(57)【要約】本発明に係る小型の６軸力センサおよびトルクセンサは、円筒形ケーシングと、円筒形ケーシングの内壁に設けられている台座と、台座に接続されている寸法および構造が同じである８本の第一弾性梁と、円筒形ケーシングの中心部に設けられている中心部ボスと、中心部ボスと第一弾性梁とを接続する寸法および構造が同じである４本の第二弾性梁と、を含み、４本の第二弾性梁は十字形に設けられており、８本の第一弾性梁および４本の第二弾性梁のそれぞれには複数のひずみゲージが貼設されており、各自にフルブリッジ式回路を構成している。本発明は構造が簡単であり、体積がコンパクトであり、６方向における構造の自己デカップリングを実現でき、現在の産業システムに合わせて使用することに適合する。円筒形ケーシング１、台座２、中心部ボス３、第一弾性梁４および第二弾性梁５は一体型部材であり、組み立てを必要としないため、強度が高く、剛性が大きく、固有振動数が高く、線型性、重複性およびヒステリシスがいずれも理想的であるとの利点を有する。【選択図】図１
2019522186.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
小型の６軸力センサおよびトルクセンサであって、
円筒形ケーシングと、
前記円筒形ケーシングの内壁に設けられている台座と、
前記台座に接続されている寸法および構造が同じである８本の第一弾性梁と、
前記円筒形ケーシングの中心部に設けられている中心部ボスと、
前記中心部ボスと前記第一弾性梁とを接続する寸法および構造が同じである４本の第二弾性梁と、
を含み、
４本の前記第二弾性梁は十字形に設けられており、８本の前記第一弾性梁および４本の前記第二弾性梁のそれぞれには複数のひずみゲージが貼設されており、各自にフルブリッジ式回路を構成している、
ことを特徴とする、小型の６軸力センサおよびトルクセンサ。
【請求項２】
前記中心部ボスは円形であり、円形の前記中心部ボスの中央には接続固定用Ｍ２．５の第一ねじ穴およびΦ１．５のピン穴が設けられている、ことを特徴とする、請求項１に記載の小型の６軸力センサおよびトルクセンサ。
【請求項３】
前記第一ねじ穴は４つあり、前記ピン穴は２つあり、４つの前記第一ねじ穴は前記中心部ボスの上に矩形状に配置されており、２つの前記ピン穴は矩形状に配置された４つの前記第一ねじ穴の両側にそれぞれ設けられている、ことを特徴とする請求項２に記載の小型の６軸力センサおよびトルクセンサ。
【請求項４】
前記第二弾性梁の頂部は前記第一弾性梁の頂部より高く、前記第二弾性梁の底部は前記第一弾性梁の底部より低い、ことを特徴とする請求項１に記載の小型の６軸力センサおよびトルクセンサ。
【請求項５】
各前記第二弾性梁は、該第二弾性梁に接続されている２つの前記第一弾性梁とそれぞれ垂直に設けられている、ことを特徴とする請求項１または４に記載の小型の６軸力センサおよびトルクセンサ。
【請求項６】
前記第一弾性梁の上面および下面は前記ひずみゲージを貼設するための第一表面実装領域である、ことを特徴とする請求項１に記載の小型の６軸力センサおよびトルクセンサ。
【請求項７】
前記第二弾性梁の中心部には前記第二弾性梁の高さ方向に沿って、貫通されている溝が開設されている、ことを特徴とする請求項１に記載の小型の６軸力センサおよびトルクセンサ。
【請求項８】
前記第二弾性梁における前記第一弾性梁に接続されている一端は、第二協調領域であり、前記溝の所在されている領域における第二梁体の外側面は前記ひずみゲージを貼設するための第二表面実装領域であり、前記第二協調領域は、前記第一表面実装領域のひずみおよび前記第二弾性梁の強度を増加するためのものである、ことを特徴とする、請求項１に記載の小型の６軸力センサおよびトルクセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動化技術分野に関し、特に小型の６軸力センサおよびトルクセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
