JP4877665B2 - 3-axis force sensor - Google Patents
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Description
本発明は、3軸方向の力を測定することができる3軸力覚センサに関する。 The present invention relates to a triaxial force sensor that can measure forces in three axial directions.
従来、ひずみゲージを用いて多軸の力を測定する力覚センサが開発されている。例えば、下記の特許文献1には、円板状の起歪部と、その円板状の起歪部に延設された4個の脚状の起歪部と、それぞれの起歪部に着設されたひずみゲージとを備え、3次元方向の力を検知することができるセンサが開示されている。 Conventionally, force sensors have been developed that measure multiaxial forces using strain gauges. For example, in Patent Document 1 below, a disc-shaped strain generating portion, four leg-shaped strain generating portions extended to the disc-shaped strain generating portion, and a strain-receiving portion are attached. A sensor that includes a strain gauge provided and can detect a force in a three-dimensional direction is disclosed.
また、下記の特許文献2には、中心部から放射状に延びた4個の脚を有し、その脚にひずみゲージを着設することにより、3次元方向の力を検知することができるセンサが開示されている。
上記特許文献1で開示されているセンサの場合には、加工精度を上げることが難しく、センサの精度が低くなる。より具体的には、円板状の起歪部を、センサが設置されている面に平行に構成することが難しい。円板状の起歪部が、センサが設置されている面に平行に構成されていないと、その円板状の起歪部に加えられた力をひずみゲージによって精度よく測定することができず、結果として、センサの精度が低下することになる。 In the case of the sensor disclosed in Patent Document 1, it is difficult to increase the processing accuracy, and the accuracy of the sensor is lowered. More specifically, it is difficult to configure the disc-shaped strain generating portion in parallel to the surface on which the sensor is installed. If the disk-shaped strain generating part is not configured parallel to the surface on which the sensor is installed, the force applied to the disk-shaped strain generating part cannot be accurately measured by the strain gauge. As a result, the accuracy of the sensor is reduced.
また、一般に力覚センサ等は、製造後に検定を行い、その検定によって校正を行う。上記特許文献1で開示されているセンサの場合には、その検定時に円板状の起歪部に力を加えるために、接着剤等によって円板状の起歪部に力を加えるための部材を取り付けることになる。すると、検定時に加えられる力が小さい場合にはそれでもよいが、検定時に加えられる力が大きくなると、その部材が円板状の起歪部から剥がれやすくなり、適切な検定を行うことができない。特に、力を加えるための部材が完全に剥がれてしまうのではなく、半分ぐらいだけ剥がれたような場合には、想定していないモーメントが円板状の起歪部にかかることとなり、正確な検定ができないことになる。適切な検定ができない場合には、センサの精度が低くなる。 In general, a force sensor or the like is calibrated after manufacturing and calibrated by the verification. In the case of the sensor disclosed in Patent Document 1 above, a member for applying a force to the disk-shaped strained portion with an adhesive or the like in order to apply a force to the disk-shaped strained portion at the time of verification Will be attached. Then, when the force applied at the time of verification is small, it may be sufficient, but when the force applied at the time of verification increases, the member easily peels off from the disk-shaped strained portion, and appropriate verification cannot be performed. In particular, if the member for applying force is not completely peeled off, but only about half of it is peeled off, an unexpected moment will be applied to the disk-shaped strained part, so accurate verification Will not be able to. If proper verification is not possible, the accuracy of the sensor will be low.
また、上記特許文献2で開示されているセンサの場合には、3次元方向の力を検知するために、中心部から放射状に延びた4本の柱状の脚の各面に、ひずみゲージが着設されている。その結果、その脚を細くすることができず、センサの小型化に限界がある。 In the case of the sensor disclosed in Patent Document 2, a strain gauge is attached to each surface of the four columnar legs extending radially from the central portion in order to detect a force in a three-dimensional direction. It is installed. As a result, the legs cannot be thinned, and there is a limit to downsizing the sensor.
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的のひとつは、精度の高い力覚センサを提供することである。
また、他の目的は、適切な検定を行うことができうる力覚センサを提供することである。
また、他の目的は、小型化の可能な力覚センサを提供することである。
The present invention has been made to solve the above-described problems, and one of its purposes is to provide a highly accurate force sensor.
Another object is to provide a force sensor that can perform an appropriate test.
Another object is to provide a force sensor that can be miniaturized.
上記目的を達成するため、本発明による力覚センサは、測定すべき力の加えられる中心部と、前記中心部から外方に向かって略等角度に延びる4個の脚部と、前記4個の脚部の外側の各端部とそれぞれ接合される枠部と、前記脚部の長手方向の変化を検出するように、前記脚部の側面に着設された複数の第1のひずみゲージと、前記脚部の長手方向に対して所定の鋭角を有する方向の変化を検出するように、前記脚部の側面に着設された複数の第2のひずみゲージと、を備えたものである。 In order to achieve the above object, a force sensor according to the present invention includes a central portion to which a force to be measured is applied, four leg portions extending from the central portion outward at a substantially equal angle, and the four pieces. A frame portion joined to each outer end portion of the leg portion, and a plurality of first strain gauges attached to the side surface of the leg portion so as to detect a change in the longitudinal direction of the leg portion; And a plurality of second strain gauges attached to the side surfaces of the leg portions so as to detect a change in a direction having a predetermined acute angle with respect to the longitudinal direction of the leg portions.
