JP7421255B1 - force sensor - Google Patents
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Abstract
起歪体は、第1接続部と、第2センサ体側接続部と、を含んでいる。第2センサ体側接続部は、第2センサ体に接続された一対の台座であって、第2方向において第2端部の両側に位置する一対の台座と、第3方向で見たときに第2端部から一方の台座まで第2方向に延びる第2接続部と、第3方向で見たときに第2端部から他方の台座まで第2方向に延びる第3接続部と、を含んでいる。第1方向で見たときに第2方向に交差する方向に第2端部から変位部が延びている。検出素子は、変位部の先端部の変位により静電容量値の変化を検出する。The strain body includes a first connection portion and a second sensor body side connection portion. The second sensor body side connection part is a pair of pedestals connected to the second sensor body, and includes a pair of pedestals located on both sides of the second end in the second direction, and a pair of pedestals located on both sides of the second end in the second direction. A second connecting portion extending in the second direction from the second end to the one pedestal, and a third connecting portion extending in the second direction from the second end to the other pedestal when viewed in the third direction. There is. The displacement portion extends from the second end in a direction intersecting the second direction when viewed in the first direction. The detection element detects a change in capacitance value based on the displacement of the tip of the displacement section.
Description
本発明は、力覚センサに関する。 The present invention relates to a force sensor.
所定の軸方向に作用した力および所定の回転軸周りに作用したモーメント(トルク)を電気信号として出力する力覚センサが知られている。力覚センサは、産業用ロボットを初めとして、協働ロボット、生活支援ロボット、医療用ロボットおよびサービスロボット等、各種ロボットの力制御等に幅広く利用されている。 2. Description of the Related Art Force sensors are known that output a force acting in a predetermined axial direction and a moment (torque) acting around a predetermined rotation axis as electrical signals. Force sensors are widely used for force control of various robots, including industrial robots, collaborative robots, life support robots, medical robots, and service robots.
力覚センサは、ロボットアームとエンドエフェクター(グリッパー等)の間に配置され、ワークに作用した力を検出する。検出された力は、ロボットの制御に用いられる。例えば、ロボットアームが人に接触した場合には、その接触を力覚センサが検出する。このことにより、ロボットアームの動作を緊急停止することができる。 A force sensor is placed between a robot arm and an end effector (such as a gripper) and detects the force acting on a workpiece. The detected force is used to control the robot. For example, when a robot arm comes into contact with a person, a force sensor detects the contact. This allows the operation of the robot arm to be stopped in an emergency.
このような力覚センサには、検出感度の向上が求められている。 Such force sensors are required to have improved detection sensitivity.
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、検出感度を向上させることができる力覚センサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of these points, and an object of the present invention is to provide a force sensor that can improve detection sensitivity.
[1]本開示は、
検出対象となる力またはモーメントの作用を受ける第1センサ体と、
第1方向において前記第1センサ体と異なる位置に配置された第2センサ体と、
前記第1センサ体と前記第2センサ体とを接続し、前記第1センサ体が受けた力またはモーメントの作用により弾性変形する起歪体と、
前記起歪体の弾性変形により生じた変位を検出する検出素子と、
前記検出素子の検出結果に基づいて、前記第1センサ体に作用した力また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、
前記第1方向に直交する方向を第2方向とし、前記第1方向に直交するとともに前記第2方向に直交する方向を第3方向とし、
前記起歪体は、前記第1センサ体に接続された第1端部から、前記第1端部とは反対側に位置する第2端部まで前記第1方向に延びる第1接続部と、前記第1接続部の前記第2端部を前記第2センサ体に接続する第2センサ体側接続部と、を含み、
前記第2センサ体側接続部は、前記第2センサ体に接続された一対の台座であって、前記第2方向において前記第2端部の両側に位置する一対の台座と、前記第3方向で見たときに前記第2端部から一方の前記台座まで前記第2方向に延びる第2接続部と、前記第3方向で見たときに前記第2端部から他方の前記台座まで前記第2方向に延びる第3接続部と、前記第1方向で見たときに前記第2方向に交差する方向に前記第2端部から延びる変位部と、を含み、
前記検出素子は、前記変位部の先端部の変位により静電容量値の変化を検出する、
力覚センサであってもよい。[1] This disclosure includes:
a first sensor body subjected to the action of a force or moment to be detected;
a second sensor body disposed at a different position from the first sensor body in a first direction;
a strain-generating body that connects the first sensor body and the second sensor body and is elastically deformed by the action of a force or moment received by the first sensor body;
a detection element that detects displacement caused by elastic deformation of the strain body;
a detection circuit that outputs an electric signal indicating a force or moment acting on the first sensor body based on a detection result of the detection element;
Equipped with
A direction perpendicular to the first direction is a second direction, a direction perpendicular to the first direction and perpendicular to the second direction is a third direction,
The strain body includes a first connecting portion extending in the first direction from a first end connected to the first sensor body to a second end located on the opposite side of the first end; a second sensor body side connection part that connects the second end of the first connection part to the second sensor body,
The second sensor body side connection part is a pair of pedestals connected to the second sensor body, and includes a pair of pedestals located on both sides of the second end in the second direction, and a pair of pedestals located on both sides of the second end in the second direction. a second connecting portion extending in the second direction from the second end to one of the pedestals when viewed; and a second connecting portion extending from the second end to the other pedestal when viewed in the third direction; a third connecting portion extending in the direction; and a displacement portion extending from the second end in a direction intersecting the second direction when viewed in the first direction,
The detection element detects a change in capacitance value based on displacement of the tip of the displacement part.
It may also be a force sensor.
[2]本開示は、
前記起歪体は、前記第1接続部の前記第1端部を前記第1センサ体に接続する第1センサ体側接続部を含み、
前記第1センサ体側接続部は、前記第2方向および前記第3方向に沿って形成された薄肉部であって、前記第1接続部の前記第1端部に接続された薄肉部を含む、
[1]に記載の力覚センサであってもよい。[2] This disclosure includes:
The strain body includes a first sensor body side connection part that connects the first end of the first connection part to the first sensor body,
The first sensor body side connection part is a thin part formed along the second direction and the third direction, and includes a thin part connected to the first end of the first connection part.
The force sensor described in [1] may be used.
[3]本開示は、
前記検出素子は、前記第2センサ体に設けられた固定電極基板と、前記変位部の先端部に設けられた、前記固定電極基板に対向する変位電極基板と、を含む、
[1]または[2]に記載の力覚センサであってもよい。[3] This disclosure includes:
The detection element includes a fixed electrode substrate provided on the second sensor body, and a displacement electrode substrate provided at the tip of the displacement portion and facing the fixed electrode substrate.
The force sensor described in [1] or [2] may be used.
[4]本開示は、
前記固定電極基板は、前記起歪体の中心軸線に対して一方の前記台座の側に位置する第1固定電極基板と、前記起歪体の中心軸線に対して他方の前記台座の側に位置する第2固定電極基板と、を含む、
[3]に記載の力覚センサであってもよい。[4] This disclosure includes:
The fixed electrode substrate includes a first fixed electrode substrate located on one side of the pedestal with respect to the central axis of the flexure-generating body, and a first fixed electrode substrate located on the other side of the pedestal with respect to the central axis of the flexure-generating body. a second fixed electrode substrate,
The force sensor described in [3] may be used.
[5]本開示は、
前記変位電極基板は、前記起歪体の中心軸線に対して一方の前記台座の側に位置する第1変位電極基板と、前記起歪体の中心軸線に対して他方の前記台座の側に位置する第2変位電極基板と、を含む、
[3]または[4]に記載の力覚センサであってもよい。[5] This disclosure includes:
The displacement electrode substrate includes a first displacement electrode substrate located on one side of the pedestal with respect to the central axis of the strain-generating body, and a first displacement electrode substrate located on the other side of the pedestal with respect to the central axis of the strain-generating body. a second displacement electrode substrate;
The force sensor described in [3] or [4] may be used.
[6]本開示は、
前記変位部は、前記第1接続部の前記第2端部から前記第3方向に延びている、
[1]~[5]のいずれかに記載の力覚センサであってもよい。[6] This disclosure includes:
The displacement portion extends in the third direction from the second end of the first connection portion.
The force sensor described in any one of [1] to [5] may be used.
[7]本開示は、
前記第1方向で見たときに、前記第2センサ体側接続部は、前記第2方向に沿って直線状に形成されている、
[1]~[6]のいずれかに記載の力覚センサであってもよい。[7] This disclosure includes:
When viewed in the first direction, the second sensor body side connection portion is formed in a straight line along the second direction.
The force sensor described in any one of [1] to [6] may be used.
[8]本開示は、
前記第1方向で見たときに、前記第1センサ体および前記第2センサ体は、円形状に形成され、
前記第1方向で見たときに、前記第2センサ体側接続部は、前記第1センサ体の周縁および前記第2センサ体の周縁の少なくとも一方に沿うように円弧状に形成されている、
[1]~[7]のいずれかに記載の力覚センサであってもよい。[8] This disclosure includes:
When viewed in the first direction, the first sensor body and the second sensor body are formed in a circular shape,
When viewed in the first direction, the second sensor body side connection portion is formed in an arc shape along at least one of a peripheral edge of the first sensor body and a peripheral edge of the second sensor body.
The force sensor described in any one of [1] to [7] may be used.
[9]本開示は、
前記第1センサ体と前記第2センサ体とは、4つの前記起歪体で接続され、
4つの前記起歪体は、第1起歪体と、第2起歪体と、第3起歪体と、第4起歪体と、を含み、
前記第1方向をXYZ三次元座標系におけるZ軸方向とし、
前記第1センサ体の中心に対してY軸方向正側に前記第1起歪体が配置され、前記第1センサ体の中心に対してX軸方向負側に前記第2起歪体が配置され、前記第1センサ体の中心に対してY軸方向負側に前記第3起歪体が配置され、前記第1センサ体の中心に対してX軸方向正側に前記第4起歪体が配置されている、
[1]~[8]のいずれかに記載の力覚センサであってもよい。[9] This disclosure includes:
The first sensor body and the second sensor body are connected by the four strain bodies,
The four strain bodies include a first strain body, a second strain body, a third strain body, and a fourth strain body,
The first direction is the Z-axis direction in an XYZ three-dimensional coordinate system,
The first strain body is arranged on the positive side in the Y-axis direction with respect to the center of the first sensor body, and the second strain body is arranged on the negative side in the X-axis direction with respect to the center of the first sensor body. The third strain-generating body is arranged on the negative side in the Y-axis direction with respect to the center of the first sensor body, and the fourth strain-generating body is arranged on the positive side in the X-axis direction with respect to the center of the first sensor body. is located,
The force sensor described in any one of [1] to [8] may be used.
[10]本開示は、
前記変位部は、対応する前記第1接続部の前記第2端部から、前記第1センサ体の中心に向かって延びている、
[9]に記載の力覚センサであってもよい。[10] The present disclosure includes:
The displacement portion extends from the second end of the corresponding first connection portion toward the center of the first sensor body.
The force sensor described in [9] may be used.
本発明によれば、検出感度を向上させることができる。 According to the present invention, detection sensitivity can be improved.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、本明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺及び縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, in the drawings attached to this specification, for convenience of illustration and ease of understanding, the scale, vertical and horizontal dimension ratios, etc. are appropriately changed and exaggerated from those of the actual drawings.
本明細書において用いる、幾何学的条件と、物理的特性と、幾何学的条件または物理的特性の程度を特定する用語と、幾何学的条件または物理的特性を示す数値等については、厳密な意味に縛られることなく解釈してもよい。そして、これらの幾何学的条件、物理的特性、用語、および数値などについては、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めて解釈してもよい。幾何学的条件を特定する用語の例としては、「長さ」、「角度」、「形状」、「平行」、「直交」および「同一」等が挙げられる。 As used herein, geometric conditions, physical properties, terms specifying the degree of geometric conditions or physical properties, numerical values indicating geometric conditions or physical properties, etc. are strictly It may be interpreted without being bound by meaning. These geometrical conditions, physical characteristics, terms, numerical values, etc. may be interpreted to include the range to which similar functions can be expected. Examples of terms specifying geometric conditions include "length," "angle," "shape," "parallel," "orthogonal," and "identical."
(第1の実施の形態)
図1~図13を用いて、本発明の第1の実施の形態による力覚センサについて説明する。(First embodiment)
A force sensor according to a first embodiment of the present invention will be described using FIGS. 1 to 13.
