JP5765648B1 - 力覚センサ - Google Patents

Abstract

【課題】過負荷や衝撃に対する優れた耐性を有し、しかも構造がシンプルで容易に製作できる歪みゲージ式の力覚センサを提供する。【解決手段】加速度や外力による力が作用して変位する受力体１２を備える。受力体１２を固定体１６に連結し支持し、受力体１２に作用した力に基づいて弾性変形する起歪体１４を備える。起歪体１４の一部である第一の歪み測定部１４ａに発生する歪みを検出する、第一の歪みゲージ１７を備える。起歪体１４は、第一の歪み測定部１４ａより固定体１６側の位置に、検出対象となる力が作用した際に第一の歪み測定部１４ａよりも撓みやすくした第一の撓み部１４ｂを備える。受力体１２及び第一の歪み測定部１４ａの近傍に、受力体１２と第一の歪み測定部１４ａのうちの少なくとも一方の変位限界位置を規定するストッパ１８を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、所定軸方向の加速度や外力による力成分又は所定軸まわりのモーメント成分を検出する力覚センサの関し、特に歪みゲージ式の力覚センサに関する。

歪みゲージ式の力覚センサは、検出対象となる加速度や力を受ける受力体と、受力体を固定体に連結し支持する梁状の起歪体と、起歪体に設けられた歪みゲージとで構成され、力を受けた受力体が変位すると起歪体が弾性変形し、起歪体に発生する歪みを歪みゲージの電気抵抗の変化により検出する。歪みゲージは、通常、起歪体の表面に接着剤を用いて貼り付けられる。

従来、上記の構造を応用した力覚センサとして、例えば特許文献１に開示されているように、両端が枠に固定されて互いに直交する２つの梁（起歪体及び受力体）からなる歪み発生部と、該歪み発生部に貼り付けられた複数の歪みゲージとで構成された多軸型力センサがあった。この多軸型力センサは、軸力検出用の歪み発生部とモーメント検出用の歪み発生部とが互いに異なるばね定数に設定され、これにより、各歪み発生部の荷重−歪み特性が適宜調整され、各方向の歪み出力のダイナミックレンジのバランスがとられている。

特開平１０−７８３６０号公報

従来から、歪みゲージ式の力覚センサは、過負荷や衝撃に対する耐性がやや弱いという問題があった。これは、外部から過大な力（検出可能な力以上の強い力）が加わると、起歪体が大きく撓んで歪み、起歪体の表面に接着された歪みゲージが剥離してしまうからである。例えば、一般的な接着剤の場合、起歪体の変位量が繰り返し数μｍを超えると接着部分が剥離する可能性がある。

過負荷や衝撃に対する耐性（以下、両者を合わせて耐衝撃性と称する。）を向上させる方法として、例えば、起歪体の近傍にストッパ部材を設置し、起歪体が大変位するのを機械的に阻止する方法が考えられる。しかし、起歪体の近傍にストッパ部材を、数μｍの間隙で位置するように部材を加工し設置するのは困難であり、大量生産することを考えると現実的な方法とは言えない。

本発明は、上記背景技術に鑑みて成されたものであり、耐衝撃性に優れ、しかも構造がシンプルで容易に製作できる歪みゲージ式の力覚センサを提供することを目的とする。

本発明は、外力や加速度による力を含む検出対象となる力が作用して変位する受力体と、前記受力体を固定体に連結し支持する梁状の部材であって、前記受力体に作用した力に基づいて弾性変形する起歪体と、前記起歪体の一部である第一の歪み測定部に発生する歪みを検出する第一の歪みゲージとを有する力覚センサであって、前記起歪体は、前記第一の歪み測定部より前記固定体側の位置に、検出対象となる力が前記受力体に作用した際に前記第一の歪み測定部よりも撓みやすくした第一の撓み部が設けられ、前記受力体又は前記起歪体の近傍に、前記第一の歪み測定部の変位量を制限するストッパが設けられ、前記ストッパには、互いに異なる方向に面した複数の面が形成され、この複数の面は、前記起歪体の前記第一の撓み部より前記受力体側の部分と前記受力体のうちの少なくとも一方と非接触で対面し、前記起歪体の前記第一の撓み部より前記受力体側の部分と前記受力体のうちの少なくとも一方の変位限界位置を、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各正負方向について規定可能に設けられている力覚センサである。

この場合、前記受力体を前記固定体に連結する前記起歪体が複数設けられ、前記複数の起歪体には、それぞれ前記第一の歪み測定部と前記第一の撓み部とが設けられ、前記ストッパの前記複数の面は、個々の前記起歪体に対面して配置されている構成にすることが好ましい。

