JP2007187596A - ３軸力覚センサ - Google Patents

Abstract

【課題】精度が高く、小型化可能な３軸力覚センサを提供する。
【解決手段】測定すべき力の加えられる中心部１１と、中心部１１から外方に向かって略等角度に延びる４個の脚部１２〜１５と、脚部１２〜１５の外側の各端部とそれぞれ接合される枠部１６と、脚部１２〜１５の長手方向の変化を検出するように、脚部１２〜１５の側面に着設された複数の第１のひずみゲージ２１〜２８と、脚部１２〜１５の長手方向に対して４５度の方向の変化を検出するように、脚部１２〜１５の側面に着設された複数の第２のひずみゲージ３１〜３８と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、３軸方向の力を測定することができる３軸力覚センサに関する。

従来、ひずみゲージを用いて多軸の力を測定する力覚センサが開発されている。例えば、下記の特許文献１には、円板状の起歪部と、その円板状の起歪部に延設された４個の脚状の起歪部と、それぞれの起歪部に着設されたひずみゲージとを備え、３次元方向の力を検知することができるセンサが開示されている。

また、下記の特許文献２には、中心部から放射状に延びた４個の脚を有し、その脚にひずみゲージを着設することにより、３次元方向の力を検知することができるセンサが開示されている。
特開２００４−２４５７１７号公報（第１頁、第１図等） 特開平１０−７８３６０号公報（第１頁、第１図等）

上記特許文献１で開示されているセンサの場合には、加工精度を上げることが難しく、センサの精度が低くなる。より具体的には、円板状の起歪部を、センサが設置されている面に平行に構成することが難しい。円板状の起歪部が、センサが設置されている面に平行に構成されていないと、その円板状の起歪部に加えられた力をひずみゲージによって精度よく測定することができず、結果として、センサの精度が低下することになる。

また、一般に力覚センサ等は、製造後に検定を行い、その検定によって校正を行う。上記特許文献１で開示されているセンサの場合には、その検定時に円板状の起歪部に力を加えるために、接着剤等によって円板状の起歪部に力を加えるための部材を取り付けることになる。すると、検定時に加えられる力が小さい場合にはそれでもよいが、検定時に加えられる力が大きくなると、その部材が円板状の起歪部から剥がれやすくなり、適切な検定を行うことができない。特に、力を加えるための部材が完全に剥がれてしまうのではなく、半分ぐらいだけ剥がれたような場合には、想定していないモーメントが円板状の起歪部にかかることとなり、正確な検定ができないことになる。適切な検定ができない場合には、センサの精度が低くなる。

また、上記特許文献２で開示されているセンサの場合には、３次元方向の力を検知するために、中心部から放射状に延びた４本の柱状の脚の各面に、ひずみゲージが着設されている。その結果、その脚を細くすることができず、センサの小型化に限界がある。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的のひとつは、精度の高い力覚センサを提供することである。
また、他の目的は、適切な検定を行うことができうる力覚センサを提供することである。
また、他の目的は、小型化の可能な力覚センサを提供することである。

上記目的を達成するため、本発明による力覚センサは、測定すべき力の加えられる中心部と、前記中心部から外方に向かって略等角度に延びる４個の脚部と、前記４個の脚部の外側の各端部とそれぞれ接合される枠部と、前記脚部の長手方向の変化を検出するように、前記脚部の側面に着設された複数の第１のひずみゲージと、前記脚部の長手方向に対して所定の鋭角を有する方向の変化を検出するように、前記脚部の側面に着設された複数の第２のひずみゲージと、を備えたものである。

このような構成により、中心部、脚部、枠部によって構成される部材の加工精度を上げることができ、結果として、センサの精度を向上させることができうる。また、３軸方向の力を検出する第１のひずみゲージと第２のひずみゲージとを脚部の側面に設けたことにより、脚部の水平面の幅を小さくすることができ、３軸力覚センサの小型化が可能となる。

また、本発明による３軸力覚センサでは、前記所定の鋭角は、略４５度であってもよい。
このような構成により、第２のひずみゲージによって最も効果的に脚部に発生したせん断ひずみを検出することができ、その結果、３軸力覚センサの精度を向上させることができうる。

