DE112019002964T5 - Dehnungselement, Verfahren zum Herstellen von Dehnungselementen und Sensor zum Messen physikalischer Größen - Google Patents

Abstract

Ein Dehnungselement, das so eingerichtet ist, dass ein Rahmenabschnitt und ein zentraler Abschnitt durch Armabschnitte damit verbunden sind, wird bis auf die Armabschnitte, an denen ein Dehnungsmessstreifen und dergleichen anzuordnen sind, maskiert, und dann wird ein Strahlen durchgeführt. Damit wird an vier Seiten jedes der Armabschnitte eine Eigenspannungsschicht gebildet. Wenn das Dehnungselement eine aus einer externen Kraft resultierende Last erhält, verformen sich die Armabschnitte elastisch; aufgrund der so gebildeten Druckeigenspannungsschicht sind die Armabschnitte jedoch weniger anfällig für Ermüdungsversagen. Wenn das Schießen eines Schussmaterials als Strahlen durchgeführt wird, nimmt die Oberflächenrauheit der Armabschnitte zu, die Haftung von Dehnungsmessstreifen verbessert sich, die Erkennungsgenauigkeit steigt, und es kann eine stabile Messung gewährleistet werden.

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Dehnungselement und einen Sensor zum Messen physikalischer Größen, der das Dehnungselement enthält. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Dehnungselement, ein Verfahren zum Herstellen eines Dehnungselements und einen Sensor zum Messen physikalischer Größen, bei denen das Dehnungselement jeweils eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdungsversagen und eine langzeitstabile Verwendung aufweist.
• Hintergrund Stand der Technik
• Üblicherweise hat es Sensoren zum Messen physikalischer Größen gegeben, wie beispielsweise einen Kraftsensor, einen Drehmomentsensor, eine Kraftzelle und dergleichen. Ein Sensor zum Messen physikalischer Größen erkennt durch Verwendung mehrerer Dehnungsmessstreifen die Dehnung, die mit der elastischen Verformung verbunden ist, die durch eine äußere Belastung (äußere Kraft) verursacht wird, und misst aus den Ergebnissen der Erkennung die Werte physikalischer Größen bezüglich der äußeren Kraft, des Moments und dergleichen. Ein solcher Sensor zum Messen physikalischer Größen enthält im Allgemeinen ein metallisches Dehnungselement, das sich unter einer externen Kraft elastisch verformt und die Dehnung erkennt, indem mehrere Dehnungsmessstreifen auf diesem Dehnungselement angeordnet werden. Es sei bemerkt, dass spezifische Beispiele für den Sensor zum Messen physikalischer Größen in der Patentliteratur 1 bis 5 und Nichtpatentliteratur 1 nachstehend offenbart werden.
• Literaturverzeichnis
• [Patentliteratur]
• [Patentliteratur 1] Japanische Patentanmeldung Publikation Tokukai Nr. 2016-70673
• [Patentliteratur 2] Japanische Patentanmeldung Publikation Tokukai Nr. 2011-209178
• [Patentliteratur 3] Japanische Patentanmeldung Publikation Tokukaihei Nr. 1-262430
• [Patentliteratur 4] Japanische Patentanmeldung Publikation Tokukai Nr. 2004-45044
• [Patentliteratur 5] Japanische Patentanmeldung Publikation Tokukaihei Nr. 7-128167
• [Nichtpatentliteratur 1] H. Iwasaki, M. Tsumura, „The principle and application of six-axis Force/Torque sensor (Das Prinzip und die Anwendung des sechsachsigen Kraft-/Drehmomentsensors)", Gemeinsame Vorlesungstagung über automatische Steuerung, 49., abgehalten unter der Patenschaft von The Institute of Systems, Control and Information Engineers und anderen, 25. und 26. November 2006
• Zusammenfassung
• Technisches Problem
• Ein Sensor zum Messen physikalischer Größen ist so ausgelegt, dass sich, wie bereits beschrieben, ein Dehnungselement unter einer äußeren Kraft elastisch verformt; wenn der Sensor zum Messen physikalischer Größen über einen längeren Zeitraum verwendet wird, baut sich daher Metallermüdung im elastisch verformbaren Bereich des Dehnungselements auf. Daher besteht das Problem, dass, wenn die aufgebaute Metallermüdung einen kritischen Punkt passiert, ein Ermüdungsversagen im Dehnungselement auftritt. Es sei bemerkt, dass das Dehnungselement im Allgemeinen durch Zerspanung (zum Beispiel Schneiden) hergestellt wird. Je nach Designvorgaben und Ähnlichem können Abschnitte mit einer scharfen Form und/oder einer spitzwinkligen Eckform erzeugt werden. Es ist wahrscheinlich, dass solche Abschnitte einer Spannungskonzentration ausgesetzt sind, wenn sie einer externen Kraft ausgesetzt sind, und in solchen Bereichen, in denen sich die Spannung konzentriert, ist das Risiko des vorstehend beschriebenen Ermüdungsversagens erheblich.
• Darüber hinaus ist ein auf dem Dehnungselement angeordneter Dehnungsmessstreifen in einigen Fällen mit einem Klebstoff verklebt. In einem Fall, in dem der Dehnungsmessstreifen durch Kleben befestigt wird, kann es je nach dem Grad der elastischen Verformung (z. B. Druck- oder Zugverformung) des Dehnungselements vorkommen, dass die Klebstoffschicht nicht mit der elastischen Verformung übereinstimmt und ein Gleiten zwischen dem Bereich, in dem der Dehnungsmessstreifen befestigt ist, und dem Dehnungsmessstreifen auftreten kann. Wenn ein solches Gleiten auftritt, entsteht das Problem, dass die mit der elastischen Verformung verbundene Dehnung vom Dehnungsmessstreifen nicht genau erkannt werden kann und dass die Messgenauigkeit abnimmt.
• Darüber hinaus enthält ein Dehnungsmessstreifen, der in einem in Patentliteratur 1 offenbarten Kraftsensor verwendet wird, mehrere Armabschnitte, die einen zentralen Abschnitt mit einem Rahmenabschnitt verbinden. Das Dehnungselement ist so eingerichtet, dass elastische Abschnitte (Biegungen) zwischen dem Rahmenabschnitt und den Armabschnitten bereitgestellt werden (siehe Absätze 0019 und 0020 der Patentliteratur 1), und dass jeder der Armabschnitte mehrere darauf angeordnete Dehnungsmessstreifen aufweist (siehe Absätze 0024, 0025 und 1 u. ä. der Patentliteratur 1). Die Art und Weise, wie die Dehnungsmessstreifen angeordnet sind, wie in 1 bis 3 und 7 bis 10, 12 und 13 der Patentliteratur 1 dargestellt, weist insofern ein Problem auf, als es schwierig ist, Dehnungsmessstreifen zu erkennen, die mit einer Verformung verbunden sind, wenn eine äußere Kraft in bestimmten Richtungen auf die Armabschnitte ausgeübt wird. Insbesondere gibt es ein Problem mit der Genauigkeit der Erkennung von Dehnungsmessstreifen, wenn eine externe Kraft in den Richtungen Mz, Fx und Fy, wie in 11 der Patentliteratur 1 gezeigt, ausgeübt wird.
• Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung wurde im Hinblick auf die vorstehend genannten Umstände gemacht, und eine Aufgabe davon besteht darin, ein Dehnungsmessstreifen, ein Verfahren zum Herstellen eines Dehnungselements und einen Sensor zum Messen physikalischer Größen bereitzustellen, in denen jeweils das Dehnungselement eine(n) verbesserte(n) Festigkeit (Widerstand) gegen Ermüdungsversagen aufweist.
• Eine andere Aufgabe eines Aspekts der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Dehnungselement, ein Verfahren zum Herstellen eines Dehnungselements und einen Sensor zum Messen physikalischer Größen bereitzustellen, bei denen der Dehnungsmessstreifen in jedem Fall gut in der Lage ist, sich der elastischen Verformung des Dehnungselements anzupassen, wenn ein Dehnungsmessstreifen mit einem Klebstoff oder dergleichen verklebt wird.
• Eine weitere Aufgabe eines Aspekts der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Dehnungsmessstreifens, eines Verfahrens zum Herstellen eines Dehnungselements und eines Sensors zum Messen physikalischer Größen, wobei in jedem dieser Elemente in einem Fall, in dem das Dehnungselement so eingerichtet ist, dass ein zentraler Abschnitt und ein Rahmenabschnitt durch Armabschnitte verbunden sind und dass elastische Abschnitte zwischen dem Rahmenabschnitt und den Armabschnitten bereitgestellt werden, die Genauigkeit der Dehnungserkennung auch dann gewährleistet ist, wenn die Armabschnitte eine externe Kraft in Richtungen wie den vorstehend genannten spezifischen Richtungen erhalten.
• Lösung des Problems
• Um die vorstehende Aufgabe zu erfüllen, ist ein Aspekt der vorliegenden Erfindung auf ein Dehnungselement gerichtet, das als Reaktion auf eine Last elastisch verformt werden kann und das so eingerichtet ist, dass darauf ein Dehnungsmessstreifen angeordnet ist, wobei der Dehnungsmessstreifen so eingerichtet ist, dass er die mit der Verformung verbundene Dehnung erkennt, wobei das Dehnungselement einen Dehnungsabschnitt aufweist, der einer Region entspricht, die einer Dehnung ausgesetzt ist, und der einen Bereich zur Anordnung des Dehnungsmessstreifens enthält, wobei der Dehnungsabschnitt mit einer Eigenspannungsschicht mit negativer Eigenspannung versehen ist.
• Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf ein Verfahren zum Herstellen eines Dehnungselements gerichtet, das als Reaktion auf eine Last elastisch verformt werden kann und das so eingerichtet ist, dass es einen darauf angeordneten Dehnungsmessstreifen aufweist, wobei der Dehnungsmessstreifen so eingerichtet ist, dass er die mit der Verformung verbundene Dehnung erkennt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte enthält: a) Maskieren des Dehnungselements mit Ausnahme eines Dehnungsabschnitts, der einer Region entspricht, die einer Dehnung ausgesetzt ist, und der einen Bereich für die Anordnung des Dehnungsmessstreifens enthält; und b) Strahlen eines Schussmaterials auf das maskierte Dehnungselement, wobei der Schritt b) das Veranlassen des Schussmaterials, mit dem Dehnungsabschnitt zu kollidieren und dadurch das Dehnungselement zu erzeugen, enthält, wobei der Dehnungsabschnitt mit einer Eigenspannungsschicht mit negativer Eigenspannung bereitgestellt wird und wobei der Dehnungsabschnitt eine Oberflächenrauheit aufweist, die rauer als ein anderer Abschnitt als der Dehnungsabschnitt ist.
• Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
• Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird in einem Dehnungsmessstreifen eine Eigenspannungsschicht mit Druckeigenspannung in einem Abschnitt gebildet. Es ist daher möglich, den Widerstand gegen Ermüdungsversagen eines Abschnitts zu verbessern, der sich elastisch verformt und in dem ein Dehnungsmessstreifen die Erkennung übernimmt. Dies ermöglicht eine langzeitstabile Verwendung eines Sensors zum Messen physikalischer Größen, in dem der Dehnungsmessstreifen entsprechend einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
• Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Schussmaterial unter dem Zustand gestrahlt, in dem ein Dehnungselement bis auf den Dehnungsabschnitt maskiert ist. Daher kann sich im Dehnungsabschnitt, der nicht maskiert wird, eine Eigenspannungsschicht bilden. Darüber hinaus ist es auch möglich, die Oberflächenrauheit des Dehnungsabschnitts zu erhöhen. Dies ermöglicht die effiziente Herstellung eines Dehnungselementes, das sehr wirksam gegen Ermüdungsversagen ist und bei dem ein geklebter Dehnungsmessstreifen aufgrund der durch einen Klebstoff bereitgestellten Wirkung besser in der Lage ist, sich der Verformung anzupassen.
• Figurenliste
• 1 veranschaulicht einen Kraftsensor gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung, (a) von 1 ist eine Vorderansicht, und (b) von 1 ist eine Rückansicht.
• 2 veranschaulicht den Kraftsensor gemäß Ausführungsform 1. (a) von 2 ist eine Seitenansicht, und (b) von 2 ist eine Querschnittsansicht, die entlang der Linie A-A in (a) von 1 aufgenommen wurde.
• 3 ist eine Querschnittsansicht des Kraftsensors gemäß Ausführungsform 1, aufgenommen entlang der Linie B-B in (a) von 1.
• 4 ist eine Vorderansicht eines Dehnungselementes gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
• 5 ist eine Rückansicht des Dehnungselementes gemäß Ausführungsform 1.
• 6 ist eine vergrößerte Ansicht, die eine Art und Weise veranschaulicht, in der Dehnungsmessstreifen auf einem Armabschnitt des Dehnungselements auf der Vorderseite angeordnet sind.
• 7 ist eine vergrößerte Ansicht, die eine Art und Weise veranschaulicht, in der Dehnungsmessstreifen auf einem Armabschnitt des Dehnungselements auf der Rückseite angeordnet sind.
• 8 veranschaulicht das maskierte Dehnungselement. (a) von 8 ist eine Vorderansicht, (b) von 8 ist eine Seitenansicht und (c) von 8 ist eine Rückansicht.
• 9 ist ein Schaltplan für einen Schaltkreis mit Dehnungsmessstreifen, der die Art und Weise veranschaulicht, in der Dehnungsmessstreifen elektrisch verbunden sind.
• 10 ist ein Blockdiagramm, das eine interne Konfiguration der Hauptteile eines Signalverarbeitungsmoduls zeigt, das Ausgangsspannungssignale aus dem Schaltkreis des Dehnungsmessstreifens verarbeitet.
• 11, (a) bis (f) sind Tabellen, die die Ergebnisse der Erkennung durch entsprechende Brückenschaltkreise zeigen, die in dem Schaltkreis der Dehnungsmessstreifen enthalten sind.
• 12 zeigt ein Dehnungselement gemäß einer Abwandlung von Ausführungsform 1. (a) von 12 ist eine Vorderansicht, und (b) von 12 ist eine Rückansicht.
• 13 zeigt ein Dehnungselement gemäß einer anderen Abwandlung von Ausführungsform 1. (a) von 13 ist eine Vorderansicht, und (b) von 13 ist eine Rückansicht.
• 14 veranschaulicht eine Abwandlung der Maskierung des Dehnungselementes gemäß Ausführungsform 1. (a) von 14 ist eine Vorderansicht, (b) von 14 ist eine Seitenansicht und (c) von 14 ist eine Rückansicht.
• 15 veranschaulicht eine andere Abwandlung der Maskierung des Dehnungselementes gemäß Ausführungsform 1. (a) von 15 ist eine Vorderansicht, (b) von 15 ist eine Seitenansicht und (c) von 15 ist eine Rückansicht.
• 16 veranschaulicht einen Kraftsensor gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung, (a) von 16 ist eine Vorderansicht, und (b) von 16 ist eine Rückansicht.
• 17 veranschaulicht den Kraftsensor gemäß Ausführungsform 2. (a) von 17 ist eine Seitenansicht, und (b) von 17 ist eine Querschnittsansicht, die entlang der Linie C-C in (a) von 16 aufgenommen wurde.
• 18 ist eine Querschnittsansicht des Kraftsensors gemäß Ausführungsform 2, aufgenommen entlang der Linie D-D in (a) von 16. (b) von 18 ist eine Querschnittsansicht des Kraftsensors gemäß Ausführungsform 2, aufgenommen entlang der Linie E-E in (a) von 16.
• 19 veranschaulicht ein Dehnungselement gemäß Ausführungsform 2. (a) von 19 ist eine Vorderansicht, und (b) von 19 ist eine Seitenansicht.
• 20 ist eine Rückansicht des Dehnungselementes gemäß Ausführungsform 2.
• 21 veranschaulicht das maskierte Dehnungselement gemäß Ausführungsform 2. (a) von 21 ist eine Vorderansicht, (b) von 21 ist eine Seitenansicht und (c) von 21 ist eine Rückansicht.
• 22 veranschaulicht eine Abwandlung der Maskierung des Dehnungselementes gemäß Ausführungsform 2. (a) von 22 ist eine Vorderansicht, (b) von 22 ist eine Seitenansicht und (c) von 22 ist eine Rückansicht.
• 23 veranschaulicht eine andere Abwandlung der Maskierung des Dehnungselementes gemäß Ausführungsform 2. (a) von 23 ist eine Vorderansicht, (b) von 23 ist eine Seitenansicht und (c) von 23 ist eine Rückansicht.
• 24 veranschaulicht ein Dehnungselement gemäß Ausführungsform 3. (a) von 24 ist eine Draufansicht (Planansicht), (b) von 24 ist eine Vorderansicht und (c) von 24 ist eine Rückansicht.
• 25 veranschaulicht das maskierte Dehnungselement gemäß Ausführungsform 3. (a) von 25 ist eine Draufansicht (Planansicht), (b) von 25 ist eine Vorderansicht und (c) von 25 ist eine Rückansicht.
• 26 veranschaulicht ein Dehnungselement gemäß Ausführungsform 4. (a) von 26 ist eine Draufansicht (Planansicht), und (b) von 26 ist eine Vorderansicht.
• 27 veranschaulicht das maskierte Dehnungselement gemäß Ausführungsform 4. (a) von 27 ist eine Draufansicht (Planansicht), (b) von 27 ist eine Vorderansicht und (c) von 27 ist eine Rückansicht.
• 28 veranschaulicht ein Dehnungselement gemäß Ausführungsform 5. (a) von 28 ist eine Vorderansicht, (b) von 28 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie F-F in (a) von 28 und (c) von 28 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie G-G in (a) von 28.
• 29 veranschaulicht das maskierte Dehnungselement gemäß Ausführungsform 5. (a) von 29 ist eine Vorderansicht, (b) von 29 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie F-F in (a) von 29 und (c) von 29 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie G-G in (a) von 29.
• 30 veranschaulicht ein Dehnungselement gemäß Ausführungsform 6. (a) von 30 ist eine Vorderansicht, (b) von 30 ist eine Seitenansicht und (c) von 30 ist eine Planansicht.
• 31 veranschaulicht das maskierte Dehnungselement gemäß Ausführungsform 6. (a) von 31 ist eine Vorderansicht, (b) von 31 ist eine Seitenansicht und (c) von 31 ist eine Planansicht.
• 32 veranschaulicht ein Dehnungselement gemäß Ausführungsform 7. (a) von 32 ist eine Vorderansicht, (b) von 32 ist eine Ansicht von unten und (c) von 32 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie H-H in (b) von 32.
• 33 veranschaulicht das maskierte Dehnungselement gemäß Ausführungsform 7. (a) von 33 ist eine Vorderansicht, und (b) von 33 ist eine Ansicht von unten.
• Beschreibung von Ausführungsformen
• [Ausführungsform 1]
• 1 bis 3 veranschaulichen einen Kraftsensor 1, der ein konkretes Beispiel für einen Sensor zum Messen physikalischer Größen nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung darstellt. (a) von 1 ist eine Vorderansicht des Kraftsensors 1, (b) von 1 ist eine Rückansicht des Kraftsensors 1, (a) von 2 ist eine Seitenansicht des Kraftsensors 1, (b) von 2 ist eine Querschnittsansicht des Kraftsensors 1 und 3 ist eine Querschnittsansicht von Hauptteilen des Kraftsensors 1. Der in den Zeichnungen wie in 1 dargestellte Kraftsensor 1 ist für die Anwendung in einem Industrieroboterarm vorgesehen. Wie in (a) von 2 veranschaulicht, weist der Kraftsensor 1 eine Struktur auf, in der drei scheibenförmige Elemente aufeinander gestapelt sind. Darüber hinaus ist der Kraftsensor 1, wie in (a) von 2 veranschaulicht, so eingerichtet, dass ein Tischblock 2 an einer Roboterhandseite (Vorderseite) und ein Basisblock 6 an einer Roboterarmseite (Rückseite) befestigt ist, und dass das Dehnungselement 10 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zwischen dem Tischblock 2 und dem Basisblock 6 angeordnet ist.
• In der folgenden Beschreibung werden die X-Achse, die Y-Achse und die Z-Achse behandelt, die in den Zeichnungen wie in 1 und 2 dargestellt sind. Die X-Achse ist eine Achse, die parallel zur horizontalen Richtung (Querrichtung) des Kraftsensors 1 verläuft. Die Y-Achse, die orthogonal zur X-Achse verläuft, ist eine Achse, die parallel zur vertikalen Richtung (Höhenrichtung) des Kraftsensors 1 verläuft. Die Z-Achse, die orthogonal zur X-Achse und zur Y-Achse verläuft, ist eine Achse, die parallel zur Dickenrichtung des Kraftsensors 1 verläuft (dasselbe gilt für die folgenden Beschreibungen). Der Kraftsensor 1 nach Ausführungsform 1 ist in der Lage, Werte bezüglich externer Kraft in Richtungen der jeweiligen X-, Y- und Z-Achsen und Momente um die jeweilige X-, Y- und Z-Achse durch Dehnungserkennung mittels mehrerer am Dehnungselement 10 bereitgestellter Dehnungsmessstreifen zu messen (Kraftsensor 1 entspricht einem sechsachsigen Kraftsensor).
• Wie in (a) von 1 veranschaulicht, hat der Tischblock 2 von vorne gesehen die Form eines Kreises und weist viele Löcher (Durchgangsbohrungen) in einer flachen Vorderfläche 2a auf, die der Vorderseite entspricht. Insbesondere weist der Tischblock 2 in der Nähe des Mittelpunkts eines Kreises die Bolzendurchgangsbohrungen 3a, 3b und 3c (Durchgangssenkbohrungen für den Durchgang von Bolzen) auf, die so angeordnet sind, dass sie ein gleichseitiges Dreieck bilden, das in Bezug auf die Mittellinie Y1 in der Höhenrichtung symmetrisch ist. Der Tischblock 2 weist auch die Ortungsdurchgangsbohrungen 4a, 4b und 4c (Durchgangsbohrungen mit Passungstoleranz) auf, die so angeordnet sind, dass sie ein umgekehrtes gleichseitiges Dreieck symmetrisch zur Mittellinie Y1 bilden. Der Tischblock 2 weist ferner Handbefestigungsschraubenbohrungen 5a, 5b und 5c (Bohrungen mit Innengewinde) auf, die in der Nähe des Außenumfangs angeordnet sind, um ein umgekehrtes gleichseitiges Dreieck zu bilden. Diese Handbefestigungsschraubenbohrungen 5a, 5b und 5c werden zur Befestigung an der Roboterhand verwendet.
• Darüber hinaus weist der Tischblock 2 auf einer der vorstehenden Vorderfläche 2a gegenüberliegenden Rückfläche 2b eine kreisringförmige Nut 2c um einen mittleren Abschnitt 2d auf, der die vorstehenden Bolzendurchgangsbohrungen 3a bis 3c und Ortungsdurchgangsbohrungen 4a bis 4c aufweist (siehe 1 und (b) von 2). Die Dicke (Abmessung entlang der Richtung der Z-Achse) der Außenkontur der Nut 2c ist etwas geringer als die Dicke des mittleren Abschnitts 2d, und dadurch wird eine Form bereitgestellt, in der der mittlere Abschnitt 2d leicht vorsteht. Damit berührt die Rückfläche 2b des Mittelabschnitts 2d des Tischblocks 2 eine Vorderfläche 10a des Dehnungselements 10, wenn sich der Kraftsensor 1 in einem zusammengebauten Zustand befindet.
• Andererseits hat der Basisblock 6 auch von der Rückseite gesehen die Form eines Kreises, wie in (b) von 1 veranschaulicht. Der Basisblock 6 weist die Armbefestigungsschraubenbohrungen 7a, 7b und 7c (Bohrungen mit Innengewinde) auf, die in der Nähe des Außenumfangs einer flachen Vorderfläche 6a, die der Rückseite entspricht, so angeordnet sind, dass sie ein umgekehrtes gleichseitiges Dreieck bilden. Die Armbefestigungsschraubenbohrungen 7a, 7b und 7c im Basisblock 6 werden zur Befestigung am Roboterarm verwendet. Darüber hinaus weist die Rückfläche 6b, gegenüber der Vorderfläche 6a, im mittleren Abschnitt einen Hohlraum 6c auf, wie ebenfalls in (b) von 2 veranschaulicht. Die Rückfläche 6b ist mit den Schraubenbohrungen 8a, 8b und 8c (Bohrungen mit Innengewinde) versehen, die in der Nähe des Außenumfangs angeordnet sind und ein gleichseitiges Dreieck bilden. Die Rückfläche 6b weist auch die Ortungsbohrungen 9a bis 9c auf, so dass die Ortungsbohrungen 9a bis 9c an die entsprechenden Schraubenbohrungen 8a bis 8c angrenzen (siehe die durch gestrichelte Linien in (b) von 1 dargestellten Bohrungen). Es sei bemerkt, dass dieser Tischblock 2 und der Basisblock 6 jeweils aus einem Leichtmetallmaterial (z. B. Material auf Aluminiumbasis) hergestellt werden, um die Gewichtskapazität eines Industrieroboterarms, an dem der Kraftsensor 1 angebracht ist, nicht stark zu beeinflussen.
• 4 und 5 zeigen eine Vorder- und eine Rückseite des Dehnungselementes 10 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. Wie in (a) von 2 veranschaulicht, ist das Dehnungselement 10 ein plattenförmiges Element, das in der Dickenrichtung (Abmessung in Richtung der Z-Achse) kleiner ist als der vorhergehende Tischblock 2 und der Basisblock 6 und von der Vorder- und Rückseite gesehen einen kreisförmigen Umfangsumriss aufweist. Das Dehnungselement 10 enthält Folgendes: einen peripheren Rahmenabschnitt 11; einen zentralen Abschnitt 12, der sich in einem durch den Rahmenabschnitt 11 definierten Raum befindet, so dass er vom Rahmenabschnitt 11 beabstandet ist; und drei Armabschnitte 20, 21 und 22, die den Rahmenabschnitt 11 und den zentralen Abschnitt 12 verbinden. Es sei bemerkt, dass in diesem Beispiel die Armabschnitte 20 bis 22 in Dehnungsabschnitten enthalten sind, die Regionen entsprechen, die Dehnungen im Zusammenhang mit elastischer Verformung ausgesetzt sind.
• Die Armabschnitte 20 bis 22 erstrecken sich von dem Zentrum des Dehnungselementes 10 radial nach außen und sind entlang einer Umfangsrichtung des Dehnungselementes 10 mit einem kreisförmigen Außenumfang so angeordnet, dass sie einen Abstand von 120 Grad voneinander aufweisen. Jeder dieser Armabschnitte 20 bis 22 ist aufgrund der Struktur weniger steif als der Rahmenabschnitt 11 und der zentrale Abschnitt 12, und jeder der Armabschnitte 20 bis 22 ist so eingerichtet, dass er sich als Reaktion auf eine externe Last oder ein externes Moment elastisch verformt.
• Der zentrale Abschnitt 12 weist einen Außenumfang im Wesentlichen in Form eines gleichseitigen Sechsecks auf und weist innerhalb des Außenumfangs die Schraubendurchgangsbohrungen 13a, 13b und 13c (Durchgangsbohrungen mit Innengewinde) auf, die so angeordnet sind, dass sie ein gleichseitiges Dreieck bilden, sowie die Ortungsdurchgangsbohrungen 14a, 14b und 14c (Durchgangsbohrungen mit Passtoleranz), die so angeordnet sind, dass sie ein umgekehrtes Dreieck bilden. Die Schraubendurchgangsbohrungen 13a bis 13c entsprechen den Bolzendurchgangsbohrungen 3a bis 3c des vorhergehenden Tischblocks 2, und die Ortungsdurchgangsbohrungen 14a bis 14c entsprechen den Ortungsdurchgangsbohrungen 4a bis 4c des vorhergehenden Tischblocks 2. Darüber hinaus verbindet sich der zentrale Abschnitt 12, dessen Umriss im Wesentlichen die Form eines Sechsecks aufweist, mit den Armabschnitten 20, 21 und 22 an mittleren Abschnitten der äußeren peripheren Randabschnitte 12c, 12d und 12e, die an die Ortungsdurchgangsbohrungen 14a, 14b und 14c angrenzen und diesen entsprechen.
• Der Rahmenabschnitt 11 weist eine Außenkontur in Form eines Kreises und eine Innenkontur in Form eines Sechsecks auf, die durch gleichmäßiges Vergrößern der Kontur des vorhergehenden zentralen Abschnitts 12 erhalten wird. Der Rahmenabschnitt 11 weist die Bolzendurchgangsbohrungen 18a, 18b und 18c auf, die so angeordnet sind, dass sie von einem gleichseitigen Dreieck ausgehen, sowie Ortungsdurchgangsbohrungen 19a bis 19c, die neben den jeweiligen Bolzendurchgangsbohrungen 18a bis 18c angeordnet sind. Die Bolzendurchgangsbohrungen 18a bis 18c entsprechen den Schraubenlöchern 8a bis 8c des vorhergehenden Basisblocks 6, und die Ortungsdurchgangsbohrungen 19a bis 19c entsprechen den Ortungslöchern 9a bis 9c des vorhergehenden Basisblocks 6.
• Der Rahmenabschnitt 11 ist mit den Armabschnitten 20, 21 und 22 an mittleren Abschnitten der inneren peripheren Randabschnitte 11c, 11d und 11e verbunden, die sich gegenüber den äußeren peripheren Randabschnitten 12c, 12d und 12e des vorhergehenden zentralen Abschnitts 12 befinden. Aufgrund des Vorhandenseins der Armabschnitte 20, 21 und 22 ist der Raum zwischen dem Rahmenabschnitt 11 und dem zentralen Abschnitt 12 dreigeteilt, was zur Bildung eines ersten Raumes 15, eines zweiten Raumes 16 und eines dritten Raumes 17 führt. Der Rahmenabschnitt 11 weist ferner drei Durchgangsbohrungen 25, 26 und 27 (jeweils entsprechend der ersten Durchgangsbohrung) an den Verbindungsstellen auf, an denen der Rahmenabschnitt 11 mit den jeweiligen Armabschnitten 20 bis 22 verbunden ist. Diese Durchgangsbohrungen 25 bis 27 weisen die Form gerader Linien entlang der inneren peripheren Randabschnitte 11c, 11d und 11e am Innenumfang in Form eines Sechsecks auf und sind gleich lang oder etwas länger als die Ränder der jeweiligen inneren peripheren Randabschnitte 11c, 11d und 11e. Jede der Durchgangsbohrungen 25 bis 27 weist eine Breite auf, die auf einen Wert innerhalb des Bereichs von etwa 1/8 bis 1/5 ihrer Länge (in Ausführungsform 1 auf etwa 1/6,5) festgelegt ist.
• Das Dehnungselement 10 weist die Durchgangsbohrungen 25 bis 27 im Rahmenabschnitt 11 auf und ist dadurch so angeordnet, dass die Verformbarkeit in den Dehnungsrichtungen der Armabschnitte 20 bis 22 verringert wird und dass die mit der elastischen Verformung verbundenen Dehnungen der Armabschnitte 20 bis 22 in anderen als den Dehnungsrichtungen leicht zu erkennen sind.
• Die elastisch verformbaren Armabschnitte 20 bis 22 weisen jeweils auf ihrer in 4 dargestellten Armvorderfläche 20a, 21a oder 22a, die der Vorderseite des Dehnungselements 10 entspricht, einen Satz von vier Dehnungsmessstreifen auf (Dehnungsmessstreifen C1 bis C4, Dehnungsmessstreifen B1 bis B4 oder Dehnungsmessstreifen A1 bis A4). Außerdem weisen die Armabschnitte 20 bis 22 jeweils einen Satz von vier Dehnungsmessstreifen C1' bis C4', Dehnungsmessstreifen B1' bis B4' oder Dehnungsmessstreifen A1' bis A4' auf der in 5 veranschaulichten Armrückfläche 20b, 21b oder 22b auf, die der Rückseite des Dehnungselements 10 entspricht.
• Solche Dehnungsmessstreifen A1 bis C4' erkennen die mit der elastischen Verformung der Armabschnitte 20 bis 22 verbundenen Dehnungen. Der Dehnungsmessstreifen wird anhand einer elektrischen Widerstandsänderung erkannt, die bei der Verformung der Armabschnitte 20 bis 22 auftritt. Die Dehnungsmessstreifen A1 bis C4' ändern ihren Widerstand als Reaktion auf die Verformung der Armabschnitte. Daher werden Dehnungen anhand einer Änderung der Ausgangsspannung eines in 9 (später beschrieben) dargestellten Brückenschaltkreises in Verbindung mit einer Änderung des Widerstandes im Brückenschaltkreis erkannt. Darüber hinaus sind die Dehnungsmessstreifen A1 bis C4' in der Lage, Dehnungen in den jeweils vorgegebenen Richtungen (nachfolgend „Erkennungsrichtungen“) zu erkennen. Indem die Dehnungsmessstreifen A1 bis C4' so angeordnet werden, dass ihre Erkennungsrichtungen wie gewünscht ausgerichtet sind, erfolgt die Erkennung von Dehnungen wie Biegung, Scherung und/oder ähnlichem der Armabschnitte 20 bis 22 (siehe Erläuterungen zu 6 und 7, die später bereitgestellt werden).