また、前記起歪体は、前記第一の撓み部よりも前記固定体側の位置に第二の歪み測定部が設けられ、前記第二の歪み測定部に発生する歪みを検出する第二の歪みゲージが設けられている構成にしてもよい。この場合、前記受力体を前記固定体に連結する前記起歪体が複数設けられ、前記複数の起歪体には、それぞれ前記第一及び第二の歪み測定部と前記第一の撓み部とが設けられ、前記ストッパの前記複数の面は、個々の前記起歪体に対面して配置されている構成にすることが好ましい。

また、前記起歪体には、前記第二の歪み測定部よりも前記固定体側の位置に、検出対象となる力が作用した際に前記第二の歪み測定部よりも撓みやすくした第二の撓み部が設けられている構成にしてもよい。この場合、前記ストッパは、前記第二の歪み測定部の変位量を制限するための複数の面を有し、この複数の面は、前記第二の歪み測定部又はその近傍部分と非接触で対面し、前記第二の歪み測定部又はその近傍部分の変位限界位置を、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各正負方向について規定可能に設けられていてもよい。また、前記受力体を前記固定体に連結する前記起歪体が複数設けられ、前記複数の起歪体には、それぞれ前記第一及び第二の歪み測定部と前記第一及び第二の撓み部とが設けられ、前記ストッパの前記複数の面は、個々の前記起歪体に対面して配置されている構成にすることが好ましい。

本発明の力覚センサは、起歪体に所定の撓み部が設けられ、起歪体の撓みによる変位を比較的大きくすることができ、受力体や歪み測定部の変位を従来よりも広い範囲まで許容し、通常の加工精度で製作されたストッパでも、歪み測定部の変位量を容易且つ適切に制限することができる。しかも、歪み測定部の撓み量は小さく抑えられるので、歪みゲージの剥離を確実に防止することができる。したがって、衝撃等による許容範囲以上の力が起歪体に作用して測定不能となるようなことがなく、耐衝撃性等に優れ、しかも容易に製作できる力覚センサを得ることができる。また、通常の加速度や力の検出についても、歪み測定部の弾性係数と撓み部の弾性係数の両方を考慮した演算処理を行うことによって、従来と同様に精度良く行うことができる。その他、歪み測定部が撓み部を介して固定体に支持される構造なので、外部から衝撃等により大きな加速度や強い力が加わったときに、撓み部がその衝撃等を吸収して、歪みゲージ及び接着剤等に加わるストレスを軽減する。

本発明の力覚センサの第一の実施形態を示す平面図（ａ）、正面図（ｂ）である。 本発明の力覚センサの第二の実施形態を示す縦断面図である。 第二の実施形態の力覚センサの固定体、起歪体、及び起歪体に取り付けられた複数の歪みゲージを示す平面図（ａ）、複数の歪みゲージについて説明する部分破断平面図（ｂ）である。 図３のA1-A1断面図である。 第二の実施形態の力覚センサの上側ストッパ体を示す底面図（ａ）、A2-A2断面図（ｂ）である。 第二の実施形態の力覚センサの下側ストッパ体を示す平面図（ａ）、A3-A3断面図（ｂ）である。 本発明の力覚センサの第三の実施形態を示す縦断面図である。 第三の実施形態の力覚センサの固定体、起歪体、及び起歪体に取り付けられた複数の歪みゲージを示す平面図である。 図８の複数の歪みゲージについて説明する部分破断平面図である。 図８のB1-B1断面図（ａ）、B2-B2断面図（ｂ）である。 第三の実施形態の力覚センサの上側ストッパ体を示す底面図（ａ）、B3-B3断面図（ｂ）である。 第三の実施形態の力覚センサの下側ストッパ体を示す平面図（ａ）、B4-B4断面図（ｂ）である。

以下、本発明の力覚センサの第一の実施形態について、図１に基づいて説明する。この実施形態の力覚センサ１０は、いわゆる１軸型のセンサであり、図1（ｂ）に示すＺ軸方向の外力や加速度による力Fzを検出するものである。以下、互いに直交する方向を、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向と言い、図面上Ｘ、Ｙ、Ｚと表示する。

力覚センサ１０は、図１に示すように、受力体１２、起歪体１４、固定体１６を有している。材質は、例えばアルミニウムやステンレス鋼が好適である。受力体１２は、Ｚ軸方向の力Fzが作用して変位する部材であり、梁状の起歪体１４の一端部に設けられている。起歪体１４は、断面が略長方形でＺ軸方向の断面係数が小さい形状で、他端部が固定体１６によりＺ軸と直角の方向に片端支持された片持ち梁であり、受力体１２に作用した力Fzに基づいて弾性変形する。

起歪体１４は、中央部に第一の歪み測定部１４ａが設けられ、その上面に第一の歪みゲージ１７(Fz)が取り付けられている。第一の歪み測定部１４ａは、起歪体１４の下面側を僅かに切り込むことにより、撓みの弾性係数が所定の値に調整されている。第一の歪みゲージ１７(Fz)は、一般的な抵抗線歪みゲージや半導体歪みゲージ等であり、第一の歪み測定部１４ａの上面に接着剤等で貼り付け固定され、この部分に発生する歪みを検出する。

