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JP7706979B2 - Sensors - Google Patents
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Description

本発明の実施形態は、力を検出するセンサに関する。 An embodiment of the present invention relates to a sensor that detects force.

複数の歪センサを含むブリッジ回路が、第1構造体と第2構造体との間に伝達される力を検出するトルクセンサが知られている。例えば、複数の歪センサを含む2つのブリッジ回路の出力電圧の差に基づいて、異常を検出するトルクセンサが開示されている(例えば、特許文献1参照)。 Torque sensors are known in which a bridge circuit including multiple strain sensors detects the force transmitted between a first structure and a second structure. For example, a torque sensor has been disclosed that detects an abnormality based on the difference in output voltage between two bridge circuits including multiple strain sensors (see, for example, Patent Document 1).

特開2018-132313号公報JP 2018-132313 A

しかしながら、歪センサを用いた検出回路(ブリッジ回路等)を二重化する場合、2つの歪センサを同一箇所に配置することは物理的にできない。このため、二重化された検出回路の歪センサの配置が異なることにより、それぞれの検出回路の検出精度に差が生じる。このように、二重化された検出回路のそれぞれの検出精度が異なることは、センサとして望ましくない。
本実施形態は、二重化された検出回路のそれぞれの検出精度の差を低減するセンサを提供することにある。
However, when duplicating a detection circuit (such as a bridge circuit) using a strain sensor, it is physically impossible to place the two strain sensors in the same location. Therefore, the difference in the placement of the strain sensors in the duplicated detection circuits causes a difference in the detection accuracy of each detection circuit. In this way, the difference in detection accuracy between the duplicated detection circuits is undesirable for the sensor.
The present embodiment aims to provide a sensor that reduces the difference in detection accuracy between the duplicated detection circuits.

実施形態によれば、二重化された検出回路のそれぞれの検出精度の差を低減するセンサを提供することができる。 According to the embodiment, it is possible to provide a sensor that reduces the difference in detection accuracy between the duplicated detection circuits.

本発明の実施形態のセンサは、環状に形成される第1構造体と、前記第1構造体の内周側に環状に形成される第2構造体と、前記第1構造体と前記第2構造体との間に設けられた板形状の起歪体と、前記起歪体の表面と垂直方向を回転軸とするモーメントを少なくとも含む力の検出が二重化された2つの検出回路のうちの第1系検出回路を構成する全てのセンサ素子であって、前記起歪体の片側の面に線対称で、前記起歪体を半分にする中心線よりも前記第1構造体側に配置された歪みを検出する複数の第1センサ素子と、前記2つの検出回路のうちの第2系検出回路を構成する全てのセンサ素子であって、前記起歪体の前記片側の面に線対称で、前記起歪体を半分にする中心線よりも前記第2構造体側に配置された歪みを検出する複数の第2センサ素子とを備える。 A sensor according to an embodiment of the present invention includes a first structure formed in an annular shape, a second structure formed in an annular shape on the inner periphery of the first structure, a plate-shaped flexure body provided between the first structure and the second structure, and all of the sensor elements constituting a first system detection circuit of two detection circuits in which detection of forces including at least a moment about an axis of rotation perpendicular to a surface of the flexure body is duplicated, the first sensor elements being a plurality of first sensor elements that detect strain and are arranged in line symmetry on one side of the flexure body and on the first structure side of a center line that halves the flexure body, and all of the sensor elements constituting a second system detection circuit of the two detection circuits are a plurality of second sensor elements that detect strain and are arranged in line symmetry on the one side of the flexure body and on the second structure side of a center line that halves the flexure body .

第1実施形態に係るトルクセンサのセンサ部付近を拡大した斜視図。FIG. 2 is an enlarged perspective view of the vicinity of a sensor unit of the torque sensor according to the first embodiment. 第1実施形態に係るトルクセンサの構成を示す上面図。FIG. 2 is a top view showing the configuration of the torque sensor according to the first embodiment. 第1実施形態に係る1つの端子部を設けたセンサ部の構成を示す上面図。FIG. 2 is a top view showing the configuration of a sensor unit provided with one terminal unit according to the first embodiment. 第1実施形態に係る2つの端子部を設けたセンサ部の構成を示す上面図。FIG. 2 is a top view showing the configuration of a sensor unit provided with two terminal portions according to the first embodiment. 第1実施形態に係るトルクセンサの取り付け状態を示す正面図。FIG. 2 is a front view showing an attached state of the torque sensor according to the first embodiment. 図5に示すトルクセンサ取付板をA-A線で切断した断面図。6 is a cross-sectional view of the torque sensor mounting plate shown in FIG. 5 taken along line AA. 第1実施形態に係るトルクセンサ取付板に外部負荷が生じている時のトルクセンサの状態を示す簡易図。FIG. 4 is a simplified diagram showing a state of the torque sensor when an external load is applied to the torque sensor mounting plate according to the first embodiment. 第2実施形態に係るセンサ部の構成を示す上面図。FIG. 11 is a top view showing the configuration of a sensor unit according to a second embodiment. 第3実施形態に係るセンサ部の構成を示す上面図。FIG. 13 is a top view showing the configuration of a sensor unit according to a third embodiment.

(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係るトルクセンサ10のセンサ部14付近を拡大した斜視図である。図2は、本実施形態に係るトルクセンサ10の構成を示す上面図である。図面において、同一部分には、同一符号を付している。
First Embodiment
Fig. 1 is an enlarged perspective view of the vicinity of a sensor unit 14 of a torque sensor 10 according to a first embodiment. Fig. 2 is a top view showing the configuration of the torque sensor 10 according to the present embodiment. In the drawings, the same parts are denoted by the same reference numerals.

