WO2024034019A1 - 力センサ - Google Patents

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WO2024034019A1
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substrate
axis
force sensor
electrode
detection unit
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PCT/JP2022/030472
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English (en)
French (fr)
Inventor
裕星 小野寺
Original Assignee
ファナック株式会社
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    • 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
    • G01L1/26—Auxiliary measures taken, or devices used, in connection with the measurement of force, e.g. for preventing influence of transverse components of force, for preventing overload
    • 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
    • G01L5/165—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in capacitance

Definitions

  • the present disclosure relates to a force sensor.
  • the force sensor has three substrate parts spaced apart from each other in the plate thickness direction, a detection part placed between these board parts, and a force component calculated based on the detected value in the detection part. and a force calculation section.
  • the force calculation unit is composed of a processor mounted on a printed circuit board, and generates heat when the power is turned on.
  • the substrate portion is formed thin, so that it is easily affected by changes in heat.
  • the force sensor includes a relaxation part that absorbs thermal deformation of the substrate part by elastic deformation.
  • One aspect of the present disclosure includes a first substrate, a second substrate disposed at a distance from the first substrate in the thickness direction, and a second substrate spaced from the second substrate in the thickness direction.
  • a first connecting member that connects the first substrate and the second substrate so as to be displaceable in the thickness direction, and a third substrate that connects the second substrate and the third substrate in the thickness direction a second connecting member displaceably connected in a direction perpendicular to the direction;
  • a first detection section that detects relative displacement between the first substrate and the second substrate; and a first detection section that detects relative displacement between the second substrate and the third substrate a second detection section extending in the plate thickness direction between the substrates and detecting a relative displacement between the second substrate and the third substrate;
  • the force sensor has a thicker portion in which a region other than the mounting region protrudes toward the third substrate.
  • FIG. 1 is a longitudinal cross-sectional view showing a force sensor according to a first embodiment of the present disclosure.
  • 2 is a plan view illustrating an electrode plate provided on a second substrate of the force sensor of FIG. 1.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view illustrating a first detection electrode provided between a first substrate and a second substrate of the force sensor of FIG. 1.
  • FIG. 2 is a longitudinal cross-sectional view illustrating a second detection electrode provided between a second substrate and a third substrate of the force sensor of FIG. 1;
  • 5 is a plan view illustrating the second detection electrode of FIG. 4.
  • FIG. FIG. 5 is a schematic diagram illustrating an electrode plate of the second detection electrode in FIG. 4.
  • FIG. FIG. 5 is a plan view illustrating the cable wiring of the second detection electrode in FIG.
  • FIG. 2 is a plan view showing a modification of the second substrate of the force sensor of FIG. 1;
  • FIG. 2 is a schematic vertical cross-sectional view showing a modification of the force sensor of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a schematic vertical cross-sectional view showing another modification of the force sensor of FIG. 1.
  • FIG. 7 is a longitudinal cross-sectional view showing a force sensor according to a second embodiment of the present disclosure.
  • the force sensor 1 is, for example, a six-axis force sensor disposed between a base B of a robot and an installation surface A such as a floor, and is a six-axis force sensor that acts on the robot in three orthogonal axes directions. Detects the force and moment around the three axes.
  • the force sensor 1 includes a first substrate 2, a second substrate 3 arranged parallel to the first substrate 2 with an interval in the thickness direction, and and a third substrate 4 arranged in parallel at intervals in the thickness direction.
  • first axis O1 the axis passing through the centers of the first substrate 2, the second substrate 3, and the third substrate 4 and extending in the thickness direction
  • the thickness direction will also be referred to as the first axis O1 direction.
  • FIG. 1 shows a cross section taken along line PP in FIG.
  • the force sensor 1 also includes a first connecting member 5 that connects the first substrate 2 and the second substrate 3 so as to be displaceable in one direction of the first axis O, and a first connecting member 5 that connects the second substrate 3 and the third substrate 4 with each other in a first direction.
  • the second connecting member 6 is connected movably in a direction perpendicular to the axis O1 direction.
  • the force sensor 1 includes a relay member 8 that fixes the second substrate 3 with, for example, bolts 7, and a frame-shaped frame that fixes the third substrate 4 with, for example, bolts 10.
  • a base member 9 is provided.
  • the first board 2 is connected to the second board 3 by a first connecting member 5 via a relay member 8, for example. Further, the second substrate 3 is connected to the base member 9 by a second connecting member 6 via a relay member 8, for example. As a result, the first substrate 2 and the second substrate 3 are indirectly connected by the first connecting member 5, and the second substrate 3 and the third substrate 4 are indirectly connected by the second connecting member 6. .
  • the first connecting member 5 is configured such that when the force sensor 1 receives an external force, the first substrate 2 and the second substrate 3 move in the first axis O 1 direction and in a plane orthogonal to the first axis O 1 direction. It is elastically deformed so as to relatively cause at least one rotation about an axis along the axis. That is, the first connecting member 5 has low rigidity in the first axis O1 direction, and sufficiently high rigidity in the direction orthogonal to the first axis O1 .
  • the first connecting member 5 When a force in the first axis O 1 direction or a moment about the axis along a plane perpendicular to the first axis O 1 direction acts on the first substrate 2, the first connecting member 5 is elastically deformed and the first The distance between the substrate 2 and the second substrate 3 in the first axis O1 direction changes. On the other hand, even if a force in a direction perpendicular to the first axis O1 or a moment around the first axis O1 acts on the first substrate 2, the first connecting member 5 is not elastically deformed and The force or moment is directly transmitted to the relay member 8.
  • the second connecting member 6 moves the second substrate 3 and the third substrate 4 in a direction orthogonal to the first axis O 1 direction and moves in the direction perpendicular to the first axis O 1 direction. It is elastically deformed so as to relatively cause at least one of rotations. That is, the second connecting member 6 has low rigidity in the direction perpendicular to the first axis O1 , and sufficiently high rigidity in the direction of the first axis O1 .
  • the second connecting member 6 When a force in a direction perpendicular to the first axis O1 or a moment about the first axis O1 is applied to the first substrate 2, the second connecting member 6 is elastically deformed, and the second substrate 3 is The substrate 4 is displaced in a direction perpendicular to the first axis O1 .
  • the second connecting member 6 even if a force in the first axis O1 direction or a moment about the axis along a plane perpendicular to the first axis O1 acts on the first substrate 2, the second connecting member 6 will not be elastically deformed. Therefore, relative displacement between the second substrate 3 and the third substrate 4 is not caused.
  • the force sensor 1 also includes a first detection electrode (first detection section) 11 between the first substrate 2 and the second substrate 3, which detects the relative displacement between the first substrate 2 and the second substrate 3. Equipped with. Furthermore, the force sensor 1 includes a second detection electrode (second detection section) 12 between the second substrate 3 and the third substrate 4, which detects the relative displacement between the second substrate 3 and the third substrate 4. Equipped with.
  • the first detection electrode 11 includes a flat electrode plate (first electrode plate) 13 fixed to the surface of the first substrate 2 facing the second substrate 3 side, and a flat electrode plate (first electrode plate) 13 fixed to the surface of the second substrate 3 facing the first substrate 2 side. It includes a flat electrode plate (first electrode plate) 14 fixed to the facing surface.
