DE112018008166T5

DE112018008166T5 - Mehrachsiger tastsensor

Info

Publication number: DE112018008166T5
Application number: DE112018008166.4T
Authority: DE
Inventors: Isao Shimoyama; Akihito Nakai
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2018-11-26
Filing date: 2018-11-26
Publication date: 2021-08-26
Also published as: JPWO2020110181A1; CN113167668B; CN113167668A; JP6941901B2; WO2020110181A1; US11761837B2; JP7396731B2; JP2022191485A; JP2021183986A; US20220011184A1

Abstract

Es wird ein mehrachsiger Tastsensor zur Erfassung einer Kraft in Richtungen von drei Achsen und eines Moments um eine Achse bereitgestellt, der klein ist und eine hohe Erfassungsempfindlichkeit aufweist. Ein mehrachsiger Tastsensor 1 zur Erfassung von Kräften in Richtungen von drei Achsen und eines Moments um mindestens eine Achse umfasst mindestens vier Sensorelemente, die mindestens drei Scherkrafterfassungselemente 20 mit Balkenstrukturen umfassen, die an bestimmten Abschnitten mit einer ersten Widerstandsschicht 43 und einer zweiten Widerstandsschicht 53 versehen sind, und mindestens ein Druckkrafterfassungselement 30 mit einer Balkenstruktur, die an bestimmten Abschnitten mit einer dritten Widerstandsschicht 63 und einer vierten Widerstandsschicht 73 versehen ist, wobei die Balkenstrukturen der vier Sensorelemente auf einem Sensorsubstrat 2 so angeordnet sind, dass ihre jeweiligen Längsrichtungen radial angeordnet sind, und das Moment um mindestens eine Achse basierend auf Ausgängen von zwei oder mehr Sensorelementen erfasst wird, die an Positionen mit Rotationssymmetrie um den Mittelpunkt der radialen Anordnung der Mehrzahl der Sensorelemente herum angeordnet sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen mehrachsigen Tastsensor. Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung einen mehrachsigen Tastsensor zur Erfassung einer Kraft in Richtungen von drei Achsen und eines Moments um mindestens eine Achse.
TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND
Mehrachsige Tastsensoren sind in der herkömmlichen Technik bekannt. Das Patentdokument 1 offenbart einen Tastsensor, bei dem ein MEMS-Prozess verwendet wird, um eine Mehrzahl von Sensorelementen im Wesentlichen auf derselben Höhe wie die Oberfläche des Substrats zu bilden. Der in Patentdokument 1 beschriebene Tastsensor ist ein äußerst raffinierter Tastsensor, der in der Lage ist, eine Scherkraft mit einer dünnen Struktur zu erfassen. Das Patentdokument 1 offenbart insbesondere einen Tastsensor, der eine Kraft in einer X-Achsen-Richtung und eine Kraft in einer Y-Achsen-Richtung erfasst. Um jedoch z. B. in den Bereichen Robotik und Medizin detaillierte taktile Informationen zu erhalten, besteht ein Bedarf an Tastsensoren mit einer Mehrzahl von Erfassungsachsen, wie z. B. sechsachsige Tastsensoren zur Messung einer Kraft in Richtungen von drei Achsen und eines Moments um jede Achse. Darüber hinaus müssen solche Tastsensoren in der Regel klein sein.
Patentdokument 1: Japanisches Patent Nr. 5867688
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
Wie oben erwähnt, offenbart Patentdokument 1 insbesondere eine Konfiguration zur Erfassung einer Kraft in einer X-Achsen-Richtung und einer Y-Achsen-Richtung. Es wird auch vorgeschlagen, dass die Erfindung dahingehend konfiguriert werden kann, auch noch ein Moment zu messen, indem drei oder mehr Sensorelemente bereitgestellt und die Balken radial angeordnet werden. Patentdokument 1 beschreibt jedoch in Bezug auf einen Sensor, bei dem die Sensorelemente auf einer Oberfläche des Substrats ausgebildet sind, keine spezifische Konfiguration, um zusätzlich zu einer Kraft in der X-Achsen-Richtung und einer Kraft in der Y-Achsen-Richtung auch eine Kraft in einer Z-Achsen-Richtung und eines Moments um eine Achse zu erfassen. Um zusätzlich zu der Kraft in X-Achsen-Richtung und Y-Achsen-Richtung eine Kraft in der Z-Achsen-Richtung und ein Moment um eine Achse zu erfassen, müssen daher zusätzlich Anwendungen in Betracht gezogen werden, wie z. B. dahingehend, welche Art von Sensoren auf der Oberfläche des Substrats gebildet werden sollen, und insbesondere, in welcher Art von Layout verschiedene Arten von Sensoren angeordnet werden sollen, um eine Erfassung mit hoher Empfindlichkeit zu ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht des obigen Problems gemacht und hat die Aufgabe, einen mehrachsigen Tastsensor zur Erfassung einer Kraft in Richtungen von drei Achsen und eines Moments um mindestens eine Achse bereitzustellen, der klein ist und eine hohe Erfassungsempfindlichkeit hat.
Mittel zum Lösen der Probleme
(1) Die vorliegende Erfindung betrifft einen mehrachsigen Tastsensor zur Erfassung von Kräften in Richtungen von drei Achsen und eines Moments um mindestens eine Achse der drei Achsen, aufweisend: ein Substrat; eine Mehrzahl von Sensorelementen, die im Wesentlichen auf derselben Höhe wie eine Oberfläche des Substrats vorgesehen sind; und ein Übertragungsmaterial, das die Mehrzahl der Sensorelemente umhüllt und eine äußere Kraft auf die Mehrzahl der Sensorelemente überträgt, wobei die Mehrzahl der Sensorelemente umfasst: mindestens vier Sensorelemente, die mindestens drei Scherkrafterfassungselemente mit Balkenstrukturen umfassen, die an bestimmten Abschnitten mit Widerstandsschichten versehen sind, um eine Kraft in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Substrats zu erfassen; und mindestens ein Druckkrafterfassungselement mit einer Balkenstruktur, die an bestimmten Abschnitten mit Widerstandsschichten versehen ist, um eine Kraft in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Substrats zu erfassen, wobei die Balkenstrukturen der vier Sensorelemente auf dem Substrat so angeordnet sind, dass ihre jeweiligen Längsrichtungen radial angeordnet sind, und wobei das Moment um die mindestens eine Achse basierend auf Ausgängen von zwei oder mehr Sensorelementen erfasst wird, die an Positionen mit Rotationssymmetrie um einen Mittelpunkt der radialen Anordnung der Mehrzahl der Sensorelemente herum angeordnet sind.
(2) Der mehrachsige Tastsensor gemäß (1) kann ein mehrachsiger Tastsensor zur Erfassung von Kräften in Richtungen von drei Achsen und von Momenten um die drei Achsen sein, wobei die Mehrzahl der Sensorelemente umfasst: mindestens sechs Sensorelemente, die mindestens drei Scherkrafterfassungselemente mit Balkenstrukturen umfassen, die an bestimmten Abschnitten mit Widerstandsschichten versehen sind, um eine Kraft in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Substrats zu erfassen; und mindestens drei Druckkrafterfassungselemente mit Balkenstrukturen, die an bestimmten Abschnitten mit Widerstandsschichten versehen sind, um eine Kraft in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Substrats zu erfassen, wobei die Balkenstrukturen der sechs Sensorelemente auf dem Substrat so angeordnet sind, dass ihre jeweiligen Längsrichtungen radial angeordnet sind, und wobei ein Moment um mindestens eine Achse der Momente um die drei Achsen basierend auf Ausgängen von zwei oder mehr der Sensorelemente erfasst wird, die an Positionen mit Rotationssymmetrie um einen Mittelpunkt der radialen Anordnung der Mehrzahl der Sensorelemente herum angeordnet sind.
(3) In dem mehrachsigen Tastsensor gemäß (2) können die drei Druckkrafterfassungselemente an Positionen mit dreifacher Symmetrie um einen Mittelpunkt der radialen Anordnung herum angeordnet sein, und ein Moment um mindestens eine Achse der Momente um die drei Achsen kann basierend auf Ausgängen der drei Druckkrafterfassungselemente, die an den Positionen mit dreifacher Symmetrie angeordnet sind, erfasst werden.
(4) Der mehrachsige Tastsensor gemäß (2) kann ein mehrachsiger Tastsensor zur Erfassung von Kräften in Richtungen von drei Achsen und von Momenten um die drei Achsen sein, wobei die Mehrzahl der Sensorelemente umfasst: mindestens acht Sensorelemente, die mindestens vier Scherkrafterfassungselemente mit Balkenstrukturen umfassen, die an bestimmten Abschnitten mit Widerstandsschichten versehen sind, um eine Kraft in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Substrats zu erfassen; und mindestens vier Druckkrafterfassungselemente mit Balkenstrukturen, die an bestimmten Abschnitten mit Widerstandsschichten versehen sind, um eine Kraft in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Substrats zu erfassen, wobei die Balkenstrukturen der acht Sensorelemente auf dem Substrat so angeordnet sind, dass ihre jeweiligen Längsrichtungen radial angeordnet sind, wobei Momente um mindestens zwei Achsen der Momente um die drei Achsen basierend auf Ausgängen von vier oder mehr der Druckkrafterfassungselemente erfasst werden, die an Positionen mit Rotationssymmetrie um einen Mittelpunkt der radialen Anordnung der Mehrzahl der Sensorelemente herum angeordnet sind, und wobei die Kräfte in den Richtungen der drei Achsen jeweils basierend auf Ausgängen von zwei oder mehr der Sensorelemente erfasst werden, die an Positionen mit Rotationssymmetrie um den Mittelpunkt der radialen Anordnung der Mehrzahl der Sensorelemente herum angeordnet sind.
(5) In dem mehrachsigen Tastsensor gemäß (4) können die Momente um die drei Achsen jeweils basierend auf Ausgängen von vier der Sensorelemente erfasst werden, die an Positionen mit vierfacher Symmetrie um einen Mittelpunkt der radialen Anordnung der Mehrzahl der Sensorelemente herum angeordnet sind, und eine Kraft in einer Richtung von mindestens einer Achse der Kräfte in den Richtungen der drei Achsen kann basierend auf Ausgängen von vier der Druckkrafterfassungselemente erfasst werden, die an Positionen mit vierfacher Symmetrie um den Mittelpunkt der radialen Anordnung der Mehrzahl der Sensorelemente herum angeordnet sind.
