(57)【要約】【課題】  多軸方向の外力から保護するストッパ構造をより容易に設けることのできる多軸センサを提供することができる。【解決手段】  多軸センサ１０は、中央部分に位置する平板形状の第１領域部１と、第１領域部１と一体に弾性体を形成し、第１領域部１の少なくとも一部より外周側に位置する第２領域部２と、第１領域部１と第２領域部２との相対的な変位量に基づいて、多軸方向の力を検出する多軸力検出手段と、第１領域部１と第２領域部２が互いに第１テーパ面で周方向に対向し、対向する第１テーパ面が接触して、ストッパとして機能する第１ストッパ手段と、第１領域部１と第２領域部２が互いに第２テーパ面で径方向に対向し、対向する第２テーパ面が接触して、ストッパとして機能する第２ストッパ手段とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中央部分に位置する平板形状の第１領域部と、
前記第１領域部と一体に弾性体を形成し、前記第１領域部の少なくとも一部より外周側に位置する第２領域部と、
前記第１領域部と前記第２領域部との相対的な変位量に基づいて、多軸方向の力を検出する多軸力検出手段と、
前記第１領域部と前記第２領域部が互いに第１テーパ面で周方向に対向し、対向する前記第１テーパ面が接触して、ストッパとして機能する第１ストッパ手段と、
前記第１領域部と前記第２領域部が互いに第２テーパ面で径方向に対向し、対向する前記第２テーパ面が接触して、ストッパとして機能する第２ストッパ手段と
を備えたことを特徴とする多軸センサ。
【請求項２】
前記第１ストッパ手段は、少なくとも、前記平板形状の平面と垂直の垂直方向の力、前記垂直方向を軸とするモーメント、及び、前記平板形状の平面と平行の平行方向を軸とするモーメントに対するストッパとして機能し、
前記第２ストッパ手段は、少なくとも前記垂直方向の力に対するストッパとして機能すること
を特徴とする請求項１に記載の多軸センサ。
【請求項３】
前記第１ストッパ手段は、前記平行方向の力に対するストッパとして機能すること
を特徴とする請求項２に記載の多軸センサ。
【請求項４】
前記第２ストッパ手段は、前記平行方向の力に対するストッパとして機能すること
を特徴とする請求項２に記載の多軸センサ。
【請求項５】
前記第１ストッパ手段又は前記第２ストッパ手段がストッパとして機能する前に、前記第１領域部と前記第２領域部が接触しないように前記第１領域部又は前記第２領域部の少なくとも一方に設けられた切込み部
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の多軸センサ。
【請求項６】
前記弾性体は、ワイヤカット加工可能な形状であること
を特徴とする請求項１に記載の多軸センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多軸方向の力を検出する多軸センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、多軸センサでは、定格を超える過大な荷重が加わることによる損傷及び破壊から保護するために、ストッパ構造を設けることが知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２９３０７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、多軸センサの場合、複数方向に加わる外力を１つのストッパ構造で保護しようとすると、各部品の高精度な加工技術又は組立て後の複雑な調整が必要とされることが多い。一方、各軸方向の外力に対して個別にストッパ構造を設けると、部品点数が増え、センサ全体が大型化したり、製造コストが増加したりする。
【０００５】
