JPS6225227A - 多重成分力およびトルクセンサ - Google Patents

多重成分力およびトルクセンサ

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JPS6225227A
JPS6225227A JP61100801A JP10080186A JPS6225227A JP S6225227 A JPS6225227 A JP S6225227A JP 61100801 A JP61100801 A JP 61100801A JP 10080186 A JP10080186 A JP 10080186A JP S6225227 A JPS6225227 A JP S6225227A
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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、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
しかつ定量化する方法と装置の双方を含む。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って落札を許された契約
番号ＮＡＳＩ−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６５３．９０４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っ
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
明の発明者にとって特に興味のあるのは、本発明のロボ
ット工学の分野への利用である。多重成分力およびトル
クセンサをロボットのエンドエフェクタ（ｅｎｄ　ｅ：
１ｅｃｔｏｒ）　　のにぎり表面上に応用することがで
きこれによって「感触」動作を可能にする。このセ／す
は、力およびトルク成分情報の流れを与えることができ
、これによって、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、物体を引っ掛からせたり、不整列させたりするこ
となく正確にそう人したり、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ッ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
ッ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って未来にます
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、工業オートメーション及び
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　ｓＦｙ、Ｆ７Ｓ及び
トルク（又はモーメント）成分ＭＸ　、。
Ｍｙ、Ｍ２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、ＦＸ１Ｆｙ１Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍ７゜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、Ｆ
ｚ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、Ｆ２によっ
て表すことができる。
Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍ２の各々はこれらに対応する＠ｉｔ（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、Ｍｙ１Ｍｚによって表すこ
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
物体又は表面であってもよい。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ってもよい
。金属以外の材料（たとえば、プラスチック、セラミッ
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って、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、−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
ー性パッ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っ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
号が媒体を通っ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、信号反射装置によって反射されかつ信
号検出装置によっ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
ジューサである。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ってもよい。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ってもよい。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叫を形成する
。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１８００　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デ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、本発明の実施に当って結合剤と
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
号が走行する距離りは、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、距離りが負荷装置へ
