JP5507323B2 - 力覚センサの温度補償方法および力覚センサ - Google Patents

Description

本発明は、抵抗素子を用いて外力を測定する力覚センサの温度補償方法および力覚センサに関する。

工作機械やロボット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、外部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（力のモーメント）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。このような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（以下、外力という）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、各種の力覚センサが提案されている。力覚センサは、原理的な構造として、外力に応じて弾性変形する起歪体の変形部分に複数の歪検出用抵抗素子を設けた構造を有するものが知られている。力覚センサの起歪体に外力が加わると、起歪体の変形度合い（応力）に応じた電気信号が複数の歪検出用抵抗素子から出力される。そして、これらの電気信号に基づいて、起歪体に加わった２成分以上の力等を検出することができる。

力覚センサの一種としては、６軸力覚センサが知られている。６軸力覚センサは、印加された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）とに分け、６軸成分として検出するものである。

このような力覚センサは、外力の印加によって歪検出用抵抗素子が変形してその抵抗値が変化するという性質を利用し、当該歪検出用抵抗素子の抵抗値の変化から出力電圧の変化を検出し、力またはモーメントの大きさを測定する。ここで、力覚センサで用いられる歪検出用抵抗素子は、環境温度によって抵抗値が変化する温度依存性を有している。従って、力覚センサの動作中に環境温度が変化すると、外力が印加されていないにも関わらず、出力電圧（出力値）が変動して正確な測定ができないという問題があった。

そこで、特許文献１に係るセンサの温度補償回路は、環境温度に応じて抵抗値が変化する温度センサと、温度センサが検出した環境温度に応じたオフセット補正用の補正値を出力するオフセット補正用回路と、温度センサが検出した環境温度に応じた感度補正用の補正値を出力する感度補正用回路と、を備え、センサ出力値をオフセット補正用の補正値および感度補正用の補正値で補正することで、主にハードウェア処理によって環境温度の影響を除去した出力値を求める構成とした。

特許３３５２００６号公報（請求項１参照）

しかしながら、特許文献１に係るセンサの温度補償回路は、センサの出力が安定した定常領域においては環境温度の影響を除去できるが、センサの出力が不安定な過渡領域においては環境温度の影響を除去できないという問題があった。すなわち、図１９（ａ）に示すように、センサ通電直後において温度センサの温度が急上昇した場合、同図（ｂ）に示すように、センサに高温物体が接触して温度センサの温度が急上昇した場合、同図（ｃ）に示すように、センサに低温物体が接触して温度センサの温度が急冷却した場合、等の過渡領域においては、環境温度を検出するための温度センサ（ハードウェア）の出力自体が不安定となるため、温度補償を行うことは困難であった。

本発明は、前記した問題点に鑑み創案されたものであり、力覚センサの出力が安定した定常領域のみならず出力が不安定な過渡領域においても温度補償が可能な力覚センサの温度補償方法および力覚センサを提供することを課題とする。

前記課題を解決するために本発明に係る力覚センサの温度補償方法は、出力が不安定な過渡領域または前記出力が安定な定常領域における力覚センサの出力値を示すセンサ出力値から、環境温度の影響を除去して温度補償を行う力覚センサの温度補償方法であって、前記力覚センサによる外力の測定前において、前記過渡領域における前記環境温度の変動パターンを求める準備工程と、前記力覚センサによる前記外力の測定中において、当該測定中における前記環境温度から前記変動パターンを推定し、当該変動パターンに基づく補正値によって前記センサ出力値を補正する補正工程と、を行う。そして、前記力覚センサの温度補償方法において、前記準備工程は、モニタ出力値検出手段によって、前記環境温度を示すモニタ出力値を所定のサンプリング間隔で検出する第１モニタ出力値検出工程と、モニタ抵抗変化算出手段によって、前記過渡領域の立ち上がりまたは立ち下り部分におけるサンプリング時間に対する前記モニタ出力値の傾きを算出し、閾値としてメモリ手段に格納する閾値格納工程と、前記モニタ抵抗変化算出手段によって、前記過渡領域における前記モニタ出力値の時間的変化を示す関数を前記変動パターンとして算出し、前記閾値と関連付けて前記メモリ手段に格納する関数格納工程と、を行い、前記補正工程は、センサ出力値検出手段によって、前記過渡領域または前記定常領域における前記センサ出力値を前記所定のサンプリング間隔で検出するセンサ出力値検出工程と、前記モニタ出力値検出手段によって、前記過渡領域または前記定常領域における前記モニタ出力値を前記所定のサンプリング間隔で検出する第２モニタ出力値検出工程と、前記モニタ抵抗変化算出手段によって、前記サンプリング時間に対する前記モニタ出力値の傾きを算出する傾き算出工程と、過渡変動判定手段によって、前記閾値格納工程で格納した前記閾値と、前記傾き算出工程で算出した傾きと、を比較する傾き比較工程と、過渡補正手段によって、前記傾き比較工程における比較結果に基づいて、前記閾値と関連付けられた前記関数に前記サンプリング時間を代入し、得られた補正値を前記センサ出力値に加算または減算することで、前記センサ出力値を補正するセンサ出力値補正工程と、を行うこととする。

このような構成を備える力覚センサの温度補償方法は、過渡領域における環境温度の変化に基づいたセンサ出力の変動パターンを予め求めることで、外力測定中における力覚センサの出力が過渡領域にあるか否かを判定することができる。そして、仮に過渡領域にある場合は、力覚センサの環境温度から変動パターンを推定することができ、かつ、当該変動パターンに基づく補正値によってセンサ出力値を補正することができる。

そして、このような構成を備える力覚センサの温度補償方法は、準備工程において、温度補償手段によって予め過渡領域におけるモニタ出力値のパターンを閾値および関数として求めてメモリ手段に保持する。そして、補正工程において、予め求めた閾値とモニタ出力値とを比較して、力覚センサの出力（モニタ出力値）が過渡領域にあるか否かを判定する。そして、力覚センサの出力が過渡領域にあると判定した場合は、閾値と関連付けた関数にサンプリング時間を代入して補正量を求め、当該補正量をセンサ出力値に加算あるいは減算することで、センサ出力値を補正する。

前記課題を解決するために本発明に係る力覚センサは、外力を測定するための力覚センサであって、前記外力の大きさに応じた歪検出用抵抗素子の抵抗値の変化によって前記外力を検出する力覚センサ用チップと、出力が不安定な過渡領域または前記出力が安定な定常領域における力覚センサの出力値を示すセンサ出力値から、環境温度の影響を除去して温度補償を行う温度補償手段と、を備え、前記力覚センサ用チップは、前記外力が印加される作用部と、前記作用部を周囲から支持する枠状の支持部と、前記作用部と前記支持部とを連結する連結部とからなるベース部材と、前記作用部と前記連結部との接続部分に形成された複数の前記歪検出用抵抗素子と、前記歪検出用抵抗素子の近傍に配置され、前記過渡領域または前記定常領域における前記環境温度を示すモニタ出力値を所定のサンプリング間隔で検出するモニタ用抵抗素子と、を備え、前記温度補償手段は、前記力覚センサによる前記外力の測定前に、前記過渡領域の立ち上がりまたは立ち下り部分における前記傾きを閾値として予めメモリ手段に格納するとともに、前記過渡領域における前記モニタ出力値の時間的変化を示す関数を算出して前記閾値と関連付けて予め前記メモリ手段に格納し、前記力覚センサによる前記外力の測定中に、前記過渡領域または前記定常領域におけるサンプリング時間に対する前記モニタ出力値の傾きを算出するモニタ抵抗変化算出手段と、前記力覚センサによる前記外力の測定前に前記メモリ手段に予め格納した前記閾値と、前記力覚センサによる前記外力の測定中に算出した前記傾きと、を比較する過渡変動判定手段と、前記過渡変動判定手段による比較結果に基づいて、前記閾値と関連付けられた前記関数に前記サンプリング時間を代入し、得られた補正値を前記センサ出力値に加算または減算することで、前記センサ出力値を補正する過渡補正手段と、を備える構成とする。

このような構成を備える力覚センサは、過渡領域における環境温度の変動パターンを予め求めることで、外力測定中における力覚センサの出力が過渡領域にあるか否かを判定することができる。そして、仮に過渡領域にある場合は、力覚センサの環境温度から変動パターンを推定することができ、かつ、当該変動パターンに基づく補正値によってセンサ出力値を補正することができる。

そして、このような構成を備える力覚センサは、力覚センサによる外力の測定前に、温度補償手段によって予め過渡領域におけるモニタ出力値のパターンを閾値および関数として求めてメモリ手段に保持する。そして、力覚センサによる外力の測定中に、予め求めた閾値とモニタ出力値とを比較して、力覚センサの出力（モニタ出力値）が過渡領域にあるか否かを判定する。そして、力覚センサの出力が過渡領域にあると判定した場合は、閾値と関連付けた関数にサンプリング時間を代入して補正量を求め、当該補正量をセンサ出力値に加算あるいは減算することで、センサ出力値を補正する。

また、本発明に係る力覚センサは、前記連結部が、弾性部と橋梁部とから構成されたＴ字梁状の領域を備え、前記Ｔ字梁状の領域が、前記作用部の中心に対して４回対称となるように形成されることが好ましい。

このような構成を備える力覚センサは、作用部を中心として４回対称となるように弾性部と橋梁部とから構成されたＴ字梁状の領域を形成することで、支持部によって作用部を４方向からバランス良く支持することができる。

また、本発明に係る力覚センサは、前記作用部と前記支持部と前記連結部とが、第１貫通孔によって機能的に分離されていることが好ましい。

このような構成を備える力覚センサは、作用部と支持部とを貫通孔で分離することにより、作用部に印加された外力を支持部等に分散させずに、歪検出用抵抗素子に集中させることができる。従って、作用部に印加された外力をより正確に検出することができる。

また、本発明に係る力覚センサ用チップは、前記弾性部が、前記橋梁部よりも剛性が高いことが好ましい。

このような構成を備える力覚センサ用チップは、作用部に外力が印加された際に、剛性の低い領域である弾性部が剛性の高い領域である橋梁部にかかる余分な歪みを吸収し、一方向への力またはモーメントの印加による力覚センサ用チップ全体の歪みの発生を抑制することができる。従って、特定の方向の力またはモーメントに対応する歪検出用抵抗素子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。

