(57)【要約】【課題】従来技術に比して複合力誤差を緩和すると共に、６軸の力及びモーメントを精度良く検出可能な多軸センサを提供する。【解決手段】多軸センサでは、複数の歪検出素子Ｒ１１〜Ｒ６４が配置された６個の第１可撓部１１１〜１１６を有する第１部材１００と、第１可撓部１１１〜１１６のそれぞれに対向する第２可撓部を有する第２部材と、第１可撓部１１１〜１１６と第２可撓部とをそれぞれ連結する連結体１２１〜１２６と、複数の歪検出素子Ｒ１１〜Ｒ６４の出力結果に基づいて６軸の力及びモーメントを演算する力モーメント演算手段とを備える。【選択図】図１
2010014695.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の歪検出素子が配置された６個の第１可撓部を有する第１部材と、
前記第１可撓部のそれぞれに対向する第２可撓部を有する第２部材と、
前記第１可撓部と前記第２可撓部とをそれぞれ連結する連結体と、
前記複数の歪検出素子の出力結果に基づいて６軸の力及びモーメントを演算する力モーメント演算手段とを備えることを特徴とする多軸センサ。
【請求項２】
複数の歪検出素子が配置された複数の第１可撓部を有する第１部材と、
前記第１可撓部のそれぞれに対向する第２可撓部を有する第２部材と、
前記第１可撓部と前記第２可撓部とをそれぞれ連結する連結体と、
前記複数の歪検出素子の出力結果に基づいて６軸の力及びモーメントを演算する力モーメント演算手段とを備え、
前記第１可撓部、前記第２可撓部及び前記連結体は、前記第１部材及び前記第２部材において、中心軸の回りに等角度おきであって、且つ、前記中心軸から等距離に形成された６組以上の偶数組に分けて配置され、
前記力モーメント演算手段は、
前記偶数組のうち一つ飛ばしで選出される組からの前記複数の歪検出素子の出力結果に基づいて６軸の力及びモーメントを演算する第１力モーメント演算手段と、
前記偶数組のうち残りの組からの前記複数の歪検出素子の出力結果に基づいて６軸の力及びモーメントを演算する第２力モーメント演算手段と、
前記第１力モーメント演算手段により演算された６軸の力及びモーメントと、前記第２力モーメント演算手段により演算された６軸の力及びモーメントとに基づいて、６軸の力及びモーメントを演算する出力演算手段とを備えることを特徴とする多軸センサ。
【請求項３】
前記出力演算手段は、
前記第１力モーメント演算手段により演算された６軸の力及びモーメントと、前記第２力モーメント演算手段により演算された６軸の力及びモーメンとの平均値を、６軸の力及びモーメントとして演算することを特徴とする請求項２記載の多軸センサ。
【請求項４】
前記第１力モーメント演算手段により演算された６軸の力及びモーメントと、前記第２力モーメント演算手段により演算された６軸の力及びモーメントとを比較し、その比較結果が所定量以上であるか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段により比較結果が所定量以上であると判定された場合に、所定の異常処理を実行する異常処理実行手段とを備えることを特徴とする請求項２または請求項３記載の多軸センサ。
【請求項５】
前記偶数組は６組であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の多軸センサ。
【請求項６】
前記偶数組は８組であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の多軸センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多軸センサに係り、詳しくは、複合力誤差の影響を低減する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の従来技術としては、６軸の力及びモーメントを検出するための４個の歪みゲージがそれぞれ配置された４個の第１可撓部を有する第１フランジと、これらの第１可撓部に対向する位置に配置された４個の第２可撓部を有する第２フランジと、各第１可撓部と各第２可撓部とを連結する連結体とを備えた歪みゲージ式センサが開示されている（例えば、特許文献１参照）。このような従来の歪みゲージ式センサでは、特許文献１の図１０に示すように、４個の第１可撓部にブリッジ回路が各２回路形成されており、これらのブリッジ回路からは、外部から加わる６軸の力及びモーメントに応じて発生する歪みに対応した８個分の電圧値が出力される構成となっている。
【特許文献１】特開２００８−９６２３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上述した従来の歪みゲージ式センサでは、複合力誤差が大きくなるという問題があった。例えば、上述した従来の歪みゲージ式センサでは、６軸の力及びモーメントを検出する際に、ブリッジ回路の８個分の出力を６個の中間的な変数にする中間処理が必要となる。ところが、このような中間処理の過程で誤差成分が発生し、発生した誤差成分の蓄積によって、６軸の力及びモーメントを精度良く検出できないという問題があった。
【０００４】
本発明の目的は、従来技術に比して複合力誤差を緩和すると共に、６軸の力及びモーメントを精度良く検出可能な多軸センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の発明に係る多軸センサでは、複数の歪検出素子が配置された６個の第１可撓部を有する第１部材と、第１可撓部のそれぞれに対向する第２可撓部を有する第２部材と、第１可撓部と前記第２可撓部とをそれぞれ連結する連結体と、複数の歪検出素子の出力結果に基づいて６軸の力及びモーメントを演算する力モーメント演算手段とを備える。
【０００６】
この多軸センサでは、第１部材に設けた第１可撓部の数が６個であるため、６軸の力及びモーメントの算出過程において、第１部材に４個の第１可撓部を設けた特許文献１のような中間処理を行う必要がない。よって、中間処理に起因した誤差成分の発生を抑制でき、特許文献１と比べて誤差成分を小さくできる。したがって、特許文献１と比べて、６軸の力及びモーメントの検出精度を向上できる。