まず、本実施の形態によるロボット1について、図1を参照して説明する。図1は、本実施の形態によるロボット1の一例を示す斜視図である。ロボット1には、本実施の形態等による力覚センサ10が取り付けられる。ロボット1の例としては、産業用ロボット、協働ロボット、生活支援ロボット、医療用ロボットおよびサービスロボット等の各種ロボットが挙げられる。以下では、便宜上、力覚センサ10が取り付けられる産業用ロボットを例にとって説明する。
First, a
図1に示すように、産業用ロボット1は、ロボット本体2と、ツール3と、力覚センサ10と、コントローラ5と、を備えている。ロボット本体2は、ロボットアーム4を含んでいる。ロボットアーム4は、多関節アーム構造を有している。
As shown in FIG. 1, the
ロボットアーム4の先端に、力覚センサ10が取り付けられている。より具体的には、ロボットアーム4とツール3との間に、力覚センサ10が取り付けられている。力覚センサ10は、図示しない電気ケーブルを介して、コントローラ5に電気的に接続されている。ツール3の例としては、エンドエフェクター(グリッパー等)およびツールチェンジャー(いずれも図示せず)等が挙げられる。
A
コントローラ5は、力覚センサ10から出力された電気信号に基づいて、ロボット1の力制御を行う。このことにより、ロボット本体2およびツール3の動作が制御される。
The
以下、図2~図5を参照して本発明の実施の形態による力覚センサ10について説明する。図2は、本実施の形態による力覚センサを示す断面図であって、図3のA-A線断面に相当する図である。図3は、図2の力覚センサを、受力体を省略して示す平面図である。図4は、図2の第1起歪体を示す正面図である。図5は、図4の第1起歪体を示す平面図であり、図6は、図4の第1起歪体を示す側面図である。図7は、図3に示す力覚センサの各起歪体を平面展開した図である。
The
以下の説明では、XYZ三次元座標系を定義し、Z軸方向(第1方向)を上下方向とし、受力体20が上側に配置され、固定体25が下側に配置されるように力覚センサ10を配置した状態で説明を行う。このため、本実施の形態による力覚センサ10は、Z軸方向を上下方向とした姿勢で使用されることに限られることはない。また、受力体20と固定体25のいずれかを上側または下側に配置するかは任意である。
In the following explanation, an XYZ three-dimensional coordinate system is defined, the Z-axis direction (first direction) is the vertical direction, and the force is expressed so that the
力覚センサ10は、所定の軸方向に作用した力および所定の回転軸まわりに作用したモーメントを電気信号として出力する機能を有している。しかしながら、このことに限られることはなく、力およびモーメントの一方のみを電気信号として出力するように構成されていてもよく、更には、力またはモーメントの少なくとも1つの軸成分を電気信号として出力するように構成されていてもよい。
The
力覚センサ10は、図2および図3に示すように、受力体20と、固定体25と、起歪体30A~30Dと、検出素子70と、検出回路75と、外装体80と、を備えている。以下、各構成要素についてより詳細に説明する。なお、図2は、図3のA-A線断面図であるが、便宜上、第2起歪体30Bおよび第4起歪体30Dの概略を示している。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
受力体20は、第1センサ体の一例である。受力体20は、検出対象となる力またはモーメントの作用を受ける。この作用を受けることにより、受力体20は固定体25に対して相対移動する。上述した図1の例で言えば、受力体20はツール3にボルト等で固定されており、ツール3から力またはモーメントを受ける。受力体20には、起歪体30A~30Dが接続されている。
The
図3に示すように、本実施の形態では、受力体20の平面形状は円形である。しかしながら、受力体20の平面形状は円形に限られることはなく、矩形であってもよく、任意である。受力体20は、平板状に形成されていてもよい。
As shown in FIG. 3, in this embodiment, the
図2に示すように、固定体25は、第2センサ体の一例である。固定体25は、受力体20を支持している。固定体25は、Z軸方向において、受力体20と異なる位置に配置されている。より具体的には、固定体25は、Z軸方向において受力体20の負側に配置されている。受力体20と固定体25は、Z軸方向において互いに異なる位置に配置されており、固定体25は、受力体20に離間している。図1の例で言えば、固定体25はロボットアーム4の先端にボルト等で固定されており、ロボット本体2に支持される。固定体25には、起歪体30A~30Dが接続されている。
As shown in FIG. 2, the fixed
図3に示すように、本実施の形態では、固定体25の平面形状は、受力体20と同様に円形である。Z軸方向で見たときに、固定体25は、受力体20に重なっている。しかしながら、固定体25の平面形状は円形に限られることはなく、矩形であってもよく、任意である。固定体25は、平板状に形成されていてもよい。なお、受力体20の平面形状および固定体25の平面形状のうちの少なくとも一方は、円形であってもよい。この場合、受力体20の平面形状および固定体25の平面形状のうちの一方が円形で、他方が円形以外の形状であってもよい。
As shown in FIG. 3, in this embodiment, the planar shape of the fixed
図2および図3に示すように、起歪体30A~30Dは、受力体20と固定体25とを接続している。より具体的には、起歪体30A~30Dは、受力体20と固定体25との間に配置されており、起歪体30A~30Dは、受力体20に接続されるとともに固定体25に接続されている。これらの起歪体30A~30Dを介して受力体20は固定体25に支持されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the strain-generating
本実施の形態においては、受力体20と固定体25とは、4つの起歪体30A~30Dで接続されていてもよい。4つの起歪体30A~30Dは、第1起歪体30Aと、第2起歪体30Bと、第3起歪体30Cと、第4起歪体30Dと、を含んでいてもよい。
In this embodiment, the
図3に示すように、Z軸方向で見たときに、受力体20の中心Oに対してY軸方向正側に第1起歪体30Aが配置されていてもよい。同様にZ軸方向で見たときに、受力体20の中心Oに対してX軸方向負側に第2起歪体30Bが配置されていてもよい。受力体20の中心Oに対してY軸方向負側に第3起歪体30Cが配置されていてもよい。受力体20の中心Oに対してX軸方向正側に第4起歪体30Dが配置されていてもよい。この場合、第1起歪体30Aと第3起歪体30Cとの間に、受力体20の中心Oが配置され、第2起歪体30Bと第4起歪体30Dとの間に、受力体20の中心Oが配置されている。
As shown in FIG. 3, the
なお、受力体20と固定体25とを接続する起歪体の個数は、4つに限られることはなく、2つまたは3つでもよく、5つ以上でもよく、任意である。また、受力体20と固定体25とは、1つだけの起歪体で接続されていてもよく、この場合、検出素子70を図4に示すように2つの容量素子で構成すると、後述するように力の2軸成分を検出することができる。検出素子70が、1つだけの容量素子で構成されて、力の1軸成分を検出するようにしてもよい。
Note that the number of strain bodies connecting the
図3に示すように、本実施の形態による4つの起歪体30A~30Dは、環状配置されている。すなわち、上述したように、受力体20および固定体25がZ軸方向で見たときに円形状に形成されており、4つの起歪体30A~30Dが、矩形の環状をなすように配置されている。各起歪体30A~30Dは、Z軸方向で見たときに、第2方向に沿って直線状に形成されている。すなわち、第1起歪体30Aの第2方向および第3起歪体30Cの第2方向は、X軸方向に相当している。第1起歪体30Aおよび第3起歪体30Cは、X軸方向に沿って直線状に形成されている。第2起歪体30Bの第2方向および第4起歪体30Dの第2方向は、Y軸方向に相当している。第2起歪体30Bおよび第4起歪体30Dは、Y軸方向に沿って直線状に形成されている。なお、各起歪体30A~30Dの第2方向は、図3に示す例に限られることはなく、任意である。また、各起歪体30A~30Dの第2方向は、X軸方向にもY軸方向にも沿っていなくてもよい。例えば、4つの起歪体30A~30Dの配置は、環状配置であることに限られることはなく、それぞれを任意の位置で不規則に配置してもよい。
As shown in FIG. 3, the four strain-generating
次に、本実施の形態による起歪体30A~30Dについてより具体的に説明する。
Next, the
本実施の形態による起歪体30A~30Dは、受力体20が受けた力またはモーメントの作用により弾性変形して歪みを生じさせ、変位するように構成されている。ここでは、上述した4つの起歪体30A~30Dのうち、X軸方向を第2方向とする第1起歪体30Aを例にとって説明する。Y軸方向は第3方向に相当する。第3方向は、第1方向に直交するとともに第2方向に直交する方向である。第2起歪体30B、第3起歪体30Cおよび第4起歪体30Dについては、同様の構成を有しているため、共通する構成についての詳細な説明は省略する。
The strain-generating
図2および図4に示すように、第1起歪体30Aは、第1接続部31と、固定体側接続部32と、を含んでいてもよい。
As shown in FIGS. 2 and 4, the
第1接続部31は、受力体20に接続された第1端部31aと、第1端部31aとは反対側に位置する第2端部31bと、を含んでいる。第1接続部31は、第1端部31aから第2端部31bまでZ軸方向に延びている。第1端部31aは、後述する薄肉部40の固定体25の側の面(図4における下面)に接続されている。第2端部31bは、後述する変位部36に接続されており、第2接続部34と第3接続部35との間に位置している。第1接続部31は、Y軸方向およびZ軸方向のそれぞれに沿って直線状に形成されていてもよい。図4に示すように、第1接続部31は、第1起歪体30Aの中心軸線CLに沿って形成されていてもよい。第1起歪体30Aの中心軸線CLは、X軸方向における第1起歪体30Aの中心を通るZ軸方向に沿った線である。第1端部31aは、受力体20に、後述する受力体側接続部38を介して接続されている。第1接続部31は、X軸方向およびY軸方向のそれぞれの力の作用により弾性変形可能であってもよい。
The first connecting
固定体側接続部32は、第2センサ体側接続部の一例である。固定体側接続部32は、第1接続部31の第2端部31bを固定体25に接続する。固定体側接続部32は、一対の固定体側台座33と、第2接続部34と、第3接続部35と、変位部36と、を含んでいる。
The fixed body
本実施の形態による固定体側台座33は、固定体25に接続されていてもよい。固定体側台座33は、固定体25から受力体20に向かってZ軸方向に延びている。固定体側台座33は、X軸方向において第1接続部31の第2端部31bの両側であって、中心軸線CLの両側に位置している。一方の固定体側台座33は、第2端部31bよりもX軸方向正側に位置している。他方の固定体側台座33は、第2端部31bよりもX軸方向負側に位置している。
The fixed
固定体側台座33は、固定体25に当接して、図示しないボルト等を用いて固定体25に取り付けられる。固定体側台座33の固定体25の側の面(図4における下面)には、ねじ孔(図示せず)が形成されていてもよい。固定体側台座33には、1つのねじ孔が形成されていてもよく、複数のねじ孔が形成されていてもよい。
The fixed
第2接続部34は、X軸方向に延びている。第2接続部34は、X軸方向およびY軸方向に沿って平板状に形成されていてもよい。第2接続部34は、Y軸方向で見たときに、第1接続部31の第2端部31bから一方の固定体側台座33まで直線状に延びている。図4に示す例では、第2接続部34は、第2端部31bよりもX軸方向正側に位置する固定体側台座33に接続されて支持されている。第2接続部34は、X軸方向、Y軸方向およびZ軸方向のそれぞれの力の作用により弾性変形可能であってもよい。
The second connecting
第3接続部35は、X軸方向に延びている。第3接続部35は、X軸方向およびY軸方向に沿って平板状に形成されていてもよい。第3接続部35は、Y軸方向で見たときに、第1接続部31の第2端部31bから他方の固定体側台座33まで直線状に延びている。図4に示す例では、第3接続部35は、第2端部31bよりもX軸方向負側に位置する固定体側台座33に接続されて支持されている。第3接続部35は、X軸方向、Y軸方向およびZ軸方向のそれぞれの力の作用により弾性変形可能であってもよい。
The third connecting
図4~図6に示すように、変位部36は、Z軸方向で見たときのX軸方向に交差する方向に、第1接続部31の第2端部31bから延びている。変位部36は、第2端部31bからY軸方向に延びていてもよく、Y軸方向に沿って直線状に形成されていてもよい。図4および図6に示すように、変位部36は、第2端部31bの固定体25の側の面から延びている。第2端部31bの固定体25の側の面は、第2端部31bのZ軸方向負側の面であって、図4に示す下面に相当する。しかしながら、変位部36は、第2端部31bのY軸方向負側の面(図4に示す正面)から延びていてもよい。
As shown in FIGS. 4 to 6, the
図3に示すように、第1起歪体30Aの変位部36は、Z軸方向で見たときに、第1起歪体30Aの第1接続部31の第2端部31bから受力体20の中心Oに向かって延びている。第1起歪体30Aの変位部36は、第2端部31bからY軸方向負側に延びている。第1起歪体30Aの変位部36は、X軸方向において第1起歪体30Aの中心に位置していてもよく、Y軸方向で見たときに第1起歪体30Aの中心軸線CL(図4、図7参照)に重なっていてもよい。
As shown in FIG. 3, the
図3に示すように、第2起歪体30Bの変位部36は、Z軸方向で見たときに、第2起歪体30Bの第1接続部31の第2端部31bから受力体20の中心Oに向かって延びている。第2起歪体30Bの変位部36は、第2端部31bからX軸方向正側に延びている。第2起歪体30Bの変位部36は、Y軸方向において第2起歪体30Bの中心に位置していてもよく、X軸方向で見たときに第2起歪体30Bの中心軸線CL(図4、図7参照)に重なっていてもよい。
As shown in FIG. 3, the
図3に示すように、第3起歪体30Cの変位部36は、Z軸方向で見たときに、第3起歪体30Cの第1接続部31の第2端部31bから受力体20の中心Oに向かって延びている。第3起歪体30Cの変位部36は、第2端部31bからY軸方向正側に延びている。第3起歪体30Cの変位部36は、X軸方向において第3起歪体30Cの中心に位置していてもよく、Y軸方向で見たときに第3起歪体30Cの中心軸線CL(図4、図7参照)に重なっていてもよい。
As shown in FIG. 3, the
図3に示すように、第4起歪体30Dの変位部36は、Z軸方向で見たときに、第4起歪体30Dの第1接続部31の第2端部31bから受力体20の中心Oに向かって延びている。第4起歪体30Dの変位部36は、第2端部31bからX軸方向負側に延びている。第4起歪体30Dの変位部36は、Y軸方向において第4起歪体30Dの中心に位置していてもよく、X軸方向で見たときに、第4起歪体30Dの中心軸線CL(図4、図7参照)に重なっていてもよい。
As shown in FIG. 3, the
図4~図6に示すように、第1起歪体30Aは、受力体側接続部38を更に含んでいてもよい。受力体側接続部38は、第1センサ体側接続部の一例である。受力体側接続部38は、第1接続部31の第1端部31aを受力体20に接続する。受力体側接続部38は、第1接続部31の第1端部31aと受力体20との間に介在されている。受力体側接続部38は、一対の受力体側台座39と、薄肉部40と、を含んでいてもよい。
As shown in FIGS. 4 to 6, the
受力体側台座39は、受力体20に接続されていてもよい。受力体側台座39は、受力体20から固定体25に向かってZ軸方向に延びている。受力体側台座39は、X軸方向において第1接続部31の第1端部31aの両側であって、中心軸線CLの両側に位置している。一方の受力体側台座39は、第1端部31aよりもX軸方向正側に位置している。他方の受力体側台座39は、第1端部31aよりもX軸方向負側に位置している。
The force receiving
受力体側台座39は、受力体20に当接して、図示しないボルト等を用いて受力体20に取り付けられる。図3および図5に示すように、受力体側台座39の受力体20の側の面(図4における上面)には、ねじ孔41が形成されていてもよい。受力体側台座39のそれぞれには、1つのねじ孔41が形成されていてもよく、複数のねじ孔41が形成されていてもよい。
The force-receiving
