JP5602582B2 - Force sensor - Google Patents
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Description
本発明は、受力部に作用する外力及びモーメントの複数方向の成分を検出する力覚センサに関する。 The present invention relates to a force sensor that detects components in multiple directions of external force and moment acting on a force receiving portion.
産業用ロボットのアームや、医療用等のマニピュレータの各部に作用する外力を検出するために力覚センサが使用されている。このような力覚センサの一例として光学式の変位センサを使用した6軸力覚センサが開示されている(特許文献1参照)。 A force sensor is used to detect an external force acting on each part of an industrial robot arm or a medical manipulator. As an example of such a force sensor, a 6-axis force sensor using an optical displacement sensor is disclosed (see Patent Document 1).
上記力覚センサは、支持部と、受力部と、それらを連結する弾性連結部とから構成される。ここで支持部は、円筒形状であり、支持部の円筒内壁部には、120度間隔で3箇所に反射体(検出対象体)が配設され、一方、受力部は、支持部の内部に配置され、受力部には光源及び受光素子からなる3対の光学式変位センサが配設されている。光源から出射した光束は反射体で2回反射され、受光素子に入射する。受光素子は4分割された受光面を備えており、各々が受光した光量に比例する検出信号を出力する。 The force sensor includes a support portion, a force receiving portion, and an elastic connecting portion that connects them. Here, the support portion has a cylindrical shape, and reflectors (detection target bodies) are arranged at three positions at intervals of 120 degrees on the cylindrical inner wall portion of the support portion, while the force receiving portion is inside the support portion. In the force receiving portion, three pairs of optical displacement sensors including a light source and a light receiving element are disposed. The light beam emitted from the light source is reflected twice by the reflector and enters the light receiving element. The light receiving element has a light receiving surface divided into four parts, and each outputs a detection signal proportional to the amount of light received.
支持部を固定した状態で受力部に外力が作用すると、弾性連結部が弾性変形し、その結果、受力部は支持部に対して外力の方向と大きさに応じた変位を生じる。このとき受光素子の受光面に入射する光束の位置が変化するので、4分割された各受光面で検出される信号に変化が生じる。従って各受光面の検出信号の作動演算により、反射体すなわち受力部の変位の方向と大きさを検出することができる。 When an external force acts on the force receiving portion in a state where the support portion is fixed, the elastic coupling portion is elastically deformed. As a result, the force receiving portion is displaced according to the direction and magnitude of the external force with respect to the support portion. At this time, since the position of the light beam incident on the light receiving surface of the light receiving element changes, the signal detected on each of the four light receiving surfaces is changed. Therefore, the direction and magnitude of the displacement of the reflector, that is, the force receiving portion can be detected by the operation calculation of the detection signal of each light receiving surface.
ところで、一般的には単一の変位センサにより高感度で変位を検出できるのは特定の1〜2方向の成分に限られ、他の方向の成分は検出することができない。例えば上述した従来の光学式変位センサで検出できるのは、受光素子の受光面に平行な方向の変位の2成分のみであり、受光面に垂直な方向や受光面内で回転する変位の成分は検出することができない。従って、このような変位センサを使用してモーメントも含む外力の3成分以上の検出を行う場合には複数の変位センサを必要とし、しかも各々を異なる位置に異なる方向に向けて配設する必要がある。このため上記の例においては6軸すなわち外力の3方向の大きさと3方向のモーメントの成分を検出するために3つの光学式変位センサを用い、それらを、120度ずつ方向を異ならせて配置している。 By the way, in general, a single displacement sensor can detect a displacement with high sensitivity only in components in specific one or two directions, and cannot detect components in other directions. For example, the above-described conventional optical displacement sensor can detect only two components of displacement in the direction parallel to the light receiving surface of the light receiving element, and the component of displacement rotating in the direction perpendicular to the light receiving surface or within the light receiving surface is It cannot be detected. Therefore, when using such a displacement sensor to detect three or more components of an external force including a moment, a plurality of displacement sensors are required, and it is necessary to dispose each at a different position in a different direction. is there. For this reason, in the above example, three optical displacement sensors are used to detect the components of the six axes, that is, the three directions of the external force and the moments in the three directions, and they are arranged 120 degrees apart from each other. ing.
しかしながら、従来の力覚センサでは、複数の変位センサを異なる位置に異なる方向に向けて配設する必要があるため、変位センサの占有部分の体積が大きくなり、その結果小型化及び低コスト化が困難であった。 However, in the conventional force sensor, it is necessary to dispose a plurality of displacement sensors at different positions in different directions, so that the volume of the occupied portion of the displacement sensor increases, resulting in a reduction in size and cost. It was difficult.
そこで、本発明は、小型化及び低コスト化を図った力覚センサを提供することを目的とするものである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a force sensor that is reduced in size and cost.
本発明は、支持部と、外力の作用により前記支持部に対して変位する受力部と、前記支持部と前記受力部とを連結する弾性連結部と、前記支持部と前記受力部との間に複数配置され、且つ前記支持部に対する前記受力部の垂直方向の変位によって前記支持部に対して水平方向に変位する変位部を有する変位方向変換機構と、前記各変位方向変換機構の前記変位部の前記支持部側に設けられた検出対象体と、前記各検出対象体に対向するように前記支持部に支持され、前記各検出対象体の移動を検出する変位検出素子と、を備えたことを特徴とする。 The present invention includes a support portion, a force receiving portion that is displaced relative to the support portion by the action of an external force, an elastic connection portion that connects the support portion and the force receiving portion, the support portion, and the force receiving portion. And a displacement direction conversion mechanism having a displacement portion that is displaced in a horizontal direction with respect to the support portion by a displacement in a vertical direction of the force receiving portion with respect to the support portion, and each of the displacement direction conversion mechanisms. A detection object provided on the support part side of the displacement part, and a displacement detection element that is supported by the support part so as to face each detection object, and detects the movement of each detection object; It is provided with.
