JP7169248B2 - 歪みセンサ - Google Patents

Description

本発明は、起歪体の歪みを検出する歪み検出素子を備えた歪みセンサに関するものである。

特許文献１には、歪みゲージ式センサが記載されている。当該歪みゲージ式センサは、歪み検出素子である歪みゲージを備えており、ハーフブリッジ回路を構成する２つの歪みゲージの中間点の電圧がオペアンプに入力され、互いに直交する３軸に平行な力と当該３軸まわりのモーメントとを算出する。

一般的に、ハーフブリッジ回路と増幅回路であるオペアンプとは、１対１の関係で設けられており、各オペアンプの非反転入力端子は、２つの歪みゲージの中間点に接続され、各オペアンプの反転入力端子は、分圧回路を構成する２つの固定抵抗の中間点に接続される。

特開２００８－９６２３０号公報

しかしながら、６個のハーフブリッジ回路に対して上記構成を適用すると、ハーフブリッジ回路と同数のオペアンプと分圧回路が必要となる結果、歪みゲージと同じ数（１２個）の固定抵抗とが必要になる。そのため、回路の構成部品が多く、製造コストがかかるという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、製造コストを低減することができる歪みセンサを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の歪みセンサは、起歪体に設けられ、当該起歪体の歪みにより電気抵抗が変化する複数の歪みゲージと、非反転入力端子および反転入力端子を有する複数のオペアンプと、複数の前記歪みゲージを含むブリッジ回路とを備え、前記ブリッジ回路は、並列に接続された２つ以上の直列回路により構成され、複数の前記直列回路の各々は、ブリッジ出力を有するとともに、当該ブリッジ出力は、直列に接続された２つの前記歪みゲージの中間点、または、直列に接続された固定抵抗と前記歪みゲージとの中間点により構成され、少なくとも１つの前記オペアンプが有する前記非反転入力端子および前記反転入力端子の一方には、複数の前記ブリッジ出力のうちの１つのみが接続され、他方には、複数の前記ブリッジ出力のうちの他の１つのみが接続され、１つの前記ブリッジ出力は、複数の前記オペアンプのうちの一のオペアンプの前記非反転入力端子に接続されるとともに、複数の前記オペアンプのうちの他のオペアンプの前記反転入力端子に接続されていることを特徴とする。

上記構成によれば、オペアンプが有する非反転入力端子および反転入力端子には異なるブリッジ出力が接続されるため、当該オペアンプに一定の電圧を出力する分圧回路を接続する必要が無くなる。そのため、回路の構成部品を少なくして、歪みセンサの製造コストを低減することができる。

請求項２に記載の歪みセンサは、請求項１に記載の歪みセンサにおいて、３つ以上かつ前記オペアンプと同数以上の前記歪みゲージを備え、前記ブリッジ回路は、並列に接続された３つ以上の直列回路により構成され、前記直列回路の各々は、１つ以上の前記歪みゲージにより構成されていることを特徴とする。

請求項３に記載の歪みセンサは、起歪体に設けられ、当該起歪体の変位により静電容量が変化する複数の可変キャパシタと、非反転入力端子および反転入力端子を有する複数のオペアンプとを備え、少なくとも１つの前記オペアンプが有する前記非反転入力端子および前記反転入力端子の一方には、一の前記可変キャパシタが接続され、他方には、他の前記可変キャパシタが接続され、１つの前記可変キャパシタは、複数の前記オペアンプのうちの一のオペアンプの前記非反転入力端子に接続されるとともに、複数の前記オペアンプのうちの他のオペアンプの前記反転入力端子に接続されていることを特徴とする。

上記構成によれば、オペアンプが有する非反転入力端子および反転入力端子には異なる可変キャパシタが接続されるため、当該オペアンプに一定の電圧を出力する分圧回路を接続する必要が無くなる。そのため、回路の構成部品を少なくして、歪みセンサの製造コストを低減することができる。

請求項４に記載の歪みセンサは、請求項３に記載の歪みセンサにおいて、３つ以上かつ前記オペアンプと同数以上の前記可変キャパシタを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、構成部品を少なくして製造コストを低減できる歪みセンサを提供することができる。

（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の第１実施形態に係る歪みセンサの概要図である。 （Ａ）～（Ｆ）は、起歪体に作用する力およびモーメントを示す斜視図である。 第１実施形態に係る歪みセンサが備える電気回路の概略構成図である。 同実施形態に係る歪みセンサの出力の一例を示すグラフである。 （Ａ）および（Ｂ）は、本発明の第２実施形態に係る歪みセンサの概要図である。 第２実施形態に係る歪みセンサが備える電気回路の概略構成図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、本発明の変形例に係る歪みセンサが備える電気回路の概略構成図である。 本発明の変形例に係る歪みセンサが備える電気回路の概略構成図である。 本発明の変形例に係る歪みセンサが備える電気回路の概略構成図である。

図面を参照して、本発明の歪みセンサを具体化した複数の実施形態を説明する。なお、図中の一点鎖線は、Ｘ軸、Ｙ軸、および、Ｚ軸を示しており、これらの３軸は、センサ原点Ｐで互いに直交している。

（第１実施形態）
図１（Ａ）は、第１実施形態に係る歪みセンサ１の断面を簡略化して示す図であり、図１（Ｂ）は、歪みセンサ１が備える歪みゲージＲの配置を示す図である。図１（Ａ）は、図１（Ｂ）中の二点鎖線で示すＳ－Ｓ線に沿った断面図である。

図１（Ａ）に示すように、歪みセンサ１は、起歪体１０と、蓋体２０と、複数の歪み検出素子としての歪みゲージＲとを備えた歪みゲージ式センサである。歪みセンサ１は、歪みゲージＲの電気抵抗の変化量に基づいて、起歪体１０に作用した力およびモーメントを検出する。