このような構成により、中心部、脚部、枠部によって構成される部材の加工精度を上げることができ、結果として、センサの精度を向上させることができうる。また、3軸方向の力を検出する第1のひずみゲージと第2のひずみゲージとを脚部の側面に設けたことにより、脚部の水平面の幅を小さくすることができ、3軸力覚センサの小型化が可能となる。 With such a configuration, it is possible to increase the processing accuracy of the member constituted by the center portion, the leg portion, and the frame portion, and as a result, the accuracy of the sensor can be improved. Further, by providing the first strain gauge and the second strain gauge for detecting the force in the triaxial direction on the side surface of the leg portion, the width of the horizontal surface of the leg portion can be reduced, and the triaxial force sense. The sensor can be downsized.
また、本発明による3軸力覚センサでは、前記所定の鋭角は、略45度であってもよい。
このような構成により、第2のひずみゲージによって最も効果的に脚部に発生したせん断ひずみを検出することができ、その結果、3軸力覚センサの精度を向上させることができうる。
In the triaxial force sensor according to the present invention, the predetermined acute angle may be approximately 45 degrees.
With such a configuration, the shear strain generated in the leg can be detected most effectively by the second strain gauge, and as a result, the accuracy of the triaxial force sensor can be improved.
また、本発明による3軸力覚センサでは、前記4個の脚部の各側面に前記第1のひずみゲージがそれぞれ着設され、前記4個の脚部の各側面に前記第2のひずみゲージがそれぞれ着設されていてもよい。 In the three-axis force sensor according to the present invention, the first strain gauge is attached to each side surface of the four leg portions, and the second strain gauge is provided on each side surface of the four leg portions. May be respectively installed.
このような構成により、4個の脚部の両側面に着設された8個の第1のひずみゲージと、4個の脚部の両側面に着設された8個の第2のひずみゲージとを用いて3軸方向の力を検出することになり、精度の高い検出を行うことができる。 With such a configuration, eight first strain gauges attached to both side surfaces of the four leg portions and eight second strain gauges attached to both side surfaces of the four leg portions. Are used to detect the force in the three-axis direction, and highly accurate detection can be performed.
また、本発明による3軸力覚センサでは、同一の前記脚部に着設された2個の前記第2のひずみゲージは、それぞれ同一の方向の変化を検出し、隣接する前記脚部に着設された前記第2のひずみゲージは、それぞれ異なる向きの変化を検出してもよい。
このような構成により、第2のひずみゲージによって形成されるブリッジ回路の配線をより簡単にすることができうる。
In the three-axis force sensor according to the present invention, the two second strain gauges attached to the same leg portion detect changes in the same direction, and are attached to the adjacent leg portions. The provided second strain gauges may detect changes in different directions.
With such a configuration, the wiring of the bridge circuit formed by the second strain gauge can be simplified.
また、本発明による3軸力覚センサでは、前記第2のひずみゲージは、前記第1のひずみゲージよりも外側にあってもよい。
このような構成により、第2のひずみゲージによる変化の検出をより適切に行うことができうる。ここで、第2のひずみゲージが第1のひずみゲージよりも外側にあるとは、一の脚部に着設されているひずみゲージについてである。
In the triaxial force sensor according to the present invention, the second strain gauge may be located outside the first strain gauge.
With such a configuration, it is possible to more appropriately detect a change by the second strain gauge. Here, the fact that the second strain gauge is outside the first strain gauge refers to the strain gauge attached to one leg.
また、本発明による3軸力覚センサでは、1対の対向する前記脚部に着設された4個の前記第1のひずみゲージについて、同一の前記脚部に着設された1対の前記第1のひずみゲージが、対向するようにブリッジ回路が形成されてもよい。 Further, in the three-axis force sensor according to the present invention, the four pairs of the first strain gauges attached to the pair of opposing leg parts are paired with the pair of the leg parts attached to the same leg part. The bridge circuit may be formed so that the first strain gauges face each other.
このような構成により、4個の脚部によって形成される平面内の1軸の力を、このブリッジ回路によって測定することができる。また、このようなブリッジ回路を2個設けることにより、その平面内の2軸の力をそれぞれ測定することができる。 With such a configuration, a uniaxial force in a plane formed by four legs can be measured by the bridge circuit. Further, by providing two such bridge circuits, the biaxial forces in the plane can be measured respectively.
また、本発明による3軸力覚センサでは、同一の前記脚部に着設された前記第2のひずみゲージが直列に接続され、隣接する前記脚部に着設された1対の前記第2のひずみゲージが、隣接するようにブリッジ回路が形成されていてもよい。
このような構成により、4個の脚部によって形成される平面に垂直な方向の力を、このブリッジ回路によって測定することができる。
In the triaxial force sensor according to the present invention, the second strain gauges attached to the same leg part are connected in series, and a pair of the second strain gauges attached to the adjacent leg parts. The bridge circuit may be formed so that the strain gauges are adjacent to each other.
With such a configuration, a force in a direction perpendicular to the plane formed by the four legs can be measured by the bridge circuit.
また、本発明による3軸力覚センサでは、前記中心部は、力を加えるための部材を取り付けることができる機構を有してもよい。
このような構成により、その機構を用いることにより、中心部に適切に力を加えることができ、適切な検定を行うことができうる。その結果、3軸力覚センサの精度を向上させることができうる。
In the triaxial force sensor according to the present invention, the central portion may have a mechanism to which a member for applying a force can be attached.
With such a configuration, by using the mechanism, an appropriate force can be applied to the central portion, and an appropriate test can be performed. As a result, the accuracy of the three-axis force sensor can be improved.
また、本発明による3軸力覚センサでは、前記機構は、前記中心部に設けられたねじ切りのされた穴であってもよい。
このような構成により、その機構を簡易な構成により作成することができうる。
In the triaxial force sensor according to the present invention, the mechanism may be a threaded hole provided in the central portion.
With such a configuration, the mechanism can be created with a simple configuration.
