JP5866907B2 - 力センサー、力検出装置、ロボットハンド、ロボット、および力センサーの製造方法 - Google Patents
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積層された複数の圧電素子が下部部材と上部部材との間で挟持されて、与圧ボルトによって与圧されて成る力センサーであって、
弾性材料によって中空形状に形成され、前記下部部材に立設された複数のガイド部材と、
前記ガイド部材が挿通する複数の挿通孔が形成されて、該複数の挿通孔の間に前記圧電素子が設けられた圧電素子保持板と
を備え、
前記下部部材および前記上部部材は、複数の前記挿通孔に前記ガイド部材が挿通されて積層された複数の前記圧電素子保持板を挟持した状態で、該ガイド部材の中空部分に通した前記与圧ボルトを用いて互いに締結される
ことを特徴とする。
積層された複数の圧電素子が下部部材と上部部材との間で挟持されて、与圧ボルトによって与圧されて成る力センサーの製造方法であって、
弾性材料によって中空形状に形成された複数のガイド部材を、前記下部部材の所定位置に立設する第1の工程と、
複数の挿通孔が形成されて該複数の挿通孔の間に前記圧電素子が設けられた複数の圧電素子保持板を、該複数の挿通孔に前記ガイド部材を挿通させて積層する第2の工程と、
積層された複数の前記圧電素子保持板の上に前記上部部材を載置する第3の工程と、
前記ガイド部材の中空部分よりも軸径が大きな前記与圧ボルトを、前記上部部材に設けられたボルト孔から前記ガイド部材の前記中空部分に挿入する第4の工程と、
前記与圧ボルトを用いて前記上部部材と前記下部部材とを締結する第5の工程と
を備えることを特徴とする。
こうすれば、与圧ボルトを通して押し広げられたガイド部材が電極板に接触しても、電極板同士が電気的に短絡することを回避することができる。
このようにすれば、1つの力センサーで、三軸方向の力を検出することが可能となる。
こうすれば、軸方向の力成分だけでなく、軸回りのモーメントも容易に検出することが可能となる。
ロボットハンドやロボットには多数の力センサーが搭載されることが通常であるが、上述したように本発明の力センサーは、圧電素子が精度良く位置決めされて積層されており、しかも効率よく製造することができるので、ロボットハンドあるいはロボットに搭載する力センサーとして特に優れている。
A.力センサーの構成:
B.力センサーの動作:
C.水晶圧電素子の位置決め方法:
D.力検出装置:
図1は、本実施例の力センサー100の構造を示した分解斜視図である。図1に示されるように力センサー100は、上部プレート102と下部プレート104との間に、電極板106と、水晶圧電素子108が設けられたフッ素樹脂スペーサー110とを、交互に複数積層して構成されている。電極板106は、導電性を備える金属、例えば、チタニウム、アルミニウム、銅、鉄などの単体もしくは合金を用いることができる。例えば、鉄合金としてステンレススチールを用いることも可能であり、耐久性,耐食性が優れることから好適に用いられる。フッ素樹脂スペーサー110の中央部には、正方形状の貫通穴が開いており、その貫通穴内に、外周形状が正方形の水晶圧電素子108が配置されることによって、水晶圧電素子108はxy平面において位置決めされる。尚、本実施例では上部プレート102が本発明における「上部部材」に対応し、下部プレート104が本発明における「下部部材」に対応する。また、フッ素樹脂スペーサー110が本発明における「圧電素子保持板」に対応する。
力センサー100に力が加わった場合、上部プレート102および下部プレート104は、その力を受けて、各水晶圧電素子108a〜108fに伝達する。各水晶圧電素子108a〜108fは、それぞれ、圧電効果によって、水晶の結晶方位に応じた力成分を検出する。すなわち、図2に示すように、y方向用水晶圧電素子108a,108bでは、前述したとおり、水晶のX方位がy方向に沿っているため、y方向の力成分を検出し、その検出値に基づいた電気信号をFy信号として電極板106bより出力信号線へと出力する。同様に、z方向用水晶圧電素子108c,108dでは、水晶のX方位がz方向に沿っているため、z方向の力成分を検出し、その検出値に基づいた電気信号をFz信号として電極板106dより出力信号線へと出力する。x方向用水晶圧電素子108e,108fでは、水晶のX方位がx方向に沿っているため、x方向の力成分を検出し、その検出値に基づいた電気信号をFx信号として電極板106fより出力信号線へと出力する。
