JP2006058211A - 歪みゲージ型センサ - Google Patents

Abstract

【課題】
センサの全体の高さを低くする。
【解決手段】
ダイヤフラム４〜７を有する第２部材３と、ダイヤフラム１４〜１７を有する第１部材２とを、各ダイヤフラムの中心位置に形成された嵌合孔３ａ、２ａに中心軸８を嵌合させることによって連結する。第２部材３の下面であって第１部材２に対向する面上に、各ダイヤフラム４〜７ごとに８個の歪みゲージを設ける。
【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１つを計測することができる歪みゲージ型センサに関するものである。

特許文献１には、図２５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５０２および第２部材５０３と、これら第１部材５０２と第２部材５０３とを連結する環状のブリッジ要素５０８と、各ブリッジ要素５０８に取り付けられた複数の歪みゲージとを備えた力−モーメントセンサ５０１が開示されている。

このセンサ５０１では、ブリッジ要素５０８が第１部材５０２および第２部材５０３に対して垂直に設けられている。そして、複数の歪みゲージは、ブリッジ要素５０８の外周面あるいは孔５０８ａの内面に接着により取り付けられている。従って、センサ５０１は、第１部材５０２と第２部材５０３との間に力やモーメントが加えられた場合に、各ブリッジ要素５０８の円環形状がどの方向にどれだけ歪むかを検知することによって、外部から加えられた力やモーメントを検出することができる。

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に記載のセンサ５０１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５０８が複雑な３次元形状をしているので、第１部材５０２と第２部材５０３とブリッジ要素５０８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５０８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。

このような問題を解消するためのセンサとしては、図２６及び図２７に示すような歪みゲージ型センサ６０１が考えられる。この歪みゲージ型センサ６０１は、それぞれ対向する４つのダイヤフラム６０４〜６０７を有する第１部材６０２及び第２部材６０３を備えている。そして、各ダイヤフラム６０４〜６０７の中心位置に設けられた中心軸６０８同士が連結されており、第１部材６０２と第２部材６０３とが一体構造となる。また、歪みゲージ型センサ６０１では、複数の歪みゲージＲ６１１〜Ｒ６４８が、第１部材６０２の下面つまり一平面上に配置されている。

ここで、歪みゲージ型センサ６０１の第１部材６０２の下面には、歪みゲージＲ６１１〜Ｒ６４８から信号を引き出すターミナルやリード線を設ける必要があると共に、増幅回路などの信号処理回路基板６１０が設けられる。従って、第１部材６０２の下面には、これらの部品を保護するためのカバー６１５が必要となる。その結果、センサ全体の高さｔ０は、検出装置の構成として最低限必要な第１部材６０２、第２部材６０３及び中心軸６０８の高さの合計ｔ１と、カバー６１５の高さｔ２との和となる。このように、カバー６１５は力の検出には関係のない部材であるにも関わらず設けなければならないことによって、歪みゲージ型センサ６０１の全体の高さが高くなってしまう。そのため、歪みゲージ型センサ６０１のロボットなどへの組み込みが困難になる場合がある。

そこで、本発明の目的は、センサの全体の高さを低くすることができる歪みゲージ型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および発明の効果

本発明の歪みゲージ型センサは、外部から加わった多軸の力、モーメント、加速度、角加速度の少なくとも１つを計測する歪みゲージ型センサにおいて、第１部材と、前記第１部材に対向する平面を有し、前記第１部材と中心軸を介して連結された第２部材とを備えており、前記第２部材は、前記平面上に配置された複数の歪みゲージが取り付けられ且つ前記中心軸を囲むよう設けられた環状のダイヤフラムを有しており、前記中心軸の外径が前記ダイヤフラムの内径よりも小さいことを特徴としている。

この構成によると、複数の歪みゲージが第２部材の第１部材に対向する平面に配置される（第１部材の内側面の中心軸以外の部分と第２部材の内側面の中心軸以外の部分との間に配置される）ので、複数の歪みゲージを保護するためのカバーを第１部材及び第２部材の外側に設ける必要がなくなる。従って、歪みゲージ型センサの全体の高さを低くすることができるので、歪みゲージ型センサのロボットなどへの組み込みが容易になる。また、歪みゲージ型センサをロボットの手や足に組み込む場合には、ロボットの手足となる部品の長さを短くできる。また、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。また、歪みゲージがダイヤフラムに取り付けられているので、第２部材が簡易な形状になり、歪みゲージ型センサを組み立てるコストを下げることができる。また、中心軸の外径がダイヤフラムの内径よりも小さくなっているので、歪みゲージをダイヤフラムで内縁部に取り付けることが可能となる。従って、ダイヤフラムの最も大きな歪みが発生する部分で歪みを検出することによって、センサの感度を上げることができる。

