力传感器和配设有力传感器的设备

摘要

本发明提供力传感器100，该力传感器用于检测从外部施加的力，并且可以被制成得更小型化和低成本。力传感器100包括：支撑部件20；力接收部件4，其由于外力的施加而导致相对于支撑部件20位移；弹性结合部件5，其用于结合支撑部件20和力接收部件4；标尺8a至8d，其设置在弹性结合部件5上并且作为待检测的对象；以及位移检测元件9a至9d，其设置在构成支撑部件20的传感器基板7上以按一对一对应关系与标尺8a至8d相对，并且用于对标尺8a至8d的移动进行检测。

权利要求

1.一种力传感器，其包括：

支撑构件，其包括下盖和从下盖的周边突起的多边形圆筒形构件；

力接收构件，其被构造为通过外力的作用而相对于支撑构件位移；

多个弹性连接构件，其被构造为连接到支撑构件的多边形圆筒形构件和力接收构件，且以被构造为面向支撑构件的方式等间隔绕力接收构件径向设置；

多个检测目标对象，其包括衍射光栅，且设置在多个弹性连接构件的各个上；以及多个位移检测元件，其被设置在支撑构件上以按照一对一方式面向检测目标对象，并且被构造为对检测目标对象的移动进行检测，其中，弹性连接构件具有位移构件，该位移构件通过力接收构件相对于支撑构件在第一方向上的位移，在与第一方向相交的方向上位移。

2.根据权利要求1所述的力传感器，其中，弹性连接构件具有至少一个突起部，并且

检测目标对象设置在突起部的远端表面上。

3.根据权利要求1所述的力传感器，其中，各个弹性连接构件配设有一个检测目标对象。

4.根据权利要求1所述的力传感器，其中，位移检测元件对检测目标对象的位移进行光学检测。

5.根据权利要求1所述的力传感器，其中，位移检测元件通过检测位移检测元件与检测目标对象之间的电容变化来对检测目标对象的位移进行检测。

6.根据权利要求1所述的力传感器，其中，位移检测元件通过检测磁场变化来对检测目标对象的位移进行检测。

7.根据权利要求1所述的力传感器，其中，力接收构件包括盘形部、以及从盘形部的一个平面的中心突起的圆柱部，支撑构件包括圆筒形构件，以及圆柱部经由弹性连接构件连接到圆筒形构件。

8.根据权利要求1所述的力传感器，所述力传感器包括关于力接收构件的中心轴的对称结构，中心轴平行于检测目标对象和位移检测元件彼此面向的方向。

说明书

力传感器和配设有力传感器的设备

技术领域

[0001] 本发明涉及检测从外部施加的力的力传感器和包括该力传感器的设备。

背景技术

[0002] 力传感器被用作检测作用在工业机器人的臂或医用操纵器等的各个部件上的外力的单元。力传感器的示例包括使用PTL 1中公开的光学位移传感器的6轴力传感器。PTL 1中描述的力传感器包括支撑构件、力接收构件、将支撑构件和力接收构件连接的弹性连接构件、以及设置在支撑构件与力接收构件之间的位移方向变换机构。位移方向变换机构配设有检测目标对象，并且以面向检测目标对象的方式配设在支撑构件上的位移检测元件对检测目标对象的移动进行检测。例如，当在支撑构件被固定的状态下外力作用在力接收构件上时，弹性连接构件弹性形变，并且在力接收构件中产生与相对于支撑构件的外力的方向和大小对应的位移。此时，位移方向变换机构还随着力接收构件的形变而形变，并且位移方向变换机构的位移构件的位移方向在与力接收构件的位移正交的方向上位移。

[0003] 引用列表

[0004] 专利文献

[0005] PTL 1:第5602582号日本专利

发明内容

[0006] 技术问题

[0007] 在根据本领域的上述力传感器中，除了支撑构件、力接收构件和弹性连接构件之外，还需要配设用于转换位移的位移方向变换机构、以及位移方向变换机构的检测目标对象。因此，组件数量增加并且组装工艺变得复杂，使得不容易降低尺寸和成本。

