JPH0926368A - 力学量センサ装置用自動較正装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 自動的に力およびモーメントを変化させるこ
との可能な力学量センサ装置用の自動較正装置を提供す
ること。 【解決手段】 力学量センサ装置用自動較正装置が、力
学量センサ装置を固定、支持する支持台と、力学量セン
サ装置に対して所定の位置関係に設けられた摺動案内部
材に沿って往復動作可能に設けられた第１と第２のスラ
イド部材と、第１のスライド部材を往復動作させるため
の直線駆動装置と、第１と第２のスライド部材の間に設
けられた弾性付勢手段と、第２のスライド部材と共に直
線動作可能に設けられたロードセルと、ロードセルを介
して第２のスライド部材と力学量センサ装置とを連結す
るための連結部材と、ロードセルの出力端子と電気的に
接続され、ロードセルの出力信号に基づいて力学量セン
サ装置に負荷される力を所定の値にするように直線駆動
装置を制御する制御装置とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、歪ゲージ等の力学
量センサ装置用の自動較正装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】力学量センサには様々な種類が存在する
が、例えば歪ゲージは、弾性限界以内での変形により電
気抵抗が大きく変化する材料により形成された素子であ
り、歪ゲージに与えられた伸縮により生じる電気抵抗の
変化を測定することにより、歪ゲージの歪を知ることが
可能となる。ある部材に歪ゲージを取り付けて歪ゲージ
の電気抵抗を測定することにより、この部材の歪または
変形を測定することができる。この特性を利用して、受
感部材料として適当な部材の表面の所定位置に複数の歪
ゲージを配設し、既知の力またはモーメントが負荷され
たときの歪ゲージの電気抵抗を予め較正して、力学量セ
ンサ装置を形成することができる。すなわち、上記の受
感部材料に未知の力またはモーメントが負荷されたとき
に、歪ゲージの電気抵抗を測定することにより、この負
荷された力またはモーメントを測定することができる。
実際には、力学量センサ装置では、歪ゲージでブリッジ
回路を構成して、入力電圧に対する出力電圧を測定する
こととなる。

【０００３】例えば、図４を参照すると、上記力学量セ
ンサ装置の一例として、ロボットの動作に関する力の感
覚を検知する力覚センサ５０が図示されている。力覚セ
ンサ５０は、ロボットアームやエンドエフェクタ（図示
せず）に該力覚センサ５０を取り付けるためのフランジ
部５０ａ、５０ｃと、受感部材料としての胴体部５０ｂ
とを有している。力覚センサ５０は、胴体部５０ｂ内部
に複数の歪ゲージ（図示せず）が配設されており、フラ
ンジ部５０ａ、５０ｃと胴体部５０ｂとの間に作用する
力およびモーメントを、例えば、図４に示す座標系の各
成分に分解して検出することができる。

【０００４】周知のように、歪ゲージでブリッジ回路を
構成することにより、理論的には歪ゲージの変形または
変位に概ね比例した出力電圧が得られるが、実際上は、
歪ゲージの変形または変位と出力電圧との関係は、個々
の歪ゲージごとに異なっているのみならず厳密には比例
関係とはなっていない。従って、精密な測定値が必要な
場合には、個々の歪ゲージごとに較正する必要がある。
更には、図４の力覚センサ５０のように１つの力学量セ
ンサ装置として構成されている場合には、受感部材料と
しての胴体部５０ｂの弾性変形特性や、内部の歪ゲージ
の配置や、複数の歪ゲージ間の特性など力学量センサ装
置の特性に影響を与える因子が多数存在するので、個々
の力学量センサ装置ごとに個別に較正しなければならな
い。

【０００５】従来技術による力学量センサ装置用較正装
置として、図５に力覚センサ５０用の較正装置を図示す
る。図５において較正装置６０は、支持部材６４に鉛直
に立設された支柱６２と、力覚センサ５０を取り付ける
ための取付部材６６とを具備している。取付部材６６
は、支柱６２から前方に水平に延びるように支柱６２に
固着されている。図５では、取付部材６６の水平上面に
力覚センサ５０が取り付けられている。次いで、力覚セ
ンサ５０を下部フランジ５０ｃにおいて水平上面６６ａ
に固定したの後に、上部フランジ５０ａにクロスバー６
８が取付、固定される。較正装置６０は、力覚センサ５
０を取付部６６の鉛直前面６６ｂに取り付け、クロスバ
ー６８を鉛直平面内に配置することもできる。

