CN1809735A - 多轴传感器 - Google Patents

Abstract

可将传感器应变体作成简单的形状，且使应变体的安装作业简单化。在计测从外部施加的多轴的力、转矩、加速度、角加速度中的任何一个或多个的多轴传感器(1)中，备有配置在一平面上的多个应变体(R11～R48)。由此，由于可缩短应变体(R11～R48)的安装作业的时间，所以批量生产佳性好，可使成本降低。

Description

多轴传感器

技术领域

本发明涉及一种至少可计测从外部施加到第1部件与第2部件上多轴的力、转矩、加速度、角加速度中任何一个的多轴传感器。

背景技术

在专利文献1中，如图49所示，记载了力-转矩传感器103，其备有：由一对对置的圆形板构成的第1部件100及第2部件101；连结这些第1部件100及第2部件101的环状的电桥元件102；及安装于各电桥元件102上的应变片。

在该传感器103中，电桥元件102相对于第1部件100及第2部件101垂直地设置。应变片通过粘接安装到电桥元件102的外周面或孔104的内面上。通过检测由于施加于第1部件100及第2部件101之间的力或转矩而使各电桥元件102的圆环形状向哪个方向发生多少变形，算出施加的力和转矩。

专利文献1：特开昭63-78032号公报(图1、第5页右下栏第12行～第6页左上栏第14行、第7页左上栏第20行～右上栏第12行)

在专利文献1中记载的技术中，由于安装应变片的传感器应变体、即电桥元件102为复杂的三维形状，所以组装加工第1部件100及第2部件101、电桥元件102的成本增大。又，由于必须将应变片三维地安装到电桥元件102的曲面等上，所以导致安装作业的时间变长、批量化生产变差、成本增高。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种可将传感器应变体形成为简单的形状，并且可使应变片的安装作业简单化的多轴传感器。

本发明的多轴传感器为计测从外部施加的多轴的力、转矩、加速度、角加速度中的任何一个或多个的多轴传感器，其中，备有配置在一个平面上的多个应变片。

根据该构成，由于各应变体配置在一个平面上，所以与以往那样将应变片三维地安装到电桥元件的曲面等上的情况相比，可缩短安装作业时间。因此，批量化生产佳，可降低成本。

在本发明的多轴传感器中，可进一步备有多个安装前述应变片的第1隔膜。根据该构成，由于安装应变片的传感器应变体形状简单，所以可降低组装多轴传感器的成本。

在本发明的多轴传感器中，前述第1隔膜可配置在以前述平面的中心点为中心隔开等角度、且距前述中心点等距离的位置上。根据上述构成，可通过简单的计算，从各第1隔膜的应变片的电阻值的变化算出多轴的力、转矩、加速度、角加速度。

在本发明的多轴传感器中，前述角度可为90度。根据该构成，可容易地算出在以平面的中心点为原点的正交坐标的X轴及Y轴上的力、转矩、加速度、角加速度。

在本发明的多轴传感器中，前述第1隔膜可分别沿着以前述中心点作为原点的X轴及Y轴上的正方向及负方向配置。根据该构成，可极容易地算出在X轴及Y轴上的力、转矩、加速度、角加速度。

在本发明的多轴传感器中，前述角度可为120度。根据该构成，由于可算出在3个第1隔膜上的多轴的力、转矩、加速度、角加速度，所以多轴传感器的构成可进一步简单化。

本发明的多轴传感器的前述第1隔膜的薄壁部为圆环形状，且备有8个前述应变片，并且前述应变片的配置位置可在连结前述第1隔膜的中心点与前述平面的中心点的线上是前述第1隔膜的外边部与内边部，在前述第1隔膜的中心点处的前述线的垂直线上是前述第1隔膜的外边部与内边部。根据该构成，由于可在第1隔膜中应变最大的部位上安装应变片，所以可提高灵敏度。

本发明的多轴传感器可进一步备有设置在前述第1隔膜的中央部上的作用体，并且计测作用于该多轴传感器上的多轴的加速度及角加速度。根据该构成，若在多轴传感器上施加加速度，则对惯性力作用体起作用。因此，作用体产生位移，在第1隔膜上产生应变。可通过检测该第1隔膜的应变，来计测多轴的加速度及角加速度。

本发明的多轴传感器备有：第1部件，具有前述第1隔膜；第2部件，具有与前述第1隔膜对置，且不备有前述应变片的第2隔膜；连结轴，连结对置的前述第1隔膜与前述第2隔膜；计测作用于前述第1部件与前述第2部件之间的多轴的力及转矩。根据该构成，将应变片仅安装在一个平面上，即可计测多轴的力及转矩。

本发明的多轴传感器备有：第1部件，具有前述第1隔膜；第2部件，具有第2隔膜，所述第2隔膜与前述第1隔膜对置，且安装有配置在一平面上的多个前述应变片；连结轴，连结对置的前述第1隔膜与前述第2隔膜；计测作用于前述第1部件与前述第2部件之间的多轴的力及转矩。根据该构成，由于示出相同力或转矩的分量的电信号独立存在在2***中，所以可将传感器输出二重化，从而实现高精度化。

在本发明的多轴传感器中，前述第1部件的前述应变片与前述第2部件的前述应变片可配置在以多轴传感器的重心点为中心对称的位置上。根据该构成，由于可对2***的电信号对等地进行处理，所以精度更高。

本发明的多轴传感器在前述第1部件的前述应变片与前述第2部件的前述应变片的各输出中的某一个输出信号在规定的范围外时，可采用另一个输出信号。根据该构成，在由于某种理由应变片发生异常时，利用其他应变片，可使多轴传感器的利用继续进行。因此，可构筑可靠性极高的控制***。

在本发明的多轴传感器中，配置在前述平面上的前述第1隔膜可为1个。根据该构成，由于可不在一平面上设置多个第1隔膜，所以可使多轴传感器小型化。又，由于可使多轴传感器的形状简单化，所以可降低切削加工中所需的成本。

本发明的多轴传感器在以前述平面的中心点为中心隔开等角度、且距前述中心点等距离的位置上，进一步具有以与前述第1隔膜抵接的方式设置的作用体，测定作用于该多轴传感器上的多轴的加速度及角加速度。根据该构成，若在多轴传感器上施加加速度，则惯性力对作用体起作用。因此，作用体产生位移，在第1隔膜上产生应变。可通过检测该第1隔膜的应变，来计测多轴的加速度及角加速度。

本发明的多轴传感器备有：第1部件，具有前述第1隔膜；第2部件，具有一个不备有前述应变片的第2隔膜；作用体，连结前述第1隔膜与前述第2隔膜；前述第1部件与前述第2部件以前述第1部件的前述第1隔膜的中心点与前述第2部件的前述第2隔膜的中心点对置的方式配置，并且，通过前述作用体，将以前述第1隔膜与前述第2隔膜的每个前述中心点为中心隔开等角度、且距前述中心点等距离的位置彼此连结，计测作用于前述第1部件与前述第2部件之间的多轴的力及转矩。根据该构成，通过将应变片仅安装在一平面上，即可计测多轴的力及转矩。

本发明的多轴传感器备有：第1部件，具有前述第1隔膜；第2部件，具有第2隔膜，所述第2隔膜安装有配置在一平面上的多个前述应变片；作用体，连结前述第1隔膜与前述第2隔膜；前述第1部件与前述第2部件以前述第1部件的前述第1隔膜的中心点与前述第2部件的前述第2隔膜的中心点对置的方式配置，并且，通过前述作用体，将以前述第1及第2隔膜的每个前述中心点为中心隔开等角度、且距前述中心点等距离的位置彼此连结，计测作用于前述第1部件与前述第2部件之间的多轴的力及转矩。根据该构成，由于示出相同力或转矩的分量的电信号独立存在在2***中，所以可将传感器输出二重化，从而实现高精度化。

在本发明的多轴传感器中，前述第1部件的前述应变片与前述第2部件的前述应变片可配置在以多轴传感器的重心点为中心对称的位置上。根据该构成，由于可对2***的电信号对等地进行处理，所以精度更高。

在本发明的多轴传感器中，前述第1部件的前述应变片与前述第2部件的前述应变片的各输出中的某一个输出信号在规定的范围外时，可采用另外的输出信号。根据该构成，在由于某种理由应变片发生异常时，利用其他应变片，可使多轴传感器的利用继续进行。因此，可构筑可靠性极高的控制***。

在本发明的多轴传感器中，前述角度可为90度。根据该构成，可容易地算出在以第1隔膜的中心点为原点的正交坐标的X轴及Y轴上的力、转矩、加速度、角加速度。

在本发明的多轴传感器中，前述第1隔膜分别沿着以前述中心点作为原点的X轴及Y轴上的正方向及负方向配置。根据该构成，可极容易地算出在以第1隔膜的中心点为原点的正交坐标的X轴及Y轴上的力、转矩、加速度、角加速度。

