JPH01295791A - 力検出位置変位装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は１例えばロボット用力覚センサ、マンマシンイ
ンターフェイスとしての三次元入力装置、三次元荷重測
定装置等に利用される力検出位置変位装置に関する。

従来の技術 従来、アクチュエータ等を用いて微細な位置決め制御を
行っているものとして、特開昭６３−６６６１４号公報
に開示されているものがある。まず、その第一の従来例
として、微小回転変位を行う微細位置決め装置がある。

すなわち、第１３図に示すように、アクチュエータとし
てのバイモルフ形圧電素子１は、その一端が中央固定部
２の縦ｗ１３に固定され、他端は固定されず自由端とな
っており周囲のリング状のステージ４に取付けられたＵ
字形状金具５に接触している。そして、今、各バイモル
フ形圧電素子１に電圧を印加すると、それらはステージ
４の円周方向に沿って変位する。

それらバイモルフ形圧電素子１の変形により自由端と接
するＵ字形金具５を介して、ステージ４は矢印方向に回
動変位する。そこで、このステージ４上部に図示しない
テーブルを載置固定しておけば、このテーブルを微動さ
せることができる。

次に、その第二の従来例として、放射たわみ梁変位機構
を有する微細位置決め装置がある。すなわち、第１４図
に示すように、放射たわみ梁変位機構６は、ｘ、ｙ軸方
向に沿って下方の剛体部（支持板）７と上方の剛体部８
との間に挾まれた位置に設けられており、また、これら
上下の剛体部７，８のそれぞれの突起部９．１０の間に
挾まれた位置には、第１５図（ａ）に示すようなアクチ
ュエータとしての圧電アクチュエータ１１が設けられて
いる。そこで、今、このような圧電アクチュエータ１１
に電圧を印加すると、第１５図（ｂ）に示すように、放
射たわみ梁１２がたわみ、微少角度δだけ回転変位する
。これにより、放射たわみ梁変位機構６がＸ、Ｙ軸まわ
りにそれぞれ回転変位することになるので、これに連れ
て上側の剛体部８に載置固定されたテーブル１３を微動
させることができる。

発明が解決しようとする問題点 しかし、第一の従来例では、構成自体が複雑であるばか
りでなく、バイモルフ形圧電素子１の自由端にＵ字形金
具５の取付は位置を定めなければならず、その製造に多
大な手間と時間を要する。

一方、第二の従来例では、放射たわみ梁変位機構６の構
成が複雑でありコスト高が懸念されるということや、Ｘ
、Ｙ軸方向の２軸回転変位しかできずその他の前進、後
退運動ができないという問題がある。

また、このような従来の装置においては、アクチュエー
タ１，１１によりテーブル１３等を微動変位させること
はできるが、変位量（発生力）の検出手段を持たないた
め、そのようなテーブル１３が何かの固定物にぶつかっ
た場合にアクチュエータ１，１１にトラブルが発生する
懸念がある。

問題点を解決するための手段 そこで、このような問題点を解決するために、第一の発
明では、中心部と周辺部とのいずれか一方を支持部とし
他方を作用部とする起歪体を設け。

この起歪体の表面に機械的変形により電気抵抗を変化さ
せる検出素子を備えた検出面が一面に形成された単結晶
基板を接着固定し、この単結晶基板の検出面の反対側に
位置する面にモーメントを発生させるアクチュエータを
取付けた。

第二の発明では、中心部と周辺部とのいずれか一方を支
持部とし他方を作用部とし、これら両者間に機械的変形
により電気抵抗を変化させる検出素子を備えた検出部を
形成し、この検出部よりも中心部と周辺部との剛性を高
くした平板状起歪体を設け、この平板状起歪体の検出部
にモーメントを発生させるアクチュエータを取付けた。

作用 従って、第一の発明から、起歪体の作用部に作用する多
軸力の成分力を単結晶基板上の検出面に形成された検出
素子により検出することができると共に、検出面の反対
側の面に取付けられたアクチュエータにより作用部を多
次元に渡り変位させることができる。従って、このよう
に多軸力の成分力の検出を行う機構と多次元の変位を発
生させる機構とを一体化して構成することにより、それ
ら検出素子により検出された多軸力の成分力をフィード
バック制御して多次元の変位を行わせることができるた
め、これにより、力と変位との関係を精密に管理するこ
とが可能となる。

