JP2010025735A - 力覚センサユニット - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化の影響を受けにくく、検出精度を向上できる力覚センサユニットを提供することを目的とする。
【解決手段】外力を検出する検出部と、外力を減衰させて検出部に付与する緩衝装置４’とを備えた力覚センサユニットであって、前記検出部は、前記外力及び温度変化を検出する外力検出用の力覚センサ１と温度変化を検出する温度補償用の力覚センサ１’とからなることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

この発明は、力覚センサユニットに関するものであり、特に外力が作用した場合に温度変化の影響を除外して、外力を正確に検出できる力覚センサユニットに係るものである。

従来から外力を検出する力覚センサの中には、付与された外力を減衰させて力覚センサチップ（特許文献１参照）に印加させるための緩衝装置を備えたものがある。この緩衝装置は外力が入力される入力部から伝達部を介して力覚センサチップに伝達する外力を減衰させるための減衰機構部を備え、外力が直接的に力覚センサチップに伝達されないようにしている。
緩衝装置の減衰機構部は、軸形状の入力部と、円筒状の力覚センサチップのセンサ固定部との間を結ぶ円盤状の部分であって、この円盤状の部分には入力部の周囲に、環状に配置された複数の弧状穴を設け、この複数の弧状穴の大きさ、形状、個数を調整することで、耐荷重の調整、各軸力に対する感度調整等を行い、力覚センサの設計の自由度を確保している（特許文献２の図１９参照）。
特開２００３−２５４８４３号公報 特開２００７−０１０３７９号公報

上記従来の力覚センサにあっては、力覚センサの出力信号の増幅を行う場合に、力覚センサの検出部分である歪み抵抗素子が温度変化の影響を受けた分まで増幅してしまうため、真値からの誤差が更に拡大するという問題がある。

そこで、この発明は、温度変化の影響を受けにくく、検出精度を向上できる力覚センサユニットを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載した発明は、外力を検出する検出部（例えば、実施形態における力覚センサ１、１’）と、前記外力を減衰させて前記検出部に付与する緩衝装置（例えば、実施形態における緩衝装置４’）とを備えた力覚センサユニットであって、前記検出部は、前記外力及び温度変化を検出するメインユニット（例えば、実施形態における外力検出用の力覚センサ１）と前記温度変化を検出するサブユニット（例えば、実施形態における温度補償用の力覚センサ１’）とからなることを特徴とする。
このように構成することで、メインユニットにより検出された温度変化による外力の検出値のずれ分を、温度変化のみを検出するサブユニットの検出値に基づいて除外することで、温度変化の影響を除外した外力のみによる歪み量である差分出力を得ることが可能となる。

請求項２に記載した発明は、外力を検出する検出部と前記外力を減衰させて前記検出部に付与する緩衝装置とを備えた力覚センサユニットであって、前記緩衝装置は、前記外力を入力する外力入力部（例えば、実施形態における外力入力部３３）と前記検出部へ前記外力を伝達する外力伝達部（例えば、実施形態における収納部周壁３６、収納部底壁３７）と前記外力を減衰させる減衰機構部（例えば、実施形態における減衰機構部３’）とを有する第１の筐体（例えば、実施形態における第１の筐体Ｋ１）と、外部構造体（例えば、実施形態における外部構造体Ｇ）に接続されて、前記第１の筐体を支持する第２の筐体（例えば、実施形態における第２の筐体Ｋ２）とを備え、前記検出部は、前記外力及び温度変化を検出するメインユニットと前記温度変化のみを検出するサブユニットとを備え、前記メインユニットは、一端（例えば、実施形態における入力部１０）を前記緩衝装置の第２の筐体に固定され、他端（例えば、実施形態における固定ボス２１）を前記緩衝装置の外力伝達部に接続され、前記サブユニットは、前記外力伝達部との接続を遮断された状態で前記第１の筐体に固定されていることを特徴とする。
このように構成することで、第２の筐体のメインユニットにより検出された温度変化による外力の検出値のずれ分を、第１の筐体に対して外力を受けない状態にされているため温度変化のみを検出するサブユニットの検出値に基づいて除外して差分出力を得ることが可能となる。

請求項３に記載した発明は、前記メインユニットと前記サブユニットは各々検出用センサチップ（例えば、実施形態における力覚センサチップ２）を備え、前記検出用センサチップは対向して配置されていることを特徴とする。
このように構成することで、メインユニット側の検出用センサチップとサブユニット側の検出用センサチップとの距離を近づけることができるので、温度変化の影響をメインユニットとサブユニットとで同等に受けることができる。

請求項４に記載した発明は、前記メインユニットと前記サブユニットは同軸上（例えば、実施形態におけるＺ軸上）に配置されていることを特徴とする。
このように構成することで、メインユニット側の検出用センサチップとサブユニット側の検出用センサチップとの距離が最短距離となるよう近づけることができるので、温度変化の影響をメインユニットとサブユニットとで同等に受けることができる。

