JP6047703B2 - 力覚センサ - Google Patents

Description

本発明は、力覚センサ（分力計ともいう）に関し、特に、ｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方
向の力成分と各軸周りのモーメント成分の合計６成分を検出する６軸力覚センサに適用し
て有効な技術に関する。

特開昭５７−１６９６４３号公報（以下、「特許文献１」という。）には、歪ゲージを
用いた多分力の分力計に関する技術が記載されている。この分力計は、基部と枠体とを連
結する平面視十字状となるアーム部の形状に工夫を施し、曲げ歪のみに基づいて外力を測
定する構成である（特許文献１の明細書第３頁左上段第１２−１６行参照）。このため、
各方向の外力を曲げ歪で検出するために、四角柱のアーム部の軸周りの４面（表面、裏面
、２つの側面）それぞれに、曲げ歪を検出する歪ゲージ（すなわち、曲げ歪ゲージ）が接
着されている（特許文献１の明細書第３頁右上段第１９行−左下段第３行参照）。

特開昭５７−１６９６４３号公報

特許文献１に記載の技術のように、従来の分力計においては、アーム部に生じるせん断
歪を抑制し、曲げ歪で捉えることができるように、アーム部の形状を工夫し、アーム部の
曲げ歪のみから外力を測定する構成であった。なぜならば、分力計は外力によるわずかな
変化（出力）を検知、検出するものであるため、せん断歪より大きな変化が生じる曲げ歪
を検知、検出する方が有効であると考えられていたからである。

しかしながら、特許文献１に記載のような技術では、四角柱のアーム部の表面および裏
面（４本のアーム部で平面視十字状に構成される面）へ歪ゲージを貼り付ける（接着する
）ことは容易であるが、アーム部の２つ側面（上下面と直交する面）へ歪ゲージを貼り付
けることは困難である。なぜならば、アーム部の側面側の空間、すなわち、基部、枠体お
よびアーム部で囲まれた空間が歪ゲージを貼り付けるには狭い（障害物がある）からであ
る。このため、アーム部の２側面（内側面）に歪ゲージを貼り付けると、作業工数が増加
してしまう。また、その歪ゲージの配線引き回しも困難となり、断線などによる動作不良
も起こり易くなってしまう。

本発明の目的は、力覚センサの生産性を向上させ、また信頼性を向上させることのでき
る技術を提供することにある。本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明
細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のと
おりである。一解決手段に係る力覚センサは、表面および裏面を有する起歪体と、前記表
面および前記裏面に設けられる複数の歪ゲージとを備え、前記起歪体が、力を受ける受力
部と、前記受力部に対して固定される固定部と、前記受力部と前記固定部とを連結するア
ーム部とを含んで構成され、前記複数の歪ゲージには、前記アーム部に設けられ、該アー
ム部の曲げを検出する曲げ歪ゲージおよび該アーム部のせん断を検出するせん断歪ゲージ
が含まれることを特徴とする。ここで、前記曲げ歪用ゲージは、前記アーム部の延在方向
または該延在方向と交差する方向に該曲げ歪ゲージの検出方向が設けられ、前記せん断歪
ゲージは、前記アーム部の延在方向に対して４５°方向に該せん断歪ゲージの検出方向が
設けられることがより好ましい。

これによれば、アーム部の側面（表面および裏面と直交する面）に歪ゲージを設けなく
とも、起歪体におけるアーム部の表面および裏面だけに歪ゲージが設けられる力覚センサ
を提供することができる。したがって、力覚センサの生産性を向上させることができる。
また、アーム部の側面に歪ゲージを貼り付けることによる不具合がないため、力覚センサ
の信頼性を向上させることができる。

前記一解決手段に係る力覚センサにおいて、前記アーム部の前記表面および前記裏面に
貼り付けられるように、前記歪ゲージが所定数纏められて構成されることがより好ましい
。これによれば、個々に歪ゲージを貼り付けるよりも生産性を向上させることができる。

前記一解決手段に係る力覚センサにおいて、前記曲げ歪ゲージを所定数用いて第１ブリ
ッジ回路が構成され、前記せん断歪ゲージを所定数用いて第２ブリッジ回路が構成される
ことがより好ましい。力によりアーム部には曲げ（撓み）、せん断、捩りが発生するが、
所定数の歪ゲージの配置や接続でアーム部にブリッジ回路を構成することで、例えば、ア
ーム部に発生する曲げ（撓み）や捩りをキャンセルさせて、せん断による応力を検出する
ことができる。

ここで、前記アーム部の前記表面に貼り付けられるように、前記第１ブリッジ回路を構
成する前記曲げ歪ゲージが所定数纏められて構成され、前記アーム部の前記裏面に貼り付
けられるように、前記第２ブリッジ回路を構成する前記せん断歪ゲージが所定数纏められ
て構成されることがより好ましい。これによれば、歪ゲージを貼り付けた後にブリッジ回
路を構成するための接続を行わなくとも、予めブリッジ回路が構成されたものを貼り付け
ることで生産性を向上させることができる。また、接続不良を防止することができるため
、力覚センサの信頼性を向上させることができる。

前記一解決手段に係る力覚センサにおいて、前記受力部と前記固定部とが同心状に構成
され、前記アーム部が３本で平面視Ｙ字状となるように、前記受力部および前記固定部の
周方向に等間隔で配置されることが好ましい。例えば、アーム部が４本に対して３本のよ
うにアーム部の本数が少ない場合、起歪体に設けられる歪ゲージの全体数が少なくなって
歪ゲージを貼り付けるなどの工程数も少なくなり、生産性を向上させることができ、また
、生産コストも低減させることができる。

