JP5719521B2 - ３軸力センサ - Google Patents

Description

本発明は、例えば操作スティックのような操作部に加わる操作力を３軸方向に分けて検出する３軸力センサに関する。

操作スティックのような操作部に加わる操作力を３軸方向に分けて検出する３軸力センサは従来から知られている（例えば、特許文献１乃至３参照）。このような従来の３軸力センサの構成としては、直交座標のそれぞれの軸線に作用する３つの力からなるＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ検出用の３軸力センサが一般的である。このタイプの３軸力センサにおいては、荷重受け部の円形板（ダイアフラム）に３個のホイートストンブリッジ回路の各々に組み込まれたひずみゲージが貼付されている。そして、この３軸力センサの荷重受け部が力を受けると、３つのホイートストンブリッジ回路のうちの少なくとも１つのホイートストンブリッジ回路の平衡が崩れることにより、対応するＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の３分力のうち少なくとも一つの分力が他の分力とは分離独立して検出されるようになっている。

特開平１０−１０４０９７号公報 特開平２００１−４３０１１号公報 特開平２００８−１１６３１９号公報

特許文献１に記載の３軸力センサは、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚを検出用のホイートストンブリッジ回路が何れも４辺にそれぞれひずみゲージ有するフルブリッジ回路であり、ゲージ貼付エリアが限定されている。その上、ブリッジを構成する内部配線の引き回しが交差して複雑であり、センサの小型化や作業性の点で課題を有していた。

そもそも特許文献１に記載の３軸力センサは、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の３分力を検出するセンサであり、Ｚ軸廻りのねじり力（ねじりモーメント）であるＭｚ分力を他軸から独立して検出できるものではない。

また、特許文献２に記載の３軸力センサは、柱状の操作部下に板状の起歪部を有する一体成形の基台と、一つのプラスチック製シートの上に複数の歪ゲージと複数のリードとを一体に配設してなる検出センサとを備えている。そして、複数の歪ゲージは十字型の配列で集約して、シートに予め付した十字指標を利用して起歪部の裏面の所定位置に貼着し、複数のリードは、並列して基台の側方へ延出させている。

しかしながら、特許文献２に記載の３軸力センサも、そもそもＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の３分力を検出するセンサであり、Ｚ軸廻りのねじり力（ねじりモーメント）であるＭｚ分力を他軸から独立して検出できるものではない。

また、特許文献３に記載の３軸力センサは、３軸力センサの小型化及び作業性の向上に対して、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚを検出用のホイートストンブリッジ回路がいずれも２辺にそれぞれひずみゲージ有するハーフブリッジ回路にすることと、内部配線材（ＦＰＣ）を使用することによって、３軸センサの小型化及び作業性の向上を図るものである。

そのため、特許文献３に記載の３軸力センサは、そもそもＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の３分力を検出するセンサであり、Ｚ軸廻りのねじり力（ねじりモーメント）であるＭｚ分力を他軸から独立して検出できるものではない。

このように、上述した従来技術の３軸力センサは、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ３分力計測できるが、他軸から独立したＭｚ分力を計測できないため、操作スティックのスティック軸線廻りにねじり力としての操作力を作用させた場合に、この操作力の作用のみを単独で認識することができなかった。