【０００６】クロスバー６８の先端部にハンガー７２を
介して分銅７０が吊下げられる。分銅７０は重量精度の
保証された精密級の分銅である。分銅７０の重量および
ハンガー７２の吊下げ位置を変えることにより、力覚セ
ンサ５０に負荷される力およびモーメントを変化させる
ことができる。こうして、ある分銅７０の重量とハンガ
ー７２の吊下げ方法に対して、力覚センサ５０に負荷さ
れる力およびモーメントが計算される。力覚センサ５０
に負荷される力およびモーメントを種々に変化させて力
覚センサ５０出力電圧を測定することにより、力および
モーメントと電圧との関係を較正することが可能とな
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】然しながら従来技術に
よる較正装置では、既述のようにクロスバーに釣り下げ
る分銅を種々に組み合わせることにより力学量センサ装
置に負荷される力およびモーメントを変化させるので、
較正を行う作業者は多数の分銅を取り扱う重労働を強い
られると共に、作業時間も長くなる問題がある。

【０００８】本発明は、こうした従来技術の問題点を解
決することを技術課題としており、自動的に力およびモ
ーメントを変化させることの可能な力学量センサ装置用
の自動較正装置を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、力学量センサ
装置用自動較正装置において、前記力学量センサ装置を
固定、支持するための支持台と、前記力学量センサ装置
に対して所定の位置関係に設けられた摺動案内部材に沿
って往復動作可能に設けられた第１と第２のスライド部
材と、前記第１と第２のスライド部材の間に設けられた
弾性付勢手段と、前記第２のスライド部材と共に直線動
作可能に設けられたロードセルと、前記ロードセルを介
して前記第２のスライド部材と前記力学量センサ装置と
を連結するための連結部材と、前記ロードセルの出力端
子と電気的に接続され、ロードセルの出力信号に基づい
て前記力学量センサ装置に負荷される力を所定の値にす
るように前記直線駆動装置を制御する制御装置とを具備
する力学量センサ装置用自動較正装置を要旨とする。

【００１０】直線駆動装置により第１のスライド部材が
所定の直線に沿って移動する。第１のスライド部材が移
動することにより、第２のスライド部材が弾性付勢手段
により付勢される。第２のスライド部材が付勢される
と、連結部材を通じて較正すべき力学量センサ装置に荷
重が負荷される。力学量センサ装置への荷重はロードセ
ルにより測定される。ロードセルからの出力信号に基づ
いて直線駆動装置が制御される。

【００１１】更に、本発明では、前記直線駆動装置は正
逆２方向に回転可能なサーボモータと、前記サーボモー
タの回転軸に連結されたボールネジとを具備することが
できる。また、前記直線駆動装置はリニアモータを具備
していてもよい。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１、２を参照すると、本発明の
好ましい実施の形態による自動較正装置１０は、鉛直に
配置された取付プレート１２と、該取付プレート１２に
鉛直平行に取り付けられた一対の荷重装置１０ａ、１０
ｂを具備している。取付プレート１２の下部には支持台
３８が設けられている。較正すべき力学量センサ装置が
支持台３８の上面に固定、支持される。図１では、上記
力学量センサ装置として、図４に示した力覚センサ５０
が図示されている。力覚センサ５０の上部フランジ部５
０ａには、クロスバー３４が水平に固定されている。ク
ロスバー３４は、従来技術として図５に示した較正装置
６０で使用されているクロスバー６８と同一の構成を有
している。

【００１３】荷重装置１０ａ、１０ｂは同一の構成を有
しており、同じ構成要素には同じ参照番号が付されてい
る。荷重装置１０ａ、１０ｂは、直線駆動手段として正
逆両方向に回転可能なサーボモータ１４と、ボールネジ
２０と、ナット２２とを具備している。サーボモータ１
４は取付プレート１２上方部に固定されたブラケット１
４ａに、その回転軸線が鉛直となるように取り付けられ
ている。サーボモータ１４の回転軸はカップリング１６
を介してボールネジ２０に連結されている。ボールネジ
２０は取付プレート１２に固定された軸受１８により、
その中心軸線がサーボモータ１４の回転軸の中心軸線と
合致するように回転自在に支持されている。サーボモー
タ１４は、自動較正装置１０の制御装置（図示せず）に
電気的に接続されており回転方向および回転量が制御さ
れる。

