(57)【要約】  本発明は、４つの圧電式フォース・トランスデューサー（４から４’’’）およびベース・プレート（２）を含むフォース・モーメント・センサー（１）であって、４つの圧電式フォース・トランスデューサー（４から４’’’）は、力を検出し、検出される力Ｆに関する測定信号を発生させ、フォース・モーメント・センサー（１）は、カバー・プレート（３）を含み、カバー・プレート（３）は、境界表面（３１）を含み、検出されることとなる力が、境界表面（３１）に作用し、フォース・モーメント・センサー（１）は、評価ユニット（６）を含み、評価ユニット（６）は、圧電式フォース・センサー（４から４’’’）の測定信号を評価し、ベース・プレート（２）は、圧電式フォース・トランスデューサー（４から４’’’）および評価ユニット（６）を収容するための少なくとも１つのキャビティー（２１から２１’’’、２２）を含み、圧電式フォース・センサー（４から４’’’）および評価ユニット（６）が、キャビティー（２１から２１’’’、２２）の中に配置されており、ベース・プレート（２）およびカバー・プレート（３）は、機械的に接続され、ハウジングを形成している。
2019530880.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
４つの圧電式フォース・トランスデューサー（４から４’’’）およびベース・プレート（２）を含むフォース・モーメント・センサー（１）であって、前記４つの圧電式フォース・トランスデューサー（４から４’’’）は、力を検出し、検出される力に関する測定信号を発生させる、フォース・モーメント・センサー（１）において、
前記フォース・モーメント・センサー（１）は、カバー・プレート（３）を含み、前記カバー・プレート（３）は、境界表面（３１）を含み、検出されることとなる前記力Ｆが、前記境界表面（３１）に作用し、前記フォース・モーメント・センサー（１）は、評価ユニット（６）を含み、前記評価ユニット（６）は、前記圧電式フォース・センサー（４から４’’’）の測定信号を評価し、前記ベース・プレート（２）は、前記圧電式フォース・トランスデューサー（４から４’’’）および前記評価ユニット（６）を収容するための少なくとも１つのキャビティー（２１から２１’’’、２２）を含み、前記圧電式フォース・トランスデューサー（４から４’’’）および前記評価ユニット（６）が、前記キャビティー（２１から２１’’’、２２）の中に配置されており、前記ベース・プレート（２）およびカバー・プレート（３）は、機械的に接続され、ハウジングを形成していることを特徴とする、フォース・モーメント・センサー（１）。
【請求項２】
請求項１に記載のフォース・モーメント・センサー（１）のためのフォース・トランスデューサー・モジュール（１４、１４’）であって、導電体（１１から１１’’）を介して評価ユニット（６）に電気的接触をしている４つの圧電式フォース・トランスデューサー（４から４’’’）が、前記フォース・トランスデューサー・モジュール（１４、１４’）を形成していることを特徴とする、フォース・トランスデューサー・モジュール（１４、１４’）。
【請求項３】
請求項２に記載のフォース・トランスデューサー・モジュール（１４、１４’）を含む、請求項１に記載のフォース・モーメント・センサー（１）であって、１つのフォース・トランスデューサー・モジュール（１４、１４’）が、前記ベース・プレート（２）の中に配置されているか、または、２つのフォース・トランスデューサー・モジュール（１４、１４’）が、前記ベース・プレート（２）の中に配置されていることを特徴とする、フォース・モーメント・センサー（１）。
【請求項４】
それぞれの圧電式フォース・トランスデューサー（４から４’’’）は、前記ベース・プレート（２）の中心（０）から半径方向に間隔を離して配置されたキャビティー（２１から２１’’’）の中に配置されており、前記評価ユニット（６）は、前記ベース・プレート（２）の前記中心（０）のキャビティー（２２）の中に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のフォース・モーメント・センサー（１）。
【請求項５】
前記ベース・プレート（２）の前記中心（０）に関して、前記評価ユニット（６）の前記キャビティー（２２）は、十字形状になっており、４つのレッグを含み、前記レッグは、半径方向に延在しており、圧電式フォース・トランスデューサー（４から４’’’）のキャビティー（２１から２１’’’）は、２つの直接的に隣接するレッグの間に配置されていることを特徴とする、請求項４に記載のフォース・モーメント・センサー（１）。
【請求項６】
２つの直接的に隣接するレッグは、移行領域において出会っており、前記ベース・プレート（２）は、それぞれの移行領域の中に貫通孔（２３から２３’’’）を含み、それぞれの貫通孔（２３から２３’’’）は、前記評価ユニット（６）の前記キャビティー（２２）から圧電式フォース・トランスデューサー（４から４’’’）のキャビティー（２１から２１’’’）へ半径方向に延在していることを特徴とする、請求項５に記載のフォース・モーメント・センサー（１）。
【請求項７】
それぞれの圧電式フォース・トランスデューサー（４から４’’’）は、複数の圧電式トランスデューサー・エレメント（８、８’）を含み、それぞれの圧電式フォース・トランスデューサー（４から４’’’）は、少なくとも１つの第１の圧電式トランスデューサー・エレメント（８）によって、垂直抗力の正確に１つの成分を検出し、それぞれの圧電式フォース・トランスデューサー（４から４’’’）は、少なくとも１つの第２の圧電式トランスデューサー・エレメント（８’）によって、せん断力の正確に１つの成分を検出することを特徴とする、請求項１または３に記載のフォース・モーメント・センサー（１）。
【請求項８】
それぞれの圧電式フォース・トランスデューサー（４から４’’’）は、複数のトランスデューサー電極（９、９’）を含み、前記トランスデューサー電極（９、９’）は、圧電式トランスデューサー・エレメント（８、８’）のエレメント表面から、測定信号として分極電荷を収集し、それぞれの圧電式フォース・トランスデューサー（４から４’’’）は、複数のカウンター電極（１０から１０’’）を含み、前記カウンター電極（１０から１０’’）は、圧電式トランスデューサー・エレメント（８、８’）のエレメント表面から、測定信号として分極電荷を収集することを特徴とする、請求項７に記載のフォース・モーメント・センサー（１）。
【請求項９】
それぞれの圧電式フォース・トランスデューサー（４から４’’’）は、正確に３つの導電体（１１から１１’’）を含み、第１のトランスデューサー電極（９）は、少なくとも１つの第１の圧電式トランスデューサー・エレメント（８）の少なくとも１つの第１のエレメント表面に接触して置かれており、前記第１のトランスデューサー電極（９）は、第１の導電体（１１）と電気的接触をしており、第２のトランスデューサー電極（９’）は、少なくとも１つの第２の圧電式トランスデューサー・エレメント（８’）の少なくとも１つのエレメント表面に接触して置かれており、前記第２のトランスデューサー電極（９’）は、第２の導電体（１１’）と電気的接触をしており、カウンター電極（１０から１０’’）は、前記トランスデューサー電極（９、９’）の反対側の前記圧電式トランスデューサー・エレメント（８、８’）のエレメント表面に接触して置かれており、前記カウンター電極（１０から１０’’）は、第３の導電体（１１’’）と電気的接触をしていることを特徴とする、請求項８に記載のフォース・モーメント・センサー（１）。
【請求項１０】
