JP2011227015A

JP2011227015A - 物理量センサ

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Publication number: JP2011227015A
Application number: JP2010099433A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Osato; 毅大里
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-04-23
Filing date: 2010-04-23
Publication date: 2011-11-10
Anticipated expiration: 2030-04-23
Also published as: JP5572001B2

Abstract

【課題】入力されたパルス波形電圧と同期した信号を出力することが可能な物理量センサを提供する。
【解決手段】力覚センサ１は、外力又は慣性力が作用する作用部と、作用部を支持する支持部と、作用部及び支持部を連結する連結部と、連結部に配置された歪検出用抵抗素子Ｓを含むフルブリッジ回路ＦＢと、フルブリッジ回路ＦＢにパルス波形電圧を印加する信号入力部９と、パルス波形電圧が印加されたフルブリッジ回路ＦＢからの出力信号が入力されるＡ／Ｄ変換部５３と、を備える。
【選択図】図６

Description

本発明は、多軸力センサ等、力又は加速度を検出する物理量センサに関する。

ロボットハンド等の自動作業機械では、その作業動作上で、作業対象物に対して力を加えたり、外界から力の作用を受けたりする。この場合、自動作業機械では、自身に加わる外部からの力やモーメントを検出し、当該力やモーメントに対応した制御を行うことが要求される。力やモーメントに対応する制御を高精度で行うためには、外部から加わる力とモーメントを正確に検出することが必要となる。

そこで従来から、外力に比例した変形量に基づき力又は加速度を測定する物理量センサが提案されている。特許文献１に記載された圧力測定装置は、４つのインピーダンスから構成されるホイートストンブリッジ形のインピーダンスブリッジ回路を備えており、インピーダンスブリッジ回路にパルス駆動波形の電圧を印加し、インピーダンスブリッジ回路の両アームの中間地点の電位差を電圧センサによって一定の時間間隔でサンプリング測定し、サンプリング測定された今回の電圧と前回の電圧の差が一定のしきい値以下になったときの測定値をセンサ出力としている。

特開２００３−１９４６４６号公報

しかしながら、かかる圧力測定装置において、電圧センサによるサンプリング測定のタイミングをパルス駆動波形と同期させることは困難であった。

本発明は、これらの事情に鑑みて成されたものであり、入力されたパルス波形電圧と同期した信号を出力することが可能な物理量センサを提供することを課題とする。

本発明に係る物理量センサは、力又は加速度を検出する物理量センサであって、外力又は慣性力が作用する作用部と、前記作用部を支持する支持部と、前記作用部及び前記支持部を連結する連結部と、前記連結部に配置された歪検出用抵抗素子を含むホイートストンブリッジ回路と、前記ホイートストンブリッジ回路にパルス波形電圧を印加する電圧印加部と、前記パルス波形電圧が印加された前記ホイートストンブリッジ回路からの出力信号が入力され、当該出力信号をデジタル変換して出力するＡ／Ｄ変換部と、を備えることを特徴とする。

かかる構成によると、Ａ／Ｄ変換部がホイートストンブリッジ回路からの出力信号をデジタル変換して出力するので、ホイートストンブリッジ回路に入力されたパルス波形電圧と同期した信号を出力することができる。

前記物理量センサは、前記ホイートストンブリッジ回路からの前記出力信号が入力されるフィルタ部と、前記フィルタ部からの出力信号が入力されるバッファ部と、をさらに備え、前記パルス波形電圧が印加された前記ホイートストンブリッジ回路からの出力信号は、前記フィルタ部及び前記バッファ部を介して前記Ａ／Ｄ変換部に入力される構成であってもよい。

本発明によれば、入力されたパルス波形電圧と同期した信号を出力することができる。

本実施形態に係る滑り覚検知装置を適用した自動作業機械の概略側面図である。（ａ）は、接触部と力覚センサの断面図であり、（ｂ）は、力覚センサの斜視図である。配線を除外して示した力覚センサの平面図である。力覚センサの平面図である。歪検出用抵抗素子とモニタ用抵抗素子の電気接続関係を示す回路図である。本実施形態に係る力覚センサの一例を示す回路図である。（ａ）は、歪検出用抵抗素子に０．３［ｍＡ］の電流を流した場合における出力信号の経時変化を示すグラフ、（ｂ）は、歪検出用抵抗素子に１．１７［ｍＡ］の電流を流した場合における出力信号の経時変化を示すグラフ、（ｃ）は、歪検出用抵抗素子に３．５［ｍＡ］の電流を流した場合における出力信号の経時変化を示すグラフである。