薄肉部40は、一対の受力体側台座39の間に位置しており、各受力体側台座39に接続されている。薄肉部40は、受力体側台座39と第1接続部31とを接続している。薄肉部40の固定体25の側の面(図4における下面)に、第1接続部31の第1端部31aが接続されている。薄肉部40は、X軸方向に延びている。薄肉部40は、X軸方向およびY軸方向に沿って平板状に形成されていてもよい。図4に示すように、薄肉部40の厚さt1(Z軸方向寸法)は、受力体側台座39の厚さt2(Z軸方向寸法)よりも薄くなっている。薄肉部40は、X軸方向、Y軸方向およびZ軸方向のそれぞれの力の作用により弾性変形可能であってもよい。
The
薄肉部40は、受力体側台座39のうちの固定体25の側の部分に接続されている。このことにより、薄肉部40の受力体20の側に、第1凹部42が形成されている。図4に示すように、第1凹部42は、Y軸方向で見たときに、矩形状に形成されていてもよい。薄肉部40と第1接続部31が別体に形成されている場合、薄肉部40と第1接続部31とを固定するためのボルト(図示せず)の頭部を第1凹部42に配置することができる。このことにより、ボルトの頭部が受力体側接続部38から突出することを防止でき、力覚センサ10の高さを低くすることができる。
The
図4および図5に示すように、上述した固定体側接続部32は、Z軸方向で見たときに、X軸方向に沿って直線状に形成されていてもよい。上述した受力体側接続部38も同様に、X軸方向に沿って直線状に形成されていてもよい。Z軸方向で見たときに、図5に示すように、受力体側接続部38は、固定体側接続部32に重なっていてもよい。
As shown in FIGS. 4 and 5, the fixed body
上述のように構成された第1起歪体30Aは、連続する材料で一体に形成されていてもよい。第1起歪体30Aは、1つのブロック材から機械加工(例えば、切削加工)で作製されていてもよく、または鋳造加工で作製されていてもよい。第1起歪体30Aは、アルミ合金または鉄合金などの金属材料で作製されていてもよい。
The
検出素子70は、上述した第1起歪体30Aの弾性変形により生じた変位を検出するように構成されている。本実施の形態による検出素子70は、上述した変位部36の先端部36aの変位により静電容量値の変化を検出する素子として構成されている。
The
図4および図5に示すように、検出素子70は、第1容量素子C1と、第2容量素子C2と、を含んでいる。第1容量素子C1および第2容量素子C2はそれぞれ、第1起歪体30Aの変位部36の先端部36aの変位により静電容量値の変化を検出する。第1容量素子C1および第2容量素子C2は、図4に示す第1起歪体30A用の容量素子である。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
図4および図5に示す例においては、第1容量素子C1は、固定体25に設けられた第1固定電極基板Ef1と、変位部36の先端部36aに設けられた第1変位電極基板Ed1と、を含んでいる。第2容量素子C2は、固定体25に設けられた第2固定電極基板Ef2と、変位部36の先端部36aに設けられた第2変位電極基板Ed2と、を含んでいる。第1容量素子C1は、第1起歪体30Aの中心軸線CLに対してX軸方向正側に配置されている。第2容量素子C2は、第1起歪体30Aの中心軸線CLに対してX軸方向負側に配置されている。
In the example shown in FIGS. 4 and 5, the first capacitive element C1 includes a first fixed electrode substrate Ef1 provided on the fixed
図4に示すように、第1固定電極基板Ef1は、第1起歪体30Aの中心軸線CLに対して一方の固定体側台座33の側に位置している。より具体的には、第1固定電極基板Ef1は、第1起歪体30Aの中心軸線CLに対してX軸方向正側に位置している。第2固定電極基板Ef2は、第1起歪体30Aの中心軸線CLに対して他方の固定体側台座33の側に位置している。第2固定電極基板Ef2は、第1起歪体30Aの中心軸線CLに対してX軸方向負側に位置している。
As shown in FIG. 4, the first fixed electrode substrate Ef1 is located on the side of one fixed
図4~図6に示すように、第1固定電極基板Ef1および第2固定電極基板Ef2は、一体化されていてもよい。より具体的には、第1固定電極基板Ef1および第2固定電極基板Ef2はそれぞれ、固定電極Ef(図13参照)と、絶縁体と、を含んでいる。絶縁体は、固定電極Efと固定体25との間に介在されている。第1固定電極基板Ef1の固定電極Efと、第2固定電極基板Ef2の固定電極Efが一体化されて共通固定電極Efcが形成されている。第1固定電極基板Ef1の絶縁体と、第2固定電極基板Ef2の絶縁体が一体化されて共通絶縁体IBfcが形成されている。共通絶縁体IBfcが、接着材等で固定体25に接合されていてもよく、またはボルト等で固定されていてもよい。共通絶縁体IBfcの全体が固定体25に接合されていてもよい。
As shown in FIGS. 4 to 6, the first fixed electrode substrate Ef1 and the second fixed electrode substrate Ef2 may be integrated. More specifically, the first fixed electrode substrate Ef1 and the second fixed electrode substrate Ef2 each include a fixed electrode Ef (see FIG. 13) and an insulator. The insulator is interposed between the fixed electrode Ef and the fixed
図4および図5に示すように、第1変位電極基板Ed1は、第1起歪体30Aの中心軸線CLに対して一方の固定体側台座33の側に位置している。より具体的には、第1変位電極基板Ed1は、第1起歪体30Aの中心軸線CLに対してX軸方向正側に位置しており、上述した第1固定電極基板Ef1に対向している。第2変位電極基板Ed2は、他方の固定体側台座33の側に位置している。より具体的には、第2変位電極基板Ed2は、第1起歪体30Aの中心軸線CLに対してX軸方向負側に位置しており、上述した第2固定電極基板Ef2に対向している。
As shown in FIGS. 4 and 5, the first displacement electrode substrate Ed1 is located on the side of one fixed
第1変位電極基板Ed1および第2変位電極基板Ed2はそれぞれ、変位電極Edと、絶縁体と、を含んでいる。第1変位電極基板Ed1の変位電極Edは、第1固定電極基板Ef1の固定電極Efに対向し、第2変位電極基板Ed2の変位電極Edは、第2固定電極基板Ef2の固定電極Efに対向している。第1変位電極基板Ed1の変位電極Edと第2変位電極基板Ed2の変位電極Edは、別体に形成されて互いに離間していてもよい。絶縁体は、変位電極Edと変位部36との間に介在されている。第1変位電極基板Ed1の絶縁体と第2変位電極基板Ed2の絶縁体は、一体化されて共通絶縁体IBdcが形成されていてもよい。共通絶縁体IBdcが、変位部36に、接着材等で接合されていてもよく、またはボルト等で固定されていてもよい。共通絶縁体IBdcの一部が、変位部36に接合されていてもよい。
The first displacement electrode substrate Ed1 and the second displacement electrode substrate Ed2 each include a displacement electrode Ed and an insulator. The displacement electrode Ed of the first displacement electrode substrate Ed1 faces the fixed electrode Ef of the first fixed electrode substrate Ef1, and the displacement electrode Ed of the second displacement electrode substrate Ed2 faces the fixed electrode Ef of the second fixed electrode substrate Ef2. are doing. The displacement electrode Ed of the first displacement electrode substrate Ed1 and the displacement electrode Ed of the second displacement electrode substrate Ed2 may be formed separately and spaced apart from each other. The insulator is interposed between the displacement electrode Ed and the
第1容量素子C1および第2容量素子C2は、Y軸方向において同じ位置に配置されている。すなわち、図3、図5および図6に示すように、第1変位電極基板Ed1の変位電極Edおよび第2変位電極基板Ed2の変位電極Edは、Y軸方向において同じ位置に配置されている。第1容量素子C1および第2容量素子C2は、第1接続部31に対してY軸方向負側に配置されている。
The first capacitive element C1 and the second capacitive element C2 are arranged at the same position in the Y-axis direction. That is, as shown in FIGS. 3, 5, and 6, the displacement electrode Ed of the first displacement electrode substrate Ed1 and the displacement electrode Ed of the second displacement electrode substrate Ed2 are arranged at the same position in the Y-axis direction. The first capacitive element C1 and the second capacitive element C2 are arranged on the negative side in the Y-axis direction with respect to the first connecting
本実施の形態では、固定電極基板Ef1、Ef2の固定電極Efを一体化した共通固定電極Efcの平面形状は、矩形になっている。変位電極基板Ed1、Ed2の変位電極Edの平面形状も、矩形になっている。しかしながら、共通固定電極Efcおよび変位電極Edの平面形状は、矩形に限られることはなく、円形、多角形、楕円形等の他の形状であってもよい。 In this embodiment, the planar shape of the common fixed electrode Efc that integrates the fixed electrodes Ef of the fixed electrode substrates Ef1 and Ef2 is rectangular. The planar shape of the displacement electrodes Ed of the displacement electrode substrates Ed1 and Ed2 is also rectangular. However, the planar shapes of the common fixed electrode Efc and the displacement electrode Ed are not limited to rectangular shapes, and may be other shapes such as circular, polygonal, and elliptical shapes.
Z軸方向で見たときに、第1変位電極基板Ed1の変位電極Edの平面形状は、共通固定電極Efcの平面形状よりも小さくなっていてもよい。そして、受力体20が力またはモーメントを受けて第1変位電極基板Ed1が変位した場合であっても、Z軸方向で見たときに第1変位電極基板Ed1の変位電極Edが全体として共通固定電極Efcに重なるように、変位電極Edの大きさと共通固定電極Efcの大きさが設定されていてもよい。このことにより、変位電極Edと共通固定電極Efcの対向面積が変化することを防止することができ、静電容量値の変化に、対向面積の変化が影響を及ぼすことを防止することができる。このため、変位電極Edと共通固定電極Efcとの距離の変化に応じて静電容量値を変化させることができる。ここで、対向面積とは、Z軸方向で見たときに変位電極Edと共通固定電極Efcとが重なる面積を言う。変位部36が傾斜した場合には、共通固定電極Efcよりも小さい変位電極Edが傾斜して対向面積が変動し得るが、この場合の変位電極Edの傾斜角度は小さい。このことにより、静電容量値の変化には、変位電極Edと共通固定電極Efcとの距離が支配的となる。このため、本明細書では、変位電極Edの傾斜による対向面積の変動は考慮せず、静電容量値の変化は、変位電極Edと共通固定電極Efcとの距離の変化に起因すると考える。なお、後述する図8等では、図面を明瞭にするために、変位部36の傾斜を誇張している。
When viewed in the Z-axis direction, the planar shape of the displacement electrode Ed of the first displacement electrode substrate Ed1 may be smaller than the planar shape of the common fixed electrode Efc. Even if the
同様に、Z軸方向で見たときに、第2変位電極基板Ed2の変位電極Edの平面形状は、共通固定電極Efcよりも小さくなっていてもよい。第2変位電極基板Ed2の変位電極Edの平面形状は、第1変位電極基板Ed1の変位電極Edの平面形状と同一であってもよい。 Similarly, when viewed in the Z-axis direction, the planar shape of the displacement electrode Ed of the second displacement electrode substrate Ed2 may be smaller than the common fixed electrode Efc. The planar shape of the displacement electrode Ed of the second displacement electrode substrate Ed2 may be the same as the planar shape of the displacement electrode Ed of the first displacement electrode substrate Ed1.
第1固定電極基板Ef1および第2固定電極基板Ef2の共通固定電極Efcの平面形状は、第1固定電極基板Ef1および第2固定電極基板Ef2の共通絶縁体IBfcの平面形状と同一の大きさであってもよい。しかしながら、共通固定電極Efcの平面形状は、共通絶縁体IBfcの平面形状よりも小さくてもよい。第1変位電極基板Ed1の変位電極Edの平面形状および第2変位電極基板Ed2の変位電極Edの平面形状はそれぞれ、第1変位電極基板Ed1および第2変位電極基板Ed2の共通絶縁体IBdcの平面形状よりも小さくてもよい。 The planar shape of the common fixed electrode Efc of the first fixed electrode substrate Ef1 and the second fixed electrode substrate Ef2 is the same size as the planar shape of the common insulator IBfc of the first fixed electrode substrate Ef1 and the second fixed electrode substrate Ef2. There may be. However, the planar shape of the common fixed electrode Efc may be smaller than the planar shape of the common insulator IBfc. The planar shape of the displacement electrode Ed of the first displacement electrode substrate Ed1 and the planar shape of the displacement electrode Ed of the second displacement electrode substrate Ed2 are the plane of the common insulator IBdc of the first displacement electrode substrate Ed1 and the second displacement electrode substrate Ed2, respectively. It may be smaller than the shape.