なお、トルクセンサ10は、ここで説明するものに限らず、様々な形状又は構成に変更してもよい。また、トルクセンサ10は、少なくともトルク(z軸モーメントMz)を検出するセンサであれば、力覚センサなどの他の名称のセンサでもよい。例えば、力覚センサは、図2に示す直交する3軸(x軸、y軸、z軸)のそれぞれの並進力Fx,Fy,Fz及びモーメントMx,My,Mzを検出する。 The torque sensor 10 is not limited to the one described here, and may be modified to various shapes or configurations. Furthermore, the torque sensor 10 may be a sensor with a different name, such as a force sensor, as long as it is a sensor that detects at least torque (z-axis moment Mz). For example, the force sensor detects the translational forces Fx, Fy, Fz and moments Mx, My, Mz of the three orthogonal axes (x-axis, y-axis, z-axis) shown in FIG. 2.

トルクセンサ10は、第1構造体11、第2構造体12、複数の第3構造体13、複数のセンサ部14、ケース15、及び、ケーブル16を備える。 The torque sensor 10 includes a first structure 11, a second structure 12, a plurality of third structures 13, a plurality of sensor units 14, a case 15, and a cable 16.

第1構造体11、第2構造体12及び第3構造体13は、1つの弾性体として一体形成される。第1構造体11、第2構造体12及び第3構造体13は、ステンレス鋼等の金属により構成されるが、印加されるトルク等の力に対して機械的に十分な強度があれば、金属以外の材料(樹脂等)を使用してもよい。 The first structure 11, the second structure 12, and the third structure 13 are integrally formed as a single elastic body. The first structure 11, the second structure 12, and the third structure 13 are made of a metal such as stainless steel, but materials other than metal (such as resin) may be used as long as they have sufficient mechanical strength against applied forces such as torque.

第1構造体11及び第2構造体12は、環状に形成される。第2構造体12の径は、第1構造体11の径より小さい。第2構造体12は、第1構造体11と同心円上で内周側に配置される。複数の第3構造体13は、放射状に配置され、第1構造体11と第2構造体12を接続する梁として設けられる。なお、第3構造体13は、いくつ設けられてもよい。 The first structure 11 and the second structure 12 are formed in an annular shape. The diameter of the second structure 12 is smaller than the diameter of the first structure 11. The second structure 12 is arranged on the inner periphery of the circle concentric with the first structure 11. The multiple third structures 13 are arranged radially and are provided as beams connecting the first structure 11 and the second structure 12. Note that any number of third structures 13 may be provided.

第3構造体13の厚さ(z軸方向の長さ)は、第1構造体11及び第2構造体12の厚さよりも薄い。具体的には、第3構造体13の厚さは、第1構造体11又は第2構造体12に接続される両端部から中央に向けて薄くなるように傾斜し、中央部分は均一の厚さ(平面)である。第3構造体13は、厚さ(z軸方向の長さ)を幅(周方向の長さ)より長くすることで、トルクを検出し易くしているが、これに限らず、第3構造体13の厚さ及び幅は、任意に決定してよい。 The thickness (length in the z-axis direction) of the third structure 13 is thinner than the thicknesses of the first structure 11 and the second structure 12. Specifically, the thickness of the third structure 13 slopes from both ends connected to the first structure 11 or the second structure 12 toward the center, and the central portion has a uniform thickness (flat surface). The third structure 13 has a thickness (length in the z-axis direction) longer than its width (length in the circumferential direction) to make it easier to detect torque, but is not limited to this and the thickness and width of the third structure 13 may be determined arbitrarily.

ケース15は、第2構造体12の中心部分に設けられた中空部を覆うように設けられる。中空部には、各センサ部14により検出されたデータを処理するためのデータ処理回路が設けられる。データ処理回路は、各センサ部14とフレキシブル基板(flexible printed circuit board)で電気的に接続される。データ処理回路は、ケーブル16を介して、電源が供給され、データ処理したセンサ信号を外部に出力する。 The case 15 is provided so as to cover a hollow portion provided in the center of the second structure 12. A data processing circuit for processing data detected by each sensor unit 14 is provided in the hollow portion. The data processing circuit is electrically connected to each sensor unit 14 via a flexible printed circuit board. The data processing circuit is supplied with power via a cable 16, and outputs processed sensor signals to the outside.

センサ部14は、第1構造体11と第2構造体12が相対的に動くことで生じる歪みを検出する。センサ部14により検出された歪みを示すデータは、電気信号としてデータ処理回路に送信される。データ処理回路は、センサ部14で検出された歪みに基づいて、トルク等の印加された力を検出する。ここでは、センサ部14は、円周方向に等間隔(90度間隔)で4つ設けた構成を示したが、センサ部14は、いくつ設けてもよい。 The sensor unit 14 detects distortion caused by the relative movement of the first structure 11 and the second structure 12. Data indicating the distortion detected by the sensor unit 14 is transmitted to a data processing circuit as an electrical signal. The data processing circuit detects an applied force such as torque based on the distortion detected by the sensor unit 14. Here, a configuration in which four sensor units 14 are provided at equal intervals (90 degree intervals) in the circumferential direction is shown, but any number of sensor units 14 may be provided.

センサ部14は、起歪体20、4つのA系センサ素子21a,21b,21c,21d、及び、4つのB系センサ素子22a,22b,22c,22dを備える。 The sensor unit 14 includes a strain body 20, four A-system sensor elements 21a, 21b, 21c, and 21d, and four B-system sensor elements 22a, 22b, 22c, and 22d.

