals T 4 and T 8 , and strain is detected based on this. Therefore, when the balance between the resistance value of the strain sensing element and the resistance value of the fixed resistance element changes due to a change in the ambient temperature, a measurement error may occur due to the change in the balance. However, in this embodiment, when the ambient temperature changes, the resistance value of all strain sensing elements and the resistance value of all fixed resistance elements change at the same rate, so the ambient temperature has changed. Even in this case, the balance of resistance values between the elements does not change, and the occurrence of measurement errors is suppressed. Note that when the circuit pattern CP is formed, a strain sensitive element or the like is formed using a portion in the vicinity of a material (copper, copper alloy, or the like) prepared as an integral lump, so that the strain sensitive element X 1 , X 2 , Y 1 , Y 2 , Z 1 , Z 2 , fixed resistance elements RX 1 , RX 2 , RY 1 , RY 2 , wiring W can be made more uniform in temperature coefficient of resistance, resulting in better measurement errors Can be suppressed.
(2)本実施形態のように、第1ブリッジ回路BC1の固定抵抗素子RX1、RX2、第2ブリッジ回路BC2の固定抵抗素子RY1、RY2を、基材21の不感領域21n1、21n2に形成し、以てひずみが生じない部分(起歪領域の外側)において、固定抵抗素子RX1、RX2、RY1、RY2を温度補償用のダミーゲージとして作用させることができる。したがって、周囲温度の変化により起歪板11を含む3軸力センサ100の本体部に膨張や収縮が生じた場合にも、この膨張や収縮によるひずみ受感素子X1、X2、Y1、Y2の抵抗値の変化を補償して、計測誤差の発生を抑制することができる。
(2) As in the present embodiment, the fixed resistance elements RX 1 and RX 2 of the first bridge circuit BC1 and the fixed resistance elements RY 1 and RY 2 of the second bridge circuit BC2 are replaced with the insensitive regions 21n1 and 21n2 of the
(3)固定抵抗素子RX1、RX2、RY1、RY2を基材21上にプリントして形成することにより、第1ブリッジ回路BC1、第2ブリッジ回路BC2、第3ブリッジ回路BC3を、それぞれ、基材21上で完結した閉回路として形成することができる。
(3) By forming the fixed resistance elements RX 1 , RX 2 , RY 1 , RY 2 on the
ブリッジ回路を構成するひずみ受感素子を基材上にプリントし、ブリッジ回路を構成する固定抵抗素子を基材の外部、例えば信号処理部に設ける場合には、ブリッジ回路を閉回路とするために、基材上のひずみ受感素子と信号処理部の固定抵抗素子とをリード線等により接続する必要がある。この場合、基材上の配線とリード線との接続は、基材上に設けられた電極にリード線を接合して行うが、電極とリード線との接合部に接合抵抗が生じるとこれがブリッジ回路内の抵抗となり大きなひずみ検出誤差の原因となるため、接合方法は、接合抵抗が実質的に無視できるほど小さいはんだ接合に限られている。 When the strain-sensitive element constituting the bridge circuit is printed on the base material and the fixed resistance element constituting the bridge circuit is provided outside the base material, for example, in the signal processing unit, in order to make the bridge circuit a closed circuit It is necessary to connect the strain-sensitive element on the substrate and the fixed resistance element of the signal processing unit with a lead wire or the like. In this case, the wiring on the base material and the lead wire are connected by joining the lead wire to the electrode provided on the base material, but this is a bridge when a joining resistance occurs at the joint between the electrode and the lead wire. Since it becomes a resistance in the circuit and causes a large strain detection error, the joining method is limited to solder joining that is so small that the joining resistance can be substantially ignored.
しかしながら、はんだ接合を良好に行うためには、基材上に比較的大きな電極を設け、且つ複数の電極間のピッチを確保する必要があるため、基材が大きくなってしまう。また、はんだ接合を良好に行うためにはある程度の厚みを有してはんだを盛る必要があるため、3軸力センサの小型化の妨げにもなる。 However, in order to perform the soldering well, it is necessary to provide a relatively large electrode on the base material and to secure a pitch between the plurality of electrodes, so that the base material becomes large. In addition, in order to perform soldering satisfactorily, it is necessary to deposit solder with a certain thickness, which also hinders the downsizing of the triaxial force sensor.
