JP7193661B2 - ガイドジャケットフォースセンサ - Google Patents

Description

本発明は、フォースセンサの分野に関し、特に、負荷時にある程度の直線的な弾性変形を受ける、ケーブル、フェルール、アーム、ワイヤ、シャフト、ロッド、ロープ、又は同種のもの、などの直線状媒体を介して伝達される引張力及び／又は圧縮力を測定するために使用されるタイプのセンサに関する。本明細書では、単純化のために、「直線状媒体」という用語は、すべてのそのような代替物に関する総称として使用する。

ワイヤ又はケーブルなどの直線状媒体の静的な張力を測定するに際し、張力計を使用することが公知である。張力計は、ケーブル又はワイヤ上へとぶら下げるように構成されたフレームによって構築され得る。フレームには、ケーブル又はワイヤに対して接触する互いに離間した２つのローラが設けられている。ローラどうしの間においてフレーム上に位置した調節可能部材を使用することにより、ケーブル又はワイヤに対して横方向の力が印加され、これにより、ローラどうしの間の直線経路から逸れるように、ケーブル又はワイヤを曲げる。Ｎｕｎｎｅｌｅｅ氏の米国特許第７，４２４，８３２号明細書を参照されたい。張力計の更なる例は、Ｓｈｏｂｅｒｇ氏の米国特許第４，９８９，４５０号明細書に示されている。

動的な態様で引張荷重又は圧縮荷重を測定するに際して一般的に使用される異なるアプローチは、力伝達媒体内における直接的な機械的リンクとしてセンサを設置することを含み、この場合、力伝達媒体を中断してセンサを取り付けることにより、結果的に生じる２つの長さ部分どうしをセンサによって再結合し、これにより、荷重力がセンサを通過しなければならないものとする。このアプローチの欠点は、センサ、あるいは媒体に対するセンサの取付に壊滅的な障害が存在すると、システム全体の動作が中断されてしまうことである。

本明細書において開示するように、フォースセンサは、媒体を中断したり曲げたり又は他の態様で変更したりする必要なく、直線状媒体に対して取り付けられる。これは、途切れることなくボディ内を通して媒体を通過させ得る長手方向通路を有した計装付き屈曲ボディを提供することにより、そして、通路に沿って互いに離間した２つのポイントのところにおいて、好ましくは屈曲ボディの両端部のところにおいて、屈曲ボディを媒体に対してしっかりと固定することにより、達成される。このようにして、負荷によって媒体が引き延ばされたり又は圧縮されたりした時には、屈曲ボディの一部は、弾性的に変形する。屈曲ボディは、本明細書において説明するように、両端部の間に、引張モードと圧縮モードとの一方又は双方において変形し得る歪み集中領域が提供されるように戦略的に構成されている。この領域は、媒体を介して伝達される力に対して相関した電気出力を生成するよう、所定位置に接着された歪みゲージによって又は同様のデバイスによってなどにより、計装することができる。計装に関する様々なモードについては、後述する。

本明細書において図示して詳細に説明する実施形態では、屈曲ボディは、ステンレス鋼、アルミニウム、又はインコネル、などの高弾性率材料から形成される。屈曲ボディは、内部を完全に貫通して媒体を受領する長手方向通路を有している。接着剤及び／又は他の手段を使用することにより、屈曲ボディの両端部においてのみあるいは屈曲ボディの両端部の近傍においてのみ、屈曲ボディが媒体に対して固定される。屈曲ボディは、例えば、ボディを横方向に貫通するとともに長手方向通路に対して直交して交差する第２の開口又は穴によって、上記の応力集中領域を形成するように、さらに構成される。屈曲ボディは、頂部及び底部に、平坦面を有し、これらの面の１つ又は複数には、歪みゲージとコンタクトパッドとが、接着によって取り付けられており、これにより、ゲージを、デバイス上において例えばホイートストンブリッジ回路内へと直接的に接続することができる。ブリッジ回路は、様々な態様で、導電性リード線を介して、電源に対して、及び／又は、ディスプレイや他の信号プロセッサに対して、外部接続することができ、その場合、ストレインリリーフを提供する具体的なリード線の構成については、後述する。