【０００７】
第２の発明に係る多軸センサでは、複数の歪検出素子が配置された複数の第１可撓部を有する第１部材と、第１可撓部のそれぞれに対向する第２可撓部を有する第２部材と、第１可撓部と第２可撓部とをそれぞれ連結する連結体と、複数の歪検出素子の出力結果に基づいて６軸の力及びモーメントを演算する力モーメント演算手段とを備え、第１可撓部、第２可撓部及び連結体は、第１部材及び第２部材において、中心軸の回りに等角度おきであって、且つ、中心軸から等距離に形成された６組以上の偶数組に分けて配置され、力モーメント演算手段は、偶数組のうち一つ飛ばしで選出される組からの複数の歪検出素子の出力結果に基づいて６軸の力及びモーメントを演算する第１力モーメント演算手段と、偶数組のうち残りの組からの複数の歪検出素子の出力結果に基づいて６軸の力及びモーメントを演算する第２力モーメント演算手段と、第１力モーメント演算手段により演算された６軸の力及びモーメントと、第２力モーメント演算手段により演算された６軸の力及びモーメントとに基づいて、６軸の力及びモーメントを演算する出力演算手段とを備える。
【０００８】
この多軸センサでは、偶数組のうち一つ飛ばしで選出される組に属する各歪検出素子と、偶数組のうち残りの組に属する各歪検出素子との対称性の存在により、前述の複合力誤差を緩和できる。
【０００９】
第３の発明に係る多軸センサでは、第２の発明に係る多軸センサにおいて、出力演算手段は、第１力モーメント演算手段により演算された６軸の力及びモーメントと、第２力モーメント演算手段により演算された６軸の力及びモーメントとの平均値を、６軸の力及びモーメントとして演算する。
【００１０】
この多軸センサでは、偶数組のうち一つ飛ばしで選出される組に属する各歪検出素子と、偶数組のうち残りの組に属する各歪検出素子との対称性の存在により、前述の複合力誤差を強力に相殺できる。
【００１１】
第４の発明に係る多軸センサでは、第２または第３の発明に係る多軸センサにおいて、第１力モーメント演算手段により演算された６軸の力及びモーメントと、第２力モーメント演算手段により演算された６軸の力及びモーメントとを比較し、その比較結果が所定量以上であるか否かを判定する判定手段と、判定手段により比較結果が所定量以上であると判定された場合に、所定の異常処理を実行する異常処理実行手段とを備える。
【００１２】
この多軸センサでは、歪検出素子の故障を検出できるので、多軸センサの信頼性を向上できる。
【００１３】
第５の発明に係る多軸センサでは、第２〜第４の発明のいずれかに係る多軸センサにおいて、偶数組は６組である。
【００１４】
この多軸センサでは、構成を簡素化でき、製造コストを抑えることができる。
【００１５】
第６の発明に係る多軸センサでは、第２〜第４の発明のいずれかに係る多軸センサにおいて、偶数組は８組である。
【００１６】
この多軸センサでは、Ｚ軸を中心として２２．５°、６７．５°、１１２．５°、１５７．５°の点対称であってＸ軸及びＹ軸に関して線対称となり、一層優れた対称性を呈する。したがって、Ｚ軸回転位相に対応して出力が変化してしまう複合力誤差の一態様を一層低減することができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上の説明に述べたように、本発明によれば、以下の効果が得られる。
【００１８】
第１の発明では、第１部材に設けた第１可撓部の数が６個であるため、６軸の力及びモーメントの算出過程において、第１部材に４個の第１可撓部を設けた特許文献１のような中間処理を行う必要がない。よって、中間処理に起因した誤差成分の発生を抑制でき、特許文献１と比べて誤差成分を小さくできる。したがって、特許文献１と比べて、６軸の力及びモーメントの検出精度を向上できる。
【００１９】
また、第２の発明では、偶数組のうち一つ飛ばしで選出される組に属する各歪検出素子と、偶数組のうち残りの組に属する各歪検出素子との対称性の存在により、前述の複合力誤差を緩和できる。
【００２０】
また、第３の発明では、偶数組のうち一つ飛ばしで選出される組に属する各歪検出素子と、偶数組のうち残りの組に属する各歪検出素子との対称性の存在により、前述の複合力誤差を強力に相殺できる。
【００２１】
また、第４の発明では、歪検出素子の故障を検出できるので、多軸センサの信頼性を向上できる。
【００２２】
また、第５の発明では、多軸センサの構成を簡素化でき、その製造コストを抑えることができる。
【００２３】
また、第６の発明では、Ｚ軸を中心として２２．５°、６７．５°、１１２．５°、１５７．５°の点対称であってＸ軸及びＹ軸に関して線対称となり、一層優れた対称性を呈する。したがって、Ｚ軸回転位相に対応して出力が変化してしまう複合力誤差の一態様を一層低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
（第１実施形態）
以下、図面に基づいて、本発明の第１実施形態に係る６軸センサ１（多軸センサ）について説明する。図１は、フランジ２００（第２部材）側からＺ軸方向にフランジ１００（第１部材）を透視した場合の各可撓部１１１〜１１６（第１可撓部）の配置を描いた平面図である。図２は、図１に示すＡ−Ａ線の矢視断面図である。図３は、図１に示すＢ−Ｂ線の矢視断面図である。図１の各符号Ｃ１〜Ｃ６は、各可撓部１１１〜１１６の中心を示している。なお、この実施形態では説明の便宜上、ＸＹＺ三次元座標系を定義し、この座標系を参照しながら各部品の配置説明を行う。したがって、図２では、フランジ１００の表側面１００ａの中心位置を原点Ｏ、右水平方向をＸ軸、紙面に垂直手前方向をＹ軸、上垂直方向をＺ軸としてそれぞれ定義する。つまり、フランジ１００の表側面１００ａはＸＹ平面を規定し、フランジ１００の中心位置にＺ軸が通ることになる。
【００２５】