• Die Dehnungsmessstreifen A1 bis C4' bestehen jeweils aus: einem dünnen Metallfilm, der Cu-Ni als Hauptmaterial enthält und ein Muster enthält; und einem flexiblen Harzfilm (Harz auf Polyimid- und Epoxidbasis), der den dünnen Metallfilm bedeckt. Es sei bemerkt, dass das Hauptmaterial für die Dehnungsmessstreifen A1 bis C4' nicht auf das vorstehend erwähnte Hauptmaterial beschränkt ist. Neben dem vorstehend genannten Hauptmaterial können auch Cu, Ni, AI, Ti, Cr, Ge, Ni-Cr, Si-Halbleiter, Cr-O, Cr-N und dergleichen als Hauptmaterial verwendet werden. Darüber hinaus sind die in Ausführungsform 1 verwendeten Dehnungsmessstreifen A1 bis C4' von einer Art, bei der ein Basismaterial für einen Dehnungsmessstreifen mit einem Hauptmaterial für Dehnungsmessstreifen beschichtet ist.
• 6 veranschaulicht am Beispiel der Verwendung des parallel zur Y-Achsenrichtung verlaufenden Armabschnitts 21 eine Art und Weise, in der Dehnungsmessstreifen auf einer Armvorderfläche angeordnet sind, die der Vorderseite des Dehnungselements 10 entspricht. Der Armabschnitt 21 weist die Dehnungsmessstreifen B1 bis B4 auf, die auf der Armvorderfläche 21a (entspricht einer Fläche des Armabschnitts) angeordnet sind. Am Armabschnitt 21 sind die Dehnungsmessstreifen B1 bis B4 so angeordnet, dass sie symmetrisch zur Mittellinie Y10 sind, die sich entlang der Ausdehnungsrichtung des Armabschnitts 21 (entsprechend einer Richtung, die den zentralen Abschnitt 12 mit dem Rahmenabschnitt 11 verbindet) erstreckt (Linie, die parallel zur Y-Achse auf der Armvorderfläche 21a verläuft und durch die Mitte des Dehnungselements 10 verläuft).
• Insbesondere sind die Dehnungsmessstreifen B1 und B2 (entsprechend dem ersten Dehnungsmessstreifen und dem zweiten Dehnungsmessstreifen) aus dem Satz von vier Dehnungsmessstreifen B1 bis B4 in einem Bereich nahe dem zentralen Abschnitt 12 so angeordnet, dass ihre Erkennungsrichtungen K1 und K2 parallel zur Mittellinie Y10 verlaufen. Es sei bemerkt, dass in 6 die quadratischen Teile, die vertikal auf der linken Seite des Dehnungsmessstreifens B1 angeordnet sind, die Verbindungsteile B1a und B1b (positive und negative Verbindungsteile) für die elektrische Verbindung mit dem Dehnungsmessstreifen B1 sind. Diese Verbindungsteile B1a und B1b weisen einen Anschlussdraht (nicht abgebildet) auf (dasselbe gilt für quadratische Teile neben den anderen in 6 dargestellten Dehnungsmessstreifen B2 bis B4).
• Die Dehnungsmessstreifen B3 und B4 (entsprechend dem dritten Dehnungsmessstreifen und dem vierten Dehnungsmessstreifen) des Satzes von vier Dehnungsmessstreifen B1 bis B4 sind in einem Bereich nahe dem Rahmenabschnitt 11 so angeordnet, dass ihre Erkennungsrichtungen K3 und K4 unter einem Winkel zur Mittellinie Y10 verlaufen, so dass sie mit abnehmender Entfernung zum zentralen Abschnitt 12 voneinander weg divergieren. Es sei bemerkt, dass in Ausführungsform 1 die Erkennungsrichtungen K3 und K4 jeweils in einem Winkel von 45 Grad zur Mittellinie Y10 stehen. Die Art und Weise der Dehnung wurde am Beispiel der Dehnungsmessstreifen B1 bis B4 auf der Armvorderfläche 21a des Armabschnitts 21 diskutiert. Gleiches gilt jedoch für die Anordnung der Dehnungsmessstreifen C1 bis C4 auf der Armvorderfläche 20a des Armabschnitts 20 und für die Anordnung der Dehnungsmessstreifen A1 bis A4 auf der Armvorderfläche 22a des Armabschnitts 22.
• 7 veranschaulicht am Beispiel der Verwendung des parallel zur Y-Achsenrichtung verlaufenden Armabschnitts 21 eine Art und Weise, in der Dehnungsmessstreifen auf einer der Rückseite des Dehnungselements 10 entsprechenden Armrückfläche angeordnet sind, ähnlich wie im Fall von 6. Die in 7 veranschaulichte Anordnung wird erreicht, indem die in 6 dargestellte Anordnung um die Mittellinie Y11 (Mittellinie der Armrückfläche, die der in 6 veranschaulichten Mittellinie Y10 entspricht) gedreht wird.
• Insbesondere sind die Dehnungsmessstreifen B1' und B3' der vier Dehnungsmessstreifen B1' bis B4' auf der rechten Seite der Mittellinie Y11 und die Dehnungsmessstreifen B2' und B4' der vier Dehnungsmessstreifen B1' bis B4' auf der linken Seite der Mittellinie Y11 angeordnet, so dass die Dehnungsmessstreifen B1' und B3' und die Dehnungsmessstreifen B2' und B4' symmetrisch in Bezug auf die Mittellinie Y11 sind. Darüber hinaus sind die Dehnungsmessstreifen B1' und B2' (entsprechend dem ersten Dehnungsmessstreifen und dem zweiten Dehnungsmessstreifen) in einem Bereich nahe dem zentralen Abschnitt 12 so angeordnet, dass ihre jeweiligen Erkennungsrichtungen K1' und K2' parallel zur Mittellinie Y11 verlaufen. Die Dehnungsmessstreifen B3' und B4' (entsprechend dem dritten Dehnungsmessstreifen und dem vierten Dehnungsmessstreifen) sind in einem Bereich nahe dem Rahmenabschnitt 11 so angeordnet, dass ihre Erkennungsrichtungen K3' und K4' unter einem Winkel zur Mittellinie Y11 verlaufen, so dass sie mit abnehmender Entfernung zum zentralen Abschnitt 12 voneinander weg divergieren. Es sei bemerkt, dass der Winkel hier derselbe wie in 6 ist und 45 Grad beträgt.
• Es sei bemerkt, dass quadratische Teile, die neben jedem Dehnungsmessstreifen abgebildet sind, wie beispielsweise der in 7 veranschaulichte Dehnungsmessstreifen B1', elektrische Verbindungsteile sind, wie im Fall von 6. Die Art und Weise der Anordnung wurde am Beispiel der Dehnungsmessstreifen B1' bis B4' auf der Armrückfläche 21b des Armabschnitts 21 diskutiert. Gleiches gilt jedoch für die Anordnung der Dehnungsmessstreifen C1' bis C4' auf der Armrückfläche 20b des Armabschnitts 20 und für die Anordnung der Dehnungsmessstreifen A1' bis A4' auf der Armrückfläche 22b des Armabschnitts 22. (a) bis (c) von 8 veranschaulichen einen maskierten Zustand in einem Oberflächenbearbeitungsschritt eines Prozesses zum Herstellen des Dehnungselementes 10, auf dem die Dehnungsmessstreifen A1 bis C4' angeordnet werden sollen (ein solcher Prozess entspricht einem Verfahren zum Herstellen eines Dehnungselementes nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung). Das Dehnungselement 10 selbst besteht hauptsächlich aus einem leichten, elastisch verformbaren Metallmaterial. Durch Zerspanung eines Materials auf Aluminiumbasis (wie beispielsweise A5052) oder eines Materials auf Edelstahlbasis (wie beispielsweise SUS304) ist es zum Beispiel möglich, das Material in die in den vorstehenden Zeichnungen dargestellte Form zu bringen, wie beispielsweise in 4 und 5.
• Die Zerspanung (Schneiden) allein reicht jedoch nicht aus, um zum Beispiel die Erzeugung von Graten an den Rändern eines bearbeiteten Produkts (unfertiges Dehnungselement 10) zu vermeiden, und Abschnitte, die wie Ecken geformt sind (Eckabschnitte), werden wahrscheinlich eine Spannungskonzentration erfahren, wenn eine Belastung (äußere Kraft) ausgeübt wird. Um dem entgegenzuwirken, wird der Schritt der Eckenentlastung in Bezug auf ein zerspantes, bearbeitetes Produkt durchgeführt, und dabei werden Grate und Ähnliches von Kanten, Ecken und Ähnlichem an den Rändern des bearbeiteten Produkts entfernt, an denen jeweils zwei oder mehr Flächen aufeinander treffen. Es sei bemerkt, dass eine solche Eckenentlastung durch leichtes Anfasen, Abschrägen oder Verrunden durchgeführt werden kann; es ist jedoch vorzuziehen, dass die Ecken der Abschnitte, in denen eine Spannungskonzentration auftreten kann, durch Verrunden gelockert werden, um scharfe Ecken zu eliminieren und dadurch das Auftreten von Spannungskonzentrationen so weit wie möglich zu vermeiden.
• In Ausführungsform 1 werden die von den in 6 und 7 dargestellten Punkt-Punkt-Strich-Linien eingeschlossenen Bereiche ausgefüllt. Insbesondere das Dehnungselement 10, das eine in den Zeichnungen wie 4 und 5 veranschaulichte Form aufweist, ist so aufgebaut, dass der Rahmenabschnitt 11 und der zentrale Abschnitt 12 durch die Armabschnitte 20 bis 22 verbunden sind. Eckabschnitte (zum Beispiel Eckabschnitte, die den von Punkt-Punkt-Strich-Linien mit den Zeichen 21g und 21h in 6 und 7 umschlossenen Bereichen entsprechen) an den Rändern einer Verbindungsstelle, an der der Rahmenabschnitt 11 und der Armabschnitt 20, 21 oder 22 miteinander verbunden sind (die Verbindungsstelle ist zum Beispiel der Bereich, der in 6 und 7 mit dem Zeichen 21d gekennzeichnet ist), sind Abschnitte, in denen Spannungskonzentrationen auftreten können. Auch Eckabschnitte (zum Beispiel Eckabschnitte, die den von Punkt-Punkt-Strich-Linien mit den Zeichen 21e und 21f in 6 und 7 umschlossenen Bereichen entsprechen) von Rändern einer Verbindungsstelle, an der der zentrale Abschnitt 12 und der Armabschnitt 20, 21 oder 22 miteinander verbunden sind (die Verbindungsstelle ist zum Beispiel der Bereich, der in 6 und 7 mit dem Zeichen 21c gekennzeichnet ist), sind Abschnitte, in denen Spannungskonzentrationen auftreten können. Daher werden diese Eckabschnitte, die den von Punkt-Punkt-Strich-Linien umschlossenen Bereichen mit den Zeichen 21e, 21f, 21g und 21h entsprechen, verrundet und die Spannungskonzentration soll reduziert werden. Es sei bemerkt, dass der Radius der Verrundung ein Wert in etwa im Bereich von 0,1 bis 0,3 mm sein kann, und dass zum Beispiel aufgrund des Abmessungsverhältnisses zwischen dem Dehnungselement 10 und den Armabschnitten 20 bis 22 ein Wert um 0,2 mm bevorzugt wird. Es sei bemerkt, dass der Krümmungsradius (zum Beispiel der Krümmungsradius R entsprechend dem Zeichen 21e in 6 und 7) jedes der Eckabschnitte, die durch die in 6 und 7 dargestellten Zeichen 21e bis 21h gekennzeichnet sind, einen Wert in einem Bereich von etwa 1,5 bis 3,5 mm aufweisen kann, und in einem Beispiel kann ein Wert von etwa 2 mm verwendet werden.
• Nachdem die vorhergehende Zerspanung und Eckenentlastung durchgeführt wurde, erfolgt die Oberflächenbearbeitung. Bevor der Schritt der Oberflächenbearbeitung durchgeführt wird, wird das Dehnungselement 10 maskiert, wie unter (a) bis (c) in 8 veranschaulicht. Es sei bemerkt, dass die kreuzweise schraffierten Bereiche in (a) bis (c) von 8 den maskierten Bereichen entsprechen. Auch in den folgenden Beschreibungen entsprechen die schraffierten Bereiche den maskierten Bereichen.
• In diesem Maskierungsschritt wird das Dehnungselement 10 mit Klebeband T maskiert, mit Ausnahme der Armabschnitte 20 bis 22, die Bereiche für die Anordnung der Dehnungsmessstreifen A1 bis C4' einschließen (d. h. der Rahmenabschnitt 11 und der zentrale Abschnitt 12 werden maskiert). Es sei bemerkt, dass Seitenflächen in Dickenrichtung, wie beispielsweise nach außen weisende Flächen des zentralen Abschnitts 12, nach innen weisende Flächen des Rahmenabschnitts 11 und eine nach außen weisende Fläche 10c des Dehnungselements 10 (Rahmenabschnitt 11), ebenfalls maskiert sind. Daher wird in Bezug auf jeden der Armabschnitte 20 bis 22, die unmaskiert bleiben, ein Bereich freigelegt, der sich von einer entsprechenden der zentralen Verbindungsstellen 20c bis 22c (wo der Armabschnitt mit dem zentralen Abschnitt 12 verbunden ist) bis zu einer entsprechenden der äußeren Verbindungsstellen 20d bis 22d (wo der Armabschnitt mit dem Rahmenabschnitt 11 verbunden ist) einer entsprechenden der Armvorderflächen 20a bis 22a erstreckt. Außerdem liegt auf jeder der Armrückflächen 20b bis 22b ein Bereich frei, der sich von einer entsprechenden der zentralen Verbindungsstellen 20c bis 22c bis zu einer entsprechenden der äußeren Verbindungsstellen 20d bis 22d erstreckt (wo der Armabschnitt mit dem Rahmenabschnitt 11 verbunden ist). Darüber hinaus liegen auch die einander gegenüberliegenden Seitenflächen jedes der Armabschnitte 20 bis 22 frei. Somit liegen alle vier Seiten jedes der Armabschnitte 20 bis 22 frei.
• Als nächstes wird das maskierte Dehnungselement 10 in eine Sandstrahlmaschine (oder Kugelstrahlmaschine) eingeführt, und der Schritt, ein Schussmaterial auf das Dehnungselement 10 zu Strahlen und dadurch zu bewirken, dass das Schussmaterial mit dem Dehnungselement 10 kollidiert, wird ausgeführt. Beispiele für das Schussmaterial schließen Schleifkörner, Stahlschrot, Stahlgitter, geschnittene Drähte, Glasperlen und organische Stoffe ein. In diesem Schritt werden die vier Seiten jedes der Armabschnitte 20 bis 22, die unmaskiert bleiben, nur direkt mit dem Schussmaterial getroffen. Daher werden die vier Seiten (Oberflächen) jedes der Armabschnitte 20 bis 22 durch den Zusammenstoß mit dem Schussmaterial plastisch verformt, und es bildet sich eine Eigenspannungsschicht, die eine Druckeigenspannung (negative Eigenspannung) aufweist (Druckeigenspannungsschicht, die zu einer gehärteten Oberflächenschicht wird). Außerdem erhalten die vier Seiten (Oberflächen) jedes der Armabschnitte 20 bis 22 eine Oberflächenrauheit, die rauer ist als die der maskierten Bereiche.
• Im vorstehenden Schritt kollidiert das Schussmaterial ebenfalls mit den maskierten Bereichen; die Kraft des Zusammenstoßes wird jedoch durch die Maske abgeschwächt. Es handelt sich also um einen indirekten Zusammenstoß, und die in den nicht maskierten Armabschnitten 20 bis 22 auftretenden Restspannungen sind größer (im absoluten Wert der Druckeigenspannungen) als die in den anderen maskierten Abschnitten. Das Hauptmaterial für die Verwendung in der Maskierung ist vorzugsweise ein Material, das einen einfachen Maskierungsvorgang ermöglicht, wie beispielsweise ein Bandmaterial wie Klebeband. Es kann jedoch jedes Material verwendet werden, das das Dehnungselement bedecken und dadurch die Kollisionskraft des Schussmaterials mildern kann (neben Klebeband können verschiedene Arten von Beschichtungsmaterialien verwendet werden).
• Es sei bemerkt, dass in der folgenden Beschreibung ein Beispiel erörtert wird, in dem das Strahlen (das Kugelstrahlen wurde durchgeführt) in Bezug auf ein Element auf Edelstahlbasis (SUS304) als Dehnungselement 10 unter Verwendung von Schleifkörnern als Schussmaterial durchgeführt wurde. Auf jedem der Armabschnitte 20 bis 22 wird eine Eigenspannungsschicht gebildet, die eine Eigenspannung von -938 MPa (negative Eigenspannung) aufweist. Auch die Oberflächenrauheit, deren Wert vor der Bearbeitung Rz (maximale Rautiefe) = 1,020 µm war, wurde nach der Bearbeitung zu Rz = 7,682 µm. Die Oberflächenrauheit nach der Bearbeitung war etwa 7 mal so hoch wie vor der Bearbeitung.
• Im Hinblick auf das Dehnungselement 10, das eine solche Oberflächenbearbeitung erfahren hat, wurde auf jedem der nicht maskierten Armabschnitte 20 bis 22 eine Eigenspannungsschicht gebildet, die eine negative Eigenspannung aufweist, deren absoluter Wert größer ist als der der anderen maskierten Abschnitte. Damit erhöhen die Armabschnitte 20 bis 22 die Ermüdungsfestigkeit gegen elastische Verformung, die Ermüdungslebensdauer wird verlängert, und dies ermöglicht eine langzeitstabile Verwendung des Kraftsensors 1 (Sensor zum Messen physikalischer Größen).
• Darüber hinaus ist die Oberflächenrauheit der Armabschnitte 20 bis 22 rauer als die von anderen Abschnitten als den Armabschnitten 20 bis 22. Daher sind in einem Fall, in dem die Dehnungsmessstreifen A1 bis C4' mit einem Klebstoff an den Armvorderflächen 20a bis 22a und den Armrückflächen 20b bis 22b der Armabschnitte 20 bis 22 nach dem Schritt des Strahlens des Schussmaterials auf die vorgenannten Arten befestigt (geklebt) werden, die geklebten Dehnungsmessstreifen A1 bis C4' aufgrund der Rauheit der Armvorderflächen 20a bis 22a und der Armrückflächen 20b bis 22b gut verankert, und die Klebkraft wird größer als bei herkömmlichen Techniken. Damit passen sich die Dehnungsmessstreifen A1 bis C4' eher der elastischen Verformung der Armabschnitte 20 bis 22 an, und die Genauigkeit der Erkennung durch die Dehnungsmessstreifen A1 bis C4' verbessert sich.
• Als nächstes wird im Folgenden beschrieben, wie der vorstehende Tischblock 2, der Basisblock 6 und das Dehnungselement 10 zum Kraftsensor 1 zusammengesetzt werden (siehe Zeichnungen wie 1 bis 4). Zuerst werden das Dehnungselement 10 und der Basisblock 6 so übereinander gestapelt, dass eine Rückfläche 10b des Dehnungselements 10 (Rückfläche 11b des Rahmenabschnitts 11) der Rückfläche 6b des Basisblocks 6 zugewandt ist und diese berührt.
• Zuvor werden die Ortungsstifte P in die Ortungsbohrungen 9a bis 9c des Basisblocks 6 eingepresst. Das Dehnungselement 10 und der Basisblock 6 werden so positioniert, dass die Ortungsstifte P in den jeweiligen Ortungsbohrungen 9a bis 9c beim Aufsetzen des Dehnungselements 10 auf den Basisblock 6 in die Ortungsdurchgangsbohrungen 19a bis 19c im Rahmenabschnitt 11 des Dehnungselements 10 eingepresst werden und dann das Dehnungselement 10 und der Basisblock 6 zusammengestapelt werden (siehe 3). Wenn das Dehnungselement 10 und der Basisblock 6 nach der Positionierung wie vorstehend beschrieben zusammengestapelt werden, werden die Bolzendurchgangsbohrungen 18a bis 18c im Rahmenabschnitt 11 des Dehnungselements 10 in einen Zustand gebracht, in dem sie mit den Schraubenbohrungen 8a bis 8c des Basisblocks 6 in Verbindung stehen. Dazu werden die Bolzen N (Innensechskantbolzen) durch die Bolzendurchgangsbohrungen 18a bis 18c des Dehnungselementes 10 gesteckt und in den Schraubenbohrungen 8a bis 8c des Basisblocks 6 befestigt, und das Dehnungselement 10 wird so am Basisblock 6 fixiert, dass das Dehnungselement 10 auf den Basisblock 6 aufgesetzt wird (siehe (b) in 2).
• Als nächstes werden das Dehnungselement 10 und der Tischblock 2 so aufeinander gestapelt, dass eine Vorderfläche 10a des Dehnungselements 10 (Vorderfläche 12a des zentralen Abschnitts 12) der Rückfläche 2b des Tischblocks 2 zugewandt ist und diese berührt. Zuvor werden die Ortungsstifte P in die Ortungsdurchgangsbohrungen 14a bis 14c im zentralen Abschnitt 12 des Dehnungselements 10 eingepresst. Beim Aufsetzen des Tischblocks 2 auf das Dehnungselement 10 wird der Tischblock 2 so auf das Dehnungselement 10 aufgesetzt, dass die Ortungsstifte P in den jeweiligen Ortungsdurchgangsbohrungen 14a bis 14c in die Ortungsdurchgangsbohrungen 4a bis 4c des Tischblocks 2 eingepresst werden.
• Wenn der Tischblock 2 und das Dehnungselement 10 so zusammengestapelt werden, dass sie wie vorstehend positioniert sind, werden die Bolzendurchgangsbohrungen 3a bis 3c im Tischblock 2 in einen Zustand gebracht, in dem sie mit den Schraubendurchgangsbohrungen 13a bis 13c des Dehnungselements 10 in Verbindung stehen. Dazu werden die Bolzen N (Innensechskantbolzen) durch die Bolzendurchgangsbohrungen 3a bis 3c des Tischblocks 2 gesteckt und an den Schraubendurchgangsbohrungen 13a bis 13c des Dehnungselements befestigt. Der Tischblock 2 wird am Dehnungselement 10 in einem Zustand fixiert und befestigt, in dem der Tischblock 2 auf das Dehnungselement 10 aufgesetzt wird, wodurch der Kraftsensor 1 fertiggestellt wird.
• Die allgemeine Form des fertigen Kraftsensors 1 weist die Form eines Zylinders auf, wie in (a) von 2 dargestellt. Andererseits ist der Tischblock 2 so geformt, dass, wie bereits beschrieben, der zentrale Abschnitt 2d der Rückfläche 2b mehr hervorsteht als der periphere Abschnitt der Rückfläche 2b. Aus diesem Grund besteht zwischen dem peripheren Abschnitt des Tischblocks 2 und der Vorderfläche 10a des Dehnungselements 10 (Vorderfläche 11 a des Rahmenabschnitts 11) Freiraum S.
• Dann wird im Hinblick auf den fertigen Kraftsensor 1 die Vorderfläche 6a des Basisblocks 6 an einer Endfläche an einem Endabschnitt eines Industrieroboterarms und die Vorderfläche 2a des Tischblocks 2 an einer hinteren Endfläche einer Roboterhand befestigt. Wenn dann der Industrieroboterarm in Betrieb ist und die Roboterhand ein Objekt wie beispielsweise ein Werkstück ergreift, wird eine Last (externe Kraft), die durch einen aus dem Greifen oder Ähnlichem resultierenden Stoß verursacht wird, von der Roboterhand auf den Tischblock 2 übertragen. Die auf den Tischblock 2 übertragene Last wird auf den zentralen Abschnitt 12 des Dehnungselements 10 übertragen, der mit dem zentralen Abschnitt 2d des Tischblocks 2 in Kontakt steht.
• Der zentrale Abschnitt 12 des Dehnungselements 10 ist ein starrer Körper mit einer vorgegebenen Steifigkeit, während der Rahmenabschnitt 11 des Dehnungselements 10 auch am Basisblock 6 fixiert ist. Daher wird die Last, die wie vorstehend beschrieben auf den zentralen Abschnitt 12 übertragen wurde, auf die Armabschnitte 20 bis 22 ausgeübt, die eine geringere Steifigkeit aufweisen als der zentrale Abschnitt 12 und der Rahmenabschnitt 11. Dabei verformen sich die Armabschnitte 20 bis 22 elastisch. Die Art und Weise, in der sich die Armabschnitte 20 bis 22 elastisch verformen, hängt von dem Bereich des zentralen Abschnitts 12 des Dehnungselements 10 ab, auf den die Last übertragen wird. Wenn zum Beispiel der zentrale Abschnitt 12 an oder in der Nähe der Verbindungsstelle, an der der zentrale Abschnitt 12 mit dem Armabschnitt 20 verbunden ist, eine Drucklast erhält, verformt sich der Armabschnitt 20 elastisch so, dass sein mit dem zentralen Abschnitt 12 verbundener Abschnitt sich in Richtung des Basisblocks 6 biegt. Dagegen verformen sich die anderen Armabschnitte 21 und 22 elastisch so, dass sich ihr mit dem zentralen Abschnitt 12 verbundener Abschnitt zum Tischblock 2 hin biegt.
• Nach dem Dehnungselement 10 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung weist auch bei wiederholter elastischer Verformung der Armabschnitte 20 bis 22 jeder der Armabschnitte 20 bis 22 an seinen vier Seiten eine Eigenspannungsschicht auf, wie zuvor beschrieben. Daher ist es weniger wahrscheinlich, dass das Dehnungselement 10 über einen längeren Zeitraum Ermüdungsversagen erleidet. Darüber hinaus passen sich, wie bereits beschrieben, im Dehnungselement 10 die auf den Armabschnitten 20 bis 22 angeordneten Dehnungsmessstreifen A1 bis C4' gut an die elastische Verformung der Armabschnitte 20 bis 22 an.
• Der Grad der Biegung der Armabschnitte 20 bis 22, die unter einer Last elastisch verformbar sind, wird durch die auf den Armabschnitten 20 bis 22 angeordneten Dehnungsmessstreifen A1 bis C4' erkannt. Mit diesem werden am Kraftsensor 1 Kräfte und Momente in den jeweiligen Richtungen (sechsachsige Kräfte) gemessen, die auf den zentralen Abschnitt 12 des Dehnungselements 10 wirken. Die gemessenen sechsachsigen Kräfte enthalten: Kraft Fx in Richtung der X-Achse; Kraft Fy in Richtung der Y-Achse; Kraft Fz in Richtung der Z-Achse; Moment Mx um die Richtung der X-Achse; Moment My um die Richtung der Y-Achse; und Moment Mz um die Richtung der Z-Achse, die auf den zentralen Abschnitt 12 ausgeübt werden. Als nächstes wird ein elektrisches System zum Messen dieser sechsachsigen Kräfte erörtert.
• 9 ist ein Schaltdiagramm für einen Schaltkreis mit Dehnungsmessstreifen 29, das die Art und Weise veranschaulicht, in der die vierundzwanzig Dehnungsmessstreifen A1 bis C4', die wie vorstehend beschrieben auf dem Dehnungselement 10 angeordnet sind, elektrisch verbunden sind. Der Schaltkreis mit Dehnungsmessstreifen 29, in dem die vierundzwanzig Dehnungsmessstreifen A1 bis C4' verbunden sind, schließt sechs Brückenschaltkreise I bis VI ein. Jeder vom ersten bis zum dritten Brückenschaltkreis I bis III ist ein Brückenschaltkreis, der aus Dehnungsmessstreifen besteht, die in Bereichen nahe dem zentralen Abschnitt 12 der auf den Armabschnitten 20 bis 22 angeordneten Dehnungsmessstreifen angeordnet sind. Jeder vom vierten bis zum sechsten Brückenschaltkreis IV bis VI ist ein Brückenschaltkreis, der aus Dehnungsmessstreifen besteht, die in Bereichen nahe dem Rahmenabschnitt 11 der auf den Armabschnitten 20 bis 22 angeordneten Dehnungsmessstreifen angeordnet sind.
• Insbesondere ist der erste Brückenschaltkreis I ein Schaltkreis, in dem die Dehnungsmessstreifen A1 und A2 (die in der Nähe des zentralen Abschnitts 12 auf der Armvorderfläche 22a des Armabschnitts 22 angeordnet sind) und die Dehnungsmessstreifen A1' und A2' (die in der Nähe des zentralen Abschnitts 12 auf der Armrückfläche 22b des Armabschnitts 22 angeordnet sind) miteinander verbunden sind. Bei dem in 9 veranschaulichten ersten Brückenschaltkreis I ist die Verbindungsart so gewählt, dass die Dehnungsmessstreifen A1 und A2 einander gegenüberliegen und die Dehnungsmessstreifen A1' und A2' einander gegenüberliegen (auch der zweite Brückenschaltkreis II und der dritte Brückenschaltkreis III verwenden ähnliche Verbindungsarten).
• Der zweite Brückenschaltkreis II ist ein Brückenschaltkreis, in dem die Dehnungsmessstreifen B1 und B2 (die im Bereich nahe des zentralen Abschnitts 12 auf der Armvorderfläche 21a des Armabschnitts 21 angeordnet sind) und die Dehnungsmessstreifen B1' und B2' (die im Bereich nahe des zentralen Abschnitts 12 auf der Armrückfläche 21b des Armabschnitts 21 angeordnet sind) miteinander verbunden sind. Der dritte Brückenschaltkreis III ist ein Brückenschaltkreis, in dem die Dehnungsmessstreifen C1 und C2 (die im Bereich nahe des zentralen Abschnitts 12 auf der Armvorderfläche 20a des Armabschnitts 20 angeordnet sind) und die Dehnungsmessstreifen C1' und C2' (die im Bereich nahe des zentralen Abschnitts 12 auf der Armrückfläche 20b des Armabschnitts 20 angeordnet sind) miteinander verbunden sind.
• Darüber hinaus ist der vierte Brückenschaltkreis IV ein Schaltkreis, in dem die Dehnungsmessstreifen A3 und A4 (die im Bereich nahe des Rahmenabschnitts 11 auf der Armvorderfläche 22a des Armabschnitts 22 angeordnet sind) und die Dehnungsmessstreifen A3' und A4' (die im Bereich nahe des Rahmenabschnitts 11 auf der Armrückfläche 22b des Armabschnitts 22 angeordnet sind) miteinander verbunden sind. Bei dem in 9 veranschaulichten vierten Brückenschaltkreis I ist die Verbindungsart so gewählt, dass die Dehnungsmessstreifen A3 und A3' einander gegenüberliegen und die Dehnungsmessstreifen A4 und A4' einander gegenüberliegen (auch der zweite Brückenschaltkreis II und der dritte Brückenschaltkreis III verwenden ähnliche Verbindungsarten).
• Der fünfte Brückenschaltkreis V ist ein Schaltkreis, in dem die Dehnungsmessstreifen B3 und B4 (die im Bereich nahe des Rahmenabschnitts 11 auf der Armvorderfläche 21a des Armabschnitts 21 angeordnet sind) und die Dehnungsmessstreifen B3' und B4' (die im Bereich nahe des Rahmenabschnitts 11 auf der Armrückfläche 21b des Armabschnitts 21 angeordnet sind) miteinander verbunden sind. Der sechste Brückenschaltkreis VI ist ein Schaltkreis, in dem die Dehnungsmessstreifen C3 und C4 (die im Bereich nahe des Rahmenabschnitts 11 auf der Armvorderfläche 20a des Armabschnitts 20 angeordnet sind) und die Dehnungsmessstreifen C3' und C4' (die im Bereich nahe des Rahmenabschnitts 11 auf der Armrückfläche 20b des Armabschnitts 20 angeordnet sind) miteinander verbunden sind.
• Der vorstehend beschriebene Schaltkreis mit Dehnungsmessstreifen 29 ist so angeordnet, dass an jeden der Brückenschaltkreise I bis VI eine Eingabe der Versorgungsspannung Ein angelegt wird. Dann, während der Anwendung dieser Spannung, gibt der erste Brückenschaltkreis I über seinen Ausgangsanschluss ein Ausgangsspannungssignal CH-I aus. In ähnlicher Weise gibt der zweite Brückenschaltkreis II ein Ausgangsspannungssignal CH-II, der dritte Brückenschaltkreis III ein Ausgangsspannungssignal CH-III, der vierte Brückenschaltkreis IV ein Ausgangsspannungssignal CH-IV, der fünfte Brückenschaltkreis V ein Ausgangsspannungssignal CH-V und der sechste Brückenschaltkreis VI ein Ausgangsspannungssignal CH-VI aus.
• 10 ist ein Blockdiagramm, das eine interne Konfiguration der Hauptteile eines Signalverarbeitungsmoduls 30 zeigt, das die Ausgangsspannungssignale CH-I bis CH-VI verarbeitet, die von dem in 9 veranschaulichten Schaltkreis mit Dehnungsmessstreifen 29 ausgegeben werden. Das Signalverarbeitungsmodul 30 schließt einen Verstärker 31, einen A-D-Wandler 32, einen Prozessor 33, einen Speicher 34 und einen D-A-Wandler 35 ein. Der Verstärker 31 ist elektrisch mit dem Ausgangsanschluss des in 9 veranschaulichten Schaltkreises mit Dehnungsmessstreifen 29 verbunden und enthält AMP-I bis AMP-VI zur individuellen Verstärkung der Ausgangsspannungssignale CH-I bis CH-VI vom Schaltkreis mit Dehnungsmessstreifen 29.
• Verstärkte Signale (Analogsignale), die vom AMP-I auf AMP-VI des Verstärkers 31 verstärkt werden, werden durch den A-D-Wandler 32 in digitale Signale umgewandelt und dann in den Prozessor 33 eingegeben. Der Prozessor 33 dient zur Durchführung eines Prozesses zur Berechnung der vorstehend genannten sechsachsigen Kräfte (Fx, Fy, Fz, Mx, My und Mz), die auf den zentralen Abschnitt 12 des Dehnungselements 10 ausgeübt werden. Die Kräfte sind die Ergebnisse der Messung durch den Kraftsensor 1. Der Prozessor 33 führt den Prozess der Berechnung auf der Grundlage der folgenden Gleichung (1) unter Bezugnahme auf eine im Speicher 34 gespeicherte Kalibrierungsmatrix C durch. $$F=C\times E$$