多軸力センサおよびトルクセンサは、両方向以上の力またはトルク成分を同時に測定できる力覚センサであり、デカルト座標系において、力およびトルクはそれぞれ３つの成分に分解されることができる。このため、多軸力センサおよびトルクセンサの最も完全な形式は６軸力センサおよびトルクセンサであり、即ち、３つの力成分および３つのトルク成分を同時に測定できる。多軸力センサおよびトルクセンサは、ロボット、産業オートメーション、軍需産業などの分野に幅広く応用されている。
【０００３】
金属箔表面実装型の６軸力センサおよびトルクセンサは、技術が成熟しており、圧電型、半導体型のセンサに比べて安定性が良好であり、作動環境に対する要求が高くないなどの特徴を有するため、幅広く応用されている。しかしながら、従来技術の金属箔表面実装型の６軸力センサおよびトルクセンサには、以下のような多くの問題点が存在している。
【０００４】
従来の多軸力センサおよびトルクセンサにおいて、弾性体は寸法が小さく、体積が減少されたが、その上に貼設されたひずみゲージの数が少なく、ある方向または複数の方向における力またはトルクはその他の方向の出力および構造の寸法に基づいて推算しなければならないため、システム誤差を増大させる。
【０００５】
従来の６軸力センサおよびトルクＲＳＳセンサにおいて、弾性体はボールヒンジにより各弾性梁を接続することによって、自己デカップリング、高精度などの設計要求を満たすことができるが、その弾性体自身の組み立て工程に対する要求が高く、その組み立て精度も弾性体の精度およびデカップリングに影響を与える。また、このようなセンサの固有振動数もそれほど高くない。従来の非カップリング型の６軸力センサおよびトルクセンサは組み立てによりデカップリングを実現することが多いため、組み立て工程に対する要求が高い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、６方向における構造の自己デカップリングを実現でき、強度が高く、剛性が大きく、固有振動数が高く、動的試験を行うことができ、精度が高く、構造寸法が小さい特徴を有する小型の６軸力センサおよびトルクセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明に係る小型の６軸力センサおよびトルクセンサは、円筒形ケーシングと、前記円筒形ケーシングの内壁に設けられている台座と、前記台座に接続されている寸法および構造が同じである８本の第一弾性梁と、前記円筒形ケーシングの中心部に設けられている中心部ボスと、前記中心部ボスと前記第一弾性梁とを接続する寸法および構造が同じである４本の第二弾性梁と、を含み、４本の前記第二弾性梁は十字形に設けられており、８本の前記第一弾性梁および４本の前記第二弾性梁のそれぞれには複数のひずみゲージが貼設されており、各自にフルブリッジ式回路を構成している。
【０００８】
さらに、前記中心部ボスは円形であり、円形の前記中心部ボスの中央には接続固定用Ｍ２．５の第一ねじ穴およびΦ１．５のピン穴が設けられている。
【０００９】
さらに、前記第一ねじ穴は４つあり、前記ピン穴は２つあり、４つの前記第一ねじ穴は前記中心部ボスの上に矩形状に配置されており、２つの前記ピン穴は矩形状に配置された４つの前記第一ねじ穴の両側にそれぞれ設けられている。
【００１０】
さらに、前記第二弾性梁の頂部は前記第一弾性梁の頂部より高く、前記第二弾性梁の底部は前記第一弾性梁の底部より低い。
【００１１】
さらに、各前記第二弾性梁は、該第二弾性梁に接続されている２つの前記第一弾性梁とそれぞれ垂直に設けられている。
【００１２】
さらに、前記第一弾性梁の上面および下面は前記ひずみゲージを貼設するための第一表面実装領域である。
【００１３】
