JPH06347350A - Force-moment sensor - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は、力・モーメントセン
サーに関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a force / moment sensor.
【０００２】[0002]
【従来の技術】この種のセンサーとしては、既に半導体
の単結晶基板を利用して力乃至モーメントを検出するも
のが知られており、例えば図１０〜図１３に示すような
構成としてある。このセンサーは、図１１に示すよう
に、機械的変形により電気抵抗が変化する４個の歪みゲ
ージＲ（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４とする）を直線上に備
えた単結晶基板９０と、中心部と周辺部のいずれか一方
を入力部とすると共に他方を作用部とした起歪体９とか
ら構成されており、図１３に示すように、前記歪みゲー
ジＲの配列線が起歪体９の中心線Ｌ１と一致する態様
で、単結晶基板９０が起歪体９の表面に接着固定してあ
る。2. Description of the Related Art As a sensor of this type, a sensor that detects a force or a moment by utilizing a semiconductor single crystal substrate is already known, and has a structure as shown in FIGS. 10 to 13, for example. As shown in FIG. 11, this sensor has a single crystal substrate 90 having four strain gauges R (R1, R2, R3, and R4) whose electric resistance changes due to mechanical deformation on a straight line, and a center. 13 and the peripheral portion are used as the input portion and the other portion is used as the acting portion, and as shown in FIG. The single crystal substrate 90 is adhered and fixed to the surface of the flexure element 9 in such a manner as to coincide with the center line L1.
【０００３】このものでは、上記起歪体９の作用部に外
力Ｆ（機械的外力）が加わると、図１２に示すように、
単結晶基板９０が変形すると共に、これに配設された各
歪みゲージＲが変形してこれの電気抵抗は変化（引張方
向の歪みが歪みゲージＲに加われば抵抗値は増加し、圧
縮方向の歪みが歪みゲージＲに加われば抵抗値は減少す
る）することとなる。In this device, when an external force F (mechanical external force) is applied to the acting portion of the flexure element 9, as shown in FIG.
As the single crystal substrate 90 is deformed, each strain gauge R arranged therein is also deformed to change its electric resistance (if strain in the tensile direction is applied to the strain gauge R, the resistance value increases, and If strain is applied to the strain gauge R, the resistance value will decrease).
【０００４】したがって、４個の歪みゲージＲをそれぞ
れ図１４に示す如く電気的ブリッジ回路９２を接続する
と、前記抵抗変化を電圧変化として検出することがで
き、歪みゲージＲの配列線と直行する軸回りのモーメン
トＭｘを出力電圧として検出できる。ところが、上記セ
ンサーでは、各歪みゲージＲを単結晶基板９０の適正
位置に取付けること及び、単結晶基板９０を起歪体９の
適正位置に取り付けることに熟練を要し、起歪体９に
おけるダイヤフラム部９１の製作（機械加工）には極め
て高い精度が要求されるという問題があった。即ち、上
記力・モーメントセンサーは最重要部分である検出部の
製作が困難であり、このため高コストとなると共に量産
性に欠けるという問題を有するものとなっていた。Therefore, when each of the four strain gauges R is connected to an electrical bridge circuit 92 as shown in FIG. 14, the resistance change can be detected as a voltage change, and the axis orthogonal to the array line of the strain gauges R can be detected. The surrounding moment Mx can be detected as an output voltage. However, in the above-mentioned sensor, it is necessary to attach each strain gauge R to the proper position of the single crystal substrate 90 and to attach the single crystal substrate 90 to the proper position of the flexure element 9, and the diaphragm in the flexure element 9 is required. There has been a problem that extremely high accuracy is required for manufacturing (machining) the portion 91. That is, in the force / moment sensor, it is difficult to manufacture the detection part, which is the most important part, and therefore, there are problems that the cost is high and the mass productivity is insufficient.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】そこで、この発明で
は、低コストで製造でき、且つ量産性に優れた力・モー
メントセンサーを提供することを課題とする。SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to provide a force / moment sensor which can be manufactured at low cost and is excellent in mass productivity.