  
• In der vorstehenden Gleichung (1) ist F eine Matrix der nachstehenden Gleichung (2), die die vorstehenden sechsachsigen Kräfte (Fx, Fy, Fz, Mx, My und Mz) darstellt, die auf den zentralen Abschnitt 12 ausgeübt werden. C ist eine Kalibrierungsmatrix der nachstehenden Gleichung (3). E ist eine Matrix von Werten, die durch Umwandlung der Ausgangsspannungssignale CH-I in CH-VI des Schaltkreises mit Dehnungsmessstreifen 29 von analog nach digital erhalten wird (siehe Gleichung (4) nachstehend). $$F=\left(\begin{array}{l}\text{Fx}\hfill \\ \text{Fy}\hfill \\ \text{Fz}\hfill \\ \text{Mx}\hfill \\ \text{My}\hfill \\ \text{Mz}\hfill \end{array}\right)$$

  

  $$C=\left(\begin{array}{llllll}{\text{C}}_{11}\hfill & {\text{C}}_{12}\hfill & {\text{C}}_{13}\hfill & {\text{C}}_{14}\hfill & {\text{C}}_{15}\hfill & {\text{C}}_{16}\hfill \\ {\text{C}}_{21}\hfill & {\text{C}}_{22}\hfill & {\text{C}}_{23}\hfill & {\text{C}}_{24}\hfill & {\text{C}}_{25}\hfill & {\text{C}}_{26}\hfill \\ {\text{C}}_{31}\hfill & {\text{C}}_{32}\hfill & {\text{C}}_{33}\hfill & {\text{C}}_{34}\hfill & {\text{C}}_{35}\hfill & {\text{C}}_{36}\hfill \\ {\text{C}}_{41}\hfill & {\text{C}}_{42}\hfill & {\text{C}}_{43}\hfill & {\text{C}}_{44}\hfill & {\text{C}}_{45}\hfill & {\text{C}}_{46}\hfill \\ {\text{C}}_{51}\hfill & {\text{C}}_{52}\hfill & {\text{C}}_{53}\hfill & {\text{C}}_{54}\hfill & {\text{C}}_{55}\hfill & {\text{C}}_{56}\hfill \\ {\text{C}}_{61}\hfill & {\text{C}}_{62}\hfill & {\text{C}}_{63}\hfill & {\text{C}}_{64}\hfill & {\text{C}}_{65}\hfill & {\text{C}}_{66}\hfill \end{array}\right)$$

  

  $$E=\left(\begin{array}{l}{\text{E}}_{11}\hfill \\ {\text{E}}_{21}\hfill \\ {\text{E}}_{31}\hfill \\ {\text{E}}_{41}\hfill \\ {\text{E}}_{51}\hfill \\ {\text{E}}_{61}\hfill \end{array}\right)$$

