JPH0259634A - 力センサおよび力の検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ　産業上の利用分野 本発明は、力の大きさと方向とモーメントを検出する力
センサに関する。

Ｂ　発明の概要 本発明は、従来の力センサがストレンゲージによって、
弾性構造体の変形量（歪量）を検出しているのに対して
、弾性構造体の中心を原点としてＸ、　Ｙ、　Ｚ軸上に
検出に必要な数だけのＬＥＤと、これに対向するＣＣＤ
を設けて、ＣＣＤ上に照射されるレーザービームのスポ
ット径の変形量と、ＣＣＤの位置の変位を演算して、力
の方向と力の大きさを算出する力センサおよび力の検出
方法に関するものである。

Ｃ従来の技術 第１５図と第１６図に示す様に、従来の力センサ３０は
工具側フランジ４１に、弾性構造体であるロードセル４
２の円板状の中央部３３がネジ３４　ｐ’　３４　、・
・・によって固定されている。そしてロードセル３２の
リング状の外縁部３５がネジ３８，３６．・・・によっ
てロボット側フランジ３７に固定されている。このロボ
ット側フランジ３７はロボットの機体（図示にせず）に
固定されている。工具側フランジ４１とロボット側フラ
ンジ３７はＱ　＋Ｊング４０を介して表金している。

また四−ドセル４２の構造は、円板状の中央部３３にリ
ング状の外縁部３５が厚さの薄い棒状の弾性部３８，３
８．・・・によって連結されろように１体に形成されて
いる。乙の弾性部３８には、第１７図に示す様に、この
弾性部３８の歪みを計測するストレンゲージ３９が上下
左右の４面に接着しており、力センサ３０に力が加わる
と弾性部３８が歪み、ストレンゲージ３９の電気抵抗を
変化させる。そして、第１８図に示す様にブリッジ型回
路を形成し、電圧計４０によって電気抵抗を計測する。

この計測された電気抵抗によって力の大きさと方向を検
出する。

Ｄ、　発明が解決しようとする課題 上述したように、従来の力センサはストレンゲージを弾
性構造体であるロードセルの弾性部に直接、接着して弾
性部の変形（歪量）を測定し、力を算出するものが主で
あった。

とのため、弾性部の変形量（歪量）を大きくすると、ス
トレンゲージを弾性部に接着している接着剤が破壊され
、ストレンゲージがはがれる。そして、変形量（歪量）
が大きくなると、ストレンゲージの抵抗線が伸びすぎて
断線する。また、断線しなくても永久歪が発生し、変形
量（歪量）が０に戻らな（なる。

そして、力を繰り返しがけるとストレンゲージの抵抗線
が疲労して精度の低下を生じる。

多軸力センサーの場合には、各弾性部に接着したストレ
ンゲージをブリッジに回路を組み、そのストレンゲージ
の抵抗変化により、力を算出するためロードセル精度及
びバランスの高い加工が必要であり、力と歪量の値が各
軸ともバランスのとれた値に設定する必要がある。Ｘ、
Ｙ、Ｚ方向に対し歪量／力の値が同程度になる必要があ
り、このため、ロードセルの構造が複雑であり、ストレ
ンゲージの接着時等に、特殊技術を必要としかなり高価
なものとなる。

本発明は、以上の問題点に鑑みてストレンゲージを用い
ないで弾性構造体の変形（歪量）を測定し力を算出する
力センサを提供することを目的とする。

Ｅ、　課題を解決するための手段 上記目的を達成するために、本発明の６軸カセンサは、
力を受ける負荷側フランジに、円板状の中央部とリング
状の外縁部が棒状片の弾性部によって連結されている構
造の弾性構造体の中央部が固定され、機体等に固定され
る固定側フランジにその外縁部が固定され、前記中央部
の中心点を原点として、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ
軸からなる座標系で、Ｘ軸を負荷側フランジと固定側フ
ランジの中心点と原点の３点を結ぶ直線とし、前記中央
部のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸上の原点近傍に夫々レーザーを照
射するＬＥＤを設け、Ｘ軸上のＬＥＤに対向する固定側
フランジ上にＣＣＤを設け、Ｙ軸とＺ軸上のＬＥＤに対
向する外縁部上に夫々ＣＣＤを設け、各ＣＣＤ上にレー
ザーが像を結ぶ様に、各ＬＥＤの前方に各集光レンズを
設けていることを特徴とする。