第二の発明から、平板状起歪体の作用部に作用する多軸
力の成分力をその検出部に形成された検出素子により検
出することができると共に、検出部の一面又は両面に取
付けられたアクチュエータにより作用部を多次元に渡り
変位させることができる。従って、このように多軸力の
成分力の検出を行う機構と多次元の変位を発生させる機
構とを一体化して構成することにより、それら検出素子
により検出された多軸力の成分力をフィードバック制御
して多次元の変位を行わせることができるため、これに
より、力と変位との関係を精密に管理することが可能と
なる。

実施例 まず、第一の発明の第一の実施例を第１図ないし第７図
に基づいて説明する。起歪体１４は、Ｆｅ−Ｎｉ合金等
からなり円板状をなしており。

周辺部が固定用ネジ穴１５を備えた支持部１６とされ、
中心部は作用部１７とされている。この作用部１７には
力伝達体１８が下方に向けて形成されており、この力伝
達体１８の先端には力作用変位部１９がネジ結合されて
いる。また、前記作用部１７と前記周辺部１６との間に
は肉厚の薄い弾性変形面（ダイヤフラム）２０が形成さ
れており。

この上部に単結晶基板２１が接着固定されている。

前記単結晶基板２１は、ｎ−３ｉ（１１０）基板等より
なるものであり正方形状をなしている。この単結晶基板
２１の表面は検出面２２とされ、力の成分力（Ｍ　ｘ　
ｅ　Ｍ　ｙ　ｔ　Ｆ　ｚ　）を検出するための検出素子
（拡散抵抗）２３が形成されている。すなわち、モーメ
ントＭｘ検出用のＲｘ０．　Ｒｘ、。

ＲＺ３．　ＲＸ４％モーメントＭｙ検出用のＲｙｌ、　
Ｒｙ、。

Ｒｙ、、　Ｒｙ、、力Ｆｚ検出用のＲｚｌ、　Ｒｚ、、
　Ｒｚ、。

Ｒｘ４．　Ｒｚ、、　ＲＺ、、　ＲＺ？、　ＲＺ、が、
それぞれ図示しないブリッジ回路を構成しており、これ
によす力の成分力の検出を行っている。これらの検出素
子２３は１機械的な変形により電気抵抗の抵抗率が変化
する。いわゆる、ピエゾ抵抗効果を利用したものである
。

また、前記単結晶基板２１の外周部にはポンディングパ
ッド２４が設けられており、これらはボンディングワイ
ヤ２５を介してリードビン２６に接続されており、これ
によりブリッジ回路によって検出した電気信号を外部に
送り、後述するフィードバック制御用の信号として用い
ている。

そして、本発明に係るアクチュエータとしてのピエゾ電
極２７は、前記単結晶基板２１が接着固定されている前
記ダイヤフラム２０の裏面に薄膜（非導電コーティング
）２８を介して取付けられており、これらピエゾ電極２
７は、前記検出面２２に形成されている前記検出素子２
３に対応した位置に設けられている。また、前記ピエゾ
電極２７は、第２図に示すように、ピエゾ素子２９の周
囲を回し電極３０によって覆った構造となっており、そ
の回し電極３０からはアクチュエータ駆動用の２本のリ
ード線３１が引き出され入出力信号ピン３２に接続され
ている。

なお、前記ピエゾ素子２９の材質としてはジルコンチタ
ン酸鉛（Ｐ　ｂ　（Ｔ　ｉ　、　Ｚ　ｒ　）Ｏａ　）な
どを用いる。また、アクチュエータ用の素子としては前
記ピエゾ素子２９の他に、バイメタル素子や。

形状記憶合金＋ペルチェ素子等のものを用いることもで
きる。

このような構成において、まず、単結晶基板２１の検出
面２２に形成されている検出素子２３により力の３成分
力（ＭＸ、Ｍｙ、Ｆｚ）・の検出を行う方法について説
明する。今、力伝達体１８に外力が作用すると、起歪体
１４のダイヤフラム２０が機械的な変形を受け、この変
形により単結晶基板２１に応力が発生し、この応力の影
響を受けて検出面２２の検出素子２３にはピエゾ抵抗効
果により抵抗変化が生じる。これにより、各々のブリッ
ジ回路に電位差が生じ、力の成分力が電気信号となって
検出されることになる。この検出された電気信号は、ボ
ンディングワイヤ２５からり一ドピン２６を介して外部
回路へ送られ、ピエゾ電極２７に変位を発生させるため
の変位発生用信号として処理される。

