JP2016050883A - Multi-axis sensor and method for manufacturing multi-axis sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、多軸センサおよび多軸センサの製造方法に関する。 The present invention relates to a multi-axis sensor and a method for manufacturing the multi-axis sensor.
従来から、多軸センサとして、例えば特許文献1の図1に記載のものが知られている。この多軸センサは、対向配置された第1起歪体および第2起歪体を備えている。第1起歪体は、第1バルク部と、当該第1バルク部よりも薄肉に形成された第1ダイヤフラム部と、第1ダイヤフラム部に形成された第1支柱部とを有している。同様に、第2起歪体は、第2バルク部と、当該第2バルク部よりも薄肉に形成された第2ダイヤフラム部と、第2ダイヤフラム部に形成された第2支柱部とを有している。第1起歪体の第1支柱部と第2起歪体の第2支柱部は、ボルトにより連結されている。 Conventionally, as a multi-axis sensor, for example, the one described in FIG. The multi-axis sensor includes a first strain body and a second strain body that are arranged to face each other. The 1st strain body has the 1st bulk part, the 1st diaphragm part formed thinner than the 1st bulk part, and the 1st support | pillar part formed in the 1st diaphragm part. Similarly, the second strain body includes a second bulk portion, a second diaphragm portion formed thinner than the second bulk portion, and a second support column portion formed on the second diaphragm portion. ing. The first strut portion of the first strain body and the second strut portion of the second strain body are connected by bolts.
この多軸センサでは、第1起歪体の第1支柱部が形成された面とは反対側の面に複数の歪ゲージが配置されており、当該複数の歪ゲージにより、第2起歪体に加えられた力を計測することができる。 In this multi-axis sensor, a plurality of strain gauges are arranged on a surface opposite to the surface on which the first support portion of the first strain body is formed, and the second strain body is formed by the plurality of strain gauges. The force applied to can be measured.
しかしながら、従来の多軸センサでは、第1起歪体と第2起歪体とを別々に製造し、その後、第1起歪体の第1支柱部と第2起歪体の第2支柱部とをボルトで連結しているので、製造コストが増加してしまうという問題があった。 However, in the conventional multi-axis sensor, the first strain body and the second strain body are manufactured separately, and then the first strut portion of the first strain body and the second strut portion of the second strain body. Are connected by bolts, and there is a problem that the manufacturing cost increases.
また、第1支柱部と第2支柱部とをボルトで連結した場合、第2起歪体に加えられた力および当該力によって発生する歪が歪ゲージに正確に伝わらないおそれがある。このため、従来の多軸センサでは、力の検出誤差が生じたり、歪ゲージの出力のヒステリシスが大きくなったりして、力の検出精度が低下してしまうという問題もあった。 Moreover, when the 1st support | pillar part and the 2nd support | pillar part are connected with the volt | bolt, there exists a possibility that the distortion applied by the force added to the 2nd strain body and the said force may not be correctly transmitted to a strain gauge. For this reason, the conventional multi-axis sensor has a problem that a force detection error occurs, or the hysteresis of the output of the strain gauge increases, resulting in a decrease in force detection accuracy.
なお、第1支柱体と第2支柱体とをボルトではなく溶接により連結することも考えられるが、溶接の場合、溶接時の熱収縮によって第1起歪体と第2起歪体とが平行にならず、傾いたまま連結されてしまうおそれがある。一方、第1起歪体と第2起歪体とを平行に保つため溶接時に第1起歪体と第2起歪体とをきつく固定した場合は、第1ダイヤフラム部および第2ダイヤフラム部に永久歪を与えてしまい、歩留まりが低下してしまうおそれがある。また、例え上記問題点を解決して溶接で連結しても、溶接部分と非溶接部分の結晶構造や材質が微妙に異なるため第2起歪体に加えた力を歪みゲージに正確に伝えることは難しいという問題が残る。 Although it is conceivable to connect the first strut body and the second strut body by welding instead of bolts, in the case of welding, the first strain body and the second strain body are parallel due to thermal contraction during welding. There is a risk of being connected while being tilted. On the other hand, when the first strain body and the second strain body are tightly fixed during welding in order to keep the first strain body and the second strain body in parallel, the first diaphragm section and the second diaphragm section Permanent distortion may be applied, and the yield may be reduced. In addition, even if the above problems are solved and connected by welding, the crystal structure and material of the welded part and the non-welded part are slightly different, so the force applied to the second strain body is accurately transmitted to the strain gauge. The problem remains difficult.
さらに、従来の多軸センサは、第1ダイヤフラム部が第1バルク部に囲まれた構造であるため、エンドミル等の切削工具を用いた切削加工により、当該第1ダイヤフラム部を有する第1起歪体と第2起歪体とを一体的に形成することは、現実的に不可能である。 Furthermore, since the conventional multi-axis sensor has a structure in which the first diaphragm portion is surrounded by the first bulk portion, the first strain generation having the first diaphragm portion by cutting using a cutting tool such as an end mill. It is practically impossible to form the body and the second strain body integrally.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、低コストかつ高性能の多軸センサおよび多軸センサの製造方法を提供することにある。 This invention is made | formed in view of the said situation, The place made into the subject is providing the manufacturing method of a low-cost and high-performance multi-axis sensor and a multi-axis sensor.
上記課題を解決するために、本発明に係る多軸センサは、第1バルク部と、第1バルク部よりも薄肉に形成された第1ダイヤフラム部とを含み、検出素子が設けられた後端面を有する第1起歪体と、第2バルク部と、第1ダイヤフラム部に対向するとともに第2バルク部よりも薄肉に形成された第2ダイヤフラム部とを含み、測定対象に取り付けられる前端面を有する第2起歪体と、第1ダイヤフラム部と第2ダイヤフラム部とを連結する支柱体と、を備え、第1ダイヤフラム部は、第1起歪体の後端面の一部を構成し、かつ第1起歪体の後端面の外周縁まで達しており、第1起歪体と第2起歪体とは離間して配置されており、第1起歪体、第2起歪体および支柱体は、単一部材を切削加工することにより一体的に形成されていることを特徴とする。 In order to solve the above problem, a multi-axis sensor according to the present invention includes a first bulk portion and a first diaphragm portion formed thinner than the first bulk portion, and a rear end surface provided with a detection element. Including a first strain body, a second bulk portion, and a second diaphragm portion that is opposed to the first diaphragm portion and is thinner than the second bulk portion, and includes a front end face that is attached to a measurement target. And a column body connecting the first diaphragm portion and the second diaphragm portion, the first diaphragm portion constituting a part of the rear end surface of the first strain body, and It reaches the outer peripheral edge of the rear end face of the first strain body, and the first strain body and the second strain body are arranged apart from each other, and the first strain body, the second strain body, and the support column The body is integrally formed by cutting a single member To.
この構成では、第1ダイヤフラム部が、第1起歪体の後端面の一部を構成するとともに第1起歪体の後端面の外周縁まで達しているので、第1起歪体の外周面から切削加工することにより当該第1ダイヤフラム部を形成することができる。したがって、この構成によれば、第1起歪体、第2起歪体および支柱体を切削加工により一体的に形成した低コストの多軸センサを提供することができる。 In this configuration, since the first diaphragm portion constitutes a part of the rear end surface of the first strain body and reaches the outer peripheral edge of the rear end surface of the first strain body, the outer peripheral surface of the first strain body The first diaphragm portion can be formed by cutting from the above. Therefore, according to this configuration, it is possible to provide a low-cost multi-axis sensor in which the first strain body, the second strain body, and the support body are integrally formed by cutting.
さらに、この構成では、第1起歪体、第2起歪体および支柱体が一体的に形成されているので、第2起歪体に加えられた力および当該力によって発生する歪が、効率よく正確に第1起歪体の検出素子に伝達される。したがって、この構成によれば、直線性がよく、ヒステリシスの小さい高性能の多軸センサを提供することができる。 Furthermore, in this configuration, since the first strain body, the second strain body, and the support body are integrally formed, the force applied to the second strain body and the strain generated by the force are efficient. It is transmitted accurately and accurately to the detection element of the first strain body. Therefore, according to this configuration, it is possible to provide a high-performance multi-axis sensor with good linearity and low hysteresis.
上記多軸センサは、後端面を覆うカバー体をさらに備え、カバー体は、第1バルク部の外周面に形成されたフランジ部に取り付けられ、第1ダイヤフラム部から離間していることが好ましい。 The multi-axis sensor further includes a cover body that covers the rear end surface, and the cover body is preferably attached to a flange portion formed on the outer peripheral surface of the first bulk portion and spaced from the first diaphragm portion.
