特開 2023-1368 力覚センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023001368

(43)【公開日】2023-01-04

(54)【発明の名称】力覚センサ

(51)【国際特許分類】

   G01L 5/1627 20200101AFI20221222BHJP

【ＦＩ】

G01L5/1627

【審査請求】有

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022181488

(22)【出願日】2022-11-14

(62)【分割の表示】P 2021019496の分割

【原出願日】2021-02-10

(71)【出願人】

【識別番号】509006820

【氏名又は名称】株式会社レプトリノ

(74)【代理人】

【識別番号】110001726

【氏名又は名称】弁理士法人綿貫国際特許・商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】向井 優

(72)【発明者】

【氏名】由井 夏樹

(72)【発明者】

【氏名】栗林 雅志

(57)【要約】

【課題】外径を小さくして、受力のモーメント成分を大きくすることが可能な構成の力覚センサを提供する。
【解決手段】力覚センサ１０１Ａは、受力部７１ｃと当該受力部７１ｃに対して固定される固定部７１ｄと当該固定部７１ｄに連結されるビーム部７１ｅとを有する起歪体７１と、複数の歪みゲージ１～２４とを備える。ビーム部７１ｅは受力部７１ｃに連結されるアーム部７１ｆと固定部７１ｄに連結されるフレクシャ部７１ｇが互いに連結しており、ビーム部７１ｅは受力部７１ｃの軸線周りに等間隔で６つ形成されている構成である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

受力部と前記受力部に対して固定される固定部と前記固定部に連結されるビーム部とを有する起歪体と、前記ビーム部に配設された複数の歪みゲージを備え、前記ビーム部は前記受力部に連結されるアーム部と前記固定部に連結されるフレクシャ部とが互いに連結しており、前記ビーム部は前記受力部の軸線周りに等間隔で６つ形成されており、
前記歪みゲージは前記ビーム部における第１主面にのみ配設されており、
前記アーム部における第１アーム部に前記歪みゲージの半数が配設されており、前記フレクシャ部における前記第１アーム部に連結している第１フレクシャ部に前記歪みゲージの他の半数が配設されており、
前記アーム部は、前記歪みゲージが配設されている前記第１アーム部と、前記歪みゲージが配設されていない第２アーム部とが前記受力部の軸線周りに交互に配設されていること
を特徴とする力覚センサ。

【請求項2】

受力部と前記受力部に対して固定される固定部と前記固定部に連結されるビーム部とを有する起歪体と、前記ビーム部に配設された複数の歪みゲージを備え、前記ビーム部は前記受力部に連結されるアーム部と前記固定部に連結されるフレクシャ部とが互いに連結しており、前記ビーム部は前記受力部の軸線周りに等間隔で６つ形成されており、
前記ビーム部における第１主面に前記歪みゲージの半数が配設されており、前記ビーム部における前記第１主面と逆向きの第２主面に前記歪みゲージの他の半数が配設されており、
前記アーム部は、前記歪みゲージが配設されている第１アーム部と、前記歪みゲージが配設されていない第２アーム部とが前記受力部の軸線周りに交互に配設されていること
を特徴とする力覚センサ。

【請求項3】

前記歪みゲージは、力成分およびモーメント成分を検出するブリッジ回路を構成するように配設されており、前記ブリッジ回路のうちの少なくとも３つの組み合わせによって前記力成分のうちのＸ軸方向の成分、Ｙ軸方向の成分およびＺ軸方向の成分、並びに、前記モーメント成分のうちのＸ軸周りの成分、Ｙ軸周りの成分およびＺ軸周りの成分を検出するように配設されていること
を特徴とする請求項１または２に記載の力覚センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、力覚センサに関する。

【背景技術】

【0002】

力覚センサは、計測機器や産業用ロボット等の高度な制御に用いられている。一例として、起歪体の第１主面と第２主面に所定配置でそれぞれ複数の歪みゲージを設ける構成が提案されている（特許文献１：特許第６０４７７０３号公報）。また、起歪体の第１主面のみに所定配置でそれぞれ複数の歪みゲージを設ける構成が提案されている（特許文献２：特許第６３７８３８１号公報）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第６０４７７０３号公報

【特許文献2】特許第６３７８３８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

起歪体はビーム部を外周寄りに配置することで受力が大きくなる構造になっている。そのため、起歪体の外径を小さくすると受力のモーメント成分が小さくなってしまうという問題がある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明は、上記事情に鑑みてなされ、外径を小さくして、受力のモーメント成分を大きくすることが可能な構成の力覚センサを提供することを目的とする。

【0006】

一実施形態として、以下に開示するような解決手段により、前記課題を解決する。

【0007】

本発明に係る力覚センサは、受力部と前記受力部に対して固定される固定部と前記固定部に連結されるビーム部とを有する起歪体と、前記ビーム部に配設された複数の歪みゲージを備え、前記ビーム部は前記受力部に連結されるアーム部と前記固定部に連結されるフレクシャ部とが互いに連結しており、前記ビーム部は前記受力部の軸線周りに等間隔で６つ形成されている。

