JPH0629803B2 - 力センサの過負荷保護装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、力センサに過大な負荷が作用した場合に、
それを抑制して力センサを保護するための装置に関する
ものである。

〔従来の技術〕

互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚの３軸に沿う力および各軸の
周りのモーメントを検知する６軸の力センサは、従来よ
り公知であり、産業用ロボットの作業工具に作用する力
ないしモーメントを検知しながらロボットを制御するの
に、しばしば用いられている。この力センサは、一般に
上下のプレート部材を薄い肉厚の複数のブリッジ部材で
連結した構造であり、両プレート部材間の相対的変位を
各ブリッジ部材に貼着した歪ゲージによって感知して、
両プレート部材間に作用する力およびモーメントを検知
するものである。

ところで、力センサに最大定格以上の負荷が加わると、
力センサの内部（特にブリッジ部材の内部）に歪が残存
したり、貼着していた歪ゲージが剥れたりすることがあ
る。このため、何らかの方法で過負荷に対する保護を講
じなければならないが、従来、この目的のための過負荷
保護装置はほとんど存在していなかった。一部には、特
開昭62−274230号公報に開示されているように、力セン
サの２つの可動部分（プレート部材）のうちの一方に固
定した平行ピンを他方に形成した孔に適当な隙間を設け
て嵌入させることにより、力センサの可動部分が一定量
以上の相対変位をするのを防止し、もって力センサを過
負荷から保護するようにした力センサが存在するのみで
あった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記の従来の過負荷保護装置は、平行ピ
ンと孔の間の隙間が比較的大きいため、センサの可動部
分の相対的変位量がかなり大きくなくては機能しないも
のであった。このため、センサ自身の剛性が低くならざ
るを得ず、これは高精度の位置決めを必要とするロボッ
トに用いる場合には、致命的な欠点であった。

また、平行ピンと孔の係合により過大な変位を阻止する
上記従来の装置では、センサの組立ておよび調整、さら
には機械加工が非常に高精度に行われる必要があり、従
って高コストとなるばかりでなく個々の製品間でバラツ
キが大きくなって再現性に欠けるという難点があった。

このような従来技術の問題点に鑑み、この発明は力セン
サの剛性を全く損うことなく過負荷より保護することが
できると共に、力センサの変形許容量の調整を簡単に行
うことができる、力センサの過負荷保護装置を提供する
ことを目的とする。

この発明の他の目的は、機械加工が比較的容易で、かつ
製品間の再現性が確保できる過負荷保護装置を提供する
ことである。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで、この発明は、上記目的を達成するために次のよ
うな技術的手段を講じている。

すなわち、一対の平行なプレート部（２）（３）を複数
のブリッジ部（４）で連結して成る力センサ（１）の過
負荷保護装置において、 上記プレート部（２）（３）間の上記力センサ（１）の
中心軸方向の相対的変位を抑制する軸方向変位抑制手段
（25）と、中心軸に直交する半径方向の相対的変位を抑
制する半径方向変位抑制手段（33）とを備えており、 上記軸方向変位抑制手段（25）は、上記力センサ（１）
の外側にその中心軸と同軸となるように設けられ、かつ
上記プレート部（２）（３）のいずれか一方に固定され
た第１の筒状の保護部材（９）と、 上記プレート部（２）（３）のうちの上記第１の保護部
材（９）が固定されていない側のプレート部（２または
３）に固定された第１の止め部材（14）と、 上記第１の保護部材（９）に螺合されて上記力センサ
（１）の中心軸方向に移動可能な第２の筒状の保護部材
（18）と、 上記第２の保護部材（18）に固定された第２の止め部材
（21）とから構成されており、 上記第１の保護部材（９）は、上記第１の止め部材（1
4）の側に設けられたテーパ面（12）と上記第１の止め
部材（14）との間にクリアランス（ｄ_１）を形成してお
り、さらに、上記第２の保護部材（18）は、上記第１の
止め部材（14）の上記第１の保護部材（９）とは反対側
に設けられたテーパ面（17）と上記第２の止め部材（2
1）との間にクリアランス（ｄ_２）を保って固定されて
おり、 上記半径方向変位抑制手段（33）は、一方のプレート部
（２または３）に取り付けられた上記力センサ（１）の
中心軸方向に延びる変位抑制ピン（34）と、 他方のプレート部（３または２）に形成された上記変位
抑制ピン（34）が係合可能な係合孔（35）とから構成さ
れており、 しかも上記変位抑制ピン（34）は、ネジ部（34b）によ
って軸方向に移動可能であると共に、先端部に先細のテ
ーパ部（34a）を有しており、かつ当該テーパ部（34a）
と上記係合孔（35）との間にクリアランス（ｄ_３）を保
って固定されていることを特徴とするものである。