この構成によれば、カバー体が第1ダイヤフラム部から離間しているので、第2起歪体に加えられた力および当該力によって発生する歪が第1起歪体の後端面(検出素子)に伝達されるのを妨げることなく、検出素子を保護することができる。 According to this configuration, since the cover body is separated from the first diaphragm portion, the force applied to the second strain body and the strain generated by the force are the rear end surface (detection element) of the first strain body. It is possible to protect the detection element without hindering transmission to the sensor.
上記多軸センサでは、第2ダイヤフラム部は、後端面が第2バルク部の後端面よりも前方に位置するよう構成できる。 In the multi-axis sensor, the second diaphragm portion can be configured such that the rear end surface is located in front of the rear end surface of the second bulk portion.
この構成では、第2ダイヤフラム部の後端面が第2バルク部の後端面と同一平面上に位置している多軸センサと比較して、支柱体を長くすることができる。したがって、この構成によれば、力および当該力によって発生する歪の検出感度を向上させることができる。 In this configuration, the column body can be made longer than the multi-axis sensor in which the rear end surface of the second diaphragm portion is located on the same plane as the rear end surface of the second bulk portion. Therefore, according to this configuration, it is possible to improve the detection sensitivity of the force and distortion generated by the force.
上記多軸センサでは、支柱体を第1バルク部の前端面で切断したときに、支柱体の断面積が、第1バルク部の前端面の面積よりも大きくなるよう構成できる。 In the multi-axis sensor, when the support body is cut at the front end surface of the first bulk portion, the cross-sectional area of the support body can be configured to be larger than the area of the front end surface of the first bulk portion.
この構成によれば、センサ全体の強度(剛性)を増加させることができる。例えば、支柱体の数を増やすことなく支柱体を太くして断面積を大きくした場合、検出感度は低下するものの、センサ全体の強度の増加に加えて、切削加工を単純化することができる。一方、支柱体の数を増やして断面積を大きくした場合、切削加工は複雑化するものの、検出感度を低下させることなくセンサ全体の強度を増加させることができる。 According to this configuration, the strength (rigidity) of the entire sensor can be increased. For example, when the support body is thickened and the cross-sectional area is increased without increasing the number of support bodies, the detection sensitivity is lowered, but in addition to the increase in the strength of the entire sensor, the cutting process can be simplified. On the other hand, when the cross-sectional area is increased by increasing the number of support columns, although the machining is complicated, the strength of the entire sensor can be increased without reducing the detection sensitivity.
上記多軸センサでは、支柱体は、4つの側面を有し、4つの側面のうち、第1起歪体の周方向に対向する2つの側面は、双方が平面であり、第1起歪体の径方向に対向する2つの側面は、少なくとも内側の側面が曲面であってもよい。 In the multi-axis sensor, the column body has four side surfaces, and two of the four side surfaces facing the circumferential direction of the first strain body are both flat surfaces. The two side surfaces facing each other in the radial direction may be curved at least on the inner side surface.
この構成によれば、支柱体の幅の設定によっては、センサ全体の強度を増加させることができる。 According to this structure, the intensity | strength of the whole sensor can be increased depending on the setting of the width | variety of a support | pillar body.
上記多軸センサでは、第1起歪体および第2起歪体の中央に、前後方向に延びた貫通穴が形成されていてもよい。 In the multi-axis sensor, a through hole extending in the front-rear direction may be formed at the center of the first strain body and the second strain body.
この構成によれば、貫通穴を使用して他のセンサおよび機器からのケーブル等を通すことにより、例えば、ロボットアームの形状を小さくするなどの省スペース化を実現することできる。 According to this configuration, it is possible to realize space saving such as reducing the shape of the robot arm, for example, by passing cables from other sensors and devices using the through holes.
上記多軸センサでは、第1起歪体の後端面が平坦に形成され、複数の検出素子が同一平面上に設けられていることが好ましい。この構成によれば、検出素子の配設が容易となり、製作効率を高めることができる。 In the multi-axis sensor, it is preferable that a rear end surface of the first strain body is formed flat and a plurality of detection elements are provided on the same plane. According to this structure, arrangement | positioning of a detection element becomes easy and it can improve manufacturing efficiency.
上記多軸センサでは、検出素子として、第1起歪体の後端面に歪が生じると抵抗値が変化するものを用いることができる。抵抗値が変化する検出素子としては、歪みゲージ、ピエゾ抵抗素子、または感圧抵抗インク等を用いることができる。また、検出素子として、第1起歪体の後端面が変位すると静電容量値が変化するものを用いてもよい。 In the multi-axis sensor, a sensor element whose resistance value changes when strain is generated on the rear end face of the first strain body can be used as the detection element. As the detecting element whose resistance value changes, a strain gauge, a piezoresistive element, a pressure-sensitive resistance ink, or the like can be used. Further, as the detection element, an element whose capacitance value changes when the rear end face of the first strain body is displaced may be used.
上記課題を解決するために、本発明に係る多軸センサの製造方法は、後端面側に第1ダイヤフラム部を有する第1起歪体と、第1起歪体の前方に第1起歪体から離間して配置されるとともに第2ダイヤフラム部を有する第2起歪体と、第1ダイヤフラム部と第2ダイヤフラム部とを連結する前後方向に延びた支柱体と、を備えた多軸センサの製造方法であって、切削手段により前後方向に延びた柱状のバルク部材の外周面または前端面側から切削加工して、バルク部材の前端面側に切欠き部を形成し、かつ切削手段によりバルク部材の外周面側から切削加工して、切欠き部の後方に前後方向に延びる第1溝部を形成することで、第1ダイヤフラム部および第2ダイヤフラム部を形成する第1工程と、切削手段によりバルク部材の外周面側から切削加工して、第1溝部と連結した第2溝部を形成することにより、互いに離間した第1起歪体および第2起歪体を形成する第2工程と、を含むことを特徴とする。 In order to solve the above problems, a multi-axis sensor manufacturing method according to the present invention includes a first strain body having a first diaphragm portion on the rear end face side, and a first strain body in front of the first strain body. A multi-axis sensor comprising: a second strain generating body that is spaced apart from the first diaphragm portion and has a second diaphragm portion; and a post body that extends in the front-rear direction connecting the first diaphragm portion and the second diaphragm portion. A manufacturing method, wherein cutting is performed from an outer peripheral surface or a front end surface side of a columnar bulk member extending in the front-rear direction by a cutting means, a notch is formed on the front end surface side of the bulk member, and the bulk is formed by the cutting means. The first step of forming the first diaphragm portion and the second diaphragm portion by cutting from the outer peripheral surface side of the member and forming the first groove portion extending in the front-rear direction behind the notch portion, and the cutting means From the outer peripheral side of the bulk member Cutting machining, by forming a second groove which is connected to the first groove, characterized in that it comprises a second step of forming a first strain generating body and the second strain generating body spaced from each other.
この構成によれば、第1起歪体、第2起歪体および支柱体を切削加工により一体的に形成した多軸センサを製造することができるので、第1起歪体と第2起歪体とを別々に製造した後、ボルト等の連結手段により第1起歪体と第2起歪体とを連結する従来の製造方法と比較して、製造コストを低減することができる。さらに、この構成によれば、従来の製造方法と比較して、直線性がよく、ヒステリシスの小さい高性能の多軸センサを製造することができる。 According to this configuration, since the multi-axis sensor in which the first strain body, the second strain body, and the support body are integrally formed by cutting can be manufactured, the first strain body and the second strain body are manufactured. Manufacturing cost can be reduced compared with the conventional manufacturing method which connects a 1st strain body and a 2nd strain body by connection means, such as a bolt, after manufacturing a body separately. Furthermore, according to this configuration, it is possible to manufacture a high-performance multi-axis sensor with better linearity and less hysteresis compared to the conventional manufacturing method.
上記多軸センサの製造方法では、第1工程は、切削手段によりバルク部材の前端面側から切削加工して、切欠き部および第1溝部に連通した連通穴を形成するか、または切欠き部および第1溝部を形成する前に、切削手段によりバルク部材の前端面または後端面側から切削加工して、前後方向に延びた貫通穴を形成することにより、少なくとも4つの側面を有する支柱体を形成する工程を含んでいてもよい。 In the multi-axis sensor manufacturing method, the first step is to form a communication hole communicating with the notch portion and the first groove portion by cutting from the front end surface side of the bulk member by the cutting means, or the notch portion. Before forming the first groove portion, the column member having at least four side surfaces is formed by cutting from the front end surface or the rear end surface side of the bulk member by cutting means to form a through hole extending in the front-rear direction. A step of forming may be included.
