专利名称：压电振动型力传感器和机器人装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于检测力的力传感器，更具体地涉及一种在其中利用压电材料的共振现象来检测施加于压电材料的力的压电振动型力单元、压电振动型力传感器和机器人装置。
背景技术：
按照惯例，已知使用应变仪、电容变化、导电橡胶等的各种力传感器。那些力传感器都利用构成力传感器的构件(例如，应变仪中的金属电阻器)的变形。因此，为了实现高灵敏度和大范围测量，需要所述构件的充分变形。由于这个原因，存在以下问题，即，当传感器尺寸缩小时，在一些情况下不能获得充分的变形，从而，由于输出信号在噪声中损失，所以精度会降低。
相比之下，公开了使用以下压电材料的共振现象的压电振动型力传感器，所述压电材料具有当施加交流电压时随着电压振幅随时间的变化在特定方向上振动的性质(参见日本专利申请公开No. S52-78473)。如日本专利申请公开No. S52-78473中所述的，压电振动型力传感器包括阻抗元件与其串联连接的压电材料，并且施加不高于压电材料的共振频率的频率的电压来用于激励压电材料。在这种状态下，在外力施加于压电材料时，振动频率固定。然后，压电材料的阻抗元件增大，以使得共振频率移到高频侧。当在共振频率移到高频侧的状态下将外力施加于压电材料时，施加于压电材料的电压的值从施加外力之前的值改变。基于电压值的这种改变，能以定量的方式计算施加于压电材料的外力。由于压电振动型力传感器在小负载下具有大的电压振幅改变，所以压电振动型力传感器具有高检测灵敏度的优点(参见稍后将描述的图4)。现在，由于与压电振动型力传感器不同，所以参照日本专利申请公开No. H01-260334对将压电材料安装到压电力传感器上的方法进行描述，以供参考。日本专利申请公开No. H01-260334公开了压电力传感器的结构，该压电力传感器基于从按矩阵布置的多个压电材料(压电元件)产生的电压来检测接触压力分布。日本专利申请公开NO.H01-260334中所述的压电力传感器包括用于检测力的压板，该压板设置在施加力的侧；和设置在压电材料上方以使得该压板可与压电材料的上端按压接触的压板。因此，例如，如果缺陷在多个压电材料的一部分中发生，则通过移除压板可容易地接近压电材料。顺便一提的是，在压电材料通过施加电压而振动的状态下使用压电振动型力传感器。因此，有必要采用以下安装结构，该安装结构用于在压电材料可振动的状态下将交流电压施加于附连到压电材料的驱动电极。例如，有必要采用以下安装结构，该安装结构用于在使振动压电材料保持在预定位置的同时将电力施加于压电材料。就这点而言，例如，可想到如日本专利申请公开No. H01-260334中所公开的压电力传感器中那样用固定附件或粘接剂固定压电材料。然而，在交流电压施加于压电材料以振动的状态下使用压电振动型力传感器，因此如果用在振动方向上具有高刚度的构件固定压电材料，或者如果用粘接剂固定压电材料的摩擦表面，则压电材料的振动被抑制。因此，在固定压电材料以抑制振动的安装结构中，关于小振动振幅的变化的检测值减小，以使得灵敏度降低。另外，如果尽管施加相同交流电压以振动，但是振动量根据固定附件或粘接剂的固定方式而改变，则传感器的值变得不稳定。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种使得可容易安装压电材料而不降低检测灵敏度的压电振动型力传感器。根据本发明的示例性实施例,提供一种压电振动型力传感器,其包括振动体,其包括具有中空通孔的环形压电材料和附连到所述压电材料的两面的驱动电极对，所述振动体用于当交流电压施加于所述驱动电极对时在所述压电材料的扩展方向上振动；衬底，其被使得与所述振动体的一侧的表面接触；弹性构件，其被设置为使得与所述振动体的另一侧的表面接触，用于通过弹性变形将从外部施加的力传送到所述振动体；保持部分，其包括接触部分和松配合部分，所述接触部分大于所述中空通孔以使得与所述振动体的所述另一侧的表面接触，所述松配合部分松散地配合在所述中空通孔中，所述松配合部分紧固到所述衬底；和信号电极对，其用于将所述交流电压施加于所述驱动电极对。根据本发明的示例性实施例，提供一种包括上述压电振动型力传感器的机器人手和机器人手臂。因此，根据本发明的示例性实施例，可提供一种使得可容易地安装压电材料、而不降低检测灵敏度的压电振动型力传感器和机器人装置。从以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的进一步的特征将变得明白。