また、本発明に係る力覚センサは、前記剛性の高い領域と前記剛性の低い領域とが、第２貫通孔によって機能的に分離されていることが好ましい。

このような構成を備える力覚センサは、剛性の高い領域と剛性の低い領域とを貫通孔で分離することにより、作用部に印加された外力を支持部等に分散させずに、歪検出用抵抗素子に集中させることができる。従って、作用部に印加された外力をより正確に検出することができる。

本発明に係る力覚センサの温度補償方法および力覚センサによれば、モニタ出力値の変化を予め予測してセンサ出力値を補正することにより、定常領域のみならず過渡領域においても、環境温度によるセンサ出力値の変動を適切に補償することができる。従って、力覚センサによる外力の測定精度を向上させることができる。

実施形態に係る力覚センサの概略構成を説明するための斜視図であり、（ａ）は外観を示す斜視図、（ｂ）は断面をとって内部構造を示した斜視図である。 外力が減衰されて力覚センサ用チップに伝達される様子を模式的に示した断面斜視図である。 実施形態に係る力覚センサ用チップの概略構成を説明するための平面図である。 実施形態に係る力覚センサ用チップの詳細を説明するための要部を示す平面図である。 実施形態に係る力覚センサの温度補償手段の詳細を示すブロック図である。 実施形態に係る力覚センサ用チップにおいて、ＬＰＦおよびＡＤコンバータをチップ内部に設けた場合の電気接続関係を示す回路図である。 実施形態に係る力覚センサ用チップにおいて、ＬＰＦおよびＡＤコンバータをチップ外部に設けた場合の電気接続関係を示す回路図である。 ＡＤコンバータの具体的構成を示す概略図である。 外力が加えられた場合の減衰装置の挙動を示す斜視図である。 Ｘ軸方向の外力Ｆｘが作用部に伝達された場合の歪み抵抗素子の変形の様子を説明するための模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は歪み抵抗素子の変形の様子を示す平面図である。 Ｚ軸方向の外力Ｆｚが作用部に伝達された場合の歪み抵抗素子の変形の様子を説明するための模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は歪み抵抗素子の変形の様子を示す断面図である。 Ｙ軸回りのモーメントＭｙが作用する場合の歪み抵抗素子の変形の様子を説明するための模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は歪み抵抗素子の変形の様子を示す断面図である。 Ｚ軸回りのモーメントＭｚが作用する場合の歪み抵抗素子の変形の様子を説明するための模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は歪み抵抗素子の変形の様子を示す平面図である。 実施形態に係る力覚センサの温度補償方法の具体例を示すフローチャートである。 他の実施形態に係る力覚センサ用チップにおける前段のハードウェア処理による温度補償を説明するための図であり、（ａ）は、温度に対するセンサ出力値Ｖ１ｓの変化を示すグラフ、（ｂ）は、温度に対するモニタ出力値Ｖｍの変化を示すグラフ、（ｃ）は、モニタ出力値Ｖｍに対するセンサ出力値Ｖ１ｓの変化を示すグラフ、である。 他の実施形態の変形例に係る力覚センサ用チップにおいて、ＬＰＦおよびＡＤコンバータをチップ内部に設けた場合の電気接続関係を示す回路図であり、バッファアンプを追加した回路を示す図である。 他の実施形態の変形例に係る力覚センサ用チップにおいて、ＬＰＦおよびＡＤコンバータをチップ外部に設けた場合の電気接続関係を示す回路図であり、バッファアンプを追加した回路を示す図である。 温度補償手段を備える加速度センサ用チップの全体構成を示す平面図である。 歪検出用抵抗素子を備える力覚センサの出力特性グラフを示す図であり、（ａ）は、センサの通電直後における力覚センサの出力特 性を示すグラフ、（ｂ）は、センサの急加熱時における力覚センサの出力特性を示すグラフ、（ｃ）は、センサの急冷却時における力覚センサの出力特性を示すグラフ、である。

以下、本発明の実施形態に係る力覚センサの温度補償方法および力覚センサについて、図面を適宜参照しながら説明する。まず、実施形態に係る力覚センサの全体構成について、図１および図２を参照しながら詳細に説明する。なお、これから参照する図において、説明の便宜上、減衰装置やガラスビーム等は単純化して表わすため、形状や位置関係等は模式的に概念化して示す場合がある。また、歪みの程度等においても誇張して表わす場合がある。

力覚センサ１は、図１（ａ）に示すように、外観において入力部３０が突出した円盤状の形状に構成され、伝達された外力Ｆの６軸成分を検出する力覚センサ用チップ２と（図１（ｂ）参照）、外力Ｆを減衰して力覚センサ用チップ２に伝達する減衰装置３と、を備えている。力覚センサ１が備える力覚センサ用チップ２と減衰装置３とは、図１（ｂ）に示すように、ガラス部材１０を介して接合されている。

ここで、実施形態に係る力覚センサ１は、外力Ｆを６軸成分について力およびモーメントを検出できる６軸の力覚センサ１を例として説明する。具体的には、力の成分は、直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向について、それぞれＦｘ，Ｆｙ，Ｆｚとする。そして、モーメントの成分は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の回りについて、それぞれＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚとする。
なお、本実施形態においては、６軸の力覚センサ１を例として説明するが、本発明は特に力覚センサ１の検出軸数や外力Ｆの大きさ等に制限されるものではない。

力覚センサ用チップ２は、直交する３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の各々についての外力Ｆとモーメントを検出する力覚センサ１のセンサ機能を担うチップである。力覚センサ用チップ２は、図１（ｂ）に示すように、外力Ｆが減衰装置３の伝達部３１から減衰されて伝達される作用部２１と、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、からなるベース部材２０（図３参照）を備えている。なお、力覚センサ用チップ２の詳細については、後記する。

減衰装置３は、外力Ｆを適切な大きさに減衰して力覚センサ用チップ２に伝達するための装置である。減衰装置３は、図１（ａ）に示すように、力覚センサ１の外装として機能し、外力Ｆが入力される入力部３０と、入力部３０に加えられた外力Ｆを減衰して力覚センサ用チップ２の作用部２１に伝達する伝達部３１と、入力部３０および伝達部３１の周囲に設けられるとともに、力覚センサ１の実際の使用時において工作機械やロボット等の自動作業機械に固定される固定部３２と、固定部３２と入力部３０とを連結している円板部３４と、を備えている。

減衰装置３の入力部３０周囲の円盤部３４には、図１（ａ）に示すように、平面視で円弧状の長穴形状に形成された緩衝穴３３が設けられている。この緩衝穴３３は、図１（ａ）に示すように、入力部３０に加えられた外力Ｆの垂直方向以外の成分を逃がして外力Ｆを減衰させるためのものである。

減衰装置３は、このように連結部２３と入力部３０とを連結する円板部３４を設けたことで、入力部３０に加えられた外力Ｆが、図２に示すように主として固定部３２で受け止められて外部へ伝達される。また、円板部３４に緩衝穴３３を設けたことで、入力部３０が外力Ｆの作用する方向に変形し、外力Ｆは減衰されてその一部が入力部３０から伝達部３１を介して力覚センサ用チップ２の作用部２１に伝達される。従って、外力Ｆが繰り返し印加されること等による力覚センサ用チップ２に破損を防止することができる。なお、減衰装置３は、例えばステンレス鋼材、アルミニウム（合金）、炭素鋼等の金属材料で構成することができる。

ガラス部材１０は、力覚センサ用チップ２と減衰装置３とを絶縁するための部材である。ガラス部材１０は、図１および図２に示すように、全体として円盤形状であり、減衰装置３の連結部２３の下面側および伝達部３１の下面に接合されている。そして、力覚センサ用チップ２は、ガラス部材１０を介して減衰装置３の下面に固定されている。力覚センサ１は、力覚センサ用チップ２と減衰装置３との間にガラス部材１０を備えることで、電源リーク等の電気的な障害や、力覚センサ用チップ２と減衰装置３の熱膨張係数の相違による接合部の剥がれ、熱歪み等を防止することができる。

次に、力覚センサ用チップ２の構成について、図３および図４を参照しながら詳細に説明する。力覚センサ用チップ２は、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１参照）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の温度補償を行う温度補償用抵抗素子２４と、チップ温度を取得するモニタ用抵抗素子２４ａと、が配置されている。歪検出用抵抗素子Ｓ、温度補償用抵抗素子２４およびモニタ用抵抗素子２４ａは、図４に示すように、配線２８を介して信号電極パッド２５およびＧＮＤ電極パッド２６と接続され、定電圧が印加されるように構成されている。

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、作用部２１から延出する延出部２１ａ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Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎ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。

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の中央部に正方形状に形成されている。また作用部２１は、前記したように、断面視するとガラス部材１０を介して減衰装置３の伝達部３１と接合されている（図１（ｂ）参照）。

延出部２１ａは、図３に示すように、作用部２１の端部から鉤状に形成された貫通孔Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎに延出した領域である。延出部２１ａは、図３に示すように、一端側が作用部２１と連続するものの、他端側が貫通孔Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎに面しているため、支持部２２や連結部２３と連続していない。従って、延出部２１は、外力Ｆが印加されて作用部２１が変位した場合が連続する作用部２１とともに変位するが、支持部２３や連結部２４とは連続していないため、歪みが生じない自由端となっている。

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、その全部または一部がガラス部材１０を介して減衰装置３の連結部２３と接合されている（図１（ｂ）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は、前記したように、ガラス部材１０を介して減衰装置３の連結部２３と接合されている（図１（ｂ）参照）。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Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，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、それぞれ橋梁部２３ａ２，２３ｂ２，２３ｃ２，２３ｄ２よりも剛性が高くなるように構成することが好ましい。

