JP2708778B2 - Force detection position displacement device - Google Patents
Force detection position displacement deviceInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、例えばロボツト用力覚センサ、マンマシン
インターフエイスとしての三次元入力装置、三次元荷重
測定装置等に利用される力検出位置変位装置に関する。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a force detecting position displacement device used for a force sensor for a robot, a three-dimensional input device as a man-machine interface, a three-dimensional load measuring device, and the like.
従来の技術 従来、アクチユエータ等を用いて微細な位置決め制御
を行つているものとして、特開昭63−66614号公報に開
示されているものがある。まず、その第一の従来例とし
て、微小回転変位を行う微細位置決め装置がある。すな
わち、第13図に示すように、アクチユエータとしてのバ
イモルフ形圧電素子１は、その一端が中央固定部２の縦
溝３に固定され、他端は固定されず自由端となつており
周囲のリング状のステージ４に取付けられたＵ字形状金
具５に接触している。そして、今、各バイモルフ形圧電
素子１に電圧を印加すると、それらはステージ４の円周
方向に沿つて変位する。それらバイモルフ形圧電素子１
の変形により自由端と接するＵ字形金具５を介して、ス
テージ４は矢印方向に回動変位する。そこで、このステ
ージ４上部に図示しないテーブルを載置固定しておけ
ば、このテーブルを微動させることができる。2. Description of the Related Art Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-66614 discloses a technique for performing fine positioning control using an actuator or the like. First, as a first conventional example, there is a fine positioning device that performs a small rotational displacement. That is, as shown in FIG. 13, a bimorph type piezoelectric element 1 as an actuator has one end fixed to the vertical groove 3 of the center fixing portion 2 and the other end free and not fixed. The stage 4 is in contact with a U-shaped fitting 5 attached to the stage 4. When a voltage is applied to each of the bimorph piezoelectric elements 1, they are displaced along the circumferential direction of the stage 4. These bimorph piezoelectric elements 1
The stage 4 is rotationally displaced in the direction of the arrow via the U-shaped metal fitting 5 which contacts the free end due to the deformation of Therefore, if a table (not shown) is mounted and fixed above the stage 4, the table can be finely moved.
次に、その第二の従来例として、放射たわみ梁変位機
構を有する微細位置決め装置がある。すなわち、第14図
に示すように、放射たわみ梁変位機構６は、X,Y軸方向
に沿つて下方の剛体部（支持板）７と上方の剛体部８と
の間に挟まれた位置に設けられており、また、これら上
下の剛体部7,8のそれぞれの突起部9,10の間に挾まれた
位置には、第15図（ａ）に示すようなアクチユエータと
しての圧電アクチユエータ11が設けられている。そこ
で、今、このような圧電アクチユエータ11に電圧を印加
すると、第15図（ｂ）に示すように、放射たわみ梁12が
たわみ、微少角度δだけ回転変位する。これにより、放
射たわみ梁変位機構６がX,Y軸まわりにそれぞれ回転変
位することになるので、これに連れて上側の剛体部８に
載置固定されたテーブル13を微動させることができる。Next, as a second conventional example, there is a fine positioning device having a radial deflection beam displacement mechanism. That is, as shown in FIG. 14, the radial bending beam displacement mechanism 6 is located at a position sandwiched between the lower rigid part (support plate) 7 and the upper rigid part 8 along the X, Y axis directions. A piezoelectric actuator 11 as an actuator as shown in FIG. 15 (a) is provided at a position sandwiched between the projections 9 and 10 of the upper and lower rigid portions 7 and 8 respectively. Is provided. Therefore, when a voltage is applied to such a piezoelectric actuator 11, as shown in FIG. 15 (b), the radiation bending beam 12 bends and is rotated and displaced by a small angle δ. As a result, the radial deflection beam displacement mechanism 6 is rotationally displaced around the X and Y axes, and accordingly, the table 13 mounted and fixed on the upper rigid portion 8 can be finely moved.
発明が解決しようとする問題点 しかし、第一の従来例では、構成自体が複雑であるば
かりでなく、バイモルフ形圧電素子１の自由端にＵ字形
金具５の取付け位置を定めなければならず、その製造に
多大な手間と時間を要する。一方、第二の従来例では、
放射たわみ梁変位機構６の構成が複雑でありコスト高が
懸念されるということや、X,Y軸方向の２軸回転変位し
かできずその他の前進、後退運動ができないという問題
がある。Problems to be Solved by the Invention However, in the first conventional example, not only is the configuration itself complicated, but also the mounting position of the U-shaped bracket 5 must be determined at the free end of the bimorph piezoelectric element 1. A great deal of labor and time are required for the production. On the other hand, in the second conventional example,
There is a problem that the configuration of the radial bending beam displacement mechanism 6 is complicated and there is a concern about high cost, and there is a problem that only two-axis rotational displacement in the X and Y axis directions can be performed and other forward and backward movements cannot be performed.
また、このような従来の装置においては、アクチユエ
ータ1,11によりテーブル13等を微動変位させることはで
きるが、変位量（発生力）の検出手段を持たないため、
そのようなテーブル13が何かの固定物にぶつかつた場合
にアクチユエータ1,11にトラブルが発生する懸念があ
る。In such a conventional apparatus, the table 13 and the like can be finely displaced by the actuators 1 and 11, but since there is no means for detecting the amount of displacement (generated force),
If such a table 13 hits a fixed object, there is a concern that a trouble may occur in the actuators 1 and 11.