〔作用〕

力センサ（１）の両プレート部（２）（３）の相対的変
変位のうち、中心軸方向の変位は、第１の止め部材（1
4）が、互いに反対側にある第１の保護部材（９）と第
２の止め部材（21）に各々当接することにより抑制され
る。

また、第１の保護部材（９）と第１の止め部材（14）の
間のクリアランス（ｄ_１）の調節は、位置決め治具（2
6）を用いて第１の保護部材（９）の位置決めをしなが
ら一方のプレート部（２または３）に固定することによ
り、容易に行うことができる。第１の止め部材（14）と
第２の止め部材（21）の間のクリアランス（ｄ_２）は、
位置決め治具（30）を用いて第２の保護部材（18）を回
転しながら位置決めをし、第１の保護部材（９）に固定
することにより、容易に調節することができる。

上記の２つのクリアランス（ｄ_１）（ｄ_２）は、それを
構成する部材のうちのいずれか一方がテーパ面（12）
（17）となっているので、微小なクリアランス（ｄ_１）
（ｄ_２）を精確に設定することができ、力センサ（１）
の剛性を損なうことがない。

中心軸に直交する方向すなわち半径方向の変位は、変位
抑制ピン（34）と係合孔（35）の係合により抑制され
る。変位抑制ピン（34）は、テーパ部（34a）を介して
係合孔（35）と係合するようになっているので、変位抑
制ピン（34）を回転させることにより、テーパ部（34
a）と係合孔（35）との間のクリアランス（ｄ_３）を容
易に調節することができる。また、このために、半径方
向においても力センサ（１）の剛性は損なわれない。

なお、力センサ（１）の中心軸周りおよび半径方向の軸
の周りの回転変位は、変位抑制ピン（34）と係合孔（3
5）によって抑制される。

〔実施例〕

以下、添付図面に基いてこの発明の実施例について説明
する。

第１図および第２図において、（１）は力センサで、一
対の円形のプレート部（２）（３）と両プレート部
（２）（３）を連結する４つのブリッジ部（４）から構
成されている。両プレート部（２）（３）の間には空間
（５）が形成されており、両プレート部（２）（３）が
相対的変位を生じると、各ブリッジ部（４）に歪が生
じ、各ブリッジ部（４）に貼着した歪ゲージ（図示せ
ず）によって両プレート部（２）（３）間の力およびモ
ーメントを感知するようになっている。この実施例で
は、４つのブリッジ部（４）は力センサ（１）の中心軸
の周りに９０゜毎に等間隔で配設されている。

なお、（６）は両プレート部（２）（３）を貫通するネ
ジ孔であり、力センサ（１）をロボットに取り付ける際
に用いるものである。この実施例では、力センサ（１）
の中心軸の周りに４つ等間隔に配設されている。また、
（７）（８）はそれぞれ、各プレート部（２）（３）に
形成されたキー溝およびキーであり、ロボットに取り付
ける際にロボットのアームおよび作業工具等と同軸心と
なるようにするためのものである。

力センサ（１）の外周には、円筒状の第１の保護部材
（９）が設けられており、一方のプレート部（３）に取
付ネジ（10）および位置決め用テーパピン（11）によっ
て固定されている。第１の保護部材（９）のプレート部
（２）側の端面には、テーパ面（12）が形成され、また
外側面にはネジ部（13）が形成されている。

力センサ（１）の他方のプレート部（２）には、その外
周に円環状の第１の止め部材（14）が固着され、プレー
ト部（３）側の平坦面（15）に形成した凹溝（16）の内
側に、上記第１の保護部材（９）のテーパ面（12）の一
部が入り込んでいる。こうして、第４図に見るように、
第１の止め部材（14）の平坦面（15）とテーパ面（12）
の間にクリアランス（ｄ_１）が形成されている。第１の
止め部材（14）は、平坦面（15）と反対側にテーパ面
（17）を有している。