本発明によれば、各検出対象体が水平方向に変位する変位部の支持部側に配置されているので、各検出対象体は同一方向を向いて配置されていることとなる。そして、各変位検出素子が各検出対象体に対向するように支持部に支持されているので、各変位検出素子は同一方向を向いて配置されていることとなる。このように、各検出対象体及び各変位検出素子を同一方向に向けて配置することにより、それらの占有領域を小さくすることができるので、力覚センサの小型化を図ることができ、これにより力覚センサの低コスト化を実現することができる。 According to the present invention, since each detection object is arranged on the support part side of the displacement part that is displaced in the horizontal direction, each detection object is arranged in the same direction. And since each displacement detection element is supported by the support part so as to oppose each detection object, each displacement detection element will be arrange | positioned facing the same direction. In this way, by arranging the respective detection objects and the respective displacement detection elements in the same direction, the occupied area can be reduced, so that the force sensor can be reduced in size. Cost reduction of the force sensor can be realized.
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[第1実施形態]
図1は、本発明の第1実施形態に係る力覚センサを示す斜視図である。図2は、力覚センサの内部構成を示す説明図であり、図2(a)は上蓋及び変換部材取付板を取り外した状態の力覚センサの平面図、図2(b)はX−Z面に沿う力覚センサの断面図である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a perspective view showing a force sensor according to a first embodiment of the present invention. 2A and 2B are explanatory views showing the internal configuration of the force sensor. FIG. 2A is a plan view of the force sensor with the top cover and the conversion member mounting plate removed, and FIG. It is sectional drawing of the force sensor along a surface.
本第1実施形態の力覚センサ100は、3軸の力覚センサであり、Fz(Z方向の力)、Mx(X方向回りのモーメント)、My(Y方向回りのモーメント)の検出が可能である。ここでX,Y,Zの各方向は各図中に示す通りである。
The
図1に示すように、力覚センサ100は、円柱状の本体2と、本体2の上部を覆う円盤形状の上蓋4と、本体2の下部を覆う円盤形状の下蓋1と、を備えている。図2(a)及び図2(b)を参照すると、本体2は、円筒部材6と、円筒部材6の上部に固定され、内周面が段状に形成された円筒形状の変換部材取付板3と、を備えている。また、本体2は、円筒部材6の内側に配置され、円筒部材6の軸線方向の長さよりも短い長さの円柱形状の支持部としてのセンサ支持体5を備えている。
As shown in FIG. 1, the
センサ支持体5の一端面である上面には、センサ基板11が固定されている。センサ支持体5の他端面である下面には、下蓋1が固定されている。センサ支持体5の外周面と円筒部材6の内周面とが複数の弾性連結部7a,7b,7cで連結されている。これらセンサ支持体5、円筒部材6及び弾性連結部7a,7b,7cは、一体に形成されている。各弾性連結部7a,7b,7cはZ方向の厚さがX,Y方向よりも薄い上下一対の梁から成っており、Z方向にのみ剛性が小さく変形が容易な構造となっている。つまり、受力部としての第2の固定部A2は、第1の固定部A1に対して外力の作用により変位する。
A
本第1実施形態では、支持部としてのセンサ支持体5及び下蓋1により第1の固定部A1が構成されている。また、上蓋4、変換部材取付板3及び円筒部材6により受力部としての第2の固定部A2が構成されている。さらに第1の固定部A1と第2の固定部A2とは弾性連結部7a,7b,7cで連結されているので、第1の固定部A1に対して第2の固定部A2はZ方向の変位、X方向回りの傾斜、及びY方向回りの傾斜が容易である。このように構成されている第1の固定部A1は図示しない基台等に取付けられ、また第2の固定部A2は図示しないロボットのアームやマニピュレータに取付けられて使用される。
In the first embodiment, the sensor support 5 and the lower lid 1 as a support portion constitute a first fixing portion A1. Further, the upper lid 4, the conversion
本第1実施形態では、力覚センサ100は、第1の固定部A1と第2の固定部A2との間に複数配置された変位方向変換機構としての変位方向変換部材10a,10b,10cを備えている。各変位方向変換部材10a,10b,10cは、略Y字型に形成されており、本体2の円筒部材6のZ方向に延びる中心軸線Lを中心に120度間隔で3箇所に配置されている。各変位方向変換部材10a,10b,10cは、その中間の水平方向に突出した中間端部23がセンサ基板11の上方に位置するようにして取付けられている。
In the first embodiment, the
次に各変位方向変換部材10a,10b,10cの詳細な構造および機能について図3を用いて説明する。なお、変位方向変換部材10a,10b,10cは同一構造であるので、変位方向変換部材10aについて説明する。図3(a)は、変位方向変換部材を側面から見た断面図、図3(b)は変位方向変換部材を下面から見た底面図である。
Next, the detailed structure and function of each displacement
変位方向変換部材10aは、複数の弾性板材25,26,27、例えばリン青銅やステンレス等の薄板の曲げ加工及び張り合わせにより作成されている。具体的に説明すると、変位方向変換部材10aは、帯状の板材をZ字形状に折り曲げて形成された一対の弾性板材25,26を有している。一対の弾性板材25,26は、第1の固定部A1のセンサ支持体5の上面に対して水平な面Fで鏡面対称に配置されている。
The displacement