【００１４】荷重装置１０ａ、１０ｂは、更に、力覚セ
ンサ５０に対して所定の位置に設けられた摺動案内部材
として本実施形態において鉛直に配置されたリニアガイ
ド４０と、リニアガイド４０に沿って鉛直方向に上動、
下動可能に設けられた第１と第２のスライド部材２４、
２８とを具備している。第１のスライド部材２４は概ね
板状の部材であり、上端部から前方に延設された上端張
出部２４ａと、下端部から前方に延設された下端張出部
２４ｂと、背面に設けられた摺動部２４ｃとを具備して
いる。摺動部２４ｃはリニアガイド４０に沿って摺動自
在に設けられている。上端張出部２４ａには貫通孔が形
成されており、該貫通孔にボールネジ２０と係合するナ
ット２２が嵌設されている。

【００１５】第１のスライド部材２４の下端張出部２４
ｂには貫通孔が形成されており、該貫通孔に連結棒２６
が挿通されている。連結棒２６の下端部にはネジ部（図
示せず）が形成されている。図示するように、連結棒２
６の上端部は下端張出部２４ｂの上面から上方に突き出
ており、下端部は下端張出部２４ｂの下面から下方に突
き出ている。連結棒２６の下端部は第２のスライド部材
２８の上端張出部２８ａのネジ孔（図示せず）に螺合さ
れている。連結棒２６の上端近傍にはストッパリング２
６ａが固着されている。ストッパリング２６ａと下端張
出部２４ｂの上面との間に、弾性付勢手段として第１の
コイルバネ２５ａが連結棒２６を中心として配設されて
いる。図示する実施例では、第１のコイルバネ２５ａは
ストッパリング２６ａと下端張出部２４ｂの上面とに取
着されていないが、第１のコイルバネ２５ａの上端をス
トッパリング２６ａに固着し、下端を第１のスライド部
材２４の下端張出部２４ｂに固着してもよい。

【００１６】第２のスライド部材２８も同様に板状の部
材であり、上端部から前方に延設された上端張出部２８
ａと、背面に設けられた摺動部２８ｂとを具備してい
る。摺動部２８ｂはリニアガイド４０に沿って摺動自在
に設けられている。上端張出部２８ａには連結棒２６の
先端のネジ部と係合するネジ孔（図示せず）が形成され
ている。第１のスライド部材２４の下端張出部２４ｂ
と、第２のスライド部材２８の上端張出部２８ａとの間
には、弾性付勢手段として第２のコイルバネ２５ｂが連
結棒２６を中心として配設されている。図示する実施例
では、第２のコイルバネ２５ｂは、第１のスライド部材
２４の下端張出部２４ｂと、第２のスライド部材２８の
上端張出部２８ａとに取着されていないが、第２のコイ
ルバネ２５ｂの上端を第１のスライド部材２４の下端張
出部２４ｂの下面に固着し、第２のコイルバネ２５ｂの
下端を第２のスライド部材２８の上端張出部２８ａの上
面に固着してもよい。

【００１７】第２のスライド部材２８の上端張出部２８
ａの下面には、精密に較正されたロードセル３０が第２
のスライド部材２８と共に鉛直方向に上動、下動できる
ように取り付けられている。ロードセル３０の出力端は
適当な電線（図示せず）を介して自動較正装置１０の制
御装置（図示せず）に接続されている。ロードセル３０
の下端部にはヨーク３２が、該ロードセル３０と共に鉛
直方向に上動、下動できるように取り付けられている。

【００１８】ヨーク３２は概ね矩形の板状の部材であり
下端近傍に貫通孔３２ａが形成されている。貫通孔３２
ａは概ね矩形の断面を有している。貫通孔３２ａにクロ
スバー３４の腕部３４ａが挿通される。ヨーク３２とク
ロスバー３４とが一点で接触できるように、腕部３４ａ
の先端部には適当な係合部が設けられている。この係合
部は、例えば、図３に示すようにボールにて構成するこ
とができる。すなわち、図３を参照すると、腕部３４ａ
の先端部には４つの側面（図３では上下の２つの側面）
にボール３４ｂ、３４ｃが、各々の一部を腕部３４ａに
埋設した状態で固着されている。ヨーク３２が下動する
と、上側のボール３４ｂが貫通孔３２ａの上面３２ｃと
係合する。ヨーク３２が上動すると、下側のボール３４
ｃが貫通孔３２ａの下面３２ｄと係合する。従って、ヨ
ーク３２が上動または下動するとき、クロスバー３４は
腕部３４ａの両端においてヨーク３２と１点で係合し、
ヨーク３２からクロスバー３４に正確に鉛直方向の力の
みが作用することなる。