上記第１の保護部材（９）の外側には、円筒状とした第
２の保護部材（18）が設けられている。この第２の保護
部材（18）は、その内側面に設けたネジ部（19）を第１
の保護部材（９）のネジ部（13）に螺合することによ
り、取付けられている。螺合された第２の保護部材（1
8）は、止めネジ（20）によって適当な位置に固定され
ている。

上記第２の保護部材（18）のプレート部（２）側の端部
には、円環状とした第２の止め部材（21）が取り付けら
れている。第２の止め部材（21）は、固定ネジ（22）に
よって固定され、その内側の空間（23）に上記第１の止
め部材（14）のテーパ面（17の一部が入り込んでいる。
こうして、第６図に見るように、第２の止め部材（21）
の第１の止め部材（14）側の平坦面（24）と第１の止め
部材（14）のテーパ面（17）の間にクリアランス
（ｄ_２）を形成している。

以上述べた第１および第２の保護部材（９）（18）と第
１および第２の止め部材（14）（21）によって、上記力
センサ（１）の中心軸方向の相対的変位を抑制する軸方
向変位抑制手段（25）が構成される。

上記の２つのクリアランス（ｄ_１）（ｄ_２）の大きさ
は、組立時に調節されるが、それは以下のようにして行
われる。

まず、力センサ（１）のプレート部（３）に第１の保護
部材（９）を取り付ける際に、第３図に見るように、プ
レート部（２）の外周に位置決め用の治具（26）を嵌合
・保持しておき、その片面に形成した凹溝（27）の内側
に、プレート部（３）に嵌合した第１の保護部材（９）
のテーパ面（12）の一部を挿入する。そして、凹溝（2
7）の角の端縁（28）にテーパ面（12）が当接するまで
第１の保護部材（９）を入れ込み、当接した位置で取付
ネジ（10）によって取り付けると共に、テーパピン（1
1）によって固定する。

次に、位置決め治具（26）を取り外し、代わりに第１の
止め部材（14）を圧入する。第１の止め部材（14）は、
プレート部（２）の止め面（２ａ）に当接して位置決め
される。このときの状態は第４図に示す通りであり、第
１の保護部材（９）と第１の止め部材（14）の間に所要
のクリアランス（ｄ_１）が形成されている。このときの
クリアランス（ｄ_１）の大きさは、次式で決定される。

ここで、Ｌ_１は第１の止め部材（14）の凹溝（16）の角
の端縁（29）の直径、ｌ_１は位置決め治具（26）の角の
端縁（28）の直径、θ_１は第１の保護部材（９）のテー
パ面（12）の勾配である。

続いて、第５図に見るように、第２の保護部材（18）を
第１の保護部材（９）にネジ込み、さらに第２の保護部
材（18）の端部に位置決め治具（30）を嵌合する。位置
決め治具（30）の位置は、第２の保護部材（18）の端面
（18a）によって決められる。そして、第１の止め部材
（14）のテーパ面（17）が、位置決め治具（30）の角の
端縁（31）に当接する位置まで、第２の保護部材（18）
をネジ込み、この位置で止めネジ（20）を締付けて位置
決めをする。

最後に、位置決め治具（30）を取り外し、代わりに第２
の止め部材（21）を取り付けて固定ネジ（22）によって
固定する。このときの状態は第６図に示してあり、第１
の止め部材（14）と第２の止め部材（21）の間に所要の
クリアランス（ｄ_２）が形成されている。このクリアラ
ンス（ｄ_２）は、上式と同様に次式で決定される。

ここで、Ｌ_２は第２の止め部材（21）の空間（23）の角
の端縁（32）の直径、ｌ_２は位置決め治具（30）の角の
端縁（31）の直径、θ_２は第１の止め部材（14）のテー
パ面（17）の勾配である。

