CN109661567A - 力传感器 - Google Patents

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铃木隆史
池田隆男
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Nidec Copal Corp
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Abstract

在力传感器中，圆筒形的可动体12相对于圆筒形的主体11可以运动。应变体16固定到主体和可动体，可以随着可动体12的运动而变形。变形传感器26设置在应变体中。可动体12在周围等间距地具有至少3个圆形的开口部13。挡块14配置在开口部13各自的内部，具有第一侧面14a和第二侧面14b，第一侧面14a具有小于开口部13的直径的第一外径，第二侧面14b具有小于第一外径的第二外径。固定部件15将挡块14固定到主体11。

Description

力传感器
技术领域
本发明的实施方式涉及一种六轴力传感器，例如用于机械臂等。
背景技术
力传感器例如用于机械臂等，检测XYZ方向的外力和扭矩(例如参考专利文献1、2)。
在力传感器中，施加在作为可动部的受力体的外力被传递到例如作为应变体的隔膜部，隔膜部的变形转换为电信号，从而被检测到。
其中，当有多余的外力施加到隔膜部时，隔膜部的变形会超过极限，即使在外力撤去后，隔膜部的形状也有可能不会复原，或是隔膜部有可能发生破损。
因此，为了保护隔膜部免受这种多余的外力，会设置限制受力体位移的挡块等保护机构。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：(日本)特开2010-8343号公报
专利文献2：(日本)特公平6-43937号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，受力体的位移量极小，因此当要实现高灵敏度的六轴方向的力传感器时，需要在全部六轴方向上以极高的精度来管理受力体和挡块的距离(直到保护机构发挥功能的位移量)。
鉴于上述情况，本发明提供一种能够以高精度管理受力体和挡块的距离的力传感器。
解决课题的手段
实施方式的力传感器，具有：圆筒形的主体；圆筒形的可动体，其相对于所述主体可以运动；应变体，其固定到所述主体和所述可动体，可以随着所述可动体的运动而变形；变形传感器，其设置在所述应变体上；至少3个圆形的开口部，其在所述可动体的周围等间距设置；挡块，其配置在所述开口部各自的内部，具有第一侧面和第二侧面，所述第一侧面具有小于所述开口部的直径的第一外径，所述第二侧面具有小于所述第一外径的第二外径；以及固定部件，其将所述挡块固定到所述主体。
发明效果
本发明可以提供一种能够以高精度管理受力体和挡块的距离的力传感器。
附图说明
图1是表示第一实施方式的力传感器的立体图。
图2是表示第一实施方式的力传感器的分解立体图。
图3是表示第一实施方式的力传感器的俯视图。
图4是表示沿图3的IV-IV的力传感器的剖面图。
图5是用于说明Z轴方向的外力检测动作的剖面图。
图6是表示安装有夹具的力传感器的俯视图。
图7是表示沿图6的VII-VII的力传感器的剖面图。
图8是表示在Z方向施加负荷时的应变体的位移和负荷的关系的图。
图9是表示第二实施方式的力传感器的剖面图，只表示主要部分。
图10是将图9的A所表示的部分放大表示的剖面图。
具体实施方式
下面参照附图，对实施方式进行说明。此外，在以下说明中，对实质相同的功能和要素附加相同符号，根据需要进行说明。另外，附图是示意图，厚度和平面尺寸的关系、各层厚度的比例等有时与实物不同。
(第一实施方式)
[构成]
整体构成