本発明によれば、低コストかつ高性能の多軸センサおよび多軸センサの製造方法を提供することができる。 According to the present invention, a low-cost and high-performance multi-axis sensor and a method for manufacturing the multi-axis sensor can be provided.
以下、添付図面を参照して、本発明に係る多軸センサおよび多軸センサの製造方法の実施形態について説明する。なお、本発明では、多軸センサの底面から天面に向かう方向を前方向、天面から底面に向かう方向を後方向とする。 Embodiments of a multi-axis sensor and a method for manufacturing the multi-axis sensor according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In the present invention, the direction from the bottom surface of the multi-axis sensor toward the top surface is defined as the front direction, and the direction from the top surface toward the bottom surface is defined as the rear direction.
[第1実施形態]
(構造)
図1〜図4に、本発明の第1実施形態に係る多軸センサ1Aを示す。
[First Embodiment]
(Construction)
1 to 4 show a
多軸センサ1Aは、図2(c)および(f)に示すように、平面視および底面視において円形状を呈している。多軸センサ1Aは、図1に示すように、底面側に形成された第1起歪体10と、天面側に第1起歪体10から離間し、かつ第1起歪体10と平行になるように形成された第2起歪体20と、第1起歪体10と第2起歪体20との間に形成された複数(本実施形態では、3本)の支柱体30とを備えている。詳細は後述するが、第1起歪体10と、第2起歪体20と、3本の支柱体30とは、エンドミル等の切削工具を用いて可撓性を有する金属からなる単一部材を切削加工することにより、一体的に形成されたものである。
As shown in FIGS. 2C and 2F, the
図2に示すように、第1起歪体10は、第1バルク部11と、第1ダイヤフラム部12と、フランジ部13とを含んでいる。第1起歪体10の底面側の端面(後端面)は、平面であり、歪ゲージ等の検出素子が設けられる検出面となる。第1起歪体10の後端面は、図3(b)に示すように、第1ダイヤフラム部12の後端面と第1バルク部11の後端面とによって構成される。
As shown in FIG. 2, the
第2起歪体20は、第2バルク部21と、第2ダイヤフラム部22とを含んでいる。第2起歪体20の天面側の端面(前端面)は、測定対象である負荷に取り付けられる取付面(受力面)となる。第2起歪体20の前端面は、図2(c)に示すように、第2バルク部21の前端面によって構成される。
The
3本の支柱体30は、図3(a)および(b)に示すように、前後方向に延びる多軸センサ1Aの中心軸から等距離かつ等角度に配置されている。3本の支柱体30は、図4(c)に示すように、第1起歪体10の後端面(検出面)と第2起歪体20の第2ダイヤフラム部22の前端面との間において、前後方向に延びている。3本の支柱体30は、いずれも第1起歪体10の外周面および第2起歪体20の外周面とともに多軸センサ1Aの外周面を構成する側面と、多軸センサ1Aの周方向に隣り合う2つの側面とを有している。3本の支柱体30は、第1起歪体10の後端面と第1起歪体10の前端面の間では、三角形状の断面を有し(図3(b)参照)、第1起歪体10の前端面と第2ダイヤフラム部22の前端面との間では、上記三角形状を含む扇形状の断面を有する(図3(a)参照)。
As shown in FIGS. 3A and 3B, the three
第1ダイヤフラム部12は、第1バルク部11よりも薄肉に形成されている。より具体的には、第1ダイヤフラム部12は、後端面が第1バルク部11の後端面および支柱体30の後端面と同一平面上に位置し、かつ前端面が第1バルク部11の前端面よりも後方に位置するように形成されている。また、第1ダイヤフラム部12は、図3(b)に示すように、平断面視においてV字形状を呈する。より具体的には、第1ダイヤフラム部12は、支柱体30の側面のうち周方向に隣り合う2つの側面に沿って、第1起歪体10の外周面(第1起歪体10の後端面の外周縁)まで達するように形成されている。
The
第1バルク部11は、第1起歪体10の大部分を占める。第1バルク部11は、第1起歪体10の後端面(検出面)から前端面にわたって厚肉に形成されている。また、第1バルク部11は、図3(b)および図4(a)に示すように、平面視および底面視において、円形状から3ヶ所の第1ダイヤフラム部12および3本の支柱体30の部分を切り欠いた形状を呈する。
The
フランジ部13は、第1バルク部11の外周面前端に形成されている。フランジ部13の外周面を結ぶ円は、第2起歪体20の外周面を結ぶ円と径が同じになる(図3参照)。フランジ部13には、検出面を覆うカバー体(不図示)が、第1ダイヤフラム部12から離間した状態で取り付けられる。このため、カバー体によって、第2起歪体20から第1起歪体10への力および歪の伝達が妨げられることはない。
The
第2ダイヤフラム部22は、第2バルク部21よりも薄肉に形成されている。より具体的には、第2ダイヤフラム部22は、後端面が第2バルク部21の後端面と同一平面上に位置し、かつ前端面が第2バルク部21の前端面よりも後方に位置するように形成されている。また、第2ダイヤフラム部22は、図3(a)に示すように、平面視においてV字形状を呈する。より具体的には、第2ダイヤフラム部22は、支柱体30の側面のうち周方向に隣り合う2つの側面に沿って、第2起歪体20の外周面(第2起歪体20の後端面の外周縁)まで達するように形成されている。第2ダイヤフラム部22と第1ダイヤフラム部12は、前後方向に対向している。
The
第2バルク部21は、第2起歪体20の大部分を占める。第2バルク部21は、第2起歪体20の後端面から前端面(受力面)にわたって厚肉に形成されている。また、第2バルク部21は、図2(c)および図3(a)に示すように、平面視において、円形状から3ヶ所の第2ダイヤフラム部22および3本の支柱体30の部分を切り欠いた形状を呈する。
The
(製造方法)
次に、多軸センサ1Aの製造方法について説明する。
(Production method)
Next, a manufacturing method of the
多軸センサ1Aの製造方法は、第1ダイヤフラム部12および第2ダイヤフラム部22を形成する第1工程と、互いに離間した第1起歪体10および第2起歪体20を形成する第2工程とを含む。
The manufacturing method of the
第1工程では、まず、前後方向に延びた円柱状のバルク部材を用意する。バルク部材は、エンドミル等の切削工具(本発明の「切削手段」に相当)を用いて切削加工できるものであればよい。例えば、可撓性を有するアルミ等の金属を用いることができる。 In the first step, first, a cylindrical bulk member extending in the front-rear direction is prepared. The bulk member may be any member that can be cut using a cutting tool such as an end mill (corresponding to the “cutting means” of the present invention). For example, a flexible metal such as aluminum can be used.