あるいは、前記受力部と前記固定部とが同心状に構成され、前記アーム部が４本で平面
視十字状となるように、前記受力部および前記固定部の周方向に等間隔で配置されること
がより好ましい。３本のアーム部が平面視Ｙ字状に構成される６軸力覚センサでは、ｘ軸
方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向の力成分と各軸周りのモーメント成分の合計６成分を検出する
ために、各アーム部に設けられた歪ゲージの出力を行列演算する必要がある。この点、４
本のアーム部が平面視十字状に構成される６軸力覚センサでは、行列演算せずに各成分を
検出することができる。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明
すれば、次のとおりである。本発明の一解決手段によれば、力覚センサの生産性を向上さ
せ、また信頼性を向上させることができる。

本発明の実施形態１に係る力覚センサの要部の模式的平面図である。 図１に示す力覚センサの要部の模式的平面図である。 図１に示す力覚センサの要部の模式的斜視図である。 図１に示す力覚センサが備える信号処理部の構成図である。 図１に示す力覚センサが備えるブリッジ回路を説明するための図である。 図１に示す力覚センサが備えるブリッジ回路の検出表である。 本発明の実施形態２に係る力覚センサの要部の模式的平面図である。 図７に示す力覚センサの要部の模式的平面図である。 本発明の実施形態３に係る力覚センサの要部の模式的平面図である。 図９に示す力覚センサの要部の模式的平面図である。 図９に示す力覚センサが備えるブリッジ回路の検出表である。 本発明の実施形態４に係る力覚センサの要部の模式的平面図である。 図１２に示す力覚センサの要部の模式的平面図である。 図１２に示す力覚センサが備えるブリッジ回路の検出表である。

以下の本発明における実施形態では、必要な場合に複数のセクションなどに分けて説明
するが、原則、それらはお互いに無関係ではなく、一方は他方の一部または全部の変形例
、詳細などの関係にある。このため、全図において、同一の機能を有する部材には同一の
符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、構成要素の数（個数、数値、量、範
囲などを含む）については、特に明示した場合や原理的に明らかに特定の数に限定される
場合などを除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良
い。また、構成要素などの形状に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明ら
かにそうではないと考えられる場合などを除き、実質的にその形状などに近似または類似
するものなどを含むものとする。

（実施形態１）
本発明における実施形態１では、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。）に適用して説明する。具体的
には、三次元空間の直交座標系（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）の３軸方向の力成分と、その３軸回
りのモーメント成分の計６成分を同時に検出することができる６軸力覚センサに適用して
説明する。

本実施形態における力覚センサ１０について、図１〜図６を参照して説明する。図１お
よび図２は、力覚センサ１０の要部の模式的平面図であり、図３は、その模式的斜視図で
ある。図１〜図３に示すように、力覚センサ１０は、力が加えられることにより歪が生じ
る起歪体２０と、起歪体２０の歪を検出する複数の歪ゲージ３０を備える。図４は、力覚
センサ１０が備える信号処理部４０の構成図である。この信号処理部４０は、例えば、起
歪体２０が取り付けられる筐体（図示せず）内に設けられ、複数の歪ゲージ３０からの出
力を処理する。図５は、力覚センサ１０が備えるブリッジ回路３１を説明するための図で
あり、図６は、力覚センサ１０のブリッジ回路３１の検出表である。このブリッジ回路３
１は、所定数の歪ゲージ３０を用いて構成され、その出力信号が信号処理部４０によって
処理される。

起歪体２０は、図１〜図３に示すように、表面２０ａ（第１面）と、裏面２０ｂ（第１
面とは反対側の第２面）と、外側面２０ｃ（外周面）とを有する円形の板状体である。そ
して、この起歪体２０は、起歪体２０の中心Ｏを有する中央部２１と、中央部２１の周り
に同心状の枠部２２と、中央部２１と枠部２２とを連結する複数のアーム部２３（梁とも
いう）とを含んで構成される。起歪体２０の各部のより具体的な形状は、中央部２１が円
板状、枠部２２がリング状、アーム部２３が四角柱状である。

本実施形態では、アーム部２３が３本で平面視Ｙ字状となるように、中央部２１および
枠部２２の周方向に等間隔（中心Ｏの周方向に１２０°ごと）で配置される。すなわち、
３本のアーム部２３（２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ）は、中心Ｏから放射状に中央部２１と枠
部２２との間で延在している。そして、中央部２１および枠部２２を剛体とみなしたとき
にアーム部２３が弾性体とみなせるように、起歪体２０は、枠部２２とアーム部２３との
間に介在する弾性部２４（フレクシャ）を備える。この弾性部２４は、アーム部２３と連
結されて平面視Ｔ字状となるように、アーム部２３の延伸方向の直交する方向に延在して
いる。なお、弾性部２４は、アーム部２３が弾性体とみなせるのであれば設けなくともよ
く、また、枠部２２側に限らず、中央部２１側に設けたり、両側に設けたりしてもよい。

このような起歪体２０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。これにより、起歪体２０には、中央部２１、枠部２２、アーム部２３を
形成するための空間（貫通部）や、弾性部２４を形成するための空間（平面視スリット状
の貫通部）が形成される。これら空間が形成されることにより、起歪体２０は、外側面２
０ｃに対して内側面２０ｄ（表面２０ａおよび裏面２０ｂと直交する面、貫通部の内壁面
）を有する。

