JP2017166847A - Force sensor design method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、物体に加わる力を検出するための力センサの設計方法に関する。 The present invention relates to a force sensor design method for detecting a force applied to an object.
物体に加わる力を検出するために力センサが用いられる。加えられる力によって負荷を受ける力センサおよび力検出装置は、力を受けて歪む歪発生部(起歪部)が重要である。そして、この起歪部の形状および歪を検出する歪センサが配置される位置は、力センサの特性を左右する。力を検出するための力センサとして、特許文献1に記載されたものがある。この力センサは、円形の板状体と、板状体の一面から突出して設けられた円柱と、円柱の基端に沿って設けられた円環状の溝部と、板状体の他面側に設けられた複数の歪センサと、からなる。溝部は円柱の軸方向に開放された矩形断面を有するように形成されており、溝部によって板状体に歪を発生する部分となる起歪部(ダイヤフラム)が形成される。そして、複数の歪センサは、板状体の他面側の起歪部の部分に配置される。
A force sensor is used to detect the force applied to the object. In a force sensor and a force detection device that receive a load due to an applied force, a strain generating portion (a strain generating portion) that is distorted by receiving the force is important. The shape of the strain generating portion and the position where the strain sensor for detecting the strain is arranged influence the characteristics of the force sensor. As a force sensor for detecting force, there is one described in
特許文献1に記載された力センサは、溝部が円柱の軸方向に開放された矩形断面を有しており、力が円柱に加えられた際に発生する応力が溝部の矩形断面における角部に集中する。そのため、この力センサでは、大きな力が円柱に加えられると起歪部が破損する虞がある。
本発明は、加えられる力によって生じる歪を検出するための起歪部の剛性を高めることができる力センサの設計方法を提供することを目的とする。
The force sensor described in
An object of this invention is to provide the design method of the force sensor which can raise the rigidity of the strain generation part for detecting the distortion produced by the applied force.
本発明は、歪を検出する複数の歪センサを有する力センサの設計方法であって、
前記力センサは、板状体と、
前記板状体の一面から突出するように設けられた円柱部と、
前記円柱部の基端の周囲を囲むように前記板状体の前記一面側に形成された円環状の溝部からなる起歪部と、
前記板状体の他面側において前記起歪部の位置に配置された複数の前記歪みゲージと、を有し、
前記溝部は、前記基端に沿って延在する第1側壁と、前記第1側壁と第1曲率を有する第1角部によって連続する底部と、前記底部と第2曲率を有する第2角部によって連続し前記第1側壁に対向して延在する第2側壁と、からなるものであり、
前記第1曲率(Ra)と、前記第2曲率(Rb)と、前記底部から前記他面までの厚み(Ts)と、前記溝部の幅(Ls)と、のそれぞれの形状パラメータを設定するステップと、
構造解析により、前記円柱部に所定の負荷を与えた状態において、前記起歪部に発生する最大応力が所定の許容応力より小さくなるようにそれぞれの前記形状パラメータの解を決定するステップと、
を有する処理をコンピュータに実行させる力センサの設計方法である。
The present invention is a method of designing a force sensor having a plurality of strain sensors for detecting strain,
The force sensor includes a plate-like body,
A cylindrical portion provided so as to protrude from one surface of the plate-like body;
A strain-generating portion comprising an annular groove formed on the one surface side of the plate-like body so as to surround the periphery of the base end of the cylindrical portion;
A plurality of strain gauges disposed at the position of the strain-generating portion on the other surface side of the plate-like body;
The groove includes a first side wall extending along the base end, a bottom continuous with the first side wall and a first corner having a first curvature, and a second corner having the bottom and a second curvature. And a second side wall extending continuously opposite to the first side wall,
Setting each shape parameter of the first curvature (Ra), the second curvature (Rb), the thickness (Ts) from the bottom to the other surface, and the width (Ls) of the groove. When,
Determining a solution of each of the shape parameters so that a maximum stress generated in the strain generating portion is smaller than a predetermined allowable stress in a state where a predetermined load is applied to the cylindrical portion by structural analysis;
A method for designing a force sensor that causes a computer to execute a process having
本発明は、このような構成により、力センサにおいて、第1曲率と、第2曲率とを有する起歪部の角部に対して曲線に対する形状パラメータを設定し、該形状パラメータの解を決定する。これにより、本発明は起歪部が応力を分散する形状に設計することができる。即ち本発明は、力センサの起歪部が高剛性を有するように設計することができる。 According to the present invention, with such a configuration, in the force sensor, the shape parameter for the curve is set for the corner portion of the strain generating portion having the first curvature and the second curvature, and the solution of the shape parameter is determined. . Accordingly, the present invention can be designed in a shape in which the strain generating portion disperses the stress. That is, the present invention can be designed so that the strain-generating portion of the force sensor has high rigidity.