本発明の第１実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。説明において、同一の要素には同一の番号を付し、重複する説明は省略する。本実施形態では、部品などの対象物を把持して製品に組み付ける自動作業装置に本発明を適用した場合を例にとって説明する。

図１は、本実施形態に係る力覚センサ（物理量センサ）を適用した自動作業機械の概略側面図である。
図１に示すように、自動作業装置Ｒは、例えばいわゆるロボットハンドであり、製品を製造する工場のラインに沿って設置されている。自動作業装置Ｒは、床面に設置された装置本体Ｒ１と、装置本体Ｒ１の上部に設置された腕部Ｒ２と、腕部Ｒ２の先端に設けられた把持部Ｒ３と、を有している。
腕部Ｒ２は、複数の関節部ｒを有しており、水平方向或いは垂直方向に回動して、先端の把持部Ｒ３を所望の位置や向きに配置することが可能になっている。
把持部Ｒ３は、対象物たる部品Ｐに接触する一対の接触部Ｒ４と、一対の接触部Ｒ４を互いに近接・離間させる駆動部Ｒ５とを有している。接触部Ｒ４の内部には、接触部Ｒ４が部品Ｐから受ける外力Ｆを検知するための力覚センサ１が設置されている。
装置本体Ｒ１は、腕部Ｒ２や把持部Ｒ３の動作を制御する制御部Ｒ６や電源装置（図示省略）等を有している。
自動作業装置Ｒは、例えば、予め記憶されたプログラムにしたがって、作業台Ｄに載置された対象物たる部品Ｐを把持部Ｒ３で把持した後、腕部Ｒ２を駆動して製品の取付位置まで部品Ｐを運搬し、部品Ｐを製品に取り付ける動作を行う。

図２の（ａ）は、接触部と力覚センサの断面図であり、（ｂ）は、力覚センサの斜視図である。
図２（ａ）に示すように、接触部Ｒ４は、中空筒状を呈する金属製の本体部Ｒ４ａと、この本体部Ｒ４ａの表面に被覆されたエラストマーＲ４ｂと、を有している。
接触部Ｒ４には、部品Ｐを把持するときに部品Ｐから受ける反力Ｆ１と、部品Ｐが滑ったときに、部品ＰとエラストマーＲ４ｂとの間に生じる摩擦力Ｆ２と、が作用する。
なお、以下の説明においては、反力Ｆ１と摩擦力Ｆ２とを合わせて外力Ｆという場合がある。

本体部Ｒ４ａの先端側は、ドーム状に形成されて閉塞されており、本体部Ｒ４ａの基端側は、駆動部Ｒ５に連結されている。
エラストマーＲ４ｂは、いわゆるゴムであり、例えばシリコーンゴムやフッ素ゴムなどで構成されている。エラストマーＲ４ｂは、本体部Ｒ４ａを構成する金属材料などに比較して低い固有振動数を有しており、接触部Ｒ４と部品Ｐとの間に滑りが生じたときに、低い周波数の振動を発生させる機能を有している。

力覚センサ１は、例えば６軸力センサであり、外力を、直交座標系の３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の各軸方向の応力成分（力：Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ）と、各軸方向のトルク成分（モーメント：Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）に分け、６軸成分として検出する機能を有している。
力覚センサ１は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、台座１１と、円筒形の減衰機構１２と、力覚センサ用チップ２とから構成される。

台座１１は、例えばステンレス材（ＳＵＳ）で作られた支持台部分を形成している。台座１１の一端側（図２では下側）には、中央部にセンサチップ支持部１１ａが設けられ、周縁部に減衰機構支持部１１ｂが設けられている。センサチップ支持部１１ａにはガラス台座１３及び接合層１４を介して力覚センサ用チップ２が取り付けられている。また減衰機構支持部１１ｂには、接合層１５を介して減衰機構１２が取り付けられている。台座１１の他端側１１ｃは、本体部Ｒ４ａの内部に充填された樹脂などに固定されている。

減衰機構１２は、外力や荷重を受け、当該外力を連結ロッド１６を介して力覚センサ用チップ２に伝達するとき、力覚センサ用チップ２に伝達される当該外力を弱くする緩衝機構である。減衰機構１２は、接合部１８を介して連結ロッド１６の一端側を保持する円筒状の保持部１２ａと、保持部１２ａよりも大径に形成されて力覚センサ用チップ２を覆う円筒状のケース部１２ｂと、を備えている。保持部１２ａは、本体部Ｒ４ａの先端側の内壁に固定されている。ケース部１２ｂには、肉抜き用の長孔１２ｃが周方向に沿って複数形成されている。

