WO2021230173A1 - 力覚センサ装置 - Google Patents
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- G01L5/226—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers to manipulators, e.g. the force due to gripping
Definitions
- the present invention relates to a force sensor device.
- a strain-causing body there is known one having an annular outer fixing portion, a b inner fixing portion arranged inside the outer fixing portion, and a connecting portion connecting the outer fixing portion and the inner fixing portion.
- the strain-causing body is arranged perpendicular to the rotating shaft, and the rotating body (rotating shaft, robot arm, etc.) is fixed to the outer fixed portion and the inner fixed portion, respectively, and the connection generated by the rotation of the rotating body is formed.
- the strain gauge By detecting the strain of the portion with the strain gauge, the torque applied to the strain-causing body is detected.
- the annular first region portion and the annular second region portion are connected by a beam, and a strain gauge is arranged on the beam portion. It is disclosed that the whole is integrally formed of metal (see, for example, Patent Document 1 below).
- the force sensor device described in Patent Document 1 is integrally formed of metal, it is heavy and cannot meet the demand for weight reduction. Further, the force sensor device described in Patent Document 1 has low sensitivity when receiving torque, and cannot sufficiently obtain accuracy for low torque. On the other hand, the force sensor device described in Patent Document 1 can cope with weight reduction and low torque by changing the base material to a synthetic resin material or reducing the thickness. In this case, , The overall strength against torque cannot be obtained sufficiently.
- the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a force sensor device corresponding to low torque while ensuring sufficient strength.
- the force sensor device has a first fixed portion fixed to a portion that transmits or transmits the driving force of rotation, and a portion that transmits or transmits the driving force.
- a strain detection sensor that detects strain in a strain-causing body having a second fixed portion to be fixed, a connecting portion that connects the first fixed portion and the second fixed portion, and a connecting portion of the strain-causing body.
- the support member has a support member having a base portion to be formed, and the support member has a regulation portion extending from the base portion, and the regulation portion has a base portion of either a first fixing portion or a second fixing portion.
- FIG. 1 is an external perspective view of the force sensor device 100 according to the embodiment.
- FIG. 2 is a plan view of the force sensor device 100 according to the embodiment.
- FIG. 3 is an exploded perspective view of the force sensor device 100 according to the embodiment.
- FIG. 4 is a cross-sectional view of the force sensor device 100 according to the embodiment.
- the rotation axis AX direction is the vertical direction (Z-axis direction). Further, the directions orthogonal to the rotation axis AX are the X-axis direction and the Y-axis direction. The X-axis direction and the Y-axis direction are orthogonal to each other.
- the force sensor device 100 shown in FIGS. 1 to 4 is a disk-shaped sensor that detects torque.
- the force sensor device 100 is mounted vertically on the joint portion of the robot or the like with respect to the rotation axis AX.
- the force sensor device 100 detects the rotational torque applied to the strain-causing body 110 by detecting the strain of the strain-causing body 110 using the strain detection sensor 121.
- the force sensor device 100 includes a strain-causing body 110, a flexible substrate 120, a support member 130, and a circuit board 140.
- the strain-causing body 110 is a disk-shaped member to which torque is applied by the rotation of the rotating body.
- the strain-causing body 110 is formed by using a resin material such as PPE (PolyPhenyleneEther).
- the strain-causing body 110 has a first fixing portion 111, a second fixing portion 112, and a connecting portion 113.
- the first fixed portion 111 is an annular portion centered on the rotation axis AX and located outside the strain-causing body 110.
- a plurality of (eight in this example) support portions 111A are formed on the same circumference.
- the support portion 111A is a partially raised portion.
- Each of the plurality of (8 in this example) support portions 111A is formed with through holes 111B that penetrate the support portions 111A in the vertical direction. That is, in the first fixed portion 111, a plurality of (8 in this example) through holes 111B penetrating the first fixed portion 111 in the vertical direction are formed on the same circumference.
- the first fixing portion 111 is fixed to either a transmission member for transmitting a rotational driving force or a transmitted member to which a rotational driving force is transmitted by a plurality of bolts penetrating the plurality of through holes 111B.
- each of the plurality of support portions 111A is formed with a groove portion 111C notched from the inner surface in the radial direction with a constant vertical width toward the outer side in the radial direction.
- the protrusion 133B of the regulation portion 133 provided on the outer peripheral edge portion of the support member 130 is inserted into the groove portion 111C.
- the groove portion 111C is open in the rotation direction, and by rotating the support member 130, the protruding portion 133B of the regulation portion 133 can be inserted from the opening.
- the vertical width of the groove portion 111C is the same as the vertical width of the protruding portion 133B of the regulating portion 133.
- the groove portion 111C holds the protruding portion 133B of the regulating portion 133 while restricting the vertical movement of the protruding portion 133B of the regulating portion 133.
- the second fixed portion 112 is an annular portion centered on the rotation axis AX and located inside the strain generating body 110.
- the outer diameter of the second fixing portion 112 is smaller than the inner diameter of the first fixing portion 111.
- a plurality of (eight in this example) through holes 112A penetrating the second fixing portion 112 in the vertical direction are formed on the same circumference.
- the second fixing portion 112 is fixed to either one of the transmission member to which the rotational driving force is transmitted and the transmitted member to which the rotational driving force is transmitted by a plurality of bolts penetrating the plurality of through holes 112A.
- the second fixing portion 112 has a circular through hole 112B in the center. Wiring can be inserted through the through hole 112B.
- the connecting portion 113 is centered on the rotation shaft AX and connects the first fixed portion 111 and the second fixed portion 112 (that is, the inner diameter of the first fixed portion 111 and the outer diameter of the second fixed portion 112. It is an annular part (provided between).
- the connecting portion 113 is thinner than the first fixed portion 111 and the second fixed portion 112. Further, the connecting portion 113 has a lower rigidity than the first fixed portion 111 and the second fixed portion 112.
- the connecting portion 113 is a portion where distortion occurs when torque is applied to the force sensor device 100 due to the rotation of the drive member fixed to the first fixed portion 111 or the second fixed portion 112.
- the force sensor device 100 can detect the rotational drive torque by detecting the distortion of the connecting portion 113.
- the detailed configuration of the connecting portion 113 will be described later with reference to FIGS. 5 and 6.
- the support member 130 is a disk-shaped member provided on the upper surface of the strain-causing body 110 with the flexible substrate 120 sandwiched between them.
- the support member 130 is formed by using a metal material or a resin material having a higher composition than the strain-causing body 110.
- the support member 130 increases the strength (bending moment, axial load, and radial load) of the strain-causing body 110 made of resin.
- the support member 130 has a base 131 and a regulation 133.
- the base 131 is provided in the center of the support member 130 and is an annular portion centered on the rotation axis AX.
- the base 131 has a plurality of circular through holes 131A formed on the same circumference.
- the through hole 131A is provided for passing a bolt penetrating the second fixing portion 112 of the strain generating body 110.
- the base 131 is fixed to the transmission member for transmitting the rotational driving force or the transmitted member to which the rotational driving force is transmitted, together with the second fixing portion 112 of the strain generating body 110, by a bolt penetrating the through hole 131A. ..
- the base 131 has a circular through hole 131B in the center. Wiring can be inserted through the through hole 131B.
- the regulating portion 133 has a flat plate portion 133A and a plurality of protruding portions 133B.
- the flat plate portion 133A is an annular portion that surrounds the base portion 131 and is centered on the rotation axis AX.