センサ部14は、第1構造体11と第2構造体12の間を跨ぐように設けられる。センサ部14の両端は、それぞれ第1構造体11及び第2構造体12に固定される。第1構造体11及び第2構造体12には、センサ部14の両端を固定するために、他の部分よりも厚さが薄い凹部11a,12aが形成される。例えば、防水及び防塵などの外部因子からセンサ部14を保護するためのカバーがセンサ部14の上面の凹部11a,12aに嵌め込まれる。センサ部14の下面も同様にカバーが設けられてもよい。 The sensor unit 14 is provided so as to straddle the first structure 11 and the second structure 12. Both ends of the sensor unit 14 are fixed to the first structure 11 and the second structure 12, respectively. In the first structure 11 and the second structure 12, recesses 11a, 12a that are thinner than other parts are formed in order to fix both ends of the sensor unit 14. For example, a cover for protecting the sensor unit 14 from external factors such as waterproofing and dustproofing is fitted into the recesses 11a, 12a on the upper surface of the sensor unit 14. A cover may also be provided on the lower surface of the sensor unit 14 in a similar manner.

起歪体20の両端を第1構造体11及び第2構造体12に固定することで、センサ部14が取り付けられる。具体的には、起歪体20の両端をそれぞれ上面から抑えるように固定プレート31を配置し、固定プレート31と共に起歪体20の両端をそれぞれ第1構造体11及び第2構造体12にネジ32で固定する。なお、センサ部14は、どのように取り付けられてもよい。 The sensor unit 14 is attached by fixing both ends of the strain body 20 to the first structure 11 and the second structure 12. Specifically, a fixing plate 31 is arranged to hold down both ends of the strain body 20 from the top, and both ends of the strain body 20 are fixed together with the fixing plate 31 to the first structure 11 and the second structure 12 with screws 32. The sensor unit 14 may be attached in any manner.

A系センサ素子21a~21d及びB系センサ素子22a~22dは、起歪体20の上面の第1構造体11と第2構造体12の間に配置される。A系センサ素子21a~21d及びB系センサ素子22a~22dは、A系検出回路及びB系検出回路をそれぞれ形成するように配線される。2つの検出回路は、トルク等を検出するための二重化された検出回路であり、それぞれ独立してトルク等を検出する。トルクセンサ10は、2つの検出回路による検出データに基づいて、検出結果としてトルク等を出力する。なお、トルクセンサ10は、2つの検出回路の内1つの検出データに基づいて、検出結果としてのトルク等を決定してもよい。 The A-system sensor elements 21a-21d and the B-system sensor elements 22a-22d are disposed between the first structure 11 and the second structure 12 on the upper surface of the strain body 20. The A-system sensor elements 21a-21d and the B-system sensor elements 22a-22d are wired to form an A-system detection circuit and a B-system detection circuit, respectively. The two detection circuits are duplicated detection circuits for detecting torque, etc., and each detects torque, etc. independently. The torque sensor 10 outputs torque, etc. as the detection result based on the detection data from the two detection circuits. Note that the torque sensor 10 may determine the torque, etc. as the detection result based on the detection data from one of the two detection circuits.

ここでは、A系センサ素子21a~21d及びB系センサ素子22a~22dは、歪ゲージとし、検出回路は、フルブリッジ回路とするが、これに限らない。例えば、各系の検出回路は、起歪体20に設けられた2つの歪ゲージ、及び、トルク等の印加で実質的に変形しない箇所(例えば、第2構造体12に設けられたデータ処理回路)に設けられた参照抵抗により構成されたブリッジ回路でもよい。具体的には、各系の4つのセンサ素子21a~21d,センサ素子22a~22dの内任意に選択された2つのセンサ素子とデータ処理回路に設けられた2つの参照抵抗によりブリッジ回路を構成してもよい。以降の実施形態についても、フルブリッジ回路に限らず、同様のブリッジ回路を構成してもよい。 Here, the A-system sensor elements 21a-21d and the B-system sensor elements 22a-22d are strain gauges, and the detection circuits are full bridge circuits, but this is not limited to this. For example, the detection circuits of each system may be bridge circuits composed of two strain gauges provided on the strain body 20 and a reference resistor provided in a location that is not substantially deformed by the application of torque or the like (for example, a data processing circuit provided on the second structure 12). Specifically, a bridge circuit may be formed by two sensor elements arbitrarily selected from the four sensor elements 21a-21d and sensor elements 22a-22d of each system and two reference resistors provided in the data processing circuit. In the following embodiments, the bridge circuit is not limited to a full bridge circuit, and a similar bridge circuit may be formed.

図3及び図4を参照して、センサ部14の構成として、2つの例を説明する。図3は、センサ素子21a~21d,22a~22dの端子を1カ所に集約した端子部T1を設けたセンサ部14aの構成を示す上面図である。図4は、センサ素子21a~21d,22a~22dの端子を系別に2カ所に集約した端子部Ta,Tbを設けたセンサ部14bの構成を示す上面図である。なお、各センサ素子21a~21d,22a~22dの配線は、ここで説明する構成に限らない。例えば、センサ素子21a~21d,22a~22dの端子部は、3つ以上設けてもよい。 Two examples of the configuration of the sensor unit 14 will be described with reference to Figures 3 and 4. Figure 3 is a top view showing the configuration of sensor unit 14a, which is provided with terminal unit T1 that aggregates the terminals of sensor elements 21a to 21d, 22a to 22d in one location. Figure 4 is a top view showing the configuration of sensor unit 14b, which is provided with terminal units Ta and Tb that aggregate the terminals of sensor elements 21a to 21d, 22a to 22d in two locations by system. Note that the wiring of each sensor element 21a to 21d, 22a to 22d is not limited to the configuration described here. For example, three or more terminal units may be provided for sensor elements 21a to 21d, 22a to 22d.

起歪体20は、上面及び下面が長方形の板形状である。センサ素子21a~21d,22a~22dは、上面及び下面が長方形の板形状である。各センサ部14a,14bの起歪体20におけるセンサ素子21a~21d,22a~22dの配置は、ほぼ同じである。A系センサ素子21a~21dは、起歪体20の第1構造体11側(図の左側)に配置される。B系センサ素子22a~22dは、起歪体20の第2構造体12側(図の右側)に配置される。 The strain body 20 has a plate shape with rectangular upper and lower surfaces. The sensor elements 21a-21d, 22a-22d have a plate shape with rectangular upper and lower surfaces. The arrangement of the sensor elements 21a-21d, 22a-22d in the strain body 20 of each sensor unit 14a, 14b is almost the same. The A-system sensor elements 21a-21d are arranged on the first structure 11 side of the strain body 20 (left side of the figure). The B-system sensor elements 22a-22d are arranged on the second structure 12 side of the strain body 20 (right side of the figure).