次に１本発明に係る変位発生用のアクチュエータとして
のピエゾ電極２７の働きについて説明する。上述したよ
うに、力の成分力をブリッジ構成された検出素子２３に
より検出し、これを電気信号として取り出し外部回路へ
送り、変位を発生させるための変位発生用信号として処
理した後、この変位発生用信号を入出力信号ピン３２か
らリード線３１を介して、変位発生用のピエゾ電極２７
に送る。これにより、ピエゾ素子２９が変形し、この変
形によりダイヤフラム２０が変形し、これに連れて力伝
達体１８に連結された力作用変位部１９が変位するわけ
であるが、以下、その具体例について述べる。

まず、その第一の具体例について説明する。これはアク
チュエータとしてのピエゾ電極２７を。

第４図に示すように、ダイヤフラム２０の外周部分の互
いに直交するｘ、Ｙ軸線上のａ、ｉ）、Ｑ。

ｄの位置に４個配設した場合の例である。

Ｘ軸方向に力変位作用部１９を変位させたい場合には、
第５図に示すように、ａ、ｂのピエゾ電極２５の、どち
らか一方又は両方共に、変位発生用信号を送りアクチュ
エイトさせることによって変位させることができる。こ
の場合、ａ、ｂのピエゾ電極２７に印加する電圧は、互
いに逆極性のものを印加する。また、Ｙ軸方向に力変位
作用部１９を変位させたい場合には、ｃ、ｄのピエゾ電
極２７の、どちらか一方又は両方共に、変位発生用信号
を送りアクチュエイトさせることによって変位させるこ
とができる。この場合にも、ｃ、ｄのピエゾ電極２７に
印加する電圧は、互いに逆極性のものを印加する。さら
に、Ｚ軸方向に力変位作用部１９を変位させたい場合に
は、ａ、ｂのピエゾ電極２７又はｃ、ｄのピエゾ電極２
７の、どちらか一方又は両方共に、変位発生用信号を送
りアクチュエイトさせることによって変位させることが
できる。この場合には、ａ、ｂ、ｃ、ｄの４個すべてに
同極性の電圧を印加する。

次に、その第二の具体例について説明する。これは、第
一の具体例にさらに４個のピエゾ電極２７を追加した場
合の例である。すなわち、第６図に示すように、ピエゾ
電極２７は＊　ａ　＃　ｂ　ｔ　Ｃ９ｄの他に、ａｙ　
ｆｅ　ｇ＊　ｈの箇所にも配設する。

これにより、力変位作用部１９をＸ軸方向へ変位させる
場合には、第７図（ａ）に示すように、ａとｆのピエゾ
電極２７に同極性の電圧を、ｂとｅのピエゾ電極２７に
これと逆極性の電圧をそれぞれ印加し、アクチュエイト
させることによって変位させることができる。また、力
変位作用部１９をＹ軸方向へ変位させる場合にも、同様
に、Ｃとｈのピエゾ電極２７に同極性の電圧を、ｄとｇ
のピエゾ電極２７にこれと逆極性の電圧をそれぞれ印加
し、アクチュエイトさせることによって変位させること
ができる。さらに、力変位作用部１９を２軸方向へ変位
させる場合には、第７図（ｂ）に示すように、ａ、ｂ、
ｃ、ｄのピエゾ電極２７に同極性の電圧を、ｅ、ｆ、ｇ
、ｈのピエゾ電極２７にこれとは逆極性の電圧をそれぞ
れ印加することによって変位させることができる。

次に、第一の発明の第二の実施例を第８図に基づいて説
明する。なお、第一の実施例と同一部分については同一
符号を用いる０本実施例は、単結晶基板２１の裏面に直
接力伝達体１８を接合すると共に、また、その裏面に直
接薄膜を形成し、そこにアクチュエータとしてのピエゾ
電極２７を取付けた場合の例である。従って、この場合
には。

力伝達体１８に加わった力は、直接、単結晶基板２１の
裏面に伝達されることになり、これにより単結晶基板２
１が機械的な変形を受け、検出素子２３の抵抗変化が生
じブリッジ回路により電気信号として取り出すことがで
きる。また、この電気信号をもとに、変位発生用信号を
ピエゾ電極２７に送り力検出変位部１９を変位させる場
合には、前述した第一の実施例と同様な手段により行う
ことができるので、ここでの詳細な説明は省略する。

次に、第二の発明の第一の実施例を第９図ないし第１２
図に基づいて説明する。なお、第一の発明と同一部分に
ついては同一符号を用いる。平板状起歪体３３はその周
辺部を支持部１６とし、その中心部を作用部１７として
おり、これら両者間には検出部３４が形成されている。