本発明の目的は、ダイアフラム上に備わった操作部に加わる操作力に応じたこの操作部の倒れ方向及び倒れ度合いを検出するのと同時に、この操作部のねじれ度合いを検出可能とする３軸力センサを提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の請求項１に係る３軸力センサは、
ダイアフラムと、前記ダイアフラムの面上に設けられ当該ダイアフラムを変形させる操作部と、前記操作部の操作によって当該操作部に作用する直交座標のＸ軸方向とＹ軸方向の操作力を検出するのと同時に、直交座標のＺ軸廻りのねじり力も検出する力センサを備えた３軸力センサであって、
前記ダイアフラム上の第１の直交座標のＸ軸とＹ軸上にそれぞれ原点に対して対称に配置され前記操作部のＸ軸方向とＹ軸方向への操作力を検出する力センサ素子と、前記ダイアフラム上であって前記第１の直交座標と原点及びＺ軸を共通にしかつ当該第１の直交座標と異なる角度をなす第２の直交座標のＸ軸とＹ軸上にそれぞれ原点に対して対称に配置され前記操作部のＺ軸廻りのねじり力を検出する力センサ素子とを有し、
前記Ｚ軸廻りのねじり力を検出する力センサ素子の複数のパターン延在部分は、前記Ｘ軸方向、または前記Ｙ軸方向への操作力を検出する力センサ素子の複数のパターン延在部分に対して直交するように配置され、
前記第１の直交座標と第２の直交座標との前記ダイアフラム上におけるなす角は４５度であり、
前記第１の直交座標に配置される力センサ素子と第２の直交座標に配置される力センサ素子は、１枚のセンサ取付けシートにパターニングによりまとめて配置されたひずみゲージ素子からなり、前記各力センサ素子は、当該１枚のセンサ取付けシートを介して前記ダイアフラムに固着されていることを特徴としている。

本発明に係る３軸力センサによると、ダイアフラム上に備わった操作部に加わる操作力に応じたこの操作部の倒れ方向及び倒れ度合いを検出するのと同時に、この操作部のねじれ度合いを、簡単な構成で検出することが可能となる。

また、本発明に係る３軸力センサによると、操作部のＸ軸方向及びＹ軸方向の出力信号と、操作部のＺ軸廻りに作用する倒し力Ｆｘ、Ｆｙの出力信号に作用するねじり力Ｍｚの出力信号を、それぞれ独立して検出することができる。これにより、倒し力Ｆｘ、Ｆｙの出力信号とねじり力Ｍｚの出力信号との干渉を最小限に抑えることができる。

その結果、ダイアフラム上に備わった操作部に加わる操作力に応じたこの操作部の倒れ方向及び倒れ度合いを検出するのと同時に、この操作部のねじれ度合いをより正確に検出することができるようになる。

また、本発明に係る３軸力センサによると、操作部に作用する操作力を検出する各力センサ素子を、互いの相対位置がずれることなくダイアフラムに配置することができ、ダイアフラム上に備わった操作部に加わる操作力に応じたこの操作部の倒れ方向及び倒れ度合いを検出するのと同時に、この操作部のねじれ度合いを簡単な構成でより正確に検出することができるようになる。

本発明によると、ダイアフラム上に備わった操作部に加わる操作力に応じたこの操作部の倒れ方向及び倒れ度合いを検出するのと同時に、この操作部のねじれ度合いを検出可能とする３軸力センサを提供できる。

本発明の一実施形態に係る３軸力センサのダイアフラム中心部分を断面に含む側方断面図である。 図１に示した３軸力センサの平面図である。 図１に示した３軸力センサの底面図である。 図１乃至図３に示した３軸力センサのダイアフラムとこのダイアフラム上に形成されたひずみゲージ及びボンディングパッドを示す平面図である。 本実施形態に係る３軸力センサのひずみゲージの配置状態を説明するための概略平面図である。 図５に示したひずみゲージの信号処理方法を説明する図であり、操作部のＸ軸方向に加わる力を検出する信号処理回路（図５（ａ））、操作部のＹ軸方向に加わる力を検出する信号処理回路（図５（ｂ））、操作部のＺ軸廻りに作用するねじり力を検出する信号処理回路（図５（ｃ））を示している。 図５に示したひずみゲージの配置状態とは異なる変形例を示した概略平面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る３軸力センサについて図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る３軸力センサのダイアフラム中心部分を断面に含む側方断面図である。また、図２は、図１に示した３軸力センサの平面図である。また、図３は、図１に示した３軸力センサの底面図である。ここで図１は、図２における矢視I-Iに沿った断面図となっている。