本実施形態における力覚センサ１０では、起歪体２０のうち、力を受ける受力部として
中央部２１、受力部に対して固定される固定部として枠部２２、歪が生じる部分としてア
ーム部２３を用いている。すなわち、起歪体２０は、力によりアーム部２３に曲げ（撓み
）、せん断、捩りが発生するように構成されている。すなわち、アーム部２３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、アーム部２３の延在方向に対して４
５°方向にせん断が発生し、そしてアーム部２３の周方向に捩りが発生する。なお、起歪
体２０における受力部および固定部としては、固定部として中央部２１、受力部として枠
部２２を用いることもできる。

具体的には、起歪体２０の受力部である中央部２１にｘ軸方向の力Ｆｘが加わった場合
、アーム部２３Ｂ、２３Ｃは力が作用して歪むが、アーム部２３Ａでは、その弾性部２４
が撓むため、歪みが生じない。また、ｙ軸方向の力Ｆｙが加わった場合、アーム部２３Ａ
、２３Ｂ、２３Ｃにそれぞれ力が作用して歪む。また、ｚ軸方向の力Ｆｚが加わった場合
、アーム部２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃが均等に撓む。また、ｘ軸方向のモーメントＭｘが加
わった場合、アーム部２３Ａには捩りが生じるだけで撓まず、アーム部２３Ｂ、２３Ｃに
は、モーメントが作用して撓む。また、ｙ軸方向のモーメントＭｙが加わった場合、アー
ム部２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃにそれぞれモーメントが作用して撓む。また、ｚ軸方向のモ
ーメントＭｚが加わった場合、アーム部２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃが均等に撓む。

このような起歪体２０において、複数の歪ゲージ３０が起歪体２０の表面２０ａおよび
裏面２０ｂに設けられる。歪ゲージ３０としては、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ったものを用いることができる。こ
のような歪ゲージ３０は、接着剤を用いてアーム部２３に貼り付けられ、金属薄膜がアー
ム部２３の歪を受けて変形したときの抵抗変化から歪を検知、検出することができる。ま
た、歪ゲージ３０としては、金属薄膜ではなく半導体薄膜を用いた半導体歪ゲージを用い
ることもできる。また、歪ゲージ３０の接着によらない搭載方法としては、真空蒸着やス
パッタ方式で起歪体２０の表面２０ａおよび裏面２０ｂに金属薄膜ゲージを直接形成して
も良い。

本実施形態では、歪ゲージ３０は、その検出方向（感応方向）がアーム部２３において
曲げ（撓み）の発生方向や、せん断の発生方向と同一となるようにアーム部２３に設けら
れる。図１、図２では、各位置における歪ゲージ３０の検出方向（感応方向）を矢印で示
している。具体的には、図１、図２に示すように、起歪体２０の位置Ａａ、Ａｂ、Ａｃ、
Ａｄ、Ｂａ、Ｂｂ、Ｂｃ、Ｂｄ、Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄのそれぞれにおいて、検出方向
がアーム部２３の延在方向となるように、アーム部２３の曲げ（撓み）を検出する歪ゲー
ジ３０（曲げ歪ゲージという）が配置される。また、起歪体２０の位置Ｄａ、Ｄｂ、Ｄｃ
、Ｄｄ、Ｅａ、Ｅｂ、Ｅｃ、Ｅｄ、Ｆａ、Ｆｂ、Ｆｃ、Ｆｄのそれぞれにおいて、検出方
向がアーム部２３の延在方向に対して４５°方向（あるいは１３５°方向）となるように
、アーム部２３のせん断を検出する歪ゲージ３０（せん断歪ゲージという）が配置される
。このように複数の歪ゲージ３０には、同じ歪ゲージ３０を用いてもその検出方向の配置
によって、曲げ歪ゲージおよびせん断歪ゲージが含まれることとなる。

図１、図２に示すｘ軸方向と平行な方向に延在するアーム部２３Ａには、中央部２１側
の位置Ｂａ〜Ｂｄに１個ずつ歪ゲージ３０（曲げ歪ゲージ）が配置され、枠部２２側の位
置Ｅａ〜Ｅｄに１個ずつ歪ゲージ３０（せん断歪ゲージ）が配置され、計８個設けられる
。このうち、位置Ｂａ、Ｂｃ、Ｅａ、Ｅｂの歪ゲージ３０が起歪体２０（アーム部２３Ａ
）の表面２０ａ（図１参照）にあり、平面視においてアーム部２３Ａの延在方向の中心線
に対して位置Ｂａと位置Ｂｃが対称関係にあり、位置Ｅａと位置Ｅｂが対称関係にある。
このため、位置Ｂａの歪ゲージ３０の検出方向と位置Ｂｃの歪ゲージ３０の検出方向とは
、平行する関係となり、位置Ｅａの歪ゲージ３０の検出方向と位置Ｅｂの歪ゲージ３０の
検出方向とは、アーム部２３Ａの中心線上で交差する関係となる。また、位置Ｂｂ、Ｂｄ
、Ｅｃ、Ｅｄの歪ゲージ３０が起歪体２０（アーム部２３Ａ）の裏面２０ｂ（図２参照）
にあり、平面視においてそのアーム部２３Ａの延在方向の中心線に対して位置Ｂｂと位置
Ｂｄが対称関係にあり、位置Ｅｃと位置Ｅｄが対称関係にある。このため、位置Ｂｂの歪
ゲージ３０の検出方向と位置Ｂｄの歪ゲージ３０の検出方向とは、平行する関係となり、
位置Ｅｃの歪ゲージ３０の検出方向と位置Ｅｄの歪ゲージ３０の検出方向とは、アーム部
２３Ａの中心線上で交差する関係となる。なお、他の２本のアーム部２３Ｂ、２３Ｃにお
いても、同様にして歪ゲージ３０が配置される。

