JPH09318469A - 6-axial force sensor using shearing strain gauge - Google Patents
6-axial force sensor using shearing strain gaugeInfo
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- JPH09318469A JPH09318469A JP8156379A JP15637996A JPH09318469A JP H09318469 A JPH09318469 A JP H09318469A JP 8156379 A JP8156379 A JP 8156379A JP 15637996 A JP15637996 A JP 15637996A JP H09318469 A JPH09318469 A JP H09318469A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は複数のせん断ひずみ
ゲージを用いた６軸力センサに関し、更に詳しく言え
ば、センサ本体を過負荷から保護する機構を備えた前記
型式の６軸力センサに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a 6-axis force sensor using a plurality of shear strain gauges, and more particularly to a 6-axis force sensor of the above type having a mechanism for protecting the sensor body from overload.
【０００２】[0002]
【従来の技術】歪ゲージと弾性体を組み合わせた型の６
軸力センサは、例えば建造物の構成要素の応力測定ある
いは力制御を行なうロボットにおける外力測定などの用
途で広く用いられている。一つの６軸力センサには複数
個の歪ゲージが使用され、それらは６軸力（力とモーメ
ントの各３成分）を検出するための所定の配列で弾性体
に取り付けられる。歪ゲージを取り付けた弾性体に力あ
るいはモーメントが作用して弾性体が変形すると、それ
に応じて各歪ゲージに応力が発生する。2. Description of the Related Art A type 6 combining a strain gauge and an elastic body.
Axial force sensors are widely used in applications such as stress measurement of building components or external force measurement in robots that perform force control. A plurality of strain gauges are used for one 6-axis force sensor, and they are attached to the elastic body in a predetermined arrangement for detecting the 6-axis force (three components of force and moment). When force or moment acts on the elastic body to which the strain gauge is attached and the elastic body is deformed, stress is generated in each strain gauge accordingly.
【０００３】その結果生じる各歪ゲージの電気抵抗値の
変化は、周知のブリッジ回路を介して電圧値として出力
される。これら出力は、更に所定の計算処理回路あるい
はソフトウェア処理によって６軸力に変換される。The resulting change in the electrical resistance value of each strain gauge is output as a voltage value via a well-known bridge circuit. These outputs are further converted into 6-axis force by a predetermined calculation processing circuit or software processing.
【０００４】６軸力センサに装備される歪ゲージとして
最も一般的なのは曲げ応力を検出する型のものであっ
た。しかし、曲げ応力を検出する歪ゲージには、十分な
出力を得るために大きな曲げ変形を要し、出力の線形性
が低下し易いこと、固有周波数低下により振動を惹起し
易くなること、異なる方向の力あるいはモーメント成分
間の出力の干渉が生じ易いこと等の欠点がある。The most common strain gauge mounted on a 6-axis force sensor is a type that detects bending stress. However, a strain gauge that detects bending stress requires a large bending deformation to obtain sufficient output, and the linearity of the output tends to decrease, and the vibration tends to occur due to a decrease in natural frequency. There is a drawback in that the output of the force component or the moment component is likely to interfere with each other.
【０００５】そこで、複数のせん断ひずみゲージを弾性
体に所定の配列で取り付けた６軸力センサが提案されて
いる（特願平７−２０１８４８号参照）。図１は、その
ような型式の６軸力センサに装備される典型的なせん断
ひずみゲージの基本構造を説明する平面図である。Therefore, a 6-axis force sensor in which a plurality of shear strain gauges are attached to an elastic body in a predetermined arrangement has been proposed (see Japanese Patent Application No. 7-201848). FIG. 1 is a plan view illustrating the basic structure of a typical shear strain gauge provided in such a 6-axis force sensor.
【０００６】同図を参照すると、全体を符号Ｇで指示さ
れたせん断ひずみゲージはベース１とその上に設けられ
た歪みゲージ要素２で構成されている。歪みゲージ要素
２は、幹部３と幹部３の軸方向６に対して左右前方（あ
るいは後方）に各々４５°傾斜した櫛形要素４，５を有
している。歪みゲージ要素２は、ホイートストンブリッ
ジの構成要素とされている。このような構造のせん断ひ
ずみゲージＧは、図示した如く、櫛形要素４，５に対し
て４５°づつ傾斜した方向７，８のせん断ひずみの検出
に使用される。Referring to FIG. 1, a shear strain gauge generally designated by reference numeral G is composed of a base 1 and a strain gauge element 2 provided thereon. The strain gauge element 2 includes a trunk portion 3 and comb-shaped elements 4 and 5 that are inclined leftward and rightward (or backward) by 45 ° with respect to the axial direction 6 of the trunk portion 3. The strain gauge element 2 is a constituent element of the Wheatstone bridge. The shear strain gauge G having such a structure is used for detecting shear strain in directions 7 and 8 inclined by 45 ° with respect to the comb-shaped elements 4 and 5, as shown in the drawing.
【０００７】即ち、ゲージＧに方向７，８のせん断ひず
みを発生させるような力またはモーメントの成分が作用
すると、主として櫛形要素４，５に歪みが生じる。この
歪みに伴う電気的抵抗値の微小変化がホイートストンブ
リッジの出力として検出される。That is, when a force or moment component that causes shear strain in the directions 7 and 8 acts on the gauge G, distortion mainly occurs in the comb elements 4 and 5. A minute change in the electrical resistance value due to this distortion is detected as the output of the Wheatstone bridge.
【０００８】図２は、図１に示した構造のせん断ひずみ
ゲージを所要数装備した力センサ本体機構部の概略構造
を例示した見取図である。同図を参照すると、力センサ
本体機構部は中空の円筒型のセンサボディＳＢを含み、
センサボディＳＢは２つのリング状のフランジＦＬ１，
ＦＬ２とそれらの間に位置した機構部ＳＳで構成されて
いる。FIG. 2 is a sketch drawing exemplifying a schematic structure of a force sensor main body mechanism section equipped with a required number of shear strain gauges having the structure shown in FIG. Referring to the figure, the force sensor main body mechanism section includes a hollow cylindrical sensor body SB,
The sensor body SB has two ring-shaped flanges FL1,
It is composed of the FL 2 and the mechanical section SS located between them.
【０００９】機構部ＳＳには、破線で概略を囲んで示し
たように、所定数（一般には３つ以上）のＬ字形の脚１
２（少なくともその一部にＬ字形の領域を有する脚の
意。以下、同じ。）が設けられている。図１で説明した
せん断ひずみゲージＧは、これら脚１２に２個づつ配置
されている。各Ｌ字形の脚１２の周辺には、センサボデ
ィＳＢの一部を切欠くような態様を以ていくつかの開口
ＯＰが形成される。As shown in the outline of the mechanism section SS by a broken line, a predetermined number (generally three or more) of L-shaped legs 1 are provided.
2 (meaning a leg having an L-shaped region in at least a part thereof; the same applies hereinafter). Two shear strain gauges G described in FIG. 1 are arranged on each of the legs 12. Several openings OP are formed around each L-shaped leg 12 in such a manner that a part of the sensor body SB is cut out.
【００１０】図３（ａ）は、図２に示した力センサの一
つの脚１２とその周辺部分の構造を拡大描示した図であ
り、図３（ｂ）は図３（ａ）のラインＡ−Ａ’に沿った
断面図である。なお、ここでは図示の都合上、図２とは
上下方向が反転している。FIG. 3 (a) is an enlarged view of the structure of one leg 12 and its peripheral portion of the force sensor shown in FIG. 2, and FIG. 3 (b) is a line of FIG. 3 (a). It is sectional drawing along AA '. Here, for convenience of illustration, the vertical direction is reversed from that in FIG.