また、本発明による３軸力覚センサでは、前記４個の脚部の各側面に前記第１のひずみゲージがそれぞれ着設され、前記４個の脚部の各側面に前記第２のひずみゲージがそれぞれ着設されていてもよい。

このような構成により、４個の脚部の両側面に着設された８個の第１のひずみゲージと、４個の脚部の両側面に着設された８個の第２のひずみゲージとを用いて３軸方向の力を検出することになり、精度の高い検出を行うことができる。

また、本発明による３軸力覚センサでは、同一の前記脚部に着設された２個の前記第２のひずみゲージは、それぞれ同一の方向の変化を検出し、隣接する前記脚部に着設された前記第２のひずみゲージは、それぞれ異なる向きの変化を検出してもよい。
このような構成により、第２のひずみゲージによって形成されるブリッジ回路の配線をより簡単にすることができうる。

また、本発明による３軸力覚センサでは、前記第２のひずみゲージは、前記第１のひずみゲージよりも外側にあってもよい。
このような構成により、第２のひずみゲージによる変化の検出をより適切に行うことができうる。ここで、第２のひずみゲージが第１のひずみゲージよりも外側にあるとは、一の脚部に着設されているひずみゲージについてである。

また、本発明による３軸力覚センサでは、１対の対向する前記脚部に着設された４個の前記第１のひずみゲージについて、同一の前記脚部に着設された１対の前記第１のひずみゲージが、対向するようにブリッジ回路が形成されてもよい。

このような構成により、４個の脚部によって形成される平面内の１軸の力を、このブリッジ回路によって測定することができる。また、このようなブリッジ回路を２個設けることにより、その平面内の２軸の力をそれぞれ測定することができる。

また、本発明による３軸力覚センサでは、同一の前記脚部に着設された前記第２のひずみゲージが直列に接続され、隣接する前記脚部に着設された１対の前記第２のひずみゲージが、隣接するようにブリッジ回路が形成されていてもよい。
このような構成により、４個の脚部によって形成される平面に垂直な方向の力を、このブリッジ回路によって測定することができる。

また、本発明による３軸力覚センサでは、前記中心部は、力を加えるための部材を取り付けることができる機構を有してもよい。
このような構成により、その機構を用いることにより、中心部に適切に力を加えることができ、適切な検定を行うことができうる。その結果、３軸力覚センサの精度を向上させることができうる。

また、本発明による３軸力覚センサでは、前記機構は、前記中心部に設けられたねじ切りのされた穴であってもよい。
このような構成により、その機構を簡易な構成により作成することができうる。

本発明による力覚センサによれば、３軸方向の力を検出する第１のひずみゲージと第２のひずみゲージとを脚部の側面に設けたことにより、脚部の水平面の幅を小さくすることができ、３軸力覚センサの小型化が可能となる。

以下、本発明による３軸力覚センサについて、実施の形態を用いて説明する。なお、以下の実施の形態において、同じ符号を付した構成要素は同一または相当するものであり、再度の説明を省略することがある。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１による３軸力覚センサについて、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施の形態による３軸力覚センサ１を示す斜視図である。図１において、本実施の形態による３軸力覚センサ１は、測定すべき力の加えられる中心部１１と、中心部１１から外方に向かって略等角度に延びる４個の脚部１２〜１５と、４個の脚部１２〜１５の外側の各端部とそれぞれ接合される枠部１６と、脚部１２〜１５の長手方向の変化を検出するように、脚部１２〜１５の側面に着設された８個の第１のひずみゲージ２１〜２８と、脚部１２〜１５の長手方向に対して所定の鋭角を有する方向の変化を検出するように、脚部１２〜１５の側面に着設された８個の第２のひずみゲージ３１〜３８と、を備える。なお、図１において、第１のひずみゲージ２２，２３，２５，２８は、それぞれ第１のひずみゲージ２１，２４，２６，２７の裏面側に着設されており、図示されていない。また、第２のひずみゲージ３２，３３，３５，３８は、それぞれ第２のひずみゲージ３１，３４，３６，３７の裏面側に着設されており、図示されていない。