本発明の３軸力センサは、負荷側フランジに円板状の中
央部とリング状の外縁部が棒状片の弾性部によって連結
されている弾性構造体の中央部を固定し、固定側フラン
ジにその外縁部を固定し、弾性構造体の中央部の中心点
を通り、負荷側フランジと固定側フランジに平行な平面
上の１直線上で且つ、前記中央部にＣＣＤを設け、この
ＣＣＤと対向する様に外縁部にレーザービームを照射す
るＬＥＤを設け、ＣＣＤ上にレーザービームの像を結ぶ
様にＬＥＤの前方に集光レンズを設けたことを特徴とす
る。

本発明の他の３軸力センサは、負荷側フランジに円板状
の中央部とリング状の外縁部が棒状片の弾性部によって
連結されている弾性構造体の中央部を固定し、固定側フ
ランジにその外縁部を固定し、弾性構造体の中央部の中
心点を通り、負荷側フランジと固定側フランジの中心点
を通る１直線上で且つ、前記中央部にＣＣＤを設け、こ
のＣＣＤと対向する様に固定側フランジにレーザービー
ムを照射するＬＥＤを設け、ＣＣＤ上にレーザービーム
の像を結ぶ様にＬＥＤの前方に集光レンズを設けたこと
を特徴とする。

そして、本発明の６軸力センサの検出方法は、負荷のな
い状態で照射された円錐状のレーザービームのスポット
径を基準として、負荷の加わった状態で各ＣＣＤに照射
された円錐状のレーザービームのスポット径の変形量と
各ＣＣＤ上の相対位置を比較して、その変位により負荷
された力の大きさと力の方向とモーメントを検出するこ
とを特徴とする。

Ｆ、　　作　　　　用 本発明は、力センサの弾性構造体の中央部の中心点を原
点としてＸ、Ｙ、Ｚ軸の各軸上にＬＥＤとＣＣＤを１対
づつ設けである６軸力センサの場合、例えばＸ軸方向の
力が加わる時は弾性構造体の中央部は弾性部が変形する
ことによりＸ軸方向へ押され、ＬＥＤとＣＣＤとの距離
が接近する。このため、円錐形のレーザービームの照射
距離が短かくなり、スポット径が大きくなる。Ｙ、Ｚ軸
についても同様に、Ｙ、Ｚ軸方向に力が加われば、Ｙ、
Ｚ軸上のＣＣＤに照射される各スポット径は夫々大きく
なる。この各スポット径の変化量を計算すれば、力の方
向と力の大きさが計算される。また、各軸の座標系の原
点を中心点とするモーメントも、力が負荷されない時の
スポット径の中心の位置を基準に、スポット径の中心の
位置がどれだけずれたか変位量を計算して得られる。

また、３軸力センサに於ては、弾性構造体の中央部の中
心を通る固定側フランジと負荷側フランジに平行な平面
上の１直線上にＬＥＤ。

集光レンズ、ＣＣＤが設置されている場合は、この直線
と同方向より力が加われば、前述した６軸力センサにお
けるＸ軸方向の力の算出と同様に、スポット径の変化を
計算すればよい。また、この直線と互いに直交する２直
線を設定して、前記平面に垂直な直線をＸ軸として、前
記２直線の一方をＺ軸として、他の直線をＹ軸と定めれ
ば、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の２方向より夫々力が加われば
、ＣＣＤは前記２つの力の合力方向に移動し、スポット
径の位置がＣＣＤ上でずれるので、このずれの量を計算
してＸ、Ｙ、Ｚ軸に関する力を検出できる。他の２つの
軸上のいずれかにＬＥＤ。

集光レンズ、ＣＣＤを設置した時も同様である。

Ｇ実施例 以下、本発明の一実施例を図に従って説明する。第１図
に於て、符号１は力センサである。この力センサ１は、
第２図に示す樺に、円板状の中央部２と、リング状の外
縁部３と、これらを連結しているバネ鋼の弾性部４とか
ら成り立っている弾性構造体５と、弾性構造体５の円板
状の中央部３が固着され力を負荷される負荷側フランジ
６と弾性構造体５の外縁部３が固着され機体等に固定さ
れている固定側フランジ７とから成９、この負荷側フラ
ンジ６と弾性構造体５の外縁部３は、Ｏリング８を介し
て可動に嵌合している。

そして、第３図に示す様に弾性構造体５の中央部２の中
心点を原点Ｏとして、この中央部２の円板に垂直な軸を
Ｘ軸とし、このＸ軸に垂直な平面上に互いに直交するＹ
軸とＺ軸を右手系に設定する。

