JP2018159715A - 力覚センサ及び力覚センサのブリッジ回路構成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】位置ズレを防止して複数の歪みゲージが起歪体に設けられる力覚センサを提供する。【解決手段】力覚センサ１０は、複数の歪みゲージ２２と、複数の歪みゲージ２２が設けられる主面１１ａを有する起歪体１１とを備える。起歪体１１が、力を受ける受力部１２と、受力部１２に対して固定される固定部１３と、受力部１２と固定部１３とを連結するビーム部１４とを有して構成される。複数の歪みゲージ２２が、ビーム部１４における主面１１ａにのみ設けられる。複数の歪みゲージ２２のうちのビーム部１４の中心線に対して互いに対称となる位置の４つによって所定方向の力成分を検出するブリッジ回路が構成されるように設けられる。【選択図】図３

Description

本発明は、力覚センサに適用して有効な技術に関する。

特許第６０４７７０３号（特許文献１）には、起歪体の両面（表面および裏面）のそれぞれに歪みゲージを設ける構成が記載されている。具体的には、受力部と、固定部と、これらを連結するアーム部とを含んで構成される起歪体のうち、アーム部の表面および裏面（すなわち起歪体の表面および裏面）のそれぞれに歪みゲージが設けられている。

特許第６０４７７０３号

特許文献１に記載の力覚センサのように、アーム部の両面に設けられる歪みゲージによってブリッジ回路が構成される場合、表面の歪みゲージと裏面の歪みゲージとが対称（平面視で一致）に設けられることが、検出精度を確保する上で重要である。しかしながら、例えばアーム部の片面ずつに歪みゲージを貼り付けて設けようとしても位置ズレが生じてしまうおそれがあり、また高精度の位置調整を行うと生産性が低下してしまう。

本発明の一目的は、位置ズレを防止して複数の歪みゲージが起歪体に設けられる力覚センサを提供することにある。なお、本発明の一目的および他の目的ならびに新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかにしていく。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

本発明の一解決手段に係る力覚センサは、複数の歪みゲージと、前記複数の歪みゲージが設けられる主面を有する起歪体と、を備え、前記起歪体が、力を受ける受力部と、前記受力部に対して固定される固定部と、前記受力部と前記固定部とを連結するビーム部と、を有して構成され、前記複数の歪みゲージが、前記ビーム部における前記主面にのみ設けられるとともに、前記複数の歪みゲージのうちの前記ビーム部の中心線に対して互いに対称となる位置の４つによって所定方向の力成分を検出するブリッジ回路が構成されるように設けられることを特徴とする。これによれば、一つの面（ここでは主面）に対してのみ複数の歪みゲージを設けるので位置ズレを防止して検出精度を確保することができる。
本発明の一解決手段に係る力覚センサのブリッジ回路構成方法は、複数の歪みゲージと、前記複数の歪みゲージが設けられる主面を有する起歪体と、を備え、前記起歪体が、力を受ける受力部と、前記受力部に対して固定される固定部と、前記受力部と前記固定部とを連結するビーム部と、を有して構成され、前記複数の歪みゲージが、前記ビーム部における前記主面に設けられるとともに、前記ビーム部の中心線に対して互いに対称となる位置に設けられる力覚センサのブリッジ回路構成方法であって、前記複数の歪みゲージのうちの前記ビーム部の中心線に対して互いに対称となる位置の４つによって所定方向の力成分を検出するブリッジ回路を構成することを特徴とする。

また、前記力覚センサにおいて、ｘ軸方向の力成分Ｆｘ、ｙ軸方向の力成分Ｆｙ、ｚ軸方向の力成分Ｆｚ、ｘ軸周りのモーメント成分Ｍｘ、ｙ軸周りのモーメント成分Ｍｙ、およびｚ軸周りのモーメント成分Ｍｚを検出するにあたり、前記複数の歪みゲージが、Ｆｚ、Ｍｘ、およびＭｙを検出する複数のブリッジ回路を含む第１ブリッジ回路群と、Ｆｘ、Ｆｙ、およびＭｚを検出する複数のブリッジ回路を含む第２ブリッジ回路群とに分けられて構成されるよう設けられることがより好ましい。これによれば、第１ブリッジ回路群および第２ブリッジ回路群を構成する複数の歪みゲージの位置ズレを防止すると共に、６軸方向の力成分（モーメント成分含む）を切り分けて検出することができる。