図１において、６軸センサ１は、金属などで形成された円盤形状のフランジ１００、２００に加わる多軸の力、モーメント、加速度、角加速度の少なくともいずれかを計測するセンサであり、これらのフランジ１００、２００に加えて、固定部３００を有している。また、この６軸センサ１は、フランジ１００の裏側面１００ｂに取り付けられた複数の歪みゲージＲ１１〜Ｒ６４（力検出素子）を有している。
【００２６】
図２に示すように、フランジ１００は、固定部３００上に固定されている。このフランジ１００は、可撓部１１１〜１１６を有している。これらの可撓部１１１〜１１６は薄肉状に形成されている。各可撓部１１１〜１１６の略中央部には、連結体１２１〜１２６がそれぞれ設けられている。フランジ２００は、フランジ１００の可撓部１１１〜１１６と対向する位置に可撓部２１１〜２１６（第２可撓部）を有している。これらの可撓部２１１〜２１６は、可撓部１１１〜１１６と同様に薄肉状に形成されると共に、その略中央部には連結体２２１〜２２６がそれぞれ設けられている。各可撓部１１１〜１１６、２１１〜２１６は、略中央部に連結体１２１〜１２６、２２１〜２２６をそれぞれ備えることにより円環形状となっている。
【００２７】
なお、図２では説明の便宜上、可撓部２１１、２１２、２１６及び連結体２２１、２２２、２２６についてのみ図示し、その他の可撓部２１３、２１４、２１５及び連結体２２３、２２４、２２５については図示を省略する。また、図３についても同様に説明の便宜上、可撓部２１１、２１４及び連結体２２１、２２４についてのみ図示し、その他の可撓部２１２、２１３、２１５、２１６及び連結体２２２、２２３、２２５、２２６については図示を省略する。
【００２８】
可撓部１１１〜１１６の連結体１２１〜１２６と、可撓部２１１〜２１６の連結体２２１〜２２６とは、図示しないボルト部材等の適当な手段を用いて強固に連結され、フランジ１００及びフランジ２００にそれぞれ設けた各可撓部及び各連結体は略対称となっている。また、連結体１２１〜１２６及び連結体２２１〜２２６は、このような強固な連結によって可撓部１１１〜１１６及び可撓部２１１〜２１６に比して強い剛性を持ち、一体とみなすことができる。なお、この例では、連結体１２１〜１２６と連結体２２１〜２２６とを別体で形成したが、一対の連結体１２１、２２１、連結体１２２、２２２、連結体１２３、２２３、連結体１２４、２２４、連結体１２５、２２５、連結体１２６、２２６をそれぞれ一体として形成し、このように一体形成した各連結体をフランジ１００またはフランジ２００の一部として結合してもよい。
【００２９】
図１に示すように、各可撓部１１１〜１１６は、フランジ１００の周方向に沿ってＺ軸を中心として等間隔をおいて形成されている。この例では、各可撓部１１１〜１１６は、６０度おきに配置されている。これらの可撓部１１１〜１１６は、Ｘ軸及びＹ軸の正方向及び負方向にそれぞれ配置されている。また、フランジ２００の可撓部２１１〜２１６は、可撓部１１１〜１１６と対向する位置に配置されている。よって、６軸センサ１は、３次元空間において直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸の力とそれらの軸回りのモーメントを測定するための６軸力覚センサとして機能する。
【００３０】
固定部３００は、フランジ１００と対向する面の中央を凹状にし、周辺部でフランジ１００と結合しフランジ１００を支持する構造となっている。なお、この固定部３００は、歪みゲージＲ１１〜Ｒ６４を保護する目的も有している。上述したように、フランジ１００には肉薄の可撓部１１１〜１１６が形成されており、フランジ２００には肉薄の可撓部２１１〜２１６が形成されているので、フランジ１００を固定部３００上に固定した状態でフランジ２００に何らかの力を加えると連結体１２１〜１２６と連結体２２１〜２２６を通じて可撓部１１１〜１１６に力が伝わり、力の大きさと方向に応じて可撓部１１１〜１１６に歪みが発生する構造となっている。すなわち、フランジ１００とフランジ２００、連結体１２１〜１２６、連結体２２１〜２２６によって、いわゆる起歪体が構成される。
【００３１】
図１に示すように、各可撓部１１１〜１１６は、４個の歪みゲージＲ１１〜Ｒ６４をそれぞれ有している。これらの歪みゲージＲ１１〜Ｒ６４は、図２に示すように、フランジ１００の裏側面１００ｂにおいて各可撓部１１１〜１１６の外縁部と内縁部に配置されている。フランジ２００に力を加えた場合、各可撓部１１１〜１１６は、外縁部と内縁部の境界付近で最も大きな歪みが発生する。したがって、各歪みゲージＲ１１〜Ｒ６４は、このように最も歪みが発生しやすい部分で、可撓部１１１〜１１６の中心を通り、かつ、Ｚ軸に垂直な線Ｌ１１〜Ｌ１６上にそれぞれ配置されている。また、歪みゲージＲ１１〜Ｒ６４は、線Ｌ１１〜Ｌ１６方向に最も感度が高くなるように設定されている。なお、図１〜図３では、各歪みゲージのリード線については図示を省略する。
【００３２】
歪みゲージＲ１１〜６４は、一種の抵抗体であり、歪みの発生する場所に貼り付けて使用するための検出素子である。このような歪みゲージは、歪みの発生による抵抗値の変化を検出することにより、歪みεを測定可能である。歪みゲージは、樹脂基材の上に金属箔のパターンを形成したものを適用可能である。また、フランジ１００の上に酸化シリコン等の絶縁膜を形成し、形成した絶縁膜の上に、ＣｒやＮｉの合金や酸化Ｃｒ等の金属薄膜で歪みゲージを形成してもよい。このような場合、歪みゲージを形成する面が平坦な１つの面であれば、フォトリソグラフィーの技術を利用してスパッタリング装置等で歪みゲージをプロセス的に形成できるため量産に適する。
【００３３】
（各可撓部の歪みの検知動作について）
図４〜図７は、フランジ２００に力やモーメントを加えた場合の歪みの検知動作を示す説明図であり、図４〜図６は、図１に示すＣ−Ｃ線の矢視断面図を、図７は、図１に示すＢ−Ｂ線の矢視断面図をそれぞれ示している。なお、ここでは特に、フランジ２００に加わる力やモーメントの各成分の内、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘについて、この順番で、図４〜図７を参照して説明する。
【００３４】
（Ｘ軸方向の力Ｆｘ）