(6) In dem mehrachsigen Tastsensor gemäß (1) bis (5) können die Balkenstrukturen der Mehrzahl der Sensorelemente jeweils durch zwei Balken gebildet sein, deren beide Enden vom Substrat getragen werden und die parallel zueinander verlaufen und parallel zum Substrat vorgesehen sind, wobei die beiden Balken gebildet sind durch einen ersten Balken, der einen ersten Erfassungsbereich mit einer ersten Widerstandsschicht aufweist, die auf einer Oberfläche gebildet ist, die sich durch Ausdehnung oder Zusammenziehen aufgrund einer äußeren Kraft verformt, und durch einen zweiten Balken, der einen zweiten Erfassungsbereich mit einer zweiten Widerstandsschicht aufweist, die auf einer Oberfläche gebildet ist, die sich durch Ausdehnung oder Zusammenziehen aufgrund einer äußeren Kraft in einer zum ersten Erfassungsbereich entgegengesetzten Weise verformt.
Auswirkungen der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen mehrachsigen Tastsensor zur Erfassung einer Kraft in Richtungen von drei Achsen und eines Moments um mindestens eine Achse bereitzustellen, der klein ist und eine hohe Erfassungsempfindlichkeit aufweist.
Figurenliste

1 ist eine Außenansicht eines mehrachsigen Tastsensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt schematisch einen Querschnitt des in 1 gezeigten mehrachsigen Tastsensors;
3 ist eine Draufsicht auf das in 2 dargestellte Sensorsubstrat;
4 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine Konfiguration eines Scherkrafterfassungselements zeigt;
5A ist eine schematische Ansicht von oben auf das Scherkrafterfassungselement von 4;
5B ist eine Querschnittsansicht, die einen Querschnitt entlang der Linie L-L in 5A zeigt;
6A zeigt einen verformten Zustand von zwei Balken, wenn eine äußere Kraft in einer X-Achsen-Richtung auf das Scherkrafterfassungselement aufgebracht wird;
6B ist eine Querschnittsansicht, die einen Querschnitt entlang der Linie L-L in 6A zeigt;
7 ist ein Schaltplan, der eine Messschaltung zeigt, die die Scherkraft basierend auf der Verformung von zwei Balken erfasst;
8 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine Konfiguration eines Druckkrafterfassungselements zeigt;
9A ist eine schematische Ansicht von oben auf das Druckkrafterfassungselement von 8;
9B ist eine Querschnittsansicht, die einen Querschnitt entlang der Linie L-L in 9A zeigt;
10 zeigt einen verformten Zustand von zwei Balken, wenn eine Druckkraft auf das Druckkrafterfassungselement aufgebracht wird;
11 ist eine Zeichnung zur Erläuterung von Dingen, die bei einem mehrachsigen Tastsensor zu beachten sind, bei dem eine Mehrzahl von Sensorelementen auf einer Oberfläche des Sensorsubstrats ausgebildet sind;
12 zeigt eine bevorzugte Beispielanordnung von Sensorelementen;
13 zeigt ein erstes modifiziertes Beispiel, das eine weitere Beispielanordnung von Sensorelementen darstellt;
14 zeigt ein zweites modifiziertes Beispiel bezüglich einer Anordnung einer Mehrzahl von Sensorelementen;
15 zeigt ein drittes modifiziertes Beispiel bezüglich einer Anordnung einer Mehrzahl von Sensorelementen;
16 zeigt ein modifiziertes Beispiel einer Balkenstruktur; und
17 zeigt ein modifiziertes Beispiel einer Balkenstruktur.

BEVORZUGTE ART UND WEISE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. 1 ist eine Außenansicht eines mehrachsigen Tastsensors 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Der mehrachsige Tastsensor 1 umfasst ein Basissubstrat 3, auf dem ein später beschriebenes Sensorsubstrat 2 (in 1 nicht gezeigt) fest montiert ist. Außerdem ist das Sensorsubstrat 2 von einem elastischen Körper 4 umhüllt. Ein äußerer Draht 5 ist mit dem Basissubstrat 3 verbunden.
2 zeigt schematisch einen Querschnitt des in 1 gezeigten mehrachsigen Tastsensors 1. Wie in 2 gezeigt, umfasst der mehrachsige Tastsensor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform das Basissubstrat 3 als erstes Substrat und das Sensorsubstrat 2 als zweites Substrat, das auf dem Basissubstrat 3 angeordnet ist. Das Basissubstrat 3 und das Sensorsubstrat 2 sind durch Drahtbonding elektrisch verbunden. Insbesondere ist durch ein Drahtbonding 16 eine Kontaktstelle 14 des Basissubstrats 3 und ein Elektrodenbereich 15 des Sensorsubstrats 2 verbunden.
Das Sensorsubstrat 2 besteht aus einem SOI-Substrat. Im Wesentlichen auf derselben Höhe wie die Oberfläche des Sensorsubstrats 2 wird eine Mehrzahl von Sensorelementen durch einen später beschriebenen MEMS-Prozess gebildet. Das Sensorsubstrat 2, auf dem die Mehrzahl der Sensorelemente ausgebildet ist, bildet einen Sensorchip des mehrachsigen Tastsensors 1.
Der elastische Körper 4 ist als Übertragungsmaterial vorgesehen, um die Mehrzahl der Sensorelemente des Sensorsubstrats 2 zu umhüllen. Der elastische Körper 4 hat die Funktion, eine äußere Kraft auf jedes Sensorelement zu übertragen. Dieser elastische Körper 4 muss lediglich in der Lage sein, sich durch das Aufbringen einer äußeren Kraft elastisch zu verformen und sich elastisch zurückzustellen, wenn die äußere Kraft entfernt wird, und es können verschiedene Arten von Materialien verwendet werden, z. B. Gummi (ein duroplastisches Elastomer), ein thermoplastisches Elastomer, Gel, usw. Ferner wird zumindest in Bezug auf den Abschnitt, der das Sensorsubstrat 2 und den Drahtbondingbereich direkt umhüllt, vorzugsweise ein Material mit isolierenden Eigenschaften verwendet. In der vorliegenden Ausführungsform wird für den elastischen Körper 4 Silikonkautschuk verwendet. Silikonkautschuk hat Materialeigenschaften wie z. B. eine geringe Permanentdruckverformung, ein vielseitiges Temperaturverhalten und isolierende Eigenschaften, die bei Anwendung auf den mehrachsigen Tastsensor 1 der vorliegenden Ausführungsform bevorzugt sind. Darüber hinaus kann an der Außenseite des elastischen Körpers 4 weiterhin eine Außenhülle aus einem anderen Material, z. B. eine harte Außenhülle aus einem harten Material, vorgesehen sein.
3 zeigt eine Draufsicht auf das in 2 gezeigte Sensorsubstrat 2. Auf der Oberfläche des Sensorsubstrats 2 sind Scherkrafterfassungselemente 20 und Druckkrafterfassungselemente 30 als eine Mehrzahl von Sensorelementen ausgebildet. In der vorliegenden Ausführungsform sind vier Scherkrafterfassungselemente 21 bis 24 als die Scherkrafterfassungselemente 20 ausgebildet. Zusätzlich sind vier Druckkrafterfassungselemente 31 bis 34 als die Druckkrafterfassungselemente 30 ausgebildet.
Die Scherkrafterfassungselemente 21 bis 24 erfassen eine Kraft in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Sensorsubstrats 2. Genauer gesagt erfassen die Scherkrafterfassungselemente 21 und 23 eine Kraft in der in 3 gezeigten X-Achsen-Richtung. Die Scherkrafterfassungselemente 22 und 24 erfassen eine Kraft in der in 3 gezeigten Y-Achsen-Richtung. Dabei ist die Richtung zur rechten Seite der Zeichnung von 3 als die positive Richtung in der X-Achse definiert, und die Richtung zur Oberseite der Zeichnung von 3 ist als die positive Richtung in der Y-Achse definiert.
Die Druckkrafterfassungselemente 31 bis 34 erfassen eine Kraft in einer Richtung orthogonal zur Oberfläche des Sensorsubstrats 2. Mit anderen Worten, die Druckkrafterfassungselemente 31 bis 34 erfassen eine Kraft in der in 3 gezeigten Z-Achsen-Richtung. Dabei ist die Richtung senkrecht zur Zeichnung von 3, also die Richtung, in der gegen die Oberfläche des Sensorsubstrats 2 gedrückt wird, als die negative Richtung definiert. Jedes Sensorelement ist aus einem piezoresistiven Sensor aufgebaut. Jedes Sensorelement hat eine Balkenstruktur, die an einem bestimmten Abschnitt eine piezoresistive Schicht enthält.
Dabei ist der mehrachsige Tastsensor 1 der vorliegenden Ausführungsform so konfiguriert, dass die Längsrichtungen der Balkenstrukturen der Mehrzahl der Sensorelemente radial angeordnet sind. Dies wird später noch genauer beschrieben.
4 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch die Konfiguration des Scherkrafterfassungselements 21 zeigt. 5A ist eine schematische Ansicht von oben auf das Scherkrafterfassungselement 21 von 4. 5B ist eine Querschnittsansicht, die einen Querschnitt entlang der Linie L-L in 5A zeigt. In 4 und 5A ist der elastische Körper 4 weggelassen, der die Ränder der Balkenstruktur und den Umfang des Sensorelements umhüllt.
Hier haben die Scherkrafterfassungselemente 21 bis 24 alle den gleichen Aufbau. Daher wird der Aufbau des Scherkrafterfassungselements 21 stellvertretend für alle beschrieben. Das Scherkrafterfassungselement 21 umfasst zwei Balken 41 und 51 als Balkenstruktur. Die beiden Balken 41 und 51 sind doppelt gelagerte Balken, deren beide Enden getragen sind, und sie sind im Wesentlichen parallel zueinander und im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des Sensorsubstrats 2 angeordnet. Der erste Balken 41 hat einen ersten Erfassungsbereich 42 als einen Bereich, der sich durch Ausdehnung oder Zusammenziehen aufgrund einer äußeren Kraft in X-Achsen-Richtung verformt, auf dem eine erste Widerstandsschicht 43 ausgebildet ist. Der zweite Balken 51 hat einen zweiten Erfassungsbereich 52 als einen Bereich, der sich durch Zusammenziehen oder Ausdehnung in entgegengesetzter Weise zur ersten Widerstandsschicht 43 aufgrund einer äußeren Kraft in der X-Achsen-Richtung verformt, auf dem eine zweite Widerstandsschicht 53 ausgebildet ist. In der vorliegenden Ausführungsform sind, wie in 4 bis 5 gezeigt, die erste Widerstandsschicht 43 und die zweite Widerstandsschicht 53 jeweils auf den einander zugewandten Oberflächen des ersten Balkens 41 und zweiten Balkens 51 vorgesehen, mit anderen Worten, auf den gegenüberliegenden Oberflächen. Es ist zu beachten, dass, da die Umgebung der Enden der beiden Balken 41 und 51 von einem Elektrodenbereich 15 als leitfähige Schicht umhüllt ist, diese Abschnitte inaktive Teile des piezoresistiven Sensors darstellen. Daher bilden in 5A die Abschnitte, die nicht durch den Elektrodenbereich 15 als leitfähige Schicht umhüllt sind, mit anderen Worten die Abschnitte der ersten Widerstandsschicht 43 und der zweiten Widerstandsschicht 53, die in 5A visuell bestätigt werden können, den ersten Erfassungsbereich 42 und zweiten Erfassungsbereich 52.
