JPH10293070A - 力センサの過負荷防護機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 １個所にまとめて形成され、あらゆる方向の
過大荷重に対する防護機能を発揮する力センサの過負荷
防護機構を提供する。 【解決手段】 平行プレート（フランジ）１、２の各々
に高剛性部３、４が堅固に結合され、ギャップｄ1 のク
リアランスＳ1 を形成する。高剛性部３、４には同軸で
ピン挿入孔５が形成され、耐負荷ピン８が挿入される。
フランジ１、２間に横方向の過大な荷重が加わると、細
径部１１とピン挿入孔５の内壁が接触し、円環クリアラ
ンスＳ2 のギャップｄ2 が一部で０となり、剛性が飛躍
的に増大して過大負荷から防護される。過大な縦方向引
っ張り荷重が加わると、クリアランスＳ3 のギャップｄ
3 が狭まり、凹部２ａとヘッド１２の接触が起こり、縦
方向の過大荷重に対する防護機能が発揮される。縦方向
圧縮荷重が加わると、高剛性部３、４が接触し合い、圧
縮荷重に対する防護機能が作動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は力センサの過負荷防
護機構に関し、更に詳しく言えば、対をなす平行なプレ
ートを複数のブリッジ部で連結した構造を有する力セン
サのための過負荷防護機構に関する。

【０００２】

【従来技術】１対の平行なプレート間を複数のブリッジ
部で連結した型の力センサは、例えば力制御を行なうロ
ボットにおける力の測定手段として広く使用されてい
る。図２はこのような型の力センサの本体部（センサボ
ディ）の概観を例示したものである。同図において、符
号２０で全体を指示されたセンサボディは１対の互いに
平行なプレート（フランジ）２１、２２を備え、これら
プレート２１、２２は、複数のブリッジ部２３〜２６で
連結されている。なお、本図では、ブリッジ部２５、２
６は背後に隠れているため、符号のみが記されている。

【０００３】これらブリッジ部２３〜２６の一部には歪
ゲージが取り付けられる低剛性領域が形成されており、
力センサに荷重が作用した時に歪ゲージに十分な変形を
惹起させるようになている。本例においては、各ブリッ
ジ部２３〜２６に、互いに直交に配向された２個づつの
凹部２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂ（ブリッジ部２
５、２６の凹部は不図示）が低剛性領域として設けら
れ、各凹部に１個づつの剪断歪ゲージ（図示省略）が取
り付けられる。

【０００４】センサボディに荷重が作用すると、各ブリ
ッジ部２３〜２６の凹部２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４
ｂが変形し、歪ゲージがそれに応じて歪む。その結果、
各歪ゲージに電気抵抗値の変化が生じる。この変化は周
知のブリッジ回路を介して電圧値として出力され、更に
所定の処理回路やソフトウェア処理によって６軸力に変
換される。なお、力センサに装備される歪ゲージとして
は、曲げ応力を検出するものも使用されている。

【０００５】このような力センサに定格を越えるような
過大な荷重が加わると、相対的に小さな剛性しか持たな
いブリッジ部２３〜２６、特に歪ゲージの設置部（凹部
２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂ）が大きく変形し、ブ
リッジ部２３〜２６あるいはそこに取り付けられた歪ゲ
ージを破損させる恐れがある。そこで、力センサに過大
な荷重が加えられた場合に、ブリッジ部２３〜２６を中
心に、力センサを破壊、損傷から防護するための過負荷
防護機構をブリッジ部あるいはその周辺に設けることが
提案されている。

【０００６】上記型の力センサに設ける過負荷防護機構
としては、ストッパ機構を利用したものが提案されてい
る。これは、力センサのブリッジ部の変形が所定の大き
さに達すると、それ以上の変形を阻止すべく大きな剛性
がブリッジ部周辺に自動的に発生するような機構を設け
ることで、力センサの破壊・損傷を防止しようとするも
のである。

