WO2020158168A1 - 弾性体とそれを用いた力覚センサ - Google Patents

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WO2020158168A1
WO2020158168A1 PCT/JP2019/047067 JP2019047067W WO2020158168A1 WO 2020158168 A1 WO2020158168 A1 WO 2020158168A1 JP 2019047067 W JP2019047067 W JP 2019047067W WO 2020158168 A1 WO2020158168 A1 WO 2020158168A1
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WO
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elastic
elastic portion
relay
strain
elastic body
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PCT/JP2019/047067
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English (en)
French (fr)
Inventor
嵩幸 遠藤
鈴木 隆史
Original Assignee
日本電産コパル電子株式会社
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/02Sensing devices
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force

Definitions

  • the embodiment of the present invention relates to an elastic body used in, for example, a robot arm and a force sensor using the elastic body.
  • the force sensor is used, for example, in a robot arm or the like, and detects force (Fx, Fy, Fz) and moment (Mx, My, Mz) with respect to three orthogonal axes (x, y, z) (for example, patents). Reference 1).
  • the force sensor includes an elastic body that can be deformed in 6 axis directions, for example, 3 axis directions and 3 axis directions, and a plurality of strain sensors are provided on this elastic body.
  • Each strain sensor is provided with a plurality of strain gauges on the strain generating body. Further, the force sensor is provided with a stopper in order to protect the elastic body and the strain generating body from an external force.
  • the stopper structure is required to have a high processing accuracy, and the stopper can be realized. It will be difficult.
  • the embodiment of the present invention provides an elastic body capable of obtaining a sufficient sensor output and improving the measurement accuracy, and a force sensor using the elastic body.
  • the elastic body of the present embodiment is connected to a first structure including a plurality of first elastic portions that can be deformed in six axial directions, a second elastic portion that can be deformed in the six axial directions, and the second elastic portion.
  • a plurality of second structures each having a relay part formed therein, and a plurality of third structures provided between each of the relay parts of the second structure and each of the first elastic parts.
  • the first structure body, the second structure body, the third structure body, the relay portion, the first elastic portion, and the second elastic portion are composed of one metal plate, and the second The structure, the third structure, the relay portion, the first elastic portion, and the second elastic portion are the bent metal plate.
  • the force sensor of the present embodiment includes a first structure to which a plurality of first elastic portions that can be deformed in six axial directions are connected, a second elastic portion that can be deformed in the six axial directions, and the second elastic portion.
  • a plurality of second structures each having a relay part connected to the part, and a plurality of third structures provided between each of the relay parts of the second structure and each of the first elastic parts.
  • a plurality of strain sensors provided between the relays of the first structure and the second structure, respectively, the first structure, the second structure, the second
  • the three structures, the relay part, the first elastic part, and the second elastic part are configured by one metal plate, and the second structure, the third structure, the relay part, and the first structure.
  • the elastic part and the second elastic part are the bent metal plates.
  • the perspective view which shows the state which assembled a part of force sensor shown in FIG. FIG. 3 is a perspective view showing a state in which a part of the force sensor shown in FIG. 2 is further assembled.
  • the side sectional view which shows an example of the modification of the elastic body concerning this embodiment, and shows a part of it.
  • FIG. 8A The perspective view which shows the example of the deformation
  • the side sectional view showing an example of deformation of the elastic body as a reference example and showing a part thereof.
  • the perspective view which shows the example of a deformation
  • the top view which shows an example of a strain sensor.
  • the configuration of the force sensor 10 according to this embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 6.
  • the force sensor 10 is used, for example, in a robot arm or the like, and has forces in the X, Y, and Z axis directions (Fx, Fy, Fz) and torques around the X, Y, Z axes (moments: Mx, My, Mz). To detect.
  • the force sensor 10 includes a cylindrical main body 11 and a cylindrical cover 12 that covers the main body 11. Inside the cover 12, a mounting plate 13 as a movable body operable with respect to the main body 11 is provided, and the mounting plate 13 is fixed to the cover 12 by a plurality of screws 14. The cover 12 and the mounting plate 13 are operably provided to the main body 11.
  • the main body 11 is fixed to, for example, the main body of a robot arm (not shown).
  • the mounting plate 13 is fixed to, for example, the hand portion of the robot arm.
  • a ring-shaped seal member 15 is provided between the main body 11 and the cover 12.
  • the seal member 15 is made of an elastic material such as rubber or a foamed member, seals a gap between the main body 11 and the cover 12, and allows the cover 12 to operate with respect to the main body 11.
  • an elastic body 16 is provided between the main body 11 and the mounting plate 13.
  • the elastic body 16 is formed by bending, for example, one sheet of metal, and includes one first structure body 16-1, a plurality of second structure bodies 16-2, and a first structure body 16. -1 and the plurality of third structures 16-3 and the like provided between the second structure 16-2 and the second structure 16-2.
  • the plurality of second structures 16-2 are arranged at equal intervals around the first structure 16-1.
  • the elastic body 16 includes, for example, three second structure bodies 16-2.
  • the number of the second structures 16-2 is not limited to three and may be three or more. Further, when the present embodiment is applied to, for example, a torque sensor other than the force sensor, the number of the second structures 16-2 may be two.
  • the six first elastic portions 16-4 are provided around the first structure 16-1.
  • the first elastic portion 16-4 is continuous with the third structure body 16-3 and is arranged around the first structure body 16-1.
  • Each of the second structures 16-2 has two substantially U-shaped second elastic portions 16-5 and two second elastic portions 16-5 between the two second elastic portions 16-5. It is equipped with a straight line connecting portion 16-6.
  • the third structure 16-3 has one end connected to the first elastic portion 16-4 and the other end connected to the relay portion 16-6.
  • the two third structure bodies 16-3 provided between the first structure body 16-1 and one second structure body 16-2 are arranged in parallel with each other.
  • the second structure 16-2 is fixed to the main body 11 by a plurality of screws 17, and the first structure 16-1 is fixed to the mounting plate 13 by a plurality of screws 18 as shown in FIGS. 2 and 4. It
  • the strain sensor 19 is provided between the first structure 16-1 and the relay section 16-6.
  • the one end of the strain sensor 19 has a first structure between the two first elastic portions 16-4 by the fixing plate 20 and the screw 21 inserted into the back surface of the first elastic portion 16-4. It is fixed to 16-1 and the other end of the strain sensor 19 is fixed to the central part of the relay section 16-6 by a fixing plate 22 and a screw 23 inserted into the back surface of the relay section 16-6.
  • the strain sensor 19 has a plurality of strain gauges arranged on the surface of a metallic strain element.
  • the third structure 16-3, the first elastic portion 16-4, the second elastic portion 16-5, and the relay portion 16-6 are deformed. To do. Along with this, the strain element of the strain sensor 19 is deformed, and an electrical signal is output from the strain gauge.
  • each strain gauge of each strain sensor 19 constitutes a bridge circuit, and by the bridge circuit, forces in the X, Y, and Z axis directions (Fx, Fy, Fz), and the X, Y, and Z axis rotations. Torque (moment: Mx, My, Mz) is detected.
  • the main body 11 is provided with a plurality of stoppers 30 that protect the elastic body 16 from external force.
