JP2008116319A - ３軸力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 力センサのさらなる小型化、起歪部への歪みゲージの組付け作業性の向上、低コスト化等が可能な３軸力センサを提供する。
【解決手段】 円形板状の起歪部３の中心に、柱状の荷重受け部４が一体に直立させられ、起歪部３の荷重受け部４が直立させられた側と反対側の力検出面５上に、３個のホイートストンブリッジ回路１０、２０、３０の各々に組み込まれた所定数の歪みゲージが貼着されて、荷重受け部４が力を受けると、起歪部３が歪んで、３個のホイートストンブリッジ回路のうちの少なくとも１つのホイートストンブリッジ回路の平衡が崩れることにより、対応するＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の３分力のうちの少なくとも１つの分力がそれぞれ検出されるようになっている３軸力センサ１において、３個のホイートストンブリッジ回路の各々は、隣接する２辺の各辺にのみ歪みゲージを有するハーフブリッジ回路から構成されている。
【選択図】 図２

Description

本願の発明は、３軸力センサに関し、例えば、ロボットの指先に取り付けて把握力センサとして使用したり、各種機械やゲーム機などにおけるジョイスティックに使用したりするのに好適に使用され、特に力センサのさらなる小型化、起歪部への歪みゲージの組付け作業性の向上、低コスト化等を可能にした３軸力センサに関する。

３次元座標系に置かれた物体に作用する力のＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の各成分を検出するのに使用される力センサとしては、各種のものがある。これらの中で、最近、柱状の荷重受け部（荷重負荷部）の一端に板状の起歪部を一体に設け、この起歪部の荷重受け部が取り付けられた側と反対側の面（力検出面）に歪みゲージを貼り着けて、荷重受け部に加わった力に基づく該歪みゲージの電気抵抗値の変化から、その各力成分を検出するようにしたものが知られている（特許文献１、２参照）。ベクトル量としての実際の力の方向と大きさとは、各歪みゲージの電気抵抗値の変化に基づく信号がフレキシブルプリント配線基板（以下、ＦＰＣという。ＦＰＣ：Flexible Printed Circuit。）等の信号取出し用配線部材を介して制御部等の論理回路に入力されて、ここで演算されて認識される。荷重受け部は、ジョイスティックなどの操作部に相当する部分をなす。

この形式のものは、起歪部への歪みゲージの組付け作業が、荷重受け部へのその組付け作業に比べて容易であり、高精度に行えること、大量生産に適すること、荷重受け部の小型化が可能であること、歪みゲージとリードとの接続部の保護が容易で、耐環境性、耐久信頼性の面で有利であるなど、種々の利点を備えている。

しかしながら、特許文献１に記載のものは、複数の歪みゲージを組み合わせて構成されるブリッジ回路がいずれもホイートストンブリッジ回路の４辺にそれぞれ歪みゲージを有するフルブリッジ回路であり、このため、ゲージ貼着エリアが限定されるので、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の３軸方向センサとして構成するのが容易ではなく、力センサの小型化の点で、なお、課題を残したものとなっている。また、配線の引き回しが交差して複雑であり、起歪部への歪みゲージの組付け作業性の点でも、なお、課題を残したものとなっている。

また、特許文献２に記載のものは、４個の歪みゲージ素子を十字型に配列して組み合わせて、３軸方向の力を検出しているが、この場合、各素子に発生した抵抗値変化から、それに応じた信号を出すために、専用のＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circ-uit、特定用途向け集積回路）を必要としている。しかしながら、専用のＡＳＩＣを開発するのには、多大の費用を要し、製品が大量生産される場合でなければ、その費用の回収は不可能である。したがって、小ロット品の場合や、製品の開発段階の場合では、よりシンプルな構成が望ましい。また、各軸検出用回路に対して、個々に増幅回路があった方が好ましい。個々に増幅回路がある場合には、個々に補正も可能になり、高精度化が容易に行えるからである。
特開平１０−１０４０９７号公報 特開平２００１−４３０１１号公報

本願の発明は、従来の３軸力センサが有する前記のような問題点を解決して、力センサのさらなる小型化、起歪部への歪みゲージの組付け作業性の向上、低コスト化等が可能な３軸力センサを提供することを課題とする。

前記のような課題は、本願の特許請求の範囲の各請求項に記載された次のような発明により解決される。
すなわち、その請求項１に記載された発明は、円形板状の起歪部の中心に、柱状の荷重受け部が一体に直立させられ、前記起歪部の前記荷重受け部が直立させられた側と反対側の力検出面上に、３個のホイートストンブリッジ回路の各々に組み込まれた所定数の歪みゲージが貼着されて、前記荷重受け部が力を受けると、前記起歪部が歪んで、３個の前記ホイートストンブリッジ回路のうちの少なくとも１つのホイートストンブリッジ回路の平衡が崩れることにより、対応するＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の３分力のうちの少なくとも１つの分力がそれぞれ検出されるようになっている３軸力センサにおいて、３個の前記ホイートストンブリッジ回路の各々は、隣接する２辺の各辺にのみ歪みゲージを有するハーフブリッジ回路から構成されていることを特徴とする３軸力センサである。

請求項１に記載された発明は、前記のように構成されており、３個のホイートストンブリッジ回路の各々が、隣接する２辺の各辺にのみ歪みゲージを有するハーフブリッジ回路から構成されているので、ハーフブリッジ回路の歪みゲージを有しない隣接する残りの２辺に配設される固定抵抗は、起歪部の力検出面上に貼着されなくて済むことになり、起歪部の力検出面上に貼着されるそれぞれの歪みゲージに繋がる配線の引き回しが交差することなく、配線が簡易に行えて、起歪部への歪みゲージの組付け作業性が向上する。また、従来のフルブリッジ回路を用いた場合と比較して、回路構成のために必要な面積や半田付け個所が少なくなるので、３軸力センサの小型化が容易になる。

また、その請求項２に記載された発明は、請求項１に記載の３軸力センサにおいて、その（所定数の）歪みゲージを有する隣接する２辺の信号取出し用配線部材との接続部が、当該歪みゲージが起歪部の力検出面上に貼着される位置よりも半径方向に見てより外方の位置に位置するようにして配置されていることを特徴としている。

請求項２に記載された発明は、この構成により、各ハーフブリッジ回路の歪みゲージを有する隣接する２辺の信号取出し用配線部材との接続部を、歪みゲージ群が起歪部の力検出面上に貼着されて形成されるゲージパターンの外周部に位置させることができ、ゲージパターンは、力検出面上の中心部寄りに位置させられることになるので、この中心部寄りの部分のみにカバーフィルムなどを貼ることにより、センサの敏感な部分を保護することができ、３軸力センサの保護がより容易になり、耐環境性、耐久信頼性をさらに向上させることができる。

また、その請求項３に記載された発明は、請求項１又は２に記載の３軸力センサにおいて、その３個のハーフブリッジ回路のうち、Ｘ軸方向の分力を検出する１つのハーフブリッジ回路がその隣接する２辺のうちの一方の辺に有する歪みゲージと、他方の辺に有する歪みゲージとが、起歪部の力検出面の中心に対して対称で、半径方向に見てより内方もしくはより外方の第１位置に、それぞれ配置され、その３個のハーフブリッジ回路のうち、Ｙ軸方向の分力を検出する他の１つのハーフブリッジ回路がその隣接する２辺のうちの一方の辺に有する歪みゲージと、他方の辺に有する歪みゲージとが、起歪部の力検出面の中心に対して対称で、半径方向に見てより外方もしくはより内方の第２位置に、それぞれ配置され、これら第１位置と第２位置とは、互いに９０°位相が偏位させられていることを特徴としている。