在本发明的多轴传感器中，前述角度可为120度。根据该构成，由于在第1隔膜上形成3个作用体，所以可算出多轴的力、转矩、加速度、角加速度，故可使多轴传感器的构造进一步简单化。

在本发明的多轴传感器中，前述应变片的配置位置为：在将前述平面上的与前述作用体对应的部分的中心点与前述第1隔膜的中心点连结的线上，是前述作用体的边部；对前述平面上的与前述作用体对应的部分的中心点中的前述线的垂直线上，是前述作用体的边部；在从前述第1隔膜的中心点起隔开等角度、且距前述中心点等距离的位置上，是前述作用体的边部及前述第1隔膜的边部中的某一个。根据该构成，由于可将应变片安装在第1隔膜中应变最大的部位上，所以可提高灵敏度。又，与在一平面上设置多个第1隔膜的情况相比，可用较少的应变片算出多轴的力、转矩、加速度、角加速度。因此，可削减应变片的成本及配线的成本。

在本发明的多轴传感器中，前述应变片可为压阻元件。压阻元件与箔应变片相比应变系数大10倍以上，与利用箔应变片的情况相比灵敏度可提高10倍以上。

在本发明的多轴传感器中，前述应变片为在绝缘膜上由氧化铬薄膜形成的应变片。根据该构成，与一般的箔应变片相比应变系数大10倍以上，所以与利用一般的箔应变片的情况相比灵敏度可大10倍以上。

附图说明

图1A是描绘根据本发明的第1实施方式的多轴传感器的图，是描绘从第2部件侧沿Z轴方向透视时的应变片的配置的俯视图。

图1B是描绘根据本发明的第1实施方式的多轴传感器的图，是中央纵剖主视图。

图2是表示正交坐标轴的立体图。

图3是表示对多轴传感器施加力Fx时的位移的中央纵剖主视图。

图4是表示对多轴传感器施加力Fx时的应变片的电阻值的变化的俯视图。

图5是表示对多轴传感器施加力Fz时的位移的中央纵剖主视图。

图6是表示对多轴传感器施加力Fz时的应变片的电阻值的变化的俯视图。

图7是表示对多轴传感器施加转矩Mx时的位移的中央纵剖主视图。

图8是表示对多轴传感器施加转矩Mx时的应变片的电阻值的变化的俯视图。

图9是表示对多轴传感器施加转矩Mz时的应变片的电阻值的变化的俯视图。

图10是表示多轴传感器的电桥电路的一例的电路图。

图11是描绘根据第2实施方式的多轴传感器的中央纵剖主视图。

图12是表示根据第3实施方式的电桥电路的一例的电路图。

图13是描绘根据第4实施方式的多轴传感器的中央纵剖主视图。

图14是表示根据第4实施方式的多轴传感器的放大器电路及判断过程的框图。

图15是描绘从根据第5实施方式的多轴传感器的第2部件侧沿Z轴方向透视时的应变片的配置的俯视图。

图16是表示多轴传感器的电桥电路的一例的电路图。

图17是表示对多轴传感器施加力Fy时的位移的中央纵剖主视图。

图18是表示对多轴传感器施加力Fz时的位移的中央纵剖主视图。

图19是表示对多轴传感器施加力Fz时的应变片的电阻值的变化的俯视图。

图20是表示对多轴传感器施加转矩Mz时的应变片的电阻值的变化的俯视图。

图21是表示对多轴传感器施加转矩Mz时的位移的中央纵剖主视图。

图22是表示对多轴传感器施加转矩Mz时的应变片的电阻值的变化的俯视图。

图23是描绘根据第6实施方式的多轴传感器的中央纵剖主视图。

图24是描绘沿着Z轴的反方向透视根据第6实施方式的多轴传感器时的应变片的配置的俯视图。

图25是表示对多轴传感器施加加速度ax时的位移的中央纵剖主视图。

图26是表示对多轴传感器施加加速度a x时的应变片的电阻值的变化的俯视图。

图27是表示对多轴传感器施加加速度az时的位移的中央纵剖主视图。

图28是表示对多轴传感器施加加速度az时的应变片的电阻值的变化的俯视图。

图29是表示对多轴传感器施加角加速度αy时的位移的中央纵剖主视图。

图30是表示对多轴传感器施加角加速度αy时的应变片的电阻值的变化的俯视图。

图31是表示对多轴传感器施加角加速度αz时的应变片的电阻值的变化的俯视图。

图32是表示多轴传感器的电桥电路的一例的电路图。

图33是表示根据第7实施方式的电桥电路的一例的电路图。

图34是表示根据第8实施方式的多轴传感器的俯视图。

图35是描绘根据第8实施方式的多轴传感器的中央纵剖主视图。

图36是描绘根据第9实施方式的多轴传感器的中央纵剖主视图。

图37是描绘从根据第9实施方式的多轴传感器的第2部件侧沿Z轴方向透视时的应变片的配置的俯视图。

图38是表示对多轴传感器施加力Fx时的位移的中央纵剖主视图。

图39是表示对多轴传感器施加力Fx时的应变片的电阻值的变化的俯视图。

图40是表示对多轴传感器施加力Fz时的位移的中央纵剖主视图。

图41是表示对多轴传感器施加力Fz时的应变片的电阻值的变化的俯视图。

图42是表示对多轴传感器施加转矩Mx时的位移的中央纵剖主视图。

图43是表示对多轴传感器施加转矩Mx时的应变片的电阻值的变化的俯视图。

图44是表示对多轴传感器施加转矩Mz时的应变片的电阻值的变化的俯视图。

图45是表示多轴传感器的电桥电路的一例的电路图。

图46是表示多轴传感器的虚拟电路的一例的电路图。

图47是描绘从根据第10实施方式的多轴传感器的第2部件侧沿Z轴方向透视时的应变片的配置的俯视图。

图48是表示根据第10实施方式的电桥电路的一例的电路图。

图49是描绘以往的多轴传感器的立体图。

附图标记

1 多轴传感器

2 第1部件

3 第2部件

4、5、6、7 隔膜

8 中心轴

10 压阻元件

16、17、18、19 作用体

R11～R48、R111～R148 应变片

具体实施方式

以下，就本发明的优选的实施方式，参照附图进行说明。图1A是描绘从第2部件3侧沿Z轴方向对根据本发明的第1实施方式的多轴传感器进行透视时的应变片的配置的俯视图，图1B是多轴传感器1的中央纵剖主视图。在图1A及图1B中，多轴传感器1计测从外部施加于第1部件2与第2部件3上的多轴的力、转矩、加速度、角加速度中的任何一个。该多轴传感器1备有配置于一个平面上的多个应变片R11～R48。第1部件2与第2部件3由圆盘形状的凸缘形成。应变片R11～R48仅安装于第1部件2的表侧面2a上。

在此，为了便于说明定义XYZ三维坐标系，参照该坐标系对各部件进行配置说明。在图1B中，分别将第1部件2的表侧面2a的中心位置定义为原点O，右水平方向定义为X轴，垂直于纸面近前方向定义为Y轴，下垂直方向定义为Z轴。即，第1部件2的表面侧2a规定XY平面，Z轴穿过第1部件2的中心位置。

第1部件2及第2部件3备有分别对置的四个隔膜4、5、6、7。各隔膜4～7为薄壁状。在各隔膜4～7的中央部上设置有中心轴8。相互对向的隔膜4～7的中心轴8彼此通过螺栓9连结。由此，第1部件2与第2部件3形成一体化。又，各隔膜4～7由于备有中心轴8，所以薄壁部成为圆环形状。

第1部件2的隔膜4～7配置在以原点O为中心隔开等角度、且离原点O等距离的位置上。在此，隔开90度地配置。进而，第1部件2的隔膜4～7分别沿着X轴及Y轴上的正方向及负方向配置。又，第2部件3的隔膜4～7以与第1部件2的隔膜4～7对置的方式配置。该多轴传感器1作为用于测定三维空间的正交的3轴的力和绕其轴的转矩的6轴力觉传感器起作用。在图2中表示X轴、Y轴、Z轴的方向和相对于各轴的转矩Mx、My、Mz的方向。

第1部件2的各隔膜4～7具有8个应变片。应变片R11～R48的配置位置如图1A所示，在第1部件2的X轴与Y轴的每一个上，为隔膜4～7的薄壁部分的外边部与内边部。即，应变片R11～R48粘贴在多轴传感器1中发生最大应变的部位上。另外，应变片的引线的图示省略。