本発明の一実施形態に係る３軸力センサ１は、ダイアフラム１１と、ダイアフラム１１の面上に設けられこのダイアフラム１１を変形させる操作部２０と、操作部２０の操作によって操作部２０に作用する直交座標のＸ軸方向とＹ軸方向（図５参照）の操作力を検出するのと同時に、直交座標のＺ軸廻り（図５のＸ軸とＹ軸の交点を通り、これらの軸と直交するＺ軸廻り）のねじれも検出できる力センサ３００を有している。

ダイアフラム１１は、基台プレート１０の図中上面に底面視略円形の凹み部１０ａを形成することで、この凹み部１０ａの上部に構成されている。基台プレート１０及びダイアフラム１１は一体で形成され、かつダイアフラム１１は、金属又は樹脂からなる薄膜でできている。なお、基台プレート１０には３軸力センサ１を被取付け対象物に取付けるためのネジ孔１２及び力センサ３００からの出力を取り出すケーブル挿通孔１３が備わっている。

ダイアフラム１１の図１における上面には操作部２０が突設されている。操作部２０は、その中心軸線がダイアフラム１１の中心とほぼ一致する縦方向延在部２１と、この縦方向延在部２１の上側部分からダイアフラム１１の形成面と平行であって特定方向に延在した横方向延在部２２を備えている。

ここでダイアフラム上には、図５に示すように、第１の直交座標Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１（以下、「第１の直交座標」とする）と第２の直交座標Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２（以下、「第２の直交座標」とする）が規定されている。第１の直交座標は、ダイアフラム面１１ａの中心部分を原点とし、ダイアフラム面１１ａ上にＸ軸とＹ軸が規定されると共に、ダイアフラム面１１ａの凹み部１０ａと反対側にＺ軸のプラス方向が規定されている。また、第２の直交座標は、第１の直交座標と原点を共通にしかつ第１の直交座標とＸ軸及びＹ軸がそれぞれ第１の直交座標のＸ軸及びＹ軸とθ度（実施例では４５度）の角度をなしている。なお、第２の直交座標のＺ軸と第１の直交座標のＺ軸とは一致している。

そして、操作部２０の操作に基づき操作部２０に作用する第１及び第２の直交座標のＸ軸方向とＹ軸方向の操作力に応じてダイアフラム１１が変形するようになっている。また、本実施形態では操作部２０の横方向延在部２２に作用する操作力に応じて操作部２０の縦方向延在部２１の軸線廻りである直交座標のＺ方向廻りにねじり動作を生じるようになっている。そして、互いに共通する第１及び第２の直交座標のＺ軸方向のねじれに応じてダイアフラム１１が変形するようになっている。

図４は、図１乃至図３に示した３軸力センサのダイアフラムとこのダイアフラム上に形成されたひずみゲージ及びボンディングパッドを示す平面図である。また、図５は、本実施形態に係る３軸力センサのひずみゲージの配置状態を説明するための概略平面図である。また、図６は、図５に示したひずみゲージの信号処理方法を説明する図であり、操作部のＸ軸方向に加わる力を検出する信号処理回路（図５（ａ））、操作部のＹ軸方向に加わる力を検出する信号処理回路（図５（ｂ））、操作部のＺ軸廻りに作用するねじり力を検出する信号処理回路（図５（ｃ））を示している。

図４及び図５において、ダイアフラム上に配置された力センサ３００は、ダイアフラム面上の第１の直交座標のＸ軸とＹ軸上にそれぞれ原点に対して対称に配置され操作部のＸ軸方向とＹ軸方向への操作力を検出する力センサ素子３１０と、第１の直交座標と原点及びＺ軸を共通にしかつ第１の直交座標と異なる角度（θ度）をなす第２の直交座標のＸ軸とＹ軸上にそれぞれ原点に対して対称に配置され操作部のＺ軸廻りのねじり力を検出する力センサ素子３２０からなる。

