JP3168179U - Force sensor and six-dimensional force detection device - Google Patents
Force sensor and six-dimensional force detection device Download PDFInfo
- Publication number
- JP3168179U JP3168179U JP2011001467U JP2011001467U JP3168179U JP 3168179 U JP3168179 U JP 3168179U JP 2011001467 U JP2011001467 U JP 2011001467U JP 2011001467 U JP2011001467 U JP 2011001467U JP 3168179 U JP3168179 U JP 3168179U
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- force
- axis
- substrate
- force sensor
- control board
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 175
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 231
- NJPPVKZQTLUDBO-UHFFFAOYSA-N novaluron Chemical group C1=C(Cl)C(OC(F)(F)C(OC(F)(F)F)F)=CC=C1NC(=O)NC(=O)C1=C(F)C=CC=C1F NJPPVKZQTLUDBO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 102
- 238000003780 insertion Methods 0.000 claims abstract description 76
- 230000037431 insertion Effects 0.000 claims abstract description 76
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 59
- 230000009471 action Effects 0.000 claims abstract description 51
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 4
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 claims description 58
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 40
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 34
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 description 9
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 7
- 230000012447 hatching Effects 0.000 description 7
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 7
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 7
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 6
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 6
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 239000006023 eutectic alloy Substances 0.000 description 3
- 239000008188 pellet Substances 0.000 description 3
- 230000004308 accommodation Effects 0.000 description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 2
- 239000007767 bonding agent Substances 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000007517 polishing process Methods 0.000 description 2
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 2
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 210000003423 ankle Anatomy 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000005489 elastic deformation Effects 0.000 description 1
- 210000001145 finger joint Anatomy 0.000 description 1
- 229910000833 kovar Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000011896 sensitive detection Methods 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 210000000707 wrist Anatomy 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
Abstract
【課題】高感度かつ小型で堅牢性に富んだセンサを提供する。【解決手段】物体10に対して物体20から作用する力を検出する。作用部110と、これを周囲から支持する可撓部120と、これを周囲から支持する台座部130を有する検出基板100が物体10の上に載置され、台座部130はネジで物体10に固定される。作用部110は隆起部111を介して受力基板200に接合される。受力基板200の上面から受力柱210が上方に伸び、制御基板300の柱挿通孔310を挿通して上方へ付き出し、上端がネジS1によって物体20に固定される。制御基板300は、図示されていない接続要素により台座部130に固定される。物体20から力+fzやモーメント+myが作用すると、可撓部120に撓みが生じ、半導体基板140に設けられたピエゾ抵抗素子の抵抗値が変化する。この抵抗値の変化を電気的に検出する。【選択図】図18A highly sensitive, compact and robust sensor is provided. A force acting on an object 10 from the object 20 is detected. A detection substrate 100 having an action part 110, a flexible part 120 that supports the action part 110 from the periphery, and a pedestal part 130 that supports the action part 110 is placed on the object 10, and the pedestal part 130 is attached to the object 10 with screws. Fixed. The action part 110 is joined to the force receiving substrate 200 via the raised part 111. The force receiving column 210 extends upward from the upper surface of the force receiving substrate 200, passes through the column insertion hole 310 of the control substrate 300, sticks upward, and the upper end is fixed to the object 20 by the screw S1. The control board 300 is fixed to the pedestal portion 130 by connection elements not shown. When a force + fz or a moment + my is applied from the object 20, the flexible portion 120 is bent, and the resistance value of the piezoresistive element provided on the semiconductor substrate 140 changes. This change in resistance value is detected electrically. [Selection] Figure 18
Description
本考案は、力覚センサおよび6次元力検出装置に関し、特に、ロボットアームなどに装着し、作用した力やモーメントを検出する機能をもった装置に関する。 The present invention relates to a force sensor and a six-dimensional force detection device, and more particularly to a device that is attached to a robot arm or the like and has a function of detecting an applied force or moment.
産業用ロボットアームなどでは、アームの中間に装着され、作用した力やモーメントを検出する機能をもった検出装置が利用されている。たとえば、下記の特許文献1には、起歪体に生じる歪みを半導体力覚センサを用いて検出することにより、三次元の各座標軸方向に作用した力を検出する3次元力検出装置が開示されている。
In an industrial robot arm or the like, a detection device that is mounted in the middle of the arm and has a function of detecting an applied force or moment is used. For example,
また、下記の特許文献2には、リング構造体の側面に歪みゲージを取り付け、リング構造体に生じる歪みを検出することにより、三次元の各座標軸方向に作用した力および各座標軸まわりに作用したモーメントという6成分を検出する6次元力検出装置が開示されている。更に、下記の特許文献3には、円盤状構造体の一平面上に複数の歪みゲージを配置することにより、上記6成分を検出する6次元力検出装置が開示されている。
Further, in Patent Document 2 below, a strain gauge is attached to the side surface of the ring structure, and by detecting the strain generated in the ring structure, a force acting in the direction of each coordinate axis in three dimensions and acting around each coordinate axis A six-dimensional force detection device that detects six components called moments is disclosed. Further,
上述したように、産業用ロボットアームなどに取り付ける力覚センサや力の6成分すべてを検出可能な6次元力検出装置として、これまで様々なタイプのものが開発されてきている。ただ、これら従来装置は、そのサイズが比較的大きいため、産業用ロボットのアームや人型ロボットの手首・足首に装着して用いるには適切な大きさであるが、指の関節部として利用するには大きすぎるという問題がある。 As described above, various types of force sensors attached to industrial robot arms and the like and 6-dimensional force detection devices capable of detecting all six components of force have been developed. However, since these conventional devices are relatively large in size, they are suitable sizes for use on industrial robot arms and humanoid robot wrists / ankles, but they are used as finger joints. Has the problem of being too big.
また、上記特許文献2,3に開示された装置のように、歪みゲージを検出に用いるタイプの装置では、検出部については小型化を図ることが可能であるが、歪みゲージは検出感度が低く、信号処理のために外付け信号処理回路が必要になるため、結局、全体構成を小型化することが困難である。一方、上記特許文献1に開示された装置のように、検出部に半導体基板を用い、この半導体基板に生じる歪みを電気的に検出する方法を採ることにより、検出感度の向上を図ることは可能であるが、半導体基板は力の作用により損傷を受けやすいため、産業用ロボットアームなどに利用するには、十分な堅牢性を確保できないという問題が生じる。
In addition, in the type of device that uses a strain gauge for detection, such as the devices disclosed in
そこで本考案は、十分な検出感度を確保することができ、小型で堅牢性に富んだ力覚センサおよび6次元力検出装置を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a force sensor and a six-dimensional force detection device that can ensure sufficient detection sensitivity and are small and robust.
(1) 本考案の第1の態様は、第1の物体と第2の物体とを接続する機能を有し、第1の物体に対して第2の物体から作用する力を検出する力覚センサにおいて、
第1の物体に接続される検出基板と、第2の物体に接続される受力基板と、受力基板の変位を制御する制御基板と、を設け、
検出基板は第1の物体の上方に配置され、受力基板は検出基板の上方に配置され、制御基板は受力基板の上方に配置され、第2の物体は制御基板の上方に配置されるようにし、
検出基板は、中心に設けられた作用部と、この作用部の周囲に設けられた可撓性をもった可撓部と、この可撓部の周囲に設けられた台座部と、可撓部の撓みを検出する検出部と、を有し、作用部の上端は上方に隆起した隆起部を構成しており、可撓部は作用部と台座部とを接続し、検出部は可撓部の撓み具合に基づいて作用部に作用した力を電気信号として検出し、
受力基板の下面中心部は、隆起部の上面に固定され、受力基板の上面には、第2の物体の下面に接続するための受力柱が設けられ、制御基板には、受力柱を挿通する柱挿通孔が形成されており、受力柱の上端は柱挿通孔を挿通し、
制御基板は台座部に対して固定されており、第1の物体に対して第2の物体が変位したときに、当該変位が受力柱を介して受力基板に伝達され、更に作用部に伝達されるようにしたものである。
(1) A first aspect of the present invention has a function of connecting a first object and a second object, and detects a force sensed from the second object with respect to the first object. In the sensor
A detection board connected to the first object, a force receiving board connected to the second object, and a control board for controlling the displacement of the force receiving board;
The detection board is disposed above the first object, the power receiving board is disposed above the detection board, the control board is disposed above the power receiving board, and the second object is disposed above the control board. And
The detection board includes an action portion provided in the center, a flexible portion provided around the action portion, a pedestal portion provided around the flexible portion, and a flexible portion. The upper end of the action part constitutes a raised part raised upward, the flexible part connects the action part and the pedestal part, and the detection part is the flexible part. The force acting on the action part based on the degree of bending is detected as an electrical signal,
The center portion of the lower surface of the force receiving board is fixed to the upper surface of the raised portion, and a force receiving column for connecting to the lower surface of the second object is provided on the upper surface of the force receiving board. A column insertion hole for inserting the column is formed, and the upper end of the force receiving column is inserted through the column insertion hole,
The control board is fixed to the pedestal, and when the second object is displaced relative to the first object, the displacement is transmitted to the force receiving board via the force receiving column, and further to the action part. It is intended to be transmitted.
(2) 本考案の第2の態様は、上述した第1の態様に係る力覚センサにおいて、
制御基板は台座部に対して制御基板固定ネジにより固定されており、制御基板固定ネジは筒状スペーサに収容されており、筒状スペーサの上端は制御基板の下面に接し下端は台座部の上面に接しており、制御基板には、制御基板固定ネジを挿通するとともにネジ頭部を収容保持する制御基板固定ネジ孔が形成されており、受力基板には筒状スペーサを挿通するスペーサ挿通孔が形成されており、台座部には制御基板固定ネジの先端部と螺合するネジ受孔が形成されているようにしたものである。
(2) A second aspect of the present invention is the force sensor according to the first aspect described above,
The control board is fixed to the pedestal portion by a control board fixing screw, and the control board fixing screw is accommodated in a cylindrical spacer. The upper end of the cylindrical spacer is in contact with the lower surface of the control board, and the lower end is the upper surface of the pedestal portion. The control board is formed with a control board fixing screw hole for inserting a control board fixing screw and accommodating and holding the screw head, and a spacer insertion hole for inserting a cylindrical spacer into the force receiving board. Is formed, and a screw receiving hole is formed in the pedestal portion to be screwed with the tip end portion of the control board fixing screw.
(3) 本考案の第3の態様は、上述した第2の態様に係る力覚センサにおいて、
台座部には、この台座部を第1の物体に固定するための台座部固定ネジを挿通するとともにネジ頭部を収容保持する台座部固定ネジ孔が形成されており、制御基板および受力基板には、台座部固定ネジの頭部を回転させるための道具を上方から挿入するための道具挿入孔が形成されているようにしたものである。
(3) A third aspect of the present invention is the force sensor according to the second aspect described above,
The pedestal portion is formed with a pedestal portion fixing screw hole for inserting and holding a pedestal portion fixing screw for fixing the pedestal portion to the first object, and accommodating and holding the screw head. A tool insertion hole for inserting a tool for rotating the head of the base fixing screw from above is formed.
(4) 本考案の第4の態様は、上述した第3の態様に係る力覚センサにおいて、
受力基板の周囲部の所定箇所に複数の受力柱が設けられ、台座部の所定箇所に複数の台座部固定ネジ孔が形成されており、制御基板の周囲部の所定箇所が複数の制御基板固定ネジによって固定されているようにしたものである。
(4) A fourth aspect of the present invention is the force sensor according to the third aspect described above,
A plurality of force receiving pillars are provided at predetermined locations around the force receiving substrate, a plurality of pedestal fixing screws are formed at predetermined locations on the pedestal, and a plurality of predetermined locations around the control substrate are controlled at a plurality of locations. It is fixed by a board fixing screw.
(5) 本考案の第5の態様は、上述した第4の態様に係る力覚センサにおいて、
作用部の中心を通り各基板に直交する中心線を定義し、中心線に直交する投影面上に中心線を中心とした基準円を定義し、この基準円を12等分する位置に合計12個の基準点を定義し、各基準点を基準円に沿った順に第1の基準点〜第12の基準点とし、第3,6,9,12の基準点をAグループ、第1,4,7,10の基準点をBグループ、第2,5,8,11の基準点をCグループとしたときに、
4本の受力柱がAグループの基準点位置に配置され、4組の台座部固定ネジ孔がBグループの基準点位置に配置され、4本の制御基板固定ネジがCグループの基準点位置に配置されているようにしたものである。
(5) A fifth aspect of the present invention is the force sensor according to the fourth aspect described above,
A center line that passes through the center of the action part and is orthogonal to each substrate is defined, a reference circle centered on the center line is defined on a projection plane that is orthogonal to the center line, and the reference circle is divided into 12 equal parts. A plurality of reference points are defined, and each reference point is defined as a first reference point to a twelfth reference point in the order along the reference circle. , 7, 10 as the B group and the second, 5, 8, 11 reference points as the C group,
Four force receiving columns are arranged at the reference point position of the A group, four sets of base fixing screw holes are arranged at the reference point position of the B group, and four control board fixing screws are located at the reference point position of the C group. It is made to arrange in.
(6) 本考案の第6の態様は、上述した第3〜第5の態様に係る力覚センサにおいて、
受力柱の上端には、頭部が第2の物体に固定された受力基板固定ネジの先端部と螺合するネジ受孔が形成されており、この受力柱の上端は、制御基板の上面から上方へと突き出し、
制御基板固定ネジ孔は、制御基板固定ネジの本体部を挿通することはできるが頭部を挿通することはできない径をもった本体部挿通孔と、この本体部挿通孔の上部に形成され、制御基板固定ネジの頭部を収容するのに必要な径をもった頭部収容孔と、を有し、
台座部固定ネジ孔は、台座部固定ネジの本体部を挿通することはできるが頭部を挿通することはできない径をもった本体部挿通孔と、この本体部挿通孔の上部に形成され、台座部固定ネジの頭部を収容するのに必要な径をもった頭部収容孔と、を有するようにしたものである。
(6) A sixth aspect of the present invention is the force sensor according to the third to fifth aspects described above,
A screw receiving hole is formed at the upper end of the force receiving column to be screwed with the tip of the force receiving substrate fixing screw whose head is fixed to the second object. Protruding upward from the top surface of
The control board fixing screw hole is formed in the upper part of the main body part insertion hole, and the main body part insertion hole having a diameter that can be inserted through the main body part of the control board fixing screw but not through the head part. A head accommodation hole having a diameter necessary to accommodate the head of the control board fixing screw, and
The pedestal part fixing screw hole is formed in the upper part of the main body part insertion hole with a main body part insertion hole having a diameter that can be inserted through the main body part of the pedestal part fixing screw but cannot be inserted through the head part, And a head receiving hole having a diameter necessary for receiving the head of the pedestal fixing screw.