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、一方向への力また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、特定の方向の力また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、力またはモーメントの測定値が他軸の力また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）Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ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Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ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Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ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、作用部２１の端部から形成されるとともに、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あるピエゾ抵抗素子で構成されており、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、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およびＧＮＤ電極パッド２６と接続されている。また、歪検出用抵抗素子Ｓは、後記するように、温度補償用抵抗素子２４と、外付抵抗Ｒ１，Ｒ２とでブリッジ回路を形成しており、歪検出用抵抗素子Ｓおよび温度補償用抵抗素子２４の抵抗値変化がＡＤコンバータ４０に入力され、センサ出力値Ｖｓが出力されるように構成されている。この歪検出用抵抗素子Ｓが形成するブリッジ回路は、力覚センサ１の出力が不安定な過渡領域または力覚センサ１の出力が安定な定常領域において、センサ出力値Ｖｓを所定のサンプリング間隔で検出するためのセンサ出力値検出手段１１として機能する（図５参照）。

ここで、本実施形態におけるセンサ出力値Ｖｓとは、歪検出用抵抗素子Ｓが検出した歪に対応した抵抗値の変化を、前記したＡＤコンバータ４０によって電圧値として算出した値のことを指している。また、センサ出力値Ｖｓは、より具体的には、前記した歪検出用抵抗素子Ｓが形成するブリッジ回路における差動出力値である（図６参照）。なお、歪検出用抵抗素子Ｓは、前記したように環境温度によって抵抗値が変化する温度依存性を有しているため、外力Ｆの印加と、環境温度の変化と、の２つの要因により歪みが生じる。そして、実施形態に係る力覚センサ１では、後記するように、温度補償手段４を用いてこの２つの要因から環境温度の変化を除去して温度補償を行うことで、純粋な力とモーメントを測定する。

温度補償用抵抗素子２４は、歪検出用抵抗素子Ｓの温度補償を行うための素子である。温度補償用抵抗素子２４は、ピエゾ抵抗素子で構成されており、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２４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２４は、歪検出用抵抗素子Ｓと同じ特性を有する素子で構成されている。また、温度補償用抵抗素子２４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の近傍の延出部２１ａに１２個配置されている。

温度補償用抵抗素子２４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２４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の延出部２１ａ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２４を配置することで、素子の物性として備えている温度特性を相殺した出力を得ることができる。

モニタ用抵抗素子２４ａは、チップ温度（センサ組み立て後の温度も）を取得するための素子である。モニタ用抵抗素子２４ａは、ピエゾ抵抗素子で構成されており、チップ温度、すなわち環境温度の変化を抵抗値の変化として検出する。モニタ用抵抗素子２４ａ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。

モニタ用抵抗素子２４ａは、歪検出用抵抗素子Ｓと同じ特性を有する素子で構成されている。また、モニタ用抵抗素子２４ａ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、歪検出用抵抗素子Ｓの近傍の延出部２１ａに配置されている。なお、前記したように、温度補償用抵抗素子２４はベース部材１０上に歪検出用抵抗素子Ｓごとに設けられ、当該歪検出用抵抗素子Ｓとブリッジ回路を構成しているが、モニタ用抵抗素子２４ａは、チップ単位で設けられている。そして、モニタ用抵抗素子２４ａとブリッジ回路を構成する他の抵抗素子Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５は、チップ外部の図示しないアナログ基板上に設けられている（図６および図７参照）。

モニタ用抵抗素子２４ａ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、モニタ用抵抗素子２４ａのそれぞれは、前記したように、対応する温度補償用抵抗素子２４の近傍であって、自由端となっている貫通孔Ｌの内側周縁部の近くの延出部２１ａ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モニタ用抵抗素子２４ａを配置することで、力覚センサ用チップ２のチップ温度を取得できるように構成されている。

モニタ用抵抗素子２４ａは、図４に示すように、配線２８を介して信号電極パッド２５およびＧＮＤ電極パッド２６と接続されている。また、モニタ用抵抗素子２４ａは、前記したように、外付抵抗Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５とブリッジ回路を形成しており、モニタ用抵抗素子２４ａの抵抗値変化がＡＤコンバータ４０に入力され、モニタ出力値Ｖｍが出力されるように構成されている。このモニタ用抵抗素子２４ａが形成するブリッジ回路は、力覚センサ１の出力が不安定な過渡領域または力覚センサ１の出力が安定な定常領域において、モニタ出力値Ｖｍを所定のサンプリング間隔で検出するためのモニタ出力値検出手段１２として機能する（図５参照）。

ここで、本実施形態におけるモニタ出力値Ｖｍとは、モニタ用抵抗素子２４ａが検出した歪に対応した抵抗値の変化を、前記したＡＤコンバータ４０によって電圧値として算出した値のことを指している。また、モニタ出力値Ｖｍは、より具体的には、前記したモニタ用抵抗素子２４ａが形成するブリッジ回路における差動出力値である（図６参照）。なお、モニタ用抵抗素子２４ａは、歪検出用抵抗素子Ｓと同様に、環境温度によって抵抗値が変化する温度依存性を有しているが、前記した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ため、環境温度の変化のみによって歪みが生じる。

なお、モニタ用抵抗素子２４ａが形成するブリッジ回路は、後記するように、力覚センサ１による外力Ｆの測定前と、力覚センサ１による外力Ｆの測定中と、の２つの時点でモニタ出力値Ｖｍを検出するが、外力Ｆの測定前にモニタ出力値Ｖｍを検出する場合は、力覚センサ１を起動する、急加熱する、あるいは急冷却する等により、出力が不安定な過渡領域を人為的に再現して検出する。

信号電極パッド２５およびＧＮＤ電極パッド２６は、歪検出用抵抗素子Ｓ、温度補償用抵抗素子２４およびモニタ用抵抗素子２４ａに対して電圧を印加するための電極パッドである。信号電極パッド２５および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、温度補償用抵抗素子２４およびモニタ用抵抗素子２４ａ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、温度補償用抵抗素子２４およびモニタ用抵抗素子２４ａと、信号電極パッド２５、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２４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、実施形態に係る力覚センサ１が備える温度補償手段４について、図５を参照しながら詳細に説明する。ここで、実施形態に係る力覚センサ１は、この温度補償手段４を備えることによって、力覚センサ１の出力が安定な定常領域のみならず、力覚センサ１の出力が不安定な過渡領域においても、環境温度の影響を除去して温度補償を行うことができる点を特徴としている。

ここで、定常領域（定常状態、定常時）とは、前記した図１９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の破線右側に示すように、力覚センサ１の出力がサンプリング時間ｔに対して一定で出力が安定した領域（状態）のことを指している。また、力覚センサ１の過渡領域（過渡状態、過渡時）とは、前記した図１９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の破線左側に示すように、力覚センサ１の出力がサンプリング時間ｔに対して一定ではなく出力が不安定な領域（状態）のことを指している。

温度補償手段４は、前記した歪検出用抵抗素子Ｓが形成するブリッジ回路、すなわちセンサ出力値検出手段１１から入力されたセンサ出力値Ｖｓから環境温度の影響を除去し、センサ出力値Ｖｓの温度補償を行うための手段である。温度補償手段４は、具体的には、力覚センサ用チップ２外部のマイコン等である。なお、温度補償手段４は、センサ出力値Ｖｓを適切に温度補償できる構成であれば、力覚センサ用チップ２内部に設けてもよい。

温度補償手段４には、図５に示すように、センサ出力値検出手段１１が検出したセンサ出力値Ｖｓおよびそのサンプリング時間ｔが入力される。このセンサ出力値Ｖｓは、前記したように、外力Ｆのみならず環境温度の影響が含まれると想定される値である。

また、温度補償手段４には、図５に示すように、前記したモニタ用抵抗素子２４ａが形成するブリッジ回路、すなわちモニタ出力値検出手段１２が検出したモニタ出力値Ｖｍおよびそのサンプリング時間ｔが入力される。なお、センサ出力値検出手段１１およびモニタ出力値検出手段１２は出力値を同じタイミングで検出しているため、それぞれの手段から温度補償手段４に入力されるサンプリング時間ｔは、同じ値となる。

また、温度補償手段４は、図５に示すように、センサ出力値検出手段１１およびモニタ出力値検出手段１２から入力されたセンサ出力値Ｖｓ、モニタ出力値Ｖｍおよびサンプリング時間ｔを用いてセンサ出力値Ｖｓの補正を行い、センサ出力値Ｖｓ’を出力する。そして、当該センサ出力値Ｖｓ’は、図示しない外力解析装置に入力され、当該外力解析装置によって外力Ｆの大きさやモーメントが算出される。

温度補償手段４は、図５に示すように、モニタ抵抗変化算出手段５と、メモリ手段６と、過渡変動判定手段７と、過渡補正手段８と、を主な構成として備えており、センサ出力値Ｖｓ、モニタ出力値Ｖｍおよびそれぞれのサンプリング時間ｔが、各手段によってソフトウェア処理されるように構成されている。以下、各手段について、図５を参照しながら詳細に説明する。

モニタ抵抗変化算出手段５は、過渡領域または定常領域におけるサンプリング時間ｔに対するモニタ出力値Ｖｍの傾き△Ｖｍ／△ｔを算出する手段である。モニタ抵抗変化算出手段５には、図５に示すように、モニタ出力値検出手段１２が検出したモニタ出力値Ｖｍおよびそのサンプリング時間ｔが入力される。なお、モニタ抵抗変化算出手段５には、力覚センサ１による外力Ｆの測定前と、力覚センサ１による外力Ｆの測定中と、の２つの時点において、モニタ出力値Ｖｍおよびそのサンプリング時間ｔが入力される。

すなわち、モニタ抵抗変化算出手段５は、力覚センサ１による外力Ｆの測定前においては、入力されたモニタ出力値Ｖｍおよびサンプリング時間ｔのうち、過渡領域の立ち上がりまたは立ち下り部分におけるサンプリング時間ｔに対するモニタ出力値Ｖｍの傾き△Ｖｍ／△ｔを算出する。そして、当該傾き△Ｖｍ／△ｔを閾値として設定した上で、図５の下方向に延びる矢印で示すように、当該閾値をメモリ手段６に予め格納する。なお、このように力覚センサ１による外力Ｆの測定前にモニタ出力値Ｖｍの傾き△Ｖｍ／△ｔを求める場合は、前記したように、力覚センサ１を起動する、急加熱する、あるいは急冷却する等により、出力が不安定な過渡領域を人為的に再現して行う。