また、前記力覚センサにおいて、前記ビーム部が、前記受力部と連結されるアームと、前記アームの延在方向と交差する方向に延在し、前記固定部と連結されるフレクシャと、を有して構成されることがより好ましい。これによれば、フレクシャのないビーム部（すなわちアームのみ）と比較して、曲げ、せん断および捩りによる歪みをより大きく発生させることができ、検出精度を確保することができる。

また、前記力覚センサにおいて、前記複数の歪みゲージのいずれかが、前記フレクシャに設けられることがより好ましい。これによれば、一つの面（ここでは主面）に対してのみ複数の歪みゲージを設けるにあたり、アームの他にも歪みを検出し易いフレクシャにも設けることとで、その自由度を向上させることができる。

また、前記力覚センサにおいて、前記複数の歪みゲージが、前記ビーム部の中心線に対して互いに対称となる位置に設けられることがより好ましい。これによれば、対称位置関係にある歪みゲージの抵抗値を同様に変化させることができ、また歪みゲージでブリッジ回路を構成することでその出力（不要な情報）をキャンセルさせることができる。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、次のとおりである。本発明の一解決手段によれば、位置ズレを防止して複数の歪みゲージを起歪体に設けることができる。

本発明に係る力覚センサを構成する起歪体の基本構造の説明図である。 角柱に発生する応力についての説明図であり、（ａ）が角柱を座標系に適用した状態、（ｂ）がＦｘ（−）による歪み、（ｃ）がＦｘ（＋）による歪み、（ｄ）がＭｙ（−）による歪み、（ｅ）がＭｘ（−）による歪み、（ｆ）がＭｚ（−）による歪みを示す。 本発明の一実施形態に係る力覚センサの要部の模式的平面図である。 図３に示す円ｃで囲んだ箇所の拡大図である。 図３に示す力覚センサが備えるブリッジ回路の説明図であり、（ａ）がＦｚ、Ｍｘ、Ｍｙ検出用、（ｂ）がＦｘ、Ｆｙ、Ｍｚ検出用である。 図３に示す力覚センサが備えるブリッジ回路の検出表である。 複数の歪みゲージを起歪体のビーム部に配置する一例の説明図である。 複数の歪みゲージを起歪体のビーム部に配置する一例の説明図である。 複数の歪みゲージを起歪体のビーム部に配置する一例の説明図である。 本発明の他の実施形態に係る力覚センサの要部の模式的斜視図である。 図１０に示す力覚センサが備えるブリッジ回路の検出表である。

以下の本発明における実施形態では、必要な場合に複数のセクションなどに分けて説明するが、原則、それらはお互いに無関係ではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細などの関係にある。このため、全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、構成要素の数（個数、数値、量、範囲などを含む）については、特に明示した場合や原理的に明らかに特定の数に限定される場合などを除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。また、構成要素などの形状に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合などを除き、実質的にその形状などに近似または類似するものなどを含むものとする。

（基本構造）
本発明の実施形態では、三次元空間の直交座標系（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）の３軸方向の力成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、その３軸回りのモーメント成分Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚの計６成分を同時に検出することができる６軸力覚センサに適用して説明する。まず、力覚センサ１０（６軸力覚センサ）を構成する起歪体１１の基本構造について、主に図１を参照して説明する。図１は、力覚センサ１０を構成する起歪体１１の基本構造の説明図（要部模式的平面図）である。

起歪体１１は、力を受ける受力部１２と、受力部１２に対して固定される固定部１３と、受力部１２と固定部１３とを連結するビーム部１４と、を有して板状体として構成される。また、ビーム部１４は、受力部１２と連結されるアーム１５（第１構造部材）と、アーム１５の延在方向と交差する方向（図１では直交方向）に延在し、固定部１３と連結されるフレクシャ１６（第２構造部材）と、を有して構成される。図１にはアーム１５の延在する方向と平行なアーム１５の中心線ａ（ビーム部１４の中心線ａでもある）およびフレクシャ１６の延在する方向と平行なフレクシャ１６の中心線ｂ（中心線ａに対しての交差線ｂでもある）を示している。ビーム部１４がアーム１５に対してフレクシャ１６を有して構成されることで、フレクシャ１６のないビーム部（すなわちアームのみ）と比較して、ビーム部１４で曲げ、せん断および捩りによる歪みをより大きく発生させることができ、検出精度を確保することができる。

