JP2009288187A - ロードセル - Google Patents

Abstract

【課題】起歪体の形状や歪みゲージ及び起歪体の線膨張係数を問わず、温度補償することができるロードセルを提供する。
【解決手段】起歪体２と、歪みゲージ３とを備えるロードセル１である。起歪体２は、入力側又は出力側の一方に連結される外輪４と、外輪４と中心を共通にするように配置されており、入力側又は出力側の他方に連結される内輪５と、外輪４と内輪５とを連結し、起歪部を成すスポーク部６と、外輪４又は内輪５に、温度歪みのみが略生じるように形成された突起部７と、を備えている。スポーク部６に歪測定用の歪みゲージ３ａが設けられ、突起部７に温度補償用の歪みゲージ３ｂが設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロードセルに関する。

近年、起歪体に歪ゲージを貼り付け、起歪体に作用する歪を測定することで、起歪体に作用するトルクを導き出すロードセルが、特許文献１、２に開示されているように公知である。

特許文献１のロードセルは、車輪に作用するトルクを測定するロードセルである。このロードセルは、車輪にアダプタを介して円形の起歪体がボルト接合されており、この起歪体のボルト穴に歪ゲージが貼り付けられた構成である。

特許文献２のロードセルは、剛性内歯歯車と、可撓性外歯歯車と、波動発生器とを備える撓み噛み合い式歯車装置（波動歯車減速機）のロードセルである。このロードセルは、起歪体である可撓性外歯歯車のダイヤフラムに歪ゲージを貼り付けた構成である。
実開平２−１０９２２８号公報 特開平９−１８４７７７号公報

起歪体は、雰囲気温度による影響によって膨張又は収縮する。そのため、ロードセルは、温度補償することができる構成であることが望ましいが、上記特許文献１又は特許文献２のロードセルは、温度補償については何ら考慮されていない。

一般的には、温度補償が可能な歪みゲージを用いることによって、温度補償することが可能ではあるが、起歪体の形状や歪みゲージ及び起歪体の線膨張係数によっては、当該歪みゲージを用いても温度補償できない場合が想定される。

本発明は、起歪体の形状や歪みゲージ及び起歪体の線膨張係数を問わず、温度補償することができるロードセルを提供することを目的とする。

本発明に係るロードセルは、起歪体と、歪みゲージとを備えるロードセルであって、前記起歪体は、入力側又は出力側の一方に連結される外輪と、前記外輪と中心を共通にするように配置されており、前記入力側又は出力側の他方に連結される内輪と、前記外輪と前記内輪とを連結し、起歪部を成すスポーク部と、前記外輪又は前記内輪に、温度歪みのみが略生じるように形成された突起部と、を備え、前記スポーク部に歪測定用の歪みゲージが設けられ、前記突起部に温度補償用の歪みゲージが設けられている。このような構成により、起歪体の形状や歪みゲージ及び起歪体の線膨張係数を問わず、温度補償することができる。

上述の突出部は、前記外輪の内周又は前記内輪の外周における隣接する前記スポーク部の間に形成されていること、が好ましい。

上述の突起部は、前記外輪と前記内輪と前記スポーク部とで形成された空隙部から突出しないように形成されていること、が好ましい。このような構成により、起歪体を薄型化することができ、トルクを測定する部位に容易に設置することができる。

上述の突出部は台形形状に形成されており、前記台形形状の頂辺に温度補償用の歪みゲージが設けられていること、が好ましい。このような構成により、スポーク部と突起部との間隙部に指を挿入して、スポーク部の側面に容易に歪測定用の歪みゲージを貼り付けることができ、作業性が良い。また、突起部の頂辺近傍が最も外力による歪みが生じ難い部分であるので、良好に温度歪みのみを測定することができる。

上述のスポーク部は、略等間隔に前記中心から放射状に形成されていること、が好ましい。

本発明に係るロードセルは、起歪体の形状や歪みゲージ及び起歪体の線膨張係数を問わず、温度補償することができる。

以下、本発明に係るロードセルの実施形態を、図面に基づいて詳細に説明する。但し、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。本実施形態のロードセルは、ロボットの関節部の負担トルクを測定する際に好適に用いることができる構成とされている。

このロードセル１は、図１に示すように、起歪体２と、歪みゲージ３とを備えている。
起歪体２は、外輪４と、内輪５と、スポーク部６と、突起部７とを備えている。この起歪体２は、少なくとも連結される出力側の部材や入力側の部材と連成振動が生じない剛性を有し、例えばアルミニウムなどの部材で一体成形された平板部材である。但し、起歪部２の材質は、上述のように連成振動が生じない剛性を確保できれば、特に限定されない。

