JP2020165899A - 力覚センサ - Google Patents

Abstract

【課題】力覚センサにおける機械的な不具合に対する信頼性を高める。【解決手段】力覚センサ（１０）は、起歪体（１１）の第１の主面（１１ａ）に設けられた第１の歪ゲージ群を含み起歪体（１１）に掛かる力における特定の方向の成分を検出する主ブリッジ回路と、起歪体（１１）の第２の主面（１１ｂ）に設けられた第２の歪ゲージ群を含み、当該特定の方向と同一方向の力の成分を検出する副ブリッジ回路とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、力覚センサに関する。

力覚センサは、産業の幅広い分野で利用されている。このような力覚センサでは、力を受けた起歪体の歪を歪ゲージで検出し、所定の組み合わせの歪ゲージを含むブリッジ回路により特定の方向の力を検出する。起歪体は、例えば、力を受けるコア部と、コア部に対して固定されるフレーム部と、コア部とフレーム部とを連結するアーム部と、フレーム部とアーム部との間に介在するフレクシャとを含む。例えば、特許文献１には、一方の主面に６組の歪ゲージが配置された６軸力覚センサが開示されている。

特開２０１８−１４６３０９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の６軸力覚センサにおいては、いずれか一つの歪ゲージに故障が発生した場合に、故障した歪ゲージを含むブリッジ回路が、力を正しく検出できなくなる。また、上述のような６軸力覚センサでは、６つの異なる方向の力を検出するため、異なるブリッジ回路の力の検出値同士を比較して力覚センサの故障を特定することは困難である。

本発明の一態様は、力覚センサにおける機械的な不具合に対する信頼性を高めることを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る力覚センサは、起歪体に掛かる力の特定の方向の成分を検出する力覚センサであって、前記起歪体の第１の面に設けられた第１の歪ゲージ群を含み、前記特定の方向の成分を検出する主ブリッジ回路と、前記起歪体の第１の面とは反対側の第２の面に設けられた第２の歪ゲージ群を含み、前記起歪体に生じる力の前記特定の方向と同一方向の成分を検出する副ブリッジ回路と、を備えている。

上記の構成によれば、力覚センサにおいて力の特定の方向の成分を複数のブリッジ回路によって独立して検出することが可能となる。よって、力覚センサにおける機械的な不具合に対する信頼性を高めることができる。

本発明の態様２に係る力覚センサは、上記態様１において、前記主ブリッジ回路が検出する成分と、前記副ブリッジ回路が検出する成分とを比較して、前記力覚センサにおける機械的な不具合が生じているか否かを判定する回路またはプロセッサと、をさらに備えていてもよい。

上記の構成によれば、力覚センサにおける種々の機械的な不具合を検知することが可能であることから、力覚センサの信頼性を高める観点からより一層効果的である。

本発明の態様３に係る力覚センサは、上記態様１または２において、前記主ブリッジ回路が検出する成分を当該特定の方向の成分として外部に出力するか、前記副ブリッジ回路が検出する成分を当該特定の方向の成分として外部に出力するかを切り替えるスイッチをさらに備えていてもよい。

上記の構成によれば、外部に出力するブリッジ回路であって、力の成分を検出するブリッジ回路を、故障した回路から正常な回路へ切り替えることが可能となる。よって、少なくとも一つのブリッジ回路が故障した後も力覚センサを使用することができる。

本発明の態様４に係る力覚センサは、上記態様１から３において、互いに直交する３軸をｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸として、ｚ軸方向の力成分Ｆｚ、ｘ軸周りのモーメント成分Ｍｘ、およびｙ軸周りのモーメント成分Ｍｙの成分を検出する第１ブリッジ回路群と、ｘ軸方向の力成分Ｆｘ、ｙ軸方向の力成分Ｆｙ、およびｚ軸周りのモーメント成分Ｍｚを検出する第２ブリッジ回路群とを備え、前記主ブリッジ回路は、前記第１ブリッジ回路群または前記第２ブリッジ回路群に属するブリッジ回路であってもよい。

上記の構成によれば、６軸方向の力の成分を検出することが可能となる。

本発明の態様５に係る力覚センサは、上記態様１から４において、前記第１の面は、前記起歪体の第１の主面であり、前記第２の面は、前記起歪体における前記第１の主面とは反対側の第２の主面であってよい。

上記の構成によれば、所望の位置に配置されている複数の歪ゲージを有する一体物を起歪体の主面に貼り付けることにより歪ゲージなどを配置することが可能となる。よって、生産性を高める観点、および、配線の接続不良の発生を低減させる観点からより一層効果的である。

本発明の態様６に係る力覚センサは、上記態様１から５において、前記起歪体は、力を受けるコア部と、前記コア部に対して固定されるフレーム部と、前記コア部と前記フレーム部とを連結するアーム部と、前記フレーム部と前記アーム部との間に介在するフレクシャとを備えていてもよい。