  • the electrode plates 13 and 14 are made of, for example, FPC (Flexible Printed Circuit).
  • the electrode plates 13 and 14 are directly fixed to the surfaces of the first substrate 2 and the second substrate 3, respectively. As a result, the electrode plates 13 and 14 each extend along a plane orthogonal to the first axis O1 , and are arranged in parallel with a small gap in the first axis O1 direction at positions facing each other. .
  • expressions such as “along” or “along” do not mean strictly coincident with or parallel to an object such as an axis or a plane, but mean a general direction.
  • a direction along an axis or plane includes a direction that deviates from a direction that is strictly coincident with or parallel to the direction represented by that axis or plane, for example, a direction that intersects at an angle of less than 45°. do.
  • the electrode plates 13 and 14 each include a plurality of electrode pieces 13a and 14a.
  • Each electrode piece 13a, 14a has, for example, a fan shape with a central angle of 90°.
  • the electrode plates 13 and 14 each have a circular shape formed by combining four fan-shaped electrode pieces 13a and 14a.
  • the four fan-shaped electrode pieces 13a, 14a forming each electrode plate 13, 14 are arranged to face each other, as shown in FIG. Thereby, the four pairs of electrode pieces 13a, 14a can each detect a change in capacitance value according to a change in the gap between the electrode pieces 13a, 14a.
  • the first detection electrode 11 can detect four capacitance values that change depending on the relative displacement of the first substrate 2 and the second substrate 3 in the first axis O1 direction. Then, from the obtained four capacitance values, a force component in the first axis O 1 direction, a moment component around the second axis O 2 perpendicular to the first axis O 1 , and the first axis O 1 and the second axis The moment component around the third axis O3 perpendicular to O2 can be calculated.
  • the first detection electrode 11 is configured using a plurality of pairs of electrode pieces 13a and 14a, it is only necessary that the electrode pieces 13a and 14a facing each other have the same shape. That is, the shapes of the plurality of electrode pieces 13a, 14a that constitute each electrode plate 13, 14 do not have to be the same.
  • the second detection electrode 12 includes an electrode plate (second electrode plate) 15 fixed to the surface of the second substrate 3 facing the third substrate 4 side, and a surface of the third substrate 4 facing the second substrate 3 side.
  • the electrode plate (second electrode plate) 16 is fixed to the electrode plate (second electrode plate) 16 .
  • each electrode plate 15, 16 is, for example, a rectangular FPC, and is attached to the surface of the rectangular parallelepiped member 18.
  • a strip-shaped FPC cable 17 extends from each electrode plate 15,16.
  • FIG. 4 shows a QQ cross section in FIG.
  • each of the electrode plates 15 and 16 are fixed to the surfaces of the second substrate 3 and the third substrate 4, respectively, by rectangular parallelepiped members 18, as shown in FIGS. 5 and 6.
  • each of the electrode plates 15 and 16 extends along the first axis O1 direction, and is arranged in parallel with a small gap in the circumferential direction around the first axis O1 , at positions facing each other. There is.
  • the electrode plates 15 and 16 are attached to the rectangular parallelepiped member 18 having a predetermined size and extend along the first axis O1 direction. Therefore, as shown in FIG. 6, the second substrate 3 and the third substrate 4 are separated by a distance D, which is the size in one direction of the first axis O of the rectangular parallelepiped member 18 plus a slight gap. O Must be placed with a gap in one direction.
  • a plurality of pairs of each electrode plate 15, 16 are provided.
  • four pairs of electrode plates 15 and 16, each facing each other, are arranged in a cross shape at equal intervals of 90 degrees in the circumferential direction around the first axis O1 . There is.
  • one pair of electrode plates 15 and 16 arranged on both sides are parallel to each other with a small gap in the second axis O2 direction. are placed in positions facing each other.
  • the other two pairs of electrode plates 15 and 16 arranged on both sides of the first axis O1 are parallel to each other with a small gap in the third axis O3 direction. are placed in positions facing each other.
  • the four pairs of electrode plates 15 and 16 can each detect a change in capacitance value according to the gap between the electrode plates 15 and 16. That is, the second detection electrode 12 can detect four capacitance values that change depending on the relative displacement of the second substrate 3 and the third substrate 4 in a direction along a plane perpendicular to the first axis O1 . Then, from the acquired four capacitance values, a force component in the second axis O2 direction, a force component in the third axis O3 direction, and a moment component around the first axis O1 can be calculated.
  • the mounting region R1 is a substantially cross-shaped region including mounting positions of four pairs of electrode plates 15 and 16 arranged in a cross shape.
  • the intermediate portion (thick wall portion) R2 and the outer frame portion (thick wall portion) R3, which are regions other than the mounting region R1 that surround the outside of the mounting region R1, are configured to be thicker than the mounting region R1.
  • the plate thickness dimensions of the intermediate portion R2 and the outer frame portion R3, which are partitioned by the two-dot chain line in FIG. 5, are the same.
  • the outer frame portion R3 is a frame-shaped area provided around the entire circumference of the second substrate 3, and the intermediate portion R2 is continuous to the inside of the outer frame portion R3. These are the areas provided at the four corners of. More specifically, the second board 3 forms a thin mounting region R1 by cutting in the thickness direction the central portion of a metal flat plate having the thickness dimensions of the outer frame portion R3 and the intermediate portion R2. ing.
  • the outer frame portion R3 provided on the periphery of the second substrate 3 is provided with a through hole 19 that penetrates in the radial direction centered on the first axis O1 at the center of each side of the second substrate 3. .
  • Electrode plates 15 and 16 of the second detection electrode 12 are arranged close to each other inside the outer frame portion R3. Since the detection sensitivity can be improved as the positions of the electrode plates 15 and 16 are separated from the first axis O1, the electrode plates 15 and 16 are arranged closer to the outer frame portion R3.
  • the cable 17 connected to the electrode plates 15 and 16 is an FPC cable
  • the cable 17 is connected to each electrode plate 15 and 16 in one direction along the same plane as each electrode plate 15 and 16. Extends in both directions. Therefore, if there is no through hole 19 in the outer frame R3, the cable 17 extending from each electrode plate 15, 16 toward the outer frame R3 would be forced into a small radius of curvature in the narrow gap between the electrode plates 15 and 16 and the outer frame R3. It has to be bent.
  • the intermediate portions R2 on both sides of the through hole 19 can be connected to each other by the beam-shaped outer frame portion R3. Thereby, the rigidity of the second substrate 3 can be efficiently improved.
  • through holes 20 for fixing the second board 3 to the relay member 8 with bolts 7 are provided at four corners of the outer frame portion R3 connected to the intermediate portion R2.
  • the force sensor 1 has force components in three axial directions and moment components around the three axes of the applied external force based on the detection values detected by the first detection electrode 11 and the second detection electrode 12. It includes a processor 21 that calculates. As shown in FIG. 1, the processor 21 is mounted on the circuit board 22, and is fixed, for example, to the surface of the third board 4 opposite to the second board 3. The processor 21 becomes a heating element that generates heat when energized.