本発明による力覚センサによれば、3軸方向の力を検出する第1のひずみゲージと第2のひずみゲージとを脚部の側面に設けたことにより、脚部の水平面の幅を小さくすることができ、3軸力覚センサの小型化が可能となる。 According to the force sensor of the present invention, the width of the horizontal surface of the leg is reduced by providing the first strain gauge and the second strain gauge for detecting the force in the three axial directions on the side surface of the leg. Therefore, the three-axis force sensor can be downsized.
以下、本発明による3軸力覚センサについて、実施の形態を用いて説明する。なお、以下の実施の形態において、同じ符号を付した構成要素は同一または相当するものであり、再度の説明を省略することがある。 Hereinafter, a triaxial force sensor according to the present invention will be described with reference to embodiments. Note that, in the following embodiments, the components given the same reference numerals are the same or equivalent, and repetitive description may be omitted.
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1による3軸力覚センサについて、図面を参照しながら説明する。
図1は、本実施の形態による3軸力覚センサ1を示す斜視図である。図1において、本実施の形態による3軸力覚センサ1は、測定すべき力の加えられる中心部11と、中心部11から外方に向かって略等角度に延びる4個の脚部12〜15と、4個の脚部12〜15の外側の各端部とそれぞれ接合される枠部16と、脚部12〜15の長手方向の変化を検出するように、脚部12〜15の側面に着設された8個の第1のひずみゲージ21〜28と、脚部12〜15の長手方向に対して所定の鋭角を有する方向の変化を検出するように、脚部12〜15の側面に着設された8個の第2のひずみゲージ31〜38と、を備える。なお、図1において、第1のひずみゲージ22,23,25,28は、それぞれ第1のひずみゲージ21,24,26,27の裏面側に着設されており、図示されていない。また、第2のひずみゲージ32,33,35,38は、それぞれ第2のひずみゲージ31,34,36,37の裏面側に着設されており、図示されていない。
(Embodiment 1)
A three-axis force sensor according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a perspective view showing a triaxial force sensor 1 according to the present embodiment. In FIG. 1, a triaxial force sensor 1 according to the present embodiment includes a
図2(a)は、3軸力覚センサ1の上面図であり、図2(b)は、3軸力覚センサ1の側面図である。図2において、第1のひずみゲージ及び第2のひずみゲージについては図示していない。図2(a)で示されるように、本実施の形態による3軸力覚センサ1では、各脚部12〜15は、中心部11から枠部16に向けて、等角度、すなわち、90度ごとに設けられている。各脚部12〜15の長さは等しいものとする。また、図2で示されるように、X軸、Y軸、Z軸がそれぞれ設定されているものとする。なお、図2で示される3軸力覚センサ1のサイズは一例であって、図2で示されるサイズでなくてもよいことは言うまでもない。
2A is a top view of the triaxial force sensor 1, and FIG. 2B is a side view of the triaxial force sensor 1. FIG. In FIG. 2, the first strain gauge and the second strain gauge are not shown. As shown in FIG. 2A, in the triaxial force sensor 1 according to the present embodiment, the
中心部11は、円柱状に形成されており、その中心に、3軸力覚センサ1に力を加えるための部材を取り付けることができる機構であるタップ穴17を有する。タップ穴17とは、ねじ切りのされた穴(雌ネジ)である。このタップ穴17は、中心部11の上面から所定の深さまで設けられていてもよく、あるいは、裏面側に貫通していてもよい。3軸力覚センサ1に力を加えるための部材とは、例えば、タップ穴17に螺合する雄ネジを有する部材等である。なお、このタップ穴17に代えて、3軸力覚センサ1に力を加えるための部材を取り付けることができる別の機構を中心部11が有してもよい。例えば、その機構は、中心部11に設けられた円柱状もしくは角柱状の穴であってもよく、中心部11に設けられた雄ネジであってもよく、または、その他の機構であってもよい。
The
脚部12〜15には、前述のように、第1のひずみゲージ21〜28と、第2のひずみゲージ31〜38とが着設されている。第1のひずみゲージ21〜28、及び第2のひずみゲージ31〜38は、例えば、脚部12〜15に接着されることによって脚部12〜15に着設される。なお、図1及び図2からわかるように、脚部12〜15の側面の幅は、水平面の幅よりも十分大きくなっている。ここで、側面の幅とは、脚部12〜15の長手方向に対して直角な方向の幅である。また、水平面の幅とは、脚部12〜15の長手方向に対して垂直な方向の幅である。脚部12〜15の長手方向とは、脚部12〜15の中心部11側と枠部16側とを結ぶ方向である。脚部12〜15の水平面とは、4個の脚部12〜15によって形成される平面である。
As described above, the
図3を用いて、脚部12の一側面に着設された第1のひずみゲージ21、及び第2のひずみゲージ31について説明する。図3で示されるように、第1のひずみゲージ21は、脚部12の長手方向の変化を検出することができるように、中心部11に近い側に着設されている。また、第2のひずみゲージ31は、脚部12の長手方向に対して所定の鋭角を有する方向の変化を検出するように、枠部16に近い側に着設されている。ここで、本実施の形態では、その所定の鋭角は、略45度である。すなわち、第2のひずみゲージ31では、脚部12の枠部16側から中心部11側への向きと45度をなす方向の変化(せん断ひずみ)を検出することができる。なお、所定の鋭角は、0度より大きく、90度未満であればどのような角度であってもよいが、最も効果的に力を測定することができるのは、45度である。また、変化を検出するとは、長さの変化を検出することである。第1のひずみゲージ21と第2のひずみゲージ31の脚部12の側面における位置関係は、第2のひずみゲージの方向以外、脚部12〜15の他の側面についても同様であるとする。
The
