JP6815903B2 - 力覚センサ - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、例えばロボットアーム等に用いられる６軸力覚センサに関する。

例えばロボットアーム等に用いられ、ＸＹＺ軸方向の外力およびトルクを検出する力覚センサが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

この種の力覚センサにおいて、可動部としての受力体に加えられた外力は、例えば起歪体に伝達され、起歪体の変形が歪センサ（歪ゲージ）によって電気信号に変換され、力およびトルクが検出される。

ここで、起歪体に過剰な外力が加わると、起歪体の変形が限界を超え、外力が除去された後であっても起歪体の形状が元に復元しなかったり、起歪体に破損が生じるおそれがある。

そこで、このような過剰な外力から起歪体を保護するため、受力体の変位を規制するストッパ等の保護機構が設けられている。

特開２０１０−８３４３号公報 特公平６−４３９３７号公報

しかしながら、起歪体のばね定数の剛性が軸方向で相違する場合、剛性の高い軸方向においては、保護機構の動作点が、剛性の低い軸方向に比べて高荷重側にずれてしまうため、安全性が低下し、起歪体が破壊されるおそれがある。

本発明は、上記事情を鑑みてなされており、起歪体の剛性が軸方向において相違している場合であっても、起歪体の破壊を防止でき、信頼性を向上できる力覚センサを提供するものである。

実施形態に係る力覚センサは、円筒状の本体と、前記本体に対して動作可能で、周囲に少なくとも３つの円形の開口部を有する円筒状の可動体と、前記本体および前記可動体に固定され、前記可動体の動作に従って変形可能な起歪体と、前記起歪体に設けられた歪センサと、前記開口部のそれぞれ内部に配置され、前記開口部の直径より小さな第１外径を有し、前記可動体が当接可能な第１外周面を備える第１ストッパと、前記可動体と前記起歪体との間で、前記本体の第１内周面から第１の距離を隔てて配置され、前記第１内周面の直径よりも小さな第２外径を有し、前記第１内周面と当接可能な第２外周面を備える円筒状の第２ストッパと、を具備する。

第１実施形態に係る力覚センサを示す斜視図 第１実施形態に係る力覚センサを示す平面図 図２のＩＩＩ−ＩＩＩに沿った力覚センサを示す断面図 Ｚ軸方向における外力検出動作を説明するための断面図 Ｘ軸方向における外力検出動作を説明するための断面図 初期状態（ａ）および第２ストッパ機能時（ｂ）におけるＸ軸方向の外力検出動作を概略的に示す平面図 第１ストッパ用の治具が装着された力覚センサを示す平面図 図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩに沿った力覚センサを示す断面図 第２ストッパ用の治具が装着された力覚センサを示す断面図 第２実施形態に係る力覚センサを示す断面図 力覚センサの起歪体を示す平面図 第３実施形態に係る力覚センサを示す断面図 第３実施形態に係る力覚センサの防水防塵構造の組み立て工程を説明するための斜視図 第３実施形態に係る力覚センサの防水防塵構造の組み立て工程を説明するための斜視図 変形例１に係る第２ストッパと本体との関係を説明するための図 変形例２に係る第２ストッパと本体との関係を説明するための図 変形例３に係る熱膨張部材を説明するための斜視図

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、実質的に同一の機能及び要素については、同一符号を付し、必要に応じて説明を行う。また、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係や各層の厚みの比率などは現実のものと異なることがある。

（第１実施形態）
［構成］
全体構成
図１は、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、第１実施形態に係る力覚センサを示す平面図である。第１実施形態に係る力覚センサ１０は、例えばロボットアーム等に用いられ、ＸＹＺ軸方向の力およびトルクを検出するための６軸力覚センサを一例に挙げて説明する。

図１および図２に示すように、力覚センサ１０は、円筒状の本体１１と、本体１１に対して動作可能な円筒状の可動体１２とを備える。本体１１は、例えば、図示せぬロボットアームの本体等に固定される。可動体１２は、例えば、その上面に図示せぬロボットアームのハンド部分を取りけるためのハンド取付プレート等として機能する。

本体（ベース）１１は、力覚センサ１０の本体となるベース部材であり、可動体１２は、弾性変形が可能な起歪体を介在して本体１１に対して、６軸方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向、および各軸周り方向）に動作可能に取付られている。

可動体１２の周面には、例えば４つの円形の開口部１３が等間隔に設けられている。すなわち、各開口部１３は、Ｘ軸方向とＹ軸方向に配置されている。開口部１３の数は、４つに限定されず、３つ以上であればよい。各開口部１３の内部には第１ストッパ１４が配置され、各第１ストッパ１４は、ストッパ取付ボルト１５により、本体１１に固定されている。

第１ストッパ１４は、Ｘ軸方向のトルク、Ｙ軸方向のトルク、Ｚ軸方向の力およびトルクについての可動体１２の動作範囲を規制するものであり、第１ストッパ１４の最外周部には、開口部１３の内面が当接可能な第１側面を備えている。すなわち、第１側面は、上記軸方向における力およびトルクについて、可動体１２の動作に伴って起歪体が変形した際、可動体１２の開口部１３の内面が当接し、起歪体の過剰な変形を防止する保護機構として機能する。

本体１１の側面には、検出信号を外部に伝達するための配線１２５が引き出されている。配線１２５は、後述する基板と電気的に接続されている。

断面構成
図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩに沿った力覚センサ１０を示す断面図である。