図４は、フランジ２００にＸ軸方向の力Ｆｘを加えたときに、フランジ１００の可撓部１１１とフランジ２００の可撓部２１１とが弾性変形した状態を示している。このとき加えられた力Ｆｘの向きは、可撓部１１１に歪みゲージＲ１１〜Ｒ１４が配列された方向と一致するため（図２参照）、各歪みゲージＲ１１〜Ｒ１４は大きな歪みを検知する。なお、図４では図示を省略したが、可撓部１１１と同様に、可撓部１１４についても、歪みゲージＲ４１〜Ｒ４４の配列方向が力Ｆｘの向きと一致するため（図１参照）、これらの歪みゲージＲ４１〜Ｒ４４は大きな歪みを検知する。一方、可撓部１１１、１１４を除いたその他の可撓部１１２、１１３、１１５、１１６（図１参照）については、歪みゲージＲ２１〜Ｒ２４、Ｒ３１〜Ｒ３４、Ｒ５１〜Ｒ５４、Ｒ６１〜Ｒ６４の配列方向が力Ｆｘの向きと一致しないため、歪みゲージＲ１１〜Ｒ１４とＲ４１〜Ｒ４４ほどの大きな歪みを検知しない。
【００３５】
（Ｚ軸方向の力Ｆｚ）
図５は、フランジ２００にＺ軸方向の力Ｆｚを加えたときに、可撓部１１１と可撓部２１１とが弾性変形した状態を示している。この状態では、可撓部１１１〜１１６（図１参照）が図示の如く弾性変形するので、可撓部１１１〜１１６の各歪みゲージＲ１１〜Ｒ６４は歪みを検知して同じパターンで変化する。
【００３６】
（Ｚ軸まわりのモーメントＭｚ）
図６は、フランジ２００にＺ軸回りに右回転するモーメントＭｚを加えたときに、可撓部１１１と可撓部２１１とが弾性変形した状態を示している。この状態では、連結体１２１〜１２６と連結体２２１〜２２６は、Ｚ軸を中心とする円周に沿って同じ回転方向に傾倒するように変位する。この変位に応じて、各可撓部１１１〜１１６も変位し、歪みが発生する。
【００３７】
（Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ）
図７は、フランジ２００にＸ軸回りのモーメントＭｘを加えたときに、可撓部１１１、１１４と可撓部２１１、２１４とが弾性変形した状態を示している。この状態では、可撓部１１１、１１２、１１６は固定部３００側に押し出されると共に、可撓部１１３、１１４、１１５は固定部３００側と反対方向に離隔するように変位する（図１参照）。この変位に応じて、各歪みゲージＲ１１〜Ｒ６４が変化する。以下では、フランジ２００に加わる力やモーメントの各成分の内、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙについて説明する。
【００３８】
（Ｙ軸方向の力Ｆｙ）
フランジ２００にＹ軸方向の力Ｆｙを加えた場合、この力Ｆｘの向きは、可撓部１１１、１１４の各歪みゲージＲ１１〜Ｒ１４、Ｒ４１〜Ｒ４４の配列方向と直交するため（図１参照）、これらの歪みゲージＲ１１〜Ｒ１４、Ｒ４１〜Ｒ４４はほとんど歪みを検知しない。これに対して、可撓部１１２、１１３、１１５、１１６（図１参照）の各歪みゲージＲ２１〜Ｒ２４、Ｒ３１〜Ｒ３４、Ｒ５１〜Ｒ５４、Ｒ６１〜Ｒ６４は、力Ｆｙの向きと歪みゲージ配列の角度に応じて、ある程度の歪みを検知する。
【００３９】
（Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ）
フランジ２００にＹ軸回りのモーメントＭｙを加えた場合、可撓部１１２、１１３が固定部３００側に押し出されると共に、可撓部１１５、１１６は固定部３００側と反対方向に離隔するように変位する（図１参照）。この変位に応じて、歪みゲージＲ２１〜Ｒ２４、Ｒ３１〜Ｒ３４、Ｒ５１〜Ｒ５４、Ｒ６１〜Ｒ６４がそれぞれ変化する。これに対し、可撓部１１１、１１４はＹ軸上にあるので、歪みゲージＲ１１〜Ｒ１４、Ｒ４１〜Ｒ４４はあまり変化しない。
【００４０】
以上の検知動作を図１の歪みゲージＲ１１〜Ｒ６４に適用すると、各歪みゲージＲ１１〜Ｒ６４の抵抗値の変化は下記表１のようになる。ただし、抵抗値の増減（＋／−）のみ考慮し、変化の大きさは考慮していない。“＋”は引張歪みを検出し抵抗値が増加、“−”は圧縮歪みを検出し抵抗値が減少、“０”は歪みがほとんど発生せず抵抗値がほとんど変化しないことを示す。反対方向の力やモーメントの場合は、符号の＋／−が入れ替わる。
【００４１】
【表１】
2010014695.tif 000003
【００４２】
上記表１より、２４個の独立した変数と見なせる抵抗Ｒ１１〜Ｒ６４を利用して６軸の力及びモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを求めることができる。
【００４３】
図８は、各可撓部１１１〜１１６に構成された６個のブリッジ回路の回路図とそれらの位置関係を示した説明図である。図８に示すように、歪みゲージＲ１１〜Ｒ１４、Ｒ２１〜Ｒ２４、Ｒ３１〜Ｒ３４、Ｒ４１〜Ｒ４４、Ｒ５１〜Ｒ５４、Ｒ６１〜Ｒ６４は、各可撓部１１１〜１１６毎にブリッジ回路を構成するように配線されている。これらの歪みゲージのブリッジ回路は、空間的にＺ軸を中心として点対称に配置された関係であり、Ｘ軸及びＹ軸を中心に線対称に配置された関係となっている。
【００４４】
このように構成されたブリッジ回路に一定の電圧又は電流を印加すると、フランジ２００に作用する６軸の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚの大きさに応じて、可撓部１１１〜１１６に歪みが発生する。この歪みの発生に応じて、各歪みゲージの抵抗値が表１のように変化し、各節点の出力電圧Ｖ１１〜Ｖ６２が変化する。この性質を利用すれば、出力電圧Ｖ１１〜Ｖ６２を測定することにより、６軸の力及びモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを求めることができる。これが本実施形態における歪み検出の基本的原理である。なお、図９は、出力電圧Ｖ１１〜Ｖ６２のベクトル図を示している。
【００４５】
（６軸の力及びモーメントの演算方法について）
以下、ブリッジ回路の出力電圧Ｖ１１〜Ｖ６２に基づいて、６軸の力及びモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを算出する演算の内容を詳細に説明する。
