JPH07209113A - 力検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 多次元の力の方向・大きさを検出する力検出
装置において、製作が容易で安価な力検出装置を提供す
ることを目的とする。 【構成】 平板１と、平板１に装着された力伝達部２
と、力伝達部２が平板１に装着された面の中心を中心と
した平板表面対称位置の２点に配された２つの歪検知素
子３，４と、歪検知素子３の配置された表面と反対側の
表面に配された歪検知素子５と、歪検知素子２，３の出
力より、平板と平行方向に加えられる力の大きさを表す
出力に変換する回路手段６と、回路手段６の出力と歪検
知素子４，５の出力より、垂直方向に加えられる力の大
きさを表す出力に変換する回路手段７で、平板に対して
平行方向の力と垂直方向の力を検出できる構成により、
製作が容易で安価な力検出装置を実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、多次元の力の方向・大
きさを検出する力検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、力検出装置は一次元の力の大きさ
を検出するだけでなく多次元の力の大きさ・方向を検出
できるものが求められている。また装置の小型化も要望
されている。

【０００３】以下に、従来の力検出装置について説明す
る。図６は、従来の２軸の力検出装置の構成を示す斜視
図である。図６において６０は弾性体で形成された四角
柱、６１，６２，６３，６４は、四角柱６０の４面に装
着された歪検知素子である。６５は四角柱６０の端に位
置し四角柱６０を固定するための固定端、５７は四角柱
６０の頂点である。

【０００４】図７は上記従来の構成における回路図であ
る。図７において、６６，６７は歪検知素子６１に接続
される入力端子、６８，６９は歪検知素子６２に接続さ
れる入力端子、７０，７１は歪検知素子６３に接続され
る入力端子、７２，７３は歪検知素子６４に接続される
入力端子である。７４，７５，７６，７７は可変抵抗器
で、歪検知素子６１，６２，６３，６４に接続されたと
きＫ，Ｌ，Ｍ，Ｎ点の電位が等しくなるように調整して
ある。７８はＫ，Ｌ点の電位差を検出する差動増幅器、
７９はＭ，Ｎ点の電位差を検出する差動増幅器である。

【０００５】以上のように構成された力検出装置につい
てその動作を説明する。まず、四角柱６０の頂点５７付
近にｘ方向の外力が加わると、四角柱６０のもう一端６
５は固定されているので、四角柱６０はｘ方向に曲が
る。この時、歪検知素子６１の装着面は伸び、歪検知素
子６３の装着面は縮むため、歪検知素子６１の伸び歪検
知素子６３は縮む。この歪検知素子６３は図８の如く伸
び縮みに対して歪検知素子の抵抗値が変わり歪量を知る
ことができる素子なので、歪検知素子６１の抵抗値は大
きくなり歪検知素子６３の抵抗値は小さくなるので、図
７における歪検知素子６１の接続されたＫ点の電位は高
くなり、歪検知素子６３の接続されたＬ点の電位は低く
なる。

【０００６】次に差動増幅器７８はＫ点とＬ点の電位差
を検出し出力する。この出力がｘ方向に加わった力を変
換した信号である。

【０００７】次に、四角柱６０のｙ方向に外力が加わる
と、四角柱６０はｙ方向に曲がる。この時、歪検知素子
６２の装着面は伸び、歪検知素子６４の装着面は縮むた
め、歪検知素子６２は伸び歪検知素子６４は縮む。した
がって歪検知素子６２の抵抗値は大きくなり歪検知素子
６４の抵抗値は小さくなるので、図６における歪検知素
子６２の接続されたＭ点の電位は高くなり、歪検知素子
６４の接続されたＮ点の電位は低くなる。

【０００８】次に、差動増幅器７９はＭ点とＮ点の電位
差を検出し出力する。この出力がｙ方向に加わった力を
変換した信号である。

【０００９】以上のように２軸の方向の力を検出するこ
とができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の構成では、ｘ，ｙ軸方向の力検出用にそれぞれ２個合
計４個の歪検知素子６１，６２，６３，６４が必要にな
り、またその装着面もそれぞれ４面に装着しなければな
らず工程数増加し、高価になるという課題を有してい
た。