請求項３に記載された発明は、この構成により、Ｘ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路が有する所定数の歪みゲージと、Ｙ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路が有する所定数の歪みゲージとが干渉したり、配線の引き回しが交差したりすることなく、配線がさらに簡易に行えて、起歪部への歪みゲージの組付け作業性がさらに向上する。特にＺ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路が有する所定数の歪みゲージが起歪部の力検出面の中心を通る直線上にさらに配置される場合には、スペースの余裕が生じて、好都合である。

また、Ｘ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路が有する所定数の歪みゲージ及びＹ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路が有する所定数の歪みゲージは、いずれも起歪部の力検出面の中心を通るＸ軸方向及びＹ軸方向に沿った直線上にそれぞれ設定されているので、測定しようとするＸ、Ｙ軸方向分力以外の力に基づく歪みゲージの電気抵抗値の変化が互いに打ち消し合い、干渉出力が理論上発生しないようにすることができる。

さらに、その請求項４に記載された発明は、請求項３に記載の３軸力センサにおいて、その３個のハーフブリッジ回路のうち、Ｚ軸方向の分力を検出する残りの１つのハーフブリッジ回路は、その隣接する２辺のうちの一方の辺に第３の歪みゲージと、第２の歪みゲージとを有し、他方の辺に第１の歪みゲージと、第４の歪みゲージとを有し、第３の歪みゲージと、第２の歪みゲージとは、起歪部の力検出面の中心に対して対称で、半径方向に見てより内方の第３位置に、それぞれ配置され、第１の歪みゲージと、第４の歪みゲージとは、起歪部の力検出面の中心に対して対称で、半径方向に見てより外方の第４位置に、それぞれ配置され、第３位置と第４位置とは、同じ位相にあって、第１位置と第２位置との間の位置にその位相が偏位させられており、第１の歪みゲージと、第２の歪みゲージと、第３の歪みゲージと、第４の歪みゲージとは、この順に並べて配置されていることを特徴としている。

請求項４に記載された発明は、この構成により、Ｚ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路が有する所定数の歪みゲージを、Ｘ、Ｙ軸方向の分力をそれぞれ検出する両ハーフブリッジ回路が有する歪みゲージ群と干渉したり、配線の引き回しが交差したりすることなく、起歪部の力検出面上に配置することができ、起歪部への歪みゲージの組付け作業性が、この面からも向上する。

また、Ｚ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路が有する所定数の歪みゲージは、いずれも起歪部の力検出面の中心を通る直線上にそれぞれ設定されているので、測定しようとするＺ軸方向分力以外の力に基づく歪みゲージの電気抵抗値の変化が互いに打ち消し合い、干渉出力が理論上発生しないようにすることができる。

また、その請求項５に記載された発明は、請求項２ないし４のいずれかに記載の３軸力センサにおいて、その接続部が、その隣接する２辺の連結点と両端点とを信号取出し用配線部材にそれぞれ接続する３つの接続ポイントを有し、該隣接する２辺の連結点を信号取り出し用配線部材に接続する接続ポイントは、他の２つの接続ポイントの中間に位置するようにして配置されていることを特徴としている。

請求項５に記載された発明は、この構成により、信号取出し用配線部材における配線が交差することがなくなるので、その接続部に片面タイプの信号取り出し用配線部材を使用することが可能になり、３軸力センサの製作コストを低減することができる。

また、その請求項６に記載された発明は、請求項２ないし５のいずれかに記載の３軸力センサにおいて、その起歪部が、起歪基体の中央部が荷重受け部が直立させられた側及びこれと反対側から同心にそれぞれ環形及び円形に抉られて、残された薄い円形板状部として形成されており、荷重受け部が直立させられた側と反対側から抉られた円形の第１半径は、荷重受け部が直立させられた側から抉られた環形の外周の第２半径より大きくされ、接続部が配置される、起歪部の力検出面上の半径方向に見てより外方の位置は、これら第１半径と第２半径との差分に相当する幅を有する環状領域内の位置とされていることを特徴としている。

請求項６に記載された発明は、この構成により、各ハーフブリッジ回路の歪みゲージを有する隣接する２辺の信号取出し用配線部材との接続部が配置される、起歪部の力検出面上の半径方向に見てより外方の位置が、荷重受け部が直立させられた側と反対側からは円形に抉られるが、荷重受け部が直立させられた側からは環形に抉られない、起歪部の力検出面上の外周部の環状領域内の位置とされることになり、この位置は、起歪部の厚さが厚い領域内の位置であるから、歪み量が少ない領域で半田接合を行うことが可能になり、それによって半田付け部の損傷を防止できる一方で、３個のホイートストンブリッジ回路をそれぞれ構成する歪みゲージは起歪部の厚さが薄い領域内に貼着されることから、荷重受け部に加わる力が微小の場合であっても、半田付け部の剛性がセンサの感度に影響しないようにすることができる。

前記のとおり、本願の発明の３軸力センサによれば、３個のホイートストンブリッジ回路の各々が、隣接する２辺の各辺にのみ歪みゲージを有するハーフブリッジ回路から構成されているので、ハーフブリッジ回路の歪みゲージを有しない隣接する残りの２辺に配設される固定抵抗は、起歪部の力検出面上に貼着されなくて済むことになり、起歪部の力検出面上に貼着されるそれぞれの歪みゲージに繋がる配線の引き回しが交差することなく、配線が簡易に行えて、起歪部への歪みゲージの組付け作業性が向上する。また、従来のフルブリッジ回路を用いた場合と比較して、回路構成のために必要な面積や半田付け個所が少なくなるので、３軸力センサの小型化が容易になる。

また、各ハーフブリッジ回路の歪みゲージを有する隣接する２辺の信号取出し用配線部材との接続部を、歪みゲージ群が起歪部の力検出面上に貼着されて形成されるゲージパターンの外周部に位置させることができ、ゲージパターンは、力検出面上の中心部寄りに位置させられることになるので、この中心部寄りの部分のみにカバーフィルムなどを貼ることにより、センサの敏感な部分を保護することができ、３軸力センサの保護がより容易になり、耐環境性、耐久信頼性をさらに向上させることができる。

また、その接続部が、その歪みゲージを有する隣接する２辺の連結点と両端点とを信号取出し用配線部材にそれぞれ接続する３つの接続ポイントを有し、該隣接する２辺の連結点を信号取り出し用配線部材に接続する接続ポイントが、他の２つの接続ポイントの中間に位置するようにして配置されているので、信号取出し用配線部材の配線が交差することがなくなり、その接続部に片面タイプの信号取り出し用配線部材を使用することが可能になり、３軸力センサの製作コストを低減することができる。

さらに、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向のそれぞれの分力を検出する３つのハーフブリッジ回路が有する複数の歪みゲージ同志が干渉したり、配線の引き回しが交差したりすることなく、配線がさらに簡易に行えて、起歪部への歪みゲージの組付け作業性がさらに向上する。特にＺ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路が有する所定数の歪みゲージが起歪部の力検出面の中心を通る直線上に配置される場合に、スペースの余裕が生じて、好都合である。

また、Ｘ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路が有する所定数の歪みゲージ及びＹ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路が有する所定数の歪みゲージは、いずれも起歪部の力検出面の中心を通るＸ軸方向及びＹ軸方向に沿った直線上にそれぞれ設定されており、Ｚ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路が有する所定数の歪みゲージは、いずれも起歪部の力検出面の中心を通る直線上にそれぞれ設定されているので、それぞれのハーフブリッジ回路において、測定しようとする方向の分力以外の力に基づく各歪みゲージの電気抵抗値の変化が互いに打ち消し合い、干渉出力が理論上発生しないようにすることができる。
その他、前記したような効果を奏することができる。

