JP5046321B2 - 3-axis force sensor - Google Patents

Description

本願の発明は、３軸力センサに関し、例えば、ロボットの指先に取り付けて把握力センサとして使用したり、各種機械やゲーム機などにおけるジョイスティックに使用したりするのに好適に使用され、特に力センサのさらなる小型化、起歪部への歪みゲージの組付け作業性の向上、低コスト化等を可能にした３軸力センサに関する。   The invention of the present application relates to a triaxial force sensor, and is preferably used, for example, as a grasping force sensor attached to a fingertip of a robot, or used as a joystick in various machines, game machines, etc. The present invention relates to a three-axis force sensor that enables further downsizing, improvement in workability of assembling a strain gauge to a strain generating portion, cost reduction, and the like.

３次元座標系に置かれた物体に作用する力のＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の各成分を検出するのに使用される力センサとしては、各種のものがある。これらの中で、最近、柱状の荷重受け部（荷重負荷部）の一端に板状の起歪部を一体に設け、この起歪部の荷重受け部が取り付けられた側と反対側の面（力検出面）に歪みゲージを貼り着けて、荷重受け部に加わった力に基づく該歪みゲージの電気抵抗値の変化から、その各力成分を検出するようにしたものが知られている（特許文献１、２参照）。ベクトル量としての実際の力の方向と大きさとは、各歪みゲージの電気抵抗値の変化に基づく信号がフレキシブルプリント配線基板（以下、ＦＰＣという。ＦＰＣ：Flexible Printed Circuit。）等の信号取出し用配線部材を介して制御部等の論理回路に入力されて、ここで演算されて認識される。荷重受け部は、ジョイスティックなどの操作部に相当する部分をなす。   There are various types of force sensors used to detect each component in the X, Y, and Z axis directions of a force acting on an object placed in a three-dimensional coordinate system. Among these, recently, a plate-like strain receiving portion is integrally provided at one end of a columnar load receiving portion (load loading portion), and the surface opposite to the side on which the load receiving portion of the strain receiving portion is attached ( It is known that a strain gauge is attached to a force detection surface and each force component is detected from a change in the electrical resistance value of the strain gauge based on the force applied to the load receiving portion (patent) References 1 and 2). The direction and magnitude of the actual force as a vector amount is a signal extraction wiring such as a flexible printed circuit board (hereinafter referred to as FPC: Flexible Printed Circuit), which is a signal based on a change in the electrical resistance value of each strain gauge. It is input to a logic circuit such as a control unit via a member, and is calculated and recognized here. The load receiving portion forms a portion corresponding to an operation portion such as a joystick.

この形式のものは、起歪部への歪みゲージの組付け作業が、荷重受け部へのその組付け作業に比べて容易であり、高精度に行えること、大量生産に適すること、荷重受け部の小型化が可能であること、歪みゲージとリードとの接続部の保護が容易で、耐環境性、耐久信頼性の面で有利であるなど、種々の利点を備えている。   This type is easier to assemble the strain gauge to the strain-generating part than that to the load receiving part, can be performed with high precision, suitable for mass production, load receiving part It is possible to reduce the size of the device, and it is easy to protect the connection portion between the strain gauge and the lead, which is advantageous in terms of environmental resistance and durability reliability.

しかしながら、特許文献１に記載のものは、複数の歪みゲージを組み合わせて構成されるブリッジ回路がいずれもホイートストンブリッジ回路の４辺にそれぞれ歪みゲージを有するフルブリッジ回路であり、このため、ゲージ貼着エリアが限定されるので、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の３軸方向センサとして構成するのが容易ではなく、力センサの小型化の点で、なお、課題を残したものとなっている。また、配線の引き回しが交差して複雑であり、起歪部への歪みゲージの組付け作業性の点でも、なお、課題を残したものとなっている。   However, the one described in Patent Document 1 is a full bridge circuit in which each of the bridge circuits configured by combining a plurality of strain gauges has a strain gauge on each of the four sides of the Wheatstone bridge circuit. Since the area is limited, it is not easy to configure as a three-axis direction sensor of the X, Y, and Z axes, and there is still a problem in terms of downsizing the force sensor. Further, the wiring routing is complicated by crossing, and there is still a problem in terms of workability of assembling the strain gauge to the strain generating portion.

また、特許文献２に記載のものは、４個の歪みゲージ素子を十字型に配列して組み合わせて、３軸方向の力を検出しているが、この場合、各素子に発生した抵抗値変化から、それに応じた信号を出すために、専用のＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circ-uit、特定用途向け集積回路）を必要としている。しかしながら、専用のＡＳＩＣを開発するのには、多大の費用を要し、製品が大量生産される場合でなければ、その費用の回収は不可能である。したがって、小ロット品の場合や、製品の開発段階の場合では、よりシンプルな構成が望ましい。また、各軸検出用回路に対して、個々に増幅回路があった方が好ましい。個々に増幅回路がある場合には、個々に補正も可能になり、高精度化が容易に行えるからである。
特開平１０−１０４０９７号公報 特開平２００１−４３０１１号公報 Further, in the device described in Patent Document 2, four strain gauge elements are arranged in a cross shape and combined to detect a triaxial force, but in this case, a resistance value change generated in each element is detected. Therefore, a dedicated ASIC (Application Specific Integrated Circuit) is required to output a signal corresponding to the signal. However, developing a dedicated ASIC is very expensive and cannot be recovered unless the product is mass produced. Therefore, a simpler configuration is desirable in the case of a small lot product or in the product development stage. In addition, it is preferable that each axis detection circuit has an amplifier circuit. This is because when there are individual amplifier circuits, correction can be made individually, and high accuracy can be easily achieved.
Japanese Patent Laid-Open No. 10-104097 Japanese Patent Laid-Open No. 2001-43011

本願の発明は、従来の３軸力センサが有する前記のような問題点を解決して、力センサのさらなる小型化、起歪部への歪みゲージの組付け作業性の向上、低コスト化等が可能な３軸力センサを提供することを課題とする。   The invention of the present application solves the above-mentioned problems of the conventional triaxial force sensor, further reduces the size of the force sensor, improves the workability of assembling the strain gauge to the strain generating portion, and reduces the cost. It is an object of the present invention to provide a three-axis force sensor capable of performing

前記のような課題は、本願の特許請求の範囲の各請求項に記載された次のような発明により解決される。
すなわち、その請求項１に記載された発明は、円形板状の起歪部の中心に、柱状の荷重受け部が一体に直立させられ、前記起歪部の前記荷重受け部が直立させられた側と反対側の力検出面上に、３個のホイートストンブリッジ回路の各々に組み込まれた所定数の歪みゲージが貼着されて、前記荷重受け部が力を受けると、前記起歪部が歪んで、３個の前記ホイートストンブリッジ回路のうちの少なくとも１つのホイートストンブリッジ回路の平衡が崩れることにより、対応するＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の３分力のうちの少なくとも１つの分力がそれぞれ検出されるようになっている３軸力センサにおいて、３個の前記ホイートストンブリッジ回路の各々は、隣接する２辺の各辺にのみ歪みゲージを有するハーフブリッジ回路から構成され、３個の前記ハーフブリッジ回路のうち、Ｘ軸方向の分力を検出する１つのハーフブリッジ回路がその隣接する２辺のうちの一方の辺に有する前記歪みゲージと、他方の辺に有する前記歪みゲージとは、前記起歪部の前記力検出面の中心に対して対称で、半径方向に見てより内方もしくはより外方の第１位置に、それぞれ配置され、３個の前記ハーフブリッジ回路のうち、Ｙ軸方向の分力を検出する他の１つのハーフブリッジ回路がその隣接する２辺のうちの一方の辺に有する前記歪みゲージと、他方の辺に有する前記歪みゲージとは、前記起歪部の前記力検出面の中心に対して対称で、半径方向に見てより外方もしくはより内方の第２位置に、それぞれ配置され、前記第１位置と前記第２位置とは、互いに９０°位相が偏位させられていることを特徴とする３軸力センサである。 The above-described problems can be solved by the following invention described in each claim of the present application.
That is, in the invention described in claim 1, a columnar load receiving portion is integrally upright at the center of a circular plate-like strain generating portion, and the load receiving portion of the strain generating portion is vertically set up. When a predetermined number of strain gauges incorporated in each of the three Wheatstone bridge circuits are attached on the force detection surface opposite to the side, when the load receiving portion receives a force, the strain generating portion is distorted. Thus, when at least one of the three Wheatstone bridge circuits is out of balance, at least one of the corresponding three component forces in the X, Y, and Z-axis directions is detected. in three-axis force sensor has become so that, each of the three of the Wheatstone bridge circuit is constituted by a half-bridge circuit having strain gauges only the respective sides of the two adjacent sides, three before Among the half bridge circuits, one strain bridge that detects a component force in the X-axis direction has the strain gauge on one of the two adjacent sides, and the strain gauge on the other side. Of the three half-bridge circuits, each of the three half-bridge circuits is arranged symmetrically with respect to the center of the force detection surface of the strain generating portion and disposed at a first position that is inward or outward as viewed in the radial direction. The strain gauge that one of the two adjacent sides of the other half-bridge circuit that detects the axial component force has on one side and the strain gauge on the other side are Symmetrically with respect to the center of the force detection surface, the first position and the second position are arranged at a 90 ° phase relative to each other at a second position that is outward or inward as viewed in the radial direction. Is characterized by being deviated It is a three-axis force sensor.

請求項１に記載された発明は、前記のように構成されており、３個のホイートストンブリッジ回路の各々が、隣接する２辺の各辺にのみ歪みゲージを有するハーフブリッジ回路から構成されているので、ハーフブリッジ回路の歪みゲージを有しない隣接する残りの２辺に配設される固定抵抗は、起歪部の力検出面上に貼着されなくて済むことになり、起歪部の力検出面上に貼着されるそれぞれの歪みゲージに繋がる配線の引き回しが交差することなく、配線が簡易に行えて、起歪部への歪みゲージの組付け作業性が向上する。また、従来のフルブリッジ回路を用いた場合と比較して、回路構成のために必要な面積や半田付け個所が少なくなるので、３軸力センサの小型化が容易になる。   The invention described in claim 1 is configured as described above, and each of the three Wheatstone bridge circuits includes a half bridge circuit having a strain gauge only on each of two adjacent sides. Therefore, the fixed resistors provided on the remaining two adjacent sides that do not have the strain gauge of the half-bridge circuit do not have to be attached to the force detection surface of the strain generating portion, and the force of the strain generating portion is not required. Wiring can be easily performed without crossing the wiring of the wiring connected to the respective strain gauges attached on the detection surface, and the workability of assembling the strain gauge to the strain generating portion is improved. In addition, since the area and the soldering location required for the circuit configuration are reduced as compared with the case of using a conventional full bridge circuit, the triaxial force sensor can be easily downsized.

また、Ｘ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路が有する所定数の歪みゲージと、Ｙ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路が有する所定数の歪みゲージとが干渉したり、配線の引き回しが交差したりすることなく、配線がさらに簡易に行えて、起歪部への歪みゲージの組付け作業性がさらに向上する。特にＺ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路が有する所定数の歪みゲージが起歪部の力検出面の中心を通る直線上にさらに配置される場合には、スペースの余裕が生じて、好都合である。In addition, a predetermined number of strain gauges included in the half-bridge circuit that detects the component force in the X-axis direction interfere with a predetermined number of strain gauges included in the half-bridge circuit that detects the component force in the Y-axis direction, Wiring can be performed more easily without crossing the routing, and the workability of assembling the strain gauge to the strain generating portion is further improved. In particular, when a predetermined number of strain gauges included in the half-bridge circuit for detecting the component force in the Z-axis direction are further arranged on a straight line passing through the center of the force detection surface of the strain generating portion, there is a margin of space, Convenient.

また、Ｘ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路が有する所定数の歪みゲージ及びＹ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路が有する所定数の歪みゲージは、いずれも起歪部の力検出面の中心を通るＸ軸方向及びＹ軸方向に沿った直線上にそれぞれ設定されているので、測定しようとするＸ、Ｙ軸方向分力以外の力に基づく歪みゲージの電気抵抗値の変化が互いに打ち消し合い、干渉出力が理論上発生しないようにすることができる。In addition, the predetermined number of strain gauges included in the half-bridge circuit that detects the component force in the X-axis direction and the predetermined number of strain gauges included in the half-bridge circuit that detects the component force in the Y-axis direction are both the force of the strain generating portion. Since it is set on straight lines along the X-axis direction and the Y-axis direction passing through the center of the detection surface, the change in the electrical resistance value of the strain gauge based on the force other than the X and Y-axis direction component to be measured Can cancel each other and theoretically generate no interference output.

さらに、その請求項２に記載された発明は、請求項１に記載の３軸力センサにおいて、その３個のハーフブリッジ回路のうち、Ｚ軸方向の分力を検出する残りの１つのハーフブリッジ回路は、その隣接する２辺のうちの一方の辺に第３の歪みゲージと、第２の歪みゲージとを有し、他方の辺に第１の歪みゲージと、第４の歪みゲージとを有し、第３の歪みゲージと、第２の歪みゲージとは、起歪部の力検出面の中心に対して対称で、半径方向に見てより内方の第３位置に、それぞれ配置され、第１の歪みゲージと、第４の歪みゲージとは、起歪部の力検出面の中心に対して対称で、半径方向に見てより外方の第４位置に、それぞれ配置され、第３位置と第４位置とは、同じ位相にあって、第１位置と第２位置との間の位置にその位相が偏位させられており、第１の歪みゲージと、第２の歪みゲージと、第３の歪みゲージと、第４の歪みゲージとは、この順に並べて配置されていることを特徴としている。 Furthermore, the invention described in claim 2 is the three-axis force sensor according to claim 1, wherein one of the three half-bridge circuits detects the remaining component of the half-bridge in the Z-axis direction. The circuit has a third strain gauge and a second strain gauge on one of the two adjacent sides, and a first strain gauge and a fourth strain gauge on the other side. The third strain gauge and the second strain gauge are symmetrically arranged with respect to the center of the force detection surface of the strain generating portion and are respectively disposed at a third position that is inward as viewed in the radial direction. The first strain gauge and the fourth strain gauge are respectively arranged at a fourth position which is symmetrical with respect to the center of the force detection surface of the strain generating portion and is more outward than seen in the radial direction. The third position and the fourth position are in the same phase, and the phase is deviated to a position between the first position and the second position. It is and, a first strain gauge, and a second strain gauge, a third strain gauge, and the fourth strain gauge, is characterized by being arranged in this order.