起歪体１０は、下段部１０Ａと、上段部１０Ｂと、連結部１０Ｃとにより構成されている。起歪体１０の一端を構成する下段部１０Ａには、歪みゲージＲが設けられており、起歪体１０の他端を構成する上段部１０Ｂには、歪みセンサ１の取付対象物（不図示）が設けられる。また、起歪体１０は、下段部１０Ａおよび上段部１０Ｂの各々をＺ軸方向に薄くして形成されたダイアフラム部１１を有している。連結部１０Ｃは、ダイアフラム部１１に設けられており、下段部１０Ａと上段部１０Ｂとを連結している。下段部１０Ａ、上段部１０Ｂ、および、連結部１０Ｃは、それぞれ別々に製作した後に溶接で接合またはボルト等で締結して一体化してもよいし、単一の材料を切削加工することで下段部１０Ａ、上段部１０Ｂ、および、連結部１０Ｃを一体的に形成してもよい。

蓋体２０は、起歪体１０の一端部に設けられており、歪みゲージＲを収納する空間を形成している。すなわち、蓋体２０は、下段部１０Ａに取り付けられて起歪体１０を支持するとともに、起歪体１０に設けられた歪みゲージＲを覆っている。

歪みゲージＲは、金属薄膜または半導体薄膜により構成されている。歪みゲージＲは、ダイアフラム部１１に設けられており、起歪体１０が歪むことによって伸長および収縮する。歪みゲージＲの電気抵抗は、起歪体１０の歪みにより変化する。具体的には、歪みゲージＲの電気抵抗は、その歪みゲージＲが設けられた起歪体１０の一部が伸長することによって増加し、当該一部が収縮することによって減少する。

図１（Ｂ）は、起歪体１０の一端面である下段部１０Ａの端面、すなわち、歪みゲージＲが設けられている面を示している。図１（Ｂ）において、歪みゲージＲに接続されているリード線、および、蓋体２０の図示は省略している。

図１（Ｂ）に示すように、起歪体１０には、ダイアフラム部１１として、センサ原点Ｐから等間隔、かつ、Ｚ軸まわりに等角度（１２０°）間隔で３つの円形状のダイアフラム部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃが設けられている。各ダイアフラム部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの中央に、連結部１０Ｃが設けられている。

歪みセンサ１は、複数の歪みゲージＲとして、１２個の歪みゲージＲ１１～Ｒ１４，Ｒ２１～Ｒ２４，Ｒ３１～Ｒ３４を備えている。歪みゲージＲ１１～Ｒ１４と、歪みゲージＲ２１～Ｒ２４と、歪みゲージＲ３１～Ｒ３４とは、異なるダイアフラム部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃに設けられており、それぞれ一列に並ぶように配置されている。歪みゲージＲ１１～Ｒ１４、歪みゲージＲ２１～Ｒ２４、および、歪みゲージＲ３１～Ｒ３４は、それらの並び方向において大きな電気抵抗の変化が発生するように配置されている。歪みゲージＲ１１，Ｒ１４，Ｒ２１，Ｒ２４，Ｒ３１，Ｒ３４は、ダイアフラム部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの外縁に設けられ、歪みゲージＲ１２，Ｒ１３，Ｒ２２，Ｒ２３，Ｒ３２，Ｒ３３は、連結部１０Ｃの近傍に設けられている。

図２を参照して、Ｘ軸に平行な力Ｆｘ、Ｙ軸に平行な力Ｆｙ、Ｚ軸に平行な力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、および、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの各々を起歪体１０の上段部１０Ｂに個別に作用させたときの、歪みゲージＲ１１～Ｒ１４，Ｒ２１～Ｒ２４，Ｒ３１～Ｒ３４の電気抵抗の変化を説明する。

図２（Ａ）に示すように、上段部１０ＢにＸ軸に平行な力Ｆｘを作用させると、歪みゲージＲ１１，Ｒ１３，Ｒ２２，Ｒ２４，Ｒ３１，Ｒ３３は伸長し、それらの電気抵抗は増加する。一方で、歪みゲージＲ１２，Ｒ１４，Ｒ２１，Ｒ２３，Ｒ３２，Ｒ３４は収縮し、それらの電気抵抗は減少する。

図２（Ｂ）に示すように、上段部１０ＢにＹ軸に平行な力Ｆｙを作用させると、歪みゲージＲ１１，Ｒ１３，Ｒ３２，Ｒ３４は伸長し、それらの電気抵抗は増加する。一方で、歪みゲージＲ１２，Ｒ１４，Ｒ３１，Ｒ３３は収縮し、それらの電気抵抗は減少する。歪みゲージＲ２１～Ｒ２４は、それらの近傍に設けられた連結部１０Ｃに対してＹ軸に垂直な方向に並んでいるため、それらの電気抵抗は略変化しない。

図２（Ｃ）に示すように、上段部１０ＢにＺ軸に平行な力Ｆｚを作用させると、各連結部１０Ｃの近傍に配置された歪みゲージＲ１２，Ｒ１３，Ｒ２２，Ｒ２３，Ｒ３２，Ｒ３３は伸長し、それらの電気抵抗は増加する。一方で、歪みゲージＲ１１，Ｒ１４，Ｒ２１，Ｒ２４，Ｒ３１，Ｒ３４は収縮し、それらの電気抵抗は減少する。