作为应变片R11～R48，使用金属箔应变片或金属丝应变片。应变片R11～R48作为一种电阻体，是粘贴在产生应变的部位上而使用的检测元件。可通过应变的产生，电阻值发生变化，从而测定应变ε。一般来说，具有下述比例特性：相对于拉伸引起的应变ε，电阻值变大，相对于压缩引起的应变ε，电阻值变小。又，通常，材料在应力σ相对于应变ε成比例的弹性域中使用。在本实施方式中也作为在第1部件2的弹性域中使用的部件。

将各隔膜4～7作成大小和厚度相同。因此，刚性相同。由此，例如图3所示，在将第1部件2、第2部件3、中心轴8作为整体以构成平行四边形的四边的方式进行位移时，由于在各隔膜4～7上与力的大小和方向相对应的应变产生在应变片R11～R48上，所以可高精度地检测力和转矩。另外，为了使应变片的安装作业简易化，实现应变片的保护，可在安装位置上设置阶差。又，也可在隔膜4～7以外的部分上形成向其他部件上安装用的螺孔。又，第1部件2和第2部件3与中心孔8彼此通过螺栓9连结，但也可不使用螺栓9，直接一体切削加工形成，也可通过焊接将中心轴8彼此接合。

接着，对沿各轴方向上检测力与转矩的原理进行说明。以下，固定第1部件2，对第2部件3施加力或转矩。

图3表示施加X轴方向的力Fx时的状态。此时，第1部件2及第2部件3的所有的隔膜4～7如图示那样进行位移，检测出应变。在图4中表示应变片R11～R48的变化。图中(+)表示电阻值的增加，(-)表示电阻值的减少。任何符号都没有的应变片电阻值几乎没有变化。

接着，在施加Y轴方向的力Fy时，考虑为将施加X轴方向的力Fx时的状态错开90度即可，所以在此省略。

在图5中表示施加Z轴方向的力Fx时的多轴传感器1的状态。在图6中表示此时的各应变片的变化。

在图7中表示施加X轴的转矩Mx时的多轴传感器1的状态。在图8中表示此时的各应变片的变化。

接着，在施加Y轴的转矩My时，考虑为将施加X轴转矩Mx时的状态错开90度即可，所以在此省略。

在施加Z轴的转矩Mz时，使第2部件3以Z轴为中心旋转。在图9中表示此时的各应变片的变化。

在表1中表示应变片R11～R48相对于上述的各力及转矩的变化。表中，+表示电阻值的增加，-表示电阻值的减少，没有符号表示电阻值几乎没有变化。又，在相反方向的力或转矩的情况下，符号相反。

[表1]

力	R11	R12	R13	R14	R15	R16	R17	R18	R21	R22	R23	R24	R25	R26	R27	R28
																	Fx	-	+	-	+					-	+	-	+
Fy					-	+	-	+					-	+	-	+
																	Fz	-	+	+	-	-	+	+	-	-	+	+	-	-	+	+	-
Mx									+	-	-	+	+	-	-	+
																	My	+	-	-	+	+	-	-	+
Mz					-	+	-	+	-	+	-	+

力	R31	R32	R33	R34	R35	R36	R37	R38	R41	R42	R43	R44	R45	R46	R47	R48
																	Fx	-	+	-	+					-	+	-	+
Fy					-	+	-	+					-	+	-	+
																	Fz	-	+	+	-	-	+	+	-	-	+	+	-	-	+	+	-
Mx									-	+	+	-	-	+	+	-
																	My	-	+	+	-	-	+	+	-
Mz					+	-	+	-	+	-	+	-

利用以上的性质，通过数式1的演算，可检测各力及转矩。

[数1]

Fx＝(R22+R42)-(R23+R43)

Fy＝(R16+R36)-(R17+R37)

Fz＝(R13+R26+R32+R47)-(R11+R28+R34+R45)

Mx＝(R25+R46)-(R27+R48)

My＝(R14+R33)-(R12+R31)

Mz＝(R18+R24+R 35+R41)-(R15+R21+R38+R44)

在该演算中由于应变片R11～R48逐次使用，所以不会造成浪费，又，适于变换成电压，用OP放大器进行演算的情况。又，对于构造上刚性增强，灵敏度降低的Fz及Mz，由于分配其余时的2倍共8个应变片，所以可提高灵敏度。另外，演算方法不用说并不限于数式1。

又，数式1的演算可使用已知或新的方法将各电阻值变换成电压，用OP放大器进行演算，或使用AD变换器并使用微型计算机或计算机进行演算。

或者，也可如图10所示构成电桥电路并外加定电压或定电流，检测力和转矩。进而，也可构成半桥，减少应变片的数目进行检测(未图示)。另外，不用说应变片的组合并不仅限于图10所示的情况。

另外，在本实施方式中，将第1部件2的各隔膜4～7配置在X轴或者Y轴上，但并不限于此。即，可变更相同构造的多轴传感器1的设置方向，使第1部件2的各隔膜4～7不位于轴上。在这种情况下，不作为6轴传感器起作用，而成为5轴传感器。又，在本实施方式中作为6轴传感器使用，但并不限于此，也可作为例如仅检测X轴和Y轴2方向的力的2轴传感器使用。

接着，关于本发明的第2实施方式，参照图11进行说明。如图11所示，第2实施方式使用压阻元件10作为应变片。利用半导体制造工艺，将1个隔膜需要的压阻元件10集成到1枚半导体Si晶片11上，并管芯焊接到隔膜上而固定。压阻元件10与箔应变片相比应变系数大10倍以上，与利用箔应变片的情况相比灵敏度可提高10倍以上。

接着，就本发明的第3实施方式，参照图12进行说明。作为多轴传感器1的构造，第3实施方式与第1实施方式一样，但是对电桥的构成进行了变形。如图12所示，各电桥由直线状地配置于各隔膜4～7上的4个应变片构成。由此，将各隔膜4～7的应变的发生状况作为8个电压直接输出。

在这种情况下，可根据数式2进行演算，算出力和转矩。

[数2]

Fx＝V4-V2

Fy＝V3-V1

Fz＝V5+V6+V7+V8

Mx＝V8-V6

My＝V7-V5

Mz＝V1+V2+V3+V4

数式2的演算可使用已知或新的方法将各电阻值变换成电压，用OP放大器进行演算，或使用AD变换器，并使用微型计算机或计算机进行演算。

接着，关于本发明的第4实施方式，参照图13及图14进行说明。第4实施方式与第1实施方式一样，在第1部件2上安装应变片R11～R48，并且如图13所示，在与重心点O’点对称的位置上将应变片R111～R148安装到第2部件3上。根据这样的机械对称性，若在多轴传感器1上施加力或转矩，则在各隔膜4～7上产生与力的种类相对应的对称的应变。即，利用下述特征：由于本发明的多轴传感器1的应变片配置在一平面上，所以可将2组应变片R11～R48、R111～R148配置在对称的位置上。

应变片R11～R48构成与图10一样的电路，输出对应于力Fx、Fy、Fz及转矩Mx、My、Mz的电压Vfx1、Vfy1、Vfz1、Vmx1、Vmy1、Vmz1。关于应变片R111～R148也构成与图10一样的电路，输出对应于力Fx、Fy、Fz及转矩Mx、My、Mz的电压Vfx2、Vfy2、Vfz2、Vmx2、Vmy2、Vmz2。预先进行电路上的设定，使得在施加某力或转矩的情况下，电压Vfx1、Vfy1、Vfz1、Vmx1、Vmy1、Vmz1的信号的增减与电压Vfx2、Vfy2、Vfz2、Vmx2、Vmy2、Vmz2的信号的增减一致。

如以上那样，在本实施方式中，示出相同力或转矩的分量的电信号独立地存在于2***中，实现传感器输出的二重化。

图14为用于将检测各力或转矩的电桥信号、即Vfx1、Vfy1、Vfz1、Vmx1、Vmy1、Vmz1、Vfx2、Vfy2、Vfz2、Vmx2、Vmy2、Vmz2增幅的放大器电路12的一例。在此，在额定载荷的范围中进行调整，使得成为电源电压的25～75％范围的电压值。进而，将该放大器的输出向微型控制器13的AD变换口14中输入。

一般来说，由于由应变片构成的电路的输出的变化为几mV那样微小，所以必须用放大器等增幅到数百倍以上。即使用高灵敏度的压阻元件10，输出灵敏度也为金属箔应变片的10倍左右。由此，若构成电桥电路的应变片因某种原因断线，则会破坏放大器输出的平衡，导致偏至电源电压的下限或者上限附近。

因此，利用传感器的输出信号被二重化，如图14所示进行以下的处理。

将放大器的电源电压的较低一方设为Vee，较高一方设为Vcc。将多轴传感器1在通常的使用范围中被认为不输出的电压的较小一方设为VL，较大的一方设为VH。Vee＜VL、VH＜Vcc，VL及VH为AD变换后的值。另外，VL及VH也可与多轴传感器1的特性相匹配地，根据每个输出决定。