ここで、第１の直交座標と第２の直交座標とのダイアフラム上におけるなす角は、上述の通り４５度となっている。また、第１の直交座標に配置される力センサ素子３１０と第２の直交座標に配置される力センサ素子３２０は、同一のセンサ取付けシート３５０に配置された複数のひずみゲージからなる。即ち、各力センサ素子３１０，３２０は、センサ取付けシート３５０を介してダイアフラム１１に固着されている。また、各力センサ素子３１０，３２０は、それぞれ出力取り出し用のボンディングパッド３１０ａ，３２０ａにそれぞれ接続されている。以下、全ての力センサ素子を「ひずみゲージ」と称する。

ここで、Ｘ軸方向に作用する単軸力センサとして第１の直交座標のＸ軸上に原点に対して対称に配置された一対のひずみゲージ３１１，３１２は、Ｆｘ検出用力センサをなし、Ｙ軸方向に作用する単軸力センサとして第１の直交座標のＹ軸上に原点に対して対称に配置された一対のひずみゲージ３１５，３１６は、Ｆｙ検出用力センサをなす。また、第１及び第２の直交座標の互いに共通するＺ軸廻りに作用するねじり力Ｍｚを検出するＭｚ検出用力センサは、本実施形態の場合、第２の直交座標のＸ軸及びＹ軸上に原点に対して互いに対称に配置された４つのひずみゲージ３２１，３２２，３２５，３２６からなる。

図５から明らかなように、Ｆｘ検出用のひずみゲージ３１１，３１２は、複数のパターン延在部分（グリッド長Ａ（図５参照））がＸ軸に対して並列配置されるとともに、Ｆｙ検出用のひずみゲージ３１５，３１６は、複数のパターン延在部分（グリッド長Ａ）がＹ軸に対して並列配置されるようになっている。また、Ｍｚ検出用のひずみゲージ３２１，３２２，３２５，３２６は、互いに平行をなす複数のパターン延在部分（グリッド長Ａ）がＸ軸に対して直交するように配置されている。

図４及び図５において、第１の直交座標のＸ軸上に配置された１組のひずみゲージ３１１，３１２は、図６（ａ）に示すように結線され、操作部２０に及ぼす操作力に応じて、操作部２０のＦｘ方向の倒れ量と倒れ具合を検出する役目を果している。また、第１の直交座標のＹ軸上に配置された１組のひずみゲージ３１５，３１６は、図６（ｂ）に示すように結線され、操作部２０に及ぼす操作力に応じて、操作部２０のＦｙ方向の倒れ量と倒れ具合を検出する役目を果している。また、第２の直交座標のＸ軸上及びＹ軸上にそれぞれ配置された２組のひずみゲージ３２１，３２２，３２５，３２６は、図６（ｃ）に示すように結線され、操作部２０に及ぼす操作力に応じて、操作部２０のＭｚ方向のねじり量を検出する役目を果している。

ここで、操作部２０のＦｘ方向の倒れ量は、上述した第１の直交座標におけるＸ軸方向の倒れ量に相当すると共に、操作部２０の、Ｆｙ方向の倒れ量は、第１の直交座標におけるＹ方向の倒れ量に対応する。また、操作部のＭｚ方向のねじれ量は、操作部の横方向延在部２２から及ぼすことで発生する縦方向延在部２１に生じるねじり力（ねじりモーメント）に対応する。なお、図６に示す出力信号取り出し回路は、公知のホイートストンブリッジ回路を用いて構成されている。

以上説明したように、本実施形態に係る３軸力センサ１によると、ダイアフラム上に備わった操作部２０に加わる操作力に応じたこの操作部２０の倒れ方向及び倒れ度合いを検出するのと同時に、この操作部のねじれ度合いを、簡単な構成で検出することが可能となる。

また、本実施形態に係る３軸力センサ１は、第１の直交座標と第２の直交座標とのダイアフラム上におけるなす角が４５度となっている。３軸力センサ１がこのような構成を有することで、操作部２０のＸ軸方向及びＹ軸方向に作用する倒し力Ｆｘ、Ｆｙの出力信号と、操作部のＺ軸廻りに作用するねじり力Ｍｚの出力信号を、図６に示す公知の出力信号取り出し回路を介してそれぞれ独立して検出することができる。これにより、操作部２０の倒し力Ｆｘ、Ｆｙの出力信号とねじり力Ｍｚの出力信号との干渉を最小限に抑えることができる。