図２（Ｄ）に示すように、上段部１０ＢにＸ軸まわりのモーメントＭｘを作用させると、力Ｆｚを作用させたときと同様に、連結部１０Ｃの近傍に配置された歪みゲージＲ２２，Ｒ２３の電気抵抗は増加するとともに、歪みゲージＲ２１，Ｒ２４の電気抵抗は減少する。一方で、歪みゲージＲ１２，Ｒ１３，Ｒ３２，Ｒ３３の電気抵抗は減少するとともに、歪みゲージＲ１１，Ｒ１４，Ｒ３１，Ｒ３４の電気抵抗は増加する。

図２（Ｅ）に示すように、上段部１０ＢにＹ軸まわりのモーメントＭｙを作用させると、力Ｆｚを作用させたときと同様に、連結部１０Ｃの近傍に配置された歪みゲージＲ１２，Ｒ１３の電気抵抗は増加するとともに、歪みゲージＲ１１，Ｒ１４の電気抵抗は減少する。一方で、歪みゲージＲ３２，Ｒ３３の電気抵抗は減少するとともに、歪みゲージＲ３１，Ｒ３４の電気抵抗は増加する。歪みゲージＲ２１～２４の近傍の連結部１０ＣがＹ軸の近くに位置するため、歪みゲージＲ２１～２４の電気抵抗は略変化しない。

図２（Ｆ）に示すように、上段部１０ＢにＺ軸まわりのモーメントＭｚを作用させると、歪みゲージＲ１１，Ｒ１３，Ｒ２１，Ｒ２３，Ｒ３１，Ｒ３３は収縮し、それらの電気抵抗は減少する。一方で、歪みゲージＲ１２，Ｒ１４，Ｒ２２，Ｒ２４，Ｒ３２，Ｒ３４は伸長し、それらの電気抵抗は増加する。

以上のように、Ｘ軸に平行な力Ｆｘ、Ｙ軸に平行な力Ｆｙ、Ｚ軸に平行な力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、および、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの各々を起歪体１０に作用させたときの、歪みゲージＲ１１～Ｒ１４，Ｒ２１～Ｒ２４，Ｒ３１～Ｒ３４の電気抵抗の変化を下記の［表１］にまとめる。表中の「＋」は電気抵抗が増加することを示し、表中の「－」は電気抵抗が減少することを示している。また、空欄は、電気抵抗が略変化しないことを示している。なお、図２（Ａ）～（Ｃ）中の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと反対方向の力、および、図２（Ｄ）～（Ｆ）中のモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚと反対方向のモーメントを、上段部１０Ｂに作用させた場合は、表中の符号は逆になる。

図３は、歪みセンサ１が備える回路構成を示している。
図３に示すように、歪みゲージＲ１２，Ｒ１１、歪みゲージＲ１３，Ｒ１４、歪みゲージＲ２１，Ｒ２２、歪みゲージＲ２４，Ｒ２３、歪みゲージＲ３２，Ｒ３１、および、歪みゲージＲ３３，Ｒ３４は、それぞれ、直列に接続されている。

また、歪みセンサ１は、歪みゲージＲ１１～Ｒ１４，Ｒ２１～Ｒ２４，Ｒ３１～Ｒ３４により構成されたブリッジ回路Ｂと、ブリッジ回路Ｂに接続された６個のオペアンプＡ１～Ａ６とを備えている。

ブリッジ回路Ｂは、並列に接続された複数の直列回路Ｂ１～Ｂ６を備えており、直列回路Ｂ１～Ｂ６の各々は、ブリッジ出力を有している。具体的には、直列回路Ｂ１のブリッジ出力は、歪みゲージＲ１２，Ｒ１１の中間点Ｐ１により構成され、直列回路Ｂ２のブリッジ出力は、歪みゲージＲ１３，Ｒ１４の中間点Ｐ２により構成され、直列回路Ｂ３のブリッジ出力は、歪みゲージＲ２１，Ｒ２２の中間点Ｐ３により構成され、直列回路Ｂ４のブリッジ出力は、歪みゲージＲ２４，Ｒ２３の中間点Ｐ４により構成され、直列回路Ｂ５のブリッジ出力は、歪みゲージＲ３２，Ｒ３１の中間点Ｐ５により構成され、直列回路Ｂ６のブリッジ出力は、歪みゲージＲ３３，Ｒ３４の中間点Ｐ６により構成されている。

オペアンプＡ１～Ａ６は、非反転入力端子と反転入力端子とを有する差動増幅回路により構成されている。オペアンプＡ１～Ａ６は、非反転入力端子に入力された電圧と反転入力端子に入力された電圧との差分を増幅して、出力端子から出力する。

各オペアンプＡ１～Ａ６の非反転入力端子および反転入力端子は、以下の箇条書きに記すようにブリッジ回路Ｂが有するブリッジ出力に接続されている。
・オペアンプＡ１の非反転入力端子-歪みゲージＲ１２，Ｒ１１の中間点Ｐ１
・オペアンプＡ１の反転入力端子‐歪みゲージＲ３３，Ｒ３４の中間点Ｐ６
・オペアンプＡ２の非反転入力端子-歪みゲージＲ１３，Ｒ１４の中間点Ｐ２
・オペアンプＡ２の反転入力端子-歪みゲージＲ１２，Ｒ１１の中間点Ｐ１
・オペアンプＡ３の非反転入力端子-歪みゲージＲ２１，Ｒ２２の中間点Ｐ３
・オペアンプＡ３の反転入力端子-歪みゲージＲ１３，Ｒ１４の中間点Ｐ２
・オペアンプＡ４の非反転入力端子-歪みゲージＲ２４，Ｒ２３の中間点Ｐ４
・オペアンプＡ４の反転入力端子-歪みゲージＲ２１，Ｒ２２の中間点Ｐ３
・オペアンプＡ５の非反転入力端子-歪みゲージＲ３２，Ｒ３１の中間点Ｐ５
・オペアンプＡ５の反転入力端子-歪みゲージＲ２４，Ｒ２３の中間点Ｐ４
・オペアンプＡ６の非反転入力端子-歪みゲージＲ３３，Ｒ３４の中間点Ｐ６
・オペアンプＡ６の反転入力端子-歪みゲージＲ３２，Ｒ３１の中間点Ｐ５