脚部12の他の側面、すなわち、図3で示されている側面の裏面側においても、図4で示されるように、中心部11に近い側に第1のひずみゲージ22が着設され、枠部16に近い側に第2のひずみゲージ32が着設されている。その第1のひずみゲージ22の方向、及び第2のひずみゲージ32の方向は、反対側の側面(図3で示される側面)の方向と同じである。なお、測定の精度を向上させるために、第1のひずみゲージ21の着設されている位置と、第1のひずみゲージ22の着設されている位置とは、脚部12の両側面において同じであることが好ましい。同様に、第2のひずみゲージ31の着設されている位置及び角度と、第2のひずみゲージ32の着設されている位置及び角度とは、脚部12の両側面において同じであることが好ましい。図3,図4からわかるように、本実施の形態において、同一の脚部12に着設された2個の第2のひずみゲージ31、32は、それぞれ同一の方向の変化を検出するものとする。他の脚部13〜15に着設された2個の第2のひずみゲージについても同様であるとする。
On the other side of the
図5は、脚部13の一側面に着設された第1のひずみゲージ23、及び第2のひずみゲージ33について説明するための図である。図5で示されるように、脚部13では、第2のひずみゲージ33が、脚部12の中心部11側から枠部16側への向きと45度をなす方向の変化を検出することができるように着設されている。脚部13の他の側面、すなわち、図5で示されている側面の裏面側においても同様である。このように、脚部12に着設された第2のひずみゲージ31、32と、脚部13に着設された第2のひずみゲージ33、34とは、それぞれ異なる向きの変化を検出することになる。このことは、他の脚部に着設された第2のひずみゲージについても同様である。すなわち、本実施の形態では、隣接する脚部に着設された第2のひずみゲージは、それぞれ異なる向きの変化を検出する。
FIG. 5 is a view for explaining the
このように、本実施の形態では、脚部12〜15に生じる変化を第1のひずみゲージ21〜28及び第2のひずみゲージ31〜38によって検出することになる。すなわち、脚部12〜15が起歪部である。
Thus, in this Embodiment, the change which arises in the leg parts 12-15 is detected by the 1st strain gauges 21-28 and the 2nd strain gauges 31-38. That is, the
なお、脚部12及び脚部14について、第1のひずみゲージ21と第1のひずみゲージ26とは、中心部11の中心軸に対して対称となる位置に着設されていることが好適である。そのことは、第1のひずみゲージ22と第1のひずみゲージ25、第2のひずみゲージ31と第2のひずみゲージ36、第2のひずみゲージ32と第2のひずみゲージ35についても同様である。また、脚部13及び脚部15に着設されている、第1のひずみゲージ及び第2のひずみゲージについても同様である。
In addition, with respect to the
次に、第1のひずみゲージ21〜28によって形成されるブリッジ回路について説明する。まず、1対の対向する脚部12,14に着設された4個の第1のひずみゲージ21,22,25,26について説明する。図6で示されるように、第1のひずみゲージ21,22,25,26は、同一の脚部に着設された1対の第1のひずみゲージが対向するようにブリッジ回路が形成される。より具体的には、同一の脚部12に着設された1対の第1のひずみゲージ21,22は、図6で示されるように、ブリッジ回路において対向する位置に存在する。同様に、同一の脚部14に着設された1対の第1のひずみゲージ25,26も、ブリッジ回路において対向する位置に存在する。
Next, a bridge circuit formed by the
1対の対向する脚部13,15に着設された4個の第1のひずみゲージ23,24,27,28によって形成されるブリッジ回路について説明する。図7で示されるように、1対の対向する脚部13,15に着設された4個の第1のひずみゲージ23,24,27,28は、同一の脚部に着設された1対の第1のひずみゲージが対向するようにブリッジ回路が形成される。より具体的には、同一の脚部13に着設された1対の第1のひずみゲージ23,24は、図7で示されるように、ブリッジ回路において対向する位置に存在する。同様に、同一の脚部15に着設された1対の第1のひずみゲージ27,28も、ブリッジ回路において対向する位置に存在する。
A bridge circuit formed by the four first strain gauges 23, 24, 27, 28 attached to the pair of opposing
次に、第2のひずみゲージ31〜38によって形成されるブリッジ回路について図8を用いて説明する。図8において、同一の脚部に着設された第2のひずみゲージが直列に接続され、隣接する脚部に着設された1対の第2のひずみゲージが、隣接するようにブリッジ回路が形成される。より具体的には、同一の脚部12に着設された1対の第2のひずみゲージ31,32は、図8で示されるように、直列に接続される。他の脚部13〜15に着設された1対の第2のひずみゲージ33,34等についても同様である。また、脚部12に着設された1対の第2のひずみゲージ31,32と、脚部13に着設された1対の第2のひずみゲージ33,34とは、隣接するようにブリッジ回路が形成されている。換言すれば、対向する脚部に着設された1対の第2のひずみゲージは、ブリッジ回路において対向する位置に存在することになる。
Next, a bridge circuit formed by the second strain gauges 31 to 38 will be described with reference to FIG. In FIG. 8, the second strain gauges attached to the same leg are connected in series, and the bridge circuit is connected so that a pair of second strain gauges attached to adjacent legs are adjacent to each other. It is formed. More specifically, the pair of second strain gauges 31 and 32 attached to the
図6〜図8において図示した各ブリッジ回路において、入力及び出力は、図示しているとおりである。入力としては、例えば、直流の2〜3V程度の電圧が印加される。なお、この電圧値は一例であって、例えば、1〜10V程度の電圧を印加してもよい。本実施の形態では、直流の電圧を印加する場合について説明するが、交流の電圧を印加してもよい。出力では、電流あるいは電圧を計測する。 In each bridge circuit illustrated in FIGS. 6 to 8, the input and output are as illustrated. As an input, for example, a DC voltage of about 2 to 3 V is applied. In addition, this voltage value is an example, For example, you may apply the voltage of about 1-10V. In this embodiment, a case where a DC voltage is applied is described, but an AC voltage may be applied. At the output, current or voltage is measured.
