JP7746268B2 - 長さの変化を測定するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の包括的な用語に従って長さの変化を測定するための装置に関する。

自動化技術では、６軸力トルクセンサーは、全方向の力とモーメントを測定するために頻繁に使用される。このようなセンサーは、例えばワークピースの自動接合または組み立て、バリ取り、研磨や研削、触覚測定時など、様々な分野で利用することができる。これらのセンサーは、３つの座標（ｘ、ｙ、ｚ）に関して、力（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ）とモーメント（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）を測定する。一方では、このようなセンサーは、力やモーメントによってセンサー自体が変形しないように、可能な限り剛性を高くする必要がある。他方では、測定される信号の可能な限り高い分解能を達成することができなければならないが、これは、原則として剛性センサーでは不可能である。既知のセンサーの場合、力とモーメントを測定するためにひずみゲージが使用され、このひずみゲージで非常に小さな材料のひずみを測定することができる。しかしながら、ひずみゲージの適用は非常に複雑である。さらに、ひずみゲージは信号を大きく増幅する必要があるため、このような６軸力トルクセンサーのコスト高につながる。

したがって、本発明の課題は、長さの変化を測定するための装置、特に６軸力トルクセンサーに使用するための装置を提供することであり、この装置は、高い剛性によって測定信号の高い分解能を達成することができる。

上記の課題は、請求項１に記載の特徴を備えた、長さの変化を測定するための装置によって解決される。
本発明の有利な実施形態およびさらなる発展形は、従属請求項に示されている。

本発明による長さの変化を測定するための装置は、第１の固定要素、第２の固定要素、およびこれら２つの固定要素の間に配置される少なくとも１つの長さ要素を有しており、少なくとも１つの長さ要素は、第１の端部、第２の端部、および長手方向に沿った長さを有している。長手方向に平行に作用する力は、少なくとも１つの長さ要素の長さの変化をもたらす。このような装置において、レバー要素は、第１の端部、第２の端部、および支点を有するとともに、長手方向に対して横方向に配置される。レバー要素は、第１のレバーアームおよび第２のレバーアームを有しており、第１のレバーアームは支点と第１のレバーアーム端部との間に第１の長さを有しており、第２のレバーアームは支点と第２のレバーアーム端部との間に第２の長さを有しており、第２の長さは第１の長さよりも大きい。少なくとも１つの長さ要素は、その第１の端部が第１のレバーアームの第１のレバーアーム端部に回動可能に配置されている。第２のレバーアームの第２のレバーアーム端部は、材料測定部に接続され、その動きが走査要素によって検出可能である。

換言すれば、本発明の基本的な考え方は、レバー要素によって長さの変化を機械的に増幅し、より長いレバーアームの自由端で経路の変化を検出することである。この種の機械的増幅は、簡単かつ安価に実現できる。特に、剛性が高いシステムに使用することができ、剛性にもかかわらず、力またはモーメントによって引き起こされる長さの変化の高分解能を機械的増幅によって達成することができる。

本発明の好ましい実施形態では、支点はレバー要素の第１の端部と第２の端部との間に配置され、第１のレバーアームの第１のレバーアーム端部はレバー要素の第１の端部を形成し、第２のレバーアームの第２のレバーアーム端部は、レバー要素の第２の端部を形成する。このようにして、両面レバーを形成する。

本発明の代替の好ましい実施形態では、支点は、レバー要素の第１の端部に配置される。このようにして、片面レバーを形成する。
本発明の好ましいさらなる発展形では、第１の端部および第２の端部を有するとともに、互いに平行に整列された第１のアームおよび第２のアームによって、レバー要素に平行に配置される第２の要素を提供する。この配置は、第２の要素と第１のアームとの間、第２の要素と第２のアームとの間、レバー要素と第１のアームとの間、およびレバー要素と第２のアームとの間で回動可能である。このようにして、平行四辺形が形成され、この平行四辺形によって、第２のレバーアームの第２のレバーアーム端部に配置された材料測定部が、第２の要素なしで、レバー要素の回動時に走査要素に対して傾斜し、第２の要素によるレバー要素の回動時に長手方向と平行に整列して案内されることが可能になる。