下面使用图1和图2，对第一实施方式的力传感器的整体构成进行说明。图1是表示第一实施方式的力传感器的立体图。图2是表示第一实施方式的力传感器的分解立体图。关于第一实施方式的力传感器10，例如用于机械臂等，并且通过用于检测XYZ方向的力和扭矩的六轴力传感器为例进行说明。
力传感器10具有圆筒形的主体11和相对于主体11可以运动的圆筒形的可动体12。主体11通过贯穿在主体11底部形成的多个螺纹孔19a的多个安装螺丝19而固定到未图示的机械臂的主体。可动体12作为用于将未图示的机械臂的手部分安装在其上面的手安装板发挥功能。
主体11是作为力传感器10的基础的基础部件，可动体12夹住可以进行弹性变形的应变部16，可相对于主体11在六轴方向(X轴方向、Y轴方向、Z轴方向，以及围绕各轴的方向)上运动地安装。即，如图2所示，应变体16通过分别贯穿在应变体16中形成的多个螺纹孔17a的应变体固定螺丝17而固定在主体11上，还通过分别贯穿多个螺纹孔18a的手板固定螺丝18而固定在可动体12上。
应变体16的表面与由X轴、Y轴形成的面平行配置，垂直通过应变体16的中心的线与Z轴一致。当对可动体12施加外力时，可动体12运动，应变体16发生位移。应变体16设置有后述的变形传感器，通过变形传感器来检测应变体16的位移。
在可动体12的周面，例如等间距地设置有4个圆形的开口部13。即，各开口部13配置在X轴方向和Y轴方向。开口部13的数量不限于4个，只要是3个以上即可。在各开口部13的内部配置有挡块14，各挡块14通过挡块安装螺栓15固定在主体11上。
挡块14是限制可动体12的运动范围的部件，在挡块14的最外周部，具有可与开口部13的内面抵接的第一侧面14a。即，在应变体16随着可动体12的运动而变形时，第一侧面14a与可动体12的开口部13的内面抵接，作为防止应变体16过度变形的保护机构发挥功能。
在主体11的内部，与应变体16相对地设置有基板20。基板20具有多个螺纹孔21a，并且通过贯穿各螺纹孔21a的固定螺丝21而固定在主体11上。在基板20上，电连接有设置在应变体16上的变形传感器。
在主体11的底部，安装有堵住开口部11a的盖子22。即，盖子22具有多个螺纹孔23a，并且通过贯穿这些螺纹孔23a的固定螺丝23而固定在主体11上。
在主体11的侧面，拉出有用于将检测信号向外部传递的配线25。配线25与基板20电连接。
平面构成和剖面构成
下面使用图3和图4，对第一实施方式的力传感器的平面构成和剖面构成进行详细说明。图3是表示力传感器10的俯视图。图4是表示沿图3的IV-IV的力传感器10的剖面图。
上述变形传感器(未图示)贴在应变体16表面的规定部位，测定应变体16的各个部位的变形，由此检测六轴方向的力和扭矩。此外，变形传感器的构成和配置没有特别限制，可以改变。另外，在应变体16和基板20之间，设置有FPC(Flexible printed circuits，柔性印刷电路)26，用于将设置在应变体16上的变形传感器和基板20电连接。FPC 26具有绝缘性的柔软膜和在该膜上配线的规定电路，形成可以配合可动体12的动作而自由弯曲的结构。
挡块14具有上述第一侧面14a和第二侧面14b。第一侧面14a在可动体12中位于第二侧面14b的内侧，具有小于可动体12的开口部13的直径R13的第一外径R14a。第二侧面14b具有小于第一外径R14a的第二外径R14b。因此，第一侧面14b和开口部13的内面之间的距离W14构成为小于第二侧面14b和开口部13的内面之间的距离W30(W14<W30)。另外，在可动体12和主体11的侧面，也设置有相当于距离W30的缝隙，并且相对于主体11，可动体12可以运动。距离W30例如为几mm左右。
其中，第一侧面14a和开口部13的内面之间的距离(空隙)W14，例如为20μm～40μm左右，因此非常狭窄。而且，在可动体12运动时，为了防止应变体16的破损，需要以极高的精度来管理该距离W14。