問題点を解決するための手段 そこで、このような問題点を解決するために、第一の
発明では、中心部と周辺部とのいずれか一方を支持部と
し他方を作用部とする起歪体を設け、この起歪体の表面
に機械的変形により電気抵抗を変化させる検出素子を備
えた検出面が一面に形成された単結晶基板を接着固定
し、この単結晶基板の検出面の反対側に位置する面に電
圧印加により検出面と平行な方向に伸縮して起歪体にた
わみ変形を発生させるアクチユエータを取付けた。Means for Solving the Problems Therefore, in order to solve such problems, in the first invention, a flexure element having one of a central portion and a peripheral portion as a support portion and the other as an action portion is provided. A single crystal substrate having a detection surface provided with a detection element that changes electric resistance by mechanical deformation on the surface of the strain body is fixedly adhered to the surface, and the opposite side of the detection surface of the single crystal substrate is fixed. An actuator which expands and contracts in a direction parallel to the detection surface by applying a voltage to generate flexure in the flexure element is attached to the surface located at.
第二の発明では、中心部と周辺部とのいずれか一方を
支持部とし他方を作用部とし、これら両者間に機械的変
形により電気抵抗を変化させる検出素子を備えた検出部
を形成し、この検出部よりも中心部と周辺部との剛性を
高くした平板状起歪体を設け、この平板状起歪体の検出
部に電圧印加により検出部の面と平行な方向に伸縮して
その検出部にたわみ変形を発生させるアクチユエータを
取付けた。In the second invention, one of the central portion and the peripheral portion is used as a supporting portion and the other is used as an acting portion, and a detecting portion having a detecting element that changes electric resistance by mechanical deformation is formed between the two. A flat plate-like strain body having a higher rigidity at the center and the periphery than the detection unit is provided, and a voltage is applied to the detection unit of the plate-like strain body so as to expand and contract in a direction parallel to the surface of the detection unit. An actuator that generates flexural deformation was attached to the detector.
作用 従つて、第一の発明から、起歪体の作用部に作用する
多軸力の成分力を単結晶基板上の検出面に形成された検
出素子により検出することができると共に、検出面の反
対側の面に取付けられたアクチユエータにより作用部を
多次元に渡り変位させることができる。従つて、このよ
うに多軸力の成分力の検出を行う機構と多次元の変位を
発生させる機構とを一体化して構成することにより、そ
れら検出素子により検出された多軸力の成分力をフイー
ドバツク制御して多次元の変位を行わせることができる
ため、これにより、力と変位との関係を精密に管理する
ことが可能となる。Therefore, from the first invention, the component force of the multiaxial force acting on the action portion of the strain body can be detected by the detection element formed on the detection surface on the single crystal substrate, and the detection surface The actuator can be displaced in multiple dimensions by an actuator mounted on the opposite surface. Therefore, by integrating the mechanism for detecting the component force of the multiaxial force and the mechanism for generating the multidimensional displacement in this way, the component force of the multiaxial force detected by the detection elements can be reduced. Since multi-dimensional displacement can be performed by feedback control, this makes it possible to precisely manage the relationship between force and displacement.
第二の発明から、平板状起歪体の作用部に作用する多
軸力の成分力をその検出部に形成された検出素子により
検出することができると共に、検出部の一面又は両面に
取付けられたアクチユエータにより作用部を多次元に渡
り変位させることができる。従つて、このように多軸力
の成分力の検出を行う機構と多次元の変位を発生させる
機構とを一体化して構成することにより、それら検出素
子により検出された多軸力の成分力をフイードバツク制
御して多次元の変位を行わせることができるため、これ
により、力と変位との関係を精密に管理することが可能
となる。From the second invention, the component force of the multiaxial force acting on the action portion of the plate-like strain body can be detected by the detection element formed on the detection portion, and the component force is attached to one or both surfaces of the detection portion. The actuator can be displaced in multiple dimensions by the actuator. Therefore, by integrating the mechanism for detecting the component force of the multiaxial force and the mechanism for generating the multidimensional displacement in this way, the component force of the multiaxial force detected by the detection elements can be reduced. Since multi-dimensional displacement can be performed by feedback control, this makes it possible to precisely manage the relationship between force and displacement.
実施例 まず、第一の発明の第一の実施例を第１図ないし第７
図に基づいて説明する。起歪体14は、Fe−Ni合金等から
なり円板状をなしており、周辺部が固定用ネジ穴15を備
えた支持部16とされ、中心部は作用部17とされている。
この作用部17には力伝達体18が下方に向けて形成されて
おり、この力伝達体18の先端には力作用変位部19がネジ
結合されている。また、前記作用部17と前記周辺部16と
の間には肉厚の薄い弾性変形面（ダイヤフラム）20が形
成されており、この上部に単結晶基板21が接着固定され
ている。Embodiment First, a first embodiment of the first invention will be described with reference to FIGS.
Description will be made based on the drawings. The strain body 14 is made of a Fe—Ni alloy or the like and has a disk shape. The peripheral portion is a support portion 16 having a fixing screw hole 15, and the central portion is an action portion 17.
A force transmitting body 18 is formed downward on the acting portion 17, and a force acting displacement portion 19 is screw-connected to a tip of the force transmitting body 18. A thin elastically deformed surface (diaphragm) 20 is formed between the working portion 17 and the peripheral portion 16, and a single crystal substrate 21 is adhered and fixed on the elastically deformable surface (diaphragm) 20.