(7) 本考案の第7の態様は、上述した第3〜第6の態様に係る力覚センサにおいて、
受力基板の上面周囲部と制御基板の下面周囲部との間には所定の上方空隙が確保されており、受力基板の下面周囲部と台座部上面との間には所定の下方空隙が確保されており、受力基板の変位が上方空隙および下方空隙の範囲内に制限されるように構成され、かつ、上方空隙および下方空隙の寸法が、当該制限下での変位が生じる限りにおいて、可撓部および検出部に機械的な損傷が生じない範囲に設定されているようにしたものである。
(7) A seventh aspect of the present invention is the force sensor according to the third to sixth aspects described above,
A predetermined upper gap is secured between the periphery of the upper surface of the force receiving board and the periphery of the lower surface of the control board, and a predetermined lower gap is provided between the periphery of the lower surface of the force receiving board and the upper surface of the pedestal portion. As long as the displacement of the force receiving substrate is limited within the range of the upper gap and the lower gap, and the dimensions of the upper gap and the lower gap are subject to displacement under the restriction, The flexible part and the detection part are set in a range where no mechanical damage occurs.
(8) 本考案の第8の態様は、上述した第7の態様に係る力覚センサにおいて、
筒状スペーサが、主筒状部材と2組の副筒状部材とを積み重ねる構造によって構成され、主筒状部材は受力基板と同じ厚みを有し、副筒状部材は検出基板の隆起部と同じ厚みを有し、副筒状部材の厚みが、上方空隙および下方空隙の寸法に一致するようにしたものである。
(8) An eighth aspect of the present invention is the force sensor according to the seventh aspect described above,
The cylindrical spacer has a structure in which a main cylindrical member and two sets of sub cylindrical members are stacked. The main cylindrical member has the same thickness as the force receiving substrate, and the auxiliary cylindrical member is a raised portion of the detection substrate. And the thickness of the sub-cylindrical member matches the dimensions of the upper gap and the lower gap.
(9) 本考案の第9の態様は、上述した第1〜第8の態様に係る力覚センサにおいて、
受力柱の外周面と柱挿通孔の内周面との間には所定の筒状空隙が確保されており、受力柱の変位が筒状空隙の範囲内に制限されるように構成され、かつ、筒状空隙の寸法が、当該制限下での変位が生じる限りにおいて、可撓部および検出部に機械的な損傷が生じない範囲に設定されているようにしたものである。
(9) A ninth aspect of the present invention is the force sensor according to the first to eighth aspects described above,
A predetermined cylindrical gap is secured between the outer peripheral surface of the force receiving column and the inner peripheral surface of the column insertion hole, and the displacement of the force receiving column is limited within the range of the cylindrical gap. And as long as the dimension of a cylindrical space | gap produces the displacement under the said restriction | limiting, it is set as the range which does not produce a mechanical damage to a flexible part and a detection part.
(10) 本考案の第10の態様は、上述した第2〜第8の態様に係る力覚センサにおいて、
筒状スペーサの外周面とスペーサ挿通孔の内周面との間には所定の筒状空隙が確保されており、受力基板の変位が筒状空隙の範囲内に制限されるように構成され、かつ、筒状空隙の寸法が、当該制限下での変位が生じる限りにおいて、可撓部および検出部に機械的な損傷が生じない範囲に設定されているようにしたものである。
(10) A tenth aspect of the present invention is the force sensor according to the second to eighth aspects described above,
A predetermined cylindrical gap is secured between the outer peripheral surface of the cylindrical spacer and the inner peripheral surface of the spacer insertion hole, and the displacement of the force receiving substrate is limited within the range of the cylindrical gap. And as long as the dimension of a cylindrical space | gap produces the displacement under the said restriction | limiting, it is set as the range which does not produce a mechanical damage to a flexible part and a detection part.
(11) 本考案の第11の態様は、上述した第1〜第10の態様に係る力覚センサにおいて、
可撓部が、作用部の周囲を取り囲むように配置され、可撓性を奏する厚みをもった環状肉薄部によって構成され、
検出部が、環状肉薄部に接合され環状肉薄部とともに撓みを生じる半導体基板と、この半導体基板内に形成されたピエゾ抵抗素子と、このピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化に基づいて作用部に作用した力を電気信号として出力する回路と、によって構成されているようにしたものである。
(11) The eleventh aspect of the present invention is the force sensor according to the first to tenth aspects described above,
The flexible part is arranged so as to surround the periphery of the action part, and is constituted by an annular thin part having a thickness that exhibits flexibility,
The detection part acts on the action part based on a semiconductor substrate which is joined to the annular thin part and bends together with the annular thin part, a piezoresistive element formed in the semiconductor substrate, and a resistance value of the piezoresistive element And a circuit that outputs the generated force as an electrical signal.
(12) 本考案の第12の態様は、上述した第1〜第11の態様に係る力覚センサにおいて、
作用部の中心を通り各基板に直交する中心線上に原点Oを定義し、中心線をz軸、中心線に直交する2軸をx軸およびy軸とするxyz三次元直交座標系を定義したときに、
検出部が、作用部に作用したx軸まわりのモーメントmx、y軸まわりのモーメントmy、z軸方向の力fzを検出する機能を有するようにしたものである。
(12) The twelfth aspect of the present invention is the force sensor according to the first to eleventh aspects described above,
An origin O is defined on a center line that passes through the center of the action part and is orthogonal to each substrate, and an xyz three-dimensional orthogonal coordinate system is defined in which the center line is the z axis and the two axes that are orthogonal to the center line are the x axis and the y axis. sometimes,
The detection unit has a function of detecting a moment mx about the x-axis, a moment my about the y-axis, and a force fz in the z-axis direction acting on the action unit.
(13) 本考案の第13の態様は、上述した第12の態様に係る力覚センサを複数組と、これら複数組の力覚センサから出力された検出値に基づく演算を行う演算回路と、によって6次元力検出装置を構成し、
原点QをもつXYZ三次元直交座標系において、第1の物体に対して第2の物体から作用したX軸方向の力Fx,Y軸方向の力Fy,Z軸方向の力Fz,X軸まわりのモーメントMx,Y軸まわりのモーメントMy,Z軸まわりのモーメントMzの6成分を検出する機能をもたせ、
複数組の力覚センサの各台座部は、XYZ三次元直交座標系における所定位置においてそれぞれ第1の物体に固定されており、複数組の力覚センサの各受力柱は、XYZ三次元直交座標系における所定位置においてそれぞれ第2の物体に固定されており、
演算回路は、各力覚センサが検出した検出値mx,my,fzに基づいて、6成分の値を求める演算を行うようにしたものである。
(13) A thirteenth aspect of the present invention includes a plurality of sets of force sensors according to the twelfth aspect described above, an arithmetic circuit that performs a calculation based on detection values output from the plurality of sets of force sensors, Constitutes a 6-dimensional force detection device,
In an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system having an origin Q, a force Fx in the X-axis direction, a force Fy in the Y-axis direction, a force Fz in the Z-axis direction, and a force around the X-axis acting on the first object from the second object A function to detect six components of moment Mx, moment My around the Y axis, and moment Mz around the Z axis,
Each pedestal portion of the plurality of sets of force sensors is fixed to the first object at a predetermined position in the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system, and each force receiving column of the plurality of sets of force sensors is XYZ three-dimensional orthogonal Each being fixed to a second object at a predetermined position in the coordinate system;
The arithmetic circuit is configured to perform an operation for obtaining six component values based on the detection values mx, my, and fz detected by the force sensors.
(14) 本考案の第14の態様は、上述した第13の態様に係る6次元力検出装置において、
XYZ三次元直交座標系の正のX軸上に原点Oが配置された第1の力覚センサと、負のX軸上に原点Oが配置された第2の力覚センサと、正のY軸上に原点Oが配置された第3の力覚センサと、負のY軸上に原点Oが配置された第4の力覚センサと、を有し、各力覚センサのx軸,y軸,z軸は、XYZ三次元直交座標系のそれぞれX軸,Y軸,Z軸に平行となるように配置され、
演算回路が、第1の力覚センサによって検出されたx軸まわりのモーメントをmx1、y軸まわりのモーメントをmy1、z軸方向の力をfz1とし、第2の力覚センサによって検出されたx軸まわりのモーメントをmx2、y軸まわりのモーメントをmy2、z軸方向の力をfz2とし、第3の力覚センサによって検出されたx軸まわりのモーメントをmx3、y軸まわりのモーメントをmy3、z軸方向の力をfz3とし、第4の力覚センサによって検出されたx軸まわりのモーメントをmx4、y軸まわりのモーメントをmy4、z軸方向の力をfz4としたときに、
Fx=my1+my2+my3+my4 または
=my1+my2 または
=my3+my4
Fy=mx1+mx2+mx3+mx4 または
=mx1+mx2 または
=mx3+mx4
Fz=fz1+fz2+fz3+fz4 または
=fz1+fz2 または
=fz3+fz4
Mx=fz3−fz4
My=fz2−fz1
Mz=−mx1+mx2−my3+my4 または
=−mx1+mx2 または
=−my3+my4
なる演算により6成分の値を求めるようにしたものである。
(14) According to a fourteenth aspect of the present invention, in the six-dimensional force detection device according to the thirteenth aspect described above,
A first force sensor having an origin O arranged on the positive X axis of the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system; a second force sensor having an origin O arranged on the negative X axis; A third force sensor having an origin O arranged on an axis and a fourth force sensor having an origin O arranged on a negative Y axis, and the x-axis, y of each force sensor The axis and the z axis are arranged so as to be parallel to the X axis, the Y axis, and the Z axis of the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system, respectively.
The arithmetic circuit sets the moment about the x axis detected by the first force sensor to mx1, the moment about the y axis to my1, the force in the z axis direction to fz1, and the x detected by the second force sensor. Moment about the axis is mx2, moment about the y axis is my2, force in the z axis direction is fz2, moment about the x axis detected by the third force sensor is mx3, moment about the y axis is my3, When the force in the z-axis direction is fz3, the moment around the x-axis detected by the fourth force sensor is mx4, the moment around the y-axis is my4, and the force in the z-axis direction is fz4,
Fx = my1 + my2 + my3 + my4 or = my1 + my2 or = my3 + my4
Fy = mx1 + mx2 + mx3 + mx4 or = mx1 + mx2 or = mx3 + mx4
Fz = fz1 + fz2 + fz3 + fz4 or = fz1 + fz2 or = fz3 + fz4
Mx = fz3-fz4
My = fz2-fz1
Mz = -mx1 + mx2-my3 + my4 or = -mx1 + mx2 or = -my3 + my4
The values of the six components are obtained by the following calculation.
本考案に係る力覚センサは、検出基板、受力基板、制御基板という3層の基板がネジによって固定される単純な構造のため、小型でありながら十分な堅牢性を確保することができる。また、制御基板によって、受力基板の変位を一定範囲に制限することができるため、過度の力が作用しても、検出部に生じる撓みを一定範囲に抑えることができ、検出部に半導体基板などの高感度の検出系を用いたとしても、検出系の破損を防止することができる。かくして、本考案によれば、十分な検出感度をもち、小型で堅牢性に富んだ力覚センサを実現することができる。更に、この力覚センサを複数組用いることにより、三次元の各座標軸方向に作用した力および各座標軸まわりに作用したモーメントという6成分を十分な感度で検出することができる小型で堅牢性に富んだ6次元力検出装置を実現することができる。 The force sensor according to the present invention has a simple structure in which a three-layer substrate including a detection substrate, a force receiving substrate, and a control substrate is fixed by screws, so that sufficient robustness can be ensured while being small. In addition, since the displacement of the force receiving substrate can be limited to a certain range by the control substrate, even if an excessive force is applied, the deflection generated in the detecting portion can be suppressed to a certain range, and the semiconductor substrate is placed on the detecting portion. Even if a highly sensitive detection system such as the above is used, the detection system can be prevented from being damaged. Thus, according to the present invention, it is possible to realize a small and robust force sensor with sufficient detection sensitivity. Furthermore, by using a plurality of sets of force sensors, a small and robust system capable of detecting six components, ie, a force acting in the three-dimensional coordinate axis direction and a moment acting around each coordinate axis with sufficient sensitivity. A six-dimensional force detection device can be realized.
以下、本考案を図示する実施形態に基づいて説明する。 Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiment.
