JP2023001368A - force sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、力覚センサに関する。 The present invention relates to force sensors.
力覚センサは、計測機器や産業用ロボット等の高度な制御に用いられている。一例として、起歪体の第1主面と第2主面に所定配置でそれぞれ複数の歪みゲージを設ける構成が提案されている(特許文献1:特許第6047703号公報)。また、起歪体の第1主面のみに所定配置でそれぞれ複数の歪みゲージを設ける構成が提案されている(特許文献2:特許第6378381号公報)。 Force sensors are used for advanced control of measuring instruments, industrial robots, and the like. As an example, a configuration has been proposed in which a plurality of strain gauges are provided in a predetermined arrangement on each of the first main surface and the second main surface of the strain body (Patent Document 1: Japanese Patent No. 6047703). Also, a configuration has been proposed in which a plurality of strain gauges are provided in a predetermined arrangement only on the first main surface of the strain body (Patent Document 2: Japanese Patent No. 6378381).
起歪体はビーム部を外周寄りに配置することで受力が大きくなる構造になっている。そのため、起歪体の外径を小さくすると受力のモーメント成分が小さくなってしまうという問題がある。 The strain generating body has a structure in which the receiving force is increased by arranging the beam portion closer to the outer periphery. Therefore, there is a problem that when the outer diameter of the strain generating body is reduced, the moment component of the received force is reduced.
本発明は、上記事情に鑑みてなされ、外径を小さくして、受力のモーメント成分を大きくすることが可能な構成の力覚センサを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a force sensor configured to reduce the outer diameter and increase the moment component of the received force.
一実施形態として、以下に開示するような解決手段により、前記課題を解決する。 As one embodiment, the above problem is solved by means of solution as disclosed below.
本発明に係る力覚センサは、受力部と前記受力部に対して固定される固定部と前記固定部に連結されるビーム部とを有する起歪体と、前記ビーム部に配設された複数の歪みゲージを備え、前記ビーム部は前記受力部に連結されるアーム部と前記固定部に連結されるフレクシャ部とが互いに連結しており、前記ビーム部は前記受力部の軸線周りに等間隔で6つ形成されている。 A force sensor according to the present invention includes a strain body having a force receiving portion, a fixed portion fixed to the force receiving portion, and a beam portion connected to the fixed portion; The beam portion has an arm portion connected to the force receiving portion and a flexure portion connected to the fixed portion which are connected to each other, and the beam portion extends along the axis of the force receiving portion. 6 are formed at equal intervals around it.
この構成によれば、小さな外径を維持して従来よりも受力のモーメント成分を大きくすることができる。また、受力のモーメント成分の大きさ(定格容量)を維持しつつ外径を従来よりも小さくできる。 According to this configuration, it is possible to increase the moment component of the received force while maintaining a small outer diameter. In addition, the outer diameter can be made smaller than before while maintaining the magnitude of the moment component of the received force (rated capacity).
これにより、各ビーム部に均等に応力を分散させることが容易にできるので、他軸干渉の抑制による直線性の向上が期待できる。 As a result, it is possible to easily disperse the stress evenly in each beam portion, and it is expected that the linearity is improved by suppressing the cross-axis interference.
本発明に係る力覚センサは、受力部と前記受力部に対して固定される固定部と前記固定部に連結されるビーム部とを有する起歪体と、前記ビーム部に配設された複数の歪みゲージを備え、前記ビーム部は前記受力部に連結されるアーム部と前記固定部に連結されるフレクシャ部とが互いに連結しており、前記ビーム部は前記受力部の軸線周りに等間隔で6つ形成されており、前記ビーム部における第1主面に前記歪みゲージの半数が配設されており、前記ビーム部における前記第1主面と逆向きの第2主面に前記歪みゲージの他の半数が配設されており、前記アーム部は、前記歪みゲージが配設されている第1アーム部と、前記歪みゲージが配設されていない第2アーム部とが前記受力部の軸線周りに交互に配設されていることを特徴とする。この構成により、第1主面の歪みゲージの出力と第2主面の歪みゲージの出力とを対応させることが容易にできる。 A force sensor according to the present invention includes a strain body having a force receiving portion, a fixed portion fixed to the force receiving portion, and a beam portion connected to the fixed portion; The beam portion has an arm portion connected to the force receiving portion and a flexure portion connected to the fixed portion which are connected to each other, and the beam portion extends along the axis of the force receiving portion. Six strain gauges are formed around the beam portion at equal intervals, half of the strain gauges are arranged on the first main surface of the beam portion, and the second main surface of the beam portion is opposite to the first main surface. The other half of the strain gauges are arranged in the arm portion, and the arm portion has a first arm portion where the strain gauge is arranged and a second arm portion where the strain gauge is not arranged. It is characterized in that they are arranged alternately around the axis of the force receiving portion. With this configuration, it is possible to easily match the output of the strain gauge on the first principal surface with the output of the strain gauge on the second principal surface.