この中央部２のＺ軸上にはレーザービーム９を照射する
ＬＥＤＩＯを前記原点Ｏの近傍に設け、レーザービーム
９が焦点に照射されろように集光レンズ１１を中央部２
の表面に設ける。そして、外縁部３には、このレーザー
ビーム９を受光するＣＣＤ１２をＺ軸上に設けている。

同様に、中央部２のＸ軸上、Ｙ軸上の原点０の近傍にＬ
ＥＤ１３，１４が夫々設けられ、このＬＥＤ１３．１４
が照射するレーザービーム１５，１６が焦点に照射され
るように中央部２の表面に集光レンズ１７゜１８を設け
ている。レーザービーム１５，１６を受光するＣＣＤ　
１９は固定側フランジ７に、ＣＣＤ２０は外縁部３の表
面に集光レンズ１７゜１８に対向して設けられている。

上述した３個のＬＥＤＩｏ、１３，１４には、夫々に電
圧を加えろ半導体レーザーＶ動回＠２１が接続され、各
ＣＣＤ１２，１９゜２０にはその制御回路であるＣＣＤ
コントロール回路２２が接続されている。このＣＣＤコ
ントロール回路２２には、画像メモリ２３が接続され、
画像メモリ２３はバス２６を通して画像処理装置２４と
交信する。この画像処理袋Ｗ１２４は演算結果を通信回
ｎ２５より送信する。

力センサ１に力が加わらず、半導体レーザー駆動回路２
１が作動して、ＬＥＤＩｏ、１３゜１４に順方向に電圧
が加わりレーザービーム９．１５．１６が夫々照射され
ている時の状態は、第３図に示す様に、例えばＺ軸上の
場合は原点の近傍よりＬＥＤｌｏ、＠光レンズ１１、Ｃ
ＣＤ１２の順で配置され、ＬＥＤＩＯより照射されたレ
ーザービーム９【よ集光レンズ１１で円錐形のビームと
成り、ＣＣＤ１２の受光面にスポット２７を作る。これ
はＸ。

Ｙ軸上のＬＥＤ１３，１４についても夫々同様である。

そして、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に働く力は例えばＸ軸方
向に力が加わった時は、弾性構造体５の弾性部４，４．
・・・が変形し、弾性構造体５の中央部２の位置が移動
する。

第４図に示す様にこの時、中央部２がΔＸ移動すれば、
ＬＥＤ１３も集光レンズ１７もΔＸだけ移動し、ＣＣＤ
１９が取り付けられている固定側フランジ７は固定され
たままであるので、ＣＣＤ１９の位置は動かない。この
ため第５図に示す様に、ＬＥＤ１３がΔＸ移動した時の
ＣＣＤ　１９上のスポット２８ａは径がスポット２８よ
り大きくなる。このスボット２８ａの径を測定して演算
することにより力の方向と大きさを算出する。他のＹ軸
、Ｚ軸方向に力が加わった時も同様である。

このＣＣＤ１９上の像スポット２８ａは、ＣＣＤコント
ロール回路２２に制御されて、画像メモリ２３に出力さ
れ、画像処理装置２４がバス２６を介して画像メモリ２
３に対して入出力を行い、上記のスポット２８ａの径を
算出して力の大きさ、方向を求め通信回線２５によって
出力するのである。

また、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に働くモーメントは、第６図に
示す様に、例えば力センサ１に力が加わってモーメント
が生じた場合、力が加わらない状態である時のＹ軸の位
置より原点Ｏを中心として、θ７の角度だけＹ軸が回転
した時、負荷側フランジ６が力の負荷によって動き、弾
性構造体５の弾性部４，４．・・・が変形して、その中
央部２が移動し、中央部２に設けられているＬＥＤ　１
４と集光レンズ１８が原点Ｏを中心としてθヶの角度だ
け回転する。

この場合、第７図に示す様に、この角度θ７に応じて、
Ｃ０Ｄ２０上でスポット２９の位置がスポット２９ａの
位置へ移動する。このスポット２９からスポット２９ａ
迄の位置の移動量からＹ軸のモーメントの大きさ鴇とモ
ーメントの方向を算出する。