[0008] 本发明提供尺寸和成本可以降低的力传感器、以及包括该传感器的装置。

[0009] 解决问题的方案

[0010] 根据本发明的力传感器包括：支撑构件；力接收构件，其被构造为通过外力的作用而相对于支撑构件位移；弹性连接构件，其连接支撑构件和力接收构件；多个检测目标对象，所述多个检测目标对象设置在弹性连接构件上；以及多个位移检测元件，其被设置在支撑构件上以按一对一方式面向检测目标对象，并且被构造为对检测目标对象的移动进行检测，其中，弹性连接构件具有位移构件，该位移构件通过力接收构件相对于支撑构件在第一方向上的位移，在与第一方向相交的方向上位移，并且检测目标对象设置在位移构件上。

[0011] 本发明的有益效果

[0012] 根据本发明，可以降低力传感器的尺寸和成本。

附图说明

[0013] [图1]是根据本发明第一实施例的力传感器的外部立体图。

[0014] [图2A‑图2C]是示出图1中所示的力传感器的示意性结构的截面图和后视图。

[0015] [图3]是示出包括图1的力传感器的传感器基板的上表面的结构的平面图。

[0016] [图4A‑图4C]是示出根据本发明第二实施例的力传感器的示意性结构的截面图和后视图。

[0017] [图5]是示出包括图4A至图4C中所示的力传感器的传感器基板的上表面的结构的平面图。

[0018] [图6A‑图6H]是根据本发明第三实施例的力传感器的弹性连接构件的截面图。

具体实施方式

[0019] 在下文中，将参照附图详细描述本发明的实施例。图1是根据本发明第一实施例的力传感器100的外部立体图。力传感器100包括大致上圆筒形的主体2和盘形的下盖1，并且主体2的下表面由下盖1密封。为了描述的简便，如图1所示，定义X轴、Y轴和Z轴，并且将各个轴的箭头的方向定义为+方向。Z轴是平行于力传感器100的厚度方向的方向，并且将平行于Z轴且经过力传感器100的中心(下面所描述的力接收构件4的中心)的轴定义为中心轴L。X轴和Y轴彼此正交并与Z轴正交。

[0020] 图2A是力传感器100在包括中心轴L的ZX平面上的截面图。图2B是沿图2A的A‑A线截取的截面图。图2C是在下盖1和传感器基板7从主体2去除的情况下从‑Z方向朝着+Z方向观看时主体2的平面图(后视图)。力传感器100是三轴力传感器，并且可以检测Fz(Z方向的力)和Mx、My(绕X轴的力矩、绕Y轴的力矩)。这里，在各个附图中示出X方向、Y方向和Z方向中的各个。

[0021] 主体2包括圆筒形构件6、连接到圆筒形构件6的弹性连接构件5以及连接到弹性连接构件5的力接收构件4。传感器基板7固定在圆筒形构件6的内部，并且下盖1固定到圆筒形构件6的下表面。支撑构件20由圆筒形构件6和下盖1组成。在本实施例中应当注意的是，由于传感器基板7固定到圆筒形构件6并且相对于圆筒形构件6成为不可移动组件，因此考虑将传感器基板7包括在支撑构件20中。

[0022] 支撑构件20和力接收构件4由弹性连接构件5连接，因此，力接收构件4相对于支撑构件20在Z方向上可位移，并且绕X轴和Y轴可倾斜。力传感器100以如下方式使用：支撑构件20的圆筒形构件6和/或下盖1附装到基座等(未示出)并且力接收构件4附装到机器人臂或操纵器(未示出)。在力传感器100中，力接收构件4包括盘形部以及从盘形部的一个平面的中心突起的圆柱部，盘形部的另一平面附装到机器人臂或操纵器，并且圆柱部经由弹性连接构件5连接到圆筒形构件6。

[0023] 在力传感器100中，四个弹性连接构件5以从Z方向观看时大致呈十字形的方式配设在支撑构件20与力接收构件4之间。换言之，弹性连接构件5在XY平面上以90度间隔绕中心轴L径向地设置在四个位置处。作为检测目标对象的标尺8a至8d以在Z方向上具有大致同一高度的方式(即，以位于大致同一平面上的方式)分别设置在四个弹性连接构件5的各个上。此外，位移检测元件9a至9d安装在传感器基板7上，以在Z方向上按一对一方式面向标尺8a至8d。标尺8a至8d以在Z方向上具有大致同一高度的方式设置，并且传感器基板7的组件的安装表面大致平行于XY平面，使得标尺8a至8d与对应的位移检测元件9a至9d之间的距离分别大致相同。例如，各个位移检测元件9a至9d是诸如发光二极管等的光接收元件。应当注意的是，如下构造是可以的：弹性连接构件根据弹性连接构件的数量以大致等间隔绕中心轴L径向地设置。例如，如下构造是可以的：代替四个弹性连接构件，三个弹性连接构件以
120度间隔设置。