上記の構成によれば、フレクシャを有さない起歪体に比べて高い精度で力の成分を検出することが可能である。

本発明の一態様によれば、力覚センサにおける機械的な不具合に対する信頼性を高めることができる。

（ａ）は、本発明の一実施形態に係る力覚センサの第１の主面側の構成を模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る力覚センサの第２の主面側の構成を模式的に示す平面図である。 （ａ）は、図１（ａ）に示す円Ｃ１で囲んだ箇所を拡大して示す、ビーム部の第１の主面における歪ゲージの配置の第１の例を模式的に示す図であり、（ｂ）は、図１（ｂ）に示す円Ｃ２で囲んだ箇所を拡大して示す、ビーム部の第２の主面における歪ゲージの配置の第１の例を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る力覚センサが実行する機械的不具合の判定処理の流れの一例を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る力覚センサが実行する出力信号の切り替え処理の流れの一例を示すフローチャートである。 ビーム部の第１の主面における歪ゲージの配置の第２の例を模式的に示す図である。 ビーム部の第１の主面における歪ゲージの配置の第３の例を模式的に示す図である。 ビーム部の第１の主面における歪ゲージの配置の第４の例を模式的に示す図である。 本発明の他の実施形態に係る力覚センサの起歪体を模式的に示す斜視図である。

〔実施形態１〕
本実施形態における力覚センサ１０について、図１および図２を参照して説明する。力覚センサ１０は、起歪体に掛かる力の特定の方向の成分を検出する力覚センサである。特定の方向とは、互いに直交する３軸をｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸として、ｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向、ｘ軸周りの方向、ｙ軸周りの方向およびｚ軸周りの方向、の６方向である。また、特定の方向の成分は、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、ＭｙおよびＭｚで表される。Ｆｘは、起歪体に生じる力のｘ軸方向の成分を表し、Ｆｙは当該力のｙ軸方向の成分を表し、Ｆｚは当該力のｚ軸方向の成分を表す。また、Ｍｘは当該力のｘ軸周りのモーメント成分を表し、Ｍｙは当該力のｙ軸周りのモーメント成分を表し、Ｍｚは当該力のｚ軸周りのモーメント成分を表す。

図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る力覚センサの第１の主面側の構成を模式的に示す平面図である。図１（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る力覚センサの第２の主面側の構成を模式的に示す平面図である。図２（ａ）は、図１（ａ）に示す円Ｃ１で囲んだ箇所を拡大して示す、ビーム部の第１の主面における歪ゲージの配置の第１の例を模式的に示す図である。図２（ｂ）は、図１（ｂ）に示す円Ｃ２で囲んだ箇所を拡大して示す、ビーム部の第２の主面における歪ゲージの配置の第１の例を模式的に示す図である。

なお、力覚センサ１０は、後述のブリッジ回路の出力信号を処理（例えば行列演算など）するために、ＣＰＵ（Central Processing Unit、中央演算処理装置）およびＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶部を有する処理部（不図示）を備える。

［起歪体］
力覚センサ１０は、起歪体１１を備える。より具体的には、起歪体１１は、外形が例えば円形（他に矩形、多角形であってもよい）であり、第１の主面（第１の面）１１ａ、その反対側の面である第２の主面（第２の面）１１ｂおよび外側面を有する。

本実施形態では、起歪体１１は、中央に位置するコア部１２と、コア部１２の周囲に存在する枠部としてのフレーム部１３と、コア部１２とフレーム部１３とを連結するビーム部１４とを有する。

コア部１２は、本実施形態では、検出すべき力を受ける部分であり、受力部とも言われる。フレーム部１３は、本実施形態では、力覚センサ１０が搭載される対象物に対してコア部１２の位置を相対的に固定するための部分であり、固定部とも言われる。コア部１２およびフレーム部１３のいずれも受力部または固定部になり得る。

コア部１２の形状は、限定されないが、本実施形態においては、底面が略正方形である柱形状（すなわち、略四角柱形状）である。また、フレーム部１３の形状は、限定されないが、本実施形態においては、底面が略円形から略正方形をくり抜いた形状である筒形状である。

ビーム部１４は、コア部１２の中心Ｏからフレーム部１３へ向かって放射状に設けられている。ビーム部１４の個数は、限定されないが、本実施形態においては４である。より具体的に、四本のビーム部１４は、平面視クロス状（Ｘ字状、十字状）となるように、コア部１２およびフレーム部１３の周方向に等間隔で（中心Ｏの周方向に９０°ごとに）配置されている。

