JPH068760B2

JPH068760B2 - 力変換器

Info

Publication number: JPH068760B2
Application number: JP59020294A
Authority: JP
Inventors: 健一郎鈴木
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1984-02-07
Filing date: 1984-02-07
Publication date: 1994-02-02
Anticipated expiration: 2009-02-02
Also published as: JPS60164230A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は力変換器に関し、さらに詳しくは広い力範囲に
わたって動作する力変換器の構成に関するものである。

（従来技術とその問題点）近来、産業用ロボットの分野における急速な発展に伴っ
て、触覚等のロボット知覚技術の著しい進歩が見られ
る。これはシリコン等の半導体をはじめ、無機，有機材
料を用いたセンサデバイス技術の急速な発展に支えられ
ているものであり、当該技術を用いた触覚センサへの応
用も試みられている。以下、圧覚，力覚の検出に用いら
れる力変換器の従来例を図と共に説明する。

第１図に従来の力変換器の構成を示す。当該力変換器
は、導電性ゴム３を挿んでその両面に電極２を接着ある
いは蒸着等で形成し、これを台座４に接着して構成す
る。当該力変換器に力（あるいは、圧力）１が作用する
時、導電性ゴムに圧力が供給され、その結果、当該導電
性ゴムの両端の抵抗値が変化する。従って、当該抵抗値
を電極２を介して外部に取り出し、周知の検出手段を用
いて測定することにより、当該力変換器に印加された力
（あるいは、圧力）を検出することができる。第２図
に、印加力を横軸に、抵抗値の変化量の絶対値を縦軸に
とった時の前記力変換器の特性を示す。同図に示される
ように、印加力の抵抗値の変化量は比例の関係があり、
周知の検出手段を用いて、当該抵抗値より当該印加力を
検出することが可能となる。

しかしながら、従来の構成をもつ力変換器においては、
検出可能な印加力が狭い範囲に厳しく制限されていて、
このため応用範囲が限られていた。このため、複数個の
力変換器の中から、前もって検出する力の大きさに応じ
たものを選択して検出箇所に取り付けたり、複数個の力
変換器を該検出する力に応じて順次切換える複雑な検出
手段を用いる等の工夫を必要とした。この結果、従来の
力変換器はコストの増大と操作性の悪さといった欠点を
有していた。

（発明の目的）本発明の目的は、かかる従来の欠点を除去せしめて広い
範囲にわたる印加力を検出することを可能とする力変換
器の構成を提供することにある。

（発明の構成）上記目的を達成するために、本発明は、第一の力を受け
る受圧部と、前記第一の力を第二の力に加工して感圧素
子に媒介する伝達体と、前記第二の力を電気信号に変換
する前記感圧素子とを備え、前記第二の力が前記第一の
力と非線形の関係になるように前記伝達体の力学的弾性
を変化させるようにしたものである。

更に、上記目的を達成するために、本発明は、第一の力
を受ける受圧部と、前記第一の力を第二の力に加工して
感圧素子に媒介する伝達体と、前記第二の力を電気信号
に変換する前記感圧素子とを備え、前記第二の力が前記
第一の力と非線形の関係になるように前記伝達体の力学
的弾性を変化させるようにした力変換器において、複数
個の前記力変換器をアレイ状に配置したものである。