次に、上記センサ（１）の中心軸方向に直交する方向す
なわち半径方向の相対的変位を抑制する半径方向変位抑
制手段（33）について説明する。

この手段（33）は、第７図に見るように、力センサ
（１）の中心軸方向に延びる、プレート部（３）の内部
に挿入された変位抑制ピン（34）と、プレート部（２）
に形成された、ピン（34）が係合可能な係合孔（35）か
ら構成されている。ピン（34）は、先端部の先細のテー
パ部（34a）、基端部のネジ部（34b）およびそれらの間
のストレート部（34c）から成り、ネジ部（34b）をプレ
ート部（３）のネジ孔（36）に螺合すると共に、ストレ
ート部（34c）を案内部として上記力センサ（１）の中
心軸方向に移動可能となっている。

テーパ部（34a）の先端は、係合孔（35）の内側に入り
込んでおり、係合孔（35）の内面とテーパ部（34a）の
間にクリアランス（ｄ_３）が形成されている。テーパ部
（34a）の形状は、先端を係合孔（35）の中に入れてい
くと、テーパ部（34a）のいずれかの位置で係合孔（3
5）と当接するように設計されている。プレート部
（３）のネジ孔（36）には、ピン（34）の緩み止めナッ
ト（37）が螺合されており、クリアランス（ｄ_３）の設
定が狂わないようにしている。

上記クリアランス（ｄ_３）の調節は、次のようにして行
う。すなわち、プレート部（３）のネジ孔（36）にピン
（34）を螺合し、テーパ部（34a）が係合孔（35）に接
触するまでネジ込む。続いて、ピン（34）を反対側に回
転して緩め、上記クリアランス（ｄ_３）を生じさせるの
である。このときの緩め量は次式で求めることができ
る。

ここに、θ_３は、ピン（34）のテーパ部（34a）の勾配
である。

次に、以上の構成とした過負荷保護装置の作動状態につ
いて説明する。

力センサ（１）のプレート部（２）（３）の一方に負荷
が作用すると、両プレート部（２）（３）は相対的に変
位する。この負荷が定格以下のときは、力センサ（１）
の中心軸方向には第１の保護部材（９）と第１および第
２の止め部材（14）（21）の間のクリアランス（ｄ_１）
（ｄ_２）のためにこれらは接触することがなく、また半
径方向にはピン（34）と係合孔（35）の間のクリアラン
ス（ｄ_３）のためにこれらは接触しない。従って、力セ
ンサ（１）は通常の感知動作を行うことができる。

最大定格以上の負荷が作用すると、それに応じて相対的
変位が大きくなるが、上記の軸方向変位抑制手段（25）
と半径方向変位抑制手段（33）によって、この変位は抑
制される。すなわち、軸方向の変位は、両プレート部
（２）（３）が近ずく方向では第１の保護部材（９）が
第１の止め部材（14）と接触し、両プレート部（２）
（３）が離れる方向では第１の止め部材（14）が第２の
止め部材（21）と接触するため、過大な変位を抑制する
ことができる。また、半径方向の変位は、ピン（34）が
係合孔（35）の壁面に接触するために、過大な変位を抑
制することができる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、この発明は、各クリア
ランス（ｄ_１）（ｄ_２）（ｄ_３）を微小な値に設定する
ことができる、力センサ（１）の剛性を全く損なうこと
なく過負荷から力センサ（１）を保護することができ
る。また、各クリアランス（ｄ_１）（ｄ_２）（ｄ_３）を
形成する２つの部分の一方がテーパとされているので、
力センサ（１）の変形許容量すなわち各クリアランス
（ｄ_１）（ｄ_２）（ｄ_３）の大きさの調節を容易かつ精
確に行うことができ、従って作業時間も短くてすむ、と
いう優れた効果を有する。