前記単結晶基板21は、ｎ−Si（110）基板等よりなる
ものであり正方形状をなしている。この単結晶基板21の
表面は検出面22とされ、力の成分力（Mx,My,Fz）を検出
するための検出素子（拡散抵抗）23が形成されている。
すなわち、モーメントMx検出用のRx1，Rx2，Rx3，Rx4、
モーメントMy検出用のRy1，Ry2，Ry3，Ry4、力Fz検出用
のRz1，Rz2，Rz3，Rz4，Rz5，Rz6，Rz7，Rz8が、それぞ
れ図示しないブリツジ回路を構成しており、これにより
力の成分力の検出を行つている。これらの検出素子23
は、機械的な変形により電気抵抗の抵抗率が変化する。
いわゆる、ピエゾ抵抗効果を利用したものである。The single crystal substrate 21 is made of an n-Si (110) substrate or the like and has a square shape. The surface of the single crystal substrate 21 is a detection surface 22, and a detection element (diffusion resistor) 23 for detecting a component force (Mx, My, Fz) of the force is formed.
That is, Rx 1 , Rx 2 , Rx 3 , Rx 4 for detecting the moment Mx,
Ry 1 for moment My detection, Ry 2, Ry 3, Ry 4, Rz 1 for the force Fz detection, Rz 2, Rz 3, Rz 4, Rz 5, Rz 6, Rz 7, Rz 8 is not shown, respectively A bridge circuit is configured to detect a component force of the force. These detection elements 23
Changes the resistivity of the electrical resistance due to mechanical deformation.
This is a so-called piezoresistance effect.
また、前記単結晶基板21の外周部にはボンデイングパ
ツド24が設けられており、これらボンデイングワイヤ25
を介してリードピン26に接続されており、これによりブ
リツジ回路によつて検出した電気信号を外部に送り、後
述するフイードバツク制御用の信号として用いている。Further, a bonding pad 24 is provided on an outer peripheral portion of the single crystal substrate 21, and these bonding wires 25 are provided.
The electric signal detected by the bridge circuit is sent to the outside, and is used as a signal for feedback control described later.
そして、本発明に係るアクチユエータとしてのピエゾ
電極27は、前記単結晶基板21が接着固定されている前記
ダイヤフラム20の裏面に薄膜（非導電コーテイング）28
を介して取付けられており、これらピエゾ電極27は、前
記検出面22に形成されている前記検出素子23に対応した
位置に設けられている。また、前記ピエゾ電極27は、第
２図に示すように、ピエゾ素子29の周囲を回し電極30に
よつて覆つた構造となつており、その回し電極30からは
アクチユエータ駆動用の２本のリード線31が引き出され
入出力信号ピン32に接続されている。A piezo electrode 27 as an actuator according to the present invention includes a thin film (non-conductive coating) 28 on the back surface of the diaphragm 20 to which the single crystal substrate 21 is adhered and fixed.
These piezo electrodes 27 are provided at positions corresponding to the detection elements 23 formed on the detection surface 22. As shown in FIG. 2, the piezo electrode 27 has a structure in which the periphery of the piezo element 29 is covered with a rotating electrode 30, and two leads for driving the actuator are provided from the rotating electrode 30. Line 31 is drawn out and connected to input / output signal pin 32.
なお、前記ピエゾ素子29の材質としてはジルコンチタ
ン酸鉛｛Pb（Ti,Zr）O3｝などを用いる。また、アクチ
ユエータ用の素子としては前記ピエゾ素子29の他に、バ
イメタル素子や、形状記憶合金＋ペルチエ素子等のもの
を用いることもできる。As a material of the piezo element 29, lead zircon titanate {Pb (Ti, Zr) O 3 } or the like is used. In addition to the piezo element 29, an actuator element such as a bimetal element or a shape memory alloy + Peltier element can also be used.
このような構成において、まず、単結晶基板21の検出
面22に形成されている検出素子23により力の３成分力
（Mx,My,Fz）の検出を行う方法について説明する。今、
力伝達体18に外力が作用すると、起歪体14のダイヤフラ
ム20が機械的な変形を受け、この変形により単結晶基板
21に応力が発生し、この応力の影響を受けて検出面22の
検出素子23にはピエゾ抵抗効果により抵抗変化が生じ
る。これにより、各々のブリツジ回路に電位差が生じ、
力の成分力が電気信号となつて検出されることになる。
この検出された電気信号は、ボンデイングワイヤ25から
リードピン26を介して外部回路へ送られ、ピエゾ電極27
に変位を発生させるための変位発生用信号として処理さ
れる。In such a configuration, first, a method of detecting a three-component force (Mx, My, Fz) by the detection element 23 formed on the detection surface 22 of the single crystal substrate 21 will be described. now,
When an external force acts on the force transmitting body 18, the diaphragm 20 of the strain body 14 undergoes mechanical deformation.
A stress is generated in 21, and under the influence of the stress, a resistance change occurs in the detection element 23 on the detection surface 22 by a piezoresistance effect. This creates a potential difference in each bridge circuit,
The component force of the force is detected as an electric signal.
