JP7432976B1 - force sensor - Google Patents
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Abstract
【課題】小型化を図ることができる力覚センサを提供する。
【解決手段】本発明による起歪体は、第1センサ体に接続された第1接続構造部と、第1センサ体に接続された第2接続構造部と、第1接続構造部および第2接続構造部を第2センサ体に接続する第3接続構造部と、を含んでいる。検出素子は、第2センサ体に設けられた固定電極基板と、第2接続構造部と共に変位する変位電極基板と、を含んでいる。第1方向で見たときに、各々の起歪体は、第1センサ体の中心に対する周方向において異なる位置に配置されている。第1センサ体の中心から外側に向かう方向に第2方向が沿うように起歪体が配置されている。
【選択図】図3
An object of the present invention is to provide a force sensor that can be miniaturized.
A strain-generating body according to the present invention includes a first connection structure connected to a first sensor body, a second connection structure connected to the first sensor body, a first connection structure and a second connection structure. and a third connection structure that connects the connection structure to the second sensor body. The detection element includes a fixed electrode substrate provided on the second sensor body and a displacement electrode substrate that is displaced together with the second connection structure. When viewed in the first direction, each strain-generating body is arranged at a different position in the circumferential direction with respect to the center of the first sensor body. The strain-generating body is arranged so that the second direction extends outward from the center of the first sensor body.
[Selection diagram] Figure 3
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(またはトルク)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。ロボットの普及により、力覚センサの市場規模が拡大している。 2. Description of the Related Art Force sensors are known that output a force acting in a predetermined axial direction and a moment (or 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. With the spread of robots, the market size of force sensors is expanding.
力覚センサは、ロボットアームとエンドエフェクター(またはグリッパー等)との間に配置され、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 (or gripper, etc.) and detects a 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.
上述したように、力覚センサは、ロボットアームとエンドエフェクターとの間に配置されることから、小型化されることが求められている。 As described above, since the force sensor is disposed between the robot arm and the end effector, it is required to be miniaturized.
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、小型化を図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 be miniaturized.
[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センサ体とは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複数の起歪体と、
前記起歪体の弾性変形により生じた変位により静電容量値の変化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、
前記起歪体は、前記第1センサ体に接続された第1接続構造部と、前記第1センサ体に接続された第2接続構造部であって、前記第1方向に直交する第2方向において前記第1接続構造部とは異なる位置に配置された第2接続構造部と、前記第1接続構造部および前記第2接続構造部を前記第2センサ体に接続する第3接続構造部であって、前記第2方向において前記第1接続構造部と前記第2接続構造部との間に配置された第3接続構造部と、を含み、
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、前記第2接続構造部と共に変位する、前記固定電極基板に対向する変位電極基板と、を含み、
前記第1方向で見たときに、各々の前記起歪体は、前記第1センサ体の中心に対する周方向において異なる位置に配置され、
前記第1センサ体の前記中心から外側に向かう方向に前記第2方向が沿うように前記起歪体が配置されている、
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 the first direction;
a plurality of strain-generating bodies connecting the first sensor body and the second sensor body and elastically deforming due to the action of force or moment received by the first sensor body;
a detection element that detects a change in capacitance value due to a 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
The strain body includes a first connection structure connected to the first sensor body and a second connection structure connected to the first sensor body, and the strain body is arranged in a second direction perpendicular to the first direction. a second connection structure disposed at a different position from the first connection structure; and a third connection structure that connects the first connection structure and the second connection structure to the second sensor body. and a third connection structure disposed between the first connection structure and the second connection structure in the second direction,
The detection element includes a fixed electrode substrate provided on the second sensor body, and a displacement electrode substrate that is displaced together with the second connection structure and faces the fixed electrode substrate,
When viewed in the first direction, each of the strain-generating bodies is arranged at a different position in a circumferential direction with respect to the center of the first sensor body,
the strain-generating body is arranged such that the second direction is along a direction outward from the center of the first sensor body;
It may also be a force sensor.
[2]本開示は、
前記変位電極基板は、前記第1方向および前記第2方向のそれぞれに直交する第3方向において、前記起歪体の中心軸線に対して一側に配置された一側変位電極基板と、前記中心軸線に対して他側に配置された他側変位電極基板と、を含んでいる、
[1]に記載の力覚センサであってもよい。
[2] This disclosure includes:
The displacement electrode substrate includes, in a third direction orthogonal to each of the first direction and the second direction, a one-side displacement electrode substrate disposed on one side with respect to the central axis of the flexure element; an other side displacement electrode substrate disposed on the other side with respect to the axis;
The force sensor described in [1] may be used.
[3]本開示は、
前記第1方向で見たときに、各々の前記起歪体の前記第2接続構造部は、対応する前記第1接続構造部よりも前記第1センサ体の前記中心に近い位置に配置されている、
[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:
When viewed in the first direction, the second connection structure of each strain-generating body is located closer to the center of the first sensor body than the corresponding first connection structure. There is,
The force sensor described in [1] or [2] may be used.
[4]本開示は、
前記第1方向で見たときに、各々の前記起歪体の前記第2方向は、前記第1センサ体の前記中心に対して放射状に配置されている、
[1]~[3]のいずれかに記載の力覚センサであってもよい。
[4] This disclosure includes:
When viewed in the first direction, the second direction of each of the strain-generating bodies is arranged radially with respect to the center of the first sensor body.
The force sensor described in any one of [1] to [3] may be used.
[5]本開示は、
前記第1センサ体と前記第2センサ体は、4つの前記起歪体により接続されている、
[1]~[4]のいずれかに記載の力覚センサであってもよい。
[5] This disclosure includes:
The first sensor body and the second sensor body are connected by the four strain bodies,
The force sensor described in any one of [1] to [4] may be used.
[6]本開示は、
前記第2接続構造部は、前記第1センサ体から前記第2センサ体に向かって延びる第21接続部と、前記第3接続構造部と前記第21接続部とを接続する第22接続部と、を含み、
前記一側変位電極基板および前記他側変位電極基板は、前記第21接続部の前記第2センサ体に対向する面に接続されている、
[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 second connection structure includes a 21st connection part extending from the first sensor body toward the second sensor body, and a 22nd connection part that connects the third connection structure and the 21st connection part. , including;
The one-side displacement electrode substrate and the other-side displacement electrode substrate are connected to a surface of the 21st connection portion facing the second sensor body.
The force sensor described in any one of [1] to [5] may be used.
[7]本開示は、
前記起歪体は、前記第2接続構造部の前記第2センサ体に対向する面に接続された変位部を含み、
前記一側変位電極基板および前記他側変位電極基板は、前記変位部の前記第2センサ体に対向する面に接続されている、
[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:
The strain body includes a displacement part connected to a surface of the second connection structure facing the second sensor body,
the one-side displacement electrode substrate and the other-side displacement electrode substrate are connected to a surface of the displacement section facing the second sensor body;
The force sensor described in any one of [1] to [6] may be used.
[8]本開示は、
前記第1接続構造部は、前記第1センサ体から前記第2センサ体に向かって延びる第11接続部と、前記第3接続構造部と前記第11接続部とを接続する第12接続部と、を含み、
前記第2接続構造部は、前記第1センサ体から前記第2センサ体に向かって延びる第21接続部と、前記第3接続構造部と前記第21接続部とを接続する第22接続部と、を含み、
前記第11接続部および前記第21接続部は、前記第1方向に延び、
前記第12接続部および前記第22接続部は、前記第2方向に延びている、
[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:
The first connection structure includes an eleventh connection part extending from the first sensor body toward the second sensor body, and a twelfth connection part connecting the third connection structure and the eleventh connection part. , including;
The second connection structure includes a 21st connection part extending from the first sensor body toward the second sensor body, and a 22nd connection part that connects the third connection structure and the 21st connection part. , including;
The eleventh connection part and the twenty-first connection part extend in the first direction,
the twelfth connecting portion and the twenty-second connecting portion extend in the second direction;
The force sensor described in any one of [1] to [7] may be used.
[9]本開示は、
前記一側変位電極基板と前記起歪体の前記中心軸線との前記第2方向の距離は、前記一側変位電極基板と前記起歪体の前記中心軸線との前記第3方向の距離よりも大きい、
[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 distance in the second direction between the one-side displacement electrode substrate and the central axis of the strain-generating body is longer than the distance in the third direction between the one-side displacement electrode substrate and the central axis of the strain-generating body. big,
The force sensor described in any one of [1] to [8] may be used.
[10]本開示は、
前記第2接続構造部のばね定数は、前記第1接続構造部のばね定数よりも小さい、
[1]~[9]のいずれかに記載の力覚センサであってもよい。
[10] The present disclosure includes:
a spring constant of the second connection structure is smaller than a spring constant of the first connection structure;
The force sensor described in any one of [1] to [9] may be used.
[11]本開示は、
前記一側変位電極基板および前記他側変位電極基板は、前記第1方向で見たときに、前記第2接続構造部から前記第1センサ体の前記中心に向かって突出している、
[1]~[10]のいずれかに記載の力覚センサであってもよい。
[11] This disclosure includes:
The one-side displacement electrode substrate and the other-side displacement electrode substrate protrude from the second connection structure toward the center of the first sensor body when viewed in the first direction.
The force sensor described in any one of [1] to [10] may be used.
[12]本開示は、
前記第1接続構造部は、前記起歪体に作用する力を緩衝する第1緩衝構造部を含んでいる、
[1]~[11]のいずれかに記載の力覚センサであってもよい。
[12] This disclosure includes:
The first connection structure includes a first buffer structure that buffers the force acting on the strain body.
The force sensor described in any one of [1] to [11] may be used.
[13]本開示は、
前記第1接続構造部と前記第2接続構造部との間に空間部が形成され、
前記第3方向で見たときに、前記第2方向において前記第2接続構造部とは反対側に前記空間部が膨出するように前記第1緩衝構造部が形成されている、
[12]に記載の力覚センサであってもよい。
[13] This disclosure includes:
A space is formed between the first connection structure and the second connection structure,
When viewed in the third direction, the first buffer structure is formed such that the space bulges on a side opposite to the second connection structure in the second direction.
The force sensor described in [12] may be used.
[14]本開示は、
前記第3方向で見たときに、前記空間部が、前記第1方向において前記第2センサ体に向かって膨出するとともに前記第2方向において前記第2接続構造部とは反対側に膨出するように前記第1緩衝構造部が形成されている、
[13]に記載の力覚センサであってもよい。
[14] This disclosure includes:
When viewed in the third direction, the space portion bulges toward the second sensor body in the first direction and bulges out in the second direction on a side opposite to the second connection structure portion. the first buffer structure is formed so as to
The force sensor described in [13] may be used.
[15]本開示は、
前記第2接続構造部は、前記起歪体に作用する力を緩衝する第2緩衝構造部を含んでいる、
[1]~[14]のいずれかに記載の力覚センサであってもよい。
[15] This disclosure includes:
The second connection structure includes a second buffer structure that buffers the force acting on the strain body.
The force sensor described in any one of [1] to [14] may be used.
[16]本開示は、
前記第1接続構造部と前記第2接続構造部との間に空間部が形成され、
前記第3方向で見たときに、前記空間部が、前記第2方向において前記第1接続構造部とは反対側に前記空間部が膨出するように前記第2緩衝構造部が形成されている、
[15]に記載の力覚センサであってもよい。
[16] This disclosure includes:
A space is formed between the first connection structure and the second connection structure,
The second buffer structure is formed such that, when viewed in the third direction, the space bulges out on a side opposite to the first connection structure in the second direction. There is,
The force sensor described in [15] may be used.