好ましくは、材料測定部は第２のアーム上に配置され、また、好ましくは、材料測定部はレバー要素と第２の要素との間の距離にわたって延びる。これにより、レバー要素の回動時に、材料測定部を長手方向に平行な任意の位置に位置合わせすることができる。

レバー配置の良好な安定性は、好ましくは、第１のアームが支点と第２の要素の第１の端部との間に配置され、第２のアームがレバー要素の第２の端部と第２の要素の第２の端部との間に配置される場合に達成できる。

本発明の特に好ましい実施形態では、回動可能な接続部はフィルムヒンジの態様である。非常に剛性の高い材料であっても、そのような回動可能な接続部は、一方では長さ要素の所望の高剛性に影響を与えないか、または最小限の影響を与えるだけであり、他方ではレバー配置による機械的補強によって所望の高分解能を達成できるように、弱化した材料領域によって容易に形成することができる。

好ましくは、第１の固定要素は第１の平面を有する円板状であり、第２の固定要素は第２の平面を有する円板状である。第１の平面および第２の平面は互いに平行に配置され、好ましくは、長手方向はこれらの平面に対して直交する方向である。固定要素の円板状の設計により、相互に移動する構成要素への良好な固定が可能になり、その間で発生する力とモーメントが測定される。

長手方向に直交する平面を配置することで、加えられる力およびモーメントの測定を容易にすることができる。
特に好ましい実施形態では、いくつかの、特に少なくとも６つ、例えば正確には６つの長さ要素は、第１の固定要素と第２の固定要素との間に配置される。これにより、２つの固定部材の間に働く３軸方向の力とモーメントを測定することができ、６軸力トルクセンサーとして構成することができる。

有利には、走査要素は、光学的、容量的、誘導的、または磁気走査センサーとして実施される。特に光学センサーは非常に堅牢で、高い分解能の走査を可能にする。
好ましくは、少なくとも１つの走査要素によって検出された信号を評価し、特に、長さの変化によって２つの固定要素間に加えられる力およびモーメントを計算する評価ユニットが提供される。

以下の図を参照して、本発明を詳細に説明する。

本発明による長さの変化を測定するための装置の第１の実施形態の斜視図を示す。 図１による装置の一部のさらなる斜視図を示す。 図２による装置の縦断面図を示す。 図１による装置のレバー配置の概略図を示す。 長さの変化を測定するための装置の代替の実施形態のレバー配置の概略図を示す。 ６軸力トルクセンサーを形成するために、図１による６つの長さ要素を使用して長さの変化を測定するための装置の斜視図を示す。

図１～４は、長さ要素１５に対する長さの変化ΔＬを測定するための、本発明による装置１０の第１の実施形態の異なる図を示す。この長さ要素は、第１の端部１５ａ、第２の端部１５ｂ、および長手方向Ｒに沿った長さＬを有する。長手方向Ｒに平行に作用する力Ｆは、長さ要素１５の長さの変化ΔＬをもたらす。長さ要素１５に対する長さのこの変化ΔＬを直接測定することは、費用がかかるか、長さの変化ΔＬが微少であるため、低い分解能でしか検出できないことが多い。したがって、図示の装置１０は、長手方向Ｒに対して横方向に配置されるとともに、第１の端部２０ａ、第２の端部２０ｂ、および支点Ｄを有するレバー要素２０を含む。レバー要素２０は、第１のレバーアーム２１および第２のレバーアーム２２を有しており、第１のレバーアーム２１は支点Ｄと第１のレバーアーム端部２１ａとの間に第１の長さａを有し、第２のレバーアーム２２は支点Ｄと第２のレバーアーム端部２２ｂとの間に第２の長さｂを有している。第２の長さｂは、第１の長さａよりも大きくなるように形成されている。長さ要素１５は、その第１の端部１５ａが第１のレバーアーム２１の第１のレバーアーム端部２１ａに回動可能に配置されているのに対し、第２のレバーアーム２２の第２のレバーアーム端部２２ｂは材料測定部３０に接続されている。長さ要素１５と第１のレバーアーム２１の第１のレバーアーム端部２１ａとの間の回動可能な配置は、特に、フィルムヒンジの態様で実施することもできる。フィルムヒンジは、例えば、弱化した材料領域によって形成されてもよい。

