JP2009074969A - ６軸力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】構造が簡単で、高い信頼性が得られる６軸力センサを提供すること。
【解決手段】環状のアウタ部材２と、その内側に配置されたインナ部材３と、アウタ部材２の外側素子設置面２４とインナ部材３の内側素子設置面３４との間に挟持された荷重センサ素子５とを有する。第１内側素子設置面３４（ａ）は、Ｚ軸上に頂点７１０を有する第１多角錐７１の側面の少なくとも一部に相当し、第２内側素子設置面３４（ｂ）は、第１多角錐７１と反対方向に向いた同形状の第２多角錐７２の側面の少なくとも一部に相当するよう設けられている。第１外側素子設置面２４（ａ）は第１内側素子設置面３４（ａ）と平行に配置され、第２外側素子設置面２４（ｂ）は第２内側素子設置面３４（ｂ）と平行に配置されており、１組の内側素子設置面３４と外側素子設置面２４との間に存在する１つのセンサ設置領域には２個以上の荷重センサ素子５が配設されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、センサの原点に作用するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の座標軸方向の３つの力成分と、その各軸回りの３つのモーメント成分を検出可能な６軸力センサに関する。

自動車、産業用ロボット、その他の機械装置は、より多機能なものへと日々進歩を続けているが、その構成部品として高精度のセンサ類が必要不可欠になっている。特に、１つのセンサによって力の大きさと方向を正確に検出することができれば、非常に精密な制御を実現することができる。
そのため、これまでも、例えば特許文献１〜１０にあるような、多軸力センサの開発がなされてきた。

従来の多軸力センサは、実際に荷重等を受ける起歪体と、これに付与された剪断力等を検出する歪みゲージなどを組み合わせた構造よりなるものが主流であった。しかし、この歪みゲージを複数組み合わせたセンサは、構造が複雑で小型化が難しく、大量生産にも適さず、また、信頼性にも問題があった。
また、歪みゲージの使用を避けた構成も提案されてきてはいるが、いわゆる６軸力センサとしては、非常に構成が複雑で小型化が困難な場合が多い。

特開平７−１２６６４号公報 特開平７−７２０２６号公報 特開平２−２６８２４０号公報 特開２００７−１０８０７９号公報 特開２００６−２７５６５０号公報 特開２００３−２５４８４３号公報 特開２００３−２０７４０５号公報 特開２００２−２２１４５９号公報 特開平９−３１８４６９号公報 特開平８−１２２１７８号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、構造が簡単で、高い信頼性が得られる６軸力センサを提供しようとするものである。

本発明は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向に作用する座標軸方向の力と、上記Ｘ軸、上記Ｙ軸及び上記Ｚ軸回りのモーメントを検出可能な６軸力センサであって、
上記Ｘ軸及び上記Ｙ軸を含む基準平面上において座標原点を中心とする環状のアウタ部材と、
該アウタ部材の内周面の内側に隙間を設けて配置された外周面を有するインナ部材と、
上記アウタ部材の内周面に設けられた外側素子設置面と上記インナ部材の上記外周面に設けられた内側素子設置面との間に挟持された複数の荷重センサ素子とを有し、
上記インナ部材の上記内側素子設置面は、上記Ｘ軸及び上記Ｙ軸を含む基準平面を挟んで両側に対向して凹所を形成するよう設けられ、かつ、上記内側素子設置面のうち、上記基準平面を挟んで一方の側に存在する複数の第１内側素子設置面は、上記基準平面における上記Ｚ軸上に頂点を有する第１多角錐の側面の少なくとも一部に相当し、上記基準平面を挟んで他方の側に存在する複数の第２内側素子設置面は、上記基準平面における上記Ｚ軸上に頂点を有し上記第１多角錐と反対方向に向いた同形状の第２多角錐の側面の少なくとも一部に相当するよう設けられており、
上記アウタ部材の上記外側素子設置面は、上記Ｘ軸及び上記Ｙ軸を含む基準平面を挟んで両側に互いに逆方向を向いて上記凹所に収容される凸部を形成するよう設けられ、かつ、上記外側素子設置面のうち、上記基準平面を挟んで一方の側に存在する複数の第１外側素子設置面は、それぞれ上記第１内側素子設置面と略平行に配置され、上記基準平面を挟んで他方の側に存在する複数の第２外側素子設置面は、それぞれ上記第２内側素子設置面と略平行に配置されており、
対向する１組の上記内側素子設置面と上記外側素子設置面との間に存在する１つのセンサ設置領域には、それぞれ２個以上の上記荷重センサ素子が配設されていることを特徴とする６軸力センサにある（請求項１）。