図２（ａ）は、３軸力覚センサ１の上面図であり、図２（ｂ）は、３軸力覚センサ１の側面図である。図２において、第１のひずみゲージ及び第２のひずみゲージについては図示していない。図２（ａ）で示されるように、本実施の形態による３軸力覚センサ１では、各脚部１２〜１５は、中心部１１から枠部１６に向けて、等角度、すなわち、９０度ごとに設けられている。各脚部１２〜１５の長さは等しいものとする。また、図２で示されるように、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸がそれぞれ設定されているものとする。なお、図２で示される３軸力覚センサ１のサイズは一例であって、図２で示されるサイズでなくてもよいことは言うまでもない。

中心部１１は、円柱状に形成されており、その中心に、３軸力覚センサ１に力を加えるための部材を取り付けることができる機構であるタップ穴１７を有する。タップ穴１７とは、ねじ切りのされた穴（雌ネジ）である。このタップ穴１７は、中心部１１の上面から所定の深さまで設けられていてもよく、あるいは、裏面側に貫通していてもよい。３軸力覚センサ１に力を加えるための部材とは、例えば、タップ穴１７に螺合する雄ネジを有する部材等である。なお、このタップ穴１７に代えて、３軸力覚センサ１に力を加えるための部材を取り付けることができる別の機構を中心部１１が有してもよい。例えば、その機構は、中心部１１に設けられた円柱状もしくは角柱状の穴であってもよく、中心部１１に設けられた雄ネジであってもよく、または、その他の機構であってもよい。

脚部１２〜１５には、前述のように、第１のひずみゲージ２１〜２８と、第２のひずみゲージ３１〜３８とが着設されている。第１のひずみゲージ２１〜２８、及び第２のひずみゲージ３１〜３８は、例えば、脚部１２〜１５に接着されることによって脚部１２〜１５に着設される。なお、図１及び図２からわかるように、脚部１２〜１５の側面の幅は、水平面の幅よりも十分大きくなっている。ここで、側面の幅とは、脚部１２〜１５の長手方向に対して直角な方向の幅である。また、水平面の幅とは、脚部１２〜１５の長手方向に対して垂直な方向の幅である。脚部１２〜１５の長手方向とは、脚部１２〜１５の中心部１１側と枠部１６側とを結ぶ方向である。脚部１２〜１５の水平面とは、４個の脚部１２〜１５によって形成される平面である。

図３を用いて、脚部１２の一側面に着設された第１のひずみゲージ２１、及び第２のひずみゲージ３１について説明する。図３で示されるように、第１のひずみゲージ２１は、脚部１２の長手方向の変化を検出することができるように、中心部１１に近い側に着設されている。また、第２のひずみゲージ３１は、脚部１２の長手方向に対して所定の鋭角を有する方向の変化を検出するように、枠部１６に近い側に着設されている。ここで、本実施の形態では、その所定の鋭角は、略４５度である。すなわち、第２のひずみゲージ３１では、脚部１２の枠部１６側から中心部１１側への向きと４５度をなす方向の変化（せん断ひずみ）を検出することができる。なお、所定の鋭角は、０度より大きく、９０度未満であればどのような角度であってもよいが、最も効果的に力を測定することができるのは、４５度である。また、変化を検出するとは、長さの変化を検出することである。第１のひずみゲージ２１と第２のひずみゲージ３１の脚部１２の側面における位置関係は、第２のひずみゲージの方向以外、脚部１２〜１５の他の側面についても同様であるとする。

脚部１２の他の側面、すなわち、図３で示されている側面の裏面側においても、図４で示されるように、中心部１１に近い側に第１のひずみゲージ２２が着設され、枠部１６に近い側に第２のひずみゲージ３２が着設されている。その第１のひずみゲージ２２の方向、及び第２のひずみゲージ３２の方向は、反対側の側面（図３で示される側面）の方向と同じである。なお、測定の精度を向上させるために、第１のひずみゲージ２１の着設されている位置と、第１のひずみゲージ２２の着設されている位置とは、脚部１２の両側面において同じであることが好ましい。同様に、第２のひずみゲージ３１の着設されている位置及び角度と、第２のひずみゲージ３２の着設されている位置及び角度とは、脚部１２の両側面において同じであることが好ましい。図３，図４からわかるように、本実施の形態において、同一の脚部１２に着設された２個の第２のひずみゲージ３１、３２は、それぞれ同一の方向の変化を検出するものとする。他の脚部１３〜１５に着設された２個の第２のひずみゲージについても同様であるとする。