ビーム部１４は、アーム部１５と、フレクシャ１６とを含む。アーム部１５は、コア部１２から、コア部１２の中心Ｏから放射状に、フレーム部１３に向けて延在している。アーム部１５の端部は、フレーム部１３との間に隙間を有しており、当該端部とフレーム部１３との間には、フレクシャ１６が介在する。フレクシャ１６は、アーム部１５の延在方向と交差する方向に延在し、フレーム部１３と連結している。このように、ビーム部１４は、フレーム部１３とアーム部１５との間にフレクシャ１６を介在させた構造を有しており、起歪体１１は、コア部１２およびフレーム部１３を剛体とみなした場合にビーム部１４が弾性体とみなせるように構成されている。

起歪体１１は、例えば、ＮＣ（Numerical Control）加工機を用いてアルミニウム合金、合金鋼、ステンレス鋼などバネ性のある材料に貫通孔などを形成することによって得られる。この方法によれば、起歪体１１には、コア部１２、フレーム部１３およびビーム部１４のそれぞれを区画するための空間（貫通部）が形成される。

コア部１２に外力が掛けられると、ビーム部１４に応力（曲げ、せん断、捩りといった歪み）が発生する。たとえば、ビーム部１４の延在方向およびこれと直交する方向に曲げ（撓み）が発生し、ビーム部１４の延在方向に対して４５°方向にせん断が発生し、そしてビーム部１４の周方向に捩りが発生する。

［歪ゲージ］
力覚センサ１０は、起歪体１１の第１の主面１１ａに設けられた第１の歪ゲージ群を有する。第１の歪ゲージ群は、複数の歪ゲージ２２で構成される。

歪ゲージ２２は、例えば、Ｃｕ（銅）−Ｎｉ（ニッケル）系合金やＮｉ−Ｃｒ（クロム）系合金の金属薄膜（金属箔など）の配線パターンを、可撓性を有するポリイミドやエポキシ樹脂フィルムで覆うことで構成される。このような歪ゲージ２２は、接着剤を用いてビーム部１４に貼り付けられる。金属薄膜がビーム部１４の歪みを受けて変形したときの抵抗変化から、歪みが検知、検出される。歪ゲージ２２は、歪み（曲げ、せん断など）を分けて検出することができればよいので、金属薄膜ではなく半導体薄膜を用いた半導体歪みゲージであってもよい。

スパッタリング法または真空蒸着法を用いてビーム部１４における第１の主面１１ａに金属薄膜ゲージを直接形成すれば、接着によらずに歪ゲージ２２をビーム部１４に配置することが可能である。この場合、歪ゲージ２２の設置時における位置ズレが抑制され、起歪体１１における力の成分の検出精度を十分に高めることができ有利である。

第１の歪ゲージ群は、ビーム部１４一本当たり八つの歪ゲージ２２を含む。以下、特定の位置を示すために歪ゲージの符号「２２」の後にアルファベットを付けることもある。

一本のビーム部１４は、図２（ａ）に示されるように、４つの歪ゲージ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄをアーム部１５に有し、４つの歪ゲージ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄをフレクシャ１６に有する。

アーム部１５において、歪ゲージ２２ａと歪ゲージ２２ｃ、および、歪ゲージ２２ｂと歪ゲージ２２ｄは、それぞれ、ビーム部１４の中心線ａに対して互いに対称となる位置に配置される。歪ゲージ２２ａと歪ゲージ２２ｂ、および、歪ゲージ２２ｃと歪ゲージ２２ｄは、それぞれ中心線ａに沿う方向に並んで配置される。

フレクシャ１６において、歪ゲージ２２Ａと歪ゲージ２２Ｂ、および、歪ゲージ２２Ｃと歪ゲージ２２Ｄは、それぞれ、フレクシャ１６の中心線ｂに対して互いに対称となる位置に配置される。歪ゲージ２２Ａと歪ゲージ２２Ｄ、および、歪ゲージ２２Ｂと歪ゲージ２２Ｃは、それぞれ中心線ｂに沿う方向に並んで配置される。

［ブリッジ回路］
力覚センサ１０は、上記の第１の歪ゲージ群を含み、起歪体１１に掛かる力の特定の方向の成分を検出する主ブリッジ回路を備えている。

より具体的には、力覚センサ１０は、ｚ軸方向の力成分Ｆｚ、ｘ軸周りのモーメント成分Ｍｘ、およびｙ軸周りのモーメント成分Ｍｙの成分を検出する第１ブリッジ回路群を備える。

第１ブリッジ回路群は、アーム部１５の第１の主面１１ａ上に配置されている四つの歪ゲージ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄで構成されるＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０の群である。一つのアーム部１５当たり一つのＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０が構成される。よって、第１ブリッジ回路群は、四つのＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０で構成される。

ＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０は、ｚ軸方向の力成分Ｆｚ、ｘ軸周りのモーメント成分Ｍｘ、およびｙ軸周りのモーメント成分Ｍｙの成分を検出する第１ブリッジ回路である。一つのＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０は、歪ゲージ２２ａ、２２ｂの直列回路と、歪ゲージ２２ｃ、２２ｄの直列回路とが、ブリッジ回路の出力に対して並列に接続されて構成される。