本発明の実施形態の目的は、多軸方向の外力から保護するストッパ構造をより容易に設けることのできる多軸センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の観点に従った多軸センサは、中央部分に位置する平板形状の第１領域部と、前記第１領域部と一体に弾性体を形成し、前記第１領域部の少なくとも一部より外周側に位置する第２領域部と、前記第１領域部と前記第２領域部との相対的な変位量に基づいて、多軸方向の力を検出する多軸力検出手段と、前記第１領域部と前記第２領域部が互いに第１テーパ面で周方向に対向し、対向する前記第１テーパ面が接触して、ストッパとして機能する第１ストッパ手段と、前記第１領域部と前記第２領域部が互いに第２テーパ面で径方向に対向し、対向する前記第２テーパ面が接触して、ストッパとして機能する第２ストッパ手段とを備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の実施形態によれば、多軸方向の外力から保護するストッパ構造をより容易に設けることのできる多軸センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係る多軸センサの構成を斜め上方から見た斜視図。
【図２】実施形態に係る図１のストッパ構造部分をＡＡ’線で切断した断面図。
【図３】実施形態に係る図１のストッパ構造部分ＳＰをＢＢ’線で切断した断面図。
【図４】実施形態に係るストッパ構造部分のＺ軸方向の力に対する動作を表すイメージ図。
【図５】実施形態に係るストッパ構造部分のＸ軸又はＹ軸方向の力に対する動作を表すイメージ図。
【図６】実施形態に係るストッパ構造部分のＸ軸又はＹ軸モーメントに対する動作を表すイメージ図。
【図７】実施形態に係る多軸センサの製造方法を示すフロー図。
【図８】実施形態に係るストッパ構造部分の隙間を簡易的に示した簡易図。
【図９】実施形態に係る多軸センサの変形した構成を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係る多軸センサ１０の構成を斜め上方から見た斜視図である。
多軸センサ１０は、厚みのある平板形状である。多軸センサ１０の外形は、中心から所定の角度毎に同形状となる鍔型形状である。鍔型形状の表面は、円形又は多角形などである。例えば、多軸センサ１０は、ロボットなどに実装される。
【００１０】
多軸センサ１０は、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸モーメントＭｘ、Ｙ軸モーメントＭｙ、及び、Ｚ軸モーメントＭｚの６軸をそれぞれ検出する。ここで、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、それぞれ互いに直交し、Ｘ軸及びＹ軸で形成されるＸＹ平面は、多軸センサ１０の平面部分と平行である。Ｚ軸は、ＸＹ平面又は多軸センサ１０の平面部分と垂直である。
【００１１】
多軸センサ１０は、第１領域部１、第２領域部２、及び、複数の起歪体３を備える。なお、多軸センサ１０は、多軸方向の変位をそれぞれ検出するための検出回路、ベース、カバー、各種配線、又は、多軸センサ１０を実装箇所に取り付けるための取付部品などを必要に応じて備えるものとする。
【００１２】
第１領域部１及び第２領域部２は、金属などの材質により一体に形成される弾性体である。第１領域部１は、中心部に穴が設けられた環状に形成され、多軸センサ１０の中央部分（中心部分）に位置する。第２領域部２は、中心を第１領域部１の中心に重ねるようにし、第１領域部１の外周を覆うように位置する。なお、多軸センサ１０の弾性体は、第２領域部２が第１領域部１の少なくとも一部より外周側に位置していれば、どのような形状でもよい。例えば、第１領域部１の一部が第２領域部２の間又は外周側に位置してもよい。
【００１３】
第１領域部１は、可動部に取り付けられ、第２領域部２は、固定部に取り付けられる。多軸センサ１０は、第１領域部１と第２領域部２との相対的な変位量に基づいて、多軸（６軸）方向の力を検出する。なお、第１領域部１が固定部に取り付けられ、第２領域部２が可動部に取り付けられてもよい。例えば、多軸センサ１０がロボットの関節などに設けられる場合、第１領域部１及び第２領域部２のいずれか一方が、ロボットの手又は腕などに取り付けられ、他方がＺ軸方向を回転軸としたトルクを発生させる動力源となるモータ又は減速機などに取り付けられる。
【００１４】
複数の起歪体３は、中心から等間隔の角度で径方向に延びる向きが長手方向になるように配置され、第１領域部１と第２領域部２を接続する（跨ぐ）ように設けられる。なお、起歪体３は、第１領域部１と第２領域部２との相対的な変位による力が加わるように設けられていれば、どのように設けられてもよい。例えば、起歪体３は、第１領域部１と第２領域部２を接続する梁部を設け、この梁部に貼り付けるように設けられてもよい。起歪体３は、２つ以上であれば、いくつ設けられてもよいが、６軸を検出する力覚センサとして機能させるには、３つ以上必要となる。ここでは、中心から１２０度間隔で、３つの起歪体３が設けられた多軸センサ１０の構成を主に説明する。
