專利名稱：多軸傳感器單元及使用它的多軸傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能夠測量從外部施加給第1部件和第2部件的多個軸上的力、力矩、加速度和角速度中的任何一種的多軸傳感器單元及使用它的多軸傳感器。
背景技術(shù)：
作為這一類的多軸傳感器，已知的有利用半導體的單結(jié)晶襯底檢測力或力矩的裝置。在專利文獻1中公開了一種多軸傳感器105，如圖21、圖22和圖23A～C所示，包括具有設(shè)在中央的受力部100、設(shè)在周圍的固定部101及連接它們的圓環(huán)狀的隔膜部102的應(yīng)變體103和由安裝在該應(yīng)變體103上的壓電元件等構(gòu)成的檢測元件R11～R34。
檢測元件R11～R34設(shè)在各應(yīng)變體103的上面。在各應(yīng)變體103的上面設(shè)定以受力部100為中心相互正交的X軸和Y軸，以及它們中間傾斜的軸S。檢測元件R11～R34配置在各軸上的隔膜部102的邊緣部分。
在該多軸傳感器105中，為了測定X、Y、Z軸的3軸方向的力或力矩，由各檢測元件R11～R34構(gòu)成橋式電路。具體地說，利用X軸上的檢測元件R11～R14構(gòu)成圖23A所示的橋式電路106，由此得到電壓Vx。利用Y軸上的檢測元件R21～R24構(gòu)成圖23B所示的橋式電路107，由此得到電壓Vy。利用S軸上的檢測元件R31～R34構(gòu)成圖23C所示的橋式電路108，由此得到電壓Vz。利用由這3個橋式電路106～108得到的電壓Vx、Vy、Vz的組合，可以算出X、Y、Z軸3軸方向的力或力矩。
專利文獻1特開平4-194634號公報(圖2、圖3、圖7、第3頁左下欄第3行～右下欄第6行、第4頁右下欄第9行～第15行)在專利文獻1記載的技術(shù)中，因使用3個橋式電路106～108，故功耗大。為了構(gòu)成3個橋式電路106～108，使布線變得復雜。特別，當在硅半導體襯底上形成檢測元件R11～R14時，因必須進行使作為檢測元件R14～R14的壓電元件的端子信號暫時向半導體襯底的外部引出布線等處理，故當橋式電路106～108是3個時，結(jié)構(gòu)就會變得復雜。從而提高了成本。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種多軸傳感器單元和使用它的多軸傳感器，在降低功耗的同時，可以簡化布線并降低成本。
本發(fā)明的第1方面提供的多軸傳感器單元，測量從外部施加的多個軸上的力、力矩、加速度和角加速度中的任何一個或多個，具備配置在一個平面上的8個應(yīng)變計和連接各應(yīng)變計形成的1個橋式電路。
若按照該結(jié)構(gòu)，因應(yīng)變計僅僅是8個且只有1個橋式電路，故和過去將12個應(yīng)變計分成每4個為1組，驅(qū)動3個橋式電路的情況相比，可以將功耗降低到約為原來的1/6。即，因每一個橋式電路的應(yīng)變計的個數(shù)增加了2倍，故合成電阻也變?yōu)?倍，因橋式電路由3個變成1個，故功耗是原來的1/3。這里，因功耗W＝V2/R，故(1/3)×(1/2)變成1/6。
此外，因橋式電路只有1個，故布線簡單。因此，引線不會立體交叉，容易構(gòu)成橋式電路。進而，因可以減少應(yīng)變計的數(shù)量，故部件數(shù)少，減少了粘貼作業(yè)的工時，從而降低了成本。
本發(fā)明的第2方面提供的多軸傳感器單元，測量從外部施加的多個軸上的力、力矩、加速度和角加速度中的任何一個或多個，具備配置在一個平面上的8個應(yīng)變計和連接各應(yīng)變計形成的2個橋式電路。。
若按照該結(jié)構(gòu)，因應(yīng)變計僅僅是8個且由2個橋式電路構(gòu)成，故和過去將12個應(yīng)變計分成每4個為1組，驅(qū)動3個橋式電路的情況相比，可以將功耗降低至約2/3。