Hier wird das Funktionsprinzip des Scherkrafterfassungselements 21 beschrieben. 6A zeigt eine Ansicht, die 5A entspricht, und veranschaulicht einen verformten Zustand der beiden Balken, wenn auf das Scherkrafterfassungselement 21 eine äußere Kraft in X-Achsen-Richtung einwirkt. 6B ist eine Querschnittsansicht, die einen Querschnitt entlang der Linie L-L in 6A zeigt. 7 ist ein Schaltplan, der eine Messschaltung zeigt, die die Scherkraft basierend auf der Verformung der beiden Balken erfasst.
Wie in 5A und 5B gezeigt, behalten der erste Balken 41 und der zweite Balken 51, die die Balkenstruktur bilden, eine lineare Form bei, wenn keine äußere Kraft auf den elastischen Körper 4 des mehrachsigen Tastsensors 1 aufgebracht wird. Wird dagegen eine Kraft in X-Achsen-Richtung auf den elastischen Körper 4 aufgebracht, biegen sich der erste Balken 41 und der zweite Balken 51, die vom elastischen Körper umhüllt sind, auf eine solche Weise, dass sich die mittleren Abschnitte der Balken in X-Achsen-Richtung bewegen, wie in 6A und 6B gezeigt. Das heißt also, dass sich der erste Erfassungsbereich 42 des ersten Balkens 41 in einer Richtung verformt, die bewirkt, dass sich die Oberfläche, auf der die erste Widerstandsschicht 43 vorgesehen ist, ausdehnt. Andererseits verformt sich der zweite Erfassungsbereich 52 des zweiten Balkens 51 in einer Richtung, die bewirkt, dass sich die Oberfläche, auf der die zweite Widerstandsschicht 53 vorgesehen ist, zusammenzieht. Auf diese Weise dehnen sich der erste Erfassungsbereich 42 und der zweite Erfassungsbereich 52 als Paar aus bzw. ziehen sich zusammen.
Da der erste Balken 41, der mit dem ersten Erfassungsbereich 42 versehen ist, und der zweite Balken 51, der mit dem zweiten Erfassungsbereich 52 versehen ist, im Wesentlichen die gleichen mechanischen Eigenschaften haben, ist der Betrag der Verformung jedes Balkens relativ zu einer gegebenen äußeren Kraft im Wesentlichen identisch. Daher werden der Betrag der Änderung des Widerstandswerts der ersten Widerstandsschicht 43 des ersten Erfassungsbereichs 42 und der Betrag der Änderung des Widerstandswerts der zweiten Widerstandsschicht 53 des zweiten Erfassungsbereichs 52 zu entgegengesetzten positiven und negativen Werten mit demselben Absolutwert.
Solche Änderungen der Widerstandswerte in Abhängigkeit von einer äußeren Kraft werden von der in 7 gezeigten Brückenschaltung gemessen. Zunächst sind, wie in 5A und 5B gezeigt, in einem Zustand, in dem keine äußere Kraft auf den elastischen Körper 4 des mehrachsigen Tastsensors 1 aufgebracht wird, ein Widerstandswert R1 des ersten Erfassungsbereichs 42 des ersten Balkens 41 und ein Widerstandswert R2 des zweiten Erfassungsbereichs 52 des zweiten Balkens 51 gleich. Mit anderen Worten, dies ist ein Zustand, in dem R1=R2=R. Wenn in diesem Zustand eine Eingangsspannung Vin=V angelegt wird, ist die Ausgangsspannung Vout gleich V/2.
Umgekehrt ändern sich der Widerstandswert R1 des ersten Erfassungsbereichs 42 des ersten Balkens 41 und der Widerstandswert R2 des zweiten Erfassungsbereichs 52 des zweiten Balkens 51 um denselben Wert in den entgegengesetzten positiven und negativen Richtungen, wenn eine äußere Kraft in X-Achsen-Richtung auf den elastischen Körper 4 aufgebracht wird, wie in 6A und 6B gezeigt. Mit anderen Worten: R1=R+ΔR, und R2=R-ΔR. Folglich ändert sich die Ausgangsspannung Vout bei Anlegen der Eingangsspannung Vin=V um ΔR*V/2R im Vergleich zu dem Fall, dass keine äußere Kraft angelegt wird. Mit anderen Worten, es ergibt sich ΔV=ΔR*V/2R als Spannungsänderungsbetrag. Basierend auf diesem Spannungsänderungsbetrag ΔV ist es möglich, eine Scherkraft in X-Achsen-Richtung entsprechend dem Verformungszustand der Balkenstruktur zu erfassen.
Durch den Einsatz eines Verfahrens zur Messung von Widerstandswerten, die sich in entgegengesetzter positiver und negativer Richtung ändern, unter Verwendung der beiden Balken 41 und 51, ist es möglich, Schwankungen der Widerstandswerte aufgrund von Temperaturänderungen und Störungen durch andere Achsen effektiv auszugleichen.
Das Scherkrafterfassungselement 23 kann auch den Spannungsänderungsbetrag ΔV durch das gleiche Funktionsprinzip erhalten. Und obwohl die Scherkrafterfassungselemente 22 und 24, die die Kraft in Y-Achsen-Richtung erfassen, so angeordnet sind, dass die Längsrichtungen ihrer Balkenstrukturen senkrecht zur Y-Achsen-Richtung stehen, ist das Funktionsprinzip das gleiche wie bei den Scherkrafterfassungselementen 21 und 23, die die Kraft in der X-Achsen-Richtung erfassen.
Hierbei ist das Scherkrafterfassungselement 21 so eingestellt, dass es einen positiven Wert des Spannungsänderungsbetrags ΔV ausgibt, wenn eine Kraft in positiver X-Achsen-Richtung aufgebracht wird. Das Scherkrafterfassungselement 22 ist so eingestellt, dass es einen positiven Wert des Spannungsänderungsbetrags ΔV ausgibt, wenn eine Kraft in negativer Y-Achsen-Richtung aufgebracht wird. Das Scherkrafterfassungselement 23 ist so eingestellt, dass es einen positiven Wert des Spannungsänderungsbetrags ΔV ausgibt, wenn eine Kraft in negativer X-Achsen-Richtung aufgebracht wird. Das Scherkrafterfassungselement 24 ist so eingestellt, dass es einen positiven Wert des Spannungsänderungsbetrags ΔV ausgibt, wenn eine Kraft in positiver Y-Achsen-Richtung aufgebracht wird.
Als Nächstes werden die Druckkrafterfassungselemente 30 (31 bis 34) beschrieben. 8 ist eine perspektivische Ansicht, die die Konfiguration des Druckkrafterfassungselements 31 schematisch zeigt. 9A ist eine schematische Ansicht von oben auf das Druckkrafterfassungselement 31 von 8. 9B ist eine Querschnittsansicht, die einen Querschnitt entlang der Linie L-L in 9A zeigt. In 8 und 9A ist der elastische Körper 4 weggelassen, der die Ränder der Balkenstruktur und den Umfang des Sensorelements umhüllt.
Hierbei haben die Druckkrafterfassungselemente 31 bis 34 alle den gleichen Aufbau. Daher wird der Aufbau des Druckkrafterfassungselements 31 stellvertretend für diese beschrieben. Das Druckkrafterfassungselement 31 umfasst zwei Balken 61 und 71 als Balkenstruktur. Die beiden Balken 61 und 71 sind doppelt gelagerte Balken, deren beide Enden getragen sind, und sind im Wesentlichen parallel zueinander und im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des Sensorsubstrats 2 angeordnet. Der dritte Balken 61 hat einen dritten Erfassungsbereich 62 als einen Abschnitt, der sich durch Ausdehnung oder Zusammenziehen aufgrund einer äußeren Kraft in Z-Achsen-Richtung verformt, auf dem eine dritte Widerstandsschicht 63 gebildet ist. Der vierte Balken 71 weist einen vierten Erfassungsbereich 72 als einen Bereich auf, der sich durch Zusammenziehen oder Ausdehnung in entgegengesetzter Weise zu der dritten Widerstandsschicht 63 aufgrund einer äußeren Kraft in der Z-Achsen-Richtung verformt, auf dem eine vierte Widerstandsschicht 73 gebildet ist. In der vorliegenden Ausführungsform, wie in 8 und 9B gezeigt, sind die dritte und vierte Widerstandsschicht 63 und 73 entlang der Gesamtheit des dritten und vierten Balkens 61 und 71 vorgesehen. In einem Zwischenbereich des dritten Balkens 61 ist jedoch eine einen inaktiven Teil bildende, leitfähige Schicht 88 als leitfähige Schicht aufgezogen. Darüber hinaus ist die Umgebung der Enden des vierten Balkens 71 mit einem Elektrodenbereich 15 als leitfähige Schicht umhüllt. Daher stellen die von diesen leitfähigen Schichten umhüllten Abschnitte inaktive Teile des piezoresistiven Sensors dar. Somit ist der dritte Erfassungsbereich 62 des dritten Balkens 61 der Bereich in der Nähe der Enden des dritten Balkens 61, und der vierte Erfassungsbereich 72 des vierten Balkens 71 ist der mittlere Bereich des vierten Balkens 71. Das heißt, in 9A bilden die Abschnitte der Balken, die nicht von der den inaktiven Teil bildenden, leitfähigen Schicht 88 und dem Elektrodenbereich 15 als leitfähige Schichten umhüllt sind, mit anderen Worten die Abschnitte der Balken, in denen die dritte Widerstandsschicht 63 und die vierte Widerstandsschicht 73 in 9A visuell bestätigt werden können, den dritten Erfassungsbereich 62 und den vierten Erfassungsbereich 72.
Hier wird das Funktionsprinzip des Druckkrafterfassungselements 31 beschrieben. 10 zeigt eine Ansicht, die 9B entspricht, und veranschaulicht einen verformten Zustand der beiden Balken, wenn eine Druckkraft auf das Druckkrafterfassungselement 31 aufgebracht wird.
Wenn eine Druckkraft auf das Druckkrafterfassungselement 31 aufgebracht wird, biegen sich der dritte Balken 61 und der vierte Balken 71 so, dass sich die mittleren Abschnitte der Balken in die Druckrichtung bewegen. Dies bewirkt, dass sich der dritte Erfassungsbereich 62, der in dem Bereich in der Nähe der Enden des dritten Balkens 61 vorgesehen ist, in einer Richtung verformt, die bewirkt, dass sich die Oberfläche, auf der die dritte Widerstandsschicht 63 vorgesehen ist, ausdehnt, und dass sich der vierte Erfassungsbereich 72, der in dem mittleren Bereich des vierten Balkens 71 vorgesehen ist, in einer Richtung verformt, die bewirkt, dass sich die Oberfläche, auf der die vierte Widerstandsschicht 73 vorgesehen ist, zusammenzieht. Mit anderen Worten, der dritte Erfassungsbereich 62 und der vierte Erfassungsbereich 72 erstrecken bzw. ziehen sich als Paar zusammen.
