JP2019518215A - 新型の６軸力センサおよびトルクセンサ - Google Patents

Abstract

本発明に係る新型の６軸力センサおよびトルクセンサは、中心部ボスと、中心部ボスの外側に設置された円筒形ケーシングと、中心部ボスと円筒形ケーシングとをするための１２本の弾性梁と、を含み、１２本の弾性梁のそれぞれには必要に応じてひずみゲージが配置されており、中心部ボスの底部には信号処理モジュールを取り付けるための取付孔が開設されている。本発明は、構造の自己デカップリングを実現でき、剛性が大きく、固有振動数が高く、線型性、重複性およびヒステリシスが理想的であるとの特徴を有し、高トルク（５０Ｎ・ｍ）を測定できる。また、各弾性梁の寸法を変更することにより、異なる測定範囲および感度のセンサを設計することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、自動化技術分野に関し、特に新型の６軸力センサおよびトルクセンサに関する。

多軸力センサおよびトルクセンサは、両方向以上の力またはトルク成分を同時に測定できる力覚センサであり、デカルト座標系において、力およびトルクはそれぞれ３つの成分に分解されることができる。このため、多軸力センサおよびトルクセンサの最も完全な形式は６軸力センサおよびトルクセンサであり、即ち、３つの力成分および３つのトルク成分を同時に測定できる。多軸力センサおよびトルクセンサは、ロボット、産業オートメーション、軍需産業等の分野に幅広く応用されている。

金属箔表面実装型の６軸力センサは、技術が成熟しており、圧電型、半導体型のセンサに比べて安定性が良好であり、作動環境に対する要求が高くないため、幅広く応用されている。しかしながら、従来技術の金属箔表面実装型の６軸力センサには、以下のような多くの問題点が存在している。

従来の多軸力センサの構造自体は構造の自己デカプリングを実現できず、一部の多軸力センサにおけるある方向または複数の方向における力（トルク）はその他の方向の出力と構造の寸法に基づいて推算しなければならないため、システム誤差を増大させる。
従来の３つの梁の構造を有する多軸力センサにおいて、構造は相対的に簡単であるが、構造の自己デカプリングを実現できない。
また、上記金属箔表面実装型の６軸力センサのトルクを測定する測定範囲は比較的に低く、その主な原因はトルクを大きくすると弾性体の強度および剛性に対する要求がいずれも高く、接続用のピンまたはその他の位置決め部品に対しても非常に高い強度と剛性を要求しているからである。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、高トルクを測定でき、構造の自己デカプリングが可能であり、強度が高く、剛性が大きく、固有振動数が高く、動的試験を行うことができ、高解像度および高精度等の特徴を有する新型の６軸力センサおよびトルクセンサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る新型の６軸力センサおよびトルクセンサは、中心部ボスと、中心部ボスの外側に設置されている円筒形ケーシングと、前記中心部ボスと前記円筒形ケーシングとを接続するための１２本の弾性梁と、を含み、１２本の前記弾性梁のそれぞれには必要に応じてひずみゲージが配置されており、前記中心部ボスの底部には信号処理モジュールを取り付けるための取付孔が開設されており、
１２本の前記弾性梁は第一梁グループと第二梁グループとに分けられており、前記第一梁グループは寸法と構造が同じである８つの第一梁本体を含み、前記第二梁グループは寸法と構造が同じである４つの第二梁本体を含み、８つの前記第一梁本体は４つのグループに分けられて前記中心部ボスの前端、後端、左端および右端のそれぞれに設置されており、４つの前記第二梁本体は同一グループの２つの前記第一梁本体の間にそれぞれ設置されている。

さらに、前記中心部ボスは四角柱形構造である。

さらに、前記第一梁本体の頂部は前記第二梁本体の頂部より高く、前記第一梁本体の底部は前記第二梁本体の底部より低く、前記第一梁本体および前記第二梁本体の中心部断面は同一平面にある。