<<< §1. 力覚センサの各部の構造 >>>
図1は、本考案の基本的な実施形態に係る力覚センサ500の側面図である。この力覚センサ500は、第1の物体10と第2の物体20(図では破線で示す)とを接続する機能を有し、第1の物体10に対して第2の物体20から作用する力を検出する働きをする。図示のとおり、この力覚センサ500の主たる構成要素は、検出基板100、受力基板200、制御基板300という3枚の基板である。いずれの基板も、実用上は、十分な堅牢性をもったステンレスなどの金属材料によって構成することができる。ただ、後述する例のように、検出部としてシリコン基板を用いる場合は、熱膨張係数の整合性を確保して温度特性を改善するために、検出基板100の本体部分はコバールや4−2アロイなどを用いて構成するのが望ましい。
<<< §1. Structure of each part of force sensor >>>
FIG. 1 is a side view of a
ここで、検出基板100は第1の物体10に固定され、受力基板200は受力柱210を介して第2の物体20に固定される。なお、図1において、中央に描かれた受力柱210の奥には、もう1本の受力柱210が配置されており、受力基板200は4本の受力柱210によって第2の物体20に固定される。後述するように、制御基板300には、各受力柱210を挿通するための柱挿通孔がそれぞれ形成されており、4本の受力柱210は、この柱挿通孔を通して、受力基板200と第2の物体20とを接続することになる。
Here, the
一方、検出基板100は、その中心の隆起部111を介して受力基板200の下面に接合されている。結局、第2の物体20は、第1の物体10の上方に、力覚センサ500を介して接合されることになる。そして、第2の物体20が変位を生じると、当該変位は、4本の受力柱210を介して受力基板200へと伝達され、更に、隆起部111を介して検出基板100へと伝達され、後述するように、検出基板100において電気的に検出されることになる。
On the other hand, the
なお、図1では、図が繁雑になるのを避けるため、一部の図示を省略しているが、実際には、後に詳述するとおり、検出基板100と制御基板300との間には、両者を接続する接続要素(ネジと筒状スペーサ)が存在し、制御基板300は検出基板100に対して固定されている。この制御基板300は、力検出の原理に直接関連する構成要素ではないが、受力基板200の変位を制御する働きをする。すなわち、制御基板300が検出基板100の上方の所定位置において、検出基板100に対して固定されているため、受力基板200の変位は、検出基板100と制御基板300とによって挟まれた空間内に抑制される。
In FIG. 1, a part of the illustration is omitted in order to prevent the figure from becoming complicated, but actually, as will be described in detail later, between the
以下、この力覚センサ500の主たる構成要素である、検出基板100、受力基板200、制御基板300の詳細な構造を順に説明する。
Hereinafter, detailed structures of the
はじめに、検出基板100の構造を述べる。図2の上段は、図1に示す力覚センサ500の検出基板100の上面図であり、下段は、そのA−A′切断面における側断面図である。上段の図に示すとおり、検出基板100は円盤状の基板であり、上面には環状溝G1が掘られている。ここでは、この環状溝G1によって囲まれた円柱状の部分を作用部110(その上端は隆起部111)と呼び、環状溝G1の底部を可撓部120と呼び、環状溝G1の外周に位置する部分を台座部130と呼ぶことにする。
First, the structure of the
台座部130には、図示のとおり、4カ所(時計の文字板の1時,4時,7時,10時の位置)に台座部固定ネジ孔160(図の二重円)が設けられ、別な4カ所(時計の文字板の2時,5時,8時,11時の位置)にネジ受孔170(図の小円)が設けられている。台座部固定ネジ孔160は、台座部130を第1の物体10に固定するための台座部固定ネジを通すためのネジ孔であり、ネジ受孔170は、制御基板300を台座部130に固定するための制御基板固定ネジの先端部と螺合するためのネジ受孔である。
As shown in the figure, the
図2の下段の図に示すとおり、検出基板100の底面側(作用部110および可撓部120の下方位置)には円柱状の空洞部Vが設けられており、空洞部Vの内部には、円盤状の半導体基板140が収容されている。また、この空洞部Vは、蓋板150によって封止されている。結局、可撓部120は、上方に環状溝G1が形成され、下方に空洞部Vが形成された環状肉薄部(ワッシャ状構造体)をなし、力の作用によって撓みを生じるダイアフラムとして機能する。また、円盤状の半導体基板140は、作用部110および可撓部120の下面に接合された肉薄のシリコン基板であり、可撓部120とともに撓みを生じることになる。
As shown in the lower diagram of FIG. 2, a cylindrical cavity V is provided on the bottom surface side of the detection substrate 100 (a position below the
作用部110の上端は上方に隆起した隆起部111を構成している。この実施例では、隆起部111だけを別な構造体として用意し、検出基板100の上面中央部に接合する構成をとっているが、隆起部111を含めた作用部110全体を一体構造体としてもかまわない。図1に示すように、この隆起部111の上面は、受力基板200の中央部に接合される。
The upper end of the
図3は、図2に示す検出基板100のB−B′切断面における側断面図である。その基本構成は図2の下段の図(A−A′切断面における側断面図)とほぼ同じであるが、台座部130には、台座部固定ネジ孔160の断面が示されている。この台座部固定ネジ孔160は、下方に設けられた本体部挿通孔161と、上方に設けられた径の大きな頭部収容孔162と、によって構成され、台座部固定ネジを挿通するために利用される。
FIG. 3 is a sectional side view of the
一方、図4は、図2に示す検出基板100のC−C′切断面における側断面図である。その基本構成は図2の下段の図(A−A′切断面における側断面図)とほぼ同じであるが、台座部130には、ネジ受孔170の断面が示されている。このネジ受孔170は、上述したように、制御基板300を台座部130に固定するための制御基板固定ネジの先端部と螺合するためのネジ受孔である。
On the other hand, FIG. 4 is a sectional side view of the
続いて、受力基板200の構造を述べる。図5の上段は、図1に示す力覚センサの受力基板200の上面図であり、下段は、そのA−A′切断面における側断面図である。上段の図に示すとおり、受力基板200は円盤状の基板であり、上面の4カ所(時計の文字板の3時,6時,9時,12時の位置)には4本の受力柱210が設けられている。また、4カ所(時計の文字板の1時,4時,7時,10時の位置)に道具挿入孔220が設けられ、別な4カ所(時計の文字板の2時,5時,8時,11時の位置)にスペーサ挿通孔230が設けられている。ここで、受力柱210は、第2の物体に接続するための構成要素であり、道具挿入孔220は、後述するように、台座部固定ネジの頭部を回転させるための道具を上方から挿入するための孔であり、スペーサ挿通孔230は、後述するように、筒状スペーサを挿通するための孔である。
Next, the structure of the
図5の下段の図に示すとおり、受力柱210は、受力基板200の周囲近傍から上方へと伸びる円柱状の構造体であり、その上面には、ネジ受孔215が形成されている。このネジ受孔215は、上方に配置された第2の物体を受力基板200に固定するための受力基板固定ネジの先端部と螺合するためのネジ受孔である。
As shown in the lower diagram of FIG. 5, the
図6は、図5に示す受力基板200のB−B′切断面における側断面図である。その基本構成は図5の下段の図(A−A′切断面における側断面図)とほぼ同じであるが、道具挿入孔220の断面が示されている。一方、図7は、図5に示す受力基板200のC−C′切断面における側断面図である。その基本構成は図5の下段の図(A−A′切断面における側断面図)とほぼ同じであるが、スペーサ挿通孔230の断面が示されている。
FIG. 6 is a side sectional view of the
次に、制御基板300の構造を述べる。図8の上段は、図1に示す力覚センサの制御基板300の上面図であり、下段は、そのA−A′切断面における側断面図である。上段の図に示すとおり、制御基板300は円盤状の基板であり、上面の4カ所(時計の文字板の3時,6時,9時,12時の位置)に柱挿通孔310が設けられ、別な4カ所(時計の文字板の1時,4時,7時,10時の位置)に道具挿入孔320が設けられ、更に別な4カ所(時計の文字板の2時,5時,8時,11時の位置)に制御基板固定ネジ孔330が設けられている。ここで、柱挿通孔310は、受力柱210を挿通するための孔であり、道具挿入孔320は、台座部固定ネジの頭部を回転させるための道具を上方から挿入するための孔であり、制御基板固定ネジ孔330は、制御基板固定ネジを挿通するための孔である。
Next, the structure of the
図8の下段の図に示すとおり、A−A′切断面の位置には、柱挿通孔310が設けられている。一方、図9は、図8に示す制御基板300のB−B′切断面における側断面図である。その基本構成は図8の下段の図(A−A′切断面における側断面図)とほぼ同じであるが、道具挿入孔320の断面が示されている。また、図10は、図8に示す制御基板300のC−C′切断面における側断面図である。その基本構成は図8の下段の図(A−A′切断面における側断面図)とほぼ同じであるが、制御基板固定ネジ孔330の断面が示されている。この制御基板固定ネジ孔330は、下方に設けられた本体部挿通孔331と、上方に設けられた径の大きな頭部収容孔332と、によって構成され、制御基板固定ネジを挿通するために利用される。
As shown in the lower drawing of FIG. 8, a
<<< §2. 力覚センサの全体構造 >>>
続いて、図1に示す力覚センサ500の全体構造を、3通りの異なる切断面で切った側断面図を参照しながら説明する。
<<< §2. Overall structure of force sensor >>
Next, the overall structure of the
図11は、図1に示す力覚センサ500のA−A′切断面における側断面図であり、図2の下段に示す検出基板100の上方に図5の下段に示す受力基板200を配置し、更にその上方に図8の下段に示す制御基板300を配置した状態を示している(検出基板100と制御基板300との間を接続する制御基板固定ネジと筒状スペーサは図示省略、図12についても同様)。ここで、各基板の個々の構成要素については、既に述べたとおりである。
11 is a side sectional view taken along the line AA ′ of the
図示のとおり、受力基板200から上方に伸びた受力柱210は、制御基板300に設けられた柱挿通孔310を挿通しており、その上端は、制御基板300の上面から上方へと突き出している。受力柱210の上端には、ネジ受孔215が形成されており、このネジ受孔215を利用して、受力柱210の上端を第2の物体20に固定することができる。
As shown in the figure, the
図12は、図11に示す力覚センサ500について、受力基板固定ネジS1によって受力基板200を第2の物体20(破線で示す)に固定した状態を示すA−A′切断面における側断面図である。受力基板固定ネジS1は、頭部が第2の物体20に固定されており(第2の物体20側の構造については、図示省略)、受力柱210の上端に形成されたネジ受孔215は、この受力基板固定ネジS1の先端部と螺合する構造になっている。したがって、第2の物体20側に、4本の受力基板固定ネジS1の頭部を固定する構造を設けておけば、この4本のネジS1によって、第2の物体を4本の受力柱210に固定することができ、第2の物体20は、受力柱210を介して受力基板200に接続される。
FIG. 12 shows a side of the
なお、図示のとおり、円柱状の受力柱210の外周面と柱挿通孔310の内周面との間には所定の筒状空隙が確保されており、この筒状空隙によって与えられる自由度の範囲内で、受力柱210は自由に変位することができる。このため、第2の物体20の変位は、受力柱210を介して受力基板200へと伝達される。
As shown in the figure, a predetermined cylindrical gap is secured between the outer peripheral surface of the cylindrical
図13は、図1に示す力覚センサ500のB−B′切断面における側断面図であり、図3に示す検出基板100の上方に図6に示す受力基板200を配置し、更にその上方に図9に示す制御基板300を配置した状態を示している(検出基板100と制御基板300との間を接続する制御基板固定ネジと筒状スペーサは図示省略、図14についても同様)。ここで、各基板の個々の構成要素については、既に述べたとおりである。
FIG. 13 is a side sectional view of the
図示のとおり、検出基板100の台座部130に設けられた台座部固定ネジ孔160の真上に受力基板200に設けられた道具挿入孔220が配置されており、更にその真上に制御基板300に設けられた道具挿入孔320が配置されている。
As shown in the figure, a
図14は、図13に示す力覚センサ500において、台座部固定ネジS2によって台座部130を第1の物体10(破線で示す)に固定した状態を示すB−B′切断面における側断面図である(第1の物体10側の構造については、図示省略)。
FIG. 14 is a sectional side view taken along the line BB ′ showing a state in which the
図14には、第2の物体20を配置した状態が示されているが、実際には、第2の物体20を力覚センサ500の上方に取り付ける前に、この力覚センサ500の台座部130を第1の物体10の上面に取り付けるようにすればよい。すなわち、第2の物体20が取り付けられていない状態では、台座部固定ネジS2を、道具挿入孔320および道具挿入孔220を通して、上方から台座部固定ネジ孔160に挿入することができ、更に、この道具挿入孔320および道具挿入孔220を通して、ドライバーなどの道具を上方から挿入して、台座部固定ネジS2の頭部を回転させることができる。
FIG. 14 shows a state in which the
台座部130に形成された台座部固定ネジ孔160は、台座部固定ネジS2を挿通するとともにネジ頭部を収容保持する機能を有する。より具体的には、図13に示すとおり、台座部固定ネジ孔160は、台座部固定ネジS2の本体部を挿通することはできるが頭部を挿通することはできない径をもった本体部挿通孔161と、この本体部挿通孔161の上部に形成され、台座部固定ネジS2の頭部を収容するのに必要な径をもった頭部収容孔162と、を有している。したがって、図14に示すように、第1の物体10側に台座部固定ネジS2の先端部と螺合するネジ受孔を形成しておけば、4本のネジS2によって、台座部130を第1の物体10に固定することができ、検出基板100を第1の物体10に接続することができる。
The pedestal portion fixing
図15は、図1に示す力覚センサ500のC−C′切断面における側断面図であり、図4に示す検出基板100の上方に図7に示す受力基板200を配置し、更にその上方に図10に示す制御基板300を配置した状態を示している。ここで、各基板の個々の構成要素については、既に述べたとおりである。なお、受力基板200の脇に描かれた筒状スペーサ250は、制御基板固定ネジS3を収容することができる円筒状の部材(金属製でもよいし、樹脂製でもかまわない)であり、実際には、スペーサ挿通孔230内に配置して用いられる。
FIG. 15 is a side sectional view taken along the line CC ′ of the
制御基板300には、制御基板固定ネジS3を挿通するとともにネジ頭部を収容保持する制御基板固定ネジ孔330が形成されている。この制御基板固定ネジ孔330は、制御基板固定ネジS3の本体部を挿通することはできるが頭部を挿通することはできない径をもった本体部挿通孔331と、この本体部挿通孔331の上部に形成され、制御基板固定ネジS3の頭部を収容するのに必要な径をもった頭部収容孔332と、を有している。
The
図16は、図15に示す力覚センサ500において、制御基板固定ネジS3によって制御基板300を台座部130に固定した状態を示すC−C′切断面における側断面図である。図示のとおり、制御基板固定ネジS3は筒状スペーサ250に収容されており、筒状スペーサ250は、受力基板200に形成されたスペーサ挿通孔230内を挿通している。また、台座部130には制御基板固定ネジS3の先端部と螺合するネジ受孔170が形成されている。したがって、制御基板固定ネジS3を締め付けると、筒状スペーサ250の上端は制御基板300の下面に接した状態になり、下端は台座部130の上面に接した状態になる。かくして、制御基板300は台座部130に対して制御基板固定ネジS3により固定される。
FIG. 16 is a cross-sectional side view taken along the line CC ′ showing a state in which the