そして、本実施形態では、例えば、位置Ａａ〜Ａｄに設けられる所定数（４個）の歪ゲ
ージ３０（曲げ歪ゲージ）を用いて、図５に示す１個のブリッジ回路３１（図６の表では
ブリッジ回路３１Ａと記す）が構成される。また、例えば、位置Ｄａ〜Ｄｄに設けられる
所定数（４個）の歪ゲージ３０（せん断歪ゲージ）によって図５に示す１個のブリッジ回
路３１（図６の表ではブリッジ回路３１Ｄと記す）が構成される。図５に示すブリッジ回
路３１は、位置ａ、ｂ、ｃ、ｄに歪ゲージ３０が配置され、電気的に接続される（配線さ
れる）。

具体的には、位置ａ、ｄの直列接続の歪ゲージ３０と、位置ｂ、ｃの直列接続の歪ゲー
ジ３０とが、入力信号Ｖｉに対して並列接続される。また、位置ａ、ｂの直列接続の歪ゲ
ージ３０と、位置ｃ、ｄの直列接続の歪ゲージ３０とが、出力信号Ｖｏに対して並列接続
される。そして、入力信号Ｖｉが印加されたブリッジ回路３１では、歪ゲージ３０の抵抗
値の変化により非平衡状態となったときに出力信号Ｖｏが変化する。力によりアーム部２
３に曲げ（撓み）、せん断、捩りが発生するが、本実施形態では、歪ゲージ３０のブリッ
ジ回路３１を構成して、干渉除去機能や温度保証機能を持たせ、例えば、せん断による応
力を検出する際には、曲げ（撓み）や捩りをキャンセルさせている。

本実施形態では、ブリッジ回路３１の位置ａと起歪体２０の位置Ａａが対応し、同様に
位置ｂと位置Ａｂ、位置ｃと位置Ａｃ、位置ｄと位置Ａｄが対応している。このように、
対応関係を明確にするために、ブリッジ回路３１の位置符号ａ、ｂ、ｃ、ｄ（小文字のア
ルファベット）と、起歪体２０の位置符号Ａａ、Ａｂ、Ａｃ、Ａｄの各２番目のもの（小
文字のアルファベット）とをそれぞれ対応させている。そして、起歪体２０の位置Ａａ〜
Ａｄに設けられる歪ゲージ３０で構成されるブリッジ回路３１と図６に示すブリッジ回路
３１Ａの検出表が対応している。このように、対応関係を明確にするために、図６中のブ
リッジ回路３１Ａの符号（大文字のアルファベット）と、起歪体２０の位置符号Ａａ、Ａ
ｂ、Ａｃ、Ａｄの１番目のもの（大文字のアルファベット）とを対応させている。位置Ｂ
ａ〜Ｂｄ、Ｃａ〜Ｃｄ、Ｄａ〜Ｄｄ、Ｅａ〜Ｅｄ、Ｆａ〜Ｆｄに対応する他のブリッジ回
路３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄ、３１Ｅ、３１Ｆも同様である。

図６は、力覚センサ１０の起歪体２０に各方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、モーメントＭｘ
、Ｍｙ、Ｍｚを加えたときのブリッジ回路３１Ａ〜３１Ｆの検出結果を示す検出表となっ
ている。図６に示す検出表では、起歪体２０の位置Ａａ〜Ａｄ（ブリッジ回路３１Ａ）、
Ｂａ〜Ｂｄ（ブリッジ回路３１Ｂ）、Ｃａ〜Ｃｄ（ブリッジ回路３１Ｃ）、Ｄａ〜Ｄｄ（
ブリッジ回路３１Ｄ）、Ｅａ〜Ｅｄ（ブリッジ回路３１Ｅ）、Ｆａ〜Ｆｄ（ブリッジ回路
３１Ｆ）における歪ゲージ３０の抵抗値が増加するときを「＋」、減少するときを「−」
、また変化なしのときを「０」としている。また、ブリッジ回路３１Ａ〜Ｆの出力信号Ｖ
ｏは、ブリッジの非平衡出力が生じるときを「１」、生じないときを「０」としている。

ここで、図４を参照して、ブリッジ回路３１Ａ〜３１Ｆの出力信号Ｖｏから、受力部（
中央部２１）に作用する力として算出する信号処理部４０について説明する。ブリッジ回
路３１Ａ〜３１Ｆと信号処理部４０とは、配線により電気的に接続される。信号処理部４
０では、ブリッジ回路３１Ａ〜３１Ｆ（ＣＨ１〜ＣＨ６）からの信号（アナログ信号）を
各アンプ４１（ＡＭＰ１〜ＡＭＰ６）によって増幅した後、そのアナログ信号がＡ／Ｄ変
換器４２でデジタル信号に変換され、ＣＰＵ４３に送られる。このようにアンプ４１を用
いることで、曲げ歪よりも出力が弱いせん断歪であっても検出することができる。

ＣＰＵ４３では、メモリ４４からキャリブレーション行列（校正行列）を参照して、受
力部（中央部２１）に作用する力の６成分（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）を算
出する。信号処理部４０による結果は、ＣＰＵ４３からデジタル信号として出力すること
ができ、またＤ／Ａ変換器４５を用いてアナログ信号としても出力することもできる。