さらに、前記第一梁本体はＬ形構造であり、前記第一梁本体は前記中心部ボスに近接する第一表面実装領域および前記円筒形ケーシングに近接する第一協調領域を含む。

さらに、前記第二梁本体は３段式構造であり、両側に２つの凹溝が対称に開設された第二表面実装領域、および前記中心部ボスに近接し前記円筒形ケーシングに近接する第二協調領域を含む。

さらに、前記ひずみゲージは２４個あり、それぞれＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８、Ｒ９、Ｒ１０、Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１４、Ｒ１５、Ｒ１６、Ｒ１７、Ｒ１８、Ｒ１９、Ｒ２０、Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３、Ｒ２４である。また、２４個の前記ひずみゲージは必要に応じて４個ずつ１つのフルブリッジ回路を構成し、各前記フルブリッジ回路のそれぞれは前記信号処理モジュールの入力端に接続されており、前記信号処理モジュールの出力端は端末に接続されている。

前記Ｒ１と前記Ｒ２、前記Ｒ３と前記Ｒ４、前記Ｒ５と前記Ｒ６、前記Ｒ７と前記Ｒ８、前記Ｒ９と前記Ｒ１０、前記Ｒ１１と前記Ｒ１２は、それぞれ前記第一梁本体の上面および下面の前記第一表面実装領域に対称に配置されており、前記Ｒ１５と前記Ｒ１６、前記Ｒ１３と前記Ｒ１４は、それぞれ前記中心部ボスの垂直方向中心線に対して前記第一梁本体の両外側に対称に配置されており、前記Ｒ１７と前記Ｒ１８、前記Ｒ１９と前記Ｒ２０、前記Ｒ２１と前記Ｒ２２、前記Ｒ２３と前記Ｒ２４は、それぞれ前記第二梁本体の上面および下面の前記第二表面実装領域に対称に配置されている。

さらに、前記中心部ボスの上端には長方形テーパが設置されており、前記長方形テーパは接続フランジに嵌合されており、前記長方形テーパの頂部には１つのＭ１０ねじ孔が設置されており、前記ねじ孔は前記長方形テーパと前記接続フランジとを締め付ける際に用いられる。

本発明に係る新型の６軸力センサおよびトルクセンサによれば、１２本の上記弾性梁に配置された複数のひずみゲージが必要に応じて各自にフルブリッジ式検出回路を構成し、カップリング方向のブリッジ回路における４つの上記ひずみゲージのブリッジアーム電圧が互いに相殺するため、構造の自己デカプリングを実現できる。上記中心部ボスに力およびトルクが作用された場合、１２本の前記弾性梁はいずれも引張圧縮変形または曲げ変形が発生するため、各フルブリッジ式回路から出力される電圧信号が変化し、これらの信号を分析し処理すれば、各方向において受けた作用する力またはトルクが便利に得られる。そのため、本発明は構造の自己デカップリングを実現でき、剛性が大きく、固有振動数が高く、線型性、重複性およびヒステリシスが理想的であるとの特徴を有し、高トルク（５０Ｎ・ｍ）を測定でき、また、各上記弾性梁の寸法を変更することにより異なる測定範囲および感度のセンサを設計することができる。

本発明に係る新型の６軸力センサおよびトルクセンサにおいて、ひずみゲージが貼られていない際の構造を示す図である。 本発明に係る新型の６軸力センサおよびトルクセンサにおいて、ひずみゲージが貼られている際の構造を示す図である。 本発明に係る新型の６軸力センサおよびトルクセンサの回路原理のブロック図である。

以下の説明において、「中心」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「垂直」、「水平」、「頂」、「底」、「内」、「外」などの用語により示される方位または位置関係は、図面に示す方位または位置関係に基づくものであり、本発明を説明しやすく、簡略化するためのものであり、かかる装置または素子が必ず特定の方位を有し、特定の方位において構成し操作しなければならないことを示したり示唆したりするものではない。このため、本発明を限定するものとして理解してはならない。

また、「第一」、「第二」の用語は目的を説明するために使用されるのみで、相対的な重要性を示したり示唆したり示された技術的特徴の数を暗示したりするものとして理解してはならない。そのため、「第一」、「第二」と限定された特徴は１つまたは複数の該特徴を含んでいると明示的または黙示的に示している。以下の説明において、別途の説明がない限り、「複数」とは２つまたは２つ以上を意味する。