- the flat plate portion 133A is arranged so as to cover the connecting portion 113 of the strain-causing body 110 and the flexible substrate 120 attached on the connecting portion 113. As shown in FIG. 4, the flat plate portion 133A is parallel to the connecting portion 113 and has a gap between the flat plate portion 133 and the connecting portion 113.
- a plurality of protruding portions 133B are provided on the outer peripheral edge portion of the regulating portion 133.
- the projecting portion 133B is a flat plate-shaped portion having a constant thickness provided so as to project outward in the radial direction from the outer peripheral edge portion of the support member 130.
- the protrusion 133B is inserted into the groove 111C formed in the support 111A provided in the first fixing portion 111 of the strain generating body 110 by rotating the support member 130 and sliding it in the circumferential direction.
- eight projecting portions 133B are provided at equal intervals (that is, at 45 ° intervals) on the outer peripheral edge portion of the support member 130.
- eight support portions 111A are provided at equal intervals (that is, at 45 ° intervals) on the first fixing portion 111 of the strain generating body 110.
- the vertical width of the groove portion 111C is the same as the vertical width of the protruding portion 133B.
- the protruding portion 133B is restricted from moving in the vertical direction in the groove portion 111C, and the vertical strain of the strain generating body 110 caused by the bending moment, the axial load, or the radial load applied to the strain generating body 110 ( That is, distortion that should not be detected) is suppressed.
- the protrusion 133B allows the strain generator 110 to be distorted in the rotational direction (that is, the strain to be detected) by not restricting the movement in the rotational direction in the groove 111C.
- the force sensor device 100 of the present embodiment uses the resin material for the strain-causing body 110, the strain-causing body 110 can be easily formed by injection molding or the like. Further, the force sensor device 100 of the present embodiment can compensate for the decrease in the strength of the strain generating body 110 due to the use of the resin material by providing the support member 130. Further, the force sensor device 100 of the present embodiment allows distortion in the rotational direction of the strain-causing body 110 while suppressing distortion in the vertical direction of the strain-causing body 110 by the protruding portion 133B provided on the support member 130. can do. Therefore, according to the force sensor device 100 of the present embodiment, it is possible to provide a force sensor device corresponding to a low torque while ensuring sufficient strength.
- the flexible substrate 120 is a thin film-like member installed on the upper surface of the connecting portion 113 of the strain-causing body 110.
- the flexible substrate 120 has an annular shape having substantially the same shape as the connecting portion 113.
- the flexible substrate 120 is formed of an insulating material (for example, polyimide).
- the flexible substrate 120 is attached to the upper surface of the connecting portion 113 of the strain generating body 110 by any adhesive means (for example, an adhesive or the like).
- the flexible board 120 is mounted with a plurality of strain detection sensors 121, and a plurality of wirings (not shown) for connecting the plurality of strain detection sensors 121 and the circuit board 140.
- each of the plurality of strain detection sensors 121 is provided at a position corresponding to the beam portions 114a and 114b (see FIGS. 5 and 6) of the connecting portion 113 of the strain generating body 110.
- the flexible substrate 120 has a drawer portion 122 that is pulled out from the outer peripheral edge portion to the outside.
- the pull-out portion 122 is a portion for connecting a plurality of wirings connected to the plurality of strain detection sensors 121 to the circuit board 140.
- the drawer portion 122 is bent downward at a right angle, then bent inward at a right angle, and is further connected to the circuit board 140.
- the flexible substrate 120 has a pair of drawers 122 facing each other with the rotation shaft AX in between.
- the strain detection sensor 121 is a sensor that changes the resistance value by deformation (contraction and expansion) and detects the strain by the change of the resistance value.
- the strain detection sensor 121 is mounted on the flexible substrate 120 at a position corresponding to the beam portions 114a and 114b (see FIGS. 5 and 6) of the connecting portion 113 of the strain generating body 110. As a result, the strain detection sensor 121 detects the strain of the beam portions 114a and 114b. As a result, a voltage value corresponding to the strain amount of the beam portions 114a and 114b (that is, the deformation amount of the strain detection sensor 121) is output to the circuit board 140 via the flexible substrate 120. In FIG.
- the strain detection sensor 121 is shown not on the flexible substrate 120 but on the beam portions 114a and 114b of the connecting portion 113 of the strain generating body 110, which is the installation position of the strain detection sensor 121.
- a plurality of strain detection sensors 121 are collectively formed on the flexible substrate 120 by carbon printing.
- the circuit board 140 is a flat plate-shaped and annular member fixedly installed on the bottom surface of the strain-causing body 110.
- the circuit board 140 has an electronic component such as an IC 141 (see FIG. 4) on the bottom surface thereof.
- the IC 141 acquires the output value of each of the plurality of strain detection sensors 121 via the flexible substrate 120. Then, the IC 141 calculates the rotational torque applied to the strain-causing body 110 based on the output values of each of the plurality of strain detection sensors 121.
- the IC 141 has, for each of the plurality of beam portions 114 (see FIGS. 5 and 6), the output voltage value Va of the strain detection sensor 121 provided on the beam portion 114a of the beam portion 114, and the beam portion 114.
- the difference from the output voltage value Vb of the strain detection sensor 121 provided on the beam portion 114b of the beam portion 114b is calculated. Then, the IC 141 calculates the torque T by adding the calculated differences of the plurality of beam portions 114 and multiplying by a preset coefficient k.
- the beam portions 114a and the beam portions 114b are distorted in opposite directions in each of the plurality of beam portions 114. That is, in the force sensor device 100 of the present embodiment, one of the beam portion 114a and the beam portion 114b contracts, and at the same time, the other of the beam portion 114a and the beam portion 114b expands.
- the change ⁇ Va of the output voltage and the change ⁇ Vb of the output voltage have different polarities from each other, when the two are added together, the change of the voltage value V according to the torque is canceled out.
- the force sensor device 100 of the present embodiment obtains the difference between the change ⁇ Va of the output voltage and the change ⁇ Vb of the output voltage for each of the plurality of beam portions 114, and totals them. As a result, the force sensor device 100 of the present embodiment can total the amount of change in the voltage value V according to the torque and calculate the torque according to the total amount of the change.
- FIG. 5 is a plan view of the strain generating body 110 according to the embodiment.
- FIG. 6 is a partially enlarged view of the strain-causing body 110 according to the embodiment. 5 and 6 show a plurality of strain detection sensors 121 superimposed on the upper surface of the connecting portion 113 of the strain generating body 110, whereby a plurality of strain detecting sensors on the upper surface of the connecting portion 113 of the strain generating body 110 are shown. It represents the arrangement position of 121.
- a plurality of through holes 113A are formed on the same circumference in the connecting portion 113 of the strain-causing body 110.
- a beam portion 114 is formed to connect the portions of the above.
- a through hole 113B is formed on the rotation axis AX side of each of the plurality of beam portions 114. That is, a plurality of through holes 113B are formed in the connecting portion 113 on the same circumference. As a result, each of the plurality of beam portions 114 has two beam portions 114a and 114b branched on the rotation axis AX side with the through hole 113B in between.
- each of the plurality of beam portions 114a and 114b has a narrower width than the other portions, so that distortion is more likely to occur than the other portions. Therefore, the force sensor device 100 according to the embodiment detects the strain of each of the plurality of beam portions 114a and 114b by the plurality of strain detection sensors 121, thereby increasing the torque applied to the strain generating body 110. It can be detected with high accuracy.
- one of the beam portions 114a and 114b is distorted in the extending direction, and the other is distorted in the contracting direction. Therefore, the polarity of the detected value is different between the strain detection sensor 121 provided on one of the beam portions 114a and 114b and the strain detection sensor 121 provided on the other of the beam portions 114a and 114b.