以上のように、オペアンプＡ１～Ａ６が有する非反転入力端子および反転入力端子の一方には、複数のブリッジ出力のうちの１つのみが接続され、他方には、複数のブリッジ出力のうちの他の１つのみが接続されている。すなわち、オペアンプＡ１～Ａ６の非反転入力端子と反転入力端子には、互いに異なるブリッジ出力（中間点Ｐ１～Ｐ６）が１つずつ接続されている。具体的には、オペアンプＡ１の非反転入力端子および反転入力端子には、互いに異なるブリッジ出力である中間点Ｐ１，Ｐ６が接続され、オペアンプＡ２の非反転入力端子および反転入力端子には、互いに異なるブリッジ出力である中間点Ｐ２，Ｐ１が接続され、オペアンプＡ３の非反転入力端子および反転入力端子には、互いに異なるブリッジ出力である中間点Ｐ３，Ｐ２が接続され、オペアンプＡ４の非反転入力端子および反転入力端子には、互いに異なるブリッジ出力である中間点Ｐ４，Ｐ３が接続され、オペアンプＡ５の非反転入力端子および反転入力端子には、互いに異なるブリッジ出力である中間点Ｐ５，Ｐ４が接続され、オペアンプＡ６の非反転入力端子および反転入力端子には、互いに異なるブリッジ出力である中間点Ｐ６，Ｐ５が接続されている。換言すれば、１つのブリッジ出力は、複数のオペアンプＡ１～Ａ６のうちの２つに入力される。

また、歪みセンサ１は、オペアンプＡ１～Ａ６の出力Ｖ１～Ｖ６に基づいて、起歪体１０に作用した３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）に平行な力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと３軸まわりのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚとを算出する演算回路（図示略）を備えている。具体的には、演算回路は、以下の［数１］の式に基づいて、３軸に平行な力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと、３軸まわりのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚとを算出する。なお、６行６列の変換行列Ｔは、図２に示すように所定の力Ｆｘ，Ｆｙ，ＦｚおよびモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚを起歪体１０に個別に作用させたときの出力Ｖ１～Ｖ６の計測結果に基づいて算出することができる。具体的には、例えば、１０Ｎの力Ｆｘ、１０Ｎの力Ｆｙ、２０Ｎの力Ｆｚ、１５Ｎ・ｃｍのモーメントＭｘ、１５Ｎ・ｃｍのモーメントＭｙ、および、１５Ｎ・ｃｍのモーメントＭｚを上段部１０Ｂに個別に作用させたときの出力Ｖ１～Ｖ６を計測し、力Ｆｘ，Ｆｙ，ＦｚおよびモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚに掛け合わせることで出力Ｖ１～Ｖ６が算出される６行６列の特性行列Ａを算出し、この特性行列Ａの逆行列を変換行列Ｔとして算出することができる。

図４は、所定の力Ｆｘ，Ｆｙ，ＦｚおよびモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚを起歪体１０に個別に作用させたときの、出力Ｖ１～Ｖ６のうちの最大出力電圧（絶対値）の計測結果を示すグラフである。図４中の実線は、本実施形態に係るグラフであり、図４中の一点鎖線は、比較例に係るグラフである。比較例に係る歪みセンサ（不図示）は、本実施形態に係るオペアンプＡ１～Ａ６の反転入力端子に、一定の電圧（２．５Ｖ）を出力する固定抵抗が接続された構成を備えている。

具体的には、図４に示すグラフは、１０Ｎの力Ｆｘ、１０Ｎの力Ｆｙ、２０Ｎの力Ｆｚ、１５Ｎ・ｃｍのモーメントＭｘ、１５Ｎ・ｃｍのモーメントＭｙ、および、１５Ｎ・ｃｍのモーメントＭｚを上段部１０Ｂに個別に作用させたときの最大出力電圧（絶対値）の値を示している。１０Ｎの力Ｆｘを上段部１０Ｂに作用させたときの最大出力電圧の値は、３．５Ｎの力Ｆｘを上段部１０Ｂに作用させたときの出力Ｖ１～Ｖ６の中から絶対値が最も大きい出力Ｖｍａｘ（絶対値）を抽出し、「３．５（Ｎ）：１０（Ｎ）＝Ｖｍａｘ：Ｖ」の比例式から「Ｖ」を算出することで得た。同様にして、１０Ｎの力Ｆｙ、２０Ｎの力Ｆｚ、１５Ｎ・ｃｍのモーメントＭｘ、１５Ｎ・ｃｍのモーメントＭｙ、および、１５Ｎ・ｃｍのモーメントＭｚを上段部１０Ｂに作用させたときの最大出力電圧の値を得た。

図４に示すように、本実施形態では、力Ｆｘ，Ｆｙ，ＦｚおよびモーメントＭｚを起歪体１０に作用させたとき、比較例の歪みセンサに比べて、最大出力電圧が大きくなっており、４方向の力（３軸に平行な力と１軸まわりのモーメント）の感度を向上できていることが判った。

また、図４に示した最大出力電圧の最大値および最小値の比の値（最大値／最小値）は、比較例では４．２７であったのに対して、本実施形態では３．２９であった。したがって、最大出力電圧のばらつきが小さく、比較例に比べてオペアンプＡ１～Ａ６の増幅率を大きくできることが判った。

