JP2005031062A

JP2005031062A - 多軸センサ

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Publication number: JP2005031062A
Application number: JP2003422687A
Authority: JP
Inventors: Hideo Morimoto; 森本　　英夫
Original assignee: Nitta Corp
Current assignee: Nitta Corp
Priority date: 2003-06-17
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2023-12-19
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Abstract

【課題】センサ起歪体を簡易な形状にできると共に歪みゲージの取り付け作業を簡単にする。
【解決手段】外部から加わった多軸の力、モーメント、加速度、角加速度のいずれか１つまたは複数を計測する多軸センサ１において、一平面上に配置された複数の歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８を備える。これにより、歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８の取り付け作業の時間を短縮することができるので、量産性を良くしてコストを下げることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、第１部材と第２部材とに外部から加わった多軸の力、モーメント、加速度、角速度の少なくともいずれか１つを計測することができる多軸センサに関する。

特許文献１には、図４９に示すように、一対の対向する円形プレートから成る第１部材１００および第２部材１０１と、これら第１部材１００および第２部材１０１を連結する環状のブリッジ要素１０２と、各ブリッジ要素１０２に取り付けられた歪みゲージとを備えた力−モーメントセンサ１０３が記載されている。

このセンサ１０３ではブリッジ要素１０２が第１部材１００および第２部材１０１に対して垂直に設けられる。歪みゲージはブリッジ要素１０２の外周面あるいは孔１０４の内面に接着により取り付けられる。そして、第１部材１００および第２部材１０１の間に加わった力やモーメントにより各ブリッジ要素１０２の円環形状がどの方向にどれだけ歪むかを検出することにより加わった力やモーメントを算出するようにしている。

特開昭６３−７８０３２号公報（図１、第５頁右下欄第１２行〜第６頁左上欄第１４行、第７頁左上欄第２０行〜右上欄第１２行）

特許文献１に記載の技術では、歪みゲージの取り付けられるセンサ起歪体であるブリッジ要素１０２が複雑な３次元形状をしているので、第１部材１００および第２部材１０１とブリッジ要素１０２とを組み立てたり加工するコストが高くなってしまう。また、歪みゲージをブリッジ要素１０２の曲面などに３次元的に取り付けなければならないので、取り付け作業の時間が長くなり量産性が悪くコスト高を招いてしまう。

そこで、本発明の目的は、センサ起歪体を簡易な形状にできると共に歪みゲージの取り付け作業を簡単にできる多軸センサを提供することである。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の多軸センサは、外部から加わった多軸の力、モーメント、加速度、角加速度のいずれか１つまたは複数を計測する多軸センサにおいて、一平面上に配置された複数の歪みゲージを備えている。

この構成によると、各歪みゲージは一平面上に配置されているので、従来のように歪みゲージをブリッジ要素の曲面などに３次元的に取り付ける場合に比べて取り付け作業の時間を短縮することができる。したがって、量産性を良くしてコストを下げることができるようになる。

本発明の多軸センサでは、複数の前記歪みゲージが取り付けられる第１のダイヤフラムをさらに備えていることが好ましい。この構成によると、歪みゲージの取り付けられるセンサ起歪体が簡易な形状になるので、多軸センサを組み立てるコストを下げることが出来る。

本発明の多軸センサでは、前記第１のダイヤフラムは前記平面の中心点を中心に等角度おき、かつ前記中心点から等距離に配置されていることが好ましい。この構成によると、各第１のダイヤフラムの歪みゲージの抵抗値の変化から比較的簡易な計算により多軸の力、モーメント、加速度、角加速度を算出することができる。

本発明の多軸センサでは、前記角度は９０度であることが好ましい。この構成によると、平面の中心点を原点とする直交座標のＸ軸およびＹ軸での力、モーメント、加速度、角加速度を容易に算出することができる。

本発明の多軸センサでは、前記第１のダイヤフラムは、前記中心点を原点とするＸ軸およびＹ軸上の正方向および負方向にそれぞれ配置されていることが好ましい。この構成によると、Ｘ軸およびＹ軸での力、モーメント、加速度、角加速度を極めて容易に算出することができる。

本発明の多軸センサでは、前記角度は１２０度であることが好ましい。この構成によると、３個の第１のダイヤフラムで多軸の力、モーメント、加速度、角加速度を算出することができるので、多軸センサの構成を更に簡易化することができる。

本発明の多軸センサでは、前記第１のダイヤフラムの薄肉部は円環形状で８個の前記歪みゲージを備えていると共に、前記歪みゲージの配置位置は、前記第１のダイヤフラムの中心点と前記平面の中心点とを結ぶ線上において前記第１のダイヤフラムの外縁部と内縁部、および前記第１のダイヤフラムの中心点における前記線の垂直線上において前記第１のダイヤフラムの外縁部と内縁部であることが好ましい。

この構成によると、第１のダイヤフラムの中で最も歪みが大きい部位に歪みゲージを取り付けることができるので、感度を高めることができる。

本発明の多軸センサは、前記第１のダイヤフラムの中央部に設けられた作用体をさらに備えると共に、該多軸センサに作用する多軸の加速度および角加速度を計測することが好ましい。

この構成によると、多軸センサに加速度を加えると、作用体に対して慣性力が働く。したがって、作用体が変位し、第１のダイヤフラムに歪みが生じる。この第１のダイヤフラムの歪みを検知することによって、多軸の加速度および角加速度を計測することができる。

本発明の多軸センサは、前記第１のダイヤフラムを有する第１部材と、前記第１のダイヤフラムに対向し且つ、前記歪みゲージを備えない第２のダイヤフラムを有する第２部材と、対向する前記第１のダイヤフラムと前記第２のダイヤフラムとを連結する連結軸とを備えると共に、前記第１部材と前記第２部材との間に作用する多軸の力およびモーメントを計測することが好ましい。

この構成によると、一平面のみに歪みゲージを取り付けるだけで多軸の力およびモーメントを計測することができる。

本発明の多軸センサは、前記第１のダイヤフラムを有する第１部材と、前記第１のダイヤフラムに対向し且つ、一平面上に配置された複数の前記歪みゲージが取り付けられた第２のダイヤフラムを有する第２部材と、対向する前記第１のダイヤフラムと前記第２のダイヤフラムとを連結する連結軸とを備えると共に、前記第１部材と前記第２部材との間に作用する多軸の力およびモーメントを計測することが好ましい。

この構成によると、同じ力あるいはモーメントの成分を示す電気信号が独立して２系統存在するので、センサ出力を二重化して高精度化を図ることができる。

本発明の多軸センサでは、前記第１部材の前記歪みゲージと前記第２部材の前記歪みゲージとは、多軸センサの重心点を中心に対称位置に配置されていることが好ましい。この構成によると、２系統の電気信号を対等に扱うことができるので、精度が更に高くなる。

本発明の多軸センサでは、前記第１部材の前記歪みゲージと前記第２部材の前記歪みゲージとの各出力のうち、いずれか一方の出力信号が所定範囲外であるときは他方の出力信号を採用することが好ましい。

この構成によると、何らかの理由で歪みゲージが異常を起こしたときに他方の歪みゲージを利用して、多軸センサの利用を続行することができる。よって、極めて信頼性の高い制御システムを構築することができる。

本発明の多軸センサでは、前記平面に配置される前記第１のダイヤフラムは１つであることが好ましい。この構成によると、一平面上に第１のダイヤフラムを複数設けなくてもよいので、多軸センサを小型化することが可能となる。また、多軸センサの形状が簡素化するので、切削加工に要するコストを低減することができる。

本発明の多軸センサでは、前記平面の中心点を中心に等角度おき、かつ前記中心点から等距離の位置において、前記第１のダイヤフラムと当接するように設けられた作用体をさらに有しており、該多軸センサに作用する多軸の加速度および角加速度を測定することが好ましい。

本発明の多軸センサでは、前記第１のダイヤフラムを有する第１部材と、前記歪みゲージを備えない第２のダイヤフラムを１つ有する第２部材と、前記第１のダイヤフラムと前記第２のダイヤフラムとを連結する作用体とを有しており、前記第１部材と前記第２部材とは、前記第１部材の前記第１のダイヤフラムの中心点と前記第２部材の前記第２のダイヤフラムの中心点とが対向するように配置されると共に、前記第１のダイヤフラムと前記第２のダイヤフラムとのそれぞれの前記中心点を中心に等角度おき、かつ前記中心点から等距離の位置同士が前記作用体によって連結されており、前記第１部材と前記第２部材との間に作用する多軸の力およびモーメントを測定することが好ましい。