次に、本実施の形態による3軸力覚センサ1の中心部11に力が加わった場合における、各ひずみゲージによる長さの変化の検出について説明する。まず、Z軸方向に中心部11に力Fzを加えた場合について、図9を用いて説明する。図9(a)、(b)で示されるように、力Fzは、Z軸のプラスの向きである。力Fzが中心部11に加えられた場合には、中心部11がZ軸のプラスの向きに移動し、脚部12〜15がたわむことになる。その結果、図9(a)で示されるように、第1のひずみゲージ21,26及び第2のひずみゲージ31,36は、長さが伸びる方向の変化を検出する。具体的には、第1のひずみゲージ21,26及び第2のひずみゲージ31,36の抵抗値が増加することになる。第1のひずみゲージ22,25及び第2のひずみゲージ32,35についても同様である。
Next, detection of a change in length by each strain gauge when a force is applied to the
図9(b)で示されるように、第1のひずみゲージ24,27は、長さが伸びる方向の変化を検出する。具体的には、第1のひずみゲージ24,27の抵抗値が増加することになる。第1のひずみゲージ23,28についても同様である。第2のひずみゲージ34,37は、長さが縮む方向の変化を検出する。具体的には、第1のひずみゲージ24,27の抵抗値が減少することになる。第2のひずみゲージ33,38についても同様である。
As shown in FIG. 9B, the
このように各ひずみゲージによって長さの変化が検出されることにより、第2のひずみゲージ31〜38によって形成されるブリッジ回路では、Z軸方向の変化が検出されることになる。具体的には、図8で示されるようにブリッジ回路が形成されているため、第2のひずみゲージ31,32,35,36の抵抗値の変化すなわち抵抗値の増加、及び第2のひずみゲージ33,34,37,38の抵抗値の変化すなわち抵抗値の減少は、出力電圧を変化させることになる。 Thus, the change in the length is detected by each strain gauge, so that the change in the Z-axis direction is detected in the bridge circuit formed by the second strain gauges 31 to 38. Specifically, since the bridge circuit is formed as shown in FIG. 8, the change in the resistance value of the second strain gauges 31, 32, 35, 36, that is, the increase in the resistance value, and the second strain gauge. A change in the resistance values of 33, 34, 37, and 38, that is, a decrease in the resistance value changes the output voltage.
一方、第1のひずみゲージ21,22,25,26によって形成されるブリッジ回路では、Z軸方向の変化は検出されない。具体的には、図6で示されるようにブリッジ回路が形成されているため、第1のひずみゲージ21,22,25,26の抵抗値の変化すなわち抵抗値の増加が等しい場合には、出力電圧には変化がないことになる。第1のひずみゲージ23,24,27,28によって形成されているブリッジ回路についても同様に、出力電圧には変化がないことになる。 On the other hand, in the bridge circuit formed by the first strain gauges 21, 22, 25, 26, no change in the Z-axis direction is detected. Specifically, since the bridge circuit is formed as shown in FIG. 6, when the change in the resistance value of the first strain gauges 21, 22, 25, 26, that is, the increase in the resistance value is equal, the output is There will be no change in voltage. Similarly, the output voltage of the bridge circuit formed by the first strain gauges 23, 24, 27, and 28 is not changed.
このように、本実施の形態による3軸力覚センサ1では、起歪部としての脚部12〜15に生じたせん断ひずみを第2のひずみゲージ31〜38によって検出することによって、Z軸方向の力を検出することができる。
As described above, in the triaxial force sensor 1 according to the present embodiment, the shear strain generated in the
次に、Y軸方向に中心部11に力Fyを加えた場合について、図10を用いて説明する。図10(a)、(b)で示されるように、力Fyは、Y軸のプラスの向きである。力Fyが中心部11に加えられた場合には、中心部11がY軸のプラスの向きに移動し、脚部12が圧縮され、脚部14が延びることになる。また、脚部13,15がたわむことになる。その結果、図10(a)で示されるように、第1のひずみゲージ21及び第2のひずみゲージ31は、長さが縮む方向の変化を検出する。具体的には、第1のひずみゲージ21及び第2のひずみゲージ31の抵抗値が減少することになる。第1のひずみゲージ22及び第2のひずみゲージ32についても同様である。一方、第1のひずみゲージ26及び第2のひずみゲージ36は、長さが伸びる方向の変化を検出する。具体的には、1のひずみゲージ26及び第2のひずみゲージ36の抵抗値が増加することになる。第1のひずみゲージ25及び第2のひずみゲージ35についても同様である。
Next, a case where a force Fy is applied to the
図10(b)で示されるように、第1のひずみゲージ24,27及び第2のひずみゲージ34,37は、長さが伸びる方向の変化を検出する。具体的には、第1のひずみゲージ24,27及び第2のひずみゲージ34,37の抵抗値が増加することになる。一方、図示していない、第1のひずみゲージ23,28及び第2のひずみゲージ33,38については、長さが縮む方向の変化を検出する。具体的には、第1のひずみゲージ23,28及び第2のひずみゲージ33,38の抵抗値が減少することになる。
As shown in FIG. 10B, the
このように各ひずみゲージによって長さの変化が検出されることにより、第1のひずみゲージ21,22,25,26によって形成されるブリッジ回路では、Y軸方向の変化が検出されることになる。具体的には、図6で示されるようにブリッジ回路が形成されているため、第1のひずみゲージ25,26の抵抗値の変化すなわち抵抗値の増加、及び第1のひずみゲージ21,22の抵抗値の変化すなわち抵抗値の減少は、出力電圧を変化させることになる。 Thus, by detecting a change in length by each strain gauge, a change in the Y-axis direction is detected in the bridge circuit formed by the first strain gauges 21, 22, 25, and 26. . Specifically, since the bridge circuit is formed as shown in FIG. 6, the resistance value of the first strain gauges 25, 26, that is, the increase of the resistance value, and the first strain gauges 21, 22 are changed. A change in resistance value, that is, a decrease in resistance value changes the output voltage.