ここで、過渡領域の立ち上がりまたは立ち下がり部分とは、例えば、図１９の各図において破線で丸く囲った部分のことを指している。この過渡領域の立ち上がりまたは立ち下がり部分は、それぞれの過渡領域に特有の傾き△Ｖｍ／△ｔを有している。従って、この傾き△Ｖｍ／△ｔを予め算出してメモリ手段６にデータとして保持することで、後記するように、力覚センサ１による外力Ｆの測定中にモニタ出力値検出手段１２が検出したモニタ出力値Ｖｍが過渡領域にあるか否かを容易に判定することができる。なお、過渡領域の詳しい判定手順については、後記する。

また、モニタ抵抗変化算出手段５は、力覚センサ１による外力Ｆの測定前においては、入力されたモニタ出力値Ｖｍおよびサンプリング時間ｔから過渡領域におけるモニタ出力値Ｖｍの時間的変化を示す関数を算出する。そして、当該関数を、図５の下方向に延びる矢印で示すように、メモリ手段６に予め格納する。

ここで、前記した関数とは、過渡領域におけるモニタ出力値Ｖｍのサンプリング時間ｔに対する変化を表す関数のことであり、例えば、図１９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の破線左側に示す過渡領域における出力値Ｖの曲線を関数化したものである。関数の具体例としては、例えばｆ（ｘ）＝ａｘ^５＋ｂｘ^４＋ｃｘ^３＋ｄｘ^２＋ｅｘ＋ｆ等の多項式からなる関数が挙げられる。また、この関数におけるｘは、サンプリング時間ｔの変数であり、このｘにサンプリング時間ｔを代入することで、関数の具体的な値を求めることができる。なお、このように関数の変数ｘにサンプリング時間ｔを代入することで得られた具体的な値は、後記するように、当該サンプリング時間ｔにおけるモニタ出力値Ｖｍを補正するための補正値として用いられる。なお、このような過渡領域におけるモニタ出力値Ｖｍの関数は、過渡領域における力覚センサ１の環境温度の変動パターンを示している。

また、モニタ抵抗変化算出手段５は、力覚センサ１による外力Ｆの測定中においては、過渡領域または定常領域の区別なく、サンプリング時間ｔに対するモニタ出力値Ｖｍの傾き△Ｖｍ／△ｔを算出する。そして、当該傾き△Ｖｍ／△ｔを、図５の右方向に延びる矢印で示すように、過渡変動判定手段７に出力する。

メモリ手段６は、前記したように、モニタ抵抗変化算出手段５で算出した閾値および関数を格納する手段である。メモリ手段６は、図５に示すように、入力された閾値および関数を関連付けて保持するとともに、後記する過渡変動判定手段７に対しては閾値を出力し、過渡補正手段８に対しては当該閾値と関連付けた関数を出力する。なお、メモリ手段６は、閾値および関数を関連付けて保持する場合は、例えばテーブル方式で保持することができる。

過渡変動判定手段７は、力覚センサ１による外力Ｆの測定前にメモリ手段６に予め格納した閾値と、外力Ｆの測定中に算出したモニタ出力値Ｖｍの傾き△Ｖｍ／△ｔと、を比較して力覚センサ１の出力が過渡領域にあるか否かを判定する手段である。過渡変動判定手段７には、図５に示すように、メモリ手段６からは閾値が、モニタ抵抗変化算出手段５からはモニタ出力値Ｖｍのサンプリング時間ｔに対する傾き△Ｖｍ／△ｔが入力される。そして、過渡変動判定手段７は、当該傾き△Ｖｍ／△ｔが閾値よりも大きいか、小さいか、あるいは同じであるかを比較し、図５に示すようにその比較結果を過渡補正手段８に出力する。

ここで、メモリ手段６に予め格納した閾値は、前記したように、過渡領域の立ち上がりまたは立ち下がり部分におけるモニタ出力値Ｖｍのサンプリング時間ｔに対する傾き△Ｖｍ／△ｔである。従って、過渡変動判定手段７によって、当該閾値と外力Ｆの測定中におけるモニタ出力値Ｖｍの傾き△Ｖｍ／△ｔとを比較することで、力覚センサ１の出力が過渡領域にあるか否かを容易に判定することができる。

例えば、図１９（ａ）、（ｂ）に示すように過渡領域の立ち上がり部分における傾き△Ｖｍ／△ｔを閾値とした場合において、外力Ｆの測定中におけるモニタ出力値Ｖｍの傾き△Ｖｍ／△ｔが当該閾値よりも大きければ、過渡変動判定手段７は、力覚センサ１の出力が図１９（ａ）に示す起動直後、あるいは図１９（ｂ）に示す急加熱状態にあると判定することができる。

一方、図１９（ｃ）に示すような、過渡領域の立ち下がり部分における傾き△Ｖｍ／△ｔを閾値とした場合において、外力Ｆの測定中におけるモニタ出力値Ｖｍの傾き△Ｖｍ／△ｔが当該閾値よりも小さければ、過渡変動判定手段７は、力覚センサ１の出力が図１９（ｃ）に示す急冷却状態にあると判定することができる。

過渡補正手段８は、過渡変動判定手段７による比較結果に基づいて、前記した関数によってセンサ出力値Ｖｓを補正する手段である。過渡補正手段８には、図５に示すように、力覚センサ用チップ２のモニタ出力値検出手段１２が検出したモニタ出力値Ｖｍおよびそのサンプリング時間ｔが入力される。また、過渡補正手段８には、図５に示すように、過渡変動判定手段７からは閾値と傾き△Ｖｍ／△ｔとの比較結果が、メモリ手段６からは関数が入力される。

そして、過渡補正手段８は、過渡変動判定手段７からモニタ出力値Ｖｍが過渡領域である旨の比較結果が入力された場合、判定に用いられた閾値と関連付けたれた関数にサンプリング時間を代入して補正値を生成する。なお、ここでのサンプリング時間ｔは、補正を行う対象となるセンサ出力値Ｖｓのサンプリング時間ｔである。このように、予め求めた関数の変数部分（前記したｘ）にサンプリング時間ｔを代入することで、当該サンプリング時間ｔの時点における補正値を算出することができる。そして、過渡補正手段８は、サンプリング時間ｔごとの補正値を算出するとともに、当該補正値を過渡領域が終了するまでセンサ出力値Ｖｓに加算または減算しながら補正を行う。

具体的には、例えば過渡領域の立ち上がり部分における傾き△Ｖｍ／△ｔを閾値とした場合において、力覚センサ１のモニタ出力値Ｖｍが図１９（ａ）に示す起動直後、あるいは図１９（ｂ）に示す急加熱状態にあると過渡変動判定手段７によって判定された場合は、関数の変数部分にサンプリング時間ｔを代入し、得られた補正値をセンサ出力値Ｖｓから減算して補正を行う。

一方、過渡領域の立ち下がり部分における傾き△Ｖｍ／△ｔを閾値とした場合において、力覚センサ１の出力が図１９（ｃ）に示す急冷却状態にあると過渡変動判定手段７によって判定された場合は、関数の変数部分にサンプリング時間ｔを代入し、得られた補正値をセンサ出力値Ｖｓに加算して補正を行う。

次に、温度補償手段４による温度補償の流れについて、図５を参照しながら簡単に説明する。まず、力覚センサ１による外力Ｆの測定前において、当該力覚センサ１を起動する、急加熱する、あるいは急冷却することにより、人為的に過渡領域を再現する。そして、モニタ出力値検出手段１２が、当該過渡領域における環境温度を示すモニタ出力値Ｖｍを所定のサンプリング間隔で検出し、当該モニタ出力値Ｖｍをそのサンプリング時間ｔとともにモニタ抵抗変化算出手段５に出力する。

次に、モニタ抵抗変化算出手段５が、過渡領域の立ち上がりまたは立ち下り部分におけるサンプリング時間ｔに対するモニタ出力値Ｖｍの傾き△Ｖｍ／△ｔを算出し、閾値としてメモリ手段６に格納する。また、モニタ抵抗変化算出手段５が、過渡領域におけるモニタ出力値Ｖｍの時間的変化を示す関数を算出し、前記した閾値と関連付けてメモリ手段６に格納する。

次に、力覚センサ１による外力Ｆの測定を開始する。そして、モニタ出力値検出手段１２が、過渡領域または定常領域におけるモニタ出力値Ｖｍを所定のサンプリング間隔で検出し、当該モニタ出力値Ｖｍをそのサンプリング時間ｔとともにモニタ抵抗変化算出手段５に出力する。

次に、モニタ抵抗変化算出手段５が、サンプリング時間ｔに対するモニタ出力値Ｖｍの傾き△Ｖｍ／△ｔを算出する。そして、過渡変動判定手段７が、外力Ｆの測定前に予めメモリ手段６に格納した閾値と、外力Ｆの測定中に算出した傾き△Ｖｍ／△ｔと、を比較し、その比較結果を過渡補正手段８に出力する。

次に、過渡補正手段８が、過渡変動判定手段７による比較結果に基づいて、判定に用いられた閾値と関連付けられた関数をメモリ手段６から入手する。そして、当該関数にサンプリング時間ｔを代入して補正値を得る。そして、当該補正値をセンサ出力値Ｖｓに加算または減算してセンサ出力値Ｖｓを補正し、センサ出力値Ｖｓ’として図示しない外力解析装置に出力する。

このように、実施形態に係る力覚センサ１は、力覚センサ１による外力Ｆの測定前に、温度補償手段４によって予め過渡領域におけるモニタ出力値Ｖｍのパターンを閾値および関数として求めてメモリ手段６に保持する。そして、力覚センサ１による外力Ｆの測定中に、予め求めた閾値とモニタ出力値Ｖｍとを比較して、力覚センサ１の出力（モニタ出力値Ｖｍ）が過渡領域にあるか否かを判定する。そして、力覚センサ１の出力が過渡領域である場合は、閾値と関連付けた関数にサンプリング時間ｔを代入して補正量を求め、当該補正量をセンサ出力値Ｖｓに加算あるいは減算することで、センサ出力値Ｖｓを補正する。

