JP4955286B2

JP4955286B2 - 外力検出装置

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Publication number: JP4955286B2
Application number: JP2006061530A
Authority: JP
Inventors: 佐和田辺; 厚北村; 信也鈴木
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2006-03-07
Filing date: 2006-03-07
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2026-03-07
Also published as: JP2007240267A; US20070284512A1

Description

本発明は、外力検出装置に関し、詳しくは、支持部と受力部との相対位置の変位を光の受光位置のずれによって検出する光学式変位センサの出力に基づいて前記受力部に印加された外力を検出する外力検出装置に関する。

従来から、支持部に対する受力部の相対変位を光学式変位センサによって検出し、光学式変位センサからの信号に基づいて受力部に印加された外力を算出する、光学式６軸力センサ等の外力検出装置が知られている。

たとえば光学式６軸力センサでは、６軸方向の変位に基づいて６軸方向の力を算出するようにしており、６軸方向の変位を計測するための光学式変位センサを設けた構成としている。

この光学式６軸力センサは、６軸方向の変位を計測するために光センサユニットをベースとしたＸＹ方向の２軸方向の変位を計測することができる光学式変位センサを３つ設けて構成される。

光センサユニットは、光源となるＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ、発光ダイオード）と受光素子となるＰＤ（ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ、フォトダイオード）の光軸を一致させて対向配置する。ＰＤは４分割されて、その中心部にＬＥＤからの光が照射され、光学式変位センサでは、このＰＤにおける光の受光位置の変位すなわちＬＥＤが取り付けられた部品とＰＤが取り付けられた部品との相対位置の変位を検出することができるようになっている。

光学式６軸力センサでは、このような各光学式変位センサからの出力に基づいて、ＬＥＤが取り付けられた部品とＰＤが取り付けられた部品との間に印加された６軸力を算出する。

図１４は、特許文献１に開示された従来の６軸力センサの平面図であり、図１５は、図１４の６軸力センサ１００１を図１４の方向ＸＶでみた側断面図である。

この従来の６軸力センサ１００１は、円筒状の支持部１００２と、その支持部１００２の中心部に配置される厚肉状の受力部１００３と、それら支持部１００２および受力部１００３間を連結する３本のスポーク状の弾性連結部１００４を有する弾性フレーム１００５とを備えている。

受力部１００３には３個の光センサ１００８が１２０度回転対称に配置されている。一方、支持部１００２には各光センサ１００８に対向する位置にそれぞれ光源１００９が設けられており、光センサ１００８および光源１００９で光センサユニット１０１０を構成している。

特開平３−２４５０２８号公報

しかしながら、上述の従来の光学式変位センサを用いた６軸力センサすなわち外力検出装置には以下のような問題があった。

特許文献１に記載の６軸力センサでは、図１４や図１５に示すように、受力部１００３の側面のうち光源１００９に近い側の側面に光センサ１００８が設けられており、光源１００９と光センサ１００８とが接近した構成になっている。

このような構成では、６軸力センサすなわち外力検出装置の外径を小さくすると、光源と光センサの設置スペースに余裕がなくなり各部品の取り付けが困難となるし、また、光源と受光素子との間隔（光路長）を十分に確保できなくなり、精度よく変位検出を行うことができなくなってしまう。このため、従来の装置ではそれ以上の小型化は困難であるという問題があった。

なお、光源と受光素子との間隔（光路長）を確保する必要性について詳しく説明すると、一般に６軸力センサの外径が小さくなるにしたがって、計測すべき最大変位量が小さくなる傾向にあるが、計測すべき最大変位量を小さくする場合には、その分、計測の分解能（感度）を上げなければならない。そして、この分解能を上げるには光センサすなわち受光素子に入射させる光のビーム径を小さくする必要があるが、光源からの発散光を通常のレンズを用いてより小さいビーム径に集光するには、一般に光源とレンズとの間隔を広げることによって対処するものであり、このため、６軸力センサの外径が小さくするためには、それに応じて光源と受光素子との間隔（光路長）を確保する必要がある。

