JP4347165B2 - 多軸力センサ - Google Patents

Description

本発明は、センサの原点に作用するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の座標軸方向の力３成分と、その各軸回りのモーメント成分の少なくとも１つを検出可能な多軸力センサに関する。

自動車、産業用ロボット、その他の機械装置は、より多機能なものへと日々進歩を続けているが、その構成部品として高精度のセンサ類が必要不可欠になっている。特に、１つのセンサによって力の大きさと方向を正確に検出することができれば、非常に精密な制御を実現することができるようになる。
そのため、これまでも、例えば特許文献１〜３にあるような、多軸力センサの開発がなされてきた。

しかしながら、従来の多軸力センサは、実際に荷重等を受ける起歪体と、これに付与された剪断力等を検出する歪みゲージなどを組み合わせた構造よりなるものが主流であって、構造が複雑で、製造コストが高く、測定精度についても十分とはいえず、さらなる向上が望まれていた。

特開平７−１２６６４号公報 特開平７−７２０２６号公報 特開平２−２６８２４０号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、構造が簡単で、高い信頼性が得られる多軸力センサを提供しようとするものである。

［課題を解決するための手段］
本発明は、少なくとも、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向に作用する座標軸方向の力３成分と、上記Ｘ軸及び上記Ｙ軸回りのモーメントを検出可能な多軸力センサであって、
上記Ｘ軸及び上記Ｙ軸を含む基準平面上において座標原点を中心とするリング状の内周面を有する外輪部と、
該外輪部の上記内周面に対面するリング状の外周面を有する内輪部と、
上記内周面と上記外周面とを連結する複数の荷重センサ素子とよりなり、
上記外輪部の上記内周面は、上記Ｚ軸に対して傾斜したテーパ内面を有し、上記内輪部の上記外周面は、上記テーパ内面に対面するよう上記Ｚ軸に対して傾斜したテーパ外面を有し、
上記テーパ内面は、所定の方向に傾斜した第１テーパ内面と、その逆方向に傾斜した第２テーパ内面とを連ねて凹状又は凸状に形成されており、
上記テーパ外面は、上記第１テーパ内面に対面するよう所定の方向に傾斜した第１テーパ外面と、その逆方向に傾斜して上記第２テーパ内面に対面する第２テーパ外面とを連ねて凸状又は凹状に形成されており、
上記荷重センサ素子は、上記第１テーパ内面と上記第１テーパ外面との間、及び上記第２テーパ内面と上記第２テーパ外面との間にそれぞれ挟持されていることを特徴とする多軸力センサにある（請求項１）。

本発明の多軸力センサは、上記のごとく、外輪部、内輪部及びこれらの間に挟持された上記複数の荷重センサ素子により構成されており、構造が非常に簡単である。さらに、上記内周面及び外周面は、Ｚ軸に対して傾斜したテーパ外面及びテーパ内面を有しており、これらの間に上記荷重センサ素子を複数挟持してある。そのため、上記外輪部又は内輪部を固定し、内輪部又は外輪部に測定すべき力を入力することにより、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向だけに限らず、Ｚ軸方向の力も検出することができる。そして、さらに、これらの軸方向の力を検出することによって、少なくともＸ軸回りのモーメント及びＹ軸回りのモーメントをも検出することが可能となる。

また、ここで注目すべきことは、上記多軸力センサは、荷重センサ素子を上記のごとく配置し、これにより上記外輪部と内輪部とをつないでいる点である。このような構造をとることによって、上記外輪部又は内輪部に入力された力が、起歪体などの他部材を介して伝達されるのではなく、上記荷重センサ素子に直接的に伝達される。そのため、入力された力をきわめて精度良く感知することができ、検出精度の向上を図ることもできる。
このように、本発明の多軸力センサは、構造が簡単なだけでなく、構造的にも性能的にも安定し、高い信頼性を有するものである。

本発明の多軸力センサにおいては、上記荷重センサ素子は、平行な２つの外表面に受圧面を有すると共に、該受圧面から一軸荷重を受けた際に電気的特性を変化させる感圧体を有しており、一方の上記受圧面を上記テーパ内面に当接又は接合させ、他方の上記受圧面を上記テーパ外面に当接又は接合させていることが好ましい（請求項２）。このような一軸荷重を直接に受けて検出できる感圧体を有する荷重センサ素子を採用することにより、上記外輪部と内輪部との間に挟持する構造を容易に実現することができる。

