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JP7692863B2 - Force Sensor - Google Patents
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JP7692863B2 - Force Sensor - Google Patents

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Description

本開示は、荷重を検知する力覚センサに関する。 This disclosure relates to a force sensor that detects a load.

産業用ロボットのアームまたは医療用のマニピュレータといった機器には、機器の各部に作用する荷重を検知して電気信号を出力する力覚センサが使用される。力覚センサとしては、特許文献1に開示されている歪ゲージ式の力覚センサ、および、特許文献2に開示されている磁気式の力覚センサが知られている。特許文献1に開示されている力覚センサは、歪ゲージの電気抵抗値を検出し、力覚センサの受力体を移動させる力と受力体を回転させるトルクとを、磁気抵抗値の変動量に基づいて検知する。特許文献2に開示されている力覚センサは、磁石と磁気センサであるホール素子とを備え、磁気センサに対する磁石の相対位置の変化を磁束密度の変化に基づいて検出することによって、受力体を移動させる力と受力体を回転させるトルクとを検知する。 In equipment such as the arms of industrial robots or medical manipulators, force sensors are used that detect the load acting on each part of the equipment and output an electrical signal. Known force sensors include the strain gauge type force sensor disclosed in Patent Document 1 and the magnetic type force sensor disclosed in Patent Document 2. The force sensor disclosed in Patent Document 1 detects the electrical resistance value of the strain gauge and detects the force that moves the force receiving body of the force sensor and the torque that rotates the force receiving body based on the amount of variation in the magnetic resistance value. The force sensor disclosed in Patent Document 2 includes a magnet and a Hall element that is a magnetic sensor, and detects the force that moves the force receiving body and the torque that rotates the force receiving body by detecting the change in the relative position of the magnet with respect to the magnetic sensor based on the change in magnetic flux density.

特開昭57-169643号公報Japanese Patent Application Publication No. 57-169643 特開昭60-177232号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 177232/1983

特許文献1に開示されている従来の力覚センサの場合、力覚センサの製造工程にて起歪体に多数の歪ゲージを貼付する必要があることから、力覚センサの構造が複雑となる。特許文献2に開示されている従来の力覚センサは、4つのホール素子の各々が磁石との距離を検出して、互いに垂直な2軸の各方向の力と、当該2軸の各々に垂直な1軸を中心とするトルクとを検知する。すなわち、特許文献2に開示されている力覚センサは、4つのホール素子を使用して、3軸の各方向の力と1軸を中心とするトルクとを検知する。このため、互いに垂直な3軸の各方向の力と3軸の各々を中心とするトルクとの計6分力を検知するためには、ホール素子の数を増やす必要があるため、力覚センサの構造が複雑となる。このように、従来の力覚センサは、簡易な構成にするとともに、互いに垂直な3軸の各方向の力と3軸の各々を中心とするトルクとを検知可能とすることが困難であるという問題があった。 In the case of the conventional force sensor disclosed in Patent Document 1, since it is necessary to attach a large number of strain gauges to the strain body in the manufacturing process of the force sensor, the structure of the force sensor becomes complicated. In the conventional force sensor disclosed in Patent Document 2, each of the four Hall elements detects the distance from the magnet, and detects the force in each direction of two mutually perpendicular axes and the torque centered on one axis perpendicular to each of the two axes. That is, the force sensor disclosed in Patent Document 2 uses four Hall elements to detect the force in each direction of three axes and the torque centered on one axis. Therefore, in order to detect a total of six components of force, which are the force in each direction of three mutually perpendicular axes and the torque centered on each of the three axes, it is necessary to increase the number of Hall elements, which makes the structure of the force sensor complicated. Thus, the conventional force sensor has a problem in that it is difficult to make it simple in configuration and to be able to detect the force in each direction of three mutually perpendicular axes and the torque centered on each of the three axes.

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構造にでき、かつ、互いに垂直な3軸の各方向の力と3軸の各々を中心とするトルクとを検知可能とする力覚センサを得ることを目的とする。 The present disclosure has been made in consideration of the above, and aims to provide a force sensor that can be made simple in structure and is capable of detecting forces in the directions of three mutually perpendicular axes and torques centered on each of the three axes.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示にかかる力覚センサは、固定部と、荷重を受ける受力部と、固定部に設けられた薄板部と、受力部を薄板部に繋げる橋梁部とを有し、受力部が荷重を受けたときに薄板部および橋梁部の少なくとも一方が歪むことによって固定部に対し受力部が移動または回転する起歪体と、受力部に締結されている磁石取付板と、磁石取付板に取り付けられている複数の磁石と、固定部に固定されている基板と、各々が基板に配置されて磁石と1対1で向かい合い、かつ各々が互いに垂直な3軸の各方向における磁束密度を検出する複数の磁気センサと、を備える。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object, the force sensor disclosed herein comprises a fixed portion, a force receiving portion that receives a load, a thin plate portion provided on the fixed portion, and a bridge portion that connects the force receiving portion to the thin plate portion, and comprises a strain generating body in which at least one of the thin plate portion and the bridge portion is distorted when the force receiving portion receives a load, causing the force receiving portion to move or rotate relative to the fixed portion, a magnet mounting plate fastened to the force receiving portion, a plurality of magnets attached to the magnet mounting plate, a substrate fixed to the fixed portion, and a plurality of magnetic sensors that are each disposed on the substrate and face a magnet one-to-one, and that detect magnetic flux density in each direction of three mutually perpendicular axes.

本開示にかかる力覚センサは、簡易な構造にでき、かつ、互いに垂直な3軸の各方向の力と3軸の各々を中心とするトルクとを検知することができるという効果を奏する。 The force sensor disclosed herein has a simple structure and is capable of detecting forces in the directions of three mutually perpendicular axes and torques centered on each of the three axes.