外輪４は、入力側又は出力側の一方の部材に連結される円形状のリング部材である。外輪４は、ロボットの関節部の負荷トルクを測定する際に容易に変形しない厚さＴ１及び幅寸法Ｌ１とされている。そして、外輪４は、ロボットの関節部内に良好に収めることができる外径とされ、内部に内輪５、スポーク部６を形成することができる内径とされている。この外輪４には、入力側又は出力側の一方の部材にボルト接合することができるように、複数個のボルト穴４ａが等間隔に形成されている。

内輪５は、外輪４と中心点Ｏを共通にするように配置されている。内輪５は、入力側又は出力側の他方の部材に連結される六角形状のリング部材である。但し、内輪５の外径形状は六角形状に限らない。内輪５は、外輪４と略等しい厚さとされており、ロボットの関節部の負担トルクを測定する際に容易に変形しない幅寸法Ｌ２とされている。そして、内輪５における中心の中空部は、ロボットの関節部のシャフトを貫通させるための貫通穴５ａとされている。この内輪５は、入力側又は出力側の他方の部材にボルト接合することができるように、複数個のボルト穴５ｂが等間隔に形成されている。

スポーク部６は、起歪体２が連結される出力側の部材や入力側の部材と連成振動が生じない剛性を確保できる太さ（断面積）を有し、外輪４と略等しい厚さの柱部材である。このスポーク部６は、略等間隔に外輪４及び内輪５の中心点Ｏから放射状に配置、すなわち、内輪５の頂部から放射状に延び、外輪４及び内輪５の中心点Ｏを中心とする点対称に配置されており、外輪４と内輪５とを連結する。その結果、入力側又は出力側の一方の部材に荷重が作用し、一方の部材と他方側の部材との間で起歪体２の円周方向に相対的な変位が生じると、スポーク部６は起歪部として歪む構成とされている。

ここで、上述のように、スポーク部６を連成振動が生じないように太くすると、スポーク部６の左右の側部で歪み方が異なる。そのため、例えばスポーク部６の左右両側面に歪みゲージを貼り付ける所謂２アクティブゲージ法、さらに点対称の位置に配置されたスポーク部６の左右両側面にも歪みゲージを貼り付ける所謂４アクティブゲージ法を採用しても温度補償が困難である。よって、ロードセル１は温度補償用の歪みゲージを備える必要がある。

そこで、本発明に係るロードセル１は、温度補償用の歪みゲージを設けるために、起歪体２に温度歪みのみが略生じる箇所を確保した。具体的にいうと、図１に示すように、外輪４の内周における隣接するスポーク部６の間に、温度歪みのみが略生じる断面積（図中のＮ−Ｎ断面の面積）を有する突起部７が形成されている。ちなみに、温度歪みのみが略生じるとは、厳密に温度歪みのみが生じるだけでなく、温度補償をすることができる程度に外力による歪みも含まれる。また、図示例では、外輪４の内周における全ての隣接するスポーク部６の間に、突起部７が形成されているが、少なくとも一箇所以上に形成されていれば良い。

この突起部７は、外輪４と内輪５とスポーク部６とで形成された空隙部８から突出しないように、外輪４の内周から水平に、外輪４と略等しい厚さで突出している。そのため、起歪体２を薄型化することができ、ロボットの関節部に容易に設置することができる。
また、突起部７は、図１（ｂ）に示すように、スポーク部６との間隙部において、スポーク部６の側面６ａに容易に歪測定用の歪みゲージ３ａを貼り付けることができるように、台形形状に形成されている。スポーク部６と突起部７との間隙部に指を挿入して、スポーク部６の側面６ａに容易に歪測定用の歪みゲージ３ａを貼り付けることができ、作業性が良い。

このような起歪体２のスポーク部６の側面６ａに歪測定用の歪みゲージ３ａが貼り付けられ、突起部７に温度補償用の歪みゲージ３ｂが貼り付けられている。歪みゲージ３ａ、３ｂは、通例の歪みゲージと同様に、絶縁体上に波形形状に金属の抵抗体（金属箔）が配置された構成である。この歪みゲージ３ａ、３ｂは、抵抗の波形が起歪体２の厚さ方向に連続するように配置された形態で、スポーク部６、突起部７に接着剤によって貼り付けられている。接着剤は、接着強度及び絶縁性が温度、湿度に対して十分な耐性を有し、硬化時の吸収率が小さければ良く、溶剤蒸発型接着剤、接触硬化接着剤、エポキシ接着剤、フェノール接着剤などを用いることができる。