【００４６】
まず、測定した各出力電圧Ｖ１１〜Ｖ６２について、可撓部１１１〜１１６ごとに電圧差（Ｖ１１−Ｖ１２）、（Ｖ２２−Ｖ２１）、・・・、（Ｖ６２−Ｖ６１）を求め、求めた各電圧差に対して、以下の式（１）に示すように適当な方法で増幅演算を行い、出力Ｖ１〜Ｖ６を算出する。
【００４７】
【数１】
2010014695.tif 000004
【００４８】
なお、式（１）中の出力Ｖ１、Ｖ３、Ｖ５と、出力Ｖ２、Ｖ４、Ｖ６とで、電圧差の求め方が反対になっているのは、力Ｆｘによる変化とモーメントＭｚによる変化の方向を一致させないように識別するためである。
【００４９】
次に、本装置に特別な治具を用いてＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚのうち一つの力あるいはモーメントを順に加え、６軸の力及びモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚと６つの出力Ｖ１〜Ｖ６の関係を表す係数である特性行列[Ａ]を演算する。このような演算は、以下の式（２）にしたがって行われる。
【００５０】
【数２】
2010014695.tif 000005
【００５１】
なお、式（２）中の[Ａ]は、６行６列の特性行列を示している。
【００５２】
さらに、この式（２）の両辺左側から[Ａ]の逆行列[Ａ]-1を掛けると、以下の式（３）に示すように、６軸の力及びモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを求めることができる。
【００５３】
【数３】
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【００５４】
（６軸の力及びモーメントに発生する各誤差成分について）
次に、６軸の力及びモーメントに発生する各誤差成分について、特許文献１に開示された従来例と本発明とを比較する。なお、ここでは、各出力Ｖ１〜Ｖ６がノイズ等により受ける誤差をδ１〜δ６とし、６軸の力及びモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚにそれぞれ発生する誤差をδＦｘ、δＦｙ、δＦｚ、δＭｘ、δＭｙ、δＭｚとした場合、以下の式（４）が成立する。
【００５５】
【数４】
2010014695.tif 000007
【００５６】
したがって、以下の式（５）に示すように、各誤差δＦｘ、δＦｙ、δＦｚ、δＭｘ、δＭｙ、δＭｚを求めることができる。
【００５７】
【数５】
2010014695.tif 000008
【００５８】
これに対して、従来例には、本発明の可撓部に相当する部分を４個とする例が開示されている。この従来例では、６軸の力及びモーメントを求める方法が本発明と異なり、各可撓部に配置したブリッジ回路８個分の出力を６個の中間的な変数にする中間処理を行って、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の成分に分割し、その和や差の演算により、６軸の力及びモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを求めようとしている。
【００５９】
従来例において、６軸の力及びモーメントＦｘ〜Ｍｚは、本発明の各出力Ｖ１〜Ｖ６に相当する信号であり、さらに正確に６軸の力及びモーメントＦｘ〜Ｍｚを求めるためには、上述した式（３）に相当する演算を要する。これらを前提として、以下では、本発明と従来例の誤差の影響を比較する。
【００６０】
ここでは、説明を簡単にするため、従来例中に開示された力Ｆｚの演算についてのみ考える。力Ｆｚは、各ブリッジ回路からの出力信号Ｘ２Ｐ、Ｘ２Ｎ、Ｘ４Ｐ、Ｘ４Ｎ、Ｙ１Ｐ、Ｙ１Ｎ、Ｙ３Ｐ、Ｙ３Ｎを用いた演算によって求められる。
【００６１】
具体的には、これらの出力信号Ｘ２Ｐ〜Ｙ３Ｎの各誤差をそれぞれδＸ２Ｐ〜δＹ３Ｎとした場合、力Ｆｚは、以下の式（６）で表すことができる。
【００６２】
【数６】
2010014695.tif 000009
【００６３】
この式（６）の右辺に示すように、第３項の（δＹ１Ｐ＋δＹ１Ｎ＋δＹ３Ｐ＋δＹ３Ｎ）と第４項の（δＸ２Ｐ＋δＸ２Ｎ＋δＸ４ＰＰ＋δＸ４Ｎ）との差分が誤差δＦｚとして蓄積される。
【００６４】
なお、その他の力及びモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚについても同様に、演算の変数の数に応じて誤差δＦｘ、δＦｙ、δＭｘ、δＭｙ、δＭｚが蓄積される。
【００６５】
これらの結果を、本発明と従来例とを比較するために、上述した式（５）に当てはめると、以下の式（７）に示す結果が得られる。
【００６６】
【数７】
2010014695.tif 000010
【００６７】
ノイズなどによりブリッジ回路出力に同等の誤差が発生するという仮定のもとで、上述した式（５）と式（７）とで、６軸の力及びモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚにそれぞれ発生する誤差成分を比較すると、明らかに、中間処理を伴う従来の演算結果（式（７））の方が、本発明の演算結果（式（５））と比べて誤差成分が大きい。
【００６８】
以上の考察より、本発明の演算方法では、各ブリッジ回路出力に対して従来例のような中間処理を行う必要がなく、直接特性行列（逆行列）を利用して、６軸の力及びモーメントを演算可能である。したがって、本発明の演算方法は、従来例に開示された演算方法のように中間処理を繰り返すことによる誤差が蓄積されることがないため、従来の演算方法よりも優れていると言える。
【００６９】
（第２実施形態）
以下では、本発明の第２施形態に係る６軸の力及びモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚの演算方法について詳細に説明する。この実施形態では、第１実施形態で説明した要素と同一の要素について同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００７０】