実施の形態1にかかる力覚センサの外観を示す斜視図FIG. 1 is a perspective view showing an external appearance of a force sensor according to a first embodiment; 実施の形態1にかかる力覚センサの分解斜視図FIG. 1 is an exploded perspective view of a force sensor according to a first embodiment; 実施の形態1にかかる力覚センサの上面図FIG. 1 is a top view of a force sensor according to a first embodiment; 実施の形態1にかかる力覚センサの下面図1 is a bottom view of a force sensor according to a first embodiment; 実施の形態1にかかる力覚センサの断面図1 is a cross-sectional view of a force sensor according to a first embodiment; 実施の形態1にかかる力覚センサの構成要素である起歪体の斜視図FIG. 1 is a perspective view of a strain body which is a component of a force sensor according to a first embodiment; 図4に示す力覚センサから基板および磁気センサが除かれた状態を示す図FIG. 5 is a diagram showing a state in which the substrate and the magnetic sensor are removed from the force sensor shown in FIG. 実施の形態1にかかる力覚センサの構成要素である基板および磁気センサを示す平面図FIG. 1 is a plan view showing a substrate and a magnetic sensor which are components of a force sensor according to a first embodiment;

以下に、実施の形態にかかる力覚センサを図面に基づいて詳細に説明する。 The force sensor according to the embodiment is described in detail below with reference to the drawings.

実施の形態1.
図1は、実施の形態1にかかる力覚センサ10の外観を示す斜視図である。図2は、実施の形態1にかかる力覚センサ10の分解斜視図である。図3は、実施の形態1にかかる力覚センサ10の上面図である。図4は、実施の形態1にかかる力覚センサ10の下面図である。図5は、実施の形態1にかかる力覚センサ10の断面図である。
Embodiment 1.
Fig. 1 is a perspective view showing the appearance of the force sensor 10 according to the first embodiment. Fig. 2 is an exploded perspective view of the force sensor 10 according to the first embodiment. Fig. 3 is a top view of the force sensor 10 according to the first embodiment. Fig. 4 is a bottom view of the force sensor 10 according to the first embodiment. Fig. 5 is a cross-sectional view of the force sensor 10 according to the first embodiment.

X軸、Y軸およびZ軸は、互いに垂直な3軸とする。各軸の方向のうち、矢印の方向をプラス方向、矢印とは逆の方向をマイナス方向とする。実施の形態1では、プラスZ方向を上方向、マイナスZ方向を下方向とする。図1に示す力覚センサ10の外観は、円柱形状である。Z軸は、円柱の高さ方向、すなわち力覚センサ10の高さ方向の軸である。なお、力覚センサ10の形状は円柱形状に限られず、適宜変形可能であるものとする。図3には、プラスZ方向側から見た力覚センサ10を示す。図4には、マイナスZ方向側から見た力覚センサ10を示す。図5に示す断面は、図3に示すV-V線における断面であって、X軸とZ軸とに平行な断面である。 The X-axis, Y-axis, and Z-axis are three axes perpendicular to each other. The direction of the arrows on each axis is the positive direction, and the direction opposite to the arrows is the negative direction. In the first embodiment, the positive Z direction is the upward direction, and the negative Z direction is the downward direction. The force sensor 10 shown in FIG. 1 has a cylindrical appearance. The Z-axis is the height direction of the cylinder, that is, the axis in the height direction of the force sensor 10. Note that the shape of the force sensor 10 is not limited to a cylindrical shape, and can be modified as appropriate. FIG. 3 shows the force sensor 10 as viewed from the positive Z direction side. FIG. 4 shows the force sensor 10 as viewed from the negative Z direction side. The cross section shown in FIG. 5 is a cross section taken along line V-V in FIG. 3, which is parallel to the X-axis and Z-axis.

力覚センサ10は、起歪体20と、起歪体20のプラスZ方向側に設けられた受力体30と、起歪体20に取り付けられた磁石取付板40と、起歪体20および磁石取付板40のマイナスZ方向側に設けられた基板50と、複数の磁石60と、複数の磁気センサ70とを備える。受力体30と起歪体20と基板50とは、Z方向において互いに重ね合わせられている。磁石取付板40は、起歪体20と基板50との間に挟み込まれている。 The force sensor 10 comprises a strain body 20, a force receiving body 30 provided on the positive Z direction side of the strain body 20, a magnet mounting plate 40 attached to the strain body 20, a substrate 50 provided on the negative Z direction side of the strain body 20 and the magnet mounting plate 40, a plurality of magnets 60, and a plurality of magnetic sensors 70. The force receiving body 30, the strain body 20, and the substrate 50 are overlapped with each other in the Z direction. The magnet mounting plate 40 is sandwiched between the strain body 20 and the substrate 50.

測定対象である力またはトルクといった荷重によって起歪体20に歪みが生じることで、磁石取付板40を介して複数の磁石60のうち少なくとも1つの位置が変化する。磁気センサ70と磁石60との相対位置の変化によって、磁気センサ70で検出される磁束密度が変化する。力覚センサ10は、磁気センサ70で検出される磁束密度の変化量に基づいて、加えられた荷重を推定する。 When a load such as a force or torque to be measured causes distortion in the strain body 20, the position of at least one of the multiple magnets 60 changes via the magnet mounting plate 40. The magnetic flux density detected by the magnetic sensor 70 changes due to the change in the relative position between the magnetic sensor 70 and the magnet 60. The force sensor 10 estimates the applied load based on the amount of change in the magnetic flux density detected by the magnetic sensor 70.

