JP2010164495A - ３軸力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】ひずみ受感素子の軸線交点と荷重作用部の位置とに多少のずれがあっても、各軸にて適切な出力を検出することができる３軸力センサを提供する。
【解決手段】起歪板部の一面上の中心に突起状の荷重作用部を設け、起歪板部の他面上に複数のひずみ受感素子を配し、Ｘ軸方向，Ｙ軸方向およびＺ軸方向の力を検出する３軸力センサにおいて、起歪板部の中心に対してＸ軸方向の一方側と他方側とにＸ軸ひずみ受感素子を配し、起歪板部の中心に対してＹ軸方向の一方側と他方側とにＹ軸ひずみ受感素子を配し、Ｘ軸ひずみ受感素子およびＹ軸ひずみ受感素子の外周側または内周側にＺ軸ひずみ受感素子を配し、Ｘ軸ひずみ受感素子を用いてＸ軸方向の力を求めるＸ軸ブリッジ回路と、Ｙ軸ひずみ受感素子を用いてＹ軸方向の力を求めるＹ軸ブリッジ回路と、Ｘ軸ブリッジ回路とＹ軸ブリッジ回路とＺ軸ひずみ受感素子とを用いてＺ軸方向の力を求めるＺ軸ブリッジ回路とを備る。
【選択図】図３

Description

本発明は、起歪板部の一面上の中心に設けた突起状の荷重作用部に作用するＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の力を検出する際に用いて好適な３軸力センサに関する。

従来、起歪板部の一面上の中心に突起状の荷重作用部を設けるとともに、起歪板部の他面上に複数のひずみ受感素子を配し、荷重作用部に作用するＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の力を検出するための検出部およびこの検出部のひずみ受感素子に接続して信号処理を行う信号処理部により構成した３軸力センサが知られている（特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。

特許文献１に開示される３軸力センサでは、Ｘ軸方向の力を検出する２つのひずみ受感素子と、Ｙ軸方向の力を検出する２つのひずみ受感素子と、Ｚ軸方向の力を検出する４つのひずみ受感素子とを備え、これらのひずみ受感素子および固定抵抗によってホイートストンブリッジを組み、これによって各ひずみ受感素子が受けた力を検出するよう構成されている。

また、特許文献２に開示される多軸センサでは、ひずみ受感素子を、Ｘ軸方向に４個、Ｙ軸方向に４個配置し、これら８個のひずみ受感素子および固定抵抗によってホイートストンブリッジを組み、これによって各ひずみ受感素子が受けた力を検出するよう構成されている。さらに、特許文献２は、ひずみ受感素子を、Ｘ軸方向に４個、Ｙ軸方向に４個、さらにＸ軸とＹ軸との間に４個配置し、これら１２個のひずみ受感素子および固定抵抗によってホイートストンブリッジを組んでＸ軸、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の力を検出する構成も開示している。

また、特許文献３に開示される３軸力センサ及び３軸力検出方法では、Ｘ軸方向に２つのひずみ受感素子とＹ軸方向に２つのひずみ受感素子を起歪板部の中心に対して配して検出部を構成するとともに、信号処理部に、Ｘ軸方向両側に配したひずみ受感素子によりＸ軸方向の力を求めるＸ軸ブリッジ回路と、Ｙ軸方向両側に配したひずみ受感素子によりＹ軸方向の力を求めるＹ軸ブリッジ回路と、Ｘ軸ブリッジ回路とＹ軸ブリッジ回路を含むブリッジ回路によりＺ軸方向の力を求めるＺ軸ブリッジ回路とを設けた３軸力センサが開示している。

特開２００８−１１６３１９号公報 特開２００５−１０６６７９号公報 特開２００８−２９８５８０号公報

ところで、３軸力センサにおいては、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸のそれぞれに掛かる力を正しく検出できることが望ましい。たとえば、Ｘ軸方向にのみ力が掛かった場合には、その結果としてＸ軸方向の検出値のみが得られるのが理想である。しかしながら、他軸の出力を完全に０にするのは困難であるため、実用に適するよう他軸の出力を１０％以下の値に抑えることが望まれる。