バルク部材の用意が完了したら、切削手段によりバルク部材の外周面または天面から切削加工して、バルク部材の天面側に3つの扇形状の切欠きからなる切欠き部41を形成する。切欠き部41を形成することで、図2(c)および図3(a)に示すように、3本の支柱体30の前端面および第2ダイヤフラム部22の前端面が形成される。
When preparation of the bulk member is completed, cutting is performed from the outer peripheral surface or the top surface of the bulk member by a cutting means to form a
続いて、切削手段によりバルク部材の外周面から切削加工して、切欠き部41の後方に前後方向に延びる6つの溝からなる第1溝部42を形成する。第1溝部42を構成する6つの溝は、隣り合う2本の溝同士が平断面視においてバルク部材の中心側で連結している。言い換えれば、第1溝部42は、平断面視においてV字形状を呈する3つの溝からなる。このような形状の第1溝部42を形成することで、バルク部材に、第1ダイヤフラム部12および第2ダイヤフラム部22が形成される。なお、切欠き部41の形成と第1溝部42の形成は、どちらを先に行ってもよい。
Subsequently, the
第2工程では、切削手段によりバルク部材の外周面から切削加工して、中心側で連結されていない隣り合う第1溝部42同士を連結する第2溝部43を形成する。具体的には、第1バルク部11と第2バルク部21との隙間に相当する部分に、第2溝部43を形成する。このように第2溝部43を形成することで、図4(b)に示すように、第1起歪体10と第2起歪体20とが離間される。
In the second step, the
続いて、切削手段によりバルク部材の底面または外周面から切削加工して、フランジ部13および3本の支柱体30の外周面(多軸センサ1Aの外周面の一部を構成する側面)を形成する。最後に、第1起歪体10の後端面に検出素子を設け、カバー体を取り付けることで、多軸センサ1Aが完成する。
Subsequently, cutting is performed from the bottom surface or outer peripheral surface of the bulk member by a cutting means to form the outer peripheral surface of the
結局、本実施形態では、第1ダイヤフラム部12が第1起歪体10の後端面の一部を構成し、かつ第1起歪体10の外周面(第1起歪体10の後端面の外周縁)まで達しているので、第1起歪体10の外周面から切削加工することにより、第1起歪体10に第1ダイヤフラム部12を形成することができる。したがって、本実施形態によれば、第1起歪体10、第2起歪体20および3本の支柱体30を切削加工により一体的に形成した低コストの多軸センサ1Aを提供することができる。
Eventually, in the present embodiment, the
さらに、本実施形態では、第1起歪体10、第2起歪体20および3本の支柱体30が一体的に形成されているので、第2起歪体20の受力面に加えられた力および当該力によって発生する歪が、効率よく正確に第1起歪体10の後端面に伝達される。したがって、本実施形態によれば、直線性がよく、ヒステリシスの小さい高性能の多軸センサ1Aを提供することができる。
Furthermore, in the present embodiment, the
(検出原理)
次に、多軸センサ1Aを用いて、受力面に加えられた6軸の力(Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz)を検出する原理について、具体的に説明する。本具体例では、互いに直交するX軸、Y軸、Z軸を図2および図5のように定義し、X軸方向に平行な力をFx、Y軸方向に平行な力をFy、Z軸方向に平行な力をFz、X軸回りのモーメントをMx、Y軸回りのモーメントをMy、Z軸回りのモーメントをMzとする。
(Detection principle)
Next, the principle of detecting six-axis forces (Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz) applied to the force receiving surface using the
また、本具体例では、図5(a)に示すように、検出素子として24個の歪ゲージR11〜R14、R21〜R24、R31〜R34、R41〜R44、R51〜R54、R61〜R64を用いている。歪ゲージR11〜R14、R21〜R24、R31〜R34、R41〜R44、R51〜R54、R61〜R64は、引張りによる歪に対しては抵抗値が大きくなり、圧縮による歪に対しては抵抗値が小さくなるものとする。 In this specific example, as shown in FIG. 5A, 24 strain gauges R11 to R14, R21 to R24, R31 to R34, R41 to R44, R51 to R54, R61 to R64 are used as detection elements. ing. The strain gauges R11 to R14, R21 to R24, R31 to R34, R41 to R44, R51 to R54, and R61 to R64 have a large resistance value against strain caused by tension, and a resistance value against strain caused by compression. It shall be smaller.
図5(a)に示すように、歪ゲージR11、R12、R21、R22、R31、R32、R41、R42、R51、R52、R61、R62は、第1ダイヤフラム部12の後端面(厳密には、第1ダイヤフラム部12の後端面と支柱体30の後端面との境界線、および第1ダイヤフラム部12の後端面と第1バルク部11の後端面との境界線)上に配置される。歪ゲージR13、R14、R23、R24、R33、R34、R43、R44、R53、R54、R63、R64は、力の検出に寄与しないダミーゲージであり、第1バルク部11の後端面に配置される。
As shown in FIG. 5 (a), the strain gauges R11, R12, R21, R22, R31, R32, R41, R42, R51, R52, R61, R62 are the rear end face of the first diaphragm portion 12 (strictly speaking, The boundary line between the rear end surface of the
図6(a)は、X軸方向に平行な力Fxが加えられたときの歪ゲージR11、R12、R21、R22およびR31、R32、R41、R42を通る断面図である。Fxが加えられた場合、多軸センサ1Aは図6(a)のように変形し、R11、R21、R32、R42は引っ張られて抵抗値が上昇する。R12、R22、R31、R41は圧縮され抵抗値が低下する。R51、R52、R61、R62はR11、R12、R21、R22の変化に準じ、R51、R61は抵抗値が上昇し、R52、R62は抵抗値が低下する。
FIG. 6A is a cross-sectional view passing through the strain gauges R11, R12, R21, R22 and R31, R32, R41, R42 when a force Fx parallel to the X-axis direction is applied. When Fx is added, the
Y軸方向に平行な力Fyが加えられた場合、R11、R12、R21、R22およびR51、R52、R61、R62はFxが加えられた場合のR11、R12、R21、R22に準じた抵抗変化をする。すなわち、R11、R21、R52、R62は引っ張られて抵抗値が上昇する。R12、R22、R51、R61は圧縮され抵抗値が低下する。R31、R32、R41、R42はゲージに対して直角に力が加わっているためほとんど抵抗変化が起こらない。 When a force Fy parallel to the Y-axis direction is applied, R11, R12, R21, R22 and R51, R52, R61, R62 exhibit resistance changes according to R11, R12, R21, R22 when Fx is applied. To do. That is, R11, R21, R52, and R62 are pulled to increase the resistance value. R12, R22, R51, and R61 are compressed and the resistance value decreases. In R31, R32, R41, and R42, since a force is applied at a right angle to the gauge, almost no resistance change occurs.
図6(b)は、Z軸方向に平行な力Fzが加えられたときの歪ゲージR11、R12、R21、R22およびR31、R32、R41、R42を通る断面図である。Fzが加えられた場合、多軸センサ1Aは図6(b)のように変形し、R11、R22、R31、R42は引っ張られて抵抗値が上昇する。R12、R21、R32、R41は圧縮され抵抗値が低下する。R51、R52、R61、R62はR11、R12、R21、R22の変化に準じ、R51、R62は抵抗値が上昇し、R52、R61は抵抗値が低下する。
FIG. 6B is a cross-sectional view passing through the strain gauges R11, R12, R21, R22 and R31, R32, R41, R42 when a force Fz parallel to the Z-axis direction is applied. When Fz is added, the
図6(c)は、X軸回りのモーメントMxが加えられたときの歪ゲージR11、R12、R21、R22およびR31、R32、R41、R42を通る断面図である。Mxが加えられた場合、多軸センサ1Aは図6(c)のように変形し、R11、R22、R32、R41は引っ張られて抵抗値が上昇する。R12、R21、R31、R42は圧縮され抵抗値が低下する。R51、R52、R61、R62はR11、R12、R21、R22の変化に準じ、R51、R62は抵抗値が上昇し、R52、R61は抵抗値が低下する。
FIG. 6C is a cross-sectional view passing through the strain gauges R11, R12, R21, R22 and R31, R32, R41, R42 when the moment Mx about the X axis is applied. When Mx is added, the
図6(d)は、Y軸回りのモーメントMyが加えられたときの歪ゲージR11、R12、R21、R22およびR31、R32、R41、R42を通る断面図である。Myが加えられた場合、多軸センサ1Aは図6(d)のように変形し、R11、R22、R31、R41は引っ張られて抵抗値が上昇する。R12、R21、R32、R42は圧縮され抵抗値が低下する。R51、R52、R61、R62はR11、R12、R21、R22とY軸対称に位置するため、R52、R61は抵抗値が上昇し、R51、R62は抵抗値が低下する。
FIG. 6D is a cross-sectional view passing through the strain gauges R11, R12, R21, R22 and R31, R32, R41, R42 when the moment My around the Y axis is applied. When My is added, the
図6(e)は、Z軸回りのモーメントMzが加えられたときの歪ゲージR11、R12、R21、R22およびR31、R32、R41、R42を通る断面図である。Mzが加えられた場合、多軸センサ1Aは図6(e)のように変形し、R12、R22、R32、R42は引っ張られて抵抗値が上昇する。R11、R21、R31、R41は圧縮され抵抗値が低下する。R51、R52、R61、R62はR11、R12、R21、R22の変化に準じ、R52、R62は抵抗値が上昇し、R51、R61は抵抗値が低下する。
FIG. 6E is a cross-sectional view passing through the strain gauges R11, R12, R21, R22 and R31, R32, R41, R42 when the moment Mz about the Z axis is applied. When Mz is added, the
表1に、X軸方向に平行な力Fx、Y軸方向に平行な力Fy、Z軸方向に平行な力Fz、X軸回りのモーメントMx、Y軸回りのモーメントMy、Z軸回りのモーメントMzに対する歪ゲージR11、R12、R21、R22、R31、R32、R41、R42、R51、R52、R61、R62の抵抗値の変化を示す。表1中の+は抵抗値の増加を示し、表1中の−は抵抗値の減少を示し、表1中の空欄は抵抗値の変化がないまたは非常に小さいことを示す。さらに、表1では、+の数が多いほど、抵抗値の増加が大きいことを示し、−の数が多いほど、抵抗値の減少が大きいことを示す。 Table 1 shows a force Fx parallel to the X axis direction, a force Fy parallel to the Y axis direction, a force Fz parallel to the Z axis direction, a moment Mx around the X axis, a moment My around the Y axis, and a moment around the Z axis. The change of the resistance value of the strain gauges R11, R12, R21, R22, R31, R32, R41, R42, R51, R52, R61, and R62 with respect to Mz is shown. + In Table 1 indicates an increase in resistance value,-in Table 1 indicates a decrease in resistance value, and a blank in Table 1 indicates that the resistance value does not change or is very small. Furthermore, in Table 1, it shows that the increase of resistance value is so large that the number of + is large, and it shows that the reduction | decrease of resistance value is so large that the number of-is large.