图IA是示意性地示出根据本发明的实施例I的力传感器安装到机器人手指的状态的截面图，图IB是示出图IA中所示的力传感器的阻尼构件被移除的状态的截面图。图2A是示出根据本发明的实施例I的力传感器的保持构件的另一种形式的示图，图2B是示意性地示出根据本发明的实施例I的力传感器的分解透视图，图2C是示意性地示出根据本发明的实施例I的振动体的另一种形式的顶视图。图3是示意性地示出使用根据本发明的实施例I的力传感器的力传感器设备的电路框图的示图。图4是示出施加于根据本发明的实施例I的力传感器的外力与输出电压之间的关系的不图。图5A是示意性地示出根据本发明的实施例2的力传感器安装在机器人手指上的状态的截面图，图5B是示意性地示出图5A中所示的力传感器的阻尼构件被移除的状态的截面图。图6A是示意性地示出根据本发明的实施例3的力传感器安装在机器人手指上的状态的截面图，图6B是示意性地示出图6A中示出的力传感器的阻尼构件被移除的状态的截面图。 图7是示意性地示出根据本发明的实施例4的力传感器的截面图。
图8是图7中所示的力传感器的分解透视图。
图9是示意性地示出根据本发明的实施例4的力传感器的修改示例的截面图。图10是示意性地示出根据本发明的实施例5的力传感器和机器人手的示图。图11是示意性地示出根据本发明的实施例6的力传感器、机器人手和手臂的示图。
具体实施例方式现在将根据附图对本发明的实施例进行详细描述。以下，参照附图对根据本发明实施例的压电振动型力传感器(以下，称之为“力传感器”)进行描述。根据实施例的力传感器是使用压电材料的共振现象的电压振动型力传感器，所述压电材料在施加交流电压时在压电材料的径向方向上振动(伸展振动)。(实施例I)参照图IA至图4对根据本发明的实施例I的力传感器I进行描述。图IA是示意性地示出根据本发明的实施例I的力传感器I安装在机器人手指10上的状态的截面图。图IB是示出图IA中所示的力传感器I的阻尼构件6被移除的状态的截面图。图2A是示出根据本发明的实施例I的力传感器I的保持构件5的另一种形式的示图。图2B是示意性地示出根据本发明的实施例I的力传感器I的分解透视图。图2C是示出根据本发明的实施例I的传感器I的振动体3的另一种形式的示图。图3是示意性地示出使用根据本发明的实施例I的力传感器I的力传感器设备的电路框图的示图。图4是示出施加于根据本发明的实施例I的力传感器I的外力与其输出电压之间的关系的示图。如图IA至图2B所示，力传感器I包括振动体3、衬底4、阻尼构件6、作为定位单元的保持构件5和信号电极7，衬底4与振动体3的一侧的表面接触并且形成第二通孔40，阻尼构件6作为被设置为与振动体3的另一侧的表面接触的弹性构件。注意，振动体3、衬底
4、阻尼构件6和保持构件5构成压电振动型力单元(以下，称之为“力单元2”)。振动体3被形成为具有中空通孔33的盘状形状(以下，称之为“环形形状”)，并包括被形成为圆环状形状的压电材料30以及作为被形成为圆环状形状的驱动电极对的第一驱动电极31和第二驱动电极32。当然，振动体3的形状可以是除了圆环状形状之外的环状形状，但是为了方便描述，在以下描述中假设振动体3具有圆环状形状。压电材料30由诸如晶体、钛酸钡、聚偏二氟乙烯的压电元件形成，并通过以下方式制造，即，使压电元件偏振以确定振动方向，然后切割成圆环状形状，以使得振动方向变为径向方向(伸展振动)。关于压电材料30的振动方向，主振动方向通过压电材料30的切割形状来确定，以使得振动的主模式方向可被确定。第一驱动电极31和第二驱动电极32附连到压电材料30的两面。具体地讲，第一驱动电极31附连到压电材料30 (振动体3)的一侧的表面，第二驱动电极附连到压电材料(振动体3)的另一侧的表面。当交流电压(时变电压)施加于第一驱动电极31和第二驱动电极32时，压电材料30 (振动体3)振动。