さらに、前記第二弾性梁の中心部には前記第二弾性梁の高さ方向に沿って、貫通されている溝が開設されており、前記溝は、前記第二表面実装領域のひずみを増やすためのものである。
【００１４】
さらに、前記第二弾性梁における前記第一弾性梁に接続されている一端は、第二協調領域であり、前記溝の所在されている領域における第二梁体の外側面は前記ひずみゲージを貼設するための第二表面実装領域であり、前記第二協調領域は、前記第一表面実装領域のひずみおよび前記第二弾性梁の強度を増加するために強度を増加するためのものである
【００１５】
本発明に係る小型の６軸力センサおよびトルクセンサによれば、上記中心部ボスに力およびトルクが作用された場合、上記台座および上記中心部ボスは剛性のものであるため、変形が発生しないが、８本の上記第一弾性梁および４本の上記第二弾性梁はいずれも引張圧縮変形または曲げ変形が発生するため、各フルブリッジ式回路から出力される電圧信号が変化し、これらの信号を分析し処理すれば、各方向において受けた作用する力またはトルクが便利に得られる。そのため、本発明は構造が簡単であり、体積がコンパクトであり、６方向における構造の自己デカップリングを実現でき、現在の産業システムに合わせて使用することに適合している。また、上記円筒形ケーシング、上記台座、上記中心部ボス、上記第一弾性梁および上記第二弾性梁は一体型部材であり、組み立てを必要としないため、強度が高く、剛性が大きく、固有振動数が高く、線型性、重複性およびヒステリシスがいずれも理想的であるとの利点を有する。さらに、上記第一弾性梁および上記第二弾性梁の寸法を変更することにより、センサの測定範囲を任意に変更できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る小型の６軸力センサおよびトルクセンサにおいて、ひずみゲージが貼設される前の構造を示す図である。
【図２】本発明に係る小型の６軸力センサおよびトルクセンサにおいて、ひずみゲージが貼設された後の構造を示す図である。
【図３】本発明に係る小型の６軸力センサおよびトルクセンサのひずみゲージの配置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下の説明において、「中心」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「垂直」、「水平」、「頂」、「底」、「内」、「外」などの用語により示される方位または位置関係は、図面に示す方位または位置関係に基づくものであり、本発明を説明しやすく、簡略化するためのものであり、かかる装置または素子が必ず特定の方位を有し、特定の方位において構成し操作しなければならないことを示したり示唆したりするものではない。このため、本発明を限定するものとして理解してはならない。
【００１８】
また、「第一」、「第二」の用語は目的を説明するために使用されるのみで、相対的な重要性を示したり示唆したり示された技術的特徴の数を暗示したりするものとして理解してはならない。そのため、「第一」、「第二」と限定された特徴は１つまたは複数の該特徴を含んでいると明示的または黙示的に示している。以下の説明において、別途の説明がない限り、「複数」とは２つまたは２つ以上を意味する。
【００１９】
以下、図面を参照しながら、本発明について詳しく説明する。図１に示すように、本実施例に係る小型の６軸力センサおよびトルクセンサは、円筒形ケーシング１と、上記円筒形ケーシング１の内壁に設けられている台座２と、４つの上記台座２にそれぞれ接続されている寸法および構造が同じである８本の第一弾性梁４と、上記円筒形ケーシング１の中心部に設けられている中心部ボス３と、上記中心部ボス３および上記第一弾性梁４に接続されている寸法および構造が同じである４本の第二弾性梁５とを含み、４本の上記第二弾性梁５は十字形に設けられており、８本の上記第一弾性梁４および４本の上記第二弾性梁５のそれぞれには複数のひずみゲージ７が貼設されており、各自にフルブリッジ式回路を構成している。
