JP6887711B1 - Force sensor - Google Patents

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Abstract

【課題】構造が単純で、高い生産効率が実現可能な力覚センサを提供する。【解決手段】支持体300の上方に配置された検出リング600には、左側の連結部Lと右側の連結部Lとに挟まれた検出部Dが設けられている。左側の連結部Lは、支持体300に接続され、右側の連結部Lは、図示されていない受力体に接続されている。支持体300を固定した状態で、受力体に力・モーメントが加わると、検出部Dが弾性変形する。検出部Dは、第1の板状片61,第2の板状片62,第3の板状片63によって構成され、弾性変形によって、第3の板状片63が支持体300に対して変位する。第3の板状片63の下面には変位電極E2が設けられ、支持体300の上面には固定電極E1が設けられる。第3の板状片63の変位は、両電極E1,E2からなる容量素子の静電容量値として検出され、作用した力・モーメントを示す電気信号が出力される。【選択図】図18PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a force sensor having a simple structure and capable of realizing high production efficiency. SOLUTION: A detection ring 600 arranged above a support 300 is provided with a detection unit D sandwiched between a connection portion L on the left side and a connection portion L on the right side. The connecting portion L on the left side is connected to the support 300, and the connecting portion L on the right side is connected to a receiving body (not shown). When a force / moment is applied to the receiving body with the support 300 fixed, the detection unit D is elastically deformed. The detection unit D is composed of a first plate-shaped piece 61, a second plate-shaped piece 62, and a third plate-shaped piece 63, and the third plate-shaped piece 63 with respect to the support 300 due to elastic deformation. Displace. A displacement electrode E2 is provided on the lower surface of the third plate-shaped piece 63, and a fixed electrode E1 is provided on the upper surface of the support 300. The displacement of the third plate-shaped piece 63 is detected as the capacitance value of the capacitive element composed of both electrodes E1 and E2, and an electric signal indicating the acting force / moment is output. [Selection diagram] FIG. 18

Description

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

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

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

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

しかしながら、上述した各特許文献に開示されている多軸力覚センサは、いずれも機械的構造部の厚みが大きくならざるを得ず、装置全体を薄型化することが困難である。その一方で、ロボット、産業機械、電子機器用入力装置などの分野では、より薄型の力覚センサの登場が望まれている。そこで、特許文献7には、力の作用により環状部材の形状を変形させ、この変形に起因して生じる各部の変位を容量素子によって検出する力覚センサが提案されている。この特許文献7に開示されている力覚センサ(本願では、先願力覚センサと呼ぶ)は、構造を単純化して薄型化するのに適した構造を有している。 However, in each of the multiaxial force sense sensors disclosed in the above-mentioned patent documents, the thickness of the mechanical structure portion has to be increased, and it is difficult to reduce the thickness of the entire device. On the other hand, in the fields of robots, industrial machines, input devices for electronic devices, etc., the appearance of thinner force sensors is desired. Therefore, Patent Document 7 proposes a force sensor that deforms the shape of an annular member by the action of a force and detects the displacement of each part caused by this deformation by a capacitive element. The force sensor disclosed in Patent Document 7 (referred to as a prior force sensor in the present application) has a structure suitable for simplifying and thinning the structure.

特開2004−325367号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-325376 米国特許第7219561号公報U.S. Pat. No. 7219561 特開2004−354049号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-354049 米国特許第6915709号公報U.S. Pat. No. 6,915,709 特開平8−122178号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 8-122178 米国特許第5490427号公報U.S. Pat. No. 5,490,427 国際公開第WO2013/014803号公報International Publication No. WO 2013/014803

しかしながら、上述した先願力覚センサでは、環状部材の様々な変形態様を検出するために、様々な箇所に容量素子を配置する必要があるため、容量素子を構成する電極構成が複雑にならざるを得ない。しかも、容量素子を構成する一対の電極の相対位置は、検出精度に影響を与える重大な要因になるため、個々の電極の位置調整に多大な作業負担が必要になる。特に、複数の容量素子を対称性をもたせて配置し、これらを用いて差分検出を行う場合、個々の容量素子ごとに対向電極が平行になるようにするとともに、複数の容量素子についての電極間隔が互いに等しくなるような調整が必要になる。このため、商業的に利用する上では、生産効率が低下し、コストが高騰するという問題がある。 However, in the above-mentioned prior force sensor, it is necessary to arrange the capacitive elements at various places in order to detect various deformation modes of the annular member, so that the electrode configuration constituting the capacitive element is not complicated. Do not get. Moreover, since the relative positions of the pair of electrodes constituting the capacitive element are important factors that affect the detection accuracy, a great work load is required for adjusting the positions of the individual electrodes. In particular, when a plurality of capacitive elements are arranged with symmetry and difference detection is performed using these, the counter electrodes are parallel to each capacitive element and the electrode spacing for the plurality of capacitive elements is set. Need to be adjusted so that they are equal to each other. Therefore, for commercial use, there is a problem that the production efficiency is lowered and the cost is soared.

そこで本発明は、構造が単純で、しかも検出素子の配置の自由度を向上させることにより、高い生産効率が実現可能な力覚センサを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a force sensor that has a simple structure and can realize high production efficiency by improving the degree of freedom in arranging detection elements.

(1) 本発明の第1の態様は、XYZ三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントのうち、少なくとも1軸に関する力もしくはモーメントを検出する力覚センサにおいて、
検出対象となる力もしくはモーメントの作用を受ける受力体と、
所定の基本環状路に沿って伸びる環状構造を有し、基本環状路上に定義された検出点に位置する検出部と、この検出部の両側に位置する連結部と、を有する検出リングと、
検出リングを支持する支持体と、
受力体を、検出リングの所定の作用点の位置に接続する接続部材と、
検出リングの所定の固定点の位置を、支持体に固定する固定部材と、
検出部に生じた弾性変形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力もしくはモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、
を設け、
作用点および固定点は、連結部の互いに異なる位置に配置されており、
検出部は、作用点と固定点との間に力が作用したときに、作用した力に基づいて少なくとも一部が弾性変形を生じる構造を有するようにしたものである。
(1) A first aspect of the present invention is a force sensor that detects a force or moment related to at least one of the forces in each coordinate axis direction and the moments around each coordinate axis in the XYZ three-dimensional Cartesian coordinate system.
A receiving body that is affected by the force or moment to be detected,
A detection ring having an annular structure extending along a predetermined basic ring road, having a detection unit located at a detection point defined on the basic ring road, and connecting portions located on both sides of the detection unit.
A support that supports the detection ring and
A connecting member that connects the receiving body to the position of a predetermined point of action of the detection ring,
A fixing member that fixes the position of a predetermined fixing point of the detection ring to the support, and
A detection element that detects elastic deformation that occurs in the detection unit,
Based on the detection result of the detection element, a detection circuit that outputs an electric signal indicating the force or moment acting on one of the receiving body and the supporting body when a load is applied to the other, and a detection circuit.
Provided
The points of action and fixed points are located at different positions on the connection.
The detection unit has a structure in which at least a part of the detection unit causes elastic deformation based on the applied force when a force is applied between the point of action and the fixed point.

(2) 本発明の第2の態様は、上述した第1の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子が、検出部の所定位置に固定された変位電極と、支持体もしくは受力体の変位電極に対向する位置に固定された固定電極と、を有する容量素子によって構成され、
変位電極は、検出部に生じた弾性変形に基づいて固定電極に対して変位を生じる位置に配置されており、
検出回路が、容量素子の静電容量値の変動に基づいて、作用した力もしくはモーメントを示す電気信号を出力するようにしたものである。
(2) A second aspect of the present invention is the force sensor according to the first aspect described above.
The detection element is composed of a capacitive element having a displacement electrode fixed at a predetermined position of the detection unit and a fixed electrode fixed at a position facing the displacement electrode of the support or the receiving body.
The displacement electrode is arranged at a position where the displacement is generated with respect to the fixed electrode based on the elastic deformation generated in the detection unit.
The detection circuit outputs an electric signal indicating the acting force or moment based on the fluctuation of the capacitance value of the capacitive element.

(3) 本発明の第3の態様は、上述した第2の態様に係る力覚センサにおいて、
XY平面を水平面にとり、Z軸を垂直上方に向かう軸としたときに、
検出リングが、Z軸を中心軸としてXY平面に位置する基本環状路に沿って伸びる環状構造を有し、
支持体が、検出リングの下方に所定間隔をおいて配置された支持基板によって構成され、
変位電極が検出部の下面に固定され、固定電極が支持基板の上面に固定されているようにしたものである。
(3) A third aspect of the present invention is the force sensor according to the second aspect described above.
When the XY plane is a horizontal plane and the Z axis is a vertically upward axis,
The detection ring has an annular structure extending along a basic annular road located in the XY plane with the Z axis as the central axis.
The support is composed of support substrates arranged below the detection ring at predetermined intervals.
The displacement electrode is fixed to the lower surface of the detection unit, and the fixed electrode is fixed to the upper surface of the support substrate.

(4) 本発明の第4の態様は、上述した第3の態様に係る力覚センサにおいて、
検出部が、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により弾性変形を生じる第1の変形部と、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により弾性変形を生じる第2の変形部と、第1の変形部および第2の変形部の弾性変形により変位を生じる変位部と、を有し、
第1の変形部の外側端はこれに隣接する連結部に接続され、第1の変形部の内側端は変位部に接続され、第2の変形部の外側端はこれに隣接する連結部に接続され、第2の変形部の内側端は変位部に接続され、
変位電極は、変位部の支持基板に対向する位置に固定されているようにしたものである。
(4) A fourth aspect of the present invention is the force sensor according to the third aspect described above.
The first deformation part in which the detection part causes elastic deformation by the action of the force or moment to be detected, the second deformation part in which the detection part causes elastic deformation by the action of the force or moment to be detected, and the first deformation. It has a portion and a displacement portion that causes displacement due to elastic deformation of the second deformed portion.
The outer end of the first deformed portion is connected to a connecting portion adjacent thereto, the inner end of the first deformed portion is connected to the displacement portion, and the outer end of the second deformed portion is connected to the connecting portion adjacent thereto. Connected, the inner end of the second deformed part is connected to the displacement part,
The displacement electrode is fixed at a position facing the support substrate of the displacement portion.

(5) 本発明の第5の態様は、上述した第4の態様に係る力覚センサにおいて、
基本環状路上に複数n個(n≧2)の検出点が定義され、各検出点にそれぞれ検出部が位置しており、検出リングが、n個の検出部とn個の連結部とを、基本環状路に沿って交互に配置することにより構成されているようにしたものである。
(5) A fifth aspect of the present invention is the force sensor according to the fourth aspect described above.
A plurality of n (n ≧ 2) detection points are defined on the basic ring road, detection units are located at each detection point, and a detection ring connects n detection parts and n connection parts. It is configured by being arranged alternately along the basic ring road.

(6) 本発明の第6の態様は、上述した第5の態様に係る力覚センサにおいて、
基本環状路上に偶数n個(n≧2)の検出点が定義され、各検出点にそれぞれ検出部が位置しており、検出リングが、n個の検出部とn個の連結部とを、基本環状路に沿って交互に配置することにより構成されているようにしたものである。
(6) A sixth aspect of the present invention is the force sensor according to the fifth aspect described above.
An even number of n (n ≧ 2) detection points are defined on the basic ring road, detection units are located at each detection point, and a detection ring connects n detection units and n connection parts. It is configured by being arranged alternately along the basic ring road.

(7) 本発明の第7の態様は、上述した第6の態様に係る力覚センサにおいて、
偶数n個の連結部に対して、基本環状路に沿って順に番号を付与したときに、作用点が奇数番目の連結部に配置され、固定点が偶数番目の連結部に配置されているようにしたものである。
(7) A seventh aspect of the present invention is the force sensor according to the sixth aspect described above.
When the even n connecting parts are numbered in order along the basic ring road, the points of action are arranged at the odd-numbered connecting parts and the fixed points are arranged at the even-numbered connecting parts. It is the one that was made.

(8) 本発明の第8の態様は、上述した第7の態様に係る力覚センサにおいて、
n=2に設定することにより、基本環状路に沿って、第1の連結部、第1の検出部、第2の連結部、第2の検出部を、この順序で配置することにより検出リングが構成されており、作用点が第1の連結部に配置され、固定点が第2の連結部に配置されているようにしたものである。
(8) An eighth aspect of the present invention is the force sensor according to the seventh aspect described above.
By setting n = 2, the detection ring is arranged by arranging the first connecting portion, the first detecting portion, the second connecting portion, and the second detecting portion in this order along the basic ring road. Is configured, the point of action is arranged in the first connecting portion, and the fixed point is arranged in the second connecting portion.

(9) 本発明の第9の態様は、上述した第7の態様に係る力覚センサにおいて、
n=4に設定することにより、基本環状路に沿って、第1の連結部、第1の検出部、第2の連結部、第2の検出部、第3の連結部、第3の検出部、第4の連結部、第4の検出部を、この順序で配置することにより検出リングが構成されており、第1の作用点が第1の連結部に配置され、第1の固定点が第2の連結部に配置され、第2の作用点が第3の連結部に配置され、第2の固定点が第4の連結部に配置され、
接続部材が、検出リングの第1の作用点の位置を受力体に接続する第1の接続部材と、検出リングの第2の作用点の位置を受力体に接続する第2の接続部材とを有し、
固定部材が、検出リングの第1の固定点の位置を支持基板に固定する第1の固定部材と、検出リングの第2の固定点の位置を支持基板に固定する第2の固定部材とを有するようにしたものである。
(9) A ninth aspect of the present invention is the force sensor according to the seventh aspect described above.
By setting n = 4, along the basic ring road, the first connecting part, the first detecting part, the second connecting part, the second detecting part, the third connecting part, and the third detection A detection ring is configured by arranging a portion, a fourth connecting portion, and a fourth detecting portion in this order, a first point of action is arranged on the first connecting portion, and a first fixed point. Is placed in the second connecting part, the second point of action is placed in the third connecting part, the second fixed point is placed in the fourth connecting part, and so on.
The connecting member connects the position of the first point of action of the detection ring to the receiving body and the second connecting member connecting the position of the second point of action of the detection ring to the receiving body. And have
The fixing member includes a first fixing member that fixes the position of the first fixing point of the detection ring to the support substrate and a second fixing member that fixes the position of the second fixing point of the detection ring to the support substrate. It is intended to have.

(10) 本発明の第10の態様は、上述した第9の態様に係る力覚センサにおいて、
第1の作用点が正のX軸上に配置され、第2の作用点が負のX軸上に配置され、第1の固定点が正のY軸上に配置され、第2の固定点が負のY軸上に配置されているようにしたものである。
(10) A tenth aspect of the present invention is the force sensor according to the ninth aspect described above.
The first point of action is located on the positive X-axis, the second point of action is located on the negative X-axis, the first fixed point is located on the positive Y-axis, and the second fixed point. Is arranged on the negative Y-axis.

(11) 本発明の第11の態様は、上述した第10の態様に係る力覚センサにおいて、
XY平面において、原点Oを中心としてX軸を反時計まわりに45°回転させた座標軸としてV軸を定義し、原点Oを中心としてY軸を反時計まわりに45°回転させた座標軸としてW軸を定義した場合に、第1の検出点が正のV軸上、第2の検出点が正のW軸上、第3の検出点が負のV軸上、第4の検出点が負のW軸上に配置されているようにしたものである。
(11) The eleventh aspect of the present invention is the force sensor according to the tenth aspect described above.
In the XY plane, the V axis is defined as the coordinate axis obtained by rotating the X axis counterclockwise by 45 ° around the origin O, and the W axis is defined as the coordinate axis obtained by rotating the Y axis counterclockwise by 45 ° around the origin O. Is defined, the first detection point is on the positive V-axis, the second detection point is on the positive W-axis, the third detection point is on the negative V-axis, and the fourth detection point is negative. It is arranged on the W axis.

(12) 本発明の第12の態様は、上述した第11の態様に係る力覚センサにおいて、
個々の検出部には、基本環状路に沿って圧縮応力が作用したときと伸張応力が作用したときとでは、静電容量値の増減が逆転する容量素子が形成されており、
第1の検出点に位置する第1の検出部に固定された変位電極を有する第1の容量素子の静電容量値をC1、第2の検出点に位置する第2の検出部に固定された変位電極を有する第2の容量素子の静電容量値をC2、第3の検出点に位置する第3の検出部に固定された変位電極を有する第3の容量素子の静電容量値をC3、第4の検出点に位置する第4の検出部に固定された変位電極を有する第4の容量素子の静電容量値をC4、としたときに、 検出回路が、
Fz=−(C1+C2+C3+C4)
Mx=−C1−C2+C3+C4
My=+C1−C2−C3+C4
Mz=+C1−C2+C3−C4
なる演算式に基づく演算を行うことにより、Z軸方向に作用した力Fz、X軸まわりに作用したモーメントMx、Y軸まわりに作用したモーメントMy、およびZ軸まわりに作用したモーメントMzを示す電気信号を出力するようにしたものである。
(12) A twelfth aspect of the present invention is the force sensor according to the eleventh aspect described above.
Capacitive elements are formed in each detection unit so that the increase and decrease of the capacitance value is reversed when compressive stress is applied and when tensile stress is applied along the basic annular path.
The capacitance value of the first capacitive element having the displacement electrode fixed to the first detection unit located at the first detection point is fixed to C1 and the second detection unit located at the second detection point. The capacitance value of the second capacitance element having the displacement electrode is C2, and the capacitance value of the third capacitance element having the displacement electrode fixed to the third detection unit located at the third detection point is set to C2. C3, when the capacitance value of the fourth capacitive element having the displacement electrode fixed to the fourth detection unit located at the fourth detection point is C4, the detection circuit
Fz =-(C1 + C2 + C3 + C4)
Mx = -C1-C2 + C3 + C4
My = + C1-C2-C3 + C4
Mz = + C1-C2 + C3-C4
By performing an operation based on the above formula, the force Fz acting in the Z-axis direction, the moment Mx acting around the X-axis, the moment My acting around the Y-axis, and the moment Mz acting around the Z-axis are shown. It is designed to output a signal.

(13) 本発明の第13の態様は、上述した第7の態様に係る力覚センサにおいて、
n=8に設定することにより、基本環状路に沿って、第1の連結部、第1の検出部、第2の連結部、第2の検出部、第3の連結部、第3の検出部、第4の連結部、第4の検出部、第5の連結部、第5の検出部、第6の連結部、第6の検出部、第7の連結部、第7の検出部、第8の連結部、第8の検出部を、この順序で配置することにより検出リングが構成されており、
第1の作用点が第1の連結部に配置され、第1の固定点が第2の連結部に配置され、第2の作用点が第3の連結部に配置され、第2の固定点が第4の連結部に配置され、第3の作用点が第5の連結部に配置され、第3の固定点が第6の連結部に配置され、第4の作用点が第7の連結部に配置され、第4の固定点が第8の連結部に配置され、
接続部材が、検出リングの第1の作用点の位置を受力体に接続する第1の接続部材と、検出リングの第2の作用点の位置を受力体に接続する第2の接続部材と、検出リングの第3の作用点の位置を受力体に接続する第3の接続部材と、検出リングの第4の作用点の位置を受力体に接続する第4の接続部材と、を有し、
固定部材が、検出リングの第1の固定点の位置を支持基板に固定する第1の固定部材と、検出リングの第2の固定点の位置を支持基板に固定する第2の固定部材と、検出リングの第3の固定点の位置を支持基板に固定する第3の固定部材と、検出リングの第4の固定点の位置を支持基板に固定する第4の固定部材と、を有するようにしたものである。
(13) A thirteenth aspect of the present invention is the force sensor according to the seventh aspect described above.
By setting n = 8, the first connecting part, the first detecting part, the second connecting part, the second detecting part, the third connecting part, and the third detection along the basic ring road. Unit, 4th connecting part, 4th detecting part, 5th connecting part, 5th detecting part, 6th connecting part, 6th detecting part, 7th connecting part, 7th detecting part, The detection ring is configured by arranging the eighth connecting portion and the eighth detecting portion in this order.
The first point of action is located at the first connecting point, the first fixed point is located at the second connecting point, the second point of action is located at the third connecting point, and the second fixed point. Is placed in the fourth connecting part, the third point of action is placed in the fifth connecting part, the third fixed point is placed in the sixth connecting part, and the fourth point of action is placed in the seventh connecting part. Placed in the section, the fourth fixed point is placed in the eighth connecting section,
The connecting member connects the position of the first point of action of the detection ring to the receiving body and the second connecting member connecting the position of the second point of action of the detection ring to the receiving body. A third connecting member that connects the position of the third point of action of the detection ring to the receiving body, and a fourth connecting member that connects the position of the fourth point of action of the detection ring to the receiving body. Have,
The fixing member includes a first fixing member that fixes the position of the first fixing point of the detection ring to the support substrate, and a second fixing member that fixes the position of the second fixing point of the detection ring to the support substrate. To have a third fixing member that fixes the position of the third fixing point of the detection ring to the support substrate and a fourth fixing member that fixes the position of the fourth fixing point of the detection ring to the support substrate. It was done.

(14) 本発明の第14の態様は、上述した第13の態様に係る力覚センサにおいて、
XY平面において、原点Oを中心としてX軸を反時計まわりに45°回転させた座標軸としてV軸を定義し、原点Oを中心としてY軸を反時計まわりに45°回転させた座標軸としてW軸を定義した場合に、
第1の作用点が正のX軸上、第2の作用点が正のY軸上、第3の作用点が負のX軸上、第4の作用点が負のY軸上、第1の固定点が正のV軸上、第2の固定点が正のW軸上、第3の固定点が負のV軸上、第4の固定点が負のW軸上に配置されているようにしたものである。
(14) A fourteenth aspect of the present invention is the force sensor according to the thirteenth aspect described above.
In the XY plane, the V axis is defined as the coordinate axis obtained by rotating the X axis counterclockwise by 45 ° around the origin O, and the W axis is defined as the coordinate axis obtained by rotating the Y axis counterclockwise by 45 ° around the origin O. If you define
The first point of action is on the positive X-axis, the second point of action is on the positive Y-axis, the third point of action is on the negative X-axis, the fourth point of action is on the negative Y-axis, the first The fixed point is on the positive V-axis, the second fixed point is on the positive W-axis, the third fixed point is on the negative V-axis, and the fourth fixed point is on the negative W-axis. It is something like that.

(15) 本発明の第15の態様は、上述した第14の態様に係る力覚センサにおいて、
XY平面において、原点Oを起点として、X軸正方向に対して反時計まわりに角度θをなす方位ベクトルVec(θ)を定義したときに、第i番目(但し、1≦i≦8)の検出点が、方位ベクトルVec(π/8+(i−1)・π/4)と基本環状路との交点位置に配置されているようにしたものである。
(15) A fifteenth aspect of the present invention is the force sensor according to the fourteenth aspect described above.
In the XY plane, when the azimuth vector Vec (θ) forming an angle θ counterclockwise with respect to the positive direction of the X axis is defined with the origin O as the starting point, the i-th (however, 1 ≦ i ≦ 8) The detection points are arranged at the intersections of the azimuth vector Vec (π / 8 + (i-1) · π / 4) and the basic loop path.

(16) 本発明の第16の態様は、上述した第15の態様に係る力覚センサにおいて、
個々の検出部には、基本環状路に沿って圧縮応力が作用したときと伸張応力が作用したときとでは、静電容量値の増減が逆転する容量素子が形成されており、
第i番目の検出点に位置する第i番目の検出部に固定された変位電極を有する第i番目の容量素子の静電容量値をC1iとしたときに、
検出回路が、
X軸方向に作用した力Fxに関しては、
Fx=−C11+C12−C13+C14+C15−C16+C17−C18
もしくは、Fx=−C11+C12+C17−C18
もしくは、Fx=+C12−C13−C16+C17
なる演算式、
Y軸方向に作用した力Fyに関しては、
Fy=+C11−C12−C13+C14−C15+C16+C17−C18
もしくは、Fy=+C11−C12−C13+C14
もしくは、Fy=−C15+C16+C17−C18
なる演算式、
Z軸方向に作用した力Fzに関しては、
Fz=−(C11+C12+C13+C14+C15+C16+C17+C18) もしくは、Fz=−(C11+C14+C15+C18)
もしくは、Fz=−(C12+C13+C16+C17)
なる演算式、
X軸まわりに作用したモーメントMxに関しては、
Mx=−C11−C12−C13−C14+C15+C16+C17+C18
もしくは、Mx=−C11−C12+C17+C18
もしくは、Mx=−C13−C14+C15+C16
なる演算式、
Y軸まわりに作用したモーメントMyに関しては、
My=+C11+C12−C13−C14−C15−C16+C17+C18
もしくは、My=+C11+C12−C13−C14
もしくは、My=−C15−C16+C17+C18
なる演算式、
Z軸まわりに作用したモーメントMzに関しては、
Mz=+C11−C12+C13−C14+C15−C16+C17−C18
もしくは、Mz=+C11−C12+C15−C16
もしくは、Mz=+C13−C14+C17−C18
もしくは、Mz=+C11−C14+C15−C18
なる演算式、
に基づく演算を行うことにより、力Fx、力Fy、力Fz、モーメントMx、モーメントMy、およびモーメントMzを示す電気信号を出力するようにしたものである。
(16) A sixteenth aspect of the present invention is the force sensor according to the fifteenth aspect described above.
Capacitive elements are formed in each detection unit so that the increase and decrease of the capacitance value is reversed when compressive stress is applied and when tensile stress is applied along the basic annular path.
When the capacitance value of the i-th capacitive element having the displacement electrode fixed to the i-th detection unit located at the i-th detection point is C1i,
The detection circuit
Regarding the force Fx acting in the X-axis direction,
Fx = -C11 + C12-C13 + C14 + C15-C16 + C17-C18
Alternatively, Fx = -C11 + C12 + C17-C18
Alternatively, Fx = + C12-C13-C16 + C17
Calculation formula,
Regarding the force Fy acting in the Y-axis direction,
Fy = + C11-C12-C13 + C14-C15 + C16 + C17-C18
Alternatively, Fy = + C11-C12-C13 + C14
Alternatively, Fy = -C15 + C16 + C17-C18
Calculation formula,
Regarding the force Fz acting in the Z-axis direction,
Fz =-(C11 + C12 + C13 + C14 + C15 + C16 + C17 + C18) or Fz =-(C11 + C14 + C15 + C18)
Alternatively, Fz =-(C12 + C13 + C16 + C17)
Calculation formula,
Regarding the moment Mx acting around the X axis,
Mx = -C11-C12-C13-C14 + C15 + C16 + C17 + C18
Alternatively, Mx = -C11-C12 + C17 + C18
Alternatively, Mx = -C13-C14 + C15 + C16
Calculation formula,
Regarding the moment My acting around the Y axis,
My = + C11 + C12-C13-C14-C15-C16 + C17 + C18
Alternatively, My = + C11 + C12-C13-C14
Alternatively, My = -C15-C16 + C17 + C18
Calculation formula,
Regarding the moment Mz acting around the Z axis,
Mz = + C11-C12 + C13-C14 + C15-C16 + C17-C18
Alternatively, Mz = + C11-C12 + C15-C16
Alternatively, Mz = + C13-C14 + C17-C18
Alternatively, Mz = + C11-C14 + C15-C18
Calculation formula,
By performing the calculation based on the above, an electric signal indicating the force Fx, the force Fy, the force Fz, the moment Mx, the moment My, and the moment Mz is output.

(17) 本発明の第17の態様は、上述した第6の態様に係る力覚センサにおいて、
偶数n個の連結部に対して、基本環状路に沿って順に番号を付与したときに、作用点および固定点が、いずれも奇数番目の連結部に、かつ、作用点と固定点とが基本環状路に沿って交互になるように配置されているようにしたものである。
(17) A seventeenth aspect of the present invention is the force sensor according to the sixth aspect described above.
When an even number of n connecting parts are numbered in order along the basic ring road, the point of action and the fixed point are both at the odd-numbered connecting part, and the point of action and the fixed point are basically. They are arranged so as to alternate along the ring road.

(18) 本発明の第18の態様は、上述した第17の態様に係る力覚センサにおいて、
n=8に設定することにより、基本環状路に沿って、第1の連結部、第1の検出部、第2の連結部、第2の検出部、第3の連結部、第3の検出部、第4の連結部、第4の検出部、第5の連結部、第5の検出部、第6の連結部、第6の検出部、第7の連結部、第7の検出部、第8の連結部、第8の検出部を、この順序で配置することにより検出リングが構成されており、
第1の固定点が第1の連結部に配置され、第1の作用点が第3の連結部に配置され、第2の固定点が第5の連結部に配置され、第2の作用点が第7の連結部に配置され、
接続部材が、検出リングの第1の作用点の位置を受力体に接続する第1の接続部材と、検出リングの第2の作用点の位置を受力体に接続する第2の接続部材と、を有し、
固定部材が、検出リングの第1の固定点の位置を支持基板に固定する第1の固定部材と、検出リングの第2の固定点の位置を支持基板に固定する第2の固定部材と、を有するようにしたものである。
(18) An eighteenth aspect of the present invention is the force sensor according to the seventeenth aspect described above.
By setting n = 8, the first connecting part, the first detecting part, the second connecting part, the second detecting part, the third connecting part, and the third detection along the basic ring road. Unit, 4th connecting part, 4th detecting part, 5th connecting part, 5th detecting part, 6th connecting part, 6th detecting part, 7th connecting part, 7th detecting part, The detection ring is configured by arranging the eighth connecting portion and the eighth detecting portion in this order.
The first fixed point is arranged in the first connecting part, the first point of action is arranged in the third connecting part, the second fixed point is arranged in the fifth connecting part, and the second point of action is arranged. Is placed at the 7th connecting part,
The connecting member connects the position of the first point of action of the detection ring to the receiving body and the second connecting member connecting the position of the second point of action of the detection ring to the receiving body. And have
The fixing member includes a first fixing member that fixes the position of the first fixing point of the detection ring to the support substrate, and a second fixing member that fixes the position of the second fixing point of the detection ring to the support substrate. It is made to have.

(19) 本発明の第19の態様は、上述した第18の態様に係る力覚センサにおいて、
第1の固定点が正のX軸上に配置され、第2の固定点が負のX軸上に配置され、第1の作用点が正のY軸上に配置され、第2の作用点が負のY軸上に配置されているようにしたものである。
(19) A nineteenth aspect of the present invention is the force sensor according to the eighteenth aspect described above.
The first fixed point is located on the positive X-axis, the second fixed point is located on the negative X-axis, the first point of action is located on the positive Y-axis, and the second point of action. Is arranged on the negative Y-axis.

(20) 本発明の第20の態様は、上述した第19の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングが、原点Oを中心としてXY平面に配置された正方形の環状構造体であり、Y軸に平行な方向に伸び正のX軸と交差する第1の辺と、X軸に平行な方向に伸び正のY軸と交差する第2の辺と、Y軸に平行な方向に伸び負のX軸と交差する第3の辺と、X軸に平行な方向に伸び負のY軸と交差する第4の辺と、を有し、
第1の検出点が、第1の辺の正のY座標をもつ位置に配置され、第2の検出点が、第2の辺の正のX座標をもつ位置に配置され、第3の検出点が、第2の辺の負のX座標をもつ位置に配置され、第4の検出点が、第3の辺の正のY座標をもつ位置に配置され、第5の検出点が、第3の辺の負のY座標をもつ位置に配置され、第6の検出点が、第4の辺の負のX座標をもつ位置に配置され、第7の検出点が、第4の辺の正のX座標をもつ位置に配置され、第8の検出点が、第1の辺の負のY座標をもつ位置に配置されているようにしたものである。
(20) A twentieth aspect of the present invention is the force sensor according to the nineteenth aspect described above.
The detection ring is a square annular structure arranged in the XY plane with the origin O as the center, and has a first side extending in a direction parallel to the Y axis and intersecting the positive X axis, and a direction parallel to the X axis. The second side intersects the positive Y-axis, the third side intersects the negative X-axis extending in the direction parallel to the Y-axis, and intersects the negative Y-axis extending in the direction parallel to the X-axis. Has a fourth side and
The first detection point is placed at a position having the positive Y coordinate of the first side, the second detection point is placed at the position having the positive X coordinate of the second side, and the third detection. The point is placed at a position having a negative X coordinate on the second side, the fourth detection point is placed at a position having a positive Y coordinate on the third side, and the fifth detection point is a fifth. The third side is placed at a position with a negative Y coordinate, the sixth detection point is placed at a position with a negative X coordinate on the fourth side, and the seventh detection point is on the fourth side. It is arranged at a position having a positive X coordinate, and the eighth detection point is arranged at a position having a negative Y coordinate of the first side.

(21) 本発明の第21の態様は、上述した第20の態様に係る力覚センサにおいて、
個々の検出部には、基本環状路に沿って圧縮応力が作用したときと伸張応力が作用したときとでは、静電容量値の増減が逆転する容量素子が形成されており、
第i番目の検出点に位置する第i番目の検出部に固定された変位電極を有する第i番目の容量素子の静電容量値をC1iとしたときに、
検出回路が、
X軸方向に作用した力Fxに関しては、
Fx=+C12−C13−C16+C17
なる演算式、
Y軸方向に作用した力Fyに関しては、
Fy=−C11−C14+C15+C18
なる演算式、
Z軸方向に作用した力Fzに関しては、
Fz=−(C11+C12+C13+C14+C15+C16+C17+C18) もしくは、Fz=−(C11+C13+C15+C17)
もしくは、Fz=−(C12+C14+C16+C18)
なる演算式、
X軸まわりに作用したモーメントMxに関しては、
Mx=−C11−C12−C13−C14+C15+C16+C17+C18
もしくは、Mx=−C12−C13+C16+C17
なる演算式、
Y軸まわりに作用したモーメントMyに関しては、
My=+C11+C12−C13−C14−C15−C16+C17+C18
もしくは、My=+C11−C14−C15+C18
なる演算式、
Z軸まわりに作用したモーメントMzに関しては、
Mz=−C11−C12+C13+C14−C15−C16+C17+C18
もしくは、Mz=−C11+C13−C15+C17
もしくは、Mz=−C12+C14−C16+C18
なる演算式、
に基づく演算を行うことにより、力Fx、力Fy、力Fz、モーメントMx、モーメントMy、およびモーメントMzを示す電気信号を出力するようにしたものである。
(21) The 21st aspect of the present invention is the force sensor according to the 20th aspect described above.
Capacitive elements are formed in each detection unit so that the increase and decrease of the capacitance value is reversed when compressive stress is applied and when tensile stress is applied along the basic annular path.
When the capacitance value of the i-th capacitive element having the displacement electrode fixed to the i-th detection unit located at the i-th detection point is C1i,
The detection circuit
Regarding the force Fx acting in the X-axis direction,
Fx = + C12-C13-C16 + C17
Calculation formula,
Regarding the force Fy acting in the Y-axis direction,
Fy = -C11-C14 + C15 + C18
Calculation formula,
Regarding the force Fz acting in the Z-axis direction,
Fz =-(C11 + C12 + C13 + C14 + C15 + C16 + C17 + C18) or Fz =-(C11 + C13 + C15 + C17)
Alternatively, Fz =-(C12 + C14 + C16 + C18)
Calculation formula,
Regarding the moment Mx acting around the X axis,
Mx = -C11-C12-C13-C14 + C15 + C16 + C17 + C18
Alternatively, Mx = -C12-C13 + C16 + C17
Calculation formula,
Regarding the moment My acting around the Y axis,
My = + C11 + C12-C13-C14-C15-C16 + C17 + C18
Alternatively, My = + C11-C14-C15 + C18
Calculation formula,
Regarding the moment Mz acting around the Z axis,
Mz = -C11-C12 + C13 + C14-C15-C16 + C17 + C18
Alternatively, Mz = -C11 + C13-C15 + C17
Alternatively, Mz = -C12 + C14-C16 + C18
Calculation formula,
By performing the calculation based on the above, an electric signal indicating the force Fx, the force Fy, the force Fz, the moment Mx, the moment My, and the moment Mz is output.

(22) 本発明の第22の態様は、上述した第19の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングが、原点Oを中心としてXY平面に配置された円形の環状構造体であり、
XY平面において、原点Oを起点として、X軸正方向に対して反時計まわりに角度θをなす方位ベクトルVec(θ)を定義したときに、第i番目(但し、1≦i≦8)の検出点が、方位ベクトルVec(π/8+(i−1)・π/4)と基本環状路との交点位置に配置されているようにしたものである。
(22) The 22nd aspect of the present invention is the force sensor according to the 19th aspect described above.
The detection ring is a circular annular structure arranged in the XY plane with the origin O as the center.
In the XY plane, when the azimuth vector Vec (θ) forming an angle θ counterclockwise with respect to the positive direction of the X axis is defined with the origin O as the starting point, the i-th (however, 1 ≦ i ≦ 8) The detection points are arranged at the intersections of the azimuth vector Vec (π / 8 + (i-1) · π / 4) and the basic loop path.

(23) 本発明の第23の態様は、上述した第5〜第22の態様に係る力覚センサにおいて、
検出対象となる特定の軸についての力もしくはモーメントに関して、複数n個の検出部のうち、一部は第1属性の検出部として振る舞い、他の一部は第2属性の検出部として振る舞い、
第1属性の検出部を構成する第1属性変位部は、上記特定の軸についての正の成分が作用したときに支持基板に近づく方向に変位し、上記特定の軸についての負の成分が作用したときに支持基板から遠ざかる方向に変位し、
第2属性の検出部を構成する第2属性変位部は、上記特定の軸についての正の成分が作用したときに支持基板から遠ざかる方向に変位し、上記特定の軸についての負の成分が作用したときに支持基板に近づく方向に変位し、
第1属性変位部に固定された第1属性変位電極と、支持基板の第1属性変位電極に対向する位置に固定された第1属性固定電極と、によって第1属性容量素子が構成され、
第2属性変位部に固定された第2属性変位電極と、支持基板の第2属性変位電極に対向する位置に固定された第2属性固定電極と、によって第2属性容量素子が構成され、
検出回路が、第1属性容量素子の静電容量値と、第2属性容量素子の静電容量値と、の差に相当する電気信号を、検出対象となる力もしくはモーメントの上記特定の軸についての成分を示す電気信号として出力するようにしたものである。
(23) The 23rd aspect of the present invention is the force sensor according to the 5th to 22nd aspects described above.
Regarding the force or moment about the specific axis to be detected, some of the n plurality of detection units behave as the detection unit of the first attribute, and the other part behaves as the detection unit of the second attribute.
The first attribute displacement part constituting the first attribute detection part is displaced in the direction approaching the support substrate when the positive component for the specific axis acts, and the negative component for the specific axis acts. When it is displaced, it is displaced in the direction away from the support board,
The second attribute displacement part constituting the second attribute detection part is displaced in the direction away from the support substrate when the positive component for the specific axis acts, and the negative component for the specific axis acts. When it is displaced, it is displaced toward the support substrate,
The first attribute capacitance element is composed of the first attribute displacement electrode fixed to the first attribute displacement portion and the first attribute fixed electrode fixed at a position facing the first attribute displacement electrode of the support substrate.
The second attribute capacitance element is composed of the second attribute displacement electrode fixed to the second attribute displacement portion and the second attribute fixed electrode fixed at a position facing the second attribute displacement electrode of the support substrate.
The detection circuit transmits an electric signal corresponding to the difference between the capacitance value of the first attribute capacitance element and the capacitance value of the second attribute capacitance element with respect to the specific axis of the force or moment to be detected. It is designed to be output as an electric signal indicating the components of.

(24) 本発明の第24の態様は、上述した第4〜第23の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングが、Z軸を中心軸として配置された板状部材の中央部に、貫通開口部を形成することにより得られる環状の部材に対して、部分的な材料除去加工を施すことにより得られた部材であり、この材料除去加工を施した部分によって検出部が構成されているようにしたものである。
(24) The 24th aspect of the present invention is the force sensor according to the 4th to 23rd aspects described above.
The detection ring is obtained by partially removing the material from the annular member obtained by forming a through opening in the central portion of the plate-shaped member arranged with the Z axis as the central axis. It is a member that has been subjected to this material removal process so that the detection unit is composed of the portion.

(25) 本発明の第25の態様は、上述した第4〜第24の態様に係る力覚センサにおいて、
第1の変形部、第2の変形部、変位部を有する検出部が、一方の連結部端部と他方の連結部端部との間に配置されており、
第1の変形部は、可撓性を有する第1の板状片によって構成され、第2の変形部は、可撓性を有する第2の板状片によって構成され、変位部は、第3の板状片によって構成され、
第1の板状片の外側端は、一方の連結部端部に接続され、第1の板状片の内側端は、第3の板状片の一端に接続され、第2の板状片の外側端は、他方の連結部端部に接続され、第2の板状片の内側端は、第3の板状片の他端に接続されているようにしたものである。
(25) The 25th aspect of the present invention is the force sensor according to the 4th to 24th aspects described above.
A detection unit having a first deformed portion, a second deformed portion, and a displacement portion is arranged between one connecting portion end portion and the other connecting portion end portion.
The first deformed portion is composed of a first plate-shaped piece having flexibility, the second deformed portion is composed of a second plate-shaped piece having flexibility, and the displacement portion is a third. Consists of plate-shaped pieces of
The outer end of the first plate-shaped piece is connected to one end of the connecting portion, the inner end of the first plate-shaped piece is connected to one end of the third plate-shaped piece, and the second plate-shaped piece is connected. The outer end of the second plate-shaped piece is connected to the other end of the connecting portion, and the inner end of the second plate-shaped piece is connected to the other end of the third plate-shaped piece.

(26) 本発明の第26の態様は、上述した第25の態様に係る力覚センサにおいて、
力もしくはモーメントが作用していない状態において、第3の板状片の対向面と支持基板の対向面とが平行を維持するようにしたものである。
(26) The 26th aspect of the present invention is the force sensor according to the 25th aspect described above.
In a state where no force or moment is applied, the facing surface of the third plate-shaped piece and the facing surface of the support substrate are maintained in parallel.

(27) 本発明の第27の態様は、上述した第26の態様に係る力覚センサにおいて、
検出点の位置にXY平面に直交する法線を立てたときに、当該検出点に位置する検出部を構成する第1の板状片および第2の板状片が、法線に対して傾斜しており、かつ、第1の板状片の傾斜方向と第2の板状片の傾斜方向とが逆向きとなっているようにしたものである。
(27) A 27th aspect of the present invention is the force sensor according to the 26th aspect described above.
When a normal line orthogonal to the XY plane is set at the position of the detection point, the first plate-shaped piece and the second plate-shaped piece constituting the detection unit located at the detection point are inclined with respect to the normal line. In addition, the tilting direction of the first plate-shaped piece and the tilting direction of the second plate-shaped piece are opposite to each other.

(28) 本発明の第28の態様は、上述した第3〜第27の態様に係る力覚センサにおいて、
作用点、もしくは、座標系の原点Oと作用点とを結ぶ線に沿って作用点を移動させた移動点、を通りZ軸に平行な接続参照線を定義したときに、接続参照線もしくはその近傍に沿って、検出リングもしくは受力体の下面と支持基板の上面とを接続する補助接続部材を更に設けるようにしたものである。
(28) The 28th aspect of the present invention is the force sensor according to the 3rd to 27th aspects described above.
When a connection reference line parallel to the Z axis is defined through the action point or the movement point where the action point is moved along the line connecting the origin O of the coordinate system and the action point, the connection reference line or its Along the vicinity, an auxiliary connecting member for connecting the lower surface of the detection ring or the receiving body and the upper surface of the support substrate is further provided.

(29) 本発明の第29の態様は、上述した第28の態様に係る力覚センサにおいて、
補助接続部材として、接続参照線に沿った方向に力が作用したときに比べて、接続参照線に直交する方向に力が作用したときの方が、弾性変形を生じ易い部材を用いるようにしたものである。
(29) The 29th aspect of the present invention is the force sensor according to the 28th aspect described above.
As the auxiliary connection member, a member that is more likely to undergo elastic deformation when a force is applied in a direction orthogonal to the connection reference line is used than when a force is applied in a direction along the connection reference line. It is a thing.

(30) 本発明の第30の態様は、上述した第28または第29の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングもしくは受力体の補助接続部材に対する接続部分、もしくは、支持基板の補助接続部材に対する接続部分、または、これら接続部分の双方を、ダイアフラム部によって構成し、力もしくはモーメントの作用に基づくダイアフラム部の変形によって補助接続部材が接続参照線に対して傾斜するようにしたものである。
(30) A thirtieth aspect of the present invention is the force sensor according to the 28th or 29th aspect described above.
The connection portion of the detection ring or the receiving body to the auxiliary connecting member, the connecting portion of the support substrate to the auxiliary connecting member, or both of these connecting portions are formed by a diaphragm portion, and the diaphragm portion is based on the action of a force or a moment. The auxiliary connecting member is tilted with respect to the connection reference line due to the deformation of.

(31) 本発明の第31の態様は、上述した第2〜第30の態様に係る力覚センサにおいて、
力もしくはモーメントが作用した結果、固定電極に対して変位電極が平行移動した場合にも、容量素子を構成する一対の電極の実効対向面積が変化しないように、固定電極および変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定するようにしたものである。
(31) The 31st aspect of the present invention is the force sensor according to the 2nd to 30th aspects described above.
One of the fixed electrode and the displacement electrode so that the effective facing area of the pair of electrodes constituting the capacitive element does not change even when the displacement electrode is translated with respect to the fixed electrode as a result of the action of a force or moment. The area of is set larger than the area of the other.

(32) 本発明の第32の態様は、上述した第2〜第31の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リング、支持体、受力体が導電性材料により構成されており、変位電極が検出リングの表面に絶縁層を介して形成されており、固定電極が支持体もしくは受力体の表面に絶縁層を介して形成されているようにしたものである。
(32) The 32nd aspect of the present invention is the force sensor according to the 2nd to 31st aspects described above.
The detection ring, support, and receiver are made of a conductive material, the displacement electrode is formed on the surface of the detection ring via an insulating layer, and the fixed electrode is insulated on the surface of the support or receiver. It is made to be formed through layers.

(33) 本発明の第33の態様は、上述した第2〜第32の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リング、支持体、受力体が導電性材料により構成されており、検出リングの表面の一部の領域によって変位電極を構成するか、もしくは、支持体もしくは受力体の表面の一部の領域によって固定電極を構成したものである。
(33) The 33rd aspect of the present invention is the force sensor according to the 2nd to 32nd aspects described above.
The detection ring, the support, and the receiving body are made of a conductive material, and a displacement electrode is formed by a part of the surface of the detection ring, or a part of the surface of the support or the receiving body. The fixed electrode is configured by the region.

(34) 本発明の第34の態様は、上述した第1の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子が、検出部の弾性変形を生じる位置に固定されたストレインゲージによって構成されており、
検出回路が、ストレインゲージの電気抵抗の変動に基づいて、作用した力もしくはモーメントを示す電気信号を出力するようにしたものである。
(34) A thirty-fourth aspect of the present invention is the force sensor according to the first aspect described above.
The detection element is composed of a strain gauge fixed at a position where elastic deformation of the detection unit occurs.
The detection circuit outputs an electric signal indicating the acting force or moment based on the fluctuation of the electric resistance of the strain gauge.

(35) 本発明の第35の態様は、上述した第34の態様に係る力覚センサにおいて、
検出部が、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により弾性変形を生じる板状変形部を有し、板状変形部はその板面が基本環状路に対して傾斜するように配置されているようにしたものである。
(35) The 35th aspect of the present invention is the force sensor according to the 34th aspect described above.
It seems that the detection part has a plate-like deformation part that causes elastic deformation by the action of a force or moment to be detected, and the plate-like deformation part is arranged so that the plate surface is inclined with respect to the basic ring road. It is the one that was made.

(36) 本発明の第36の態様は、上述した第35の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子が、板状変形部の連結部に対する接続端近傍の両面に配置されたストレインゲージによって構成されているようにしたものである。
(36) The 36th aspect of the present invention is the force sensor according to the 35th aspect described above.
The detection element is configured by strain gauges arranged on both sides in the vicinity of the connection end of the plate-shaped deformed portion with respect to the connecting portion.

(37) 本発明の第37の態様は、上述した第36の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子が、連結部に対する第1の接続端近傍の表側の面および裏側の面にそれぞれ配置された第1のストレインゲージおよび第2のストレインゲージと、連結部に対する第2の接続端近傍の表側の面および裏側の面にそれぞれ配置された第3のストレインゲージおよび第4のストレインゲージと、を有し、
検出回路が、第1のストレインゲージと第4のストレインゲージとを第1の対辺とし、第2のストレインゲージと第3のストレインゲージとを第2の対辺とするブリッジ回路のブリッジ電圧を検出するようにしたものである。
(37) A thirty-seventh aspect of the present invention is the force sensor according to the thirty-sixth aspect described above.
The detection elements are the first strain gauge and the second strain gauge arranged on the front side surface and the back side surface near the first connection end with respect to the connecting portion, respectively, and the front side near the second connection end with respect to the connecting portion. It has a third strain gauge and a fourth strain gauge, which are arranged on the front surface and the back surface, respectively.
The detection circuit detects the bridge voltage of the bridge circuit having the first strain gauge and the fourth strain gauge as the first opposite side and the second strain gauge and the third strain gauge as the second opposite side. It was made like this.