図５は、脚部１３の一側面に着設された第１のひずみゲージ２３、及び第２のひずみゲージ３３について説明するための図である。図５で示されるように、脚部１３では、第２のひずみゲージ３３が、脚部１２の中心部１１側から枠部１６側への向きと４５度をなす方向の変化を検出することができるように着設されている。脚部１３の他の側面、すなわち、図５で示されている側面の裏面側においても同様である。このように、脚部１２に着設された第２のひずみゲージ３１、３２と、脚部１３に着設された第２のひずみゲージ３３、３４とは、それぞれ異なる向きの変化を検出することになる。このことは、他の脚部に着設された第２のひずみゲージについても同様である。すなわち、本実施の形態では、隣接する脚部に着設された第２のひずみゲージは、それぞれ異なる向きの変化を検出する。

このように、本実施の形態では、脚部１２〜１５に生じる変化を第１のひずみゲージ２１〜２８及び第２のひずみゲージ３１〜３８によって検出することになる。すなわち、脚部１２〜１５が起歪部である。

なお、脚部１２及び脚部１４について、第１のひずみゲージ２１と第１のひずみゲージ２６とは、中心部１１の中心軸に対して対称となる位置に着設されていることが好適である。そのことは、第１のひずみゲージ２２と第１のひずみゲージ２５、第２のひずみゲージ３１と第２のひずみゲージ３６、第２のひずみゲージ３２と第２のひずみゲージ３５についても同様である。また、脚部１３及び脚部１５に着設されている、第１のひずみゲージ及び第２のひずみゲージについても同様である。

次に、第１のひずみゲージ２１〜２８によって形成されるブリッジ回路について説明する。まず、１対の対向する脚部１２，１４に着設された４個の第１のひずみゲージ２１，２２，２５，２６について説明する。図６で示されるように、第１のひずみゲージ２１，２２，２５，２６は、同一の脚部に着設された１対の第１のひずみゲージが対向するようにブリッジ回路が形成される。より具体的には、同一の脚部１２に着設された１対の第１のひずみゲージ２１，２２は、図６で示されるように、ブリッジ回路において対向する位置に存在する。同様に、同一の脚部１４に着設された１対の第１のひずみゲージ２５，２６も、ブリッジ回路において対向する位置に存在する。

１対の対向する脚部１３，１５に着設された４個の第１のひずみゲージ２３，２４，２７，２８によって形成されるブリッジ回路について説明する。図７で示されるように、１対の対向する脚部１３，１５に着設された４個の第１のひずみゲージ２３，２４，２７，２８は、同一の脚部に着設された１対の第１のひずみゲージが対向するようにブリッジ回路が形成される。より具体的には、同一の脚部１３に着設された１対の第１のひずみゲージ２３，２４は、図７で示されるように、ブリッジ回路において対向する位置に存在する。同様に、同一の脚部１５に着設された１対の第１のひずみゲージ２７，２８も、ブリッジ回路において対向する位置に存在する。

次に、第２のひずみゲージ３１〜３８によって形成されるブリッジ回路について図８を用いて説明する。図８において、同一の脚部に着設された第２のひずみゲージが直列に接続され、隣接する脚部に着設された１対の第２のひずみゲージが、隣接するようにブリッジ回路が形成される。より具体的には、同一の脚部１２に着設された１対の第２のひずみゲージ３１，３２は、図８で示されるように、直列に接続される。他の脚部１３〜１５に着設された１対の第２のひずみゲージ３３，３４等についても同様である。また、脚部１２に着設された１対の第２のひずみゲージ３１，３２と、脚部１３に着設された１対の第２のひずみゲージ３３，３４とは、隣接するようにブリッジ回路が形成されている。換言すれば、対向する脚部に着設された１対の第２のひずみゲージは、ブリッジ回路において対向する位置に存在することになる。