当压电材料30振动时，附连到压电材料30的两面的第一驱动电极31和第二驱动电极32也振动。换句话讲，振动体3振动。衬底4用于设置振动体3。另外，衬底4具有第二通孔40，稍后描述的连接轴51可插入第二通孔40中。第二通孔40形成在与振动体3的振动方向正交的方向(与稍后描述的第一通孔53相同的方向)上，并被形成为用于使得连接轴51可穿过以对振动体3进行定位。阻尼构件6由诸如有机硅或氨基甲酸酯的弹性材料制成，所述弹性材料可弹性地变形，并通过弹性变形传送从外部施加于振动体3的力。另外，阻尼构件6具有接合部分60，接合部分60可与形成在机器人手指10上的接合部分IOa接合。阻尼构件6具有以下结构，即，接合部分60与机器人手指10的接合部分IOa接合以使得阻尼构件6与振动体3的另一侧的表面接触，并且在这种状态下，阻尼构件6可附连到机器人手指10以及从机器人手指10移除。因此，例如，即使当阻尼构件6磨损时，代替更换力传感器1，仅更换不具有第二信号电极71的阻尼构件6就足够了，并且更换可容易地执行。
保持构件5包括接触部分50、松配合部分52和连接轴51，接触部分50具有比振动体3的中空通孔33大的直径并与振动体3的另一侧的表面接触，松配合部分52松散地配合在振动体3的中空通孔33中，连接轴51作为用于将接触部分50和松配合部分52紧固到衬底4的紧固构件。在实施例I中，接触部分50、连接轴51和松配合部分52由绝缘材料制成。注意，虽然松配合部分52被示为图IA和IB中的绝缘材料，但是良好的是仅保持电绝缘。当绝缘材料被用于松配合部分时，定位是容易的。当空的空间被用于松配合部分时，可降低成本。如果确保电绝缘，则接触部分50和连接轴51可由金属制成。当使用金属时，强度被确保并且处理是容易的。接触部分50与振动体3接触以使得振动体3可在径向方向上自由地振动，并且限制振动体3在与振动方向正交的方向上的移动。例如，接触部分50可以是图2A中所示的T形、U形或图钉形。如果棒状绝缘材料用于形成基本相同的形状(基本圆形形状)，则存在成本优势。如果保持构件5的接触部分50比振动体3的中空通孔33大，则接触部分50不从中空通孔33掉落，如果接触部分50比振动体3的外围小，则不从振动体3的外轮缘伸出。如果接触部分50具有这样的形状，则力传感器I可通过保持构件5将振动体3牢固地固定到衬底4。松配合部分52被形成为圆柱形形状，以使得在松配合部分52与振动体3的中空通孔33之间形成预定间隙。松配合部分52执行使振动体3处于振动体3可在径向方向上振动的状态的定位，并限制振动体3在振动方向上的移动。另外，松配合部分52具有第一通孔53,连接轴51可插入在第一通孔53中。第一通孔53形成在形成为圆柱形形状的松配合部分52的中心轴上，并与第二通孔40同轴地形成。换句话讲，第一通孔53形成在与振动体3的振动方向正交的方向上(与第二通孔40相同的方向上)。注意，如果衬底4由诸如橡胶的弹性材料制成，则松配合部分52可与衬底4 一体地形成。连接轴51在其一端与接触部分50连接，并被形成为穿过第一通孔53和第二通孔40。在连接轴51穿过第一通孔53和第二通孔40之后，使连接轴51的另一个端部51a弯曲，以使得接触部分50和松配合部分52在振动体3可振动的状态下紧固到衬底4。信号电极7包括第一信号电极70和第二信号电极71,第一信号电极70附连到衬底4的与振动体3的一侧的表面接触的表面,并与第一驱动电极31接触,第二信号电极71附连到阻尼构件6并与第二驱动电极32接触。第一信号电极70和第二信号电极71分别用于将交流电压施加于第一驱动电极31和第二驱动电极32。如图3所示，频率接近于压电材料30的共振频率的电压从变频振荡器12经由包括电阻器等的阻抗11施加于具有上述结构的力传感器1，从而使振动体3振动。在这种状态下，如果力施加于阻尼构件6，则阻尼构件6限制振动体3的振动。因此，压电材料30的阻抗增大，因此，整个阻抗11上的电压的振幅改变。结果，可如图4所示那样绘制力与输出电压之间的关系，并可从变化的阻抗检测力。如图4所示，力传感器I在小负载下具有大的电压振幅变化。因此，力传感器I具有高检测灵敏度的优点。