  
• Es sei bemerkt, dass in der Kalibrierungsmatrix C, die durch die vorstehende Gleichung (3) dargestellt wird, für jeden Kraftsensor spezifische Werte (vorberechnete Werte) verwendet werden. Insbesondere ergeben sich spezifische Werte der Elemente der Kalibrierungsmatrix C aus (i) Zuständen, in denen die sechsachsigen Kräfte (Fx, Fy, Fz, Mx, My und Mz) auf den Kraftsensor ausgeübt werden, und (ii) den Ergebnissen der Erkennung durch die Dehnungsmessstreifen A1 bis C4', die mit der elastischen Verformung der Armabschnitte 20 bis 22 in diesen Zuständen verbunden sind.
• Wie in der vorstehenden Gleichung (1) gezeigt, multipliziert der Prozessor 33 die Kalibrierungsmatrix C der Gleichung (3) mit der Matrix E der A-D-konvertierten Werte, die auf den Ausgangsspannungssignalen des A-D-Wandlers 32 basieren, und findet dadurch F, das eine Matrix der sechsachsigen Kräfte (Fx, Fy, Fz, Mx, My und Mz) ist. Der Prozessor 33 ermöglicht es, das Ergebnis der Berechnung (entsprechend der physikalischen Größe, die der elastischen Verformung des Dehnungselements 10 unter einer Last entspricht) als digitales Signal auszugeben. Der Prozessor 33 ermöglicht es auch, das Ergebnis der Berechnung als Analogsignal über den D-A-Wandler 35 auszugeben. Ein solcher Ausgangswert (Ausgangswert durch digitales oder analoges Signal) dient als physikalische Größe, die vom Kraftsensor 1 gemessen wird.
• Es sei bemerkt, dass das in 10 dargestellte Signalverarbeitungsmodul 30 in dem Hohlraum 6c des Basisblocks 6 des Kraftsensors 1 angeordnet ist (siehe (b) von 2). Außerdem ist das Signalverarbeitungsmodul 30 so angeordnet, dass Anschlussdrähte zur Übertragung des Ausgangssignals des Prozessors 33 und des Ausgangssignals des D-A-Wandlers 35 durch einen Ausschnitt 6e in einer peripheren Wand 6d des Basisblocks 6 nach außen verlaufen (siehe (a) von 2).
• (a) bis (f) von 11 sind Tabellen für die jeweiligen Schaltkreise I bis VI, in denen jeweils in Bezug auf den vorstehend genannten Kraftsensor 1 die Fälle, in denen eine äußere Kraft und/oder ein Moment (Fx, Fy, Fz, Mx, My und/oder Mz) auf den Tischblock 2 bei fixiertem Basisblock 6 aufgebracht wird bzw. werden, mit den Leerlaufzuständen verglichen werden. Die Tabellen zeigen, wie sich die Widerstände der Dehnungsmessstreifen A1 bis C4' ändern und ob sich die Spannungswerte der Ausgangsspannungssignale CH-I bis CH-V von den Brückenschaltkreisen I bis VI geändert haben, d. h. ob ein unsymmetrischer Ausgang vorliegt oder nicht.
• Beim Kraftsensor 1 wirken in einem Fall, in dem die externe Kraft Fy in Richtung der Y-Achse auf den zentralen Abschnitt 12 ausgeübt wird, während der Rahmenabschnitt 11 fixiert ist, Kräfte auf die Armabschnitte 20 und 22, und die Armabschnitte 20 und 22 werden verformt; eine Dehnung tritt jedoch nicht im Armabschnitt 21 auf, da die Verbindungsstelle, an der der Armabschnitt 21 mit dem Rahmenabschnitt 11 in der Nähe der Durchgangsbohrung 26 verbunden ist, sich biegt. In einem Fall, in dem die externe Kraft Fx in Richtung der X-Achse auf den zentralen Abschnitt 12 ausgeübt wird, während der Rahmenabschnitt 11 fixiert ist, wirken Kräfte auf die Armabschnitte 20 bis 22, und es kommt zu Dehnungen. In einem Fall, in dem die äußere Kraft Fz in Richtung der Z-Achse auf den zentralen Abschnitt 12 ausgeübt wird, während der Rahmenabschnitt 11 fixiert ist, biegen sich die Armabschnitte 20 bis 22 gleichmäßig durch.
• Darüber hinaus wird beim Kraftsensor 1 in einem Fall, in dem das Moment My um die Richtung der Y-Achse auf den zentralen Abschnitt 12 ausgeübt wird, während der Rahmenabschnitt 11 fixiert ist, der Armabschnitt 21 lediglich verdreht und nicht gebeugt, während auf die Armabschnitte 20 und 22 Momente wirken und die Armabschnitte 20 und 22 sich biegen. In einem Fall, in dem das Moment Mx um die Richtung der X-Achse auf den zentralen Abschnitt 12 ausgeübt wird, während der Rahmenabschnitt 11 fixiert ist, wirken Momente auf die Armabschnitte 20 bis 22, und die Armabschnitte 20 bis 22 biegen sich. In einem Fall, in dem das Moment Mz um die Z-Achsenrichtung auf den zentralen Abschnitt 12 ausgeübt wird, während der Rahmenabschnitt 11 fixiert ist, biegen sich die Armabschnitte 20 bis 22 gleichmäßig durch.
• Wie beschrieben, wird nach dem Kraftsensor 1 gemäß Ausführungsform 1 auf den Oberflächen (vier Seiten) jedes der Armabschnitte 20 bis 22 des Dehnungselements 10 eine Druckeigenspannungsschicht (Schicht mit negativer Eigenspannung) gebildet, und daher weist der Kraftsensor 1 eine verbesserte Metallermüdungsfestigkeit in Verbindung mit elastischer Dehnung auf. Da darüber hinaus die Spannungskonzentration in Eckabschnitten an den Rändern von Verbindungsstellen, an denen die jeweiligen Armabschnitte 20 bis 22 mit dem Rahmenabschnitt 11 verbunden sind, und in Eckabschnitten an den Rändern von Verbindungsstellen, an denen die jeweiligen Armabschnitte 20 bis 22 mit dem zentralen Abschnitt 12 verbunden sind, verringert wird, ist die Betriebsdauer des Kraftsensors 1 insgesamt als Sensor länger als bei herkömmlichen Sensoren. Darüber hinaus passen sich im Kraftsensor 1 gemäß Ausführungsform 1 die auf den Armabschnitten 20 bis 22 angeordneten Dehnungsmessstreifen A1 bis C4' gut an die Armabschnitte 20 bis 22 an, wenn sich die Armabschnitte 20 bis 22 elastisch verformen. Wenn sich die Armabschnitte 20 bis 22 elastisch verformen, ist es daher unwahrscheinlicher, dass zwischen den Dehnungsmessstreifen A1 bis C4' und den Armabschnitten 20 bis 22 ein Gleiten auftritt und dadurch die Messgenauigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren verbessert wird. Da die Dehnungsmessstreifen A1 bis C4' in besonderer Art und Weise angeordnet sind (siehe die Anordnung der Dehnungsmessstreifen B3, B4, B3' und B4' u. ä. in 6 und 7), ist zusätzlich die Genauigkeit der Erkennung und Messung der Dehnung bei Einwirkung des Moments und der äußeren Kraft in und um die Richtungen Mz, Fx und Fy im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren verbessert. Es sei bemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehenden Aussagen in Ausführungsform 1 beschränkt ist und verschiedene Abwandlungn zur Verfügung stehen.
• In der vorstehenden Beschreibung wurde zum Beispiel ein Fall erörtert, in dem der Kraftsensor 1 an einem Industrieroboterarm befestigt ist; es erübrigt sich jedoch zu erwähnen, dass zum Beispiel neben dem Industrieroboterarm der Kraftsensor 1 in Anwendungen wie der taktilen Erfassung durch einen ferngesteuerten Roboter und der Erkennung von Widerständen/externer Kraft, die auf das Testmodell im Windkanal ausgeübt wird, verwendet werden kann. Darüber hinaus sind nach der vorstehenden Beschreibung der Basisblock 6 und der Rahmenabschnitt 11 des Dehnungselements 10 des Kraftsensors 1 fixiert, während der Tischblock 2 und der zentrale Abschnitt 12 des Dehnungselements 10 zur Aufnahme einer externen Kraft (Last) dienen. Solche Zustände können jedoch umgekehrt sein, so dass der Tischblock 2 und der zentrale Abschnitt 12 des Dehnungselements 10 fixiert sind, während der Basisblock 6 und der Rahmenabschnitt 11 des Dehnungselements 10 zur Aufnahme einer externen Kraft dienen und dadurch der Kraftsensor 1 in Anwendungen von Messsubjekten verwendet werden kann. Da der äußere Umfang des zentralen Abschnitts 12 im Wesentlichen die Form eines Sechsecks aufweist, kann außerdem eine andere polygonale Form, Kreisform oder eine ähnliche Form verwendet werden.
• Darüber hinaus ist die vorstehend beschriebene Art und Weise, in der die Dehnungsmessstreifen A1 bis C4' auf den Armabschnitten 20 bis 22 angeordnet sind (siehe 6 und 7), ein Beispiel, und natürlich kann auch eine andere Art und Weise der Anordnung verwendet werden. Zum Beispiel können in Bezug auf die Dehnungsmessstreifen A3 und A4 und dergleichen, die im Bereich nahe dem Rahmenabschnitt 11 angeordnet sind, solche Dehnungsmessstreifen unter einem Winkel (unter einem Winkel von 45 Grad zur Mittellinie Y10) so angeordnet sein, dass sie mit abnehmendem Abstand zum Rahmenabschnitt 11 voneinander weg divergieren, anstatt so angeordnet zu sein, dass sie mit abnehmendem Abstand zum zentralen Abschnitt 12 voneinander weg divergieren (siehe 1 bis 3 und 7 bis 10 der Patentliteratur 1). Darüber hinaus sind in den vorstehenden Beschreibungen die Dehnungsmessstreifen A1 bis C4', die von einem Typ sind, bei dem ein Hauptmaterial für einen Dehnungsmessstreifen auf ein Basismaterial für einen Dehnungsmessstreifen aufgebracht ist, mit einem Klebstoff auf die Armabschnitte 20 bis 22 geklebt. Dehnungsmessstreifen aus einem dünnen Metallfilm können jedoch durch direkte oder indirekte Bildung eines Films durch Vakuumabscheidung, Sputterverfahren oder ähnliches auf den Vorder- und Rückflächen der Armabschnitte 20 bis 22 gebildet werden.
• Darüber hinaus kann auf den vier Seiten jedes der Armabschnitte 20 bis 22 eine Eigenspannungsschicht gebildet werden, indem anstelle des Kugelstrahlens, bei dem ein Schussmaterial kollidieren kann, ein Laserstrahlen, bei dem Laserlicht (Laserstrahl) angewendet wird, eingesetzt wird. Auch bei der Durchführung des Laserstrahlens wird auf die in 8 dargestellten Bereiche (schraffierte Bereiche) eine Maskierung zur Laserblockade aufgebracht. Wenn jedoch ein Gerät verwendet wird, das in der Lage ist, die mit Laser bestrahlte Reihe (Bereich) zu steuern, ist eine Maskierung nicht erforderlich, und das Laserstrahlen wird durch Steuerung des Geräts so durchgeführt, dass der Laser nur auf die vier Seiten jedes der Armabschnitte 20 bis 22 angewendet wird.
• Darüber hinaus können die drei Durchgangsbohrungen 25, 26 und 27 im Rahmenabschnitt 11 weggelassen werden, sofern der Zustand so beschaffen ist, dass sich die Armabschnitte 20 bis 22 in der Nähe des Rahmenabschnitts 11 elastisch verformen können. Der Zustand, in dem sich die Armabschnitte 20 bis 22 wahrscheinlich elastisch verformen, ist zum Beispiel ein Fall, in dem die Abmessungen der Armabschnitte 20 bis 22 in Richtung ihrer Ausdehnung lang sind im Verhältnis zum Durchmesser des Dehnungselements 10, den Abmessungen des ersten Raums 15 bis zum dritten Raum 17 zwischen dem Rahmenabschnitt 11 und dem zentralen Abschnitt 12 und dergleichen. Andere Beispiele schließen einen Fall ein, in dem die Breite jedes Armabschnitts rechtwinklig zur Ausdehnungsrichtung gering ist, und einen Fall, in dem die Dicke jedes Armabschnitts gering ist.
• (a) und (b) von 12 zeigen ein Dehnungselement 10' in Übereinstimmung mit einer Abwandlung. Das Dehnungselement 10' ist gemäß der Abwandlung in der Hauptkonfiguration u. ä. das gleiche wie das in 4 und 5 veranschaulichte vorhergehende Dehnungselement 10 und schließt einen Rahmenabschnitt 11', einen zentralen Abschnitt 12' und Armabschnitte 20' bis 22' ein (Dehnungsmessstreifen sind an den Armabschnitten angeordnet). Ein Unterschied besteht darin, dass das Dehnungselement 10' gemäß der Abwandlung nicht die in 4 und 5 veranschaulichten Durchgangsbohrungen 25, 26 und 27 des Rahmenabschnitts 11 aufweist, sondern zentrumsnahe Durchgangsbohrungen 50' bis 52' (entsprechend den zweiten Durchgangsbohrungen), die im zentralen Abschnitt 12' ausgebildet sind.
• Die zentrumsnahen Durchgangsbohrungen 50' bis 52' im zentralen Abschnitt 12' werden bereitgestellt zwischen (i) der Anordnung von Durchgangsbohrungen 14a' bis 14c', die in Bereichen bereitgestellt werden, die den Verlängerungen der jeweiligen Armabschnitte 20' bis 22' entsprechen und sich in Richtung des zentralen Abschnitts 12' erstrecken, und (ii) zentralen Verbindungsstellen 20c' bis 22c', an denen die jeweiligen Armabschnitte 20' bis 22' mit dem zentralen Abschnitt 12' verbunden sind. Jede der zentrumsnahen Durchgangsbohrungen 50' bis 52' weist die Form einer geraden Linie auf und ist etwas kürzer als ein entsprechender der äußeren peripheren Randabschnitte 12c', 12d' und 12e', die die Außenkontur des sechseckigen zentralen Abschnitts 12' bilden und verläuft parallel dazu.
• Im Dehnungselement 10' weist der zentrale Abschnitt 12' entsprechend der Abwandlung die vorstehend genannten zentrumsnahen Durchgangsbohrungen 50' bis 52' auf, wodurch die Verformbarkeit der Armabschnitte 20' bis 22' in Dehnungsrichtungen, die den Ausdehnungsrichtungen der Armabschnitte 20' bis 22' entsprechen, verringert wird. Dadurch ist es möglich, die Erkennungsgenauigkeit in den Dehnungsrichtungen zu gewährleisten. Auch die zentralen Verbindungsstellen 20c' bis 22c', an denen die jeweiligen Armabschnitte 20' bis 22' mit dem zentralen Abschnitt 12' verbunden sind, weisen eine geringere Steifigkeit auf als das in den Zeichnungen wie in 4 veranschaulichte Dehnungselement 10 und sind in der Lage, Dehnungen auch bei geringer Belastung sensibel zu erkennen.
• (a) und (b) von 13 veranschaulichen ein Dehnungselement 10'' gemäß einer anderen Abwandlung. Das Dehnungselement 10'' gemäß einer anderen Abwandlung ist in der Hauptkonfiguration u. ä. gleich wie das in 4 und 5 veranschaulichte Dehnungselement 10. Außerdem weist ein Rahmenabschnitt 11'' Durchgangsbohrungen 25'' bis 27'' auf, die den Durchgangsbohrungen 25 bis 27 des Rahmenabschnitts 11 entsprechen, die für das Dehnungselement 10 charakteristisch sind. Außerdem weist ein zentraler Abschnitt 12'' zentrumsnahe Durchgangsbohrungen 50'' bis 52'' auf, die den zentrumsnahen Durchgangsbohrungen 50' bis 52' des zentralen Abschnitts 12' entsprechen und charakteristisch für das Dehnungselement 10' der in (a) und (b) von 12 veranschaulichten Abwandlung 10 sind.
• Das Dehnungselement 10'' weist die Durchgangsbohrungen 25'' bis 27'' im Rahmenabschnitt 11'' und die zentrumsnahen Durchgangsbohrungen 50'' bis 52'' (zweite Durchgangsbohrungen, die zwischen den Ortungsdurchgangsbohrungen 14a'' bis 14c'' und Verbindungsstellen bereitgestellt werden, an denen die jeweiligen Armabschnitte 20'' bis 22'' mit dem zentralen Abschnitt 12'' verbunden sind) im zentralen Abschnitt 12'' auf. Dadurch wird sowohl der Vorteil, der durch die vorgenannten Durchgangsbohrungen 25 bis 27 des Dehnungselements 10 bereitgestellt wird, als auch der Vorteil, der durch die zentrumsnahen Durchgangsbohrungen 50' bis 52' des Dehnungselements 10' bereitgestellt wird, erreicht. Dies ist vor allem dann vorzuziehen, wenn zum Beispiel die Messung einer kleinen äußeren Kraft durchgeführt wird. Dies liegt daran, dass das Dehnungselement 10'' so angeordnet ist, dass: die Verformbarkeit der Armabschnitte 20'' bis 22'' in Dehnungsrichtungen, die den Ausdehnungsrichtungen der Armabschnitte 20'' bis 22'' entsprechen, weiter verringert wird; und dass die einander gegenüberliegenden Enden jedes der Armabschnitte 20'' bis 22'' in Bezug auf Steifigkeit relativ geringer sind und sich als Reaktion auf eine äußere Kraft (Last) empfindlicher elastisch verformen.
• In dem in den 4 und 5 veranschaulichten Dehnungselement 10, in dem in 12 veranschaulichten Dehnungselement 10' und in dem in 13 veranschaulichten Dehnungselement 10'' sind in den zentralen Abschnitten 12, 12' und 12'' jeweils die drei Durchgangsbohrungen 14a bis 14c, die drei Durchgangsbohrungen 14a' bis 14c' und die drei Durchgangsbohrungen 14a'' bis 14c'' bereitgestellt. Es sei jedoch bemerkt, dass die Anzahl der Ortungsdurchgangsbohrungen je nach Spezifikation auf zwei reduziert werden kann (zum Beispiel können bei den Dehnungselementen 10, 10' und 10'' die Ortungsdurchgangsbohrungen 14c, 14c' und 14c'' jeweils weggelassen werden. Siehe Ortungsdurchgangsbohrungen 114a und 114b eines Dehnungselements 110 gemäß der später beschriebenen in 19 und 20 veranschaulichten Ausführungsform 2). So kann bei einer Anzahl von zwei Ortungsdurchgangsbohrungen zum Beispiel die Anzahl der Verarbeitungsbereiche und die Anzahl der Arbeitsstunden für die Montage reduziert werden. Es sei bemerkt, dass in einem Fall, in dem die Anzahl der Ortungsdurchgangsbohrungen eines Dehnungselements (zum Beispiel Dehnungselement 10) verringert wird, eine Ortungsdurchgangsbohrung (zum Beispiel Ortungsdurchgangsbohrung 4c) des Tischblocks 2, die der weggelassenen Ortungsdurchgangsbohrung (zum Beispiel Ortungsdurchgangsbohrung 14c) entspricht, ebenfalls weggelassen wird.
• Darüber hinaus ist in den vorstehenden Beschreibungen die Anzahl der Handbefestigungsschraubenbohrungen zur Befestigung einer Roboterhand am Tischblock 2 insgesamt drei (die Handbefestigungsschraubenbohrungen 5a bis 5c). Falls es jedoch notwendig ist, die Roboterhand fester zu befestigen, können vier Handbefestigungsschraubenbohrungen in Umfangsrichtung bereitgestellt werden, so dass sie um 90 Grad voneinander beabstandet sind (siehe Durchgangsbohrungen 105a bis 105d für Handbefestigungsschrauben eines Tischblocks 102 des Kraftsensors 101 gemäß der später beschriebenen Ausführungsform 2 in 16). In ähnlicher Art und Weise können auch im Hinblick auf die drei Armbefestigungsschraubenbohrungen 7a bis 7c für die Befestigung des Grundblocks 6 am Roboterarm in einem Fall, in dem es notwendig ist, den Grundblock 6 fester am Roboterarm zu befestigen, vier Armbefestigungsschraubenbohrungen in Umfangsrichtung bereitgestellt werden, so dass sie um 90 Grad voneinander beabstandet sind.
• (a) bis (c) von 14 veranschaulichen eine Abwandlung der Maskierung des Dehnungselements 10, bei der nicht maskierte Abschnitte breiter sind als die des maskierten Dehnungselements 10, das in (a) bis (c) von 8 veranschaulicht ist. Insbesondere werden die Bereiche, die die äußeren peripheren Randabschnitte 12c, 12d und 12e einschließen, wo die jeweiligen zentralen Verbindungsstellen 20c bis 22c (die die zum zentralen Abschnitt 12 weisenden Enden der jeweiligen Armabschnitte 20 bis 22 sind) mit dem zentralen Abschnitt 12 verbunden sind, ebenfalls nicht maskiert. Diese Bereiche einschließlich der äußeren peripheren Randabschnitte 12c, 12d und 12e, wo die jeweiligen zentralen Verbindungsstellen 20c bis 22c (die die zum zentralen Abschnitt 12 weisenden Enden der jeweiligen Armabschnitte 20 bis 22 sind) mit dem zentralen Abschnitt 12 verbunden sind, sind Bereiche in Form von geraden Linien parallel zu den Rändern, die den äußeren peripheren Randabschnitten 12c, 12d und 12e entsprechen. Darüber hinaus werden auch die Bereiche einschließlich der inneren peripheren Randabschnitte 11c, 11d und 11 e, in denen die jeweiligen äußeren Verbindungsstellen 20d bis 22d (die die zum Rahmenabschnitt 11 weisenden Enden der jeweiligen Armabschnitte 20 bis 22 sind) an den Rahmenabschnitt 11 anschließen (solche Bereiche sind Bereiche in Form gerader Linien parallel zu den Rändern, die den inneren peripheren Randabschnitten 11c, 11d und 11e entsprechen), nicht maskiert.
• Insbesondere die zentralen Verbindungsstellen 20c bis 22c und die äußeren Verbindungsstellen 20d bis 22d, von denen die Armabschnitte 20 bis 22 ausgehen, werden wahrscheinlich einer Spannungskonzentration ausgesetzt sein. Aus diesem Grund besteht die Tendenz, dass die Umgebungen der äußeren peripheren Randabschnitte 12c, 12d und 12e des zentralen Abschnitts 12, wo die jeweiligen zentralen Verbindungsstellen 20c bis 22c mit dem zentralen Abschnitt 12 verbunden sind, und die Umgebungen der inneren peripheren Randabschnitte 11c, 11d und 11e des Rahmenabschnitts 11, wo die jeweiligen Verbindungsstellen 20d bis 22d mit dem Rahmenabschnitt 11 verbunden sind, aufgrund der Spannungskonzentration ebenfalls einer großen Belastung ausgesetzt sind. Um dem entgegenzuwirken, kann der Schritt des Strahlens eines Schussmaterials auf das Dehnungselement 10 in einem Zustand durchgeführt werden, in dem, wie in (a) bis (c) von 14 dargestellt, die Bereiche einschließlich der äußeren peripheren Randabschnitte 12c, 12d und 12e und die Bereiche einschließlich der inneren peripheren Randabschnitte 11c, 11d und 11e ebenfalls nicht maskiert sind. Damit wird auch in den Bereichen, die diesen Randabschnitten entsprechen, eine Eigenspannungsschicht mit negativer Eigenspannung gebildet, und der Widerstand gegen Ermüdungsversagen infolge elastischer Verformung kann weiter verbessert werden. Es sei bemerkt, dass bei dieser Abwandlung zusätzlich zu den Armabschnitten 20 bis 22 auch die linearen Bereiche parallel zu den Rändern, die den jeweiligen inneren peripheren Randabschnitten 11c bis 11e und äußeren peripheren Randabschnitten 12c bis 12e entsprechen, in den Dehnungsabschnitte enthalten sind.
• (a) bis (c) von 15 veranschaulichen eine andere Abwandlung der Maskierung des Dehnungselements 10, bei der nicht maskierte Abschnitte noch breiter sind als die in (a) bis (c) von 14 veranschaulichte Abwandlung. Insbesondere die Bereiche, die die Eckabschnitte der Ränder der äußeren peripheren Randabschnitte 12c, 12d und 12e enthalten, wo die jeweiligen zentralen Verbindungsstellen 20c bis 22c der jeweiligen Armabschnitte 20 bis 22 mit dem zentralen Abschnitt 12 verbunden sind, bleiben ebenfalls unmaskiert. Diese Bereiche einschließlich der Ecken der Ränder der äußeren peripheren Randabschnitte 12c, 12d und 12e, wo die jeweiligen zentralen Verbindungsstellen 20c bis 22c der jeweiligen Armabschnitte 20 bis 22 mit dem zentralen Abschnitt 12 verbunden sind, sind Bereiche in Form einer geraden Linie, die die einander gegenüberliegenden Ecken des Randes eines entsprechenden der äußeren peripheren Randabschnitte 12c, 12d und 12e einschließen. Darüber hinaus werden auch die Bereiche der inneren peripheren Randabschnitte 11c, 11d und 11e (wo die äußeren Verbindungsstellen 20d bis 22d der jeweiligen Armabschnitte 20 bis 22 mit dem Rahmenabschnitt 11 verbunden sind), die den Regionen in Längsrichtung der jeweiligen Durchgangsbohrungen 25 bis 27 entsprechen, unmaskiert gelassen. Diese Bereiche der inneren peripheren Randabschnitte 11c, 11d und 11e (wo die jeweiligen äußeren Verbindungsstellen 20d bis 22d der jeweiligen Armabschnitte 20 bis 22 mit dem Rahmenabschnitt 11 verbunden sind), die den Regionen in den Längsrichtungen der jeweiligen Durchgangsbohrungen 25 bis 27 entsprechen, sind Bereiche in Form von geraden Linien, die den Regionen in den Längsrichtungen der jeweiligen Durchgangsbohrungen 25 bis 27 in der Nähe der inneren peripheren Randabschnitte 11c, 11d und 11 e entsprechen.
• Wie bereits im Hinblick auf die Abwandlung der Maskierung in (a) bis (c) von 14 beschrieben, ist die Umgebung der äußeren peripheren Randabschnitte 12c, 12d und 12e des zentralen Abschnitts 12 aufgrund der Spannungskonzentration strukturell einer großen Belastung ausgesetzt. In ähnlicher Art und Weise ist es wahrscheinlich, dass in der Umgebung der inneren peripheren Randabschnitte 11c, 11d und 11e des Rahmenabschnitts 11 eine Spannungskonzentration aufgrund des Vorhandenseins der Durchgangsbohrungen 25 bis 27 in Form von Schlitzen auftritt. Um dem entgegenzuwirken, kann der Schritt des Strahlens eines Schussmaterials auf das Dehnungselement 10 in einem Zustand durchgeführt werden, in dem, wie in (a) bis (c) von 15 dargestellt, die Bereiche einschließlich der Ecken der Ränder der äußeren peripheren Randabschnitte 12c, 12d und 12e ebenfalls nicht maskiert sind. Der Schritt des Strahlens eines Schussmaterials auf das Dehnungselement 10 kann in einem Zustand durchgeführt werden, in dem auch die Regionen einschließlich der Regionen der inneren peripheren Randabschnitte 11c, 11d und 11e, die den Längsrichtungen der Durchgangsbohrungen 25 bis 27 entsprechen, nicht maskiert werden. Damit bildet sich auch in diesen Bereichen eine Eigenspannungsschicht mit negativer Eigenspannung aus, und der Widerstand gegen Ermüdungsversagen infolge elastischer Verformung kann weiter verbessert werden. Es sei bemerkt, dass bei dieser Abwandlung nicht maskierte Abschnitte der inneren peripheren Randabschnitte 11c bis 11e und der äußeren peripheren Randabschnitte 12c bis 12e ebenfalls in Dehnungsabschnitten enthalten sind.
• [Ausführungsform 2]
• 16 bis 18 veranschaulichen einen Kraftsensor 101, der ein konkretes Beispiel für einen Sensor zum Messen physikalischer Größen nach Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung darstellt. Der Kraftsensor 101 nach Ausführungsform 2 ist für den Einsatz in einem Industrieroboterarm vorgesehen, ähnlich wie der Kraftsensor 1 nach Ausführungsform 1 in den Zeichnungen wie 1 veranschaulicht wird. Es sei jedoch bemerkt, dass der Kraftsensor 101 gemäß Ausführungsform 2 dadurch gekennzeichnet ist, dass er ein Dehnungselement 110 (siehe 17 bis 20) verwendet, das ein einziges Element ist, das sowohl als Dehnungselement 10 als auch als Basisblock 6 des Kraftsensors 1 gemäß Ausführungsform 1 dient. Der Kraftsensor 101 gemäß Ausführungsform 2, der eine solche Struktur verwendet, erreicht dadurch auch eine Verringerung der Anzahl der Teile, eine Verringerung der Anzahl der Montagestunden, eine Verringerung der Abmessungen in Richtung der Z-Achse, eine Verbesserung der Montagefreundlichkeit einer elektrischen Systemplatine und eine Verringerung der Anzahl der Arbeitsstunden für den Prozess im Vergleich zum Kraftsensor 1 gemäß Ausführungsform 1. In der folgenden Beschreibung wird der Kraftsensor 101 gemäß Ausführungsform 2 im Detail besprochen. Es sei bemerkt, dass die Richtungen der X-, Y- und Z-Achse in Ausführungsform 2 die gleichen sind wie die von Ausführungsform 1.