すなわち、実施形態に係る力覚センサ１は、外力Ｆの測定中において、予め保持する閾値によって、モニタ出力値Ｖｍの傾き△Ｖｍ／△ｔから過渡領域にあるか否かを判定し、かつ、予め閾値と関連付けて保持する関数によって、過渡領域の具体的なパターンおよび補正量を予測することで、センサ出力値Ｖｓを補正することができる。従って、実施形態に係る力覚センサ１は、定常領域のみならず過渡領域においても、ソフトウェア処理によってセンサ出力値Ｖｓから環境温度の影響を除去することができ、純粋な外力Ｆを測定することができる。

次に、実施形態に係る力覚センサ用チップ２における各素子と温度補償手段４の電気接続関係について、図６を参照しながら簡単に説明する。なお、図６において破線で囲った領域は力覚センサ用チップ２内部を、その他の領域は力覚センサ用チップ２外部を示している。

力覚センサ用チップ２では、図６に示すように、チップ内部に設けられた歪検出用抵抗素子Ｓと温度補償用抵抗素子２４とが、チップ外部の外付抵抗Ｒ１，Ｒ２とブリッジ回路ＢＣ１を構成している。このブリッジ回路ＢＣ１は、前記したセンサ出力値検出手段１１に相当する。なお、ブリッジ回路ＢＣ１は、ここでは、外付抵抗Ｒ１，Ｒ２がチップ外部に形成されたハーフブリッジ回路である。

また、力覚センサ用チップ２では、図６に示すように、チップ内部に設けられたモニタ用抵抗素子２４ａは、チップ外部の外付抵抗Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５とブリッジ回路ＢＣ１を構成している。このブリッジ回路ＢＣ１は、前記したセンサ出力値検出手段１１に相当する。

歪検出用抵抗素子Ｓが形成するブリッジ回路ＢＣ１において、歪検出用抵抗素子Ｓおよび温度補償用抵抗素子２４の一端側（本図上の下側）は、図６に示すように、相互に連結されるとともに、グラウンド電位ＧＮＤに接続されている。また、歪検出用抵抗素子Ｓおよび温度補償用抵抗素子２４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。また、信号電極パッド２５は、力覚センサ用チップ２外部の外付抵抗Ｒ１，Ｒ２とそれぞれ接続されている。

ブリッジ回路ＢＣ１において、歪検出用抵抗素子Ｓおよび温度補償用抵抗素子２４は、図６に示すように、センサ内部に設けられたＬＰＦ（ローパスフィルタ）４１およびＡＤコンバータ４０と接続され、歪検出用抵抗素子Ｓおよび温度補償用抵抗素子２４によって生成される歪検出信号が、当該ＡＤコンバータ４０に出力されるように構成されている。また、歪検出用抵抗素子Ｓおよび温度補償用抵抗素子２４は、図７に示すように、チップ外部の図示しないアナログ基板に配置されたＬＰＦ（ローパスフィルタ）４１およびＡＤコンバータ４０と接続され、歪検出用抵抗素子Ｓおよび温度補償用抵抗素子２４によって生成される歪検出信号が当該ＡＤコンバータ４０に入力されるように構成されていてもよい。

ここで、ＡＤコンバータ４０は、具体的には図８に示すように、歪検出信号をＡＤ変換するΔΣＡＤコンバータ（デルタシグマＡＤコンバータ）４０ａと、２つの歪検出信号の差をとるＰＧＡ（Programmable Gain Amplifier）４０ｂと、リファレンス電圧を印加するＲｅｆ．（Reference）４０ｃと、ＡＤ変換のタイミングパルスを発振するＯＳＣ（Oscillator）４０ｄと、インターフェイスであるＩ／Ｆ（Interface）４０ｅと、を備えている。

また、ΔΣＡＤコンバータ４０ａとは、アナログ信号をデジタル信号に変換するコンバータであって、通常のＡＤコンバータよりも低消費電力かつ高速クロック動作および高ＳＮＲ（signal-to-noise ratio：信号対雑音比）を実現可能なコンバータのことを指している。なお、ΔΣＡＤコンバータ４０ａを始めとするＡＤコンバータ４０の各構成はいずれも周知の構成であるため、その詳しい機能・動作等の説明は省略する。

このようなブリッジ回路ＢＣ１においては、ＡＤコンバータ４０によって歪検出用抵抗素子Ｓと温度補償用抵抗素子２４の差動出力値、すなわち、歪検出用抵抗素子Ｓの物性として備えている温度特性を相殺した出力であるセンサ出力値Ｖｓを算出し、当該センサ出力値Ｖｓをチップ外部の温度補償手段４に出力する。

一方、モニタ用抵抗素子２４ａが形成するブリッジ回路ＢＣ２においては、モニタ用抵抗素子２４ａは、図６に示すように、チップ外部に設けられたＬＰＦ（ローパスフィルタ）４１およびＡＤコンバータ４０と接続され、モニタ用抵抗素子２４ａによって生成される歪検出信号が当該ＡＤコンバータ４０に出力されるように構成されている。

そして、ブリッジ回路ＢＣ２においては、ＡＤコンバータ４０によって力覚センサ２の環境温度を示すモニタ出力値Ｖｍを算出し、当該モニタ出力値Ｖｍをチップ外部の温度補償手段４に出力する。

温度補償手段４は、このようにして入力されたセンサ出力値Ｖｓとモニタ出力値Ｖｍとを前記した手順によってソフトウェア処理し、センサ出力値Ｖｓから環境温度の影響を除去した値を算出する。

なお、力覚センサ用チップ２では、図６に示す外付抵抗Ｒ１，Ｒ２を力覚センサ用チップ２内部に設けて、フルブリッジ回路を構成してもよい。力覚センサ用チップ２は、このようにフルブリッジ回路で構成することで、歪検出用抵抗素子Ｓの抵抗値の変化から、温度変化による抵抗値の変化をキャンセルし、歪検出用抵抗素子Ｓにおける外力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に印加された外力をより正確に検出することができる。

次に、実施形態に係る力覚センサ１の動作について、図９〜図１３を参照しながら詳細に説明する。種々の軸成分の外力Ｆが入力された場合の減衰装置３の挙動について、図１２を参照しながら説明する。

例えば、図９（ａ）に示すように、Ｘ軸方向の外力Ｆｘが入力部３０に入力された場合には、入力部３０が極めて微小ながらＸ軸方向に移動する。同様にして、Ｚ軸方向の外力Ｆｚが入力された場合には、図９（ｂ）に示すように、入力部３０がＺ軸方向に移動する。そして、Ｙ軸回りのモーメントＭｙが入力された場合には、図９（ｃ）に示すように、入力部３０がＹ軸回りに回転し、Ｚ軸回りのモーメントＭｚが入力された場合には、図９（ｄ）に示すように、入力部３０がＺ軸回りに回転する。なお、他の軸成分についても同様であるので、その説明は省略する。

図１０〜図１３を参照しながら、外力Ｆｘ，Ｆｚ、モーメントＭｙ，Ｍｚが印加された際の力覚センサ用チップ２に生じる歪みの状態について説明する。

図１０（ａ）に示すように、外力Ｆｘの印加により作用部２１がＸ方向に移動しようとし、これに伴って橋梁部２３ａ２，２３ｃ２においてたわみが顕著に生じる。このとき、図１０（ｂ）に示すように、たわみの外側の歪検出用抵抗素子Ｓｙａ１，Ｓｙｂ３には引張力が作用し、抵抗値が増加する。一方、たわみの内側の歪検出用抵抗素子Ｓｙａ３，Ｓｙｂ１には圧縮力が作用し、抵抗値が減少する。歪検出用抵抗素子Ｓｘａ１〜Ｓｘａ３，Ｓｘｂ１〜Ｓｘｂ３は、外力Ｆｘの影響を受けない。

図１１（ｂ）に示すように、外力Ｆｚの印加により作用部２１がＺ方向に移動しようとし、これに伴って橋梁部２３ａ２，２３ｂ２，２３ｃ２，２３ｄ２においてたわみが顕著に生じる。このとき、各歪検出用抵抗素子Ｓｘａ１〜Ｓｘａ３，Ｓｘｂ１〜Ｓｘｂ３，Ｓｙａ１〜Ｓｙａ３，Ｓｙｂ１〜Ｓｙｂ３は、ベース部材２０の表面（上層部）に形成されているから、すべての歪検出用抵抗素子Ｓｘａ１〜Ｓｘａ３，Ｓｘｂ１〜Ｓｘｂ３，Ｓｙａ１〜Ｓｙａ３，Ｓｙｂ１〜Ｓｙｂ３に引張力が作用し、抵抗値が増加する。

図１２（ｂ）に示すように、モーメントＭｙの印加によりＸ軸方向の橋梁部２３ｂ２，２３ｄ２には、それぞれモーメントＭｙによるたわみが生じ、歪検出用抵抗素子Ｓｘａ１〜Ｓｘａ３には圧縮力が作用し、抵抗値が減少する。一方、歪検出用抵抗素子Ｓｘｂ１〜Ｓｘｂ３には引張力が作用し、抵抗値が増加する。ただし、Ｙ軸方向の橋梁部２３ａ２，２３ｃ２では、ほとんど引張力も圧縮力も作用せず、抵抗値は変化しない。

図１３（ｂ）に示すように、モーメントＭｚの印加により各橋梁部２３ａ２，２３ｂ２，２３ｃ２，２３ｄ２には、それぞれモーメントＭｚによるたわみが生じ、たわみの外側に配置された歪検出用抵抗素子Ｓｙａ３，Ｓｘａ３，Ｓｙｂ３，Ｓｘｂ３には引張力が作用し、抵抗値が増加する。一方、たわみの内側に配置された歪検出用抵抗素子Ｓｙａ１，Ｓｘａ１，Ｓｙｂ１，Ｓｘｂ１には圧縮力が作用し、抵抗値が減少する。ただし、たわみの中心に位置する歪検出用抵抗素子Ｓｘａ２，Ｓｘｂ２，Ｓｙａ２，Ｓｙｂ２には、ほとんど引張力も圧縮力も作用しないため、抵抗値は変化しない。