Der Betrag der Änderung des Widerstandswerts der dritten Widerstandsschicht 63 des dritten Erfassungsbereichs 62 und der Betrag der Änderung des Widerstandswerts der vierten Widerstandsschicht 73 des vierten Erfassungsbereichs 72 sind so ausgelegt, dass sie entgegengesetzte positive und negative Werte mit demselben Absolutwert annehmen, wenn eine bestimmte äußere Kraft aufgebracht wird. Daher kann mit dem Druckkrafterfassungselement 31 genau wie mit dem Scherkrafterfassungselement 21 ein Spannungsänderungsbetrag ΔV zur Erfassung einer Druckkraft in Z-Achsen-Richtung durch Verwendung der Brückenschaltung, wie in 7 gezeigt, erhalten werden.
Hierbei sind die Druckkrafterfassungselemente 31 bis 34 so eingestellt, dass sie einen positiven Wert des Spannungsänderungsbetrags ΔV ausgeben, wenn die Kraft in positiver Z-Achsen-Richtung aufgebracht wird. Mit anderen Worten, sie sind so eingestellt, dass sie einen negativen Wert des Spannungsänderungsbetrags ΔV ausgeben, wenn die Kraft in Druckrichtung, also in negativer Z-Achsen-Richtung, aufgebracht wird.
Zurückkommend auf 3 wird nun ein Elektrodenschema des Sensorsubstrats 2 zur Konfiguration der oben erwähnten Brückenschaltung beschrieben. Wie in 3 gezeigt, ist der Elektrodenbereich 15 des Sensorsubstrats 2 in eine Mehrzahl von Bereichen unterteilt. Insbesondere sind 17 Elektrodenbereiche gebildet, die als Vbrdg, Vx1, Vx2, Vy1, Vy2, Vz1, Vz2, Vz3, Vz4, Gx1, Gx2, Gy1, Gy2, Gz1, Gz2, Gz3 und Gz4 bezeichnet sind. Um hier z. B. einen Spannungsänderungsbetrag ΔVx1 zur Erfassung der auf das Scherkrafterfassungselement 21 aufgebrachten Scherkraft in X-Achsen-Richtung zu erfassen, ist die Brückenschaltung mit Vbrdg, Vx1 und Gx1 als Elektrodenbereich für die Eingangsspannung Vin, als Elektrodenbereich für die Ausgangsspannung Vout und als Elektrodenbereich für GND konfiguriert. Analog ist für alle acht Sensorelemente die Brückenschaltung mithilfe folgender Elektrodenbereiche als Elektrodenbereich für die Eingangsspannung Vin, als Elektrodenbereich für die Ausgangsspannung Vout und als Elektrodenbereich für GND konfiguriert. Es ist zu beachten, dass Vbrdg ein gemeinsamer Elektrodenbereich für die Eingangsspannung Vin ist.

(1) Elektrodenbereiche für das Scherkrafterfassungselement 21 (zur Erfassung von ΔVx1): Vbrdg, Vx1, Gx1
(2) Elektrodenbereiche für das Scherkrafterfassungselement 22 (zur Erfassung von ΔVy1): Vbrdg, Vy1, Gy1
(3) Elektrodenbereiche für das Scherkrafterfassungselement 23 (zur Erfassung von ΔVx2): Vbrdg, Vx2, Gx2
(4) Elektrodenbereiche für das Scherkrafterfassungselement 24 (zur Erfassung von ΔVy2): Vbrdg, Vy2, Gy2
(5) Elektrodenbereiche für das Druckkrafterfassungselement 31 (zur Erfassung von ΔVz1): Vbrdg, Vz1, Gz1
(6) Elektrodenbereiche für das Druckkrafterfassungselement 32 (zur Erfassung von ΔVz2): Vbrdg, Vz2, Gz2
(7) Elektrodenbereiche für das Druckkrafterfassungselement 33 (zur Erfassung von ΔVz3): Vbrdg, Vz3, Gz3
(8) Elektrodenbereiche für das Druckkrafterfassungselement 34 (zur Erfassung von ΔVz4): Vbrdg, Vz4, Gz4

Das Sensorsubstrat 2 des mehrachsigen Tastsensors 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird durch einen bekannten MEMS-Prozess hergestellt, wie er z. B. im Patentdokument 1 beschrieben ist. Die Ausbildung der piezoresistiven Schichten und der leitfähigen Schichten (Elektrodenbereiche) sowie die Ausbildung der Balkenstrukturen erfolgt z. B. über die Durchführung von Prozessen wie Ätzen, Störstellendotierung und Schichtbildung auf einem SOI-Substrat. Dadurch wird eine Mehrzahl von Sensorelementen gebildet, die im Wesentlichen auf derselben Höhe wie die Oberfläche des Sensorsubstrats 2 liegen.
Nach der Bildung der Mehrzahl der Sensorelemente auf dem Sensorsubstrat 2 durch den MEMS-Prozess wird das Sensorsubstrat 2 auf das Basissubstrat 3 aufgelegt. Nach dem Verbinden des Sensorsubstrats 2 und des Basissubstrats 3 durch das Drahtbonding 16 wird das Sensorsubstrat 2 dann mit dem elastischen Körper 4 umhüllt. Dabei füllt der elastische Körper 4 auch Öffnungen und die Umgebung der durch den MEMS-Prozess gebildeten Balken des Sensorsubstrats 2. Es ist zu beachten, dass das Füllen der Öffnungen und der Umgebung der Balken des Sensorsubstrats 2 mit dem elastischen Körper 4 vor dem Aufsetzen des Sensorsubstrats 2 auf das Basissubstrat 3 erfolgen kann.
Die Verwendung des oben genannten MEMS-Prozesses ermöglicht es, den mehrachsigen Tastsensor 1, der in der Lage ist, eine Kraft in einer Richtung parallel zu und eine Kraft in einer Richtung orthogonal zu der Oberfläche des Sensorsubstrats 2 zu erfassen, und der ferner in der Lage ist, ein Moment um eine Achse zu erfassen, wie nachfolgend beschrieben, mit einem relativ einfachen Verfahren zu bilden.
Als Nächstes wird anhand von 11 erläutert, was in Bezug auf einen mehrachsigen Tastsensor zu beachten ist, bei dem eine Mehrzahl von Sensorelementen auf der Oberfläche des Sensorsubstrats ausgebildet werden.
Beim Aufbau eines mehrachsigen Tastsensors mit dem oben erwähnten MEMS-Prozess muss eine Mehrzahl von Sensorelementen auf einem Substrat angeordnet werden. Werden hier z. B. die Sensorelemente, die die Scherkraft in X-Achsen-Richtung und Y-Achsen-Richtung erfassen, in einem beliebigen Layout angeordnet, kommt es zu Störungen aus anderen axialen Richtungen.
Wenn z. B., wie in 11 gezeigt, eine Kraft in der durch den Pfeil A angezeigten Z-Achsen-Richtung auf einen mehrachsigen Tastsensor 101 aufgebracht wird, wird der elastische Körper 4 in Dickenrichtung zusammengedrückt. Hier ist der als elastischer Körper 4 verwendete Gummi oder Elastomer normalerweise ein nicht zusammendrückbares Material. Zum Beispiel ist Silikonkautschuk ein nicht zusammendrückbares Material mit einer Poissonzahl von etwa 0,5. Wenn der elastische Körper 4 in Dickenrichtung zusammengedrückt wird, dehnt sich der elastische Körper 4 daher in der durch den Pfeil B angegebenen Richtung aus, also in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Sensorsubstrats 102. Die durch diese Ausdehnung erzeugte radiale Scherkraft verformt die Balken, aus denen die Sensorelemente bestehen, und verursacht so Störungen aus anderen axialen Richtungen. Werden die Ausgänge mehrerer in beliebigem Layout angeordneter Scherkrafterfassungselemente, bei denen eine solche Störung aus anderen axialen Richtungen aufgetreten ist, ohne Berücksichtigung zur Berechnung des Moments um z. B. die Z-Achse kombiniert, ist der berechnete Momentenwert ungenau.
Selbst bei Hardware, bei der der Einfluss von Störungen aus anderen axialen Richtungen wie oben erwähnt groß ist, ist es möglich, einen Sensor mit einem gewissen Grad an Genauigkeit auszuliefern, indem die Störungen aus anderen axialen Richtungen bei der Auslieferphase kalibriert werden. In einem Fall, in dem der Einfluss von Störungen aus anderen axialen Richtungen im Anfangszustand groß ist und erhebliche Kalibrierungen in der Auslieferphase vorgenommen werden, kann der Betrag der Abweichung jedoch aufgrund der im Laufe der Zeit auftretenden Verschlechterung der Komponenten, aus denen der Sensor besteht, allmählich zunehmen, wodurch die Präzision abnimmt. Daher wird die Hardware vorzugsweise so konfiguriert, dass sie möglichst wenig Störungen aus anderen axialen Richtungen erzeugt.
Durch gezielte und sorgfältige Forschung realisiert die vorliegende Erfindung eine Konfiguration eines mehrachsigen Tastsensors, der klein ist und eine hohe Erfassungsempfindlichkeit hat, und in der Lage ist, eine Kraft in Richtungen von drei Achsen und ein Moment um mindestens eine Achse zu erfassen.
Genauer gesagt sind beim mehrachsigen Tastsensor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Scherkrafterfassungselemente 20 und Druckkrafterfassungselemente 30 so angeordnet, dass die Längsrichtungen der jeweiligen Balkenstrukturen der Scherkrafterfassungselemente 20 und Druckkrafterfassungselemente 30 radial angeordnet sind, und er verwendet ferner die Ausgänge der Scherkrafterfassungselemente 20 und Druckkrafterfassungselemente 30, die sich in einer bestimmten Positionsbeziehung befinden, um eine Kraft in den Richtungen der Achsen und ein Moment um die Achse zu erfassen. Da die Längsrichtungen der Balkenstrukturen radial angeordnet sind, ist das oben erwähnte Problem der Störung durch andere axiale Richtungen daher weniger wahrscheinlich, und da die Ausgänge der Scherkrafterfassungselemente 20 und Druckkrafterfassungselemente 30, die in einer bestimmten Positionsbeziehung stehen, verwendet werden, um die Kraft in den Richtungen der Achsen und das Moment um die Achse zu erfassen, ist darüber hinaus die Erfassungsempfindlichkeit hoch.