また、起歪体１４の、第一の歪み測定部１４ａより固定体１６側の位置には、第一の撓み部１４ｂが設けられている。第一の撓み部１４ｂは、起歪体１４の下面側を深く切り込むことにより設けられ、撓みの弾性係数が第一歪み測定部１４ａよりも小さい値に調整されている。つまり、第一の撓み部１４ｂは、起歪体１４の他の部位よりも撓みやすく、Ｚ軸方向の力Fzが作用して受力体１２及び第一の歪み測定部１４ａの変位量を大きくする。なお、起歪体１４の下面側を深く切り込むことにより、Ｚ軸方向と直交するＸ軸（図1の起歪体１４の長さ方向）及びＹ軸方向（図1（ａ）の上下方向）の力Fx、Fyが作用した場合の受力体１２及び第一の歪み測定部１４ａの変位量も、切り込みがない場合と比較して大きくなる。

固定体１６と対向する位置には、起歪体１４の先端部が差し込まれる凹部が形成されたストッパ１８が設けられている。ストッパ１８は、Ｚ軸方向の力Fzが作用して上下に変位する第一の歪み測定部１４ａの変位限界位置を規定する。通常は起歪体１４の先端部とストッパ１８とは非接触の状態であり、強い衝撃力を受け、第一の歪み測定部１４ａが上下に大きく変位（例えば±30μｍ）すると、起歪体１４の先端部がストッパ１８として機能する凹部内に接触して規制され、これ以上の変位が制限される。また、第一の撓み部１４ｂにより、起歪体１４の先端部は、切り込みがない場合と比較してＹ軸方向にも変位しやすくなるが、図１（ａ）に示すように、起歪体１４の先端部がストッパ１８の凹部の内壁面に接触して、変位が制限される。さらに、起歪体１４の長さ方向（Ｘ軸方向）の衝撃力により引っ張り方向に力を受けた場合も、図１に示すように、起歪体１４の先端部は、ストッパ１８の凹部の底部壁面に当接するので、変位量を制限することができる。なお、起歪体１４の圧縮方向の力に対しては、固定体１６により支持されているので、一定以上は変位できない。以上の結果、第一の歪み測定部１４ａの変位量が確実に制限される。

この実施形態の力覚センサ１０は、第一の歪み測定部１４ａが第一の撓み部１４ｂを介して固定体１６に支持される構造なので、外部からの過負荷や衝撃等により受力体１２に許容範囲以上の力が作用したとき、第一の撓み部１４ｂにより起歪体１４の変位量はかなり大きく（例えば、30μｍ）許容されて、ストッパ１８により規制される。起歪体１４の先端部とストッパ１８の間隔は、従来よりも広い範囲（例えば±30μｍ）まで許容することができ、通常の加工精度で製作されたストッパ１８でも、第一の歪み測定部１４ａの変位量を適切に制限することができる。しかも、起歪体１４の先端部は大きく変位するが、第一の歪み測定部１４ａの撓み量は相対的に小さいので、歪みゲージ１６(Fz)が剥離しない範囲に抑えられる。したがって、耐衝撃性等に優れ、しかも容易に製作できる力覚センサ１０を得ることができる。また、第一の歪み測定部１４ａが、第一の撓み部１４ｂを介して固定体１６に支持されているので、外部からの衝撃等による大きな加速度や強い力が作用した場合でも、第一の撓み部１４ｂがその衝撃等を吸収して、歪みゲージ１６(Fz)及び接着剤に加わる力を軽減する。しかも、通常の力Fzの検出についても、第一の歪み測定部１４ａの弾性係数と第一の撓み部１４ｂの弾性係数の両方を考慮した演算処理を行うことにより、従来と同様の精度で行うことができる。

次に、本発明の力覚センサの第二の実施形態について、図２〜図６に基づいて説明する。この実施形態の力覚センサ２０は、いわゆる４軸型のセンサであり、互いに直交するＸＹＺ三軸座標系のＸ軸周りのモーメントMx、Ｙ軸周りのモーメントMy、Ｚ軸周りのモーメントMz、及びＺ軸方向の力Fzを正確に区別して検出することができる。

力覚センサ２０は、図２に示すように、受力体２２、起歪体２４(1)〜２４(4)、固定体２６、上側ストッパ体２８、及び下側ストッパ体３０を有している。材質は、例えばアルミニウムやステンテス鋼が好適である。受力体２２は、加速度や外力を受けて変位する円柱状の部材であり、図３、図４に示すように、梁状の起歪体２４(1)〜２４(4)の一端部に立設されている。