• Wie in (a) und (b) von 17 veranschaulicht, ist der Kraftsensor 101 so eingerichtet, dass ein auf einer Roboterhandseite (Vorderseite) befindlicher Tischblock 102 und ein auf einer Roboterarmseite (Rückseite) befindliches Dehnungselement 110 zusammengestapelt werden.
• Der Tischblock 102 besteht aus einem scheibenförmigen Element mit einer bestimmten Dicke, hat von der Vorderseite aus gesehen die Form eines Kreises (siehe (a) in 16) und weist viele Bohrungen (Durchgangsbohrungen) in einer flachen Vorderfläche 102a auf, die der Vorderseite entspricht. Insbesondere weist der Tischblock 102 in der Nähe des Mittelpunkts eines Kreises die Bolzendurchgangsbohrungen 103a, 103b und 103c (versenkte Durchgangsbohrungen für den Durchgang von Bolzen) auf, die so angeordnet sind, dass sie ein gleichseitiges Dreieck bilden, das in Bezug auf die Mittellinie Y2 in der Höhenrichtung symmetrisch ist. Außerdem weist der Tischblock 102 die Ortungsdurchgangsbohrungen 104a und 104b (Bohrungen mit Passungstoleranz) auf der linken Seite der Bolzendurchgangsbohrung 103a und unterhalb der Bolzendurchgangsbohrung 103a auf.
• Der Tischblock 102 weist ferner Handbefestigungsschraubenbohrungen 105a, 105b, 105c und 105d (Durchgangsbohrungen mit Innengewinde) auf, die in der Nähe des Außenumfangs angeordnet sind und im Wesentlichen ein Quadrat bilden. Diese Handbefestigungsschraubenbohrung 105a, 105b, 105c und 105d werden zur Befestigung an der Roboterhand verwendet. Der Tischblock 102 weist ferner Handortungsbohrungen 104d und 104e auf einer horizontalen Linie orthogonal zur Mittellinie Y2 auf, die sich in Höhenrichtung erstreckt, so dass die Handortungsbohrungen 104d und 104e symmetrisch in Bezug auf die Mittellinie Y2 sind. Diese Handortungsbohrungen 104d und 104e werden zur Verwendung für die Positionierung relativ zur Roboterhand verwendet. Darüber hinaus ist der Tischblock 102 so geformt, dass in der Rückfläche 102d ein Hohlraum 102c mit einem verbleibenden Randabschnitt 102f verbleibt (siehe (b) von 17).
• Andererseits besteht das Dehnungselement 110, wie auch in 19 und 20 dargestellt, aus einem scheibenförmigen Element, das nach Ausführungsform 1 dicker ist als das Dehnungselement 10. Das Dehnungselement 110 weist von vorne (siehe (a) in 19) und von hinten (siehe 20) gesehen einen kreisförmigen Außenumfang auf, ähnlich wie das Dehnungselement 10 nach Ausführungsform 1. Das Dehnungselement 110 ist so aufgebaut, dass der zentrale Abschnitt 112 und der den zentralen Abschnitt 112 umgebende Rahmenabschnitt 111 durch drei Armabschnitte 120, 121 und 122 (entsprechend den Dehnungsabschnitten) verbunden sind (siehe (a) in 19 und 20). Es sei bemerkt, dass die Konfigurationen der Armabschnitte 120 bis 122 im Wesentlichen die gleichen sind wie die der Ausführungsform 1 und sich als Reaktion auf eine externe Last oder ein externes Moment elastisch verformen. Das Dehnungselement 110 gemäß Ausführungsform 2 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessung in Richtung der Z-Achse (Dicke) größer ist als die der Ausführungsform 1 und dass der zentrale Abschnitt 112 aus der Vorderfläche 110a des Dehnungselements 110 herausragt. Ein anderes Merkmal ist zum Beispiel, dass die Rückfläche 110b einen Hohlraum 110e in Form einer Aussparung im zentralen Bereich ohne den peripheren Bereich aufweist.
• Der zentrale Abschnitt 112 weist Schraubendurchgangsbohrungen 113a, 113b und 113c (Durchgangsbohrungen mit Innengewinde) auf, die so angeordnet sind, dass sie ein gleichseitiges Dreieck bilden, sowie Ortungsdurchgangsbohrungen 114a und 114b (Durchgangsbohrungen mit Passungstoleranz) in der Nähe von Verbindungsstellen, an denen der zentrale Abschnitt 112 mit den entsprechenden Armabschnitten 120 und 121 verbunden ist. Die Schraubendurchgangsbohrungen 113a bis 113c entsprechen den vorgenannten Bolzendurchgangsbohrungen 103a bis 103c des Tischblocks 102, während die Ortungsdurchgangsbohrungen 114a und 114b den Ortungsbohrungen 104a und 104b des Tischblocks 102 entsprechen. Darüber hinaus ist der zentrale Abschnitt 112, dessen Umriss im Wesentlichen die Form eines Sechsecks aufweist, mit den Armabschnitten 120, 121 und 122 an mittleren Abschnitten der jeweiligen äußeren peripheren Randabschnitte 112c, 112d und 112e verbunden, die drei der sechs Ränder des Sechsecks sind und nicht den Schraubenbohrungen 113a, 113b und 113c gegenüberliegen.
• Der Rahmenabschnitt 111 weist eine Außenkontur in Form eines Kreises und eine Innenkontur in Form eines Sechsecks auf, die durch gleichmäßiges Vergrößern der Kontur des vorhergehenden zentralen Abschnitts 112 erhalten wird. Darüber hinaus weist der Rahmenabschnitt 111 die Bolzendurchgangsbohrungen 118a, 118b, 118c und 118d auf, die von einem Viereck aus angeordnet sind. Darüber hinaus ist der Rahmenabschnitt 111 mit den Armabschnitten 120, 121 und 122 an mittleren Abschnitten der jeweiligen inneren peripheren Randabschnitte 111c, 111d und 111e verbunden, die sich gegenüber den jeweiligen äußeren peripheren Randabschnitten 112c, 112d und 112e des vorstehenden zentralen Abschnitts 112 befinden. Aufgrund des Vorhandenseins der Armabschnitte 120, 121 und 122 ist der Raum zwischen dem Rahmenabschnitt 111 und dem zentralen Abschnitt 112 dreigeteilt, was zur Bildung eines ersten Raumes 115, eines zweiten Raumes 116 und eines dritten Raumes 117 führt.
• Der Rahmenabschnitt 111 weist ferner drei Durchgangsbohrungen 125, 126 und 127 (jeweils entsprechend der ersten Durchgangsbohrung) an den Verbindungsstellen auf, an denen der Rahmenabschnitt 111 mit den jeweiligen Armabschnitten 120 bis 122 verbunden ist. Diese Durchgangsbohrungen 125 bis 127 weisen die Form gerader Linien entlang der inneren peripheren Randabschnitte 111c, 111d und 111e am Innenumfang in Form eines Sechsecks auf und sind gleich lang oder etwas länger als die Ränder der jeweiligen inneren peripheren Randabschnitte 111c, 111d und 111e, ähnlich wie die Durchgangsbohrungen 25 bis 27 der Ausführungsform 1.
• Darüber hinaus weist das Dehnungselement 110, wie in 20 dargestellt, im zentralen Bereich, von der Rückfläche 110b aus gesehen, einen Hohlraum 110e auf, der eine große Kreisform aufweist. Der Hohlraum 110e weist in radialer Richtung eine Abmessung auf, die lang genug ist, um die vorstehend genannten Durchgangsbohrungen 125 bis 127 einzuschließen. Daher weist im Dehnungselement 110 ein ringförmiger Bereich, der die Armabschnitte 120 bis 122 und die Durchgangsbohrungen 125 bis 127 im Rahmenabschnitt 111 enthält, die geringste Dicke auf (Abmessung in Richtung der Z-Achse). Diese Dicke ist die Dicke von einem Boden 110d des Hohlraums 110e bis zur Vorderfläche 110a des Dehnungselements 110. Die zweitdünnste ist die Dicke des zentralen Abschnitts 112. Diese Dicke erstreckt sich vom Boden 110d des Hohlraums 110e bis zu einer erhöhten Fläche 112a des zentralen Abschnitts. Die dickste ist die Dicke eines Außenumfangsbereichs (ringförmiger Bereich) des Rahmenabschnitts 111. Diese Dicke erstreckt sich von der Vorderfläche 110a des Dehnungselements 110 (identisch mit der Vorderfläche 111a des Rahmenabschnitts) bis zur Rückfläche 110b des Dehnungselements 110.
• Das Dehnungselement 110 gemäß Ausführungsform 2 weist die vorstehend beschriebenen Dicken auf. Dies gewährleistet im dünnsten ringförmigen Bereich, einschließlich der Armabschnitte 120 bis 122 und der Durchgangsbohrungen 125 bis 127 des Rahmenabschnitts 111, die Fähigkeit, sich als Reaktion auf eine externe Last oder ein externes Moment leicht elastisch zu verformen. Darüber hinaus gewährleistet der zweitdickste zentrale Abschnitt 112 die Steifigkeit, die notwendig ist, um bei der Kombination des Kraftsensors 101 mit dem vorgenannten Tischblock 102 als Kraftaufnehmer zu fungieren, der zur Aufnahme einer externen Kraft vom Tischblock 102 dient. Darüber hinaus ist der Außenumfangsbereich (ringförmiger Bereich) des Rahmenabschnitts 111, der am dicksten ist, ein direkt mit dem Roboterarm verbundener Abschnitt und weist daher eine Dicke auf, die einer für den Betrieb des Roboterarms erforderlichen Steifigkeit entspricht.
• Es sei bemerkt, dass das Dehnungselement 110 in der in 20 veranschaulichten Rückfläche 110b die Ortungsbohrungen 119a und 119b für den Roboterarm im äußeren Umfangsbereich des Rahmenabschnitts 111 aufweist. Außerdem weist das Dehnungselement 110 eine Aussparung 110f und eine Nut 110g für den Durchgang von Anschlussdrähten für Verbindungen der in dem Hohlraum 110e untergebrachten elektrischen Systemplatine auf. Darüber hinaus wird ein Substrat, das ein elektrisches Signalverarbeitungsmodul (siehe Signalverarbeitungsmodul 30 gemäß der in 10 veranschaulichten Ausführungsform 1) bildet, im Hohlraum 110e des fertigen Dehnungselementes 110 angeordnet. Außerdem werden Anschlussdrähte für die externe Verbindung, die vom Substrat ausgehen, in der Nut 110g innerhalb des Hohlraums 110e des fertigen Dehnungselements 110 untergebracht und angeordnet. Dabei wird, wie in (b) von 16 dargestellt, der Hohlraum 110e durch Anbringen eines kreisrunden Deckels 160 am Hohlraum 110e verschlossen. Außerdem wird ein Aussparungsdeckel 107 an der Aussparung 110f angebracht, wodurch die Aussparung 110f und die Nut 110g geschlossen werden.
• Das wie vorstehend beschrieben eingerichtete Dehnungselement 110 wurde ähnlich wie Ausführungsform 1 durch Zerspanung (Schneiden) eines elastisch verformbaren Metallmaterials geformt, und es wurde auch eine Eckenentlastung durchgeführt, um Grate an Rändern, Kanten, Ecken und dergleichen des Dehnungselements 110 zu entfernen. Im Hinblick auf diese Eckenentlastung wird eine sorgfältige Eckenentlastung auch in Bezug auf das Dehnungselement 110 nach Ausführungsform 2, ähnlich wie bei Ausführungsform 1, durchgeführt. Die Eckenentlastung wird zum Beispiel in Bezug auf die Ecken der Ränder von Verbindungsstellen durchgeführt, an denen der Rahmenabschnitt 11 und die jeweiligen Armabschnitte 120 bis 122 miteinander verbunden sind, entsprechend den von Punkt-Punkt-Strich-Linien eingeschlossenen Bereichen in 6 und 7 der Ausführungsform 1. Die Eckenentlastung wird auch in Bezug auf die Ecken der Ränder von Verbindungsstellen durchgeführt, wo der zentrale Abschnitt 112 und die jeweiligen Armabschnitte 120 und 122 miteinander verbunden sind. Es sei bemerkt, dass der Krümmungsradius, der jede dieser Ecken u. ä. bildet, auch derselbe ist wie bei Ausführungsform 1. Darüber hinaus ist bei einer solchen Zerspanung und Eckenentlastung, ebenfalls in Ausführungsform 2, nach der Maskierung eine Oberflächenbearbeitung (Bearbeitung durch Strahlen von Schussmaterial) durchzuführen.
• 21 veranschaulicht das Dehnungselement 110 (unfertiges Dehnungselement), das für die Oberflächenbearbeitung maskiert wurde. In dem in 21 veranschaulichten Maskierungsschritt mit Maskierung wird das Dehnungselement 110 mit Klebeband T bis auf die Armabschnitte 120 bis 122 einschließlich der Bereiche für die Anordnung der Dehnungsmessstreifen A11 bis C14' abgeklebt (d. h. das Dehnungselement 110 wird bis auf die Dehnungsabschnitte maskiert. In Ausführungsform 2 sind der Rahmenabschnitt 111 und der zentrale Abschnitt 112 maskiert). Es sei bemerkt, dass Seitenflächen in Dickenrichtung, wie beispielsweise nach außen weisende Flächen des zentralen Abschnitts 112, nach innen weisende Flächen des Rahmenabschnitts 111 und eine nach außen weisende Fläche 110c des Dehnungselements 110 (Rahmenabschnitt 111), ebenfalls maskiert sind. Daher wird auf jeder der Armvorderflächen 120a bis 122 der Armabschnitte 120 bis 122, die unmaskiert bleiben, ein Bereich freigelegt, der sich von einer entsprechenden der zentralen Verbindungsstellen 120c bis 122c (wo der Armabschnitt mit dem zentralen Abschnitt 112 verbunden ist) bis zu einer entsprechenden der äußeren Verbindungsstellen 120d bis 122d (wo der Armabschnitt mit dem Rahmenabschnitt 111 verbunden ist) erstreckt. Außerdem wird auf jeder der Armrückflächen 120b bis 122b der Armabschnitte 120 bis 122, die unmaskiert bleiben, ein Bereich freigelegt, der sich von einer entsprechenden der zentralen Verbindungsstellen 120c bis 122c bis zu einer entsprechenden der äußeren Verbindungsstellen 120d bis 122d (wo der Armabschnitt mit dem Rahmenabschnitt 11 verbunden ist) erstreckt. Darüber hinaus sind auch die einander gegenüberliegenden Seitenflächen jedes der nicht maskierten Armabschnitte 120 bis 122 freigelegt. Daher liegen alle vier Seiten jedes der Armabschnitte 120 bis 122 frei.
• Dann wird, ähnlich wie in Ausführungsform 1, der in 21 veranschaulichte Schritt des Strahlens eines Schussmaterials auf das maskierte Dehnungselement 110 durchgeführt, und dadurch wird in den nicht maskierten Abschnitten (Dehnungsabschnitten) eine Eigenspannungsschicht mit Druckeigenspannungen gebildet. Darüber hinaus weisen die Dehnungsabschnitte, in denen eine solche Eigenspannungsschicht gebildet wird, eine rauere Oberflächenrauheit auf als die der nicht maskierten Bereiche.
• Wenn der Schritt des Strahlens eines Schussmaterials wie vorstehend beschrieben abgeschlossen ist, wird das Maskierungsmaterial entfernt, und dann werden die Dehnungsmessstreifen A11 bis C14' mit einem Klebstoff auf die Armvorderflächen 120a bis 122a und die Armrückflächen 120b bis 122b der Armabschnitte 120 bis 122 geklebt. Die Dehnungsmessstreifen A11 bis C14' nach Ausführungsform 2 entsprechen den Dehnungsmessstreifen A1 bis C4' nach Ausführungsform 1 und sind hinsichtlich der Anordnung der Dehnungsmessstreifen A11 bis C14', der Art der Verklebung, der elektrischen Verbindungsart (siehe Schaltkreis der Dehnungsmessstreifen in 9) und dergleichen mit den Dehnungsmessstreifen A1 bis C4' nach Ausführungsform 1 identisch. Auch ein Signalverarbeitungsmodul zur Verarbeitung des Ausgangsspannungssignals eines Schaltkreises für Dehnungsmessstreifen, der durch die Verbindung der Dehnungsmessstreifen A11 bis C14' im Kraftsensor 101 gemäß Ausführungsform 2 gebildet wird, entspricht ebenfalls der Verwendung in Ausführungsform 1 (siehe 10).
• Im Hinblick darauf, dass das Dehnungselement 110, wie zuvor beschrieben, solche Herstellungsschritte durchlaufen hat, wird ein Substrat eines elektrischen Signalverarbeitungsmoduls in dem Hohlraum 110e und die vom Substrat ausgehenden Anschlussdrähte ebenfalls in der Nut 110g untergebracht, und dann werden der Hohlraum 110e und die Aussparung 110f mit dem Deckel 106 und dem Aussparungsdeckel 107 verschlossen. In der folgenden Beschreibung wird dann unter Bezugnahme auf 17 und 18 ein Vorgang beschrieben, bei dem der Kraftsensor 101, bestehend aus dem Dehnungselement 110 und dem Tischblock 102, am Industrieroboterarm befestigt wird.
• Zunächst wird, wie in (a) und (b) von 18 veranschaulicht, das Dehnungselement 110 an der Roboterarmseite des Industrieroboterarms angebracht. Zuvor werden die Ortungsstifte P2 in die Ortungsbohrungen 119a und 119b in der Rückfläche 110b des Dehnungselements 110 eingepresst. Die Spitzen der Ortungsstifte P2 werden in Ortungsdurchgangsbohrungen im Roboterarm eingepresst, die so bereitgestellt werden, dass sie mit den Ortungsdurchgangsbohrungen 119a und 119b übereinstimmen, und die Rückfläche 110b des Dehnungselements 110 wird auf die Endfläche an einem Abschnitt des Roboterarms gelegt (siehe (b) in 18). Dann werden Bolzen N2 (Innensechskantbolzen) durch die vier Bolzendurchgangsbohrungen 118a bis 118d in der Vorderfläche 110a des Dehnungselements 110 gesteckt und in Schraubenbohrungen befestigt, die im Roboterarm so vorgesehen sind, dass sie den Bolzendurchgangsbohrungen 118a bis 118d entsprechen. Dadurch wird das Dehnungselement 110 am Roboterarm fixiert (siehe (a) in 18).
• Als nächstes wird der Tischblock 102 an das Dehnungselement 110 angebracht, um den Kraftsensor 101 zu montieren. Im Einzelnen werden die Ortungsstifte P im Voraus von der Rückfläche 102d aus mit Presspassung in die Ortungsbohrungen 104a und 104b im Tischblock 102 eingepresst. Die Spitzen der Ortungsstifte P werden in die Ortungsdurchgangsbohrungen 114a und 114b eingepresst, die in der erhöhten Fläche 112a des zentralen Abschnitts 112 des Dehnungselements 110 vorgesehen sind, so dass sie den Ortungsbohrungen 104a und 104b entsprechen. Die Rückfläche 102d des Tischblocks 102 wird auf die erhöhte Fläche 112a des zentralen Abschnitts 112 des Dehnungselements 110 gelegt (siehe (b) in 17). Es sei bemerkt, dass in den Zeichnungen wie (b) in 17 die Deckel 106 und 107, die den Hohlraum 110e und die Aussparung 110f im Dehnungselement 110 abdecken, nicht abgebildet sind.
• Als nächstes werden die Bolzen N (Innensechskantbolzen) durch die drei Bolzendurchgangsbohrungen 103a bis 103c in der Vorderfläche 102a des Tischblocks 102 gesteckt. Die Bolzen N werden an den drei Schraubendurchgangsbohrungen 113a, 113b und 113c befestigt, die in der erhöhten Fläche 112a des zentralen Abschnitts 112 des Dehnungselements 110 vorgesehen sind, so dass sie den Bolzendurchgangsbohrungen 103a bis 103c entsprechen. Damit wird der Tischblock 102 auf dem Dehnungselement 110 fixiert und damit der Kraftsensor 101 gemäß Ausführungsform 2 fertiggestellt.
• Es sei bemerkt, dass bei einem Vorgang, bei dem die Roboterhandseite des Industrieroboterarms mit dem Kraftsensor 101 verbunden wird, die Ortungsstifte P1 im Voraus in Ortungsbohrungen in der Roboterhand eingepresst werden. Die Spitzen solcher Ortungsstifte P1 werden mit Presspassung in die Ortungsbohrungen 104d und 104e in der Vorderfläche 102a des Tischblocks 102 eingepresst. Die Roboterhand wird auf die Vorderfläche 102a des Tischblocks 102 gelegt (siehe (b) in 18). Dann werden Bolzen N1 (Innensechskantbolzen) durch die vier Bolzendurchgangsbohrungen in der Roboterhand gesteckt und an den vier Handbefestigungsschraubendurchgangsbohrungen 105a, 105b, 105c und 105d in der Vorderfläche 102a des Tischblocks 102 befestigt. Dadurch wird die Roboterhand am Tischblock 102 fixiert.
• Nach dem Kraftsensor 101 gemäß Ausführungsform 2, die wie vorstehend beschrieben eingerichtet ist, wird zunächst eine Last gegen die Roboterhand auf den Tischblock 102 ausgeübt. Die auf den Tischblock 102 ausgeübte Last wird als externe Kraft durch den zentralen Abschnitt 112 des Dehnungselements 110 aufgenommen, dessen erhöhte Fläche 112a in Kontakt mit der Rückfläche 102d des Tischblocks 102 steht. Bei Aufnahme der äußeren Kraft durch den zentralen Abschnitt 112 des Dehnungselements 110 verformen sich die Armabschnitte 120 bis 122, die den zentralen Abschnitt 112 und den am Roboterarm fixierten Rahmenabschnitt 111 verbinden, elastisch, und die Dehnungsmessstreifen A11 bis C14' erkennen die mit dieser elastischen Verformung verbundene Dehnung.
• Darüber hinaus wird auch in dem Rahmenabschnitt 111, der gemäß Ausführungsform 2 im Kraftsensor 101 enthalten ist, auf jedem der Armabschnitte 120 bis 122 eine Eigenspannungsschicht mit Druckeigenspannung ausgewiesen. Daher wird die Metallermüdungsfestigkeit in Verbindung mit elastischer Verformung verbessert. Da außerdem die Spannungskonzentration in Eckabschnitten an Rändern von Verbindungsstellen, an denen die jeweiligen Armabschnitte 120 bis 122 mit dem Rahmenabschnitt 111 verbunden sind, und in Eckabschnitten an Rändern von Verbindungsstellen, an denen die jeweiligen Armabschnitte 120 bis 122 mit dem zentralen Abschnitt 112 verbunden sind, verringert wird, kann die Lebensdauer verlängert werden. Darüber hinaus erzielt die Ausführungsform 2, die den wie vorstehend beschrieben eingerichteten Rahmenabschnitt 111 verwendet, dadurch zusätzlich zu den Wirkungen, die den vorstehend genannten Wirkungen der Ausführungsform 1 entsprechen, eine Verringerung der Anzahl der Teile, eine Verringerung der Anzahl der Arbeitsstunden für die Montage, eine Verringerung der Abmessungen in Richtung der Z-Achse, eine Verbesserung der Montagefreundlichkeit der elektrischen Systemplatine und eine Verringerung der Anzahl der Arbeitsstunden für die Verarbeitung.
• Es sei bemerkt, dass auch in Ausführungsform 2 die Haftfähigkeit der Dehnungsmessstreifen A11 bis C14', die auf den Armabschnitten 120 bis 122 angeordnet sind, erhöht ist und daher auch die Messgenauigkeit im Vergleich zu konventionellen Techniken verbessert ist. Es sei bemerkt, dass auch in Ausführungsform 2 verschiedene Abwandlungen verwendet werden können, die zuvor in Ausführungsform 1 beschrieben wurden.
• 22 und 23 veranschaulichen Abwandlungen der Maskierung des Dehnungselementes 110 gemäß Ausführungsform 2. (a) bis (c) von 22 entsprechen der unter Bezugnahme auf (a) bis (c) von 14 beschriebenen Abwandlung der Maskierung gemäß Ausführungsform 1. (a) bis (c) von 23 entsprechen der unter Bezugnahme auf (a) bis (c) von 15 beschriebenen anderen Abwandlung der Maskierung gemäß Ausführungsform 1. Jede Abwandlung zeigt einen Zustand, in dem jeder in 21 veranschaulichte nicht maskierte Bereich von den einander gegenüberliegenden Enden jedes der Armabschnitte 120 bis 122 verbreitert ist.
• Insbesondere werden bei der unter (a) bis (c) in 22 veranschaulichten Abwandlung der Maskierung Bereiche, die die äußeren peripheren Randabschnitte 112c, 112d und 112e einschließen, wo die jeweiligen zentralen Verbindungsstellen 120c bis 122c (die die zum zentralen Abschnitt 112 weisenden Enden der jeweiligen Armabschnitte 120 bis 122 sind) mit dem zentralen Abschnitt 112 verbunden sind, ebenfalls nicht maskiert. Diese Bereiche einschließlich der äußeren peripheren Randabschnitte 112c, 112d und 112e, wo die jeweiligen zentralen Verbindungsstellen 120c bis 122c (die die zum zentralen Abschnitt 112 weisenden Enden der jeweiligen Armabschnitte 120 bis 122 sind) mit dem zentralen Abschnitt 112 verbunden sind, sind Bereiche in Form von geraden Linien parallel zu den Rändern, die den äußeren peripheren Randabschnitten 112c, 112d und 112e entsprechen. Darüber hinaus werden auch die Bereiche, die die inneren peripheren Randabschnitte 111c, 111d und 111e einschließen, in denen die jeweiligen äußeren Verbindungsstellen 120d bis 122d (die die zum Rahmenabschnitt 111 weisenden Enden der jeweiligen Armabschnitte 120 bis 122 sind) mit dem Rahmenabschnitt 111 verbunden sind, nicht maskiert. Die Bereiche, die die inneren peripheren Randabschnitte 111c, 111d und 111e einschließen, wo die jeweiligen äußeren Verbindungsstellen 120d bis 122d (die die zum Rahmenabschnitt 111 weisenden Enden der jeweiligen Armabschnitte 120 bis 122 sind) mit dem Rahmenabschnitt 111 verbunden sind, sind Bereiche in Form von geraden Linien parallel zu den Rändern, die den inneren peripheren Randabschnitten 111c, 111d und 111e entsprechen.
• Die zentralen Verbindungsstellen 120c bis 122c und die äußeren Verbindungsstellen 120d bis 122d, von denen sich die Armabschnitte 120 bis 122 erstrecken, werden wahrscheinlich einer Spannungskonzentration ausgesetzt sein. Aus diesem Grund besteht die Tendenz, dass die Umgebungen der äußeren peripheren Randabschnitte 112c, 112d und 112e des zentralen Abschnitts 112, wo die jeweiligen zentralen Verbindungsstellen 120c bis 122c mit dem zentralen Abschnitt 112 verbunden sind, und die Umgebungen der inneren peripheren Randabschnitte 111c, 111d und 111e des Rahmenabschnitts 111, wo die jeweiligen Verbindungsstellen 120d bis 122d mit dem Rahmenabschnitt 111 verbunden sind, aufgrund der Spannungskonzentration ebenfalls einer großen Belastung ausgesetzt sind. Um dem entgegenzuwirken, kann der Schritt des Strahlens eines Schussmaterials auf das Dehnungselement 110 in einem Zustand durchgeführt werden, in dem, wie in (a) bis (c) von 22 dargestellt, die Bereiche einschließlich der äußeren peripheren Randabschnitte 112c, 112d und 112e und die Bereiche einschließlich der inneren peripheren Randabschnitte 111c, 111d und 111e ebenfalls nicht maskiert sind. Damit wird auch in den Bereichen, die diesen Randabschnitten entsprechen, eine Eigenspannungsschicht mit negativer Eigenspannung gebildet, und der Widerstand gegen Ermüdungsversagen infolge elastischer Verformung kann weiter verbessert werden. Es sei bemerkt, dass bei dieser Abwandlung zusätzlich zu den Armabschnitten 120 bis 122 auch die linearen Bereiche parallel zu den Rändern, die den jeweiligen inneren peripheren Randabschnitten 111c bis 111e und äußeren peripheren Randabschnitten 112c bis 112e entsprechen, in denen Dehnungsabschnitte enthalten sind.