  • a flat plate (heat effect mitigation member) 23 made of a material with high thermal conductivity such as an aluminum alloy or a material with high heat insulation properties such as resin is arranged between the third board 4 and the circuit board 22. O Arranged at intervals in one direction. As shown in FIG. 1, the flat plate 23 is formed larger than the circuit board 22, and is arranged at a position where the entire circuit board 22 is hidden from any position on the third board 4.
  • the electrode plates 13 and 14 of the first detection electrode 11 and the circuit board 22 are connected to each other by cables passing through through holes that penetrate the second board 3 and the third board 4 in the thickness direction, respectively. It is connected. Furthermore, the electrode plates 15 and 16 of the second detection electrode 12 and the circuit board 22 are connected by a cable that passes through a through hole that penetrates the third board 4 in the thickness direction.
  • the through-hole of the third board 4 is also arranged at a position covered by the flat plate 23 (for example, near the center of the third board 4), thereby suppressing heat from the processor 21 from being transmitted to the second board 3 through the through-hole. There is.
  • the third substrate 4 is fixed as the installation side, and the first substrate 2 is the side on which the external force acts. .
  • the third board 4 is placed directly on the installation surface A of the robot, for example, the floor surface, or indirectly as shown in FIG. Fix it. Further, the first substrate 2 is fixed directly to the bottom surface of the base B of the robot, or indirectly (for example, with an adapter 26 interposed) as shown in FIG.
  • the force sensor 1 detects either a force component or a moment component depending on the direction in which the first substrate 2 is displaced.
  • the changes in capacitance values between the four pairs of electrode plates 15 and 16 of the second detection electrode 12 are uneven, the force in at least one of the second axis O 2 and the third axis O 3 component is detected. That is, when a difference occurs in the capacitance values between the two pairs of electrode plates 15 and 16 spaced apart in the second axis O2 direction, a force component in the second axis O2 direction is detected. At this time, the change in capacitance value between the two pairs of electrode plates 15 and 16 spaced apart in the third axis O3 direction is the same.
  • the capacitance values detected by the first detection electrode 11 and the second detection electrode 12 are sent to the processor 21 of the circuit board 22. Then, through the operation of the processor 21, force components and moment components acting on the robot are calculated.
  • the processor 21 when the power is turned on to the processor 21, the processor 21 generates heat and heats each component inside the force sensor 1. Since the processor 21 serving as a heat source is normally arranged asymmetrically on the circuit board 22 as shown in FIG. 1, the heat source is unevenly arranged with respect to the third board 4.
  • the flat plate 23 made of a material with high thermal conductivity is arranged between the circuit board 22 and the third board 4.
  • the heat from the processor 21 is converted into an even distribution (heat equalization) by the flat plate 23 and then transferred to the third substrate 4 and the second substrate 3. Therefore, even if the processor 21 suddenly generates heat immediately after power is turned on, the third substrate 4 can be prevented from being heated unevenly.
  • the displacement of the third substrate 4 differs depending on the location, which causes differences in the capacitance values detected by the four pairs of second detection electrodes 12, resulting in detection Accuracy decreases.
  • the flat plate 23 blocks the propagation of heat from the processor 21. Therefore, even if the processor 21 suddenly generates heat immediately after power is turned on, the third substrate 4 and the second substrate 3 can be prevented from being heated suddenly.
  • the flat plate 23 made of a material with high thermal conductivity or a material with high heat insulation properties is formed larger than the circuit board 22, and is located at a position where the entire circuit board 22 is hidden from any position on the third board 4. It is located. This allows the flat plate 23 to block transmission of radiant heat from the processor 21, which is a heat source, to the third substrate 4.
  • the second substrate 3 is formed thicker in regions R2 and R3 of the electrode plate 15 other than the mounting region R1 than in the mounting region R1.
  • the rigidity of the second substrate 3 is increased and the heat capacity of the second substrate 3 is significantly increased compared to the case where the entire second substrate 3 is a flat plate having the same thickness as the mounting area R1. can be done.
  • the second substrate 3 is provided with a thick intermediate portion R2 and an outer frame portion R3 integrally with the mounting region R1 in a region other than the cross-shaped mounting region R1 for mounting the second detection electrode 12.
  • the second substrate 3 in order to form the intermediate portion R2 and the outer frame portion R3 thickly, the second substrate 3 extends the intermediate portion R2 and the outer frame portion R3 from the surface of the mounting region R1. It is made to protrude toward the third substrate 4 side.
  • a distance D is required between the second substrate 3 and the third substrate 4 to ensure a space for arranging the second detection electrode 12 so as to extend along the first axis O1 direction.
  • the necessary space between the second substrate 3 and the third substrate 4 is utilized to make the intermediate portion R2 and the outer frame portion R3 of the second substrate 3 thick.
  • the second substrate 3 can be thickened and its heat capacity can be increased without increasing the distance D between the second substrate 3 and the third substrate 4. That is, there is an advantage that thermal deformation of the second substrate 3 can be suppressed and the detection accuracy of the capacitance value can be improved without increasing the total height of the force sensor 1.
  • the second substrate 3 is illustrated as having a rectangular shape with rounded corners, but the second substrate 3 is not limited to this. It may be circular as shown in FIG. 8, or may have another shape. Further, although the force sensor 1 has been illustrated in which the third substrate 4 side is the fixed side and the force acts on the first substrate 2 side, the reverse may be used.
  • the first board 2 is connected to the relay member 8 fixed to the second board 3 by the first connecting member 5, and the third board 4 is connected by the second connecting member 6.
  • first to third substrates 2 parallel to three annular first to third bridge sections 32 to 34 connected by a first support section 30 and a second support section 31 A configuration in which 4 to 4 are connected may also be adopted.
  • the first bridge portion 32 serves as an elastically deformable first connecting member
  • the second support portion 31 serves as an elastically deformable second connecting member.
  • the overall height of the force sensor 1 can be kept small while the rigidity of the second substrate 3 can be increased. and heat capacity can be increased.
  • the first substrate 2 is fixed to an adapter 26, and external force from the robot is transmitted via the adapter 26.
  • the housing 35 connected to the third board 4 on the opposite side of the second support 31 with the third bridge section 34 in between may be fixed as the installation side.
  • the casing 36 connected to the first substrate 2 on the side opposite to the first support section 30 with the first bridge section 32 in between may be the side on which the force is applied.
  • the first detection section 11 and the second detection section 12 are configured with electrodes, and each detects a capacitance value.
  • the first detection section 11 and the second detection section 12 may detect changes in the amount of electric charge, inductance, amount of light, ultrasonic waves, magnetism, or the like.
  • the force sensor 1 is illustrated as being installed between the base B of the robot and the installation surface A such as the floor surface. Instead, the force sensor 1 according to the present embodiment may be installed at other locations on the robot, for example, between the tip of the wrist and a tool.
  • the force sensor 40 according to this embodiment includes two pairs of electrode plates 15 and 16 at four locations, each of which allows the second detection electrode 12 to detect the same displacement.