本発明は上記の点にかんがみてなされたもので、装置の外径を小さくする場合であっても、各部品の取り付けを容易に行えるようにし、また、高分解能での計測を可能とした外力検出装置を提供することを目的とする。

本発明は上記の目的を達成するために、支持部と、前記支持部の回転対称軸の中心に配置される受力部と、前記支持部と前記受力部とを連結する弾性連結部とを有し、前記支持部に対する前記受力部の相対変位を３組の光学式変位センサによって検出し、前記３組の光学式変位センサそれぞれからの信号に基づいて前記受力部に印加された外力を算出する外力検出装置において、前記３組の光学式変位センサは、前記回転対称軸を中心に１２０度回転対称に配置され、前記各光学式変位センサを構成する光源は、前記支持部または前記受力部のいずれか一方に設けられ、前記各光学式変位センサを構成する受光素子は、前記支持部または前記受力部のうち前記光源が設けられているのとは別の方に設けられ、前記光学式変位センサを構成する光源と受光素子との間に前記受力部が介在し、前記光源から前記受光素子までの光路が前記回転対称軸を通過し前記受力部を貫通するように前記３組の光学式変位センサを構成したことを特徴とする。

また本発明は請求項１に記載の発明において、前記弾性連結部は、前記回転対称軸を中心に１２０度回転対称に配置され、前記回転対称軸から見た場合に、前記弾性連結部に対して前記３組の光学式変位センサの各光軸が重ならないように、前記弾性連結部に対して前記３組の光学式変位センサを配置したことを特徴とする。

また本発明は請求項１または２に記載の発明において、前記光源は、光ファイバにより構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、装置の外径を小さくする場合であっても、各部品の取り付けを容易に行えるようにし、また、高分解能での計測を可能とした外力検出装置を提供することができる。

すなわち本発明によれば、請求項１に記載のようにしたので、光学式変位センサを構成する光源と受光素子との間に受力部が介在し、この受力部の分、光源と受光素子との間の距離を長くすることができ、これによって設置スペースを確保して各部品の取り付けを容易に行え、また、高分解能での計測が可能となり、外力検出装置を小径化することもできる。

また本発明によれば、請求項２に記載のように光源と受光素子との光軸が弾性連結部に重ならないような配置にしたので、この弾性連結部の分だけ、光源と受光素子との間の距離を長くすることができ、これによってさらに、設置スペースを確保して各部品の取り付けを容易に行え、また、高分解能での計測が可能となり、外力検出装置を小径化することもできる。

また本発明によれば、請求項３に記載のように光源を光ファイバで構成したので、光源を小さくすることができ、これによってさらに、設置スペースを確保して各部品の取り付けを容易に行え、また、高分解能での計測が可能となり、外力検出装置を小径化することもできる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明による６軸力センサの第１の実施の形態の外観を示す斜視図である。

図１に示すように、本実施の形態の６軸力センサ２０は、円柱状の形状に形成され、本体２１ａの上部に円板上の上部蓋２１ｂがされて構成される。

図２は、図１に示した６軸力センサ２０から上部蓋２１ｂを外して上から見た概略斜視図である。

また図３は、図１に示した６軸力センサ２０から上部蓋２１ｂを外して上から見た概略平面図である。

さらに図４は、図１に示した６軸力センサ２０を図３の方向ＩＶでみた側断面図である。

図２、図３および図４に示すように、本実施の形態の６軸力センサ２０は、円筒状の支持部２２と、その支持部２２の中心部に配置される受力部２３と、これら支持部２２と受力部２３との間を連結するスポーク状の弾性連結部２４を３本有するフレーム２５とを備えて構成される。

なお、本実施の形態では、外枠を支持部２２とし、中心部を受力部２３としたが、本発明はこれに限られるものではなく、外枠を受力部とし、中心部を支持部としてもかまわないことは言うまでもない。

フレーム２５は、アルミ合金材から切削加工および放電加工によって削り出して形成した一体のもので、弾性連結部２４は屈曲して形成され、全方向に弾性変形しやすくされている。