（６軸の力及びモーメントの演算方法について）
この実施形態では、図１に示した可撓部１１１〜１１６にそれぞれ設けた４個の歪みゲージのうち、２個の歪みゲージＲ１１、Ｒ１２、Ｒ２３、Ｒ２４、Ｒ３１、Ｒ３２、Ｒ４３、Ｒ４４、Ｒ５１、Ｒ５２、Ｒ６３、Ｒ６４を利用したハーフブリッジ回路を構成し、このハーフブリッジ回路の出力電圧Ｖ１１、Ｖ２２、Ｖ３１、Ｖ４２、Ｖ５１、Ｖ６２だけを利用して、６軸の力及びモーメントを算出する点で、先に述べた第１実施形態に係る６軸の力及びモーメントの演算方法と相違する。なお、図１０は、出力電圧Ｖ１１、Ｖ２２、Ｖ３１、Ｖ４２、Ｖ５１、Ｖ６２のベクトル図を示している。
【００７１】
この実施形態では、以下の式（８）に示すように、測定した各出力電圧Ｖ１１、Ｖ２２、Ｖ３１、Ｖ４２、Ｖ５１、Ｖ６２に対して適当な方法で増幅演算を行い、出力Ｖ１〜Ｖ６を算出する。そして、このように算出した出力Ｖ１〜Ｖ６を利用すれば、上述した式（２）、（３）に従い、第１実施形態と同様に、６軸の力及びモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを求めることができる。
【００７２】
【数８】
2010014695.tif 000011
【００７３】
そして、このように算出した出力Ｖ１〜Ｖ６を利用すれば、上述した式（２）、（３）に従い、第１実施形態と同様に、６軸の力及びモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを求めることができる。なお、第２実施形態では、ハーフブリッジ回路の出力電圧Ｖ１１、Ｖ２２、Ｖ３１、Ｖ４２、Ｖ５１、Ｖ６２を利用して、６軸の力及びモーメントを求める例について述べたが、ハーフブリッジ回路の出力電圧Ｖ１２、Ｖ２１、Ｖ３２、Ｖ４１、Ｖ５２、Ｖ６１を利用しても同様に、６軸の力及びモーメントを求めることができる。
【００７４】
また、第２実施形態では、出力電圧Ｖ１１、Ｖ２２、Ｖ３１、Ｖ４２、Ｖ５１、Ｖ６２と、出力電圧Ｖ１２、Ｖ２１、Ｖ３２、Ｖ４１、Ｖ５２、Ｖ６１との両方の回路を並列して利用すれば、信号の二重化を容易に実現できる。
【００７５】
（第３実施形態）
以下では、本発明の第３施形態に係る６軸の力及びモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚの演算方法について詳細に説明する。この実施形態では、第１実施形態で説明した要素と同一の要素について同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００７６】
（６軸の力及びモーメントの演算方法について）
この実施形態では、歪みゲージＲ１１〜Ｒ１４、Ｒ３１〜Ｒ３４、Ｒ５１〜Ｒ５４を第１グループ、歪みゲージＲ２１〜Ｒ２４、Ｒ４１〜Ｒ４４、Ｒ６１〜Ｒ６４を第２グループとして、グループ分けした各歪みゲージの出力電圧に基づいて、６軸の力及びモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを算出する点で、先に述べた第１実施形態に係る６軸の力及びモーメントの演算方法と相違する。なお、この実施形態では、６軸の力及びモーメントの演算方法として２通りの演算を例示する。第１の演算は、演算内容が簡易で取り扱いが容易であり、第２の演算は、演算内容が複雑であるが検出精度に優れる。まず、第１の演算について説明し、次いで、第２の演算を説明する。
【００７７】
（第１の演算）
まず、適宜の治具を用いて、６軸の力及びモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚのうち一つずつを単独で６軸センサ１に対して加えてゆき、６軸の力及びモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚと、第１グループの６つの出力電圧Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ３１、Ｖ３２、Ｖ５１、Ｖ５２と、の関係を表す係数である特性行列［Ａ１］を求める。同様に、６軸の力及びモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚと、第２グループの６つの出力電圧Ｖ２１、Ｖ２２、Ｖ４１、Ｖ４２、Ｖ６１、Ｖ６２と、の関係を表す係数である特性行列［Ａ２］を求める。これらを数式で表すと、以下の式（９）、（１０）となる。ただし、［Ａ１］及び［Ａ２］は、６行６列の特性行列である。
【００７８】
【数９】
2010014695.tif 000012
【００７９】
【数１０】
2010014695.tif 000013
【００８０】
上記式（９）、（１０）に、上記特性行列の逆行列を左側からかけると、以下の式（１１）、（１２）となる。
【００８１】
【数１１】
2010014695.tif 000014
【００８２】
【数１２】
2010014695.tif 000015
【００８３】
ここで、上記式（１１）により求めた６軸の力及びモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚと、上記式（１２）により求めた６軸の力及びモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚは、計算過程が異なるので、以下の式（１３）、（１４）のように添え字を付して区別する。
【００８４】
【数１３】
2010014695.tif 000016
【００８５】
【数１４】
2010014695.tif 000017
【００８６】
なお、上記の式（１３）、（１４）を以下では、干渉除去演算と称する。
【００８７】
上記の式（１３）、（１４）により、第１グループに係る６軸の力及びモーメントＦｘ１〜Ｍｚ１と、第２グループに係る６軸の力及びモーメントＦｘ２〜Ｍｚ２とを求めることができる。なお、歪みゲージの特性上、上記の出力電圧Ｖ１１〜Ｖ６２の電圧変化は微少であるから、これらの出力電圧を例えばＯＰアンプなどの増幅器に入力して信号を適宜に拡大する。