請求項２に記載された発明は、この構成により、Ｚ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路が有する所定数の歪みゲージを、Ｘ、Ｙ軸方向の分力をそれぞれ検出する両ハーフブリッジ回路が有する歪みゲージ群と干渉したり、配線の引き回しが交差したりすることなく、起歪部の力検出面上に配置することができ、起歪部への歪みゲージの組付け作業性が、この面からも向上する。 According to the second aspect of the present invention, with this configuration, a predetermined number of strain gauges included in the half-bridge circuit that detects the component force in the Z-axis direction are detected by both half bridges that respectively detect the component forces in the X- and Y-axis directions. It can be placed on the force detection surface of the strain generating part without interfering with the strain gauge group of the circuit or the wiring routing crossing, and the workability of assembling the strain gauge to the strain generating part is improved. This also improves from this aspect.

また、Ｚ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路が有する所定数の歪みゲージは、いずれも起歪部の力検出面の中心を通る直線上にそれぞれ設定されているので、測定しようとするＺ軸方向分力以外の力に基づく歪みゲージの電気抵抗値の変化が互いに打ち消し合い、干渉出力が理論上発生しないようにすることができる。   In addition, the predetermined number of strain gauges included in the half-bridge circuit that detects the component force in the Z-axis direction is set on a straight line that passes through the center of the force detection surface of the strain-generating portion, and thus is to be measured. Changes in the electrical resistance value of the strain gauge based on a force other than the component in the Z-axis direction cancel each other, and interference output can be prevented from occurring theoretically.

また、その請求項３に記載された発明は、請求項１又は２に記載の３軸力センサにおいて、その（所定数の）歪みゲージを有する隣接する２辺の信号取出し用配線部材との接続部が、当該歪みゲージが起歪部の力検出面上に貼着される位置よりも半径方向に見てより外方の位置に位置するようにして配置されていることを特徴としている。 The invention described in claim 3 is the three-axis force sensor according to claim 1 or 2 , wherein the connection is made with the signal extraction wiring members on two adjacent sides having the (predetermined number) strain gauges. The portion is arranged so that the strain gauge is located at a position more outward than the position where the strain gauge is stuck on the force detection surface of the strain generating portion in the radial direction.

請求項３に記載された発明は、この構成により、各ハーフブリッジ回路の歪みゲージを有する隣接する２辺の信号取出し用配線部材との接続部を、歪みゲージ群が起歪部の力検出面上に貼着されて形成されるゲージパターンの外周部に位置させることができ、ゲージパターンは、力検出面上の中心部寄りに位置させられることになるので、この中心部寄りの部分のみにカバーフィルムなどを貼ることにより、センサの敏感な部分を保護することができ、３軸力センサの保護がより容易になり、耐環境性、耐久信頼性をさらに向上させることができる。 According to the third aspect of the present invention, with this configuration, the connection portion between the adjacent two signal extraction wiring members having the strain gauge of each half-bridge circuit is connected to the force detection surface where the strain gauge group is the strain generating portion. The gauge pattern can be positioned on the outer periphery of the gauge pattern formed on the top, and the gauge pattern is positioned closer to the center of the force detection surface. By attaching a cover film or the like, the sensitive part of the sensor can be protected, and the protection of the triaxial force sensor becomes easier, and the environmental resistance and durability reliability can be further improved.

また、その請求項４に記載された発明は、請求項３に記載の３軸力センサにおいて、その接続部が、その隣接する２辺の連結点と両端点とを信号取出し用配線部材にそれぞれ接続する３つの接続ポイントを有し、該隣接する２辺の連結点を信号取り出し用配線部材に接続する接続ポイントは、他の２つの接続ポイントの中間に位置するようにして配置されていることを特徴としている。 Further, the invention described in claim 4 is the three-axis force sensor according to claim 3, the connecting portion, respectively and a connection point and two end points of the two adjacent sides to the wiring member signal extraction There are three connection points to be connected, and the connection point for connecting the connecting points of the two adjacent sides to the signal extraction wiring member is arranged so as to be positioned between the other two connection points. It is characterized by.

請求項４に記載された発明は、この構成により、信号取出し用配線部材における配線が交差することがなくなるので、その接続部に片面タイプの信号取り出し用配線部材を使用することが可能になり、３軸力センサの製作コストを低減することができる。 In the invention described in claim 4 , since the wiring in the signal extraction wiring member does not intersect with this configuration, it becomes possible to use a single-sided type signal extraction wiring member for the connection portion. The manufacturing cost of the three-axis force sensor can be reduced.

また、その請求項５に記載された発明は、請求項３又は４に記載の３軸力センサにおいて、その起歪部が、起歪基体の中央部が荷重受け部が直立させられた側及びこれと反対側から同心にそれぞれ環形及び円形に抉られて、残された薄い円形板状部として形成されており、荷重受け部が直立させられた側と反対側から抉られた円形の第１半径は、荷重受け部が直立させられた側から抉られた環形の外周の第２半径より大きくされ、接続部が配置される、起歪部の力検出面上の半径方向に見てより外方の位置は、これら第１半径と第２半径との差分に相当する幅を有する環状領域内の位置とされていることを特徴としている。 Further, the invention described in claim 5 is the triaxial force sensor according to claim 3 or 4 , wherein the strain generating portion is a side where the load receiving portion is upright at the center portion of the strain generating base body and From the opposite side concentrically, each ring is formed into a circular shape and a circular shape, and is formed as a remaining thin circular plate-like portion. The first circular shape is formed from the opposite side to the side where the load receiving portion is erected. The radius is larger than the second radius of the outer periphery of the ring shaped from the side on which the load receiving portion is erected, and is more outward than seen in the radial direction on the force detection surface of the strain generating portion where the connecting portion is disposed. This position is characterized in that it is a position in an annular region having a width corresponding to the difference between the first radius and the second radius.

請求項５に記載された発明は、この構成により、各ハーフブリッジ回路の歪みゲージを有する隣接する２辺の信号取出し用配線部材との接続部が配置される、起歪部の力検出面上の半径方向に見てより外方の位置が、荷重受け部が直立させられた側と反対側からは円形に抉られるが、荷重受け部が直立させられた側からは環形に抉られない、起歪部の力検出面上の外周部の環状領域内の位置とされることになり、この位置は、起歪部の厚さが厚い領域内の位置であるから、歪み量が少ない領域で半田接合を行うことが可能になり、それによって半田付け部の損傷を防止できる一方で、３個のホイートストンブリッジ回路をそれぞれ構成する歪みゲージは起歪部の厚さが薄い領域内に貼着されることから、荷重受け部に加わる力が微小の場合であっても、半田付け部の剛性がセンサの感度に影響しないようにすることができる。 According to the fifth aspect of the present invention, with this configuration, on the force detection surface of the strain generating portion, the connection portion between the adjacent two signal extraction wiring members having the strain gauge of each half bridge circuit is arranged. The outer position when viewed in the radial direction is rounded from the side opposite to the side where the load receiving part is upright, but is not twisted into the ring shape from the side where the load receiving part is upright. This is a position in the annular area of the outer peripheral part on the force detection surface of the strain generating part, and this position is a position in the area where the thickness of the strain generating part is thick. While it is possible to perform solder joints and thereby prevent damage to the soldered portion, the strain gauges constituting each of the three Wheatstone bridge circuits are attached to the region where the thickness of the strain-generating portion is thin. Therefore, when the force applied to the load receiving part is very small It can also rigidity of the soldering portion so as not to affect the sensitivity of the sensor.

前記のとおり、本願の発明の３軸力センサによれば、３個のホイートストンブリッジ回路の各々が、隣接する２辺の各辺にのみ歪みゲージを有するハーフブリッジ回路から構成されているので、ハーフブリッジ回路の歪みゲージを有しない隣接する残りの２辺に配設される固定抵抗は、起歪部の力検出面上に貼着されなくて済むことになり、起歪部の力検出面上に貼着されるそれぞれの歪みゲージに繋がる配線の引き回しが交差することなく、配線が簡易に行えて、起歪部への歪みゲージの組付け作業性が向上する。また、従来のフルブリッジ回路を用いた場合と比較して、回路構成のために必要な面積や半田付け個所が少なくなるので、３軸力センサの小型化が容易になる。   As described above, according to the three-axis force sensor of the present invention, each of the three Wheatstone bridge circuits is composed of a half bridge circuit having a strain gauge only on each of two adjacent sides. The fixed resistors arranged on the remaining two adjacent sides without the strain gauge of the bridge circuit do not have to be attached on the force detection surface of the strain generating portion, Wiring can be easily performed without crossing the wiring of the wiring connected to the respective strain gauges, and the workability of attaching the strain gauge to the strain generating portion is improved. In addition, since the area and the soldering location required for the circuit configuration are reduced as compared with the case of using a conventional full bridge circuit, the triaxial force sensor can be easily downsized.

さらに、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向のそれぞれの分力を検出する３つのハーフブリッジ回路が有する複数の歪みゲージ同志が干渉したり、配線の引き回しが交差したりすることなく、配線がさらに簡易に行えて、起歪部への歪みゲージの組付け作業性がさらに向上する。特にＺ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路が有する所定数の歪みゲージが起歪部の力検出面の中心を通る直線上に配置される場合に、スペースの余裕が生じて、好都合である。   In addition, wiring is further simplified without interference between multiple strain gauges of the three half-bridge circuits that detect the component forces in the X, Y, and Z-axis directions, and without the wiring routing crossing. This improves the workability of assembling the strain gauge to the strain generating portion. In particular, when a predetermined number of strain gauges included in the half-bridge circuit for detecting the component force in the Z-axis direction are arranged on a straight line passing through the center of the force detection surface of the strain generating portion, there is a margin of space, which is convenient. is there.

また、Ｘ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路が有する所定数の歪みゲージ及びＹ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路が有する所定数の歪みゲージは、いずれも起歪部の力検出面の中心を通るＸ軸方向及びＹ軸方向に沿った直線上にそれぞれ設定されており、Ｚ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路が有する所定数の歪みゲージは、いずれも起歪部の力検出面の中心を通る直線上にそれぞれ設定されているので、それぞれのハーフブリッジ回路において、測定しようとする方向の分力以外の力に基づく各歪みゲージの電気抵抗値の変化が互いに打ち消し合い、干渉出力が理論上発生しないようにすることができる。   In addition, the predetermined number of strain gauges included in the half-bridge circuit that detects the component force in the X-axis direction and the predetermined number of strain gauges included in the half-bridge circuit that detects the component force in the Y-axis direction are both the force of the strain generating portion. Each of the predetermined number of strain gauges in the half-bridge circuit that detects the component force in the Z-axis direction and is set on straight lines along the X-axis direction and the Y-axis direction passing through the center of the detection surface Are set on a straight line passing through the center of the force detection surface of each part, and in each half bridge circuit, the change in the electrical resistance value of each strain gauge based on the force other than the component force in the direction to be measured is mutually It is possible to cancel each other and prevent an interference output from theoretically occurring.

また、各ハーフブリッジ回路の歪みゲージを有する隣接する２辺の信号取出し用配線部材との接続部を、歪みゲージ群が起歪部の力検出面上に貼着されて形成されるゲージパターンの外周部に位置させることができ、ゲージパターンは、力検出面上の中心部寄りに位置させられることになるので、この中心部寄りの部分のみにカバーフィルムなどを貼ることにより、センサの敏感な部分を保護することができ、３軸力センサの保護がより容易になり、耐環境性、耐久信頼性をさらに向上させることができる。In addition, the connection part of the adjacent two-side signal extraction wiring member having the strain gauge of each half-bridge circuit is formed of a gauge pattern formed by sticking the strain gauge group on the force detection surface of the strain generating part. Since the gauge pattern can be positioned near the center on the force detection surface, the sensor can be made sensitive by attaching a cover film or the like only to the portion near the center. The portion can be protected, the triaxial force sensor can be protected more easily, and the environmental resistance and durability reliability can be further improved.

また、その接続部が、その歪みゲージを有する隣接する２辺の連結点と両端点とを信号取出し用配線部材にそれぞれ接続する３つの接続ポイントを有し、該隣接する２辺の連結点を信号取り出し用配線部材に接続する接続ポイントが、他の２つの接続ポイントの中間に位置するようにして配置されているので、信号取出し用配線部材の配線が交差することがなくなり、その接続部に片面タイプの信号取り出し用配線部材を使用することが可能になり、３軸力センサの製作コストを低減することができる。
その他、前記したような効果を奏することができる。 Further, the connecting portion has three connecting points for connecting the connecting points and both end points of the two adjacent sides having the strain gauge to the signal extraction wiring member, and the connecting points of the two adjacent sides are Since the connection point to be connected to the signal extraction wiring member is arranged so as to be located between the other two connection points, the wiring of the signal extraction wiring member will not cross each other, and A single-sided signal extraction wiring member can be used, and the manufacturing cost of the triaxial force sensor can be reduced.
In addition, the effects as described above can be achieved.