このように信号処理部４０は、ブリッジ回路３１Ａ〜３１Ｆからの出力信号Ｖｏを参照
して補正するキャリブレーション機能を有している。次式のように、受力部（中央部２１
）に作用する力Ｆは、キャリブレーション行列Ｃと、ブリッジ回路３１Ａ〜３１Ｆからの
検出値をＡ／Ｄ変換した値Ｖとを乗じて求めることができる。

キャリブレーション行列Ｃは、個々の力覚センサ１０に固有のものとして予め算出され
る。具体的には、力覚センサ１０に６成分の定格荷重を加える条件と、そのときの起歪体
２０の変形量の検出結果から、キャリブレーション行列Ｃを算出することができる。この
ようなキャリブレーション行列Ｃを用いるので、力覚センサ１０の受力部（中央部２１）
に作用する力を高精度で計測することができる。

以上、本実施形態によれば、アーム部２３の内側面２０ｄに歪ゲージ３０を設けなくと
も、障害物のない起歪体２０（アーム部２３）の表面２０ａ、２０ｂだけに歪ゲージ３０
を設けることができる。したがって、中央部２１、枠部２２、アーム部２３で囲まれる狭
い空間に歪ゲージ３０を設ける必要がないため、力覚センサ１０の生産性を向上させるこ
とができる。また、アーム部２３の内側面２０ｄに歪ゲージ３０を貼り付けることによる
不具合（例えば、断線など）がないため、力覚センサ１０の信頼性を向上させることがで
きる。

また、実施形態４で後述するように、アーム部２３を４本用いても起歪体２０を構成す
ることができる。しかしながら、４本に対して３本のアーム部２３で構成される本実施形
態のように本数が少ない場合、起歪体２０に設けられる歪ゲージ３０の全体数が少なくな
って歪ゲージ３０を貼り付けるなどの工程数も少なくなり、力覚センサ１０の生産性を向
上させることができる。また、力覚センサ１０の生産コストも低減させることができる。

（実施形態２）
前記実施形態１では、歪ゲージ３０を別々にアーム部２３に貼り付けて設ける場合につ
いて説明した。本発明における実施形態２では、所定数の歪ゲージ３０を纏めて構成した
一体ゲージ３２をアーム部２３に貼り付ける場合について、図７、図８を参照して説明す
る。図７および図８は、力覚センサ１０Ａの要部の模式的平面図である。

本実施形態に係る力覚センサ１０Ａは、各アーム部２３（２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ）の
表面２０ａ（図７参照）および裏面２０ｂ（図８参照）に貼り付けられるように、歪ゲー
ジ３０が所定数纏められて構成されたシート状の一体ゲージ３２を備える。すなわち、シ
ート状の基材の同一面上に所定数の歪ゲージ３０が纏まって配置される。例えば、アーム
部２３Ａの表面２０ａに貼り付けられる一体ゲージ３２は、位置Ｂａ、Ｂｃの歪ゲージ３
０（曲げ歪ゲージ）と、位置Ｅａ、Ｅｂの歪ゲージ３０（せん断歪ゲージ）の計４個の歪
ゲージ３０を備える。また、アーム部２３Ａの裏面２０ｂに貼り付けられる一体ゲージ３
２は、位置Ｂｂ、Ｂｄの歪ゲージ３０（曲げ歪ゲージ）と、位置Ｅｃ、Ｅｄの歪ゲージ３
０（せん断歪ゲージ）の計４個の歪ゲージ３０を備える。他の２本のアーム部２３Ｂ、２
３Ｃにおいても、同様にして一体ゲージ３２が貼り付けられる。

このように一体ゲージ３２を用いることで、個々に歪ゲージ３０を貼り付けるよりも生
産性を向上させることができる。なお、各アーム部２３に一体ゲージ３２を貼り付けた後
は、各ブリッジ回路３１Ａ〜３１Ｆ（図５、図６参照）が構成されるように、各歪ゲージ
３０が電気的に接続される。

（実施形態３）
前記実施形態２では、例えば、アーム部２３Ａの上面２３ａに貼り付けられる一体ゲー
ジ３２には、曲げ歪ゲージとせん断歪ゲージとが混在する場合について説明した。本発明
における実施形態３では、所定数の曲げ歪ゲージ３０Ａを纏めて構成した一体ゲージ３２
Ａ、所定数のせん断歪ゲージ３０Ｂを纏めて構成した一体ゲージ３２Ｂを用いる場合につ
いて、図９〜図１１を参照して説明する。図９および図１０は、力覚センサ１０Ｂの要部
の模式的平面図であり、図１１は、力覚センサ１０Ｂのブリッジ回路３１の検出表である
。

本実施形態に係る力覚センサ１０Ｂは、各アーム部２３（２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ）の
裏面２０ｂ（図１０参照）に貼り付けられるように、曲げ歪ゲージ３０Ａが所定数纏めら
れて構成された一体ゲージ３２Ａを備える。例えば、アーム部２３Ａの裏面２０ｂに貼り
付けられた一体ゲージ３２Ａは、位置Ｂａ、Ｂｃの曲げ歪ゲージ３０Ａ（検出方向がアー
ム部２３Ａの延在方向）と、位置Ｂｂ、Ｂｄの曲げ歪ゲージ３０Ａ（検出方向がアーム部
２３Ａの延在方向に対して直交方向）の計４個の曲げ歪ゲージ３０Ａを備える。