【０００７】この種のストッパ機構の例として、例えば
特公平６−４３９３０号公報、特公平６−２９８０３号
公報、特公平６−２９８０４号公報の各公報に記載され
たものがある。これら従来技術においては、種々の方向
と向きを持つ変形を制限するために、複雑な機構が設け
られている。

【０００８】即ち、平行プレートと平行な方向の変形を
阻止する過負荷ストッパピン（耐負荷ピン）を設けるた
めに筒状の保護部材が必要であるだけでなく、平行プレ
ートと垂直な方向の変形（圧縮変形、引張り変形）を阻
止する過負荷ストッパピンのためにも複数種類の筒状保
護部材が必要となっている。このような筒状保護部材を
何種類もセンサボディに組み込むことは、製造コストの
上昇要因になる。

【０００９】また、高剛性を発生させる限界を定めるス
トッパギャップの調整を行なうためにテーパ面を利用す
ることが提案されているが、テーパ面をストッパギャッ
プ調整手段に用いると、大きな荷重によってストッパギ
ャップが埋まり過負荷ストッパピンがテーパ面に当接す
る時、点接触で大きな荷重に抗することになる。そのた
め、接触点周辺には内部応力が集中的に発生し、過大な
荷重が解消された後もストッパピンやテーパ面に変形や
打痕が生じ易い。このような変形や打痕が残ると、以後
の過負荷防護機能が十分に発揮されなくなるおそれがあ
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明の目的
は、対をなす平行プレート間を複数のブリッジ部で連結
した型の力センサに過負荷防護のために設けられるスト
ッパ機構を改良し、簡単な構造であらゆる方向の荷重に
対する過負荷防護機能を発揮出来るようにすることにあ
る。また、本発明は前記改良とともにストッパギャップ
の調整・設定が容易で、過大荷重印加時にストッパピン
やテーパ面に変形や打痕を生じ難くしたストッパ機構を
提供しようとするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、対をなす互い
に平行なプレート部を複数のブリッジ部で連結したセン
サボディを有する力センサに新規な過負荷防護機構を導
入することで上記技術課題を解決する。

【００１２】即ち、本発明に従った過負荷防護機構に
は、一方のプレート部に堅固に結合された第１の高剛性
部と、他方のプレート部に堅固に結合された第２の高剛
性部と、これら第１の高剛性部並びに第２の高剛性部を
同軸で穿つように形成されたピン挿入孔と、該ピン挿入
孔内に挿入可能な耐負荷ピンと、ピン挿入孔内における
耐負荷ピンの挿入位置を調整する挿入位置調整機構が設
けられる。

【００１３】第１の高剛性部と前記第２の高剛性部は第
１のクリアランスを形成するように対峙しており、ピン
挿入孔は入口部に孔開き凹部を有している。そして、耐
負荷ピンは、ピン挿入孔内への挿入時にピン挿入孔内壁
面との間に第２のクリアランスを形成する部分と、孔開
き凹部の底面との間に第３のクリアランスを形成する部
分を有している。第３のクリアランスは挿入位置調整機
構によって調整される耐負荷ピンの挿入位置によって調
整可能となっている。

【００１４】このような構造を持つ機構により、第１の
クリアランスは平行なプレート部間の距離を短縮するよ
うな圧縮荷重に関して高剛性を発生させる限界変形を定
め、第２のクリアランスは平行なプレート部と平行な任
意の方向に作用する荷重に関して高剛性を発生させる限
界変形を定め、第３のクリアランスは平行なプレート部
間の距離を拡大するような圧縮荷重に関して高剛性を発
生させる限界変形を定めることが出来る。

【００１５】ピン挿入孔内における耐負荷ピンの挿入位
置を調整する挿入位置調整機構は、耐負荷ピンと前記ピ
ン挿入孔の内周に形成された互いに累合し合うネジ機構
とすることが出来る。好ましくは、このネジ機構には耐
負荷ピンの回転を係止する係止機構が付設され、耐負荷
ピンの挿入位置によって定まる第３のクリアランスを堅
固に固定する。