4つのA系センサ素子21a~21dのうち第1組の第1のA系センサ素子21a及び第2のA系センサ素子21bは、電気絶縁距離を保つように接触しない範囲で近接して設けられる。第1組のA系センサ素子21a,21bは、ほぼ同一方向の向きで、第1構造体11側の端部が外側に向くように、起歪体20の長手方向に対して傾けて配置される。 Of the four A-system sensor elements 21a to 21d, the first set of the first A-system sensor element 21a and the second A-system sensor element 21b are provided close to each other but not in contact so as to maintain an electrical insulating distance. The first set of A-system sensor elements 21a and 21b are arranged inclined with respect to the longitudinal direction of the strain body 20 so that the end on the first structure 11 side faces outward, with the same orientation.

4つのA系センサ素子21a~21dのうち第2組の第3のA系センサ素子21c及び第4のA系センサ素子21dは、ほぼ同一方向の向きで、電気絶縁距離を保つように接触しない範囲で近接して設けられる。第2組のA系センサ素子21c,21dは、起歪体20を長手方向に半分にする中心線に対して、第1組のA系センサ素子21a,21bと線対称になるように配置される。 Of the four A-system sensor elements 21a to 21d, the third A-system sensor element 21c and the fourth A-system sensor element 21d of the second set are arranged in approximately the same direction and close to each other without contacting each other so as to maintain an electrical insulating distance. The A-system sensor elements 21c and 21d of the second set are arranged symmetrically with the A-system sensor elements 21a and 21b of the first set with respect to the center line that halves the strain body 20 in the longitudinal direction.

4つのB系センサ素子22a~22dは、起歪体20を短手方向(長手方向と垂直の方向)に半分にする中心線に対して、4つのA系センサ素子21a~21dと線対称になるように配置される。 The four B-system sensor elements 22a to 22d are arranged so as to be symmetrical with the four A-system sensor elements 21a to 21d with respect to the center line that halves the strain body 20 in the short direction (direction perpendicular to the long direction).

図3に示す端子部T1は、起歪体20の長手方向の中央に配置され、各端子が短手方向に隣接して並べられた構成である。A系センサ素子21a~21dの各端子は、端子部T1の中央に位置する端子と2つの配線W1で電気的に接続される。B系センサ素子22a~22dの各端子は、端子部T1の両端に位置する端子と2つの配線W1で電気的に接続される。なお、センサ素子21a~21d,22a~22dの各端子は、端子部T1のどの端子に接続してもよい。 The terminal section T1 shown in FIG. 3 is arranged in the center of the longitudinal direction of the strain body 20, with the terminals arranged adjacent to each other in the lateral direction. Each terminal of the A-system sensor elements 21a to 21d is electrically connected to the terminal located in the center of the terminal section T1 by two wires W1. Each terminal of the B-system sensor elements 22a to 22d is electrically connected to the terminals located at both ends of the terminal section T1 by two wires W1. Note that each terminal of the sensor elements 21a to 21d and 22a to 22d may be connected to any terminal of the terminal section T1.

図4に示す端子部Ta,Tbは、図3に示す端子部T1を2つに分けた構成である。A系端子部Taには、A系センサ素子21a~21dの各端子が2つの配線Waで電気的に接続される。B系端子部Tbには、B系センサ素子22a~22dの各端子が2つの配線Wbで電気的に接続される。 The terminal parts Ta and Tb shown in FIG. 4 are formed by dividing the terminal part T1 shown in FIG. 3 into two parts. The A-system terminal part Ta is electrically connected to each terminal of the A-system sensor elements 21a to 21d by two wires Wa. The B-system terminal part Tb is electrically connected to each terminal of the B-system sensor elements 22a to 22d by two wires Wb.

図5及び図6を参照して、トルクセンサ10を取り付けた状態について説明する。図5は、トルクセンサ10の取り付け状態を示す正面図である。図6は、図5に示すトルクセンサ取付板41をA-A線で切断した断面図である。なお、図6では、アダプタ42、減速機43及びモータ44を簡易的に示している。 The state in which the torque sensor 10 is attached will be described with reference to Figures 5 and 6. Figure 5 is a front view showing the attached state of the torque sensor 10. Figure 6 is a cross-sectional view of the torque sensor mounting plate 41 shown in Figure 5 taken along line A-A. Note that Figure 6 shows a simplified view of the adapter 42, the reducer 43, and the motor 44.

トルクセンサ10は、トルクセンサ取付板41に取り付けられる。これにより、トルクセンサ10の第1構造体11は、トルクセンサ取付板41に固定される。トルクセンサ取付板41は、トルク等が印加される構造体に取り付けられる部材である。 The torque sensor 10 is attached to the torque sensor mounting plate 41. As a result, the first structure 11 of the torque sensor 10 is fixed to the torque sensor mounting plate 41. The torque sensor mounting plate 41 is a member that is attached to a structure to which torque or the like is applied.

トルクセンサ10の第2構造体12は、アダプタ42を介して、モータ44に連結された減速機43に固定される。モータ44が駆動することで、モータ44から出力されるトルクが、減速機43、アダプタ42及びトルクセンサ10を介して、トルクセンサ取付板41に印加される。これにより、トルクセンサ取付板41及びこれが取り付けられた構造体が、モータ44から出力されるトルクにより動作する。 The second structure 12 of the torque sensor 10 is fixed to a reducer 43 connected to a motor 44 via an adapter 42. When the motor 44 is driven, the torque output from the motor 44 is applied to the torque sensor mounting plate 41 via the reducer 43, the adapter 42, and the torque sensor 10. As a result, the torque sensor mounting plate 41 and the structure to which it is attached are operated by the torque output from the motor 44.

