JP6998076B2 - 力覚センサ - Google Patents

Description

本発明は、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、計測機器や産業用ロボット等の高度な制御に用いられている。既知の６軸力覚センサは、起歪体のアーム部における上面、下面、右側面及び左側面の合計４つの面にそれぞれ複数の歪みゲージを配設していた。そのため、多数の歪みゲージを設けることになり、また、それら歪みゲージの配線が非常に複雑となってしまうため、高価格であった。そこで、起歪体における表面と裏面の合計２つの面に所定配置でそれぞれ複数の歪みゲージを設ける構成の力覚センサが提案されている（特許文献１：特許第６０４７７０３号公報参照）。また、起歪体における主面のみに所定配置でそれぞれ複数の歪みゲージを設ける構成の力覚センサが提案されている（特許文献２：特許第６３７８３８１号公報参照）。

特許第６０４７７０３号公報 特許第６３７８３８１号公報

特許文献１に記載の構成は、上面に配設された複数の歪みゲージの配置と下面に配設された複数の歪みゲージの配置とが平面視で一致するように配設されていることが検出精度を確保する上で重要である。しかし、歪みゲージの位置ずれや抵抗値のばらつきが生じ易いという問題がある。一方、特許文献２に記載の構成は、起歪体における歪みゲージが配設された主面と反対側の面との外力による変形の仕方が異なるため、特許文献１に記載の力覚センサに比べて対称性が劣るという問題がある。そのため、歪みゲージのさらなる位置精度の向上による検出精度の向上が望まれる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされ、複数の歪みゲージの位置ずれや抵抗値のばらつきが大幅に改善されたことで、力ならびにモーメントを高精度に検出できる構成の力覚センサを提供することを目的とする。

一実施形態として、以下に開示するような解決手段により、前記課題を解決する。

本発明に係る力覚センサは、 複数の第１歪みゲージが配設された第１主面を有する第１起歪体と、複数の第２歪みゲージが配設された第２主面を有する第２起歪体とを備え、前記第１起歪体と前記第２起歪体とは、前記第１主面と前記第２主面とが互いに外向きまたは互いに内向きで連結固定されており、前記第１起歪体と前記第２起歪体とは、中心軸上に位置する受力部と前記受力部に対して固定される固定部と前記受力部と前記固定部とを連結する３つのビーム部とをそれぞれ有する同一構造で前記中心軸に対して回転対称となる形状の板状体であり、前記第１歪みゲージと前記第２歪みゲージとは、前記ビーム部における互いに対称となる位置の４つによって所定方向の力成分を検出するブリッジ回路が構成されるようにそれぞれ配設されており、前記第１起歪体と前記第２起歪体との間に、Ｘ軸方向の力成分、Ｙ軸方向の力成分、Ｚ軸方向の力成分、Ｘ軸周りのモーメント成分、Ｙ軸周りのモーメント成分、およびＺ軸周りのモーメント成分に応じて変形可能な材質および形状からなる中間体が配設されていることを特徴とする。

この構成によれば、第１起歪体及び第２起歪体は、第１主面に配設された複数の第１歪みゲージの配置と第２主面に配設された複数の第２歪みゲージの配置とが平面視で一致するように配設された状態で連結固定されるので、位置ずれが大幅に改善されて力ならびにモーメントを高精度に検出できる。

本発明によれば、位置ずれが大幅に改善されて生産性が向上するとともに力ならびにモーメントを高精度に検出できる力覚センサが実現できる。

図１は本発明の第１の実施形態に係る力覚センサの例を示す概略の斜視図である。 図２は図１に示す力覚センサの概略の構造展開図である。 図３は図１に示す力覚センサの概略の構造展開図である。 図４Ａは図１に示す力覚センサにおける第１起歪体の概略の斜視図であり、図４Ｂは図１に示す力覚センサにおける第２起歪体の概略の斜視図である。 図５は本発明の第２の実施形態に係る力覚センサの例を示す概略の斜視図である。

（第１の実施形態）
以下、図面を参照して、本発明の第１の実施形態について詳しく説明する。本実施形態の力覚センサ１は、三次元空間の直交座標系（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の３軸方向の力成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、その３軸回りのモーメント成分Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚの計６成分を同時に検出することができる６軸力覚センサである。本実施形態の力覚センサ１（１Ａ）は、中心軸Ｐ１に対して回転対称となる位置に、破線で囲んだ部分で示されるビーム部１１ｅが３つ備わっている場合の例である。