この検出部３４には８個の六３５を設けることにより形
成された内外周間を連結する８本のアーム３６が放射状
に形成されており、このアーム３６は幅狭部３７とその
拡開部３８とよりなっている。なお、前記検出部３４よ
りも前記支持部１６と前記作用部１７との剛性を高くと
っている。

また、前記アーム３６とその平板状起歪体３３の中心と
を通るｘ、ｙ、Ｘ軸線上には、力の成分力（Ｍ　ｘ　ｗ
　Ｍ　Ｖ　＊　Ｆ　Ｚ　）を検出する検出素子（拡散抵
抗）２３が形成されている。すなわち、Ｙ軸線上にはモ
ーメントＭｘ検出用のＸユｔ　Ｘ２１　ＸａｔＸ、、Ｘ
軸線上にはモーメントＭｙ検出用のＹｌ。

Ｙ、、Ｙ、、Ｙ４．Ｘ、Ｙ軸と４５°をなす方向には力
Ｆｚ検出用のｚ、、　ｚ、、　ｚ、、　ｚ、、　ｚｓ、
　ｚ、。

２、、２．が、それぞれ図示しないブリッジ回路を構成
しており、これにより力の成分力の検出を行っている。

そして、本発明に係るアクチュエータとしてのピエゾ電
極２７は、前記検出部３４の裏面に図示しない薄膜（非
導電コーティング）を介して取付けられており、これら
ピエゾ電極２７は、前記検出部３４の表面に形成されて
いる前記検出素子２３に対応した位置に設けられている
。なお、前記ピエゾ電極２７の構成は、前述した第一の
実施例（第２図参照）の場合と同じである。

このような構成において、平板状起歪体３３の作用部１
７に力が作用すると、アーム３６が機械的な変形を受け
、検出部３４の表面の検出素子２３に応力が加わり抵抗
値が変化する。これにより、その抵抗変化をブリッジ回
路により検出し電気信号として外部回路へ送る。そして
、その電気信号をもとにして力検出変位信号を、検出部
２３の裏面に取付けられたピエゾ電極２７に送ることに
よって、後述する力作用変位部１９を変位させることが
できる。

なお１本実施例においては、検出部３４の表面に力の成
分力を検出するための検出素子２３を形成させたが、も
し、必要なければこれら検出素子２３を形成させること
なく検出部３４の裏面側にのみ上述したようなピエゾ電
極２７を形成させ、これにより変位のみを行わせるよう
に構成してもよい、また、力作用変位部１９を実際に変
位させる方法については後述する。

次に、第二の発明の第二の実施例を第１１図及び第１２
図に基づいて説明する１本実施例は、アクチュエータと
してのピエゾ電極２７を、第一の実施例のように検出部
３４の裏面側にのみ形成するだけでなく、これらと対応
した位置の検出部３４の表面側にも形成させたものであ
る。そこで。

このように平板状起歪体３３の上下両面にピエゾ電極２
７を形成した場合における力作用変位部１９を変位させ
る方法を説明する。

具体例として、今、第１２図に示すように、検出部３４
の裏面側にａ、ｂ、ｃ、ｄのピエゾ電極２７を形成し１
表面側に６＊　ｆｙ　ｇｙ　ｂのピエゾ電極２７を形成
した場合における、Ｘ軸方向に力作用変位部１９を変位
させる方法について考える。

この場合、下面側のａとＣ１上面側のｆとｈの４個のピ
エゾ電極２７を同極性に印加し、下面側のｂとｄ、上面
側のｅとｇの４個のピエゾ電極２７をこれとは反対極性
に印加することによって、力作用変位部１９をＸ軸方向
に変位させることができる。また、Ｙ軸方向への変位方
法もこれと同様な考え方で行うことができる。さらに、
ｚ軸方向への変位方法としては、下面側のａとｄ、上面
側のｅとｈの外周に位置する４個のピエゾ電極２７を同
極性に印加し、下面側のｂとＣ１上面側のｆとｇの内周
に位置する４個のピエゾ電極２７をこれとは反対極性に
印加することによって、力作用変位部１９を２軸方向に
変位させることができる。

上述したように、第一の発明では、単結晶基板２１の検
出面２２上の検出素子２３により力の成分力を検出し、
この検出された信号を検出面２２の裏面側に取付けられ
たアクチュエータとしてのピエゾ電極２７に送りアクチ
ュエイトさせることによって、力検出作用部１９をｘ、
ｙ、ｚ軸方向に変位させることができる。また、第二の
発明では、平板状起歪体３３の検出部３４に形成された
検出素子２３により力の成分力を検出し、この検出され
た信号を検出部３４の裏面側（ただし、検出部３４の表
面にも形成させた場合にはその表面側も含む）に取付け
られたアクチュエータとしてのピエゾ電極２７に送りア
クチュエイトさせることによって、力検出作用部１９を
ｘ、ｙ、ｚ軸方向に変位させることができる。