在X轴方向的力Fx的情况下，用微型控制器判定是否满足VLVfx1≤VH、VL≤Vfx2≤VH(S1、S2)。若两者都在范围内(S1：是、S2：是)，则优选Vfx1的信号作为控制信号采用(S3)。

若Vfx1在范围外(S1：否)，判断为输出异常并确认Vfx2(S4)。若Vfx2在范围内(S2：是)，则代替Vfx1将Vfx2作为力Fx的信号进行处理。若Vfx2也在范围外(S2：否)，二者的输出判断为异常，进行非常停止等异常处理(S5)。

关于Fx以外的力和转矩，也进行同样处理。

根据本实施方式，通过将输出信号二重化，即使一方的输出由于应变片的断线等引起输出异常，也可利用另一方的输出继续进行多轴传感器1的利用。由此，可构筑可靠性极高的控制***。

接着，关于本发明的第5实施方式，参照图15进行说明。图15是描绘从第2部件3侧沿Z方向透视根据第5实施方式的多轴传感器1时的应变片R11～R38的配置的俯视图。在第5实施方式中，第1部件2及第2部件3备有分别对置的3个隔膜4～6。该多轴传感器1为用于测定三维空间的正交的3轴的力和绕其轴的转矩的6轴力觉传感器。

第1部件2的隔膜4～6配置在以原点O为中心隔开等角度，且距原点O等距离的位置上。在此，配置成隔开120度。又，第2部件3的隔膜4～6以与第1部件的隔膜4～6对置的方式配置。第1部件2的各隔膜4～6备有8个应变片。在第1部件2的表侧面2a上的应变片R11～R48的配置位置为在连结隔膜4～6的中心点与原点O的直线上是隔膜4～6的外边部与内边部，以及在隔膜4～6的中心点处的上述直线的垂直线上是隔膜4～6的外边部与内边部。

具体地说，应变片R11～R14配置在通过原点O从Y轴的负方向向X轴正方向呈120度的线段OC上。应变片R 31～R34配置在通过原点O从Y轴的负方向向X轴负方向呈120度的线段OD上。又，应变片R15～R18配置在与线段OC正交的方向上。应变片R35～R38配置在与线段OD正交的方向上。应变片R21～R28与第1实施方式一样。

又，作为应变片可或与第1实施方式一样使用金属箔应变片，或与第2实施方式一样使用压阻元件10。其余的构成与第1实施方式一样，所以省略说明。

根据本实施方式，说明按各轴方向检测力和转矩的原理。以下，将第1部件2固定，对第2部件3施加力或转矩。由配置成直线状的4个应变片形成的应变片群在沿配置的列方向施加拉伸和压缩的应变的情况下，相对于应变的电阻值的变化率最大，灵敏度最高。如图15所示有6个应变片群，各自灵敏度最大的方向不同。但是，若考虑将各应变片群的灵敏度分解成沿X、Y、Z轴方向的矢量，则可检测6轴分量的力和转矩。

相对于图15所示的应变片R11～R38，构成图16所示的电桥电路并施加定电压或定电流。由此，可用应变片R15～R18检测从X轴正方向向Y轴负方向呈60度方向的力的分量作为电压V1，可用应变片R25～R28检测从X轴正方向向Y轴负方向呈90度方向的力的分量作为电压V2，可用应变片R35～R38检测从X轴正方向向Y轴负方向呈300度方向的力的分量作为电压V3。又，可用R11～R14、R25～R28、R31～R34检测各隔膜4～6的中心的Z轴方向的力分别作为V4、V5、V6。

在此，若将各电桥电路的图16中的节点电压设为e1～e12，导出数式3。

[数3]

                 V1＝e1-e2

                 V2＝e3-e4

                 V3＝e5-e6

                 V4＝e7-e8

                 V5＝e9-e10

                 V2＝e11-e12

其中，关于V1、V2、V3，可分解成X轴和Y轴分量的矢量，并如数式4那样进行表示。

[数4]

       V1＝(V1X、V1Y)＝(V1/2、V1·3/2)

       V2＝(V2X、V2Y)＝(V2、0)

       V3＝(V3X、V3Y)＝(V3/2、V3·3/2)

因此，若将作用于第2部件3上的X轴方向的合力设为Fx、Y轴方向的合力设为Fy，则可如数式5那样进行检测。

[数5]

       FX＝(V1/2)+V2+(V3/2)

       FY＝(V1·3/2)+(V3·3/2)

在图17中表示沿Y轴负方向施加力Fy时的隔膜5的位移的状态。此时，应变片R25与R27产生拉伸方向的应变，电阻值变大，应变片R26与R28产生压缩方向的应变，电阻值变小。在与力Fy正交方向配置的应变片R21～R24上几乎不产生应变。

在其余的两个隔膜4、6上也产生与Y轴方向同样的位移和应变。但是，由于应变片R11～R18、R31～R38的配置方向与X轴或Y轴方向不同，所以各应变片的电阻值的变化与应变片R21～R28不同。由于应变片以沿配置的列方向灵敏度最大的方式粘贴，所以应变片R11～R18、应变片R31～R38通过各应变片群与力Fy的方向、即Y轴呈的角度决定灵敏度。

关于X轴方向的力Fx也一样。由此，X轴及Y轴方向的力可通过数式5算出。

接着，在图18中表示在施加Z轴方向的力Fz时的隔膜5的位移的状态。在图19中表示应变片R11～R38的变化。在图16所示的电桥电路中，V1、V2、V3与电阻的变化相互抵消而不发生变化。V4、V5、V6对应于Z轴方向的力Fz发生变化。因此，力Fz可通过数式6求出。

[数6]

              Fz＝V4+V5+V6

接着，在对第2部件3施加转矩Mx的情况下，施加以X轴作为中心旋转的力。因此，在各隔膜4～6上施加Z轴方向的力F2。在此，在图20中，转矩Mx起到将隔膜4、6从附图表侧向里侧按压，并将隔膜5从附图的里侧向表侧拉伸的作用。若将从原点0到隔膜4～6的中心之间的距离设为R，则从隔膜4、6的中心到X轴之间的距离为R/2，从隔膜5的中心到X轴之间的距离为R。因此，绕X轴的转矩Mx用数式7表示。

[数7]

    Mx＝(V4·R/2)-(V5·R)+(V6·R/2)

接着，在对第2部件3施加转矩My的情况下，由于从隔膜4、6的中心到Y轴之间的距离为√3R/2，所以绕Y轴的转矩My用数式8表示。

[数8]

My＝(V4·3R/2)+V5·0-(V6·3R/2)

  ＝3R/2(V4-V6)

接着，在图21中表示在施加绕Z轴右旋的转矩Mz时的隔膜4～6的位移的状态。在图22中表示应变片R11～R38的变化。应变片群R15～R18、R21～R24、R35～R38沿灵敏度最高的方向发生应变，图16的V1、V2、V3最高灵敏度地变化。

另一方面，由于应变片群R11～R14、R25～R28、R31～R34为应变片的灵敏度最小的排列方向，所以图16的V4、V5、V6几乎不变化。因此，转矩Mz用数式9表示。

[数9]

                 Mz＝V1+V2+V3

可通过利用以上示出的数式5～数式9进行演算，求出力和转矩。例如可将输出电压V1～V6进行AD变换，使用微型控制器或计算机进行演算。

在此，在将朝向多轴传感器1的力Fx、Fy、Fz和转矩Mx、My、Mz的输出电压设为Vfx、Vfy、Vfz、Vmx、Vmy、Vmz，多轴传感器1上实际施加的载荷设为Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz时，成为数式10的关系。

[数10]

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{Vfx}\\ \mathrm{Vfy}\\ \mathrm{Vfz}\\ \mathrm{Vmx}\\ \mathrm{Vmy}\\ \mathrm{Vmz}\end{array}\right]=\left[A\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{Fx}\\ \mathrm{Fy}\\ \mathrm{Fz}\\ \mathrm{Mx}\\ \mathrm{My}\\ \mathrm{Mz}\end{array}\right]$

[A]为校准行列

在此，若从左开始两边乘以[A]^-1，则成为数式11。

[数11]

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{Fx}\\ \mathrm{Fy}\\ \mathrm{Fz}\\ \mathrm{Mx}\\ \mathrm{My}\\ \mathrm{Mz}\end{array}\right]={\left[A\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}\mathrm{Vfx}\\ \mathrm{Vfy}\\ \mathrm{Vfz}\\ \mathrm{Vmx}\\ \mathrm{Vmy}\\ \mathrm{Vmz}\end{array}\right]$