歪ゲージ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄのそれぞれが検出した歪に応じて、ＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０を構成する歪ゲージ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの抵抗値が変化する。そして、ＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０が非平衡状態となったときに、ＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０の出力信号Ｖｏが変化する。ビーム部１４の第１の主面１１ａ側に配置されている四つのＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０における出力信号の組み合わせから、Ｆｚ、ＭｘおよびＭｙのそれぞれが検出される。

力覚センサ１０は、ｘ軸方向の力成分Ｆｘ、ｙ軸方向の力成分Ｆｙ、およびｚ軸周りのモーメント成分Ｍｚを検出する第２ブリッジ回路群を備える。

第２ブリッジ回路群は、フレクシャ１６の第１の主面１１ａ上に配置されている四つの歪ゲージ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄで構成されるＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１の群である。一つのフレクシャ１６当たり一つのＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１が構成される。よって、第２ブリッジ回路群は、四つのＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１で構成される。

ＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１は、ｘ軸方向の力成分Ｆｘ、ｙ軸方向の力成分Ｆｙ、およびｚ軸周りのモーメント成分Ｍｚを検出する第２ブリッジ回路である。一つのＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１は、歪ゲージ２２Ａ、２２Ｂの直列回路と、歪ゲージ２２Ｃ、２２Ｄの直列回路とが、ブリッジ回路の出力に対して並列に接続されて構成される。

歪ゲージ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄのそれぞれが検出した歪に応じて、ＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１を構成する歪ゲージ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄの抵抗値が変化する。そして、ＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１が非平衡状態となったときに、ＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１の出力信号Ｖｏが変化する。ビーム部１４の第１の主面１１ａ側に配置されている四つのＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１における出力信号の組み合わせから、Ｆｘ、ＦｙおよびＭｚのそれぞれが検出される。

こうして、起歪体１１の第１の主面１１ａに設けられた第１の歪ゲージ群を含む主ブリッジ回路から、起歪体１１に掛かる力の特定の方向の成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、ＭｙおよびＭｚが検出される。当該主ブリッジ回路は、第１ブリッジ回路群または第２ブリッジ回路群に属するブリッジ回路である。

［第２の主面側の構成］
力覚センサ１０は、第２の主面１１ｂに設けられた第２の歪ゲージ群を含み、起歪体１１に掛かる力の前記特定の方向と同一方向の成分（すなわちＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、ＭｙおよびＭｚ）を検出する副ブリッジ回路を備える。

第２の歪ゲージ群は、第２の主面１１ｂ上において、第１の主面１１ａにおけるそれと同じ位置に配置される複数の歪ゲージ２２で構成される。力覚センサ１０は、ｚ軸方向の力成分Ｆｚ、ｘ軸周りのモーメント成分Ｍｘ、およびｙ軸周りのモーメント成分Ｍｙの成分を検出する第３ブリッジ回路群を備える。第３ブリッジ回路群は、アーム部１５の第２の主面１１ｂ上に配置されている四つの歪ゲージ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄで構成されるＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０の群である。一つのアーム部１５当たり一つのＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０が構成される。よって、第３ブリッジ回路群は、四つのＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０で構成される。

力覚センサ１０は、ｘ軸方向の力成分Ｆｘ、ｙ軸方向の力成分Ｆｙ、およびｚ軸周りのモーメント成分Ｍｚを検出する第４ブリッジ回路群を備える。第４ブリッジ回路群は、フレクシャ１６の第２の主面１１ｂ上に配置されている四つの歪ゲージ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄで構成されるＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１の群である。一つのフレクシャ１６当たり一つのＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１が構成される。よって、第４ブリッジ回路群は、四つのＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１で構成される。

第２の主面１１ｂ上における第３ブリッジ回路群のＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０および第４ブリッジ回路群のＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１における歪ゲージ２２の配置は、図１（ｂ）および図２（ｂ）に示されるように、第１の主面１１ａ上における第１ブリッジ回路群および第２ブリッジ回路群における歪ゲージ２２の配置と同じである。

そして、第２の主面１１ｂ上に配置されている歪ゲージ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄのそれぞれが検出した歪に応じて、ビーム部１４の第２の主面１１ｂ側に配置されている四つのＦｚＭｘＭｙブリッジ回路２０における出力信号が変化し、その組み合わせから、Ｆｚ、ＭｘおよびＭｙのそれぞれが検出される。

また、第２の主面１１ｂ上に配置されている歪ゲージ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄのそれぞれが検出した歪に応じて、ビーム部１４の第２の主面１１ｂ側に配置されている四つのＦｘＦｙＭｚブリッジ回路２１における出力信号が変化し、その組み合わせから、Ｆｘ、ＦｙおよびＭｚのそれぞれが検出される。