円形板状の起歪部の中心に、柱状の荷重受け部が一体に直立させられ、起歪部の荷重受け部が直立させられた側と反対側の力検出面上に、３個のブリッジ回路の各々に組み込まれた所定数の歪みゲージが貼着されて、荷重受け部が力を受けると、起歪部が歪んで、３個のブリッジ回路のうちの少なくとも１つのブリッジ回路の平衡が崩れることにより、電圧変化が生じ、対応するＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の３分力のうちの少なくとも１つの分力がそれぞれ検出されるようになっている３軸力センサにおいて、３個のブリッジ回路の各々を、隣接する２辺の各辺にのみ歪みゲージを有するハーフブリッジ回路から構成する。信号取出し用配線部材としては、例えばＦＰＣを用いればよい。   At the center of the circular plate-shaped strain-generating portion, a column-shaped load receiving portion is integrally upright, and three bridges are formed on the force detection surface opposite to the side where the load receiving portion of the strain-generating portion is upright. When a predetermined number of strain gauges incorporated in each of the circuits are attached and the load receiving portion receives a force, the strain generating portion is distorted, and the balance of at least one of the three bridge circuits is balanced. In the three-axis force sensor in which at least one component force of the corresponding three component forces in the X, Y, and Z axis directions is detected by the collapse, three bridges are detected. Each of the circuits is composed of a half bridge circuit having a strain gauge only on each of two adjacent sides. For example, an FPC may be used as the signal extraction wiring member.

３個のハーフブリッジ回路のうち、Ｘ軸方向の分力を検出する１つのハーフブリッジ回路がその隣接する２辺のうちの一方の辺に有する歪みゲージと、他方の辺に有する歪みゲージとは、起歪部の力検出面の中心に対して対称で、半径方向に見てより内方もしくはより外方の第１位置に、それぞれ配置し、３個のハーフブリッジ回路のうち、Ｙ軸方向の分力を検出する他の１つのハーフブリッジ回路がその隣接する２辺のうちの一方の辺に有する歪みゲージと、他方の辺に有する歪みゲージとは、起歪部の力検出面の中心に対して対称で、半径方向に見てより外方もしくはより内方の第２位置に、それぞれ配置することとする。これら第１位置と第２位置とは、互いに９０°位相を偏位させるものとする。   Of the three half-bridge circuits, one half-bridge circuit that detects a component force in the X-axis direction has a strain gauge on one of the two adjacent sides, and a strain gauge on the other side. Symmetric with respect to the center of the force detection surface of the strain-generating portion and arranged in a first position that is inward or outward as seen in the radial direction, and is arranged in the Y-axis direction among the three half-bridge circuits. The strain gauge that one of the two adjacent sides of the other half-bridge circuit that detects the component force of and the strain gauge that the other side has is the center of the force detection surface of the strain generating portion. Are arranged at second positions that are more outward or more inward as viewed in the radial direction. The first position and the second position are deviated from each other by 90 ° phase.

さらに、３個のハーフブリッジ回路のうち、Ｚ軸方向の分力を検出する残りの１つのハーフブリッジ回路は、その隣接する２辺のうちの一方の辺に第３の歪みゲージと、第２の歪みゲージとを有し、他方の辺に第１の歪みゲージと、第４の歪みゲージとを有するものとし、第３の歪みゲージと、第２の歪みゲージとは、起歪部の力検出面の中心に対して対称で、半径方向に見てより内方の第３位置に、それぞれ配置し、第１の歪みゲージと、第４の歪みゲージとは、起歪部の力検出面の中心に対して対称で、半径方向に見てより外方の第４位置に、それぞれ配置することとする。これら第３位置と第４位置とは、同じ位相にあって、第１位置と第２位置との間にその位相を偏位させる。第１の歪みゲージと、第２の歪みゲージと、第３の歪みゲージと、第４の歪みゲージとは、この順に並べて配置するものとする。   Further, of the three half-bridge circuits, the remaining one half-bridge circuit that detects the component force in the Z-axis direction has a third strain gauge and a second strain gauge on one of the two adjacent sides. And the first strain gauge and the fourth strain gauge on the other side, and the third strain gauge and the second strain gauge are the force of the strain generating portion. The first strain gauge and the fourth strain gauge are symmetrically arranged with respect to the center of the detection surface and arranged at a third position that is inward as viewed in the radial direction. Are arranged at a fourth position which is symmetric with respect to the center of the center and outward of the center in the radial direction. The third position and the fourth position are in the same phase, and the phase is deviated between the first position and the second position. The first strain gauge, the second strain gauge, the third strain gauge, and the fourth strain gauge are arranged in this order.

これら隣接する２辺の信号取出し用ＦＰＣとの接続部は、歪みゲージが起歪部の力検出面上に貼着される位置よりも半径方向に見てより外方の位置に位置するようにして配置することとする。また、この接続部は、その隣接する２辺の連結点と両端点とを信号取出し用配線部材にそれぞれ接続する３つの接続ポイントを有し、該隣接する２辺の連結点を信号取り出し用配線部材に接続する接続ポイントが、他の２つの接続ポイントの中間に位置するようにして配置することとする。The connection part with the signal take-out FPC on these two adjacent sides is located at a position more outward than the position where the strain gauge is stuck on the force detection surface of the strain generating part in the radial direction. Will be placed. The connecting portion has three connection points for connecting the connection points and both end points of the two adjacent sides to the signal extraction wiring member, and the connection points of the two adjacent sides are connected to the signal extraction wiring. The connection point to be connected to the member is arranged so as to be located between the other two connection points.

次に、本願の発明の実施例について説明する。
図１は、本実施例の３軸力センサの縦断面図、図２は、同底面図、図３は、同３軸力センサの起歪部周辺部の分解斜視図、図４は、同３軸力センサの信号取り出し用配線部材の要部の平面図、図５は、同３軸力センサにおいて、Ｘ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路の歪みゲージを有する一半部分を示す図、図６は、同じくＹ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路の歪みゲージを有する一半部分を示す図、図７は、同じくＺ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路の歪みゲージを有する一半部分を示す図、図８〜図１０は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の分力をそれぞれ検出するハーフブリッジ回路の作用説明図であって、当該ハーフブリッジ回路を併せて示す図、図１１は、同３軸力センサのセンサ部（３軸力センサに搭載される回路部分）と増幅回路部とを含む全体回路図である。 Next, examples of the present invention will be described.
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a triaxial force sensor of the present embodiment, FIG. 2 is a bottom view thereof, FIG. 3 is an exploded perspective view of a peripheral portion of a strain generating portion of the triaxial force sensor, and FIG. FIG. 5 is a plan view of a principal part of a signal extracting wiring member of the three-axis force sensor, and FIG. 5 is a diagram illustrating a half part having a strain gauge of a half-bridge circuit for detecting a component force in the X-axis direction in the three-axis force sensor. FIG. 6 is a diagram showing a half portion having a strain gauge of a half-bridge circuit that similarly detects a component force in the Y-axis direction, and FIG. 7 shows a strain gauge of a half-bridge circuit that also detects a component force in the Z-axis direction. FIGS. 8 to 10 are diagrams illustrating the operation of a half bridge circuit that detects component forces in the X-, Y-, and Z-axis directions, and also illustrates the half-bridge circuit. 11 is a sensor portion of the three-axis force sensor (mounted on the three-axis force sensor). It is an overall circuit diagram including a road section) and the amplifying circuit unit.

本実施例の３軸力センサは、小型であるため、ロボットの指先に取り付けて把握力センサとして使用したり、各種機械やゲーム機などにおけるジョイスティックに使用したりするのに好適であり、単純に方向を決めるだけでなく、力の大きさに応じた信号を出力することができるので、アクチュエータに発生させる力やスピードの制御が可能なものである。   Since the triaxial force sensor of this embodiment is small, it is suitable for use as a grasping force sensor by attaching it to the fingertip of a robot, or for use as a joystick in various machines or game machines. In addition to determining the direction, a signal corresponding to the magnitude of the force can be output, so that the force and speed generated by the actuator can be controlled.

その全体構成は、概略、図１及び図２に図示されるように、円形板状の起歪部３の中心に、柱状の荷重受け部４が一体に直立させられ、起歪部３の荷重受け部４が直立させられた側と反対側の力検出面５上に、所定数の歪みゲージがそれぞれ組み込まれた３個のホイートストンブリッジ回路（以下、簡単に「ブリッジ回路」と略称する場合がある。）が貼着されることにより構成されている。   As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the overall configuration is such that a columnar load receiving portion 4 is integrally upright at the center of a circular plate-like strain-generating portion 3, and the load of the strain-generating portion 3 is Three Wheatstone bridge circuits each incorporating a predetermined number of strain gauges on the force detection surface 5 opposite to the side on which the receiving portion 4 is upright (hereinafter sometimes simply referred to as “bridge circuit”). It is configured by being attached.

以下、図１〜図４を参照して、本実施例を詳細に説明する。
本実施例では、図２に示される３つのブリッジ回路１０、２０、３０の一半部を構成する８個の歪みゲージとそれらを繋ぐ配線とを、金属薄膜によって、シート状フィルムである円形ベース９上に形成している。円形ベース９上にこれら歪みゲージＸ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２、Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４及び配線を金属薄膜によって形成する方法としては、フォトエッチング、インク印刷、蒸着、スパッタリング等種々の方法がある。いずれかの方法で形成された歪みゲージと配線とは、各接続ポイントのみを外部に露出するようにして、絶縁体からなる保護膜で覆われている。歪みゲージと配線とを形成した薄い円形ベース９は、起歪部３の力検出面５上に位置決めされて、接着剤で貼着される。このように、全ての歪みゲージを１枚の円形ベース９上に集約すると、歪みゲージを力検出面５上に正確かつ容易に配置することができる。 Hereinafter, this embodiment will be described in detail with reference to FIGS.
In the present embodiment, the eight strain gauges constituting one half of the three bridge circuits 10, 20, and 30 shown in FIG. 2 and the wiring connecting them are made of a circular base 9 that is a sheet-like film by a metal thin film. Formed on top. As a method for forming these strain gauges X1, X2, Y1, Y2, Z1, Z2, Z3, Z4 and wiring on the circular base 9 by a metal thin film, there are various methods such as photoetching, ink printing, vapor deposition, and sputtering. . The strain gauge and the wiring formed by either method are covered with a protective film made of an insulator so that only each connection point is exposed to the outside. The thin circular base 9 on which the strain gauge and the wiring are formed is positioned on the force detection surface 5 of the strain generating portion 3 and adhered with an adhesive. As described above, when all the strain gauges are collected on one circular base 9, the strain gauges can be accurately and easily arranged on the force detection surface 5.

次いで、図３に図示されるように、重ね合わせたときに歪みゲージと配線とが形成された円形ベース９上の各接続ポイントＡ、Ｂ、Ｃと一致する位置に接続ポイントＡ、Ｂ、Ｃを設けた配線パターンが形成された信号取り出し用配線部材（ＦＰＣ）６を、円形ベース９に重ね、円形ベース９上の接続ポイントとＦＰＣ６上の接続ポイント同志を半田付けして、信号取り出し用ＦＰＣを円形ベース９上に固定する。   Next, as shown in FIG. 3, the connection points A, B, C are located at positions corresponding to the connection points A, B, C on the circular base 9 on which the strain gauge and the wiring are formed when they are overlapped. The signal extraction wiring member (FPC) 6 on which the wiring pattern provided with the wiring pattern is formed is overlapped with the circular base 9, and the connection point on the circular base 9 and the connection point on the FPC 6 are soldered to each other, and the signal extraction FPC Is fixed on the circular base 9.

円形ベース９は、図１に図示されるように、起歪部３の力検出面５上に貼り付けられ、さらに、これに重ねて信号取出し用ＦＰＣ６が配置されている。信号取出し用ＦＰＣ６は、後述するように、円形ベース９に重ねられる円形部と信号を引き出す直線部とから成るが、この円形部の外径は、円形ベース９の外径よりも少し小さくなっている。そこで、同図に図示されるように、対向する接続部同志を半田で盛って繋げて接続することができる。
図２は、本実施例の３軸力センサ１の底面図であるが、信号取出し用ＦＰＣ６については、直線部とその部分の配線の一部のみを描いており、それより奥に位置する円形ベース９については、その詳細を描いている。この円形ベース９上の配線については、後で詳述する。 As shown in FIG. 1, the circular base 9 is affixed on the force detection surface 5 of the strain generating section 3, and further, a signal extraction FPC 6 is disposed on the circular base 9. As will be described later, the signal extraction FPC 6 includes a circular portion that is superimposed on the circular base 9 and a linear portion that extracts a signal. The outer diameter of the circular portion is slightly smaller than the outer diameter of the circular base 9. Yes. Therefore, as shown in the figure, the connecting portions facing each other can be connected and connected by soldering.
FIG. 2 is a bottom view of the triaxial force sensor 1 according to the present embodiment. As for the FPC 6 for signal extraction, only a straight line portion and a part of the wiring of the portion are drawn, and a circular shape located behind the straight portion. The details of the base 9 are drawn. The wiring on the circular base 9 will be described in detail later.

図３において、起歪部３、円形ベース９、信号取出し用ＦＰＣ６の位置関係は、図１におけるそれらの位置関係と上下が逆になっている。同図において、円形ベース９上に形成された各歪みセンサは、四角形で示され、また、同じく円形ベース９上に形成された３つの接続部Ａ、Ｂ、Ｃは、円形ベース９の周辺部に、各接続部に含まれる３つの接続ポイントが円弧状に並ぶようにして、それぞれ示されている。これらの間の配線は、図２に示されているとおりであるが、図３では省略されている。   In FIG. 3, the positional relationship among the strain generating portion 3, the circular base 9, and the signal extraction FPC 6 is upside down from those in FIG. 1. In the same figure, each strain sensor formed on the circular base 9 is shown by a square, and the three connecting portions A, B, and C also formed on the circular base 9 are peripheral portions of the circular base 9. The three connection points included in each connection portion are shown in an arc shape. The wiring between them is as shown in FIG. 2, but is omitted in FIG.