【0008】

この構成によれば、小さな外径を維持して従来よりも受力のモーメント成分を大きくすることができる。また、受力のモーメント成分の大きさ（定格容量）を維持しつつ外径を従来よりも小さくできる。

【0009】

これにより、各ビーム部に均等に応力を分散させることが容易にできるので、他軸干渉の抑制による直線性の向上が期待できる。

【0010】

本発明に係る力覚センサは、受力部と前記受力部に対して固定される固定部と前記固定部に連結されるビーム部とを有する起歪体と、前記ビーム部に配設された複数の歪みゲージを備え、前記ビーム部は前記受力部に連結されるアーム部と前記固定部に連結されるフレクシャ部とが互いに連結しており、前記ビーム部は前記受力部の軸線周りに等間隔で６つ形成されており、前記ビーム部における第１主面に前記歪みゲージの半数が配設されており、前記ビーム部における前記第１主面と逆向きの第２主面に前記歪みゲージの他の半数が配設されており、前記アーム部は、前記歪みゲージが配設されている第１アーム部と、前記歪みゲージが配設されていない第２アーム部とが前記受力部の軸線周りに交互に配設されていることを特徴とする。この構成により、第１主面の歪みゲージの出力と第２主面の歪みゲージの出力とを対応させることが容易にできる。

【0011】

前記アーム部のうちの前記歪みゲージが配設されている第１アーム部と前記アーム部のうちの前記歪みゲージが配設されていない第２アーム部とが前記受力部の軸線周りに交互に配設されている。この構成により、さらに外径を小さくすることが容易にできる。

【0012】

本発明に係る力覚センサは、受力部と前記受力部に対して固定される固定部と前記固定部に連結されるビーム部とを有する起歪体と、前記ビーム部に配設された複数の歪みゲージを備え、前記ビーム部は前記受力部に連結されるアーム部と前記固定部に連結されるフレクシャ部とが互いに連結しており、前記ビーム部は前記受力部の軸線周りに等間隔で６つ形成されており、前記歪みゲージは前記ビーム部における第１主面にのみ配設されており、前記アーム部における第１アーム部に前記歪みゲージの半数が配設されており、前記フレクシャ部における前記第１アーム部に連結している第１フレクシャ部に前記歪みゲージの他の半数が配設されており、前記アーム部は、前記歪みゲージが配設されている前記第１アーム部と、前記歪みゲージが配設されていない第２アーム部とが前記受力部の軸線周りに交互に配設されていることを特徴とする。この構成により、歪みゲージの配置面の数を少なくして当該歪みゲージを高精度に配置することが容易にできる。

【0013】

一例として、前記歪みゲージは、前記ビーム部のうちの第１ビーム部における軸線と直交方向の中心線に対して互いに対称となる位置の４つの組み合わせによって力成分およびモーメント成分を検出するブリッジ回路を構成するように配設されている。この構成により、歪みゲージの配置の最適化を図ることが容易にできる。

【0014】

一例として、前記歪みゲージは、前記ビーム部のうちの第１ビーム部における軸線と直交方向の中心線に沿う位置の２つと、前記ビーム部のうちの第２ビーム部における軸線と直交方向の中心線に沿う位置の２つの組み合わせによって力成分およびモーメント成分を検出するブリッジ回路を構成するように配設されている。この構成により、歪みゲージの数を少なくして６軸の力成分とモーメント成分を検出することが容易にできる。

【0015】

前記歪みゲージは、力成分およびモーメント成分を検出するブリッジ回路を構成するように配設されている。

【0016】

前記歪みゲージは、力成分およびモーメント成分を検出するブリッジ回路を構成するように配設されており、前記ブリッジ回路のうちの少なくとも３つの組み合わせによって前記力成分のうちのＸ軸方向の成分、Ｙ軸方向の成分およびＺ軸方向の成分、並びに、前記モーメント成分のうちのＸ軸周りの成分、Ｙ軸周りの成分およびＺ軸周りの成分を検出するように配設されていることが好ましい。この構成により、６軸の力成分とモーメント成分を高精度に計測することが容易にできる。

【0017】

前記起歪体はＸ軸方向の力成分、Ｙ軸方向の力成分、Ｚ軸方向の力成分、Ｘ軸周りのモーメント成分、Ｙ軸周りのモーメント成分およびＺ軸周りのモーメント成分に応じて変形可能な材質および形状からなる。前記起歪体は、一例としてステンレス、鉄、アルミニウム、またはこれらの合金からなる。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、力ならびにモーメントを高精度に検出可能な小型かつ合理的な構成の力覚センサが実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】図１は本発明の第１の実施形態に係る力覚センサの例を示す概略の斜視図である。

