CN109839231A - 位移检测方式的力检测结构以及力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种位移检测方式的力检测结构。力检测结构具备第一端部、第二端部、以三自由度弹性地连结第一端部和第二端部的连结部、检测伴随连结部的弹性变形的第一端部与第二端部的相对位移的检测部。检测部具备使用互相为相反相位的信号作为第一移动数据检测沿第一轴的第一端部与第二端部的相对移动的第一差动检测部、使用互相为相反相位的信号作为第二移动数据检测沿第二轴的第一端部与第二端部的相对移动的第二差动检测部、使用互相为相反相位的信号作为旋转数据检测绕沿第三轴的中心轴线的第一端部与第二端部的相对旋转的第三差动检测部。

Description

位移检测方式的力检测结构以及力传感器

技术领域

本发明涉及位移检测方式的力检测结构。本发明还涉及具备位移检测方式的力检测结构的力传感器。

背景技术

位移检测方式的力传感器是在对其结构部件施加力(负载)时检测因该力而变形的结构部件的伴随变形的位移量、基于已检测的位移量检测力的传感器。例如日本国专利公开公报第2004-301731号(JP2004-301731A)公开根据形成于传感器主体的预定部位的静电容量的变化检测位移量的力传感器。该力传感器具备外侧箱状构造体和内侧箱状构造体，分别使外侧箱状构造体的侧面以及上面与内侧箱状构造体的侧面以及上面对置，形成与整体连通的间隙，在间隙的预定位置上配置分别与正交三轴坐标系中的任一轴向对置的多组电极，在各个对置电极之间形成静电容量。若外侧箱状构造体因力(负载)而变形，则据此，间隙的形状以及尺寸变化，各个对置电极间的静电容量变化。根据该静电容量的变化计算相对于内侧箱状构造体的外侧箱状构造体的位移量，基于已计算的位移量，能够检测施加于外侧箱状构造体的力的各轴方向的力成分以及绕各轴的力矩成分。

另外，日本国专利公开公告第2016-070824号(JP2016-070824A)公开了在检测正交三轴坐标系中的各轴向的力成分以及绕各轴的力矩成分的位移检测方式的六轴力传感器中，用第一检测部与第二检测部各分担三轴而检测力成分以及力矩成分的结构。

在通过检测伴随因力变形的构成部件的变形的位移量而获得三轴以上的力成分以及力矩成分的位移检测方式的力检测结构以及力传感器中，希望能防止构成部件因温度、湿度等的除力以外的环境原因而产生变形、特性变化的情况下的检测值的变动(在本发明中称为“偏差”)。

发明内容

本发明的一方案的力检测结构具备第一端部、第二端部、弹性地连结第一端部和第二端部的连结部以及检测部，该检测部检测伴随连结部的弹性变形的第一端部与第二端部的相对位移，基于相对位移输出用于获得施加于第一端部或第二端部上的力的第一轴方向的第一力成分、与第一轴正交的第二轴方向的第二力成分以及绕与第一轴和第二轴的双方正交的第三轴的力矩成分的检测值，检测部具备使用互相为相反相位的信号作为第一移动数据差动式地检测沿着第一轴的第一端部与第二端部的相对的移动的第一差动检测部、使用互相为相反相位的信号作为第二移动数据差动式地检测沿着第二轴的第一端部与第二端部的相对移动的第二差动检测部、使用互相为相反相位的信号作为旋转数据差动式地检测绕沿着第三轴的中心轴线的第一端部与第二端部的相对的旋转的第三差动检测部、并基于第一移动数据、第二移动数据和旋转数据输出检测值。

本发明的另一方案是具备上述力检测结构的力传感器。

在一方案的力检测结构中，由于检测部的第一差动检测部、第二差动检测部以及第三差动检测部差动式地检测第一移动数据、第二移动数据以及旋转数据，因此伴随因除力以外的环境因素而产生的第一间隙以及第二间隙的尺寸变化的信号的变动量通过获得相反相位的信号差而相抵。其结果，在力检测结构中，即使是构成部件(尤其是检测部的构成要素)因温度、湿度等的力以外的环境因素而产生变形、特性变化的情况，也能够检测正确地表示因力而产生的位移的第一移动数据、第二移动数据以及旋转数据，因此能够提高检测值的准确度以及精度。