受力体30は、力覚センサ10の外部から加えられる外力、すなわち、荷重を受ける構造体である。XY面において受力体30の外形は円形である。受力体30の材料には、アルミニウム合金または鉄鋼材料といった金属材料が使用される。ねじ穴31は、受力体30のうちX方向およびY方向における中心付近に形成されている。ねじ穴32は、受力体30のうちX方向およびY方向における外縁付近に形成されている。図3に示す受力体30には、4つのねじ穴31と4つのねじ穴32とが形成されている。ねじ穴31の数とねじ穴32の数とは、任意とする。 The force receiving body 30 is a structure that receives an external force applied from outside the force sensor 10, i.e., a load. The outer shape of the force receiving body 30 is circular in the XY plane. The force receiving body 30 is made of a metal material such as an aluminum alloy or steel. The screw hole 31 is formed near the center of the force receiving body 30 in the X and Y directions. The screw hole 32 is formed near the outer edge of the force receiving body 30 in the X and Y directions. The force receiving body 30 shown in FIG. 3 has four screw holes 31 and four screw holes 32. The number of screw holes 31 and the number of screw holes 32 are arbitrary.

図6は、実施の形態1にかかる力覚センサ10の構成要素である起歪体20の斜視図である。XY面において起歪体20の外形は円形である。起歪体20の材料には、アルミニウム合金または鉄鋼材料といった金属材料が使用される。起歪体20は、受力部21と、4つの橋梁部22と、4つの薄板部23と、固定部25とを備える。 Figure 6 is a perspective view of the flexure body 20, which is a component of the force sensor 10 according to the first embodiment. The external shape of the flexure body 20 is circular in the XY plane. The flexure body 20 is made of a metal material such as an aluminum alloy or steel. The flexure body 20 includes a force receiving portion 21, four bridge portions 22, four thin plate portions 23, and a fixing portion 25.

受力部21は、起歪体20のうちX方向およびY方向における中心に設けられている。受力部21は、図3に示す受力体30のねじ穴31にねじ込まれたねじ等の固着具により、受力体30に締結されている。受力部21のうちプラスZ方向側の面は、受力体30に接する。受力部21は、受力体30に印加された荷重を受ける。なお、受力体30のねじ穴32には、電動ハンドまたはエアハンド等のロボットハンドといった検出対象と受力体30とを固定するための固着具であるねじ等がねじ込まれる。受力体30に受力部21を締結する固着具と、検出対象に受力体30を固着する固着具との図示は省略する。 The force receiving part 21 is provided at the center of the strain generating body 20 in the X and Y directions. The force receiving part 21 is fastened to the force receiving body 30 by a fastener such as a screw screwed into a screw hole 31 of the force receiving body 30 shown in FIG. 3. The surface of the force receiving part 21 on the positive Z direction side is in contact with the force receiving body 30. The force receiving part 21 receives the load applied to the force receiving body 30. Note that a screw or the like, which is a fastener for fixing the force receiving body 30 to a detection target such as a robot hand such as an electric hand or an air hand, is screwed into the screw hole 32 of the force receiving body 30. The fastener for fastening the force receiving part 21 to the force receiving body 30 and the fastener for fixing the force receiving body 30 to the detection target are omitted in the illustration.

固定部25は、起歪体20のうちX方向およびY方向における外縁を囲う。固定部25には、4つのねじ穴24が形成されている。ねじ穴24には、ロボットのアームといった機器に固定部25を固定するためのねじ等の固着具がねじ込まれる。機器に固定部25を固定するための固着具の図示は省略する。 The fixing portion 25 surrounds the outer edges of the strain body 20 in the X and Y directions. Four screw holes 24 are formed in the fixing portion 25. Fasteners such as screws for fixing the fixing portion 25 to a device such as a robot arm are screwed into the screw holes 24. The fasteners for fixing the fixing portion 25 to the device are not shown in the figure.

薄板部23は、可撓性を有する薄板である。薄板部23は、固定部25のうち外縁よりも中心側に設けられている。薄板部23の厚さ方向は、起歪体20の外形である円の径方向である。薄板部23は、径方向に垂直な方向へ長い形状である。4つの薄板部23の各々は、円周方向において等間隔に配置されている。ねじ穴24は、薄板部23同士の間に配置されている。 The thin plate portion 23 is a flexible thin plate. The thin plate portion 23 is provided closer to the center than the outer edge of the fixed portion 25. The thickness direction of the thin plate portion 23 is the radial direction of the circle that is the outer shape of the strain body 20. The thin plate portion 23 is long in a direction perpendicular to the radial direction. Each of the four thin plate portions 23 is disposed at equal intervals in the circumferential direction. The screw holes 24 are disposed between the thin plate portions 23.

橋梁部22は、可撓性を有する橋梁である。橋梁部22は、受力部21から径方向に延ばされており、受力部21を薄板部23に繋げる。径方向における橋梁部22の一方の端は、受力部21の外縁に固定されている。径方向における橋梁部22の他方の端は、薄板部23の中心に固定されている。4つの橋梁部22の各々は、受力部21を中心に十字の各方向へ延ばされており、円周方向において等間隔に配置されている。すなわち、4つの橋梁部22の各々は、受力部21の周囲において等間隔に配置されている。 The bridge portion 22 is a flexible bridge. The bridge portion 22 extends radially from the force receiving portion 21 and connects the force receiving portion 21 to the thin plate portion 23. One radial end of the bridge portion 22 is fixed to the outer edge of the force receiving portion 21. The other radial end of the bridge portion 22 is fixed to the center of the thin plate portion 23. Each of the four bridge portions 22 extends in each direction of the cross with the force receiving portion 21 as the center, and is disposed at equal intervals in the circumferential direction. That is, each of the four bridge portions 22 is disposed at equal intervals around the force receiving portion 21.