【００２０】
本実施例に記載の小型の６軸力センサおよびトルクセンサは、上記中心部ボス３に力およびトルクが作用された場合、上記台座２および上記中心部ボス３は剛性のものであるため、変形が発生しないが、８本の上記第一弾性梁４および４本の上記第二弾性梁５はいずれも引張圧縮変形または曲げ変形が発生するため、各フルブリッジ式回路から出力される電圧信号が変化し、これらの信号を分析し処理すれば、各方向において受けた作用する力およびトルクが便利に得られる。そのため、本発明は構造が簡単であり、体積がコンパクトであり、６方向における構造の自己デカップリングを実現でき、現在の産業システムに合わせて使用することに適合している。また、上記円筒形ケーシング１、上記台座２、上記中心部ボス３、上記第一弾性梁４および上記第二弾性梁５は一体型部材であり、組み立てを必要としないため、強度が高く、剛性が大きく、固有振動数が高く、線型性、重複性およびヒステリシスがいずれも理想的であるとの利点を有する。さらに、上記第一弾性梁４および上記第二弾性梁５の寸法を変更することにより、センサの測定範囲を任意に変更できる。
【００２１】
本実施例において、上記中心部ボス３は円形であり、円形の上記中心部ボス３の中央には接続固定用Ｍ２．５の第一ねじ穴３１およびΦ１．５のピン穴３２が設けられており、上記第一ねじ穴３１および上記ピン穴３２は接続フランジと隙間なく密接に嵌合されることができ、動的測定（例えば、往復運動）を実現できる。
【００２２】
使用しやすくするために、上記技術的解決手段に対するさらなる改良として、上記第一ねじ穴３１は４つあり、上記ピン穴３２は２つあり、４つの上記第一ねじ穴３１は上記中心部ボス３の上に矩形状に配置されており、２つの上記ピン穴３２は矩形状に配置された４つの上記第一ねじ穴３１の両側にそれぞれ設けられている。
【００２３】
本実施例において、４つの上記台座２には保護カバーを取り付けるための第二ねじ穴６がそれぞれ設けられている。
【００２４】
該弾性体の性能を向上させるため、上記技術的解決手段に対するさらなる改良として、上記第二弾性梁５の頂部は上記第一弾性梁４の頂部より高く、上記第二弾性梁５の底部は上記第一弾性梁４の底部より低い。
【００２５】
該弾性体の性能を向上させるため、上記技術的解決手段に対するさらなる改良として、各上記第二弾性梁５は、該第二弾性梁に接続されている２つの上記第一弾性梁４とそれぞれ垂直に設けられており、上記第一弾性梁４の高さは上記第二弾性梁５の高さの１／３である。
【００２６】
具体的に、上記第一弾性梁４の上面および下面は上記ひずみゲージ７を貼設するための第一表面実装領域である。
【００２７】
本実施例において、上記第二弾性梁５の中心部には上記第二弾性梁５の高さ方向に沿って、貫通されている溝５１が開設されており、上記溝５１は、上記第二表面実装領域のひずみを増やすためのものである。
【００２８】
本実施例において、上記溝５１には必要に応じて矩形凹溝が開設されており、通常の場合、上記溝５１は「土」字形の構造である。
【００２９】
具体的に、上記第二弾性梁５における上記第一弾性梁４に接続される一端は、第二協調領域であり、上記溝５１の所在されている領域における第二梁体の外側面は上記ひずみゲージを貼設するための第二表面実装領域であり、かつ上記第二表面実装領域は具体的には上記第二弾性梁５および上記溝５１により形成された肉厚の薄い部分の外側面に位置しており、上記第二協調領域は、上記第一表面実装領域のひずみおよび第二弾性梁５の強度を増加するためのものである。
【００３０】