此外，因橋式電路只有2個，故布線簡單。因此，引線不會立體交叉，容易構(gòu)成橋式電路。因此，當利用IC工藝或濺射技術(shù)形成橋時，不必使引線交叉，因此可以減少應(yīng)變計的數(shù)量，故部件數(shù)少，減少了粘貼作業(yè)的工時，從而降低了成本。
在本發(fā)明的多軸傳感器單元中，在具有具備設(shè)在中央的受力部和設(shè)在外圍的固定部及連接它們的圓環(huán)狀的隔膜部的應(yīng)變體，并且，上述應(yīng)變計的配置位置是與上述隔膜的中心線正交的線上上述隔膜的外緣部和內(nèi)緣部的4個位置及在與上述線正交的線上上述隔膜的外緣部和內(nèi)緣部的4個位置。若按照該結(jié)構(gòu)，可以檢測出向2個正交的軸方向的力和力矩，進而向與這些軸正交的軸方向的力。
在本發(fā)明的多軸傳感器單元中，上述應(yīng)變計也可以是壓阻元件。若按照該結(jié)構(gòu)，因壓電元件與薄膜應(yīng)變計相比，應(yīng)變率大10倍或以上，所以，與使用金屬箔應(yīng)變計的情況相比，靈敏度可以大10倍或以上。同樣，在本發(fā)明的多軸傳感器單元中，上述應(yīng)變計也可以是利用濺射法形成的應(yīng)變計。利用該制造方法形成的應(yīng)變計與一般的金屬箔應(yīng)變計相比，應(yīng)變率大10倍或以上，所以，與使用一般的金屬箔應(yīng)變計的情況相比，靈敏度可以大10倍或以上。
本發(fā)明的第3方面提供的多軸傳感器單元具備多個上述任何一方面記載的多軸傳感器單元。若按照該結(jié)構(gòu)，可以高精度檢測3個軸的力和力矩或加速度和角加速度。
在本發(fā)明的多軸傳感器中，上述多軸傳感器單元也可以以上述多軸傳感器的中心點為中心等角度間隔，且距上述中心點等距離配置。若按照該結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)各多軸傳感器單元的應(yīng)變計的電阻值的變化通過較簡單的計算算出多個軸上的力、力矩、加速度和角加速度。
在本發(fā)明的多軸傳感器中，上述角度可以是90度。若按照該結(jié)構(gòu)，可以容易地算出以多軸傳感器的中心點作為原點的直角坐標的X軸和Y軸的力、力矩、加速度和角加速度。
在本發(fā)明的多軸傳感器中，上述多軸傳感器單元可以分別配置在以上述中心點作為原點的X軸和Y軸的正負方向上。若按照該結(jié)構(gòu)，可以極為容易地算出X軸和Y軸的力、力矩、加速度和角加速度。
在本發(fā)明的多軸傳感器中，上述角度可以是120度。若按照該結(jié)構(gòu)，通過3個多軸傳感器單元，可以算出多個軸上的力、力矩、加速度和角加速度，所以，能夠更加簡化多軸傳感器的結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的多軸傳感器中，上述應(yīng)變計的配置位置可以是連接上述多軸傳感器的中心點和上述多軸傳感器單元的中心點的線上上述隔膜的外緣部和內(nèi)緣部，以及，上述多軸傳感器單元的中心點的上述線的正交線上上述隔膜的外緣部和內(nèi)緣部。若按照該結(jié)構(gòu)，可以將應(yīng)變計安裝在多軸傳感器單元中應(yīng)變最大的部位，所以，能提高靈敏度。
在本發(fā)明的多軸傳感器中，也可以具有第1部件，包括具備上述應(yīng)變計的上述多軸傳感器單元；和第2部件，包括與上述多軸傳感器單元對置而且不具備上述應(yīng)變計的上述應(yīng)變體，并且，將對置的應(yīng)變體的上述受力部彼此連接起來，測量作用在上述第1部件和上述第2部件之間的多個軸上的力和力矩。若按照該結(jié)構(gòu)，只要在一方部件上設(shè)置多軸傳感器單元，就可以測量多個軸上的力和力矩。
在本發(fā)明的多軸傳感器中，具備上述多軸傳感器單元和設(shè)在上述多軸傳感器單元的中央部上的作用體，并且，測量作用于該多軸傳感器單元上的多個軸上的加速度和角加速度。若按照該結(jié)構(gòu)，只要在一方部件上設(shè)置多軸傳感器單元，就可以測量多個軸上的加速度和角加速度。