  • Each stopper 30 is composed of a cylindrical stopper member 31, a screw 32 as a fixing member, and a plurality of openings 13 a provided in the mounting plate 13.
  • the present embodiment shows a case where three stoppers 30 are provided.
  • the number of stoppers 30 is not limited to three and may be three or more.
  • the three stoppers 30 are arranged between the three second structures 16-2, respectively.
  • three protrusions 11a are provided at positions corresponding to each other between the three second structures 16-2.
  • the stopper member 31 is fixed to the protrusion 11 a of the main body 11 with the screw 32 while being inserted into the opening 13 a of the mounting plate 13.
  • the outer diameter of the stopper member 31 is set to be slightly smaller than the inner diameter of the opening 13a as described later.
  • a printed board 41 As shown in FIG. 5, a printed board 41, a plurality of flexible printed boards 42, a back cover 43, a lead wire assembly 44, and a hollow tube 45 are provided on the back surface of the main body 11.
  • the printed circuit board 41 includes a processing circuit (not shown) that supplies power to the bridge circuit and processes an output signal of the bridge circuit.
  • one end of the plurality of flexible printed boards 42 is arranged on the upper surface side of the main body 11 and connected to each strain sensor 19.
  • the other ends of the flexible printed boards 42 are connected to a processing circuit or the like on the back surface of the printed board 41.
  • the plurality of flexible printed boards 42 supply power to the strain gauges and supply signals from the strain gauges to the processing circuit.
  • the lead wire assembly 44 is connected to the printed board 41, supplies power to the processing circuit, and transmits a signal from the processing circuit.
  • the back cover 43 is fixed to the main body 11 with a plurality of screws and covers the printed board 41.
  • the main body 11, the cover 12, the mounting plate 13, the first structure 16-1 of the elastic body 16, the printed board 41, and the back cover 43 are provided at their central portions with openings so as to communicate with each other. 45 is provided in this opening.
  • one end of the hollow tube 45 penetrates the back cover 43, the printed board 41, and the first structure 16-1 and is projected onto the surface of the first structure 16-1.
  • a ring-shaped seal member 26 is provided at one end of the hollow tube 45 protruding from the surface of the first structure 16-1.
  • the sealing member 26 is made of, for example, rubber or foam material, and seals a gap between the opening of the mounting plate 13 and one end of the hollow tube 25. This prevents dust from entering the inside of the mounting plate 13 from the outside of the cover 12.
  • FIG. 6 shows the elastic body 16 according to the present embodiment.
  • the elastic body 16 is formed by bending a piece of metal.
  • the elastic body 16 includes one first structure body 16-1, three second structure bodies 16-2, six third structure bodies 16-3, and a first structure body provided on each of the third structure bodies 16-3. Between the elastic portion 16-4, the two second elastic portions 16-5 provided in each second structure 16-2, the two second elastic portions 16-5, and the two third structural bodies 16-3. And a beam portion 16-7 connecting the first structure 16-1 and the relay portion 16-6.
  • First structure 16-1, second structure 16-2, third structure 16-3, first elastic part 16-4, second elastic part 16-5, relay part 16-6, and beam part 16 -7 is formed, for example, by punching from a single metal plate.
  • the relay section 16-6 is connected to the first structure 16-1 by the beam section 16-7.
  • a second elastic portion 16-5 and a second structure 16-2 are continuously formed on both sides of the relay portion 16-6, and a third structure 16-3 and a first elastic portion 16-4 are further formed. It is formed continuously.
  • the first elastic portion 16-4 is provided at one end portion (tip portion) in the length direction of the third structure 16-3 and in a direction intersecting the length direction (width direction).
  • the width of the second structure 16-2, the third structure 16-3, and the second elastic portion 16-5 is W, and the width W1 of the first elastic portion 16-4 is smaller than the width W.
  • the width of the relay portion is set to about 2W.
  • the thickness T of the metal plate (shown in FIG. 6), the width W1 of the first elastic portion 16-4, the width W of the second elastic portion 16-5, the third structure 16-3, and the like, and the relay portion 16-6
  • the relationship of the width 2W can be changed as needed.
  • the width of the beam portion 16-7 is equal to the thickness T of the metal plate, and the beam portion 16-7 has a square cross section. Therefore, the ease of deformation in each axial direction is made equal.
  • the beam portion 16-7 is used to connect the first structure 16-1 and the relay portion 16-6. However, if the structure is such that the first structure 16-1 is connected to the third structure 16-3 or the first elastic portion 16-4, the beam portion 16-7 can be omitted.
  • the elastic body 16 shown in FIG. 6 is formed by bending a plurality of bent portions B shown by broken lines of a metal plate punched as shown in A. After bending each part of the metal plate, the tip of the first elastic part 16-4 is fixed to the first structure 16-1 by, for example, a screw.
  • the fixing method of the first elastic portion 16-4 is not limited to this, and the tip end portion of the first elastic portion 16-4 may be welded to the first structure 16-1 or may be adhered using an adhesive material. Is also possible.
  • the first elastic portion 16-4 is curved with respect to the third structure 16-3 and has a width W1 narrower than the width W of the third structure 16-3 and the like as described later. Therefore, the first elastic portion 16-4 has a bending or torsional rigidity equal to or less than the rigidity of the second elastic portion 16-5.
  • the second elastic portion 16-5 is bent into a substantially U shape and has a lower bending or torsional rigidity than the second structure 16-2.
  • the strain sensor 19 is provided between the first structure body 16-1 located between the two first elastic portions 16-4 and the central portion of the relay portion 16-6. Further, the strain sensor 19 is located between the two third structures 16-3 and arranged in parallel with the two third structures 16-3.
  • the thickness of the first elastic portion 16-4, the second elastic portion 16-5, the relay portion 16-6, the first structural body 16-1, the second structural body 16-2, and the third structural body 16-3 is It is equal to the thickness T of the metal plate.
  • the second elastic portion 16-5 is flexible as the lengths L1 and L2 of the U-shaped portion are long and the thickness T of the metal plate is thin, and the first elastic portion 16-4 and the relay portion 16-6 are flexible. Also, the thinner the thickness T of the metal plate and/or the narrower the width, the more flexible it is.
  • the thickness of the flexure element 19a that constitutes the strain sensor 19 is as follows: the first structure body 16-1, the second structure body 16-2, the third structure body 16-3, the first elastic portion 16-4, and the second elastic portion.
  • the thickness of the flexure element 19a is smaller than the thickness of 16-5 and the relay section 16-6, and the width of the flexure element 19a is the third structure 16-3, the first elastic section 16-4, the second elastic section 16-5, and the relay section. Wider than the thickness T of 16-6.
  • the flexure element 19a has a thin rectangular shape and a large flat aspect ratio. Therefore, when the flexure element 19a is a single body, the flexure element 19a has a small displacement with respect to the force in the Fx and Fy directions and the moment in the Mz direction due to the difference in the second moment of area, and the moment in the Mx and My directions. And has a characteristic that the displacement is large with respect to the force in the Fz direction.
  • the elastic body 16 increases the displacement amount in the direction parallel to the XY plane (plane including the X axis and the Y axis), and the flexure element 19a is slightly displaced. Regardless, the sensor body can realize a large displacement amount.