連結ロッド１６は、図２（ａ）に示すように、円柱状の部材であり、一端側を保持部１２ａに接合部１８を介して保持され、他端側を力覚センサ用チップ２の作用部２１に絶縁性を有する接合部１９を介して接続されている。

次に、力覚センサ用チップ２の構成について、図３及び図４を参照しながら詳細に説明する。図３は、配線を除外して示した力覚センサの平面図である。図４は、力覚センサの平面図である。
力覚センサ用チップ２は、６軸力センサチップであり、図３に示すように、平面視で略正方形のベース部材２０上に構成されている。そして、当該ベース部材２０は、図３に示すように、外力Ｆ（図２参照）が伝達される作用部２１と、連結部２３を介して作用部２１を支持する支持部２２と、作用部２１と支持部２２とを連結する連結部２３と、を備えている。

また、ベース部材２０上の所定位置には、図３に示すように、外力Ｆの大きさや方向を検出する歪検出用抵抗素子Ｓと、歪検出用抵抗素子Ｓ近傍の環境温度をモニタする温度補償用抵抗素子２７と、が配置されている。歪検出用抵抗素子Ｓ及び温度補償用抵抗素子２７は、図４に示すように、配線２８を介して信号電極パッド２５及びＧＮＤ電極パッド２６と接続されている。

また、ベース部材２０上の所定位置には、図３に示すように、モニタ用抵抗素子Ｔが配置されている。モニタ用抵抗素子Ｔは、図４に示すように、配線２８を介して信号電極パッド２５及びＧＮＤ電極パッド２６と接続されている。
かかるモニタ用抵抗素子Ｔは、ベース部材２０の支持部２２上に配置されてもよいが、本実施形態においては、１個のモニタ用抵抗素子Ｔが、ベース部材２０の連結部２３上の貫通孔Ｈと、貫通孔Ｈから延設された貫通孔Ｈ１，Ｈ２と、に囲まれた開放端上に配置されているとともに、２個のモニタ用抵抗素子Ｔが貫通孔Ｌに囲まれた開放端上に配置されており、ベース部材２０の変形の影響を受けないように構成されている。かかるモニタ用抵抗素子Ｔは、少なくとも１個設けられていればよい。

ベース部材２０は、力覚センサ用チップ２の土台となる部材である。ベース部材２０は、図３に示すように、作用部２１と、支持部２２と、連結部２３と、を有している。また、ベース部材２０には、図３に示すように、貫通孔Ｇ，Ｈ，Ｉ，Ｊ，Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎ及び貫通孔Ｈから延設された貫通孔Ｈ１，Ｈ２が形成されている。ベース部材２０は、例えば、シリコン等の半導体基板で構成することができる。
ベース部材２０の外周縁には、各辺に沿って所要の幅にてほぼ正方形リング状のＧＮＤ（接地（GROUND））配線２９が形成されている。このＧＮＤ配線２９には、後記するＧＮＤ電極パッド２６が接続されている。なお、正方形リング状のＧＮＤ配線２９は一例であり、一定電位にするものであれば、どのようなものでもよい。

作用部２１は、外力Ｆが印加される領域である。作用部２１は、図３に示すように、力覚センサ用チップ２の中央部に形成されている。また作用部２１は、前記したように、絶縁性を有する接合部１９を介して減衰機構１２の連結ロッド１６と接合されている（図２（ａ）参照）。

支持部２２は、連結部２３を介して作用部２１を支持する領域である。支持部２２は、図３に示すように、力覚センサ用チップ２の周縁部に形成され、四角枠状をなしている。また支持部２２は、前記したように、その全部又は一部がガラス台座１３及び接合層１４を介して台座１１のセンサチップ支持部１１ａと接合されている（図２（ａ）参照）。なお、支持部２２の形状は、作用部２１を支持できる形状であれば四角枠状に限られず、例えば円形枠状とすることもできる。

連結部２３は、作用部２１と支持部２２とを連結する領域である。連結部２３は、図３に示すように、作用部２１と支持部２２の間に形成されている。また、連結部２３には、後記するように、細長いスリット状の貫通孔Ｇ，Ｈ，Ｉ，Ｊ，Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎが所定の箇所に形成されている。