受力体30を介して受力部21が荷重を受けることにより、橋梁部22と薄板部23とが弾性変形する。橋梁部22と薄板部23との弾性変形によって、受力部21の位置または姿勢が変化する。受力部21は、初期状態のときの位置から、受力部21が受けた力の向きへ、受力部21が受けた力の大きさに応じた距離だけ移動する。または、受力部21の姿勢は、初期状態のときの姿勢から、受力部21が受けたトルクの向きへトルクの大きさに応じた回転角だけ変化する。初期状態とは、受力部21が荷重を受ける前の状態とする。位置とは、X軸、Y軸およびZ軸の各軸方向における位置とする。姿勢とは、X軸、Y軸およびZ軸の各軸を中心とする回転による向きの状態とする。 When the force receiving portion 21 receives a load through the force receiving body 30, the bridge portion 22 and the thin plate portion 23 are elastically deformed. The position or posture of the force receiving portion 21 changes due to the elastic deformation of the bridge portion 22 and the thin plate portion 23. The force receiving portion 21 moves from its position in the initial state in the direction of the force received by the force receiving portion 21 by a distance corresponding to the magnitude of the force received by the force receiving portion 21. Alternatively, the posture of the force receiving portion 21 changes from its position in the initial state to the direction of the torque received by the force receiving portion 21 by a rotation angle corresponding to the magnitude of the torque. The initial state refers to the state before the force receiving portion 21 receives a load. The position refers to the position in each of the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions. The posture refers to the orientation state due to rotation around each of the X-axis, Y-axis, and Z-axis.

このように、受力部21が荷重を受けたときに薄板部23と橋梁部22とが歪むことによって、固定部25に対し受力部21が変位する。固定部25に対する受力部21の変位とは、固定部25に対して受力部21が移動する場合と、固定部25に対して受力部21の姿勢が変化する場合とを含むものとする。受力部21への荷重の印加が無くなると、橋梁部22と薄板部23との復元力により、受力部21は初期状態の位置および姿勢に戻る。なお、受力部21が荷重を受けたときに薄板部23および橋梁部22の双方が歪む場合に限られず、受力部21が荷重を受けたときに薄板部23および橋梁部22の少なくとも一方が歪むことによって、固定部25に対し受力部21が変位する。受力部21への荷重の印加が無くなると、歪みを生じた要素である橋梁部22および薄板部23の少なくとも一方の復元力により、受力部21は初期状態の位置および姿勢に戻る。 In this way, when the force receiving portion 21 receives a load, the thin plate portion 23 and the bridge portion 22 are distorted, and the force receiving portion 21 is displaced relative to the fixed portion 25. The displacement of the force receiving portion 21 relative to the fixed portion 25 includes the case where the force receiving portion 21 moves relative to the fixed portion 25 and the case where the posture of the force receiving portion 21 changes relative to the fixed portion 25. When the load is no longer applied to the force receiving portion 21, the force receiving portion 21 returns to its initial position and posture due to the restoring force of the bridge portion 22 and the thin plate portion 23. Note that this is not limited to the case where both the thin plate portion 23 and the bridge portion 22 are distorted when the force receiving portion 21 receives a load, but rather, the force receiving portion 21 is displaced relative to the fixed portion 25 due to the distortion of at least one of the thin plate portion 23 and the bridge portion 22 when the force receiving portion 21 receives a load. When the load on the force-receiving portion 21 is removed, the force-receiving portion 21 returns to its initial position and posture due to the restoring force of at least one of the distorted elements, the bridge portion 22 and the thin plate portion 23.

力覚センサ10の検出感度は、薄板部23の可撓性と橋梁部22の可撓性とによって決まる。すなわち、力覚センサ10の検出感度は、薄板部23の可撓性と橋梁部22の可撓性とに依存する。薄板部23の厚さを薄くするほど、または薄板部23のZ方向長さを短くするほど、薄板部23の可撓性は高くなる。橋梁部22のZ方向長さを短くするほど、または橋梁部22のうちZ軸および径方向に垂直な方向の長さを短くするほど、橋梁部22の可撓性は高くなる。ただし、薄板部23および橋梁部22の可撓性が高められるほど、検出感度が向上する一方、薄板部23および橋梁部22が破損し易くなり、力覚センサ10の疲労寿命を満足し得なくなる場合がある。薄板部23および橋梁部22の可撓性は、検出感度と疲労寿命とを満足し得るように設定される。 The detection sensitivity of the force sensor 10 is determined by the flexibility of the thin plate portion 23 and the flexibility of the bridge portion 22. That is, the detection sensitivity of the force sensor 10 depends on the flexibility of the thin plate portion 23 and the flexibility of the bridge portion 22. The thinner the thickness of the thin plate portion 23 or the shorter the Z-direction length of the thin plate portion 23, the higher the flexibility of the thin plate portion 23. The shorter the Z-direction length of the bridge portion 22 or the shorter the length of the bridge portion 22 in the direction perpendicular to the Z axis and the radial direction, the higher the flexibility of the bridge portion 22. However, while the detection sensitivity improves as the flexibility of the thin plate portion 23 and the bridge portion 22 is increased, the thin plate portion 23 and the bridge portion 22 become more susceptible to breakage, and the fatigue life of the force sensor 10 may not be satisfied. The flexibility of the thin plate portion 23 and the bridge portion 22 is set so as to satisfy the detection sensitivity and fatigue life.