本発明の６軸力センサは、上記のごとく、アウタ部材、インナ部材及びこれらの間に挟持された上記複数の荷重センサ素子により構成されており、構造が非常に簡単である。そして、さらに注目すべき点は、上記インナ部材に設けた上記内側素子設置面が、上記Ｘ軸及び上記Ｙ軸を含む基準平面における上記Ｚ軸上に頂点を有する上記第１多角錐及び第２多角錐の側面の少なくとも一部に相当する平面よりなり、かつ、上記外側素子設置面も上記内側素子設置面と略平行で、同様に多角錐の側面の少なくとも一部に相当する平面よりなることである。

そして、上記多角錐をｎ角錐（ｎは３以上の自然数）とすると、上記第１内側素子設置面及び第２内側素子設置面、並びに上記第１外側素子設置面及び第２外側素子設置面は、いずれもｎ個の平面により構成されることとなる。そして、１つの上記６軸力センサにおいては、対向する１組の上記内側素子設置面と上記外側素子設置面との間に存在する上記センサ設置領域が、Ｚ軸方向においては２箇所存在し、周方向にはｎ箇所、合計２ｎ箇所存在することとなる。
また、上記のごとく、１つの上記センサ設置領域には、それぞれ２個以上の上記荷重センサ素子が配設されるので、合計４ｎ個以上の荷重センサ素子が配設される。

また、上記各素子設置面のすべては、上記多角錐の側面の一部に相当することから、上記Ｚ軸方向に対して必ず所定角度傾斜し、かつ、Ｘ軸方向又はＹ軸方向の少なくとも一方に対して必ず所定角度傾斜した状態で配置される。そのため、各荷重センサ素子の配設位置と出力との関係を幾何学的見地から演算することによって、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向に作用する座標軸方向の力と、上記Ｘ軸、上記Ｙ軸及び上記Ｚ軸回りのモーメント、つまり６軸力を検出可能となる。

そして、上記６軸力センサは、従来のような起歪体を用いる必要が無く上記荷重センサ素子の出力を直接的に利用することができ、非常に構造が簡単で精度のよい測定が可能で、部品点数も少なくて済み、信頼性、耐久性にも優れたものとなる。
したがって、本発明によれば、構造が簡単で、高い信頼性が得られる６軸力センサを提供することができる。

本発明の６軸力センサにおいては、上述したごとく、上記インナ部材に設けた上記内側素子設置面が上記第１多角錐及び第２多角錐の側面の少なくとも一部に相当する平面よりなり、かつ、上記外側素子設置面も上記内側素子設置面と略平行で、同様に多角錐（第３多角錐及び第４多角錐とする）の側面の少なくとも一部に相当する平面よりなる。
上記第１多角錐と第２多角錐とは、同じ形状で頂点のある方向を１８０°逆方向に向けたものである。そして、両者が互いに重なり合わないように頂点を対向させるか、頂点だけを重ね合わせるか、或いは、両者が互いに重なり合って一方の頂点が他方の多角錐内部に入り込んだ状態とするかは、選択可能である。また、上記第３多角錐は上記第１多角錐と同じ姿勢で、第１内側素子設置面と第１外側素子設置面との間の距離分だけずらして配置され、同様に、上記第４多角錐は上記第２多角錐と同じ姿勢で、第２内側素子設置面と第２外側素子設置面との間の距離分だけずらして配置されたものとなる。

また、上記荷重センサ素子は、電気絶縁性の一対の受圧体の間に感圧体を介在させて一体的に積層した積層体よりなり、上記感圧体は、ピエゾ抵抗効果を有していることが好ましい（請求項２）。
上記荷重センサ素子としては、自己が受けた荷重を電気的な特性として出力できるものであれば採用可能である。多数の荷重センサ素子の中でも、上記ピエゾ抵抗効果を有する感圧体を上記電気絶縁性の一対の受圧体の間に挟持した構成のものが特に有効である。