以上のＣＣＤ２０上の像スポット２９ａは、ＣＣＤコン
トロール回路２２に制御されて画像メモリ２３へ出力さ
れ、画像処理装置２４がバス２６を介して、画像メモリ
２３に対して入出力を行い、上記スポット２９とスポッ
ト２９ａの位置の移動量を演算してモーメントの大きさ
を求め、通信回線２５によって出力する。

次に、３軸力センサについて説明する。尚、説明の都合
上、前記実施例と同一部分については同一の符号を用い
る。

第８図に示す様に、力センサ３１のＸ軸上のみにＬＥＤ
ＩＯと、集光レンズ１１と、ＣＣＤ１２が設けられてい
る。このＬＥＤ　１０と、集光レンズ１１と、ＣＣＤ１
２は、前記６軸力センサ１のＸ軸上の配置とは逆に、Ｌ
ＥＤｌｏが外縁部３内に設けられ、集光レンズ１１が外
縁部３上に設けられ、ＣＣＤ１２が中央部２上に設けら
れている。

座標系は、第１０図に示す様にこの場合、Ｘ軸、Ｙ軸、
Ｚ軸の原点０を力センサ１に力が加わらない場合のＣＣ
Ｄ１２上の中心点に設定する。そして、この原点Ｏを中
心としてレーザービーム９の円形のスポット２７がＣＣ
Ｄ１２上に出来ている。

この力センサ３１に第１１図に示す様に、Ｘ軸、Ｙ軸方
向に夫々力Ｆｘ、ＦＹが働いた場合、その合成力Ｆによ
ってＹ軸方向から見た場合第１２図に示す様にＣＣＤ１
２の位置がΔｘｔ！けずれる。

更に、このＣＣＤ１２をＺ軸方向より見た場合、第１３
図に示す樺に、レーザースポット２７の位置はＸ軸上よ
り移動しないが、ＣＣＤ１２の位置はＸ軸、Ｙ軸方向に
は夫々ΔＸ、ΔＹだけ移動する。

また、第１４図に示す様にＸ軸上の方向に働く力Ｆが力
センサ３１に加わった場合は、負荷側フランジ６に力Ｆ
が加わり、弾性構造体５の中央部２がＺ軸方向にΔＺだ
け移動し、第１５図に示す様に、スポットの大きさがス
ポット・２７からスポット２７ａの大きさになる。そし
て、前述した様に画像処理装置２４がこのスポット２７
ａの径より力の方向と大きさを演算して出力する。

また、このＺ軸に回転を与える力を加え、原点０を中心
として回転するモーメントをＬＥＤＩＯからＣＣＤ　１
２上に照射されろスポット２７ａの位置の移動ｉとその
スポット２７ａの変形から計測することができる。この
場合の画像処理も上述した通りである。

更に、第９図の様に、前記６軸力センサ１とは逆に、Ｘ
軸上のみにＬＥＤ１３．ｉ光レンズ１７．ＣＣＤ１９を
並べても、例えばＬＥＤ１３を固定側フランジ７に設け
、集光レンズ１７を固定側フランジ７上に設け、中央部
２上にＣＣＤ１９を設けた３軸力センサ３２についても
同様である。

尚、前記６軸力センサ１，３軸力センサ３１゜３２を固
定側フランジ７を負荷側フランジとし、負荷側フランジ
６を固定側フランジとして用いても同様の効果を得ろ。

また、前述した各センサ１，３１，３２に於て弾性構造
体５の中央部２を固定側フランジ７に固定し、外縁部３
を負荷側フランジ７に固定し、Ｘ軸上のＣＣＤ１９を負
荷側フランジ７に固定し、中央部２にＬＥＤＩＯと集光
レンズ１１を設ければ、モーメントに関してば、前記６
軸力センサと同様の効果を、他の力の作用については３
軸力センサと同様の効果を得る。

ジのはがれ、断線がなく、繰り返し力が加わることによ
って起こる疲労より生ずる精度低下がない。更に、過負
荷耐力が高＜、温度（こよる変化（ドリフト）が少ない
。また、検出部が光であるためにノイズに強く、ストレ
ンゲージ方式の様に弾性部のＷＪｉがある範囲（こ入ら
ないといけない等の規制がなく、弾性部に歪量を大きく
とっても問題のなり）ｌ＜ネ鋼などを用いることができ
弾性構造体が容易に製作できる。弾性構造体の材質に制
約がなく、ストレンゲージを貼り付けるスペースがいら
ないので形状に制約がなく、力と歪量の比（歪量／力）
を自由に設定することが出来、低荷重から大荷重の力セ
ンサが作れ、小型化を図ることができろ。そして、セン
サの構造が簡単で安価である。