一対の弾性板材25,26のうちの一方の弾性板材である第1の弾性板材25は、平板状の基端部25aと、平板状の先端部25bと、基端部25aと先端部25bとの間の平坦部であるリンク部25cと、からなる。そして、第1の弾性板材25は、基端部25aとリンク部25cとが第1の折り曲げ部25dで連結され、リンク部25cと先端部25bとが第2の折り曲げ部25eで連結されて、Z字形状に形成されている。
The first
同様に、一対の弾性板材25,26のうちの他方の弾性板材である第2の弾性板材26は、平板状の基端部26aと、平板状の先端部26bと、基端部26aと先端部26bとの間の平坦部であるリンク部26cと、からなる。そして、第2の弾性板材26は、基端部26aとリンク部26cとが第1の折り曲げ部26dで連結され、リンク部26cと先端部26bとが第2の折り曲げ部26eで連結されて、Z字形状に形成されている。
Similarly, the second
第1の弾性板材25の基端部25aは、第1の固定部A1のセンサ支持体5に固定されている。一方、第2の弾性板材26の基端部26aは、第2の固定部A2の変換部材取付板3に固定されている。
The
そして、変位方向変換部材10aは、一対の弾性板材25,26の先端部25b,26b同士が接合されて略Y字型に形成されている。一対の弾性板材25,26の先端部同士を接合して形成された中間端部23が、第1の固定部A1のセンサ支持体5に対する第2の固定部A2の垂直方向の変位によってセンサ支持体5に対して水平方向に変位する変位部である。
The displacement
本第1実施形態では、各変位方向変換部材10a,10b,10cの第1の弾性板材25の基端部25aが円環状の基板24に取り付けられて一体化されており、組み立て作業が容易となっている。
In the first embodiment, the
変位方向変換部材10a,10b,10cの中間端部23はすべて円筒部材6の中心軸線Lに向けられており、中間端部23の下面(支持部側の面)には変位検出のための検出対象体であるスケール34a,34b,34cが取付けられている。そして、スケール34a,34b,34cは、Z方向において同一レベルに配置されている。
The
本第1実施形態では、各変位方向変換部材10a,10b,10cは、帯状の板材をZ字形状に折り曲げて形成された第3の弾性板材27を有している。この第3の弾性板材27は、平板状の基端部27aと、平板状の先端部27bと、基端部27aと先端部27bとの間の平坦部であるリンク部27cと、からなる。そして、第3の弾性板材27は、基端部27aとリンク部27cとが第1の折り曲げ部27dで連結され、リンク部27cと先端部27bとが第2の折り曲げ部27eで連結されて、Z字形状に形成されている。この第3の弾性板材27は、変位部としての中間端部23が、センサ支持体5に対して水平状態を維持するために設けられたものである。第3の弾性板材27の基端部27aは、第1の弾性板材25の基端部25aと基板24との間に配置されて固定され、先端部27bは、第1の弾性板材25の先端部25bのセンサ支持体5側の面に固定されている。つまり、各スケール34a,34b,34cは、第3の弾性板材27の先端部27bを介して変位部としての中間端部23に固定されている。第3の弾性板材27のリンク部27cは、第1の弾性板材25のリンク部25cと離間してリンク部25cと平行に配置されている。
In the first embodiment, each of the displacement
また、本第1実施形態では、各弾性板材25,26,27の折り曲げ部25d,25e,26d,26e,27d,27e以外の部分に補強リブ25f,26f,26g,27fが形成されている。具体的に説明すると、各リンク部25c,26c,27c及び先端部26bは、その両側が鉛直方向への曲げ加工で形成した補強リブ25f,26f,26g,27fによって剛性が付与されている。このように、各弾性板材25,26,27における折り曲げ部以外の部分に補強リブ25f,26f,26g,27fを設けたので、各弾性板材25,26,27は、折り曲げ部25d,25e,26d,26e,27d,27eのみが弾性変形可能である。またリンク部26cとリンク部27cとは平行に配置されているので、弾性変形時であっても変位部としての中間端部23はセンサ支持体5(基板24)に対して常に平行な状態を維持する。
Further, in the first embodiment, the reinforcing
以上の各変位方向変換部材10a,10b,10cの構成により、第2の固定部A2に外力Fz、モーメントMx、又はモーメントMyが作用すると、第2の固定部A2が第1の固定部A1に対してZ方向に変位、X方向回りに傾斜又はY方向回りに傾斜する。それに伴って第2の固定部A2に取付けられた変位方向変換部材10a,10b,10cの基端部26aもそれぞれ矢印Vで示すZ方向に変位する。その結果、各折り曲げ部25d,25e,26d,26e,27d,27eが弾性変形し、中間端部23はセンサ支持体5に対して水平なX−Y面内であってその延在する方向(矢印Ha,Hb,Hcで示す方向)に変位する。
When the external force Fz, the moment Mx, or the moment My is applied to the second fixed portion A2, the second fixed portion A2 is applied to the first fixed portion A1 by the above-described configurations of the displacement
このようにして各変位方向変換部材10a,10b,10cは検出位置である基端部26aの基端部25aに対する変位の方向を変換し、検出対象体であるスケール34a,34b,34cを変位させるのである。
In this way, the displacement
次に外力の検出方法について説明する。図4にセンサ基板11の上面を示す。センサ基板11上には1つの光源31(例えばLED)および光源31を囲む3つの変位検出素子である受光素子32a,32b,32c(例えばフォトダイオード)が一体形成又は実装配置されている。受光素子32a,32b,32cは検出面である複数の受光面をストライプ状に配列した構成である。
Next, an external force detection method will be described. FIG. 4 shows the upper surface of the
一方、図3に示したスケール34a,34b,34cはガラス等の基板と、その表面または裏面に形成した金属等の反射膜からなる回折格子で構成される。スケール34a,34b,34cは受光素子32a,32b,32cに対向するように配置されており、光源31が発生する発散光束を反射し受光素子32a,32b,32c上に明暗の縞である回折光のパターンを形成する。受光素子32a,32b,32cの受光面の配列ピッチはこの回折光のパターンの1/4周期に一致するように作成されている。従ってスケール34a,34b,34cが受光面の配列方向に変位すると、それに伴ってこの回折光のパターンも移動する。それにより複数の受光面からは90度の位相差を持った2相の正弦波状信号(sin及びcos)が得られ、さらに得られた信号の逆正接演算(tan−1)を行えばスケール34a,34b,34cの変位量を検出することができる。
On the other hand, the
以上のようにして受光素子32a,32b,32cはそれぞれ変位方向変換部材10a,10b,10cの基端部26aのZ方向の変位から変換されたスケール34a,34b,34cのX,Y方向の変位を検出する。得られた3つの信号から外力の3成分であるFz,Mx,Myが演算によって求められる。
As described above, the