本発明の歪みゲージ型センサにおいて、前記第１部材及び前記第２部材は、同じ形状を有していてもよい。

この構成によると、第１部材及び第２部材が同じ形状を有しているので、これらの部品を共通にでき、製造コストを下げることができる。

本発明の歪みゲージ型センサにおいて、前記第１部材及び前記第２部材は、それらの間にある一平面に関して対称となるように配置されていてもよい。

この構成によると、第１部材及び第２部材が、それらの間にある一平面に関して対称となっているので、外部からの力によってダイヤフラムに発生する歪みを精度良く検出することができる。

本発明の歪みゲージ型センサにおいて、前記第２部材の前記平面と反対側の面には、前記ダイヤフラム及び前記中心軸に対応した位置に形成された凹部が設けられていてもよい。

この構成によると、第１部材及び第２部材が中心軸を貫通するボルト等で連結される場合に、ボルトの端部は凹部内に配置されるので、ボルトの端部は第２部材の外側面から外側に飛び出さなくなる。従って、第２部材の厚さを薄くすることができる。

本発明の歪みゲージ型センサにおいて、前記ダイヤフラムは前記歪みゲージ型センサの中心点を中心に等角度おき、且つ、前記中心点から等距離に配置されていてもよい。この構成によると、各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。

本発明の歪みゲージ型センサにおいて、前記角度は９０度であってもよい。この構成によると、歪みゲージ型センサ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。

本発明の歪みゲージ型センサにおいて、前記ダイヤフラムは、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てもよい。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。

本発明の歪みゲージ型センサにおいて、前記角度は１２０度であってもよい。この構成によると、３個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、歪みゲージ型センサの構成をさらに簡略化することができる。

本発明の歪みゲージ型センサにおいて、前記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、前記ダイヤフラムの中心点と前記歪みゲージ型センサの中心点とを結ぶ線上において前記ダイヤフラムの外縁部と内縁部、および前記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ダイヤフラムの外縁部と内縁部であってもよい。この構成によると、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。

本発明において、前記歪みゲージはピエゾ抵抗素子であってもよい。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。

本発明の歪みゲージ型センサにおいて、前記歪みゲージはスパッタリング法により前記平面上に設けた絶縁膜上に形成されていてもよい。この構成によると、手作業による面倒な歪みゲージの接着工程を工業的に自動化したプロセスに置き換えることができる。また、スパッタリング法によれば歪みゲージを第２部材に強く密着させることができるので、歪みの伝達効率を非常に高くすることができる。また、一般的な箔歪みゲージに比べて厚さを非常に薄くしてゲージ抵抗値を大きくできるので、一般的な箔歪みゲージに比べて感度を１０倍以上高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は、本発明の第１の実施の形態に係る歪みゲージ型センサ１の中央縦断面正面図である。図２は、図１の歪みゲージ型センサ１を第１部材２側からＺ軸負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。

図１に示す歪みゲージ型センサ１は、第１部材２と、第２部材３と、これらを連結する４つの中心軸（支柱）８とを有している。第１部材２の上面と第２部材３の下面とは所定間隔だけ離隔して対向しており、第１部材２と第２部材３との間には、３２個の歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８と、信号処理回路基板１０とが配置されている。ここで、３２個の歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８は、第２部材３の下面つまり一平面上に配置されている。

なお、以下の説明では、図１において、歪みゲージ型センサ１の中心位置である原点Ｏから右方向をＸ軸正方向、紙面手前方向をＹ軸正方向、下方向をＺ軸正方向として説明する。

第１部材２および第２部材３は、いずれも円盤形状のフランジであって、中心軸８は、所定長さを有する略円柱状の部材である。ここで、第１部材２および第２部材３は、同じ形状を有しており、それらの間にある一平面に関して対称となるように配置されている。第１部材２、第２部材３及び中心軸８は、ＳＵＳやアルミなどの十分な剛性を有する材料から形成されている。なお、中心軸８の両端部の径は、その中央部の径よりも小さくなっている。