由此，可从输出电压求出正确的6轴的力及转矩。

接着，关于本发明的第6实施方式，参照图23及图24进行说明。图23是根据第6实施方式的多轴传感器1的中央纵剖主视图，图24是描绘沿着与Z轴相反方向透视多轴传感器1时的应变片R11～R48的配置的俯视图。在第6实施方式中，多轴传感器1作为整体是1片圆盘形状，备有4个隔膜4～7。该多轴传感器1为用于测定三维空间的正交的3轴方向的加速度和绕其轴的角加速度的6轴传感器。又，将多轴传感器1的除隔膜4～7以外的部位，例如外边部固定到测定对象15上。

隔膜4～7与第1实施方式一样地配置。只是与第1实施方式不同，不存在对置的隔膜4～7。在各隔膜4～7的中央部上设置有承受加速度进行位移的作用体16、17、18、19。作用体16～19的一端固定于隔膜4～7上，另一端成为自由端。又，作用体16～19都为同一形状。

又，作为应变片R11～R48，可或与第1实施方式一样使用金属箔应变片，或与第2实施方式一样使用压阻元件。其余的构成与第1实施方式一样，所以省略说明。

另外，在本实施方式中，在图23中，分别将连结作用体16的重心G与作用体18的重心G的线段的中心点定义为原点O，右水平方向定义为X轴，垂直于纸面近前方向定义为Y轴，下垂直方向定义为Z轴。

根据本实施方式，对按各轴方向检测加速度和角加速度的方法进行说明。

在承受X轴方向的加速度ax的情况下，如图25所示，作用体16～19发生位移，在各隔膜4～7上产生应变。此时，应变片R11～R48如图26所示，仅沿X轴方向排列的应变片发生变化。

又，在承受Y轴方向的加速度ay的情况下，由于仅与承受X轴方向的加速度ax的情况偏离90度，所以省略说明。

接着，在承受Z轴方向的加速度az的情况下，如图27所示，作用体16～19发生位移。由此，应变片R11～R48成为如图28所示。

进而，考虑关于作用以各轴作为中心的角加速度的情况。将与作用于作用体16～19上的隔膜4～7垂直的加速度设为az1、az2、az3、az4。若作用以Y轴为旋转中心的角加速度αy，则如图29所示，在作用体16、18上作用加速度az1、az3而产生位移，在隔膜4～7上产生应变。此时的应变片R11～R48的变化在图30中表示。

接着，若作用以Z轴为旋转中心的角加速度αz，则作用体16～19在同样以Z轴为中心沿旋转方向发生位移，在隔膜4～7上产生应变。此时的应变片R11～R48的变化在图31中表示。

对应于以上的各加速度及各角加速度的应变片R11～R48的电阻值的变化在表2中表示。

[表2]

力	R11	R12	R13	R14	R15	R16	R17	R18	R21	R22	R23	R24	R25	R26	R27	R28
																	ax	-	+	-	+					-	+	-	+
ay					-	+	-	+					-	+	-	+
																	az	+	-	-	+	+	-	-	+	+	-	-	+	+	-	-	+
αx									-	+	+	-	-	+	+	-
																	αy	-	+	+	-	-	+	+	-
αz					-	+	-	+	-	+	-	+

力	R31	R32	R33	R34	R35	R36	R37	R38	R41	R42	R43	R44	R45	R46	R47	R48
																	ax	-	+	-	+					-	+	-	+
ay					-	+	-	+					-	+	-	+
																	az	+	-	-	+	+	-	-	+	+	-	-	+	+	-	-	+
αx									+	-	-	+	+	-	-	+
																	αy	+	-	-	+	+	-	-	+
αz					+	-	+	-	+	-	+	-

该多轴传感器1为4个3轴加速度传感器的集合体，但可利用以下的原理从加速度检测角加速度。首先，若在半径r的圆周上进行圆运动(旋转运动)时，将角加速度设为α，则其切向加速度a为a＝r·α，即α＝a/r。

若从多轴传感器1的中心观察，则所谓切向加速度a与作用于作用体16～19上的加速度一样。由于半径r一定，所以若求出X、Y、Z轴方向的加速度，则可求出角加速度。

通过利用这些进行数式12的演算，可检测加速度及角加速度。

[数12]

ax＝(R22+R42)-(R23+R43)

ay＝(R16+R36)-(R17+R37)

az＝(R11+R28+R34+R45)-(R13+R26+R32+R47)

αx＝(R25+R46)-(R27+R48)

αy＝(R14+R33)-(R12+R31)

αz＝(R18+R24+R35+R41)-(R15+R21+R38+R44)

又，如图32所示构成电桥电路，即使外加定电压和定电流也可检测加速度及角加速度。

在本实施方式中，可对隔膜4～7的厚度、梁的厚度或宽度、作用体16～19的大小等尺寸进行调整，而调整传感器灵敏度。又，在本实施方式中，求出角加速度，可通过对该角加速度进行积分从而求出角速度。

接着，关于本发明的第7实施方式，参照图33进行说明。第7实施方式作为多轴传感器1的构造与第6实施方式一样，但是对电桥的构成进行变形。如图33所示，各电桥由直线状地配置在各隔膜4～7上的4个应变片构成。

Vx1、Vx2是表示X轴方向的加速度的电压信号，Vy1、Vy2是表示Y轴方向的加速度的电压信号。又，Vz1～Vz4是表示Z轴方向的加速度的电压信号。若基于这些信号进行如数式13所示的演算，则可高灵敏度地检测加速度与角加速度。

[数13]

    ax＝(Vx2)-(Vx1)

    ay＝(Vy2)-(Vy1)

    az＝(Vz1)+(Vz2)+(Vz3)+(Vz4)

    αx＝(Vz2)-(Vz4)

    αy＝(Vz1)-(Vz3)

    αz＝(Vx1)+(Vx2)+(Vy1)+(Vy2)

ax、ay可使用Vx1、Vx2或Vy1、Yy2中的任何一个进行检测。不管是哪个，可通过差动提高灵敏度。

接着，关于本发明的第8实施方式，参照图34及图35进行说明。图34为第8实施方式的多轴传感器1的俯视图，图35为多轴传感器1的中央纵剖视图。该多轴传感器1与第6实施方式一样，为用于测定三维空间的正交的3轴方向的加速度与绕其轴的角加速度的6轴传感器。在该多轴传感器1中，利用半导体加工，在硅基板20上形成压阻元件10，并且利用压阻元件10形成用于检测加速度与角加速度的电桥电路。进而，在硅晶片11上接合玻璃基板，利用微细加工技术形成台座21与作用体16～19。另外，虽然应变系数根据形成压组元件10的硅晶片11的面方位而不同，可通过选择适当的面方位来将灵敏度的离散限定为最低限。

在本实施方式中，使检测元件、即压阻元件10作为连接作用体16～19与台座21的梁22起作用。又，可通过设置开口部23，使作用体16～19承受加速度的作用而容易位移，从而提高灵敏度。另外，该开口部23可以为方形，也可以为圆形，又，也不是必须要设置。

根据本实施方式，可利用半导体加工在硅基板20上同时形成传感器信号的处理电路等，可使信号处理电路与传感器的构成体紧凑地一体化。由此，由于可缩短信号处理电路与传感器的检测元件的配线，所以可不易受噪音的影响而稳定的动作，并且使多轴传感器14型化，因此，在设置方面也有利。进而，利用半导体加工和微细加工技术，可低成本高效率地进行制造，并可提高组装精度。

接着，关于本发明的第9实施方式，参照图36及图37进行说明。图36为本发明的第9实施方式的多轴传感器1的中央剖视图，图37是描绘从第2部件3侧沿Z方向透视多轴传感器1时的应变片的配置的俯视图。本实施方式的多轴传感器1与第1实施方式的多轴传感器1一样，为用于测定三维空间的正交的3轴的力和绕其轴的转矩的6轴力觉传感器。本实施方式的多轴传感器1的构成与第1实施方式的多轴传感器1主要的不同点在于：在第1实施方式中，第1部件2及第2部件3分别备有四个隔膜4、5、6、7；而在本实施方式的第1部件2及第2部件3分别备有1个隔膜4。

本实施方式的多轴传感器1具有：第1部件2、第2部件3、和作用体16～19。第1部件2与第2部件3以第1部件2的上表面与第2部件3的下表面对置的方式配置。第1部件2与第2部件3通过作用体16～19连结。

分别备于第1部件2及第2部件3上的隔膜4为具有相互相等的直径的圆形状，并且在边缘附近形成圆环状的壁厚部24。又，在第1部件2的隔膜4的上表面上，形成有圆柱形状的4个作用体16～19。作用体16沿X轴上的正方向、作用体17沿Y轴上的负方向、作用体18沿X轴上的负方向、作用体19沿Y轴上的正方向分别以距原点O等距离的方式形成。作用体16～19的上端部通过焊接而接合到与第1部件2对置的第2部件3的隔膜4的下表面上。