これに対し、本実施形態では、第1ブリッジ回路BC1、第2ブリッジ回路BC2、第3ブリッジ回路BC3が、それぞれ、基材21上で完結した閉回路として形成されており、端子T1〜T8を介した基材21と信号処理部との接続は、第1ブリッジ回路BC1、第2ブリッジ回路BC2、第3ブリッジ回路BC3を電源や演算部に接続するための接合にすぎない。したがって、本実施形態においては、端子T1〜T8とリード線L1〜L8との接合部において接合抵抗の発生が許容され、はんだ接合以外の任意の接合方法、例えば異方性導電フィルムを用いた接合を採用することができる。なお、異方性導電フィルムを用いることにより、電極の大きさ、電極間のピッチ、接合部の厚さをいずれもはんだ接合の場合の10分の1程度に抑えることができるため、3軸力センサ100の小型化を望む場合には異方性導電フィルムによる接合が有利である。
On the other hand, in the present embodiment, the first bridge circuit BC1, the second bridge circuit BC2, and the third bridge circuit BC3 are each formed as a complete closed circuit on the
本実施形態のひずみゲージ20及び3軸力センサ100の効果は以下の通りである。
The effects of the
本実施形態のひずみゲージ20は、第1ブリッジ回路BC1の固定抵抗素子RX1、RX2、第2ブリッジ回路BC2の固定抵抗素子RY1、RY2を基材21上に形成しているため、上記(2)、(3)の効果を奏することができ、更に固定抵抗素子RX1、RX2、RY1、RY2をひずみ受感素子X1、X2、Y1、Y2と同一の材料により形成しているため上記(1)の効果を奏することができる。
In the
本実施形態のひずみゲージ20においては、受感領域21sには、ひずみ受感素子X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2のみが形成されており、端子T1〜T8及び固定抵抗素子RX1、RX2、RY1、RY2は不感領域21n1、21n2に形成されている。したがって、受感領域21sの径(寸法)を小さくすることができ、ひいては3軸力センサ100の起歪板11を小さくすることができる。起歪板11の小型化は3軸力センサ100の小型化につながり好ましい。
In the
本実施形態のひずみゲージ20においては、電極T1〜T8が不感領域21n1、21n2に設けられているため、必要に応じて、受感領域21sの径を大きくすることなく、電極T1〜T8の寸法を大きくし、リード線等との接合作業を容易とすることができる。
In the
本実施形態の3軸力センサ100は、ひずみゲージ20を備えるため、ひずみゲージ20の効果と同様の効果を奏することができる。
Since the
上記実施形態において、次の変形態様を採用することもできる。 In the above-described embodiment, the following modification may be employed.
ひずみゲージ20において、ひずみ受感素子Z1、Z2は、不感領域21n1及び/又は不感領域21n2に形成されていてもよい。この場合、不感領域21n1、21n2にはたわみが生じないため、ひずみ受感素子Z1、Z2は実質的に固定抵抗素子(第3方向固定抵抗素子)として作用する。
In the
ひずみ受感素子Z1、Z2が固定抵抗素子として作用する場合も、第1ブリッジ回路BC1を用いたx方向荷重の検出、第2ブリッジ回路BC2を用いたy方向荷重の検出は、上記実施形態と同様に行うことができる。また、Z方向荷重の検出も行うことができる。荷重作用部12にZ方向荷重が作用してひずみ検出素子X1、X2、Y1、Y2に抵抗値の変化が生じると、第1ブリッジ回路BC1の合成抵抗、第2ブリッジ回路BC2の合成抵抗がそれぞれ変化し、ひずみ受感素子Z1、Z2の抵抗値が一定であっても、第3ブリッジ回路BC3の素子間の抵抗値のバランスが変化するためである。
Even when the strain sensing elements Z 1 and Z 2 act as fixed resistance elements, the detection of the x-direction load using the first bridge circuit BC1 and the detection of the y-direction load using the second bridge circuit BC2 are performed as described above. It can be done in the same way as the form. Also, the detection of the Z direction load can be performed. When a load in the Z direction is applied to the
ひずみゲージ20は、ひずみ受感素子Z1、Z2を有さなくても良い。この場合は例えば、第1ブリッジ回路BC1、第2ブリッジ回路BC2は、ひずみ受感素子Z1、Z2に代えて、2本の円弧状の配線Wで接続される。
The
ひずみ受感素子Z1、Z2が存在しない場合も、第1ブリッジ回路BC1を用いたx方向荷重の検出、第2ブリッジ回路BC2を用いたy方向荷重の検出は、上記実施形態と同様に行うことができる。このような変形態様のひずみゲージ20は、2軸力センサにおいて用いることができる。または、このような変形態様のひずみゲージが有する第1ホイートストンブリッジ及び第2ホイートストンブリッジを、信号処理部に形成された固定抵抗素子で繋いで第3ホイートストンブリッジを構成して、3軸力センサにおいて用いることもできる。