一方、第1のひずみゲージ23,24,27,28によって形成されるブリッジ回路では、Y軸方向の変化は検出されない。具体的には、図7で示されるようにブリッジ回路が形成されているため、第1のひずみゲージ23,28の抵抗値の変化すなわち抵抗値の減少の各大きさと、第1のひずみゲージ24,27の抵抗値の変化すなわち抵抗値の増加の各大きさとが等しい場合には、出力電圧には変化がないことになる。
On the other hand, in the bridge circuit formed by the first strain gauges 23, 24, 27, and 28, no change in the Y-axis direction is detected. Specifically, since the bridge circuit is formed as shown in FIG. 7, the magnitude of the change in the resistance value of the first strain gauges 23, 28, that is, the decrease in the resistance value, and the
また、第2のひずみゲージ31〜38によって形成されるブリッジ回路でも、Y軸方向の変化は検出されない。具体的には、図8で示されるようにブリッジ回路が形成されているため、第2のひずみゲージ31,32,33,38の抵抗値の変化すなわち抵抗値の減少の各大きさと、第2のひずみゲージ34,35,36,37の抵抗値の変化すなわち抵抗値の増加の各大きさとが等しい場合には、出力電圧には変化がないことになる。 Further, even in the bridge circuit formed by the second strain gauges 31 to 38, no change in the Y-axis direction is detected. More specifically, since the bridge circuit is formed as shown in FIG. 8, the magnitudes of changes in the resistance values of the second strain gauges 31, 32, 33, and 38, that is, decreases in the resistance value, When the resistance values of the strain gauges 34, 35, 36, and 37 are equal to each other, that is, each increase in resistance value is equal, the output voltage does not change.
このように、本実施の形態による3軸力覚センサ1では、起歪部としての脚部12,14に生じた圧縮及び引張(縦ひずみ)を検出することによって、Y軸方向の力を検出することができる。
As described above, in the triaxial force sensor 1 according to the present embodiment, the force in the Y-axis direction is detected by detecting the compression and tension (longitudinal strain) generated in the
なお、X軸方向に中心部11に力が加えられた場合にも、Y軸方向に力Fyが加えられる場合と同様にして、図7で示されるブリッジ回路によってX軸方向の力を検出することができる。また、その場合には、Y軸方向に力Fyが加えられる場合と同様にして、図6及び図8で示されるブリッジ回路の出力電圧には変化がないことになる。
Even when a force is applied to the
また、上記説明では理想的な場合について説明したが、実際には、Z軸方向に力を加えた場合に、図6及び図7で示されるブリッジ回路の出力電圧に変化が生じることがあり、Y軸方向に力を加えた場合に、図7及び図8で示されるブリッジ回路の出力電圧に変化が生じることがあり、X軸方向に力を加えた場合に、図6及び図8で示されるブリッジ回路の出力電圧に変化が生じることがある。このことは、特に起歪部が小さいときに顕著となりうる。このように干渉が生じた場合には、干渉補正を行うようにしてもよい。干渉補正の方法についてはすでに公知であるため、その説明を省略する。 In the above description, the ideal case has been described. However, in reality, when a force is applied in the Z-axis direction, the output voltage of the bridge circuit shown in FIGS. 6 and 7 may change. When a force is applied in the Y-axis direction, the output voltage of the bridge circuit shown in FIGS. 7 and 8 may change, and when a force is applied in the X-axis direction, it is shown in FIGS. The output voltage of the bridge circuit may change. This can be particularly noticeable when the strain-generating portion is small. When interference occurs in this way, interference correction may be performed. Since the interference correction method is already known, the description thereof is omitted.
次に、本実施の形態による3軸力覚センサ1の製造方法について簡単に説明する。中心部11、脚部12〜15、枠部16からなる部材は、例えば、NC旋盤等によって作成されてもよく、プレスや打ち抜き等によって作成されてもよく、あるいは、焼結等によって作成されてもよい。中心部11、脚部12〜15、枠部16からなる部材の材料としては、例えば、クロムモリブデン鋼(SCM)等の鉄鋼材料や、アルミニウム、ステンレス等の適度な剛性を有する金属を用いてもよい。微少な力を検出したい場合には、例えばアルミニウム等の柔らかい金属を用いればよい。一方、大きな力を検出したい場合には、例えばクロムモリブデン鋼等の硬い金属を用いればよい。
Next, a method for manufacturing the three-axis force sensor 1 according to the present embodiment will be briefly described. The member composed of the
そのようにして形成された脚部12〜15に、第1のひずみゲージ21〜28と、第2のひずみゲージ31〜38とを着設する。この着設は、前述のように接着剤等を用いて行われる。この場合に、例えば、図11で示されるように、第1のひずみゲージと第2のひずみゲージとを備えたひずみゲージユニットを構成しておき、そのひずみゲージユニットを脚部12〜15に着設するようにしてもよい。このひずみゲージユニットにおいて第1のひずみゲージと第2のひずみゲージとの角度・位置を正確に設定しておくことにより、そのひずみゲージユニットの着設時には、ひずみゲージユニットを着設する角度・位置のみに留意すればよいため、作業性が向上する。
The
そのようにして、第1のひずみゲージ21〜28と、第2のひずみゲージ31〜38とを脚部12〜15に着設した後に、図6〜図8の各ブリッジ回路を形成するように配線を行う。図8のブリッジ回路では、同一の脚部に貼着された第2のひずみゲージを直列につなぐため、配線をより容易に行うことができうる。
In this manner, after the
本実施の形態による3軸力覚センサ1が構成された後に、タップ穴17に所定の雄ネジを螺合させ、検定を行うことは前述の通りである。また、必要であれば、干渉補正を行ってもよい。 As described above, after the triaxial force sensor 1 according to the present embodiment is configured, a predetermined male screw is screwed into the tap hole 17 and the test is performed. Further, if necessary, interference correction may be performed.