- FIG. 7 is a partially enlarged cross-sectional view of the force sensor device 100 according to the embodiment.
- the protruding portion 133B of the regulating portion 133 is inserted into the groove portion 111C provided in the first fixing portion 111 of the strain generating body 110.
- the protruding portion 133B faces the facing portion 111D, which is the bottom surface of the groove portion 111C.
- the protruding portion 133B of the regulating portion 133 is sandwiched by the upper surface 111Ca and the lower contact portion 111Cb of the groove portion 111C provided in the first fixing portion 111 of the strain generating body 110 in the vertical direction.
- the regulating unit 133 suppresses the vertical distortion (that is, the distortion that should not be detected) of the strain-causing body 110.
- the protruding portion 133B of the regulating portion 133 is released from the groove portion 111C in one direction of the rotation direction (clockwise direction), and is released from the groove portion 111C in the other direction of the rotation direction (counterclockwise direction).
- movement in both directions in the rotation direction is permitted because the groove portion 111C is separated from the side wall 111Cc.
- the regulating unit 133 allows the strain-causing body 110 to be distorted in the rotational direction (that is, the strain to be detected).
- the lower contact portion 111Cb is convex toward the upper surface 111Ca and has a rib shape extending on the same circumference.
- the force sensor device 100 detects the strain of each of the plurality of beam portions 114a and 114b by the plurality of strain detection sensors 121. As a result, the force sensor device 100 according to the embodiment can detect the torque applied to the strain generating body 110 with higher accuracy.
- the force sensor device 100 transmits or drives the driving force with the first fixed portion 111 fixed to the portion where the driving force of rotation is transmitted or the driving force is transmitted.
- a strain generating body 110 having a second fixing portion 112 fixed to a portion to which a force is transmitted, a connecting portion 113 connecting the first fixing portion 111 and the second fixing portion 112, and the strain generating body 110.
- a force sensor device 100 including a strain detection sensor 121 for detecting distortion in the connecting portion 113 of the body 110, and a first fixing portion 111 arranged outside the second fixing portion 112 with the connecting portion 113 interposed therebetween.
- the support member 130 has a support member 130 provided with a base portion 131 fixed to either the first fixing portion 111 or the second fixing portion 112, and the support member 130 extends from the base portion 131. It has a regulating unit 133, and when the base portion 131 is fixed to either the first fixing portion 111 or the second fixing portion 112, the regulating portion 133 allows the rotational operation of the strain generating body 110 and the rotation thereof. Regulate movements other than movements.
- the force sensor device 100 since the force sensor device 100 according to the embodiment has the support member 130 fixed to either the first fixing portion 111 or the second fixing portion 112, the strain generating body 110 alone The load applied to the strain generating body 110 from the transmission portion can be reduced as compared with the case where the driving force of rotation is transmitted or fixed to the transmission portion to which the driving force is transmitted. Therefore, the entire strain-causing body 110 can be reinforced. Further, the force sensor device 100 according to the embodiment allows the rotational operation of the strain-causing body 110 by the regulating portion 133 of the support member 130, while the motion other than the rotational operation of the strain-causing body 110, for example, twisting or the like.
- the force sensor device 100 according to the embodiment can accurately detect the driving force (torque) of rotation by the strain detection sensor 121. As a result, the force sensor device 100 according to the embodiment can provide a force sensor device with high accuracy while ensuring sufficient strength.
- the first fixed portion 111 to which the base 131 is not fixed has a facing portion 111D facing the regulating portion 133 with a gap.
- the force sensor device 100 since the regulation unit 133 faces the facing portion 111D of the first fixed portion 111, the driving force for rotation is transmitted or the driving force is transmitted. It is possible to directly regulate movements other than the rotational movement of the strain-causing body 110, such as twisting. As a result, the force sensor device 100 according to the embodiment can surely suppress the generation of distortion in the connecting portion 113 of the strain-causing body 110 due to the movement other than the rotational operation of the strain-causing body 110. Therefore, the force sensor device 100 according to the embodiment can accurately detect the driving force (torque) of rotation by the strain detection sensor 121.
- the facing portion 111D is provided on the bottom surface of the groove portion 111C formed in the first fixed portion 111, and the regulating portion 133 is a protruding portion housed in the groove portion 111C. It has 133B, and the protruding portion 133B has a gap with the side wall 111Cc of the groove portion 111C.
- the force sensor device 100 according to the embodiment is accommodated in the groove 111C having the facing portion 111D facing the protruding portion 133B of the regulating portion 133 with a gap from the side wall 111Cc. Even if there is an excessive rotation operation or a large distortion of the strain body 110, the movement can be regulated. As a result, the force sensor device 100 according to the embodiment more reliably suppresses the generation of distortion due to excessive rotational movement of the strain-causing body 110 or movement other than the rotational movement in the connecting portion 113 of the strain-causing body 110. can do. Therefore, the force sensor device 100 according to the embodiment can accurately detect the driving force (torque) of rotation by the strain detection sensor 121.
- the force sensor device 100 has a relatively simple configuration, allows the rotational movement of the strain generating body 110 by the regulating unit 133, and regulates the movement other than the rotational movement of the strain generating body 110. be able to. Therefore, the force sensor device 100 according to the embodiment can improve the ease of manufacturing the force sensor device 100, and can realize the cost reduction of the force sensor device 100, and further. , The rotational driving force can be detected with high accuracy.
- the regulation unit 133 has a flat plate portion 133A parallel to the connecting portion 113, and the flat plate portion 133A has a gap between the flat plate portion 133A and the connecting portion 113.
- the strain generating body 110 (coupling). While allowing the rotational movement of the portion 113), it is possible to regulate large movements other than the rotational movement of the connecting portion 113, for example, a large twist. Therefore, excessive deformation of the connecting portion 113 can be suppressed, and the connecting portion 113 (distortion body 110) can be reinforced.
- the connecting portion 113 is thinner than the first fixed portion 111 and the second fixed portion 112.
- the rigidity of the connecting portion 113 can be made lower than that of the first fixed portion 111 and the second fixed portion 112, so that when a rotational driving force is applied, the rigidity is reduced.
- the connecting portion 113 can be easily deformed. Therefore, even when the driving force of the applied rotation is small, the driving force can be detected accurately and accurately.
- the strain-causing body 110 is formed of a resin material.
- the force sensor device 100 according to the embodiment can form the strain-causing body 110 relatively easily and lightly. Therefore, the force sensor device 100 according to the embodiment can realize weight reduction and cost reduction of the force sensor device 100 as a whole.
- the connecting portion 113 has a lower rigidity than the first fixed portion 111 and the second fixed portion 112.
- the force sensor device 100 can accurately and accurately detect the driving force even when the driving force of the applied rotation is small.
- the strain detection sensor 121 is a sensor that detects strain by changing the resistance value.
- the force sensor device 100 according to the embodiment can detect the strain in the connecting portion 113 by detecting the voltage value based on the change in the resistance value of the strain detection sensor 121. Therefore, the force sensor device 100 according to the embodiment can detect the driving force of rotation with a relatively simple configuration and high accuracy.
- the first fixed portion 111 is annular
- the second fixed portion 112 is arranged in an annular shape
- the center of the annular first fixed portion 111 and the center of the annular first fixed portion 111 It coincides with the center of the second fixed portion 112 arranged in an annular shape.
- the force sensor device 100 can efficiently transmit the driving force of rotation via the force sensor device 100. Further, the force sensor device 100 according to the embodiment can efficiently apply a rotational driving force to the connecting portion 113.