  • the second detection electrode 12 includes two pairs of electrode plates 15 and 16 at four locations equidistantly spaced in the circumferential direction around the first axis O1. There is. This makes it possible to provide redundancy in the detection of force and moment by the force sensor 40, and even if some kind of malfunction occurs in one of the two pairs of electrode plates 15 and 16, the detection accuracy can be maintained by the other one. Can be done.
  • the thickness of the intermediate portion R2 of the second substrate 3 is formed to be smaller than the thickness of the outer frame portion R3. .
  • a step having the size of the difference in plate thickness is formed between the intermediate portion R2 and the outer frame portion R3. The step is formed to be larger than the thickness of the cable 17.
  • the outer frame portion R3 and the intermediate portion R2 are close to the opposing surfaces of the base member 9, as shown in FIG.
  • the cable 17 can be routed using the gap enlarged by the step between the outer frame portion R3 and the intermediate portion R2. That is, when the cable 17 is an FPC cable, as shown in FIG. 13, the cable 17 can be twisted 90 degrees and made to run along the surface of the intermediate portion R2.
  • one cable 17a can be wired at a position crossing the intermediate portion R2.
  • the electrode plates 13 and 14 and the cables 17a and 17b are made of FPC is illustrated, but the present invention is not limited to this.
  • the electrode plates 13 and 14 may be made of metal plates, or may be formed by film formation.
  • the cables 17a and 17b may be wires with an electrically insulating coating.
  • Second connecting member 11 First detection electrode (first detection part) 12 Second detection electrode (second detection section) 13, 14 Electrode plate (first electrode plate) 15, 16 Electrode plate (second electrode plate) 17, 17a, 17b cable 19 through hole 21 processor 23 flat plate (heat effect mitigation member) 31 Second support portion (second connection member) 32 First bridge section (first connecting member) R1 Mounting area R2 Middle part (thick part) R3 Outer frame part (thick wall part) O 1 1st axis O 2 2nd axis O 3 3rd axis

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

板厚方向に間隔をあけて配置された第１基板、第２基板および第３基板と、第１基板と第２基板とを板厚方向に変位可能に連結する第１連結部材と、第２基板と第３基板とを板厚方向に直交する方向に変位可能に連結する第２連結部材と、第１基板と第２基板との相対変位を検出する第１検出部と、第２基板と第３基板との間において板厚方向に延びて配置され、第２基板と第３基板との相対変位を検出する第２検出部とを備え、第２基板が、第２検出部の装着領域よりも装着領域以外の領域を、第３基板側に突出させた厚肉部を有する力センサである。

Description

力センサ
　本開示は、力センサに関するものである。
　従来、変位検出方式の力センサが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
　力センサは、板厚方向に相互に間隔をあけて配置される３つの基板部と、これらの基板部の間に配置された検出部と、検出部における検出値に基づいて力成分を演算する力演算部とを備える。
　力演算部はプリント基板に実装されたプロセッサにより構成され、電源投入により発熱する。力センサを薄型化するために、基板部は薄く形成されているので、熱の変化による影響を受け易い。このため、力センサは、基板部の熱変形を弾性変形により吸収する緩和部を備えている。
特許第６６７３９７９号公報
　基板部の熱変形を緩和部の弾性変形により吸収する方法では、急激な温度上昇や不均一な温度上昇による基板部の変形を十分に抑制することが困難である。したがって、力センサの薄型化を図りながら急激な温度上昇によっても力を精度よく検出することが望まれている。
　本開示の一態様は、第１基板と、該第１基板に対して板厚方向に間隔をあけて配置された第２基板と、該第２基板に対して前記板厚方向に間隔をあけて配置された第３基板と、前記第１基板と前記第２基板とを前記板厚方向に変位可能に連結する第１連結部材と、前記第２基板と前記第３基板とを前記板厚方向に直交する方向に変位可能に連結する第２連結部材と、前記第１基板と前記第２基板との相対変位を検出する第１検出部と、前記第２基板と前記第３基板との間において前記板厚方向に延びて配置され、前記第２基板と前記第３基板との相対変位を検出する第２検出部とを備え、前記第２基板が、前記第２検出部の装着領域よりも該装着領域以外の領域を、前記第３基板側に突出させた厚肉部を有する力センサである。