図3は、本実施例の力センサー100で複数の水晶圧電素子108を位置決めしながら積層する方法を示した説明図である。前述したように、水晶圧電素子108はフッ素樹脂スペーサー110のほぼ中央に嵌め込まれ、フッ素樹脂スペーサー110には、水晶圧電素子108の両側に挿通孔110hが形成されている(図1参照)。力センサー100を組み立てる際には、下部プレート104の上に立設させたスリーブ112を挿通孔110hに挿通させながら、複数枚のフッ素樹脂スペーサー110および電極板106を交互に積層した後、その上から上部プレート102を載せて、上部プレート102と下部プレート104を与圧ボルト114で締結する。図3(a)には、下部プレート104の上に複数枚のフッ素樹脂スペーサー110および電極板106を交互に積層している様子を表している。
図5は、図1に示す力センサー100を4つ備えた力検出装置200の外観を示す斜視図である。図5に示されるように、力検出装置200では、上部プレート102および下部プレート104は、それぞれ円板形状を成しており、各力センサー100a〜100dで共有されている。各力センサー100a〜100dは、それぞれ、円周に沿って、90度ずつ隔てて配置されており、3つ以上の力センサー100が同一直線上に並ばないように配置されている。
104…下部プレート、 104h…ネジ穴、 106…電極板、
106a〜g…電極板、 106h…挿通孔、 108…水晶圧電素子、
108a〜f…水晶圧電素子、 110…フッ素樹脂スペーサー、
110h…挿通孔、 112…スリーブ、 112a,b…突条、
112h…中空部分、 114…与圧ボルト、 116…ボルト孔、
200…力検出装置、 300…ロボットハンド、 400…ロボット
Claims (7)
- ガイド部材が設けられた第1部材と、
第2部材と、
前記第1部材と前記第2部材とによって挟持される複数の圧電素子保持板と、
前記第1部材と前記第2部材とを締結する与圧ボルトと、を含み、
複数の前記圧電素子保持板は、それぞれ挿通孔が形成され、
前記ガイド部材は、弾性材料によって中空形状に形成され、
前記与圧ボルトを前記ガイド部材の中空部分に挿通する前では前記中空部分の内径は前記与圧ボルトの外径よりも小さく形成されており、前記ガイド部材を前記圧電素子保持板の前記挿通孔に挿通させた後で、前記与圧ボルトを前記中空部分に挿通すると、前記中空部分の内径は前記挿通の前の前記中空部分の内径より大きく、前記ガイド部材が該挿通孔に当接し、
複数の前記圧電素子保持板は、前記ガイド部材が前記挿通孔に挿通されることにより、積層される、
ことを特徴とする力センサー。 - 請求項1に記載の力センサーであって、
前記ガイド部材は、絶縁材料によって形成されている、
ことを特徴とする力センサー。 - 請求項1または請求項2に記載の力センサーであって、
互いに直交するx方向,y方向,z方向の三軸に対し、複数の前記圧電素子保持板は、x方向の力に感度を有するx方向用圧電素子が設けられた圧電素子保持板と、y方向の力に感度を有するy方向用圧電素子が設けられた圧電素子保持板と、z方向の力に感度を有するz方向用圧電素子が設けられた圧電素子保持板と、を含み、前記三軸方向の力を検出する、
ことを特徴とする力センサー。 - 加えられた力を検出する力検出装置であって、
請求項3に記載の力センサーを2つ以上備え、所望の軸回りのモーメントを検出する、
ことを特徴とする力検出装置。 - 請求項1ないし請求項3の何れか一項に記載の力センサーを搭載したロボットハンド。
- 請求項1ないし請求項3の何れか一項に記載の力センサーを搭載したロボット。
- 与圧ボルトの外径よりも小さく、かつ中空形状に形成された弾性材料からなるガイド部材を第1部材の所定位置に設ける第1の工程と、
挿通孔が形成された複数の圧電素子保持板を、前記挿通孔に前記ガイド部材を挿通させることにより積層する第2の工程と、
積層した複数の前記圧電素子保持板の上に第2部材を載置する第3の工程と、
前記第1部材と前記第2部材とによって、複数の前記圧電素子保持板を挟持する第4の工程と、
前記与圧ボルトを用いて前記第1部材と前記第2部材とを締結する第5の工程と、
を含むことを特徴とする力センサーの製造方法。
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