【００１１】一般に、Ｌ字形の脚１２は脚１２を支持す
るための支持領域１３，１４，１５を含む大きな構造体
（即ち、センサボディＳＢ）の一部をなしいる。脚１２
の周辺部に設けられる開口は、ここでは符号ＯＰ１〜Ｏ
Ｐ３を付して示されている。支持領域１３，１４を含む
一方の高剛性の構造部１０は前述のフランジＦＬ１に連
なり、例えばロボットの手首フランジに取り付けられ
る。一方、支持領域１５を含む他方の高剛性の構造部１
１は前述のフランジＦＬ２に連なり、例えばエンドエフ
ェクタ（ロボットハンドなど）に取り付けられる。Generally, the L-shaped leg 12 is part of a larger structure (ie, the sensor body SB) that includes support areas 13, 14, 15 for supporting the leg 12. Leg 12
The openings provided in the peripheral portion of the
It is shown with P3. One high-rigidity structure 10 including the support regions 13 and 14 is connected to the above-mentioned flange FL1 and is attached to, for example, a wrist flange of the robot. On the other hand, the other high-rigidity structure portion 1 including the support region 15
1 is connected to the above-mentioned flange FL2, and is attached to, for example, an end effector (robot hand or the like).
【００１２】脚１２は互いに直交した方向を向いた第１
及び第２のアーム２０，２２を備えている。これらアー
ム２０，２２は脚１２にＬ字形状を与えるもので、図中
で鉛直アームとして描かれた第１のアーム２０は支持領
域体１５に接続されている。一方、水平アームとして描
かれた第２のアーム２２は支持領域１３に接続されると
ともに、ブリッジ１６を介して、支持領域１４に接続さ
れている。The legs 12 are firstly oriented in directions orthogonal to each other.
And second arms 20 and 22. These arms 20 and 22 give the leg 12 an L shape, and the first arm 20 depicted as a vertical arm in the figure is connected to the support area body 15. On the other hand, the second arm 22 depicted as a horizontal arm is connected to the support region 13 and is also connected to the support region 14 via the bridge 16.
【００１３】そして、第１のアーム２０には凹部２１が
設けられており、その内部にせん断ひずみゲージ３４が
取り付けられている。同様に、第２のアーム２２に設け
られた凹部２３の内部にはせん断ひずみゲージ３５が取
り付けられている。２つのせん断ひずみゲージ３４，３
５の配置方向は、アーム２０，２２のＬ字形の配置に合
わせて互いに垂直な向きを向くように選ばれている。A recess 21 is provided in the first arm 20, and a shear strain gauge 34 is mounted inside the recess 21. Similarly, a shear strain gauge 35 is attached inside the concave portion 23 provided in the second arm 22. Two shear strain gauges 34,3
The arrangement direction of 5 is selected so as to face the directions perpendicular to each other according to the L-shaped arrangement of the arms 20 and 22.
【００１４】凹部２１の断面は、図３（ｂ）に示す様に
コの字型に形成されている。凹部２１の底面４２は側壁
部４０，４１と比較して相対的に薄くなっており、底部
４２に取り付けられた歪みゲージ３４に歪みが有効に集
中する様に配慮がなされている。凹部２３あるいはここ
に図示した以外の脚１２を構成する各アームに設けられ
る凹部の断面についても同様の断面構造を有している。The cross section of the recess 21 is U-shaped as shown in FIG. 3 (b). The bottom surface 42 of the recess 21 is relatively thin as compared with the side wall portions 40 and 41, so that strain is effectively concentrated on the strain gauge 34 attached to the bottom portion 42. The cross section of the recess 23 or the recess provided in each arm constituting the leg 12 other than that illustrated here also has the same sectional structure.
【００１５】以上の構造を有する力センサの機能を説明
するために、ここでは図中に併記したような座標系を採
用する。Ｚ軸は紙面上で垂直上方向を向き、Ｘ軸は紙面
上で水平左方向を向いている。本力センサは剛体１０
（フランジＦＬ１など）と剛体１１（同じくフランジＦ
Ｌ２など）の間に相対的に作用する力ないしモーメント
をせん断ひずみゲージ３４，３５を装備したＬ字形の脚
１２で検出する。In order to explain the function of the force sensor having the above structure, a coordinate system as shown in the drawing is adopted here. The Z axis is oriented vertically upward on the paper surface, and the X axis is oriented horizontally leftward on the paper surface. The force sensor is a rigid body 10.
(Flange FL1, etc.) and rigid body 11 (also flange F)
The force or moment acting relatively between (L2 etc.) is detected by the L-shaped leg 12 equipped with shear strain gauges 34, 35.
【００１６】今、図示したように力Ｆz が支持領域１５
を通してＬ字形の脚１２に作用すると、脚１２は堅い支
持領域１３により支えられているため、局所的な力３０
と３１を生ずる。これらの力により凹部２３には±Ｚ方
向の剪断力が作用する。これに応じて、せん断ひずみゲ
ージ３５は比較的大きな出力信号を生ずる。力がＬ字形
の脚１２に対して図示した方向と反対向き（下方）に加
えられると、凹部２３には剪断力が生ずるが、局所的な
力３０と３１の方向は図示したものとは反対となり、歪
みゲージ３５からの出力信号の符号も反対となる。Now, as shown, the force Fz is applied to the support region 15
When acting on the L-shaped leg 12 through the leg 12, the leg 12 is supported by the rigid support region 13 and thus the local force 30
And 31 is generated. Due to these forces, a shearing force in the ± Z direction acts on the recess 23. In response, shear strain gauge 35 produces a relatively large output signal. When a force is applied to the L-shaped leg 12 in the opposite direction (downward) to the direction shown, shearing forces will occur in the recess 23, but the local forces 30 and 31 will be in the opposite direction to that shown. Therefore, the sign of the output signal from the strain gauge 35 is also opposite.
【００１７】一方、このような±Ｚ方向の力は凹部２１
に対しては圧縮力あるいは引張り力として作用する。従
って、せん断ひずみゲージ３４からは比較的小さな出力
しか生じない。即ち、±Ｚ方向の力が脚１２に作用する
と、せん断ひずみゲージ３４からは相対的に小さな出力
が得られ、せん断ひずみゲージ３５からは相対的に大き
な出力が得られることになる。On the other hand, such a force in the ± Z direction is generated by the recess 21.
Acts as a compressive force or a tensile force. Therefore, a relatively small output is produced from the shear strain gauge 34. That is, when a force in the ± Z direction acts on the leg 12, a relatively small output is obtained from the shear strain gauge 34, and a relatively large output is obtained from the shear strain gauge 35.
【００１８】これに対してＸ方向に力Ｆx が支持領域１
５を通して脚１２に加えられると、Ｌ字形の脚１２は堅
い支持領域１３に支えられているため、局所的な力３２
と３３を生ずる。これらの力は凹部２１に±Ｘ方向の剪
断力を生じさせ、歪みゲージ３４に比較的大きな出力を
発生する。しかし、同じ力は凹部２３に対しては圧縮力
として作用するので、歪みゲージ３５から発生する出力
は小さい。On the other hand, the force Fx in the X direction is applied to the support region 1
When applied to the leg 12 through 5, the L-shaped leg 12 rests on the rigid support area 13 and therefore the local force 32
And 33. These forces generate a shearing force in the ± X direction in the concave portion 21 and generate a relatively large output in the strain gauge 34. However, since the same force acts on the recess 23 as a compressive force, the output generated from the strain gauge 35 is small.
【００１９】同様に、−Ｘ方向の力−Ｆx は凹部２１に
±Ｘ方向の剪断力を生じさせ、歪みゲージ３４からは比
較的大きな反対符号の出力を発生させる一方、凹部２３
に対しては引張力として作用し、歪みゲージ３５から比
較的小さな出力を発生させる。Similarly, the force -Fx in the -X direction produces a shearing force in the. +-. X directions in the recess 21 and produces a relatively large output of the opposite sign from the strain gauge 34, while the recess 23 has
Acting as a pulling force, the strain gauge 35 generates a relatively small output.