なお、トルクセンサ10の第2構造体12がトルク等を印加される側(トルクセンサ取付板41等)に取り付けられ、トルクセンサ10の第1構造体11がトルク等を印加する側(モータ44等)に取り付けられてもよい。 The second structure 12 of the torque sensor 10 may be attached to the side to which torque or the like is applied (such as the torque sensor mounting plate 41), and the first structure 11 of the torque sensor 10 may be attached to the side to which torque or the like is applied (such as the motor 44).

図5及び図7を参照して、トルクセンサ取付板41に外部負荷(荷重等)Fwが生じた場合について説明する。図7は、トルクセンサ取付板41に外部負荷が生じている時のトルクセンサ10の状態を示す簡易図である。図5及び図7では、4つのセンサ部14の2つの配置パターンP1,P2が示されており、センサ部14は、2つの配置パターンP1,P2のうちいずれか一方の配置パターンで取り付けられる。なお、センサ部14は、これらの2つの配置パターンP1,P2に限らず、その他の配置パターンを採用してもよい。 With reference to Figures 5 and 7, a case where an external load (weight, etc.) Fw is applied to the torque sensor mounting plate 41 will be described. Figure 7 is a simplified diagram showing the state of the torque sensor 10 when an external load is applied to the torque sensor mounting plate 41. Figures 5 and 7 show two arrangement patterns P1 and P2 of the four sensor units 14, and the sensor units 14 are attached in one of the two arrangement patterns P1 and P2. Note that the sensor units 14 are not limited to these two arrangement patterns P1 and P2, and other arrangement patterns may be adopted.

図7に示すように、トルクセンサ取付板41に矢印のような下向きの外部負荷Fwが生じると、トルクセンサ取付板41の上辺側には、引張応力が生じ、トルクセンサ取付板41の下辺側には、圧縮応力が生じる。 As shown in FIG. 7, when a downward external load Fw, as shown by the arrow, is applied to the torque sensor mounting plate 41, tensile stress is generated on the upper side of the torque sensor mounting plate 41, and compressive stress is generated on the lower side of the torque sensor mounting plate 41.

トルクセンサ取付板41の変形により、トルクセンサ10の弾性体(第1構造体11、第2構造体12及び第3構造体13)は、点線で示す円形から実線で示す楕円のような形状に変形する。変形後の弾性体を楕円形とすると、弾性体は、長軸方向に引っ張られ、短軸方向に圧縮される。 Due to the deformation of the torque sensor mounting plate 41, the elastic body of the torque sensor 10 (the first structure 11, the second structure 12, and the third structure 13) deforms from a circular shape shown by a dotted line to an elliptical shape shown by a solid line. If the elastic body after deformation is an ellipse, the elastic body is stretched in the long axis direction and compressed in the short axis direction.

弾性体の変形により、いずれの配置パターンP1,P2の各センサ部14も、点線で示す長方形から実線で示す四角形に変形する。このように、外部負荷Fwが生じている場合、いずれの配置パターンP1,P2でも、センサ部14は、配置された位置毎に外部負荷Fwにより受ける応力は異なる。 Due to the deformation of the elastic body, each sensor unit 14 in both arrangement patterns P1 and P2 deforms from a rectangle indicated by a dotted line to a square indicated by a solid line. In this way, when an external load Fw is applied, the stress that the sensor unit 14 receives from the external load Fw differs depending on the arrangement position in both arrangement patterns P1 and P2.

トルクセンサ10では、各センサ部14に、二重化されたA系検出回路及びB系検出回路をそれぞれ構成するA系センサ素子21a~21d及びB系センサ素子22a~22dが設けられている。このため、各センサ部14で受ける応力が異なる場合でも、各系の検出回路のそれぞれの検出精度は、ほぼ同じになる。 In the torque sensor 10, each sensor section 14 is provided with A-system sensor elements 21a-21d and B-system sensor elements 22a-22d that respectively constitute a duplicated A-system detection circuit and B-system detection circuit. Therefore, even if the stresses received by each sensor section 14 are different, the detection accuracy of each detection circuit of each system is approximately the same.

これに対して、本実施形態のトルクセンサ10とは異なり、配置パターンP1にA系検出回路のみが設けられたセンサ部14を配置し、配置パターンP2にB系検出回路のみが設けられたセンサ部14を配置して、二重化された検出回路を設けた場合を考える。 In contrast, unlike the torque sensor 10 of this embodiment, consider a case in which a sensor unit 14 having only an A system detection circuit is arranged in arrangement pattern P1, and a sensor unit 14 having only a B system detection circuit is arranged in arrangement pattern P2, thereby providing a duplicated detection circuit.

外部負荷Fwが全く生じずに、トルクセンサ10に理想的なトルクが印加されれば、各配置パターンP1,P2の各センサ部14で受ける応力は、ほぼ同じである。即ち、各センサ部14の起歪体20は、ほぼ同じように変形する。したがって、各系で検出される歪みはほぼ同じになるため、二重化された2つの検出回路の検出精度に差はあまり生じない。 If no external load Fw is generated and an ideal torque is applied to the torque sensor 10, the stress received by each sensor section 14 of each arrangement pattern P1, P2 will be approximately the same. That is, the strain body 20 of each sensor section 14 will deform in approximately the same way. Therefore, the strain detected by each system will be approximately the same, and there will be little difference in the detection accuracy of the two duplicated detection circuits.