円形板状の起歪部の中心に、柱状の荷重受け部が一体に直立させられ、起歪部の荷重受け部が直立させられた側と反対側の力検出面上に、３個のブリッジ回路の各々に組み込まれた所定数の歪みゲージが貼着されて、荷重受け部が力を受けると、起歪部が歪んで、３個のブリッジ回路のうちの少なくとも１つのブリッジ回路の平衡が崩れることにより、電圧変化が生じ、対応するＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の３分力のうちの少なくとも１つの分力がそれぞれ検出されるようになっている３軸力センサにおいて、３個のブリッジ回路の各々を、隣接する２辺の各辺にのみ歪みゲージを有するハーフブリッジ回路から構成する。信号取出し用配線部材としては、例えばＦＰＣを用いればよい。

これら隣接する２辺の信号取出し用ＦＰＣとの接続部は、歪みゲージが起歪部の力検出面上に貼着される位置よりも半径方向に見てより外方の位置に位置するようにして配置することとする。また、この接続部は、その隣接する２辺の連結点と両端点とを信号取出し用配線部材にそれぞれ接続する３つの接続ポイントを有し、該隣接する２辺の連結点を信号取り出し用配線部材に接続する接続ポイントが、他の２つの接続ポイントの中間に位置するようにして配置することとする。

３個のハーフブリッジ回路のうち、Ｘ軸方向の分力を検出する１つのハーフブリッジ回路がその隣接する２辺のうちの一方の辺に有する歪みゲージと、他方の辺に有する歪みゲージとは、起歪部の力検出面の中心に対して対称で、半径方向に見てより内方もしくはより外方の第１位置に、それぞれ配置し、３個のハーフブリッジ回路のうち、Ｙ軸方向の分力を検出する他の１つのハーフブリッジ回路がその隣接する２辺のうちの一方の辺に有する歪みゲージと、他方の辺に有する歪みゲージとは、起歪部の力検出面の中心に対して対称で、半径方向に見てより外方もしくはより内方の第２位置に、それぞれ配置することとする。これら第１位置と第２位置とは、互いに９０°位相を偏位させるものとする。

さらに、３個のハーフブリッジ回路のうち、Ｚ軸方向の分力を検出する残りの１つのハーフブリッジ回路は、その隣接する２辺のうちの一方の辺に第３の歪みゲージと、第２の歪みゲージとを有し、他方の辺に第１の歪みゲージと、第４の歪みゲージとを有するものとし、第３の歪みゲージと、第２の歪みゲージとは、起歪部の力検出面の中心に対して対称で、半径方向に見てより内方の第３位置に、それぞれ配置し、第１の歪みゲージと、第４の歪みゲージとは、起歪部の力検出面の中心に対して対称で、半径方向に見てより外方の第４位置に、それぞれ配置することとする。これら第３位置と第４位置とは、同じ位相にあって、第１位置と第２位置との間にその位相を偏位させる。第１の歪みゲージと、第２の歪みゲージと、第３の歪みゲージと、第４の歪みゲージとは、この順に並べて配置するものとする。

次に、本願の発明の実施例について説明する。
図１は、本実施例の３軸力センサの縦断面図、図２は、同底面図、図３は、同３軸力センサの起歪部周辺部の分解斜視図、図４は、同３軸力センサの信号取り出し用配線部材の要部の平面図、図５は、同３軸力センサにおいて、Ｘ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路の歪みゲージを有する一半部分を示す図、図６は、同じくＹ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路の歪みゲージを有する一半部分を示す図、図７は、同じくＺ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路の歪みゲージを有する一半部分を示す図、図８〜図１０は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の分力をそれぞれ検出するハーフブリッジ回路の作用説明図であって、当該ハーフブリッジ回路を併せて示す図、図１１は、同３軸力センサのセンサ部（３軸力センサに搭載される回路部分）と増幅回路部とを含む全体回路図である。

本実施例の３軸力センサは、小型であるため、ロボットの指先に取り付けて把握力センサとして使用したり、各種機械やゲーム機などにおけるジョイスティックに使用したりするのに好適であり、単純に方向を決めるだけでなく、力の大きさに応じた信号を出力することができるので、アクチュエータに発生させる力やスピードの制御が可能なものである。

その全体構成は、概略、図１及び図２に図示されるように、円形板状の起歪部３の中心に、柱状の荷重受け部４が一体に直立させられ、起歪部３の荷重受け部４が直立させられた側と反対側の力検出面５上に、所定数の歪みゲージがそれぞれ組み込まれた３個のホイートストンブリッジ回路（以下、簡単に「ブリッジ回路」と略称する場合がある。）が貼着されることにより構成されている。

以下、図１〜図４を参照して、本実施例を詳細に説明する。
本実施例では、図２に示される３つのブリッジ回路１０、２０、３０の一半部を構成する８個の歪みゲージとそれらを繋ぐ配線とを、金属薄膜によって、シート状フィルムである円形ベース９上に形成している。円形ベース９上にこれら歪みゲージＸ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２、Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４及び配線を金属薄膜によって形成する方法としては、フォトエッチング、インク印刷、蒸着、スパッタリング等種々の方法がある。いずれかの方法で形成された歪みゲージと配線とは、各接続ポイントのみを外部に露出するようにして、絶縁体からなる保護膜で覆われている。歪みゲージと配線とを形成した薄い円形ベース９は、起歪部３の力検出面５上に位置決めされて、接着剤で貼着される。このように、全ての歪みゲージを１枚の円形ベース９上に集約すると、歪みゲージを力検出面５上に正確かつ容易に配置することができる。

次いで、図３に図示されるように、重ね合わせたときに歪みゲージと配線とが形成された円形ベース９上の各接続ポイントＡ、Ｂ、Ｃと一致する位置に接続ポイントＡ、Ｂ、Ｃを設けた配線パターンが形成された信号取り出し用配線部材（ＦＰＣ）６を、円形ベース９に重ね、円形ベース９上の接続ポイントとＦＰＣ６上の接続ポイント同志を半田付けして、信号取り出し用ＦＰＣを円形ベース９上に固定する。

円形ベース９は、図１に図示されるように、起歪部３の力検出面５上に貼り付けられ、さらに、これに重ねて信号取出し用ＦＰＣ６が配置されている。信号取出し用ＦＰＣ６は、後述するように、円形ベース９に重ねられる円形部と信号を引き出す直線部とから成るが、この円形部の外径は、円形ベース９の外径よりも少し小さくなっている。そこで、同図に図示されるように、対向する接続部同志を半田で盛って繋げて接続することができる。
図２は、本実施例の３軸力センサ１の底面図であるが、信号取出し用ＦＰＣ６については、直線部とその部分の配線の一部のみを描いており、それより奥に位置する円形ベース９については、その詳細を描いている。この円形ベース９上の配線については、後で詳述する。

図３において、起歪部３、円形ベース９、信号取出し用ＦＰＣ６の位置関係は、図１におけるそれらの位置関係と上下が逆になっている。同図において、円形ベース９上に形成された各歪みセンサは、四角形で示され、また、同じく円形ベース９上に形成された３つの接続部Ａ、Ｂ、Ｃは、円形ベース９の周辺部に、各接続部に含まれる３つの接続ポイントが円弧状に並ぶようにして、それぞれ示されている。これらの間の配線は、図２に示されているとおりであるが、図３では省略されている。