歪みゲージ３ａ、３ｂは、例えば図２に示す１アクティブ１ダミー法による回路を採用することができる。歪みゲージ３ａ、３ｂは、抵抗変化分に比例（即ち、（Ｒｇ_１―Ｒｇ_２）／（Ｒｇ_１＋Ｒｇ_２））した出力電圧ｅ_０を、図示を省略した増幅器に出力する。この出力電圧ｅ_０は、スポーク部６の歪みにも比例する。増幅器は、入力された出力電圧ｅ_０を増幅して、図示を省略した演算装置に出力する。演算装置は、増幅された出力電圧に基づいてスポーク部６の歪みを測定し、さらに測定したスポーク部６の歪みに基づいてロボットの関節部の負担トルクを導き出す。

このようにロードセル１は、起歪体２に温度歪みのみが略生じる突起部７を形成し、突起部７に温度補償用の歪みゲージ３ｂを貼り付けた構成とした。そのため、ロードセル１は、起歪体２の形状を問わず、すなわち起歪体２のスポーク部６が太く、スポーク部６に非対称的な歪みが生じるような形状であっても、確実に温度補償することができる。しかも、歪みゲージ及び起歪体の線膨張係数を問わず、確実に温度補償することができる。そのため、精度良くロボットの関節部の負担トルクを測定することができる。

ちなみに、温度補償用の歪みゲージ３ｂは、突起部７の頂辺７ａに貼り付けることが好ましい。台形形状の突起部７は、頂辺７ａ近傍が最も外力による歪みが生じ難い部分であるので、良好に温度歪みのみを測定することができる。

上述のロードセル１は、図３に例示するように、ロボットの膝関節１００の負担トルクを測定するべく、膝関節１００内に設置される。
膝関節１００は、ロボットの胴体部分に連結されている入力側リンク（大腿部分）１０１と、入力側リンク１０１に軸受１０２を介して、端部が回転可能に連結された出力側リンク（下腿部分）１０３とを備えている。

具体的にいうと、出力側リンク１０３の端部には、入力側リンク１０１の端部を嵌め込むことができるように凹み部１０４が形成されており、この凹み部１０４に入力側リンク１０１が嵌め込まれている。出力側リンク１０３の凹み部１０４の両側には、入力側リンク１０１との連結部１０５が形成されている。

この連結部１０５には内方に突出するピン１０６が形成されており、ピン１０６は入力側リンク１０１の嵌合穴１０７に回転可能に嵌め込まれている。出力側リンク１０３のピン１０６と入力側リンク１０１の嵌合穴１０７との間には軸受１０２が配置されている。軸受１０２は、出力側リンク１０３のピン１０６に生じるモーメント荷重及び並進荷重に耐え得る構成の軸受であれば良く、例えばクロスローラベアリングを用いることができる。

出力側リンク１０３の両側のピン１０６には、凹み部１０４に嵌め込まれた入力側リンク１０１の端部を貫通するシャフト１０８が固定されている。
シャフト１０８には、入力側リンク１０１の内部において、プーリ１０９と、駆動軸１１０と、減速機１１１と、ロードセル１とが回転可能に通されている。プーリ１０９は、入力側リンク１０１に設けられたモータ１１２の回転軸の端部に設けられたプーリ１１３とベルト１１４を介して連結され、モータ１１２から駆動力が伝達される。

プーリ１０９には、シャフト１０８に回転可能に通された駆動軸１１０の一端部が連結されている。駆動軸１１０の他端部は、同じくシャフト１０８に回転可能に通された減速機１１１の入力側の部材に連結されている。減速機１１１としては、波動歯車減速機を好適に用いることができる。波動歯車減速機は、既に公知であるため、具体的な説明は省略するが、楕円状カムの外周に、薄肉のボール・ベアリングが嵌め込まれたウェーブ・ジェネレータと、外周部に歯が刻まれた薄肉カップ状の金属弾性体から成るフレクスプラインと、内周部に歯が刻まれた剛体リング状のサーキュラ・スプラインとを備えている。本実施形態では、ウェーブ・ジェネレータに駆動軸１１０の他端部が連結されている。そして、サーキュラ・スプラインは、入力側リンク１０１に固定されており、サーキュラ・スプラインの内周歯に外周歯が噛合されたフレクスプラインからモータ１１２の駆動力が出力される構成とされている。このフレクスプラインの底面を成すダイヤフラムには、ロードセル１の起歪体２の外輪４がボルトを用いて連結されている。
起歪体２の内輪５は、出力側リンク１０３のピン１０６にボルトを用いて連結されている。