【００１６】また、耐負荷ピンにつば状のヘッドを設
け、これをピン挿入孔内への挿入時に第３のクリアラン
スを形成する部分として利用することが出来る。更に、
耐負荷ピンには、つば状のヘッドに連なる細径部を設
け、これをピン挿入孔内への挿入時に前記第２のクリア
ランスを形成する部分として利用することが出来る。

【００１７】本発明を適用した力センサの平行プレート
間に横方向の過大な荷重が加わると、第２のクリアラン
スのギャップが一部で消失し、剛性が飛躍的に増大して
過大負荷から防護される。また、過大な縦方向引っ張り
荷重が加わると、第３のクリアランスのギャップが狭ま
り、縦方向の過大荷重に対する防護機能が発揮される。
更に、縦方向圧縮荷重が加わると、第１のクリアランス
のギャップが狭まり、高剛性部が接触し合い、圧縮荷重
に対する防護機能が作動する。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は本発明を適用した力センサ
の過負荷防護機構の概略を説明する図で、１対の平行な
プレート間を複数のブリッジ部で連結した型の力センサ
（図２はその例示）について、過負荷防護機構の関連部
分を抽出拡大断面図で示したものである。ここに述べる
過負荷防護機構は複数のブリッジ部のすべてに設けられ
ることが好ましいが、一部のブリッジ部のみに設けられ
ることも出来る。

【００１９】同図において、符号１、２はセンサボディ
の両端部にあって１対の互いに平行なプレート部を構成
するフランジを表わしている。併記された座標系を用い
て言えば、フランジ１、２間はＺ軸方向に延びる複数の
ブリッジ部で連結されており、本図にはその内の一つの
ブリッジ部の高剛性部３、４の断面（センサボディ全体
から言えば、円筒壁面の断面）が符号３、４で示されて
いる。なお、歪ゲージが取り付けられる低剛性部はここ
では図示されていないが、高剛性部３、４の紙面垂直方
向（センサボディ側面に沿った方向）に隣接して設けら
れている。

【００２０】高剛性部３、４は各々フランジ１、２と十
分な剛性をもって結合されており、フランジ１、２の突
起部あるいは延在部とみることも出来る。各高剛性部
３、４の先端部は、狭いギャップｄ1 を有するクリアラ
ンス（スリット）Ｓ1 を以て互いに対峙する関係にあ
る。また、フランジ１側の高剛性部３にはセンサボディ
内部の空洞Ｃを塞ぐように、蓋部材１７が取付ネジ孔１
５、取付ネジ１６を用いて取り付けられてられている。
符号１ａ、２ａは各フランジ１，２に設けられた開孔
で、ロボットやハンドとの接合のためのボルト挿入孔と
して利用される。

【００２１】そして、一方の高剛性部４を貫いて他方の
高剛性部３を同軸で穿つようにピン挿入孔５が形成さ
れ、このピン挿入孔５に耐負荷ピン８が挿入されてい
る。この構造は、本発明を適用した力センサに特徴的な
ものである。

【００２２】ピン挿入孔５の入口部２ｂはフランジ２の
凹部の形態を有し、この凹部から奥部に向かってピン挿
入孔５が延びている。即ち、入口部２ｂは孔開き凹部と
して形成されている。そして、ピン挿入孔５の奥部は雌
ネジ部７を有するネジ孔６となっている。耐負荷ピン８
は、ピン挿入孔５へ挿入前の状態で重複描示したよう
に、先端側から順に雄ネジ部９、大径部１０、小径部１
１並びにつば状のヘッド１２を備えている。