前記アーム部のうちの前記歪みゲージが配設されている第1アーム部と前記アーム部のうちの前記歪みゲージが配設されていない第2アーム部とが前記受力部の軸線周りに交互に配設されている。この構成により、さらに外径を小さくすることが容易にできる。 A first arm portion provided with the strain gauge among the arm portions and a second arm portion provided with the strain gauge among the arm portions alternately around the axis of the force receiving portion. are placed in This configuration facilitates further reduction of the outer diameter.
本発明に係る力覚センサは、受力部と前記受力部に対して固定される固定部と前記固定部に連結されるビーム部とを有する起歪体と、前記ビーム部に配設された複数の歪みゲージを備え、前記ビーム部は前記受力部に連結されるアーム部と前記固定部に連結されるフレクシャ部とが互いに連結しており、前記ビーム部は前記受力部の軸線周りに等間隔で6つ形成されており、前記歪みゲージは前記ビーム部における第1主面にのみ配設されており、前記アーム部における第1アーム部に前記歪みゲージの半数が配設されており、前記フレクシャ部における前記第1アーム部に連結している第1フレクシャ部に前記歪みゲージの他の半数が配設されており、前記アーム部は、前記歪みゲージが配設されている前記第1アーム部と、前記歪みゲージが配設されていない第2アーム部とが前記受力部の軸線周りに交互に配設されていることを特徴とする。この構成により、歪みゲージの配置面の数を少なくして当該歪みゲージを高精度に配置することが容易にできる。 A force sensor according to the present invention includes a strain body having a force receiving portion, a fixed portion fixed to the force receiving portion, and a beam portion connected to the fixed portion; The beam portion has an arm portion connected to the force receiving portion and a flexure portion connected to the fixed portion which are connected to each other, and the beam portion extends along the axis of the force receiving portion. The strain gauges are arranged only on the first main surface of the beam portion, and half of the strain gauges are arranged on the first arm portion of the arm portion. The other half of the strain gauges are arranged on the first flexure portion connected to the first arm portion of the flexure portion, and the strain gauges are arranged on the arm portion. The first arm portion and the second arm portion having no strain gauge are alternately arranged around the axis of the force receiving portion. With this configuration, it is possible to easily arrange the strain gauges with high accuracy by reducing the number of surfaces on which the strain gauges are arranged.
一例として、前記歪みゲージは、前記ビーム部のうちの第1ビーム部における軸線と直交方向の中心線に対して互いに対称となる位置の4つの組み合わせによって力成分およびモーメント成分を検出するブリッジ回路を構成するように配設されている。この構成により、歪みゲージの配置の最適化を図ることが容易にできる。 As an example, the strain gauge includes a bridge circuit that detects force components and moment components from four combinations of positions symmetrical to each other with respect to a center line perpendicular to the axis of the first beam portion of the beam portion. arranged to configure With this configuration, it is possible to easily optimize the arrangement of the strain gauges.
一例として、前記歪みゲージは、前記ビーム部のうちの第1ビーム部における軸線と直交方向の中心線に沿う位置の2つと、前記ビーム部のうちの第2ビーム部における軸線と直交方向の中心線に沿う位置の2つの組み合わせによって力成分およびモーメント成分を検出するブリッジ回路を構成するように配設されている。この構成により、歪みゲージの数を少なくして6軸の力成分とモーメント成分を検出することが容易にできる。 As an example, the strain gauges are arranged at two positions along a center line perpendicular to the axis of the first beam part of the beam parts and a center of the second beam part of the beam parts in the direction perpendicular to the axis. It is arranged to form a bridge circuit that detects force and moment components by two combinations of positions along the line. With this configuration, it is possible to easily detect six-axis force components and moment components by reducing the number of strain gauges.
前記歪みゲージは、力成分およびモーメント成分を検出するブリッジ回路を構成するように配設されている。 The strain gauges are arranged to form a bridge circuit for detecting force and moment components.