したがって、図４（ａ）の通常の状態から、例えば図４（ｂ）に示すように出力側リンク１０３に外力が作用して出力側リンク１０３のピン１０６にトルクが作用すると、当該トルクは出力側リンク１０３のピン１０６を介してロードセル１の起歪体２の内輪５に入力される。このとき、モータ１１２の駆動力によって減速機１１１のフレクスプラインは固定されるので、内輪５はフレクスプラインに連結された外輪４に反力をとってトルクの作用方向に回転する。この内輪５の回転に合わせてスポーク部６は歪み、スポーク部６に貼り付けられた歪みゲージ３ａから出力された抵抗値によって、演算装置が歪みを測定し、測定した歪みから出力側リンク１０３のピン１０６に作用したトルクを導き出す。ロードセル１の起歪体２には、温度歪みのみが略生じる突起部７が形成されており、この突起部７に温度補償用の歪みゲージ３ｂが貼り付けられている。そのため、ロードセル１は、起歪体２の形状を問わず、すなわち起歪体２のスポーク部６が太く、スポーク部６に非対称的な歪みが生じるような形状であっても、確実に温度補償することができる。しかも、歪みゲージ及び起歪体の線膨張係数を問わず、確実に温度補償することができる。また、ロードセル１の起歪体２は薄い板状部材であるため、良好にロボットの膝関節１００内に設置することができる。

本実施形態の歪みゲージ３ａ、３ｂは、図２に示す１アクティブ１ダミー法による回路を形成しているが、歪みゲージ３ａ、３ｂそれぞれで１ゲージ法による回路を形成して歪みを測定しても良い。

本実施形態のロードセル１は、突起部７を外輪４の内周に形成しているが、この限りでない。すなわち、突起部７は内輪５の外周に形成しても良い。また、突起部７は外輪４と内輪５とスポーク部６とで形成される空隙部から突出しないように形成したが、厚さ方向に突出するように形成しても良い。しかも、突起部７は台形形状に形成したが、形状は特に限定されない。要するに、突起部７は、温度歪みのみが略生じる箇所として起歪体２に形成されていれば良い。

本実施形態のロードセル１は、起歪体２にボルト穴を形成し、このボルト穴を用いて入力側の部材及び出力側の部材にボルト接合したが、接着剤などを用いて接合しても良く、接合手段は特に限定されない。

本実施形態のロードセル１は、ロボットの関節部に設置して当該関節部の負担トルクを測定しているが、ロボットの関節部に限らずにトルクを測定する部位に良好に設置することができる。

以上、本発明に係るロードセルの実施形態を説明したが、上記の構成に限らず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、変更することが可能である。

（ａ）は本発明に係るロードセルを概略的に示す斜視図である。（ｂ）は（ａ）の部分拡大図である。 歪みゲージの回路図である。 ロボットの関節部を概略的に示す断面図である。 （ａ）はロボットの関節部における出力側リンクに外力が作用していない状態を示す模式図である。（ｂ）はロボットの関節部における出力側リンクに外力が作用した状態を示す模式図である。

符号の説明

１ ロードセル
２ 起歪体
３ａ ゲージ
３ｂ ゲージ
４ 外輪
５ 内輪
６ スポーク部
７ 突起部
７ａ 頂辺
Ｏ 中心点

Claims (5)

1. 起歪体と、歪みゲージとを備えるロードセルであって、
   前記起歪体は、
   入力側又は出力側の一方に連結される外輪と、
   前記外輪と中心を共通にするように配置されており、前記入力側又は出力側の他方に連結される内輪と、
   前記外輪と前記内輪とを連結し、起歪部を成すスポーク部と、
   前記外輪又は前記内輪に、温度歪みのみが略生じるように形成された突起部と、を備え、
   前記スポーク部に歪測定用の歪みゲージが設けられ、前記突起部に温度補償用の歪みゲージが設けられたロードセル。
2. 前記突出部は、前記外輪の内周又は前記内輪の外周における隣接する前記スポーク部の間に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のロードセル。
3. 前記突起部は、前記外輪と前記内輪と前記スポーク部とで形成された空隙部から突出しないように形成されていることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のロードセル。
4. 前記突出部は台形形状に形成されており、前記台形形状の頂辺に温度補償用の歪みゲージが設けられていることを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のロードセル。
5. 前記スポーク部は、略等間隔に前記中心から放射状に形成されていることを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のロードセル。

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