本開示の第１の実施形態に係る力センサを示す縦断面図である。 図１の力センサの第２基板に設けられた電極板を説明する平面図である。 図１の力センサの第１基板と第２基板との間に設けられた第１検出電極を説明する模式的な斜視図である。 図１の力センサの第２基板と第３基板との間に設けられた第２検出電極を説明する縦断面図である。 図４の第２検出電極を説明する平面図である。 図４の第２検出電極の電極板を説明する模式図である。 図４の第２検出電極のケーブルの配線を説明する平面図である。 図１の力センサの第２基板の変形例を示す平面図である。 図１の力センサの変形例を示す模式的な縦断面図である。 図１の力センサの他の変形例を示す模式的な縦断面図である。 本開示の第２の実施形態に係る力センサを示す縦断面図である。 図１１の力センサの第２基板と第３基板との間に設けられた第２検出電極を説明する縦断面図である。 図１１の力センサの第２検出電極のケーブルの配線を説明する平面図である。
　本開示の第１の実施形態に係る力センサ１について図面を参照して以下に説明する。
　本実施形態に係る力センサ１は、例えば、ロボットのベースＢと床面等の被設置面Ａとの間に配置される６軸の力センサであり、ロボットに作用する、直交する３軸方向の力および当該３軸回りのモーメントを検出する。
　力センサ１は、図１に示すように、第１基板２と、第１基板２に対して板厚方向に間隔をあけて平行に配置された第２基板３と、第２基板３に対して板厚方向に間隔をあけて平行に配置された第３基板４とを備えている。以下、第１基板２、第２基板３および第３基板４の中心を通過して板厚方向に延びる軸線を第１軸Ｏ１とし、板厚方向を第１軸Ｏ１方向とも言う。図１は図５のＰ－Ｐ断面を示している。
　また、力センサ１は、第１基板２と第２基板３とを第１軸Ｏ１方向に変位可能に連結する第１連結部材５と、第２基板３と第３基板４とを第１軸Ｏ１方向に直交する方向に変位可能に連結する第２連結部材６とを備えている。
　具体的には、力センサ１は、図１に示すように、第２基板３を、例えば、ボルト７によって固定する中継部材８と、第３基板４を、例えば、ボルト１０によって固定する枠状のベース部材９とを備える。
　第１基板２は、例えば、中継部材８を経由して第１連結部材５により第２基板３に連結されている。また、第２基板３は、例えば、中継部材８を経由して第２連結部材６によりベース部材９に連結されている。これにより、第１基板２と第２基板３とは第１連結部材５によって間接的に連結され、第２基板３と第３基板４とは第２連結部材６によって間接的に連結されている。
　第１連結部材５は、力センサ１が外力を受けたときに、第１基板２と第２基板３とが、第１軸Ｏ１方向の移動および第１軸Ｏ１方向に直交する平面に沿う軸線回りの回転の少なくとも一方を相対的に生ずるように弾性変形する。すなわち、第１連結部材５は、第１軸Ｏ１方向には剛性が低く、第１軸Ｏ１に直交する方向には剛性が十分に高い。
　第１基板２に第１軸Ｏ１方向の力あるいは第１軸Ｏ１方向に直交する平面に沿う軸線回りのモーメントが作用した場合には、第１連結部材５を弾性変形させて、第１基板２と第２基板３との第１軸Ｏ１方向の間隔が変化する。その一方で、第１軸Ｏ１に直交する方向の力あるいは、第１軸Ｏ１回りのモーメントが第１基板２に作用しても、第１連結部材５は弾性変形させられずに、その力あるいはモーメントをそのまま中継部材８に伝達する。
　また、第２連結部材６は、力センサ１が外力を受けたときに、第２基板３と第３基板４とが、第１軸Ｏ１方向に直交する方向の移動および第１軸Ｏ１回りの回転の少なくとも一方を相対的に生ずるように弾性変形する。すなわち、第２連結部材６は、第１軸Ｏ１に直交する方向には剛性が低く、第１軸Ｏ１方向には剛性が十分に高い。
　第１基板２に第１軸Ｏ１に直交する方向の力あるいは第１軸Ｏ１回りのモーメントが作用した場合には、第２連結部材６を弾性変形させて、第２基板３を第３基板４に対して第１軸Ｏ１に直交する方向に変位させる。その一方で、第１軸Ｏ１方向の力あるいは、第１軸Ｏ１に直交する平面に沿う軸線回りのモーメントが第１基板２に作用しても、第２連結部材６は、弾性変形させられず、第２基板３と第３基板４との相対変位を生じさせない。
　また、力センサ１は、第１基板２と第２基板３との間に、第１基板２と第２基板３との間の相対変位を検出する第１検出電極（第１検出部）１１を備える。さらに、力センサ１は、第２基板３と第３基板４との間に、第２基板３と第３基板４との間の相対変位を検出する第２検出電極（第２検出部）１２を備える。
　第１検出電極１１は、第１基板２の第２基板３側に面する表面に固定された平板状の電極板（第１電極板）１３と、第２基板３の第１基板２側に面する表面に固定された平板状の電極板（第１電極板）１４とを備える。電極板１３，１４は、例えば、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ　Ｐｒｉｎｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）によって構成されている。
　電極板１３，１４は、第１基板２および第２基板３の表面にそれぞれ直接固定されている。これにより、電極板１３，１４は、それぞれ第１軸Ｏ１に直交する平面に沿って延び、第１軸Ｏ１方向に微小隙間を空けて平行に、相互に対向する位置に配置されている。
　本開示において、「沿う」あるいは「沿って」などの表現は、軸または平面などの対象と厳密に一致または平行であることのみを表すものではなく、大まかな方向性を意味する。例えば、ある軸または平面に沿う方向とは、その軸あるいは平面によって表される方向に対して、厳密に一致または平行な方向から逸れた方向、例えば、４５°未満の角度で交差する方向を包含する。
　電極板１３，１４は、図２および図３に示すように、それぞれ複数の電極片１３ａ，１４ａを備えている。各電極片１３ａ，１４ａは、例えば、中心角が９０°の扇形状を有する。電極板１３，１４は、それぞれ４枚の扇形状の電極片１３ａ，１４ａを組み合わせることによって円を構成する形状となっている。
　各電極板１３，１４を構成する４枚の扇形状の電極片１３ａ，１４ａは、図３に示すように、それぞれ対向配置される。これにより、４対の電極片１３ａ，１４ａが、電極片１３ａ，１４ａ間の隙間の変化に応じた静電容量値の変化をそれぞれ検出できる。
　すなわち、第１検出電極１１は、第１基板２と第２基板３との第１軸Ｏ１方向の相対変位に応じて変化する４つの静電容量値を検出できる。そして、取得された４つの静電容量値から、第１軸Ｏ１方向の力成分、第１軸Ｏ１に直交する第２軸Ｏ２回りのモーメント成分および第１軸Ｏ１および第２軸Ｏ２に直交する第３軸Ｏ３回りのモーメント成分を算出できる。
　なお、複数対の電極片１３ａ，１４ａを用いて第１検出電極１１を構成する場合には、互いに対向する電極片１３ａ，１４ａの形状が同じであればよい。すなわち、各電極板１３，１４を構成する複数の電極片１３ａ，１４ａの形状は互いに同じでなくてもよい。
　第２検出電極１２は、第２基板３の第３基板４側に面する表面に固定された電極板（第２電極板）１５と、第３基板４の第２基板３側に面する表面に固定された電極板（第２電極板）１６とを備える。各電極板１５，１６は、図４に示すように、例えば、矩形に形成されたＦＰＣであり、直方体状部材１８の表面に貼り付けられている。各電極板１５，１６からは帯状のＦＰＣケーブル１７が延びている。図４は図５のＱ－Ｑ断面を示している。