発明の効果 第一の発明では、中心部と周辺部とのいずれか一方を支
持部とし他方を作用部とする起歪体を設け、この起歪体
の表面に機械的変形により電気抵抗を変化させる検出素
子を備えた検出面が一面に形成された単結晶基板を接着
固定し、この単結晶基板の検出面の反対側に位置する面
にモーメントを発生させるアクチュエータを取付けたの
で、起歪体の作用部に作用する多軸力の成分力を単結晶
基板上の検出面に形成された検出素子により検出するこ
とができると共に、検出面の反対側の面に取付けられた
アクチュエータにより作用部を多次元に渡り変位させる
ことができる。従って、このように多軸力の成分力の検
出を行う機構と多次元の変位を発生させる機構とを一体
化して構成することにより、それら検出素子により検出
された多軸力の成分力をフィードバック制御して多次元
の変位を行わせることができるため、これにより。

力と変位との関係を精密に管理することが可能となるも
のである。

第二の発明では、中心部と周辺部とのいずれか一方を支
持部とし他方を作用部とし、これら両者間に機械的変形
により電気抵抗を変化させる検出素子を備えた検出部を
形成し、この検出部よりも中心部と周辺部との剛性を高
くした平板状起歪体を設け、この平板状起歪体の検出部
にモーメントを発生させるアクチュエータを取付けたの
で、平板状起歪体の作用部に作用する多軸力の成分力を
その検出部に形成された検出素子により検出することが
できると共に、検出部の一面又は両面に取付けられたア
クチュエータにより作用部を多次元に渡り変位させるこ
とができる。従って、このように多軸力の成分力の検出
を行う機構と多次元の変位を発生させる機構とを一体化
して構成することにより、それら検出素子により検出さ
れた多軸力の成分力をフィードバック制御して多次元の
変位を行わせることができるため、これにより、力と変
位との関係を精密に管理することが可能となるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は第一の発明の第一の実施例を示す縦断側面図、
第２図はそのピエゾ電極の略側面図、第３図は第１図の
平面図、第４図はアクチュエータを４個用いて配設した
場合の様子を示す説明図。 第５図はそのアクチュエータの動作状態を示す説明図、
第６図はアクチュエータを８個用いて配設した場合の様
子を示す説明図、第７図（ａ）（ｂ）はそのアクチュエ
ータの動作状態を示す説明図、第８図は第一の発明の第
二の実施例を示す縦断側面図、第９図は第二の発明の第
一の実施例を示す平面図、第１０図はそのアクチュエー
タを片面のみに配設した場合の様子を示す縦断側面図、
第１１図は第二の発明の第二の実施例を示す縦断側面図
。 第１２図はそのアクチュエータの動作状態を示す説明図
、第１３図は第一の従来例を示す一部を切り欠いた斜視
図、第１４図は第二の従来例を示す斜視図、第１５図（
ａ）（ｂ）はそのアクチュエータの動作状態を示す説明
図である。 １４・・・起歪体、１６・・・支持部、１７・・・作用
部。 ２１・・・単結晶基板、２２・・・検出面、２３・・・
検出素子、２７・・・アクチュエータ、３３・・・平板
状起歪体、３４・・・検出部 出　願　人　　　　株式会社　リ　コ　−Ｊ３　　ｄ図 、％、ＩＬＬ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、中心部と周辺部とのいずれか一方を支持部とし他方
   を作用部とする起歪体を設け、この起歪体の表面に機械
   的変形により電気抵抗を変化させる検出素子を備えた検
   出面が一面に形成された単結晶基板を接着固定し、この
   単結晶基板の前記検出面の反対側に位置する面にモーメ
   ントを発生させるアクチュエータを取付けたことを特徴
   とする力検出位置変位装置。 ２、中心部と周辺部とのいずれか一方を支持部とし他方
   を作用部とし、これら両者間に機械的変形により電気抵
   抗を変化させる検出素子を備えた検出部を形成し、この
   検出部よりも前記中心部と前記周辺部との剛性を高くし
   た平板状起歪体を設け、この平板状起歪体の前記検出部
   にモーメントを発生させるアクチュエータを取付けたこ
   とを特徴とする力検出位置変位装置。