外部からの力を受ける側の第２部材３には、Ｘ軸及びＹ軸に対応した４つの環状のダイヤフラム４、５、６、７（図１ではダイヤフラム４、６だけが図示されている）が設けられている。一方、歪みゲージ型センサ１が固定される側の第１部材２には、Ｘ軸及びＹ軸に対応した４つの環状のダイヤフラム１４、１５、１６、１７（図１ではダイヤフラム１４、１６だけが図示されている）が設けられている。ここで、ダイヤフラム４〜７とダイヤフラム１４〜１７とは互いに対向している。

第２部材３の下端部において、各ダイヤフラム４〜７に対応した部分は薄肉状になっている。つまり、第２部材３の上面には、ダイヤフラム４〜７及び中心軸８に対応した位置に形成された凹部が設けられている。ここで、各ダイヤフラム４〜７の中心位置には、中心軸８を嵌合するための嵌合孔３ａが形成されている。そして、嵌合孔３ａの周縁部３ｂの肉厚ｈ２は、第２部材３（各ダイヤフラム４〜７でない部分）の肉厚ｈ１よりも薄く、且つ、各ダイヤフラム４〜７の薄肉部の肉厚ｈ３よりも厚くなっている。従って、各ダイヤフラム４〜７の嵌合孔３ａの周縁部３ｂの先端は、第２部材３の上面より内側に配置されている。このように、第２部材３の上面の各ダイヤフラム４〜７に対応した部分には略環状の凹部が形成されており、各薄肉部が円環形状になっている。また、第２部材３の断面形状はＺ軸に対して対称となっている。

一方、第１部材２の上端部において、各ダイヤフラム１４〜１７に対応した部分は薄肉状になっている。ここで、各ダイヤフラム１４〜１７の中心位置には、中心軸８を嵌合するための嵌合孔２ａが形成されている。そして、嵌合孔２ａの周縁部２ｂの肉厚ｈ５は、第１部材２（各ダイヤフラム１４〜１７でない部分）の肉厚ｈ４よりも薄く、且つ、各ダイヤフラム１４〜１７の薄肉部の肉厚ｈ６よりも厚くなっている。従って、各ダイヤフラム１４〜１７の嵌合孔２ａの周縁部２ｂの先端は、第１部材２の下面より内側に配置されている。このように、第１部材２の下面の各ダイヤフラム１４〜１７に対応した部分には、略環状の凹部が形成されており、各薄肉部が円環形状になっている。また、第１部材２の断面形状はＺ軸に対して対称となっている。なお、本実施の形態では、第１部材２と第２部材３とはほぼ同じ形状であって、上下反転した構成になっている。

ここで、上述したように、周縁部２ｂの先端及び周縁部３ｂの先端が第１部材２の下面及び第２部材３の上面より内側に配置されているので、第１部材２の下面が支持部材（図示しない）に固定された状態において第２部材３が力を受けて変位した場合に、周縁部２ｂの先端及び周縁部３ｂの先端が他の部材と接触して測定すべき力以外の外力によって各ダイヤフラム４〜７、１４〜１７に歪みが生じて、力の検出に大きな誤差が発生するのが抑制される。

また、第１部材２の下面（各ダイヤフラム１４〜１７の薄肉部と反対側の面）の中心位置近傍には、略円形の凸部２ｃが形成されている。この凸部２ｃは、歪みゲージ型センサ１を支持部材に取り付ける際に、歪みゲージ型センサ１の位置決めを行うために利用される。

第２部材３の上面（各ダイヤフラム４〜７の薄肉部と反対側の面）の中心位置近傍には、略円形の凹部３ｃが形成されている。この凹部３ｃは、外部から力を受ける部材を第２部材３に取り付ける際に、外部から力を受ける部材の位置決めを行うために利用される。

ダイヤフラム４〜７は、図２に示すように、歪みゲージ型センサ１の中心点Ｏを中心に等角度おき、且つ、中心点Ｏから等距離に配置されている。なお、本実施の形態では、ダイヤフラム４〜７は、９０度おきに配置されている。さらに、ダイヤフラム４〜７は、中心点Ｏ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。また、ダイヤフラム１４〜１７は、ダイヤフラム４〜７と同様に配置されている。