【００１９】以下、自動較正装置１０の作用を説明す
る。サーボモータ１４が回転すると、この回転はカップ
リング１６を介してボールネジ２０に伝達される。ボー
ルネジ２０が回転すると、該ボールネジ２０と係合する
ナット２２が取り付けられた第１のスライド部材２４が
鉛直方向に上下に動作する。第１のスライド部材２４の
移動方向および移動量は、サーボモータ２０の回転方向
および回転量により決定される。

【００２０】第１と第２のコイルバネ２５ａ、２５ｂ
が、ストッパリング２６ａと下端張出部２４ｂの上面、
および、第１のスライド部材２４の下端張出部２４ｂと
第２のスライド部材２８の上端張出部２８ａとに取着さ
れていない場合には、第１のスライド部材２４が下動す
ると、第１のコイルバネ２５ａはストッパリング２６ａ
から離反して自由状態となり、第２のコイルバネ２５ｂ
は圧縮される。第２のコイルバネ２５ｂが圧縮される
と、第２のスライド部材２８は第２のコイルバネ２５ｂ
により下方に付勢される。このとき、第１のコイルバネ
２５ａから第２のスライド部材２８には力は作用しな
い。

【００２１】第１のスライド部材２４は上動すると、第
１のコイルバネ２５ａが圧縮され、第２のコイルバネ２
５ｂは第１のスライド部材２４の下端張出部２４ｂの下
面から離反して自由状態となる。第１のコイルバネ２５
ａが圧縮されると、第２のスライド部材２８は、連結部
材２６を介して、第１のコイルバネ２５ａにより上方に
付勢される。このとき第２のコイルバネ２５ａから第２
のスライド部材２８には力は作用しない。

【００２２】第１と第２のコイルバネ２５ａ、２５ｂ
が、ストッパリング２６ａと下端張出部２４ｂの上面、
および、第１のスライド部材２４の下端張出部２４ｂと
第２のスライド部材２８の上端張出部２８ａとに固着さ
れていない場合には、第１のスライド部材２４が下動す
ると、第１のコイルバネ２５ａが引き延ばされ、第２の
コイルバネ２５ｂが圧縮される。第１のコイルバネ２５
ａが伸長すると連結棒２６が下方に付勢され、連結棒２
６を介して第２のスライド部材２８が下方に付勢され
る。また、第２のコイルバネ２５ｂが圧縮されると、第
２のスライド部材２８は第２のコイルバネ２５ｂにより
下方に付勢される。従って、第１のスライド部材２４が
下動すると、第２のスライド部材２４は第１と第２のの
コイルバネ２５ａ、２５ｂにより弾性的に下方に付勢さ
れる。

【００２３】第１のスライド部材２４が上動すると、第
１のコイルバネ２５ａが圧縮され、第２のコイルバネ２
５ｂが引き延ばされる。第１のコイルバネ２５ａが圧縮
されると連結棒２６が上方に付勢され、連結棒２６を介
して第２のスライド部材２８が上方に付勢される。ま
た、第２のコイルバネ２５ｂが伸長すると第２のスライ
ド部材２８が弾性的に上方に付勢される。従って、第２
のスライド部材２４が上動すると、第２のスライド部材
２８は、第１と第２のコイルバネ２５ａ、２５ｂにより
弾性的に上方に付勢される。

【００２４】このとき、荷重装置１０によりクロスバー
３４に負荷される力はロードセル３０により測定され、
測定値に対応する出力信号が自動較正装置１０の制御装
置に送信される。クロスバー３４に負荷される力が所定
の値となるように、ロードセル３０からの出力信号に基
づいてサーボモータ１４の回転方向および回転量が制御
される。更に、クロスバー３４の形状、寸法データを予
め前記制御装置内に保持させておくことにより、力覚セ
ンサ５０に負荷される力およびモーメントを自動的に演
算することが可能である。