図３において、信号取出し用ＦＰＣ６の配線は、円形ベース９との接続部Ａ、Ｂ、Ｃ付近のみが示されており、その全体の配線は、後でも述べるとおり、図４に示されている。ここで、図１の断面図にも表れているとおり、円形ベース９の外径に対して信号取出し用ＦＰＣ６の円形部の外径は少し小さくされており、対応する各接続部Ａ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃの間に渡って半田を盛ることにより、円形ベース９と信号取出し用ＦＰＣ６との間の配線接続が行われる。

なお、以上は、３軸力センサ１の小型化及び省力化に適した構成であるが、これに限られることなく、例えば、信号取出し用ＦＰＣ６に代えて、円形ベース９上のそれぞれの回路パターンの接続ポイントに個別にリード線を半田付けしたり、円形ベース９に代えて、８個の単軸歪みゲージを力検出面５上に貼着するなど、他の構成が適宜採用されても良い。

図４は、信号取出し用ＦＰＣ６の配線パターンの例を示す。円形ベース９の外側周辺部に配置された各接続部Ａ、Ｂ、Ｃ及び信号取出し用ＦＰＣ６の円形部の外側周辺部に配置された各接続部Ａ、Ｂ、Ｃを図２及び図３に図示されるように配置することにより、信号取出し用ＦＰＣ６の配線パターンを交差するところなく形成することができる。

本実施例において、３個のブリッジ回路１０、２０、３０の各々は、特にハーフブリッジ回路として構成されている。これらのハーフブリッジ回路１０、２０、３０は、図５〜図７においては、歪みゲージをそれらの隣接する２辺の各辺に有する一半部のみが示され、図８（ｄ）〜図１０（ｄ）においては、一半部と他半部とを含む全部が示されている。３個のハーフブリッジ回路１０、２０、３０の詳細については、後述する。
なお、普通、ブリッジ回路と呼ばれるものは、他半部を構成する隣接する２辺にも歪みゲージを有するフルブリッジ回路を指すことが多いが、本実施例におけるブリッジ回路は、他半部を構成する隣接する２辺に歪みゲージを有さず、代わりに固定抵抗を有しており、フルブリッジ回路に対してハーフブリッジ回路と呼ばれるものになっている。

このようにして構成された３軸力センサ１においては、荷重受け部４がキャップ７を介してＸ、Ｙ、Ｚ軸方向のいずれかの方向に力を受けると、起歪部５が歪んで、３個のハーフブリッジ回路１０、２０、３０のうちの少なくとも１つのハーフブリッジ回路の平衡が崩れることにより、対応するＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の３分力のうちの少なくとも１つの分力がそれぞれ検出されるようになっている。

起歪部３は、短い円柱状ブロック体である起歪基体２の中央部が、荷重受け部４が直立させられた側及びこれと反対側から同心にそれぞれ環形及び円形に抉られて、残された薄い円形板状部として形成されており、荷重受け部４が直立させられた側と反対側から抉られた円形の第１半径Ｒ１は、荷重受け部４が直立させられた側から抉られた環形の外周の第２半径Ｒ２より大きくされている。そして、これら第１半径Ｒ１と第２半径Ｒ２との差分に相当する幅を有する環状領域Ｓが、起歪部３の力検出面５の外周部に残されている。起歪部３において、この環状領域Ｓが残される部分の肉厚は、それより内周部分の肉厚よりも厚く、高い剛性が確保されており、３個のハーフブリッジ回路１０、２０、３０の各々の歪みゲージを有する一半部が形成された円形ベース９が信号取出し用ＦＰＣ６に接続される接続部（接続ポイント１、２、３を含む）は、この環状領域Ｓ内に位置するようにして配置されている（図２参照）。

起歪基体２の材質としては、アルミ合金が多く使われるが、これに限定されず、合金工具鋼、ステンレス鋼、セラミック、プラスチック等、種々の材料が適用可能である。なお、図１において、符号８は、３軸力センサ１をボルトねじ等で適用母体に固定するためのねじ孔を示す。

ここで、３個のハーフブリッジ回路１０、２０、３０の各々は、いずれも、図５〜図７及び図８（ｄ）〜図１０（ｄ）にそれぞれ図示されるように、その一半部の隣接する２辺の各辺にのみ歪みゲージを有するようにして構成されている。
すなわち、Ｘ軸方向の分力Ｆｘを検出するハーフブリッジ回路１０は、その一半部の連結点ｄを介して隣接する２辺のうちの一方の辺ｄａに歪みゲージＸ１を有し、他方の辺ｃｄに歪みゲージＸ２を有するようにして構成されている。また、Ｙ軸方向の分力Ｆｙを検出するブリッジ回路２０は、その一半部の連結点ｄを介して隣接する２辺のうちの一方の辺ｄａに歪みゲージＹ１を有し、他方の辺ｃｄに歪みゲージＹ２を有するようにして構成されている。さらに、Ｚ軸方向の分力Ｆｚを検出するブリッジ回路３０は、その一半部の連結点ｄを介して隣接する２辺のうちの一方の辺ｄａに第３の歪みゲージＺ３、第２の歪みゲージＺ２を有し、他方の辺ｃｄに第１の歪みゲージＺ１、第４の歪みゲージＺ４を有するようにして構成されている。

ハーフブリッジ回路１０、２０、３０の各々は、対になる他半部を、別途設けられた増幅回路部５０（図１１参照）に有している。増幅回路部５０を含めた構成は、例えば、図１１に図示されるようなものであり、後述する。ハーフブリッジ回路１０、２０、３０の各々の一半部は、その両端点ａ、ｃ、連結点ｄのそれぞれの接続ポイント１、３、２（図５〜図７参照）及び信号取出し用ＦＰＣ６のＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ対応部分のうちのいずれか（図２参照）を介して、この他半部に接続されている。そして、これら一半部と他半部とが組み合わせられて、それぞれのハーフブリッジ回路１０、２０、３０が構成されている。このようにして構成されたハーフブリッジ回路１０、２０、３０が、図８（ｄ）、図９（ｄ）、図１０（ｄ）にそれぞれ図示されている。これらの図は、信号取出し用ＦＰＣ６が省略され、両端点ａ、ｃが一半部と他半部とで共用されて、これら両半部の連結点とされた、等価回路として図示されている。

ハーフブリッジ回路１０の他半部は、図８（ｄ）に図示されるように、その連結点ｂを介して隣接する２辺のうちの一方の辺ｂｃに固定抵抗Ｘ３を有し、他方の辺ａｂに固定抵抗Ｘ４を有している。これらの固定抵抗Ｘ３、Ｘ４は、歪みによる抵抗変化はないものである。したがって、これらは、起歪部３の力検出面５上に貼着される必要はなく、増幅回路部５０において回路構成されて良いものである。同様にして、ｂｄ間に印加される電源電圧も、増幅回路部５０において回路構成されて良い。固定抵抗Ｘ３、Ｘ４は、歪ゲージＸ１、Ｘ２に歪が生じていないときにはブリッジ回路の平衡が取れるように、すなわちａｃ間で検出される電圧Ｅａｃがゼロとなるように適宜選択される。分力Ｆｘによって歪ゲージＸ１、Ｘ２に歪が生じて抵抗値が変化した時は、ハーフブリッジ回路１０の平衡が崩れるが、その際にａｃ間で検出される電圧Ｅａｃは、Ｆｘの大きさを示しており、増幅回路部５０において増幅されて、アクチュエータを作動させるための指令信号や表示信号のＸ軸方向成分を出力する。