請求項５に記載した発明は、前記メインユニットと前記サブユニットは同等の熱容量を有していることを特徴とする。
このように構成することで、メインユニットとサブユニットとで同等の熱分布を有することができ、温度変化の影響を除外した外力のみによる歪み量である差分出力の信頼性を確保できる。
請求項６に記載した発明は、前記メインユニットと前記サブユニットは同等の熱伝導率を有していることを特徴とする。
このように構成することで、熱源から受ける熱量がメインユニットとサブユニットに到達する速度が同等となり、温度変化による出力値の変動をキャンセルするまでの時間を短縮することができる。
請求項７に記載した発明は、前記メインユニットと前記サブユニットは同等の熱伝導率及び熱容量を有していることを特徴とする。
このように構成することで、メインユニットとサブユニットとが同等の熱分布を有することができ、かつ、熱源から受ける熱量がメインユニットとサブユニットに到達する速度が同等となり、温度変化による出力値の変動をキャンセルするまでの時間を短縮することができる。
。
請求項８に記載した発明は、前記減衰機構部は外力入力部を中心として環状に配列された扇形状の複数の孔（例えば、実施形態における貫通孔３４）からなることを特徴とする。
このように構成することで、全ての軸の感度バランスを確保し、出力の絶対値を均一化できる。
また、孔間に形成される梁の幅を均等にすると、局所的な応力集中を防止することができ、耐荷重性能が向上し、より破損しにくくする事が出来る。
請求項９に記載した発明は、前記第２の筐体は前記メインユニットとの接続部を中心としたダイヤフラム（例えば、実施形態における固定ブラケット４２）からなる減衰機構部（例えば、実施形態における減衰機構部３’’）を更に備えていることを特徴とする。
このように構成することで、外力入力部の軸方向での力の減衰力を調整することができる。

請求項１に記載した発明によれば、メインユニットにより検出された温度変化による外力の検出値のずれ分を、温度変化のみを検出するサブユニットの検出値に基づいて除外することで、温度変化の影響を除外した外力のみによる歪み量である差分出力を得ることが可能となるため、印加された外力を精度良く検出することができる効果がある。
請求項２に記載した発明によれば、第２の筐体のメインユニットにより検出された温度変化による外力の検出値のずれ分を、第１の筐体に対して外力を受けない状態にされ温度変化のみを検出するサブユニットの検出値に基づいて除外して差分出力を得ることが可能となり、その結果、印加された外力を精度良く検出することができる効果がある。
請求項３に記載した発明によれば、メインユニット側の検出用センサチップとサブユニット側の検出用センサチップとの距離を近づけることができるので、温度変化の影響をメインユニットとサブユニットとで同等に受けることができるため、差分出力の信頼性を向上することができる効果がある。
請求項４に記載した発明によれば、メインユニット側の検出用センサチップとサブユニット側の検出用センサチップとの距離が最短距離となるよう近づけることができるので、温度変化の影響をメインユニットとサブユニットとで同等に受けることができ、差分出力をより正確に得ることができる効果がある。
請求項５に記載した発明によれば、メインユニットとサブユニットとで同等の熱分布を有することができ、温度変化の影響を除外した外力のみによる歪み量である差分出力の信頼性を確保できるため、正確に外力を検出できる効果がある。
請求項６に記載した発明によれば、熱源から受ける熱量がメインユニットとサブユニットに到達する速度が同等となり、温度変化による出力値の変動をキャンセルするまでの時間を短縮することができるため、迅速に外力を検出できる効果がある。
請求項７に記載した発明によれば、メインユニットとサブユニットとが同等の熱分布を有することができ、かつ、熱源から受ける熱量がメインユニットとサブユニットに到達する速度が同等となり、温度変化による出力値の変動をキャンセルするまでの時間を短縮することができるので、差分出力をより正確に得ることができ、正確に外力を検出できる効果がある。
請求項８に記載した発明によれば、全ての軸の感度バランスを確保し、出力の絶対値を均一化できるため軸の方向に依存しないで正確に外力を検出できる効果がある。
請求項９に記載した発明によれば、外力入力部の軸方向での力の減衰力を調整することができるので、メインユニットを保護することができる効果がある。

次に、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すのは、この発明の実施形態の力覚センサユニットＵに用いられる力覚センサ１である。この力覚センサ１は、外力、例えば荷重や軸力の検出用センサチップとしての力覚センサチップ２と、この外力を減衰させて力覚センサチップ２に付与する減衰機構部３を備えた緩衝装置４を有している。

図２に示すように、力覚センサチップ２は平面視で正方形に形成され６軸センサとして機能したもので半導体基板を利用して製作されたものである。力覚センサチップ２は各辺を含む角形で枠状の支持部５と、中央部に形成された正方形状の作用部６とを備え、支持部５の各コーナ部にＴ字状の連結部７の両端が支持され、これら４つの連結部７の先端部が作用部６の各辺に連結されている。作用部６を支持する４つの連結部７の先端部と作用部６との境界部分の表面に各々３つの歪み抵抗素子８が配置されている。