図３に示すように、力覚センサ１０の内部の中央部分に、起歪体１６が配置される。起歪体１６の中央部は取付ボルト１８により第２ストッパ２４を介して可動体１２に取り付けられ、起歪体１６の中央部の外周を囲む外周部は図示しない取付ボルトにより本体１１に取り付けられる。起歪体１６の表面は、Ｘ軸、Ｙ軸により形成される面と平行に配置され、起歪体１６の中心を垂直に通る線は、Ｚ軸と一致されている。可動体１２に外力が加えられると、可動体１２が動作し、起歪体１６が変位する。起歪体１６の中央部と外周部とを接続する複数の接続部には歪センサが設けられ、歪センサにより起歪体１６の変位が電気的に検出される。

本体１１の内部には、起歪体１６に対向して基板２０が設けられる。基板２０は、本体１１に固定され、起歪体１６に設けられた歪センサ（図示せず）と電気的に接続される。

前述した歪センサは、起歪体１６の複数の接続部の表面上の所定箇所に配置されている。起歪体１６のそれぞれの場所における歪センサの変位を測定することで、６軸方向の力およびトルクを検出する。尚、歪センサの構成、および配置は、特に限定されるものではなく、適宜、変形可能である。

起歪体１６の表面に、歪センサと基板２０とを電気的に接続するためのＦＰＣ（Flexible printed circuits）２６が設けられている。ＦＰＣ２６は、絶縁性の柔軟なフィルムと当該フィルムに配線された所定の電気回路とを備えており、可動体１２の動きに合わせて自在に曲がることが可能な構成となっている。

第１ストッパ１４は、前述した第１側面１４ａと、第２側面１４ｂを有している。第１側面１４ａは、可動体１２の開口部１３の直径Ｒ１３より小さな第１外径Ｒ１４ａを有している。第２側面１４ｂは、第１外径Ｒ１４ａより小さな第２外径Ｒ１４ｂを有し、第１側面１４ａより可動体１２の内側に位置される。従って、第１側面１４ａと開口部１３の内面との間の距離Ｗ１４は、第２側面１４ｂと開口部１３の内面との間の距離Ｗ３０よりも小さくなるように構成されている（Ｗ１４＜Ｗ３０）。距離Ｗ３０は、例えば数ｍｍ程度である。

尚、可動体１２と本体１１の側面にも、距離Ｗ３０に相当する間隙が設けられ、本体１１に対して、可動体１２が動作可能とされている。また、断面図では、ここでは模式的に本体１１と可動体１２とが接触している様に示されているが、実際には、全ての本体１１と可動体１２との間（側面以外の内部においても）には、動作に支障がない程度の隙間（例えば１ｍｍ程度）が設けられている。以下、当該隙間の図示を省略する。

ここで、第１側面１４ａと開口部１３の内面との間における距離（クリアランス）Ｗ１４は、例えば１００μｍ±２０μｍ程度であるため、非常に狭い。しかも、可動体１２が動作した際の起歪体１６の破損を防止するため、この距離Ｗ１４を極めて高精度に管理する必要がある。

図３の破線で囲った部分を拡大して示すように、実際には、第１側面１４ａと対向するストッパ１４の内側面と固定ボルト１５の軸との間には距離Ｗ１５ａの所定の隙間が設けられる。また、第１、第２側面１４ａ、１４ｂと対向するストッパ１４の内側面と固定ボルト１５の頭部側面との間にも距離Ｗ１５ｂの所定の隙間が設けられている。上記距離Ｗ１５ａ、Ｗ１５ｂは、例えば０．２ｍｍ程度である。尚、以降の説明において、これらの隙間の図示を省略する。

本実施形態では、第２側面１４ｂと開口部１３の内面との間に、距離Ｗ３０と実質的に同一の厚さを有する挿入部を有する調整用の治具としてのシムを挿入した状態で、固定ボルト１５によりストッパ１４を本体１１へ固定する。このように調整することで、上記隙間の距離Ｗ１５ａ、１５ｂ分だけストッパ１４が移動可能であるため、可動体１２の開口部１３の内面とストッパ１４の第１側面１４ａとの間の距離（クリアランス）Ｗ１４を高精度に管理できる。この詳細については、後述する。

さらに、起歪体１６の上方には、本体１１の内周面１１ａと所定の距離Ｗ２４を介して配置され、内周面１１ａの直径Ｒ１１よりも小さな外径Ｒ２４を有する第２ストッパ２４が設けられている。第２ストッパ２４は、円筒状であり、その中心は本体１１の中心と一致され、中心を垂直に通る軸はＺ軸と一致されている。また、第２ストッパ２４は、ストッパ取付ボルト２５により可動体１２に取付られている。

第２ストッパ２４は、Ｘ軸方向の力およびＹ軸方向の力についての可動体１２の動作範囲を規制するものであり、第２ストッパ２４の外周面２４ａが、本体１１の内周面１１ａと当接可能であるように構成されている。換言すれば、第２ストッパ２４は、第１ストッパ１４が保護する軸方向以外の軸方向の力についての可動体１２の動作範囲を規制するものである。

上記構成において、Ｘ軸方向の力およびＹ軸方向における力が力覚センサ１０に印加され、可動体１２の動作に伴って起歪体が変形すると、第２ストッパ２４の距離Ｗ２４は第１ストッパ１４の距離Ｗ１４よりも小さいため（Ｗ２４＜Ｗ１４）、まず第２ストッパ２４の外周面２４ａが、第１ストッパ１４よりも先に、本体１１の内周面１１ａに当接する。このように、第２ストッパ２４は、上記軸方向における力に起因する起歪体１６の過剰な変形を防止する保護機構として機能する。この詳細については、後述する。

