JP5604035B2 - 力覚センサユニット - Google Patents
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Description
緩衝装置の減衰機構部は、軸形状の入力部と、円筒状の力覚センサチップのセンサ固定部との間を結ぶ円盤状の部分であって、この円盤状の部分には入力部の周囲に、環状に配置された複数の弧状穴を設け、この複数の弧状穴の大きさ、形状、個数を調整することで、耐荷重の調整、各軸力に対する感度調整等を行い、力覚センサの設計の自由度を確保している(特許文献2の図19参照)。
このように構成することで、第2の筐体のメインユニットにより検出された温度変化による外力の検出値のずれ分を、第1の筐体に対して外力を受けない状態にされているため温度変化のみを検出するサブユニットの検出値に基づいて除外して差分出力を得ることが可能となる。
このように構成することで、メインユニット側の検出用センサチップとサブユニット側の検出用センサチップとの距離を近づけることができるので、温度変化の影響をメインユニットとサブユニットとで同等に受けることができる。
このように構成することで、メインユニット側の検出用センサチップとサブユニット側の検出用センサチップとの距離が最短距離となるよう近づけることができるので、温度変化の影響をメインユニットとサブユニットとで同等に受けることができる。
このように構成することで、メインユニットとサブユニットとで同等の熱分布を有することができ、温度変化の影響を除外した外力のみによる歪み量である差分出力の信頼性を確保できる。
請求項5に記載した発明は、前記メインユニットと前記サブユニットは同等の熱伝導率を有していることを特徴とする。
このように構成することで、熱源から受ける熱量がメインユニットとサブユニットに到達する速度が同等となり、温度変化による出力値の変動をキャンセルするまでの時間を短縮することができる。
請求項6に記載した発明は、前記メインユニットと前記サブユニットは同等の熱伝導率及び熱容量を有していることを特徴とする。
このように構成することで、メインユニットとサブユニットとが同等の熱分布を有することができ、かつ、熱源から受ける熱量がメインユニットとサブユニットに到達する速度が同等となり、温度変化による出力値の変動をキャンセルするまでの時間を短縮することができる。
請求項7に記載した発明は、前記減衰機構部は外力入力部を中心として環状に配列された扇形状の複数の孔(例えば、実施形態における貫通孔34)からなることを特徴とする。
このように構成することで、全ての軸の感度バランスを確保し、出力の絶対値を均一化できる。
また、孔間に形成される梁の幅を均等にすると、局所的な応力集中を防止することができ、耐荷重性能が向上し、より破損しにくくする事が出来る。
請求項8に記載した発明は、前記第2の筐体は前記メインユニットとの接続部を中心としたダイヤフラム(例えば、実施形態における固定ブラケット42)からなる減衰機構部(例えば、実施形態における減衰機構部3’’)を更に備えていることを特徴とする。
このように構成することで、外力入力部の軸方向での力の減衰力を調整することができる。
請求項2に記載した発明によれば、メインユニット側の検出用センサチップとサブユニット側の検出用センサチップとの距離を近づけることができるので、温度変化の影響をメインユニットとサブユニットとで同等に受けることができるため、差分出力の信頼性を向上することができる効果がある。
請求項3に記載した発明によれば、メインユニット側の検出用センサチップとサブユニット側の検出用センサチップとの距離が最短距離となるよう近づけることができるので、温度変化の影響をメインユニットとサブユニットとで同等に受けることができ、差分出力をより正確に得ることができる効果がある。
請求項4に記載した発明によれば、メインユニットとサブユニットとで同等の熱分布を有することができ、温度変化の影響を除外した外力のみによる歪み量である差分出力の信頼性を確保できるため、正確に外力を検出できる効果がある。
請求項5に記載した発明によれば、熱源から受ける熱量がメインユニットとサブユニットに到達する速度が同等となり、温度変化による出力値の変動をキャンセルするまでの時間を短縮することができるため、迅速に外力を検出できる効果がある。
請求項6に記載した発明によれば、メインユニットとサブユニットとが同等の熱分布を有することができ、かつ、熱源から受ける熱量がメインユニットとサブユニットに到達する速度が同等となり、温度変化による出力値の変動をキャンセルするまでの時間を短縮することができるので、差分出力をより正確に得ることができ、正確に外力を検出できる効果がある。