また、図１では、１本のビーム部１４において１つのアーム１５について２つのフレクシャ１６が連結されている。アーム１５と受力部１２との連結箇所、アーム１５とフレクシャ１６との連結箇所、およびフレクシャ１６と固定部１３との連結箇所は、力覚センサ１０の特性を調整するためにフィレット状に形成されている。これら連結箇所は、面取り状でもよく、特性の調整ができれば、形状は任意である。なお、連結箇所でも歪みが発生するので連結箇所はビーム部１４に含まれるものとする。

ここで、アーム１５およびフレクシャ１６を角柱状の構造部材とみなして、角柱に発生する応力の検出方法について、図２を参照して説明する。図２は、角柱に発生する応力についての説明図であり、図２（ａ）が角柱を座標系に適用した状態を示す。図２（ｂ）〜図２（ｆ）では、ＡＢ面が固定された角柱に力（モーメントを含む）がかかるときの歪み方が示されている。図２（ｂ）はＦｘ（−：マイナス方向、以下同じ）による歪み、図２（ｃ）はＦｘ（＋：プラス方向、以下同じ）による歪みを示す。また、図２（ｄ）はＭｙ（−）による歪み、図２（ｅ）はＭｘ（−）による歪み、図２（ｆ）はＭｚ（−）による歪みを示す。

以下では、歪みを検出する素子（歪みゲージ）が角柱のＢＣ面（起歪体１１の片面である主面１１ａ）にブリッジ回路を構成して設けられるものとして説明する。角柱にＦｘの力がかかった際（例えば図２（ｂ）および図２（ｃ）参照）、ＢＣ面に設けられている全ての歪みゲージの抵抗値が同様に変化する。このため、ＢＣ面にブリッジ回路を構成しておくことで、ブリッジ回路の出力（不要な情報）をキャンセルすることができる。また、例えばＭｘがかかった際は、角柱が図２（ｅ）に示すように捻れる。このとき、角柱のＢＣ面に設けられた歪みゲージ自体が捻れるため、歪みゲージの抵抗値変化は０または無視できる程度である。他方、曲げ歪み（図２（ｄ））とせん断歪み（図２（ｆ））に対しては、ＢＣ面に設けられた歪みゲージで検出することができる。

６軸方向の力成分（モーメント成分を含む）を切り分けて検出する力覚センサ１０（６軸力覚センサ）を構成するには、ビーム部１４を持つ構造が３本以上あり、それぞれの構造において曲げ歪みとせん断歪みの組みを１つ以上検出することができればよい。また、ビーム部１４において曲げ歪みおよびせん断歪みを検出することができれば、歪みゲージは、ビーム部１４を構成するアーム１５またはフレクシャ１６の少なくともいずれか一方に設けられればよい。このように、複数の歪みゲージをビーム部１４（起歪体１１）における主面１１ａ（片面）のみに設けても曲げ歪みとせん断歪みを検出することができるので、６軸方向の力成分を検出する力覚センサ１０を成立させることができる。

（実施形態１）
本実施形態における力覚センサ１０において、図３〜図６を参照して説明する。図３は力覚センサ１０の要部である起歪体１１の模式的平面図である。図４は図３に示す円ｃ箇所の拡大図である。図５は力覚センサ１０が備えるブリッジ回路２０、２１の説明図であり、図５（ａ）がＦｚ、ＭｘおよびＭｙを検出するＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０（第１ブリッジ回路）、図５（ｂ）がＦｘ、ＦｙおよびＭｚを検出するＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１（第２ブリッジ回路）を示す。図６は力覚センサ１０のＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０およびＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１の検出表である。なお、力覚センサ１０は、ブリッジ回路２０、２１の出力信号を処理（例えば行列演算など）するために、ＣＰＵ（中央演算処理装置）およびＲＯＭ、ＲＡＭなどの記憶部を有する処理部（不図示）を備える。