図２に示すように、８本の上記第一弾性梁４はそれぞれ、第一弾性梁４０１、第一弾性梁４０２、第一弾性梁４０３、第一弾性梁４０４、第一弾性梁４０５、第一弾性梁４０６、第一弾性梁４０７、第一弾性梁４０８であり、４本の上記第二弾性梁５はそれぞれ、第二弾性梁５０１、第二弾性梁５０２、第二弾性梁５０３、第二弾性梁５０４である。上記第一弾性梁４０１および上記第一弾性梁４０２は上記第二弾性梁５０１に対して対称するように設けられており、上記第一弾性梁４０３および上記第一弾性梁４０４は上記第二弾性梁５０２に対して対称するように設けられており、上記第一弾性梁４０５および上記第一弾性梁４０６は、上記第二弾性梁５０３に対して対称するように設けられており、上記第一弾性梁４０７および上記第一弾性梁４０８は上記第二弾性梁５０４に対して対称するように設けられている。
【００３１】
複数の上記ひずみゲージ７はそれぞれ、Ｒｎ（ｎ＝１、２、３、４……）により表示されている。
すなわち、図２、図３に示すように、Ｒ１は上記第一弾性梁４０１の上面であって上記台座２に近接する一端に設けられており、Ｒ２は上記第一弾性梁４０１の下面であって上記第二弾性梁５０１に近接する一端に設けられており、Ｒ３は上記第一弾性梁４０２の上面であって上記第二弾性梁５０１に近接する一端に設けられており、Ｒ４は上記第一弾性梁４０２の下面であって上記台座２に近接する一端に設けられており、Ｒ５は上記第一弾性梁４０３の上面であって上記台座２に近接する一端に設けられており、Ｒ６は上記第一弾性梁４０４の下面であって上記台座２に近接する一端に設けられており、Ｒ７は上記第一弾性梁４０５の上面であって上記台座２に近接する一端に設けられており、Ｒ８は上記第一弾性梁４０５の下面であって上記第二弾性梁５０３に近接する一端に設けられており、Ｒ９は上記第一弾性梁４０６の上面であって上記第二弾性梁５０３に近接する一端に設けられており、Ｒ１０は上記第一弾性梁４０６の下面であって上記台座２に近接する一端に設けられており、Ｒ１１は上記第一弾性梁４０７の上面であって上記台座２に近接する一端に設けられており、Ｒ１２は上記第一弾性梁４０８の下面であって上記台座２に近接する一端に設けられている。
【００３２】
Ｒ１３、Ｒ１４はそれぞれ、Ｒ１６、Ｒ１５と上記第二弾性梁５０１の中心線に対して対称するように設けられており、Ｒ１７およびＲ１８は上記第二弾性梁５０２の中心線に対して対称するように設けられており、Ｒ１９、Ｒ２０はそれぞれ、Ｒ２２、Ｒ２１と上記第２弾性梁５０３の中心線に対して対称するように設けられており、Ｒ２３およびＲ２４は上記第二弾性梁５０４の中心線に対して対称するように設けられている。
【００３３】
最後に、以上の実施例は本発明の技術的解決手段を限定するためのものではなく説明するためのもののみであり、好ましい実施例を参照しながら本発明について詳しく説明したが、当業者であれば、本発明の技術的解決手段に対して修正または均等な置換を行ってもよく、本発明の技術的思想および範囲から逸脱しない限り、いずれも本発明の保護範囲に含まれるべきであることを理解すべきである。
【符号の説明】
【００３４】
１  円筒形ケーシング、
２  台座、
３  中心部ボス、
３１  第一ねじ穴、
３２  ピン穴、
４  第一弾性梁、
５  第二弾性梁、
５１  溝、
６  第二ねじ穴、
７  ひずみゲージ、
４０１  第一弾性梁、
４０２  第一弾性梁、
４０３  第一弾性梁、
４０４  第一弾性梁、
４０５  第一弾性梁、
４０６  第一弾性梁、
４０７  第一弾性梁、
４０８  第一弾性梁、
５０１  第二弾性梁、
５０２  第二弾性梁、
５０３  第二弾性梁、
５０４  第二弾性梁。
【図１】
2019522186.tif 000003
【図２】
2019522186.tif 000004
【図３】
2019522186.tif 000005
【国際調査報告】
2019522186.tif 000006
2019522186.tif 000007
2019522186.tif 000008
2019522186.tif 000009