【００１５】
起歪体３は、ベースとなる長方形の板形状の部材に、歪を検出するセンサの役割を果たす複数の歪ゲージが貼り付けられた構成である。歪ゲージは、変形すると電気的変位が生じるように構成される。なお、歪ゲージは、１つの起歪体３に対し、少なくとも１つ設けられていれば、いくつ設けられてもよいし、どのような向きに配置されてもよい。また、歪ゲージは、電気的に検出可能な変位が生じるものであれば、どのようなものでもよい。例えば、歪ゲージは、変形量に応じて、電気抵抗が変化してもよいし、電圧を発生させてもよい。多軸センサ１０は、これらの電気的変位を検出することにより、測定する軸方向の力のみを抽出するように演算を行うことで、各軸の力を測定する。
【００１６】
取付穴Ｈ１は、多軸センサ１０をベース等の固定側に取り付けるために、ボルトを通すためのネジ穴である。取付穴Ｈ２は、多軸センサ１０を可動部品等の可動側に取り付けるために、ボルトを通すためのネジ穴である。その他の穴については、軽量化又はセンサの検出感度を調整するためなどの理由で、肉抜き等により設けられたものである。
【００１７】
次に、ストッパ構造部分ＳＰについて説明する。
図２は、本実施形態に係る図１のストッパ構造部分ＳＰをＡＡ’線（Ｘ軸方向、径方向）で切断した断面図である。図３は、本実施形態に係る図１のストッパ構造部分ＳＰをＢＢ’線（Ｙ軸方向、周方向）で切断した断面図である。
【００１８】
ストッパ構造部分ＳＰは、第１領域部１の第１構造部分１１と第２領域部２の第２構造部分２１で構成される。第１構造部分１１及び第２構造部分２１のそれぞれが互いに対向する面は、互いに合わさるように傾斜が付けられたテーパ面である。対向する２つのテーパ面の間には、隙間が設けられる。この隙間が完全に密着することで、ストッパの役割を果たす。
【００１９】
図１では、３つのストッパ構造部分ＳＰを中心から均等の角度（１２０度）間隔で、周方向で起歪体３の間に配置した例を示しているが、ストッパ構造部分ＳＰは、いくつ設けてもよいし、どのように配置してもよい。ここでは、１つのストッパ構造部分ＳＰについて、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸を基準とした説明を説明するが、他のストッパ構造部分ＳＰについても同様である。
【００２０】
第１構造部分１１と第２構造部分２１が互いに対向する角には、切込み部ＣＬが設けられる。切込み部ＣＬを設けることで、第１構造部分１１と第２構造部分２１が互いにテーパ面で接触する前に、第１構造部分１１と第２構造部分２１の互いの角同士が接触して、意図しない形でストッパが働くことを避けることができる。
【００２１】
図２及び図３に示すように、テーパ面の間の隙間は傾斜になる。
図２に示すストッパ構造部分ＳＰのＸ軸方向の断面から分かるように、隙間が傾斜していることにより、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に隙間ができる。このため、この隙間は、Ｘ軸方向及びＺ軸方向のストッパになる。
【００２２】
図３に示すストッパ構造部分ＳＰのＹ軸方向の断面から分かるように、隙間が傾斜していることにより、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に隙間ができる。このため、この隙間は、Ｙ軸方向及びＺ軸方向のストッパになる。
第１領域部１にＺ軸方向の力Ｆｚが加わると、図４に示すように、第２構造部分２１のテーパ面が受け皿のようになり、第１構造部分１１のテーパ面を受け止める。これにより、Ｚ軸方向の力Ｆｚに対するストッパになる。
【００２３】
第１領域部１にＸ軸方向の力Ｆｘ又はＹ軸方向の力Ｆｙが加わると、図５に示すように、第１構造部分１１のテーパ面を第２構造部分２１のテーパ面で受け止める。これにより、Ｘ軸方向の力Ｆｘ又はＹ軸方向の力Ｆｙに対するストッパになる。
第１領域部１にＸ軸モーメントＭｘ又はＹ軸モーメントＭｙが加わると、図６に示すように、第１構造部分１１のテーパ面が第２構造部分２１のテーパ面と少なくとも１箇所で接触する。これにより、Ｘ軸モーメントＭｘ又はＹ軸モーメントＭｙに対するストッパになる。
【００２４】