上記感圧体としては、例えば、電気的絶縁性を有するセラミックスよりなる母材中に、圧力抵抗効果又は磁気抵抗効果を有する材料を電気的につながるように分散させた複合セラミックスを採用することが可能である。その他、受圧した応力に応じて電気的特性を変化しうる材料であれば、上記以外の構成の感圧体を採用することができることは言うまでもない。
また、感圧体の両面には、電気的絶縁性を有するセラミックス等よりなる絶縁部を設け、これを受圧面とすることが好ましい。これにより、外輪部および内輪部と荷重センサ素子との間の電気的絶縁性を容易に確保することができる。

また、上記荷重センサ素子は、圧縮応力のみを検知するよう構成されていることが好ましい（請求項３）。すなわち、圧縮応力のみを検知し，せん断応力を検知しない荷重センサ素子を使用することにより、せん断応力が入力された場合でも，精度よく多軸力を求めることができる。

また、上記Ｘ軸に直交し上記座標原点を含む平面であるＸ面と、上記Ｙ軸に直交し上記座標原点を含む平面であるＹ面の両方に対して対称な位置に配置されていることが好ましい（請求項４）。この場合には、複数の荷重センサ素子からの出力を演算して軸方向の力及びモーメントを算出する際に、少なくともＸ軸方向及びＹ軸方向において構造的に対称であることを利用して演算時の補正処理を簡単にすることができる。さらに、構造的に安定しているので、多軸力センサ全体の安定性、信頼性をさらに高めることができる。

また、上記複数の荷重センサ素子は、上記Ｚ軸に直交し上記座標原点を含む平面であるＺ面に対しても対称な位置に配置されていることが好ましい（請求項５）。この場合には、Ｚ軸方向においても構造的に対称であるので、各荷重センサ素子からの出力の演算時の補正処理をさらに簡単にすることができると共に、さらに上記多軸力センサの構造的安定性、信頼性を高めることができる。

また、上記テーパ内面は、所定の方向に傾斜した第１テーパ内面と、その逆方向に傾斜した第２テーパ内面とを連ねて凹状又は凸状に形成されており、上記テーパ外面は、上記第１テーパ内面に対面するよう所定の方向に傾斜した第１テーパ外面と、その逆方向に傾斜して上記第２テーパ内面に対面する第２テーパ外面とを連ねて凸状又は凹状に形成されており、上記荷重センサ素子は、上記第１テーパ内面と上記第１テーパ外面との間、及び上記第２テーパ内面と上記第２テーパ外面との間にそれぞれ挟持されている。

この場合には、Ｚ軸に沿った一方向の力を、上記第１テーパ内面と上記第１テーパ外面との間に挟持した第１群の荷重センサ素子によって測定し、他方向の力を、上記第２テーパ内面と上記第２テーパ外面との間に挟持した第２群の荷重センサ素子によって測定するというように、複数の荷重センサ素子を容易に役割分担することができる。更には、測定する方向を圧縮力のみに限定することも可能となる。それ故、測定精度がさらに高まり、信頼性もさらに向上する。
また、上記外輪部における凹状又は凸状の形状と、内輪部における凸状又は凹状の形状との組み合わせによって、両者の組み合わせ形状をより安定化させることができる。

また、上記外輪部又は上記内輪部は、その厚み方向において２つの部品に分割されており、両者の間隔を調整することにより、上記外輪部と上記内輪部との間に挟持した上記荷重センサ素子に対する予荷重を調整可能に構成されていることが好ましい（請求項６）。この場合には、上記２つの部品の間隔を調整することにより、採用した荷重センサ素子にとって最適な予荷重をセットすることができる。予荷重をセットすることにより，引張もしくは圧縮の入力に対して，すべての荷重センサ素子が応答できる。すなわち，精度よく多軸力を検知できる。それ故、上記多軸力センサの測定精度、安定性及び構造的な安定性をさらに高めることができる。

また、上記外輪部の上記内周面は、上記第１テーパ内面と上記第２テーパ内面とを連ねて中央部が最も小径となる凸状に形成されており、上記内輪部の上記テーパ外面は、上記第１テーパ内面と上記第２テーパ内面とを連ねて中央部が最も小径となる凹状に形成されており、かつ、上記内輪部が、その厚み方向において２つの部品に分割されており、両者の間隔を縮めることにより上記予荷重を大きくし、両者の間隔を拡げることにより上記予荷重を小さくすることが可能に構成されていることが好ましい（請求項７）。この場合には、内輪部を２部品、外輪部を１部品により構成することができるので、外輪部を固定することが容易となり、設置が容易な構造を実現することができる。また、上記内輪部の形状を中央部分が最も小径となる凹状してあるので、これを２分割した状態で上記外輪部に組み合わせる際に、その内周側に両面側から挟み込むように挿入することで容易に組み付けることができる。