The detected electric signal is sent from a bonding wire 25 to an external circuit via a lead pin 26, and the piezo electrode 27
Is processed as a displacement generating signal for generating a displacement in
次に、本発明に係る変位発生用のアクチユエータとし
てのピエゾ電極27の働きについて説明する。上述したよ
うに、力の成分力をブリツジ構成された検出素子23によ
り検出し、これを電気信号として取り出し外部回路へ送
り、変位を発生させるための変位発生用信号として処理
した後、この変位発生用信号を入出力信号ピン32からリ
ード線31を介して、変位発生用のピエゾ電極27に送る。
これにより、ピエゾ素子29が変形し、この変形によりダ
イヤフラム20が変形し、これに連れて力伝達体18に連結
された力作用変位部19が変位するわけであるが、以下、
その具体例について述べる。Next, the function of the piezo electrode 27 as an actuator for generating displacement according to the present invention will be described. As described above, the component force of the force is detected by the bridge-configured detecting element 23, and is taken out as an electric signal, sent to an external circuit, and processed as a displacement generating signal for generating a displacement. The signal for use is transmitted from the input / output signal pin 32 to the piezo electrode 27 for generating displacement via the lead wire 31.
As a result, the piezo element 29 is deformed, and the diaphragm 20 is deformed by this deformation, and the force acting displacement part 19 connected to the force transmitting body 18 is displaced accordingly.
A specific example will be described.
まず、その第一の具体例について説明する。これはア
クチユエータとしてのピエゾ電極27を、第４図に示すよ
うに、ダイヤフラム20の外周部分の互いに直交するX,Y
軸線上のa,b,c,dの位置に４個配設した場合の例であ
る。First, a first specific example will be described. This means that a piezo electrode 27 as an actuator is connected to the X, Y orthogonal to the outer peripheral portion of the diaphragm 20 as shown in FIG.
This is an example in which four are arranged at positions a, b, c, and d on the axis.
Ｘ軸方向に力変位作用部19を変位させたい場合には、
第５図に示すように、a,bのピエゾ電極25の、どちらか
一方又は両方共に、変位発生用信号を送りアクチユエイ
トさせることによつて変位させることができる。この場
合、a,bのピエゾ電極27に印加する電圧は、互いに逆極
性のものを印加する。また、Ｙ軸方向に力変位作用部19
を変位させたい場合には、c,dのピエゾ電極27の、どち
らか一方又は両方共に、変位発生用信号を送りアクチユ
エイトさせることによつて変位させることができる。こ
の場合にも、c,dのピエゾ電極27に印加する電圧は、互
いに逆極性のものを印加する。さらに、Ｚ軸方向に力変
位作用部19を変位させたい場合には、a,bのピエゾ電極2
7又はc,dのピエゾ電極27の、どちらか一方又は両方共
に、変位発生用信号を送りアクチユエイトさせることに
よつて変位させることができる。この場合には、a,b,c,
dの４個すべてに同極性の電圧を印加する。To displace the force displacement acting portion 19 in the X-axis direction,
As shown in FIG. 5, one or both of the a and b piezo electrodes 25 can be displaced by sending and actuating a displacement generation signal. In this case, the voltages applied to the a and b piezo electrodes 27 have opposite polarities. In addition, the force displacement acting portion 19
Is desired to be displaced, one or both of the c and d piezo electrodes 27 can be displaced by sending a displacement generation signal to activate. Also in this case, the voltages applied to the c and d piezo electrodes 27 have opposite polarities. Further, when it is desired to displace the force displacement acting portion 19 in the Z-axis direction, the piezo electrodes 2 of a and b
Either one or both of the 7 or c, d piezo electrodes 27 can be displaced by sending and generating a displacement generation signal. In this case, a, b, c,
A voltage of the same polarity is applied to all four of d.
次に、その第二の具体例について説明する。これは、
第一の具体例にさらに４個のピエゾ電極27を追加した場
合の例である。すなわち、第６図に示すように、ピエゾ
電極27は、a,b,c,dの他に、e,f,g,hの箇所にも配設す
る。これにより、力変位作用部19をＸ軸方向へ変位させ
る場合には、第７図（ａ）に示すように、ａとｆのピエ
ゾ電極27に同極性の電圧を、ｂとｅのピエゾ電極27にこ
れと逆極性の電圧をそれぞれ印加し、アクチユエイトさ
せることによつて変位させることができる。また、力変
位作用部19をＹ軸方向へ変位させる場合にも、同様に、
ｃとｈのピエゾ電極27に同極性の電圧を、ｄとｇのピエ
ゾ電極27にこれと逆極性の電圧をそれぞれ印加し、アク
チユエイトさせることによつて変位させることができ
る。さらに、力変位作用部19をＺ軸方向へ変位させる場
合には、第７図（ｂ）に示すように、a,b,c,dのピエゾ
電極27に同極性の電圧を、e,f,g,hのピエゾ電極27にこ
れとは逆極性の電圧をそれぞれ印加することによつて変
位させることができる。Next, a second specific example will be described. this is,
This is an example in which four piezo electrodes 27 are further added to the first specific example. That is, as shown in FIG. 6, the piezo electrodes 27 are arranged at locations e, f, g, and h in addition to a, b, c, and d. As a result, when the force displacement action section 19 is displaced in the X-axis direction, as shown in FIG. 7 (a), voltages of the same polarity are applied to the piezo electrodes 27 of a and f, and the piezo electrodes of b and e are applied. A voltage can be displaced by applying a voltage of the opposite polarity to 27 and actuating it. Similarly, when displacing the force displacement acting portion 19 in the Y-axis direction,
Displacement can be achieved by applying and applying voltages of the same polarity to the piezo electrodes 27 of c and h and voltages of opposite polarities to the piezo electrodes 27 of d and g, respectively. Further, when the force displacement acting portion 19 is displaced in the Z-axis direction, as shown in FIG. 7 (b), voltages of the same polarity are applied to the a, b, c, d piezo electrodes 27, and e, f , g, h can be displaced by applying voltages of opposite polarity to the piezo electrodes 27, respectively.