Somit ist der mehrachsige Tastsensor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, wie im bevorzugten Beispiel und im unten beschriebenen ersten bis dritten modifizierten Beispiel gezeigt, ein Sensor zur Erfassung einer Kraft in mindestens den drei Richtungen der X-Achse, Y-Achse und Z-Achse und eines Moments um mindestens eine Achse der drei Achsen, bei dem eine Mehrzahl von Sensorelementen auf der Oberfläche des Sensorsubstrats 2 ausgebildet ist. Die Mehrzahl der Sensorelemente umfasst mindestens vier Sensorelemente, darunter mindestens drei Scherkrafterfassungselemente 20 mit Balkenstrukturen, die mit Widerstandsschichten zur Erfassung einer Kraft in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Sensorsubstrats 2 versehen sind, also einer Kraft in X-Achsen-Richtung und in Y-Achsen-Richtung, und mindestens ein Druckkrafterfassungselement 30 mit einer Balkenstruktur, die mit einer Widerstandsschicht zur Erfassung einer Kraft in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Sensorsubstrats 2 versehen ist, also einer Kraft in der Z-Achsen-Richtung, wobei die jeweiligen Balkenstrukturen dieser mindestens vier Sensorelemente auf dem Sensorsubstrat 2 so angeordnet sind, dass ihre jeweiligen Längsrichtungen radial angeordnet sind. Weiterhin wird von den drei Achsen das Moment um mindestens eine Achse anhand der Ausgänge von zwei oder mehr Sensorelementen aus der Mehrzahl der Sensorelemente erfasst, wobei die zwei oder mehr Sensorelemente an Positionen mit Rotationssymmetrie um den Mittelpunkt der oben beschriebenen radialen Anordnung herum angeordnet sind. Mit dieser Anordnung lässt sich ein kleiner mehrachsiger Tastsensor realisieren, der in der Lage ist, eine Kraft in Richtungen von drei Achsen und ein Moment um mindestens eine Achse der drei Achsen zu erfassen.
12 zeigt eine bevorzugte Beispielanordnung von Sensorelementen im mehrachsigen Tastsensor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Es ist zu beachten, dass die Darstellung des Elektrodenschemas weggelassen wurde. In diesem Beispiel sind vier Scherkrafterfassungselemente 20 (21, 22, 23, 24) und vier Druckkrafterfassungselemente 30 (31, 32, 33, 34) auf dem Sensorsubstrat 2 als die Mehrzahl der Sensorelemente ausgebildet. Diese acht Sensorelemente sind so auf dem Sensorsubstrat 2 angeordnet, dass die Längsrichtungen der Balkenstrukturen der jeweiligen Sensorelemente radial angeordnet sind. Falls die Balkenstruktur jedes Sensorelements durch zwei Balken gebildet ist, wie bei den Scherkrafterfassungselementen 20 und Druckkrafterfassungselementen 30 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, sind die Sensorelemente hierbei so auf dem Sensorsubstrat 2 angeordnet, dass die Mittellinie der aus zwei Balken bestehenden Balkenstruktur, die ein Sensorelement bildet, radial angeordnet ist.
Ferner sind, wie in 12 gezeigt, die vier Scherkrafterfassungselemente 21, 22, 23 und 24 in einer rotationssymmetrischen Beziehung angeordnet. In diesem Beispiel sind die Scherkrafterfassungselemente 21, 22, 23 und 24 in vierfacher Symmetrie relativ zu der ungefähren mittleren Position des Sensorsubstrats 2 als Referenzachse angeordnet, mit anderen Worten in einem Zustand, in dem sie sich gegenseitig überlappen würden, wenn sie um 90 Grad um die Referenzachse gedreht würden. Außerdem sind die vier Druckkrafterfassungselemente 31, 32, 33 und 34 ebenfalls in einer rotationssymmetrischen Beziehung angeordnet. In diesem Beispiel sind die Druckkrafterfassungselemente 31, 32, 33 und 34 in vierfacher Symmetrie relativ zu der ungefähren mittleren Position des Sensorsubstrats 2 als Referenzachse angeordnet, mit anderen Worten in einem Zustand, in dem sie sich gegenseitig überlappen würden, wenn sie um 90 Grad um die Referenzachse gedreht würden. Genauer gesagt sind die vier Scherkrafterfassungselemente 21, 22, 23 und 24 und die vier Druckkrafterfassungselemente 31, 32, 33 und 34 abwechselnd in 45-Grad-Intervallen angeordnet.
Die Verwendung einer solchen Konfiguration ermöglicht die Erfassung einer Kraft Fx, Fy und Fz in der X-Achsen-, Y-Achsen- oder Z-Achsen-Richtung und eines Moments Mx, My und Mz um die X-Achse, Y-Achse oder Z-Achse. Insbesondere ist es möglich, die Kraft Fx in X-Achsen-Richtung basierend auf den Ausgängen der Scherkrafterfassungselemente 21 und 23, die Kraft Fy in Y-Achsen-Richtung basierend auf den Ausgängen der Scherkrafterfassungselemente 22 und 24, die Kraft Fz in Z-Achsen-Richtung basierend auf den Ausgängen der Druckkrafterfassungselemente 31, 32, 33 und 34, das Moment Mx um die X-Achse basierend auf den Ausgängen der Druckkrafterfassungselemente 31, 32, 33 und 34, das Moment My um die Y-Achse basierend auf den Ausgängen der Druckkrafterfassungselemente 31, 32, 33 und 34, und das Moment Mz um die Z-Achse basierend auf den Ausgängen der Scherkrafterfassungselemente 21, 22, 23 und 24 zu erfassen.
Genauer gesagt werden die Kräfte Fx, Fy und Fz in der X-Achsen-, Y-Achsen- und Z-Achsen-Richtung und die Momente Mx, My und Mz um die X-Achse, Y-Achse und Z-Achse basierend auf Spannungsausgängen VFx, VFy, VFz, VMx, VMy und VMz berechnet, die aus den folgenden Formeln (1) bis (6) erhalten werden. Hier ist ΔV ein Spannungsänderungsbetrag, der von der oben erwähnten Brückenschaltung erfasst wird, wenn eine äußere Kraft auf ein entsprechendes Sensorelement einwirkt. Das heißt, die Spannungsänderungsbeträge ΔVx1, ΔVy1, ΔVx2 und ΔVy2 sind jeweils die Spannungsänderungsbeträge, die von der Brückenschaltung als Ausgänge der Scherkrafterfassungselemente 21, 22, 23 und 24 erfasst werden, und die Spannungsänderungsbeträge ΔVz1, ΔVz2, ΔVz3, ΔVz4 sind jeweils die Spannungsänderungsbeträge, die von der Brückenschaltung als Ausgänge der Druckkrafterfassungselemente 31, 32, 33 und 34 erfasst werden.
$VFx = (Δ Vx1 - Δ Vx2) / 2$
$VFy = (Δ Vy1 - Δ Vy2) / 2$
$VFz = (Δ Vz1 - Δ Vz2 + Δ Vz3 + Δ Vz4) / 4$
$VMx = (Δ Vz1 + Δ Vz4 - Δ Vz2 - Δ Vz3) / 4$
$VMy = (Δ Vz3 + Δ Vz4 - Δ Vz1 - Δ Vz2) / 4$
$VMz = (Δ Vx1 + Δ Vx2 + Δ Vy1 + Δ Vy2) / 4$
Auf diese Weise werden von den drei Momenten Mx, My und Mz zumindest die beiden Momente Mx und My basierend auf den Ausgängen von vier Sensorelementen erfasst, die an Positionen mit Rotationssymmetrie (vierfacher Symmetrie) um den Mittelpunkt der radialen Anordnung der Mehrzahl der Sensorelemente herum angeordnet sind, womit das Moment mit extrem hoher Empfindlichkeit erfasst wird. Zusätzlich wird das Moment Mz auch basierend auf den Ausgängen (ΔVx1, ΔVy1, ΔVx2, ΔVy2) von vier Sensorelementen (den Scherkrafterfassungselementen 21, 22, 23, 24) erfasst, die an Positionen mit Rotationssymmetrie (vierfacher Symmetrie) um den Mittelpunkt der radialen Anordnung der Mehrzahl der Sensorelemente herum angeordnet sind, womit das Moment mit extrem hoher Empfindlichkeit erfasst wird. Alternativ kann Mz basierend auf den Ausgängen (ΔVx1 und ΔVx2, bzw. ΔVy1 und ΔVy2) von zwei Sensorelementen (einem Paar von Scherkrafterfassungselementen 21, 23 oder einem Paar von Scherkrafterfassungselementen 22, 24), die an Positionen mit Rotationssymmetrie (zweifacher Symmetrie) um den Mittelpunkt der radialen Anordnung der Mehrzahl der Sensorelemente herum angeordnet sind, erfasst werden. In diesem Fall ist die Empfindlichkeit zwar etwas geringer als bei der Erfassung basierend auf den Ausgängen von vier Sensorelementen, aber es ist immer noch möglich, ein Moment mit hoher Empfindlichkeit zu erfassen, da Sensorelemente verwendet werden, die an Positionen mit Rotationssymmetrie angeordnet sind.
Darüber hinaus werden die Kräfte Fx, Fy und Fz in Richtungen der drei Achsen jeweils basierend auf den Ausgängen von zwei oder mehr Sensorelementen erfasst, die an Positionen mit Rotationssymmetrie (zweifacher Symmetrie) um den Mittelpunkt der radialen Anordnung der Mehrzahl der Sensorelemente herum angeordnet sind, womit die Kraft in einer Richtung einer Achse mit extrem hoher Empfindlichkeit erfasst wird. Darüber hinaus durch Erfassung der Druckkraft Fz basierend auf den Ausgängen von vier Sensorelementen (den Druckkrafterfassungselementen 31, 32, 33, 34), die an Positionen mit Rotationssymmetrie (vierfacher Symmetrie) um den Mittelpunkt der radialen Anordnung der Mehrzahl der Sensorelemente herum angeordnet sind, womit die Kraft in einer Richtung einer Achse mit noch höherer Empfindlichkeit erfasst werden kann. Die oben genannten Fx, Fy, Fz, Mx, My und Mz werden jeweils mit den Spannungsausgängen VFx, VFy, VFz, VMx, VMy und VMz als Hauptkomponenten erhalten. Darüber hinaus können beim Kalibrierungsprozess die Werte von Fx, Fy, Fz, Mx, My und Mz unter Berücksichtigung von anderen Spannungsausgängen als denjenigen der Hauptkomponenten kompensiert werden.
Auf diese Weise ist es möglich, durch Anordnen der Sensorelemente in einem solchen bestimmten Layout, dass die Längsrichtungen der Balkenstrukturen der Sensorelemente radial angeordnet sind, und durch weiteres Kombinieren der Ausgänge einer Mehrzahl von Sensorelementen, die in einer rotationssymmetrischen Beziehung stehen, um den Einfluss von Störungen aus anderen axialen Richtungen zu minimieren, einen mehrachsigen Tastsensor bereitzustellen, der in der Lage ist, eine Kraft in der X-Achsen-Richtung, Y-Achsen-Richtung und Z-Achsen-Richtung und ein Moment um die X-Achse, Y-Achse und Z-Achse mit hoher Empfindlichkeit zu erfassen.