請求項7に記載した発明によれば、全ての軸の感度バランスを確保し、出力の絶対値を均一化できるため軸の方向に依存しないで正確に外力を検出できる効果がある。
請求項8に記載した発明によれば、外力入力部の軸方向での力の減衰力を調整することができるので、メインユニットを保護することができる効果がある。
図1に示すのは、この発明の実施形態の力覚センサユニットUに用いられる力覚センサ1である。この力覚センサ1は、外力、例えば荷重や軸力の検出用センサチップとしての力覚センサチップ2と、この外力を減衰させて力覚センサチップ2に付与する減衰機構部3を備えた緩衝装置4を有している。
つまり、力覚センサチップ2は、このような3つの力Fx,Fy,Fzと3つのモーメントMx,My,Mzを受けた場合に、作用部6が支持部5に対して相対的に変位しこれによって歪みを受ける歪み抵抗素子8からの出力によって外力を検出する。
入力部10の周囲には円柱状のセンサ固定部13が形成されている。センサ固定部13は表面の中央部に入力部10を突出して備え、裏面の外側部位には表面側に落とし込まれた段差部14が設けられている。段差部14の内側には突条15が全周に渡って環状に形成され、突条15の内側は平坦に形成され中央部の中心にガラス材からなる伝達部11が設けられている。減衰機構部3、入力部10、伝達部11及びセンサ固定部13が緩衝装置4を構成している。
ここで、伝達部11は力覚センサチップ2の作用部6に当接し、入力部10の下端に位置していて、先端にゆくほど断面積が小さくなる先細り形状に形成されている。
環状の突条15の下側に向く頂面にはガラス材からなる支持プレート16の周囲が装着され、支持プレート16には中央部に開口部17が設けられ、開口部17の周縁が力覚センサチップ2の支持部5を支持すると共に開口部17が伝達部11を受容して、伝達部11による力覚センサチップ2への外力印加を許容している。
ここで、下壁部20の裏面(上面)の中央部は力覚センサチップ2の姿勢変化を許容する凹部23が形成されている。また、下部固定部18の側壁部19には、長孔24が4箇所形成されている。
具体的には、減衰機構部3は入力部10を中心として入力部10の近傍の周囲にセンサ固定部13の表面側から環状に配列された内径側の複数の貫通孔25と、この複数の貫通孔25の外側に形成された外径側の環状溝26とで構成されている。貫通孔25は外側に幅の広い部分を向けた扇形状に形成され、センサ固定部13の表面側から裏面側まで貫通している。貫通孔25はセンサ固定部13の突条15の内側位置で開口している。また、環状溝26は径方向で突条15の内側位置に形成され、センサ固定部13の表面側から段差部14の底部近傍に至る深さに形成されている。
緩衝装置4’は第1の筐体K1と第2の筐体K2とを備えている。第1の筐体K1は扁平な円筒状の部材であって、ほぼ平坦な上壁30と周壁31を有している。上壁30の周縁には段差部32が環状に形成され、上壁30の中央部は外力を入力する外力入力部33として構成されている。この外力入力部33の周囲には周壁31の表面側から裏面側に貫くようにして減衰機構部3’として機能する複数の扇形状の貫通孔34,34…が外側に幅の広い部分を向けて環状に配列されている。外力入力部33に外力が作用した場合にこの外力を環状に配列された複数の貫通孔34の部分において減衰した状態で力覚センサ1に伝達できるようになっている。
上壁30の裏面側の中央部には周壁31の内側部分にサブユニットとしての温度補償用の力覚センサ1’を収容する収納部35が形成されている。収納部35は収納部周壁36と収納部底壁37とで形成され、収納部底壁37には取付開口部38が設けられている。ここで、収納部底壁37の下面は第1の筐体K1の周壁31の下面近傍まで延びている。
主として収納部周壁36と収納部底壁37とが外力伝達部を構成している。
第2の筐体K2には周壁40と底壁41との付け根部分から底壁41の上方で底壁41に平行に中央部に向かう薄い板状の固定ブラケット42が設けられている。この固定ブラケット42は中央部に取付開口43を備え、取付開口43の周縁部44は下側が厚肉に形成され、この取付開口43に外力検出用の力覚センサ1が取り付けられている。この固定ブラケット42は外力検出用の力覚センサ1に作用する力を減衰する減衰機構部3’’として機能するような弾性を有する。尚、底壁41には外部構造体Gに固定されるブラケット45が形成されている。