[17]本開示は、
前記第3接続構造部のばね定数は、前記第1接続構造部のばね定数および前記第2接続構造部のばね定数よりも大きい、
[1]~[16]のいずれかに記載の力覚センサであってもよい。
[17] This disclosure includes:
A spring constant of the third connection structure is larger than a spring constant of the first connection structure and a spring constant of the second connection structure.
The force sensor described in any one of [1] to [16] may be used.
本発明によれば、力覚センサの小型化を図ることができる。 According to the present invention, it is possible to downsize the force sensor.
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12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 12.
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7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起歪体を示す側面図であり、図6は、図4の第1起歪体を示す平面図である。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。
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、4つの起歪体30A~30Dは、受力体20の中心Oに対する周方向において互いに異なる位置に配置されている。受力体20の中心Oから外側に向かう方向に、後述する第2方向が沿うように各々の起歪体30A~30Dが配置されている。
As shown in FIG. 3, when viewed in the Z-axis direction, the four
図3に示すように、Z軸方向で見たときに、各々の起歪体30A~30Dの第2方向(後述)は、受力体20の中心Oに対して放射状に配置されていてもよい。各々の起歪体30A~30Dは、第2方向が、受力体20の中心Oに対する半径方向に沿うように配置されていてもよい。4つの起歪体30A~30Dは、Z軸方向で見たときに、受力体20の中心Oに対する周方向において、均等に配置されていてもよい。例えば、Z軸方向で見たときに、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が配置されていてもよい。同様に、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が配置されていてもよい。
As shown in FIG. 3, when viewed in the Z-axis direction, the second direction (described later) of each strain-generating
より具体的には、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。この場合、第1起歪体30Aの第2方向は、Y軸方向に沿っており、第1起歪体30Aは、Y軸方向に沿って直線状に形成されている。同様に、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。この場合、第2起歪体30Bの第2方向は、X軸方向に沿っており、第2起歪体30Bは、X軸方向に沿って直線状に形成されている。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。この場合、第3起歪体30Cの第2方向は、Y軸方向に沿っており、第3起歪体30Cは、Y軸方向に沿って直線状に形成されている。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4起歪体30Dの第2方向は、X軸方向に沿っており、第4起歪体30Dは、X軸方向に沿って直線状に形成されている。
More specifically, as shown in FIG. 3, even if the
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、受力体20の中心Oから外側に向かう方向に沿っていれば、X軸方向にもY軸方向にも沿っていなくてもよい。
Note that the second direction of each
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。
The number of strain bodies connecting 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、Y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。X軸方向は第1起歪体30Aの第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説明は省略する。
The strain-generating
次に、第1起歪体30Aについて、より詳細に説明する。図4~図6に示すように、第1起歪体30Aは、第1接続構造部31と、第2接続構造部32と、第3接続構造部33と、を含んでいる。
Next, the
図5に示すように、第1接続構造部31は、受力体20に接続されている。第1接続構造部31は、X軸方向で見たときに、L字状に形成されていてもよい。第1接続構造部31は、第11接続部34と、第12接続部35と、を含んでいてもよい。第1接続構造部31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可能であってもよい。
As shown in FIG. 5, the first
第11接続部34は、受力体20から固定体25に向かって延びている。第11接続部34は、Z軸方向に延びていてもよい。第11接続部34は、固定体25の側に位置する第1接続端部36を含んでいる。第1接続端部36は、固定体25に対向している。
The eleventh connecting
第12接続部35は、第3接続構造部33と第11接続部34とを接続している。第12接続部35は、Z軸方向に直交するY軸方向に延びていてもよい。第12接続部35は、第1接続端部36からY軸方向に延びている。
The
第2接続構造部32は、受力体20に接続されている。第2接続構造部32は、X軸方向で見たときに、L字状に形成されていてもよい。第2接続構造部32は、Y軸方向において第1接続構造部31とは異なる位置に配置されている。第2接続構造部32は、第1接続構造部31よりもY軸方向負側に配置されていてもよい。第2接続構造部32は、X軸方向において、第1接続構造部31と同じ位置に配置されていてもよい。この場合、第1接続構造部31および第2接続構造部32は、Y軸方向に沿うように配置されている。第2接続構造部32は、第21接続部37と、第22接続部38と、を含んでいてもよい。第2接続構造部32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可能であってもよい。
The second
第21接続部37は、受力体20から固定体25に向かって延びている。第21接続部37は、Z軸方向に延びていてもよい。第21接続部37は、固定体25の側に位置する第2接続端部39を含んでいる。第2接続端部39は、変位部41、第1容量素子C1および第2容量素子C2が無い状態では固定体25に対向している。
The 21st connecting
第22接続部38は、第3接続構造部33と第21接続部37とを接続している。第22接続部38は、Z軸方向に直交するY軸方向に延びていてもよい。第22接続部38は、第2接続端部39からY軸方向に延びている。第22接続部38は、上述した第12接続部35と一直線状に形成されていてもよい。
The
第3接続構造部33は、第1接続構造部31および第2接続構造部32を固定体25に接続している。第3接続構造部33は、Z軸方向に延びていてもよい。第3接続構造部33は、Y軸方向において第1接続構造部31と第2接続構造部32との間に配置されている。第3接続構造部33は、図5に示すように、第1起歪体30Aの中心軸線CLに重なる位置に配置されていてもよい。中心軸線CLは、X軸方向およびY軸方向における第1起歪体30Aの中心を通ってZ軸方向に延びる線である。第3接続構造部33は、X軸方向において、第1接続構造部31および第2接続構造部32と同じ位置に配置されていてもよい。この場合、第1接続構造部31、第2接続構造部32および第3接続構造部33は、Y軸方向に沿うように配置されている。第3接続構造部33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可能であってもよい。
The
第3接続構造部33は、受力体20の側に位置する第3接続端部40を含んでいる。第3接続端部40は、受力体20に対向している。第3接続端部40から、上述した第12接続部35および第22接続部38がそれぞれY軸方向に延びていてもよい。第1起歪体30Aについては、第3接続端部40からY軸方向正側に第12接続部35が延び、Y軸方向負側に第22接続部38が延びている。
The third
第1起歪体30Aは、変位部41を更に含んでいてもよい。図5に示すように、変位部41は、X軸方向で見たときに、第1起歪体30Aの中心軸線CLに対して一側に配置されていてもよい。変位部41は、第1起歪体30Aの中心軸線CLに対してY軸方向負側に配置されていてもよい。
The
変位部41は、第2接続構造部32に接続されていてもよい。変位部41は、第2接続構造部32の固定体25に対向する面に接続されていてもよい。変位部41は、第2接続構造部32の第21接続部37に接続されていてもよい。より具体的には、変位部41は、第21接続部37の第2接続端部39に接続されていてもよい。第2接続端部39の固定体25に対向する面(図5における第2接続端部39の下面に相当)に変位部41が接続されていてもよい。変位部41は、Z軸方向の厚みを有していてもよい。このことにより、変位部41の固定体25に対向する面を、第2接続端部39の固定体25に対向する面よりも固定体25に近づけることができる。しかしながら、変位部41は、第22接続部38の固定体25に対向する面に接続されていてもよい。
The
上述のように構成された各々の起歪体30Aのうち、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。上述した変位部41は、第2接続構造部32に別部品として取り付けられていてもよく、または第2接続構造部品32と連続する材料で一体に形成されていてもよい。
Among the strain-generating
図3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、受力体20の中心Oに対してY軸方向正側に配置されている。第1起歪体30Aの第2方向は、Y軸方向に沿っている。第1起歪体30Aの第2接続構造部32は、第1起歪体30Aの第1接続構造部31よりも受力体20の中心Oに近い位置に配置されている。言い換えると、第2接続構造部32は、第1接続構造部31よりも受力体20の半径方向内側であって、第1接続構造部31よりもY軸方向負側に配置されている。このことにより、第1起歪体30Aの変位部41は、受力体20の半径方向内側に配置されている。
As shown in FIG. 3, the
本実施の形態による第2起歪体30Bは、Z軸方向で見たときに、受力体20の中心Oに対してX軸方向負側に配置されている。第2起歪体30Bの第2方向は、X軸方向に沿っている。第2起歪体30Bの第2接続構造部32は、第2起歪体30Bの第1接続構造部31よりも受力体20の中心Oに近い位置に配置されている。言い換えると、第2接続構造部32は、第1接続構造部31よりも受力体20の半径方向内側であって、第1接続構造部31よりもX軸方向正側に配置されている。このことにより、第2起歪体30Bの変位部41は、受力体20の半径方向内側に配置されている。
The
本実施の形態による第3起歪体30Cは、Z軸方向で見たときに、受力体20の中心Oに対してY軸方向負側に配置されている。第3起歪体30Cの第2方向は、Y軸方向に沿っている。第3起歪体30Cの第2接続構造部32は、第3起歪体30Cの第1接続構造部31よりも受力体20の中心Oに近い位置に配置されている。言い換えると、第2接続構造部32は、第1接続構造部31よりも受力体20の半径方向内側であって、第1接続構造部31よりもY軸方向正側に配置されている。このことにより、第3起歪体30Cの変位部41は、受力体20の半径方向内側に配置されている。
The
本実施の形態による第4起歪体30Dは、Z軸方向で見たときに、受力体20の中心Oに対してX軸方向正側に配置されている。第4起歪体30Dの第2方向は、X軸方向に沿っている。第4起歪体30Dの第2接続構造部32は、第4起歪体30Dの第1接続構造部31よりも受力体20の中心Oに近い位置に配置されている。言い換えると、第2接続構造部32は、第1接続構造部31よりも受力体20の半径方向内側であって、第1接続構造部31よりもX軸方向負側に配置されている。このことにより、第4起歪体30Dの変位部41は、受力体20の半径方向内側に配置されている。
The
次に、本実施の形態による検出素子70について説明する。
Next, the
検出素子70は、上述した各々の起歪体30A~30D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、固定体25に設けられた固定電極基板と、各々の起歪体30A~30Dの第2接続構造部32と共に変位する変位電極基板と、を含んでいてもよい。本実施の形態による検出素子70は、第1容量素子C1~第8容量素子C8を含んでいてもよい。各容量素子C1~C8は、固定電極基板と変位電極基板とにより構成されていてもよい。
The
図4~図6に示すように、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の第2接続構造部32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~図6に示す第1起歪体30A用の容量素子である。
As shown in FIGS. 4 to 6, the first capacitive element C1 and the second capacitive element C2 each detect a change in capacitance value based on the displacement of the second
第1起歪体30Aの第2接続構造部32と共に変位する変位電極基板は、第1変位電極基板Ed1と、第2変位電極基板Ed2と、を含んでいてもよい。一側変位電極基板および他側変位電極基板の一方の例が第1変位電極基板Ed1であり、他方の例が第2変位電極基板Ed2である。第1起歪体30A用の固定電極基板は、第1固定電極基板Ef1と、第2固定電極基板Ef2と、を含んでいてもよい。
The displacement electrode substrate that is displaced together with the second
図4~図6に示す例においては、第1容量素子C1は、第1固定電極基板Ef1と、第1変位電極基板Ed1と、により構成されている。第2容量素子C2は、第2固定電極基板Ef2と、第2変位電極基板Ed2と、により構成されている。本実施の形態においては、第1変位電極基板Ed1および第2変位電極基板Ed2は、第1起歪体30Aの変位部41に設けられている。第1固定電極基板Ef1および第2固定電極基板Ef2は、固定体25に設けられている。
In the examples shown in FIGS. 4 to 6, the first capacitive element C1 includes a first fixed electrode substrate Ef1 and a first displacement electrode substrate Ed1. The second capacitive element C2 includes a second fixed electrode substrate Ef2 and a second displacement electrode substrate Ed2. In this embodiment, the first displacement electrode substrate Ed1 and the second displacement electrode substrate Ed2 are provided in the
図4および図6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X軸方向正側に配置されている。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軸方向負側に配置されている。
As shown in FIGS. 4 and 6, the first fixed electrode substrate Ef1 is arranged on the positive side in the X-axis direction with respect to the central axis CL of the
図4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の固定電極と、第2固定電極基板Ef2の固定電極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。しかしながら、第1固定電極基板Ef1と第2固定電極基板Ef2は、別体に形成されていてもよい。この場合、第1固定電極基板Ef1の固定電極と第2固定電極基板Ef2の固定電極が別体に形成されて互いに離間していてもよい。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いてもよく、あるいは一体化されて共通絶縁体IBfcが形成されていてもよい。