連結部２３は、図３に示すように、弾性部２３ａ１，２３ｂ１，２３ｃ１，２３ｄ１と、橋梁部２３ａ２，２３ｂ２，２３ｃ２，２３ｄ２と、からなるＴ字梁状の領域２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄをそれぞれ備えている。弾性部２３ａ１，２３ｂ１，２３ｃ１，２３ｄ１は、図３に示すように、長さ方向における両端部が支持部２２の内周と接続され、中心部がそれぞれに対応する橋梁部２３ａ２，２３ｂ２，２３ｃ２，２３ｄ２の一方の端部と接続されている。また、橋梁部２３ａ２，２３ｂ２，２３ｃ２，２３ｄ２は、図３に示すように、長さ方向における一方の端部がそれぞれに対応する弾性部２３ａ１，２３ｂ１，２３ｃ１，２３ｄ１と接続され、他方の端部が作用部２１と接続されている。

Ｔ字梁状の領域２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄは、図３に示すように、作用部２１の中心に対して４回対称となるように、力覚センサ用チップ２の四辺に対応して形成することが好ましい。このように、作用部２１を中心として４回対称となるようにＴ字梁状の領域２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄを形成することで、支持部２２が４方向からバランス良く作用部２１を支持することができる。

また、弾性部２３ａ１，２３ｂ１，２３ｃ１，２３ｄ１は、それぞれ剛性の低い物質で構成し、橋梁部２３ａ２，２３ｂ２，２３ｃ２，２３ｄ２は、それぞれ剛性の高い物質で構成することが好ましい。また、剛性を大きくする他の方法としては、部材の厚みを大きくすることが挙げられる。

このように、Ｔ字梁状の領域２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄを剛性の低い領域と剛性の高い領域とに分けて形成することで、作用部２１に外力Ｆが印加された際に、弾性部２３ａ１，２３ｂ１，２３ｃ１，２３ｄ１が、橋梁部２３ａ２，２３ｂ２，２３ｃ２，２３ｄ２にかかる余分な歪みを吸収し、一方向への力又はモーメントの印加による力覚センサ用チップ２全体の歪みの発生を抑制することができる。従って、特定の方向の力又はモーメントに対応する歪検出用抵抗素子Ｓに選択的に歪みを発生させることができ、他軸干渉を大幅に抑制することができる。

なお、他軸干渉とは、単一成分の力の入力があった際に、その他の成分の力の入力が「０」であるにも関わらず、ノイズ等の外乱によって測定結果が「０」とならない現象、すなわち、力又はモーメントの測定値が他軸の力又はモーメントによって変動する現象のことを指している。

貫通孔（第１貫通孔）Ｇ，Ｈ，Ｉ，Ｊは、図３に示すように、ベース部材２０の厚さ方向に貫通して形成された略直線状のスリット孔である。貫通孔Ｇ，Ｈ，Ｉ，Ｊは、前記した作用部２１と支持部２２と連結部２３とを機能的に分離する役割を果たしている。力覚センサ用チップ２は、このような貫通孔Ｇ，Ｈ，Ｉ，Ｊを有することにより、作用部２１に印加された外力Ｆを支持部２２等に分散させずに、後記する歪検出用抵抗素子Ｓに集中させることができ、作用部２１に印加された外力Ｆをより正確に検出することができる。

貫通孔（第２貫通孔）Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎは、図３に示すように、ベース部材２０の厚さ方向に貫通して形成された鉤状のスリット孔である。貫通孔Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎは、前記した剛性の低い領域とした弾性部２３ａ１，２３ｂ１，２３ｃ１，２３ｄ１と、剛性の高い領域とした橋梁部２３ａ２，２３ｂ２，２３ｃ２，２３ｄ２と、を機能的に分離する役割を果たしている。力覚センサ用チップ２は、このような貫通孔Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎを有することにより、作用部２１に印加された外力Ｆを支持部２２等に分散させずに、後記する歪検出用抵抗素子Ｓに集中させることができ、作用部２１に印加された外力Ｆをより正確に検出することができる。

歪検出用抵抗素子Ｓは、力覚センサ用チップ２において、外力Ｆの大きさや方向を検出するための素子である。歪検出用抵抗素子Ｓは、変形に比例して抵抗値が変化する物質で構成されており、外力Ｆの印加による歪みを抵抗値の変化として検出する。歪検出用抵抗素子Ｓは、例えば、半導体製造工程においてベース部材２０にボロン等の不純物をイオン注入することで形成することができる。歪検出用抵抗素子Ｓは、圧縮による歪みが発生した場合に抵抗値が減少し、引っ張りによる歪みが発生した場合に抵抗値が増加する。