【０００６】[0006]
【課題を解決する為の手段】この発明の力・モーメント
センサーは、基板１と、前記基板１に対向配設した基板
２と、前記基板１，２相互間に設けられたシート状のセ
ンサー主体３と、基板１，２のうち少なくとも一方の基
板と前記センサー主体３との間に設けられた弾性板４と
を積層して構成したものであり、前記基板１，２のうち
少なくとも一方に入力部５を設けると共に、前記センサ
ー主体３を、一対の可撓性を有するシート状フィルム３
０，３０と、前記シート状フィルム３０，３０の対向面
側にそれぞれ９０°角度間隔でスクリーン印刷された電
極Ｃｘ＋，Ｃｘ−，Ｃｙ＋，Ｃｙ−と、対向するシート
状フィルム３０，３０の電極相互間に形成された感圧抵
抗体３１とを有するものとしている。A force / moment sensor according to the present invention is mainly composed of a substrate 1, a substrate 2 opposed to the substrate 1, and a sheet-like sensor provided between the substrates 1 and 2. 3 and an elastic plate 4 provided between at least one of the substrates 1 and 2 and the sensor main body 3 are laminated, and input to at least one of the substrates 1 and 2. The sensor main body 3 is provided with a pair of flexible sheet-like films 3 while the portion 5 is provided.
0, 30, the electrodes Cx +, Cx−, Cy +, Cy− which are screen-printed on the facing surfaces of the sheet-shaped films 30, 30 at 90 ° angular intervals, respectively, and the electrodes of the sheet-shaped films 30, 30 facing each other. The pressure sensitive resistor 31 is formed between them.
【０００７】尚、この発明のセンサーにおいて、少なく
とも一方の基板のセンサー主体３側面に凸部６を具備さ
せ、前記入力部５に外力が加わったときには、その外力
が前記凸部６を介してセンサー主体３に伝達されるよう
にすることが好ましい。In the sensor of the present invention, a convex portion 6 is provided on the side surface of the sensor main body 3 of at least one substrate, and when an external force is applied to the input portion 5, the external force is applied to the sensor through the convex portion 6. It is preferable to be transmitted to the main body 3.
【０００８】[0008]
【作用】この発明は次のように作用をする。この力・モ
ーメントセンサーの最重要部であるセンサー主体（検出
部）は、各シート状フィルム３０にスクリーン印刷によ
って電極を形成させ、この電極相互間に感圧抵抗体３１
を介在させるだけで製作できる。即ち、従来の技術の欄
に記載したセンサーの如き熟練や時間を要する作業が全
く不要となる。The present invention operates as follows. The sensor main body (detection unit), which is the most important part of the force / moment sensor, forms electrodes on each sheet-shaped film 30 by screen printing, and the pressure-sensitive resistor 31 is interposed between the electrodes.
It can be produced simply by interposing. That is, the work requiring time and skill such as the sensor described in the section of the related art is completely unnecessary.
【０００９】したがって、この力・モーメントセンサー
は、低コストで製造でき且つ量産性に優れたものとな
る。Therefore, this force / moment sensor can be manufactured at low cost and is excellent in mass productivity.
【００１０】[0010]
【実施例】以下、この発明の構成を実施例として示した
図面に従って説明する。この実施例の力・モーメントセ
ンサーは、図１や図２に示すように、入力軸５を有する
基板１と、前記基板１に対向配設した基板２と、前記基
板１，２相互間に設けられたシート状のセンサー主体３
と、前記センサー主体３と基板１との間に設けられた弾
性板４とを有するもので、これらを積層した状態で基板
１，２相互を小ネジＮで結合するようにして構成されて
いる。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The structure of the present invention will be described below with reference to the drawings shown as embodiments. As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the force / moment sensor of this embodiment is provided between a substrate 1 having an input shaft 5, a substrate 2 arranged to face the substrate 1, and the substrates 1 and 2. Sheet-shaped sensor main body 3
And an elastic plate 4 provided between the sensor main body 3 and the substrate 1, and the substrates 1 and 2 are connected to each other with a machine screw N in a laminated state. .