上記感圧体としては、例えば、電気的絶縁性を有するセラミックスよりなる母材中に、圧力抵抗効果又は磁気抵抗効果を有する材料を電気的につながるように分散させた複合セラミックスを採用することが可能である。その他、受圧した応力に応じて電気的特性を変化しうる材料であれば、上記以外の構成の感圧体を採用することができることは言うまでもない。
また、上記感圧体の両面には、電気的絶縁性を有するセラミックス等よりなる絶縁材料よりなる上記受圧体を設けることが好ましい。これにより、アウタ部材およびインナ部材と荷重センサ素子との間の電気的絶縁性を容易に確保することができる。
また、上記受圧体としては、例えば、ジルコニア等のセラミックス等を採用することができる。
また、上記荷重センサ素子は、圧縮応力のみを検知するよう構成されていることが好ましい。すなわち、圧縮応力のみを検知し、せん断応力を検知しない荷重センサ素子を使用することにより、せん断応力が入力された場合でも、精度よく６軸力を求めることができる。

また、上記多角錐は四角錐であり、上記インナ部材及び上記アウタ部材は、それぞれ上記Ｚ軸周りの周方向４箇所に上記内側素子設置面及び上記外側素子設置面を有していることが好ましい（請求項３）。四角錐の場合には、八箇所の上記センサ設置領域を形成することができ、少なくとも合計１６個の荷重センサ素子を用いることができる。そのため、実用上十分な種類の出力が得られ、精度よい検出ができる。さらに、コスト的にも有利である。

なお、後述するごとく、上記多角錐が三角錐でも可能であり、実用上十分な検出精度が得られるが、荷重センサ素子の数及び形状的な安定感において四角錐の場合の方がより有利である。
また、五角錐以上の多角錐でも勿論よく、センサ設置領域の数が増えるほど理論上精度が高くなると考えられるが、製造コストや部品点数の増加によるデメリットも考慮する必要がある。実用的には、３〜８角錐の範囲が好ましく、最も好ましくは上記の四角錐であると考えられる。

ここで、多角錐とは、「平面上の多角形（底面）の周上の各点と、その平面上にない１点（頂点）とを結ぶ線分（母線）を引いたとき、それらの線分および底面で囲まれる多面体」と定義できるものであり、本発明では上記「１点」が上記Ｚ軸上に存在する「頂点」に該当し、上記底面は基準平面に平行な任意の位置の平面となる。
また、本発明での多角錐は、最も好ましくは「正多角錐」であって、上記底面が正多角形であることが好ましく、構造的安定性の向上及び演算の容易化を図ることができる。

また、上記内側素子設置面及び上記外側素子設置面の上記Ｚ軸となす角度は、１０°〜８０°の範囲にあることが好ましい（請求項４）。上記角度が１０°未満の場合には、Ｚ軸方向の力、すなわち後述するＦzを精度よく検出できないという問題が生じるおそれがあり、一方、８０°を超える場合にはＸ軸方向の力（後述するＦx）、もしくはＹ軸方向の力（後述するＦy）を精度よく検出できないという問題が生じるおそれがある。

また、上記インナ部材の軸方向一端部にはインナ固定部が設けられており、該インナ固定部は、上記アウタ部材と接触することなく該アウタ部材の内径よりも大径化した外径を有する鍔状に形成されていることが好ましい（請求項５）。
この場合には、上記インナ部材を外部入力部材に固定する際の安定性を高めることができる。

また、上記インナ部材は、上記第１内側素子設置面を備えた第１インナ部と上記第２内側素子設置面を備えた第２インナ部とを別部材で作製し、両者を合体させて構成してあることが好ましい（請求項６）。
この場合には、上記インナ部材の作製が容易であると共に、アウタ部材及び荷重センサ素子の組付けを容易に行うことができる。

また、上記インナ部材の厚さを調整すること、若しくは該インナ部材を第１インナ部と第２インナ部とにより構成し両者の間に配設したスペーサ部材の厚さを調整することによって、荷重センサ素子に加える予圧を調整可能に構成されていることが好ましい（請求項７）。この場合には、予圧条件を容易に調整することができ、さらに測定精度を高めることができる。

（実施例１）
本発明の実施例に係る６軸力センサにつき、図１〜図１５を用いて説明する。
本例の６軸力センサ１は、図１、図２に示すごとく、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向に作用する座標軸方向の力と、上記Ｘ軸、上記Ｙ軸及び上記Ｚ軸回りのモーメントを検出可能な６軸力センサである。

