JP2012145497A

JP2012145497A - 静電容量式力センサ

Info

Publication number: JP2012145497A
Application number: JP2011005057A
Authority: JP
Inventors: Tetsuro Sakano; 哲朗坂野; Yoichi Inoue; 陽一井之上
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2011-01-13
Filing date: 2011-01-13
Publication date: 2012-08-02
Also published as: US20120180575A1; CN102589792A; DE102012100111A1

Abstract

【課題】構造が単純な静電容量式力センサであって、小さな力から大きな力まで対応でき、検出精度が良好で、温度変化に対して検出の安定性が良い、安価な力センサを提供すること。
【解決手段】外部の装置または土台に取り付けて固定する固定部１０と、外部からの力が作用する物体を取り付ける荷重取付け部１６と、力を伝達する荷重伝達部１４と、固定部１０と荷重伝達部１４の間に形成された弾性部１２と、固定部に取り付けられた固定板２０と、荷重伝達部１４の固定板に対する対向面に形成された変位電極１８と、固定板の荷重伝達部に対する対向面に形成された固定電極２２と、を備え、変位電極と固定電極から成る３個以上の容量素子を形成し、固定部、荷重伝達部、弾性部、および、固定板を、線膨張係数がほぼ等しい材料で構成し、１軸ないし複数軸方向の力成分とモーメント成分の少なくとも一方を検出するようにしたことを特徴とする静電容量式力センサ。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電容量式力センサに関する。

ロボットの利用が高度化するに伴い、ロボットが発生する力を適切に制御するため、複数軸方向の力とモーメント成分を検出する力センサが求められている。このような力センサとして、ひずみゲージ式、静電容量式の力センサがある。ひずみゲージ式力センサは、ひずみゲージを使ってセンサボディに発生するひずみを検出し、加えられた力とモーメント成分を算出し、出力する方式である。センサボディの複数の箇所のひずみを検出することで複数軸方向の力とモーメント成分を算出することができ、直交３軸の直線軸方向の力と軸回りのモーメントの合計６軸成分を出力する力センサが製作されている。

静電容量式力センサは、加えられた力によって生じるセンサボディの変形を静電容量によって検出し、加えられた力とモーメント成分を算出し、出力する方式である。この方式では、検出できる力とモーメント成分を３軸成分に限定することにより構造が単純化され、非常に安価な力センサを作ることができる。

特許文献１には、固定基板と可撓基板を対向配置して装置筐体に固定し、各基板の対向面に形成した電極により容量素子を形成し、可撓基板に設けた作用体に外部から力が作用すると可撓基板が撓み静電容量が変化するので、その静電容量を検出して外部から作用した力を多軸方向の力成分として検出するようにした力検出装置が記載されている。

特許文献２には、導電性エラストマーでダイアフラム部と可動電極板を構成して、操作部に加えられた力により可動電極板がたわむ構造の静電容量式力覚センサが記載されている。

特開平４−１４８８３３号公報特開２００１−２７５７０号公報

ひずみゲージ式力センサは、ひずみゲージをセンサボディの複数箇所に接着する方法を取っており、センサボディの構造が複雑な上、接着作業に大きな作業工数が必要で、コストが高いという問題がある。
静電容量式力センサは、外部から加えられた力により変位が発生して静電容量が変化するような構造となっており、その静電容量を検出することにより加えられた力を検出するようにしている。

特許文献１に、静電容量式力センサの基本的な構造が示されている。この構造では、外部から力が加わると可撓基板が撓み、静電容量が変化する。用途の１つとして加速度センサが挙げられており、この力検出装置は形状がかなり小さく、検出する力も小さいことが想定される。検出する力が大きく、形状も大きくなった場合、単純な形状をした可撓基板では良好な撓み特性を得ることが難しく、良好な検出精度を得ることが困難になる。装置筐体は可撓基板および固定基板と異なる材質を使用することが考えられ、その場合、周囲温度が変化すると材質の線膨張係数の違いによる熱膨張差によって装置筐体から圧縮あるいは伸張の力を受けるので、可撓基板および固定基板に撓みが発生する。力検出装置の形状が小さいと撓みが小さいので影響が少ないが、形状が大きくなると熱膨張差が大きくなり、可撓基板および固定基板の撓みが大きく発生する。その撓みにより静電容量が変化するので検出値が変動し、検出の安定性が損なわれる。