歪検出用抵抗素子Ｓは、図３に示すように、ベース部材２０上に形成されるとともに、作用部２１と連結部２３との接続部分にあたる変形発生部に複数形成されている。ここで変形発生部とは、図３に示すように、作用部２１に印加される外力Ｆによる歪みが最も発生する作用部２１と橋梁部２３ａ２，２３ｂ２，２３ｃ２，２３ｄ２との接続部分近傍のことを指している。歪検出用抵抗素子Ｓは、図３に示すように、橋梁部２３ａ２，２３ｂ２，２３ｃ２，２３ｄ２の長軸方向に対して各々が平行となるように形成されている。
歪検出用抵抗素子Ｓは、図４に示すように、配線２８を介して信号電極パッド２５及びＧＮＤ電極パッド２６と接続されている。

信号電極パッド２５及びＧＮＤ電極パッド２６は、歪検出用抵抗素子Ｓ及び温度補償用抵抗素子２７に対して所定周波数の電圧信号を印加するための電極パッドである。信号電極パッド２５及びＧＮＤ電極パッド２６は、図４に示すように、配線２８を介して、それぞれの歪検出用抵抗素子Ｓ及び温度補償用抵抗素子２７と接続されている。
また、信号電極パッド２５は、後記する信号入力部９（図５参照）と接続されている。

温度補償用抵抗素子２７は、歪検出用抵抗素子Ｓ近傍の環境温度をモニタするための素子である。温度補償用抵抗素子２７は、環境温度の変化によって抵抗値が変化する物質で構成されており、環境温度の変化を抵抗値の変化として検出する。温度補償用抵抗素子２７は、例えば、半導体製造工程においてベース部材２０にボロン等の不純物をイオン注入することで形成することができる。

温度補償用抵抗素子２７は、歪検出用抵抗素子Ｓと温度条件が同じ素子で構成されている。また、温度補償用抵抗素子２７は、図３に示すように、ベース部材２０上に形成されるとともに、ベース部材２０上の１２個の歪検出用抵抗素子Ｓと対応させて、歪検出用抵抗素子Ｓの近傍である所定の位置に１２個配置されている。

温度補償用抵抗素子２７は、図３に示すように、印加される外力Ｆによる歪みの影響を受けない場所に配置されている。すなわち、温度補償用抵抗素子２７のそれぞれは、図３に示すように、対応する歪検出用抵抗素子Ｓの近傍であって、自由端となっている貫通孔Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎの内側周縁部の近くに配置されている。力覚センサ用チップ２は、このように外力Ｆの影響を受けない場所に温度補償用抵抗素子２７を配置することで、チップ周辺の環境温度のみを検出することができる。
温度補償用抵抗素子２７は、図４に示すように、配線２８を介して信号電極パッド２５及びＧＮＤ電極パッド２６と接続されている。

配線２８は、図４に示すように、歪検出用抵抗素子Ｓと温度補償用抵抗素子２７と、信号電極パッド２５とＧＮＤ電極パッド２６と、を接続するための配線である。配線２８は、歪検出用抵抗素子Ｓと温度補償用抵抗素子２７とが後記するようなブリッジ回路を形成できるように、ベース部材２０上で両者を接続している。

次に、力覚センサ用チップ２における歪検出用抵抗素子Ｓと温度補償用抵抗素子２７の電気接続関係について、図５を参照しながら簡単に説明する。図５は、歪検出用抵抗素子と温度補償用抵抗素子の電気接続関係を示す回路図である。
歪検出用抵抗素子Ｓと温度補償用抵抗素子２７は、図５に示すように、力覚センサ用チップ２の内部において、フルブリッジ回路ＦＢの下半分に対応するハーフブリッジ回路ＨＢを構成している。

歪検出用抵抗素子Ｓ及び温度補償用抵抗素子２７の一端側（本図上の下側）は、図５に示すように、配線２８を介して相互に連結されるとともに、グラウンド電位ＧＮＤ（ＧＮＤ配線２９）に接続されている。また、歪検出用抵抗素子Ｓ及び温度補償用抵抗素子２７の他端側（本図上の上側）は、それぞれ信号電極パッド２５と接続されている。そして、信号電極パッド２５の他端側（図５の上側）は、力覚センサ用チップ２の外部に設けられた外付抵抗３１，３２とそれぞれ接続された後に相互に連結され、同じくセンサ外部に設けられた信号入力部９に接続されている。
信号入力部９は、例えば交流電源で構成されており、歪検出用抵抗素子Ｓ及び温度補償用抵抗素子２７に、所定電圧の初期信号を所定周波数Ａで入力する機能を有している。