另外，如将图4用虚线围住的部分放大所示，实际上，在与第一侧面14a平行的挡块14的内侧面和固定螺栓15的轴之间，设置有距离W15a的规定缝隙。另外，在与第一侧面14a、第二侧面14b平行的挡块14的内侧面和固定螺栓15头部的侧面之间，也设置有距离W15b的规定缝隙。上述距离W15a、W15b例如为0.2mm左右。此外，在以后的说明中，将省略这些缝隙的图示。
本实施方式中，在第二侧面14b和开口部13的内面之间插入作为用于调节的夹具的垫片的状态下，通过固定螺栓15将挡块14固定到主体11。垫片具有插入部，插入部具有与距离W30实质相同的厚度。挡块14只能移动上述缝隙的距离W15a、15b的量，因此通过使用这种垫片进行调节，能够以高精度来管理可动体12的开口部13的内面和挡块14的第一侧面14a之间的距离(空隙)W14，保证可动体12相对于主体11的规定可动范围，从而可以提高力传感器的灵敏度。详细内容将在后文叙述。
[检测动作]
下面使用图5，对上述构成的力传感器10的检测动作进行说明。图5是用于说明Z轴方向的外力检测动作的剖面图。在此，以检测在Z轴方向上对可动体12的大致中央部分施加的外力(负荷)FZ的情况为例。
如图所示，当在Z轴方向上向可动体12的大致中央部分施加外力FZ时，外力FZ会使可动体12沿Z轴方向向下方移动。主体11被固定，不会因外力FZ而移动，因此可动体12向下方移动，直到开口部13的上侧的内面与挡块14的上侧的第一侧面14a抵接。通过上述移动，上侧的距离W14U实质变为0，下侧的距离W14D与移动前的初始状态相比，增大到2倍左右。
随着上述可动体12的移动，应变体16发生变形。挡块14将应变体16的变形限制在规定范围。因此，可以保护应变体16不被多余的外力破坏。应变体16的变形由变形传感器检测，被转换为作为电信号的检测信号。检测信号经由FPC 26、基板20，通过配线25向外部传递，由此可以检测外力FZ。
之后，当外力FZ向可动体12的施加被解除时，应变体16通过弹性变形而恢复为原来的形状。
此外，这里是以Z轴方向上的外力检测动作为例，而X轴方向和Y轴方向上的其他外力检测动作亦同。另外，X、Y、Z轴方向上的各扭矩检测动作也与上述外力检测动作实质相同，因此省略详细说明。
[空隙W14的调节]
下面使用图6、图7，对空隙的调节进行说明。
如图6、图7所示，空隙的调节是在开口部13安装垫片30来进行的。图6、图7表示在1个开口部13安装垫片30的情况，但优选在将垫片30安装在全部4个开口部13的状态下进行调节。这种情况下，调节精度进一步提高，可以缩短调节作业的时间。
如图7所示，垫片30具有筒状的插入部30a、捏持部30b和开口部33。
捏持部30b具有大于开口部13的直径R13的外径R30。
开口部33贯穿捏持部30a，可以插入安装在设置于安装螺栓15的头部的六角孔的未图示的六角扳手。
插入部30a具有与可动体12的开口部13的直径大致相等的外径R13，插入部30a的厚度设为与挡块14的第二侧面14b和开口部13的内面之间的距离W30实质相同的厚度。
在松开安装螺栓15的状态下，如图7所示，垫片30的插入部30a插入到挡块14的第二侧面14b和开口部13的内面之间。插入部30a的外径与开口部13的直径R13实质相同，插入部30a的内径与挡块14的第二侧面14b的第二外径R14b实质相同。因此，在将垫片30的插入部30a插入到开口部13的状态下，垫片30的轴心C30与挡块14的轴心C14彼此一致，成为同心圆。即，在该状态下，挡块14只能移动上述缝隙的距离W15a、15b的量，因此挡块14的第一侧面14a和开口部13的内面的距离W14被准确地设置。
在该状态下，从垫片30的开口部33插入未图示的六角扳手，将安装螺栓15拧紧，由此使挡块14固定到主体11。
如此，通过将具有相当于距离W30的厚度的插入部30a插入到挡块14的第二侧面14b和开口部13之间，可以准确地管理挡块14的第一侧面14a和开口部13的内面的距离W14，即空隙。