以上、代表的な４つの軸力を例として、概念的に簡略化して外力Ｆに含まれる各成分（力またはモーメント）と歪検出用抵抗素子Ｓに作用する力との関係を説明した。そして、歪検出用抵抗素子Ｓに圧縮力または引張力が作用すると抵抗値が減少または増加するため、この抵抗値の変化率（抵抗変化率）をブリッジ回路ＢＣ１（図６参照）により検出している。

この抵抗変化率に基づいて、６軸の力覚センサ１から最終的に出力される信号は、各単一の成分（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）に対応する演算抵抗変化率Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ６である。すなわち、演算抵抗変化率Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ６は、できるだけ他軸干渉の影響を排除して、それぞれ外力Ｆに含まれる各成分（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）に対応させて、抵抗変化率から以下のように定められる。なお、抵抗変化率は、例えば、Ｓｙａ１のように表すが、これはＳｙａ１の抵抗変化率を示すものである。

Ｓｉｇ１＝（（Ｓｙａ１−Ｓｙａ３）＋（Ｓｙｂ３−Ｓｙｂ１））／４
Ｓｉｇ２＝（（Ｓｘａ３−Ｓｘａ１）＋（Ｓｘｂ１−Ｓｘｂ３））／４
Ｓｉｇ３＝（Ｓｘａ２＋Ｓｙａ２＋Ｓｘｂ２＋Ｓｙ２）／４
Ｓｉｇ４＝（Ｓｙａ２−Ｓｙｂ２）／２
Ｓｉｇ５＝（Ｓｂａ２−Ｓｘａ２）／２
Ｓｉｇ６＝（（Ｓｘａ３−Ｓｘａ１）＋（Ｓｙａ３−Ｓｙａ１）
＋（Ｓｘｂ３−Ｓｘｂ１）＋（Ｓｙｂ３−Ｓｙｂ１））／８

６軸成分（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）と演算抵抗変化率Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ６との関係について説明する。力覚センサ１の出力信号である演算抵抗変化率Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ６に基づいて印加された外力Ｆの各成分を算出するためには、予め、単一成分の外力を力覚センサ用チップ２に印加して、このときの出力信号Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ６を求めておく。これによって、６軸成分（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）と演算抵抗変化率Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ６との関係が把握される。

具体的には、例えば外力Ｆｘを力覚センサ用チップ２に印加すると、実際上モーメントＭｙも印加されるが、力覚センサ用チップ２の形状や歪検出用抵抗素子Ｓ等の配置が４回対象に設けられているため、他軸干渉の影響はできるだけ排除され、Ｓｉｇ１は、ＦｘとＭｙとの一次式として表される。同様にして、Ｆｙを力覚センサ用チップ２に印加すると、Ｓｉｇ２は、ＦｙとＭｘとの一次式として表される。Ｓｉｇ３は、主としてＦｚの一次式で表すことができる（他の軸成分を無視できる程度まで抑えることも可能）。

モーメントについても同様に、Ｍｘを力覚センサ用チップ２に印加すると、Ｓｉｇ４は、ＭｘとＦｙとの一次式として表される。また、Ｍｙを力覚センサ用チップ２に印加すると、Ｓｉｇ５は、ＭｙとＦｘとの一次式として表される。Ｓｉｇ６は、Ｍｚの一次式で表すことができる（他の軸成分を無視できる程度まで抑えることが可能）。

以上のような実験により、演算抵抗変化率Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ６は、他軸干渉の影響をできるだけ排除して、６軸成分（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）の一次式で表すことができる。この一次式（行列式）から逆行列を求めることで、６軸成分（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）を演算抵抗変化率Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ６の一次式で表すことができる。このようにして、６軸成分（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）は、演算抵抗変化率Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ６から求めることができる。

ここで、前記したような力覚センサ１による外力Ｆの測定中においては、歪検出用抵抗素子Ｓが環境温度によって抵抗値が変化する温度依存性を有しているため、外力Ｆの測定中に環境温度が変化すると、外力Ｆが印加されていないにも関わらず、外力Ｆが誤って検出される可能性がある。しかし、実施形態に係る力覚センサ１は、前記したように、外力Ｆの測定中において、予め保持する閾値によってモニタ出力値Ｖｍの傾き△Ｖｍ／△ｔから過渡領域にあるか否かを判定し、かつ、予め閾値と関連付けて保持する関数によって過渡領域の具体的なパターンおよび補正量を予測することで、センサ出力値Ｖｓを補正することができる。従って、実施形態に係る力覚センサ１は、定常領域のみならず過渡領域においても、ソフトウェア処理によってセンサ出力値Ｖｓから環境温度の影響を除去することができ、純粋な外力Ｆを測定することができる。

次に、実施形態に係る力覚センサ１の温度補償方法について、図５を適宜参照しながら詳細に説明する。力覚センサ１の温度補償方法は、温度補償手段４を用いることによって、力覚センサ１の出力が安定な定常領域のみならず、力覚センサ１の出力が不安定な過渡領域においても、環境温度の影響を除去して温度補償を行うことができる点を特徴としている。

力覚センサ１の温度補償方法は、力覚センサ１による外力Ｆの測定前において、過渡領域における力覚センサ１の環境温度の変動パターンを求める準備工程と、力覚センサ１による外力Ｆの測定中において、変動パターンに基づく補正値によってセンサ出力値Ｖｓを補正する補正工程と、に大別される。

また、準備工程は、第１モニタ出力値検出工程と、閾値格納工程と、関数格納工程と、を行い、補正工程は、センサ出力値検出工程と、第２モニタ出力値検出工程と、傾き算出工程と、傾き比較工程と、センサ出力値補正工程と、を行う。以下、各工程について詳細に説明する。

第１モニタ出力値検出工程は、モニタ出力値検出手段１２によって、過渡領域における環境温度を示すモニタ出力値Ｖｍを所定のサンプリング間隔で検出する工程である。すなわち、本工程では、力覚センサ１による外力Ｆの測定前に、予め過渡領域におけるモニタ出力値Ｖｍを検出する。なお、準備工程においては、力覚センサ１を起動する、急加熱する、あるいは急冷却することにより、過渡領域を人為的に再現する。

閾値格納工程は、モニタ抵抗変化算出手段５によって、過渡領域の立ち上がりまたは立ち下り部分におけるサンプリング時間ｔに対するモニタ出力値Ｖｍの傾き△Ｖｍ／△ｔを算出し、閾値としてメモリ手段６に格納する工程である。ここで、過渡領域の立ち上がりまたは立ち下がり部分は、前記したように、それぞれの過渡領域に特有の傾き△Ｖｍ／△ｔを有している。従って、その傾き△Ｖｍ／△ｔを予め算出してメモリ手段６にデータとして保持することで、後記するように、力覚センサ１による外力Ｆの測定中において、モニタ出力値検出手段１２が検出したモニタ出力値Ｖｍが過渡領域にあるか否かを容易に判定することができる。

関数格納工程は、モニタ抵抗変化算出手段５によって、過渡領域におけるモニタ出力値Ｖｍの時間的変化を示す関数を算出し、閾値と関連付けてメモリ手段６に格納する工程である。ここで、この関数は、前記したように過渡領域におけるモニタ出力値Ｖｍのサンプリング時間ｔに対する変化を表すものであり、変数ｘにサンプリング時間ｔを代入することで、当該サンプリング時間ｔにおけるセンサ出力値Ｖｓを補正するための補正値を算出することができる。なお、このような過渡領域におけるモニタ出力値Ｖｍの関数は、過渡領域における力覚センサ１の環境温度の変動パターンを示している。

センサ出力値検出工程は、センサ出力値検出手段１１によって、過渡領域または定常領域におけるセンサ出力値Ｖｓを所定のサンプリング間隔で検出する工程である。ここで、センサ出力値検出手段１１は、前記したように環境温度によって抵抗値が変化する温度依存性を有しているため、当該手段によって検出されたセンサ出力値Ｖｓには、外力Ｆの印加による影響に加えて、環境温度による影響が含まれている可能性がある。従って、後記する各工程によって、本工程で検出したセンサ出力値Ｖｓから環境温度の影響を除去することになる。

第２モニタ出力値検出工程は、モニタ出力値検出手段１２によって、過渡領域または定常領域におけるモニタ出力値Ｖｍを所定のサンプリング間隔で検出する工程である。すなわち、本工程では、力覚センサ１による外力Ｆの測定中に、過渡領域または定常領域におけるモニタ出力値Ｖｍを検出し、外力Ｆの測定中における環境温度の影響をモニタする。なお、本工程は、前記したセンサ出力値検出工程と同時行われるため、サンプリング間隔もセンサ出力値検出工程と同じである。

傾き算出工程は、モニタ抵抗変化算出手段５によって、サンプリング時間ｔに対するモニタ出力値Ｖｍの傾き△Ｖｍ／△ｔを算出する工程である。本工程において算出したモニタ出力値Ｖｍの傾き△Ｖｍ／△ｔは、後記する傾き比較工程において閾値と比較され、力覚センサ１のモニタ出力値Ｖｍが過渡領域にあるか否かが判定される。

傾き比較工程は、過渡変動判定手段７によって、閾値格納工程で格納した閾値と、傾き算出工程で算出した傾き△Ｖｍ／△ｔと、を比較する工程である。ここで、当該閾値は、前記したように過渡領域の立ち上がりまたは立ち下がり部分におけるモニタ出力値Ｖｍのサンプリング時間ｔに対する傾き△Ｖｍ／△ｔである。従って、本工程によって当該閾値と外力Ｆの測定中におけるモニタ出力値Ｖｍの傾き△Ｖｍ／△ｔとを比較することで、力覚センサ１の出力が過渡領域にあるか否かを容易に判定することができる。

センサ出力値補正工程は、過渡補正手段８によって、傾き比較工程における比較結果に基づいて、閾値と関連付けられた関数にサンプリング時間ｔを代入し、得られた値をセンサ出力値Ｖｓに加算または減算することで、センサ出力値Ｖｓを補正する工程である。本工程では、傾き比較工程において、力覚センサ１の出力が過渡領域にある旨の比較結果が出されると、前記した閾値と関連付けられた関数にサンプリング時間ｔを代入して補正値を生成する。なお、ここでのサンプリング時間ｔは、補正を行う時点におけるセンサ出力値Ｖｓのサンプリング時間ｔである。このように、予め求めた関数の変数部分（前記したｘ）にサンプリング時間ｔを代入することで、当該サンプリング時間ｔの時点における補正値を算出することができる。そして、センサ出力値補正工程では、算出した補正値をセンサ出力値Ｖｓに加算または減算することで、センサ出力値Ｖｓから環境温度の影響を除去する。

