JPH0580971B2 - - Google Patents

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JPH0580971B2
JPH0580971B2 JP61100801A JP10080186A JPH0580971B2 JP H0580971 B2 JPH0580971 B2 JP H0580971B2 JP 61100801 A JP61100801 A JP 61100801A JP 10080186 A JP10080186 A JP 10080186A JP H0580971 B2 JPH0580971 B2 JP H0580971B2
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Japan
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signal
force
torque
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torque sensor
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Allen Robert Grahn
Lynn Astle
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/25—Measuring force or stress, in general using wave or particle radiation, e.g. X-rays, microwaves, neutrons
    • G01L1/255—Measuring force or stress, in general using wave or particle radiation, e.g. X-rays, microwaves, neutrons using acoustic waves, or acoustic emission
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G—PHYSICS
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G01L5/166—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using photoelectric means
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S73/00—Measuring and testing
    • Y10S73/04—Piezoelectric

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、複数の力およびトルク成分の検出と
定量測定に関する。本発明は、複数の力およびト
ルク成分を検出しかつ定量化する装置を含む。本
発明は、複数の力およびトルク成分を検出しかつ
定量化することのできる多重成分力およびトルク
センサを提供する。
本発明は、米国航空宇宙局によつて落札を許さ
れた契約番号NAS1−17997の下に米国政府の支
援を受けて行われた。米国政府は、本発明に相当
の権利を保有する。
〔従来の技術〕
本発明の発明者は、先に「センサ」という発明
の名称の特許出願を出願した。その出願は、1984
年９月25日に提出され、米国出願番号第653904号
に指定された。その出願の内容と開示は、本願の
参考文献に掲載されている。その出願に記載され
かつ請求されている発明は、多くの有意な点にお
いて本発明のものと異なつている。先行発明自体
は、単数の力成分、すなわち、センサ表面に垂直
な印加力の検出、定量分析及び分布に関する。下
にさらに充分に説明するように、本発明自体は、
多重成分力およびトルクに関する。
〔発明の概要〕
本発明は、複数の力およびトルク成分の検出と
定量測定が望まれるどんなところにも応用及び使
用される。本発明の発明者にとつて特に興味のあ
るのは、本発明のロボツト工学の分野への利用で
ある。多重成分力およびトルクセンサをロボツト