前記評価ユニット（６）は、電気回路基板を含み、前記電気回路基板は、支持材料、電子部品、および電気信号伝導体を含み、それぞれの圧電式フォース・トランスデューサー（４から４’’’）は、前記圧電式フォース・トランスデューサー（４から４’’’）のトランスデューサー電極（９、９’）およびカウンター電極（１０から１０’’）と電気的接触をしている、正確に３つの導電体（１１から１１’’）を含み、前記３つの導電体（１１から１１’’）は、前記ベース・プレート（２）の貫通孔（２３から２３’’’）を通って、圧電式フォース・トランスデューサー（４から４’’’）のキャビティー（２１から２１’’’）から前記評価ユニット（６）の前記キャビティー（２２）へ延在しており、前記３つの導電体（１１から１１’’）は、前記電気回路基板の１つの側において前記評価ユニット（６）の電気信号伝導体と電気的接触をしていることを特徴とする、請求項１または３に記載のフォース・モーメント・センサー（１）。
【請求項１１】
前記評価ユニット（６）は、前記圧電式フォース・トランスデューサー（４から４’’’）の測定信号を分析し、それらをデジタル出力信号として提供し、前記評価ユニット（６）は、少なくとも１つのインターフェース・ソケット（７）を含み、バス・システムのインターフェース・プラグが、前記インターフェース・ソケット（７）に電気的に接続され得り、前記評価ユニット（６）は、前記バス・システムを介して提供されるデジタル出力信号をロボットのロボット・コントロールに送信することを特徴とする、請求項１０に記載のフォース・モーメント・センサー（１）。
【請求項１２】
請求項１および３から１０のいずれか一項に記載のフォース・モーメント・センサー（１）を含むロボット（１５）であって、前記フォース・モーメント・センサー（１）の前記ベース・プレート（２）の境界表面（２４）が、前記ロボット（１５）の手首の表面に機械的に接続されており、前記フォース・モーメント・センサー（１）の前記カバー・プレート（３）の境界表面（３１）が、ツール（１６）に機械的に接続されていることを特徴とする、ロボット（１５）。
【請求項１３】
それぞれの圧電式フォース・トランスデューサー（４から４’’’）は、前記カバー・プレート（３）の前記境界表面（３１）に対抗するプレストレス力によって機械的にプレストレスを掛けられており、前記プレストレス力の効果的な方向は、前記境界表面（３１）に垂直になっており、前記ツール（１６）の曲げモーメントは、垂直抗力として前記圧電式フォース・トランスデューサー（４から４’’’）に作用することを特徴とする、請求項１２に記載のロボット（１５）。
【請求項１４】
請求項２に記載の２つのフォース・トランスデューサー・モジュール（１４、１４’）を含む、請求項１２または１３に記載のロボット（１５）であって、第１のフォース・トランスデューサー・モジュール（１４）の第１の圧電式フォース・トランスデューサー（４から４’’’）は、第１の時間において力を検出し、第１の時間に検出される前記力に関する第１の測定信号を発生させ、第２のフォース・トランスデューサー・モジュール（１４’）の第２の圧電式フォース・トランスデューサー（４から４’’’）は、第２の時間において同じ力を検出し、第２の時間において検出される前記力に関する第２の測定信号を発生させることを特徴とする、ロボット（１５）。
【請求項１５】
前記第１のフォース・トランスデューサー・モジュール（１４）の第１の評価ユニット（６）は、前記第１の測定信号を評価し、それらを第１のデジタル出力信号として提供し、前記第２のフォース・トランスデューサー・モジュール（１４’）の第２の評価ユニット（６）は、前記第２の測定信号を評価し、それらを第２のデジタル出力信号として提供し、前記フォース・モーメント・センサー（１）は、バス・システムを介して前記ロボット（１５）のロボット・コントロールへ前記第１のデジタル出力信号を送信し、前記フォース・モーメント・センサー（１）は、前記バス・システムを介して前記ロボット（１５）の前記ロボット・コントロールへ前記第２のデジタル出力信号を送信し、前記ロボット（１５）の前記ロボット・コントロールは、伝送された前記第１のデジタル出力信号と、伝送された前記第２のデジタル出力信号とを比較することを特徴とする、請求項１４に記載のロボット（１５）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、独立請求項のプリアンブルによるフォース・モーメント・センサーに関する。また、本発明は、そのようなフォース・モーメント・センサーのためのフォース・トランスデューサー・モジュールに関する。また、本発明は、そのようなフォース・モーメント・センサーを含むロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボット工学は、時代の大きな流れである。ロボットは、コンポーネントを接続することなどのような複雑なプロセスをますます実施するようになる。センサー技術は、接合力を測定するために必須である。３軸の接合力は、力およびモーメントの６つの成分によって表現される。そのような接合力は、フォース・モーメント・センサーによって決定され得る。この目的のために、フォース・モーメント・センサーは、ツールとロボットのロボット・アームとの間の力経路の中に配置されており、たとえば、ロボット・アームの手首の中に配置されている。フォース・モーメント・センサーは、接合力を検出し、検出された接合力と同等の出力信号を、バス・システムのインターフェースを介して、ロボットのロボット・コントロールへ送信する。
【０００３】
米国特許出願公開第２０１６／０１０９３１１Ａ１号明細書は、力を検出するためのフォース・モーメント・センサーを開示している。４つの圧電式フォース・トランスデューサーが、正方形形状のベース・プレートの４つの外側表面に機械的に締結されている。圧電式フォース・トランスデューサーは、第１および第２のサポートの境界表面に対抗するプレストレス力によって機械的にプレストレスを掛けられており、プレストレス力の効果的な方向は、境界表面に対して垂直になっている。それぞれの圧電式フォース・トランスデューサーは、ベース・プレートの中心にある基準点に対して同じ距離に配置されている。２つの圧電式フォース・センサーは、それぞれ軸線の上にある。２つの軸線は、ベース・プレートの外側表面に対して垂直になっており、互いに直角に延在している。第１のサポートは、第１の軸線の圧電式フォース・トランスデューサーに固定されており、第２のサポートは、第２の軸線の圧電式フォース・トランスデューサーに固定されている。
【０００４】
４つの圧電式フォース・トランスデューサーは、第１および第２のサポートの境界表面に作用する力の３つの成分を検出する。４つの圧電式フォース・トランスデューサーと基準点との間の既知の距離から、座標系の中でベース・プレートに作用するモーメントの３つの成分が計算され得る。したがって、フォース・モーメント・センサーは、合計で６つの成分を提供する。
【０００５】
それぞれの圧電式フォース・トランスデューサーは、３つの圧電式トランスデューサー・エレメントを含む。圧電式トランスデューサー・エレメントは、その上に作用する力が、力の大きさに比例する量の分極電荷を発生させるような結晶方位で配置されている。それぞれの圧電式フォース・トランスデューサーに関して、１つの圧電式トランスデューサー・エレメントは、垂直抗力の成分を検出し、２つの圧電式トランスデューサー・エレメントは、せん断力の２つの成分を検出する。したがって、検出される力に関して、４つのフォース・トランスデューサーが、分極電荷の形態の測定信号を発生させる。それぞれの圧電式フォース・トランスデューサーは、電荷増幅器およびアナログ−デジタル・コンバーターを含む。それぞれの電荷増幅器は、３つの圧電式トランスデューサー・エレメントのうちの１つの分極電荷を増幅させ、それぞれのアナログ−デジタル・コンバーターは、３つの増幅された分極電荷のうちの１つを変換し、合計で３つのデジタル出力信号を結果として生じさせる。したがって、１２個のデジタル出力信号が、合計で１２個の圧電式トランスデューサー・エレメントに関して発生させられる。
【０００６】