さらに、例示的な実施形態によれば、屈曲ボディは、導電性リード線キャリアのための巻回表面を提供するとともに、キャリアが屈曲ボディの周囲を通過して屈曲ボディから離間する際にキャリアのためのクリアランスを提供するために、部分的に取り囲まれる、すなわち「ジャケット付き」とされる。筐体は、デバイスに対して、美的特性と機能的特性との両方を付与することができる。

本明細書において説明するデバイスは、外科手術時における遠隔操作器具の正確な制御が最も重要である外科用ロボットなどの分野で使用するための小型化において、有用である。

以下においては、米国特許法第１１２条に基づいて、例示的な実施形態について説明し、これらの説明においては、添付図面を参照されるべきである。

図１は、ロッド状の力伝達媒体上に設置された計装化屈曲ボディを示す斜視図である。 図２は、構成的な変化例としての屈曲ボディを示す斜視図である。 図３は、内部を挿通して媒体Ｃが延びている屈曲ボディ１２を示す断面図である。 図４は、図１の実施形態における歪みゲージに関するホイートストンブリッジ回路である。 図５は、取付媒体内の引張荷重によって歪み集中領域内で変形したセンサボディを示す図であって、圧縮モード及び引張モードにおいてそれぞれ変形した領域３４及び３７を示している。 図６及び図７は、センサを、ケーブル媒体又はロッド媒体に対して取り付けるための第１機構の一部を示している。 図６及び図７は、センサを、ケーブル媒体又はロッド媒体に対して取り付けるための第１機構の一部を示している。 図８及び図９は、センサボディを、力伝達媒体に対して取り付けるための第２機構を示している。 図８及び図９は、センサボディを、力伝達媒体に対して取り付けるための第２機構を示している。 図１０は、引張時にボディが変形する態様を詳細に示している。 図１１は、センサボディが、両面型ブリッジ回路（double-sided bridge circuit）との間のリード線のための巻回式ポリマーキャリアを受領するように、取り囲まれた又はジャケット付きとされた第２実施形態を示している。 図１２は、媒体Ｃに対して取り付けられた図１１のセンサを示す側断面図である。 図１３は、図１２の実施形態の主要部分を示す分解斜視図である。 図１４～図１６は、図１２及び図１３の実施形態における両面型ブリッジ回路のためのリード線キャリアに関し、展開構成及び巻回構成を示している。 図１４～図１６は、図１２及び図１３の実施形態における両面型ブリッジ回路のためのリード線キャリアに関し、展開構成及び巻回構成を示している。 図１４～図１６は、図１２及び図１３の実施形態における両面型ブリッジ回路のためのリード線キャリアに関し、展開構成及び巻回構成を示している。 図１７Ａ～図１７Ｄは、図１２における両面型の実施形態において、屈曲ボディ及び筐体の周囲にリード線キャリアを巻回するための工程を示している。 図１７Ａ～図１７Ｄは、図１２における両面型の実施形態において、屈曲ボディ及び筐体の周囲にリード線キャリアを巻回するための工程を示している。 図１７Ａ～図１７Ｄは、図１２における両面型の実施形態において、屈曲ボディ及び筐体の周囲にリード線キャリアを巻回するための工程を示している。 図１７Ａ～図１７Ｄは、図１２における両面型の実施形態において、屈曲ボディ及び筐体の周囲にリード線キャリアを巻回するための工程を示している。 図１８及び図１９は、２つの異なる視点から、リード線キャリアと、このリード線キャリアが巻回された筐体と、に関する詳細を示している。 図１８及び図１９は、２つの異なる視点から、リード線キャリアと、このリード線キャリアが巻回された筐体と、に関する詳細を示している。 図２０Ａ～図２０Ｃは、リード線キャリアの取付方式に関する追加的な詳細を示している。 図２０Ａ～図２０Ｃは、リード線キャリアの取付方式に関する追加的な詳細を示している。 図２０Ａ～図２０Ｃは、リード線キャリアの取付方式に関する追加的な詳細を示している。 図２１は、図１２～図２０の実施形態のための両面型ブリッジ回路を示している。 図２２は、ジャケット付きの実施形態のための片面型ブリッジ回路を可能としている。