のエンドエフエクタ（end effector）のにぎり表
面上に応用することができこれによつて「感触」
動作を可能にする。このセンサは、力およびトル
ク成分情報の流れを与えることができ、これによ
つて、物体のつかみ、輸送、操作を容易にする。
このような情報は、にぎり力及び物体の位置、方
位、滑り量の決定及び制御を援助することができ
る。このセンサは、物体を引つ掛からせたり、不
整列させたりすることなく正確にそう入したり、
取付けたりできるようにし、また衝突の衝撃を軽
減することができる。このセンサは正確性の低い
ロボツトに正確な仕事をさせることができる。本
発明の多くの他の応用、使用及び利点は、ロボツ
ト工学の分野の内外を問わず、存在しており、技
術がその発展を止むことなく加速続けるに従つて
未来にますます多くの応用、使用及び利点を見出
すであろう。たとえば、本発明の発明者は、工業
オートメーシヨン及び人工器官の分野への本発明
の応用と使用を企図している。
本明細書並びに収録の特許請求の範囲に使用さ
れている用語「複数の力およびトルク成分」は、
第１図に示されているように、直角力成分Fx，
Fy，Fz及びトルク（又はモーメント）成分Mx，
My，Mzを意味する。用語「単数の力およびトル
ク成分」は、複数の力およびトルク成分のうちの
単一のものであり、Fx，Fy，Fz，Mx，My．Mz
のいずれか一つを意味する。第１図に示されてい
るように、Fzは第１図が描かれている紙で規定さ
れる面に直角な力成分を表す。Fxは水平力成分
を表しまたFyは垂直力成分を表す。いかなる力
も、Fx，Fy，Fzによつて表すことができる。Mx，
My，Mzの各々はこれらに対応する軸ｘ，ｙ，ｚ
のまわりのトルク（又はモーメント）を表す。い
かなるトルクＭも、Mx，My，Mzによつて表す
ことができる。
〔発明の構成〕
本発明の多重成分力およびトルクセンサは、力
およびトルク要素を印加することのできる負荷装
置を有する。好ましくは、負荷装置は金属板であ
るが、しかし、負荷装置は力およびトルク成分を
受けることのできるいかなる物体又は表面であつ
てもよい。たとえば、負荷装置は、下に述べるよ
うに、変形可能装置の表面であつてもよい。金属
以外の材料（たとえば、プラスチツク、セラミツ
ク）が採用される場合は、この材料は、好ましく
は、堅牢なものである。
センサは、負荷装置への単数の力およびトルク
成分の印加に応答して変形する変形可能装置を含
む。好ましくは、変形可能装置は、負荷装置に固
定される。この固定は、たとえば、変形可能装置
を直接に負荷装置に取り付けるか又は変形可能装
置を負荷装置に取り付けられた何らかの中継装置
又は材料に取り付けることによつて、達成され
る。変形可能装置は、好ましくは、天然ゴム、合
成ゴム又はシリコンゴムなどのようなエラストマ
ー性材料である。変形可能装置は、望ましくは、
一組の多次元直線ばねとして振舞う。変形可能装
置としての使用に対する所与の材料の安定性を判
定するために、圧縮、張力、せん断及びねじり特
性が並進運動と回転運動の静的及び動的条件の下
で実験的に測定される。好ましくは、変形可能装
置は、シリコンゴムで作られた環形（円筒形）エ
ラストマー性パツドでありかつ負荷装置に直接に
取り付けられる。環形（円筒形）は、好ましくは
対称形であるが、それはこうすることによつて複
数の力およびトルク成分の計算が簡単化されるか
らである。しかしながら、変形可能装置は、他の
いかなる形でもよい。好ましいとはいえないけれ
ども、ばね及びばね類似装置を変形可能装置とし
て使用することもできる。
センサは、さらに、複数の信号伝送装置、複数
の信号反射装置、及び信号が通過走行する少くと
も一つの媒体を有する。信号伝送装置は信号を伝
送しこの信号は信号反射装置へ走行しそこから信
号検出装置へ反射される。信号が媒体を通つて走
行する際の信号の速度は、当技術の通常の熟練技
術者ならばこれを実験的に測定することができ
る。信号伝送装置は、信号反射装置によつて反射
されかつ信号検出装置によつて検出される信号を
伝送する装置ならばいかなるものでもよい。信号
検出装置は、反射信号を検出する能力のある装置
ならばいかなるものでもよい。好ましくは、信号
伝送装置及び信号検出装置は、後述の〔実施例〕