装置１０は、材料測定部３０の動きを検出することができる走査要素４０をさらに備える。
長手方向Ｒに平行に長さ要素１５に作用して、短いレバーアーム２１のレバーアーム端部２１ａに長さの変化ΔＬをもたらす力Ｆは、レバー要素２０による長いレバーアーム２２の第２のレバーアーム端部２２ｂに対して経路の変化Δｓを引き起こす。そうすると、長さの変化ΔＬは、特に、ｂ：ａの比率で増幅され、したがって、第２のレバーアーム端部２２ｂでの経路の変化Δｓは、Δｓ＝ｂ＊ΔＬ／ａになる。

経路の変化Δｓは、第２のレバーアーム端部２２ｂに接続された材料測定部３０を走査する走査要素４０によって検出される。材料測定部３０は、特に、光学的に走査することができ、そのために、例えば、材料測定部３０は反射性を有するように実施することができる。

図１～４に示すように、本実施形態では、レバー要素２０の第１の端部２０ａと第２の端部２０ｂとの間に支点Ｄが配置されて、両面レバーが形成される。そうすることで、第１のレバーアーム２１の第１のレバーアーム端部２１ａは、特に、レバー要素２０の第１の端部２０ａを形成し、第２のレバーアーム２２の第２のレバーアーム端部２２ｂは、特に、レバー要素２０の第２の端部２０ｂを形成する。

図５に示すように、支点Ｄをレバー要素２０の第１の端部２０ａに配置することができる。これは片面レバーを形成する。２つのレバーアーム２１、２２は、支点Ｄから同じ方向に延びるが、それぞれ異なる長さａまたはそれに代わる長さｂを有する。

材料測定部３０は、レバー要素２０の前面に配置することができる。走査要素４０は、材料測定部を走査できるように、第２のレバーアーム端部２２ｂの端面方向を向くように位置合わせされる。この場合、走査要素４０は、特に、長手方向Ｒに平行でかつ長さ要素１５に対して固定された状態で、特に強固に固定される。しかし、レバー要素２０が移動すると、材料測定部３０は円軌道に沿って支点Ｄを中心に回動するため、走査素子４０の測定信号が歪んでしまうことがある。

したがって、レバー要素が片面レバーとして実施されるか、両面レバーとして実施されるかにかかわらず、第２の要素５０を設けることが好ましく、第２の要素は、第１の端部５０ａおよび第２の端部５０ｂを有し、第１の端部５１ａおよび第２の端部５１ｂを有する第１のアーム５１によって、および第１のアーム５１と平行に配置されるとともに、第１の端部５２ａおよび第２の端部５２ｂを有する第２のアーム５２によってレバー要素に並行に配置されることが好ましい。第１のアーム５１の第１の端部５１ａは、特に、レバー要素２０の支点Ｄに接続され、第１のアーム５１の第２の端部５１ｂは、第２の要素５０の第１の端部２０ａに接続される。一方、第２のアーム５２の第１の端部５２ａは、レバー要素２０の第２の端部２０ｂに接続され、第２のアーム５２の第２の端部５２ｂは、第２の要素５０の第２の端部５０ｂに接続される。この場合、第２要素５０と第１のアーム５１との間、第２の要素５０と第２のアーム５２との間、レバー要素２０と第１のアーム５１との間、およびレバー要素２０と第２のアーム５２との間の配置は、特にフィルムヒンジの態様において回動可能であるように実施される。フィルムヒンジは、例えば、弱化した材料領域によって形成することができる。

材料測定部３０は第２のアーム５２上に配置され、好ましくは、材料測定部はレバー要素２０と第２の要素との間の距離にわたって延在してもよい。この配置によって、材料測定部３０は、レバー要素２０に接続し続けるが、好ましくは回動可能に、長さ要素１５に作用する力Ｆによりレバー要素２０が移動するとき、材料測定部３０が伝達比に従って移動し続ける。しかし、第２の要素の案内によって、材料測定部３０が移動しても走査要素４０に対するその向きを維持するように平行移動が生じる。