また、３軸力センサでは、上記ひずみ受感素子を配した面（Ｘ−Ｙ軸平面）において、Ｘ軸検出用ひずみ受感素子の軸線とＹ軸検出用ひずみ受感素子の軸線との交点と、上記荷重作用部の位置とを一致させて配置することによって、荷重作用部に対して掛かる各軸方向の力を正しく検出することができる。しかしながら、上記ひずみ受感素子の軸線交点と荷重作用部の位置とを完全一致させることは製造上困難であり、わずかながらも位置ずれが生じてしまう。

このような位置ずれは、たとえばひずみ受感素子を形成したシートを起歪板部の面に貼付する際に生じるものであるが、このような位置ずれが生じると、特許文献１や特許文献２、特許文献３に開示される３軸力センサでは、わずかな位置ずれであっても力を掛けた軸とは異なる軸に干渉して出力が出てしまい、力を掛けた軸とは異なる軸の出力を実用に適するよう１０％以下の値に抑えることができないものであった。

また、特許文献３に記載されている３軸力センサは、Ｘ，Ｙ軸の出力に対して、Ｚ軸の出力が小さいため、Ｘ，Ｙ軸方向の力に対してＺ軸出力へ影響しやすい。

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、ひずみ受感素子の軸線交点と荷重作用部の位置とに多少の位置ずれがあったとしても、各軸にて適切な出力を検出することができる３軸力センサを提供することを目的とする。

本発明は上記の目的を達成するために、起歪板部の一面上の中心に突起状の荷重作用部を設けるとともに、前記起歪板部の他面上に複数のひずみ受感素子を配し、前記荷重作用部に作用するＸ軸方向，Ｙ軸方向およびＺ軸方向の力を検出する３軸力センサにおいて、前記起歪板部の中心に対してＸ軸方向の一方側と他方側とにＸ軸ひずみ受感素子を配し、前記起歪板部の中心に対してＹ軸方向の一方側と他方側とにＹ軸ひずみ受感素子を配し、前記Ｘ軸ひずみ受感素子および前記Ｙ軸ひずみ受感素子の外周側または内周側にＺ軸ひずみ受感素子を配し、前記Ｘ軸ひずみ受感素子を用いてＸ軸方向の力を求めるＸ軸ブリッジ回路と、前記Ｙ軸ひずみ受感素子を用いてＹ軸方向の力を求めるＹ軸ブリッジ回路と、前記Ｘ軸ブリッジ回路と前記Ｙ軸ブリッジ回路と前記Ｚ軸ひずみ受感素子とを用いてＺ軸方向の力を求めるＺ軸ブリッジ回路とを備えたことを特徴とする。

また本発明は請求項１に記載の発明において、前記Ｚ軸ひずみ受感素子が、前記起歪板部の中心を軸として周方向ほぼ半分ずつに配置された２つのひずみ受感素子からなることを特徴とする。

また本発明は請求項１または２に記載の発明において、前記Ｘ軸ブリッジ回路と前記Ｙ軸ブリッジ回路を、前記Ｚ軸ブリッジ回路における一対の対辺部にそれぞれ接続し、前記Ｚ軸ひずみ受感素子を、前記Ｚ軸ブリッジ回路における別の一対の対辺部に接続することを特徴とする。

また本発明は請求項１ないし３のうちのいずれかに記載の発明において、前記Ｘ軸ブリッジ回路および前記Ｙ軸ブリッジ回路は、ハーフブリッジ回路により構成することを特徴とする。

本発明によれば、ひずみ受感素子の軸線交点と荷重作用部の位置とに多少の位置ずれがあったとしても、各軸にて適切な出力を検出することができる３軸力センサを提供することができる。