図６〜図８において図示した各ブリッジ回路において、入力及び出力は、図示しているとおりである。入力としては、例えば、直流の２〜３Ｖ程度の電圧が印加される。なお、この電圧値は一例であって、例えば、１〜１０Ｖ程度の電圧を印加してもよい。本実施の形態では、直流の電圧を印加する場合について説明するが、交流の電圧を印加してもよい。出力では、電流あるいは電圧を計測する。

次に、本実施の形態による３軸力覚センサ１の中心部１１に力が加わった場合における、各ひずみゲージによる長さの変化の検出について説明する。まず、Ｚ軸方向に中心部１１に力Ｆｚを加えた場合について、図９を用いて説明する。図９（ａ）、（ｂ）で示されるように、力Ｆｚは、Ｚ軸のプラスの向きである。力Ｆｚが中心部１１に加えられた場合には、中心部１１がＺ軸のプラスの向きに移動し、脚部１２〜１５がたわむことになる。その結果、図９（ａ）で示されるように、第１のひずみゲージ２１，２６及び第２のひずみゲージ３１，３６は、長さが伸びる方向の変化を検出する。具体的には、第１のひずみゲージ２１，２６及び第２のひずみゲージ３１，３６の抵抗値が増加することになる。第１のひずみゲージ２２，２５及び第２のひずみゲージ３２，３５についても同様である。

図９（ｂ）で示されるように、第１のひずみゲージ２４，２７は、長さが伸びる方向の変化を検出する。具体的には、第１のひずみゲージ２４，２７の抵抗値が増加することになる。第１のひずみゲージ２３，２８についても同様である。第２のひずみゲージ３４，３７は、長さが縮む方向の変化を検出する。具体的には、第１のひずみゲージ２４，２７の抵抗値が減少することになる。第２のひずみゲージ３３，３８についても同様である。

このように各ひずみゲージによって長さの変化が検出されることにより、第２のひずみゲージ３１〜３８によって形成されるブリッジ回路では、Ｚ軸方向の変化が検出されることになる。具体的には、図８で示されるようにブリッジ回路が形成されているため、第２のひずみゲージ３１，３２，３５，３６の抵抗値の変化すなわち抵抗値の増加、及び第２のひずみゲージ３３，３４，３７，３８の抵抗値の変化すなわち抵抗値の減少は、出力電圧を変化させることになる。

一方、第１のひずみゲージ２１，２２，２５，２６によって形成されるブリッジ回路では、Ｚ軸方向の変化は検出されない。具体的には、図６で示されるようにブリッジ回路が形成されているため、第１のひずみゲージ２１，２２，２５，２６の抵抗値の変化すなわち抵抗値の増加が等しい場合には、出力電圧には変化がないことになる。第１のひずみゲージ２３，２４，２７，２８によって形成されているブリッジ回路についても同様に、出力電圧には変化がないことになる。

このように、本実施の形態による３軸力覚センサ１では、起歪部としての脚部１２〜１５に生じたせん断ひずみを第２のひずみゲージ３１〜３８によって検出することによって、Ｚ軸方向の力を検出することができる。

次に、Ｙ軸方向に中心部１１に力Ｆｙを加えた場合について、図１０を用いて説明する。図１０（ａ）、（ｂ）で示されるように、力Ｆｙは、Ｙ軸のプラスの向きである。力Ｆｙが中心部１１に加えられた場合には、中心部１１がＹ軸のプラスの向きに移動し、脚部１２が圧縮され、脚部１４が延びることになる。また、脚部１３，１５がたわむことになる。その結果、図１０（ａ）で示されるように、第１のひずみゲージ２１及び第２のひずみゲージ３１は、長さが縮む方向の変化を検出する。具体的には、第１のひずみゲージ２１及び第２のひずみゲージ３１の抵抗値が減少することになる。第１のひずみゲージ２２及び第２のひずみゲージ３２についても同様である。一方、第１のひずみゲージ２６及び第２のひずみゲージ３６は、長さが伸びる方向の変化を検出する。具体的には、１のひずみゲージ２６及び第２のひずみゲージ３６の抵抗値が増加することになる。第１のひずみゲージ２５及び第２のひずみゲージ３５についても同様である。