【００１１】本発明は、上記従来の課題を解決するもの
で、安価な多次元検出の力検出装置を提供するものであ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記従来の課
題を解決するために、少なくとも弾性体で形成された平
板と、この平板に装着された力伝達部と、前記力伝達部
が前記平板に装着された点を中心とした平板表面略対称
位置の２点に配された２つの歪検知素子と、前記歪検知
素子の配置された表面と反対側の表面に、前記歪検知素
子位置のうち少なくとも１つの平板表裏略対称位置に配
された歪検知素子とからなる力検出部に、前記平板表面
略対称位置に配された２つの歪検知素子の出力より、平
板と平行方向に力伝達部に加えられる力の大きさを表す
出力に変換する回路手段と、前記回路手段の出力と平板
表裏略対称位置に配された２つの歪検知素子の出力よ
り、平板と垂直方向に加えられる力の大きさを表す出力
に変換する回路手段の構成を有している。

【００１３】

【作用】したがって、本発明によれば、平板表面略対称
位置に配された２つの歪検知素子の出力より平板と平行
方向に力伝達部に加えられる力の大きさを検出し、また
基板と平行方向の力の大きさの検出値と平板表裏略対称
位置に配された２つの歪検知素子の出力より、平板と垂
直方向に加えられる力の大きさを検出し、計３つの歪検
知素子を平板の両面の２面に装着するだけで２軸の大き
さを検出することができる。

【００１４】

【実施例】

（実施例１）以下に本発明の一実施例について、図面を
参照しながら説明する。図１は本発明の一実施例におけ
る力検出装置の構成を示す斜視図である。図１におい
て、１は弾性体で形成された平板、２は力伝達部、３，
４は力伝達部２が平板１に装着された点を中心とした対
称位置の平板表面に位置する歪検知素子である。５は歪
検知素子４の配置された反対側の表面に位置する歪検知
素子、６，７は平板１の両端に位置し平板１を固定する
ための固定端である。

【００１５】図２は、図１に示した一実施例の力検出装
置の回路図である。図２において、８は平板表面対称位
置に配された２つの歪検知素子３，４の出力より、平行
方向に力伝達部２に加えられる力の大きさを表す出力に
変換する回路ブロック、９は回路ブロック８の出力と歪
検知素子４，５の出力より平板１と垂直方向に加えられ
る力の大きさを表す出力に変換する回路ブロックであ
る。１０，１１は歪検知素子３に接続される入力端子、
１２，１３は歪検知素子４に接続される入力端子、１
４，１５は歪検知素子５に接続される入力端子である。
１６，１７，１８は可変抵抗器で、歪検知素子３，４，
５が接続されたときＡ，Ｂ，Ｃ点の電位が等しくなるよ
うに調整してある。１９はＡ，Ｂ点の電位差を検出する
差動増幅器、２０はＢ，Ｃ点の電位差を検出する差動増
幅器、２１は差動増幅器１９と２０の出力差を検出する
差動増幅器である。

【００１６】以上のように構成された力検出装置につい
て、その動作を説明する。まず、力伝達部２の頂点５５
付近に平板１と平行方向（ｘ方向）に外力が加わると、
図３（ａ）の如く平板１は変形する。このとき、歪検知
素子３，５の装着面は伸び、歪検知素子４の装着面は縮
み、その結果歪検知素子３，５は伸び歪検知素子４は縮
むことになるので、抵抗値が変わり歪量を知ることがで
きる。したがって歪検知素子３，５の抵抗値は大きくな
り、歪検知素子４の抵抗値は小さくなるので、図２にお
ける歪検知素子３の接続されたＡ点、および歪検知素子
５の接続されたＣ点の電位は高くなり、歪検知素子４の
接続されたＢ点の電位は低くなる。