【００１１】基板１は円形樹脂板により構成されてお
り、図３に示すように、その下面における外周部近傍及
び中心部近傍には断面Ｒ状の凸部６を具備させてある。
基板２は上記基板１と同径の円形樹脂板により構成され
ており、同図に示すように、その中央部に小ネジＮが貫
通する貫通孔２０を穿設すると共にその下面中央部に小
ネジＮの頭部を没入させる円形凹部２１を設けてある。The substrate 1 is made of a circular resin plate, and as shown in FIG. 3, a convex portion 6 having a R-shaped cross section is provided on the lower surface in the vicinity of the outer peripheral portion and the central portion.
The substrate 2 is made of a circular resin plate having the same diameter as the substrate 1, and as shown in the figure, a through hole 20 through which the machine screw N penetrates is formed in the central portion thereof and a small hole is formed in the lower surface central portion thereof. There is provided a circular recess 21 into which the head of the screw N is inserted.
【００１２】弾性板４はシリコンゴムにより構成されて
おり、図２や図３に示すように、基板１，２と同径の円
形板状に形成されていると共にその中央部に小ネジＮが
貫通する孔４０を穿設してある。センサー主体３は、図
３〜図５に示すように、可撓性を有する一対のシート状
フィルム３０，３０と、前記シート状フィルム３０，３
０の対向面側にそれぞれ９０°角度間隔で形成された電
極Ｃｘ＋，Ｃｘ−，Ｃｙ＋，Ｃｙ−と、前記電極Ｃｘ
＋，Ｃｘ−，Ｃｙ＋，Ｃｙ−の中央部に形成された電極
Ｃz と、対向するシート状フィルム３０，３０の各電極
に塗布された抵抗インク３１’（手段の欄の感圧抵抗体
３１と対応）とを有している。上記シート状フィルム３
０は、図２や図３に示すように、中央部にビス貫通孔３
０ｃを有した基板１，２と同径の電極配設部３０ａとこ
れから突出する端子配設部３０ｂとから成るもので、そ
の厚みが30〜100 μｍ程度に設定されたＰＥＴフィルム
により構成されている。The elastic plate 4 is made of silicon rubber and, as shown in FIGS. 2 and 3, is formed in a circular plate shape having the same diameter as that of the substrates 1 and 2, and a small screw N is formed at the center thereof. A hole 40 penetrating therethrough is provided. As shown in FIGS. 3 to 5, the sensor main body 3 includes a pair of flexible sheet-shaped films 30 and 30, and the sheet-shaped films 30 and 3.
Electrode Cx +, Cx−, Cy +, Cy− formed at 90 ° angle intervals on the facing surface side of 0, and the electrode Cx.
The electrodes Cz formed in the central portions of +, Cx-, Cy +, and Cy-, and the resistance ink 31 'applied to each electrode of the sheet-like films 30 and 30 facing each other (the pressure-sensitive resistor 31 in the column of means and Correspondence) and. The sheet film 3
No. 0 is a screw through hole 3 at the center as shown in FIGS.
It is composed of an electrode arrangement portion 30a having the same diameter as the substrates 1 and 2 having 0c and a terminal arrangement portion 30b protruding therefrom, and is made of a PET film having a thickness set to about 30 to 100 μm. There is.