歪みセンサ１の動作について説明する。
例えば、上段部１０ＢにＸ軸に平行な力Ｆｘが作用したとき、上記の［表１］に記載したように、歪みゲージＲ１３の電気抵抗は増加し、歪みゲージＲ１４の電気抵抗は減少するため、歪みゲージＲ１３，Ｒ１４の中間点Ｐ２の電圧は低くなる。一方で、上段部１０ＢにＸ軸に平行な力Ｆｘが作用したとき、上記の［表１］に記載したように、歪みゲージＲ１２の電気抵抗は減少し、歪みゲージＲ１１の電気抵抗は増加するため、歪みゲージＲ１２，Ｒ１１の中間点Ｐ１の電圧は高くなる。したがって、上段部１０Ｂに力Ｆｘが作用したとき、オペアンプＡ２の非反転入力端子に入力される電圧が低くなるとともに、その反転入力端子に入力される電圧が高くなるため、その反転入力端子に一定の電圧が入力される構成に比べて、オペアンプＡ２の出力Ｖ２が高くなる。こうして、１つ以上のオペアンプＡ１～Ａ６について、その非反転入力端子および反転入力端子に入力される電圧のうち、一方が高くなるとともに他方が低くなることで、１つ以上の出力Ｖ１～Ｖ６を高めることができる。出力Ｖ１～Ｖ６の少なくとも１つが高くなれば、出力Ｖ１～Ｖ６に掛け合わせる変換行列Ｔの成分を小さくでき、起歪体１０に作用した力およびモーメントを精度良く高感度に算出することが可能となる。

上記の第１実施形態においては以下の効果が得られる。
（１）オペアンプＡ１～Ａ６が有する非反転入力端子および反転入力端子の一方には、複数のブリッジ出力（中間点Ｐ１～Ｐ６）のうちの１つのみが接続されるとともに、他方には、複数のブリッジ出力（中間点Ｐ１～Ｐ６）のうちの他の１つのみが接続されている。この構成によれば、オペアンプＡ１～Ａ６が有する非反転入力端子に一定の電圧を出力する分圧回路を接続する必要が無い。そのため、回路の構成部品を少なくして、歪みセンサ１の製造コストを低減することができる。また、回路の構成部品が少なくなるため、小型化を図ることができる。また、各オペアンプＡ１～Ａ６の非反転入力端子および反転入力端子に入力される電圧のうち、一方が高くなるとともに他方が低くなることで、１つ以上の出力Ｖ１～Ｖ６を高めることができ、起歪体１０に作用した力およびモーメントの検出精度と感度を高めることができる。

（２）歪みセンサ１は、歪みゲージＲとして、オペアンプＡ１～Ａ６と同数（すなわち６個）以上の歪みゲージＲ１１～Ｒ１４，Ｒ２１～Ｒ２４，Ｒ３１～Ｒ３４を備え、ブリッジ回路Ｂは、並列に接続された６つの直列回路Ｂ１～Ｂ６により構成され、直列回路Ｂ１～Ｂ６の各々は、１つ以上の歪みゲージＲにより構成されている。この構成によれば、６方向の力（３軸に平行な力と３軸まわりのモーメント）を精度良く検出できる。

（３）全てのオペアンプＡ１～Ａ６が有する非反転入力端子の各々に互いに異なるブリッジ出力が接続され、全てのオペアンプＡ１～Ａ６が有する反転入力端子の各々に互いに異なるブリッジ出力が接続されている。換言すれば、１つのブリッジ出力は、対応するオペアンプ（複数のオペアンプのうちの一のオペアンプ）の非反転入力端子に接続されるとともに、そのブリッジ出力は、回路を分岐させて対応するオペアンプとは異なるオペアンプ（複数のオペアンプのうちの他のオペアンプ）の反転入力端子に接続されている。しかも、互いに異なるブリッジ出力が、それらの出力での電圧変化を特徴づける力の向きを考慮せずに各オペアンプの非反転入力端子および反転入力端子に接続されることで、最大出力電圧のばらつきを小さくし、増幅率を大きく設定することが可能となっている。よって、ブリッジ出力（歪みゲージによる検出結果）を有効に活用することで、センサ構成の簡素化、小型化に寄与することができる。

（４）ブリッジ出力は、直列に接続された２つの歪みゲージＲの中間点Ｐ１～Ｐ６により構成されている。この構成によれば、ブリッジ出力が直列に接続された固定抵抗と歪みゲージとの中間点により構成される場合に比べて、非反転入力端子および反転入力端子に入力される電圧の変化量を大きくすることができる場合があり、感度を高めることが可能となっている。

（５）歪みゲージＲは薄膜により構成されているため、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）やフォトリソグラフィ等の半導体製造技術を用いて、歪みゲージＲを容易に多数形成することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、上記実施形態と共通する構成については、その説明を省略する。

図５（Ａ）は、第２実施形態に係る歪みセンサ２の断面を簡略化して示す図であり、図５（Ｂ）は、歪みセンサ２が備える可変キャパシタＣの配置を示す図である。図５（Ａ）は、図５（Ｂ）中の二点鎖線で示すＳ－Ｓ線に沿った断面図である。

図５（Ａ）に示すように、歪みセンサ２は、起歪体１０と、蓋体２０と、複数の歪み検出素子としての可変キャパシタＣとを備えた静電容量式センサである。歪みセンサ２は、可変キャパシタＣの静電容量の変化量に基づいて、起歪体１０に作用した力およびモーメントを検出する。