次に、実施形態に係る力覚センサ１の温度補償方法の具体例について、図１４を参照しながら詳細に説明する。以下の具体例においては、前記した準備工程における処理は省略する。但し、準備工程の閾値格納工程において、−３０ｍＶ／ｓｅｃおよび３０ｍＶ／ｓｅｃの２つの閾値を設定するとともに、関数格納工程において、ｆ（ｘ）およびｇ（ｘ）の関数を算出し、それぞれを関連付けてメモリ手段６に格納したものとする。なお、閾値−３０ｍＶ／ｓｅｃは、図１９（ｃ）に示す急冷却状態における過渡領域の立ち下がり部分の傾き△Ｖｍ／△ｔを想定したものであり、閾値３０ｍＶ／ｓｅｃは、図１９（ｂ）に示す急加熱状態における過渡領域の立ち上がり部分の傾き△Ｖｍ／△ｔを想定したものである。

まず、力覚センサ１による外力Ｆの測定が開始すると、ステップＳ１において、センサ出力値検出手段１１が検出したセンサ出力値Ｖｓと、モニタ出力値検出手段１２が検出したモニタ出力値Ｖｍと、が温度補償手段４に入力される。次に、ステップＳ２において、温度補償手段４のモニタ抵抗変化算出手段５によって、モニタ出力値Ｖｍの傾き△Ｖｍ／△ｔが算出される。

次に、ステップＳ３において、モニタ出力値Ｖｍの傾き△Ｖｍ／△ｔが−３０ｍＶ／ｓｅｃ以下なのか、３０ｍＶ／ｓｅｃ以上なのか、あるいは−３０ｍＶ／ｓｅｃ超かつ３０ｍＶ／ｓｅｃ未満なのか、が判定される。

そして、モニタ出力値Ｖｍの傾き△Ｖｍ／△ｔが−３０ｍＶ／ｓｅｃ以下である場合（ステップＳ３で下方向の矢印）、力覚センサ１の出力が急冷却による過渡領域にあることが分かるため、ステップＳ４に進み、センサ出力値Ｖｓに対して関数ｆ（ｘ）を加算して温度補償を行うとともに、センサ出力値Ｖｓ’を出力する。なおその際、関数ｆ（ｘ）の変数ｘには、補正を行う時点におけるセンサ出力値Ｖｓのサンプリング時間ｔが代入される。

また、モニタ出力値Ｖｍの傾き△Ｖｍ／△ｔが３０ｍＶ／ｓｅｃ以上である場合（ステップＳ３で右方向の矢印）、力覚センサ１の出力が急加熱による過渡領域にあることが分かるため、ステップＳ５に進み、センサ出力値Ｖｓに対して関数ｇ（ｘ）を減算して温度補償を行うとともに、センサ出力値Ｖｓ’を出力する。なおその際、関数ｇ（ｘ）の変数ｘには、補正を行う時点におけるセンサ出力値Ｖｓのサンプリング時間ｔが代入される。

また、モニタ出力値Ｖｍの傾き△Ｖｍ／△ｔが−３０ｍＶ／ｓｅｃ超かつ３０ｍＶ／ｓｅｃ未満（ステップＳ３で下方向の矢印）、力覚センサ１の出力が安定した定常状態にあることが分かるため、ステップＳ６に進み、温度補償を行うことなくセンサ出力値Ｖｓそのまま出力する。

次に、実施形態に係る力覚センサ１の変形例について、説明する。変形例に係る力覚センサは、温度補償手段４において、前記したソフトウェア処理に先立って、ハードウェア処理によっても温度補償を行うことを特徴としている。変形例に係る力覚センサおよび力覚センサ用チップは、温度補償手段４以外は、前記した力覚センサ１および力覚センサ用チップ２と同様の構成を備えているため、各構成の詳細な説明は省略する。

変形例に係る力覚センサでは、前段のハードウェア処理による温度補償を以下のような手順で行う。
まず力覚センサによる外力Ｆの測定前に、外力Ｆを印加せずにチップ温度、すなわち環境温度のみを変化させた場合における歪検出用抵抗素子Ｓのセンサ出力値Ｖ１ｓを予め測定する。センサ出力値Ｖ１ｓは、前記した図５または図６に示すように、ブリッジ回路ＢＣ１における歪検出用抵抗素子Ｓと温度補償用抵抗素子２４の抵抗値変化がＬＰＦ４１を経てＡＤコンバータ４０に入力されることで算出される値である。また、センサ出力値Ｖ１ｓは、環境温度の変化に対応した歪検出用抵抗素子Ｓの出力値であり、チップ温度との関係は、例えば図１５（ａ）に示すようなものとなる。

また同時に、力覚センサによる外力Ｆの測定前に、チップ温度、すなわち環境温度のみを変化させた場合におけるモニタ用抵抗素子２４ａのモニタ出力値Ｖｍを予め測定する。モニタ出力値Ｖｍは、前記した図５または図６に示すように、ブリッジ回路ＢＣ２におけるモニタ用抵抗素子２４ａの抵抗値変化がＬＰＦ４１を経てＡＤコンバータ４０に入力されることで算出される値である。また、モニタ出力値Ｖｍは、環境温度の変化に対応したモニタ用抵抗素子２４ａの出力値であり、環境温度との関係は、例えば図１５（ｂ）に示すようなものとなる。

そして、変形例に係る力覚センサでは、前記したセンサ出力値Ｖ１ｓと、モニタ出力値Ｖｍを図１５（ｃ）に示すように関数化し、その関数（例えば、ｙ＝ｆ（ｍ））を前記した温度補償手段４の、例えばメモリ手段６に予め格納する。この関数におけるｍは、モニタ出力値Ｖｍの変数であり、このｍにモニタ出力値Ｖｍを代入することで、関数の具体的な値であるセンサ出力値Ｖ１ｓを求めることができる。このように関数の変数ｍにモニタ出力値Ｖｍを代入することで得られる具体的な値は、後記するように、当該モニタ出力値Ｖｍと同じサンプリング時間ｔに検出されたセンサ出力値Ｖｓを温度補償するための補正値として用いられる。なお、このようなセンサ出力値Ｖ１ｓとモニタ出力値Ｖｍの関数は、環境温度の変動によるセンサ出力値の変動パターンを示している。

変形例に係る力覚センサでは、外力Ｆの測定を開始すると、前記したように、ブリッジ回路ＢＣ１から、歪検出用抵抗素子Ｓおよび温度補償用抵抗素子２４の抵抗値変化がＬＰＦ４１を経てＡＤコンバータ４０に入力され、センサ出力値Ｖｓが算出される。このセンサ出力値Ｖｓは、外力Ｆのみならず、環境温度の影響も含まれる出力値である。なお、この環境温度の影響とは、例えばセンサとして組み上げた後に新たに入る温度外乱で発生するチップ温度の変動等が挙げられる。

そして、変形例に係る力覚センサでは、当該センサ出力値Ｖｓと同じサンプリング時間ｔで算出したモニタ出力値Ｖｍを、前記した関数のｍに代入し、補正値となるセンサ出力値Ｖ１ｓを算出する。そして、センサ出力値Ｖｓからセンサ出力値Ｖ１ｓを差し引くことで、温度補償を行う。このように、外力Ｆと環境温度の両方の影響が含まれたセンサ出力値Ｖｓから、環境温度の影響のみが含まれたセンサ出力値Ｖ１ｓを差し引くことで、外力Ｆの影響のみが含まれるセンサ出力値Ｖ２ｓ（図示せず）を算出することができる。

但し、このセンサ出力値Ｖ２ｓは、前記した図１９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の破線右側に示す定常領域においては、温度補償が可能であるが、同図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の破線左側に示す過渡領域においては、算出が困難な場合がある。そのため、変形例に係る力覚センサでは、前段の温度補償としてこのようなハードウェア処理による温度補償を行うと同時に、後段の温度補償として前記したソフトウェア処理による温度補償（図５参照）を行う。従って、変形例に係る力覚センサは、前段と後段との２段階で温度補償を行うことができ、定常領域および過渡領域において、環境温度によるセンサ出力値Ｖｓの変動をより適切に補償することができる。

次に、前記した力覚センサ用チップ２の変形例について、図１６および図１７に示す回路図を参照しながら説明する。変形例に係る力覚センサ用チップは、図１６および図１７の回路図に示すように、図６および図７の回路図を構成する力覚センサ用チップ２に、バッファアンプ４２を追加したものである。従って、前記した図６および図７に示す回路図と重複する構成については、同じ符号を付して説明を省略する。なお、図１６は、ＡＤコンバータ４０、ＬＰＦ４１、バッファアンプ４２をチップ内部に設けた場合を示し、図１７は、ＡＤコンバータ４０、ＬＰＦ４１、バッファアンプ４２をチップ外部に設けた場合を示している。

バッファアンプ４２は、歪検出信号のハイ・インピーダンスをロー・インピーダンスに変換することにより、ノイズの影響を抑制するものである。バッファアンプ４２は、図１６および図１７に示すように、歪検出用抵抗素子Ｓおよび温度補償用抵抗素子２４と、ΔΣＡＤコンバータ４０との間に接続される。力覚センサ用チップ２は、このようなバッファアンプ４２を備えることにより、ノイズの影響を抑え、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。

また、これまで説明した力覚センサ用チップ２は、いずれもセンサの表面側に歪検出用抵抗素子Ｓ等を配置して構成しているが、これらを裏面側にも積層し、両面の歪検出用抵抗素子Ｓで外力Ｆを検出する構成としてもよい。この場合、センサの裏面側における歪検出用抵抗素子Ｓ等構成は、図３および図４と同様となる。このように、力覚センサ用チップ２の両面に歪検出用抵抗素子Ｓ等を設けることにより、両面に印加された外力Ｆを検出することができる。