【００１３】電極Ｃｘ＋，Ｃｘ−，Ｃｙ＋，Ｃｙ−，Ｃ
z は、導電性インク（所謂銅インク）をスクリーン印刷
して形成するものとしてある。抵抗インク３１’は、二
酸化チタン充填剤，ビニル樹脂結合剤及びブチルセロソ
ルブアセテート溶剤を含有する絶縁インクに、グラファ
イト，ビニル樹脂及びブチルセロソルブアセテートを含
有する導電インクを混入したものである。尚、インクの
抵抗は、塗料の構成成分である絶縁成分と導電成分の相
対的な割合を変えることに容易に変化させることができ
る。Electrodes Cx +, Cx-, Cy +, Cy-, C
z is formed by screen-printing a conductive ink (so-called copper ink). The resistance ink 31 'is an insulating ink containing a titanium dioxide filler, a vinyl resin binder and a butyl cellosolve acetate solvent, and a conductive ink containing graphite, a vinyl resin and butyl cellosolve acetate. The resistance of the ink can be easily changed by changing the relative proportions of the insulating component and the conductive component, which are the constituents of the paint.
【００１４】又、この実施例のセンサー主体３では、図
３に示す如く組立状態において電極配設部３０ａ，３０
ａにおける外周部近傍及びビス貫通孔３０ｃ近傍部分等
を接着剤３３で密封してあり、これにより、センサーと
しての機能を低下させる塵等が電極相互間に侵入しない
ようにしてある。この力・モーメントセンサーは上記の
ように構成されているから、操作軸５に力が加わると、
凸部６→弾性板４→センサー主体３の経路で前記力が伝
達される。そして、例えば、図６〜図８に示す如き回路
を使用すると、Ｘ軸回りのモーメントＭx ，Ｙ軸回りの
モーメントＭy ，Ｚ方向の力Ｆz を電圧ＶMx，ＶMy，Ｖ
Fzとして検出でき、これら電圧ＶMx，ＶMy，ＶFzの値の
「正」「負」から操作軸５に作用する外力の方向を、電
圧ＶMx，ＶMy，ＶFzの絶対値により操作軸５に作用する
外力の大きさを、それぞれ知ることができる。ここで、
図６〜図８に示した回路において、Ｒは固定抵抗であ
り、Ｒx ＋は抵抗インクを介した電極Ｃx ＋と電極Ｃ相
互間の抵抗、Ｒx −は抵抗インクを介した電極Ｃx −と
電極Ｃ相互間の抵抗、Ｒy ＋は抵抗インクを介した電極
Ｃy ＋と電極Ｃ相互間の抵抗、Ｒy −は抵抗インクを介
した電極Ｃy −と電極Ｃ相互間の抵抗、Ｒz は抵抗イン
クを介した電極Ｃz と電極Ｃ相互間の抵抗である。Further, in the sensor main body 3 of this embodiment, as shown in FIG. 3, in the assembled state, the electrode mounting portions 30a, 30
The outer peripheral portion of a, the portion near the screw through hole 30c, and the like are sealed with an adhesive 33, so that dust or the like that deteriorates the function as a sensor does not enter between the electrodes. Since this force / moment sensor is configured as described above, when a force is applied to the operation shaft 5,
The force is transmitted through the path of the convex portion 6 → the elastic plate 4 → the sensor main body 3. Then, for example, when the circuits shown in FIGS. 6 to 8 are used, the moment Mx about the X axis, the moment My about the Y axis, and the force Fz in the Z direction are applied to the voltages VMx, VMy, V.
The direction of the external force acting on the operating shaft 5 from “positive” or “negative” of these voltages VMx, VMy, VFz can be detected as Fz, and the external force acting on the operating shaft 5 by the absolute value of the voltages VMx, VMy, VFz You can know the size of each. here,
In the circuits shown in FIGS. 6 to 8, R is a fixed resistance, Rx + is a resistance between the electrode Cx + and the electrode C via the resistive ink, and Rx − is an electrode Cx − and the electrode via the resistive ink. Resistance between C, Ry + is resistance between the electrode Cy + and the electrode C via the resistance ink, Ry − is resistance between the electrode Cy − and the electrode C via the resistance ink, and Rz is resistance ink. It is the resistance between the electrode Cz and the electrode C.