ＤＥ１０２０１２００５５５５Ｂ３は、列になって配置されている複数の圧電式フォース・トランスデューサーを含む測定プレートを教示している。圧力ピースが、それぞれの圧電式フォース・トランスデューサーに関連付けられており、検出されることとなる力は、圧力ピースを介して圧電式フォース・トランスデューサーに作用する。それぞれの圧電式フォース・トランスデューサーは、２つの圧電式トランスデューサー・エレメントを含み、１つの圧電式トランスデューサー・エレメントは、圧縮力を検出するためのものであり、１つの圧電式トランスデューサー・エレメントは、せん断力を検出するためのものである。圧電式フォース・トランスデューサーのそれぞれの圧電式トランスデューサー・エレメントは、測定プレートの凹部の中にペアになって重なり合って配置されている。合計で８つの圧電式トランスデューサー・エレメントが、８つの測定信号を発生させ、それは、４つのコネクターへの電気的な接続を介して伝送される。信号ケーブルが、測定信号を外部評価ユニットに送信するために、コネクターと接続され得る。
【０００７】
本発明の第１の目的は、そのようなフォース・モーメント・センサーをさらに発展させ、それが、ロボットによって実施されることとなる複雑な動作と干渉することなく、ロボット・アームの手首の中の配置のために可能な限り小さい空間的な延在を有するようにすることである。フォース・モーメント・センサーの第２の目的は、それが可能な限り機械的にロバストであるべきであり、とりわけ、曲げモーメントに関して高いロバスト性を有するということである。フォース・モーメント・センサーの別の目的は、それが可能な限り安価であるべきであり、わずかにだけロボットの製造コストに貢献するようになっているということである。フォース・モーメント・センサーのさらなる別の目的は、高いレベルの労働安全を確保し、ロボットおよび人が同じスペースの中で作業することができるようになっているということである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
これらの目的のうちの少なくとも１つは、独立請求項の特徴によって実現される。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、４つの圧電式フォース・トランスデューサーおよびベース・プレートを含むフォース・モーメント・センサーであって、４つの圧電式フォース・トランスデューサーは、力を検出し、検出される力に関する測定信号を発生させ、フォース・モーメント・センサーは、カバー・プレートを含み、カバー・プレートは、境界表面を含み、検出されることとなる力が、境界表面に作用し、フォース・モーメント・センサーは、評価ユニットを含み、評価ユニットは、圧電式フォース・トランスデューサーの測定信号を分析し、ベース・プレートは、圧電式フォース・トランスデューサーおよび評価ユニットを収容するための少なくとも１つのキャビティーを含み、圧電式フォース・トランスデューサーおよび評価ユニットが、キャビティーの中に配置されており、ベース・プレートおよびカバー・プレートは、機械的に接続され、ハウジングを形成している、フォース・モーメント・センサーに関する。
【００１０】
米国特許出願公開第２０１６／０１０９３１１Ａ１号明細書とは対照的に、本発明によるフォース・モーメント・センサーは、ベース・プレートのキャビティーの中に、４つの圧電式フォース・トランスデューサーを収容しており、また、圧電式フォース・トランスデューサーの測定信号を評価するための評価ユニットを収容している。そのうえ、検出されることとなる力は、カバー・プレートの境界表面に作用する。したがって、２つのコンポーネント、すなわち、ベース・プレートおよびカバー・プレートだけが、圧電式フォース・トランスデューサーを収容するために、および、力の印加のために必要とされる。ベース・プレートおよびカバー・プレートは、ハウジングを形成するように接続されている。米国特許出願公開第２０１６／０１０９３１１Ａ１号明細書によれば、これは、２つのサポートおよび１つのベース・プレートを必要とし、ＤＥ１０２０１２００５５５５Ｂ３によれば、これは、測定プレートおよび４つの圧力ピースを必要とする。ベース・プレートのキャビティーの中の圧電式フォース・トランスデューサーおよび評価ユニットのこの空間的にコンパクトな配置、ならびに、カバー・プレートの境界表面における力の導入は、フォース・モーメント・センサーのかなりのサイズ低減につながる。
【００１１】
本発明の１つの実施形態では、それぞれの圧電式フォース・トランスデューサーは、複数の圧電式トランスデューサー・エレメントを含み、それぞれの圧電式フォース・トランスデューサーは、少なくとも１つの第１の圧電式トランスデューサー・エレメントによって、垂直抗力の正確に１つの成分を検出し、それぞれの圧電式フォース・トランスデューサーは、少なくとも１つの第２の圧電式トランスデューサー・エレメントによって、せん断力の正確に１つの成分を検出する。
【００１２】
米国特許出願公開第２０１６／０１０９３１１Ａ１号明細書とは対照的に、本発明によるフォース・モーメント・センサーは、８つだけの圧電式トランスデューサー・エレメントを含む。これは、圧電式トランスデューサー・エレメントの数の３３．３％の低減である。しかし、フォース・モーメント・センサーは、また、力の３つの成分およびモーメントの３つの成分を検出することができる。圧電式トランスデューサー・エレメントの数を低減させることは、フォース・モーメント・センサーのサイズのさらなる低減につながる。そのうえ、フォース・モーメント・センサーの製造コストが、劇的に低減される。
【００１３】
また、本発明は、フォース・モーメント・センサーのためのフォース・トランスデューサー・モジュールであって、フォース・トランスデューサー・モジュールは、導電体を介して評価ユニットに電気的接触をしている４つの圧電式フォース・トランスデューサーによって形成されている、フォース・トランスデューサー・モジュールに関する。
【００１４】
本発明によるフォース・トランスデューサー・モジュールは、力検出機能、測定信号発生機能、および測定信号評価機能を組み合わせている。それは、小さい寸法を有しており、フォース・モーメント・センサーのベース・プレートのキャビティーの中に配置され得る。結果として、このフォース・モーメント・センサーの生産は、とりわけ、コスト効率が良い。その理由は、フォース・トランスデューサー・モジュールがキャビティーの中に配置されると、ハウジングを形成するためにベース・プレートおよびカバー・プレートを機械的に接続することだけが必要であるからである。
【００１５】
そのうえ、本発明は、また、フォース・モーメント・センサーを含むロボットであって、フォース・モーメント・センサーのベース・プレートの境界表面が、ロボットの手首の表面に機械的に接続されており、フォース・モーメント・センサーのカバー・プレートの境界表面が、ツールに機械的に接続されている、ロボットに関する。
【００１６】
本発明の１つの実施形態では、それぞれの圧電式フォース・トランスデューサーは、カバー・プレートの境界表面に対抗するプレストレス力によって機械的にプレストレスを掛けられており、プレストレス力の効果的な方向は、境界表面に垂直になっており、ツールの曲げモーメントは、垂直抗力として圧電式フォース・トランスデューサーに作用する。
【００１７】