上記６軸力センサ１は、図１、図２に示すごとく、Ｘ軸及びＹ軸を含む基準平面Ｐ上において座標原点Ｏを中心とする環状のアウタ部材２と、該アウタ部材２の内周面の内側に隙間を設けて配置された外周面を有するインナ部材３と、上記アウタ部材２の内周面に設けられた外側素子設置面２４と上記インナ部材３の上記外周面に設けられた内側素子設置面３４との間に挟持された複数の荷重センサ素子５とを有する。

インナ部材３の上記内側素子設置面３４は、上記Ｘ軸及び上記Ｙ軸を含む基準平面Ｐを挟んで両側に対向して凹所３９を形成するよう設けられ、かつ、上記内側素子設置面３４のうち、上記基準平面Ｐを挟んで一方の側に存在する複数の第１内側素子設置面３４（ａ）は、上記基準平面Ｐにおける上記Ｚ軸上に頂点７１０を有する第１多角錐７１（図２、図７）の側面の少なくとも一部に相当し、上記基準平面Ｐを挟んで他方の側に存在する複数の第２内側素子設置面３４（ｂ）は、上記基準平面Ｐにおける上記Ｚ軸上に頂点７２０を有し上記第１多角錐７１と反対方向に向いた同形状の第２多角錐７２（図２）の側面の少なくとも一部に相当するよう設けられている。

アウタ部材２の上記外側素子設置面２４は、上記Ｘ軸及び上記Ｙ軸を含む基準平面Ｐを挟んで両側に互いに逆方向を向いて上記凹所３９に収容される凸部２９を形成するよう設けられ、かつ、上記外側素子設置面２４のうち、上記基準平面Ｐを挟んで一方の側に存在する複数の第１外側素子設置面２４（ａ）は、それぞれ上記第１内側素子設置面３４（ａ）と略平行に配置され、上記基準平面Ｐを挟んで他方の側に存在する複数の第２外側素子設置面２４（ｂ）は、それぞれ上記第２内側素子設置面３４（ｂ）と略平行に配置されている。
そして、対向する１組の上記内側素子設置面３４と上記外側素子設置面２４との間に存在する１つのセンサ設置領域には、それぞれ２個の上記荷重センサ素子５が配設されている。
以下、さらに詳しく説明する。

図２に示すごとく、インナ部材３は、角部を曲面状に面取りした四角形状のその外周形状を有する２つの第１インナ部３１と第２インナ部３２を組み合わせて構成されている。第１インナ部３１は、図３〜図６に示すごとく、Ｚ軸から所定角度α分だけ傾斜した（図５）テーパ状の平面よりなる４つの第１内側素子設置面３４（ａ）を有してなる。この第１内側素子設置面３４（ａ）は、図７に示すごとく、第１多角錐（四角錐）７１の側面７１１〜７１４の一部に相当するように設けられている。同様に、第２インナ部３２は、Ｚ軸から所定角度α分だけ傾斜したテーパ状の平面よりなる４つの第２内側素子設置面３４（ｂ）を有してなる（図２）。この第２内側素子設置面３４（ｂ）は、上記第１多角錐（四角錐）７１と同形状の第２多角錐７２（図２）の側面の一部に相当するように設けられている。

また、図４に示すごとく、第１インナ部３１における隣り合う第１内側素子設置面３４（ａ）の間は、滑らかに９０°方向を変える曲面よりなる曲面部４３５によって接続されている。各第１内側素子設置面３４（ａ）にはその両端に２つの素子設置予定領域Ｓがある。
また、第１インナ部３１には、第２インナ部３２と一体化するためのインナ締結ボルト挿入用のボルト穴３１５が４箇所に設けられ、中央部には、外径がアウタ部材２と略同じの鍔状のインナ固定部６と連結するための中央穴３１６が設けられている。これらの曲面部４３５、ボルト穴３１５、及び中央穴３１６を設ける構成は、第２インナ部３２においても同様である（図示略）。
そして、図２に示すごとく、第２インナ部３２を、後述するスペーサ部材８１を介して一体的に連結することによって、インナ部材３の外周面に設けられた内側素子設置面３４は、上記Ｘ軸及び上記Ｙ軸を含む基準平面Ｐを挟んで両側に対向して凹所３９を形成するよう設けられることとなる。

また、インナ部材３に連結されるインナ固定部６は、図１１、図１２に示すごとく、円盤状の鍔部６１と、上記インナ部材３の中央穴３１６に挿入されるパイプ状の軸部６２を有している。また、鍔部６１には、これを固定するためのインナ固定穴６１１を４つ有すると共に、ノックピン挿通穴６１２を２つ有している。