各ダイヤフラム４〜７は、第２部材３の下面つまり一平面上に配置された８個の歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８をそれぞれ備えている。従って、歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８は、第１部材２と第２部材３との間に形成される空隙内に配置される。歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８の配置位置は、図２に示すように、各ダイヤフラム４〜７の中心点を通りＸ軸及びＹ軸に平行な直線上であって、且つ、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、歪みゲージ型センサ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。ここで、歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８をダイヤフラム４〜７の薄肉部分の外縁部と内縁部に配置するために、嵌合孔３ａの周縁部３ｂの外径Ｒ１が中心軸８の外径Ｒ２よりも小さくなっている。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が用いられる。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。なお、本実施形態においても第２部材３の弾性域で使用するものとしている。

従って、歪みゲージ型センサ１を組み立てる場合には、第１部材２、第２部材３及び中心軸８の加工を行う。次に、第２部材３の一平面に歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８を接着し、リード線を取り付ける。そして、信号処理回路基板１０を第１部材２または第２部材３に取り付ける。その後、第１部材２および第２部材３の各ダイヤフラムの中心にそれぞれ形成された嵌合孔２ａ、３ａに中心軸８を嵌合させる。すると、ダイヤフラム４〜７の中心位置とダイヤフラム１４〜１７の中心位置とが相対的に一致するように、第１部材２と第２部材３とが連結される。そして、第１部材２と第２部材３とが強固に接合された一体構造になるように、中心軸８の両端部は嵌合孔２ａ、３ａの周縁部２ｂ、３ｂに対して電子ビーム溶接されている。

また、第２部材３には、図２に示すように、外部から力を受ける部材を取り付ける８個のネジ孔３ｄが形成されていると共に、４個の開口３ｅが形成されている。ここで、開口３ｅは、歪みゲージ型センサ１を支持部材に固定するボルトを通すためのものである。また、第１部材２の４個の開口３ｅに対応した位置には、開口３ｅよりも一回り小さい開口が形成されており、開口３ｅを通されたボルトによって歪みゲージ型センサ１が支持部材に固定される。なお、本実施の形態では、第２部材３のネジ孔３ｄ及び開口３ｅの図示を省略する場合がある。

このように構成された歪みゲージ型センサ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ものである。

なお、各ダイヤフラムの形状はいずれも同じであって、それらの肉厚も全て同じになっているのが好ましい。これにより、各ダイヤフラムの剛性が等しくなって、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。

また、第１部材２と第２部材３とは、それぞれの嵌合孔２ａ、３ａに中心軸８を嵌合させることによって連結されているが、第１部材２と第２部材３とがボルトやねじ等により連結されてもよいし、直接一体切削加工によって形成されてもよい。なお、第１部材２と第２部材３とがボルトやねじ等により連結されている場合に、センサに不具合が発生したときには分解して各部品を確認することができる。

また、歪みゲージが正確に力を検出するためには、外部からの測定すべき力以外の外力が歪みゲージに加わるのを防止する必要があるので、第１部材２と第２部材３との間に埃が入るのを防止するための側面カバーを取り付けるのが好ましい。

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を点Ｃに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。

また、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を点Ｄに加えたときの歪みゲージ型センサ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、Ｙ軸のモーメントＭｙを加えたときの歪みゲージ型センサ１の状態を示す。つまり、Ｚ軸負方向の力Ｆを点Ｅに加えると共に、Ｚ軸正方向の力Ｆを点Ｆに加えたときの歪みゲージ型センサ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。

また、Ｘ軸のモーメントＭｘを加えたときは、Ｙ軸のモーメントＭｙ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９に、Ｚ軸のモーメントＭｚを加えたときの歪みゲージ型センサ１の状態を示す。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１０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１１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。なお、歪みゲージの組み合わせは図１１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、同じ構造の歪みゲージ型センサ１の設置方向を変更して、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。

以上説明したように、本実施の形態の歪みゲージ型センサ１では、複数の歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８が第１部材２と第２部材３との間に配置されるので、複数の歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８を保護するためのカバーを第１部材２及び第２部材３の外側に設ける必要がなくなる。従って、歪みゲージ型センサ１の全体の高さを低くすることができるので、歪みゲージ型センサ１のロボットなどへの組み込みが容易になる。また、歪みゲージ型センサ１をロボットの手や足に組み込む場合には、ロボットの手足となる部品の長さを短くできる。また、各歪みゲージ１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。

また、歪みゲージ型センサ１は、複数の歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８が取り付けられるダイヤフラム４〜７を備えているので、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。従って、歪みゲージ型センサ１を組み立てるコストを下げることができる。