図３において、信号取出し用ＦＰＣ６の配線は、円形ベース９との接続部Ａ、Ｂ、Ｃ付近のみが示されており、その全体の配線は、後でも述べるとおり、図４に示されている。ここで、図１の断面図にも表れているとおり、円形ベース９の外径に対して信号取出し用ＦＰＣ６の円形部の外径は少し小さくされており、対応する各接続部Ａ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃの間に渡って半田を盛ることにより、円形ベース９と信号取出し用ＦＰＣ６との間の配線接続が行われる。   In FIG. 3, the signal extraction FPC 6 is shown only in the vicinity of the connection portions A, B, and C with the circular base 9, and the entire wiring is shown in FIG. 4, as will be described later. . Here, as shown in the cross-sectional view of FIG. 1, the outer diameter of the circular portion of the FPC 6 for signal extraction is slightly smaller than the outer diameter of the circular base 9, and the corresponding connecting portions AA, By connecting the solder between BB and CC, wiring connection between the circular base 9 and the signal extracting FPC 6 is performed.

なお、以上は、３軸力センサ１の小型化及び省力化に適した構成であるが、これに限られることなく、例えば、信号取出し用ＦＰＣ６に代えて、円形ベース９上のそれぞれの回路パターンの接続ポイントに個別にリード線を半田付けしたり、円形ベース９に代えて、８個の単軸歪みゲージを力検出面５上に貼着するなど、他の構成が適宜採用されても良い。   In addition, although the above is a structure suitable for size reduction and labor saving of the triaxial force sensor 1, it is not restricted to this, For example, it replaces with FPC6 for signal extraction, and each circuit pattern on the circular base 9 Other configurations may be employed as appropriate, such as individually soldering lead wires to the connection points, or attaching eight uniaxial strain gauges on the force detection surface 5 instead of the circular base 9. .

図４は、信号取出し用ＦＰＣ６の配線パターンの例を示す。円形ベース９の外側周辺部に配置された各接続部Ａ、Ｂ、Ｃ及び信号取出し用ＦＰＣ６の円形部の外側周辺部に配置された各接続部Ａ、Ｂ、Ｃを図２及び図３に図示されるように配置することにより、信号取出し用ＦＰＣ６の配線パターンを交差するところなく形成することができる。   FIG. 4 shows an example of a wiring pattern of the signal extracting FPC 6. FIGS. 2 and 3 show the connecting portions A, B, and C arranged in the outer peripheral portion of the circular base 9 and the connecting portions A, B, and C arranged in the outer peripheral portion of the circular portion of the signal extracting FPC 6. By arranging as shown in the figure, the wiring pattern of the signal extracting FPC 6 can be formed without intersecting.

本実施例において、３個のブリッジ回路１０、２０、３０の各々は、特にハーフブリッジ回路として構成されている。これらのハーフブリッジ回路１０、２０、３０は、図５〜図７においては、歪みゲージをそれらの隣接する２辺の各辺に有する一半部のみが示され、図８（ｄ）〜図１０（ｄ）においては、一半部と他半部とを含む全部が示されている。３個のハーフブリッジ回路１０、２０、３０の詳細については、後述する。
なお、普通、ブリッジ回路と呼ばれるものは、他半部を構成する隣接する２辺にも歪みゲージを有するフルブリッジ回路を指すことが多いが、本実施例におけるブリッジ回路は、他半部を構成する隣接する２辺に歪みゲージを有さず、代わりに固定抵抗を有しており、フルブリッジ回路に対してハーフブリッジ回路と呼ばれるものになっている。 In the present embodiment, each of the three bridge circuits 10, 20, and 30 is particularly configured as a half bridge circuit. These half-bridge circuits 10, 20, and 30 are shown in FIGS. 5 to 7 only in one half having strain gauges on each of the two adjacent sides. In d), the whole including one half and the other half is shown. Details of the three half-bridge circuits 10, 20, and 30 will be described later.
Usually, what is called a bridge circuit often refers to a full bridge circuit having strain gauges on two adjacent sides constituting the other half, but the bridge circuit in this embodiment constitutes the other half. The adjacent two sides do not have strain gauges, but instead have fixed resistors, which are called half-bridge circuits with respect to the full-bridge circuit.

このようにして構成された３軸力センサ１においては、荷重受け部４がキャップ７を介してＸ、Ｙ、Ｚ軸方向のいずれかの方向に力を受けると、起歪部５が歪んで、３個のハーフブリッジ回路１０、２０、３０のうちの少なくとも１つのハーフブリッジ回路の平衡が崩れることにより、対応するＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の３分力のうちの少なくとも１つの分力がそれぞれ検出されるようになっている。   In the triaxial force sensor 1 configured as described above, when the load receiving portion 4 receives a force in any of the X, Y, and Z axis directions via the cap 7, the strain generating portion 5 is distorted. When the balance of at least one half bridge circuit among the three half bridge circuits 10, 20, and 30 is lost, at least one component force among the corresponding three component forces in the X, Y, and Z axis directions is obtained. Each is to be detected.

起歪部３は、短い円柱状ブロック体である起歪基体２の中央部が、荷重受け部４が直立させられた側及びこれと反対側から同心にそれぞれ環形及び円形に抉られて、残された薄い円形板状部として形成されており、荷重受け部４が直立させられた側と反対側から抉られた円形の第１半径Ｒ１は、荷重受け部４が直立させられた側から抉られた環形の外周の第２半径Ｒ２より大きくされている。そして、これら第１半径Ｒ１と第２半径Ｒ２との差分に相当する幅を有する環状領域Ｓが、起歪部３の力検出面５の外周部に残されている。起歪部３において、この環状領域Ｓが残される部分の肉厚は、それより内周部分の肉厚よりも厚く、高い剛性が確保されており、３個のハーフブリッジ回路１０、２０、３０の各々の歪みゲージを有する一半部が形成された円形ベース９が信号取出し用ＦＰＣ６に接続される接続部（接続ポイント１、２、３を含む）は、この環状領域Ｓ内に位置するようにして配置されている（図２参照）。   The strain generating portion 3 has a central portion of the strain generating base body 2 which is a short cylindrical block body, which is wound concentrically from the side where the load receiving portion 4 is made upright and the opposite side concentrically into a ring shape and a circular shape, respectively. The circular first radius R1 formed from the opposite side to the side where the load receiving part 4 is upright is formed from the side where the load receiving part 4 is upright. It is made larger than 2nd radius R2 of the outer periphery of the obtained ring shape. An annular region S having a width corresponding to the difference between the first radius R1 and the second radius R2 is left on the outer peripheral portion of the force detection surface 5 of the strain generating portion 3. In the strain generating portion 3, the thickness of the portion where the annular region S remains is thicker than the thickness of the inner peripheral portion, and high rigidity is ensured, and the three half bridge circuits 10, 20, 30 are secured. The connection part (including connection points 1, 2, and 3) in which the circular base 9 formed with one half of each of the strain gauges is connected to the signal extraction FPC 6 is located in the annular region S. (See FIG. 2).

起歪基体２の材質としては、アルミ合金が多く使われるが、これに限定されず、合金工具鋼、ステンレス鋼、セラミック、プラスチック等、種々の材料が適用可能である。なお、図１において、符号８は、３軸力センサ１をボルトねじ等で適用母体に固定するためのねじ孔を示す。   As the material of the strain generating substrate 2, an aluminum alloy is often used, but the material is not limited to this, and various materials such as alloy tool steel, stainless steel, ceramic, and plastic can be applied. In FIG. 1, reference numeral 8 denotes a screw hole for fixing the triaxial force sensor 1 to the application base with a bolt screw or the like.

ここで、３個のハーフブリッジ回路１０、２０、３０の各々は、いずれも、図５〜図７及び図８（ｄ）〜図１０（ｄ）にそれぞれ図示されるように、その一半部の隣接する２辺の各辺にのみ歪みゲージを有するようにして構成されている。
すなわち、Ｘ軸方向の分力Ｆｘを検出するハーフブリッジ回路１０は、その一半部の連結点ｄを介して隣接する２辺のうちの一方の辺ｄａに歪みゲージＸ１を有し、他方の辺ｃｄに歪みゲージＸ２を有するようにして構成されている。また、Ｙ軸方向の分力Ｆｙを検出するブリッジ回路２０は、その一半部の連結点ｄを介して隣接する２辺のうちの一方の辺ｄａに歪みゲージＹ１を有し、他方の辺ｃｄに歪みゲージＹ２を有するようにして構成されている。さらに、Ｚ軸方向の分力Ｆｚを検出するブリッジ回路３０は、その一半部の連結点ｄを介して隣接する２辺のうちの一方の辺ｄａに第３の歪みゲージＺ３、第２の歪みゲージＺ２を有し、他方の辺ｃｄに第１の歪みゲージＺ１、第４の歪みゲージＺ４を有するようにして構成されている。 Here, each of the three half-bridge circuits 10, 20, and 30 is a half of the circuit as shown in FIGS. 5 to 7 and FIGS. 8 (d) to 10 (d), respectively. A strain gauge is provided only on each of two adjacent sides.
That is, the half-bridge circuit 10 that detects the component force Fx in the X-axis direction has a strain gauge X1 on one side da of two sides adjacent to each other through the connection point d of one half, and the other side The cd has a strain gauge X2. Further, the bridge circuit 20 that detects the component force Fy in the Y-axis direction has a strain gauge Y1 on one side da of two sides adjacent to each other via the connection point d of one half, and the other side cd. Is configured to have a strain gauge Y2. Further, the bridge circuit 30 that detects the component force Fz in the Z-axis direction has a third strain gauge Z3 and a second strain on one side da of two sides adjacent to each other via the connection point d of one half. It has a gauge Z2 and is configured to have a first strain gauge Z1 and a fourth strain gauge Z4 on the other side cd.

ハーフブリッジ回路１０、２０、３０の各々は、対になる他半部を、別途設けられた増幅回路部５０（図１１参照）に有している。増幅回路部５０を含めた構成は、例えば、図１１に図示されるようなものであり、後述する。ハーフブリッジ回路１０、２０、３０の各々の一半部は、その両端点ａ、ｃ、連結点ｄのそれぞれの接続ポイント１、３、２（図５〜図７参照）及び信号取出し用ＦＰＣ６のＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ対応部分のうちのいずれか（図２参照）を介して、この他半部に接続されている。そして、これら一半部と他半部とが組み合わせられて、それぞれのハーフブリッジ回路１０、２０、３０が構成されている。このようにして構成されたハーフブリッジ回路１０、２０、３０が、図８（ｄ）、図９（ｄ）、図１０（ｄ）にそれぞれ図示されている。これらの図は、信号取出し用ＦＰＣ６が省略され、両端点ａ、ｃが一半部と他半部とで共用されて、これら両半部の連結点とされた、等価回路として図示されている。   Each of the half-bridge circuits 10, 20, and 30 has the other half part to be paired in an amplifier circuit part 50 (see FIG. 11) provided separately. The configuration including the amplifier circuit unit 50 is, for example, as illustrated in FIG. 11 and will be described later. One half of each of the half bridge circuits 10, 20, and 30 includes connection points 1, 3, and 2 (see FIGS. 5 to 7) of both end points a and c and a connection point d, and Fx of the signal extraction FPC 6. , Fy, and Fz are connected to the other half through one of the corresponding portions (see FIG. 2). Then, these half halves and the other halves are combined to form the respective half bridge circuits 10, 20, and 30. Half-bridge circuits 10, 20, and 30 configured in this manner are shown in FIGS. 8 (d), 9 (d), and 10 (d), respectively. These drawings are shown as an equivalent circuit in which the FPC 6 for signal extraction is omitted, and both end points a and c are shared by one half and the other half, and are used as a connection point between these two halves.

ハーフブリッジ回路１０の他半部は、図８（ｄ）に図示されるように、その連結点ｂを介して隣接する２辺のうちの一方の辺ｂｃに固定抵抗Ｘ３を有し、他方の辺ａｂに固定抵抗Ｘ４を有している。これらの固定抵抗Ｘ３、Ｘ４は、歪みによる抵抗変化はないものである。したがって、これらは、起歪部３の力検出面５上に貼着される必要はなく、増幅回路部５０において回路構成されて良いものである。同様にして、ｂｄ間に印加される電源電圧も、増幅回路部５０において回路構成されて良い。固定抵抗Ｘ３、Ｘ４は、歪ゲージＸ１、Ｘ２に歪が生じていないときにはブリッジ回路の平衡が取れるように、すなわちａｃ間で検出される電圧Ｅａｃがゼロとなるように適宜選択される。分力Ｆｘによって歪ゲージＸ１、Ｘ２に歪が生じて抵抗値が変化した時は、ハーフブリッジ回路１０の平衡が崩れるが、その際にａｃ間で検出される電圧Ｅａｃは、Ｆｘの大きさを示しており、増幅回路部５０において増幅されて、アクチュエータを作動させるための指令信号や表示信号のＸ軸方向成分を出力する。   As shown in FIG. 8D, the other half of the half-bridge circuit 10 has a fixed resistor X3 on one side bc of two sides adjacent to each other via the connection point b, and the other half A fixed resistor X4 is provided on the side ab. These fixed resistors X3 and X4 have no resistance change due to strain. Therefore, they do not need to be attached on the force detection surface 5 of the strain generating section 3 and may be configured in the amplifier circuit section 50. Similarly, the power supply voltage applied between bd may also be configured in the amplifier circuit unit 50. The fixed resistors X3 and X4 are appropriately selected so that the bridge circuit is balanced when the strain gauges X1 and X2 are not strained, that is, the voltage Eac detected between ac is zero. When the strain force is generated in the strain gauges X1 and X2 by the component force Fx and the resistance value is changed, the balance of the half-bridge circuit 10 is lost. At this time, the voltage Eac detected between ac is the magnitude of Fx. It is amplified by the amplifier circuit unit 50 and outputs a command signal for operating the actuator and a component in the X-axis direction of the display signal.