図16には、第2の物体20を配置した状態が示されているが、実際には、第2の物体20を力覚センサ500の上方に取り付ける前に、この力覚センサ500の制御基板300を台座部130の上面に取り付けるようにすればよい。すなわち、第2の物体20が取り付けられていない状態で、受力基板200に形成されたスペーサ挿通孔230に筒状スペーサ250を挿通し、その上に制御基板300を載せ、4本の制御基板固定ネジS3を締め付けて固定すればよい。
FIG. 16 shows a state in which the
図17は、図1に示す力覚センサ500の上面図である。図には、一番上層に配置された制御基板300のみしか現れていないが、この下に、受力基板200および検出基板100が配置されている。図8で説明したとおり、制御基板300上には合計12個の孔が形成されている。
FIG. 17 is a top view of the
時計の文字板の0時,3時,6時,9時の位置には、柱挿通孔310が形成されており、受力基板200の上面に取り付けられた受力柱210が上方へと挿通している。この受力柱210の上面にはネジ受孔215が形成されており、上述したとおり、第2の物体20を接続するための受力基板固定ネジS1の先端部が螺合する。
A
また、時計の文字板の1時,4時,7時,10時の位置には、道具挿入孔320が形成されており、上方から覗くと、台座部固定ネジS2の頭部が見えている。前述したとおり、この道具挿入孔320から、ドライバーなどの道具を挿入して、台座部固定ネジS2の頭部を回転させ、台座部130を第1の物体10に固定することができる。一方、時計の文字板の2時,5時,8時,11時の位置には、制御基板固定ネジ孔330が形成されており、ここには制御基板固定ネジS3が挿入され、制御基板300が台座部130に固定される。
In addition, a
結局、ここに示す力覚センサ500の場合、作用部110の中心を通り各基板100,200,300に直交する中心線を定義し、この中心線に直交する投影面(たとえば、図17に示す制御基板300の上面)に、この中心線の位置を中心点Tとした基準円U(図17では破線で示す)を定義すると、制御基板300上に形成された12個の孔の中心(基準点)は、いずれも基準円U上に位置することになる。そして、基準円Uを12等分する位置に合計12個の基準点を定義し、各基準点を基準円に沿った順に、時計の文字板における数字の並び順と同様に、第1の基準点〜第12の基準点とし、第3,6,9,12の基準点をAグループ、第1,4,7,10の基準点をBグループ、第2,5,8,11の基準点をCグループとすれば、4本の受力柱210がAグループの各基準点位置に配置され、4組の台座部固定ネジ孔160(および台座部固定ネジS2を回転させるための道具挿入孔220,320)がBグループの基準点位置に配置され、4本の制御基板固定ネジS3が前記Cグループの基準点位置に配置されていることになる。
After all, in the case of the
もちろん、受力柱210の数、台座部固定ネジ孔160の数、制御基板固定ネジS3の数は、必ずしも4組にする必要はなく、理論的には、いずれも最低限1組あれば、本考案に係る力覚センサを構成することは可能である。ただ、実用上は、それぞれ複数組を用いるのが好ましく、また、各基板の周囲部に配置するのが好ましい。すなわち、実用上は、受力基板200の周囲部の所定箇所に複数の受力柱210を設け、台座部130の所定箇所に複数の台座部固定ネジ孔160を形成し、制御基板300の周囲部の所定箇所を、複数の制御基板固定ネジS3によって台座部130に固定するのが好ましい。
Of course, the number of
また、ここに示す実施例の場合、各基板100,200,300はいずれも円盤状の基板であるが、各基板の形状は必ずしも円に限定されるものではなく、矩形、六角形など、任意の形状にしてかまわないし、個々の基板ごとに異なる形状にしてもかまわない。
In the embodiment shown here, each of the
<<< §3. 力覚センサの検出動作 >>>
次に、図1に示す力覚センサ500による検出動作を説明する。図18は、この力覚センサ500にモーメントもしくは力が作用した状態を説明するためのA−A′切断面における側断面図である(検出基板100と制御基板300との間を接続する制御基板固定ネジS3と筒状スペーサ250は図示省略)。
<<< §3. Force sensor detection operation >>>
Next, the detection operation by the
前述したとおり、この力覚センサ500は、図に破線で示した第1の物体10と第2の物体20との間に装着され、両物体を相互に接続する機能を有する。図示のとおり、検出基板100は第1の物体10の上方に配置され、受力基板200は検出基板100の上方に配置され、制御基板300は受力基板200の上方に配置され、第2の物体20は制御基板300の上方に配置される。もちろん、ここで言及している上下の位置関係は、各構成要素の相対的な配置を説明するための便宜であり、実用上は、この力覚センサ500をどのような向きに装着してもかまわない。
As described above, the
また、本願では、この力覚センサ500の機能を、「第1の物体10に対して第2の物体20から作用する力を検出する機能」として説明するが、作用反作用の法則により、2つの物体間に作用する力は相互的なものであり、この力覚センサ500は、「第2の物体20に対して第1の物体10から作用する力を検出する機能」も当然ながら有している。
In this application, the function of the
力覚センサ500の基本構造は、次のとおりである。すなわち、図18において、台座部130は第1の物体10に固定されており、制御基板300はネジS3と筒状スペーサ250(図18では、図示省略)によって台座部130に固定されている。したがって、台座部130および制御基板300は、第1の物体10に固定されている。一方、受力基板200の下面中心部は、隆起部111の上面に固定され、受力基板200の上面には、第2の物体20の下面に接続するための4本の受力柱210が設けられている。そして、制御基板300には、この受力柱210を挿通する柱挿通孔310が形成されており、各受力柱210の上端は、この柱挿通孔310を挿通して上方へと突き出し、第2の物体20に固定される。
The basic structure of the
また、検出基板100は、中心に設けられた作用部110と、この作用部110の周囲に設けられた可撓性をもった可撓部120と、この可撓部120の周囲に設けられた台座部130とを有しており、作用部110の上端は上方に隆起した隆起部111を構成しており、可撓部120は作用部110と台座部130とを接続する可撓性接続部材(肉薄のダイアフラム)として機能している。なお、可撓部120は、必ずしもダイアフラムで構成する必要はなく、複数本のビーム構造体によって構成してもよい。この場合、作用部110は、その周囲から複数本のビーム構造体によって支持されることになる。
Further, the
このような基本構造をもつ力覚センサ500では、第1の物体10を固定した状態で第2の物体20に力が作用すると、当該力は、受力柱210から受力基板200を経て作用部110へと伝達される。すると、作用部110と台座部130とを接続する可撓部120は、伝達されてきた力の作用により撓みを生じることになる。このように可撓部120が撓みを生じるため、第2の物体20は、受力基板200および作用部110とともに、第1の物体10および台座部130に対して変位を生じることになる。換言すれば、第1の物体10に対して第2の物体20が変位すると、当該変位は受力柱210を介して受力基板200に伝達され、更に作用部110に伝達され、可撓部120に撓みを生じさせることになる。
In the
この検出基板100には、更に、可撓部120の撓みを検出する検出部が設けられている。図示の実施例の場合、半導体基板140が、この検出部として機能し、可撓部120の撓み具合に基づいて作用部110に作用した力を電気信号として検出する働きをする。
The
図19は、図18に示す力覚センサ500における半導体基板140の下面図である。この半導体基板140は、円盤状のシリコン基板であり、その下面には合計12組のピエゾ抵抗素子Rが形成されている。これらピエゾ抵抗素子Rには、図示しない検出用回路が接続されている。既に述べたとおり、可撓部120は、作用部110の周囲を取り囲むように配置され、可撓性を奏する厚みをもった円環状(ワッシャ状)の肉薄部によって構成されており、半導体基板140の外周は、この円環状の可撓部120の外周に一致する。別言すれば、半導体基板140の外周部は、台座部130の内周面に接している。
FIG. 19 is a bottom view of the
結局、この実施例の場合、検出部は、環状肉薄部からなる可撓部120に接合され、この可撓部120とともに撓みを生じる半導体基板140と、この半導体基板140内に形成された12組のピエゾ抵抗素子Rと、このピエゾ抵抗素子Rの抵抗値の変化に基づいて作用部110に作用した力を電気信号として出力する回路と、によって構成されていることになる。
After all, in the case of this embodiment, the detection unit is joined to the
ここでは、説明の便宜上、図18に示すように、作用部110の中心を通り各基板に直交する中心線上に原点Oを定義し、この中心線をz軸、この中心線に直交する2軸をx軸およびy軸とするxyz三次元直交座標系を定義する。図18の例の場合、半導体基板140の下面中心に原点Oが定義されており、図の右方向にx軸、図の下方向にz軸、図の紙面に垂直な手前方向にy軸がそれぞれ定義されている。検出部は、作用部110(すなわち、第2の物体20)に作用したx軸まわりのモーメントmx、y軸まわりのモーメントmy、z軸方向の力fzを検出する機能を有している。
Here, for convenience of explanation, as shown in FIG. 18, an origin O is defined on a center line that passes through the center of the
本願では、各座標軸の正方向に作用する力を当該座標軸に関する正の力とし、各座標軸方向に右ネジを進める回転方向に作用するモーメントを当該座標軸に関する正のモーメントとして取り扱うことにする。図18の上方に描いた+myは第2の物体20に作用したy軸まわりの正のモーメントを示し、+fzは第2の物体20に作用したz軸方向の正の力を示している。
In the present application, a force acting in the positive direction of each coordinate axis is defined as a positive force related to the coordinate axis, and a moment acting in the rotation direction in which the right screw is advanced in each coordinate axis direction is treated as a positive moment related to the coordinate axis. 18 represents a positive moment around the y-axis acting on the
なお、物理的に正確なモーメントmx,myを定義するには、回転の中心となる原点Oの位置を正確に定義する必要があるが、実際の原点Oの正確な位置は、可撓部120および半導体基板140の厚みや変形特性に依存して定まるので、実際の装置を設計した段階ではじめて決定することができる。したがって、ここでは、便宜上、図18に示すとおり、半導体基板140の下面の中心点に原点Oを定義した説明を行う。
In order to define the physically accurate moments mx and my, it is necessary to accurately define the position of the origin O serving as the center of rotation. However, the exact position of the actual origin O is determined by the
図19は、半導体基板140の下面図であり、図の右方向にx軸、図の上方向にy軸が定義されている。12組のピエゾ抵抗素子Rは、いずれもこの半導体基板140(シリコン基板)の表面に形成された細長い素子であるが、その配置に特徴がある。すなわち、モーメントmyの検出に利用される4組の素子Rx1〜Rx4はx軸に沿って配置され、モーメントmxの検出に利用される4組の素子Ry1〜Ry4はy軸に沿って配置され、力fzの検出に利用される4組の素子Rz1〜Rz4は任意軸(図示の例では、x軸に平行かつその近傍に配置された軸であるが、たとえば、x軸やy軸に対して傾斜した軸であってもかまわない)に沿って配置されている。
FIG. 19 is a bottom view of the
また、素子Rx1,Rx4,Ry1,Ry4,Rz1,Rz4は、円環状の可撓部120の外周部近傍に配置され、素子Rx2,Rx3,Ry2,Ry3,Rz2,Rz3は、円環状の可撓部120の内周部近傍に配置されているが、これらの位置は、いずれも可撓部120が撓みを生じる際に、最も大きな機械的応力が生じる位置になっている。すなわち、各素子をこれらの位置に配置することにより、検出感度を高めることができる。
The elements Rx1, Rx4, Ry1, Ry4, Rz1, Rz4 are arranged in the vicinity of the outer periphery of the annular
図20は、図18に示す力覚センサ500に、モーメント+mx,+myおよび力+fzが作用したときの各ピエゾ抵抗素子Rの伸縮状態を示す表である。表における「+」は素子に対して長手方向に伸びる応力が作用することを示し、「−」は素子に対して長手方向に縮む応力が作用することを示し、「0」は長手方向に関する応力が作用しないことを示す。たとえば、第2の物体20にモーメント+myが作用すると、図18に矢印+myで示すような変位が生じ、受力基板200は、図の左側が下方へ移動し、図の右側が上方へ移動することになる。その結果、可撓部120および半導体基板140に撓みが生じ、素子Rx1,Rx3に対しては長手方向(x軸方向)に伸びる応力が働き、素子Rx2,Rx4に対しては縮む応力が働く。素子Rz1〜Rz4についても長手方向に関して同様の応力が働くが、素子Ry1〜Ry4については長手方向への応力は働かない。図20の表の2行目は、このときの伸縮状態を示している。逆まわりのモーメント−myが作用した場合は、伸縮状態が逆転する。
FIG. 20 is a table showing the expansion / contraction state of each piezoresistive element R when moments + mx, + my and force + fz are applied to the
同様に、第2の物体20にモーメント+mxが作用すると、素子Ry1,Ry3に対しては長手方向(y軸方向)に伸びる応力が働き、素子Ry2,Ry4に対しては縮む応力が働く。素子Rx1〜Rx4および素子Rz1〜Rz4については長手方向への応力は働かない。図20の表の1行目は、このときの伸縮状態を示している。逆まわりのモーメント−mxが作用した場合は、伸縮状態が逆転する。
Similarly, when a moment + mx acts on the
また、第2の物体20に力+fzが作用すると、図18に矢印+fzで示すような変位が生じ、受力基板200は、全体が図の下方へ移動する。その結果、可撓部120および半導体基板140に撓みが生じ、素子Rz1,Rz4に対しては長手方向に縮む応力が働き、素子Rz2,Rz3に対しては伸びる応力が働く。素子Rx1〜Rx4および素子Ry1〜Ry4についても同様である。図20の表の3行目は、このときの伸縮状態を示している。逆まわりの力−fzが作用した場合は、伸縮状態が逆転する。
Further, when a force + fz is applied to the
ピエゾ抵抗素子Rは、伸縮状態に応じて電気抵抗値が変化する性質を有しているため、各素子Rの電気抵抗値の変化を認識することができれば、作用したモーメントmx,myおよび力fzの大きさおよび方向を電気信号として検出することができる。そこで、図21(a) ,(b) ,(c) に示すような電気回路を用意する。これらの回路は、いずれも4組の素子Rを用いて組んだホイートストンブリッジであり、各素子RがP型のピエゾ抵抗素子である場合に、符号を含めて正しい検出値が得られる回路になっている。 Since the piezoresistive element R has a property that the electric resistance value changes according to the expansion / contraction state, if the change of the electric resistance value of each element R can be recognized, the applied moments mx, my and force fz Can be detected as an electrical signal. Therefore, an electric circuit as shown in FIGS. 21 (a), (b) and (c) is prepared. Each of these circuits is a Wheatstone bridge formed by using four sets of elements R. When each element R is a P-type piezoresistive element, a correct detection value including a sign can be obtained. ing.