図１は、本実施形態に係る力覚センサ１Ａの例を示す概略の斜視図であり、図２は斜め上方から見た力覚センサ１Ａの概略の構造展開図であり、図３は斜め下方から見た力覚センサ１Ａの概略の構造展開図である（信号処理部および配線は不図示）。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

図１～図３に示すように、力覚センサ１Ａは、複数の第１歪みゲージ３１～３４が配設された第１主面１１ａを有する第１起歪体１１と、複数の第２歪みゲージ４１～４４が配設された第２主面１２ａを有する第２起歪体１２と、第１起歪体１１と第２起歪体１２との間に配設された中間体１３とを備えており、中間体１３を挟んで第１起歪体１１と第２起歪体１２とが固定部材５１によって連結固定されている。この例では、テーブル１４およびベース１５が備わっており、テーブル１４と第２起歪体１２とがボルトなどの固定部材５２によって連結固定されており、第１起歪体１１とベース１５とがボルトなどの固定部材５１によって連結固定されている。なお、固定部材５１や固定部材５２に代えて、接着剤などで接着固定することも可能である。

第１起歪体１１と第２起歪体１２とは、第１主面１１ａと第２主面１２ａとが互いに外向きまたは互いに内向きで連結固定されている構成である。図１～図３に示す例では、第１主面１１ａと第２主面１２ａとが互いに外向きで連結固定されている。ここでは、第１主面１１ａは図中のＺ軸方向の矢印と同じ向きになっており、第２主面１２ａは図中のＺ軸方向の矢印と反対向きになっている。そして、テーブル１４の下側は凹部１４ａが形成されており、また、ベースの上側は凹部１５ａが形成されおり、第１起歪体１１および第２起歪体１２の力による変形を妨げない構成になっている。上記以外の構成として、第１起歪体１１と第２起歪体１２とは、第１主面１１ａと第２主面１２ａとが互いに内向きで連結固定されている場合がある。

一例として、第１起歪体１１と第２起歪体１２とは、ＮＣ加工機を用いてアルミニウム合金、合金鋼、ステンレス鋼などバネ性のある材料に貫通孔などを形成することによって得られる。一例として、第１起歪体１１および第２起歪体１２は、外形が円形の板状体に切削加工、レーザ加工、または放電加工若しくはこれらの複合加工等を施して成形される。

一例として、第１起歪体１１および第２起歪体１２は、金属ガラスからなる。一例として、第１起歪体１１と第２起歪体１２とは、金型などを用いてアモルファス金属を形成することによって得られた金属ガラスからなる。金属ガラスはナノオーダーで金型の成型面を転写できることから、第１起歪体１１の造形と同時に絶縁層を設けるための第１主面１１ａを鏡面にすることができ、また、第２起歪体１２の造形と同時に絶縁層を設けるための第２主面１２ａを鏡面にすることができる。よって、第１起歪体１１および第２起歪体１２の加工時間を大幅に短縮することが可能になる。一例として、第１起歪体１１と第２起歪体１２とは、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｓｉ－Ｂ－Ｎｂ系金属ガラスからなる。なお、上記の構成に限定されず、既知の材料を用いた既知の製造方法によって第１起歪体１１と第２起歪体１２とを製造する場合がある。

一例として、第１歪みゲージ３１～３４および第２歪みゲージ４１～４４は、Ｃｕ－Ｎｉ系合金やＮｉ－Ｃｒ系合金の金属薄膜の配線パターンを、ポリイミドフィルムやエポキシフィルムで覆った構成の場合があり、半導体薄膜を用いた構成の場合がある。一例として、スパッタリング法や真空蒸着法を用いて金属薄膜からなる歪みゲージを直接形成した構成の場合がある。