ここで、位置Ｂａと位置Ｂｃとは、アーム部２３Ａの延在方向の中心線に対して対称関
係にあり、位置Ｂｂと位置Ｂｄとは、その中心線上に位置する関係にある。このため、位
置Ｂａの曲げ歪ゲージ３０Ａの検出方向と位置Ｂｃの曲げ歪ゲージ３０Ａの検出方向とは
、平行する関係となり、位置Ｂｂの曲げ歪ゲージ３０Ａの検出方向と位置Ｂｂの曲げ歪ゲ
ージ３０Ａの検出方向とは、平行する関係となる。そして、本実施形態では、これら位置
Ｂａ〜Ｂｄの曲げ歪ゲージ３０Ａによってブリッジ回路３１Ｂ（図５、図１１参照）が構
成される。このため、一体ゲージ３２Ａがブリッジ形成ゲージとなる。なお、他の２本の
アーム部２３Ｂ、２３Ｃの裏面２０ｂにおいても、同様にしてそれぞれに一体ゲージ３２
Ａ（ブリッジ形成ゲージ）が貼り付けられ、ブリッジ回路３１Ａ、３１Ｃが構成される。

また、力覚センサ１０Ｂは、各アーム部２３（２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ）の表面２０ａ
（図９参照）に貼り付けられるように、せん断歪ゲージ３０Ｂが所定数纏められて構成さ
れた一体ゲージ３２Ｂを備える。例えば、アーム部２３Ａの表面２０ａに貼り付けられた
一体ゲージ３２Ｂは、位置Ｅａ、Ｅｄのせん断歪ゲージ３０Ｂ（検出方向がアーム部２３
Ａの延在方向に対して枠部２２側に４５°方向）と、位置Ｅｂ、Ｅｃのせん断歪ゲージ３
０Ｂ（検出方向がアーム部２３Ａの延在方向に対して中央部２１側に４５°方向）の計４
個のせん断歪ゲージ３０Ｂを備える。

ここで、位置Ｅａと位置Ｅｄとは、アーム部２３Ａの延在方向の中心線に対して対称関
係にあり、位置Ｅｂと位置Ｅｃとは、アーム部２３Ａの延在方向の中心線に対して対称関
係にある。このため、位置Ｅａのせん断歪ゲージ３０Ｂの検出方向と位置Ｅｄのせん断歪
ゲージ３０Ｂの検出方向とは、アーム部２３Ａの中心線上で交差する関係となり、位置Ｅ
ｂのせん断歪ゲージ３０Ｂの検出方向と位置Ｅｃのせん断歪ゲージ３０Ｂの検出方向とは
、アーム部２３Ａの中心線上で交差する関係となる。そして、本実施形態では、これら位
置Ｅａ〜Ｅｄのせん断歪ゲージ３０Ｂによって、ブリッジ回路３１Ｅ（図５、図１１参照
）が構成される。このため、一体ゲージ３２Ｂがブリッジ形成ゲージとなる。なお、他の
２本のアーム部２３Ｂ、２３Ｃの表面２０ａにおいても、同様にしてそれぞれに一体ゲー
ジ３２Ｂ（ブリッジ形成ゲージ）が貼り付けられ、ブリッジ回路３１Ｄ、３１Ｆが構成さ
れる。

これによれば、例えば、前記実施形態１のように、歪ゲージ３０を貼り付けた後にブリ
ッジ回路３１を構成するための接続を行わなくとも、予めブリッジ回路３１が構成された
もの（一体ゲージ３２Ａ、３２Ｂ）を貼り付けることで作業性が良く、生産性を向上させ
ることができる。このため、接続不良を防止することができ、力覚センサ１０の信頼性を
向上させることができる。本実施形態の一体ゲージ３２Ａ、３２Ｂ（ブリッジ形成ゲージ
）を用いることで、所定数の歪ゲージ３０を貼り付けた後にブリッジ回路３１の配線を行
う前記実施形態１に対して、配線工数を大幅に短縮することができ、生産コストも低減さ
せることができる。

また、例えば、前記実施形態１では、単一の歪ゲージ３０を４個用いて１個のブリッジ
回路３１を構成するために８回の半田付けと、入力信号Ｖｉ、出力信号Ｖｏとして外部に
引き出す接続のために４回の半田付けとの計１２回の半田付け作業が必要となる。しかし
ながら、本実施形態の一体ゲージ３２Ａ、３２Ｂ（ブリッジ形成ゲージ）を用いることで
、４回の半田付けで作業が完了し、前記実施形態１に対して１／３の工数で済む。

また、前記実施形態１のように、歪ゲージ３０を貼り付けた後にブリッジ回路３１を構
成するために、歪ゲージ３０間を接続するリード線を引き回し、且つ整然と固定すること
は非常に時間のかかることである。また、引き回しの過程でリード線の絶縁被膜が傷つい
たりして動作不良となることも多い。しかしながら、本実施形態の一体ゲージ３２Ａ、３
２Ｂ（ブリッジ形成ゲージ）を用いることで、これらの時間は不要となり、大幅な工数削
減となる。

（実施形態４）
前記実施形態１では、３本のアーム部２３が平面視Ｙ字状に構成される場合について説
明した。本発明における実施形態４では、４本のアーム部２３が平面視十字状（クロス状
）に構成される場合について、図１２〜図１４を参照して説明する。図１２および図１３
は、力覚センサ１０Ｃの要部の模式的平面図であり、図１４は、力覚センサ１０Ｃのブリ
ッジ回路３１の検出表である。