また、上記内輪部の上記２つの部品は、ボルトの締め付けにより間隔を縮めるように構成されており、かつ、両者の間には、締め力を調整するためのシムが配設されていることが好ましい（請求項８）。この場合には、内輪部を構成する２つの部品の結合が容易であると共に、その間隔の調整も上記シムの厚みを選択することによって容易であり、かつ、上記シムの存在によって、締めつけ力を容易に調整することができる。

（実施例１）
本発明の実施例に係る多軸力センサにつき、図１、図２を用いて説明する。
本例の多軸力センサ１は、図１、図２に示すごとく、少なくとも、互いに直交するＸ軸（Ｘ）、Ｙ軸（Ｙ）及びＺ軸（Ｚ）方向に作用する座標軸方向の力３成分と、上記Ｘ軸及び上記Ｙ軸回りのモーメントＭｘ，Ｍｙを検出可能な多軸力センサである。
多軸力センサ１は、Ｘ軸及びＹ軸を含む基準平面上において座標原点Ｏを中心とするリング状の内周面を有する外輪部２と、該外輪部２の上記内周面２０に対面するリング状の外周面３０を有する内輪部３と、内周面２０と外周面３０とを連結する複数の荷重センサ素子４とよりなる。

外輪部２の内周面２０は、Ｚ軸に対して傾斜したテーパ内面２１、２２を有し、内輪部３の外周面３０は、テーパ内面２１、２２に対面するようＺ軸に対して傾斜したテーパ外面３１、３２を有している。そして、荷重センサ素子４は、上記テーパ内面２１、２２とテーパ外面３１、３２との間に挟持されている。
以下、さらに詳説する。

本例の荷重センサ素子４は、図３に示すごとく、平行な２つの外表面に受圧面４１、４２を有し、受圧面４１、４２から一軸荷重を受けた際に電気的特性を変化させる感圧体４００を有している。そして、感圧体４００の両面には電気絶縁性を有するセラミックスよりなる絶縁部４０１、４０２を配置してあり、その表面がそれぞれ上記受圧面４１、４２となっている。また、絶縁部４０１、感圧体４００、及び絶縁部４０２の積層方向と直交する方向の両端面には、感圧体４００の電気抵抗の変化を取り出すための電極４５を設けてあり、図示しない出力線に接続してある。
そして、荷重センサ素子４は、図２に示すごとく、一方の受圧面４１をテーパ内面２１、２２に当接又は接合させ、他方の上記受圧面４２を上記テーパ外面３１、３２に当接又は接合させている。

また、上記荷重センサ素子４を構成する感圧体４００は、図４に示すごとく、電気絶縁性を有するセラミックスよりなる母材４０９中に圧力抵抗効果を有するセンサ材料４０８が電気的につながるように分散してなる複合セラミックスよりなる。上記母材４０９となるセラミックスとしては様々な材料を使用することができるが、本例ではジルコニアを採用した。また、上記圧力抵抗効果を有するセンサ材料４０８としても様々な材料を使用することができるが、本例では（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ₃を採用した。この感圧体４００を用いた荷重センサ素子４は、圧縮応力のみを検知するよう構成される。
なお、上記感圧体４００としては、受圧した圧力に応じて電気的特性を変化しうる材料であれば、上記以外の構成のものを採用可能であることは勿論である。

また、図２に示すごとく、上記外輪部２におけるテーパ内面２１、２２は、所定の方向に傾斜した第１テーパ内面２１と、その逆方向に傾斜した第２テーパ内面２２とを連ねて凸状に形成してある。
また、内輪部３におけるテーパ外面３１、３２は、第１テーパ内面２１に対面するよう所定の方向に傾斜した第１テーパ外面３１と、その逆方向に傾斜して第２テーパ内面２２に対面する第２テーパ外面３２とを連ねて凹状に形成してある。
そして、荷重センサ素子４は、第１テーパ内面２１と第１テーパ外面３１との間、及び第２テーパ内面２２と第２テーパ外面３２との間にそれぞれ挟持した。