(38) 本発明の第38の態様は、上述した第1〜第19、第34〜第37の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングが、Z軸を中心軸としてXY平面に配置された円を基本環状路とする環状構造体であり、
支持体が、Z軸を中心軸としてZ軸負領域に配置された円形の板状構造体もしくは環状構造体であり、
受力体が、Z軸を中心軸としてZ軸正領域に配置された円形の板状構造体もしくは環状構造体、またはZ軸を中心軸としてXY平面に配置された円形の板状構造体もしくは環状構造体であるようにしたものである。
(38) A 38th aspect of the present invention is the force sensor according to the 1st to 19th and 34th to 37th aspects described above.
The detection ring is an annular structure having a circle arranged in the XY plane with the Z axis as the central axis as the basic annular path.
The support is a circular plate-like structure or an annular structure arranged in the Z-axis negative region with the Z-axis as the central axis.
The receiving body is a circular plate-like structure or an annular structure arranged in the Z-axis positive region with the Z-axis as the central axis, or a circular plate-like structure or an annular structure arranged in the XY plane with the Z-axis as the central axis. It is made to be an annular structure.

(39) 本発明の第39の態様は、上述した第1〜第19、第34〜第37の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングが、Z軸を中心軸としてXY平面に配置された正方形を基本環状路とする環状構造体であり、
支持体が、Z軸を中心軸としてZ軸負領域に配置された正方形の板状構造体もしくは環状構造体であり、
受力体が、Z軸を中心軸としてZ軸正領域に配置された正方形の板状構造体もしくは環状構造体、またはZ軸を中心軸としてXY平面に配置された正方形の板状構造体もしくは環状構造体であるようにしたものである。
(39) A 39th aspect of the present invention is the force sensor according to the 1st to 19th and 34th to 37th aspects described above.
The detection ring is an annular structure having a square as a basic annular path arranged in the XY plane with the Z axis as the central axis.
The support is a square plate-like structure or an annular structure arranged in the Z-axis negative region with the Z-axis as the central axis.
The receiving body is a square plate-like structure or an annular structure arranged in the Z-axis positive region with the Z-axis as the central axis, or a square plate-like structure or an annular structure arranged in the XY plane with the Z-axis as the central axis. It is made to be an annular structure.

(40) 本発明の第40の態様は、上述した第1〜第39の態様に係る力覚センサにおいて、
受力体が、内部に検出リングを収容可能な環状構造体であり、受力体が検出リングの外側に配置されているようにしたものである。
(40) The 40th aspect of the present invention is the force sensor according to the 1st to 39th aspects described above.
The receiving body is an annular structure capable of accommodating the detection ring inside, and the receiving body is arranged outside the detection ring.

(41) 本発明の第41の態様は、上述した第1〜第39の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングが、内部に受力体を収容可能な環状構造体であり、受力体が検出リングの内側に配置されているようにしたものである。
(41) The 41st aspect of the present invention is the force sensor according to the 1st to 39th aspects described above.
The detection ring is an annular structure capable of accommodating the receiving body inside, and the receiving body is arranged inside the detection ring.

(42) 本発明の第42の態様は、上述した第1〜第39の態様に係る力覚センサにおいて、
XY平面を水平面にとり、Z軸を垂直上方に向かう軸としたときに、検出リングがXY平面に配置され、支持体が検出リングの下方に所定間隔をおいて配置され、受力体が検出リングの上方に所定間隔をおいて配置されているようにしたものである。
(42) A 42nd aspect of the present invention is the force sensor according to the 1st to 39th aspects described above.
When the XY plane is a horizontal plane and the Z axis is an axis vertically upward, the detection ring is arranged on the XY plane, the supports are arranged below the detection ring at predetermined intervals, and the receiving body is the detection ring. It is arranged above the above at a predetermined interval.

本発明に係る力覚センサでは、環状構造を有する検出リングの変形態様に基づいて、作用した力やモーメントの検出が行われる。この検出リングは、弾性変形を生じる検出部と、この検出部の両側に位置する連結部と、を有しており、検出対象となる力もしくはモーメントが作用すると、検出部に集中的に弾性変形が生じることになる。ここで、検出部に生じる弾性変形の態様は、検出部の形状や構造を工夫することにより自由に設定可能である。このため、構造が単純でありながら、検出素子の配置の自由度を向上させることができ、高い生産効率が実現可能な力覚センサを提供することが可能になる。 In the force sensor according to the present invention, the applied force and moment are detected based on the deformation mode of the detection ring having an annular structure. This detection ring has a detection unit that causes elastic deformation and connecting portions located on both sides of the detection unit, and when a force or moment to be detected acts on the detection unit, the detection unit is intensively elastically deformed. Will occur. Here, the mode of elastic deformation occurring in the detection unit can be freely set by devising the shape and structure of the detection unit. Therefore, although the structure is simple, the degree of freedom in arranging the detection elements can be improved, and it becomes possible to provide a force sensor capable of achieving high production efficiency.

検出部の弾性変形に基づく変位を電気的に検出する場合、検出素子として容量素子を採用することができる。この場合、検出部の形状や構造を工夫することにより、容量素子の配置を自由に設定することができる。具体的には、検出リング側の変位電極の形成面の位置や向きを自由に設定できるため、生産効率を高める上で効果的な設計が可能になる。また、特定の座標軸方向の力や特定の座標軸まわりのモーメントが作用したときに、検出部の一部が特定方向に変位を生じるような設計が可能になるため、検出対象となる力やモーメントの任意の方向成分を効率的に検出する力覚センサを設計することができる。 When electrically detecting the displacement based on the elastic deformation of the detection unit, a capacitive element can be adopted as the detection element. In this case, the arrangement of the capacitive elements can be freely set by devising the shape and structure of the detection unit. Specifically, since the position and orientation of the formation surface of the displacement electrode on the detection ring side can be freely set, effective design can be performed in order to improve production efficiency. In addition, when a force in a specific coordinate axis direction or a moment around a specific coordinate axis acts, it is possible to design a part of the detection unit to be displaced in a specific direction, so that the force or moment to be detected can be detected. A force sensor that efficiently detects an arbitrary directional component can be designed.

また、検出部の弾性変形に基づく応力歪みを電気的に検出する場合、検出素子としてストレインゲージを採用することができる。この場合も、検出部の形状や構造を工夫することにより、ストレインゲージの配置を自由に設定することができるので、生産効率を高める上で効果的な設計が可能になる。したがって、検出素子としてストレインゲージを採用した場合も、検出対象となる力やモーメントの任意の方向成分を効率的に検出する力覚センサを設計することができる。 Further, when the stress strain based on the elastic deformation of the detection unit is electrically detected, a strain gauge can be adopted as the detection element. In this case as well, by devising the shape and structure of the detection unit, the arrangement of the strain gauge can be freely set, so that an effective design can be performed in order to improve the production efficiency. Therefore, even when a strain gauge is used as the detection element, it is possible to design a force sensor that efficiently detects an arbitrary directional component of a force or moment to be detected.

先願力覚センサの基本構造部の上面図(上段の図)および側面図(下段の図)である。It is a top view (upper view) and a side view (lower view) of the basic structure part of the prior application force sensor. 図1に示す基本構造部をXY平面で切断した横断面図(上段の図)およびXZ平面で切断した縦断面図(下段の図)である。It is a cross-sectional view (upper view) of the basic structural portion shown in FIG. 1 cut in the XY plane and a vertical cross-sectional view (lower view) cut in the XZ plane. 図1に示す基本構造部の支持基板300および固定部材510,520の上面図(上段の図)、ならびに、この基本構造部をYZ平面で切断した縦断面図(下段の図)である。It is a top view (upper view) of the support substrate 300 and the fixing members 510 and 520 of the basic structure part shown in FIG. 1, and a vertical cross-sectional view (lower view) of the basic structure part cut in a YZ plane. 図1に示す基本構造部の受力体100にX軸正方向の力+Fxが作用したときの変形状態を示すXY平面における横断面図(上段の図)およびXZ平面における縦断面図(下段の図)である。A cross-sectional view in the XY plane (upper view) and a vertical cross-sectional view in the XZ plane (lower) showing the deformation state when a force + Fx in the positive direction of the X axis is applied to the receiving body 100 of the basic structure shown in FIG. Figure). 図1に示す基本構造部の受力体100にZ軸正方向の力+Fzが作用したときの変形状態を示すXZ平面における縦断面図である。It is a vertical cross-sectional view in the XZ plane which shows the deformation state when the force + Fz in the Z-axis positive direction is applied to the receiving body 100 of the basic structure part shown in FIG. 図1に示す基本構造部の受力体100にY軸正まわりのモーメント+Myが作用したときの変形状態を示すXZ平面における縦断面図である。It is a vertical cross-sectional view in the XZ plane which shows the deformation state when the moment + My about the positive direction of the Y axis acts on the receiving body 100 of the basic structure part shown in FIG. 図1に示す基本構造部の受力体100にZ軸正まわりのモーメント+Mzが作用したときの変形状態を示すXY平面における横断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view on an XY plane showing a deformed state when a moment + Mz around the Z-axis is applied to a receiving body 100 of the basic structural portion shown in FIG. 図1に示す基本構造部に、変位検出用の固定補助体350を付加した実施形態を示す上面図(上段の図)および側面図(下段の図)である。It is a top view (upper view) and side view (lower view) showing an embodiment in which a fixing auxiliary body 350 for displacement detection is added to the basic structure portion shown in FIG. 1. 図8に示す基本構造部をXY平面で切断した横断面図(上段の図)およびVZ平面で切断した縦断面図(下段の図)である。It is a cross-sectional view (upper view) of the basic structural portion shown in FIG. 8 cut in the XY plane and a vertical cross-sectional view (lower view) cut in the VZ plane. 図8に示す基本構造部における距離測定箇所を示す上面図である。It is a top view which shows the distance measurement part in the basic structure part shown in FIG. 図10に示す基本構造部に対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの距離d1〜d8の変化を示すテーブルである。It is a table which shows the change of the distance d1 to d8 when the force in each coordinate axis direction and the moment around each coordinate axis act on the basic structure part shown in FIG. 図9に示す基本構造部に容量素子を付加して構成される力覚センサを、XY平面で切断した横断面図(上段の図)およびVZ平面で切断した縦断面図(下段の図)である。The force sensor configured by adding a capacitance element to the basic structure shown in FIG. 9 is shown in a cross-sectional view (upper view) cut in the XY plane and a vertical cross-sectional view (lower view) cut in the VZ plane. is there. 本発明の第1の実施形態に係る力覚センサに用いる検出リング600の斜視図(図(a) )、側面図(図(b) )、下面図(図(c) )である。It is a perspective view (FIG. (A)), a side view (FIG. (B)), and a bottom view (FIG. (C)) of the detection ring 600 used for the force sensor according to the 1st Embodiment of this invention. 図13に示す検出リング600の領域分布を示す上面図である(網目状のハッチングは、検出部D1〜D4の領域を示すためのものであり、断面を示すものではない)。It is a top view which shows the region distribution of the detection ring 600 shown in FIG. 13 (the mesh-like hatching is for showing the region of detection part D1 to D4, and does not show the cross section). 図13に示す検出リング600について、XY平面上に定義された基本環状路Bおよびこの基本環状路B上に定義された各点を示す平面図である。It is a top view which shows the basic ring road B defined on the XY plane and each point defined on this basic ring road B about the detection ring 600 shown in FIG. 本発明の第1の実施形態に係る力覚センサの基本構造部の上面図(上段の図)およびこれをXZ平面で切断した側断面図(下段の図)である。It is the top view (upper view) of the basic structure part of the force sensor which concerns on 1st Embodiment of this invention, and the side sectional view (lower figure) which cut it in the XZ plane. 図13に示す検出リング600の検出部D1〜D4(代表して符号Dで示す)の詳細構造を示す部分断面図である。FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing a detailed structure of detection units D1 to D4 (representatively indicated by reference numerals D) of the detection ring 600 shown in FIG. 図13に示す検出リング600の検出部D1〜D4(代表して符号Dで示す)およびこれに対向する支持基板300の所定部分に電極を設けた詳細構造を示す部分断面図である。FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing a detailed structure in which electrodes are provided in predetermined portions of detection portions D1 to D4 (typically indicated by reference numerals D) of the detection ring 600 shown in FIG. 13 and a support substrate 300 facing the detection portions D1 to D4. 固定電極に対する変位電極の相対位置が変化した場合にも、容量素子の実効面積を一定に維持する原理を示す図である。It is a figure which shows the principle of keeping the effective area of a capacitive element constant even when the relative position of a displacement electrode with respect to a fixed electrode changes. 図16に示す第1の実施形態における受力体100に、各軸方向の力もしくは各軸まわりのモーメントが作用したときの各容量素子の静電容量値の変動量(増減の程度)を示すテーブルである。The amount of change (degree of increase / decrease) in the capacitance value of each capacitive element when a force in each axial direction or a moment around each axis is applied to the receiving body 100 in the first embodiment shown in FIG. It is a table. 図20に示すテーブルにおける(−)および(+)の欄を近似的に零に置き換えることにより得られるテーブルである。It is a table obtained by approximately replacing the columns (−) and (+) in the table shown in FIG. 20 with zeros. 図21に示すテーブルに基づいて、図16に示す第1の実施形態における受力体100に作用した力FzおよびモーメントMx,My,Mzの4軸成分を算出する演算式を示す図である。It is a figure which shows the arithmetic expression which calculates the 4-axis component of the force Fz and the moment Mx, My, Mz acting on the receiving body 100 in 1st Embodiment shown in FIG. 16 based on the table shown in FIG. 図22に示す演算式に基づいて、力FzおよびモーメントMx,My,Mzの4軸成分を示す電気信号を出力する検出回路の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the detection circuit which outputs the electric signal which shows the 4-axis component of a force Fz and a moment Mx, My, Mz based on the arithmetic expression shown in FIG. 本発明の第2の実施形態に係る力覚センサに用いる検出リング700の下面図である。It is a bottom view of the detection ring 700 used for the force sensor which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 図24に示す検出リング700の領域分布を示す上面図である(網目状のハッチングは、検出部D11〜D18の領域を示すためのものであり、断面を示すものではない)。It is a top view which shows the region distribution of the detection ring 700 shown in FIG. 24 (the mesh-like hatching is for showing the region of detection part D11 D18, and does not show the cross section). 図24に示す検出リング700のXY平面上の位置に定義された基本環状路Bおよびこの基本環状路B上に定義された各点を示す平面図である。It is a top view which shows the basic ring road B defined at the position on the XY plane of the detection ring 700 shown in FIG. 24, and each point defined on this basic ring road B. 本発明の第2の実施形態に係る力覚センサの基本構造部の上面図である。It is a top view of the basic structure part of the force sensor which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 図27に示す第2の実施形態における受力体100に、各軸方向の力もしくは各軸まわりのモーメントが作用したときの各容量素子の静電容量値の変動量(増減の程度)を示すテーブルである。The amount of change (degree of increase / decrease) in the capacitance value of each capacitive element when a force in each axial direction or a moment around each axis is applied to the receiving body 100 in the second embodiment shown in FIG. 27 is shown. It is a table. 図28に示すテーブルに基づいて、図27に示す第2の実施形態における受力体100に作用した力Fx,Fy,FzおよびモーメントMx,My,Mzの6軸成分を算出する演算式を示す図である。Based on the table shown in FIG. 28, an arithmetic formula for calculating the six-axis components of the forces Fx, Fy, Fz and the moments Mx, My, Mz acting on the receiving body 100 in the second embodiment shown in FIG. 27 is shown. It is a figure. 図29に示す演算式のバリエーションを示す図である。It is a figure which shows the variation of the arithmetic expression shown in FIG. 本発明の第3の実施形態に係る力覚センサの基本構造部の下面図(上段の図)およびこれをXZ平面で切断した側断面図(下段の図)である。It is a bottom view (upper view) of the basic structure part of the force sensor according to the third embodiment of the present invention, and a side sectional view (lower view) obtained by cutting the basic structure portion in the XZ plane. 図31に示す第3の実施形態における受力体100に、各軸方向の力もしくは各軸まわりのモーメントが作用したときの各容量素子の静電容量値の変動量(増減の程度)を示すテーブルである。The amount of change (degree of increase / decrease) in the capacitance value of each capacitive element when a force in each axial direction or a moment around each axis is applied to the receiving body 100 in the third embodiment shown in FIG. 31 is shown. It is a table. 図31に示す第3の実施形態における補助接続部材532の取り付け部分に関する変形例を示す部分側断面図である。It is a partial side sectional view which shows the modification about the attachment part of the auxiliary connection member 532 in 3rd Embodiment shown in FIG. 図24に示す第2の実施形態と図31に示す第3の実施形態との組み合わせに係る実施形態の受力体100に、各軸方向の力もしくは各軸まわりのモーメントが作用したときの各容量素子の静電容量値の変動量(増減の程度)を示すテーブルである。When a force in each axial direction or a moment around each axis acts on the receiving body 100 of the embodiment according to the combination of the second embodiment shown in FIG. 24 and the third embodiment shown in FIG. 31 It is a table which shows the fluctuation amount (the degree of increase / decrease) of the capacitance value of a capacitive element. 本発明の第4の実施形態に係る力覚センサに用いる正方形状の検出リング700Sの上面図である。It is a top view of the square detection ring 700S used for the force sensor which concerns on 4th Embodiment of this invention. 図35に示す検出リング700Sの領域分布を示す上面図である(網目状のハッチングは、検出部D11S〜D18Sの領域を示すためのものであり、断面を示すものではない)。It is a top view which shows the region distribution of the detection ring 700S shown in FIG. 35 (the mesh-like hatching is for showing the region of detection part D11S to D18S, and does not show the cross section). 図35に示す検出リング700SのXY平面上の位置に定義された基本環状路BSおよびこの基本環状路BS上に定義された各点を示す平面図である。It is a top view which shows the basic ring road BS defined at the position on the XY plane of the detection ring 700S shown in FIG. 35, and each point defined on this basic ring road BS. 図35に示す第4の実施形態における受力体に、各軸方向の力もしくは各軸まわりのモーメントが作用したときの各容量素子の静電容量値の変動量(増減の程度)を示すテーブルである。A table showing the amount of change (degree of increase / decrease) in the capacitance value of each capacitive element when a force in each axial direction or a moment around each axis acts on the receiving body according to the fourth embodiment shown in FIG. 35. Is. 図38に示すテーブルに基づいて、図35に示す第4の実施形態における受力体に作用した力Fx,Fy,FzおよびモーメントMx,My,Mzの6軸成分を算出する演算式を示す図である。Based on the table shown in FIG. 38, a diagram showing an arithmetic formula for calculating the six-axis components of the forces Fx, Fy, Fz and the moments Mx, My, Mz acting on the receiving body in the fourth embodiment shown in FIG. 35. Is. 図39に示す演算式のバリエーションを示す図である。It is a figure which shows the variation of the arithmetic expression shown in FIG. 39. 本発明の第5の実施形態に係る力覚センサの基本構造部の上面図である。It is a top view of the basic structure part of the force sensor which concerns on 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6の実施形態に係る力覚センサの基本構造部の上面図(上段の図)およびこれをXZ平面で切断した側断面図(下段の図)である。It is the top view (upper view) of the basic structure part of the force sensor which concerns on 6th Embodiment of this invention, and the side sectional view (lower figure) which cut it in the XZ plane. 本発明の第7の実施形態に係る力覚センサの基本構造部の上面図(上段の図)およびこれをXZ平面で切断した側断面図(下段の図)である。It is the top view (upper view) of the basic structure part of the force sensor which concerns on 7th Embodiment of this invention, and the side sectional view (lower figure) which cut it in the XZ plane. 本発明における検出部の構造のバリエーションを示す部分断面図である。It is a partial cross-sectional view which shows the variation of the structure of the detection part in this invention. 図16に示す第1の実施形態における検出リング600の代わりに、検出部の向きを変えた検出リング800を用いた変形例に係る力覚センサの基本構造部の上面図(上段の図)およびこれをXZ平面で切断した側断面図(下段の図)である。Top view (upper section) of the basic structural part of the force sensor according to the modified example in which the detection ring 800 in which the direction of the detection part is changed is used instead of the detection ring 600 in the first embodiment shown in FIG. It is a side sectional view (lower view) which cut this in the XZ plane. 図44(c) 示す検出部DDを構成する板状変形部80の弾性変形の態様を示す部分断面図である。FIG. 44 (c) is a partial cross-sectional view showing an mode of elastic deformation of the plate-shaped deformed portion 80 constituting the detection portion DD shown in FIG. 44 (c). 図44(c) 示す検出部DDに生じた弾性変形を検出する検出素子としてストレインゲージを用いた例を示す側面図(図(a) )および上面図(図(b) )である。FIG. 44 (c) is a side view (FIG. (A)) and a top view (FIG. (B)) showing an example in which a strain gauge is used as a detection element for detecting elastic deformation generated in the detection unit DD shown in FIG. 44 (c). 図47に示す4組のストレインゲージの検出結果に基づいて電気信号を出力するブリッジ回路を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the bridge circuit which outputs the electric signal based on the detection result of 4 sets of strain gauges shown in FIG. 47.

以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。なお、本発明は、前掲の特許文献7(国際公開第WO2013/014803号公報)に開示されている先願力覚センサを改良した発明である。そこで、説明の便宜上、まず、以下の§1,§2において、先願力覚センサについての説明を行い、本発明の特徴については、§3以降で述べることにする。 Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiment. It should be noted that the present invention is an improved invention of the prior application force sensor disclosed in Patent Document 7 (International Publication No. WO 2013/014803) described above. Therefore, for convenience of explanation, first, the prior application force sensor will be described in §1 and §2 below, and the features of the present invention will be described in §3 and subsequent sections.

<<< §1. 先願力覚センサの基本構造部の特徴 >>>
図1は、先願力覚センサの基本構造部の上面図(上段の図)および側面図(下段の図)である。上面図では、図の右方向にX軸、図の上方向にY軸が配置されており、紙面に垂直な手前方向がZ軸方向になる。一方、側面図では、図の右方向にX軸、図の上方向にZ軸が配置されており、紙面に垂直な奥行き方向がY軸方向になる。図示のとおり、この基本構造部は、受力体100、検出リング200、支持基板300、接続部材410,420、固定部材510,520によって構成されている。
<<< §1. Features of the basic structure of the first-to-file force sensor >>>
FIG. 1 is a top view (upper view) and a side view (lower view) of the basic structure of the prior application force sensor. In the top view, the X-axis is arranged on the right side of the figure and the Y-axis is arranged on the upper side of the figure, and the front direction perpendicular to the paper surface is the Z-axis direction. On the other hand, in the side view, the X-axis is arranged in the right direction of the figure and the Z-axis is arranged in the upper direction of the figure, and the depth direction perpendicular to the paper surface is the Y-axis direction. As shown in the figure, this basic structural part is composed of a receiving body 100, a detection ring 200, a support substrate 300, connecting members 410 and 420, and fixing members 510 and 520.

受力体100は、Z軸が中心軸となるようにXY平面上に配置された円形平板状(ワッシャ状)のリングであり、外周面も内周面も円柱面を構成する。受力体100の役割は、検出対象となる力もしくはモーメントの作用を受け、これを検出リング200に伝達することにある。 The receiving body 100 is a circular flat plate-shaped (washer-shaped) ring arranged on an XY plane so that the Z-axis is the central axis, and both the outer peripheral surface and the inner peripheral surface form a cylindrical surface. The role of the receiving body 100 is to receive the action of the force or moment to be detected and transmit this to the detection ring 200.

一方、検出リング200は、受力体100と同様に、Z軸が中心軸となるようにXY平面上に配置された円形平板状(ワッシャ状)のリングであり、外周面も内周面も円柱面を構成する。ここに示す例の場合、検出リング200は、受力体100の内側に配置されている。すなわち、受力体100はXY平面上に配置された外側リング、検出リング200はXY平面上に配置された内側リングということになる。ここで、検出リング200の特徴は、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により弾性変形を生じる点である。 On the other hand, the detection ring 200 is a circular flat plate-shaped (washer-shaped) ring arranged on the XY plane so that the Z axis is the central axis, like the receiving body 100, and has both an outer peripheral surface and an inner peripheral surface. It constitutes a cylindrical surface. In the case of the example shown here, the detection ring 200 is arranged inside the receiving body 100. That is, the receiving body 100 is an outer ring arranged on the XY plane, and the detection ring 200 is an inner ring arranged on the XY plane. Here, the feature of the detection ring 200 is that elastic deformation occurs due to the action of a force or moment to be detected.

接続部材410,420は、受力体100と検出リング200とを接続するための部材である。図示の例の場合、接続部材410は、X軸正領域に沿った位置において、受力体100の内周面と検出リング200の外周面とを接続し、接続部材420は、X軸負領域に沿った位置において、受力体100の内周面と検出リング200の外周面とを接続している。したがって、受力体100と検出リング200との間には、図示のとおり空隙部H1が確保されており、検出リング200の内側には、図示のとおり空隙部H2が確保されている。 The connecting members 410 and 420 are members for connecting the receiving body 100 and the detection ring 200. In the case of the illustrated example, the connecting member 410 connects the inner peripheral surface of the receiving body 100 and the outer peripheral surface of the detection ring 200 at a position along the X-axis positive region, and the connecting member 420 connects the X-axis negative region. The inner peripheral surface of the receiving body 100 and the outer peripheral surface of the detection ring 200 are connected at a position along the above. Therefore, a gap H1 is secured between the receiving body 100 and the detection ring 200 as shown in the figure, and a gap H2 is secured inside the detection ring 200 as shown in the figure.

図1の下段に示す側面図を見れば明らかなように、この例の場合、受力体100と検出リング200の厚み(Z軸方向の寸法)は同じであり、側面図では、検出リング200は受力体100の内側に完全に隠れた状態になっている。両リングの厚みは、必ずしも同じにする必要はないが、薄型センサ(Z軸方向の寸法ができるだけ小さいセンサ)を実現する上では、両リングを同じ厚みにするのが好ましい。 As is clear from the side view shown in the lower part of FIG. 1, in this example, the thickness (dimension in the Z-axis direction) of the receiving body 100 and the detection ring 200 is the same, and in the side view, the detection ring 200 Is completely hidden inside the receiving body 100. The thickness of both rings does not necessarily have to be the same, but in order to realize a thin sensor (a sensor having a dimension as small as possible in the Z-axis direction), it is preferable that both rings have the same thickness.

支持基板300は、径が受力体100の外径と等しい円盤状の基板であり、XY平面に平行な上面をもち、受力体100および検出リング200の下方に所定間隔をおいて配置される。固定部材510,520は、検出リング200を支持基板300に固定するための部材である。側面図では、固定部材510は固定部材520の奥に隠れて現れていないが、固定部材510,520は、検出リング200の下面と支持基板300の上面とを接続する役割を果たす。上面図に破線で示されているとおり、固定部材510,520は、Y軸に沿った位置に配置されている。 The support substrate 300 is a disk-shaped substrate having a diameter equal to the outer diameter of the receiving body 100, has an upper surface parallel to the XY plane, and is arranged below the receiving body 100 and the detection ring 200 at predetermined intervals. To. The fixing members 510 and 520 are members for fixing the detection ring 200 to the support substrate 300. In the side view, the fixing member 510 is hidden behind the fixing member 520 and does not appear, but the fixing members 510 and 520 serve to connect the lower surface of the detection ring 200 and the upper surface of the support substrate 300. As shown by the broken line in the top view, the fixing members 510 and 520 are arranged at positions along the Y axis.

図2は、図1に示す基本構造部をXY平面で切断した横断面図(上段の図)およびXZ平面で切断した縦断面図(下段の図)である。XY平面で切断した横断面図の中心には、XYZ三次元直交座標系の原点Oが示されている。この図2では、検出リング200が、左右2カ所において、X軸に沿って配置された接続部材410,420を介して受力体100に接続されている状態が明瞭に示されている。 FIG. 2 is a cross-sectional view (upper view) of the basic structural portion shown in FIG. 1 cut in the XY plane and a vertical cross-sectional view (lower view) cut in the XZ plane. The origin O of the XYZ three-dimensional Cartesian coordinate system is shown at the center of the cross-sectional view cut along the XY plane. In FIG. 2, the state in which the detection ring 200 is connected to the receiving body 100 via the connecting members 410 and 420 arranged along the X axis at two positions on the left and right is clearly shown.

図3は、図1に示す基本構造部の支持基板300および固定部材510,520の上面図(上段の図)、ならびに、この基本構造部をYZ平面で切断した縦断面図(下段の図)である。図3の上面図は、図1の上面図を反時計まわりに90°回転させた状態に相当し、Y軸が左方向にとられている。また、図3の上面図では、検出リング200の位置が破線で示されている。一方、図3の縦断面図には、固定部材510,520によって、支持基板300の上方に検出リング200が固定されている状態が明瞭に示されている。 FIG. 3 is a top view (upper view) of the support substrate 300 and the fixing members 510 and 520 of the basic structure shown in FIG. 1, and a vertical cross-sectional view (lower view) of the basic structure cut along a YZ plane. Is. The top view of FIG. 3 corresponds to a state in which the top view of FIG. 1 is rotated 90 ° counterclockwise, and the Y axis is taken to the left. Further, in the top view of FIG. 3, the position of the detection ring 200 is indicated by a broken line. On the other hand, the vertical cross-sectional view of FIG. 3 clearly shows the state in which the detection ring 200 is fixed above the support substrate 300 by the fixing members 510 and 520.

後述するように、支持基板300を固定した状態において、受力体100に様々な方向の力が作用すると、検出リング200が、作用した力に応じた態様で変形を生じることになる。先願力覚センサは、この変形態様を電気的に検出することにより、作用した力の検出を行う。したがって、検出リング200の弾性変形のしやすさは、センサの検出感度を左右するパラメータになる。弾性変形しやすい検出リング200を用いれば、微小な力が作用した場合でも検出可能な感度の高いセンサを実現することができるが、検出可能な力の最大値は抑制されることになる。逆に、弾性変形しにくい検出リング200を用いれば、検出可能な力の最大値を大きくとることができるが、感度は低下するため、微小な力の検出はできなくなる。 As will be described later, when forces in various directions act on the receiving body 100 in a state where the support substrate 300 is fixed, the detection ring 200 is deformed in a manner corresponding to the applied force. The prior force sensor detects the applied force by electrically detecting this deformation mode. Therefore, the ease of elastic deformation of the detection ring 200 is a parameter that affects the detection sensitivity of the sensor. By using the detection ring 200 that is easily elastically deformed, it is possible to realize a sensor with high sensitivity that can detect even when a minute force is applied, but the maximum value of the detectable force is suppressed. On the contrary, if the detection ring 200 which is hard to be elastically deformed is used, the maximum value of the detectable force can be taken large, but the sensitivity is lowered, so that the minute force cannot be detected.

検出リング200の弾性変形のしやすさは、Z軸方向の厚みおよび径方向の厚み(いずれも薄くするほど弾性変形しやすい)に依存して決まり、更に、その材質にも依存して決まる。したがって、実用上は、力覚センサの用途に応じて、検出リング200の各部の寸法や材質を選択する必要がある。後述するように、本発明で用いる検出リングでは、この点における改善がなされており、産業上の要望に応じて、設計の自由度をより向上させることができる。 The ease of elastic deformation of the detection ring 200 is determined depending on the thickness in the Z-axis direction and the thickness in the radial direction (the thinner the both, the easier the elastic deformation is), and further depends on the material thereof. Therefore, in practice, it is necessary to select the dimensions and materials of each part of the detection ring 200 according to the application of the force sensor. As will be described later, the detection ring used in the present invention has been improved in this respect, and the degree of freedom in design can be further improved according to the industrial demand.

一方、受力体100および支持基板300は、力を検出する原理上、弾性変形を生じる部材である必要はない。むしろ、作用した力が検出リング200の変形に100%寄与するようにするためには、受力体100および支持基板300は、完全な剛体である方が好ましい。図示の例において、受力体100として、中心に空隙部H1を有するリング状構造体を用いた理由は、弾性変形しやすくするためではなく、内部に検出リング200を収容するためである。図示の例のように、検出リング200の外側にリング状の受力体100を配置する構成を採れば、基本構造部の厚みを小さくすることができ、より薄型の力覚センサが実現できる。 On the other hand, the receiving body 100 and the supporting substrate 300 do not need to be members that cause elastic deformation in principle of detecting the force. Rather, it is preferable that the receiving body 100 and the supporting substrate 300 are completely rigid bodies so that the applied force contributes 100% to the deformation of the detection ring 200. In the illustrated example, the reason for using the ring-shaped structure having the gap H1 in the center as the receiving body 100 is not to facilitate elastic deformation but to accommodate the detection ring 200 inside. As shown in the illustrated example, if the ring-shaped receiving body 100 is arranged outside the detection ring 200, the thickness of the basic structural portion can be reduced, and a thinner force sensor can be realized.

実用上、受力体100、検出リング200、支持基板300の材料としては、絶縁材料を利用するのであれば、プラスチックなどの合成樹脂を用いれば十分であり、導電材料を利用するのであれば、ステンレス、アルミニウムなどの金属を用いれば十分である。もちろん、絶縁材料と導電材料とを組み合わせて利用してもかまわない。 Practically, as the material of the receiving body 100, the detection ring 200, and the support substrate 300, if an insulating material is used, it is sufficient to use a synthetic resin such as plastic, and if a conductive material is used, it is sufficient. It is sufficient to use a metal such as stainless steel or aluminum. Of course, the insulating material and the conductive material may be used in combination.

続いて、支持基板300を固定した状態において、受力体100に対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用した場合に、この基本構造部にどのような現象が生じるかを考えてみる。 Next, when the support substrate 300 is fixed and a force in each coordinate axis direction and a moment around each coordinate axis act on the receiving body 100, what kind of phenomenon occurs in this basic structure is considered. Try.

上述したとおり、受力体100および支持基板300は、作用した力が検出リング200の変形に100%寄与するようにするため、本来は、完全な剛体である方が好ましい。しかしながら、実際には、基本構造部を樹脂や金属で構成した場合、受力体100や支持基板300は完全な剛体にはならず、受力体100に力やモーメントが加わると、厳密に言えば、受力体100や支持基板300にも若干の弾性変形が生じることになる。ただ、受力体100や支持基板300に生じる弾性変形が、検出リング200に生じる弾性変形に比べてわずかな弾性変形であれば無視することができ、実質的に剛体と考えて支障はない。そこで、本願では、受力体100および支持基板300が剛体であり、力やモーメントによる弾性変形は、専ら検出リング200においてのみ生じるものとして説明を行うことにする。 As described above, the receiving body 100 and the supporting substrate 300 are originally preferably completely rigid bodies so that the applied force contributes 100% to the deformation of the detection ring 200. However, in reality, when the basic structure is made of resin or metal, the receiving body 100 and the supporting substrate 300 are not completely rigid, and it can be said strictly that a force or moment is applied to the receiving body 100. For example, the receiving body 100 and the supporting substrate 300 are also slightly elastically deformed. However, if the elastic deformation that occurs in the receiving body 100 and the support substrate 300 is slightly more elastic than the elastic deformation that occurs in the detection ring 200, it can be ignored, and there is no problem in considering it as a substantially rigid body. Therefore, in the present application, it is assumed that the receiving body 100 and the supporting substrate 300 are rigid bodies, and elastic deformation due to a force or a moment occurs exclusively in the detection ring 200.

まず、支持基板300を固定した状態において、受力体100に対して、X軸方向の力が作用したときに、この基本構造部にどのような変化が生じるかを考えてみる。図4は、図1に示す基本構造部の受力体100にX軸正方向の力+Fxが作用したときの変形状態を示すXY平面における横断面図(上段の図)およびXZ平面における縦断面図(下段の図)である。支持基板300は固定されているため不動であるが、受力体100は、X軸正方向の力+Fxにより図の右方向へと移動する。その結果、検出リング200は図示のとおり変形する。なお、図に示す破線は、移動もしくは変形前の各リングの位置を示している。 First, let us consider what kind of change occurs in this basic structural portion when a force in the X-axis direction acts on the receiving body 100 in a state where the support substrate 300 is fixed. FIG. 4 is a cross-sectional view (upper view) in the XY plane and a vertical cross section in the XZ plane showing a deformed state when a force + Fx in the positive direction of the X axis is applied to the receiving body 100 of the basic structure shown in FIG. It is a figure (lower figure). Since the support substrate 300 is fixed, it is immobile, but the receiving body 100 moves to the right in the figure by the force + Fx in the positive direction of the X axis. As a result, the detection ring 200 is deformed as shown. The broken line shown in the figure indicates the position of each ring before movement or deformation.

ここでは、この変形態様を説明する便宜上、2つの固定点P1,P2(黒丸で示す)と、2つの作用点Q1,Q2(白丸で示す)を考える。固定点P1,P2は、Y軸上に定義された点であり、図1に示す固定部材510,520の位置に対応するものである。すなわち、検出リング200は、この固定点P1,P2の位置において、固定部材510,520によって支持基板300に固定されている。一方、作用点Q1,Q2は、X軸上に定義される点であり、検出リング200は、この作用点Q1,Q2の位置において、接続部材410,420によって受力体100に接続されている。 Here, for convenience of explaining this modification, two fixed points P1 and P2 (indicated by black circles) and two points of action Q1 and Q2 (indicated by white circles) are considered. The fixed points P1 and P2 are points defined on the Y-axis and correspond to the positions of the fixed members 510 and 520 shown in FIG. That is, the detection ring 200 is fixed to the support substrate 300 by the fixing members 510 and 520 at the positions of the fixing points P1 and P2. On the other hand, the points of action Q1 and Q2 are points defined on the X-axis, and the detection ring 200 is connected to the receiving body 100 by the connecting members 410 and 420 at the positions of the points of action Q1 and Q2. ..

このように、先願力覚センサにおいて、作用点は接続部材が接続される位置であり、固定点は固定部材が接続される位置である。そして、重要な点は、作用点と固定点とが異なる位置に配置される点である。図4に示す例の場合、固定点P1,P2と作用点Q1,Q2とはXY平面上の異なる位置に配置されている。これは、作用点と固定点とが同一位置を占めると、検出リング200に弾性変形が生じなくなるためである。 As described above, in the prior force sensor, the point of action is the position where the connecting member is connected, and the fixed point is the position where the fixing member is connected. And the important point is that the point of action and the fixed point are arranged at different positions. In the case of the example shown in FIG. 4, the fixed points P1 and P2 and the action points Q1 and Q2 are arranged at different positions on the XY plane. This is because when the point of action and the fixed point occupy the same position, elastic deformation does not occur in the detection ring 200.

さて、受力体100に対してX軸正方向の力+Fxが作用すると、図4に示すように、検出リング200の作用点Q1,Q2(白丸)には、図の右方向への力が加わることになる。ところが、検出リング200の固定点P1,P2(黒丸)の位置は固定されているため、可撓性をもった検出リング200は、基準の円形状態から、図示のような歪んだ状態へと変形することになる(なお、本願における変形状態を示す図は、変形状態を強調して示すため多少デフォルメされた図になっており、必ずしも正確な変形態様を示す図ではない)。具体的には、図示のとおり、点P1−Q1間および点P2−Q1間では、検出リング200の四分円弧の両端に引っ張り力が作用して四分円弧は内側に縮み、点P1−Q2間および点P2−Q2間では、検出リング200の四分円弧の両端に押圧力が作用して四分円弧は外側に膨らんでいる。 When a force + Fx in the positive direction of the X-axis acts on the receiving body 100, as shown in FIG. 4, a force in the right direction of the figure is applied to the action points Q1 and Q2 (white circles) of the detection ring 200. Will join. However, since the positions of the fixed points P1 and P2 (black circles) of the detection ring 200 are fixed, the flexible detection ring 200 is deformed from the reference circular state to the distorted state as shown in the figure. (Note that the figure showing the deformed state in the present application is a slightly deformed figure for emphasizing the deformed state, and is not necessarily a figure showing an accurate deformation mode). Specifically, as shown in the figure, between points P1-Q1 and points P2-Q1, a tensile force acts on both ends of the quadrant arc of the detection ring 200, causing the quadrant arc to shrink inward and points P1-Q2. Between the interval and the points P2-Q2, a pressing force acts on both ends of the quadrant arc of the detection ring 200, and the quadrant arc bulges outward.

受力体100に対してX軸負方向の力−Fxが作用した場合は、図4とは左右逆の現象が起きる。また、受力体100に対してY軸正方向の力+FyおよびY軸負方向の力−Fyが作用した場合は、図4上段における変形状態を90°回転させた現象が起きる。 When a force −Fx in the negative direction of the X axis acts on the receiving body 100, a phenomenon opposite to that in FIG. 4 occurs. Further, when a force + Fy in the positive direction of the Y axis and a force −Fy in the negative direction of the Y axis act on the receiving body 100, a phenomenon occurs in which the deformed state in the upper part of FIG. 4 is rotated by 90 °.

次に、支持基板300を固定した状態において、受力体100に対して、Z軸方向の力が作用したときに、この基本構造部にどのような変化が生じるかを考えてみる。図5は、図1に示す基本構造部の受力体100にZ軸正方向の力+Fzが作用したときの変形状態を示すXZ平面における縦断面図である。支持基板300は固定されているため不動であるが、受力体100は、Z軸正方向の力+Fzにより図の上方向へと移動する。その結果、検出リング200は図示のとおり変形する。なお、図に示す破線は、移動もしくは変形前の各リングの位置を示している。 Next, let us consider what kind of change occurs in this basic structural portion when a force in the Z-axis direction acts on the receiving body 100 in a state where the support substrate 300 is fixed. FIG. 5 is a vertical cross-sectional view in the XZ plane showing a deformed state when a force + Fz in the positive direction of the Z axis is applied to the receiving body 100 of the basic structure shown in FIG. Since the support substrate 300 is fixed, it is immovable, but the receiving body 100 moves upward in the figure by the force + Fz in the positive direction of the Z axis. As a result, the detection ring 200 is deformed as shown. The broken line shown in the figure indicates the position of each ring before movement or deformation.

ここでも、変形態様の基本は、2つの固定点P1,P2の位置(固定部材510,520で固定された位置)は不動であり、2つの作用点Q1,Q2の位置が上方へ移動する、という点である。検出リング200は、固定点P1,P2の位置から作用点Q1,Q2の位置へ向けて緩やかに変形することになる。また、受力体100に対してZ軸負方向の力−Fzが作用した場合は、受力体100は、図の下方向へと移動する。その結果、検出リング200の変形態様は、図5とは上下逆になる。 Here, too, the basic of the deformation mode is that the positions of the two fixing points P1 and P2 (the positions fixed by the fixing members 510 and 520) are immovable, and the positions of the two working points Q1 and Q2 move upward. That is the point. The detection ring 200 is gently deformed from the positions of the fixed points P1 and P2 to the positions of the points of action Q1 and Q2. Further, when a force −Fz in the negative direction of the Z axis acts on the receiving body 100, the receiving body 100 moves downward in the figure. As a result, the deformation mode of the detection ring 200 is upside down from that of FIG.

続いて、支持基板300を固定した状態において、受力体100に対して、Y軸まわりのモーメントが作用したときに、この基本構造部にどのような変化が生じるかを考えてみる。図6は、図1に示す基本構造部の受力体100にY軸正まわりのモーメント+Myが作用したときの変形状態を示すXZ平面における縦断面図である。なお、本願では、所定の座標軸まわりに作用するモーメントの符号を、当該座標軸の正方向に右ネジを進めるための当該右ネジの回転方向を正にとることにする。たとえば、図6に示すモーメント+Myの回転方向は、右ネジをY軸正方向に進めるための回転方向になる。 Next, let us consider what kind of change occurs in this basic structural portion when a moment around the Y axis acts on the receiving body 100 in a state where the support substrate 300 is fixed. FIG. 6 is a vertical cross-sectional view in the XZ plane showing a deformed state when a moment + My in the positive direction of the Y axis acts on the receiving body 100 of the basic structure shown in FIG. In the present application, the sign of the moment acting around a predetermined coordinate axis is defined as the direction of rotation of the right-hand screw for advancing the right-hand screw in the positive direction of the coordinate axis. For example, the rotation direction of the moment + My shown in FIG. 6 is the rotation direction for advancing the right-hand screw in the positive direction of the Y axis.

この場合も、支持基板300は固定されているため不動であるが、受力体100は、Y軸正まわりのモーメント+Myを受けて、図の原点Oを中心として時計まわりに回転する。その結果、作用点Q1は下方に移動し、作用点Q2は上方に移動する。検出リング200は、固定点P1,P2の位置(固定部材510,520で固定された位置)から作用点Q1,Q2の位置へ向けて緩やかに変形することになる。受力体100に対してY軸負まわりのモーメント−Myが作用した場合は、図6とは左右逆の現象が起きる。また、受力体100に対してX軸正まわりのモーメント+MxおよびX軸負まわりのモーメント−Mxが作用した場合は、上面図において変形状態を90°回転させた現象が起きる。 In this case as well, the support substrate 300 is immobile because it is fixed, but the receiving body 100 receives a moment + My in the positive direction of the Y axis and rotates clockwise around the origin O in the figure. As a result, the point of action Q1 moves downward and the point of action Q2 moves upward. The detection ring 200 is gently deformed from the positions of the fixed points P1 and P2 (positions fixed by the fixed members 510 and 520) toward the positions of the action points Q1 and Q2. When the moment-My around the negative Y-axis acts on the receiving body 100, the phenomenon opposite to that in FIG. 6 occurs. Further, when the moment + Mx around the positive axis of the X axis and the moment −Mx around the negative axis of the X axis act on the receiving body 100, a phenomenon occurs in which the deformed state is rotated by 90 ° in the top view.

最後に、支持基板300を固定した状態において、受力体100に対して、Z軸まわりのモーメントが作用したときに、この基本構造部にどのような変化が生じるかを考えてみる。図7は、図1に示す基本構造部の受力体100にZ軸正まわりのモーメント+Mzが作用したときの変形状態を示すXY平面における横断面図である。この場合も、支持基板300は固定されているため不動であるが、受力体100は、Z軸正まわりのモーメント+Mzを受けて、図の原点Oを中心として反時計まわりに回転する。 Finally, let us consider what kind of change occurs in this basic structural portion when a moment around the Z axis acts on the receiving body 100 in a state where the support substrate 300 is fixed. FIG. 7 is a cross-sectional view on the XY plane showing a deformed state when a moment + Mz around the Z-axis is applied to the receiving body 100 of the basic structure shown in FIG. In this case as well, the support substrate 300 is immobile because it is fixed, but the receiving body 100 receives a moment + Mz in the positive direction of the Z axis and rotates counterclockwise around the origin O in the figure.

その結果、検出リング200の作用点Q1,Q2には、図において反時計回りの力が加わることになる。ところが、検出リング200の固定点P1,P2の位置は固定されているため、可撓性をもった検出リング200は、基準の円形状態から、図示のような歪んだ状態へと変形することになる。具体的には、図示のとおり、点P2−Q1間および点P1−Q2間では、検出リング200の四分円弧の両端に引っ張り力が作用して四分円弧は内側に縮み、点P1−Q1間および点P2−Q2間では、検出リング200の四分円弧の両端に押圧力が作用して四分円弧は外側に膨らんでおり、全体的に楕円状に変形している。一方、受力体100に対してZ軸負まわりのモーメント−Mzが作用した場合は、受力体100は、図の原点Oを中心として時計まわりに回転するため、図7を裏返しにした変形状態が起きる。 As a result, a counterclockwise force is applied to the action points Q1 and Q2 of the detection ring 200 in the figure. However, since the positions of the fixed points P1 and P2 of the detection ring 200 are fixed, the flexible detection ring 200 is deformed from the reference circular state to the distorted state as shown in the figure. Become. Specifically, as shown in the figure, between points P2-Q1 and points P1-Q2, a tensile force acts on both ends of the quadrant arc of the detection ring 200, causing the quadrant arc to shrink inward and point P1-Q1. Between the gap and the points P2-Q2, a pressing force acts on both ends of the quadrant of the detection ring 200, and the quadrant bulges outward and is deformed into an elliptical shape as a whole. On the other hand, when the moment-Mz in the negative direction of the Z axis acts on the receiving body 100, the receiving body 100 rotates clockwise around the origin O in the figure, so that the deformation shown in FIG. 7 is turned inside out. The state occurs.

以上、図1に示す基本構造部の支持基板300を固定した状態において、受力体100に対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用した場合に、検出リング200に生じる変形態様を説明したが、これらの変形態様は互いに異なり、また、作用した力やモーメントの大きさにより変形量も異なる。そこで、検出リング200の弾性変形を検出し、その態様や大きさに関する情報を収集すれば、各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントをそれぞれ別個独立して検出することができる。これが、先願力覚センサにおける検出動作の基本原理である。先願力覚センサでは、このような原理に基づく検出を行うために、これまで述べてきた基本構造部に、更に、容量素子と検出回路とを付加することになる。 As described above, when the support substrate 300 of the basic structure shown in FIG. 1 is fixed and a force in each coordinate axis direction and a moment around each coordinate axis act on the receiving body 100, the deformation mode that occurs in the detection ring 200. However, these deformation modes are different from each other, and the amount of deformation is also different depending on the magnitude of the applied force and moment. Therefore, if the elastic deformation of the detection ring 200 is detected and information on its mode and size is collected, the force in each coordinate axis direction and the moment around each coordinate axis can be detected independently and independently. This is the basic principle of the detection operation in the prior application force sensor. In the prior-application force sensor, in order to perform detection based on such a principle, a capacitive element and a detection circuit are further added to the basic structural portion described so far.