このように構成したフルブリッジ回路ＦＢにおいて、歪検出用抵抗素子Ｓ及び温度補償用抵抗素子２７の他端側（信号電極パッド２５側）は、図５に示すように、フィルタ部５１と接続され、歪検出用抵抗素子Ｓ及び温度補償用抵抗素子２７によって検出されるセンサ出力信号Ｖｓ及びモニタ出力信号Ｖｍがフィルタ部５１に出力されるように構成されている。

ここで、本実施形態におけるセンサ出力信号Ｖｓは、外力Ｆの変化に応じて歪検出用抵抗素子Ｓに生じた歪に対応した抵抗値の変化を、電圧値の変化として取り出した信号のことを指している。

また、モニタ出力信号Ｖｍとは、環境温度の変化に比例して温度補償用抵抗素子２７に生じた歪に対応した抵抗値の変化を、電圧値の変化として取り出した信号のことを指している。モニタ出力信号Ｖｍは、信号入力部９によって入力される初期信号の周波数成分を有している。
なお、温度補償用抵抗素子２７は、前記したように、環境温度によってのみ抵抗値が変化する位置に配置されているため、モニタ出力信号Ｖｍは、外力Ｆの影響を受けていない純粋な環境温度を示す値となる。

力覚センサ用チップ２は、回路全体としてフルブリッジ回路ＦＢに構成することで、歪検出用抵抗素子Ｓの抵抗値の変化から、環境温度の変化による抵抗値の変化をより適切にキャンセルし、歪検出用抵抗素子Ｓにおける外力Ｆによる抵抗値の変化のみを適切に取り出すことができる。従って、作用部２１に印加された外力Ｆをより正確に検出することができる。

なお、本実施形態では、力覚センサ用チップ２の外部に外付抵抗３１，３２を設ける構成としたが、外付抵抗３１，３２を力覚センサ用チップ２の内部に設けて、力覚センサ用チップ２の内部にフルブリッジ回路ＦＢを構成してもよい。

続いて、本実施形態に係る力覚センサの１の一例について、図６を参照して説明する。図６は、本実施形態に係る力覚センサの一例を示す回路図である。

図６に示すように、信号入力部９は、フルブリッジ回路ＦＢにパルス波形電圧を印加する交流電源からなる電圧印加部であって、コイル９ａと、ドロッパ素子９ｂと、ツェナーダイオード９ｃと、電解コンデンサ９ｄと、コンデンサ９ｅと、コンデンサ９ｆと、を備えている。

コイル９ａは、６８［μＨ］であり、その一端は、１２Ｖの電圧が印加されるようになっており、その他端は、ドロッパ素子９ｂに電気的に接続されている。

ドロッパ素子９ｂは、出力電圧の変動分を検出してその両端の電圧を変化させる素子である。

ツェナーダイオード９ｃは、１８［Ａ］であり、その一端は、コイル９ａの一端側に電気的に接続され、その他端は、接地されている。

電解コンデンサ９ｄは、１００［μＦ］／２５［Ｖ］であり、その一端は、コイル９ａの一端側に電気的に接続され、その他端は、接地されている。

コンデンサ９ｅは、２．２［μＦ］／２５［Ｖ］であり、その一端は、コイル９ａの他端側とドロッパ素子９ｂの＋Ｖｉｎとの間に電気的に接続され、その他端は、ドロッパ素子９ｂの−Ｖｉｎと接地との間に電気的に接続されている。

コンデンサ９ｆは、１［μＦ］であり、その一端は、ドロッパ素子９ｂの＋Ｖｏｕｔとフルブリッジ回路ＦＢとの間に電気的に接続されており、その他端は、ドロッパ素子９ｂの−Ｖｏｕｔと接地との間に電気的に接続されている。

かかる信号入力部９は、１２Ｖの電圧を５Ｖに下げ、初期信号としてのパルス波形電圧（例えば、３ｋＨｚ）をフルブリッジ回路ＦＢへ出力する。

フルブリッジ回路ＦＢは、外付抵抗３１，３２、歪検出用抵抗素子Ｓ及び温度補償用抵抗素子２７から構成されるホイートストンブリッジ回路であり、信号入力部９からパルス波形電圧が印加されると、センサ出力信号Ｖｓ及びモニタ出力信号Ｖｍをフィルタ部５１へ出力する。