表1の特性を利用すれば、歪ゲージR11、R12、R21、R22、R31、R32、R41、R42、R51、R52、R61、R62の各抵抗値の変化を測定することで、多軸センサ1Aの受力面に加えられた6軸の力(Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz)を検出することができる。例えば、下記の式によって各力およびモーメントを算出することができる。
また、抵抗値の変化を測定する代わりに、図5(b)に示す電圧V1〜V6を測定してもよい。具体的には、正確に6軸の力(Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz)をそれぞれ加えたときの電圧V1〜V6の各電圧特性を計測することによって6行6列のキャリブレーション行列を求めることができる。そして、下記の式で示しているように、任意の力が加わったときの各電圧V1〜V6とキャリブレーション行列を乗ずることによって正確な6軸の力を求めることができる。
電圧V1〜V6の測定は、例えば、歪ゲージR11〜R14、R21〜R24、R31〜R34、R41〜R44、R51〜R54、R61〜R64を用いて、図5(b)に示す2アクティブ2ダミーのブリッジ回路を6つ形成し、各ブリッジ回路の一端に所定の電圧Eを加えることにより行われる。なお、このブリッジ回路は、一例であって、4アクティブのブリッジ回路になるように歪ゲージを配置してもよいし、1アクティブ3ダミーのブリッジ回路になるように歪ゲージを配置してもよい。 The voltages V1 to V6 are measured using, for example, strain gauges R11 to R14, R21 to R24, R31 to R34, R41 to R44, R51 to R54, and R61 to R64, as shown in FIG. 6 is formed, and a predetermined voltage E is applied to one end of each bridge circuit. This bridge circuit is an example, and a strain gauge may be arranged so as to become a 4-active bridge circuit, or a strain gauge may be arranged so as to become a 1-active 3-dummy bridge circuit. .
本実施形態に係る多軸センサ1Aでは、歪ゲージR11、R12、R21、R22、R31、R32、R41、R42、R51、R52、R61、R62、および歪ゲージR13、R14、R23、R24、R33、R34、R43、R44、R53、R54、R63、R64は同一平面内に配置することができるので、歪みゲージを貼り付ける作業が容易であり製作効率も高くコストを低減できる効果がある。
In the
また、本実施形態に係る多軸センサ1Aでは、歪みゲージを貼り付けた面に対向する形態で信号処理回路基板を配置すれば、最短距離で歪みゲージの端子と信号処理回路を電気的に接続することができるのでノイズを抑制する効果も高いものにすることができる。
Further, in the
[第2実施形態]
(構造)
図7に、本発明の第2実施形態に係る多軸センサ1Bを示す。
[Second Embodiment]
(Construction)
FIG. 7 shows a multi-axis sensor 1B according to the second embodiment of the present invention.
多軸センサ1Bは、第1バルク部111、第1ダイヤフラム部112およびフランジ部113を含む第1起歪体110と、第2バルク部121および第2ダイヤフラム部122を含む第2起歪体120と、3本の支柱体130とを備えている。
The multi-axis sensor 1B includes a
多軸センサ1Bは、第2ダイヤフラム部122の後端面が第2バルク部121の後端面よりも前端側に位置していること以外、第1実施形態に係る多軸センサ1Aと大部分が共通している。言い換えれば、多軸センサ1Bでは、3本の支柱体130が多軸センサ1Aの3本の支柱体30よりも長くなっている。このように、支柱体130を長くすることで、より小さな力および歪を第1起歪体110の後端面(検出素子)に伝達することができる。
The multi-axis sensor 1B is mostly common to the
したがって、多軸センサ1Bによれば、第1実施形態に係る多軸センサ1Aよりも、力および当該力によって発生する歪の検出感度を向上させることができる。
Therefore, according to the multi-axis sensor 1B, the detection sensitivity of the force and distortion generated by the force can be improved as compared with the
(製造方法)
次に、多軸センサ1Bの製造方法について説明する。
(Production method)
Next, a method for manufacturing the multi-axis sensor 1B will be described.
多軸センサ1Bの製造方法は、切欠き部141を第1実施形態における切欠き部41よりも浅く形成すること、および切削手段によりバルク部材の外周面から切削加工して第3溝部144を形成すること以外、多軸センサ1Aの製造方法と大部分が共通している。
In the manufacturing method of the multi-axis sensor 1B, the
第3溝部144は、第1実施形態における第1溝部42よりも前方に延びた第1溝部142を形成することで、第1溝部142の一部として形成してもよいし、第1実施形態における第1溝部42と同じ長さの第1溝部142を形成し、当該第1溝部142とは別に(切欠き部41の後方でかつ第1溝部142の前方に)形成してもよい。
The
このように、第1実施形態における切欠き部41よりも浅い切欠き部141を形成し、かつ第3溝部144を形成することで、第1実施形態における支柱体30よりも長い支柱体130を備えた多軸センサ1Bを製造することができる。したがって、本実施形態に係る製造方法によれば、第1実施形態に係る製造方法で製造した多軸センサ1Aよりも検出感度の高い多軸センサ1Bを製造することができる。
Thus, the
[第3実施形態]
(構造)
図8および図9に、本発明の第3実施形態に係る多軸センサ1Cを示す。
[Third Embodiment]
(Construction)
8 and 9 show a
多軸センサ1Cは、第1バルク部211および第1ダイヤフラム部212を含む第1起歪体210と、第2バルク部221および第2ダイヤフラム部222を含む第2起歪体220と、3本の支柱体230とを備えている。第1起歪体210の後端面が検出面となり、第2起歪体220の前端面が受力面となる。
The
3本の支柱体230は、第1起歪体210の後端面(検出面)と第2起歪体220の第2ダイヤフラム部222の前端面との間において、前後方向に延びている。3本の支柱体230は、周方向に対向する2つの側面が平行に形成されており、平面視および底面視において長方形状を呈している(図8(c)および(f)参照)。さらに、第1起歪体210および第2起歪体220の中央には、貫通穴240が形成されている。
The three
第1ダイヤフラム部212は、後端面が第1バルク部211の後端面および支柱体230の後端面と同一平面上に位置し、かつ前端面が第1バルク部211の前端面よりも後方に位置するように形成されている。第1ダイヤフラム部212は、図8(f)に示すように、支柱体230の側面のうち周方向に隣り合う2つの側面に沿って、第1起歪体210の外周面(第1起歪体210の後端面の外周縁)まで達するように形成されている。図8(f)のクロスハッチの部分が、第1ダイヤフラム部212の後端面を示している。
The
第1バルク部211は、第1起歪体210の後端面(検出面)から前端面にわたって、第1ダイヤフラム部212よりも厚肉に形成されている。また、第1バルク部211は、図8(f)に示すように、底面視において扇形状を呈する。
The
第2ダイヤフラム部222は、後端面が第2バルク部221の後端面と同一平面上に位置し、かつ前端面が第2バルク部221の前端面よりも後方に位置するように形成されている。また、第2ダイヤフラム部222は、支柱体230の側面のうち周方向に隣り合う2つの側面に沿って、第2起歪体220の外周面(第2起歪体220の後端面の外周縁)まで達するように形成されている。第2ダイヤフラム部222と第1ダイヤフラム部212は、前後方向に対向している。
The
第2バルク部221は、第2起歪体220の後端面から前端面(受力面)にわたって、第2ダイヤフラム部222よりも厚肉に形成されている。また、第2バルク部221は、図8(c)に示すように、平面視において扇形状を呈する。
The
結局、多軸センサ1Cでは、第1起歪体210および第2起歪体220の中央に貫通穴240が形成されているため、容易に平行部分を有する概長方形の支柱体230を形成することができる。支柱体230の幅の設定によっては第1実施形態に係る多軸センサ1Aと比較して検出感度は低下するものの、センサ全体の剛性を増加させることができる。また、中央の貫通穴240を使用して他のセンサおよび機器からのケーブル等を通すことができ、例えばロボットアームの形状を小さくするなどの省スペース化が実現できる。
After all, in the
(製造方法)
次に、多軸センサ1Cの製造方法について説明する。
(Production method)
Next, a manufacturing method of the
多軸センサ1Cの製造方法は、第1ダイヤフラム部212および第2ダイヤフラム部222を形成する第1工程と、互いに離間した第1起歪体210および第2起歪体220を形成する第2工程とを含む。
The manufacturing method of the