本発明に係る力センサの設計方法によると、加えられる力によって生じる歪を検出するための起歪部の剛性を高めることができる。 According to the method for designing a force sensor according to the present invention, it is possible to increase the rigidity of the strain generating portion for detecting the strain caused by the applied force.
以下、図面を参照しつつ、本発明にかかる力センサの設計方法の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of a method for designing a force sensor according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図1に示されるように、力センサ1は、円形の板状体2と、板状体2の一面2a側の中心から突出して設けられた円柱3と、を有する。板状体2と円柱3とは、樹脂等で一体に成形される。板状体2は、力センサ1の本体部をなし、力を検出する対象物の特定の位置に固定される。板状体2の一面2a側に円柱3が設けられている。円柱3は、異なる方向から力を受けるための構造体である。円柱3の基端3aには、基端3aの周囲を囲むように板状体2の一面2a側に円環状の溝部4が形成されている。
As shown in FIG. 1, the
溝部4は、U字断面を有している。溝部4は、基端3aに沿って延在する第1側壁5と、第1側壁5と第1曲率Raを有する第1角部6aによって連続する底部6と、底部6と第2曲率Rbを有する第2角部6bによって連続し第1側壁5に対向して延在する第2側壁7と、からなる。溝部4が形成されていることによって、底部6から板状体2の他面2b側までの厚みTsは、板状体2の厚みより薄くなっている。そのため、円柱3に力が加わると、この部分に歪が生じる。この歪が生じる部分を起歪部8とする。
The
つまり、起歪部8は、幅Lsと、厚みTsとを有する円環状に形成されている。起歪部8の形状パラメータLs、Ts、Ra、Rbは、後述する設計方法によって定められる。板状体2の他面2b側において、起歪部8には、歪を検出するための複数の歪センサRが配置されている。歪センサRは、例えば、Cr−N薄膜歪センサを用いることができる。Cr−N薄膜歪センサのゲージ率は、8〜16であり、一般的な歪センサのゲージ率2に対して大きい。複数の歪センサRは、例えば、板状体2の他面2b側に十字状に配列される。板状体2の他面2b側の第1象限には、第1角部6aおよび第2角部6bのそれぞれの位置にX軸近傍に沿って歪センサRが2個配置されている。
That is, the
さらに、板状体2の他面2b側の第1象限には、第1角部6aおよび第2角部6bのそれぞれに相当する位置にY軸近傍に沿って歪センサRが2個配置されている。第2〜第4象限にも同様に複数の歪センサRが配置されている。これにより、板状体2の他面2b側には、合計で16個の歪センサRが十字状に配置されている。即ち、歪センサRは、歪が最も大きく生じる第1角部6aおよび第2角部6bのそれぞれに相当する位置の近傍に4個ずつ、合計16個が配置されている。その他、板状体2の他面2b側において、中心近傍に16個の電極Pが8×2の配列で配置されている。
Further, in the first quadrant on the
図2および図3に示されるように、X軸に沿って近隣する4個の歪センサR1〜R4は、4アクティブ法でブリッジBr−2が構成される。電位差E,e0より、4個の歪センサR1〜R4のそれぞれの抵抗値を計算により求めることができる。16個の歪センサR1〜R16によって4個のブリッジBr−1〜Br−4が形成される。16個の歪センサR1〜R16に対して16個の電極P1〜P16が設けられる。 As shown in FIGS. 2 and 3, four strain sensors R <b> 1 to R <b> 4 adjacent along the X axis form a bridge Br- 2 by the 4-active method. Potential difference E, from e 0, can be obtained by calculating the respective resistance values of the four strain sensors R1 to R4. Four bridges Br-1 to Br-4 are formed by the 16 strain sensors R1 to R16. Sixteen electrodes P1 to P16 are provided for the sixteen strain sensors R1 to R16.