【００２３】つば状のヘッド１２の径は、大径部１０よ
り大きく、且つ、入口部２ｂの径より小さく設計され
る。また、雄ネジ部９と雌ネジ部７は、互いに累合し合
うように設計されている。大径部１０の径は、ピン挿入
並びに雄ネジ部９と雌ネジ部７の累合を可能にする条件
で最大とされ、ピン挿入時にはその外周がピン挿入孔５
の内壁にタイトに接する。

【００２４】耐負荷ピン８とピン挿入孔５がこのような
構造を有しているため、耐過負荷ピン８をその中心軸周
りで回転させ、挿入位置（±Ｚ軸方向位置）を調整する
とが出来る。そして、雌ネジ部７に設けられた係止ネジ
孔１３と累合し合う係止ネジ１４を締め付けることで、
耐負荷ピン８の回転を止め、挿入位置を固定させること
が出来るようになっている。

【００２５】耐負荷ピン８の挿入位置の調整は、ヘッド
１２とフランジ２の凹部２ｂの底部の間のクリアランス
Ｓ3 のギャップｄ3 を調整するために行なわれるもの
で、ギャップｄ3 の調整を通して、±Ｚ軸方向の引っ張
り変形について高剛性が発生する変形限界が定められ
る。

【００２６】次に重要なことは、耐負荷ピン８の細径部
１１の存在によって、ピン挿入孔５の内壁と細径部１１
との間には円環状のクリアランス（円環スリット）Ｓ2
が形成されていることである。このクリアランスＳ2 の
ギャップｄ2 は、Ｚ軸周りの全方向の変形に関して高剛
性が発生する変形限界を定める。ギャップｄ2 の大きさ
は、ピン挿入孔５の内径と細径部１１の外径の設計、あ
るいは異なる外径を持つ過負荷ピン８との交換を通して
選択することが出来る。

【００２７】以上説明した構造を有するストッパ機構の
過負荷防護機能（耐負荷荷作用）の概要は次の通りであ
る。 （１）フランジ１、２間に横方向（Ｚ軸と垂直な任意の
方向）の荷重が加わった場合、荷重の方向と大きさに応
じて円環状のクリアランスＳ2 のギャップｄ2が各所で
変化する。即ち、圧縮応力が発生する部分ではギャップ
ｄ2 が狭まり、引っ張り応力が発生する部分ではギャッ
プｄ2 が広がる。

【００２８】横方向の荷重が限度を越えて大きい場合に
は、圧縮応力が発生する部分で耐負荷ピン８の細径部１
１の外周とピン挿入孔５の内壁との接触が起こり、ギャ
ップｄ2 がゼロとなる。このような接触が起ると、それ
以上の横方向変形（Ｚ軸と垂直な任意の方向の変形）に
対する抵抗力、即ち剛性が飛躍的に増大する。このよう
な作用を通して、横方向（Ｚ軸と垂直な任意の方向）に
加わる過大な荷重に対する防護機能が発揮される。

【００２９】中立状態におけるギャップｄ2 は、防護機
能が作動する荷重限界を左右する一つのファクタであ
る。一般に、中立状態におけるギャップｄ2 を小さく設
定する程比較的小さな荷重で防護機能を作動させること
が出来る。但し、防護機能が作動した状態では力センサ
は正常な検出出力を提供出来なくなることに注意する必
要がある。

【００３０】（２）フランジ１、２間に縦方向（±Ｚ軸
方向）の引っ張り荷重が加わった場合、クリアランス
（スリット）Ｓ3 のギャップｄ3 が狭まる。この荷重が
限度を越えて大きい場合には、フランジ２の凹部（ピン
挿入孔５の入り口部）２ｂの底部とこれに対向する耐負
荷ピン８のヘッド１２の面との接触が起こり、ギャップ
ｄ3 がゼロとなる。このような接触が起ると、それ以上
の縦方向の引っ張り変形に対する抵抗力、即ち剛性が飛
躍的に増大する。このような作用を通して、縦方向（フ
ランジ１、２間距離を増大させようとする方向）に加わ
る過大な荷重に対する防護機能が発揮される。

