JP6616806B2 - Strain gauge and 3-axis force sensor - Google Patents
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Description
本発明は、ひずみゲージ、及び、これを備える3軸力センサに関する。 The present invention relates to a strain gauge and a three-axis force sensor including the same.
ひずみゲージを備える3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。例えば特許文献1、2には、ひずみゲージを含む3軸力センサの一例が開示されている。
A triaxial force sensor having a strain gauge is widely used in robots, game machines, various measuring instruments, and other devices. For example,
ひずみゲージを備える3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 triaxial force sensor having a strain gauge, the existence of a measurement error due to a change 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3軸力センサを提供することを目的とする。 In view of the above, an object of the present invention is to provide a strain gauge in which generation of measurement errors due to changes in ambient temperature is suppressed, and a three-axis force sensor including the strain gauge.
本発明に係るひずみゲージは、荷重を受けてひずむ起歪部材に取り付けられて、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、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、並びに起歪部材の第1及び第2方向に直交する第3方向に作用する荷重の第3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、可撓性の基材と、基材上に形成された回路パターンと、を備え、基材は、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、起歪領域の外側に配置される一対の不感領域と、受感領域と不感領域とを連結する連結領域と、を有し、連結領域の、受感領域と不感領域とが連結される方向に直交する直交方向の寸法が、受感領域及び不感領域の直交方向の寸法よりも小さく、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3ホイートストンブリッジ回路を構成する2つの第3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、を含み、第1方向ひずみ受感素子、第2方向ひずみ受感素子、第3方向ひずみ受感素子、並びに第1方向固定抵抗素子及び第2方向固定抵抗素子は同一材料で形成されており、第1方向ひずみ受感素子、第2方向ひずみ受感素子及び第3方向ひずみ受感素子は、受感領域に形成されており、第1方向固定抵抗素子及び第2方向固定抵抗素子は、不感領域に形成されており、第3方向ひずみ受感素子は、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。 The strain gauge according to the present invention is attached to a strain generating member that is distorted by receiving a load, detects a load acting in the first direction of the strain generating member by the first Wheatstone bridge circuit, and is orthogonal to the first direction of the strain generating member. The strain used for the detection by the second Wheatstone bridge circuit of the load acting in the second direction and the detection by the third Wheatstone bridge circuit of the load acting in the third direction orthogonal to the first and second directions of the strain generating member A gauge comprising a flexible base material and a circuit pattern formed on the base material, wherein the base material is attached to a strain generating region where strain is generated by receiving a load of the strain generating member. An area, a pair of insensitive areas arranged outside the strain generating area, and a connecting area that connects the sensitive area and the insensitive area, and the sensitive area and the insensitive area of the connecting area are connected. Direct to the direction The dimension of the orthogonal direction is smaller than the dimension of the sensitive region and the non-sensitive region in the orthogonal direction, and the circuit pattern includes two first strain-sensitive elements constituting the first Wheatstone bridge circuit and a second Wheatstone bridge circuit. Two second direction strain sensitive elements, two third direction strain sensitive elements constituting a third Wheatstone bridge circuit, and two first direction fixed resistance elements constituting a first Wheatstone bridge circuit; , Two second direction fixed resistance elements constituting the second Wheatstone bridge circuit, a first direction strain sensitive element, a second direction strain sensitive element, a third direction strain sensitive element, and a first direction The fixed resistance element and the second direction fixed resistance element are formed of the same material, and the first direction strain sensitive element, the second direction strain sensitive element, and the third direction strain The sensing element is formed in the sensing area, the first direction fixed resistance element and the second direction fixed resistance element are formed in the insensitive area, and the third direction strain sensing element is the first Wheatstone bridge. A circuit and a second Wheatstone bridge circuit are connected to form a third Wheatstone bridge circuit.
本発明に係る3軸力センサは、上記のひずみゲージと、板状の起歪部材と、起歪部材に接続された荷重作用部と、を備える。 A triaxial force sensor according to the present invention includes the above strain gauge, a plate-like strain generating member, and a load acting portion connected to the strain generating member.
本発明に係る3軸力センサにおいては、起歪部材の荷重作用部が接続される面とは反対側の面の周縁部から、第3方向に直立する周壁、をさらに備え、不感領域が、周壁の内周面に貼り付けられていてもよい。 The triaxial force sensor according to the present invention further includes a peripheral wall standing upright in the third direction from the peripheral portion of the surface opposite to the surface to which the load acting portion of the strain generating member is connected, and the insensitive region is You may affix on the internal peripheral surface of a surrounding wall.