絶縁体は、ガラスエポキシ樹脂またはセラミックなどの絶縁性を有する材料で形成されていてもよい。あるいは、固定電極基板Ef1、Ef2は、FPC基板(フレキシブルプリント回路基板)で構成されていてもよい。FPC基板は、薄いフィルム状に形成されており、フレキシブル性を有しているプリント基板である。FPC基板は、ポリイミドフィルムの上面に、電極および配線を構成する金属薄膜が形成されている。FPC基板のうち固定電極基板Ef1、Ef2に相当する部分が固定体25に固定されていてもよい。FPC基板は、固定電極Efを検出回路75に接続する配線を含んでいてもよい。絶縁体がFPC基板で構成されている場合には、変位電極基板Ed1、Ed2に相当する部分が変位部36に固定されていてもよい。FPC基板は、変位電極Edを検出回路75に接続する配線を含んでいてもよい。
The insulator may be made of an insulating material such as glass epoxy resin or ceramic. Alternatively, the fixed electrode substrates Ef1 and Ef2 may be composed of FPC boards (flexible printed circuit boards). The FPC board is a flexible printed circuit board that is formed into a thin film shape. In the FPC board, a metal thin film constituting electrodes and wiring is formed on the upper surface of a polyimide film. Portions of the FPC board corresponding to the fixed electrode boards Ef1 and Ef2 may be fixed to the fixed
上述した第1起歪体30Aとこれに対応する検出素子70の構成は、第2起歪体30B、第3起歪体30Cおよび第4起歪体30Dにも同様に適用できる。
The configuration of the
すなわち、図3に示すように、検出素子70は、第3容量素子C3と、第4容量素子C4と、を更に含んでいる。第3容量素子C3および第4容量素子C4はそれぞれ、第2起歪体30Bの変位部36の先端部36aの変位により静電容量値の変化を検出する。第3容量素子C3および第4容量素子C4は、第2起歪体30B用の容量素子である。
That is, as shown in FIG. 3, the
図7に示すように、第3容量素子C3は、固定体25に設けられた第3固定電極基板Ef3と、変位部36の先端部36aに設けられた第3変位電極基板Ed3と、を含んでいる。第4容量素子C4は、固定体25に設けられた第4固定電極基板Ef4と、変位部36の先端部36aに設けられた第4変位電極基板Ed4と、を含んでいる。
As shown in FIG. 7, the third capacitive element C3 includes a third fixed electrode substrate Ef3 provided on the fixed
第3固定電極基板Ef3は、第2起歪体30Bの中心軸線CLに対してY軸方向正側に位置している。第4固定電極基板Ef4は、第2起歪体30Bの中心軸線CLに対してY軸方向負側に位置している。本実施の形態においては、第3固定電極基板Ef3および第4固定電極基板Ef4は、一体化されており、上述した固定電極基板Ef1、Ef2と同様に構成されている。
The third fixed electrode substrate Ef3 is located on the positive side in the Y-axis direction with respect to the central axis CL of the
第3変位電極基板Ed3は、第2起歪体30Bの中心軸線CLに対してY軸方向正側に位置している。第3変位電極基板Ed3は、上述した第3固定電極基板Ef3に対向している。第4変位電極基板Ed4は、第2起歪体30Bの中心軸線CLに対してY軸方向負側に位置している。第4変位電極基板Ed4は、上述した第4固定電極基板Ef4に対向している。変位電極基板Ed3、Ed4は、上述した変位電極基板Ed1、Ed2と同様に構成されている。
The third displacement electrode substrate Ed3 is located on the positive side in the Y-axis direction with respect to the central axis CL of the
第3容量素子C3および第4容量素子C4は、X軸方向において同じ位置に配置されている。すなわち、図3に示すように、第3変位電極基板Ed3の変位電極Edおよび第4変位電極基板Ed4の変位電極Edは、X軸方向において同じ位置に配置されている。第3容量素子C3および第4容量素子C4は、第1接続部31に対してX軸方向正側に配置されている。
The third capacitive element C3 and the fourth capacitive element C4 are arranged at the same position in the X-axis direction. That is, as shown in FIG. 3, the displacement electrode Ed of the third displacement electrode substrate Ed3 and the displacement electrode Ed of the fourth displacement electrode substrate Ed4 are arranged at the same position in the X-axis direction. The third capacitive element C3 and the fourth capacitive element C4 are arranged on the positive side in the X-axis direction with respect to the first connecting
また、図3に示すように、検出素子70は、第5容量素子C5と、第6容量素子C6と、を更に含んでいる。第5容量素子C5および第6容量素子C6はそれぞれ、第3起歪体30Cの変位部36の先端部36aの変位により静電容量値の変化を検出する。第5容量素子C5および第6容量素子C6は、第3起歪体30C用の容量素子である。
Further, as shown in FIG. 3, the
図7に示すように、第5容量素子C5は、固定体25に設けられた第5固定電極基板Ef5と、変位部36の先端部36aに設けられた第5変位電極基板Ed5と、を含んでいる。第6容量素子C6は、固定体25に設けられた第6固定電極基板Ef6と、変位部36の先端部36aに設けられた第6変位電極基板Ed6と、を含んでいる。
As shown in FIG. 7, the fifth capacitive element C5 includes a fifth fixed electrode substrate Ef5 provided on the fixed
第5固定電極基板Ef5は、第3起歪体30Cの中心軸線CLに対してX軸方向負側に位置している。第6固定電極基板Ef6は、第3起歪体30Cの中心軸線CLに対してX軸方向正側に位置している。本実施の形態においては、第5固定電極基板Ef5および第6固定電極基板Ef6は、一体化されており、上述した固定電極基板Ef1、Ef2と同様に構成されている。
The fifth fixed electrode substrate Ef5 is located on the negative side in the X-axis direction with respect to the central axis CL of the
第5変位電極基板Ed5は、第3起歪体30Cの中心軸線CLに対してX軸方向負側に位置している。第5変位電極基板Ed5は、上述した第5固定電極基板Ef5に対向している。第6変位電極基板Ed6は、第3起歪体30Cの中心軸線CLに対してX軸方向正側に位置している。第6変位電極基板Ed6は、上述した第6固定電極基板Ef6に対向している。変位電極基板Ed5、Ed6は、上述した変位電極基板Ed1、Ed2と同様に構成されている。
The fifth displacement electrode substrate Ed5 is located on the negative side in the X-axis direction with respect to the central axis CL of the
第5容量素子C5および第6容量素子C6は、Y軸方向において同じ位置に配置されている。すなわち、図3に示すように、第5変位電極基板Ed5の変位電極Edおよび第6変位電極基板Ed6の変位電極Edは、Y軸方向において同じ位置に配置されている。第5容量素子C5および第6容量素子C6は、第1接続部31に対してY軸方向正側に配置されている。
The fifth capacitive element C5 and the sixth capacitive element C6 are arranged at the same position in the Y-axis direction. That is, as shown in FIG. 3, the displacement electrodes Ed of the fifth displacement electrode substrate Ed5 and the displacement electrodes Ed of the sixth displacement electrode substrate Ed6 are arranged at the same position in the Y-axis direction. The fifth capacitive element C5 and the sixth capacitive element C6 are arranged on the positive side in the Y-axis direction with respect to the first connecting
また、図3に示すように、検出素子70は、第7容量素子C7と、第8容量素子C8と、を更に含んでいる。第7容量素子C7および第8容量素子C8はそれぞれ、第4起歪体30Dの変位部36の先端部36aの変位により静電容量値の変化を検出する。第7容量素子C7および第8容量素子C8は、第4起歪体30D用の容量素子である。
Further, as shown in FIG. 3, the
図7に示すように、第7容量素子C7は、固定体25に設けられた第7固定電極基板Ef7と、変位部36の先端部36aに設けられた第7変位電極基板Ed7と、を含んでいる。第8容量素子C8は、固定体25に設けられた第8固定電極基板Ef8と、変位部36の先端部36aに設けられた第8変位電極基板Ed8と、を含んでいる。
As shown in FIG. 7, the seventh capacitive element C7 includes a seventh fixed electrode substrate Ef7 provided on the fixed
第7固定電極基板Ef7は、第4起歪体30Dの中心軸線CLに対してY軸方向負側に位置している。第8固定電極基板Ef8は、第4起歪体30Dの中心軸線CLに対してY軸方向正側に位置している。本実施の形態においては、第7固定電極基板Ef7および第8固定電極基板Ef8は、一体化されており、上述した固定電極基板Ef1、Ef2と同様に構成されている。
The seventh fixed electrode substrate Ef7 is located on the negative side in the Y-axis direction with respect to the central axis CL of the
第7変位電極基板Ed7は、第4起歪体30Dの中心軸線CLに対してY軸方向負側に位置している。第7変位電極基板Ed7は、上述した第7固定電極基板Ef7に対向している。第8変位電極基板Ed8は、第4起歪体30Dの中心軸線CLに対してY軸方向正側に位置している。第8変位電極基板Ed8は、上述した第8固定電極基板Ef8に対向している。変位電極基板Ed7、Ed8は、上述した変位電極基板Ed1、Ed2と同様に構成されている。
The seventh displacement electrode substrate Ed7 is located on the negative side in the Y-axis direction with respect to the central axis CL of the
第7容量素子C7および第8容量素子C8は、X軸方向において同じ位置に配置されている。すなわち、図3に示すように、第7変位電極基板Ed7の変位電極Edおよび第8変位電極基板Ed8の変位電極Edは、X軸方向において同じ位置に配置されている。第7容量素子C7および第8容量素子C8は、第1接続部31に対してX軸方向負側に配置されている。
The seventh capacitive element C7 and the eighth capacitive element C8 are arranged at the same position in the X-axis direction. That is, as shown in FIG. 3, the displacement electrodes Ed of the seventh displacement electrode substrate Ed7 and the displacement electrodes Ed of the eighth displacement electrode substrate Ed8 are arranged at the same position in the X-axis direction. The seventh capacitive element C7 and the eighth capacitive element C8 are arranged on the negative side in the X-axis direction with respect to the first connecting
図2に示すように、検出回路75は、検出素子70の検出結果に基づいて、起歪体30A~30Dに作用した力またはモーメントを示す電気信号を出力する。この検出回路75は、例えばマイクロプロセッサにより構成された演算機能を有していてもよい。また、検出回路75は、上述した検出素子70から受信したアナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換機能や、信号を増幅する機能を有してもよい。検出回路75は、電気信号を出力する端子を含んでいてもよく、この端子から図示しない電気ケーブルを介して上述したコントローラ5に電気信号が送信される。
As shown in FIG. 2, the detection circuit 75 outputs an electric signal indicating the force or moment acting on the
図2および図3に示すように、外装体80は、Z軸方向で見たときに、4つの起歪体30A~30Dを外側から覆うように構成されている。外装体80は、力覚センサ10を構成する筒状の筐体である。起歪体30A~30Dは、外装体80に収容されている。本実施の形態では外装体80の平面断面形状(XY平面に沿う断面における形状)は円形枠形状になっている。受力体20と外装体80との間の隙間に、緩衝部材81が介在されていてもよい。緩衝部材81は、例えば、ゴムまたはスポンジなどの弾性変形可能な柔軟な材料で形成されていてもよい。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
次に、このような構成からなる本実施の形態による力覚センサ10に力またはモーメントが作用して、その力またはモーメントを検出する方法について図8~図10Bを参照して説明する。図8は、図4の第1起歪体がX軸方向正側の力Fxを受けた場合の第1起歪体30Aの変形状態を模式的に示す正面図であり、図9Aは、図4の第1起歪体がY軸方向正側の力Fyを受けた場合の第1起歪体30Aの変形状態を模式的に示す側面図である。図9Bは、図4の第1起歪体がY軸方向負側の力Fyを受けた場合の第1起歪体30Aの変形状態を模式的に示す側面図である。図10Aは、図4の第1起歪体30AがZ軸方向正側の力Fzを受けた場合の第1起歪体30Aの変形状態を模式的に示す正面図である。図10Bは、図4の第1起歪体30AがZ軸方向負側の力を受けた場合の第1起歪体30Aの変形状態を模式的に示す正面図である。
Next, a method of detecting force or moment when force or moment acts on the
受力体20が力またはモーメントの作用を受けると、その力またはモーメントが、第1起歪体30A~第4起歪体30Dに伝わる。より具体的には、その力またはモーメントが薄肉部40、第1接続部31、第2接続部34および第3接続部35に伝わり、薄肉部40および各接続部31、34、35に弾性変形が生じる。このことにより、変位部36に変位が生じる。このため、検出素子70の各固定電極基板Ef1~Ef8と対応する変位電極基板Ed1~Ed8との間の距離が変化し、各容量素子C1~C8の静電容量値が変化する。この静電容量値の変化が、起歪体30A~30Dに生じた変位として検出素子70で検出される。この場合、各容量素子C1~C8の静電容量値の変化が異なり得る。このため、検出回路75は、検出素子70で検出された各容量素子C1~C8の静電容量値の変化に基づいて、受力体20に作用した力またはモーメントの向きと大きさを検出することができる。
When the
ここでは、まず、第1起歪体30Aを例にとって、X軸方向の力Fx、Y軸方向の力Fy、Z軸方向の力Fzが作用した場合の第1容量素子C1および第2容量素子C2の静電容量値の変化について説明する。
Here, first, taking the
(+Fxが作用した場合)
第1起歪体30AにX軸方向正側に力Fxが作用した場合には、図8に示すように、第1起歪体30Aの薄肉部40、第1接続部31、第2接続部34および第3接続部35が弾性変形しながら、第1接続部31の第1端部31aがX軸方向正側に変位する。このことにより、第1接続部31がX軸方向正側に倒れるように傾斜する。言い換えると、第1接続部31は、Y軸方向正側に向かって見たときに(図8の紙面に向かって見たときに)、時計回りに回動する。第1接続部31と連動して、変位部36は時計回りに回動し、傾斜する。(When +Fx works)
When the force Fx acts on the
第1変位電極基板Ed1は、第1固定電極基板Ef1に近づき、第1変位電極基板Ed1と第1固定電極基板Ef1との電極間距離(Z軸方向の距離)が減少する。このため、第1容量素子C1の静電容量値が増大する。一方、第2変位電極基板Ed2は、第2固定電極基板Ef2から遠ざかり、第2変位電極基板Ed2と第2固定電極基板Ef2との電極間距離(Z軸方向の距離)が増大する。このため、第2容量素子C2の静電容量値が減少する。 The first displacement electrode substrate Ed1 approaches the first fixed electrode substrate Ef1, and the inter-electrode distance (distance in the Z-axis direction) between the first displacement electrode substrate Ed1 and the first fixed electrode substrate Ef1 decreases. Therefore, the capacitance value of the first capacitive element C1 increases. On the other hand, the second displacement electrode substrate Ed2 moves away from the second fixed electrode substrate Ef2, and the inter-electrode distance (distance in the Z-axis direction) between the second displacement electrode substrate Ed2 and the second fixed electrode substrate Ef2 increases. Therefore, the capacitance value of the second capacitive element C2 decreases.