【００８８】
そして、第１グループに係る６軸の力及びモーメントＦｘ１〜Ｍｚ１と、第２グループに係る６軸の力及びモーメントＦｘ２〜Ｍｚ２と、に基づいて、６軸センサ１の出力として６軸の力及びモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを算出する。具体的には、第１グループに係る６軸の力及びモーメントＦｘ１〜Ｍｚ１と、第２グループに係る６軸の力及びモーメントＦｘ２〜Ｍｚ２との平均値を算出し、この平均値を、６軸センサ１の出力に係る６軸の力及びモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚとする。
【００８９】
（第２の演算）
上述の第１の演算では、６つのブリッジ回路の出力電圧を単純に増幅して６軸の力及びモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを求める手順であった。これに対し、第２の演算では、６つのブリッジ回路の出力電圧を、６軸の力情報に近い中間的な変数に予め変換してから上記の干渉除去演算を行うこととしている。これによれば、６軸の力及びモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚの検出感度を向上できる。以下、この第２の演算を詳細に説明する。
【００９０】
まず、上記の表１より、第１グループに属する歪みゲージの抵抗値を利用して、上記の中間的な変数Ｆｘ１０、Ｆｙ１０、Ｆｚ１０、Ｍｘ１０、Ｍｙ１０、Ｍｚ１０を以下の式（１５）のようにして求める。
【００９１】
【数１５】
2010014695.tif 000018
【００９２】
同様に、上記の表１より、第２グループに属する歪みゲージの抵抗値を利用して、上記の中間的な変数Ｆｘ２０、Ｆｙ２０、Ｆｚ２０、Ｍｘ２０、Ｍｙ２０、Ｍｚ２０を以下の式（１６）のようにして求める。
【００９３】
【数１６】
2010014695.tif 000019
【００９４】
上記式（１５）、（１６）の演算は、各歪みゲージの抵抗値を直接測定して行ってもよく、適当な手段（ブリッジ回路）を用いて抵抗値を電圧値又は電流値に変換して行ってもよい。また、抵抗値や電圧値、電流値などのアナログ信号をＡ／Ｄ変換器を用いてデジタル信号に変換し、その後に上記式（１５）、（１６）の演算を行ってもよい。Ａ／Ｄ変換器を用いてデジタル信号とした上で上記の各演算を行う場合は、例えばマイクロコンピュータや汎用ＰＣなどを用いることが好ましい。
【００９５】
ここで、上記式（１５）、（１６）内の抵抗値の差である（Ｒｎ１−Ｒｎ２）や（Ｒｎ３−Ｒｎ４）（ただし、ｎ＝１〜６）に着目すると、各抵抗付近の可撓部１１１〜１１６と連結体１２１〜１２６の傾き具合を表しているとも言える。すなわち、可撓部１１１〜１１６と連結体１２１〜１２６の傾き具合による第１グループと第２グループの隣接する２個の歪みゲージの抵抗値の差を検出することにより、各グループ毎の６軸の力及びモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを求めることができる。実際には、上記式（１５）、（１６）の抵抗値を直接測定して演算するよりも、図８に示されるハーフブリッジを構成し、各ブリッジ回路の出力電圧Ｖ１１〜Ｖ６２に基づいて各グループ毎の６軸の力及びモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを算出する方が容易であり且つ演算の本質を失わないので以下にその方法を説明する。
【００９６】
図１１及び図１２は、ブリッジ回路の出力電圧を示すベクトル図である。すなわち、フランジ２００に対して平行な力を加えた場合、出力電圧Ｖ１１〜Ｖ６２の変化量（感度）は、歪みゲージの配列方向が最大となることと変化の方向（増減）を考慮すると、出力電圧Ｖ１１〜Ｖ６２のベクトル図は、図１１及び図１２に示す通りとなる。したがって、可撓部１１１〜１１６に作用するフランジ２００と平行な力の成分は、以下の式（１７）で表すことができる。
【００９７】
【数１７】
2010014695.tif 000020
【００９８】
一方、フランジ２００に対して垂直な力を加えた場合、出力電圧Ｖ１１〜Ｖ６２の変化の方向（増減）は同じとなる。したがって、可撓部１１１〜１１６に作用するフランジ２００に対して垂直な力の成分は、以下の式（１８）で表すことができる。
【００９９】
【数１８】
2010014695.tif 000021
【０１００】
６軸の力及びモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚのうち力Ｆｘ、Ｆｙ、モーメントＭｚはフランジ２００に対して平行な成分の力しか加わらないので、上記式（１５）のＦｘ１０、Ｆｙ１０、Ｍｚ１０及び上記式（１６）の力Ｆｘ２０、Ｆｙ２０、モーメントＭｚ２０は、上記式（１７）の出力電圧で、一方、力Ｆｚ、モーメントＭｘ、Ｍｙはフランジ２００に対して垂直な成分の力しか加わらないので、上記式（１５）のＦｚ１０、Ｍｘ１０、Ｍｙ１０及び上記式（１６）の力Ｆｚ２０、モーメントＭｘ２０、Ｍｙ２０は、上記式（１０）の出力電圧で置き換えることができる。
【０１０１】
したがって、第１グループの上記式（１５）については、以下の式（１９）に書き直すことができる。
【０１０２】
【数１９】
2010014695.tif 000022
【０１０３】
同様に、第２グループの上記式（１６）については、以下の式（２０）に書き直すことができる。
【０１０４】
【数２０】
2010014695.tif 000023
【０１０５】
ここで、上記式（１３）のＶ１１に上記式（１９）のＦｘ１０を代入する如く以下の式（２１）を適用すると、上記の式（１３）、（１４）により、第１グループに係る６軸の力及びモーメントＦｘ１〜Ｍｚ１と、第２グループに係る６軸の力及びモーメントＦｘ２〜Ｍｚ２とを求めることができる。
【０１０６】
【数２１】