【００２０】この様に、±Ｘ方向を以て脚１２に作用す
る力は、せん断ひずみゲージ３４から比較的大きい出力
を発生させ、せん断ひずみゲージ３５からは比較的小さ
い出力を発生させる。As described above, the force acting on the leg 12 in the ± X directions causes the shear strain gauge 34 to generate a relatively large output and the shear strain gauge 35 to generate a relatively small output.
【００２１】±Ｘ方向成分と±Ｚ方向成分の両方を含む
一般の力が作用した場合、上記の現象が重なって同時に
起るが、せん断ひずみゲージ３４，３５の±Ｘ方向成分
と±Ｚ方向成分の力に対する感度の差を利用して、せん
断ひずみゲージ３４，３５の出力に所定の演算に相当す
る処理を施すことによって±Ｘ方向成分と±Ｚ方向成分
を分離して検出することが出来る。When a general force including both a ± X direction component and a ± Z direction component acts, the above phenomena occur at the same time, but the ± X direction component of the shear strain gauges 34 and 35 and the ± Z direction. By utilizing the difference in sensitivity to the force of the component, the ± X direction component and the ± Z direction component can be separated and detected by subjecting the outputs of the shear strain gauges 34, 35 to a process corresponding to a predetermined calculation. .
【００２２】図３に示した例では、Ｌ字形の脚１２と支
持領域１４の間を連結するブリッジ１６が設けられてい
るが、このブリッジ１６は水平方向のアーム２２に加え
られた曲げの力を例えば±Ｚ方向の力によって支える作
用を持つ。従って、このようなブリッジ１６を採用すれ
ば、Ｌ字形の脚１２の剛性を実質的に増大させ、大きな
負荷に対する耐性を強化することが出来る。但し、この
ような手段による剛性の増大は常時脚１２の変形を妨げ
るように作用するから、力センサの感度を低下させる。In the example shown in FIG. 3, a bridge 16 is provided which connects between the L-shaped leg 12 and the support region 14, which bridge 16 is provided with a bending force applied to the horizontal arm 22. Has a function of supporting, for example, a force in the ± Z direction. Therefore, if such a bridge 16 is adopted, the rigidity of the L-shaped leg 12 can be substantially increased and the resistance to a large load can be enhanced. However, the increase in rigidity by such means always acts so as to prevent the deformation of the leg 12, and thus reduces the sensitivity of the force sensor.
【００２３】以上がＬ字形の脚にせん断ひずみゲージを
装備させた型の力センサの一般的な構造と機能の概略で
あるが、このような力センサには過負荷に対する耐性の
点で問題があった。これを図４（ａ）〜図４（ｃ）を参
照図に加えて説明する。図４（ａ）は図３に示したと同
様の構造を簡略化して示した図であり、図４（ｂ）及び
図４（ｃ）は、各々この構造に±Ｘ方向の剪断力が作用
した場合の変形状態と±Ｚ方向の剪断力が作用した場合
の変形状態を説明する図である。The above is an outline of the general structure and function of a force sensor of the type in which the L-shaped leg is equipped with a shear strain gauge, but such a force sensor has a problem in terms of resistance to overload. there were. This will be described with reference to FIGS. 4A to 4C in addition to the reference drawings. FIG. 4 (a) is a simplified view of a structure similar to that shown in FIG. 3, and FIGS. 4 (b) and 4 (c) each show a shear force in the ± X direction acting on this structure. It is a figure explaining the deformation state in the case, and the deformation state when the shearing force of +/- Z direction acts.
【００２４】なお、各要素の符号は適宜繰り返し表示を
省略し、図３におけるブリッジ１６に相当する部分はこ
こでは短寸に描かれている。また、図４（ｂ）及び図４
（ｃ）において、各部の変形は理解を容易にするために
誇張して描かれている。Incidentally, the reference numerals of the respective elements are appropriately omitted from repeated display, and the portion corresponding to the bridge 16 in FIG. 3 is drawn in a short size here. 4 (b) and FIG.
In (c), the deformation of each part is exaggerated for ease of understanding.
【００２５】先ず、図４（ｂ）と図４（ａ）を比較する
と判るように、横方向（±Ｘ方向）の力が脚１２に加わ
った場合には、せん断ひずみゲージ３４を取り付けた凹
部２１に図示したような比較的大きな歪み変形（ここで
は矩形からひし形）が発生し、それに伴ってせん断ひず
みゲージ３４自身が歪みを起し、上述した通り比較的大
きな出力が生成される。これに対して、せん断ひずみゲ
ージ３５を取り付けた凹部２３には形をゆがめるような
変形（矩形からひし形への変形）は殆ど発生せず、せん
断ひずみゲージ３５の出力も小さい。First, as can be seen by comparing FIG. 4 (b) and FIG. 4 (a), when a lateral (± X) force is applied to the leg 12, a recess having the shear strain gauge 34 is attached. As shown in FIG. 21, a relatively large strain deformation (here, a rectangular shape to a diamond shape) is generated, and the shear strain gauge 34 itself is distorted accordingly, and a relatively large output is generated as described above. On the other hand, the concave portion 23 to which the shear strain gauge 35 is attached hardly deforms (deforms from a rectangle to a rhombus) and the output of the shear strain gauge 35 is small.
【００２６】次に、図４（ｃ）と図４（ａ）を比較する
と判るように、縦方向（±Ｚ方向）の力が脚１２に加わ
った場合には、せん断ひずみゲージ３５を取り付けた凹
部２３に図示したような比較的大きな歪み変形（矩形か
らひし形）が発生し、それに伴ってせん断ひずみゲージ
３５自身が歪みを起し、上述した通り比較的大きな出力
が生成される。これに対して、せん断ひずみゲージ３４
を取り付けた凹部２１には形をゆがめるような変形（矩
形からひし形への変形）は殆ど発生せず、せん断ひずみ
ゲージ３４の出力も小さい。Next, as can be seen by comparing FIG. 4 (c) and FIG. 4 (a), when a force in the longitudinal direction (± Z direction) is applied to the leg 12, the shear strain gauge 35 is attached. A relatively large strain deformation (rectangular to rhombic) as shown in the figure is generated in the recess 23, and the shear strain gauge 35 itself is strained accordingly, and a relatively large output is generated as described above. On the other hand, the shear strain gauge 34
The deformation 21 (deformation from a rectangular shape to a rhombus shape) is hardly generated in the recessed portion 21 to which is attached, and the output of the shear strain gauge 34 is small.
【００２７】このように、本型の力センサは凹部２１，
２３、即ちせん断ひずみゲージの取付部分が弾性変形を
することを前提にしている。従って、当然のことなが
ら、センサに過大な力が作用した場合には、せん断ひず
みゲージ３４，３５を取り付けた部分（凹部２１，２
３）にも過大な力が作用し、材料（通常は金属）の変形
が弾性限界を超えてしまうことになる。こうした場合、
力センサに作用する力を解除した後も凹部には永久的な
変形が残存したままとなる。As described above, the force sensor of this type has the concave portion 21,
23, that is, the mounting portion of the shear strain gauge is elastically deformed. Therefore, as a matter of course, when an excessive force is applied to the sensor, the portion where the shear strain gauges 34 and 35 are attached (the recesses 21 and 21) is used.
Excessive force also acts on 3), and the deformation of the material (usually metal) exceeds the elastic limit. In these cases,
Permanent deformation remains in the recess even after the force acting on the force sensor is released.