支持部２２および受力部２３は、計測すべき力が加えられる２部材にそれぞれ固着される。これによって、６軸力センサ２０に力が作用したとき、支持部２２と受力部２３との間に３軸方向の微少変位と３軸回りの微少回転とが生じる。

また、図２および図３に示すように、支持部２２には、３個の光センサ１（受光素子（たとえばＰＤ））が１２０度回転対称に配置されている。

一方、受力部２３には、３個の光源３（たとえばＬＥＤ）が、３個の光センサ１のそれぞれに対向して１２０度回転対称に配置されている。各光源３からの光は、受力部２３の回転対称中心を通過して各光センサ１に入射する。

図２、図３および図４に示すように、光源３からの光は、受力部２３を通過し、光センサ１の受光面の中央に照射される。光センサ１はこれを受光し、この受光結果に基づいて、光源３から出射される光の中心軸と直交する面内の２軸方向における、支持部２２に対する受力部２３の相対変位を計測することができる。

なお、この例では、受力部２３は高さを有し、光源３からの光を通過させるための貫通孔が設けられているものであるが、貫通孔の代わりに貫通溝等が設けられているものであってもかまわない。また、受力部２３の機械的強度が要求仕様を満たす場合には、受力部全体の厚みを薄くすることにより光路を確保するものであってもかまわない。

また、この例では、受力部２３は一体に構成されているものであるが、光源等の光学部品の受力部２３への取り付けを容易にするために、たとえば受力部２３を厚み方向に２分割し、あらかじめ光源等の光学部品が取り付けられている上側の受力部を、基部となる下側の受力部に取り付ける構成としてもよい。

この実施の形態によれば、光源３と光センサ１との間に受力部２３を介在させた分だけ光路長を長く確保することができる。

次に、本発明の別の実施の形態について説明する。

図５は、本発明による６軸力センサの第２の実施の形態の概略斜視図である。

また図６は、図５に示した６軸力センサ１２０を上から見た概略平面図である。

さらに図７は、図５に示した６軸力センサ１２０を図６の方向ＶＩＩでみた側断面図である。

図５、図６および図７に示すように、本実施の形態の６軸力センサ１２０は、円筒状の支持部１２２と、その支持部１２２の中心部に配置される受力部１２３と、これら支持部１２２と受力部１２３との間を連結するスポーク状の弾性連結部１２４を３本有するフレーム１２５とを備えて構成される。

なお、本実施の形態では、外枠を支持部１２２とし、中心部を受力部１２３としたが、本発明はこれに限られるものではなく、外枠を受力部とし、中心部を支持部としてもかまわないことは言うまでもない。

フレーム１２５は、アルミ合金材から切削加工および放電加工によって削り出して形成した一体のもので、弾性連結部１２４は屈曲して形成され、全方向に弾性変形しやすくされている。

支持部１２２および受力部１２３は、計測すべき力が加えられる２部材にそれぞれ固着される。これによって、６軸力センサ１２０に力が作用したとき、支持部１２２と受力部１２３との間に３軸方向の微少変位と３軸回りの微少回転とが生じる。

また、図５および図６に示すように、支持部１２２には、３個の光センサ１０１（受光素子（たとえばＰＤ））が１２０度回転対称に配置されている。

一方、受力部１２３には、３個の出射口１０３が、３個の光センサ１０１のそれぞれに対向して１２０度回転対称に配置されている。各出射口１０３から出射された光は、受力部１２３の回転対称中心を通過して各光センサ１０１に入射する。

この実施の形態では、光源（図示せず）からの光を光ファイバの入射口（図示せず）に入射させ、出射口１０３から出射する。出射口１０３は３個設けているが、光源は出射口１０３ごとに合計３個設けてもよいし、光源を共通で１個だけ設け、その光を光ファイバの１つの入射口から入射させた後に光ファイバを３分岐させ、３個の出射口１０３のそれぞれに光を供給するようにしてもよい。