根据实施例I的具有上述结构的力传感器I可通过以下摩擦力限制振动体3的振动在振动体3的一侧的表面与保持构件5的接触部分50的接触表面之间产生的摩擦力，或者在振动体3的另一侧的表面与信号电极70的接触表面之间产生的摩擦力。注意，如果接触部分50被设置为基本上与振动方向平行，以便不与振动体3的振动方向交叉，则由于对于振动体3的振动表面的直接干扰被抑制，所以这对于安装是有利的。这样，虽然常规的压电振动型力传感器通过使接触部分与振动表面接触并通过使用外力F来直接限制振动体3在与振动方向正交的方向上的振动，但是力传感器I通过摩擦力μ F来限制振动体3在径向方向上的振动，其中，动摩擦系数用μ表示。因此，理论上，如果μ为O. 5，则可检测到高达如常规情况下的振动被直接限制的情况下的力的大约两倍的力。另外，如果μ为0.1，则可检测到高达所述力大约10倍的力。换句话讲，力传感器I可通过使用用于限制振动的摩擦力来检测大范围的静力。另外，在根据本发明的实施例I的力传感器I中，压电材料30 (振动体3)具有环形形状。因此，振动体3的定位可使用中空通孔33来容易地执行。在以上描述中，压电材料30 (振动体3)具有环形形状，但是压电材料30不必具有环形形状。压电材料30可具有如图2C中所示的具有中空通孔的其它形状，以使得可获得相同的效果。另外，衬底4的材料没有限制。例如，当衬底4为印刷电路板时，第一信号电极70形成在衬底4的、作为与振动体3的接触表面的表面上,并且第一信号电极70与振动体3的第一驱动电极31接触。就这种结构而言，第一信号电极70可通过构图来形成。例如，可安装连接器，以使得可容易地执行与阻抗11和驱动源(未显示)的连接。另外，如果衬底4由诸如橡胶的弹性材料制成，则振动体3夹在衬底4与阻尼构件6之间，以使得就某个力而言，振动可受到更多的限制。因此，可更加提高检测灵敏度。另外，根据本发明的实施例I的力传感器I配备有保持构件5，保持构件5包括接触部分50、松配合部分52和连接轴51，接触部分50被设置为与具有环形形状的振动体3的另一侧的表面接触，松配合部分52松散地配合在中空通孔33中，连接轴51用于将接触部分50和松配合部分52紧固到衬底4。力传感器I具有保持构件5，因此，变得容易使振动体3保持在所需位置。另外，保持构件5可使振动体3保持处于振动体3的振动不被干扰的状态，因此，可抑制由于振动干扰而导致的检测灵敏度的降低。另外，根据实施例I的力传感器I利用具有环形形状的振动体3的动作来在扩展方向上伸展和收缩，因此，有必要使用考虑振动方向的保持方法。然而，力传感器I通过振动体3与第一信号电极70和第二信号电极71之间的摩擦来改变检测值。因此，当振动体3与第一信号电极70和第二信号电极71之间的接触表面面积较大时，可更容易地改变检测范围的设置。另外，如果振动体3 (压电材料30)具有环形形状，则内周长比外周长小，因此，对 振动的影响在内周部分中较小。因此，在安装根据实施例I的振动体3的方法中，不仅可使振动体3的定位便利，而且还可减小对伸展和收缩的影响和对以下摩擦表面的影响，该摩擦表面比振动体3在振动体3的外周部分处固定的情况下的摩擦表面小。因此，可执行稳定的检测。具体地讲，当传感器用作用于测量力的分布的力传感器时，由于分布式振动体3(压电材料30)的位置和检测值可被精确地获得，所以所述方法是有效的。这样，在根据本发明的实施例I的力传感器I中，衬底4使用保持构件5来保持具有环形形状的振动体3 (压电材料30)。因此，可容易地将压电材料安装在用于安装的体(例如，机器人手指10)上，而不降低检测灵敏度。另外，由于振动体3 (压电材料30)的安装位置变得精确，所以根据实施例I的力传感器I可执行稳定的感测。另外，可易于更换磨损的阻尼构件6。因此，可改进可维护性。换句话讲，可提供可易于安装的并可检测大范围静力的压电振动型力传感器I。 (实施例2)接下来，参照图5A和图5B对根据本发明的实施例2的力传感器IA进行描述。图5A是示意性地示出根据本发明的实施例2的力传感器IA安装在机器人手指10上的状态的截面图。图5B是示意性地示出图5A中示出的力传感器IA的阻尼构件6被移除的状态的截面图。