本実施形態における力覚センサ１０は、複数の歪みゲージ２２と、複数の歪みゲージ２２が設けられる主面１１ａを有する起歪体１１とを備える。起歪体１１は、外形が例えば円形（他に矩形、多角形であってもよい）の板状体であり、主面１１ａ（表面、第１面ともいう）、その反対面（裏面、第２面）および外側面（外周面、第３面）を有する。本実施形態では、起歪体１１は受力部１２としての中央部１２と、固定部１３として中央部１２の周りの同心状（環状）の枠部１３と、中央部１２と枠部１３とを連結する複数のビーム部１４とを有して構成される。ビーム部１４は、中央部１２の中心Ｏから枠部１３へ向かって放射状に設けられ、アーム１５と、フレクシャ１６とを有して構成される。

より具体的に起歪体１１では、ビーム部１４が４本で平面視クロス状（Ｘ字状、十字状）となるように、中央部１２および枠部１３の周方向に等間隔（中心Ｏの周方向に９０°ごと）で配置される。そして、ビーム部１４を構成するアーム１５が中心Ｏから放射状に延在し、ビーム部１４を構成するフレクシャ１６がアーム１５の延在方向と交差する方向に延在する。このように起歪体１１では、中央部１２および枠部１３を剛体とみなしたときにビーム部１４が弾性体とみなせるように、枠部１３とアーム１５との間にフレクシャ１６を介在させたビーム部１４を設けている。

このような起歪体１１は、例えば、ＮＣ（Numerical Control）加工機を用いてアルミニウム合金、合金鋼、ステンレス鋼などバネ性のある材料に貫通孔などを形成することによって得られる。これにより、起歪体１１には、中央部１２、枠部１３およびビーム部１４のそれぞれを区画するための空間（貫通部）が形成される。これら空間が形成されることにより、起歪体１１は、外側面に対して内側面（主面１１ａおよび反対面と直交する面、貫通部の内壁面）を有する。

力覚センサ１０では、起歪体１１の中央部１２（受力部１２）に力が加えられることでビーム部１４に応力（曲げ、せん断、捩りといった歪み）を発生させることができる。例えば、ビーム部１４の放射方向（延在方向）およびこれと直交する方向に曲げ（撓み）が発生し、ビーム部１４の放射方向に対して４５°方向にせん断が発生し、そしてビーム部１４の周方向に捩りが発生する。力覚センサ１０では、これら歪みを検出するにあたり、ビーム部１４における主面１１ａにのみ複数の歪みゲージ２２が設けられる構成である。

歪みゲージ２２としては、例えば、Ｃｕ（銅）−Ｎｉ（ニッケル）系合金やＮｉ−Ｃｒ（クロム）系合金の金属薄膜（金属箔など）の配線パターンを、可撓性を有するポリイミドやエポキシ樹脂フィルムで覆ったものを用いることができる。このような歪みゲージ２２は、接着剤を用いてビーム部１４に貼り付けられ、金属薄膜がビーム部１４の歪みを受けて変形したときの抵抗変化から歪みを検知、検出することができる。また、歪みゲージ２２としては、歪み（曲げ・せん断）を分けて検出することができればよいので、金属薄膜ではなく半導体薄膜を用いた半導体歪みゲージを用いることもできる。また、歪みゲージ２２の接着によらない搭載方法としては、スパッタリング法や真空蒸着法を用いてビーム部１４（起歪体１１）における主面１１ａに金属薄膜ゲージを直接形成しても良い。このように種々の歪みゲージ２２であっても、力覚センサ１０では、起歪体１１の一つの面（すなわち主面１１ａ）に対してのみ設けるので、位置ズレを防止して検出精度を確保することができる。

ここで、力覚センサ１０は、ＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０およびＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１を備え、複数の歪みゲージ２２がＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０とＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１とに分けられて構成されるよう設けられる。これによれば、ＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０およびＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１を構成する複数の歪みゲージ２２の位置ズレを防止すると共に、６軸方向の力成分（モーメント成分含む）を切り分けて検出することができる。本実施形態では、６軸方向の力成分を切り分けるために、４本のビーム部１４のそれぞれにＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０およびＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１を設けている（少なくとも１組以上あればよい）。