另外，第1部件2与作用体16～19可以为独立的部件，也可以利用切削加工将第1部件2、第2部件3、作用体16～19一体地形成。又，第2部件3与作用体16～19也可以通过螺栓连结。

如图37所示，20个应变片R11～R45配置在第1部件2的隔膜4的下表面上。在第2部件3的隔膜4的下表面，在对应于作用体16的边缘的位置上配置有应变片R11～R14。应变片R11、R12在X轴上以应变片R12比应变片R11更靠近原点O的方式配置。应变片R13、R14在与X轴和作用体16的中心轴正交的轴上配置，使得应变片R13与Y轴正方向对应，应变片R14与Y轴负方向对应。又，在隔膜4的边缘上，在与X轴对应的位置上配置有应变片R15。

同样，在第2部件3的隔膜4的下表面，在与作用体17的边缘对应的位置上配置有应变片R21～R24，在与作用体18的边缘对应的位置上配置有应变片R31～R34，在与作用体19的边缘对应的位置上配置有应变片R41～R44。又，在隔膜4的边上，在与Y轴负方向对应的部分上配置有应变片R25，在与X轴负方向对应的位置上配置有应变片R35，在与Y轴正方向对应的位置上配置有应变片R45。

另外，关于应变片R15、R25、R35、R45的配置位置并不限定于此，也可在第1部件2的隔膜4的下表面中的隔膜4的边部、或与作用体16～19的边缘对应的位置上，只要配置在以原点O为中心隔开90度、且距原点O等距离的位置上即可。

接着，对根据各分量检测力和转矩的原理进行说明。以下，固定第1部件2，对第2部件3施加力或转矩。

在图38中表示相对于第2部件3施加X轴方向的力Fx时的多轴传感器1的状态。此时，第1部件2及第2部件3的隔膜4如图示那样发生位移，检测出应变。将此时的应变片R11～R45的电阻值的变化在图39中表示。又，相对于第2部件3施加Y轴方向的力Fy时，由于可考虑为将施加X轴方向的力Fx时的状态错开90度，所以在此可以省略。又，在图40中表示相对于第2部件3施加Z轴方向的力Fz时的多轴传感器1的状态。在图41中表示相对于第2部件3施加Z轴方向的力Fz时的各应变片R11～R45的电阻值的变化。

在图42中表示相对于第2部件3施加X轴的转矩Mx时的多轴传感器1的状态。在图43中表示各应变片R11～R45的电阻值的变化。又，相对于第2部件3施加Y轴的转矩My时，由于可考虑为将施加X轴的转矩Mx时的状态错开90度，所以在此可以省略。又，相对于第2部件3施加Z轴转矩Mz时，使第2部件3以Z轴为中心旋转。在图44中表示相对于第2部件3施加Z轴的转矩Mz时的各应变片R11～R45的电阻值的变化。

在表3中表示相对于上述各力及转矩的应变片R11～R45的变化。

[表3]

力	R11	R12	R13	R14	R15	R21	R22	R23	R24	R25
											Fx	+	-			-	+	-
Fy			+	-				+	-	+
											Fz	+				-				+	-
Mx								-	-	+
											My	+	+			-
Mz			-	+		-	+

力	R31	R32	R33	R34	R35	R41	R42	R43	R44	R45
											Fx	+	-			+	+	-
Fy			+	-				+	-	-
											Fz		+			-			+		-
Mx								+	+	-
											My	-	-			+
Mz			+	-		+	-

利用以上的性质，通过数式14的演算可检测各力和转矩。另外，演算方法不用说并不限于数式14。

[数14]

    Fx＝R41-R22

    Fy＝R13-R34

    Fz＝R15+R25+R35+R45

    Mx＝(R43+R44)-(R23+R24)

    My＝(R11+R12)-(R31+R32)

    Mz＝(R14+R33)-(R21+R42)

若如图45所示那样构成电桥电路，外加定电压和定电流来检测力及转矩，则上述的演算可高效率地进行。图45表示外加定电压的情况。在此，如图45所示，检测Fx及Fy的电路为半桥，该半桥不能对根据温度变化产生的输出值的误差进行补偿。因此，进一步设置如图46所示的虚拟电路，对与该输出电压V1之间的差进行演算。由此，可消除由周围温度的变化产生的偏差和共模噪声，得到稳定的输出。另外，图46所示的应变片Rd1、Rd2如固定部8所示那样，配置于在相对于多轴传感器1施加载荷的情况下几乎不产生应变的位置上。

又，包含于检测Fz的电桥电路中的电阻Ra、Rb都为电路上的虚拟的固定电阻。电阻Ra、Rb的电阻值优选地为Ra＝(R15+R25)、Rb＝(R35+R45)。

如以上那样，在本实施方式的多轴传感器1中，在第1部件2与第2部件3上分别设置一个隔膜4。因此，与在第1部件2与第2部件3上设置多个隔膜的情况相比，可实现多轴传感器1的小型化。又，由于多轴传感器的形状简单化，所以可降低切削加工中所需要的成本。

又，在本实施方式的多轴传感器1中，与在第1部件2上设置多个隔膜的情况相比，可用较少的应变片来计测多轴的力及转矩。因此，可降低应变片的成本和配线的成本。

接着，关于本发明的第10实施方式，参照图47进行说明。图47是描绘从第2部件3侧沿Z方向透视根据第10实施方式的多轴传感器1时的应变片R11～R35的配置的俯视图。本实施方式的多轴传感器1与第1实施方式的多轴传感器1一样，为用于测定三维空间的正交的3轴的力和绕其轴的转矩的6轴力觉传感器。本实施方式的多轴传感器1的构成与第1实施方式的多轴传感器1主要的不同点在于：在第1实施方式中，第1部件2及第2部件3分别备有四个隔膜4、5、6、7；而在本实施方式的第1部件2及第2部件3分别备有1个隔膜4。

本实施方式的多轴传感器1具有：第1部件2、第2部件3、和作用体16～18。第1部件2与第2部件3以第1部件2的上表面与第2部件3的下表面对置的方式配置。第1部件2与第2部件3通过作用体16～18连结。

分别备于第1部件2及第2部件3上的隔膜4为具有相互相等的直径的圆形状，并且在边缘附近形成圆环状的壁厚部24。又，在第1部件2的隔膜4的上表面上，形成有圆柱形状的4个作用体16～18。作用体16在穿过原点O从Y轴负方向向X轴正方向呈120度的线段CO上、作用体17沿Y轴上的负方向、作用体18在穿过原点O从Y轴负方向向X轴负方向呈120度的线段DO上分别以距原点O等距离的方式形成。作用体16～18的上端部通过焊接而接合到与第1部件2对置的第2部件3的隔膜4的下表面上。

如图47所示，15个应变片R11～R35配置在第1部件2的隔膜4的下表面上。在第2部件3的隔膜4的下表面，分别在对应于作用体16的边缘的位置上配置有应变片R11～R14，在与作用体17的边缘对应的位置上配置有应变片R21～R24，在与作用体18的边缘对应的位置上配置有应变片R31～R34，在隔膜4的边部上配置有应变片R15、R25、R35。

以下，说明根据各轴方向检测力和转矩的原理。由配置成直线状的多个应变片形成的应变片群在沿配置的列方向施加拉伸和压缩的应变的情况下，相对于应变的电阻值的变化率最大，灵敏度最高。本实施方式的、由应变片R11、R12、应变片R13、R14、应变片R21、R22、应变片R23、R24、应变片R31、R32、应变片R33、R34形成的6个应变片群，各自灵敏度最大的方向不同。但是，若考虑将各应变片群的灵敏度分解成沿X、Y、Z轴方向的矢量，则可检测6轴分量的力和转矩。

相对于图47所示的应变片R11～R33，构成图48所示的电桥电路，并施加定电压或定电流。在此，包含于图48的电桥电路中的电阻Ra～Ro都是电路上的虚拟的固定电阻。另外，各电阻Ra～Ro的电阻值优选地与各应变片R11～R33的电阻值大致相等。

通过图48的电桥电路，可用应变片R11、R12检测从X轴正方向向Y轴正方向呈30度方向的力分量作为电压Va，可用应变片R13、R14检测从X轴正方向向Y轴负方向呈60度方向的力分量作为电压Vb，可用应变片R21、R22检测从X轴正方向向Y轴正方向呈180度方向的力分量作为电压Vc，可用应变片R23、R24检测从X轴正方向向Y轴正方向呈90度方向的力分量作为电压Vd，可用应变片R31、R32检测从X轴正方向向Y轴正方向呈150度方向的力分量作为电压Ve，可用应变片R33、R34检测从X轴正方向向Y轴正方向呈120度方向的力分量作为电压Vf。又，通过图48的半桥电路，可用应变片R15检测作用体16的中心的沿Z轴方向的力分量作为电压Vz1，可用应变片R25检测作用体17的中心的沿Z轴方向的力分量作为电压Vz2，可用应变片R35检测作用体18的中心的沿Z轴方向的力分量作为电压Vz3。