［検出動作］
（Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚについて）
図４は、Ｚ軸方向における外力検出動作を説明するための断面図である。ここでは、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、すなわちＺ軸方向において可動体１２のほぼ中央部分に加えられた外力（荷重）を検出する場合を一例に挙げる。

図４に示すように、Ｚ軸方向において可動体１２のほぼ中央部分に外力Ｆｚが加えられると、外力Ｆｚによって可動体１２がＺ軸方向に沿って下方に移動する。本体１１は固定されており外力Ｆｚによっても移動しないため、可動体１２は、開口部１３の上側の内面がストッパ１４の上側の第１側面１４ａに当接するまで、下方に移動する。上記移動により、上側の距離Ｗ１４Ｕは実質的に０となり、下側の距離Ｗ１４Ｄは移動前の初期状態に比べて２倍程度まで増大する。

当該可動体１２の移動により、起歪体１６は変形を起こす。第１ストッパ１４により、起歪体１６の変形は所定の範囲に限定されているため、過剰な外力による破壊から起歪体１６が保護される。起歪体１６の変形は、歪センサにより検出され、電気信号としての検出信号に変換される。検出信号は基板２０を介して配線１２５により外部に伝達され、外力Ｆｚを検出することができる。

その後、可動体１２への外力Ｆｚの印加が解除されると、起歪体１６は、弾性変形により、元の形状に復帰する。

尚、ここでは、Ｚ軸方向における外力検出動作を一例に挙げたが、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向における各トルク検出動作についても、上記外力検出動作と実質的に同様である。

（Ｆｘ、Ｆｙについて）
図５は、Ｘ軸方向における外力検出動作を説明するための断面図である。図６は、初期状態（ａ）および第２ストッパ機能時（ｂ）におけるＸ軸方向の外力検出動作を概略的に示す平面図である。ここでは、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、すなわちＸ軸方向において可動体１２の側面に加えられた外力（荷重）を検出する場合を一例に挙げる。

図５および図６に示すように、Ｘ軸方向において可動体１２の側面に外力Ｆｘが加えられると、外力Ｆｘによって可動体１２がＸ軸方向に沿って紙面右側に移動する。本体１１は固定されており外力Ｆｘによっても移動しないため、可動体１２は、第２ストッパ２４の右側の外周面２４ａＲが本体１１の内周面１１ａに当接するまで、右側に移動する。これは、第２ストッパ２４の距離Ｗ２４は第１ストッパ１４の距離Ｗ１４よりも小さいため（Ｗ２４＜Ｗ１４）、第２ストッパ２４の外周面２４ａＲが、第１ストッパ１４よりも先に、本体１１の内周面１１ａに当接するからである。上記移動により、右側の距離Ｗ２４Ｒは実質的に０となり、左側の距離Ｗ２４Ｌは移動前の初期状態に比べて２倍程度まで増大する。

当該可動体１２の移動により、起歪体１６は変形を起こす。第２ストッパ２４により、起歪体１６の変形は所定の範囲に限定されているため、過剰な外力による破壊から起歪体１６が保護される。起歪体１６の変形は、同様に、歪センサにより検出され、電気信号としての検出信号に変換され、基板２０を介して配線１２５により外部に伝達され、外力Ｆｘを検出することができる。

その後、可動体１２への外力Ｆｘの印加が解除されると、起歪体１６は、弾性変形により、元の形状に復帰する。

尚、ここでは、Ｘ軸方向における外力検出動作を一例に挙げたが、Ｙ軸方向における外力検出動作についても、上記外力検出動作と実質的に同様である。

［クリアランスの調整］
（第１ストッパのクリアランスＷ１４の調整）
図７は、第１ストッパ用の治具が装着された力覚センサを示す平面図である。図８は、図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩに沿った力覚センサを示す断面図である。

図７、図８に示すように、第１ストッパ１４のクリアランスＷ１４の調整は、開口部１３にシム３０を装着して行われる。図７、図８は、１つの開口部１３にシム３０を装着した場合を示しているが、４つの開口部１３の全てにシム３０を装着した状態で、調整することが好ましい。この場合、調整精度が一層向上し、調整作業の時間を短縮することが可能である。

シム３０は、筒状の挿入部３０ａ、つまみ部３０ｂ、および開口部３３を有している。

挿入部３０ａは、可動体１２の開口部１３の直径とほぼ等しい外径Ｒ１３を有し、挿入部３０ａの厚みは、ストッパ１４の第２側面１４ｂと開口部１３の内面との間の距離Ｗ３０と実質的に同一の厚さに設定されている。

つまみ部３０ｂは、開口部１３の直径Ｒ１３より大きな外径Ｒ３０を有している。

開口部３３は、つまみ部３０ｂを貫通し、取付ボルト１５の頭部に設けられた六角穴に取着される図示せぬ六角レンチが挿入可能とされている。

図８に示すように、取付ボルト１５を緩めた状態において、シム３０の挿入部３０ａがストッパ１４の第２側面１４ｂと開口部１３の内面との間に挿入される。挿入部３０ａの外径は、開口部１３の直径Ｒ１３と実質的に同一であり、挿入部３０ａの内径は、ストッパ１４の第２側面１４ｂの第２外径Ｒ１４ｂと実質的に同一である。このため、シム３０の挿入部３０ａを開口部１３に挿入した状態で、シム３０の軸心Ｃ３０とストッパ１４の軸心Ｃ１４とが互いに一致され、同心円となる。すなわち、この状態において、図３で拡大して示した上記隙間の距離Ｗ１５ａ、１５ｂ分だけストッパ１４が移動可能であるため、ストッパ１４の第１側面１４ａと、開口部１３の内面との距離Ｗ１４が正確に設定される。