こうして、起歪体１１の第２の主面１１ｂに設けられた第２の歪ゲージ群を含む副ブリッジ回路から、起歪体１１に掛かる力の特定の方向と同一方向の成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、ＭｙおよびＭｚが検出される。当該副ブリッジ回路は、第３のブリッジ回路群または第４のブリッジ回路群に属するブリッジ回路である。

上記の説明から明らかなように、力覚センサ１０は、第１の主面１１ａに配置されている歪ゲージ２２とそれを含むブリッジ回路とから、コア部１２に係る外力の６軸方向の成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、ＭｙおよびＭｚを検出するように構成されている。また、力覚センサ１０は、第２の主面１１ｂに配置されている歪ゲージ２２とそれを含むブリッジ回路とから、コア部１２に係る外力の６軸方向の成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、ＭｙおよびＭｚを、上記の第１の主面１１ａ側での力成分の検出とは独立して検出するように構成されている。

力覚センサ１０は、上記の構成を有することから、力の特定の方向（前述の６軸方向）の成分を複数のブリッジ回路によって独立して検出することが可能である。よって、これらの検出結果を用いて力覚センサにおける機械的な不具合に対する信頼性を高めることが可能となる。

さらに、力覚センサ１０は、ビーム部１４のフレクシャ１６を含むことから、当該フレクシャを有さない起歪体を有する力覚センサに比べて、高い精度で力の成分を検出することができる。

［機械的不具合の判定処理例］
力覚センサ１０は、主ブリッジ回路が検出する成分と、副ブリッジ回路が検出する成分とを比較して、力覚センサ１０における機械的な不具合が生じているか否かを判定する回路またはプロセッサをさらに備える。

機械的な不具合の例には、起歪体１１の塑性変形、歪ゲージの劣化、歪ゲージの剥離、および、ブリッジ回路の配線の断線、が含まれる。当該機械的な不具合は、例えば、主ブリッジ回路が検出する成分と副ブリッジ回路が検出する成分との比較において、適当な閾値を利用することにより実行することが可能である。判定対象となる機械的不具合の種類は、例えば、採用する閾値に応じて適宜に設定することが可能である。また、当該判定の処理は、例えば前述したＣＰＵによって実行することが可能である。

図３は、本発明の一実施形態に係る力覚センサが実行する機械的不具合の判定処理の流れの一例を示すフローチャートである。この処理例では、力覚センサ１０は、通常、主ブリッジ回路が検出した力の成分を外部に出力しているものとする。

ステップＳ３０１において、ＣＰＵは、主ブリッジ回路が検出した力の成分Ｆ１を取得する。

ステップＳ３０２において、ＣＰＵは、副ブリッジ回路が検出した力の成分Ｆ２を取得する。

ステップＳ３０３において、ＣＰＵは、Ｆ１に対するＦ１とＦ２との差分の比の絶対値（|１−|Ｆ２／Ｆ１||）を算出する。

力覚センサ１０において、起歪体１１の塑性変形などの機械的不具合が生じている場合では、主ブリッジ回路の出力と副ブリッジ回路の出力との間の差分が、正常時のそれよりも大きくなる。たとえば、起歪体１１が塑性変形を生じている場合の当該差分の閾値として、０．０５（正常時の±５％）が設定されている、とする。

ステップＳ３０４において、ＣＰＵは、当該差分の比が閾値０．０５を超えているか否か（上記差分が５％を超えているか否か）を判定する。

当該差分の比が閾値０．０５を超えている場合、ステップＳ３０５において、ＣＰＵは、Ｆ１およびＦ２のそれぞれを、各々の基準値と比較する。当該基準値は、特定の姿勢などの特定の条件におけるＦ１の値およびＦ２の値である。

ステップＳ３０６において、ＣＰＵは、Ｆ１およびＦ２のそれぞれについて、上記基準値との差を求め、基準値との差が所定の閾値、例えば基準値に対して５％以上である回路に異常があると判定する。たとえば、Ｆ１の基準値との差が閾値より大きければ、主ブリッジ回路に異常があると判定する。

ステップＳ３０７において、ＣＰＵは、異常があると判定したブリッジ回路の存在を通知する故障検知信号を外部に送信する。

このような処理によれば、主ブリッジ回路または副ブリッジ回路の少なくともいずれかの出力値に意図せぬ変動が生じていることに基づいて、力覚センサ１０の機械的不具合の有無が判定される。「機械的不具合あり」との判定結果は、直ちに力覚センサ１０の使用者に通知される。よって、力覚センサ１０の信頼性がより一層高められる。

なお、ステップＳ３０６において、Ｆ１およびＦ２のどちらも基準値との差が５％以上である場合には、ＣＰＵは、主ブリッジ回路および副ブリッジ回路の両方に異常があると判定するが、上記の場合では起歪体の故障の可能性もあり得る。よって、ステップＳ３０７において、ＣＰＵは、故障検知信号として、両ブリッジ回路の異常および起歪体の故障の一方または両方を外部に通知してよい。