磁石取付板40は、鉄鋼材料により構成される。磁石取付板40は、磁石60の磁束密度を増幅させるヨークとして機能する。力覚センサ10は、ヨークとして機能する磁石取付板40によって磁石60の磁束密度を増幅させることで、検出感度を向上させることができる。 The magnet mounting plate 40 is made of steel material. The magnet mounting plate 40 functions as a yoke that amplifies the magnetic flux density of the magnet 60. The force sensor 10 can improve its detection sensitivity by amplifying the magnetic flux density of the magnet 60 with the magnet mounting plate 40 functioning as a yoke.

図5に示すように、磁石取付板40は、ねじ等の固着具81により、受力部21に締結されている。受力部21のうちマイナスZ方向側の面は、磁石取付板40に接する。固定部25に対する受力部21の変位に伴って、磁石取付板40も固定部25に対して変位する。固定部25に対する磁石取付板40の変位とは、固定部25に対して磁石取付板40が移動する場合と、固定部25に対して磁石取付板40の姿勢が変化する場合とを含むものとする。受力部21が初期状態の位置および姿勢に戻ることによって、磁石取付板40も初期状態の位置および姿勢に戻る。 As shown in FIG. 5, the magnet mounting plate 40 is fastened to the force receiving portion 21 by a fastener 81 such as a screw. The surface of the force receiving portion 21 facing the negative Z direction is in contact with the magnet mounting plate 40. As the force receiving portion 21 is displaced relative to the fixed portion 25, the magnet mounting plate 40 is also displaced relative to the fixed portion 25. Displacement of the magnet mounting plate 40 relative to the fixed portion 25 includes cases where the magnet mounting plate 40 moves relative to the fixed portion 25 and cases where the attitude of the magnet mounting plate 40 changes relative to the fixed portion 25. As the force receiving portion 21 returns to its initial position and attitude, the magnet mounting plate 40 also returns to its initial position and attitude.

図7は、図4に示す力覚センサ10から基板50および磁気センサ70が除かれた状態を示す図である。図7に示すXY面において、磁石取付板40は十字形である。すなわち、磁石取付板40の4つの部位の各々が十字の各方向へ延ばされている。磁石取付板40の4つの部位がなす十字は、4つの橋梁部22がなす十字と同じである。磁石取付板40のうち十字の中心部が、受力部21に締結されている。なお、磁石取付板40は、受力部21に締結可能であって、かつヨークの機能を満足し得る形状であれば良く、十字形以外の形状であっても良い。磁石取付板40は、例えばひし形等でも良い。 Figure 7 is a diagram showing the force sensor 10 shown in Figure 4 with the substrate 50 and magnetic sensor 70 removed. In the XY plane shown in Figure 7, the magnet mounting plate 40 is cross-shaped. That is, each of the four parts of the magnet mounting plate 40 extends in each direction of the cross. The cross formed by the four parts of the magnet mounting plate 40 is the same as the cross formed by the four bridge sections 22. The center of the cross of the magnet mounting plate 40 is fastened to the force receiving section 21. Note that the magnet mounting plate 40 may have a shape other than a cross as long as it can be fastened to the force receiving section 21 and can fulfill the function of the yoke. The magnet mounting plate 40 may be, for example, a diamond shape.

図4に示す基板50は、力覚センサ10のうちマイナスZ方向側の底面を構成する。基板50は、起歪体20のうち固定部25のみに接触した状態で、固定部25に固定されている。ねじ穴51は、基板50のうちX方向およびY方向における外縁付近に形成されている。ねじ穴51の数は、任意とする。図5に示すように、基板50は、ねじ穴51にねじ込まれたねじ等の固着具82により、固定部25に締結されている。 The substrate 50 shown in FIG. 4 constitutes the bottom surface of the force sensor 10 on the negative Z direction side. The substrate 50 is fixed to the fixed portion 25 of the strain body 20 while being in contact with only the fixed portion 25. The screw holes 51 are formed near the outer edges of the substrate 50 in the X and Y directions. The number of screw holes 51 is arbitrary. As shown in FIG. 5, the substrate 50 is fastened to the fixed portion 25 by fasteners 82 such as screws screwed into the screw holes 51.

力覚センサ10は、図7に示す4つの磁石60a,60b,60c,60dを備える。なお、磁石60とは、4つの磁石60a,60b,60c,60dの各々を区別せずに称したものとする。4つの磁石60a,60b,60c,60dの各々は、磁石取付板40に取り付けられている。各磁石60a,60b,60c,60dは、磁石取付板40のうち十字の各方向へ延びた4つの部位の各々に1つずつ配置されている。各磁石60a,60b,60c,60dは、磁石取付板40のうち基板50と対向する部分に配置されている。各磁石60a,60b,60c,60dは、橋梁部22のマイナスZ方向側の位置、すなわち橋梁部22に対し基板50側の位置に配置されている。各磁石60a,60b,60c,60dのXY面内における位置は、各橋梁部22のXY面内における位置と一致している。各磁石60a,60b,60c,60dは、4つの橋梁部22の各々と同様に、円周方向において等間隔に配置されている。また、各磁石60a,60b,60c,60dは、受力部21の中心からいずれも等しい距離の位置に配置されている。 The force sensor 10 includes four magnets 60a, 60b, 60c, and 60d shown in FIG. 7. The magnet 60 refers to each of the four magnets 60a, 60b, 60c, and 60d without distinction. Each of the four magnets 60a, 60b, 60c, and 60d is attached to the magnet mounting plate 40. Each of the magnets 60a, 60b, 60c, and 60d is arranged on each of the four parts of the magnet mounting plate 40 that extend in each direction of the cross. Each of the magnets 60a, 60b, 60c, and 60d is arranged on the part of the magnet mounting plate 40 that faces the substrate 50. Each of the magnets 60a, 60b, 60c, and 60d is arranged on the negative Z direction side of the bridge portion 22, that is, on the substrate 50 side of the bridge portion 22. The position of each of the magnets 60a, 60b, 60c, and 60d in the XY plane coincides with the position of each of the bridge sections 22 in the XY plane. Each of the magnets 60a, 60b, 60c, and 60d is disposed at equal intervals in the circumferential direction, similar to each of the four bridge sections 22. In addition, each of the magnets 60a, 60b, 60c, and 60d is disposed at an equal distance from the center of the force receiving section 21.