また、これは、米国特許出願公開第２０１６／０１０９３１１Ａ１号明細書とは対照的であり、米国特許出願公開第２０１６／０１０９３１１Ａ１号明細書では、圧電式フォース・トランスデューサーは、第１および第２のサポートの境界表面に対抗するプレストレス力によって機械的にプレストレスを掛けられており、このプレストレス力の効果的な方向は、境界表面に対して垂直になっている。このケースでは、ツールの曲げモーメントは、せん断力として圧電式フォース・トランスデューサーに作用することとなる。せん断力は、摩擦力として境界表面から圧電式フォース・トランスデューサーへ伝達される。摩擦力の伝達に関して、比較的に高いプレストレス力によって、境界表面に対抗して圧電式フォース・トランスデューサーに機械的にプレストレスを掛けることが必要である。しかし、圧電式フォース・トランスデューサーの圧電材料は、単に破壊限界までプレストレス力に耐えることとなり、その破壊限界の上方では、圧電材料の損傷および破壊が起こることとなる。本発明では、そのような高いプレストレス力を印加することは必要ない。その理由は、ツールの曲げモーメントが、プレストレス力に対して平行に延在する垂直抗力として作用するからである。したがって、高いプレストレス力によって、本発明によるフォース・モーメント・センサーに機械的にプレストレスを掛けることは必要ではなく、それによって、それは、はるかに高い曲げモーメントに耐えることが可能である。
【００１８】
本発明の１つの実施形態では、ロボットのフォース・モーメント・センサーは、２つのフォース・トランスデューサー・モジュールを含み、第１のフォース・トランスデューサー・モジュールの第１の圧電式フォース・トランスデューサーは、第１の時間において力を検出し、第１の時間に検出される力に関する第１の測定信号を発生させ、第２のフォース・トランスデューサー・モジュールの第２の圧電式フォース・トランスデューサーは、第２の時間において同じ力を検出し、第２の時間において検出される力に関する第２の測定信号を発生させる。
【００１９】
本発明の１つの実施形態では、ロボットのフォース・モーメント・センサーは、２つのフォース・トランスデューサー・モジュールを含み、第１のフォース・トランスデューサー・モジュールの第１の評価ユニットは、第１の測定信号を評価し、それらを第１のデジタル出力信号として提供し、第２のフォース・トランスデューサー・モジュールの第２の評価ユニットは、第２の測定信号を評価し、それらを第２のデジタル出力信号として提供し、フォース・モーメント・センサーは、バス・システムを介してロボットのロボット・コントロールへ第１のデジタル出力信号を送信し、フォース・モーメント・センサーは、バス・システムを介してロボットのロボット・コントロールへ第２のデジタル出力信号を送信し、ロボットのロボット・コントロールは、伝送された第１のデジタル出力信号と、伝送された第２のデジタル出力信号とを比較する。
【００２０】
これは、有利である。とりわけ、ロボットおよび人が、同じスペースの中で一緒に作業し、安全フェンスなどのような安全対策によって、互いから空間的に分離されていないときに、２回検出される力のデジタル出力信号の本発明によるそのような比較が、作業の安全の理由のために必要である可能性がある。このケースでは、ロボット・アームの素早く力強い移動に起因して、人間が、重傷またはさらには致命傷のリスクにさらされる。ロボットのロボット・コントロールは、検出される力と伝送される力とを比較し、それが２つの検出される力と伝送される力との間の差を検出すると、それは、ロボットを安全モードへと切り替えることが可能であり、安全モードでは、ロボットおよび人の協調が中断され、人は、安全な距離へ移動することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
以下では、本発明が、図を参照して、例として説明されることとなる。
【００２２】
【図１】１つのフォース・トランスデューサー・モジュールを含むフォース・モーメント・センサーの第１の実施形態の一部分の分解図である。
【図２】２つのフォース・トランスデューサー・モジュールを含むフォース・モーメント・センサーの第２の実施形態の一部分の分解図である。
【図３】図２によるフォース・モーメント・センサーの第２の実施形態の一部分を通る断面を示す図である。
【図４】図１または図２によるフォース・モーメント・センサーのためのフォース・トランスデューサー・モジュールの実施形態の一部分の平面図である。
【図５】図４によるフォース・トランスデューサー・モジュールの実施形態の一部分の図である。
【図６】図１または図２によるフォース・モーメント・センサーを含むロボットの実施形態の一部分の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１および図２は、ベース・プレート２およびカバー・プレート３を含む、フォース・モーメント・センサー１の２つの実施形態のパーツを示している。フォース・モーメント・センサー１の中心０は、座標ｘ、ｙ、ｚを有する直交座標系の原点に位置付けされている。また、フォース・モーメント・センサー１の中心０は、ベース・プレート２の中心０であり、中心０とも称される。ｚ軸に沿った方向は、長手方向とも称され、一方、ｘｙ平面の中の方向は、半径方向と称される。
【００２４】
ベース・プレート２およびカバー・プレート３は、長手方向においてよりも、ｘｙ平面の中において大きい寸法を有している。ｘｙ平面において、ベース・プレート２およびカバー・プレート３は、直径が１５０ｍｍの円形断面を有しており、好ましくは、直径が１００ｍｍ以下の円形断面を有している。ベース・プレート２は、３０ｍｍの長手方向の厚さを有しており、好ましくは、２０ｍｍ以下の長手方向の厚さを有している。カバー・プレート３は、１０ｍｍの長手方向の厚さを有しており、好ましくは、５ｍｍ以下の長手方向の厚さを有している。本発明の教示を知ると、ベース・プレート２およびカバー・プレート３は、多角形断面などのような非円形断面を有することも可能である。
【００２５】
ベース・プレート２は、ポット形状になっており、一方、カバー・プレート３は、蓋として形成されている。ベース・プレート２の外側縁部は、半径方向にハウジングの境界を定めている。ベース・プレート２の外側縁部は、任意の開口部なしに閉じられている。ベース・プレート２の境界表面２４は、長手方向にハウジングの境界を定めている。ベース・プレート２の境界表面２４は閉じられておらず、それは、プレストレス部材５から５’’’のための複数の開口部を含む。カバー・プレート３の境界表面３１は、長手方向にハウジングの境界を定めている。カバー・プレート３の境界表面３１は、任意の開口部なしに閉じられている。カバー・プレート３の半径方向外側の縁部は、ベース・プレート２の外側縁部と同一平面上にある。
【００２６】
ベース・プレート２は、少なくとも１つのキャビティー２１から２１’’’、２２を含む。キャビティー２１から２１’’’、２２は、カバー・プレート３に面するベース・プレート２の側部に配置されている。フォース・モーメント・センサー１のコンポーネントは、キャビティー２１から２１’’’、２２の中に配置されている。
【００２７】
ベース・プレート２およびカバー・プレート３は、機械的に抵抗力のある材料から作製されている。ベース・プレート２およびカバー・プレート３は、機械的に接続され、ハウジングを形成している。機械的な接続は、好ましくは、スクリュー接続による圧力嵌めの様式で、プレストレス部材５から５’’’を介して実施される。プレストレス部材５から５’’’は、ボルトとして形成され得る。カバー・プレート３は、ベース・プレート２に面する側部にスクリュー接続を確立するためのネジ山を含む。好ましくは、４つのプレストレス部材５から５’’’は、ベース・プレート２の４つの開口部を通って突出し、カバー・プレート３の４つのネジ山の中へねじ込まれる。プレストレス部材５から５’’’がねじ込まれると、ベース・プレート２およびカバー・プレート３は、互いにプレストレスを掛けられる。この目的のために、それぞれのプレストレス部材５から５’’’のボルト・ヘッドは、ベース・プレート２の上に置かれている。好ましくは、それぞれのボルト・ヘッドは、ベース・プレート２の凹部の中に置かれており、ベース・プレート２の境界表面２４を越えて突出していない。機械的な接続は、気密および水密になっている。気密および水密のシーリングは、シーリング・エレメント１３ａ、１３ｂから１３ｂ’’’、１３ｃによって実現されている。ハウジングは、キャビティー２１から２１’’’、２２の中に位置付けされているコンポーネントを、動作の間に起こる衝撃および衝突から保護する。しかし、ハウジングは、また、キャビティー２１から２１’’’、２２の中のコンポーネントを、汚染物質（ダスト、湿分など）などのような、有害な環境条件から保護する。最後に、ハウジングは、キャビティー２１から２１’’’、２２の中のコンポーネントを、電磁放射線の形態の電気的なおよび電磁的な干渉効果から保護する。