Even when the strain sensitive elements Z 1 and Z 2 do not exist, the detection of the x-direction load using the first bridge circuit BC1 and the detection of the y-direction load using the second bridge circuit BC2 are the same as in the above embodiment. It can be carried out. The
ひずみゲージ20において、基材21の不感領域21n1、21n2に形成された固定抵抗素子RX1、RX2、RY1、RY2は、これらの少なくとも1つを基材21上に残し、他を基材21の外部、例えば信号処理部に設けても良い。このような態様であっても、第1ブリッジ回路BC1を構成する固定抵抗素子RX1、RX2及び第2ブリッジ回路BC2を構成する固定抵抗素子RY1、RY2の少なくとも1つを基材21上の不感領域21n1及び/又は21n2に設けることにより、ひずみゲージ20及び3軸力センサ100における温度誤差を抑制する効果を奏することができる。
In the
受感領域21sのy方向(第2方向)の一方側に設けられた不感領域21n1において、固定抵抗素子RX1、RX2と端子T1〜T4とをy方向(第2方向)に直交するx方向(第1方向)に沿って一列に配置してもよく、受感領域21sのy方向(第2方向)の他方側に設けられた不感領域21n2において、固定抵抗素子RY1、RY2と端子T5〜T8とをy方向(第2方向)に直交するx方向(第1方向)に沿って一列に配置してもよい。
In the insensitive region 21n1 provided on one side in the y direction (second direction) of the
図4に示す通り、不感領域21n1の受感領域21sに近い部分に固定抵抗素子RX1、RX2が、受感領域21sから遠い部分に端子T1〜T4が形成されていてもよい。すなわち、不感領域21n1においては、端子T1〜T4が固定抵抗素子RX1、RX2の受感領域21sとは反対側に設けられていてもよい。不感領域21n2における固定抵抗素子RY1、RY2及び端子T5〜T8の配置も同様である。このように端子T1〜T8を外側に配置することで、端子T1〜T8へのリード線等の接合がより容易となる。
As shown in FIG. 4, the fixed resistance elements RX 1 and RX 2 may be formed in a portion near the
端子T1〜T8のいずれか1つ以上が、受感領域21sに形成されていてもよい。この場合、荷重作用部12の下方に貼り付けられてひずみが生じにくい中心cの近傍に設けることが望ましい。
Any one or more of the terminals T 1 to T 8 may be formed in the
受感領域21sにおいて、ひずみ受感素子Z1、Z2は、ひずみ受感素子X1、X2、Y1、Y2の中心c側(内側)に配置されていてもよい。また、ひずみ受感素子X1、X2、Y1、Y2はそれぞれ、そのグリッドの幅方向が受感領域21sの周方向となるよう円弧状に形成されていてもよい。このようなひずみゲージ20は、回転軸Aを中心とする円筒状の荷重作用部12が接続された起歪板11に貼り付けて良好に使用することができる。
In the
ひずみゲージ20の基材21の形状は任意であり、例えば楕円形状であってもよく、不感領域21n1、21n2のいずれか一方を有するのみでもよい。不感領域21n1、21n2のいずれか一方のみを有する基材21においては、この不感領域に固定抵抗素子RX1、RX2、RY1、RY2、端子T1〜T8のすべてが形成され得る。その他、基材21は、多軸力センサの起歪板に貼り付けられる受感領域と、当該領域の外側に配置される不感領域とを備える任意の形状とすることができる。
The shape of the
上記実施形態のひずみゲージ20を、多軸力センサ以外の任意のセンサの起歪部材に用いることもできる。
The
本発明の特徴を維持する限り、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。 As long as the characteristics of the present invention are maintained, the present invention is not limited to the above embodiments, and other forms conceivable within the scope of the technical idea of the present invention are also included in the scope of the present invention. .
本発明のひずみゲージ及び多軸力センサは、荷重検出における温度変化の影響を抑制でき、ロボット、ゲーム機器、各種計測機器、その他の機器における安定性、信頼性の向上に寄与することができる。 The strain gauge and the multi-axis force sensor of the present invention can suppress the influence of temperature change in load detection, and can contribute to improvement of stability and reliability in robots, game machines, various measuring instruments, and other instruments.