［出力切り替え処理の例］
力覚センサ１０は、主ブリッジ回路が検出する成分を、特定の方向の成分として力覚センサ１０から外部に出力するか、副ブリッジ回路が検出する成分を当該特定の方向の成分として外部に出力するかを切り替えるスイッチをさらに備えている。図４は、本発明の一実施形態に係る力覚センサが実行する出力信号の切り替え処理の流れの一例を示すフローチャートである。この処理例では、力覚センサ１０は、通常、主ブリッジ回路が検出した力の成分を外部に出力しているものとする。

図３のステップＳ３０１からステップＳ３０６において、ＣＰＵは、取得したＦ１、Ｆ２から、主ブリッジ回路および副ブリッジ回路のいずれに異常が存在するかを判定する。異常の存在を判定しない場合には、ＣＰＵは、出力の切り替えのための処理を終了する。

異常が存在すると判定した場合には、ステップＳ４０１において、ＣＰＵは、異常が存在するブリッジ回路の出力を停止し、異常が存在すると判定したブリッジ回路以外のブリッジ回路から出力値を獲得する。たとえば、ＣＰＵは、主ブリッジ回路に異常が存在すると判定した場合では、ステップＳ４０１において主ブリッジ回路の出力を停止させ、副ブリッジ回路の出力値を採用する。このように、上記の処理例では、ＣＰＵは、力覚センサ１０から外部への出力を、異常が存在するブリッジ回路の出力から、異常が存在しないブリッジ回路の出力に切り替えるスイッチに該当する。

このような処理によれば、通常は外部への出力値を検出する主ブリッジ回路に機械的不具合が生じても、検出結果を外部に出力するためのブリッジ回路を主ブリッジ回路から副ブリッジ回路へ切り替えることにより、力覚センサ１０を適切な作動状態でさらに使用することが可能となる。よって、一方のブリッジ回路が故障した後も力覚センサ１０をさらに使用することが可能となる。

［歪ゲージの配置およびブリッジ回路の他の例］
なお、本実施形態において、歪ゲージ２２の配置およびブリッジ回路の構成は、所望の方向の力を検出可能な範囲において限定されない。ブリッジ回路は、歪ゲージの配置に応じて適宜に構成されればよい。歪ゲージ２２の配置は、例えば図５〜図７に示される配置であってもよい。

図５は、ビーム部の第１の主面における歪ゲージの配置の第２の例を模式的に示す図である。図６は、ビーム部の第１の主面における歪ゲージの配置の第３の例を模式的に示す図である。図７は、ビーム部の第１の主面における歪ゲージの配置の第４の例を模式的に示す図である。

上記の第２の例では、歪ゲージ２２ａと歪ゲージ２２ｃ、および、歪ゲージ２２ｂと歪ゲージ２２ｄは、それぞれ、ビーム部１４の中心線ａに対して互いに対称となる位置に配置される。歪ゲージ２２ａと歪ゲージ２２ｂ、および、歪ゲージ２２ｃと歪ゲージ２２ｄは、それぞれ中心線ａに沿う方向に並んで配置される。

中心線ａに沿う方向において、歪ゲージ２２ａ、２２ｃと歪ゲージ２２ｂ、２２ｄとの間に、歪ゲージ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄが配置される。歪ゲージ２２Ａと歪ゲージ２２Ｄ、および、歪ゲージ２２Ｂと歪ゲージ２２Ｃは、それぞれ、中心線ａに対して互いに対称となる位置に配置される。歪ゲージ２２Ａと歪ゲージ２２Ｃは、中心線ａに対して４５°の角度で交差する第１軸線上に配置されており、歪ゲージ２２Ｂと歪ゲージ２２Ｄは、中心線ａに対して４５°の角度で交差し、かつ上記第１軸線に直交する第２軸線上に配置されている。

上記の第３の例では、歪ゲージ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄは、第２の例のそれと同じに配置されている。歪ゲージ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄは、それぞれ、中心線ａに対して歪ゲージ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄよりも外側に配置されている以外は、第２の例と同様に、第１軸線および第２軸線上に前述のように配置されている。当該第３の例では、歪ゲージ２２Ａ、２２Ｄは、歪ゲージ２２ａ、２２ｃよりもコア部１２側に配置されており、歪ゲージ２２Ｂ、２２Ｃは、歪ゲージ２２ｂ、２２ｄよりもフレーム部１３側に配置されている。

上記の第４の例では、歪ゲージ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの配置が異なる以外は、前述の第２の例のそれと同じである。歪ゲージ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄは、中心線ｂ上に並んで配置されている。歪ゲージ２２ａ、２２ｃが中心線ａに対してより近い位置に配置され、歪ゲージ２２ｂ、２２ｄがより遠い位置に配置されている。より具体的には、歪ゲージ２２ａ、２２ｃは、アーム部１５におけるフレクシャ１６との連結部分に配置され、歪ゲージ２２ｂ、２２ｄは、フレクシャ１６におけるフレーム部１３との連結部に配置されている。