図１０（ｂ）で示されるように、第１のひずみゲージ２４，２７及び第２のひずみゲージ３４，３７は、長さが伸びる方向の変化を検出する。具体的には、第１のひずみゲージ２４，２７及び第２のひずみゲージ３４，３７の抵抗値が増加することになる。一方、図示していない、第１のひずみゲージ２３，２８及び第２のひずみゲージ３３，３８については、長さが縮む方向の変化を検出する。具体的には、第１のひずみゲージ２３，２８及び第２のひずみゲージ３３，３８の抵抗値が減少することになる。

このように各ひずみゲージによって長さの変化が検出されることにより、第１のひずみゲージ２１，２２，２５，２６によって形成されるブリッジ回路では、Ｙ軸方向の変化が検出されることになる。具体的には、図６で示されるようにブリッジ回路が形成されているため、第１のひずみゲージ２５，２６の抵抗値の変化すなわち抵抗値の増加、及び第１のひずみゲージ２１，２２の抵抗値の変化すなわち抵抗値の減少は、出力電圧を変化させることになる。

一方、第１のひずみゲージ２３，２４，２７，２８によって形成されるブリッジ回路では、Ｙ軸方向の変化は検出されない。具体的には、図７で示されるようにブリッジ回路が形成されているため、第１のひずみゲージ２３，２８の抵抗値の変化すなわち抵抗値の減少の各大きさと、第１のひずみゲージ２４，２７の抵抗値の変化すなわち抵抗値の増加の各大きさとが等しい場合には、出力電圧には変化がないことになる。

また、第２のひずみゲージ３１〜３８によって形成されるブリッジ回路でも、Ｙ軸方向の変化は検出されない。具体的には、図８で示されるようにブリッジ回路が形成されているため、第２のひずみゲージ３１，３２，３３，３８の抵抗値の変化すなわち抵抗値の減少の各大きさと、第２のひずみゲージ３４，３５，３６，３７の抵抗値の変化すなわち抵抗値の増加の各大きさとが等しい場合には、出力電圧には変化がないことになる。

このように、本実施の形態による３軸力覚センサ１では、起歪部としての脚部１２，１４に生じた圧縮及び引張（縦ひずみ）を検出することによって、Ｙ軸方向の力を検出することができる。

なお、Ｘ軸方向に中心部１１に力が加えられた場合にも、Ｙ軸方向に力Ｆｙが加えられる場合と同様にして、図７で示されるブリッジ回路によってＸ軸方向の力を検出することができる。また、その場合には、Ｙ軸方向に力Ｆｙが加えられる場合と同様にして、図６及び図８で示されるブリッジ回路の出力電圧には変化がないことになる。

また、上記説明では理想的な場合について説明したが、実際には、Ｚ軸方向に力を加えた場合に、図６及び図７で示されるブリッジ回路の出力電圧に変化が生じることがあり、Ｙ軸方向に力を加えた場合に、図７及び図８で示されるブリッジ回路の出力電圧に変化が生じることがあり、Ｘ軸方向に力を加えた場合に、図６及び図８で示されるブリッジ回路の出力電圧に変化が生じることがある。このことは、特に起歪部が小さいときに顕著となりうる。このように干渉が生じた場合には、干渉補正を行うようにしてもよい。干渉補正の方法についてはすでに公知であるため、その説明を省略する。

次に、本実施の形態による３軸力覚センサ１の製造方法について簡単に説明する。中心部１１、脚部１２〜１５、枠部１６からなる部材は、例えば、ＮＣ旋盤等によって作成されてもよく、プレスや打ち抜き等によって作成されてもよく、あるいは、焼結等によって作成されてもよい。中心部１１、脚部１２〜１５、枠部１６からなる部材の材料としては、例えば、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ）等の鉄鋼材料や、アルミニウム、ステンレス等の適度な剛性を有する金属を用いてもよい。微少な力を検出したい場合には、例えばアルミニウム等の柔らかい金属を用いればよい。一方、大きな力を検出したい場合には、例えばクロムモリブデン鋼等の硬い金属を用いればよい。