ここで、６軸とは直交する３軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）の各々についての力とモーメントを示し、作用部６の面方向がＺ軸、作用部６の面に沿う方向がＸ軸と、Ｘ軸に直交するＹ軸であり、Ｘ軸方向に作用する力をＦｘ、Ｙ軸方向に作用する力をＦｙ、Ｚ軸方向に作用する力をＦｚ、Ｘ軸回りに作用するモーメントをＭｚ、Ｙ軸回りに作用するモーメントをＭｙ、Ｚ軸回りに作用するモーメントをＭｚとする。
つまり、力覚センサチップ２は、このような３つの力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと３つのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚを受けた場合に、作用部６が支持部５に対して相対的に変位しこれによって歪みを受ける歪み抵抗素子８からの出力によって外力を検出する。

図１に示すように、力覚センサチップ２に外力を付与する緩衝装置４は外力を入力する入力部１０を備えている。この入力部１０は円柱状に形成され、例えば、入力部１０は圧入等により周方向から固定される。
入力部１０の周囲には円柱状のセンサ固定部１３が形成されている。センサ固定部１３は表面の中央部に入力部１０を突出して備え、裏面の外側部位には表面側に落とし込まれた段差部１４が設けられている。段差部１４の内側には突条１５が全周に渡って環状に形成され、突条１５の内側は平坦に形成され中央部の中心にガラス材からなる伝達部１１が設けられている。減衰機構部３、入力部１０、伝達部１１及びセンサ固定部１３が緩衝装置４を構成している。
ここで、伝達部１１は力覚センサチップ２の作用部６に当接し、入力部１０の下端に位置していて、先端にゆくほど断面積が小さくなる先細り形状に形成されている。
環状の突条１５の下側に向く頂面にはガラス材からなる支持プレート１６の周囲が装着され、支持プレート１６には中央部に開口部１７が設けられ、開口部１７の周縁が力覚センサチップ２の支持部５を支持すると共に開口部１７が伝達部１１を受容して、伝達部１１による力覚センサチップ２への外力印加を許容している。

そして、センサ固定部１３の段差部１４には下部固定部１８が固定されている。下部固定部１８はセンサ固定部１３の段差部１４に嵌合し、外周面を整合させる筒状の側壁部１９と力覚センサチップ２を下側から覆う円板状の下壁部２０と下壁部２０の表面（下面）の中央部から下側に向かって突出する円柱状の固定ボス２１とで構成されている。固定ボス２１の外周には周囲４箇所に穴２２が形成されている。
ここで、下壁部２０の裏面（上面）の中央部は力覚センサチップ２の姿勢変化を許容する凹部２３が形成されている。また、下部固定部１８の側壁部１９には、長孔２４が４箇所形成されている。

ここで、入力部１０とセンサ固定部１３との間には入力部１０に作用する外力を減衰させる減衰機構部３が設けられている。この減衰機構部３は外力を減衰して伝達部１１から力覚センサチップ２に減衰させた状態で作用させるものである。
具体的には、減衰機構部３は入力部１０を中心として入力部１０の近傍の周囲にセンサ固定部１３の表面側から環状に配列された内径側の複数の貫通孔２５と、この複数の貫通孔２５の外側に形成された外径側の環状溝２６とで構成されている。貫通孔２５は外側に幅の広い部分を向けた扇形状に形成され、センサ固定部１３の表面側から裏面側まで貫通している。貫通孔２５はセンサ固定部１３の突条１５の内側位置で開口している。また、環状溝２６は径方向で突条１５の内側位置に形成され、センサ固定部１３の表面側から段差部１４の底部近傍に至る深さに形成されている。

図３、図４はこの発明の第１実施形態の力覚センサユニットＵを示している。力覚センサユニットＵは二つの力覚センサ１，１’を外力の検出部として備えている。力覚センサユニットＵには緩衝装置４’が設けられ、この緩衝装置４’により外力を減衰させ、減衰された力を力覚センサ１により検出する。
緩衝装置４’は第１の筐体Ｋ１と第２の筐体Ｋ２とを備えている。第１の筐体Ｋ１は扁平な円筒状の部材であって、ほぼ平坦な上壁３０と周壁３１を有している。上壁３０の周縁には段差部３２が環状に形成され、上壁３０の中央部は外力を入力する外力入力部３３として構成されている。この外力入力部３３の周囲には周壁３１の表面側から裏面側に貫くようにして減衰機構部３’として機能する複数の扇形状の貫通孔３４，３４…が外側に幅の広い部分を向けて環状に配列されている。外力入力部３３に外力が作用した場合にこの外力を環状に配列された複数の貫通孔３４の部分において減衰した状態で力覚センサ１に伝達できるようになっている。
上壁３０の裏面側の中央部には周壁３１の内側部分にサブユニットとしての温度補償用の力覚センサ１’を収容する収納部３５が形成されている。収納部３５は収納部周壁３６と収納部底壁３７とで形成され、収納部底壁３７には取付開口部３８が設けられている。ここで、収納部底壁３７の下面は第１の筐体Ｋ１の周壁３１の下面近傍まで延びている。
主として収納部周壁３６と収納部底壁３７とが外力伝達部を構成している。