同様にして、ハーフブリッジ回路２０、３０の各他半部（図９（ｄ）、図１０（ｄ）参照）の固定抵抗Ｙ３、Ｙ４；Ｚ５、Ｚ６も、歪みによる抵抗変化はなく、電源電圧とともに、増幅回路部５０において回路構成されて良い。分力Ｆｙ、Ｆｚによってこれらのハーフブリッジ回路２０、３０においてブリッジ回路の平衡が崩れた際に、ａｃ間で検出される電圧Ｅａｃは、Ｆｙ、Ｆｚの大きさをそれぞれ示しており、増幅回路部５０において増幅されて、アクチュエータを作動させるための指令信号や表示信号のＹ、Ｚ軸方向成分を出力する。

図１１は、センサ部（３軸力センサ１に搭載される部分）と増幅回路部50との全体を示す図である。ここで、増幅回路部５０には、アンプ以外に、電源部や信号処理部も含まれている。同図において、センサ部には、各ハーフブリッジ回路１０、２０、３０の一半部を形成する歪みゲージＸ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２、Ｚ１〜Ｚ４がそれぞれ搭載されている。これらの歪みゲージの各端は、信号取出し用ＦＰＣ６の基板を介して増幅回路部５０へと接続される。増幅回路部５０では、各ハーフブリッジ回路１０、２０、３０の他半部を形成する抵抗Ｘ３、Ｘ４、Ｙ３、Ｙ４、Ｚ５、Ｚ６がそれぞれ搭載されて、センサ部と処理部とに跨って、ハーフブリッジ回路１０、２０、３０がそれぞれ形成されている。

各ハーフブリッジ回路１０、２０、３０に供給される電源電圧は、増幅回路部５０内の電源部よりそれぞれ供給される。各ハーフブリッジ回路１０、２０、３０からの出力は、それぞれアンプ１〜３で示す３つの増幅回路へと入力され、その出力が、それぞれのハーフブリッジ回路１０、２０、３０による歪み検出信号Ｆｘ信号、Ｆｙ信号、Ｆｚ信号として、信号処理部（例えばマイクロプロセッサ）に供給される。これらの信号を元に、信号処理部では、例えば、ロボットの腕などの制御対象を制御する制御信号や、図示されない表示デバイスに歪みに関連する情報を提示するための表示信号を作成し、制御対象や表示デバイスへと出力する。

なお、図３に図示される起歪部３周辺部の構成は、３軸力センサ１に載せる電気部品を極力少なくし、その大きさを小さく構成するのに有利な構成であるが、他の構成ももちろん考えられる。例えば、信号取出し用ＦＰＣ６の基板上に各ハーフブリッジ回路１０、２０、３０の他半部を構成する抵抗を置いたり、アンプも含めて信号取出し用ＦＰＣ６の基板上に実装したり、さらには、他半部を構成する抵抗を、アンプを構成するＩＣの中に内蔵することもできる。

次に、円形ベース９上に３個のハーフブリッジ回路１０、２０、３０を配置する態様について、詳細に説明する。なお、ここでは、円形ベース９が起歪部３の力検出面５上に貼着されたとして、その配置態様を説明することとする。

先ず、Ｘ、Ｙ軸方向の分力Ｆｘ、Ｆｙをそれぞれ検出するハーフブリッジ回路１０、２０を円形ベース９上に配置する態様について説明する。
Ｘ軸方向の分力Ｆｘを検出するハーフブリッジ回路１０の一半部（図５参照）がその隣接する２辺のうちの一方の辺ｄａに有する歪みゲージＸ１と、他方の辺ｃｄに有する歪みゲージＸ２とは、図２に図示されるように、起歪部３の力検出面５の中心に対して対称で、半径方向に見てより内方の第１位置に、それぞれ配置されている。また、Ｙ軸方向の分力Ｆｙを検出するハーフブリッジ回路２０の一半部（図６参照）がその隣接する２辺のうちの一方の辺ｄａに有する歪みゲージＹ１と、他方の辺ｃｄに有する歪みゲージＹ２とは、同じく図２に図示されるように、起歪部３の力検出面５の中心に対して対称で、半径方向に見てより外方の第２位置に、それぞれ配置されている。そして、これら第１位置と第２位置とは、互いに９０°位相が偏位させられているものである。
なお、歪みゲージＸ１、Ｘ２の力検出面５の中心に対する位置関係、歪みゲージＹ１、Ｙ２の力検出面５の中心に対する位置関係は、相互に転換されても構わない。これらの歪みゲージが、力検出面５上で互いに干渉し合うことはない。

ハーフブリッジ回路１０の配線は、ハーフブリッジ回路１０の一半部の連結点ｄを信号取出し用ＦＰＣ６との接続点２に接続し、その両端点ａ、ｃを信号取出し用ＦＰＣ６との接続点１、３に接続するための配線が、図２において、連結点ｄを接続点２に接続するための配線が歪みゲージＸ１を常に左方に見るようにしながら、力検出面５の略１／４〜３／４半周を反時計方向に引き回しされている。この場合において、連結点ｄを接続点２に接続するための配線は、常に、両端点ａ、ｃを接続点１、３に接続するための２つの配線の間にあるようにされている。これらの配線は、相互に交差することがなく、配線を円形ベース９上に形成する際に単層のパターンとして容易に形成できるため、安価に行えるものである。これらの接続点１、２、３は、図２において、力検出面５の外周部の上方領域Ａ内の位置に、接続点２が常に中心に位置するようにして、並べて配置されている。この領域Ａは、歪みゲージＸ１、Ｘ２が力検出面５に貼着される位置よりも半径方向に見てより外方であって、前記第２位置と略同じ位相の位置にあり、同時に、前記した環状領域Ｓ内の位置にある。

ハーフブリッジ回路２０の配線は、ハーフブリッジ回路２０の一半部の連結点ｄを信号取出し用ＦＰＣ６との接続点２に接続し、その両端点ａ、ｃを信号取出し用ＦＰＣ６との接続点１、３に接続するための配線が、図２において、力検出面５の左略１／４半周をその外周部に略沿って時計回り及び反時計回りに引き回しされている。この場合において、連結点ｄを接続点２に接続するための配線は、常に、両端点ａ、ｃを接続点１、３に接続するための２つの配線の間にあるようにされている。これらの配線は、相互に交差することがないし、もちろん、ハーフブリッジ回路１０の配線と交差することはなく、簡易に行えるものである。これらの接続点１、２、３は、図２において、力検出面５の外周部の左方領域Ｂ内の位置に、接続点２が常に中心に位置するようにして、並べて配置されている。この領域Ｂは、歪みゲージＹ１、Ｙ２が力検出面５に貼着される位置よりも半径方向に見てより外方であって、前記第１位置と略同じ位相の位置にあり、同時に、前記した環状領域Ｓ内の位置にある。