すなわち、本発明によれば、Ｘ軸ひずみ受感素子およびＹ軸ひずみ受感素子のほかに、前記Ｘ軸ひずみ受感素子およびＹ軸ひずみ受感素子の外周側または内周側にＺ軸ひずみ受感素子を配し、このＺ軸ひずみ受感素子を用いたＺ軸ブリッジ回路によってＺ軸方向の力を求めるようにしたので、各軸に掛かる力を各軸のブリッジ回路にて検出可能であり各軸にて適切な出力を検出することができるとともに、Ｚ軸の感度が上がり、Ｓ／Ｎ比を低減した。

また本発明によれば、Ｚ軸ひずみ受感素子を、起歪板部の中心を軸として周方向ほぼ半分ずつに配置された２つのひずみ受感素子から構成したので、Ｚ軸ひずみ受感素子がほぼ全周に亘り、これにより、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の力を打ち消しあってＺ軸方向の力のみを検出することができる。

また、本発明によれば、ハーフブリッジ回路にすることで、回路構成を簡単にすることが出来る。

本発明の一実施形態による３軸力センサを示す側断面図である。 図１に示した３軸力センサ１の斜視図である。 図１に示したひずみゲージ９の平面図である。 図１に示したひずみゲージ９の回路図である。 従来のひずみゲージの平面図である。 図５に示したひずみゲージ１０９の中心部分の拡大図である。 従来例において、ひずみゲージ中心１０９ａと起歪板部中心１０２ａとの位置ずれがない場合の実験結果を示す表図である。 従来例において、図６に示す位置ずれが生じた場合の実験結果を示す表図である。 本実施の形態の３軸力センサ１に対して力が作用した状態を誇張して示す模式側断面図である。 図９に示したひずみ受感素子Α、Β、Γ、Δに掛かる力の方向および大きさを示す図であり、（ａ）は位置ずれがない場合を示す図であり、（ｂ）は位置ずれがある場合を示す図である。 図１に示した実施形態において、図６に示す位置ずれが生じた場合の実験結果を示す表図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態による３軸力センサを示す側断面図である。図２は、図１に示した３軸力センサ１の斜視図である。

この３軸力センサ１は、合成樹脂素材により一体成形した起歪基体１１を有し、この起歪基体１１は、起歪板部２、荷重作用部３および４つの脚部１２を備える。起歪板部２は、所定の厚さを有する円形に形成し、この起歪板部２の一面２ｆ上の中心に円柱形の荷重作用部３を突起状に形成する。したがって、荷重作用部３に外力が付加されれば、力の作用方向に対応して起歪板部２にひずみ（撓み）が生じる。また、起歪板部２の一面２ｆには、軟質樹脂素材あるいはゴム素材等による半球状の被覆部１３を設けることにより当該一面２ｆの全面および荷重作用部３を覆い隠す。なお、本発明において荷重作用部３の形状は円柱形に限られるものではなく、たとえばＸ軸方向およびＹ軸方向に四辺を向けた四角柱形であってもよい。

一方、起歪板部２の他面２ｓには、ゲージ装着部１４を設ける。この場合、他面２ｓ上には外周部に沿ったリング囲部１４ｓを形成する。これにより、リング囲部１４ｓの内側がゲージ装着部１４となる。また、ゲージ装着部１４の一部を切欠くことにより、図２に示すリード導出部１４ｏを形成する。さらに、起歪板部２の外周部には、周方向に等間隔に配した４つの脚部１２を形成する。各脚部１２は、たとえば円柱形に形成し、他面２ｓ側に突出することにより、取付部位に対する取付機能と位置決め機能を有する。

起歪板部２の他面２ｓ上に形成したゲージ装着部１４には、ひずみゲージ９を固着（貼着）する。このひずみゲージ９は円形に形成し、ゲージ装着部１４に固着する際はリング囲部１４ｓにより位置決めされる。

図３は、図１に示したひずみゲージ９の平面図である。

ひずみゲージ９は、樹脂フィルムにプリント形成した４つのひずみ受感素子Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２を有するとともに、その外周に、それぞれがほぼ半周に亘るひずみ受感素子Ｚ１、Ｚ２を有し、さらに、各ひずみ受感素子Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２、Ｚ１、Ｚ２の両端から延出する配線パターン２１を有する。