(-Fxが作用した場合)
第1起歪体30AにX軸方向負側に力Fxが作用した場合には、図示しないが、図8に示す場合と逆の現象が生じる。すなわち、第1容量素子C1の静電容量値が減少し、第2容量素子C2の静電容量値が増大する。(When -Fx works)
When the force Fx acts on the
(+Fyが作用した場合)
第1起歪体30AにY軸方向正側に力Fyが作用した場合には、図9Aに示すように、薄肉部40、第1接続部31、第2接続部34および第3接続部35が弾性変形しながら、第1接続部31の第1端部31aがY軸方向正側に変位する。このことにより、第1接続部31がY軸方向正側に倒れるように傾斜する。言い換えると、第1接続部31は、X軸方向正側に向かって見たときに(図9Aの紙面に向かって見たときに)、反時計回りに回動する。第1接続部31と連動して、変位部36は反時計回りに回動して、傾斜する。この場合、変位部36の先端部36aは、固定体25から遠ざかる方向に変位する。(When +Fy acts)
When force Fy is applied to the
第1変位電極基板Ed1は、第1固定電極基板Ef1から遠ざかり、第1変位電極基板Ed1と第1固定電極基板Ef1との電極間距離(Z軸方向の距離)が増大する。このため、第1容量素子C1の静電容量値が減少する。同様に、第2変位電極基板Ed2は、第2固定電極基板Ef2から遠ざかり、第2変位電極基板Ed2と第2固定電極基板Ef2との電極間距離(Z軸方向の距離)が増大する。このため、第2容量素子C2の静電容量値が減少する。 The first displacement electrode substrate Ed1 moves away from the first fixed electrode substrate Ef1, and the inter-electrode distance (distance in the Z-axis direction) between the first displacement electrode substrate Ed1 and the first fixed electrode substrate Ef1 increases. Therefore, the capacitance value of the first capacitive element C1 decreases. Similarly, the second displacement electrode substrate Ed2 moves away from the second fixed electrode substrate Ef2, and the inter-electrode distance (distance in the Z-axis direction) between the second displacement electrode substrate Ed2 and the second fixed electrode substrate Ef2 increases. Therefore, the capacitance value of the second capacitive element C2 decreases.
(-Fyが作用した場合)
第1起歪体30AにY軸方向負側に力Fyが作用した場合には、図9Bに示すように、図9Aに示す場合と逆の現象が生じる。(When -Fy acts)
When the force Fy acts on the
第1起歪体30AにY軸方向負側に力Fyが作用した場合には、図9Bに示すように、薄肉部40、第1接続部31、第2接続部34および第3接続部35が弾性変形しながら、第1接続部31の第1端部31aがY軸方向負側に変位する。このことにより、第1接続部31がY軸方向負側に倒れるように傾斜する。言い換えると、第1接続部31は、X軸方向正側に向かって見たときに(図9Bの紙面に向かって見たときに)、時計回りに回動する。第1接続部31と連動して、変位部36は時計回りに回動して、傾斜する。この場合、変位部36の先端部36aは、固定体25に近づく方向に変位する。
When force Fy is applied to the
第1変位電極基板Ed1は、第1固定電極基板Ef1に近づき、第1変位電極基板Ed1と第1固定電極基板Ef1との電極間距離(Z軸方向の距離)が減少する。このため、第1容量素子C1の静電容量値が増大する。同様に、第2変位電極基板Ed2は、第2固定電極基板Ef2に近づき、第2変位電極基板Ed2と第2固定電極基板Ef2との電極間距離(Z軸方向の距離)が減少する。このため、第2容量素子C2の静電容量値が増大する。 The first displacement electrode substrate Ed1 approaches the first fixed electrode substrate Ef1, and the inter-electrode distance (distance in the Z-axis direction) between the first displacement electrode substrate Ed1 and the first fixed electrode substrate Ef1 decreases. Therefore, the capacitance value of the first capacitive element C1 increases. Similarly, the second displacement electrode substrate Ed2 approaches the second fixed electrode substrate Ef2, and the inter-electrode distance (distance in the Z-axis direction) between the second displacement electrode substrate Ed2 and the second fixed electrode substrate Ef2 decreases. Therefore, the capacitance value of the second capacitive element C2 increases.
(+Fzが作用した場合)
第1起歪体30AにZ軸方向正側に力Fzが作用した場合には、図10Aに示すように、薄肉部40、第2接続部34および第3接続部35が弾性変形しながら、第1接続部31がZ軸方向正側に変位する。第1接続部31と連動して、変位部36はZ軸方向正側に変位する。(When +Fz acts)
When force Fz is applied to the
第1変位電極基板Ed1は、第1固定電極基板Ef1から遠ざかり、第1変位電極基板Ed1と第1固定電極基板Ef1との電極間距離(Z軸方向の距離)が増大する。このため、第1容量素子C1の静電容量値が減少する。同様に、第2変位電極基板Ed2は、第2固定電極基板Ef2から遠ざかり、第2変位電極基板Ed2と第2固定電極基板Ef2との電極間距離(Z軸方向の距離)が増大する。このため、第2容量素子C2の静電容量値が減少する。 The first displacement electrode substrate Ed1 moves away from the first fixed electrode substrate Ef1, and the inter-electrode distance (distance in the Z-axis direction) between the first displacement electrode substrate Ed1 and the first fixed electrode substrate Ef1 increases. Therefore, the capacitance value of the first capacitive element C1 decreases. Similarly, the second displacement electrode substrate Ed2 moves away from the second fixed electrode substrate Ef2, and the inter-electrode distance (distance in the Z-axis direction) between the second displacement electrode substrate Ed2 and the second fixed electrode substrate Ef2 increases. Therefore, the capacitance value of the second capacitive element C2 decreases.
(-Fzが作用した場合)
第1起歪体30AにZ軸方向負側に力Fzが作用した場合には、図10Bに示すように、図10Aに示す場合と逆の現象が生じる。(When -Fz acts)
When force Fz is applied to the
第1起歪体30AにZ軸方向負側に力Fzが作用した場合には、図10Bに示すように、薄肉部40、第2接続部34および第3接続部35が弾性変形しながら、第1接続部31がZ軸方向負側に変位する。第1接続部31と連動して、変位部36はZ軸方向負側に変位する。
When force Fz is applied to the
第1変位電極基板Ed1は、第1固定電極基板Ef1に近づき、第1変位電極基板Ed1と第1固定電極基板Ef1との電極間距離(Z軸方向の距離)が減少する。このため、第1容量素子C1の静電容量値が増大する。同様に、第2変位電極基板Ed2は、第2固定電極基板Ef2に近づき、第2変位電極基板Ed2と第2固定電極基板Ef2との電極間距離(Z軸方向の距離)が減少する。このため、第2容量素子C2の静電容量値が増大する。 The first displacement electrode substrate Ed1 approaches the first fixed electrode substrate Ef1, and the inter-electrode distance (distance in the Z-axis direction) between the first displacement electrode substrate Ed1 and the first fixed electrode substrate Ef1 decreases. Therefore, the capacitance value of the first capacitive element C1 increases. Similarly, the second displacement electrode substrate Ed2 approaches the second fixed electrode substrate Ef2, and the inter-electrode distance (distance in the Z-axis direction) between the second displacement electrode substrate Ed2 and the second fixed electrode substrate Ef2 decreases. Therefore, the capacitance value of the second capacitive element C2 increases.
ここで、図4に示す第1起歪体30Aに設けられた各容量素子C1、C2の静電容量値の変化を、図11に示す。図11は、図4の第1起歪体30Aにおける各容量素子C1、C2の静電容量値の変化を示す表である。
Here, changes in the capacitance values of the respective capacitive elements C1 and C2 provided in the
図11においては、X軸方向の力FxとY軸方向の力FyとZ軸方向の力Fzについての容量素子C1、C2の静電容量値の変化を示している。静電容量値が減少した場合を「-(マイナス)」で示し、静電容量値が増大した場合を「+(プラス)」で示している。例えば、図11に示す表中のFxの行のC1に「+」が示されているが、これは、上述したように+Fxの力が作用した場合には第1容量素子C1の静電容量値が増大することを示している。一方、図11に示す表中のFxの行のC2に「-」が示されているが、これは、上述したように+Fxの力が作用した場合には第2容量素子C2の静電容量値が減少することを示している。上述したように、力Fzが作用した場合には、第1容量素子C1の静電容量値の変化量と、第2容量素子C2の静電容量値の変化量が異なっている。しかしながら、簡略化のため、図11では、静電容量値の変化を単に符号で表している。 FIG. 11 shows changes in the capacitance values of the capacitive elements C1 and C2 with respect to the force Fx in the X-axis direction, the force Fy in the Y-axis direction, and the force Fz in the Z-axis direction. A case where the capacitance value decreases is shown as "- (minus)", and a case where the capacitance value increases is shown as "+ (plus)". For example, "+" is shown in C1 in the Fx row in the table shown in FIG. It shows that the value increases. On the other hand, "-" is shown in C2 in the Fx row in the table shown in FIG. It shows that the value decreases. As described above, when the force Fz is applied, the amount of change in the capacitance value of the first capacitive element C1 is different from the amount of change in the capacitance value of the second capacitive element C2. However, for the sake of simplicity, in FIG. 11, changes in capacitance values are simply represented by symbols.