一方、外部負荷Fwが生じた場合、トルクセンサ10に理想的なトルクが印加されても、上述したように、センサ部14の配置された位置に起因して、センサ部14が受ける応力は異なる。即ち、各センサ部14の起歪体20は、それぞれ異なる変形をする。したがって、2つの系で検出される歪みは異なるため、二重化された2つの検出回路の検出精度に大きな差が生じる可能性がある。例えば、二重化された2つの検出回路の差で、異常を検出する機能を設けた場合、正常なトルク等の力が印加されても、意図しない異常を検出する可能性がある。 On the other hand, when an external load Fw occurs, even if an ideal torque is applied to the torque sensor 10, as described above, the stress received by the sensor unit 14 differs depending on the position of the sensor unit 14. That is, the strain generating body 20 of each sensor unit 14 deforms differently. Therefore, the strains detected by the two systems are different, and there is a possibility that a large difference will occur in the detection accuracy of the two duplicated detection circuits. For example, if a function is provided to detect an abnormality based on the difference between the two duplicated detection circuits, there is a possibility that an unintended abnormality will be detected even if a normal torque or other force is applied.

本実施形態によれば、二重化された2つの検出回路の各系のセンサ素子21a~21d,22a~22dを同じセンサ部14に設けることで、外部負荷Fwが生じた場合でも、二重化された2つの検出回路の検出精度の差を抑制することができる。 According to this embodiment, by providing the sensor elements 21a-21d, 22a-22d of each system of the two duplicated detection circuits in the same sensor unit 14, the difference in detection accuracy between the two duplicated detection circuits can be suppressed even when an external load Fw occurs.

また、1つの起歪体20の片側の面(表面又は裏面)に、A系センサ素子21a~21dとB系センサ素子22a~22dを線対称に設けることで、A系検出回路とB系検出回路のそれぞれで検出される歪みを示すデータが同じになるように近付けることができる。なお、A系センサ素子21a~21dとB系センサ素子22a~22dは、起歪体20を長手方向に半分にする中心線に対して線対称に設けてもよい。 Also, by arranging the A-system sensor elements 21a-21d and the B-system sensor elements 22a-22d in line symmetry on one side (front or back) of one strain body 20, the data indicating the strain detected by the A-system detection circuit and the B-system detection circuit can be made closer to being the same. Note that the A-system sensor elements 21a-21d and the B-system sensor elements 22a-22d may be arranged in line symmetry with respect to a center line that halves the strain body 20 in the longitudinal direction.

なお、ここでは、全てのセンサ素子21a~21d,22a~22dを起歪体20の表面に設けたが、起歪体20の裏面に設けてもよい。 Here, all of the sensor elements 21a to 21d and 22a to 22d are provided on the front surface of the strain body 20, but they may also be provided on the rear surface of the strain body 20.

(第2実施形態)
図8は、第2実施形態に係るセンサ部14Aの構成を示す上面図である。
センサ部14Aは、図3に示す第1実施形態に係るセンサ部14aにおいて、センサ素子21a~21d,22a~22dの配置及びその配線等を変更したものである。その他の点は、第1実施形態に係るトルクセンサ10と同様である。
Second Embodiment
FIG. 8 is a top view showing the configuration of a sensor unit 14A according to the second embodiment.
The sensor unit 14A is obtained by changing the arrangement of the sensor elements 21a to 21d and 22a to 22d and the wiring thereof in the sensor unit 14a according to the first embodiment shown in Fig. 3. The other points are the same as those of the torque sensor 10 according to the first embodiment.

センサ部14Aは、図3に示すセンサ部14aと同様に、1つの端子部T1を備える。端子部T1は、起歪体20の長手方向の中央に配置され、各端子が短手方向に隣接して並べられた構成である。A系センサ素子21a~21dの各端子は、端子部T1の両端に位置する端子と2つの配線W1Aで電気的に接続される。B系センサ素子22a~22dの各端子は、端子部T1の中央に位置する端子と2つの配線W1Aで電気的に接続される。なお、センサ素子21a~21d,22a~22dの各端子は、端子部T1のどの端子に接続してもよい。 Sensor unit 14A has one terminal unit T1, similar to sensor unit 14a shown in FIG. 3. Terminal unit T1 is arranged in the center of the longitudinal direction of strain body 20, with each terminal arranged adjacent to the other in the lateral direction. Each terminal of A-system sensor elements 21a to 21d is electrically connected to terminals located at both ends of terminal unit T1 by two wires W1A. Each terminal of B-system sensor elements 22a to 22d is electrically connected to a terminal located in the center of terminal unit T1 by two wires W1A. Each terminal of sensor elements 21a to 21d, 22a to 22d may be connected to any terminal of terminal unit T1.

第1のA系センサ素子21aは、起歪体20の第1構造体11側に、第1構造体11側の端部が外側に向くように、起歪体20の長手方向に対して傾けて配置される。第4のA系センサ素子21dは、起歪体20の第1構造体11側に、起歪体20を長手方向に半分にする中心線に対して、第1のA系センサ素子21aと線対称になるように配置される。 The first A-system sensor element 21a is arranged on the first structure 11 side of the strain body 20, tilted with respect to the longitudinal direction of the strain body 20 so that the end on the first structure 11 side faces outward. The fourth A-system sensor element 21d is arranged on the first structure 11 side of the strain body 20 so as to be symmetrical with the first A-system sensor element 21a with respect to the center line that halves the strain body 20 in the longitudinal direction.

第2のA系センサ素子21b及び第3のA系センサ素子21cは、起歪体20を短手方向に半分にする中心線に対して、第1のA系センサ素子21a及び第4のA系センサ素子21dとそれぞれ線対称になるように配置される。 The second A-system sensor element 21b and the third A-system sensor element 21c are arranged so as to be symmetrical with the first A-system sensor element 21a and the fourth A-system sensor element 21d, respectively, with respect to the center line that halves the strain body 20 in the short direction.