でさらに詳しく述べるように超音波トランスジユ
ーサである。信号反射装置は、信号を反射する面
（界面を含む）ならばいかなる面であつてもよい。
信号は、超音波信号、光学信号又は伝送、反射及
び検出することのできる他のいかなる信号であつ
てもよい。信号が超音波信号である場合、信号反
射装置は信号が通過走行する媒体と異なる音響イ
ンピーダンスの材料である。信号反射装置は、信
号が通過走行する媒体と界面を形成する。もし信
号反射装置がその媒体より低い音響インピーダン
スを有するならば、信号は界面で反射する際に反
転する（すなわち180°の移相を受ける）。もし信
号反射装置が媒体より高い音響インピーダンスを
有するならば、信号は180°移相を伴わず反射され
る。変形可能装置は信号のいくつか又は全てが通
過走行する媒体として働くことができる。シリコ
ン油又はシリコンゲルなどのような結合剤も信号
のいくつか又は全てが通過走行する媒体として働
く。信号伝送媒体となることのできる流体又は変
形可能材料ならばいかなるものでも、本発明の実
施に当つて結合剤として使用することができる。
各信号の走行時間は、その信号がその信号伝送
装置からその信号検出装置まで走行するに要する
時間である。信号が走行する距離Ｌは、媒体中の
信号速度ｓと信号走行時間ｔ（Ｌ＝st）の関数で
ある。信号伝送装置、信号反射装置及び信号検出
装置は、距離Ｌが負荷装置への単数の力およびト
ルク成分の印加に応答して変化（すなわち、増大
又は減少）させられるように適合しかつ配置させ
られる。所与の信号に対する距離Ｌの変化の結
果、その信号に対応する走行時間が変化が起こ
る。複数の力およびトルク成分に応答する距離Ｌ
の変化は、たとえば、信号反射装置を負荷装置に
固定することによつて達成される。この固定は、
信号反射装置を負荷装置に直接取り付けるか又は
負荷装置に取り付けられた中継装置又は材料に取
り付けることによつて完成される。負荷装置（こ
れによつて形成される界面を含む）の表面の部分
を信号反射装置と使用することができかつこのよ
うな環境の下では信号反射装置は負荷装置に固定
されているものとみなされる。
好ましくは、センサは基板を含みこの基板は、
信号伝送装置と信号反射装置を支持しかつ基準位
置を与えそこから信号走行時間ｔにおける差意
（又は信号走行距離Ｌにおける差異）を測定する
ことができるものならばいかなる基板であつても
よい。基板は、信号伝送装置又は信号検出装置が
基板上に戴持又は固定されている場合は直接支持
を与える。基板は、信号伝送装置又は信号検出装
置が基板からの延長部に戴持又は固定されている
場合にも直接支持を与える。
センサは、さらに、複数の力およびトルク成分
を測定する装置を含む。この測定は、複数の信号
に対する走行時間ｔを測定することによつて達成
される。これらの走行時間は、次の〔実施例〕中
第１実施例に明かにされるような複数の力および
トルク成分計算又は測定に使用される。複数の力
およびトルク成分及び複数の力およびトルク成分
の変化は、連続的に監視されて変動する情報を提
供する。たとえば、センサがロボツトのエンドエ
フエクタ上に塔載されるならば、この情報を「感
触」動作に利用するとができる。
本発明のセンサは、また、もちろん、単数の力
およびトルク成分並びに複数の力およびトルク成
分を検出しかつ測定するのに利用される。センサ
は、Fzを検出しかつ測定することができるのみな
らず、ここにFzは負荷装置の接触面に垂直、また
このセンサはFx，Fy，Mx，My，Mzのいずれを
も検出しかつ測定することができる。変形可能装
置の接触表面は、にぎろうとしたり、出合つたり
又は「感じたり」する目的物又は物体と接触する
表面である。
〔実施例〕
第１実施例 第２図、第３図、第４図、第５図及び第６図に
示された多重成分力およびトルクセンサは、本発
明の第１の実施例である。このセンサは、黄銅カ
バー板Ａを含みこの板は接着性のシリコンゴムで
環形（円筒形）エラストマー性パツドＢに接着さ
れる。エラストマー性パツドＢは上記と同じ型式
の接着性のもので基板Ｃに接着される。カバー板
Ａは、厚さ1.6mmかつ方形（27mm×27mm）の黄銅
板で作られる。エラストマー性パツドＢは、脱気
RTV−615 シリコンゴム（ジエネラル・エレク
トリツク社製）を一夜中60℃で硬化させたものを