具体的には、収納部３５に収容された温度補償用の力覚センサ１’はメインユニットとしての力覚センサ１の下部固定部１８を取り外され下側に力覚センサチップ２を向けた状態で収容され、入力部１０の上面が第１の筐体Ｋ１の上壁３０の裏面に固定され、周囲は収納部３５の収納部底壁３７や収納部周壁３６に接触しない状態になっている。したがって、温度補償用の力覚センサ１’は収納部３５内に外力を受け付けない宙づりの状態で支持されている。つまり、上壁３０の外力入力部３３に力が作用した場合に上壁３０が変位するのに合わせて温度補償用の力覚センサ１’の入力部１０も変位するが、下部固定部１８が取り外されているので、支持部５が固定されていない力覚センサチップ２の作用部６には何らの力も作用せず、したがって、温度補償用の力覚センサ１’は外力が作用したことによる出力変化は歪み抵抗素子８には生じず、温度変化に応じた歪み抵抗素子８のひずみによる出力変化だけを検出することとなる。

第１の筐体Ｋ１の周壁３１には第２の筐体Ｋ２が図示しないボルトにより固定されている。第２の筐体Ｋ２は周壁４０と底壁４１とで形成された部材であって、周壁４０の上面は第１の筐体Ｋ１の周壁３１の下面に当接し、第１の筐体Ｋ１を支持固定している。
第２の筐体Ｋ２には周壁４０と底壁４１との付け根部分から底壁４１の上方で底壁４１に平行に中央部に向かう薄い板状の固定ブラケット４２が設けられている。この固定ブラケット４２は中央部に取付開口４３を備え、取付開口４３の周縁部４４は下側が厚肉に形成され、この取付開口４３に外力検出用の力覚センサ１が取り付けられている。この固定ブラケット４２は外力検出用の力覚センサ１に作用する力を減衰する減衰機構部３’’として機能するような弾性を有する。尚、底壁４１には外部構造体Ｇに固定されるブラケット４５が形成されている。

具体的には、外力検出用の力覚センサ１は力覚センサチップ２を上側に向けた逆向きに取り付けられ、下側に位置する入力部１０を取付開口４３に上側から挿入して嵌着固定されている。これにより、力覚センサチップ２が温度補償用の力覚センサ１’の力覚センサチップ２とできるだけ近い位置で対向配置されている。また、各力覚センサ１，１’が力覚センサユニットＵの中央部に位置するため、各力覚センサチップ２を含めて両方の力覚センサ１，１’が同軸（Ｚ軸）上に配置されている。またこの際、外側の筐体である緩衝装置４’の入力軸（中心軸）である外力入力部３３と各力覚センサ１，１’の入力軸（中心軸）である入力部１０は同軸上であることが望ましい。このように構成することで、入力部１０への外力印加の偏りをなくし、かつ、外部装置の熱源からの熱の伝わり方を等しくすることができる。尚、外力検出用の力覚センサ１のセンサ固定部１３の上面は固定ブラケット４２の周縁部４４の上面に当接している。

また、外力検出用の力覚センサ１はセンサ固定部１３の段差部１４に取り付けられた下部固定部１８の下壁部２０を温度補償用の力覚センサ１’が収容された第１の筐体Ｋ１の収納部底壁３７の下面に当接され、固定ボス２１が第１の筐体Ｋ１の収納部底壁３７の取付開口部３８に挿入固定されている。尚、固定ボス２１の端面は第１の筐体Ｋ１の収納部底壁３７の上面と面一に形成され、固定ボス２１の端面は、第１の筐体Ｋ１の収納部３５に収容された温度補償用の力覚センサ１’の力覚センサチップ２から離間して接触していない。

ここで、温度補償用の力覚センサ１’と外力検出用の力覚センサ１とは同様のものであるため同等の比熱、同等の熱伝導率の材質で形成されている。具体的には緩衝装置４’はガラス材料で形成された支持プレート１６、伝達部１１を除く部分が、例えばアルミニウム、鉄、ステンレス等の金属によって形成されている。また、低熱膨張合金であるインバー、エリンバーなどのFe-Ni系合金、コバールなどのFe-Ni-Co系合金、或いはマグネシウム合金などで構成してもよい。
また、温度補償用の力覚センサ１’と外力検出用の力覚センサ１とは同様のものを使用しているが、温度補償用の力覚センサ１’については下部固定部１８を取り外して用いているため、両者の熱容量は異なる。しかしながら、両力覚センサ１，１’は第１の筐体Ｋ１と第２の筐体Ｋ２に取り付けられた状態では、対向配置されたセンサ固定部１３，１３の間に外力検出用の力覚センサ１の下部固定部１８の固定ボス２１が位置することになる。したがって、外力検出用の力覚センサ１は下部固定部１８を備えている点を除けば、力覚センサチップ２に対して熱容量の点で影響を与える共通したセンサ固定部１３を対向させてその間に外力検出用の力覚センサ１は下部固定部１８が配置してある配置構成となるため、両者の熱容量を決定する因子は同等と言える。すなわち、両力覚センサ１，１’は各力覚センサチップ２の配置を全体の位置関係から見ると同等の熱容量を備えていると言える。