具体的には、図４および図５（ａ）に示すように、４つの歪みゲージ２２（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ）によって、ＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０が構成される。歪みゲージ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄのそれぞれが、図５（ａ）に示すＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０中の符号ａ、ｂ、ｃ、ｄに示す位置に対応する。後述する図６の検出表のように捉えられるように歪みゲージ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄによってＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０が構成される。

より具体的には、歪みゲージ２２ａと歪みゲージ２２ｃとは、ビーム部１４の中心線ａに対して互いに対称となる位置に設けられる。また、歪みゲージ２２ｂと歪みゲージ２２ｄとは、ビーム部１４の中心線ａに対して互いに対称となる位置に設けられる。そして、歪みゲージ２２ａと歪みゲージ２２ｂとは、ビーム部１４の延在方向（中心線ａに沿う方向）に並ぶ位置に設けられる。また、歪みゲージ２２ｃと歪みゲージ２２ｄとは、ビーム部１４の延在方向に並ぶ位置に設けられる。これら歪みゲージ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄがＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０として電気的に接続（配線）される。これによれば、対称位置関係にある歪みゲージ２２の抵抗値を同様に変化させることができ、また歪みゲージ２２でＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０を構成することでその出力（不要な情報）をキャンセルさせることができる。

ＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０では、図５（ａ）に示すように、位置ａ、ｄの直列接続の歪みゲージ２２ａ、２２ｄと、位置ｂ、ｃの直列接続の歪みゲージ２２ｂ、２２ｃとが、入力信号ＢＶに対して並列接続される。また、位置ａ、ｂの直列接続の歪みゲージ２２ａ、２２ｂと、位置ｃ、ｄの直列接続の歪みゲージ２２ｃ、２２ｄとが、出力信号Ｖｏに対して並列接続される。そして、入力信号ＢＶが印加されたＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０では、各歪みゲージ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの抵抗値の変化により非平衡状態となったときに出力信号Ｖｏが変化する。力覚センサ１０ではビーム部１４に応力が発生するが、ＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０を構成することで、干渉除去機能や温度保証機能を持たせると共に、例えば曲げ（撓み）による応力を検出する際には、せん断による応力をキャンセルさせている。

また、図４および図５（ｂ）に示すように、４つの歪みゲージ２２（２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ）によって、ＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１が構成される。歪みゲージ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄのそれぞれが、図５（ｂ）に示すＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１中の符号Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄに示す位置に対応する。後述する図６の検出表のように捉えられるように歪みゲージ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２ＤによってＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１が構成される。また、起歪体１１の一つの面（ここでは主面１１ａ）に対してのみ複数の歪みゲージ２２を設けるにあたり、本実施形態では、アーム１５の他にも歪みを検出し易いフレクシャ１６にも設けている。これにより、複数の歪みゲージ２２を設けるための自由度を向上させることができる。なお、図４では、歪みゲージ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄはその検出方向に関係なく模式的に示されている。

より具体的には、歪みゲージ２２Ａと歪みゲージ２２Ｄとは、ビーム部１４の中心線ａに対して互いに対称となる位置に設けられる。また、歪みゲージ２２Ｂと歪みゲージ２２Ｃとは、ビーム部１４の中心線ａに対して互いに対称となる位置に設けられる。そして、歪みゲージ２２Ａと歪みゲージ２２Ｂとは、ビーム部１４の延在方向（中心線ａに沿う方向）に並ぶ位置に設けられ、フレクシャ１６の中心線ｂに対して互いに対称となる位置に設けられる。また、歪みゲージ２２Ｄと歪みゲージ２２Ｃとは、ビーム部１４の延在方向に並ぶ位置に設けられ、フレクシャ１６の中心線ｂに対して互いに対称となる位置に設けられる。これら歪みゲージ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２ＤがＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１として電気的に接続（配線）される。これによれば、対称位置関係にある歪みゲージ２２の抵抗値を同様に変化させることができ、また歪みゲージ２２でＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１を構成することでその出力（不要な情報）をキャンセルさせることができる。

ＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１では、図５（ｂ）に示すように、位置Ａ、Ｄの直列接続の歪みゲージ２２Ａ、２２Ｄと、位置Ｂ、Ｃの直列接続の歪みゲージ２２Ｂ、２２Ｃとが、入力信号ＢＶに対して並列接続される。また、位置Ａ、Ｂの直列接続の歪みゲージ２２Ａ、２２Ｂと、位置Ｃ、Ｄの直列接続の歪みゲージ２２Ｃ、２２Ｄとが、出力信号Ｖｏに対して並列接続される。そして、入力信号ＢＶが印加されたＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１では、各歪みゲージ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄの抵抗値の変化により非平衡状態となったときに出力信号Ｖｏが変化する。力覚センサ１０ではビーム部１４に応力が発生するが、ＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１を構成することで、干渉除去機能や温度保証機能を持たせると共に、例えばせん断による応力を検出する際には、曲げ（撓み）による応力をキャンセルさせている。

図６は、力覚センサ１０の起歪体１１の受力部１２に各成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを加えたときのＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０およびＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１の検出結果を示す検出表となっている。

図６では、例えば起歪体１１の平面視において時計回りに１本目のビーム部１４に設けられるＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０およびＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１をそれぞれ「２０−１」、「２１−１」としている。同様に２本目のものを「２０−２」「２１−２」、３本目のものを「２０−３」、「２１−３」、４本目のものを「２０−４」、「２１−４」としている。

また、例えばＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０−１の「ａ１」、「ｂ１」、「ｃ１」、「ｄ１」はそれぞれ、１本目のビーム部１４に設けられる歪みゲージ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄに対応している。ＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０−２、２０−３、２０−４についても同様である。また、例えばＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１−１の「Ａ１」、「Ｂ１」、「Ｃ１」、「Ｄ１」はそれぞれ、１本目のビーム部１４に設けられる歪みゲージ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄに対応している。ＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１−２、２１−３、２１−４についても同様である。

そして、ＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０およびＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１を構成する各歪みゲージ２２の抵抗値が増加するときを「＋」、減少するときを「−」、０また値が小さいときを「０」として検出結果を示している。また、ＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０およびＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１の出力信号Ｖｏは、ブリッジ出力（非平衡出力）があるときを「１」、０または値が小さいときを「０」としている。

図６に示す検出表から、ＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０によれば、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙを検出することができる。また、ＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１によれば、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｍｚを検出することができる。力覚センサ１０では、ＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１では検出し難い成分（Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ）をＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０で検出し、ＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０では検出し難い成分（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｍｚ）をＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１で検出する相補的な構成となっている。このようにＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０およびＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１（複数の歪みゲージ２２）がビーム部１４における主面１１ａに設けられた力覚センサ１０によれば、位置ズレを防止して６軸方向の力成分を切り分けて検出することができる。

なお、ビーム部１４における主面１１ａにのみにＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０およびＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１を構成する複数の歪みゲージ２２の配置は、図４に示す場合に限らず、図７、図８、図９に示す場合であってもよい。図７、図８、図９は、複数の歪みゲージ２２を起歪体１１のビーム部１４に配置する一例の説明図であり、起歪体１１の要部模式的平面図である。図７〜図９に示すように、ＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０およびＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１の組み合わせ（形状、方向）は、歪みゲージ２２がビーム部１４の主面１１ａのみに設けることができ、６軸方向の力成分を切り分けて検出することができればよい。

図７では、ＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０を構成する歪みゲージ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄおよびＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１を構成する歪みゲージ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄがビーム部１４のアーム１５に設けられる。特に、ビーム部１４の中心線ａの近傍で中央部１２側から順に歪みゲージ２２ａ、歪みゲージ２２Ａ、歪みゲージ２２Ｂおよび歪みゲージ２２ｂがビーム部１４の延在方向（中心線ａに沿う方向）に設けられる。また、ビーム部１４の中心線ａの近傍で中央部１２側から順に歪みゲージ２２ｃ、歪みゲージ２２Ｄ、歪みゲージ２２Ｃおよび歪みゲージ２２ｄがビーム部１４の延在方向（中心線ａに沿う方向）に設けられる。

図８では、ＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０を構成する歪みゲージ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄおよびＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１を構成する歪みゲージ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄがビーム部１４のアーム１５に設けられる。特に、中央部１２側から順にアーム１５外側（連結箇所）の歪みゲージ２２Ａ、中心線ａ近傍の歪みゲージ２２ａ、２２ｂ、アーム１５外側（連結箇所）の歪みゲージ２２Ｂがビーム部１４の延在方向（中心線ａに沿う方向）に設けられる。また、中央部１２側から順にアーム１５外側（連結箇所）の歪みゲージ２２Ｄ、中心線ａ近傍の歪みゲージ２２ｃ、２２ｄ、アーム１５外側（連結箇所）の歪みゲージ２２Ｃがビーム部１４の延在方向（中心線ａに沿う方向）に設けられる。