次に、図１８を参照しながら、温度補償手段４を備える加速度センサ用チップ２００について、詳細に説明する。ここで、加速度センサは、抵抗素子を用いて直交する３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の各々についての加速度を測定するセンサであり、加速度センサ用チップ２００は、そのセンサ機能を担うチップである。

加速度センサ用チップ２００は、図１８に示すように、作用部２１に重錘部５０を備えること以外は、前記した力覚センサ用チップ２と同様の構成を備えている。従って、前記した力覚センサ用チップ２と重複する構成については、同じ符号を付して説明を省略する。また、加速度センサ用チップ２００は、前記した力覚センサ用チップ２と、歪検出用抵抗素子とその配線状態（図４）、電気接続関係を示す回路図（図６）が同じであるため、これらについても説明を省略する。

重錘部５０は、作用部２１を加速度によって変位させるためのものである。重錘部５０は、図１６に示すように、作用部２１の中央に配置され、正方形状をなしている。重錘部５０の具体的な配置場所は、作用部２１を所定加速度で変位可能であれば限定されず、例えば作用部２１（図３参照）の底部に配置することができる。重錘部５０は、例えば、ガラス等の平板で構成することができる。

このような構成を備える加速度センサ用チップ２００の作用部２１に加速度を伴った外力Ｆが印加されると、歪検出用抵抗素子Ｓが所定の加速度で変形して抵抗値が変化する。この抵抗値の変化から歪検出用抵抗素子Ｓの出力電圧の変化を検出し、加速度の大きさを測定する。

ここで、加速度センサ用チップ２００は、前記した力覚センサ用チップ２と同様に、温度補償手段４を備えている（図５参照）。従って、このような加速度センサ用チップ２００を備える加速度センサは、加速度の測定前に温度補償手段４によって予め過渡領域におけるモニタ出力値Ｖｍのパターンを閾値および関数として求めて保持する。そして、加速度センサによる外力Ｆの測定中に、予め求めた閾値とモニタ出力値Ｖｍとを比較して、当該モニタ出力値Ｖｍが過渡領域にあるか否かを判定する。そして、過渡領域であると判定された場合は、閾値と関連付けた関数にサンプリング時間ｔを代入して補正量を求め、当該補正量をセンサ出力値Ｖｓに加算あるいは減算してセンサ出力値Ｖｓを補正する。

すなわち、加速度センサ用チップ２００を備える加速度センサは、加速度の測定中に、予め保持する閾値によってモニタ出力値Ｖｍの傾き△Ｖｍ／△ｔから過渡領域にあるか否かを判定し、かつ、予め閾値と関連付けて保持する関数によって過渡領域の具体的なパターンおよび補正量を予測することで、センサ出力値Ｖｓを補正することができる。従って、加速度センサ用チップ２００を備える加速度センサは、定常領域のみならず過渡領域においても、ソフトウェア処理によってセンサ出力値Ｖｓから環境温度の影響を除去することができ、純粋な加速度を測定することができる。

１ 力覚センサ
２ 力覚センサ用チップ
３ 減衰装置
４ 温度補償手段
５ モニタ抵抗変化算出手段
６ メモリ手段
７ 過渡変動判定手段
８ 過渡補正手段
１０ ガラス部材
１１ センサ出力値検出手段
１２ モニタ出力値検出手段
２０ ベース部材
２１ 作用部
２１ａ 延出部
２２ 支持部
２３ 連結部
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ Ｔ字梁状の領域
２３ａ１，２３ｂ１，２３ｃ１，２３ｄ１ 弾性部
２３ａ２，２３ｂ２，２３ｃ２，２３ｄ２ 橋梁部
２４ 温度補償用抵抗素子
２４ａ モニタ用抵抗素子
２５ 信号電極パッド
２６ ＧＮＤ電極パッド
２７ ブリッジ用抵抗素子
２８ 配線
３０ 入力部
３１ 伝達部
３２ 連結部２３
３３ 緩衝穴
３４ 円板部
４０ ＡＤコンバータ
４０ａ ΔΣＡＤコンバータ（デルタシグマＡＤコンバータ）
４０ｂ ＰＧＡ（Programmable Gain Amplifier）
４０ｃ Ｒｅｆ．（Reference）
４０ｄ ＯＳＣ（Oscillator）
４０ｅ Ｉ／Ｆ（Interface）
４１ ＬＰＦ（ローパスフィルタ）
４２ バッファアンプ
５０ 重錘部
２００ 加速度センサ用チップ
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ 貫通孔（第１貫通孔）
Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎ 貫通孔（第２貫通孔）
ＢＧ１ 歪検出用抵抗素子が形成するブリッジ回路
ＢＧ２ モニタ用抵抗素子が形成するブリッジ回路
Ｆ，Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ 外力
ＧＮＤ グラウンド電位
Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ モーメント
Ｒ１，Ｒ２ 外付抵抗
Ｓ，Ｓｘａ１，Ｓｘａ２，Ｓｘａ３，Ｓｘａ４，Ｓｘｂ１，Ｓｘｂ２，Ｓｘｂ３，Ｓｘｂ４，Ｓｙａ１，Ｓｙａ２，Ｓｙａ３，Ｓｙａ４，Ｓｙｂ１，Ｓｙｂ２，Ｓｙｂ３，Ｓｙｂ４ 歪検出用抵抗素子
ｔ サンプリング時間
ＶＥ 電源電圧
Ｖｍ モニタ出力値
Ｖｓ センサ出力値
△Ｖｍ／△ｔ 傾き

Claims (6)

1. 出力が不安定な過渡領域または前記出力が安定な定常領域における力覚センサの出力値を示すセンサ出力値から、環境温度の影響を除去して温度補償を行う力覚センサの温度補償方法であって、
   前記力覚センサによる外力の測定前において、前記過渡領域における前記環境温度の変動パターンを求める準備工程と、
   前記力覚センサによる前記外力の測定中において、当該測定中における前記環境温度から前記変動パターンを推定し、当該変動パターンに基づく補正値によって前記センサ出力値を補正する補正工程と、を行い、
   前記準備工程は、
   モニタ出力値検出手段によって、前記環境温度を示すモニタ出力値を所定のサンプリング間隔で検出する第１モニタ出力値検出工程と、
   モニタ抵抗変化算出手段によって、前記過渡領域の立ち上がりまたは立ち下り部分におけるサンプリング時間に対する前記モニタ出力値の傾きを算出し、閾値としてメモリ手段に格納する閾値格納工程と、
   前記モニタ抵抗変化算出手段によって、前記過渡領域における前記モニタ出力値の時間的変化を示す関数を前記変動パターンとして算出し、前記閾値と関連付けて前記メモリ手段に格納する関数格納工程と、を行い、
   前記補正工程は、
   センサ出力値検出手段によって、前記過渡領域または前記定常領域における前記センサ出力値を前記所定のサンプリング間隔で検出するセンサ出力値検出工程と、
   前記モニタ出力値検出手段によって、前記過渡領域または前記定常領域における前記モニタ出力値を前記所定のサンプリング間隔で検出する第２モニタ出力値検出工程と、
   前記モニタ抵抗変化算出手段によって、前記サンプリング時間に対する前記モニタ出力値の傾きを算出する傾き算出工程と、
   過渡変動判定手段によって、前記閾値格納工程で格納した前記閾値と、前記傾き算出工程で算出した傾きと、を比較する傾き比較工程と、
   過渡補正手段によって、前記傾き比較工程における比較結果に基づいて、前記閾値と関連付けられた前記関数に前記サンプリング時間を代入し、得られた補正値を前記センサ出力値に加算または減算することで、前記センサ出力値を補正するセンサ出力値補正工程と、
   を行うことを特徴とする力覚センサの温度補償方法。
2. 外力を測定するための力覚センサであって、
   前記外力の大きさに応じた歪検出用抵抗素子の抵抗値の変化によって前記外力を検出する力覚センサ用チップと、
   出力が不安定な過渡領域または前記出力が安定な定常領域における力覚センサの出力値を示すセンサ出力値から、環境温度の影響を除去して温度補償を行う温度補償手段と、を備え、
   前記力覚センサ用チップは、
   前記外力が印加される作用部と、
   前記作用部を周囲から支持する枠状の支持部と、
   前記作用部と前記支持部とを連結する連結部とからなるベース部材と、
   前記作用部と前記連結部との接続部分に形成された複数の前記歪検出用抵抗素子と、
   前記歪検出用抵抗素子の近傍に配置され、前記過渡領域または前記定常領域における前記環境温度を示すモニタ出力値を所定のサンプリング間隔で検出するモニタ用抵抗素子と、を備え、
   前記温度補償手段は、
   前記力覚センサによる前記外力の測定前に、前記過渡領域の立ち上がりまたは立ち下り部分における前記傾きを閾値として予めメモリ手段に格納するとともに、前記過渡領域における前記モニタ出力値の時間的変化を示す関数を算出して前記閾値と関連付けて予め前記メモリ手段に格納し、
   前記力覚センサによる前記外力の測定中に、前記過渡領域または前記定常領域におけるサンプリング時間に対する前記モニタ出力値の傾きを算出するモニタ抵抗変化算出手段と、
   前記力覚センサによる前記外力の測定前に前記メモリ手段に予め格納した前記閾値と、前記力覚センサによる前記外力の測定中に算出した前記傾きと、を比較する過渡変動判定手段と、
   前記過渡変動判定手段による比較結果に基づいて、前記閾値と関連付けられた前記関数に前記サンプリング時間を代入し、得られた補正値を前記センサ出力値に加算または減算することで、前記センサ出力値を補正する過渡補正手段と、を備えることを特徴とする力覚センサ。
3. 前記連結部は、弾性部と橋梁部とから構成されたＴ字梁状の領域を備え、
   前記Ｔ字梁状の領域は、前記作用部の中心に対して４回対称となるように形成されることを特徴とする請求項２に記載の力覚センサ。
4. 前記作用部と前記支持部と前記連結部とは、第１貫通孔によって機能的に分離されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の力覚センサ。
5. 前記弾性部は、前記橋梁部よりも剛性が高いことを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の力覚センサ。
6. 前記剛性の高い領域と前記剛性の低い領域とは、第２貫通孔によって機能的に分離されていることを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか一項に記載の力覚センサ。

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