各磁石60a,60b,60c,60dは、永久磁石または電磁石である。実施の形態1では、各磁石60a,60b,60c,60dは、中空円筒形状である。各磁石60a,60b,60c,60dは、中空円筒形状以外の形状であっても良く、空隙の無い円柱形状または角柱形状などでも良い。 Each of the magnets 60a, 60b, 60c, and 60d is a permanent magnet or an electromagnet. In the first embodiment, each of the magnets 60a, 60b, 60c, and 60d has a hollow cylindrical shape. Each of the magnets 60a, 60b, 60c, and 60d may have a shape other than a hollow cylindrical shape, and may be a cylindrical shape or a rectangular prism shape without a gap, etc.

図8は、実施の形態1にかかる力覚センサ10の構成要素である基板50および磁気センサ70を示す平面図である。図8には、基板50と基板50に配置された磁気センサ70とをプラスZ方向側から見た様子を示す。力覚センサ10は、4つの磁気センサ70a,70b,70c,70dを備える。なお、磁気センサ70とは、4つの磁気センサ70a,70b,70c,70dの各々を区別せずに称したものとする。4つの磁気センサ70a,70b,70c,70dの各々は、基板50に配置されて磁石60a,60b,60c,60dと1対1で向かい合う。 Figure 8 is a plan view showing the substrate 50 and magnetic sensor 70, which are components of the force sensor 10 according to the first embodiment. Figure 8 shows the substrate 50 and the magnetic sensor 70 arranged on the substrate 50, viewed from the positive Z direction. The force sensor 10 includes four magnetic sensors 70a, 70b, 70c, and 70d. Note that the term magnetic sensor 70 refers to each of the four magnetic sensors 70a, 70b, 70c, and 70d without distinction. Each of the four magnetic sensors 70a, 70b, 70c, and 70d is arranged on the substrate 50 and faces a magnet 60a, 60b, 60c, and 60d in a one-to-one relationship.

4つの磁気センサ70a,70b,70c,70dの各々は、X軸、Y軸およびZ軸の各方向における磁束密度を検出する集積回路である。4つの磁気センサ70a,70b,70c,70dの各々は、3つのホール素子を組み合わせたものであっても良い。3つのホール素子の各々は、1軸の方向における磁束密度を検出する。 Each of the four magnetic sensors 70a, 70b, 70c, and 70d is an integrated circuit that detects magnetic flux density in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions. Each of the four magnetic sensors 70a, 70b, 70c, and 70d may be a combination of three Hall elements. Each of the three Hall elements detects magnetic flux density in one axis direction.

磁気センサ70aは、磁石60aと向かい合わせて配置されている。磁気センサ70aは、磁石60aが形成する磁界の中に配置されている。磁気センサ70bは、磁石60bと向かい合わせて配置されている。磁気センサ70bは、磁石60bが形成する磁界の中に配置されている。磁気センサ70cは、磁石60cと向かい合わせて配置されている。磁気センサ70cは、磁石60cが形成する磁界の中に配置されている。磁気センサ70dは、磁石60dと向かい合わせて配置されている。磁気センサ70dは、磁石60dが形成する磁界の中に配置されている。 The magnetic sensor 70a is disposed facing the magnet 60a. The magnetic sensor 70a is disposed in the magnetic field formed by the magnet 60a. The magnetic sensor 70b is disposed facing the magnet 60b. The magnetic sensor 70b is disposed in the magnetic field formed by the magnet 60b. The magnetic sensor 70c is disposed facing the magnet 60c. The magnetic sensor 70c is disposed in the magnetic field formed by the magnet 60c. The magnetic sensor 70d is disposed facing the magnet 60d. The magnetic sensor 70d is disposed in the magnetic field formed by the magnet 60d.

磁石取付板40の変位に伴って磁石60aの位置が変化することにより、磁石60aと磁気センサ70aとの相対位置が変化する。磁石60aと磁気センサ70aとの相対位置が変化することにより、磁気センサ70aによって検出される磁束密度が変化する。力覚センサ10は、3軸の各方向における磁束密度の変化量を基に、3軸の各方向における磁石60aの位置の変化を検出する。このように、磁石60aおよび磁気センサ70aの組み合わせは、3次元位置センサとして機能する。磁石60bおよび磁気センサ70bと、磁石60cおよび磁気センサ70cと、磁石60dおよび磁気センサ70dとの各組み合わせも、磁石60aおよび磁気センサ70aの組み合わせと同様に、3次元位置センサとして機能する。 The position of the magnet 60a changes with the displacement of the magnet mounting plate 40, and the relative position between the magnet 60a and the magnetic sensor 70a changes. The magnetic flux density detected by the magnetic sensor 70a changes as the relative position between the magnet 60a and the magnetic sensor 70a changes. The force sensor 10 detects the change in the position of the magnet 60a in each of the three axial directions based on the amount of change in the magnetic flux density in each of the three axial directions. In this way, the combination of the magnet 60a and the magnetic sensor 70a functions as a three-dimensional position sensor. Each combination of the magnet 60b and the magnetic sensor 70b, the magnet 60c and the magnetic sensor 70c, and the magnet 60d and the magnetic sensor 70d also functions as a three-dimensional position sensor, similar to the combination of the magnet 60a and the magnetic sensor 70a.