  • the rigidity of the flexure element 19a in the Z-axis direction is far smaller than the rigidity of the elastic body 16 in the Z-axis direction. Therefore, the rated load related to the bending of the force sensor in the Z-axis direction cannot be applied to the flexure element 19a alone. Therefore, it is necessary to control the amount of displacement of the flexure element 19a.
  • the function required for the elastic body 16 is that (1) the displacement amount is large in the XY plane. (2) To control the displacement amount of the flexure element 19a by receiving a load in the Z-axis direction.
  • the first elastic portion 16-4 is curved at the curved portion 16-4a with respect to the third structure 16-3.
  • the width W1 of the first elastic portion 16-4 is smaller than the width W of the third structure 16-3 and the like. Therefore, the first elastic portion 16-4 has a rigidity equal to or less than the rigidity of the second elastic portion 16-5, and is easily deformed in the directions of arrows C and D in the drawing.
  • the second structure body 16-2 moves relative to the first structure body 16-1.
  • the first elastic portion 16-4 connected to the third structure 16-3 is deformed so as to be twisted. Therefore, the amount of displacement of the second structure 16-2 with respect to the first structure 16-1 increases.
  • the flexure element 19a is displaced according to the thickness of the third structure 16-3, the width of the flexure element 19a, and the load, and the amount of displacement of the flexure element 19a is small. That is, in the case of the present embodiment, it is possible to increase the displacement amount of the second structure body 16-2 with respect to the first structure body 16-1 as compared with the displacement amount of the flexure element 19a.
  • FIG. 8A shows an example of a modification of the elastic body 16 according to this embodiment.
  • the rigidity of the first elastic portion 16-4 connected to the first structure body 16-1 and the third structure body 16-3 is less than or equal to the rigidity of the second elastic portion 16-5. Therefore, for example, when a force in the Fz direction is applied to the elastic body 16, the deformation of the second elastic portion 16-5 is reduced by the deformation of the first elastic portion 16-4, and the relay portion 16-6 is lifted. The quantity is reduced. Therefore, the third structure 16-3 is deformed into a substantially S-shape, and the flexure element 19a provided between the first structure 16-1 and the relay portion 16-6 is also substantially S-shape. Is transformed into.
  • FIG. 8B schematically shows the deformation of the flexure element 19a associated with the deformation of the elastic body 16 shown in FIG. 8A. It is assumed that a plurality of strain gauges 51 to 54 are arranged on the surface of the flexure element 19a as illustrated.
  • the strain gauges 51 and 52 provided on the surface of the flexure element 19a are expanded and the strain gauges 53 and 54 are compressed. It Therefore, the difference between the resistance values of the strain gauges 51 and 52 and the resistance values of the strain gauges 53 and 54 becomes large, and the output voltage of the bridge circuit composed of the strain gauges 51 to 54 can be increased. Therefore, the accuracy of the force sensor can be improved.
  • FIG. 8C shows how the elastic body 60 is deformed as a comparative example.
  • the elastic body 60 is obtained by removing the first elastic portion 16-4 from the elastic body 16 of this embodiment.
  • the first elastic portion 16-4 is not provided, when a force in the Fz direction is applied to the elastic body 60, the bending or bending of the second elastic portion 16-5 having a lower rigidity than that of the second structure 16-2 is performed.
  • the third structure 16-3 is curved due to the torsional deformation.
  • the relay section 16-6 is lifted. Therefore, the flexure element 19a provided between the first structure 16-1 and the relay portion 16-6 is also curved.
  • FIG. 8D shows the deformation of the flexure element 19a associated with the deformation of the elastic body 60 shown in FIG. 8C.
  • the strain gauges 51 and 52 and the strain gauges 53 and 54 provided on the surface of the flexure element 19a are both stretched. Therefore, the difference between the resistance values of the strain gauges 51 and 52 and the resistance values of the strain gauges 53 and 54 is small, and the output voltage of the bridge circuit constituted by the strain gauges 51 to 54 is also small. Therefore, it is difficult to improve the accuracy of the force sensor.
  • the second elastic portion 16-5 has lower bending or torsional rigidity than the second structural body 16-2. Therefore, when a force in the Fx and Fy directions is applied to the elastic body 16 and a moment in the Mz direction is applied, the elastic body 16 is provided between the first structure 16-1 and the relay portion 16-6. It is possible to increase the displacement amount of the second structure body 16-2 with respect to the first structure body 16-1 even though the strain body 19a is displaced only by the amount controlled by the third structure body 16-3 described later. it can.
  • the thickness of the U-shaped second elastic portion 16-5 is narrower than the width, and the second moment of area of the second elastic portion 16-5 is greatly different. Therefore, the second elastic portion 16-5 has high rigidity with respect to the force in the Fz direction and low rigidity with respect to the moment in the Mz direction. In consideration of the twist, the second elastic portion 16-5 is more flexible than it is supposed by simply bending even with respect to the force in the Fz direction. However, the second elastic portion 16-5 has sufficiently higher rigidity against a force in the Fz direction than a moment in the Mz direction.
  • the third structure 16-3 is provided between the first elastic portion 16-4 and the relay portion 16-6, and is arranged in parallel with the strain sensor 19. Therefore, when a force in the Fx and Fy directions and/or a moment in the Mz direction is applied to the elastic body 16, it is possible to control the displacement amount in the thickness direction and the width direction of the strain generating body 19a forming the strain sensor 19. You can
  • the width W of the third structure 16-3 is made wider than the thickness of the strain body 19a, and the thickness T of the third structure 16-3 is made thinner than the width of the strain body 19a. .. Therefore, it is possible to control the displacement amounts in the thickness direction and the width direction of the flexure elements 19a having different second moments of area by the third structure 16-3.
  • FIG. 9 shows an example of the strain sensor 19.
  • the strain sensor 19 is composed of the flexure element 19a and a plurality of strain gauges R1 to R8 provided on the surface of the flexure element 19a.
  • the strain element 19a is made of metal and has a thickness smaller than its width. Therefore, the flexure element 19a is easily deformed in the thickness direction and is difficult to be deformed in the width direction.
  • One end of the flexure element 19a is provided in the first structure 16-1 and the other end is provided in the relay section 16-6 of the second structure 16-2.
  • the strain gauges R1, R3, R5, and R8 are provided near one end of the flexure element 19a, and the strain gauges R2, R4, R6, and R7 are provided near the other end of the flexure element 19a.
  • FIG. 10 shows an example of a bridge circuit using the strain gauges R1 to R8.
  • the strain gauges R1, R2, R3, R4 configure a first bridge circuit BC1
  • the strain gauges R5, R6, R7, R8 configure a second bridge circuit BC2.
  • a series circuit of the strain gauge R2 and the strain gauge R1 and a series circuit of the strain gauge R4 and the strain gauge R3 are arranged between the power source V and the ground GND.
  • the output voltage Vout+ is output from the connection node of the strain gauge R2 and the strain gauge R1
  • the output voltage Vout ⁇ is output from the connection node of the strain gauge R4 and the strain gauge R3.
  • the output voltage Vout+ and the output voltage Vout ⁇ are supplied to the operational amplifier OP1, and the output voltage Vout is output from the output terminal of the operational amplifier OP1.