図９では、ＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１を構成する歪みゲージ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄがアーム１５に、ＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０を構成する歪みゲージ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄがフレクシャ１６の連結箇所に設けられる。特に、順に歪みゲージ２２ｂ、２２ａ、２２ｃ、２２ｄがフレクシャ１６の中心線ｂ上に設けられる。そして、歪みゲージ２２ａと歪みゲージ２２ｃとが、ビーム部１４の中心線ａに対して互いに対称となる位置に設けられ、歪みゲージ２２ｂと歪みゲージ２２ｄとが、ビーム部１４の中心線ａに対して互いに対称となる位置に設けられる。

（実施形態２）
前記実施形態１では、４本のビーム部１４が平面視クロス状（Ｘ字状、十字状）に構成される場合について説明した。本実施形態では、３本のビーム部１４が平面視Ｙ字状に構成される場合について、図１０および図１１を参照して説明する。図１０は力覚センサ１０Ａの要部である起歪体１１Ａの模式的斜視図である。図１１は力覚センサ１０Ａが備えるＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０およびＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１の検出表である。以下では、前記実施形態１とは相違する点を中心に説明する。

本実施形態では、ビーム部１４が３本で平面視Ｙ字状となるように、中央部１２および枠部１３の周方向に等間隔（中心Ｏの周方向に１２０°ごと）で配置される。そして、ビーム部１４を構成するアーム１５が中心Ｏから放射状に延在し、ビーム部１４を構成するフレクシャ１６がアーム１５の延在方向と交差する方向に延在する。このように起歪体１１Ａでは、中央部１２および枠部１３を剛体とみなしたときにビーム部１４が弾性体とみなせるように、枠部１３とアーム１５との間にフレクシャ１６を介在させたビーム部１４を設けている。なお、図１０では図示していないが、前記実施形態１（図４参照）と同様に、複数の歪みゲージ２２がビーム部１４における主面１１ａにのみ設けられる。

図１１は、力覚センサ１０Ａの起歪体１１Ａの受力部１２に各成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを加えたときのＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０およびＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１の検出結果を示す検出表となっている。

図１１では、例えば起歪体１１Ａの平面視において時計回りに１本目のビーム部１４に設けられるＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０およびＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１をそれぞれ「２０−１」、「２１−１」としている。同様に２本目のものを「２０−２」「２１−２」、３本目のものを「２０−３」、「２１−３」としている。

また、例えばＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０−１の「ａ１」、「ｂ１」、「ｃ１」、「ｄ１」はそれぞれ、１本目のビーム部１４に設けられる歪みゲージ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄに対応させている（図４参照）。ＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０−２、２０−３についても同様である。また、例えばＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１−１の「Ａ１」、「Ｂ１」、「Ｃ１」、「Ｄ１」はそれぞれ、１本目のビーム部１４に設けられる歪みゲージ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄに対応させている（図４参照）。ＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１−２、２１−３についても同様である。

図１１に示す検出表から、ＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０によれば、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙを検出することができる。また、ＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１によれば、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｍｚを検出することができる。このようにＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０およびＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１（複数の歪みゲージ２２）がビーム部１４における主面１１ａに設けられた力覚センサ１０Ａによれば、位置ズレを防止して６軸方向の力成分を切り分けて検出することができる。

以上、本発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

例えば、前記実施形態では、６軸力覚センサに適用した場合について説明した。これに限らず、物体が受ける力の大きさまたは方向の少なくともいずれか一方の成分を検出（計測）する力覚センサ（慣性力を検出するのであれば、加速度センサや角速度センサなどの運動センサとも呼ばれている。）にも適用することができる。

例えば、前記実施形態では、受力部として中央部、固定部として枠部を適用した場合について説明した。これに限らず、受力部として枠部、固定部として中央部にも適用することができる。この場合、ビーム部を構成するフレクシャは固定部としての中央部側に設けられることとなる。