この状態において、シム３０の開口部３３から図示せぬ六角レンチを挿入して取付ボルト１５を締め付けることにより、ストッパ１４が本体１１に固定される。

このように、距離Ｗ３０に相当する厚みを有する挿入部３０ａをストッパ１４の第２側面１４ｂと開口部１３との間に挿入することにより、ストッパ１４の第１側面１４ａと開口部１３の内面との距離Ｗ１４であるクリアランスを正確に管理することができる。

（第２ストッパのクリアランスＷ２４の調整）
図９は、第２ストッパ用の治具が装着された力覚センサを示す断面図である。図９に示すように、第２ストッパ２４のクリアランスＷ２４の調整は、可動部１２に設けられた開口部３５にシム３６を装着して行われる。尚、図９では、１つの開口部３５にシム３６を装着した場合を示しているが、可動部１２に設けられた４つの開口部３５の全てにシム３６を装着した状態で、調整することが好ましい。この場合、調整精度が一層向上し、調整作業の時間を短縮することが可能である。

ここで、図９に挿入部分を拡大して示すように、本体１１はＺ軸方向に突出した凸部を有している。そのため、本体１１の内部は、第２ストッパ２４の側面２４ａが当接する内周面（第１内周面）１１ａにより形成される直径Ｒ１１よりも大きな直径を形成する内周面（第２内周面）１１ｂを備えている。

シム３６は、挿入部であるピン３６ａと、円筒状のつまみ部３６ｂとを有している。ピン３６ａは、第２ストッパ２４の外周面２４ａと本体１１の内周面１１ｂとの間の距離を直径としている。

上記構成において、取付ボルト２５を緩めた状態で、開口部３５からシム３６のピン３６ａが、第２ストッパ２４の外周面２４ａと本体１１の内周面１１ｂとの間に挿入される。ピン３６ａの外径は、第２ストッパ２４の外周面２４ａと本体１１の内周面１１ｂとの間の距離と実質的に同一であるため、シム３６の軸心Ｃ３６と外周面２４ａと内周面１１ｂとを直径とする円の軸心とが互いに一致され、同心円となる。そのため、所定の隙間の距離Ｗ２４ａの分だけ第２ストッパ２４が移動可能であるため、第２ストッパ２４の外周面２４ａと本体１１の第１内周面１１ａとの距離Ｗ２４が正確に設定される。

この状態において、図示せぬ六角レンチを用いて、取付ボルト２５を可動体１２に締め付けることにより、第２ストッパ２４が可動体１２に固定される。

このように、第２ストッパ２４の外周面２４ａと本体１１の第２内周面１１ｂとの間にピン３６ａを挿入することにより、第２ストッパ１４の外周面２４ａと本体１１の第１内周面１１ｂとの距離Ｗ２４であるクリアランスを正確に管理することができる。

［作用効果］
ここで、起歪体のばね定数の剛性が軸方向で相違している場合、剛性の高い軸方向においては、保護機構の動作点が、剛性の低い軸方向に比べて高荷重側にずれてしまうため、安全性が低下し、起歪体が破壊されるおそれがある。例えば、本実施形態に係る起歪体１６の場合、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の力に基づく起歪体１６の剛性とＸＹＺ軸方向の各トルクに基づく起歪体１６の剛性とは、約６倍程度の差があることが分かっている。

そこで、第１実施形態に係る力覚センサ１０は、本体１１の内周面１１ａと所定の距離Ｗ２４を介して配置され、内周面１１ａの直径Ｒ１１よりも小さな外径Ｒ２４の外周面２４ａを有し、当該特定のＸ軸方向およびＹ軸方向の力のみに機能する第２ストッパ２４を備える。第２ストッパ２４は、Ｘ軸方向の力およびＹ軸方向の力についての可動体１２の動作範囲を規制するものであり、第２ストッパ２４の外周面２４ａが、本体１１の内周面１１ａと当接可能であるように構成される（図３）。

上記構成において、Ｘ軸方向における力が力覚センサ１０に印加されると、第２ストッパ２４の距離Ｗ２４は第１ストッパ１４の距離Ｗ１４よりも小さいため（Ｗ２４＜Ｗ１４）、まず第２ストッパ２４の外周面２４ａが、第１ストッパ１４よりも先に、本体１１の内周面１１ａに当接する。このように、第２ストッパ２４により、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の力に起因する起歪体１６の過剰な変形を防止することができる（図５、図６）。

そのため、本実施形態の起歪体１６のように、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の力に基づく起歪体１６の剛性とＸＹＺ軸方向の各トルクに基づく起歪体１６の剛性とが約６倍程度の差がある場合であっても、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の起歪体１６の過剰な変形を防止することができるため、安全性を向上し、信頼性を向上することができる。