11 起歪板(起歪部材)
12 荷重作用部
20 ひずみゲージ
21 基材
21s 受感領域
21n1、21n2 不感領域
BC1 第1ブリッジ回路(第1ホイートストンブリッジ回路)
BC2 第2ブリッジ回路(第2ホイートストンブリッジ回路)
BC3 第3ブリッジ回路(第3ホイートストンブリッジ回路)
RX1、RX2 固定抵抗素子(第1方向固定抵抗素子)
RY1、RY2 固定抵抗素子(第2方向固定抵抗素子)
T1〜T8 端子
X1、X2 ひずみ受感素子(第1方向ひずみ受感素子)
Y1、Y2 ひずみ受感素子(第2方向ひずみ受感素子)
Z1、Z2 ひずみ受感素子(第3方向ひずみ受感素子)
11 Strain plate (Strain member)
12
BC2 Second bridge circuit (second Wheatstone bridge circuit)
BC3 Third bridge circuit (third Wheatstone bridge circuit)
RX 1 , RX 2 fixed resistance element (first direction fixed resistance element)
RY 1 , RY 2 fixed resistance element (second direction fixed resistance element)
T 1 through T 8 terminals X 1, X 2 strain sensitive elements (first direction strain sensitive elements)
Y 1 , Y 2 strain sensitive element (second direction strain sensitive element)
Z 1 , Z 2 strain sensitive element (third direction strain sensitive element)
Claims (7)
基材と、
前記基材上に形成された回路パターンとを備え、
前記基材は、前記起歪部材の荷重を受けてひずみが生じる起歪領域に取り付けられる受感領域と、前記起歪領域の外側に配置される不感領域とを有し、
前記回路パターンは、第1ホイートストンブリッジ回路を構成する2つの第1方向ひずみ受感素子と、第2ホイートストンブリッジ回路を構成する2つの第2方向ひずみ受感素子と、第1ホイートストンブリッジ回路を構成する第1方向固定抵抗素子及び第2ホイートストンブリッジ回路を構成する第2方向固定抵抗素子の少なくとも一方を含み、
前記2つの第1方向ひずみ受感素子、前記2つの第2方向ひずみ受感素子、並びに前記第1方向固定抵抗素子及び第2方向固定抵抗素子の少なくとも一方は同一材料で形成されており、
前記2つの第1方向ひずみ受感素子及び前記2つの第2方向ひずみ受感素子は前記受感領域に形成されており、前記第1方向固定抵抗素子及び第2方向固定抵抗素子の少なくとも一方は前記不感領域に形成されているひずみゲージ。 Detection by a first Wheatstone bridge circuit of a load that is attached to a strain generating member that is distorted by receiving a load and acts in the first direction of the strain generating member, and in a second direction orthogonal to the first direction of the strain generating member A strain gauge used for detecting the acting load by a second Wheatstone bridge circuit,
A substrate;
A circuit pattern formed on the substrate,
The base material has a sensitive region attached to a strain generating region in which strain is generated by receiving a load of the strain generating member, and a dead region disposed outside the strain generating region,
The circuit pattern constitutes two first directional strain sensitive elements constituting a first Wheatstone bridge circuit, two second directional strain sensitive elements constituting a second Wheatstone bridge circuit, and a first Wheatstone bridge circuit. Including at least one of a first directional fixed resistance element and a second directional fixed resistance element constituting the second Wheatstone bridge circuit,
At least one of the two first direction strain sensitive elements, the two second direction strain sensitive elements, and the first direction fixed resistance element and the second direction fixed resistance element are formed of the same material,
The two first direction strain sensitive elements and the two second direction strain sensitive elements are formed in the sensitive region, and at least one of the first direction fixed resistive element and the second direction fixed resistive element is A strain gauge formed in the insensitive area.
前記2つの第1方向ひずみ受感素子、前記2つの第2方向ひずみ受感素子、前記2つの第1方向固定抵抗素子、及び前記2つの第2方向固定抵抗素子は同一材料で形成されており、
前記2つの第1方向固定抵抗素子、及び前記2つの第2方向固定抵抗素子は前記不感領域に形成されている請求項1に記載のひずみゲージ。 The circuit pattern includes two first directional fixed resistance elements constituting a first Wheatstone bridge circuit and two second directional fixed resistance elements constituting a second Wheatstone bridge circuit,
The two first direction strain sensitive elements, the two second direction strain sensitive elements, the two first direction fixed resistance elements, and the two second direction fixed resistance elements are formed of the same material. ,
The strain gauge according to claim 1, wherein the two first direction fixed resistance elements and the two second direction fixed resistance elements are formed in the dead region.
前記少なくとも1つの端子が、前記不感領域に形成されている請求項1又は2に記載のひずみゲージ。 The circuit pattern further includes at least one terminal;
The strain gauge according to claim 1 or 2, wherein the at least one terminal is formed in the dead area.
前記2つの第3方向ひずみ受感素子又は2つの第3方向固定抵抗素子は、第1ホイートストンブリッジ回路と第2ホイートストンブリッジ回路とを接続して第3ホイートストンブリッジ回路を構成する請求項1〜5のいずれか一項に記載のひずみゲージ。 The circuit pattern further includes two third direction strain sensing elements or two third direction fixed resistance elements,
The two third direction strain sensing elements or the two third direction fixed resistance elements constitute a third Wheatstone bridge circuit by connecting a first Wheatstone bridge circuit and a second Wheatstone bridge circuit. The strain gauge according to any one of the above.
前記起歪板に接続された荷重作用部と、
前記起歪板に取り付けられた請求項1〜6のいずれか一項に記載のひずみゲージとを備える多軸力センサ。
A strain plate,
A load application unit connected to the strain plate;
A multiaxial force sensor comprising the strain gauge according to any one of claims 1 to 6 attached to the strain generating plate.
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