根据另一方案的力传感器，通过具备力检测结构而能够提高检测部输出的检测值的准确度以及精度。

附图说明

本发明的目的、特征以及优点通过与附图相关的以下的实施方式的说明而更加清楚。在该附图中，

图1是表示第一实施方式的力检测结构的整体结构的立体图。

图2是图1的力检测结构的主视图。

图3是沿图2的线III-III的力检测结构的剖视图。

图4A是与图3对应的剖视图，是表示图1的力检测结构的位移动作的一例的图。

图4B是与图2对应的主视图，是表示图4A的位移动作的图。

图4C是与图3对应的剖视图，是表示图1的力检测结构的位移动作的其他示例的图。

图4D是与图3对应的剖视图，是表示图1的力检测结构的位移动作的又一其他示例的图。

图4E是与图3对应的剖视图，是表示图1的力检测结构的位移动作的又一其他示例的图。

图5A是说明偏差发生时的检测部的状态的一例的图。

图5B是图5A的局部放大图。

图6是说明偏差发生时的检测部的状态的其他示例的图。

图7A是表示检测部的变形例的图。

图7B是表示检测部的变形例的图。

图8是说明偏差产生时的检测部的状态的又一其他示例的图。

图9是与图3对应的剖视图，是表示第二实施方式的力检测结构的图。

图10是与图3对应的剖视图，表示第三实施方式的力检测结构的图。

图11是示意性地表示具备图1的力检测结构的六轴力传感器的结构的主视图。

图12A是表示图11中的六轴力传感器的力检测结构的动作的图。

图12B是表示图11中的六轴力传感器的力检测结构的动作的图。

图12C是表示图11中的六轴力传感器的力检测结构的动作的图。

图13A是表示图11中的六轴力传感器的附加检测结构的动作的图。

图13B是表示图11中的六轴力传感器的附加检测结构的动作的图。

图13C是表示图11中的六轴力传感器的附加检测结构的动作的图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。在整个附图中，在对应的结构元件中标注共通的参照符号。

图1～图3表示第一实施方式的力检测结构10的整体结构。力检测结构10具备第一端部12、第二端部14、以三个自由度弹性地连结第一端部12和第二端部14的连结部16、检测伴随连结部16的弹性变形的第一端部12与第二端部14的相对位移的检测部18。

第一端部12以及第二端部14例如在机器人臂等的设备、结构体(未图示。以下，称为设备类。)上安装力检测结构10时，作为直接或间接地固定于该设备类的基础部分而构成。另外，第一端部12以及第二端部14安装于如机械手等的作为力检测结构10的检测对象的产生力(负载)的物体(未图示。以下，称为力产生体。)而作为承受该力的力承受部分构成。力检测结构10将第一端部12以及第二端部14的任意一个作为基础部分、将另一个作为力承受部分而使用。

例如，在将第一端部12作为基础部分、将第二端部14作为力承受部分使用的情况下，从力产生体向第二端部14施加的力(负载)从第二端部14向连结部16施加而使连结部16弹性变形，并且使第二端部14相对于第一端部12向作为预定的三自由度而定义的方向弹性地位移。

如图所示，当在空间中定义正交的三轴坐标系(X-Y-Z)时，第一端部12和第二端部14在连结部16的弹性变形下能向沿着第一轴(X轴)的方向相对地移动、能够向沿着第二轴(Y轴)的方向相对地移动、能绕沿着第三轴(Z轴)的中心轴线相对地旋转。该情况下，三自由度作为向分别沿第一轴(X轴)以及第二轴(Y轴)的方向的移动以及绕沿着第三轴(Z轴)的中心轴线的旋转而被定义。第一端部12和第二端部14根据施加于第一端部12或第二端部14的力，能够向这三个方向中的任意一个方向或两个方向以上的组合方向相对地位移。

并且，在本发明中所谓“沿着··...·”是用于在坐标系中任一轴中表现大概方向性的用语，是包含相对于该轴平行的状态、从平行中稍有脱离(即，大致平行)的状态、以及如以45度交叉的形态的内容。

检测部18检测第一端部12和第二端部14的上述三方向的相对位移(即，相对的位移量)。检测部18基于检测到的三方向的相对位移输出用于获得施加于第一端部12或第二端部14的力的第一轴(在图中为X轴)方向的第一力成分、与第一轴正交的第二轴(在图中为Y轴)方向的第二力成分、以及绕与第一轴和第二轴双方正交的第三轴(在图中为Z轴)的力矩成分的检测值D。

力检测结构10如上述能作为可检测两个轴向的力成分和一个绕轴的力矩成分的三轴力传感器而使用。或者，力检测结构10通过与可检测其他一轴以上的成分的附加检测结构组合，能够构成四轴以上的力传感器。该情况下，能够将第一端部12或第二端部14相对于附加检测结构而作为输入部或输出部使用。关于那样的四轴以上的力传感器的结构后述。

检测部18具备使用互相为相反相位的信号作为第一移动数据d1差动式地检测沿第一轴(在图中为X轴)的第一端部12与第二端部14的相对移动的第一差动检测部20、使用互相为相反相位的信号作为第二移动数据d2差动式地检测沿第二轴(在图中为Y轴)的第一端部12与第二端部14的相对移动的第二差动检测部22、使用互相为相反相位的信号作为旋转数据d3差动式地检测绕沿第三轴(在图中为Z轴)的中心轴线的第一端部12与第二端部14的相对旋转的第三差动检测部24。

第一差动检测部20具有设置于第一端部12的多个(在图中为两个)第一面26、设置于第二端部14并分别与多个第一面26对置的多个(在图中为两个)第二面28，作为第一移动数据d1检测在多个第一面26与多个第二面28之间的多个(在图中为两个)第一间隙30产生的反相位的变化。