図11に示す表から、受力体20と固定体25とが第1起歪体30Aだけで接続されている力覚センサ10において、受力体20に作用した力Fx、Fy、Fzは、以下の式で算出することができる。なお、以下の式では、便宜上、力またはモーメントと静電容量値の変化量とを「=」で結んでいる。しかしながら、力またはモーメントと、静電容量値とは互いに異なる物理量であるため、実際には、静電容量値の変化量を変換することにより、力が算出される。以下の式中のC1、C2は、各容量素子における静電容量値の変化量を示す。
図11に示すように、受力体20と固定体25とが第1起歪体30Aだけで接続されている力覚センサ10においては、X軸方向の力Fxは、第1容量素子C1の静電容量値と第2容量素子C2の静電容量値との差で検出することができる。すなわち、上述の式(1)に示されているように、第1容量素子C1の静電容量値の変化量と第2容量素子C2の静電容量値の変化量との差分によって力Fxの出力値を算出することができる。第1容量素子C1の静電容量値および第2容量素子C2の静電容量値のそれぞれに、ノイズまたは周囲温度等の外乱による影響が含まれていたとしても、その影響は、上述の式(1)の差分によって相殺することができる。このため、力Fxの出力値が、外乱の影響を受けることを防止でき、力覚センサ10の高性能化を図ることができる。
As shown in FIG. 11, in the
なお、上述の式(2)および式(3)に示されているように、FyとFzでは、数式が同じであるため、検出された力がFyおよびFzのいずれであるかを判別することが困難になる。このため、1つの第1起歪体30Aだけを用いた力覚センサ10は、力Fyおよび力Fzのいずれか一方と、力Fxが作用する場合に用いることができる。この場合の力覚センサ10は、2軸成分を検出可能な力覚センサである。
Note that, as shown in equations (2) and (3) above, the mathematical formulas are the same for Fy and Fz, so it is difficult to determine whether the detected force is Fy or Fz. becomes difficult. Therefore, the
図4に示す第1起歪体30Aの変位部36は、第1接続部31の第2端部31bからY軸方向負側に延びている。第1変位電極基板Ed1および第2変位電極基板Ed2は、変位部36の先端部36aに位置している。このことにより、力Fyが作用した場合の変位部36の先端部36aの変位を大きくすることができ、静電容量値の変化を大きくすることができる。このため、力Fyの検出感度を高めることができる。例えば、変位部36の長さを調節することにより、力Fyの検出感度を調節することができる。力Fyの検出感度を、力Fxの検出感度および力Fzの検出感度よりも高くしてもよい。
The
例えば、第1変位電極基板Ed1の変位電極Edおよび第2変位電極基板Ed2の変位電極EdのY軸方向における中心位置(図5および図6に示すPY)が、第2接続部34および第3接続部35よりもY軸方向負側に位置していてもよい。このことにより、力Fyが作用した場合に第1容量素子C1および第2容量素子C2の静電容量値を変化させることができる。この場合、Z軸方向で見たときに、第1変位電極基板Ed1の一部が第2接続部34に重なっていてもよく、第2変位電極基板Ed2の一部が第3接続部35に重なっていてもよい。
For example, the center position (PY shown in FIGS. 5 and 6) of the displacement electrode Ed of the first displacement electrode substrate Ed1 and the displacement electrode Ed of the second displacement electrode substrate Ed2 in the Y-axis direction is It may be located on the negative side of the connecting
例えば、第1変位電極基板Ed1の変位電極Edおよび第2変位電極基板Ed2の変位電極Edは、Y軸方向において、第2接続部34および第3接続部35から離間していてもよい。このことにより、力Fyが作用した場合に第1容量素子C1および第2容量素子C2の静電容量値をより一層変化させることができる。
For example, the displacement electrode Ed of the first displacement electrode substrate Ed1 and the displacement electrode Ed of the second displacement electrode substrate Ed2 may be spaced apart from the
一方、変位電極基板Ed1、Ed2は、他の変位電極基板Ed3~Ed8と干渉しないように変位部36の長さが設定されていてもよい。
On the other hand, the length of the
次に、図7に示す力覚センサ10において、X軸方向の力Fx、Y軸方向の力Fy、Z軸方向の力Fz、X軸周りのモーメントMx、Y軸周りのモーメントMy、Z軸周りのモーメントMzが作用した場合の各容量素子C1~C8の静電容量値の変化について図12を参照して説明する。図12は、図7の力覚センサにおける各容量素子の静電容量値の変化を示す表である。
Next, in the
(+Fxが作用した場合)
まず、図7に示す受力体20にX軸方向正側に力Fxが作用した場合について説明する。(When +Fx works)
First, a case will be described in which a force Fx is applied to the
この場合、第1起歪体30Aは、図8に示す第1起歪体30Aと同様に弾性変形し、第1容量素子C1の静電容量値が増大するとともに第2容量素子C2の静電容量値が減少する。
In this case, the first
第2起歪体30Bは、図9Bに示す第1起歪体30Aと同様に弾性変形し、第3容量素子C3の静電容量値が増大するとともに第4容量素子C4の静電容量値が増大する。上述したように、第2起歪体30Bの変位部36が第1接続部31の第2端部31bからX軸方向正側に延びているため、第3容量素子C3の静電容量値の増大量は比較的大きい。このため、図12に示す表中のFxの行のC3は、「++」としている。第4容量素子C4の静電容量値の増大量も同様に比較的大きいため、図12に示す表中のFxの行のC4は、「++」としている。
The
第3起歪体30Cは、図8に示す第1起歪体30Aとは反対方向に弾性変形し、第5容量素子C5の静電容量値が減少するとともに第6容量素子C6の静電容量値が増大する。
The
第4起歪体30Dは、図9Aに示す第1起歪体30Aと同様に弾性変形し、第7容量素子C7の静電容量値が減少するとともに第8容量素子C8の静電容量値が減少する。上述したように、第4起歪体30Dの変位部36が第1接続部31の第2端部31bからX軸方向負側に延びているため、第7容量素子C7の静電容量値の増大量は比較的大きい。このため、図12に示す表中のFxの行のC7は、「--」としている。第8容量素子C8の静電容量値の減少量も同様に比較的大きいため、図12に示す表中のFxの行のC8は、「--」としている。
The
(+Fyが作用した場合)
次に、受力体20にY軸方向正側に力Fyが作用した場合について説明する。以下の説明においても、静電容量値の変化に応じて、上述したように図12の表中の符号が定められる。(When +Fy acts)
Next, a case where force Fy acts on the
第1起歪体30Aは、図9Aに示す第1起歪体30Aと同様に弾性変形し、第1容量素子C1の静電容量値が減少するとともに第2容量素子C2の静電容量値が減少する。第1起歪体30Aの変位部36が第1接続部31の第2端部31bからY軸方向負側に延びているため、第1容量素子C1の静電容量値の増大量は比較的大きい。このため、図12に示す表中のFyの行のC1は、「--」としている。第2容量素子C2の静電容量値の増大量も同様に比較的大きいため、図12に示す表中のFyの行のC2は、「--」としている。
The first
第2起歪体30Bは、図8に示す第1起歪体30Aと同様に弾性変形し、第3容量素子C3の静電容量値が増大するとともに第4容量素子C4の静電容量値が減少する。
The
第3起歪体30Cは、図9Bに示す第1起歪体30Aと同様に弾性変形し、第5容量素子C5の静電容量値が増大するとともに第6容量素子C6の静電容量値が増大する。第3起歪体30Cの変位部36が第1接続部31の第2端部31bからY軸方向正側に延びているため、第5容量素子C5の静電容量値の増大量は比較的大きい。このため、図12に示す表中のFyの行のC5は、「++」としている。第6容量素子C6の静電容量値の増大量も同様に比較的大きいため、図12に示す表中のFyの行のC6は、「++」としている。
The third
第4起歪体30Dは、図8に示す第1起歪体30Aとは反対方向に弾性変形し、第7容量素子C7の静電容量値が減少するとともに第8容量素子C8の静電容量値が増大する。
The
(+Fzが作用した場合)
次に、受力体20にZ軸方向正側に力Fzが作用した場合について説明する。以下の説明においても、静電容量値の変化に応じて、上述したように図12の表中の符号が定められる。(When +Fz acts)
Next, a case will be described in which a force Fz is applied to the
この場合、第1起歪体30Aは、図10Aに示す第1起歪体30Aと同様に弾性変形し、第1容量素子C1の静電容量値が減少するとともに第2容量素子C2の静電容量値が減少する。同様に、第3容量素子C3~第8容量素子C8もそれぞれ減少する。
In this case, the first
(+Mxが作用した場合)
次に、受力体20にX軸周り、すなわちX軸方向正側に向かって時計回りのモーメントMx(図7参照)が作用した場合について説明する。以下の説明においても、静電容量値の変化に応じて、上述したように図12の表中の符号が定められる。(When +Mx acts)
Next, a case will be described in which a clockwise moment Mx (see FIG. 7) acts on the
この場合、第1起歪体30Aは、図10Aに示すようにZ軸方向正側を向く力Fzが作用した第1起歪体30Aと同様に弾性変形し、第1容量素子C1の静電容量値が減少するとともに第2容量素子C2の静電容量値が減少する。
In this case, the
第2起歪体30Bにおいては、中心軸線CLが、Y軸方向において受力体20の中心Oに位置しているため、第2起歪体30Bの弾性変形は、第1起歪体30Aおよび第3起歪体30Cに比べて小さい。ここでは、説明を簡略化するために、第2起歪体30Bは弾性変形しないとみなす。このため、第3容量素子C3の静電容量値が変化せず、第4容量素子C4の静電容量値も変化しない。図12に示す表中のMxの行のC3およびC4は、「0(ゼロ)」としている。
In the
第3起歪体30Cは、図10Bに示すようにZ軸方向負側を向く力Fzが作用した第1起歪体30Aと同様に弾性変形し、第5容量素子C5の静電容量値が増大するとともに第6容量素子C6の静電容量値が増大する。
As shown in FIG. 10B, the
第4起歪体30Dにおいては、中心軸線CLが、Y軸方向において受力体20の中心Oに位置しているため、第4起歪体30Dの弾性変形は、第1起歪体30Aおよび第3起歪体30Cに比べて小さい。ここでは、説明を簡略化するために、第4起歪体30Dは弾性変形しないとみなす。このため、第7容量素子C7の静電容量値が変化せず、第8容量素子C8の静電容量値も変化しない。図12に示す表中のMxの行のC7およびC8は、「0(ゼロ)」としている。
In the
(+Myが作用した場合)
次に、受力体20にY軸周り、すなわちY軸方向正側に向かって時計回りのモーメントMy(図7参照)が作用した場合について説明する。以下の説明においても、静電容量値の変化に応じて、上述したように図12の表中の符号が定められる。(When +My acts)
Next, a case will be described in which a clockwise moment My (see FIG. 7) acts on the
この場合、第1起歪体30Aにおいては、中心軸線CLが、X軸方向において受力体20の中心Oに位置しているため、第1起歪体30Aの弾性変形は、第2起歪体30Bおよび第4起歪体30Dに比べて小さい。ここでは、説明を簡略化するために、第1起歪体30Aは弾性変形しないとみなす。このため、第1容量素子C1の静電容量値が変化せず、第2容量素子C2の静電容量値も変化しない。図12に示す表中のMyの行のC1およびC2は、「0(ゼロ)」としている。
In this case, in the
第2起歪体30Bは、図10Aに示すようにZ軸方向正側を向く力Fzが作用した第1起歪体30Aと同様に弾性変形し、第3容量素子C3の静電容量値が減少するとともに第4容量素子C4の静電容量値が減少する。
As shown in FIG. 10A, the
第3起歪体30Cにおいては、中心軸線CLが、X軸方向において受力体20の中心Oに位置しているため、第3起歪体30Cの弾性変形は、第2起歪体30Bおよび第4起歪体30Dに比べて小さい。ここでは、説明を簡略化するために、第3起歪体30Cは弾性変形しないとみなす。このため、第5容量素子C5の静電容量値が変化せず、第6容量素子C6の静電容量値も変化しない。図12に示す表中のMyの行のC5およびC6は、「0(ゼロ)」としている。
In the
第4起歪体30Dは、図10Bに示すようにZ軸方向負側を向く力Fzが作用した第1起歪体30Aと同様に弾性変形し、第7容量素子C7の静電容量値が増大するとともに第8容量素子C8の静電容量値が増大する。
As shown in FIG. 10B, the
(+Mzが作用した場合)
次に、受力体20に、Z軸周り、すなわちZ軸方向正側に向かって時計回りのモーメントMz(図7参照)が作用した場合について説明する。以下の説明においても、静電容量値の変化に応じて、上述したように図12の表中の符号が定められる。(When +Mz acts)
Next, a case will be described in which a clockwise moment Mz (see FIG. 7) is applied to the
この場合、第1起歪体30Aは、図8に示す第1起歪体30Aとは反対方向に弾性変形し、第1容量素子C1の静電容量値が減少するとともに第2容量素子C2の静電容量値が増大する。
In this case, the first
第2起歪体30Bは、図8に示す第1起歪体30Aとは反対方向に弾性変形し、第3容量素子C3の静電容量値が減少するとともに第4容量素子C4の静電容量値が増大する。
The
第3起歪体30Cは、図8に示す第1起歪体30Aとは反対方向に弾性変形し、第5容量素子C5の静電容量値が減少するとともに第6容量素子C6の静電容量値が増大する。
The
第4起歪体30Dは、図8に示す第1起歪体30Aとは反対方向に弾性変形し、第7容量素子C7の静電容量値が減少するとともに第8容量素子C8の静電容量値が増大する。
The
このようにして、各容量素子C1~C8の静電容量値の変化が検出されると、受力体20に作用した力またはモーメントの向きと大きさが検出される。そして、図12に示すように、各容量素子C1~C8の静電容量値が変化する。
In this way, when a change in the capacitance value of each capacitive element C1 to C8 is detected, the direction and magnitude of the force or moment acting on the
図12に示す表から、受力体20に作用した力Fx、Fy、Fz、およびモーメントMx、My、Mzは、以下の式で算出することができる。これにより、力の6軸成分を検出することができる。なお、以下の式では、便宜上、力またはモーメントと静電容量値の変化量とを「=」で結んでいる。しかしながら、力またはモーメントと、静電容量値とは互いに異なる物理量であるため、実際には、静電容量値の変化量を変換することにより、力またはモーメントが算出される。以下の式中のC1~C8は、各容量素子における静電容量値の変化量を示す。
上述したように、図7に示す力覚センサ10は、上述した式(4)~式(9)で示したように、力Fx、Fy、Fz、およびモーメントMx、My、Mzを検出することができるため、力の6軸成分を検出することが可能になっている。しかしながら、力覚センサ10が検出することが可能な力の軸成分は6つであることに限られることはなく、起歪体の個数や構造、形状に応じて、検出可能な軸成分は任意である。上述した式(4)~式(9)に含まれる係数a1~a32は、静電容量値の変化量(増大量または減少量)が比較的小さいことを示す係数である。係数a1~a32は、互いに異なり得る。
As described above, the
上述した式(4)~式(9)に係数a1~a32が含まれていることにより、各軸成分に他軸感度が発生している。しかしながら、他軸感度が発生した場合であっても、他軸感度のマトリックスの逆行列を求め、この逆行列を力覚センサの出力(特性行列)に乗じることによって補正演算を行うことができる。この結果、他軸感度を低減することができ、他軸感度の発生を無視できる程度に他軸感度を低減することができる。 Since the coefficients a1 to a32 are included in the above-described equations (4) to (9), other axis sensitivity occurs in each axis component. However, even when other-axis sensitivity occurs, correction calculation can be performed by finding the inverse matrix of the other-axis sensitivity matrix and multiplying the output (characteristic matrix) of the force sensor by this inverse matrix. As a result, the other axis sensitivity can be reduced, and the other axis sensitivity can be reduced to such an extent that the occurrence of the other axis sensitivity can be ignored.