以下、図面を参照しながら、本発明について詳細に説明する。図１乃至図３に示すように、本実施例に係る新型の６軸力センサおよびトルクセンサは、中心部ボス２と、中心部ボス２の外側に設置された円筒形ケーシング１と、上記中心部ボス２と上記円筒形ケーシング１とを接続するための１２本の弾性梁と、を含み、１２本の上記弾性梁のそれぞれには必要に応じてひずみゲージ４が配置されており、上記中心部ボス２の底部には信号処理モジュール５を取り付けるための取付孔（図示せず）が開設されている。取り付ける際は、信号処理モジュール５を上記取付孔を介して上記中心部ボス２の下端に取り付ける。

具体的には、１２本の上記弾性梁は第一梁グループと第二梁グループとに分けられており、上記第一梁グループは寸法と構造が同じである８つの第一梁本体３１を含み、上記第二梁グループは寸法と構造が同じである４つの第二梁本体３２を含み、８つの上記第一梁本体３１は４つのグループに分けられて上記中心部ボス２の前端、後端、左端および右端のそれぞれに設置されており、４つの上記第二梁本体３２は同一グループの２つの上記第一梁本体３１の間にそれぞれ設置されている。このようにして、力、トルクを測定する構造形式を実現し、同時に構造の強度、剛性および固有振動数を向上させる。

本実施例に係る新型の６軸力センサおよびトルクセンサによれば、１２本の上記弾性梁に配置された複数のひずみゲージ４が必要に応じてフルブリッジ式検出回路を構成し、カップリング方向のブリッジ回路における４つの上記ひずみゲージ４のブリッジアーム電圧が互いに相殺されるため、構造の自己デカプリングを実現できる。上記中心部ボス２に力およびトルクが作用された場合、１２本の上記弾性梁はいずれも引張圧縮変形または曲げ変形が発生するため、各フルブリッジ式回路から出力される電圧信号が変化し、これらの信号を分析し処理すれば、各方向において受けた作用する力またはトルクが便利に得られる。そのため、本発明は構造の自己デカップリングを実現でき、剛性が大きく、固有振動数が高く、線型性、重複性およびヒステリシスが理想的であるとの特徴を有し、高トルク（５０Ｎ・ｍ）を測定でき、また、各上記弾性梁の寸法を変更することにより異なる測定範囲および感度のセンサを設計することができる。

弾性体の剛性を向上させるため、上記技術的解決手段に対するさらなる改良として、上記中心部ボス２は四角柱形構造である。

弾性体の強度を向上させるため、上記技術的解決手段に対するさらなる改良として、上記第一梁本体３１の頂部は上記第二梁本体３２の頂部より高く、上記第一梁本体３１の底部は上記第二梁本体３２の底部より低い。

使用しやすくし弾性体の強度を向上させるために、上記技術的解決手段に対するさらなる改良として、上記中心部ボス２の上端には長方形テーパ６が設置されており、上記長方形テーパ６は大きい支持能力を有し、上記長方形テーパ６は接続フランジ（図示せず）に嵌合され、具体的には、上記長方形テーパ６の頂部には１つのＭ１０ねじ孔が設置され、上記ねじ孔は上記方形テーパ６と上記接続フランジを締め付けるために用いられる。上記長方形テーパ６は上記接続フランジに嵌合されて隙間のない運動を実現でき、動的測定（例えば、往復運動）に用いることができ、同時に、上記長方形テーパ６と接続フランジの組み立て方式の剛性および強度はいずれも高トルクが作用する作動環境を満たす。

本実施例において、上記第一梁本体３１はＬ形構造であり、上記第一梁本体３１は上記中心部ボス２に近接する第一表面実装領域３１１および上記円筒形ケーシング１に近接する第一協調領域３１２を含む。

上記第二梁本体３２は３段式構造であり、両側に２つの凹溝が対称に開設された第二表面実装領域３２１、および上記中心部ボスに近接し上記円筒形ケーシングに近接する第二協調領域３２２を含む。