本発明の多軸センサでは、前記第１のダイヤフラムを有する第１部材と、一平面に配置された複数の前記歪みゲージが取り付けられた第２のダイヤフラムを有する第２部材と、前記第１のダイヤフラムと前記第２のダイヤフラムとを連結する作用体とを有しており、前記第１部材と前記第２部材とは、前記第１部材の前記第１のダイヤフラムの中心点と前記第２部材の前記第２のダイヤフラムの中心点とが対向するように配置されると共に、前記第１及び第２のダイヤフラムの前記中心点を中心に等角度おき、かつ前記中心点から等距離の位置同士が前記作用体によって連結されており、前記第１部材と前記第２部材との間に作用する多軸の力およびモーメントを測定することが好ましい。

本発明の多軸センサでは、前記角度は９０度であることが好ましい。この構成によると、第１のダイヤフラムの中心点を原点とする直交座標のＸ軸およびＹ軸での力、モーメント、加速度、角加速度を容易に算出することができる。

本発明の多軸センサでは、前記作用体は、前記第１のダイヤフラムの中心点を原点とするＸ軸およびＹ軸上の正方向および負方向にそれぞれ形成されていることが好ましい。この構成によると、第１のダイヤフラムの中心点を原点とする直交座標のＸ軸およびＹ軸での力、モーメント、加速度、角加速度を極めて容易に算出することができる。

本発明の多軸センサでは、前記角度は１２０度であることが好ましい。この構成によると、第１のダイヤフラムに３つの作用体を形成することで、多軸の力、モーメント、加速度、角加速度を算出することができるので、多軸センサの構成を更に簡易化することができる。

本発明に多軸センサでは、前記歪みゲージの配置位置は、前記平面上の前記作用体に対応する部分の中心点と前記第１のダイヤフラムの中心点とを結ぶ線上における前記作用体の縁、前記平面上の前記作用体に対応する部分の中心点における前記線の垂直線上において前記作用体の縁、および前記第１のダイヤフラムの中心点から等角度おき、かつ前記中心点から等距離の位置における前記作用体の縁または前記第１のダイヤフラムの縁であることが好ましい。

この構成によると、第１のダイヤフラムの中で最も歪みが大きい部位に歪みゲージを取り付けることができるので、感度を高めることができる。また、一平面に複数の第１のダイヤフラムを設ける場合に比べて少ない歪みゲージで、多軸の力、モーメント、加速度、角加速度を算出することができる。したがって、歪みゲージのコストおよび配線のコストを削減することができる。

本発明に多軸センサでは、前記歪みゲージはピエゾ抵抗素子であることが好ましい。この構成によると、ピエゾ抵抗素子は箔歪みゲージに比べてゲージ率が１０倍以上大きいので、箔歪みゲージを利用する場合に比べて感度を１０倍以上大きくすることができる。

本発明の多軸センサでは、前記歪みゲージは絶縁膜上に酸化クロム薄膜で形成した歪みゲージであることが好ましい。この構成によると、一般的な箔歪みゲージに比べてゲージ率が１０倍以上大きいので、一般的な箔歪みゲージを利用する場合に比べて感度を１０倍以上大きくすることができる。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１（Ａ）は、本発明の第１の実施の形態による多軸センサ１を第２部材３側からＺ軸方向に透視したときの歪みゲージの配置を描いた平面図であり、図１（Ｂ）は多軸センサ１の中央縦断面正面図である。図１において、多軸センサ１は、第１部材２と第２部材３とに外部から加わった多軸の力、モーメント、加速度、角加速度のいずれかを計測するものである。この多軸センサ１は、一平面上に配置された複数の歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８を備えている。第１部材２および第２部材３は円盤形状のフランジから成る。歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８は第１部材２の表側面２ａのみに取り付けられている。

ここでは説明の便宜上ＸＹＺ三次元座標系を定義し、この座標系を参照しながら各部品に配置説明を行うことにする。図１（Ｂ）においては、第１部材２の表側面２ａの中心位置が原点Ｏ、右水平方向がＸ軸、紙面に垂直手前方向がＹ軸、下垂直方向がＺ軸とそれぞれ定義される。つまり、第１部材２の表側面２ａはＸＹ平面を規定し、第１部材２の中心位置にＺ軸が通ることになる。

第１部材２および第２部材３は、それぞれ対向する４つのダイヤフラム４，５，６，７を備えている。各ダイヤフラム４〜７は薄肉状にされている。各ダイヤフラム４〜７の中央部には中心軸８が設けられている。互いに向き合うダイヤフラム４〜７の中心軸８同しがボルト９により連結されている。これにより、第１部材２と第２部材３とが一体化されている。また、各ダイヤフラム４〜７は中心軸８を備えていることにより薄肉部が円環形状となっている。

第１部材２のダイヤフラム４〜７は、原点Ｏを中心に等角度おき、かつ原点Ｏから等距離に配置されている。ここでは、９０度おきに配置されている。さらに、第１部材２のダイヤフラム４〜７は、Ｘ軸およびＹ軸上の正方向および負方向にそれぞれ配置されている。また、第２部材３のダイヤフラム４〜７は、第１部材のダイヤフラム４〜７と対向するように配置されている。よって、この多軸センサ１は３次元空間の直交する３軸の力とその軸回りのモーメントを測定するための６軸力覚センサとして機能する。図２に、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の方向と、各軸に対するモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚの方向を示す。

第１部材２の各ダイヤフラム４〜７は８個の歪みゲージを備えている。歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８の配置位置は、図１（Ａ）に示すように第１部材２のＸ軸とＹ軸の各々においてダイヤフラム４〜７の薄肉部分の外縁部と内縁部である。すなわち、歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８は多軸センサ１において最も大きな歪みが発生する場所に貼り付けられている。なお、歪みゲージのリード線の図示は省略している。

歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８としては、金属箔歪みゲージや金属線歪みゲージを用いている。歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８は一種の抵抗体であり、歪みの発生する場所に貼り付けて使用する検出素子である。歪みの発生により抵抗値が変化することにより、歪みεを測定することができる。一般には、引張りによる歪みεに対しては抵抗値が大きくなり、圧縮による歪みεに対しては抵抗値が小さくなる比例特性を持っている。また、通常は材料が歪みεに対して応力σが比例する弾性域で使用する。本実施形態でも第１部材２の弾性域で使用するものとしている。

各ダイヤフラム４〜７は大きさや厚さを同じにしている。このため、剛性が等しくなる。これにより、例えば図３に示すように、第１部材２と第２部材３と中心軸８とが全体として平行四辺形の四辺を構成するように変位するときに、各ダイヤフラム４〜７に力の方向や大きさに応じた歪みが歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８に発生するようになるので、力やモーメントを高精度に検出することができる。なお、歪みゲージの取り付け作業を簡易にしたり歪みゲージの保護を図るために、取り付け位置に段差を設けてもよい。また、ダイヤフラム４〜７以外の部分には他の部材への取り付け用のタップ穴を形成してもよい。また、第１部材２と第２部材３とは、中心軸８同しがボルト９により連結されているが、ボルト９を使用せず、直接一体切削加工して形成してもよいし、溶接により中心軸８同しを接合してもよい。

次に、各軸方向ごとに力とモーメントを検出する原理を説明する。以下、第１部材２を固定し、第２部材３に力やモーメントが作用するものとする。

図３に、Ｘ軸方向の力Ｆｘを加えたときの状態を示す。このときは、第１部材２および第２部材３の全てのダイヤフラム４〜７が図示したように変位し、歪みが検出される。図４に歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８の変化を示す。図中、（＋）は抵抗値の増加を、（−）は抵抗値の減少を示す。どちらの記号も無い歪みゲージは抵抗値の変化が殆ど無い。

次に、Ｙ軸方向の力Ｆｙを加えたときは、Ｘ軸方向の力Ｆｘを加えたときの状態を９０度ずらして考えればよいので、ここでは省略する。

図５にＺ軸方向の力Ｆｚを加えたときの多軸センサ１の状態を示す。図６に、このときの各歪みゲージの変化を示す。

図７にＸ軸のモーメントＭｘを加えたときの多軸センサ１の状態を示す。図８に、このときの各歪みゲージの変化を示す。

次に、Ｙ軸のモーメントＭｙを加えたときは、Ｘ軸のモーメントＭｘを加えたときの状態を９０度ずらして考えればよいので、ここでは省略する。

Ｚ軸のモーメントＭｚを加えたときは、第２部材３をＺ軸を中心に回転させる。図９に、このときの各歪みゲージの変化を示す。

表１に上述した各力およびモーメントに対する歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８の変化を示す。表中、＋は抵抗値の増加、−は抵抗値の減少を示し、符号無しは抵抗値が殆ど変化しないことを示す。また、反対方向の力やモーメントの場合は符号が逆になる。