実際に、本実施の形態による3軸力覚センサ1を用いる場合には、枠部16を所定の位置にネジ等によって固定する。そして、各ブリッジ回路に所定の入力電圧を印加し、中心部11に加えられた力に応じた出力の変化を見ることによって、その力の3軸方向の大きさを知ることができる。
Actually, when the triaxial force sensor 1 according to the present embodiment is used, the
以上のように、本実施の形態による3軸力覚センサ1によれば、3軸力覚センサ1の製造時に、前述の特許文献1のセンサのように金属板を曲げる加工等を行わなくてもよいため、精度の高い3軸力覚センサ1を構成することができ、結果として、3軸力覚センサ1による検出の精度が高まることになる。
また、中心部11にタップ穴17を設け、そのタップ穴17を用いて検定を行うことができるため、適切な検定を行うことができる。
As described above, according to the three-axis force sensor 1 according to the present embodiment, when the three-axis force sensor 1 is manufactured, there is no need to perform a process of bending a metal plate or the like like the sensor of Patent Document 1 described above. Therefore, the highly accurate triaxial force sensor 1 can be configured, and as a result, the detection accuracy of the triaxial force sensor 1 is increased.
Moreover, since the tap hole 17 is provided in the
さらに、せん断ひずみによって、Z軸方向の力を検出するため、Z軸方向の力を脚部12〜15の側面に着設した第2のひずみゲージ31〜38によって検出することができる。したがって、前述の特許文献2のセンサのように、脚部12〜15の水平面上にひずみゲージを着設する必要がなくなり、脚部12〜15の水平面の幅を小さくすることができる。その結果、枠部16の内側の円柱側面の半径を小さくすることができ、3軸力覚センサ1の小型化が可能となり、また、脚部12〜15の側面にひずみゲージを着設する場合における作業性が向上する。
Further, since the force in the Z-axis direction is detected by the shear strain, the force in the Z-axis direction can be detected by the second strain gauges 31 to 38 attached to the side surfaces of the
なお、本実施の形態では、4個の脚部12〜15の各側面に第1のひずみゲージ21〜28がそれぞれ着設され、4個の脚部12〜15の各側面に第2のひずみゲージ31〜38がそれぞれ着設される場合について説明したが、ひずみゲージの個数はこれに限定されるものではない。例えば、測定精度は落ちるが、第1のひずみゲージを4個の脚部12〜15の一方の側面にのみ着設するようにしてもよい。また、第2のひずみゲージを4個の脚部12〜15の一方の側面にのみ着設するようにしてもよい。
In the present embodiment, the
また、本実施の形態では、第2のひずみゲージが、第1のひずみゲージよりも中心部11に対して外側にある場合について説明したが、これに限定されないことは言うまでもない。例えば、第1のひずみゲージが第2のひずみゲージ31よりも中心部11に対して外側にあってもよい。ただし、発明者による実験の結果、第2のひずみゲージが第1のひずみゲージよりも外側にある場合の方が、第2のひずみゲージによる検出をより効果的に行うことができることがわかっているため、第2のひずみゲージを第1のひずみゲージよりも外側にする方が好適である。
In the present embodiment, the case where the second strain gauge is on the outer side with respect to the
また、本実施の形態では、同一の脚部に着設された2個の第2のひずみゲージが、それぞれ同一の方向の変化を検出する場合について説明したが、そうでなくてもよい。例えば、同一の脚部に着設された2個の第2のひずみゲージが、異なる向きの変化を検出してもよい。その場合には、図8のブリッジ回路の構成を代える必要があるが、適切なブリッジ回路とすることにより、本実施の形態と同様に第2のひずみゲージによってZ軸方向の力を適切に検出することができる。 Further, in the present embodiment, a case has been described in which the two second strain gauges attached to the same leg portion detect changes in the same direction, but this need not be the case. For example, two second strain gauges attached to the same leg may detect changes in different directions. In that case, it is necessary to change the configuration of the bridge circuit of FIG. 8, but by using an appropriate bridge circuit, the force in the Z-axis direction is appropriately detected by the second strain gauge as in the present embodiment. can do.
また、本実施の形態では、図6〜図8で示されるようにブリッジ回路が形成される場合について説明したが、ブリッジ回路がそれらに限定されないことは言うまでもない。例えば、図6において、第1のひずみゲージ21と、第1のひずみゲージ22との位置が入れ替わってもよい。
Further, in the present embodiment, the case where the bridge circuit is formed as illustrated in FIGS. 6 to 8 has been described, but it is needless to say that the bridge circuit is not limited thereto. For example, in FIG. 6, the positions of the
また、中心部11、脚部12〜15、枠部16の形状も、本実施の形態のものに限定されないことは言うまでもない。例えば、中心部11は、角柱状や球状に形成されてもよい。また、枠部16の内周面も、円柱状でなくてもよく、例えば、角柱状に形成されてもよい。また、本実施の形態では、脚部12〜15の各長さが等しい場合について説明したが、そうでなくてもよい。したがって、中心部11は、枠部16の厳密な中心位置に存在しなくてもよい。ただし、脚部12〜15の各長さが等しくない場合であっても、対向する脚部の長さは等しいことが好適である。
また、本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。
Moreover, it cannot be overemphasized that the shape of the
Further, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible, and it goes without saying that these are also included in the scope of the present invention.