B系センサ素子22a~22dは、それぞれ対応するA系センサ素子21a~21dと、電気絶縁距離を保つように接触しない範囲で近接して、ほぼ同一方向の向きで設けられる。例えば、A系センサ素子21a~21dとB系センサ素子22a~22dのそれぞれの対応関係は、A系検出回路及びB系検出回路における電気回路的な位置関係により決定する。 The B-system sensor elements 22a to 22d are provided in approximately the same direction as the corresponding A-system sensor elements 21a to 21d, close to each other but not in contact so as to maintain an electrical insulating distance. For example, the correspondence between the A-system sensor elements 21a to 21d and the B-system sensor elements 22a to 22d is determined by the electrical circuit positional relationship in the A-system detection circuit and the B-system detection circuit.

したがって、センサ部14Aにおける各センサ素子21a~21d,22a~22dの配置は、図3に示すセンサ部14aにおいて、第2のA系センサ素子21b及び第3のA系センサ素子21cを、第1のB系センサ素子22a及び第4のB系センサ素子22dとそれぞれ位置を入れ替えたものである。 Therefore, the arrangement of the sensor elements 21a to 21d, 22a to 22d in the sensor section 14A is the same as that in the sensor section 14a shown in FIG. 3, with the second A-system sensor element 21b and the third A-system sensor element 21c swapped with the first B-system sensor element 22a and the fourth B-system sensor element 22d, respectively.

本実施形態によれば、二重化された2つの検出回路の間で、互いに対応するセンサ素子21a~21d,22a~22dを近接させて起歪体20に配置することで、第1実施形態と同様の作用効果を得ることができる。 According to this embodiment, the sensor elements 21a to 21d and 22a to 22d corresponding to each other are arranged close to each other on the strain body 20 between the two duplicated detection circuits, thereby achieving the same effect as the first embodiment.

(第3実施形態)
図9は、第3実施形態に係るセンサ部14Bの構成を示す上面図である。
センサ部14Bは、図3に示す第1実施形態に係るセンサ部14aにおいて、A系センサ素子21a~21dの配置及びその配線等を変更したものである。その他の点は、第1実施形態に係るトルクセンサ10と同様である。
Third Embodiment
FIG. 9 is a top view showing the configuration of a sensor unit 14B according to the third embodiment.
The sensor unit 14B is obtained by changing the arrangement of the A-system sensor elements 21a to 21d and the wiring thereof in the sensor unit 14a according to the first embodiment shown in Fig. 3. The other points are the same as those of the torque sensor 10 according to the first embodiment.

センサ部14BにおけるB系センサ素子22a~22dの配置及びその配線等は、図3に示すセンサ部14aと同様である。A系センサ素子21a~21d及びB系センサ素子22a~22dは、起歪体20の第2構造体12側に配置される。 The arrangement and wiring of the B-system sensor elements 22a to 22d in the sensor unit 14B are the same as those in the sensor unit 14a shown in FIG. 3. The A-system sensor elements 21a to 21d and the B-system sensor elements 22a to 22d are arranged on the second structure 12 side of the strain body 20.

センサ部14Bは、図3に示すセンサ部14aと同様に、1つの端子部T1を備える。端子部T1は、起歪体20の長手方向の中央に配置され、各端子が短手方向に隣接して並べられた構成である。A系センサ素子21a~21dの各端子は、端子部T1の中央に位置する端子と2つの配線W1Bで電気的に接続される。B系センサ素子22a~22dの各端子は、端子部T1の両端に位置する端子と2つの配線W1Bで電気的に接続される。なお、センサ素子21a~21d,22a~22dの各端子は、端子部T1のどの端子に接続してもよい。 Sensor unit 14B has one terminal unit T1, similar to sensor unit 14a shown in FIG. 3. Terminal unit T1 is located at the center of the longitudinal direction of strain body 20, with each terminal arranged adjacent to the other in the lateral direction. Each terminal of A-system sensor elements 21a to 21d is electrically connected to the terminal located at the center of terminal unit T1 by two wires W1B. Each terminal of B-system sensor elements 22a to 22d is electrically connected to terminals located at both ends of terminal unit T1 by two wires W1B. Each terminal of sensor elements 21a to 21d and 22a to 22d may be connected to any terminal of terminal unit T1.

第1のA系センサ素子21aは、第2のB系センサ素子22bよりも起歪体20の内側で、第2のB系センサ素子22bと電気絶縁距離を保つように接触しない範囲で近接して設けられる。第1のA系センサ素子21aは、第2のB系センサ素子22bとほぼ同一方向の向きで、第2構造体12側の端部が外側に向くように、起歪体20の長手方向に対して傾けて配置される。 The first A-system sensor element 21a is provided inside the strain body 20 relative to the second B-system sensor element 22b, and is provided close to the second B-system sensor element 22b without contacting it so as to maintain an electrical insulating distance. The first A-system sensor element 21a is arranged in approximately the same direction as the second B-system sensor element 22b, tilted relative to the longitudinal direction of the strain body 20 so that the end on the second structure 12 side faces outward.

第2のA系センサ素子21bは、第1のA系センサ素子21aよりも起歪体20の内側で、第1のA系センサ素子21aと電気絶縁距離を保つように接触しない範囲で近接して設けられる。第2のA系センサ素子21bは、第1のA系センサ素子21aとほぼ同一方向の向きで、第2構造体12側の端部が外側に向くように、起歪体20の長手方向に対して傾けて配置される。 The second A-system sensor element 21b is provided inside the strain body 20 relative to the first A-system sensor element 21a, close to the first A-system sensor element 21a but without contact so as to maintain an electrical insulating distance. The second A-system sensor element 21b is oriented in approximately the same direction as the first A-system sensor element 21a, and is tilted with respect to the longitudinal direction of the strain body 20 so that the end on the second structure 12 side faces outward.