以上の性質を利用して、数式１の演算を行うことにより各力およびモーメントを検出することができる。

この演算では各歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８が１回ずつ使用されるので無駄が無く、また電圧に変換してＯＰアンプで演算する場合に都合がよい。また、構造上剛性が強くなって感度が低くなるＦｚおよびＭｚについては他のときの２倍の８個の歪みゲージが割り付けられるので、感度を高めることができる。なお、演算方法は数式１に限られないのは勿論である。

また、数式１の演算は各抵抗値を既知あるいは新規の手段を用いて電圧に変換し、ＯＰアンプで演算しても良く、あるいはＡＤ変換器を用いてマイクロコントローラやコンピュータを用いて演算してもよい。

あるいは、図１０に示すようにブリッジ回路を構成して定電圧または定電流を印加しても力およびモーメントを検出することができる。さらに、ハーフブリッジを構成して歪みゲージの数を減らしても検出することができる（図示せず）。なお、歪みゲージの組み合わせは図１０に示したものに限られないのは勿論である。

なお、本実施形態では第１部材２の各ダイヤフラム４〜７をＸ軸あるいはＹ軸上に配置しているが、これには限られない。すなわち、同じ構造の多軸センサ１の設置方向を変更して、第１部材２の各ダイヤフラム４〜７が軸上に位置しないようにしてもよい。この場合、６軸センサとしては機能せず、５軸センサとなる。また、本実施形態では６軸センサとして使用しているが、これには限られず例えばＸ軸とＹ軸の２方向の力だけを検出する２軸センサとして使用してもよい。

次に、本発明の第２の実施の形態について、図１１を参照して説明する。図１１に示すように、第２の実施の形態は、歪みゲージとしてピエゾ抵抗素子１０を用いている。そして、半導体製造プロセスを利用して、１つのダイヤフラムに必要なピエゾ抵抗素子１０を１枚の半導体Ｓｉウェハ１１に集積してダイヤフラムにダイボンディングして固定している。ピエゾ抵抗素子１０は箔歪みゲージに比べてゲージ率が１０倍以上大きく、箔歪みゲージを利用する場合に比べて感度を１０倍以上大きくすることができる。

次に、本発明の第３の実施の形態について、図１２を参照して説明する。第３の実施の形態は、多軸センサ１の構造としては第１の実施形態と同様であるが、ブリッジの構成を変形している。図１２に示すように、各ブリッジは、各ダイヤフラム４〜７上に直線的に配置された４個の歪みゲージから構成されている。これにより、各ダイヤフラム４〜７の歪みの発生状況が８個の電圧として直接出力されるようになる。

この場合、数式２により演算を行って力とモーメントを算出することができる。

数式２の演算は各抵抗値を既知あるいは新規の手段を用いて電圧に変換し、ＯＰアンプで演算しても良く、あるいはＡＤ変換器を用いてマイクロコントローラやコンピュータを用いて演算してもよい。

次に、本発明の第４の実施の形態について、図１３及び図１４を参照して説明する。第４の実施の形態は、第１の実施の形態と同様に第１部材２に歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８が取り付けられると共に、図１３に示すように重心点Ｏ’と点対称の位置に歪みゲージＲ１１１〜Ｒ１４８が第２部材３に取り付けられている。このような機械的な対称性により、多軸センサ１に力やモーメントが加わると各ダイヤフラム４〜７には力の種類に応じた対称的な歪みが発生する。すなわち、本発明の多軸センサ１が歪みゲージを一平面に配置していることから、２組の歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８、Ｒ１１１〜Ｒ１４８を対称な位置に配置できるという特徴を利用したものである。

歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８は図１０と同様の回路を構成し、力Ｆｘ，Ｆｙ，ＦｚおよびモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚに対応した電圧Ｖｆｘ１，Ｖｆｙ１，Ｖｆｚ１，Ｖｍｘ１，Ｖｍｙ１，Ｖｍｚ１を出力するようにする。歪みゲージＲ１１１〜Ｒ１４８についても図１０と同様の回路を構成し、力Ｆｘ，Ｆｙ，ＦｚおよびモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚに対応した電圧Ｖｆｘ２，Ｖｆｙ２，Ｖｆｚ２，Ｖｍｘ２，Ｖｍｙ２，Ｖｍｚ２を出力するようにする。ただし、ある力やモーメントを加えた場合に、電圧Ｖｆｘ１，Ｖｆｙ１，Ｖｆｚ１，Ｖｍｘ１，Ｖｍｙ１，Ｖｍｚ１の信号の増減と、電圧Ｖｆｘ２，Ｖｆｙ２，Ｖｆｚ２，Ｖｍｘ２，Ｖｍｙ２，Ｖｍｚ２の信号の増減とが一致するように回路上の設定をしておくものとする。

以上のように本実施形態では同じ力あるいはモーメントの成分を示す電気信号が独立して２系統存在し、センサ出力の二重化が図られている。

図１４は、各力またはモーメントを検出するブリッジの信号であるＶｆｘ１，Ｖｆｙ１，Ｖｆｚ１，Ｖｍｘ１，Ｖｍｙ１，Ｖｍｚ１，Ｖｆｘ２，Ｖｆｙ２，Ｖｆｚ２，Ｖｍｘ２，Ｖｍｙ２，Ｖｍｚ２を増幅するためのアンプ回路１２の一例である。ここでは、定格負荷の範囲では電源電圧の２５〜７５％範囲の電圧値になるように調整してある。さらに、このアンプ出力はマイクロコントローラ１３のＡＤ変換ポート１４に入力してある。

一般に歪みゲージで構成したブリッジ回路の出力の変化は数ｍＶと微小なためアンプなどで数百倍以上に増幅しなければならない。高感度なピエゾ抵抗素子１０を用いても出力感度は金属箔歪みゲージの１０倍程度である。このため、もしブリッジ回路を構成する歪みゲージが何らかの原因のために断線するようなことがあるとアンプ出力のバランスが崩れて電源電圧の下限または上限付近まで偏ってしまう。

そこで、センサの出力信号が二重化されていることを利用して、図１４に示すように以下の処理を行うようにする。

アンプの電源電圧の低い方をＶｅｅ、高い方をＶｃｃとする。多軸センサ１が通常の使用の範囲で出力しないと考えられる電圧の小さい方をＶＬとし、大きい方をＶＨとする。ただし、Ｖｅｅ＜ＶＬ、ＶＨ＜Ｖｃｃで、ＶＬおよびＶＨはＡＤ変換した値とする。なお、ＶＬとＶＨは多軸センサ１の特性に合わせて出力ごとに決めるようにしてもよい。

そして、Ｘ軸方向の力Ｆｘの場合、マイクロコントローラでＶＬ≦Ｖｆｘ１≦ＶＨ、ＶＬ≦Ｖｆｘ２≦ＶＨか判定する（Ｓ１、Ｓ２）。両方とも範囲内であれば（Ｓ１；Ｙｅｓ、Ｓ２；Ｙｅｓ）、Ｖｆｘ１の信号を優先して制御信号として採用する（Ｓ３）。

もしＶｆｘ１が範囲外であれば（Ｓ１；Ｎｏ）、出力異常と判断してＶｆｘ２を確認する（Ｓ４）。Ｖｆｘ２が範囲内であれば（Ｓ２；Ｙｅｓ）、Ｖｆｘ１の代わりにＶｆｘ２を力Ｆｘの信号として処理する。Ｖｆｘ２も範囲外であれば（Ｓ２；Ｎｏ）、両方の出力が異常と判断して非常停止などの異常処理をする（Ｓ５）。

Ｆｘ以外の力やモーメントについても同様の処理を行う。

本実施形態によれば、出力信号を二重化することにより、一方の出力が歪みゲージの断線などによって出力異常を起こしても他方の出力を利用して多軸センサ１の利用を続行することができる。よって、極めて信頼性の高い制御システムを構築することができる。

次に、本発明の第５の実施の形態について、図１５を参照して説明する。図１５は、第５の実施の形態による多軸センサ１を第２部材３側からＺ軸方向に透視したときの歪みゲージＲ１１〜Ｒ３８の配置を描いた平面図である。第５の実施の形態では、第１部材２および第２部材３はそれぞれ対向する３つのダイヤフラム４〜６を備えている。この多軸センサ１は３次元空間の直交する３軸の力とその軸回りのモーメントを測定するための６軸力覚センサである。