静電容量式力センサは、構造が単純であるので、エラストマーでセンサボディを作ることがある。センサボディをエラストマーで作った場合、大きな力に耐えることができないので強い力を検出する力センサを作ることが困難であり、また、センサボディが力により変形した際の復元性が悪いので、検出精度が良くない。エラストマーは温度による熱膨張が大きく、経年変化による形状変化、材質変化が大きいので、精度の良い力センサを実現するには無理がある。

そこで、本発明の目的は、構造が単純な静電容量式力センサであって、小さな力から大きな力まで対応でき、検出精度が良好で、温度変化に対して検出の安定性が良い、安価な力センサを提供することである。

本願の請求項１に記載の発明は、外部の装置または土台に取り付けて固定する固定部と、外部からの力が作用する物体を取り付ける荷重取付け部と、前記荷重取付け部に加わった力を伝達する荷重伝達部と、前記固定部と前記荷重伝達部の間に形成された弾性部と、前記固定部に取り付けられた固定板と、前記荷重伝達部の前記固定板に対する対向面に形成された変位電極と、前記固定板の前記荷重伝達部に対する対向面に形成された固定電極と、を備え、前記変位電極または前記固定電極のいずれか一方、あるいは双方は分割されて電気的に独立した３個以上の電極から成り、前記変位電極と前記固定電極から成る３個以上の容量素子を形成し、前記固定部、前記荷重伝達部、前記弾性部、および、前記固定板を、線膨張係数がほぼ等しい材料で構成し、前記３個以上の容量素子の静電容量を検出することにより１軸ないし複数軸方向の力成分とモーメント成分の少なくとも一方を検出するようにしたことを特徴とする静電容量式力センサである。

請求項２に係る発明は、前記荷重取付け部は、前記荷重伝達部の外側に張り出した鍔形状部を備え、該鍔形状部に取付け用の穴あるいはねじ穴を備えるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の静電容量式力センサである。
請求項３に係る発明は、前記荷重伝達部と前記固定板のいずれか一方、あるいは双方を金属材料で構成し、該変位電極と該固定電極のどちらか一方を構成する金属材料で置き換えるようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の静電容量式力センサである。

本発明により、構造が単純な静電容量式力センサであって、小さな力から大きな力まで対応でき、検出精度が良好で、温度変化に対して検出の安定性が良い、安価な力センサを提供できる。

本発明の第１の実施形態による静電容量式力センサの側断面図である。図１に示した力センサの上面図である。図１に示した力センサの固定電極を変位電極側から見た図である。図１に示した力センサの変位電極を固定電極側から見た図である。図１に示した力センサに直線軸（Ｚ軸）に沿って力が加わった図である。図１に示した力センサに軸（Ｘ軸またはＹ軸）回りにモーメントが加わった図である。本発明の第２の実施形態による静電容量式力センサの側断面図である。図７に示した力センサの上面図である。本発明の第３の実施形態による静電容量式力センサの側断面図である。

以下に、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
まず、第１の実施形態について図１により説明する。
第１の実施形態の静電容量式力センサ１は、外部装置、例えばロボットアームなどに取り付けて固定する固定部１０と、外部から力が加わる荷重機構、例えばチャックやロボットハンドなどを取り付ける荷重取付け部１６と、荷重取付け部１６につながっており加えられた力を伝達する荷重伝達部１４を持つ。荷重伝達部１４と固定部１０の間に弾性部１２が形成されており、外部から加わった力により弾性部１２が弾性変形して荷重伝達部１４が変位する。

弾性部１２の特性は力センサの特性を決める上で非常に重要である。弾性部１２の強度が大きいと変位が小さくなるので検出感度が低くなるが、大きな力が加わっても簡単には破損しない。逆に、弾性部１２の強度が小さいと変位が大きくなるので検出感度は高くなるが、過大な力が加わると破損し易くなる。すなわち、弾性部１２の強度を変えることによって様々な最大荷重に対応したセンサを実現することができる。弾性部１２はダイアフラムと呼ばれる薄い板状の構造が一般的であるが、ダイアフラムの厚さを部分的に薄くしたり、蛇腹のようにうねった形状にしても良く、本発明ではその形状を特に限定するものではない。