使用して鋳造される。基板は厚さ6.4mmかつ方形
（27mm×27mm）のアルミニウム板である。環形エ
レストマー性パツドＢは、外径25.4mm、内径15.9
mm及び高さ6.4mmを有する。黄銅反射器R1，R2，
R3，R4が、カバー板Ａから延びている。これら
方形の反射器の寸法は、5.8mm（高さ）×6.2mm
（幅）×0.5mm（厚さ）である。
センサは、さらに、８個の方形（2.0mm×3.5
mm）トランスジユーサX1，X2，X3，X4，X5，
X6，X7，X8を含む。トランスジユーサX1，X2，
X3，X4は、垂直柱Ｄ（4.8mm×2.5mm×5.0mm）上に
戴持される。垂直柱Ｄは黄銅で作られる。トラン
スジユーサX5，X6，X7，X8は、基板Ｃ上に戴持
される。これらのトランスジユーサの各々は、
0.028mmの厚さのポリフツ化ビニリデン（以下
PVDF）（又はその他の圧電効果材料）とこの
PVDFの両側上の金属電極とで作られる。リード
線Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6，Y7，Y8は、トラ
ンスジユーサX1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，
X8から電圧源Ｖへ配線される。電圧源Ｖは、従
来のパルス発生器である。各トランスジユーサは
PVDFの薄板Ｇ上に真空堆積されたスズ−アルミ
ニウム薄膜Ｈ（第６図参照）を有しこの薄膜は第
１電極として働く。垂直柱Ｄは、トランスジユー
サX1，X2，X3，X4に対する第２電極として働
く。基板ＣはトランスジユーサX5，X6，X7，X8
に対する第２電極として働く。第６図は、トラン
スジユーサX6とリード線Y1，Y6，Y8の横断面を
示す。電圧源Ｖからかつリード線Y1，Y2，Y3，
Y4，Y5，Y6，Y7，Y8を通過する励起電圧パルス
（普通、約5Vから約50Vの範囲にある）に晒され
ると、電極間のPVDFが機械的にひずむ。このひ
ずみの結果、近似的に正弦波形の超音波信号がト
ランスジユーサから伝送される。カバー板Ａ、環
形エラストマー性パツドＢ及び基板Ｃが結合剤を
保持する空胴Ｆを形成する。結合剤はこれを通し
て信号が走行する流体又は変形可能な材料ならば
いかなるものであつてもよい。シリコンゲルは好
ましい結合剤であるが、しかし、他のゲル又は液
体（たとえば、シリコン油、水等）も使用可能で
ある。結合剤は、注入口Ｅを通して空胴Ｆ内に注
入又はこれから排出される。代替実施例において
は、空胴Ｆは結合材として働くエラストマー性材
料で満される。
基板Ｃは、トランスジユーサX1，X2，X3，
X4，X5，X6，X7，X8を支持するように働きかつ
基準位置を与えこの位置から信号走行時間におけ
る差異（又は信号走行距離における差異）を測定
することができる。基板Ｃは、直接、トランスジ
ユーサX5，X6，X7，X8を支持し、これらは、先
に触れたように、基板上に戴持される。基板Ｃ
は、間接に、トランスジユーサX1，X2，X3，X4
を支持し、これらは、先に触れたように、垂直柱
Ｄ上に戴持され、この垂直柱は基板Ｃの延長であ
る（又はこれに固定されている）。
超音波信号がトランスジユーサX1，X2，X3，
X4から伝送されると、この信号は空胴Ｆ内の結
合剤を通つて走行し、対応する反射器R1，R2，
R3，R4に当り、この信号を伝送したトランスジ
ユーサX1，X2，X3，X4に送り返される。超音波
信号がトランスジユーサX5，X6，X7，X8から伝
送されると、この信号はエラストマー性パツドＢ
を通つて走行し、カバー板Ａ（これは反射器とし
て働く）に当り、この信号を伝送したトランスジ
ユーサX5，X6，X7，X8に送り返される。複数の
力およびトルク成分のカバー板への印加はこれら
のトランスジユーサとこれに対応する反射器との
間の距離L′（L′＝Ｌ／２であることに注意）を変
化させ、したがつて、信号走行時間を変化させ
る。基板Ｃは、先に触れたように、基準位置を与
えこれから信号走行距離及び信号走行時間の変化
を測定することができる。
超音波信号の反射は、信号反射装置（すなわ
ち、反射器又はカバー板）と信号が通過走行する
媒体（すなわち、結合剤又はエラストマー性パツ
ドＢ）との間の界面において起こる。信号反射装