図５、図６および図７に示すように、出射口１０３からの光は、受力部１２３を通過し、光センサ１０１の受光面の中央に照射される。光センサ１０１はこれを受光し、この受光結果に基づいて、出射口１０３から出射される光の中心軸と直交する面内の２軸方向における、支持部１２２に対する受力部１２３の相対変位を計測することができる。

なお、この例では、受力部１２３は高さを有し、出射口１０３からの光を通過させるための貫通孔が設けられているものであるが、貫通孔の代わりに貫通溝等が設けられているものであってもかまわない。また、受力部１２３の機械的強度が要求仕様を満たす場合には、受力部全体の厚みを薄くすることによって光路を確保するものであってもかまわない。

また、この例では、受力部１２３は一体に構成されているものであるが、光源等の光学部品の受力部１２３への取り付けを容易にするために、たとえば受力部１２３を厚み方向に２分割し、あらかじめ光源等の光学部品が取り付けられている上側の受力部を、基部となる下側の受力部に取り付ける構成としてもよい。

この実施の形態によれば、出射口１０３と光センサ１０１との間に受力部１２３を介在させた分だけ光路長を長く確保することができる。また、光ファイバを用いることにより光源を小さくすることができ、第１の実施の形態よりも、設置スペースの確保がより容易になるし、より小径化に対応することができる。

次に、本発明のさらに別の実施の形態について説明する。

図８は、本発明による６軸力センサの第３の実施の形態の概略斜視図である。

また図９は、図８に示した６軸力センサ２２０を上から見た概略平面図である。

さらに図１０は、図８に示した６軸力センサ２２０を図９の方向Ｘでみた側断面図である。

図８、図９および図１０に示すように、本実施の形態の６軸力センサ２２０は、円筒状の支持部２２２と、その支持部２２２の中心部に配置される受力部２２３と、これら支持部２２２と受力部２２３との間を連結するスポーク状の弾性連結部２２４を３本有するフレーム２２５とを備えて構成される。

なお、本実施の形態では、外枠を支持部２２２とし、中心部を受力部２２３としたが、本発明はこれに限られるものではなく、外枠を受力部とし、中心部を支持部としてもかまわないことは言うまでもない。

フレーム２２５は、アルミ合金材から切削加工および放電加工によって削り出して形成した一体のもので、弾性連結部２２４は屈曲して形成され、全方向に弾性変形しやすくされている。

支持部２２２および受力部２２３は、計測すべき力が加えられる２部材にそれぞれ固着される。これによって、６軸力センサ２２０に力が作用したとき、支持部２２２と受力部２２３との間に３軸方向の微少変位と３軸回りの微少回転とが生じる。

また、図８および図９に示すように、支持部２２２には、３個の光センサ２０１（受光素子（たとえばＰＤ））が１２０度回転対称に配置されている。

一方、受力部２２３には、３個の光源２０３（たとえばＬＥＤ）が、３個の光センサ２０１のそれぞれに対向して１２０度回転対称に配置されている。各光源２０３からの光は、受力部２２３の回転対称中心を通過して各光センサ２０１に入射する。

なお、本実施の形態においては、第１の実施の形態と異なり、各光源２０３から各光センサ２０１への光軸が、各弾性連結部２２４と重ならないような位置に、θ度だけずらして、各光源２０３および各光センサ２０１を設けてある。このように構成することによって、各光源２０３と各弾性連結部２２４との干渉を回避することができ、また光路長をより長く確保することができる。

図８、図９および図１０に示すように、光源２０３からの光は、受力部２２３を通過し、光センサ２０１の受光面の中央に照射される。光センサ２０１はこれを受光し、この受光結果に基づいて、光源２０３から出射される光の中心軸と直交する面内の２軸方向における、支持部２２２に対する受力部２２３の相対変位を計測することができる。

なお、この例では、受力部２２３は高さを有し、光源２０３からの光を通過させるための貫通孔が設けられているものであるが、貫通孔の代わりに貫通溝等が設けられているものであってもかまわない。また、受力部２２３の機械的強度が要求仕様を満たす場合には、受力部全体の厚みを薄くすることによって光路を確保するものであってもかまわない。