本発明のひずみゲージ、及び、これを備える3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 three-axis force sensor including the strain gauge, occurrence of measurement errors due to changes in ambient temperature is suppressed.
<実施形態>
本発明に係るひずみゲージ、及び、3軸力センサの実施形態について、これらを電子ペンへ適用する場合を例として、図1〜図6を参照して説明する。
<Embodiment>
Embodiments of the strain gauge and the triaxial force sensor according to the present invention will be described with reference to FIGS.
図1に示すように、電子ペン200は、ティップ31及び32と、3軸力センサ100と、ホルダ33と、ボディ34と、フロントキャップ35とを備える。
As shown in FIG. 1, the
ティップ31は、例えばプラスチックにより形成され、ペン先として機能する。ティップ32は、例えばSUSにより形成され、その一端がティップ31へ接続されると共に、他端が3軸力センサ100へ接続される。これにより、ペン先を介して加えられる外部からの荷重が3軸力センサ100で計測されることとなる。
The
ホルダ33は、3軸力センサ100の動作に必要な信号処理回路や電源の他、各種回路が実装されたPCBA(Printed Circuit Board Assembly)を保持する。ボディ34は、3軸力センサ100の一部分とホルダ33とを覆い、フロントキャップ35は、3軸力センサ100の残り部分とティップ32とを覆う。
The
次に、図2及び図3に示すように、本実施形態の3軸力センサ100は、軸Aの周りに回転対称な本体部10を備える。本体部10は、軸Aを回転軸とする円板状の起歪板(板状の起歪部材)11と、起歪板11の表面11aの中央から軸方向に直立する荷重作用部12と、起歪板11の裏面11bの周縁部から軸方向に直立する周壁13とを含む。また、荷重作用部12は、図1に示したティップ32に嵌合される。本体部10は、例えば合成樹脂素材により一体成形されている。
Next, as shown in FIGS. 2 and 3, the
以降の説明においては、図2に示す如く、起歪板11の直交する2つの径方向を3軸力センサ100及び本体部10のx方向(第1方向)及びy方向(第2方向)とする。また、x方向及びy方向に直交する軸Aの方向を3軸力センサ100及び本体部10のz方向(第3方向)とする。
In the following description, as shown in FIG. 2, two orthogonal radial directions of the
起歪板11は、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である。起歪板11におけるひずみは、起歪板11の表面11a及び裏面11b(図2において軸Aに直交する上下面)において生じ、周壁13(図2において軸Aと平行な周面)で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11a及び裏面11bのように、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。
The
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。荷重作用部12は、その中心軸が起歪板11の回転軸(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11aに設けられている。
The
周壁13は、起歪板11の裏面11bの外周に沿って裏面11bから直立し、裏面11bを囲んでいる。なお、図2においては、周壁13の外周面が円筒状である場合について例示しているが、次のように周壁13を変更してもよい。すなわち、x軸方向における周壁13の一方側又は両側において、x軸に交差(直交)する平面部分を周壁13の外周面に形成してもよい。或いは、y軸方向における周壁13の一方側又は両側において、y軸に交差(直交)する平面部分を周壁13の外周面に形成してもよい。
The
特に、x軸方向における周壁13の一方側のみに平面部分を設ける場合には、y軸方向についても周壁13の一方側のみに平面部分を設けることができる。この場合には、周壁13の外周面に対して2つの平面部分が設けられることになる。また、x軸方向における周壁13の両側に平面部分を設ける場合には、y軸方向についても周壁13の両側に平面部分を設けることができる。この場合には、周壁13の外周面に対して4つの平面部分が設けられることになる。
In particular, when a plane portion is provided only on one side of the
このように周壁13の外周面に平面部分を設けることにより、当該平面部分を利用して、電子ペン200のホルダ33に対する本体部10(すなわち、3軸力センサ100)の位置決めを容易且つ確実に行うことが可能になる。なお、図2のような円筒状の外周面を有する周壁13に対して、アライメントマークを設けることによって、ホルダ33に対する本体部10の位置決めを可能としてもよい。
Thus, by providing a flat portion on the outer peripheral surface of the
本実施形態のひずみゲージ20は、その基材21(図4参照)の一部分(受感領域21s)が起歪板11の裏面11bに貼り付けられ、残り部分(不感領域21n1、21n2)が周壁13の内周面に折り曲げられて貼り付けられる。
In the
図4に、ひずみゲージ20が起歪板11に取り付けられる前の状態(展開図)を示す。ひずみゲージ20は、図4に示す如く、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とを含む。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、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。
FIG. 4 shows a state (development view) before the
基材21は、可撓性を有する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、受感領域21sと一対の不感領域21n1、21n2とをそれぞれ連結する一対の連結領域21c1、21c2とを有する。樹脂フィルムは容易に折り曲げが行えるような柔軟で屈曲性の高いものを用いることが望ましく、具体例としては、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、連結領域21c1、21c2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、連結領域21c1、21c2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。
The
受感領域21sは、本体部10の起歪板11の裏面11bに貼り付けられる領域であるため、起歪板11の裏面11b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、それぞれ円弧状であり、図4に破線で示す荷重作用部12の輪郭に沿った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。また、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いる。
Each of the strain sensing elements X 1 and X 2 has an arc shape, and is formed to face the x direction with the circumferential direction along the outline of the
ひずみ受感素子Y1、Y2は、それぞれ円弧状であり、荷重作用部12の輪郭に沿った周方向をグリッドの幅方向として、y方向に対向して形成されている。また、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いる。
Each of the strain sensitive elements Y 1 and Y 2 has an arc shape, and is formed so as to face the y direction with the circumferential direction along the outline 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。そして、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を挟んでおり、それぞれx方向を長辺方向、y方向を短辺方向とする矩形状である。