しかも、第２ストッパ２４のクリアランスＷ２４は、シム３６を利用することにより、正確に管理される。すなわち、シム３６のピン３６ａの外径は、第２ストッパ２４の外周面２４ａと本体１１の第２内周面１１ｂとの間の距離と実質的に同一であるため、シム３６の軸心Ｃ３６と外周面２４ａと内周面１１ｂとを直径とする円の軸心とが互いに一致される。そして、取付ボルト２５を締め付けることにより、クリアランスＷ２４が正確に管理された状態で、第２ストッパ２４を可動体１２に取り付けることが可能となる（図９）。

また、結果として起歪体１６の剛性の不均一性を許容できることで、起歪体１６および力覚センサ１０の小型化および薄型化が可能となる。例えば、第２ストッパ２４を備えていない場合では起歪体の外形寸法が５０×５０ｍｍ程度で厚さが５ｍｍ程度必要であったが、本実施形態に係る第２ストッパ２４を備える場合では起歪体１６の外形寸法を３５×３５ｍｍ程度で厚さを４ｍｍ程度まで小型化および薄型化することが可能となる。

さらに、上記第１実施形態によれば、第１ストッパ１４は、可動体１２の開口部１３の内面が当接される第１側面１４ａと、第１側面より外径が小さい第２側面１４ｂを有し、第１ストッパ１４の調整時、第１ストッパ１４の第２側面１４ｂと開口部１３の内面との間に、第２側面１４ｂと開口部１３の内面との間の距離Ｗ３０に相当する厚みを有するシム３０の挿入部３０ａを挿入している。このため、シム３０の軸心Ｃ３０と第１ストッパ１４の軸心Ｃ１４とが一致することにより、上記隙間の距離Ｗ１５ａ、１５ｂ分だけ第１ストッパ１４が移動し、第１ストッパ１４の第１側面１４ａと、開口部１３の内面との距離Ｗ１４を正確に設定することができる（図７、図８）。

しかも、取付ボルト１５を緩めた状態において、シム３０を取り付け、シム３０の開口部３３から取付ボルト１５を締め付けるだけで良いため、クリアランスである距離Ｗ１４の誤差を可能な限り低減しつつ、調整作業を容易化することができる。

さらに、第１ストッパ１４の第１側面１４ａおよび第２側面１４ｂは、例えば同一の工程を用いて連続的に切削することにより形成できる。そのため、第１側面１４ａおよび第２側面１４ｂの寸法管理および検査が容易である。

また、可動体１２は、その製造加工においても、開口部１３の直径Ｒ１３の寸法のみを管理すればよいため、寸法管理および検査が容易である。

さらに、シム３０は、挿入部３０ａの外面および内面を、例えば同一の工程を用いて連続的に切削することにより形成できる。そのため、シム３０の寸法管理、検査および同心度を容易化することできる。

尚、全てのシム３０、３６を用いて、取付ボルト１５、２５を締め付けることによって、ストッパ１４、２４のクリアランスＷ１４、Ｗ２４を同時に管理することも可能である。

（第２実施形態（熱膨張抑制部材を備える一例））
第２実施形態は、起歪体１６の熱膨張対策のために、熱膨張抑制部材を備える一例に関する。図１０は、第２実施形態に係る力覚センサ１０Ａを示す断面図である。

図１０に示すように、第２実施形態に係る力覚センサ１０Ａは、起歪体１６の熱膨張抑制部材として、第２ストッパ２４Ａが起歪体１６と同一の材料で構成される点で、第１実施形態と相違する。また、第２ストッパ２４Ａは、少なくとも取付ボルト１８により起歪体１６と取り付けられる部分において、起歪体１６と接するように構成されている。

図１１は、本実施形態に係る力覚センサの起歪体１６を示す平面図である。図１１に示すように、起歪体１６は、中央部１６１と、中央部１６１の周囲を囲む外周部１６２と、中央部１６１と外周部１６２とを接続する４つの接続部（梁）１６３とを備えている。図示しない歪センサは、中央部１６１と接続部１６３の表面上に設けられている。中央部１６１は、４つの穴１８ａをそれぞれ貫通する取付ボルト１８により第２ストッパ２４を介して可動体（第１支持部材）１２に固定される。外周部１６２は、４つのネジ穴１７ａをそれぞれ貫通する図示しない取付ボルトにより、本体１１（第２支持部材）に固定される。起歪体１６は、疲労特性や高強度等の観点から、例えば鉄系または合金鋼であるステンレス鋼（例えばＳＵＳ６３０）等の材料で構成される。

また、図１１にばねとして模式的に示すように、梁としての接続部１６３のばね定数（剛性）Ｃ１６３は、外周部１６２のばね定数Ｃ１６２と比較して十分に高い（硬い）ように構成されている（Ｃ１６３＞Ｃ１６２）。

尚、第２ストッパ２４Ａを構成する材料は、起歪体１６と同一の材料に限られず、起歪体１６と同種類または熱膨張係数が近い材料であってもよい。起歪体１６と熱膨張係数が近い材料の範囲としては、例えば、起歪体１６の熱膨張係数との違いが±２０％程度である材料が望ましく、起歪体１６の熱膨張係数との違いが±１０％程度である材料がより望ましい。

また、第２ストッパ２４Ａの剛性が低いと、温度変動による可動体１２の寸法変動を第２ストッパ２４Ａで十分に抑え込めず、第２ストッパ２４Ａが歪む結果、起歪体１６が歪んでしまうおそれがある。そのため、第２ストッパ２４Ａは、可動体１２および起歪体１６よりも十分に高い剛性を備えていることが望ましい。

