JPH04194634A - 力・モーメント検出装置 - 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〕 この出願の発明は、ロボットの力覚センサ等として使用
される力・モーメント検出装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、この種の検出装置として、半導体の単結晶基板を
利用して力乃至モーメントを検出する装置が知られてお
り、例えば、第９図及び第１０図に示すようなものがあ
る。

このものは、同図に示すように、機械的変形により電気
抵抗が変化する４個の検出素子（Ｒ）（ＲＸＩＩ　Ｒｘ
ｚ、　Ｒｘ３．　ＲＸ４とする）を直線上に備えた単結
晶基板（２）と、中心部と周辺部のいずれか一方を阜綾
部とし、他方を作用部とした起歪体（１）とから構成さ
れており、前記検出素子（Ｒ）の配列線が起歪体（１）
の中心線（Ｌ１）と一致するように、単結晶基板（２）
が起歪体（１）の表面に接着固定しである。

このものでは、上記起歪体（１）の作用部に外力（機械
的外力）が加わると、第１１図に示すように、単結晶基
板（２）の検出面が変形すると共にこれに配設された各
検出素子（Ｒ）が変形してこれの電気抵抗が変化（引張
方向の歪みが検出素子（Ｒ）に加われば抵抗値は増加し
、圧縮方向の歪みが検出素子（Ｒ）に加われば抵抗値は
減少する）することとなる。したがって、４個の検出素
子（Ｒ）をそれぞれ、第１２図に示す如く電気的にブリ
ッジ接続すると、前記抵抗変化を電圧変化として検出す
ることができ、検出素子（Ｒ）の配列線と直交する軸回
りのモーメン）ＭＸを出力電圧として検出できる。

尚、モーメントＭ、による出力電圧ＶＭＸは、Ｒｘ＋　
’　Ｒｘ：＋　　Ｒｘｚ　’　ＲＸ４ＶＭｘ＝　　　　
　　　　　　　　　　　　　Ｘ　ＩＲｘ＋＋Ｒｘｚ＋Ｒ
ｘｚ＋Ｒｘ４ となる。（■は電流値を示す） ところが、上記力・モーメント検出器では、単結晶基板
（２）を起歪体（１）の表面に接着固定するに際して、
検出素子（Ｒ）の配列線と起歪体（１）の中心線（Ｌ１
）とを完全に一致させることは非常に困難であり、自動
・手動にかかわらず、±１００μ■程度の取付は誤差が
生じてしまう。この取付は誤差は、モーメントの検出誤
差となる。

即ち、検出素子ＲＸＩについて考えると、検出素子Ｒｘ
ｌが起歪体の中心線（Ｌ１）上にあれば、検出素子Ｒｘ
ｌの歪み量は極大値となるが、検出素子Ｒ８，が中心線
（Ｌ１）からズレると前記歪み量はズレ量に対応して極
大値からはずれることとなる。ここで、 ΔＲ −＝Ｃ・ε ΔＲ：抵抗値変化量 Ｒ：歪みが加わっていないときの抵抗値Ｇ　：ゲージ率 ε　：歪み量 であることから、検出素子ＲＸＩの抵抗値変化量は歪み
量に比例する。即ち、中心線（Ｌ１）と直交する方向の
ズレに対応して検出素子ＲＸ１の抵抗値は減少する。こ
のことは他の検出素子ＲＸｚ、ＲＸ３＋ＲＸ４について
同じことがいえる。したがって、中心線（Ｌ１）からの
ズレに対応してモーメントＭ。

による電圧変化■。は小さくなる。

〔発明が解決しようとする課題〕

そこで、この出願の発明では、検出素子の配列線と起歪
体の中心線とが一致していなくても、モーメントの検出
精度が極端に低下しない力・モーメント検出器を提供す
ることを課題とする。

〔課題を解決する為の手段〕

この出願の発明では、機械的変形により電気抵抗が変化
する４個の検出素子を直線上に備えた単結晶基板（２）
と、中心部と周辺部のいずれか一方を支持部とし、他方
を作用部とした起歪体（１）とから構成されており、前
記検出素子の配列線が起歪体（１）の中心線（Ｌ１）と
一致するように、単結晶基板（２）が起歪体（１）の表
面に接着固定された力・モーメント検出装置に於いて、
各検出素子が、同じ電気抵抗値である検出素子（Ｒａ）
、（Ｒａ）をそれぞれ所定の間隔で直列接続させて成る
ものとし、起歪体（１）の中心線（Ｌ１）と一致させる
線を、前記検出素子（Ｒ１）、（Ｒｈ）間の中央線（Ｒ
２）としている。