以上より、本実施の形態による3軸力覚センサによれば、3軸方向の力を適切に検出することができ、例えば、3軸方向の力を検出するセンサ等として、各種の装置等において有用である。 As described above, according to the triaxial force sensor according to the present embodiment, the force in the triaxial direction can be appropriately detected. For example, in various devices as a sensor for detecting the triaxial force, etc. Useful.
1 3軸力覚センサ
11 中心部
12〜15 脚部
16 枠部
17 タップ穴
21〜28 第1のひずみゲージ
31〜38 第2のひずみゲージ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 3
Claims (7)
前記中心部から外方に向かって略等角度に延びる4個の脚部と、
前記4個の脚部の外側の各端部とそれぞれ接合される枠部と、
前記脚部の長手方向の変化を検出するように、前記脚部の側面に着設された複数の第1のひずみゲージと、
前記脚部の長手方向に対して所定の鋭角を有する方向の変化を検出するように、前記脚部の側面に着設された複数の第2のひずみゲージと、を備え、
前記4個の脚部の各側面に前記第1のひずみゲージがそれぞれ着設され、
前記4個の脚部の各側面に前記第2のひずみゲージがそれぞれ着設され、
同一の前記脚部に着設された2個の前記第2のひずみゲージは、それぞれ同一の方向の変化を検出し、
隣接する前記脚部に着設された前記第2のひずみゲージは、それぞれ異なる向きの変化を検出する、3軸力覚センサ。 A center where the force to be measured is applied,
Four legs extending substantially equiangularly outward from the center,
A frame portion joined to each of the outer ends of the four legs,
A plurality of first strain gauges attached to the side of the leg so as to detect a change in the longitudinal direction of the leg;
A plurality of second strain gauges attached to the side of the leg so as to detect a change in a direction having a predetermined acute angle with respect to the longitudinal direction of the leg ,
The first strain gauges are respectively attached to the side surfaces of the four legs,
The second strain gauges are respectively attached to the side surfaces of the four legs,
The two second strain gauges attached to the same leg portion detect changes in the same direction,
The triaxial force sensor , wherein the second strain gauges attached to the adjacent legs detect changes in different directions .
前記中心部から外方に向かって略等角度に延びる4個の脚部と、Four legs extending substantially equiangularly outward from the center,
前記4個の脚部の外側の各端部とそれぞれ接合される枠部と、A frame portion joined to each of the outer ends of the four legs,
前記脚部の長手方向の変化を検出するように、前記脚部の側面に着設された複数の第1のひずみゲージと、A plurality of first strain gauges attached to the side of the leg so as to detect a change in the longitudinal direction of the leg;
前記脚部の長手方向に対して所定の鋭角を有する方向の変化を検出するように、前記脚部の側面に着設された複数の第2のひずみゲージと、を備え、A plurality of second strain gauges attached to the side of the leg so as to detect a change in a direction having a predetermined acute angle with respect to the longitudinal direction of the leg,
前記4個の脚部の各側面に前記第1のひずみゲージがそれぞれ着設され、The first strain gauges are respectively attached to the side surfaces of the four legs,
前記4個の脚部の各側面に前記第2のひずみゲージがそれぞれ着設され、The second strain gauges are respectively attached to the side surfaces of the four legs,
1対の対向する前記脚部に着設された4個の前記第1のひずみゲージについて、For the four first strain gauges attached to the pair of opposing leg portions,
同一の前記脚部に着設された1対の前記第1のひずみゲージが、対向するようにブリッジ回路が形成される、3軸力覚センサ。A triaxial force sensor in which a bridge circuit is formed so that a pair of the first strain gauges attached to the same leg portion face each other.
前記中心部から外方に向かって略等角度に延びる4個の脚部と、Four legs extending substantially equiangularly outward from the center,
前記4個の脚部の外側の各端部とそれぞれ接合される枠部と、A frame portion joined to each of the outer ends of the four legs,
前記脚部の長手方向の変化を検出するように、前記脚部の側面に着設された複数の第1のひずみゲージと、A plurality of first strain gauges attached to the side of the leg so as to detect a change in the longitudinal direction of the leg;
前記脚部の長手方向に対して所定の鋭角を有する方向の変化を検出するように、前記脚部の側面に着設された複数の第2のひずみゲージと、を備え、A plurality of second strain gauges attached to the side of the leg so as to detect a change in a direction having a predetermined acute angle with respect to the longitudinal direction of the leg,
前記4個の脚部の各側面に前記第1のひずみゲージがそれぞれ着設され、The first strain gauges are respectively attached to the side surfaces of the four legs,
前記4個の脚部の各側面に前記第2のひずみゲージがそれぞれ着設され、The second strain gauges are respectively attached to the side surfaces of the four legs,
同一の前記脚部に着設された前記第2のひずみゲージが直列に接続され、The second strain gauges attached to the same leg are connected in series;
隣接する前記脚部に着設された1対の前記第2のひずみゲージが、隣接するようにブリッジ回路が形成されている、3軸力覚センサ。A triaxial force sensor in which a bridge circuit is formed so that a pair of the second strain gauges attached to the adjacent leg portions are adjacent to each other.
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