- a plurality of strain detection sensors 121 are provided and arranged in an annular shape.
- the force sensor device 100 according to the embodiment can obtain distortions at a plurality of locations on the same circumference in the connecting portion 113. Therefore, the force sensor device 100 according to the embodiment has a higher rotational driving force (torque) by the detection values of the plurality of strain detection sensors 121 (that is, the strain detection values at a plurality of locations in the connecting portion 113). It can be detected with high accuracy. Further, the force sensor device 100 according to the embodiment is based on the detection values of the other strain detection sensors 121, for example, even when a failure or an abnormal value of a part of the strain detection sensors 121 occurs. The driving force of rotation can be calculated with high accuracy.
- the connecting portion 113 has a plurality of through holes 113A and 113B arranged in an annular shape.
- the connecting portion 113 can be made lighter and has a moderately low rigidity, so that the connecting portion 113 can be easily deformed. Therefore, the force sensor device 100 according to the embodiment can accurately and accurately detect the driving force even when the driving force of the applied rotation is small.
- the connecting portion 113 has a plurality of through holes 113A and 113B, whereby a plurality of beam portions 114a and 114b are formed, and the plurality of beam portions 114a, A strain detection sensor 121 is provided in each of the 114b.
- the force sensor device 100 according to the embodiment can detect distortion in each of the plurality of beam portions 114a and 114b having partially low rigidity. Therefore, the force sensor device 100 according to the embodiment can accurately and accurately detect the driving force even when the driving force of the applied rotation is small.
- the strain-causing body 110 has a through hole 112B through which wiring is inserted in the central portion.
- the force sensor device 100 according to the embodiment can prevent the wiring from being exposed to the outside of the strain-causing body 110. Therefore, the force sensor device 100 according to the embodiment can prevent problems such as wiring catching and disconnection from occurring.
- the force sensor device 100 has a shape corresponding to the shape of the connecting portion 113, further includes a flexible substrate 120 arranged on the surface of the connecting portion 113, and the strain detection sensor 121 is provided. , Mounted on the flexible substrate 120.
- the strain detection sensor 121 can be arranged at a predetermined position by arranging the flexible substrate 120 on the surface of the connecting portion 113. Therefore, the force sensor device 100 according to the embodiment can easily and surely arrange the strain detection sensor 121.
- the configuration of the connecting portion 113 is not limited to the configuration described in the embodiment. That is, the connecting portion 113 may have at least any configuration as long as the strain of the connecting portion 113 can be detected by the strain detection sensor 121.
- the strain detection sensor 121 is arranged on the surface of the strain generator 110 facing the support member 130, but the strain detection sensor 121 is not limited to this, and the strain detection sensor 121 faces the circuit board 140 of the strain generator 110. It may be configured to be arranged on the surface to be used.
- the support member is provided with a protruding portion, and the first fixing portion is provided with a groove portion, but the present invention is not limited to this.
- the first fixing portion may be provided with a protruding portion, and the support member may be provided with a groove portion.
- the support member may be provided with a protruding portion, and the second fixing portion may be provided with a groove portion.
- a protruding portion may be provided in the second fixing portion, and a groove portion may be provided in the support member.
- Force sensor device 110 Distortion body 111 First fixing part 111A Support part 111B Through hole 111C Groove part 111Cc Side wall 111D Opposing part 112 Second fixing part 113 Connecting part 113A, 113B Through hole 114, 114a, 114b Beam part 120 Flexible substrate 121 Distortion detection sensor 122 Drawer part 130 Support member 131 Base 131A Through hole 131B Through hole 133 Restriction part 133A Flat plate part 133B Protruding part 140 Circuit board AX Rotating shaft
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Abstract