以上、本第1実施形態では、各スケール34a,34b,34cが変位部である中間端部23の下面(支持部側の面)に配置されているので、各スケール34a,34b,34cは同一方向を向いて配置されていることとなる。そして、各受光素子32a,32b,32cが各スケール34a,34b,34cに対向するように支持部であるセンサ支持体5に支持されているので、各スケール34a,34b,34cは同一方向を向いて配置されていることとなる。このように、各スケール34a,34b,34c及び各受光素子32a,32b,32cを同一方向に向けて配置することにより、それらの占有領域を小さくすることができる。したがって、力覚センサ100の小型化を図ることができ、これにより力覚センサ100の低コスト化を実現することができる。
As described above, in the first embodiment, the
[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態に係る力覚センサ100Aについて詳細に説明する。図5は、本発明の第2実施形態に係る力覚センサを示す斜視図である。図6は、力覚センサの内部構成を示す説明図であり、図6(a)は上蓋及び変換部材取付板を取り外した状態の力覚センサの平面図、図6(b)はX−Z面に沿う力覚センサの断面図である。図6(c)は下蓋を取り外した状態の力覚センサの底面図である。なお、本第2実施形態において、上記第1実施形態と同様の構成については、同一符号を付してその説明を省略する。
[Second Embodiment]
Next, the
本第2実施形態の力覚センサ100Aは、6軸の力覚センサであり、Fx(X方向の力)、Fy(Y方向の力)、Fz(Z方向の力)、Mx(X方向回りのモーメント)、My(Y方向回りのモーメント)、Mz(Z方向回りのモーメント)の検出が可能である。ここでX,Y,Zの各方向は各図中に示す通りである。
The
図5に示すように、力覚センサ100Aは、円柱状の本体2Aと、本体2Aの上部を覆う円盤形状の上蓋4と、本体2Aの下部を覆う円盤形状の下蓋1と、を備えている。本体2Aは、本体下部14と本体上部15とからなる。
As shown in FIG. 5, the
図6(a)及び図6(b)を参照すると、本体上部15は、上記第1実施形態の本体2において、センサ基板11の代わりにセンサ基板11Aを備え、センサ支持体5の代わりに支持体上部17を備えている。
6 (a) and 6 (b), the main body
本体下部14は、円筒上部としての円筒部材6の下方に配置され、外周の径が円筒部材6の外周の径と同一の円筒下部としての円筒部材18と、円筒部材18の内側に配置され、支持体上部17の下面に固定された円柱形状の支持体下部16と、を備えている。
The main body
支持体下部16の外周面と、円筒部材18の内周面とが複数の弾性連結部8a,8b,8cで連結されている。これら支持体下部16、円筒部材18及び弾性連結部8a,8b,8cは、一体に形成されている。弾性連結部8a,8b,8cの両側には、図6(c)に示すように、矩形の貫通孔12a,12b,12c,13a,13b,13cが形成され、弾性連結部8a,8b,8cはZ方向より見るとH型で四端を固定した梁から成っている。各梁のZ方向の寸法は十分に大きく、X−Y面内であればいずれかの梁が撓んで変形することが容易な構造となっている。
The outer peripheral surface of the support
本第2実施形態では、円筒部材18及び下蓋1により第1の固定部A1’が構成されている。また、支持体上部17及び支持体下部16により支持部としての中間部Bが構成されている。また、上蓋4、変換部材取付板3及び円筒部材6により受力部としての第2の固定部A2’が構成されている。第1の固定部A1’は図示しない基台等に取付けられ、また第2の固定部A2’は図示しないロボットのアームやマニピュレータに取付けられて使用される。
In the second embodiment, the
ここで中間部Bと第1の固定部A1’は弾性連結部8a,8b,8cで連結されており、中間部Bは第1の固定部A1に対してXY方向の変位およびZ方向回りの回転が容易である。さらに第2の固定部A2’と中間部Bは弾性連結部7a,7b,7cで連結されており、第2の固定部A2’は中間部Bに対してZ方向の変位、X方向回りの傾斜、及びY方向回りの傾斜が容易である。
Here, the intermediate portion B and the first fixed portion A1 ′ are connected by elastic connecting
本第2実施形態において、変位方向変換機構は上記第1実施形態と同様、変位方向変換部材10a,10b,10cであり、変位部としての中間端部23の下面(支持部側の面)にスケール34a,34b,34cが取り付けられている。変位方向変換部材10a,10b,10cは、上記第1実施形態と同一である構成および機能であるので、以下、詳細な説明を省略する。
In the second embodiment, the displacement direction conversion mechanism is the displacement
本第2実施形態では、円筒部材18には3箇所に上方へ突出する突出部が形成され、その上端にはセンサ基板11Aの上方まで延びるスケール取付板20a,20b,20cが取付けられている。
In the second embodiment, the
図7に、変位方向変換部材10a,10b,10cとスケール取付板20a,20b,20cの詳細な構造を示す。図7(a)は、変位方向変換部材を側面から見た断面図、図7(b)は変位方向変換部材を下面から見た底面図である。図7(a)及び図7(b)に示すように、スケール取付板20a,20b,20cの先端の下面には変位検出のための検出対象体であるスケール35a,35b,35cが取付けられている。そして、スケール34a,34b,34c及びスケール35a,35b,35cは、Z方向において同一レベルに配置されている。
FIG. 7 shows the detailed structure of the displacement
本第2実施形態においては、変位方向変換部材10a,10b,10cの基端部25aは中間部Bの支持体上部17に取付けられている。従って外力Fz、モーメントMx又はモーメントMyの作用によって第2の固定部A2’が中間部Bに対してZ方向に変位、X方向回りに傾斜、又はY方向回りに傾斜する。それに伴って第2の固定部A2’に取付けられた変位方向変換部材10a,10b,10cの基端部26aもそれぞれ矢印Vで示すZ方向に変位する。その結果、各折り曲げ部が弾性変形を生じ中間端部23はX−Y面内であってその延在する方向(矢印Ha,Hb,Hcで示す方向)に変位する。
In the second embodiment, the
このようにして変位方向変換部材10a,10b,10cは検出位置である基端部26aの基端部25aに対する変位の方向を変換し、対象体であるスケール34a,34b,34cを変位させるのである。
In this way, the displacement
スケール取付板20a,20b,20cは第1の固定部A1’の円筒部材18に取付けられている。従って外力Fx、外力Fy又はモーメントMzの作用によって中間部Bが第1の固定部A1’に対してX方向に変位、Y方向に変位、又はZ方向回りに回転したとする。その結果、スケール35a,35b,35cが中間部Bに対して相対的に変位することになる。
The
次に外力の検出方法について説明する。図8にセンサ基板11Aの平面図を示す。センサ基板11A上には1つの光源31(例えばLED)及び光源31を囲む6つの受光素子32a,32b,32c,33a,33b,33c(例えばフォトダイオード)が一体形成または実装配置されている。