第１部材２のダイヤフラム４〜６は、原点Ｏを中心に等角度おき、かつ原点Ｏから等距離に配置されている。ここでは、１２０度おきに配置されている。また、第２部材３のダイヤフラム４〜６は、第１部材のダイヤフラム４〜６と対向するように配置されている。第１部材２の各ダイヤフラム４〜６は、８個の歪みゲージを備えている。第１部材２の表側面２ａでの歪みゲージＲ１１〜Ｒ３８の配置位置は、ダイヤフラム４〜６の中心点と原点Ｏとを結ぶ直線上においてダイヤフラム４〜６の外縁部と内縁部、およびダイヤフラム４〜６の中心点における上記直線の垂直線上においてダイヤフラム４〜６の外縁部と内縁部としている。

具体的には、歪みゲージＲ１１〜Ｒ１４は原点Ｏを通りＹ軸負方向からＸ軸正方向に１２０度をなす線分ＯＣ上に配置されている。歪みゲージＲ３１〜Ｒ３４は原点Ｏを通りＹ軸負方向からＸ軸負方向に１２０度をなす線分ＯＤ上に配置されている。また、歪みゲージＲ１５〜Ｒ１８は線分ＯＣと直交する方向に配置されている。歪みゲージＲ３５〜Ｒ３８は線分ＯＤと直交する方向に配置されている。歪みゲージＲ２１〜Ｒ２８は第１の実施形態と同様である。

また、歪みゲージとしては第１の実施形態と同様に金属箔歪みゲージとしたり、あるいは第２の実施形態と同様にピエゾ抵抗素子１０とすることができる。その他の構成は第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。

本実施形態により各軸方向ごとに力とモーメントを検出する原理を説明する。以下、第１部材２を固定し、第２部材３に力やモーメントが作用するものとする。直線状に配置された４個の歪みゲージから成る歪みゲージ群は、配置された列方向に引っ張りや圧縮の歪みを加えた場合、最も歪みに対する抵抗値の変化の率が大きくなり感度が高くなる。図１５に示すように６個の歪みゲージ群があるが、それぞれ最も感度が大きくなる方向が異なる。しかし、各歪みゲージ群の感度をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向のベクトルに分解して考えれば６軸成分の力やモーメントを検出することができる。

図１５に示す歪みゲージＲ１１〜Ｒ３８に対して図１６に示すブリッジ回路を構成し定電圧または定電流を加える。これにより、歪みゲージＲ１５〜Ｒ１８でＸ軸正方向からＹ軸負方向に６０度方向の力の成分を電圧Ｖ１として検出でき、歪みゲージＲ２５〜Ｒ２８でＸ軸正方向からＹ軸負方向に９０度方向の力の成分を電圧Ｖ２として検出でき、歪みゲージＲ３５〜Ｒ３８でＸ軸正方向からＹ軸負方向に３００度方向の力の成分を電圧Ｖ３として検出できる。また、Ｒ１１〜Ｒ１４、Ｒ２５〜Ｒ２８、Ｒ３１〜Ｒ３４では、各ダイヤフラム４〜６の中心のＺ軸方向の力をそれぞれＶ４，Ｖ５，Ｖ６として検出できる。

ここで、各ブリッジ回路の図１６中の節点電圧をｅ１〜ｅ１２とすると、数式３が導かれる。

このうちＶ１，Ｖ２，Ｖ３については、Ｘ軸とＹ軸成分のベクトルに分解して数式４のように表すことができる。

したがって、第２部材３に作用するＸ軸方向の合力をＦｘ、Ｙ軸方向の合力をＦｙとすると数式５のように検出することができる。

図１７にＹ軸負方向に力Ｆｙを加えたときのダイヤフラム５の変位の状態を示す。このとき、歪みゲージＲ２５とＲ２７は引っ張り方向の歪みが発生して抵抗値が大きくなり、歪みゲージＲ２６とＲ２８は圧縮方向の歪みが発生して抵抗値が小さくなる。力Ｆｙと直交する方向に配置された歪みゲージＲ２１〜Ｒ２４には殆ど歪みが発生しない。

他の２つのダイヤフラム４，６にもＹ軸方向に同様の変位や歪みが発生している。しかし、歪みゲージＲ１１〜Ｒ１８、Ｒ３１〜Ｒ３８の配置方向はＸ軸やＹ軸の方向と異なっているので、各歪みゲージの抵抗値の変化は歪みゲージＲ２１〜Ｒ２８とは異なる。歪みゲージは配置された列方向に感度が最大になるように貼り付けられているので、歪みゲージＲ１１〜Ｒ１８、Ｒ３１〜Ｒ３８は力Ｆｙの方向であるＹ軸と各歪みゲージ群がなす角度により感度が決定される。

Ｘ軸方向の力Ｆｘについても同様である。よって、Ｘ軸およびＹ軸方向の力は数式５により算出することができる。

次に、図１８にＺ軸方向の力Ｆｚを加えたときのダイヤフラム５の変位の状態を示す。図１９に歪みゲージＲ１１〜Ｒ３８の変化を示す。図１６に示すブリッジ回路では、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３は抵抗の変化が打ち消しあって変化しない。Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６はＺ軸方向の力Ｆｚに応じて変化する。したがって、力Ｆｚは数式６により求めることができる。

次に、第２部材３にモーメントＭｘを加えた場合、Ｘ軸を中心に回転する力が加えられる。このため、各ダイヤフラム４〜６ではＺ軸方向の力Ｆｚが加わる。ここで、図２０において、モーメントＭｘがダイヤフラム４，６を図面表側から裏側に向けて押すと共に、ダイヤフラム５を図面裏側から表側に向けて引っ張るように作用したとする。原点Ｏからダイヤフラム４〜６の中心までの距離をＲとすると、ダイヤフラム４，６の中心からＸ軸までの距離はＲ／２となり、ダイヤフラム５の中心からＸ軸までの距離はＲとなる。したがって、Ｘ軸回りのモーメントＭｘは数式７で表される。

次に、第２部材３にモーメントＭｙを加えた場合、ダイヤフラム４，６の中心からＹ軸までの距離は√３Ｒ／２となるので、Ｙ軸回りのモーメントＭｙは数式８で表される。

次に、図２１にＺ軸右回りのモーメントＭｚを加えたときのダイヤフラム４〜６の変位の状態を示す。図２２に歪みゲージＲ１１〜Ｒ３８の変化を示す。歪みゲージ群Ｒ１５〜Ｒ１８、Ｒ２１〜Ｒ２４、Ｒ３５〜Ｒ３８は最も感度がよい方向に歪みが発生し、図１６のＶ１，Ｖ２，Ｖ３が最も高感度に変化する。

一方、歪みゲージ群Ｒ１１〜Ｒ１４、Ｒ２５〜Ｒ２８、Ｒ３１〜Ｒ３４は歪みゲージの感度が最も小さくなる配列方向なので、図１６のＶ４，Ｖ５，Ｖ６はほとんど変化しない。したがって、モーメントＭｚは数式９で表される。

以上に示す数式５〜数式９を利用して演算を行うことにより、力やモーメントを求めることができる。例えば出力電圧Ｖ１〜Ｖ６をＡＤ変換してマイクロコントローラやコンピュータを用いて演算してもよい。

ここで、多軸センサ１への力Ｆｘ，Ｆｙ，ＦｚとモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚの出力電圧をＶｆｘ，Ｖｆｙ，Ｖｆｚ，Ｖｍｘ，Ｖｍｙ，Ｖｍｚとし、多軸センサ１に実際に加わる荷重をＦｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚとしたとき、数式１０の関係になる。

ここで両辺の左から［Ａ］−１を乗ずると数式１１となる。

これにより、出力電圧から正確な６軸の力およびモーメントを求めることができる。

次に、本発明の第６の実施の形態について、図２３および図２４を参照して説明する。図２３は第６の実施の形態による多軸センサ１の中央縦断面正面図であり、図２４は多軸センサ１をＺ軸方向と反対方向に透視したときの歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８の配置を描いた平面図である。第６の実施の形態では、多軸センサ１は全体として１枚の円盤形状であり、４つのダイヤフラム４〜７を備えている。この多軸センサ１は３次元空間の直交する３軸方向の加速度とその軸回りの角加速度を測定するための６軸センサである。また、多軸センサ１のダイヤフラム４〜７以外の部位、例えば外縁部が測定対象１５に固定されている。

ダイヤフラム４〜７は第１の実施形態と同様に配置されている。ただし、第１の実施形態とは異なり、対向するダイヤフラム４〜７は存在しない。各ダイヤフラム４〜７の中央部には加速度を受けて変位する作用体１６，１７，１８，１９が設けられている。作用体１６〜１９の一端はダイヤフラム４〜７に固定され、他端は自由端になっている。また、作用体１６〜１９は、いずれも同一形状である。