上記の第２の例から第４の例において、ＦｚＭｘＭｙブリッジ回路およびＦｘＦｙＭｚブリッジ回路は、図２（ａ）および図２（ｂ）に示される前述した第１の例と同じ符号の歪ゲージ２２の組み合わせによって構成される。

本実施形態では、第１の主面１１ａと第２の主面１１ｂにおける歪ゲージ２２の配置およびブリッジ回路の構成が同様と説明したが、第１の主面１１ａと第２の主面１１ｂにおいて、歪ゲージ２２の配置およびブリッジ回路の構成が互いに異なっていてもよい。この場合、前述の故障検知または切り替えの判定において、第１の主面１１ａ側の主ブリッジ回路と第２の主面１１ｂ側の副ブリッジ回路との比較は、力に換算して実行してもよい。

本実施形態では、起歪体１１の第１の主面１１ａと、その反対側の第２の主面１１ｂのそれぞれに、前述の歪ゲージ群が配置される。所期の構成のブリッジ回路となるように歪ゲージを予め接続した一体物（ブリッジ形成ゲージ）をビーム部に貼り付けることにより、歪ゲージとブリッジ回路を一度に設置することが可能である。このようなブリッジ形成ゲージの採用は、歪ゲージの接続不良の発生が低減することにより信頼性を高める観点から有利である。また、力覚センサの製造における作業性を高め、生産性を向上させる観点からも有利である。

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

本実施形態では、３本のビーム部１４が平面視Ｙ字状に配置される起歪体を有する力覚センサを説明する。本実施形態は、起歪体の形状が異なる以外は、前述した実施形態１と実質的に同じである。図８は、本発明の実施形態２に係る力覚センサの起歪体を模式的に示す斜視図である。

本実施形態の力覚センサ１０Ａにおいて、コア部１２の形状は、本実施形態においては、底面が略六角形である柱形状（すなわち、略六角柱形状）である。また、フレーム部１３の形状は、本実施形態においては、底面が略円形から略六角形をくり抜いた形状である筒形状である。

起歪体１１Ａは、ビーム部１４を有する。ビーム部１４の個数は、本実施形態においては３である。三本のビーム部１４は、平面視Ｙ字状となるように、コア部１２およびフレーム部１３の周方向に等間隔で（中心Ｏの周方向に１２０°ごとに）配置される。コア部１２の平面形状は、例えば円形である。それぞれのビーム部１４の第１の主面１１ａ側および第２の主面１１ｂ側のそれぞれには、実施形態１のそれと同様に、歪ゲージ２２が配置され、ブリッジ回路が形成される。

本実施形態では、ビーム部１４の第１の主面１１ａ側に配置されている三つのＦｚＭｘＭｙブリッジ回路における出力信号の組み合わせから、Ｆｚ、ＭｘおよびＭｙのそれぞれが検出され、三つのＦｘＦｙＭｚブリッジ回路における出力信号の組み合わせから、Ｆｘ、ＦｙおよびＭｚのそれぞれが検出される。そして、ビーム部１４の第２の主面側に配置されている三つのＦｚＭｘＭｙブリッジ回路における出力信号の組み合わせからも、Ｆｚ、ＭｘおよびＭｙのそれぞれが検出され、三つのＦｘＦｙＭｚブリッジ回路における出力信号の組み合わせからも、Ｆｘ、ＦｙおよびＭｚのそれぞれが検出される。

本実施形態において、故障検知または切り替えの判定は、実施形態１のそれと同様に実行される。本実施形態も、実施形態１と同じ効果を奏する。

〔ソフトウェアによる実現例〕
前述の実施形態において、塑性変形の判定または出力信号の切り替えに係る判定のための制御ブロックは、集積回路（ＩＣチップ）などに形成された論理回路（ハードウェア）によって実現してもよいし、ソフトウェアによって実現してもよい。

後者の場合、当該判定のための構成は、各機能を実現するソフトウェアであるプログラムの命令を実行するコンピュータを備えている。このコンピュータは、例えば１つ以上のプロセッサを備えていると共に、上記プログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を備えている。そして、上記コンピュータにおいて、上記プロセッサが上記プログラムを上記記録媒体から読み取って実行することにより、当該判定の実行という目的が達成される。

上記プロセッサとしては、例えばＣＰＵを用いることができる。上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、ＲＯＭなどの他、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記プログラムを展開するＲＡＭなどをさらに備えていてもよい。また、上記プログラムは、該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体（通信ネットワークや放送波など）を介して上記コンピュータに供給されてもよい。なお、本発明の一態様は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。