  • a series circuit of the strain gauge R6 and the strain gauge R5 and a series circuit of the strain gauge R8 and the strain gauge R7 are arranged between the power source V and the ground GND.
  • the output voltage Vout+ is output from the connection node of the strain gauge R6 and the strain gauge R5, and the output voltage Vout- is output from the connection node of the strain gauge R8 and the strain gauge R7.
  • the output voltage Vout+ and the output voltage Vout ⁇ are supplied to the operational amplifier OP2, and the output voltage Vout is output from the output terminal of the operational amplifier OP2.
  • a large output voltage can be obtained from the first bridge circuit BC1 and the second bridge circuit BC2 by the strain element 19a being deformed into an S shape by the force in the Fz direction, for example.
  • the arrangement of the strain gauges R1 to R8 with respect to the strain generating element 19a and the configuration of the bridge circuits BC1 and BC2 are not limited to this, and can be modified.
  • the elastic body 16 of the present embodiment includes a first structure body 16-1, a plurality of second structure bodies 16-2, and second elastic portions 16-5 provided in each of the second structure bodies 16-2.
  • the relay portion 16-6 provided between the two second elastic portions 16-5, the two third structures 16-3 provided in the relay portion 16-6, and the third structure body 16-3.
  • a first elastic portion 16-4 connected to the first structure body 16-1, and the rigidity of the second elastic portion 16-5 is equal to that of the second structure body 16-2.
  • the rigidity of the first elastic portion 16-4 is lower than that of the second elastic portion 16-5.
  • the overall rigidity of the elastic body 16 can be made lower than in the case where the first elastic portion 16-4 and the second elastic portion 16-5 are not provided, and the force in the Fx and Fy directions is The amount of displacement of the elastic body 16 can be increased. Therefore, it is possible to increase the displacement amount of the elastic body 16 with respect to the forces in the Fx and Fy directions, as compared with the slight deformation of the strain generating body 19a.
  • the elastic body 16 of the present embodiment is provided with the first elastic portion 16-4, the second elastic portion 16-5, and the relay portion 16-6, so that the displacement amounts in the six axial directions are substantially equal. be able to. Moreover, deformation of the third structure 16-3 and the relay portion 16-6 can be suppressed by receiving the force in the Fz direction, and the first elastic portion 16-4, the third structure 16-3, and the relay portion 16-6. Can be transformed into a substantially S-shape. Along with this, the flexure element 19a can be deformed into an S-shape, so that sufficient strain can be applied to the flexure element 19a with respect to the force in the Fz direction. Therefore, a large sensor output can be obtained, and a highly accurate force sensor can be configured.
  • the rigidity of the first elastic portion 16-4 is equal to or less than the rigidity of the second elastic portion 16-5, a large strain can be applied to the strain generating element 19a with respect to the force in the Fz direction, and a larger sensor is provided. You can get the output.
  • the rigidity includes axial rigidity, bending rigidity, shearing rigidity, and torsional rigidity.
  • the elastic body 16 has substantially the same displacement amount in the 6-axis directions, and the overall rigidity is low. Therefore, the flexure element 19a can be protected by the stopper 30 having a simple structure.
  • the gap between the side surface of the stopper member 31 of the stopper 30 and the inner surface of the opening 13a of the mounting plate 13 needs to be 20 ⁇ m or less, for example. Therefore, machining is difficult.