また、温度補償用の力覚センサ1’と外力検出用の力覚センサ1とは同様のものを使用しているが、温度補償用の力覚センサ1’については下部固定部18を取り外して用いているため、両者の熱容量は異なる。しかしながら、両力覚センサ1,1’は第1の筐体K1と第2の筐体K2に取り付けられた状態では、対向配置されたセンサ固定部13,13の間に外力検出用の力覚センサ1の下部固定部18の固定ボス21が位置することになる。したがって、外力検出用の力覚センサ1は下部固定部18を備えている点を除けば、力覚センサチップ2に対して熱容量の点で影響を与える共通したセンサ固定部13を対向させてその間に外力検出用の力覚センサ1は下部固定部18が配置してある配置構成となるため、両者の熱容量を決定する因子は同等と言える。すなわち、両力覚センサ1,1’は各力覚センサチップ2の配置を全体の位置関係から見ると同等の熱容量を備えていると言える。
つまり、モーメントMzについては、回り方向の違いによる特性の偏りはなく、力Fxについては、圧縮方向、引張方向のどちらであっても、複数の貫通孔25では特性の偏りはなく、環状溝26では環状溝26の底壁部分がZ軸方向に沿う二つの力に対し、偏りなく伝達部11を介して力覚センサチップ2の作用部6に力を印加することができる。
つまり、貫通孔25と環状溝26とを複数列設けたことで、力Fx、力Fyを特性に偏りのない貫通孔25の外側の環状溝26の部分で減衰でき、この力Fx、力Fyが貫通孔25を横断する位置であるか否かにかかわらず全体としての偏りを少なくすることができるのである。
よって、入力部10に作用する外力を方向の偏りに起因する検出感度の差を生じさせないで伝達部11から力覚センサチップ2に作用させ、バラツキ無く力覚センサチップ2で検出できる。
これにより、歪み抵抗素子8の出力データを、6軸力出力に演算処理する際、計算誤差を著しく低減させることができる。
また、減衰機構部3’には複数の扇形状の貫通孔34,34…が外側に幅の広い部分を向けて環状に配列されているため、軸X,軸Y,軸Zで外力及びモーメントに関して感度バランスを確保し、出力の絶対値を均一化できる。尚、扇形状の貫通孔34,34を環状に配列する際に、梁として残された部分の幅が内径側と外径側とで等しくなるよう形成されることが好ましい。これにより、外力入力部33へ外力を印加した際に、梁の幅が均等になっているので局所的な応力集中を防止することができ、耐荷重性能が向上し、より破損しにくくする事ができる。
ここで、外力検出用の力覚センサ1と温度補償用の力覚センサ1’とが互いにZ軸上で対向配置されているため、両者の距離を近づけることができる。よって、温度変化の影響を外力検出用の力覚センサ1と温度補償用の力覚センサ1’とで同等に受けることができ、差分出力をより正確に受け差分出力の信頼性を向上することができる。
そして、外力検出用の力覚センサ1と温度補償用の力覚センサ1’とが同等の熱容量を有しているため、温度変化の影響を除外した外力のみによる歪み量である差分出力の信頼性を確保でき正確に外力を検出できる。
また、外力検出用の力覚センサ1と温度補償用の力覚センサ1’とが同等の熱伝導率を有しているため、熱源から受ける熱量が外力検出用の力覚センサ1と温度補償用の力覚センサ1’とに到達する速度が同等となり、温度変化による出力値の変動をキャンセルするまでの時間を短縮することができる。よって、迅速な検出が可能となる。
更に、外力検出用の力覚センサ1と温度補償用の力覚センサ1’とが同等の熱伝導率及び前述したように力覚センサチップ2に着眼した場合に同等の熱容量を有していることにより、外力検出用の力覚センサ1と温度補償用の力覚センサ1’とを同等の熱分布とすることができ、差分出力をより正確に得ることができる。
また、センサ固定部13に作用した外力の一部は減衰機構部3を構成する複数の貫通孔25及び環状溝26により減衰されて力覚センサチップ2の作用部6へ外力を印加する伝達部11に伝達される。よって、力覚センサチップ2は支持部5に対して相対的に変位する伝達部11により作用部6へ外力を印加することで、外力を減衰させた状態で力覚センサチップ2により検出できる。
よって、温度補償用の力覚センサ1’により温度変化による検出値の変化分を外力検出用の力覚センサ1の出力値から除外することにより、温度変化に依存しない外力の値が検出できる。
20°C Fx=90N印加時 温度補償用の力覚センサ1’の出力値
よって、温度補償を行った検出値から、作用した外力を正確に検出することができる力覚センサユニットUを得ることができる。
表5、表6はそれぞれ、温度が0℃、60℃で無負荷状態の力覚センサ1、1’の出力を示している。温度20℃の、無負荷時はすべての出力が0の状態を基準とすると、20℃から温度変化があった場合には、無負荷状態であるにもかかわらずFz出力が生じていることが表5,6からわかる。ここで、力覚センサユニットUの外力入力部33にFz=−100Nの外力を印加した状態で、常温20℃から0℃(常温−20℃)に温度が変化すると、外力検出用の力覚センサ1の出力が表7から表8の値へと変化し、Fz出力が64.9μS増加している。これは、温度が0℃、無負荷状態のドリフト出力とほぼ同等である。また、力覚センサユニットUの外力入力部33にFz=−100Nの外力を印加した状態で、常温20℃から60℃(常温+40℃)に温度が変化すると、外力検出用の力覚センサ1の出力が表7から表9の値へと変化し、Fz出力が130μS減少している。これは、温度が60℃、無負荷状態のドリフト出力とほぼ同等である。