第二差动检测部22具有设置于第一端部12的多个(在图中为两个)第三面32、设置于第二端部14分别与多个第三面32对置的多个(在图中为两个)第四面34，作为第二移动数据d2检测在多个第三面32与多个第四面34之间的多个(在图中为两个)第二间隙36产生的反相位的变化。

第三差动检测部24具有设置于第一端部12的第一面26以及第三面32、设置于第二端部14并与第一面26对置的第二面28以及与第三面32对置的第四面34，作为旋转数据d3检测在第一面26与第二面28之间的第一间隙30和第三面32与第四面34之间的第二间隙36产生的反相位的变化。

检测部18基于第一差动检测部20检测到的第一移动数据d1、第二差动检测部22检测到的第二移动数据d2、第三差动检测部24检测到的旋转数据d3，输出检测值D。

以下，参照图1～图4E，详细地说明力检测结构10的具体结构。并且，在以下的说明中，相对于力检测结构10定义正交三轴坐标系(X-Y-Z)，另一方面，为了帮助理解使用表示在图中的“上”、“下”等的方向性的语句，但这些语句并不限定力检测结构10使用时的方向性。

第一端部12在俯视中具有大致正方形的平板形状。第一端部12具有沿着第一轴(X轴)与第二轴(Y轴)所成的假想平面(XY平面)而扩大的平坦的上面12a，在上面12a的四角分别向上方向突出设置沿着第三轴(Z轴)方向延伸的弹性柱38。连结部16通过这些四根弹性柱38而构成。

第二端部14具有与第一端部12对应的在俯视中为大致正方形的平板形状。第二端部14具有与第一端部12的上面12a对置的平坦的下面14a，在下面14a的四角上在各自的上端固定连结部16的四根弹性柱38。第一端部12以及第二端部14具有在向第一端部12或第二端部14施加力时能克服该力而保持自身形状的刚性。

在该实施方式中，在连结部16未弹性变形的平衡状态(图3)下，以与大致正方形的上面12a以及下面14a的四边平行地配置第一轴(X轴)以及第二轴(Y轴)、与通过上面12a以及下面14a的中心的轴线平行地配置第三轴(Z轴)的方式定义直角坐标系。并且，第一端部12以及第二端部14的形状并不限于图示的矩形平板形状，也能够例如为圆板状、其他多边形状。

四根弹性柱38分别构成为，不会因为平行于第三轴(Z轴)的方向的力而容易地变形(即，伸缩)、另一方面，因平行于第一轴(X轴)方向的力、平行于第二轴(Y轴)方向的力或绕第三轴(Z轴)的旋转方向的力而弹性地产生如柱倾斜那样的弯曲。在第一端部12或第二端部14施加力时，由于第一端部12以及第二端部14所具有的刚性，四根弹性柱38专门呈现这样的弹性变形。由于弹性柱38承受上述力而弹性变形，第一端部12与第二端部14相对地产生向沿着包括第一轴(X轴)以及第二轴(Y轴)的假想平面(XY平面)的方向的移动或绕沿着第三轴(Z轴)的中心轴线的旋转。

各弹性柱38的形状既可以是图示的四边柱状，也可以是圆柱、其他多边柱状。另外，各弹性柱38如图所示既可以具备整体上相同的宽度，也可以是将较长方向中央或较长方向一端细或粗的形状、多个曲面组合的形状。四根弹性柱38如图所示既可以具备相互相同的长度，还可以具备相互不同的长度。在四根弹性柱38的长度相同的情况下，第一端部12的上面12a与第二端部14的下面14a相互平行地配置。

弹性柱38的位置并不限于第一端部12的上面12a的四角，例如可以设置于沿着上面12a的四边的位置。另外，弹性柱38的根数并不限于四根，还可以是三根、五根以上。连结部16只要能进行第一端部12与第二端部14的上述三自由度的位移即可，在该前提下能够在所希望的位置上设置所期望个数的弹性柱38。

在第一端部12上设置分别有从上面12a向沿着第三轴(Z轴)的方向突出的四个第一块部件40、42(图1～图3)。各第一块部件40、42具有长方体形状，配置于上面12a的预定位置。两个第一块部件40分别具有沿着第一轴(X轴)与第三轴(Z轴)所成的假想平面(XZ平面)而扩大的第一面26(图3)。其他两个第一块部件42分别具有沿着第二轴(Y轴)与第三轴(Z轴)所成的假想平面(YZ平面)而扩大的第三面32(图3)。

在第二端部14上设置分别从下面14a向沿着第三轴(Z轴)的方向突出的四个第二块部件44、46(图1～图3)。各第二块部件44、46具有长方体形状，配置于与各第一块部件40、42的位置对应的下面14a的预定定位置上。两个第二块部件44分别具有沿着第一轴(X轴)与第三轴(Z轴)所成的假想平面(XZ平面)而扩大的第二面28(图3)。其他两个第二块部件46分别具有沿着第二轴(Y轴)与第三轴(Z轴)所成的假想平面(YZ平面)而扩大的第四面34(图3)。