力覚センサ装置は、回転の駆動力を伝達する或いは駆動力が伝達される部分に固定される第1固定部と、駆動力を伝達する或いは駆動力が伝達される部分に固定される第2固定部と、該第1固定部と該第2固定部とを連結する連結部と、を有する起歪体と、該起歪体の連結部における歪みを検知する歪検知センサと、を備え、第1固定部が連結部を挟んで第2固定部の内側に配設されている力覚センサ装置であって、第1固定部と第2固定部のいずれか一方に固定される基部を備えた支持部材を有し、該支持部材には、該基部から延設された規制部を有し、該規制部は、基部が第1固定部と第2固定部のいずれか一方に固定された際に、起歪体の回転動作を許容し該回転動作以外の動きを規制する。
Description
本発明は、力覚センサ装置に関する。
近年、円盤状の起歪体と歪ゲージとを備えたトルクセンサが、ロボットの関節部分などで用いられている。起歪体として、環状の外側固定部と、外側固定部の内側に配置されたb内側固定部と、外側固定部及び内側固定部を連結する連結部と、を有するものが知られている。このようなトルクセンサでは、起歪体を回転軸と垂直に配置し、外側固定部及び内側固定部にそれぞれ回転体(回転軸やロボットアームなど)を固定し、回転体の回転により生じた連結部の歪みを歪ゲージにより検出することにより、起歪体に加わったトルクを検出する。このようなトルクセンサとしては、環状の第1領域部と環状の第2領域部とを梁で繋ぎ、梁の部分に歪ゲージを配置する。全体を、金属で一体に形成されたものが開示されている(例えば、下記特許文献1参照)。
しかしながら、特許文献1に記載されている力覚センサ装置は、金属により一体に形成されているため、重くて、軽量化の要求に応えられなかった。更に、特許文献1に記載されている力覚センサ装置は、トルクを受けた際の感度が低く、低トルクに対する精度を充分に得ることができなかった。一方、特許文献1に記載されている力覚センサ装置は、基材を合成樹脂の素材に変えたり、厚みを薄くしたりする方法で軽量化や低トルクに対応することができるが、この場合、トルクに対する全体の強度が充分に得られなくなってしまう。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、充分な強度を確保しつつ、低トルクに対応した力覚センサ装置を提供することを目的とする。
一実施形態に係る力覚センサ装置は、回転の駆動力を伝達する或いは駆動力が伝達される部分に固定される第1固定部と、駆動力を伝達する或いは駆動力が伝達される部分に固定される第2固定部と、該第1固定部と該第2固定部とを連結する連結部と、を有する起歪体と、該起歪体の連結部における歪みを検知する歪検知センサと、を備え、第1固定部が連結部を挟んで第2固定部の外側に配設されている力覚センサ装置であって、第1固定部と第2固定部のいずれか一方に固定される基部を備えた支持部材を有し、該支持部材には、該基部から延設された規制部を有し、該規制部は、基部が第1固定部と第2固定部のいずれか一方に固定された際に、起歪体の回転動作を許容し該回転動作以外の動きを規制する。
一実施形態によれば充分な強度を確保しつつ、低トルクに対応した力覚センサ装置を提供することができる。
以下、本発明の各実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。なお、各実施形態に係る明細書及び図面の記載に関して、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重畳した説明を省略する。
(力覚センサ装置100の構成)
図1は、一実施形態に係る力覚センサ装置100の外観斜視図である。図2は、一実施形態に係る力覚センサ装置100の平面図である。図3は、一実施形態に係る力覚センサ装置100の分解斜視図である。図4は、一実施形態に係る力覚センサ装置100の断面図である。
図1は、一実施形態に係る力覚センサ装置100の外観斜視図である。図2は、一実施形態に係る力覚センサ装置100の平面図である。図3は、一実施形態に係る力覚センサ装置100の分解斜視図である。図4は、一実施形態に係る力覚センサ装置100の断面図である。
なお、以降の説明では、便宜上、回転軸AX方向を上下方向(Z軸方向)とする。また、回転軸AXと直交する方向を、X軸方向およびY軸方向とする。なお、X軸方向およびY軸方向は、互いに直交する。
図1~図4に示す力覚センサ装置100は、トルクを検出する円盤状のセンサである。力覚センサ装置100は、ロボットの関節部分などに、回転軸AXに対して垂直に搭載される。力覚センサ装置100は、歪検知センサ121を利用して起歪体110の歪みを検出することにより、起歪体110に加えられた回転トルクを検出する。
図1~図4に示すように、力覚センサ装置100は、起歪体110、フレキシブル基板120、支持部材130、および回路基板140を備えて構成されている。
起歪体110は、回転体の回転によりトルクが加えられる、円盤状の部材である。起歪体110は、PPE(Poly Phenylene Ether)等の樹脂材料が用いられて形成される。起歪体110は、第1固定部111、第2固定部112、および連結部113を有する。
第1固定部111は、回転軸AXを中心とし、且つ、起歪体110の外側に位置する円環状の部分である。第1固定部111は、複数(本例では8個)の支持部111Aが、同一円周上に形成されている。支持部111Aは、部分的に高くなっている部分である。複数(本例では8個)の支持部111Aの各々には、当該支持部111Aを上下方向に貫通する貫通孔111Bが形成されている。すなわち、第1固定部111は、当該第1固定部111を上下方向に貫通する複数(本例では8個)の貫通孔111Bが、同一円周上に形成されている。第1固定部111は、複数の貫通孔111Bを貫通する複数のボルトによって、回転駆動力を伝達する伝達部材、および、回転駆動力が伝達される被伝達部材のいずれか一方に固定される。
また、複数の支持部111Aの各々には、半径方向における内側の面から、半径方向における外側に向かって一定の上下幅を有して切り欠かれた溝部111Cが形成されている。溝部111Cには、支持部材130の外周縁部に設けられた規制部133の突出部133Bが差し込まれる。
溝部111Cは、回転方向に開口しており、支持部材130を回転させることにより、当該開口から規制部133の突出部133Bを差し込むことが可能となっている。溝部111Cの上下幅は、規制部133の突出部133Bの上下幅と同寸法である。これにより、溝部111Cは、規制部133の突出部133Bの上下方向への移動を規制しつつ、規制部133の突出部133Bを保持する。
溝部111Cは、回転方向に開口しており、支持部材130を回転させることにより、当該開口から規制部133の突出部133Bを差し込むことが可能となっている。溝部111Cの上下幅は、規制部133の突出部133Bの上下幅と同寸法である。これにより、溝部111Cは、規制部133の突出部133Bの上下方向への移動を規制しつつ、規制部133の突出部133Bを保持する。
第2固定部112は、回転軸AXを中心とし、且つ、起歪体110の内側に位置する円環状の部分である。第2固定部112の外径は、第1固定部111の内径よりも小さい。第2固定部112は、当該第2固定部112を上下方向に貫通する複数(本例では8個)の貫通孔112Aが、同一円周上に形成されている。第2固定部112は、複数の貫通孔112Aを貫通する複数のボルトによって、回転駆動力を伝達する伝達部材、および、回転駆動力が伝達される被伝達部材のいずれか他方に固定される。また、第2固定部112は、中央に円形の貫通孔112Bを有している。貫通孔112Bは、配線を挿通可能となっている。
連結部113は、回転軸AXを中心とし、且つ、第1固定部111と第2固定部112とを連結する(すなわち、第1固定部111の内径と第2固定部112の外径との間に設けられた)、円環状の部分である。連結部113は、第1固定部111及び第2固定部112より薄い。また、連結部113は、第1固定部111及び第2固定部112より剛性が低い。連結部113は、第1固定部111または第2固定部112に固定された駆動部材の回転によって、力覚センサ装置100に対してトルクが加えられた際に、歪みが生じる部分である。力覚センサ装置100は、連結部113の歪みを検出することによって、回転駆動トルクを検出することができる。連結部113の詳細な構成については、図5および図6を参照して後述する。
支持部材130は、フレキシブル基板120を間に挟んで、起歪体110の上面に重ねて設けられる、円盤状の部材である。支持部材130は、金属素材、または、起歪体110よりも合成が高い樹脂素材が用いられて形成される。支持部材130は、樹脂製の起歪体110の他軸強度(曲げモーメント、軸方向荷重、および径方向荷重に対する強度)を高める。支持部材130は、基部131と、規制部133とを有する。
基部131は、支持部材130の中央に設けられ、回転軸AXを中心とする円環状の部分である。基部131は、同一円周上に複数の円形の貫通孔131Aが形成されている。貫通孔131Aは、起歪体110の第2固定部112を貫通するボルトを貫通させるために設けられている。基部131は、貫通孔131Aを貫通するボルトによって、起歪体110の第2固定部112とともに、回転駆動力を伝達する伝達部材、または、回転駆動力が伝達される被伝達部材に固定される。また、基部131は、中央に円形の貫通孔131Bを有している。貫通孔131Bは、配線を挿通可能となっている。
規制部133は、平板部133Aおよび複数の突出部133Bを有する。平板部133Aは、基部131を取り囲み、回転軸AXを中心とする円環状の部分である。平板部133Aは、起歪体110の連結部113と、連結部113上に貼り付けられたフレキシブル基板120とを覆うように配置される。図4に示すように、平板部133Aは、連結部113と平行であり、且つ、連結部113と間に隙間を有する。
規制部133の外周縁部には、複数の突出部133Bが設けられている。突出部133Bは、支持部材130の外周縁部から半径方向における外側に突出して設けられた、一定の厚さを有する平板状の部分である。突出部133Bは、支持部材130を回転させて円周方向にスライドすることによって、起歪体110の第1固定部111に設けられた支持部111Aに形成された溝部111C内に挿し込まれる。なお、本実施形態では、支持部材130の外周縁部には、8個の突出部133Bが等間隔(すなわち、45°間隔)で設けられている。これに応じて、本実施形態では、起歪体110の第1固定部111に、8個の支持部111Aが等間隔(すなわち、45°間隔)で設けられている。