在此，若将来自半桥电路的输出电压Va～Vf分别分解成X轴及Y轴分量的矢量，则可如数式15那样进行表示。

[数15]

Va＝(Vax、Vax)＝(Va/2、Va·3/2)

Vb＝(Vbx、Vby)＝(Vb·3/2、-Vb/2)

Vc＝(Vcx、Vcy)＝(Vc、0)

Vd＝(Vdx、Vdy)＝(0、Vd)

Ve＝(Vex、Vey)＝(Ve/2、-Ve·3/2)

Vf＝(Vfx、Vfy)＝(Vf·3/2、Vf/2)

因此，若将作用于第2部件3上的X轴方向的合力设为Fx、Y轴方向的合力设为Fy，则可如数式16那样进行检测。

[数16]

Fx＝Vax+Vbx+Vcx+Vdx+Vex+Vfx

  ＝(Va/2)+(Vb·3/2)+Vc+(Ve/2)+(Vf·3/2)

Fy＝Vay+Vby+Vcy+Vdy+Vey+Vfy

  ＝(Va·3/2)-(Vb/2)+Vd-(Ve·3/2)+(Vf/2)

又，半桥电路的输出电压Vz1、Vz2、Vz3与Z轴方向的力Fz相对应发生变化。因此，关于力Fz，可根据数式17求出。

[数17]

                Fz＝V21+Vz2+Vz3

接着，在对第2部件3施加转矩Mx的情况下，施加以X轴为中心旋转的力。在此，转矩Mx起作用，使得从Z轴负方向将Y轴正的部分向Z轴正方向按压，并且从Z轴正方向将Y轴负的部分向Z轴负方向拉伸。又，若将从原点0到作用体16～18的中心之间的距离设为R，则从作用体16、18的每一个的中心到X轴之间的距离为R/2，从作用体17的中心到X轴之间的距离为R。因此，若考虑到作用于各作用体16～18的中心上的力的方向，则绕X轴的转矩Mx用数式18表示。

[数18]

         Mx＝(Fz1·R/2)-(Fz2·R)+(Fz3·R/2)

接着，考虑对第2部件3施加转矩My，使得从Z轴正方向将X轴正的部分向Z轴负方向按压，并且从Z轴负方向将X轴负的部分向Z轴正方向拉伸的情况。在此，从作用体16、18的中心到Y轴的距离设为√3R/2，作用体17的中心在Y轴上。因此，若考虑到作用于各作用体16～18的中心上的力的方向，则绕Y轴的转矩My用数式19表示。

[数19]

   My＝(Fz1·3R/2)+Fz2·0-(Fz3·3R/2)

     ＝3/2(Fz1-Fz3)

接着，考虑相对于第2部件3施加绕Z轴向右的转矩Mz的情况。此时，由应变片R13、R14、R21、R22、R33、R34构成的3个应变片群沿灵敏度最高的方向发生应变。因此，图48的电路的输出电压Vb、Vc、Vf最高灵敏度地变化。另一方面，由应变片R11、R12、R23、R24、R31、R32构成的3个应变片群沿应变片的灵敏度最低的方向排列。因此，图48的电路的输出电压Va、Vd、Ve几乎不发生变化。因此，若考虑到作用于各作用体16～18的中心上的力的方向，则转矩Mz用数式20表示。

[数20]

                   Mz＝-Vb+Vc-Vf

可通过利用以上示出的数式15～数式20进行演算，求出力和转矩。例如可将输出电压Va～Vf及Vz1～Vz3进行AD变换，使用微型控制器和计算机进行演算。

如以上那样，在本实施方式的多轴传感器1中，可得到与第9实施方式一样的效果。又，由于在隔膜上形成3个作用体，可算出多轴的力和转矩，所以可将多轴传感器1的构成进一步简单化。

以上，就本发明的优选的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述的实施方式，仅限于在权利要求的范围中记载的，就有多种设计变更可能。例如，在上述第1～第10实施方式中，将应变片分别粘贴在第1部件2上，但是并不限定于此，也可利用将所有的应变片粘贴在一个平面上，在每个隔膜4～7上将应变片集成到1枚基板上，并粘贴隔膜4～7。或者也可将所有的应变片集成并粘贴在1片基板上。又，也可将形成应变片和电路的导电性配线通过喷溅或蒸镀在隔膜4～7上形成薄的绝缘膜，在绝缘膜上通过喷溅或蒸镀形成的氧化铬薄膜。这样形成的应变片由于与一般的箔应变片相比应变系数大10倍以上，所以与利用一般的箔应变片的情况相比灵敏度可增大10倍以上。又，可使将应变片粘贴在隔膜4～7上的作业工序简单化，提高作业效率，使生产率显著提高，实现成本的降低。

又，在上述的第1～第10实施方式中，就检测6轴的力及转矩、或者加速度及角加速度的多轴传感器进行了说明。但是并不限于此，也可作为仅检测X轴和Y轴2方向的力的2轴传感器使用。

又，在上述的第1～第10实施方式中，隔膜每隔等角度地配置，但并不限于此。进而，对隔膜距原点O等距离的配置这点也没有限定。

又，在上述的第9及第10实施方式中，作用体每隔等角度地配置，但并不限于此。进而，对作用体距原点O等距离的配置这点也没有限定。

产业上的利用可能性

本发明作为可测定从外部作用的正交的3轴方向的力、和绕其轴旋转方向的转矩共计6个分量中的至少一个分量的方向和大小的多轴传感器是优选地。因此，在例如希望在娱乐的领域中的实用化的机器人中，若将本发明的多轴传感器组装到机器人的手和脚中，则由于高响应性高精度地检测作用于机器人的手和脚的施加力或转矩，故比以往的传感器低成本成为可能。

权利要求书

(按照条约第19条的修改)

1.一种6轴传感器，计测从外部施加的6轴的力及转矩、或6轴的加速度及角加速度，

其特征在于，备有配置在一个平面上的多个应变片。

2.如权利要求1所述的6轴传感器，其特征在于，进一步备有多个安装前述应变片的第1隔膜。

3.如权利要求2所述的6轴传感器，其特征在于，前述第1隔膜配置在以前述平面的中心点为中心隔开等角度、且距前述中心点等距离的位置上。

4.如权利要求3所述的6轴传感器，其特征在于，前述角度为90度。

5.如权利要求4所述的6轴传感器，其特征在于，前述第1隔膜分别沿着以前述中心点作为原点的X轴及Y轴上的正方向及负方向配置。

6.如权利要求3所述的6轴传感器，其特征在于，前述角度为120度。

7.如权利要求2～6任一项所述的6轴传感器，其特征在于，前述第1隔膜的薄壁部为圆环形状，且备有8个前述应变片，并且

前述应变片的配置位置在连结前述第1隔膜的中心点与前述平面的中心点的线上是前述第1隔膜的外边部与内边部，在前述第1隔膜的中心点处的前述线的垂直线上是前述第1隔膜的外边部与内边部。

8.如权利要求2～7任一项所述的6轴传感器，其特征在于，进一步备有设置在前述第1隔膜的中央部上的作用体，并且

计测作用于该6轴传感器上的6轴的加速度及角加速度。

9.如权利要求2～7任一项所述的6轴传感器，其特征在于，备有：

第1部件，具有前述第1隔膜；

第2部件，具有与前述第1隔膜对置，且不备有前述应变片的第2隔膜；

连结轴，连结对置的前述第1隔膜与前述第2隔膜；

计测作用于前述第1部件与前述第2部件之间的6轴的力及转矩。

10.如权利要求2～7任一项所述的6轴传感器，其特征在于，备有：

第1部件，具有前述第1隔膜；

第2部件，具有第2隔膜，所述第2隔膜与前述第1隔膜对置，且安装有配置在一平面上的多个前述应变片；

连结轴，连结对置的前述第1隔膜与前述第2隔膜；

计测作用于前述第1部件与前述第2部件之间的6轴的力及转矩。

11.如权利要求10所述的6轴传感器，其特征在于，前述第1部件的前述应变片与前述第2部件的前述应变片配置在以6轴传感器的重心点为中心对称的位置上。

12.如权利要求11所述的6轴传感器，其特征在于，在前述第1部件的前述应变片与前述第2部件的前述应变片的各输出中的某一个输出信号在规定的范围外时，采用另一个输出信号。

13.如权利要求2所述的6轴传感器，其特征在于，配置在前述平面上的前述第1隔膜为1个。

14.如权利要求13所述的6轴传感器，其特征在于，在以前述平面的中心点为中心隔开等角度、且距前述中心点等距离的位置上，进一步具有以与前述第1隔膜抵接的方式设置的作用体，测定作用于该6轴传感器上的6轴的加速度及角加速度。