次に、第一の発明の第二の実施例を第８図に基づいて
説明する。なお、第一の実施例と同一部分については同
一符号を用いる。本実施例は、単結晶基板21の裏面に直
接力伝達体18を接合すると共に、また、その裏面に直接
薄膜を形成し、そこにアクチユエータとしてのピエゾ電
極27を取付けた場合の例である。従つて、この場合に
は、力伝達体18に加わつた力は、直接、単結晶基板21の
裏面に伝達されることになり、これにより単結晶基板21
が機械的な変形を受け、検出素子23の抵抗変化が生じブ
リツジ回路により電気信号として取り出すことができ
る。また、この電気信号をもとに、変位発生用信号をピ
エゾ電極27に送り力検出変位部19を変位させる場合に
は、前述した第一の実施例と同様な手段により行うこと
ができるので、ここでの詳細な説明は省略する。Next, a second embodiment of the first invention will be described with reference to FIG. The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals. The present embodiment is an example in which a force transmitting body 18 is directly bonded to the back surface of a single crystal substrate 21 and a thin film is formed directly on the back surface, and a piezo electrode 27 as an actuator is attached thereto. Therefore, in this case, the force applied to the force transmitting body 18 is directly transmitted to the back surface of the single crystal substrate 21, thereby
Is subjected to mechanical deformation, causing a change in resistance of the detection element 23, and can be extracted as an electric signal by the bridge circuit. In addition, based on this electric signal, when the displacement generation signal is displaced by the feed force detection displacement unit 19 to the piezo electrode 27, it can be performed by the same means as in the first embodiment described above. Detailed description here is omitted.
次に、第二の発明の第一の実施例を第９図ないし第12
図に基づいて説明する。なお、第一の発明と同一部分に
ついては同一符号を用いる。平板状起歪体33はその周辺
部を支持部16とし、その中心部を作用部17としており、
これら両者間には検出部34が形成されている。この検出
部34には８個の穴35を設けることにより形成された内外
周間を連結する８本のアーム36が放射状に形成されてお
り、このアーム36は幅狭部37とその拡開部38とよりなつ
ている。なお、前記検出部34よりも前記支持部16と前記
作用部17との剛性を高くとつている。Next, the first embodiment of the second invention will be described with reference to FIGS.
Description will be made based on the drawings. Note that the same reference numerals are used for the same parts as in the first invention. The plate-shaped strain body 33 has its peripheral portion as a support portion 16 and its central portion as an action portion 17,
A detection unit 34 is formed between the two. The detecting section 34 has eight radially formed arms 36 for connecting the inner and outer circumferences formed by providing eight holes 35, and this arm 36 has a narrow portion 37 and an expanded portion thereof. 38 and more. Note that the rigidity of the support section 16 and the action section 17 is higher than that of the detection section.
また、前記アーム36とその平板状起歪体33の中心とを
通るX,Y,Z軸線上には、力の成分力（Mx,My,Fz）を検出
する検出素子（拡散抵抗）23が形成されている。すなわ
ち、Ｙ軸線上にはモーメントMx検出用のX1，X2，X3，
X4、Ｘ軸線上にはモーメントMy検出用のY1，Y2，Y3，
Y4、X,Y軸と45°をなす方向には力Fz検出用のZ1，Z2，Z
3，Z4，Z5，Z6，Z7，Z8が、それぞれ図示しないブリツ
ジ回路を構成しており、これにより力の成分力の検出を
行つている。A detection element (diffusion resistance) 23 for detecting the component force (Mx, My, Fz) of the force is provided on the X, Y, and Z axes passing through the arm 36 and the center of the plate-shaped strain body 33. Is formed. In other words, X 1 , X 2 , X 3 ,
X 4 , Y 1 , Y 2 , Y 3 ,
Z 1 , Z 2 , Z for detecting force Fz in the direction at 45 ° to Y 4 , X, Y axes
3, Z 4, Z 5, Z 6, Z 7, Z 8 is constitutes a Buritsuji circuit (not shown), respectively, thereby being Gyotsu detection component force of the force.
そして、本発明に係るアクチユエータとしてのピエゾ
電極27は、前記検出部34の裏面に図示しない薄膜（非導
電コーテイング）を介して取付けられており、これらピ
エゾ電極27は、前記検出部34の表面に形成されている前
記検出素子23に対応した位置に設けられている。なお、
前記ピエゾ電極27の構成は、前述した第一の実施例（第
２図参照）の場合と同じである。The piezo electrode 27 as an actuator according to the present invention is attached to the back surface of the detection unit 34 via a thin film (non-conductive coating) not shown, and these piezo electrodes 27 are attached to the surface of the detection unit 34. It is provided at a position corresponding to the detection element 23 formed. In addition,
The configuration of the piezo electrode 27 is the same as that of the first embodiment (see FIG. 2).