The pair of insensitive areas 21n1 and 21n2 sandwich 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
受感領域21sと不感領域21n1、21n2とを連結する連結領域21c1、21c2は、それぞれ、受感領域21sと不感領域21n1、21n2とが連結されるy方向に直交するx方向(直交方向)の寸法(幅)が受感領域21s、不感領域21n1、21n2のx方向の寸法(幅)より小さい。そのため基材21は、連結領域21c1、21c2においてくびれた形状となっている。
The connection regions 21c1 and 21c2 that connect the
図4及び図5に示すように、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. 4 and 5, the wiring W constitutes 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. doing. 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
図3に示すように、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の裏面11bに接するように、本体部10に貼り付けられている。
As shown in FIG. 3, the
具体的には、基材21の受感領域21sは、そのx方向及びy方向が本体部10のx方向及びy方向にそれぞれ一致し、中心cが軸Aに一致するように、起歪板11の裏面11bに貼り付けられている。すなわち、受感領域21sは、起歪板11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ている。したがって、基材21の受感領域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。
Specifically, the
基材21の一対の不感領域21n1、21n2は、それぞれ、折り曲げられて周壁13の内周面に貼り付けられている。すなわち、不感領域21n1、21n2は、起歪領域の外側に配置される。したがって、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、周壁13の径方向内側を向いて露出している。
The pair of insensitive areas 21 n 1 and 21
次に、本実施形態の3軸力センサ100、及びひずみゲージ20の使用方法と動作について説明する。
Next, usage and operation of the
3軸力センサ100を電子ペン200に用いる場合には、まず、荷重作用部12をペン先(すなわち、ティップ32)に嵌合させる。次いで、端子T1〜T8と信号処理回路(不図示)とを、それぞれ、リード線L1〜L8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、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、信号処理回路内のアンプ(不図示)を介して、信号処理回路内の演算部(不図示)に接続される。 Terminals T 1 and T 5 are connected to a power source (not shown) 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 an arithmetic unit (not shown) in the signal processing circuit via an amplifier (not shown) in the processing circuit.
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。
3 During operation of the
したがって、図6(a)に示す如く起歪板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。
Therefore, no distortion occurs in the strain-generating
次に、図6(b)に示す如く荷重作用部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。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。
Next, as shown in FIG. 6B, when a load in the x direction is applied to the
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c方向の荷重の大きさを求める。なおこの時、周壁13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。
As a result, the resistance values of the strain sensitive elements X 1 and X 2 change, and a potential difference is generated between the terminals T 2 and T 3 of the first bridge circuit BC1 including the strain sensitive elements X 1 and X 2 . Based on this potential difference, the calculation unit obtains the amount of strain generated in the
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。
Even when a load in the y 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 a load in the z direction is applied to 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、Z1、Z2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、不感領域21n1、21n2を、本体部10のひずみが生じない部分(起歪領域の外側)に貼り付けた場合には、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を含む本体部10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 areas 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、例えば信号処理回路に設ける場合には、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。 In order to print the strain-sensitive element constituting the bridge circuit on the base material and to provide the fixed resistance element constituting the bridge circuit outside the base material, for example, in the signal processing circuit, 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
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。
Since the
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もしい。
In the
ひずみゲージ20においては、端子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、端子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
ひずみゲージ20の基材21は、受感領域21sと不感領域21n1、21n2の間に、受感領域21s及び不感領域21n1、21n2よりも幅の狭い連結領域21c1、21c2を有するため、受感領域21s及び不感領域21n1、21n2を、連結領域21c1、21c2との接続部に規制されることなく様々な態様で配置することができる。
Since the
本実施形態の3軸力センサ100及び電子ペン200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 three-
本発明の特徴を維持する限り、本発明は上記の実施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. .