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りの変化の結果
、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りの変化は、
たとえば、信号反射装置を負荷装置に固定することによ
って達成される。この固定は、信号反射装置を負荷装置
に直接取り付ける力）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って完成される。
負荷装置（これによっ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における差量（又は信号走行距離りに
おける差異）を測定することができるものならばいかな
る基板であってもよい。基板は、信号伝送装置又は信号
検出装置が基板上に象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って達成される。これらの走行
時間は、次の〔実施例〕中温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、センサがロボットのエンドエフェク
タ上に塔載されるならば、この情報を１感触」動作に利
用することができる。
本発明のセンサは、また、もちろん、単数のカおよびト
ルクへ成分並びに複数のカ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、Ｆ２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Ｆ工、Ｆｙ、Ｍ
工、Ｍｙ、Ｍ２　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、出合ったり又は「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〕
巣１実施例 第２図、第６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
性パッドＢに接着される。エラストマー性パッド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１．６朋かつ方形（２７ｍｒｎ×２７
ｍｍ）の黄銅板で作られる。エラストマー性パッｒＢは
、脱気ＲＴＶ−６１５シリコンゴム（ジェネラル・エレ
クトリック社製）を−夜中６０°Ｃ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（
２７ｒａｍｘ２７ｕｔ）のアルミニウム板である。環形
ニレストマー性パッドＢは、外径２５．４ｍｌ！、内径
１５．９ｍｍ及び高さ６．４ｍを有する。黄銅反射器Ｒ
工、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、５．８ｍｇ（高さ）×６
．２朋（幅）　×０．５龍（厚さ）である。
センサは、さらに、８個の方形（２，Ｏｍ異×６．５π
五）トランスジューサｘ１、Ｘ２、Ｘ３、ｘ４、Ｘ５、
ｘ６、Ｘ７、Ｘ８を含むｏ）７ンスジユーサｘ、、Ｘ２
、Ｘ３、Ｘ４は、垂直柱Ｄ（４，８ｚｚｘ２．５　ｍｘ
　ｘ　５．Ｏｍｘ　）上に戴持される。垂直柱りは黄銅
で作られる。トランスジューサｘ５、ｘ６、Ｘ７、ｘ８
は、基板Ｃ上に戴持される。これらのトランスジューサ
の各々は、０．０２８朋の厚さのポリフッ化ビニリデン
（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ａ　
Ｙ　１、Ｙ２、Ｙ３、Ｙ４、Ｙ５、ｒＹ６、Ｙ９、Ｙ８
　は、トランスジューサＸ、、ｘ２、Ｘ３、Ｘ４．Ｘ５
、Ｘ６、Ｘ２、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。
各トランスジューサは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。垂直柱りは、トランスジ
ューサＸ１、ｘ２、ｘ３、ｘ４　に対する第２を極とし
て働く。基板Ｃはトランスジューサｘ５、Ｘ６、Ｘ６、
Ｘ８　に対する第２電極として働く。第６図は、トラン
スジューサｘ６とリード線Ｙ１、Ｙ６、Ｙ８の横断面を
示す。電圧源ＶからかっＩＪ　　−）’　ａ　Ｙ、　、
　Ｙ　２、　Ｙ　３、　Ｙ、、Ｙ　　５、　Ｙ　６、　
Ｙ　７、　　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（こひすむ。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ューサから
伝送される。カバー板Ａ、環形エラスト１−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ってもよい。７リコンデルは
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、トランスジューサＸ０、ｘ２、Ｘ３、ｘ４、
ｘ５、Ｘ６、Ｘ９、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、トランスジューサＸ５、Ｘ６、ｘ
７、ｘ８　を支持し、これらは、先に触れたように、基
板上に奴持される。基板Ｃは、間接に、トランスジュー
サＸ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４　を支持し、これらは、先に
触れたように、垂直柱り上に賊持され、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ューサＸ工、Ｘ２、Ｘ３、ｘ４
から伝送されると、この信号は空胴Ｆ内の結合剤を通っ
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ューサＸｌ、Ｘ２、
Ｘ３、Ｘ４　に送り返される。超音波信号がトランスジ
ューサｘ５、ｘ６、Ｘ９、ｘ８から伝送されると、この
信号はエラストマー性パツｐＢを通って走行し、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