よって、図１において、例えば、入力部１０にＺ軸方向の下向きの力Ｆｚが作用すると、この外力の大部分はセンサ固定部１３の周囲から下部固定部１８の側壁部１９を経て下部固定部１８の固定ボス２１に伝達される。したがって、入力部１０に作用した外力は複数の貫通孔２５と環状溝２６とにより減衰されて伝達部１１から力覚センサチップ２の作用部６に作用し、力覚センサチップ２の支持部５がセンサ固定部１３に支持された支持プレート１６に支持されているため、力覚センサチップ２には減衰された力を作用させることができる。また、入力部１０にＸ，Ｙ軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙが作用すると、入力部１０は倒れる方向に変位するが、この外力の大部分はセンサ固定部１３の周囲から下部固定部１８に作用するため、伝達部１１から力覚センサチップ２の作用部６には同様に減衰した力が作用する。尚、下部固定部１８の側壁部１９に作用した外力は長孔２４によっても減衰される。

ここで、力覚センサ１には減衰機構部３として入力部１０を中心として入力部１０の近傍の周囲にセンサ固定部１３の表面側から環状に配列された内径側の複数の貫通孔２５と、この複数の貫通孔２５の外側に形成された外径側の環状溝２６とが設けられているため、貫通孔２５と環状溝２６の何れかを一方を設けた場合に生ずる、外力の印加される方向に依存する特性の偏り（外力によって発生する伝達部１１の変位量が、外力を印加する方向によってはその大きさに偏りが生じるおそれがあるなど）に起因する検出感度の差を少なくすることができる。
つまり、モーメントＭｚについては、回り方向の違いによる特性の偏りはなく、力Ｆｘについては、圧縮方向、引張方向のどちらであっても、複数の貫通孔２５では特性の偏りはなく、環状溝２６では環状溝２６の底壁部分がＺ軸方向に沿う二つの力に対し、偏りなく伝達部１１を介して力覚センサチップ２の作用部６に力を印加することができる。

また、力Ｆｘ（Ｆｙも同様）については、Ｘ軸方向が、内径側の複数の貫通孔２５では貫通孔形成位置である場合と、隣接する貫通孔２５間である場合とでは伝達部１１に伝達される力に偏りが生ずるが、外径側に設けた環状溝２６により方向に依存しないでＸ軸方向の力を偏りなく伝達部１１を介して力覚センサチップ２に作用させることができる。
つまり、貫通孔２５と環状溝２６とを複数列設けたことで、力Ｆｘ、力Ｆｙを特性に偏りのない貫通孔２５の外側の環状溝２６の部分で減衰でき、この力Ｆｘ、力Ｆｙが貫通孔２５を横断する位置であるか否かにかかわらず全体としての偏りを少なくすることができるのである。

更に、モーメントＭｘ（Ｍｙも同様）ついては、複数の貫通孔２５では部位により力のバラツキが生ずるが、環状溝２６において偏りなく伝達部１１を介してモーメントＭｘを力覚センサチップ２に作用させることができる。
よって、入力部１０に作用する外力を方向の偏りに起因する検出感度の差を生じさせないで伝達部１１から力覚センサチップ２に作用させ、バラツキ無く力覚センサチップ２で検出できる。
これにより、歪み抵抗素子８の出力データを、６軸力出力に演算処理する際、計算誤差を著しく低減させることができる。

上記実施形態によれば、このように構成された外力検出用の力覚センサ１と温度補償用の力覚センサ１’を組み込んた力覚センサユニットＵの第１の筐体Ｋ１の外力入力部３３に外力が作用すると、第１の筐体Ｋ１の外力入力部３３に入力された外力は、収納部３５の上壁３０に支持された温度補償用の力覚センサ１’には何らの力を作用させることはなく、大部分が第１の筐体Ｋ１の周壁３１から第２の筐体Ｋ２の周壁４０を経てブラケット４５に支持される。その結果、温度補償用の力覚センサ１’からは外力が作用したことによる出力変化は検出されず、温度変化に応じた出力変化だけが検出される。
また、減衰機構部３’には複数の扇形状の貫通孔３４，３４…が外側に幅の広い部分を向けて環状に配列されているため、軸Ｘ，軸Ｙ，軸Ｚで外力及びモーメントに関して感度バランスを確保し、出力の絶対値を均一化できる。尚、扇形状の貫通孔３４，３４を環状に配列する際に、梁として残された部分の幅が内径側と外径側とで等しくなるよう形成されることが好ましい。これにより、外力入力部３３へ外力を印加した際に、梁の幅が均等になっているので局所的な応力集中を防止することができ、耐荷重性能が向上し、より破損しにくくする事ができる。
ここで、外力検出用の力覚センサ１と温度補償用の力覚センサ１’とが互いにＺ軸上で対向配置されているため、両者の距離を近づけることができる。よって、温度変化の影響を外力検出用の力覚センサ１と温度補償用の力覚センサ１’とで同等に受けることができ、差分出力をより正確に受け差分出力の信頼性を向上することができる。
そして、外力検出用の力覚センサ１と温度補償用の力覚センサ１’とが同等の熱容量を有しているため、温度変化の影響を除外した外力のみによる歪み量である差分出力の信頼性を確保でき正確に外力を検出できる。
また、外力検出用の力覚センサ１と温度補償用の力覚センサ１’とが同等の熱伝導率を有しているため、熱源から受ける熱量が外力検出用の力覚センサ１と温度補償用の力覚センサ１’とに到達する速度が同等となり、温度変化による出力値の変動をキャンセルするまでの時間を短縮することができる。よって、迅速な検出が可能となる。
更に、外力検出用の力覚センサ１と温度補償用の力覚センサ１’とが同等の熱伝導率及び前述したように力覚センサチップ２に着眼した場合に同等の熱容量を有していることにより、外力検出用の力覚センサ１と温度補償用の力覚センサ１’とを同等の熱分布とすることができ、差分出力をより正確に得ることができる。