第1工程では、まず、前後方向に延びた円柱状のバルク部材を用意し、切削手段により当該バルク部材の天面または底面から切削加工して、バルク部材の中央に貫通穴240を形成する。
In the first step, first, a cylindrical bulk member extending in the front-rear direction is prepared, and the through
次いで、切削手段により当該バルク部材の外周面または天面から切削加工して、バルク部材の天面側に平行部分を有する3つの概長方形の切欠きからなる切欠き部241を形成する。切欠き部241を形成することで、図8(c)に示すように、3本の支柱体230の前端面および第2ダイヤフラム部222の前端面が形成される。
Next, cutting is performed from the outer peripheral surface or the top surface of the bulk member by a cutting means to form a
続いて、切削手段によりバルク部材の外周面から切削加工して、切欠き部241の後方に前後方向に延びる6つの溝からなる第1溝部242を形成する。第1溝部242を構成する6つの溝は、中央の貫通穴240にまで達する。言い換えれば、第1溝部242は、平断面視において平行部をもつ6つの溝からなる。このように第1溝部242を形成することで、バルク部材に、第1ダイヤフラム部212および第2ダイヤフラム部222が形成される。なお、切欠き部241の形成と第1溝部242の形成は、どちらを先に行ってもよい。
Subsequently, the
第2工程では、切削手段によりバルク部材の外周面から切削加工して、第1溝部242と連結した第2溝部243を形成する(図8(b)参照)。具体的には、第1バルク部211と第2バルク部221との隙間に相当する部分に、第2溝部243を形成する。このように第2溝部243を形成することで、第1起歪体210と第2起歪体220とが離間される。最後に、第1起歪体210の後端面に検出素子を設けることで、多軸センサ1Cが完成する。なお、本実施形態においても、第1実施形態と同様にフランジ部13を形成し、カバー体を取り付けてもよい。
In the second step, the
本実施形態に係る製造方法によれば、第1実施形態に係る製造方法で製造した多軸センサ1Aよりもセンサ全体の剛性を向上させ、中央の貫通穴240にケーブル等を通すことができる多軸センサ1Cを製造することができる。
According to the manufacturing method according to this embodiment, the rigidity of the entire sensor is improved compared to the
[第4実施形態]
(構造)
図10に、本発明の第4実施形態に係る多軸センサ1Dを示す。
[Fourth Embodiment]
(Construction)
FIG. 10 shows a multi-axis sensor 1D according to the fourth embodiment of the present invention.
多軸センサ1Dは、第1バルク部311および第1ダイヤフラム部312を含む第1起歪体310と、第2バルク部321および第2ダイヤフラム部322を含む第2起歪体320と、4本の支柱体330とを備えている。
The multi-axis sensor 1D includes a
支柱体330は、第1実施形態における支柱体30よりも太く形成されており、平面視および底面視において扇形状を呈している(図10(c)参照)。4本の支柱体330を第1起歪体310の前端面で切断した場合、4本の支柱体330の断面積は、第1バルク部311の前端面の面積よりも遥かに大きくなる。多軸センサ1Dでは、4本の支柱体330を備えていることにより、第1実施形態に係る多軸センサ1Aと比較してセンサ全体の強度(剛性)を増加させることができる。
The
(製造方法)
多軸センサ1Dの製造方法は、バルク部材の天面側に4つの扇形状の切欠きからなる切欠き部341を形成すること、および切欠き部341の後方に前後方向に延びる8つの溝(平断面視においてV字形状を呈する4つの溝)からなる第1溝部342を形成すること以外、多軸センサ1Aの製造方法と大部分が共通している。
(Production method)
The multi-axis sensor 1D is manufactured by forming a
[第5実施形態]
(構造)
図11に、本発明の第5実施形態に係る多軸センサ1Eを示す。
[Fifth Embodiment]
(Construction)
FIG. 11 shows a multi-axis sensor 1E according to the fifth embodiment of the present invention.
多軸センサ1Eは、第1バルク部411および第1ダイヤフラム部412を含む第1起歪体410と、第2バルク部421および第2ダイヤフラム部422を含む第2起歪体420と、6本の支柱体430とを備えている。第1起歪体410の後端面が検出面となり、第2起歪体420の前端面が受力面となる。
The multi-axis sensor 1E includes a
多軸センサ1Eでは、6本の支柱体430を備えていることにより、第4実施形態に係る多軸センサ1Dと比較して切削加工は複雑化するものの、多軸センサ1Dよりも検出感度の低下を抑制しつつセンサ全体の強度を増加させることができる。
In the multi-axis sensor 1E, since the six
(製造方法)
多軸センサ1Eの製造方法は、バルク部材の天面側に6つの扇形状の切欠きからなる切欠き部441を形成すること、および切欠き部441の後方に前後方向に延びる12の溝(平断面視においてV字形状を呈する6つの溝)からなる第1溝部442を形成すること以外、多軸センサ1Dの製造方法と大部分が共通している。
(Production method)
The multi-axis sensor 1E is manufactured by forming
[第6実施形態]
(構造)
図12および図13に、本発明の第6実施形態に係る多軸センサ1Fを示す。
[Sixth Embodiment]
(Construction)
12 and 13 show a multi-axis sensor 1F according to a sixth embodiment of the present invention.
多軸センサ1Fは、第1バルク部511、第1ダイヤフラム部512およびフランジ部513を含む第1起歪体510と、第2バルク部521および第2ダイヤフラム部522を含む第2起歪体520と、3本の支柱体530とを備えている。第1起歪体510の後端面が検出面となり、第2起歪体520の前端面が受力面となる。
The multi-axis sensor 1F includes a
3本の支柱体530は、第1起歪体510の後端面と第2起歪体520の第2ダイヤフラム部522の前端面との間において、前後方向に延びている。3本の支柱体530は、図13(a)に示すように、いずれも4つの側面を有し、4つの側面のうち、多軸センサ1F(第1起歪体510)の周方向に対向する2つの側面は、双方が平面である。多軸センサ1F(第1起歪体510)の径方向に対向する2つの側面は、第1起歪体510の後端面と第1起歪体510の前端面の間では、外側の側面が平面、内側の側面が曲面であり、第1起歪体510の前端面と第2ダイヤフラム部522の前端面との間では、双方が曲面である。
The three
また、多軸センサ1Fには、図12(c)および図13(a)に示すように、支柱体530を第1バルク部511および第2バルク部521から分離させるために連通穴545が形成されている。連通穴545の断面は、円形に限らず、長穴等であってもよい。
Further, as shown in FIGS. 12C and 13A, the multi-axis sensor 1F is formed with a
第1ダイヤフラム部512は、後端面が第1バルク部511の後端面および支柱体530の後端面と同一平面上に位置し、かつ前端面が第1バルク部511の前端面よりも後方に位置するように形成されている。また、第1ダイヤフラム部512は、支柱体530の側面のうち周方向に隣り合う2つの側面および径方向内側の側面に沿って、第1起歪体510の外周面(第1起歪体510の後端面の外周縁)まで達するように形成されている。
The
第1バルク部511は、第1起歪体510の後端面から前端面にわたって第1ダイヤフラム部512よりも厚肉に形成されている。また、フランジ部513は、第1バルク部511の外周面前端に形成されている。フランジ部513の外周面を結ぶ円は、第2起歪体520の外周面を結ぶ円と径が同じになる。フランジ部513には、検出面を覆うカバー体(不図示)が、第1ダイヤフラム部512から離間した状態で取り付けられる。
The
第2ダイヤフラム部522は、後端面が第2バルク部521の後端面と同一平面上に位置し、かつ前端面が第2バルク部521の前端面よりも後方に位置するように形成されている。第2ダイヤフラム部522は、支柱体530の側面のうち周方向に隣り合う2つの側面に沿って、連通穴545から第2起歪体520の外周面(第2起歪体520の後端面の外周縁)まで達するように形成されている。第2ダイヤフラム部522と第1ダイヤフラム部512は、前後方向に対向している。また、第2バルク部521は、第2起歪体520の後端面から前端面(受力面)にわたって厚肉に形成されている。
The
本実施形態に係る多軸センサ1Fでは、4つの側面を有する3本の支柱体530を備えているので、第1実施形態に係る多軸センサ1Aよりも、センサ全体の強度(剛性)を増加させることができる。
Since the multi-axis sensor 1F according to the present embodiment includes three
(製造方法)
次に、多軸センサ1Fの製造方法について説明する。
(Production method)
Next, a manufacturing method of the multi-axis sensor 1F will be described.