送したトランらのトランスジュ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
ζζ注意）を変化させ、したがって、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ッド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
によっ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
によって電気信号が発生する。トランスジューサＸ工、
ｘ２、Ｘ３、Ｘ４、Ｘ５、Ｘ６、Ｘ７、Ｘ８からの電気
信号は、リード線Ｙ工、Ｙ２、Ｙ３、Ｙ、、Ｙ、、Ｙ６
、Ｙ６、Ｙ８　を通っ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ュ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ュ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ュ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
にとって必要な装置と技術は一当挙者に声って旺仙であ
る。超音波トランスジュ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・チューミン。
ニス・フェルトマン、ジー・デ・サンテイス。
エフ・ジエー・ルポ自超音波トランスジューサ用超小形
パルス発生器兼前置増幅器、ウルトラソニックス、１９
７２年６月（Ｍｙｅｒｓ　、　Ｇａｇ、　、Ａ。
Ｔｈｕｍｉｎ、Ｓ、Ｆｅｌｄｍａｎ、Ｇ、Ｄｅ　８ａｎ
ｔｉｓ、ａｎｄ　Ｆ、Ｊ、Ｌｕｐｏ。
Ａ　Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ　Ｐｕ１ｓｅｒ　−Ｐｒｅａｍ
ｐｌｉｆｉｅｒ　ｆｏｒＵｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｔｒａ
ｎｓｄｕｃｅｒｓ、Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ　Ｍａｒｃ
ｈ２、キー・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、ウルトラソニックス
、１９８１年９月（Ｍａｔｔｉｌａ、　Ｐ　、　。
ａｎｄ　Ｍ、　Ｌｕｕｋｋａｌａ、　ＦＥＴ　Ｐｕ１ｓ
ｅ　Ｃ）ｅｎｅｒａｔｏｒ　ｆｏｒＵｌｔｒａｓｏｎｉ
ｃ　Ｐｕ１ｓｅ　Ｅｃｈｏ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ
。
Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ　、　Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ　　
ｆ　９８１　、　）６、エムφ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、１
９７９年米国電気電子学会超音波゛シンポジウム（Ｄｕ
ｎｃａｎ、Ｍ、Ｇ、、Ａｎ　Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｎｏ
ｉｓｅ−Ｂｌａｎｋｉｎｇ。
Ｐｕｌｓｅ−Ｔｉｍｉｎｇ　Ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｏ
ｒ　Ｆｏｒ　ＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＮｏｎｄｅｓｔｒａ
ｃｔｉｖｅ　Ｔｅｓｔｉｎｇ、　　１９７９　ＩＥＥＥ
Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ）４、ピ
ー・エヌ・チー・ウェルズ；超音波検診の物理的原理、
アカデミツク・プレス、ニューヨーク、１９６９　（Ｙ
ｅｌｌｓ、Ｐ、Ｎ、Ｔ、、　ＰｈｙｓｉｃａｌＰｒｉｎ
ｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ　Ｄｉａ
ｇｎｏｓｉｓ　。
Ａｃａｄｅｍｉｃ　Ｐｒｅｓｓ、Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ、　
ｌ　９　（５９、）５．７−ル・ジー・スワルツ、リュ
ー・ディー・プルマー；ポリ７ツ化ビニリデンを使った
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、５Ｕ−２７、ＮＯ
，６，１９８０年１１月（Ｓｗａｒｔｚ、　Ｒ，Ｇ、　
ａｎｄＪ、Ｄ、Ｐｌｕｍｍｅｒ、Ｏｎ　Ｔｈｅ　Ｃ）ｅ
ｎｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｈｌｇｈ　−Ｆｒｅｑｕｅｎ
ｃｙ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｅｎｅｒｇｙ　ｗｉｔｈ　Ｐ
ｏ１ｙｖｉｎｙｌｉ−ｄｅｎｅ　Ｆｌｕｏｒｉｄｅ、　
ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎＳｏｎｉｃ
ｓ　ａｎｄ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ、　ＵＯＬ、　Ｓ
Ｕ　−２７、Ｎｏ。
（５、Ｎｏｖｅｍｂｅｒ　１９８０　）６、エイチ争ジ
エー・ショウ、ディー・クイ／スタイン、エル、ティー
、チテリ、シー・ダブリュー・フランク、アール・シー
、デマツテエイ。
グー・フエスラ；ＰｖＦ２　トランスジューサ、発刊準
備中（Ｓｈａｗ、Ｈ，Ｊ、　、Ｄ、　Ｗｅｉｎｓｔｅｉ
ｎ、　Ｌ　、　Ｔ　。
Ｚｉ（ｅ）ｌｉ、　ｃ、ｗ、Ｆｌｌｎｋ、　Ｒ，Ｃ，Ｄ
ｅＭａｔｔｅｉ、　ａｎｄＫ、　Ｆｅ５ｌｅｒ、　ＰＶ
Ｆ２　　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ　、　Ｔｏ　ｂｅＰｕ
ｂｌｉｓｈｅｄ、　） ２ニー―ニス瞥デレキ、ニス・シー−ロス、リュー・エ
ム・ケニイ、ニス・エデルマン、シイ−・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、緬、６９（３）、１９８１年６月（ＤｅＲｅｇｇｉ