第3のA系センサ素子21c及び第4のA系センサ素子21dは、起歪体20を長手方向に半分にする中心線に対して、第2のA系センサ素子21b及び第1のA系センサ素子21aとそれぞれ線対称になるように配置される。 The third A-system sensor element 21c and the fourth A-system sensor element 21d are arranged so as to be symmetrical with the second A-system sensor element 21b and the first A-system sensor element 21a, respectively, with respect to the center line that halves the strain body 20 in the longitudinal direction.

即ち、第4のA系センサ素子21dは、第3のB系センサ素子22cよりも起歪体20の内側で、第3のB系センサ素子22cと電気絶縁距離を保つように接触しない範囲で近接して設けられる。第3のA系センサ素子21cは、第4のA系センサ素子21dよりも起歪体20の内側で、第4のA系センサ素子21dと電気絶縁距離を保つように接触しない範囲で近接して設けられる。 That is, the fourth A-system sensor element 21d is provided inside the strain body 20 more than the third B-system sensor element 22c, and is provided close to the third B-system sensor element 22c but does not contact the third B-system sensor element 22c so as to maintain an electrical insulation distance. The third A-system sensor element 21c is provided inside the strain body 20 more than the fourth A-system sensor element 21d, and is provided close to the fourth A-system sensor element 21d but does not contact the fourth A-system sensor element 21d so as to maintain an electrical insulation distance.

本実施形態によれば、二重化された2つの検出回路の全てのセンサ素子21a~21d,22a~22dを起歪体20の第2構造体12側に配置することで、第1実施形態と同様の作用効果を得ることができる。 According to this embodiment, all sensor elements 21a to 21d, 22a to 22d of the two duplicated detection circuits are arranged on the second structure 12 side of the strain body 20, thereby achieving the same effect as the first embodiment.

なお、センサ素子21a~21d,22a~22dを図9に示す配置と線対称になるように、起歪体20の第1構造体11側に配置してもよい。このようにしても、第1実施形態と同様の作用効果を得ることができる。 The sensor elements 21a to 21d and 22a to 22d may be arranged on the first structure 11 side of the strain body 20 so as to be linearly symmetrical to the arrangement shown in FIG. 9. Even in this case, the same effect as in the first embodiment can be obtained.

その他、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。 In addition, the present invention is not limited to the above-mentioned embodiments as they are, and in the implementation stage, the components can be modified and embodied without departing from the gist of the invention. Furthermore, various inventions can be formed by appropriately combining the multiple components disclosed in the above-mentioned embodiments. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiments. Furthermore, components from different embodiments may be appropriately combined.

10…トルクセンサ、11…第1構造体、12…第2構造体、13…第3構造体、14…センサ部、15…ケース、16…ケーブル、20…起歪体、21a,21b,21c,21d…A系センサ素子、22a,22b,22c,22d…B系センサ素子。 10...torque sensor, 11...first structure, 12...second structure, 13...third structure, 14...sensor section, 15...case, 16...cable, 20...strain element, 21a, 21b, 21c, 21d...A-system sensor element, 22a, 22b, 22c, 22d...B-system sensor element.

Claims (5)

環状に形成される第1構造体と、
前記第1構造体の内周側に環状に形成される第2構造体と、
前記第1構造体と前記第2構造体との間に設けられた板形状の起歪体と、
前記起歪体の表面と垂直方向を回転軸とするモーメントを少なくとも含む力の検出が二重化された2つの検出回路のうちの第1系検出回路を構成する全てのセンサ素子であって、前記起歪体の片側の面に線対称で、前記起歪体を半分にする中心線よりも前記第1構造体側に配置された歪みを検出する複数の第1センサ素子と、
前記2つの検出回路のうちの第2系検出回路を構成する全てのセンサ素子であって、前記起歪体の前記片側の面に線対称で、前記起歪体を半分にする中心線よりも前記第2構造体側に配置された歪みを検出する複数の第2センサ素子と
を備えることを特徴とするセンサ。
A first structure formed in an annular shape;
a second structure formed annularly on the inner circumferential side of the first structure;
a plate-shaped strain body provided between the first structure and the second structure;
all sensor elements constituting a first system detection circuit of two detection circuits in which detection of a force including at least a moment with a rotation axis perpendicular to the surface of the strain body is duplicated, the first sensor elements being arranged symmetrically on one surface of the strain body and on the first structure side of a center line dividing the strain body in half;
and a plurality of second sensor elements which detect strain and are all sensor elements constituting a second system detection circuit of the two detection circuits, and which are arranged line-symmetrically on the one surface of the strain body and on the second structure side of a center line which halves the strain body.
前記力の検出は、直交する3軸のそれぞれの並進力及びモーメントの検出であること
を特徴とする請求項1に記載のセンサ。
2. The sensor according to claim 1, wherein the force detection is detection of translational forces and moments in three orthogonal axes.
前記複数の第1センサ素子は、それぞれ他の第1センサ素子に近接して配置され、
前記複数の第2センサ素子は、それぞれ他の第2センサ素子に近接して配置されたこと
を特徴とする請求項1に記載のセンサ。
The plurality of first sensor elements are disposed adjacent to each other of the first sensor elements,
2. The sensor according to claim 1 , wherein each of the second sensor elements is disposed adjacent to each of the other second sensor elements.
前記第1系検出回路の複数の第1センサ素子と前記第2系検出回路の複数の第2センサ素子が線対称に配置されたこと
を特徴とする請求項1に記載のセンサ。
2. The sensor according to claim 1 , wherein the plurality of first sensor elements of the first system detection circuit and the plurality of second sensor elements of the second system detection circuit are arranged in line symmetry.
前記複数の第1センサ素子と前記複数の第2センサ素子がそれぞれ対応するように近接して配置されたこと
を特徴とする請求項4に記載のセンサ。
5. The sensor according to claim 4 , wherein the first sensor elements and the second sensor elements are arranged adjacent to each other so as to correspond to each other.
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