0°C 無負荷時 外力検出用の力覚センサ1及び温度補償用の力覚センサ1’の出力値
よって、温度補償を行った検出値から、作用した外力を正確に検出することができる力覚センサユニットUを得ることができる。
また、力Fx(Fyも同様)については、X軸方向が、内径側の複数の貫通丸孔55の貫通孔形成位置である場合と、隣接する貫通丸孔55間である場合とでは伝達部11に伝達される力に偏りが生ずるが、X軸方向が貫通丸孔55間に位置する場合には、外径側では貫通丸孔56の形成位置となるため、内径側での力の偏りを外径側で緩和して偏りなく伝達部11を介して力覚センサチップ2に作用させることができる。
また、貫通丸孔55,56の両者の直径を変化させたり、内径側の貫通丸孔55の配列位置と、外径側の貫通丸孔56の配列位置との距離を変化させることにより、力覚センサチップ2に伝達される力を調整することができる。
よって、この態様においても、入力部10に作用する外力を方向の偏りに起因する検出感度の差を確実に無くして伝達部11から力覚センサチップ2に作用させバラツキ無く力覚センサチップ2で検出できる。
また、力Fx(Fyも同様)については、X軸方向が、内径側の複数の弧状貫通孔65の貫通孔形成位置である場合と、隣接する弧状貫通孔65の端部間である場合とでは伝達部11に伝達される力に偏りが生ずるが、X軸方向が弧状貫通孔65の端部間に位置する場合には、外径側では弧状貫通孔66の形成位置となるため、内径側での力の偏りを外径側で緩和して偏りなく伝達部11を介して力覚センサチップ2に作用させることができる。
また、弧状貫通孔65,66の両者の弧の長さを変化させることにより、力覚センサチップ2に伝達される力を調整することができる。
よって、この態様においても、入力部10に作用する外力を方向の偏りに起因する検出感度の差を確実に無くして、伝達部11から力覚センサチップ2に作用させバラツキ無く力覚センサチップ2で検出できる。
1’ 温度補償用の力覚センサ(サブユニット、検出部)
2 力覚センサチップ(検出用センサチップ)
3’、3’’減衰機構部
4’ 緩衝装置
10 入力部(一端)
21 固定ボス(他端)
33 外力入力部
34 貫通孔
36 収納部周壁(外力伝達部)
37 収納部底壁(外力伝達部)
42 固定ブラケット(ダイヤフラム、減衰機構部)
K1 第1の筐体
K2 第2の筐体
G 外部構造体
Claims (8)
- 外力を検出する検出部と前記外力を減衰させて前記検出部に付与する緩衝装置とを備えた力覚センサユニットであって、
前記緩衝装置は、前記外力を入力する外力入力部と前記検出部へ前記外力を伝達する外力伝達部と前記外力を減衰させる減衰機構部とを有する第1の筐体と、外部構造体に接続されて、前記第1の筐体を支持する第2の筐体とを備え、
前記検出部は、前記外力及び温度変化を検出するメインユニットと前記温度変化のみを検出するサブユニットとを備え、
前記メインユニットは、一端を前記緩衝装置の第2の筐体に固定され、他端を前記緩衝
装置の外力伝達部に接続され、
前記サブユニットは、前記外力伝達部との接続を遮断された状態で前記第1の筐体に固
定されていることを特徴とする力覚センサユニット。 - 前記メインユニットと前記サブユニットは各々検出用センサチップを備え、
前記検出用センサチップは対向して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ユニット。 - 前記メインユニットと前記サブユニットは同軸上に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ユニット。
- 前記メインユニットと前記サブユニットは同等の熱容量を有していることを特徴とする請求項1に記載の力覚センサユニット。
- 前記メインユニットと前記サブユニットは同等の熱伝導率を有していることを特徴とする請求項1に記載の力覚センサユニット。
- 前記メインユニットと前記サブユニットは同等の熱伝導率及び熱容量を有していることを特徴とする請求項1に記載の力覚センサユニット。
- 前記減衰機構部は外力入力部を中心として環状に配列された扇形状の複数の孔からなることを特徴とする請求項1に記載の力覚センサユニット。
- 前記第2の筐体は前記メインユニットとの接続部を中心としたダイヤフラムからなる減衰機構部を更に備えていることを特徴とする請求項1に記載の力覚センサユニット。
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