、Ａ、Ｓ、　、Ｓ、Ｃ，Ｒｏｔｈ、Ｊ、Ｍ、　Ｋｅｎｎ
ｅｙ。
Ｓ、　Ｅｄｅｌｍａｎ、　ａｎｄ　Ｇ、Ｒ，Ｈａｒｒｉ
ｓ　ＰｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃＰｏｌｙｍｅｒ　Ｐｒ
ｏｂｅ　ｆｏｒ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ａｐｐｌｉｃ
ａｔｉｏｎｓＪ、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って発生させられ
たパルス反響走行時間の変化（Δｔ工、Δｔ２、Δｔ３
、△ｔ４、Δｔ５、Δｔ６、Δｔ７、Δｔｓ）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−（１／２
ｂ）（Δｔ３−Δｔ４）Ｆｚ−（−１／２ｃ）（Δｉ、
５＋Δｔ、６）ＦＺ−（−１／２Ｃ）（Δｔ）＋Δｔ８
）ＭＸ−（１／２ｄ）（Δｔ５−Δｔ６）Ｍｙ　＝　’
　（１／２ｅ　）　（Δｔ７−△ｔＢ　）Ｍ２−　（１
／２ｆ）（Δｔ３＋Δｔ４）係数ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、
ｆは２（ｋＬＳＩ）であり、ここにに工は（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Ｓ工はいずれか適用可
能なエラストマー性パッド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、トランスジューサとそ
の反射器との間の距離Ｌ／、は（１／２）（ｓ１ｔ工）
に等しくなる。たとえば、Ｌ１２−（１／２）（５２ｔ
２）、ここにＬ１２　　はｘ２とＲ２との間の距離であ
り、ｓ２は結合剤量の信号速度また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、”ｙ、”ｚ
）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、トランスジューサ反射器距離（Ｌ／　、）が変化し
、このため、パルス反響走行時間（ｔエ　）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、Ｆ
２）及び複数のトルク成分（ＭＸ、Ｍｙ、Ｍ２）を監視
することができる。
トランスジューサｘ１とｘ２は、Ｆｘに因るカバー板Ａ
のＸ軸（第２図参照）に清う並進運動及びＭｚに因るカ
バー板Ａの回転運動を測定する。トランスジューサＸ３
とＸ４は、Ｆｙに因るカバー板Ａのｙｍ（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Ｍ７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はトランスジューサｘ３に近寄るように回
転しくそれゆえ時間ｔ３を減少させ）かつ反射器Ｒ１は
トランスジューサｘ４に近寄るように回転しくそれゆえ
時間ｔ４を減少させる）。
したがって、ｔ３とｔ４が減少するときは、Ｍ２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Ｍ７　が反時計方向をとることが判る。
第１図、第２図、第６図、第４図、第５図の変形実施例
においては、柱りは三側面をとるものであってよい（す
なわち、上から見た断面が三角駒この三側面柱は、各側
面上に一つのトランスジューサを有する。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ューサから
の信号を反射するように位置決めされている。三つの他
のトランスジューサがエラストマー性パッドの下の基板
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個のトランスジュ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７１図、第８図、第９図、第１０図、第１゛−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６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
トマー性パッドＢに接着された黄銅カバー板Ａを含む。
エラストマー性パッドＢは、セラミック基板Ｃに接着剤
で接着される。カバー板Ａは、厚さ１．６Ｂの黄銅から
作られる。エラストマー性パッドは、前と同じ＜ＲＴＶ
−６１５シリコンゴムで作られる。
セラミック基板Ｃ及びトランスジューサｘ１、ｘ２、ｘ
３、Ｘ４、ｘ５、ｘ６、Ｘ９、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
ジューサの全ては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ューサが固定した幾何学的関係
をとっ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、
セラミック基板Ｃをその上に形成されたリード線Ｙと成
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って形成される。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
って利用可能である。第１１図は、セラミック基板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）（／　　を示す。各トランスジューサス工、ｘ２、
Ｘ３、Ｘｌ、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。
反射柱りは、四つの４テ反射面Ｄ′を有する。その反射
面Ｄ′を含む反射柱りは、黄銅で作られる。
（しかし、曳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、
トランスジューサ（すなわち、Ｘよ、Ｘ２、ｘ３、Ｘ４
）の上に位置決めされかつ基板Ｃによって規定される面
と４５°　の角を形成する。トランスジューサス工、ｘ