〔作用］ この出願の発明は次の作用を有する。

検出素子（Ｒ１）と検出素子（Ｒａ）間の中央線（Ｒ２
）と起歪体（１）の中心線（Ｌ１）とがΔＸだけ（ΔＸ
は検出素子（Ｒ１）と検出素子（Ｒｈ）間の半分の長さ
よりも小）ずれた場合、適性に位置された場合と比較し
て、検出素子（Ｒａ）の歪はΔε１だけ増加し、検出素
子（Ｒ５）はΔε２だけ減少する。したがって、検出素
子（Ｒ１）、（Ｒｂ）に歪が加わっていないときの抵抗
値をＲｔとすると、歪が加わったときのＲ“１．Ｒ゛、
は、 Ｒ１１工Ｒ２−ΔＲ１ Ｒ１，ヨＲ２−ΔＲ２ となり、これらは直列接続されていることから全体抵抗
は、Ｒ”、　＋Ｒ’　ｂ　−２Ｒｚ　＋（ΔＲ１−ΔＲ
ｚ）となる。

他方、従来の力・モーメント検出器では、検出素子の配
列線が起歪体（１）の中心線（Ｌ１）からΔＸだけずれ
ると、εＸ１はΔε、だけ減少する。

したがって、検出素子（Ｒａ）に歪が加わっていないと
きの抵抗値をＲ１とすると、 Ｒ’　、＝Ｒ，−ΔＲ３となる。

ここで、ΔＲ＋　ζΔＲ２−ΔＲ，，Ｒ，ζＲ１と近似
することができるので上記したΔＸだけのズレによる検
出素子の抵抗値の変化の比率は、ΔＲ＋−ΔＲ２ΔＲ８ □〈□ ２Ｒ２Ｒ。

である。

このことは、全ての検出素子についても同様のことがい
えることから、中央線（Ｌ２）と起歪体（１）の中心線
（Ｌ１）とのズレによる抵抗値の変化は従来のものより
も非常に小さなものとなる。

〔実施例〕

以下、この出願の発明の構成を一実施例として示した図
面に従って説明する。

この実施例のものは、第１図に示すように、この出願の
発明である力・モーメント検出器（Ｄ）をロボットハン
ド（９）の指部に使用したものであり、前記指部によっ
て被挟持物（９０）を挟持した場合において、力・モー
メント検出器（Ｄ）に作用するモーメント及び力を検出
電圧として検出し、指部による被挟持物への挟持力を制
御するものである。この為、このものでは、前記検出電
圧と比較される設定電圧器を具備させてあり、検出電圧
が設定電圧以上となったときに、ロボットハンド（９）
の指部による挟持力の増加を停止ならしめるようにしで
ある（設定電圧器等は図示せず）。

以下、この発明の要部である力・モーメント検出器（Ｄ
）について詳述する。

上記力・モーメント検出器（Ｄ）は、第２図に示すよう
に、起歪体（１）と、検出素子を備えた単結晶基板（２
）と、前記単結晶基板（２）の全域を覆うカバー（３）
とから構成されている。

起歪体（１）は、第２図に示すように、中央部をダイヤ
フラム部（１１）とした皿状体（１０）と、前記ダイヤ
フラム部（１１）の底面中央部から突出させた軸部（１
２）とから構成されており、前記軸部（１２）に外力が
加わると皿状体（１０）の上面が前記外力に応じて変形
せしめられるように−しである。そして、この起歪体（
１）には、第３図に示す如く、単結晶基板（２）の配役
位置の目安となる、手段の欄に記載した中心線（ＬＬ）
と対応する仮想軸（Ｘ）（Ｙ）及び仮想軸（Ｚ）を具備
させである。

単結晶基板（２）は、第３図に示すように、半導体によ
り構成された板状のもので、仮想線（ｙ）に関連して検
出素子（ＲａＩ）　　（Ｒａｚ）　　（Ｒｘｓ）（Ｒａ
、）を、前記仮想線（ｙ）と直交する仮想線（Ｘ）に関
連して検出素子（Ｒａ、）（Ｒａ、）（Ｒａ３）　　（
Ｒａ、）を、それぞれ配設してあり、更には、前記仮想
線（Ｘ）と仮想線（ｙ）との間の仮想線（ｚ）上に検出
素子（Ｒａ、）（Ｒａ２）（Ｒａ）（Ｒａ、）を配設し
である。