また、歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８としては第１の実施形態と同様に金属箔歪みゲージとしたり、あるいは第２の実施形態と同様にピエゾ抵抗素子とすることができる。その他の構成は第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。

なお、本実施の形態では、図２３において、作用体１６の重心Ｇと作用体１８の重心Ｇとを結ぶ線分の中心点を原点Ｏ、右水平方向をＸ軸、紙面に垂直手前方向Ｙ軸、下垂直方向をＺ軸とそれぞれ定義する。

本実施形態により各軸方向ごとに加速度と角加速度を検出する原理を説明する。

Ｘ軸方向の加速度ａｘを受けた場合、図２５に示すように作用体１６〜１９が変位し、各ダイヤフラム４〜７に歪みが発生する。このとき、歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８は図２６のようにＸ軸方向に配列されたもののみが変化する。

また、Ｙ軸方向の加速度ａｙを受けた場合は、Ｘ軸方向の加速度ａｘを受けた場合と９０度ずれているだけなので説明を省略する。

次に、Ｚ軸方向の加速度ａｚを受けた場合は、図２７に示すように作用体１６〜１９が変位する。これにより、歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８は図２８に示すようになる。

さらに、各軸を中心とする角加速度が作用する場合について考える。作用体１６〜１９に作用するダイヤフラム４〜７に垂直な加速度をａｚ１，ａｚ２，ａｚ３，ａｚ４とする。そして、回転の中心をＹ軸とする角加速度αｙが作用すると、図２９に示すように作用体１６，１８に加速度ａｚ１，ａｚ３が作用して変位し、ダイヤフラム４〜７に歪みが発生する。このときの歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８の変化を図３０に示す。

次に、回転の中心をＺ軸とする角加速度αｚが作用すると、作用体１６〜１９がＺ軸を中心に同じ回転方向に変位しダイヤフラム４〜７に歪みが発生する。このときの歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８の変化を図３１に示す。

以上の各加速度および各角加速度に対する歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８の抵抗値の変化を表２に示す。

この多軸センサ１は４個の３軸加速度センサの集合体であるが、以下の原理を利用して加速度から角加速度を検出できる。まず、半径ｒの円周上を円運動（回転運動）するとき、その接線加速度ａは角加速度をαとすると、ａ＝ｒ・α、すなわちα＝ａ／ｒとなる。

多軸センサ１の中心から見ると、接線加速度ａとは作用体１６〜１９に働く加速度と同じである。半径ｒは一定なので、結局Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の加速度を求めれば角加速度を求めることができる。

これを利用して数式１２の演算を行うことにより加速度および角加速度を検出することができる。

また、図３２に示すようにブリッジ回路を構成して定電圧または定電流を印加しても加速度および角加速度を検出することができる。

この実施形態では、ダイヤフラム４〜７の厚さや梁の厚さや幅、作用体１６〜１９の大きさなどの寸法を調整してセンサ感度を調整することができる。また、本実施形態では角加速度を求めているが、この角加速度を積分することにより角速度を求めるようにしてもよい。

次に、本発明の第７の実施の形態について、図３３を参照して説明する。第７の実施の形態は、多軸センサ１の構造としては第６の実施形態と同様であるが、ブリッジの構成を変形している。図３３に示すように、各ブリッジは、各ダイヤフラム４〜７上に直線的に配置された４個の歪みゲージから構成されている。

Ｖｘ１，Ｖｘ２はＸ軸方向の加速度を示す電圧信号であり、Ｖｙ１，Ｖｙ２はＹ軸方向の加速度を示す電圧信号である。また、Ｖｚ１〜Ｖｚ４はＺ軸方向の加速度を示す電圧信号である。これらの信号を元に数式１３に示す演算を行えば、感度良く加速度と角加速度を検出することができる。

ａｘ，ａｙは、Ｖｘ１，Ｖｘ２またはＶｙ１，Ｖｙ２のいずれを用いても検出可能である。いずれにせよ、差動にすることにより感度を大きくすることができる。

次に、本発明の第８の実施の形態について、図３４および図３５を参照して説明する。図３４は第８の実施の形態の多軸センサ１の平面図、図３５は多軸センサ１の中央縦断面図である。この多軸センサ１は、第６の実施形態と同様に、３次元空間の直交する３軸方向の加速度とその軸回りの角加速度を測定するための６軸センサである。この多軸センサ１では、半導体プロセスを利用し、シリコン基板２０上にピエゾ抵抗素子１０を形成すると共に、ピエゾ抵抗素子１０を利用して加速度と角加速度を検出するためのブリッジ回路を形成している。さらに、このシリコンウェハ１１にガラス基板を接合し、マイクロマシニング技術を利用して台座２１や作用体１６〜１９を形成している。なお、ピエゾ抵抗素子１０を形成するシリコンウェハ１１の面方位によりゲージ率が異なるが、適切な面方位を選択することにより感度のバラツキを最低限に抑えることができる。

本実施形態では、検出素子であるピエゾ抵抗素子１０を作用体１６〜１９と台座２１を接続する梁２２として機能させている。また、開口部２３を設けることにより、作用体１６〜１９は加速度の作用を受けて変位し易くなり感度を高めることができる。なお、この開口部２３は方形でも円形でも良く、また必ずしも設けなくてもよい。

本実施形態によれば、シリコン基板２０に半導体プロセスを利用してセンサ信号の処理回路などを同時に形成でき、信号処理回路とセンサの構造体をコンパクトに一体化することができる。このため、信号処理回路とセンサの検出素子との配線を短くできるので、ノイズの影響を受け難く安定した動作を可能とすると共に多軸センサ１を小型化できるので設置面でも有利になる。さらに、半導体プロセスやマイクロマシニング技術の利用により、低コストで効率良く製造でき組立精度を高めることができる。

次に、本発明の第９の実施の形態について、図３６および図３７を参照して説明する。図３６は、本発明の第９の実施の形態の多軸センサ１の中央断面図、図３７は多軸センサ１を第２部材３側からＺ軸方向に透視したときの歪みゲージの配置を描いた平面図である。本実施の形態の多軸センサ１は、第１の実施の形態の多軸センサ１と同様に３次元空間の直交する３軸の力とその軸回りのモーメントを測定するための６軸力覚センサである。本実施の形態の多軸センサ１の構成が、第１の実施の形態の多軸センサ１と主に異なる点は、第１の実施の形態では、第１部材２および第２部材３は４つのダイヤフラム４、５、６、７をそれぞれ備えているが、本実施の形態の第１部材２および第２部材３は、１つのダイヤフラム４をそれぞれ備えている点である。

本実施の形態の多軸センサ１は、第１部材２と、第２部材３と、作用体１６〜１９とを有している。第１部材２と第２部材３とは、第１部材２の上面と第２部材３の下面とが対向するように配置されている。そして、第１部材２と第２部材３とは、作用体１６〜１９によって連結されている。

第１部材２および第２部材３にそれぞれ備えられているダイヤフラム４は、互いに等しい径を有する円形状であると共に、その縁近傍には円環状の肉厚部２４が形成されている。また、第１部材２のダイヤフラム４の上面には、円柱形状の４つの作用体１６〜１９が形成されている。作用体１６はＸ軸上の正方向、作用体１７はＹ軸上の負方向、作用体１８はＸ軸上の負方向、作用体１９はＹ軸上の正方向において、それぞれ原点Ｏから等距離に形成されている。そして、作用体１６〜１９の上端部は、溶接により、第１部材２と対向している第２部材３のダイヤフラム４の下面に接合されている。

なお、第１部材２と作用体１６〜１９とは別部材であってもよいし、第１部材２と第２部材３と作用体１６〜１９とを一体切削加工によって形成してもよい。また、第２部材と作用体１６〜１９とは、ボルトによって連結されてもよい。

図３７に示すように、２０個の歪みゲージＲ１１〜Ｒ４５が、第１部材２のダイヤフラム４の下面に配置されている。第２部材２のダイヤフラム４の下面において、作用体１６の縁に対応する位置には、歪みゲージＲ１１〜Ｒ１４が配置されている。歪みゲージＲ１１、Ｒ１２は、Ｘ軸上において、歪みゲージＲ１２の方が歪みゲージＲ１１よりも原点Ｏに近くなるように配置されている。歪みゲージＲ１３、１４は、Ｘ軸と作用体１６の中心軸とに直交する軸上において、歪みゲージＲ１３がＹ軸正方向、歪みゲージＲ１４がＹ軸負方向に対応するように配置されている。また、ダイヤフラム４の縁において、Ｘ軸正方向に対応する位置には、歪みゲージＲ１５が配置されている。