多軸センサ1Fの製造方法は、第1ダイヤフラム部512および第2ダイヤフラム部522を形成する第1工程と、互いに離間した第1起歪体510および第2起歪体520を形成する第2工程とを含む。
The manufacturing method of the multi-axis sensor 1F includes a first step of forming the
第1工程では、まず、前後方向に延びた円柱状のバルク部材を用意し、切削手段によりバルク部材の外周面または天面から切削加工して、バルク部材の天面側に3つの切欠きからなる切欠き部541を形成する。切欠き部541を形成することで、3本の支柱体530の前端面および第2ダイヤフラム部522の前端面が形成される。
In the first step, first, a cylindrical bulk member extending in the front-rear direction is prepared, and cutting is performed from the outer peripheral surface or the top surface of the bulk member by a cutting means, and three notches are formed on the top surface side of the bulk member. A
続いて、切削手段によりバルク部材の外周面から切削加工して、切欠き部541の後方に前後方向に延びる6つの溝からなる第1溝部542を形成する。第1溝部542を構成する6つの溝部は、バルク部材の中心側に向かって互いの距離が近くなるように形成される。さらに、切削手段によりバルク部材の天面から切削加工して、切欠き部541および2本の第1溝部542に連通した連通穴545を形成する(図13(a)および(b)参照)。これにより、バルク部材に、第1ダイヤフラム部512および第2ダイヤフラム部522が形成され、かつ支柱体530の側面のうち周方向に隣り合う2つの側面および径方向内側の側面が形成される。なお、切欠き部541の形成、第1溝部542の形成および連通穴545の形成は、どれを先に行ってもよい。
Subsequently, the
第2工程では、切削手段によりバルク部材の外周面から切削加工して、連結穴545で連通されていない隣り合う2本の第1溝部542および連通穴545と連結した第2溝部543を形成する。具体的には、第1バルク部511と第2バルク部521との隙間に相当する部分に、第2溝部543を形成する。このように第2溝部543を形成することで、図13(b)に示すように、第1起歪体510と第2起歪体520とが離間される。
In the second step, cutting is performed from the outer peripheral surface of the bulk member by cutting means to form two adjacent
続いて、切削手段によりバルク部材の底面または外周面から切削加工して、フランジ部513および3本の支柱体530の外周面(多軸センサ1Fの外周面の一部を構成する側面)を形成する。最後に、第1起歪体510の後端面に検出素子を設け、カバー体を取り付けることで、多軸センサ1Fが完成する。
Subsequently, cutting is performed from the bottom surface or the outer peripheral surface of the bulk member by a cutting means to form the outer peripheral surfaces of the
[第7実施形態]
図14に、本発明の第7実施形態に係る多軸センサ1Gを示す。
[Seventh Embodiment]
FIG. 14 shows a multi-axis sensor 1G according to the seventh embodiment of the present invention.
多軸センサ1Gは、図14に示すように、静電容量型のセンサであって、第1バルク部611および第1ダイヤフラム部612を含む第1起歪体610と、第2バルク部621および第2ダイヤフラム部622を含む第2起歪体620と、4本の支柱体630とを備え、第1起歪体610の後端面(検出面)に支持体640を取り付け、かつ検出面に設けた変位電極650と支持体640に設けた固定電極660とを対向させたものである。
As shown in FIG. 14, the multi-axis sensor 1G is a capacitance type sensor, and includes a
変位電極650は、例えば、図15に示すように配置された電極D11〜D15、D21〜D25、D31〜D35、D41〜D45からなる。なお、固定電極660にも、変位電極650と同様に対向する形態で図示しない電極D’11〜D’15、D’21〜D’25、D’31〜D’35、D’41〜D’45が配置されており、図16のように静電容量(コンデンサ)C11〜C15、C21〜C25、C31〜C35、C41〜C45を構成している。なお、固定電極660または変位電極650のどちらかの電極群を電気的に接続または一つの電極に置き換え共通電極としても、静電容量(コンデンサ)C11〜C15、C21〜C25、C31〜C35、C41〜C45を構成できるので発明の本質は失われない。
The
一般にコンデンサの静電容量Cは、
C=εS/d ε:誘電率 S:対向する電極の面積 d:電極間距離
で表される。本発明では、εとSは一定と見なすことができるが電極間距離dは力を受けて変化するので、静電容量Cは電極間距離dにより変化する。
Generally, the capacitance C of a capacitor is
C = εS / d ε: Dielectric constant S: Area of opposing electrode d: Expressed by distance between electrodes In the present invention, ε and S can be considered to be constant, but the interelectrode distance d changes upon receiving a force, so the capacitance C changes with the interelectrode distance d.
図17(a)に示すようにX軸に平行な力Fxを加えた場合は、電極D11とD’11、D31とD’31、の距離が小さくなるので静電容量C11、C31は増加し、電極D12とD’12、D32とD’32、の距離が大きくなるので静電容量C12、C32は減少し、電極D13とD’13、D14とD’14、D15とD’15、電極D33とD’33、D34とD’34、D35とD’35の距離はほとんど変わらないので、静電容量C13、C14、C15、C33、C34、C35はほとんど変化しない。Y軸に平行な力Fyを受けた場合も、対称性より同様のことが言える。Z軸に平行な力Fzを加えた場合は、図17(b)のように変位するので、静電容量C11〜C15、C31〜C35が減少する。 As shown in FIG. 17A, when a force Fx parallel to the X axis is applied, the distance between the electrodes D11 and D'11 and D31 and D'31 decreases, so that the capacitances C11 and C31 increase. Since the distances between the electrodes D12 and D'12 and D32 and D'32 are increased, the capacitances C12 and C32 are decreased, and the electrodes D13 and D'13, D14 and D'14, D15 and D'15, and the electrodes Since the distances between D33 and D'33, D34 and D'34, and D35 and D'35 hardly change, the capacitances C13, C14, C15, C33, C34, and C35 hardly change. The same can be said for symmetry when a force Fy parallel to the Y-axis is applied. When a force Fz parallel to the Z-axis is applied, displacement occurs as shown in FIG. 17B, and the capacitances C11 to C15 and C31 to C35 decrease.
Y軸回りのモーメントMyを加えた場合は、図18(a)のように変位するので、静電容量C11〜C15は増加し、静電容量C31〜C35が減少する。X軸回りのモーメントMxを加えた場合も、対称性より同様のことが言える。Z軸回りのモーメントMzを加えた場合は、図18(b)のように変位するので、静電容量C13は増加し、静電容量C14が減少し、静電容量C11、C12、C15はほとんど変化しない。 When the moment My around the Y-axis is applied, the displacement occurs as shown in FIG. 18A, so that the capacitances C11 to C15 increase and the capacitances C31 to C35 decrease. The same can be said from the symmetry when the moment Mx about the X axis is added. When the moment Mz about the Z axis is applied, the displacement is made as shown in FIG. 18B, so that the capacitance C13 increases, the capacitance C14 decreases, and the capacitances C11, C12, C15 are almost all. It does not change.
以上の力と各静電容量の関係を表2に示す。表2において、+は静電容量の増加を、−は静電容量の減少を、空欄はほとんど変化しないことを示す。逆向きの力を加えた場合は、+と−の符号が入れ替わる。 Table 2 shows the relationship between the above force and each capacitance. In Table 2, + indicates an increase in capacitance,-indicates a decrease in capacitance, and a blank indicates little change. When a reverse force is applied, the signs of + and-are switched.
表2の特性から6軸の力(Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz)は、例えば、下記の式により求めることができる。
多軸センサ1Gでは、第1起歪体610、第2起歪体620などセンサの構造体を金属などの導電性材料で構成することにより、電極D11〜D15、D21〜D25、D31〜D35、D41〜D45に相当する共通電極とすることもできる。この場合、電極D11〜D15、D21〜D25、D31〜D35、D41〜D45が不要となりコストダウンを図ることができる。
In the multi-axis sensor 1G, the structure of the sensor such as the
支持体640を金属などの導電性材料で構成することにより、電極D’11〜D’15、D’21〜D’25、D’31〜D’35、D’41〜D’45に相当する共通電極とすることもできる。この場合、電極D’11〜D’15、D’21〜D’25、D’31〜D’35、D’41〜D’45が不要となりコストダウンを図ることができる。
Corresponding to electrodes D′ 11 to D′ 15, D′ 21 to D′ 25, D′ 31 to D′ 35, and D′ 41 to D′ 45 by configuring the
本実施形態では、C11〜C15、C21〜C25、C31〜C35、C41〜C45の合計20個の静電容量を構成する電極を設けたが、必要に応じて省略しても6軸の力を求めることができる。これについては、例えば、特開2008−96229号公報に開示された構成を適用することができる。さらに高い精度で6軸の力を求める方法についても(例えば、特開2008−96229号の段落[0049]〜[0053]参照)、本件発明に適用可能である。 In this embodiment, electrodes constituting a total of 20 capacitances C11 to C15, C21 to C25, C31 to C35, and C41 to C45 are provided. Can be sought. For this, for example, the configuration disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-96229 can be applied. A method for obtaining a six-axis force with higher accuracy (see, for example, paragraphs [0049] to [0053] of JP-A-2008-96229) is also applicable to the present invention.