その他の構成および動作は、上記第１実施形態と実質的に同様であるため、その詳細な説明を省略する。

［作用効果］
上述したように、起歪体１６の周囲には、起歪体１６を締結し固定するためのケース体（ハウジング体）である本体１１および可動体１２が設けられる。ケース体である本体１１および可動体１２は、軽量化の観点から、例えばアルミ合金等の材料により構成されている。一方、起歪体１６は、疲労特性や高強度等の観点から、例えば鉄系または合金鋼であるステンレス鋼（例えばＳＵＳ６３０）等の材料で構成される。このように、起歪体１６とケース体（本体１１、可動体１２）とが熱膨張係数の異なる材料で構成される場合、ケース体の周囲の温度変動によって、起歪体１６はケース体の膨張／収縮に伴う歪を受ける。そのため、起歪体１６の表面に設けられた歪センサにより構成されるブリッジ回路の基準値となるゼロ点が変動し、検出精度が低減するおそれがある。例えば、歪センサとしてＣｒ−Ｎ等の金属薄膜抵抗体を用いる場合、歪センサのゲージファクターが高いため、周囲の温度変化によって生じた起歪体１６の微少な歪でも出力に大きく影響する。

そこで、第２実施形態に係る第２ストッパ２４Ａは起歪体１６と同一の材料で構成される。そのため、第２ストッパ２４Ａと起歪体１６の熱膨張係数は同一となるように構成される。また、第２ストッパ２４Ａは、少なくとも取付ボルト１８により起歪体１６と取り付けられる部分において、起歪体１６と接するように構成されている（図１０）。

そのため、周囲の温度変動がケース体に伝わった場合であっても、第２ストッパ２４Ａが起歪体１６と同一の材料で構成されるため、第２ストッパ２４Ａと起歪体１６とは、実質的に同一の熱膨張を生じる。その結果、歪センサ内部の温度変化に伴うブリッジ回路のゼロ点の変動を抑制でき、測定精度を維持することができる。

しかも、第２ストッパ２４Ａは、熱膨張対策に効果的な歪センサが設けられる起歪体１６の中央部１６１上に設けられ、起歪体１６と同程度のサイズとなるように構成されている（図１１）。そのため、熱膨張抑制部材としての小型化および軽量化を両立することができる。

より具体的には、接続部１６３のばね定数（剛性）Ｃ１６３は、外周部１６２のばね定数Ｃ１６２と比較して十分に高い（硬い）ように構成されている（Ｃ１６３＞Ｃ１６２）（図１１）。ここで、温度変動が生じた場合、可動体１２との熱膨張係数との差に基づき、起歪体１６の中央部１６１に歪が生じる。中央部１６１は、剛性は高いが、中央部１６１に設けられた歪センサに歪が直接加わるように構成される。

一方、外周部１６２では、同様に本体１１との熱膨張係数との差に基づき、歪が生じるが、中央部１６１よりも柔らかいばね（Ｃ１６２）を介して、接続部１６３に設けられた歪センサが歪む。そのため、熱膨張による本体１１の変位は、外周部１６２の柔らかいばね（Ｃ１６２）により吸収され、結果として接続部１６３に設けられた歪センサには柔らかいばね（Ｃ１６２）の反力分に相当する小さな歪しか生じない。

このように、第２ストッパ２４Ａを起歪体１６の中央部１６１上方に設けることが、熱膨膨張によるゼロ点変動の防止に対して効果的である。

（第３実施形態（防水防塵構造を備える一例））
第３実施形態は、防水防塵構造を備える一例に関する。図１２は、第３実施形態に係る力覚センサ１０Ｂを示す断面図である。

図１２に示すように、第３実施形態に係る力覚センサ１０Ｂは、防水防塵部材４０として、力覚センサ１０Ｂの側面の開口部１３を覆うゴム部材４１と、本体１１と可動体１２との間である可動部分をゴム部材４１上から覆う発泡部材４２と、発泡部材４２上からゴム部材４１の側面上および可動体１２の上面上を覆うカバー部材４３と、を更に備える点で第１および第２実施形態と相違する。

ゴム部材４１は、第１ストッパ１４をシールするために開口部１３を覆うように設けられており、所定のゴム材料により構成されている。ゴム部材４１を構成する材料は、その他、発泡材料でもよく、独立気泡材料がさらに望ましい。

発泡部材４２は、起歪体１６の剛性と比較して十分に小さい剛性（小さいばね性）を有する所定の発泡材料により構成されている。発泡部材４２は、本実施形態では、独立気泡材料でゴム系材料により構成されている。また、発泡部材４２は、本体１１と可動体１２との境界である可動部分を覆うため、可動体１２の動作を阻害しない程度の剛性を備えた材料にて構成されることが望ましい。本実施形態では、起歪体１６と発泡部材４２との剛性の比は、およそ５００：１となるように構成される。起歪体１６と発泡部材４２との剛性の比は１００：１以上が望ましく、１０００：１以上であることが更に望ましい。ここでの剛性とは、例えば材料のヤング率や形状等に基づいた変形のしにくさをいう。

カバー部材４３は、可動部１２の外周に設けられ、可動部１２の上面等に設けられる固定用のボルト穴等からの液体および粉塵の浸入を防止している。カバー部材４３の材料は、金属に限らず樹脂材料でもよい。