As shown in FIG. 4, the first fixed electrode substrate Ef1 and the second fixed electrode substrate Ef2 may be integrated. More specifically, the fixed electrode of the first fixed electrode substrate Ef1 and the fixed electrode of the second fixed electrode substrate Ef2 are integrated to form the common fixed electrode Efc. The insulator of the first fixed electrode substrate Ef1 and the insulator of the second fixed electrode substrate Ef2 are integrated to form a common insulator IBfc. The common insulator IBfc may be joined to the fixed
図4および図6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X軸方向正側に配置されている。第1変位電極基板Ed1は、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、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。第2変位電極基板Ed2は、上述した第2固定電極基板Ef2に対向している。第1変位電極基板Ed1および第2変位電極基板Ed2は、第2接続構造部32の上述した変位部41に接続されていてもよく、変位部41の固定体25に対向する面(図5における変位部41の下面に相当)に接続されていてもよい。
As shown in FIGS. 4 and 6, the first displacement electrode substrate Ed1 is arranged on the positive side in the X-axis direction with respect to the central axis CL of the
図4に示すように、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の固定電極に対向し、第2変位電極基板Ed2の変位電極は、第2固定電極基板Ef2の固定電極に対向している。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41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41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41に接合されていてもよい。共通絶縁体IBdcと変位部41との間に、図示しない支持板が介在されていてもよい。後述するように、第1変位電極基板Ed1および第2変位電極基板Ed2がFPC基板で構成されている場合には、支持板によって第1変位電極基板Ed1および第2変位電極基板Ed2を支持してもよい。
As shown in FIG. 4, the first displacement electrode substrate Ed1 and the second displacement electrode substrate Ed2 each include a displacement electrode Ed and an insulator. The displacement electrodes Ed of the first displacement electrode substrate Ed1 are opposed to the fixed electrodes of the first fixed electrode substrate Ef1, and the displacement electrodes of the second displacement electrode substrate Ed2 are opposed to the fixed electrodes of the second fixed electrode substrate Ef2. . 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
図3~図7に示すように、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起歪体30Aの第3接続構造部33に対してY軸方向負側に配置されている。
As shown in FIGS. 3 to 7, the first capacitive element C1 and the second capacitive element C2 are arranged at the same position in the Y-axis direction. That is, 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 third
図6に示すように、Y軸方向距離L2は、X軸方向距離L1よりも大きくてもよい。X軸方向距離L1は、第1変位電極基板Ed1の中心と第1起歪体30Aの中心軸線CLとのX軸方向距離である。第1変位電極基板Ed1の中心と中心軸線CLとのX軸方向距離は、第2変位電極基板Ed2の中心と中心軸線CLとのX軸方向距離と等しくてもよい。Y軸方向距離L2は、第1変位電極基板Ed1の中心と第1起歪体30Aの中心軸線CLとのY軸方向距離である。第1変位電極基板Ed1の中心と中心軸線CLとのY軸方向距離は、第2変位電極基板Ed2の中心と中心軸線CLとのY軸方向距離と等しくてもよい。図6においては、中心軸線CLは、点として示されている。
As shown in FIG. 6, the distance L2 in the Y-axis direction may be larger than the distance L1 in the X-axis direction. The distance L1 in the X-axis direction is the distance in the X-axis direction between the center of the first displacement electrode substrate Ed1 and the central axis CL of the
本実施の形態では、固定電極基板Ef1、Ef2の固定電極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 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。第2接続構造部32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、変位電極基板Ed1~Ed8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、ポリイミドフィルム、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。絶縁体上に、上述した固定電極または変位電極を構成する金属薄膜が形成されている。 The insulator may be made of an insulating material such as polyimide film, glass epoxy resin, or ceramic. A metal thin film constituting the above-mentioned fixed electrode or displacement electrode is formed on the insulator.
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、共通固定電極Efcを検出回路75に接続する配線を含んでいてもよい。変位電極基板Ed1、Ed2は、同様にFPC基板で構成されていてもよい。この場合には、変位電極基板Ed1、Ed2に相当する部分が変位部41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 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 forming electrodes and wiring is formed on 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、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の第2接続構造部32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 third capacitive element C3 and the fourth capacitive element C4 each detect a change in capacitance value based on the displacement of the second
第2起歪体30Bの第2接続構造部32と共に変位する変位電極基板は、第3変位電極基板Ed3と、第4変位電極基板Ed4と、を含んでいてもよい。一側変位電極基板および他側変位電極基板の一方の例が第3変位電極基板Ed3であり、他方の例が第4変位電極基板Ed4である。第2起歪体30B用の固定電極基板は、第3固定電極基板Ef3と、第4固定電極基板Ef4と、を含んでいてもよい。
The displacement electrode substrate that is displaced together with the second
図7に示すように、第3容量素子C3は、第3固定電極基板Ef3と、第3変位電極基板Ed3と、により構成されている。第4容量素子C4は、第4固定電極基板Ef4と、第4変位電極基板Ed4と、により構成されている。本実施の形態においては、第3変位電極基板Ed3および第4変位電極基板Ed4は、第2起歪体30Bの変位部41に設けられている。第3固定電極基板Ef3および第4固定電極基板Ef4は、固定体25に設けられている。
As shown in FIG. 7, the third capacitive element C3 includes a third fixed electrode substrate Ef3 and a third displacement electrode substrate Ed3. The fourth capacitive element C4 includes a fourth fixed electrode substrate Ef4 and a fourth displacement electrode substrate Ed4. In this embodiment, the third displacement electrode substrate Ed3 and the fourth displacement electrode substrate Ed4 are provided in the
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軸方向正側に配置されている。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軸方向負側に配置されている。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 arranged 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軸方向正側に配置されている。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軸方向負側に配置されている。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 arranged on the positive side in the Y-axis direction with respect to the central axis CL of the
図3および図7に示すように、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、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2起歪体30Bの第3接続構造部33に対してX軸方向正側に配置されている。
As shown in FIGS. 3 and 7, the third capacitive element C3 and the fourth capacitive element C4 are arranged at the same position in the X-axis direction. That is, 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 third
また、図3に示すように、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の第2接続構造部32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 fifth capacitive element C5 and the sixth capacitive element C6 each detect a change in capacitance value based on the displacement of the second
第3起歪体30Cの第2接続構造部32と共に変位する変位電極基板は、第5変位電極基板Ed5と、第6変位電極基板Ed6と、を含んでいてもよい。一側変位電極基板および他側変位電極基板の一方の例が第5変位電極基板Ed5であり、他方の例が第6変位電極基板Ed6である。第3起歪体30C用の固定電極基板は、第5固定電極基板Ef5と、第6固定電極基板Ef6と、を含んでいてもよい。
The displacement electrode substrate that is displaced together with the second
図7に示すように、第5容量素子C5は、第5固定電極基板Ef5と、第5変位電極基板Ed5と、により構成されている。第6容量素子C6は、第6固定電極基板Ef6と、第6変位電極基板Ed6と、により構成されている。本実施の形態においては、第5変位電極基板Ed5および第6変位電極基板Ed6は、第3起歪体30Cの変位部41に設けられている。第5固定電極基板Ef5および第6固定電極基板Ef6は、固定体25に設けられている。
As shown in FIG. 7, the fifth capacitive element C5 includes a fifth fixed electrode substrate Ef5 and a fifth displacement electrode substrate Ed5. The sixth capacitive element C6 includes a sixth fixed electrode substrate Ef6 and a sixth displacement electrode substrate Ed6. In this embodiment, the fifth displacement electrode substrate Ed5 and the sixth displacement electrode substrate Ed6 are provided in the
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軸方向負側に配置されている。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軸方向正側に配置されている。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 arranged 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軸方向負側に配置されている。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軸方向正側に配置されている。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 arranged on the negative side in the X-axis direction with respect to the central axis CL of the
図3および図7に示すように、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、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3起歪体30Cの第3接続構造部33に対してY軸方向正側に配置されている。
As shown in FIGS. 3 and 7, the fifth capacitive element C5 and the sixth capacitive element C6 are arranged at the same position in the Y-axis direction. That is, the displacement electrode Ed of the fifth displacement electrode substrate Ed5 and the displacement electrode 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 third