如图5A和5B所示，根据实施例2的力传感器IA与实施例I的不同之处在于第二信号电极70的位置。因此，在实施例2中，主要对与实施例I不同的点，即，第二信号电极70的布局进行描述，并且具有与实施例I的力传感器I相同的结构的构件用相同的参考标号表不，并省略其描述。注意，在实施例2中，具有与实施例I中相同的结构的构件具有与实施例I中相同的效果。在根据实施例2的力传感器IA中，第二信号电极70附连到衬底4的后表面。另夕卜，在力传感器IA中，保持构件5A的接触部分50A和连接轴51A均由导电材料形成，连接轴51A的另一个端部51a与第二信号电极70接触。换句话讲，根据实施例2的力传感器IA具有以下结构，即，第二信号电极70经由连接轴51和接触部分50与第二驱动电极32电连接。注意，接触部分50A和连接轴51A仅需要具有导电性，并且从可加工性和成本的角度来讲，优选地由金属制成。另外，如果接触部分50A的厚度在振动体3的振动方向上太大，则可在接触部分50A与阻尼构件6之间产生间隙，该间隙可阻止摩擦。因此，虽然接触部分50A的厚度可根据将检测的力或者振动体3 (压电材料30)的大小而不同，但是接触部分50A的厚度优选地为例如O. 05至5mm。根据实施例2的具有上述结构的力传感器IA不需要在阻尼构件6上具有第二信号电极70。因此，例如，当更换阻尼构件6时，仅更换阻尼构件6就足够了。因此，可容易地执行更换，并可降低维护成本等。这样，即使当阻尼构件6的表面被所施加的外力磨损或损伤时，也可容易地快捷地更换阻尼构件6。另外，如果衬底4为印刷电路板，则可通过在多层衬底等中进行构图来容易地将矩阵中的配线与第二信号电极70连接。(实施例3)接下来，参照图6A和图6B对根据本发明的实施例3的力传感器IB进行描述。图6A是示意性地示出根据本发明的实施例3的力传感器IB安装在机器人手指10上的状态的截面图。图6B是示意性地示出图6A中所示的力传感器IB的阻尼构件6被移除的状态的截面图。如图6A和图6B所示，根据实施例3的力传感器IB与实施例2的不同之处在于将保持构件5紧固到衬底4的方法。因此，在实施例3中，主要对与实施例2不同的点，即，紧固保持构件5的方法进行描述，并且具有与实施例I和实施例2的力传感器I相同的结构的构件用相同的参考标号表不，并省略其描述。注意，在实施例3中，具有与实施例I和实施例2中相同的结构的构件具有与实施例I和实施例2中相同的效果。根据实施例3的力传感器IB包括作为设置在衬底4中所形成的第二通孔40中的压配合构件的插孔41，并具有以下结构，即，连接轴51B被压接在插孔41中，以使得接触部分50B和松配合部分52被紧固到衬底4。另外，第二信号电极70设置在衬底4的后表面上，并与插孔41连接。连接轴51B和接触部分50B均由导电材料制成。换句话讲，连接轴5IB被压接在插孔41中，因此，第二信号电极71经由连接轴5IB和接触部分50B与第二驱动电极32电连接。注意，接触部分50A和连接轴51A仅需要具有导电性，并且从可加工性和成本的角度来讲，优选地由金属制成。另外，如果接触部分50A的厚度在振动体3的振动方向上太大，则可在接触部分50A与阻尼构件6之间产生间隙，该间隙可阻止摩擦。因此，虽然接触部分50A的厚度可根据将检测的力或者振动体3 (压电材料30)的大小而不同，但是厚度优选地为例如O. 05至5mmο根据实施例3的具有上述结构的力传感器IB不需要在阻尼构件6上具有第二信号电极70。因此，例如，当更换阻尼构件6时，仅更换阻尼构件6就足够了。因此，可容易地执行更换，并可降低维护成本等。这样，即使当阻尼构件6的表面被所施加的外力磨损或损伤时，也可容易地快捷地更换阻尼构件6。另外，在衬底4为印刷电路板的情况下，存在这样的优点，即，例如矩阵中的多个传感器的配线可通过使用多层衬底结构进行构图来容易地连接。另外，接触部分50B和松配合部分52可仅通过连接轴51B与插孔41的压配合而紧固到衬底4，因此，可容易地附连和移除保持构件5B。这样，例如，可容易地执行振动体3的更换。(实施例4)接下来，参照图7和图8对根据本发明的实施例4的力传感器IC进行描述。图7是示意性地示出根据本发明的实施例4的力传感器IC的截面图。