[0024] 当外力Fz作用在力接收构件4上时，力接收构件4相对于支撑构件20在Z方向上位移。当力矩Mx作用在力接收构件4上时，力接收构件4绕X轴倾斜，并且当力矩My作用在力接收构件4上时，力接收构件4绕Y轴倾斜。当力接收构件4位移或倾斜时，连接到力接收构件4的弹性连接构件5倾斜，并且因此标尺8a至8d倾斜。

[0025] 将描述通过用位移检测元件9a至9d检测标尺8a至8d处产生的倾斜，来检测作用在力接收构件4上的外力和力矩的方法。图3是示出传感器基板7的上表面的构造的平面图。光源10a至10d以分别对应于位移检测元件9a至9d的方式设置在传感器基板7上。光源10a至10d可以分别与位移检测元件9a至9d一体地安装，或者可以与位移检测元件9a至9d分开安装。

[0026] 例如，各个光源10a至10d是发光二极管(LED)。各个位移检测元件9a至9d由被布置为呈条带状的检测表面的多个光接收表面构造。虽然未示出，但是各个标尺8a至8d由玻璃等所制成的基板和光栅组成，该光栅由形成在基板的正面或背面的金属等制成的反射膜所制成。标尺8a至8d以分别面向位移检测元件9a至9d的方式设置。当发散光束分别从光源10a至10d发射到标尺8a至8d时，来自标尺8a至8d的反射光在位移检测元件9a至9d上形成作为明暗条纹的衍射光的图案。因此，当标尺8a至8d在位移检测元件9a至9d的光接收表面的排列方向上倾斜时，位移检测元件9a至9d上的衍射光的图案也因此移动。标尺8a至8d的倾斜量可以通过检测该衍射光图案的移动来检测，并且作为外力的三个分量的外力Fz和力矩Mx、My可以通过计算根据标尺8a至8d的倾斜量而获得。

[0027] 如上所述，在力传感器100中，由于标尺8a至8d安装在弹性连接构件5上，因此不需要单独地配设位移变换机构。另外，各个标尺8a至8d设置为面向同一方向(‑Z方向)，并且为了对应于该布置，位移检测元件9a至9d可以以面向标尺8a至8d的方式安装在传感器基板7上，使得容易组装。因此，在力传感器100中，可以实现尺寸减小和成本降低。

[0028] 应当注意的是，在本实施例中，使用了一种用于光学地检测标尺8a至8d(检测目标对象)的位移的方法。然而，用于检测检测目标对象的位移的方法不限于此，并且例如，可以使用电容型检测单元或磁致伸缩(magnetostriction)型检测单元。当使用电容型时，可以通过检测检测目标对象与检测元件之间的电容随着检测目标对象相对于检测元件的位移的变化，对检测目标对象的位移量进行检测。当使用磁致伸缩型方法时，可以通过检测元件检测由于检测目标对象的位移而引起的磁场变化，对检测目标对象的位移量进行检测。

[0029] <第二实施例>

[0030] 接下来，将描述根据本发明第二实施例的力传感器100A。由于力传感器100A的外观与第一实施例(参见图1)中描述的力传感器100的外观相同，因此这里省略其说明和描述。此外，对于力传感器100A的具有与第一实施例中描述的力传感器100的组件相同功能的组件，使用相同的名称来标注相同的附图标记，并且将省略重复描述。

[0031] 图4A是示出根据本发明第二实施例的力传感器100A的示意形构造的截面图。像图2A中所示的，图4A是力传感器100A在包括中心轴L的ZX平面上的截面图。图4B是沿图4A的B‑B线截取的截面图。图4C是在下盖1和传感器基板7从主体2(圆筒形构件6)去除的情况下从‑Z方向朝着+Z方向观看时主体2(圆筒形构件6)的平面图(后视图)。

[0032] 力传感器100A是6轴力传感器，并且可以检测Fx、Fy、Fz(在X方向、Y方向和Z方向上的外力)和Mx、My、Mz(绕X轴、Y轴和Z轴的力矩)。在力传感器100A中，力接收构件4和支撑构件20通过弹性连接构件5A连接，力接收构件4可以相对于支撑构件20在X方向、Y方向和Z方向中的各个上位移和倾斜。