また、歪みゲージ型センサ１では、ダイヤフラム４〜７は歪みゲージ型センサ１の中心点Ｏを中心に９０度おき、且つ、中心点Ｏから等距離であって、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ので、各ダイヤフラム４〜７の歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８の抵抗値の変化から比較的簡易な計算により、中心点Ｏを原点とする直交座標のＸ軸およびＹ軸での多軸の力、モーメントを容易に算出することができる。

また、歪みゲージ型センサ１では、ダイヤフラム４〜７の薄肉部は円環形状で８個の歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８をそれぞれ備えていると共に、歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８の配置位置は、各ダイヤフラム４〜７の中心点と歪みゲージ型センサ１の中心点Ｏとを結ぶ線上において各ダイヤフラム４〜７の外縁部と内縁部、および、各ダイヤフラム４〜７の中心点における前記線の垂直線上において前記ダイヤフラムの外縁部と内縁部である。従って、各ダイヤフラム４〜７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。

次に、本発明の第２の実施の形態について、図１２を参照して説明する。第２の実施の形態は、歪みゲージ型センサ１の構造としては第１の実施の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３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。図１３は、本発明の第３の実施の形態に係る歪みゲージ型センサ１０１の縦断面正面図である。図１４は、図１３の歪みゲージ型センサ１０１を第１部材２側からＺ軸負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。なお、図１３は、図１４の線ＣＯ−線ＯＤにおける断面図である。

図１３に示す歪みゲージ型センサ１０１は、第１部材１０２と、第２部材１０３と、これらを連結する３つの中心軸１０８とを有している。第１部材１０２の上面と第２部材１０３の下面とは所定間隔だけ離隔して対向しており、第１部材１０２と第２部材１０３との間には、２４個の歪みゲージＲ１１１〜Ｒ１３８と、信号処理回路基板１１０とが配置されている。ここで、２４個の歪みゲージＲ１１１〜Ｒ１３８は、第２部材１０３の下面つまり一平面上に配置されている。

外部からの力を受ける側の第２部材１０３には、Ｙ軸正方向、原点Ｏを通りＹ軸正方向からＸ軸正方向に１２０度をなす線分ＯＣ上、及び、原点Ｏを通りＹ軸正方向からＸ軸負方向に１２０度をなす線分ＯＤ上に対応した３つの環状のダイヤフラム１０４、１０５、１０６（図１３ではダイヤフラム１０４、１０６だけが図示されている）が設けられている。一方、歪みゲージ型センサ１０１が固定される側の第１部材１０２には、Ｙ軸正方向、原点Ｏを通りＹ軸正方向からＸ軸正方向に１２０度をなす線分ＯＣ上、及び、原点Ｏを通りＹ軸正方向からＸ軸負方向に１２０度をなす線分ＯＤ上に対応した３つの環状のダイヤフラム１１４、１１５、１１６（図１ではダイヤフラム１１４、１１６だけが図示されている）が設けられている。ここで、ダイヤフラム１０４〜１０６とダイヤフラム１１４〜１１６とは互いに対向している。

ダイヤフラム４〜６は、図１４に示すように、歪みゲージ型センサ１０１の中心点Ｏを中心に等角度おき、且つ、中心点Ｏから等距離に配置されている。なお、本実施の形態では、ダイヤフラム１０４〜１０６は、１２０度おきに配置されている。また、ダイヤフラム１１４〜１１６は、ダイヤフラム１０４〜１０６と同様に配置されている。

各ダイヤフラム１０４〜１０６は、第２部材１０３の下面つまり一平面上に配置された８個の歪みゲージＲ１１１〜Ｒ１３８をそれぞれ備えている。従って、歪みゲージＲ１１１〜Ｒ１３８は、第１部材１０２と第２部材１０３との間に形成される空隙内に配置される。歪みゲージＲ１１１〜Ｒ１３８の配置位置は、図１４に示すように、各ダイヤフラム１０４〜１０６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、各ダイヤフラム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１０４〜１０６の外縁部と内縁部である。