圖1A是描述本發(fā)明第1實施方式的多軸傳感器單元的圖，是描繪應(yīng)變計的配置的平面圖。
圖1B是描述本發(fā)明第1實施方式的多軸傳感器單元的圖，是中央縱剖面的正面圖。
圖2是表示當對多軸傳感器加力Fx時的位移和應(yīng)變計的電阻值的變化的中央縱剖面的正面圖。
圖3是表示當對多軸傳感器加力Fz時的位移和應(yīng)變計的電阻值的變化的中央縱剖面的正面圖。
圖4是表示一例橋式電路的電路圖。
圖5是表示使用了OP放大器的節(jié)點電壓的計算處理的例子的圖。
圖6A是表示用來計算Fx的一例橋式電路的電路圖，是整體的電路圖。
圖6B是表示用來計算Fx的一例橋式電路的電路圖，實質(zhì)上是等效電路圖。
圖7A是用來計算Fz的參照圖，是表示施加力的方向的圖。
圖7B是用來計算Fz的參照圖，是表示在箭頭T1方向施加力時的橋式電路的圖。
圖7C是用來計算Fz的參照圖，是表示在箭頭T2方向施加力時的橋式電路的圖。
圖7D是用來計算Fz的參照圖，是表示在箭頭T3方向施加力時的橋式電路的圖。
圖7E是用來計算Fz的參照圖，是表示在箭頭T4方向施加力時的橋式電路的圖。
圖8是表示另一例橋式電路的電路圖。
圖9是表示又一例橋式電路的電路圖。
圖10是表示橋式電路其他例子的電路圖。
圖11是表示又一橋式電路其他例子的電路圖。
圖12是表示一例檢測電路的圖。
圖13是表示當利用檢測電路求Mx或My時形成的橋式電路的電路圖。
圖14是表示當利用檢測電路求Fz時形成的橋式電路的電路圖。
圖15是描述第2實施方式的多軸傳感器單元的中央縱剖面正面圖。
圖16是描述第3實施方式的多軸傳感器單元的部分省略的縱剖面圖。
圖17A是描述本發(fā)明第4實施方式的多軸傳感器的圖，是描述從第2部件一側(cè)向Z軸方向透視時的應(yīng)變計的配置的平面圖。
圖17B是描述本發(fā)明第4實施方式的多軸傳感器的圖，是中央縱剖面的正面圖。
圖18是表示正交坐標軸的斜視圖。
圖19是表示一例橋式電路的電路圖。
圖20是描述第5實施方式的多軸傳感器的從第2部件一側(cè)向Z軸方向透視時的應(yīng)變計的配置的平面圖。
圖21是描述現(xiàn)有的多軸傳感器單元的中央縱剖面的正面圖。
圖22是描述現(xiàn)有的多軸傳感器單元的應(yīng)變計的配置的平面圖。
圖23A是描述現(xiàn)有的多軸傳感器單元的由應(yīng)變計形成的橋式電路的電路圖。
圖23B是描述現(xiàn)有的多軸傳感器單元的由應(yīng)變計形成的橋式電路的電路圖。
圖23C是描述現(xiàn)有的多軸傳感器單元的由應(yīng)變計形成的橋式電路的電路圖。
符號說明
1多軸傳感器 2第1部件3第2部件4～7多軸傳感器單元10多軸傳感器單元11橋式電路12應(yīng)變體 13受力部14固定部15隔膜部 R11~R48應(yīng)變計具體實施方式
下面，參照

本發(fā)明的最佳實施方式。圖1A是本發(fā)明第1實施方式的多軸傳感器單元10的從應(yīng)變計的安裝面看過去的平面圖，圖1B是多軸傳感器單元10的中央縱剖面的正面圖。在圖1A和圖1B中，多軸傳感器單元10是測量外加的多個軸上的力、力矩、加速度、角角加速度中的任何一個或多個的裝置。該多軸傳感器單元10具有配置在一個平面上的8個應(yīng)變計R11～R24和連接各應(yīng)變計R11～R24形成的1個橋式電路11。
各應(yīng)變計R11～R24安裝在由鋁或SUS等金屬可撓性材料形成的應(yīng)變體12上。應(yīng)變體12包括設(shè)在中央的受力部13、設(shè)在外圍的固定部14和連接它們的圓環(huán)狀的隔膜部15。固定部14是用來將多軸傳感器單元10安裝在別的裝置上的部件，很厚而且剛性強，即使對受力部13施加外力也很難發(fā)生畸變或變形。隔膜部15很薄，而且容易變形。受力部13呈棒狀，能以很高的效率將從外部接受的力傳送給隔膜部15。因此，當對受力部13施加外力時，所產(chǎn)生的畸變或變形幾乎都集中在隔膜部15上。