　電極板１５，１６は、図５および図６に示すように、直方体状部材１８によって、第２基板３および第３基板４の表面にそれぞれ固定されている。これにより、各電極板１５，１６は、それぞれ第１軸Ｏ１方向に沿って延び、第１軸Ｏ１回りの周方向に微小隙間を空けて平行に、相互に対向する位置に配置されている。
　上述したように、電極板１５，１６は、所定の大きさを有する直方体状部材１８に貼り付けられて第１軸Ｏ１方向に沿って延びている。したがって、第２基板３と第３基板４とは、図６に示すように、直方体状部材１８の第１軸Ｏ１方向の大きさに若干の隙間分を加えた距離Ｄだけ、第１軸Ｏ１方向に隙間を空けて配置する必要がある。
　各電極板１５，１６は、複数対設けられている。例えば、図５に示すように、それぞれが相互に対向する４対の電極板１５，１６が、第１軸Ｏ１回りに９０°ずつ周方向に等間隔をあけて、十字状に配置されている。
　すなわち、第１軸Ｏ１を挟んで両側（例えば、図５の左右）に配置される一の２対の電極板１５，１６は、それぞれ、第２軸Ｏ２方向に微小隙間を空けて平行に、相互に対向する位置に配置されている。また、第１軸Ｏ１を挟んで両側（例えば、図５の上下）に配置される他の２対の電極板１５，１６は、それぞれ、第３軸Ｏ３方向に微小隙間を空けて平行に、相互に対向する位置に配置されている。
　これにより、第２検出電極１２は、４対の電極板１５，１６が、電極板１５，１６間の隙間に応じた静電容量値の変化をそれぞれ検出できる。すなわち、第２検出電極１２は、第２基板３と第３基板４との第１軸Ｏ１に直交する平面に沿う方向の相対変位に応じて変化する４つの静電容量値を検出できる。そして、取得された４つの静電容量値から、第２軸Ｏ２方向の力成分、第３軸Ｏ３方向の力成分および第１軸Ｏ１回りのモーメント成分を算出することができる。
　本実施形態においては、図５に示すように、第２基板３は、角を丸めた正方形の平板状に形成され、第２検出電極１２の電極板１５，１６は、第２基板３の中央の装着領域Ｒ１に装着されている。装着領域Ｒ１は、十字状に配置される４対の電極板１５，１６の装着位置を含む略十字状の領域である。
　装着領域Ｒ１の外側を取り囲む装着領域Ｒ１以外の領域である中間部（厚肉部）Ｒ２および外枠部（厚肉部）Ｒ３は、装着領域Ｒ１よりも厚肉に構成されている。本実施形態においては、図５において、２点鎖線によって仕切られた中間部Ｒ２と外枠部Ｒ３の板厚寸法は同じである。
　具体的には、外枠部Ｒ３は、第２基板３の周縁に全周にわたって設けられた枠状の領域であり、中間部Ｒ２は外枠部Ｒ３の内側に連続して、第２基板３の４隅に設けられた領域である。
　さらに具体的には、第２基板３は、外枠部Ｒ３および中間部Ｒ２の板厚寸法を有する金属製平板の中央部分を板厚方向に削り込むことにより、薄肉の装着領域Ｒ１を形成している。
　第２基板３の周縁に設けられた外枠部Ｒ３には、第２基板３の各辺の中央において、第１軸Ｏ１を中心とする径方向に貫通する貫通孔１９が設けられている。外枠部Ｒ３の内側には、第２検出電極１２の電極板１５，１６が近接して配置される。電極板１５，１６の位置を第１軸Ｏ１から離すほど、検出感度を向上することができるので、電極板１５，１６は外枠部Ｒ３に近接して配置される。
　電極板１５，１６に接続するケーブル１７がＦＰＣケーブルである場合には、ケーブル１７は、各電極板１５，１６と同一の平面に沿って、一方向に、または、各電極板１５．１６を挟んだ両方向に延びる。したがって、各電極板１５，１６から外枠部Ｒ３側に延びるケーブル１７は、外枠部Ｒ３に貫通孔１９がなければ、外枠部Ｒ３との間の狭い隙間において、小さな曲率半径で無理に屈曲させなければならない。本実施形態によれば、貫通孔１９を設けることにより、図７に示すように、外枠部Ｒ３側に引き出されたケーブル１７を大きな曲率半径で無理なく湾曲させる空間を確保することができる。
　貫通孔１９とする代わりに、切通しとしても、上述したケーブル１７を無理なく湾曲させる空間を確保できる。本実施形態においては、貫通孔１９とすることにより、貫通孔１９の両側の中間部Ｒ２どうしを梁状の外枠部Ｒ３によって連結することができる。これにより、第２基板３の剛性を効率的に向上することができる。
　また、図７に示すように、中間部Ｒ２に接続する外枠部Ｒ３の４隅には、第２基板３を中継部材８にボルト７により固定するための貫通孔２０が設けられている。厚肉にすることによって剛性が高められた外枠部Ｒ３において、第２基板３を中継部材８に固定することにより、第２基板３を中継部材８に堅固に支持させることができる。
　また、本実施形態に係る力センサ１は、第１検出電極１１および第２検出電極１２により検出された検出値に基づいて、作用した外力の３軸方向の力成分および３軸回りのモーメント成分を算出するプロセッサ２１を備える。プロセッサ２１は、図１に示すように、回路基板２２に搭載され、例えば、第３基板４の第２基板３とは反対側の面に固定されている。プロセッサ２１は、通電により発熱する発熱体となる。
　第３基板４と回路基板２２との間には、例えば、アルミニウム合金等の熱伝導率の高い材質あるいは樹脂等の断熱性の高い材質からなる平板（熱影響緩和部材）２３が、第１軸Ｏ１方向に間隔をあけて配置されている。平板２３は、図１に示すように、回路基板２２よりも大きく形成されるとともに、第３基板４のどの位置から見ても回路基板２２全体が隠れる位置に配置されている。
　なお、図示していないが、第１検出電極１１の電極板１３，１４と回路基板２２とは、第２基板３および第３基板４をそれぞれ板厚方向に貫通する貫通孔を通過するケーブルにより接続されている。また、第２検出電極１２の電極板１５，１６と回路基板２２とは、第３基板４を板厚方向に貫通する貫通孔を通過するケーブルにより接続されている。第３基板４の貫通孔も平板２３によって覆われる位置（例えば、第３基板４の中央近傍）に配置されており、プロセッサ２１の熱が貫通孔を通じて第２基板３に伝わることを抑制している。
　このように構成された本実施形態に係る力センサ１の作用について、以下に説明する。
　本実施形態に係る力センサ１を用いて、ロボットに作用する外力およびモーメントを検出するには、例えば、第３基板４を設置側として固定し、第１基板２を外力が作用する側とする。
　すなわち、第３基板４をロボットの被設置面Ａ、例えば、床面に直接的に、または、図１に示すように、間接的に（例えば、センサベース２４およびアダプタ２５等を介在させて）固定する。また、第１基板２をロボットのベースＢの底面に直接的に、または、図１に示すように、間接的に（例えば、アダプタ２６を介在させて）固定する。
　ロボットに外力が作用すると、外力は、（アダプタ２６を経由して）第１基板２に作用し、第１基板２を変位させる。力センサ１は、第１基板２が変位する方向に応じて、いずれかの力成分あるいはモーメント成分を検出する。
　まず、第２基板３に対して第１基板２を第１軸Ｏ１方向に引き離す外力が作用する場合について説明する。
　この場合には、第１連結部材５が弾性変形して、第２基板３に対して第１基板２が第１軸Ｏ１方向に変位する。そして、第１検出電極１１の４対の電極片１３ａ，１４ａ間の静電容量値が均等に変化する場合には、第１軸Ｏ１方向の力成分が検出される。
　一方、第１検出電極１１の４対の電極片１３ａ，１４ａの間の静電容量値の変化が不均等である場合には、第１軸Ｏ１方向の力成分に加えて、あるいは第１軸Ｏ１方向の力成分に代えて、第２軸Ｏ２回りまたは第３軸Ｏ３回りのモーメント成分が検出される。