Next, an external force detection method will be described. FIG. 8 shows a plan view of the
個々の受光素子32a,32b,32c,33a,33b,33cとスケール34a,34b,34c,35a,35b,35cの構成については上記第1実施形態と同一であるので説明を省略する。スケール34a,34b,34c,35a,35b,35cは受光素子32a,32b,32c,33a,33b,33cに対向するように配置されている。各スケール34a,34b,34c,35a,35b,35cは、光源31が発生する発散光束を反射し、各受光素子32a,32b,32c,33a,33b,33c上に明暗の縞である回折光のパターンを形成する。
Since the configuration of each of the
受光素子32a,32b,32cは上記第1実施形態と同様にそれぞれ変位方向変換部材10a,10b,10cの基端部26aのZ方向の変位から変換されたスケール34a,34b,34cのX,Y方向の変位を検出する。得られた3つの信号から外力の3成分であるFz,Mx,Myが演算によって求められる。さらに受光素子33a,33b,33cはそれぞれスケール取付板20a,20b,20cに取り付けられたスケール35a,35b,35cの変位を検出する。得られた3つの信号から外力の他の3成分であるFx,Fy,Mzが演算によって求められるのである。
As in the first embodiment, the
以上、本第2実施形態では、各スケール34a〜34c,35a〜35cが変位部である中間端部23の下面(支持部側の面)に配置されているので、各スケールは同一方向を向いて配置されていることとなる。そして、各受光素子32a〜32c,33a〜33cが各スケール34a〜34c,35a〜35cに対向するように支持部である中間部Bに支持されているので、各スケール34a,34b,34cは同一方向を向いて配置されていることとなる。このように、各スケール34a〜34c,35a〜35c及び各受光素子32a〜32c,33a〜33cを同一方向に向けて配置することにより、それらの占有領域を小さくすることができる。したがって、力覚センサ100Aの小型化を図ることができ、これにより力覚センサ100Aの低コスト化を実現することができる。
As described above, in the second embodiment, the
[第3実施形態]
次に、本発明の第3実施形態に係る力覚センサについて説明する。図9は、本第3実施形態に係る力覚センサの変位方向変換機構である変位方向変換部材を側面から見た断面図である。なお、本第3実施形態に係る力覚センサにおいて、変位方向変換部材を除く部分は、上記第1実施形態又は上記第2実施形態に係る力覚センサと同様であるので、変位方向変換部材についてのみ説明する。図9に示す変位方向変換部材10a,10b,10cは、すべて同一構造である。
[Third Embodiment]
Next, a force sensor according to a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 9 is a cross-sectional view of a displacement direction conversion member, which is a displacement direction conversion mechanism of the force sensor according to the third embodiment, viewed from the side. Note that, in the force sensor according to the third embodiment, since the portion excluding the displacement direction conversion member is the same as that of the force sensor according to the first embodiment or the second embodiment, the displacement direction conversion member Only explained. The displacement
各変位方向変換部材10a,10b,10cは、Z字形状に折り曲げられた第1の弾性板材25と、コ字形状に折り曲げられた第2の弾性板材26とからなる一対の弾性板材を有している。
Each displacement
第1の弾性板材25は、平板状の基端部25aと、平板状の先端部25bと、基端部25aと先端部25bとの間の平坦部であるリンク部25cと、からなる。そして、第1の弾性板材25は、基端部25aとリンク部25cとが第1の折り曲げ部25dで連結され、リンク部25cと先端部25bとが第2の折り曲げ部25eで連結されて、Z字形状に形成されている。
The first
これに対し、第2の弾性板材26は、平板状の基端部26aと、平板状の先端部26bと、基端部26aと先端部26bとの間の平坦部であるリンク部26cと、からなる。そして、第2の弾性板材26は、基端部26aとリンク部26cとが第1の折り曲げ部26dで連結され、リンク部26cと先端部26bとが第2の折り曲げ部26eで連結されて、コ字形状に形成されている。
On the other hand, the second
第1の弾性板材25の基端部25aは、支持部としてのセンサ支持体に固定される基板24に固定されている。一方、第2の弾性板材26の基端部26aは、受力部の変換部材取付板に固定されている。
The
第1の弾性板材25の先端部25bである中間端部23が水平方向に変位する変位部となるように、第2の弾性板材26の先端部26bが第1の弾性板材25の基端部25aと先端部25bとの間の平坦部であるリンク部25cに固定されている。具体的には、第2の弾性板材26の先端部26bは第1の弾性板材25のリンク部25cの中間に取付けられている。なお、上記第1,第2実施形態と同様に、第3の弾性板材27が設けられている。
The
また、本第3実施形態では、各弾性板材25,26,27の折り曲げ部25d,25e,26d,26e,27d,27e以外の部分に補強リブ25f,25g,26f,27fが形成されている。具体的に説明すると、各リンク部25c,26c,27c及び先端部25bは、その両側が鉛直方向への曲げ加工で形成した補強リブ25f,25g,26f,27fによって剛性が付与されている。これにより各弾性板材25,26,27は、折り曲げ部25d,25e,26d,26e,27d,27eのみが弾性変形可能である。またリンク部26cとリンク部27cとは平行に配置されているので、弾性変形時であっても変位部としての中間端部23は基板24に対して常に平行な状態を維持する。
Further, in the third embodiment, the reinforcing
外力Fz、モーメントMx又はモーメントMyの作用によって、受力部が支持部に対してZ方向に変位、X方向回りに傾斜、又はY方向回りに傾斜したとする。それに伴って変位方向変換部材10a,10b,10cの基端部26aもそれぞれ矢印Vで示すZ方向に変位する。その結果、各折り曲げ部が弾性変形を生じ中間端部23はX−Y面内であってその延在する方向(矢印Ha,Hb,Hcで示す方向)に変位する。