その他の構成および動作は、上記第１実施形態と実質的に同様であるため、その詳細な説明を省略する。

［組み立て工程］
図１３および図１４は、第３実施形態に係る力覚センサ１０Ｂの防水防塵部材４０の組み立て工程を説明するための斜視図である。

図１３に示すように、まず、第２ストッパ２４が固定された可動体１２を、本体１１に嵌め込む。この状態では、力覚センサ１０Ｂの側面の開口部１３における第１ストッパ１４と可動体１２との間には上記所定の距離Ｗ１４等が設けられているため、力覚センサ１０Ｂは完全には封止されていない。本実施形態では、本体１１の側面には、ゴム部材４１および発泡部材４２を嵌合させるために外周側に突出した嵌合部１１ｃおよび１１ｄが設けられている。

図１４に示すように、続いて、本体１１の側面の開口部１３を覆うように、外周部に突出した本体１１の嵌合部１１ｃにゴム部材４１を嵌め込む。続いて、本体１１と可動体１２との間の可動部分を覆うように、嵌合部１１ｄに発泡部材４２を嵌め込む。

さらに、発泡部材４２上からゴム部材４１の側面上および可動体１２の上面上を覆うように、取付ねじ４４によってねじ穴１２ｂからカバー部材４３を可動体１２に取り付ける。この際、発泡部材４２の厚さが、取付ねじ４４によって取り付けられる前の初期状態と比べて、２０％〜３０％程度まで低減するように、カバー部材４３が発泡部材４２を押す圧力を制御する。

以上の工程により、力覚センサ１０Ｂの防水防塵部材４０であるゴム部材４１、発泡部材４２、およびカバー部材４３を組み立てる。

［作用効果］
第３実施形態に係る力覚センサ１０Ｂの構成および動作によれば、少なくとも上記第１および第２実施形態と同様の効果が得られる。

さらに、第３実施形態に係る力覚センサ１０Ｂは、防水防塵部材４０として、力覚センサ１０Ｂの側面の開口部１３を覆うゴム部材４１と、本体１１と可動体１２との間である可動部分をゴム部材４１上から覆う発泡部材４２と、発泡部材４２上からゴム部材４１の側面上および可動体１２の上面上を覆うカバー部材４３とを備える（図１２）。

上記構成によれば、起歪体１６に設けられた歪センサに基づくセンサ精度を確保しながら、力覚センサ１０Ｂの外部からの液体および粉塵の浸入を防止することができ、信頼性を向上できる点で更に有利である。

そのため、力覚センサ１０Ｂを例えばロボットアーム等の実際の現場に適用する場合において、油や水等の液体が使用され、粉塵も飛散する環境下であっても、可動部分となる本体１１と可動体１２との間から液体および粉塵が侵入することを十分に防止することができる。

しかも、力覚センサ１０Ｂは側面に第１ストッパ１４等を備えているために、周囲の形状の凹凸が複雑かつ多いにもかかわらず、取付ねじ４４のみによって、３つのゴム部材４１、発泡部材４２、およびカバー部材４３を取り付けることが可能である（図１３、図１４）。このように、非常に簡単な構造で、十分な防水防塵機能を付与することができるため、製造コストの低減にも有利である。

（変形例１（第２ストッパの平面形状が十字型の一例））
変形例１は、第２ストッパの平面形状が十字型である一例に関する。図１５は、変形例１に係る第２ストッパと本体との関係を説明するための図である。図１５の上段は変形例１に係る第２ストッパ２４Ｂと本体１１とを模式的に示す平面図であり、図１５の下段は、その断面図である。

図１５に示すように、第２ストッパ２４Ｂの平面形状は十字型である。第２ストッパ２４Ｂの受力側である本体１１の内周面１１ａも、第２ストッパ２４Ｂの外周面２４ａと対向するように十字形状に構成されている。

上記構成によれば、Ｚ軸方向のトルクが加わった際に、第２ストッパ２４Ｂの外周面２４ａと本体１１の内周面１１ａとが当接する。そのため、新たな部品や部材を追加することなく、第２ストッパ２４Ｂに、ＸＹ軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙに加えて、Ｚ軸方向のトルクＭｚの保護機能を選択的に付与することができる。

（変形例２（第２ストッパの断面形状に凸部を有する一例））
変形例２は、第２ストッパの断面形状に凸部を有する一例に関する。図１６は、変形例２に係る第２ストッパ２４Ｃと本体１１との関係を説明するための図である。図１６の上段は変形例２に係る第２ストッパ２４Ｃと本体１１とを模式的に示す平面図であり、図１６の下段は、その断面図である。

図１６に示すように、第２ストッパ２４Ｃは、Ｘ軸方向に突出した突出部１２４を有する。本体１１の内周面も、Ｘ軸方向に突出した突出部１１１を有する。Ｚ軸方向において、第２ストッパ２４Ｃの突出部１２４の側面２４ｂと、本体１１の突出部１１１の側面１１ｃとの間に、上記所定の距離Ｗ２４が設けられている。

上記のように、第２ストッパ２４Ｃの側面２４ｂと本体１１の側面１１ｃとの間の距離Ｗ２４を、Ｚ軸方向である高さ方向に設けることで、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、およびＸＹ軸方向のトルクＭｘ、Ｍｙの保護機能を第２ストッパ２４Ｃに付与することができる。この場合、第１ストッパ１４は、他の３軸の力およびトルク（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｍｚ）を保護することが可能となる。このように、変形例２は、このような剛性特性を持つ起歪体に対して有効である。