図１、図２、図８、図９に示すごとく、アウタ部材２は、外周形状が円形で、内周形状が角部を曲面状に面取りした四角形状となる環状に構成されている。そして、その内周面が上記インナ部材３の凹所３９に間隔を空けて収容される凸部２９を形成している。
凸部２９は、その両面に、それぞれ、Ｚ軸から所定角度α分だけ傾斜した（図９）テーパ状の平面よりなる４つの外側素子設置面２４（ａ）、２４（ｂ）を有してなる。

アウタ部材２の外側素子設置面２４のうち、上記基準平面Ｐを挟んで一方の側に存在する複数の第１外側素子設置面２４（ａ）は、図２に示すごとく、それぞれ上記第１内側素子設置面３４（ａ）と略平行に配置されている。つまり、第１外側素子設置面２４（ａ）も、上記第１多角錐（四角錐）７１と同形状の四角錐７４（図９）の側面の一部に相当するように設けられている。
また、外側素子設置面２４のうち、上記基準平面を挟んで他方の側に存在する複数の第２外側素子設置面２４（ｂ）は、それぞれ上記第２内側素子設置面３４（ｂ）と略平行に配置されている。つまり、第２外側素子設置面２４（ｂ）も、上記第２多角錐（四角錐）７２と同形状の四角錐７４（図９）の側面の一部に相当するように設けられている。

また、各外側素子設置面２４は、いずれも、その周囲２４９よりも若干窪んだ状態で設けられており、その両端の外周側角部２４８は円弧状に形成されている。この円弧状の角部２４８は、後述する荷重センサ素子５を構成する一方の受圧体５１の形状に対応させてあり、荷重センサ素子５の配設位置の位置決めが容易にできるようにしてある。
また、アウタ部材２の上記各外側素子設置面２４よりも外周側には、アウタ固定穴２３が表側に４つ設けられ、裏側には後述するノックピン８５を挿入するノックピン挿入穴２６が２つ設けられている。

上記荷重センサ素子５は、図１３、図１４に示すごとく、電気絶縁性の一対の受圧体５１、５２の間に感圧体５０を介在させて一体的に積層した積層体よりなり、上記感圧体５０は、ピエゾ抵抗効果を有している。
また、感圧体５０は、図１５に示すごとく、電気絶縁性を有するセラミックスよりなる母材５０９中に圧力抵抗効果を有するセンサ材料５０８が電気的につながるように分散してなる複合セラミックスよりなる。上記母材５０９となるセラミックスとしては様々な材料を使用することができるが、本例ではジルコニアを採用した。また、上記圧力抵抗効果を有するセンサ材料５０８としても様々な材料を使用することができるが、本例では（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ₃を採用した。この感圧体５０を用いた荷重センサ素子５は、圧縮応力のみを検知するよう構成される。
なお、上記感圧体５０としては、受圧した圧力に応じて電気的特性を変化しうる材料であれば、上記以外の構成のものを採用可能であることは勿論である。

また、図１３に示すごとく、上記受圧体５１、５２は、いずれも電気絶縁性を有するセラミックスであるジルコニアにより作製した。また、一方の受圧体５１は、上述した外側素子設置面２４の円弧状の角部４２２の形状に対応するように円弧状に設けた角部５１２を有し、その外径が四角形の感圧体５０及び他方の受圧体５２よりも大きくなるように構成されている。
この荷重センサ素子５は、受圧体５１、感圧体５０及び受圧体５２を積層して一体的に焼成してなる積層体を形成後、切削加工を施して、上記形状に仕上げたものを用いた。

次に、本例の６軸力センサ１を組み立てるに当たっては、まず、図１０に示すごとく、上記アウタ部材２のすべての外側素子設置面２４に、それぞれ２個ずつ荷重センサ素子５を接着する。本例では、４つの第１外側素子設置面２４（ａ）と４つの第２外側素子設置面２４（ｂ）、合計８つの外側素子設置面２４が存在するので、荷重センサ素子５の数は１６個となる。