（実施例）以下本発明について実施例を示す図面を参照して説明す
る。

第３図は本発明の一実施例の断面を概念的に示した図で
ある。図において第１図と同一番号は同一構成要素を示
している。受圧部３１に印加された第一の力１は、以下
に述べる構成をとる伝達体５を介して第二の力に加工さ
れ、導電性ゴム等の感圧素子６に力を与える。当該伝達
体５は、円形等の断面形状を持つ押え板38,38と前記受
圧部31を連結して該31に加えられる前記第一の力を当該
38に伝える連結軸39，当該38に接して置かれるばね定数
の異なるばねA32およびB33、該33の一端に接するように
設けられ、かつ、通路穴35を有する止め板34、および前
記38と内壁が接するキャップ37で構成されている。ま
た、内室30,36には、気体，液体等の流体が満されてい
る。なお、前記通路穴35は、一つあるいは複数個設けら
れていて、当該内室30と36を結んでいれば良く、個数及
びその位置は何ら限定されない。例えば、当該キャップ
の側壁に設けられていても良い。前記ばね定数の異なる
ばねは、材料・線径・外径・巻き密度等を変えることに
より実現できる。一方、当該感圧素子の両面には電極２
が取り付けられており、外部の手段を介して、当該６が
応答する電気信号を処理して前記印加力を検出する（図
示せず）。４は台座で前記37と共に本発明の力変換器を
密封する。かかる構成の力変換器では、以下の次第を経
て、受圧部に加えられた第一の力が伝達体によって第二
の力に加工され、当該第二の力が感圧素子に働く。すな
わち、第一の力１が当該受圧部31に加えられ、該39,38
を介して当該32,33に働き、これを変形（すなわち、縮
小あるいは伸長）させて、当該32,33に内力を発生させ
る。同時に、当該伝達体の系には、当該内室30を満す流
体の容積の変化、該６の変形等により新たに力を発生さ
せるが、該力（第二の力）の大きさは、前記第一の力と
該32あるいは33に発生した該内力との差にほぼ等しい。
該30の流体中に発生した当該第二の力は該35を介して該
36を流体全体に伝わり、結局、当該感圧素子を該第二の
力の大きさで加圧する（当該力は前記６の変形の力と釣
り合う）。この時、前記32,33に発生する内方の大きさ
が（本発明の構成において）当該第一の力と非線型の関
係をとるので、前記第二の力も該第一の力と非線型の関
係となる。以上のことを第４図に図示する。同図は、前
記第一の力（図中では印加力と記されている）を横軸
に、前記第二の力（図中では実効力と記されている）を
縦軸にとって、第３図の該33がない時（すなわち、該32
だけでばねが構成される時）の第一の力と第二の力の関
係を(イ)に、また、同図の該32のない（該33だけがあ
る）時の当該関係を(ロ)に、本発明の構成をとる（該32
と33の相方がある）時の当該関係を(ハ)に示す。なお、
第３図の構成では、当該32のばね定数は該33のばね定数
よりも大きい例が示されているが、該32,33の上下の順
序は逆でも良い。第４図の(イ)に見られるように、大き
なばね定数を持つばねのみを使用する時には、第一の力
の大半は当該ばねの内力により費やされ、感圧素子に働
く第二の力は当該第一の力に比較して小さなものとな
る。一方、同図の(ロ)の場合には、小さなばね定数を持
つばねのみが用いられているので、当該第一の力の大部
分が当該第二の力と釣り合う大きさとなる。また、同図
において、領域Ｉは当該(ロ)のばねがフックの法則に従
い、領域IIで、当該ばねは該フックの法則からはずれ、
領域IIIにおいて当該ばねが飽和に達する次第に対応し
ている。以上のように、(イ)の場合には、該印加力の広
い範囲にわたって、当該力変換器を使用することが可能
であるが、印加力の分解能に劣り、特に当該印加力が小
さい時には出力が小さいという欠点がある。一方、(ロ)
の場合には、該印加力が小さい時にも充分な出力を得る
ことが可能，印加力の分解能が優れている等の利点があ
る反面、大きな印加力に対して当該力変換器を使用でき
ないという欠点がある。前記(イ)，(ロ)に対して、本発明
の(ハ)の場合には、前記(イ)および(ロ)の長所があい合さ
って、当該印加力が小さい場合および大きい場合の広い
範囲にわたって当該力変換器を使用することが可能であ
るという利点を持つ。なお、第４図のIIの領域では、当
該第一の力と該第二の力とは比例しないので、信号の処
理手段で適当な近似等の処理を行うか、あるいは、IIの
領域で該力変換器の使用を禁止するか、等の方策が必要
とされるが、それにも関わらず、本発明の有効性は以前
として大きなものである。

第５図に前記ばねの形状と異なる他の実施例を示す。51
は単位長当りの巻き数を連続的に変化させて形成したば
ねである。当該ばねを前記第３図の当該32,33のばねに
替えて用いた場合の前記第一の力と第二の力の関係を第
６図に示す。同図の縦・横の軸は第４図と同じである。
このように、第５図の構成をとるばねを前記伝達体の一
部に用いる場合には、当該第一の力と該第二の力の関係
を示す図形が滑らかな曲線となる利点がある。なお、当
該曲線の形状は前記５１の巻き密度を変化させることに
より自由に設定できる。

第７，８，および９図は本発明の他の一実施例を示す図
である。図において、第３図と同一番号は同一構成要素
を示している。第７図において、71は薄い金属板，弾性
ゴム等から成るダイアフラムで受圧部を構成し、第一の
力１に従って、弾性体72,73を変形（圧縮および膨張）
させる。弾弾性体72,73はそれぞれ異なった圧縮率を有
しており、前記第３図の異ったばね定数を持つ該32,33
と同様の役割をしている。また、側壁74は、止め板34と
一体で構成されていても良く、内室36を満す流体が外界
に漏れることを防いでいる。

第８図は、前記第３図の該32,33に替って、肉厚が滑ら
かに変化する弾性体８１を用いたことを特徴とする本発
明の力変換器である。この場合においても、前記第５図
の当該ばね５１を用いた場合と同様の特性を与えること
が可能である。