It is assumed that the force receiving portion is displaced in the Z direction relative to the support portion, tilted around the X direction, or tilted around the Y direction by the action of the external force Fz, moment Mx, or moment My. Accordingly, the
このようにして変位方向変換部材10a,10b,10cは検出位置である基端部26aの基端部25aに対する変位の方向を変換し、変位対象体であるスケール34a,34b,34cを変位させるのである。
In this way, the displacement
本第3実施形態では、第2の弾性板材26の先端部26bは第1の弾性板材25のリンク部25cに取付けられているので、方向が変換された変位は、上記第1,第2実施形態と比較してより大きく、すなわち変換係数を大きくすることができる。
In the third embodiment, since the
[第4実施形態]
次に、本発明の第4実施形態に係る力覚センサについて説明する。図10は、本第4実施形態に係る力覚センサの変位方向変換機構である変位方向変換部材の側面図である。なお、本第4実施形態に係る力覚センサにおいて、変位方向変換部材を除く部分は、上記第1実施形態又は上記第2実施形態に係る力覚センサと同様であるので、変位方向変換部材についてのみ説明する。図10に示す変位方向変換部材10a,10b,10cは、すべて同一構造である。
[Fourth Embodiment]
Next, a force sensor according to a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 10 is a side view of a displacement direction conversion member that is a displacement direction conversion mechanism of the force sensor according to the fourth embodiment. In addition, in the force sensor according to the fourth embodiment, since the portion excluding the displacement direction conversion member is the same as that of the force sensor according to the first embodiment or the second embodiment, the displacement direction conversion member Only explained. The displacement
各変位方向変換部材10a,10b,10cは、支持部と受力部とにヒンジ部44,45を介して接続される回転体41を有している。具体的に説明すると、各変位方向変換部材10a,10b,10cは、回転体41、取付け部42,43、ヒンジ部44,45から成っており、これらが一体的に形成されている。
Each displacement
本第4実施形態では、変位部として、回転体41から支持部に対して水平に突出する突出部46が形成されている。突出部46の下面には、スケール34a,34b,34cが取付けられている。取付け部43は図2に示した支持部としてのセンサ支持体5又は図6に示した支持部としての中間部Bの支持体上部17に取り付けられている。取付け部42は、図2又は図6に示した受力部としての変換部材取付板3に取付けられている。
In the fourth embodiment, a protruding
外力Fz、モーメントMx又はモーメントMyの作用によって、受力部が支持部に対してZ方向に変位、X方向回りに傾斜、又はY方向回りに傾斜したとし、それに伴って変位方向変換部材10a,10b,10cの取付け部42も矢印Vで示すZ方向に変位する。この時、ヒンジ部44,45が弾性変形すると同時に回転体41はヒンジ部45を支点として回動する。その結果、スケール34a,34b,34cは、ほぼX−Y面内であって突出部46の延在する方向(矢印Ha,Hb,Hcで示す方向)にほぼ平行移動する。
It is assumed that the force receiving portion is displaced in the Z direction, tilted around the X direction, or tilted around the Y direction with respect to the support portion by the action of the external force Fz, moment Mx, or moment My, and accordingly, the displacement
このようにして変位方向変換部材10a,10b,10cは検出位置である取付け部42の取付け部43に対する変位の方向を変換し、対象体であるスケール34a,34b,34cを変位させるのである。
In this way, the displacement
以上説明した第1〜第4実施形態における変位方向変換機構である変位方向変換部材は、すべて変位検出のための対象体を保持する保持部材を回動変位させることによって変位方向を変換する方式である。このような手段は少なくとも検出対象体の保持部材、保持部材の回動中心となる支点、外力を保持部材に対して支点の回りのモーメントとして作用させる力点とを備える必要がある。さらに支点と検出対象体を結ぶ直線に対して外力の方向は垂直ではなく、望ましくは平行であれば外力の作用により保持部材が回動し変位の方向は変換される。 The displacement direction conversion member, which is the displacement direction conversion mechanism in the first to fourth embodiments described above, is a method of changing the displacement direction by rotationally displacing the holding member that holds the object for displacement detection. is there. Such means needs to include at least a holding member for the detection target body, a fulcrum serving as a rotation center of the holding member, and a force point that causes an external force to act on the holding member as a moment around the fulcrum. Furthermore, if the direction of the external force is not perpendicular to the straight line connecting the fulcrum and the detection object, preferably the holding member is rotated by the action of the external force and the direction of displacement is changed if parallel.