【００２８】
好ましくは、ベース・プレート２は、複数の圧電式フォース・トランスデューサー４から４’’’を収容するための複数のキャビティー２１から２１’’’を含む。好ましくは、４つの圧電式フォース・トランスデューサー４から４’’’は、４つのキャビティー２１から２１’’’の中に配置されている。圧電式フォース・トランスデューサー４から４’’’のそれぞれのキャビティー２１から２１’’’は、中心０に対して半径方向の距離ｒに配置されている。圧電式フォース・トランスデューサー４から４’’’のキャビティー２１から２１’’’は、半径方向に間隔を置いて配置されたキャビティー２１から２１’’’とも呼ばれる。半径方向に間隔を置いて配置されたキャビティー２１から２１’’’は、中心０から同じ半径方向の距離ｒに配置されている。半径方向に間隔を置いて配置されたキャビティー２１から２１’’’は、同一である。それぞれの半径方向に間隔を置いて配置されたキャビティー２１から２１’’’は、長手方向に見たときに円形断面を有している。２つの半径方向に間隔を置いて配置されたキャビティー２１、２１’’は、ｘ軸の上に存在しており、２つの半径方向に間隔を置いて配置されたキャビティー２１’、２１’’’は、ｙ軸の上に存在している。２つの直接的に隣接する半径方向に間隔を置いて配置されたキャビティー２１から２１’’’は、距離ａだけ間隔を離して配置されている。それぞれの半径方向に間隔を置いて配置されたキャビティー２１から２１’’’は、少なくとも１つの圧電式フォース・トランスデューサー４から４’’’を収容している。図１による実施形態では、それぞれの半径方向に間隔を置いて配置されたキャビティー２１から２１’’’は、正確に１つの圧電式フォース・トランスデューサー４から４’’’を収容している。図２による実施形態では、それぞれの半径方向に間隔を置いて配置されたキャビティー２１から２１’’’は、正確に２つの圧電式フォース・トランスデューサー４から４’’’を収容している。２つの圧電式フォース・トランスデューサー４から４’’’は、ｚ軸に沿って見たときに、互いに重なり合って配置されている。
【００２９】
好ましくは、ベース・プレート２は、評価ユニット６のためのキャビティー２２を含む。評価ユニット６のキャビティー２２は、中心０に配置されている。評価ユニット６のキャビティー２２は、中央キャビティー２２とも呼ばれる。図１による実施形態では、中央キャビティー２２は、正確に１つの評価ユニット６を収容している。図２による実施形態では、中央キャビティー２２は、正確に２つの評価ユニット６を収容している。２つの評価ユニット６は、ｚ軸に沿って見たときに、互いに重なり合って配置されている。中央キャビティー２２は、中心０の周りに十字形状になっており、半径方向に延在する４つのレッグを含む。２つの直接的に隣接するレッグは、互いに対して垂直になっている。４つのレッグは、４つの半径方向に間隔を置いて配置されたキャビティー２１から２１’’’に対して、中心０に関して４５°だけオフセットされている。半径方向に間隔を置いて配置されたキャビティー２１から２１’’’は、２つの直接的に隣接するレッグの間に配置されている。これは、ベース・プレート２の中の利用可能なスペースの最適な利用を結果として生じさせる。２つの直接的に隣接するレッグは、移行領域において互いに接触している。それぞれの移行領域において、ベース・プレート２は、貫通孔２３から２３’’’を含む。ベース・プレート２の貫通孔２３から２３’’’は、同一になっている。ベース・プレート２のそれぞれの貫通孔２３から２３’’’は、中央キャビティー２２から半径方向に間隔を置いて配置されたキャビティー２１から２１’’’へ半径方向に延在している。したがって、キャビティー２１から２１’’’、２２は、貫通孔２３から２３’’’を介して互いに接続されている。
【００３０】
好ましくは、それぞれの圧電式フォース・トランスデューサー４から４’’’は、正確に２つの圧電式トランスデューサー・エレメント８、８’を含む。それぞれの圧電式トランスデューサー・エレメント８、８’は、ディスク形状になっており、石英（ＳｉＯ２単結晶）、カルシウムガロゲルマネート（Ｃａ３Ｇａ２Ｇｅ４Ｏ１４またはＣＧＧ）、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４またはＬＧＳ）、トルマリン、オルトリン酸ガリウム、圧電セラミックなどのような、圧電材料から構成されている。圧電式フォース・トランスデューサー４から４’’’は、長手方向においてよりも、ｘｙ平面の中において大きい寸法を有している。それぞれの圧電式トランスデューサー・エレメント８、８’は、直径が２０ｍｍの円形断面を有しており、好ましくは、直径が１０ｍｍ以下の円形断面を有している。それぞれの圧電式トランスデューサー・エレメント８、８’は、１．０ｍｍ以下の、好ましくは、０．８ｍｍ以下の長手方向の厚さを有している。
【００３１】
圧電式トランスデューサー・エレメント８、８’のそれぞれの結晶方位は、検出されることとなる力Ｆに関してそれが高い感度を有するようになっている。力Ｆの検出は、ｋＨｚ範囲の測定周波数によって動的である。高い感度は、力Ｆのそれぞれの変化によって、圧電式トランスデューサー・エレメント８、８’が可能な限り多くの分極電荷Ｑを発生させるような感度として定義される。力Ｆは、力成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚを含み、添え字ｘ、ｙ、ｚは、力成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚが作用する圧電式トランスデューサー・エレメント８、８’のエレメント表面を表している。添え字ｘ、ｙ、ｚは、座標ｘ、ｙ、ｚに対応している。
【００３２】
力Ｆは、垂直抗力またはせん断力のいずれかとして、エレメント表面に作用する。垂直抗力は、エレメント表面の表面法線に対して平行である有効軸線に沿って作用する。せん断力は、エレメント表面の表面法線に対して垂直である有効軸線に沿って作用する。それぞれの圧電式トランスデューサー・エレメント８、８’に関して、ｚ軸は、表面法線である。垂直抗力Ｆｚを検出するために、第１の圧電式トランスデューサー・エレメント８は、所定の結晶方位を有しており、分極電荷Ｑｚが、その表面法線が垂直抗力Ｆｚのｚ軸に対して平行になっているエレメント表面の上に発生させられるようになっている。圧電せん断効果に関して、第２の圧電式トランスデューサー・エレメント８’は、所定の結晶方位を有しており、分極電荷ＱｘまたはＱｙが、その表面法線がせん断力Ｆｘのｘ軸に対して垂直になっているかまたはせん断力Ｆｙのｙ軸に対して垂直になっているエレメント表面の上に発生させられるようになっている。せん断力Ｆｘを検出するために、第２の圧電式トランスデューサー・エレメント８’は、ｘ軸に沿った高い感度の結晶方位によって配置されている。せん断力Ｆｙを検出するために、第２の圧電式トランスデューサー・エレメント８’は、ｙ軸に沿った高い感度の結晶方位によって配置されている。このように、同じ第２の圧電式トランスデューサー・エレメント８’は、したがって、ｘ軸に沿った高い感度の結晶方位によってせん断力Ｆｘを検出すること、または、ｙ軸に沿った高い感度の結晶方位によってせん断力Ｆｙを検出することのいずれかのために、ｘｙ平面の中に配置され得り、すなわち、それは、単に９０°だけ回転させられていなければならない。それぞれの圧電式トランスデューサー・エレメント８、８’は、２つのエレメント表面を有している。圧電式トランスデューサー・エレメント８、８’のそれぞれのエレメント表面の上の分極電荷Ｑは、反対側の極性を有している。しかし、本発明を知る当業者は、異なる形状を有する圧電式トランスデューサー・エレメントを使用することも可能である。したがって、ロッド形状の圧電式トランスデューサー・エレメントが、圧電横効果のために使用され得り、それは、所定の結晶方位にカットされており、分極電荷Ｑｚが、その表面法線が垂直抗力Ｆｚのｚ軸に対して垂直であるエレメント表面の上に発生させられるようになっている。