• In der anderen Abwandlung der Maskierung, die in (a) bis (c) von 23 veranschaulicht wird, werden Bereiche, die Ecken der Ränder der äußeren peripheren Randabschnitte 112c, 112d und 112e einschließen, wo die jeweiligen zentralen Verbindungsstellen 120c bis 122c der jeweiligen Armabschnitte 120 bis 122 mit dem zentralen Abschnitt 112 verbunden sind, ebenfalls nicht maskiert. Diese Bereiche einschließlich der Ecken der Ränder der äußeren peripheren Randabschnitte 112c, 112d und 112e, wo die jeweiligen zentralen Verbindungsstellen 120c bis 122c der jeweiligen Armabschnitte 120 bis 122 mit dem zentralen Abschnitt 112 verbunden sind, sind Bereiche in Form einer geraden Linie, die die einander gegenüberliegenden Ecken des Randes eines entsprechenden der äußeren peripheren Randabschnitte 112c, 112d und 112e einschließen. Die Bereiche der inneren peripheren Randabschnitte 111c, 111d und 111e (wo die jeweiligen äußeren Verbindungen 120d bis 122d der jeweiligen Armabschnitte 120 bis 122 an den Rahmenabschnitt 111 anschließen), die den Bereichen in Längsrichtung der jeweiligen Durchgangsbohrungen 125 bis 127 entsprechen, werden ebenfalls nicht maskiert. Diese Bereiche der inneren peripheren Randabschnitte 111c, 111d und 111e, die den Regionen in den Längsrichtungen der jeweiligen Durchgangsbohrungen 125 bis 127 entsprechen, sind Bereiche in Form von geraden Linien, die den Bereichen in den Längsrichtungen der jeweiligen Durchgangsbohrungen 125 bis 127 in der Nähe der inneren peripheren Randabschnitte 111c, 111d und 111e entsprechen.
• Wie zuvor beschrieben, ist die Umgebung der äußeren peripheren Randabschnitte 112c, 112d und 112e des zentralen Abschnitts 112 aufgrund der Spannungskonzentration strukturell einer großen Belastung ausgesetzt. In ähnlicher Art und Weise ist es wahrscheinlich, dass in der Umgebung der inneren peripheren Randabschnitte 111c, 111d und 111e des Rahmenabschnitts 111 eine Spannungskonzentration aufgrund des Vorhandenseins der Durchgangsbohrungen 125 bis 127 in Form von Schlitzen auftritt. Um dem entgegenzuwirken, kann der Schritt des Strahlens eines Schussmaterials auf das Dehnungselement 110 in einem Zustand durchgeführt werden, in dem, wie in (a) bis (c) von 23 dargestellt, die Bereiche einschließlich der Ecken der Ränder der äußeren peripheren Randabschnitte 112c, 112d und 112e ebenfalls nicht maskiert sind. Der Schritt des Strahlens eines Schussmaterials auf das Dehnungselement 110 kann in einem Zustand durchgeführt werden, in dem auch die Regionen einschließlich der Regionen der inneren peripheren Randabschnitte 111c, 111d und 111e, die den Längsrichtungen der Durchgangsbohrungen 125 bis 127 entsprechen, nicht maskiert werden. Damit bildet sich auch in diesen Bereichen eine Eigenspannungsschicht mit negativer Eigenspannung aus, und der Widerstand gegen Ermüdungsversagen infolge elastischer Verformung kann weiter verbessert werden. Es sei bemerkt, dass bei dieser Abwandlung die nicht maskierten Bereiche der inneren peripheren Randabschnitte 111c bis 111e und der äußeren peripheren Randabschnitte 112c bis 112e ebenfalls in Dehnungsabschnitten enthalten sind.
• [Ausführungsform 3]
• (a) bis (c) von 24 zeigen ein Dehnungselement 55 nach Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung, das zur Anwendung an einer Kraftzelle (Last- und Kraftwandler) als Sensor zum Messen einer physikalischen Größe bestimmt ist. Das Dehnungselement 55 nach Ausführungsform 3 wird durch ein zylindrisches Element 56 gebildet. Das Dehnungselement 55 ist so eingerichtet, dass auf seiner Vorderseite 56a der äußeren Umfangsoberfläche, die sich von oben nach unten über die zur X-Achsenrichtung (horizontale Richtung) parallele Mittellinie X5 hinaus erstreckt, Bereiche, die jeweils die zur Y-Achsenrichtung (vertikale Richtung) Mittellinie Y5 schneiden (d. h. ein vorderseitiger oberer Bereich 56c und ein vorderseitiger unterer Bereich 56d), als Bereiche für die Befestigung von Dehnungsmessstreifen verwendet werden. Das Dehnungselement 55 ist auch so eingerichtet, dass auf seiner Rückseite 56b der äußeren Umfangsoberfläche, die sich von oben nach unten über die zur X-Achsenrichtung parallele Mittellinie X5 hinaus erstreckt, Bereiche, die jeweils die zur Y-Achsenrichtung parallele Mittellinie Y5 schneiden (d. h. ein rückseitiger oberer Bereich 56e und ein rückseitiger unterer Bereich 56f), als Bereiche für die Befestigung von Dehnungsmessstreifen verwendet werden. Diese Bereiche für die Befestigung der Dehnungsmessstreifen sind vier viereckige Regionen, die in (b) und (c) von 24 schraffiert sind.
• Es sei bemerkt, dass jeder Bereich (der vorderseitige obere Bereich 56c, der vorderseitige untere Bereich 56d, der rückseitige obere Bereich 56e und der rückseitige untere Bereich 56f) die Form eines Vierecks (Rechtecks) aufweist und, während die Längsrichtungen des vorderseitigen oberen Bereichs 56c und des rückseitigen oberen Bereichs 56e parallel zur Mittellinie Y5 verlaufen, verlaufen die Längsrichtungen des vorderseitigen unteren Bereichs 56d und des rückseitigen unteren Bereichs 56f parallel zur Mittellinie X5. Auch in Ausführungsform 3 sind das Hauptmaterial für das Dehnungselement 55, die Spezifikationen der Dehnungsmessstreifen, die Art und Weise, in der die Dehnungsmessstreifen angeordnet sind, und ähnliches die gleichen wie in Ausführungsform 1.
• (a) bis (c) von 25 veranschaulichen das Dehnungselement 55 gemäß Ausführungsform 3, das maskiert wurde. Auch bei der Herstellung des Dehnungselementes 55 gemäß Ausführungsform 3 wird das vorstehende zylindrische Element 56 durch Zerspanung (einschließlich Eckenentlastung) aus einem Material hergestellt und dann, wie in 25 unter (a) bis (c) veranschaulicht, wird das Element 56 maskiert. Insbesondere wird angenommen, dass die viereckigen Regionen, einschließlich des vorderen oberen Bereichs 56c, des vorderen unteren Bereichs 56d, des hinteren oberen Bereichs 56e und des hinteren unteren Bereichs 56f, die Bereiche für die Anbringung von Dehnungsmessstreifen sind, jeweils ein vorderer oberer Dehnungsabschnitt 56r, ein vorderer unterer Dehnungsabschnitt 56s, ein hinterer oberer Dehnungsabschnitt 56t und ein hinterer unterer Dehnungsabschnitt 56u. Diese Dehnungsabschnitte, die Regionen entsprechen, die einer Dehnung im Zusammenhang mit der elastischen Verformung unter einer Last ausgesetzt sind (solche Dehnungsabschnitte sind der vordere obere Dehnungsabschnitt 56r, der vordere untere Dehnungsabschnitt 56s, der hintere obere Dehnungsabschnitt 56t und der hintere untere Dehnungsabschnitt 56u), werden nicht maskiert, und andere Abschnitte als diese Dehnungsabschnitte (der vordere obere Dehnungsabschnitt 56r, der vordere untere Dehnungsabschnitt 56s, der hintere obere Dehnungsabschnitt 56t und der hintere untere Dehnungsabschnitt 56u) werden maskiert. Es sei bemerkt, dass es sich bei den maskierten Bereichen um die in (a) bis (c) von 25 kreuzweise schraffierten Bereiche handelt.
• Die Dehnungsabschnitte (der vordere obere Dehnungsabschnitt 56r, der vordere untere Dehnungsabschnitt 56s, der hintere obere Dehnungsabschnitt 56t und der hintere untere Dehnungsabschnitt 56u), die nicht maskiert werden, sind Regionen, die durch gleichmäßige Vergrößerung des vorderen oberen Bereichs 56c, des vorderen unteren Bereichs 56d, des hinteren oberen Bereichs 56e und des hinteren unteren Bereichs 56f, die jeweils Bereiche für die Anordnung von Dehnungsmessstreifen sind, um etwa das 1,5- bis 4-fache vergrößert werden. In diesem Beispiel handelt es sich bei den nicht maskierten Dehnungsabschnitten um etwa 2-fach vergrößerte Regionen. Es sei bemerkt, dass die maskierten Bereiche des Dehnungselements 55 die Vorderseite 56a und die Rückseite 56b der äußeren Umfangsoberfläche (Seitenoberfläche) sowie die kreisförmigen obere und untere Flächen 56g und 56h des Elements 56 ohne die Dehnungsabschnitte (der vordere obere Dehnungsabschnitt 56r, der vordere untere Dehnungsabschnitt 56s, der hintere obere Dehnungsabschnitt 56t und der hintere untere Dehnungsabschnitt 56u) sind.
• In Bezug auf das maskierte Dehnungselement 55 wird Kugelstrahlen oder Laserstrahlen durchgeführt. Durch ein solches Strahlen wird in jedem der Dehnungsabschnitte (vorderer oberer Dehnungsabschnitt 56r, vorderer unterer Dehnungsabschnitt 56s, hinterer oberer Dehnungsabschnitt 56t und hinterer unterer Dehnungsabschnitt 56u) eine Eigenspannungsschicht mit negativer Eigenspannung gebildet. Damit sind selbst dann, wenn sich die Dehnungsabschnitte (der vordere obere Dehnungsabschnitt 56r, der vordere untere Dehnungsabschnitt 56s, der hintere obere Dehnungsabschnitt 56t und der hintere untere Dehnungsabschnitt 56u) der Vorderseite 56a und der Rückseite 56b als Reaktion auf eine äußere Kraft (Last) elastisch verformen, die Dehnungsabschnitte gegen Ermüdungsversagen infolge von Metallermüdung beständig. Darüber hinaus erhalten die Dehnungsabschnitte (vorderer oberer Dehnungsabschnitt 56r, vorderer unterer Dehnungsabschnitt 56s, hinterer oberer Dehnungsabschnitt 56t und hinterer unterer Dehnungsabschnitt 56u) eine Oberflächenrauheit, die rauer ist als die der anderen Abschnitte, wenn das Kugelstrahlen durch Strahlen von Schussmaterial als Strahlen durchgeführt wird. Daher weisen die Dehnungsmessstreifen selbst in einem Fall, in dem die Dehnungsmessstreifen durch Kleben mit einem Klebstoff platziert werden, eine verbesserte Klebkraft auf und passen sich der elastischen Verformung besser an, und die Genauigkeit der Dehnungserkennung kann beibehalten werden. Es sei bemerkt, dass auch in Ausführungsform 3 gegebenenfalls die zuvor beschriebenen Abwandlungen in den Ausführungsformen, wie beispielsweise Ausführungsform 1, verwendet werden können.
• [Ausführungsform 4]
• (a) und (b) von 26 veranschaulichen ein Dehnungselement 60 gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung, das ähnlich wie die vorstehende Ausführungsform 3 zur Anwendung auf eine Kraftzelle (Last- und Kraftwandler) als Sensor zum Messen physikalischer Größen bestimmt ist. Das Dehnungselement 60 gemäß Ausführungsform 4 wird durch ein würfelförmiges Element 61 gebildet und weist einen Hohlraum auf, der sich durch das Element 61 von einer Vorderfläche 61b zu einer Rückfläche 61d erstreckt. Der Hohlraum, von der in 26 unter (b) veranschaulichten Vorderfläche 61b aus gesehen, besteht aus (i) einer linken Durchgangsbohrung 62 und einer rechten Durchgangsbohrung 63 in Form eines Kreises und (ii) einer verbindenden Durchgangsbohrung 64, die die linke Durchgangsbohrung 62 und die rechte Durchgangsbohrung 63 verbindet. Da der Hohlraum, der durch solche Durchgangsbohrungen (die linke Durchgangsbohrung 62, die rechte Durchgangsbohrung 63 und die verbindende Durchgangsbohrung 64) gebildet wird, verformt sich die obere Fläche 61a oder die untere Fläche 61c des würfelförmigen Elements 61 elastisch, wenn eine Last auf eine obere Fläche 61a oder eine untere Fläche 61c einwirkt. Zur Durchführung der Erkennung von Dehnungen, die mit einer solchen elastischen Verformung verbunden sind, sind die obere Fläche 61a und die untere Fläche 61c mit Bereichen zur Anordnung von Dehnungsmessstreifen versehen.
• Insbesondere werden auf der oberen Fläche 61a des Elements 61 ein oberer linker Bereich 65a und ein oberer rechter Bereich 65b, die entlang der Mittellinie X8 parallel zur Richtung der X-Achse (horizontale Richtung) angeordnet sind und die der linken Durchgangsbohrung 62 und der rechten Durchgangsbohrung 63 entsprechen, als Bereiche für die Befestigung von Dehnungsmessstreifen verwendet. Darüber hinaus werden auf der unteren Fläche 61c ein unterer linker Bereich 65c und ein unterer rechter Bereich 65d, die entlang der Mittellinie X8 parallel zur X-Achsenrichtung angeordnet sind und die der linken Durchgangsbohrung 62 und der rechten Durchgangsbohrung 63 entsprechen, als Bereiche für die Befestigung von Dehnungsmessstreifen verwendet (vier viereckige Regionen, schraffiert in (a) und (b) von 26). Es sei bemerkt, dass die Bereiche (der obere linke Bereich 65a, der obere rechte Bereich 65b, der untere linke Bereich 65c und der untere rechte Bereich 65d) jeweils die Form eines Vierecks (Rechtecks) aufweisen und ihre Längsrichtungen jeweils parallel zur Mittellinie X8 verlaufen. Auch in Ausführungsform 4 sind das Hauptmaterial für das Dehnungselement 60, die Spezifikationen der Dehnungsmessstreifen, die Art und Weise, in der die Dehnungsmessstreifen angeordnet sind, und ähnliches die gleichen wie in Ausführungsform 1.
• (a) bis (c) von 27 veranschaulichen das Dehnungselement 60 gemäß Ausführungsform 4, das maskiert wurde. Auch bei der Herstellung des Dehnungselementes 60 gemäß Ausführungsform 4 wird zunächst das würfelförmige Element 61, das den durch die Durchgangsbohrungen (die linke Durchgangsbohrung 62, die rechte Durchgangsbohrung 63 und die verbindende Durchgangsbohrung 64) gebildeten Hohlraum aufweist, durch Zerspanung (einschließlich Eckenentlastung) aus einem Material hergestellt. Dann wird, wie in (a) bis (c) von 27 dargestellt, das Element 61 maskiert. Insbesondere sind viereckige Regionen, einschließlich des oberen linken Bereichs 65a, des oberen rechten Bereichs 65b, des unteren linken Bereichs 65c und des unteren rechten Bereichs 65d, die Bereiche für die Befestigung von Dehnungsmessstreifen sind und als ein oberer linker Dehnungsabschnitt 61r, ein oberer rechter Dehnungsabschnitt 61s, ein unterer linker Dehnungsabschnitt 61t bzw. ein unterer rechter Dehnungsabschnitt 61u bezeichnet werden, nicht maskiert. Andere Abschnitte als diese Dehnungsabschnitte, die Regionen entsprechen, die einer Dehnung im Zusammenhang mit der elastischen Verformung unter einer Last ausgesetzt sind (solche Dehnungsabschnitte sind der obere linke Dehnungsabschnitt 61r, der obere rechte Dehnungsabschnitt 61s, der untere linke Dehnungsabschnitt 61t und der untere rechte Dehnungsabschnitt 61u), werden maskiert (maskierte Bereiche sind die in (a) bis (c) von 27 kreuzweise schraffierten Bereiche).
• Die Dehnungsabschnitte (der obere linke Dehnungsabschnitt 61r, der obere rechte Dehnungsabschnitt 61s, der untere linke Dehnungsabschnitt 61t und der untere rechte Dehnungsabschnitt 61u), die nicht maskiert sind, sind Regionen, die durch gleichmäßige, etwa 1,5- bis 4-fache Vergrößerung des oberen linken Bereichs 65a, des oberen rechten Bereichs 65b, des unteren linken Bereichs 65c bzw. des unteren rechten Bereichs 65d, die Bereiche für die Anordnung von Dehnungsmessstreifen sind, erhalten werden. In diesem Beispiel handelt es sich bei den nicht maskierten Dehnungsabschnitten um etwa 2-fach vergrößerte Regionen. Es sei bemerkt, dass die maskierten Bereiche des Dehnungselements 60 die Au-ßenoberflächen des Elements 61 mit Ausnahme der vorstehenden Dehnungsabschnitte (der obere linke Dehnungsabschnitt 61r, der obere rechte Dehnungsabschnitt 61s, der untere linke Dehnungsabschnitt 61t und der untere rechte Dehnungsabschnitt 61u) sind. Die Au-ßenoberflächen sind die obere Fläche 61a, die Vorderfläche 61b, die untere Fläche 61c, die Rückfläche 61d, eine linke Seitenfläche 61e, eine rechte Seitenfläche 61f und die Innenwände der Durchgangsbohrungen (die linke Durchgangsbohrung 62, die rechte Durchgangsbohrung 63 und die verbindende Durchgangsbohrung 64), die den Hohlraum bilden.
• In Bezug auf das maskierte Dehnungselement 60 wird Kugelstrahlen oder Laserstrahlen durchgeführt. Durch ein solches Strahlen wird eine Eigenspannungsschicht mit negativer Eigenspannung in jedem der Dehnungsabschnitte (der obere linke Dehnungsabschnitt 61r, der obere rechte Dehnungsabschnitt 61s, der untere linke Dehnungsabschnitt 61t und der untere rechte Dehnungsabschnitt 61u) gebildet. Damit sind selbst dann, wenn sich die Dehnungsabschnitte (der obere linke Dehnungsabschnitt 61r, der obere rechte Dehnungsabschnitt 61s, der untere linke Dehnungsabschnitt 61t und der untere rechte Dehnungsabschnitt 61u) der oberen Fläche 61a und der unteren Fläche 61c als Reaktion auf eine äußere Kraft (Last) elastisch verformen, die Dehnungsabschnitte gegen Ermüdungsversagen infolge von Metallermüdung beständig. Darüber hinaus erhalten die Dehnungsabschnitte (der linke obere Dehnungsabschnitt 61r, der rechte obere Dehnungsabschnitt 61s, der linke untere Dehnungsabschnitt 61t und der rechte untere Dehnungsabschnitt 61u) eine rauere Oberflächenrauheit als die anderen Abschnitte, wenn das Kugelstrahlen durch Strahlen von Schussmaterial als Strahlen durchgeführt wird. Daher weisen die Dehnungsmessstreifen selbst in einem Fall, in dem die Dehnungsmessstreifen durch Kleben mit einem Klebstoff platziert werden, eine verbesserte Klebkraft auf und passen sich der elastischen Verformung besser an, und die Genauigkeit der Dehnungserkennung kann beibehalten werden. Es sei bemerkt, dass auch in Ausführungsform 4 gegebenenfalls die zuvor beschriebenen Abwandlungen in den Ausführungsformen, wie beispielsweise Ausführungsform 1, verwendet werden können.
• [Ausführungsform 5]
• (a) bis (c) von 28 veranschaulichen ein Dehnungselement 70 gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung, das zur Anwendung auf einen Drehmomentsensor als Sensor zum Messen physikalischer Größen bestimmt ist. Das Dehnungselement 70 gemäß Ausführungsform 5 schließt, ähnlich wie das Dehnungselement 10 gemäß Ausführungsform 1, einen Rahmenabschnitt 71 ein, der von vorne gesehen einen kreisförmigen Umfangsumriss aufweist, und schließt einen zentralen Abschnitt 72 ein (der von vorne gesehen einen kreisförmigen Umriss aufweist), der in dem durch den Rahmenabschnitt 71 definierten Raum so angeordnet ist, dass zwischen dem Rahmenabschnitt 71 und dem zentralen Abschnitt 72 Räume 78a bis 78d vorhanden sind. Das Dehnungselement 70 ist dadurch gekennzeichnet, dass vier Armabschnitte 73 bis 76, die den Rahmenabschnitt 71 und den zentralen Abschnitt 72 verbinden, in einer Umfangsrichtung so angeordnet sind, dass sie um 90 Grad voneinander beabstandet sind. Es sei bemerkt, dass in (a) bis (c) von 28 Bolzenbohrungen, Ortungsdurchgangsbohrungen und dergleichen, die in den Zeichnungen wie 4 und 5 veranschaulicht werden, nicht veranschaulicht sind, um die Konfiguration der Hauptteile des Dehnungselements 70 zu verdeutlichen.
• Nach dem vorstehenden Dehnungselement 10 gemäß Ausführungsform 1 ist die Dicke (Abmessung in Richtung der Z-Achse) zwischen dem Rahmenabschnitt 11, dem zentralen Abschnitt 12 und den Armabschnitten 20 bis 22 im Wesentlichen gleich. Nach dem Dehnungselement 70 gemäß Ausführungsform 5 sind jedoch die Dicken des Rahmenabschnitts 71 und des zentralen Abschnitts 72 größer, da das Dehnungselement 70 zum Beispiel für die Anwendung an einem Drehmomentsensor vorgesehen ist. Daher sind die Dicken der Armabschnitte 73 bis 76 geringer als die des Rahmenabschnitts 71 und des zentralen Abschnitts 72 (siehe (b) und (c) in 28).
• Bereiche des Dehnungselements 70 zur Anordnung von Dehnungsmessstreifen sind die einander gegenüberliegenden Seitenflächen 73a und 73b des Armabschnitts 73, die sich parallel zur Richtung der Y-Achse erstrecken, und die einander gegenüberliegenden Seitenflächen 75a und 75b des Armabschnitts 75, die sich parallel zur Richtung der Y-Achse erstrecken. Im Hinblick auf die Bereiche des Dehnungselements 70 für die Anordnung von Dehnungsmessstreifen sind insbesondere die in (a) und (b) in 28 schraffierten Regionen die Bereiche 73e, 73f, 75e und 75f für die Anordnung von Dehnungsmessstreifen. Es sei bemerkt, dass in Ausführungsform 5 das Hauptmaterial für das Dehnungselement 70, die Spezifikationen der Dehnungsmessstreifen, die Art und Weise, in der die Dehnungsmessstreifen angeordnet sind, und dergleichen die gleichen sind wie in Ausführungsform 1.
• (a) bis (c) von 29 veranschaulichen das Dehnungselement 70 gemäß Ausführungsform 5, das maskiert wurde. Auch bei der Herstellung des Dehnungselementes 70 gemäß Ausführungsform 5 wird in Bezug auf das Dehnungselement 70, das durch Zerspanung (einschließlich Eckenentlastung) aus einem Material in die in 29 unter (a) bis (c) gezeigte Form gebracht wurde, eine Maskierung vorgenommen, um die in 29 unter (a) bis (c) kreuzweise schraffierten Regionen zu maskieren. Diese Regionen sind andere Abschnitte als die einander gegenüberliegenden Seitenflächen 73a und 73b des Armabschnitts 73, die sich parallel zur Richtung der Y-Achse erstrecken, und die einander gegenüberliegenden Seitenflächen 75a und 75b des Armabschnitts 75, die sich parallel zur Richtung der Y-Achse erstrecken, einschließlich der vorgenannten Bereiche 73e, 73f, 75e und 75f für die Anordnung von Dehnungsmessstreifen (die Seitenflächen 73a und 73b und die Seitenflächen 75a und 75b entsprechen Dehnungsabschnitten, die Regionen entsprechen, die einer Dehnung ausgesetzt sind).
• Jede der nicht maskierten einander gegenüberliegenden Seitenflächen 73a und 73b des Armabschnitts 73 ist eine Region, die sich von einer Verbindungsstelle 73c, wo der Armabschnitt 73 mit dem Rahmenabschnitt 71 verbunden ist, bis zu einer Verbindungsstelle 73d erstreckt, wo der Armabschnitt 73 mit dem zentralen Abschnitt 72 in der Richtung der Verlängerung des Armabschnitts 73 (der Richtung parallel zur Y-Achse) verbunden ist, und jede der nicht maskierten einander gegenüberliegenden Seitenflächen 75a und 75b des Armabschnitts 75 ist eine Region, die sich von einer Verbindungsstelle 75c, wo der Armabschnitt 75 mit dem Rahmenabschnitt 71 verbunden ist, bis zu einer Verbindungsstelle 75d erstreckt, wo der Armabschnitt 75 mit dem zentralen Abschnitt 72 in der Richtung der Ausdehnung des Armabschnitts 75 (der Richtung parallel zur Y-Achse) verbunden ist. Es sei bemerkt, dass es sich bei den maskierten Bereichen um den gesamten Umfang des Rahmenabschnitts 71 und des zentralen Abschnitts 72 handelt, wobei vier Seiten jedes der Armabschnitte 74 und 76 parallel zur Richtung der X-Achse verlaufen und die Oberflächen der Armabschnitte 73 und 75 mit Ausnahme der einander gegenüberliegenden Seitenflächen 73a und 73b des Armabschnitts 73 parallel zur Richtung der Y-Achse verlaufen und die einander gegenüberliegenden Seitenflächen 75a und 75b des Armabschnitts 75 parallel zur Richtung der Y-Achse verlaufen.
• In Bezug auf das maskierte Dehnungselement 70 wird das in Ausführungsform 1 beschriebene Kugelstrahlen oder Laserstrahlen durchgeführt. Durch ein solches Strahlen wird eine Eigenspannungsschicht mit negativer Eigenspannung auf den einander gegenüberliegenden Seitenflächen 73a und 73b des Armabschnitts 73 und den einander gegenüberliegenden Seitenflächen 75a und 75b des Armabschnitts 75 einschließlich der Bereiche 73e, 73f, 75e und 75f zur Anordnung von Dehnungsmessstreifen gebildet. Damit sind selbst dann, wenn die gegenüberliegende Seitenfläche 73a und 73b des Armabschnitts 73 und die gegenüberliegende Seitenfläche 75a und 75b des Armabschnitts 75 als Reaktion auf eine äußere Kraft (Last) elastisch verformt werden, bleiben diese Flächen widerstandsfähig gegen Ermüdungsversagen infolge von Metallermüdung.
• Darüber hinaus erhalten in einem Fall, in dem das Kugelstrahlen, bei dem ein Schussmaterial geworfen wird, als Strahlen durchgeführt wird, die einander gegenüberliegenden Seitenflächen 73a und 73b des Armabschnitts 73 und die einander gegenüberliegenden Seitenflächen 75a und 75b des Armabschnitts 75 eine Oberflächenrauheit, die rauer als die anderer Abschnitte ist. Daher passen sich die Dehnungsmessstreifen selbst dann besser an die elastische Verformung der Armabschnitte 73 und 75 an, wenn die Dehnungsmessstreifen auf den einander gegenüberliegenden Seitenflächen 73a und 73b und die einander gegenüberliegenden Seitenflächen 75a und 75b durch Verkleben angeordnet sind, und die Genauigkeit der Dehnungserkennung kann beibehalten werden.
• Es sei bemerkt, dass auch in Ausführungsform 5 verschiedene Abwandlungn zur Verfügung stehen. Zum Beispiel kann je nach Verwendungszweck o. ä. die Anzahl der Armabschnitte mehr als vier betragen. Darüber hinaus können Armabschnitte in Umfangsrichtung ungleichmäßig voneinander beabstandet sein, anstatt gleich weit voneinander entfernt zu sein. Darüber hinaus kann die Form des Umrisses des Dehnungselements ein Polygon sein, beispielsweise ein Viereck anstelle eines Kreises. Es sei bemerkt, dass auch in Ausführungsform 5 die zuvor in Ausführungsform 1 beschriebenen Abwandlungen verwendet werden können.
• [Ausführungsform 6]