図4に示すように、溝部111Cの上下幅は、突出部133Bの上下幅と同寸法である。これにより、突出部133Bは、溝部111C内における上下方向の移動が規制され、起歪体110に加わる曲げモーメント、軸方向荷重、または径方向荷重によって生じる、起歪体110の上下方向の歪み(すなわち、検出されるべきではない歪み)を抑制する。一方、突出部133Bは、溝部111C内における回転方向の移動が規制されないことにより、起歪体110の回転方向の歪み(すなわち、検出されるべき歪み)を許容する。
このように、本実施形態の力覚センサ装置100は、起歪体110に樹脂材料を用いているため、射出成型等によって、起歪体110を容易に形成することができる。また、本実施形態の力覚センサ装置100は、樹脂材料を用いたことによる起歪体110の強度の低下を、支持部材130を設けることによって補うことができる。さらに、本実施形態の力覚センサ装置100は、支持部材130に設けられた突出部133Bにより、起歪体110の上下方向の歪みを抑制しつつ、起歪体110の回転方向の歪みを許容することができる。したがって、本実施形態の力覚センサ装置100によれば、充分な強度を確保しつつ、低トルクに対応した力覚センサ装置を提供することができる。
フレキシブル基板120は、起歪体110の連結部113の上面に設置される、薄いフィルム状の部材である。フレキシブル基板120は、連結部113と略同形状である円環状を有する。フレキシブル基板120は、絶縁性を有する素材(例えば、ポリイミド)から形成される。フレキシブル基板120は、任意の接着手段(例えば、接着剤等)によって、起歪体110の連結部113の上面に貼り付けられる。フレキシブル基板120は、複数の歪検知センサ121と、複数の歪検知センサ121と回路基板140を接続するための複数の配線(図示省略)とが実装されている。フレキシブル基板120において、複数の歪検知センサ121の各々は、起歪体110の連結部113の梁部114a,114b(図5および図6参照)に対応する位置に設けられている。フレキシブル基板120は、外周縁部から外側に引き出された引き出し部122を有する。引き出し部122は、複数の歪検知センサ121に繋がる複数の配線を、回路基板140に接続するための部分である。引き出し部122は、下方に直角に折り曲げられた後、内側に直角に折り曲げられ、さらに、回路基板140に接続される。本実施形態では、フレキシブル基板120は、回転軸AXを間に挟んで互いに対向する一対の引き出し部122を有する。
歪検知センサ121は、変形(収縮および伸張)することによって抵抗値が変化し、抵抗値の変化により歪みを検出するセンサである。歪検知センサ121は、フレキシブル基板120において、起歪体110の連結部113の梁部114a,114b(図5および図6参照)に対応する位置に実装される。これにより、歪検知センサ121は、梁部114a,114bの歪みを検出する。これにより、回路基板140には、フレキシブル基板120を介して、梁部114a,114bの歪み量(すなわち、歪検知センサ121の変形量)に応じた電圧値が出力される。なお、図3では、便宜上、歪検知センサ121を、フレキシブル基板120ではなく、当該歪検知センサ121の設置位置である、起歪体110の連結部113の梁部114a,114bに示している。本実施形態では、フレキシブル基板120に対して、複数の歪検知センサ121をカーボン印刷によって一括形成している。
回路基板140は、起歪体110の底面に固定的に設置される平板状且つ円環状の部材である。回路基板140は、その底面にIC141(図4参照)等の電子部品を有する。IC141は、フレキシブル基板120を介して、複数の歪検知センサ121の各々の出力値を取得する。そして、IC141は、複数の歪検知センサ121の各々の出力値に基づいて、起歪体110に加えられた回転トルクを算出する。例えば、IC141は、複数の梁部114(図5および図6参照)の各々について、当該梁部114が有する梁部114aに設けられた歪検知センサ121の出力電圧値Vaと、当該梁部114が有する梁部114bに設けられた歪検知センサ121の出力電圧値Vbとの差を算出する。そして、IC141は、複数の梁部114の各々の算出された差を足し合わせて、予め設定された係数kを乗じることにより、トルクTを算出する。
本実施形態の力覚センサ装置100は、起歪体110にトルクが加わると、複数の梁部114の各々において、梁部114aと梁部114bとが互いに逆方向に歪む。すなわち、本実施形態の力覚センサ装置100は、梁部114aおよび梁部114bの一方が縮むと同時に、梁部114aおよび梁部114bの他方が伸びる。ここで、出力電圧の変化ΔVaと出力電圧の変化ΔVbとは、互いに極性が異なるものとなるため、両者を足し合わせると、トルクに応じた電圧値Vの変化が相殺されてしまう。そこで、本実施形態の力覚センサ装置100は、複数の梁部114の各々について、出力電圧の変化ΔVaと出力電圧の変化ΔVbとの差を求め、それらを合計している。これにより、本実施形態の力覚センサ装置100は、トルクに応じた電圧値Vの変化量を合計し、当該変化量の合計に応じたトルクを算出することができる。
(起歪体110の連結部113の構成)
図5は、一実施形態に係る起歪体110の平面図である。図6は、一実施形態に係る起歪体110の一部拡大図である。図5および図6は、起歪体110の連結部113の上面に対して、複数の歪検知センサ121を重ねて示すことで、起歪体110の連結部113の上面における複数の歪検知センサ121の配置位置を表している。
図5は、一実施形態に係る起歪体110の平面図である。図6は、一実施形態に係る起歪体110の一部拡大図である。図5および図6は、起歪体110の連結部113の上面に対して、複数の歪検知センサ121を重ねて示すことで、起歪体110の連結部113の上面における複数の歪検知センサ121の配置位置を表している。
図5および図6に示すように、起歪体110の連結部113には、同一円周上に、複数の貫通孔113Aが形成されている。これにより、互いに隣り合う2つの貫通孔113Aの間には、連結部113における複数の貫通孔113Aよりも半径方向における外側の部分と、連結部113における複数の貫通孔113Aよりも半径方向における内側の部分とを連結する、梁部114が形成されている。
また、図5および図6に示すように、連結部113において、複数の梁部114の各々の回転軸AX側には、貫通孔113Bが形成されている。すなわち、連結部113には、同一円周上に、複数の貫通孔113Bが形成されている。これにより、複数の梁部114の各々は、その回転軸AX側に、貫通孔113Bを間に挟んで分岐した2つの梁部114a,114bを有するものとなっている。
そして、図5および図6に示すように、複数の梁部114a,114bの各々の上面には、フレキシブル基板120に実装された歪検知センサ121が配置される。連結部113において、複数の梁部114a,114bの各々は、その他の部分よりも幅が狭くなっているため、その他の部分よりも歪みが生じ易くなっている。このため、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、複数の歪検知センサ121によって複数の梁部114a,114bの各々の歪みを検出することで、起歪体110に加わったトルクをより高精度に検出することができる。
なお、起歪体110に対して一の回転方向にトルクが加わったとき、梁部114a,114bのうちの一方は、伸びる方向に歪みが生じ、他方は、縮む方向に歪みが生じる。したがって、梁部114a,114bの一方に設けられた歪検知センサ121と、梁部114a,114bの他方に設けられた歪検知センサ121とでは、検出値の極性が異なるものとなる。
(突出部133Bと溝部111Cとの関係)
図7は、一実施形態に係る力覚センサ装置100の一部拡大断面図である。図7に示すように、規制部133の突出部133Bは、起歪体110の第1固定部111に設けられた溝部111C内に差し込まれる。突出部133Bは、溝部111Cの底面である、対向部111Dと対向している。図7に示すように、規制部133の突出部133Bは、上下方向に関しては、起歪体110の第1固定部111に設けられた溝部111Cの上面111Caおよび下側当接部111Cbによって挟まれることにより、上下方向への移動が規制される。これにより、規制部133は、起歪体110の上下方向の歪み(すなわち、検出されるべきではない歪み)を抑制する。一方、図7に示すように、規制部133の突出部133Bは、回転方向の一方向(時計回り方向)に関しては、溝部111Cから解放されており、回転方向の他方向(反時計回り方向)に関しては、溝部111Cの側壁111Ccから離間していることにより、回転方向の両方向への移動が許容される。これにより、規制部133は、起歪体110の回転方向の歪み(すなわち、検出されるべき歪み)を許容する。なお、下側当接部111Cbは、上面111Caに向かって凸状であり、且つ、同一円周上を延在するリブ状である。
図7は、一実施形態に係る力覚センサ装置100の一部拡大断面図である。図7に示すように、規制部133の突出部133Bは、起歪体110の第1固定部111に設けられた溝部111C内に差し込まれる。突出部133Bは、溝部111Cの底面である、対向部111Dと対向している。図7に示すように、規制部133の突出部133Bは、上下方向に関しては、起歪体110の第1固定部111に設けられた溝部111Cの上面111Caおよび下側当接部111Cbによって挟まれることにより、上下方向への移動が規制される。これにより、規制部133は、起歪体110の上下方向の歪み(すなわち、検出されるべきではない歪み)を抑制する。一方、図7に示すように、規制部133の突出部133Bは、回転方向の一方向(時計回り方向)に関しては、溝部111Cから解放されており、回転方向の他方向(反時計回り方向)に関しては、溝部111Cの側壁111Ccから離間していることにより、回転方向の両方向への移動が許容される。これにより、規制部133は、起歪体110の回転方向の歪み(すなわち、検出されるべき歪み)を許容する。なお、下側当接部111Cbは、上面111Caに向かって凸状であり、且つ、同一円周上を延在するリブ状である。
(一実施形態に係る力覚センサ装置100の動作)