【００３１】クリアランスＳ2 の場合と同じく、中立状
態におけるギャップｄ3 は、防護機能が作動する荷重限
界を左右する一つのファクタである。一般に、中立状態
におけるギャップｄ3 を小さく設定する程比較的小さな
荷重で防護機能を作動させることが出来る。防護機能が
作動した状態では力センサは正常な検出出力を提供出来
なくなることも同様である。

【００３２】（３）フランジ１、２間に縦方向（±Ｚ軸
方向）の圧縮荷重が加わった場合、クリアランスＳ1 の
ギャップｄ1 が狭まる。この荷重が限度を越えて大きい
場合には、フランジ１、２に各々堅固に結合した高剛性
部３、４の接触が起こり、ギャップｄ1 がゼロとなる。
このような接触が起ると、それ以上の縦方向の圧縮変形
に対する抵抗力、即ち剛性が飛躍的に増大する。このよ
うな作用を通して、縦方向（フランジ１、２間距離を縮
小させようとする方向）に加わる過大な荷重に対する防
護機能が発揮される。

【００３３】クリアランスＳ2 、Ｓ3 の場合と同じく、
中立状態におけるギャップｄ1 は、防護機能が作動する
荷重限界を左右する一つのファクタであり、中立状態に
おけるギャップｄ1 を小さく設定する程比較的小さな荷
重で防護機能を作動させることが出来る。防護機能が作
動した状態では力センサは正常な検出出力を提供出来な
くなることも同様である。

【００３４】各クリアランスＳ1 、Ｓ2 、Ｓ3 の中立状
態におけるギャップｄ1 、ｄ2 、ｄ3 の調整・設定方法
をまとめて述べれば、次のようになる。クリアランスＳ
1 のギャップｄ1 の調整・設定に関しては、ワイヤカッ
ト放電加工の技術を適用することで、クリアランスＳ1
を高精度で管理することが可能である。

【００３５】クリアランスＳ2 のギャップｄ2 の調整・
設定に関しては、ピン挿入孔５の内径や、耐負荷ピン８
の細径部１１の外径を高精度の加工で定める必要がある
が、例えば前者についてはリーマ加工、後者については
旋盤による加工を適用すれば、かなりの高精度の加工が
可能である。

【００３６】そして、クリアランスＳ3 のギャップｄ3
に関しては、一旦ｄ3 ＝０となるまで耐負荷ピン８をピ
ン挿入孔５にねじ込んでから、耐負荷ピン８を反転させ
てｄ3 が意図する大きさになったところで回転操作を止
める。そして、係止ネジ１４で耐負荷ピン８（雄ネジ
部）を締め付けることで、ギャップｄ3 が固定される。
ギャップｄ3 の大きさは、耐負荷ピン８の回転を通して
調整されるので、雄雌ネジ部７、９のネジ目に適当な細
かさを持たせることで精密な調整を簡単に行えるという
利点がある。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
１個所にまとめて形成された簡単なストッパ機構にあら
ゆる方向の過大荷重に対する過負荷防護機能を発揮させ
ることが出来る。また、過負荷防護機能が作動する変形
限界を規定する各ギャップｄ1、ｄ2 、ｄ3 の調整・設
定を簡単な調整作業あるいは現実的に適用可能な高精度
加工技術によって行い得る。

【００３８】また、高剛性を発生させるための接触がい
ずれも点接触ではないので過大荷重印加時に部材の変形
や打痕が生じ難く、従ってそれによる性能低下も生じ難
い。従って、少ない部品と低いコストで実用的で安定し
た耐負荷特性を持った力センサの過負荷防護機構が提供
される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した力センサの過負荷防護機構の
概略を説明する図で、１対の平行なプレート間を低剛性
領域を有する複数のブリッジ部で連結した型の力センサ
（図１はその例示）について、過負荷防護機構の関連部
分を抽出拡大断面図で示したものである。