<<< §2. 先願力覚センサの検出原理 >>>
先願力覚センサでは、図1に示す基本構造部の特定箇所の変位を測定することにより、作用した力およびモーメントの向きと大きさを検出することになる。この変位検出のために、固定補助体350が付加される。
<<< §2. First-to-file force sensor detection principle >>>
The prior force sensor detects the direction and magnitude of the applied force and moment by measuring the displacement of the basic structural portion shown in FIG. 1. A fixed auxiliary body 350 is added for this displacement detection.

図8は、図1に示す基本構造部に、変位検出用の固定補助体350を付加した例を示す上面図(上段の図)および側面図(下段の図)である。図示のとおり、この基本構造部では、受力体100の内側に検出リング200が配置されており、更にその内側に固定補助体350が配置されている。この固定補助体350は、Z軸を中心軸とする円柱状の物体であり、下面が支持基板300の上面に固定されている。固定補助体350の外周面は、空隙部H2を挟んで、検出リング200の内周面に対向している。 FIG. 8 is a top view (upper view) and a side view (lower view) showing an example in which a fixing auxiliary body 350 for displacement detection is added to the basic structural portion shown in FIG. 1. As shown in the figure, in this basic structure portion, the detection ring 200 is arranged inside the receiving body 100, and the fixing auxiliary body 350 is further arranged inside the detection ring 200. The fixing auxiliary body 350 is a columnar object centered on the Z axis, and its lower surface is fixed to the upper surface of the support substrate 300. The outer peripheral surface of the fixing auxiliary body 350 faces the inner peripheral surface of the detection ring 200 with the gap H2 interposed therebetween.

図9は、図8に示す基本構造部をXY平面で切断した横断面図(上段の図)およびVZ平面で切断した縦断面図(下段の図)である。ここで、V軸は、XYZ三次元直交座標系における原点Oを通り、正の領域がXY平面の第1象限、負の領域がXY平面の第3象限に位置し、X軸に対して45°をなす軸である。また、W軸は、XYZ三次元直交座標系における原点Oを通り、正の領域がXY平面の第2象限、負の領域がXY平面の第4象限に位置し、V軸に対して直交する軸である。図9の上段に示す横断面図は、V軸正方向を右方向、W軸正方向を上方向にとった図であり、図2の上段に示す基本構造部に固定補助体350を付加し、これを時計まわりに45°回転させた図に対応する。また、図9の下段の縦断面図は、VZ平面で切断した縦断面図であるため、右方向はV軸正方向になっている。 FIG. 9 is a cross-sectional view (upper view) of the basic structural portion shown in FIG. 8 cut in the XY plane and a vertical cross-sectional view (lower view) cut in the VZ plane. Here, the V-axis passes through the origin O in the XYZ three-dimensional Cartesian coordinate system, the positive region is located in the first quadrant of the XY plane, the negative region is located in the third quadrant of the XY plane, and 45 with respect to the X-axis. It is the axis that makes °. Further, the W axis passes through the origin O in the XYZ three-dimensional Cartesian coordinate system, the positive region is located in the second quadrant of the XY plane, the negative region is located in the fourth quadrant of the XY plane, and is orthogonal to the V axis. The axis. The cross-sectional view shown in the upper part of FIG. 9 is a view in which the positive direction of the V axis is to the right and the positive direction of the W axis is upward, and the fixing auxiliary body 350 is added to the basic structure shown in the upper part of FIG. , Corresponds to the figure rotated 45 ° clockwise. Further, since the lower vertical cross-sectional view of FIG. 9 is a vertical cross-sectional view cut along the VZ plane, the right direction is the positive direction of the V axis.

§1で述べたとおり、検出リング200上には、Y軸上に2つの固定点P1,P2が配置され、X軸上に2つの作用点Q1,Q2が配置されている。ここでは、更に、4つの測定点R1〜R4(×印で示す)を定義する。図示のとおり、第1の測定点R1はV軸正領域に、第2の測定点R2はW軸正領域に、第3の測定点R3はV軸負領域に、第4の測定点R4はW軸負領域に、それぞれ配置されている。結局、図9の上段の横断面図において、検出リング200の外周輪郭円と内周輪郭円との中間に位置する円として基本環状路B(図には、太い一点鎖線で示す)を定義した場合、各点Q1,R1,P1,R2,Q2,R3,P2,R4は、この順番どおりに、円形の基本環状路B上に等間隔に配置されていることになる。4つの測定点R1〜R4をこのような位置に定義するのは、検出リング200の弾性変形に起因して生じる変位が最も顕著になるためである。 As described in §1, two fixed points P1 and P2 are arranged on the Y-axis and two action points Q1 and Q2 are arranged on the X-axis on the detection ring 200. Here, four measurement points R1 to R4 (indicated by x) are further defined. As shown, the first measurement point R1 is in the V-axis positive region, the second measurement point R2 is in the W-axis positive region, the third measurement point R3 is in the V-axis negative region, and the fourth measurement point R4 is. They are arranged in the negative areas of the W axis. After all, in the upper cross-sectional view of FIG. 9, the basic ring road B (indicated by a thick alternate long and short dash line in the figure) is defined as a circle located between the outer peripheral contour circle and the inner peripheral contour circle of the detection ring 200. In this case, the points Q1, R1, P1, R2, Q2, R3, P2, and R4 are arranged at equal intervals on the circular basic ring road B in this order. The four measurement points R1 to R4 are defined at such positions because the displacement caused by the elastic deformation of the detection ring 200 is most noticeable.

この4つの測定点R1〜R4の半径方向の変位を検出するには、図9の上段の横断面図に矢印で示す距離d1,d2,d3,d4を測定すればよい。これらの距離d1,d2,d3,d4は、検出リング200の内周面の、各測定点R1,R2,R3,R4近傍に位置する測定対象面と、固定補助体350の外周に位置し、測定対象面に対向する対向基準面との距離であり、当該距離が大きくなれば、測定点近傍部分が半径方向に膨らんでいることを示し、当該距離が小さくなれば、測定点近傍部分が半径方向に縮んでいることを示すことになる。したがって、これらの距離を電気的に検出する容量素子を用意しておけば、各測定点近傍部分の半径方向に関する変形量を測定することができる。 In order to detect the radial displacements of these four measurement points R1 to R4, the distances d1, d2, d3, and d4 indicated by the arrows in the upper cross-sectional view of FIG. 9 may be measured. These distances d1, d2, d3, and d4 are located on the inner peripheral surface of the detection ring 200, the measurement target surface located near each measurement point R1, R2, R3, R4, and the outer periphery of the fixed auxiliary body 350. It is the distance from the facing reference surface facing the measurement target surface. When the distance is large, it indicates that the portion near the measurement point is bulging in the radial direction, and when the distance is small, the portion near the measurement point is the radius. It will show that it is shrinking in the direction. Therefore, if a capacitive element that electrically detects these distances is prepared, it is possible to measure the amount of deformation in the radial direction of the portion near each measurement point.

一方、4つの測定点R1〜R4の上下方向(Z軸方向)の変位を検出するには、図9の下段の縦断面図に矢印で示す距離d5,d7および図示されていない距離d6,d8(距離d6は、固定補助体350の奥に位置する測定点R2の直下の距離、距離d8は、固定補助体350の手前に位置する測定点R4の直下の距離)を測定すればよい。これらの距離d5,d6,d7,d8は、検出リング200の下面の、各測定点R1,R2,R3,R4近傍に位置する測定対象面と、支持基板300の上面に位置し、測定対象面に対向する対向基準面との距離であり、当該距離が大きくなれば、測定点近傍部分が上方向に変位していることを示し、当該距離が小さくなれば、測定点近傍部分が下方向に変位していることを示すことになる。したがって、これらの距離を電気的に検出する検出素子を用意しておけば、各測定点近傍部分の上下方向に関する変形量を測定することができる。 On the other hand, in order to detect the displacement of the four measurement points R1 to R4 in the vertical direction (Z-axis direction), the distances d5 and d7 shown by arrows in the lower vertical sectional view of FIG. 9 and the distances d6 and d8 not shown are shown. (The distance d6 is the distance directly below the measurement point R2 located at the back of the fixed auxiliary body 350, and the distance d8 is the distance directly below the measurement point R4 located at the front of the fixed auxiliary body 350). These distances d5, d6, d7, and d8 are located on the lower surface of the detection ring 200, the measurement target surface located near each measurement point R1, R2, R3, R4, and the measurement target surface located on the upper surface of the support substrate 300. It is the distance to the facing reference plane facing the above. When the distance is large, it means that the portion near the measurement point is displaced upward, and when the distance is small, the portion near the measurement point is downward. It will indicate that it is displaced. Therefore, if a detection element that electrically detects these distances is prepared, it is possible to measure the amount of deformation in the vertical direction of the portion near each measurement point.

このように、4つの測定点R1〜R4の半径方向の変位と上下方向の変位とを測定することができれば、検出リング200の全体的な変形態様および変形量を把握することができ、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6軸成分を検出することが可能になる。図10は、この6軸成分を検出するために必要な距離測定箇所を示す上面図である。すなわち、この例では、前述したとおり、第1の測定点R1について、距離d1(半径方向の変位)と距離d5(上下方向の変位)とが測定され、第2の測定点R2について、距離d2(半径方向の変位)と距離d6(上下方向の変位)とが測定され、第3の測定点R3について、距離d3(半径方向の変位)と距離d7(上下方向の変位)とが測定され、第4の測定点R4について、距離d4(半径方向の変位)と距離d8(上下方向の変位)とが測定されることになる。 If the radial displacement and the vertical displacement of the four measurement points R1 to R4 can be measured in this way, the overall deformation mode and deformation amount of the detection ring 200 can be grasped, and the XYZ tertiary can be grasped. It becomes possible to detect the six-axis components of the force in each coordinate axis direction and the moment around each coordinate axis in the original Cartesian coordinate system. FIG. 10 is a top view showing a distance measurement point required for detecting the 6-axis component. That is, in this example, as described above, the distance d1 (displacement in the radial direction) and the distance d5 (displacement in the vertical direction) are measured for the first measurement point R1, and the distance d2 is measured for the second measurement point R2. (Displacement in the radial direction) and distance d6 (displacement in the vertical direction) are measured, and at the third measurement point R3, the distance d3 (displacement in the radial direction) and the distance d7 (displacement in the vertical direction) are measured. With respect to the fourth measurement point R4, the distance d4 (displacement in the radial direction) and the distance d8 (displacement in the vertical direction) are measured.

図11は、図10に示す基本構造部において、支持基板300を固定した状態で受力体100に対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの距離d1〜d8の変化を示すテーブルである。このテーブルで「+」は距離が大きくなることを示し、「−」は距離が小さくなることを示し、「0」は距離が変動しないことを示している。このような結果が得られることは、§1で説明した検出リング200の具体的な変形態様を考えれば、容易に理解できよう。 FIG. 11 shows changes in distances d1 to d8 when a force in each coordinate axis direction and a moment around each coordinate axis act on the receiving body 100 with the support substrate 300 fixed in the basic structure portion shown in FIG. It is a table showing. In this table, "+" indicates that the distance increases, "-" indicates that the distance decreases, and "0" indicates that the distance does not fluctuate. It can be easily understood that such a result can be obtained by considering the specific modification of the detection ring 200 described in §1.

たとえば、受力体100に対してX軸正方向の力+Fxが作用すると、検出リング200は、図4に示すように、点P1−Q1間および点P2−Q1間の四分円弧は内側に縮み、点P1−Q2間および点P2−Q2間の四分円弧は外側に膨らむように変形する。したがって、距離d1,d4は小さくなり、距離d2,d3は大きくなる。このとき、検出リング200に上下方向の変形は生じないので、距離d5〜d8は変動しない。図11のテーブルの+Fxの行は、このような結果を示している。同様の理由により、Y軸正方向の力+Fyが作用した場合は、図11のテーブルの+Fyの行に示す結果が得られる。 For example, when a force + Fx in the positive direction of the X axis acts on the receiving body 100, the detection ring 200 has a quadrant arc between points P1-Q1 and points P2-Q1 inward as shown in FIG. The contraction, the quadrant between points P1-Q2 and P2-Q2 deforms to bulge outward. Therefore, the distances d1 and d4 become smaller, and the distances d2 and d3 become larger. At this time, since the detection ring 200 is not deformed in the vertical direction, the distances d5 to d8 do not fluctuate. The + Fx row in the table of FIG. 11 shows such a result. For the same reason, when a force + Fy in the positive direction of the Y axis is applied, the result shown in the row of + Fy in the table of FIG. 11 is obtained.

また、受力体100に対してZ軸正方向の力+Fzが作用すると、検出リング200は、図5に示すように変形するので、距離d5〜d8は大きくなる。このとき、検出リング200に半径方向の変形は生じないので、距離d1〜d4は変動しない。図11のテーブルの+Fzの行は、このような結果を示している。 Further, when a force + Fz in the positive direction of the Z axis acts on the receiving body 100, the detection ring 200 is deformed as shown in FIG. 5, so that the distances d5 to d8 become large. At this time, since the detection ring 200 is not deformed in the radial direction, the distances d1 to d4 do not fluctuate. The + Fz row in the table of FIG. 11 shows such a result.

そして、受力体100に対してY軸正まわりのモーメント+Myが作用すると、検出リング200は、図6に示すように変形し、図の右半分は下方へ変位し、図の左半分は上方へ変位するので、距離d5,d8は小さくなり、距離d6,d7は大きくなる。このとき、検出リング200に半径方向の変形は生じないので、距離d1〜d4は変動しない。図11のテーブルの+Myの行は、このような結果を示している。同様の理由により、X軸正まわりのモーメント+Mxが作用した場合は、図11のテーブルの+Mxの行に示す結果が得られる。 Then, when a moment + My in the positive direction of the Y axis acts on the receiving body 100, the detection ring 200 is deformed as shown in FIG. 6, the right half of the figure is displaced downward, and the left half of the figure is upward. Since it is displaced to, the distances d5 and d8 become smaller, and the distances d6 and d7 become larger. At this time, since the detection ring 200 is not deformed in the radial direction, the distances d1 to d4 do not fluctuate. The + My row in the table of FIG. 11 shows such a result. For the same reason, when the moment + Mx around the X-axis acts, the result shown in the row of + Mx in the table of FIG. 11 is obtained.

最後に、受力体100に対してZ軸正まわりのモーメント+Mzが作用した場合、検出リング200は、図7に示すように変形し、点P1−Q1間および点P2−Q2間の四分円弧は外側に膨らみ、点P1−Q2間および点P2−Q1間の四分円弧は内側に縮むように変形する。したがって、距離d1,d3は大きくなり、距離d2,d4は小さくなる。このとき、検出リング200に上下方向の変形は生じないので、距離d5〜d8は変動しない。図11のテーブルの+Mzの行は、このような結果を示している。 Finally, when a moment + Mz in the positive direction of the Z axis acts on the receiving body 100, the detection ring 200 is deformed as shown in FIG. 7, and the quarters between points P1-Q1 and P2-Q2. The arc bulges outward, and the quadrant between points P1-Q2 and P2-Q1 deforms inward. Therefore, the distances d1 and d3 become large, and the distances d2 and d4 become small. At this time, since the detection ring 200 is not deformed in the vertical direction, the distances d5 to d8 do not fluctuate. The + Mz row in the table of FIG. 11 shows such a result.

なお、図11のテーブルは、正方向の力および正まわりのモーメントが作用した場合の結果を示しているが、負方向の力および負まわりのモーメントが作用した場合は、「+」と「−」が逆転した結果が得られることになる。結局、距離d1〜d8の変化パターンは、6軸成分が作用した個々の場合のそれぞれで異なり、しかも作用した力やモーメントが大きくなればなるほど、距離の変動量も大きくなる。そこで、検出回路により、これら距離d1〜d8の測定値に基づく所定の演算を施せば、6軸成分の検出値を独立して出力することが可能になる。 The table in FIG. 11 shows the results when a positive force and a positive moment are applied, but when a negative force and a negative moment are applied, "+" and "-" are shown. The result of reversing "" will be obtained. After all, the change pattern of the distances d1 to d8 is different in each case where the 6-axis component acts, and the larger the applied force or moment, the larger the amount of change in the distance. Therefore, if a predetermined calculation is performed based on the measured values of the distances d1 to d8 by the detection circuit, the detected values of the 6-axis components can be output independently.

先願力覚センサは、図8に示す基本構造部に、更に、容量素子と検出回路を付加したものであり、各部に配置した容量素子の静電容量値の変化を電気的に検出することにより、特定箇所の変位を測定し、作用した力およびモーメントの向きと大きさを検出するものである。 The prior force sensor is a basic structure shown in FIG. 8 to which a capacitance element and a detection circuit are further added, and electrically detects a change in the capacitance value of the capacitance element arranged in each part. This measures the displacement of a specific location and detects the direction and magnitude of the applied force and moment.

図12は、図9に示す基本構造部に容量素子を付加して構成される力覚センサを、XY平面で切断した横断面図(上段の図)およびVZ平面で切断した縦断面図(下段の図)である。図9に示す基本構造部と図12に示す力覚センサとを比較すると、後者では、16枚の電極E11〜E18,E21〜E28が付加されていることがわかる。これら16枚の電極により構成される8組の容量素子は、前述した8通りの距離d1〜d8を測定する検出素子として機能する。 FIG. 12 shows a cross-sectional view (upper view) of the force sensor configured by adding a capacitance element to the basic structure shown in FIG. 9 cut in the XY plane and a vertical cross-sectional view (lower view) cut in the VZ plane. Figure). Comparing the basic structure shown in FIG. 9 with the force sensor shown in FIG. 12, it can be seen that 16 electrodes E11 to E18 and E21 to E28 are added in the latter. The eight sets of capacitive elements composed of these 16 electrodes function as detection elements for measuring the eight distances d1 to d8 described above.

図12上段の横断面図に示されているとおり、検出リング200の内周面の、4つの測定点R1〜R4の近傍部分(測定対象面)には、それぞれ変位電極E21〜E24が設けられている。また、検出リング200の下面の、4つの測定点R1〜R4の近傍部分(測定対象面)には、それぞれ変位電極E25〜E28(図では、破線で示されている)が設けられている。これら8枚の変位電極E21〜E28は、文字通り、検出リング200の変形によって変位を生じる電極である。 As shown in the cross-sectional view of the upper part of FIG. 12, displacement electrodes E21 to E24 are provided on the inner peripheral surface of the detection ring 200 in the vicinity of the four measurement points R1 to R4 (measurement target surfaces), respectively. ing. Further, displacement electrodes E25 to E28 (indicated by broken lines in the figure) are provided on the lower surface of the detection ring 200 in the vicinity of the four measurement points R1 to R4 (measurement target surfaces), respectively. These eight displacement electrodes E21 to E28 are literally electrodes that cause displacement due to deformation of the detection ring 200.

一方、これら8枚の変位電極E21〜E28に対向する位置(対向基準面)に、8枚の固定電極E11〜E18が設けられている。これら8枚の固定電極E11〜E18は、文字通り、支持基板300に直接もしくは間接的に固定された電極であり、検出リング200の変形にかかわらず、常に定位置を維持する。具体的には、円柱状の固定補助体350の外周面には、変位電極E21〜E24に対向する位置に固定電極E11〜E14が設けられており、これらの電極は固定補助体350を介して支持基板300上に間接的に固定されている。また、支持基板300の上面には、変位電極E25〜E28に対向する位置に固定電極E15〜E18が直接固定されている(図12下段の縦断面図には、変位電極E15,E17のみが現れているが、変位電極E16は、固定補助体350の奥に位置し、変位電極E18は、固定補助体350の手前に位置する)。 On the other hand, eight fixed electrodes E11 to E18 are provided at positions facing these eight displacement electrodes E21 to E28 (opposing reference planes). These eight fixed electrodes E11 to E18 are literally electrodes that are directly or indirectly fixed to the support substrate 300, and always maintain a fixed position regardless of the deformation of the detection ring 200. Specifically, fixed electrodes E11 to E14 are provided on the outer peripheral surface of the columnar fixed auxiliary body 350 at positions facing the displacement electrodes E21 to E24, and these electrodes are connected via the fixed auxiliary body 350. It is indirectly fixed on the support substrate 300. Further, the fixed electrodes E15 to E18 are directly fixed on the upper surface of the support substrate 300 at positions facing the displacement electrodes E25 to E28 (only the displacement electrodes E15 and E17 appear in the vertical sectional view in the lower part of FIG. 12). However, the displacement electrode E16 is located at the back of the fixed auxiliary body 350, and the displacement electrode E18 is located at the front of the fixed auxiliary body 350).

なお、本願図面では、図示の便宜上、各変位電極および各固定電極の厚みの実寸を無視して描いてある。たとえば、各電極を蒸着層やメッキ層によって構成した場合、その厚みは数μm程度であり、図12に示された各電極E11〜E28の図面上の厚みは、実寸比上は、正しい厚みにはなっていない。 In the drawings of the present application, for convenience of illustration, the actual thickness of each displacement electrode and each fixed electrode is ignored. For example, when each electrode is composed of a thin-film deposition layer or a plating layer, the thickness thereof is about several μm, and the thickness of each electrode E11 to E28 shown in FIG. 12 on the drawing is correct in terms of actual size ratio. It is not.

結局、図12に示す例の場合、検出リング200の内周面および下面の、各測定点R1〜R4近傍に位置する測定対象面に設けられた8組の変位電極E21〜E28と、固定補助体350の外周面および支持基板300の上面の、各測定対象面に対向する位置に定義された対向基準面に設けられた8組の固定電極E11〜E18と、によって、8組の容量素子が構成されることになる。そして、先願力覚センサは、これら8組の容量素子の静電容量値を電気的に検出することにより、各測定点R1〜R4の変位を測定し、図11に示すテーブルに基づいて、受力体100に作用した力およびモーメントの向きと大きさを検出することになる。 After all, in the case of the example shown in FIG. 12, eight sets of displacement electrodes E21 to E28 provided on the measurement target surfaces located in the vicinity of the respective measurement points R1 to R4 on the inner peripheral surface and the lower surface of the detection ring 200, and fixing assistance. Eight sets of capacitive elements are formed by eight sets of fixed electrodes E11 to E18 provided on the facing reference surfaces defined at positions facing each measurement target surface on the outer peripheral surface of the body 350 and the upper surface of the support substrate 300. It will be configured. Then, the prior force sensor measures the displacement of each measurement point R1 to R4 by electrically detecting the capacitance value of these eight sets of capacitive elements, and based on the table shown in FIG. 11, The direction and magnitude of the force and moment acting on the receiving body 100 will be detected.

このように、先願力覚センサは、図12に示すような単純な基本構造部を利用して構成することができるが、様々な箇所に容量素子を配置する必要があるため、容量素子を構成する電極の構成が複雑にならざるを得ない。具体的には、基本構造部に容量素子を付加するためには、固定電極E15〜E18や変位電極E25〜E28のように、基板面(XY平面)に対して平行な電極層を形成する工程と、固定電極E11〜E14や変位電極E21〜E24のように、基板面(XY平面)に対して垂直な電極層を形成する工程と、を行う必要がある。一般に、前者の工程は、半導体製造プロセスなどで広く利用されている方法を利用することができるため比較的容易であるが、後者の工程は、複雑な手法を取り入れる必要があり、量産化を行う上で問題が生じやすい。 As described above, the prior application force sensor can be configured by using a simple basic structure as shown in FIG. 12, but since it is necessary to arrange the capacitive elements at various places, the capacitive elements are used. The configuration of the constituent electrodes has to be complicated. Specifically, in order to add a capacitive element to the basic structure, a step of forming an electrode layer parallel to the substrate surface (XY plane) such as fixed electrodes E15 to E18 and displacement electrodes E25 to E28. It is necessary to perform a step of forming an electrode layer perpendicular to the substrate surface (XY plane), such as the fixed electrodes E11 to E14 and the displacement electrodes E21 to E24. Generally, the former process is relatively easy because a method widely used in a semiconductor manufacturing process or the like can be used, but the latter process requires a complicated method to be adopted and mass production is performed. Problems are likely to occur above.

しかも、個々の容量素子を構成する一対の電極の相対位置は、検出精度に影響を与える重大な要因になる。特に、図12に示す例のように、複数の容量素子を対称性をもたせて配置し、これらを用いて差分検出を行う場合、個々の容量素子ごとに対向電極が平行になるようにするとともに、複数の容量素子についての電極間隔が互いに等しくなるような調整が必要になる。このため、先願力覚センサには、商業的に利用する場合に、生産効率が低下し、コストが高騰するという問題がある。 Moreover, the relative positions of the pair of electrodes constituting the individual capacitive elements are important factors that affect the detection accuracy. In particular, as in the example shown in FIG. 12, when a plurality of capacitive elements are arranged with symmetry and difference detection is performed using these, the counter electrodes are made parallel to each of the capacitive elements. , It is necessary to adjust the electrode spacing for a plurality of capacitive elements so that they are equal to each other. For this reason, the first-to-file force sensor has a problem that the production efficiency is lowered and the cost is soared when it is used commercially.

本発明は、先願力覚センサにおけるこのような問題を解決するため、検出リングの特定箇所に弾性変形を生じる検出部を設ける構造を採用することにより、設計の自由度を向上させ、生産効率を高めることができる新たな工夫を提案するものである。以下、本発明を具体的な実施形態に基づいて詳述する。 In order to solve such a problem in the prior force sensor, the present invention improves the degree of freedom in design and improves the production efficiency by adopting a structure in which a detection unit that causes elastic deformation is provided at a specific position of the detection ring. It proposes a new device that can enhance the. Hereinafter, the present invention will be described in detail based on specific embodiments.

<<< §3. 本発明の基本的実施形態 >>>
<3−1.検出リングの構造>
図13は、本発明の基本的実施形態(第1の実施形態)に係る力覚センサに用いる検出リング600の斜視図(図(a) )、側面図(図(b) )、下面図(図(c) )である。図1に示す先願力覚センサに用いられていた検出リング200が、単純な円環状の構造体であるのに対して、図13に示す本願力覚センサに用いる検出リング600は、この単純な円環状の構造体の4箇所に、弾性変形する板状片を組み合わせて構成された検出部D1〜D4が設けられている。
<<< §3. Basic Embodiment of the present invention >>>
<3-1. Detection ring structure>
FIG. 13 is a perspective view (FIG. (A)), a side view (FIG. (B)), and a bottom view (bottom view) of the detection ring 600 used in the force sensor according to the basic embodiment (first embodiment) of the present invention. Figure (c)). The detection ring 200 used in the prior application force sensor shown in FIG. 1 has a simple annular structure, whereas the detection ring 600 used in the force sensor of the present application shown in FIG. 13 has this simple structure. Detection units D1 to D4 formed by combining elastically deformable plate-shaped pieces are provided at four locations in the annular structure.

別言すれば、図13に示す検出リング600は、図1に示す検出リング200に対して、部分的な材料除去加工を施すことにより得られた部材であり、この材料除去加工を施した部分によって、図示のような検出部D1〜D4が形成される。図1に示す検出リング200は、Z軸を中心軸として配置された板状部材の中央部に、貫通開口部を形成することにより得られる。図13に示す検出リング600は、こうして得られた検出リング200に対して、更に、部分的な材料除去加工を施すことにより得られる。4組の検出部D1〜D4は、このような材料除去加工によって得られた部分ということになる。もっとも、実際に検出リング600を量産する場合は、必ずしも材料除去加工を行う必要はなく、たとえば、鋳型を用いた鋳造、樹脂の成形、プレス加工等によって製造してもかまわない。 In other words, the detection ring 600 shown in FIG. 13 is a member obtained by subjecting the detection ring 200 shown in FIG. 1 to a partial material removal process, and the portion subjected to the material removal process. As a result, detection units D1 to D4 as shown in the figure are formed. The detection ring 200 shown in FIG. 1 is obtained by forming a through opening in the central portion of a plate-shaped member arranged with the Z axis as the central axis. The detection ring 600 shown in FIG. 13 is obtained by further subjecting the detection ring 200 thus obtained to a partial material removal process. The four sets of detection units D1 to D4 are the parts obtained by such material removal processing. However, when the detection ring 600 is actually mass-produced, it is not always necessary to perform material removal processing, and for example, it may be produced by casting using a mold, resin molding, press processing, or the like.

ここでは、説明の便宜上、図示のようにXYZ三次元座標系を定義し、検出リング600をZ軸を中心軸としてXY平面に配置した状態を示す。図13(a) は、この検出リング600を斜め下方から見た斜視図である。図示のとおり、この検出リング600は、4組の検出部D1〜D4と、これら検出部D1〜D4を相互に連結する4組の連結部L1〜L4と、を有している。すなわち、検出リング600は、各検出部D1〜D4の間にそれぞれ各連結部L1〜L4を介挿した構造を有している。 Here, for convenience of explanation, an XYZ three-dimensional coordinate system is defined as shown in the figure, and a state in which the detection ring 600 is arranged on the XY plane with the Z axis as the central axis is shown. FIG. 13A is a perspective view of the detection ring 600 as viewed from diagonally below. As shown in the figure, the detection ring 600 has four sets of detection units D1 to D4 and four sets of connecting parts L1 to L4 for connecting the detection units D1 to D4 to each other. That is, the detection ring 600 has a structure in which the connecting portions L1 to L4 are interposed between the detection units D1 to D4, respectively.

図13(b) の側面図(図が繁雑になるのを避けるため、外周面の部分のみを示す)の検出部D4に示されているように、この実施形態における検出部D4は、第1の変形部61、第2の変形部62、変位部63という3枚の板状片(板バネ)によって構成されている。他の検出部D1〜D3も同様の構造を有する。このように、各検出部D1〜D4は、各連結部L1〜L4に比べて肉厚の薄い板状片によって構成されているため、各連結部L1〜L4に比べて弾性変形しやすいという性質を有している。したがって、後述するように、検出リング600に外力が作用した場合、当該外力に基づく検出リング600の弾性変形は、検出部D1〜D4に集中して生じ、連結部L1〜L4の弾性変形は、実用上、無視し得る程度である。 As shown in the detection unit D4 of the side view of FIG. 13 (b) (only the outer peripheral surface portion is shown to avoid cluttering the figure), the detection unit D4 in this embodiment is the first. It is composed of three plate-shaped pieces (leaf springs), which are a deformed portion 61, a second deformed portion 62, and a displacement portion 63. The other detection units D1 to D3 also have a similar structure. As described above, since each of the detection units D1 to D4 is composed of a plate-shaped piece having a thickness thinner than that of the connection portions L1 to L4, the detection portions D1 to D4 are more likely to be elastically deformed than the connection portions L1 to L4. have. Therefore, as will be described later, when an external force acts on the detection ring 600, the elastic deformation of the detection ring 600 based on the external force is concentrated on the detection units D1 to D4, and the elastic deformation of the connecting portions L1 to L4 is caused. In practice, it can be ignored.

このように、先願力覚センサに用いられていた検出リング200は、均一な円環状構造を有していたため、外力が作用するとリング全体にわたって弾性変形が生じるのに対して、本願力覚センサに用いる検出リング600では、弾性変形が生じやすい検出部D1〜D4に変形が集中することになる。このため、より効率的な変形を生じさせることが可能になり、より効率的な検出が可能になる。具体的には、検出感度を高めるだけでなく、検出部の形状や構造を工夫することにより、弾性変形の態様を自由に設定することができるようになる。なお、図示の検出部D1〜D4についての具体的な弾性変形の態様については後に詳述する。 As described above, since the detection ring 200 used in the prior application force sensor has a uniform annular structure, elastic deformation occurs over the entire ring when an external force is applied, whereas the force sensor of the present application is used. In the detection ring 600 used for the above, the deformation is concentrated on the detection units D1 to D4 where elastic deformation is likely to occur. Therefore, it becomes possible to generate more efficient deformation, and more efficient detection becomes possible. Specifically, by not only increasing the detection sensitivity but also devising the shape and structure of the detection unit, it becomes possible to freely set the mode of elastic deformation. The specific modes of elastic deformation of the illustrated detection units D1 to D4 will be described in detail later.

図13(c) は、図13(a) に示す検出リング600を下方から見上げた下面図であり、X軸を右方向にとると、Y軸は下方向を向いた軸になる。図示のとおり、X軸上に配置されている連結部L1を始点として時計まわりに、連結部L1,検出部D1,連結部L2,検出部D2,連結部L3,検出部D3,連結部L4,検出部D4の順に配置されている。後述するように、Y軸上の固定点P1,P2(黒丸で示す)は支持基板に固定され、X軸上の作用点Q1,Q2(白丸で示す)には受力体から加えられた外力が作用する。その結果、各検出部D1〜D4には、当該外力に応じた弾性変形が生じる。 FIG. 13 (c) is a bottom view of the detection ring 600 shown in FIG. 13 (a) looking up from below. When the X axis is taken to the right, the Y axis is an axis facing downward. As shown in the figure, starting from the connecting portion L1 arranged on the X-axis, the connecting portion L1, the detecting portion D1, the connecting portion L2, the detecting portion D2, the connecting portion L3, the detecting portion D3, and the connecting portion L4. The detection units D4 are arranged in this order. As will be described later, the fixed points P1 and P2 (indicated by black circles) on the Y-axis are fixed to the support substrate, and the external forces applied from the receiving body are applied to the points of action Q1 and Q2 (indicated by white circles) on the X-axis. Works. As a result, each of the detection units D1 to D4 is elastically deformed according to the external force.

図14は、図13に示す検出リング600の領域分布を示す上面図である(網目状のハッチングは、検出部D1〜D4の領域を示すためのものであり、断面を示すものではない)。上面図であるため、図13(c) とは逆に、検出リング600上には反時計まわりに、L1,D1,L2,D2,L3,D3,L4,D4がこの順に配置されている。図示のとおり、XY平面上において、原点Oを中心としてX軸を反時計まわりに45°回転させた座標軸としてV軸が定義され、原点Oを中心としてY軸を反時計まわりに45°回転させた座標軸としてW軸が定義されている。図の<I>,<II>,<III>,<IV>は、XY二次元座標系における第1象限〜第4象限を示している。4組の検出部D1,D2,D3,D4は、それぞれ第1象限,第2象限,第3象限,第4象限に配置されている。 FIG. 14 is a top view showing the region distribution of the detection ring 600 shown in FIG. 13 (the mesh-like hatching is for showing the regions of the detection units D1 to D4, and does not show the cross section). Since it is a top view, contrary to FIG. 13C, L1, D1, L2, D2, L3, D3, L4, and D4 are arranged in this order on the detection ring 600 in a counterclockwise direction. As shown in the figure, on the XY plane, the V-axis is defined as a coordinate axis in which the X-axis is rotated 45 ° counterclockwise around the origin O, and the Y-axis is rotated 45 ° counterclockwise around the origin O. The W axis is defined as the coordinate axis. <I>, <II>, <III>, and <IV> in the figure indicate the first to fourth quadrants in the XY two-dimensional coordinate system. The four sets of detection units D1, D2, D3, and D4 are arranged in the first quadrant, the second quadrant, the third quadrant, and the fourth quadrant, respectively.

図15は、図13に示す検出リング600について、XY平面上に定義された基本環状路Bおよびこの基本環状路B上に定義された各点を示す平面図である。図に太い一点鎖線で示す基本環状路Bは、XY平面上に配置された原点Oを中心とする円であり、検出リング600は、この基本環状路Bに沿って伸びる環状構造体になる。図には、検出リング600の内側輪郭線と外側輪郭線の位置が実線で示されている。図示の実施例の場合、基本環状路Bは、検出リング600の内側輪郭線と外側輪郭線との中間位置を通るXY平面上の円であり、検出リング600の環状肉厚部分(連結部L1〜L4)の中心線になる。 FIG. 15 is a plan view showing the basic ring road B defined on the XY plane and the points defined on the basic ring road B for the detection ring 600 shown in FIG. The basic ring road B shown by the thick alternate long and short dash line in the figure is a circle centered on the origin O arranged on the XY plane, and the detection ring 600 is an annular structure extending along the basic ring road B. In the figure, the positions of the inner contour line and the outer contour line of the detection ring 600 are shown by solid lines. In the case of the illustrated embodiment, the basic ring road B is a circle on the XY plane passing through the intermediate position between the inner contour line and the outer contour line of the detection ring 600, and is a ring-thick portion (connecting portion L1) of the detection ring 600. It becomes the center line of ~ L4).

4組の検出点R1〜R4は、この基本環状路B上の点として定義される。具体的には、第1の検出点R1は、正のV軸と基本環状路Bとの交点位置に定義され、第2の検出点R2は、正のW軸と基本環状路Bとの交点位置に定義され、第3の検出点R3は、負のV軸と基本環状路Bとの交点位置に定義され、第4の検出点R4は、負のW軸と基本環状路Bとの交点位置に定義されている。これら検出点R1〜R4は、それぞれ検出部D1〜D4の配置を示すものである。すなわち、図14に網目状のハッチング領域として示すように、第1の検出部D1は第1の検出点R1の位置に配置され、第2の検出部D2は第2の検出点R2の位置に配置され、第3の検出部D3は第3の検出点R3の位置に配置され、第4の検出部D4は第4の検出点R4の位置に配置されている。 The four sets of detection points R1 to R4 are defined as points on the basic ring road B. Specifically, the first detection point R1 is defined at the intersection position of the positive V-axis and the basic ring road B, and the second detection point R2 is the intersection of the positive W axis and the basic ring road B. Defined at the position, the third detection point R3 is defined at the intersection position of the negative V axis and the basic loop path B, and the fourth detection point R4 is the intersection of the negative W axis and the basic loop path B. Defined in position. These detection points R1 to R4 indicate the arrangement of the detection units D1 to D4, respectively. That is, as shown in FIG. 14 as a mesh-like hatching region, the first detection unit D1 is arranged at the position of the first detection point R1, and the second detection unit D2 is located at the position of the second detection point R2. The third detection unit D3 is arranged at the position of the third detection point R3, and the fourth detection unit D4 is arranged at the position of the fourth detection point R4.

一方、図15に黒丸で示されている点P1,P2は固定点、白丸で示されている点Q1,Q2は作用点である。後述するように、固定点P1,P2は支持基板300に対して固定される点になり、作用点Q1,Q2は受力体100からの力が作用する点になる。図示の例の場合、固定点P1,P2は、Y軸と基本環状路Bとの交点位置に定義され、作用点Q1,Q2は、X軸と基本環状路Bとの交点位置に定義されている。したがって、この検出リング600を用いた力覚センサでは、Y軸上の2点P1,P2を固定した状態において、X軸上の2点Q1,Q2に作用した力もしくはモーメントを、V軸およびW軸上の検出点R1〜R4に配置された4組の検出部D1〜D4の弾性変形に基づいて検出することになる。 On the other hand, the points P1 and P2 indicated by black circles in FIG. 15 are fixed points, and the points Q1 and Q2 indicated by white circles are action points. As will be described later, the fixed points P1 and P2 are points fixed to the support substrate 300, and the points of action Q1 and Q2 are points on which the force from the receiving body 100 acts. In the case of the illustrated example, the fixed points P1 and P2 are defined at the intersection position between the Y axis and the basic ring road B, and the action points Q1 and Q2 are defined at the intersection position between the X axis and the basic ring road B. There is. Therefore, in the force sensor using the detection ring 600, the force or moment acting on the two points Q1 and Q2 on the X axis in the state where the two points P1 and P2 on the Y axis are fixed is applied to the V axis and W. The detection is performed based on the elastic deformation of the four sets of detection units D1 to D4 arranged at the detection points R1 to R4 on the axis.

図15に示すとおり、固定点P1,P2と作用点Q1,Q2とは、基本環状路Bに沿って交互に配置されている。このような交互配置は、後述するように、検出対象となる外力が作用したときに、検出リング600に効果的な変形を生じさせる上で重要である。また、4組の検出点R1〜R4は、隣接する固定点と作用点との間に配置されている。このような配置も、検出対象となる外力が作用したときに、各検出部D1〜D4に効果的な変位を生じさせる上で重要である。 As shown in FIG. 15, the fixed points P1 and P2 and the points of action Q1 and Q2 are alternately arranged along the basic ring road B. Such an alternating arrangement is important in causing effective deformation of the detection ring 600 when an external force to be detected acts on it, as will be described later. Further, four sets of detection points R1 to R4 are arranged between adjacent fixed points and action points. Such an arrangement is also important in causing effective displacement of the detection units D1 to D4 when an external force to be detected acts.

<3−2.基本的実施形態の構造>
続いて、本発明の基本的実施形態(第1の実施形態)に係る力覚センサの構造を説明する。図16は、当該実施形態に係る力覚センサの基本構造部の上面図(上段の図)およびこれをXZ平面で切断した側断面図(下段の図)である。図示のとおり、この基本構造部は、受力体100と、検出リング600と、支持基板300とを備えている。
<3-2. Structure of basic embodiment>
Subsequently, the structure of the force sensor according to the basic embodiment (first embodiment) of the present invention will be described. FIG. 16 is a top view (upper view) of the basic structure portion of the force sensor according to the embodiment and a side sectional view (lower view) obtained by cutting the basic structure portion in the XZ plane. As shown in the figure, this basic structural part includes a receiving body 100, a detection ring 600, and a support substrate 300.

検出リング600は、§3−1で詳述したとおり、図13に示す構造を有する円環状の部材であり、4組の検出部D1〜D4を有している。受力体100は、この検出リング600の外側を取り囲むように配置された円環状の部材である。一方、支持基板300は、下段の側断面図に示されているとおり、検出リング600および受力体100の下方に配置された円盤状の部材である。受力体100の内周面と検出リング600の外周面との間は、X軸に沿った位置に配置された2本の接続部材410,420によって接続され、検出リング600の下面と支持基板300の上面との間は、Y軸に沿った位置に配置された固定部材510,520によって接続されている。 As described in detail in §3-1, the detection ring 600 is an annular member having the structure shown in FIG. 13, and has four sets of detection units D1 to D4. The receiving body 100 is an annular member arranged so as to surround the outside of the detection ring 600. On the other hand, the support substrate 300 is a disk-shaped member arranged below the detection ring 600 and the receiving body 100, as shown in the lower side sectional view. The inner peripheral surface of the receiving body 100 and the outer peripheral surface of the detection ring 600 are connected by two connecting members 410 and 420 arranged at positions along the X axis, and the lower surface of the detection ring 600 and the support substrate are connected. It is connected to the upper surface of the 300 by fixing members 510 and 520 arranged at positions along the Y axis.

図2に示す先願発明の基本構造部と図16に示す本発明の基本構造部とを比較すると、両者の本質的な相違点は、前者における検出リング200が、後者では検出リング600に置き換えられている点だけである。その他の各構成要素については、寸法や形状に若干の違いがあるが、本質的な機能に相違はないため、図16では、両者間で対応する構成要素について、検出リングを除いて同一符号を用いて示してある。図2に示す検出リング200が、単なるワッシャ状の円環状構造体であるのに対して、図16に示す検出リング600は、4箇所に検出部D1〜D4を有する円環状構造体である。このため、検出リング600に外力(力もしくはモーメント)が作用すると、前述したとおり、専ら、検出部D1〜D4に変形が集中することになる。 Comparing the basic structural part of the prior invention shown in FIG. 2 with the basic structural part of the present invention shown in FIG. 16, the essential difference between the two is that the detection ring 200 in the former is replaced with the detection ring 600 in the latter. It is only the point that is done. Although there are slight differences in dimensions and shapes for each of the other components, there is no difference in essential functions. Therefore, in FIG. 16, the corresponding components are designated by the same reference numerals except for the detection ring. It is shown using. The detection ring 200 shown in FIG. 2 is a simple washer-shaped annular structure, whereas the detection ring 600 shown in FIG. 16 is an annular structure having detection portions D1 to D4 at four locations. Therefore, when an external force (force or moment) acts on the detection ring 600, the deformation is concentrated exclusively on the detection units D1 to D4 as described above.

そこで、以下、各検出部D1〜D4の構造とその変形態様についての説明を行う。図17は、図13に示す検出リング600の検出部D1〜D4の詳細構造を示す部分断面図である。4組の検出部D1〜D4は、いずれも同一の構造を有している。図17に示す検出部Dは、これら4組の検出部D1〜D4を代表するものであり、検出リング600を、基本環状路Bを含む円柱面で切断したときの断面部分を示している。図17(a) は、外力が作用していない状態、図17(b) は、外力の作用により検出部Dに圧縮力f1が作用した状態、図17(c) は、外力の作用により検出部Dに伸張力f2が作用した状態をそれぞれ示している。 Therefore, the structure of each of the detection units D1 to D4 and its modified mode will be described below. FIG. 17 is a partial cross-sectional view showing the detailed structure of the detection units D1 to D4 of the detection ring 600 shown in FIG. The four sets of detection units D1 to D4 all have the same structure. The detection unit D shown in FIG. 17 represents these four sets of detection units D1 to D4, and shows a cross-sectional portion when the detection ring 600 is cut by a cylindrical surface including the basic ring road B. FIG. 17 (a) shows a state in which no external force is applied, FIG. 17 (b) shows a state in which a compressive force f1 acts on the detection unit D due to the action of the external force, and FIG. 17 (c) shows the state detected by the action of the external force. The state in which the extension force f2 acts on the part D is shown.

図17(a) に示すとおり、検出部Dの左右両脇には、連結部Lが位置している。この連結部Lは、4組の連結部L1〜L4のいずれかに相当する。たとえば、図17(a) に示す検出部Dが、図13に示されている第4の検出部D4の場合、その右脇に配置されている連結部Lは、図13に示す連結部L1に相当し、その左脇に配置されている連結部Lは、図13に示す連結部L4に相当する。 As shown in FIG. 17A, connecting portions L are located on both the left and right sides of the detection portion D. This connecting portion L corresponds to any of four sets of connecting portions L1 to L4. For example, when the detection unit D shown in FIG. 17A is the fourth detection unit D4 shown in FIG. 13, the connection unit L arranged on the right side thereof is the connection unit L1 shown in FIG. Corresponds to, and the connecting portion L arranged on the left side thereof corresponds to the connecting portion L4 shown in FIG.

図示のとおり、検出部Dは、検出対象となる外力の作用により弾性変形を生じる第1の変形部61と、検出対象となる外力の作用により弾性変形を生じる第2の変形部62と、第1の変形部61および第2の変形部62の弾性変形により変位を生じる変位部63と、を有しており、左脇に配置された連結部Lの端部と右脇に配置された連結部Lの端部との間に配置されている。 As shown in the figure, the detection unit D includes a first deformation unit 61 that causes elastic deformation due to the action of an external force to be detected, a second deformation unit 62 that causes elastic deformation due to the action of an external force to be detected, and a second. It has a deformed portion 61 of 1 and a displacement portion 63 that is displaced by elastic deformation of the second deformed portion 62, and is connected to the end of the connecting portion L arranged on the left side and the connecting portion L arranged on the right side. It is arranged between the end of the portion L.

ここに示す例の場合、第1の変形部61は、可撓性を有する第1の板状片によって構成され、第2の変形部62は、可撓性を有する第2の板状片によって構成され、変位部63は、第3の板状片によって構成されている。実際には、検出リング600は、金属(ステンレス、アルミニウムなど)や合成樹脂(プラスチックなど)といった同一材料からなる構造体によって構成される。第1の板状片61、第2の板状片62、変位部63は、連結部Lに比べて肉厚の薄い板状の部材であるため可撓性を有することになる。 In the case of the example shown here, the first deformed portion 61 is composed of the first plate-shaped piece having flexibility, and the second deformed portion 62 is formed by the second plate-shaped piece having flexibility. The displacement portion 63 is configured by a third plate-shaped piece. In reality, the detection ring 600 is composed of a structure made of the same material such as metal (stainless steel, aluminum, etc.) and synthetic resin (plastic, etc.). Since the first plate-shaped piece 61, the second plate-shaped piece 62, and the displacement portion 63 are plate-shaped members having a thickness thinner than that of the connecting portion L, they have flexibility.

なお、ここに示す例の場合、変位部63も肉厚の薄い板状の部材であるため可撓性を有しているが、変位部63は必ずしも可撓性をもった部材である必要はない(もちろん、可撓性があってもよい)。変位部63の役割は、外力が作用したときに変位を生じることであり、そのような変位を生じさせるには、第1の変形部61および第2の変形部62が可撓性を有していれば足りる。したがって、変位部63は、必ずしも肉厚の薄い板状の部材によって構成する必要はなく、より肉厚の厚い部材であってもかまわない。一方、連結部Lは、ある程度の可撓性を有していてもかまわないが、作用した外力によって、第1の変形部61および第2の変形部62に効果的な変形を生じさせる上では、連結部Lはなるべく変形しない方が好ましい。 In the case of the example shown here, the displacement portion 63 is also a thin plate-shaped member and therefore has flexibility, but the displacement portion 63 does not necessarily have to be a flexible member. No (of course, it may be flexible). The role of the displacement portion 63 is to generate a displacement when an external force is applied, and in order to generate such a displacement, the first deformed portion 61 and the second deformed portion 62 have flexibility. It's enough if you have it. Therefore, the displacement portion 63 does not necessarily have to be formed of a plate-shaped member having a thin wall thickness, and may be a thicker wall member. On the other hand, the connecting portion L may have a certain degree of flexibility, but the external force acting may cause effective deformation of the first deformed portion 61 and the second deformed portion 62. , It is preferable that the connecting portion L is not deformed as much as possible.