図４Ａは第１起歪体１１の概略の斜視図であり、図４Ｂは第２起歪体１２の概略の斜視図である。第１起歪体１１と第２起歪体１２とは中心軸Ｐ１に対して回転対称となる形状の板状体である。第１起歪体１１は、中心軸Ｐ１上に位置する受力部１１ｃと、受力部１１ｃに対して固定される固定部１１ｄと、受力部１１ｃと固定部１１ｄとを連結するビーム部１１ｅとを有する。同様に、第２起歪体１２は、中心軸Ｐ１上に位置する受力部１２ｃと、受力部１２ｃに対して固定される固定部１２ｄと、受力部１２ｃと固定部１２ｄとを連結するビーム部１２ｅとを有する。受力部１１ｃ、ビーム部１１ｅおよび固定部１１ｄは、一体構造体である。第１起歪体１１は、受力部１１ｃおよび固定部１１ｄを剛体とみなしたときにビーム部１１ｅが弾性体とみなせるように各部のサイズが設定される。第２起歪体１２についても同様である。

本実施形態は、第１起歪体１１と第２起歪体１２とは同一構造である。これにより、対称性が維持できるとともに、部品の種類を増やすことなく、生産性が向上する。一例として、第１起歪体１１と第２起歪体１２とは同一構造であるとともに、同一材料からなる。これにより、対称性に優れた起歪体を低コストで製造することが容易にできる。一例として、中間体１３を設けたことによって、配線や回路基板の配置に必要なスペース（隙間）を設けることが容易にできる。そして、第１起歪体１１の第３主面１１ｂおよび第２起歪体１２の第４主面１２ｂを活用してブリッジ回路の配線をすることが容易にできる。

一例として、第１歪みゲージ３１～３４および第２歪みゲージ４１～４４は、同一材質のスパッタ膜または同一材質の蒸着膜からなる。これにより、対称性が維持できるとともに、生産性が向上し、製造ばらつきを極力抑えた構成にできる。一例として、第１歪みゲージ３１～３４および第２歪みゲージ４１～４４は一括同時形成した構成にできる。これにより、第１歪みゲージ３１～３４および第２歪みゲージ４１～４４の抵抗値を均一に揃えた構成にできる。なお、上記の構成に限定されず、第１歪みゲージ３１～３４および第２歪みゲージ４１～４４を板状、シート状またはフィルム状にしてそれぞれ接着した構成の場合がある。

第１歪みゲージ３１～３４は、各ビーム部１１ｅにおける互いに対称となる位置の４つによって所定方向の力成分を検出するブリッジ回路が構成されるようにそれぞれ配設されている。同様に、第２歪みゲージ４１～４４は、各ビーム部１２ｅにおける互いに対称となる位置の４つによって所定方向の力成分を検出するブリッジ回路が構成されるようにそれぞれ配設されている。これらブリッジ回路の構成方法としては、上述の特許文献１など既知の技術が適用できる。

本実施形態は、第１起歪体１１と第２起歪体１２との間に、Ｘ軸方向の力成分Ｆｘ、Ｙ軸方向の力成分Ｆｙ、Ｚ軸方向の力成分Ｆｚ、Ｘ軸周りのモーメント成分Ｍｘ、Ｙ軸周りのモーメント成分Ｍｙ、およびＺ軸周りのモーメント成分Ｍｚに応じて変形可能な材質および形状からなる中間体１３が配設されている。中間体１３は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸方向の力成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、その３軸回りのモーメント成分Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚの計６成分に応じて線形に変形可能な構造体である。本実施形態によれば、中間体１３を配したことで、中間体１３の材質、形状、厚み、枚数を任意に設定することによって、所望の定格容量にすることができる。

一例として、中間体１３と第１起歪体１１と第２起歪体１２とは平面視で同一形状である。一例として、中間体１３と第１起歪体１１と第２起歪体１２とは同一構造である。これにより、部品の種類を増やすことなく、設計の自由度を高めることができ、生産性が向上する。一例として、中間体１３と第１起歪体１１と第２起歪体１２とは同一材料からなる。これにより、低コストで製造することが容易にできる。中間体１３は一つの場合があり、複数の中間体１３を積層する場合がある。一例として、中間体１３は、第１起歪体１１よりも厚みが大きく、第２起歪体よりも厚みが大きい。一例として、中間体１３は、第１起歪体１１よりも厚みが大きく、第２起歪体よりも厚みが大きな鋳造品である。これにより、力覚センサ１Ａが測定出来る力の大きさとしての定格容量を大きくすることができる。一例として、中間体１３は、第１起歪体１１および第２起歪体１２よりも剛性が高い。これにより、力覚センサ１Ａが測定出来る力の大きさとしての定格容量を大きくすることができる。一例として、中間体１３の枚数を増やすことで力覚センサ１Ａが測定出来る力の大きさとしての定格容量を大きくすることができる。上述の構成の一つないし複数を採用することにより、さまざまな仕様に応じた力覚センサ１Ａを容易に作製することができる。よって、従来構造よりも設計の自由度が飛躍的に高められる。なお、上記の構成に限定されず、既知の材料を用いて既知の製造方法によって製造する場合がある。