具体的には、上記第一協調領域３１２と上記第二協調領域３２２はそれぞれ上記第一表面実装領域３１１および上記第二表面実装領域３２１のひずみを向上させるためのものであり、上記第一梁本体３１、上記第二梁本体３２の強度および弾性体全体の剛性を向上させる構造である。

複数の上記ひずみゲージ４はそれぞれＲｎ（ｎ＝１，２，３，４・・・により示され、本実施例において、上記ひずみゲージ４は２４個あり、それぞれＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８、Ｒ９、Ｒ１０、Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１４、Ｒ１５、Ｒ１６、Ｒ１７、Ｒ１８、Ｒ１９、Ｒ２０、Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３、Ｒ２４である。また、２４個の上記ひずみゲージ４は必要に応じて４個ずつ１つのフルブリッジ回路を構成し、各上記フルブリッジ回路のそれぞれは上記信号処理モジュール５の入力端に接続されており、上記信号処理モジュールの出力端は端末に接続されている。

上記の場合、上記Ｒ１と上記Ｒ２、上記Ｒ３と上記Ｒ４、上記Ｒ５と上記Ｒ６、上記Ｒ７と上記Ｒ８、上記Ｒ９と上記Ｒ１０、上記Ｒ１１と上記Ｒ１２は、それぞれ上記第一梁本体３１の上面および下面の上記第一表面実装領域３１１に対称に配置されており、上記Ｒ１３と上記Ｒ１４、上記Ｒ１６と上記Ｒ１５は、それぞれ上記中心部ボス２の垂直方向の中心線に対して上記第一梁本体３１の両外側に対称に配置されており、上記Ｒ１７と上記Ｒ１８、上記Ｒ１９と上記Ｒ２０、上記Ｒ２１と上記Ｒ２２、上記Ｒ２３と上記Ｒ２４は、それぞれ上記第二梁本体３２の上面および下面の上記第二表面実装領域３２１に対称に配置されている。

具体的には、上記Ｒ１と上記Ｒ２、上記Ｒ７と上記Ｒ８は、それぞれ上記第一梁本体３１の上面および下面に対称に配置されており、上記Ｒ１と上記Ｒ７、上記Ｒ２と上記Ｒ８はそれぞれ非対称に配置されている。

上記Ｒ３と上記Ｒ４、上記Ｒ５と上記Ｒ６、上記Ｒ９と上記Ｒ１０、上記Ｒ１１と上記Ｒ１２は、それぞれ上記第一梁本体３１の上面および下面に対称に配置されており、上記Ｒ３と上記Ｒ９、上記Ｒ４と上記Ｒ１０は、それぞれ上記中心部ボス２の垂直方向の中心線に対して対称に配置されており、上記Ｒ５と上記Ｒ１１、上記Ｒ６と上記Ｒ１２は、それぞれ上記中心部ボス２の水平方向の中心線に対して対称に設置されている。

上記Ｒ１７と上記Ｒ２１、上記Ｒ１８と上記Ｒ２２は、それぞれ上記中心部ボス２の垂直方向の中心線に対して対称に設置されており、上記Ｒ１９と上記Ｒ２３、上記Ｒ２０と上記Ｒ２４は、それぞれ上記中心部ボス２の水平方向の中心線に対して対称に設置されており、上記Ｒ１７と上記Ｒ１８、上記Ｒ１９と上記Ｒ２０、上記Ｒ２１と上記Ｒ２２、上記Ｒ２３と上記Ｒ２４は、それぞれ上記第二梁本体３２の上面および下面に対称に配置されている。

最後に、以上の実施例は本発明の技術的解決手段を限定するためのものではなく説明するためのもののみであり、好ましい実施例を参照しながら本発明について詳しく説明したが、当業者であれば、本発明の技術的解決手段に対して修正または均等な置換を行ってもよく、本発明の技術的思想および範囲から逸脱しない限り、いずれも本発明の保護範囲に含まれるべきであることを理解すべきである。

１ 円筒形ケーシング、
２ 中心部ボス、
３１ 第一梁本体、
３１１ 第一表面実装領域、
３１２ 第一協調領域、
３２ 第二梁本体、
３２１第二表面実装領域、
３２２ 第二協調領域、
４ ひずみゲージ、
５ 信号処理モジュール、
６ 長方形テーパ。