起歪体２４(1)〜２４(4)は、受力体２２を中心にＸ軸及びＹ軸方向に放射状に配され、他端部が円形枠状の固定体２６により支持され、固定体２６に両端が固定された両端固定梁の構造で、それぞれ受力体２２が受けた加速度や外力に基づいて弾性変形する。

起歪体２４(1)は、中央部に第一の歪み測定部２４ａ(1)が設けられ、その上面に、第一の歪みゲージ３２(My)と第一の歪みゲージ３２(Fz)が設けられ、その側面に第一の歪みゲージ３２(Mz)が設けられている。第一の歪み測定部２４ａ(1)は断面が略長方形でＺ軸方向の断面係数が小さい形状で、撓みの弾性係数が所定の値に調整されている。第一の歪みゲージ３２(My)，３２（Fz），３２(Mz)は、共に一般的な抵抗線歪みゲージや半導体歪みゲージ等であり、第一の歪み測定部２４ａ(1)の表面に接着剤で貼り付け固定され、各部分に発生する歪みを検出する。

また、起歪体２４(1)の、第一の歪み測定部２４ａ(1)より固定体２６側の位置には、第一の撓み部２４ｂ(1)が設けられている。第一の撓み部２４ｂ(1)は、図３、図４に示すように、起歪体２４(1)を幅方向及び厚さ方向に深く切り込むことにより設けられ、各方向の撓みの弾性係数が第一歪み測定部２４ａ(1)よりも小さい値に調整されている。つまり、第一の撓み部２４ｂ(1)は、起歪体２４(1)の第一の歪み測定部２４ａ(1)よりも撓みやすく、加速度や外力を受けて受力体２２及び第一の歪み測定部２４ａ(1)が変位するとき、これらの変位量を大きくする。

さらに、起歪体２４(1)の、第一の撓み部２４ｂ(1)より固定体２６側の位置には、第二の歪み測定部２４ｃ(1)が設けられ、その上面に、第二の歪みゲージ３４(Fz)が設けられている。第二の歪み測定部２４ｃ(1)は、断面が略四角形で、撓みの弾性係数が所定の値に調整されている。第二の歪みゲージ３４(Fz)も一般的な抵抗線歪みゲージや半導体歪みゲージ等であり、第二の歪み測定部２４ｃ(1)の表面に接着剤で貼り付け固定され、この部分に発生する歪みを検出する。

他の３つの起歪体２４(2)〜２４(4)も起歪体２４(1)と同様の構造であり、それぞれ、第一の歪み測定部２４ａ(2)〜２４ａ(4)、第一の撓み部２４ｂ(2)〜２４ｂ(4)、第二の歪み測定部２４ｃ(2)〜２４ｃ(4)が設けられている。

起歪体２４(2)は、第一の歪み測定部２４ａ(2)の上面と側面にそれぞれ第一の歪みゲージ３２(Mx)と第一の歪みゲージ３２(Mz)が貼り付け固定され、第二の歪み測定部２４ｃ(2)には歪みゲージが設けられていない。起歪体２４(3)は、第一の歪み測定部２４ａ(3)の上面と側面にそれぞれ第一の歪みゲージ３２(My)，３２(Fz)と第一の歪みゲージ３２(Mz)が貼り付け固定され、第二の歪み測定部２４ｃ(3)の上面に第二の歪みゲージ３４(Fz)が貼り付け固定されている。起歪体２４(4)は、第一の歪み測定部２４ａ(4)の上面と側面にそれぞれ第一の歪みゲージ３２(Mx)と第一の歪みゲージ３２(Mz)が貼り付け固定され、第二の歪み測定部２４(2)には歪みゲージが設けられていない。

なお、第一の歪みゲージ３２(Mx)の各出力は、Ｘ軸周りのモーメントMxを検出するために使用される。第一の歪みゲージ３２(My)の各出力は、Ｙ軸周りのモーメントMyを検出するために使用される。第一の歪みゲージ３２(Mz)の各出力は、Ｚ軸周りのモーメントMzを検出するために使用される。また、第一の歪みゲージ３２（Fz）及び第二の歪みゲージ３４(Fz)の各出力は、Ｚ軸方向の力Fzを検出するために使用される。

上側ストッパ体２８は、図２、図５に示すように、固定体２６とほぼ同じ大きさの円盤状の部材であり、円盤状の周縁部に、固定体２６の上面に取り付けられる脚部２８ａが下向きに形成され、脚部２８ａ内側の底面２８ｂの中央部に、受力体２２が挿通される貫通孔２８ｃが設けられ、貫通孔２８ｃの周縁部４カ所に、下向き突出する扇状の突起２８ｄがほぼ等間隔に設けられている。下側ストッパ体３０も、固定体２６とほぼ同じ大きさの円盤状の部材であり、図２、図６に示すように、円盤状の周縁部が固定体２６の下面を支持する受け部３０ａで、その内側の中央部に、上向きに突出する円形の突起３０ｂが設けられている。