同様に、第２部材２のダイヤフラム４の下面において、作用体１７の縁に対応する位置には歪みゲージＲ２１〜Ｒ２４が配置されており、作用体１８の縁に対応する位置には歪みゲージＲ３１〜Ｒ３４が配置されており、作用体１９の縁に対応する位置には歪みゲージＲ４１〜Ｒ４４が配置されている。また、ダイヤフラム４の縁において、Ｙ軸負方向に対応する部分には歪みゲージＲ２５が配置されており、Ｘ軸負方向に対応する位置には歪みゲージＲ３５が配置されており、Ｙ軸正方向に対応する位置には歪みゲージＲ４５が配置されている。

なお、歪みゲージＲ１５、Ｒ２５、Ｒ３５、Ｒ４５の配置位置についてはこれに限らず、第１部材２のダイヤフラム４の下面におけるダイヤフラム４の縁部、または作用体１６〜１９の縁に対応する位置において、原点Ｏを中心に９０度おき、かつ原点Ｏから等距離の位置であればどこに配置されてもよい。

次に、各成分ごとに力やモーメントを検出する原理を説明する。以下、第１部材２を固定し、第２部材３に力やモーメントが作用するものとする。

図３８に、第２部材３に対してＸ軸方向の力Ｆｘを加えたときの多軸センサ１の状態を示す。このときは、第１部材２および第２部材３のダイヤフラム４は図示したように変位し、歪みが検出される。このときの歪みゲージＲ１１〜Ｒ４５の抵抗値の変化を、図３９に示す。また、第２部材３に対してＹ軸方向の力Ｆｙを加えたときは、Ｘ軸方向の力Ｆｘを加えたときの状態を９０度ずらして考えればよいので、ここでは省略する。また、図４０に、第２部材３に対してＺ軸方向の力Ｆｚを加えたときの多軸センサ１の状態を示す。図４１に、第２部材３に対してＺ軸方向の力Ｆｚを加えたときの各歪みゲージＲ１１〜Ｒ４５の抵抗値の変化を示す。

図４２に、第２部材３に対してＸ軸のモーメントＭｘを加えたときの多軸センサ１の状態を示す。図４３に、このときの各歪みゲージＲ１１〜Ｒ４５の抵抗値の変化を示す。また、第２部材３に対してＹ軸のモーメントＭｙを加えたときは、Ｘ軸のモーメントＭｘを加えたときの状態を９０度ずらして考えればよいので、ここでは省略する。また、第２部材３に対してＺ軸のモーメントＭｚを加えたときは、第２部材３をＺ軸を中心に回転させる。図４４に、第２部材３に対してＺ軸のモーメントＭｚを加えたときの、各歪みゲージＲ１１〜Ｒ４５の抵抗値の変化を示す。

表３に上述した各力およびモーメントに対する歪みゲージＲ１１〜Ｒ４５の変化を示す。

以上の性質を利用して、数式１４の演算を行うことにより各力およびモーメントを検出することができる。なお、演算方法は数式１４に限られないのは勿論である。

上述の演算は、図４５のようにブリッジ回路を構成し、定電圧や定電流を印加して力およびモーメントを検出すれば、効率良く行うことができる。図４５では定電圧を印加した場合を示している。ここで、図４５に示すように、ＦｘおよびＦｙを検出する回路は、温度変化によって生じる出力値の誤差を補償することができないハーフブリッジとなっている。したがって、図４６に示すようなダミー回路をさらに設け、その出力電圧Ｖ１との差を演算している。これにより、周囲温度の変化によるドリフトや同相ノイズが打ち消し合い、安定して出力が得られる。なお、図４６の歪みゲージＲｄ１、Ｒｄ２は、固定部８のように、多軸センサ１に対して負荷が加えられた場合に歪みが殆ど生じない位置に配置されている。

また、Ｆｚを検出するブリッジ回路に含まれる抵抗Ｒａ、Ｒｂは、いずれも回路上のダミーの固定抵抗である。そして、抵抗Ｒａ、Ｒｂの抵抗値は、Ｒａ＝（Ｒ１５＋Ｒ２５）、Ｒｂ＝（Ｒ３５＋Ｒ４５）であるのが好ましい。

以上のように、本実施の形態の多軸センサ１では、第１部材２と第２部材３とに、それぞれ１つのダイヤフラム４が設けられる。したがって、第１部材２と第２部材３とに複数のダイヤフラムを設ける場合と比べて、多軸センサ１を小型化することが可能となる。また、多軸センサの形状が簡素化するので、切削加工に要するコストを低減することができる。

また、本実施の形態の多軸センサ１では、第１部材２に複数のダイヤフラムを設ける場合と比べて、少ない歪みゲージで多軸の力およびモーメントを計測することができる。したがって、歪みゲージのコストおよび配線のコストを削減することができる。

次に、本発明の第１０の実施の形態について、図４７を参照して説明する。図４７は、第１０の実施の形態による多軸センサ１を第２部材３側からＺ軸方向に透視したときの歪みゲージＲ１１〜Ｒ３５の配置を描いた平面図である。本実施の形態の多軸センサ１は、第１の実施の形態の多軸センサ１と同様に３次元空間の直交する３軸の力とその軸回りのモーメントを測定するための６軸力覚センサである。本実施の形態の多軸センサ１の構成が、第１の実施の形態の多軸センサ１と主に異なる点は、第１の実施の形態では、第１部材２および第２部材３は４つのダイヤフラム４、５、６、７をそれぞれ備えているが、本実施の形態の第１部材２および第２部材３は、１つのダイヤフラム４を備えている点である。

本実施の形態の多軸センサ１は、第１部材２と、第２部材３と、作用体１６〜１８とを有している。第１部材２と第２部材３とは、第１部材２の上面と第２部材３の下面とが対向するように配置されている。そして、第１部材２と第２部材３とは、作用体１６〜１８によって連結されている。

第１部材２および第２部材３にそれぞれ備えられているダイヤフラム４は、互いに等しい径を有する円形状であると共に、その縁近傍には円環状の肉厚部２４が形成されている。また、第１部材２のダイヤフラム４の上面には、円柱形状の３つの作用体１６〜１８が形成されている。作用体１６は原点Ｏを通りＹ軸負方向からＸ軸正方向に１２０度をなす線分ＣＯ上、作用体１７はＹ軸上の負方向、作用体１８は原点Ｏを通りＹ軸負方向からＸ軸負方向に１２０度をなす線分ＤＯ上において、それぞれ原点Ｏから等距離に形成されている。そして、作用体１６〜１８の上端部は、溶接により、第１部材２と対向している第２部材３のダイヤフラム４の下面に接合されている。

図４７に示すように、１５個の歪みゲージＲ１１〜Ｒ３５が、第１部材２のダイヤフラム４の下面に配置されている。第２部材２のダイヤフラム４の下面において、作用体１６の縁に対応する位置には歪みゲージＲ１１〜Ｒ１４が、作用体１７の縁に対応する位置には歪みゲージＲ２１〜Ｒ２４が、作用体１８の縁に対応する位置には歪みゲージＲ３１〜Ｒ３４が、ダイヤフラム４の縁部には歪みゲージＲ１５、Ｒ２５、Ｒ３５がそれぞれ配置されている。

次に、各軸方向ごとに力とモーメントを検出する原理を説明する。直線上に配置された複数の歪みゲージから成る歪みゲージ群は、配置された列方向に引っ張りや圧縮の歪みを加えた場合、最も歪みに対する抵抗値の変化の率が大きくなり感度が高くなる。本実施の形態の、歪みゲージＲ１１、Ｒ１２、歪みゲージＲ１３、Ｒ１４、歪みゲージＲ２１、Ｒ２２、歪みゲージＲ２３、Ｒ２４、歪みゲージＲ３１、Ｒ３２、歪みゲージＲ３３、Ｒ３４からなる６個の歪みゲージ群は、それぞれ最も感度が大きくなる方向が異なる。しかし、各歪みゲージ群の感度をＸ、Ｙ、Ｚ軸方向のベクトルに分解して考えれば６軸成分の力やモーメントを検出することができる。

図４７に示す歪みゲージＲ１１〜Ｒ３３に対して図４８に示すブリッジ回路を構成し、定電圧または定電流を加える。ここで、図４８のブリッジ回路に含まれる抵抗Ｒａ〜Ｒｏは、いずれも回路上のダミーの固定抵抗である。なお、各抵抗Ｒａ〜Ｒｏの抵抗値は、各歪みゲージＲ１１〜Ｒ３３の抵抗値とほぼ等しいことが好ましい。