  • the displacement amount of the elastic body 16 under the rated load can be increased to, for example, 100 ⁇ m to 200 ⁇ m. Therefore, the distance between the side surface of the stopper member 31 and the inner surface of the opening 13a of the mounting plate 13 can be widened, so that the stopper 30 can be easily designed when overloaded and the stopper 30 can be easily machined. ..
  • the stopper 30 having high rigidity can suppress the displacement of the elastic body 16 and the strain generating body 19a during overload, it is possible to give sufficient strain to the strain generating body 19a in the range of the rated load. Is. Therefore, it is possible to obtain a high sensor output. If the stopper 30 is not provided, it is necessary to set a rated load that allows for a sufficient safety factor, assuming an overload. For this reason, sufficient strain cannot be applied to the flexure element, and it is difficult to obtain a high sensor output.
  • FIG. 11 shows a modification of the elastic body 16.
  • the first elastic portion 16-4 is provided at one end portion (tip portion) in the length direction of the third structure body 16-3 in the direction (width direction) intersecting the length direction and bends. It has a section 16-4a.
  • the first elastic portion 16-4 is formed by bending one end of the third structure 16-3 in the length direction in the thickness direction of the metal plate.
  • the first elastic portion 16-4 thus formed has a rigidity equal to or lower than the rigidity of the second elastic portion 16-5, and has a structure that is easily deformed in the directions of arrows C and D shown in the drawing.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, and can be embodied by modifying the constituent elements within a range not departing from the gist of the present invention at the implementation stage. Further, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the above respective embodiments. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, the constituent elements of different embodiments may be combined appropriately.

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Abstract

弾性体は、第1構造体16-1、複数の第2構造体16-2、及び複数の第3構造体16-3を具備する。第1構造体16-1は、6軸方向に変形可能な複数の第1弾性部16-4が接続される。複数の第2構造体16-2は、6軸方向に変形可能な第2弾性部16-5と、第2弾性部に接続された中継部16-6をそれぞれ有する。複数の第3構造体16-3は、第2構造体のそれぞれの中継部と第1弾性部のそれぞれとの間に設けられる。第1構造体、第2構造体、第3構造体、中継部、第1弾性部、及び第2弾性部は、1枚の金属板により構成され、第2構造体、第3構造体、中継部、第1弾性部、及び第2弾性部は、折り曲げられた金属板である。

Description

弾性体とそれを用いた力覚センサ
 本発明の実施形態は、例えばロボットアーム等に用いられる弾性体とそれを用いた力覚センサに関する。
 力覚センサは、例えばロボットアーム等に用いられ、直交する3軸(x、y、z)に関して、力(Fx、Fy、Fz)とモーメント(Mx、My、Mz)を検出する(例えば、特許文献1参照)。
特開2018-48915号公報
 力覚センサは、6軸方向、例えば3軸方向及び3軸回り方向に変形可能な弾性体を具備し、この弾性体に複数の歪センサが設けられている。各歪センサは起歪体に複数の歪ゲージが設けられている。さらに、力覚センサは、弾性体や起歪体を外力から保護するため、ストッパが設けられている。
 弾性体及び起歪体(以下、これらを合わせてセンサ体とも言う)の剛性が高く、6軸方向の変位量が非常に小さい場合、ストッパの構造に高い加工精度が要求され、ストッパの実現が困難となる。
 また、センサ体の剛性が、軸方向毎に大きく異なると、ストッパの設計が複雑となり、ストッパの実現が困難となる。
 一方、ストッパを設けずにセンサ体を設計した場合、弾性体及び起歪体の変位を大きくすることが困難であるため、大きなセンサ出力を得ることができず、ノイズなどの外乱に弱く、測定精度が低いセンサとなってしまう。
 本発明の実施形態は、十分なセンサ出力を得ることができ、測定精度を向上させることが可能な弾性体とそれを用いた力覚センサを提供するものである。
 本実施形態の弾性体は、6軸方向に変形可能な複数の第1弾性部を含む第1構造体と、前記6軸方向に変形可能な第2弾性部と、前記第2弾性部に接続された中継部を有する複数の第2構造体と、前記第2構造体の前記中継部のそれぞれと前記第1弾性部のそれぞれとの間に設けられた複数の第3構造体と、を具備し、前記第1構造体、前記第2構造体、前記第3構造体、前記中継部、前記第1弾性部、及び前記第2弾性部は、1枚の金属板により構成され、前記第2構造体、前記第3構造体、前記中継部、前記第1弾性部、及び前記第2弾性部は、折り曲げられた前記金属板である。
 本実施形態の力覚センサは、6軸方向に変形可能な複数の第1弾性部が接続される第1構造体と、前記6軸方向に変形可能な第2弾性部と、前記第2弾性部に接続された中継部をそれぞれ有する複数の第2構造体と、前記第2構造体のそれぞれの前記中継部と前記第1弾性部のそれぞれとの間に設けられた複数の第3構造体と、前記第1構造体と前記第2構造体のそれぞれの前記中継部との間に設けられた複数の歪センサと、を具備し、前記第1構造体、前記第2構造体、前記第3構造体、前記中継部、前記第1弾性部、及び前記第2弾性部は、1枚の金属板により構成され、前記第2構造体、前記第3構造体、前記中継部、前記第1弾性部、及び前記第2弾性部は、折り曲げられた前記金属板である。
本実施形態に係る力覚センサを示す斜視図。 図1に示す力覚センサを分解して示す斜視図。 図2に示す力覚センサの一部を組み立てた状態を示す斜視図。 図2に示す力覚センサの一部をさらに組み立てた状態を示す斜視図。 図2に示す力覚センサの一部をさらに分解して示す斜視図。 本実施形態に係る弾性体を取り出して示す平面図。 本実施形態に係る弾性体の一部を取り出して示す斜視図。 本実施形態に係る弾性体の変形の一例を示すものであり、一部を取り出して示す側断面図。 図8Aに示す変形に伴う起歪体の変形の例を示す斜視図。 参考例としての弾性体の変形の例を示すものであり、一部を取り出して示す側断面図。 図8Cに示す変形に伴う起歪体の変形の例を示す斜視図。 歪センサの一例を示す平面図。 ブリッジ回路の一例を示す回路図。 本実施形態に係る弾性体の変形例を示すものであり、一部を取り出して示す斜視図。