上記の各部材を組み合わせた状態で、図２に示すように、受力体２２の側周面の近傍に、上側ストッパ体２８の貫通孔２８ｃの内壁が所定の隙間を空けて対向する。つまり、貫通孔２８ｃは、受力体２２が加速度や外力を受けてＺ軸と直角方向に変位したとき（力Fx，Fyが作用したとき）やＺ軸に対して傾いたとき（モーメントMx，Myが作用したとき）に、受力体２２の変位限界位置を規定するストッパとして働く。また、第一の歪み測定部２４ａ(1)〜２４ａ(4)の側面の近傍に、上側ストッパ体２８の突起２８ｄの側面が所定の隙間を空けて対向する。つまり、突起２８ｄは、受力体２２がＺ軸と直角方向に変位したとき（力Fx，Fyが作用したとき）やＺ軸周りに回転したとき（モーメントMzが作用したとき）に、第一の歪み測定部２４ａ(1)〜２４ａ(4)の変位限界位置を規定するストッパとして働く。また、起歪体２４(1)〜２４(4)の上面の近傍に、上側ストッパ体２８の底面２８ｂが所定の隙間を空けて対向する。つまり、底面２８ｂは、受力体２２がＺ軸に沿って上向きに変位したとき（正の力Fzが作用したとき）やＺ軸に対して傾いたとき（モーメントMx，Myが作用したとき）に、起歪体梁２４(1)〜２４(4)の変位限界位置を規定するストッパとして働く。さらに、受力体２２の下面及び第一の歪み測定部２４ａ(1)〜２４ａ(4)の下面の近傍に、下側ストッパ体３０の突起３０ｂの上面が所定の隙間を空けて対向する。つまり、突起３０ｂは、受力体２２がＺ軸に沿って下向きに変位したとき（負の力Fzが作用したとき）やＺ軸に対して傾いたとき（モーメントMx，Myが作用したとき）、受力体２２及び第一の歪み測定部２４ａ(1)〜２４ａ(4)の変位限界位置を規定するストッパとして働く。上記の「所定の隙間」は、例えば30μｍ程度である。

この実施形態の力覚センサ２０は、４軸型のセンサであるが、上記の１軸型の力覚センサ１０と同様の作用により、耐衝撃性を容易かつ安価に向上させることができる。また、通常の力の検出についても、第一の歪み測定部２４ａ(1)〜２４ａ(4)の弾性係数、第一の撓み部２４ｂ(1)〜２４ｂ(4)の弾性係数、及び第二の歪み測定部２４ｃ(1)〜２４ｃ(4)の弾性係数を考慮した所定の演算処理を行うことにより、従来と同様の精度で行うことができる。

次に、本発明の力覚センサの第三の実施形態について、図７〜図１２に基づいて説明する。この実施形態の力覚センサ３６は、いわゆる６軸型のセンサであり、互いに直交するＸＹＺ三軸座標系のＸ軸周りのモーメントMx、Ｙ軸周りのモーメントMy、Ｚ軸周りのモーメントMz、Ｘ軸方向の力Fx、Ｙ軸方向の力Fy、及びＺ軸方向の力Fzを正確に区別して検出することができる。

力覚センサ３６は、図７に示すように、受力体３８、起歪体４０(1)〜４０(4)、固定体４２、上側ストッパ体４４、及び下側ストッパ体４６を有している。材質は、例えばアルミニウムやステンテス鋼が好適である。受力体３８は、加速度や外力を受けて変位する円柱状の部材であり、図８〜図１０に示すように、梁状の起歪体４０(1)〜４０(4)の一端部に立設されている。

起歪体４０(1)〜４０(4)は、受力体３８を中心にＸ軸及びＹ軸方向に放射状に配され、各他端部がＴ字状に分岐し、分岐した両先端部が円形枠状の固定体４２により支持され、固定体４２に両端が固定された両端固定梁の構造で、それぞれ受力体３８が受けた加速度や外力に基づいて弾性変形する。

起歪体４０(1)は、図９に示すように、中央部に第一の歪み測定部４０ａ(1)が設けられ、その上面に第一の歪みゲージ４８(Fz)が設けられ、片方の側面に第一の歪みゲージ４８(Mz)が設けられている。第一の歪み測定部４０ａ(1)は、撓みの弾性係数が所定の値に調整されている。第一の歪みゲージ４８(Fz)，４８(Mz)は、共に一般的な抵抗線歪みゲージや半導体歪みゲージ等であり、第一の歪み測定部４０ａ(1)の表面に接着剤で貼り付け固定され、各部分に発生する歪みを検出する。