■　発明の効果 本発明の力センサは、検出部が非接触式であるので、ス
トレンゲージ方式の様に、ゲー

【図面の簡単な説明】

第１図から第１５図までは、本発明の一実施例を示し、
第１６図から第１９図までは従来の技術の例を示し、第
１図、！８図、第９図、第１６図は要部の構成図、第２
図は弾性構造体の正面図、第３図と第１０図はＬＥＤと
ＣＣＤの配置を示す斜視図、第４図、第６図、第１２図
と第１４図は力が加わった時のＬＥＤとＣＣＤの関係を
示す説明図、第５図、第７図、第１３図と第１５図は力
が加わっている時のスポットの状態を示す説明図、第１
１図は力のベクトルを示す説明図、第１７図は四−ドセ
ルの正面図、第１８図はロードセルの断面図、第１９図
はストレンゲージの測定回路図である。 図　　面　　中、 １．３１，３２は力センサ、２は弾性構造体の中央部、
３は弾性構造体の外縁部、４は弾性部、５は弾性構造体
、６ば負荷側フランジ、７は固定側フランジ、９，１５
．１６はレーザービーム、１０，１３，１４はＬＥＤ、
１１゜１７．１８は集光レンズ、１２，１９，２０はＣ
ＣＤ、２１は半導体レーザー駆動回路、２２はＣＣＤコ
ントロール回路、２３は画像メモリ、２４は画像処理装
置、 ２９．２９ａはスボッ ２７ｐ　　２７ｍ、２Ｊ　　２８ａｊ トである。 特許比 株式会社 代　　　　理

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）力を受ける負荷側フランジに、円板状の中央部と
   リング状の外縁部が棒状片の弾性部によって連結されて
   いる構造の弾性構造体の中央部が固定され、機体等に固
   定される固定側フランジにその外縁部が固定され、前記
   中央部の中心点を原点として、互いに直交するＸ軸、Ｙ
   軸、Ｚ軸からなる座標系で、Ｘ軸を負荷側フランジと固
   定側フランジの中心点と原点の３点を結ぶ直線とし、前
   記中央部のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸上の原点近傍に夫々レーザ
   ーを照射するＬＥＤを設け、Ｘ軸上のＬＥＤに対向する
   固定側フランジ上にＣＣＤを設け、Ｙ軸とＺ軸上のＬＥ
   Ｄに対向する外縁部上に夫々ＣＣＤを設け、各ＣＣＤ上
   にレーザーが像を結ぶ様に、各ＬＥＤの前方に各集光レ
   ンズを設けていることを特徴とする６軸力センサ。
2. （２）負荷鋼フランジに円板状の中央部とリング状の外
   縁部が棒状片の弾性部によって連結されている弾性構造
   体の中央部を固定し、固定側フランジにその外縁部を固
   定し、弾性構造体の中央部の中心点を通り、負荷側フラ
   ンジと固定側フランジに平行な平面上の１直線上で且つ
   、前記中央部に、ＣＣＤを設け、このＣＣＤと対向する
   様に外縁部にレーザービームを照射するＬＥＤを設け、
   ＣＣＤ上にレーザービームの像を結ぶ様にＬＥＤの前方
   に集光レンズを設けたことを特徴とする３軸力センサ。
3. （３）負荷側フランジに円板状の中央部とリング状の外
   縁部が棒状片の弾性部によって連結されている弾性構造
   体の中央部を固定し、固定側フランジにその外縁部を固
   定し、弾性構造体の中央部の中心点を通り、負荷側フラ
   ンジと固定側フランジの中心点を通る１直線上で且つ、
   前記中央部にＣＣＤを設け、このＣＣＤと対向する様に
   固定側フランジにレーザービームを照射するＬＥＤを設
   け、ＣＣＤ上にレーザービームの像を結ぶ様にＬＥＤの
   前方に集光レンズを設けたことを特徴とする３軸力セン
   サ。
4. （４）請求項第１項の６軸力センサに於て、負荷のない
   状態で照射された円錐状のレーザービームのスポット径
   を基準として、負荷の加わった状態で各ＣＣＤに照射さ
   れた円錐状のレーザービームのスポット径の変形量と各
   ＣＣＤ上の相対位置を比較して、その変位により負荷さ
   れた力の大きさと力の方向とモーメントを検出する力の
   検出方法。