作為應(yīng)變計R11～R24，可以使用金屬箔應(yīng)變計或金屬線應(yīng)變計。應(yīng)變計R11～R24是一種電阻，是將其粘貼在發(fā)生變形處來使用的檢測元件。通過發(fā)生變形引起電阻變化，可以測定應(yīng)變ε。一般帶有對于因拉伸產(chǎn)生的應(yīng)變ε電阻值變大，對于因壓縮產(chǎn)生的應(yīng)變ε，電阻值變小的比例特性。此外，通常，材料在應(yīng)力σ對應(yīng)變ε成正比的彈性區(qū)使用。
應(yīng)變計R11～R24的配置位置是與隔膜部15的中心線(Z軸)正交的線(X軸)上隔膜部15的外緣部和內(nèi)緣部的4個位置以及在與X軸正交的線(Y軸)上的隔膜部15的外緣部和內(nèi)緣部的4個位置。應(yīng)變計R11～R24粘貼在各位置上。因任何一個應(yīng)變計R11～R24都設(shè)在隔膜部15的邊緣部，故能夠有效地接收應(yīng)變體12發(fā)生的應(yīng)變。
圖1A示出連接各應(yīng)變計R11～R24的布線圖(圖中的雙點劃線)。通過這樣布線，因沒有重疊的部分，故引線不必交叉，可以通過1次濺射制造出來，可以簡化工序、降低成本。
圖5示出各節(jié)點電壓Va～Vd和力或力矩的關(guān)系。力Fx和力矩My可以作為節(jié)點電壓Va、Vb的差Vx(＝Va-Vb)測定。力Fy和力矩Mx可以作為節(jié)點電壓Vc、Vd的差Vy(＝Vc-Vd)測定。力Fz可以作為節(jié)點電壓Va、Vc的差(Va-Vc)與節(jié)點電壓Vb、Vd的差(Vb-Vd)的和Vz(＝(Va-Vc)+(Vb-Vd))測定?；蛘?，如該圖中的括弧所示，力Fz也可以作為節(jié)點電壓Va、Vd的差(Va-Vd)與節(jié)點電壓Vb、Vc的差(Vb-Vc)的和Vz(＝(Va-Vd)+(Vb-Vc))測定。這些運算可以使用OP放大器19直接進行電路運算，或者，也可以將各節(jié)點電壓AD變換后利用計算機來進行運算處理。
這里，簡單說明根據(jù)各節(jié)點電壓Va～Vd計算力或力矩的原理。當施加力Fx(力矩My)時，只有R11～R14變化，R21～R24不變化。因此，圖6A所示的橋式電路11和該圖B所示的電路相同。這是以前使用的橋式電路11，結(jié)果Vx＝Va-Vb。
此外，當施加力Fz時，如圖7A所示，因力Fz的方向不同工作的應(yīng)變計R11～R24相異。圖7B示出在圖7A的箭頭T1的方向施加力時的變化，圖7C示出在圖7A的箭頭T2的方向施加力時的變化，圖7D示出在圖7A的箭頭T3的方向施加力時的變化，圖7E示出在圖7A的箭頭T4的方向施加力時的變化。
這里，例如，若是Vz＝Va-Vc或Vz＝Vb-Vd，當在箭頭T1的方向作用Fx和Fy的合力時，F(xiàn)z沒有反應(yīng)。此外，若是Vz＝Va-Vd或Vz＝Vb-Vc，則Fz有反應(yīng)。它們的關(guān)系如表2所示。
表2


因此，通過使Vz＝(Va-Vc)+(Vb-Vd)，即使作用箭頭T1～T4方向的力，也可以相互抵消而正確地輸出Fz。同樣，也可以設(shè)Vz＝(Va-Vd)+(Vb-Vc)。再有，節(jié)點電壓Va～Vd在各模式下的變化通過將應(yīng)變計的電阻變大(+)時設(shè)定為(R+ΔR)、在應(yīng)變計的電阻變小(-)時設(shè)定為(R-ΔR)，符合歐姆定律的分壓。
再有，在本實施方式中，求出了Fx(力矩My)、Fy(力矩Mx)和Fz，但不限于此，也可以求出各軸方向上的加速度或角加速度。這時，通過在受力部13的尖端安裝重量體，可以加大受力部13的接觸，提高靈敏度。
作為橋式電路11，不限于圖4所示的電路。例如，也可以如圖8所示，從驅(qū)動電壓V+到GND串聯(lián)R13→R14→R21→R22，同時，串聯(lián)R12→R11→R24→R23。再有，可以使R14與R21的節(jié)點g和R11與R24的節(jié)點h短路。也可以如圖9所示，從驅(qū)動電壓V+到GND串聯(lián)R11→R12→R23→R24，同時，串聯(lián)R14→R13→R22→R21。再有，可以使R12與R23的節(jié)點g和R13與R22的節(jié)點h短路。此外，也可以釋放節(jié)點g和h的短路。