図21(a) に示す回路は、素子Rx1〜Rx4についてのブリッジ回路であり、このブリッジに電源から所定電圧を供給すると、電位差計Vxによって測定された電位差が、y軸まわりのモーメントmyを示すものになる(符号はモーメントの向きを示す)。これは、図20の表の第2行目に示す伸縮状態に基づいて、各素子の電気抵抗に、第2の物体20に作用したモーメントに応じた変化が生じるためである。なお、y軸まわりのモーメントmyのみが作用したときは、図21(b) ,(c) に示す電位差計Vy,Vzからの出力は0であり、他軸成分が誤検出されることはない。
The circuit shown in FIG. 21 (a) is a bridge circuit for the elements Rx1 to Rx4. When a predetermined voltage is supplied to the bridge from the power source, the potential difference measured by the potentiometer Vx indicates the moment my around the y axis. (The sign indicates the direction of the moment). This is because the electrical resistance of each element changes according to the moment acting on the
図21(b) に示す回路は、素子Ry1〜Ry4についてのブリッジ回路であり、このブリッジに電源から所定電圧を供給すると、電位差計Vyによって測定された電位差が、x軸まわりのモーメントmxを示すものになる(符号はモーメントの向きを示す)。これは、図20の表の第1行目に示す伸縮状態に基づいて、各素子の電気抵抗に、第2の物体20に作用したモーメントに応じた変化が生じるためである。なお、x軸まわりのモーメントmxのみが作用したときは、図21(a) ,(c) に示す電位差計Vx,Vzからの出力は0であり、やはり他軸成分が誤検出されることはない。
The circuit shown in FIG. 21 (b) is a bridge circuit for the elements Ry1 to Ry4. When a predetermined voltage is supplied to the bridge from the power source, the potential difference measured by the potentiometer Vy indicates the moment mx around the x axis. (The sign indicates the direction of the moment). This is because the electrical resistance of each element changes according to the moment acting on the
図21(c) に示す回路は、素子Rz1〜Rz4についてのブリッジ回路であり、このブリッジに電源から所定電圧を供給すると、電位差計Vzによって測定された電位差が、z軸方向の力fzを示すものになる(符号は力の向きを示す)。これは、図20の表の第3行目に示す伸縮状態に基づいて、各素子の電気抵抗に、第2の物体20に作用した力に応じた変化が生じるためである。この場合も、z軸方向の力fzのみが作用したときは、図21(a) ,(b) に示す電位差計Vx,Vyからの出力は0であり、やはり他軸成分が誤検出されることはない。
The circuit shown in FIG. 21 (c) is a bridge circuit for the elements Rz1 to Rz4. When a predetermined voltage is supplied to the bridge from the power supply, the potential difference measured by the potentiometer Vz indicates the force fz in the z-axis direction. (The sign indicates the direction of the force). This is because the electrical resistance of each element changes according to the force acting on the
かくして、この図21に示す検出回路により、第2の物体20に作用したx軸まわりのモーメントmx、y軸まわりのモーメントmy、z軸方向の力fzを検出することができる。なお、このような検出回路は、半導体基板140内に形成することが可能であり、結局、図21に示す検出回路は、検出基板100内に組み込まれることになり、検出基板100のいずれかの箇所に、外部への配線端子を用意しておけば、この配線端子から検出結果を電気信号として取り出すことができる。
Thus, the detection circuit shown in FIG. 21 can detect the moment mx around the x-axis, the moment my around the y-axis, and the force fz in the z-axis acting on the
以上、半導体基板140と、この半導体基板140上に形成されたピエゾ抵抗素子Rおよび検出回路と、によって検出部を構成する例を述べたが、本考案に係る力覚センサに用いる検出部は、当該実施例に限定されるものではない。要するに、可撓部120の撓み具合に基づいて作用部110(すなわち、第2の物体20)に作用した力を電気信号として検出する機能をもったものであれば、この他にも種々の形態の検出部を採用することが可能である。
As described above, the example in which the detection unit is configured by the
本考案に係る力覚センサ500の最も重要な特徴は、台座部130に対して固定された制御基板300を設け、この制御基板300によって受力基板200の変位を制御することができるようにした点である。図18に示す構造では、第2の物体20に大きな力が加わったとしても、受力基板200の下方への変位は台座部130によって制御され、上方への変位は制御基板300によって制御されることになる。すなわち、受力基板200の変位は、台座部130と制御基板300とに挟まれた空間内に制限されることになる。
The most important feature of the
これは、可撓部120や半導体基板140に伝達される変位も、所定範囲に制限されることを意味する。したがって、第2の物体20に過度の力が加わった場合でも、可撓部120や半導体基板140に過度の撓みが生じることはない。可撓部120に過度の撓みが生じると、弾性変形の領域を越え、塑性変形が生じてしまう。そうなると、検出系の零点が変位してしまい、正確な検出値を得ることができなくなる。また、半導体基板140に過度の撓みが生じると、機械的に損傷を受けることになる。制御基板300は、過度の負荷が加わった場合にも、上述のような問題発生を防止する役割を果たすことになる。
This means that the displacement transmitted to the
この保護機能は、半導体基板140上に検出回路を形成した場合には特に有効である。一般に、ピエゾ抵抗素子を用いた検出系は、歪ゲージを用いた検出系に比べて、50〜100倍の感度を得ることができ、実用上、マイコン内蔵のAD変換器で直接取り込むことのできる十分な信号レベルの電気信号を得ることができる。このため、ピエゾ抵抗素子を用いた検出系を用いると、アンプ回路が不要になり、信号処理回路の規模を小さく抑える利点が得られる。しかしながら、このような高感度検出系は、過度の応力に対する脆弱性を有しており、実際、上述した半導体基板140を用いた検出系では、過度の応力が加わると機械的な損傷が生じてしまう。
This protection function is particularly effective when a detection circuit is formed on the
本考案に係る力覚センサ500では、上記保護機能が付加されるため、このような高感度検出系を利用しても破損の心配がない。また、この力覚センサ500の基本構造は、検出基板100、受力基板200、制御基板300という3層の基板からなる単純な構造であり、しかもネジによって固定可能な構造となっているため、小型でありながら十分な堅牢性を確保することができる。
In the
かくして、本考案によれば、十分な検出感度を確保することができ、小型で堅牢性に富んだ力覚センサを実現することが可能になる。 Thus, according to the present invention, sufficient detection sensitivity can be ensured, and a small and robust force sensor can be realized.
<<< §4. 6次元力検出装置の実施例 >>>
これまで述べた力覚センサ500は、上述したように、第2の物体20に作用したx軸まわりのモーメントmx、y軸まわりのモーメントmy、z軸方向の力fzという3成分を検出する機能を有している。しかしながら、産業界では、三次元の各座標軸方向に作用した力および各座標軸まわりに作用したモーメントという6成分を検出する6次元力検出装置の需要が高まってきている。
<<< §4. Example of 6-dimensional force detection device >>>
As described above, the
ここでは、これまで述べた力覚センサ500を複数台用いることにより、6次元力検出装置を構成した実施例を述べる。§3では、力覚センサ500の動作を説明するために、原点Oをもつxyz三次元座標系(ローカル座標系)を定義したが、この6次元力検出装置の実施例では、便宜上、原点QをもつXYZ三次元座標系(グローバル座標系)を定義し、両座標系を区別した説明を行うことにする。結局、ここで述べる6次元力検出装置は、原点QをもつXYZ三次元直交座標系において、第1の物体に対して第2の物体から作用したX軸方向の力Fx,Y軸方向の力Fy,Z軸方向の力Fz,X軸まわりのモーメントMx,Y軸まわりのモーメントMy,Z軸まわりのモーメントMzの6成分を検出する機能をもった装置ということになる。
Here, an embodiment in which a six-dimensional force detection device is configured by using a plurality of
このような6次元力検出装置は、これまで述べてきた力覚センサ500を複数組と、これら複数組の力覚センサ500から出力された検出値に基づく演算を行う演算回路と、によって構成することができる。すなわち、複数組の力覚センサ500の各台座部130を、XYZ三次元直交座標系における所定位置においてそれぞれ第1の物体に固定し、各受力柱210を、それぞれ第2の物体に固定すればよい。各力覚センサ500からは、それぞれ検出値mx,my,fzが得られることになるので、演算回路によって、これら各検出値mx,my,fzに基づいて、6成分の値を求める所定の演算を行うようにすればよい。
Such a six-dimensional force detection apparatus is configured by a plurality of sets of
図22は、図17に示す力覚センサ500を4組用いることにより構成した6次元力検出装置の上面図である。図に示されている大きな円は、第1の物体30の上面であり、その上に4組の力覚センサ500が配置されている。ここでは、これら4組を区別するため、それぞれ力覚センサ501〜504と呼ぶことにする。図示の例の場合、第1の物体30の中心軸(図22の紙面に直交する軸)上に原点Qを定義し、当該中心軸をZ軸とし、図22の右方にX軸、下方にY軸をとることにより、XYZ三次元直交座標系が定義されている。
FIG. 22 is a top view of a six-dimensional force detection device configured by using four sets of
図23は、図22に示す6次元力検出装置をXZ平面で切断した側断面図であり、2組の力覚センサ501,502の断面が示されている。その奥には、力覚センサ504が配置されているが、図が繁雑になるのを避けるため、図示は省略する。この側断面図に示すとおり、4組の力覚センサ501〜504は、第1の物体30(破線で示す)と第2の物体40(破線で示す)との間に装着されており、これまで述べた力覚センサ500の装着形態と同様に、それぞれ台座部130が第1の物体30に対して固定され、受力柱210が第2の物体40に固定される。図22では、第2の物体40は省略されているが、実際には、各力覚センサ501〜504の上に、第2の物体40が取り付けられることになる。なお、XYZ三次元直交座標系の原点Qは、xyz三次元直交座標系の各原点Oを含む平面上に定義されている。
FIG. 23 is a side cross-sectional view of the 6-dimensional force detection device shown in FIG. 22 cut along the XZ plane, and shows cross sections of two sets of
この6次元力検出装置の検出対象は、第1の物体30に対して第2の物体40から作用した6成分の力であり、図23には、そのうちの力+Fx,+Fzおよびモーメント+Myが白矢印で例示されている。力+Fyは、図23において紙面垂直手前側に向かう力であり、モーメント+Mxは、第2の物体40をX軸まわりに回転させるモーメントである。また、モーメント+Mzは、図22において、図示されていない第2の物体40を時計まわりに回転させるモーメントである。
The detection target of this six-dimensional force detection device is a six-component force acting on the
このように、6次元力検出装置の検出対象であるFx,Fy,Fz,Mx,My,Mzの6成分は、あくまでも原点QをもったXYZ三次元直交座標系で定義された成分であり、個々の力覚センサ501〜504が検出したmx,my,fzとは若干異なる。ただ、個々の力覚センサ501〜504のローカル座標系(xyz三次元直交座標系)と、6次元力検出装置のグローバル座標系(XYZ三次元直交座標系)との間で、それぞれ座標軸の幾何学的対応関係が決められれば、各検出値mx,my,fzを用いた所定の演算により、6成分Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzを算出することができる。
In this way, the six components Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz that are detection targets of the six-dimensional force detection device are components defined in the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system having the origin Q to the last. This is slightly different from mx, my, and fz detected by the
ここに示す実施例では、各力覚センサ501〜504のx軸,y軸,z軸が、XYZ三次元直交座標系のそれぞれX軸,Y軸,Z軸に平行となるように配置することにより、演算回路による演算を簡潔化している。図24は、図22に示す6次元力検出装置における各力覚センサ501〜504の配置を示す上面図である。便宜上、各力覚センサ501〜504については、その輪郭(円)、4本の受力柱の位置(星印で示す)、原点Oおよびx,y軸の方向のみを示してある。いずれの力覚センサについても、その検出軸x,yはグローバル座標系のX,Y軸に平行となっており、検出軸z(紙面に垂直な軸)も、グローバル座標系のZ軸に平行となっている。
In the embodiment shown here, the
また、第1の力覚センサ501は正のX軸上に原点Oがくるように配置され、第2の力覚センサ502は負のX軸上に原点Oがくるように配置され、第3の力覚センサ503は正のY軸上に原点Oがくるように配置され、第4の力覚センサ504は負のY軸上に原点Oがくるように配置されている。
The
なお、図24に示されている吹き出し内の記号は、各力覚センサ501〜504によって検出される力およびモーメントを示している。すなわち、ここでは、第1の力覚センサ501によって検出されたx軸まわりのモーメントをmx1、y軸まわりのモーメントをmy1、z軸方向の力をfz1とし、第2の力覚センサ502によって検出されたx軸まわりのモーメントをmx2、y軸まわりのモーメントをmy2、z軸方向の力をfz2とし、第3の力覚センサ503によって検出されたx軸まわりのモーメントをmx3、y軸まわりのモーメントをmy3、z軸方向の力をfz3とし、第4の力覚センサ504によって検出されたx軸まわりのモーメントをmx4、y軸まわりのモーメントをmy4、z軸方向の力をfz4とする。
The symbols in the balloons shown in FIG. 24 indicate the forces and moments detected by the
図25は、この6次元力検出装置に用いられる演算回路が実行する演算内容を示す式である。すなわち、4組の力覚センサ501〜504から、図24の吹き出しに示すような検出結果が得られるという前提では、図25に示す各演算式による演算を行うことにより、検出対象であるFx,Fy,Fz,Mx,My,Mzの6成分を得ることができる。
FIG. 25 is an equation showing the calculation contents executed by the calculation circuit used in the six-dimensional force detection apparatus. That is, on the premise that the detection results as shown in the balloons of FIG. 24 are obtained from the four sets of
具体的には、X軸方向の力Fxは、
Fx=my1+my2+my3+my4 または
=my1+my2 または
=my3+my4
なる演算によって求めることができ、Y軸方向の力Fyは、
Fy=mx1+mx2+mx3+mx4 または
=mx1+mx2 または
=mx3+mx4
なる演算によって求めることができ、Z軸方向の力Fzは、
Fz=fz1+fz2+fz3+fz4 または
=fz1+fz2 または
=fz3+fz4
なる演算によって求めることができる。
同様に、X軸まわりのモーメントMxは、
Mx=fz3−fz4
なる演算によって求めることができ、Y軸まわりのモーメントMyは、
My=fz2−fz1
なる演算によって求めることができ、Z軸まわりのモーメントMzは、
Mz=−mx1+mx2−my3+my4 または
=−mx1+mx2 または
=−my3+my4
なる演算により求めることができる。
Specifically, the force Fx in the X-axis direction is
Fx = my1 + my2 + my3 + my4 or = my1 + my2 or = my3 + my4
The force Fy in the Y-axis direction can be calculated by
Fy = mx1 + mx2 + mx3 + mx4 or = mx1 + mx2 or = mx3 + mx4
The force Fz in the Z-axis direction is
Fz = fz1 + fz2 + fz3 + fz4 or = fz1 + fz2 or = fz3 + fz4
Can be obtained by the following calculation.
Similarly, the moment Mx around the X axis is
Mx = fz3-fz4
The moment My about the Y axis is
My = fz2-fz1
The moment Mz around the Z axis is
Mz = -mx1 + mx2-my3 + my4 or = -mx1 + mx2 or = -my3 + my4
Can be obtained by the following calculation.