同様にして、ハーフブリッジ回路２０、３０の各他半部（図９（ｄ）、図１０（ｄ）参照）の固定抵抗Ｙ３、Ｙ４；Ｚ５、Ｚ６も、歪みによる抵抗変化はなく、電源電圧とともに、増幅回路部５０において回路構成されて良い。分力Ｆｙ、Ｆｚによってこれらのハーフブリッジ回路２０、３０においてブリッジ回路の平衡が崩れた際に、ａｃ間で検出される電圧Ｅａｃは、Ｆｙ、Ｆｚの大きさをそれぞれ示しており、増幅回路部５０において増幅されて、アクチュエータを作動させるための指令信号や表示信号のＹ、Ｚ軸方向成分を出力する。   Similarly, the fixed resistances Y3 and Y4; Z5 and Z6 in the other half portions of the half-bridge circuits 20 and 30 (see FIGS. 9D and 10D) also have no resistance change due to distortion, and the power supply voltage At the same time, the amplifier circuit unit 50 may be configured. When the balance of the bridge circuit is broken in the half bridge circuits 20 and 30 by the component forces Fy and Fz, the voltage Eac detected between ac indicates the magnitudes of Fy and Fz, respectively. Amplified at 50, the command signal for operating the actuator and the Y and Z-axis direction components of the display signal are output.

図１１は、センサ部（３軸力センサ１に搭載される部分）と増幅回路部50との全体を示す図である。ここで、増幅回路部５０には、アンプ以外に、電源部や信号処理部も含まれている。同図において、センサ部には、各ハーフブリッジ回路１０、２０、３０の一半部を形成する歪みゲージＸ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２、Ｚ１〜Ｚ４がそれぞれ搭載されている。これらの歪みゲージの各端は、信号取出し用ＦＰＣ６の基板を介して増幅回路部５０へと接続される。増幅回路部５０では、各ハーフブリッジ回路１０、２０、３０の他半部を形成する抵抗Ｘ３、Ｘ４、Ｙ３、Ｙ４、Ｚ５、Ｚ６がそれぞれ搭載されて、センサ部と処理部とに跨って、ハーフブリッジ回路１０、２０、３０がそれぞれ形成されている。 FIG. 11 is a diagram showing the entire sensor unit (portion mounted on the three-axis force sensor 1) and the amplifier circuit unit 50. As shown in FIG. Here, the amplifier circuit unit 50 includes a power supply unit and a signal processing unit in addition to the amplifier. In the figure, strain gauges X1, X2, Y1, Y2, Z1 to Z4 that form one half of the half bridge circuits 10, 20, and 30 are mounted on the sensor unit. Each end of these strain gauges is connected to the amplifying circuit unit 50 through the substrate of the FPC 6 for signal extraction. In the amplification circuit unit 50, resistors X3, X4, Y3, Y4, Z5, and Z6 that form the other half of each half bridge circuit 10, 20, and 30 are mounted, straddling the sensor unit and the processing unit, Half-bridge circuits 10, 20, and 30 are formed, respectively.

各ハーフブリッジ回路１０、２０、３０に供給される電源電圧は、増幅回路部５０内の電源部よりそれぞれ供給される。各ハーフブリッジ回路１０、２０、３０からの出力は、それぞれアンプ１〜３で示す３つの増幅回路へと入力され、その出力が、それぞれのハーフブリッジ回路１０、２０、３０による歪み検出信号Ｆｘ信号、Ｆｙ信号、Ｆｚ信号として、信号処理部（例えばマイクロプロセッサ）に供給される。これらの信号を元に、信号処理部では、例えば、ロボットの腕などの制御対象を制御する制御信号や、図示されない表示デバイスに歪みに関連する情報を提示するための表示信号を作成し、制御対象や表示デバイスへと出力する。   The power supply voltage supplied to each half bridge circuit 10, 20, 30 is supplied from the power supply unit in the amplifier circuit unit 50. Outputs from the half-bridge circuits 10, 20, and 30 are respectively input to three amplifier circuits indicated by amplifiers 1 to 3, and outputs thereof are distortion detection signals Fx signals generated by the half-bridge circuits 10, 20, and 30, respectively. , Fy signal, and Fz signal are supplied to a signal processing unit (for example, a microprocessor). Based on these signals, the signal processing unit creates, for example, a control signal for controlling a control target such as a robot arm or a display signal for presenting information related to distortion to a display device (not shown). Output to the target or display device.

なお、図３に図示される起歪部３周辺部の構成は、３軸力センサ１に載せる電気部品を極力少なくし、その大きさを小さく構成するのに有利な構成であるが、他の構成ももちろん考えられる。例えば、信号取出し用ＦＰＣ６の基板上に各ハーフブリッジ回路１０、２０、３０の他半部を構成する抵抗を置いたり、アンプも含めて信号取出し用ＦＰＣ６の基板上に実装したり、さらには、他半部を構成する抵抗を、アンプを構成するＩＣの中に内蔵することもできる。   The configuration of the peripheral portion of the strain generating portion 3 shown in FIG. 3 is an advantageous configuration for reducing the size of the electrical components to be mounted on the triaxial force sensor 1 as much as possible. Of course, the configuration is also conceivable. For example, a resistor constituting the other half of each half bridge circuit 10, 20, 30 is placed on the substrate of the signal extraction FPC 6, mounted on the substrate of the signal extraction FPC 6 including the amplifier, The resistor constituting the other half can be incorporated in the IC constituting the amplifier.

次に、円形ベース９上に３個のハーフブリッジ回路１０、２０、３０を配置する態様について、詳細に説明する。なお、ここでは、円形ベース９が起歪部３の力検出面５上に貼着されたとして、その配置態様を説明することとする。   Next, a mode in which the three half bridge circuits 10, 20, and 30 are arranged on the circular base 9 will be described in detail. Here, it is assumed that the circular base 9 is attached on the force detection surface 5 of the strain generating portion 3 and the arrangement mode thereof will be described.

先ず、Ｘ、Ｙ軸方向の分力Ｆｘ、Ｆｙをそれぞれ検出するハーフブリッジ回路１０、２０を円形ベース９上に配置する態様について説明する。
Ｘ軸方向の分力Ｆｘを検出するハーフブリッジ回路１０の一半部（図５参照）がその隣接する２辺のうちの一方の辺ｄａに有する歪みゲージＸ１と、他方の辺ｃｄに有する歪みゲージＸ２とは、図２に図示されるように、起歪部３の力検出面５の中心に対して対称で、半径方向に見てより内方の第１位置に、それぞれ配置されている。また、Ｙ軸方向の分力Ｆｙを検出するハーフブリッジ回路２０の一半部（図６参照）がその隣接する２辺のうちの一方の辺ｄａに有する歪みゲージＹ１と、他方の辺ｃｄに有する歪みゲージＹ２とは、同じく図２に図示されるように、起歪部３の力検出面５の中心に対して対称で、半径方向に見てより外方の第２位置に、それぞれ配置されている。そして、これら第１位置と第２位置とは、互いに９０°位相が偏位させられているものである。
なお、歪みゲージＸ１、Ｘ２の力検出面５の中心に対する位置関係、歪みゲージＹ１、Ｙ２の力検出面５の中心に対する位置関係は、相互に転換されても構わない。これらの歪みゲージが、力検出面５上で互いに干渉し合うことはない。 First, an aspect in which the half bridge circuits 10 and 20 that detect the component forces Fx and Fy in the X and Y axis directions are arranged on the circular base 9 will be described.
One half (see FIG. 5) of the half-bridge circuit 10 that detects the component force Fx in the X-axis direction has a strain gauge X1 on one side da of the two adjacent sides, and a strain gauge on the other side cd. As illustrated in FIG. 2, X2 is symmetrical with respect to the center of the force detection surface 5 of the strain generating portion 3 and is disposed at a first position that is inward as viewed in the radial direction. Further, one half (see FIG. 6) of the half-bridge circuit 20 that detects the component force Fy in the Y-axis direction has the strain gauge Y1 on one side da of the two adjacent sides and the other side cd. Similarly to the strain gauge Y2, as shown in FIG. 2, the strain gauge Y2 is symmetrical to the center of the force detection surface 5 of the strain generating portion 3 and is disposed at a second position outward from the radial direction. ing. The first position and the second position are shifted from each other by 90 °.
The positional relationship between the strain gauges X1 and X2 with respect to the center of the force detection surface 5 and the positional relationship between the strain gauges Y1 and Y2 with respect to the center of the force detection surface 5 may be mutually converted. These strain gauges do not interfere with each other on the force detection surface 5.

ハーフブリッジ回路１０の配線は、ハーフブリッジ回路１０の一半部の連結点ｄを信号取出し用ＦＰＣ６との接続点２に接続し、その両端点ａ、ｃを信号取出し用ＦＰＣ６との接続点１、３に接続するための配線が、図２において、連結点ｄを接続点２に接続するための配線が歪みゲージＸ１を常に左方に見るようにしながら、力検出面５の略１／４〜３／４半周を反時計方向に引き回しされている。この場合において、連結点ｄを接続点２に接続するための配線は、常に、両端点ａ、ｃを接続点１、３に接続するための２つの配線の間にあるようにされている。これらの配線は、相互に交差することがなく、配線を円形ベース９上に形成する際に単層のパターンとして容易に形成できるため、安価に行えるものである。これらの接続点１、２、３は、図２において、力検出面５の外周部の上方領域Ａ内の位置に、接続点２が常に中心に位置するようにして、並べて配置されている。この領域Ａは、歪みゲージＸ１、Ｘ２が力検出面５に貼着される位置よりも半径方向に見てより外方であって、前記第２位置と略同じ位相の位置にあり、同時に、前記した環状領域Ｓ内の位置にある。   As for the wiring of the half bridge circuit 10, a connection point d of one half of the half bridge circuit 10 is connected to the connection point 2 with the signal extraction FPC 6, and both end points a and c thereof are connection points 1 with the signal extraction FPC 6, 2, the wiring for connecting the connection point d to the connection point 2 in FIG. 2 always looks to the left side of the strain gauge X1, while approximately 1/4 to It is routed around 3/4 half-counterclockwise. In this case, the wiring for connecting the connection point d to the connection point 2 is always between the two wirings for connecting the end points a and c to the connection points 1 and 3. Since these wirings do not cross each other and can be easily formed as a single layer pattern when the wirings are formed on the circular base 9, they can be inexpensively performed. In FIG. 2, these connection points 1, 2, and 3 are arranged side by side at a position in the upper region A of the outer peripheral portion of the force detection surface 5 so that the connection point 2 is always located at the center. This area A is more outward than the position where the strain gauges X1 and X2 are attached to the force detection surface 5 in the radial direction, and is substantially in the same phase as the second position. It is in a position within the annular region S described above.

ハーフブリッジ回路２０の配線は、ハーフブリッジ回路２０の一半部の連結点ｄを信号取出し用ＦＰＣ６との接続点２に接続し、その両端点ａ、ｃを信号取出し用ＦＰＣ６との接続点１、３に接続するための配線が、図２において、力検出面５の左略１／４半周をその外周部に略沿って時計回り及び反時計回りに引き回しされている。この場合において、連結点ｄを接続点２に接続するための配線は、常に、両端点ａ、ｃを接続点１、３に接続するための２つの配線の間にあるようにされている。これらの配線は、相互に交差することがないし、もちろん、ハーフブリッジ回路１０の配線と交差することはなく、簡易に行えるものである。これらの接続点１、２、３は、図２において、力検出面５の外周部の左方領域Ｂ内の位置に、接続点２が常に中心に位置するようにして、並べて配置されている。この領域Ｂは、歪みゲージＹ１、Ｙ２が力検出面５に貼着される位置よりも半径方向に見てより外方であって、前記第１位置と略同じ位相の位置にあり、同時に、前記した環状領域Ｓ内の位置にある。   As for the wiring of the half-bridge circuit 20, the connection point d of one half of the half-bridge circuit 20 is connected to the connection point 2 with the signal extraction FPC 6, and both end points a and c thereof are the connection points 1 with the signal extraction FPC 6. In FIG. 2, the wiring for connecting to 3 is routed in the clockwise and counterclockwise directions substantially along the outer periphery of the left half of the force detecting surface 5. In this case, the wiring for connecting the connection point d to the connection point 2 is always between the two wirings for connecting the end points a and c to the connection points 1 and 3. These wirings do not cross each other and, of course, do not cross the wiring of the half bridge circuit 10 and can be easily performed. In FIG. 2, these connection points 1, 2, and 3 are arranged side by side at a position in the left region B of the outer peripheral portion of the force detection surface 5 so that the connection point 2 is always located at the center. . This region B is more outward when viewed in the radial direction than the position where the strain gauges Y1, Y2 are attached to the force detection surface 5, and is in a position substantially in the same phase as the first position, It is in a position within the annular region S described above.

次に、Ｚ軸方向の分力Ｆｚを検出するハーフブリッジ回路３０を円形ベース９上に配置する態様について説明する。
Ｚ軸方向の分力Ｆｚを検出するハーフブリッジ回路３０の一半部（図７参照）は、その隣接する２辺のうちの一方の辺ｄａに第３の歪みゲージＺ３と、第２の歪みゲージＺ２とを有し、他方の辺ｃｄに第１の歪みゲージＺ１と、第４の歪みゲージＺ４とを有している。そして、第３の歪みゲージＺ３と、第２の歪みゲージＺ２とは、図２に図示されるように、起歪部３の力検出面５の中心に対して対称で、半径方向に見てより内方の第３位置に、それぞれ配置され、第１の歪みゲージＺ１と、第４の歪みゲージＺ４とは、同じく図２に図示されるように、起歪部５の力検出面５の中心に対して対称で、半径方向に見てより外方の第４位置に、それぞれ配置されている。これら第３位置と第４位置とは、同じ位相にあって、第１位置と第２位置との間の位置にその位相が偏位させられている。また、この場合において、第１の歪みゲージＺ１と、第２の歪みゲージＺ２と、第３の歪みゲージＺ３と、第４の歪みゲージＺ４とは、この順に並べて配置されている。 Next, a mode in which the half bridge circuit 30 for detecting the component force Fz in the Z-axis direction is arranged on the circular base 9 will be described.
One half (see FIG. 7) of the half-bridge circuit 30 that detects the component force Fz in the Z-axis direction includes a third strain gauge Z3 and a second strain gauge on one side da of the two adjacent sides. Z2 and a first strain gauge Z1 and a fourth strain gauge Z4 on the other side cd. As shown in FIG. 2, the third strain gauge Z3 and the second strain gauge Z2 are symmetrical with respect to the center of the force detection surface 5 of the strain generating portion 3 and viewed in the radial direction. As shown in FIG. 2, the first strain gauge Z1 and the fourth strain gauge Z4 are respectively disposed at the third positions that are more inward. It is symmetrical with respect to the center, and is arranged at a fourth position outside as seen in the radial direction. The third position and the fourth position are in the same phase, and the phase is shifted to a position between the first position and the second position. In this case, the first strain gauge Z1, the second strain gauge Z2, the third strain gauge Z3, and the fourth strain gauge Z4 are arranged in this order.