【００３３】
好ましくは、それぞれの圧電式フォース・トランスデューサー４から４’’’は、複数のトランスデューサー電極９、９’および複数のカウンター電極１０から１０’’を含む。トランスデューサー電極９、９’およびカウンター電極１０から１０’’は、アルミニウム、銅、金などのような、導電性の材料から作製されており、圧電式トランスデューサー・エレメント８、８’のエレメント表面から分極電荷Ｑを収集する。トランスデューサー電極９、９’およびカウンター電極１０から１０’’は、ｘｙ平面の中に存在しており、直径が２０ｍｍの円形断面を有しており、好ましくは、直径が１０ｍｍ以下の円形断面を有している。トランスデューサー電極９、９’は、長手方向に０．２ｍｍ以下の、好ましくは、０．０５ｍｍ以下の厚さを有している。カウンター電極１０から１０’’は、長手方向に２．０ｍｍ以下の、好ましくは、１．０ｍｍ以下の厚さを有している。しかし、本発明を知る当業者は、トランスデューサー電極と同じ厚さを有するカウンター電極を使用することも可能である。
【００３４】
それぞれの圧電式フォース・トランスデューサー４から４’’’は、垂直抗力Ｆｚを検出するための少なくとも１つの第１の圧電式トランスデューサー・エレメント８と、せん断力ＦｘまたはＦｙを検出するための少なくとも１つの第２の圧電式トランスデューサー・エレメント８’とを含む。図３による圧電式フォース・トランスデューサー４から４’’’の実施形態は、垂直抗力Ｆｚを検出するための正確に２つの第１の圧電式トランスデューサー・エレメント８と、せん断力ＦｘまたはＦｙを検出するための正確に２つの第２の圧電式トランスデューサー・エレメント８’とを含む。第１の２つの圧電式トランスデューサー・エレメント８は、ペアになって配置されており、また、２つの第２の圧電式トランスデューサー・エレメント８’も、ペアになって配置されている。図３に示されている表現では、２つの第１の圧電式トランスデューサー・エレメント８は、ｚ軸に沿って見たときに、２つの第２の圧電式トランスデューサー・エレメント８’の上方に配置されている。第１のトランスデューサー電極９は、ｚ軸に沿って見たときに、２つの第１の圧電式トランスデューサー・エレメント８のエレメント表面の間に位置付けされている。第２のトランスデューサー電極９’は、ｚ軸に沿って見たときに、２つの第２の圧電式トランスデューサー・エレメント８’のエレメント表面の間に位置している。カウンター電極１０から１０’’は、トランスデューサー電極９、９’から離れる方に面する圧電式トランスデューサー・エレメント８、８’のエレメント表面に接触して置かれている。第１のカウンター電極１０は、ｚ軸に関して上側のものであり、第１の圧電式トランスデューサー・エレメント８の第１のトランスデューサー電極９から離れる方に面する、エレメント表面に接触して置かれている。第２のカウンター電極１０’は、ｚ軸に沿って見たときに、２つの第１の圧電式トランスデューサー・エレメント８と２つの第２の圧電式トランスデューサー・エレメント８’との間に配置されている。第２のカウンター電極１０’は、ｚ軸に沿って見たときに下側のものであり、第１の圧電式トランスデューサー・エレメント８の第１のトランスデューサー電極９から離れる方に面する、エレメント表面に接触して置かれており、また、ｚ軸に沿って見たときに上側のものであり、第２の圧電式トランスデューサー・エレメント８’の第２のトランスデューサー電極９’から離れる方に面する、エレメント表面に接触して置かれている。第３のカウンター電極１０’’は、ｚ軸に沿って見たときに下側のものであり、第２の圧電式トランスデューサー・エレメント８’の第２のトランスデューサー電極９’から離れる方に面する、エレメント表面に接触して置かれている。
【００３５】
圧電式トランスデューサー・エレメント８、８’のトランスデューサー電極９、９’に接触して置かれているエレメント表面は、同じ極性を有しており、トランスデューサー電極９、９’によって並列に電気的に接続されている。そのうえ、圧電式トランスデューサー・エレメント８、８’のカウンター電極１０に接触して置かれているエレメント表面も、同じ極性を有しており、カウンター電極１０から１０’’によって並列に電気的に接続されている。同じ極性を有する分極電荷Ｑは、並列に接続されているエレメント表面に対する力Ｆの作用の下で発生させられる。したがって、トランスデューサー電極９、９’およびカウンター電極１０から１０’’は、それぞれ、同じ極性を有する分極電荷Ｑを合計する。好ましくは、カウンター電極１０から１０’’は、フォース・モーメント・センサー１のハウジングと同じグランド電位にある。
【００３６】
トランスデューサー電極９、９’およびカウンター電極１０から１０’’の分極電荷Ｑは、導電体１１から１１’’によって受け入れられる。導電体１１から１１’’は、ワイヤー形状になっており、アルミニウム、銅、金などのような、導電性の材料から作製されている。第１の導電体１１は、第１のトランスデューサー電極９から分極電荷Ｑを受け入れる。第２の導電体１１’は、第２のトランスデューサー電極９’から分極電荷Ｑを受け入れる。第３の導電体１１’’は、カウンター電極１０から１０’’から分極電荷Ｑを受け入れる。分極電荷Ｑは、導電体１１から１１’’によって評価ユニット６へ伝送される。
【００３７】
それぞれの圧電式フォース・トランスデューサー４から４’’’は、プレストレス部材５から５’’’によって機械的にプレストレスを掛けられる。半径方向に間隔を置いて配置されたキャビティー２１から２１’’’の中に配置されている圧電式フォース・トランスデューサー４から４’’’は、ベース・プレート２のプレストレス部材５から５’’’によって、カバー・プレート３に対抗して、プレストレス力によって、機械的にプレストレスを掛けられる。図１から図３に示されているように、それぞれのプレストレス部材５から５’’’は、ベース・プレート２の開口部から突出しており、カバー・プレート３のネジ山の中にねじ込まれている。ｘｙ平面に関して、それぞれの開口部は、半径方向に間隔を置いて配置されたキャビティー２１から２１’’’の中心に配置されている。開口部は、ベース・プレート２の中に装着されているソケットによって、半径方向に間隔を置いて配置されたキャビティー２１から２１’’’から分離されている。ベース・プレート２がカバー・プレート３に対抗してプレストレスを掛けられている状態において、ソケットは、半径方向に間隔を置いて配置されたキャビティー２１から２１’’’をプレストレス部材５から５’’’から分離している。機械的なプレストレスは、圧電式フォース・トランスデューサー４から４’’’の圧電式トランスデューサー・エレメント８、８’、トランスデューサー電極９、９’、およびカウンター電極１０から１０’’の間の優秀な電気的接触を確保し、それによって、高い局所的な電気的な応力および電気的な漏洩電流を伴う非接触エリアは起こらないこととなり、そのうえ、接触表面の上の表面粗度が均一化されることにもなり、フォース・モーメント・センサー１の優秀な線形性を結果として生じさせる。線形性は、分極電荷Ｑと検出されることとなる力成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚとの間の比例関係からの偏差である。