なお、図２に示す互いに周方向（Ｘ軸方向）に対向するテーパ面と図３に示す互いに径方向（Ｙ軸方向）に対向するテーパ面とで、ストッパとしての役割をどのように分担してもよい。例えば、周方向に対向するテーパ面で、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｚ軸モーメントＭｚ、Ｘ軸モーメントＭｘ、及び、Ｙ軸モーメントＭｙに対するストッパとして主に機能させ、径方向に対向するテーパ面で、Ｚ軸方向の力Ｆｚに対するストッパとして主に機能させてもよい。
【００２５】
図７は、本実施形態に係る多軸センサ１０の製造方法を示すフロー図である。図８は、本実施形態に係るストッパ構造部分ＳＰの隙間を簡易的に示した簡易図である。
次に、多軸センサ１０の製造工程におけるストッパ構造部分ＳＰの隙間の決定方法について説明する。なお、ここで説明する多軸センサ１０の製造方法は、一例であり、必ずしもこのように製造しなくてもよい。
【００２６】
目的又は用途等に基づいて、多軸センサ１０の仕様を作成する（ステップＳ１０１）。作成された仕様に基づいて、ストッパ構造部分ＳＰを含む弾性体の設計をする（ステップＳ１０２）。
設計した弾性体に対して、定格時の６軸のそれぞれの力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚを印加する（ステップＳ１０３）。ここで、力の印加は、コンピュータシミュレーションで行ってもよいし、試作用に製造した弾性体に対して行ってもよいし、その他の方法で行ってもよい。また、印加する力は、定格に限らず、多軸センサ１０を実装した装置等の正常の運用時に印加される最大の力を超えなければ、どのような値でもよい。以降においても、定格については、同様に解釈するものとする。
【００２７】
印加した６軸の力Ｆｘ〜Ｍｚ毎に、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸のそれぞれの方向の変位量を求める（ステップＳ１０４）。求めた６軸の力Ｆｘ〜Ｍｚ毎の変位量の中からＸ軸の最大変位量Ｘ１ｍａｘ、Ｙ軸の最大変位量Ｙ１ｍａｘ及びＺ軸の最大変位量Ｚ１ｍａｘをそれぞれ求める（ステップＳ１０５）。
【００２８】
次に、定格時の６軸複合力を印加する（ステップＳ１０６）。定格時の６軸複合力とは、６軸の全ての力Ｆｘ〜Ｍｚが定格で同時に加えられる力である。定格時の６軸複合力を印加した時のＸ軸の変位量Ｘ６、Ｙ軸の変位量Ｙ６及びＺ軸の変位量Ｚ６をそれぞれ求める（ステップＳ１０７）。
【００２９】
先に求めたＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の最大変位量Ｘ１ｍａｘ，Ｙ１ｍａｘ，Ｚ１ｍａｘと６軸複合力の印加時のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の変位量Ｘ６，Ｙ６，Ｚ６を、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各軸で比較し、大きい方を各軸の最大変位量Ｘｍａｘ，Ｙｍａｘ，Ｚｍａｘとする（ステップＳ１０８）。
【００３０】
このように決定されたＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の最大変位量Ｘｍａｘ，Ｙｍａｘ，Ｚｍａｘに基づいて、ストッパ構造部分ＳＰの隙間のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸のそれぞれの長さを決定する（ステップＳ１０９）。隙間のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸のそれぞれの長さは、決定されたＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の最大変位量Ｘｍａｘ，Ｙｍａｘ，Ｚｍａｘと同じにしてもよいし、これよりも多少余裕を持たせた長さとしてもよい。
【００３１】
決定したストッパ構造部分ＳＰの隙間で、弾性体の材料安全率に問題がないかを検討する（ステップＳ１１０）。例えば、隙間の範囲内で弾性体に最大の変位が生じた場合でも、弾性体の材料安全率が確保（例えば、材料安全率＞１）できるか否かを確認する。材料安全率に問題がある場合、弾性体の設計をやり直す（ステップＳ１１０のＮｏ、ステップＳ１０２）。
【００３２】