第1の変形部61の外側端はこれに隣接する連結部Lに接続され、第1の変形部61の内側端は変位部63に接続されている。また、第2の変形部62の外側端はこれに隣接する連結部Lに接続され、第2の変形部62の内側端は変位部63に接続されている。図17(a) に示す例の場合、第1の変形部、第2の変形部、変位部は、それぞれ第1の板状片61、第2の板状片62、第3の板状片63によって構成されており、第1の板状片61の外側端(左端)は、左脇に配置された連結部Lの右端部に接続され、第1の板状片61の内側端(右端)は、第3の板状片63の左端に接続され、第2の板状片62の外側端(右端)は、右脇に配置された連結部Lの左端部に接続され、第2の板状片62の内側端は、第3の板状片63の右端に接続されている。 The outer end of the first deformed portion 61 is connected to the connecting portion L adjacent thereto, and the inner end of the first deformed portion 61 is connected to the displacement portion 63. Further, the outer end of the second deformed portion 62 is connected to the connecting portion L adjacent thereto, and the inner end of the second deformed portion 62 is connected to the displacement portion 63. In the case of the example shown in FIG. 17 (a), the first deformed portion, the second deformed portion, and the displaced portion are the first plate-shaped piece 61, the second plate-shaped piece 62, and the third plate-shaped piece, respectively. It is composed of 63, and the outer end (left end) of the first plate-shaped piece 61 is connected to the right end portion of the connecting portion L arranged on the left side, and the inner end (right end) of the first plate-shaped piece 61 is connected. ) Is connected to the left end of the third plate-shaped piece 63, and the outer end (right end) of the second plate-shaped piece 62 is connected to the left end of the connecting portion L arranged on the right side. The inner end of the plate-shaped piece 62 is connected to the right end of the third plate-shaped piece 63.

前述したとおり、検出部Dは、基本環状路B上に定義された検出点Rの位置に配置される。図17(a) に示す法線Nは、検出点Rの位置に立てた、基本環状路Bを含む基本平面(XY平面)に直交する法線であり、検出部Dは、この法線Nが中心にくるように配置されている。また、図17(a) の断面図において、第1の板状片61および第2の板状片62は、法線Nに対して傾斜しており、かつ、第1の板状片61の傾斜方向(右下がり)と第2の板状片62の傾斜方向(右上がり)とが逆向きとなっている。特に、図示の例の場合、検出部Dの断面形状は法線Nに関して線対称となっており、第3の板状片63の上下両面は、XY平面に平行な面を構成している。 As described above, the detection unit D is arranged at the position of the detection point R defined on the basic ring road B. The normal line N shown in FIG. 17 (a) is a normal line set at the position of the detection point R and orthogonal to the basic plane (XY plane) including the basic ring path B, and the detection unit D is the normal line N. Is arranged so that is in the center. Further, in the cross-sectional view of FIG. 17A, the first plate-shaped piece 61 and the second plate-shaped piece 62 are inclined with respect to the normal line N, and the first plate-shaped piece 61 The inclination direction (downward to the right) and the inclination direction (upward to the right) of the second plate-shaped piece 62 are opposite. In particular, in the case of the illustrated example, the cross-sectional shape of the detection unit D is line-symmetrical with respect to the normal line N, and both the upper and lower surfaces of the third plate-shaped piece 63 form a plane parallel to the XY plane.

このように、基本環状路Bを含む断面に関して、法線Nに対する第1の板状片61の傾斜方向と第2の板状片62の傾斜方向とが逆向きとなっているため、基本環状路Bに沿った方向に圧縮力f1が作用した場合と、伸張力f2が作用した場合とでは、第3の板状片63(変位部)の変位方向が逆になる。これは、後述するように、複数の容量素子を用いた差分検出を行う上で好都合である。 As described above, with respect to the cross section including the basic annular road B, the inclination direction of the first plate-shaped piece 61 and the inclination direction of the second plate-shaped piece 62 with respect to the normal N are opposite to each other. The displacement direction of the third plate-shaped piece 63 (displacement portion) is opposite between the case where the compressive force f1 acts in the direction along the path B and the case where the extension force f2 acts. This is convenient for performing difference detection using a plurality of capacitive elements, as will be described later.

すなわち、図17(b) に示すとおり、検出部Dに対して基本環状路Bに沿った方向に圧縮力f1(図の白矢印)が作用した場合は、検出部Dには、横幅を縮める方向に応力が加わることになるので、第1の板状片61および第2の板状片62の姿勢は、より垂直に立った状態に変化する。その結果、第3の板状片63(変位部)は、図に黒矢印で示すとおり下方に変位する。一方、図17(c) に示すとおり、検出部Dに対して基本環状路Bに沿った方向に伸張力f2(図の白矢印)が作用した場合は、検出部Dには、横幅を広げる方向に応力が加わることになるので、第1の板状片61および第2の板状片62の姿勢は、より水平に寝た状態に変化する。その結果、第3の板状片63(変位部)は、図に黒矢印で示すとおり上方に変位する。 That is, as shown in FIG. 17 (b), when the compressive force f1 (white arrow in the figure) acts on the detection unit D in the direction along the basic ring road B, the width of the detection unit D is reduced. Since the stress is applied in the direction, the postures of the first plate-shaped piece 61 and the second plate-shaped piece 62 change to a more vertically standing state. As a result, the third plate-shaped piece 63 (displacement portion) is displaced downward as shown by the black arrow in the figure. On the other hand, as shown in FIG. 17 (c), when an extension force f2 (white arrow in the figure) acts on the detection unit D in the direction along the basic ring road B, the width of the detection unit D is widened. Since the stress is applied in the direction, the postures of the first plate-shaped piece 61 and the second plate-shaped piece 62 change to a more horizontal lying state. As a result, the third plate-shaped piece 63 (displacement portion) is displaced upward as shown by the black arrow in the figure.

以上、検出部Dに対して、基本環状路Bに沿った方向に圧縮力f1もしくは伸張力f2が作用した場合の変形態様を説明したが、もちろん、それ以外の方向に外力が作用した場合は、図17とは異なる変形態様が生じることになる。たとえば、図17(a) において、右脇の連結部Lに対して図の上方に移動させる力を作用させ、同時に、左脇の連結部Lに対して図の下方に移動させる力を作用させると、法線Nに関して非対称となる変形が生じる。ただ、後述するように、ここに示す基本的実施形態に係る力覚センサでは、実質的に、図17に示す変形態様のみを考慮しておけば、その動作原理の把握には十分である。 The deformation mode when the compressive force f1 or the extension force f2 acts on the detection unit D in the direction along the basic ring road B has been described above, but of course, when the external force acts in any other direction, , A deformation mode different from that shown in FIG. 17 will occur. For example, in FIG. 17 (a), a force for moving the right side connecting portion L is applied to the upper side of the figure, and at the same time, a force for moving the left side connecting portion L is applied to the lower side of the drawing. Then, a deformation that becomes asymmetric with respect to the normal N occurs. However, as will be described later, in the force sensor according to the basic embodiment shown here, it is sufficient to substantially grasp the operating principle by considering only the deformation mode shown in FIG.

<3−3.容量素子による検出原理>
本発明の基本的実施形態では、4組の検出部D1〜D4において生じる変位部63の変位を利用して、作用した外力の向きおよび大きさを検出することになるが、変位部63の変位を検出するための検出素子として容量素子を利用する。別言すれば、本発明の基本的実施形態に係る力覚センサは、図16に示す基本構造部に、容量素子と検出回路とを付加することにより構成される。
<3-3. Detection principle by capacitive element>
In the basic embodiment of the present invention, the direction and magnitude of the applied external force are detected by using the displacements of the displacement portions 63 generated in the four sets of detection portions D1 to D4, but the displacement of the displacement portions 63 is detected. A capacitive element is used as a detection element for detecting. In other words, the force sensor according to the basic embodiment of the present invention is configured by adding a capacitive element and a detection circuit to the basic structural portion shown in FIG.

図18は、図13に示す検出リング600の検出部D1〜D4およびこれに対向する支持基板300の所定部分に電極を設けた詳細構造を示す部分断面図である。この図18においても、検出部Dは、4組の検出部D1〜D4を代表するものであり、検出リング600を、基本環状路Bを含む円柱面で切断したときの断面部分を示している。すなわち、図18の上段に示されている検出リング600の一部分は、図13(a) に示す検出リング600の一部分に対応する。 FIG. 18 is a partial cross-sectional view showing a detailed structure in which electrodes are provided in predetermined portions of the detection portions D1 to D4 of the detection ring 600 shown in FIG. 13 and the support substrate 300 facing the detection portions D1 to D4. Also in FIG. 18, the detection unit D represents four sets of detection units D1 to D4, and shows a cross-sectional portion when the detection ring 600 is cut by a cylindrical surface including the basic ring road B. .. That is, the part of the detection ring 600 shown in the upper part of FIG. 18 corresponds to the part of the detection ring 600 shown in FIG. 13 (a).

前述したとおり、外力(力もしくはモーメント)が作用していない状態において、第3の板状片63の両面は、基本環状路Bを含むXY平面に平行な面を構成している。一方、支持基板300は、その上下両面がXY平面に平行になるように配置されている。したがって、図示のとおり、第3の板状片63(変位部)と支持基板300の対向面とは平行な状態になっている。しかも、ここに示す実施例の場合、検出部Dの断面形状は法線Nに関して線対称となっているため、図17(b) ,(c) に示すような圧縮力f1もしくは伸張力f2が作用した場合、第3の板状片63(変位部)は、図の上下方向に平行移動する形で変位を生じ、第3の板状片63(変位部)と支持基板300の対向面とは常に平行な状態に維持される。もちろん、第3の板状片63が、外力(f1,f2)によって変形する場合は、上記平行状態は維持されなくなるが、それでも、後述する電極E1,E2間の距離が外力(f1,f2)に基づいて変化すれば、検出動作上、何ら支障は生じない。 As described above, both sides of the third plate-shaped piece 63 form a plane parallel to the XY plane including the basic ring road B in a state where no external force (force or moment) is applied. On the other hand, the support substrate 300 is arranged so that both the upper and lower surfaces thereof are parallel to the XY plane. Therefore, as shown in the drawing, the third plate-shaped piece 63 (displacement portion) and the facing surface of the support substrate 300 are in a parallel state. Moreover, in the case of the embodiment shown here, since the cross-sectional shape of the detection unit D is axisymmetric with respect to the normal line N, the compressive force f1 or the extension force f2 as shown in FIGS. When acted, the third plate-shaped piece 63 (displacement portion) is displaced in the form of moving in parallel in the vertical direction in the figure, and the third plate-shaped piece 63 (displacement portion) and the facing surface of the support substrate 300. Is always kept parallel. Of course, when the third plate-shaped piece 63 is deformed by an external force (f1, f2), the parallel state is not maintained, but the distance between the electrodes E1 and E2, which will be described later, is still the external force (f1, f2). If it changes based on, there is no problem in the detection operation.

変位部の変位を検出するため、図示のとおり、支持基板300の上面には、絶縁層I1を介して固定電極E1が固定され、第3の板状片63(変位部)の下面には、絶縁層I2を介して変位電極E2が固定される。支持基板300を固定状態に維持すれば、固定電極E1の位置は固定されるが、変位電極E2の位置は第3の板状片63(変位部)の変位に伴って変位する。図示のとおり、固定電極E1と変位電極E2とは互いに対向する位置に配置されており、両者によって容量素子Cが構成される。ここで、第3の板状片63(変位部)が図の上下方向に移動すると、容量素子Cを構成する一対の電極間の距離が変動する。したがって、容量素子Cの静電容量値に基づいて、第3の板状片63(変位部)の変位方向(図の上方もしくは下方)および変位量を検出することができる。 In order to detect the displacement of the displacement portion, as shown in the drawing, the fixed electrode E1 is fixed to the upper surface of the support substrate 300 via the insulating layer I1, and to the lower surface of the third plate-shaped piece 63 (displacement portion). The displacement electrode E2 is fixed via the insulating layer I2. If the support substrate 300 is maintained in the fixed state, the position of the fixed electrode E1 is fixed, but the position of the displacement electrode E2 is displaced according to the displacement of the third plate-shaped piece 63 (displacement portion). As shown in the figure, the fixed electrode E1 and the displacement electrode E2 are arranged at positions facing each other, and the capacitive element C is formed by both of them. Here, when the third plate-shaped piece 63 (displacement portion) moves in the vertical direction in the drawing, the distance between the pair of electrodes constituting the capacitive element C fluctuates. Therefore, the displacement direction (upper or lower in the figure) and the amount of displacement of the third plate-shaped piece 63 (displacement portion) can be detected based on the capacitance value of the capacitance element C.

具体的には、図17(b) に示すように、検出部Dに圧縮力f1が作用すると、両電極間距離が縮み、容量素子Cの静電容量値は増加し、図17(c) に示すように、検出部Dに伸張力f2が作用すると、両電極間距離が広がり、容量素子Cの静電容量値は減少する。図18には、検出部Dについて容量素子Cを形成した例が示されているが、もちろん、実際には、図13に示す4組の検出部D1〜D4について、それぞれ固定電極E1と変位電極E2とが設けられ、4組の容量素子C1〜C4が形成されることになる。これら4組の容量素子C1〜C4を用いて、作用した個々の外力成分を検出する具体的な方法は、次の§3−4で述べることにする。 Specifically, as shown in FIG. 17 (b), when the compressive force f1 acts on the detection unit D, the distance between the two electrodes is shortened, the capacitance value of the capacitance element C is increased, and FIG. As shown in the above, when the extension force f2 acts on the detection unit D, the distance between the two electrodes increases, and the capacitance value of the capacitance element C decreases. FIG. 18 shows an example in which the capacitive element C is formed for the detection unit D, but of course, in reality, the fixed electrodes E1 and the displacement electrodes are actually formed for the four sets of detection units D1 to D4 shown in FIG. 13, respectively. E2 is provided, and four sets of capacitive elements C1 to C4 are formed. A specific method for detecting each acting external force component using these four sets of capacitive elements C1 to C4 will be described in §3-4 below.

なお、図18に示す実施例では、変位電極E2を絶縁層I2を介して第3の板状片63(変位部)に固定しているが、これは、検出リング600を金属などの導電性材料によって構成したためである。同様に、固定電極E1を絶縁層I1を介して支持基板300に固定しているが、これは、支持基板300を金属などの導電性材料によって構成したためである。すなわち、図16に示す基本構造部の場合、受力体100、検出リング600、支持基板300を、すべて金属などの導電性材料により構成しているため、変位電極E2を、変位部63の表面に絶縁層I2を介して形成し、固定電極E1を、支持基板300の表面に絶縁層I1を介して形成している。 In the embodiment shown in FIG. 18, the displacement electrode E2 is fixed to the third plate-shaped piece 63 (displacement portion) via the insulating layer I2, which makes the detection ring 600 conductive such as metal. This is because it is composed of materials. Similarly, the fixed electrode E1 is fixed to the support substrate 300 via the insulating layer I1 because the support substrate 300 is made of a conductive material such as metal. That is, in the case of the basic structural portion shown in FIG. 16, since the receiving body 100, the detection ring 600, and the support substrate 300 are all made of a conductive material such as metal, the displacement electrode E2 is placed on the surface of the displacement portion 63. The fixed electrode E1 is formed on the surface of the support substrate 300 via the insulating layer I1.

したがって、検出リング600(そのうち、少なくとも変位電極E2の形成面)を樹脂などの絶縁材料によって構成した場合は、絶縁層I2を設ける必要はない。同様に、支持基板300(そのうち、少なくとも固定電極E1の形成面)を樹脂などの絶縁材料によって構成した場合は、絶縁層I1を設ける必要はない。 Therefore, when the detection ring 600 (of which at least the surface on which the displacement electrode E2 is formed) is made of an insulating material such as resin, it is not necessary to provide the insulating layer I2. Similarly, when the support substrate 300 (of which at least the surface on which the fixed electrode E1 is formed) is made of an insulating material such as resin, it is not necessary to provide the insulating layer I1.

また、検出リング600を金属などの導電性材料により構成した場合は、検出リング600の下面の一部の領域を変位電極E2として利用することもできる。たとえば、図18に示す実施例において、検出リング600を導電性材料により構成すれば、第3の板状片63(変位部)は導電性の板になるため、それ自身が変位電極としての機能を果たすことになる。このため、別途、変位電極E2を設ける必要はなくなる。この場合、電気的には、検出リング600の表面全体が同電位になるが、実際に4組の容量素子C1〜C4の変位電極E2としての機能を果たす部分は、個別に設けられた4組の固定電極E1に対向する領域のみということになる。したがって、4組の容量素子C1〜C4はそれぞれ別個の容量素子として振る舞うことになり、原理的な支障は生じない。 Further, when the detection ring 600 is made of a conductive material such as metal, a part of the lower surface of the detection ring 600 can be used as the displacement electrode E2. For example, in the embodiment shown in FIG. 18, if the detection ring 600 is made of a conductive material, the third plate-shaped piece 63 (displacement portion) becomes a conductive plate, and therefore itself functions as a displacement electrode. Will be fulfilled. Therefore, it is not necessary to separately provide the displacement electrode E2. In this case, electrically, the entire surface of the detection ring 600 has the same potential, but the portions that actually function as the displacement electrodes E2 of the four sets of capacitive elements C1 to C4 are individually provided in four sets. It is only the region facing the fixed electrode E1 of. Therefore, the four sets of capacitive elements C1 to C4 behave as separate capacitive elements, and there is no problem in principle.

逆に、支持基板300を金属などの導電性材料により構成した場合は、支持基板300の上面の一部の領域を固定電極E1として利用することもできる。たとえば、図18に示す実施例において、支持基板300を導電性材料により構成すれば、その上面の一部が固定電極としての機能を果たすことになる。このため、別途、固定電極E1を設ける必要はなくなる。この場合、電気的には、支持基板300の表面全体が同電位になるが、実際に4組の容量素子C1〜C4の固定電極E1としての機能を果たす部分は、個別に設けられた4組の変位電極E2に対向する領域のみということになる。したがって、4組の容量素子C1〜C4はそれぞれ別個の容量素子として振る舞うことになり、原理的な支障は生じない。 On the contrary, when the support substrate 300 is made of a conductive material such as metal, a part of the upper surface of the support substrate 300 can be used as the fixed electrode E1. For example, in the embodiment shown in FIG. 18, if the support substrate 300 is made of a conductive material, a part of the upper surface thereof functions as a fixed electrode. Therefore, it is not necessary to separately provide the fixed electrode E1. In this case, electrically, the entire surface of the support substrate 300 has the same potential, but the portions that actually function as the fixed electrodes E1 of the four sets of capacitive elements C1 to C4 are individually provided in four sets. Only the region facing the displacement electrode E2 of. Therefore, the four sets of capacitive elements C1 to C4 behave as separate capacitive elements, and there is no problem in principle.

このように、検出リング600を金属などの導電性材料により構成したり、あるいは、支持基板300を金属などの導電性材料により構成したりすれば、個別の変位電極E2や個別の固定電極E1を設ける工程を省略することができるので、生産効率を更に向上させることができる。 In this way, if the detection ring 600 is made of a conductive material such as metal, or the support substrate 300 is made of a conductive material such as metal, the individual displacement electrodes E2 and the individual fixed electrodes E1 can be formed. Since the step of providing can be omitted, the production efficiency can be further improved.

もっとも、このような省略構造を採ると、検出リング600全体あるいは支持基板300全体が共通の電極になり、意図していない様々な部分に浮遊容量が形成されることになる。このため、静電容量の検出値にノイズ成分が混入しやすくなり、検出精度が低下する可能性がある。したがって、高精度の検出が要求される力覚センサの場合には、検出リング600や支持基板300を導電性材料によって構成した場合であっても、図18に示す実施例のように、それぞれ絶縁層を介して、個別の変位電極E2および個別の固定電極E1を設けるようにするのが好ましい。 However, if such an abbreviated structure is adopted, the entire detection ring 600 or the entire support substrate 300 becomes a common electrode, and stray capacitances are formed in various unintended parts. Therefore, a noise component is likely to be mixed in the detected value of the capacitance, and the detection accuracy may be lowered. Therefore, in the case of a force sensor that requires highly accurate detection, even if the detection ring 600 and the support substrate 300 are made of a conductive material, they are insulated as in the embodiment shown in FIG. It is preferable to provide the individual displacement electrode E2 and the individual fixed electrode E1 via the layer.

なお、検出部Dの弾性変形のしやすさは、センサの検出感度を左右するパラメータになる。弾性変形しやすい検出部Dを用いれば、微小な外力でも検出可能な感度の高いセンサを実現することができるが、検出可能な外力の最大値は抑制されることになる。逆に、弾性変形しにくい検出部Dを用いれば、検出可能な外力の最大値を大きくとることができるが、感度は低下するため、微小な外力の検出はできなくなる。 The ease of elastic deformation of the detection unit D is a parameter that affects the detection sensitivity of the sensor. By using the detection unit D that is easily elastically deformed, it is possible to realize a highly sensitive sensor that can detect even a minute external force, but the maximum value of the detectable external force is suppressed. On the contrary, if the detection unit D which is hard to be elastically deformed is used, the maximum value of the detectable external force can be increased, but the sensitivity is lowered, so that the minute external force cannot be detected.

検出部Dの弾性変形のしやすさは、第1の変形部61(第1の板状片)および第2の変形部62(第2の板状片)の厚み(薄くするほど弾性変形しやすい)、幅(狭くするほど弾性変形しやすい)、長さ(長くするほど弾性変形しやすい)などの形状に依存して決まり、更に、その材質にも依存して決まる。また、変位部63(第3の板状片)を弾性変形させる構造で検出部Dを設計することもできる。したがって、実用上は、力覚センサの用途に応じて、検出部Dの各部の寸法や材質を適宜選択すればよい。 The ease of elastic deformation of the detection unit D is the thickness of the first deformation portion 61 (first plate-shaped piece) and the second deformed portion 62 (second plate-shaped piece) (the thinner the thickness, the more elastically deformed. It depends on the shape such as (easy), width (the narrower it is, the easier it is elastically deformed), and the length (the longer it is, the easier it is elastically deformed), and it also depends on the material. Further, the detection unit D can be designed with a structure that elastically deforms the displacement unit 63 (third plate-shaped piece). Therefore, in practice, the dimensions and materials of each part of the detection unit D may be appropriately selected according to the application of the force sensor.

なお、前述したとおり、本願図面では、図示の便宜上、各部の実寸を無視して描いてある。たとえば、図18では、固定電極E1,変位電極E2の厚みや、絶縁層I1,絶縁層I2の厚みが、各板状片61,62,63の厚みとほぼ同じになるように描かれているが、これら各電極や絶縁層は、蒸着やメッキによって構成することができ、その厚みは、数μm程度に設定することができる。これに対して、各板状片61,62,63の厚みは、実用的な強度を考慮してより厚く設計するのが好ましく、たとえば、金属により構成する場合であれば、1mm程度に設定するのが好ましい。 As described above, in the drawings of the present application, the actual size of each part is ignored for convenience of illustration. For example, in FIG. 18, the thickness of the fixed electrode E1 and the displacement electrode E2 and the thickness of the insulating layer I1 and the insulating layer I2 are drawn so as to be substantially the same as the thickness of each of the plate-shaped pieces 61, 62, 63. However, each of these electrodes and the insulating layer can be formed by vapor deposition or plating, and the thickness thereof can be set to about several μm. On the other hand, the thickness of each plate-shaped piece 61, 62, 63 is preferably designed to be thicker in consideration of practical strength. For example, when it is made of metal, it is set to about 1 mm. Is preferable.

一方、図16に示す受力体100および支持基板300は、外力を検出する原理上、弾性変形を生じる部材である必要はない。むしろ、作用した外力が検出リング600の変形に100%寄与するようにするためには、受力体100および支持基板300は、完全な剛体である方が好ましい。図示の例において、受力体100として環状構造体を用いた理由は、弾性変形しやすくするためではなく、検出リング600の外側に配置することにより、全体的に薄型の力覚センサを構成するためである。 On the other hand, the receiving body 100 and the supporting substrate 300 shown in FIG. 16 do not need to be members that cause elastic deformation in principle of detecting an external force. Rather, it is preferable that the receiving body 100 and the supporting substrate 300 are completely rigid bodies so that the applied external force contributes 100% to the deformation of the detection ring 600. In the illustrated example, the reason why the annular structure is used as the receiving body 100 is not to facilitate elastic deformation, but to form a thin force sensor as a whole by arranging it outside the detection ring 600. Because.

すなわち、図16に示す基本的実施形態の場合、受力体100、検出リング600、支持基板300は、いずれもZ軸方向の厚みが小さな扁平構造体によって構成することができ、しかも受力体100を検出リング600の外側に配置する構造を採用しているため、センサ全体の軸長(Z軸方向の長さ)を短く設定することが可能になる。また、図16に示す基本的実施形態の場合、変位電極E2は、すべて検出リング600の下面(4組の検出部D1〜D4の各変位部63の下面)に配置すれば足りるので、生産効率を向上させる効果が期待できる。 That is, in the case of the basic embodiment shown in FIG. 16, the receiving body 100, the detection ring 600, and the support substrate 300 can all be formed of a flat structure having a small thickness in the Z-axis direction, and the receiving body. Since the structure in which the 100 is arranged outside the detection ring 600 is adopted, the axial length (length in the Z-axis direction) of the entire sensor can be set short. Further, in the case of the basic embodiment shown in FIG. 16, it is sufficient to arrange all the displacement electrodes E2 on the lower surface of the detection ring 600 (the lower surface of each displacement portion 63 of the four sets of detection portions D1 to D4), and thus the production efficiency. Can be expected to have the effect of improving.

この効果は、図12に例示されている先願力覚センサの容量素子の構成と比較すると容易に理解できよう。図12に例示されている先願力覚センサでは、検出リング200の内周面に形成された変位電極E21〜E24と、固定補助体350の外周面に形成された固定電極E11〜E14とによって4組の容量素子が形成され、更に、検出リング200の下面に形成された変位電極E25〜E28と、支持基板300の上面に形成された固定電極E15〜E18とによって4組の容量素子が形成される。 This effect can be easily understood by comparing with the configuration of the capacitive element of the prior force sensor illustrated in FIG. In the prior force sensor illustrated in FIG. 12, the displacement electrodes E21 to E24 formed on the inner peripheral surface of the detection ring 200 and the fixed electrodes E11 to E14 formed on the outer peripheral surface of the fixing auxiliary body 350 are used. Four sets of capacitive elements are formed, and further, four sets of capacitive elements are formed by the displacement electrodes E25 to E28 formed on the lower surface of the detection ring 200 and the fixed electrodes E15 to E18 formed on the upper surface of the support substrate 300. Will be done.

このように、水平面に沿った電極と垂直面に沿った電極との双方を形成するためには、それなりに手間のかかる工程が必要になり、しかも、その位置調整に多大な作業負担が必要になり、生産効率の低下は免れない。たとえば、固定補助体350の中心軸がZ軸からわずかにずれただけで、固定電極E11〜E14の位置が変動し、容量素子の静電容量値に変動が生じることになる。もちろん、検出リング200の中心軸がZ軸からわずかにずれた場合も同様である。したがって、当該先願力覚センサの製造プロセスでは、固定補助体350および検出リング200を取り付ける際に、中心軸の位置合わせを高い精度で行う必要がある。 In this way, in order to form both the electrode along the horizontal plane and the electrode along the vertical plane, a rather time-consuming process is required, and a great work load is required for the position adjustment. As a result, production efficiency is inevitably reduced. For example, even if the central axis of the fixed auxiliary body 350 is slightly deviated from the Z axis, the positions of the fixed electrodes E11 to E14 fluctuate, and the capacitance value of the capacitive element fluctuates. Of course, the same applies when the central axis of the detection ring 200 is slightly deviated from the Z axis. Therefore, in the manufacturing process of the prior force sensor, it is necessary to align the central axis with high accuracy when attaching the fixing auxiliary body 350 and the detection ring 200.

これに対して、図16に示す基本構造部を用いた力覚センサの場合、4組の検出部D1〜D4の各変位部63の下面にそれぞれ変位電極E2を形成し、支持基板300上の対向位置にそれぞれ固定電極E1を形成すればよい。いずれの電極も水平面に沿った電極となり、一般的な成膜工程を利用すれば正確な厚み制御が可能である。しかも、各電極は、水平方向に関しては、形成位置についての厳密な精度は要求されない。また、変位電極E2とこれに対向する固定電極E1との間の間隔は、固定部材510,520の高さ寸法によって規定されることになるので、各電極の垂直方向に関する位置精度は容易に確保できる。このため、商業的量産を行う場合であっても、個々の容量素子ごとに対向電極が平行になるようにするとともに、複数の容量素子についての電極間隔が互いに等しくなるような調整を行うことは容易である。このような理由により、ここで述べる基本的実施形態に係る力覚センサは、高い生産効率を確保することができる。 On the other hand, in the case of the force sensor using the basic structure shown in FIG. 16, the displacement electrodes E2 are formed on the lower surfaces of the displacement portions 63 of the four sets of detection portions D1 to D4, respectively, and are mounted on the support substrate 300. Fixed electrodes E1 may be formed at opposite positions. Each of the electrodes becomes an electrode along a horizontal plane, and accurate thickness control is possible by using a general film forming process. Moreover, each electrode is not required to have strict accuracy regarding the formation position in the horizontal direction. Further, since the distance between the displacement electrode E2 and the fixed electrode E1 facing the displacement electrode E2 is defined by the height dimension of the fixing members 510 and 520, the positional accuracy of each electrode in the vertical direction can be easily ensured. it can. Therefore, even in the case of commercial mass production, it is possible to make the counter electrodes parallel to each capacitive element and to make adjustments so that the electrode spacings of the plurality of capacitive elements are equal to each other. It's easy. For this reason, the force sensor according to the basic embodiment described here can ensure high production efficiency.

なお、図18に示す実施例の場合、変位電極E2のサイズ(平面的なサイズ、すなわち、XY平面への投影像の占有面積)に比べて、固定電極E1のサイズ(平面的なサイズ、すなわち、XY平面への投影像の占有面積)の方が大きく設定されている。これは、変位電極E2が図の左右方向や図の紙面に垂直な方向(XY平面に沿った方向)に変位したとしても、固定電極E1に対する変位電極E2の対向面積に変化が生じないようにするための配慮である。別言すれば、変位電極E2が三次元のどの方向に変位したとしても、両電極の位置関係が平行に維持されている限り、容量素子Cの実効面積は、常に一定に維持される。 In the case of the embodiment shown in FIG. 18, the size of the fixed electrode E1 (planar size, that is, the area occupied by the projected image on the XY plane) is compared with the size of the displacement electrode E2 (planar size, that is, the area occupied by the projected image on the XY plane). , Occupied area of the projected image on the XY plane) is set larger. This is so that even if the displacement electrode E2 is displaced in the left-right direction of the figure or in the direction perpendicular to the paper surface of the figure (direction along the XY plane), the area of the displacement electrode E2 facing the fixed electrode E1 does not change. It is a consideration to do. In other words, regardless of the three-dimensional direction in which the displacement electrode E2 is displaced, the effective area of the capacitive element C is always maintained constant as long as the positional relationship between the two electrodes is maintained in parallel.

図19は、このように、固定電極E1に対する変位電極E2の相対位置が変化した場合にも、容量素子Cの実効面積が一定に維持される原理を示す図である。いま、図19(a) に示すように、一対の電極EL,ESを互いに対向するように配置した場合を考える。両電極EL,ESは、互いに所定間隔をおいて平行になるように配置されており、容量素子を構成している。ただ、電極ELは電極ESに比べて面積が大きくなっており、電極ESの輪郭を電極ELの表面に投影して正射影投影像を形成した場合、電極ESの投影像は、電極ELの表面内に完全に含まれる。この場合、容量素子としての実効面積は、電極ESの面積になる。 FIG. 19 is a diagram showing a principle that the effective area of the capacitive element C is kept constant even when the relative position of the displacement electrode E2 with respect to the fixed electrode E1 changes. Now, consider a case where a pair of electrodes EL and ES are arranged so as to face each other as shown in FIG. 19 (a). Both electrodes EL and ES are arranged so as to be parallel to each other at predetermined intervals, and constitute a capacitive element. However, the area of the electrode EL is larger than that of the electrode ES, and when the contour of the electrode ES is projected onto the surface of the electrode EL to form an orthographic projection image, the projected image of the electrode ES is the surface of the electrode EL. Completely contained within. In this case, the effective area of the capacitive element is the area of the electrode ES.

図19(b) は、図19(a) に示す一対の電極ES,ELの側面図である。図にハッチングを施した領域は、実質的な容量素子としての機能を果たす部分であり、容量素子としての実効面積は、このハッチングを施した電極の面積(すなわち、電極ESの面積)ということになる。 FIG. 19B is a side view of the pair of electrodes ES and EL shown in FIG. 19A. The hatched region in the figure is a portion that functions as a substantial capacitive element, and the effective area as a capacitive element is the area of the hatched electrode (that is, the area of the electrode ES). Become.

いま、図に一点鎖線で示すような鉛直面Uを考える。電極ES,ELは、いずれも鉛直面Uに平行になるように配置されている。ここで、電極ESを鉛直面Uに沿って垂直上方に移動させたとすると、電極EL側の対向部分は上方に移動するものの、当該対向部分の面積に変わりはない。電極ESを下方に移動させても、紙面の奥方向や手前方向に移動させても、やはり電極EL側の対向部分の面積は変わらない。 Now, consider the vertical plane U as shown by the alternate long and short dash line in the figure. Both the electrodes ES and EL are arranged so as to be parallel to the vertical plane U. Here, assuming that the electrode ES is moved vertically upward along the vertical plane U, the facing portion on the electrode EL side moves upward, but the area of the facing portion does not change. Even if the electrode ES is moved downward or toward the back or front of the paper surface, the area of the facing portion on the electrode EL side does not change.

要するに、面積が小さい方の電極ESの輪郭を、面積が大きい方の電極ELの表面に投影して正射影投影像を形成した場合、電極ESの投影像が、電極ELの表面内に完全に含まれる状態を維持している限り、両電極によって構成される容量素子の実効面積は、電極ESの面積に等しくなり、常に一定になる。 In short, when the contour of the electrode ES having the smaller area is projected onto the surface of the electrode EL having the larger area to form a normal projection image, the projected image of the electrode ES is completely inside the surface of the electrode EL. As long as the contained state is maintained, the effective area of the capacitive element composed of both electrodes becomes equal to the area of the electrode ES and is always constant.

したがって、図18に示す変位電極E2と固定電極E1との関係が、図19に示す電極ESと電極ELとの関係と同様の関係になっていれば、外力の作用によって、変位電極E2がどの方向に変位したとしても、変位電極E2と固定電極E1との間に平行が保たれている限り、容量素子Cを構成する一対の電極の実効対向面積は一定になる。これは、容量素子Cの静電容量値の変化が、専ら、変位電極E2と固定電極E1との距離に応じて生じることを意味する。別言すれば、容量素子Cの静電容量値の変化は、変位部63の法線Nに沿った方向への変位にのみ依存して生じることになり、法線Nに直交する方向への変位には依存しないことを意味する。これは、上述した原理に基づいて、作用した外力を正確に検出する上で役立つ。 Therefore, if the relationship between the displacement electrode E2 and the fixed electrode E1 shown in FIG. 18 is similar to the relationship between the electrode ES and the electrode EL shown in FIG. 19, which of the displacement electrodes E2 is affected by the action of an external force. Even if the displacement is made in the direction, the effective facing area of the pair of electrodes constituting the capacitive element C is constant as long as the parallel electrode E2 and the fixed electrode E1 are kept parallel to each other. This means that the change in the capacitance value of the capacitance element C occurs exclusively according to the distance between the displacement electrode E2 and the fixed electrode E1. In other words, the change in the capacitance value of the capacitance element C depends only on the displacement of the displacement portion 63 in the direction along the normal line N, and occurs in the direction orthogonal to the normal line N. It means that it does not depend on displacement. This is useful in accurately detecting the applied external force based on the above-mentioned principle.

このように、検出素子として容量素子を用いる実施形態では、検出リング600に対して所定の外力が作用した結果、固定電極E1に対して変位電極E2が平行移動した場合にも、容量素子Cを構成する一対の電極の実効対向面積が変化しないように、固定電極E1および変位電極E2のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定しておくのが好ましい。なお、図19には、2枚の電極EL,ESとして、矩形状の電極を用いた例を示したが、本発明に係る力覚センサに用いる変位電極E2および固定電極E1の形状は任意であり、たとえば、円形の電極を用いるようにしてもかまわない。 As described above, in the embodiment in which the capacitance element is used as the detection element, the capacitance element C is moved even when the displacement electrode E2 is translated with respect to the fixed electrode E1 as a result of a predetermined external force acting on the detection ring 600. It is preferable to set the area of one of the fixed electrode E1 and the displacement electrode E2 to be larger than the area of the other so that the effective facing areas of the pair of constituent electrodes do not change. Although FIG. 19 shows an example in which rectangular electrodes are used as the two electrodes EL and ES, the shapes of the displacement electrode E2 and the fixed electrode E1 used in the force sensor according to the present invention are arbitrary. Yes, for example, a circular electrode may be used.

<3−4.個々の外力成分の具体的な検出方法>
続いて、図16に示す基本構造部を用いた力覚センサについて、支持基板300を固定した状態において、受力体100に各座標軸方向の力Fx,Fy,Fzおよび各座標軸まわりのモーメントMx,My,Mzが作用した場合の動作を考えてみよう。図18に例示したとおり、各検出部Dの下面(変位部63の下面)には変位電極E2が配置され、支持基板300の上面の対向部分には固定電極E1が配置される。そして、これら一対の電極E1,E2によって容量素子Cが形成される。そこで、ここでは、4組の検出部D1〜D4について形成された容量素子を、それぞれ容量素子C1〜C4と呼ぶことにし、これら各容量素子C1〜C4の静電容量値を、同じ符号C1〜C4で示すことにする。
<3-4. Specific detection method for individual external force components>
Subsequently, with respect to the force sensor using the basic structure shown in FIG. 16, with the support substrate 300 fixed, the forces Fx, Fy, Fz in each coordinate axis direction and the moments Mx around each coordinate axis are attached to the receiving body 100. Let us consider the operation when My and Mz act. As illustrated in FIG. 18, the displacement electrode E2 is arranged on the lower surface of each detection unit D (the lower surface of the displacement unit 63), and the fixed electrode E1 is arranged on the opposite portion of the upper surface of the support substrate 300. Then, the capacitance element C is formed by the pair of electrodes E1 and E2. Therefore, here, the capacitance elements formed for the four sets of detection units D1 to D4 are referred to as capacitance elements C1 to C4, respectively, and the capacitance values of the capacitance elements C1 to C4 are set to the same reference numerals C1 to C1. It will be shown by C4.

受力体100に外力Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzが加えられた場合の各容量素子C1〜C4の静電容量値の変動量(増減の程度)は、図20のテーブルに示すようになる。このテーブルにおいて、「+」は静電容量値が増加する(容量素子Cの電極間隔が減少する)ことを示し、「−」は静電容量値が減少する(容量素子Cの電極間隔が増加する)ことを示している。また、「++」は静電容量値の増加の程度が「+」に比べて大きいことを示し、「(+)」は静電容量値の増加の程度が「+」に比べて小さいことを示す。同様に、「−−」は静電容量値の減少の程度が「−」に比べて大きいことを示し、「(−)」は静電容量値の減少の程度が「−」に比べて小さいことを示す。 The amount of change (degree of increase / decrease) in the capacitance value of each capacitance element C1 to C4 when an external force Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz is applied to the receiving body 100 is shown in the table of FIG. Will be. In this table, "+" indicates that the capacitance value increases (the electrode spacing of the capacitance element C decreases), and "-" indicates that the capacitance value decreases (the electrode spacing of the capacitance element C increases). ) Indicates that. In addition, "++" indicates that the degree of increase in the capacitance value is larger than that of "+", and "(+)" indicates that the degree of increase in the capacitance value is smaller than that of "+". Shown. Similarly, "-" indicates that the degree of decrease in capacitance value is larger than that of "-", and "(-)" indicates that the degree of decrease in capacitance value is smaller than that of "-". Show that.

もっとも、各静電容量値の増減の絶対値は、実際には、検出リング600の各部の寸法や厚み、特に、検出部Dを構成する板状片61,62,63の寸法や厚みに依存した量になるので、本願に示すテーブルにおける「(+)」,「+」,「++」の相違や、「(−)」,「−」,「−−」の相違は、あくまでも相対的なものである。特に、力Fx,Fy,Fz(単位:N)とモーメントMx,My,Mz(単位:N・m)とは、異なる物理量であり、直接比較することはできない。 However, the absolute value of the increase or decrease of each capacitance value actually depends on the size and thickness of each part of the detection ring 600, in particular, the size and thickness of the plate-shaped pieces 61, 62, 63 constituting the detection part D. The difference between "(+)", "+", and "++" in the table shown in the present application and the difference between "(-)", "-", and "---" are only relative. It is a thing. In particular, the forces Fx, Fy, Fz (unit: N) and the moments Mx, My, Mz (unit: Nm) are different physical quantities and cannot be directly compared.

図20のテーブルは、受力体100の外周部に、同じ大きさの力をそれぞれの方向(Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzの外力として作用する方向)に加えた場合の実測値に基づいて作成したものである。したがって、モーメントの値は、受力体100の外周部に加えた力に、受力体100の外周部の半径を乗じた値として換算されることになる。図20のテーブルは、このような換算値に基づいて、絶対値が5未満である場合は「(+)」,「(−)」で示し、絶対値が5以上50未満である場合は「+」,「−」で示し、絶対値が50以上である場合は「++」,「−−」で示したものである。 The table of FIG. 20 shows the measured values when a force of the same magnitude is applied to the outer peripheral portion of the receiving body 100 in each direction (direction in which the force acts as an external force of Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz). It was created based on. Therefore, the value of the moment is converted as a value obtained by multiplying the force applied to the outer peripheral portion of the receiving body 100 by the radius of the outer peripheral portion of the receiving body 100. Based on such conversion values, the table of FIG. 20 is indicated by "(+)" and "(-)" when the absolute value is less than 5, and "(-)" when the absolute value is 5 or more and less than 50. It is indicated by "+" and "-", and when the absolute value is 50 or more, it is indicated by "++" and "---".

この図20のテーブルに示すような結果が得られることは、図4〜図7に示す先願力覚センサにおける検出リング200の変形態様を参照することにより、図16に示す検出リング600の検出部D1〜D4の各位置にどのような応力が作用するかを認識した上で、図17に示す変位部63の変位方向を考慮すれば理解できよう。検出リング200と検出リング600とは、検出部D1〜D4の構造部分において相違するが、いずれも円環状のリングであり、Y軸上の固定点P1,P2を固定した状態において、X軸上の作用点Q1,Q2に外力の作用を受けて変形する点は共通する。したがって、検出リング600の検出部D1〜D4の位置に加わる応力は、図4〜図7に示す検出リング200の対応位置に加わる応力と同様になる。 To obtain the results shown in the table of FIG. 20, the detection of the detection ring 600 shown in FIG. 16 can be obtained by referring to the deformation mode of the detection ring 200 in the prior application force sensor shown in FIGS. 4 to 7. It can be understood by recognizing what kind of stress acts on each position of the portions D1 to D4 and then considering the displacement direction of the displacement portion 63 shown in FIG. Although the detection ring 200 and the detection ring 600 are different in the structural parts of the detection units D1 to D4, they are both annular rings, and when the fixed points P1 and P2 on the Y axis are fixed, they are on the X axis. It is common that the points of action Q1 and Q2 are deformed by the action of an external force. Therefore, the stress applied to the positions of the detection units D1 to D4 of the detection ring 600 is the same as the stress applied to the corresponding positions of the detection rings 200 shown in FIGS. 4 to 7.

たとえば、受力体100に対してX軸正方向の力+Fxが作用すると、検出リング200は、図4に示すように変形し、点P1−Q1間および点P2−Q1間には伸張力f2が作用し、点P1−Q2間および点P2−Q2間には圧縮力f1が作用する。したがって、図16に示す検出リング600の場合、検出部D1,D4には伸張力f2が作用し、図17(c) に示すように変位部63が上方に移動し、静電容量値C1,C4は減少する。一方、検出部D2,D3には圧縮力f1が作用し、図17(b) に示すように変位部63が下方に移動し、静電容量値C2,C3は増加する。図20のテーブルにおけるFxの行の各欄は、このような結果を示すものである。 For example, when a force + Fx in the positive direction of the X axis acts on the receiving body 100, the detection ring 200 is deformed as shown in FIG. 4, and the extension force f2 is formed between points P1-Q1 and P2-Q1. Acts, and a compressive force f1 acts between points P1-Q2 and points P2-Q2. Therefore, in the case of the detection ring 600 shown in FIG. 16, the extension force f2 acts on the detection units D1 and D4, the displacement unit 63 moves upward as shown in FIG. 17 (c), and the capacitance values C1 and C1 C4 decreases. On the other hand, the compressive force f1 acts on the detection units D2 and D3, the displacement unit 63 moves downward as shown in FIG. 17B, and the capacitance values C2 and C3 increase. Each column of the Fx row in the table of FIG. 20 shows such a result.

同様に、受力体100に対してY軸正方向の力+Fyが作用すると、点P1−Q1間および点P1−Q2間には圧縮力f1が作用し、点P2−Q1間および点P2−Q2間には伸張力f2が作用する。したがって、図16に示す検出リング600の場合、検出部D1,D2には圧縮力f1が作用し、静電容量値C1,C2は増加する。一方、検出部D3,D4には伸張力f2が作用し、静電容量値C3,C4は減少する。図20のテーブルにおけるFyの行の各欄は、このような結果を示すものである。 Similarly, when a force + Fy in the positive direction of the Y axis acts on the receiving body 100, a compressive force f1 acts between points P1-Q1 and P1-Q2, and between points P2-Q1 and P2-. A stretching force f2 acts between Q2. Therefore, in the case of the detection ring 600 shown in FIG. 16, the compressive force f1 acts on the detection units D1 and D2, and the capacitance values C1 and C2 increase. On the other hand, the extension force f2 acts on the detection units D3 and D4, and the capacitance values C3 and C4 decrease. Each column of the Fy row in the table of FIG. 20 shows such a result.

また、受力体100に対してZ軸正方向の力+Fzが作用すると、検出リング200は、図5に示すように変形する。したがって、図16に示す検出リング600の場合、4組の検出部D1〜D4は、いずれも上方(Z軸正方向)へと移動する。このため、4組の容量素子C1〜C4の電極間隔はいずれも広がり、静電容量値C1〜C4は減少する。図20のテーブルにおけるFzの行の各欄は、このような結果を示すものである。なお、固定点P1,P2の位置は変動しないため、検出部D1〜D4はXY平面に対して若干傾斜することになり、各容量素子C1〜C4を形成する一対の電極は平行ではなくなる。このため、一対の電極の実効対向面積がわずかに変動することになるが、静電容量値C1〜C4は主として電極間距離の変動の影響を受ける。 Further, when a force + Fz in the positive direction of the Z axis acts on the receiving body 100, the detection ring 200 is deformed as shown in FIG. Therefore, in the case of the detection ring 600 shown in FIG. 16, all four sets of detection units D1 to D4 move upward (Z-axis positive direction). Therefore, the electrode spacing of the four sets of capacitance elements C1 to C4 is widened, and the capacitance values C1 to C4 are reduced. Each column of the Fz row in the table of FIG. 20 shows such a result. Since the positions of the fixed points P1 and P2 do not change, the detection units D1 to D4 are slightly inclined with respect to the XY plane, and the pair of electrodes forming the capacitance elements C1 to C4 are not parallel to each other. Therefore, the effective facing areas of the pair of electrodes fluctuate slightly, but the capacitance values C1 to C4 are mainly affected by the fluctuation of the distance between the electrodes.

一方、受力体100に対してY軸正まわりのモーメント+Myが作用すると、検出リング200は、図6に示すように変形し、図の右半分は下方へ変位し、図の左半分は上方へ変位する。したがって、図16に示す検出リング600の場合、図の右半分に位置する検出部D1,D4は下方へ変位し、図の左半分に位置する検出部D2,D3は上方へ変位する。このため、容量素子C1,C4の電極間隔は小さくなり、静電容量値C1,C4は増加する。また、容量素子C2,C3の電極間隔は大きくなり、静電容量値C2,C3は減少する。図20のテーブルにおけるMyの行の各欄は、このような結果を示すものである。 On the other hand, when a moment + My in the positive direction of the Y axis acts on the receiving body 100, the detection ring 200 is deformed as shown in FIG. 6, the right half of the figure is displaced downward, and the left half of the figure is upward. Displace to. Therefore, in the case of the detection ring 600 shown in FIG. 16, the detection units D1 and D4 located in the right half of the figure are displaced downward, and the detection units D2 and D3 located in the left half of the figure are displaced upward. Therefore, the electrode spacing of the capacitance elements C1 and C4 becomes small, and the capacitance values C1 and C4 increase. Further, the electrode spacing of the capacitance elements C2 and C3 becomes large, and the capacitance values C2 and C3 decrease. Each column of the My row in the table of FIG. 20 shows such a result.

同様に、受力体100に対してX軸正まわりのモーメント+Mxが作用すると、図16に示す検出リング600の場合、図の下半分に位置する検出部D3,D4は下方へ変位し、図の上半分に位置する検出部D1,D2は上方へ変位する。このため、容量素子C3,C4の電極間隔は小さくなり、静電容量値C3,C4は増加する。また、容量素子C1,C2の電極間隔は大きくなり、静電容量値C1,C2は減少する。図20のテーブルにおけるMxの行の各欄は、このような結果を示すものである。 Similarly, when the moment + Mx around the X-axis forward acts on the receiving body 100, in the case of the detection ring 600 shown in FIG. 16, the detection units D3 and D4 located in the lower half of the figure are displaced downward, and the figure shows. The detection units D1 and D2 located in the upper half are displaced upward. Therefore, the electrode spacing of the capacitance elements C3 and C4 becomes small, and the capacitance values C3 and C4 increase. Further, the electrode spacing of the capacitance elements C1 and C2 becomes large, and the capacitance values C1 and C2 decrease. Each column of the Mx row in the table of FIG. 20 shows such a result.