上述したように、各起歪体30A~30Dの変位部36は、対応する第1接続部31の第2端部31bからX軸方向またはY軸方向に延びている。各変位電極基板Ed1~Ed8は、対応する変位部36の先端部36aに位置している。このことにより、受力体20に力またはモーメントが作用した場合における変位部36の先端部36aのZ軸方向の変位を大きくすることができる。このため、静電容量値の変化を大きくすることができ、検出感度を高めることができる。とりわけ、図12に示すように、受力体20に力Fxが作用した場合に、第3容量素子C3、第4容量素子C4、第7容量素子C7および第8容量素子C8の静電容量値の変化を大きくすることができ、力Fxの検出感度を高めることができる。同様に、受力体20に力Fyが作用した場合に、第1容量素子C1、第2容量素子C2、第5容量素子C5および第6容量素子C6の静電容量値の変化を大きくすることができ、力Fyの検出感度を高めることができる。
As described above, the
このように本実施の形態によれば、第1起歪体30Aの変位部36は、Z軸方向で見たときのX軸方向に交差する方向に、第1接続部31の第2端部31bから延びている。検出素子70は、変位部36の先端部36aの変位により静電容量値の変化を検出する。このことにより、力Fyが作用した場合に、変位部36の先端部36aのZ軸方向の変位を大きくすることができる。このため、静電容量値の変化を大きくすることができ、力覚センサ10の検出感度を向上させることができる。
As described above, according to the present embodiment, the
また、本実施の形態によれば、第1起歪体30Aは、第1接続部31の第1端部31aを受力体20に接続する受力体側接続部38を含んでおり、受力体側接続部38は、薄肉部40を含んでいる。薄肉部40は、X軸方向およびY軸方向に沿って形成されており、第1接続部31に接続されている。このことにより、薄肉部40は、受力体20に力またはモーメントが作用した場合に、弾性変形することができ、変位部36の先端部36aのZ軸方向の変位をより一層大きくすることができる。このため、力覚センサ10の検出感度をより一層向上させることができる。
Further, according to the present embodiment, the
また、本実施の形態によれば、検出素子70は、固定体25に設けられた固定電極基板Ef1、Ef2と、変位部36の先端部36aに設けられた、固定電極基板Ef1、Ef2に対向する変位電極基板Ed1、Ed2と、を含んでいる。このことにより、検出素子70は、変位部36の先端部36aの変位により静電容量値の変化を検出することができる。このため、検出感度を向上させた力覚センサ10を得ることができる。
Further, according to the present embodiment, the
また、本実施の形態によれば、固定電極基板Ef1、Ef2は、第1起歪体30Aの中心軸線CLに対して一方の固定体側台座33の側に位置する第1固定電極基板Ef1と、第1起歪体30Aの中心軸線CLに対して他方の固定体側台座33の側に位置する第2固定電極基板Ef2と、を含んでいる。このことにより、X軸方向の力Fxが作用した場合、第1容量素子C1の静電容量値および第2容量素子C2の静電容量値のいずれか一方を増大させることができるとともに他方を減少させることができる。このため、力Fxの作用時の出力値を、第1容量素子C1の静電容量値の変化量と第2容量素子C2の静電容量値の変化量との差分によって算出することができる。この場合、上述した外乱による影響を相殺することができる。このため、力Fxの出力値が、外乱の影響を受けることを防止でき、力覚センサ10の高性能化を図ることができる。また、図7に示すような4つの起歪体30A~30Dで受力体20と固定体25とを接続した場合に、検出可能な軸成分数を増やすことができ、6軸成分を検出することができる。
Further, according to the present embodiment, the fixed electrode substrates Ef1 and Ef2 include a first fixed electrode substrate Ef1 located on one side of the fixed
また、本実施の形態によれば、変位電極基板Ed1、Ed2は、第1起歪体30Aの中心軸線CLに対して一方の固定体側台座33の側に位置する第1変位電極基板Ed1と、第1起歪体30Aの中心軸線CLに対して他方の固定体側台座33の側に位置する第2変位電極基板Ed2と、を含んでいる。このことにより、X軸方向の力Fxが作用した場合、第1容量素子C1の静電容量値および第2容量素子C2の静電容量値のいずれか一方を増大させることができるとともに他方を減少させることができる。このため、力Fxの作用時の出力値を、第1容量素子C1の静電容量値の変化量と第2容量素子C2の静電容量値の変化量との差分によって算出することができる。この場合、上述した外乱による影響を相殺することができる。このため、力Fxの出力値が、外乱の影響を受けることを防止でき、力覚センサ10の高性能化を図ることができる。また、図7に示すような4つの起歪体30A~30Dで受力体20と固定体25とを接続した場合に、検出可能な軸成分数を増やすことができ、6軸成分を検出することができる。
Further, according to the present embodiment, the displacement electrode substrates Ed1 and Ed2 include the first displacement electrode substrate Ed1 located on the one fixed
また、本実施の形態によれば、第1起歪体30Aの変位部36は、第1起歪体30Aの第1接続部31の第2端部31bからY軸方向に延びている。このことにより、受力体20にY軸方向の力Fyが作用した場合に、変位部36の先端部36aのZ軸方向の変位をより一層大きくすることができる。このため、力Fyの検出感度をより一層向上させることができ、力覚センサ10の検出感度をより一層向上させることができる。
Further, according to the present embodiment, the
また、本実施の形態によれば、Z軸方向で見たときに、第2接続部34および第3接続部35は、X軸方向に沿って直線状に形成されている。このことにより、第1起歪体30Aの作製を容易化させることができ、力覚センサ10のコストを低減することができる。例えば、第1起歪体30Aを、1つのブロック材から機械加工で作製する場合、第1起歪体30Aを効率よく作製することができ、力覚センサ10のコスト低減に効果的に貢献することができる。
Further, according to the present embodiment, when viewed in the Z-axis direction, the second connecting
また、本実施の形態によれば、受力体20の中心Oに対してY軸方向正側に第1起歪体30Aが配置され、X軸方向負側に第2起歪体30Bが配置され、Y軸方向負側に第3起歪体30Cが配置され、X軸方向正側に第4起歪体30Dが配置されている。このことにより、Z軸方向で見たときに、第1起歪体30A~第4起歪体30Dを、受力体20の中心Oに対して環状に配置することができる。このため、任意の方向の力またはモーメントの検出精度を向上させることができ、力またはモーメントの検出精度が、力の方向またはモーメントの方向によって低下することを抑制することができる。
Further, according to the present embodiment, the
また、本実施の形態によれば、各起歪体30A~30Dの変位部36は、対応する第1接続部31の第2端部31bから、受力体20の中心に向かって延びている。このことにより、各起歪体30A~30Dのスペース効率を向上させることができ、力覚センサ10の小型化を図ることができる。
Further, according to the present embodiment, the
(変形例1)
なお、上述した本実施の形態においては、第1起歪体30Aの変位部36は、第1起歪体30Aの第1接続部31の第2端部31bからY軸方向に延びている例について説明した。しかしながら、本実施の形態は、このことに限られることはない。例えば、変位部36は、X軸方向に交差する方向であれば、X軸方向に直交するY軸方向でない方向に延びていてもよい。例えば、変位部36は、Z軸方向で見たときに、X軸方向に傾斜する方向に延びていてもよい。この場合においても、力Fyが作用した場合に、変位部36の先端部36aのZ軸方向の変位を大きくすることができる。(Modification 1)
Note that in the present embodiment described above, the
(変形例2)
また、上述した本実施の形態においては、第1固定電極基板Ef1の固定電極Efと第2固定電極基板Ef2の固定電極Efが一体化されて共通固定電極Efcが形成されている例について説明した。しかしながら、本実施の形態は、このことに限られることはない。例えば、図13に示すように、第1固定電極基板Ef1の固定電極Efと第2固定電極基板Ef2の固定電極Efは、別体に形成されて互いに離間していてもよい。この場合、第1変位電極基板Ed1の変位電極Edと第2変位電極基板Ed2の変位電極Edが一体化されて共通変位電極Edcが形成されていてもよい。固定電極基板Ef1、Ef2の固定電極Efの平面形状は、共通変位電極Edcの平面形状よりも小さくてもよい。第3固定電極基板Ef3~第8固定電極基板Ef8および第3変位電極基板Ed3~第8変位電極基板Ed8についても同様である。図13は、図4の検出素子の変形例を示す第1起歪体30Aの正面図である。(Modification 2)
Furthermore, in the present embodiment described above, an example has been described in which the fixed electrode Ef of the first fixed electrode substrate Ef1 and the fixed electrode Ef of the second fixed electrode substrate Ef2 are integrated to form the common fixed electrode Efc. . However, this embodiment is not limited to this. For example, as shown in FIG. 13, the fixed electrode Ef of the first fixed electrode substrate Ef1 and the fixed electrode Ef of the second fixed electrode substrate Ef2 may be formed separately and spaced apart from each other. In this case, the displacement electrode Ed of the first displacement electrode substrate Ed1 and the displacement electrode Ed of the second displacement electrode substrate Ed2 may be integrated to form a common displacement electrode Edc. The planar shape of the fixed electrode Ef of the fixed electrode substrates Ef1 and Ef2 may be smaller than the planar shape of the common displacement electrode Edc. The same applies to the third to eighth fixed electrode substrates Ef3 to Ef8 and the third to eighth displacement electrode substrates Ed3 to Ed8. FIG. 13 is a front view of a
図13に示す例では、第1固定電極基板Ef1の絶縁体と第2固定電極基板Ef2の絶縁体は一体化されて共通絶縁体IBfcが形成されていてもよい。しかしながら、第1固定電極基板Ef1の絶縁体と第2固定電極基板Ef2の絶縁体は、別体に形成されて互いに離間していてもよい。第3固定電極基板Ef3~第8固定電極基板Ef8についても同様である。 In the example shown in FIG. 13, the insulator of the first fixed electrode substrate Ef1 and the insulator of the second fixed electrode substrate Ef2 may be integrated to form a common insulator IBfc. However, the insulator of the first fixed electrode substrate Ef1 and the insulator of the second fixed electrode substrate Ef2 may be formed separately and spaced apart from each other. The same applies to the third fixed electrode substrate Ef3 to the eighth fixed electrode substrate Ef8.
(第2の実施の形態)
次に、図14~図18を用いて、本発明の第2の実施の形態による力覚センサについて説明する。(Second embodiment)
Next, a force sensor according to a second embodiment of the present invention will be described using FIGS. 14 to 18.
図14~図18に示す第2の実施の形態においては、Z軸方向で見たときに、固定体側接続部が円弧状に形成されている点が主に異なる。他の構成は、図1~図13に示す第1の実施の形態と略同一である。なお、図14~図18において、図1~図13に示す第1の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。図14は、第2の実施の形態による力覚センサを、受力体を省略して示す平面図である。図15は、図14に示す第1起歪体を示す正面図である。図16は、図15の第1起歪体を示す平面図である。図17は、図15の第1起歪体を示す側面図である。図18は、図15の検出素子の変形例を示す第1起歪体の平面図である。 The second embodiment shown in FIGS. 14 to 18 differs mainly in that the fixed body side connection portion is formed in an arc shape when viewed in the Z-axis direction. The other configurations are substantially the same as the first embodiment shown in FIGS. 1 to 13. Note that in FIGS. 14 to 18, the same parts as in the first embodiment shown in FIGS. 1 to 13 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. FIG. 14 is a plan view showing the force sensor according to the second embodiment, with the force receiving body omitted. FIG. 15 is a front view of the first strain body shown in FIG. 14. FIG. 16 is a plan view showing the first strain body of FIG. 15. FIG. 17 is a side view showing the first strain body of FIG. 15. FIG. 18 is a plan view of a first strain body showing a modification of the detection element shown in FIG. 15. FIG.