次に、Ｚ軸方向の分力Ｆｚを検出するハーフブリッジ回路３０を円形ベース９上に配置する態様について説明する。
Ｚ軸方向の分力Ｆｚを検出するハーフブリッジ回路３０の一半部（図７参照）は、その隣接する２辺のうちの一方の辺ｄａに第３の歪みゲージＺ３と、第２の歪みゲージＺ２とを有し、他方の辺ｃｄに第１の歪みゲージＺ１と、第４の歪みゲージＺ４とを有している。そして、第３の歪みゲージＺ３と、第２の歪みゲージＺ２とは、図２に図示されるように、起歪部３の力検出面５の中心に対して対称で、半径方向に見てより内方の第３位置に、それぞれ配置され、第１の歪みゲージＺ１と、第４の歪みゲージＺ４とは、同じく図２に図示されるように、起歪部５の力検出面５の中心に対して対称で、半径方向に見てより外方の第４位置に、それぞれ配置されている。これら第３位置と第４位置とは、同じ位相にあって、第１位置と第２位置との間の位置にその位相が偏位させられている。また、この場合において、第１の歪みゲージＺ１と、第２の歪みゲージＺ２と、第３の歪みゲージＺ３と、第４の歪みゲージＺ４とは、この順に並べて配置されている。

ハーフブリッジ回路３０の配線は、ハーフブリッジ回路３０の一半部の連結点ｄを信号取出し用ＦＰＣ６との接続点２に接続し、その両端点ａ、ｃを信号取出し用ＦＰＣ６との接続点１、３に接続するための配線が、図２において、ハーフブリッジ回路１０、２０の配線間を縫うようにして、力検出面５の略１／４〜３／４半周を反時計方向に引き回しされている。この場合において、連結点ｄを接続点２に接続するための配線は、常に、両端点ａ、ｃを接続点１、３に接続するための２つの配線の間にあるようにされている。これらの配線は、相互に交差することがないし、もちろん、ハーフブリッジ回路１０、２０の配線と交差することはなく、簡易に行えるものである。これらの接続点１、２、３は、図２において、力検出面５の外周部の右方領域Ｃ内の位置に、接続点２が常に中心に位置するようにして、並べて配置されている。この領域Ｃは、歪みゲージＺ１〜Ｚ４が力検出面５に貼着される位置よりも半径方向に見てより外方であって、起歪部３の力検出面５の中心を隔てて領域Bと反対側の位置にあり、同時に、前記した環状領域Ｓ内の位置にある。

以上に説明したように、３個のハーフブリッジ回路１０、２０、３０の配線は、起歪部３の力検出面５上において、互いに領域を分け合って行われていて、交差することがなく、配線を円形ベース９上に形成する際に単層のパターンとして容易に形成できるため、安価に行えるものである。また、信号取出し用ＦＰＣ６のＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ対応部分の配線も、交差することがない。

３個のブリッジ回路をハーフブリッジ回路１０、２０、３０で構成することは、金属箔歪みゲージに対して有効であるばかりでなく、印刷式厚膜抵抗回路に対しても有効である。ハーフブリッジ回路にすることにより、歪みゲージを配置するために要するスペースや半田付け個所が少なくなり、配線も交差させずに済むので、３軸力センサ１の小型化が容易に行える。３軸力センサ１の大きさは、用途に応じて、巨大なものから指先サイズのものまで、種々のサイズのものを製作可能である。

次に、ハーフブリッジ回路１０、２０、３０の作用について説明する。
先ず、ハーフブリッジ回路１０の作用について説明する。
図８（ａ）〜（ｃ）は、３軸力センサ１にＸ、Ｚ軸方向の分力Ｆｘ、Ｆｚが作用する場合のハーフブリッジ回路１０の作用説明図である。これらの図を参照して、３軸力センサ１にＸ軸の正方向に分力＋Ｆｘが作用する場合（図８（ａ））には、歪みゲージＸ１に引張り歪み＋Δε１が生じ、歪みゲージＸ２に圧縮歪み−Δε２が生じ、Δε１＝Δε２＝Δεとなる。また、３軸力センサ１にＸ軸の負方向に分力−Ｆｘが作用する場合（図８（ｂ））には、歪みゲージＸ１に圧縮歪み−Δε１が生じ、歪みゲージＸ２に引張り歪み＋Δε２が生じ、Δε１＝Δε２＝Δεとなる。さらに、３軸力センサ１にＺ軸の正方向に分力＋Ｆｚが作用する場合（図８（ｃ））には、歪みゲージＸ１に引張り歪み＋Δε１が生じ、歪みゲージＸ２に引張り歪み＋Δε２が生じ、Δε１＝Δε２＝Δεとなる。

そこで、これらの場合に、ハーフブリッジ回路１０の出力Ｅａｃは、既知の公式により、それぞれ次のようになる。ここで、Ｆはゲージ係数、Ｅはブリッジ回路への印加電圧である。
Ｘ軸の正方向に分力＋Ｆｘが作用する場合（図８（ａ））：
Ｅａｃ＝ＦＥ／４（０＋（Δε）−（−Δε）＋０）＝ＦＥ／４（＋２Δε）
Ｘ軸の負方向に分力−Ｆｘが作用する場合（図８（ｂ））：
Ｅａｃ＝ＦＥ／４（０＋（−Δε）−（Δε）＋０）＝ＦＥ／４（−２Δε）
Ｚ軸の正方向に分力＋Ｆｚが作用する場合（図８（ｃ））：
Ｅａｃ＝ＦＥ／４（０＋（Δε）−（Δε）＋０）＝ＦＥ／４（０）＝０
以上のとおり、分力＋Ｆｘ、−Ｆｘに応じて、その分力によって生じる歪の２倍である＋２Δε、−２Δεに比例する出力信号（電圧）Ｅａｃが得られるが、分力＋Ｆｚによる信号は０であり、これによる干渉出力はない。また、分力＋Ｆｙ、−Ｆｙに対しても、歪みゲージＸ１、Ｘ２が中立軸上にあるため、これらによる干渉出力はないことになる。

次に、ハーフブリッジ回路２０の作用について説明する。
図９（ａ）〜（ｃ）は、３軸力センサ１にＹ、Ｚ軸方向の分力Ｆｙ、Ｆｚが作用する場合のハーフブリッジ回路２０の作用説明図である。この場合も、３軸力センサ１にＸ、Ｚ軸方向の分力Ｆｘ、Ｆｚが作用する場合と同様にして、次のようなハーフブリッジ回路２０の出力Ｅａｃが得られる。但し、この場合には、Ｚ軸方向の分力Ｆｚの作用に対し、歪みゲージＹ１に圧縮歪み−Δε１が生じ、歪みゲージＹ２に圧縮歪み−Δε２が生じ、Δε１＝Δε２＝Δεとなることに注意する必要がある。
Ｙ軸の正方向に分力＋Ｆｙが作用する場合（図９（ａ））：
Ｅａｃ＝ＦＥ／４（０＋（Δε）−（−Δε）＋０）＝ＦＥ／４（＋２Δε）
Ｙ軸の負方向に分力−Ｆｙが作用する場合（図９（ｂ））：
Ｅａｃ＝ＦＥ／４（０＋（−Δε）−（Δε）＋０）＝ＦＥ／４（−２Δε）
Ｚ軸の正方向に分力＋Ｆｚが作用する場合（図９（ｃ））：
Ｅａｃ＝ＦＥ／４（０＋（−Δε）−（−Δε）＋０）＝ＦＥ／４（０）＝０
以上のとおり、分力＋Ｆｙ、−Ｆｙに応じて、その分力によって生じる歪の２倍である＋２Δε、−２Δεに比例する出力信号（電圧）Ｅａｃが得られるが、分力＋Ｆｚによる信号は０であり、これによる干渉出力はない。また、分力＋Ｆｘ、−Ｆｘに対しても、歪みゲージＹ１、Ｙ２が中立軸上にあるため、これらによる干渉出力はないことになる。