[0033] 四个弹性连接构件5A的布置形式与根据第一实施例的力传感器100中的四个弹性连接构件5的布置形式相同。四个弹性连接构件5A中的各个均具有在Z方向上向下突起的大致U形，并且在大致U形的外底表面处在面向传感器基板7的位置处设置有作为检测目标对象的标尺8Aa至8Ad。另外，在从Z方向观察力接收构件4时，在由四个弹性连接构件5A划分的四个象限当中，在与关于中心轴L对称的两个象限相对应的区域中，配设有朝着传感器基板7突起的突起11e至11h。应当注意的是，在XY平面中，突起11e和突起11g配设在相对于中心轴L点对称的位置处，并且突起部11f和突起部11h配设在相对于中心轴L点对称的位置处。

[0034] 作为检测目标对象的标尺8Ae至8Ah以面向传感器基板7的方式设置在突起11e至11h的各远端。标尺8Aa至8Ah以在Z方向上具有大致同一高度的方式设置。此外，位移检测元件9Aa至9Ah以面向标尺8Aa至8Ah的方式安装在传感器基板7上。

[0035] 弹性连接构件5A具有转换位移方向的功能。即，弹性连接构件5A的大致U形的底部是由于力接收构件4在Z方向(第一方向)上的位移而在与支撑构件20相交的X方向或Y方向(第二方向)上位移的位移构件。具体地，当力接收构件4被按压并且‑Z方向的外力Fz被输入到力接收构件4时，弹性连接构件5A的在作为支撑点的、圆筒形构件6与弹性连接构件5A之间的边界下陷，使得大致U形的部分相对于支撑点画弧，即，在+Y方向和‑Z方向上位移。因此，配设在弹性连接构件5A中的标尺8Aa在+Y方向上位移，标尺8Ab在+X方向上位移，标尺8Ac在‑Y方向上位移，并且标尺8Ad在‑X方向上位移。当将力矩Mx输入到力接收构件4时，标尺8Aa和8Ac二者都在Y方向上位移。此时，位移是在+Y方向上还是在‑Y方向上由力矩Mx的定向确定。当将力矩My输入到力接收构件4时，标尺8Ab和8Ad在X方向上位移。此时，位移是在+X方向上还是在‑X方向上由力矩My的定向确定。当将外力Fx输入到力接收构件4时，标尺8Ae至8Ah在与外力Fx相同的X方向上的定向位移。当将外力Fy输入到力接收构件4时，标尺8Ae至8Ah在与外力Fy相同的Y方向上的定向位移。当将力矩Mz输入到力接收构件4时，标尺8Ae和8Ag大致在X方向上位移，而标尺8Af和8Ah大致在Y方向上位移。在X方向和Y方向上的正方向位移还是负方向位移由力矩Mz的定向确定。

[0036] 图5是示出传感器基板7的上表面的构造的平面图。光源10Aa至10Ah以分别与位移检测元件9Aa至9Ah对应的方式设置在传感器基板7上。光源10Aa至10Ah中的各个均等同于第一实施例中描述的光源10a。标尺8Aa至8Ah中的各个均等同于第一实施例中描述的标尺8a。位移检测元件9Aa至9Ah中的各个均等同于在第一实施例中描述的位移检测元件9a。在位移检测元件9Aa至9Ah当中，相邻的位移检测元件的光接收表面的方向(条纹的方向)相同。

[0037] 如在第一实施例中一样，标尺8Aa至8Ah反射由光源10Aa至10Ah产生的发散光束，在位移检测元件9Aa至9Ah上形成作为明暗条纹的衍射光的图案。使位移检测元件9Aa至9Ah的光接收表面的布置间距与衍射光的图案的四分之一周期一致。因此，当标尺8Aa至8Ah在位移检测元件9Aa至9Ah的光接收表面的布置方向上位移时，衍射光的图案相应地移动。因此，从位移检测元件9Aa至9Ah的光接收表面获得具有90度的相位差的两相正弦波形信号(sin和cos)。当进行对获得的信号的反正切计算(tan‑1)时，可以检测标尺8Aa至8Ah在上述方向上的位移量。根据由此检测的位移量，可以通过计算获得作为外力的六个分量的Fx、Fy、Fz、Mx、My和Mz。