このような構成において、平板状起歪体33の作用部17
に力が作用すると、アーム36が機械的な変形を受け、検
出部34の表面の検出素子23に応力が加わり抵抗値が変化
する。これにより、その抵抗変化をブリツジ回路により
検出し電気信号として外部回路へ送る。そして、その電
気信号をもとにして力検出変位信号を、検出部23の裏面
に取付けられたピエゾ電極27に送ることによつて、後述
する力作用変位部19を変位させることができる。In such a configuration, the action portion 17 of the flat
When a force acts on the arm 36, the arm 36 is mechanically deformed, and a stress is applied to the detection element 23 on the surface of the detection section 34, and the resistance value changes. As a result, the resistance change is detected by the bridge circuit and sent to an external circuit as an electric signal. Then, by sending a force detection displacement signal to the piezo electrode 27 attached to the back surface of the detection unit 23 based on the electric signal, the force application displacement unit 19 described later can be displaced.
なお、本実施例においては、検出部34の表面に力の成
分力を検出するための検出素子23を形成させたが、も
し、必要なければこれら検出素子23を形成させることな
く検出部34の裏面側にのみ上述したようなピエゾ電極27
を形成させ、これにより変位のみを行わせるように構成
してもよい。また、力作用変位部19を実際に変位させる
方法については後述する。In the present embodiment, the detecting element 23 for detecting the component force of the force is formed on the surface of the detecting unit 34. However, if it is not necessary, the detecting unit 34 is formed without forming these detecting elements 23. Piezo electrode 27 as described above only on the back side
May be formed so that only displacement is performed. A method of actually displacing the force acting displacement unit 19 will be described later.
次に、第二の発明の第二の実施例を第11図及び第12図
に基づいて説明する。本実施例は、アクチユエータとし
てのピエゾ電極27を、第一の実施例のように検出部34の
裏面側にのみ形成するだけでなく、これらと対応した位
置の検出部34の表面側にも形成させたものである。そこ
で、このように平板状起歪体33の上下両面にピエゾ電極
27を形成した場合における力作用変位部19を変位させる
方法を説明する。Next, a second embodiment of the second invention will be described based on FIG. 11 and FIG. In the present embodiment, the piezo electrode 27 as an actuator is formed not only on the back side of the detection unit 34 as in the first embodiment, but also on the front side of the detection unit 34 at a position corresponding to these. It was made. Therefore, piezo electrodes are provided on both the upper and lower surfaces of
A method of displacing the force acting displacement part 19 when the 27 is formed will be described.
具体例として、今、第12図に示すように、検出部34の
裏面側にa,b,c,dのピエゾ電極27を形成し、表面側にe,
f,g,hのピエゾ電極27を形成した場合における、Ｘ軸方
向に力作用変位部19を変位させる方法について考える。
この場合、下面側のａとｃ、上面側のｆとｈの４個のピ
エゾ電極27を同極性に印加し、下面側のｂとｄ、上面側
のｅとｇの４個のピエゾ電極27をこれとは反対極性に印
加することによつて、力作用変位部19をＸ軸方向に変位
させることができる。また、Ｙ軸方向への変位方法もこ
れと同様な考え方で行うことができる。さらに、Ｚ軸方
向への変位方法としては、下面側のａとｄ、上面側のｅ
とｈの外周に位置する４個のピエゾ電極27を同極性に印
加し、下面側のｂとｃ、上面側のｆとｇの内周に位置す
る４個のピエゾ電極27をこれとは反対極性に印加するこ
とによつて、力作用変位部19をＺ軸方向に変位させるこ
とができる。As a specific example, as shown in FIG. 12, piezo electrodes 27 of a, b, c, d are formed on the back side of the detection unit 34, and e,
A method of displacing the force acting displacement unit 19 in the X-axis direction when the f, g, h piezo electrodes 27 are formed will be considered.
In this case, four piezo electrodes 27 of a and c on the lower side and f and h on the upper side are applied with the same polarity, and four piezo electrodes 27 of b and d on the lower side and e and g on the upper side are applied. Is applied in the opposite polarity, the force acting displacement portion 19 can be displaced in the X-axis direction. Further, the displacement method in the Y-axis direction can be performed in the same way. Further, as the displacement method in the Z-axis direction, a and d on the lower surface side, and e on the upper surface side
And h, the four piezo electrodes 27 located on the outer periphery are applied in the same polarity, and the four piezo electrodes 27 located on the inner periphery of b and c on the lower surface side and f and g on the upper surface side are oppositely applied. By applying the polarity, the force acting displacement portion 19 can be displaced in the Z-axis direction.
上述したように、第一の発明では、単結晶基板21の検
出面22上の検出素子23により力の成分力を検出し、この
検出された信号を検出面22の裏面側に取付けられたアク
チユエータとしてのピエゾ電極27に送りアクチユエイト
させることによつて、力検出作用部19をX,Y,Z軸方向に
変位させることができる。また、第二の発明では、平板
状起歪体33の検出部34に形成された検出素子23により力
の成分力を検出し、この検出された信号を検出部34の裏
面側（ただし、検出部34の表面にも形成させた場合には
その表面側も含む）に取付けられたアクチユエータとし
てのピエゾ電極27に送りアクチユエイトさせることによ
つて、力検出作用部19をX,Y,Z軸方向に変位させること
ができる。As described above, in the first invention, the component element of the force is detected by the detection element 23 on the detection surface 22 of the single crystal substrate 21, and the detected signal is transmitted to the actuator attached to the back side of the detection surface 22. The force detection acting portion 19 can be displaced in the X, Y, and Z axis directions by feeding the piezoelectric element 27 to the piezo electrode 27 for actuation. Further, in the second invention, the component force of the force is detected by the detecting element 23 formed in the detecting portion 34 of the plate-like strain body 33, and the detected signal is transmitted to the back side of the detecting portion 34 (however, (If the surface is formed also on the surface of the portion 34, the surface side is also included.) By sending the force to the piezo electrode 27 as an actuator attached to the actuator and actuating the force detecting action portion 19 in the X, Y, and Z directions, Can be displaced.