図4に示されるように、例えば、ブリッジBr−1は、配線Lにより構成される。ブリッジBr−1は、板状体2の他面2b側に同一平面で一体成形される。ブリッジBr−1に形成される実際の配線パターンは、図5に示されている。
As illustrated in FIG. 4, for example, the bridge Br-1 is configured by a wiring L. The bridge Br-1 is integrally formed on the
力センサ1は、上述したような構成により、円柱3に加わる少なくともX軸、Y軸、Z軸方向の3軸力(FxもしくはMx、FyもしくはMy、Fz)を検出することができる。そして、力センサ1は、加えられる応力を制御するように設計することができる。例えば、力センサ1は、定格負荷(測定したい負荷)に安全率4をかけ、その負荷時の最大応力(角部6a,6bに発生することが多い)が材料の降伏応力以下になるように、あるいは定格負荷に安全率5倍をかけ、その負荷時の最大応力が材料の耐力以下になるように設計することができる。力センサ1は、一般的な歪センサより感度(ゲージ率)が高いCr−N薄膜を用いることにより、応力を抑えながら十分な歪感度を持ち、かつ高剛性に構成することができる。剛性の高い起歪体を用いるには、ゲージ率(感度)が10以上で、TCR(温度抵抗係数)が0付近である安定なCr−N薄膜の使用が望ましい。
The
次に、力センサ1の設計方法について説明する。
Next, a method for designing the
図6に示されるように、力センサ1の設計方法は、力センサ1を構成する起歪構造体材料の機械特性(条件)を設定する(S100)。例えば、力センサ1の材料をステンレス鋼材とする場合、その耐力値等を設定する。次に、力センサ1に負荷される力およびモーメントの条件を設定する(S101)。次に、起歪体形状パラメータを適用し、起歪部8の3次元形状を設定する(S102)。ここでは、上記の形状パラメータLs、Ts、Ra、Rbを適用する。
As shown in FIG. 6, the design method of the
即ち、このステップでは、第1曲率Raと、第2曲率Rbと、底部6から板状体2の他面2bまでの厚みTsと、溝部4の幅Lsと、のそれぞれの形状パラメータを設定する。次に、適用された形状パラメータLs、Ts、Ra、Rbに基づいて力センサ1の構造解析を行う(S103)。
That is, in this step, the shape parameters of the first curvature Ra, the second curvature Rb, the thickness Ts from the bottom 6 to the
次に、定格負荷に対する計測点の必要十分歪量が所定値以下であるかどうか判定する(S104)。歪量の所定値は、例えば、4/1000、1/1000である。必要十分歪量が所定値以下の場合(S104:Yes)、力センサ1に生じる最大応力が許容応力より小さいかどうか判定する(S105)。最大応力が許容応力より小さい場合(S105:Yes)、力センサ1の起歪部8の最適形状の解を得る(S106)。ステップS104およびS105で条件を満たさない場合(No)、ステップS103に戻り、構造解析を再度行う。即ち、ステップ103〜106では構造解析により、円柱部3に所定の負荷を与えた状態において、起歪部8に発生する最大応力が所定の許容応力より小さくなるようにそれぞれの形状パラメータの解を決定する。
Next, it is determined whether or not the necessary and sufficient strain amount at the measurement point with respect to the rated load is a predetermined value or less (S104). The predetermined value of the strain amount is, for example, 4/1000 or 1/1000. When the necessary and sufficient strain amount is equal to or less than the predetermined value (S104: Yes), it is determined whether the maximum stress generated in the
上述したように、力センサ1の設計方法によると、形状パラメータを設定しその解を決定することにより、最大応力が発生する起歪部8に対して剛性を高めることができる。力センサ1の設計方法によると、形状パラメータの解により、起歪部8にかかる応力が分散される形状に形成することができる。
As described above, according to the design method of the
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、以下の変形例を適用することができる。以下の変形例においても上述した設計方法を適用することができる。
[変形例1]
力センサ1は、3軸力を検出できるよう形成されている。力センサ1は、軸力の他に、モーメント負荷を検出できるよう変形することができる。以下では、上記と同様の構成については同一の名称および符号を用い、同様の構成については、説明を適宜省略する。
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. For example, the following modifications can be applied. The design method described above can also be applied to the following modifications.
[Modification 1]
The
図7に示されるように、力センサ20は、円柱23の軸線(Z軸)回りのモーメント負荷Mzを検出するものである。力センサ20の板状体22は、側面がX軸およびY軸に沿って平行に直線的にカットされている。これにより、力センサ20は、固定部材Dによって固定された状態では、Z軸回りの回転が防止される。従って、力センサ20は、モーメント負荷Mzを安定して検出することができる。
As shown in FIG. 7, the
[変形例2]
図8に示されるように、円柱23に対して貫通孔Sが形成された円柱23Aを有する力センサ30としてもよい。力センサ30の基本的な機能は、上述した力センサ1,20と同じである。中空構造の円柱23Aにより、貫通孔Sに歪センサRの配線Lを通すことができる。力センサ30によると、組み込み型のセンサの設計において歪センサRの配置の自由度を高くすることができる。
[Modification 2]
As shown in FIG. 8, the
[変形例3]
図9および図10に示されるように、力センサ40において、歪センサRは、X軸およびY軸に対して斜めに配置してもよい。各ブリッジBr−1〜Br−4の回路は、図2と同様である。ブリッジBr−1,Br−4と電極Pとの接続は、例えば、図11に示される配線パターンを用いることができる。力センサ40の基本的な配線パターンは、力センサ1と同様である。力センサ40では、力センサ1における各ブリッジBr−1〜Br−4の配線パターンを45度回転させたものである。
[Modification 3]
As shown in FIGS. 9 and 10, in the
力センサ40によると、Z軸回りのモーメント負荷Mzによる歪を効率的に検出することができる。力センサ40によると、上述したような構成により、円柱23に加わる少なくともX軸、Y軸、Z軸方向の3軸力(FxもしくはMx、FyもしくはMy、Fz)およびZ軸回りのモーメント負荷Mzの4軸力を検出することができる。
According to the
上記で説明した力センサ1,20,30,40の設計方法は、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)を含む半導体処理装置を用いて実現されてもよい。また、これらの処理は、少なくとも1つのプロセッサ(例えば、マイクロプロセッサ、MPU、DSP(Digital Signal Processor))を含むコンピュータシステムにプログラムを実行させることによって実現されてもよい。具体的には、これらの送信信号処理又は受信信号処理に関するアルゴリズムをコンピュータシステムに行わせるための命令群を含む1又は複数のプログラムを作成し、当該プログラムをコンピュータに供給すればよい。
The design method of the
これらのプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体(non−transitory computer readable medium)を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体(tangible storage medium)を含む。 These programs can be stored and supplied to a computer using various types of non-transitory computer readable media. Non-transitory computer readable media include various types of tangible storage media.