図14に示すように、本実施の形態による第1起歪体30Aは、Z軸方向で見たときに、円弧状に形成されている。図14~図17に示すように、変位部36は、第1接続部31の第2端部31bから、第2接続部34および第3接続部35の内側、すなわち半径方向内側に向かって延びている。
As shown in FIG. 14, the
図3に示す受力体20と同様に、図14に示す受力体20の平面形状も円形になっている。同様に、固定体25の平面形状も円形になっている。第1起歪体30Aの固定体側接続部32は、Z軸方向で見たときに、受力体20の周縁および固定体25の周縁の少なくとも一方に沿うように円弧状に形成されていてもよい。本実施の形態においては、固定体側台座33、第2接続部34および第3接続部35は、受力体20の周縁および固定体25の周縁の両方に沿うように円弧状に形成されている。第1起歪体30Aの固定体側接続部32は、受力体20の外縁と同心状に形成されている。
Similar to the
図14および図16に示すように、第1起歪体30Aの受力体側接続部38も同様に、Z軸方向で見たときに、円弧状に形成されている。受力体側接続部38は、Z軸方向で見たときに、第2接続部34および第3接続部35に重なっていてもよい。受力体側台座39および薄肉部40も受力体20の周縁および固定体25の周縁の少なくとも一方に沿うように円弧状に形成されていてもよい。
As shown in FIGS. 14 and 16, the force-receiving body
図15に示すように、第1起歪体30Aの受力体側接続部38の受力体側台座39は、固定体側台座33よりも中心軸線CLの側に位置していてもよい。より具体的には、図15に示すように、X軸方向正側に位置している受力体側台座39は、X軸方向正側に位置している固定体側台座33よりもX軸方向負側に位置している。X軸方向負側に位置している受力体側台座39は、X軸方向負側に位置している固定体側台座33よりもX軸方向正側に位置している。
As shown in FIG. 15, the force-receiving body-
図15に示すように、受力体側接続部38の薄肉部40に、第2凹部43が形成されていてもよい。第2凹部43は、薄肉部40の固定体25の側の面に形成されていてもよい。第2凹部43は、Y軸方向で見たときに、円弧状に形成されていてもよい。この場合、薄肉部40は、受力体20に力またはモーメントが作用した場合に、より一層弾性変形することができる。このため、変位部36の先端部36aのZ軸方向の変位をより一層大きくすることができる。
As shown in FIG. 15, a
第2起歪体30B~第4起歪体30Dの固定体側接続部32も、第1起歪体30Aと同様に形成されている。第2起歪体30B~第4起歪体30Dの受力体側接続部38も、第1起歪体30Aの受力体側接続部38と同様に形成されている。
The fixed body
本実施の形態では、図16に示すように、第1変位電極基板Ed1の絶縁体と第2変位電極基板Ed2の絶縁体は一体化されて共通絶縁体IBdcが形成されている。共通絶縁体IBdcの平面形状は、円形になっている。第1変位電極基板Ed1の変位電極Edと第2変位電極基板Ed2の変位電極Edは、別体に形成されて互いに離間している。変位電極Edの平面形状はそれぞれ、略半円形状に形成されていてもよい。Z軸方向で見たときに、変位電極Edの円弧状の外縁は、共通絶縁体IBdcの外縁と同心状に形成されていてもよい。しかしながら、共通絶縁体IBdcの平面形状および変位電極Edの平面形状は、任意である。 In this embodiment, as shown in FIG. 16, the insulator of the first displacement electrode substrate Ed1 and the insulator of the second displacement electrode substrate Ed2 are integrated to form a common insulator IBdc. The common insulator IBdc has a circular planar shape. The displacement electrode Ed of the first displacement electrode substrate Ed1 and the displacement electrode Ed of the second displacement electrode substrate Ed2 are formed separately and spaced apart from each other. Each of the displacement electrodes Ed may have a substantially semicircular planar shape. When viewed in the Z-axis direction, the arcuate outer edge of the displacement electrode Ed may be formed concentrically with the outer edge of the common insulator IBdc. However, the planar shape of the common insulator IBdc and the planar shape of the displacement electrode Ed are arbitrary.
固定電極基板Ef1、Ef2の絶縁体を一体化した共通絶縁体IBfc(図17参照)の平面形状は、変位電極基板Ed1、Ed2の共通絶縁体IBdcの平面形状と同様に、円形になっていてもよい。固定電極基板Ef1、Ef2の固定電極Efを一体化した共通固定電極Efc(図17参照)の平面形状も、円形になっていてもよい。しかしながら、共通絶縁体IBfcの平面形状および共通固定電極Efcの平面形状は、任意である。 The planar shape of the common insulator IBfc (see FIG. 17), which integrates the insulators of the fixed electrode substrates Ef1 and Ef2, is circular, similar to the planar shape of the common insulator IBdc of the displacement electrode substrates Ed1 and Ed2. Good too. The planar shape of the common fixed electrode Efc (see FIG. 17) that integrates the fixed electrodes Ef of the fixed electrode substrates Ef1 and Ef2 may also be circular. However, the planar shape of the common insulator IBfc and the planar shape of the common fixed electrode Efc are arbitrary.
本実施の形態による力覚センサ10において、受力体20に力またはモーメントが作用した場合における各容量素子C1~C8の静電容量値の変化は、図12に示す変化と同様である。このため、詳細な説明は省略する。
In the
このように本実施の形態によれば、第1起歪体30Aの変位部36が、Z軸方向で見たときのX軸方向に交差する方向に、第1接続部31の第2端部31bから延びている。このことにより、Z軸方向で見たときに第2接続部34および第3接続部35が円弧状に形成されている場合であっても、力Fyの作用時における変位部36の先端部36aのZ軸方向の変位を大きくすることができる。このため、静電容量値の変化を大きくすることができ、力覚センサ10の検出感度を向上させることができる。
As described above, according to the present embodiment, the
また、本実施の形態によれば、第1接続部31の第1端部31aが薄肉部40を介して受力体20に接続されている。このことにより、Z軸方向で見たときに第2接続部34および第3接続部35が円弧状に形成されている場合であっても、薄肉部40は弾性変形することができる。このため、変位部36の先端部36aのZ軸方向の変位をより一層大きくすることができ、力覚センサ10の検出感度をより一層向上させることができる。
Further, according to the present embodiment, the
また、本実施の形態によれば、Z軸方向で見たときに、受力体20および固定体25が円形状に形成され、第2接続部34および第3接続部35は、受力体20の周縁および固定体25の周縁の少なくとも一方に沿うように円弧状に形成されている。このことにより、各起歪体30A~30Dのスペース効率を向上させることができ、力覚センサ10の小型化を図ることができる。また、力覚センサ10の耐荷重を向上させることができ、力覚センサ10の信頼性を向上させることができる。
Further, according to the present embodiment, when viewed in the Z-axis direction, the
また、本実施の形態によれば、各起歪体30A~30Dの変位部36は、対応する第1接続部31の第2端部31bから、受力体20の中心に向かって延びている。このことにより、各起歪体30A~30Dのスペース効率を向上させることができ、力覚センサ10の小型化を図ることができる。
Further, according to the present embodiment, the
(変形例3)
なお、上述した本実施の形態においては、第1変位電極基板Ed1の変位電極Edと第2変位電極基板Ed2の変位電極Edが、別体に形成されて互いに離間している例について説明した。しかしながら、本実施の形態は、このことに限られることはない。例えば、図18に示すように、第1変位電極基板Ed1の変位電極Edと第2変位電極基板Ed2の変位電極Edは一体化されて共通変位電極Edcが形成されていてもよい。この場合、共通変位電極Edcの平面形状は円形であってもよい。固定電極基板Ef1、Ef2の固定電極Efは、別体に形成されていてもよい。この場合、固定電極は、図16に示す変位電極Edと同様な平面形状を有していてもよい。第3変位電極基板Ed3~第8変位電極基板Ed8および第3固定電極基板Ef3~第8固定電極基板Ef8についても同様である。図18は、図15の検出素子70の変形例を示す第1起歪体30Aの平面図である。(Modification 3)
In the present embodiment described above, an example has been described in which the displacement electrode Ed of the first displacement electrode substrate Ed1 and the displacement electrode Ed of the second displacement electrode substrate Ed2 are formed separately and spaced apart from each other. However, this embodiment is not limited to this. For example, as shown in FIG. 18, the displacement electrode Ed of the first displacement electrode substrate Ed1 and the displacement electrode Ed of the second displacement electrode substrate Ed2 may be integrated to form a common displacement electrode Edc. In this case, the planar shape of the common displacement electrode Edc may be circular. The fixed electrodes Ef of the fixed electrode substrates Ef1 and Ef2 may be formed separately. In this case, the fixed electrode may have the same planar shape as the displacement electrode Ed shown in FIG. The same applies to the third to eighth displacement electrode substrates Ed3 to Ed8 and the third to eighth fixed electrode substrates Ef3 to Ef8. FIG. 18 is a plan view of the
本発明は上記実施の形態および変形例そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施の形態および変形例に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。実施の形態および変形例に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施の形態および変形例にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。 The present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications as they are, but can be implemented by modifying the constituent elements within the scope of the invention at the implementation stage. Moreover, various inventions can be formed by appropriately combining the plurality of components disclosed in the above embodiments and modified examples. Some components may be deleted from all the components shown in the embodiments and modifications. Furthermore, components of different embodiments and modifications may be combined as appropriate.
Claims (10)
第1方向において前記第1センサ体と異なる位置に配置された第2センサ体と、
前記第1センサ体と前記第2センサ体とを接続し、前記第1センサ体が受けた力またはモーメントの作用により弾性変形する起歪体と、
前記起歪体の弾性変形により生じた変位を検出する検出素子と、
前記検出素子の検出結果に基づいて、前記第1センサ体に作用した力また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、
前記第1方向に直交する方向を第2方向とし、前記第1方向に直交するとともに前記第2方向に直交する方向を第3方向とし、
前記起歪体は、前記第1センサ体に接続された第1端部から、前記第1端部とは反対側に位置する第2端部まで前記第1方向に延びる第1接続部と、前記第1接続部の前記第2端部を前記第2センサ体に接続する第2センサ体側接続部と、を含み、
前記第2センサ体側接続部は、前記第2センサ体に接続された一対の台座であって、前記第2方向において前記第2端部の両側に位置する一対の台座と、前記第3方向で見たときに前記第2端部から一方の前記台座まで前記第2方向に延びる第2接続部と、前記第3方向で見たときに前記第2端部から他方の前記台座まで前記第2方向に延びる第3接続部と、前記第1方向で見たときに前記第2方向に交差する方向に前記第2端部から延びる変位部と、を含み、
前記検出素子は、前記変位部の先端部の変位により静電容量値の変化を検出する、
力覚センサ。a first sensor body subjected to the action of a force or moment to be detected;
a second sensor body disposed at a different position from the first sensor body in a first direction;
a strain-generating body that connects the first sensor body and the second sensor body and is elastically deformed by the action of a force or moment received by the first sensor body;
a detection element that detects displacement caused by elastic deformation of the strain body;
a detection circuit that outputs an electric signal indicating a force or moment acting on the first sensor body based on a detection result of the detection element;
Equipped with
A direction perpendicular to the first direction is a second direction, a direction perpendicular to the first direction and perpendicular to the second direction is a third direction,
The strain body includes a first connecting portion extending in the first direction from a first end connected to the first sensor body to a second end located on the opposite side of the first end; a second sensor body side connection part that connects the second end of the first connection part to the second sensor body,
The second sensor body side connection part is a pair of pedestals connected to the second sensor body, and includes a pair of pedestals located on both sides of the second end in the second direction, and a pair of pedestals located on both sides of the second end in the second direction. a second connecting portion extending in the second direction from the second end to one of the pedestals when viewed; and a second connecting portion extending from the second end to the other pedestal when viewed in the third direction; a third connecting portion extending in the direction; and a displacement portion extending from the second end in a direction intersecting the second direction when viewed in the first direction,
The detection element detects a change in capacitance value based on displacement of the tip of the displacement part.
Force sensor.
前記第1センサ体側接続部は、前記第2方向および前記第3方向に沿って形成された薄肉部であって、前記第1接続部の前記第1端部に接続された薄肉部を含む、
請求項1に記載の力覚センサ。The strain body includes a first sensor body side connection part that connects the first end of the first connection part to the first sensor body,
The first sensor body side connection part is a thin part formed along the second direction and the third direction, and includes a thin part connected to the first end of the first connection part.
The force sensor according to claim 1.
請求項1に記載の力覚センサ。The detection element includes a fixed electrode substrate provided on the second sensor body, and a displacement electrode substrate provided at the tip of the displacement portion and facing the fixed electrode substrate.
The force sensor according to claim 1.
請求項3に記載の力覚センサ。The fixed electrode substrate includes a first fixed electrode substrate located on one side of the pedestal with respect to the central axis of the flexure-generating body, and a first fixed electrode substrate located on the other side of the pedestal with respect to the central axis of the flexure-generating body. a second fixed electrode substrate,
The force sensor according to claim 3.
請求項3に記載の力覚センサ。The displacement electrode substrate includes a first displacement electrode substrate located on one side of the pedestal with respect to the central axis of the strain-generating body, and a first displacement electrode substrate located on the other side of the pedestal with respect to the central axis of the strain-generating body. a second displacement electrode substrate;
The force sensor according to claim 3.
請求項1に記載の力覚センサ。The displacement portion extends in the third direction from the second end of the first connection portion.
The force sensor according to claim 1.
請求項1に記載の力覚センサ。When viewed in the first direction, the second sensor body side connection portion is formed in a straight line along the second direction.
The force sensor according to claim 1.
前記第1方向で見たときに、前記第2センサ体側接続部は、前記第1センサ体の周縁および前記第2センサ体の周縁の少なくとも一方に沿うように円弧状に形成されている、
請求項1に記載の力覚センサ。When viewed in the first direction, the first sensor body and the second sensor body are formed in a circular shape,
When viewed in the first direction, the second sensor body side connection portion is formed in an arc shape along at least one of a peripheral edge of the first sensor body and a peripheral edge of the second sensor body.
The force sensor according to claim 1.
4つの前記起歪体は、第1起歪体と、第2起歪体と、第3起歪体と、第4起歪体と、を含み、
前記第1方向をXYZ三次元座標系におけるZ軸方向とし、
前記第1センサ体の中心に対してY軸方向正側に前記第1起歪体が配置され、前記第1センサ体の中心に対してX軸方向負側に前記第2起歪体が配置され、前記第1センサ体の中心に対してY軸方向負側に前記第3起歪体が配置され、前記第1センサ体の中心に対してX軸方向正側に前記第4起歪体が配置されている、
請求項1に記載の力覚センサ。The first sensor body and the second sensor body are connected by the four strain bodies,
The four flexure bodies include a first flexure body, a second flexure body, a third flexure body, and a fourth flexure body,
The first direction is the Z-axis direction in an XYZ three-dimensional coordinate system,
The first strain body is arranged on the positive side in the Y-axis direction with respect to the center of the first sensor body, and the second strain body is arranged on the negative side in the X-axis direction with respect to the center of the first sensor body. The third strain-generating body is arranged on the negative side in the Y-axis direction with respect to the center of the first sensor body, and the fourth strain-generating body is arranged on the positive side in the X-axis direction with respect to the center of the first sensor body. is located,
The force sensor according to claim 1.
請求項9に記載の力覚センサ。The displacement portion extends from the second end of the corresponding first connection portion toward the center of the first sensor body.
The force sensor according to claim 9.
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