いずれも、得られた演算値の符号が、作用した力やモーメントの向きを示すものになる。上記演算式によって、この6成分の値を求めることができるのは、4組の力覚センサ501〜504が図24に示す配置を採っているためである。すなわち、これらの演算式は、図24に示す配置において、第2の物体40から各成分の力やモーメントが作用したときに、各力覚センサ501〜504の受力柱(図に星印で示す位置)にどのような力が作用するかを検討することにより、理論的に導出することができる。
In any case, the sign of the obtained calculation value indicates the direction of the applied force or moment. The reason why the values of these six components can be obtained by the above arithmetic expression is that the four sets of
もちろん、図24に示す力覚センサの配置は一例を示すものであり、本考案に係る6次元力検出装置は、このような配置を採る装置に限定されるものではない。たとえば、図26は、本考案に係る6次元力検出装置の第1のバリエーションを示す上面図である。図24に示す例では、4組の力覚センサ501〜504がX軸もしくはY軸上に配置されているが、図26に示すバリエーションでは、4組の力覚センサ511〜514が、それぞれXY座標の第1象限〜第4象限に配置されている。ローカル座標系の各座標軸x,y,zが、グローバル座標系の各座標軸X,Y,Zに平行に配置されている点は同様である。
Of course, the arrangement of the force sensor shown in FIG. 24 shows an example, and the 6-dimensional force detection apparatus according to the present invention is not limited to an apparatus adopting such an arrangement. For example, FIG. 26 is a top view showing a first variation of the six-dimensional force detection device according to the present invention. In the example shown in FIG. 24, four sets of
一方、図27は、本考案に係る6次元力検出装置の第2のバリエーションを示す上面図である。図24に示す例では、4組の力覚センサ501〜504が用いられていたが、図27に示すバリエーションでは、3組の力覚センサ521〜523のみが用いられている。第1の力覚センサ521は、負のY軸上に配置され、第2の力覚センサ522はXY座標の第3象限に配置され、第3の力覚センサ523はXY座標の第4象限に配置されている。より具体的には、第2の力覚センサ522および第3の力覚センサ523は、いずれも点QOを結ぶ線がY軸に対して60°をなす位置に配置されている。
On the other hand, FIG. 27 is a top view showing a second variation of the six-dimensional force detection device according to the present invention. In the example shown in FIG. 24, four sets of
図26や図27に示すバリエーションでは、演算回路が実行する演算式が図25に示すものと異なるが、それぞれ所定の演算式を用いた演算により、検出対象であるFx,Fy,Fz,Mx,My,Mzの6成分を得ることができる。 In the variations shown in FIG. 26 and FIG. 27, the arithmetic expression executed by the arithmetic circuit is different from that shown in FIG. 25, but Fx, Fy, Fz, Mx, Six components of My and Mz can be obtained.
<<< §5. その他の実施例 >>>
最後に、本考案に係る力覚センサのいくつかの変形例を述べておく。もちろん、これらの変形例を複数組用いることにより、§4で述べた6次元力検出装置を構成することもできる。
<<< §5. Other Examples >>>
Finally, some modifications of the force sensor according to the present invention will be described. Of course, by using a plurality of sets of these modified examples, the 6-dimensional force detection device described in Section 4 can be configured.
(1) 筒状スペーサ250の構造
図18に示す実施例で述べたとおり、本考案に係る力覚センサ500では、受力基板200の上面周囲部と制御基板300の下面周囲部との間には所定の上方空隙が確保され、受力基板200の下面周囲部と台座部130の上面との間には所定の下方空隙が確保されており、受力基板200の変位は、この上方空隙および下方空隙の範囲内に制限されるように構成されている。その結果、第2の物体20に過度の力が作用した場合でも、可撓部120や半導体基板140(検出部)に過度な撓みが生じることを防止することができる。
(1) Structure of the
したがって、この力覚センサ500を設計する場合、上方空隙および下方空隙の寸法が、当該空隙の制限下での変位が生じる限りにおいて、可撓部120および検出部に機械的な損傷が生じない範囲に設定する必要がある。この空隙寸法の適正値は、力覚センサ500の各部の寸法や材質などに応じて適宜設定されるべきものであるが、図18に白矢印で示すようなモーメント+my等が作用した場合に、受力基板200が台座部130の上面と制御基板300の下面とによって同時に制御されるようにすることを考えると、上方空隙および下方空隙の寸法を等しく設定するのが好ましい。
Therefore, when designing the
ただ、これら空隙寸法は、一般的には、10〜100μm程度であり、適切な空隙寸法をもった装置を量産するためには、高精度の機械加工技術が必要になる。そこで、以下、筒状スペーサ250の構造を工夫することにより、適切な空隙寸法をもった装置を量産する方法を述べておく。
However, these gap dimensions are generally on the order of 10 to 100 μm, and high-precision machining techniques are required to mass-produce devices having appropriate gap dimensions. Accordingly, a method for mass-producing devices having appropriate gap dimensions by devising the structure of the
図28は、図15に示す力覚センサ500における筒状スペーサ250の具体的構成例を示す側断面図である。図の左側に示すとおり、ここに示す筒状スペーサ250は、3つの部材251,252,253によって構成されている。ここでは、部材252を主筒状部材と呼び、部材251,253を副筒状部材と呼ぶことにする。結局、筒状スペーサ250は、主筒状部材252と2組の副筒状部材251,253とを積み重ねる構造によって構成される。図では、説明の便宜上、主筒状部材252の上下に、それぞれ副筒状部材251,253を配置した例が示されているが、これら3つの筒状部材の積層順は任意でかまわない。
FIG. 28 is a side sectional view showing a specific configuration example of the
ここで重要な点は、主筒状部材252が受力基板200と同じ厚みを有する部材となるようにし、副筒状部材251,253が検出基板の隆起部111と同じ厚みを有するようにする点である。実用上は、隆起部111を除く検出基板100の部分を1枚の平坦な基板を加工することにより形成し、別体として用意した隆起部111を接合するようにするとともに、主筒状部材252を受力基板200と同じ材料基板から切り出すようにし、副筒状部材251,253を隆起部111と同じ材料基板から切り出すようにすればよい。そうすれば、同じ材料基板から切り出された受力基板200と主筒状部材252とは同じ厚みになり、同じ材料基板から切り出された隆起部111と副筒状部材251,253とは同じ厚みになる。
The important point here is that the main
このような厚みをもった3つの筒状部材251,252,253を積層して筒状スペーサ250を構成し、これを台座部130と制御基板300との間に介挿すれば、図に示す上方空隙の寸法d1と下方空隙の寸法d2とは、いずれも副筒状部材251,253の厚み、すなわち、隆起部111の厚みに一致し、d1=d2という条件を満足させることが可能になる。
If three
なお、主筒状部材252と受力基板200とは、必ずしも同じ材料基板から切り出す必要はなく、別な材料基板から切り出した後に研磨工程などで厚みを揃えるようにしてもかまわない。同様に、副筒状部材251,253と隆起部111とは、必ずしも同じ材料基板から切り出す必要はなく、別な材料基板から切り出した後に研磨工程などで厚みを揃えるようにしてもかまわない。
Note that the main
(2) 柱挿通孔およびスペーサ挿通孔による制御
これまで、受力基板200の下方への変位を台座部130の上面によって制御し、上方への変位を制御基板300の下面によって制御する、という前提で説明を行ってきたが、受力基板200の変位は、別な方法で制御することも可能である。
(2) Control by Column Insertion Hole and Spacer Insertion Hole Until now, the premise that the downward displacement of the
第1の方法は、図18に示す受力柱210の外周面と柱挿通孔310の内周面との接触による制御方法である。第2の物体20の変位は、受力柱210を介して受力基板200へと伝達されるので、受力基板200が傾斜を伴う変位を生じると、受力柱210も傾斜していることになる。したがって、受力柱210の外周面と柱挿通孔310の内周面との間に形成された筒状空隙の寸法を適切な値に設定しておけば、受力柱210の外周面と柱挿通孔310の内周面との接触により、受力柱210の変位が上記筒状空隙の範囲内に制限されることになるので、受力基板200の傾斜を伴う過度の変位を制御することができる。
The first method is a control method by contact between the outer peripheral surface of the
もちろん、このような制御を行う必要がない場合には、柱挿通孔310の径を十分大きな寸法に設定しておけばよいが、このような制御を利用するのであれば、上記筒状空隙の寸法が、当該筒状空隙の範囲内の制限下で変位が生じる限りにおいて、可撓部120および検出部に機械的な損傷が生じない範囲となるように、上記筒状空隙の寸法を設定しておくようにすればよい。
Of course, when it is not necessary to perform such control, the diameter of the
第2の方法は、図16に示す筒状スペーサ250の外周面とスペーサ挿通孔230の内周面との接触による制御方法である。この場合も、受力基板200が傾斜を伴う変位を生じると、スペーサ挿通孔230も傾斜することになる。一方、筒状スペーサ250は、台座部130の上面に直立した状態を維持する。したがって、筒状スペーサ250の外周面とスペーサ挿通孔230の内周面との間に形成された筒状空隙の寸法を適切な値に設定しておけば、筒状スペーサ250の外周面とスペーサ挿通孔230の内周面との接触により、スペーサ挿通孔230の変位が上記筒状空隙の範囲内に制限されることになるので、受力基板200の傾斜を伴う過度の変位を制御することができる。
The second method is a control method by contact between the outer peripheral surface of the
もちろん、このような制御を行う必要がない場合には、スペーサ挿通孔230の径を十分大きな寸法に設定しておけばよいが、このような制御を利用するのであれば、上記筒状空隙の寸法が、当該筒状空隙の範囲内の制限下で変位が生じる限りにおいて、可撓部120および検出部に機械的な損傷が生じない範囲となるように、上記筒状空隙の寸法を設定しておくようにすればよい。
Of course, when it is not necessary to perform such control, the diameter of the
(3) 半導体基板の位置合わせに関する工夫
これまで述べてきた実施例では、検出部として円盤状の半導体基板140が用いられていたが、もちろん、半導体基板140の形状はどのようなものであってもかまわない。ただ、実用上、この装置を量産する場合、半導体基板140としては、シリコン基板から矩形状のペレットとして切り出されたものを利用するケースが少なくない。ここでは、このような矩形状の半導体基板140を位置合わせするための工夫を述べておく。
(3) Device for alignment of semiconductor substrate In the embodiments described so far, the disk-shaped
図29は、図11に示す力覚センサ500の第1の変形例に用いられる検出基板100′を示す側断面図である。この検出基板100′の基本構造は、これまで述べてきた検出基板100とほぼ同じであり、対応する各部の符号にはダッシュを付して示してある。ただ、半導体基板140′は、矩形状のペレットであるため、これを収容するための円形の空洞部V′は、これまでの実施例よりも若干大きくなっている。
FIG. 29 is a side sectional view showing a
このような構造をもった装置を量産する際には、半導体基板140′の位置合わせが非常に重要になる。これは、半導体基板140′の位置に応じてピエゾ抵抗素子Rの位置が定まり、ピエゾ抵抗素子Rの位置は、検出感度に大きな影響を与えるためである。既に述べたとおり、作用部110′の変位に基づいて可撓部120′に生じる応力は、可撓部120′の外周位置P1の内側直近部分および可撓部120′の内周位置P2の外側直近部分(すなわち、環状溝G2の内側および外側に対応する部分)において最も大きくなる。したがって、実用上、ピエゾ抵抗素子Rが、これらの位置に配置されるような装置設計が行われる。ところが、実際の製造プロセスでは、半導体基板140′は、位置P3にある台座部130′の内壁で囲まれた円形の空洞部V′内に取り付けられるため、位置合わせ方法を工夫しないと、正確な位置に取り付けることができなくなり、感度にばらつきが生じることになる。
When mass-producing an apparatus having such a structure, the alignment of the
そこで、ここに示す変形例では、空洞部V′の底面に目印となる位置合わせ溝を形成する工夫を施してある。図30は、図29に示す検出基板100′の下面図である(蓋板150′を外した状態を示す。なお、ハッチングは領域E1を示すためのものであり、断面を示すものではない)。図に示されている台座部130′上の4つの孔は、台座部固定ネジ孔160である。円形の空洞部V′の底面にハッチングを施して示す矩形の領域E1は、半導体基板140′を配置する基板配置領域である。ここに示す例では、当該領域E1の四辺の位置を示すために、「井」の字状の位置合わせ溝180が形成されている。
Therefore, in the modification shown here, a device for forming an alignment groove as a mark on the bottom surface of the cavity V ′ is devised. FIG. 30 is a bottom view of the
通常、半導体基板140′は、ダイボンド剤を用いて、空洞部V′の底面に接着される。検出基板100の本体部分を金属によって構成し、半導体基板140′をシリコン基板によって構成する一般的な例の場合、ダイボンド剤としては、AuSn,AuSiなどの共晶合金を用いるのが好ましい。このような共晶合金を用いると、可撓部120′に生じた機械的な歪みを半導体基板140′を介してピエゾ抵抗素子Rまで正確に伝達することができる。あるいは、共晶合金の代わりに、強固な有機系の樹脂接着剤を用いることもできる。
In general, the
このようにダイボンド剤を用いて半導体基板140′を空洞部V′の底面に接着する際に、「井」の字状の位置合わせ溝180を目印として利用すれば、図にハッチングを施して示した正しい領域E1に、半導体基板140′を正確に位置合わせして接着することが可能になる。しかも、位置合わせ溝180は、底面に掘られた溝を形成しているため、余分なダイボンド剤を落とし込む逃げ場としての機能も果たす。ダイボンド剤を用いた接着工程では、通常、接着強度を増すために、半導体基板140′を空洞部V′の底面に擦り付ける作業が行われ、この作業で余分なダイボンド剤が半導体基板140′の周囲からにじみ出てくる。位置合わせ溝180は、位置合わせの目印の役割を果たすとともに、余分なダイボンド剤を収容する役割も果たすことになる。なお、位置合わせの目印の役割を果たすだけなら、「井」の字状の溝の代わりに「L」字状の溝(直交する2本の溝)を形成してもかまわない。
In this way, when the
図31は、図11に示す力覚センサ500の第2の変形例に用いられる検出基板100''を示す側断面図である。この検出基板100''の基本構造も、これまで述べてきた検出基板100とほぼ同じであり、対応する各部の符号にはツーダッシュを付して示してある。ただ、半導体基板140''は、矩形状のペレットであるため、これを収容するための円形の空洞部V''は、これまでの実施例よりも若干大きくなっている。
FIG. 31 is a side sectional view showing a
この第2の変形例では、半導体基板140''を空洞部V''の底部に接着する際の位置合わせ手段として、周辺溝G3が形成されている。図32は、図31に示す検出基板100''の下面図である(蓋板150''を外した状態を示す。なお、ハッチングは領域E2および周辺溝G3の形成領域を示すためのものであり、断面を示すものではない)。図に示されている台座部130''上の4つの孔は、台座部固定ネジ孔160である。円形の空洞部V''の底面に単線ハッチングを施して示す矩形の領域E2は、半導体基板140''を配置する基板配置領域であり、その周囲に位置する二重線ハッチングを施して示す領域は、周辺溝G3が形成された領域である。周辺溝G3は、正方形の領域E2の周囲を更に掘り下げた領域となっている。すなわち、円形の空洞部V''を覗いてみると、中央に隆起した正方形状の丘の部分が基板配置領域E2であり、その周囲の谷の部分が周辺溝G3となっている。
In the second modification, a peripheral groove G3 is formed as an alignment means when bonding the semiconductor substrate 140 '' to the bottom of the cavity V ''. 32 is a bottom view of the
したがって、この第2の変形例の場合も、半導体基板140''をダイボンド剤を用いて接着する際に、丘の部分を構成する基板配置領域E2の輪郭を位置合わせの目印として利用することができ、しかも半導体基板140''の周囲からにじみ出た余分なダイボンド剤を、周辺溝G3へと流し込むことにより処理することができる。
Therefore, also in the case of the second modified example, when the
10:第1の物体
20:第2の物体
30:第1の物体
40:第2の物体
100,100′,100'':検出基板
110,110′,110'':作用部
111:隆起部
120,120′,120'':可撓部
130,130′,130'':台座部
140,140′,140'':半導体基板
150,150′,150'':蓋板
160:台座部固定ネジ孔
161:本体部挿通孔
162:頭部収容孔
170:ネジ受孔
180:位置合わせ溝
200:受力基板
210:受力柱
215:ネジ受孔
220:道具挿入孔
230:スペーサ挿通孔
250:筒状スペーサ
251:副筒状部材
252:主筒状部材
253:副筒状部材
300:制御基板
310:柱挿通孔
320:道具挿入孔
330:制御基板固定ネジ孔
331:本体部挿通孔
332:頭部収容孔
500:力覚センサ
501:第1の力覚センサ
502:第2の力覚センサ
503:第3の力覚センサ
504:第4の力覚センサ
511:第1の力覚センサ
512:第2の力覚センサ
513:第3の力覚センサ
514:第4の力覚センサ
521:第1の力覚センサ
522:第2の力覚センサ
523:第3の力覚センサ
A−A′:切断面
B−B′:切断面
C−C′:切断面
d1,d2:空隙寸法
E1,E2:基板配置領域
Fx:X軸方向の力
Fy:Y軸方向の力
Fz:Z軸方向の力
fz,fz1〜fz4:z軸方向の力
G1,G2:環状溝
G3:周辺溝
Mx:X軸まわりのモーメント
My:Y軸まわりのモーメント
Mz:Z軸まわりのモーメント
mx,mx1〜mx4:x軸まわりのモーメント
my,my1〜my4:y軸まわりのモーメント
O:xyz三次元直交座標系(ローカル座標系)の原点
P1〜P3:位置
Q:XYZ三次元直交座標系(グローバル座標系)の原点
R:ピエゾ抵抗素子
Rx1〜Rx4:x軸上に配置されたピエゾ抵抗素子
Ry1〜Ry4:y軸上に配置されたピエゾ抵抗素子
Rz1〜Rz4:任意軸上に配置されたピエゾ抵抗素子
S1:受力基板固定ネジ
S2:台座部固定ネジ
S3:制御基板固定ネジ
T:基準円Uの中心点
U:基準円
V,V′,V'':空洞部
Vx,Vy,Vz:電位差計
X:XYZ三次元直交座標系(グローバル座標系)の座標軸
x:xyz三次元直交座標系(ローカル座標系)の座標軸
