JP2006071507A - 力学量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】構造が簡単で、高い信頼性が得られ、かつ、予荷重の調整が容易な力学量センサを提供すること。
【解決手段】外輪部２と、内輪部３と、外輪部２と内輪部３との間に挟持される荷重センサ素子４とを有する。外輪部２の内周面は角度α（α＜１８０°）をなす第１面２１と第２面２２とを有する山形面２０よりなり、内輪部３の外周面は角度β（β＝３６０°−α）をなす第３面３１と第４面３２とを有する谷形面３０よりなる。第１面２１と第３面３１との間および第２面２２と第４面３２との間にそれぞれ荷重センサ素子４を挟持している。内輪部３は、第３面３１と第４面３２とを分離する２つの分割部品３０１、３０２を有しており、これらの間には両者の間隔を調整するシム６５が介設されており、シム６５の厚みを変更することにより荷重センサ素子４への予荷重を調整可能に構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、１軸又は多軸方向の力成分を検出可能な力学量センサに関する。

自動車、産業用ロボット、その他の機械装置は、より多機能なものへと日々進歩を続けているが、その構成部品として高精度の力学量センサ類が必要不可欠になっている。
また、１つのセンサによって力の大きさと方向を正確に検出することができれば、非常に精密な制御を実現することができるようになる。そのため、これまでも、例えば特許文献１にあるような、多軸力センサの開発がなされてきた。

しかしながら、上記多軸力センサ及び１軸のセンサを含む従来の力学量センサにおいては、実際に荷重等を受ける起歪体と、これに付与された剪断力等を検出する歪みゲージなどを組み合わせた構造よりなるものが主流であって、構造が複雑で、製造コストが高く、測定精度についても十分とはいえず、さらなる向上が望まれていた。また、検知状態の調整、例えば予荷重の調整なども容易ではなかった。

特開２００１−２６４１９８号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、構造が簡単で、高い信頼性が得られ、かつ、予荷重の調整が容易な力学量センサを提供しようとするものである。

本発明は、環状の外輪部と、該外輪部の内部に間隙を設けて配置される内輪部と、
上記外輪部の内周面と上記内輪部の外周面との間に挟持される複数の荷重センサ素子とを有し、
上記外輪部および上記内輪部の軸方向に沿った縦断面において、上記外輪部の内周面と上記内輪部の外周面のうち、一方は角度α（α＜１８０°）をなす第１面と第２面とを有する山形面よりなり、他方は角度β（β＝３６０°−α）をなす第３面と第４面とを有する谷形面よりなり、
上記第１面と上記第３面との間および上記第２面と上記第４面との間にそれぞれ上記荷重センサ素子を挟持しており、
かつ、上記谷形面を有する方の上記内輪部又は上記外輪部は、上記第３面と上記第４面とを分離するように分割された２つの分割部品を有しており、これらの間には両者の間隔を調整するシムが介設されており、該シムの厚みを変更することにより上記荷重センサ素子に付与される予荷重を調整可能に構成されていることを特徴とする力学量センサにある（請求項１）。

本発明の多軸力センサは、上記のごとく、外輪部、内輪部及びこれらの間に挟持された上記複数の荷重センサ素子により構成されており、構造が非常に簡単である。
また、外輪部と内輪部とは、いずれか一方に設けられた上記山形面を構成する第１面及び第２面と、他方に設けられた谷形面を構成する第３面及び第４面との間に、上記荷重センサ素子を挟持している。さらに、上記内輪部又は外輪部のうち、上記谷形面を有する部品は、上記分割部品を組み合わせて構成してある。

そのため、上記分割部品の間隔を縮めれば、上記谷形面が山形面に近づいて荷重センサ素子が圧縮され、一方、上記分割部品の間隔を拡げれば上記荷重センサ素子への圧縮力が解放される。そして、ここで注目すべき点は、上記分割部品の間に上記シムを介在させてあることである。この構造により、シムの厚みを変えて分割部品によってシムを挟持すれば、非常に簡単に分割部品の間隔を変更することができる。さらに、分割部品の間にシムを挟持させるので、その間隔を安定的に維持することができる。
このように、分割部品の間隔の変更によって、上記のごとく谷形面と山形面との間隔を容易かつ安定して調整することができるので、これにより、荷重センサ素子に予め付与する荷重、すなわち予荷重の値を容易に調整することができる。

また、この構造によれば、複数の荷重センサ素子を用いる場合に、上記シムの厚みの変更のみで一度にすべての荷重センサ素子に対する予荷重を変更することが可能となる。そのため、非常に実使用上の調整が簡単である。
また、上記のごとく部品点数も少ないので、故障も少なく、高い信頼性が得られる。