図４８のフルブリッジ回路により、歪みゲージＲ１１、Ｒ１２でＸ軸正方向からＹ軸正方向に３０度方向の力成分を電圧Ｖａとして検出でき、歪みゲージＲ１３、Ｒ１４でＸ軸正方向からＹ軸負方向に６０度方向の力成分を電圧Ｖｂとして検出でき、歪みゲージＲ２１、Ｒ２２でＸ軸正方向からＹ軸正方向に１８０度方向の力成分を電圧Ｖｃとして検出でき、歪みゲージＲ２３、Ｒ２４でＸ軸正方向からＹ軸負方向に９０度方向の力成分を電圧Ｖｄとして検出でき、歪みゲージＲ３１、Ｒ３２でＸ軸正方向からＹ軸正方向に１５０度方向の力成分を電圧Ｖｅとして検出でき、歪みゲージＲ３３、Ｒ３４でＸ軸正方向からＹ軸負方向に１２０度方向の力成分を電圧Ｖｆとして検出できる。また、図４８のハーフブリッジ回路により、歪みゲージＲ１５で作用体１６の中心のＺ軸方向の力成分を電圧Ｖｚ１として検出でき、歪みゲージＲ２５で作用体１７の中心のＺ軸方向の力成分を電圧Ｖｚ２として検出でき、歪みゲージＲ３５で作用体１８の中心のＺ軸方向の力成分を電圧Ｖｚ１として検出できる。

ここで、フルブリッジ回路からの出力電圧Ｖａ〜Ｖｆを、Ｘ軸及びＹ軸成分のベクトルにそれぞれ分解すると数式１５のように表すことができる。

したがって、第２部材３に作用するＸ軸方向の合力をＦｘ、Ｙ軸方向の合力をＦｙとすると、式１６のように検出することができる。

また、ハーフブリッジ回路の出力電圧Ｖｚ１、Ｖｚ２、Ｖｚ３はＺ軸方向の力Ｆｚに応じて変化する。したがって、力Ｆｚについては、数式１７によって求めることができる。

次に、第２部材３にモーメントＭｘを加えた場合、Ｘ軸を中心に回転する力が加えられる。ここでは、Ｙ軸正の部分をＺ軸負方向からＺ軸正方向に向けて押すと共に、Ｙ軸負の部分をＺ軸正方向からＺ軸負方向に向けて引っ張るようにモーメントＭｘが働くとする。また、原点Ｏから作用体１６〜１８の中心までの距離をＲとすると、作用体１６、１８のそれぞれの中心からＸ軸までの距離はＲ／２となり、作用体１７の中心からＸ軸までの距離はＲとなる。したがって、各作用体１６〜１８の中心に働く力の方向を考慮すると、Ｘ軸回りのモーメントＭｘは数式１８で表される。

次に、第２部材３に対して、Ｘ軸正の部分をＺ軸正方向からＺ軸負方向に向けて押すと共に、Ｘ軸負の部分をＺ軸負方向からＺ軸正方向に向けて引っ張るようにモーメントＭｙを加えた場合について考える。ここで、作用体１６、１８の中心からＹ軸までの距離は√３Ｒ／２であり、作用体１７の中心はＹ軸上にある。したがって、各作用体１６〜１８の中心に働く力の方向を考慮すると、Ｙ軸回りのモーメントＭｙは数式１９で表される。

次に、第２部材３に対して、Ｚ軸右回りのモーメントＭｚを加えた場合について考える。このとき、歪みゲージＲ１３、Ｒ１４、Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ３３、Ｒ３４で構成される３つの歪みゲージ群は最も感度の高い方向に歪みが発生する。したがって、図４８の回路の出力電圧Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｆが最も高感度に変化する。一方、歪みゲージＲ１１、Ｒ１２、Ｒ２３、Ｒ２４、Ｒ３１、Ｒ３２で構成される３つの歪みゲージ群は歪みゲージの感度が最も低くなる配列方向である。したがって、図４８の回路の出力電圧Ｖａ、Ｖｄ、Ｖｅはほとんど変化しない。よって、各作用体１６〜１８の中心に働く力の方向を考慮すると、モーメントＭｚは数式２０で表される。

以上に示す数式１５〜数式２０を利用して演算を行うことにより、力やモーメントを求めることができる、例えば出力電圧Ｖａ〜Ｖｆ及びＶｚ１〜Ｖｚ３をＡＤ変換してマイクロコントローラやコンピュータを利用して演算してもよい。

以上のように、本実施の形態の多軸センサ１では、第９の実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、ダイヤフラムに３つの作用体を形成することで、多軸の力およびモーメントを算出することができるので、多軸センサ１の構成を更に簡易化することができる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。例えば、上述の第１〜第１０の実施の形態では、歪みゲージを第１部材２に対して個別に貼り付けているが、これには限られず全ての歪みゲージが一平面に貼り付けられることを利用して、歪みゲージをダイヤフラム４〜７ごとに１枚のベース板に集積してダイヤフラム４〜７に貼り付けるようにしてもよい。あるいは全ての歪みゲージを１枚のベース板に集積して貼り付けてもよい。また、歪みゲージや回路を形成する導電性の配線は、ダイヤフラム４〜７にスパッタリングや蒸着により薄い絶縁膜を形成し、その上にスパッタリングや蒸着により形成された酸化クロム薄膜であってもよい。このようにして形成された歪みゲージは、一般的な箔歪みゲージに比べてゲージ率が１０倍以上大きいので、一般的な箔歪みゲージを利用する場合に比べて感度を１０倍以上大きくすることができる。また、歪みゲージをダイヤフラム４〜７に貼り付ける作業工程が簡易化され、作業効率が高まって生産性が飛躍的に向上してコストの低減を図ることができる。

また、上述の第１〜第１０の実施の形態では、６軸の力およびモーメント、あるいは加速度および角加速度を検出する多軸センサについて説明しているが、これに限らず例えばＸ軸とＹ軸との２方向の力だけを検出する２軸センサとして使用してもよい。

また、上述の第１〜第１０の実施の形態ではダイヤフラムを等角度ごとに配置しているがこれには限られない。さらに、ダイヤフラムは原点Ｏから等距離に配置することにも限られない。

また、上述の第９および第１０の実施の形態では作用体を等角度ごとに配置しているがこれには限られない。さらに、作用体は原点Ｏから等距離に配置することにも限られない。

本発明の第１の実施の形態による多軸センサを描いた図であり、（Ａ）は第２部材側からＺ軸方向に透視したときの歪みゲージの配置を描いた平面図、（Ｂ）は中央縦断面正面図である。直交座標軸を示す斜視図である。多軸センサに力Ｆｘを加えたときの変位を示す中央縦断面正面図である。多軸センサに力Ｆｘを加えたときの歪みゲージの抵抗値の変化を示す平面図である。多軸センサに力Ｆｚを加えたときの変位を示す中央縦断面正面図である。多軸センサに力Ｆｚを加えたときの歪みゲージの抵抗値の変化を示す平面図である。多軸センサにモーメントＭｘを加えたときの変位を示す中央縦断面正面図である。多軸センサにモーメントＭｘを加えたときの歪みゲージの抵抗値の変化を示す平面図である。多軸センサにモーメントＭｚを加えたときの歪みゲージの抵抗値の変化を示す平面図ある。多軸センサのブリッジ回路の一例を示す回路図である。第２の実施の形態による多軸センサを描いた中央縦断面正面図である。第３の実施の形態によるブリッジ回路の一例を示す回路図である。第４の実施の形態による多軸センサを描いた中央縦断面正面図である。第４の実施の形態による多軸センサのアンプ回路および判断手順を示すブロック図である。第５の実施の形態による多軸センサの第２部材側からＺ軸方向に透視したときの歪みゲージの配置を描いた平面図である。多軸センサのブリッジ回路の一例を示す回路図である。多軸センサに力Ｆｙを加えたときの変位を示す中央縦断面正面図である。多軸センサに力Ｆｚを加えたときの変位を示す中央縦断面正面図である。多軸センサに力Ｆｚを加えたときの歪みゲージの抵抗値の変化を示す平面図である。多軸センサにモーメントＭｘを加えたときの歪みゲージの抵抗値の変化を示す平面図である。多軸センサにモーメントＭｚを加えたときの変位を示す中央縦断面正面図である。多軸センサにモーメントＭｚを加えたときの歪みゲージの抵抗値の変化を示す平面図である。第６の実施の形態による多軸センサを描いた中央縦断面正面図である。第６の実施の形態による多軸センサをＺ軸の逆方向に透視したときの歪みゲージの配置を描いた平面図である。多軸センサに加速度ａｘを加えたときの変位を示す中央縦断面正面図である。多軸センサに加速度ａｘを加えたときの歪みゲージの抵抗値の変化を示す平面図である。多軸センサに加速度ａｚを加えたときの変位を示す中央縦断面正面図である。多軸センサに加速度ａｚを加えたときの歪みゲージの抵抗値の変化を示す平面図である。多軸センサに角加速度αｙを加えたときの変位を示す中央縦断面正面図である。多軸センサに角加速度αｙを加えたときの歪みゲージの抵抗値の変化を示す平面図である。多軸センサに角加速度αｚを加えたときの歪みゲージの抵抗値の変化を示す平面図である。多軸センサのブリッジ回路の一例を示す回路図である。第７の実施の形態によるブリッジ回路の一例を示す回路図である。第８の実施の形態による多軸センサを示す平面図である。第８の実施の形態による多軸センサを描いた中央縦断面正面図である。第９の実施の形態による多軸センサを描いた中央縦断面正面図である。第９の実施の形態による多軸センサの第２部材側からＺ軸方向に透視したときの歪みゲージの配置を描いた平面図である。多軸センサに力Ｆｘを加えたときの変位を示す中央縦断面正面図である。多軸センサに力Ｆｘを加えたときの歪みゲージの抵抗値の変化を示す平面図である。多軸センサに力Ｆｚを加えたときの変位を示す中央縦断面正面図である。多軸センサに力Ｆｚを加えたときの歪みゲージの抵抗値の変化を示す平面図である。多軸センサに力Ｍｘを加えたときの変位を示す中央縦断面正面図である。多軸センサに力Ｍｘを加えたときの歪みゲージの抵抗値の変化を示す平面図である。多軸センサに力Ｍｚを加えたときの歪みゲージの抵抗値の変化を示す平面図である。多軸センサのブリッジ回路の一例を示す回路図である。多軸センサのダミー回路の一例を示す回路図である。第１０の実施の形態による多軸センサの第２部材側からＺ軸方向に透視したときの歪みゲージの配置を描いた平面図である。第１０の実施の形態によるブリッジ回路の一例を示す回路図である。従来の多軸センサを描いた斜視図である。