次に、図２に示すごとく、アウタ部材２の凸部２９を挟むように、第１インナ部３１、第２インナ部３２を対向させ、かつ、両者の間にスペーサ部材８１を介在させて、４本のインナ締結ボルト８２をボルト穴３１５に締結して、各荷重センサ素子５を、外側素子設置面２４と内側素子設置面３４との間に挟持させた。また、内側素子設置面３４と荷重センサ素子５の受圧体５２とは、両者の間に介在させた接着剤により接着した。なお、上記スペーサ部材８１は、各荷重センサ素子５に対して予め所定の圧縮応力を加える予圧条件を、厚みの調整によって制御するためのものである。

次に、同図に示すごとく、インナ固定部６の軸部６２をインナ部材３の中央穴３１６に挿入し、ワッシャ８３を介して中央ボルト８２をねじ込んで、インナ固定部６とインナ部材３とを締結する。
次に、ノックピン８５を、インナ固定部６のノックピン挿通穴６１２を貫通させてアウタ部材２のノックピン挿入穴２６に挿入する。このノックピン８５は、６軸力の入力部であるインナ固定部６と、６軸力の出力部であるアウタ部材２とのＺ軸回りの角度位相を合致させるという役割を果たす。

そして、このような構成の６軸力センサ１は、上記アウタ部材２のアウタ固定穴２３とインナ固定穴６１１とを用いて、６軸力の測定対象である被測定物に固定することができる。

（実験１）
次に、実施例１の６軸力センサ１を用いて、その性能を評価する実験を行った。実施例１の６軸力センサ１の構成をわかりやすくするために、図１６〜図１８に示すごとく、荷重センサ素子５の配置を平面的にモデル化して示し、それぞれＳ₁〜Ｓ₁₆という符号を付した。各荷重センサ素子５の配置は、Ｆx入力角度を示すＳ₁、Ｓ₂、Ｓ₅、Ｓ₆、Ｓ₉、Ｓ₁₀、Ｓ₁₃、Ｓ₁₄に対する傾きとＦy入力角度を示すＳ₃、Ｓ₄、Ｓ₇、Ｓ₈、Ｓ₁₁、Ｓ₁₂、Ｓ₁₅、Ｓ₁₆に対する傾きとはいずれも同じでα１とすると、α１は６７．５°である。また、Ｆz入力角度を示すＳ₁〜Ｓ₁₆に対する傾きα２が２２．５°である。また、基準平面上におけるＸ軸又はＹ軸からの長い距離Ｌ１が１２．３ｍｍ、短い距離Ｌ２が６．８ｍｍ、Ｚ軸からの距離Ｌ３が１３．５ｍｍである。そのため、Ｘ軸方向の応力をＦx（出力）、Ｙ軸方向の応力をＦy（出力）、Ｚ軸方向の応力をＦz（出力）、Ｘ軸回りのモーメントをＭx（出力）、Ｙ軸回りのモーメントをＭy（出力）、Ｚ軸回りのモーメントをＭz（出力）とし、各荷重センサ素子Ｓ₁〜Ｓ₁₆の出力値をＦ₁〜Ｆ₁₆とした場合、上記の幾何学的配置から、次のような演算式１（数１）を用いることができる。

ここで、上式中のＣは、補正マトリックスＣであり、多軸干渉（クロストーク）が発生する場合に使用する補正項であり、適宜設けることができる。
そして、上記６軸力センサ１に対して、Ｘ軸方向の並進力Ｆx（入力）、Ｙ軸方向の並進力Ｆy（入力）、Ｚ軸方向の並進力Ｆz（入力）、Ｘ軸回りのモーメントＭx（入力）、Ｙ軸回りのモーメントＭy（入力）、及びＺ軸回りのモーメントＭz（入力）をそれぞれ単独で加えて、１６個すべての荷重センサ素子Ｓ₁〜Ｓ₁₆からの出力Ｆ₁〜Ｆ₁₆を測定して、上記演算式１によって、すべての出力値、つまり、Ｆx（出力）、Ｆy（出力）、Ｆz（出力）、Ｍx（出力）、Ｍy（出力）、及びＭz（出力）を測定した。その結果を図１９〜図２２に示す。これらは、横列に入力の種類を、縦列に出力の種類をとってマトリックス状の枠を作り、その中に、横軸に入力の大きさ、縦軸に出力の大きさをとったものである。

これらの図より知られるごとく、本例の６軸力センサ１は、各軸方向に関する並進力又はモーメントの入力があった場合、その同じ軸に関する同じ種類の方向の出力がほぼ１：１の感度でリニアに反応したものとなっており、その他のもは、出力値がほぼ０であり、非常に精度のよい測定ができることが分かる。