また、図２に示すごとく、内輪部３は、その厚み方向において２つの部品３０１、３０２に分割されており、両者の間隔を調整することにより、外輪部２と内輪部３との間に挟持した荷重センサ素子４に対する予荷重を調整可能に構成されている。より具体的には、２つの部品３０１、３０２の間隔を縮めることにより上記予荷重を大きくし、両者の間隔を拡げることにより上記予荷重を小さくすることが可能に構成されている。

さらに、同図に示すごとく、内輪部３の２つの部品３０１、３０２は、ボルト６の締め付けにより間隔を縮めるように構成されており、かつ、両者３０１、３０２の間には、締め力を調整するためのシム６５が配設されている。このような構造をとることにより、締めつけ力を所定値に調整することができ、締めつけ力が強くなりすぎたりすることを防止することができる。また、上記間隔は上記シム６５の厚みを変更することにより容易に調整することが可能であり、これにより、上記予荷重も容易に調整可能である。本例では、このようなボルト締め付け構造が得られるように、内輪部３に貫通穴３９１及びねじ穴３９２を設け、シム６５にも貫通穴６５９を設けてある。

また、図１、図２に示すごとく、荷重センサ素子４は、上記Ｘ軸に直交し座標原点Ｏを含む平面であるＸ面と、上記Ｙ軸に直交し座標原点Ｏを含む平面であるＹ面と、上記Ｚ軸に直交し座標原点Ｏを含む平面であるＺ面の全てに対して対称な位置に配置されている。より具体的には、図１に示すごとく、基準平面上においては、Ｘ軸上及びＹ軸上の４箇所に等間隔で荷重センサ素子４を配置してある。また、Ｚ軸方向に見れば、基準平面を挟んで対称に上下に分けて、つまり、第１テーパ内面２１と第１テーパ外面３１との間の第１の群と、第２テーパ内面２２と第２テーパ外面３２との間の第２の群とに分けて対称に配置してある。
また、本例では、第１テーパ内面２１及び第１テーパ外面３１のＺ軸に対する傾斜角度α１と、第２テーパ内面２２及び第２テーパ外面３２のＺ軸に対する傾斜角度α２とを同じ２２．５°に設定した。

以上のように、本例の多軸力センサ１は、外輪部２、内輪部３及びこれらの間に挟持された上記複数の荷重センサ素子４により構成されており、構造が非常に簡単である。
さらに、多軸力センサ１は、荷重センサ素子４を上記のごとく配置し、これにより上記外輪部２と内輪部３とをつないでいる。このような構造をとり、外輪部２を固定し、内輪部３に測定しようとする力を入力させることにより、起歪体などの他部材を介さずに、上記荷重センサ素子４に直接的に上記力を伝達させることができる。そのため、入力された力をきわめて精度良く感知することができ、検出精度の向上を図ることができる。

また、本例では、上記内輪部３が厚み方向において分割されていると共に、外周面３０のテーパ形状が、中央部分が最も小径となる凹状にしてある。そのため、これを２分割した状態で上記外輪部３に組み合わせる際に、その内周側に両面側から挟み込むように挿入することで容易に組み付けることができる。そして、両者の間にシム６５を挟んでボルト６を締め込むことにより、安定構造を実現できると共に、シム６５の厚みの選択によって最適な予荷重を各荷重センサ素子４に付与することができる。
また、上記のごとく、荷重センサ素子４の配置が、Ｘ面、Ｙ面及びＺ面に対して対称であるので、各荷重センサ素子４の出力値から各方向の軸荷重及びモーメントの検出のための演算等を簡素化することができる。

（実施例２）
本例の多軸力センサ１０２は、図５、図６に示すごとく、実施例１における多軸力センサ１と対比して基本的構造は同じであるが、外輪部２及び内輪部３の細かな形状を変更したものである。
本例の多軸力センサ１０２が実施例１の場合と大きく異なる点は、図５、図６に示すごとく、第１テーパ内面２１及び第１テーパ外面３１のＺ軸に対する傾斜角度β１と、第２テーパ内面２２及び第２テーパ外面３２のＺ軸に対する傾斜角度β２とを同じ４５°に設定し、実施例１の場合よりも大きくした点である。このように傾斜角度β１、β３を大きくすることによって、Ｚ軸方向の力をより感度よく測定することが可能となる。
その他は、実施例１と同様の作用効果が得られる。