発明の効果 第一の発明では、中心部と周辺部とのいずれか一方を
支持部とし他方を作用部とする起歪体を設け、この起歪
体の表面に機械的変形により電気抵抗を変化させる検出
素子を備えた検出面が一面に形成された単結晶基板を接
着固定し、この単結晶基板の検出面の反対側に位置する
面に電圧印加により検出面と平行な方向に伸縮して起歪
体にたわみ変形を発生させるアクチユエータを取付けた
ので、起歪体の作用部に作用する多軸力の成分力を単結
晶基板上の検出面に形成された検出素子により検出する
ことができると共に、検出面の反対側の面に取付けられ
たアクチユエータにより作用部を多次元に渡り変位させ
ることができる。従つて、このように多軸力の成分力の
検出を行う機構と多次元の変位を発生させる機構とを一
体化して構成することにより、それら検出素子により検
出された多軸力の成分力をフイードバツク制御して多次
元の変位を行わせることができるため、これにより、力
と変位との関係を精密に管理することが可能となるもの
である。Effects of the Invention In the first invention, a flexure element having one of a central portion and a peripheral portion as a support portion and the other as an action portion is provided, and the electric resistance is changed by mechanical deformation on the surface of the flexure element. A single-crystal substrate having a detection surface provided with a detection element to be bonded is fixedly adhered to a single-crystal substrate, and is stretched in a direction parallel to the detection surface by applying a voltage to a surface of the single-crystal substrate opposite to the detection surface. Since the actuator that generates flexural deformation is attached to the flexure element, the component force of the multiaxial force acting on the action section of the flexure element can be detected by the detection element formed on the detection surface on the single crystal substrate. At the same time, the actuator can be displaced in multiple dimensions by the actuator attached to the surface opposite to the detection surface. Therefore, by integrating the mechanism for detecting the component force of the multiaxial force and the mechanism for generating the multidimensional displacement in this way, the component force of the multiaxial force detected by the detection elements can be reduced. Since multi-dimensional displacement can be performed by feedback control, this makes it possible to precisely manage the relationship between force and displacement.
第二の発明では、中心部と周辺部とのいずれか一方を
支持部とし他方を作用部とし、これら両者間に機械的変
形により電気抵抗を変化させる検出素子を備えた検出部
を形成し、この検出部よりも中心部と周辺部との剛性を
高くした平板状起歪体を設け、この平板状起歪体の検出
部に電圧印加により検出部の面と平行な方向に伸縮して
その検出部にたわみ変形を発生させるアクチユエータを
取付けたので、平板状起歪体の作用部に作用する多軸力
の成分力をその検出部に形成された検出素子により検出
することができると共に、検出部の一面又は両面に取付
けられたアクチユエータにより作用部を多次元に渡り変
位させることができる。従つて、このように多軸力の成
分力の検出を行う機構と多次元の変位を発生させる機構
とを一体化して構成することにより、それら検出素子に
より検出された多軸力の成分力をフイードバツク制御し
て多次元の変位を行わせることができるため、これによ
り、力と変位との関係を精密に管理することが可能とな
るものである。In the second invention, one of the central portion and the peripheral portion is used as a supporting portion and the other is used as an acting portion, and a detecting portion having a detecting element that changes electric resistance by mechanical deformation is formed between the two. A flat plate-like strain body having a higher rigidity at the center and the periphery than the detection unit is provided, and a voltage is applied to the detection unit of the plate-like strain body so as to expand and contract in a direction parallel to the surface of the detection unit. Since an actuator that generates flexural deformation is attached to the detecting part, the component force of the multiaxial force acting on the acting part of the plate-like strain body can be detected by the detecting element formed in the detecting part, and the detection can be performed. The actuator can be displaced in multiple dimensions by actuators mounted on one or both sides of the part. Therefore, by integrating the mechanism for detecting the component force of the multiaxial force and the mechanism for generating the multidimensional displacement in this way, the component force of the multiaxial force detected by the detection elements can be reduced. Since multi-dimensional displacement can be performed by feedback control, this makes it possible to precisely manage the relationship between force and displacement.