　すなわち、第２軸Ｏ２を挟んだ両側の２対の電極片１３ａ，１４ａ間の静電容量に差分が生じる場合には、第２軸Ｏ２回りのモーメント成分が検出される。また、第３軸Ｏ３を挟んだ両側の２対の電極片１３ａ，１４ａ間の静電容量に差分が生じる場合には、第３軸Ｏ３回りのモーメント成分が検出される。
　次に、第３基板４に対して第２基板３を第１軸Ｏ１に直交する方向に移動させる外力が作用する場合について説明する。
　この場合には、第１連結部材５は弾性変形せずに、第１基板２と第２基板３との相対移動を抑制し、第２連結部材６が弾性変形して、第３基板４に対して第２基板３が第１軸Ｏ１に直交する方向に変位する。そして、第２検出電極１２の４対の電極板１５，１６間の静電容量値が均等に変化する場合には、第１軸Ｏ１回りのモーメント成分が検出される。
　一方、第２検出電極１２の４対の電極板１５，１６間の静電容量値の変化が不均等である場合には、第２軸Ｏ２および第３軸Ｏ３方向の少なくとも一方の力成分が検出される。すなわち、第２軸Ｏ２方向に間隔をあけた２対の電極板１５，１６間の静電容量値に差分が生じる場合には、第２軸Ｏ２方向の力成分が検出される。このとき、第３軸Ｏ３方向に間隔をあけた２対の電極板１５，１６間の静電容量値の変化は同一である。
　また、第３軸Ｏ３方向に間隔をあけた２対の電極板１５，１６間の静電容量値に差分が生じる場合には、第３軸Ｏ３方向の力成分が検出される。このとき、第２軸Ｏ２方向に間隔をあけた２対の電極板１５，１６間の静電容量値の変化は同一である。
　第１検出電極１１および第２検出電極１２により検出された静電容量値は、回路基板２２のプロセッサ２１に送られる。そして、プロセッサ２１の作動により、ロボットに作用した力成分およびモーメント成分が算出される。
　この場合において、プロセッサ２１に電源が投入されるとプロセッサ２１が発熱し、力センサ１内部の各部品を加熱する。発熱源となるプロセッサ２１は、通常、図１に示すように、回路基板２２上に非対称に配置されているので、第３基板４に対して熱源は不均等に配置されている。
　本実施形態によれば、回路基板２２と第３基板４との間に熱伝導率の高い材質からなる平板２３が配置されている。この場合には、プロセッサ２１からの熱は、平板２３によって均等な分布に変換（均熱化）された後に第３基板４および第２基板３に伝達される。したがって、電源投入直後のプロセッサ２１の急激な発熱によっても、第３基板４が不均等に加熱されることを防止できる。
　第３基板４が不均等に加熱される場合には、第３基板４の変位が場所によって異なるため、４対の第２検出電極１２により検出される静電容量値に差異が生じて、検出精度が低下する。本実施形態においては、第３基板４の不均等な加熱を防止して、検出精度を向上することができる。
　また、回路基板２２と第３基板４との間に断熱性の高い材質からなる平板２３が配置されている場合には、プロセッサ２１からの熱の伝播は、平板２３によって遮られる。したがって、電源投入直後のプロセッサ２１の急激な発熱によっても、第３基板４および第２基板３が急激に加熱されることを防止できる。
　また、熱伝導率の高い材質あるいは断熱性の高い材質からなる平板２３は、回路基板２２よりも大きく形成されるとともに、第３基板４のどの位置から見ても回路基板２２全体が隠れる位置に配置されている。これにより、発熱源であるプロセッサ２１からの輻射熱の第３基板４への伝達を平板２３によって遮ることができる。
　さらに、本実施形態に係る力センサ１によれば、第２基板３が、電極板１５の装着領域Ｒ１以外の領域Ｒ２，Ｒ３において、装着領域Ｒ１よりも厚肉に形成されている。これにより、第２基板３全体が装着領域Ｒ１の板厚寸法と同じ平坦な平板である場合と比較して、第２基板３の剛性が高められるとともに、第２基板３の熱容量を大幅に増大させることができる。
　第２基板３は、第２検出電極１２を装着するための十字状の装着領域Ｒ１以外の領域に、厚肉の中間部Ｒ２および外枠部Ｒ３を装着領域Ｒ１と一体に設けている。これにより、装着領域Ｒ１が加熱されても、その熱を厚肉の中間部Ｒ２および外枠部Ｒ３に迅速に逃がすことができる。その結果、装着領域Ｒ１の熱変形を抑え、検出精度を向上することができる。
　すなわち、プロセッサ２１の発熱によって第２基板３が加熱されても、装着領域Ｒ１の温度上昇を抑制して熱変形（特に、板厚方向の熱変形）を低減することができる。この場合において、本実施形態によれば、第２基板３は、中間部Ｒ２および外枠部Ｒ３を厚肉に形成するために、中間部Ｒ２および外枠部Ｒ３を、装着領域Ｒ１の表面から第３基板４側に向かって突出させている。
　第２基板３と第３基板４との間には、第２検出電極１２を第１軸Ｏ１方向に沿って延びるように配置するための空間を確保する距離Ｄが必要である。本実施形態においては、この第２基板３と第３基板４との間の必要な空間を利用して、第２基板３の中間部Ｒ２および外枠部Ｒ３を厚肉に構成している。
　これにより、第２基板３と第３基板４との距離Ｄを増大させることなく、第２基板３を厚肉化して熱容量を増大させることができる。すなわち、力センサ１の全高を増大させることなく、第２基板３の熱変形を抑制し、静電容量値の検出精度を向上することができるという利点がある。
　なお、本実施形態に係る力センサ１においては、第２基板３として、角を丸めた四角形状のものを例示したが、これに限定されるものではない。図８に示すように円形であってもよいし、他の形状であってもよい。
　また、第３基板４側を固定側とし、第１基板２側に力が作用する力センサ１を例示したが、逆でもよい。
　また、図１に示すように、第２基板３に固定された中継部材８に、第１連結部材５によって第１基板２を連結し、第２連結部材６によって第３基板４を連結したが、これに限定されるものではない。
　例えば、図９に示すように、第１支柱部３０と第２支柱部３１とによって連結された３つの環状の第１～第３橋梁部３２～３４に、平行な第１～第３基板２～４を連結した構成を採用してもよい。例えば、第１橋梁部３２が弾性変形可能な第１連結部材、第２支柱部３１が弾性変形可能な第２連結部材となる。
　この力センサ１においても、第２基板３の周囲を第３基板４側に向けて突出させて厚肉に構成することにより、力センサ１の全高を小さく維持しつつ、第２基板３の剛性および熱容量を増大させることができる。図中、第１基板２はアダプタ２６に固定され、アダプタ２６を経由してロボットからの外力が伝達される。
　また、図１０に示すように、第３基板４に対して、第３橋梁部３４を挟んで第２支柱部３１とは反対側に接続される筐体３５を設置側として固定してもよい。そして、第１基板２に対して、第１橋梁部３２を挟んで第１支柱部３０とは反対側に接続される筐体３６を力が作用する側としてもよい。
　また、本実施形態においては、第１検出部１１および第２検出部１２を電極により構成し、それぞれ、静電容量値を検出することとした。これに代えて、第１検出部１１および第２検出部１２が、電荷量、インダクタンス、光量、超音波あるいは磁気等の変化を検出してもよい。
　また、本実施形態においては、ロボットのベースＢと床面等の被設置面Ａとの間に設置される力センサ１を例示した。これに代えて、本実施形態に係る力センサ１を、ロボットの他の箇所、例えば、手首先端とツールとの間に設置する場合に適用してもよい。
　次に、本開示の第２の実施形態に係る力センサ４０について、図面を参照して以下に説明する。
　本実施形態の説明において、上述した第１の実施形態に係る力センサ１と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。