一方、外力入力部３３に作用し減衰された外力の一部は収納部３５の収納部周壁３６から収納部底壁３７を経由して外力検出用の力覚センサ１の下部固定部１８の固定ボス２１に伝わり、この固定ボス２１から下部固定部１８の側壁部１９を経てセンサ固定部１３に作用し、力覚センサチップ２の支持部５を支持する支持プレート１６を変位させる。
また、センサ固定部１３に作用した外力の一部は減衰機構部３を構成する複数の貫通孔２５及び環状溝２６により減衰されて力覚センサチップ２の作用部６へ外力を印加する伝達部１１に伝達される。よって、力覚センサチップ２は支持部５に対して相対的に変位する伝達部１１により作用部６へ外力を印加することで、外力を減衰させた状態で力覚センサチップ２により検出できる。
よって、温度補償用の力覚センサ１’により温度変化による検出値の変化分を外力検出用の力覚センサ１の出力値から除外することにより、温度変化に依存しない外力の値が検出できる。

シミュレーションによれば、力覚センサユニットＵの外力入力部３３にＦｘ＝９０Ｎの外力を印加した状態で、常温２０°Ｃから２５°Ｃ（常温＋５°Ｃ）に上昇すると、温度補償用の力覚センサ１’の出力が表１から表２の値を示し、外力検出用の力覚センサ１の出力は表３から表４へと変化した。
２０°Ｃ Ｆｘ＝９０Ｎ印加時 温度補償用の力覚センサ１’の出力値

２５°Ｃ Ｆｘ＝９０Ｎ印加時 温度補償用の力覚センサ１’の出力値

２０°Ｃ Ｆｘ＝９０Ｎ印加時 外力検出用の力覚センサ１の出力値

２５°Ｃ Ｆｘ＝９０Ｎ印加時 外力検出用の力覚センサ１の出力値

これらの表からもわかるように、外力検出用の力覚センサ１の値の中には、外力の影響を受けず温度が常温から上昇しただけで検出値に変化が起きる温度補償用の力覚センサ１’の出力変化の分が含まれていることになる。尚、この例では、ほぼＦｚにのみ影響が発生していることがわかる。具体的には、温度補償用の力覚センサ１’では５°Ｃの温度上昇でＦｚに約−１７μＳのひずみが生じ、これと同様に、外力検出用の力覚センサ１でも５°Ｃの温度上昇で約−１８μＳのひずみが生ずることが明らかになった。したがって、外力検出用の力覚センサ１の値から、温度補償用の力覚センサ１’により得られた出力値を差し引けば、純粋に外力を印加した場合の外力のみによる検出値を得ることができる。
よって、温度補償を行った検出値から、作用した外力を正確に検出することができる力覚センサユニットＵを得ることができる。

更に、温度が０℃から６０℃の状態に変化した場合を表５〜９を用いて説明する。
表５、表６はそれぞれ、温度が０℃、６０℃で無負荷状態の力覚センサ１、１’の出力を示している。温度２０℃の、無負荷時はすべての出力が０の状態を基準とすると、２０℃から温度変化があった場合には、無負荷状態であるにもかかわらずＦｚ出力が生じていることが表５，６からわかる。ここで、力覚センサユニットＵの外力入力部３３にＦｚ＝−１００Ｎの外力を印加した状態で、常温２０℃から０℃（常温−２０℃）に温度が変化すると、外力検出用の力覚センサ１の出力が表７から表８の値へと変化し、Ｆｚ出力が６４．９μＳ増加している。これは、温度が０℃、無負荷状態のドリフト出力とほぼ同等である。また、力覚センサユニットＵの外力入力部３３にＦｚ＝−１００Ｎの外力を印加した状態で、常温２０℃から６０℃（常温＋４０℃）に温度が変化すると、外力検出用の力覚センサ１の出力が表７から表９の値へと変化し、Ｆｚ出力が１３０μＳ減少している。これは、温度が６０℃、無負荷状態のドリフト出力とほぼ同等である。
０°Ｃ 無負荷時 外力検出用の力覚センサ１及び温度補償用の力覚センサ１’の出力値