進而，也可以像圖10所示那樣，是將由R11～R14構(gòu)成的橋式電路11a和由R21～R24構(gòu)成的橋式電路11b并聯(lián)形成的橋式電路11。這時，F(xiàn)x(My)在R11～R14的橋式電路11a中可以利用Vx＝Va-Vb算出，F(xiàn)y(Mx)在R21～R24的橋式電路11b中可以利用Vy＝Vc-Vd算出。此外，F(xiàn)z可以利用Vz＝(Va-Vc)+(Vb-Vd)或Vz＝(Va-Vd)+(Vb-Vc)、或Vz＝Va+Vb或Vz＝Vc+Vd算出。再有，這樣，使用2個橋式電路11的多軸傳感器單元10與圖4所示的使用1個橋式電路11的多軸傳感器單元10比較，靈敏度大約是其2倍。
或者，也可以像圖11所示那樣，是將由R11～R14構(gòu)成的橋式電路11a和由R21～R24構(gòu)成的橋式電路11b并聯(lián)形成的橋式電路11。在這里，替換了圖10所示的由R21～R24形成的橋式電路11b中的應(yīng)變計R11～R24。這時，F(xiàn)x(My)在R11～R14的橋式電路11a中可以利用Vx＝Va-Vb算出，F(xiàn)y(Mx)在R21～R24的橋式電路11b中可以利用Vy＝Vc-Vd算出。此外，F(xiàn)z可以利用Vz＝Va+Vb+Vc+Vd)、或Vz＝Va+Vb或Vz＝Vc+Vd算出。
另一方面，不限于上述固定的橋式電路11，也可以利用像圖12所示那樣的檢測電路16。該檢測電路16具有呈環(huán)狀連接的應(yīng)變計R11～R24、為了對應(yīng)變計R11～R24切換驅(qū)動電壓V+和GND而設(shè)的開關(guān)17和控制該開關(guān)7同時進行節(jié)點電壓的運算處理算出力和力矩的微機18。應(yīng)變計R11～R24的連接和節(jié)點電壓的設(shè)定和圖4所示的橋式電路11一樣。這里，設(shè)定R11和R14的節(jié)點e、R21和R24的節(jié)點f。
當求力矩Mx、My時，微機18的輸出端口的信號PO為OFF，使開關(guān)17的輸出端子與圖中的1、3、5側(cè)連接。由此，橋式電路11的節(jié)點e、f與驅(qū)動電壓V連接，節(jié)點g、h與GND連接。即，由利用應(yīng)變計R11～R14構(gòu)成的橋式電路11a和利用應(yīng)變計R21～R24構(gòu)成的橋式電路11b構(gòu)成橋式電路11。圖13示出這時的橋式電路11。而且，力矩Mx(力Fy)可以作為節(jié)點電壓Vc和Vd的差Vy檢測出來。此外，力矩My(力Fx)可以作為節(jié)點電壓Va和Vb的差Vx檢測出來。
當求力Fz時，微機18的信號PO為ON，使開關(guān)17的輸出端子與圖中的2、4、6側(cè)連接。由此，橋式電路11的節(jié)點b與驅(qū)動電壓V連接，節(jié)點c與GND連接。節(jié)點g、h與GND分離，節(jié)點e、f與驅(qū)動電壓V+分離。檢測電路16變成由8個應(yīng)變計R11～R24構(gòu)成的1個橋式電路11。圖14示出這時的橋式電路11。力Fz可以作為節(jié)點電壓Va和Vd的差Vz檢測出來。
這些電壓Vx、Vy、Vz經(jīng)OP放大器19運算后輸入微機18的AD變換端口。在微機18中與輸出端口PO的狀態(tài)(ON、OFF)對應(yīng)，判別是檢測力矩Mx、My還是檢測力Fz，，可以忽略不要的數(shù)據(jù)、例如檢測力矩Mx、My時力Fz的數(shù)據(jù)。
通過重復該動作，可以利用時分割方法高精度檢測出力矩Mx、My和力Fz。