第９図は、二個のダイアフラム７１、および92を用いて
構成したことを特徴とする本発明の力変換器である。91
は側壁で、当該ダイアフラム71,92を分離している。同
図の力変換器に第一の力１が加わる場合、当該ダイアフ
ラム７１が変形し、該30,36を満す流体を介して当該感
圧素子６に第２の力を生ずる。当該第一の力が小さい時
には、該第２の力と該第一の力は比例している。しか
し、該第一の力が増大すると、該７１の大きな変形を促
し、該71がついに該92と接触し、以後、該71と92が一体
となって変形を始める。かかる場合には、前記第一の力
と前記第２の力の関係は、当該92に生ずる力の大きさの
分だけを先の関係（正比例）より差し引いたものであ
る。第10図に、当該特性を示す。同図の縦・横軸は前記
第４図と同じである。図中の(イ)は、前記７１のみで構
成（すなわち、前記９２が削除された）した場合の力変
換器の特性で、(ロ)は本発明の構成（第９図）をとる力
変換器の特性を示す。また、図中のＩの領域では当該71
のみがIIの領域では当該71と92の双方が変形する次第に
対応している。本実施例においては、当該ダイアフラム
の面積，厚さ，材質，等、あるいは、二個のダイアフラ
ムの距離等を変化させることにより、第１０図のＩの領
域の大きさ、(ロ)の傾き等を変化させることが可能であ
る。また、前記第４図のIIの領域を削除することも可能
であるという利点もある。

第11図は本発明の他の一実施例を示した図である。図中
で第９図と同一番号は同一構成要素を示している。本発
明の力変換器は、第９図に示した実施例を一次元、ある
いは二次元的にアレイ状に配置したことを特徴とするも
のである。同図では、前記第９図の実施例の力変換器を
基本として構成したが、これに限るものではなく、一般
に第１の力である印加力１と感圧素子６に働く第２の力
の関係を非線型にする伝達体を備えた構成をとる力変換
器を必要に応じて多種類あるいは複数個、配列すれば良
い。本実施例においては、広い範囲に分布した力（ある
いは圧力）、すべり覚、等の検出が可能であり、高い精
度でもって圧覚センサが実現できる。

以上、本発明について実施例を挙げ詳細な説明を行っ
た。なお、第３，５，７，および８図に示される実施例
では、伝達体の構成要素であるばね，ゴム等の弾性体に
おいて、当該部分を生じる変位が荷重の増大に対して飽
和する結果、当該全体の弾性定数が増加する現象を利用
している。一方、第９および11の実施例では、荷重の増
大につれてダイアフラムが重なり合い、該ダイアフラム
の剛性が増大することを利用している。また、前記感圧
素子として、前記導電性ゴムの外に、感圧半電体，圧電
素子，ストレンゲージ，貼付型圧力センサ，感圧有機材
料，シリコンダイアフラム型圧力センサ、シリコン等の
半導体から成る電界効果型トランジスタのゲート領域に
無機，有機，ハイブリッド材料から成る圧電体物質を設
けてなる周知の構造のピエゾFET、等を用いた成、ば
ね，ダイアフラム，弾性ゴム等の弾性体を複数層積み重
ねてなる伝導体の構成、前記弾性体以外に材料非線型の
特性を持つ材料よりなる伝達体の構成、前記感圧素子に
力を加える種々の構成、電気信号を処理する周知の技
術、等も本発明に含まれる範囲である。

さらに、上記実施例の力変換器の特性は、ばね定数，圧
縮率，ダイアフラムの剛性，等組み合わされた構成要素
の機械的物質定数に依存する。したがって、検出する力
の範囲，分解能，等の仕様に応じて、上記構成，物質定
数，等を変化させて最適設計を行うと良い。また、前記
内室を満す流体等の熱膨張の効果を補償する周知の技術
の使用も本発明に含まれる。

（発明の効果）以上、本発明によれば、小さな力をはじめとして比較的
大きな力を含む広大な範囲にわたって、該力（あるいは
圧力）を検出することが可能な力変換器を提供すること
が可能となる。本発明による特性の飛躍的向上は、触覚
制御技術の発展に著しく寄与し、その効果は大きいもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の力変換器で、第２図はその特性を示す図
である。第３図に本発明の力変換器の構成を示し、その
特性を第４図に示す。第５図は本発明の変形例で、その
特性を第６図に示す。第７，８，９図は本発明の他の実
施例で、第９図の実施例の特性を第１０図に示す。ま
た、第１１図は本発明の他の一実施例である。図中の記号の説明１…印加力，２…電極，３…導電性ゴム，４…台座，５…伝導体，30…内室， 31…受圧部，32…ばねＡ，33…ばねＢ， 34…止め板，35…通路穴，36…内室， 37…キャップ，38…押え板，39…連結軸，６…感圧素子、51…ばね，71…ダイアフラム， 72,73…弾性ゴム，74…側室， 81…弾性体，91…側室，92…ダイアフラム，

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第一の力を受ける受圧部と、前記第一の力
を第二の力に加工して感圧素子に媒介する伝達体と、前
記第二の力を電気信号に変換する前記感圧素子とを備
え、前記第二の力が前記第一の力と非線形の関係になる
ように前記伝達体の力学的弾性を変化させるようにした
ことを特徴とする力変換器。
【請求項２】第一の力を受ける受圧部と、前記第一の力
を第二の力に加工して感圧素子に媒介する伝達体と、前
記第二の力を電気信号に変換する前記感圧素子とを備
え、前記第二の力が前記第一の力と非線形の関係になる
ように前記伝達体の力学的弾性を変化させるようにした
力変換器において、複数個の前記力変換器をアレイ状に
配置したことを特徴とする力変換器。