力覚センサ10は、この4つの3次元位置センサを使用して、基板50上の4点において磁石60の位置の変化を検出する。力覚センサ10は、この4つの3次元位置センサで取得される位置情報を利用することによって、3軸の各方向における受力部21の移動と、3軸の各々を中心とする受力部21の回転とを検知する。 The force sensor 10 uses these four three-dimensional position sensors to detect changes in the position of the magnet 60 at four points on the substrate 50. By utilizing the position information acquired by these four three-dimensional position sensors, the force sensor 10 detects the movement of the force receiving part 21 in each of the three axial directions and the rotation of the force receiving part 21 around each of the three axial directions.

受力部21へ加えられた力の大きさに対する受力部21の移動量が事前に測定されることによって、力の大きさと移動量との関係を表す変換則が得られる。力覚センサ10は、かかる変換則を基に、受力部21の移動量を力の大きさへ変換することによって、受力部21が受けた力の大きさを求める。また、受力部21へ加えられたトルクに対する受力部21の回転量が事前に測定されることによって、トルクと回転量との関係を表す変換則が得られる。力覚センサ10は、かかる変換則を基に、受力部21の回転量をトルクへ変換することによって、受力部21が受けたトルクを求める。これにより、力覚センサ10は、3軸の各方向の力と3軸の各々を中心とするトルクとを測定する。 The amount of movement of the force receiving unit 21 in response to the magnitude of the force applied to the force receiving unit 21 is measured in advance, thereby obtaining a conversion law that expresses the relationship between the magnitude of the force and the amount of movement. The force sensor 10 obtains the magnitude of the force received by the force receiving unit 21 by converting the amount of movement of the force receiving unit 21 into the magnitude of the force based on this conversion law. In addition, the amount of rotation of the force receiving unit 21 in response to the torque applied to the force receiving unit 21 is measured in advance, thereby obtaining a conversion law that expresses the relationship between the torque and the amount of rotation. The force sensor 10 obtains the torque received by the force receiving unit 21 by converting the amount of rotation of the force receiving unit 21 into torque based on this conversion law. In this way, the force sensor 10 measures the force in each of the three axial directions and the torque centered on each of the three axes.

各磁石60a,60b,60c,60dは、受力部21の中心からいずれも等しい距離の位置に配置されており、かつ等間隔で配置されている。また、各磁気センサ70a,70b,70c,70dは、磁石60a,60b,60c,60dと1対1で向かい合う。このように各磁石60a,60b,60c,60dおよび各磁気センサ70a,70b,70c,70dが配置されていることにより、上記変換則の構成式をより簡易な式とすることができる。 The magnets 60a, 60b, 60c, and 60d are all positioned at equal distances from the center of the force receiving portion 21 and are equally spaced apart. In addition, the magnetic sensors 70a, 70b, 70c, and 70d face the magnets 60a, 60b, 60c, and 60d in a one-to-one relationship. By arranging the magnets 60a, 60b, 60c, and 60d and the magnetic sensors 70a, 70b, 70c, and 70d in this manner, the constitutive equation of the above conversion law can be made simpler.

力覚センサ10は、実施の形態1で説明する構成要素以外に、プラスZ方向とマイナスZ方向との各々から力覚センサ10を覆うカバー等を備える。また、基板50には、磁気センサ70に接続された電気回路が設けられる。さらに、力覚センサ10は、上記変換則に基づく演算を行う演算回路、および、演算結果を表示する表示部等を備える。これらの構成要素には公知のものを使用することができるため、これらの構成要素についての図示および詳細な説明は省略する。 In addition to the components described in the first embodiment, the force sensor 10 includes a cover that covers the force sensor 10 from both the positive Z direction and the negative Z direction. An electric circuit connected to the magnetic sensor 70 is provided on the substrate 50. The force sensor 10 further includes an arithmetic circuit that performs calculations based on the above conversion law, and a display unit that displays the results of the calculations. These components can be publicly known, and therefore illustrations and detailed descriptions of these components are omitted.

実施の形態1にかかる力覚センサ10は、上記特許文献1の構成のように起歪体に多数の歪ゲージを貼付する必要がある場合に比べて部品点数を少なくでき、簡易な構成にできる。起歪体に歪ゲージが直接貼付される場合には、歪ゲージに繰り返し力がかかることで接着力が低下し、歪ゲージが剥離するといった問題が生じ得る。力覚センサ10は、歪ゲージの貼付が不要であることで、かかる問題を回避できる。 The force sensor 10 according to the first embodiment can reduce the number of parts and has a simpler configuration than the configuration of Patent Document 1, which requires attaching a large number of strain gauges to the strain body. If the strain gauge is attached directly to the strain body, repeated application of force to the strain gauge can reduce the adhesive strength, causing problems such as the strain gauge peeling off. The force sensor 10 can avoid such problems by eliminating the need to attach strain gauges.

上記特許文献2の構成では、複数の板ばねを起歪部としていることから、板ばねの製造ばらつきによってホール素子の応答がばらつく可能性があった。また、上記特許文献2の構成において、板ばねを設ける代わりに、高分子材料からなる弾性体でホール素子と永久磁石の隙間を埋めることとした場合、弾性体に直接力が作用することで、疲労寿命が短くなるという問題があった。実施の形態1にかかる力覚センサ10は、薄板部23と橋梁部22との可撓性を利用して受力部21の移動および回転を検出するため、製造ばらつきに起因する応答のばらつきを低減できる。また、力覚センサ10は、高分子材料からなる弾性体で磁石60と磁気センサ70との間を埋める必要が無いため、疲労寿命が短くなるという問題を回避できる。 In the configuration of Patent Document 2, since multiple leaf springs are used as the strain generating parts, there is a possibility that the response of the Hall element may vary due to manufacturing variations in the leaf springs. In addition, in the configuration of Patent Document 2, if the gap between the Hall element and the permanent magnet is filled with an elastic body made of a polymer material instead of providing a leaf spring, there is a problem that the fatigue life is shortened because a force acts directly on the elastic body. The force sensor 10 according to the first embodiment detects the movement and rotation of the force receiving part 21 by utilizing the flexibility of the thin plate part 23 and the bridge part 22, so that the response variation caused by manufacturing variations can be reduced. In addition, the force sensor 10 does not need to fill the gap between the magnet 60 and the magnetic sensor 70 with an elastic body made of a polymer material, so that the problem of the fatigue life being shortened can be avoided.