非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体(例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ)、光磁気記録媒体(例えば光磁気ディスク)、CD(登録商標)−ROM(Read Only Memory)、CD−R、CD−R/W、半導体メモリ(例えば、マスクROM、PROM(Programmable ROM)、EPROM(Erasable PROM)、フラッシュROM、RAM(random access memory))を含む。 Examples of non-transitory computer-readable media include magnetic recording media (for example, flexible disks, magnetic tapes, hard disk drives), magneto-optical recording media (for example, magneto-optical disks), CD (registered trademark) -ROM (Read Only Memory), CD-R, CD-R / W, and semiconductor memory (for example, mask ROM, PROM (Programmable ROM), EPROM (Erasable PROM), flash ROM, RAM (random access memory)) are included.
また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体(transitory computer readable medium)によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。 The program may also be supplied to the computer by various types of transitory computer readable media. Examples of transitory computer readable media include electrical signals, optical signals, and electromagnetic waves. The temporary computer-readable medium can supply the program to the computer via a wired communication path such as an electric wire and an optical fiber, or a wireless communication path.
1…力センサ 2…板状体 2a…一面 2b…他面 Br−1−Br−4…ブリッジ 3…円柱 3a…基端 4…溝部 5…側壁 6…底部 6a…角部 6b…角部 7…側壁 8…起歪部 20…力センサ 22…板状体 23…円柱 23A…円柱 30…力センサ 40…力センサ D…固定部材 L…配線 P…電極 P1−P16…電極 R…歪センサ R1−R16…歪センサ S…貫通孔
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記力センサは、板状体と、
前記板状体の一面から突出するように設けられた円柱部と、
前記円柱部の基端の周囲を囲むように前記板状体の前記一面側に形成された円環状の溝部からなる起歪部と、
前記板状体の他面側において前記起歪部の位置に配置された複数の前記歪みゲージと、を有し、
前記溝部は、前記基端に沿って延在する第1側壁と、前記第1側壁と第1曲率を有する第1角部によって連続する底部と、前記底部と第2曲率を有する第2角部によって連続し前記第1側壁に対向して延在する第2側壁と、からなるものであり、
前記第1曲率(Ra)と、前記第2曲率(Rb)と、前記底部から前記他面までの厚み(Ts)と、前記溝部の幅(Ls)と、のそれぞれの形状パラメータを設定するステップと、
構造解析により、前記円柱部に所定の負荷を与えた状態において、前記起歪部に発生する最大応力が所定の許容応力より小さくなるようにそれぞれの前記形状パラメータの解を決定するステップと、
を有する処理をコンピュータに実行させる力センサの設計方法。 A method for designing a force sensor having a plurality of strain sensors for detecting strain,
The force sensor includes a plate-like body,
A cylindrical portion provided so as to protrude from one surface of the plate-like body;
A strain-generating portion comprising an annular groove formed on the one surface side of the plate-like body so as to surround the periphery of the base end of the cylindrical portion;
A plurality of strain gauges disposed at the position of the strain-generating portion on the other surface side of the plate-like body;
The groove includes a first side wall extending along the base end, a bottom continuous with the first side wall and a first corner having a first curvature, and a second corner having the bottom and a second curvature. And a second side wall extending continuously opposite to the first side wall,
Setting each shape parameter of the first curvature (Ra), the second curvature (Rb), the thickness (Ts) from the bottom to the other surface, and the width (Ls) of the groove. When,
Determining a solution of each of the shape parameters so that a maximum stress generated in the strain generating portion is smaller than a predetermined allowable stress in a state where a predetermined load is applied to the cylindrical portion by structural analysis;
A method for designing a force sensor that causes a computer to execute a process including:
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