在对应的位置上沿相同的假想平面(XZ平面)而扩大的第一面26与第二面28在连结部16未弹性变形的平衡状态下相互大致平行地对置而配置。在这两组的互相对置的第一面26与第二面28之间分别形成第一间隙30(图3)。在连结部16未弹性变形的平衡状态下，两个第一间隙30能够具有相互相同的形状以及尺寸。

另外，在对应的位置上沿着相同的假想平面(YZ平面)扩大的第三面32与第四面34在连结部16未弹性变形的平衡状态下相互大致平行地对置而配置。在这两组相互对置的第三面32与第四面34之间分别形成第二间隙36(图3)。在连结部16未弹性变形的平衡状态下，两个第二间隙36能够具有相互相同的形状以及尺寸。

如此，设置于第一端部12的两个第一块部件40与设置于第二端部14的两个第二块部件44分别具备作为第一差动检测部20的构成要素的第一面26和第二面28。在此，一组并列设置的第一块部件40以及第二块部件44、另一组并列设置的第一块部件40以及第二块部件44以在第一轴(X轴)的方向上“第一”与“第二”的并列设置关系反转的方式设置于第一端部12以及第二端部14上(图3)。

另外，设置于第一端部12的两个第一块部件42与设置于第二端部14的两个第二块部件46分别具有作为第二差动检测部22的构成要素的第三面32和第四面34。在此，一组并列设置的第一块部件42以及第二块部件46、另一组并列设置的第一块部件42以及第二块部件46以在第二轴(Y轴)的方向上“第一”与“第二”的并列设置关系反转的方式设置于第一端部12以及第二端部14(图3)。

另外，设置于第一端部12的各两个第一块部件40以及42和设置于第二端部14的各两个第二块部件44以及46分别具有作为第三差动检测部24的构成要素的第一面26以及第三面32和第二面28以及第四面34。在此，两组并列设置的第一块部件40以及第二块部件44、两组并列设置的第一块部件42以及第二块部件46以在绕第三轴(Z轴)的旋转方向上“第一”与“第二”的并列设置关系反转的方式设置于第一端部12以及第二端部14(图3)。

第一端部12与第二端部14从图1～图3所示的平衡状态相对地向沿着第一轴(X轴)的方向移动，则伴随该移动，向X轴方向并列设置的第一块部件40与第二块部件44相对地移动，根据其移动距离，两个第一间隙30的尺寸变化(图4A～图4C)。同样，若第一端部12与第二端部14向沿着第二轴(Y轴)的方向相对地移动，则伴随该移动，向Y轴方向并列设置的第一块部件42与第二块部件46相对地移动，根据其移动距离，两个第二间隙36的尺寸变化(图4D)。另外，若第一端部12与第二端部14绕沿着第三轴(Z轴)的中心轴线(在图示示例中在俯视中为矩形形状的第一端部12的中心轴线12b)相对地旋转，则伴随该旋转，第一块部件40与第二块部件44相对地旋转的同时，第一块部件42与第二块部件46相对地旋转，根据其旋转角度，各两个第一间隙30以及第二间隙36的尺寸变化(图4E)。在这些相对的移动以及旋转期间，第一端部12与第二端部14不会变形，仅连结部16(弹性柱38)弹性变形。

例如如图4A以及图4B所示，若第二端部14相对于第一端部12向X轴正方向(图中右方向)移动，则一组的第一块部件40以及第二块部件44与另一组的第一块部件40以及第二块部件44的并列设置关系在X轴方向上反转，因此一方(图4A中下侧)的第一间隙30的尺寸增加，与该增加量对应，另一方(在图4A中上侧)的第一间隙30的尺寸减小。另外，如图4C所示，若第二端部14相对于第一端部12向X轴负方向(图中左方向)移动，则一方的(图4A中)的第一间隙30的尺寸减小，与该减小量对应，另一方(在图4A中下侧)的第一间隙30的尺寸增大。第一差动检测部20通过转换为互相相反的相位的信号并差动式地进行运算，从而将两个第一间隙30的这种反相位的尺寸变化作为第一移动数据d1而检测。

并且，若第一端部12与第二端部14向X轴方向相对地移动，则伴随该移动，第一块部件42与第二块部件46向X轴方向相对地移动，但由于此时的第三面32与第四面34向面方向的偏离率(因此，第二间隙36的变化率)比第一间隙30的变化率充分小，因此能够以不包含于第一移动数据d1的方式进行处理。

另外，如图4D所示，若第二端部14相对于第一端部12向Y轴正方向(在图中为上方向)移动，则由于一组的第一块部件42以及第二块部件46与另一组的第一块部件42以及第二块部件46的并列设置关系在Y轴方向上反转，因此一方的(图4D中左侧)的第二间隙36的尺寸增加，与该增加量对应地，另一方(图4D中为右侧)的第二间隙36的尺寸减小。另外，未图示，若第二端部14相对于第一端部12向Y轴负方向(在图中下方向)移动，则一方的(在图4D中为左侧)的第二间隙36的尺寸减小，与该减小的量对应地，另一方(在图4D中为右侧)的第二间隙36的尺寸增加。第二差动检测部22通过转换为互相相反相位的信号并差动式地进行运算处理，从而将两个第二间隙36的这种反相位的尺寸变化作为第二移动数据d2而检测。