前記歪みゲージは、力成分およびモーメント成分を検出するブリッジ回路を構成するように配設されており、前記ブリッジ回路のうちの少なくとも3つの組み合わせによって前記力成分のうちのX軸方向の成分、Y軸方向の成分およびZ軸方向の成分、並びに、前記モーメント成分のうちのX軸周りの成分、Y軸周りの成分およびZ軸周りの成分を検出するように配設されていることが好ましい。この構成により、6軸の力成分とモーメント成分を高精度に計測することが容易にできる。 The strain gauges are arranged to form a bridge circuit for detecting force and moment components, and a combination of at least three of the bridge circuits provides an X-axis component, a Y-axis component, and a Y-axis component of the force component. It is preferably arranged to detect an axial component, a Z-axis component, and, of the moment component, a component about the X-axis, a component about the Y-axis and a component about the Z-axis. With this configuration, it is possible to easily measure six-axis force components and moment components with high accuracy.
前記起歪体はX軸方向の力成分、Y軸方向の力成分、Z軸方向の力成分、X軸周りのモーメント成分、Y軸周りのモーメント成分およびZ軸周りのモーメント成分に応じて変形可能な材質および形状からなる。前記起歪体は、一例としてステンレス、鉄、アルミニウム、またはこれらの合金からなる。 The strain-generating body is deformed according to a force component in the X-axis direction, a force component in the Y-axis direction, a force component in the Z-axis direction, a moment component about the X-axis, a moment component about the Y-axis, and a moment component about the Z-axis. Consists of possible materials and shapes. The strain-generating body is made of, for example, stainless steel, iron, aluminum, or an alloy thereof.
本発明によれば、力ならびにモーメントを高精度に検出可能な小型かつ合理的な構成の力覚センサが実現できる。 According to the present invention, it is possible to realize a compact and rationally configured force sensor capable of detecting force and moment with high accuracy.
(第1の実施形態)
以下、図面を参照して、本発明の第1の実施形態について詳しく説明する。本実施形態の力覚センサ101Aは、三次元空間の直交座標系(X軸、Y軸、Z軸)の3軸方向の力成分Fx、Fy、Fzと、その3軸回りのモーメント成分Mx、My、Mzの計6成分を同時に検出することができる6軸力覚センサである。本実施形態の力覚センサ101Aは、中心軸P1を軸線として回転対称になる位置に、破線で囲んだ部分で示されるビーム部71eが6つ備わっている構成の例である。図1は、本実施形態に係る力覚センサ101Aの例を示す概略の斜視図である(信号処理部および配線は不図示)。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. The
図1、図2A~図2Cに示すように、力覚センサ101Aは、受力部71cと当該受力部71cに対して固定される固定部71dと当該固定部71dに連結されるビーム部71eとを有する起歪体71と、複数の歪みゲージ1~24を備える。ここで、例えば歪みゲージ1と歪みゲージ3はそれぞれ曲げ歪みを検出し、例えば歪みゲージ13と歪みゲージ14はそれぞれせん断歪みを検出する。ビーム部71eは受力部71cに連結されるアーム部71fと固定部71dに連結されるフレクシャ部71gとが互いに連結しており、ビーム部71eは受力部71cの軸線周りに等間隔で6つ形成されている。この例では、複数の歪みゲージ1~24のうちの半数が第1主面71aに配設されており、複数の歪みゲージ1~24のうちの他の半数が第2主面71bに配設されている。複数の歪みゲージ1~24は、いずれもアーム部71fに配されている。この例では、被測定物に固定するためのネジ穴71iが形成されており、計測用のベースに固定するための貫通穴71hが形成されている。
As shown in FIGS. 1 and 2A to 2C, the
一例として、NC加工機を用いてアルミニウム合金、合金鋼、ステンレス鋼などバネ性を有する材料に貫通孔などを形成することによって起歪体71を製造する。また一例として、外形が円形の板状体に切削加工、レーザ加工、または放電加工若しくはこれらの複合加工等を施して起歪体71を製造する。
As an example, the
一例として、歪みゲージ1~24は、Cu-Ni系合金やNi-Cr系合金の金属薄膜の配線パターンを、ポリイミドフィルムやエポキシフィルムで覆った構成にする場合があり、半導体薄膜を用いた構成にする場合がある。一例として、スパッタリング法や真空蒸着法を用いて金属薄膜からなる歪みゲージを直接形成した構成にする場合がある。一例として、歪みゲージ1~24は同一材質のスパッタ膜または同一材質の蒸着膜からなる。これにより、対称性が維持できるとともに、生産性が向上し、製造ばらつきを極力抑えた構成にできる。一例として、歪みゲージ1~24は一括同時形成した構成にできる。これにより、歪みゲージ1~24の抵抗値を均一に揃えた構成にできる。なお、上記の構成に限定されず、歪みゲージ1~24を板状、シート状またはフィルム状にしてそれぞれ接着した構成にする場合がある。歪みゲージ1~24は、アーム部71fにおける軸線と直交方向の中心線に対して互いに対称となる位置の4つの組み合わせによって所定方向の力成分を検出するブリッジ回路が構成されるようにそれぞれ配設されている。また、アーム部71fのうちの歪みゲージが配設されている第1アーム部71f1とアーム部71fのうちの歪みゲージが配設されていない第2アーム部71f2とが受力部71cの軸線周りに交互に配設されている構成である。