例えば図3、図7、図9に示した上記第1〜第3実施形態の力覚センサにおいて、検出対象体の保持部材に相当するのはリンク部25c,27c、支点に相当するのはリンク部25c,27cと基端部25a,27aとを繋ぐ折り曲げ部である。また、力点に相当するのはリンク部25cとリンク部26cを繋ぐ折り曲げ部である。
For example, in the force sensors of the first to third embodiments shown in FIGS. 3, 7, and 9, the
また、図10に示した第4実施形態の力覚センサにおいては、検出対象体の保持部材に相当するのは回転体41、支点に相当するのはヒンジ部45、力点に相当するのはヒンジ部44である。
In the force sensor of the fourth embodiment shown in FIG. 10, the rotating
[第5実施形態]
次に、本発明の第5実施形態に係る力覚センサについて説明する。図11は、本第5実施形態に係る力覚センサの変位方向変換機構である変位方向変換装置を側面から見た断面図である。なお、本第5実施形態においても変位方向変換装置を除く部分はすべて上記第1実施形態又は上記第2実施形態の力覚センサと同一の構成である。従って、同一構成の部分については説明を省略し、上記第1実施形態及び上記第2実施形態と異なる変位方向変換機構である変位方向変換装置51a,51b,51cについてのみ説明する。
[Fifth Embodiment]
Next, a force sensor according to a fifth embodiment of the present invention will be described. FIG. 11: is sectional drawing which looked at the displacement direction conversion apparatus which is a displacement direction conversion mechanism of the force sensor which concerns on this 5th Embodiment from the side surface. In the fifth embodiment, all parts except the displacement direction changing device have the same configuration as the force sensor of the first embodiment or the second embodiment. Accordingly, the description of the parts having the same configuration is omitted, and only the displacement
図11において、変位方向変換装置51a,51b,51cはすべて同一構成である。各変位方向変換装置51a,51b,51cは、容器52と、可動部材53,54と、取付け部材55とから成っている。容器52は支持部(図2又は図6のセンサ支持体5又は中間部B)に固定される。容器52内には上方と側方に開口を有する空間が形成され、その空間に非圧縮性の流体(液体)である磁性流体56が充填されている。
In FIG. 11, the displacement
容器52の上方の開口には、可動部材53が挿入され、容器52の上方の開口が塞がれている。したがって、可動部材53は、支持部に対して垂直方向に移動可能に容器52を貫通した状態で配置されている。可動部材53は、取付け部材55を介して受力部(図2又は図6の変換部材取付板3)に固定されている。
A
また、容器52の側方の開口には、変位部である可動部材54が挿入され、開口が塞がれている。したがって、可動部材54は、支持部に対して水平方向に移動可能に容器52を貫通した状態で配置されている。容器内の空間には、磁石57が設けられており、磁性流体56を吸引し、流出を防止している。
Moreover, the
可動部材53は、容器52の内壁と接触摺動しつつ矢印Vで示すZ方向に変位が可能であり、可動部材54は矢印Ha,Hb,Hcで示すZ方向に垂直な方向に変位が可能である。
The
外力Fz、モーメントMx又はモーメントMyの作用によって、第2の固定部が第1の固定部に対してZ方向に変位、X方向回りに傾斜、又はY方向回りに傾斜したとすると、取付け部材55及び可動部材53も矢印Vで示すZ方向に変位する。それに伴い容器52の内部で磁性流体56が可動部材53の変位で流動し、磁性流体56の圧力で可動部材54が変位するのでスケール34a,34b,34cはX−Y面内であって可動部材54の延在する方向(矢印Ha,Hb,Hcで示す方向)に変位する。このようにして変位の方向が変換されるのである。
If the second fixed portion is displaced in the Z direction relative to the first fixed portion by the action of the external force Fz, the moment Mx, or the moment My, and tilted around the X direction or tilted around the Y direction, the mounting
以上、上記第1〜第5実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。 As mentioned above, although this invention was demonstrated based on the said 1st-5th embodiment, this invention is not limited to this.
上記第1〜第5実施形態のいずれにおいても信号の検出または演算のための回路はセンサ基板11,11A上に一体形成または実装配置することが可能である。
In any of the first to fifth embodiments, a circuit for signal detection or calculation can be integrally formed or mounted on the
また上記第1〜第5実施形態では、変位検出素子として受光素子、検出対象体として反射型回折格子を形成したスケールを用いたが、他の検出素子を用いても同様の原理で変位を検出することができる。例えば変位検出素子と検出対象体をともにストライプ状電極パターンで形成し、両者間に生じる静電容量の変化から変位を検出することもできる。また変位検出素子に磁気センサアレイ(例えばホール素子や磁気抵抗素子)、検出対象体にはパターニングされた磁束発生手段(磁石)を用い、磁束密度分布の変化から変位を検出することもできる。 In the first to fifth embodiments, a light receiving element is used as the displacement detection element and a scale in which a reflective diffraction grating is formed as the detection target. However, even if other detection elements are used, the displacement is detected based on the same principle. can do. For example, both the displacement detection element and the detection object can be formed as a striped electrode pattern, and the displacement can be detected from a change in capacitance generated therebetween. In addition, a magnetic sensor array (for example, a Hall element or a magnetoresistive element) is used as the displacement detection element, and a patterned magnetic flux generating means (magnet) is used as the detection target, so that the displacement can be detected from a change in the magnetic flux density distribution.
いずれも変位検出素子を一方向に配列した複数の検出面で構成し、検出対象体により形成された物理量(光束、電界、磁束等)の分布が検出面の配列方向に変位することで得られる正弦波状信号から検出対象体の変位量を検出する方式である。このような方式は検出面の配列ピッチを小さくすることにより、変位検出範囲に関わらず検出分解能を高めることができる点で有効である。 All of them are composed of a plurality of detection surfaces in which displacement detection elements are arranged in one direction, and are obtained by displacing the distribution of physical quantities (light flux, electric field, magnetic flux, etc.) formed by the detection object in the arrangement direction of the detection surfaces. In this method, the amount of displacement of the detection object is detected from a sine wave signal. Such a method is effective in that the detection resolution can be increased regardless of the displacement detection range by reducing the arrangement pitch of the detection surfaces.