また、図3に示すように、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の第2接続構造部32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 seventh capacitive element C7 and the eighth capacitive element C8 each detect a change in capacitance value based on the displacement of the second
第4起歪体30Dの第2接続構造部32と共に変位する変位電極基板は、第7変位電極基板Ed7と、第8変位電極基板Ed8と、を含んでいてもよい。一側変位電極基板および他側変位電極基板の一方の例が第7変位電極基板Ed7であり、他方の例が第8変位電極基板Ed8である。第4起歪体30D用の固定電極基板は、第7固定電極基板Ef7と、第8固定電極基板Ef8と、を含んでいてもよい。
The displacement electrode substrate that is displaced together with the second
図7に示すように、第7容量素子C7は、第7固定電極基板Ef7と、第7変位電極基板Ed7と、により構成されている。第8容量素子C8は、第8固定電極基板Ef8と、第8変位電極基板Ed8と、により構成されている。本実施の形態においては、第7変位電極基板Ed7および第8変位電極基板Ed8は、第4起歪体30Dの変位部41に設けられている。第7固定電極基板Ef7および第8固定電極基板Ef8は、固定体25に設けられている。
As shown in FIG. 7, the seventh capacitive element C7 includes a seventh fixed electrode substrate Ef7 and a seventh displacement electrode substrate Ed7. The eighth capacitive element C8 includes an eighth fixed electrode substrate Ef8 and an eighth displacement electrode substrate Ed8. In this embodiment, the seventh displacement electrode substrate Ed7 and the eighth displacement electrode substrate Ed8 are provided in the
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軸方向負側に配置されている。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軸方向正側に配置されている。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 arranged 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軸方向負側に配置されている。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軸方向正側に配置されている。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 arranged on the negative side in the Y-axis direction with respect to the central axis CL of the
図3および図7に示すように、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、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4起歪体30Dの第3接続構造部33に対してX軸方向負側に配置されている。
As shown in FIGS. 3 and 7, the seventh capacitive element C7 and the eighth capacitive element C8 are arranged at the same position in the X-axis direction. That is, the displacement electrode Ed of the seventh displacement electrode substrate Ed7 and the displacement electrode 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 third
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
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ってもよい。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てもよい。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9は、図5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10Aは、図5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側面図である。図10Bは、図5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側面図である。
Next, a method of detecting force or moment by applying force or moment to force
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第1接続構造部31、第2接続構造部32および第3接続構造部33に伝わり、弾性変形が生じる。このことにより、変位部41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の第1接続構造部31、第2接続構造部32および第3接続構造部33が弾性変形しながら、各々の接続構造部31~33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接続構造部31、第2接続構造部32および第3接続構造部33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。概略的には、第3接続構造部33と固定体25との接続点を中心に各接続構造部31~33が回動する。第2接続構造部32と連動して、変位部41は時計回りに回動し、傾斜する。
(When +Fx works)
When 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9に示すように、第1接続構造部31、第2接続構造部32および第3接続構造部33が弾性変形しながら、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接続構造部31、第2接続構造部32および第3接続構造部33は、X軸方向正側に向かって見たときに(図9の紙面に向かって見たときに)、反時計回りに回動する。第2接続構造部32と連動して、変位部41は反時計回りに回動して、傾斜する。概略的には、第3接続構造部33と固定体25との接続点を中心に各接続構造部31~33が回動する。この場合、変位部41は、固定体25から遠ざかる方向に変位する。
(When +Fy acts)
When a 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、図示しないが、図9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の静電容量値が増大するとともに、第2容量素子C2の静電容量値が増大する。
(When -Fy acts)
When force Fy is applied to the
(+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、第1接続構造部31および第2接続構造部32が弾性変形する。この場合、第2接続構造部32の第21接続部37がZ軸方向正側に変位し、第22接続部38が傾斜する。第2接続構造部32と連動して、変位部41はZ軸方向正側に変位する。この場合、変位部41は、固定体25から遠ざかる方向に変位する。
(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、第1接続構造部31および第2接続構造部32が弾性変形する。この場合、第2接続構造部32の第21接続部37がZ軸方向負側に変位し、第22接続部38が傾斜する。第2接続構造部32と連動して、変位部41はZ軸方向負側に変位する。この場合、変位部41は、固定体25に近づく方向に変位する。
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~図6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, FIG. 11 shows 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。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. 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、静電容量の変化量は共に減少し、数式が同じである。このことにより、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 the above equations (2) and (3), the amount of change in capacitance decreases for both Fy and Fz, and the formulas are the same. This makes it difficult to determine whether the detected force is Fy or Fz. Therefore, 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。この場合、第1変位電極基板Ed1の中心と中心軸線CLとのX軸方向距離(図6のL1に相当)が比較的小さいことから、第1容量素子C1の静電容量値の増大量は比較的小さくなる。同様に、第2容量素子C2の静電容量値の減少量は比較的小さくなる。
In this case, the first
第2起歪体30Bは、図9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。より具体的には、第2起歪体30Bの第2接続構造部32は、Y軸方向正側に向かって見たときに時計回りに回動して傾斜する。この場合、概略的には、第2起歪体30Bの第3接続構造部33と固定体25との接続点を中心に第2接続構造部32が回動する。第3変位電極基板Ed3の中心と中心軸線CLとのX軸方向距離(図6のL2に相当)が比較的大きいことから、第3変位電極基板Ed3が第3固定電極基板Ef3に近づく方向への変位量が比較的大きい。このため、受力体20にX軸方向正側に力Fxが作用した場合に、第3容量素子C3の静電容量値の増大量が比較的大きくなる。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。この場合、第5変位電極基板Ed5の中心と中心軸線CLとのX軸方向距離(図6のL1に相当)が比較的小さいことから、第5容量素子C5の静電容量値の減少量は比較的小さくなる。同様に、第6容量素子C6の静電容量値の増大量は比較的小さくなる。
The
第4起歪体30Dは、図9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。より具体的には、第4起歪体30Dの第2接続構造部32は、Y軸方向正側に向かって見たときに時計回りに回動して傾斜する。この場合、概略的には、第4起歪体30Dの第3接続構造部33と固定体25との接続点を中心に第2接続構造部32が回動する。第7変位電極基板Ed7の中心と中心軸線CLとのX軸方向距離(図6のL2に相当)が比較的大きいことから、第7変位電極基板Ed7が第7固定電極基板Ef7から遠ざかる方向への変位量が比較的大きい。このため、受力体20にX軸方向正側に力Fxが作用した場合に、第7容量素子C7の静電容量値の減少量が比較的大きくなる。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9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。より具体的には、第1起歪体30Aの第2接続構造部32は、X軸方向正側に向かって見たときに反時計回りに回動して傾斜する。この場合、概略的には、第1起歪体30Aの第3接続構造部33と固定体25との接続点を中心に第2接続構造部32が回動する。第1変位電極基板Ed1の中心と中心軸線CLとのY軸方向距離(図6のL2に相当)が比較的大きいことから、第1変位電極基板Ed1が第1固定電極基板Ef1から遠ざかる方向への変位量が比較的大きい。このため、受力体20にY軸方向正側に力Fyが作用した場合に、第1容量素子C1の静電容量値の減少量が比較的大きくなる。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の静電容量値の減少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。この場合、第3変位電極基板Ed3の中心と中心軸線CLとのY軸方向距離(図6のL1に相当)が比較的小さいことから、第3容量素子C3の静電容量値の増大量は比較的小さくなる。同様に、第4容量素子C4の静電容量値の減少量は比較的小さくなる。
The
第3起歪体30Cは、図9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。より具体的には、第3起歪体30Cの第2接続構造部32は、X軸方向正側に向かって見たときに反時計回りに回動して傾斜する。この場合、概略的には、第3起歪体30Cの第3接続構造部33と固定体25との接続点を中心に第2接続構造部32が回動する。第5変位電極基板Ed5の中心と中心軸線CLとのY軸方向距離(図6のL2に相当)が比較的大きいことから、第5変位電極基板Ed5が第5固定電極基板Ef5に近づく方向への変位量が比較的大きい。このため、受力体20にY軸方向正側に力Fyが作用した場合に、第5容量素子C5の静電容量値の増大量が比較的大きくなる。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。この場合、第7変位電極基板Ed7の中心と中心軸線CLとのY軸方向距離(図6のL1に相当)が比較的小さいことから、第7容量素子C7の静電容量値の減少量は比較的小さくなる。同様に、第8容量素子C8の静電容量値の増大量は比較的小さくなる。
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。より具体的には、第1起歪体30Aの第22接続部38が傾斜する。第1変位電極基板Ed1の中心と中心軸線CLとのY軸方向距離(図6のL2に相当)が比較的大きいことから、第1変位電極基板Ed1が第1固定電極基板Ef1から遠ざかる方向への変位量が比較的大きい。このため、図12に示す表中のFzの行のC1は、「--」としている。同様に、第2容量素子C2~第8容量素子C8もそれぞれ、比較的大きく減少する。
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。上述したように、第1変位電極基板Ed1の中心と中心軸線CLとのY軸方向距離(図6のL2に相当)が比較的大きいことから、第1変位電極基板Ed1が第1固定電極基板Ef1から遠ざかる方向への変位量が比較的大きい。このため、第1容量素子C1の静電容量値の減少量は比較的大きくなる。また、第1変位電極基板Ed1の中心と受力体20の中心OとのY軸方向距離(図3のL3に相当)が、第3変位電極基板Ed3の中心と受力体20の中心OとのY軸方向距離(図6のL1に相当)よりも大きいため、第1容量素子C1の静電容量値の減少量は更に大きくなる。第2容量素子C2も同様に静電容量値の減少量が比較的大きくなる。
In this case, the
第2起歪体30Bは、X軸方向正側に向かって見たときに、第1接続構造部31、第2接続構造部32および第3接続構造部33が時計回りに回動する。この場合、概略的には、第2起歪体30Bの第3接続構造部33と固定体25との接続点を中心に第2接続構造部32が回動する。このため、第3変位電極基板Ed3は、第3固定電極基板Ef3から遠ざかり、第3変位電極基板Ed3と第3固定電極基板Ef3との電極間距離が増大する。このため、第3容量素子C3の静電容量値が減少する。第3変位電極基板Ed3の中心と中心軸線CLとのY軸方向距離(図6のL1に相当)が比較的小さいことから、第3容量素子C3の静電容量値の減少量は比較的小さくなる。一方、第4変位電極基板Ed4は、第4固定電極基板Ef4に近づき、第4変位電極基板Ed4と第4固定電極基板Ef4との電極間距離が減少する。このため、第4容量素子C4の静電容量値が増大する。第4変位電極基板Ed4の中心と中心軸線CLとのY軸方向距離(図6のL1に相当)が比較的小さいことから、第4容量素子C4の静電容量値の増大量は比較的小さくなる。
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。上述したように、第5変位電極基板Ed5の中心と中心軸線CLとのY軸方向距離(図6のL2に相当)が比較的大きいことから、第5変位電極基板Ed5が第5固定電極基板Ef5に近づく方向への変位量が比較的大きい。このため、第5容量素子C5の静電容量値の増大量は比較的大きくなる。また、第5変位電極基板Ed5の中心と受力体20の中心OとのY軸方向距離(図3のL3に相当)が、第4変位電極基板Ed4の中心と受力体20の中心OとのY軸方向距離(図6のL1に相当)よりも大きいため、第5容量素子C5の静電容量値の増大量は更に大きくなる。第6容量素子C6も同様に静電容量値の増大量が比較的大きくなる。
As shown in FIG. 10B, the