フィルタ部５１は、センサ出力信号Ｖｓ及びモニタ出力信号Ｖｍに含まれる不要な周波数成分（ノイズ）を取り除くものである。本実施形態において、フィルタ部５１は、遮断周波数である約１．５ｋＨｚ以上よりも高い周波数の帯域を減衰させるローパスフィルタであって、抵抗５１ａ，５１ｂと、コンデンサ５１ｃ，５１ｄ，５１ｅと、を備えている。なお、フィルタ部５１の遮断周波数は、パルス波形電圧の周波数Ａよりも高い値に設定されており、パルス波形電圧の周波数に応じて適宜変更可能である。

抵抗５１ａは、１［ｋΩ］であり、その一端は、フルブリッジ回路ＦＢのセンサ出力信号Ｖｓ出力側に電気的に接続され、その他端は、バッファ部５２に電気的に接続されている。

抵抗５１ｂは、１［ｋΩ］であり、その一端は、フルブリッジ回路ＦＢのモニタ出力信号Ｖｍ出力側に電気的に接続され、その他端は、バッファ部５２に電気的に接続されている。

コンデンサ５１ｃは、０．０１［μＦ］であり、その一端は、抵抗５１ａの他端とバッファ部５２との間に電気的に接続され、その他端は、接地されている。

コンデンサ５１ｄは、０．４７［μＦ］であり、その一端は、抵抗５１ａの他端とバッファ部５２との間に電気的に接続され、その他端は、抵抗５１ｂの他端とバッファ部５２との間に電気的に接続されている。

コンデンサ５１ｅは、０．０１［μＦ］であり、その一端は、抵抗５１ｂの他端とバッファ部５２との間に電気的に接続され、その他端は、接地されている。

かかるフィルタ部５１ａは、フルブリッジ回路ＦＢからセンサ出力信号Ｖｓ及びモニタ出力信号Ｖｍが入力されると、フィルタ済みセンサ出力信号Ｖｓ１及びフィルタ済みモニタ出力信号Ｖｍ１をバッファ部５２へ出力する。

バッファ部５２は、フィルタ済みセンサ出力信号Ｖｓ１の電圧波形を増幅する増幅器であるバッファアンプ５２ａと、フィルタ済みモニタ出力信号Ｖｍ１の電圧波形を増幅する増幅器であるバッファアンプ５２ｂと、を備えている。バッファアンプ５２ａの一端は、フィルタ部５１の出力信号Ｖｓ１出力側に電気的に接続され、バッファアンプ５２ａの他端は、Ａ／Ｄ変換部５３に電気的に接続されている。バッファアンプ５２ｂの一端は、フィルタ部５１の出力信号Ｖｍ１出力側に電気的に接続され、バッファアンプ５２ａの他端は、Ａ／Ｄ変換部５３に電気的に接続されている。

かかるバッファ部５２は、フィルタ部５１から出力信号Ｖｓ１，Ｖｍ１が入力されると、増幅済みセンサ出力信号Ｖｓ２及び増幅済みモニタ出力信号Ｖｍ２をＡ／Ｄ変換部５３へ出力する。

Ａ／Ｄ変換部５３は、連続量であるアナログ信号を、離散化されたデジタル信号に変換するものである。Ａ／Ｄ変換部５３は、例えば公知のＡ／Ｄコンバータ（ＡＤＳ１２５６といったΔΣＡ／Ｄコンバータ等）で構成されており、バッファ部から出力信号Ｖｓ２，Ｖｍ２が入力されると、アナログ信号である出力信号Ｖｓ２，Ｖｍ２をアナログ／デジタル変換し、パルス波形電圧と同期したデジタル信号である出力信号Ｖｓ３，Ｖｍ３を演算部６０（図６参照）へ出力する。

これにより、センサ出力信号Ｖｓ及びモニタ出力信号Ｖｍは、フィルタ部５１においてノイズがカットされ、バッファ部５２において増幅され、Ａ／Ｄ変換部５３においてアナログ信号からデジタル信号に変換されて、演算部６０に出力されることとなる。

演算部６０は、歪検出用抵抗素子Ｓに係る出力信号Ｖｓ３と温度補償用抵抗素子２７に係るモニタ出力信号Ｖｍ３との差を求め、環境温度の影響がキャンセルされたセンサ出力信号Ｖｓ’（＝Ｖｓ３−Ｖｍ３）を出力する、いわゆる温度補償を行う装置である。演算部６０は、例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ，Central Processing Unit）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）などの記憶装置と、記憶装置に格納された機能プログラムと、で構成されている。