• (a) bis (c) von 30 veranschaulichen ein Dehnungselement 80 gemäß Ausführungsform 6 der vorliegenden Erfindung, das zur Anwendung auf eine Kraftzelle als Sensor zum Messen physikalischer Größen bestimmt ist. Das Dehnungselement 80 gemäß Ausführungsform 6 besteht aus einem Rahmenteil 81, das von vorne gesehen einen kreisförmigen (ringförmigen) Umriss aufweist. Das Dehnungselement 80 ist so angeordnet, dass einander gegenüberliegende Enden 81c und 81d einer äußeren Umfangsfläche 81b, die die Mittellinie X10 (horizontale Linie H10 in der Seitenansicht) parallel zur Richtung der X-Achse (horizontale Richtung) schneiden (solche Enden werden im Folgenden als außenumfangsseitige horizontale Enden 81c und 81d bezeichnet), und einander gegenüberliegende Enden 81e und 81f einer inneren Umfangsfläche 81a, die die Mittellinie X10 schneiden (solche Enden werden im Folgenden als innenumfangsseitige horizontale Enden 81e und 81f bezeichnet), d. h. insgesamt vier Flächen, sind Flächen für die Anbringung von Dehnungsmessstreifen (Flächen 81g, 81h, 81i und 81j). Die Bereiche 81g, 81h, 81i und 81j für die Anordnung der Dehnungsmessstreifen sind die in (a) bis (c) von 30 schraffierten Regionen. Es sei bemerkt, dass auch in Ausführungsform 6 das Hauptmaterial für das Dehnungselement 80, die Spezifikationen von Dehnungsmessstreifen und dergleichen die gleichen sind wie in Ausführungsform 1. Die Art und Weise, wie die Dehnungsmessstreifen angeordnet sind, ist die gleiche wie die in Ausführungsform 1 beschriebenen (einschließlich Abwandlungen). Die Dehnungsmessstreifen können so angeordnet werden, dass ihre Erkennungsrichtungen jeweils parallel zur Richtung der Y-Achse verlaufen.
• (a) bis (c) von 31 veranschaulichen das Dehnungselement 80 gemäß Ausführungsform 6, das maskiert wurde. Auch bei der Herstellung des Dehnungselementes 80 gemäß Ausführungsform 6 wird durch Zerspanung (einschließlich Eckenentlastung) ein Material in das Dehnungselement 80 mit der in 31 unter (a) bis (c) dargestellten Form eingebracht. Im Hinblick auf das Dehnungselement 80 sind die in 31 in (a) bis (c) schraffierten Regionen maskiert. Diese Regionen sind andere Abschnitte als die viereckigen außenumfangsseitigen Dehnungsabschnitte 81r und 81s und die innenumfangsseitigen Dehnungsabschnitte 81t und 81u, einschließlich der jeweiligen Bereiche 81g, 81h, 81i und 81j zur Anordnung von Dehnungsmessstreifen an den außenumfangsseitigen horizontalen Enden 81c und 81d, die die Mittellinie X10 schneiden, und den innenumfangsseitigen horizontalen Enden 81e und 81f, die die Mittellinie X10 schneiden.
• Die außenumfangsseitigen Dehnungsabschnitte 81r und 81s und die innenumfangsseitigen Dehnungsabschnitte 81t und 81u (entsprechend den Dehnungsabschnitten, die den dehnungsbelasteten Regionen entsprechen), die nicht maskiert bleiben, sind Regionen, die durch gleichmäßige, etwa 1,5- bis 4-fache Vergrößerung der Bereiche 81g, 81h, 81i und 81j für die Anordnung von Dehnungsmessstreifen erhalten werden. In diesem Beispiel handelt es sich bei den nicht maskierten Dehnungsabschnitten um etwa 2-fach vergrößerte Regionen. Es sei bemerkt, dass es sich bei den maskierten Bereichen des Dehnungselements 80 um alle Flächen des Rahmenabschnitts 81 mit Ausnahme der vorstehenden außenumfangsseitigen Dehnungsabschnitte 81r und 81s und der innenumfangsseitigen Dehnungsabschnitte 81t und 81u handelt.
• In Bezug auf das maskierte Dehnungselement 80 wird Kugelstrahlen oder Laserstrahlen durchgeführt. Durch ein solches Strahlen wird eine Eigenspannungsschicht mit negativer Eigenspannung in den außenumfangsseitigen Dehnungsabschnitten 81r und 81s und den innenumfangsseitigen Dehnungsabschnitten 81t und 81u einschließlich der Bereiche 81g, 81h, 81i und 81j zur Anordnung von Dehnungsmessstreifen gebildet. Damit sind selbst dann, wenn sich die außenumfangsseitigen Dehnungsabschnitte 81r und 81s und die innenumfangsseitigen Dehnungsabschnitte 81t und 81u des Rahmenabschnitts 81 als Reaktion auf eine äußere Kraft (Last) elastisch verformen, die Dehnungsabschnitte gegen Ermüdungsversagen infolge von Metallermüdung beständig.
• Darüber hinaus erhalten in einem Fall, in dem das Kugelstrahlen, bei dem ein Schussmaterial geworfen wird, als Strahlen durchgeführt wird, die außenumfangsseitigen Dehnungsabschnitte 81r und 81s und die innenumfangsseitigen Dehnungsabschnitte 81t und 81u des Rahmenabschnitts 81 eine rauere Oberflächenrauheit als die anderen Abschnitte. Daher passen sich die Dehnungsmessstreifen selbst in einem Fall, in dem die Dehnungsmessstreifen durch Kleben angebracht werden, besser an die elastische Verformung der außenumfangsseitigen Dehnungsabschnitte 81r und 81s und der innenumfangsseitigen Dehnungsabschnitte 81t und 81u des Rahmenabschnitts 81 an, und die Genauigkeit der Dehnungserkennung kann beibehalten werden. Es sei bemerkt, dass auch in Ausführungsform 6 die zuvor in Ausführungsform 1 beschriebenen Abwandlungen verwendet werden können.
• [Ausführungsform 7]
• (a) bis (c) von 32 veranschaulichen ein Dehnungselement 90 gemäß Ausführungsform 7 der vorliegenden Erfindung, das zur Anwendung auf eine Kraftzelle als Sensor zum Messen physikalischer Größen bestimmt ist. Im Dehnungselement 90 gemäß Ausführungsform 7 wird ein zylinderförmig vorstehender Abschnitt 92 im Zentrum einer oberen Endfläche 94 eines kurzen zylindrischen Basisabschnitts 91 bereitgestellt. Außerdem weist das Dehnungselement 90 einen Hohlraum 93 in der unteren Fläche gegenüber der Endfläche 94 auf. Das Dehnungselement 90 ist so eingerichtet, dass vier Bereiche auf einer Innenfläche 95, die die Decke des Hohlraums 93 bildet und der Endfläche 94 gegenüberliegt, als Bereiche 96 bis 99 für die Anordnung von Dehnungsmessstreifen verwendet werden. Die vier Bereiche sind entlang der Mittellinie X20 (in Richtung der X-Achse) und der Mittellinie Y20 (in Richtung der Y-Achse) angeordnet, die jeweils durch ein Zentrum 95a der Innenfläche 95 verlaufen und jeweils vom Zentrum 95a entfernt sind. Die Bereiche 96 bis 99 für die Anordnung der Dehnungsmessstreifen sind die in (a) bis (c) von 32 schraffierten Regionen. Es ist auch zu beachten, dass in Ausführungsform 7 das Hauptmaterial für das Dehnungselement 90, die Spezifikationen der Dehnungsmessstreifen, die Art und Weise, in der die Dehnungsmessstreifen angeordnet sind, und dergleichen die gleichen sind wie in Ausführungsform 1.
• (a) bis (c) von 33 veranschaulichen das Dehnungselement 90 gemäß Ausführungsform 7, das maskiert wurde. Auch bei der Herstellung des Dehnungselementes 90 gemäß Ausführungsform 7 wird durch Zerspanung (einschließlich Eckenentlastung) ein Material in das Dehnungselement 90 mit der in 33 unter (a) bis (c) dargestellten Form eingebracht. Dieses Dehnungselement ist maskiert, mit Ausnahme der viereckigen Abschnitte 90a bis 90d, die die entsprechenden Bereiche 96 bis 99 für die Anordnung der Dehnungsmessstreifen enthalten (maskierte Bereiche sind die in (a) und (b) von 33 schraffierten Regionen).
• Die Dehnungsabschnitte 90a bis 90d (entsprechend den Dehnungsabschnitten nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung), die unmaskiert bleiben, sind Regionen, die durch gleichmäßige Vergrößerung (etwa 1,5- bis 4-fach) der Flächen 96 bis 99 für die Anordnung von Dehnungsmessstreifen erhalten werden. In diesem Beispiel handelt es sich bei den nicht maskierten Dehnungsabschnitten um etwa 2-fach vergrößerte Regionen. Es sei bemerkt, dass die maskierten Bereiche des Dehnungselements 90 alle Flächen des Basisabschnitts 91 und des hervorstehenden Abschnitts 92 mit Ausnahme der vorgenannten viereckigen Dehnungsabschnitte 90a bis 90d sind.
• In Bezug auf das maskierte Dehnungselement 90 wird Kugelstrahlen oder Laserstrahlen durchgeführt. Durch solches Strahlen wird eine Eigenspannungsschicht mit negativer Eigenspannung in den viereckigen Dehnungsabschnitten 90a bis 90d einschließlich der entsprechenden Bereiche 96 bis 99 zur Anordnung von Dehnungsmessstreifen gebildet. Damit sind die Flächen, selbst wenn sich die Endfläche 94 und die Innenfläche 95 des Basisabschnitts 91 als Reaktion auf eine äußere Kraft (Last) elastisch verformen, gegen Ermüdungsversagen infolge von Metallermüdung beständig.
• Darüber hinaus erhalten die viereckigen Dehnungsabschnitte 90a bis 90d in einem Fall, in dem das Kugelstrahlen mit dem Strahlen eines Schussmaterials als Strahlen durchgeführt wird, eine Oberflächenrauheit, die rauer ist als die der anderen Abschnitte. Daher passen sich die Dehnungsmessstreifen selbst in einem Fall, in dem die Dehnungsmessstreifen durch Kleben angebracht werden, besser an die elastische Verformung der Endfläche 94 und der Innenfläche 95 des Basisabschnitts 91 an, und die Genauigkeit der Dehnungserkennung kann beibehalten werden. Es sei bemerkt, dass auch in Ausführungsform 7 die zuvor in Ausführungsform 1 beschriebenen Abwandlungen verwendet werden können.
• Aspekte der vorliegenden Erfindung können auch wie folgt ausgedrückt werden.
• Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf ein Dehnungselement gerichtet, das als Reaktion auf eine Last elastisch verformt werden kann und das so eingerichtet ist, dass darauf ein Dehnungsmessstreifen angeordnet ist, wobei der Dehnungsmessstreifen so eingerichtet ist, dass er die mit der Verformung verbundene Dehnung erkennt, wobei das Dehnungselement einen Dehnungsabschnitt aufweist, der einer Region entspricht, die einer Dehnung ausgesetzt ist, und der einen Bereich zur Anordnung des Dehnungsmessstreifens enthält, wobei der Dehnungsabschnitt mit einer Eigenspannungsschicht mit negativer Eigenspannung versehen ist.
• Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Eigenspannungsschicht mit negativer Eigenspannung (Druckeigenspannung) in einem Dehnungsabschnitt gebildet worden, der sich in einer Region befindet, in der sich das Dehnungselement elastisch verformt, und der einen Bereich zur Anordnung des Dehnungsmessstreifens enthält. Daher erhöht sich der Widerstand gegen Ermüdungsversagen in dem Abschnitt, der sich elastisch verformt und in dem der Dehnungsmessstreifen die Erkennung vornimmt. Da der Widerstand gegen Ermüdungsversagen auf diese Art und Weise zunimmt, kann ein Sensor zum Messen physikalischer Größen, der das Dehnungselement enthält, über einen langen Zeitraum stabil verwendet werden. Es sei bemerkt, dass die Eigenspannungsschicht zum Beispiel dadurch gebildet werden kann, dass ein Schussmaterial mit der Oberfläche des Dehnungsabschnitts kollidiert oder die Oberfläche des Dehnungsabschnitts mit einem Laser bestrahlt wird.
• Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist so angeordnet, dass der Dehnungsabschnitt eine rauere Oberflächenrauheit als ein anderer Abschnitt als der Dehnungsabschnitt aufweist.
• Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Dehnungsabschnitt, der den Bereich für die Anordnung des Dehnungsmessstreifens enthält, eine größere Oberflächenrauheit auf als ein anderer Abschnitt als der Dehnungsabschnitt. Daher vergrößert sich der Oberflächenbereich des Dehnungsabschnitts, in dem ein Klebstoff mit dem Dehnungsabschnitt in Kontakt kommt, und in einem Fall, in dem der Dehnungsmessstreifen mit einem Klebstoff oder dergleichen an das Dehnungselement geklebt wird, nimmt die Haftfähigkeit an der Oberfläche des Dehnungselements (Oberfläche des Dehnungsabschnitts) zu, und der Dehnungsmessstreifen wird fest verklebt. Dadurch passt sich das mit dem Klebstoff fest an die Oberfläche des Dehnungselements geklebte Dehnungsmessstreifen selbst bei elastischer Verformung des Dehnungselements besser an die Verformung an, und die Genauigkeit der Dehnungserkennung kann im Vergleich zu herkömmlichen Techniken erhöht werden.
• Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung schließt Folgendes ein: einen Rahmenabschnitt; einen zentralen Abschnitt, der sich in einem durch den Rahmenabschnitt definierten Raum befindet, so dass er von dem Rahmenabschnitt beabstandet ist; und einen Armabschnitt, der den Rahmenabschnitt mit dem zentralen Abschnitt verbindet und der dem Dehnungsabschnitt entspricht und so angeordnet ist, dass der Rahmenabschnitt eine erste Durchgangsbohrung in einer Verbindungsstellen aufweist, wo der Rahmenabschnitt mit dem Armabschnitt verbunden ist, wobei der Armabschnitt auf einer seiner Seiten vier der Dehnungsmessstreifen aufweist, die aus einem ersten Dehnungsmessstreifen bestehen, ein zweiter Dehnungsmessstreifen, ein dritter Dehnungsmessstreifen und ein vierter Dehnungsmessstreifen, wobei der erste Dehnungsmessstreifen und der zweite Dehnungsmessstreifen in einem Bereich nahe dem zentralen Abschnitt so angeordnet sind, dass (i) der erste Dehnungsmessstreifen und der zweite Dehnungsmessstreifen in Bezug auf eine Mittellinie der einen Fläche symmetrisch zueinander sind, wobei sich die Mittellinie in einer Ausdehnungsrichtung des Armabschnitts erstreckt und (ii) die Erkennungsrichtungen des ersten Dehnungsmessstreifens und des zweiten Dehnungsmessstreifens parallel zur Mittellinie verlaufen und der dritte Dehnungsmessstreifen und der vierte Dehnungsmessstreifen in einem Bereich nahe dem Rahmenabschnitt so angeordnet sind, dass (i) der dritte Dehnungsmessstreifen und der vierte Dehnungsmessstreifen in Bezug auf die Mittellinie symmetrisch zueinander sind und (ii) die Erkennungsrichtungen des dritten Dehnungsmessstreifens und des vierten Dehnungsmessstreifens unter einem Winkel zur Mittellinie verlaufen, so dass sie mit abnehmendem Abstand zum zentralen Abschnitt voneinander weg divergieren.
• Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Dehnungselement so angeordnet, dass der Rahmenabschnitt und der zentrale Abschnitt durch den Armabschnitt verbunden sind; der Rahmenabschnitt die erste Durchgangsbohrung aufweist, die dem Armabschnitt zugewandt ist; der Armabschnitt auf einer seiner Flächen die vier Dehnungsmessstreifen aufweist, die aus einem ersten Dehnungsmessstreifen, einem zweiten Dehnungsmessstreifen, einem dritten Dehnungsmessstreifen und einem vierten Dehnungsmessstreifen bestehen, wobei der dritte Dehnungsmessstreifen und der vierte Dehnungsmessstreifen in einem Bereich nahe dem Rahmenabschnitt so angeordnet sind, dass (i) der dritte Dehnungsmessstreifen und der vierte Dehnungsmessstreifen in Bezug auf die Mittellinie in Richtung der Ausdehnung des Armabschnitts symmetrisch zueinander sind und (ii) die Erkennungsrichtungen des dritten Dehnungsmessstreifens und des vierten Dehnungsmessstreifens unter einem Winkel zur Mittellinie verlaufen, so dass sie mit abnehmender Entfernung zum zentralen Abschnitt voneinander weg divergieren. Daher können in einem Fall, in dem eine externe Kraft ausgeübt wird, die ein Moment in der Dickenrichtung des Dehnungselements verursacht, der dritte Dehnungsmessstreifen und der vierte Dehnungsmessstreifen, die unter einem Winkel zur Mittellinie angeordnet sind, so dass sie mit abnehmendem Abstand zum zentralen Abschnitt voneinander weg divergieren, leicht die Dehnung erkennen, die mit einer Verformung verbunden ist, die auftritt, wenn eine externe Kraft auf den Armabschnitt in den vorgenannten spezifischen Richtungen (die vorgenannten Richtungen Mz, Fx und Fy) ausgeübt wird. Das bedeutet, dass die Richtungen unter einem Winkel zur Mittellinie, in denen der dritte Dehnungsmessstreifen und der vierte Dehnungsmessstreifen angeordnet sind, Richtungen sind, in denen die Dehnung im Zusammenhang mit der Verformung, die auftritt, wenn eine externe Kraft auf den Armabschnitt in den vorgenannten spezifischen Richtungen ausgeübt wird, gut erkannt wird. Dadurch ist es möglich, eine hochempfindliche Messung zu gewährleisten.
• Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung schließt Folgendes ein: einen Rahmenabschnitt; einen zentralen Abschnitt, der sich in einem durch den Rahmenabschnitt definierten Raum befindet, so dass er von dem Rahmenabschnitt beabstandet ist; und einen Armabschnitt, der den Rahmenabschnitt mit dem zentralen Abschnitt verbindet und der dem Dehnungsabschnitt entspricht und so angeordnet ist, dass der zentrale Abschnitt (i) eine Ortungsdurchgangsbohrung in einem Bereich aufweist, der einer Verlängerung des Armabschnitts entspricht, und (ii) eine zweite Durchgangsbohrung, die sich zwischen der Ortungsdurchgangsbohrung und einer Verbindungsstellen befindet, an der der zentrale Abschnitt mit dem Armabschnitt verbunden ist.
• Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Dehnungselement so angeordnet, dass: der Rahmenabschnitt und der zentrale Abschnitt durch den Armabschnitt verbunden sind; der zentrale Abschnitt die Ortungsdurchgangsbohrung aufweist; und es eine zweite Durchgangsbohrung zwischen der Ortungsdurchgangsbohrung und der Verbindungsstelle gibt, an der der zentrale Abschnitt mit dem Armabschnitt verbunden ist. Daher nimmt in der Region, die einem Bereich des zentralen Abschnitts entspricht, von dem aus sich der Armabschnitt erstreckt (in der Region, die der Verbindungsstelle entspricht, an der der zentrale Abschnitt mit dem Armabschnitt verbunden ist), die Steifigkeit in der Nähe der Ortungsdurchgangsbohrung zu, während die Umgebung der zweiten Durchgangsbohrung eine relativ geringe Steifigkeit aufweist und sich wahrscheinlich biegen wird. Aus diesem Grund wird sich der Abschnitt des Armabschnitts, in dem der Armabschnitt an den zentralen Abschnitt anschließt, wahrscheinlich elastisch verformen, und die Dehnung wird durch den Dehnungsmessstreifen leicht erkennbar. Dementsprechend verbessert sich die Messgenauigkeit der Werte physikalischer Größen bezüglich äußerer Kräfte und Momente.
• Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Dehnungselement bis auf den Dehnungsabschnitt maskiert, und dann wird das Schussmaterial gestrahlt. Somit kollidiert das Schussmaterial direkt mit dem Dehnungsabschnitt. Aufgrund einer solchen direkten Kollision bildet sich im Dehnungsabschnitt eine Eigenspannungsschicht mit negativer Eigenspannung, und der Dehnungsabschnitt weist eine rauere Oberflächenrauheit als ein anderer Abschnitt als der Dehnungsabschnitt auf. Die Eigenspannungsschicht führt zu einer Erhöhung des Widerstandes gegen Ermüdungsversagen, und ein Sensor zum Messen physikalischer Grö-ßen, der ein solches Dehnungselement enthält, kann über einen langen Zeitraum stabil verwendet werden. Darüber hinaus, da das Schussmaterial direkt mit dem Dehnungsabschnitt kollidiert und dadurch dem Dehnungsabschnitt eine rauere Oberflächenrauheit verliehen wird als einem anderen Abschnitt, wird der auf dem Dehnungsabschnitt angeordnete Dehnungsmessstreifen aufgrund der durch den Klebstoff bereitgestellten Wirkung des Ankers besser in der Lage sein, sich der Verformung anzupassen, und die Genauigkeit der Dehnungserkennung verbessert sich.
• Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist so angeordnet, dass das Dehnungselement (i) einen Rahmenabschnitt, (ii) einen zentralen Abschnitt, der sich in einem durch den Rahmenabschnitt definierten Raum befindet, so dass er von dem Rahmenabschnitt beabstandet ist, und (iii) einen Armabschnitt, der den Rahmenabschnitt mit dem zentralen Abschnitt verbindet und der dem Dehnungsabschnitt entspricht, enthält, und den Schritt der Eckenentlastung enthält, der die Entlastung (i) einer Ecke einer Kante einer Verbindungsstelle, an der der Rahmenabschnitt und der Armabschnitt miteinander verbunden sind, oder (ii) einer Ecke einer Kante einer Verbindungsstelle, an der der zentrale Abschnitt und der Armabschnitt miteinander verbunden sind, umfasst.
• Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bei dem Dehnungselement, das so eingerichtet ist, dass der Rahmenabschnitt und der zentrale Abschnitt durch den Armabschnitt verbunden sind, die Ecke, an der der Rahmenabschnitt und der Armabschnitt miteinander verbunden sind, oder die Ecke, an der der zentrale Abschnitt und der Armabschnitt miteinander verbunden sind, gelockert. Dadurch wird die Stresskonzentration, die in solchen Ecken wahrscheinlich auftritt, verringert und dadurch die Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdungsversagen weiter erhöht.
• Ein Sensor zum Messen einer physikalischen Größe gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung schließt das vorstehend beschriebene Dehnungselement ein und misst eine physikalische Größe, die der Verformung des Dehnungselements als Reaktion auf eine Last entspricht.
• Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung misst ein Sensor zum Messen einer physikalischen Größe, der das vorstehende Dehnungselement enthält, eine physikalische Größe, die der Verformung des Dehnungselements als Reaktion auf eine Last entspricht. Damit ist es möglich, einen Sensor zum Messen physikalischer Größen bereitzustellen, der über einen langen Zeitraum stabile, hochgenaue Messungen ermöglicht.
• Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in einem Dehnungsabschnitt eine Eigenspannungsschicht, die eine Druckeigenspannung aufweist, gebildet worden. Daher kann der Widerstand gegen Ermüdungsversagen in dem Abschnitt, der sich elastisch verformt und in dem der Dehnungsmessstreifen die Erkennung durchführt, verbessert werden. Dies ermöglicht eine langzeitstabile Verwendung eines Sensors zum Messen physikalischer Größen, in dem der Dehnungsmessstreifen entsprechend einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
• Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Bereich für die Befestigung des Dehnungsmessstreifens eine große Oberflächenrauheit auf. Der Dehnungsmessstreifen passt sich daher besser an die elastische Verformung des Dehnungselements an, da der Klebstoff eine Wirkung als Anker bereitstellt. Damit ist es möglich, eine stabile Messgenauigkeit eines Sensors zum Messen physikalischer Größen zu erreichen, in dem das Dehnungselement gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
• Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind in dem Dehnungselement, das so angeordnet ist, dass der Rahmenabschnitt und der zentrale Abschnitt durch den Armabschnitt verbunden sind und dass der Rahmenabschnitt die erste Durchgangsbohrung aufweist, die dem Armabschnitt zugewandt ist, der dritte Dehnungsmessstreifen und der vierte Dehnungsmessstreifen, die auf dem Armabschnitt angeordnet sind, so angeordnet, dass sie unter einem Winkel zur Mittellinie angeordnet sind, so dass sie mit abnehmendem Abstand zum zentralen Abschnitt voneinander weg divergieren. Dies ermöglicht es, die Genauigkeit der Erkennung von Dehnungen im Zusammenhang mit elastischen Verformungen zu verbessern, die auftreten, wenn eine externe Kraft auf den Armabschnitt in den vorstehend genannten spezifischen Richtungen (die vorstehend genannten Richtungen Mz, Fx und Fy) ausgeübt wird.
• Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind in dem Dehnungselement, das so angeordnet ist, dass der Rahmenabschnitt und der zentrale Abschnitt durch den Armabschnitt verbunden sind, die Ortungsdurchgangsbohrung und die zweite Durchgangsbohrung entsprechend dem Bereich des zentralen Abschnitts gebildet worden, in dem der zentrale Abschnitt mit dem Armabschnitt verbunden ist. Dadurch wird eine Struktur erreicht, bei der sich der Abschnitt des Armabschnitts, in dem der Armabschnitt mit dem zentralen Abschnitt verbunden ist, als Reaktion auf eine Last elastisch verformen kann. Damit ist es möglich, die Messgenauigkeit eines Sensors zum Messen physikalischer Größen zu erhöhen, in dem das Dehnungselement gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
• Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Schussmaterial unter dem Zustand gestrahlt, in dem das Dehnungselement bis auf den Dehnungsabschnitt maskiert ist. Daher kann sich im Dehnungsabschnitt, der nicht maskiert wird, eine Eigenspannungsschicht bilden. Darüber hinaus ist es auch möglich, die Oberflächenrauheit des Dehnungsabschnitts zu erhöhen. Dies ermöglicht die effiziente Herstellung eines Dehnungselementes, das sehr wirksam gegen Ermüdungsversagen ist und bei dem ein geklebter Dehnungsmessstreifen aufgrund der durch den Klebstoff bereitgestellten Wirkung besser in der Lage ist, sich der Verformung anzupassen.
• Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist bei dem Dehnungselement, das so eingerichtet ist, dass der Rahmenabschnitt und der zentrale Abschnitt durch den Armabschnitt verbunden sind, eine Ecke, an der der Rahmenabschnitt und der Armabschnitt miteinander verbunden sind, oder eine Ecke, an der der zentrale Abschnitt und der Armabschnitt miteinander verbunden sind, gelockert worden. Dadurch wird die Stresskonzentration, die in solchen Ecken wahrscheinlich auftritt, verringert und dadurch die Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdungsversagen weiter erhöht.
• Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung misst ein Sensor zum Messen einer physikalischen Größe, der das vorstehende Dehnungselement enthält, eine physikalische Größe, die der Verformung des Dehnungselements als Reaktion auf eine Last entspricht. Damit kann der Zustand sichergestellt werden, in dem stabile, hochgenaue Messungen über einen langen Zeitraum verfügbar sind.
• Industrielle Anwendbarkeit
• Die vorliegende Erfindung eignet sich zur Verwendung in Anwendungen, in denen ein Sensor zum Messen physikalischer Größen, der ein elastisch verformbares Dehnungselement enthält, den Widerstand gegen Ermüdungsversagen erhöht und eine langzeitstabile Verwendung gewährleistet.
• Bezugszeichenliste