以上、本発明に係る多軸センサの各実施形態について説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではない。 As mentioned above, although each embodiment of the multi-axis sensor concerning the present invention was described, the present invention is not limited to each above-mentioned embodiment.
本発明では、第1ダイヤフラム部が、第1起歪体の後端面(検出面)の一部を構成し、かつ第1起歪体の後端面の外周縁まで達していることにより、単一部材を切削加工して第1起歪体、第2起歪体および支柱体を一体的に形成することができるのであれば、形状、材質、支柱体の数等は適宜変更することができる。 In the present invention, the first diaphragm portion constitutes a part of the rear end surface (detection surface) of the first strain body and reaches the outer peripheral edge of the rear end surface of the first strain body. If the member can be cut to form the first strain body, the second strain body, and the support body integrally, the shape, material, number of support bodies, and the like can be changed as appropriate.
本発明では、円柱状のバルク部材を切削手段により切削加工して多軸センサを製造しているが、例えば、角柱状のバルク部材を切削加工して多軸センサを製造してもよい。すなわち、本発明では、柱状のバルク部材から多軸センサを製造することができる。 In the present invention, a multi-axis sensor is manufactured by cutting a cylindrical bulk member with a cutting means. However, for example, a multi-axis sensor may be manufactured by cutting a prismatic bulk member. That is, in the present invention, a multi-axis sensor can be manufactured from a columnar bulk member.
本発明では、力の検出素子の例として歪みゲージと静電容量(コンデンサ)を取り上げたが、ピエゾ抵抗素子、感圧抵抗インクでもよい。 In the present invention, a strain gauge and a capacitance (capacitor) are taken up as examples of the force detection element, but a piezoresistive element or pressure-sensitive resistance ink may be used.
1A〜1G 多軸センサ
10、110、210、310、410、510、610 第1起歪体
11、111、211、311、411、511、611 第1バルク部
12、112、212、312、412、512、612 第1ダイヤフラム部
13、113、513 フランジ部
20、120、220、320、420、520、620 第2起歪体
21、121、221、321、421、521、621 第2バルク部
22、122、222、322、422、522、622 第2ダイヤフラム部
30、130、230、330、430、530、630 支柱体
41、141、241、341、441、541 切欠き部
42、142、242、342、442、542 第1溝部
43、143、243、343、443、543 第2溝部
144 第3溝部
240 貫通穴
545 連通穴
1A to
Claims (11)
第2バルク部と、前記第1ダイヤフラム部に対向するとともに前記第2バルク部よりも薄肉に形成された第2ダイヤフラム部とを含み、測定対象に取り付けられる前端面を有する第2起歪体と、
前記第1ダイヤフラム部と前記第2ダイヤフラム部とを連結する支柱体と、を備え、
前記第1ダイヤフラム部は、前記第1起歪体の後端面の一部を構成し、かつ前記第1起歪体の後端面の外周縁まで達しており、
前記第1起歪体と前記第2起歪体とは離間して配置されており、
前記第1起歪体、前記第2起歪体および前記支柱体は、単一部材を切削加工することにより一体的に形成されている
ことを特徴とする多軸センサ。 A first strain body including a first bulk part and a first diaphragm part formed thinner than the first bulk part, and having a rear end face provided with a detection element;
A second strain body including a second bulk section and a second diaphragm section facing the first diaphragm section and formed thinner than the second bulk section, and having a front end face attached to a measurement target; ,
A column body connecting the first diaphragm part and the second diaphragm part;
The first diaphragm portion constitutes a part of the rear end surface of the first strain body and reaches the outer periphery of the rear end surface of the first strain body,
The first strain body and the second strain body are disposed apart from each other,
The multi-axis sensor, wherein the first strain body, the second strain body, and the support body are integrally formed by cutting a single member.
前記カバー体は、前記第1バルク部の外周面に形成されたフランジ部に取り付けられ、前記第1ダイヤフラム部から離間している
ことを特徴とする請求項1に記載の多軸センサ。 A cover body covering the rear end surface;
2. The multi-axis sensor according to claim 1, wherein the cover body is attached to a flange portion formed on an outer peripheral surface of the first bulk portion, and is separated from the first diaphragm portion.
ことを特徴とする請求項1または2に記載の多軸センサ。 3. The multi-axis sensor according to claim 1, wherein the second diaphragm portion has a rear end surface positioned in front of a rear end surface of the second bulk portion.
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の多軸センサ。 The cross-sectional area of the said support | pillar body becomes larger than the area of the front-end surface of a said 1st bulk part, when the said support | pillar body is cut | disconnected by the front-end surface of the said 1st bulk part. The multi-axis sensor according to any one of the above.
前記4つの側面のうち、前記第1起歪体の周方向に対向する2つの側面は、双方が平面であり、前記第1起歪体の径方向に対向する2つの側面は、少なくとも内側の側面が曲面である
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の多軸センサ。 The support body has four side surfaces,
Of the four side surfaces, two side surfaces facing the circumferential direction of the first strain body are both flat surfaces, and two side surfaces facing the radial direction of the first strain body are at least on the inner side. The multi-axis sensor according to claim 1, wherein the side surface is a curved surface.
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の多軸センサ。 6. The multi-axis sensor according to claim 1, wherein a through-hole extending in the front-rear direction is formed at a center of the first strain body and the second strain body. .
複数の前記検出素子が同一平面上に設けられている
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の多軸センサ。 A rear end surface of the first strain body is formed flat;
The multi-axis sensor according to claim 1, wherein the plurality of detection elements are provided on the same plane.
ことを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の多軸センサ。 The multi-axis sensor according to any one of claims 1 to 7, wherein the detection element has a resistance value that changes when a strain is generated on a rear end surface of the first strain body.
ことを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の多軸センサ。 The multi-axis sensor according to claim 1, wherein the detection element has a capacitance value that changes when a rear end surface of the first strain body is displaced.
切削手段により前後方向に延びた柱状のバルク部材の外周面または前端面側から切削加工して、前記バルク部材の前端面側に切欠き部を形成し、かつ前記切削手段により前記バルク部材の外周面側から切削加工して、前記切欠き部の後方に前後方向に延びる第1溝部を形成することで、前記第1ダイヤフラム部および前記第2ダイヤフラム部を形成する第1工程と、
前記切削手段により前記バルク部材の外周面側から切削加工して、前記第1溝部と連結した第2溝部を形成することにより、互いに離間した前記第1起歪体および前記第2起歪体を形成する第2工程と、を含む
ことを特徴とする多軸センサの製造方法。 A first strain body having a first diaphragm portion on the rear end face side, and a second strain body having a second diaphragm portion disposed in front of the first strain body and spaced apart from the first strain body. A multi-axis sensor comprising: a body; and a support body extending in the front-rear direction connecting the first diaphragm portion and the second diaphragm portion,
Cutting from the outer peripheral surface or front end surface side of the columnar bulk member extending in the front-rear direction by the cutting means to form a notch on the front end surface side of the bulk member, and the outer periphery of the bulk member by the cutting means A first step of forming the first diaphragm part and the second diaphragm part by cutting from the surface side and forming a first groove part extending in the front-rear direction behind the notch part;
By cutting from the outer peripheral surface side of the bulk member by the cutting means to form a second groove portion connected to the first groove portion, the first strain body and the second strain body separated from each other are formed. And a second step of forming the multi-axis sensor.
ことを特徴とする請求項10に記載の多軸センサの製造方法。 In the first step, cutting is performed from the front end surface side of the bulk member by the cutting means to form a communication hole communicating with the notch and the first groove, or the notch and the first Prior to forming one groove portion, the column body having at least four side surfaces is formed by cutting from the front end surface or rear end surface side of the bulk member by the cutting means to form a through hole extending in the front-rear direction. The method for manufacturing a multi-axis sensor according to claim 10, further comprising a step of forming.
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