（実施例３）
本例は、図７に示すごとく、実施例２の構造を基本とし、荷重センサ素子４の基準平面上における配置を８箇所に変更した例である。
この場合には、荷重センサ素子４の増加によって、さらにきめ細かい精度の高い検出が可能となると共に、構造的にもより安定にすることができる。
その他は実施例１と同様の作用効果が得られる。

実施例１における、多軸力センサの平面図。 実施例１における、多軸力センサの縦断面図。 実施例１における、多軸力センサに採用した荷重センサの構成を示す説明図。 実施例１における、荷重センサにおける感圧体の構成を示す説明図。 実施例２における、多軸力センサの平面図。 実施例２における、多軸力センサの縦断面図。 実施例３における、多軸力センサの平面図。

符号の説明

１ 多軸力センサ
２ 外輪部
２０ 内周面
２１ 第１テーパ内面
２２ 第２テーパ内面
３ 内輪部
３０ 外周面
３１ 第１テーパ外面
３２ 第２テーパ外面
４ 荷重センサ素子
６ ボルト
６５ シム

Claims (8)

1. 少なくとも、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向に作用する座標軸方向の力３成分と、上記Ｘ軸及び上記Ｙ軸回りのモーメントを検出可能な多軸力センサであって、
   上記Ｘ軸及び上記Ｙ軸を含む基準平面上において座標原点を中心とするリング状の内周面を有する外輪部と、
   該外輪部の上記内周面に対面するリング状の外周面を有する内輪部と、
   上記内周面と上記外周面とを連結する複数の荷重センサ素子とよりなり、
   上記外輪部の上記内周面は、上記Ｚ軸に対して傾斜したテーパ内面を有し、上記内輪部の上記外周面は、上記テーパ内面に対面するよう上記Ｚ軸に対して傾斜したテーパ外面を有し、
   上記テーパ内面は、所定の方向に傾斜した第１テーパ内面と、その逆方向に傾斜した第２テーパ内面とを連ねて凹状又は凸状に形成されており、
   上記テーパ外面は、上記第１テーパ内面に対面するよう所定の方向に傾斜した第１テーパ外面と、その逆方向に傾斜して上記第２テーパ内面に対面する第２テーパ外面とを連ねて凸状又は凹状に形成されており、
   上記荷重センサ素子は、上記第１テーパ内面と上記第１テーパ外面との間、及び上記第２テーパ内面と上記第２テーパ外面との間にそれぞれ挟持されていることを特徴とする多軸力センサ。
2. 請求項１において、上記荷重センサ素子は、平行な２つの外表面に受圧面を有すると共に、該受圧面から一軸荷重を受けた際に電気的特性を変化させる感圧体を有しており、一方の上記受圧面を上記テーパ内面に当接又は接合させ、他方の上記受圧面を上記テーパ外面に当接又は接合させていることを特徴とする多軸力センサ。
3. 請求項１又は２において、上記荷重センサ素子は、圧縮応力のみを検知するよう構成されていることを特徴とする多軸力センサ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項において、上記荷重センサ素子は、上記Ｘ軸に直交し上記座標原点を含む平面であるＸ面と、上記Ｙ軸に直交し上記座標原点を含む平面であるＹ面の両方に対して対称な位置に配置されていることを特徴とする多軸力センサ。
5. 請求項４において、上記複数の荷重センサ素子は、上記Ｚ軸に直交し上記座標原点を含む平面であるＺ面に対しても対称な位置に配置されていることを特徴とする多軸力センサ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項において、上記外輪部又は上記内輪部は、その厚み方向において２つの部品に分割されており、両者の間隔を調整することにより、上記外輪部と上記内輪部との間に挟持した上記荷重センサ素子に対する予荷重を調整可能に構成されていることを特徴とする多軸力センサ。
7. 請求項６において、上記外輪部の上記内周面は、上記第１テーパ内面と上記第２テーパ内面とを連ねて中央部が最も小径となる凸状に形成されており、上記内輪部の上記テーパ外面は、上記第１テーパ内面と上記第２テーパ内面とを連ねて中央部が最も小径となる凹状に形成されており、
   かつ、上記内輪部が、その厚み方向において２つの部品に分割されており、両者の間隔を縮めることにより上記予荷重を大きくし、両者の間隔を拡げることにより上記予荷重を小さくすることが可能に構成されていることを特徴とする多軸力センサ。
8. 請求項７において、上記内輪部の上記２つの部品は、ボルトの締め付けにより間隔を縮めるように構成されており、かつ、両者の間には、締め力を調整するためのシムが配設されていることを特徴とする多軸力センサ。

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