６０°Ｃ 無負荷時 外力検出用の力覚センサ１及び温度補償用の力覚センサ１’の出力値

２０°Ｃ 外力印加時 外力検出用の力覚センサ１の出力値

０°Ｃ 外力印加時 外力検出用の力覚センサ１の出力値

６０°Ｃ 外力印加時 外力検出用の力覚センサ１の出力値

これらの表からもわかるように、外力検出用の力覚センサ１の値の中には、外力の影響を受けず温度が常温から上昇（下降）しただけで検出値に変化が起きる温度補償用の力覚センサ１’の出力変化の分が含まれていることになる。尚、この例では、ほぼＦｚにのみ影響が発生していることがわかる。具体的には、温度補償用の力覚センサ１’では２０°Ｃの温度下降でＦｚに約６５μＳのひずみが生じ、これと同様に、外力検出用の力覚センサ１でも２０°Ｃの温度下降で約６４．９μＳ（−８５．５−（−１５０．４））のひずみが重畳されて生ずることが明らかになった。したがって、外力検出用の力覚センサ１の値から、温度補償用の力覚センサ１’により得られた出力値を差し引けば、純粋に外力を印加した場合の外力のみによる検出値を得ることができる。
よって、温度補償を行った検出値から、作用した外力を正確に検出することができる力覚センサユニットＵを得ることができる。

図５、図６は力覚センサの他の態様を示している。第１実施形態では、センサ固定部１３には減衰機構部３として複数の貫通孔２５と環状溝２６を設けた場合について説明したが、この態様では図５、図６に示すように、内径側と外径側に環状に配列された複数の貫通丸孔５５を設け、内径側の各貫通丸孔５５が周方向で外径側の隣接する貫通丸孔５６の間に位置するようにしている。尚、他の構成及び作用は前記第１実施形態と同様であるので同一部分に同一符号を付して説明は省略する。

したがって、モーメントＭｚについては、回り方向の違いによる特性の偏りはなく、力Ｆｚについては、圧縮方向、引張方向のどちらであっても、複数列に設けられた貫通丸孔５５，５６の何れも特性に偏りはなく、伝達部１１を介して力覚センサチップ２に作用させることができる。
また、力Ｆｘ（Ｆｙも同様）については、Ｘ軸方向が、内径側の複数の貫通丸孔５５の貫通孔形成位置である場合と、隣接する貫通丸孔５５間である場合とでは伝達部１１に伝達される力に偏りが生ずるが、Ｘ軸方向が貫通丸孔５５間に位置する場合には、外径側では貫通丸孔５６の形成位置となるため、内径側での力の偏りを外径側で緩和して偏りなく伝達部１１を介して力覚センサチップ２に作用させることができる。

更に、モーメントＭｘ（Ｍｙも同様）については、このＸ軸が内径側の複数の貫通丸孔５５の貫通孔形成位置である場合と、隣接する貫通丸孔５５間である場合とでは伝達部１１に伝達される力に偏りが生ずるが、Ｘ軸方向が内径側で隣接する貫通丸孔５５間に位置する場合には、外径側では貫通丸孔５６の形成位置となるため、内径側でのモーメントの偏りを外径側で緩和して偏りなく伝達部１１を介して力覚センサチップ２に作用させることができる。

ここで、貫通丸孔５５、５６を配置するにあたっては、入力部１０の軸中心から外側に向かうどの方向であっても、貫通丸孔５５と貫通丸孔５６の横断長さの和を同じに設定することにより、Ｘ軸方向（Ｙ軸方向も同様）における力Ｆｘのバラツキを確実に無くすることができる。
また、貫通丸孔５５，５６の両者の直径を変化させたり、内径側の貫通丸孔５５の配列位置と、外径側の貫通丸孔５６の配列位置との距離を変化させることにより、力覚センサチップ２に伝達される力を調整することができる。
よって、この態様においても、入力部１０に作用する外力を方向の偏りに起因する検出感度の差を確実に無くして伝達部１１から力覚センサチップ２に作用させバラツキ無く力覚センサチップ２で検出できる。

図７、図８は力覚センサの別の態様を示している。具体的には前述した貫通丸孔５５，５６を内径側の弧状貫通孔６５と外径側の弧状貫通孔６６に置き換えて内径側の弧状貫通孔６５が周方向で外径側の隣接する弧状貫通孔６６の端部間に位置するようにし両者を近接させたものである。他の構成及び作用は前記第１実施形態と同様であるので同一部分に同一符号を付して説明は省略する。