走査要素４０は、走査要素４０によって検出された信号を評価し、特に、測定された長さＤｌの変化から長さ要素１５に作用する力Ｆを計算する、評価ユニット６０を含むか、または評価ユニット６０に接続されてもよい。

長さ要素１５に対して走査要素３０を固定して配置できるようにするために、２つの横部材１７ａ、１７ｂが、長さ要素１５の第１の端部１５ａおよび第２の端部１５ｂに配置され、これらの横部材は、レバー要素および任意選択で第２の要素および２つのアーム５１、５２によって形成されるレバー配置を越えて案内され、特に両側でそれらの周りに係合し、その結果、走査要素が、長さ要素１５から離れる方向を向く横部材１７ａ、１７ｂの端部に配置される。

２つの構成要素間に力が加えられたときの長さの変化ΔＬを測定できるようにするために、長さ要素１５は、その第１の端部１５ａで第１の固定要素１１に接続され、第２の端部１５ｂで第２の固定要素１２に接続される。第１の固定要素１１が第１の構成要素（図示せず）に接続され、第２の固定要素１２が第２の構成要素（図示せず）に接続される場合、２つの構成要素が互いに対して移動するときに加えられる力を測定することができる。第１の固定要素１１は第１の横部材１７ａによって形成されてもよく、第２の固定要素１２は第２の横部材１７ｂによって形成されてもよい。

図６は、長さの変化ΔＬを測定するためのデバイス１０’の斜視図を示しており、この装置は、図１～４に示す実施形態の例による６つの長さ要素１５を含む。この場合、装置１０’は、第１の固定要素１１’および第２の固定要素１２’を含み、６つの長さ要素１５の横部材１７ａは、第１の固定要素１１’に接続されるとともに、６つの長さ要素１５の横部材１７ｂは、第２の固定要素１２’に接続されている。固定要素１１’、１２’は、円板状、例えばディスクリングのような態様で、第１の平面Ｅ１または代替的に第２の平面Ｅ２を備えて形成されており、平面Ｅ１、Ｅ２は、互いに平行に配置され、特に、長さ要素１５の長手方向Ｒに対して直交するように配置される。長さ要素１５は、固定要素１１’、１２’の円周上に均一に分布しており、特に、６軸力トルクセンサーを形成している。このために、６つの走査要素４０すべてによって検出された信号は、評価ユニット６０に送られ、そこから、２つの固定要素１１’、１２’の間に加えられる力Ｆｘ、Ｆｙ、ＦｚおよびモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを適切な較正によって算出することができる。

１０…装置、１０’…装置、１１、１１’…第１の固定要素、１２、１２’…第２の固定要素、１５…長さ要素、１５ａ…第１の端部、１５ｂ…第２の端部、２０…レバー要素、２０ａ…第１の端部、２０ｂ…第２の端部、２１…第１のレバーアーム、２１ａ…第１のレバーアーム端部、２２…第２のレバーアーム、２２ａ…第２のレバーアーム端部、３０…材料測定部、４０…走査要素、５０…第２の要素、５０ａ…第１の端部、５０ｂ…第２の端部、５１…第１のアーム、５１ａ…第１の端部、５１ｂ…第２の端部、５２…第２のアーム、５２ａ…第１の端部、５２ｂ…第２の端部、６０…評価ユニット、Ｌ…長さ、ΔＬ…長さの変化、Ｒ…長手方向、Ｆ…力、Ｍ…モーメント、Ｄ…支点、ｓ…経路、Δｓ…経路の変化、ａ…第１の長さ、ｂ…第２の長さ、Ｅ１…第１の平面、Ｅ２…第２の平面。

Claims (10)