図面を参照すると、図１は、ステンレス鋼、アルミニウム、又はインコネル、などの高弾性率を有した弾性変形可能な材料からなる固体屈曲ボディ１２を含むフォースセンサ１０を示している。屈曲ボディは、丸められた側面１１、１３と、共に平坦でありかつ互いに平行な頂面１４及び底面１５と、を有して構成されている。平坦面１４、１５の一方又は双方は、半田パッド４６及び可変抵抗歪みゲージ３８、４０、４２、４４を含む計装要素のための取付位置を提供するものであり、それら計装要素のすべては、非導電性フィルムパッド３６によって、屈曲ボディとの電気伝導から、絶縁されている。図３及び図７に示すように、通路３０が、端面どうしの間にわたってボディ１２を完全に挿通して長手方向に延びており、これにより、引張力又は圧縮力を伝達するための力伝達媒体Ｃであって、ここではロッド状のケーブル又はアームとして示されている力伝達媒体Ｃは、ボディ１２を、連続的な態様で又は途切れない態様で、通過することができる。媒体Ｃは、実用的な目的からは、引張力と圧縮力との一方又は双方を伝達し得る、ワイヤ、ケーブル、梁、ロッド、ロボットアーム、ロープ、又は同種のもの、のうちの任意のものとすることができる。媒体Ｃの弾性は、屈曲ボディ１２の弾性と比較して、それ以上である。図２は、屈曲ボディの形状に関するわずかな変形例を示しており、この場合にも、屈曲ボディは、内部を挿通させて媒体Ｃを受領している。

第２の開口３２が、丸められた側面１１、１３どうしの間にわたって屈曲ボディ１２を貫通して横方向に延びており、長手方向通路３０に対して直交して交差している。図５に示すように、開口３２の効果は、ボディ内に応力集中領域を規定することであり、この領域は、ボディの残部よりも大きな寸法変化度合いでもって引張荷重及び／又は圧縮荷重に応答して変形する部分３４及び３７を有している。ボディ１２の頂面１８上における部分３４及び３７には、圧縮変形及び引張変形に対してそれぞれ応答するための箔歪みゲージが別個に計装されている。歪みゲージ３８及び４０は、圧縮ゾーンにあり、他方、ゲージ４２及び４４は、引張ゾーンにある。歪みゲージ３８、４０、４２、４４は、ボディの頂面１４上において絶縁性のフィルム又はコーティング３６に対して接着されているとともに、穴３２によって形成された応力集中領域の直上に位置しており、他方、リード線接続用の半田パッド４６は、図１に見られるように、ゲージの右側に対して接着されており、この場所では、変形があまり生じない。圧電デバイス又はホール効果デバイスを使用し得るけれども、箔歪みゲージが好ましい。

図４は、従来的な態様でブリッジの脚部に可変抵抗器としてゲージ３８、４０、４２、４４を使用したホイートストンブリッジ回路を示している。リード線４６及び４８は、ブリッジを、電源（電圧源）に対して接続しており、他方、リード線５０及び５２は、ブリッジの中間点から取り出されており、負荷が屈曲ボディ１２を変形させてブリッジを非平衡化した時には、出力信号を、ディスプレイ、信号プロセッサ、又はレコーダ、に対して送出する。ブリッジ回路は、力が、抵抗ゲージの値を変化させない時には、「平衡化」されており、このことは、ブリッジの中間点どうしの間の電圧差がゼロであることを意味する。

屈曲ボディ１２の端部をケーブル媒体Ｃに対して機械的に取り付けるための代替可能な方法が、図６～図９に示されている。図６及び図７では、カラー部分５３及び５５のみが、図７に示すように、拘束領域１８及び２０においてケーブル媒体Ｃに対して接着によって取り付けられている。