并且，若第一端部12与第二端部14向Y轴方向相对地移动，则伴随该移动，第一块部件40与第二块部件44向Y轴方向相对地移动，但由于此时的第一面26与第二面28向面方向的偏移率(因此，第一间隙30的变化率)比第二间隙36的变化率充分地小，因此能够以不包含于第二移动数据d2的方式进行处理。

另外，如图4E所示，若第二端部14相对于第一端部12在Z轴正方向上向右(在图中为逆时针旋转)旋转，则由于两组的第一块部件40以及第二块部件44与两组的第一块部件42以及第二块部件46的并列设置在绕Z轴旋转的方向上反转，因此两个第一间隙30的尺寸增加，与该增加的量对应，两个第二间隙36的尺寸减小。另外，未图示，若第二端部14相对于第一端部12在Z轴正方向上向左(在图中为顺时针旋转)旋转，则两个第一间隙30的尺寸减小，与该减小的量对应，两个第二间隙36的尺寸增加。第三差动检测部24通过转换为互相相反的相位并差动式地进行运算处理，从而将第一间隙30和第二间隙36的这种反相位的尺寸变化作为旋转数据d3检测。

第一间隙30以及第二间隙36作为用于用数量表示其自身的尺寸变化的构成要素的一例，能够具备静电容量。在该情况下，检测部18为了检测上述的三方向的相对位移，能够在第一间隙30以及第二间隙36中具有相互电性独立的三个以上的静电容量形成部(即，电极对)。在力检测结构10中，该四个第一间隙30以及第二间隙36分别具有一个静电容量形成部。检测部18通过检测多个静电容量形成部中的静电容量的变化而输出检测值D。

例如，在图3所示的第一块部件40的第一面26上形成电极48，在对置的第二块部件44的第二面28上形成与电极48相同的表面积的电极50。相互对置的电极48、50(即，电极对)构成静电容量形成部，在对这些电极48、50之间进行电绝缘的第一间隙30中形成预定的静电容量。例如，通过向电极对的一个电极48施加预定的频率以及电压，测量流经另一个电极50的电流值，能够检测第一间隙30的变化。

同样，在第一块部件42的第三面32形成电极52，在对置的第二块部件46的第四面34上形成与电极52相同的表面积的电极54。相互对置的电极52、54(即，电极对)构成静电容量形成部，在对这些电极52、54之间进行电绝缘的第二间隙36中形成预定的静电容量。例如，向电极对的一个电极52施加预定的频率以及电压，通过测量流经另一电极54的电流值，能够检测第二间隙36的变化。

如图4A～图4C所示，若第一端部12与第二端部14向沿着第一轴(X轴)的方向相对移动，则向第一轴(X轴)方向对置的电极48、50向相互接近或离开的方向相对地并进，相同地缩小或扩大第一间隙30。此时，如上述，由于两个第一间隙30的尺寸在相反相位变化，因此这些第一间隙30的静电容量也在相反相位变化，通过两组的电极对48、50而得到相互相反相位的电信号。第一差动检测部20差动式地对这些反相位的电信号进行运算处理，作为第一移动数据而检测。

另外，如图4D所示，若第一端部12与第二端部14向沿着第二轴(Y轴)的方向相对移动，则向第二轴(Y轴)方向对置的电极52、54向相互接近或离开的方向相对地并进，相同地缩小或扩大第二间隙36。此时，如上述，由于两个第二间隙36的尺寸在相反相位变化，因此这些第二间隙36的静电容量也在相反相位变化，通过两组的电极对52、54得到相反相位的电信号。第二差动检测部22差动式地对这些反相位的电信号差动式地进行运算，作为第二移动数据d2而检测。

另外，如图4E所示，若第一端部12与第二端部14绕沿着第三轴(Z轴)的中心轴线12b相对旋转，则向第一轴(Z轴)方向对置的电极48、50相对地倾斜的同时，向第二轴(Y轴)方向对置的电极52、54相对地倾斜，在电极对的一端侧缩小、另一端侧扩大各个第一间隙30以及第二间隙36。此时，如上述，由于第一间隙30的尺寸与第二间隙36的尺寸在相反相位变化，因此第一间隙30的静电容量与第二间隙36的静电容量在反相位上变化，通过电极对48、50与电极对52、54得到相反相位的电信号。第三差动检测部24差动式对这些反相位的电信号进行运算处理，作为旋转数据d3而检测。

在力检测结构10中，用于用数量表示第一间隙30以及第二间隙36的尺寸变化的构成要素并不限于静电容量。例如，通过测量第一间隙30或第二间隙36中的磁性磁导率、光量等、将电极对48、50中的一个或电极对52、54中的一个作为绕线而测量涡电流，从而能够检测第一间隙30或第二间隙36的尺寸变化。因此，第一差动检测部20能够使用静电容量、涡电流、磁性磁导率或光量检测多个第一间隙30的变化。另外，第二差动检测部22能够使用静电容量、涡电流、磁性磁导率或光量检测多个第二间隙36的变化。另外，第三差动检测部24能够使用静电容量、涡电流、磁性磁导率或光量检测第一间隙30的变化以及第二间隙36的变化。