1. 長さの変化（ΔＬ）を測定するための装置（１０、１０’）であって、
   第１の固定要素（１１’）、第２の固定要素（１２’）、およびこれら２つの固定要素（１１’、１２’）の間に配置される少なくとも２つの長さ要素（１５）を有しており、少なくとも２つの長さ要素（１５）は、第１の端部（１５ａ）、第２の端部（１５ｂ）、および長手方向（Ｒ）に沿って長さ（Ｌ）を有しており、長手方向（Ｒ）に平行に作用する力（Ｆ）によって、少なくとも２つの長さ要素（１５）の長さの変化（ΔＬ）が生じる、装置において、
   第１の端部（２０ａ）、第２の端部（２０ｂ）、および支点（Ｄ）を有するレバー要素（２０）は、長手方向（Ｒ）に対して横方向に配置されていることと、
   レバー要素（２０）は、第１のレバーアーム（２１）および第２のレバーアーム（２２）を有しており、第１のレバーアーム（２１）は支点（Ｄ）と第１のレバーアーム端部（２１ａ）との間に第１の長さ（ａ）を有しており、第２のレバーアーム（２２）は支点（Ｄ）と第２のレバーアーム端部（２２ｂ）との間に第２の長さ（ｂ）を有していることと、
   第２の長さ（ｂ）は第１の長さ（ａ）よりも大きいことと、
   少なくとも２つの長さ要素（１５）は、その第１の端部（１５ａ）が第１のレバーアーム（２１）の第１のレバーアーム端部（２１ａ）に回動可能に配置されていることと、
   第２のレバーアーム（２２）の第２のレバーアーム端部（２２ｂ）は、材料測定部（３０）に接続されており、材料測定部（３０）の動きが走査要素（４０）によって検出可能であることと、
   少なくとも２つの長さ要素（１５）は、第１の固定要素（１１’）と第２の固定要素（１２’）との間に配置されることと、
   少なくとも１つの走査要素（４０）によって検出された信号を評価するとともに、長さの変化によって前記２つの固定要素の間に加えられる力およびモーメントを算出する評価ユニット（６０）を提供することと、を特徴とする装置。
2. 支点（Ｄ）が、レバー要素（２０）の第１の端部（２０ａ）と第２の端部（２０ｂ）との間に配置されており、第１のレバー要素（２１）の第１のレバーアーム端部（２１ａ）がレバー要素（２０）の第１の端部（２０ａ）を形成し、第２のレバーアーム（２２）の第２のレバーアーム端部（２２ｂ）が、レバー要素（２０）の第２の端部（２０ｂ）を形成することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 第２の要素（５０）であって、第１の端部（５０ａ）および第２の端部（５０ｂ）を有するとともに、互いに平行に整列された第１のアーム（５１）および第２のアーム（５２）によって、レバー要素（２０）に平行に配置されている、第２の要素（５０）を特徴とし、前記配置が、第２の要素（５０）と第１のアーム（５１）との間、第２の要素（５０）と第２のアーム（５２）との間、レバー要素（２０）と第１のアーム（５１）との間、およびレバー要素（２０）と第２のアーム（５２）との間で回動可能であることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. 材料測定部（３０）が第２のアーム（５２）上に配置されることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
5. 材料測定部（３０）がレバー要素（２０）と第２の要素（５０）との間の距離にわたって延在することを特徴とする、請求項３に記載の装置。
6. 第１のアーム（５１）が支点（Ｄ）と第２の要素（５０）の第１の端部（５０ａ）との間に配置されるとともに、第２のアーム（５２）がレバー要素（２０）の第２の端部（２０ｂ）と第２の要素（５０）の第２の端部（５０ｂ）との間に配置されることを特徴とする、請求項３～５のいずれか一項に記載の装置。
7. 回動可能な接続がフィルムヒンジの態様で実施されることを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載の装置。
8. 第１の固定要素（１１’）が第１の平面（Ｅ１）を備えた円板状であり、第２の固定要素（１２’）が第２の平面（Ｅ２）を備えた円板状であり、第１の平面（Ｅ１）および第２の平面（Ｅ２）が互いに平行に配置されることを特徴とする、請求項１～７のいずれか一項に記載の装置。
9. 第１の固定要素（１１’）が第１の平面（Ｅ１）を備えた円板状であり、第２の固定要素（１２’）が第２の平面（Ｅ２）を備えた円板状であり、第１の平面（Ｅ１）および第２の平面（Ｅ２）が互いに平行に配置されており、長手方向（Ｒ）はこれらの平面（Ｅ１、Ｅ２）に対して直交することを特徴とする、請求項１～７のいずれか一項に記載の装置。
10. 走査要素（４０）が、光学的、容量的、誘導的、または磁気走査センサーとして構成されることを特徴とする、請求項１～９のいずれか一項に記載の装置。