其次，參照圖15說明本發(fā)明的第2實施方式。如圖15所示，第2實施方式使用壓阻元件作為應(yīng)變計R101～R204。而且，利用半導體制造工藝，將1個多軸傳感器單元10所需要的壓阻元件集成在1塊硅半導體襯底20上，再通過管芯接合(焊接)固定在應(yīng)變體12上。壓阻元件與金屬箔應(yīng)變計比較，應(yīng)變率大10倍或以上，與使用金屬箔應(yīng)變計相比，靈敏度可以大出10倍或以上。此外，利用IC的半導體工藝，不僅是作為檢測元件的壓阻元件，信號處理用的OP放大器等電路元件都可以在同一塊半導體襯底20上集成并制作出來。
其次，參照圖16說明本發(fā)明的第3實施方式。如圖16所示，第3實施方式使用利用濺射形成的氧化鉻膜21作為應(yīng)變計和橋式電路。即，利用濺射在應(yīng)變體12上形成絕緣膜22，并利用濺射在其上形成氧化鉻膜21，再在其上形成保護膜23。絕緣膜22是為了使應(yīng)變體12和氧化鉻膜21不導通而設(shè)的。氧化鉻膜利用濺射形成，可以使應(yīng)變計和導電的橋式電路同時形成。成為應(yīng)變計部分在應(yīng)變檢測方向的線寬變細，電阻大。保護膜23是為了防止氧化和因物理接觸而造成的損傷而設(shè)的。
進而，參照圖17～圖18說明本發(fā)明的第4實施方式。圖17A是描述本發(fā)明第4實施方式的多軸傳感器1的從第2部件3一側(cè)向Z軸方向透視時的應(yīng)變計R11～R48的配置的平面圖，圖17B是多軸傳感器1的中央縱剖面的正面圖。在圖17A和圖17B中，多軸傳感器1具有多個多軸傳感器單元4～7，同時，測量從外部加在第1部件2和第2部件3的多個軸上的力、力矩、加速度和角加速度中的任何一個。第1部件2和第2部件3由圓盤狀的法蘭(flange)構(gòu)成。應(yīng)變計R11～R48安裝在第1部件2的表側(cè)面2a。
第1部件2具有4個多軸傳感器單元4、5、6、7。這里，4個多軸傳感器單元4、5、6、7都和第1實施方式的多軸傳感器單元10的結(jié)構(gòu)相同，分別設(shè)有和上述一樣的橋式電路11或檢測電路16。第2部件3具有和第1部件2的多軸傳感器單元4～7對置的4個應(yīng)變體12。相互對置的多軸傳感器單元4～7和應(yīng)變體12的受力部13彼此之間利用螺栓9連接，使第1部件2和第2部件3一體化。
多軸傳感器單元4～7以多軸傳感器1的中心點O為中心等角度間隔，且距上述中心點O等距離配置。這里是以90度的間隔進行配置。進而，多軸傳感器單元4～7分別配置在以中心點O為原點的X軸和Y軸的正負方向上。由此，該多軸傳感器1作為用來測定3維空間的3個正交軸的力及圍繞該軸的力矩的6軸力傳感器起作用。此外，將從原點O向第1部件2側(cè)引出的垂線作為Z軸。圖18示出X軸、Y軸、Z軸的方向及相對各軸的力矩Mx、My、Mz的方向。
各多軸傳感器單元4～7大小和厚度相同。因此，剛性相等。所以，當?shù)?部件2、第2部件3和受力部13整體位移而構(gòu)成平行四邊形的4個邊時，在應(yīng)變計R11～R48上產(chǎn)生與作用于各多軸傳感器單元4～7上的力的方向和大小對應(yīng)的應(yīng)變，因此，能高精度檢測力或力矩。再有，為了使應(yīng)變計的安裝作業(yè)簡單和對應(yīng)變計進行保護，也可以在安裝位置上設(shè)置階梯。此外，也可以在隔膜部15之外的部分形成用于安裝到其他部件上的塞孔(tap hole)。
圖19示出連接各應(yīng)變計R11～R24形成的橋式電路11。再有，橋式電路11可以使用在第1實施方式中已說明的任何一種電路，這里，只說明其中的一個例子。如圖19所示，對于多軸傳感器單元4設(shè)置將由R11～R14構(gòu)成的橋式電路和由R15～R18構(gòu)成的橋式電路并聯(lián)后形成的橋式電路11。此外，對于多軸傳感器單元5～7設(shè)置將由R21～R24、R31～R34、R41～R44構(gòu)成的橋式電路和由R25～R28、R35～R38、R45～R48構(gòu)成的橋式電路分別并聯(lián)后形成的橋式電路11。