２つのひずみ受感素子Ｘ１、Ｘ２は、起歪板部２の中心に対してＸ軸方向一方側と他方側とに配され、また、２つのひずみ受感素子Ｙ１、Ｙ２は、起歪板部２の中心に対してＹ軸方向一方側と他方側とに配される。なお、ひずみ受感素子Ｚ１、Ｚ２は、ひずみ受感素子Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２の外周側に配置しているが、本発明はこれに限られるものではなく、ひずみ受感素子Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２の内周側に配置してもよい。

６つのひずみ受感素子Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２、Ｚ１、Ｚ２は、いずれも荷重作用部３の外側面３ｆよりも外周側であって、起歪板部２として実質的に機能する領域に配され、細かく往復を繰り返すグリッドパターンにより形成される。

各ひずみ受感素子は、図４を参照して後述するようにブリッジ回路を形成するように配線パターン２１によって接続され、中心部には６つの接合端（はんだタブ）Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆが設けられている。ひずみゲージ９は、この６つの接合端Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆを露出させるようにして、ひずみ受感素子Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２、Ｚ１、Ｚ２、さらには配線パターン２１を保護する絶縁フィルムを貼着して完成される。

フレキシブルプリント基板を用いたリード形成シート１０は、絶縁フィルムを貼着されたひずみゲージ９の上に重ねられ、６つの接合端Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆのそれぞれにハンダ付部Ｃｍによりハンダ接合される。リード形成シート１０は、ひずみゲージ９とほぼ同径である円形部（図示せず）とこの円形部から放射方向へ直線状に延設した延設部１０ｗにより形成される。延設部１０ｗは、各接合端Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆに電気的に接続されリード導出部１４ｏから外部に導出する６本のリード線を含む。

図４は、図１に示したひずみゲージ９の回路図である。

接合端ＤとＦとの間にはリード導出部１４ｏから外部に導出された個所にて固定抵抗素子Ｒ１およびＲ２が接続され、ひずみ受感素子Ｘ１、Ｘ２はこの固定抵抗素子Ｒ１、Ｒ２とともにブリッジ回路４を形成する。固定抵抗素子Ｒ１とＲ２との間の端子を端子Ｇと呼ぶ。

また、接合端ＡとＣとの間にはリード導出部１４ｏから外部に導出された個所にて固定抵抗素子Ｒ３およびＲ４が接続され、ひずみ受感素子Ｙ１、Ｙ２はこの固定抵抗素子Ｒ３、Ｒ４とともにブリッジ回路５を形成する。固定抵抗素子Ｒ３とＲ４との間の端子を端子Ｈと呼ぶ。

さらに、ひずみ受感素子Ｚ１、Ｚ２はブリッジ回路４、ブリッジ回路５とともにブリッジ回路６を形成する。

本実施の形態の３軸力センサ１では、荷重作用部３に力が掛かっていないときに各ブリッジ回路４、５、６においてバランスがとれた状態になるよう各抵抗値を設定しておく。この状態では、たとえば接合端ＣとＦとの間に所定の入力電圧を印加したときに、接合端ＡとＤとの間の電位差は０であり（ブリッジ回路６）、接合端Ｂと端子Ｈとの間の電位差は０であり（ブリッジ回路５）、接合端Ｅと端子Ｇとの間の電位差は０である（ブリッジ回路４）。

荷重作用部３にＸ軸方向の力が掛かると、ひずみ受感素子Ｘ１、Ｘ２の抵抗値が変化してブリッジ回路４のバランスが崩れ、接合端Ｅと端子Ｇとの間に電位差が生じる。荷重作用部３にＹ軸方向の力が掛かると、ひずみ受感素子Ｙ１、Ｙ２の抵抗値が変化してブリッジ回路５のバランスが崩れ、接合端Ｂと端子Ｈとの間に電位差が生じる。荷重作用部３にＺ軸方向の力が掛かると、ひずみ受感素子Ｚ１、Ｚ２の抵抗値が変化してブリッジ回路６のバランスが崩れ、接合端ＡとＤとの間に電位差が生じる。３軸力センサ１では、この各端子間の電位差に基づいて各軸方向に掛かった力を検出する。