[作用效果]
根据上述第一实施方式，挡块14具有与可动体12的开口部13的内面抵接的第一侧面14a、以及外径小于第一侧面的第二侧面14b，在调节挡块14时，在挡块14的第二侧面14b和开口部13的内面之间，插入具有相当于第二侧面14b和开口部13的内面之间的距离W30的厚度的垫片30的插入部30a。因此，垫片30的轴心C30和挡块14的轴心C14一致，使得挡块14只会移动上述缝隙的距离W15a、15b的量，可以准确地设定挡块14的第一侧面14a和开口部13的内面的距离W14。
例如，当向本实施方式的力传感器10在Z方向上施加负荷FZ时，应变体16的位移[μm]和检测到的负荷[N]的关系如图8所示。如图8所示，特性曲线CL10在Z方向的位移为0.022μm的附近(拐点)，其倾斜度(立起的角度)发生变化。这表示在位移从零状态至拐点(D1)时挡块14没有发挥功能而应变体16发生变形，在拐点之后(D2)挡块14的第一侧面14a与开口部13的内面抵接，因此表示挡块14发挥了功能。在拐点之后(D2)，特性曲线CL10的倾斜增大，应变体16难以变形，显然能够准确地设定空隙，即距离W14。
而且，在安装螺栓15松开的状态下，只需安装垫片30，从垫片30的开口部33将安装螺栓15拧紧即可，因此可以在尽量降低空隙即距离W14的误差的同时，使调节作业变得容易。
另外，挡块14的第一侧面14a和第二侧面14b例如可以使用同一工序连续切削来形成。因此，第一侧面14a和第二侧面14b的尺寸管理和检查较为容易。
此外，可动体12即使在其制造加工中，也只需管理开口部13的直径R13的尺寸即可，因此尺寸管理和检查较为容易。
另外，垫片30的插入部30a的外面和内面例如可以使用同一工序连续切削来形成。因此，可以使垫片30的尺寸管理和检查变得容易，能够提高同心的程度。
而且，挡块14的形状非常简单，对六轴方向的所有方向具有保护功能。因此，能够提供灵敏度高且有利于降低制造成本的力传感器10。
(第二实施方式(具有锥形结构的一例))
下面使用图9和图10，对第二实施方式的力传感器10A进行说明。第二实施方式涉及挡块14和垫片30具有锥形结构的一例。
[结构]
图9是表示第二实施方式的力传感器10A的剖面图。图10是表示图9的A附近且使用夹具状态下的力传感器10A的剖面图。
如图9所示，第二实施方式中，挡块14具有锥形结构，锥形结构的构成为第二侧面14c随着远离第一侧面14a，第二外径R14c变小。如图10所示，挡块14的第二侧面14c和水平面所成的角θ14为锐角。
另外，如图10所示，与上述挡块14的锥形结构一致，垫片30的插入部30a的内侧面具有以随着远离第一侧面14a其内径变小方式构成的锥形结构。垫片30的插入部30a的内侧面和水平面所成的角θ30为锐角。
其他结构与上述第一实施方式实质相同，因此省略其详细说明。另外，关于检测动作，由于也与上述第一实施方式实质相同，因此省略其详细说明。
[作用效果]
通过第二实施方式的力传感器10A的结构和动作，至少可以获得与第一实施方式相同的效果。
另外，在第二实施方式的力传感器10A中，挡块14的第二侧面14c和垫片30的插入部30a具有锥形结构。具体而言，如图9所示，挡块14的第二侧面14c和插入部30a的内侧面构成为，随着远离第一侧面14a，第二外径R14c和内径变小。
如此，挡块14的第二侧面14c和垫片30的插入部30a具有锥形结构，由此，在进行挡块14的定位时，可以向开口部13容易地插入垫片30的插入部30a。
而且，挡块14的第二侧面14c和垫片30的插入部30a具有锥形结构，可以使挡块14和垫片30的轴心切实地一致。因此，能够以比第一实施方式更高的精度来管理第一侧面14a和开口部13的内面之间的距离W14。
(变形例)
毋庸置疑的是，本发明并不限于上述第一实施方式和第二实施方式公开的内容，可以根据需要进行各种变形。