本発明の上記力学量センサは、上記外輪部の内周面が上記山形面よりなり、上記内輪部の外周面が上記谷形面よりなることが好ましい（請求項１）。この場合には、上記外輪部を分割する必要がないので、上記力学量センサの取付構造を比較的簡単にすることができる。

また、上記力学量センサは、少なくとも、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向に作用する座標軸方向の力３成分と、上記Ｘ軸及び上記Ｙ軸回りのモーメントを検出可能な多軸力センサであり、上記外輪部又は上記内輪部のいずれかが有する上記山形面及び上記谷形面は、上記Ｘ軸及び上記Ｙ軸を含む基準平面上に位置していることが好ましい（請求項２）。この場合には、１つの上記力学量センサにより、少なくとも上記軸方向の力３成分と、上記２つのモーメントを測定することができる。そのため、自動車、産業用ロボット、その他の機械装置に組み込むセンサとして非常に有効である。

また、上記荷重センサ素子は、平行な２つの外表面に受圧面を有すると共に、該受圧面から一軸荷重を受けた際に電気的特性を変化させる感圧体を有しており、一方の上記受圧面を上記第１面又は上記第３面に当接又は接合させ、他方の上記受圧面を上記第２面又は上記第４面に当接又は接合させていることが好ましい（請求項３）。このような一軸荷重を直接に受けて検出できる感圧体を有する荷重センサ素子を採用することにより、上記外輪部と内輪部との間に挟持する構造を容易に実現することができる。

上記感圧体としては、例えば、電気的絶縁性を有するセラミックスよりなる母材中に、圧力抵抗効果又は磁気抵抗効果を有する材料を電気的につながるように分散させた複合セラミックスを採用することが可能である。その他、受圧した応力に応じて電気的特性を変化しうる材料であれば、上記以外の構成の感圧体を採用することができることは言うまでもない。
また、感圧体の両面には、電気的絶縁性を有するセラミックス等よりなる絶縁部を設け、これを受圧面とすることが好ましい。これにより、外輪部および内輪部と荷重センサ素子との間の電気的絶縁性を容易に確保することができる。

また、上記荷重センサ素子は、圧縮応力のみを検知するよう構成されていることが好ましい。すなわち、圧縮応力のみを検知する荷重センサ素子を使用することにより、引張応力をも検知する場合と比べて感度を高めることができる。そして、本発明では、上記のごとく複数の荷重センサ素子を用いるので、これらの配置を工夫することにより、圧縮応力のみを検知する荷重センサ素子を用いても、上記の多軸力の測定を可能にすることができる。また、適度な予荷重を付与しておくことができるので、上記圧縮応力のみを検知する荷重センサ素子を用いても、引張の力成分を測定することも可能である。

また、上記複数の荷重センサ素子は、上記Ｘ軸に直交し上記座標原点を含む平面であるＸ面と、上記Ｙ軸に直交し上記座標原点を含む平面であるＹ面の両方に対して対称な位置に配置されていることが好ましい。この場合には、複数の荷重センサ素子からの出力を演算して軸方向の力及びモーメントを算出する際に、少なくともＸ軸方向及びＹ軸方向において構造的に対称であることを利用して演算時の補正処理を簡単にすることができる。さらに、構造的に安定しているので、多軸力センサ全体の安定性、信頼性をさらに高めることができる。

また、上記複数の荷重センサ素子は、上記Ｚ軸に直交し上記座標原点を含む平面であるＺ面に対しても対称な位置に配置されていることが好ましい。この場合には、Ｚ軸方向においても構造的に対称であるので、各荷重センサ素子からの出力の演算時の補正処理をさらに簡単にすることができると共に、さらに上記多軸力センサの構造的安定性、信頼性を高めることができる。

（実施例１）
本発明の実施例に係る力学量センサ１につき、図１〜図５を用いて説明する。
本例の力学量センサ１は、図１、図２に示すごとく、環状の外輪部２と、外輪部２の内部に間隙を設けて配置される内輪部３と、外輪部２の内周面（２１、２２）と内輪部３の外周面（３１、３２）との間に挟持される複数の荷重センサ素子４とを有している。

図２に示すごとく、外輪部２および内輪部３の軸方向に沿った縦断面において、外輪部２の内周面は、角度α（α＜１８０°）をなす第１面２１と第２面２２とを有する山形面２０よりなり、内輪部３の外周面は角度β（β＝３６０°−α）をなす第３面３１と第４面３２とを有する谷形面３０よりなる。