第4起歪体30Dは、X軸方向正側に向かって見たときに、第1接続構造部31、第2接続構造部32および第3接続構造部33が時計回りに回動する。この場合、概略的には、第4起歪体30Dの第3接続構造部33と固定体25との接続点を中心に第2接続構造部32が回動する。このため、第7変位電極基板Ed7は、第7固定電極基板Ef7に近づき、第7変位電極基板Ed7と第7固定電極基板Ef7との電極間距離が減少する。このため、第7容量素子C7の静電容量値が増大する。第7変位電極基板Ed7の中心と中心軸線CLとのY軸方向距離(図6のL1に相当)が比較的小さいことから、第7容量素子C7の静電容量値の増大量は比較的小さくなる。一方、第8変位電極基板Ed8は、第8固定電極基板Ef8から遠ざかり、第8変位電極基板Ed8と第8固定電極基板Ef8との電極間距離が増大する。このため、第8容量素子C8の静電容量値が減少する。第8変位電極基板Ed8の中心と中心軸線CLとのY軸方向距離(図6のL1に相当)が比較的小さいことから、第8容量素子C8の静電容量値の減少量は比較的小さくなる。
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は、Y軸方向正側に向かって見たときに、第1接続構造部31、第2接続構造部32および第3接続構造部33が時計回りに回動する。この場合、概略的には、第1起歪体30Aの第3接続構造部33と固定体25との接続点を中心に第2接続構造部32が回動する。このため、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。第1変位電極基板Ed1の中心と中心軸線CLとのX軸方向距離(図6のL1に相当)が比較的小さいことから、第1容量素子C1の静電容量値の増大量は比較的小さくなる。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。第2変位電極基板Ed2の中心と中心軸線CLとのX軸方向距離(図6のL1に相当)が比較的小さいことから、第2容量素子C2の静電容量値の減少量は比較的小さくなる。
In this case, when 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。上述したように、第3変位電極基板Ed3の中心と中心軸線CLとのX軸方向距離(図6のL2に相当)が比較的大きいことから、第3変位電極基板Ed3が第3固定電極基板Ef3から遠ざかる方向への変位量が比較的大きい。このため、第3容量素子C3の静電容量値の減少量は比較的大きくなる。また、第3変位電極基板Ed3の中心と受力体20の中心OとのX軸方向距離(図3のL3に相当)が第2変位電極基板Ed2の中心と受力体20の中心OとのX軸方向距離(図6のL1に相当)よりも大きいため、第3容量素子C3の静電容量値の減少量は更に大きくなる。第4容量素子C4も同様に静電容量値の減少量が比較的大きくなる。
As shown in FIG. 10A, the
第3起歪体30Cは、Y軸方向正側に向かって見たときに、第1接続構造部31、第2接続構造部32および第3接続構造部33が時計回りに回動する。この場合、概略的には、第3起歪体30Cの第3接続構造部33と固定体25との接続点を中心に第2接続構造部32が回動する。このため、第5変位電極基板Ed5は、第5固定電極基板Ef5から遠ざかり、第5変位電極基板Ed5と第6固定電極基板Ef6との電極間距離が増大する。このため、第5容量素子C5の静電容量値が減少する。第5変位電極基板Ed5の中心と中心軸線CLとのX軸方向距離(図6のL1に相当)が比較的小さいことから、第5容量素子C5の静電容量値の減少量は比較的小さくなる。一方、第6変位電極基板Ed6は、第6固定電極基板Ef6に近づき、第6変位電極基板Ed6と第6固定電極基板Ef6との電極間距離が減少する。このため、第6容量素子C6の静電容量値が増大する。第6変位電極基板Ed6の中心と中心軸線CLとのX軸方向距離(図6のL1に相当)が比較的小さいことから、第6容量素子C6の静電容量値の増大量は比較的小さくなる。
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。上述したように、第7変位電極基板Ed7の中心と第3接続構造部33とのX軸方向距離(図6のL2に相当)が比較的大きいことから、第7変位電極基板Ed7が第7固定電極基板Ef7に近づく方向への変位量が比較的大きい。このため、第7容量素子C7の静電容量値の増大量は比較的大きくなる。また、第7変位電極基板Ed7の中心と受力体20の中心OとのX軸方向距離(図3のL3に相当)が第6変位電極基板Ed6の中心と受力体20の中心OとのX軸方向距離(図6のL1に相当)よりも大きいため、第7容量素子C7の静電容量値の増大量は更に大きくなる。第8容量素子C8も同様に静電容量値の増大量が比較的大きくなる。
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。この場合、第1変位電極基板Ed1の中心と中心軸線CLとのX軸方向距離(図6のL1に相当)が比較的小さいことから、第1容量素子C1の静電容量値の減少量は比較的小さくなる。同様に、第2容量素子C2の静電容量値の増大量は比較的小さくなる。
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。この場合、第3変位電極基板Ed3の中心と中心軸線CLとのY軸方向距離(図6のL1に相当)が比較的小さいことから、第3容量素子C3の静電容量値の減少量は比較的小さくなる。同様に、第4容量素子C4の静電容量値の増大量は比較的小さくなる。
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。この場合、第5変位電極基板Ed5の中心と中心軸線CLとのX軸方向距離(図6のL1に相当)が比較的小さいことから、第5容量素子C5の静電容量値の減少量は比較的小さくなる。同様に、第6容量素子C6の静電容量値の増大量は比較的小さくなる。
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。この場合、第7変位電極基板Ed7の中心と中心軸線CLとのY軸方向距離(図6のL1に相当)が比較的小さいことから、第7容量素子C7の静電容量値の減少量は比較的小さくなる。同様に、第8容量素子C8の静電容量値の増大量は比較的小さくなる。
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~a24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~a24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~a24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 a24 are included in the above-mentioned 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.
このように本実施の形態によれば、Z軸方向で見たときに、各々の起歪体30A~30Dは、受力体20の中心Oに対する周方向において異なる位置に配置されている。Z軸方向で見たときに、受力体20の中心Oから外側に向かう方向に第2方向が沿うように、各々の起歪体30A~30Dが配置されている。このことにより、Z軸方向で見たときの力覚センサ10の外形寸法を小さくすることができ、力覚センサ10の小型化を図ることができる。例えば、受力体20および固定体25が円形状に形成されている場合には、受力体20および固定体25の直径を小さくすることができる。また、例えば、起歪体30A~30Dが、第2方向が受力体20の中心Oに対する半径方向に直交する方向(周方向に相当する方向)に沿うように配置されている場合には、受力体20および固定体25の直径が大きくなり得る。しかしながら、本実施の形態によれば、第2方向が受力体20の中心Oから外側に向かう方向に沿うように各々の起歪体30A~30Dが配置されているため、力覚センサ10の外形寸法を小さくすることができる。
As described above, according to the present embodiment, each of the strain-generating
また、本実施の形態によれば、検出素子70の第1起歪体30A用の変位電極基板が、X軸方向において第1起歪体30Aの中心軸線CLに対して一側に配置された第1変位電極基板Ed1と、中心軸線CLに対して他側に配置された第2変位電極基板Ed2と、を含んでいる。同様に、第2起歪体30B~第4起歪体30D用の変位電極基板は、第3変位電極基板Ed3~第8変位電極基板Ed8を含んでいる。このことにより、検出可能な軸成分数を増大させることができ、力覚センサ10の高性能化を図ることができる。
Further, according to the present embodiment, the displacement electrode substrate for the
また、本実施の形態によれば、Z軸方向で見たときに、各々の起歪体30A~30Dの第2接続構造部32は、対応する第1接続構造部31よりも受力体20の中心Oに近い位置に配置されている。このことにより、各々の変位電極基板Ed1~Ed8を、受力体20の中心Oに近い位置に配置することができる。このため、受力体20の外側領域において、隣り合う2つの起歪体30A~30Dの間にスペースを確保することができ、このスペースに、過負荷時に力覚センサ10の破損を防止するためのストッパー(図示せず)などの機構を配置することができる。この結果、力覚センサ10の小型化を図ることができるとともに力覚センサ10の高性能化を図ることができる。
Further, according to the present embodiment, when viewed in the Z-axis direction, the second
また、本実施の形態によれば、Z軸方向で見たときに、各々の起歪体30A~30Dの第2方向は、受力体20の中心Oに対して放射状に配置されている。このことにより、検出素子70の各々の変位電極基板Ed1~Ed8を、受力体20の中心Oに対する周方向において均等に配置することができる。このため、各軸成分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、力覚センサ10の高性能化を図ることができる。
Further, according to the present embodiment, when viewed in the Z-axis direction, the second direction of each
また、本実施の形態によれば、受力体20と固定体25が、4つの起歪体30A~30Dにより接続されている。このことにより、Z軸方向で見たときに、4つの起歪体30A~30Dを、X軸方向およびY軸方向に沿うように配置することができる。このため、各軸成分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、力覚センサ10の高性能化を図ることができる。
Further, according to the present embodiment, the
また、本実施の形態によれば、各々の変位電極基板Ed1~Ed8は、受力体20から固定体25に向かって延びる第21接続部37の固定体25に対向する面に接続されている。このことにより、各々の変位電極基板Ed1~Ed8を、対応する固定電極基板Ef1~Ef8に容易に対向させることができる。
Further, according to the present embodiment, each of the displacement electrode substrates Ed1 to Ed8 is connected to the surface facing the fixed
また、本実施の形態によれば、第2接続構造部32の固定体25に対向する面に、変位部41が接続され、変位部41の固定体25に対向する面に、対応する変位電極基板Ed1~Ed8が接続されている。このことにより、各々の変位電極基板Ed1~Ed8を、対応する固定電極基板Ef1~Ef8に近づけることができる。このため、検出感度を向上させることができ、力覚センサ10の高性能化を図ることができる。
Further, according to the present embodiment, the
また、本実施の形態によれば、第1接続構造部31の第11接続部34および第2接続構造部32の第21接続部37は、Z軸方向に延びており、第1接続構造部31の第12接続部35および第2接続構造部32の第22接続部38は、第2方向(X軸方向またはY軸方向)に延びている。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、第1接続構造部31および第2接続構造部32は、X軸方向、Y軸方向およびZ軸方向のいずれにも弾性変形することができる。このため、力覚センサ10の検出感度を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、各々の変位電極基板Ed1~Ed8と対応する起歪体30A~30Dの中心軸線CLとの第2方向の距離L2は、各々の変位電極基板Ed1~Ed8と対応する中心軸線CLとの第3方向の距離L1よりも大きい。このことにより、第1方向および第2方向に沿う面内で第1接続構造部31、第2接続構造部32および第3接続構造部33が回動する場合、対応する容量素子の静電容量値の変化量を増大させることができる。このため、検出感度を向上させることができ、力覚センサ10の高性能化を図ることができる。
Further, according to the present embodiment, the distance L2 in the second direction between each of the displacement electrode substrates Ed1 to Ed8 and the center axis CL of the
なお、上述した本実施の形態においては、変位電極基板Ed1~Ed8が、変位部41に接続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、各々の起歪体30A~30Dは、変位部41を含んでいなくてもよい。この場合、変位電極基板Ed1~Ed8は、対応する第2接続構造部32の第21接続部37の固定体25に対向する面に接続されていてもよい。あるいは、変位電極基板Ed1~Ed8は、対応する第2接続構造部32の第22接続部38の固定体25に対向する面に接続されていてもよい。
In the present embodiment described above, an example has been described in which the displacement electrode substrates Ed1 to Ed8 are connected to the
また、上述した本実施の形態においては、Z軸方向で見たときに、各々の起歪体30A~30Dの第2接続構造部32は、対応する第1接続構造部31よりも受力体20の中心Oに近い位置に配置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、各々の起歪体30A~30Dの第1接続構造部31が、対応する第2接続構造部32よりも受力体20の中心Oに近い位置に配置されていてもよい。この場合においても、Z軸方向で見たときに、受力体20の中心Oから外側に向かう方向に第2方向が沿うように、各々の起歪体30A~30Dが配置されていることにより、力覚センサ10の外形寸法を小さくすることができる。
Further, in the present embodiment described above, when viewed in the Z-axis direction, the second
また、上述した本実施の形態においては、第1起歪体30A用の容量素子が、第1容量素子C1および第2容量素子C2によって構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、第1起歪体30A用の容量素子は、1つの容量素子によって構成されていてもよい。この場合、第1起歪体30A用の容量素子は、1つの変位電極基板と、1つの固定電極基板と、により構成されていてもよい。第2起歪体30B用の容量素子、第3起歪体30C用の容量素子および第4起歪体30D用の容量素子についても同様である。
Furthermore, in the present embodiment described above, an example has been described in which the capacitive element for the
また、上述した本実施の形態においては、第1接続構造部31が、第11接続部34と、第12接続部35と、を含んでいる例について説明した。しかしながら、第1接続構造部31の構造は、これに限られることはなく、任意である。第2接続構造部32も同様である。
Furthermore, in the present embodiment described above, an example has been described in which the first
また、上述した本実施の形態においては、図6に示すX軸方向距離L1が、Y軸方向距離L2よりも大きい例について説明した。しかしながら、X軸方向距離L1は、Y軸方向距離L2と等しくてもよく、またはY軸方向距離L2よりも小さくてもよい。 Furthermore, in the present embodiment described above, an example has been described in which the distance L1 in the X-axis direction shown in FIG. 6 is larger than the distance L2 in the Y-axis direction. However, the distance L1 in the X-axis direction may be equal to the distance L2 in the Y-axis direction, or may be smaller than the distance L2 in the Y-axis direction.
