JP5046321B2 - 3-axis force sensor - Google Patents
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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)
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
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。
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
FIG. 2 is a bottom view of the
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
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
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
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
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
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
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
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
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-
That is, the half-
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-
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-
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-
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
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
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
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
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
One half (see FIG. 5) of the half-
The positional relationship between the strain gauges X1 and X2 with respect to the center of the
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
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-
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
One half (see FIG. 7) of the half-
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
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-
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
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
First, the operation of the
FIGS. 8A to 8C are operation explanatory diagrams of the half-
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-
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
9A to 9C are operation explanatory diagrams of the half-
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
FIGS. 10A to 10C are explanatory diagrams of the operation of the half-
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-
When one of the component forces + Fx and + Fy acts on the
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
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
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
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-
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
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
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
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-
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
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.
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
1 to Z4: strain gauge, X3, X4, Y3, Y4, Z5, Z6: fixed resistance, S: annular region.
Claims (5)
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 .
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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