Y:XYZ三次元直交座標系(グローバル座標系)の座標軸
y:xyz三次元直交座標系(ローカル座標系)の座標軸
Z:XYZ三次元直交座標系(グローバル座標系)の座標軸
z:xyz三次元直交座標系(ローカル座標系)の座標軸
10: 1st object 20: 2nd object 30: 1st object 40: 2nd object 100,100 ', 100'': Detection board | substrate 110,110', 110 '': Action part 111: Raised part 120, 120 ′, 120 ″: Flexible portions 130, 130 ′, 130 ″: Base portions 140, 140 ′, 140 ″: Semiconductor substrates 150, 150 ′, 150 ″: Cover plate 160: Base portion fixing Screw hole 161: Main body insertion hole 162: Head receiving hole 170: Screw receiving hole 180: Positioning groove 200: Power receiving substrate 210: Power receiving column 215: Screw receiving hole 220: Tool insertion hole 230: Spacer insertion hole 250 : Cylindrical spacer 251: Sub cylindrical member 252: Main cylindrical member 253: Sub cylindrical member 300: Control board 310: Column insertion hole 320: Tool insertion hole 330: Control board fixing screw hole 331: Main body insertion hole 332 : Head accommodation hole 500: Force sense Sensor 501: first force sensor 502: second force sensor 503: third force sensor 504: fourth force sensor 511: first force sensor 512: second force sensor 513 : Third force sensor 514: fourth force sensor 521: first force sensor 522: second force sensor 523: third force sensor A-A ': cut surface BB' : Cut plane CC ': Cut plane d1, d2: Gap dimension E1, E2: Substrate placement area Fx: Force in the X-axis direction Fy: Force in the Y-axis direction Fz: Force in the Z-axis direction fz, fz1 to fz4: Forces G1, G2 in the z-axis direction: annular groove G3: peripheral groove Mx: moment around the X axis My: moment around the Y axis Mz: moments mx, mx1 to mx4 around the Z axis: moments my, my1 around the x axis ~ My4: moment about y axis O: xyz cubic Origin P1 to P3 of Cartesian coordinate system (local coordinate system): Position Q: Origin of XYZ three-dimensional Cartesian coordinate system (global coordinate system) R: Piezoresistive elements Rx1 to Rx4: Piezoresistive element Ry1 arranged on the x-axis Ry4: Piezoresistive elements Rz1 to Rz4 arranged on the y axis: Piezoresistive elements S1 arranged on an arbitrary axis S1: Force receiving board fixing screw S2: Pedestal fixing screw S3: Control board fixing screw T: Reference circle U center point U: reference circles V, V ′, V ″: cavity Vx, Vy, Vz: potentiometer X: coordinate axis of XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system (global coordinate system) x: xyz three-dimensional orthogonal coordinate system (Local coordinate system) coordinate axis Y: XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system (global coordinate system) coordinate axis y: xyz three-dimensional orthogonal coordinate system (local coordinate system) coordinate axis Z: XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system (global coordinate system) Axis z: coordinate axes xyz three-dimensional orthogonal coordinate system (local coordinate system)
Claims (14)
前記第1の物体に接続される検出基板と、前記第2の物体に接続される受力基板と、前記受力基板の変位を制御する制御基板と、を備え、
前記検出基板は前記第1の物体の上方に配置され、前記受力基板は前記検出基板の上方に配置され、前記制御基板は前記受力基板の上方に配置され、前記第2の物体は前記制御基板の上方に配置され、
前記検出基板は、中心に設けられた作用部と、この作用部の周囲に設けられた可撓性をもった可撓部と、この可撓部の周囲に設けられた台座部と、前記可撓部の撓みを検出する検出部と、を有し、前記作用部の上端は上方に隆起した隆起部を構成しており、前記可撓部は前記作用部と前記台座部とを接続し、前記検出部は前記可撓部の撓み具合に基づいて前記作用部に作用した力を電気信号として検出し、
前記受力基板の下面中心部は、前記隆起部の上面に固定され、前記受力基板の上面には、前記第2の物体の下面に接続するための受力柱が設けられ、前記制御基板には、前記受力柱を挿通する柱挿通孔が形成されており、前記受力柱の上端は前記柱挿通孔を挿通し、
前記制御基板は前記台座部に対して固定されており、前記第1の物体に対して前記第2の物体が変位したときに、当該変位が前記受力柱を介して前記受力基板に伝達され、更に前記作用部に伝達されるよう構成されていることを特徴とする力覚センサ。 A force sensor having a function of connecting a first object and a second object, and detecting a force acting on the first object from the second object,
A detection board connected to the first object; a force receiving board connected to the second object; and a control board for controlling displacement of the force receiving board;
The detection substrate is disposed above the first object, the force receiving substrate is disposed above the detection substrate, the control substrate is disposed above the force receiving substrate, and the second object is Placed above the control board,
The detection substrate includes an action part provided at the center, a flexible part provided around the action part, a pedestal part provided around the flexible part, and the movable part. A detecting portion that detects the bending of the bending portion, and the upper end of the action portion constitutes a raised portion that protrudes upward, and the flexible portion connects the action portion and the pedestal portion, The detection unit detects, as an electrical signal, a force acting on the action unit based on a degree of bending of the flexible unit,
A center portion of the lower surface of the force receiving board is fixed to the upper surface of the raised portion, and a force receiving column for connecting to the lower surface of the second object is provided on the upper surface of the force receiving substrate, Is formed with a column insertion hole through which the force receiving column is inserted, and the upper end of the force receiving column is inserted through the column insertion hole,
The control board is fixed to the pedestal portion, and when the second object is displaced with respect to the first object, the displacement is transmitted to the force receiving board via the force receiving column. The force sensor is further configured to be transmitted to the action portion.
制御基板は台座部に対して制御基板固定ネジにより固定されており、前記制御基板固定ネジは筒状スペーサに収容されており、前記筒状スペーサの上端は前記制御基板の下面に接し下端は前記台座部の上面に接しており、前記制御基板には、前記制御基板固定ネジを挿通するとともにネジ頭部を収容保持する制御基板固定ネジ孔が形成されており、前記受力基板には前記筒状スペーサを挿通するスペーサ挿通孔が形成されており、前記台座部には前記制御基板固定ネジの先端部と螺合するネジ受孔が形成されていることを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 1,
The control board is fixed to the pedestal portion with a control board fixing screw, the control board fixing screw is accommodated in a cylindrical spacer, the upper end of the cylindrical spacer is in contact with the lower surface of the control board, and the lower end is the The control board is in contact with the upper surface of the pedestal, and the control board is formed with a control board fixing screw hole for inserting the control board fixing screw and accommodating and holding the screw head. The force sensor is characterized in that a spacer insertion hole is formed through which a spacer is inserted, and a screw receiving hole is formed in the pedestal portion to be screwed with a tip end portion of the control board fixing screw.
台座部には、前記台座部を第1の物体に固定するための台座部固定ネジを挿通するとともにネジ頭部を収容保持する台座部固定ネジ孔が形成されており、制御基板および受力基板には、前記台座部固定ネジの頭部を回転させるための道具を上方から挿入するための道具挿入孔が形成されていることを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 2,
The pedestal portion is formed with a pedestal portion fixing screw hole for inserting and holding a pedestal portion fixing screw for fixing the pedestal portion to the first object, and accommodating and holding the screw head. Includes a tool insertion hole for inserting a tool for rotating the head of the pedestal fixing screw from above.
受力基板の周囲部の所定箇所に複数の受力柱が設けられ、台座部の所定箇所に複数の台座部固定ネジ孔が形成されており、制御基板の周囲部の所定箇所が複数の制御基板固定ネジによって固定されていることを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 3, wherein
A plurality of force receiving pillars are provided at predetermined locations around the force receiving substrate, a plurality of pedestal fixing screws are formed at predetermined locations on the pedestal, and a plurality of predetermined locations around the control substrate are controlled at a plurality of locations. A force sensor characterized by being fixed by a substrate fixing screw.
作用部の中心を通り各基板に直交する中心線を定義し、前記中心線に直交する投影面上に前記中心線を中心とした基準円を定義し、この基準円を12等分する位置に合計12個の基準点を定義し、各基準点を基準円に沿った順に第1の基準点〜第12の基準点とし、第3,6,9,12の基準点をAグループ、第1,4,7,10の基準点をBグループ、第2,5,8,11の基準点をCグループとしたときに、
4本の受力柱が前記Aグループの基準点位置に配置され、4組の台座部固定ネジ孔が前記Bグループの基準点位置に配置され、4本の制御基板固定ネジが前記Cグループの基準点位置に配置されていることを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 4,
A center line that passes through the center of the action part and is orthogonal to each substrate is defined, a reference circle centered on the center line is defined on a projection plane that is orthogonal to the center line, and the reference circle is divided into 12 equal parts. A total of 12 reference points are defined, and each reference point is defined as a first reference point to a twelfth reference point in the order along the reference circle. , 4, 7, and 10 as the B group, and the second, 5, 8, and 11 reference points as the C group,
Four force receiving columns are arranged at the reference point position of the A group, four sets of base fixing screw holes are arranged at the reference point position of the B group, and four control board fixing screws are arranged in the C group. A force sensor arranged at a reference point position.
受力柱の上端には、頭部が第2の物体に固定された受力基板固定ネジの先端部と螺合するネジ受孔が形成されており、前記上端は、制御基板の上面から上方へと突き出し、
制御基板固定ネジ孔は、制御基板固定ネジの本体部を挿通することはできるが頭部を挿通することはできない径をもった本体部挿通孔と、この本体部挿通孔の上部に形成され、前記制御基板固定ネジの頭部を収容するのに必要な径をもった頭部収容孔と、を有し、
台座部固定ネジ孔は、台座部固定ネジの本体部を挿通することはできるが頭部を挿通することはできない径をもった本体部挿通孔と、この本体部挿通孔の上部に形成され、前記台座部固定ネジの頭部を収容するのに必要な径をもった頭部収容孔と、を有することを特徴とする力覚センサ。 In the force sensor according to any one of claims 3 to 5,
A screw receiving hole is formed at the upper end of the force receiving column so as to be screwed with the tip of a force receiving substrate fixing screw whose head is fixed to the second object. The upper end is located above the upper surface of the control substrate. Stick out,
The control board fixing screw hole is formed in the upper part of the main body part insertion hole, and the main body part insertion hole having a diameter that can be inserted through the main body part of the control board fixing screw but not through the head part. A head receiving hole having a diameter necessary to receive the head of the control board fixing screw, and
The pedestal part fixing screw hole is formed in the upper part of the main body part insertion hole with a main body part insertion hole having a diameter that can be inserted through the main body part of the pedestal part fixing screw but cannot be inserted through the head part, A force sensor comprising: a head receiving hole having a diameter required to receive the head of the base fixing screw.