さらに、第１および第２の保護部材（９）（18）、第１
および第２の止め部材（14）（21）、ピン（34）および
係合孔（35）等の機械加工は、従来のように高精度が要
求されないため、精度出しが容易であり、従って、加工
ないし組立コストの低減化が可能であると共に、個々の
製品間のバラツキが小さく再現性が確保できる、という
効果も有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の過負荷保護装置の１実施例を示す
半断面正面図。第２図は、同平面図。第３図〜第６図
は、軸方向変位抑制手段を組立てる工程を示す部分断面
説明図であって、第３図は第１の保護部材の位置決めを
する工程、第４図は第１の止め部材を取り付けた状態、
第５図は第２の保護部材の位置決めをする工程、第６図
は第２の止め部材を取り付けた状態をそれぞれ示すもの
である。第７図は、半径方向変位抑制手段を示す部分断
面図。 （１）……力センサ、（２）（３）……プレート部 （４）……ブリッジ部、（９）……第１の保護部材 （12）（17）……テーパ面、（13）（19）……ネジ部 （14）……第１の止め部材、（15）……平坦面 （16）……凹溝、（18）……第２の保護部材 （21）……第２の止め部材、（23）……空間 （24）……平坦面、（25）……軸方向変位抑制手段 （26）（30）……位置決め治具、（27）……凹溝 （28）（29）（31）（32）……端縁 （33）……半径方向変位抑制手段 （34）……ピン、（34a）……テーパ部、（34b）……ネ
ジ部 （34c）……ストレート部、（35）……係合孔 （36）……ネジ孔

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一対の平行なプレート部（２）（３）を複
   数のブリッジ部（４）で連結して成る力センサ（１）の
   過負荷保護装置において、 上記プレート部（２）（３）間の上記力センサ（１）の
   中心軸方向の相対的変位を抑制する軸方向変位抑制手段
   （25）と、中心軸に直交する半径方向の相対的変位を抑
   制する半径方向変位抑制手段（33）とを備えており、 上記軸方向変位抑制手段（25）は、上記力センサ（１）
   の外側にその中心軸と同軸となるように設けられ、かつ
   上記プレート部（２）（３）のいずれか一方に固定され
   た第一の筒状の保護部材（９）と、 上記プレート部（２）（３）のうちの上記第１の保護部
   材（９）が固定されていない側のプレート部（２または
   ３）に固定された第１の止め部材（14）と、 上記第１の保護部材（９）に螺合されて上記センサ
   （１）の中心軸方向に移動可能な第２の筒状の保護部材
   （18）と、 上記第２の保護部材（18）に固定された第２の止め部材
   （21）とから構成されており、 上記第１の保護部材（９）は、上記第１の止め部材（1
   4）の側に設けられたテーパ面（12）と上記第１の止め
   部材（14）との間にクリアランス（ｄ_１）を形成してお
   り、さらに、上記第２の保護部材（18）は、上記第１の
   止め部材（14）の上記第１の保護部材（９）とは反対側
   に設けられたテーパ面（17）と上記第２の止め部材（2
   1）との間にクリアランス（ｄ_２）を保って固定されて
   おり、 上記半径方向変位抑制手段（33）は、一方のプレート部
   （２または３）に取り付けられた上記力センサ（１）の
   中心軸方向に延びる変位抑制ピン（34）と、 他方のプレート部（３または２）に形成された上記変位
   抑制ピン（34）が係合可能な係合孔（35）とから構成さ
   れており、 しかも、上記変位抑制ピン（34）は、ネジ部（34b）に
   よって軸方向に移動可能であると共に、先端部に先細の
   テーパ部（34a）を有しており、かつ当該テーパ部（34
   a）と上記係合孔（35）との間にクリアランス（ｄ_３）
   を保って固定されていることを特徴とする装置。
2. 【請求項２】上記プレート部（２）（３）が円形であ
   り、上記第１および第２の保護部材（９）（18）が円筒
   状である請求項１に記載の装置。
3. 【請求項３】上記第１および第２の止め部材（14）（2
   1）が円環状である請求項２に記載の装置。
4. 【請求項４】上記第２の保護部材（18）が、その内側面
   に、上記第１の保護部材（９）の外側面に設けられたネ
   ジ部（13）に螺合するネジ部（19）を有している請求項
   １ないし３のいずれかに記載の装置。
5. 【請求項５】上記第１の保護部材（９）のテーパ面（1
   2）の一部が、上記第１の止め部材（14）の凹溝（16）
   の内側に入り込んでいる請求項１ないし４のいずれかに
   記載の装置。
6. 【請求項６】上記第１の止め部材（14）のテーパ面（1
   7）の一部が、上記第２の止め部材（21）の空間（23）
   の内側に入り込んでいる請求項４に記載の装置。