置は、この界面を形成することによつて超音波信
号を反射する。この超音波信号が反射器に送り返
されるとPVDFをひずませる。このひずみによつ
て電気信号が発生する。トランスジユーサX1，
X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8からの電気信号
は、リード線Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6，Y7，
Y8を通つてパルス反響電子回路に送られる。超
音波信号がトランスジユーサから反射器まで走行
しさらに反射器からトランスジユーサに送り返さ
れるに要する時間がパルス反響走行時間である。
パルス反響電子回路は各トランスジユーサに対応
するパルス反響走行時間を測定する。従来のパル
ス反響電子回路は、本発明の実施に適している。
超音波発生、検出及び走行時間測定にとつて必要
な装置と技術は、当業者にとつて既知である。超
音波トランスジユーサに関するこのほかの知識
は、たとえば、次の文献に見ることができる。
１ ジー・エイチ・マイヤー，エイ・チユーミ
ン，エス・フエルドマン，ジー・デ・サンテイ
ス，エフ・ジエー・ルポ・超音波トランスジユ
ーサ用超小形パルス発生器兼前置増幅器、ウル
トラソニツクス、1972年３月（Myers，Ｇ・
E.，A.Thumin，S.Feldman，G.De Santis，
and F.J.Lupo，Ａ Miniature Pulser−
Preamplifier for Ultrasonic Transducers，
Ultrasonics March 1972） ２ ピー・マチラ、エム・ルユカラ；超音波パル
ス反響応用技術用FETパルス発生器、ウルト
ラソニツクス、1981年９月（Mattila，P.，
and M.Luukkala，FET Pulse Generator
for Ultrasonic Pulse Echo Applications，
Ultrasonics，September 1981.） ３ エム・ジー・ダンカン；超音波非破壊検査用
自動雑音消去パルスタイミング弁別器、1979年
米国電気電子学会超音波シンポジウム
（Duncan，M.G.，An Automatic Noise−
Blanking，Pulse−Timing Discriminator
For Ultrasonic Nondestractive Testing，
1979 IEEE Ultrasonics Symposium） ４ ピー・エヌ・テー・ウエルズ；超音波検診の
物理的原理、アカデミツク・プレス，ニユーヨ
ーク、1969（Wells，P.N.T.，Physical
Principles of Ultrasonics Diagnosis，
Academic Press，New York，1969.） ５ アール・ジー・スワルツ、ジエー・デイー・
プルマー；ポリフツ化ビニリデンを使つた高周
波音響エネルギーの発生について、米国電気電
子学会音波及び超音波技術報告、VOL.SU−
27、No.６，1980年11月（Swartz，R.G.and J.
D.Plummer，On The Generation of High−
Frequency Acoustic Energy with
Polyvinylidene Fluoride，IEEE
Transactions on Sonics and Ultrasonics，
UOL，SU−27、No.６，November 1980） ６ エイチ・ジエー・シヨウ，デイー・ワインス
タイン，エル．テイー．チテリ，シー．ダブリ
ユー．フランク，アール．シー．デマツテエ
イ，ケー．フエスラ；PVF2 トランスジユー
サ、発刊準備中（Shaw，H.J.，D.Weinstein，
L.T.Zitelli.C.W.Frank，R.C.DeMattei，and
K.Fesler，PVF2 Transducers ，To be
Published.） ７ エー・エス・デレギ，エス・シー・ロス，ジ
エー・エム・ケニイ，エス・エデルマン，ジイ
ー・アール・ハリス；超音波応用技術用圧電効
果重合体プローブ、音響波誌、Am.69(3)、1981
年３月（DeReggi，A.S.，S.C.Roth，J.M.