起歪体１０の一端を構成する下段部１０Ａには、可変キャパシタＣを構成する電極３１が設けられ、蓋体２０には、可変キャパシタＣを構成する電極３２が設けられている。蓋体２０は、下段部１０Ａに取り付けられて起歪体１０を支持するとともに、起歪体１０に設けられた可変キャパシタＣを覆っている。

可変キャパシタＣは、対向する電極３１，３２により構成されており、電極３１，３２の相対的な変位量を検出する素子である。電極３１は、起歪体１０の上段部１０Ｂに作用する力やモーメントに応じて変位する変位電極であり、電極３２は、変位しない固定電極である。なお、電極３２は、蓋体２０に取り付けた基板（図示略）に設けてもよい。可変キャパシタＣは、ダイアフラム部１１に設けられており、ダイアフラム部１１が変位するように起歪体１０が歪むことによって電極３１，３２間の距離が変化する。可変キャパシタＣの静電容量は、起歪体１０の変位により変化する。具体的には、可変キャパシタＣの静電容量は、対向する電極３１，３２間の距離が短くなることによって増加し、対向する電極３１，３２間の距離が長くなることによって減少する。

図５（Ｂ）は、下段部１０Ａの端面、すなわち、可変キャパシタＣが設けられている面を示している。図５（Ｂ）において、電極３１，３２に接続されているリード線、および、蓋体２０の図示は省略されている。

図５（Ｂ）に示すように、歪みセンサ２は、複数の可変キャパシタＣとして、それぞれ電極３１，３２により構成された６個の可変キャパシタＣ１１，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ３１，Ｃ３２を備えている。可変キャパシタＣ１１，Ｃ１２と、可変キャパシタＣ２１，Ｃ２２と、可変キャパシタＣ３１，Ｃ３２とは、異なるダイアフラム部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃに設けられている。

Ｘ軸に平行な力Ｆｘ、Ｙ軸に平行な力Ｆｙ、Ｚ軸に平行な力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、および、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの各々を起歪体１０の上段部１０Ｂに作用させたときの、可変キャパシタＣ１１，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ３１，Ｃ３２の静電容量の変化を下記の［表２］に示す。表中の「＋」は静電容量が増加することを示し、表中の「－」は静電容量が減少することを示している。また、空欄は、静電容量が略変化しないことを示している。力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと反対方向の力、および、モーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚと反対方向のモーメントを、上段部１０Ｂに作用させた場合は、表中の符号は逆になる。

図６は、歪みセンサ２が備える回路構成を示している。
図６に示すように、歪みセンサ２は、可変キャパシタＣ１１，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ３１，Ｃ３２に接続された６個の静電容量電圧変換回路４１（以下「ＣＶ変換回路４１」）を備えている。ＣＶ変換回路４１と可変キャパシタＣ１１，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ３１，Ｃ３２とは、１対１の関係で設けられている。ＣＶ変換回路４１は、可変キャパシタＣ１１，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ３１，Ｃ３２の静電容量を電圧に変換して出力する。

また、歪みセンサ２は、ＣＶ変換回路４１を介して可変キャパシタＣ１１，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ３１，Ｃ３２に接続された６個のオペアンプＡ１～Ａ６を備えている。各オペアンプＡ１～Ａ６の非反転入力端子および反転入力端子は、以下の箇条書きに記すようにＣＶ変換回路４１を介して可変キャパシタＣ１１,Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ３１，Ｃ３２に接続されている。
・オペアンプＡ１の非反転入力端子-可変キャパシタＣ１１
・オペアンプＡ１の反転入力端子‐可変キャパシタＣ３２
・オペアンプＡ２の非反転入力端子-可変キャパシタＣ１２
・オペアンプＡ２の反転入力端子-可変キャパシタＣ１１
・オペアンプＡ３の非反転入力端子-可変キャパシタＣ２１
・オペアンプＡ３の反転入力端子-可変キャパシタＣ１２
・オペアンプＡ４の非反転入力端子-可変キャパシタＣ２２
・オペアンプＡ４の反転入力端子-可変キャパシタＣ２１
・オペアンプＡ５の非反転入力端子-可変キャパシタＣ３１
・オペアンプＡ５の反転入力端子-可変キャパシタＣ２２
・オペアンプＡ６の非反転入力端子-可変キャパシタＣ３２
・オペアンプＡ６の反転入力端子-可変キャパシタＣ３１

以上のように、オペアンプＡ１～Ａ６が有する非反転入力端子および反転入力端子の一方には、１つの可変キャパシタＣが接続され、他方には、他の１つの可変キャパシタＣが接続されている。すなわち、オペアンプＡ１～Ａ６の非反転入力端子と反転入力端子には、互いに異なる可変キャパシタＣが１つずつ接続されている。具体的には、オペアンプＡ１の非反転入力端子および反転入力端子には、互いに異なる可変キャパシタＣ１１，Ｃ３２が接続され、オペアンプＡ２の非反転入力端子および反転入力端子には、互いに異なる可変キャパシタＣ１２，Ｃ１１が接続され、オペアンプＡ３の非反転入力端子および反転入力端子には、互いに異なる可変キャパシタＣ２１，Ｃ１２が接続され、オペアンプＡ４の非反転入力端子および反転入力端子には、互いに異なる可変キャパシタＣ２２，Ｃ２１が接続され、オペアンプＡ５の非反転入力端子および反転入力端子には、互いに異なる可変キャパシタＣ３１，Ｃ２２が接続され、オペアンプＡ６の非反転入力端子および反転入力端子には、互いに異なる可変キャパシタＣ３２，Ｃ３１が接続されている。換言すれば、１つの可変キャパシタＣは、複数のオペアンプＡ１～Ａ６のうちの２つに入力される。