　本実施形態に係る力センサ４０は、図１１から図１３に示すように、第２検出電極１２が同じ変位を検出する電極板１５，１６を４箇所に２対ずつ備えている。
　すなわち、第２検出電極１２は、図１２および図１３に示すように、第１軸Ｏ１回りの周方向に等間隔をあけた４箇所に、２対ずつの電極板１５，１６を備えている。これにより、力センサ４０による力およびモーメントの検出に冗長性を持たせることができ、２対の電極板１５，１６の内の一方に何らかの不具合が発生しても他方によって検出精度を維持することができる。
　また、本実施形態に係る力センサ４０は、図１１および図１２に示すように、第２基板３の中間部Ｒ２の板厚寸法を外枠部Ｒ３の板厚寸法よりも小さく形成している。これにより、中間部Ｒ２と外枠部Ｒ３との間には板厚寸法の差分の大きさの段差が形成されている。段差は、ケーブル１７の厚さ寸法よりも大きく形成されている。
　第２基板３の中間部Ｒ２および外枠部Ｒ３を肉厚に形成することにより、図１１に示すように、外枠部Ｒ３および中間部Ｒ２は対向するベース部材９の表面に近接する。外枠部Ｒ３と中間部Ｒ２との間に段差を設けることにより、中間部Ｒ２とベース部材９との間の第１軸Ｏ１方向の隙間を拡大することができる。
　本実施形態によれば、図１３に示すように、外枠部Ｒ３と中間部Ｒ２との段差により拡大された隙間を利用して、ケーブル１７を配線することができる。すなわち、ケーブル１７がＦＰＣケーブルである場合に、図１３に示されるように、ケーブル１７を９０°捻じって中間部Ｒ２の表面に沿わせることができる。
　１箇所に２対の電極板１５，１６を配置したので、各電極板１５，１６から延びるケーブル１７の数が第１実施形態の力センサ１よりも増える。この場合に、周方向に隣接する２対の電極板１５，１６同士を接続する２本のケーブル１７を同じルートに配線すると、両ケーブル１７が近接したり接触したりして、クロストークが発生し、検出精度が低下する場合がある。
　本実施形態によれば、図１３の左上に示すように、一方のケーブル１７ａを、中間部Ｒ２を横切る位置に配線できる。これにより、一方のケーブル１７ａと他方のケーブル１７ｂとの距離を十分に確保して、検出精度の低下を防止することができるという利点がある。
　また、本実施形態においては、電極板１３，１４およびケーブル１７ａ，１７ｂがＦＰＣにより構成されている場合を例示したが、これに限定されるものではない。例えば、電極板１３，１４は金属製の板材によって構成してもよいし、成膜により形成してもよい。また、ケーブル１７ａ，１７ｂは、電気絶縁性の被覆を備える電線を採用してもよい。
　本開示の実施形態について詳述したが、本開示は上述した個々の実施形態に限定されるものではない。これらの実施形態は、発明の要旨を逸脱しない範囲で、または、特許請求の範囲に記載された内容とその均等物から導き出される本発明の思想および趣旨を逸脱しない範囲で、種々の追加、置き換え、変更、部分的削除等が可能である。例えば、上述した実施形態において、各動作の順序の変更、各処理の順序の変更、条件に応じた一部の動作の省略又は追加、条件に応じた一部の処理の省略又は追加は、上記の例に拘泥されることなく可能である。また、上記実施形態の説明に数値又は数式が用いられている場合も同様である。
　１，４０　力センサ
　２　第１基板
　３　第２基板
　４　第３基板
　５　第１連結部材
　６　第２連結部材
　１１　第１検出電極（第１検出部）
　１２　第２検出電極（第２検出部）
　１３，１４　電極板（第１電極板）
　１５，１６　電極板（第２電極板）
　１７，１７ａ，１７ｂ　ケーブル
　１９　貫通孔
　２１　プロセッサ
　２３　平板（熱影響緩和部材）
　３１　第２支柱部（第２連結部材）
　３２　第１橋梁部（第１連結部材）
　Ｒ１　装着領域
　Ｒ２　中間部（厚肉部）
　Ｒ３　外枠部（厚肉部）
　Ｏ１　第１軸
　Ｏ２　第２軸
　Ｏ３　第３軸

Claims (10)

  1. 　第１基板と、
    　該第１基板に対して板厚方向に間隔をあけて配置された第２基板と、
    　該第２基板に対して前記板厚方向に間隔をあけて配置された第３基板と、
    　前記第１基板と前記第２基板とを前記板厚方向に変位可能に連結する第１連結部材と、
    　前記第２基板と前記第３基板とを前記板厚方向に直交する方向に変位可能に連結する第２連結部材と、
    　前記第１基板と前記第２基板との相対変位を検出する第１検出部と、
    　前記第２基板と前記第３基板との間において前記板厚方向に延びて配置され、前記第２基板と前記第３基板との相対変位を検出する第２検出部とを備え、
    　前記第２基板が、前記第２検出部の装着領域よりも該装着領域以外の領域を、前記第３基板側に突出させた厚肉部を有する力センサ。
  2. 　前記第１検出部が、前記第１基板と前記第２基板との前記板厚方向に延びる中心軸線である第１軸に沿う相対的な移動および前記第１基板と前記第２基板との前記第１軸に直交する第２軸回りおよび前記第１軸および前記第２軸に直交する第３軸回りの相対的な回転の少なくとも一方に応じて変化する値を検出し、
    　前記第２検出部が、前記第２基板と前記第３基板との前記第１軸に直交する平面に沿う相対的な移動および前記第２基板と前記第３基板との前記第１軸回りの相対的な回転の少なくとも一方に応じて変化する値を検出する請求項１に記載の力センサ。
  3. 　前記第１検出部が、前記第１基板および前記第２基板の相互に対向する表面にそれぞれ固定され、前記板厚方向に直交する方向に延びる平板状の第１電極板を備え、
    　前記第２検出部が、前記第２基板および前記第３基板の相互に対向する表面にそれぞれ固定され、前記板厚方向に延びる平板状の第２電極板を備える請求項１または請求項２に記載の力センサ。
  4. 　前記第２電極板が４対備えられ、
    　各該第２電極板が、前記第１軸回りの径方向に延びるとともに、前記第１軸回りの周方向に９０°異なる位置に十字状に配置されている請求項３に記載の力センサ。
  5. 　前記厚肉部が、前記周方向に隣接する前記第２電極板間に、前記周方向に挟まれる中間部を備える請求項４に記載の力センサ。
  6. 　前記厚肉部が、前記第２基板の周縁に全周にわたって設けられた外枠部を備える請求項５に記載の力センサ。
  7. 　前記中間部の板厚寸法が、前記外枠部の板厚寸法よりも小さい請求項６に記載の力センサ。
  8. 　前記周方向に隣接する前記第２基板間を接続するケーブルを備え、
    　前記外枠部と前記中間部との板厚寸法の差により形成される段差が、前記ケーブルの厚さ寸法よりも大きい請求項７に記載の力センサ。
  9. 　各前記第２電極板の径方向外側に隣接する前記外枠部に、前記径方向に貫通する貫通孔が設けられている請求項６から請求項８のいずれか１項に記載の力センサ。
  10. 　前記第１検出部および前記第２検出部により検出された検出値に基づいて、力またはモーメントを算出するプロセッサを備え、
    　該プロセッサが、前記第３基板の前記第２基板とは反対側に配置されるとともに、
    　該プロセッサと前記第３基板との間に、前記プロセッサの熱の前記第３基板への伝播を緩和する熱影響緩和部を備える請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の力センサ。
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