次に、ハーフブリッジ回路３０の作用について説明する。
図１０（ａ）〜（ｃ）は、３軸力センサ１にＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の分力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚが作用する場合のハーフブリッジ回路１０の作用説明図である。これらの図を参照して、３軸力センサ１にＸ、Ｙ軸の正方向に分力＋Ｆｘ、＋Ｆｙのいずれかが作用する場合（図１０（ａ））には、歪みゲージＺ１に引張り歪み＋Δε１が生じ、歪みゲージＺ２に引張り歪み＋Δε２が生じ、歪みゲージＺ３に圧縮歪み−Δε３が生じ、歪みゲージＺ４に圧縮歪み−Δε４が生じ、Δε１＝Δε４＝Δεｏ、Δε２＝Δε３＝Δεｉとなる。また、３軸力センサ１にＸ、Ｙ軸の負方向に分力−Ｆｘ、−Ｆｙのいずれかが作用する場合（図１０（ｂ））には、歪みゲージＺ１に圧縮歪み−Δε１が生じ、歪みゲージＺ２に圧縮歪み−Δε２が生じ、歪みゲージＺ３に引張り歪み＋Δε３が生じ、歪みゲージＺ４に引張り歪み＋Δε４が生じ、Δε１＝Δε４＝Δεｏ、Δε２＝Δε３＝Δεｉとなる。さらに、３軸力センサ１にＺ軸の正方向に分力＋Ｆｚが作用する場合（図１０（ｃ））には、歪みゲージＺ１に圧縮歪み−Δε１が生じ、歪みゲージＺ２に引張り歪み＋Δε２が生じ、歪みゲージＺ３に引張り歪み＋Δε３が生じ、歪みゲージＺ４に圧縮歪み−Δε４が生じ、Δε１＝Δε４＝Δεｏ、Δε２＝Δε３＝Δεｉとなる。

そこで、これらの場合に、ハーフブリッジ回路３０の出力Ｅａｃは、既知の公式により、それぞれ次のようになる。
３軸力センサ１にＸ、Ｙ軸の正方向に分力＋Ｆｘ、＋Ｆｙのいずれかが作用する場合（図１０（ａ））：
歪みゲージＺ２、Ｚ３の歪み合計＝＋Δε２−Δε３＝＋Δεｉ−Δεｉ＝０
歪みゲージＺ１、Ｚ４の歪み合計＝＋Δε１−Δε４＝＋Δεｏ−Δεｏ＝０
よって、この場合には、干渉出力はない。
３軸力センサ１にＸ、Ｙ軸の負方向に分力−Ｆｘ、−Ｆｙのいずれかが作用する場合（図１０（ｂ））：
歪みゲージＺ２、Ｚ３の歪み合計＝−Δε２＋Δε３＝−Δεｉ＋Δεｉ＝０
歪みゲージＺ１、Ｚ４の歪み合計＝−Δε１＋Δε４＝−Δεｏ＋Δεｏ＝０
よって、この場合にも、干渉出力はない。
３軸力センサ１にＺ軸の正方向に分力＋Ｆｚが作用する場合（図１０（ｃ））：
歪みゲージＺ２、Ｚ３の歪み合計＝＋Δε２＋Δε３＝＋Δεｉ＋Δεｉ＝＋２Δεｉ
歪みゲージＺ１、Ｚ４の歪み合計＝−Δε１−Δε４＝−Δεｏ−Δεｏ＝−２Δεｏ
よって、ハーフブリッジ回路３０の出力Ｅａｃは、既知の公式により、
Ｅａｃ＝ＦＥ／４（０＋（＋Δε２＋Δε３）−（−Δε１−Δε４）＋０）
＝ＦＥ／４（２Δεｉ＋２Δεｏ）
以上のとおり、分力Ｆｘ、Ｆｙによる干渉出力はないが、分力＋Ｆｚに対しては、４個の歪みゲージＺ１〜Ｚ４の合計歪みに応じた出力信号（電圧）Ｅａｃが得られることになる。

本実施例の３軸力センサ１は、前記のように構成されているので、次のような効果を奏することができる。
３軸力センサ１の起歪部３の力検出面５上に貼着された３個のブリッジ回路の各々が、隣接する２辺の各辺にのみ歪みゲージを有するハーフブリッジ回路１０、２０、３０から構成されているので、歪みゲージを有しない（固定抵抗のみを有する）隣接する残りの２辺の固定抵抗は、起歪部３の力検出面５上に貼着されなくて済むことになり、起歪部３の力検出面５上に貼着されるそれぞれの歪みゲージに繋がる配線の引き回しが交差することなく、簡易に行え、起歪部３への歪みゲージの組付け作業性が向上する。また、従来のフルブリッジ回路を用いた場合と比較して、回路構成のために必要な面積や半田付け個所が少なくなるので、３軸力センサ１の小型化が容易になる。

また、３個のハーフブリッジ回路１０、２０、３０の各々の歪みゲージを有する隣接する２辺、換言すれば、各ハーフブリッジ回路１０、２０、３０の歪みゲージを有する一半部、の信号取出し用ＦＰＣ６との接続部が、当該ハーフブリッジ回路に組み込まれた所定数の歪みゲージが起歪部３の力検出面５上に貼着される位置よりも半径方向に見てより外方の位置に位置するように配置されているので、各ハーフブリッジ回路１０、２０、３０の一半部の信号取出し用ＦＰＣ６との接続部を、これら歪みゲージ群が起歪部３の力検出面５上に貼着されて形成されるゲージパターンの外周部に位置させることができ、ゲージパターンは、力検出面５上の中心部寄りに位置させられることになり、この中心部寄りの部分のみにカバーフィルムなどを貼ることにより、センサの敏感な部分を保護することができ、３軸力センサ１の保護がより容易になり、耐環境性、耐久信頼性をさらに向上させることができる。

また、その接続部が、その歪みゲージを有する隣接する２辺の連結点ｄと両端点ａ、ｃとを信号取出し用ＦＰＣ６にそれぞれ接続する３つの接続ポイント１、２、３を有し、該隣接する２辺の連結点ｄを信号取り出し用ＦＰＣ６に接続する接続ポイント２が、これら３つの接続ポイント１、２、３の中心に位置するようにして配置されているので、信号取出し用ＦＰＣ６の対応部分の配線（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚの各々用の配線）が交差することがなくなり、その接続部に片面タイプの信号取出し用ＦＰＣを使用することが可能になり、３軸力センサ１の製作コストを低減することができる。

さらに、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の分力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚをそれぞれ検出するハーフブリッジ回路１０、２０、３０がそれぞれ有する所定数の歪みゲージが、起歪部３の力検出面５の中心に対して対称で、所定の位相（第１位置と第２位置とは、相互に９０°偏位させられ、同じ位相にある第３位置と第４位置とは、第１位置と第２位置との中間位置に位置する関係にあるような位相）に位置するように配置されているので、ハーフブリッジ回路１０、２０、３０が有する複数の歪みゲージ同志が干渉したり、配線の引き回しが交差したりすることがなく、配線がさらに簡易に行えて、起歪部３への歪みゲージの組付け作業性がさらに向上する。特にＺ軸方向の分力Ｆｚを検出するハーフブリッジ回路３０が有する所定数の歪みゲージＺ１〜Ｚ４が起歪部３の力検出面３の中心を通る直線上に配置される場合に、スペースの余裕が生じて、好都合である。