これらのポイントどうしの間では、屈曲通路３０と媒体Ｃとの間には、機械的な接続は存在しておらず、実際、ケーブル媒体Ｃと通路３０の内面との間には、径方向の小さなクリアランスが存在してもよい。代替可能な例として、図８及び図９に示すようなクランプシステムを採用することができる。このシステムでは、ボディ１２内に螺着されたスプリットカラー２２、２４と、これらカラーに螺着されるクランプナット２６、２８と、を使用し、カラーを圧縮することによって、両端部ポイントのところでボディ１２と媒体Ｃとの機械的接続を形成する。

図５及び図１０は、媒体Ｃを介して引張力又は圧縮力が伝達された時にセンサボディ１２が応力集中領域でどのように変形するかを、誇張して示している。引張力の印加時には、開口３２の周辺領域が伸びて薄くなり、歪みゲージを変形させてその抵抗値を変化させ、図４のブリッジ回路を非平衡化させて、従来的な態様で中間点リード線５０、５２の間に電圧が現れる。ホイートストンブリッジの動作に精通している人であれば、上側の２つの抵抗器のＲ値が等しくかつ下側の２つの抵抗器も等しい場合には、あるいは、すべての抵抗器３８、４０、４２、４４の抵抗値が等しい場合には、中間点の電圧どうしが等しく、出力リード線５０、５２上における出力がゼロとなること、すなわち、ブリッジが「平衡化」されていること、を理解するであろう。例えば、Ｃ抵抗３８及び４０の値が増大した時には、ブリッジは、「非平衡」となり、出力リード線どうしの間にわたって電圧が現れる。

ガイドジャケットの実施形態
図１１～図２２は、図１～図３のボディ１２と物理的形状及び機能の点で同様ではあるものの、ブリッジ回路に対して電力を供給するとともにそのブリッジ回路から信号を取り出すためのパッド４６に対してリード線を取り付けるために必要な電気的接続に対しての損傷を防止するために、屈曲ボディ１２'を取り囲むとともに屈曲ボディ１２'に対して溶接又は接着されたアルミニウム又はプラスチックなどの材料からなる筐体５４を有したセンサ１０'を示している。屈曲ボディ１２'は、媒体Ｃに対して、図１～図１０の実施形態と同じ機能的関係を有している。筐体５４は、負荷軸線に対して直交する方向において屈曲ボディの周囲を巻回するとともに、側面上では屈曲ボディを包んでいるけれども、所望によりディスプレイ又は信号プロセッサに対して接続される前に、フレキシブルな絶縁プラスチックフィルム製のリード線キャリア５８と、それに対して接合されたかつ半田パッド８８に対して接合されたリード６２とが、屈曲ボディの周囲を巻回し得るだけのクリアランスを提供している。このようにして、リード線に対して負担をかける行為があったとしても、接続部分は、偶発的に分離しないように保護されている。

図１７Ａ～図１７Ｄ、図１８、及び図１９は、改変された屈曲ボディ１２'上に取り付けられた筐体５４を示している。筐体は、屈曲ボディの周囲に巻回された時にリード線キャリア５８のためのクリアランスを提供するために、屈曲ボディの頂面よりも上方に位置した底面５６を有している。加えて、筐体５４は、通路６３を提供する頂部アーチ６１を有しており、これにより、リード線キャリア５８は、図１１及び図１７Ｄに示すように、リード線キャリアが屈曲ボディの周囲を巻回した後に屈曲ボディから離れるように延びる際に筐体自身を通過することができる。提示されているように、筐体は、フレックスケーブル用のスロットスタイルのストレインリリーフから構成されており、フレックスケーブルを保護するとともに、例えば急速な動きをするロボット応用におけるセンサの出力安定性に対するケーブル移動の影響を無効化する。

次に、図１３～図２２を参照して、筐体を有した実施形態について、より詳細に説明するものとし、これらの図は、より小さな側方のフライングフィンガーアクセススロットと、メインのフレックス用スロット付きストレインリリーフと、を示している。