材料安全率に問題がない場合、決定したストッパ構造部分ＳＰの隙間に基づいて、ワイヤカット加工するための隙間の角度θ及びワイヤの線径φを求める（ステップＳ１１０のＹｅｓ、ステップＳ１１１）。ここで、隙間の角度θは、ＸＹ平面に対して、隙間（テーパ面）が傾いている角度を表すものとする。隙間のＺ軸方向の長さＺは、Ｚ＝φ／ｃｏｓθで表される。隙間のＸ軸方向の長さＸは、Ｘ＝φ／ｓｉｎθで表される。隙間のＹ軸方向の長さＹは、Ｘ軸方向の長さＸと同様に求まる。なお、Ｘ軸方向の長さＸとＹ軸方向の長さＹは、異なる長さにしてもよい。これらの式から、隙間の角度θ及びワイヤの線径φが求まる。
【００３３】
隙間の角度θ及びワイヤの線径φに基づいて、ワイヤカット加工が可能か否かを検討する（ステップＳ１１２）。例えば、ワイヤカット加工する装置が、求めた隙間の角度θでは対応できない場合、又は、求めたワイヤの線径φに対応するワイヤが無い場合などでは、ワイヤカット加工できないと判断する。
【００３４】
ワイヤカット加工が可能でないと判断された場合、弾性体の設計をやり直す（ステップＳ１１２のＮｏ、ステップＳ１０２）。なお、弾性体の設計をやり直す代わりに、隙間の各軸方向の長さＸ，Ｙ，Ｚを求め直してもよいし（ステップＳ１０９）、隙間の角度θ及びワイヤの線径φを求め直してもよいし（ステップＳ１１１）、その他の工程をやり直してもよい。
【００３５】
ワイヤカット加工可能と判断した場合、ワイヤカット加工により、材料から弾性体を切り出す（ステップＳ１１２のＹｅｓ、ステップＳ１１３）。これにより、弾性体が製造される。
なお、多軸センサ１０は、軽量化又はセンサの感度を上げるためなど、様々な目的に応じて、適宜形状を変更してもよい。例えば、図９に示す多軸センサ１０ａのように、図１に示す弾性体において、ストッパ構造部分ＳＰと第１領域部１の中央部分との間に、楕円形の環状部ＥＰを設けてもよい。これにより、ストッパ構造部分ＳＰによるストッパの動作点又はセンサの感度などを調整することができる。
【００３６】
本実施形態によれば、第１領域部１（可動部）と第２領域部２（固定部）を互いにテーパ面で接触させるストッパ構造部分ＳＰを設けることで、ＸＹ平面方向に働く力Ｆｘ，Ｆｙ，ＭｚとＺ軸方向に働く力Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙのそれぞれに対するストッパの動作点をそれぞれ独立して別々に設定することができる。
【００３７】
具体的には、第１領域部１と第２領域部２のそれぞれのテーパ面の間にある隙間のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸のそれぞれの長さを過負荷による弾性体の変位量より短くすることで、各軸方向のストッパの設定をすることができる。
また、ストッパ構造部分ＳＰは、第１領域部１と第２領域部２が互いに対向する面をテーパ面にすることで形成されるため、第１領域部１及び第２領域部２を含む弾性体の形状をワイヤカット加工可能な形状とすることができる。具体的には、求めた隙間のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の長さから、テーパ面の傾斜の角度θ及び隙間の間隔φを決定することで、ワイヤカット加工することができる。
【００３８】
ここで、ワイヤカット加工可能な形状とは、外形が直線（ワイヤ）で切り取ることにより形成可能な形状であり、具体的には、凹凸のない平面又は曲面で外形が形成される形状である。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、構成要素を削除、付加又は変更等をしてもよい。また、複数の実施形態について構成要素を組合せ又は交換等をすることで、新たな実施形態としてもよい。このような実施形態が上述した実施形態と直接的に異なるものであっても、本発明と同様の趣旨のものは、本発明の実施形態として説明したものとして、その説明を省略している。
【符号の説明】
【００３９】
１…第１領域部、２…第２領域部、３…起歪体、１０…多軸センサ、１１…第１構造部分、２１…第２構造部分、ＣＬ…切込み部、Ｈ１，Ｈ２…取付穴、ＳＰ…ストッパ構造部分。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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