また、起歪体４０(1)の、第一の歪み測定部４０ａ(1)より固定体４２側の位置には、第一の撓み部４０ｂ(1)が設けられている。第一の撓み部４０ｂ(1)は、図９、図１０（ａ）に示すように、起歪体４０(1)を幅方向及び厚さ方向に深く切り込むことにより設けられ、各方向の撓みの弾性係数が第一歪み測定部４０ａ(1)よりも小さい値に調整されている。つまり、第一の撓み部４０ｂ(1)は、起歪体４０(1)の第一歪み測定部４０ａ(1)よりも撓みやすく、加速度や外力を受けて受力体３８及び第一の歪み測定部４０ａ(1)が変位するとき、これらの変位量を大きくする。

また、起歪体４０(1)の、第一の撓み部４０ｂ(1)より固定体４２側の位置には、第二の歪み測定部４０ｃ(1)が設けられ、その上面に第二の歪みゲージ５０(My)が設けられ、受力体３８側の側面に第二の歪みゲージ５０(Fx)が設けられている。第二の歪み測定部４０ｃ(1)は、平面視でＴ字状の部分であり、撓みの弾性係数が所定の値に調整されている。第二の歪みゲージ５０(My)，５０(Fx)も一般的な抵抗線歪みゲージや半導体歪みゲージ等であり、第二の歪み測定部４０ｃ(1)の所定位置に接着剤で貼り付け固定され、この部分に発生する歪みを検出する。

さらに、起歪体４０(1)の、第二の歪み測定部４０ｃ(1)より固定体４２側の両端部には、第二の撓み部４０ｄ(1)が一対に設けられている。第二の撓み部４０ｄ(1)は、図９、図１０（ｂ）に示すように、起歪体４０(1)を幅方向に深く切り込むことにより設けられ、Ｘ軸方向の撓みの弾性係数が第二の歪み測定部４０ｃ(1)よりも小さい値に調整されている。つまり、第二の撓み部４０ｄ(1)は、起歪体４０(1)の第二の歪み測定部４０ｃ(1)よりも撓みやすく、加速度や外力を受けて受力体３８、第一及び第二の歪み測定部４０ａ(1)，４０ｃ(1)が変位するとき、これらの変位量を大きくする。

他の３つの起歪体４０(2)〜４０(4)も起歪体４０(1)と同様の構造であり、それぞれ、第一の歪み測定部４０ａ(2)〜４０ａ(4)、第一の撓み部４０ｂ(2)〜４０ｂ(4)、第二の歪み測定部４０ｃ(2)〜４０ｃ(4)、第二の撓み部４０ｄ(2)〜４０ｄ(4)が設けられている。

第一の歪み測定部４０ａ(2)，４０ａ(4)は、それぞれ、上面に第一の歪みゲージ４８(Fz)が貼り付け固定され、片方の側面に第一の歪みゲージ４８(Mz)が貼り付け固定されている。第二の歪み測定部４０ｃ(2)，４０ｃ(4)は、それぞれ、上面に第二の歪みゲージ５０(Mx)が貼り付け固定され、受力体３８側の側面に第二の歪みゲージ５０(Fy)が貼り付け固定されている。第一の歪み測定部４０ａ(3)は、上面に第一の歪みゲージ４８(Fz)が貼り付け固定され、片方の側面に第一の歪みゲージ４８(Mz)が貼り付け固定されている。第二の歪み測定部４０c(3)は、上面に第二の歪みゲージ５０(My)が貼り付け固定され、受力体３８側の側面に第二の歪みゲージ５０(Fx)が貼り付け固定されている。

なお、第一の歪みゲージ４８(Mz)の各出力は、Ｚ軸周りのモーメントMzを検出するために使用され、第一の歪みゲージ４８(Fz)の各出力は、Ｚ軸方向の力Fzを検出するために使用される。第二の歪みゲージ５０(Mx)の各出力は、Ｘ軸周りのモーメントMxを検出するために使用され、第二の歪みゲージ５０(My)の各出力は、Ｙ軸周りのモーメントMyを検出するために使用され、第二の歪みゲージ５０(Fx)の各出力は、Ｘ軸方向の力Fxを検出するために使用され、第二の歪みゲージ５０(Fy)の各出力は、Ｙ軸方向の力Fyを検出するために使用される。