また、歪みセンサ２は、オペアンプＡ１～Ａ６の出力Ｖ１～Ｖ６に基づいて、起歪体１０の上段部１０Ｂに作用した３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）に平行な力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと、３軸まわりのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚとを算出する演算回路（図示略）を備えている。当該演算回路による、力Ｆｘ，Ｆｙ，ＦｚおよびモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚの算出方法は、第１実施形態と同様である。

歪みセンサ２の動作について説明する。
例えば、上段部１０ＢにＸ軸に平行な力Ｆｘが作用したとき、上記の［表２］に記載したように、可変キャパシタＣ１２の静電容量は増加し、可変キャパシタＣ１１の静電容量は減少する。したがって、上段部１０Ｂに力Ｆｘが作用したとき、オペアンプＡ２の非反転入力端子に入力される電圧が高くなるとともに、その反転入力端子に入力される電圧が低くなるため、その反転入力端子に一定の電圧が入力される構成に比べて、オペアンプＡ２の出力Ｖ２が高くなる。こうして、第１実施形態と同様に、１つ以上の出力Ｖ１～Ｖ６を高めることができ、起歪体１０に作用した力およびモーメントを精度良く高感度に算出することが可能となる。

上記の第２実施形態においては以下の効果が得られる。
（６）オペアンプＡ１～Ａ６が有する非反転入力端子および反転入力端子の一方には、１つの可変キャパシタＣが接続されるとともに、他方には、他の１つの可変キャパシタＣが接続されている。この構成によれば、上記（１）に記載したように、歪みセンサ２の製造コストを低減することができ、小型化を図ることができ、起歪体１０に作用した力およびモーメントの検出精度と感度を高めることができる。

（７）歪みセンサ２は、可変キャパシタＣとして、オペアンプＡ１～Ａ６と同数（すなわち６個）以上の可変キャパシタＣ１１,Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ３１，Ｃ３２を備えている。この構成によれば、６方向の力（３軸に平行な力と３軸まわりのモーメント）を精度良く検出できる。

（８）全てのオペアンプＡ１～Ａ６が有する非反転入力端子の各々に互いに異なる可変キャパシタＣが接続され、全てのオペアンプＡ１～Ａ６が有する反転入力端子の各々に互いに異なる可変キャパシタＣが接続されている。換言すれば、１つの可変キャパシタは、対応するオペアンプ（複数のオペアンプのうちの一のオペアンプ）の非反転入力端子に接続されるとともに、その可変キャパシタは、回路を分岐させて対応するオペアンプとは異なるオペアンプ（複数のオペアンプのうちの他のオペアンプ）の反転入力端子に接続されている。しかも、互いに異なる可変キャパシタが、それらの可変キャパシタでの電圧変化（ＣＶ変換後の電圧）を特徴づける力の向きを考慮せずに各オペアンプの非反転入力端子および反転入力端子に接続されることで、最大出力電圧のばらつきを小さくし、増幅率を大きく設定することが可能となっている。よって、検出出力（可変キャパシタによる検出結果）を有効に活用することで、センサ構成の簡素化、小型化に寄与することができる。

（９）全てのオペアンプＡ１～Ａ６が有する反転入力端子の各々に互いに異なる可変キャパシタＣが接続されているため、非反転入力端子および反転入力端子に入力される電圧の一方が高くなり他方が低くなることで、出力Ｖ１～Ｖ６を高めることができる。

（１０）可変キャパシタＣが、ＣＶ変換回路４１を介して非反転入力端子および反転入力端子に接続されている。この構成によれば、可変キャパシタＣに流れようとする電流の積分値に応じた電圧を、非反転入力端子および反転入力端子に入力することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、上記構成を適宜変更することもできる。例えば、上記実施形態を、以下のように変更して実施してもよく、以下の変更を適宜組み合わせてもよい。

第１実施形態において、歪みゲージの個数がオペアンプと同数以上になるのであれば、歪みゲージの個数およびオペアンプの個数を適宜変更してもよい。例えば、図７（Ａ）に示すように、歪みセンサ１が、６個の歪みゲージＲ１３，Ｒ１４，Ｒ２３，Ｒ２４，Ｒ３３，Ｒ３４と、３個のオペアンプＡ１～Ａ３とを備えるように構成してもよい。図７（Ａ）に示す変形例では、ブリッジ回路Ｂは、並列に接続された３つの直列回路Ｂ２，Ｂ４，Ｂ６により構成され、直列回路Ｂ２，Ｂ４，Ｂ６の各々は、１つ以上の歪みゲージＲにより構成されており、オペアンプＡ１～Ａ３の非反転入力端子と反転入力端子に、互いに異なるブリッジ出力である中間点Ｐ２，Ｐ４，Ｐ６が接続されている。この構成によれば、３方向の力（例えば力Ｆｘ，ＦｙおよびモーメントＭｚ）を精度良く検出できる。

また、第２実施形態において、可変キャパシタの個数がオペアンプと同数以上になるのであれば、可変キャパシタの個数およびオペアンプの個数を適宜変更してもよい。例えば、図７（Ｂ）に示すように、歪みセンサ２が、３個の可変キャパシタＣ１２，Ｃ２２，Ｃ３２と、３個のオペアンプＡ１～Ａ３とを備えるように構成してもよい。図７（Ｂ）に示す変形例では、オペアンプＡ１～Ａ３の非反転入力端子と反転入力端子に、互いに異なる可変キャパシタＣ１２，Ｃ２２，Ｃ３２が接続されている。この構成によれば、３方向の力（例えば力Ｆｘ，ＦｙおよびモーメントＭｚ）を精度良く検出できる。