具体的には、歪みゲージＲ１１１〜Ｒ１１４は、原点Ｏを通りＹ軸正方向から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Ｒ１３１〜Ｒ１３４は、原点Ｏを通りＹ軸正方向から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Ｒ１１５〜Ｒ１１８は、ダイヤフラム１０４の中心点を通り線分ＯＣと直交する直線上に配置されている。歪みゲージＲ１３５〜Ｒ１３８は、ダイヤフラム１０６の中心点を通り線分ＯＤと直交する直線上に配置されている。歪みゲージＲ２１〜Ｒ２８の配置は、第１の実施の形態と同様である。また、歪みゲージとしては、第１の実施の形態と同様に、金属箔歪みゲージや金属線歪みゲージが用いられる。

この歪みゲージ型センサ１０１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。その他の構成は第１の実施の形態とほぼ同様であるので詳細な説明は省略する。

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。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。ここで、直線状に配置された４個の歪みゲージから構成される歪みゲージ群は、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１４には、６個の歪みゲージ群が図示されているが、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、以下のようにして６軸成分の力やモーメントを検出することができる。

図１４に示す歪みゲージＲ１１１〜Ｒ１３８に対して図１５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Ｒ１１５〜Ｒ１１８でＸ軸正方向からＹ軸正方向に２４０度方向の力の成分を電圧Ｖ１として検出でき、歪みゲージＲ１２１〜Ｒ１２４でＸ軸正方向の力の成分を電圧Ｖ２として検出でき、歪みゲージＲ１３５〜Ｒ１３８でＸ軸正方向からＹ軸正方向に１２０度方向の力の成分を電圧Ｖ３として検出できる。また、Ｒ１１１〜Ｒ１１４、Ｒ１２５〜Ｒ１２８、Ｒ１３１〜Ｒ１３４では、各ダイヤフラム１０４〜１０６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１５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１０３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１６にＸ軸正方向に力Ｆｘを加えたときのダイヤフラム１０５の変位の状態を示す。このとき、歪みゲージＲ１２２とＲ１２４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Ｒ１２１とＲ１２３は圧縮方向の歪みが発生して抵抗値が小さくなる。力Ｆｘと直交する方向に配置された歪みゲージＲ１２５〜Ｒ１２８には殆ど歪みが発生しない。

他の２つのダイヤフラム１０４、１０６にもＸ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Ｒ１１１〜Ｒ１１８、Ｒ１３１〜Ｒ１３８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Ｒ１２１〜Ｒ１２８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Ｒ１１１〜Ｒ１１８、Ｒ１３１〜Ｒ１３８は力Ｆｘの方向であるＸ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。

Ｙ軸方向の力Ｆｙ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１７にＺ軸方向の力Ｆｚを加えたときのダイヤフラム１０５の変位の状態を示す。図１８に歪みゲージＲ１１１〜Ｒ１３８の変化を示す。図１５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ほとんど変化しない。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１０３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１０４〜１０６ではＺ軸方向の力Ｆｚが加わる。ここで、図１９において、モーメントＭｘがダイヤフラム１０４、１０６を紙面表側から裏側に向けて押すと共に、ダイヤフラム１０５を紙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１０４〜１０６の中心までの距離をＲとすると、ダイヤフラム１０４、１０６の中心からＸ軸までの距離はＲ／２となり、ダイヤフラム１０５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１０３にモーメントＭｙを加えた場合、ダイヤフラム１０４、１０６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２０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１０４〜１０６の変位の状態を示す。図２１に歪みゲージＲ１１１〜Ｒ１３８の変化を示す。歪みゲージ群Ｒ１１５〜Ｒ１１８、Ｒ１２１〜Ｒ１２４、Ｒ１３５〜Ｒ１３８は最も感度がよい方向に歪みが発生し、図１５のＶ１、Ｖ２、Ｖ３が最も高感度に変化する。

一方、歪みゲージ群Ｒ１１１〜Ｒ１１４、Ｒ１２５〜Ｒ１２８、Ｒ１３１〜Ｒ１３４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１５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、歪みゲージ型センサ１０１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、歪みゲージ型センサ１０１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。

以上説明したように、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、歪みゲージ型センサ１０１の全体の高さを低くすることができるので、歪みゲージ型センサ１０１のロボットなどへの組み込みが容易になる。

また、歪みゲージ型センサ１０１では、ダイヤフラム１０４〜１０６は歪みゲージ型センサ１０１の中心点Ｏを中心に１２０度おき、且つ、中心点Ｏから等距離に配置されているので、３個のダイヤフラム１０４〜１０６で多軸の力、モーメントを算出することができる。従って、歪みゲージ型センサ１０１の構成をさらに簡略化することができる。