また、第１面２１と第３面３１との間、および第２面２２と第４面３２との間にそれぞれ荷重センサ素子４を挟持している。
また、谷形面３０を有する内輪部３は、第３面３１と第４面３２とを分離するように分割された２つの分割部品３０１、３０２を有しており、これらの間には両者の間隔を調整するシム６５が介設されている。そして、シム６５の厚みを変更することにより荷重センサ素子４に付与される予荷重を調整可能に構成されている。
以下、これを詳説する。

本例の力学量センサ１は、図１、図２に示すごとく、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向に作用する座標軸方向の力３成分と、Ｘ軸及びＹ軸回りのモーメントを検出可能な多軸力センサである。そして、上記外輪部２の山形面２０及び内輪部３の谷形面３０は、Ｘ軸及びＹ軸を含む基準平面上に位置している。

外輪部２の山形面２０は、Ｚ軸に対して傾斜した第１面２１及びこれと傾斜方向が逆の第２面２２を有し、内輪部３の谷形面３０は、第１面２１と第２面２２にそれぞれ対面するようＺ軸に対して傾斜した第３面３１と第４面３２を有している。
そして、上記外輪部２は、全体が円形リング状を呈しており、その厚み方向中央である上記山形面２０の頂点部分が上記基準平面上に位置するように構成されている。また、内輪部３は、全体が円盤状を呈しており、その厚み方向の中央である谷形面３０の底点部分が上記基準平面上に位置するように構成され、かつ、上述したように２つの分割部品３０１、３０２の間にリブ６５を介在させてある。

図３に示すごとく、リブ６５は、リング状を呈していると共に、複数の貫通穴６５０を有している。これらの貫通穴６５０は、内輪部３の一方の分割部品３０１に設けたボルト挿入用の貫通穴３９１および他方の分割部品３０２に設けたねじ穴３９２と同一軸線上に設けた。
また、本例のリブ６５としては、鉄鋼材質を用いて作製したものであって、その厚みを９００〜１０００μｍの範囲で１０μｍピッチで変更した複数のものから１枚又は複数枚を選んで適用することができる。
また、図２に示すごとく、内輪部３の２つの分割部品３０１、３０２は、ボルト６の締め付けにより一体化されるように構成されている。そして、上記のごとく、両者３０１、３０２の間には、締め力及び両者の間隔を調整するためのシム６５が配設されている。

また、図１、図２に示すごとく、荷重センサ素子４は、Ｘ軸に直交し座標原点Ｏを含む平面であるＸ面と、Ｙ軸に直交し座標原点Ｏを含む平面であるＹ面と、Ｚ軸に直交し座標原点Ｏを含む平面であるＺ面の全てに対して対称な位置に配置されている。より具体的には、図１に示すごとく、基準平面上においては、Ｘ軸上及びＹ軸上の４箇所に等間隔で荷重センサ素子４を配置してある。また、Ｚ軸方向に見れば、基準平面を挟んで対称に上下に分けて、つまり、第１面２１と第３面３１との間の第１の群と、第２面２２と第４面３２との間の第２の群とに分けて対称に配置してある。
また、本例では、第１面２１及び第３面３１のＺ軸に対する傾斜角度γ１と、第２面２２及び第４面３２のＺ軸に対する傾斜角度γ２とを同じ２２．５°に設定した。

また、本例の荷重センサ素子４は、図４に示すごとく、平行な２つの外表面に受圧面４１、４２を有し、受圧面４１、４２から一軸荷重を受けた際に電気的特性を変化させる感圧体４００を有している。そして、感圧体４００の両面には電気絶縁性を有するセラミックスよりなる絶縁部４０１、４０２を配置してあり、その表面がそれぞれ上記受圧面４１、４２となっている。また、絶縁部４０１、感圧体４００、及び絶縁部４０２の積層方向と直交する方向の両端面には、感圧体４００の電気抵抗の変化を取り出すための電極４５を設けてあり、図示しない出力線に接続してある。
そして、荷重センサ素子４は、図２に示すごとく、一方の受圧面４１を第１面２１又は第２面２２に当接又は接合させ、他方の上記受圧面４２を第３面３１又は第４面３２に当接又は接合させている。

また、上記荷重センサ素子４を構成する感圧体４００は、図５に示すごとく、電気絶縁性を有するセラミックスよりなる母材４０９中に圧力抵抗効果もしくは磁気抵抗効果を有するセンサ材料４０８が電気的につながるように分散してなる複合セラミックスよりなる。上記母材４０９となるセラミックスとしては様々な材料を使用することができるが、本例ではジルコニアを採用した。また、上記圧力抵抗効果あるいは磁気抵抗効果を有するセンサ材料４０８としても様々な材料を使用することができるが、本例では（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ₃を採用した。この感圧体４００を用いた荷重センサ素子４は、圧縮応力のみを検知するよう構成される。
なお、上記感圧体４００としては、受圧した圧力に応じて電気的特性を変化しうる材料であれば、上記以外の構成のものを採用可能であることは勿論である。