Kenney，S.Edelman，and G.R.Harris
Piezoelectric Polymer Probe for Ultrasonic
Applications J.Acoust.Soc.Am.69(3)、March
1981.） 印加された力およびトルク又はそのいずれかに
よつて発生させられたパルス反響走行時間の変化
（Δt1，Δt2，Δt3，Δt4，Δt5，Δt6，Δt7，Δt8）
は、次のような複数の力およびトルク成分計算に
使用される。
Fx＝（１／2a）（Δt1−Δt2） Fy＝（１／2b）（Δt3−Δt4） Fz＝（−１／2c）（Δt5＋Δt6） Fz＝（−１／2c）（Δt7＋Δt8） Mx＝（１／2d）（Δt5−Δt6） My＝（１／2e）（Δt7−Δt8） Mz＝（１／2f）（Δt3＋Δt4） 係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆは２（kisi）であ
り、ここにkiは（実験的に測定される）適当な力
およびトルク又はそのいずれかに対するエラスト
マー性ばね定数またsiはいずれか適用可能なエラ
ストマー性パツドＢ又は結合剤中の超音波の速度
である。これから判るように、トランスジユーサ
とその反射器との間の距離L′iは（１／２）（siti）
に等しくなる。たとえば、L′2＝（１／２）（s2t2）、
ここにL′2はX2とR2との間の距離であり、s2は結
合剤中の信号速度またt2はパルス反響時間であ
る。
カバー板Ａが負荷を掛けられると、すなわち、
力成分（Fx，Fy，Fz）及びトルク成分（Mx，
My，Mz）又はそのいずれかのうちの１つ又は２
つ以上を受けると、トランスジユーサ反射器距離
（L′i）が変化し、このため、パルス反響走行時間
（ti）が変化する。上掲の方程式を使用すれば、
周期的に測定されたパルス反響走行時間を通して
複数の力成分（Fx，Fy，Fz）及び複数のトルク
成分（Mx，My，Mz）を監視することができる。
トランスジユーサX1とX2は、Fxに因るカバー
板ＡのＸ軸（第２図参照）に沿う並進運動及び
Mzに因るカバー板Ａの回転運動を測定する。ト
ランスジユーサX3とX4は、Fyに因るカバー板Ａ
のｙ軸（第２図参照）に沿う並進運動及びMzに
因るカバー板Ａの回転運動を測定する。上に与え
られた式中のMzの符号（正又は負）は、t3及びt4
が増加するか減少するかに依存する。もし反射器
R3とR4が時計回りに回転されるならば、反射器
R3はトランスジユーサX3に近寄るように回転し
（それゆえ時間t3を減少させ）かつ反射器R4はト
ランスジユーサX4に近寄るように回転し（それ
ゆえ時間t4を減少させる）。したがつて、t3とt4が
減少するときは、Mzは時計方向をとることが判
り、またt3とt4が増加するときはMzが反時計方向
をとることが判る。
第１図、第２図、第３図、第４図、第５図の変
形実施例においては、柱Ｄは三側面をとるもので
あつてよい（すなわち、上から見た断面が三角
形）この三側面柱は、各側面上に一つのトランス
ジユーサを有する。カバー板から延びる三つの反
射器は、これらのトランスジユーサからの信号を
反射するように位置決めされている。三つの他の
トランスジユーサがエラストマー柱パツドの下の
基板上に三角形の図形をなして戴持される。この
配置は、複数の力およびトルク成分の全てを測定
するのに利用される。この配置は６個のトランス
ジユーサしか必要としないけれども、複数の力お
よびトルク成分を測定するに必要な計算は遥かに
複雑であるので、余り好ましくはない。
第２実施例 第７図、第８図、第９図、第１０図、第１１図
に描かれている多重成分力およびトルクセンサ
は、本発明の第２の実施例である好適実施例であ
りかつ第２図、第３図、第４図、第５図、第６図
に描かれた第１の実施例の変形である。この好適
実施例の各種要素の寸法は別にことわらない限り
最初の実施例における対応部分の寸法に同じであ
る。好適実施例のセンサは、接着剤で環形（円筒
形）エラストマー性パツドＢに接着された黄銅カ
バー板Ａを含む。エラストマー性パツドＢは、セ
ラミツク基板Ｃに接着剤で接着される。カバー板
Ａは、厚さ1.6mmの黄銅から作られる。エラスト
マー性パツドは、前と同じくRTV−615シリコン
ゴムで作られる。