さらに、力覚センサ10は、磁石取付板40に取り付けられた複数の磁石60a,60b,60c,60dと、各々が互いに垂直な3軸の各方向における磁束密度を検出する磁気センサ70a,70b,70c,70dを備える。力覚センサ10は、上記特許文献2の構成の場合と比べて部品点数を増やすこと無く、互いに垂直な3軸の各方向の力と3軸の各々を中心とするトルクとを検知することができる。 Furthermore, the force sensor 10 includes a plurality of magnets 60a, 60b, 60c, and 60d attached to the magnet mounting plate 40, and magnetic sensors 70a, 70b, 70c, and 70d that detect magnetic flux density in each direction of three mutually perpendicular axes. The force sensor 10 can detect forces in each direction of three mutually perpendicular axes and torques centered on each of the three axes without increasing the number of parts compared to the configuration of Patent Document 2.

以上により、実施の形態1にかかる力覚センサ10は、簡易な構造にでき、かつ、互いに垂直な3軸の各方向の力と3軸の各々を中心とするトルクとを検知できるという効果を奏する。 As a result, the force sensor 10 according to the first embodiment has a simple structure and is capable of detecting forces in the directions of three mutually perpendicular axes and torques centered on each of the three axes.

以上の実施の形態に示した構成は、本開示の内容の一例を示すものである。実施の形態の構成は、別の公知の技術と組み合わせることが可能である。本開示の要旨を逸脱しない範囲で、実施の形態の構成の一部を省略または変更することが可能である。 The configurations shown in the above embodiments are examples of the contents of this disclosure. The configurations of the embodiments can be combined with other known technologies. Part of the configurations of the embodiments can be omitted or modified without departing from the gist of this disclosure.

10 力覚センサ、20 起歪体、21 受力部、22 橋梁部、23 薄板部、24,31,32,51 ねじ穴、25 固定部、30 受力体、40 磁石取付板、50 基板、60,60a,60b,60c,60d 磁石、70,70a,70b,70c,70d 磁気センサ、81,82 固着具。 10 Force sensor, 20 Strain generating body, 21 Force receiving part, 22 Bridge part, 23 Thin plate part, 24, 31, 32, 51 Screw hole, 25 Fixing part, 30 Force receiving body, 40 Magnet mounting plate, 50 Substrate, 60, 60a, 60b, 60c, 60d Magnet, 70, 70a, 70b, 70c, 70d Magnetic sensor, 81, 82 Fixing device.

Claims (4)

固定部と、荷重を受ける受力部と、前記固定部に設けられた薄板部と、前記受力部を前記薄板部に繋げる橋梁部とを有し、前記受力部が前記荷重を受けたときに前記薄板部および前記橋梁部の少なくとも一方が歪むことによって前記固定部に対し前記受力部が移動または回転する起歪体と、
前記受力部に締結されている磁石取付板と、
前記磁石取付板に取り付けられている複数の磁石と、
前記固定部に固定されている基板と、
各々が前記基板に配置されて前記磁石と1対1で向かい合い、かつ各々が互いに垂直な3軸の各方向における磁束密度を検出する複数の磁気センサと、
を備えることを特徴とする力覚センサ。
a strain generating body having a fixed portion, a force receiving portion that receives a load, a thin plate portion provided on the fixed portion, and a bridge portion that connects the force receiving portion to the thin plate portion, wherein when the force receiving portion receives the load, at least one of the thin plate portion and the bridge portion is distorted, causing the force receiving portion to move or rotate relative to the fixed portion;
a magnet mounting plate fastened to the force receiving portion;
A plurality of magnets attached to the magnet mounting plate;
A substrate fixed to the fixing portion;
a plurality of magnetic sensors each disposed on the substrate and facing the magnet in a one-to-one relationship, each detecting a magnetic flux density in each of three mutually perpendicular directions;
A force sensor comprising:
前記起歪体は、複数の前記橋梁部を有し、
複数の前記橋梁部の各々は、前記受力部の周囲において等間隔に配置されており、
前記磁石取付板は、前記起歪体と前記基板との間に挟み込まれており、
複数の前記磁石の各々は、前記磁石取付板のうち前記基板と対向する部分に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の力覚センサ。
The strain generating body has a plurality of the bridge portions,
Each of the plurality of bridge portions is disposed at equal intervals around the force receiving portion,
The magnet mounting plate is sandwiched between the strain body and the substrate,
2. The force sensor according to claim 1, wherein each of the plurality of magnets is disposed on a portion of the magnet mounting plate facing the substrate.
前記磁石取付板は、鉄鋼材料により構成されることを特徴とする請求項1または2に記載の力覚センサ。 The force sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the magnet mounting plate is made of a steel material. 複数の前記磁石の各々は、等間隔に配置されており、かつ、前記受力部の中心からいずれも等しい距離の位置に配置されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1つに記載の力覚センサ。 The force sensor according to any one of claims 1 to 3, characterized in that each of the multiple magnets is disposed at equal intervals and at equal distances from the center of the force receiving portion.
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