【００２８】このような変形を起した力センサにはもは
や正常な検出能力はなく、力あるいはモーメントが作用
していなくともあたかも力センサに力が作用しているか
の様な出力を発生するので、実際上使用不可能になる。
また、一旦機構部分に生じた塑性変形を解消することも
困難である。The deformed force sensor no longer has normal detection capability, and even if no force or moment is applied, an output as if a force is applied to the force sensor is generated. It becomes practically unusable.
Further, it is difficult to eliminate the plastic deformation that has once occurred in the mechanical portion.
【００２９】せん断ひずみゲージ３４，３５の取り付け
部分（凹部２１，２３）を堅牢化して高剛性を持たせれ
ば過負荷に対する耐性は向上するが、正常な範囲の負荷
がかかっている時にもせん断ひずみゲージ３４，３５に
歪応力が発生し難くなり、感度に悪影響を及ぼす。ま
た、先に触れた通り、強固なブリッジ１６を設けた場合
も同様である。従って、このような手法では本型の力セ
ンサに適した過負荷防護手段は獲られない。If the mounting portions (recesses 21 and 23) of the shear strain gauges 34 and 35 are made rigid and have high rigidity, the resistance to overload is improved, but the shear strain is applied even when a load in the normal range is applied. Strain stress is less likely to be generated in the gauges 34 and 35, which adversely affects the sensitivity. Further, as mentioned above, the same applies when the strong bridge 16 is provided. Therefore, with such a method, an overload protection means suitable for this type of force sensor cannot be obtained.
【００３０】[0030]
【発明が解決しようとする課題】そこで本発明の目的
は、上記型の６軸力センサに有効性の高い過負荷防護能
力を持たせることにある。更に詳しく言えば、本発明は
過大な負荷が作用した場合に作動する性質の過負荷防護
手段を備えた上記型の６軸力センサを提供することにあ
る。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a six-axis force sensor of the type described above with highly effective overload protection. More particularly, the invention is to provide a six-axis force sensor of the above type with an overload protection means of the nature which operates when an excessive load is applied.
【００３１】[0031]
【課題を解決するための手段】本発明は、過大な負荷の
作用時にＬ字形の脚の機械的剛性を高めるように作動す
る機械的変形ストッパを上記型の６軸力センサに設ける
ことによって上記技術課題を解決したものである。より
詳しく言えば、本発明は、センサ本体機構部に各々変形
可能なＬ字形部分を有する少なくとも３つの脚と前記各
脚の周辺に設けられた開口手段を含み、前記Ｌ字形部分
を与える第１のアームと第２のアームには各々せん断ひ
ずみゲージ取付部が設けられ、前記せん断ひずみゲージ
取付部にせん断ひずみゲージが取り付けられた型の６軸
力センサに、過大負荷が加えられた時のＬ字形の脚の機
械的剛性を過大負荷が加えられていない時の機械的剛性
に比して増大させるための機械的変形ストッパ手段を設
けることを提案する。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a six-axis force sensor of the type set forth above by providing a mechanically deformable stopper which operates to increase the mechanical rigidity of the L-shaped leg when an excessive load is applied. It is a solution to a technical problem. More specifically, the present invention includes at least three legs each having a deformable L-shaped portion in the sensor body mechanism portion, and opening means provided around each leg, the first portion providing the L-shaped portion. The second arm and the second arm are each provided with a shear strain gauge mounting portion, and the shear strain gauge is attached to the shear strain gauge mounting portion in a 6-axis force sensor of the type L when an excessive load is applied. It is proposed to provide mechanical deformation stop means for increasing the mechanical rigidity of the V-shaped leg compared to the mechanical rigidity when not overloaded.
【００３２】本発明の特徴をなす機械的変形ストッパ手
段は、上記型の６軸力センサに作用する負荷が過大でな
い条件下（測定レンジ内）では前述した原理に従ってせ
ん断ひずみゲージの取付部の変形（弾性変形）を妨げな
いが、該部分の変形が塑性変形を起す恐れがある程大き
くなるような負荷が加わった条件下（測定レンジ外）で
は、変形の増大に抵抗し、塑性変形を未然に回避するよ
うに作動する。The mechanical deformation stopper means, which is a feature of the present invention, deforms the mounting portion of the shear strain gauge according to the above-described principle under the condition that the load acting on the 6-axis force sensor of the above type is not excessive (in the measuring range). (Elastic deformation) is not hindered, but under the condition of a load (outside of the measurement range) such that the deformation of the part is large enough to cause plastic deformation, it resists the increase of deformation, and plastic deformation is prevented. Work to avoid.
【００３３】また、本発明は機械的変形ストッパ手段の
具体的形態として、各脚の周辺に設けられた開口手段の
少なくとも一部に形成されたスリット手段を提案する。
このスリット手段は、センサに作用する負荷に応じて変
形し、過大負荷が加えられた時には少なくともその一部
が変形に伴って閉塞され、それによってＬ字形の脚の機
械的剛性を増大させる。The present invention also proposes, as a specific form of the mechanical deformation stopper means, slit means formed in at least a part of the opening means provided around each leg.
The slit means deforms in response to the load acting on the sensor, and at least a part of the slit means is closed due to the deformation when an excessive load is applied, thereby increasing the mechanical rigidity of the L-shaped leg.
【００３４】各脚の周辺に設けられた開口手段の少なく
とも一部に形成されたスリット手段が機械的変形ストッ
パ手段として利用出来る背景には、本型の力センサが前
提としているせん断ひずみゲージの取付部の変形（弾性
変形）にその周辺に存在する開口手段の変形が付随して
いるという事実がある。The reason why the slit means formed in at least a part of the opening means provided around each leg can be used as the mechanical deformation stopper means is that the shear strain gauge, which is premised on this type of force sensor, is mounted. There is the fact that the deformation of the part (elastic deformation) is accompanied by the deformation of the opening means existing around it.
【００３５】即ち、図４（ｂ），（ｃ）に示したよう
に、脚１２に横方向（±Ｘ方向）あるいは縦方向（±Ｚ
方向）の力が加わった場合には、せん断ひずみゲージ３
４，３５の取付部（凹部２１あるいは２３）に開口手段
を構成する開口ＯＰ１〜ＯＰ３にもなんらかの歪み変形
が発生する（ここでは、特に開口ＯＰ２の変形が判り易
く顕著に描かれている）。That is, as shown in FIGS. 4 (b) and 4 (c), the leg 12 is laterally (± X direction) or vertically (± Z).
Direction), shear strain gauge 3
Some distortion and deformation also occurs in the openings OP1 to OP3 forming the opening means in the mounting portions (recesses 21 or 23) of 4, 35 (here, the deformation of the opening OP2 is particularly noticeably and clearly drawn).
【００３６】歪み変形の形態と大きさは、当然、加わる
力の方向性と大きさによって異なるが、一般に開口のあ
る部分においては開口幅を広げるが別の部分では開口幅
を狭めるように起ると考えられる。そして、もし、開口
幅が狭まるように変形した部分で開口の閉塞（対岸同士
の当接）が起ると、それ以上の変形の増大に対する強い
抵抗力が生まれる。換言すれば、開口の閉塞（対岸同士
の当接）は脚１２を含むその周辺部の剛性を急激に増大
させる。The form and magnitude of the strain deformation naturally vary depending on the directionality and magnitude of the applied force, but generally they occur such that the opening width is widened in a portion having an opening but narrowed in another portion. it is conceivable that. If the opening is closed (abutting between opposite banks) at the portion that is deformed so that the opening width is narrowed, a strong resistance to further increase in deformation is generated. In other words, the blockage of the opening (abutment between the opposite banks) rapidly increases the rigidity of the peripheral portion including the leg 12.