[0038] 如上所述，在力传感器100A中，由于弹性连接构件5A具有位移转换功能(位移构件)，因此不需要单独地配设位移转换机构，另外，力传感器100A具有与根据第一实施例的力传感器100相同的特征。因此，在力传感器100A中，可以实现尺寸减小和成本降低。应当注意的是，在本实施例中，使用了一种用于光学地检测标尺8Aa至8Ad(检测目标对象)的位移的方法，但是，用于对检测目标对象的位移进行检测的方法不限于此。可以使用电容型或磁致伸缩型检测单元。

[0039] <第三实施例>

[0040] 在本发明的第三实施例中，将描述弹性连接构件的变型。在根据第三实施例的力传感器中，除了弹性连接构件以外的部分的构造应与根据第一实施例或第二实施例的力传感器100、100A一致，并且在此省略其描述。

[0041] 图6A是在根据本发明第三实施例的力传感器中配设的弹性连接构件的第一示例(弹性连接构件5B)的截面图。应当注意的是，图6A在对应于图4A的ZX截面中示出。弹性连接构件5B具有在‑Z方向上突起的突起，并且在该突起的远端设置有标尺8a(与第一实施例中描述的标尺8a相同)。例如，当将外力‑Fz输入到力接收构件(未示出)时，弹性连接构件5B的在力接收构件侧的端部(图6A中的左端)在‑Z方向上位移了位移量U。然后，设置在弹性连接构件5B的突起的远端的标尺8a在与力接收构件侧的端部相反的端部的方向上位移了位移量V。可以通过利用位移检测元件(未示出)检测该位移来计算外力‑Fz。当输入另一个方向的外力时，可以以与第一实施例和第二实施例相同的方式来计算外力。

[0042] 通常，如在弹性连接构件5B中，根据第三实施例的弹性连接构件具有，在与连接力接收构件4和圆筒形构件6的方向(X方向和Y方向)正交的方向(Z方向)上朝着位移检测元件突起的至少一个突起部。标尺设置在突起部的远端表面。这样的突起部可以通过使弹性连接构件与力接收构件之间的连接位置和弹性连接构件与圆筒形构件之间的连接位置在Z方向上偏移而形成，或者这样的突起部可以通过在Z方向上在弹性连接构件上配设突起和凹陷而形成。下面描述这些突起部中的一些示例。

[0043] 以与图6A相似的方式在截面图中示出的图6B至图6H的弹性连接构件5C至5I示出了根据第三实施例的力传感器的第二示例至第八示例。应当注意的是，图6B至图6G在对应于图4A的ZX截面中示出。在图6H中，右侧图是从X方向或Y方向观察的视图，并且左侧图是沿右侧图中所示的C‑C线截取的截面图。如在弹性连接构件5C至5I中所示的示例中，弹性连接构件可以具有任意截面形状，只要标尺接收到，因力接收构件接收到的外力而形变的、在预定方向上的位移量即可。因此，图6A至图6H中所示的弹性连接构件5B至5I的形状仅仅是示例，并且弹性连接构件的截面形状不限于上述形状。

[0044] <其他实施例>

[0045] 尽管以上已经基于本发明的优选实施例描述了本发明，但是本发明不限于这些特定实施例。在不脱离本发明的主旨的范围内的各种实施例也包括在本发明中。此外，上述实施例中的各个仅是本发明的实施例，并且可以适当组合实施例。例如，在上述实施例中，力传感器的整体形状是圆筒形(盘形)，但是实施例不限于此。例如，代替圆筒形构件6，可以使用多边形圆筒形构件(六边形圆筒，八角形圆筒等)，并且力接收构件4也可以是多边形构件。应当注意的是，即使在这种情况下，也期望该结构相对于中心轴L是点对称的。本发明可以适用于如下装置(该装置包括力传感器和包括力传感器的基座)，诸如工业机器人的臂和医疗用操纵器等。

[0046] 附图标记列表

[0047] 2 主体

[0048] 4 力接收构件

[0049] 5、5A至5I 弹性连接构件

[0050] 6 圆筒形构件

[0051] 7 传感器基板

[0052] 8a至8d、8Aa至8Ah 标尺

[0053] 9a至9d、9Aa至9Ah 位移检测元件

[0054] 20 支撑构件

[0055] 100、100A 力传感器