そのようにして形成された脚部１２〜１５に、第１のひずみゲージ２１〜２８と、第２のひずみゲージ３１〜３８とを着設する。この着設は、前述のように接着剤等を用いて行われる。この場合に、例えば、図１１で示されるように、第１のひずみゲージと第２のひずみゲージとを備えたひずみゲージユニットを構成しておき、そのひずみゲージユニットを脚部１２〜１５に着設するようにしてもよい。このひずみゲージユニットにおいて第１のひずみゲージと第２のひずみゲージとの角度・位置を正確に設定しておくことにより、そのひずみゲージユニットの着設時には、ひずみゲージユニットを着設する角度・位置のみに留意すればよいため、作業性が向上する。

そのようにして、第１のひずみゲージ２１〜２８と、第２のひずみゲージ３１〜３８とを脚部１２〜１５に着設した後に、図６〜図８の各ブリッジ回路を形成するように配線を行う。図８のブリッジ回路では、同一の脚部に貼着された第２のひずみゲージを直列につなぐため、配線をより容易に行うことができうる。

本実施の形態による３軸力覚センサ１が構成された後に、タップ穴１７に所定の雄ネジを螺合させ、検定を行うことは前述の通りである。また、必要であれば、干渉補正を行ってもよい。

実際に、本実施の形態による３軸力覚センサ１を用いる場合には、枠部１６を所定の位置にネジ等によって固定する。そして、各ブリッジ回路に所定の入力電圧を印加し、中心部１１に加えられた力に応じた出力の変化を見ることによって、その力の３軸方向の大きさを知ることができる。

以上のように、本実施の形態による３軸力覚センサ１によれば、３軸力覚センサ１の製造時に、前述の特許文献１のセンサのように金属板を曲げる加工等を行わなくてもよいため、精度の高い３軸力覚センサ１を構成することができ、結果として、３軸力覚センサ１による検出の精度が高まることになる。
また、中心部１１にタップ穴１７を設け、そのタップ穴１７を用いて検定を行うことができるため、適切な検定を行うことができる。

さらに、せん断ひずみによって、Ｚ軸方向の力を検出するため、Ｚ軸方向の力を脚部１２〜１５の側面に着設した第２のひずみゲージ３１〜３８によって検出することができる。したがって、前述の特許文献２のセンサのように、脚部１２〜１５の水平面上にひずみゲージを着設する必要がなくなり、脚部１２〜１５の水平面の幅を小さくすることができる。その結果、枠部１６の内側の円柱側面の半径を小さくすることができ、３軸力覚センサ１の小型化が可能となり、また、脚部１２〜１５の側面にひずみゲージを着設する場合における作業性が向上する。

なお、本実施の形態では、４個の脚部１２〜１５の各側面に第１のひずみゲージ２１〜２８がそれぞれ着設され、４個の脚部１２〜１５の各側面に第２のひずみゲージ３１〜３８がそれぞれ着設される場合について説明したが、ひずみゲージの個数はこれに限定されるものではない。例えば、測定精度は落ちるが、第１のひずみゲージを４個の脚部１２〜１５の一方の側面にのみ着設するようにしてもよい。また、第２のひずみゲージを４個の脚部１２〜１５の一方の側面にのみ着設するようにしてもよい。

また、本実施の形態では、第２のひずみゲージが、第１のひずみゲージよりも中心部１１に対して外側にある場合について説明したが、これに限定されないことは言うまでもない。例えば、第１のひずみゲージが第２のひずみゲージ３１よりも中心部１１に対して外側にあってもよい。ただし、発明者による実験の結果、第２のひずみゲージが第１のひずみゲージよりも外側にある場合の方が、第２のひずみゲージによる検出をより効果的に行うことができることがわかっているため、第２のひずみゲージを第１のひずみゲージよりも外側にする方が好適である。

また、本実施の形態では、同一の脚部に着設された２個の第２のひずみゲージが、それぞれ同一の方向の変化を検出する場合について説明したが、そうでなくてもよい。例えば、同一の脚部に着設された２個の第２のひずみゲージが、異なる向きの変化を検出してもよい。その場合には、図８のブリッジ回路の構成を代える必要があるが、適切なブリッジ回路とすることにより、本実施の形態と同様に第２のひずみゲージによってＺ軸方向の力を適切に検出することができる。

また、本実施の形態では、図６〜図８で示されるようにブリッジ回路が形成される場合について説明したが、ブリッジ回路がそれらに限定されないことは言うまでもない。例えば、図６において、第１のひずみゲージ２１と、第１のひずみゲージ２２との位置が入れ替わってもよい。