次に、本発明の第４の実施の形態について、図２２を参照して説明する。図２２は、本発明の第４の実施の形態に係る歪みゲージ型センサ２０１の中央縦断面正面図である。

図２２に示す歪みゲージ型センサ２０１では、歪みゲージとしてピエゾ抵抗素子２２０が用いられている。なお、歪みゲージ型センサ２０１のその他の構成は、第１の実施の形態の歪みゲージ型センサ１と同様であるので、同一の符号を付けて詳細な説明は省略する。

歪みゲージ型センサ２０１では、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２２０が１枚の半導体Ｓｉウェハ２２１に集積されて、ダイヤフラムにダイボンディングして固定されている。ピエゾ抵抗素子２２０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５の実施の形態について、図２３を参照して説明する。図２３は、本発明の第５の実施の形態に係る歪みゲージ型センサ３０１の中央縦断面正面図である。

図２３に示す歪みゲージ型センサ３０１では、歪みゲージがスパッタリング法によって一平面上に形成されている。なお、歪みゲージ型センサ３０１のその他の構成は、第１の実施の形態の歪みゲージ型センサ１と同様であるので、同一の符号を付けて詳細な説明は省略する。

歪みゲージ型センサ３０１では、第１部材２と第２部材３とを組み立てる前において、母材となる第２部材３の平面（組み立てたときに下面となる面）に絶縁膜３２０が形成され、その上にスパッタリング技術とフォトリソグラフィ技術とを用いて、歪みゲージ３２１が形成される。よって、手作業による面倒な歪みゲージの接着工程を工業的に自動化したプロセスに置き換えることによって、量産が可能となる。また、歪みゲージが母材に強固に結合されるので、歪みゲージの検出感度が一般的な箔歪みゲージよりも大きくなり、温度特性にも優れるので、センサの信頼性を向上させることができる。また、スパッタリング法で酸化クロム膜などを用いて歪みゲージを形成した場合、歪みゲージの厚さを薄くすることができるので、ゲージ抵抗が大きくなり、一般的な箔歪みゲージの１０〜２０倍の感度を得ることができる。よって、発生する歪みが小さい部分にゲージを設けても、Ｓ／Ｎ比の良い十分実用的な感度を得ることができる。

以上、本発明の好適な一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、上述の実施の形態では、歪みゲージが、第２部材３の下面であって第１部材２に対向する一平面上に配置されているが、第１部材２の上面であって第２部材３に対向する一平面上に配置されてもよい。また、上述の実施の形態では、ダイヤフラムは、歪みゲージ型センサの中心点を中心に等角度おき、且つ、中心点から等距離に配置されているが、ダイヤフラムの配置は変更することができる。また、ダイヤフラムが等角度おきに配置される場合でも、その角度は任意に変更することができる。