ハーフブリッジ回路３０の配線は、ハーフブリッジ回路３０の一半部の連結点ｄを信号取出し用ＦＰＣ６との接続点２に接続し、その両端点ａ、ｃを信号取出し用ＦＰＣ６との接続点１、３に接続するための配線が、図２において、ハーフブリッジ回路１０、２０の配線間を縫うようにして、力検出面５の略１／４〜３／４半周を反時計方向に引き回しされている。この場合において、連結点ｄを接続点２に接続するための配線は、常に、両端点ａ、ｃを接続点１、３に接続するための２つの配線の間にあるようにされている。これらの配線は、相互に交差することがないし、もちろん、ハーフブリッジ回路１０、２０の配線と交差することはなく、簡易に行えるものである。これらの接続点１、２、３は、図２において、力検出面５の外周部の右方領域Ｃ内の位置に、接続点２が常に中心に位置するようにして、並べて配置されている。この領域Ｃは、歪みゲージＺ１〜Ｚ４が力検出面５に貼着される位置よりも半径方向に見てより外方であって、起歪部３の力検出面５の中心を隔てて領域Bと反対側の位置にあり、同時に、前記した環状領域Ｓ内の位置にある。   As for the wiring of the half bridge circuit 30, the connection point d of one half of the half bridge circuit 30 is connected to the connection point 2 with the signal extraction FPC 6, and both end points a and c thereof are the connection points 1 with the signal extraction FPC 6, In FIG. 2, the wiring for connecting to 3 is routed approximately 1/4 to 3/4 half of the force detection surface 5 counterclockwise so as to sew between the wirings of the half bridge circuits 10 and 20. Yes. In this case, the wiring for connecting the connection point d to the connection point 2 is always between the two wirings for connecting the end points a and c to the connection points 1 and 3. These wirings do not cross each other and, of course, do not cross the wirings of the half-bridge circuits 10 and 20, and can be easily performed. In FIG. 2, these connection points 1, 2, and 3 are arranged side by side at a position in the right region C of the outer periphery of the force detection surface 5 so that the connection point 2 is always located at the center. . This region C is more outward than the position where the strain gauges Z1 to Z4 are attached to the force detection surface 5 in the radial direction, and is separated from the center of the force detection surface 5 of the strain generating portion 3. It is in a position opposite to B, and at the same time in a position in the annular region S described above.

以上に説明したように、３個のハーフブリッジ回路１０、２０、３０の配線は、起歪部３の力検出面５上において、互いに領域を分け合って行われていて、交差することがなく、配線を円形ベース９上に形成する際に単層のパターンとして容易に形成できるため、安価に行えるものである。また、信号取出し用ＦＰＣ６のＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ対応部分の配線も、交差することがない。   As described above, the wiring of the three half-bridge circuits 10, 20, and 30 is performed by dividing the region on the force detection surface 5 of the strain generating portion 3, and does not intersect with each other. When the wiring is formed on the circular base 9, it can be easily formed as a single layer pattern, so that it can be performed at low cost. Further, the wirings corresponding to Fx, Fy, and Fz of the signal extraction FPC 6 do not cross each other.

３個のブリッジ回路をハーフブリッジ回路１０、２０、３０で構成することは、金属箔歪みゲージに対して有効であるばかりでなく、印刷式厚膜抵抗回路に対しても有効である。ハーフブリッジ回路にすることにより、歪みゲージを配置するために要するスペースや半田付け個所が少なくなり、配線も交差させずに済むので、３軸力センサ１の小型化が容易に行える。３軸力センサ１の大きさは、用途に応じて、巨大なものから指先サイズのものまで、種々のサイズのものを製作可能である。   The construction of the three bridge circuits by the half bridge circuits 10, 20, and 30 is not only effective for the metal foil strain gauge but also effective for the printed thick film resistor circuit. By using a half-bridge circuit, the space required for placing the strain gauge and the soldering locations are reduced, and the wiring does not need to cross, so the triaxial force sensor 1 can be easily downsized. The three-axis force sensor 1 can be manufactured in various sizes depending on the application, from a huge one to a fingertip size.

次に、ハーフブリッジ回路１０、２０、３０の作用について説明する。
先ず、ハーフブリッジ回路１０の作用について説明する。
図８（ａ）〜（ｃ）は、３軸力センサ１にＸ、Ｚ軸方向の分力Ｆｘ、Ｆｚが作用する場合のハーフブリッジ回路１０の作用説明図である。これらの図を参照して、３軸力センサ１にＸ軸の正方向に分力＋Ｆｘが作用する場合（図８（ａ））には、歪みゲージＸ１に引張り歪み＋Δε１が生じ、歪みゲージＸ２に圧縮歪み−Δε２が生じ、Δε１＝Δε２＝Δεとなる。また、３軸力センサ１にＸ軸の負方向に分力−Ｆｘが作用する場合（図８（ｂ））には、歪みゲージＸ１に圧縮歪み−Δε１が生じ、歪みゲージＸ２に引張り歪み＋Δε２が生じ、Δε１＝Δε２＝Δεとなる。さらに、３軸力センサ１にＺ軸の正方向に分力＋Ｆｚが作用する場合（図８（ｃ））には、歪みゲージＸ１に引張り歪み＋Δε１が生じ、歪みゲージＸ２に引張り歪み＋Δε２が生じ、Δε１＝Δε２＝Δεとなる。 Next, the operation of the half bridge circuits 10, 20, and 30 will be described.
First, the operation of the half bridge circuit 10 will be described.
FIGS. 8A to 8C are operation explanatory diagrams of the half-bridge circuit 10 when the component forces Fx and Fz in the X and Z axis directions act on the triaxial force sensor 1. Referring to these drawings, when a component force + Fx acts on the triaxial force sensor 1 in the positive direction of the X axis (FIG. 8A), tensile strain + Δε1 is generated in the strain gauge X1, and the strain gauge X2 Compressive strain −Δε2 is generated in this case, and Δε1 = Δε2 = Δε. When a component force −Fx acts on the triaxial force sensor 1 in the negative direction of the X axis (FIG. 8B), a compressive strain −Δε1 is generated in the strain gauge X1, and a tensile strain + Δε2 is generated in the strain gauge X2. And Δε1 = Δε2 = Δε. Further, when the component force + Fz acts on the triaxial force sensor 1 in the positive direction of the Z axis (FIG. 8C), tensile strain + Δε1 is generated in the strain gauge X1, and tensile strain + Δε2 is generated in the strain gauge X2. Δε1 = Δε2 = Δε.

そこで、これらの場合に、ハーフブリッジ回路１０の出力Ｅａｃは、既知の公式により、それぞれ次のようになる。ここで、Ｆはゲージ係数、Ｅはブリッジ回路への印加電圧である。
Ｘ軸の正方向に分力＋Ｆｘが作用する場合（図８（ａ））：
Ｅａｃ＝ＦＥ／４（０＋（Δε）−（−Δε）＋０）＝ＦＥ／４（＋２Δε）
Ｘ軸の負方向に分力−Ｆｘが作用する場合（図８（ｂ））：
Ｅａｃ＝ＦＥ／４（０＋（−Δε）−（Δε）＋０）＝ＦＥ／４（−２Δε）
Ｚ軸の正方向に分力＋Ｆｚが作用する場合（図８（ｃ））：
Ｅａｃ＝ＦＥ／４（０＋（Δε）−（Δε）＋０）＝ＦＥ／４（０）＝０
以上のとおり、分力＋Ｆｘ、−Ｆｘに応じて、その分力によって生じる歪の２倍である＋２Δε、−２Δεに比例する出力信号（電圧）Ｅａｃが得られるが、分力＋Ｆｚによる信号は０であり、これによる干渉出力はない。また、分力＋Ｆｙ、−Ｆｙに対しても、歪みゲージＸ１、Ｘ２が中立軸上にあるため、これらによる干渉出力はないことになる。 Therefore, in these cases, the output Eac of the half-bridge circuit 10 is as follows according to a known formula. Here, F is a gauge coefficient, and E is a voltage applied to the bridge circuit.
When the component force + Fx acts in the positive direction of the X axis (FIG. 8A):
Eac = FE / 4 (0+ (Δε) − (− Δε) +0) = FE / 4 (+ 2Δε)
When component force -Fx acts in the negative direction of the X-axis (FIG. 8B):
Eac = FE / 4 (0 + (− Δε) − (Δε) +0) = FE / 4 (−2Δε)
When component force + Fz acts in the positive direction of the Z-axis (FIG. 8C):
Eac = FE / 4 (0+ (Δε) − (Δε) +0) = FE / 4 (0) = 0
As described above, an output signal (voltage) Eac proportional to + 2Δε and −2Δε, which is twice the strain generated by the component force, is obtained according to the component forces + Fx and −Fx, but the signal due to the component force + Fz is 0. There is no interference output due to this. Further, since the strain gauges X1 and X2 are on the neutral axis with respect to the component forces + Fy and -Fy, there is no interference output due to these.

次に、ハーフブリッジ回路２０の作用について説明する。
図９（ａ）〜（ｃ）は、３軸力センサ１にＹ、Ｚ軸方向の分力Ｆｙ、Ｆｚが作用する場合のハーフブリッジ回路２０の作用説明図である。この場合も、３軸力センサ１にＸ、Ｚ軸方向の分力Ｆｘ、Ｆｚが作用する場合と同様にして、次のようなハーフブリッジ回路２０の出力Ｅａｃが得られる。但し、この場合には、Ｚ軸方向の分力Ｆｚの作用に対し、歪みゲージＹ１に圧縮歪み−Δε１が生じ、歪みゲージＹ２に圧縮歪み−Δε２が生じ、Δε１＝Δε２＝Δεとなることに注意する必要がある。
Ｙ軸の正方向に分力＋Ｆｙが作用する場合（図９（ａ））：
Ｅａｃ＝ＦＥ／４（０＋（Δε）−（−Δε）＋０）＝ＦＥ／４（＋２Δε）
Ｙ軸の負方向に分力−Ｆｙが作用する場合（図９（ｂ））：
Ｅａｃ＝ＦＥ／４（０＋（−Δε）−（Δε）＋０）＝ＦＥ／４（−２Δε）
Ｚ軸の正方向に分力＋Ｆｚが作用する場合（図９（ｃ））：
Ｅａｃ＝ＦＥ／４（０＋（−Δε）−（−Δε）＋０）＝ＦＥ／４（０）＝０
以上のとおり、分力＋Ｆｙ、−Ｆｙに応じて、その分力によって生じる歪の２倍である＋２Δε、−２Δεに比例する出力信号（電圧）Ｅａｃが得られるが、分力＋Ｆｚによる信号は０であり、これによる干渉出力はない。また、分力＋Ｆｘ、−Ｆｘに対しても、歪みゲージＹ１、Ｙ２が中立軸上にあるため、これらによる干渉出力はないことになる。 Next, the operation of the half bridge circuit 20 will be described.
9A to 9C are operation explanatory diagrams of the half-bridge circuit 20 when the component forces Fy and Fz in the Y and Z-axis directions act on the triaxial force sensor 1. In this case as well, the following output Eac of the half-bridge circuit 20 is obtained in the same manner as when the component forces Fx and Fz in the X and Z-axis directions act on the triaxial force sensor 1. However, in this case, with respect to the action of the component force Fz in the Z-axis direction, a compressive strain −Δε1 is generated in the strain gauge Y1, a compressive strain −Δε2 is generated in the strain gauge Y2, and Δε1 = Δε2 = Δε. You need to be careful.
When component force + Fy acts in the positive direction of the Y-axis (FIG. 9A):
Eac = FE / 4 (0+ (Δε) − (− Δε) +0) = FE / 4 (+ 2Δε)
When component force -Fy acts in the negative direction of the Y-axis (FIG. 9B):
Eac = FE / 4 (0 + (− Δε) − (Δε) +0) = FE / 4 (−2Δε)
When component force + Fz acts in the positive direction of the Z-axis (FIG. 9C):
Eac = FE / 4 (0 + (− Δε) − (− Δε) +0) = FE / 4 (0) = 0
As described above, an output signal (voltage) Eac proportional to + 2Δε and −2Δε, which is twice the strain generated by the component force, is obtained according to the component forces + Fy and −Fy, but the signal due to the component force + Fz is 0. There is no interference output due to this. Further, since the strain gauges Y1 and Y2 are on the neutral axis with respect to the component forces + Fx and -Fx, there is no interference output due to these.