【００３７】実際にせん断ひずみゲージの取付部に弾性
変形限界内で発生する変形の大きさは非常に小さいか
ら、それに伴う周辺開口手段の変形も決して大きくな
い。従って、開口の変形による閉塞現象を利用して有効
な機械的変形ストッパ手段を得るためには、開口手段の
少なくとも一部に十分に狭い領域、即ちスリット手段を
設ける必要がある。スリット手段を構成するスリット
（複数個）の幅や形状は、希望する機械的変形ストッパ
機能の作動点（臨界負荷の大きさと方向性）を考慮して
設計的に定められる。Since the magnitude of the deformation actually occurring within the elastic deformation limit in the mounting portion of the shear strain gauge is very small, the deformation of the peripheral opening means accompanying it is not large at all. Therefore, in order to obtain an effective mechanical deformation stopper means by utilizing the blocking phenomenon due to the deformation of the opening, it is necessary to provide a sufficiently narrow region, that is, the slit means, in at least a part of the opening means. The width and shape of the slits (a plurality of slits) forming the slit means are determined by design in consideration of the desired operating point of the mechanical deformation stopper function (size and directionality of critical load).
【００３８】一般に、スリット幅を狭めれば小さな負荷
で機械的変形ストッパ機能が作動し、スリット幅を広げ
れば大きな負荷で機械的変形ストッパ機能が作動する傾
向が生じる。また、いずれの方向の過大負荷に対しても
感応出来る（いずれかの部分で閉塞が起る）ようにスリ
ット手段の形状を屈曲させることは、機械的変形ストッ
パ機能がの作動する臨界負荷の方向依存性を除去する上
で好ましい。機械的変形ストッパ機能を安定して発揮さ
せるために、スリットは十分な長さを持つことが好まし
いことも言うまでもない。Generally, if the slit width is narrowed, the mechanical deformation stopper function will operate with a small load, and if the slit width is widened, the mechanical deformation stopper function will operate with a large load. Further, it is necessary to bend the shape of the slit means so that it can be sensitive to an excessive load in any direction (occlusion at any part) in the direction of the critical load at which the mechanical deformation stopper function operates. It is preferable for removing the dependency. It goes without saying that the slit preferably has a sufficient length in order to stably exhibit the mechanical deformation stopper function.
【００３９】[0039]
【発明の実施の形態】図５は、本発明に従った６軸力セ
ンサの本体機構部の一例（第１の実施形態とも呼ぶ。）
を図３（ａ）と同様の側面図で表わしたものである。な
お、本実施形態における力センサの機構部のボディ全体
の構成は、Ｌ字形の脚の周辺の構造（過負荷防護機構の
関連構成）が異なる点を除いて図２に示したものと同様
であるから、図示の繰り返しを省略した。従って、第１
の実施形態で具体化されている本発明の特徴は、図３
（ａ）と対比することによって容易に理解される。FIG. 5 is an example of a main body mechanism portion of a 6-axis force sensor according to the present invention (also referred to as a first embodiment).
FIG. 3 is a side view similar to FIG. The structure of the entire body of the mechanical portion of the force sensor according to the present embodiment is the same as that shown in FIG. 2 except that the structure around the L-shaped legs (related structure of the overload protection mechanism) is different. Therefore, the illustrated repetition is omitted. Therefore, the first
The features of the present invention embodied in the embodiment of FIG.
It is easily understood by comparing with (a).
【００４０】図５において、符号１１２で全体を指示さ
れた脚は、脚１１２にＬ字形状を与える第１及び第２の
アーム１２０，１２２を含み、両者の境界付近から延び
るブリッジ１１６を介して支持領域１１４に接続される
一方、第２のアーム１２２の基端部で支持領域１１３に
接続されている。In FIG. 5, the leg, generally designated 112, includes first and second arms 120, 122 that give the leg 112 an L-shape, via a bridge 116 extending near the boundary between the two. While being connected to the support region 114, the base end of the second arm 122 is connected to the support region 113.
【００４１】支持領域１１３，１１４を含む一方の高剛
性の構造部１１０は、センサボディの一方のフランジ
（図２におけるフランジＦＬ１参照）に連なり、例えば
ロボットの手首フランジに取り付けられる。一方、支持
領域１５を含む他方の高剛性の構造部１１１は、センサ
ボディの他方のフランジ（図２におけるフランジＦＬ２
参照）に連なり、例えばエンドエフェクタ（ロボットハ
ンドなど）に取り付けられる。One high-rigidity structure portion 110 including the support regions 113 and 114 is connected to one flange of the sensor body (see the flange FL1 in FIG. 2) and is attached to, for example, the wrist flange of the robot. On the other hand, the other high-rigidity structure portion 111 including the support region 15 is provided on the other flange of the sensor body (flange FL2 in FIG. 2).
(Refer to FIG. 3), and is attached to, for example, an end effector (robot hand, etc.).
【００４２】第１のアーム１２０には凹部１２１が設け
られており、その内部にせん断ひずみゲージ１２４が取
り付けられている。同じく、第２のアーム１２２に設け
られた凹部１２３の内部にはせん断ひずみゲージ１２５
が取り付けられている。図５に示されていない他の脚に
ついても同様の態様でせん断ひずみゲージが２個づつ装
備されている。各せん断ひずみゲージ１２４，１２５の
取付部となる凹部１２１，１２３の断面構造は、図３
（ｂ）に示したものと同様である。A recess 121 is provided in the first arm 120, and a shear strain gauge 124 is mounted inside the recess 121. Similarly, the shear strain gauge 125 is provided inside the recess 123 provided in the second arm 122.
Is attached. The other legs not shown in FIG. 5 are also equipped with two shear strain gauges in a similar manner. The cross-sectional structure of the recesses 121 and 123, which are the mounting portions of the shear strain gauges 124 and 125, is shown in FIG.
It is similar to that shown in (b).
【００４３】各Ｌ字形の脚１１２の周辺には、センサボ
ディの一部を切欠くような態様を以て開口手段が形成さ
れている。この開口手段には、本発明の特徴に従って過
負荷防護機構が設けられる。本実施形態では、Ｌ字形の
脚１１２の周辺部に設けられる開口手段として３つの開
口ＯＰ１１〜ＯＰ１３が示されている。Opening means is formed around each L-shaped leg 112 in such a manner that a part of the sensor body is cut out. This opening means is provided with an overload protection mechanism according to a feature of the invention. In this embodiment, three openings OP11 to OP13 are shown as opening means provided in the peripheral portion of the L-shaped leg 112.
【００４４】これらの開口ＯＰ１１〜ＯＰ１３は、前述
の開口ＯＰ１〜ＯＰ３に対応するものであるが、全体が
幅広に形成された開口ＯＰ１〜ＯＰ３とは形態と機能が
異なっている。即ち、開口手段を過大負荷作用時に発動
する機械的変形ストッパ手段として機能させるために、
開口手段に含まれる開口の少なくとも一部に対岸部同士
が接近したスリットが設けられる。These openings OP11 to OP13 correspond to the above-mentioned openings OP1 to OP3, but are different in form and function from the openings OP1 to OP3 which are formed wide overall. That is, in order to cause the opening means to function as a mechanical deformation stopper means that is activated when an excessive load is applied,
At least a part of the opening included in the opening means is provided with a slit whose opposite bank portions are close to each other.
【００４５】本実施形態では、開口ＯＰ１１，ＯＰ１
２，ＯＰ１３に各々スリット２００〜２０５，２０６，
２０７〜２１２が設けられている。開口ＯＰ１１及びＯ
Ｐ１３では、スリットが屈曲部Ｃ１〜Ｃ４及びＣ５〜Ｃ
８を形成するように設けられている。このようにスリッ
トを一方方向にのみ形成せずに、縦横方向（一般には独
立した２方向）に形成することは、過大負荷の防護機能
を安定させる上で好ましい。また、スリットが形成され
る部分をなるべく多くして、高剛性の構造部１１０，１
１１の間の間隔を極力小さくすることも、同様の趣旨で
好ましいことである。In this embodiment, the openings OP11, OP1.