Mit anderen Worten, der mehrachsige Tastsensor 1 gemäß der in 12 gezeigten vorliegenden Ausführungsform kann eine Kraft Fx, Fy und Fz in den drei Richtungen der X-Achse, Y-Achse oder Z-Achse und ein Moment Mx, My und Mz um die drei Achsen erfassen. Die Oberfläche des Sensorsubstrats 2 ist mit mindestens acht Sensorelementen versehen, darunter mindestens vier Scherkrafterfassungselemente 21, 22, 23 und 24 und mindestens vier Druckkrafterfassungselemente 31, 32, 33 und 34, wobei die jeweiligen Balkenstrukturen der acht Sensorelemente auf dem Sensorsubstrat 2 so angeordnet sind, dass ihre Längsrichtungen radial angeordnet sind. Ferner werden von den Momenten Mx, My und Mz um die drei Achsen die Momente Mx und My um mindestens zwei Achsen basierend auf den Ausgängen von vier Druckkrafterfassungselementen 31, 32, 33 und 34 erfasst, die an Positionen mit Rotationssymmetrie um den Mittelpunkt der radialen Anordnung der Mehrzahl der Sensorelemente herum angeordnet sind. Alternativ wird jede der Kräfte Fx, Fy und Fz in Richtungen von drei Achsen basierend auf den Ausgängen von zwei oder mehr Sensorelementen erfasst, die an Positionen mit Rotationssymmetrie um den Mittelpunkt der radialen Anordnung der Mehrzahl der Sensorelemente herum angeordnet sind. Ferner kann, wie oben beschrieben, auch das Moment Mz auf der Grundlage der Ausgänge der vier Scherkrafterfassungselemente 21, 22, 23 und 24 erfasst werden, die an Positionen mit Rotationssymmetrie um den Mittelpunkt der radialen Anordnung der Mehrzahl der Sensorelemente herum angeordnet sind, so dass das Moment mit extrem hoher Empfindlichkeit erfasst wird. Ferner kann, wie oben beschrieben, die Druckkraft Fz auf der Grundlage der Ausgänge der vier Druckkrafterfassungselemente 31, 32, 33 und 34 erfasst werden, die an Positionen mit Rotationssymmetrie um den Mittelpunkt der radialen Anordnung der Mehrzahl der Sensorelemente herum angeordnet sind, so dass die Kraft in einer Richtung einer Achse mit extrem hoher Empfindlichkeit erfasst wird. Dadurch wird es möglich, einen mehrachsigen Tastsensor bereitzustellen, der klein ist und eine hohe Erfassungsempfindlichkeit hat, der in der Lage ist, eine Kraft in Richtungen von drei Achsen und ein Moment um drei Achsen zu erfassen.
<Erstes modifiziertes Beispiel>
13 zeigt ein erstes modifiziertes Beispiel, das eine weitere Beispielanordnung der Sensorelemente darstellt. Es ist zu beachten, dass die Darstellung des Elektrodenschemas weggelassen wurde. In diesem Beispiel sind drei Scherkrafterfassungselemente 21, 22 und 24 und drei Druckkrafterfassungselemente 31, 35 und 34 als eine Mehrzahl von Sensorelementen auf dem Sensorsubstrat 2 ausgebildet. Diese sechs Sensorelemente sind so auf dem Sensorsubstrat 2 angeordnet, dass die Längsrichtung der Balkenstruktur jedes Sensorelements radial angeordnet ist.
Wie in 13 gezeigt, sind die Scherkrafterfassungselemente 21, 22 und 24 in den gleichen Positionen angeordnet wie die Scherkrafterfassungselemente 21, 22 und 24 in 12. Zusätzlich sind mindestens zwei Scherkrafterfassungselemente 22 und 24 in einer rotationssymmetrischen Beziehung angeordnet. Mit anderen Worten, die Scherkrafterfassungselemente 20 sind in zweifacher Symmetrie zur ungefähren mittleren Position des Sensorsubstrats 2 als Referenzachse angeordnet, d.h. in einem Zustand, in dem sie sich bei einer Drehung um 180 Grad um die Referenzachse überlappen würden. Von den drei Druckkrafterfassungselementen sind die beiden Druckkrafterfassungselemente 31 und 34 an denselben Positionen angeordnet wie die Druckkrafterfassungselemente 31 und 34 in 12. Das Druckkrafterfassungselement 35 ist an der Position vorgesehen, an der das Scherkrafterfassungselement 23 in dem in 12 gezeigten Beispiel vorgesehen ist.
Die Verwendung dieser Konfiguration ermöglicht die Erfassung der Kräfte Fx, Fy und Fz in X-, Y- und Z-Achsen-Richtung sowie der Momente Mx, My und Mz um die X-, Y- und Z-Achse. Insbesondere ist es möglich, die Kraft Fx in X-Achsen-Richtung basierend auf dem Ausgang des Scherkrafterfassungselements 21, die Kraft Fy in Y-Achsen-Richtung basierend auf den Ausgängen der Scherkrafterfassungselemente 22 und 24, die Kraft Fz in Z-Achsen-Richtung basierend auf den Ausgängen der Druckkrafterfassungselemente 31, 35 und 34, das Moment Mx um die X-Achse basierend auf den Ausgängen der Druckkrafterfassungselemente 31, 35 und 34, das Moment My um die Y-Achse basierend auf den Ausgängen der Druckkrafterfassungselemente 31 und 34, und das Moment Mz um die Z-Achse basierend auf den Ausgängen der Scherkrafterfassungselemente 22 und 24 zu erfassen.
Es wäre festzuhalten, dass das Erfassen der Spannungsänderungsbeträge ΔV von der Brückenschaltung, die den Sensorelementen entspricht, das Erhalten der Spannungsausgänge VF und VM durch Kombinieren der Spannungsänderungsbeträge ΔV und das Erhalten der Kräfte F in den Richtungen der Achsen und der Momente M um die Achsen basierend auf den Spannungsausgängen VF und VM durch das gleiche Verfahren wie oben beschrieben erfolgt, und eine weitere Beschreibung wird daher ausgelassen. Hinsichtlich des Spannungsausgangs VMx zur Ermittlung des Moments um die X-Achse können die Widerstandswerte der Druckkrafterfassungselemente 31, 35 und 34 jeweils erfasst werden, und das Moment kann auf der Grundlage einer Kombination aus dem Durchschnittswert der Ausgänge der Druckkrafterfassungselemente 31 und 34 und dem Ausgang des Druckkrafterfassungselements 35 erfasst werden. Mit anderen Worten, das Moment Mx um die X-Achse kann basierend auf den Positionen und den Ausgängen der drei Druckkrafterfassungselemente 31, 35 und 34 erfasst werden.
Wie oben beschrieben, kann der mehrachsige Tastsensor 1 gemäß dem ersten modifizierten Beispiel eine Kraft Fx, Fy und Fz in den drei Richtungen der X-Achse, Y-Achse oder Z-Achse und ein Moment Mx, My und Mz um die drei Achsen erfassen. Die Oberfläche des Sensorsubstrats 2 ist mit mindestens sechs Sensorelementen versehen, darunter mindestens drei Scherkrafterfassungselemente 21, 22 und 24 und mindestens drei Druckkrafterfassungselemente 31, 35 und 34, wobei die jeweiligen Balkenstrukturen der sechs Sensorelemente auf dem Sensorsubstrat 2 so angeordnet sind, dass ihre Längsrichtungen radial angeordnet sind. Ferner wird von den drei Achsen das Moment Mz um mindestens eine Achse anhand der Ausgänge von zwei Sensorelementen 22 und 24 erfasst, die an Positionen mit Rotationssymmetrie um den Mittelpunkt der radialen Anordnung der Mehrzahl der Sensorelemente herum angeordnet sind. Dadurch wird es möglich, einen mehrachsigen Tastsensor bereitzustellen, der klein ist und eine hohe Erfassungsempfindlichkeit aufweist und in der Lage ist, eine Kraft in Richtungen von drei Achsen und ein Moment um drei Achsen zu erfassen. Dabei ist die Erfassungsempfindlichkeit besonders hoch in Bezug auf die Kraft Fy in Y-Achsen-Richtung und das Moment Mz um die Z-Achse, die über die Ausgänge der an Positionen mit Rotationssymmetrie angeordneten Sensorelemente erfasst werden.
Es ist zu beachten, dass die drei Druckkrafterfassungselemente 31, 35 und 34 im vorliegenden modifizierten Beispiel in einer rotationssymmetrischen Beziehung um den Mittelpunkt der radialen Anordnung und die Position des Druckkrafterfassungselements 35 herum angeordnet sein können. Beispielsweise können die Druckkrafterfassungselemente 31, 35 und 34 in dreifacher Symmetrie zur ungefähren mittleren Position des Sensorsubstrats 2 als Referenzachse angeordnet sein, d.h. in einem Zustand, in dem sie einander überlappen würden, wenn sie um 120 Grad um die Referenzachse gedreht würden. Insbesondere mit der Mitte der radialen Anordnung und der Position des Druckkrafterfassungselements 35 als Referenzposition (wobei die Position des Druckkrafterfassungselements 35 wie in 13 gezeigt beibehalten wird), ist das Druckkrafterfassungselement 31 an einer Position angeordnet, die um 120 Grad gegen den Uhrzeigersinn von der Position entfernt ist, an der das Druckkrafterfassungselement 35 angeordnet ist, und das Druckkrafterfassungselement 34 ist an einer Position angeordnet, die um 120 Grad im Uhrzeigersinn von der Position entfernt ist, an der das Druckkrafterfassungselement 35 angeordnet ist. In diesem Fall wird die Kraft Fz in Z-Achsen-Richtung auf der Grundlage der Ausgänge der drei Druckkrafterfassungselemente 31, 35 und 34 erfasst, die an Positionen mit Rotationssymmetrie um den Mittelpunkt der radialen Anordnung herum angeordnet sind. Zusätzlich wird das Moment Mx um die X-Achse basierend auf den Positionen und den Ausgängen der drei Druckkrafterfassungselemente 31, 35 und 34 erfasst, die an Positionen mit Rotationssymmetrie um den Mittelpunkt der radialen Anordnung herum angeordnet sind. So ist es durch die Anordnung der drei Druckkrafterfassungselemente 31, 35 und 34 in dreifacher Symmetrie in guter Balance relativ zum Mittelpunkt der radialen Anordnung möglich, die Kraft Fz in Z-Achsen-Richtung und das Moment Mx um die X-Achse mit hoher Empfindlichkeit zu erhalten.