 以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。図面において、同一部分には同一符号を付している。
 図1乃至図6を用いて、本実施形態に係る力覚センサ10の構成について説明する。 
 力覚センサ10は、例えばロボットアーム等に用いられ、X、Y、Z軸方向の力(Fx、Fy、Fz)、及びX、Y、Z軸回りのトルク(モーメント:Mx、My、Mz)を検出する。
 図1、図2に示すように、力覚センサ10は、円筒状の本体11と、本体11を覆う円筒状のカバー12とを備えている。カバー12の内部には、本体11に対して動作可能な可動体としての取付けプレート13が設けられ、取付けプレート13は、複数のネジ14によりカバー12に固定される。カバー12及び取付けプレート13は、本体11に対して動作可能に設けられる。
 本体11は、図示せぬロボットアームの例えば本体に固定される。取付けプレート13は、ロボットアームの例えばハンド部分に固定される。
 本体11とカバー12との間には、リング状のシール部材15が設けられている。シール部材15は、弾性材、例えばゴム製又は発泡部材により形成され、本体11とカバー12との間隙をシールするとともに、カバー12が本体11に対して動作可能としている。
 図3に示すように、本体11と取付けプレート13との間には、弾性体16が設けられる。弾性体16は、後述するように、例えば1枚の金属を折り曲げて形成されており、1つの第1構造体16-1と、複数の第2構造体16-2と、第1構造体16-1と第2構造体16-2との間に設けられた複数の第3構造体16-3等と、を具備する。複数の第2構造体16-2は、第1構造体16-1の周囲に等間隔に配置される。
 本実施形態において、弾性体16は、例えば3つの第2構造体16-2を具備している。しかし、第2構造体16-2の数は3つに限定されるものではなく、3つ以上であってもよい。また、本実施形態を、力覚センサ以外の例えばトルクセンサに適用する場合、第2構造体16-2の数は、2つであってもよい。
 第1構造体16-1の周囲には、6つの第1弾性部16-4が設けられている。第1弾性部16-4は、第3構造体16-3と連続し、第1構造体16-1の周囲に配置される。
 第2構造体16-2のそれぞれは、略U字状の2つの第2弾性部16-5と、2つの第2弾性部16-5の間で、2つの第2弾性部16-5を繋ぐ直線上の中継部16-6を具備している。
 第3構造体16-3は、一端部が第1弾性部16-4に接続され、他端部が中継部16-6に接続される。第1構造体16-1と1つの第2構造体16-2との間に設けられた2つの第3構造体16-3は、互いに平行に配置される。
 第2構造体16-2は、複数のネジ17により本体11に固定され、第1構造体16-1は、図2、図4に示すように、複数のネジ18により取付けプレート13に固定される。
 図2、図3に示すように、歪センサ19は、第1構造体16-1と中継部16-6との間に設けられる。具体的には、歪センサ19の一端部は、固定プレート20と第1弾性部16-4の裏面に挿入されたネジ21により、2つの第1弾性部16-4の間の第1構造体16-1に固定され、歪センサ19の他端部は固定プレート22と中継部16-6の裏面に挿入されたネジ23により、中継部16-6の中央部に固定される。歪センサ19は、後述するように、金属製の起歪体の表面に複数の歪ゲージが配置されている。
 取付けプレート13及びカバー12が外力により、本体11に対して動作すると、第3構造体16-3、第1弾性部16-4、第2弾性部16-5、及び中継部16-6が変形する。これに伴い、歪センサ19の起歪体が変形し、歪ゲージから電気信号が出力される。
 各歪センサ19の各歪ゲージは、後述するように、ブリッジ回路を構成し、ブリッジ回路により、X、Y、Z軸方向の力(Fx、Fy、Fz)、及びX、Y、Z軸回りのトルク(モーメント:Mx、My、Mz)が検出される。
 図2に示すように、本体11には、弾性体16を外力から保護する複数のストッパ30が設けられている。各ストッパ30は、円筒状のストッパ部材31と、固定部材としてのネジ32と、取付けプレート13に設けられた複数の開口部13aと、により構成される。
 本実施形態は、3つのストッパ30を具備する場合を示している。しかし、ストッパ30の数は、3つに限定されるものではなく、3つ以上であってもよい。3つのストッパ30は、3つの第2構造体16-2の相互間にそれぞれ配置される。
 ストッパ30を第2構造体16-2の相互間に配置することにより、弾性体16及び力覚センサ全体の直径及び外形の大型化を抑制することが可能である。
 本体11の表面で、3つの第2構造体16-2の相互間に対応する位置には、3つ突起11aがそれぞれ設けられている。
 図4に示すように、ストッパ部材31は、取付けプレート13の開口部13a内に挿入された状態で、ネジ32により本体11の突起11aに固定される。ストッパ部材31の外径は、後述するように、開口部13aの内径より若干小さく設定されている。取付けプレート13が本体11に対して動作し、ストッパ部材31の外面が開口部13aの内面に当接すると、取付けプレート13の動作が阻止され、弾性体16及び歪センサ19の起歪体の破壊が防止される。
 図5に示すように、本体11の裏面部には、印刷基板41、複数のフレキシブル印刷基板42、裏蓋43、リード線アセンブリ44、中空管45が設けられている。印刷基板41は、ブリッジ回路に電源を供給したり、ブリッジ回路の出力信号を処理したりする図示せぬ処理回路などを具備している。
 複数のフレキシブル印刷基板42の一端部は、図2に示すように、本体11の上面側に配置され、各歪センサ19に接続される。複数のフレキシブル印刷基板42の他端部は、印刷基板41の裏面において、処理回路などに接続される。複数のフレキシブル印刷基板42は、歪ゲージに電源を供給したり、歪ゲージからの信号を処理回路に供給したりする。
 リード線アセンブリ44は、印刷基板41に接続され、処理回路に電源を供給したり、処理回路からの信号を伝送したりする。裏蓋43は、複数のネジにより本体11に固定され、印刷基板41をカバーする。
 本体11、カバー12、取付けプレート13、及び弾性体16の第1構造体16-1、印刷基板41、裏蓋43の中央部には、開口部が連通して設けられており、中空管45は、この開口部内に設けられる。
 図2、図3に示すように、中空管45の一端部は、裏蓋43、印刷基板41、第1構造体16-1を貫通し、第1構造体16-1の表面に突出される。中空管45の第1構造体16-1の表面に突出された一端部には、リング状のシール部材26が設けられる。このシール部材26は、例えばゴム又は発泡材料により形成され、取付けプレート13の開口部と中空管25の一端部との間隙をシールする。これにより、カバー12の外部から取付けプレート13の内部に塵埃が侵入することが防止される。
 (弾性体の構成)
 図6は、本実施形態に係る弾性体16を示している。前述したように、弾性体16は、1枚の金属を折り曲げて形成される。弾性体16は、1つの第1構造体16-1と、3つの第2構造体16-2、6つの第3構造体16-3、各第3構造体16-3に設けられた第1弾性部16-4、各第2構造体16-2に設けられた2つの第2弾性部16-5、2つの第2弾性部16-5の間と2つの第3構造体16-3との間に設けられた中継部16-6、及び第1構造体16-1と中継部16-6とを接続する梁部16-7を具備している。
 図6のAは、弾性体16の一部を展開した状態を示している。第1構造体16-1、第2構造体16-2、第3構造体16-3、第1弾性部16-4、第2弾性部16-5、中継部16-6、及び梁部16-7は、1枚の金属板から例えば打ち抜いて形成される。
 中継部16-6は、梁部16-7により第1構造体16-1に接続されている。中継部16-6の両側には、第2弾性部16-5と第2構造体16-2が連続して形成され、さらに、第3構造体16-3と第1弾性部16-4が連続して形成される。
 第1弾性部16-4は、第3構造体16-3の長さ方向の一端部(先端部)で、長さ方向と交差する方向(幅方向)に設けられている。
 第2構造体16-2、第3構造体16-3、第2弾性部16-5の幅はWであり、第1弾性部16-4の幅W1は、幅Wより狭くされている。中継部の幅は、ほぼ2Wとされている。
 金属板の厚みT(図6に示す)、第1弾性部16-4の幅W1、第2弾性部16-5、第3構造体16-3などの幅W、及び中継部16-6の幅2Wの関係は、必要に応じて変更可能である。