なお、モーメント+Mx,+Myが作用した場合も、検出部D1〜D4はXY平面に対して若干傾斜することになるので、各容量素子C1〜C4を形成する一対の電極は平行ではなくなる。このため、一対の電極の実効対向面積がわずかに変動することになるが、静電容量値C1〜C4は主として電極間距離の変動の影響を受ける。 Even when the moments + Mx and + My act, the detection units D1 to D4 are slightly inclined with respect to the XY plane, so that the pair of electrodes forming the respective capacitive elements C1 to C4 are not parallel. Therefore, the effective facing areas of the pair of electrodes fluctuate slightly, but the capacitance values C1 to C4 are mainly affected by the fluctuation of the distance between the electrodes.

最後に、受力体100に対してZ軸正まわりのモーメント+Mzが作用すると、検出リング200は、図7に示すように変形し、点P1−Q1間および点P2−Q2間には圧縮力f1が作用し、点P1−Q2間および点P2−Q1間には伸張力f2が作用する。したがって、図16に示す検出リング600の場合、検出部D1,D3には圧縮力f1が作用し、静電容量値C1,C3は増加する。一方、検出部D2,D4には伸張力f2が作用し、静電容量値C2,C4は減少する。図20のテーブルにおけるMzの行の各欄は、このような結果を示すものである。 Finally, when a moment + Mz in the positive direction of the Z axis acts on the receiving body 100, the detection ring 200 is deformed as shown in FIG. 7, and a compressive force is applied between points P1-Q1 and P2-Q2. f1 acts, and an extension force f2 acts between points P1-Q2 and points P2-Q1. Therefore, in the case of the detection ring 600 shown in FIG. 16, the compressive force f1 acts on the detection units D1 and D3, and the capacitance values C1 and C3 increase. On the other hand, the extension force f2 acts on the detection units D2 and D4, and the capacitance values C2 and C4 decrease. Each column of the Mz row in the table of FIG. 20 shows such a result.

図20のテーブルにおいて、Fxの行およびFyの行の各欄が「(+)」もしくは「(−)」になっているのは、Fx,Fyが作用した場合はFz,Mzが作用した場合と比べて、各検出部D1〜D4の変位部63に生じる変位量が小さいためである。一方、Mxの行およびMyの行の各欄が「++」もしくは「−−」になっているのは、Mx,Myが作用した場合は、図6に示すように検出リングが大きく傾斜し、変位電極E2が大きく変位するためである。 In the table of FIG. 20, each column of the Fx row and the Fy row is "(+)" or "(-)" when Fx and Fy acted and Fz and Mz acted. This is because the amount of displacement generated in the displacement units 63 of the detection units D1 to D4 is smaller than that of the displacement units 63. On the other hand, the reason why each column of the Mx line and the My line is "++" or "---" is that when Mx and My act, the detection ring is greatly tilted as shown in FIG. This is because the displacement electrode E2 is largely displaced.

なお、図20のテーブルは、正方向の力および正まわりのモーメントが作用した場合の結果を示しているが、負方向の力および負まわりのモーメントが作用した場合は、「+」と「−」が逆転した結果が得られることになる。 The table in FIG. 20 shows the results when a positive force and a positive moment are applied, but when a negative force and a negative moment are applied, "+" and "-" are shown. The result of reversing "" will be obtained.

本発明の基本的実施形態(第1の実施形態)に係る力覚センサは、図16に示す基本構造部に、4組の容量素子C1〜C4(4組の変位電極と4組の固定電極)と検出回路とを付加したものである。この力覚センサは、各検出部D1〜D4に配置した容量素子C1〜C4の静電容量値の変化を電気的に検出することにより、特定箇所の変位を測定し、作用した力およびモーメントの向きと大きさを検出する機能を有している。ここでは、この力覚センサによる各座標軸に関する力およびモーメントの検出原理と、具体的な検出回路の一例を示しておく。 The force sensor according to the basic embodiment (first embodiment) of the present invention has four sets of capacitive elements C1 to C4 (four sets of displacement electrodes and four sets of fixed electrodes) in the basic structural portion shown in FIG. ) And a detection circuit are added. This force sensor measures the displacement of a specific location by electrically detecting the change in the capacitance value of the capacitive elements C1 to C4 arranged in each of the detection units D1 to D4, and measures the displacement of the applied force and moment. It has a function to detect the orientation and size. Here, the principle of detecting the force and the moment with respect to each coordinate axis by this force sensor and an example of a specific detection circuit will be shown.

前述したとおり、この力覚センサでは、受力体100に外力Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzが加えられた場合、各容量素子C1〜C4の静電容量値は、図20のテーブルに示すような変動を生じる。ここで、「(+)」および「(−)」は、「+」および「−」に比べて変動量が小さいので、近似的に0と取り扱うことにしよう。すると、図20のテーブルは、近似的に図21のテーブルに置き換えられる。この図21のテーブルを前提とすれば、受力体100に作用した外力の4軸成分Fz,Mx,My,Mzは、図22に示す演算式によって算出することができる。 As described above, in this force sensor, when an external force Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz is applied to the receiving body 100, the capacitance values of the capacitive elements C1 to C4 are shown in the table of FIG. It causes fluctuations as shown in. Here, since the amount of fluctuation of "(+)" and "(-)" is smaller than that of "+" and "-", it will be treated as approximately 0. Then, the table of FIG. 20 is approximately replaced with the table of FIG. 21. Assuming the table of FIG. 21, the four-axis components Fz, Mx, My, and Mz of the external force acting on the receiving body 100 can be calculated by the arithmetic expression shown in FIG.

まず、Z軸方向の力Fzについては、図21のテーブルのFzの行の各欄を参照すれば、Fz=−(C1+C2+C3+C4)なる演算によって得られることが理解できよう。しかも、この演算式を用いれば、Fz以外の他軸成分が存在しても、相互に相殺されてしまうことがわかる。たとえば、Mx,My,Mzの行の各欄の結果をそれぞれ上記演算式に代入して計算すると、いずれもFz=0なる結果が得られる。したがって、上記演算式によって得られた値Fzは、他軸成分を含まないZ軸方向の力成分Fzのみを示す値になる。これは、各検出部D1〜D4および各容量素子C1〜C4の構造が、XZ平面およびYZ平面の双方に関して対称性を有しているためである。 First, it can be understood that the force Fz in the Z-axis direction can be obtained by the operation of Fz =-(C1 + C2 + C3 + C4) by referring to each column of the Fz row in the table of FIG. Moreover, if this arithmetic expression is used, it can be seen that even if other axis components other than Fz are present, they cancel each other out. For example, when the results of each column of the Mx, My, and Mz rows are substituted into the above calculation formulas and calculated, the results of Fz = 0 are obtained in each case. Therefore, the value Fz obtained by the above calculation formula is a value indicating only the force component Fz in the Z-axis direction that does not include other axis components. This is because the structures of the detection units D1 to D4 and the capacitance elements C1 to C4 have symmetry with respect to both the XZ plane and the YZ plane.

次に、X軸まわりのモーメントMxについては、図21のテーブルのMxの行の各欄を参照すれば、Mx=−C1−C2+C3+C4なる演算によって得られることが理解できよう。同様に、Y軸まわりのモーメントMyについては、図21のテーブルのMyの行の各欄を参照すれば、My=+C1−C2−C3+C4なる演算によって得られることになり、Z軸まわりのモーメントMzについては、図21のテーブルのMzの行の各欄を参照すれば、Mz=+C1−C2+C3−C4なる演算によって得られることになる。いずれの演算式でも、他軸成分は相互に相殺されてしまうため、他軸成分を含まない成分のみが得られる。 Next, it can be understood that the moment Mx around the X-axis can be obtained by the calculation of Mx = −C1-C2 + C3 + C4 by referring to each column of the Mx row in the table of FIG. Similarly, the moment My around the Y-axis can be obtained by the calculation My = + C1-C2-C3 + C4 by referring to each column of the My row in the table of FIG. 21, and the moment Mz around the Z-axis. With reference to each column of the Mz row in the table of FIG. 21, it can be obtained by the operation of Mz = + C1-C2 + C3-C4. In any of the arithmetic expressions, the other axis components cancel each other out, so that only the components that do not contain the other axis components can be obtained.

結局、図22に示す4本の演算式を用いれば、4軸成分Fz,Mx,My,Mzの値を他軸成分の干渉なしに検出することが可能になる。もちろん、図21のテーブルは、図20のテーブルにおける「(+)」および「(−)」の欄を0とする近似を行って得られたものなので、実際には、若干の他軸成分が検出誤差として混入する。しかしながら、当該誤差が許容範囲内となる用途に利用される力覚センサであれば、実用上、支障は生じない。 After all, by using the four arithmetic expressions shown in FIG. 22, it is possible to detect the values of the four-axis components Fz, Mx, My, and Mz without interference of the other-axis components. Of course, since the table of FIG. 21 was obtained by performing an approximation with the columns of "(+)" and "(-)" in the table of FIG. 20 set to 0, in reality, some other axis components are present. It is mixed as a detection error. However, if it is a force sensor used in an application in which the error is within an allowable range, there is no problem in practical use.

図23は、図22に示す演算式に基づいて、力FzおよびモーメントMx,My,Mzの4軸成分を示す電気信号を出力する検出回路の一例を示す回路図である。この回路図に示す容量素子C1〜C4は、各検出部D1〜D4に設けられた容量素子C1〜C4である。各容量素子C1〜C4は、固定電極E1と変位電極E2とによって構成されている(図18参照)。この回路では、4組の固定電極E1を相互に接続して共通の接地電位となるようにし、4組の変位電極E2をそれぞれ電気的に独立した電極としている。したがって、図23の回路図では、固定電極については、いずれも同じ符号E1で示し、変位電極については、E2(D1),E2(D2),E2(D3),E2(D4)なる個別の符号で示してある。逆に、4組の変位電極E2を相互に接続し、4組の固定電極E1をそれぞれ電気的に独立した電極にしてもかまわない。 FIG. 23 is a circuit diagram showing an example of a detection circuit that outputs an electric signal showing the four-axis components of the force Fz and the moments Mx, My, and Mz based on the arithmetic expression shown in FIG. The capacitance elements C1 to C4 shown in this circuit diagram are capacitance elements C1 to C4 provided in the detection units D1 to D4. Each of the capacitance elements C1 to C4 is composed of a fixed electrode E1 and a displacement electrode E2 (see FIG. 18). In this circuit, four sets of fixed electrodes E1 are connected to each other so as to have a common ground potential, and four sets of displacement electrodes E2 are electrically independent electrodes. Therefore, in the circuit diagram of FIG. 23, the fixed electrodes are all indicated by the same reference numerals E1, and the displacement electrodes are indicated by individual reference numerals E2 (D1), E2 (D2), E2 (D3), and E2 (D4). It is shown by. On the contrary, four sets of displacement electrodes E2 may be connected to each other, and four sets of fixed electrodes E1 may be electrically independent electrodes.

C/V変換回路11〜14は、それぞれ容量素子C1〜C4の静電容量値C1〜C4を、電圧値V1〜V4に変換する回路であり、変換後の電圧値V1〜V4は、それぞれ各静電容量値C1〜C4に対応した値になる。加減算演算器15〜18は、それぞれ図22に示す演算式に基づく演算を行い、その結果を出力端子T1〜T4に出力する機能を有する。かくして、出力端子T1〜T4には、4軸成分Fz,Mx,My,Mzに対応する電圧値が出力される。もちろん、加減算演算器15〜18の代わりにマイクロプロセッサを用いて演算を行うようにしてもよい。 The C / V conversion circuits 11 to 14 are circuits that convert the capacitance values C1 to C4 of the capacitance elements C1 to C4 into voltage values V1 to V4, respectively, and the converted voltage values V1 to V4 are respective. It becomes a value corresponding to the capacitance values C1 to C4. The addition / subtraction calculators 15 to 18 each have a function of performing a calculation based on the calculation formula shown in FIG. 22 and outputting the result to the output terminals T1 to T4. Thus, the voltage values corresponding to the four-axis components Fz, Mx, My, and Mz are output to the output terminals T1 to T4. Of course, the arithmetic may be performed using a microprocessor instead of the addition / subtraction arithmetic units 15 to 18.

結局、図16に示す基本構造部の4組の検出部D1〜D4の各位置に、図18に示すような容量素子Cを付加し、更に、図23に示す検出回路を用意すれば、4軸成分Fz,Mx,My,Mzの値を検出可能な力覚センサを実現することができる。ここで、4組の容量素子(検出素子)は、いずれも検出リング600の下面(変位部63の下面)に形成された変位電極E2と、支持基板300の上面に形成された固定電極E1と、によって構成できるため、製造プロセスが単純化される。 After all, if the capacitance element C as shown in FIG. 18 is added to each position of the four sets of detection units D1 to D4 of the basic structure portion shown in FIG. 16, and the detection circuit shown in FIG. 23 is further prepared, 4 It is possible to realize a force sensor capable of detecting the values of the shaft components Fz, Mx, My, and Mz. Here, the four sets of capacitive elements (detection elements) are the displacement electrode E2 formed on the lower surface of the detection ring 600 (the lower surface of the displacement portion 63) and the fixed electrode E1 formed on the upper surface of the support substrate 300. , Simplifies the manufacturing process.

また、各容量素子C1〜C4を構成する一対の電極(固定電極E1と変位電極E2)の電極間距離は、図16に示す固定部材510,520の高さ寸法によって規定されるので、十分な精度を容易に確保できる。このため、電極間隔を調整するための複雑な作業は不要になり、商業的量産を行う場合であっても、高い生産効率を確保することができる。 Further, the distance between the electrodes of the pair of electrodes (fixed electrode E1 and displacement electrode E2) constituting each of the capacitance elements C1 to C4 is defined by the height dimension of the fixing members 510 and 520 shown in FIG. 16, which is sufficient. Accuracy can be easily ensured. Therefore, complicated work for adjusting the electrode spacing becomes unnecessary, and high production efficiency can be ensured even in the case of commercial mass production.

もちろん、この力覚センサでは、Fx,Fyの検出を行うことはできず、また、前述したとおり、図21に示す近似テーブルに基く検出が行われるため、他軸成分の混入が若干生じることになる。しかしながら、4軸成分Fz,Mx,My,Mzもしくはその一部の成分が検出できれば十分であり、上記近似に基づく誤差が許容範囲内の用途であれば、この力覚センサは産業上十分に利用可能である。なお、6軸成分Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzのすべてを検出可能な力覚センサや、より正確な検出値を得ることが可能な力覚センサについては、別な実施形態として§5以降で述べることにする。 Of course, this force sensor cannot detect Fx and Fy, and as described above, the detection is performed based on the approximation table shown in FIG. 21, so that other axis components are slightly mixed. Become. However, it is sufficient if the four-axis components Fz, Mx, My, Mz or a part of the components can be detected, and if the error based on the above approximation is within the permissible range, this force sensor can be fully utilized industrially. It is possible. As another embodiment, a force sensor capable of detecting all of the 6-axis components Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz and a force sensor capable of obtaining a more accurate detection value § It will be described in 5 and later.

<<< §4. 本発明に係る力覚センサの本質的特徴 >>>
本発明に係る力覚センサは、XYZ三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントのうち、少なくとも1軸に関する力もしくはモーメントを検出する力覚センサである。§3で述べた基本的実施形態に係る力覚センサは、その一例であり、4軸成分Fz,Mx,My,Mzを検出する機能を有している。ここでは、§3で述べた力覚センサを参照しながら、本発明に係る力覚センサの本質的特徴を説明しておく。
<<< §4. Essential features of the force sensor according to the present invention >>>
The force sensor according to the present invention is a force sensor that detects a force or moment related to at least one of the force in each coordinate axis direction and the moment around each coordinate axis in the XYZ three-dimensional Cartesian coordinate system. The force sensor according to the basic embodiment described in §3 is an example thereof, and has a function of detecting the four-axis components Fz, Mx, My, and Mz. Here, the essential features of the force sensor according to the present invention will be described with reference to the force sensor described in §3.

本発明に係る力覚センサは、検出対象となる力もしくはモーメントの作用を受ける受力体と、少なくとも一部が弾性変形を生じる構造を有する検出リングと、この検出リングを支持する支持体と、を有しており、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力もしくはモーメントを検出する機能を有する。§3で述べた基本的実施形態の場合、支持基板300を支持体として用いているが、支持体は必ずしも基板状の構造体である必要はなく、任意形状をした部材でかまわない。また、受力体100も必ずしも円環状部材にする必要はなく、任意形状をした部材でかまわない。 The force sensor according to the present invention includes a receiving body that is affected by a force or moment to be detected, a detection ring having a structure that causes at least a part of elastic deformation, and a support that supports the detection ring. It has a function of detecting a force or a moment acting on one of the receiving body and the supporting body when a load is applied to the other. In the case of the basic embodiment described in §3, the support substrate 300 is used as a support, but the support does not necessarily have to be a substrate-like structure and may be a member having an arbitrary shape. Further, the receiving body 100 does not necessarily have to be an annular member, and may be a member having an arbitrary shape.

ただ、板状の支持基板300を支持体として用い、その他の部材を支持基板300の上方に配置し、受力体100を環状部材とし、検出リング600の外側に配置する形態を採ると、全体的に薄型のセンサを実現することができるので、薄型化を図る上では、支持基板300を支持体として用い、受力体100を環状部材とするのが好ましい。 However, if the plate-shaped support substrate 300 is used as a support, other members are arranged above the support substrate 300, the receiving body 100 is an annular member, and the other members are arranged outside the detection ring 600, the whole is taken. Since a thin sensor can be realized, it is preferable to use the support substrate 300 as a support and the receiving body 100 as an annular member in order to reduce the thickness.

検出リング600は、本発明において最も重要な役割を果たす構成要素であり、所定の基本環状路Bに沿って伸びる環状構造を有している。この基本環状路B上には、検出点Rが定義される。図13に示す検出リング600の場合、図15に示すように、基本環状路B上に4つの検出点R1〜R4が定義されている。この検出リング600は、図14に示すように、各検出点R1〜R4に位置する検出部D1〜D4と、個々の検出部の両側に位置する連結部L1〜L4と、を有している。 The detection ring 600 is a component that plays the most important role in the present invention, and has an annular structure extending along a predetermined basic annular path B. A detection point R is defined on this basic ring road B. In the case of the detection ring 600 shown in FIG. 13, four detection points R1 to R4 are defined on the basic ring road B as shown in FIG. As shown in FIG. 14, the detection ring 600 has detection units D1 to D4 located at the respective detection points R1 to R4, and connecting parts L1 to L4 located on both sides of the individual detection units. ..

図16に示すとおり、受力体100を検出リング600の作用点Q1,Q2の位置に接続する接続部材410,420と、検出リング600の固定点P1,P2の位置を支持体(支持基板300)に固定する固定部材510,520と、が設けられる。ここで、各作用点Q1,Q2および各固定点P1,P2は、連結部L1〜L4の互いに異なる位置に配置される。 As shown in FIG. 16, the connecting members 410 and 420 that connect the receiving body 100 to the positions of the action points Q1 and Q2 of the detection ring 600 and the positions of the fixed points P1 and P2 of the detection ring 600 are supported (support substrate 300). ) Are provided with fixing members 510 and 520. Here, the points of action Q1 and Q2 and the fixed points P1 and P2 are arranged at different positions of the connecting portions L1 to L4.

検出部D1〜D4は、作用点Q1,Q2と固定点P1,P2との間に力が作用したときに、作用した力に基づいて少なくとも一部が弾性変形を生じる構造を有している。図17に例示した検出部Dは、3枚の板状片61,62,63によって構成されているため、全体が弾性変形を生じる部材になるが、たとえば、変位部63については厚みを増して、弾性変形が生じない部材にしてもかまわない。 The detection units D1 to D4 have a structure in which at least a part of the detection units D1 to D4 elastically deform based on the applied force when a force is applied between the action points Q1 and Q2 and the fixed points P1 and P2. Since the detection unit D illustrated in FIG. 17 is composed of three plate-shaped pieces 61, 62, 63, the whole becomes a member that causes elastic deformation. For example, the displacement portion 63 is increased in thickness. , A member that does not cause elastic deformation may be used.

本発明に係る力覚センサには、更に、検出部D1〜D4に生じた弾性変形を検出する検出素子とこの検出素子の検出結果に基づいて、受力体100および支持体(支持基板300)の一方に負荷がかかった状態において他方に作用した力もしくはモーメントを示す電気信号を出力する検出回路が備わっている。 Further, the force sensor according to the present invention includes a detection element for detecting elastic deformation generated in the detection units D1 to D4 and a receiving body 100 and a support (support substrate 300) based on the detection result of the detection element. It is equipped with a detection circuit that outputs an electric signal indicating the force or moment acting on one side when a load is applied to the other side.

§3で述べた基本的実施形態の場合、図18に示すように、検出部Dの所定位置に固定された変位電極E2と、支持体(支持基板300)の変位電極E2に対向する位置に固定された固定電極E1と、を有する容量素子Cによって検出素子を構成している。ここで、変位電極E2は、検出部Dに生じた弾性変形に基づいて固定電極E1に対して変位を生じる位置(具体的には、図18に示す例の場合、変位部63の下面)に配置されている。そして、検出回路は、図23に例示するように、各容量素子C1〜C4の静電容量値の変動に基づいて、作用した力もしくはモーメントを示す電気信号を出力する。 In the case of the basic embodiment described in §3, as shown in FIG. 18, the displacement electrode E2 fixed at a predetermined position of the detection unit D and the position facing the displacement electrode E2 of the support (support substrate 300) The detection element is composed of a capacitance element C having a fixed fixed electrode E1 and a fixed electrode E1. Here, the displacement electrode E2 is located at a position where displacement is generated with respect to the fixed electrode E1 based on the elastic deformation generated in the detection unit D (specifically, in the case of the example shown in FIG. 18, the lower surface of the displacement unit 63). Have been placed. Then, as illustrated in FIG. 23, the detection circuit outputs an electric signal indicating the acting force or moment based on the fluctuation of the capacitance value of each of the capacitance elements C1 to C4.

なお、§3で述べた基本的実施形態では、便宜上、支持基板300(支持体)を固定した状態において、受力体100に作用した力もしくはモーメントを検出するという説明を行ったが、逆に、受力体100を固定した状態において、支持基板300(支持体)に作用した力もしくはモーメントを検出することにしても、その動作原理は作用反作用の法則により同じになる。 In the basic embodiment described in §3, for convenience, it has been described that the force or moment acting on the receiving body 100 is detected in a state where the supporting substrate 300 (supporting body) is fixed, but conversely. Even if the force or moment acting on the support substrate 300 (support) is detected in a state where the receiving body 100 is fixed, the operating principle is the same according to the law of action and reaction.

本願では、便宜上、一方を支持体(支持基板300)、他方を受力体100と呼び、支持体を固定した状態において受力体に加わった力もしくはモーメントを検出する検出動作についてのみ説明するが、支持体と受力体とを入れ替えても検出原理上の差は生じない。したがって、たとえば、図16に示す基本構造部において、円環状の部材100を支持体と解釈し、基板状の部材300を受力体と解釈しても、力覚センサの動作原理に相違はない(この場合、点P1,P2が作用点、点Q1,Q2が固定点になる)。 In the present application, for convenience, one is referred to as a support (support substrate 300) and the other is referred to as a receiving body 100, and only the detection operation for detecting the force or moment applied to the receiving body while the support is fixed will be described. , Even if the support and the receiving body are replaced, there is no difference in the detection principle. Therefore, for example, in the basic structure shown in FIG. 16, even if the annular member 100 is interpreted as a support and the substrate-shaped member 300 is interpreted as a receiving body, there is no difference in the operating principle of the force sensor. (In this case, points P1 and P2 are points of action, and points Q1 and Q2 are fixed points).

図16に示す例では、検出リング600は、XY平面を水平面にとり、Z軸を垂直上方に向かう軸としたときに、Z軸を中心軸としてXY平面に位置する基本環状路Bに沿って伸びる円環状構造を有している。そして、支持体は、この検出リング600の下方に所定間隔をおいて配置された支持基板300によって構成されている。このような配置を採用すると、個々の変位電極E2を検出部D1〜D4の下面に固定し、個々の固定電極E1を支持基板300の上面に固定することにより、容量素子C1〜C4を構成することができるので、電極間隔の調整作業が容易になり、生産効率を向上させることができる。 In the example shown in FIG. 16, the detection ring 600 extends along the basic ring road B located in the XY plane with the Z axis as the central axis when the XY plane is a horizontal plane and the Z axis is an axis vertically upward. It has an annular structure. The support is composed of support substrates 300 arranged below the detection ring 600 at predetermined intervals. When such an arrangement is adopted, the capacitance elements C1 to C4 are configured by fixing the individual displacement electrodes E2 to the lower surfaces of the detection units D1 to D4 and fixing the individual fixed electrodes E1 to the upper surface of the support substrate 300. Therefore, the work of adjusting the electrode spacing can be facilitated, and the production efficiency can be improved.

また、この基本的実施形態では、図17に示すとおり、検出部Dが、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により弾性変形を生じる第1の変形部61および第2の変形部62と、第1の変形部61および第2の変形部62の弾性変形により変位を生じる変位部63とを有している。ここで、第1の変形部61の外側端はこれに隣接する連結部Lに接続され、内側端は変位部63に接続されている。また、第2の変形部62の外側端はこれに隣接する連結部Lに接続され、内側端は変位部63に接続されている。このため、変位部63の下面は、支持基板300の上面に対して平行な面になり、図18に示す例のように、変位部63の下面に変位電極E2を形成し、支持基板300の上面に固定基板E1を形成すれば、一対の平行電極からなる容量素子Cを構成することができる。 Further, in this basic embodiment, as shown in FIG. 17, the detection unit D has a first deformation portion 61 and a second deformation portion 62 that cause elastic deformation due to the action of a force or moment to be detected, and a second deformation portion 62. It has a deformed portion 61 of 1 and a displacement portion 63 that causes displacement due to elastic deformation of the second deformed portion 62. Here, the outer end of the first deformed portion 61 is connected to the connecting portion L adjacent thereto, and the inner end is connected to the displacement portion 63. Further, the outer end of the second deformed portion 62 is connected to the connecting portion L adjacent thereto, and the inner end is connected to the displacement portion 63. Therefore, the lower surface of the displacement portion 63 becomes a surface parallel to the upper surface of the support substrate 300, and as in the example shown in FIG. 18, the displacement electrode E2 is formed on the lower surface of the displacement portion 63 to form the support substrate 300. If the fixed substrate E1 is formed on the upper surface, a capacitive element C composed of a pair of parallel electrodes can be formed.

図13に示す検出リング600には、4組の検出部D1〜D4が設けられているため、前述したように、合計4組の容量素子C1〜C4(検出素子)が形成されることになる。ただ、本発明を実施する上で、検出部Dの数nは必ずしも4組に限定されるものではなく、少なくとも1組の検出部Dが設けられていれば足りる。 Since the detection ring 600 shown in FIG. 13 is provided with four sets of detection units D1 to D4, a total of four sets of capacitive elements C1 to C4 (detection elements) are formed as described above. .. However, in carrying out the present invention, the number n of the detection units D is not necessarily limited to four sets, and it is sufficient if at least one set of detection units D is provided.

もっとも、1組の検出部Dだけでは、検出対象となる軸成分が限定され、十分な検出精度も得られないので、実用上は、検出部Dの数n(検出点Rの数n)をn≧2に設定し、複数の検出部Dを設けるのが好ましい。別言すれば、基本環状路B上に、複数n個(n≧2)の検出点R1,R2,... ,Rnを定義し、各検出点にそれぞれ検出部を配置して、n個の検出部D1,D2,... ,Dnとn個の連結部L1,L2,... ,Lnとを、基本環状路Bに沿って交互に配置することにより、検出リングを構成するのが好ましい。 However, since the axis component to be detected is limited by only one set of detection units D and sufficient detection accuracy cannot be obtained, practically, the number n of detection units D (the number n of detection points R) is used. It is preferable to set n ≧ 2 and provide a plurality of detection units D. In other words, a plurality of n (n ≧ 2) detection points R1, R2, ..., Rn are defined on the basic ring road B, and n detection units are arranged at each detection point. The detection ring is formed by alternately arranging the detection units D1, D2, ..., Dn and n connecting parts L1, L2, ..., Ln along the basic ring road B. Is preferable.

また、実用上は、検出部Dの数nを偶数に設定し、基本環状路B上に偶数n個の検出点を定義し、各検出点にそれぞれ検出部を配置し、偶数n個の検出部と偶数n個の連結部とを、基本環状路Bに沿って交互に配置することにより、検出リングを構成するのが好ましい。これは、偶数n個の検出部を設けるようにすれば、XYZ三次元直交座標系において、XZ平面およびYZ平面の双方に関して対称性をもった基本構造部を構成することが可能になり、他軸成分の干渉を排除し、検出回路によって行う演算処理を単純化するメリットが得られるためである。 Further, in practical use, the number n of the detection units D is set to an even number, n even number of detection points are defined on the basic ring road B, and the detection units are arranged at each detection point to detect n even numbers. It is preferable to form the detection ring by alternately arranging the portions and the even number of n connecting portions along the basic ring road B. By providing an even number of n detection units, it is possible to form a basic structural unit having symmetry with respect to both the XZ plane and the YZ plane in the XYZ three-dimensional Cartesian coordinate system. This is because the merit of eliminating the interference of the shaft component and simplifying the arithmetic processing performed by the detection circuit can be obtained.

この場合、偶数n個の連結部に対して、基本環状路Bに沿って所定の起点から順に番号を付与したときに、作用点Q1,Q2,... が奇数番目の連結部に配置され、固定点P1,P2,... が偶数番目の連結部に配置されているようにするのが好ましい。そうすれば、各固定点Pを固定した状態において、各作用点Qに作用した外力を各検出部Dに効率的に伝達させることができ、効率良い検出動作が実現できる。 In this case, when an even number of n connecting portions are numbered in order from a predetermined starting point along the basic ring road B, the action points Q1, Q2, ... Are arranged at the odd-numbered connecting portions. , It is preferable that the fixed points P1, P2, ... Are arranged at the even-numbered connecting portions. Then, in a state where each fixed point P is fixed, the external force acting on each action point Q can be efficiently transmitted to each detection unit D, and an efficient detection operation can be realized.

たとえば、検出点Rの数nをn=2に設定した場合、基本環状路Bに沿って、第1の連結部L1、第1の検出部D1、第2の連結部L2、第2の検出部D2を、この順序で配置することにより検出リングを構成することができる。この場合、作用点Q1を第1の連結部L1に配置し、固定点P1を第2の連結部L2に配置すればよい。 For example, when the number n of the detection points R is set to n = 2, the first connecting portion L1, the first detecting portion D1, the second connecting portion L2, and the second detection along the basic ring road B. The detection ring can be configured by arranging the parts D2 in this order. In this case, the point of action Q1 may be arranged in the first connecting portion L1 and the fixed point P1 may be arranged in the second connecting portion L2.

§3で述べた基本的実施形態に係る力覚センサは、検出点Rの数nをn=4に設定したより実用的な実施例である。すなわち、図15に示すとおり、XY平面において、原点Oを中心としてX軸を反時計まわりに45°回転させた座標軸としてV軸を定義し、原点Oを中心としてY軸を反時計まわりに45°回転させた座標軸としてW軸を定義した場合に、第1の検出点R1が正のV軸上、第2の検出点R2が正のW軸上、第3の検出点R3が負のV軸上、第4の検出点R4が負のW軸上に配置されている。 The force sensor according to the basic embodiment described in §3 is a more practical embodiment in which the number n of the detection points R is set to n = 4. That is, as shown in FIG. 15, in the XY plane, the V axis is defined as a coordinate axis obtained by rotating the X axis counterclockwise by 45 ° around the origin O, and the Y axis is counterclockwise 45 about the origin O. When the W axis is defined as the coordinate axis rotated by °, the first detection point R1 is on the positive V axis, the second detection point R2 is on the positive W axis, and the third detection point R3 is a negative V. On the axis, the fourth detection point R4 is arranged on the negative W axis.

その結果、図14に示すとおり、4組の検出部D1〜D4は、V軸上もしくはW軸上に配置されることになる。そして、基本環状路Bに沿って反時計まわりに、第1の連結部L1、第1の検出部D1、第2の連結部L2、第2の検出部D2、第3の連結部L3、第3の検出部D3、第4の連結部L4、第4の検出部D4を、この順序で配置することにより検出リング600が構成されている。 As a result, as shown in FIG. 14, the four sets of detection units D1 to D4 are arranged on the V-axis or the W-axis. Then, counterclockwise along the basic ring road B, the first connecting portion L1, the first detecting portion D1, the second connecting portion L2, the second detecting portion D2, the third connecting portion L3, and the third The detection ring 600 is configured by arranging the detection unit D3 of 3, the fourth connecting unit L4, and the fourth detection unit D4 in this order.

また、図15に示すとおり、第1の作用点Q1は正のX軸上(第1の連結部L1)に配置され、第2の作用点Q2は負のX軸上(第3の連結部L3)に配置され、第1の固定点P1は正のY軸上(第2の連結部L2)に配置され、第2の固定点P2は負のY軸上(第4の連結部L4)に配置されている。別言すれば、作用点Q1,Q2は奇数番目の連結部に配置され、固定点P1,P2は偶数番目の連結部に配置されている。 Further, as shown in FIG. 15, the first point of action Q1 is arranged on the positive X-axis (first connecting part L1), and the second point of action Q2 is on the negative X-axis (third connecting part). L3), the first fixed point P1 is located on the positive Y axis (second connecting portion L2), and the second fixed point P2 is located on the negative Y axis (fourth connecting portion L4). Is located in. In other words, the points of action Q1 and Q2 are arranged at the odd-numbered connecting portions, and the fixed points P1 and P2 are arranged at the even-numbered connecting portions.

そして、図16に示す基本構造部では、検出リング600の第1の作用点Q1の位置を受力体100に接続する第1の接続部材410と、検出リング600の第2の作用点Q2の位置を受力体100に接続する第2の接続部材420と、検出リング600の第1の固定点P1の位置を支持基板300に固定する第1の固定部材510と、検出リング600の第2の固定点P2の位置を支持基板300に固定する第2の固定部材520とが設けられている。このような基本構造部では、支持基板300を固定した状態において、受力体100に作用した外力に基づいて生じる応力を、4組の検出部D1〜D4に効率的に伝達させることができる。 Then, in the basic structure shown in FIG. 16, the first connecting member 410 that connects the position of the first working point Q1 of the detection ring 600 to the receiving body 100 and the second working point Q2 of the detection ring 600 A second connecting member 420 that connects the position to the receiving body 100, a first fixing member 510 that fixes the position of the first fixing point P1 of the detection ring 600 to the support substrate 300, and a second of the detection ring 600. A second fixing member 520 for fixing the position of the fixing point P2 to the support substrate 300 is provided. In such a basic structure unit, stress generated based on an external force acting on the receiving body 100 can be efficiently transmitted to four sets of detection units D1 to D4 in a state where the support substrate 300 is fixed.

図18に示すとおり、各検出部Dには、基本環状路Bに沿って圧縮応力が作用したときと伸張応力が作用したときとでは、静電容量値の増減が逆転する容量素子Cが形成されている。 As shown in FIG. 18, each detection unit D is formed with a capacitance element C in which the increase / decrease of the capacitance value is reversed when the compressive stress is applied and when the extension stress is applied along the basic ring road B. Has been done.

したがって、第1の検出点R1に位置する第1の検出部D1に固定された変位電極E2(D1)を有する第1の容量素子C1の静電容量値をC1、第2の検出点R2に位置する第2の検出部D2に固定された変位電極E2(D2)を有する第2の容量素子C2の静電容量値をC2、第3の検出点R3に位置する第3の検出部D3に固定された変位電極E2(D3)を有する第3の容量素子C3の静電容量値をC3、第4の検出点R4に位置する第4の検出部D4に固定された変位電極E2(D4)を有する第4の容量素子C4の静電容量値をC4、とすれば、図22に示すとおり、
Fz=−(C1+C2+C3+C4)
Mx=−C1−C2+C3+C4
My=+C1−C2−C3+C4
Mz=+C1−C2+C3−C4
なる演算式に基づく演算を行うことにより、Z軸方向に作用した力Fz、X軸まわりに作用したモーメントMx、Y軸まわりに作用したモーメントMy、およびZ軸まわりに作用したモーメントMzを算出することができる。
Therefore, the capacitance value of the first capacitance element C1 having the displacement electrode E2 (D1) fixed to the first detection unit D1 located at the first detection point R1 is set to C1 and the second detection point R2. The capacitance value of the second capacitance element C2 having the displacement electrode E2 (D2) fixed to the second detection unit D2 located is set to C2 and the third detection unit D3 located at the third detection point R3. The displacement electrode E2 (D4) fixed to the fourth detection unit D4 located at the fourth detection point R4 and the capacitance value of the third capacitance element C3 having the fixed displacement electrode E2 (D3). Assuming that the capacitance value of the fourth capacitance element C4 having the above is C4, as shown in FIG.
Fz =-(C1 + C2 + C3 + C4)
Mx = -C1-C2 + C3 + C4
My = + C1-C2-C3 + C4
Mz = + C1-C2 + C3-C4
By performing an operation based on the above formula, the force Fz acting in the Z-axis direction, the moment Mx acting around the X-axis, the moment My acting around the Y-axis, and the moment Mz acting around the Z-axis are calculated. be able to.

このような演算に基づいて、検出値Fz,Mx,My,Mzに対応する電気信号を出力する検出回路として、たとえば、図23に示す回路を用いることができる点は、既に述べたとおりである。 As described above, for example, the circuit shown in FIG. 23 can be used as a detection circuit that outputs an electric signal corresponding to the detected values Fz, Mx, My, and Mz based on such an operation. ..

なお、検出素子として容量素子を利用する場合、複数の容量素子の静電容量値の差を求める演算を行って、検出値を出力するようにするのが好ましい。たとえば、上例の4つの演算式のうち、Fzに関する演算式だけは、4つの静電容量値C1〜C4の和を求める演算式であるが、それ以外の演算式は、複数の容量素子の静電容量値の差を求める差分演算の式になっている。このような差分演算は、製造工程で発生する誤差(たとえば、部品の寸法誤差や取付位置の誤差)や、利用環境で発生する誤差(たとえば、温度による部材の膨張に起因する誤差)を取り除く上で効果的である。 When a capacitive element is used as the detection element, it is preferable to perform an operation to obtain the difference between the capacitance values of the plurality of capacitive elements and output the detected value. For example, of the four arithmetic expressions in the above example, only the arithmetic expression related to Fz is an arithmetic expression for obtaining the sum of the four capacitance values C1 to C4, but the other arithmetic expressions are those of a plurality of capacitance elements. It is a difference calculation formula for calculating the difference in capacitance value. Such a difference calculation removes errors that occur in the manufacturing process (for example, dimensional errors of parts and errors in mounting positions) and errors that occur in the usage environment (for example, errors due to expansion of members due to temperature). Is effective.

たとえば、図16に示す実施例の場合、4組の容量素子C1〜C4の電極間隔は、一対の固定部材510,520の高さ方向の寸法によって規定されることになるが、製造工程での寸法誤差や温度環境などによって、固定部材510,520の高さ方向の寸法に誤差が生じても、差分演算により当該寸法誤差を相殺することができるため、誤差を含まない正確な検出値を出力することが可能になる。 For example, in the case of the embodiment shown in FIG. 16, the electrode spacing of the four sets of capacitive elements C1 to C4 is defined by the height dimension of the pair of fixing members 510 and 520, but in the manufacturing process. Even if there is an error in the height direction of the fixing members 510 and 520 due to dimensional error or temperature environment, the dimensional error can be offset by the difference calculation, so an accurate detection value that does not include the error is output. It becomes possible to do.

一般論として説明すれば、検出対象となる特定の軸についての力もしくはモーメントに関して、複数n個の検出部のうち、一部は第1属性の検出部として振る舞い、他の一部は第2属性の検出部として振る舞うことになる。ここで、第1属性の検出部とは、特定の軸についての正の成分が作用したときに、変位部63が、支持基板300に近づく方向に変位し、特定の軸についての負の成分が作用したときに、変位部63が、支持基板300から遠ざかる方向に変位する性質をもった検出部である。逆に、第2属性の検出部とは、特定の軸についての正の成分が作用したときに、変位部63が、支持基板300から遠ざかる方向に変位し、特定の軸についての負の成分が作用したときに、変位部63が、支持基板300に近づく方向に変位する性質をもった検出部である。 Generally speaking, with respect to the force or moment about the specific axis to be detected, some of the n plurality of detection units behave as the detection unit of the first attribute, and the other part behaves as the detection unit of the second attribute. It will behave as a detector of. Here, the detection unit of the first attribute means that when a positive component for a specific axis acts, the displacement unit 63 is displaced in a direction approaching the support substrate 300, and a negative component for the specific axis is generated. When acting, the displacement unit 63 is a detection unit having a property of being displaced in a direction away from the support substrate 300. On the contrary, in the detection unit of the second attribute, when a positive component for a specific axis acts, the displacement unit 63 is displaced in a direction away from the support substrate 300, and a negative component for the specific axis is generated. When acted on, the displacement unit 63 is a detection unit having a property of being displaced in a direction approaching the support substrate 300.

そして、当該特定の軸についての成分を検出するに際して、第1属性の検出部の変位部63に固定された第1属性変位電極E2と、支持基板300の対向する位置に固定された第1属性固定電極E1と、によって構成される容量素子を第1属性容量素子と呼び、第2属性の検出部の変位部63に固定された第2属性変位電極E2と、支持基板300の対向する位置に固定された第2属性固定電極E1と、によって構成される容量素子を第2属性容量素子がと呼べば、検出回路によって、第1属性容量素子の静電容量値と、第2属性容量素子の静電容量値と、の差に相当する電気信号を求め、これを検出対象となる力もしくはモーメントの当該特定の軸についての検出成分を示す電気信号として出力すればよい。 Then, when detecting the component for the specific axis, the first attribute displacement electrode E2 fixed to the displacement portion 63 of the detection unit of the first attribute and the first attribute fixed to the opposite positions of the support substrate 300 are used. The capacitance element composed of the fixed electrode E1 is called a first attribute capacitance element, and is located at a position opposite to the second attribute displacement electrode E2 fixed to the displacement portion 63 of the detection unit of the second attribute and the support substrate 300. If the capacitance element composed of the fixed second attribute fixed electrode E1 is called the second attribute capacitance element, the capacitance value of the first attribute capacitance element and the capacitance element of the second attribute capacitance element are determined by the detection circuit. An electric signal corresponding to the difference between the capacitance value and the capacitance value may be obtained and output as an electric signal indicating a detection component of the force or moment to be detected for the specific axis.

もちろん、ある特定の容量素子が、第1属性容量素子として振る舞うのか、第2属性容量素子として振る舞うのかは、作用する特定の軸成分に依存して決まる事項であるので、6軸成分Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzのいずれが作用するかに応じて、それぞれ属性が定義されることになる。具体的には、図21に示すテーブルの特定の行に関して、「+」もしくは「++」が記載されている容量素子は、当該行に対応する特定の軸成分に関する限りにおいて第1属性容量素子になり、「−」もしくは「−−」が記載されている容量素子は、当該行に対応する特定の軸成分に関する限りにおいて第2属性容量素子になる。 Of course, whether a specific capacitive element behaves as a first attribute capacitive element or a second attribute capacitive element is a matter that depends on a specific axial component that acts on it. Therefore, the 6-axis components Fx, Fy , Fz, Mx, My, and Mz act on each of the attributes. Specifically, with respect to a specific row of the table shown in FIG. 21, a capacitive element in which "+" or "++" is described is a first attribute capacitive element as long as it relates to a specific axial component corresponding to the row. Therefore, the capacitive element in which "-" or "---" is described is the second attribute capacitive element as far as the specific axial component corresponding to the row is concerned.

図23に示す加減算演算器16,17,18は、このような属性を考慮して、特定の軸成分に関する第1属性容量素子の静電容量値と、第2属性容量素子の静電容量値と、の差を求める差分演算を行っていることになる。なお、加減算演算器15については、和を求める演算しか行われていないため、上記差分演算に基づく誤差相殺機能は働かないことになる。 In consideration of such attributes, the addition / subtraction calculators 16, 17, and 18 shown in FIG. 23 have a capacitance value of the first attribute capacitance element and a capacitance value of the second attribute capacitance element with respect to a specific axis component. It means that the difference calculation for finding the difference between and is performed. Since only the calculation for obtaining the sum is performed on the addition / subtraction calculation unit 15, the error canceling function based on the difference calculation does not work.

<<< §5. 8組の検出部を用いる実施形態 >>>
続いて、ここでは、検出点Rの数nをn=8に設定し、合計8組の検出部を用いる実施形態(第2の実施形態)を説明する。§3で述べた基本的実施形態(第1の実施形態)では、検出点Rの数nをn=4に設定し、合計4組の検出部D1〜D4を用いていたが、力Fx,Fyについては十分な検出を行うことができないため、図21に示す近似テーブルを利用して、4軸成分Fz,Mx,My,Mzの検出を行う例を述べた。ここで述べる8組の検出部を用いる実施形態では、検出部の数が増えただけ製造コストは嵩むことになるが、6軸成分Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzのすべてについて、実用上十分な精度をもった検出動作が可能になる。
<<< §5. Embodiment using 8 sets of detectors >>>
Subsequently, an embodiment (second embodiment) in which the number n of the detection points R is set to n = 8 and a total of eight sets of detection units are used will be described here. In the basic embodiment described in §3 (first embodiment), the number n of the detection points R is set to n = 4, and a total of four sets of detection units D1 to D4 are used. Since it is not possible to sufficiently detect Fy, an example of detecting the four-axis components Fz, Mx, My, and Mz using the approximation table shown in FIG. 21 has been described. In the embodiment using the eight sets of detection units described here, the manufacturing cost increases as the number of detection units increases, but all of the 6-axis components Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz are practically used. The detection operation with sufficient accuracy becomes possible.

図24は、この8組の検出部を用いる実施形態に係る力覚センサに用いる検出リング700の下面図である。図13(c) に示す検出リング600と図24に示す検出リング700とを比較すればわかるとおり、両者の実質的な相違点は、検出部Dの数だけである。図24は、検出リング700を下方から見上げた下面図であり、8組の検出部D11〜D18が時計まわりの順序で配置されている。検出部D11〜D18の構造は、図17に示す検出部Dの構造と同様である。図24には、検出部D18が、第1の変形部71、第2の変形部72、変位部73という3枚の板状片によって構成されている例が示されている。他の検出部D11〜D17も同様の構造を有する。 FIG. 24 is a bottom view of the detection ring 700 used for the force sensor according to the embodiment using the eight sets of detection units. As can be seen by comparing the detection ring 600 shown in FIG. 13 (c) with the detection ring 700 shown in FIG. 24, the only substantial difference between the two is the number of detection units D. FIG. 24 is a bottom view of the detection ring 700 looking up from below, and eight sets of detection units D11 to D18 are arranged in a clockwise order. The structure of the detection units D11 to D18 is the same as the structure of the detection unit D shown in FIG. FIG. 24 shows an example in which the detection unit D18 is composed of three plate-shaped pieces, a first deformed portion 71, a second deformed portion 72, and a displacement portion 73. The other detection units D11 to D17 also have a similar structure.

図25は、図24に示す検出リング700の領域分布を示す上面図である(網目状のハッチングは、検出部D11〜D18の領域を示すためのものであり、断面を示すものではない)。図示のとおり、検出リング700は、8組の検出部D11〜D18を、8組の連結部L11〜L18で連結した構造を有する。検出部D11〜D18が3枚の板状片によって構成されているのに対し、連結部L11〜L18は肉厚の厚い部材から構成されており、検出リング700に外力が作用した場合、当該外力に基づく検出リング700の弾性変形は、検出部D11〜D18に集中して生じることになる。 FIG. 25 is a top view showing the region distribution of the detection ring 700 shown in FIG. 24 (the mesh-like hatching is for showing the regions of the detection units D11 to D18, and does not show the cross section). As shown in the figure, the detection ring 700 has a structure in which eight sets of detection units D11 to D18 are connected by eight sets of connecting parts L11 to L18. While the detection units D11 to D18 are composed of three plate-shaped pieces, the connecting parts L11 to L18 are composed of thick members, and when an external force acts on the detection ring 700, the external force is concerned. The elastic deformation of the detection ring 700 based on the above is concentrated on the detection units D11 to D18.

図25は上面図であるため、図に太い一点鎖線で示す基本環状路Bに沿って反時計まわりに、第1の連結部L11、第1の検出部D11、第2の連結部L12、第2の検出部D12、第3の連結部L13、第3の検出部D13、第4の連結部L14、第4の検出部D14、第5の連結部L15、第5の検出部D15、第6の連結部L16、第6の検出部D16、第7の連結部L17、第7の検出部D17、第8の連結部L18、第8の検出部D18を、この順序で配置することにより検出リング700が構成されている。 Since FIG. 25 is a top view, the first connecting portion L11, the first detecting portion D11, the second connecting portion L12, and the second connecting portion L11 are counterclockwise along the basic ring road B shown by the thick alternate long and short dash line in the figure. 2 detection unit D12, 3rd connection unit L13, 3rd detection unit D13, 4th connection unit L14, 4th detection unit D14, 5th connection unit L15, 5th detection unit D15, 6th The detection ring is arranged by arranging the connecting portion L16, the sixth detecting portion D16, the seventh connecting portion L17, the seventh detecting portion D17, the eighth connecting portion L18, and the eighth detecting portion D18 in this order. 700 is configured.