(第2の実施の形態)
次に、図13~図15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. 13 to 15.
図13~図15に示す第2の実施の形態においては、第2接続構造部のばね定数は、第1接続構造部のばね定数よりも小さい点が主に異なる。他の構成は、図1~図12に示す第1の実施の形態と略同一である。なお、図13~図15において、図1~図12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13は、第2の実施の形態による力覚センサの第1起歪体を示す側面図である。図14は、図13の第1起歪体を示す平面図である。図15は、図13および図14に示す第1起歪体を含む力覚センサを、受力体を省略して示す平面図である。 The second embodiment shown in FIGS. 13 to 15 differs mainly in that the spring constant of the second connection structure is smaller than the spring constant of the first connection structure. The other configurations are substantially the same as the first embodiment shown in FIGS. 1 to 12. Note that in FIGS. 13 to 15, the same parts as in the first embodiment shown in FIGS. 1 to 12 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. FIG. 13 is a side view showing the first strain body of the force sensor according to the second embodiment. FIG. 14 is a plan view showing the first strain body of FIG. 13. FIG. 15 is a plan view showing a force sensor including the first strain body shown in FIGS. 13 and 14, with the force receiving body omitted.
図13および図14に示すように、本実施の形態においては、第1起歪体30Aの第2接続構造部32のばね定数は、第1接続構造部31のばね定数よりも小さくなっている。より具体的には、X軸方向に作用する力、Y軸方向に作用する力およびZ軸方向に作用する力のそれぞれに対して、第2接続構造部32のばね定数が、第1接続構造部31のばね定数よりも小さくなっていてもよい。
As shown in FIGS. 13 and 14, in this embodiment, the spring constant of the second
例えば、第2接続構造部32の第21接続部37の横断面積が、第1接続構造部31の第11接続部34の横断面積よりも小さくてもよい。この場合、第21接続部37のばね定数を、第11接続部34のばね定数よりも小さくすることができる。第21接続部37の横断面積および第11接続部34の横断面積は、XY平面に沿った断面積である。例えば、第21接続部37のY軸方向寸法を第11接続部34のY軸方向寸法よりも小さくしてもよく、および/または第21接続部37のX軸方向寸法を第11接続部34のX軸方向寸法よりも小さくしてもよい。このようにして、X軸方向の力、Y軸方向の力およびZ軸方向の力のそれぞれに対して、第2接続構造部32のばね定数を、第1接続構造部31のばね定数よりも小さくすることができる。
For example, the cross-sectional area of the twenty-first connecting
例えば、第2接続構造部32の第22接続部38の横断面積が、第1接続構造部31の第12接続部35の横断面積よりも小さくてもよい。この場合、第22接続部38のばね定数を、第12接続部35のばね定数よりも小さくすることができる。第22接続部38の横断面積および第12接続部35の横断面積は、XZ平面に沿った断面積である。例えば、第22接続部38のZ軸方向寸法を第12接続部35のZ軸方向寸法よりも小さくしてもよく、および/または第22接続部38のX軸方向寸法を第12接続部35のX軸方向寸法よりも小さくしてもよい。このようにして、X軸方向の力、Y軸方向の力およびZ軸方向の力のそれぞれに対して、第2接続構造部32のばね定数を、第1接続構造部31のばね定数よりも小さくすることができる。
For example, the cross-sectional area of the
同様にして、第2起歪体30B~第4起歪体30Dの第2接続構造部32のばね定数も、第1接続構造部31のばね定数よりも小さくなっていてもよい。
Similarly, the spring constant of the second
図15に示すように、Z軸方向で見たときに、4つの起歪体30A~30Dは、受力体20の中心Oから外側に向かう方向に第2方向が沿うように配置されている。各々の起歪体30A~30Dの第2接続構造部32のばね定数が、第1接続構造部31のばね定数よりも小さくなっており、第2接続構造部32が、第1接続構造部31よりも受力体20の中心Oに近い位置に配置されている。このことにより、受力体20にX軸周りのモーメントMx、Y軸周りのモーメントMyまたはZ軸周りのモーメントMzが作用した場合に、第1接続構造部31に作用する応力と第2接続構造部32に作用する応力との差を低減することができる。すなわち、第2接続構造部32のばね定数が第1接続構造部31のばね定数よりも小さくなっていない場合、受力体20に作用したモーメントMx、MyまたはMzによって第2接続構造部32に作用する応力が第1接続構造部31に作用する応力よりも大きくなり得る。このことにより、第1接続構造部31に作用する応力と第2接続構造部32に作用する応力との差が増大し得る。これに対して本実施の形態によれば、第2接続構造部32のばね定数が第1接続構造部31のばね定数よりも小さいため、モーメントMx、MyまたはMzが受力体20に作用する場合に、第1接続構造部31に作用する応力と第2接続構造部32に作用する応力との差を低減することができる。
As shown in FIG. 15, when viewed in the Z-axis direction, the four strain-generating
このように本実施の形態によれば、第2接続構造部32のばね定数が、第1接続構造部31のばね定数よりも小さくなっている。このことにより、第1接続構造部31に作用する応力と第2接続構造部32に作用する応力との差を低減することができる。このため、第1接続構造部31に作用する応力と、第2接続構造部32作用する応力を均等化させることができ、力覚センサ10の信頼性を向上させることができる。
As described above, according to the present embodiment, the spring constant of the second
(第3の実施の形態)
次に、図16を用いて、本発明の第3の実施の形態による力覚センサについて説明する。
(Third embodiment)
Next, a force sensor according to a third embodiment of the present invention will be described using FIG. 16.
図16に示す第3の実施の形態においては、変位電極基板が、Z軸方向で見たときに、第2接続構造部から受力体の中心に向かって突出している点が主に異なる。他の構成は、図1~図12に示す第1の実施の形態と略同一である。なお、図16において、図1~図12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16は、第3の実施の形態による力覚センサの変位電極を示す平面図である。 The third embodiment shown in FIG. 16 differs mainly in that the displacement electrode substrate protrudes from the second connection structure toward the center of the force receiving body when viewed in the Z-axis direction. The other configurations are substantially the same as the first embodiment shown in FIGS. 1 to 12. Note that in FIG. 16, the same parts as in the first embodiment shown in FIGS. 1 to 12 are given the same reference numerals, and detailed explanations will be omitted. FIG. 16 is a plan view showing a displacement electrode of a force sensor according to the third embodiment.
図16に示すように、検出素子70の第1変位電極基板Ed1および第2変位電極基板Ed2が、Z軸方向で見たときに、第1起歪体30Aの第2接続構造部32から受力体20の中心Oに向かって突出している。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、第2接続構造部32からY軸方向負側に突出している。第1変位電極基板Ed1は、第2接続構造部32からX軸方向正側に突出していてもよく、第2変位電極基板Ed2は、第2接続構造部32からX軸方向負側に突出していてもよい。第1変位電極基板Ed1の変位電極Edは、中心Oに向かって先細状に形成されていてもよい。このことにより、第1変位電極基板Ed1が、第8変位電極基板Ed8と干渉することを防止することができる。同様に、第2変位電極基板Ed2の変位電極Edは、中心Oに向かって先細状に形成されていてもよい。このことにより、第2変位電極基板Ed2が、第3変位電極基板Ed3と干渉することを防止することができる。第1変位電極基板Ed1の変位電極Edの先端、および第2変位電極基板Ed2の変位電極Edの先端は、中心OよりもY軸方向正側に配置されている。このようにして、第1変位電極基板Ed1および第2変位電極基板Ed2が、他の変位電極基板と干渉することを防止することができる。
As shown in FIG. 16, the first displacement electrode substrate Ed1 and the second displacement electrode substrate Ed2 of the
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に、変位部41にボルトを用いて取り付けられていてもよい。変位部41の固定体25に対向する面(図4における変位部41の下面に相当)に、ボルトがねじ込まれるねじ孔42が形成されていてもよい。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はそれぞれ、ねじ孔42と重ならないように切り欠かれていてもよい。
The
図16に示すように、検出素子70の第3変位電極基板Ed3および第4変位電極基板Ed4が、Z軸方向で見たときに、第2起歪体30Bの第2接続構造部32から受力体20の中心Oに向かって突出している。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、第2接続構造部32からX軸方向正側に突出している。第3変位電極基板Ed3は、第2接続構造部32からY軸方向正側に突出していてもよく、第4変位電極基板Ed4は、第2接続構造部32からY軸方向負側に突出していてもよい。第3変位電極基板Ed3の変位電極Edの先端、および第4変位電極基板Ed4の変位電極Edの先端は、中心OよりもX軸方向負側に配置されている。第3変位電極基板Ed3および第4変位電極基板Ed4は、第1変位電極基板Ed1および第2変位電極基板Ed2と同様に形成されている。このようにして、第3変位電極基板Ed3および第4変位電極基板Ed4が、他の変位電極基板と干渉することを防止することができる。
As shown in FIG. 16, the third displacement electrode substrate Ed3 and the fourth displacement electrode substrate Ed4 of the
図16に示すように、検出素子70の第5変位電極基板Ed5および第6変位電極基板Ed6が、Z軸方向で見たときに、第3起歪体30Cの第2接続構造部32から受力体20の中心Oに向かって突出している。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、第2接続構造部32からY軸方向正側に突出している。第5変位電極基板Ed5は、第2接続構造部32からX軸方向負側に突出していてもよく、第6変位電極基板Ed6は、第2接続構造部32からX軸方向正側に突出していてもよい。第5変位電極基板Ed5の変位電極Edの先端、および第6変位電極基板Ed6の変位電極Edの先端は、中心OよりもY軸方向負側に配置されている。第5変位電極基板Ed5および第6変位電極基板Ed6は、第1変位電極基板Ed1および第2変位電極基板Ed2と同様に形成されている。このようにして、第5変位電極基板Ed5および第6変位電極基板Ed6が、他の変位電極基板と干渉することを防止することができる。
As shown in FIG. 16, the fifth displacement electrode substrate Ed5 and the sixth displacement electrode substrate Ed6 of the
図16に示すように、検出素子70の第7変位電極基板Ed7および第8変位電極基板Ed8が、Z軸方向で見たときに、第4起歪体30Dの第2接続構造部32から受力体20の中心Oに向かって突出している。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、第2接続構造部32からX軸方向負側に突出している。第7変位電極基板Ed7は、第2接続構造部32からY軸方向負側に突出していてもよく、第8変位電極基板Ed8は、第2接続構造部32からY軸方向正側に突出していてもよい。第7変位電極基板Ed7の変位電極Edの先端、および第8変位電極基板Ed8の変位電極Edの先端は、中心OよりもY軸方向負側に配置されている。第7変位電極基板Ed7および第8変位電極基板Ed8は、第1変位電極基板Ed1および第2変位電極基板Ed2と同様に形成されている。このようにして、第7変位電極基板Ed7および第8変位電極基板Ed8が、他の変位電極基板と干渉することを防止することができる。
As shown in FIG. 16, the seventh displacement electrode substrate Ed7 and the eighth displacement electrode substrate Ed8 of the
このように本実施の形態によれば、検出素子70の各々の変位電極基板Ed1~Ed8が、Z軸方向で見たときに、対応する第2接続構造部32から受力体20の中心Oに向かって突出している。このことにより、変位電極基板Ed1~Ed8の変位電極Edの平面面積を増大させることができ、各々の容量素子C1~C8の静電容量値を増大させることができる。このため、検出感度を向上させることができ、力覚センサ10の高性能化を図ることができる。
As described above, according to the present embodiment, each of the displacement electrode substrates Ed1 to Ed8 of the
(第4の実施の形態)
次に、図17を用いて、本発明の第4の実施の形態による力覚センサについて説明する。
(Fourth embodiment)
Next, a force sensor according to a fourth embodiment of the present invention will be described using FIG. 17.