例えば、前記実施形態では、ブリッジ回路を構成する複数の歪みゲージをビーム部に設けるにあたり、所定数の歪みゲージを貼り付けてブリッジ回路を構成するようにそれぞれを接続することも考えられる。これに限らず、予めブリッジ回路を構成するよう接続された所定数の歪みゲージを一体もの（ブリッジ形成ゲージ）として貼り付けることもできる。本発明は、起歪体の主面にのみ歪みゲージを設ける構成であるので、更に作業性が良く、生産性を向上させることができる。また、接続不良を防止することができ、力覚センサの信頼性を向上させることもできる。

１０、１０Ａ 力覚センサ
１１、１１Ａ 起歪体
１２ 受力部（中央部）
１３ 固定部（枠部）
１４ ビーム部
１５ アーム
１６ フレクシャ
２０ ＦｚＭｘＭｙブリッジ回路（第１ブリッジ回路）
２１ ＦｘＦｙＭｚブリッジ回路（第２ブリッジ回路）
２２ 歪みゲージ

Claims (5)

1. 複数の歪みゲージと、前記複数の歪みゲージが設けられる主面を有する起歪体と、を備え、
   前記起歪体が、力を受ける受力部と、前記受力部に対して固定される固定部と、前記受力部と前記固定部とを連結するビーム部と、を有して構成され、
   前記複数の歪みゲージが、前記ビーム部における前記主面にのみ設けられるとともに、前記複数の歪みゲージのうちの前記ビーム部の中心線に対して互いに対称となる位置の４つによって所定方向の力成分を検出するブリッジ回路が構成されるように設けられることを特徴とする力覚センサ。
2. 請求項１記載の力覚センサにおいて、
   ｘ軸方向の力成分Ｆｘ、ｙ軸方向の力成分Ｆｙ、ｚ軸方向の力成分Ｆｚ、ｘ軸周りのモーメント成分Ｍｘ、ｙ軸周りのモーメント成分Ｍｙ、およびｚ軸周りのモーメント成分Ｍｚを検出するにあたり、前記複数の歪みゲージが、Ｆｚ、Ｍｘ、およびＭｙを検出する複数の前記ブリッジ回路を含む第１ブリッジ回路群と、Ｆｘ、Ｆｙ、およびＭｚを検出する複数の前記ブリッジ回路を含む第２ブリッジ回路群とに分けられて構成されるよう設けられることを特徴とする力覚センサ。
3. 請求項１または２記載の力覚センサにおいて、
   前記ビーム部が、前記受力部と連結されるアームと、前記アームの延在方向と交差する方向に延在し、前記固定部と連結されるフレクシャと、を有して構成されることを特徴とする力覚センサ。
4. 複数の歪みゲージと、前記複数の歪みゲージが設けられる主面を有する起歪体と、を備え、
   前記起歪体が、力を受ける受力部と、前記受力部に対して固定される固定部と、前記受力部と前記固定部とを連結するビーム部と、を有して構成され、
   前記複数の歪みゲージが、前記ビーム部における前記主面に設けられるとともに、前記ビーム部の中心線に対して互いに対称となる位置に設けられる力覚センサのブリッジ回路構成方法であって、
   前記複数の歪みゲージのうちの前記ビーム部の中心線に対して互いに対称となる位置の４つによって所定方向の力成分を検出するブリッジ回路を構成することを特徴とする力覚センサのブリッジ回路構成方法。
5. 請求項４記載の力覚センサのブリッジ回路構成方法において、
   ｘ軸方向の力成分Ｆｘ、ｙ軸方向の力成分Ｆｙ、ｚ軸方向の力成分Ｆｚ、ｘ軸周りのモーメント成分Ｍｘ、ｙ軸周りのモーメント成分Ｍｙ、およびｚ軸周りのモーメント成分Ｍｚを検出するにあたり、前記複数の歪みゲージを、Ｆｚ、Ｍｘ、およびＭｙを検出する複数の前記ブリッジ回路を含む第１ブリッジ回路群と、Ｆｘ、Ｆｙ、およびＭｚを検出する複数の前記ブリッジ回路を含む第２ブリッジ回路群とに分けて構成することを特徴とする力覚センサのブリッジ回路構成方法。

Images