また、この例では、受力部２２３は一体に構成されているものであるが、光源等の光学部品の受力部２２３への取り付けを容易にするために、たとえば受力部２２３を厚み方向に２分割し、あらかじめ光源等の光学部品が取り付けられている上側の受力部を、基部となる下側の受力部に取り付ける構成としてもよい。また、各光源２０３は、光源を固定するための引き出し部分を設けることなく、受力部２２３の側面に直接固定する構成としてもよい。

この実施の形態によれば、光源２０３と光センサ２０１との間に受力部２２３を介在させた分だけ光路長を長く確保することができ、光軸を弾性連結部２２４と重ならないようにすることによってさらに光路長を長くすることができる。

次に、本発明のさらに別の実施の形態について説明する。

図１１は、本発明による６軸力センサの第４の実施の形態の概略斜視図である。

また図１２は、図１１に示した６軸力センサ３２０を上から見た概略平面図である。

さらに図１３は、図１１に示した６軸力センサ３２０を図１２の方向ＸＩＩＩでみた側断面図である。

図１１、図１２および図１３に示すように、本実施の形態の６軸力センサ３２０は、円筒状の支持部３２２と、その支持部３２２の中心部に配置される受力部３２３と、これら支持部３２２と受力部３２３との間を連結するスポーク状の弾性連結部３２４を３本有するフレーム３２５とを備えて構成される。

なお、本実施の形態では、外枠を支持部３２２とし、中心部を受力部３２３としたが、本発明はこれに限られるものではなく、外枠を受力部とし、中心部を支持部としてもかまわないことは言うまでもない。

フレーム３２５は、アルミ合金材から切削加工および放電加工によって削り出して形成した一体のもので、弾性連結部３２４は屈曲して形成され、全方向に弾性変形しやすくされている。

支持部３２２および受力部３２３は、計測すべき力が加えられる２部材にそれぞれ固着される。これによって、６軸力センサ３２０に力が作用したとき、支持部３２２と受力部３２３との間に３軸方向の微少変位と３軸回りの微少回転とが生じる。

また、図１１および図１２に示すように、支持部３２２には、３個の光センサ３０１（受光素子（たとえばＰＤ））が１２０度回転対称に配置されている。

一方、受力部３２３には、３個の出射口３０３が、３個の光センサ３０１のそれぞれに対向して１２０度回転対称に配置されている。各出射口３０３から出射された光は、受力部３２３の回転対称中心を通過して各光センサ３０１に入射する。

なお、本実施の形態においては、第２の実施の形態と異なり、各光源３０３から各光センサ３０１への光軸が、各弾性連結部３２４と重ならないような位置に、θ度だけずらして、各光源３０３および各光センサ３０１を設けてある。このように構成することによって、光路長をより長く確保することができるし、また、光ファイバを弾性連結部３２４の外側に回すことができ、光ファイバを配設する際に小さな曲率で曲げる必要がなく、光ファイバの曲げ損失の発生を抑制することができる。

この実施の形態では、光源（図示せず）からの光を光ファイバの入射口（図示せず）に入射させ、出射口３０３から出射する。出射口３０３は３個設けているが、光源は出射口３０３ごとに合計３個設けてもよいし、光源を共通で１個だけ設け、その光を光ファイバの１つの入射口から入射させた後に光ファイバを３分岐させ、３個の出射口３０３のそれぞれに光を供給するようにしてもよい。

図１１、図１２および図１３に示すように、出射口３０３からの光は、受力部３２３を通過し、光センサ３０１の受光面の中央に照射される。光センサ３０１はこれを受光し、この受光結果に基づいて、出射口３０３から出射される光の中心軸と直交する面内の２軸方向における、支持部３２２に対する受力部３２３の相対変位を計測することができる。

なお、この例では、受力部３２３は高さを有し、出射口３０３からの光を通過させるための貫通孔が設けられているものであるが、貫通孔の代わりに貫通溝等が設けられているものであってもかまわない。また、受力部３２３の機械的強度が要求仕様を満たす場合には、受力部全体の厚みを薄くすることによって光路を確保するものであってもかまわない。