その結果、ダイアフラム上に備わった操作部２０に加わる操作力に応じた操作部２０の倒れ方向及び倒れ度合いを検出するのと同時に、操作部２０のねじれ度合いをより正確に検出することができるようになる。

また、本実施形態に係る３軸力センサ１は、第１の直交座標に配置される力センサ素子３１１，３１２，３１５，３１６と第２の直交座標に配置される力センサ素子３２１，３２２，３２５，３２６とが１枚のセンサ取付けシート３５０に配置されたひずみゲージからなり、各ひずみゲージはセンサ取付けシート３５０を介して前記ダイアフラムに固着されている。

本実施形態に係る３軸力センサ１がこのような構成を有することで、操作部２０に作用する操作力を検出する各力センサ素子を、互いの相対位置がずれることなくダイアフラムに配置することができ、ダイアフラム上に備わった操作部２０に加わる操作力に応じたこの操作部２０の倒れ方向及び倒れ度合いを検出すると同時に、この操作部２０のねじれ度合いを簡単な構成でより正確に検出することができるようになる。

図７は、図５に示したひずみゲージの配置状態とは異なる変形例を示した概略平面図である。本変形例においては、図７から明らかなように、Ｆｘ検出用のひずみゲージ４１１，４１２は、複数のパターン延在部分（グリッド長Ａ（図７参照））がＸ軸に対して並列配置されるとともに、Ｆｙ検出用のひずみゲージ４１５，４１６は、複数のパターン延在部分（グリッド長Ａ）がＹ軸に対して並列配置されるようになっている点で上述の実施形態と同等の構成となっているが、Ｍｚ検出用のひずみゲージ４２１，４２２，４２５，４２６は、互いに平行をなす複数のパターン延在部分（グリッド長Ａ）がＹ軸に対して直交する方向をなしている点で上述の実施形態と異なる構成となっている。Ｍｚ検出用のひずみゲージ４２１，４２２，４２５，４２６がこのようにダイアフラム上に配置されていても、上述の実施形態と同等の作用効果を発揮することが可能である。

なお、本発明は、上述の実施形態のような構成とは異なり、第１の直交座標と第２の直交座標とが互いに所定の角度θをなしていれば、その角度が４５度には限定されない。しかしながら、本実施形態のように第２の直交座標とＭｚ検出用のひずみゲージのグリッド長の方向が互いに４５度をなすことで、操作部のＸ軸方向及びＹ軸方向の出力信号と、操作部のＺ軸廻りの出力信号との干渉を最小限に抑えることができる。

また、第１の直交座標の原点及びＺ軸と第２の直交座標の原点及びＺ軸とはそれぞれ厳密に位置する必要はなく、ほぼ一致していれば本発明の作用を発揮することが可能である。また、第１の直交座標のＺ軸のプラス方向と第２の直交座標のＺ軸のプラス方向が互いに反対方向を向いていても、本発明の作用を発揮することが可能である。

また、上述の実施形態と異なり、各ひずみゲージをダイアフラム上にそれぞれ別々に直接配置しても良いが、本実施形態の場合、各ひずみゲージを１枚のセンサ取付けシートにまとめてパターニングし、このセンサ取付けシート自体をダイアフラムに直接固着させることで、３軸力センサの生産効率を格段に向上させると共に、検出精度を安定して高めることができる。

なお、各ひずみゲージを１枚のセンサ取付けシートにまとめてパターニングする際に、位置決めマーク３３１(図４参照)も付しているのでダイアフラムに直接固着させる時の位置合わせが精度良く容易にできる。