在力检测结构10中，在构成部件(尤其是检测部18的构成要素)因温度、湿度等力以外的环境因素而产生变形、特性变化的情况下，第一移动数据d1、第二移动数据d2以及旋转数据d3变动而在检测值D中可能会产生偏差。如图5A所示，存在相互并置的第一块部件40与第二块部件44伴随环境的温度变化而在相同的状态下(因此，镜像性地)会产生变形的情况。如图5B中扩大所示，在第一块部件40中通过绝缘层56形成电极48，但由于这三个部件的材料不同，因此由热膨胀率的差别引起并通过温度变化而产生如图示的变形。该变形由于即使在第二块部件44中也在相同的状态下产生，因此无论对力检测结构10不施加力的状态下也具备第一间隙30的尺寸变化的可能性(图5A)。关于第二间隙36也相同。

另外，如图6所示，根据环境的温度变化存在相互并列设置的第一块部件40的绝缘层56与第二块部件44的绝缘层56在相互相同的状态下产生变形(吸湿膨胀)的情况。该情况也具有无论在对力检测结构10不施加力的状态下第一间隙30的尺寸都变化的可能性。并且，若绝缘层56的厚度变动，则存在其自身的感应电率变化、与第一块部件40之间的游隙容量变化的情况，也具有这样的绝缘层56的特性变化对检测值D产生影响的可能性。在第二间隙36中也相同。

如图7A以及图7B所示，在相互并列设置的第一块部件40与第二块部件44中，在第二块部件44中代替电极50设置卷线(例如，旋涡状地蚀刻电极用的金属板的结构)58的结构的情况下，通过于对卷线58施加预定的频率以及电压并测量由在第一块部件40的电极48中产生的涡电流而引起的卷线58的电流变化，能够检测第一间隙30的变化。在该结构中，如从图8的等价回路中所理解，能够得到Sig＝|E0×(R1+L1j)/(R0+R1+L1j)|的信号。因此，若由于环境的温度变化，电极48、卷线58的电阻值变动，则产生与第一间隙30的感应系数变动(即，尺寸变化)相同的信号变化。关于第二间隙36也相同。

在如上述的多种状况下，在力检测结构10中如上述，由于检测部18的第一差动检测部20、第二差动检测部22以及第三差动检测部24差动式地检测第一移动数据d1、第二移动数据d2以及旋转数据d3，因此，因力以外的环境原因而产生的伴随第一间隙30以及第二间隙36的尺寸变化等的信号的变动量通过获得相反相位的信号的差而相抵。其结果，在力检测结构10中，即使是构成部件(尤其是检测部18的构成要素)因温度、湿度等的力以外的环境因素而产生变形、特性变化的情况下，也能够检测正确地表示由力引起的位移的第一移动数据d1、第二移动数据d2以及旋转数据d3，进而提高检测值D的准确度以及精度。

图9表示第二实施方式中的力检测结构60的整体结构。力检测结构60除了连结部16的结构以外还具备与上述力检测结构10相同的结构。因此，在对应的结构要素中为了避免其重复说明而标注共通的参照符号。

力检测结构60具备第一端部12、第二端部14(图1)、以三自由度弹性地连结第一端部12和第二端部14的连结部16、检测伴随连结部16的弹性变形的第一端部12与第二端部14的相对位移的检测部18。连结部16在第一端部12的上面12a的三边的预定位置上通过向沿着第三轴(Z轴)的方向向上突出设置的三根弹性柱62构成。

力检测结构60在对第一端部12或第二端部14施加力时，第一差动检测部20、第二差动检测部22以及第三差动检测部24执行与力检测结构10中的位移检测动作相同的位移检测动作。并且，检测部18基于第一差动检测部20、第二差动检测部22以及第三差动检测部24分别差动式地检测到的第一移动数据d1、第二移动数据d2以及旋转数据d3输出检测值D。因此，即使在力检测结构60中也能起到与力检测结构10相同的效果。

图10表示第三实施方式中的力检测结构70的整体结构。力检测结构70除了连结部16的结构还具备与上述力检测结构10相同的结构。因此，在对应的结构要素中为了避免其说明重复而标注共通的参照符号。

力检测结构70具备第一端部12、第二端部14(图1)、以三自由度弹性地连结第一端部12和第二端部14的连结部16、检测伴随连结部16的弹性变形的第一端部12与第二端部14的相对位移的检测部18。连结部16在第一端部12的上面12a的中心附近的四个位置上由向沿着第三轴(Z轴)的方向向上突出设置的四根弹性柱72构成。

力检测结构70在对第一端部12或第二端部14施加力时，第一差动检测部20、第二差动检测部22以及第三差动检测部24执行与力检测结构10中的位移检测动作相同的位移检测动作。并且，检测部18基于第一差动检测部20、第二差动检测部22以及第三差动检测部24分别差动式地检测到的第一移动数据d1、第二移动数据d2以及旋转数据d3输出检测值D。因此，即使在力检测结构70中也能起到与力检测结构10相同的效果。