【００１５】尚、上記実施例では、弾性板４を、センサ
ー主体３と基板１との間にのみ設けるようにしたが、こ
れに限定されることなく、センサー主体３と基板２との
間にのみ設けるようにしてもよく、更には、センサー主
体３の上下側に設けるようにしてもよい。また、上記実
施例の弾性板４にかえて、図９に示すように、中央部の
みを厚肉に形成し、これの厚肉部下面を基板２の上面と
当接させる態様で設けるようにすれば、弾性板４の弾性
復帰機能により、操作軸５の原点復帰が良好なものとな
る。Although the elastic plate 4 is provided only between the sensor main body 3 and the substrate 1 in the above embodiment, the present invention is not limited to this, and the elastic plate 4 is provided between the sensor main body 3 and the substrate 2. It may be provided only, or may be provided above and below the sensor main body 3. Further, instead of the elastic plate 4 of the above-described embodiment, as shown in FIG. 9, only the central portion is formed thick, and the lower surface of the thick portion is provided so as to be in contact with the upper surface of the substrate 2. Then, due to the elastic return function of the elastic plate 4, the original point return of the operation shaft 5 becomes good.
【００１６】更に、上記実施例ではシート状フィルム３
０をＰＥＴフィルムとしたが、これに限定されることな
く、ポリエステルフィルム等も採用できる。他方、上記
実施例では、操作軸５に作用するＺ方向の力を電圧とし
て検出するために電極Ｃz を設けるようにしたが、前記
力を電圧として検出する必要がない場合には電極Ｃz を
設ける必要はない。Further, in the above embodiment, the sheet film 3 is used.
Although 0 is a PET film, the present invention is not limited to this, and a polyester film or the like can be adopted. On the other hand, in the above embodiment, the electrode Cz is provided in order to detect the force in the Z direction acting on the operation shaft 5 as a voltage. However, when it is not necessary to detect the force as a voltage, the electrode Cz is provided. No need.
【００１７】[0017]
【発明の効果】この発明は上記のような構成であるか
ら、次の効果を有する。作用の欄の記載から、低コスト
に製造でき且つ量産性に優れた力・モーメントセンサー
を提供することができた。The present invention having the above-mentioned structure has the following effects. From the description of the action column, it was possible to provide a force / moment sensor that can be manufactured at low cost and has excellent mass productivity.
【図１】この発明の実施例の力・モーメントセンサーの
外観斜視図。FIG. 1 is an external perspective view of a force / moment sensor according to an embodiment of the present invention.
【図２】前記力・モーメントセンサーの分解斜視図。FIG. 2 is an exploded perspective view of the force / moment sensor.
【図３】前記力・モーメントセンサーの断面図。FIG. 3 is a sectional view of the force / moment sensor.
【図４】前記力・モーメントセンサーの基板に形成され
ている電極を示す図。FIG. 4 is a view showing electrodes formed on a substrate of the force / moment sensor.
【図５】前記センサー主体等の断面拡大図。FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of the sensor main body and the like.
【図６】前記力・モーメントセンサーの操作軸に作用し
たＸ軸方向のモーメントをこれに相当する電圧に変換す
るための回路図。FIG. 6 is a circuit diagram for converting a moment in the X-axis direction acting on an operation shaft of the force / moment sensor into a voltage corresponding to the moment.
【図７】前記力・モーメントセンサーの操作軸に作用し
たＹ軸方向のモーメントをこれに相当する電圧に変換す
るための回路図。FIG. 7 is a circuit diagram for converting a moment in the Y-axis direction acting on the operation shaft of the force / moment sensor into a voltage corresponding to the moment.
【図８】前記力・モーメントセンサーの操作軸に作用し
たＺ軸方向の力をこれに相当する電圧に変換するための
回路図。FIG. 8 is a circuit diagram for converting the force in the Z-axis direction acting on the operation shaft of the force / moment sensor into a voltage corresponding thereto.