図１３に示すように、両面密閉型屈曲ボディの３つの主要な構成要素は、屈曲ボディ１２'と、筐体５４と、平行な態様でリード線６２が接着されたフレキシブルなプラスチック製リード線キャリア５８と、を含むようにして、示されている。ボディ１２'は、ボディ１２と同様のものであるが、頂面上に設けられた歪み分離用の切欠８０と、端部フランジ８２と、を有している。

この実施形態におけるボディ１２'は、頂面と底面との両面上で計装されており（「両面型」ブリッジ構成）、各面には、図２１に示すブリッジ回路を構成する歪みゲージの半分が搭載されているとともに、ブリッジ回路歪みゲージに対してのリード線のコネクタ位置として機能する半田パッドが搭載されている。図１３では、頂面の歪みゲージは、８４及び８６であり、他方、半田パッドは、８８、８９、９０である。他の２つの歪みゲージは、図１５の底面上においてリード線タブによって示された位置において、ボディ１２'の底面上に存在する。キャリア５８は、図１４及び図１５に示すように、頂面上及び底面上の半田パッドに対してのリード線６２のための支持面を提供する脚部Ａ及びＢを有した絶縁性でフレキシブルなフィルムからなる長尺ボディとして構成されている。

筐体５４は、図１７Ｄに示すように、近くの端部がフランジ８２に対して当接した状態で、ボディ１２'上においてジャケットのように適合する。リード線キャリア５８は、筐体５４に対して巻回されて接着され、タブ９２、９４は、屈曲ボディ１２'の頂面上においてパッド８８、８９、９０に対して半田付けされる。図１７Ｃにおいて明らかであるように、更なる３つのパッド１０２、１０４、１０６が、底部平坦面上に配置され、脚部Ｂ上のリード６２線が、それらに対して半田付けされる。図１４は、リード線の平坦な構成を示しており、他方、図１３及び図１５は、ボディ１０'の周囲を３６０°超にわたって適合して巻回するように再形成されたフレキシブルなキャリア５８を示している、すなわち、キャリアは、屈曲ボディから離れるように延びる際には、したがって、キャリア自体の上方を通過しなければならない。筐体内のフィンガースロット９６は、図１５、図１６、図１７Ａ、図１７Ｂに示すように、キャリアが頂面上のパッドから離れる際には、キャリアのためのクリアランスを提供し、他方、開口６３は、完全に巻回されて接着されたフィルムキャリア５８が、ディスプレイ、信号プロセッサ、又はレコーダ（図示せず）に対して到達するための通路を提供する。筐体は、屈曲ボディの性能を変化させるものではなく、具体的には、応力集中領域に関する性能を変化させるものではない。

図１７Ｃは、筐体５４を巻回した状態の屈曲ボディ１２'の底面を示している。３つのリード線６２が、ボディ１２'の底部平坦面上のパッド１０２、１０４、１０６に対して半田付けされている。図１７Ｄは、屈曲ボディ１２'の頂面と、アーチ６１を有した筐体５４と、を示している。

図１８及び図１９は、センサアセンブリの全体を、２つの角度から示している。図１９は、筐体が屈曲ボディ１２'に対して接着されている領域１００を示しており、この領域は、センサが負荷を受けている時でも、実質的にゆがまない。

図２０Ａ～図２０Ｃは、完成したアセンブリを、それぞれ、底面から、側面から、及び上方から、示しており、圧縮及び引張を表すＣ及びＴの文字によってブリッジ構成要素を識別している。電圧リード線は、＋Ｅによって識別される。

図２１は、ブリッジ回路内へと接続された両面型歪みゲージを示している。

図２２は、筐体５４を有したセンサ１０'が、片面型の態様で、すなわち、図１のジャケット無しの実施形態に示されているのと同様に、４つのゲージのすべてが頂面上に配置された状態で、どのように計装し得るかを示している。この場合にも、キャリア５８は、筐体の周囲に巻回されており、アーチ６１の下方から通過する。