固定体４２には、図８に示すように、円形枠状の内壁から内向きに突出するストッパ部４２ａ，４２ｂが設けられている。ストッパ部４２ａは、起歪体４０(1)，４０(2)に挟まれる位置、起歪体４０(2)，４０(3)に挟まれる位置、起歪体４０(3)，４０(4)に挟まれる位置、起歪体４０(4)，４０(1)に挟まれる位置の４カ所に配され、起歪体４０(1)〜４０(4)の側面の近傍に、ストッパ部４２ａの端面が所定の隙間を空けて対向する。つまり、ストッパ部４２ａは、受力体３８がＺ軸と直角方向に変位したとき（力Fx，Fyが作用したとき）やＺ軸周りに回転したとき（モーメントMzが作用したとき）に、起歪体４０(1)〜４０(4)の変位限界位置を規定するストッパとして働く。また、ストッパ部４２ｂは、第二の歪み測定部４０ｃ(1)〜４０ｃ(4)の受力体３８と反対側の位置の４カ所に配され、第二の歪み測定部４０ｃ(1)〜４０ｃ(4)の外側面の近傍に、各ストッパ部４２ｂの端面が所定の隙間を空けて対向する。つまり、ストッパ部４２ｂは、受力体３８がＸ軸又はＹ軸方向に変位したとき（力Fx，Fyが作用したとき）に、第二の歪み測定部４０ｃ(1)，４０ｃ(2)，４０ｃ(3)，４０ｃ(4)の変位限界位置を規定するストッパとして働く。上記の「所定の隙間」は、例えば30μｍ程度である。

上側ストッパ体４４は、図１１に示すように、固定体４２とほぼ同じ大きさの円盤状の部材であり、円盤状の周縁部に、固定体４２の周縁部の上面に取り付けられる脚部４４ａが下向きに形成され、脚部４４ａ内側の底面４４ｂの中央部に、受力体３８が挿通される貫通孔４４ｃが設けられている。下側ストッパ体４６も、固定体４４とほぼ同じ大きさの円盤状の部材であり、図１２に示すように、円盤状の周縁部に、固定体４２の周縁部の下面を支持する受け部４６ａが上向きに形成され、その内側が平坦な底面４６ｂになっている。

上記の各部材を組み合わせた状態で、図７に示すように、受力体３８の側周面の近傍に、上側ストッパ体４４の貫通孔４４ｃの内壁が所定の隙間を空けて対向する。つまり、貫通孔４４ｃは、受力体３８が加速度や外力を受けてＺ軸と直角方向に変位したとき（力Fx，Fyが作用したとき）やＺ軸に対して傾いたとき（モーメントMx，Myが作用したとき）に、受力体３８の変位限界位置を規定するストッパとして働く。また、起歪体４０(1)〜４０(4)の上面の近傍に、上側ストッパ体４４の底面４４ｂが所定の隙間を空けて対向する。つまり、底面４４ｂは、受力体３８がＺ軸に沿って上向きに変位したとき（正の力Fzが作用したとき）やＺ軸に対して傾いたとき（モーメントMx，Myが作用したとき）に、起歪体４０(1)〜４０(4)の変位限界位置を規定するストッパとして働く。さらに、受力体３８の下面及び起歪体４０(1)〜４０(4)の下面の近傍に、下側ストッパ体４６の底面４６ｂが所定の隙間を空けて対向する。つまり、底面４６ｂは、受力体３８がＺ軸に沿って下向きに変位したとき（負の力のFzが作用したとき）やＺ軸に対して傾いたとき（モーメントMx，Myが作用したとき）、受力体３８及び起歪体４０(1)〜４０(4)の変位限界位置を規定するストッパとして働く。上記の「所定の隙間」は、例えば30μｍ程度である。

この実施形態の力覚センサ３６は、６軸型のセンサであるが、上記の１軸型の力覚センサ１０と同様の作用により、耐衝撃性を容易かつ安価に向上させることができる。また、通常の力の検出についても、第一の歪み測定部４０ａ(1)〜４０ａ(4)の弾性係数、第一の撓み部４０ｂ(1)〜４０ｂ(4)の弾性係数、第二の歪み測定部４０ｃ(1)〜４０ｃ(4)の弾性係数、及び第二の撓み部４０ｄ(1)〜４０ｄ(4)の弾性係数を考慮した所定の演算処理を行うことにより、従来と同様の精度で行うことができる。

なお、本発明の力覚センサは、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、受力体、起歪体、固定体の大きさや材質は、検出対象の力の大きさや使用する歪みゲージの特性等に合わせて自由に変更できる。また、撓み部の弾性係数やストッパの構造（数、設置する位置）についても、一定の耐衝撃性が確保できるように適宜変更することができる。また、特許文献１の多軸型力センサのように、起歪体の一部を受力体として兼用する構造にしてもよい。

また、第一の歪み測定部に設けられる第一の歪みゲージは、どの方向の力又はどの方向のモーメントを測定するものでもよく、第一の歪み測定部の表面のどの位置（側面、上面、下面）に何個取り付けてもよい。第二の歪み測定部に設けられる第二の歪みゲージについても同様である。