この図でも、XY平面上において、原点Oを中心としてX軸を反時計まわりに45°回転させた座標軸としてV軸が定義され、原点Oを中心としてY軸を反時計まわりに45°回転させた座標軸としてW軸が定義されている。図の<I>,<II>,<III>,<IV>は、XY二次元座標系における第1象限〜第4象限を示している。8組の検出部D11〜D18は、各象限にそれぞれ2組ずつ配置されている。 Also in this figure, the V-axis is defined as a coordinate axis in which the X-axis is rotated 45 ° counterclockwise around the origin O on the XY plane, and the Y-axis is rotated 45 ° counterclockwise around the origin O. The W axis is defined as the coordinate axis. <I>, <II>, <III>, and <IV> in the figure indicate the first to fourth quadrants in the XY two-dimensional coordinate system. Two sets of eight sets of detection units D11 to D18 are arranged in each quadrant.

図26は、図24に示す検出リング700について、XY平面上に定義された基本環状路Bおよびこの基本環状路B上に定義された各点を示す平面図である。図に太い一点鎖線で示す基本環状路Bは、XY平面上に配置された原点Oを中心とする円であり、検出リング700は、この基本環状路Bに沿って伸びる環状構造体になる。図には、検出リング700の内側輪郭線と外側輪郭線の位置が実線で示されている。図示の実施例の場合、基本環状路Bは、検出リング700の内側輪郭線と外側輪郭線との中間位置を通るXY平面上の円であり、検出リング700の環状肉厚部分(連結部L11〜L18)の中心線になる。 FIG. 26 is a plan view showing the basic ring road B defined on the XY plane and the points defined on the basic ring road B for the detection ring 700 shown in FIG. 24. The basic ring road B shown by the thick alternate long and short dash line in the figure is a circle centered on the origin O arranged on the XY plane, and the detection ring 700 is an annular structure extending along the basic ring road B. In the figure, the positions of the inner contour line and the outer contour line of the detection ring 700 are shown by solid lines. In the case of the illustrated embodiment, the basic ring road B is a circle on the XY plane passing through the intermediate position between the inner contour line and the outer contour line of the detection ring 700, and is a ring-thick portion (connecting portion L11) of the detection ring 700. It becomes the center line of ~ L18).

8組の検出点R11〜R18は、この基本環状路B上に等間隔に配置されている。この図26に示す例のように、円からなる基本環状路B上に等間隔に8個の検出点R11〜R18を定義するには、XY平面において、原点Oを起点として、X軸正方向に対して反時計まわりに角度θをなす方位ベクトルVec(θ)を定義し、第i番目(但し、1≦i≦8)の検出点R1iを、方位ベクトルVec(π/8+(i−1)・π/4)と基本環状路Bとの交点位置に配置すればよい。たとえば、図26に示す第1番目の検出点R11は、θ=π/8として、X軸正方向に対して反時計まわりに角度θをなす方位ベクトルVec(θ)と基本環状路Bとの交点位置に配置されている。 Eight sets of detection points R11 to R18 are arranged at equal intervals on the basic ring road B. As shown in the example shown in FIG. 26, in order to define eight detection points R11 to R18 at equal intervals on the basic circular path B composed of circles, the origin O is the starting point in the XY plane in the positive direction of the X axis. An azimuth vector Vec (θ) forming an angle θ counterclockwise with respect to the above is defined, and the i-th (however, 1 ≦ i ≦ 8) detection point R1i is set to the azimuth vector Vec (π / 8 + (i-1). ) ・ Π / 4) and the basic ring road B may be arranged at the intersection position. For example, the first detection point R11 shown in FIG. 26 is a direction vector Vec (θ) forming an angle θ counterclockwise with respect to the positive direction of the X axis and the basic loop path B, where θ = π / 8. It is located at the intersection.

図には、X軸とV軸との中間位置にVX軸、V軸とY軸との中間位置にVY軸、Y軸とW軸との中間位置にWY軸、X軸とW軸との中間位置にWX軸が定義されている。8組の検出点R11〜R18は、結局、VX軸,VY軸,WY軸,WX軸の正および負の領域に配置されていることになる。これら検出点R11〜R18は、それぞれ検出部D11〜D18の配置を示すものであり、図25に網目状のハッチング領域として示すように、8組の検出部D11〜D18は、それぞれ8組の検出点R11〜R18の位置に配置されている。 In the figure, the VX axis is located between the X-axis and the V-axis, the VY axis is located between the V-axis and the Y-axis, the WY-axis is located between the Y-axis and the W-axis, and the X-axis and the W-axis are located. The WX axis is defined at the intermediate position. The eight sets of detection points R11 to R18 are eventually arranged in the positive and negative regions of the VX axis, the VY axis, the WY axis, and the WX axis. These detection points R11 to R18 indicate the arrangement of the detection units D11 to D18, respectively, and as shown in FIG. 25 as a mesh-like hatching region, the eight sets of detection units D11 to D18 each indicate eight sets of detection. It is arranged at the positions of points R11 to R18.

§3で述べた4組の検出部を有する検出リング600では、2組の固定点P1,P2と2組の作用点Q1,Q2とを定義したが、ここに示す8組の検出部を有する検出リング700では、図26に示すように、4組の固定点P11〜P14(黒丸)と、4組の作用点Q11〜Q14(白丸で)とが定義される。もちろん、4組の固定点P11〜P14は支持基板300に対して固定される点になり、4組の作用点Q11〜Q14は受力体100からの力が作用する点になる。 In the detection ring 600 having four sets of detection parts described in §3, two sets of fixed points P1 and P2 and two sets of action points Q1 and Q2 are defined, but the detection ring 600 has eight sets of detection parts shown here. In the detection ring 700, as shown in FIG. 26, four sets of fixed points P11 to P14 (black circles) and four sets of action points Q11 to Q14 (white circles) are defined. Of course, the four sets of fixed points P11 to P14 are points fixed to the support substrate 300, and the four sets of action points Q11 to Q14 are points on which the force from the receiving body 100 acts.

図26に示すとおり、第1の作用点Q11は正のX軸上、第2の作用点Q12は正のY軸上、第3の作用点Q13は負のX軸上、第4の作用点Q14は負のY軸上、第1の固定点P11は正のV軸上、第2の固定点P12は正のW軸上、第3の固定点P13は負のV軸上、第4の固定点P14は負のW軸上に配置されている。したがって、この検出リング700を用いた力覚センサでは、V軸およびW軸上の4点P11〜P14を固定した状態において、X軸およびY軸上の4点Q11〜Q14に作用した力もしくはモーメントを、VX軸,VY軸,WY軸,WX軸上の検出点R11〜R18に配置された8組の検出部D11〜D18の弾性変形に基づいて検出することになる。 As shown in FIG. 26, the first point of action Q11 is on the positive X-axis, the second point of action Q12 is on the positive Y-axis, the third point of action Q13 is on the negative X-axis, and the fourth point of action. Q14 is on the negative Y axis, the first fixed point P11 is on the positive V axis, the second fixed point P12 is on the positive W axis, the third fixed point P13 is on the negative V axis, and the fourth. The fixed point P14 is located on the negative W axis. Therefore, in the force sensor using this detection ring 700, the force or moment acting on the four points Q11 to Q14 on the X and Y axes while the four points P11 to P14 on the V and W axes are fixed. Is detected based on the elastic deformation of eight sets of detection units D11 to D18 arranged at the detection points R11 to R18 on the VX axis, the VY axis, the WY axis, and the WX axis.

この実施形態においても、固定点P11〜P14と作用点Q11〜Q14とは、基本環状路Bに沿って交互に配置されている。このような交互配置は、検出対象となる外力が作用したときに、検出リング700に効果的な変形を生じさせる上で重要である。また、8組の検出点R11〜R18は、隣接する固定点と作用点との間に配置されている。このような配置も、検出対象となる外力が作用したときに、各検出部D11〜D18に効果的な変位を生じさせる上で重要である。 Also in this embodiment, the fixed points P11 to P14 and the points of action Q11 to Q14 are alternately arranged along the basic ring road B. Such an alternating arrangement is important in causing effective deformation of the detection ring 700 when an external force to be detected acts on it. Further, eight sets of detection points R11 to R18 are arranged between adjacent fixed points and action points. Such an arrangement is also important in causing effective displacement of the detection units D11 to D18 when an external force to be detected acts.

図25と図26とを対比すればわかるように、第1の作用点Q11は第1の連結部L11に配置され、第1の固定点P11は第2の連結部L12に配置され、第2の作用点Q12は第3の連結部L13に配置され、第2の固定点P12は第4の連結部L14に配置され、第3の作用点Q13は第5の連結部L15に配置され、第3の固定点P13は第6の連結部L16に配置され、第4の作用点Q14は第7の連結部L17に配置され、第4の固定点P14は第8の連結部L18に配置されている。 As can be seen by comparing FIGS. 25 and 26, the first point of action Q11 is arranged at the first connecting portion L11, the first fixed point P11 is arranged at the second connecting portion L12, and the second The point of action Q12 is arranged at the third connecting portion L13, the second fixed point P12 is arranged at the fourth connecting portion L14, the third point of action Q13 is arranged at the fifth connecting portion L15, and the third The fixed point P13 of 3 is arranged at the sixth connecting portion L16, the fourth working point Q14 is arranged at the seventh connecting portion L17, and the fourth fixed point P14 is arranged at the eighth connecting portion L18. There is.

ここで、検出リング700の4組の固定点P11〜P14の位置は、固定部材によって支持基板300に固定される。図24には、これら固定点P11〜P14の位置を固定するための固定部材560,570,580,590の接続位置が破線で示されている。一方、図24に白丸で示されている4組の作用点Q11〜Q14の位置は、接続部材によって受力体100に接続される。 Here, the positions of the four sets of fixing points P11 to P14 of the detection ring 700 are fixed to the support substrate 300 by the fixing member. In FIG. 24, the connection positions of the fixing members 560, 570, 580, and 590 for fixing the positions of the fixing points P11 to P14 are shown by broken lines. On the other hand, the positions of the four sets of action points Q11 to Q14 shown by white circles in FIG. 24 are connected to the receiving body 100 by the connecting member.

図27は、8組の検出部を用いる実施形態に係る力覚センサの基本構造部の上面図である。この基本構造部は、受力体100と、検出リング700と、支持基板300とを備えている。支持基板300は、この上面図には現れていないが、受力体100の外径と同じ径をもった円盤状の部材であり、受力体100および検出リング700の下方に配置されている。受力体100は、図16に示す実施形態と同様に円環状の部材であり、検出リング700の外側を取り囲むように配置されている。支持基板300は、図16に示す実施形態と同様に円盤状の部材である。このように、図27に示す受力体100および支持基板300は、図16に示す実施形態における受力体および支持基板と本質的な違いはないため、同じ符号を用いて示すことにする。 FIG. 27 is a top view of the basic structural part of the force sensor according to the embodiment using eight sets of detection parts. This basic structural part includes a receiving body 100, a detection ring 700, and a support substrate 300. Although not shown in the top view, the support substrate 300 is a disk-shaped member having the same diameter as the outer diameter of the receiving body 100, and is arranged below the receiving body 100 and the detection ring 700. .. The receiving body 100 is an annular member as in the embodiment shown in FIG. 16, and is arranged so as to surround the outside of the detection ring 700. The support substrate 300 is a disk-shaped member as in the embodiment shown in FIG. As described above, since the receiving body 100 and the supporting substrate 300 shown in FIG. 27 are not essentially different from the receiving body and the supporting substrate in the embodiment shown in FIG. 16, they are shown by using the same reference numerals.

図16に示す基本構造部と図27に示す基本構造部との主たる相違点は、前者では、4組の検出部D1〜D4を有する検出リング600が用いられているのに対して、後者では、8組の検出部D11〜D18を有する検出リング700が用いられている点である。また、これに付随する相違点は、前者では、2組の接続部材410,420と2組の固定部材510,520とが設けられているのに対して、後者では、4組の接続部材460,470,480,490と4組の固定部材560,570,580,590とが設けられている点である。 The main difference between the basic structure shown in FIG. 16 and the basic structure shown in FIG. 27 is that the former uses a detection ring 600 having four sets of detection units D1 to D4, whereas the latter uses a detection ring 600. , A detection ring 700 having eight sets of detection units D11 to D18 is used. Further, the difference accompanying this is that in the former, two sets of connecting members 410 and 420 and two sets of fixing members 510 and 520 are provided, whereas in the latter, four sets of connecting members 460 are provided. , 470, 480, 490 and four sets of fixing members 560, 570, 580, 590 are provided.

すなわち、検出リング700の第1の作用点Q11の近傍の外周面は、X軸の正の領域に沿って配置された第1の接続部材460によって受力体100の内周面に接続されており、検出リング700の第2の作用点Q12の近傍の外周面は、Y軸の正の領域に沿って配置された第2の接続部材470によって受力体100の内周面に接続されている。同様に、検出リング700の第3の作用点Q13の近傍の外周面は、X軸の負の領域に沿って配置された第3の接続部材480によって受力体100の内周面に接続されており、検出リング700の第4の作用点Q14の近傍の外周面は、Y軸の負の領域に沿って配置された第4の接続部材490によって受力体100の内周面に接続されている。 That is, the outer peripheral surface of the detection ring 700 near the first point of action Q11 is connected to the inner peripheral surface of the receiving body 100 by the first connecting member 460 arranged along the positive region of the X axis. The outer peripheral surface of the detection ring 700 near the second point of action Q12 is connected to the inner peripheral surface of the receiving body 100 by the second connecting member 470 arranged along the positive region of the Y axis. There is. Similarly, the outer peripheral surface of the detection ring 700 near the third point of action Q13 is connected to the inner peripheral surface of the receiving body 100 by the third connecting member 480 arranged along the negative region of the X axis. The outer peripheral surface of the detection ring 700 near the fourth point of action Q14 is connected to the inner peripheral surface of the receiving body 100 by a fourth connecting member 490 arranged along the negative region of the Y axis. ing.

一方、検出リング700の第1の固定点P11の位置(V軸正領域の位置)の下面は、第1の固定部材560によって支持基板300の上面に固定され、検出リング700の第2の固定点P12の位置(W軸正領域の位置)の下面は、第2の固定部材570によって支持基板300の上面に固定される。同様に、検出リング700の第3の固定点P13の位置(V軸負領域の位置)の下面は、第3の固定部材580によって支持基板300の上面に固定され、検出リング700の第4の固定点P14の位置(W軸負領域の位置)の下面は、第4の固定部材590によって支持基板300の上面に固定される。 On the other hand, the lower surface of the position of the first fixing point P11 (position of the V-axis positive region) of the detection ring 700 is fixed to the upper surface of the support substrate 300 by the first fixing member 560, and the second fixing of the detection ring 700. The lower surface of the position of the point P12 (the position of the positive region of the W axis) is fixed to the upper surface of the support substrate 300 by the second fixing member 570. Similarly, the lower surface of the position of the third fixing point P13 of the detection ring 700 (the position of the negative V-axis region) is fixed to the upper surface of the support substrate 300 by the third fixing member 580, and the fourth of the detection ring 700. The lower surface of the position of the fixing point P14 (the position of the negative region of the W axis) is fixed to the upper surface of the support substrate 300 by the fourth fixing member 590.

本発明の第2の実施形態に係る力覚センサは、図27に示す基本構造部に、容量素子と検出回路とを付加することにより構成される。ここで、容量素子は、図24に示す8組の検出部D11〜D18の各変位部73の下面に形成された変位電極E2と、支持基板300の上面の対向位置に形成された固定電極E1と、によって形成される。このような容量素子Cの詳細構造は、既に§3において、図18を用いて説明したとおりである。当該構造によれば、基本環状路Bに沿って圧縮応力が作用したときと伸張応力が作用したときとでは、静電容量値の増減が逆転する容量素子が形成される。ここでは、8組の検出部D11〜D18について形成される容量素子を、それぞれ容量素子C11〜C18と呼ぶことにし、これら各容量素子C11〜C18の静電容量値を、同じ符号C11〜C18で示すことにする。 The force sensor according to the second embodiment of the present invention is configured by adding a capacitive element and a detection circuit to the basic structural portion shown in FIG. 27. Here, the capacitive element is a displacement electrode E2 formed on the lower surface of each displacement portion 73 of the eight sets of detection portions D11 to D18 shown in FIG. 24, and a fixed electrode E1 formed at a position facing the upper surface of the support substrate 300. And are formed by. The detailed structure of such a capacitive element C has already been described in §3 with reference to FIG. According to this structure, a capacitive element is formed in which the increase / decrease of the capacitance value is reversed when the compressive stress is applied and when the tensile stress is applied along the basic ring road B. Here, the capacitance elements formed for the eight sets of detection units D11 to D18 are referred to as capacitance elements C11 to C18, respectively, and the capacitance values of each of these capacitance elements C11 to C18 are designated by the same reference numerals C11 to C18. I will show you.

すると、支持基板300を固定した状態において、受力体100に外力Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzが加えられた場合の各容量素子C11〜C18の静電容量値の変動量(増減の程度)は、図28のテーブルに示すようになる。このテーブルにおいても、「+」は静電容量値が増加する(容量素子Cの電極間隔が減少する)ことを示し、「−」は静電容量値が減少する(容量素子Cの電極間隔が増加する)ことを示している。また、「++」は静電容量値の増加の程度が「+」に比べて大きいことを示し、「(+)」は静電容量値の増加の程度が「+」に比べて小さいことを示す。同様に、「−−」は静電容量値の減少の程度が「−」に比べて大きいことを示し、「(−)」は静電容量値の減少の程度が「−」に比べて小さいことを示す。 Then, in a state where the support substrate 300 is fixed, the amount of fluctuation (increase / decrease) in the capacitance value of each of the capacitance elements C11 to C18 when an external force Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz is applied to the receiving body 100. Degree) is shown in the table of FIG. Also in this table, "+" indicates that the capacitance value increases (the electrode spacing of the capacitance element C decreases), and "-" indicates that the capacitance value decreases (the electrode spacing of the capacitance element C decreases). (Increases). In addition, "++" indicates that the degree of increase in the capacitance value is larger than that of "+", and "(+)" indicates that the degree of increase in the capacitance value is smaller than that of "+". Shown. Similarly, "-" indicates that the degree of decrease in capacitance value is larger than that of "-", and "(-)" indicates that the degree of decrease in capacitance value is smaller than that of "-". Show that.

ここでは、この図28のテーブルに示す結果が得られる理由についての詳細な説明は省略するが、図27に示す4組の固定点P11〜P14(黒丸)の位置を固定した状態において、4組の作用点Q11〜Q14(白丸)の位置に所定方向の外力が作用した場合の検出リング700の変形態様を考慮して、各検出部D11〜D18の変位電極E2がどのように変位するかを検討すれば容易に理解できよう。 Although detailed explanation of the reason why the results shown in the table of FIG. 28 are obtained is omitted here, four sets of fixed points P11 to P14 (black circles) shown in FIG. 27 are fixed in position. How the displacement electrodes E2 of the detection units D11 to D18 are displaced in consideration of the deformation mode of the detection ring 700 when an external force in a predetermined direction acts on the positions of the action points Q11 to Q14 (white circles). It will be easy to understand if you consider it.

この図28のテーブルにおいて、Fxの行およびFyの行の結果が「(+)」もしくは「(−)」(すなわち、増減の程度が小さい)になっているのは、図27に示すとおり、各検出部D11〜D18の配置がX軸やY軸からずれているため、力FxやFyの作用によっては、変位電極E2が大きく変位しないためである。これに対して、Mxの行およびMyの行の結果が「++」もしくは「−−」(すなわち、増減の程度が大きい)になっているのは、図6に示すとおり、モーメントMxやMyが作用すると、検出リングが大きく傾斜し、変位電極E2が大きく変位するためである。 In the table of FIG. 28, the result of the Fx row and the Fy row is “(+)” or “(−)” (that is, the degree of increase / decrease is small), as shown in FIG. 27. This is because the arrangement of the detection units D11 to D18 is deviated from the X-axis and the Y-axis, so that the displacement electrode E2 is not significantly displaced by the action of the forces Fx and Fy. On the other hand, the result of the Mx line and the My line is "++" or "---" (that is, the degree of increase or decrease is large) because the moments Mx and My are as shown in FIG. This is because when it acts, the detection ring is greatly tilted and the displacement electrode E2 is largely displaced.

この図28のテーブルは、正方向の力および正まわりのモーメントが作用した場合の結果を示しているが、負方向の力および負まわりのモーメントが作用した場合は、「+」と「−」が逆転した結果が得られることになる。この図28のテーブルに示す結果を前提とすれば、受力体100に作用した外力の6軸成分Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzは、図29に示す演算式によって算出することができる。 The table of FIG. 28 shows the results when a positive force and a positive moment are applied, but when a negative force and a negative moment are applied, "+" and "-". Will be the result of reversal. Assuming the results shown in the table of FIG. 28, the 6-axis components Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz of the external force acting on the receiving body 100 can be calculated by the arithmetic formula shown in FIG. 29. it can.

まず、X軸方向の力Fxは、図28のテーブルのFxの行の各欄を参照すれば、Fx=−C11+C12−C13+C14+C15−C16+C17−C18なる演算によって得られることになる。同様に、Y軸方向の力Fyは、図28のテーブルのFyの行の各欄を参照すれば、Fy=+C11−C12−C13+C14−C15+C16+C17−C18なる演算によって得られることになる。そして、Z軸方向の力Fzは、図28のテーブルのFzの行の各欄を参照すれば、Fz=−(C11+C12+C13+C14+C15+C16+C17+C18)なる演算によって得られることになる。 First, the force Fx in the X-axis direction can be obtained by the calculation of Fx = −C11 + C12-C13 + C14 + C15-C16 + C17-C18 by referring to each column of the Fx row in the table of FIG. 28. Similarly, the force Fy in the Y-axis direction can be obtained by the calculation Fy = + C11-C12-C13 + C14-C15 + C16 + C17-C18 by referring to each column of the Fy row in the table of FIG. 28. Then, the force Fz in the Z-axis direction can be obtained by the calculation of Fz = − (C11 + C12 + C13 + C14 + C15 + C16 + C17 + C18) by referring to each column of the Fz row in the table of FIG. 28.

一方、X軸まわりのモーメントMxは、図28のテーブルのMxの行の各欄を参照すれば、Mx=−C11−C12−C13−C14+C15+C16+C17+C18なる演算によって得られることになる。同様に、Y軸まわりのモーメントMyは、図28のテーブルのMyの行の各欄を参照すれば、My=+C11+C12−C13−C14−C15−C16+C17+C18なる演算によって得られることになる。そして、Z軸まわりのモーメントMzは、図28のテーブルのMzの行の各欄を参照すれば、Mz=+C11−C12+C13−C14+C15−C16+C17−C18なる演算によって得られることになる。 On the other hand, the moment Mx around the X-axis can be obtained by the calculation of Mx = -C11-C12-C13-C14 + C15 + C16 + C17 + C18 by referring to each column of the Mx row in the table of FIG. Similarly, the moment My around the Y-axis can be obtained by the calculation My = + C11 + C12-C13-C14-C15-C16 + C17 + C18 by referring to each column of the My row in the table of FIG. 28. Then, the moment Mz around the Z axis can be obtained by the calculation of Mz = + C11-C12 + C13-C14 + C15-C16 + C17-C18 by referring to each column of the Mz row in the table of FIG. 28.

図27に示す基本構造部は、XZ平面およびYZ平面の双方に関して対称性を有し、さらに、VZ平面およびWZ平面に関しても対称性を有している。このため、図29に示す各演算式を用いれば、他軸成分はほぼ相殺されてしまうため、他軸成分を含まない成分のみが得られる。もっとも、厳密に言えば、図28の表に(+)と(−)で示された変動量の絶対値、+と−で示された変動量の絶対値、++と−−で示された変動量の絶対値は、完全には一致しない。このため、他軸成分の干渉を完全になくすことは困難であるが、実用上は、問題のないレベルに抑えられる。また、必要があれば、マイクロコンピュータなどを用いた演算を行うことにより、混入した他軸成分を除去する補正を行うことも可能である。結局、図29に示す演算式に基づく演算を行う検出回路(図示は省略)を用意しておけば、6軸成分Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzに対応する電圧値を電気信号として出力することができる。 The basic structure shown in FIG. 27 has symmetry with respect to both the XZ plane and the YZ plane, and further has symmetry with respect to the VZ plane and the WZ plane. Therefore, if each calculation formula shown in FIG. 29 is used, the other axis components are almost canceled out, so that only the components that do not contain the other axis components can be obtained. Strictly speaking, however, the absolute values of the fluctuations indicated by (+) and (-), the absolute values of the fluctuations indicated by + and-, and ++ and-in the table of FIG. 28 are shown. The absolute values of the fluctuations do not exactly match. Therefore, it is difficult to completely eliminate the interference of other shaft components, but it can be suppressed to a level that does not cause any problem in practical use. Further, if necessary, it is also possible to perform a correction for removing the mixed other axis component by performing an operation using a microcomputer or the like. After all, if a detection circuit (not shown) that performs an operation based on the arithmetic expression shown in FIG. 29 is prepared, the voltage values corresponding to the 6-axis components Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz can be used as an electric signal. Can be output.

なお、図29に示す演算式は、いずれも8組の静電容量値C11〜C18をすべて利用した演算を行うものであるが、演算式は必ずしもすべての静電容量値を利用したものにする必要はなく、その一部のみを利用したものでもかまわない。 In addition, although each of the calculation formulas shown in FIG. 29 performs the calculation using all eight sets of capacitance values C11 to C18, the calculation formula does not necessarily use all the capacitance values. It is not necessary, and only a part of it may be used.

たとえば、8組の静電容量値C11〜C18のうちの4組のみを利用するのであれば、力Fxは、Fx=−C11+C12+C17−C18、もしくは、Fx=+C12−C13−C16+C17なる演算式で求めることが可能であり、力Fyは、Fy=+C11−C12−C13+C14、もしくは、Fy=−C15+C16+C17−C18なる演算式で求めることが可能であり、力Fzは、Fz=−(C11+C14+C15+C18)、もしくは、Fz=−(C12+C13+C16+C17)なる演算式で求めることが可能である。 For example, if only 4 of the 8 sets of capacitance values C11 to C18 are used, the force Fx is calculated by the formula Fx = -C11 + C12 + C17-C18 or Fx = + C12-C13-C16 + C17. The force Fy can be calculated by the arithmetic formula Fy = + C11-C12-C13 + C14 or Fy = -C15 + C16 + C17-C18, and the force Fz is Fz =-(C11 + C14 + C15 + C18) or It can be calculated by the arithmetic formula Fz = − (C12 + C13 + C16 + C17).

同様に、モーメントMxは、Mx=−C11−C12+C17+C18、もしくは、Mx=−C13−C14+C15+C16なる演算式で求めることが可能であり、モーメントMyは、My=+C11+C12−C13−C14、もしくは、My=−C15−C16+C17+C18なる演算式で求めることが可能であり、モーメントMzは、Mz=+C11−C12+C15−C16、もしくは、Mz=+C13−C14+C17−C18、もしくは、Mz=+C11−C14+C15−C18なる演算式で求めることが可能である。 Similarly, the moment Mx can be obtained by an arithmetic expression of Mx = -C11-C12 + C17 + C18 or Mx = -C13-C14 + C15 + C16, and the moment My can be calculated as My = + C11 + C12-C13-C14 or My =-. It can be calculated by the formula C15-C16 + C17 + C18, and the moment Mz is calculated by the formula Mz = + C11-C12 + C15-C16, Mz = + C13-C14 + C17-C18, or Mz = + C11-C14 + C15-C18. It is possible.

図30は、このような演算式のバリエーションを示す図である。図29に示す各演算式が、8組の静電容量値C11〜C18のすべてを利用する演算式であるのに対して、図30に示すバリエーションでは、8組の静電容量値C11〜C18のうちの4組のみを利用した演算を行えば足りる。理論的には、8組の静電容量値C11〜C18のすべてを利用した演算を行った方がより精度の高い検出値を得ることができるが、実際には、図30に示す各演算式に基づく演算を行えば、実用上、十分な精度をもった検出結果を得ることができる。したがって、検出回路の演算負担をできるだけ軽減したい場合には、図30に示すバリエーションを採用すればよい。 FIG. 30 is a diagram showing variations of such an arithmetic expression. While each calculation formula shown in FIG. 29 is a calculation formula that utilizes all of the eight sets of capacitance values C11 to C18, in the variation shown in FIG. 30, eight sets of capacitance values C11 to C18 are used. It suffices to perform calculations using only four of these sets. Theoretically, it is possible to obtain a more accurate detection value by performing an calculation using all of the eight sets of capacitance values C11 to C18, but in reality, each calculation formula shown in FIG. 30 By performing the calculation based on, it is possible to obtain a detection result with sufficient accuracy in practical use. Therefore, if it is desired to reduce the calculation load of the detection circuit as much as possible, the variation shown in FIG. 30 may be adopted.

<<< §6. 補助接続部材を付加した実施形態 >>>
ここでは、補助接続部材を付加した実施形態(第3の実施形態)を説明する。§3では、基本的実施形態(第1の実施形態)に係る力覚センサについて、Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzという6軸成分の外力が加えられた場合、4組の静電容量値C1〜C4について、図20のテーブルに示すような静電容量値の変動が生じることを述べた。このテーブルにおいて、「++」および「−−」は、「+」および「−」に比べて静電容量値の増加の程度が大きく、「(+)」および「(−)」は、「+」および「−」に比べて静電容量値の増加の程度が小さいことを示している。
<<< §6. Embodiment to which auxiliary connection member is added >>>
Here, an embodiment (third embodiment) to which an auxiliary connecting member is added will be described. In §3, with respect to the force sensor according to the basic embodiment (first embodiment), when an external force of 6-axis components such as Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz is applied, four sets of capacitance are applied. It has been stated that with respect to the capacitance values C1 to C4, the capacitance value fluctuates as shown in the table of FIG. In this table, "++" and "-" have a larger degree of increase in capacitance value than "+" and "-", and "(+)" and "(-)" are "+". It shows that the degree of increase in the capacitance value is smaller than that of "" and "-".

このように、4組の静電容量値C1〜C4に生じる変動の大きさは、作用する外力成分によって異なり、各軸成分の検出感度に差が生じていることになる。したがって、たとえば、図22に示す演算式に基づいて、4軸成分Fz,Mx,My,Mzを検出しても、検出値Mx,Myの感度は検出値Fz,Mzの感度に比べてかなり高くなる。一方、Fx,Fyについては、検出感度がかなり低いため、実用上は、図21の近似テーブルに示すとおり変動量を0にする取り扱いを行わざるを得ず、検出値を得ることができない。 As described above, the magnitude of the fluctuation generated in the four sets of capacitance values C1 to C4 differs depending on the acting external force component, and the detection sensitivity of each axis component is different. Therefore, for example, even if the four-axis components Fz, Mx, My, and Mz are detected based on the calculation formula shown in FIG. 22, the sensitivity of the detected values Mx and My is considerably higher than the sensitivity of the detected values Fz and Mz. Become. On the other hand, since the detection sensitivity of Fx and Fy is considerably low, in practice, as shown in the approximation table of FIG. 21, the fluctuation amount must be set to 0, and the detection value cannot be obtained.

もちろん、検出感度は、検出リング600の各部の寸法を変えることにより調節可能であり、たとえば、検出部Dを構成する第1の変形部61や第2の変形部62の厚みを小さくして弾性変形しやすくすれば、検出感度を高めることができる。しかしながら、このような寸法変更は、力覚センサ全体の検出感度の調整には有効であるが、各軸成分の検出感度の差を是正することはできない。多軸成分の検出が可能な力覚センサを提供する上では、検出感度に差が生じていることは好ましくない。ここでは、このような検出感度の差を是正する工夫を述べる。 Of course, the detection sensitivity can be adjusted by changing the dimensions of each part of the detection ring 600. For example, the thickness of the first deformed part 61 and the second deformed part 62 constituting the detection part D is reduced to reduce the elasticity. If it is easily deformed, the detection sensitivity can be increased. However, although such a dimensional change is effective for adjusting the detection sensitivity of the entire force sensor, it is not possible to correct the difference in the detection sensitivity of each axis component. In order to provide a force sensor capable of detecting a multi-axis component, it is not preferable that there is a difference in detection sensitivity. Here, a device for correcting such a difference in detection sensitivity will be described.

これまで述べてきた力覚センサでは、一般的な傾向として、成分Mx,Myの検出感度が他の成分の検出感度よりも高くなる。これは、本発明に用いる基本構造部が、たとえば図6に示すように、Y軸まわりのモーメントMyが作用した場合に比較的変形が生じやすい構造を有しているためである。X軸まわりのモーメントMxが作用した場合も、同様に変形が生じやすい。 In the force sensor described so far, as a general tendency, the detection sensitivity of the components Mx and My is higher than the detection sensitivity of the other components. This is because the basic structure used in the present invention has a structure that is relatively easily deformed when a moment My around the Y axis acts, as shown in FIG. 6, for example. Similarly, when a moment Mx around the X-axis acts, deformation is likely to occur.

図31は、このような構造的な特徴に鑑みて、検出感度の差を是正する工夫を施した第3の実施形態に係る力覚センサの基本構造部の下面図(上段の図)およびこれをXZ平面で切断した側断面図(下段の図)である。なお、上段に示す下面図では、便宜上、支持基板300を取り外した状態が示されている。 FIG. 31 is a bottom view (upper view) of the basic structural portion of the force sensor according to the third embodiment, which has been devised to correct the difference in detection sensitivity in view of such structural features. It is a side sectional view (lower view) cut in the XZ plane. The bottom view shown in the upper row shows a state in which the support substrate 300 is removed for convenience.

図16に示す第1の実施形態に係る基本構造部と、図31に示す第3の実施形態に係る基本構造部との差は、後者では、補助接続部材531,532が付加されている点だけである。下段の側断面図に示されているように、補助接続部材531は、作用点Q1を通りZ軸に平行な接続参照線A1が中心軸となる位置に配置された円柱状の部材であり、その上端は検出リング600の下面に接続され、下端は支持基板300の上面に接続されている。同様に、補助接続部材532は、作用点Q2を通りZ軸に平行な接続参照線A2が中心軸となる位置に配置された円柱状の部材であり、その上端は検出リング600の下面に接続され、下端は支持基板300の上面に接続されている。 The difference between the basic structural part according to the first embodiment shown in FIG. 16 and the basic structural part according to the third embodiment shown in FIG. 31 is that the auxiliary connecting members 531, 532 are added in the latter. Only. As shown in the lower side sectional view, the auxiliary connecting member 531 is a columnar member arranged at a position where the connection reference line A1 passing through the point of action Q1 and parallel to the Z axis is the central axis. Its upper end is connected to the lower surface of the detection ring 600, and its lower end is connected to the upper surface of the support substrate 300. Similarly, the auxiliary connection member 532 is a columnar member arranged at a position where the connection reference line A2, which passes through the point of action Q2 and is parallel to the Z axis, is the central axis, and its upper end is connected to the lower surface of the detection ring 600. The lower end is connected to the upper surface of the support substrate 300.

検出リング600と支持基板300とは、もともと一対の固定部材510,520によって接続されているが、ここに示す第3の実施形態では、両者間を接続する部材として、更に、補助接続部材531,532が加わることになる。ここで、固定部材510,520が固定点P1,P2の位置に接続されているのに対して、補助接続部材531,532は作用点Q1,Q2の位置に接続されている。この一対の補助接続部材531,532は、受力体100にモーメントMyもしくはMxが作用した場合に生じる検出リング600の変位を抑制する機能を果たす。 The detection ring 600 and the support substrate 300 are originally connected by a pair of fixing members 510 and 520, but in the third embodiment shown here, as a member for connecting the two, an auxiliary connecting member 531 and 531 are further connected. 532 will be added. Here, the fixing members 510 and 520 are connected to the positions of the fixed points P1 and P2, while the auxiliary connecting members 531 and 532 are connected to the positions of the working points Q1 and Q2. The pair of auxiliary connecting members 531, 532 functions to suppress the displacement of the detection ring 600 that occurs when the moment My or Mx acts on the receiving body 100.

図6には、モーメントMyが作用したときの検出リング200の変形態様が示されているが、作用点Q1,Q2の位置に補助接続部材531,532を付加すれば、このような変形が抑制されることが容易に理解できよう。このように、補助接続部材531,532は、モーメントMyが作用したときの変形を抑制する機能を果たすことになり、更に、モーメントMxが作用したときの変形を抑制する機能も果たす。もちろん、モーメントMz,力Fx,Fy,Fzが作用したときの変形を抑制する機能も果たす。 FIG. 6 shows a deformation mode of the detection ring 200 when the moment My acts. However, if auxiliary connecting members 531, 532 are added to the positions of the action points Q1 and Q2, such deformation is suppressed. It will be easy to understand that it will be done. As described above, the auxiliary connecting members 531 and 532 have a function of suppressing deformation when the moment My acts, and further serve a function of suppressing deformation when the moment Mx acts. Of course, it also functions to suppress deformation when moment Mz, force Fx, Fy, and Fz act.

要するに、補助接続部材531,532は、接続参照線A1,A2の位置において、検出リング600と支持基板300との間隔を一定に維持するための「つっかえ棒」として機能する。なお、補助接続部材531,532は、いずれか一方のみを設けても、それなりの効果は得られるが、実用上は、両方を設けるようにするのが好ましい。 In short, the auxiliary connecting members 531, 532 function as "replacement rods" for maintaining a constant distance between the detection ring 600 and the support substrate 300 at the positions of the connection reference lines A1 and A2. It should be noted that even if only one of the auxiliary connecting members 531, 532 is provided, a certain effect can be obtained, but in practice, it is preferable to provide both.

本願発明者が行った実験によると、補助接続部材531,532による変位抑制効果は、モーメントMyに対して最も顕著であり、モーメントMxに対してもある程度顕著であるが、力Fx,Fyに対してはわずかである。これは、受力体100に力Fx,Fyが加わった場合、補助接続部材531,532が接続参照線A1,A2に対して傾斜することになるが、補助接続部材531,532を接続参照線A1,A2に沿った方向に伸縮させる変位に比べると、接続参照線A1,A2に対して傾斜させる変位の方が生じやすいためと考えられる。その結果、モーメントMx,Myに対する検出感度と力Fx,Fyに対する検出感度との差を是正する効果が得られる。 According to the experiment conducted by the inventor of the present application, the displacement suppressing effect of the auxiliary connecting members 531 and 532 is most remarkable with respect to the moment My and to some extent with respect to the moment Mx, but with respect to the forces Fx and Fy. Is few. This is because when the forces Fx and Fy are applied to the receiving body 100, the auxiliary connecting members 531 and 532 are inclined with respect to the connecting reference lines A1 and A2, but the auxiliary connecting members 531 and 532 are connected to the connecting reference lines. It is considered that this is because the displacement that inclines with respect to the connection reference lines A1 and A2 is more likely to occur than the displacement that expands and contracts in the direction along A1 and A2. As a result, the effect of correcting the difference between the detection sensitivity for the moments Mx and My and the detection sensitivity for the forces Fx and Fy can be obtained.

図32は、図31に示す第3の実施形態における受力体100に、各軸方向の力もしくは各軸まわりのモーメントが作用したときの各容量素子の静電容量値の変動量(増減の程度)を示すテーブルである。各欄の符号は「+」もしくは「−」になっており、図20に示すテーブルと比較すると、各軸成分の検出感度の差が大幅に是正されていることがわかる。 FIG. 32 shows the amount of fluctuation (increase / decrease) in the capacitance value of each capacitance element when a force in each axis direction or a moment around each axis acts on the receiving body 100 in the third embodiment shown in FIG. It is a table showing the degree). The symbols in each column are “+” or “−”, and it can be seen that the difference in the detection sensitivity of each axis component is significantly corrected when compared with the table shown in FIG.

もちろん、これらのテーブルにおける各欄の符号は、相対的な検出感度を示すものなので、補助接続部材531,532を付加することによって、力Fx,Fyの検出感度が向上したわけではない。上述したとおり、補助接続部材531,532を付加すると、いずれの軸方向成分についても検出感度が低下することになるが、モーメントMx,Myに対する検出感度の低下は著しく、力Fx,Fyに対する検出感度の低下はわずかであるため、各軸成分についての検出感度のバランスがとれたことになる。力覚センサ全体の検出感度を高めるには、前述したように、検出部Dを構成する第1の変形部61や第2の変形部62の厚みを小さくすればよい。 Of course, since the symbols in the respective columns in these tables indicate the relative detection sensitivities, the addition of the auxiliary connecting members 531, 532 does not improve the detection sensitivities of the forces Fx and Fy. As described above, when the auxiliary connecting members 531 and 532 are added, the detection sensitivity for any of the axial components is lowered, but the detection sensitivity for the moments Mx and My is significantly lowered, and the detection sensitivity for the forces Fx and Fy is significantly reduced. Since the decrease in is slight, it means that the detection sensitivity for each axis component is balanced. In order to increase the detection sensitivity of the entire force sensor, as described above, the thickness of the first deformed portion 61 and the second deformed portion 62 constituting the detection unit D may be reduced.

なお、図31に示す実施形態では、補助接続部材531,532の配置位置を示す接続参照線A1,A2を、作用点Q1,Q2を通りZ軸に平行な直線として設定しているが、接続参照線の位置は必ずしもこの位置に限定されるものではない。たとえば、図31に示す接続参照線A3が中心軸となるように補助接続部材531を配置してもよいし、図31に示す接続参照線A4が中心軸となるように補助接続部材532を配置してもよい。ここで、接続参照線A3は、作用点Q1をX軸正方向に移動させた移動点を通りZ軸に平行な直線であり、接続参照線A4は、作用点Q2をX軸負方向に移動させた移動点を通りZ軸に平行な直線である。接続参照線A3,A4の位置に配置された補助接続部材は、受力体100の下面と接続部材300の上面とを接続する役割を果たすことになる。 In the embodiment shown in FIG. 31, the connection reference lines A1 and A2 indicating the arrangement positions of the auxiliary connection members 531 and 532 are set as straight lines passing through the action points Q1 and Q2 and parallel to the Z axis. The position of the reference line is not necessarily limited to this position. For example, the auxiliary connection member 531 may be arranged so that the connection reference line A3 shown in FIG. 31 is the central axis, or the auxiliary connection member 532 may be arranged so that the connection reference line A4 shown in FIG. 31 is the central axis. You may. Here, the connection reference line A3 is a straight line that passes through the movement point in which the action point Q1 is moved in the positive direction of the X axis and is parallel to the Z axis, and the connection reference line A4 moves the action point Q2 in the negative direction of the X axis. It is a straight line that passes through the moving point and is parallel to the Z axis. The auxiliary connecting members arranged at the positions of the connecting reference lines A3 and A4 play a role of connecting the lower surface of the receiving body 100 and the upper surface of the connecting member 300.

接続参照線A1〜A4は、いずれもX軸と直交する直線であるため、この位置に補助接続部材を配置すれば、6軸成分の中で最も検出感度が高くなるモーメントMyの検出感度を効果的に抑制することが可能である。もちろん、補助接続部材は、必ずしも接続参照線A1〜A4を中心軸とする正確な位置に配置する必要はなく、接続参照線A1〜A4から若干ずれた位置に配置しても、検出感度差を是正する効果は得られる。 Since the connection reference lines A1 to A4 are all straight lines orthogonal to the X-axis, if the auxiliary connecting member is arranged at this position, the detection sensitivity of the moment My, which has the highest detection sensitivity among the 6-axis components, is effective. It is possible to suppress it. Of course, the auxiliary connection member does not necessarily have to be arranged at an accurate position about the connection reference lines A1 to A4 as the central axis, and even if the auxiliary connection member is arranged at a position slightly deviated from the connection reference lines A1 to A4, the detection sensitivity difference can be obtained. The effect of correction can be obtained.

結局、検出感度差を是正するには、作用点Q1,Q2、もしくは、原点Oと作用点Q1,Q2とを結ぶ線に沿って作用点Q1,Q2を移動させた移動点を通り、Z軸に平行な接続参照線A1〜A4を定義し、当該接続参照線A1〜A4もしくはその近傍に沿って、検出リング600もしくは受力体100の下面と支持基板300の上面とを接続する補助接続部材531,532を設けるようにすればよい。 After all, in order to correct the difference in detection sensitivity, the Z-axis passes through the points of action Q1 and Q2 or the moving points where the points of action Q1 and Q2 are moved along the line connecting the origin O and the points of action Q1 and Q2. Auxiliary connection members that define connection reference lines A1 to A4 parallel to the above and connect the lower surface of the detection ring 600 or the receiving body 100 and the upper surface of the support substrate 300 along the connection reference lines A1 to A4 or its vicinity. 531 and 532 may be provided.

なお、補助接続部材531,532の役割は、各軸成分についての検出感度のバランスをとることにあるので、力Fx,Fyに対する検出感度はできるだけ維持させ、モーメントMyに対する検出感度を低下させる必要がある。そのためには、補助接続部材531,532として、接続参照線A1〜A4に沿った方向に力が作用したときに比べて、接続参照線A1〜A4に直交する方向に力が作用したときの方が、弾性変形を生じ易い部材を用いるのが好ましい。別言すれば、Z軸に平行な方向への力が加わった場合には弾性変形が生じにくいが、Z軸に垂直な方向への力が加わった場合には弾性変形を生じ易い部材を用いるのが好ましい。 Since the role of the auxiliary connecting members 531, 532 is to balance the detection sensitivity for each shaft component, it is necessary to maintain the detection sensitivity for the forces Fx and Fy as much as possible and reduce the detection sensitivity for the moment My. is there. For that purpose, as the auxiliary connecting members 531 and 532, when the force is applied in the direction orthogonal to the connection reference lines A1 to A4 as compared with the case where the force is applied in the direction along the connection reference lines A1 to A4. However, it is preferable to use a member that easily causes elastic deformation. In other words, when a force in the direction parallel to the Z axis is applied, elastic deformation is unlikely to occur, but when a force is applied in the direction perpendicular to the Z axis, a member that is likely to cause elastic deformation is used. Is preferable.

図31に示す補助接続部材531,532は、Z軸方向に伸びる円柱状の部材であり、Z軸方向への伸縮はしにくいが、Z軸方向に対する傾斜はしやすいという性質を有しており、補助接続部材として適した材質になっている。実際には、補助接続部材の太さによって、弾性変形の度合いを調整すればよい。もちろん、補助接続部材の形状は円柱状に限定されるものではなく、任意の形状のものを採用してかまわない。 The auxiliary connecting members 531, 532 shown in FIG. 31 are columnar members extending in the Z-axis direction, and have a property that they are difficult to expand and contract in the Z-axis direction, but are easily inclined in the Z-axis direction. , The material is suitable as an auxiliary connection member. Actually, the degree of elastic deformation may be adjusted by the thickness of the auxiliary connecting member. Of course, the shape of the auxiliary connecting member is not limited to the columnar shape, and any shape may be adopted.

具体的には、金属や樹脂など、ある程度の弾性を有する素材からなる細長い棒状部材を補助接続部材531,532として用い、これを、所定の接続参照線に沿って配置すればよい。そうすれば、支持基板300を固定状態にして、受力体100に対して、接続参照線に沿った方向に力が作用したときには弾性変形は生じにくく、接続参照線に直交する方向に力が作用したときには弾性変形が生じ易くなる。別言すれば、細長い棒状部材からなる補助接続部材531,532は、長手方向に伸縮する変形は生じにくいが、全体を傾斜させるような変形は生じ易い。その結果、検出リング600のZ軸方向への変位は、X軸方向やY軸方向への変位に比べて効果的に抑制されることになり、各軸成分についての検出感度差を是正できる。 Specifically, an elongated rod-shaped member made of a material having a certain degree of elasticity such as metal or resin may be used as the auxiliary connecting member 531 or 532, and this may be arranged along a predetermined connection reference line. Then, when the support substrate 300 is fixed and a force is applied to the receiving body 100 in the direction along the connection reference line, elastic deformation is unlikely to occur, and the force is applied in the direction orthogonal to the connection reference line. When acted, elastic deformation is likely to occur. In other words, the auxiliary connecting members 531 and 532 made of elongated rod-shaped members are unlikely to be deformed to expand and contract in the longitudinal direction, but are likely to be deformed to be tilted as a whole. As a result, the displacement of the detection ring 600 in the Z-axis direction is effectively suppressed as compared with the displacement in the X-axis direction and the Y-axis direction, and the difference in detection sensitivity for each axis component can be corrected.

図33は、図31に示す補助接続部材532の近傍構造の変形例を示す部分断面図である。この変形例は、補助接続部材532をより傾斜しやすくする工夫を施したものであり、補助接続部材の両端の接続部分にダイアフラム構造を採用している。 FIG. 33 is a partial cross-sectional view showing a modified example of the neighborhood structure of the auxiliary connecting member 532 shown in FIG. 31. In this modified example, the auxiliary connecting member 532 is devised to be more easily tilted, and a diaphragm structure is adopted at the connecting portions at both ends of the auxiliary connecting member.