1, 101

Kraftsensor

2, 102

Tischblock

6

Basisblock

10, 10', 10", 55, 60, 70, 80, 90, 110

Dehnungselement

11, 11', 11", 71, 111

Rahmenabschnitt

12, 12', 12", 72, 112

zentraler Abschnitt

14a bis 14c, 114a, 114b

Ortungsdurchgangsbohrung

20 bis 22, 20' bis 22', 20" bis 22", 73 bis 76, 120 bis 122

Armabschnitt

25 bis 27, 25" bis 27", 125 bis 127

Durchgangsbohrung

29

Schaltkreis für Dehnungsmessstreifen

30

Signalverarbeitungsmodul

31

Verstärker

32

A-D-Wandler

33

Prozessor

34

Speicher

35

D-A-Wandler

50' bis 52', 50" bis 52"

zentrumsnahe Durchgangsbohrung

A1 bis C4', A11 bis C14'

Dehnungsmessstreifen

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• JP 201670673 [0002]
• JP 2011209178 [0002]
• JP 1262430 [0002]
• JP 200445044 [0002]
• JP 7128167 [0002]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• H. Iwasaki, M. Tsumura, „The principle and application of six-axis Force/Torque sensor (Das Prinzip und die Anwendung des sechsachsigen Kraft-/Drehmomentsensors)“, Gemeinsame Vorlesungstagung über automatische Steuerung, 49., abgehalten unter der Patenschaft von The Institute of Systems, Control and Information Engineers und anderen, 25. und 26. November 2006 [0002]

Claims (8)

1. Dehnungselement, das als Reaktion auf eine Last elastisch verformbar ist und das so eingerichtet ist, dass es einen darauf angeordneten Dehnungsmessstreifen aufweist, wobei der Dehnungsmessstreifen so eingerichtet ist, dass er eine Erkennung einer mit einer Verformung verbundenen Dehnung durchführt, - wobei das Dehnungselement einen Dehnungsabschnitt umfasst, der einem einer Dehnung ausgesetzten Bereich entspricht und der einen Bereich zum Anordnen des Dehnungsmessstreifens enthält, wobei der Dehnungsabschnitt mit einer Eigenspannungsschicht mit negativer Eigenspannung versehen ist.
2. Dehnungselement nach Anspruch 1, wobei der Dehnungsabschnitt eine Oberflächenrauheit aufweist, die rauer als ein anderer Abschnitt als der Dehnungsabschnitt ist.
3. Dehnungselement nach Anspruch 1 oder 2, das Folgendes umfasst: - einen Rahmenabschnitt; - einen zentralen Abschnitt, der sich in einem durch den Rahmenabschnitt definierten Raum befindet, so dass er vom Rahmenabschnitt beabstandet ist; und - einen Armabschnitt, der den Rahmenabschnitt mit dem zentralen Abschnitt verbindet und der in dem Dehnungsabschnitt enthalten ist, wobei - der Rahmenabschnitt eine erste Durchgangsbohrung an einer Verbindungsstelle aufweist, an der der Rahmenabschnitt mit dem Armabschnitt verbunden ist, - der Armabschnitt auf einer seiner Flächen vier der Dehnungsmessstreifen aufweist, die aus einem ersten Dehnungsmessstreifen, einem zweiten Dehnungsmessstreifen, einem dritten Dehnungsmessstreifen und einem vierten Dehnungsmessstreifen bestehen, - der erste Dehnungsmessstreifen und der zweite Dehnungsmessstreifen in einem Bereich nahe dem zentralen Abschnitt so angeordnet sind, dass (i) der erste Dehnungsmessstreifen und der zweite Dehnungsmessstreifen in Bezug auf eine zentrale Linie der einen Fläche symmetrisch zueinander sind, wobei sich die zentrale Linie in einer Richtung der Ausdehnung des Armabschnitts erstreckt, und (ii) Erkennungsrichtungen des ersten Dehnungsmessstreifens und des zweiten Dehnungsmessstreifens parallel zu der zentralen Linie sind, und - der dritte Dehnungsmessstreifen und der vierte Dehnungsmessstreifen in einem Bereich nahe dem Rahmenabschnitt so angeordnet sind, dass (i) der dritte Dehnungsmessstreifen und der vierte Dehnungsmessstreifen in Bezug auf die zentrale Linie symmetrisch zueinander sind und (ii) die Erkennungsrichtungen des dritten Dehnungsmessstreifens und des vierten Dehnungsmessstreifens in einem Winkel zur zentralen Linie liegen, so dass sie mit abnehmender Entfernung zum zentralen Abschnitt voneinander weg divergieren.
4. Dehnungselement nach Anspruch 1 oder 2, das Folgendes umfasst: - einen Rahmenabschnitt; - einen zentralen Abschnitt, der sich in einem durch den Rahmenabschnitt definierten Raum befindet, so dass er vom Rahmenabschnitt beabstandet ist; und - einen Armabschnitt, der den Rahmenabschnitt mit dem zentralen Abschnitt verbindet und der in dem Dehnungsabschnitt enthalten ist, wobei - der zentrale Abschnitt (i) eine Ortungsdurchgangsbohrung in einem Bereich aufweist, der einer Verlängerung des Armabschnitts entspricht, und (ii) eine zweite Durchgangsbohrung aufweist, die sich zwischen der Ortungsdurchgangsbohrung und einer Verbindungsstelle befindet, an der der zentrale Abschnitt mit dem Armabschnitt verbunden ist.
5. Verfahren zum Herstellen eines Dehnungselements, das als Reaktion auf eine Last elastisch verformbar ist und das so eingerichtet ist, dass es einen darauf angeordneten Dehnungsmessstreifen aufweist, wobei der Dehnungsmessstreifen so eingerichtet ist, dass er eine Erkennung einer mit einer Verformung verbundenen Dehnung ausführt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - a) Maskieren des Dehnungselements mit Ausnahme eines Dehnungsabschnitts, der einer Region entspricht, die einer Dehnung ausgesetzt ist, und der einen Bereich zum Anordnen des Dehnungsmessstreifens einschließt; und - b) Strahlen eines Schussmaterials auf das maskierte Dehnungselement, - wobei der Schritt b) das Veranlassen des Schussmaterials enthält, mit dem Dehnungsabschnitt zu kollidieren und dadurch das Dehnungselement zu erzeugen, wobei der Dehnungsabschnitt mit einer Eigenspannungsschicht mit negativer Eigenspannung bereitgestellt wird und wobei der Dehnungsabschnitt eine Oberflächenrauheit aufweist, die rauer als ein anderer Abschnitt als der Dehnungsabschnitt ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei - das Dehnungselement (i) einen Rahmenabschnitt, (ii) einen zentralen Abschnitt, der sich in einem durch den Rahmenabschnitt definierten Raum befindet, so dass er von dem Rahmenabschnitt beabstandet ist, und (iii) einen Armabschnitt, der den Rahmenabschnitt mit dem zentralen Abschnitt verbindet und der in dem Dehnungsabschnitt enthalten ist, einschließt, - wobei das Verfahren den Schritt der Eckenentlastung umfasst, der das Entlasten (i) einer Ecke einer Kante einer Verbindungsstelle, an der der Rahmenabschnitt und der Armabschnitt miteinander verbunden sind, oder (ii) einer Ecke einer Kante einer Verbindungsstelle, an der der zentrale Abschnitt und der Armabschnitt miteinander verbunden sind, umfasst.
7. Sensor zum Messen physikalischer Größen, der ein Dehnungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4 umfasst, wobei der Sensor zum Messen physikalischer Größen so eingerichtet ist, dass er eine physikalische Größe misst, die einer Verformung des Dehnungselements als Reaktion auf eine Last entspricht.
8. Sensor zum Messen einer physikalischen Größe, der ein durch ein Verfahren nach Anspruch 5 oder 6 hergestelltes Dehnungselement umfasst, wobei der Sensor zum Messen einer physikalischen Größe so eingerichtet ist, dass er eine physikalische Größe misst, die einer Verformung des Dehnungselements als Reaktion auf eine Last entspricht.

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