以上のように、本例の力学量センサ１は、外輪部２、内輪部３及びこれらの間に挟持された複数の荷重センサ素子４により構成されており、構造が非常に簡単である。
さらに、多重力センサ１は、荷重センサ素子４を上記のごとく配置し、これにより外輪部２と内輪部３とをつないでいる。このような構造をとり、外輪部２を固定し、内輪部３に測定しようとする力を入力させることにより、起歪体などの他部材を介さずに、荷重センサ素子４に直接的に上記力を伝達させることができる。そのため、入力された力をきわめて精度良く感知することができ、検出精度の向上を図ることができる。

また、本例の内輪部３は、上記のごとく、分割部品３０１、３０２を組み合わせて構成してある。そのため、分割部品３０１、３０２の間隔を縮めれば、谷形面３０が山形面２０に近づいて荷重センサ素子４が圧縮され、一方、分割部品３０１、３０２の間隔を拡げれば荷重センサ素子４への圧縮力が解放される。
ここで、本例では、分割部品３０１、３０２の間にシム６５を介在させてある。この構造により、シム６５の厚みを変えて分割部品３０１、３０２によってシム６５を挟持すれば、非常に簡単に分割部品３０１、３０２の間隔を変更することができる。さらに、分割部品３０１、３０２の間にシム６５を挟持させるので、その間隔を安定的に維持することができる。
このように、分割部品３０１、３０２の間隔の変更によって、上記のごとく谷形面３０と山形面２０との間隔を容易かつ安定して調整することができるので、これにより、荷重センサ素子４に予め付与する荷重、すなわち予荷重の値を容易に調整することができる。

また、本例では、上記のごとく、荷重センサ素子４の配置が、Ｘ面、Ｙ面及びＺ面に対して対称である。そのため、各荷重センサ素子４の出力値から各方向の軸荷重及びモーメントの検出のための演算等を簡素化することができる。

（実施例２）
本例の力学量センサ１０２は、図６、図７に示すごとく、実施例１における力学量センサ１と対比して基本的構造は同じであるが、外輪部２及び内輪部３の細かな形状を変更したものである。
本例の力学量センサ１０２が実施例１の場合と大きく異なる点は、図６、図７に示すごとく、第１面２１及び第３面３１のＺ軸に対する傾斜角度γ３と、第２面２２及び第４面３２のＺ軸に対する傾斜角度γ４とを同じ４５°に設定し、実施例１の場合よりも大きくした点である。このように傾斜角度γ３、γ４を大きくすることによって、Ｚ軸方向の力をより感度よく測定することが可能となる。
その他は、実施例１と同様の作用効果が得られる。

（実施例３）
本例は、図８に示すごとく、実施例２の構造を基本とし、荷重センサ素子４の基準平面上における配置を８箇所に変更した例である。
この場合には、荷重センサ素子４の増加によって、さらにきめ細かい精度の高い検出が可能となると共に、構造的にもより安定にすることができる。
その他は実施例１と同様の作用効果が得られる。

（実施例４）
本例の力学量センサ１０４は、図９〜図１１に示すごとく、外輪部５を２つの分割部品５０１、５０２により構成すると共に両者の間にシム６６を介在させ、一方、内輪部７は分割することなく一体構造の部品とした例である。
すなわち、図９、図１０に示すごとく、本例の力学量センサ１０４は、環状の外輪部５と、外輪部５の内部に間隙を設けて配置される内輪部７と、外輪部５の内周面５１、５２と内輪部７の外周面７１、７２との間に挟持される複数の荷重センサ素子４とを有している。

図１０に示すごとく、外輪部５および内輪部７の軸方向に沿った縦断面において、内輪部７の外周面は、角度α２（α２＜１８０°）をなす第１面７１と第２面７２とを有する山形面７０よりなり、外輪部５の内周面は角度β２（β２＝３６０°−α２）をなす第３面５１と第４面５２とを有する谷形面５０よりなる。
また、本例では、第１面７１及び第３面５１のＺ軸に対する傾斜角度γ５と、第２面７２及び第４面５２のＺ軸に対する傾斜角度γ６とを同じ２２．５°に設定した。

また、第１面７１と第３面５１との間、および第２面７２と第４面５２との間にそれぞれ荷重センサ素子４を挟持している。
また、谷形面５０を有する外輪部５は、第３面５１と第４面５２とを分離するように分割された２つの分割部品５０１、５０２を有しており、これらの間には両者の間隔を調整するシム６６が介設されている。