また、Ｘ軸方向の分力Ｆｘを検出するハーフブリッジ回路１０が有する所定数の歪みゲージ及びＹ軸方向の分力Ｆｙを検出するハーフブリッジ回路２０が有する所定数の歪みゲージは、いずれも起歪部３の力検出面５の中心を通るＸ軸方向及びＹ軸方向に沿った直線上にそれぞれ設定されており、Ｚ軸方向の分力Ｆｚを検出するハーフブリッジ回路３０が有する所定数の歪みゲージは、いずれも起歪部３の力検出面５の中心を通る同一直線上にそれぞれ設定されているので、それぞれのハーフブリッジ回路１０、２０、３０において、測定しようとする方向の分力以外の力に基づく各歪みゲージの電気抵抗値の変化が互いに打ち消し合い、干渉出力が理論上発生しないようにすることができる。

また、その起歪部３が、起歪基体２の中央部が荷重受け部４が直立させられた側及びこれと反対側から同心にそれぞれ環形及び円形に抉られて、残された薄い円形板状部として形成され、荷重受け部４が直立させられた側と反対側から抉られた円形の第１半径Ｒ１は、荷重受け部４が直立させられた側から抉られた環形の外周の第２半径Ｒ２より大きくされ、前記した接続部が配置される、起歪部３の力検出面５上の半径方向に見てより外方の位置は、これら第１半径Ｒ１と第２半径Ｒ２との差分に相当する幅を有する環状領域Ｓ内の位置とされているので、その接続部が配置される、起歪部３の力検出面５上の半径方向に見てより外方の位置は、荷重受け部４が直立させられた側と反対側からは円形に抉られるが、荷重受け部４が直立させられた側からは環形に抉られない、起歪部３の力検出面５上の外周部の環状領域Ｓ内の位置とされることになり、この位置は、起歪部３の厚さが比較的厚い領域内の位置であるから、歪み量が少ない領域で半田接合を行うことが可能になり、それによって半田付け部の損傷を防止できる一方で、３個のブリッジ回路１０、２０、３０を構成する歪みゲージは、起歪部３の厚さが薄い領域内に貼着されることから、荷重受け部４に加わる力が微小の場合であっても、半田付け部の剛性がセンサの感度に影響しないようにすることができる。

なお、本願の発明は、以上の実施例に限定されずに、その要旨を逸脱しない範囲において、種々の変更が可能である。

本願の発明の実施例の３軸力センサの縦断面図である。 同底面図である。 同３軸力センサの起歪部周辺部の分解斜視図である。 同３軸力センサの信号取り出し用配線部材の要部の平面図である。 同３軸力センサにおいて、Ｘ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路の歪みゲージを有する一半部分を示す図である。 同じくＹ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路の歪みゲージを有する一半部分を示す図である。 同じくＺ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路の歪みゲージを有する一半部分を示す図である。 Ｘ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路の作用説明図であって、当該ハーフブリッジ回路を併せて示す図である。 Ｙ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路の作用説明図であって、当該ハーフブリッジ回路を併せて示す図である。 Ｚ軸方向の分力を検出するハーフブリッジ回路の作用説明図であって、当該ハーフブリッジ回路を併せて示す図である。 同３軸力センサのセンサ部（３軸力センサに搭載される回路部分）と増幅回路部とを含む全体回路図である。

符号の説明

１…３軸力センサ、２…起歪基体、３…起歪部、４…荷重受け部、５…力検出面、６…信号取出し用ＦＰＣ、７…キャップ、８…ねじ孔、９…円形ベース、１０、２０、３０…ブリッジ回路（ハーフブリッジ回路）、５０…増幅回路部、Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２、Ｚ１〜Ｚ４…歪みゲージ、Ｙ３、Ｙ４、Ｚ５、Ｚ６…固定抵抗、Ｓ…環状領域。

Claims (6)

1. 円形板状の起歪部の中心に、柱状の荷重受け部が一体に直立させられ、
   前記起歪部の前記荷重受け部が直立させられた側と反対側の力検出面上に、３個のホイートストンブリッジ回路の各々に組み込まれた所定数の歪みゲージが貼着されて、
   前記荷重受け部が力を受けると、前記起歪部が歪んで、３個の前記ホイートストンブリッジ回路のうちの少なくとも１つのホイートストンブリッジ回路の平衡が崩れることにより、対応するＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の３分力のうちの少なくとも１つの分力がそれぞれ検出されるようになっている
   ３軸力センサにおいて、
   ３個の前記ホイートストンブリッジ回路の各々は、隣接する２辺の各辺にのみ歪みゲージを有するハーフブリッジ回路から構成されている
   ことを特徴とする３軸力センサ。
2. 前記隣接する２辺の信号取出し用配線部材との接続部が、前記歪みゲージが前記起歪部の前記力検出面上に貼着される位置よりも半径方向に見てより外方の位置に位置するようにして配置されていることを特徴とする請求項１に記載の３軸力センサ。
3. ３個の前記ハーフブリッジ回路のうち、Ｘ軸方向の分力を検出する１つのハーフブリッジ回路がその隣接する２辺のうちの一方の辺に有する前記歪みゲージと、他方の辺に有する前記歪みゲージとは、前記起歪部の前記力検出面の中心に対して対称で、半径方向に見てより内方もしくはより外方の第１位置に、それぞれ配置され、
   ３個の前記ハーフブリッジ回路のうち、Ｙ軸方向の分力を検出する他の１つのハーフブリッジ回路がその隣接する２辺のうちの一方の辺に有する前記歪みゲージと、他方の辺に有する前記歪みゲージとは、前記起歪部の前記力検出面の中心に対して対称で、半径方向に見てより外方もしくはより内方の第２位置に、それぞれ配置され、
   前記第１位置と前記第２位置とは、互いに９０°位相が偏位させられている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の３軸力センサ。
4. ３個の前記ハーフブリッジ回路のうち、Ｚ軸方向の分力を検出する残りの１つのハーフブリッジ回路は、その隣接する２辺のうちの一方の辺に第３の歪みゲージと、第２の歪みゲージとを有し、他方の辺に第１の歪みゲージと、第４の歪みゲージとを有し、
   前記第３の歪みゲージと、前記第２の歪みゲージとは、前記起歪部の前記力検出面の中心に対して対称で、半径方向に見てより内方の第３位置に、それぞれ配置され、
   前記第１の歪みゲージと、前記第４の歪みゲージとは、前記起歪部の前記力検出面の中心に対して対称で、半径方向に見てより外方の第４位置に、それぞれ配置され、
   前記第３位置と前記第４位置とは、同じ位相にあって、前記第１位置と前記第２位置との間の位置にその位相が偏位させられており、
   前記第１の歪みゲージと、前記第２の歪みゲージと、前記第３の歪みゲージと、前記第４の歪みゲージとは、この順に並べて配置されている
   ことを特徴とする請求項３に記載の３軸力センサ。
5. 前記接続部は、前記隣接する２辺の連結点と両端点とを前記信号取出し用配線部材にそれぞれ接続する３つの接続ポイントを有し、
   前記隣接する２辺の連結点を前記信号取り出し用配線部材に接続する前記接続ポイントは、他の２つの前記接続ポイントの中間に位置するようにして配置されている
   ことを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の３軸力センサ。
6. 前記起歪部は、起歪基体の中央部が前記荷重受け部が直立させられた側及びこれと反対側から同心にそれぞれ環形及び円形に抉られて、残された薄い円形板状部として形成されており、
   前記荷重受け部が直立させられた側と反対側から抉られた円形の第１半径は、前記荷重受け部が直立させられた側から抉られた環形の外周の第２半径より大きくされ、
   前記接続部が配置される、前記起歪部の前記力検出面上の半径方向に見てより外方の位置は、前記第１半径と前記第２半径との差分に相当する幅を有する環状領域内の位置とされている
   ことを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の３軸力センサ。
   

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