セラミツク基板Ｃ及びトランスジユーサX1，
X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8は、第１０図及
び第１１図にさらに詳しく示されている。これら
のトランスジユーサの全てはPVDFの１板の連結
薄板上にありかつ基板Ｃの平坦な表面上に戴持さ
れるが、これによれば、かつ全てのトランスジユ
ーサが固定した幾何学的関係をとつて同時に戴持
されるから、センサの構成をきわめて簡単化しま
たセンサの確度を向上する。第１０図は、セラミ
ツク基板Ｃをその上に形成されたリード線Ｙと電
極Ｈの図形と共に示す。この図形は、基板上に金
（又は電極機能を遂行する能力のある他の金属）
の薄膜を真空堆積しかつ従来の写真エツチング技
術を通して基板から不要の金を除去することによ
つて形成される。この除去の跡にリード線Ｙと電
極Ｈの所望の図形が残される。その他の堆積、除
去、添加等の方法も、本発明の実施に当つて利用
可能である。第１１図は、セラミツク基板Ｃ及び
リード線と電極との図形に加えて、PDVFの薄板
Ｇとその上に真空堆積されたスズ−アルミニウム
の薄膜電極H′を示す。各トランスジユーサX1，
X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8は、電極Ｈと
H′及びこれらの電極の間のPDVFの薄板Ｇ材料
で形成される。第１実施例に述べた電圧パルス発
生器及びパルス反響電子回路は、この実施例に関
連して利用可能である。電極の電圧励起の結果、
超音波信号の伝送が起こる。
反射柱Ｄは、四つの45°反射面D′を有する。そ
の反射面D′を含む反射柱Ｄは、黄銅で作られる。
（しかし、良行な反射界面を作る能力のあるいか
なる他の金属又は材料で作られてもよい）。各反
射面D′は、トランスジユーサ（すなわち、X1，
X2，X3，X4）の上に位置決めされかつ基板Ｃに
よつて規定される面と45°の角を形成する。トラ
ンスジユーサX1，X2，X3，X4が超音波信号を伝
送すると、この信号は反射面D′で90°方向を回転
させられて反射器R1，R2，R3，R4へ向う。反射
器R1，R2，R3，R4はこの信号を反射面D′へ送り
返し、この反射面は、次いで、信号を90°回転し
た方向に反射してトランスジユーサX1，X2，
X3，X4に向けて送り返す。トランスジユーサ
X1，X2，X3，X4からの超音波信号は、空胴Ｆを
占めているシリコンゲル結合剤（又は他の結合
剤）を通過走行する。結合剤は、注入口Ｅを通し
て空胴Ｆに導入またこれから排出される。
トランスジユーサX5，X6，X7，X8は、第１実
施例の説明におけるように動作する。第１実施例
の説明において与えられた複数の力およびトルク
方程式とこれに関連した数学は、Mz＝（−１／
2f）（Δt3＋Δt4）＝（−１／2f）（Δt1＋Δt2）を除
い
てここに適用可能である。このセンサは、カバー
板Ａの接触面（すなわち、第８図のカバー板Ａの
上面）に垂直な力を検出及び測定できる。第８図
を参照すると、Fzはカバー板Ａによつて規定され
た面に垂直であり、したがつて、カバー板Ａ（又
は負荷装置）の接触面に垂直である。このセンサ
は、また、他の複数の力およびトルク成分（すな
わち、第８図のFx，Fy，Mx，My，Mz）のいず
れか一つ又は二つ以上を検出及び測定することが
できる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、複数の力およびトルク成分を示すベ
クトル図、第２図は、本発明の第１実施例の多重
成分力およびトルクセンサの斜視図、第３図は、
カバー板を外された第２図のセンサの上面図、第
４図は、第２図のセンサの側面図、第５図は、第
２図のセンサの分解図、第６図は、第２図のセン
サの二つのリード線と一つのトランスジユーサの
横断面図、第７図は、カバー板を外された本発明
の第２実施例である好適実施例の多重成分力およ
びトルクセンサの上面図、第８図は、カバー板を
付けた第７図のセンサの側面図、第９図は、第７
図のセンサの反射柱の二つの斜視図、第１０図
は、第７図のセンサの基板の上面図、第１１図
は、第７図のセンサのトランスジユーサと基板の
横断面図、である。 符号の説明、Ａ……カバー板、Ｂ……エラスト