图8是图7中所示的力传感器IC的分解透视图。如图7所不,根据实施例4的力传感器IC与实施例3的不同之处在于第一信号电极70和第二信号电极71设置在衬底4的后表面上。因此，在实施例4中，主要对与实施例3不同的点，即，信号电极7的布局进行描述，并且具有与实施例I至实施例3相同的结构的构件用相同的参考标号表不，并省略其描述。注意，在实施例4中，具有与实施例I至实施例3相同的结构的构件具有与实施例I至实施例3相同的效果。在根据实施例4的力传感器IC中，第三通孔43与第二通孔40平行地形成在衬底 4中，第三信号电极73与第二信号电极71平行地设置在第三通孔43处的衬底4的后表面上。另外，导电引入轴72从第一信号电极70延伸，引入轴72穿过第三通孔以与第三信号电极73接触。换句话讲，根据实施例4的力传感器IC具有以下结构，即，第三信号电极73经由引入轴72与第一驱动电极31电连接，第二信号电极70经由连接轴51B和接触部分50B与第二驱动电极32电连接。另外，在实施例4中，外部衬底42被设置为与衬底4的后表面接触，第二信号电极71和第三信号电极73形成在外部衬底42上。注意，通过诸如粘接剂或螺钉的已知方法使衬底4和外部衬底42彼此连接。根据实施例4的具有上述结构的力传感器IC不需要在阻尼构件6上具有第二信号电极70。因此，例如，当更换阻尼构件6时，仅更换阻尼构件6就足够了。因此，可容易地执行更换，并可降低维护成本等。这样，即使当阻尼构件6的表面被所施加的外力磨损或损伤时，也可容易地快捷地更换阻尼构件6。另外，在根据实施例4的力传感器IC中，如果衬底4的材料与阻尼构件6的材料相同，则接触表面与振动体3的摩擦系数(在一侧的表面与另一侧的表面之间)变为相同， 从而可容易地控制检测值。另外，由于信号电极7都平行地设置在衬底4的后表面上，所以在衬底4为印刷电路板的情况下，可通过构图容易地连接它们。另外，布线也变得容易。因此，图9示出根据实施例4的力传感器IC的另一种形式的力传感器1D。图9是示意性地示出根据实施例4的力传感器IC的修改示例的截面图。如图9所不,力传感器ID包括第一衬底44和第二衬底45。第一衬底44是在其上安装振动体3的衬底，并且与上述实施例类似地具有第二通孔40和第三通孔43。第二衬底45设置在第一衬底44的一侧(与其上安装振动体3的侧相对的侧)，并包括与第二通孔40连通的第四通孔46和与第三通孔43连通的第五通孔47。第二衬底45是印刷电路板。插孔48设置在第四通孔46中，第二信号电极71设置在第二衬底44的后表面上，以与插孔48连接。换句话讲，存在这样的结构，即，连接轴5IB被压接在插孔48中，以使得第二信号电极71经由连接轴51B和接触部分50B与第二驱动电极32电连接。插孔49设置在第五通孔47中，第三信号电极73设置在第二衬底44的后表面上，以与插孔49连接。换句话讲，存在这样的结构，即，引入轴72被压接在插孔49中，以使得第三信号电极73经由引入轴72与第一驱动电极31电连接。注意，插孔48和49可以是诸如IC的电组件插入在其中的通用组件，所述通用组件可安装在第二衬底45上并可以在焊接浴槽中。在压电材料30、阻尼构件6和衬底4组合的状态下，保持构件5的连接轴51B插入在插孔48中，引入轴72插入在插孔49中。然后，振动体3与第二衬底45上的第二信号电极71和第三信号电极73中的每个分别电连接。注意，可容易地拆卸插孔48和49，因此，如果缺陷出现在例如压电材料30或保持构件5等中，则可容易地从第二衬底45移除它们以进行更换等。就这种结构而言，压电材料30可被稳固地供给电源，以使得力可被检测到。另外，如果力传感器ID用于制作可检测力分布的传感器，则当第二衬底45是印刷电路板时，可通过使用双面或多层衬底等进行构图来容易地连接矩阵中的配线。(实施例5)接下来，参照图10对根据本发明的实施例5的力传感器和机器人手进行描述。图10是示意性地示出根据实施例5的力传感器安装在机器人手指10上和机器人手的手掌上的状态的示图。