 梁部16-7の幅は、金属板の厚みTと等しく、梁部16-7の断面は、正方形とされている。このため、各軸方向の変形のし易さが等しくされている。梁部16-7は、第1構造体16-1と中継部16-6とを接続するために用いている。しかし、例えば第1構造体16-1と第3構造体16-3又は第1弾性部16-4とを接続する構造とすれば、梁部16-7は、省略することが可能である。
 Aに示すように打ち抜かれた金属板の破線で示す複数の折曲部Bを折り曲げることにより、図6に示す弾性体16が形成される。金属板の各部を折り曲げた後、第1弾性部16-4の先端部が例えばネジにより第1構造体16-1に固定される。第1弾性部16-4の固定方法は、これに限らず、第1弾性部16-4の先端部を第1構造体16-1に溶接したり、接着材を用いて接着したりすることも可能である。
 第1弾性部16-4は、後述するように第3構造体16-3に対して湾曲され、第3構造体16-3などの幅Wより狭い幅W1を有している。このため、第1弾性部16-4は、第2弾性部16-5の剛性以下の曲げ又はねじれ剛性を有している。
 第2弾性部16-5は、略U字状に折曲され、第2構造体16-2に比べて低い曲げ又はねじれ剛性を有している。
 歪センサ19は、2つの第1弾性部16-4の間に位置する第1構造体16-1と、中継部16-6の中央部との間に設けられる。さらに、歪センサ19は、2つの第3構造体16-3の間に位置され、2つの第3構造体16-3と平行に配置される。
 第1弾性部16-4、第2弾性部16-5、中継部16-6、第1構造体16-1、第2構造体16-2、及び第3構造体16-3の厚みは、金属板の厚みTに等しい。第2弾性部16-5は、U字状部の長さL1及びL2が長い程、及び金属板の厚みTが薄い程、柔軟であり、第1弾性部16-4及び中継部16-6も、金属板の厚みTが薄い程、及び又は幅が狭い程、柔軟である。
 歪センサ19を構成する起歪体19aの厚みは、第1構造体16-1、第2構造体16-2、第3構造体16-3、第1弾性部16-4、第2弾性部16-5、及び中継部16-6の厚みより薄く、起歪体19aの幅は、第3構造体16-3、第1弾性部16-4、第2弾性部16-5、及び中継部16-6の厚みTより広い。
 起歪体19aは、後述するように、厚みが薄い矩形状であり、平面の縦横比が大きい形状である。このため、起歪体19aが単体の場合、断面二次モーメントの相違により、起歪体19aは、Fx、Fy方向の力及びMz方向のモーメントに対して変位が小さく、Mx、My方向のモーメント及びFz方向の力に対して変位が大きい特性を有している。
 一方、弾性体16の変位量が小さ過ぎる場合、上述したストッパ30の構造に対して、高い加工精度が要求される。また、Fx、Fy方向の力及びMz方向のモーメントに対する変位量と、Mx、My方向のモーメント及びFz方向の力に対する変位量が大きい場合、ストッパ30の構造が複雑となる。このため、簡単な構造のストッパで高精度な力覚センサを構成するためには、弾性体16の各軸の変位量の差が小さいことが必要である。
 本実施形態に係る弾性体16は、X-Y平面(X軸、Y軸を含む平面)に平行な方向への変位量を増加させ、起歪体19aは、僅かしか変位していないにも関わらず、センサ体としては、大きな変位量を実現することを可能とする。
 さらに、起歪体19aのZ軸方向の剛性は、弾性体16のZ軸方向の剛性に比べて遥かに小さい。このため、力覚センサのZ軸方向の曲げに係わる定格荷重を、起歪体19a単体に印加することはできない。したがって、起歪体19aの変位量をコントロールする必要がある。
 したがって、弾性体16に求められる機能は、(1)X-Y平面内において、変位量が大きいこと。(2)Z軸方向の負荷を受けて、起歪体19aの変位量をコントロールすることである。
 (第1弾性部16-4の機能)
 (1)Mz系(Fx、Fy、Mz)の変形
 図7に示すように、第1弾性部16-4は、第3構造体16-3に対して湾曲部16-4aの部分で湾曲され、第1弾性部16-4の幅W1は、第3構造体16-3などの幅Wより狭くされている。このため、第1弾性部16-4は、第2弾性部16-5の剛性以下の剛性を有し、図示矢印C、D方向に変形し易くなっている。
 弾性体16にFx、Fy方向の力が印加された場合、及びMz方向のモーメントが印加された場合、第1構造体16-1に対して第2構造体16-2が相対的に移動し、第3構造体16-3に接続された第1弾性部16-4が、ねじれるように変形する。このため、第1構造体16-1に対する第2構造体16-2の変位量が増加する。起歪体19aは、第3構造体16-3の厚みと、起歪体19aの幅、及び負荷に応じて変位し、起歪体19aの変位量は、僅かである。すなわち、本実施形態の場合、起歪体19aの変位量に比べて、第1構造体16-1に対する第2構造体16-2の変位量を増加させることができる。
 (2)Fz系(Mx、My、Fz)の変形
 一方、弾性体16にFz方向の力が印加された場合、及びMx、My方向のモーメントが印加された場合、第3構造体16-3が接続された第1弾性部16-4が、図7に示す矢印C、D方向に変形する。このため、第3構造体16-3の幅方向の変位量が増加し、起歪体19aの厚み方向の変位量を増加させることができる。このため、後述するように、第3構造体16-3を略S字状に変形させることができ、ブリッジ回路の出力電圧を増加させることができる。
 図8Aは、本実施形態に係る弾性体16の変形の一例を示している。
 第1構造体16-1及び第3構造体16-3に接続された第1弾性部16-4の剛性は、第2弾性部16-5の剛性以下である。このため、弾性体16に例えばFz方向の力が印加された場合、第1弾性部16-4が変形することにより第2弾性部16-5の変形が減少し、中継部16-6の吊り上げ量が低減される。このため、第3構造体16-3は、略S字状に変形し、第1構造体16-1と中継部16-6との間に設けられた起歪体19aも、略S字状に変形される。
 図8Bは、図8Aに示す弾性体16の変形に伴う起歪体19aの変形を概略的に示している。起歪体19aの表面に複数の歪ゲージ51~54が図示のように配置されているものとする。
 弾性体16の変形に伴い起歪体19aが略S字状に変形された場合、起歪体19aの表面に設けられた歪ゲージ51、52は、伸長され、歪ゲージ53、54は圧縮される。このため、歪ゲージ51、52の抵抗値と、歪ゲージ53、54の抵抗値との差が大きくなり、歪ゲージ51~54により構成されるブリッジ回路の出力電圧を増加させることができる。したがって、力覚センサの精度を向上させることができる。
 図8Cは、比較例としての弾性体60の変形の様子を示している。この弾性体60は、本実施形態の弾性体16から第1弾性部16-4を除いたものである。第1弾性部16-4が無い場合、弾性体60に例えばFz方向の力が印加されると、第2構造体16-2に比べて低い剛性を有する第2弾性部16-5の曲げ又はねじれ変形により、第3構造体16-3が湾曲される。これに伴い、中継部16-6が吊り上げられる。このため、第1構造体16-1と中継部16-6との間に設けられた起歪体19aも湾曲される。
 図8Dは、図8Cに示す弾性体60の変形に伴う起歪体19aの変形を示している。弾性体60の湾曲に伴い起歪体19aが湾曲された場合、起歪体19aの表面に設けられた歪ゲージ51、52、及び歪ゲージ53、54は共に伸長される。このため、歪ゲージ51、52の抵抗値と、歪ゲージ53、54の抵抗値との差が小さく、歪ゲージ51~54により構成されるブリッジ回路の出力電圧も小さい。したがって、力覚センサの精度を向上させることが困難である。
 (第2弾性部16-5の機能)
 第2弾性部16-5は、第2構造体16-2に比べて曲げ又はねじれ剛性が低い。このため、弾性体16にFx、Fy方向の力が印加された場合、及びMz方向のモーメントが印加された場合、第1構造体16-1と中継部16-6との間に設けられた起歪体19aが後述する第3構造体16-3により制御された量しか変位しないにも関わらず、第1構造体16-1に対する第2構造体16-2の変位量を増加させることができる。
 具体的には、U字状の第2弾性部16-5は、幅に比べて厚みが狭くされ、第2弾性部16-5の断面二次モーメントが大きく異なっている。このため、第2弾性部16-5は、Fz方向の力に対して剛性が高く、Mz方向のモーメントに対して剛性が低い。ねじれを考慮すると、第2弾性部16-5は、Fz方向の力に対しても単純に曲げで想定している以上に柔軟性を有している。しかし、第2弾性部16-5は、Mz方向のモーメントよりも、十分にFz方向の力に対する剛性が高い。
 (第3構造体16-3の機能)
 第3構造体16-3は、第1弾性部16-4と中継部16-6との間に設けられ、且つ、歪センサ19と平行に配置されている。このため、弾性体16にFx、Fy方向の力、及び/又はMz方向のモーメントが印加された場合、歪センサ19を構成する起歪体19aの厚み方向と幅方向の変位量を制御することができる。