（変形例３（本体が起歪体と同じ熱膨張係数を有する部材を備える一例））
図１７は、変形例３に係る熱膨張部材を説明するための斜視図である。尚、図１７に示す力覚センサは、説明のために一部の構成を省略している。

図１７に拡大して示すように、変形例３では、本体１１の内部に、起歪体１６の外周部１６２と接し、起歪体１６と同一の熱膨張係数を有する熱膨張抑制部材１１２が更に設けられている。熱膨張抑制部材１１２は、取付ボルト１１３により、本体１１に締結されている。

上記構成によれば、起歪体１６の中央部１６１に加えて、起歪体１６の外周部１６２についても、熱膨張による基づく歪センサの温度変化に伴うブリッジ回路のゼロ点の変動を抑制できる。

（その他の変形例）
本発明は、上記第１乃至第３実施形態およびその変形例１乃至３の開示に限定されるものではなく、必要に応じて種々の変形が可能であることは勿論である。

例えば、第１および第２実施形態では第２ストッパ２４および２４Ａは可動体１２と別部材である例を説明したが、第２ストッパ２４および２４Ａ〜２４Ｃは可動体１２と同一の部材として構成されてもよい。この場合、熱膨張抑制の観点から、第２ストッパ２４および２４Ａ〜２４Ｃと一体化される可動体１２は、起歪体１６と同一の材料か起歪体１６と熱膨張係数が近い材料にて構成されることが望ましい。

また、シム３０の使用は、力覚センサ１０、１０Ａ〜１０Ｃの検査の際に限らず、力覚センサ１０、１０Ａ〜１０Ｃをある程度可動させた後である例えばメンテナンスの際等でもよい。

さらに、ゴム部材４１と発泡部材４２とは同一材料により一体として構成されていてもよい。この場合、その材料はゴム材料か独立気泡材料が望ましい。これらの材料は、起歪体１６の剛性と比較して十分に低い剛性を有する材料であることが望ましい。

その他、本発明は上記各実施形態および上記各変形例そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ…力覚センサ、１１…本体、１２…可動体、１３…開口部、１４…第１ストッパ（保護機構）、１５、１８、２５…固定部材、１６…起歪体、２４、２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ…第２ストッパ（保護機構）、２４Ａ、１１２…熱膨張抑制部材、３０、３６…治具（シム）、４０…防水防塵部材、４１…ゴム部材、４２…発泡部材、４３…カバー部材。

Claims (6)

1. 円筒状の本体と、
   前記本体に対して動作可能で、周囲に少なくとも３つの円形の開口部を有する円筒状の可動体と、
   前記本体および前記可動体に固定され、前記可動体の動作に従って変形可能な起歪体と、
   前記起歪体に設けられた歪センサと、
   前記開口部のそれぞれ内部に配置され、前記開口部の直径より小さな第１外径を有し、前記可動体が当接可能な第１外周面を備える第１ストッパと、
   前記可動体と前記起歪体との間で、前記本体の第１内周面から第１の距離を隔てて配置され、前記第１内周面の直径よりも小さな第２外径を有し、前記第１内周面と当接可能な第２外周面を備える円筒状の第２ストッパと、
   を具備する力覚センサ。
2. 円筒状の本体と、
   前記本体に対して動作可能で、周囲に少なくとも３つの円形の開口部を有する円筒状の可動体と、
   前記本体および前記可動体に固定され、前記可動体の動作に従って変形可能な起歪体と、
   前記起歪体に設けられた歪センサと、
   前記開口部のそれぞれ内部に配置され、前記開口部の直径より小さな第１外径を有し、前記可動体が当接可能な第１外周面を備え、前記本体に固定された第１ストッパと、
   前記可動体と前記起歪体との間で、前記本体の第１内周面から第１の距離を隔てて配置され、前記第１内周面と当接可能な第２外周面を備え、前記可動体に固定された第２ストッパと、
   を具備する力覚センサ。
3. 円筒状の本体と、
   前記本体に対して動作可能で、周面に少なくとも３つの円形の開口部を有する円筒状の可動体と、
   前記本体および前記可動体に固定され、前記可動体の動作に従って変形可能な起歪体と、
   前記起歪体に設けられた歪センサと、
   前記開口部のそれぞれ内部に配置され、前記開口部の直径より小さな第１外径を有し、前記可動体が当接可能な第１外周面を備える第１ストッパと、
   前記可動体と前記起歪体との間で、前記本体の第１内周面から第１の距離を隔てて配置され、前記第１内周面の直径よりも小さな第２外径を有し、前記第１内周面と当接可能な第２外周面を備える円筒状の第２ストッパと、
   を具備する力覚センサ。
4. 前記本体は、前記第１内周面の直径よりも大きな直径を有し、前記第２ストッパの外周面との間に前記第１の距離を調整するための第１治具が挿入可能な第２内周面を更に有する
   請求項１乃至３のいずれか１つに記載の力覚センサ。
5. 前記第１ストッパは、前記第１外径より小さな第３外径を有し、前記開口部の内面との間に調整用の第２治具が挿入可能な第２側面を更に有する
   請求項４に記載の力覚センサ。
6. 前記第１ストッパを前記本体に固定する第１固定部材と、
   前記第２ストッパを前記可動体に固定する第２固定部材と、を更に具備する
   請求項１乃至５のいずれか１つに記載の力覚センサ。

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