2, OP13 slits 200-205, 206,
207 to 212 are provided. Openings OP11 and O
At P13, the slits are bent portions C1 to C4 and C5 to C5.
8 are provided. It is preferable to form the slits in the vertical and horizontal directions (generally, two independent directions) instead of forming the slits only in one direction in order to stabilize the protection function against an excessive load. Further, the number of portions where the slits are formed is increased as much as possible so that the high-rigidity structure portions 110, 1
It is also preferable to make the distance between 11 as small as possible for the same reason.
【００４６】このような構造を有する力センサの力ある
いはモーメントの検出原理自体は、図３、図４等を参照
して説明したものと同様である。力の方向を記述する座
標系として、図示した通り、図３（ａ）と同じものを使
用すると、先ず力±Ｆz が支持領域１１５を通してＬ字
形の脚１１２に作用すると、脚１１２は堅い支持領域１
１３により支えられているため、凹部１２３に±Ｚ方向
の剪断力が作用する。その結果、せん断ひずみゲージ１
３５が比較的大きな出力信号を生ずる。The principle of detecting the force or moment of the force sensor having such a structure is the same as that described with reference to FIGS. 3 and 4. As shown in FIG. 3A, the coordinate system describing the direction of the force is the same as that shown in FIG. 3A. When the force ± Fz first acts on the L-shaped leg 112 through the support region 115, the leg 112 becomes a rigid support region. 1
Since it is supported by 13, the shear force in the ± Z direction acts on the recess 123. As a result, shear strain gauge 1
35 produces a relatively large output signal.
【００４７】一方、±Ｚ方向の力は凹部１２１に対して
は圧縮力あるいは引張り力として作用するから、せん断
ひずみゲージ１３４からは比較的小さな出力しか生じな
い。即ち、±Ｚ方向の力が脚１１２に作用すると、せん
断ひずみゲージ１３４からは相対的に小さな出力が得ら
れ、せん断ひずみゲージ１３５からは相対的に大きな出
力が得られることになる。On the other hand, the force in the ± Z direction acts on the recess 121 as a compressive force or a tensile force, so that a relatively small output is produced from the shear strain gauge 134. That is, when a force in the ± Z direction acts on the leg 112, a relatively small output is obtained from the shear strain gauge 134 and a relatively large output is obtained from the shear strain gauge 135.
【００４８】これに対してＸ方向に力±Ｆx が支持領域
１１５を通して脚１１２に加えられると、Ｌ字形の脚１
１２は堅い支持領域１１３に支えられているため、凹部
１２１に±Ｘ方向の剪断力を生じさせ、歪みゲージ１３
４に比較的大きな出力を発生する。しかし、同じ力は凹
部１２３に対しては圧縮力あるいは引張り力ととして作
用するので、歪みゲージ１３５から発生する出力は小さ
い。この様に、±Ｘ方向を以て脚１１２に作用する力
は、せん断ひずみゲージ１３４から比較的大きい出力を
発生させ、せん断ひずみゲージ１３５からは比較的小さ
い出力を発生させる。On the other hand, when a force ± Fx is applied to the leg 112 through the support region 115 in the X direction, the L-shaped leg 1
Since 12 is supported by the rigid support region 113, a shear force in the ± X direction is generated in the recess 121, and the strain gauge 13
4 produces a relatively large output. However, since the same force acts as a compressive force or a tensile force on the recess 123, the output generated from the strain gauge 135 is small. In this way, the force acting on the leg 112 in the ± X directions causes the shear strain gauge 134 to generate a relatively large output, and the shear strain gauge 135 to generate a relatively small output.
【００４９】±Ｘ方向成分と±Ｚ方向成分の両方を含む
一般の力が作用した場合は、上記の現象が重なって同時
に起るが、せん断ひずみゲージ１３４，１３５の±Ｘ方
向成分と±Ｚ方向成分の力に対する感度の差を利用し
て、せん断ひずみゲージ１３４，１３５の出力に所定の
演算に相当する処理を施すことによって±Ｘ方向成分と
±Ｚ方向成分を分離して検出することが出来る。When a general force including both the ± X direction component and the ± Z direction component is applied, the above phenomena occur at the same time, but the ± X direction component and ± Z of the shear strain gauges 134 and 135 occur. The ± X direction component and the ± Z direction component can be separately detected by performing a process corresponding to a predetermined calculation on the outputs of the shear strain gauges 134 and 135 by utilizing the difference in the sensitivity of the direction component to the force. I can.
【００５０】さて、既に述べた通り、本型の力センサに
負荷が作用すると、Ｌ字形の脚の周辺の開口のある部分
では開口幅を広げる変形が生じるが、別の部分では開口
幅を狭めるような変形が生じる。従って、本実施形態の
ように開口ＯＰ１１〜ＯＰ１３にスリット２００〜２１
２が形成されている場合、力センサにある臨界を越えた
過大な負荷が作用するとスリット２００〜２１２の一部
がＬ字形の脚１１２の弾性変形が原因で閉塞し、構造的
には高剛性の構造部１１０と１１１と一体化された状態
が生じる。As described above, when a load acts on the force sensor of this type, the opening width is deformed to widen at a portion with an opening around the L-shaped leg, but narrows at another portion. Such deformation occurs. Therefore, as in this embodiment, the slits 200 to 21 are formed in the openings OP11 to OP13.
2 is formed, a part of the slits 200 to 212 is closed due to the elastic deformation of the L-shaped leg 112 when an excessive load exceeding a certain limit acts on the force sensor, and thus the structure has high rigidity. The structure parts 110 and 111 are integrated with each other.
【００５１】これにより、それ以上の過大な負荷が力セ
ンサに作用しても、Ｌ字形の脚１１２における内部応力
は殆ど増大しなくなる。即ち、力センサに過大な負荷が
作用するまでは、力センサ全体の剛性はＬ字形の脚１１
２に依存して低く保たれるが、スリット２００〜２１２
の一部が塞がった後は、力センサ全体の剛性は飛躍的に
増大した状態に転移する。別の言い方をすれば、測定レ
ンジ内では力センサは感度を維持する一方、測定レンジ
外では感度を失う代わりに過大な負荷に対する防護機能
が有効に発揮される。As a result, even if an excessively large load acts on the force sensor, the internal stress in the L-shaped leg 112 hardly increases. That is, the rigidity of the force sensor as a whole is L-shaped until the excessive load acts on the force sensor.
It is kept low depending on 2, but slits 200-212
After a part of the force sensor is closed, the rigidity of the entire force sensor changes to a state in which it is dramatically increased. In other words, the force sensor maintains the sensitivity within the measurement range, while the force sensor is effectively protected outside the measurement range at the same time as losing the sensitivity.
【００５２】ここで、過大な負荷によって起るスリット
２００〜２１３の閉塞について、図５を参照してより具
体的に説明しておく。先ず過大な力Ｆz が領域１１５を
通してＬ字形の脚１１２に作用すると、スリット２０
０，２０６，２０７が閉塞してＬ字形の脚１１２の変形
の進行を差し止める。逆に下向きの−Ｆz が作用する
と、スリット２０２，２０９が閉塞して同様の効果が得
られる。Here, the blockage of the slits 200 to 213 caused by an excessive load will be described more specifically with reference to FIG. First, when an excessive force Fz is applied to the L-shaped leg 112 through the region 115, the slit 20
0, 206 and 207 are closed to prevent the deformation of the L-shaped leg 112 from progressing. Conversely, when downward -Fz acts, the slits 202 and 209 are closed and the same effect is obtained.