（実験２）
次に、実施例１の６軸力センサ１の性能を客観的に評価するために、市販の歪みゲージ式の多軸力センサを準備して、比較した。
比較項目は、表１に示すごとく、形状、容積、並進力定格、モーメント定格、剛性、及び共振周波数である。

＜形状＞
形状は、最大外径（Φ）×高さ（ｈ）ｍｍにより表した。
＜容積＞
容積は、上記の（（最大外径）／２）²×πにより求めて（ｃｃ）の単位に揃えたものである。
＜剛性＞
剛性は、定格Ｆz入力時におけるＺ軸方向に生じた変形量を測定したものである。
＜共振周波数＞
共振周波数は、ハンマリング法による振動測定により求めたものである。

表１より知られるごとく、実施例１の６軸力センサ１は、ほぼ同格の定格値を有する従来の歪みゲージ式多軸力センサに比べて、小型であり、かつ、高い剛性を発揮することが分かる。また、共振周波数の違いからも速い応答性を有するということが分かる。

（実施例２）
本例は、図２３〜図２５に示すごとく、上記第１内側素子設置面、第２内側素子設置面、第１外側素子設置面、及び第２外側素子設置面の基となる基本多角錐を、三角錐に変更した例である。その他の構成は、実施例１と同様である。
この場合、図２３〜図２５に示すごとく、荷重センサ素子５の配置を平面的にモデル化して示した場合、１２個の荷重センサ素子Ｓ₁〜Ｓ₁₂は、それぞれ同図に示す位置に配置される。この場合にも、上述した演算式１を変形した式によって、各センサからの出力値Ｆ₁〜Ｆ₁₂に基づいて、Ｘ軸方向の応力Ｆx（出力）、Ｙ軸方向の応力Ｆy（出力）、Ｚ軸方向の応力Ｆz（出力）、Ｘ軸回りのモーメントＭx（出力）、Ｙ軸回りのモーメントＭy（出力）、及びＺ軸回りのモーメントＭz（出力）を求めることができる。

また、同様に、上記の基本多角錐を、三角錐、四角錐以外の五角錐以上の多角錐に変更することも可能である。ただし、実質上、コストその他の関係から、３〜８角錐が実用可能な範囲と言える。特に、実施例１の四角錐を基本多角錐とすることが最も実用的である。

実施例１における、６軸力センサの平面図。 実施例１における、６軸力センサの縦断面図（図１のＡ−Ａ線矢視断面及びＢ−Ｂ線矢視断面図）。 実施例１における、第１インナ部の平面図。 実施例１における、第１インナ部の裏面図。 実施例１における、第１インナ部の縦断面図（図４のＣ−Ｃ線矢視断面図）。 実施例１における、第１インナ部の縦断面図（図４のＤ−Ｄ線矢視断面図）。 実施例１における、第１多角錐と第１内側素子設置面との関係を示す説明図。 実施例１における、アウタ部材の平面図。 実施例１における、アウタ部材の縦断面図（図８のＥ−Ｅ線矢視断面図）。 実施例１における、アウタ部材の外側素子設置面に荷重センサ素子を配設した状態を示す説明図。 実施例１における、インナ固定部の平面図。 実施例１における、インナ固定部の縦断面図（図１１のＦ−Ｆ線矢視断面図）。 実施例１における、荷重センサ素子の側面図。 実施例１における、荷重センサ素子の平面図。 実施例１における、荷重センサ素子の感圧体の内部構成を示すモデル図。 実施例１における、基準平面よりも上方に位置する８つの荷重センサ素子の配置を示す説明図。 実施例１における、縦断面から見た荷重センサ素子の配置角度を示す説明図。 実施例１における、基準平面よりも下方に位置する８つの荷重センサ素子の配置を示す説明図。 実施例１における、Ｆx入力、Ｆy入力、及びＦz入力に対する、Ｆx出力、Ｆy出力、及びＦz出力の測定結果を示す説明図。 実施例１における、Ｍx入力、Ｍy入力、及びＭz入力に対する、Ｆx出力、Ｆy出力、及びＦz出力の測定結果を示す説明図。 実施例１における、Ｆx入力、Ｆy入力、及びＦz入力に対する、Ｍx出力、Ｍy出力、及びＭz出力の測定結果を示す説明図。 実施例１における、Ｍx入力、Ｍy入力、及びＭz入力に対する、Ｍx出力、Ｍy出力、及びＭz出力の測定結果を示す説明図。 実施例２における、基準平面よりも上方に位置する６つの荷重センサ素子の配置を示す説明図。 実施例２における、縦断面から見た荷重センサ素子の配置角度を示す説明図。 実施例２における、基準平面よりも下方に位置する６つの荷重センサ素子の配置を示す説明図。