次に、ハーフブリッジ回路３０の作用について説明する。
図１０（ａ）〜（ｃ）は、３軸力センサ１にＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の分力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚが作用する場合のハーフブリッジ回路３０の作用説明図である。これらの図を参照して、３軸力センサ１にＸ、Ｙ軸の正方向に分力＋Ｆｘ、＋Ｆｙのいずれかが作用する場合（図１０（ａ））には、歪みゲージＺ１に引張り歪み＋Δε１が生じ、歪みゲージＺ２に引張り歪み＋Δε２が生じ、歪みゲージＺ３に圧縮歪み−Δε３が生じ、歪みゲージＺ４に圧縮歪み−Δε４が生じ、Δε１＝Δε４＝Δεｏ、Δε２＝Δε３＝Δεｉとなる。また、３軸力センサ１にＸ、Ｙ軸の負方向に分力−Ｆｘ、−Ｆｙのいずれかが作用する場合（図１０（ｂ））には、歪みゲージＺ１に圧縮歪み−Δε１が生じ、歪みゲージＺ２に圧縮歪み−Δε２が生じ、歪みゲージＺ３に引張り歪み＋Δε３が生じ、歪みゲージＺ４に引張り歪み＋Δε４が生じ、Δε１＝Δε４＝Δεｏ、Δε２＝Δε３＝Δεｉとなる。さらに、３軸力センサ１にＺ軸の正方向に分力＋Ｆｚが作用する場合（図１０（ｃ））には、歪みゲージＺ１に圧縮歪み−Δε１が生じ、歪みゲージＺ２に引張り歪み＋Δε２が生じ、歪みゲージＺ３に引張り歪み＋Δε３が生じ、歪みゲージＺ４に圧縮歪み−Δε４が生じ、Δε１＝Δε４＝Δεｏ、Δε２＝Δε３＝Δεｉとなる。 Next, the operation of the half bridge circuit 30 will be described.
FIGS. 10A to 10C are explanatory diagrams of the operation of the half-bridge circuit 30 when the component forces Fx, Fy, and Fz in the X, Y, and Z axis directions act on the triaxial force sensor 1. Referring to these drawings, when any of the component forces + Fx and + Fy acts on the triaxial force sensor 1 in the positive direction of the X and Y axes (FIG. 10A), the tensile strain is applied to the strain gauge Z1. + Δε1 occurs, tensile strain + Δε2 occurs in the strain gauge Z2, compressive strain −Δε3 occurs in the strain gauge Z3, compressive strain −Δε4 occurs in the strain gauge Z4, and Δε1 = Δε4 = Δεo and Δε2 = Δε3 = Δεi. In addition, when one of the component forces −Fx and −Fy acts on the triaxial force sensor 1 in the negative direction of the X and Y axes (FIG. 10B), a compressive strain −Δε1 is generated in the strain gauge Z1. , A compressive strain −Δε2 is generated in the strain gauge Z2, a tensile strain + Δε3 is generated in the strain gauge Z3, a tensile strain + Δε4 is generated in the strain gauge Z4, and Δε1 = Δε4 = Δεo and Δε2 = Δε3 = Δεi. Further, when the component force + Fz acts on the triaxial force sensor 1 in the positive direction of the Z axis (FIG. 10C), compressive strain −Δε1 is generated in the strain gauge Z1, and tensile strain + Δε2 is generated in the strain gauge Z2. As a result, tensile strain + Δε3 is generated in the strain gauge Z3, compressive strain −Δε4 is generated in the strain gauge Z4, and Δε1 = Δε4 = Δεo and Δε2 = Δε3 = Δεi.

そこで、これらの場合に、ハーフブリッジ回路３０の出力Ｅａｃは、既知の公式により、それぞれ次のようになる。
３軸力センサ１にＸ、Ｙ軸の正方向に分力＋Ｆｘ、＋Ｆｙのいずれかが作用する場合（図１０（ａ））：
歪みゲージＺ２、Ｚ３の歪み合計＝＋Δε２−Δε３＝＋Δεｉ−Δεｉ＝０
歪みゲージＺ１、Ｚ４の歪み合計＝＋Δε１−Δε４＝＋Δεｏ−Δεｏ＝０
よって、この場合には、干渉出力はない。
３軸力センサ１にＸ、Ｙ軸の負方向に分力−Ｆｘ、−Ｆｙのいずれかが作用する場合（図１０（ｂ））：
歪みゲージＺ２、Ｚ３の歪み合計＝−Δε２＋Δε３＝−Δεｉ＋Δεｉ＝０
歪みゲージＺ１、Ｚ４の歪み合計＝−Δε１＋Δε４＝−Δεｏ＋Δεｏ＝０
よって、この場合にも、干渉出力はない。
３軸力センサ１にＺ軸の正方向に分力＋Ｆｚが作用する場合（図１０（ｃ））：
歪みゲージＺ２、Ｚ３の歪み合計＝＋Δε２＋Δε３＝＋Δεｉ＋Δεｉ＝＋２Δεｉ
歪みゲージＺ１、Ｚ４の歪み合計＝−Δε１−Δε４＝−Δεｏ−Δεｏ＝−２Δεｏ
よって、ハーフブリッジ回路３０の出力Ｅａｃは、既知の公式により、
Ｅａｃ＝ＦＥ／４（０＋（＋Δε２＋Δε３）−（−Δε１−Δε４）＋０）
＝ＦＥ／４（２Δεｉ＋２Δεｏ）
以上のとおり、分力Ｆｘ、Ｆｙによる干渉出力はないが、分力＋Ｆｚに対しては、４個の歪みゲージＺ１〜Ｚ４の合計歪みに応じた出力信号（電圧）Ｅａｃが得られることになる。 Therefore, in these cases, the output Eac of the half-bridge circuit 30 is as follows according to a known formula.
When one of the component forces + Fx and + Fy acts on the triaxial force sensor 1 in the positive direction of the X and Y axes (FIG. 10A):
Total strain of strain gauges Z2 and Z3 = + Δε2−Δε3 = + Δεi−Δεi = 0
Total strain of strain gauges Z1 and Z4 = + Δε1−Δε4 = + Δεo−Δεo = 0
Therefore, in this case, there is no interference output.
When one of the component forces -Fx and -Fy acts on the triaxial force sensor 1 in the negative direction of the X and Y axes (FIG. 10B):
Total strain of strain gauges Z2 and Z3 = −Δε2 + Δε3 = −Δεi + Δεi = 0
Total strain of strain gauges Z1 and Z4 = −Δε1 + Δε4 = −Δεo + Δεo = 0
Therefore, also in this case, there is no interference output.
When a component force + Fz acts on the triaxial force sensor 1 in the positive direction of the Z axis (FIG. 10C):
Total strain of strain gauges Z2 and Z3 = + Δε2 + Δε3 = + Δεi + Δεi = + 2Δεi
Total strain of strain gauges Z1 and Z4 = −Δε1−Δε4 = −Δεo−Δεo = −2Δεo
Therefore, the output Eac of the half bridge circuit 30 is given by a known formula:
Eac = FE / 4 (0 + (+ Δε2 + Δε3) − (− Δε1−Δε4) +0)
= FE / 4 (2Δεi + 2Δεo)
As described above, there is no interference output due to the component forces Fx and Fy, but an output signal (voltage) Eac corresponding to the total strain of the four strain gauges Z1 to Z4 is obtained for the component force + Fz. .

本実施例の３軸力センサ１は、前記のように構成されているので、次のような効果を奏することができる。
３軸力センサ１の起歪部３の力検出面５上に貼着された３個のブリッジ回路の各々が、隣接する２辺の各辺にのみ歪みゲージを有するハーフブリッジ回路１０、２０、３０から構成されているので、歪みゲージを有しない（固定抵抗のみを有する）隣接する残りの２辺の固定抵抗は、起歪部３の力検出面５上に貼着されなくて済むことになり、起歪部３の力検出面５上に貼着されるそれぞれの歪みゲージに繋がる配線の引き回しが交差することなく、簡易に行え、起歪部３への歪みゲージの組付け作業性が向上する。また、従来のフルブリッジ回路を用いた場合と比較して、回路構成のために必要な面積や半田付け個所が少なくなるので、３軸力センサ１の小型化が容易になる。 Since the three-axis force sensor 1 of the present embodiment is configured as described above, the following effects can be obtained.
Half bridge circuits 10, 20, each having three bridge circuits attached to the force detection surface 5 of the strain generating portion 3 of the triaxial force sensor 1, each having a strain gauge only on two adjacent sides. 30, the fixed resistors on the remaining two sides that do not have a strain gauge (having only a fixed resistor) do not have to be stuck on the force detection surface 5 of the strain generating portion 3. Therefore, the wiring of the wiring connected to each strain gauge attached on the force detection surface 5 of the strain generating portion 3 can be easily performed without crossing, and the workability of attaching the strain gauge to the strain generating portion 3 is improved. improves. In addition, since the area and the soldering location required for the circuit configuration are reduced as compared with the case of using a conventional full bridge circuit, the triaxial force sensor 1 can be easily downsized.

また、３個のハーフブリッジ回路１０、２０、３０の各々の歪みゲージを有する隣接する２辺、換言すれば、各ハーフブリッジ回路１０、２０、３０の歪みゲージを有する一半部、の信号取出し用ＦＰＣ６との接続部が、当該ハーフブリッジ回路に組み込まれた所定数の歪みゲージが起歪部３の力検出面５上に貼着される位置よりも半径方向に見てより外方の位置に位置するように配置されているので、各ハーフブリッジ回路１０、２０、３０の一半部の信号取出し用ＦＰＣ６との接続部を、これら歪みゲージ群が起歪部３の力検出面５上に貼着されて形成されるゲージパターンの外周部に位置させることができ、ゲージパターンは、力検出面５上の中心部寄りに位置させられることになり、この中心部寄りの部分のみにカバーフィルムなどを貼ることにより、センサの敏感な部分を保護することができ、３軸力センサ１の保護がより容易になり、耐環境性、耐久信頼性をさらに向上させることができる。   Further, two adjacent sides having the strain gauges of each of the three half bridge circuits 10, 20, and 30, in other words, one half having the strain gauges of each of the half bridge circuits 10, 20, and 30 are used for signal extraction. The connecting portion with the FPC 6 is positioned more outward than the position where a predetermined number of strain gauges incorporated in the half-bridge circuit are stuck on the force detection surface 5 of the strain generating portion 3 in the radial direction. Therefore, the strain gauge group is affixed on the force detection surface 5 of the strain generating portion 3 so that the connection portion of the half bridge circuits 10, 20, and 30 with the FPC 6 for signal extraction is placed. The gauge pattern can be positioned on the outer periphery of the gauge pattern formed by wearing, and the gauge pattern is positioned closer to the center on the force detection surface 5, and only a portion near the center is covered with a cover film or the like. By pasting, it is possible to protect the sensitive parts of the sensor, 3 protection of the force sensor 1 becomes easier, environmental resistance, it is possible to further improve the durability and reliability.

また、その接続部が、その歪みゲージを有する隣接する２辺の連結点ｄと両端点ａ、ｃとを信号取出し用ＦＰＣ６にそれぞれ接続する３つの接続ポイント１、２、３を有し、該隣接する２辺の連結点ｄを信号取り出し用ＦＰＣ６に接続する接続ポイント２が、これら３つの接続ポイント１、２、３の中心に位置するようにして配置されているので、信号取出し用ＦＰＣ６の対応部分の配線（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚの各々用の配線）が交差することがなくなり、その接続部に片面タイプの信号取出し用ＦＰＣを使用することが可能になり、３軸力センサ１の製作コストを低減することができる。   Further, the connecting portion has three connecting points 1, 2, and 3 for connecting the connecting point d and the two end points a and c of the adjacent two sides having the strain gauge to the signal extracting FPC 6, respectively. Since the connection point 2 that connects the adjacent two connection points d to the signal extraction FPC 6 is located at the center of these three connection points 1, 2, and 3, the signal extraction FPC 6 Corresponding portion wiring (wiring for each of Fx, Fy, and Fz) does not cross each other, and it becomes possible to use a single-sided type FPC for signal extraction at the connection portion. Cost can be reduced.

さらに、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の分力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚをそれぞれ検出するハーフブリッジ回路１０、２０、３０がそれぞれ有する所定数の歪みゲージが、起歪部３の力検出面５の中心に対して対称で、所定の位相（第１位置と第２位置とは、相互に９０°偏位させられ、同じ位相にある第３位置と第４位置とは、第１位置と第２位置との中間位置に位置する関係にあるような位相）に位置するように配置されているので、ハーフブリッジ回路１０、２０、３０が有する複数の歪みゲージ同志が干渉したり、配線の引き回しが交差したりすることがなく、配線がさらに簡易に行えて、起歪部３への歪みゲージの組付け作業性がさらに向上する。特にＺ軸方向の分力Ｆｚを検出するハーフブリッジ回路３０が有する所定数の歪みゲージＺ１〜Ｚ４が起歪部３の力検出面３の中心を通る直線上に配置される場合に、スペースの余裕が生じて、好都合である。   Further, a predetermined number of strain gauges respectively included in the half bridge circuits 10, 20, and 30 that detect the component forces Fx, Fy, and Fz in the X, Y, and Z axis directions are the centers of the force detection surfaces 5 of the strain generating section 3. With respect to a predetermined phase (the first position and the second position are deviated by 90 ° from each other, and the third position and the fourth position in the same phase are the first position and the second position. Therefore, a plurality of strain gauges of the half-bridge circuits 10, 20, and 30 interfere with each other, or wiring routings cross each other. Therefore, the wiring can be performed more easily, and the workability of assembling the strain gauge to the strain generating portion 3 is further improved. In particular, when a predetermined number of strain gauges Z1 to Z4 included in the half-bridge circuit 30 for detecting the component force Fz in the Z-axis direction are arranged on a straight line passing through the center of the force detection surface 3 of the strain generating portion 3, There is a margin, which is convenient.

また、Ｘ軸方向の分力Ｆｘを検出するハーフブリッジ回路１０が有する所定数の歪みゲージ及びＹ軸方向の分力Ｆｙを検出するハーフブリッジ回路２０が有する所定数の歪みゲージは、いずれも起歪部３の力検出面５の中心を通るＸ軸方向及びＹ軸方向に沿った直線上にそれぞれ設定されており、Ｚ軸方向の分力Ｆｚを検出するハーフブリッジ回路３０が有する所定数の歪みゲージは、いずれも起歪部３の力検出面５の中心を通る同一直線上にそれぞれ設定されているので、それぞれのハーフブリッジ回路１０、２０、３０において、測定しようとする方向の分力以外の力に基づく各歪みゲージの電気抵抗値の変化が互いに打ち消し合い、干渉出力が理論上発生しないようにすることができる。   The predetermined number of strain gauges included in the half-bridge circuit 10 that detects the component force Fx in the X-axis direction and the predetermined number of strain gauges included in the half-bridge circuit 20 that detects the component force Fy in the Y-axis direction are both generated. A predetermined number of half-bridge circuits 30 that are set on straight lines along the X-axis direction and the Y-axis direction that pass through the center of the force detection surface 5 of the strain section 3 and that detect the component force Fz in the Z-axis direction. Since the strain gauges are all set on the same straight line passing through the center of the force detection surface 5 of the strain generating portion 3, the half-bridge circuits 10, 20, and 30 have component forces in the direction to be measured. The change in the electric resistance value of each strain gauge based on the force other than the above cancels each other, so that the interference output is not theoretically generated.