続いて、力覚センサ１（１Ａ）の製造方法について、以下に説明する。

本実施形態の力覚センサ１Ａは、複数の第１歪みゲージ３１～３４を第１起歪体１１の第１主面１１ａに配設し、且つ、複数の第２歪みゲージ４１～４４を第２起歪体１２の第２主面１２ａに配設する歪みゲージ配設ステップを有する。また、歪みゲージ配設ステップの後に、第１歪みゲージ３１～３４が配設された第１起歪体１１と、第２歪みゲージ４１～４４が配設された第２起歪体１２とを、第１主面１１ａと第２主面１２ａとが互いに外向きまたは互いに内向きになるように連結固定して一体構造にする組立ステップとを有する。組立ステップは、一例として、第１起歪体１１と第２起歪体１２との間に、第１起歪体１１や第２起歪体１２よりも剛性が高い中間体１３を配設する。

歪みゲージ配設ステップの前段階として、第１起歪体１１の第１主面１１ａと第２起歪体１２の第２主面１２ａとに、それぞれ絶縁層を設ける。一例として、板状体の片面に絶縁層を設け、その後、第１起歪体１１と第２起歪体１２とをそれぞれ切り出す。一例として、第１起歪体１１と第２起歪体１２とをそれぞれ切り出し、その後、第１主面１１ａと第２主面１２ａとにそれぞれ絶縁層を設ける。

歪みゲージ配設ステップは、第１歪みゲージ３１～３４を、各ビーム部１１ｅにおける互いに対称となる位置の４つによって所定方向の力成分を検出するブリッジ回路が構成されるようにそれぞれ配設する。同様に、第２歪みゲージ４１～４４を、各ビーム部１２ｅにおける互いに対称となる位置の４つによって所定方向の力成分を検出するブリッジ回路が構成されるようにそれぞれ配設する。これらブリッジ回路の構成方法としては、上述の特許文献１の技術が適用できる。

歪みゲージ配設ステップは、第１歪みゲージ３１～３４と第２歪みゲージ４１～４４とを配設するに際し、一例として、同一材質のスパッタ膜または蒸着膜を同時に形成する。または、第１歪みゲージ３１～３４と第２歪みゲージ４１～４４とを配設するに際し、一例として、同一材質のスパッタ膜または蒸着膜を連続して形成する。一例として、板状体の絶縁層を設けた面（片面）に、第１歪みゲージ３１～３４と第２歪みゲージ４１～４４とを設け、その後、第１起歪体１１と第２起歪体１２とをそれぞれ切り出す。一例として、第１起歪体１１と第２起歪体１２とをそれぞれ切り出し、第１主面１１ａと第２主面１２ａとにそれぞれ絶縁層を設け、その後、第１歪みゲージ３１～３４と第２歪みゲージ４１～４４とを設ける。

一般に、スパッタリング装置や真空蒸着装置は、膜厚の再現性を維持するため加工条件を厳格に管理する必要がある。本実施形態によれば、第１歪みゲージ３１～３４を配設するときの製造条件と、第２歪みゲージ４１～４４を配設するときの製造条件とを一致させることが容易にできる。よって、対称性が維持できるとともに、生産性が向上し、製造ばらつきを極力抑えた構成にできる。なお、上記の構成に限定されず、板状、シート状またはフィルム状の第１歪みゲージ３１～３４および第２歪みゲージ４１～４４を既知の製造方法によってそれぞれ接着する場合がある。

（第２の実施形態）
図５に示す第２の実施形態の力覚センサ１Ｂは、中間体１３を有さない構造の例である。第２の実施形態では、第１の実施形態と相違する点を中心に説明する。