【図２】１対の平行なプレート間を低剛性領域を有する
複数のブリッジ部で連結した型の力センサの本体部（セ
ンサボディ）の概観を例示したものである。

【符号の説明】

１、２、２１、２２ フランジ（平行プレート対） １ａ、２ａ 開孔 ２ｂ ピン挿入孔の入口部 ３、４ 高剛性部 ５ ピン挿入孔 ６ ネジ孔 ７ 雌ネジ部 ８ 耐過負荷ピン ９ 雄ネジ部 １０ 大径部 １１ 小径部 １２ ピンヘッド １３ 係止ネジ孔 １４ 係止ネジ １５ 取付ネジ孔 １６ 取付ネジ １７ 蓋部材 ２３〜２６ ブリッジ部 ２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂ 凹部 Ｃ センサボディ内部の空洞 Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 クリアランス（スリット）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対をなす互いに平行なプレート部を複数
   のブリッジ部で連結したセンサボディを有する力センサ
   の過負荷防護機構において、 前記プレート部の一方に堅固に結合された第１の高剛性
   部と、 前記プレート部の他方に堅固に結合された第２の高剛性
   部と、 前記第１の高剛性部並びに第２の高剛性部を同軸で穿つ
   ように形成されたピン挿入孔と、 前記ピン挿入孔内に挿入可能な耐負荷ピンと、 前記ピン挿入孔内における前記耐負荷ピンの挿入位置を
   調整する挿入位置調整機構とを備え、 前記第１の高剛性部と前記第２の高剛性部は第１のクリ
   アランスを形成するように対峙しており、 前記ピン挿入孔は入口部に孔開き凹部を有しており、 前記耐負荷ピンは、前記ピン挿入孔内への挿入時に前記
   ピン挿入孔内壁面との間に第２のクリアランスを形成す
   る部分と、前記孔開き凹部の底面との間に第３のクリア
   ランスを形成する部分を有し、 前記第３のクリアランスは前記挿入位置調整機構によっ
   て調整される前記耐負荷ピンの挿入位置によって調整可
   能となっており、 第１のクリアランスは前記平行なプレート部間の距離を
   短縮するような圧縮荷重に関して高剛性を発生させる限
   界変形を定め、 第２のクリアランスは前記平行なプレート部と平行な任
   意の方向に作用する荷重に関して高剛性を発生させる限
   界変形を定め、 第３のクリアランスは前記平行なプレート部間の距離を
   拡大するような圧縮荷重に関して高剛性を発生させる限
   界変形を定めるようになっている、前記力センサの過負
   荷防護機構。
2. 【請求項２】 前記挿入位置調整機構が、前記耐負荷ピ
   ンと前記ピン挿入孔の内周に形成された互いに累合し合
   うネジ機構である、請求項１に記載された力センサの過
   負荷防護機構。
3. 【請求項３】 前記挿入位置調整機構が、前記耐負荷ピ
   ンと前記ピン挿入孔の内周に形成された互いに累合し合
   うネジ機構であり、前記ネジ機構には前記耐負荷ピンの
   回転を係止する係止機構が付設されている、請求項２に
   記載された力センサの過負荷防護機構。
4. 【請求項４】 前記耐負荷ピンはつば状のヘッドを有
   し、前記ピン挿入孔内への挿入時に前記第３のクリアラ
   ンスを形成する部分を前記ヘッドが提供している、請求
   項１〜請求項３のいずれか１項に記載された力センサの
   過負荷防護機構。
5. 【請求項５】 前記耐負荷ピンはつば状のヘッドに連な
   る細径部を有し、前記ピン挿入孔内への挿入時に前記第
   ２のクリアランスを形成する部分を前記細径部が提供し
   ている、請求項４に記載された力センサの過負荷防護機
   構。