【００３８】
ベース・プレート２の少なくとも１つのキャビティー２１から２１’’’、２２は、少なくとも１つのシーリング・エレメント１３ａ、１３ｂから１３ｂ’’’、１３ｃによって、気密および水密の様式でシールされている。シーリング・エレメント１３ａ、１３ｂから１３ｂ’’’、１３ｃは、プラスチック、金属などから作製されている。図１による実施形態では、フォース・モーメント・センサー１は、環状のシーリング・エレメント１３ａを含む。環状のシーリング・エレメント１３ａは、ベース・プレート２の外側縁部とカバー・プレート３の半径方向外側の縁部との間に配置されている。環状のシーリング・エレメント１３は、カバー・プレート３に対抗してベース・プレート２がプレストレスを掛けられた状態で圧縮されており、それによって、シールが提供される。図２による実施形態では、フォース・モーメント・センサー１は、複数のディスク形状のシーリング・エレメント１３ｂから１３ｂ’’’、１３ｃを含む。第１のディスク形状のシーリング・エレメント１３ｂから１３ｂ’’’は、複数の半径方向に間隔を置いて配置されたキャビティー２１から２１’’’をシールする。第２のディスク形状のシーリング・エレメント１３．３は、中央キャビティー２２のためのシールを提供する。好ましくは、ディスク形状のシーリング・エレメント１３ｂから１３ｂ’’’、１３ｃは、材料結合によってキャビティー２１から２１’’’、２２の縁部に接触している。材料結合は、溶接、拡散接合、熱圧着、はんだ付けなどによって実現される。
【００３９】
評価ユニット６は、好ましくは、フォーム・フィッティング接続、摩擦接続、または材料結合接続によって、ベース・プレート２に機械的に接続されている。ｘｙ平面の中での評価ユニット６の膨張は、長手方向におけるものよりも大きい。評価ユニット６は、１５０ｍｍ未満の直径、好ましくは、１００ｍｍ未満の直径を有するディスク形状になっている。図１、図２、および図４に示されている実施形態では、評価ユニット６は、十字形状のディスクである。長手方向の評価ユニット６の厚さは、２０ｍｍ以下である。
【００４０】
評価ユニット６は、電気回路基板を含む。電気回路基板は、電気的に絶縁する支持材料、たとえば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド、Ａｌ２Ｏ３セラミック炭化水素−セラミック・ラミネートなどから作製されている。電気回路基板は、電気抵抗器、電気キャパシター、半導体エレメント、プロセッサーなどのような、電子部品を設けられている。電気回路基板は、電気信号伝導体を含む。電気信号伝導体は、純金属、ニッケル合金、コバルト合金、鉄合金などのような、導電性の材料から作製されている。電気信号伝導体は、電気回路基板の支持材料の上に平坦に横たわっており、電子部品同士の間の電気的な接続を提供している。圧電式フォース・トランスデューサー４から４’’’の導電体１１から１１’’は、電気回路基板へガイドされている。圧電式フォース・トランスデューサー４から４’’’の導電体１１から１１’’は、圧電式フォース・トランスデューサー４から４’’’の半径方向外側のキャビティー２１から２１’’’から、ベース・プレート２の貫通孔２３から２３’’’を通って、ベース・プレート２の中央キャビティー２２の中へ延在している。中央キャビティー２２の中では、導電体１１から１１’’の端部が、下側の境界表面の反対側の電気回路基板の表面の上の電気信号伝導体と電気的接触をしている。中央キャビティー２２の中では、導電体１１から１１’’は、接触するためのツールにとって、容易にアクセス可能である。好ましくは、導電体１１から１１’’は、材料結合によって電気信号伝導体に接触している。材料結合は、溶接、拡散接合、熱圧着、はんだ付けなどによって実現される。このように、ベース・プレート２の貫通孔２３から２３’’’は、圧電式フォース・トランスデューサー４から４’’’の導電体１１から１１’’が評価ユニット６の電気回路基板に簡単で迅速でしっかりとした電気的接触をすることを可能にする。
【００４１】
電子部品として、評価ユニット６は、少なくとも１つの電荷増幅器および少なくとも１つのアナログ−デジタル・コンバーターを含む。好ましくは、評価ユニット６は、それぞれの圧電式フォース・トランスデューサー４から４’’’に関して、少なくとも１つの電荷増幅器および少なくとも１つのアナログ−デジタル・コンバーターを含む。評価ユニット６は、圧電式フォース・センサー４から４’’’の測定信号を分析する。第１の電荷増幅器は、第１の圧電式トランスデューサー・エレメント８からの分極電荷Ｑを増幅させ、第１のアナログ−デジタル・コンバーターは、第１の圧電式トランスデューサー・エレメント８からの増幅された分極電荷Ｑをデジタル化する。第２の電荷増幅器は、第２の圧電式トランスデューサー・エレメント８’からの分極電荷Ｑを増幅させ、第１のアナログ−デジタル・コンバーターは、第２の圧電式トランスデューサー・エレメント８’からの増幅された分極電荷Ｑをデジタル化する。
【００４２】
４つの圧電式フォース・トランスデューサー４から４’’’は、それぞれ、導電体１１から１１’’を介して評価ユニット６に電気的接触をしており、フォース・トランスデューサー・モジュール１４、１４’を形成している。図１による実施形態では、フォース・モーメント・センサー１は、１つのフォース・トランスデューサー・モジュール１４を含み、一方、図２による実施形態では、フォース・モーメント・センサー１は、２つのフォース・トランスデューサー・モジュール１４、１４’を含む。長手方向への１つのフォース・トランスデューサー・モジュール１４、１４’の寸法は、ベース・プレート２と比較して十分に小さいので、２つのフォース・トランスデューサー・モジュール１４、１４’を長手方向に重なり合わせてベース・プレート２の中に配置させることが可能である。
【００４３】
したがって、ベース・プレート２およびカバー・プレート３は、フォース・モーメント・センサー１の両方の実施形態に関して、同じ寸法を有することが可能である。フォース・モーメント・センサー１が、１つだけのフォース・トランスデューサー・モジュール１４を含む場合には、１つだけの圧電式フォース・トランスデューサー４から４’’’が、それぞれの半径方向に間隔を置いて配置されたキャビティー２１から２１’’’の中に配置されることとなる。次いで、検出されることとなる力が圧電式フォース・トランスデューサー４から４’’’の上に作用するように、カウンター電極１０から１０’’の長手方向の厚さは、半径方向に間隔を置いて配置されたキャビティー２１から２１’’’が完全に充填されることになるようになっている。フォース・モーメント・センサー１が２つのフォース・トランスデューサー・モジュール１４、１４’を含む場合には、それぞれの半径方向に間隔を置いて配置されたキャビティー２１から２１’’’が、それぞれのフォース・トランスデューサー・モジュール１４、１４’の２つの圧電式フォース・トランスデューサー４から４’’’を収容することとなり、それぞれのフォース・トランスデューサー・モジュール１４、１４’は、重なり合って配置されており、カウンター電極１０から１０’’を介して同じグランド電位にある。したがって、検出されることとなる力が圧電式フォース・トランスデューサー４から４’’’の上に作用するように、カウンター電極１０から１０’’は、長手方向に十分に薄くなることとなり、半径方向に間隔を置いて配置されたキャビティー２１から２１’’’が完全に充填されることになるようになっている。フォース・トランスデューサー・モジュール１４、１４’の２つの評価ユニット６は、互いから所定の空間的距離で重なり合って中央キャビティー２２の中に配置されている。２つのフォース・トランスデューサー・モジュール１４、１４’は、互いから独立して同じ力を検出する。２つのフォース・トランスデューサー・モジュール１４、１４’は、互いから独立して測定信号を評価する。