図33に示す補助接続部材532dは、図31に示す補助接続部材532と同様に、作用点Q2を通る接続参照線A2が中心軸となるように配置された円柱状の構造体であり、検出リング600と支持基板300とを接続する役割を果たす。ただ、補助接続部材532dの上端はダイアフラム部600dの下面に接続され、下端はダイアフラム部300dの上面に接続されている。ここで、ダイアフラム部600dは、検出リング600の連結部Lに形成された肉厚の薄い部分であり、このダイアフラム部600dを形成するため、検出リング600の下面には溝部G1が形成されている。一方、ダイアフラム部300dは、支持基板300に形成された肉厚の薄い部分であり、このダイアフラム部300dを形成するため、支持基板300の上面には溝部G2が形成されている。 Similar to the auxiliary connecting member 532 shown in FIG. 31, the auxiliary connecting member 532d shown in FIG. 33 is a columnar structure arranged so that the connection reference line A2 passing through the point of action Q2 is the central axis, and is detected. It serves to connect the ring 600 and the support substrate 300. However, the upper end of the auxiliary connecting member 532d is connected to the lower surface of the diaphragm portion 600d, and the lower end is connected to the upper surface of the diaphragm portion 300d. Here, the diaphragm portion 600d is a thin portion formed in the connecting portion L of the detection ring 600, and in order to form the diaphragm portion 600d, a groove portion G1 is formed on the lower surface of the detection ring 600. .. On the other hand, the diaphragm portion 300d is a thin portion formed on the support substrate 300, and in order to form the diaphragm portion 300d, a groove portion G2 is formed on the upper surface of the support substrate 300.

図33には、接続参照線A2を中心軸とする補助接続部材532dの近傍構造を示すが、接続参照線A1を中心軸とする補助接続部材531dの上下の接続部分にも、同様のダイアフラム部600d,300dが形成される。このようなダイアフラムを用いた接続構造を採用すると、補助接続部材531d,532dは、ダイアフラム部600d,300dの変形により変位するため、補助接続部材531d,532d自体は変形する必要がない。したがって、補助接続部材531d,532dとしては、太い剛性をもった部材を用いてもかまわない。傾斜角度を十分に確保する上では、補助接続部材531d,532dはなるべく長くするのが好ましい。 FIG. 33 shows a structure in the vicinity of the auxiliary connecting member 532d centered on the connection reference line A2, and a similar diaphragm portion is also provided on the upper and lower connecting portions of the auxiliary connecting member 531d centered on the connection reference line A1. 600d and 300d are formed. When such a connection structure using a diaphragm is adopted, the auxiliary connecting members 531d and 532d are displaced by the deformation of the diaphragm portions 600d and 300d, so that the auxiliary connecting members 531d and 532d themselves do not need to be deformed. Therefore, as the auxiliary connecting members 531d and 532d, members having a large rigidity may be used. In order to secure a sufficient inclination angle, it is preferable to make the auxiliary connecting members 531d and 532d as long as possible.

なお、図33に示す例では、補助接続部材532dの上端をダイアフラム部600dを介して検出リング600に接続し、補助接続部材532dの下端をダイアフラム部300dを介して支持基板300に接続する構成を採っているが、上端のみ、もしくは、下端のみをダイアフラム部を介して接続する構成を採ってもかまわない。 In the example shown in FIG. 33, the upper end of the auxiliary connecting member 532d is connected to the detection ring 600 via the diaphragm portion 600d, and the lower end of the auxiliary connecting member 532d is connected to the support substrate 300 via the diaphragm portion 300d. Although it is adopted, a configuration in which only the upper end or only the lower end is connected via a diaphragm portion may be adopted.

結局、ダイアフラム部を介して補助接続部材を接続する構成を採る場合は、検出リングもしくは受力体の補助接続部材に対する接続部分、もしくは、支持基板の補助接続部材に対する接続部分、または、これら接続部分の双方を、ダイアフラム部によって構成し、力もしくはモーメントの作用に基づくダイアフラム部の変形によって補助接続部材が接続参照線に対して傾斜するようにすればよい。 After all, when the auxiliary connecting member is connected via the diaphragm portion, the connecting portion of the detection ring or the receiving body to the auxiliary connecting member, the connecting portion of the support substrate to the auxiliary connecting member, or these connecting portions. Both of them may be composed of a diaphragm portion, and the auxiliary connecting member may be inclined with respect to the connection reference line due to the deformation of the diaphragm portion based on the action of a force or a moment.

図31に示す第3の実施形態は、図16に示す第1の実施形態に係る力覚センサに補助接続部材531,532を付加したものであり、この第3の実施形態によれば、図20のテーブルに代えて、図32のテーブルに示す結果が得られる。しかしながら、この図32のテーブルに基づいて、6軸成分Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzのすべてについて、他軸成分の干渉のない正確な検出値が得られるようになるわけではない。むしろ、力Fx,Fyが作用したときの静電容量値の変動量を0とする近似を行うことができなくなるため、他軸成分の干渉の度合いは大きくなる。 The third embodiment shown in FIG. 31 is obtained by adding auxiliary connecting members 531 and 532 to the force sensor according to the first embodiment shown in FIG. 16, and according to the third embodiment, FIG. Instead of the table of 20, the results shown in the table of FIG. 32 are obtained. However, based on the table of FIG. 32, accurate detection values without interference of other axis components cannot be obtained for all of the 6-axis components Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz. Rather, it is not possible to perform an approximation in which the amount of change in the capacitance value when the forces Fx and Fy are applied is 0, so that the degree of interference of other axis components becomes large.

6軸成分Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzのすべてについて、他軸成分の干渉のない正確な検出値を得るには、§5で述べた第2の実施形態(8組の検出部を用いる実施形態)に、補助接続部材を付加する構成を採ればよい。具体的には、図27に示す第2の実施形態に係る基本構造部について、4組の作用点Q11〜Q14の位置(あるいは、これらを外側に移動させた移動点の位置でもよい)に、Z軸に平行な接続参照線をそれぞれ定義し、各接続参照線上もしくはその近傍に、4組の補助接続部材を設けるようにすればよい。これら補助接続部材は、検出リング700の連結部Lの下面と支持基板300の上面とを接続する役割を果たす。もちろん、必要に応じて、補助接続部材の上端や下端を、図33に示すようなダイアフラム部を介して接続するようにしてもかまわない。 In order to obtain accurate detection values for all of the 6-axis components Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz without interference of other axis components, the second embodiment described in §5 (8 sets of detection units) Auxiliary connection member may be added to the embodiment). Specifically, with respect to the basic structural portion according to the second embodiment shown in FIG. 27, the positions of the four sets of action points Q11 to Q14 (or the positions of the movement points obtained by moving them outward) are set to the positions. A connection reference line parallel to the Z axis may be defined, and four sets of auxiliary connection members may be provided on or near each connection reference line. These auxiliary connecting members play a role of connecting the lower surface of the connecting portion L of the detection ring 700 and the upper surface of the support substrate 300. Of course, if necessary, the upper end and the lower end of the auxiliary connecting member may be connected via a diaphragm portion as shown in FIG. 33.

図34は、§5で述べた第2の実施形態に、4組の補助接続部材を付加した力覚センサについて、各軸方向の力もしくは各軸まわりのモーメントが作用したときの各容量素子の静電容量値の変動量(増減の程度)を示すテーブルである。各欄の符号は「+」もしくは「−」になっており、図28に示すテーブルと比較すると、各軸成分の検出感度の差が大幅に是正されていることがわかる。第2の実施形態では、§5で述べたとおり、図29に示す演算式に基づく演算により、6軸成分Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzのすべてについて、他軸成分の干渉を排除した検出値を得ることができる。したがって、第2の実施形態に4組の補助接続部材を付加すれば、6軸成分の正確な検出を行うとともに、各軸成分の検出感度の差を是正することが可能になる。前述したように、他軸成分の干渉を完全になくすことは困難であるが、実用上は、問題のないレベルに抑えられ、必要があれば、マイクロコンピュータなどを用いた演算を行うことにより、他軸成分を除去する補正を行うことも可能である。 FIG. 34 shows each capacitive element when a force in each axial direction or a moment around each axis acts on the force sensor to which four sets of auxiliary connecting members are added to the second embodiment described in §5. It is a table which shows the fluctuation amount (degree of increase / decrease) of a capacitance value. The symbols in each column are “+” or “−”, and it can be seen that the difference in the detection sensitivity of each axis component is significantly corrected when compared with the table shown in FIG. 28. In the second embodiment, as described in §5, interference of other axis components is eliminated for all of the 6-axis components Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz by the calculation based on the calculation formula shown in FIG. The detected value can be obtained. Therefore, if four sets of auxiliary connecting members are added to the second embodiment, it is possible to accurately detect the 6-axis component and correct the difference in the detection sensitivity of each axis component. As mentioned above, it is difficult to completely eliminate the interference of other axis components, but in practice it can be suppressed to a level that does not cause any problems, and if necessary, by performing calculations using a microcomputer or the like. It is also possible to make a correction to remove other axis components.

なお、補助接続部材は必ずしも4組すべてを用いる必要はなく、少なくとも1組を用いるようにすれば、検出感度の差を是正する効果は得られる。たとえば、図27に示す第2の実施形態について、2組の作用点Q11,Q13の位置にそれぞれ補助接続部材を設けるようにすれば、モーメントMyが作用したときの変位を大幅に抑制することができ、少なくともモーメントMyに対する検出感度を低下させる是正を行うことができる。 It is not always necessary to use all four sets of auxiliary connecting members, and if at least one set is used, the effect of correcting the difference in detection sensitivity can be obtained. For example, in the second embodiment shown in FIG. 27, if auxiliary connecting members are provided at the positions of the two sets of action points Q11 and Q13, respectively, the displacement when the moment My acts can be significantly suppressed. At least, it is possible to make corrections that reduce the detection sensitivity to the moment My.

<<< §7. 正方形状の検出リングを用いた実施形態 >>>
これまで述べてきた実施形態は、いずれも各部が円形形状をした力覚センサであった。たとえば、図16に示す第1の実施形態に係る力覚センサの場合、検出リング600は、Z軸を中心軸としてXY平面に配置された円を基本環状路Bとする環状構造体であり、支持体(支持基板)300は、Z軸を中心軸としてZ軸負領域に配置された円形の板状構造体であり、受力体100は、Z軸を中心軸としてXY平面に配置された円形の環状構造体である。
<<< §7. Embodiment using a square detection ring >>>
All of the embodiments described so far have been force sensors having a circular shape in each part. For example, in the case of the force sensor according to the first embodiment shown in FIG. 16, the detection ring 600 is an annular structure having a circle arranged on the XY plane with the Z axis as the central axis and the basic annular path B as the basic annular path B. The support body (support substrate) 300 is a circular plate-like structure arranged in the negative region of the Z axis with the Z axis as the central axis, and the receiving body 100 is arranged in the XY plane with the Z axis as the central axis. It is a circular annular structure.

ここで述べる第4の実施形態は、各部を正方形状の部材によって構成したものである。たとえば、検出リングとしては、図35に示すような正方形状の検出リング700Sを用いることができる。この検出リング700Sは、図24に示す検出リング700の形状を正方形に修正したものであり、基本的な構造は類似している。そこで、図35に示す検出リング700Sの各部の符号には、図24に示す検出リング700の対応部分の符号の末尾にS(Squareの頭文字)を付したものを用いることにする。なお、図24が下面図であるのに対して、図35は上面図であるため、Y軸の向きが逆になっている。 In the fourth embodiment described here, each part is composed of a square member. For example, as the detection ring, a square detection ring 700S as shown in FIG. 35 can be used. The detection ring 700S is a square shape of the detection ring 700 shown in FIG. 24, and has a similar basic structure. Therefore, as the code of each part of the detection ring 700S shown in FIG. 35, S (an acronym for Square) is added to the end of the code of the corresponding part of the detection ring 700 shown in FIG. 24. Note that FIG. 24 is a bottom view, whereas FIG. 35 is a top view, so that the directions of the Y-axis are reversed.

図24に示す検出リング700の場合、8組の検出部D11〜D18が円形の検出リング700上において時計まわりに配置されている。一方、図35は上面図であるため、8組の検出部D11S〜D18Sが正方形の検出リング700S上において反時計まわりに配置されている。第1の検出部D11Sは、図示のとおり、第1の変形部71Sおよび第2の変形部72Sと、これらによって両端を支持された変位部73Sと、を有している。第2〜第8の検出部D12S〜D18Sの構造も同様である。 In the case of the detection ring 700 shown in FIG. 24, eight sets of detection units D11 to D18 are arranged clockwise on the circular detection ring 700. On the other hand, since FIG. 35 is a top view, eight sets of detection units D11S to D18S are arranged counterclockwise on the square detection ring 700S. As shown in the figure, the first detection unit D11S has a first deformation unit 71S, a second deformation unit 72S, and a displacement unit 73S supported at both ends by these. The same applies to the structures of the second to eighth detection units D12S to D18S.

この検出部D11S〜D18Sの基本構造および変形態様は、図17に示す検出部Dの基本構造および変形態様と同じである。もちろん、円形の検出リング700上に形成された検出部と正方形の検出リング700S上に形成された検出部とは、形状が若干異なることになるが、本質的な構造および変形態様に変わりはない。したがって、各検出部D11S〜D18Sの変位部73Sに形成された変位電極E2と、支持基板の対向位置に形成された固定電極E1とによって容量素子Cを形成した場合、基本環状路BSに沿って圧縮応力が作用したときと伸張応力が作用したときとでは、当該容量素子Cの静電容量値の増減が逆転する。 The basic structure and deformation mode of the detection units D11S to D18S are the same as the basic structure and deformation mode of the detection unit D shown in FIG. Of course, the shape of the detection unit formed on the circular detection ring 700 and the detection unit formed on the square detection ring 700S will be slightly different, but the essential structure and deformation mode will not change. .. Therefore, when the capacitance element C is formed by the displacement electrode E2 formed in the displacement portions 73S of the detection portions D11S to D18S and the fixed electrode E1 formed at the opposite positions of the support substrates, the capacitance element C is formed along the basic annular path BS. The increase / decrease in the capacitance value of the capacitive element C is reversed between when the compressive stress is applied and when the tensile stress is applied.

ここでは図示は省略するが、この正方形の検出リング700Sの形状に合わせて、その外側を取り囲むような正方形の環状構造体からなる受力体100Sと、当該受力体100Sの外側輪郭線と同じ正方形を有する板状構造体からなる支持体(支持基板)300Sとが用意される。すなわち、ここで述べる第4の実施形態では、検出リング700Sは、Z軸を中心軸としてXY平面に配置された正方形を基本環状路BSとする環状構造体であり、支持体(支持基板)300Sは、Z軸を中心軸としてZ軸負領域に配置された正方形の板状構造体であり、受力体100Sは、Z軸を中心軸としてXY平面に配置された正方形の環状構造体ということになる。 Although not shown here, the receiving body 100S made of a square annular structure surrounding the outer side of the square detection ring 700S is the same as the outer contour line of the receiving body 100S. A support (support substrate) 300S made of a plate-like structure having a square shape is prepared. That is, in the fourth embodiment described here, the detection ring 700S is an annular structure having a square arranged on the XY plane with the Z axis as the central axis as the basic annular path BS, and the support (support substrate) 300S. Is a square plate-like structure arranged in the negative region of the Z axis with the Z axis as the central axis, and the receiving body 100S is a square annular structure arranged in the XY plane with the Z axis as the central axis. become.

もちろん、受力体100Sと検出リング700Sとの間には接続部材が接続され、検出リング700Sと支持基板300Sとの間には固定部材が接続される。ただ、これらの接続位置に関しては、§5で述べた第2の実施形態とは若干異なっている。この第4の実施形態の場合、図35に示すとおり、検出リング700SのX軸上に2組の固定点P15,P16が定義され、これら固定点P15,P16の位置が固定部材515,525によって支持基板300Sに固定される。一方、検出リング700SのY軸上に2組の作用点Q15,Q16が定義され、これら作用点Q15,Q16の位置が、図示されていない接続部材によって受力体100Sに接続される。 Of course, a connecting member is connected between the receiving body 100S and the detection ring 700S, and a fixing member is connected between the detection ring 700S and the support substrate 300S. However, these connection positions are slightly different from the second embodiment described in §5. In the case of this fourth embodiment, as shown in FIG. 35, two sets of fixed points P15 and P16 are defined on the X-axis of the detection ring 700S, and the positions of these fixed points P15 and P16 are determined by the fixing members 515 and 525. It is fixed to the support substrate 300S. On the other hand, two sets of action points Q15 and Q16 are defined on the Y-axis of the detection ring 700S, and the positions of these action points Q15 and Q16 are connected to the receiving body 100S by a connecting member (not shown).

図36は、図35に示す検出リング700Sの領域分布を示す上面図である(網目状のハッチングは、検出部D11S〜D18Sの領域を示すためのものであり、断面を示すものではない)。図示のとおり、検出リング700Sは、8組の検出部D11S〜D18Sを、8組の連結部L11S〜L18Sで連結した構造を有する。検出部D11S〜D18Sが3枚の板状片によって構成されているのに対し、連結部L11S〜L18Sは肉厚の厚い部材から構成されており、検出リング700Sに外力が作用した場合、当該外力に基づく検出リング700Sの弾性変形は、検出部D11S〜D18Sに集中して生じることになる。 FIG. 36 is a top view showing the region distribution of the detection ring 700S shown in FIG. 35 (the mesh-like hatching is for showing the regions of the detection units D11S to D18S, and does not show the cross section). As shown in the figure, the detection ring 700S has a structure in which eight sets of detection units D11S to D18S are connected by eight sets of connecting parts L11S to L18S. While the detection units D11S to D18S are composed of three plate-shaped pieces, the connecting portions L11S to L18S are composed of thick members, and when an external force acts on the detection ring 700S, the external force is concerned. The elastic deformation of the detection ring 700S based on the above is concentrated on the detection units D11S to D18S.

図36に太い一点鎖線で示すような正方形状の基本環状路BSを定義すると、この基本環状路BSに沿って反時計まわりに、第1の連結部L11S、第1の検出部D11S、第2の連結部L12S、第2の検出部D12S、第3の連結部L13S、第3の検出部D13S、第4の連結部L14S、第4の検出部D14S、第5の連結部L15S、第5の検出部D15S、第6の連結部L16S、第6の検出部D16S、第7の連結部L17S、第7の検出部D17S、第8の連結部L18S、第8の検出部D18Sを、この順序で配置することにより検出リング700Sが構成されている。 When a square basic ring road BS as shown by a thick alternate long and short dash line is defined in FIG. 36, the first connecting portion L11S, the first detecting portion D11S, and the second Connecting part L12S, second detecting part D12S, third connecting part L13S, third detecting part D13S, fourth connecting part L14S, fourth detecting part D14S, fifth connecting part L15S, fifth The detection unit D15S, the sixth connection unit L16S, the sixth detection unit D16S, the seventh connection unit L17S, the seventh detection unit D17S, the eighth connection unit L18S, and the eighth detection unit D18S are arranged in this order. The detection ring 700S is configured by arranging it.

図の<I>,<II>,<III>,<IV>は、XY二次元座標系における第1象限〜第4象限を示している。8組の検出部D11S〜D18Sは、各象限にそれぞれ2組ずつ配置されている。 <I>, <II>, <III>, and <IV> in the figure indicate the first to fourth quadrants in the XY two-dimensional coordinate system. Two sets of eight sets of detection units D11S to D18S are arranged in each quadrant.

図37は、図35に示す検出リング700Sについて、XY平面上に定義された基本環状路BSおよびこの基本環状路BS上に定義された各点を示す平面図である。図に太い一点鎖線で示す基本環状路BSは、XY平面上に配置された原点Oを中心とする正方形であり、検出リング700Sは、この基本環状路BSに沿って伸びる方形の環状構造体になる。図には、検出リング700Sの内側輪郭線と外側輪郭線の位置が実線で示されている。図示の実施例の場合、基本環状路BSは、検出リング700Sの内側輪郭線と外側輪郭線との中間位置を通るXY平面上の正方形であり、検出リング700Sの環状肉厚部分(連結部L11S〜L18S)の中心線になる。 FIG. 37 is a plan view showing the basic ring road BS defined on the XY plane and each point defined on the basic ring road BS for the detection ring 700S shown in FIG. 35. The basic ring road BS shown by the thick alternate long and short dash line in the figure is a square centered on the origin O arranged on the XY plane, and the detection ring 700S is a square ring structure extending along the basic ring road BS. Become. In the figure, the positions of the inner contour line and the outer contour line of the detection ring 700S are shown by solid lines. In the case of the illustrated embodiment, the basic ring road BS is a square on the XY plane passing through the intermediate position between the inner contour line and the outer contour line of the detection ring 700S, and is a ring-thick portion (connecting portion L11S) of the detection ring 700S. ~ L18S) becomes the center line.

図37を見ればわかるとおり、この第4の実施形態では、検出点R11とR12の間には、固定点Pや作用点Qは設けられていない。同様に、検出点R13とR14の間、検出点R15とR16の間、検出点R17とR18の間にも、固定点Pや作用点Qは設けられていない。別言すれば、第4の実施形態では、偶数n個の連結部に対して、基本環状路に沿って順に番号を付与したときに、作用点Qおよび固定点Pが、いずれも奇数番目の連結部に配置され、かつ、作用点Qと固定点Pとが基本環状路BSに沿って交互に配置されるようにする、という方針を採用している。 As can be seen from FIG. 37, in this fourth embodiment, the fixed point P and the action point Q are not provided between the detection points R11 and R12. Similarly, no fixed point P or action point Q is provided between the detection points R13 and R14, between the detection points R15 and R16, and between the detection points R17 and R18. In other words, in the fourth embodiment, when the even n connecting portions are numbered in order along the basic ring road, the action point Q and the fixed point P are both odd-numbered. The policy is adopted that the points of action Q and the fixed points P are arranged alternately along the basic ring road BS while being arranged at the connecting portion.

具体的には、図36と図37とを対比すればわかるとおり、第1の固定点P15は第1の連結部L11Sに配置され、第1の作用点Q15は第3の連結部L13Sに配置され、第2の固定点P16は第5の連結部L15Sに配置され、第2の作用点Q16は第7の連結部L17Sに配置されている。すなわち、固定点P15,P16および作用点Q1,Q2は、いずれも奇数番目の連結部に、かつ、交互になるように配置されており、偶数番目の連結部には、固定点Pも作用点Qも配置されていない。 Specifically, as can be seen by comparing FIGS. 36 and 37, the first fixed point P15 is arranged at the first connecting portion L11S, and the first working point Q15 is arranged at the third connecting portion L13S. The second fixed point P16 is arranged at the fifth connecting portion L15S, and the second working point Q16 is arranged at the seventh connecting portion L17S. That is, the fixed points P15 and P16 and the points of action Q1 and Q2 are all arranged at the odd-numbered connecting portions and alternately, and the fixed points P are also the points of action at the even-numbered connecting portions. Q is also not placed.

ここで、検出リング700Sの第1の作用点Q15の位置は、第1の接続部材によって受力体100Sに接続され、検出リング700Sの第2の作用点Q16の位置は、第2の接続部材によって受力体100Sに接続される(各接続部材の図示は省略する)。同様に、検出リング700Sの第1の固定点P15の位置は、第1の固定部材515によって支持基板300Sに固定され、検出リング700Sの第2の固定点P16の位置は、第2の固定部材525によって支持基板300Sに固定される(図35参照)。 Here, the position of the first action point Q15 of the detection ring 700S is connected to the receiving body 100S by the first connecting member, and the position of the second action point Q16 of the detection ring 700S is the second connecting member. It is connected to the receiving body 100S by (the illustration of each connecting member is omitted). Similarly, the position of the first fixing point P15 of the detection ring 700S is fixed to the support substrate 300S by the first fixing member 515, and the position of the second fixing point P16 of the detection ring 700S is the position of the second fixing member. It is fixed to the support substrate 300S by 525 (see FIG. 35).

より具体的には、図示の例の場合、第1の固定点P15は正のX軸上に配置され、第2の固定点P16は負のX軸上に配置され、第1の作用点Q15は正のY軸上に配置され、第2の作用点Q16は負のY軸上に配置されていることになる。そして、検出リング700Sは、原点Oを中心としてXY平面に配置された正方形の環状構造体であり、Y軸に平行な方向に伸び正のX軸と交差する第1の辺S1と、X軸に平行な方向に伸び正のY軸と交差する第2の辺S2と、Y軸に平行な方向に伸び負のX軸と交差する第3の辺S3と、X軸に平行な方向に伸び負のY軸と交差する第4の辺S4と、を有している。 More specifically, in the case of the illustrated example, the first fixed point P15 is arranged on the positive X-axis, the second fixed point P16 is arranged on the negative X-axis, and the first point of action Q15. Is located on the positive Y-axis, and the second point of action Q16 is located on the negative Y-axis. The detection ring 700S is a square annular structure arranged on the XY plane with the origin O as the center, and has a first side S1 extending in a direction parallel to the Y axis and intersecting the positive X axis, and an X axis. A second side S2 that extends in a direction parallel to the positive Y-axis and intersects a positive Y-axis, a third side S3 that extends in a direction parallel to the Y-axis and intersects a negative X-axis, and an extension in a direction parallel to the X-axis. It has a fourth side S4 that intersects the negative Y axis.

そして、第1の検出点R11は、第1の辺S1の正のY座標をもつ位置に配置され、第2の検出点R12は、第2の辺S2の正のX座標をもつ位置に配置され、第3の検出点R13は、第2の辺S2の負のX座標をもつ位置に配置され、第4の検出点R14は、第3の辺S3の正のY座標をもつ位置に配置され、第5の検出点R15は、第3の辺S3の負のY座標をもつ位置に配置され、第6の検出点R16は、第4の辺S4の負のX座標をもつ位置に配置され、第7の検出点R17は、第4の辺S4の正のX座標をもつ位置に配置され、第8の検出点R18は、第1の辺S1の負のY座標をもつ位置に配置されている。 Then, the first detection point R11 is arranged at a position having a positive Y coordinate of the first side S1, and the second detection point R12 is arranged at a position having a positive X coordinate of the second side S2. The third detection point R13 is arranged at a position having a negative X coordinate of the second side S2, and the fourth detection point R14 is arranged at a position having a positive Y coordinate of the third side S3. The fifth detection point R15 is arranged at a position having a negative Y coordinate of the third side S3, and the sixth detection point R16 is arranged at a position having a negative X coordinate of the fourth side S4. The seventh detection point R17 is arranged at a position having a positive X coordinate of the fourth side S4, and the eighth detection point R18 is arranged at a position having a negative Y coordinate of the first side S1. Has been done.

ここで述べる第4の実施形態に係る力覚センサでは、このような8組の検出点R11〜R18の位置に配置された8組の検出部D11S〜D18Sについて、それぞれ容量素子C11〜C18が形成される。当該力覚センサについて、各軸方向の力もしくは各軸まわりのモーメントが作用したときの各容量素子C11〜C18の静電容量値C11〜C18の変動量(増減の程度)は、図38のテーブルに示すようなものになる。ここで、「0」と記された欄は、有意な変動量が生じないことを示し、「+」もしくは「−」と記された欄は、静電容量値が増加もしくは減少することを示す。また、「++」もしくは「−−」と記された欄は、静電容量値の増加もしくは減少の程度がより大きいことを示す。 In the force sensor according to the fourth embodiment described here, the capacitive elements C11 to C18 are formed for each of the eight sets of detection units D11S to D18S arranged at the positions of the eight sets of detection points R11 to R18. Will be done. The amount of fluctuation (degree of increase / decrease) of the capacitance values C11 to C18 of the capacitance elements C11 to C18 when a force in each axial direction or a moment around each axis is applied to the force sensor is shown in the table of FIG. 38. It becomes something like the one shown in. Here, the column marked with "0" indicates that no significant fluctuation amount occurs, and the column marked with "+" or "-" indicates that the capacitance value increases or decreases. .. Further, the column marked with "++" or "---" indicates that the degree of increase or decrease of the capacitance value is larger.

この図38のテーブルに示す結果を前提とすれば、受力体100Sに作用した外力の6軸成分Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzは、図39に示す演算式によって算出することができる。 Assuming the results shown in the table of FIG. 38, the 6-axis components Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz of the external force acting on the receiving body 100S can be calculated by the arithmetic formula shown in FIG. 39. it can.

まず、X軸方向の力Fxは、図38のテーブルのFxの行の各欄を参照すれば、Fx=+C12−C13−C16+C17なる演算によって得られることになる。同様に、Y軸方向の力Fyは、図38のテーブルのFyの行の各欄を参照すれば、Fy=−C11−C14+C15+C18なる演算によって得られることになる。そして、Z軸方向の力Fzは、図38のテーブルのFzの行の各欄を参照すれば、Fz=−(C11+C12+C13+C14+C15+C16+C17+C18)なる演算によって得られることになる。 First, the force Fx in the X-axis direction can be obtained by the calculation of Fx = + C12-C13-C16 + C17 by referring to each column of the Fx row in the table of FIG. 38. Similarly, the force Fy in the Y-axis direction can be obtained by the calculation Fy = −C11-C14 + C15 + C18 by referring to each column of the Fy row in the table of FIG. 38. Then, the force Fz in the Z-axis direction can be obtained by the calculation of Fz = − (C11 + C12 + C13 + C14 + C15 + C16 + C17 + C18) by referring to each column of the Fz row in the table of FIG. 38.

一方、X軸まわりのモーメントMxは、図38のテーブルのMxの行の各欄を参照すれば、Mx=−C11−C12−C13−C14+C15+C16+C17+C18なる演算によって得られることになる。同様に、Y軸まわりのモーメントMyは、図38のテーブルのMyの行の各欄を参照すれば、My=+C11+C12−C13−C14−C15−C16+C17+C18なる演算によって得られることになる。そして、Z軸まわりのモーメントMzは、図38のテーブルのMzの行の各欄を参照すれば、Mz=−C11−C12+C13+C14−C15−C16+C17+C18なる演算によって得られることになる。 On the other hand, the moment Mx around the X-axis can be obtained by the calculation of Mx = -C11-C12-C13-C14 + C15 + C16 + C17 + C18 by referring to each column of the Mx row in the table of FIG. 38. Similarly, the moment My around the Y-axis can be obtained by the calculation My = + C11 + C12-C13-C14-C15-C16 + C17 + C18 by referring to each column of the My row in the table of FIG. 38. Then, the moment Mz around the Z axis can be obtained by the calculation of Mz = −C11-C12 + C13 + C14-C15-C16 + C17 + C18 by referring to each column of the Mz row in the table of FIG. 38.

図35に示す検出リング700Sを利用して構成される基本構造部は、XZ平面およびYZ平面の双方に関して対称性を有している。このため、図39に示す各演算式を用いれば、他軸成分の干渉を排除した検出値を得ることができる。ここでは図示は省略するが、この図39に示す演算式に基づく演算を行う検出回路を用意しておけば、6軸成分Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzに対応する電圧値を電気信号として出力することができる。前述したように、他軸成分の干渉を完全になくすことは困難であるが、実用上は、問題のないレベルに抑えられ、必要があれば、マイクロコンピュータなどを用いた演算を行うことにより、他軸成分を除去する補正を行うことも可能である。 The basic structural part configured by using the detection ring 700S shown in FIG. 35 has symmetry with respect to both the XZ plane and the YZ plane. Therefore, by using each of the arithmetic expressions shown in FIG. 39, it is possible to obtain a detected value excluding the interference of other axis components. Although not shown here, if a detection circuit that performs an operation based on the arithmetic expression shown in FIG. 39 is prepared, the voltage values corresponding to the 6-axis components Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz can be electrically generated. It can be output as a signal. As mentioned above, it is difficult to completely eliminate the interference of other axis components, but in practice it can be suppressed to a level that does not cause any problems, and if necessary, by performing calculations using a microcomputer or the like. It is also possible to make a correction to remove other axis components.

なお、図39に示す演算式は、各軸成分を算出するための演算式の一例を示すものであり、これとは別の演算式を用いて各軸成分を算出することも可能である。たとえば、力Fzは、Fz=−(C11+C13+C15+C17)、もしくは、Fz=−(C12+C14+C16+C18)なる演算式で求めることが可能であり、モーメントMxは、Mx=−C12−C13+C16+C17なる演算式で求めることが可能であり、モーメントMyは、My=+C11−C14−C15+C18なる演算式で求めることが可能であり、モーメントMzは、Mz=−C11+C13−C15+C17、もしくは、Mz=−C12+C14−C16+C18なる演算式で求めることが可能である。 The calculation formula shown in FIG. 39 shows an example of a calculation formula for calculating each axis component, and it is also possible to calculate each axis component using another calculation formula. For example, the force Fz can be calculated by the formula Fz =-(C11 + C13 + C15 + C17) or Fz =-(C12 + C14 + C16 + C18), and the moment Mx can be calculated by the formula Mx = -C12-C13 + C16 + C17. The moment My can be calculated by the formula My = + C11-C14-C15 + C18, and the moment Mz can be calculated by the formula Mz = -C11 + C13-C15 + C17 or Mz = -C12 + C14-C16 + C18. Is possible.

図40は、このような演算式のバリエーションを示す図である。理論的には、8組の静電容量値C11〜C18のすべてを利用した演算を行った方がより精度の高い検出値を得ることができるが、実際には、図40にバリエーションとして示す各演算式に基づく演算を行っても、実用上、十分な精度をもった検出結果を得ることができる。したがって、検出回路の演算負担をできるだけ軽減したい場合には、図40に示すバリエーションを採用すればよい。 FIG. 40 is a diagram showing variations of such an arithmetic expression. Theoretically, it is possible to obtain a more accurate detection value by performing an operation using all of the eight sets of capacitance values C11 to C18, but in reality, each of them shown as a variation in FIG. 40. Even if the calculation is performed based on the calculation formula, it is possible to obtain a detection result with sufficient accuracy in practical use. Therefore, if it is desired to reduce the calculation load of the detection circuit as much as possible, the variation shown in FIG. 40 may be adopted.

<<< §8. その他の変形例 >>>
これまで本発明に係る力覚センサをいくつかの実施形態について説明してきたが、ここでは、更にいくつかの変形例を述べておく。
<<< §8. Other variants >>>
Although some embodiments of the force sensor according to the present invention have been described so far, some modifications will be described here.

<8−1.作用点や固定点の位置を変えた変形例>
図41は、本願第5の実施形態に係る力覚センサの基本構造部の上面図である。この第5の実施形態は、図27に示す第2の実施形態と同様、各部が円形形状をなし、8組の検出部D11〜D18を用いる力覚センサである。この図41に示す第5の実施形態に係る力覚センサの基本構造部は、図27に示す第2の実施形態に係る力覚センサの基本構造部とほとんど同じであり、実際、検出リング700、受力体100、支持基板300については全く同一の部材が用いられている。したがって8組の検出部D11〜D18の構造や配置にも変わりはなく、8組の容量素子の構造や配置にも変わりはない。
<8-1. Deformation example in which the positions of the action point and fixed point are changed>
FIG. 41 is a top view of the basic structure of the force sensor according to the fifth embodiment of the present application. Similar to the second embodiment shown in FIG. 27, the fifth embodiment is a force sensor in which each part has a circular shape and eight sets of detection parts D11 to D18 are used. The basic structure of the force sensor according to the fifth embodiment shown in FIG. 41 is almost the same as the basic structure of the force sensor according to the second embodiment shown in FIG. 27, and is actually the detection ring 700. The same members are used for the receiving body 100 and the supporting substrate 300. Therefore, the structure and arrangement of the eight sets of detection units D11 to D18 are the same, and the structure and arrangement of the eight sets of capacitive elements are also the same.

すなわち、図41に示す基本構造部において、検出リング700は、原点Oを中心としてXY平面に配置された円形の環状構造体であり、XY平面において、原点Oを起点として、X軸正方向に対して反時計まわりに角度θをなす方位ベクトルVec(θ)を定義したときに、第i番目(但し、1≦i≦8)の検出点は、方位ベクトルVec(π/8+(i−1)・π/4)と基本環状路Bとの交点位置に配置されている。これは、図27に示す基本構造部と共通する構造である。両者の相違は、作用点Qおよび固定点Pの位置と、検出回路の構成(用いる演算式)である。 That is, in the basic structure shown in FIG. 41, the detection ring 700 is a circular annular structure arranged in the XY plane with the origin O as the center, and in the XY plane, the origin O is the starting point in the positive direction of the X axis. On the other hand, when the orientation vector Vec (θ) forming an angle θ counterclockwise is defined, the i-th (however, 1 ≦ i ≦ 8) detection point is the orientation vector Vec (π / 8 + (i-1). ) ・ Π / 4) is located at the intersection of the basic ring road B. This is a structure common to the basic structure shown in FIG. 27. The difference between the two is the positions of the point of action Q and the fixed point P, and the configuration of the detection circuit (calculation formula used).

図27に示す基本構造部の場合、4組の作用点Q11〜Q14(白丸)がX軸もしくはY軸上に配置され、4組の固定点P11〜P14(黒丸)がV軸もしくはW軸上に配置されている。このため、検出リング700は、4組の接続部材460,470,480,490によって受力体100に接続され、4組の固定部材560,570,580,590によって支持基板300に接続されている。 In the case of the basic structure shown in FIG. 27, four sets of action points Q11 to Q14 (white circles) are arranged on the X-axis or Y-axis, and four sets of fixed points P11 to P14 (black circles) are on the V-axis or W-axis. Is located in. Therefore, the detection ring 700 is connected to the receiving body 100 by four sets of connecting members 460, 470, 480, 490, and is connected to the support substrate 300 by four sets of fixing members 560, 570, 580, 590. ..

これに対して、図41に示す基本構造部の場合、2組の作用点Q15,Q16(白丸)がY軸上に配置され、2組の固定点P15,P16(黒丸)がX軸上に配置されている。このため、検出リング700は、2組の接続部材470,490によって受力体100に接続され、2組の固定部材516,526によって支持基板300に接続されている。 On the other hand, in the case of the basic structure shown in FIG. 41, two sets of action points Q15 and Q16 (white circles) are arranged on the Y axis, and two sets of fixed points P15 and P16 (black circles) are arranged on the X axis. Have been placed. Therefore, the detection ring 700 is connected to the receiving body 100 by two sets of connecting members 470 and 490, and is connected to the support substrate 300 by two sets of fixing members 516 and 526.

結局、図41に示す第5の実施形態に係る力覚センサは、外形形状は図27に示す第2の実施形態に係る力覚センサに類似しているものの、作用点Qおよび固定点Pの配置に関しては、図35に示す正方形状の部材を用いた第4の実施形態に係る力覚センサと同じである。第4の実施形態では、偶数n個の連結部に対して、基本環状路BSに沿って順に番号を付与したときに、作用点Qおよび固定点Pが、いずれも奇数番目の連結部に配置され、かつ、作用点Qと固定点Pとが基本環状路BSに沿って交互に配置されるようにする、という方針を採用している。図41に示す第5の実施形態でも、上記方針に基づいて作用点Qおよび固定点Pの配置が行われているため、V軸上やW軸上には、作用点Qも固定点Pも配置されていない。 After all, the force sensor according to the fifth embodiment shown in FIG. 41 has an outer shape similar to the force sensor according to the second embodiment shown in FIG. 27, but has an action point Q and a fixed point P. The arrangement is the same as that of the force sensor according to the fourth embodiment using the square member shown in FIG. 35. In the fourth embodiment, when an even number of n connecting portions are numbered in order along the basic ring road BS, the action point Q and the fixed point P are both arranged at the odd-numbered connecting portions. In addition, the policy is adopted that the action points Q and the fixed points P are alternately arranged along the basic ring road BS. Also in the fifth embodiment shown in FIG. 41, since the action point Q and the fixed point P are arranged based on the above policy, both the action point Q and the fixed point P are arranged on the V axis and the W axis. Not placed.

したがって、この第5の実施形態に係る力覚センサにおける8組の容量素子C11〜C18の静電容量値の変動態様は、図28に示すテーブル(第2の実施形態についてのテーブル)とは異なるものになり、各軸成分を検出するために用いる演算式も、図29に示す演算式(第2の実施形態についての演算式)とは異なるものになる。ここでは、第5の実施形態についての静電容量値の変動態様を示すテーブルや各軸成分を検出するために用いる演算式の説明は省略するが、実際には、図38に示すテーブルや図39に示す演算式に近いものが得られる。 Therefore, the variation mode of the capacitance values of the eight sets of capacitance elements C11 to C18 in the force sensor according to the fifth embodiment is different from the table shown in FIG. 28 (table for the second embodiment). The calculation formula used for detecting each axis component is also different from the calculation formula shown in FIG. 29 (the calculation formula for the second embodiment). Although the description of the table showing the variation mode of the capacitance value and the calculation formula used for detecting each axis component according to the fifth embodiment is omitted here, in reality, the table and the figure shown in FIG. 38 are shown. An equation close to the arithmetic expression shown in 39 can be obtained.

このように、本発明を実施する際に、物理的な構造が全く同一の検出リングを用いた場合でも、作用点Qや固定点Pの位置に応じて、検出リングの変形態様は異なり、各軸成分を求めるための演算式も異なってくる点は留意しておくべき事項である。 As described above, even when the detection rings having exactly the same physical structure are used when carrying out the present invention, the deformation mode of the detection ring differs depending on the positions of the action point Q and the fixed point P, and each of them is different. It should be noted that the calculation formula for obtaining the axis component also differs.

<8−2.受力体を内側に配置した変形例>
これまで述べてきた実施形態では、受力体として、内部に検出リングを収容可能な環状構造体を用い、受力体を検出リングの外側に配置していたが、受力体は、必ずしも検出リングの外側に配置する必要はない。たとえば、検出リングが、内部に受力体を収容可能な環状構造体であれば、受力体を検出リングの内側に配置することも可能である。
<8-2. Deformation example in which the receiving body is placed inside>
In the embodiments described so far, an annular structure capable of accommodating the detection ring is used as the receiving body, and the receiving body is arranged outside the detection ring, but the receiving body is not always detected. It does not have to be placed outside the ring. For example, if the detection ring is an annular structure capable of accommodating the receiving body inside, the receiving body can be arranged inside the detection ring.

図42は、本発明の第6の実施形態に係る力覚センサの基本構造部の上面図(上段の図)およびこれをXZ平面で切断した側断面図(下段の図)である。この図42に示す基本構造部における検出リング700は、図27に示す第2の実施形態に係る基本構造部における検出リング700と全く同じものであり、8組の検出部D11〜D18の構造や配置、8組の容量素子C11〜C18の構造や配置、4組の作用点Q11〜Q14の配置、4組の固定点P11〜P14の配置に関しては、何ら相違はない。ただ、図27に示す受力体100が、検出リング700の外側に配置されている円環状構造体であるのに対して、図42に示す受力体150は、検出リング700の内側に配置されている円柱状構造体になっている。 FIG. 42 is a top view (upper view) of the basic structural portion of the force sensor according to the sixth embodiment of the present invention and a side sectional view (lower view) obtained by cutting the basic structural portion in the XZ plane. The detection ring 700 in the basic structure portion shown in FIG. 42 is exactly the same as the detection ring 700 in the basic structure portion according to the second embodiment shown in FIG. 27, and has the structure of eight sets of detection units D11 to D18. There is no difference in the arrangement, the structure and arrangement of the eight sets of capacitive elements C11 to C18, the arrangement of the four sets of action points Q11 to Q14, and the arrangement of the four sets of fixed points P11 to P14. However, while the receiving body 100 shown in FIG. 27 is an annular structure arranged outside the detection ring 700, the receiving body 150 shown in FIG. 42 is arranged inside the detection ring 700. It is a columnar structure.

このため、検出リング700を支持基板380に固定するための4組の固定部材560,570,580,590の配置は第2の実施形態と同じであるが、検出リング700を受力体150に接続するための4組の接続部材465,475,485,495は、検出リング700の内側に設けられている。すなわち、4組の接続部材465,475,485,495は、検出リング700の作用点Q11〜Q14の位置を受力体150に接続するため、検出リング700の内周面と受力体150の外周面とを接続する部材として設けられる。 Therefore, the arrangement of the four sets of fixing members 560, 570, 580, 590 for fixing the detection ring 700 to the support substrate 380 is the same as that of the second embodiment, but the detection ring 700 is attached to the receiving body 150. Four sets of connecting members 465,475,485,495 for connecting are provided inside the detection ring 700. That is, since the four sets of connecting members 465,475,485,495 connect the positions of the action points Q11 to Q14 of the detection ring 700 to the receiving body 150, the inner peripheral surface of the detection ring 700 and the receiving body 150 It is provided as a member that connects to the outer peripheral surface.

図42の下段の側断面図を見ればわかるとおり、受力体150が検出リング700の内側に収容されているため、支持基板380は、検出リング700の外径と等しい外径をもった円盤状の部材によって構成されている。このため、基本構造部の径方向のサイズを小さく設定することができる。なお、図示の例では、受力体150の厚みが検出リング700の厚みより大きく設定されているため、受力体150の上端が上方へと突き出る構造になっているが、全体を薄型化したい場合には、受力体150の厚みが検出リング700の厚みと等しくなるようにすればよい。 As can be seen from the lower side sectional view of FIG. 42, since the receiving body 150 is housed inside the detection ring 700, the support substrate 380 is a disk having an outer diameter equal to the outer diameter of the detection ring 700. It is composed of shaped members. Therefore, the size of the basic structural portion in the radial direction can be set small. In the illustrated example, since the thickness of the receiving body 150 is set to be larger than the thickness of the detection ring 700, the structure is such that the upper end of the receiving body 150 protrudes upward, but it is desired to reduce the overall thickness. In this case, the thickness of the receiving body 150 may be equal to the thickness of the detection ring 700.

このように、受力体150を検出リング700の内側に収容する構造を採用すると、検出リング700の内側空洞部を有効利用することができ、装置の小型化を図ることができる。ただ、外力の作用を受けたときに変形を生じる検出リング700が、外側にむき出しの状態になるので、この検出リング700の部分が何らかの物体に接触すると、検出リング700の本来の変形(上述した検出原理に必要な変形)が妨げられ、正しい検出結果を得ることができなくなる。したがって、第6の実施形態を採用する際には、検出リング700の本来の変形が妨げられることがないよう、外側に保護カバーを設けるなどの配慮を行うのが好ましい。 By adopting a structure in which the receiving body 150 is housed inside the detection ring 700 as described above, the inner cavity portion of the detection ring 700 can be effectively used, and the device can be miniaturized. However, since the detection ring 700, which is deformed when subjected to the action of an external force, is exposed to the outside, when the portion of the detection ring 700 comes into contact with some object, the original deformation of the detection ring 700 (described above). The deformation required for the detection principle) is hindered, and correct detection results cannot be obtained. Therefore, when adopting the sixth embodiment, it is preferable to give consideration such as providing a protective cover on the outside so that the original deformation of the detection ring 700 is not hindered.

この第6の実施形態に係る力覚センサにおける各軸成分の検出動作は、§5で述べた第2の実施形態に係る力覚センサの動作と同様であるため、ここでは説明は省略する。 Since the detection operation of each axis component in the force sensor according to the sixth embodiment is the same as the operation of the force sensor according to the second embodiment described in §5, the description thereof is omitted here.

<8−3.受力体を上方に配置した変形例>
§8−2では、受力体を検出リングの内側に配置した変形例を述べたが、受力体の配置は、検出リングの外側や内側に限定されるものではない。理論的には、受力体は、検出リングの本来の変形を妨げることなしに、検出対象となる力やモーメントを検出リングの作用点Qに伝達させることができる位置であれば、どのような位置に配置してもかまわない。ここでは、受力体を検出リングの上方に配置した変形例を述べる。
<8-3. Deformation example in which the receiving body is placed above>
In §8-2, a modified example in which the receiving body is arranged inside the detection ring has been described, but the arrangement of the receiving body is not limited to the outside or the inside of the detection ring. Theoretically, any position can be obtained as long as the receiving body can transmit the force or moment to be detected to the action point Q of the detection ring without interfering with the original deformation of the detection ring. It may be placed in a position. Here, a modified example in which the receiving body is arranged above the detection ring will be described.

図43は、本発明の第7の実施形態に係る力覚センサの基本構造部の上面図(上段の図)およびこれをXZ平面で切断した側断面図(下段の図)である。この図43に示す基本構造部における検出リング700および支持基板380は、図42に示す第6の実施形態に係る基本構造部における検出リング700および支持基板380と全く同じものであり、4組の固定部材560,570,580,590の配置も同じである。 FIG. 43 is a top view (upper view) of the basic structural portion of the force sensor according to the seventh embodiment of the present invention and a side sectional view (lower view) obtained by cutting the basic structure portion in the XZ plane. The detection ring 700 and the support substrate 380 in the basic structure shown in FIG. 43 are exactly the same as the detection ring 700 and the support substrate 380 in the basic structure according to the sixth embodiment shown in FIG. 42, and there are four sets. The arrangement of the fixing members 560, 570, 580, 590 is the same.

ただ、図42に示す受力体150が、検出リング700の内側に配置されている円柱状構造体であるのに対して、図43に示す受力体180は、検出リング700の上方に配置されている円盤状構造体になっている。この例の場合、受力体180は、検出リング700の外径と等しい外径をもった円盤状の部材、すなわち、支持基板380と全く同一の形状をもった部材によって構成されている。 However, while the receiving body 150 shown in FIG. 42 is a columnar structure arranged inside the detection ring 700, the receiving body 180 shown in FIG. 43 is arranged above the detection ring 700. It is a disk-shaped structure. In the case of this example, the receiving body 180 is composed of a disk-shaped member having an outer diameter equal to the outer diameter of the detection ring 700, that is, a member having exactly the same shape as the support substrate 380.