As an example, the
図3は複数の歪みゲージ1~24から構成されるブリッジ回路C6A1、C6A2、C6A3、C6A4、C6A5、C6A6を示している。各ブリッジ回路にそれぞれ電圧印加して出力信号Voを取り出す構成である。Y字ビームを有する起歪体71において、6軸の力成分とモーメント成分を検出するために必要な出力信号を得るには、複数の歪みゲージ1~24で足りる。
FIG. 3 shows bridge circuits C6A1, C6A2, C6A3, C6A4, C6A5 and C6A6 which are composed of a plurality of strain gauges 1-24. It is configured to apply a voltage to each bridge circuit and take out an output signal Vo. A plurality of
図4はブリッジ回路C6A1、C6A2、C6A3、C6A4、C6A5、C6A6の出力信号表である。各歪みゲージは、各方向の力を加えたときに各ブリッジを形成している当該歪みゲージの抵抗値が増加するときを「+」とし、当該歪みゲージの抵抗値が減少するときを「-」とし、当該歪みゲージの抵抗値が変化しないとき若しくは当該歪みゲージの抵抗値の変化量が小さくて変化しないとみなせるときを「0」としている。各出力信号は、各ブリッジにおいて非平衡出力が生じるときを「1」とし、各ブリッジにおいて非平衡出力が生じないときを「0」としている。 FIG. 4 is an output signal table of the bridge circuits C6A1, C6A2, C6A3, C6A4, C6A5 and C6A6. For each strain gauge, when the resistance value of the strain gauge forming each bridge increases when a force is applied in each direction, it is defined as "+", and when the resistance value of the strain gauge decreases, it is defined as "-". and "0" when the resistance value of the strain gauge does not change or when the amount of change in the resistance value of the strain gauge is small and can be regarded as not changing. Each output signal is "1" when an unbalanced output occurs in each bridge, and "0" when an unbalanced output does not occur in each bridge.
本実施形態によれば、軸線周りに等間隔でビーム部を6つ形成し各ビーム部に応力を分散させた構成によって受力のモーメント成分を大きくすることができる。一例として、外径を120[mm]以下にできる。 According to this embodiment, the moment component of the received force can be increased by the configuration in which six beam portions are formed at equal intervals around the axis and the stress is dispersed in each beam portion. As an example, the outer diameter can be 120 [mm] or less.
(第2の実施形態)
引き続き、本発明の第2の実施形態について、上述の第1の実施形態との相違点を中心に説明する。本実施形態の力覚センサ101Bは、図5に示すように、平面視で回転対称になる位置に、前記ビーム部が6つ備わっている構成の例であって、前記ビーム部における前記アーム部のうちの前記歪みゲージが配設されている第1アーム部と前記アーム部のうちの前記歪みゲージが配設されていない第2アーム部とが前記受力部の軸線周りに交互に配設されており、かつ、歪みゲージ1~24は前記ビーム部における第1主面にのみ配設されている構成である。ここで、例えば歪みゲージ1~4は、前記アーム部における軸線と直交方向の中心線に対して互いに対称となる位置の4つの組み合わせによって所定方向の力成分を検出するブリッジ回路が構成されるようにそれぞれ配設されている。また、例えば歪みゲージ5~8は、前記フレクシャ部における軸線と直交方向の中心線に対して互いに対称となる位置の4つの組み合わせによって所定方向の力成分を検出するブリッジ回路が構成されるようにそれぞれ配設されている。また、アーム部72fのうちの歪みゲージが配設されている第1アーム部72f1とアーム部72fのうちの歪みゲージが配設されていない第2アーム部72f2とが受力部72cの軸線周りに交互に配設されている構成である。
(Second embodiment)
Continuing on, the second embodiment of the present invention will be described with a focus on the differences from the above-described first embodiment. As shown in FIG. 5, the
図6は複数の歪みゲージ1~24から構成されるブリッジ回路C6B1、C6B2、C6B3、C6B4、C6B5、C6B6を示している。6軸の力成分とモーメント成分を検出するために必要な出力信号を得るには、複数の歪みゲージ1~24で足りる。図7はブリッジ回路C6B1、C6B2、C6B3、C6B4、C6B5、C6B6の出力信号表である。
FIG. 6 shows bridge circuits C6B1, C6B2, C6B3, C6B4, C6B5 and C6B6 which are composed of a plurality of strain gauges 1-24. A plurality of
本実施形態によれば、前記ビーム部における第1主面にのみ歪みゲージ1~24が配設されているので、歪みゲージ1~24の配置面の数を少なくして当該歪みゲージを高精度に配置することが容易にできる。
According to this embodiment, since the
1~24 歪みゲージ
71 起歪体、71a 第1主面、71b 第2主面、71c 受力部、71d 固定部、71e ビーム部、71f アーム部、71g フレクシャ部、71h 貫通穴、71i ネジ穴
72 起歪体、72a 第1主面、72b 第2主面、72c 受力部、72d 固定部、72e ビーム部、72f アーム部、72g フレクシャ部、72h 貫通穴、72i ネジ穴