２、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
Ｒ工、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４へ向う。反射器Ｒ工、Ｒ２、Ｒ
３、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
てトランスジューサス工、ｘ２、ｘ３、ｘ４　に向けて
送り返す。トランスジューサＸユ、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デル
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
。
トランスジューサ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　＝　（−１／２　ｆ　）（Δ
ｔ３＋Δｔ４）＝（−１／２ｆ）（Δｔｌ＋Δｔｚ）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によって規定された面に垂直であり、
したがって、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ＦＭ、Ｆｙ、ＭＸ、Ｍｙ
、Ｍ２）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６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
ランスジューサの横断面図、 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ューサと基板の横断面
図、 である。 〔符号の説明〕 Ａ：カバー板、 Ｂ：エラストマー性パッド、 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）、 Ｘ工〜ｘ８ニドランスジューサ、 Ｙ工〜Ｙ８　：リード線。

Claims (28)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）多重成分力およびトルクセンサであって、（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装置と、（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に前記検出信号の利用
    装置と を含み、及び前記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、特徴とする前
    記多重成分力およびトルクセンサ。
  2. （２）特許請求の範囲第１項記載のセンサにおいて、前
    記負荷装置は前記変形可能装置の表面であることを特徴
    とする前記センサ。
  3. （３）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
    する前記センサ。
  4. （４）特許請求の範囲第１項記載のセンサにおいて、前
    記信号反射装置は前記積載装置に固定されていることを
    特徴とする前記センサ。
  5. （５）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
    波トランスジューサであることと、前記超音波トランス
    ジューサは前記信号検出装置としても働くことを特徴と
    する前記センサ。
  6. （６）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
    とする前記センサ。
  7. （７）特許請求の範囲第６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前
    記センサ。
  8. （８）特許請求の範囲第１項記載のセンサであって、さ
    らに、 （ｈ）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 含むことを特徴とする前記センサ。
  9. （９）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ューサであることと、前記超音波ト
    ランスジュ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、（ｇ）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前記センサ。
  10. （１０）特許請求の範囲第９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
    徴とする前記センサ。
  11. （１１）多重成分力およびトルクセンサであって、（ａ
    ）カバー板と、 （ｂ）基板と、 （ｃ）超音波信号を伝送しかつ検出する能力のある複数
    の超音波トランスジューサと、 （ｄ）前記超音波信号を反射する能力がありかつ前記超
    音波信号を前記トランスジューサに返し反射するように
    位置決めされた複数の反射器と、（ｅ）前記カバー板へ
    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、（ｆ）前記超音波トランスジューサか
    ら伝送された超音波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、 （ｇ）前記超音波信号の走行時間を測定しかつ複数の力
    およびトルク成分を測定するために前記走行時間を使用
    する電子回路装置と を含み、及び前記多重成分力およびトルクセンサにおい
    て、（ａ）前記カバー板と、（ｂ）前記基板と、（ｃ）
    前記超音波トランスジューサと、（ｄ）前記反射器と、
    （ｅ）前記変形可能装置と、（ｆ）前記媒体とは、前記
    カバー板への単数の力およびトルク成分の印加の結果前
    記信号の少くとも一つの走行時間の変化を起こさせるよ
    うに適合しかつ配置されることと、前記基板は前記超音
    波トランスジューサの支持を与えかつ信号走行時間にお
    ける差異を測定可能にする基準位置を与えることとを、