また、上述の実施の形態では、第１部材２と第２部材３とがほぼ同じ形状を有しているが、図２４に示すように、歪みゲージ型センサ４０１の第１部材４０２及び第２部材４０３の形状はそれぞれ異なっていてもよい。また、上述の実施の形態では、歪みゲージが第２部材３の下面（第１部材２に対向する面）に配置されていると共に、第１部材２の上面側（第２部材３に対向する面側）に薄肉部が形成されているが、図２４に示すように、歪みゲージが第２部材４０３の下面（第１部材４０２に対向する面）に配置されていると共に、第１部材４０２の下面側（第２部材４０３に対向しない面側）に薄肉部が形成されていてもよい。従って、歪みゲージ型センサ１において、第１部材２だけが上下反転した構成であってもよい。また、上述の実施の形態では、第１部材２と第２部材３とが、これらと別の部材である中心軸８によって連結されているが、図２４に示すように、第１部材４０２の一部である中心軸４０８ａと第２部材４０３の一部である中心軸４０８ｂとが、中心軸４０８ａ、４０８ｂを貫通するボルト４１０によって連結されていてもよい。このように、第２部材４０３の上面には、ダイヤフラム及び中心軸４０８ｂに対応した位置に形成された凹部４０３ａが設けられており、ボルト４１０の端部が凹部４０３ａ内に配置されている場合には、ボルト４１０の端部は第２部材４０３の上面から外側に飛び出さなくなる。従って、第２部材４０３の厚さを薄くすることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る歪みゲージ型センサの中央縦断面正面図である。 図１の歪みゲージ型センサを第２部材側からＺ軸負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。 図１の歪みゲージ型センサに力Ｆｘを加えたときの変位を示す中央縦断面正面図である。 図１の歪みゲージ型センサに力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。 図１の歪みゲージ型センサに力Ｆｚを加えたときの変位を示す中央縦断面正面図である。 図１の歪みゲージ型センサに力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。 図１の歪みゲージ型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。 図１の歪みゲージ型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。 図１の歪みゲージ型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。 図１の歪みゲージ型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。 図１の歪みゲージ型センサのブリッジ回路の一例を示す回路図である。 第２の実施の形態に係る歪みゲージ型センサのブリッジ回路の一例を示す回路図である。 第３の実施の形態に係る歪みゲージ型センサを描いた中央縦断面正面図である。 図１３の歪みゲージ型センサを第２部材側からＺ軸負方向に透視したときの歪みゲージの配置を描いた描いた平面図である。 図１３の歪みゲージ型センサのブリッジ回路の一例を示す回路図である。 図１３の歪みゲージ型センサに力Ｆｙを加えたときの変位を示す中央縦断面正面図である。 図１３の歪みゲージ型センサに力Ｆｚを加えたときの変位を示す中央縦断面正面図である。 図１３の歪みゲージ型センサに力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。 図１３の歪みゲージ型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。 図１３の歪みゲージ型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。 図１３の歪みゲージ型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４の実施の形態に係る歪みゲージ型センサを描いた中央縦断面正面図である。 第５の実施の形態に係る歪みゲージ型センサを描いた中央縦断面正面図である。 本発明に係る歪みゲージ型センサのその他の一例を描いた中央縦断面正面図である。 従来の歪みゲージ型センサを描いた斜視図である。 その他の歪みゲージ型センサの中央縦断面正面図である。 図２６の歪みゲージ型センサを第２部材側から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。

符号の説明

１、１０１、２０１、３０１、４０１ 歪みゲージ型センサ
２、１０２、４０２ 第１部材
３、１０３、４０３ 第２部材
８、１０８、４０８ａ、４０８ｂ 中心軸
４〜７、１４〜１７、１０４〜１０６、１１４〜１１６ ダイヤフラム
Ｒ１１〜Ｒ４８、Ｒ１１１〜Ｒ１４８ 歪みゲージ

Claims (11)

1. 外部から加わった多軸の力、モーメント、加速度、角加速度の少なくとも１つを計測する歪みゲージ型センサにおいて、
   第１部材と、
   前記第１部材に対向する平面を有し、前記第１部材と中心軸を介して連結された第２部材とを備えており、
   前記第２部材は、前記平面上に配置された複数の歪みゲージが取り付けられ且つ前記中心軸を囲むよう設けられた環状のダイヤフラムを有しており、
   前記中心軸の外径が前記ダイヤフラムの内径よりも小さいことを特徴とする歪みゲージ型センサ。
2. 前記第１部材及び前記第２部材は、同じ形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の歪みゲージ型センサ。
3. 前記第１部材及び前記第２部材は、それらの間にある一平面に関して対称となるように配置されていることを特徴とする請求項２に記載の歪みゲージ型センサ。
4. 前記第２部材の前記平面と反対側の面には、前記ダイヤフラム及び前記中心軸に対応した位置に形成された凹部が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の歪みゲージ型センサ。
5. 前記ダイヤフラムは前記歪みゲージ型センサの中心点を中心に等角度おき、且つ、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１〜４のいずれか１項に記載の歪みゲージ型センサ。
6. 前記角度は９０度であることを特徴とする請求項５に記載の歪みゲージ型センサ。
7. 前記ダイヤフラムは、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６に記載の歪みゲージ型センサ。
8. 前記角度は１２０度であることを特徴とする請求項５に記載の歪みゲージ型センサ。
9. 前記ダイヤフラムは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、前記ダイヤフラムの中心点と前記歪みゲージ型センサの中心点とを結ぶ線上において前記ダイヤフラムの外縁部と内縁部、および、前記ダイヤフラムの中心点における前記線の直交線上において前記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１〜８に記載の歪みゲージ型センサ。
10. 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１〜９に記載の歪みゲージ型センサ。
11. 前記歪みゲージはスパッタリング法により前記平面上に設けた絶縁膜上に形成されていることを特徴とする請求項１〜９に記載の歪みゲージ型センサ。

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