なお、前記したモニタ用抵抗素子Ｔは、３つの抵抗素子とともにホイートストンブリッジ回路（温度モニタ用ブリッジ回路）を構成しており、信号入力部９が温度モニタ用ブリッジ回路にパルス波形電圧を印加した際の温度モニタ用ブリッジ回路からの出力が、フィルタ部、バッファ部及びＡ／Ｄ変換部を介して演算部６０に入力され、演算部６０が、温度モニタ用ブリッジ回路からの出力に基づいてセンサ出力Ｖｓ’を補正して出力する構成であってもよい。この場合には、演算部６０には、センサ出力Ｖｓ’と温度との関係、及び、温度モニタ用ブリッジ回路からの出力と温度との関係を事前に計測することによって求められた、温度モニタ用ブリッジ回路からの出力とセンサ出力Ｖｓ’の補正値との関係が予め記憶されており、演算部６０は、補正値に基づいてセンサ出力Ｖｓ’を補正することができる（例えば、補正後のセンサ出力＝補正前のセンサ出力―補正値）。

本実施形態に係る力覚センサ１によると、パルス波形電圧が印加されたフルブリッジ回路ＦＢからの出力信号Ｖｓ，Ｖｍが、フィルタ部５１及びバッファ部５２を介してＡ／Ｄ変換部５３に入力されるので、Ａ／Ｄ変換部５３は、パルス波形電圧と同期した出力信号Ｖｓ３，Ｖｍ３を出力することができる。そのため、パルス波形電圧をｋＨｚオーダーの高周波とすることが可能となる。

ここで、本実施形態に係る力覚センサ１における、歪検出用抵抗素子Ｓに流れる電流値を変えた場合における、出力信号の経時変化について、図７を参照して説明する。図７（ａ）は、歪検出用抵抗素子に０．３［ｍＡ］の電流を流した場合における出力信号（出力信号Ｖｓ３，Ｖｍ３の電位差）の経時変化を示すグラフ、図７（ｂ）は、歪検出用抵抗素子に１．１７［ｍＡ］の電流を流した場合における出力信号の経時変化を示すグラフ、図７（ｃ）は、歪検出用抵抗素子に３．５［ｍＡ］の電流を流した場合における出力信号の経時変化を示すグラフである。

図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、歪検出用抵抗素子Ｓに流れる電流値が小さいほど、出力信号Ｖｓ３，Ｖｍ３が定常状態に達するまでの時間が短く、歪検出用抵抗素子Ｓに流れる電流値が大きい場合には、出力信号Ｖｓ３，Ｖｍ３が定常状態に達せず安定しない。
これは、通電によって歪検出用抵抗素子Ｓが自己発熱し、抵抗が変化すること、いわゆるドリフトによる影響である。
本実施形態に係る力覚センサ１によると、パルス波形電圧をｋＨｚオーダーの高周波とすることができるため、歪検出用抵抗素子Ｓに流れる電流量を少なくし、自己発熱によるドリフトを抑え、出力信号Ｖｓ３，Ｖｍ３が定常状態に達するまでの時間を短くすることができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。本実施形態では、図１に示すように、工場における自動作業装置Ｒを例にとって説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば人型ロボット等の多数の指（例えば五指）を備える把持部（図示省略）に適用してもよいことはいうまでもない。

１力覚センサ（物理量センサ）
９信号入力部（電圧印加部）
２１作用部
２２支持部
２３連結部
５１フィルタ部
５２バッファ部
５３Ａ／Ｄ変換部
ＦＢフルブリッジ回路（ホイートストンブリッジ回路）
Ｓ歪検出用抵抗素子

Claims

力又は加速度を検出する物理量センサであって、
外力又は慣性力が作用する作用部と、
前記作用部を支持する支持部と、
前記作用部及び前記支持部を連結する連結部と、
前記連結部に配置された歪検出用抵抗素子を含むホイートストンブリッジ回路と、
前記ホイートストンブリッジ回路にパルス波形電圧を印加する電圧印加部と、
前記パルス波形電圧が印加された前記ホイートストンブリッジ回路からの出力信号が入力され、当該出力信号をデジタル変換して出力するＡ／Ｄ変換部と、
を備えることを特徴とする物理量センサ。
前記ホイートストンブリッジ回路からの前記出力信号が入力されるフィルタ部と、
前記フィルタ部からの出力信号が入力されるバッファ部と、
をさらに備え、
前記パルス波形電圧が印加された前記ホイートストンブリッジ回路からの出力信号は、前記フィルタ部及び前記バッファ部を介して前記Ａ／Ｄ変換部に入力される
ことを特徴とする請求項１に記載の物理量センサ。