また、中心部１１、脚部１２〜１５、枠部１６の形状も、本実施の形態のものに限定されないことは言うまでもない。例えば、中心部１１は、角柱状や球状に形成されてもよい。また、枠部１６の内周面も、円柱状でなくてもよく、例えば、角柱状に形成されてもよい。また、本実施の形態では、脚部１２〜１５の各長さが等しい場合について説明したが、そうでなくてもよい。したがって、中心部１１は、枠部１６の厳密な中心位置に存在しなくてもよい。ただし、脚部１２〜１５の各長さが等しくない場合であっても、対向する脚部の長さは等しいことが好適である。
また、本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。

以上より、本実施の形態による３軸力覚センサによれば、３軸方向の力を適切に検出することができ、例えば、３軸方向の力を検出するセンサ等として、各種の装置等において有用である。

本発明の実施の形態１による３軸力覚センサを示す斜視図 同実施の形態による３軸力覚センサの上面図（ａ）及び側面図（ｂ） 同実施の形態におけるひずみゲージの脚部への着設について説明するための図 同実施の形態におけるひずみゲージの脚部への着設について説明するための図 同実施の形態におけるひずみゲージの脚部への着設について説明するための図 同実施の形態におけるひずみゲージによって形成されるブリッジ回路の一例を示す図 同実施の形態におけるひずみゲージによって形成されるブリッジ回路の一例を示す図 同実施の形態におけるひずみゲージによって形成されるブリッジ回路の一例を示す図 同実施の形態による３軸力覚センサにＺ軸方向の力が加えられた場合について説明するための図 同実施の形態による３軸力覚センサにＹ軸方向の力が加えられた場合について説明するための図 同実施の形態におけるひずみゲージの脚部への着設について説明するための図

符号の説明

１ ３軸力覚センサ
１１ 中心部
１２〜１５ 脚部
１６ 枠部
１７ タップ穴
２１〜２８ 第１のひずみゲージ
３１〜３８ 第２のひずみゲージ

Claims (9)

1. 測定すべき力の加えられる中心部と、
   前記中心部から外方に向かって略等角度に延びる４個の脚部と、
   前記４個の脚部の外側の各端部とそれぞれ接合される枠部と、
   前記脚部の長手方向の変化を検出するように、前記脚部の側面に着設された複数の第１のひずみゲージと、
   前記脚部の長手方向に対して所定の鋭角を有する方向の変化を検出するように、前記脚部の側面に着設された複数の第２のひずみゲージと、を備えた３軸力覚センサ。
2. 前記所定の鋭角は、略４５度である、請求項１記載の３軸力覚センサ。
3. 前記４個の脚部の各側面に前記第１のひずみゲージがそれぞれ着設され、
   前記４個の脚部の各側面に前記第２のひずみゲージがそれぞれ着設されている、請求項１または請求項２記載の３軸力覚センサ。
4. 同一の前記脚部に着設された２個の前記第２のひずみゲージは、それぞれ同一の方向の変化を検出し、
   隣接する前記脚部に着設された前記第２のひずみゲージは、それぞれ異なる向きの変化を検出する、請求項３記載の３軸力覚センサ。
5. 前記第２のひずみゲージは、前記第１のひずみゲージよりも外側にある、請求項３または請求項４記載の３軸力覚センサ。
6. １対の対向する前記脚部に着設された４個の前記第１のひずみゲージについて、
   同一の前記脚部に着設された１対の前記第１のひずみゲージが、対向するようにブリッジ回路が形成される、請求項３から請求項５のいずれか記載の３軸力覚センサ。
7. 同一の前記脚部に着設された前記第２のひずみゲージが直列に接続され、
   隣接する前記脚部に着設された１対の前記第２のひずみゲージが、隣接するようにブリッジ回路が形成されている、請求項３から請求項６のいずれか記載の３軸力覚センサ。
8. 前記中心部は、力を加えるための部材を取り付けることができる機構を有する、請求項１から請求項７のいずれか記載の３軸力覚センサ。
9. 前記機構は、前記中心部に設けられたねじ切りのされた穴である、請求項８記載の３軸力覚センサ。

Images