このため、検出リング700を支持基板380に固定するための4組の固定部材560,570,580,590の配置は第6の実施形態と同じであるが、検出リング700を受力体180に接続するための4組の接続部材491,492,493,494は、検出リング700の上方に設けられている。図43の上段の図に破線で示されているように、4組の接続部材491,492,493,494は、円柱状の部材であり、検出リング700の作用点Q11〜Q14の位置を受力体180に接続するため、検出リング700の上面と受力体180の下面とを接続する部材として設けられる。 Therefore, the arrangement of the four sets of fixing members 560, 570, 580, 590 for fixing the detection ring 700 to the support substrate 380 is the same as that of the sixth embodiment, but the detection ring 700 is attached to the receiving body 180. Four sets of connecting members 491, 492, 49, 494 for connecting are provided above the detection ring 700. As shown by the broken line in the upper part of FIG. 43, the four sets of connecting members 491, 492, 49, 494 are columnar members and receive the positions of the action points Q11 to Q14 of the detection ring 700. In order to connect to the force body 180, it is provided as a member for connecting the upper surface of the detection ring 700 and the lower surface of the force receiving body 180.

結局、この第7の実施形態に係る力覚センサでは、XY平面を水平面にとり、Z軸を垂直上方に向かう軸としたときに、検出リング700をXY平面に配置し、支持体(支持基板380)を検出リング700の下方に所定間隔をおいて配置し、受力体180を検出リングの上方に所定間隔をおいて配置する構成が採用されていることになる。 After all, in the force sensor according to the seventh embodiment, when the XY plane is a horizontal plane and the Z axis is an axis vertically upward, the detection ring 700 is arranged on the XY plane and the support (support substrate 380). ) Are arranged below the detection ring 700 at predetermined intervals, and the receiving body 180 is arranged above the detection ring at predetermined intervals.

このように、受力体180を検出リング700の上方に配置した場合でも、検出リング700の作用点Q11〜Q14に検出対象となる力やモーメントを伝達する機能に変わりはない。この第7の実施形態に係る力覚センサにおける各軸成分の検出動作も、§5で述べた第2の実施形態に係る力覚センサの動作と同様であるため、ここでは説明は省略する。 As described above, even when the receiving body 180 is arranged above the detection ring 700, there is no change in the function of transmitting the force or moment to be detected to the action points Q11 to Q14 of the detection ring 700. Since the detection operation of each axis component in the force sensor according to the seventh embodiment is the same as the operation of the force sensor according to the second embodiment described in §5, the description thereof is omitted here.

<8−4.受力体や支持体の形状および配置に関するその他の変形例>
これまで述べた第1〜第5の実施形態では、環状構造体からなる受力体100を用いているが、これは受力体100を検出リングの外側に配置するための便宜である。一方、§8−2で述べた第6の実施形態に用いる受力体150(図42)は円柱状をなし、§8−3で述べた第7の実施形態に用いる受力体180(図43)は円盤状をなしている。このように、受力体の形状は、個々の実施形態において適切な形状に設計すれば足り、環状構造体であっても、板状構造体であってもかまわない。もちろん、円形の構造体であっても、矩形の構造体であってもかまわない。
<8-4. Other variants regarding the shape and arrangement of the receiving body and support>
In the first to fifth embodiments described so far, the receiving body 100 made of an annular structure is used, but this is a convenience for arranging the receiving body 100 outside the detection ring. On the other hand, the receiving body 150 (FIG. 42) used in the sixth embodiment described in §8-2 has a columnar shape, and the receiving body 180 (FIG. 42) used in the seventh embodiment described in §8-3 has a columnar shape. 43) has a disk shape. As described above, the shape of the receiving body may be an annular structure or a plate-shaped structure as long as it is designed to have an appropriate shape in each embodiment. Of course, it may be a circular structure or a rectangular structure.

同様に、これまで述べた第1〜第7の実施形態では、板状構造体からなる支持基板300,380を支持体として用いているが、本発明における支持体は、検出リングを支持する役割を果たす部材であれば足り、その形状は任意のものでかまわない。したがって、必ずしも板状構造体である必要はなく、環状構造体を支持体として用いることも可能である。 Similarly, in the first to seventh embodiments described so far, the support substrates 300 and 380 made of a plate-like structure are used as the support, but the support in the present invention plays a role of supporting the detection ring. Any member that fulfills the above requirements is sufficient, and the shape may be arbitrary. Therefore, it does not necessarily have to be a plate-like structure, and an annular structure can be used as a support.

また、これまで述べた第1〜第7の実施形態では、支持体(支持基板300,380)を検出リングの下方に配置しているが、支持体は必ずしも検出リングの下方(検出リングをXY平面上に配置したときのZ軸負領域)に配置する必要はなく、任意の位置に配置することが可能である。もっとも、支持体を、検出リングの下方に配置した支持基板によって構成すれば、その上面に固定電極を形成することができるので、製造工程を単純化する上では、検出リングの下方に配置した板状構造体によって支持体を構成するのが好ましい。 Further, in the first to seventh embodiments described so far, the support (support substrate 300, 380) is arranged below the detection ring, but the support is not necessarily below the detection ring (the detection ring is XY). It is not necessary to arrange it in the Z-axis negative region when it is arranged on a plane), and it can be arranged at an arbitrary position. However, if the support is composed of a support substrate arranged below the detection ring, a fixed electrode can be formed on the upper surface thereof. Therefore, in order to simplify the manufacturing process, a plate arranged below the detection ring It is preferable that the support is composed of a shaped structure.

<8−5.検出部のバリエーション>
ここでは、検出部Dの構造に関するバリエーションを述べておく。これまで述べてきた実施形態では、いずれも図17に例示する構造をもった検出部Dが利用されている。この検出部Dは、弾性変形を生じる第1の変形部61および第2の変形部62と、これら変形部61,62の弾性変形により変位を生じる変位部63とを有している。
<8-5. Variations of detector>
Here, variations regarding the structure of the detection unit D will be described. In all of the embodiments described so far, the detection unit D having the structure illustrated in FIG. 17 is used. The detection unit D has a first deformed portion 61 and a second deformed portion 62 that cause elastic deformation, and a displacement portion 63 that causes displacement due to the elastic deformation of these deformed portions 61 and 62.

より具体的には、図17(a) に示すとおり、検出点Rの位置に配置される検出部Dは、弾性変形を生じる第1の板状片61および第2の板状片62と、両端がこれらの板状片61,62によって支持された第3の板状片63とによって構成されており、第3の板状片63が変位部として機能する。ここで、検出点Rの位置にXY平面に直交する法線Nを立てたときに、第1の板状片61および第2の板状片62は、法線Nに対して傾斜しており、かつ、第1の板状片61の傾斜方向と第2の板状片62の傾斜方向とは逆向きになっている。また、力もしくはモーメントが作用していない状態において、第3の板状片63(変位部)の対向面と支持基板300の対向面とは平行を維持する。 More specifically, as shown in FIG. 17A, the detection unit D arranged at the position of the detection point R includes a first plate-shaped piece 61 and a second plate-shaped piece 62 that cause elastic deformation. Both ends are composed of a third plate-shaped piece 63 supported by these plate-shaped pieces 61 and 62, and the third plate-shaped piece 63 functions as a displacement portion. Here, when a normal line N orthogonal to the XY plane is set at the position of the detection point R, the first plate-shaped piece 61 and the second plate-shaped piece 62 are inclined with respect to the normal line N. Moreover, the inclination direction of the first plate-shaped piece 61 and the inclination direction of the second plate-shaped piece 62 are opposite to each other. Further, in a state where no force or moment is applied, the facing surface of the third plate-shaped piece 63 (displacement portion) and the facing surface of the support substrate 300 are maintained in parallel.

ここで、これまで述べてきた図13,図16,図24,図27,図31,図41,図42に示す実施例における検出部の平面形状に着目すると、第1の板状片61,71および第2の板状片62,72、ならびに第3の板状片63,73のXY平面への投影像はいずれも台形に近い扇形をしており、当該投影像の左右の輪郭線は原点Oに向かう半径に沿ったものになっている。たとえば、図13(c) に示されている検出部D4を構成する板状片61,62,63の平面形状は、いずれも台形に近い扇形をしている。これは、検出リング600が円環状をしているため、この円環に合わせて各検出部D1〜D4を設計したためである。 Here, focusing on the planar shape of the detection unit in the embodiments shown in FIGS. 13, 16, 27, 27, 31, 41, and 42 described so far, the first plate-shaped piece 61, The projected images of the 71 and the second plate-shaped pieces 62, 72 and the third plate-shaped pieces 63, 73 on the XY plane have a fan shape close to a trapezoid, and the left and right contour lines of the projected images are It is along the radius toward the origin O. For example, the planar shapes of the plate-shaped pieces 61, 62, and 63 constituting the detection unit D4 shown in FIG. 13 (c) are all fan-shaped, which is close to a trapezoid. This is because the detection ring 600 has an annular shape, and the detection units D1 to D4 are designed according to the annular shape.

これに対して、図35に示す実施例では、たとえば、検出部D11Sを構成する板状片71S,72S,73Sの平面形状は、いずれも矩形をしている。これは、検出リング700Sが方環状をしているため、この方環に合わせて各検出部D11S〜D18Sを設計したためである。 On the other hand, in the embodiment shown in FIG. 35, for example, the planar shapes of the plate-shaped pieces 71S, 72S, and 73S constituting the detection unit D11S are all rectangular. This is because the detection ring 700S has a square ring shape, and the detection units D11S to D18S are designed according to this square ring.

このように、これまで述べてきた実施例では、検出リングの形状に合わせて、検出部を構成する各板状片の平面形状を扇形もしくは矩形にする設計を行っているが、各板状片の平面形状は、必ずしも上例のような使い分けを行う必要はない。たとえば、図13(c) に示すように、円環状の検出リング600を採用した場合であっても、各板状片61,62,63の平面形状がいずれも矩形となるような設計を行ってもかまわない。図13(c) に示す実施例において、各板状片61,62,63の平面形状を図35の実施例に示す各板状片71S,72S,73Sのような矩形にすれば、検出部Dの立体構造を切削加工やワイヤーカット加工によって形成する場合、加工器具を同一方向に駆動する単純な工程を採用することができるようになり、センサを量産する上では好ましい。 As described above, in the examples described so far, the planar shape of each plate-shaped piece constituting the detection unit is designed to be fan-shaped or rectangular according to the shape of the detection ring, but each plate-shaped piece is designed. It is not always necessary to use the plane shape of the above properly as in the above example. For example, as shown in FIG. 13 (c), even when the annular detection ring 600 is adopted, the plan shape of each of the plate-shaped pieces 61, 62, and 63 is designed to be rectangular. It doesn't matter. In the embodiment shown in FIG. 13 (c), if the planar shape of the plate-shaped pieces 61, 62, 63 is made rectangular like the plate-shaped pieces 71S, 72S, 73S shown in the embodiment of FIG. 35, the detection unit When the three-dimensional structure of D is formed by cutting or wire cutting, a simple process of driving the processing tool in the same direction can be adopted, which is preferable for mass production of sensors.

なお、図17(a) に例示する断面構造をもった検出部Dは、本発明を実施するにあたり、最も好ましい構造をもった検出部の1つであるが、本発明に利用可能な検出部Dの構造は、この図17(a) に例示する構造に限定されるものではない。図44は、検出部Dの構造のバリエーションを示す部分断面図である。 The detection unit D having a cross-sectional structure illustrated in FIG. 17A is one of the detection units having the most preferable structure in carrying out the present invention, but can be used in the present invention. The structure of D is not limited to the structure illustrated in FIG. 17 (a). FIG. 44 is a partial cross-sectional view showing variations in the structure of the detection unit D.

図44(a) に示す検出部DBは、検出リング600Bの一部に設けられた検出部であり、第1の板状片61B,第2の板状片62B,変位部63B,第1の橋梁部64B,第2の橋梁部65Bを有している。図示のとおり、変位部63B,第1の橋梁部64B,第2の橋梁部65Bは、いずれもXY平面(基本環状路Bを含む平面)に対して平行になるように配置された板状の構成要素であり、第1の板状片61B,第2の板状片62Bは、いずれもXY平面に対して直交するように(法線Nに対して平行になるように)配置された板状の構成要素である。 The detection unit DB shown in FIG. 44A is a detection unit provided in a part of the detection ring 600B, and is a first plate-shaped piece 61B, a second plate-shaped piece 62B, a displacement portion 63B, and a first plate-shaped piece 61B. It has a bridge portion 64B and a second bridge portion 65B. As shown in the figure, the displacement portion 63B, the first bridge portion 64B, and the second bridge portion 65B are all plate-shaped arranged so as to be parallel to the XY plane (the plane including the basic ring road B). The first plate-shaped piece 61B and the second plate-shaped piece 62B, which are constituent elements, are plates arranged so as to be orthogonal to the XY plane (parallel to the normal line N). It is a component of the shape.

図17(a) に示す検出部Dの場合、第1の板状片61および第2の板状片62が互いに逆向きになるように傾斜しているが、図44(a) に示す検出部DBの場合、第1の板状片61B,第2の板状片62Bは互いに平行な状態になっている。したがって、この検出部DBでは、圧縮力f1が作用した場合も、伸張力f2が作用した場合も、第1の板状片61Bおよび第2の板状片62Bが法線Nに対して傾斜するので、いずれの場合も変位部63Bは図の上方に移動することになる。したがって、容量素子Cの静電容量値の増減により、作用した力やモーメントの向きを検出することはできないが、作用する力やモーメントの方向が定まっている用途であれば、検出部DBにより作用した力やモーメントの大きさを検出することが可能である。 In the case of the detection unit D shown in FIG. 17 (a), the first plate-shaped piece 61 and the second plate-shaped piece 62 are inclined so as to be opposite to each other, but the detection shown in FIG. 44 (a) In the case of the part DB, the first plate-shaped piece 61B and the second plate-shaped piece 62B are in a state of being parallel to each other. Therefore, in this detection unit DB, the first plate-shaped piece 61B and the second plate-shaped piece 62B are inclined with respect to the normal N regardless of whether the compressive force f1 is applied or the stretching force f2 is applied. Therefore, in either case, the displacement portion 63B moves to the upper part of the figure. Therefore, it is not possible to detect the direction of the acting force or moment by increasing or decreasing the capacitance value of the capacitance element C, but if the application has a fixed direction of the acting force or moment, the detection unit DB acts. It is possible to detect the magnitude of the applied force or moment.

図44(b) に示す検出部DCは、検出リング600Cの一部に設けられた検出部であり、第1の板状片61C,第2の板状片62C,変位部63C,第1の橋梁部64C,第2の橋梁部65Cを有している。図示のとおり、変位部63C,第1の橋梁部64C,第2の橋梁部65Cは、いずれもXY平面(基本環状路Bを含む平面)に対して平行になるように配置された板状の構成要素であり、第1の板状片61C,第2の板状片62Cは、法線Nに対して、互いに逆向きになるように傾斜して配置された板状の構成要素である。ただ、図17(a) に示す検出部Dとは、傾斜の態様が異なっており、板状片61C,62C間の距離は、図の下方にゆくほど広がっている。 The detection unit DC shown in FIG. 44B is a detection unit provided in a part of the detection ring 600C, and is a first plate-shaped piece 61C, a second plate-shaped piece 62C, a displacement part 63C, and a first plate-shaped piece 61C. It has a bridge portion 64C and a second bridge portion 65C. As shown in the figure, the displacement portion 63C, the first bridge portion 64C, and the second bridge portion 65C are all plate-shaped arranged so as to be parallel to the XY plane (the plane including the basic ring road B). The first plate-shaped piece 61C and the second plate-shaped piece 62C are plate-shaped components arranged so as to be inclined so as to be opposite to each other with respect to the normal line N. However, the mode of inclination is different from that of the detection unit D shown in FIG. 17 (a), and the distance between the plate-shaped pieces 61C and 62C increases toward the lower part of the figure.

この検出部DCでは、圧縮力f1が作用した場合には、変位部63Cは図の上方に移動し、伸張力f2が作用した場合には、変位部63Cは図の下方に移動することになり、図17(a) に示す検出部Dとは変位の方向が逆になるものの、容量素子Cの静電容量値の増減により、作用した力やモーメントの向きおよび大きさを検出することができる。 In this detection unit DC, the displacement unit 63C moves to the upper part of the figure when the compressive force f1 acts, and the displacement part 63C moves to the lower part of the figure when the extension force f2 acts. Although the direction of displacement is opposite to that of the detection unit D shown in FIG. 17 (a), the direction and magnitude of the applied force and moment can be detected by increasing or decreasing the capacitance value of the capacitance element C. ..

図44(c) に示す検出部DDは、検出リング600Dの一部に設けられた検出部であり、1枚の板状変形部80からなる非常に単純な構造を有する。板状変形部80は、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により弾性変形を生じる構成要素であり、その板面は、XY平面(基本環状路Bを含む平面)に対して傾斜するように配置されている。この検出部DDでは、圧縮力f1や伸張力f2が作用すると、板状変形部80に撓みが生じることになる。 The detection unit DD shown in FIG. 44 (c) is a detection unit provided in a part of the detection ring 600D, and has a very simple structure including one plate-shaped deformed portion 80. The plate-shaped deformed portion 80 is a component that causes elastic deformation by the action of a force or moment to be detected, and the plate surface is arranged so as to be inclined with respect to an XY plane (a plane including the basic ring road B). Has been done. In this detection unit DD, when a compressive force f1 or an extension force f2 acts, the plate-shaped deformed portion 80 is bent.

これまで述べてきた各実施形態のように、検出素子として容量素子を用いる場合には、検出部DDのような単純な構造はあまり好ましくないが、後述するように、検出素子としてストレインゲージを用いる場合には、この検出部DDのような単純な構造も十分に利用価値がある。 When a capacitive element is used as the detection element as in each of the embodiments described so far, a simple structure such as the detection unit DD is not so preferable, but as will be described later, a strain gauge is used as the detection element. In some cases, a simple structure such as this detector DD is also sufficiently useful.

もちろん、検出部Dとしては、この他にも様々な構造のものを採用することができる。本発明に用いる検出部としては、要するに、基本環状路Bに沿った方向に圧縮力f1や伸張力f2が作用したときに、変位や撓みが生じる構造であれば、どのような構造のものであってもかまわない。一方、連結部は、ある程度の可撓性を有していてもかまわないが、作用した外力によって、検出部に効果的な変形を生じさせる上では、連結部はなるべく変形しない方が好ましい。したがって、実用上は、検出部の少なくとも一部は、検出素子によって有意な検出が可能な弾性変形を生じる弾性変形体とし、連結部は、検出素子の検出感度においては有意な変形が検出されない剛体とするのが好ましい。 Of course, as the detection unit D, those having various structures can be adopted. The detection unit used in the present invention is, in short, any structure as long as it has a structure in which displacement or bending occurs when a compressive force f1 or an extension force f2 acts in a direction along the basic ring road B. It doesn't matter if there is one. On the other hand, the connecting portion may have a certain degree of flexibility, but it is preferable that the connecting portion is not deformed as much as possible in order to cause the detection portion to be effectively deformed by the applied external force. Therefore, in practice, at least a part of the detection unit is an elastic deformed body that causes elastic deformation that can be significantly detected by the detection element, and the connecting part is a rigid body in which significant deformation is not detected in the detection sensitivity of the detection element. Is preferable.

また、これまで述べてきた実施形態では、変位部63がZ軸方向に変位する構造をもった検出部Dが用いられているが、変位部63の変位方向は必ずしもZ軸方向である必要はない。 Further, in the embodiments described so far, the detection unit D having a structure in which the displacement unit 63 is displaced in the Z-axis direction is used, but the displacement direction of the displacement unit 63 does not necessarily have to be the Z-axis direction. Absent.

図45は、図16に示す第1の実施形態における検出リング600の代わりに、検出部の向きを変えた検出リング800を用いた変形例に係る力覚センサの基本構造部の上面図(上段の図)およびこれをXZ平面で切断した側断面図(下段の図)である。図16に示す検出リング600に設けられていた4組の検出部D1〜D4は、図45に示す検出リング800では4組の検出部D1′〜D4′に置き換えられている。ここで、4組の検出部D1′〜D4′の基本構造は図17(a) に示す検出部Dの構造に類似しているが、検出リング上での向きが異なっている。 FIG. 45 is a top view of the basic structural portion of the force sensor according to the modified example in which the detection ring 800 in which the orientation of the detection portion is changed is used instead of the detection ring 600 in the first embodiment shown in FIG. (Figure) and a side sectional view (lower figure) of this cut along the XZ plane. The four sets of detection units D1 to D4 provided in the detection ring 600 shown in FIG. 16 are replaced with four sets of detection units D1'to D4' in the detection ring 800 shown in FIG. 45. Here, the basic structure of the four sets of detection units D1'to D4' is similar to the structure of the detection unit D shown in FIG. 17 (a), but the orientation on the detection ring is different.

図45の検出部D1′を見るとわかるように、検出部D1′は、弾性変形を生じる第1の板状片91および第2の板状片92と、両端がこれらの板状片91,92によって支持された第3の板状片93とによって構成されており、第3の板状片93が変位部として機能する。ここで、各板状片91,92,93は、それぞれ図17(a) に示す各板状片61,62,63に対応するものであるが、検出リングに対して配置される向きが異なっている。 As can be seen from the detection unit D1'in FIG. 45, the detection unit D1' has a first plate-shaped piece 91 and a second plate-shaped piece 92 that cause elastic deformation, and these plate-shaped pieces 91 at both ends. It is composed of a third plate-shaped piece 93 supported by 92, and the third plate-shaped piece 93 functions as a displacement portion. Here, the plate-shaped pieces 91, 92, 93 correspond to the plate-shaped pieces 61, 62, 63 shown in FIG. 17 (a), respectively, but the orientations arranged with respect to the detection ring are different. ing.

すなわち、図16に示す検出リング600に設けられている4組の検出部D1〜D4では、変位部63が検出リング600の下方に位置しており、変位部63の下面が支持基板300の上面に対向している。これに対して、図45に示す検出リング800に設けられている4組の検出部D1′〜D4′では、変位部93が検出リング800の外側に位置しており、変位部93の外側面が受力体100の内周面に対向している。 That is, in the four sets of detection units D1 to D4 provided in the detection ring 600 shown in FIG. 16, the displacement unit 63 is located below the detection ring 600, and the lower surface of the displacement unit 63 is the upper surface of the support substrate 300. Facing. On the other hand, in the four sets of detection units D1'to D4' provided in the detection ring 800 shown in FIG. 45, the displacement portion 93 is located outside the detection ring 800, and the outer surface of the displacement portion 93. Faces the inner peripheral surface of the receiving body 100.

別言すれば、図45に示す4組の検出部D1′〜D4′は、図16に示す4組の検出部D1〜D4を基本環状路Bを回転軸として90°回転させたような構造を有している。したがって、基本環状路Bに沿って圧縮力f1が作用すると、変位部93は外側に変位し(図17(b) 参照)、基本環状路Bに沿って伸張力f2が作用すると、変位部93は内側に変位する(図17(c) 参照)。 In other words, the four sets of detection units D1'to D4'shown in FIG. 45 have a structure in which the four sets of detection units D1'to D4 shown in FIG. 16 are rotated by 90 ° with the basic ring road B as the rotation axis. have. Therefore, when the compressive force f1 acts along the basic ring road B, the displacement portion 93 is displaced outward (see FIG. 17B), and when the extension force f2 acts along the basic ring road B, the displacement portion 93 is displaced. Displaces inward (see FIG. 17 (c)).

このように、図16に示す検出リング600に設けられている4組の検出部D1〜D4では、変位部63がZ軸方向に変位するのに対して、図45に示す検出リング800に設けられている4組の検出部D1′〜D4′では、変位部93が原点Oを中心としてXY平面上に描かれた円の半径方向に変位することになる。したがって、図45に示すとおり、変位部93の外側面に変位電極E2を形成し、これに対向する受力体100の内周面に固定電極E1を形成しておけば、これら一対の電極E1,E2によって容量素子Cを構成することができる。そして、当該容量素子Cの静電容量値は、変位部93の半径方向への変位を示すパラメータとして利用できる。 As described above, in the four sets of detection units D1 to D4 provided in the detection ring 600 shown in FIG. 16, the displacement unit 63 is displaced in the Z-axis direction, whereas the displacement unit 63 is provided in the detection ring 800 shown in FIG. 45. In the four sets of detection units D1'to D4', the displacement unit 93 is displaced in the radial direction of the circle drawn on the XY plane with the origin O as the center. Therefore, as shown in FIG. 45, if the displacement electrode E2 is formed on the outer surface of the displacement portion 93 and the fixed electrode E1 is formed on the inner peripheral surface of the receiving body 100 facing the displacement electrode E2, the pair of electrodes E1 , E2 can form the capacitive element C. Then, the capacitance value of the capacitance element C can be used as a parameter indicating the displacement of the displacement portion 93 in the radial direction.

もちろん、この図45に示す4組の検出部D1′〜D4′について形成された4組の容量素子C1′〜C4′の挙動は、図16に示す4組の検出部D1〜D4について形成された4組の容量素子C1〜C4の挙動とは異なるため、4組の容量素子C1′〜C4′の静電容量値の変動形態は、図20のテーブルに示すものとは異なるものになる。しかしながら、4組の容量素子C1′〜C4′の静電容量値の変動形態を示すテーブルとして、図20のテーブルのようなテーブルを作成すれば、検出対象となる力やモーメントの各軸成分を算出する演算式が導出できる。 Of course, the behavior of the four sets of capacitive elements C1'to C4'formed for the four sets of detection units D1'to D4'shown in FIG. 45 is formed for the four sets of detection units D1'to D4 shown in FIG. Since the behavior of the four sets of capacitance elements C1 to C4 is different, the variation form of the capacitance value of the four sets of capacitance elements C1'to C4' is different from that shown in the table of FIG. However, if a table such as the table in FIG. 20 is created as a table showing the variation form of the capacitance values of the four sets of capacitance elements C1'to C4', each axis component of the force or moment to be detected can be obtained. The calculation formula to be calculated can be derived.

ここでは、図45に示す力覚センサについて、各軸成分を算出するための具体的な演算式の記載は省略するが、この図45に示す変形例は、次の2つの重要な点を示している。第1の点は、検出素子として容量素子を用いる場合、当該容量素子の電極間隔の変化は、必ずしもZ軸方向に関するものである必要はない、という点である。図示の例は、容量素子の電極間隔の変化が半径方向に生じる例であるが、もちろん、電極間隔の変化が他の任意の方向に生じるような容量素子を用いてもかまわない。 Here, with respect to the force sensor shown in FIG. 45, the description of a specific calculation formula for calculating each axis component is omitted, but the modified example shown in FIG. 45 shows the following two important points. ing. The first point is that when a capacitive element is used as the detection element, the change in the electrode spacing of the capacitive element does not necessarily have to be related to the Z-axis direction. The illustrated example is an example in which the change in the electrode spacing of the capacitive element occurs in the radial direction, but of course, a capacitive element in which the change in the electrode spacing occurs in any other direction may be used.

そして、第2の点は、検出素子として容量素子を用いる場合、変位電極E2は検出部(すなわち、検出リング)に設ける必要があるが、当該変位電極E2に対向する固定電極E1は、必ずしも支持体(支持基板300)に設ける必要はなく、受力体100に設けてもかまわない、という点である。§8−4までに述べてきた各実施形態では、固定電極E1はいずれも支持基板300の上面に設けられているが、図45に示す変形例の場合、固定電極E1は支持基板300ではなく、円環状の受力体100の内周面に設けられている。ここで、受力体100は、外力の作用により変位を生じることになり、その結果、固定電極E1についても変位が生じる可能性があるが、当該変位は変位電極E2の変位に完全に連動したものではないので、各容量素子C1′〜C4′の静電容量値の変動形態に基づいて、受力体100に作用した外力を検出することは可能である。 The second point is that when a capacitive element is used as the detection element, the displacement electrode E2 needs to be provided in the detection unit (that is, the detection ring), but the fixed electrode E1 facing the displacement electrode E2 is not necessarily supported. It is not necessary to provide it on the body (support substrate 300), and it may be provided on the receiving body 100. In each of the embodiments described up to §8-4, the fixed electrode E1 is provided on the upper surface of the support substrate 300, but in the modified example shown in FIG. 45, the fixed electrode E1 is not the support substrate 300. , Is provided on the inner peripheral surface of the annular receiving body 100. Here, the receiving body 100 is displaced by the action of an external force, and as a result, the fixed electrode E1 may also be displaced, but the displacement is completely linked to the displacement of the displacement electrode E2. Therefore, it is possible to detect the external force acting on the receiving body 100 based on the variation form of the capacitance value of each capacitance element C1'to C4'.

<8−6.ストレインゲージを用いた変形例>
これまで述べてきた実施形態では、検出部に生じた弾性変形を検出する検出素子として容量素子を用いているが、本発明を実施する上で、検出素子は必ずしも容量素子に限定されるものではない。ここでは、検出素子として、検出部の弾性変形を生じる位置に固定されたストレインゲージを用い、検出回路として、このストレインゲージの電気抵抗の変動に基づいて、作用した力もしくはモーメントを示す電気信号を出力する回路を用いた変形例を示しておく。
<8-6. Deformation example using strain gauge>
In the embodiments described so far, a capacitance element is used as a detection element for detecting elastic deformation generated in the detection unit, but in carrying out the present invention, the detection element is not necessarily limited to the capacitance element. Absent. Here, as a detection element, a strain gauge fixed at a position where elastic deformation occurs in the detection unit is used, and as a detection circuit, an electric signal indicating an acting force or moment is transmitted based on the fluctuation of the electric resistance of the strain gauge. A modified example using the output circuit is shown.

図46は、図44(c) 示す検出部DDを構成する板状変形部80の弾性変形の態様を示す部分断面図である。図46(a) は、この検出部DDに外力が作用していない状態を示している。図示のとおり、検出部DDは、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により弾性変形を生じる板状変形部80によって構成されている。ここで、板状変形部80は、その板面が基本環状路Bに対して傾斜するように配置されている。実際には、このような検出部DDが、検出リング600Dの複数箇所に配置される。別言すれば、検出リング600Dは、複数の板状変形部80と複数の連結部Lとを交互に配置してなる環状構造体ということになる。 FIG. 46 is a partial cross-sectional view showing the mode of elastic deformation of the plate-shaped deformed portion 80 constituting the detection portion DD shown in FIG. 44 (c). FIG. 46A shows a state in which no external force is applied to the detection unit DD. As shown in the figure, the detection unit DD is composed of a plate-shaped deformation unit 80 that elastically deforms due to the action of a force or moment to be detected. Here, the plate-shaped deformed portion 80 is arranged so that its plate surface is inclined with respect to the basic ring road B. In reality, such detection units DD are arranged at a plurality of locations on the detection ring 600D. In other words, the detection ring 600D is an annular structure in which a plurality of plate-shaped deformed portions 80 and a plurality of connecting portions L are alternately arranged.

いま、この検出リング600Dの検出点Rの位置に、図46(b) に示すような圧縮力f1が作用した場合を考えてみる。この場合、板状変形部80は撓みを生じることになるが、その表面各部には、図に「−」もしくは「+」で示す応力が発生する。ここで、「+」は圧縮応力(すなわち、基本環状路Bに沿って縮める方向の応力)を示し、「−」は伸張応力(すなわち、基本環状路Bに沿って図の左右に広げる方向の応力)を示している。板状変形部80の表面に生じる応力は、図示のとおり、板状変形部80の連結部Lに対する接続端近傍に集中する。一方、検出点Rの位置に伸張力f2が作用した場合は、図46(b) とは逆符号の応力分布が得られる。 Now, consider a case where a compressive force f1 as shown in FIG. 46 (b) acts on the position of the detection point R of the detection ring 600D. In this case, the plate-shaped deformed portion 80 is bent, but the stress indicated by “−” or “+” in the figure is generated in each portion of the surface thereof. Here, "+" indicates a compressive stress (that is, a stress in the direction of contraction along the basic ring road B), and "-" indicates an extension stress (that is, a stress in the direction of expanding to the left and right of the figure along the basic ring road B). Stress) is shown. As shown in the figure, the stress generated on the surface of the plate-shaped deformed portion 80 is concentrated in the vicinity of the connection end of the plate-shaped deformed portion 80 with respect to the connecting portion L. On the other hand, when the extension force f2 acts on the position of the detection point R, a stress distribution having a sign opposite to that in FIG. 46 (b) is obtained.

これに対して、図46(c) は、隣接する一対の連結部Lについて、縦方向の力が作用した場合に生じる応力分布を示している。具体的には、図示の例は、左側の連結部Lに対しては図の下方への力f3が作用し、右側の連結部Lに対しては図の上方への力f4が作用したときに生じる応力分布を示すものである。この場合も、やはり板状変形部80の表面に生じる応力は、板状変形部80の連結部Lに対する接続端近傍に集中する。 On the other hand, FIG. 46 (c) shows the stress distribution generated when a vertical force is applied to a pair of adjacent connecting portions L. Specifically, in the illustrated example, when the downward force f3 in the figure acts on the left connecting portion L and the upward force f4 in the figure acts on the right connecting portion L. It shows the stress distribution that occurs in. In this case as well, the stress generated on the surface of the plate-shaped deformed portion 80 is concentrated in the vicinity of the connection end of the plate-shaped deformed portion 80 with respect to the connecting portion L.

このような応力分布を考慮すれば、図示のような板状変形部80からなる検出部DDを用いて、ストレインゲージによって検出部DDに生じた弾性変形を検出するには、板状変形部80の連結部Lに対する接続端近傍の両面に、各ストレインゲージを配置すると効果的な検出が可能になることがわかる。 Considering such a stress distribution, in order to detect the elastic deformation caused in the detection unit DD by the strain gauge by using the detection unit DD including the plate-shaped deformation unit 80 as shown in the figure, the plate-shaped deformation unit 80 is used. It can be seen that effective detection is possible by arranging each strain gauge on both sides in the vicinity of the connection end with respect to the connection portion L of the above.

図47は、このような考え方に基づき、図44(c) 示す検出部DDに生じた弾性変形を検出する検出素子としてストレインゲージを用いた例を示す側面図(図(a) )および上面図(図(b) )である。なお、検出リングが円形の場合、基本環状路Bは円を構成することになるが、図47では、説明の便宜上、基本環状路Bの一部を直線で示している。 FIG. 47 is a side view (FIG. (A)) and a top view showing an example in which a strain gauge is used as a detection element for detecting elastic deformation generated in the detection unit DD shown in FIG. 44 (c) based on such an idea. (Fig. (B)). When the detection ring is circular, the basic ring road B forms a circle, but in FIG. 47, a part of the basic ring road B is shown by a straight line for convenience of explanation.

図示のとおり、検出部DDを構成する板状変形部80について、左側の連結部Lに対する第1の接続端近傍の表側の面に第1のストレインゲージr1が張り付けられ、裏側の面に第2のストレインゲージr2が張り付けられている。同様に、右側の連結部Lに対する第2の接続端近傍の表側の面に第3のストレインゲージr3が張り付けられ、裏側の面に第4のストレインゲージr4が張り付けられている。 As shown in the figure, with respect to the plate-shaped deformed portion 80 constituting the detection portion DD, the first strain gauge r1 is attached to the front surface near the first connection end with respect to the left connecting portion L, and the second strain gauge r1 is attached to the back surface. Strain gauge r2 is attached. Similarly, the third strain gauge r3 is attached to the front surface near the second connection end with respect to the right connecting portion L, and the fourth strain gauge r4 is attached to the back surface.

図48は、図47に示す4組のストレインゲージr1〜r4の検出結果に基づいて電気信号を出力するブリッジ回路19を示す回路図である。具体的には、このブリッジ回路19は、第1のストレインゲージr1と第4のストレインゲージr4とを第1の対辺とし、第2のストレインゲージr2と第3のストレインゲージr3とを第2の対辺とする回路になっており、ブリッジ電圧源eから所定の電圧を印加することにより動作する。このブリッジ回路19について、両出力端子T5,T6間に発生するブリッジ電圧を検出する検出回路を設けておけば、当該ブリッジ電圧は、図46(b) に示すような変形もしくは図46(c) に示すような変形の程度を示すパラメータとして利用できる。 FIG. 48 is a circuit diagram showing a bridge circuit 19 that outputs an electric signal based on the detection results of the four sets of strain gauges r1 to r4 shown in FIG. 47. Specifically, in this bridge circuit 19, the first strain gauge r1 and the fourth strain gauge r4 are the first opposite sides, and the second strain gauge r2 and the third strain gauge r3 are the second sides. The circuit has opposite sides, and operates by applying a predetermined voltage from the bridge voltage source e. If a detection circuit for detecting the bridge voltage generated between the output terminals T5 and T6 is provided for the bridge circuit 19, the bridge voltage may be deformed as shown in FIG. 46 (b) or may be deformed as shown in FIG. 46 (c). It can be used as a parameter indicating the degree of deformation as shown in.

ここでは、検出素子としてストレインゲージを用いた力覚センサの具体的な構造や、各軸成分の具体的な検出原理についての説明は省略するが、検出部の表面に生じる応力分布を実測あるいはシミュレーションによって求めれば、ストレインゲージの効果的な配置を決定することができ、これらストレインゲージによって構成されたブリッジ回路のブリッジ電圧に基づく所定の演算処理を行うことにより、所望の軸方向成分の検出値を電気信号として得ることが可能である。 Here, although the description of the specific structure of the force sensor using the strain gauge as the detection element and the specific detection principle of each axial component is omitted, the stress distribution generated on the surface of the detection unit is actually measured or simulated. The effective arrangement of the strain gauges can be determined by the above, and the detection value of the desired axial component can be obtained by performing a predetermined arithmetic process based on the bridge voltage of the bridge circuit composed of these strain gauges. It can be obtained as an electrical signal.

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任意の座標軸方向の力もしくは任意の座標軸まわりのモーメントを検出する機能を有する。しかも、高い生産効率が実現可能であるため、様々な産業機器において力やモーメントを測定するために利用可能である。特に、ロボットアームを用いて自動組立を行う産業機器において、アームの関節部分に組み込み、アームの先端部に生じる力を監視し、これを制御する用途に最適である。 The force sensor according to the present invention has a function of detecting a force in an arbitrary coordinate axis direction or a moment around an arbitrary coordinate axis in an XYZ three-dimensional Cartesian coordinate system. Moreover, since high production efficiency can be realized, it can be used for measuring forces and moments in various industrial devices. In particular, in industrial equipment that automatically assembles using a robot arm, it is most suitable for applications that are incorporated into the joint portion of the arm, monitor the force generated at the tip of the arm, and control the force.

11〜14:C/V変換回路
15〜18:加減算演算器
19:ブリッジ回路
61,61B,61C:第1の変形部
62,62B,62C:第2の変形部
63,63B,63C:変位部
64B,64C:第1の橋梁部
65B,65C:第2の橋梁部
71,71S:第1の変形部
72,72S:第2の変形部
73,73S:変位部
80:板状変形部
91:第1の変形部
92:第2の変形部
93:変位部
100:受力体
150:受力体
180:受力体
200:検出リング
300:支持基板
300d:ダイアフラム部
350:固定補助体
380:支持基板
410,420:接続部材
460,465:接続部材
470,475:接続部材
480,485:接続部材
490〜495:接続部材
510,515,516:固定部材
520,525,526:固定部材
531,532,532d:補助接続部材
560,570,580,590:固定部材
600,600B,600C,600D:検出リング
600d:ダイアフラム部
700,700S:検出リング
800:検出リング
A1,A2:接続参照線
B,BS:基本環状路
C,C1〜C4,C11〜C18:容量素子(その静電容量値)
D,D1〜D4,D11〜D18,D11S〜D18S,DB,DC,DD,D1′〜D4′:検出部
d1〜d8:対向面の距離
E1:固定電極
E11〜E18:固定電極
E2,E2(D1)〜E2(D4):変位電極
E21〜E28:変位電極
EL:大面積電極
ES:小面積電極
e:ブリッジ電圧源
Fx:X軸方向の力
Fy:Y軸方向の力
Fz:Z軸方向の力
f1:圧縮力
f2:伸張力
f3,f4:図の上下方向への力
G1,G2:溝部
H1,H2:空隙部
I1,I2:絶縁層
L,L1〜L4,L11〜L18,L11S〜L18S:連結部
Mx:X軸まわりのモーメント
My:Y軸まわりのモーメント
Mz:Z軸まわりのモーメント
N:法線
O:XYZ三次元座標系の原点
P1,P2,P11〜P16:固定点
Q1,Q2,Q11〜Q16:作用点
R1〜R4,R11〜R18:検出点/測定点
r1〜r4:ストレインゲージ
S1〜S4:矩形状の検出リング700Sの各辺
T1〜T6:出力端子
U:鉛直面
V:XY平面上でX軸を反時計まわりに45°回転させた軸
VX:V軸とX軸との中間に位置する座標軸
VY:V軸とY軸との中間に位置する座標軸
V1〜V4:電圧
W:XY平面上でY軸を反時計まわりに45°回転させた軸
WX:W軸とX軸との中間に位置する座標軸
WY:W軸とY軸との中間に位置する座標軸
X:XYZ三次元座標系の座標軸
Y:XYZ三次元座標系の座標軸
Z:XYZ三次元座標系の座標軸
11-14: C / V conversion circuit 15-18: Addition / subtraction calculator 19: Bridge circuit 61, 61B, 61C: First deformation part 62, 62B, 62C: Second deformation part 63, 63B, 63C: Displacement part 64B, 64C: First bridge portion 65B, 65C: Second bridge portion 71, 71S: First deformed portion 72, 72S: Second deformed portion 73, 73S: Displacement portion 80: Plate-shaped deformed portion 91: First deformed portion 92: Second deformed portion 93: Displacement portion 100: Receiving body 150: Receiving body 180: Receiving body 200: Detection ring 300: Support substrate 300d: Diaphragm part 350: Fixing auxiliary body 380: Support board 410, 420: Connecting member 460, 465: Connecting member 470, 475: Connecting member 480, 485: Connecting member 490-495: Connecting member 510, 515, 516: Fixing member 520, 525, 526: Fixing member 531 532,532d: Auxiliary connecting members 560, 570, 580, 590: Fixing members 600, 600B, 600C, 600D: Detection ring 600d: Displacement 700, 700S: Detection ring 800: Detection rings A1, A2: Connection reference line B, BS: Basic loop path C, C1 to C4, C11 to C18: Capacitive element (its capacitance value)
D, D1 to D4, D11 to D18, D11S to D18S, DB, DC, DD, D1'to D4': Detection units d1 to d8: Facing surface distance E1: Fixed electrodes E11 to E18: Fixed electrodes E2, E2 ( D1) to E2 (D4): Displacement electrodes E21 to E28: Displacement electrode EL: Large area electrode ES: Small area electrode e: Bridge voltage source Fx: Force in X-axis direction Fy: Force in Y-axis direction Fz: Z-axis direction Force f1: Compressing force f2: Stretching force f3, f4: Vertical force in the figure G1, G2: Grooves H1, H2: Voids I1, I2: Insulating layers L, L1 to L4, L11 to L18, L11S ~ L18S: Connecting part Mx: Moment around X-axis My: Moment around Y-axis Mz: Moment around Z-axis N: Normal line O: XYZ Origins of three-dimensional coordinate system P1, P2, P11-P16: Fixed points Q1, Q2, Q11 to Q16: Action points R1 to R4, R11 to R18: Detection points / measurement points r1 to r4: Strain gauges S1 to S4: Each side of the rectangular detection ring 700S T1 to T6: Output terminal U: Lead face V: Axis with the X axis rotated 45 ° counterclockwise on the XY plane VX: Coordinate axis located between the V axis and the X axis VY: Coordinate axes located between the V axis and the Y axis V1 to V4 : Voltage W: Axis in which the Y axis is rotated counterclockwise by 45 ° on the XY plane WX: Coordinate axis located between the W axis and the X axis WY: Coordinate axis X located between the W axis and the Y axis : XYZ 3D coordinate system coordinate axis Y: XYZ 3D coordinate system coordinate axis Z: XYZ 3D coordinate system coordinate axis

Claims (8)

XYZ三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントのうち、少なくとも1軸に関する力もしくはモーメントを検出する力覚センサであって、
検出対象となる力もしくはモーメントの作用を受ける受力体と、
前記受力体を支持する支持体と、
前記受力体と前記支持体との間に接続され、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により弾性変形を生じる部分を有する検出部と、
前記検出部に生じた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、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力もしくはモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、
を備え、
前記検出部の一端は、支持体側連結部を介して前記支持体に接続され、前記検出部の他端は、受力体側連結部を介して前記受力体に接続され、
前記検出部は、第1の変形部と、第2の変形部と、変位部と、を有し、
前記第1の変形部および前記第2の変形部は、前記変位部を介して接続され、
前記検出素子は、前記変位部に固定された変位電極と、前記変位電極に対向する位置に位置する固定電極と、を有する容量素子によって構成され、
前記支持体側連結部と前記受力体側連結部との間に圧縮応力が作用すると前記容量素子の静電容量は増加し、前記支持体側連結部と前記受力体側連結部との間に引張応力が作用すると前記容量素子の静電容量は減少し、
前記検出回路は、前記容量素子の静電容量値の変動に基づいて、作用した力もしくはモーメント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。
A force sensor that detects a force or moment related to at least one of the forces in each coordinate axis direction and the moments around each coordinate axis in the XYZ three-dimensional Cartesian coordinate system.
A receiving body that is affected by the force or moment to be detected,
A support that supports the receiving body and
A detection unit that is connected between the receiving body and the support and has a portion that is elastically deformed by the action of a force or moment to be detected.
A detection element that detects elastic deformation generated in the detection unit, and
Based on the detection result of the detection element, a detection circuit that outputs an electric signal indicating a force or moment acting on one of the receiving body and the supporting body when a load is applied to the other, and a detection circuit.
With
One end of the detection unit is connected to the support via the support side connecting portion, and the other end of the detection unit is connected to the receiving body via the receiving body side connecting portion.
The detection unit has a first deformation portion, a second deformation portion, and a displacement portion.
The first deformed portion and the second deformed portion are connected via the displacement portion.
The detection element is composed of a capacitance element having a displacement electrode fixed to the displacement portion and a fixed electrode located at a position facing the displacement electrode.
When a compressive stress acts between the support side connecting portion and the receiving body side connecting portion, the capacitance of the capacitive element increases, and the tensile stress between the supporting body side connecting portion and the receiving body side connecting portion. Reduces the capacitance of the capacitive element when
The detection circuit is a force sensor characterized by outputting an electric signal indicating an acting force or moment based on a fluctuation in the capacitance value of the capacitance element.
請求項1に記載の力覚センサにおいて、
前記支持体側連結部と前記受力体側連結部との間に圧縮応力が作用すると前記変位電極と前記固定電極との間の距離が小さくなり、前記支持体側連結部と前記受力体側連結部との間に引張応力が作用すると前記変位電極と前記固定電極との間の距離が大きくなることを特徴とする力覚センサ。
In the force sensor according to claim 1,
When a compressive stress acts between the support side connecting portion and the receiving body side connecting portion, the distance between the displacement electrode and the fixed electrode becomes small, and the support side connecting portion and the receiving body side connecting portion become A force sensor characterized in that when a tensile stress acts between the two, the distance between the displacement electrode and the fixed electrode increases.
請求項1または2に記載の力覚センサにおいて、
前記受力体は、Z軸に沿うZ軸方向から見たときにリング状に形成され、
前記検出部は、前記Z軸方向から見たときに、前記受力体の内側に位置していることを特徴とする力覚センサ。
In the force sensor according to claim 1 or 2.
The receiving body is formed in a ring shape when viewed from the Z-axis direction along the Z-axis.
The detection unit is a force sensor characterized in that it is located inside the receiving body when viewed from the Z-axis direction.
請求項3に記載の力覚センサにおいて、
前記変位電極は、前記変位部の外側に位置し、
前記固定電極は、前記受力体の内側に位置していることを特徴とする力覚センサ。
In the force sensor according to claim 3,
The displacement electrode is located outside the displacement portion and is located outside the displacement portion.
A force sensor characterized in that the fixed electrode is located inside the receiving body.
請求項3または4に記載の力覚センサにおいて、
前記固定電極は、前記受力体に固定されていることを特徴とする力覚センサ。
In the force sensor according to claim 3 or 4.
A force sensor characterized in that the fixed electrode is fixed to the receiving body.
請求項3〜5のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
前記支持体側連結部と前記受力体側連結部との間に圧縮応力が作用すると前記変位部は外側に変位し、前記支持体側連結部と前記受力体側連結部との間に引張応力が作用すると前記変位部は内側に変位することを特徴とする力覚センサ。
In the force sensor according to any one of claims 3 to 5.
When a compressive stress acts between the support side connecting portion and the receiving body side connecting portion, the displacement portion is displaced outward, and a tensile stress acts between the supporting body side connecting portion and the receiving body side connecting portion. Then, the displacement portion is a force sensor characterized in that it is displaced inward.
請求項1〜6のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
前記第1の変形部および前記第2の変形部は、板状片によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
In the force sensor according to any one of claims 1 to 6.
A force sensor characterized in that the first deformed portion and the second deformed portion are composed of plate-shaped pieces.
請求項1〜7のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
前記変位電極が、前記変位部の平坦面に固定されていることを特徴とする力覚センサ。
In the force sensor according to any one of claims 1 to 7.
A force sensor characterized in that the displacement electrode is fixed to a flat surface of the displacement portion.
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