101A、101B 力覚センサ
C6A1、C6A2、C6A3、C6A4、C6A5、C6A6 ブリッジ回路
C6B1、C6B2、C6B3、C6B4、C6B5、C6B6 ブリッジ回路
C8A1、C8A2、C8A3、C8A4、C8A5、C8A6 ブリッジ回路
P1 中心軸(軸線)
1 to 24
Claims (3)
前記歪みゲージは前記ビーム部における第1主面にのみ配設されており、
前記アーム部における第1アーム部に前記歪みゲージの半数が配設されており、前記フレクシャ部における前記第1アーム部に連結している第1フレクシャ部に前記歪みゲージの他の半数が配設されており、
前記アーム部は、前記歪みゲージが配設されている前記第1アーム部と、前記歪みゲージが配設されていない第2アーム部とが前記受力部の軸線周りに交互に配設されていること
を特徴とする力覚センサ。 a strain body having a force receiving portion, a fixed portion fixed to the force receiving portion, and a beam portion connected to the fixed portion; and a plurality of strain gauges arranged on the beam portion, In the beam portion, an arm portion connected to the force receiving portion and a flexure portion connected to the fixed portion are connected to each other, and six beam portions are formed at equal intervals around the axis of the force receiving portion. and
The strain gauge is arranged only on the first main surface of the beam portion,
Half of the strain gauges are arranged on the first arm portion of the arm portion, and the other half of the strain gauges are arranged on the first flexure portion of the flexure portion connected to the first arm portion. has been
In the arm portion, the first arm portion provided with the strain gauge and the second arm portion not provided with the strain gauge are alternately provided around the axis of the force receiving portion. A force sensor characterized by:
前記ビーム部における第1主面に前記歪みゲージの半数が配設されており、前記ビーム部における前記第1主面と逆向きの第2主面に前記歪みゲージの他の半数が配設されており、
前記アーム部は、前記歪みゲージが配設されている第1アーム部と、前記歪みゲージが配設されていない第2アーム部とが前記受力部の軸線周りに交互に配設されていること
を特徴とする力覚センサ。 a strain body having a force receiving portion, a fixed portion fixed to the force receiving portion, and a beam portion connected to the fixed portion; and a plurality of strain gauges arranged on the beam portion, In the beam portion, an arm portion connected to the force receiving portion and a flexure portion connected to the fixed portion are connected to each other, and six beam portions are formed at equal intervals around the axis of the force receiving portion. and
Half of the strain gauges are arranged on a first principal surface of the beam portion, and the other half of the strain gauges are arranged on a second principal surface of the beam portion opposite to the first principal surface. and
In the arm portion, a first arm portion provided with the strain gauge and a second arm portion provided with no strain gauge are alternately arranged around the axis of the force receiving portion. A force sensor characterized by:
を特徴とする請求項1または2に記載の力覚センサ。 The strain gauges are arranged to form a bridge circuit for detecting force and moment components, and a combination of at least three of the bridge circuits provides an X-axis component, a Y-axis component, and a Y-axis component of the force component. It is arranged to detect an axial component, a Z-axis component, and, of the moment components, a component about the X-axis, a component about the Y-axis, and a component about the Z-axis. The force sensor according to claim 1 or 2.
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