１０ 力覚センサ
１２ 受力体
１４ 起歪体
１４ａ 第一の歪み測定部
１４ｂ 第一の撓み部
１６ 固定体
１７(Fz) 第一の歪みゲージ
１８ ストッパ
２０ 力覚センサ
２２ 受力体
２４(1)，２４(2)，２４(3)，２４(4) 起歪体
２４ａ(1)，２４ａ(2)，２４ａ(3)，２４ａ(4) 第一の歪み測定部
２４ｂ(1)，２４ｂ(2)，２４ｂ(3)，２４ｂ(4) 第一の撓み部
２４ｃ(1)，２４ｃ(2)，２４ｃ(3)，２４ｃ(4) 第二の歪み測定部
２６ 固定体
２８ 上側ストッパ体
２８ｂ 底面（ストッパ）
２８ｃ 貫通孔（ストッパ）
２８ｄ 突起（ストッパ）
３０ 下側ストッパ体
３０ｂ 突起（ストッパ）
３２(Mx)，３２(My)，３２(Mz)，３２(Fz) 第一の歪みゲージ
３４(Fz) 第二の歪みゲージ
３６ 力覚センサ
３８ 受力体
４０(1)，４０(2)，４０(3)，４０(4) 起歪体
４０ａ(1)，４０ａ(2)，４０ａ(3)，４０ａ(4) 第一の歪み測定部
４０ｂ(1)，４０ｂ(2)，４０ｂ(3)，４０ｂ(4) 第一の撓み部
４０ｃ(1)，４０ｃ(2)，４０ｃ(3)，４０ｃ(4) 第二の歪み測定部
４０ｄ(1)，４０ｄ(2)，４０ｄ(3)，４０ｄ(4) 第二の撓み部
４２ 固定体
４２ａ，４２ｂ ストッパ部（ストッパ）
４４ 上側ストッパ体
４４ｂ 底面（ストッパ）
４４ｃ 貫通孔（ストッパ）
４６ 下側ストッパ体
４６ｂ 底面（ストッパ）
４８(Mz)，４８(Fz) 第一の歪みゲージ
５０(Mx)，５０(My)，５０(Fx)，５０(Fy) 第二の歪みゲージ

Claims (7)

1. 検出対象となる力が作用して変位する受力体と、前記受力体を固定体に連結し支持する梁状の部材であって、前記受力体に作用した力に基づいて弾性変形する起歪体と、前記起歪体の一部である第一の歪み測定部に発生する歪みを検出する第一の歪みゲージとを有する力覚センサにおいて、
   前記起歪体は、前記第一の歪み測定部より前記固定体側の位置に、検出対象となる力が前記受力体に作用した際に前記第一の歪み測定部よりも撓みやすくした第一の撓み部が設けられ、
   前記受力体又は前記起歪体の近傍に、前記第一の歪み測定部の変位量を制限するストッパが設けられ、
   前記ストッパには、互いに異なる方向に面した複数の面が形成され、この複数の面は、前記起歪体の前記第一の撓み部より前記受力体側の部分と前記受力体のうちの少なくとも一方と非接触で対面し、前記起歪体の前記第一の撓み部より前記受力体側の部分と前記受力体のうちの少なくとも一方の変位限界位置を、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各正負方向について規定可能に設けられていることを特徴とする力覚センサ。
2. 前記受力体を前記固定体に連結した前記起歪体が複数設けられ、前記複数の起歪体には、それぞれ前記第一の歪み測定部と前記第一の撓み部とが設けられ、前記ストッパの前記複数の面は、個々の前記起歪体に対面して配置されている請求項１記載の力覚センサ。
3. 前記起歪体は、前記第一の撓み部よりも前記固定体側の位置に第二の歪み測定部が設けられ、前記第二の歪み測定部に発生する歪みを検出する第二の歪みゲージが設けられている請求項1記載の力覚センサ。
4. 前記受力体を前記固定体に連結する前記起歪体が複数設けられ、前記複数の起歪体には、それぞれ前記第一及び第二の歪み測定部と前記第一の撓み部とが設けられ、前記ストッパの前記複数の面は、個々の前記起歪体に対面して配置されている請求項３記載の力覚センサ。
5. 前記起歪体には、前記第二の歪み測定部よりも前記固定体側の位置に、検出対象となる力が作用した際に前記第二の歪み測定部よりも撓みやすくした第二の撓み部が設けられている請求項３又は４記載の力覚センサ。
6. 前記ストッパは、前記第二の歪み測定部の変位量を制限するための複数の面を有し、この複数の面は、前記第二の歪み測定部又はその近傍部分と非接触で対面し、前記第二の歪み測定部又はその近傍部分の変位限界位置を、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各正負方向について規定可能に設けられている請求項５記載の力覚センサ。
7. 前記受力体を前記固定体に連結する前記起歪体が複数設けられ、前記複数の起歪体には、それぞれ前記第一及び第二の歪み測定部と前記第一及び第二の撓み部とが設けられ、前記ストッパの前記複数の面は、個々の前記起歪体に対面して配置されている請求項５又は６記載の力覚センサ。

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