また、この例では、受力部３２３は一体に構成されているものであるが、光源等の光学部品の受力部３２３への取り付けを容易にするために、たとえば受力部３２３を厚み方向に２分割し、あらかじめ光源等の光学部品が取り付けられている上側の受力部を、基部となる下側の受力部に取り付ける構成としてもよい。また、各出射口３０３は、各出射口を固定するための引き出し部分を設けることなく、受力部３２３の側面に直接固定する構成としてもよい。

この実施の形態によれば、出射口３０３と光センサ３０１との間に受力部３２３を介在させた分だけ光路長を長く確保することができる。また、光ファイバを用いることにより光源を小さくすることができ、第１の実施の形態よりも、設置スペースの確保がより容易になるし、より小径化に対応することができる。さらに光軸を弾性連結部３２４と重ならないようにすることによってさらに光路長を長くすることができるし、光ファイバを弾性連結部の外側に回すことができ、光ファイバを配設する際に小さな曲率で曲げる必要がなく、光ファイバの曲げ損失の発生を抑制することができる。

本発明による６軸力センサの第１の実施の形態の外観を示す斜視図である。図１に示した６軸力センサ２０から上部蓋２１ｂを外して上から見た概略斜視図である。図１に示した６軸力センサ２０から上部蓋２１ｂを外して上から見た概略平面図である。図１に示した６軸力センサ２０を図３の方向ＩＶでみた側断面図である。本発明による６軸力センサの第２の実施の形態の概略斜視図である。図５に示した６軸力センサ１２０を上から見た概略平面図である。図５に示した６軸力センサ１２０を図６の方向ＶＩＩでみた側断面図である。本発明による６軸力センサの第３の実施の形態の概略斜視図である。図８に示した６軸力センサ２２０を上から見た概略平面図である。図８に示した６軸力センサ２２０を図９の方向Ｘでみた側断面図である。本発明による６軸力センサの第４の実施の形態の概略斜視図である。図１１に示した６軸力センサ３２０を上から見た概略平面図である。図１１に示した６軸力センサ３２０を図１２の方向ＸＩＩＩでみた側断面図である。特許文献１に開示された従来の６軸力センサの平面図である。図１４の６軸力センサ１００１を図１４の方向ＸＶでみた側断面図である。

符号の説明

２０６軸力センサ
２１ａ本体
２１ｂ上部蓋
２２支持部
２３受力部
２４弾性連結部
２５フレーム
１光センサ
３光源
１０３出射口

Claims

支持部と、前記支持部の回転対称軸の中心に配置される受力部と、前記支持部と前記受力部とを連結する弾性連結部とを有し、前記支持部に対する前記受力部の相対変位を３組の光学式変位センサによって検出し、前記３組の光学式変位センサそれぞれからの信号に基づいて前記受力部に印加された外力を算出する外力検出装置において、
前記３組の光学式変位センサは、前記回転対称軸を中心に１２０度回転対称に配置され、
前記各光学式変位センサを構成する光源は、前記支持部または前記受力部のいずれか一方に設けられ、
前記各光学式変位センサを構成する受光素子は、前記支持部または前記受力部のうち前記光源が設けられているのとは別の方に設けられ、
前記光学式変位センサを構成する光源と受光素子との間に前記受力部が介在し、前記光源から前記受光素子までの光路が前記回転対称軸を通過し前記受力部を貫通するように前記３組の光学式変位センサを構成したことを特徴とする外力検出装置。
前記弾性連結部は、前記回転対称軸を中心に１２０度回転対称に配置され、
前記回転対称軸から見た場合に、前記弾性連結部に対して前記３組の光学式変位センサの各光軸が重ならないように、前記弾性連結部に対して前記３組の光学式変位センサを配置したことを特徴とする請求項１に記載の外力検出装置。
前記光源は、光ファイバにより構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の外力検出装置。