したがって、モーメントＭｚについては、回り方向の違いによる特性の偏りはなく、力Ｆｚについては、圧縮方向、引張方向のどちらであっても、複数列に設けられた弧状貫通孔６５，６６の何れも特性に偏りはなく、伝達部１１を介して力覚センサチップ２に作用させることができる。
また、力Ｆｘ（Ｆｙも同様）については、Ｘ軸方向が、内径側の複数の弧状貫通孔６５の貫通孔形成位置である場合と、隣接する弧状貫通孔６５の端部間である場合とでは伝達部１１に伝達される力に偏りが生ずるが、Ｘ軸方向が弧状貫通孔６５の端部間に位置する場合には、外径側では弧状貫通孔６６の形成位置となるため、内径側での力の偏りを外径側で緩和して偏りなく伝達部１１を介して力覚センサチップ２に作用させることができる。

更に、モーメントＭｘ（Ｍｙも同様）については、このＸ軸が内径側の複数の貫通丸孔５５の貫通孔形成位置である場合と、隣接する貫通丸孔５５間である場合とでは伝達部１１に伝達される力に偏りが生ずるが、Ｘ軸方向が内径側で隣接する弧状貫通孔６５の端部間に位置する場合には、外径側では弧状貫通孔６６の形成位置となるため、内径側でのモーメントの偏りを外径側で緩和して偏りなく伝達部１１を介して力覚センサチップ２に作用させることができる。

とりわけ、この態様では内径側の弧状貫通孔６５と外径側の弧状貫通孔６６との間と内径側の弧状貫通孔６５の端部間とによりＴ字状部６７が形成されるため、柔軟に対応でき減衰効果を高めることができる 。
また、弧状貫通孔６５，６６の両者の弧の長さを変化させることにより、力覚センサチップ２に伝達される力を調整することができる。
よって、この態様においても、入力部１０に作用する外力を方向の偏りに起因する検出感度の差を確実に無くして、伝達部１１から力覚センサチップ２に作用させバラツキ無く力覚センサチップ２で検出できる。

尚、この発明は上記実施形態に限られるものではなく、例えば、扇形状の貫通孔３４に加えて、更に外側に複数の貫通孔を環状に配置してもよい。また、力覚センサ１、１’は力覚センサチップ２を備えていれば構造は上述したものに限られない。

この発明の実施形態の力覚センサの要部斜視図である。 この発明の実施形態の力覚センサチップの斜視図である。 この発明の第１実施形態のセンサユニットの斜視図である。 図３の部分拡大図である。 力覚センサの他の態様を示す斜視図である。 図５を下側から見た斜視図である。 力覚センサの別の態様を示す斜視図である。 図７を下側から見た斜視図である。

符号の説明

１ 外力検出用の力覚センサ（メインユニット、検出部）
１’ 温度補償用の力覚センサ（サブユニット、検出部）
２ 力覚センサチップ（検出用センサチップ）
３’、３’’減衰機構部
４’ 緩衝装置
１０ 入力部（一端）
２１ 固定ボス（他端）
３３ 外力入力部
３４ 貫通孔
３６ 収納部周壁（外力伝達部）
３７ 収納部底壁（外力伝達部）
４２ 固定ブラケット（ダイヤフラム、減衰機構部）
Ｋ１ 第１の筐体
Ｋ２ 第２の筐体
Ｇ 外部構造体

Claims (9)

1. 外力を検出する検出部と、
   前記外力を減衰させて前記検出部に付与する緩衝装置とを備えた力覚センサユニットであって、
   前記検出部は、
   前記外力及び温度変化を検出するメインユニットと
   前記温度変化を検出するサブユニットとからなることを特徴とする力覚センサユニット。
2. 外力を検出する検出部と前記外力を減衰させて前記検出部に付与する緩衝装置とを備えた力覚センサユニットであって、
   前記緩衝装置は、
   前記外力を入力する外力入力部と
   前記検出部へ前記外力を伝達する外力伝達部と
   前記外力を減衰させる減衰機構部とを有する第１の筐体と、
   外部構造体に接続されて、前記第１の筐体を支持する第２の筐体とを備え、
   前記検出部は、
   前記外力及び温度変化を検出するメインユニットと
   前記温度変化のみを検出するサブユニットとを備え、
   前記メインユニットは、一端を前記緩衝装置の第２の筐体に固定され、他端を前記緩衝装置の外力伝達部に接続され、
   前記サブユニットは、前記外力伝達部との接続を遮断された状態で前記第１の筐体に固定されていることを特徴とする力覚センサユニット。
3. 前記メインユニットと前記サブユニットは各々検出用センサチップを備え、
   前記検出用センサチップは対向して配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の力覚センサユニット。
4. 前記メインユニットと前記サブユニットは同軸上に配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の力覚センサユニット。
5. 前記メインユニットと前記サブユニットは同等の熱容量を有していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の力覚センサユニット。
6. 前記メインユニットと前記サブユニットは同等の熱伝導率を有していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の力覚センサユニット。
7. 前記メインユニットと前記サブユニットは同等の熱伝導率及び熱容量を有していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の力覚センサユニット。
8. 前記減衰機構部は外力入力部を中心として環状に配列された扇形状の複数の孔からなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の力覚センサユニット。
9. 前記第２の筐体は前記メインユニットとの接続部を中心としたダイヤフラムからなる減衰機構部を更に備えていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の力覚センサユニット。

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