動作
次に、ケーブル、ワイヤ、ロッド、又は、他の適切な力伝達媒体に設置された際の、デバイスの動作について説明する。この実例では、デバイスは、長さが５ｍｍの程度であり、最大で約１５０ポンド（約６８ｋｇ）の引張力まで許容することができる。したがって、ボディのヤング率は、およそ２８×１０^６ｐｓｉ～２９×１０^６ｐｓｉである。ホイートストンブリッジのリード線４６及び４８の間には、電圧源又は適切な電力レベルが接続されており、ブリッジの非平衡状態に起因した電圧であるとともに、伝達された力を表す電圧が、リード線５０及び５２の間で測定される。適切な較正の後においては、信号は、高い精度で、伝達された力と相関する。

本明細書に記載された寸法及び他の数値は、本質的に代表的なものであり、特段に指定されていない限り、限定的な意味で解釈されるべきではないことは、理解されよう。さらに、ボディ１２が様々な態様で計装化されることは理解されるであろう、例えば、図１及び図２２に示すように、片面上にブリッジ全体を有して実装してもよく、あるいは、図１１及び図１２～図２１に示すように、両面上に２つのブリッジゲージ半体を有した両面型回路として実装してもよい。

Claims (6)

1. 直線状の力伝達媒体（Ｃ）を内部に受領するために内部を完全に貫通して延びる長手方向通路（３０）を有した固体屈曲ボディ（１２）を含むタイプのフォースセンサ（１０）であり、前記ボディ（１２）は、前記ボディ（１２）の両端部の近くの互いに離間したポイントにおいてのみ前記媒体に対して取り付けるための手段（図６における５３、５５；図７における１８、２０；図８及び図９における２２、２４、２６、２８）をさらに含み、前記媒体Ｃ内の引張力及び圧縮力が前記屈曲ボディ（１２）に対して伝達されるようになっている、フォースセンサ（１０）であって、
   前記屈曲ボディ（１２）は、前記長手方向通路（３０）の全周囲に延在する外面（１１、１３、１４、１５）と、前記ボディを完全に貫通して延びるとともに前記長手方向通路（３０）と直交して交差しこれにより前記外面上に応力集中領域（３４、３７）を形成する横方向開口（３２）と、を有し、
   前記外面上には、前記応力集中領域（３４、３７）に、歪み検出素子（３８、４０、４２、４４）が配置され、前記歪み検出素子（３８、４０、４２、４４）は、ブリッジ回路（図２１）内へと接続されることにより、前記媒体を介して前記ボディ（１２）に対して伝達される力を表す電気信号を生成し、
   導電性リード線（４６、４８、５０、５２）が、前記回路に対して電気的に接続され、
   ジャケット（５４）が、前記外面に対して取り付けられているとともに前記外面の周囲に延在し、前記ジャケット（５４）は、前記歪み検出素子のためのクリアランス（５６）を確保するように構成され、
   前記導電性リード線は、前記クリアランス（５６）を挿通して前記ジャケット（５４）の下方へと延び、さらに、前記ジャケット（５４）の周囲を周方向に巻回している、ことを特徴とするフォースセンサ（１０）。
2. 前記ジャケットは、内部を貫通する開放通路（６３）を形成するアーチ（６１）を含み、前記リード線（４６、４８、５０、５２）は、前記開放通路（６３）を挿通して延びている、請求項１に記載のフォースセンサ（１０）。
3. 前記ジャケット（５４）に対して周方向に付着されるとともに前記ジャケット（５４）の周囲に延在する非導電性リード線キャリアフィルム（５８）をさらに含み、前記リード線は、前記キャリアフィルム（５８）に対して取り付けられている、請求項１に記載のフォースセンサ（１０）。
4. 前記屈曲ボディの前記外面は、少なくとも１つの略平面状表面領域（１４）を有し、前記歪み検出素子（３８、４０、４２、４４）は、前記略平面状表面（１４）上に取り付けられている、請求項１に記載のフォースセンサ（１０）。
5. 前記屈曲ボディ（１２）は、互いに反対側に位置した平面状表面（１３、１４）を有し、これら平面状表面（１３、１４）上には、それぞれ、前記ブリッジ回路の半分が取り付けられている、請求項１に記載のフォースセンサ（１０）。
6. 前記キャリアフィルム（５８）は、絶縁性材料から形成されている、請求項４に記載のフォースセンサ（１０）。

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