【００４４】
図１および図２によるフォース・モーメント・センサー１の実施形態に関して、評価ユニット６は、８つの圧電式フォース・センサー４から４’’’のデジタル化された分極電荷ＱｘからＱｘ’’’、ＱｙからＱｙ’’’、ＱｚからＱｚ’’’から、力Ｆの３つの成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、および、モーメントＭの３つの成分Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを計算することができる。それぞれの式は、以下の通りである。
Ｆｘ＝＋Ｑｘ’−Ｑｘ’’’
Ｆｙ＝＋Ｑｙ’’−Ｑｙ
Ｆｚ＝＋Ｑｚ＋Ｑｚ’＋Ｑｚ’’＋Ｑｚ’’’
Ｍｘ＝ａ／２＊（＋Ｑｚ＋Ｑｚ’）−ａ／２＊（＋Ｑｚ’’＋Ｑｚ’’’）
Ｍｙ＝ａ／２＊（＋Ｑｚ’＋Ｑｚ’’）-ａ／２＊（＋Ｑｚ＋Ｑｚ’’’）
Ｍｚ＝ａ／２＊（＋Ｑｙ＋Ｑｘ’＋Ｑｙ’’＋Ｑｘ’’’）
力Ｆの３つの計算される成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、および、モーメントＭの３つの計算される成分Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚに関して、評価ユニット６は、デジタル出力信号を発生させて提供する。６つの成分のデジタル出力信号は、３軸の接合力を表現することが可能である。
【００４５】
評価ユニット６は、インターフェース・ソケット７を含む。Ｅｔｈｅｒｃａｔ、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ  Ｐｏｗｅｒｌｉｎｋなどのような、バス・システムのインターフェース・コネクターが、インターフェース・ソケット７において電気的に接続され得る。インターフェース・コネクターおよびバス・システムは、図１または図２に示されていない。バス・システムを介して、評価ユニット６は、ロボットのロボット・コントロールと通信しており、提供されるデジタル出力信号をロボットのロボット・コントロールに送信する。通信は、少なくとも１ｋＨｚ、好ましくは、少なくとも４ｋＨｚのバス・レートを有するリアルタイム通信である。バス・レートおよび測定周波数は、測定周波数がバス・レートよりも大きくなるように選択される。
【００４６】
図６は、フォース・モーメント・センサー１を備えたロボット１５の実施形態の一部分を示している。ロボット１５は、ロボット・アームを含む。ロボット・アームは、コンポーネントを接合することなどのような複雑な動作を実施するように適合されている。フォース・モーメント・センサー１、１’は、ロボット・アームの手首の中に配置されている。フォース・モーメント・センサー１のベース・プレート２の境界表面２４は、ロボット１５の手首の表面に機械的に接続されている。好ましくは、機械的な接続は、スクリュー接続によって圧力嵌めの様式で実現されている。ロボット１５が複雑な機械加工または簡単な動作を実施するために使用するツール１６が、フォース・モーメント・センサー１のカバー・プレート３の境界表面３１に機械的に接続されている。機械的な接続は、好ましくは、スクリュー接続によって圧力嵌めの様式で実現されている。
【００４７】
ツール１６は、力Ｆが作用するレバー・アームを形成することが可能であり、それは、曲げモーメントが垂直抗力としてｚ軸に沿ってフォース・モーメント・センサー１のカバー・プレート３の境界表面３１に作用することにつながる。この垂直抗力は、圧電式フォース・トランスデューサー４４’’’のプレストレス力に対して平行に作用する。
【００４８】
フォース・モーメント・センサー１は、冗長な様式で力Ｆを検出することが可能である。図２によるフォース・モーメント・センサー１の実施形態に示されているように、２倍の４つの圧電式フォース・トランスデューサー４から４’’’を含む２つのフォース・トランスデューサー・モジュール１４、１４’が、この目的のために、ベース・プレート２の４つのキャビティー２１から２１’’’の中に配置されている。第１のフォース・トランスデューサー・モジュール１４は、第１の圧電式フォース・センサー４から４’’’を含み、第１の圧電式フォース・センサー４から４’’’は、第１の時間に力Ｆを検出し、第１の時間に検出される力Ｆに関する第１の測定信号を発生させる。第２のフォース・トランスデューサー・モジュール１４’は、第２の圧電式フォース・トランスデューサー４から４’’’を含み、第２の圧電式フォース・トランスデューサー４から４’’’は、第２の時間に同じ力Ｆを検出し、第２の時間に検出される力Ｆに関する第２の測定信号を発生させる。２つのフォース・トランスデューサー・モジュール１４、１４’による力のこの冗長な検出は、同時に実施される。フォース・トランスデューサー・モジュール１４、１４’は、互いに独立して同じ力を検出する。それぞれのフォース・トランスデューサー・モジュール１４、１４’は、評価ユニット６を含む。２つのフォース・トランスデューサー・モジュール１４、１４’の２つの評価ユニット６は、中央キャビティー２２の中に配置されている。第１の時間に検出される力Ｆに対応する第１の測定信号は、導電体１１から１１’’を介して第１のフォース・トランスデューサー・モジュール１４の第１の評価ユニット６へ伝送される。第２の時間に検出される力Ｆの第２の測定信号は、導電体１１から１１’’を介して第２のフォース・トランスデューサー・モジュール１４’の第２の評価ユニット６へ伝送される。第１の評価ユニット６は、第１の時間に検出される力Ｆの第１の測定信号を分析し、それに関する第１のデジタル出力信号を提供する。第２の評価ユニット６は、第２の時間に検出される力Ｆの第２の測定信号を分析し、それに関する第２のデジタル出力信号を提供する。フォース・トランスデューサー・モジュール１４、１４’は、第１の時間に検出される力Ｆおよび第２の時間に検出される力Ｆの測定信号を、互いに独立して評価する。
【００４９】
フォース・モーメント・センサー１は、第１の時間に検出される力Ｆの第１のデジタル出力信号、および、第２の時間に検出される力Ｆの第２のデジタル出力信号を、バス・システムを介して、ロボット１５のロボット・コントロールへ送信する。ロボット・コントロールは、第１の時間に検出される力Ｆの伝送された第１のデジタル出力信号と、第２の時間に検出される力の伝送された第２のデジタル出力信号とを比較することが可能である。
【符号の説明】
【００５０】
０  フォース・モーメント・センサーの中心
１  フォース・モーメント・センサー
２  ベース・プレート
３  カバー・プレート
４から４’’’  圧電式フォース・トランスデューサー
５から５’’’  プレストレス部材
６  評価ユニット
７  インターフェース・ソケット
８、８’  圧電式トランスデューサー・エレメント
９、９’  トランスデューサー電極
１０から１０’’  カウンター電極
１１から１１’’  導電体
１３ａ、１３ｂから１３ｂ’’’、１３ｃ  シーリング・エレメント
１４、１４’  フォース・トランスデューサー・モジュール
１５  ロボット
１６  ツール
２１から２１’’’  半径方向外側のキャビティー
２２  中央キャビティー
２３から２３’’’  貫通孔
２４  ベース・プレートの境界表面
３１  カバー・プレートの境界表面
ａ  距離
ｒ  半径方向の距離
ｘ、ｙ、ｚ  座標
【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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【国際調査報告】
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