例如，本实施方式中，挡块14是通过安装螺栓15固定到主体11，但并不限于该构成。具体而言，在第一实施方式中，设置有可动体12的开口部13的部分与主体11的安装螺栓15螺合的部分相比，位于更外侧，但也可以是如下结构：在主体11中设置设有开口部13的部分，在可动体12中设置安装螺栓15螺合的部分，将在主体11中设置的设有开口部13的部分相比在可动体12中设置的安装螺栓15螺合的部分配置在更外侧，在主体11中设置的开口部13内配置挡块14。
另外，垫片30的使用并不限于力传感器10、10A的检查时，也可以在使力传感器10、10A在某种程度上可动之后，例如维护时等使用。
此外，本发明不直接限于上述各实施方式，在实施阶段，可以在不脱离其要旨的范围内改变构成要素并使其具体化。另外，可以通过适当组合上述各实施方式公开的多个构成要素，来形成各种发明。例如，也可以从实施方式所示的全部构成要素中，删除几个构成要素。另外，还可以适当组合不同实施方式的构成要素。
工业实用性
本发明实施方式的力传感器，例如可以应用于机械臂等。
符号说明
10、10A…力传感器；11…主体；12…可动体；13…开口部；14…挡块(保护机构)；15…固定部件(挡块安装螺栓)；16…应变体；30…夹具(垫片)。

Claims (9)

1.一种力传感器，具有：
圆筒形的主体；
圆筒形的可动体，其能够相对于所述主体运动；
应变体，其固定到所述主体和所述可动体，并且能够随着所述可动体的运动而变形；
变形传感器，其设置在所述应变体上；
至少3个圆形的开口部，其在所述可动体的周围等间距设置；
挡块，其配置在所述开口部各自的内部，具有第一侧面和第二侧面，所述第一侧面具有小于所述开口部的直径的第一外径，所述第二侧面具有小于所述第一外径的第二外径；以及
固定部件，其将所述挡块固定到所述主体。
2.根据权利要求1所述的力传感器，其中，随着远离所述第一侧面，所述第二侧面的所述第二外径变小。
3.根据权利要求1所述的力传感器，还具有：
夹具，其插入到所述开口部的内面和所述第二侧面之间，用于调节所述开口部的内面和所述第一侧面之间的距离。
4.根据权利要求3所述的力传感器，其中，
所述夹具具有插入部，所述插入部能够插入到所述开口部的内面和所述第二侧面之间，
所述插入部的内侧面的直径随着远离所述第一侧面而变小。
5.根据权利要求4所述的力传感器，其中，
在与所述第一侧面或所述第二侧面平行的所述挡块的内侧面和所述固定部件之间，还具有缝隙，所述缝隙具有规定的距离，
所述挡块设置成当所述夹具插入到所述开口部的内面和所述第二侧面之间时，只能移动所述缝隙的距离量。
6.一种力传感器，具有：
圆筒形的主体；
圆筒形的可动体，其能够相对于所述主体运动；
应变体，其固定到所述主体和所述可动体，并且能够随着所述可动体的运动而变形；
变形传感器，其设置在所述应变体上；
至少3个圆形的开口部，其在所述主体的周围等间距设置；
挡块，其配置在所述开口部各自的内部，具有第一侧面和第二侧面，所述第一侧面具有小于所述开口部的直径的第一外径，所述第二侧面具有小于所述第一外径的第二外径，并且在所述第二侧面与所述开口部的内面之间能够插入用于调节的夹具；以及
固定部件，其将所述挡块固定到所述可动体。
7.根据权利要求6所述的力传感器，其中，随着远离所述第一侧面，所述第二侧面的所述第二外径变小。
8.根据权利要求6所述的力传感器，其中，
所述夹具具有插入部，所述插入部能够插入到所述开口部的内面和所述第二侧面之间，
所述插入部的内侧面的直径随着远离所述第一侧面而变小。
9.根据权利要求8所述的力传感器，其中，
在与所述第一侧面或所述第二侧面平行的所述挡块的内侧面和所述固定部件之间，还具有缝隙，所述缝隙具有规定的距离，
所述挡块设置成当所述夹具插入到所述开口部的内面和所述第二侧面之间时，只能移动所述缝隙的距离量。
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