固定部１０、弾性部１２、荷重伝達部１４、および荷重取付け部１６は、金属による一体構造が望ましい。一体構造であれば、同じ材質なので熱膨張収縮による変形が生じない。使用する金属の材質も重要である。高強度のスチールを使うと大きな力に対応できるが、縦弾性係数が高いので弾性部１２の厚さを薄くしないと力が加わった際の変位を大きくできない。そのため弾性部１２の加工に高い精度が必要となり、価格が上昇する。超ジュラルミンなどの高強度アルミ合金を使うと、縦弾性係数がスチールの約３分の１であるので、変位を大きく取ることができ、重量も軽くなるので、力センサとして望ましい特性が得られる。

固定部１０に固定板２０が取り付けられ、荷重伝達部１４と固定板２０の対向する面にそれぞれ変位電極１８、固定電極２２が形成されている。固定板２０と固定部１０の間に熱膨張差が発生すると固定板２０にそり、撓みが発生し、電極間距離が変動するので、固定板２０と固定部１０を同じ材質にするか、線膨張係数がほぼ同じ材料にする必要がある。例えば、アルミ合金には様々な種類が存在するが、線膨張係数はどれもほぼ同じである。

そこで、固定部１０、弾性部１２、荷重伝達部１４には強度の高い超ジュラルミンを使い、固定板２０は特に力が加わらないので安価な一般のアルミ合金を使えば、熱膨張差による電極間距離の変動を防止できる。なお、蓋２４は、固定板２０を外部雰囲気から防護する部材であって、固定板２０と同様にアルミ合金を使えば熱膨張収縮による影響を他の部材に及ぼさない。

図示しない検出回路は、変位電極１８と固定電極２２に電気接続し、電極間に形成された容量素子の静電容量を検出し、それから力とモーメント成分を算出して出力する。外部から加わった力により荷重伝達部１４および変位電極１８が変位し、それに対応して静電容量が変化するので、検出した静電容量により外部から加わった力の直線軸方向の力成分とその直線軸に直行する方向の軸方向の回りのモーメント成分を算出できる。

図２に、図１で示した静電容量式力センサ１の上面図を示す。静電容量式力センサ１の外形は円筒状になっており、荷重取付け部１６の円の中心で交差する直交２軸を図示のようにＸ軸，Ｙ軸とすると、Ｚ軸は紙面に対し垂直方向となる。荷重取付け部１６には取付け用ねじ穴２６があり、荷重機構をボルトなどで取り付けるようになっている。静電容量式力センサ１を図示のように円筒形状にすると、固定部１０、弾性部１２、荷重伝達部１４などは一体構造として、旋盤により精度良く容易に加工できる。また、円筒は中心軸に対して対称構造なので、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の特性が等しく、高精度な静電容量式力センサを実現し易い。ただし、静電容量式力センサ１の外形は円筒に限定する必要はなく、上から見た形状が４角形などの多角形であっても良い。

図３は固定電極２２の形状を変位電極１８側から見た図で、１個の電極で構成される。図４は変位電極１８の形状を固定電極２２側から見た図で、変位電極１８は等分割された３個の電極１８ａ，１８ｂ，１８ｃで構成される。変位電極１８は３分割されているので、３個の容量素子が形成される。静電容量は電極面積に比例し、隙間の距離に反比例するので、変位電極１８が変位して隙間の距離が変わると静電容量が変化する。３個の静電容量を検出することにより、Ｚ軸の直線方向の力成分とＸ軸、Ｙ軸回りのモーメント成分を検出できる。固定電極２２は１個で図示しているが、複数個に分割した電極であってもよい。変位電極１８は３分割してあるが、４分割あるいはそれ以上に分割してもよい。さらに、中央に１個の電極を配置し周囲に分割した電極を配置してもよい。周囲にリング状に１個の電極を配置し、内側に複数に分割した電極を配置してもよい。要するに、電極の形状と分割数、配置は幾通りもの種類が可能である。また、固定電極２２と変位電極１８の形状を入れ替えてもよい。

荷重伝達部１４と固定板２０の構成部材が金属である場合、電極（変位電極１８，固定電極２２）は構成部材（荷重伝達部１４ないし固定板２０）と絶縁する必要がある。電極形成方法としては、検出回路と電気接続する必要があるので、電極をフレキシブルプリントサーキットで構成し、それを荷重伝達部１４ないし固定板２０に接着する方法が簡単で安価である。アルミ板の表面に絶縁層を形成しその上に電極を形成したアルミ基板を使用する方法もあり、アルミ基板を固定板２０に使えば、電極が形成されているので便利である。
図３のように電極が１個の場合、薄い金属板を、絶縁シートをはさんで固定板２０に接着するか、プラスティックねじを使ってねじ止めして、電極を形成することができる。このように、電極の形成には様々な方法が考えられ、本発明はこれらに関し特に限定するものではない。