【００５３】また過大なＦx が領域１１５を通してＬ字
形の脚１１２に作用すると、スリット２０８，２１０が
閉塞し、Ｌ字形の脚１１２の変形の進行を差し止める。
逆に−Ｆx が作用すると、スリット２０１，２０３が閉
塞して同様の効果が得られる。When excessive Fx acts on the L-shaped leg 112 through the region 115, the slits 208 and 210 are closed and the progress of deformation of the L-shaped leg 112 is stopped.
Conversely, when -Fx acts, the slits 201 and 203 are closed and the same effect is obtained.
【００５４】次に、図６は本発明の別の実施形態（第２
の実施形態とも呼ぶ。）に係る６軸力センサの本体機構
部を図５とほぼ同様の側面図で表わしたものである。但
し、過負荷防護のために設けられたスリットについて
は、スリット幅の狭さを考慮して線分で表示した。ま
た、力センサの機構部のボディ全体の構成につては、第
１の実施形態の場合と同様、Ｌ字形の脚の周辺の構造
（過負荷防護機構の関連構成）が異なる点を除いて図２
に示したものと同様であるから、図示の繰り返しを省略
した。Next, FIG. 6 shows another embodiment (second embodiment) of the present invention.
Of the embodiment. 6) is a side view of the main body mechanism portion of the 6-axis force sensor according to FIG. However, the slits provided for overload protection are shown as line segments in consideration of the narrow slit width. Further, the structure of the entire body of the mechanism portion of the force sensor is the same as that of the first embodiment except that the structure around the L-shaped leg (related structure of the overload protection mechanism) is different. Two
Since it is similar to that shown in FIG.
【００５５】図中上下位置を占める高剛性の肉厚の構造
部３１０及び３１１は、図５に示した第１実施形態に示
した高剛性の構造部１１０及び１１１に対応する部分で
あり、各々センサボディの一方及び他方のフランジ（図
２におけるフランジＦＬ１及びＦＬ２）に連なってい
る。High-rigidity thick structural portions 310 and 311 occupying the upper and lower positions in the figure are portions corresponding to the high-rigidity structural portions 110 and 111 shown in the first embodiment shown in FIG. 5, respectively. It is connected to one and the other flanges (flange FL1 and FL2 in FIG. 2) of the sensor body.
【００５６】本実施形態における脚３１２は、構造部３
１０に含まれる支持領域３１３，３１４の段差部３１３
ａ，３１４ａ及び構造部３１１に含まれる支持領域３１
５の段差部３１５ａを介して各支持領域３１３〜３１５
に接続されたＬ字形のやや肉薄の構造部として与えられ
ている。第１実施形態の場合と同様に、脚３１２の２つ
のアームを構成する部分には凹部３０３及び３０４が設
けられ、その底部にせん断ひずみゲージ（図示省略）が
取り付けられている。The leg 312 in this embodiment has the structure portion 3
Step portions 313 of the support regions 313 and 314 included in
a, 314a and the support region 31 included in the structure portion 311
Each of the support regions 313 to 315 via the stepped portion 315a of No. 5
It is provided as an L-shaped slightly thin structure connected to the. Similar to the case of the first embodiment, recesses 303 and 304 are provided in the portions of the leg 312 that form the two arms, and a shear strain gauge (not shown) is attached to the bottoms thereof.
【００５７】Ｌ字形の脚３１２の周辺の開口手段は周知
のワイヤカット放電加工技術を用いて形成されており、
加工開始／終了孔に相当する丸孔あるいは長孔Ｑ１〜Ｑ
６とそれらと接続するスリット手段３００，３０１，３
０２で構成されている。スリットＰ１→Ｐ２（孔Ｑ１）
とＰ３（孔Ｑ１）→Ｐ４（孔Ｑ２）を含むスリット手段
３００は、第１実施形態（図５）におけるスリット２０
０〜２０５に相当している。The opening means around the L-shaped leg 312 is formed by using the well-known wire cut electric discharge machining technique,
Round holes or long holes Q1 to Q corresponding to machining start / end holes
6 and slit means 300, 301, 3 connected to them
It is composed of 02. Slit P1 → P2 (hole Q1)
The slit means 300 including P3 (hole Q1) and P4 (hole Q2) is the slit 20 in the first embodiment (FIG. 5).
It corresponds to 0 to 205.
【００５８】同様に、スリットＰ５（孔Ｑ３）→Ｐ６
（孔Ｑ４）を含むスリット手段３０１は第１実施形態
（図５）におけるスリット２０６に相当し、スリットＰ
７→Ｐ８（孔Ｑ５）とＰ９（孔Ｑ５）→Ｐ１０（孔Ｑ
６）を含むスリット手段３０２は、第１実施形態（図
５）におけるスリット２０７〜２１２に相当している。
各スリットのスリット幅（ギャップ）は、Ｌ字形の脚の
剛性や形状に応じて、適当な力のしきい値を越えた時に
スリットが閉塞するように設計的に定められている。Similarly, the slit P5 (hole Q3) → P6
The slit means 301 including the (hole Q4) corresponds to the slit 206 in the first embodiment (FIG. 5), and the slit P
7 → P8 (hole Q5) and P9 (hole Q5) → P10 (hole Q)
The slit means 302 including 6) corresponds to the slits 207 to 212 in the first embodiment (FIG. 5).
The slit width (gap) of each slit is designed in accordance with the rigidity and shape of the L-shaped leg so that the slit is closed when the threshold value of an appropriate force is exceeded.
【００５９】本実施形態の力センサによる力あるいはモ
ーメントの検出原理は、第１実施形態の力センサと同様
であるから、繰り返し説明は省略する。また、スリット
手段３００，３０１，３０２は、第１実施形態における
スリット２００〜２１２と同様の作用により、過負荷作
用時の機械的ストッパ手段として機能する。The force or moment detection principle of the force sensor of the present embodiment is the same as that of the force sensor of the first embodiment, so repeated description is omitted. Further, the slit means 300, 301, 302 function as a mechanical stopper means at the time of overload by the same action as the slits 200 to 212 in the first embodiment.
【００６０】即ち、本実施形態の力センサに上記しきい
値に相当する臨界を越えた過大な負荷が作用すると、Ｌ
字形の脚３１２の弾性変形に伴ってスリットＰ１→Ｐ
２，Ｐ３→Ｐ４・・・のいずれかの部分で閉塞が起こ
り、構造的に高剛性の構造部３１０あるいは３１１と一
体化された状態となる。これにより、それ以上の過大な
負荷が力センサに作用しても、Ｌ字形の脚３１２におけ
る内部応力の増大は抑止される。このようにして、上記
しきい値以下の負荷（測定レンジ内の負荷）の作用時に
は力センサの感度は維持され、上記しきい値を越える負
荷（測定レンジを越える負荷）の作用時には感度を失う
代わりに過大な負荷に対する防護機能が有効に発揮され
る。That is, when an excessive load exceeding the critical value corresponding to the above threshold acts on the force sensor of this embodiment, L
With the elastic deformation of the leg 312, the slits P1 → P
Blocking occurs at any part of 2, P3 → P4 ..., and the structure is integrated with the structural portion 310 or 311 having structurally high rigidity. As a result, even if an excessively large load acts on the force sensor, an increase in internal stress in the L-shaped leg 312 is suppressed. In this way, the sensitivity of the force sensor is maintained when a load below the threshold value (load within the measurement range) is applied, and the sensitivity is lost when a load exceeding the threshold value (load above the measurement range) is applied. Instead, the protection function against excessive load is effectively exerted.