符号の説明

１ ６軸力センサ
２ アウタ部材
２４（ａ） 第１外側素子設置面
２４（ｂ） 第２外側素子設置面
３ インナ部材
３１ 第１インナ部
３２ 第２インナ部
３４（ａ） 第１内側素子設置面
３４（ｂ） 第２内側素子設置面
５ 荷重センサ素子
７１ 第１多角錐
７２ 第２多角錐

Claims (7)

1. 互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向に作用する座標軸方向の力と、上記Ｘ軸、上記Ｙ軸及び上記Ｚ軸回りのモーメントを検出可能な６軸力センサであって、
   上記Ｘ軸及び上記Ｙ軸を含む基準平面上において座標原点を中心とする環状のアウタ部材と、
   該アウタ部材の内周面の内側に隙間を設けて配置された外周面を有するインナ部材と、
   上記アウタ部材の内周面に設けられた外側素子設置面と上記インナ部材の上記外周面に設けられた内側素子設置面との間に挟持された複数の荷重センサ素子とを有し、
   上記インナ部材の上記内側素子設置面は、上記Ｘ軸及び上記Ｙ軸を含む基準平面を挟んで両側に対向して凹所を形成するよう設けられ、かつ、上記内側素子設置面のうち、上記基準平面を挟んで一方の側に存在する複数の第１内側素子設置面は、上記基準平面における上記Ｚ軸上に頂点を有する第１多角錐の側面の少なくとも一部に相当し、上記基準平面を挟んで他方の側に存在する複数の第２内側素子設置面は、上記基準平面における上記Ｚ軸上に頂点を有し上記第１多角錐と反対方向に向いた同形状の第２多角錐の側面の少なくとも一部に相当するよう設けられており、
   上記アウタ部材の上記外側素子設置面は、上記Ｘ軸及び上記Ｙ軸を含む基準平面を挟んで両側に互いに逆方向を向いて上記凹所に収容される凸部を形成するよう設けられ、かつ、上記外側素子設置面のうち、上記基準平面を挟んで一方の側に存在する複数の第１外側素子設置面は、それぞれ上記第１内側素子設置面と略平行に配置され、上記基準平面を挟んで他方の側に存在する複数の第２外側素子設置面は、それぞれ上記第２内側素子設置面と略平行に配置されており、
   対向する１組の上記内側素子設置面と上記外側素子設置面との間に存在する１つのセンサ設置領域には、それぞれ２個以上の上記荷重センサ素子が配設されていることを特徴とする６軸力センサ。
2. 請求項１において、上記荷重センサ素子は、電気絶縁性の一対の受圧体の間に感圧体を介在させて一体的に積層した積層体よりなり、上記感圧体は、ピエゾ抵抗効果を有していることを特徴とする６軸力センサ。
3. 請求項１又は２において、上記多角錐は四角錐であり、上記インナ部材及び上記アウタ部材は、それぞれ上記Ｚ軸周りの周方向４箇所に上記内側素子設置面及び上記外側素子設置面を有していることを特徴とする６軸力センサ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項において、上記内側素子設置面及び上記外側素子設置面の上記Ｚ軸となす角度は、１０°〜８０°の範囲にあることを特徴とする６軸力センサ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項において、上記インナ部材の軸方向一端部にはインナ固定部が設けられており、該インナ固定部は、上記アウタ部材と接触することなく該アウタ部材の内径よりも大径化した外径を有する鍔状に形成されていることを特徴とする６軸力センサ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項において、上記インナ部材は、上記第１内側素子設置面を備えた第１インナ部と上記第２内側素子設置面を備えた第２インナ部とを別部材で作製し、両者を合体させて構成してあることを特徴とする６軸力センサ。
7. 請求項１〜６のいずれか１項において、上記インナ部材の厚さを調整すること、若しくは該インナ部材を第１インナ部と第２インナ部とにより構成し両者の間に配設したスペーサ部材の厚さを調整することによって、荷重センサ素子に加える予圧を調整可能に構成されていることを特徴とする６軸力センサ。

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