ところで、上述のように、３軸力センサ１では、起歪板部２の他面２ｓ上に形成したゲージ装着部１４にひずみゲージ９を貼着するわけだが、このとき、ひずみ受感素子の軸線交点と荷重作用部３の位置とを完全一致させることは困難であり、わずかながら、たとえば０．１ｍｍ程度の位置ずれが生じてしまう。従来は、この程度の位置ずれであっても他軸の出力に対する干渉を生じていた。この点について、以下に図面を参照して説明する。

図５は、従来のひずみゲージの平面図である。

従来のひずみゲージ１０９は、樹脂フィルムにプリント形成した、Ｘ軸用のひずみ受感素子Ｘ１０１、Ｘ１０２、Ｙ軸用のひずみ受感素子Ｙ１０１、Ｙ１０２、Ｘ軸およびＹ軸と４５度ずらしてＺ軸用のひずみ受感素子Ｚ１０１、Ｚ１０２、Ｚ１０３、Ｚ１０４を有する。ここで、１０２は起歪板部であり、１０２ａは起歪板部の中心（荷重作用部の位置）である。一方、１０９ａはひずみゲージ１０９の中心（ひずみ受感素子の軸線交点）である。この中心部分の拡大図を図６に示す。

この例では、図６に示すように、ひずみゲージ中心１０９ａが、起歪板部中心１０２ａに対して、Ｚ軸用ひずみ受感素子の軸線方向に０．１ｍｍ、その垂直方向に０．１ｍｍずれた場合を示している。

この従来例によって、出力結果を測定した実験結果を以下に示す。図７は、従来例において、ひずみゲージ中心１０９ａと起歪板部中心１０２ａとの位置ずれがない場合の実験結果を示す表図であり、図８は、従来例において、図６に示す位置ずれが生じた場合の実験結果を示す表図である。

図７および図８は、力の方向を「Ｘ＋」、「Ｘ−」、「Ｙ＋」、「Ｙ−」、「Ｚ」の５通りとした場合の、各軸での検出値を示すものである。ここで、「Ｘ＋」とはＸ軸上の一方向に力を掛けた場合であり、「Ｘ−」とはＸ軸上の他方向に力を掛けた場合であり、「Ｙ＋」とはＹ軸上の一方向に力を掛けた場合であり、「Ｙ−」とはＹ軸上の他方向に力を掛けた場合であり、「Ｚ」とは荷重作用部を押す方向に力を掛けた場合である。また、検出値としては、力を掛けた軸方向で検出される値を１００％としたときの、他の軸方向で検出された値の割合を示している。

位置ずれがない場合である図７の実験例では、たとえば「Ｘ＋」方向に力を掛けたときに、Ｙ軸検出値が０．８％であり、Ｚ軸検出値が１．５％であった。１０％以下程度であれば、実用に適しているため、従来例であっても、位置ずれがなければ問題がなかった。

しかしながら、位置ずれがある場合の図８の実験例を参照すると、たとえば「Ｘ＋」方向に力を掛けたときに、Ｙ軸検出値は１．３％であるが、Ｚ軸検出値は２３．７％であった。これでは、実用上、問題があった。

これに対して、図３に示した本実施の形態のひずみゲージ９によれば、位置ずれが生じても、力を掛けた軸以外での検出値を抑えることができる。この点について以下に説明する。

図９は、本実施の形態の３軸力センサ１に対して力が作用した状態を誇張して示す模式側断面図である。

図９において、Α、Β、Γ、Δのそれぞれは、ひずみ受感素子であり、ΑおよびΔはＺ軸用のひずみ受感素子であり、ΒおよびΓはＸ軸用のひずみ受感素子またはＹ軸用のひずみ受感素子である。