力检测结构10、60、70是能够从由检测部18检测的检测值D中检测施加于第一端部12或第二端部14的力的上述第一力成分、第二力成分以及力矩成分的结构。这些力成分以及力矩成分的检测能够通过与力检测结构10、60、70不同的运算装置实施。或者如图1所示，力检测结构10、60、70在其自身中能够具备使用检测部18检测到的检测值D计算施加于第一端部12或第二端部14的力的第一力成分、第二力成分以及力矩成分的运算部80。

根据检测值D求出力成分力矩成分的计算例如能够通过对检测值D和预先求出的变换系数矩阵进行矩阵计算的方法执行。变换系数矩阵对力检测结构10、60、70在多个方向上施加已知的负载，收集与该负载的力以及力矩的三轴方向成分对应的位移数据，根据这些位移数据能通过众所周知的数学方法求出。在位移检测中使用静电容量的情况下，由于静电容量与第一间隙30以及第二间隙36的尺寸成反比，因此检测部18能够根据检测到的静电容量的变化量的倒数求出位移量并作为检测值D输出。或者，通过使用众所周知的数学方法基于检测部18检测到的静电容量变化量的生数据(即，静电容量的检测值)，例如计算部80也能够直接地求出力成分以及力矩成分。在该情况下，检测部18作为检测值D输出已检测的静电容量的变化量。运算部80通过在检测值D中乘以连结部16的刚性值(已知的值)，能够求出力成分、力矩成分。

力检测结构10、60、70通过与可检测施加于第一端部12或第二端部14的力的与上述三轴的成分不同的其他一轴以上的成分的附加检测结构组合，能够构成四轴以上的力传感器。以下，参照图11～图13C，说明作为那样的力传感器的一实施方式的六轴力传感器90的结构。并且，在图11～图13C中将第二端部14的结构简略化进行表示。

六轴力传感器90具备力检测结构10、与力检测结构10共有第二端部14的附加检测结构92。附加检测结构92具备第二端部14、位于第二端部14的相反侧的第三端部94、以与力检测结构10的连结部16的三自由度不同的第二三自由度弹性地连接第二端部14和第三端部94的第二连结部96、检测伴随第二连结部96的弹性变形的第二端部14与第三端部94的相对位移的第二检测部98。

如图所示，在空间中定义正交三轴坐标系(X-Y-Z)的情况下，第二端部14与第三端部94在第二连结部96的弹性变形下以能够绕沿着第一轴(X轴)的中心轴线相对地旋转、能绕沿着第二轴(Y轴)的中心轴线相对地旋转、相对地向沿着第三轴(Z轴)的方向移动的方式构成。在该情况下，第二三自由度作为绕沿着第一轴(X轴)的中心轴线以及沿着第二轴(Y轴)的中心轴线的各个旋转以及向沿着第三轴(Z轴)的方向的移动进行定义。第二端部14与第三端部94根据施加于第三端部94或力检测结构10的第一端部12的力向这三方向中任意一个方向或两个方向以上的组合方向相对地位移。

第二检测部98检测第二端部14与第三端部94的上述三方向的相对位移(即，相对的位移量)。第二检测部98基于已检测的三方向的相对位移输出用于获得施加于第三端部94或第一端部12的力的绕第一轴(在图中X轴)的第一力矩成分、绕与第一轴正交的第二轴(在图中Y轴)的第二力矩成分、及与第一轴和第二轴的双方正交的第三轴(在图中Z轴)方向的第三力成分的第二检测值D2。

图12A～图12C示意地表示力检测结构10的检测部18的结构以及动作的一例。如参照图4A～图4E进行说明，检测部18的第一差动检测部20、第二差动检测部22以及第三差动检测部24差动式地检测第一移动数据d1、第二移动数据d2以及旋转数据d3。

图13A～图13C示意地表示第二检测部98的结构以及动作的一例。在图示的示例中，第二端部14具有第五面100，第三端部94具有与第五面100对置的第六面102，在第五面100与第六面102之间形成尺寸伴随第二端部14与第三端部94的相对位移而变化的第三间隙104。第二检测部98通过检测第三间隙104的尺寸的变化而输出第二检测值D2。

若第二端部14与第三端部94相对地向沿着第三轴(Z轴)的方向移动，则根据其移动距离，第三间隙104的尺寸变化(图13A、图13B)。另外，若第二端部14与第三端部94绕沿着第二轴(Y轴)的中心轴线(在图示示例中长方体形状的第三端部94的矩形截面的中心轴线94a)相对地旋转，则根据其旋转角度，第三间隙104的尺寸变化(图13C)。同样，若第二端部14与第三端部94绕沿着第一轴(X轴)的中心轴线相对地旋转，则根据其旋转角度，第三间隙104的尺寸变化(未图示)。在这些相对的移动以及旋转期间，第二端部14与第三端部94未变形，仅第二连结部96弹性变形。