図１１に示すごとく、リブ６６は、リング状を呈していると共に、複数の貫通穴６６０を有している。これらの貫通穴６６０は、外輪部５の一方の分割部品５０１に設けたボルト挿入用の貫通穴５９１および他方の分割部品５０２に設けたねじ穴５９２と同一軸線上に設けた。
そして、シム６６の厚みを変更して、ボルトにより締め付けることにより、荷重センサ素子４に付与される予荷重を調整可能に構成されている。
その他の構造は、実施例１と同様である。

本例の力学量センサ１０４は、上記のごとく、分割部品５０１、５０２を組み合わせて外輪部５を構成してある。そのため、分割部品５０１、５０２の間隔を縮めれば、谷形面５０が山形面７０に近づいて荷重センサ素子４が圧縮され、一方、分割部品５０１、５０２の間隔を拡げれば荷重センサ素子４への圧縮力が解放される。
また、分割部品５０１、５０２の間にシム６６を介在させてある。この構造により、シム６６の厚みを変えて分割部品５０１、５０２によってシム６５を挟持すれば、非常に簡単に分割部品５０１、５０２の間隔を変更することができる。さらに、分割部品５０１、５０２の間にシム６６を挟持させるので、その間隔を安定的に維持することができる。
このように、分割部品５０１、５０２の間隔の変更によって、上記のごとく谷形面５０と山形面７０との間隔を容易かつ安定して調整することができるので、これにより、荷重センサ素子４に予め付与する荷重、すなわち予荷重の値を容易に調整することができる。
その他は実施例１と同様の作用効果が得られる。

実施例１における、多軸力センサの平面図。 実施例１における、多軸力センサの縦断面図。 実施例１における、シムの平面図。 実施例１における、多軸力センサに採用した荷重センサの構成を示す説明図。 実施例１における、荷重センサにおける感圧体の構成を示す説明図。 実施例２における、多軸力センサの平面図。 実施例２における、多軸力センサの縦断面図。 実施例３における、多軸力センサの平面図。 実施例４における、多軸力センサの平面図。 実施例４における、多軸力センサの縦断面図。 実施例４における、シムの平面図。

符号の説明

１ 多軸力センサ
２、５ 外輪部
２０、７０ 山形面
２１、７１ 第１面
２２、７２ 第２面
３、７ 内輪部
３０、５０ 谷形面
３１、５１ 第３面
３２、５２ 第４面
４ 荷重センサ素子
６ ボルト
６５、６６ シム

Claims (4)

1. 環状の外輪部と、該外輪部の内部に間隙を設けて配置される内輪部と、
   上記外輪部の内周面と上記内輪部の外周面との間に挟持される複数の荷重センサ素子とを有し、
   上記外輪部および上記内輪部の軸方向に沿った縦断面において、上記外輪部の内周面と上記内輪部の外周面のうち、一方は角度α（α＜１８０°）をなす第１面と第２面とを有する山形面よりなり、他方は角度β（β＝３６０°−α）をなす第３面と第４面とを有する谷形面よりなり、
   上記第１面と上記第３面との間および上記第２面と上記第４面との間にそれぞれ上記荷重センサ素子を挟持しており、
   かつ、上記谷形面を有する方の上記内輪部又は上記外輪部は、上記第３面と上記第４面とを分離するように分割された２つの分割部品を有しており、これらの間には両者の間隔を調整するシムが介設されており、該シムの厚みを変更することにより上記荷重センサ素子に付与される予荷重を調整可能に構成されていることを特徴とする力学量センサ。
2. 請求項１において、上記外輪部の内周面が上記山形面よりなり、上記内輪部の外周面が上記谷形面よりなることを特徴とする力学量センサ。
3. 請求項１又は２において、上記力学量センサは、少なくとも、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向に作用する座標軸方向の力３成分と、上記Ｘ軸及び上記Ｙ軸回りのモーメントを検出可能な多軸力センサであり、
   上記外輪部又は上記内輪部のいずれかが有する上記山形面及び上記谷形面は、上記Ｘ軸及び上記Ｙ軸を含む基準平面上に位置していることを特徴とする力学量センサ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項において、上記荷重センサ素子は、平行な２つの外表面に受圧面を有すると共に、該受圧面から一軸荷重を受けた際に電気的特性を変化させる感圧体を有しており、一方の上記受圧面を上記第１面又は上記第３面に当接又は接合させ、他方の上記受圧面を上記第２面又は上記第４面に当接又は接合させていることを特徴とする力学量センサ。

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