図９の矢印に示す方向に荷重作用部３に力が作用すると、起歪板部２上のひずみ受感素子Αには引張力Ｔ１が掛かり、ひずみ受感素子Βには圧縮力Ｃ１が掛かり、ひずみ受感素子Γには引張力Ｔ２が掛かり、ひずみ受感素子Δには圧縮力Ｃ２が掛かる。この各力の方向および大きさを図１０に示す。

図１０は、図９に示したひずみ受感素子Α、Β、Γ、Δに掛かる力の方向および大きさを示す図であり、（ａ）は位置ずれがない場合を示す図であり、（ｂ）は位置ずれがある場合を示す図である。

本実施の形態によれば、図１０（ａ）および（ｂ）に示すように、位置ずれがあったとしても力の相殺が行われて誤差が小さくなる。すなわち、ひずみ受感素子Βに掛かる力Ｃ１が位置ずれにより増加したとしても、その分、ひずみ受感素子Γに掛かる力Ｔ２が位置ずれにより減少する。これにより、本実施の形態の３軸力センサ１では、たとえ位置ずれがあったとしても、Ｘ軸やＹ軸に掛かった力をＺ軸検出値として誤って出力してしまうことを防ぐことができる。

図１１は、本実施の形態の３軸力センサ１において、図６に示す位置ずれが生じた場合の実験結果を示す表図である。図１１の読み方は、図７および図８と同様であるのでその説明は省略する。

この図１１を参照すると、本実施の形態の３軸力センサ１によれば、「Ｘ＋」方向、「Ｘ−」方向、「Ｙ＋」方向および「Ｙ−」方向のいずれの方向に力を掛けたときであってもＺ軸検出値は１０％以下程度であり、本実施の形態の３軸力センサ１が実用に適していることが分かる。

本発明は、ロボットハンドの指先等に装着する場合をはじめ、各種機械やゲーム機のジョイスティックなど、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に作用する力（外力）を同時に検出する用途である以上、各種用途において利用することができる。

１ ３軸力センサ
２ 起歪板部
３ 荷重作用部
９ ひずみゲージ

Claims (4)

1. 起歪板部の一面上の中心に突起状の荷重作用部を設けるとともに、前記起歪板部の他面上に複数のひずみ受感素子を配し、前記荷重作用部に作用するＸ軸方向，Ｙ軸方向およびＺ軸方向の力を検出する３軸力センサにおいて、
   前記起歪板部の中心に対してＸ軸方向の一方側と他方側とにＸ軸ひずみ受感素子を配し、前記起歪板部の中心に対して前記Ｙ軸方向の一方側と他方側とにＹ軸ひずみ受感素子を配し、前記Ｘ軸ひずみ受感素子およびＹ軸ひずみ受感素子の外周側または内周側にＺ軸ひずみ受感素子を配し、
   前記Ｘ軸ひずみ受感素子を用いてＸ軸方向の力を求めるＸ軸ブリッジ回路と、前記Ｙ軸ひずみ受感素子を用いてＹ軸方向の力を求めるＹ軸ブリッジ回路と、前記Ｘ軸ブリッジ回路と前記Ｙ軸ブリッジ回路と前記Ｚ軸ひずみ受感素子とを用いてＺ軸方向の力を求めるＺ軸ブリッジ回路と
   を備えたことを特徴とする３軸力センサ。
2. 前記Ｚ軸ひずみ受感素子が、前記起歪板部の中心を軸として周方向ほぼ半分ずつに配置された２つのひずみ受感素子からなることを特徴とする請求項１に記載の３軸力センサ。
3. 前記Ｘ軸ブリッジ回路と前記Ｙ軸ブリッジ回路を、前記Ｚ軸ブリッジ回路における一対の対辺部にそれぞれ接続し、前記Ｚ軸ひずみ受感素子を、前記Ｚ軸ブリッジ回路における別の一対の対辺部に接続することを特徴とする請求項１または２に記載の３軸力センサ。
4. 前記Ｘ軸ブリッジ回路および前記Ｙ軸ブリッジ回路は、ハーフブリッジ回路により構成することを特徴とする請求項１ないし３のうちのいずれかに記載の３軸力センサ。

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