また、その起歪部３が、起歪基体２の中央部が荷重受け部４が直立させられた側及びこれと反対側から同心にそれぞれ環形及び円形に抉られて、残された薄い円形板状部として形成され、荷重受け部４が直立させられた側と反対側から抉られた円形の第１半径Ｒ１は、荷重受け部４が直立させられた側から抉られた環形の外周の第２半径Ｒ２より大きくされ、前記した接続部が配置される、起歪部３の力検出面５上の半径方向に見てより外方の位置は、これら第１半径Ｒ１と第２半径Ｒ２との差分に相当する幅を有する環状領域Ｓ内の位置とされているので、その接続部が配置される、起歪部３の力検出面５上の半径方向に見てより外方の位置は、荷重受け部４が直立させられた側と反対側からは円形に抉られるが、荷重受け部４が直立させられた側からは環形に抉られない、起歪部３の力検出面５上の外周部の環状領域Ｓ内の位置とされることになり、この位置は、起歪部３の厚さが比較的厚い領域内の位置であるから、歪み量が少ない領域で半田接合を行うことが可能になり、それによって半田付け部の損傷を防止できる一方で、３個のブリッジ回路１０、２０、３０を構成する歪みゲージは、起歪部３の厚さが薄い領域内に貼着されることから、荷重受け部４に加わる力が微小の場合であっても、半田付け部の剛性がセンサの感度に影響しないようにすることができる。   In addition, the strain generating portion 3 is formed by leaving the center portion of the strain generating base 2 concentrically from the side where the load receiving portion 4 is made upright and the opposite side concentrically in a ring shape and a circular shape, respectively. The circular first radius R1 formed as a ring-shaped portion and beaten from the side opposite to the side on which the load receiving portion 4 is upright is an annular outer periphery of the ring shaped from the side on which the load receiving portion 4 is upright. The outward positions of the strain generating portion 3 that are larger than the two radii R2 and arranged in the radial direction on the force detection surface 5 of the strain generating portion 3 are the first radius R1 and the second radius R2. Since the position is within the annular region S having a width corresponding to the difference between the two, the position of the outer side when viewed in the radial direction on the force detection surface 5 of the strain generating portion 3 where the connecting portion is disposed is From the opposite side to the side where the load receiving part 4 is made upright, the load receiving part 4 is put up in a circular shape. From the bent side, the position is set in the annular region S of the outer peripheral portion on the force detection surface 5 of the strain generating portion 3 which is not twisted in an annular shape. Since the position is within a relatively thick region, it is possible to perform solder bonding in a region with a small amount of distortion, thereby preventing damage to the soldered portion, while the three bridge circuits 10, 20, 30 can be prevented. Since the strain gauge constituting the strain gauge 3 is stuck in a region where the thickness of the strain generating portion 3 is thin, even if the force applied to the load receiving portion 4 is very small, the rigidity of the soldering portion is The sensitivity can be prevented from being affected.

なお、本願の発明は、以上の実施例に限定されずに、その要旨を逸脱しない範囲において、種々の変更が可能である。   The invention of the present application is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention.

本願の発明の実施例の３軸力センサの縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the triaxial force sensor of the Example of invention of this application. 同底面図である。It is the bottom view. 同３軸力センサの起歪部周辺部の分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of the distortion part periphery part of the same 3-axis force sensor. 同３軸力センサの信号取り出し用配線部材の要部の平面図である。It is a top view of the principal part of the signal extraction wiring member of the same three-axis force sensor. 同３軸力センサにおいて、Ｘ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路の歪みゲージを有する一半部分を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a half portion having a strain gauge of a half-bridge circuit that detects a component force in the X-axis direction in the triaxial force sensor. 同じくＹ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路の歪みゲージを有する一半部分を示す図である。It is a figure which shows the half part which similarly has the strain gauge of the half bridge circuit which detects the component force of a Y-axis direction. 同じくＺ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路の歪みゲージを有する一半部分を示す図である。It is a figure which shows the half part which similarly has the strain gauge of the half bridge circuit which detects the component force of a Z-axis direction. Ｘ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路の作用説明図であって、当該ハーフブリッジ回路を併せて示す図である。It is action | operation explanatory drawing of the half bridge circuit which detects the component force of a X-axis direction, Comprising: It is a figure which shows the said half bridge circuit together. Ｙ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路の作用説明図であって、当該ハーフブリッジ回路を併せて示す図である。It is an operation explanatory view of a half bridge circuit for detecting a component force in the Y-axis direction, and also shows the half bridge circuit. Ｚ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路の作用説明図であって、当該ハーフブリッジ回路を併せて示す図である。It is an operation explanatory view of a half bridge circuit for detecting a component force in the Z-axis direction, and also shows the half bridge circuit. 同３軸力センサのセンサ部（３軸力センサに搭載される回路部分）と増幅回路部とを含む全体回路図である。It is a whole circuit diagram containing the sensor part (circuit part mounted in a three-axis force sensor) and the amplification circuit part of the same three-axis force sensor.

１…３軸力センサ、２…起歪基体、３…起歪部、４…荷重受け部、５…力検出面、６…信号取出し用ＦＰＣ、７…キャップ、８…ねじ孔、９…円形ベース、１０、２０、３０…ブリッジ回路（ハーフブリッジ回路）、５０…増幅回路部、Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２、Ｚ
１〜Ｚ４…歪みゲージ、Ｘ３、Ｘ４、Ｙ３、Ｙ４、Ｚ５、Ｚ６…固定抵抗、Ｓ…環状領域。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... 3-axis force sensor, 2 ... Strain base, 3 ... Strain part, 4 ... Load receiving part, 5 ... Force detection surface, 6 ... FPC for signal taking out, 7 ... Cap, 8 ... Screw hole, 9 ... Circular Base 10, 20, 30 ... Bridge circuit (half bridge circuit), 50 ... Amplification circuit unit, X1, X2, Y1, Y2, Z
1 to Z4: strain gauge, X3, X4, Y3, Y4, Z5, Z6: fixed resistance, S: annular region.

Claims (5)

円形板状の起歪部の中心に、柱状の荷重受け部が一体に直立させられ、
前記起歪部の前記荷重受け部が直立させられた側と反対側の力検出面上に、３個のホイートストンブリッジ回路の各々に組み込まれた所定数の歪みゲージが貼着されて、
前記荷重受け部が力を受けると、前記起歪部が歪んで、３個の前記ホイートストンブリッジ回路のうちの少なくとも１つのホイートストンブリッジ回路の平衡が崩れることにより、対応するＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の３分力のうちの少なくとも１つの分力がそれぞれ検出されるようになっている
３軸力センサにおいて、
３個の前記ホイートストンブリッジ回路の各々は、隣接する２辺の各辺にのみ歪みゲージを有するハーフブリッジ回路から構成され、
３個の前記ハーフブリッジ回路のうち、Ｘ軸方向の分力を検出する１つのハーフブリッジ回路がその隣接する２辺のうちの一方の辺に有する前記歪みゲージと、他方の辺に有する前記歪みゲージとは、前記起歪部の前記力検出面の中心に対して対称で、半径方向に見てより内方もしくはより外方の第１位置に、それぞれ配置され、
３個の前記ハーフブリッジ回路のうち、Ｙ軸方向の分力を検出する他の１つのハーフブリッジ回路がその隣接する２辺のうちの一方の辺に有する前記歪みゲージと、他方の辺に有する前記歪みゲージとは、前記起歪部の前記力検出面の中心に対して対称で、半径方向に見てより外方もしくはより内方の第２位置に、それぞれ配置され、
前記第１位置と前記第２位置とは、互いに９０°位相が偏位させられている
ことを特徴とする３軸力センサ。 At the center of the circular plate-shaped strained part, a column-shaped load receiving part is integrally made upright,
A predetermined number of strain gauges incorporated in each of the three Wheatstone bridge circuits are attached on the force detection surface opposite to the side where the load receiving portion of the strain generating portion is made upright,
When the load receiving portion receives a force, the strain generating portion is distorted, and the balance of at least one Wheatstone bridge circuit among the three Wheatstone bridge circuits is lost, so that the corresponding X, Y, Z axis directions In the three-axis force sensor in which at least one of the three component forces is detected,
Each of the three Wheatstone bridge circuits is composed of a half bridge circuit having a strain gauge only on each of two adjacent sides ,
Of the three half-bridge circuits, one half-bridge circuit that detects the component force in the X-axis direction has the strain gauge on one of the two adjacent sides and the strain on the other side. The gauges are symmetrical with respect to the center of the force detection surface of the strain-generating portion, and are respectively disposed at first positions that are inward or outward from the radial direction,
Of the three half-bridge circuits, the other half-bridge circuit for detecting the component force in the Y-axis direction has the strain gauge on one of the two adjacent sides and the other side. The strain gauge is symmetrical with respect to the center of the force detection surface of the strain generating portion, and is disposed at a second position that is more outward or more inward when viewed in the radial direction.
The three-axis force sensor, wherein the first position and the second position are deviated from each other by 90 degrees . ３個の前記ハーフブリッジ回路のうち、Ｚ軸方向の分力を検出する残りの１つのハーフブリッジ回路は、その隣接する２辺のうちの一方の辺に第３の歪みゲージと、第２の歪みゲージとを有し、他方の辺に第１の歪みゲージと、第４の歪みゲージとを有し、
前記第３の歪みゲージと、前記第２の歪みゲージとは、前記起歪部の前記力検出面の中心に対して対称で、半径方向に見てより内方の第３位置に、それぞれ配置され、
前記第１の歪みゲージと、前記第４の歪みゲージとは、前記起歪部の前記力検出面の中心に対して対称で、半径方向に見てより外方の第４位置に、それぞれ配置され、
前記第３位置と前記第４位置とは、同じ位相にあって、前記第１位置と前記第２位置との間の位置にその位相が偏位させられており、
前記第１の歪みゲージと、前記第２の歪みゲージと、前記第３の歪みゲージと、前記第４の歪みゲージとは、この順に並べて配置されている
ことを特徴とする請求項１に記載の３軸力センサ。 Of the three half-bridge circuits, the remaining one half-bridge circuit that detects the component force in the Z-axis direction has a third strain gauge on one side of the two adjacent sides, A strain gauge, and on the other side, a first strain gauge and a fourth strain gauge,
The third strain gauge and the second strain gauge are symmetrically arranged with respect to the center of the force detection surface of the strain generating portion and are respectively disposed at third positions that are inward as viewed in the radial direction. And
The first strain gauge and the fourth strain gauge are symmetrical with respect to the center of the force detection surface of the strain generating portion, and are respectively disposed at a fourth position that is more outward when viewed in the radial direction. And
The third position and the fourth position are in the same phase, and the phase is shifted to a position between the first position and the second position,
Said first strain gauge, said second strain gauge, and the third strain gauge, and the fourth strain gauge, according to claim 1, characterized in that it is arranged in this order 3 axis force sensor. 前記隣接する２辺の信号取出し用配線部材との接続部が、前記歪みゲージが前記起歪部の前記力検出面上に貼着される位置よりも半径方向に見てより外方の位置に位置するようにして配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の３軸力センサ。 The connection part with the signal extraction wiring members on the two adjacent sides is located at a more outward position when viewed in the radial direction than the position where the strain gauge is stuck on the force detection surface of the strain generating part. The triaxial force sensor according to claim 1, wherein the triaxial force sensor is disposed so as to be positioned. 前記接続部は、前記隣接する２辺の連結点と両端点とを前記信号取出し用配線部材にそれぞれ接続する３つの接続ポイントを有し、
前記隣接する２辺の連結点を前記信号取り出し用配線部材に接続する前記接続ポイントは、他の２つの前記接続ポイントの中間に位置するようにして配置されている
ことを特徴とする請求項３に記載の３軸力センサ。 The connection portion has three connection points for connecting the connecting points and both end points of the two adjacent sides to the signal extraction wiring member,
The connection point for connecting the connecting point of the two adjacent sides to the wiring member for the signal taken out is claim 3, characterized in that it is arranged so as to be positioned in the middle of the other two of the connection points A triaxial force sensor described in 1. 前記起歪部は、起歪基体の中央部が前記荷重受け部が直立させられた側及びこれと反対側から同心にそれぞれ環形及び円形に抉られて、残された薄い円形板状部として形成されており、
前記荷重受け部が直立させられた側と反対側から抉られた円形の第１半径は、前記荷重受け部が直立させられた側から抉られた環形の外周の第２半径より大きくされ、
前記接続部が配置される、前記起歪部の前記力検出面上の半径方向に見てより外方の位置は、前記第１半径と前記第２半径との差分に相当する幅を有する環状領域内の位置とされている
ことを特徴とする請求項３又は４のいずれかに記載の３軸力センサ。 The strain generating portion is formed as a thin circular plate-shaped portion left by concentrically concentrically from the side where the load receiving portion is made upright and the opposite side concentrically from the side where the load receiving portion is upright, respectively. Has been
The circular first radius beaten from the side opposite to the side where the load receiving part is made upright is made larger than the second radius of the outer circumference of the ring shape made up from the side where the load receiving part is made upright,
The position where the connecting portion is disposed and the outward position of the strain generating portion on the force detection surface in the radial direction is an annular shape having a width corresponding to the difference between the first radius and the second radius. 3-axis force sensor according to claim 3 or 4, characterized in that there is a position in the region.

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