這里，設(shè)利用由應(yīng)變計R11～R18構(gòu)成的橋式電路11檢測出的表示X、Y、Z軸方向的力的信號分別為Vx1、Vy1、Vz1。而且，若設(shè)R11和R12節(jié)點a1的電壓為Va1、R13和R14節(jié)點b1的電壓為Vb1、R17和R18節(jié)點c1的電壓為Vc1、R15和R16節(jié)點d1的電壓為Vd1，則可以利用下面的運算來測定。
Vx1＝Va1-Vb1Vy1＝Vc1-Vd1Vz1＝Va1+Vb1-Vc1-Vd1再有，對于利用由應(yīng)變計R21～R28、R31～R38、R41～R48構(gòu)成的橋式電路11檢測出的表示X、Y、Z軸方向的力的信號分別為Vx2、Vy2、Vz2、Vx3、Vy3、Vz3、Vx4、Vy4、Vz4，也可以同樣進行測定。但是，Vy1和Vy3、Vx2和Vx4的表示力的方向的信號的極性相反，Vz1、Vz2、Vz3、Vz4的表示力的方向的信號的極性相同。
因此，在本實施方式中，利用由各多軸傳感器單元4～7得到的結(jié)果，可以通過下面的運算求出6軸的力和力矩。但是，在各多軸傳感器單元4～7的3軸的信號輸出中，也有未使用的信號。這里，在下面的運算中，可以使用已知的或新的方法將各電阻值變換成電壓，再通過OP放大器進行運算，或者，也可以使用AD變換器，由微處理器或計算機來進行計算。
Fx＝Vx4-Vx2Fy＝Vy3-Vy1Fz＝Vz1+Vz2+Vz3+Vz4Mx＝Vz4-Vz2My＝Vz3-Vz1Mz＝Vy1+Vx2+Vy3+Vx4再有，關(guān)于使用了作為用來測定3維空間的3個正交軸的力及圍繞該軸的力矩的6軸力傳感器起作用的多軸傳感器1的橋式電路11的計算方法，在本案申請人的日本國特愿2000-172045號公報中有詳細記載。
進而，參照圖20說明本發(fā)明的第5實施方式。圖20是描述第5實施方式的多軸傳感器1的從第2部件3一側(cè)向Z軸方向透視時的應(yīng)變計R11～R38的配置的平面圖。在第5實施方式中，第1部件2具有3個多軸傳感器單元4～6。第2部件3具有與各多軸傳感器單元4～6對置的3個應(yīng)變體12。多軸傳感器單元4～6以多軸傳感器1的中心點O為中心以120度的間隔，而且，距中心點等距離配置。
本實施方式的3個多軸傳感器單元4、5、6都和第1實施方式的多軸傳感器單元10的結(jié)構(gòu)相同，分別設(shè)有和上述一樣的橋式電路11或檢測電路16。這時，利用從各多軸傳感器單元4～6得到的結(jié)果，可以檢測出6軸的力和力矩分量。因此，本實施方式的多軸傳感器1和上述第4實施方式一樣，作為用來測定3維空間的3個正交軸的力及圍繞該軸的力矩的6軸力傳感器起作用。再有，關(guān)于使用了多軸傳感器1的橋式電路11的計算方法，因和第4實施方式一樣，故省略其詳細說明。
其次，說明本發(fā)明的第6實施方式。在上述第4和第5實施方式中，第1部件2和第2部件3相互裝配在一起，但是，也可以單獨使用第1部件2。這時，通過在多軸傳感器單元10的受力部13安裝重量體來作為作用體，可以測量作用于多軸傳感器單元10的多個軸上的加速度和角加速度。
上面，說明了本發(fā)明的最佳實施方式，但本發(fā)明不限于上述實施方式，只要是在權(quán)利要求書記載的范圍內(nèi)，可以進行各種各樣的設(shè)計變更。例如，在上述橋式電路11中，采用了施加恒定電壓和GND的驅(qū)動方式，但不限于此，也可以加正負雙向電壓進行驅(qū)動?；蛘?，也可以取代恒定電壓而加恒定電流進行驅(qū)動。
此外，上述各實施方式的應(yīng)變計的配置當然不限于圖示的形式。即使變更應(yīng)變計的配置，通過計算橋式電路11的各節(jié)點電壓的差或和等，也可以求出Mx、My、Fz等。
而且，在上述實施方式中，是檢測3軸或6軸的力或力矩的傳感器，但不限于此，例如，也可以使用檢測X軸和Y軸2方向的力或力矩的2軸傳感器。此外，也可以使用檢測X軸、Y軸、Z軸中任何一個方向的力或力矩的單軸傳感器。