【図2】図２Ａは図１に示す力覚センサの平面図であり、図２Ｂは当該力覚センサの正面図であり、図２Ｃは当該力覚センサの底面図である。

【図3】図３は図１に示す力覚センサのブリッジ回路の例である。

【図4】図４は図３に示すブリッジ回路の出力信号表である。

【図5】図５は本発明の第２の実施形態に係る力覚センサの例を示す概略の平面図である。

【図6】図６は図５に示す力覚センサのブリッジ回路の例である。

【図7】図７は図６に示すブリッジ回路の出力信号表である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

（第１の実施形態）
以下、図面を参照して、本発明の第１の実施形態について詳しく説明する。本実施形態の力覚センサ１０１Ａは、三次元空間の直交座標系（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の３軸方向の力成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、その３軸回りのモーメント成分Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚの計６成分を同時に検出することができる６軸力覚センサである。本実施形態の力覚センサ１０１Ａは、中心軸Ｐ１を軸線として回転対称になる位置に、破線で囲んだ部分で示されるビーム部７１ｅが６つ備わっている構成の例である。図１は、本実施形態に係る力覚センサ１０１Ａの例を示す概略の斜視図である（信号処理部および配線は不図示）。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

【0021】

図１、図２Ａ～図２Ｃに示すように、力覚センサ１０１Ａは、受力部７１ｃと当該受力部７１ｃに対して固定される固定部７１ｄと当該固定部７１ｄに連結されるビーム部７１ｅとを有する起歪体７１と、複数の歪みゲージ１～２４を備える。ここで、例えば歪みゲージ１と歪みゲージ３はそれぞれ曲げ歪みを検出し、例えば歪みゲージ１３と歪みゲージ１４はそれぞれせん断歪みを検出する。ビーム部７１ｅは受力部７１ｃに連結されるアーム部７１ｆと固定部７１ｄに連結されるフレクシャ部７１ｇとが互いに連結しており、ビーム部７１ｅは受力部７１ｃの軸線周りに等間隔で６つ形成されている。この例では、複数の歪みゲージ１～２４のうちの半数が第１主面７１ａに配設されており、複数の歪みゲージ１～２４のうちの他の半数が第２主面７１ｂに配設されている。複数の歪みゲージ１～２４は、いずれもアーム部７１ｆに配されている。この例では、被測定物に固定するためのネジ穴７１ｉが形成されており、計測用のベースに固定するための貫通穴７１ｈが形成されている。

【0022】

一例として、ＮＣ加工機を用いてアルミニウム合金、合金鋼、ステンレス鋼などバネ性を有する材料に貫通孔などを形成することによって起歪体７１を製造する。また一例として、外形が円形の板状体に切削加工、レーザ加工、または放電加工若しくはこれらの複合加工等を施して起歪体７１を製造する。

【0023】

一例として、歪みゲージ１～２４は、Ｃｕ－Ｎｉ系合金やＮｉ－Ｃｒ系合金の金属薄膜の配線パターンを、ポリイミドフィルムやエポキシフィルムで覆った構成にする場合があり、半導体薄膜を用いた構成にする場合がある。一例として、スパッタリング法や真空蒸着法を用いて金属薄膜からなる歪みゲージを直接形成した構成にする場合がある。一例として、歪みゲージ１～２４は同一材質のスパッタ膜または同一材質の蒸着膜からなる。これにより、対称性が維持できるとともに、生産性が向上し、製造ばらつきを極力抑えた構成にできる。一例として、歪みゲージ１～２４は一括同時形成した構成にできる。これにより、歪みゲージ１～２４の抵抗値を均一に揃えた構成にできる。なお、上記の構成に限定されず、歪みゲージ１～２４を板状、シート状またはフィルム状にしてそれぞれ接着した構成にする場合がある。歪みゲージ１～２４は、アーム部７１ｆにおける軸線と直交方向の中心線に対して互いに対称となる位置の４つの組み合わせによって所定方向の力成分を検出するブリッジ回路が構成されるようにそれぞれ配設されている。また、アーム部７１ｆのうちの歪みゲージが配設されている第１アーム部７１ｆ１とアーム部７１ｆのうちの歪みゲージが配設されていない第２アーム部７１ｆ２とが受力部７１ｃの軸線周りに交互に配設されている構成である。

【0024】

図３は複数の歪みゲージ１～２４から構成されるブリッジ回路Ｃ６Ａ１、Ｃ６Ａ２、Ｃ６Ａ３、Ｃ６Ａ４、Ｃ６Ａ５、Ｃ６Ａ６を示している。各ブリッジ回路にそれぞれ電圧印加して出力信号Ｖｏを取り出す構成である。Ｙ字ビームを有する起歪体７１において、６軸の力成分とモーメント成分を検出するために必要な出力信号を得るには、複数の歪みゲージ１～２４で足りる。