［変形例］
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

たとえば、前述の実施形態では、本発明を６軸力覚センサに適用した場合について説明した。本発明に係る力覚センサは、６軸力覚センサに限定されず、物体が受ける力の大きさまたは方向の少なくともいずれか一方の成分を検出（計測）する力覚センサ（慣性力を検出するのであれば、加速度センサや角速度センサなどの運動センサとも呼ばれている。）にも適用することができる。

また、起歪体は、当該力覚センサの所期の目的を達成可能な構造を有していればよく、例えば、アームまたはフレクシャを有していなくてもよい。

さらに、起歪体の外形も限定されない。起歪体の外形は、円形以外の形状、例えば矩形、あるいは多角形、であってもよい。

また、前述の実施形態では、起歪体の中央部をコア部とし、その周辺の枠部をフレーム部としている。本発明に係る力覚センサは、枠部をコア部とし、中央部をフレーム部とすることも可能である。

また、前述の実施形態では、６軸力覚センサの形態において、主ブリッジ回路が検出する力の成分の向きと、副ブリッジ回路が検出する力の向きとが実質的に同じであるが、本発明はそれに限定されない。たとえば、主ブリッジ回路が起歪体に生じた応力の前述の６方向の成分を検出するように構成される場合、副ブリッジ回路は、当該６方向のうちの３方向の成分を検出するように構成されてもよい。このような構成は、力覚センサに係る情報処理の負荷軽減の観点から有利である。

また、例えば、主ブリッジ回路における歪ゲージの配置およびブリッジ回路の構成（歪ゲージの組み合わせ）と、副ブリッジ回路におけるそれとは異なっていてもよい。より具体的には、副ブリッジ回路は、ＦｚＭｘＭｙブリッジ回路およびＦｘＦｙＭｚブリッジ回路以外のブリッジ回路によるブリッジ回路群に属していてもよい。この場合、副ブリッジ回路を構成する歪ゲージも、副ブリッジ回路に応じて第２の面に配置される。

また、前述の実施形態では、第１の主面に第１の歪ゲージ群の歪ゲージを配置し、第２の主面に第２の歪ゲージ群の歪ゲージを配置しているが、歪ゲージの配置は、これに限定されない。たとえば、第１の歪ゲージ群の歪ゲージをビーム部１４の一側面に配置し、第２の歪ゲージ群の歪ゲージをビーム部１４の他側面に配置してもよい。

１０、１０Ａ 力覚センサ
１１ 起歪体
１１ａ 第１の主面
１１ｂ 第２の主面
１２ コア部
１３ フレーム部
１４ ビーム部
１５ アーム部
１６ フレクシャ
２０ ＦｚＭｘＭｙブリッジ回路
２１ ＦｘＦｙＭｚブリッジ回路
２２ 歪ゲージ

Claims (6)

1. 起歪体に掛かる力の特定の方向の成分を検出する力覚センサであって、
   前記起歪体の第１の面に設けられた第１の歪ゲージ群を含み、前記特定の方向の成分を検出する主ブリッジ回路と、
   前記起歪体の第１の面とは反対側の第２の面に設けられた第２の歪ゲージ群を含み、前記起歪体に掛かる力の前記特定の方向と同一方向の成分を検出する副ブリッジ回路と、を備えている、
   ことを特徴とする力覚センサ。
2. 前記主ブリッジ回路が検出する成分と、前記副ブリッジ回路が検出する成分とを比較して、前記力覚センサにおける機械的な不具合が生じているか否かを判定する回路またはプロセッサをさらに備えている、請求項１に記載の力覚センサ。
3. 前記主ブリッジ回路が検出する成分を当該特定の方向の成分として外部に出力するか、前記副ブリッジ回路が検出する成分を当該特定の方向の成分として外部に出力するかを切り替えるスイッチをさらに備えている、請求項１または２に記載の力覚センサ。
4. 互いに直交する３軸をｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸として、ｚ軸方向の力成分Ｆｚ、ｘ軸周りのモーメント成分Ｍｘ、およびｙ軸周りのモーメント成分Ｍｙの成分を検出する第１ブリッジ回路群と、ｘ軸方向の力成分Ｆｘ、ｙ軸方向の力成分Ｆｙ、およびｚ軸周りのモーメント成分Ｍｚを検出する第２ブリッジ回路群とを備え、
   前記主ブリッジ回路は、前記第１ブリッジ回路群または前記第２ブリッジ回路群に属するブリッジ回路である、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の力覚センサ。
5. 前記第１の面は、前記起歪体の第１の主面であり、前記第２の面は、前記起歪体における前記第１の主面とは反対側の第２の主面である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の力覚センサ。
6. 前記起歪体は、力を受けるコア部と、前記コア部に対して固定されるフレーム部と、前記コア部と前記フレーム部とを連結するアーム部と、前記フレーム部と前記アーム部との間に介在するフレクシャと、を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の力覚センサ。

Images