また変位方向変換部材10a,10b,10cは各々の基端部26aにおいて基端部25aに対するZ方向の変位を検出するものである。モーメントMx及びMyの作用による第2の固定部A2,A2’の傾きを高精度に検出するには、検出位置であるこれら3箇所の取付け位置は互いに離間している方が好ましい。
Further, the displacement
一方で方向が変換された変位はスケール34a〜34cで検出される。したがって、上記実施形態のように単一の光源を共通で使用して複数の検出位置の変位を検出し、複数の受光素子をすべて同一基板に実装するためには、スケール34a〜34cを接近して設ける方が望ましい。つまり変位方向変換部材10a,10b,10cは各基端部26aの間隔および各基端部25aの間隔よりもスケール34a,34b,34cを設けた各中間端部23の間隔の方が小さくなるような形状および配置とするのが望ましい。上記実施形態のようにY字型の変位方向変換部材10a,10b,10cの基端部25a,26aはすべて外側に向け、中間端部23はすべて内側に向けて配置するのはその点で望ましい一例である。
On the other hand, the displacement whose direction has been changed is detected by the
一方で特に力覚センサの外径寸法を小さくする必要がある場合には、変位方向変換部材10a,10b,10cは各基端部26aを内側に向けた形状および配置とした方が望ましい。
On the other hand, when it is particularly necessary to reduce the outer diameter of the force sensor, it is desirable that the displacement
3…変換部材取付板、5…センサ支持体、6…円筒部材、7a,7b,7c…弾性連結部、10a,10b,10c…変位方向変換部材、11,11A…センサ基板、17…支持体上部、23…中間端部、25…第1の弾性板材、25a…基端部、25b…先端部、25c…リンク部、25d…第1の折り曲げ部、25e…第2の折り曲げ部、25f…補強リブ、26…第2の弾性板材、26a…基端部、26b…先端部、26c…リンク部、26d…第1の折り曲げ部、26e…第2の折り曲げ部、26f…補強リブ、31…光源、32a,32b,32c…受光素子、34a,34b,34c…スケール、100,100A…力覚センサ、A1,A1’…第1の固定部、A2,A2’…第2の固定部、B…中間部
DESCRIPTION OF
Claims (6)
外力の作用により前記支持部に対して変位する受力部と、
前記支持部と前記受力部とを連結する弾性連結部と、
前記支持部と前記受力部との間に複数配置され、且つ前記支持部に対する前記受力部の垂直方向の変位によって前記支持部に対して水平方向に変位する変位部を有する変位方向変換機構と、
前記各変位方向変換機構の前記変位部の前記支持部側に設けられた検出対象体と、
前記各検出対象体に対向するように前記支持部に支持され、前記各検出対象体の移動を検出する変位検出素子と、を備えたことを特徴とする力覚センサ。 A support part;
A force receiving portion that is displaced with respect to the support portion by the action of an external force;
An elastic connecting part for connecting the support part and the force receiving part;
A displacement direction conversion mechanism having a plurality of displacement portions arranged between the support portion and the force receiving portion and displaced in a horizontal direction with respect to the support portion by a displacement of the force receiving portion in a vertical direction with respect to the support portion. When,
A detection object provided on the support part side of the displacement part of each displacement direction conversion mechanism;
A force sensor comprising: a displacement detection element that is supported by the support portion so as to face each detection target body and detects the movement of each detection target body.
前記一対の弾性板材のうちの一方の弾性板材の基端部が前記支持部に固定され、前記一対の弾性板材のうちの他方の弾性板材の基端部が前記受力部に固定され、
前記一対の弾性板材の先端部同士が接合されて前記変位部が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の力覚センサ。 Each of the displacement direction conversion mechanisms has a pair of elastic plates that are bent in a Z-shape and are arranged in mirror symmetry with respect to a horizontal plane with respect to the support portion.
A base end portion of one elastic plate member of the pair of elastic plate members is fixed to the support portion, and a base end portion of the other elastic plate member of the pair of elastic plate members is fixed to the force receiving portion,
The force sensor according to claim 1, wherein the displacement portions are formed by joining tip portions of the pair of elastic plates.
前記第1の弾性板材の基端部が前記支持部に固定され、前記第2の弾性板材の基端部が前記受力部に固定され、
前記第1の弾性板材の先端部が前記変位部となるように、前記第2の弾性板材の先端部が前記第1の弾性板材の基端部と先端部との間の平坦部に固定されていることを特徴とする請求項1に記載の力覚センサ。 Each of the displacement direction converting mechanisms has a pair of elastic plates made of a first elastic plate bent into a Z shape and a second elastic plate bent into a U shape,
A base end portion of the first elastic plate member is fixed to the support portion; a base end portion of the second elastic plate member is fixed to the force receiving portion;
The distal end portion of the second elastic plate member is fixed to a flat portion between the base end portion and the distal end portion of the first elastic plate member so that the distal end portion of the first elastic plate member becomes the displacement portion. The force sensor according to claim 1, wherein the force sensor is provided.
前記変位部として、前記回転体から前記支持部に対して水平に突出する突出部が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の力覚センサ。 Each displacement direction conversion mechanism has a rotating body connected to the support part and the force receiving part via a hinge part,
The force sensor according to claim 1, wherein a projecting portion that projects horizontally from the rotating body to the support portion is formed as the displacement portion.
前記支持部に固定され、内部に液体が充填された容器と、
前記受力部に固定され、前記支持部に対して垂直方向に移動可能に前記容器を貫通した状態で配置された可動部材と、を有し、
前記変位部は、前記容器の内部の液体の圧力により前記支持部に対して水平方向に移動可能に前記容器を貫通した状態で配置されていることを特徴とする請求項1に記載の力覚センサ。 Each displacement direction conversion mechanism is
A container fixed to the support and filled with a liquid;
A movable member fixed to the force receiving portion and arranged in a state penetrating the container so as to be movable in a vertical direction with respect to the support portion,
2. The force sense according to claim 1, wherein the displacement part is arranged in a state of penetrating the container so as to be movable in a horizontal direction with respect to the support part by a pressure of a liquid inside the container. Sensor.
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- 2010-10-27 JP JP2010240670A patent/JP5602582B2/en active Active
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