【0025】

図４はブリッジ回路Ｃ６Ａ１、Ｃ６Ａ２、Ｃ６Ａ３、Ｃ６Ａ４、Ｃ６Ａ５、Ｃ６Ａ６の出力信号表である。各歪みゲージは、各方向の力を加えたときに各ブリッジを形成している当該歪みゲージの抵抗値が増加するときを「＋」とし、当該歪みゲージの抵抗値が減少するときを「－」とし、当該歪みゲージの抵抗値が変化しないとき若しくは当該歪みゲージの抵抗値の変化量が小さくて変化しないとみなせるときを「０」としている。各出力信号は、各ブリッジにおいて非平衡出力が生じるときを「１」とし、各ブリッジにおいて非平衡出力が生じないときを「０」としている。

【0026】

本実施形態によれば、軸線周りに等間隔でビーム部を６つ形成し各ビーム部に応力を分散させた構成によって受力のモーメント成分を大きくすることができる。一例として、外径を１２０[ｍｍ]以下にできる。

【0027】

（第２の実施形態）
引き続き、本発明の第２の実施形態について、上述の第１の実施形態との相違点を中心に説明する。本実施形態の力覚センサ１０１Ｂは、図５に示すように、平面視で回転対称になる位置に、前記ビーム部が６つ備わっている構成の例であって、前記ビーム部における前記アーム部のうちの前記歪みゲージが配設されている第１アーム部と前記アーム部のうちの前記歪みゲージが配設されていない第２アーム部とが前記受力部の軸線周りに交互に配設されており、かつ、歪みゲージ１～２４は前記ビーム部における第１主面にのみ配設されている構成である。ここで、例えば歪みゲージ１～４は、前記アーム部における軸線と直交方向の中心線に対して互いに対称となる位置の４つの組み合わせによって所定方向の力成分を検出するブリッジ回路が構成されるようにそれぞれ配設されている。また、例えば歪みゲージ５～８は、前記フレクシャ部における軸線と直交方向の中心線に対して互いに対称となる位置の４つの組み合わせによって所定方向の力成分を検出するブリッジ回路が構成されるようにそれぞれ配設されている。また、アーム部７２ｆのうちの歪みゲージが配設されている第１アーム部７２ｆ１とアーム部７２ｆのうちの歪みゲージが配設されていない第２アーム部７２ｆ２とが受力部７２ｃの軸線周りに交互に配設されている構成である。

【0028】

図６は複数の歪みゲージ１～２４から構成されるブリッジ回路Ｃ６Ｂ１、Ｃ６Ｂ２、Ｃ６Ｂ３、Ｃ６Ｂ４、Ｃ６Ｂ５、Ｃ６Ｂ６を示している。６軸の力成分とモーメント成分を検出するために必要な出力信号を得るには、複数の歪みゲージ１～２４で足りる。図７はブリッジ回路Ｃ６Ｂ１、Ｃ６Ｂ２、Ｃ６Ｂ３、Ｃ６Ｂ４、Ｃ６Ｂ５、Ｃ６Ｂ６の出力信号表である。

【0029】

本実施形態によれば、前記ビーム部における第１主面にのみ歪みゲージ１～２４が配設されているので、歪みゲージ１～２４の配置面の数を少なくして当該歪みゲージを高精度に配置することが容易にできる。

【符号の説明】

【0030】

１～２４ 歪みゲージ
７１ 起歪体、７１ａ 第１主面、７１ｂ 第２主面、７１ｃ 受力部、７１ｄ 固定部、７１ｅ ビーム部、７１ｆ アーム部、７１ｇ フレクシャ部、７１ｈ 貫通穴、７１ｉ ネジ穴
７２ 起歪体、７２ａ 第１主面、７２ｂ 第２主面、７２ｃ 受力部、７２ｄ 固定部、７２ｅ ビーム部、７２ｆ アーム部、７２ｇ フレクシャ部、７２ｈ 貫通穴、７２ｉ ネジ穴
１０１Ａ、１０１Ｂ 力覚センサ
Ｃ６Ａ１、Ｃ６Ａ２、Ｃ６Ａ３、Ｃ６Ａ４、Ｃ６Ａ５、Ｃ６Ａ６ ブリッジ回路
Ｃ６Ｂ１、Ｃ６Ｂ２、Ｃ６Ｂ３、Ｃ６Ｂ４、Ｃ６Ｂ５、Ｃ６Ｂ６ ブリッジ回路
Ｃ８Ａ１、Ｃ８Ａ２、Ｃ８Ａ３、Ｃ８Ａ４、Ｃ８Ａ５、Ｃ８Ａ６ ブリッジ回路
Ｐ１ 中心軸（軸線）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】