15.如权利要求13所述的6轴传感器，其特征在于，备有：

第1部件，具有前述第1隔膜；

第2部件，具有一个不备有前述应变片的第2隔膜；

作用体，连结前述第1隔膜与前述第2隔膜；

前述第1部件与前述第2部件以前述第1部件的前述第1隔膜的中心点与前述第2部件的前述第2隔膜的中心点对置的方式配置，并且，

通过前述作用体，将以前述第1隔膜与前述第2隔膜的每个前述中心点为中心隔开等角度、且距前述中心点等距离的位置彼此连结，计测作用于前述第1部件与前述第2部件之间的6轴的力及转矩。

16.如权利要求13所述的6轴传感器，其特征在于，备有：

第1部件，具有前述第1隔膜；

第2部件，具有第2隔膜，所述第2隔膜安装有配置在一平面上的多个前述应变片；

作用体，连结前述第1隔膜与前述第2隔膜；

前述第1部件与前述第2部件以前述第1部件的前述第1隔膜的中心点与前述第2部件的前述第2隔膜的中心点对置的方式配置，并且，

通过前述作用体，将以前述第1及第2隔膜的前述中心点为中心隔开等角度、且距前述中心点等距离的位置彼此连结，计测作用于前述第1部件与前述第2部件之间的6轴的力及转矩。

17.如权利要求16所述的6轴传感器，其特征在于，前述第1部件的前述应变片与前述第2部件的前述应变片配置在以6轴传感器的重心点为中心对称的位置上。

18.如权利要求17所述的6轴传感器，其特征在于，在前述第1部件的前述应变片与前述第2部件的前述应变片的各输出中的某一个输出信号在规定的范围外时，采用另一个输出信号。

19.如权利要求14～18任一项所述的6轴传感器，其特征在于，前述角度为90度。

20.如权利要求19所述的6轴传感器，其特征在于，前述第1隔膜分别沿着以前述第1隔膜的中心点作为原点的X轴及Y轴上的正方向及负方向配置。

21.如权利要求14～18任一项所述的6轴传感器，其特征在于，前述角度为120度。

22.如权利要求14～21任一项所述的6轴传感器，其特征在于，

前述应变片的配置位置为：

在将前述平面上的与前述作用体对应的部分的中心点与前述第1隔膜的中心点连结的线上，是前述作用体的边部；

在前述平面上的与前述作用体对应的部分的中心点处的前述线的垂直线上，是前述作用体的边部；

在从前述第1隔膜的中心点起隔开等角度、且距前述中心点等距离的位置上，是为前述作用体的边部及前述第1隔膜的边部中的某一个。

23.如权利要求1～22任一项所述的6轴传感器，其特征在于，前述应变片为压阻元件。

24.如权利要求1～22任一项所述的6轴传感器，其特征在于，前述应变片为在绝缘膜上由氧化铬薄膜形成的应变片。

Claims (24)

1.一种多轴传感器，计测从外部施加的多轴的力、转矩、加速度、角加速度中的任何一个或多个，

其特征在于，备有配置在一个平面上的多个应变片。

2.如权利要求1所述的多轴传感器，其特征在于，进一步备有多个安装前述应变片的第1隔膜。

3.如权利要求2所述的多轴传感器，其特征在于，前述第1隔膜配置在以前述平面的中心点为中心隔开等角度、且距前述中心点等距离的位置上。

4.如权利要求3所述的多轴传感器，其特征在于，前述角度为90度。

5.如权利要求4所述的多轴传感器，其特征在于，前述第1隔膜分别沿着以前述中心点作为原点的X轴及Y轴上的正方向及负方向配置。

6.如权利要求3所述的多轴传感器，其特征在于，前述角度为120度。

7.如权利要求2～6任一项所述的多轴传感器，其特征在于，前述第1隔膜的薄壁部为圆环形状，且备有8个前述应变片，并且

前述应变片的配置位置在连结前述第1隔膜的中心点与前述平面的中心点的线上是前述第1隔膜的外边部与内边部，在前述第1隔膜的中心点处的前述线的垂直线上是前述第1隔膜的外边部与内边部。

8.如权利要求2～7任一项所述的多轴传感器，其特征在于，进一步备有设置在前述第1隔膜的中央部上的作用体，并且

计测作用于该多轴传感器上的多轴的加速度及角加速度。

9.如权利要求2～7任一项所述的多轴传感器，其特征在于，备有：

第1部件，具有前述第1隔膜；

第2部件，具有与前述第1隔膜对置，且不备有前述应变片的第2隔膜；

连结轴，连结对置的前述第1隔膜与前述第2隔膜；

计测作用于前述第1部件与前述第2部件之间的多轴的力及转矩。

10.如权利要求2～7任一项所述的多轴传感器，其特征在于，备有：

第1部件，具有前述第1隔膜；

第2部件，具有第2隔膜，所述第2隔膜与前述第1隔膜对置，且安装有配置在一平面上的多个前述应变片；

连结轴，连结对置的前述第1隔膜与前述第2隔膜；

计测作用于前述第1部件与前述第2部件之间的多轴的力及转矩。

11.如权利要求10所述的多轴传感器，其特征在于，前述第1部件的前述应变片与前述第2部件的前述应变片配置在以多轴传感器的重心点为中心对称的位置上。

12.如权利要求11所述的多轴传感器，其特征在于，在前述第1部件的前述应变片与前述第2部件的前述应变片的各输出中的某一个输出信号在规定的范围外时，采用另一个输出信号。

13.如权利要求2所述的多轴传感器，其特征在于，配置在前述平面上的前述第1隔膜为1个。

14.如权利要求13所述的多轴传感器，其特征在于，在以前述平面的中心点为中心隔开等角度、且距前述中心点等距离的位置上，进一步具有以与前述第1隔膜抵接的方式设置的作用体，测定作用于该多轴传感器上的多轴的加速度及角加速度。

15.如权利要求13所述的多轴传感器，其特征在于，备有：

第1部件，具有前述第1隔膜；

第2部件，具有一个不备有前述应变片的第2隔膜；

作用体，连结前述第1隔膜与前述第2隔膜；

前述第1部件与前述第2部件以前述第1部件的前述第1隔膜的中心点与前述第2部件的前述第2隔膜的中心点对置的方式配置，并且，

通过前述作用体，将以前述第1隔膜与前述第2隔膜的每个前述中心点为中心隔开等角度、且距前述中心点等距离的位置彼此连结，计测作用于前述第1部件与前述第2部件之间的多轴的力及转矩。

16.如权利要求13所述的多轴传感器，其特征在于，备有：

第1部件，具有前述第1隔膜；

第2部件，具有第2隔膜，所述第2隔膜安装有配置在一平面上的多个前述应变片；

作用体，连结前述第1隔膜与前述第2隔膜；

前述第1部件与前述第2部件以前述第1部件的前述第1隔膜的中心点与前述第2部件的前述第2隔膜的中心点对置的方式配置，并且，

通过前述作用体，将以前述第1及第2隔膜的前述中心点为中心隔开等角度、且距前述中心点等距离的位置彼此连结，计测作用于前述第1部件与前述第2部件之间的多轴的力及转矩。

17.如权利要求16所述的多轴传感器，其特征在于，前述第1部件的前述应变片与前述第2部件的前述应变片配置在以多轴传感器的重心点为中心对称的位置上。

18.如权利要求17所述的多轴传感器，其特征在于，在前述第1部件的前述应变片与前述第2部件的前述应变片的各输出中的某一个输出信号在规定的范围外时，采用另一个输出信号。

19.如权利要求14～18任一项所述的多轴传感器，其特征在于，前述角度为90度。

20.如权利要求19所述的多轴传感器，其特征在于，前述第1隔膜分别沿着以前述第1隔膜的中心点作为原点的X轴及Y轴上的正方向及负方向配置。

21.如权利要求14～18任一项所述的多轴传感器，其特征在于，前述角度为120度。

22.如权利要求14～21任一项所述的多轴传感器，其特征在于，

前述应变片的配置位置为：

在将前述平面上的与前述作用体对应的部分的中心点与前述第1隔膜的中心点连结的线上，是前述作用体的边部；

在前述平面上的与前述作用体对应的部分的中心点处的前述线的垂直线上，是前述作用体的边部；

在从前述第1隔膜的中心点起隔开等角度、且距前述中心点等距离的位置上，是为前述作用体的边部及前述第1隔膜的边部中的某一个。

23.如权利要求1～22任一项所述的多轴传感器，其特征在于，前述应变片为压阻元件。

24.如权利要求1～22任一项所述的多轴传感器，其特征在于，前述应变片为在绝缘膜上由氧化铬薄膜形成的应变片。

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