受力基板の上面周囲部と制御基板の下面周囲部との間には所定の上方空隙が確保されており、受力基板の下面周囲部と台座部上面との間には所定の下方空隙が確保されており、受力基板の変位が前記上方空隙および前記下方空隙の範囲内に制限されるように構成され、かつ、前記上方空隙および前記下方空隙の寸法が、当該制限下での変位が生じる限りにおいて、可撓部および検出部に機械的な損傷が生じない範囲に設定されていることを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to any one of claims 3 to 6,
A predetermined upper gap is secured between the periphery of the upper surface of the force receiving board and the periphery of the lower surface of the control board, and a predetermined lower gap is provided between the periphery of the lower surface of the force receiving board and the upper surface of the pedestal portion. The displacement of the force receiving substrate is limited within the range of the upper gap and the lower gap, and the dimensions of the upper gap and the lower gap are such that the displacement under the restriction is A force sensor characterized in that it is set within a range in which no mechanical damage occurs in the flexible part and the detection part as long as it occurs.
筒状スペーサが、主筒状部材と2組の副筒状部材とを積み重ねる構造によって構成され、前記主筒状部材は受力基板と同じ厚みを有し、前記副筒状部材は検出基板の隆起部と同じ厚みを有し、前記副筒状部材の厚みが、上方空隙および下方空隙の寸法に一致することを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 7, wherein
The cylindrical spacer is constituted by a structure in which a main cylindrical member and two sets of sub cylindrical members are stacked, the main cylindrical member has the same thickness as the force receiving substrate, and the sub cylindrical member is a detection substrate. A force sensor having the same thickness as a raised portion, wherein the thickness of the sub-cylindrical member matches the size of the upper gap and the lower gap.
受力柱の外周面と柱挿通孔の内周面との間には所定の筒状空隙が確保されており、受力柱の変位が前記筒状空隙の範囲内に制限されるように構成され、かつ、前記筒状空隙の寸法が、当該制限下での変位が生じる限りにおいて、可撓部および検出部に機械的な損傷が生じない範囲に設定されていることを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to any one of claims 1 to 8,
A predetermined cylindrical gap is secured between the outer peripheral surface of the force receiving column and the inner peripheral surface of the column insertion hole, and the displacement of the force receiving column is limited within the range of the cylindrical gap. And the dimension of the cylindrical gap is set within a range in which no mechanical damage is caused to the flexible part and the detection part as long as the displacement under the restriction occurs. Sensor.
筒状スペーサの外周面とスペーサ挿通孔の内周面との間には所定の筒状空隙が確保されており、受力基板の変位が前記筒状空隙の範囲内に制限されるように構成され、かつ、前記筒状空隙の寸法が、当該制限下での変位が生じる限りにおいて、可撓部および検出部に機械的な損傷が生じない範囲に設定されていることを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to any one of claims 2 to 8,
A predetermined cylindrical gap is secured between the outer peripheral surface of the cylindrical spacer and the inner peripheral surface of the spacer insertion hole, and the displacement of the force receiving substrate is limited within the range of the cylindrical gap. And the dimension of the cylindrical gap is set within a range in which no mechanical damage is caused to the flexible part and the detection part as long as the displacement under the restriction occurs. Sensor.
可撓部が、作用部の周囲を取り囲むように配置され、可撓性を奏する厚みをもった環状肉薄部によって構成され、
検出部が、前記環状肉薄部に接合され前記環状肉薄部とともに撓みを生じる半導体基板と、この半導体基板内に形成されたピエゾ抵抗素子と、このピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化に基づいて作用部に作用した力を電気信号として出力する回路と、によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to any one of claims 1 to 10,
The flexible part is arranged so as to surround the periphery of the action part, and is constituted by an annular thin part having a thickness that exhibits flexibility,
A detection unit is bonded to the annular thin part and causes deflection with the annular thin part, a piezoresistive element formed in the semiconductor substrate, and an action part based on a change in the resistance value of the piezoresistive element A force sensor comprising: a circuit that outputs a force acting on the sensor as an electrical signal.
作用部の中心を通り各基板に直交する中心線上に原点Oを定義し、前記中心線をz軸、前記中心線に直交する2軸をx軸およびy軸とするxyz三次元直交座標系を定義したときに、
検出部が、前記作用部に作用したx軸まわりのモーメントmx、y軸まわりのモーメントmy、z軸方向の力fzを検出する機能を有することを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to any one of claims 1 to 11,
An xyz three-dimensional orthogonal coordinate system in which an origin O is defined on a center line that passes through the center of the action part and is orthogonal to each substrate, the center line is the z axis, and two axes that are orthogonal to the center line are the x axis and the y axis. When defined
A force sensor, wherein the detection unit has a function of detecting a moment mx about the x-axis, a moment my about the y-axis, and a force fz in the z-axis direction that acted on the action unit.
原点QをもつXYZ三次元直交座標系において、第1の物体に対して前記第2の物体から作用したX軸方向の力Fx,Y軸方向の力Fy,Z軸方向の力Fz,X軸まわりのモーメントMx,Y軸まわりのモーメントMy,Z軸まわりのモーメントMzの6成分を検出する機能をもった6次元力検出装置であって、
前記複数組の力覚センサの各台座部は、前記XYZ三次元直交座標系における所定位置においてそれぞれ第1の物体に固定されており、前記複数組の力覚センサの各受力柱は、前記XYZ三次元直交座標系における所定位置においてそれぞれ第2の物体に固定されており、
前記演算回路は、前記各力覚センサが検出した検出値mx,my,fzに基づいて、前記6成分の値を求める演算を行うことを特徴とする6次元力検出装置。 A plurality of force sensors according to claim 12, and an arithmetic circuit that performs an operation based on detection values output from the plurality of force sensors.
In an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system having an origin Q, a force Fx in the X-axis direction, a force Fy in the Y-axis direction, a force Fz in the Z-axis direction, and an X-axis force acting on the first object from the second object A six-dimensional force detection device having a function of detecting six components of a moment Mx around, a moment My around the Y axis, and a moment Mz around the Z axis,
Each pedestal portion of the plurality of force sensors is fixed to a first object at a predetermined position in the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system, and each force receiving column of the plurality of force sensors is Each fixed to a second object at a predetermined position in the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system;
6. The six-dimensional force detection apparatus according to claim 1, wherein the arithmetic circuit performs an operation for obtaining the values of the six components based on detection values mx, my, and fz detected by the force sensors.
XYZ三次元直交座標系の正のX軸上に原点Oが配置された第1の力覚センサと、負のX軸上に原点Oが配置された第2の力覚センサと、正のY軸上に原点Oが配置された第3の力覚センサと、負のY軸上に原点Oが配置された第4の力覚センサと、を有し、各力覚センサのx軸,y軸,z軸は、XYZ三次元直交座標系のそれぞれX軸,Y軸,Z軸に平行となるように配置され、
演算回路が、前記第1の力覚センサによって検出されたx軸まわりのモーメントをmx1、y軸まわりのモーメントをmy1、z軸方向の力をfz1とし、前記第2の力覚センサによって検出されたx軸まわりのモーメントをmx2、y軸まわりのモーメントをmy2、z軸方向の力をfz2とし、前記第3の力覚センサによって検出されたx軸まわりのモーメントをmx3、y軸まわりのモーメントをmy3、z軸方向の力をfz3とし、前記第4の力覚センサによって検出されたx軸まわりのモーメントをmx4、y軸まわりのモーメントをmy4、z軸方向の力をfz4としたときに、
Fx=my1+my2+my3+my4 または
=my1+my2 または
=my3+my4
Fy=mx1+mx2+mx3+mx4 または
=mx1+mx2 または
=mx3+mx4
Fz=fz1+fz2+fz3+fz4 または
=fz1+fz2 または
=fz3+fz4
Mx=fz3−fz4
My=fz2−fz1
Mz=−mx1+mx2−my3+my4 または
=−mx1+mx2 または
=−my3+my4
なる演算により6成分の値を求めることを特徴とする6次元力検出装置。 The six-dimensional force detection device according to claim 13,
A first force sensor having an origin O arranged on the positive X axis of the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system; a second force sensor having an origin O arranged on the negative X axis; A third force sensor having an origin O arranged on an axis and a fourth force sensor having an origin O arranged on a negative Y axis, and the x-axis, y of each force sensor The axis and the z axis are arranged so as to be parallel to the X axis, the Y axis, and the Z axis of the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system, respectively.
The arithmetic circuit detects the moment around the x axis detected by the first force sensor as mx1, the moment around the y axis as my1, and the force in the z axis direction as fz1, and is detected by the second force sensor. The moment about the x-axis is mx2, the moment about the y-axis is my2, the force in the z-axis direction is fz2, the moment about the x-axis detected by the third force sensor is mx3, and the moment about the y-axis Is my3, the z-axis direction force is fz3, the x-axis moment detected by the fourth force sensor is mx4, the y-axis moment is my4, and the z-axis direction force is fz4. ,
Fx = my1 + my2 + my3 + my4 or = my1 + my2 or = my3 + my4
Fy = mx1 + mx2 + mx3 + mx4 or = mx1 + mx2 or = mx3 + mx4
Fz = fz1 + fz2 + fz3 + fz4 or = fz1 + fz2 or = fz3 + fz4
Mx = fz3-fz4
My = fz2-fz1
Mz = -mx1 + mx2-my3 + my4 or = -mx1 + mx2 or = -my3 + my4
A six-dimensional force detection device characterized in that a value of six components is obtained by the following calculation.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011001467U JP3168179U (en) | 2011-03-18 | 2011-03-18 | Force sensor and six-dimensional force detection device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011001467U JP3168179U (en) | 2011-03-18 | 2011-03-18 | Force sensor and six-dimensional force detection device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP3168179U true JP3168179U (en) | 2011-06-02 |
Family
ID=54879188
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2011001467U Expired - Lifetime JP3168179U (en) | 2011-03-18 | 2011-03-18 | Force sensor and six-dimensional force detection device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3168179U (en) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4987162B1 (en) * | 2011-12-15 | 2012-07-25 | 株式会社トライフォース・マネジメント | Force sensor |
US9481089B2 (en) | 2014-02-27 | 2016-11-01 | Seiko Epson Corporation | Force detector and robot |
JP2018048915A (en) * | 2016-09-21 | 2018-03-29 | 日本電産コパル電子株式会社 | Force sensor |
CN110608824A (en) * | 2019-07-17 | 2019-12-24 | 台州中清科技有限公司 | Six-dimensional force sensor |
JP2021036244A (en) * | 2020-11-18 | 2021-03-04 | 日本電産コパル電子株式会社 | Force sensor |
CN114235230A (en) * | 2021-12-07 | 2022-03-25 | 浙江工业大学 | Flexible six-dimensional force sensor based on mortise and tenon joint structure |
CN117889999A (en) * | 2024-03-14 | 2024-04-16 | 锐马(福建)电气制造有限公司 | Zero compensation method and system for six-dimensional force sensor |
-
2011
- 2011-03-18 JP JP2011001467U patent/JP3168179U/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4987162B1 (en) * | 2011-12-15 | 2012-07-25 | 株式会社トライフォース・マネジメント | Force sensor |
US9481089B2 (en) | 2014-02-27 | 2016-11-01 | Seiko Epson Corporation | Force detector and robot |
US9931752B2 (en) | 2014-02-27 | 2018-04-03 | Seiko Epson Corporation | Force detector and robot |
US10201902B2 (en) | 2014-02-27 | 2019-02-12 | Seiko Epson Corporation | Force detector and robot |
JP2018048915A (en) * | 2016-09-21 | 2018-03-29 | 日本電産コパル電子株式会社 | Force sensor |
WO2018055865A1 (en) * | 2016-09-21 | 2018-03-29 | 日本電産コパル電子株式会社 | Force sensor |
US10976208B2 (en) | 2016-09-21 | 2021-04-13 | Nidec Copal Electronics Corporation | Force sensor |
CN110608824A (en) * | 2019-07-17 | 2019-12-24 | 台州中清科技有限公司 | Six-dimensional force sensor |
JP2021036244A (en) * | 2020-11-18 | 2021-03-04 | 日本電産コパル電子株式会社 | Force sensor |
CN114235230A (en) * | 2021-12-07 | 2022-03-25 | 浙江工业大学 | Flexible six-dimensional force sensor based on mortise and tenon joint structure |
CN114235230B (en) * | 2021-12-07 | 2023-12-29 | 浙江工业大学 | Flexible six-dimensional force sensor based on mortise and tenon structure |
CN117889999A (en) * | 2024-03-14 | 2024-04-16 | 锐马(福建)电气制造有限公司 | Zero compensation method and system for six-dimensional force sensor |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3168179U (en) | Force sensor and six-dimensional force detection device | |
KR102080426B1 (en) | Force / torque sensor with instrumentation on less than 4 beam surfaces | |
JP5497969B1 (en) | Force sensor | |
US10634695B2 (en) | Force sensor | |
JP6476730B2 (en) | Force detection device and robot | |
US7500406B2 (en) | Multiaxial sensor | |
JP4389001B1 (en) | Force sensor and motion sensor | |
JP7022363B2 (en) | Force detector and robot system | |
JP4909583B2 (en) | Multi-axis load cell | |
KR102241350B1 (en) | Strain gauge and multiaxial force sensor | |
JP6940037B2 (en) | Force sensor device | |
US11473987B2 (en) | Sensor chip and force sensor device | |
JP5459890B1 (en) | Force sensor | |
JP4987162B1 (en) | Force sensor | |
JP2015087289A (en) | Sensor element, force detection device, robot, electronic component conveyance device, electronic component inspection device, and component processing device | |
JP2008107257A (en) | Acceleration sensor | |
JP2016070670A (en) | Sensor device | |
JP2011080945A (en) | Force sensor | |
JP5719521B2 (en) | 3-axis force sensor | |
JP5248708B1 (en) | Force sensor | |
JPH0584870B2 (en) | ||
JP6058858B1 (en) | Acceleration sensor | |
JP6010678B1 (en) | Acceleration sensor | |
JP2020122768A (en) | Force sensor device | |
JP2015087281A (en) | Force detection device, robot, electronic component conveyance device, electronic component inspection device, and component processing device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 3168179 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140511 Year of fee payment: 3 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
EXPY | Cancellation because of completion of term |