【００２５】周知のように、固体は弾性定数が非常に大
きいために、僅かの変位で応力が大きく変化する。従っ
て、図１の自動較正装置１０において弾性付勢手段とし
ての第１と第２のコイルバネ２５ａ、２５ｂを省略する
と、サーボモータ１４の僅かの回転によりクロスバー３
４に負荷される力は大きく変化してしまう。第１と第２
のコイルバネ２５ａ、２５ｂを第１と第２のスライド部
材２４、２８の間に配設することにより、クロスバー３
４を弾性的に付勢することが可能となり、サーボモータ
１４の回転により、クロスバー３４に負荷される力を精
密に変化させることが可能となる。

【００２６】また、力覚センサ５０を取付プレート１２
の鉛直取付面３８ａに取り付けて、クロスバー３４を図
１において二点鎖線で示すように配置して、力覚センサ
５０の較正を行うこともできる。

【００２７】本発明の好ましい実施の形態を説明した
が、本発明がこの実施形態に限定されず、その精神と範
囲とを逸脱することなく種々の変形と改良とが可能であ
ることは当業者の当然とするとことろである。例えば、
既述の実施形態では自動較正装置は一対の荷重装置を具
備するように説明したが、自動較正装置は１つの荷重装
置または３以上の荷重装置を具備していてもよい。更に
は、荷重装置は鉛直配置でなくとも水平に配置されてい
てもよい。更には、荷重装置は平行に配置されていなく
ともよい。要するに、自動較正装置は、所望の力または
モーメントを較正すべき力学量センサ装置に負荷できる
ように適宜の数の荷重装置が適宜の方向に配置されてい
ればよい。

【００２８】更に、較正すべき力学量センサ装置は、図
４に示すような力覚センサでなくともよい。要は、力学
量として力またはモーメント若くはその両者を測定可能
であれば、如何なる力学量センサ装置であってもよい。
既述の実施形態では、直線駆動装置として、サーボモー
タ、ボールネジ、ナットによる構成を説明したが、例え
ばリニアモータを使用してもよい。

【００２９】既述の実施形態では、弾性付勢手段として
２つのコイルバネを例に説明したが、弾性付勢手段は第
１と第２のスライド部材の間に設けられた１つのコイル
バネであってもよい。更には、弾性付勢手段は空気バネ
であってもよい。更に、既述の実施形態では、 第２の
スライド部材と力覚センサとを連結するための連結部材
として、ヨークとクロスバーとを一例に説明したが、荷
重装置の個数や配置により、他の連結部材を使用するこ
ともできる。

【００３０】

【発明の効果】本発明の自動較正装置によれば、力学量
センサ装置に負荷される力およびモーメントを自動的に
変化させることが可能であり、すべての較正作業を自動
化することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による自動較正装置の正面図で
ある。

【図２】本発明の実施例による自動較正装置の側面図で
ある。

【図３】クロスバー先端部とヨークとの係合部の拡大断
面図である。

【図４】力覚センサの略示斜視図である。

【図５】従来技術による力覚センサの較正装置の略示斜
視図である。

【符号の説明】

１０…自動較正装置 １４…サーボモータ ２０…ボールネジ ２２…ナット ２４…第１のスライド部材 ２５ａ…コイルバネ ２５ｂ…コイルバネ ２８…第２のスライド部材 ３０…ロードセル ３４…クロスバー ５０…力覚センサ ４０…リニアガイド

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 力学量センサ装置用自動較正装置におい
   て、 前記力学量センサ装置を固定、支持するための支持台
   と、 前記力学量センサ装置に対して所定の位置関係に設けら
   れた摺動案内部材に沿って往復動作可能に設けられた第
   １と第２のスライド部材と、 前記第１のスライド部材を往復動作させるための直線駆
   動装置と、 前記第１と第２のスライド部材の間に設けられた弾性付
   勢手段と、 前記第２のスライド部材と共に直線動作可能に設けられ
   たロードセルと、 前記ロードセルを介して前記第２のスライド部材と前記
   力学量センサ装置とを連結するための連結部材と、 前記ロードセルの出力端子と電気的に接続され、ロード
   セルの出力信号に基づいて前記力学量センサ装置に負荷
   される力を所定の値にするように前記直線駆動装置を制
   御する制御装置とを具備する力学量センサ装置用自動較
   正装置。
2. 【請求項２】 前記直線駆動装置は、正逆２方向に回転
   可能なサーボモータと、前記サーボモータの回転軸に連
   結されたボールネジとを具備する請求項１に記載の自動
   較正装置。
3. 【請求項３】 前記直線駆動装置はリニアモータを具備
   する請求項１に記載の自動較正装置。