【００１７】次に、差動増幅器１９はＡ点とＢ点の電位
差を検出し、出力する。この出力ｘ方向に加わった力を
変換した信号である。また、差動増幅器２０はＢ点とＣ
点の電位差を検出する。ｚ方向の力が０であれば歪検知
素子３と５の伸びは等しく、Ａ点とＢ点の電位は等しい
ため、差動増幅器２０の出力は差動増幅器１９の出力と
等しくなるので、差動増幅器２１の出力は０である。ｚ
方向の力が０でないなら、歪検知素子３と５の伸びは等
しくならずＡ点とＢ点の電位も異なり、差動増幅器２０
の出力は差動増幅器１９の出力と等しくならないので差
動増幅器２１の出力にｚ方向に加わった力を変換した信
号を得る。

【００１８】次に、力伝達部２に平板１と垂直方向（ｚ
方向）に外力が加わると、図３（ｂ）の如く平板１は変
形する。このとき、歪検知素子３，４の装着面は縮み、
歪検知素子５の装着面は伸びる。その結果、歪検知素子
３，４は縮み歪検知素子５は伸びることになる。したが
って歪検知素子３，４の抵抗値は小さくなり歪検知素子
５の抵抗値は大きくなるので、Ａ点およびＢ点の電位は
低くなり、Ｃ点の電位は高くなる。

【００１９】次に差動増幅器１９の出力は、ｘ方向の力
が０であれば歪検知素子３と４の伸びは等しくＡ点とＢ
点の電位は等しいため０である。また、差動増幅器２０
はＢ点とＣ点の電位差を検出する。差動増幅器２１は差
動増幅器１９の出力が０であるため差動増幅器２０の出
力をｚ方向に加わった力を変換した信号として出力す
る。ｘ方向の力が０でないなら、歪検知素子３と４の伸
びは等しくならずＡ点とＢ点の電位も異なり、差動増幅
器１９はｘ方向に加わった力を変換した信号を出力す
る。差動増幅器２１は差動増幅器１９の出力と差動増幅
器２０の出力の差をｚ方向に加わった力を変換した信号
を出力する。

【００２０】このように３つの歪検知素子だけで２軸の
力の大きさを検出することができる。

【００２１】（実施例２）以下に、本発明の他の実装に
ついて、図面を参照しながら説明する。図４は本発明の
他の実施例における力検出装置の構成を示す斜視図であ
る。図４において、２２は弾性体で形成された平板、２
３は力伝達部である。２４，２５は力伝達部２３が平板
２２に装着された点を中心とした対称位置の平板表面に
位置する歪検知素子、２６は歪検知素子２５の配置され
た反対側の表面に位置する歪検知素子、２７，２８は歪
検知素子２４と２５を結ぶ線と直交する線上に配置され
た歪検知素子、２９，３０，３１，３２は平板２２を固
定するための固定端である。

【００２２】図５は他の実施例における回路図である。
図５において３３は歪検知素子２４，２５の出力より、
ｘ方向に力伝達部に加えられる力の大きさを表す出力に
変換する回路ブロック、３４は回路ブロック３３の出力
と歪検知素子２５，２６の出力より、平板と垂直方向
（ｚ方向）に加えられる力の大きさを表す出力に変換す
る回路ブロック、３５は歪検知素子２７と２８の出力よ
り、ｙ方向に力伝達部に加えられる力の大きさを表す出
力に変換する回路ブロックである。３６，３７は歪検知
素子２４に接続される入力端子、３８，３９は歪検知素
子２５に接続される入力端子、４０と４１は歪検知素子
２６に接続される入力端子、４２，４３は歪検知素子２
７に接続される入力端子、４４と４５は歪検知素子２８
に接続される入力端子である。４６，４７，４８，４
９，５０は可変抵抗器で歪検知素子２４，２５，２６，
２７，２８が接続されたときＦ，Ｇ，Ｉ，Ｈ，Ｊ点の電
位が等しくなるように調整してある。５１はＦ，Ｇ点の
電位差を検出する差動増幅器、５２はＧ，Ｈ点の電位差
を検出する差動増幅器、５３は差動増幅器５１と５２の
出力差を検出する差動増幅器、５４はＩ，Ｊ点の電位差
を検出する差動増幅器である。

【００２３】前述した実施例１と異なる構成は、歪検知
素子２４，２５を結ぶ線と直交する線上に配置された歪
検知素子２７，２８と、歪検知素子２７と２８の出力よ
り、ｙ方向に力伝達部に加えられる力の大きさを表す出
力に変換する回路ブロック３５の追加により３軸の力の
検出が可能な構成となっている点である。