10 本体部
11 起歪板(起歪部材)
12 荷重作用部
13 周壁
20 ひずみゲージ
21 基材
21s 受感領域
21c1、21c2 連結領域
21n1、21n2 不感領域
31、32 ティップ
33 ホルダ
34 ボディ
35 フロントキャップ
100 3軸力センサ
200 電子ペン
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)
10
DESCRIPTION OF
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 (3)
可撓性の基材と、
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一対の不感領域と、前記受感領域と前記不感領域とを連結する連結領域と、を有し、
前記連結領域の、前記受感領域と前記不感領域とが連結される方向に直交する直交方向の寸法が、前記受感領域及び前記不感領域の前記直交方向の寸法よりも小さく、
前記回路パターンは、前記第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、前記第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、前記第3ホイートストンブリッジ回路を構成する2つの第3方向ひずみ受感素子と、前記第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、前記第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、を含み、
前記第1方向ひずみ受感素子、前記第2方向ひずみ受感素子、前記第3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前記第2方向固定抵抗素子は同一材料で形成されており、
前記第1方向ひずみ受感素子、前記第2方向ひずみ受感素子及び前記第3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前記第2方向固定抵抗素子は、前記不感領域に形成されており、
前記第3方向ひずみ受感素子は、前記第1ホイートストンブリッジ回路と前記第2ホイートストンブリッジ回路とを接続して前記第3ホイートストンブリッジ回路を構成する、
ひずみゲージ。 Detection by a first Wheatstone bridge circuit of a load acting on the strain-generating member that is distorted by receiving a load and acting in the first direction of the strain-generating member, acting in a second direction orthogonal to the first direction of the strain-generating member A strain gauge used for detection by a second Wheatstone bridge circuit of a load to be applied and detection by a third Wheatstone bridge circuit of a load acting in a third direction orthogonal to the first and second directions of the strain-generating member,
A flexible substrate;
A circuit pattern formed on the substrate,
The base material is a sensitive area that is attached to a strain generating area where strain is generated by receiving a load of the strain generating member, a pair of insensitive areas disposed outside the strain generating area, the sensitive area, and the A connection region connecting the insensitive region,
The dimension in the orthogonal direction orthogonal to the direction in which the sensitive area and the insensitive area of the connected area are connected is smaller than the dimension in the orthogonal direction of the sensitive area and the insensitive area,
The circuit pattern includes two first direction strain sensitive elements constituting the first Wheatstone bridge circuit, two second direction strain sensitive elements constituting the second Wheatstone bridge circuit, and the third Wheatstone bridge. Two third direction strain sensitive elements constituting the circuit, two first direction fixed resistance elements constituting the first Wheatstone bridge circuit, and two second direction fixed resistances constituting the second Wheatstone bridge circuit An element,
The first direction strain sensitive element, the second direction strain sensitive element, the third direction strain sensitive element, the first direction fixed resistance element, and the second direction fixed resistance element are formed of the same material. And
The first direction strain sensitive element, the second direction strain sensitive element and the third direction strain sensitive element are formed in the sensitive region,
The first direction fixed resistance element and the second direction fixed resistance element are formed in the dead region,
The third direction strain sensing element is configured to connect the first Wheatstone bridge circuit and the second Wheatstone bridge circuit to form the third Wheatstone bridge circuit.
Strain gauge.
板状の前記起歪部材と、
前記起歪部材に接続された荷重作用部と、
を備えた3軸力センサ。 A strain gauge according to claim 1;
The plate-like strain generating member;
A load acting portion connected to the strain generating member;
3-axis force sensor.
前記不感領域が、前記周壁の内周面に貼り付けられている、
請求項2に記載の3軸力センサ。 A peripheral wall that stands upright in the third direction from the peripheral edge of the surface opposite to the surface to which the load acting portion of the strain generating member is connected;
The insensitive area is attached to the inner peripheral surface of the peripheral wall.
The triaxial force sensor according to claim 2.
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