Claims (7)

1. 新型の６軸力センサおよびトルクセンサであって、
   中心部ボスと、
   中心部ボスの外側に設置された円筒形ケーシングと、
   前記中心部ボスと前記円筒形ケーシングとを接続するための１２本の弾性梁と、
   を含み、
   １２本の前記弾性梁のそれぞれには必要に応じてひずみゲージが配置されており、前記中心部ボスの底部には信号処理モジュールを取り付けるための取付孔が開設されており、
   １２本の前記弾性梁は第一梁グループと第二梁グループとに分けられており、前記第一梁グループは、寸法と構造が同じである８つの第一梁本体を含み、前記第二梁グループは寸法と構造が同じである４つの第二梁本体を含み、８つの前記第一梁本体は４つのグループに分けられて前記中心部ボスの前端、後端、左端および右端のそれぞれに設置されており、４つの前記第二梁本体は同一グループの２つの前記第一梁本体の間にそれぞれ設置されている、
   ことを特徴とする新型の６軸力センサおよびトルクセンサ。
2. 前記中心部ボスは四角柱形構造である、とを特徴とする請求項１に記載の新型の６軸力センサおよびトルクセンサ。
3. 前記第一梁本体の頂部は前記第二梁本体の頂部より高く、前記第一梁本体の底部は前記第二梁本体の底部より低い、ことを特徴とする請求項１に記載の新型の６軸力センサおよびトルクセンサ。
4. 前記第一梁本体はＬ形構造であり、前記第一梁本体は前記中心部ボスに近接する第一表面実装領域および前記円筒形ケーシングに近接する第一協調領域を含む、ことを特徴とする請求項１または３に記載の新型の６軸力センサおよびトルクセンサ。
5. 前記第二梁本体は３段式構造であり、両側に２つの凹溝が対称に開設された第二表面実装領域、および前記中心部ボスに近接し前記円筒形ケーシングに近接する第二協調領域を含む、ことを特徴とする請求項１または３に記載の新型の６軸力センサおよびトルクセンサ。
6. 前記ひずみゲージは２４個あり、それぞれＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８、Ｒ９、Ｒ１０、Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１４、Ｒ１５、Ｒ１６、Ｒ１７、Ｒ１８、Ｒ１９、Ｒ２０、Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３、Ｒ２４であり、２４個の前記ひずみゲージが必要に応じて４つごとに１つのフルブリッジ回路を構成し、各前記フルブリッジ回路のそれぞれは前記信号処理モジュールの入力端に接続されており、前記信号処理モジュールの出力端が端末に接続されており、
   前記Ｒ１と前記Ｒ２、前記Ｒ３と前記Ｒ４、前記Ｒ５と前記Ｒ６、前記Ｒ７と前記Ｒ８、前記Ｒ９と前記Ｒ１０、前記Ｒ１１と前記Ｒ１２は、それぞれ前記第一梁本体の上面と下面の前記第一表面実装領域に対称に配置されており、前記Ｒ１３と前記Ｒ１４、前記Ｒ１６と前記Ｒ１５は、それぞれ前記中心部ボスの垂直方向の中心線に対して前記第一梁本体の両外側に対称に配置されており、前記Ｒ１７と前記Ｒ１８、前記Ｒ１９と前記Ｒ２０、前記Ｒ２１と前記Ｒ２２、前記Ｒ２３と前記Ｒ２４は、それぞれ前記第二梁本体の上面と下面の前記第二表面実装領域に対称に配置されている、
   ことを特徴とする請求項５に記載の新型の６軸力センサおよびトルクセンサ。
7. 前記中心部ボスの上端には長方形テーパが設置されており、前記長方形テーパは接続フランジに嵌合されており、前記長方形テーパの頂部には１つのＭ１０ねじ孔が設置されており、前記ねじ孔は前記方形テーパと前記接続フランジとを締め付ける際に用いられる、ことを特徴とする請求項１に記載の新型の６軸力センサおよびトルクセンサ。