上記した検出素子（Ｒａ、）は、同図に示すように、検
出素子（ＲＸｌ、）と検出素子（ＲＸ、２　）とを一定
間隔で直列接続させて構成してあり、仮想線（ｙ）を手
段の欄に記載した中央線（Ｌ２）としである。同様に、
同図に示す如く、検出素子（Ｒｏ）を検出素子（Ｒ−ｚ
１）と検出素子ＣＲ，２Ｚ　）から、検出素子（Ｒｏ）
を検出素子（Ｒａ３，）と検出素子（ＲＸｌｚ　）から
、検出素子（Ｒａ４）を検出素子（Ｒａ、、）と検出素
子（Ｒａ、□）から構成させている。

又、上記した検出素子（Ｒ−＋）は、同図に示すように
、検出素子（Ｒ−１＋　）と検出素子（Ｒａ、。

）とを一定間隔で直列接続させて構成してあり、仮想線
（Ｘ）を手段の欄に記載した中央線（Ｌ２）としである
。同様に、同図に示す如く、検出素子（ＲＶりを検出素
子（Ｒｘ２１）と検出素子（Ｒｙｚ２）から、検出素子
（Ｒｙｆｆ）を検出素子（Ｒｘ３１）と検出素子ＣＲ，
ｚｔ　）から、検出素子（Ｒａ、）を検出素子（Ｒｘ４
１　）と検出素子（Ｒ７４□）から構成させている。

即ち、上記検出素子（ＲＸＩＩ　＋　Ｒｘｚ＋　ｌ　Ｒ
ｘ３１、Ｒ３４，又は、Ｒｙｌｌ　＋　　Ｒｙａｌ　＋
　　Ｒｙａｌ　＋　　Ｒｘ４１）は手段の欄に記載した
検出素子（Ｒａ）と対応し、検出素子（ＲＸＩ２　＋　
Ｒｘｚｚ　ｌ　Ｒｘ！Ｚ　＋　Ｒｘ４！又は、Ｒｙ＋□
、Ｒ９２□＋　ＲＹ３Ｚ　＋　Ｒ，、□）は手段の欄に
記載した検出素子（Ｒ１）と対応するのである。尚、上
記した全ての検出素子はピエゾ抵抗素子が採用されてお
り、検出素子に生じた歪を電気抵抗の変化に変えて電気
信号として出力するものである。

上記した単結晶板（２）を起歪体（１）に接着固定する
際には、仮想軸（Ｘ）を仮想線（Ｘ）に、仮想軸（Ｙ）
を仮想線（ｙ）に、仮想軸（Ｚ）を仮想線（ｚ）に極カ
一致させるようにして行うが、従来の技術の欄にも記載
したように、仮想軸（Ｘ）と仮想線（Ｘ）間等にズレが
生じる。

このズレによる検出誤差は従来の技術の欄のものと比較
すると以下の通りである。

起歪体（１）に仮想軸（Ｘ）の軸回りモーメントＭＸを
加えたときの検出素子（Ｒａ、ｌ　）、　　（ＲＸＩ□
）の歪は、ε８．１＝ε８，２＝ε、となる。

検出素子（Ｒａ１１）と検出素子（Ｒ−＋ｚ　）の間隔
を２ｄＬ、、検出素子ＣＲ−Ｉ＋　）　、　　（Ｒｘ＋
ｚ　）が仮想軸（Ｘ）方向にΔＸだけ（ΔＸはｄよりも
小）ズレると、εＸｌｌ　はΔε１だけ増加し、ε８．
２はΔε２だけ増減するので、検出素子（Ｒａ、、）の
抵抗値はΔＲ１増加し、検出素子（Ｒａ１ｚ　）の抵抗
値はΔＲ，！少する。検出素子（Ｒａ、、）。

＜ＲＸ、Ｚ　）に歪が加わっていないときの抵抗値をＲ
１とすると、 Ｒ′買１１”Ｒ１＋ΔＲＩ Ｒ’ｘ＋ｚ＝Ｒ２−ΔＲｚ　　　（第５図参照）となり
、これらは直列接続状態にあるから、抵抗はＲ’　−Ｉ
＋　十Ｒ’　ｘ＋ｚ　−２Ｒｚ　＋　（ΔＲ，−ΔＲ２
）となる。