図５は、図１に示した力センサに直線軸（Ｚ軸）に沿って力Ｆｚが加わった図である。この場合、荷重伝達部１４はＺ軸方向に平行移動して変位するので、３分割電極による静電容量は３個とも同じように変化する。

図６は、図１に示した力センサにＹ軸回りにモーメントＭｙが加わった図である。この場合、荷重伝達部１４はＹ軸回りに回転変位するので、３分割電極による静電容量は、それぞれ変化が異なる。Ｚ軸方向力成分と、Ｘ軸回りモーメント、Ｙ軸回りモーメントの合計３成分を求めるには、最低３個の静電容量の検出が必要である。３個以上の静電容量から力とモーメント３成分を求めるには、キャリブレーションと呼ぶ作業で変換行列を求めておき、この変換行列に静電容量を掛け合わせることで力とモーメント３成分を求めることができる。キャリブレーションでは、力とモーメント３成分が分かっている各種の力を力センサに加えて、検出したそれぞれの静電容量を記録し、この静電容量と加えた力とモーメント３成分との相関関係から変換行列を算術計算によって求める。これらの計算法は周知の数学的手法であり、詳細については説明を省略する。この方法では、入力変数となる静電容量は３個以上であれば良く、求められた変換行列は弾性部１２の特性、電極の面積、形状、配置など力センサの特性を決める要因をすべて反映している。従って、本発明では、電極の個数が３個以上あること以外に、電極の個数や形状などは特に限定されない。

図７は、本発明の第２の実施形態による静電容量式力センサ１の側断面図である。この実施形態では、荷重取付け部１６の構造が図１に示される第１の実施形態と異なっており、荷重伝達部１４に対して外側に張り出した鍔形状になっている。

図８は上面図で、鍔形状部に取付け用ねじ穴２６が形成されている。外部から力が加わる荷重機構、例えばロボットハンドなどを静電容量式力センサ１の荷重取付け部１６にボルトで締結するが、ボルト締めによる強い圧縮応力がねじ穴周辺に発生する。特に静電容量式力センサ１をアルミ合金で構成した場合、アルミ合金の縦弾性係数はスチール製ボルトの約３分の１と小さいので、ボルトを締めるとねじ穴周辺部のアルミ合金が圧縮応力により大きくひずむ。図１の構造では、このひずみが荷重伝達部１４に発生するため、そこに連結している弾性部１２にもひずみが発生し、弾性係数が変化する。弾性部１２の弾性係数は、外部から加わった力による荷重伝達部１４の変位量を決める重要な要素であり、これが変化すると検出精度が悪化する。図７の構造にすることで、このひずみが鍔形状部分で吸収され、荷重伝達部１４にはほとんどひずみが発生しないので弾性部１２は影響を受けず、従って検出精度の悪化を防ぐことができる。

図９は、本発明の第３の実施形態による静電容量式力センサの側断面図である。この実施形態では、固定板２０に固定電極２２が無い点が図７に示す第２の実施形態と異なっている。静電容量の検出回路方式には、静電容量を形成する２個の電極ともグランド電位ではない両電極方式と、片方の電極をグランド電位にする片電極方式とがある。片電極方式を使うことにより、金属材料で構成した固定板２０をグランド電位に接続すれば、固定電極２２を特に設ける必要はない。一般的に、両電極方式は片電極方式に比べて誘導ノイズに強く、グランドに対する浮遊容量の影響を受けないので、検出感度と安定性が良い。しかし、片電極方式は、一方の電極の形成が不要となるので、力センサの構造が簡単化されて、安価にできる利点がある。

以上説明したように、本発明では、固定部と荷重伝達部の間に弾性部を設けており、外部から力を受けるとこの弾性部が弾性変形し荷重伝達部が変位するようになっている。弾性部は力センサの特性を決める重要な部分であり、弾性部を適切に設計することで、外部から加わる様々な大きさの力に対応できる。弾性部の強度を大きくすると、頑丈で壊れにくい力センサとなり、強度を小さくすると、検出感度が高い力センサになる。