【００２４】以上のように構成された力検出装置につい
てその動作を説明する。まず、力伝達部２３の頂点５６
付近がｘおよびｚ方向に力を受ける場合は実施例１の動
作と同様である。ｙ方向に外力を受けた場合、歪検知素
子２７は伸び歪検知素子２８は縮む。したがって歪検知
素子２７の抵抗値は大きくなり歪検知素子２８の抵抗値
は小さくなるので、図５における歪検知素子２７の接続
されたＩ点の電位は高くなり、歪検知素子２８の接続さ
れたＪ点の電位は低くなる。差動増幅器５４はＩ点とＪ
点の電位差を検出し出力する。この出力がｙ方向に加わ
った力を変換した信号である。

【００２５】以上のように、歪検知素子２４と２５を結
ぶ線と直交する線上に配置された歪検知素子２７，２８
と、歪検知素子２７と２８の出力より、ｙ方向に力伝達
部に加えられる力の大きさを表す出力に変換する回路ブ
ロック３５の追加によりｘ，ｙ，ｚの３軸の力の検出が
可能である。

【００２６】

【発明の効果】本発明は、弾性体で形成された平板と、
この平板に装着された力伝達部と、前記力伝達部が前記
平板に装着された点を中心とした平板表面略対称位置の
２点に配された２つの歪検知素子と、この歪検知素子の
配置された表面と反対側の表面に、歪検知素子位置のう
ち少なくとも１つの平板表裏略対称位置に配された歪検
知素子とからなる力検出部に、平板表面略対称位置に配
された２つの歪検知素子の出力より、平板と平行方向に
力伝達部に加えられる力の大きさを表す出力に変換する
回路手段と、回路手段の出力と平板表裏略対称位置に配
された２つの歪検知素子の出力より、平板と垂直方向に
加えられる力の大きさを表す出力に変換する回路手段を
設けることにより、従来の方法に比べ少ない歪検知素子
数にて２軸の力検出が可能である。

【００２７】また平板上に、力伝達部が平板に装着され
た点を中心とした平板表面略対称位置の２点に配された
２つの歪検知素子を結ぶ線と直交する線上に配置された
２つの歪検知素子と、２つの歪検知素子出力より平板水
平方向に力伝達部に加えられる力の大きさを表す出力に
変換する回路ブロックの追加により、計５つの歪検知素
子を平板の両面２面に配置したきわめて構造の簡単で、
ｘ，ｙ，ｚの３軸の力の検出が可能な力検出装置を実現
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における力検出装置の斜視図

【図２】同回路図

【図３】力検出装置の動作を説明する図

【図４】本発明の実施例２における力検出装置の斜視図

【図５】同回路図

【図６】従来の力検出装置の斜視図

【図７】同回路図

【図８】歪検知素子の入出力特性を示す図

【符号の説明】

１，１２ 平板 ２，２３ 力伝達部 ３，４，５，２４，２５，２６，２７，２８ 歪検知素
子 ８ 平行方向変換回路ブロック ９ 垂直方向変換回路ブロック

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも弾性体で形成された平板と、
   前記平板に装着された力伝達部と、前記力伝達部が前記
   平板に装着された面の略中心とした平板表面略対称位置
   の２点に配された２つの歪検知素子と、前記歪検知素子
   の配置された反対側の表面に、前記歪検知素子位置のう
   ち少なくとも１つの平板表裏略対称位置に配された歪検
   知素子とからなる力検出装置。
2. 【請求項２】 平板表面略対称位置に配された２つの歪
   検知素子の出力より、平板と平行方向に力伝達部に加え
   られる力の大きさを表す出力に変換する回路手段と、前
   記回路手段の出力と平板表裏略対称位置に配された２つ
   の歪検知素子の出力より、平板と垂直方向に加えられる
   力の大きさを表す出力に変換する回路手段を設け、平板
   に対して平行方向の力と垂直方向の力を検出できること
   を特徴とする請求項１記載の力検出装置。