第三间隙104与力检测结构10的第一间隙30以及第二间隙16相同，作为用于用数量表示其自身的尺寸变化的构成要素的一例，具备静电容量。或者，使用涡电流、磁性磁导率、光量等也能够检测第三间隙的尺寸变化。

如此，六轴力传感器90在第一端部12和第二端部14通过连结部16以第一三自由度相互连结的同时，第二端部14和第三端部94通过第二连结部96以与第一三自由度不同的第二三自由度相互连结，检测部18检测第一端部12与第二端部14的第一三自由度中的相对位移，另一方面，与检测部18不同的第二检测部98检测第二端部14与第三端部94的第二三自由度中的相对位移。因此，检测部18与第二检测部98能够各自以三自由度分担检测第一端部12与第三端部94之间的六自由度的相对位移。由于检测部18与第二检测部98各自分担基于第一三自由度的相对位移的第一检测值D、基于第二三自由度中的相对位移的第二检测值D2并输出，因此用于获取三轴的力成分以及三轴的力矩成分的检测值D以及第二检测值D2的准确度提高。

尤其六轴力传感器90具备力检测结构10，因此即使是构成部件(尤其是检测部18的构成要素)因温度、湿度等的力以外的环境因素而产生变形、特性变化的情况，也能够检测正确地表示由力引起的位移的第一移动数据d1、第二移动数据d2以及旋转数据d3，因此能够提高检测值D的准确度以及精度。说明省略，但即使在附加检测结构92的第二检测部98中也能够采用与检测部18相同的差动式位移检测机构。

以上，说明了本发明的实施方式，但本领域技术人员当然能够知晓，能不从后述的技术方案的公开范围脱离地进行多种修改及改变。

Claims (10)

1.一种力检测结构，其特征在于，

具备：

第一端部；

第二端部；

弹性地连结上述第一端部和上述第二端部的连结部；以及

检测部，其检测伴随上述连结部的弹性变形的上述第一端部与上述第二端部的相对位移，基于该相对位移输出用于获得施加于上述第一端部或上述第二端部的力的第一轴的方向的第一力成分、与该第一轴正交的第二轴的方向的第二力成分以及绕与该第一轴和该第二轴的双方正交的第三轴的力矩成分的检测值，

上述检测部具备：

第一差动检测部，其使用互相为相反相位的信号差动式地检测作为第一移动数据的沿着上述第一轴的上述第一端部与上述第二端部的相对移动；

第二差动检测部，其使用互相为相反相位的信号差动式地检测作为第二移动数据的沿着上述第二轴的上述第一端部与上述第二端部的相对移动；以及

第三差动检测部，其使用互相为相反相位的信号差动式地检测作为旋转数据的绕沿着上述第三轴的中心轴线的上述第一端部与上述第二端部的相对旋转，

上述检测部基于上述第一移动数据、上述第二移动数据和上述旋转数据输出上述检测值。

2.根据权利要求1所述的力检测结构，其特征在于，

还具备使用上述检测值计算上述第一力成分、上述第二力成分以及上述力矩成分的运算部。

3.根据权利要求1或2所述的力检测结构，其特征在于，

上述第一差动检测部具有设置于上述第一端部的多个第一面和设置于上述第二端部且分别与该多个第一面对置的多个第二面，检测在该多个第一面与该多个第二面之间的多个第一间隙产生的相反相位的变化作为上述第一移动数据。

4.根据权利要求3所述的力检测结构，其特征在于，

上述第一差动检测部使用静电容量、涡电流、磁性磁导率或光量检测上述多个第一间隙的上述变化。

5.根据权利要求1～4任一项所述的力检测结构，其特征在于，

上述第二差动检测部具有设置于上述第一端部的多个第三面和设置于上述第二端部且分别与该多个第三面对置的多个第四面，检测在该多个第三面与该多个第四面之间的多个第二间隙产生的相反相位的变化作为上述第二移动数据。

6.根据权利要求5所述的力检测结构，其特征在于，

上述第二差动检测部使用静电容量、涡电流、磁性磁导率或光量检测上述多个第二间隙的上述变化。

7.根据权利要求1～6任一项所述的力检测结构，其特征在于，

上述第三差动检测部具有设置于上述第一端部的第一面以及第三面和设置于上述第二端部且与该第一面对置的第二面以及与该第三面对置的第四面，检测在该第一面与该第二面之间的第一间隙和该第三面与该第四面之间的第二间隙产生的相反相位的变化作为上述旋转数据。

8.根据权利要求7所述的力检测结构，其特征在于，

上述第三差动检测部使用静电容量、涡电流、磁性磁导率或光量检测上述第一间隙的上述变化以及上述第二间隙的上述变化。

9.根据权利要求1～8任一项所述的力检测结构，其特征在于，

上述连结部具备在上述第一端部与上述第二端部之间向沿着上述第三轴的方向延伸的多个弹性柱，该多个弹性柱的各个在承受上述力时，以产生上述第一端部与上述第二端部的上述相对移动或上述相对旋转的方式弹性变形。

10.一种力传感器，其特征在于，

具备权利要求1～9任一项所述的力检测结构。