上記のように構成された力覚センサ装置100は、起歪体110の第1固定部111および第2固定部112の一方に固定された伝達部材(回転体)が回転すると、起歪体110を介して、起歪体110の第1固定部111および第2固定部112の他方に固定された被伝達部材(回転体)も回転する。その際、起歪体110に加わるトルクに応じて、起歪体110の連結部113に歪みが生じる。特に、連結部113においては、複数の梁部114a,114bの各々は、その他の部分よりも幅が狭くなっているため、その他の部分よりも歪みが生じ易くなっている。そこで、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、複数の歪検知センサ121によって複数の梁部114a,114bの各々の歪みを検出する。これにより、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、起歪体110に加わったトルクをより高精度に検出することができる。
上記のように構成された力覚センサ装置100は、起歪体110の第1固定部111および第2固定部112の一方に固定された伝達部材(回転体)が回転すると、起歪体110を介して、起歪体110の第1固定部111および第2固定部112の他方に固定された被伝達部材(回転体)も回転する。その際、起歪体110に加わるトルクに応じて、起歪体110の連結部113に歪みが生じる。特に、連結部113においては、複数の梁部114a,114bの各々は、その他の部分よりも幅が狭くなっているため、その他の部分よりも歪みが生じ易くなっている。そこで、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、複数の歪検知センサ121によって複数の梁部114a,114bの各々の歪みを検出する。これにより、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、起歪体110に加わったトルクをより高精度に検出することができる。
以上説明した通り、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、回転の駆動力を伝達する或いは駆動力が伝達される部分に固定される第1固定部111と、駆動力を伝達する或いは駆動力が伝達される部分に固定される第2固定部112と、該第1固定部111と該第2固定部112とを連結する連結部113と、を有する起歪体110と、該起歪体110の連結部113における歪みを検知する歪検知センサ121と、を備え、第1固定部111が連結部113を挟んで第2固定部112の外側に配設されている力覚センサ装置100であって、第1固定部111と第2固定部112のいずれか一方に固定される基部131を備えた支持部材130を有し、該支持部材130には、該基部131から延設された規制部133を有し、該規制部133は、基部131が第1固定部111と第2固定部112のいずれか一方に固定された際に、起歪体110の回転動作を許容し該回転動作以外の動きを規制する。
これにより、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、第1固定部111と第2固定部112のいずれか一方に固定される支持部材130を有しているので、起歪体110単独で回転の駆動力を伝達する或いは駆動力が伝達される伝達部分に固定される場合と比較して、伝達部分から起歪体110にかかる負荷を低減することができる。このため、起歪体110全体の補強を行うことができる。さらに、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、支持部材130の規制部133によって、起歪体110の回転動作を許容する一方で、起歪体110の回転動作以外の動き、例えばねじれ等を規制することができるため、起歪体110の連結部113における、起歪体110の回転動作以外の動きに伴う歪みの発生を抑制することができる。このため、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、歪検知センサ121によって、回転の駆動力(トルク)を正確に検知することができる。これらのことにより、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、充分な強度を確保しつつ、精度良い力覚センサ装置を提供することができる。
また、一実施形態に係る力覚センサ装置100において、基部131が固定されていない第1固定部111には、規制部133と隙間を有して対向する対向部111Dを有する。
これにより、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、規制部133が第1固定部111の対向部111Dと対向しているので、回転の駆動力を伝達する或いは駆動力が伝達される部分と対向することとなり、起歪体110の回転動作以外の動き、例えばねじれ等を直接的に規制することができる。これにより、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、起歪体110の連結部113における、起歪体110の回転動作以外の動きに伴う歪みの発生を確実に抑制することができる。このため、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、歪検知センサ121によって、回転の駆動力(トルク)を正確に検知することができる。
また、一実施形態に係る力覚センサ装置100において、対向部111Dは、第1固定部111に形成された溝部111Cの底面に設けられ、規制部133は、溝部111C内に収容される突出部133Bを有し、該突出部133Bが溝部111Cの側壁111Ccと隙間を有している。
これにより、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、規制部133の突出部133Bが対向部111Dを対面に有する溝部111Cに、その側壁111Ccと隙間を有して収容されているので、起歪体110の過度な回転動作や大きな歪み等があっても、その動きを規制することができる。これにより、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、起歪体110の連結部113における、起歪体110の過度な回転動作や回転動作以外の動きに伴う歪みの発生をより確実に抑制することができる。このため、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、歪検知センサ121によって、回転の駆動力(トルク)を正確に検知することができる。
また、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、比較的簡単な構成で、規制部133によって、起歪体110の回転動作を許容し、起歪体110の回転動作以外の動きを規制することができる。よって、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、当該力覚センサ装置100の製造容易性を高めることができ、且つ、当該力覚センサ装置100の低コスト化を実現することができ、さらに、回転駆動力を高精度に検出することができる。
また、一実施形態に係る力覚センサ装置100において、規制部133は、連結部113と平行な平板部133Aを有し、平板部133Aは、連結部113と間に隙間を有する。
これにより、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、規制部133の平板部133Aと起歪体110の連結部113とが隙間を有して対向しているので、起歪体110(連結部113)の回転動作を許容する一方で、連結部113の回転動作以外の大きな動き、例えば大きなねじれ等を規制することができる。このため、連結部113の過度な変形を抑制することができ、連結部113(起歪体110)の補強を行うことができる。
また、一実施形態に係る力覚センサ装置100において、連結部113は、第1固定部111及び第2固定部112より薄い。
これにより、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、連結部113の剛性を第1固定部111及び第2固定部112よりも低めることができるため、回転の駆動力が加えられた際に連結部113を変形し易くすることができる。よって、加えられた回転の駆動力が小さい場合であっても、当該駆動力を正確に精度よく検出することができる。
また、一実施形態に係る力覚センサ装置100において、起歪体110は、樹脂材料により形成されている。
これにより、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、起歪体110を比較的容易且つ軽量に形成することができる。よって、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、当該力覚センサ装置100全体の軽量化および低コスト化を実現することができる。
また、一実施形態に係る力覚センサ装置100において、連結部113は、第1固定部111及び第2固定部112より剛性が低い。
これにより、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、回転の駆動力が第1固定部111及び第2固定部112で逃げ難くなり、回転の駆動力の殆どを連結部113に伝達できるため、連結部113を変形し易くすることができる。よって、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、加えられた回転の駆動力が小さい場合であっても、当該駆動力を正確に精度よく検出することができる。
また、一実施形態に係る力覚センサ装置100において、歪検知センサ121は、抵抗値の変化により歪みを検出するセンサである。
これにより、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、歪検知センサ121の抵抗値の変化に基づく電圧値を検出することによって、連結部113における歪みを検知することができる。このため、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、比較的簡単な構成且つ高精度に、回転の駆動力を検出することができる。
また、一実施形態に係る力覚センサ装置100において、第1固定部111は、環状であり、第2固定部112は、環状に配置されており、環状の第1固定部111の中心と、環状に配置された第2固定部112の中心とは、一致している。