关于实施例I至实施例4的力传感器1，当传感器安装在机器人手80的手指或手掌上时，也可获得有用的效果。例如，如果力传感器I安装在装配机器人的手80上，则考虑使用来自力传感器I的信息来抓取工件83。如果力传感器I设置在手80中，则可决定工件83的存在或不存在，或者可控制抓取力以用基于来自力传感器I的信号的所需力来抓取工件83。由于通常使用电机、减速齿轮等使手80操作以打开和闭合手80的手指，所以在操作中发生机械振动。在这种情况下，上述常规的压电振动型力传感器(日本专利申请公开No. S52-78473)具有这样的问题，即，由于机械振动，振动体3的位置在力单元2中移位。如果固定的位置移位，则即使相同的力施加于相同位置，受限制的振动量也变得不同。结果，输出的再现性损失。换句话讲，对力传感器I来说，有必要使振动体3保持在相同位置，而在力单元2中没有移位。根据本实施例，可通过使用简单的单元来保持振动体3，而没有由于机械振动而导致的位置移位。另外，通常执行的是用弹性材料覆盖手指的表面，以避免当机器人手80抓取工件83时对工件83的损伤。在该传感器中，构成力传感器I的阻尼构件6可防止对工件83的损伤，并还可充当用于产生与力对应的输出的改变的构件。另外，由于阻尼构件6 —直与工件83接触，所以发生阻尼构件6的表面的磨耗。另夕卜，考虑到工厂等中的长期使用，存在这样的问题，即，由于随时间变化，阻尼构件6的硬度改变，以使得传感器的输出可改变。换句话讲，很明显，由于随时间磨损或变化，传感器的定期更换是有必要的。因此，如实施例I至实施例4中所述的，如果采用使得可容易地仅更换阻尼构件6的结构，则可缩短手80的定期维护时间。另外，如果仅更换阻尼构件6，则由于没有必要更换整个力传感器1，所以可缩短工作时间，从而可降低维护成本。(实施例6)接下来，参照图11对根据本发明的实施例6的力传感器、机器人手和机器人手臂进行描述。图11是示意性地示出根据实施例6的力传感器安装在机器人手80和机器人手臂81上的状态的示图。关于实施例I至实施例5的力传感器1，还可通过将传感器安装在机器人手臂81上来获得有用效果。当在装配机器人的臂81中使用力传感器I时，可想到使用来自力传感器I的信息来直接通过外部信号操作手臂81。例如，如果力传感器I安装到与臂81的旋转轴方向相同的方向，则操作者可凭直觉操作臂81来执行教导。将臂81的操作与力传感器I中的每个相关联足矣。当臂81与诸如电机和减速齿轮的许多组件组合操作时，操作中的加速和机械振动可在力传感器I中发生。在这种情况下，存在这样的问题，即，由于在力单元2中产生的加速或机械振动，而导致振动体3的位置移位。如果固定位置移位，则即使相同力施加于相同位置，受限制的振动量也变得不同。结果，输出的再现性损失。换句话讲，对于力传感器I来说，有必要使振动体3保持在相同位置，而在力单元2中没有移位。根据本实施例，可通过使用简单的单元来保持振动体3，而没有由于加速或机械振动而导致的位置移位。在这种情况下，同样，与机器人手80类似地，由于阻尼构件6 —直与操作者接触，所以存在阻尼构件6的表面随时间磨耗和变化的问题。因此，通过采用以上实施例I至实施例4中所述的、在其中可容易地仅更换阻尼构件6的结构，可缩短臂81的定期维护时间。另外，如果仅更换阻尼构件6，则由于没有必要更换整个力传感器1，所以可降低维护成本。在紧急情况下，为了提高接触的安全性，可想到形成诸如橡胶的弹性材料的表面以使冲击力变弱。在该传感器中，构成力传感器I的阻尼构件6可充当手臂81的冲击力吸收构件，并且还可充当用于生成由于力而导致的输出的改变的构件。虽然以上描述了本发明的实施例，但是本发明不限于上述实施例。另外，本发明的实施例中所述的效果仅仅是从本发明获得的最优选效果的示例，因此，本发明的效果不限于本发明的实施例中所述的那些效果。例如，在实施例I中，连接轴51用于将接触部分50和松配合部分52紧固到衬底4，但是本发明不限于这种结构。例如，可采用以下结构，即，松配合部分52粘合到接触部分 50和衬底4，以使得接触部分50和松配合部分52紧固到衬底4。在这种情况下，可省略连接轴51。另外，在实施例I中，连接轴51的另一个端部51a弯曲，以使得接触部分50和松配合部分52紧固到衬底4，但是本发明不限于这种结构。例如，可采用实施例2和实施例3中所述的方法来将接触部分50和松配合部分52紧固到衬底4。