従来の力・モーメント検出器では、検出素子（Ｒａ□）
が仮想軸（Ｙ）からΔＸだけズした場合、εｘｌはΔε
、だけ減少する。検出素子（Ｒｏ）に歪が加わっていな
いときの抵抗値をＲ１とするとＲ’　、−Ｒ、−ΔＲｓ
（第６図参照）ここで、ΔＸが小さい場合（±１００μ
■程度であるならば）、ΔＲ３ζΔＲ２ζΔＲ，，Ｒ，
ζＲ３と近位することができるので、仮想軸（Ｘ）方向
にΔＸだけずれることによる検出素子の抵抗値の変化の
比率は ΔＲ，−ΔＲオ　　ΔＲ５ □〈□ Ｒ，２Ｒ。

（ΔＸが小さい場合ΔＲ１−ΔＲｚ嬌０）である。

上記のことは、検出素子（Ｒｘｚ）、　　（Ｒａ、）。

（Ｒａ４）についても同様のことがいえる。

したがって、モーメントＭｘを検出する為の検出素子Ｒ
ｘが従来技術のものと同量ズしたとしても、ズレによる
抵抗値の変化率は従来のものと比較して非常に小さなも
のとなる。

他方、この実施例のものでは、第７図に示すように、仮
想軸（Ｙ）に関連する検出素子（Ｒａ１）（Ｒａ、）、
（Ｒａ３）、（Ｒａ、）相互を電気的にブリッジ接続し
てあり、又、検出素子（Ｒａ、）　　・・・（Ｒａ、）
、検出素子（Ｒ□）・・・　（Ｒ３，）についても同様
にブリッジ接続しである（図示せず）。

したがって、上記検出素子が従来と同量ズした状態で起
歪体（１）に配置されたとしても、仮想軸（Ｘ）の軸回
りのモーメン）Ｍ、、仮想軸（Ｙ）の軸回りのモーメン
トＭ、と対応する出力電圧が精度の高いものとなり、そ
の結果、この力・モ−メント検出器が使用された第１図
に示すロボットハンド（９）の挟持力は設定値に非常に
近いものとなる。

尚、上記実施例のものにかえて、第８図の如く、検出素
子（Ｒ１１１１＋　　ＲＸ！ｌ　＋　　Ｒｘｊｌ　ｌ　
　Ｒｘ４１又は、ＲＦｌｌ　ｒ　　Ｒｙａｌ　ｌ　　Ｌ
３１　ｒ　　Ｌ４１　　）　　・（ＲＸＩｚ　、　　Ｒ
ｘｚｚ　、　　ＲＸ３Ｚ　＋　　ＲＸ４２又は、Ｒ，、
、、Ｒ，！２　＋　Ｒ１３２＋　Ｒｙ４□）を配置して
もよい。

〔発明の効果〕

この出願の発明は、上述の如くの構成を有するものであ
るから、次の効果を有する。

この発明のものでは、中央線（Ｌ２）と起歪体（１）の
中心１ｉ　（Ｌ１）とのズレによる抵抗値の変化は従来
のものよりも非常に小さなものとなるから、モーメント
の検出精度が極端に低下しない力・モーメント検出器を
提供できることとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の検出器を使用したロボットハンドの
説明図、第２図はこの発明の力・モーメント検出器の断
面図、第３図は前記検出器の起歪体と単結晶基板の説明
図、第４図〜第６図は前記検出器の作用の説明図、第７
図は前記検出器の検出素子相互のブリッジ回路の説明図
、第８図は他の実施例の説明図、第９図〜第１２図は従
来の技術の説明図であり、図中、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、機械的変形により電気抵抗が変化する４個の検出素
   子を直線上に備えた単結晶基板（２）と、中心部と周辺
   部のいずれか一方を支持部とし、他方を作用部とした起
   歪体（１）とから構成されており、前記検出素子の配列
   線が起歪体（１）の中心線（Ｌ１）と一致するように、
   単結晶基板（２）が起歪体（１）の表面に接着固定され
   た力・モーメント検出装置に於いて、 各検出素子が、同じ電気抵抗値である検出 素子（Ｒ＿ａ）、（Ｒ＿ｂ）をそれぞれ所定の間隔で直
   列接続させて成るものとし、起歪体（１）の中心線（Ｌ
   １）と一致させる線を、前記検出素子（Ｒ＿ａ）、（Ｒ
   ＿ｂ）間の中央線（Ｌ２）としたことを特徴とする力・
   モーメント検出装置。 ２、起歪体（１）の中心線（Ｌ１）を、仮想軸（Ｘ）と
   これと直交する仮想軸（Ｙ）とから構成したことを特徴
   とする請求項１記載の力・モーメント検出装置。 ３、検出素子を、ピエゾ抵抗素子により構成したことを
   特徴とする請求項１又は２記載の力・モーメント検出装
   置。