また、第１実施形態において、歪みゲージＲ１２，Ｒ１１の一方、歪みゲージＲ１３，Ｒ１４の一方、歪みゲージＲ２１，Ｒ２２の一方、歪みゲージＲ２４，Ｒ２３の一方、歪みゲージＲ３２，Ｒ３１の一方、および、歪みゲージＲ３３，Ｒ３４の一方を、固定抵抗に置き換えてもよい。すなわち、ブリッジ出力が、直列に接続された固定抵抗と歪みゲージとの中間点により構成されていてもよい。このような構成によれば、歪みゲージの個数を少なくすることができる。その結果、コスト低減効果だけでなく、１個当たりの歪みゲージのサイズを大きくすることが可能となるため、起歪体に歪みゲージを設ける作業効率を向上することが可能となる。

また、複数の非反転入力端子または複数の反転入力端子を同一の歪み検出素子に接続してもよい。また、一部のオペアンプの反転入力端子を固定抵抗またはグラウンドに接続してもよい。例えば、図８に示すように、オペアンプＡ２，Ａ６の反転入力端子を同一のブリッジ出力である中間点Ｐ１に接続し、オペアンプＡ５の反転入力端子をグラウンドに接続してもよい。

また、一部の歪み検出素子を非反転入力端子および反転入力端子の一方のみに接続してもよい。例えば、図９に示すように、ブリッジ出力である中間点Ｐ２をオペアンプＡ２の反転入力端子のみに接続し、ブリッジ出力である中間点Ｐ４をオペアンプＡ４の非反転入力端子のみに接続し、ブリッジ出力である中間点Ｐ５をオペアンプＡ１の反転入力端子のみに接続し、ブリッジ出力である中間点Ｐ６をオペアンプＡ６の非反転入力端子のみに接続してもよい。そして、オペアンプＡ２の非反転入力端子およびオペアンプＡ６の反転入力端子に、新たに設けた直列回路Ｂ７のブリッジ出力である中間点Ｐ７を接続し、オペアンプＡ４の反転入力端子およびオペアンプＡ５の非反転入力端子に、新たに設けた直列回路Ｂ８のブリッジ出力である中間点Ｐ８を接続してもよい。

また、起歪体の歪みまたは変位を検出することができるのであれば、歪みゲージおよび可変キャパシタの構成および配置等を適宜変更してもよい。例えば、ピエゾ抵抗素子、感圧抵抗体、または、感圧抵抗インク等を歪み検出素子として採用してもよい。また、歪み検出素子を含む回路構成を適宜変更してもよく、例えば、静電容量変換回路を介して複数の可変キャパシタをオペアンプに接続してもよい。

１，２ 歪みセンサ
１０ 起歪体
１０Ａ 下段部
１０Ｂ 上段部
１０Ｃ 連結部
１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ ダイアフラム部
２０ 蓋体
３１，３２ 電極
４１ 静電容量電圧変換回路
Ａ１～Ａ６ オペアンプ
Ｂ ブリッジ回路
Ｂ１～Ｂ６ 直列回路
Ｃ 可変キャパシタ（歪み検出素子）
Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ３１，Ｃ３２ 可変キャパシタ（歪み検出素子）
Ｐ１～Ｐ６ 中間点（ブリッジ出力）
Ｒ 歪みゲージ（歪み検出素子）
Ｒ１１～Ｒ１４，Ｒ２１～Ｒ２４，Ｒ３１～Ｒ３４ 歪みゲージ（歪み検出素子）

Claims (4)

1. 起歪体に設けられ、当該起歪体の歪みにより電気抵抗が変化する複数の歪みゲージと、
   非反転入力端子および反転入力端子を有する複数のオペアンプと、
   複数の前記歪みゲージを含むブリッジ回路とを備え、
   前記ブリッジ回路は、並列に接続された２つ以上の直列回路により構成され、
   複数の前記直列回路の各々は、ブリッジ出力を有するとともに、当該ブリッジ出力は、直列に接続された２つの前記歪みゲージの中間点、または、直列に接続された固定抵抗と前記歪みゲージとの中間点により構成され、
   少なくとも１つの前記オペアンプが有する前記非反転入力端子および前記反転入力端子の一方には、複数の前記ブリッジ出力のうちの１つのみが接続され、他方には、複数の前記ブリッジ出力のうちの他の１つのみが接続され、
   １つの前記ブリッジ出力は、複数の前記オペアンプのうちの一のオペアンプの前記非反転入力端子に接続されるとともに、複数の前記オペアンプのうちの他のオペアンプの前記反転入力端子に接続されている
   ことを特徴とする歪みセンサ。
2. ３つ以上かつ前記オペアンプと同数以上の前記歪みゲージを備え、
   前記ブリッジ回路は、並列に接続された３つ以上の直列回路により構成され、
   前記直列回路の各々は、１つ以上の前記歪みゲージにより構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の歪みセンサ。
3. 起歪体に設けられ、当該起歪体の変位により静電容量が変化する複数の可変キャパシタと、
   非反転入力端子および反転入力端子を有する複数のオペアンプとを備え、
   少なくとも１つの前記オペアンプが有する前記非反転入力端子および前記反転入力端子の一方には、一の前記可変キャパシタが接続され、他方には、他の前記可変キャパシタが接続され、
   １つの前記可変キャパシタは、複数の前記オペアンプのうちの一のオペアンプの前記非反転入力端子に接続されるとともに、複数の前記オペアンプのうちの他のオペアンプの前記反転入力端子に接続されている
   ことを特徴とする歪みセンサ。
4. ３つ以上かつ前記オペアンプと同数以上の前記可変キャパシタを備えている
   ことを特徴とする請求項３に記載の歪みセンサ。

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