これにより、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、第1固定部111および第2固定部112を同軸上に設けたことにより、第1固定部111と第2固定部112との間の回転の駆動力のロスを抑制することができる。よって、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、当該力覚センサ装置100を介して、回転の駆動力を効率的に伝達することができる。また、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、連結部113に回転の駆動力が効率的に加わるようにすることができる。
また、一実施形態に係る力覚センサ装置100において、歪検知センサ121は、複数設けられており、環状に配置されている。
これにより、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、連結部113における同一円周上の複数個所の歪みを得ることができる。このため、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、複数の歪検知センサ121の検出値(すなわち、連結部113における複数個所の歪み検出値)によって、回転の駆動力(トルク)をより高精度に検知することができる。また、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、例えば、一部の歪検知センサ121の故障や異常値が生じた場合であっても、他の歪検知センサ121の検出値に基づいて、回転の駆動力を高精度に算出することができる。
また、一実施形態に係る力覚センサ装置100において、連結部113は、環状に配置された複数の貫通孔113A,113Bを有する。
これにより、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、連結部113を軽量化且つ適度に低剛性化することができるため、連結部113を変形し易くすることができる。よって、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、加えられた回転の駆動力が小さい場合であっても、当該駆動力を正確に精度よく検出することができる。
また、一実施形態に係る力覚センサ装置100において、連結部113は、複数の貫通孔113A,113Bを有することによって複数の梁部114a,114bが形成されており、当該複数の梁部114a,114bの各々に歪検知センサ121が設けられている。
これにより、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、部分的に剛性の低い複数の梁部114a,114bの各々において歪みを検知できる。よって、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、加えられた回転の駆動力が小さい場合であっても、当該駆動力を正確に精度よく検出することができる。
また、一実施形態に係る力覚センサ装置100において、起歪体110は、配線が挿通される貫通孔112Bを中央部に有する。
これにより、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、配線が起歪体110の外側に露出しないようにすることができる。このため、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、配線の引っ掛かりや切断等の不具合を生じ難くすることができる。
また、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、連結部113の形状に対応する形状を有し、連結部113の表面に重ねて配置されるフレキシブル基板120をさらに備え、歪検知センサ121は、フレキシブル基板120に実装される。
これにより、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、フレキシブル基板120を連結部113の表面に重ねて配置することにより、歪検知センサ121を所定の位置に配置することができる。このため、一実施形態に係る力覚センサ装置100は、歪検知センサ121の配置を容易且つ確実に行うことができる。
以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形又は変更が可能である。
例えば、連結部113の構成は、実施形態で説明した構成に限らない。すなわち、連結部113は、少なくとも、歪検知センサ121によって当該連結部113の歪みを検出可能な構成であれば、如何なる構成であってもよい。
例えば、実施形態では、歪検知センサ121が起歪体110における支持部材130と対向する面に配置されているが、これに限らず、歪検知センサ121が起歪体110における回路基板140と対向する面に配置される構成であってもよい。
また、実施形態では、支持部材に突出部を設けて、第1固定部に溝部を設けたが、これに限らない。例えば、第1固定部に突出部を設けて、支持部材に溝部を設けてもよい。また、例えば、支持部材に突出部を設けて、第2固定部に溝部を設けてもよい。また、例えば、第2固定部に突出部を設けて、支持部材に溝部を設けてもよい。
本国際出願は、2020年5月13日に出願した日本国特許出願第2020-084769号に基づく優先権を主張するものであり、当該出願の全内容を本国際出願に援用する。
100 力覚センサ装置
110 起歪体
111 第1固定部
111A 支持部
111B 貫通孔
111C 溝部
111Cc 側壁
111D 対向部
112 第2固定部
113 連結部
113A,113B 貫通孔
114,114a,114b 梁部
120 フレキシブル基板
121 歪検知センサ
122 引き出し部
130 支持部材
131 基部
131A 貫通孔
131B 貫通孔
133 規制部
133A 平板部
133B 突出部
140 回路基板
AX 回転軸
110 起歪体
111 第1固定部
111A 支持部
111B 貫通孔
111C 溝部
111Cc 側壁
111D 対向部
112 第2固定部
113 連結部
113A,113B 貫通孔
114,114a,114b 梁部
120 フレキシブル基板
121 歪検知センサ
122 引き出し部
130 支持部材
131 基部
131A 貫通孔
131B 貫通孔
133 規制部
133A 平板部
133B 突出部
140 回路基板
AX 回転軸
Claims (14)
- 回転の駆動力を伝達する或いは前記駆動力が伝達される部分に固定される第1固定部と、前記駆動力を伝達する或いは前記駆動力が伝達される部分に固定される第2固定部と、該第1固定部と該第2固定部とを連結する連結部と、を有する起歪体と、
該起歪体の前記連結部における歪みを検知する歪検知センサと、を備え、
前記第1固定部が前記連結部を挟んで前記第2固定部の外側に配設されている力覚センサ装置であって、
前記第1固定部と前記第2固定部のいずれか一方に固定される基部を備えた支持部材を有し、
該支持部材には、該基部から延設された規制部を有し、
該前記規制部は、前記基部が前記第1固定部と前記第2固定部のいずれか一方に固定された際に、前記起歪体の回転動作を許容し該回転動作以外の動きを規制することを特徴とする力覚センサ装置。 - 前記基部が固定されていない前記第1固定部と前記第2固定部のいずれか他方には、前記規制部と隙間を有して対向する対向部を有することを特徴とする請求項1に記載の力覚センサ装置。
- 前記対向部は、前記第1固定部或いは前記第2固定部に形成された溝部の底面に設けられ、
前記規制部は、前記溝部内に収容される突出部を有し、
該突出部が前記溝部の側壁と隙間を有していることを特徴とする請求項2に記載の力覚センサ装置。 - 前記規制部は、前記連結部と平行な平板部を有し、
前記平板部は、前記連結部と間に隙間を有することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の力覚センサ装置。 - 前記連結部は、前記第1固定部及び前記第2固定部より薄いことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の力覚センサ装置。
- 前記起歪体は、樹脂材料により形成されていることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の力覚センサ装置。
- 前記連結部は、前記第1固定部及び前記第2固定部より剛性が低いことを特徴とする請求項6に記載の力覚センサ装置。
- 前記歪検知センサは、抵抗値の変化により歪みを検出するセンサであることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の力覚センサ装置。
- 前記第1固定部は、環状であり、
前記第2固定部は、環状に配置されており、
環状の前記第1固定部の中心と、環状に配置された前記第2固定部の中心とは、一致していることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の力覚センサ装置。 - 前記歪検知センサは、複数設けられており、環状に配置されていることを特徴とする請求項9に記載の力覚センサ装置。
- 前記連結部は、環状に配置された複数の貫通孔を有することを特徴とする請求項9または10に記載の力覚センサ装置。
- 前記連結部は、前記複数の貫通孔を有することによって複数の梁部が形成されており、当該複数の梁部の各々に前記歪検知センサが設けられていることを特徴とする請求項11に記載の力覚センサ装置。
- 前記起歪体は、配線が挿通される貫通孔を中央部に有することを特徴とする請求項1から12のいずれか一項に記載の力覚センサ装置。
- 前記連結部の形状に対応する形状を有し、前記連結部の表面に重ねて配置されるフレキシブル基板をさらに備え、
前記歪検知センサは、前記フレキシブル基板に実装されることを特徴とする請求項1から13のいずれか一項に記載の力覚センサ装置。
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- 2022-09-29 US US17/936,452 patent/US20230013439A1/en active Pending
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