図17に示す第4の実施の形態においては、第1接続構造部が、起歪体に作用する力を緩衝する第1緩衝構造部を含んでいるとともに、第2接続構造部が、起歪体に作用する力を緩衝する第2緩衝構造部を含んでいる点が主に異なる。他の構成は、図13~図15に示す第2の実施の形態と略同一である。なお、図17において、図13~図15に示す第2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17は、第4の実施の形態による力覚センサの第1起歪体を示す側面図である。 In the fourth embodiment shown in FIG. 17, the first connection structure includes a first buffer structure that buffers the force acting on the strain-generating body, and the second connection structure includes a strain-generating body. The main difference is that it includes a second buffer structure that buffers the force acting on the body. The other configurations are substantially the same as the second embodiment shown in FIGS. 13 to 15. Note that in FIG. 17, the same parts as those in the second embodiment shown in FIGS. 13 to 15 are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. FIG. 17 is a side view showing the first strain body of the force sensor according to the fourth embodiment.
図17に示すように、本実施の形態による第1起歪体30Aの第1接続構造部31は、第1緩衝構造部43を含んでいてもよい。第1緩衝構造部43は、受力体20に力またはモーメントが作用することにより第1起歪体30Aに作用する力を緩衝するように構成されている。第1緩衝構造部43の一端部は第11接続部34に接続され、他端部は第12接続部35に接続されている。第1緩衝構造部43は、X軸方向で見たときに、概略的に矩形状に形成されていてもよい。
As shown in FIG. 17, the first
図17に示す第1起歪体30Aの第1接続構造部31と第2接続構造部32との間に、空間部44が形成されている。X軸方向で見たときに、Y軸方向において第2接続構造部32とは反対側に空間部44が膨出するように第1緩衝構造部43が形成されていてもよい。
A
空間部44は、空間本体部44aと、第1膨出部44bと、を含んでいてもよい。空間本体部44aは、主として、第1接続構造部31の第11接続部34および第12接続部35と、第2接続構造部32の第21接続部37および第22接続部38と、受力体20とによって画定されている空間である。
The
第1膨出部44bは、第1緩衝構造部43によって空間本体部44aから膨出するように形成された空間である。第1膨出部44bは、空間本体部44aからY軸方向負側に膨出している。空間本体部44aと第1膨出部44bは連通しており、第11接続部34と第12接続部35は分断されている。図17に示す第1膨出部44bは、Z軸方向において固定体25に向かって膨出するとともに、Y軸方向において第2接続構造部32とは反対側に膨出するように第1緩衝構造部43が形成されていてもよい。第1膨出部44bは、空間本体部44aからZ軸方向負側に膨出するとともにY軸方向負側に膨出している。
The first bulging
図17に示す例による第1起歪体30Aの第1緩衝構造部43は、第11緩衝部45と、第12緩衝部46と、第13緩衝部47と、第14緩衝部48と、を含んでいてもよい。上述した第1膨出部44bは、主として、第11緩衝部45、第12緩衝部46、第13緩衝部47および第14緩衝部48によって画定されている空間である。
The first
第11緩衝部45は、第11接続部34のZ軸方向負側の端部からY軸方向正側に延びていてもよい。第11緩衝部45は、Y軸方向に延びていてもよい。第12緩衝部46は、第11緩衝部45のY軸方向負側の端部からZ軸方向負側に延びていてもよい。第12緩衝部46は、Z軸方向に延びていてもよい。第13緩衝部47は、第12緩衝部46のZ軸方向負側の端部からY軸方向正側に延びていてもよい。第13緩衝部47は、Y軸方向に延びていてもよい。第14緩衝部48は、第13緩衝部47のY軸方向正側の端部からZ軸方向正側に延びていてもよい。第14緩衝部48はZ軸方向に延びていてもよい。第14緩衝部48は、第12接続部35のY軸方向負側の端部に接続されていてもよい。
The
図17に示すように、本実施の形態による第1起歪体30Aの第2接続構造部32は、第2緩衝構造部49を含んでいてもよい。第2緩衝構造部49は、受力体20に力またはモーメントが作用することにより第1起歪体30Aに作用する力を緩衝するように構成されている。第2緩衝構造部49の一端部は第21接続部37に接続され、他端部は第22接続部38に接続されている。第2緩衝構造部49は、X軸方向で見たときに、矩形状に形成されていてもよい。
As shown in FIG. 17, the second
上述した空間部44は、X軸方向で見たときに、Y軸方向において第1接続構造部31とは反対側に膨出するように第2緩衝構造部49が形成されていてもよい。
When the
本実施の形態による上述した空間部44は、第2膨出部44cを更に含んでいてもよい。第2膨出部44cは、第2緩衝構造部49によって空間本体部44aから膨出するように形成された空間である。第2膨出部44cは、空間本体部44aからY軸方向正側に膨出している。空間本体部44aと第2膨出部44cは連通しており、第2接続構造部32の第21接続部37と第22接続部38は分断されている。
The above-described
図17に示す例による第1起歪体30Aの第2緩衝構造部49は、第21緩衝部50と、第22緩衝部51と、第23緩衝部52と、を含んでいてもよい。上述した第2膨出部44cは、主として、第21緩衝部50、第22緩衝部51および第23緩衝部52によって画定されている空間である。
The second
第21緩衝部50は、第21接続部37のZ軸方向負側の端部からY軸方向負側に延びていてもよい。第21緩衝部50は、Y軸方向に延びていてもよい。第22緩衝部51は、第21緩衝部50のY軸方向負側の端部からZ軸方向負側に延びていてもよい。第22緩衝部51は、Z軸方向に延びていてもよい。第23緩衝部52は、第22緩衝部51のZ軸方向負側の端部からY軸方向正側に延びていてもよい。第23緩衝部52は、Y軸方向に延びていてもよい。第23緩衝部52は、第22接続部38のY軸方向負側の端部に接続されていてもよい。第23緩衝部52は、第22接続部38とY軸方向に沿って一直線上に連続状に形成されていてもよい。第23緩衝部52は、上述した第2膨出部44cを画定する部分であり、第22接続部38は、上述した空間本体部44aを画定する部分である。
The
図17に示す例においては、変位部41は、第2緩衝構造部49に接続されていてもよい。より具体的には、変位部41は、第2緩衝構造部49の第22緩衝部51に接続されていてもよい。変位部41は、第22緩衝部51の固定体25に対向する面(図17における第22緩衝部51の下面)に接続されていてもよい。変位部41の一部は、第23緩衝部52の固定体25に対向する面に接続されていてもよい。
In the example shown in FIG. 17, the
本実施の形態による第1起歪体30Aの第3接続構造部33のばね定数は、第1接続構造部31のばね定数および第2接続構造部32のばね定数よりも大きくてもよい。X軸方向に作用する力、Y軸方向に作用する力およびZ軸方向に作用する力のそれぞれに対して、第3接続構造部33のばね定数が、第1接続構造部31のばね定数および第2接続構造部32のばね定数よりも大きくてもよい。
The spring constant of the third
図13および図14に示す第1起歪体30Aと同様に、本実施の形態による第1起歪体30Aの第2接続構造部32のばね定数は、第1接続構造部31のばね定数よりも小さくてもよい。第21接続部37の横断面積が第11接続部34の横断面積よりも小さくてもよい。第22接続部38の横断面積が第12接続部35の横断面積よりも小さくてもよい。
Similar to the
第2緩衝構造部49のばね定数は、第1緩衝構造部43のばね定数よりも小さくてもよい。例えば、第2緩衝構造部49の各緩衝部50~52の横断面積が、第1緩衝構造部43の各緩衝部45~48の横断面積よりも小さくてもよい。例えば、第2緩衝構造部49が、X軸方向で見たときに、第2緩衝構造部49のばね定数が第1緩衝構造部43のばね定数よりも小さくなるような形状を有していてもよい。
The spring constant of the
図17に示すように、第1起歪体30Aは、第1台座53と、第2台座54と、を更に含んでいてもよい。第1台座53は、受力体20と第1接続構造部31との間に介在されている。第1接続構造部31は、第1台座53を介して受力体20に接続されている。第2台座54は、受力体20と第2接続構造部32との間に介在されている。第2接続構造部32は、第2台座54を介して受力体20に接続されている。第1台座53および第2台座54はそれぞれ、比較的高い剛性を有していてもよい。第1台座53は、第1接続構造部31と別体に形成されていてもよく、連続する材料で一体に形成されていてもよい。第2台座54は、第2接続構造部32と別体に形成されていてもよく、連続する材料で一体に形成されていてもよい。
As shown in FIG. 17, the
第2起歪体30B~第4起歪体30Dについては、第1起歪体30Aと同様の構成を有している。
The
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た場合、第1接続構造部31および第2接続構造部32が弾性変形する。この際、第1緩衝構造部43が、第1接続構造部31に作用する力を吸収して緩衝する。このため、第1接続構造部31に作用する応力を低減することができる。同様に、第2緩衝構造部49が、第2接続構造部32に作用する力を吸収して緩衝する。このため、第2接続構造部32に作用する応力を低減することができる。
When force or moment acts on the
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た場合、第3接続構造部33のばね定数が大きいことにより、第3接続構造部33は、実質的に弾性変形しない。しかしながら、第1緩衝構造部43の第11緩衝部45および第13緩衝部47がY軸方向に延びており、第12緩衝部46および第14緩衝部48がZ軸方向に延びている。このことにより、X軸方向の力Fx、Y軸方向の力FyおよびZ軸方向の力Fzが受力体20に作用した場合であっても、第1緩衝構造部43は弾性変形することができ、変位部41を変位させることができる。X軸周りのモーメントMx、Y軸周りのモーメントMyおよびZ軸周りのモーメントMzが受力体20に作用した場合でも同様に変位部41を変位させることができる。
When force or moment acts on the
同様に、第2緩衝構造部49の第21緩衝部50および第23緩衝部52がY軸方向に延びており、第22緩衝部51がZ軸方向に延びている。このことにより、X軸方向の力Fx、Y軸方向の力FyおよびZ軸方向の力Fzが受力体20に作用した場合であっても、第2緩衝構造部49は弾性変形することができ、変位部41を変位させることができる。X軸周りのモーメントMx、Y軸周りのモーメントMyおよびZ軸周りのモーメントMzが受力体20に作用した場合でも同様に変位部41を変位させることができる。
Similarly, the
各軸成分の力またはモーメントが受力体20に作用した場合の容量素子C1~C8の静電容量値の変化は、図12に示す表と同様である。ここでは詳細な説明は省略する。
Changes in the capacitance values of the capacitive elements C1 to C8 when force or moment of each axial component acts on the
このように本実施の形態によれば、各々の起歪体30A~30Dの第1接続構造部31は、起歪体30A~30Dに作用する力を緩衝する第1緩衝構造部43を含んでいる。このことにより、第1接続構造部31に作用する応力を低減することができる。このため、力覚センサ10の信頼性を向上させることができる。また、力覚センサ10の高さ寸法(Z軸方向寸法)を小さくすることができ、力覚センサ10を低背化することができる。
As described above, according to the present embodiment, the first
また、本実施の形態によれば、X軸方向で見たときに、Y軸方向において第1起歪体30Aの第2接続構造部32とは反対側に空間部44が膨出するように第1緩衝構造部43が形成されている。第2起歪体30B~第4起歪体30Dについても同様に第1緩衝構造部43が形成されている。このことにより、各々の起歪体30A~30Dについて第1緩衝構造部43による力の緩衝効果を高めることができる。このため、力覚センサ10の信頼性と感度をより一層向上させることができる。例えば、図17に示すように第1緩衝構造部43がY軸方向に比較的長く延びている場合、力覚センサ10の高さ寸法を低減しながら、力およびモーメントに対して変位部41を変位し易くすることができる。このため、力覚センサ10の低背化を図るとともに、力覚センサ10の感度向上を図ることができる。
Further, according to the present embodiment, when viewed in the X-axis direction, the
また、本実施の形態によれば、X軸方向で見たときに、Z軸方向において固定体25に向かって膨出するとともにY軸方向において第1起歪体30Aの第2接続構造部32とは反対側に膨出するように第1緩衝構造部43が形成されている。第2起歪体30B~第4起歪体30Dについても同様に第1緩衝構造部43が形成されている。このことにより、各々の起歪体30A~30Dについて第1緩衝構造部43による力の緩衝効果を高めることができる。このため、力覚センサ10の信頼性と感度をより一層向上させることができる。
Further, according to the present embodiment, when viewed in the X-axis direction, the second
また、本実施の形態によれば、各々の起歪体30A~30Dの第2接続構造部32は、起歪体30A~30Dに作用する力を緩衝する第2緩衝構造部49を含んでいる。このことにより、第2接続構造部32に作用する応力を低減することができる。このため、力覚センサ10の信頼性と感度を向上させることができる。また、力覚センサ10の高さ寸法を小さくすることができ、力覚センサ10を低背化することができる。
Further, according to the present embodiment, the second
また、本実施の形態によれば、X軸方向で見たときに、Y軸方向において第1接続構造部31とは反対側に空間部44が膨出するように第2緩衝構造部49が形成されている。第2起歪体30B~第4起歪体30Dについても同様に第2緩衝構造部49が形成されている。このことにより、各々の起歪体30A~30Dについて第2緩衝構造部49による力の緩衝効果を高めることができる。このため、力覚センサ10の信頼性と感度をより一層向上させることができる。例えば、図17に示すように第2緩衝構造部49がY軸方向に比較的長く延びている場合、力覚センサ10の高さ寸法を低減しながら、力およびモーメントに対して変位部41を変位し易くすることができる。このため、力覚センサ10の低背化を図るとともに、力覚センサ10の感度向上を図ることができる。
Further, according to the present embodiment, the
また、本実施の形態によれば、各々の起歪体30A~30Dの第3接続構造部33のばね定数は、第1接続構造部31のばね定数および第2接続構造部32のばね定数よりも大きい。このことにより、第3接続構造部33に作用する応力を増大させることができる。この場合、第1接続構造部31に作用する応力および第2接続構造部32に作用する応力をそれぞれ低減することができる。このため、力覚センサ10の信頼性と感度を向上させることができる。更に、力覚センサ10の高さ寸法を低減することができ、力覚センサ10を低背化することができる。
Further, according to the present embodiment, the spring constant of the third
なお、上述した本実施の形態においては、第1緩衝構造部43は、X軸方向で見たときに、Y軸方向において第2接続構造部32とは反対側に空間部44が膨出するように形成されている例について説明した。しかしながら、第1緩衝構造部43は、対応する起歪体30A~30Dに作用する力を緩衝することができれば、任意の形状で形成されていてもよい。第2緩衝構造部49についても同様である。
In addition, in the present embodiment described above, when 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.
10 力覚センサ
20 受力体
25 固定体
31 第1接続構造部