<Zweites modifiziertes Beispiel>
14 zeigt ein zweites modifiziertes Beispiel bezüglich einer Anordnung der Mehrzahl der Sensorelemente. In diesem modifizierten Beispiel sind im Vergleich zu dem in 13 gezeigten ersten modifizierten Beispiel die Druckkrafterfassungselemente 31 und 34 nicht vorgesehen. Auch mit einer solchen Konfiguration ist es möglich, die Kräfte Fx, Fy und Fz in der X-Achsen-, Y-Achsen- und Z-Achsen-Richtung sowie das Moment Mz um die Z-Achse zu erfassen. Insbesondere ist es möglich, die Kraft Fx in X-Achsen-Richtung basierend auf dem Ausgang des Scherkrafterfassungselements 21, die Kraft Fy in Y-Achsen-Richtung basierend auf den Ausgängen der Scherkrafterfassungselemente 22 und 24, die Kraft Fz in Z-Achsen-Richtung basierend auf dem Ausgang des Druckkrafterfassungselements 35 und das Moment Mz um die Z-Achse basierend auf den Ausgängen der Scherkrafterfassungselemente 22 und 24 zu erfassen.
Wie oben beschrieben, kann der mehrachsige Tastsensor 1 gemäß dem zweiten modifizierten Beispiel eine Kraft Fx, Fy und Fz in den drei Richtungen der X-Achse, Y-Achse oder Z-Achse und ein Moment Mz um eine der drei Achsen erfassen. Die Oberfläche des Sensorsubstrats 2 ist mit vier Sensorelementen versehen, darunter drei Scherkrafterfassungselemente 21, 22 und 24 sowie ein Druckkrafterfassungselement 35, wobei die jeweiligen Balkenstrukturen der vier Sensorelemente so auf dem Sensorsubstrat 2 angeordnet sind, dass ihre Längsrichtungen radial angeordnet sind. Ferner wird von den drei Achsen das Moment Mz um mindestens eine Achse auf der Basis der Ausgänge von zwei Sensorelementen 22 und 24 erfasst, die an Positionen mit Rotationssymmetrie um den Mittelpunkt der radialen Anordnung der Mehrzahl der Sensorelemente herum angeordnet sind. Dadurch wird es möglich, einen mehrachsigen Tastsensor bereitzustellen, der klein ist und eine hohe Erfassungsempfindlichkeit aufweist und in der Lage ist, eine Kraft in Richtungen von drei Achsen und ein Moment um eine Achse zu erfassen. Dabei ist die Erfassungsempfindlichkeit besonders hoch in Bezug auf die Kraft Fy in Y-Achsen-Richtung und das Moment Mz um die Z-Achse, die über die Ausgänge der an Positionen mit Rotationssymmetrie angeordneten Sensorelemente erfasst werden.
<Drittes modifiziertes Beispiel>
15 zeigt ein drittes modifiziertes Beispiel bezüglich der Anordnung der Mehrzahl der Sensorelemente. In diesem modifizierten Beispiel sind, verglichen mit der in 12 gezeigten Ausführungsform, die Scherkrafterfassungselemente 21, 22, 23 und 24 sowie die Druckkrafterfassungselemente 31, 32, 33 und 34 alle an um 45 Grad gegen den Uhrzeigersinn gedrehten Positionen angeordnet. Selbst in diesem Fall ist es, obwohl die Beziehung zwischen den Richtungen des Sensorsubstrats 2 und den Richtungen der X-Achse und Y-Achse anders ist, grundsätzlich möglich, die Kräfte Fx, Fy und Fz in den Richtungen der drei Achsen und die Momente Mx, My und Mz um drei Achsen durch dasselbe Verfahren wie bei der in 12 gezeigten Ausführungsform zu erhalten.
Außerdem kann sich der elastische Körper 4 auswölben, so dass der Abschnitt der Oberfläche, der dem Mittelpunkt der oben erwähnten radialen Anordnung entspricht, konvex wird. Das heißt, der elastische Körper 4 als Übertragungsmaterial kann eine Ausbuchtung in seiner Oberfläche haben, und die höchste Position dieser Ausbuchtung und die Mitte der oben erwähnten radialen Anordnung können in einer Draufsicht auf den mehrachsigen Tastsensor 1 gesehen im Wesentlichen miteinander übereinstimmen. Folglich wird bei der ersten Berührung des elastischen Körpers 4 mit einem Gegenstand eher der konvexe Teil des elastischen Körpers 4 zuerst berührt, so dass eine Scherkraft nur in einer Richtung parallel zu den Richtungen, in denen sich die radial angeordneten Balkenstrukturen erstrecken, erzeugt wird. Daher wird, wenn z. B. nur eine Druckkraft aufgebracht wird, der Spannungsänderungsbetrag, der von den Scherkrafterfassungselementen ausgegeben wird, extrem klein sein. Daher kann die Hardware so konfiguriert werden, dass Störungen durch andere Achsen so weit wie möglich reduziert werden. In den Balkenstrukturen der vorliegenden Ausführungsform sind die ersten und zweiten Widerstandsschichten 43 und 53 auf den einander zugewandten Oberflächen des ersten Balkens 41 und des zweiten Balkens 51 ausgebildet, mit anderen Worten auf den Innenflächen, aber die ersten und zweiten Widerstandsschichten können alternativ auch auf den Außenflächen (der vom anderen Balken abgewandten Oberfläche) des ersten Balkens 41 und zweiten Balkens 51 ausgebildet sein. Alternativ kann die Balkenstruktur ein Paar von Balkenstrukturen verwenden, bei denen ein erster Erfassungsbereich 142 mit einer ersten Widerstandsschicht 143 an einem Endbereich eines ersten Balkens 141 und ein zweiter Erfassungsbereich 152 mit einer zweiten Widerstandsschicht 153 an einem Endbereich eines zweiten Balkens 151 vorgesehen ist, wie in 16 gezeigt. Auch in diesem Fall können die ersten und zweiten Widerstandsschichten 143 und 153 auf den einander zugewandten Oberflächen des ersten Balkens 141 und zweiten Balkens 151 ausgebildet sein, mit anderen Worten auf den inneren Oberflächen, wie in 16 gezeigt, oder die ersten und zweiten Widerstandsschichten können auf den äußeren Oberflächen (die vom anderen Balken abgewandte Oberfläche) des ersten Balkens 141 und zweiten Balkens 151 ausgebildet sein. Alternativ kann die Balkenstruktur eine Balkenstruktur mit einem Balken 241 verwenden, der einen Erfassungsbereich 242 aufweist, der auf beiden Seitenflächen mit Widerstandsschichten 243 und 244 versehen ist, wie in 17 gezeigt. Ferner kann die Balkenstruktur eine freitragende Balkenstruktur oder eine Balkenstruktur mit drei Balken verwenden.
Um die Kraft in einer Richtung einer Achse und das Moment um eine Achse zu erfassen, kann außerdem anstelle eines Ausgangs unter Verwendung der Brückenschaltung ein auf den Widerstandswerten der ersten Widerstandsschicht und zweiten Widerstandsschicht basierender Wert als Ausgang jedes Sensorelements verwendet werden. Es ist zu beachten, dass zusätzlich zu den in der vorliegenden Ausführungsform gezeigten Sensorelementen weitere Sensorelemente vorgesehen werden können.
Der mehrachsige Tastsensor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist die folgenden Effekte auf.
(1) Der mehrachsige Tastsensor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist ein mehrachsiger Tastsensor 1 zur Erfassung von Kräften Fx, Fy, Fz in Richtungen von drei Achsen und eines Moments um mindestens eine Achse von Momenten Mx, My, Mz um die drei Achsen, umfassend: ein Substrat 2; eine Mehrzahl von Sensorelementen, die im Wesentlichen auf derselben Höhe wie eine Oberfläche des Substrats 2 vorgesehen sind; und einen elastischen Körper 4 als Übertragungsmaterial, das die Mehrzahl der Sensorelemente umhüllt und eine äußere Kraft auf die Mehrzahl der Sensorelemente überträgt, wobei die Mehrzahl der Sensorelemente umfasst: mindestens vier Sensorelemente, die mindestens drei Scherkrafterfassungselemente 20 mit Balkenstrukturen umfassen, die an bestimmten Abschnitten mit einer ersten Widerstandsschicht 43 und einer zweiten Widerstandsschicht 53 versehen sind, um eine Kraft in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Substrats 2 zu erfassen; und mindestens ein Druckkrafterfassungselement 30 mit einer Balkenstruktur, die an bestimmten Abschnitten mit einer dritten Widerstandsschicht 63 und einer vierten Widerstandsschicht 73 versehen ist, um eine Kraft in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Substrats 2 zu erfassen, wobei die Balkenstrukturen der vier Sensorelemente auf dem Substrat 2 so angeordnet sind, dass ihre jeweiligen Längsrichtungen radial angeordnet sind, und wobei das Moment um die mindestens eine Achse basierend auf Ausgängen von zwei oder mehr Sensorelementen erfasst wird, die an Positionen mit Rotationssymmetrie um einen Mittelpunkt der radialen Anordnung der Mehrzahl der Sensorelemente herum angeordnet sind. Dadurch wird es möglich, einen mehrachsigen Tastsensor zur Erfassung einer Kraft in Richtungen von drei Achsen und eines Moments um mindestens eine Achse bereitzustellen, der klein ist und eine hohe Erfassungsempfindlichkeit aufweist.
(2) Der mehrachsige Tastsensor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist ein mehrachsiger Tastsensor zur Erfassung von Kräften Fx, Fy, Fz in Richtungen von drei Achsen und von Momenten Mx, My, Mz um die drei Achsen, wobei die Mehrzahl der Sensorelemente umfasst: mindestens sechs Sensorelemente, die mindestens drei Scherkrafterfassungselemente 20 umfassen; und mindestens drei Druckkrafterfassungselemente 30, wobei Balkenstrukturen der sechs Sensorelemente auf dem Substrat 2 so angeordnet sind, dass ihre jeweiligen Längsrichtungen radial angeordnet sind, und ein Moment um mindestens eine Achse der Momente um die drei Achsen basierend auf Ausgängen von zwei oder mehr der Sensorelemente erfasst wird, die an Positionen mit Rotationssymmetrie um einen Mittelpunkt der radialen Anordnung der Mehrzahl der Sensorelemente herum angeordnet sind. Dadurch wird es möglich, einen mehrachsigen Tastsensor zur Erfassung einer Kraft in Richtungen von drei Achsen und eines Moments um mindestens drei Achsen bereitzustellen, der klein ist und eine hohe Erfassungsempfindlichkeit aufweist.
(3) In dem mehrachsigen Tastsensor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind die drei Druckkrafterfassungselemente 31, 35, 34 an Positionen mit dreifacher Symmetrie um einen Mittelpunkt der radialen Anordnung herum angeordnet, und ein Moment um die X-Achse wird basierend auf Ausgängen der drei Druckkrafterfassungselemente 31, 35, 34, die an den Positionen mit dreifacher Symmetrie angeordnet sind, erfasst. Dadurch wird es möglich, einen mehrachsigen Tastsensor zur Erfassung einer Kraft in Richtungen von drei Achsen und eines Moments um mindestens drei Achsen bereitzustellen, der klein ist und eine hohe Erfassungsempfindlichkeit hat.