周囲温度が変化すると力センサの構造部材が熱膨張収縮する。構成部材の間で熱膨張差があるとストレスが発生し、弾性部あるいは固定板に撓みが発生するので、固定電極と変位電極間の距離が変動し、力センサの検出値が変動する。これを防ぐために、固定部、弾性部、荷重伝達部は、同じ材質で一体構造にすることが望ましい。同様に、固定板を固定部と同じ材質にするか、線膨張係数がほぼ同じ材料を使うことにより、熱膨張差による固定板の撓みを防止して、電極間距離の変動を防止できる。

荷重取付け部には、ワークを把持するためのチャックやロボットハンドなどの荷重機構がボルトで締結される。このボルト締めによる強いストレスがねじ穴周辺に発生し、このストレスが荷重伝達部にひずみを発生させる。その影響で荷重伝達部に連結している弾性部にもひずみが発生するので、弾性部の弾性係数が変化し、検出精度が悪化する。荷重取付け部を帽子のつばのように荷重伝達部の外側に張り出して鍔形状にし、その部分にボルト締結用ねじ穴を設けると、ボルト締めによるストレスを鍔部分が吸収し、弾性部への影響を排除できるので、検出精度を良好に維持できる。

また、静電容量を検出する回路方式に片電極方式を使うことにより、力センサの構造部材を金属にしてそれをグランド電位に接続すれば、静電容量を形成する一方の電極をわざわざ設ける必要がなく、力センサを安価にできる。

１０固定部
１２弾性部
１４荷重伝達部
１６荷重取付け部
１８変位電極
２０固定板
２２固定電極
２４蓋
２６取付け用ねじ穴

本願の請求項１に係る発明は、外部の装置または土台に取り付けて固定する固定部と、外部からの力が作用する物体を取り付ける荷重取付け部と、前記荷重取付け部は、前記荷重伝達部の外側に張り出した鍔形状部を備え、該鍔形状部に取付け用の穴あるいはねじ穴を備え、前記荷重取付け部に加わった力を伝達する荷重伝達部と、前記固定部と前記荷重伝達部の間に形成された弾性部と、前記固定部、前記荷重取付け部、前記荷重伝達部、および前記弾性部は一体構造を成し、前記固定部に取り付けられた固定板と、前記荷重伝達部の前記固定板に対する対向面に形成された変位電極と、前記固定板の前記荷重伝達部に対する対向面に形成された固定電極と、を備え、前記変位電極または前記固定電極のいずれか一方、あるいは双方は分割されて電気的に独立した３個以上の電極から成り、前記変位電極と前記固定電極から成る３個以上の容量素子を形成し、前記固定部、前記荷重伝達部、前記弾性部、および、前記固定板を、線膨張係数がほぼ等しい材料で構成し、前記３個以上の容量素子の静電容量を検出することにより１軸ないし複数軸方向の力成分とモーメント成分の少なくとも一方を検出するようにしたことを特徴とする静電容量式力センサである。

請求項２に係る発明は、前記荷重伝達部と前記固定板のいずれか一方、あるいは双方を金属材料で構成し、該変位電極と該固定電極のどちらか一方を構成する金属材料で置き換えるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の静電容量式力センサである。

Claims

外部の装置または土台に取り付けて固定する固定部と、
外部からの力が作用する物体を取り付ける荷重取付け部と、
前記荷重取付け部に加わった力を伝達する荷重伝達部と、
前記固定部と前記荷重伝達部の間に形成された弾性部と、
前記固定部に取り付けられた固定板と、
前記荷重伝達部の前記固定板に対する対向面に形成された変位電極と、
前記固定板の前記荷重伝達部に対する対向面に形成された固定電極と、
を備え、
前記変位電極または前記固定電極のいずれか一方、あるいは双方は分割されて電気的に独立した３個以上の電極から成り、
前記変位電極と前記固定電極から成る３個以上の容量素子を形成し、
前記固定部、前記荷重伝達部、前記弾性部、および、前記固定板を、線膨張係数がほぼ等しい材料で構成し、
前記３個以上の容量素子の静電容量を検出することにより１軸ないし複数軸方向の力成分とモーメント成分の少なくとも一方を検出するようにしたことを特徴とする静電容量式力センサ。
前記荷重取付け部は、前記荷重伝達部の外側に張り出した鍔形状部を備え、該鍔形状部に取付け用の穴あるいはねじ穴を備えるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の静電容量式力センサ。
前記荷重伝達部と前記固定板のいずれか一方、あるいは双方を金属材料で構成し、該変位電極と該固定電極のどちらか一方を構成する金属材料で置き換えるようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の静電容量式力センサ。