第１図は第一の発明の第一の実施例を示す縦断側面図、
第２図はそのピエゾ電極の略側面図、第３図は第１図の
平面図、第４図はアクチユエータを４個用いて配設した
場合の様子を示す説明図、第５図はそのアクチユエータ
の動作状態を示す説明図、第６図はアクチユエータを８
個用いて配設した場合の様子を示す説明図、第７図
（ａ）（ｂ）はそのアクチユエータの動作状態を示す説
明図、第８図は第一の発明の第二の実施例を示す縦断側
面図、第９図は第二の発明の第一の実施例を示す平面
図、第10図はそのアクチユエータを片面のみに配設した
場合の様子を示す縦断側面図、第11図は第二の発明の第
二の実施例を示す縦断側面図、第12図はそのアクチユエ
ータの動作状態を示す説明図、第13図は第一の従来例を
示す一部を切り欠いた斜視図、第14図は第二の従来例を
示す斜視図、第15図（ａ）（ｂ）はそのアクチユエータ
の動作状態を示す説明図である。 14…起歪体、16…支持部、17…作用部、21…単結晶基
板、22…検出面、23…検出素子、27…アクチユエータ、
33…平板状起歪体、34…検出部FIG. 1 is a longitudinal side view showing a first embodiment of the first invention,
2 is a schematic side view of the piezo electrode, FIG. 3 is a plan view of FIG. 1, FIG. 4 is an explanatory view showing a state where four actuators are arranged, and FIG. 5 is an actuator thereof. FIG. 6 is an explanatory view showing an operation state of the actuator, and FIG.
FIGS. 7 (a) and 7 (b) are explanatory diagrams showing the operating state of the actuator, and FIG. 8 is a diagram showing a second embodiment of the first invention. FIG. 9 is a plan view showing a first embodiment of the second invention, FIG. 10 is a vertical side view showing a state where the actuator is arranged on only one side, and FIG. FIG. 12 is a longitudinal sectional side view showing a second embodiment of the second invention, FIG. 12 is an explanatory view showing an operation state of the actuator, FIG. 13 is a partially cutaway perspective view showing a first conventional example, FIG. FIG. 14 is a perspective view showing a second conventional example, and FIGS. 15 (a) and 15 (b) are explanatory views showing an operation state of the actuator. 14 ... strain body, 16 ... support part, 17 ... working part, 21 ... single crystal substrate, 22 ... detection surface, 23 ... detection element, 27 ... actuator,
33: Flat plate flexure element, 34: Detector
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 江口 裕俊 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株 式会社リコー内 (72)発明者 赤堀 隆司 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株 式会社リコー内 (56)参考文献 特開 昭61−223625（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−234064（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−137962（ＪＰ，Ｕ) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Hirotoshi Eguchi 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Inside Ricoh Co., Ltd. (72) Takashi Akahori 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Ricoh Co., Ltd. (56) References JP-A-61-223625 (JP, A) JP-A-1-234064 (JP, A) JP-A-63-137962 (JP, U)
Claims (2)
とし他方を作用部とする起歪体を設け、この起歪体の表
面に機械的変形により電気抵抗を変化させる検出素子を
備えた検出面が一面に形成された単結晶基板を接着固定
し、この単結晶基板の前記検出面の反対側に位置する面
に電圧印加により前記検出面と平行な方向に伸縮して前
記起歪体にたわみ変形を発生させるアクチユエータを取
付けたことを特徴とする力検出位置変位装置。1. A flexure element having one of a central portion and a peripheral portion as a support portion and the other as an action portion is provided, and a detection element for changing electric resistance by mechanical deformation is provided on the surface of the flexure element. A single crystal substrate having a detection surface provided on one surface is bonded and fixed, and a voltage is applied to a surface of the single crystal substrate opposite to the detection surface in a direction parallel to the detection surface by applying a voltage to the single crystal substrate. A force detecting position displacement device, wherein an actuator for generating flexural deformation is attached to a distorted body.
とし他方を作用部とし、これら両者間に機械的変形によ
り電気抵抗を変化させる検出素子を備えた検出部を形成
し、この検出部よりも前記中心部と前記周辺部との剛性
を高くした平板状起歪体を設け、この平板状起歪体の前
記検出部に電圧印加により前記検出部の面と平行な方向
に伸縮してその検出部にたわみ変形を発生させるアクチ
ユエータを取付けたことを特徴とする力検出位置変位装
置。2. A detecting portion having a detecting element for changing an electric resistance by mechanical deformation is formed between one of a central portion and a peripheral portion and a working portion as the supporting portion. A flat plate-like strain body having a higher rigidity between the central portion and the peripheral portion than the detection portion is provided, and a voltage is applied to the detection portion of the flat plate-shaped strain body so that the plate portion expands and contracts in a direction parallel to the surface of the detection portion. A force detecting position displacement device, wherein an actuator for generating a bending deformation is attached to the detecting portion.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63125476A JP2708778B2 (en) | 1988-05-23 | 1988-05-23 | Force detection position displacement device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63125476A JP2708778B2 (en) | 1988-05-23 | 1988-05-23 | Force detection position displacement device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01295791A JPH01295791A (en) | 1989-11-29 |
| JP2708778B2 true JP2708778B2 (en) | 1998-02-04 |
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ID=14911034
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63125476A Expired - Fee Related JP2708778B2 (en) | 1988-05-23 | 1988-05-23 | Force detection position displacement device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2708778B2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017026328A (en) * | 2015-07-15 | 2017-02-02 | 株式会社エスシーエー | Input device with shape memory alloy wire |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6861358B2 (en) | 2017-06-09 | 2021-04-21 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | Tactile force sensor, manufacturing method of tactile force sensor, and detection method using tactile force sensor |
-
1988
- 1988-05-23 JP JP63125476A patent/JP2708778B2/en not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017026328A (en) * | 2015-07-15 | 2017-02-02 | 株式会社エスシーエー | Input device with shape memory alloy wire |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| JPH01295791A (en) | 1989-11-29 |
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