本実施形態に係る力覚センサ１０Ｃ（起歪体２０）は、受力部である円形状の中央部２
１と固定部であるリング状の枠部２２とが同心状に構成され、四角柱状のアーム部２３が
４本で平面視十字状となるように、中央部２１および枠部２２の周方向に等間隔（中心Ｏ
の周方向に９０°ごと）で配置される。すなわち、４本のアーム部２３（２３Ａ、２３Ｂ
、２３Ｃ、２３Ｄ）は、中心Ｏから放射状に中央部２１と枠部２２との間で延在している
。そして、中央部２１および枠部２２を剛体とみなしたときにアーム部２３が弾性体とみ
なせるように、起歪体２０は、枠部２２とアーム部２３との間に介在する弾性部２４（フ
レクシャ）を備える。すなわち、力覚センサ１０Ｃの起歪体２０は、力によりアーム部２
３に曲げ（撓み）、せん断、捩りが発生するように構成されている。

本実施形態では、歪ゲージ３０は、その検出方向（感応方向）がアーム部２３において
曲げ（撓み）の発生方向や、せん断の発生方向と同一となるようにアーム部２３に設けら
れる。図１２、図１３では、各位置における歪ゲージ３０の検出方向（感応方向）を矢印
で示している。具体的には、図１２、図１３に示すように、起歪体２０の位置Ｃａ１、Ｃ
ａ２、Ｃｂ１、Ｃｂ２、Ｃｃ１、Ｃｃ２、Ｃｄ１、Ｃｄ２、Ｄａ、Ｄｂ、Ｄｃ、Ｄｄ、Ｅ
ａ、Ｅｂ、Ｅｃ、Ｅｄのそれぞれにおいて、検出方向がアーム部２３の延在方向となるよ
うに、アーム部２３の曲げ（撓み）を検出する歪ゲージ３０（曲げ歪ゲージという）が配
置される。また、起歪体２０の位置Ａａ、Ａｂ、Ａｃ、Ａｄ、Ｂａ、Ｂｂ、Ｂｃ、Ｂｄ、
Ｆａ１、Ｆａ２、Ｆｂ１、Ｆｂ２、Ｆｃ１、Ｆｃ２、Ｆｄ１、Ｆｄ２のそれぞれにおいて
、検出方向がアーム部２３の延在方向に対して４５°方向（あるいは１３５°方向）とな
るように、アーム部２３のせん断を検出する歪ゲージ３０（せん断歪ゲージという）が配
置される。

図１２、図１３に示すアーム部２３Ａには、位置Ｃｂ２、Ｃｃ２、Ｅａ、Ｅｂに１個ず
つ歪ゲージ３０（曲げ歪ゲージ）が配置され、位置Ｂｂ、Ｂｄ、Ｆｂ２、Ｆｄ２に１個ず
つ歪ゲージ３０（せん断歪ゲージ）が配置され、計８個設けられる。位置Ｃｃ２、Ｅａ、
Ｆｂ２、Ｆｄ２の歪ゲージ３０がアーム部２３Ａの表面２０ａ（図１２参照）にあり、位
置Ｃｃ２と位置Ｅａが平面視においてアーム部２３Ａの延在方向の中心線上に位置する関
係にあり、位置Ｆｂ２と位置Ｆｄ２がその中心線に対して対称の位置関係にある。また、
位置Ｂｂ、Ｂｄ、Ｃｂ２、Ｅｂの歪ゲージ３０がアーム部２３Ａの裏面２０ｂ（図１３参
照）にあり、位置Ｃｂ２と位置Ｅｂが平面視においてアーム部２３Ａの延在方向の中心線
上に位置する関係にあり、位置Ｂｂと位置Ｂｄがその中心線に対して対称の位置関係にあ
る。なお、他の３本のアーム部２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄにおいても、同様にして歪ゲージ
３０が配置される。

本実施形態においても、アーム部２３の内側面２０ｄに歪ゲージ３０を設けなくとも、
障害物のない起歪体２０（アーム部２３）の表面２０ａ、２０ｂだけに歪ゲージ３０を設
けることができる。したがって、力覚センサ１０Ｃの生産性を向上させることができる。
また、アーム部２３の内側面２０ｄに歪ゲージ３０を貼り付けることによる不具合がない
ため、力覚センサ１０Ｃの信頼性を向上させることができる。

そして、本実施形態では、例えば、位置Ｃａ１、Ｃａ２、Ｃｂ１、Ｃｂ２、Ｃｃ１、Ｃ
ｃ２、Ｃｄ１、Ｃｄ２に設けられる所定数（８個）の歪ゲージ３０（曲げ歪ゲージ）を用
いて、図５に示す１個のブリッジ回路３１（図１４の表ではブリッジ回路３１Ｃと記す）
が構成される。ここで、位置Ｃａ１の歪ゲージ３０と位置Ｃａ２の歪ゲージ３０とが直列
接続されて、図５に示すブリッジ回路３１の位置ａに対応する。他の位置Ｃｂ１、Ｃｂ２
、Ｃｃ１、Ｃｃ２、Ｃｄ１、Ｃｄ２も同様である。また、例えば、位置Ｆａ１、Ｆａ２、
Ｆｂ１、Ｆｂ２、Ｆｃ１、Ｆｃ２、Ｆｄ１、Ｆｄ２に設けられる所定数（８個）の歪ゲー
ジ３０（せん断歪ゲージ）を用いて、図５に示す１個のブリッジ回路３１（図１４の表で
はブリッジ回路３１Ｆと記す）が構成される。ここで、位置Ｆａ１の歪ゲージ３０と位置
Ｆａ２の歪ゲージ３０とが直列接続されて、図５に示すブリッジ回路３１の位置ａに対応
する。他の位置Ｆｂ１、Ｆｂ２、Ｆｃ１、Ｆｃ２、Ｆｄ１、Ｆｄ２も同様である。