マー性パツド、Ｃ……基板、Ｄ……垂直柱（第２
電極）、反射柱、D′……反射面、Ｅ……注入口、
Ｆ……空胴、Ｇ……PDVFの薄板、Ｈ……スズ−
アルミニウム薄膜（電極）、H′……スズ−アルミ
ニウム薄膜（電極）、R1〜R8……反射器、Ｖ……
電圧源（パルス発生器）、X1〜X8……トランスジ
ユーサ、Y1〜Y8……リード線。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 多重成分力およびトルクセンサであつて、 (a) 少くとも二つの力およびトルク成分の印加を
    受けることのできる負荷装置と、 (b) 信号を伝送する複数の信号伝送送置と、 (c) 前記伝送信号を反射する複数の信号反射装置
    と、 (d) 前記反射信号を検出する複数の信号検出装置
    と、 (e) 信号が通過走行することのできる少くとも一
    つの媒体と、 (f) 前記負荷装置への複数の力およびトルク成分
    の印加に応答して変形する変形可能装置と、 (g) 複数の力およびトルク成分を測定するための
    前記検出信号の利用装置と を含む多重成分力およびトルクセンサにおいて、 (a)前記負荷装置と、(b)前記信号伝送装置と、(c)
    前記信号反射装置と、(d)前記信号検出装置と、(e)
    前記媒体と、(f)前記変形可能装置とは、前記負荷
    装置への単数の力およびトルク成分の印加の結果
    前記信号の少くとも二つの各々による前記信号伝
    送装置から前記信号検出装置までの走行距離に変
    化を起こさせるように適合しかつ配置されている
    ことを、特徴とする多重成分力およびトルクセン
    サ。 ２ 特許請求の範囲第１項記載のセンサにおい
    て、前記利用装置は前記信号の各々の走行時間を
    測定しかつ前記複数の力およびトルク成分を測定
    するために前記信号走行時間を使用する電子回路
    装置を備えることを特徴とする多重成分力および
    トルクセンサ。 ３ 特許請求の範囲第１項記載のセンサにおい
    て、前記信号反射装置は前記負荷装置に固定され
    ていることを特徴とする多重成分力およびトルク
    センサ。 ４ 特許請求の範囲第１項記載のセンサにおい
    て、前記信号伝送装置は超音波信号を伝送する能
    力のある超音波トランスジユーサであることと、
    前記超音波トランスジユーサは前記信号検出装置
    としても働くことを特徴とする多重成分力および
    トルクセンサ。 ５ 特許請求の範囲第１項記載のセンサにおい
    て、前記変形可能装置はエラストマー性材料であ
    ることを特徴とする多重成分力およびトルクセン
    サ。 ６ 特許請求の範囲第５項記載のセンサにおい
    て、前記変形可能装置は円筒形をしていることを
    特徴とする多重成分力およびトルクセンサ。 ７ 特許請求の範囲第１項記載のセンサであつ
    て、さらに、 前記信号伝送装置と前記信号検出装置とを支持
    し、前記信号走行時間における差位を測定可能に
    する基準位置を与える基板 を含むことを特徴とする多重成分力およびトルク
    センサ。 ８ 特許請求の範囲第１項記載のセンサにおい
    て、前記負荷装置はカバー板であることと、前記
    信号伝送装置は超音波トランスジユーサであるこ
    とと、前記超音波トランスジユーサは前記信号検
    出装置としても働くことと、前記信号反射装置は
    前記カバー板に固定されていることと、前記利用
    装置は前記信号の各々の走行時間を測定しかつ前
    記複数の力およびトルク成分を測定するために前
    記信号走行時間を使用する電子回路装置を備える
    ことを特徴とする多重成分力およびトルクセン
    サ。 ９ 特許請求の範囲第８項記載のセンサにおい
    て、前記変形可能装置はエラストマー性材料であ
    ることを特徴とする多重成分力およびトルクセン
    サ。
JP61100801A 1985-07-22 1986-04-30 多重成分力およびトルクセンサ Granted JPS6225227A (ja)

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