本実施形態は、第１起歪体１１と第２起歪体１２とは、第１起歪体１１における第１主面１１ａの反対側の第３主面１１ｂと、第２起歪体１２における第２主面１２ａの反対側の第４主面１２ｂとが互いに外向きまたは互いに内向きに合わさっている構成である。この構成によれば、部品点数を少なくするとともに、全体の厚みを薄くした構成にできる。

上述の例では、第１起歪体１１と第２起歪体１２とは、平面視で円形状の構成で説明したが、これに限定されず、平面視で正方形状や多角形状にする場合がある。第１起歪体１１と第２起歪体１２とは、平面視でいわゆるＹ字形状の起歪体や平面視でいわゆる十字形状の起歪体など既知の起歪体形状が適用できる。

上述の中間体１３を設けた例では、中間体１３と第１起歪体１１と第２起歪体１２とが平面視で同一形状の例で説明したが、これに限定されず、仕様等に応じて、中間体１３を第１起歪体１１や第２起歪体１２とは異なる形状にする場合がある。中間体１３は、平面視でいわゆるＹ字形状の起歪体や平面視でいわゆる十字形状の起歪体など既知の起歪体形状が中間体にも適用できる。

第１起歪体１１、第２起歪体１２、中間体１３の加工方法は切削加工、レーザ加工、放電加工若しくはこれらの複合加工等に限られず、エッチング法、ダイキャスト法、プレス加工、３Ｄプリンタ技術等既知の加工技術が適用できる。以上、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。

１、１Ａ、１Ｂ 力覚センサ
１１ 第１起歪体、１１ａ 第１主面、１１ｂ 第３主面、１１ｃ 受力部、１１ｄ 固定部、１１ｅ ビーム部、１１ｆ アーム部、１１ｇ フレクシャ部
１２ 第２起歪体、１２ａ 第２主面、１２ｂ 第４主面、１２ｃ 受力部、１２ｄ 固定部、１２ｅ ビーム部、１２ｆ アーム部、１２ｇ フレクシャ部
１３ 中間体
１４ テーブル
１５ ベース
２１ 第１ブリッジ回路（Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ検出用ブリッジ回路）
２２ 第２ブリッジ回路（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｍｚ検出用ブリッジ回路）
３１～３４ 第１歪みゲージ
４１～４４ 第２歪みゲージ
Ｐ１ 中心軸

Claims (4)

1. 複数の第１歪みゲージが配設された第１主面を有する第１起歪体と、複数の第２歪みゲージが配設された第２主面を有する第２起歪体とを備え、前記第１起歪体と前記第２起歪体とは、前記第１主面と前記第２主面とが互いに外向きまたは互いに内向きで連結固定されており、前記第１起歪体と前記第２起歪体とは、中心軸上に位置する受力部と前記受力部に対して固定される固定部と前記受力部と前記固定部とを連結する３つのビーム部とをそれぞれ有する同一構造で前記中心軸に対して回転対称となる形状の板状体であり、前記第１歪みゲージと前記第２歪みゲージとは、前記ビーム部における互いに対称となる位置の４つによって所定方向の力成分を検出するブリッジ回路が構成されるようにそれぞれ配設されており、前記第１起歪体と前記第２起歪体との間に、Ｘ軸方向の力成分、Ｙ軸方向の力成分、Ｚ軸方向の力成分、Ｘ軸周りのモーメント成分、Ｙ軸周りのモーメント成分、およびＺ軸周りのモーメント成分に応じて変形可能な材質および形状からなる中間体が配設されていること
   を特徴とする力覚センサ。
2. 前記第１起歪体に連結固定されるベースと、前記第２起歪体に連結固定されるテーブルとを備え、前記中間体の厚みは、前記第１起歪体の厚みよりもが大きく、かつ、前記第２起歪体の厚みよりも大きいこと
   を特徴とする請求項１に記載の力覚センサ。
3. 前記第１主面の反対側の第３主面には歪みゲージが配設されておらず、前記第２主面の反対側の第４主面には歪みゲージが配設されておらず、前記中間体は、前記第３主面と前記第４主面との間に配設されていること
   を特徴とする請求項１または２に記載の力覚センサ。
4. 前記第１起歪体と前記第２起歪体とは、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｓｉ－Ｂ－Ｎｂ系の金属ガラスからなること
   を特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の力覚センサ。

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