(4) Der mehrachsige Tastsensor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist ein mehrachsiger Tastsensor zur Erfassung von Kräften Fx, Fy, Fz in Richtungen von drei Achsen und von Momenten Mx, My, Mz um die drei Achsen, wobei die Mehrzahl der Sensorelemente umfasst: mindestens acht Sensorelemente, die mindestens vier Scherkrafterfassungselemente 21, 22, 23, 24 umfassen; und mindestens vier Druckkrafterfassungselemente 31, 32, 33, 34, wobei Balkenstrukturen der acht Sensorelemente auf einem Sensorsubstrat 2 so angeordnet sind, dass ihre jeweiligen Längsrichtungen radial angeordnet sind, wobei Momente um mindestens zwei Achsen der Momente um die drei Achsen basierend auf Ausgängen von vier oder mehr Druckkrafterfassungselementen 31, 32, 33, 34 erfasst werden, die an Positionen mit Rotationssymmetrie um einen Mittelpunkt der radialen Anordnung der Mehrzahl der Sensorelemente herum angeordnet sind, und wobei die Kräfte in den Richtungen der drei Achsen jeweils basierend auf Ausgängen von zwei oder mehr Sensorelementen erfasst werden, die an Positionen mit Rotationssymmetrie um den Mittelpunkt der radialen Anordnung der Mehrzahl der Sensorelemente herum angeordnet sind. Dadurch wird es möglich, einen mehrachsigen Tastsensor zur Erfassung einer Kraft in Richtungen von drei Achsen und eines Moments um mindestens drei Achsen bereitzustellen, der klein ist und eine extrem hohe Erfassungsempfindlichkeit aufweist.
(5) In dem mehrachsigen Tastsensor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden die Momente um die drei Achsen jeweils basierend auf Ausgängen von vier Sensorelementen erfasst, die an Positionen mit vierfacher Symmetrie um einen Mittelpunkt der radialen Anordnung der Mehrzahl der Sensorelemente herum angeordnet sind, und eine Kraft in einer Richtung von mindestens einer Achse der Kräfte in den Richtungen der drei Achsen wird basierend auf Ausgängen von vier Druckkrafterfassungselementen erfasst, die an Positionen mit vierfacher Symmetrie um den Mittelpunkt der radialen Anordnung der Mehrzahl der Sensorelemente herum angeordnet sind. Dadurch wird es möglich, einen mehrachsigen Tastsensor zur Erfassung einer Kraft in Richtungen von drei Achsen und eines Moments um mindestens drei Achsen bereitzustellen, der eine noch höhere Erfassungsempfindlichkeit als (4) aufweist.
(6) In dem mehrachsigen Tastsensor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind die Balkenstrukturen der Mehrzahl der Sensorelemente jeweils durch zwei Balken gebildet, deren beide Enden vom Sensorsubstrat 2 getragen sind und die parallel zueinander und parallel zum Substrat 2 vorgesehen sind, wobei die beiden Balken gebildet sind durch einen ersten Balken, der einen ersten Erfassungsbereich mit einer ersten Widerstandsschicht aufweist, die auf einer Oberfläche gebildet ist, die sich durch Ausdehnung oder Zusammenziehen aufgrund einer äußeren Kraft verformt, und einen zweiten Balken, der einen zweiten Erfassungsbereich mit einer zweiten Widerstandsschichtaufweist, die auf einer Oberfläche gebildet ist, die sich durch Ausdehnung oder Zusammenziehen aufgrund einer äußeren Kraft in einer zum ersten Erfassungsbereich entgegengesetzten Weise verformt. Dadurch wird es möglich, Schwankungen der Widerstandswerte aufgrund von Temperaturänderungen und Störungen durch andere Achsen effektiv auszugleichen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben genannten Ausführungsformen beschränkt und kann innerhalb des Umfangs, in dem die Aufgabe der vorliegenden Erfindung gelöst werden kann, in geeigneter Weise geändert und modifiziert werden.
Bezugszeichenliste

1: Mehrachsiger Tastsensor
2: Sensorsubstrat
4: Elastischer Körper
15: Elektrodenbereich
20 (21, 22, 23, 24): Scherkrafterfassungselement
30 (31, 32, 33, 34, 35): Druckkrafterfassungselement
41: Erster Balken
42: Erster Erfassungsbereich
43: Erste Widerstandsschicht
51: Zweiter Balken
52: Zweiter Erfassungsbereich
53: Zweite Widerstandsschicht
61: Dritter Balken
62: Dritter Erfassungsbereich
63: Dritte Widerstandsschicht
71: Vierter Balken
72: Vierter Erfassungsbereich
73: Vierte Widerstandsschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 5867688 [0003]

Claims

Mehrachsiger Tastsensor zur Erfassung von Kräften in Richtungen von drei Achsen und eines Moments um mindestens eine Achse der drei Achsen, aufweisend: ein Substrat; eine Mehrzahl von Sensorelementen, die im Wesentlichen auf derselben Höhe wie eine Oberfläche des Substrats vorgesehen sind; und ein Übertragungsmaterial, das die Mehrzahl der Sensorelemente umhüllt und eine äußere Kraft auf die Mehrzahl der Sensorelemente überträgt, wobei die Mehrzahl der Sensorelemente umfasst: mindestens vier Sensorelemente, die mindestens drei Scherkrafterfassungselemente mit Balkenstrukturen umfassen, die an bestimmten Abschnitten mit Widerstandsschichten versehen sind, um eine Kraft in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Substrats zu erfassen; und mindestens ein Druckkrafterfassungselement mit einer Balkenstruktur, die an bestimmten Abschnitten mit Widerstandsschichten versehen ist, um eine Kraft in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Substrats zu erfassen, wobei die Balkenstrukturen der vier Sensorelemente auf dem Substrat so angeordnet sind, dass ihre jeweiligen Längsrichtungen radial angeordnet sind, und wobei das Moment um die mindestens eine Achse basierend auf Ausgängen von zwei oder mehr Sensorelementen erfasst wird, die an Positionen mit Rotationssymmetrie um einen Mittelpunkt der radialen Anordnung der Mehrzahl der Sensorelemente herum angeordnet sind.
Mehrachsiger Tastsensor nach Anspruch 1, wobei der mehrachsige Tastsensor ein mehrachsiger Tastsensor zur Erfassung von Kräften in Richtungen von drei Achsen und von Momenten um die drei Achsen ist, wobei die Mehrzahl der Sensorelemente umfasst: mindestens sechs Sensorelemente, die mindestens drei Scherkrafterfassungselemente mit Balkenstrukturen umfassen, die an bestimmten Abschnitten mit Widerstandsschichten versehen sind, um eine Kraft in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Substrats zu erfassen; und mindestens drei Druckkrafterfassungselemente mit Balkenstrukturen, die an bestimmten Abschnitten mit Widerstandsschichten versehen sind, um eine Kraft in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Substrats zu erfassen, wobei die Balkenstrukturen der sechs Sensorelemente auf dem Substrat so angeordnet sind, dass ihre jeweiligen Längsrichtungen radial angeordnet sind, und wobei ein Moment um mindestens eine Achse der Momente um die drei Achsen basierend auf Ausgängen von zwei oder mehr der Sensorelemente erfasst wird, die an Positionen mit Rotationssymmetrie um einen Mittelpunkt der radialen Anordnung der Mehrzahl der Sensorelemente herum angeordnet sind.
Mehrachsiger Tastsensor nach Anspruch 2, wobei die drei Druckkrafterfassungselemente an Positionen mit dreifacher Symmetrie um einen Mittelpunkt der radialen Anordnung herum angeordnet sind, wobei ein Moment um mindestens eine Achse der Momente um die drei Achsen basierend auf Ausgängen der drei Druckkrafterfassungselemente, die an den Positionen mit dreifacher Symmetrie angeordnet sind, erfasst wird.
Mehrachsiger Tastsensor nach Anspruch 2, wobei der mehrachsige Tastsensor ein mehrachsiger Tastsensor zur Erfassung von Kräften in Richtungen von drei Achsen und von Momenten um die drei Achsen ist, wobei die Mehrzahl der Sensorelemente umfasst: mindestens acht Sensorelemente, die mindestens vier Scherkrafterfassungselemente mit Balkenstrukturen umfassen, die an bestimmten Abschnitten mit Widerstandsschichten versehen sind, um eine Kraft in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Substrats zu erfassen; und mindestens vier Druckkrafterfassungselemente mit Balkenstrukturen, die an bestimmten Abschnitten mit Widerstandsschichten versehen sind, um eine Kraft in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Substrats zu erfassen, wobei die Balkenstrukturen der acht Sensorelemente auf dem Substrat so angeordnet sind, dass ihre jeweiligen Längsrichtungen radial angeordnet sind, wobei Momente um mindestens zwei Achsen der Momente um die drei Achsen basierend auf Ausgängen von vier oder mehr der Druckkrafterfassungselemente erfasst werden, die an Positionen mit Rotationssymmetrie um einen Mittelpunkt der radialen Anordnung der Mehrzahl der Sensorelemente herum angeordnet sind, und wobei die Kräfte in den Richtungen der drei Achsen jeweils basierend auf Ausgängen von zwei oder mehr der Sensorelemente erfasst werden, die an Positionen mit Rotationssymmetrie um den Mittelpunkt der radialen Anordnung der Mehrzahl der Sensorelemente herum angeordnet sind.
Mehrachsiger Tastsensor nach Anspruch 4, wobei die Momente um die drei Achsen jeweils basierend auf Ausgängen von vier der Sensorelemente erfasst werden, die an Positionen mit vierfacher Symmetrie um einen Mittelpunkt der radialen Anordnung der Mehrzahl der Sensorelemente herum angeordnet sind, und eine Kraft in einer Richtung von mindestens einer Achse der Kräfte in den Richtungen der drei Achsen basierend auf Ausgängen von vier der Druckkrafterfassungselemente erfasst wird, die an Positionen mit vierfacher Symmetrie um den Mittelpunkt der radialen Anordnung der Mehrzahl der Sensorelemente herum angeordnet sind.
Mehrachsiger Tastsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Balkenstrukturen der Mehrzahl der Sensorelemente jeweils durch zwei Balken gebildet sind, deren beide Enden vom Substrat getragen sind und die parallel zueinander verlaufen und parallel zum Substrat vorgesehen sind, wobei die beiden Balken gebildet sind durch einen ersten Balken, der einen ersten Erfassungsbereich mit einer ersten Widerstandsschicht aufweist, die auf einer Oberfläche gebildet ist, die sich durch Ausdehnung oder Zusammenziehen aufgrund einer äußeren Kraft verformt, und durch einen zweiten Balken, der einen zweiten Erfassungsbereich mit einer zweiten Widerstandsschicht aufweist, die auf einer Oberfläche gebildet ist, die sich durch Ausdehnung oder Zusammenziehen aufgrund einer äußeren Kraft in einer zum ersten Erfassungsbereich entgegengesetzten Weise verformt.