【図９】他の力・モーメントセンサーの断面図。FIG. 9 is a sectional view of another force / moment sensor.
【図１０】従来の力・モーメントセンサーの外観斜視
図。FIG. 10 is an external perspective view of a conventional force / moment sensor.
【図１１】従来の力・モーメントセンサーの断面図。FIG. 11 is a sectional view of a conventional force / moment sensor.
【図１２】従来の力・モーメントセンサーに外力（機械
的外力）を加えたときに、起歪体が変形した状態を示す
図。FIG. 12 is a diagram showing a state in which the strain generating element is deformed when an external force (mechanical external force) is applied to the conventional force / moment sensor.
【図１３】従来の力・モーメントセンサーの歪みゲージ
と中心線との関係を示した図。FIG. 13 is a diagram showing a relationship between a strain gauge of a conventional force / moment sensor and a center line.
【図１４】従来の力・モーメントセンサーに組込む電気
的ブリッジ回路。FIG. 14 is an electrical bridge circuit incorporated in a conventional force / moment sensor.
１ 基板 ２ 基板 ３ センサー主体 ４ 弾性板 ５ 入力部 ６ 凸部 ３０ シート状フィルム ３１ 感圧抵抗体 Ｃｘ＋ 電極部 Ｃｘ− 電極部 Ｃｙ＋ 電極部 Ｃｙ− 電極部 1 substrate 2 substrate 3 sensor main body 4 elastic plate 5 input portion 6 convex portion 30 sheet-like film 31 pressure-sensitive resistor Cx + electrode portion Cx− electrode portion Cy + electrode portion Cy− electrode portion
Claims (2)
設した基板（２）と、前記基板（１）（２）相互間に設
けられたシート状のセンサー主体（３）と、基板（１）
（２）のうち少なくとも一方の基板と前記センサー主体
（３）との間に設けられた弾性板（４）とを積層して構
成したものであり、前記基板（１）（２）のうち少なく
とも一方に入力部（５）を設けると共に、前記センサー
主体（３）を、一対の可撓性を有するシート状フィルム
（３０）（３０）と、前記シート状フィルム（３０）
（３０）の対向面側にそれぞれ９０°角度間隔でスクリ
ーン印刷された電極（Ｃｘ＋）（Ｃｘ−）（Ｃｙ＋）
（Ｃｙ−）と、対向するシート状フィルム（３０）（３
０）の電極相互間に形成された感圧抵抗体（３１）とか
ら構成されていることを特徴とする力・モーメントセン
サー。1. A substrate (1), a substrate (2) arranged to face the substrate (1), and a sheet-like sensor main body (3) provided between the substrates (1) and (2). , Substrate (1)
At least one of the substrates (2) and an elastic plate (4) provided between the sensor main body (3) are laminated, and at least one of the substrates (1) and (2) is formed. An input part (5) is provided on one side, and the sensor main body (3) is provided with a pair of flexible sheet-like films (30) (30) and the sheet-like film (30).
Electrodes (Cx +) (Cx-) (Cy +) screen-printed at 90 ° angular intervals on the facing surface side of (30).
(Cy-) and the sheet-like film (30) (3) facing each other.
And a pressure sensitive resistor (31) formed between electrodes (0).
（３）側面に凸部（６）を具備させ、前記入力部（５）
に外力が加わったときには、その外力が前記凸部（６）
を介してセンサー主体（３）に伝達されるようにしてあ
ることを特徴とする請求項１記載の力・モーメントセン
サー。2. A convex portion (6) is provided on a side surface of at least one substrate of the sensor main body (3), and the input portion (5) is provided.
When an external force is applied to the convex portion (6)
The force / moment sensor according to claim 1, characterized in that it is transmitted to the sensor main body (3) via the.
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