符号の説明

１多軸センサ
２第１部材
３第２部材
４，５，６，７ダイヤフラム
８中心軸
１０ピエゾ抵抗素子
１６、１７、１８、１９作用体
Ｒ１１〜Ｒ４８、Ｒ１１１〜Ｒ１４８歪みゲージ

Claims

外部から加わった多軸の力、モーメント、加速度、角加速度のいずれか１つまたは複数を計測する多軸センサにおいて、
一平面上に配置された複数の歪みゲージを備えていることを特徴とする多軸センサ。
複数の前記歪みゲージが取り付けられる第１のダイヤフラムをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の多軸センサ。
前記第１のダイヤフラムは前記平面の中心点を中心に等角度おき、かつ前記中心点から等距離に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の多軸センサ。
前記角度は９０度であることを特徴とする請求項３に記載の多軸センサ。
前記第１のダイヤフラムは、前記中心点を原点とするＸ軸およびＹ軸上の正方向および負方向にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項４に記載の多軸センサ。
前記角度は１２０度であることを特徴とする請求項３に記載の多軸センサ。
前記第１のダイヤフラムの薄肉部は円環形状で８個の前記歪みゲージを備えていると共に、
前記歪みゲージの配置位置は、前記第１のダイヤフラムの中心点と前記平面の中心点とを結ぶ線上において前記第１のダイヤフラムの外縁部と内縁部、および前記第１のダイヤフラムの中心点における前記線の垂直線上において前記第１のダイヤフラムの外縁部と内縁部であることを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載の多軸センサ。
前記第１のダイヤフラムの中央部に設けられた作用体をさらに備えると共に、
該多軸センサに作用する多軸の加速度および角加速度を計測することを特徴とする請求項２〜７のいずれか１項に記載の多軸センサ。
前記第１のダイヤフラムを有する第１部材と、
前記第１のダイヤフラムに対向し且つ、前記歪みゲージを備えない第２のダイヤフラムを有する第２部材と、
対向する前記第１のダイヤフラムと前記第２のダイヤフラムとを連結する連結軸とを備えると共に、
前記第１部材と前記第２部材との間に作用する多軸の力およびモーメントを計測することを特徴とする請求項２〜７のいずれか１項に記載の多軸センサ。
前記第１のダイヤフラムを有する第１部材と、
前記第１のダイヤフラムに対向し且つ、一平面上に配置された複数の前記歪みゲージが取り付けられた第２のダイヤフラムを有する第２部材と、
対向する前記第１のダイヤフラムと前記第２のダイヤフラムとを連結する連結軸とを備えると共に、
前記第１部材と前記第２部材との間に作用する多軸の力およびモーメントを計測することを特徴とする請求項２〜７のいずれか１項に記載の多軸センサ。
前記第１部材の前記歪みゲージと前記第２部材の前記歪みゲージとは、多軸センサの重心点を中心に対称位置に配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の多軸センサ。
前記第１部材の前記歪みゲージと前記第２部材の前記歪みゲージとの各出力のうち、いずれか一方の出力信号が所定範囲外であるときは他方の出力信号を採用することを特徴とする請求項１１に記載の多軸センサ。
前記平面に配置される前記第１のダイヤフラムは１つであることを特徴とする請求項２に記載の多軸センサ。
前記平面の中心点を中心に等角度おき、かつ前記中心点から等距離の位置において、前記第１のダイヤフラムと当接するように設けられた作用体をさらに有しており、
該多軸センサに作用する多軸の加速度および角加速度を測定することを特徴とする請求項１３に記載の多軸センサ。
前記第１のダイヤフラムを有する第１部材と、
前記歪みゲージを備えない第２のダイヤフラムを１つ有する第２部材と、
前記第１のダイヤフラムと前記第２のダイヤフラムとを連結する作用体とを有しており、
前記第１部材と前記第２部材とは、前記第１部材の前記第１のダイヤフラムの中心点と前記第２部材の前記第２のダイヤフラムの中心点とが対向するように配置されると共に、前記第１のダイヤフラムと前記第２のダイヤフラムとのそれぞれの前記中心点を中心に等角度おき、かつ前記中心点から等距離の位置同士が前記作用体によって連結されており、前記第１部材と前記第２部材との間に作用する多軸の力およびモーメントを測定することを特徴とする請求項１３に記載の多軸センサ。
前記第１のダイヤフラムを有する第１部材と、
一平面に配置された複数の前記歪みゲージが取り付けられた第２のダイヤフラムを有する第２部材と、
前記第１のダイヤフラムと前記第２のダイヤフラムとを連結する作用体とを有しており、
前記第１部材と前記第２部材とは、前記第１部材の前記第１のダイヤフラムの中心点と前記第２部材の前記第２のダイヤフラムの中心点とが対向するように配置されると共に、前記第１及び第２のダイヤフラムの前記中心点を中心に等角度おき、かつ前記中心点から等距離の位置同士が前記作用体によって連結されており、前記第１部材と前記第２部材との間に作用する多軸の力およびモーメントを測定することを特徴とする請求項１３に記載の多軸センサ。
前記第１部材の前記歪みゲージと前記第２部材の前記歪みゲージとは、多軸センサの重心点を中心に対称位置に配置されていることを特徴とする請求項１６に記載の多軸センサ。
前記第１部材の前記歪みゲージと前記第２部材の前記歪みゲージとの各出力のうち、いずれか一方の出力信号が所定範囲外であるときは他方の出力信号を採用することを特徴とする請求項１７に記載の多軸センサ。
前記角度は９０度であることを特徴とする請求項１４〜１８のいずれか１項に記載の多軸センサ。
前記作用体は、前記第１のダイヤフラムの中心点を原点とするＸ軸およびＹ軸上の正方向および負方向にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１９に記載の多軸センサ。
前記角度は１２０度であることを特徴とする請求項１４〜１８のいずれか１項に記載の多軸センサ。
前記歪みゲージの配置位置は、
前記平面上の前記作用体に対応する部分の中心点と前記第１のダイヤフラムの中心点とを結ぶ線上における前記作用体の縁部と、
前記平面上の前記作用体に対応する部分の中心点における前記線の垂直線上において前記作用体の縁部と、
前記第１のダイヤフラムの中心点から等角度おき、かつ前記中心点から等距離の位置であって前記作用体の縁部および前記第１のダイヤフラムの縁部のいずれか一方とであることを特徴とする請求項１４〜２１のいずれか１項に記載の多軸センサ。
前記歪みゲージはピエゾ抵抗素子であることを特徴とする請求項１〜２２のいずれか１項に記載の多軸センサ。
前記歪みゲージは絶縁膜上に酸化クロム薄膜で形成した歪みゲージであることを特徴とする請求項１〜２２のいずれか１項に記載の多軸センサ。