なお、力センサとして、本実施形態のようなひずみゲージを用いる代わりに、厚膜センサ、静電容量センサ等を用いても良い。しかしながら、力センサとしてひずみゲージを用いることで、各力センサを１枚のセンサ取付けシート状にパターニングすることができる。これによって、各力センサ素子同士の寸法管理がし易くなり、３軸力センサの出力精度を高めると共に、生産効率を向上させることができる。また、ダイアフラム上に全てのひずみゲージを１枚のセンサ取付けシートを介して貼るようにすることで、大量生産向きで配線等の処理が簡単に行うことが可能となる。

本発明は、上述したように操作部に作用する直交座標のＸ軸及びＹ軸方向の倒し力Ｆｘ、Ｆｙを検出するのと同時に、Ｚ軸まわりのねじり力（ねじりモーメント）Ｍｚを同時にかつそれぞれ独立して検出する必要がある様々なアプリケーションに適用可能である。

具体的には、被制御対象物をＸ軸及びＹ軸方向に動作させると共に、Ｚ軸廻りに回転させる例えばワークハンドリング用のロボットハンドのティーチングスイッチ、被制御対象物を多軸方向に独立して移動可能とする多数のモータ等のアクチュエータを備えたパワーシート、家庭用ゲーム機の操作信号入力用の操作スティック等、様々なアプリケーションに適用可能である。

１ ３軸力センサ
１０ 基台プレート
１０ａ 凹み部
１１ ダイアフラム
１１ａ ダイアフラム面
１２ ネジ孔
１３ ケーブル挿通孔
２０ 操作部
２１ 縦方向延在部
２２ 横方向延在部
３００ 力センサ
３１０ 力センサ素子
３１０ａ ボンディングパッド
３１１，３１２ （Ｆｘ検出用の）力センサ素子（ひずみゲージ）
３１５，３１６ （Ｆｙ検出用の）力センサ素子（ひずみゲージ）
３２０ 力センサ素子
３２０ａ ボンディングパッド
３２１，３２２，３２５，３２６ （Ｍｚ検出用の）力センサ素子（ひずみゲージ）
３３１ 位置決めマーク
３５０ センサ取付けシート
４１１，４１２ （Ｆｘ検出用の）力センサ素子（ひずみゲージ）
４１５，４１６ （Ｆｙ検出用の）力センサ素子（ひずみゲージ）
４２１，４２２，４２５，４２６ （Ｍｚ検出用の）力センサ素子（ひずみゲージ）
Ａ グリッド長

Claims (1)

1. ダイアフラムと、前記ダイアフラムの面上に設けられ当該ダイアフラムを変形させる操作部と、前記操作部の操作によって当該操作部に作用する直交座標のＸ軸方向とＹ軸方向の操作力を検出するのと同時に、直交座標のＺ軸廻りのねじり力も検出する力センサを備えた３軸力センサであって、
   前記ダイアフラム上の第１の直交座標のＸ軸とＹ軸上にそれぞれ原点に対して対称に配置され前記操作部のＸ軸方向とＹ軸方向への操作力を検出する力センサ素子と、前記ダイアフラム上であって前記第１の直交座標と原点及びＺ軸を共通にしかつ当該第１の直交座標と異なる角度をなす第２の直交座標のＸ軸とＹ軸上にそれぞれ原点に対して対称に配置され前記操作部のＺ軸廻りのねじり力を検出する力センサ素子とを有し、
   前記Ｚ軸廻りのねじり力を検出する力センサ素子の複数のパターン延在部分は、前記Ｘ軸方向、または前記Ｙ軸方向への操作力を検出する力センサ素子の複数のパターン延在部分に対して直交するように配置され、
   前記第１の直交座標と第２の直交座標との前記ダイアフラム上におけるなす角は４５度であり、
   前記第１の直交座標に配置される力センサ素子と第２の直交座標に配置される力センサ素子は、１枚のセンサ取付けシートにパターニングによりまとめて配置されたひずみゲージ素子からなり、前記各力センサ素子は、当該１枚のセンサ取付けシートを介して前記ダイアフラムに固着されていることを特徴とする３軸力センサ。

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