本実施形態における力覚センサ１０Ｃでは、図１４に示すように、受力部（中央部２１
）に力Ｆｘを加えた場合、ブリッジ回路３１Ａのみに非平衡出力が生じる。また、受力部
（中央部２１）に力Ｆｙを加えた場合、ブリッジ回路３１Ｂのみに非平衡出力が生じる。
また、受力部（中央部２１）に力Ｆｚを加えた場合、ブリッジ回路３１Ｃのみに非平衡出
力が生じる。また、受力部（中央部２１）にモーメントＭｘを加えた場合、ブリッジ回路
３１Ｄのみに非平衡出力が生じる。また、受力部（中央部２１）にモーメントＭｙを加え
た場合、ブリッジ回路３１Ｅのみに非平衡出力が生じる。また、受力部（中央部２１）に
モーメントＭｚを加えた場合、ブリッジ回路３１Ｆのみに非平衡出力が生じる。すなわち
、力覚センサ１０Ｃによれば、前記実施形態１のように行列演算せずに各成分を検出する
ことができる。

以上、本発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施形態に限定さ
れるものではなく、次のとおり、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは
いうまでもない。

前記実施形態１では、６軸力覚センサに適用した場合について説明した。これに限らず
、例えば、アーム部の軸方向の力成分およびその軸周りのモーメント成分のみを検出する
力覚センサ（分力計）にも適用することができる。

１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 力覚センサ
２０ 起歪体
２０ａ 表面
２０ｂ 裏面
２０ｃ 外側面
２０ｄ 内側面
２１ 中央部（受力部）
２２ 枠部（固定部）
２３、２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄ アーム部
２４ 弾性部
３０ 歪ゲージ
３０Ａ 曲げ歪ゲージ
３０Ｂ せん断歪ゲージ
３１、３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄ、３１Ｅ、３１Ｆ ブリッジ回路
３２、３２Ａ、３２Ｂ 一体ゲージ
４０ 信号処理部

Claims (6)

1. 表面および裏面を有する起歪体と、
   前記表面および前記裏面に設けられる複数の歪ゲージと
   を備え、
   前記起歪体が、力を受ける受力部と、前記受力部に対して固定される固定部と、前記受力部と前記固定部とを連結するアーム部と、前記固定部と前記アーム部との間に介在するフレクシャと、を含み、前記アーム部において前記受力部側が曲げの発生部分として、前記フレクシャ側がせん断の発生部分として構成され、
   前記複数の歪ゲージには、ブリッジ回路を構成するように前記アーム部に設けられ、該アーム部の曲げを検出する第１、第２、第３および第４の曲げ歪ゲージおよび該アーム部のせん断を検出する第１、第２、第３および第４のせん断歪ゲージが含まれ、
   前記第１および第２の曲げ歪ゲージは、前記表面において前記曲げの発生部分で前記アーム部の中心線に対して互いに対称となる位置に設けられ、
   前記第３および第４の曲げ歪ゲージは、前記裏面において前記曲げの発生部分で前記アーム部の中心線に対して互いに対称となる位置に設けられ、
   前記第１および第２のせん断歪ゲージは、前記表面において前記せん断の発生部分で前記アーム部の中心線に対して互いに対称となる位置に設けられ、
   前記第３および第４のせん断歪ゲージは、前記裏面において前記せん断の発生部分で前記アーム部の中心線に対して互いに対称となる位置に設けられることを特徴とする力覚センサ。
2. 請求項１記載の力覚センサにおいて、
   前記曲げ歪ゲージは、前記アーム部の延在方向または該延在方向と交差する方向に該曲げ歪ゲージの検出方向が設けられ、
   前記せん断歪ゲージは、前記アーム部の延在方向に対して４５°方向に該せん断歪ゲージの検出方向が設けられる。
3. 請求項１または２記載の力覚センサにおいて、
   前記アーム部の前記表面に貼り付けられるように、前記第１および第２の曲げ歪ゲージと、前記第１および第２のせん断歪ゲージとが纏められて構成され、
   前記アーム部の前記裏面に貼り付けられるように、前記第３および第４の曲げ歪ゲージと、前記第３および第４のせん断歪ゲージとが纏められて構成される。
4. 表面および裏面を有する起歪体と、
   前記表面および前記裏面に設けられる複数の歪ゲージと
   を備え、
   前記起歪体が、力を受ける受力部と、前記受力部に対して固定される固定部と、前記受力部と前記固定部とを連結するアーム部とを含んで構成され、
   前記複数の歪ゲージには、前記アーム部に設けられ、該アーム部の曲げを検出する曲げ歪ゲージおよび該アーム部のせん断を検出するせん断歪ゲージが含まれ、
   前記曲げ歪ゲージを所定数用いて第１ブリッジ回路が構成され、
   前記せん断歪ゲージを所定数用いて第２ブリッジ回路が構成され、
   前記アーム部の前記表面に貼り付けられるように、前記第１ブリッジ回路を構成する前記曲げ歪ゲージが所定数纏められて構成され、
   前記アーム部の前記裏面に貼り付けられるように、前記第２ブリッジ回路を構成する前記せん断歪ゲージが所定数纏められて構成されることを特徴とする力覚センサ。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の力覚センサにおいて、
   前記受力部と前記固定部とが同心状に構成され、
   前記アーム部が３本で平面視Ｙ字状となるように、前記受力部および前記固定部の周方向に等間隔で配置される。
6. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の力覚センサにおいて、
   前記受力部と前記固定部とが同心状に構成され、
   前記アーム部が４本で平面視十字状となるように、前記受力部および前記固定部の周方向に等間隔で配置される。

Images