 具体的には、第3構造体16-3の幅Wは、起歪体19aの厚みより広くされ、第3構造体16-3の厚みTは、起歪体19aの幅より薄くされている。したがって、第3構造体16-3により、断面二次モーメントの異なる起歪体19aの厚み方向と幅方向の変位量を制御することが可能である。
 (歪センサの構成)
 図9は、歪センサ19の一例を示している。前述したように、歪センサ19は、起歪体19aと、起歪体19aの表面に設けられた複数の歪ゲージR1~R8により構成される。起歪体19aは、金属により構成され、その厚みは、幅より薄くされている。このため、起歪体19aは、厚み方向に変形しやすく、幅方向に変形し難い。
 起歪体19aの一端部は第1構造体16-1に設けられ、他端部は第2構造体16-2の中継部16-6に設けられる。歪ゲージR1、R3、R5、R8は、起歪体19aの一端部近傍に設けられ、歪ゲージR2、R4、R6、R7は、起歪体19aの他端部近傍に設けられる。
 図10は、上記歪ゲージR1~R8を用いたブリッジ回路の一例を示している。歪ゲージR1、R2、R3、R4は、第1ブリッジ回路BC1を構成し、歪ゲージR5、R6、R7、R8は、第2ブリッジ回路BC2を構成する。
 第1ブリッジ回路BC1は、電源Vと接地GNDとの間に歪ゲージR2と歪ゲージR1の直列回路と、歪ゲージR4と歪ゲージR3の直列回路が配置される。歪ゲージR2と歪ゲージR1の接続ノードから出力電圧Vout+が出力され、歪ゲージR4と歪ゲージR3の接続ノードから出力電圧Vout-が出力される。出力電圧Vout+及び出力電圧Vout-は、演算増幅器OP1に供給され、演算増幅器OP1の出力端から出力電圧Voutが出力される。
 第2ブリッジ回路BC2は、電源Vと接地GNDとの間に歪ゲージR6と歪ゲージR5の直列回路と、歪ゲージR8と歪ゲージR7の直列回路が配置される。歪ゲージR6と歪ゲージR5の接続ノードから出力電圧Vout+が出力され、歪ゲージR8と歪ゲージR7の接続ノードから出力電圧Vout-が出力される。出力電圧Vout+及び出力電圧Vout-は、演算増幅器OP2に供給され、演算増幅器OP2の出力端から出力電圧Voutが出力される。
 前述したように、起歪体19aが例えばFz方向の力により、S字状に変形されることにより、第1ブリッジ回路BC1及び第2ブリッジ回路BC2から大きな出力電圧を得ることができる。
 尚、起歪体19aに対する歪ゲージR1~R8の配置、及びブリッジ回路BC1、BC2の構成は、これに限定されるものではなく、変形可能である。
 (弾性体16及び力覚センサの効果)
 本実施形態の弾性体16は、第1構造体16-1と、複数の第2構造体16-2と、第2構造体16-2のそれぞれに設けられた第2弾性部16-5と、2つの第2弾性部16-5の間に設けられた中継部16-6と、中継部16-6に設けられた2つの第3構造体16-3と、第3構造体16-3のそれぞれに設けられ、第1構造体16-1に接続された第1弾性部16-4と、を具備し、第2弾性部16-5の剛性は、第2構造体16-2の剛性よりも低く、第1弾性部16-4の剛性は第2弾性部16-5の剛性以下である。このため、弾性体16の全体的な剛性を、第1弾性部16-4及び第2弾性部16-5が無い場合に比べて低くすることができ、Fx、Fy方向の力に対して、弾性体16の変位量を増加させることができる。したがって、Fx、Fy方向の力に対して、起歪体19aの僅な変形に比べて、弾性体16の変位量を増加させることができる。
 また、本実施形態の弾性体16は、第1弾性部16-4、第2弾性部16-5、及び中継部16-6を具備することにより、6軸方向の変位量をほぼ同等とすることができる。しかも、Fz方向の力を受けて、第3構造体16-3及び中継部16-6の変形を抑制でき、第1弾性部16-4、第3構造体16-3及び中継部16-6を略S字状に変形させることができる。これに伴い、起歪体19aをS字状に変形させることができるため、Fz方向の力に対して起歪体19aに十分な歪を与えることができる。したがって、大きなセンサ出力を得ることができ、高精度の力覚センサを構成することが可能である。
 さらに、第1弾性部16-4の剛性が、第2弾性部16-5の剛性以下であるため、Fz方向の力に対して起歪体19aにより大きな歪を与えることができ、一層大きなセンサ出力を得ることができる。尚、ここで、剛性とは、軸剛性、曲げ剛性、せん断剛性、及びねじり剛性を含んでいる。
 しかも、弾性体16は、6軸方向の変位量がほぼ同等であり、全体的な剛性が低い。このため、簡単な構成のストッパ30により、起歪体19aを保護することができる。
 具体的には、高い剛性を有する弾性体の場合、ストッパ30のストッパ部材31の側面と、取付けプレート13の開口部13aの内面との隙間を例えば20μm以下とする必要がある。このため、機械加工が困難である。しかし、本実施形態のように、弾性体16の全体的な剛性が低い場合、定格荷重時の弾性体16の変位量を例えば100μm~200μmに増加させることができる。このため、ストッパ部材31の側面と、取付けプレート13の開口部13aの内面との間隔を広げることができるため、過負荷時のストッパ30の設計が容易となり、ストッパ30の機械加工が容易となる。
 さらに、過負荷時、剛性が高いストッパ30によって、弾性体16及び起歪体19aの変位を抑制することができるため、定格荷重の範囲において、起歪体19aに十分な歪を与えることが可能である。したがって、高いセンサ出力を得ることが可能である。仮に、ストッパ30が無い場合、過負荷時も想定して、十分な安全率を見込んだ定格荷重を設定する必要がある。このため、起歪体に十分な歪を与えることができず、高いセンサ出力を取り出すことが困難である。
 (弾性体16の変形例)
 図11は、弾性体16の変形例を示している。 
 上記実施形態において、第1弾性部16-4は、第3構造体16-3の長さ方向の一端部(先端部)で、長さ方向と交差する方向(幅方向)に設けられ、湾曲部16-4aを有している。
 これに対して、図11に示す変形例において、第1弾性部16-4は、第3構造体16-3の長さ方向の一端部で、金属板の厚み方向に折り曲げて形成される。このようにして形成された第1弾性部16-4は、第2弾性部16-5の剛性以下の剛性を有しており、図示矢印C、D方向に変形し易い構造とされている。
 上記変形例によっても、上記実施形態と同様の効果を得ることが可能である。 
 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。

Claims (8)

  1.  6軸方向に変形可能な複数の第1弾性部を含む第1構造体と、
     前記6軸方向に変形可能な第2弾性部と、前記第2弾性部に接続された中継部を有する複数の第2構造体と、
     前記第2構造体の前記中継部のそれぞれと前記第1弾性部のそれぞれとの間に設けられた複数の第3構造体と、
     を具備し、
     前記第1構造体、前記第2構造体、前記第3構造体、前記中継部、前記第1弾性部、及び前記第2弾性部は、1枚の金属板により構成され、前記第2構造体、前記第3構造体、前記中継部、前記第1弾性部、及び前記第2弾性部は、折り曲げられた前記金属板であることを特徴とする弾性体。
  2.  前記第1弾性部は、前記第2弾性部の剛性以下の剛性を有することを特徴とする請求項1記載の弾性体。
  3.  前記第1弾性部は、前記第3構造体の幅方向の一部に設けられることを特徴とする請求項1記載の弾性体。
  4.  前記第1弾性部は、前記第3構造体の長さ方向の一端部に設けられることを特徴とする請求項1記載の弾性体。
  5.  6軸方向に変形可能な複数の第1弾性部が接続される第1構造体と、
     前記6軸方向に変形可能な第2弾性部と、前記第2弾性部に接続された中継部をそれぞれ有する複数の第2構造体と、
     前記第2構造体のそれぞれの前記中継部と前記第1弾性部のそれぞれとの間に設けられた複数の第3構造体と、
     前記第1構造体と前記第2構造体のそれぞれの前記中継部との間に設けられた複数の歪センサと、
     を具備し、
     前記第1構造体、前記第2構造体、前記第3構造体、前記中継部、前記第1弾性部、及び前記第2弾性部は、1枚の金属板により構成され、前記第2構造体、前記第3構造体、前記中継部、前記第1弾性部、及び前記第2弾性部は、折り曲げられた前記金属板であることを特徴とする力覚センサ。
  6.  前記第1弾性部は、前記第2弾性部の剛性以下の剛性を有することを特徴とする請求項5記載の力覚センサ。
  7.  前記第1弾性部は、前記第3構造体の幅方向の一部に設けられることを特徴とする請求項5記載の力覚センサ。
  8.  前記第1弾性部は、前記第3構造体の長さ方向の一端部に設けられることを特徴とする請求項5記載の力覚センサ。
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