【００６１】なお、各実施形態の力センサにおける各せ
ん断ひずみゲージからの電気信号を処理する手法に関し
ては、様々な形態を採用することが可能である。そし
て、本発明は、純粋に機械的なストッパ機構を過負荷作
用時に作動させるものであり、特に信号処理回路との関
連を持たないので、せん断ひずみゲージからの電気信号
の処理に関する詳しい記述はここでは行なわない。Various forms can be adopted for the method of processing the electric signal from each shear strain gauge in the force sensor of each embodiment. And, since the present invention operates a purely mechanical stopper mechanism at the time of overload action and has no particular relation to a signal processing circuit, a detailed description regarding processing of an electric signal from a shear strain gauge is here. I will not do it.
【００６２】[0062]
【発明の効果】本発明によれば、せん断ひずみゲージを
装備したＬ字形の脚の剛性を過大な負荷の作用時に限定
して高めることを通して６軸力センサが過負荷に対して
防護されるので、通常の測定に悪影響を及さずに耐過負
荷特性を向上させることが出来る。According to the present invention, the 6-axis force sensor is protected against overload by increasing the rigidity of the L-shaped leg equipped with the shear strain gauge only when the load is excessively applied. The overload resistance can be improved without adversely affecting the normal measurement.
【図１】６軸力センサに装備される典型的なせん断ひず
みゲージの基本構造を説明する平面図である。FIG. 1 is a plan view illustrating a basic structure of a typical shear strain gauge installed in a 6-axis force sensor.
【図２】図１に示した構造のせん断ひずみゲージを所要
数装備した力センサ本体機構部の概略構造を例示した見
取図である。FIG. 2 is a sketch drawing exemplifying a schematic structure of a force sensor main body mechanism section equipped with a required number of shear strain gauges having the structure shown in FIG.
【図３】（ａ）は図２に示した力センサの一つの脚とそ
の周辺部分の構造を拡大描示した図であり、（ｂ）は
（ａ）のラインＡ−Ａ’に沿った断面図である。3A is an enlarged view showing the structure of one leg of the force sensor shown in FIG. 2 and its peripheral portion, and FIG. 3B is a view taken along line AA ′ in FIG. FIG.
【図４】（ａ）は図３に示したと同様の構造を簡略化し
て示した図であり、（ｂ）及び（ｃ）は各々この構造に
±Ｘ方向の剪断力が作用した場合の変形状態と±Ｚ方向
の剪断力が作用した場合の変形状態を説明する図であ
る。4 (a) is a simplified view of a structure similar to that shown in FIG. 3, and FIGS. 4 (b) and 4 (c) are deformations when a shearing force in the ± X direction acts on this structure. It is a figure explaining the state and the deformation state when the shearing force of +/- Z direction acts.
【図５】本発明の第１の実施形態に従った６軸力センサ
の本体機構部を図３（ａ）と同様の側面図で表わしたも
のである。FIG. 5 is a side view similar to FIG. 3A showing a main body mechanism portion of the 6-axis force sensor according to the first embodiment of the present invention.
【図６】本発明の第２の実施形態に従った６軸力センサ
の本体機構部を図３（ａ）あるいは図５と同様の側面図
で表わしたものである。FIG. 6 is a side view similar to FIG. 3 (a) or FIG. 5 showing a main body mechanism portion of a 6-axis force sensor according to a second embodiment of the present invention.
１ ベース ２ 歪みゲージ要素 ３ 幹部 ４，５ 櫛形要素 ６ 幹部の軸方向 ７，８ 剪断力の作用方向 Ｇ せん断ひずみゲージ １０，１１，１１０，１１１ 高剛性の構造部 １２，１１２，２１２，３１２ 脚 １３，１４，１５，１１３，１１４，３１３，３１４，
３１５ 支持領域 １６，１１６ ブリッジ ２０，１２０ 第１のアーム ２１，２３，１２１，１２３ 凹部 ２２，１２２ 第２のアーム ３４，３５，１２４，１２５ せん断ひずみゲージ ４０，４１ 凹部の側壁部 ４２ 凹部の底面 ２００〜２１２ スリット ３１３ａ，３１４ａ，３１５ａ 支持領域３１３〜３１
５の段差部 ３００，３０１，３０２ スリット手段 ＦＬ１，ＦＬ２ フランジ ＯＰ，ＯＰ１〜ＯＰ３，ＯＰ１１〜ＯＰ１３ 開口（開
口手段） Ｐ１→Ｐ２，Ｐ３→Ｐ４，・・・Ｐ９→Ｐ１０ スリッ
ト Ｑ１〜Ｑ６ 孔 ＳＢ センサボディ ＳＳ 機構部1 Base 2 Strain gauge element 3 Trunk 4,5 Comb element 6 Axial direction of trunk 7,8 Direction of action of shear force G Shear strain gauge 10, 11, 110, 111 High rigidity structure 12, 112, 212, 312 Leg 13, 14, 15, 113, 114, 313, 314
315 Support area 16,116 Bridge 20,120 First arm 21,23,121,123 Recess 22,122 Second arm 34,35,124,125 Shear strain gauge 40,41 Side wall 42 of recess 42 Bottom of recess 200-212 Slits 313a, 314a, 315a Support regions 313-31
5, stepped portion 300, 301, 302 slit means FL1, FL2 flange OP, OP1 to OP3, OP11 to OP13 opening (opening means) P1 → P2, P3 → P4, ... P9 → P10 slit Q1 to Q6 hole SB sensor Body SS mechanism
Claims (4)
形部分を有する少なくとも３つの脚と前記各脚の周辺に
設けられた開口手段を備え、前記Ｌ字形部分を与える第
１のアームと第２のアームには各々せん断ひずみゲージ
取付部が設けられており、前記せん断ひずみゲージ取付
部にせん断ひずみゲージが取り付けられている６軸力セ
ンサにおいて、 過大負荷が加えられた時のＬ字形の脚の機械的剛性を過
大負荷が加えられていない時の機械的剛性に比して増大
させるための機械的変形ストッパ手段を備えている前記
６軸力センサ。1. A first arm and a first arm for providing the L-shaped portion, the sensor main body mechanism portion having at least three legs each having a deformable L-shaped portion and opening means provided around the respective legs. A shear strain gauge mounting portion is provided on each of the two arms, and in the 6-axis force sensor in which the shear strain gauge is attached to the shear strain gauge mounting portion, an L-shaped leg when an excessive load is applied. The 6-axis force sensor described above, further comprising a mechanical deformation stopper means for increasing the mechanical rigidity of the mechanical rigidity as compared with the mechanical rigidity when an excessive load is not applied.
手段の少なくとも一部に形成されたスリット手段であ
り、前記スリット手段はその少なくとも一部が過大負荷
が加えられた時に閉塞して前記Ｌ字形の脚の機械的剛性
を増大させる、請求項１に記載された６軸力センサ。2. The mechanical deformation stopper means is a slit means formed in at least a part of the opening means, and the slit means is at least partially closed when an excessive load is applied to the L-shape. A six-axis force sensor according to claim 1, which increases the mechanical rigidity of the leg of the.
手段の少なくとも一部に形成されるとともに屈曲部を有
しているスリット手段であり、前記スリット手段はその
少なくとも一部が過大負荷が加えられた時に閉塞して前
記Ｌ字形の脚の機械的剛性を増大させる、請求項１に記
載された６軸力センサ。3. The mechanical deformation stopper means is slit means formed in at least a part of the opening means and having a bent portion, and at least a part of the slit means is overloaded. The 6-axis force sensor of claim 1, wherein the 6-axis force sensor is occluded when increased to increase mechanical rigidity of the L-shaped leg.
第１のアーム及び前記第２のアームに各々設けられた凹
部である、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載さ
れた６軸力センサ。4. The shear strain gauge mounting portion is a concave portion provided in each of the first arm and the second arm, and the shear strain gauge mounting portion is provided in any one of claims 1 to 3. Axial force sensor.
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