参考标号列表1，1A，1B，1C，1D 力传感器2压电振动型力单元3振动体4 衬底5保持构件6阻尼构件(弹性构件)7信号电极10机器人手指11 阻抗12变频振荡器30压电材料31第一驱动电极(驱动电极对)32第二驱动电极(驱动电极对)50接触部分51连接轴(轴构件)52松配合部分70第一信号电极71第二信号电极80机器人手81机器人手臂82机器人装置83 工件尽管已参照示例性实施例对本发明进行了描述，但是应该理解本发明不限于所公开的示例性实施例。应该给予权利要求的范围以最广泛的解释，以涵盖所有这样的修改以 及等同的结构和功能。
权利要求
1.一种压电振动型力传感器，包括 振动体，其包括具有中空通孔的环形压电材料和附连到所述压电材料的两面的驱动电极对，所述振动体用于当交流电压施加于所述驱动电极对时在所述压电材料的扩展方向上振动； 衬底，其被使得与所述振动体的一侧的表面接触； 弹性构件，其被设置为使得与所述振动体的另一侧的表面接触，用于通过弹性变形将从外部施加的力传送到所述振动体； 保持部分，其包括接触部分和松散地配合在所述中空通孔中的松配合部分，所述接触部分大于所述中空通孔以使得与所述振动体的所述另一侧的表面接触，所述松配合部分紧固到所述衬底；和 信号电极对，其用于将所述交流电压施加于所述驱动电极对。
2.根据权利要求I所述的压电振动型力传感器， 其中，所述保持部分中的松配合部分具有在与所述振动体的振动方向交叉的方向上形成的第一通孔，所述衬底具有第二通孔，并且 其中，所述压电振动型力传感器还包括穿透所述第一通孔和所述第二通孔的轴构件，以及轴构件，包括用于与所述接触部分连接的一端和用于紧固到所述衬底的另一个端部。
3.根据权利要求2所述的压电振动型力传感器，其中，所述轴构件的所述另一个端部在穿过所述衬底的第二通孔之后弯曲，以紧固到所述衬底。
4.根据权利要求2所述的压电振动型力传感器， 其中，所述第二通孔设有压配合构件，所述压配合构件用于使所述轴构件的所述另一个端部卷曲到所述衬底，并且 其中，所述轴构件的所述另一个端部经由所述压配合构件紧固到所述衬底。
5.根据权利要求2所述的压电振动型力传感器， 其中，所述松配合部分由绝缘材料形成，所述接触部分和轴构件由导电材料形成，并且 其中，所述信号电极对包括第一信号电极和第二信号电极，所述第一信号电极附连到所述衬底的与所述振动体的所述一侧的表面接触的前表面，以使得与所述振动体的所述一侧的表面上的驱动电极接触，所述第二信号电极附连到所述衬底的后表面，以使得与所述轴构件的所述另一个端部接触并经由所述轴构件与所述振动体的所述另一侧的表面上的驱动电极电连接。
6.根据权利要求5所述的压电振动型力传感器， 其中，所述衬底具有与所述第二通孔平行地形成的第三通孔，并且 其中，所述压电振动型力传感器还包括由导电材料形成的引入轴和第三信号电极，所述引入轴包括与所述第一信号电极连接的一端，所述第三信号电极与所述第二信号电极平行地设置在所述衬底的后表面上，以使得与穿过所述第三通孔的引入轴接触并与所述第一信号电极电连接。
7.一种机器人手，其包括根据权利要求I所述的压电振动型力传感器，所述压电振动型力传感器安装在所述机器人手的包括机器人手指的一部分上。
8.一种机器人手臂，其包括根据权利要求I所述的压电振动型力传感器，所述压电振动型力传感器安装在所述机器人手臂的包括臂部分的一部分上。
全文摘要
本申请涉及压电振动型力传感器和机器人装置。提供一种压电振动型力传感器，其包括振动体，其包括盘形压电材料和驱动电极对，所述振动体用于当交流电压施加于驱动电极对时在压电材料的径向方向上振动；衬底，其被使得与振动体的一侧的表面接触；弹性构件，其被设置为使得与振动体的另一侧的表面接触；和保持构件，其包括接触部分和松配合部分，所述松配合部分松散地配合在中空通孔中。保持构件将接触部分和松配合部分固定到衬底，以使得振动体在振动方向上和在与振动方向正交的方向上的移动被限制以进行定位。
文档编号G01L1/16GK102645292SQ201210034199
公开日2012年8月22日 申请日期2012年2月15日 优先权日2011年2月15日
发明者铃木仁 申请人:佳能株式会社