    特徴とする前記多重成分力およびトルクセンサ。
  12. （１２）特許請求の範囲第１１項記載のセンサにおいて
    、前記変形可能装置と前記基板は空胴を形成することと
    、前記空洞は前記超音波信号が通過走行することのでき
    る媒体として働く結合剤を含むことを特徴とする前記セ
    ンサ。
  13. （１３）特許請求の範囲１２項記載のセンサにおいて、
    前記変形可能装置は前記超音波信号が通過走行すること
    のできる媒体としても働くことを特徴とする前記センサ
    。
  14. （１４）特許請求の範囲第１３項記載のセンサであって
    、さらに、 （ｈ）前記超音波トランスジューサの少くとも一つが固
    定される柱 を含むことを特徴とする前記センサ。
  15. （１５）特許請求の範囲第１３項記載のセンサであって
    、さらに、 （ｈ）反射柱への前記超音波信号の少くとも一つを反射
    しかつ該信号を伝送した超音波トランスジューサに該信
    号を送り返す反射面を有する前記反射柱を含むことを特
    徴とする前記センサ。
  16. （１６）特許請求の範囲第１１項記載のセンサにおいて
    、前記超音波トランスジューサは前記基板上に戴持され
    ていることを特徴とする前記センサ。
  17. （１７）特許請求の範囲第１１項記載のセンサにおいて
    、前記変形可能装置は円筒形であることを特徴とする前
    記センサ。
  18. （１８）特許請求の範囲第１１項記載のセンサにおいて
    、前記変形可能装置はだ円形であることを特徴とする前
    記センサ。
  19. （１９）複数の力およびトルク成分の測定方法であって
    、 （ａ）負荷装置を複数の力およびトルク成分に晒すこと
    と、 （ｂ）信号伝送装置からの信号を伝送することと、（ｃ
    ）前記伝送信号を信号反射装置で反射することと、 （ｄ）前記反射信号を信号検出装置で検出することと、 （ｅ）複数の力およびトルク成分を測定するために前記
    信号の走行時間を測定することと、 を含み、及び前記測定方法において信号走行時間は前記
    負荷装置が晒される複数の力およびトルク成分に応答し
    て変化すること、を特徴とする前記測定方法。
  20. （２０）特許請求の範囲第１９項記載の測定方法におい
    て、前記走行時間と前記複数の力およびトルク成分は電
    子回路装置を利用して測定されることを特徴とする前記
    測定方法。
  21. （２１）特許請求の範囲第２０項記載の測定方法におい
    て、前記信号伝送装置と前記信号検出装置とは超音波ト
    ランスジューサであることを特徴とする前記測定方法。
  22. （２２）力およびトルクセンサであって、 （ａ）Ｆ＿ｘ、Ｆ＿ｙ、Ｆ＿ｚ、Ｍ＿ｘ、Ｍ＿ｙ、Ｍ＿
    ｚから選択された少くとも単数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装置と、（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）前記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）前記単数の力およびトルク成分の前記負荷装置へ
    の印加に応答して変形する変形可能装置と、 （ｇ）前記単数の力およびトルク成分を測定する前記検
    出信号の利用する装置と、 を含み、及び前記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
    置への前記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の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と、Ｆ＿ｚは前記負
    荷装置の接触面に垂直であることと、を特徴とする前記
    力およびトルクセンサ。
  23. （２３）特許請求の範囲第２２項記載のセンサにおいて
    、（ｇ）前記利用装置は前記信号の各々の走行時間を測
    定しかつ前記単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てい
    ること、を特徴とする前記センサ。
  24. （２４）特許請求の範囲第２２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、を特徴とする前記センサ。
  25. （２５）特許請求の範囲第２２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
    超音波トランスジューサであることと、前記超音波トラ
    ンスジューサは前記信号検出装置としても働くこととを
    特徴とする前記センサ。
  26. （２６）特許請求の範囲第２２項記載のセンサであって
    、さらに、 （ｈ）信号伝送装置と信号検出装置に支持を与えかつ信
    号走行時間における差位の測定を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前記センサ。
  27. （２７）特許請求の範囲第２６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ューサであることと、前記超音
    波トランスジュ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、（ｇ）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単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前記センサ。
  28. （２８）特許請求の範囲第２７項記載のセンサにおいて
    、前記変形可能装置は円筒形のエラストマー性材料であ
    ることを特徴とする前記センサ。
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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