32 第2接続構造部
33 第3接続構造部
34 第11接続部
35 第12接続部
36 第1接続端部
37 第21接続部
38 第22接続部
39 第2接続端部
40 第3接続端部
41 変位部
43 第1緩衝構造部
44 空間部
49 第2緩衝構造部
CL 中心軸線
10
Claims (17)
第1方向において前記第1センサ体とは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複数の起歪体と、
前記起歪体の弾性変形により生じた変位により静電容量値の変化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、
前記起歪体は、前記第1センサ体に接続された第1接続構造部と、前記第1センサ体に接続された第2接続構造部であって、前記第1方向に直交する第2方向において前記第1接続構造部とは異なる位置に配置された第2接続構造部と、前記第1接続構造部および前記第2接続構造部を前記第2センサ体に接続する第3接続構造部であって、前記第2方向において前記第1接続構造部と前記第2接続構造部との間に配置された第3接続構造部と、を含み、
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、前記第2接続構造部と共に変位する、前記固定電極基板に対向する変位電極基板と、を含み、
前記第1方向で見たときに、各々の前記起歪体は、前記第1センサ体の中心に対する周方向において異なる位置に配置され、
前記第1センサ体の前記中心から外側に向かう方向に前記第2方向が沿うように前記起歪体が配置されている、
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 the first direction;
a plurality of strain-generating bodies connecting the first sensor body and the second sensor body and elastically deforming due to the action of force or moment received by the first sensor body;
a detection element that detects a change in capacitance value due to a 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
The strain body includes a first connection structure connected to the first sensor body and a second connection structure connected to the first sensor body, and the strain body is arranged in a second direction perpendicular to the first direction. a second connection structure disposed at a different position from the first connection structure; and a third connection structure that connects the first connection structure and the second connection structure to the second sensor body. and a third connection structure disposed between the first connection structure and the second connection structure in the second direction,
The detection element includes a fixed electrode substrate provided on the second sensor body, and a displacement electrode substrate that is displaced together with the second connection structure and faces the fixed electrode substrate,
When viewed in the first direction, each of the strain-generating bodies is arranged at different positions in a circumferential direction with respect to the center of the first sensor body,
the strain-generating body is arranged such that the second direction is along a direction outward from the center of the first sensor body;
Force sensor.
請求項1に記載の力覚センサ。 The displacement electrode substrate includes, in a third direction orthogonal to each of the first direction and the second direction, a one-side displacement electrode substrate disposed on one side with respect to the central axis of the flexure element; an other side displacement electrode substrate disposed on the other side with respect to the axis;
The force sensor according to claim 1.
請求項1または2に記載の力覚センサ。 When viewed in the first direction, the second connection structure of each strain-generating body is located closer to the center of the first sensor body than the corresponding first connection structure. There is,
The force sensor according to claim 1 or 2.
請求項1または2に記載の力覚センサ。 When viewed in the first direction, the second direction of each of the strain-generating bodies is arranged radially with respect to the center of the first sensor body.
The force sensor according to claim 1 or 2.
請求項4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 force sensor according to claim 4.
前記一側変位電極基板および前記他側変位電極基板は、前記第21接続部の前記第2センサ体に対向する面に接続されている、
請求項2に記載の力覚センサ。 The second connection structure includes a 21st connection part extending from the first sensor body toward the second sensor body, and a 22nd connection part that connects the third connection structure and the 21st connection part. , including;
The one-side displacement electrode substrate and the other-side displacement electrode substrate are connected to a surface of the 21st connection portion facing the second sensor body.
The force sensor according to claim 2.
前記一側変位電極基板および前記他側変位電極基板は、前記変位部の前記第2センサ体に対向する面に接続されている、
請求項2に記載の力覚センサ。 The strain body includes a displacement part connected to a surface of the second connection structure facing the second sensor body,
the one-side displacement electrode substrate and the other-side displacement electrode substrate are connected to a surface of the displacement section facing the second sensor body;
The force sensor according to claim 2.
前記第2接続構造部は、前記第1センサ体から前記第2センサ体に向かって延びる第21接続部と、前記第3接続構造部と前記第21接続部とを接続する第22接続部と、を含み、
前記第11接続部および前記第21接続部は、前記第1方向に延び、
前記第12接続部および前記第22接続部は、前記第2方向に延びている、
請求項1または2に記載の力覚センサ。 The first connection structure includes an eleventh connection part extending from the first sensor body toward the second sensor body, and a twelfth connection part connecting the third connection structure and the eleventh connection part. , including;
The second connection structure includes a 21st connection part extending from the first sensor body toward the second sensor body, and a 22nd connection part that connects the third connection structure and the 21st connection part. , including;
The eleventh connection part and the twenty-first connection part extend in the first direction,
the twelfth connecting portion and the twenty-second connecting portion extend in the second direction;
The force sensor according to claim 1 or 2.
請求項2に記載の力覚センサ。 The distance in the second direction between the one-side displacement electrode substrate and the central axis of the strain-generating body is longer than the distance in the third direction between the one-side displacement electrode substrate and the central axis of the strain-generating body. big,
The force sensor according to claim 2.
請求項1または2に記載の力覚センサ。 a spring constant of the second connection structure is smaller than a spring constant of the first connection structure;
The force sensor according to claim 1 or 2.
請求項2に記載の力覚センサ。 The one-side displacement electrode substrate and the other-side displacement electrode substrate protrude from the second connection structure toward the center of the first sensor body when viewed in the first direction.
The force sensor according to claim 2.
請求項1に記載の力覚センサ。 The first connection structure includes a first buffer structure that buffers the force acting on the strain body.
The force sensor according to claim 1.
前記第1方向および前記第2方向のそれぞれに直交する第3方向で見たときに、前記第2方向において前記第2接続構造部とは反対側に前記空間部が膨出するように前記第1緩衝構造部が形成されている、
請求項12に記載の力覚センサ。 A space is formed between the first connection structure and the second connection structure,
When viewed in a third direction perpendicular to each of the first direction and the second direction, the space portion bulges out on a side opposite to the second connection structure portion in the second direction. 1. A buffer structure is formed.
The force sensor according to claim 12.
請求項13に記載の力覚センサ。 When viewed in the third direction, the space portion bulges toward the second sensor body in the first direction and bulges out in the second direction on a side opposite to the second connection structure portion. the first buffer structure is formed so as to
The force sensor according to claim 13.
請求項1に記載の力覚センサ。 The second connection structure includes a second buffer structure that buffers the force acting on the strain body.
The force sensor according to claim 1.
前記第1方向および前記第2方向のそれぞれに直交する第3方向で見たときに、前記空間部が、前記第2方向において前記第1接続構造部とは反対側に前記空間部が膨出するように前記第2緩衝構造部が形成されている、
請求項15に記載の力覚センサ。 A space is formed between the first connection structure and the second connection structure,
When viewed in a third direction perpendicular to each of the first direction and the second direction, the space portion bulges on a side opposite to the first connection structure portion in the second direction. the second buffer structure is formed so as to
The force sensor according to claim 15.
請求項1または2に記載の力覚センサ。 A spring constant of the third connection structure is larger than a spring constant of the first connection structure and a spring constant of the second connection structure.
The force sensor according to claim 1 or 2.
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