工業(yè)上利用的可能性本發(fā)明適合用來作為能檢測從外部作用的正交的3軸方向的力及該軸旋轉(zhuǎn)方向的力矩的共6個分量中的至少1個分量的方向和大小的多軸傳感器單元和多軸傳感器。因此，例如，對于在娛樂領(lǐng)域具有實用前景的類人機器人(Humanoid Robot)，若將本發(fā)明的多軸傳感器單元和多軸傳感器裝入類人機器人的手或腳中，則可以以很好的響應(yīng)特性高精度地檢測出作用在類人機器人的手或腳上的力或力矩，而且比現(xiàn)有的傳感器的成本低。
權(quán)利要求
1.一種多軸傳感器單元，測量從外部施加的多個軸上的力、力矩、加速度和角加速度中的任何一個或多個，其特征在于，具備配置在一個平面上的8個應(yīng)變計和連接各應(yīng)變計形成的1個橋式電路。
2.一種多軸傳感器單元，測量從外部施加的多個軸上的力、力矩、加速度和角加速度中的任何一個或多個，其特征在于，具備配置在一個平面上的8個應(yīng)變計和連接各應(yīng)變計形成的2個橋式電路。
3.權(quán)利要求1或2記載的多軸傳感器單元，其特征在于，具有具備設(shè)在中央的受力部和設(shè)在外圍的固定部及連接它們的圓環(huán)狀的隔膜部的應(yīng)變體，并且，上述應(yīng)變計的配置位置是與上述隔膜的中心線正交的線上上述隔膜的外緣部和內(nèi)緣部的4個位置及在與上述線正交的線上上述隔膜的外緣部和內(nèi)緣部的4個位置。
4.權(quán)利要求1～3中的任何一項記載的多軸傳感器單元，其特征在于，上述應(yīng)變計是由壓阻元件或利用濺射法形成的應(yīng)變計。
5.一種多軸傳感器，其特征在于，具備多個權(quán)利要求1～4中的任何一項記載的上述多軸傳感器單元。
6.權(quán)利要求5記載的多軸傳感器，其特征在于，上述多軸傳感器單元以上述多軸傳感器的中心點為中心等角度間隔且距上述中心點等距離配置。
7.權(quán)利要求6記載的多軸傳感器，其特征在于，上述角度是90度。
8.權(quán)利要求7記載的多軸傳感器，其特征在于，上述多軸傳感器單元分別配置在以上述中心點作為原點的X軸和Y軸的正負方向上。
9.權(quán)利要求6記載的多軸傳感器，其特征在于，上述角度是120度。
10.權(quán)利要求5～9中的任何一項記載的多軸傳感器，其特征在于，上述應(yīng)變計的配置位置是連接上述多軸傳感器的中心點和上述多軸傳感器單元的中心點的線上上述隔膜的外緣部和內(nèi)緣部，以及，上述多軸傳感器單元的中心點的上述線的正交線上上述隔膜的外緣部和內(nèi)緣部。
11.權(quán)利要求5～10中的任何一項記載的多軸傳感器，其特征在于，具有第1部件，包括具備上述應(yīng)變計的上述多軸傳感器單元；和第2部件，包括與上述多軸傳感器單元對置而且不具備上述應(yīng)變計的上述應(yīng)變體，并且，將對置的應(yīng)變體的上述受力部彼此連接起來，測量作用在上述第1部件和上述第2部件之間的多個軸上的力和力矩。
12.權(quán)利要求5～10中記載的多軸傳感器，其特征在于，具備上述多軸傳感器單元和設(shè)在上述多軸傳感器單元的上述受力部上的作用體，并且，測量作用于該多軸傳感器單元上的多個軸上的加速度和角加速度。
全文摘要
本發(fā)明在降低功耗的同時，可以簡化布線并降低成本。測量從外部施加的多個軸上的力、力矩、加速度和角加速度中的任何一個或多個參數(shù)的多軸傳感器單元10包括配置在一個平面上的8個應(yīng)變計R11～R24和連接各應(yīng)變計R11～R24形成的1個橋式電路11。因此，與過去相比，減少了橋式電路11和應(yīng)變計R11～R24，在降低功耗的同時，簡化了布線并降低了成本。
文檔編號G01P15/18GK1860355SQ20048002839
公開日2006年11月8日 申請日期2004年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月30日
發(fā)明者森本英夫 申請人:新田株式會社