2010014695.tif 000024
【０１０７】
ここで、注目すべき点は、上記式（１９）、（２０）は、出力電圧Ｖ１１〜Ｖ６２の多数項の加減算式であり、第１の演算と比較して、感度が高くなることである。
【０１０８】
そして、第１グループに係る６軸の力及びモーメントＦｘ１〜Ｍｚ１と、第２グループに係る６軸の力及びモーメントＦｘ２〜Ｍｚ２と、に基づいて、６軸センサ１の出力として６軸の力及びモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを算出する。具体的には、第１グループに係る６軸の力及びモーメントＦｘ１〜Ｍｚ１と、第２グループに係る６軸の力及びモーメントＦｘ２〜Ｍｚ２との平均値を算出し、この平均値を、６軸センサ１の出力に係る６軸の力及びモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚとする。
【０１０９】
以上では、ブリッジ回路の出力である電圧Ｖ１１〜Ｖ６２に基づいて、６軸の力及びモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを算出する演算を２通り説明した。
【０１１０】
次に、６軸の力及びモーメントを２系統（すなわち、Ｆｘ１〜Ｍｚ１とＦｘ２〜Ｍｚ２）を得ることと、測定精度との関係について説明する。
【０１１１】
まず、基本的には、Ｆｘ１〜Ｍｚ１とＦｘ２〜Ｍｚ２は等しいはずである。しかし、実際には６軸の力及びモーメントを全て一致させることは難しい。特に実際の使用条件では、大抵６軸のうち２軸以上の力やモーメントが同時に加わる複合力が作用し、６行６列の特性行列［Ａ１］、［Ａ２］を求めた単軸での負荷条件とは異なるので、いわゆる複合力誤差が大きくなり、Ｆｘ１〜Ｍｚ１と、Ｆｘ２〜Ｍｚ２と、の夫々に誤差が発生する結果、Ｆｘ１〜Ｍｚ１とＦｘ２〜Ｍｚ２は一致し難くなる。
【０１１２】
上記の問題点を、以下、図１３及び図１４を参照して、具体的に説明する。図１３は、複合力誤差の有無を検証するための試験機の概略図である。図１４は、複合力誤差の検証結果を示すグラフである。図１３に示される６軸センサは、特許文献１（特開２００８−９６２３０号公報）の図１２に示される６軸センサと同一物であり、図示されるように６軸センサのＺ軸が水平となるように保持しながらＺ軸を中心に回転させた。その出力特性のテスト結果が図１４である。
【０１１３】
図１３では、６軸センサに４１７ｇのおもりが上記実施形態に係るフランジ２００に相当する部分に固定されている。原理的には、６軸センサのＺ軸回転位相に対応して力成分のＦｘ、Ｆｙとモーメント成分のＭｘ、Ｍｙは相当の感度があり変化するが、力ＦｚとモーメントＭｚは出力変化がゼロのはずである。しかし、実際には、図１４に示されるように少しではあるが、力ＦｚとモーメントＭｚの出力は、Ｚ軸回転位相に対応して変化している。これは、起歪体構造が、空間的にＺ軸を中心として１２０°の点対称だけであり、Ｘ軸を中心に線対称でもないため、図１３のようにＺ軸を中心に回転させると起歪体の剛性が変化するためである。要するに、起歪体構造が対称性に乏しいため、複合力誤差が発生するのである。
【０１１４】
一方、上記実施形態に係る６軸センサ１の起歪体は、Ｚ軸を中心として６０°、１２０°、１８０°点対象であり、Ｘ軸及びＹ軸に関して線対称でもあり、よって、ほぼ完全な対称である。したがって、図１３のような検証をした場合、図１４のように本来変化してはいけない力ＦｚとモーメントＭｚの出力が、Ｚ軸回転位相に対応して変化する度合いを小さくできる効果がある。
【０１１５】
そして、さらに、６軸の力及びモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを検出するための歪みゲージＲ１１〜Ｒ１４、Ｒ３１〜Ｒ３４、Ｒ５１〜Ｒ５４と、歪みゲージＲ２１〜Ｒ２４、Ｒ４１〜Ｒ４４、Ｒ６１〜Ｒ６４と、はＺ軸を中心に１８０°対称に配置されている。したがって、下記式（２２）のように２系統の力及びモーメントＦｘ１〜Ｍｚ１、Ｆｘ２〜Ｍｚ２の平均値を求めれば、歪みゲージ位置の対称性により複合力誤差が相殺され、より正確な６軸の力及びモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを求めることができる。
【０１１６】
【数２２】
2010014695.tif 000025
【０１１７】
次に、図１５に基づいて、上記実施形態に係る６軸センサ１がマイクロコンピュータを
用いて具体化された構成を例示する。図１５は、６軸センサのブロック図である。
【０１１８】
図１５に示されるように、第１グループのブリッジ回路（図８を併せて参照）の微小な出力電圧は、適宜の増幅器１０を用いて増幅された後、マイクロコンピュータ９のＡ／Ｄ変換端子に入力される。同様に、第２グループのブリッジ回路（図８を併せて参照）の微小な出力電圧も、適宜の増幅器１１を用いて増幅された後、マイクロコンピュータ９のＡ／Ｄ変換端子に入力される。
【０１１９】
マイクロコンピュータ９は、図示されるＡ／Ｄ変換器１２、１３と、干渉除去演算部１４（第１力モーメント演算手段）と、干渉除去演算部１５（第２力モーメント演算手段）と、出力演算部１６（出力演算手段）と、判定部１７（判定手段）と、異常処理実行部１８（異常処理実行手段）とを有する。
【０１２０】
さらに、マイクロコンピュータ９は、図略のＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）とを備える。マイクロコンピュータ９の上記ＲＯＭには、上記ＣＰＵを、干渉除去演算部１４、干渉除去演算部１５、出力演算部１６、判定部１７、異常処理実行部１８として機能させるプログラムが記憶されている。そして、このプログラムが上記ＣＰＵに読み込まれて実行されることで、マイクロコンピュータ９が、干渉除去演算部１４などとして機能するようになっている。
【０１２１】
上記のＡ／Ｄ変換器１２は、増幅器１０によって増幅された各ブリッジ回路の出力電圧をデジタル信号に変換する。Ａ／Ｄ変換器１３も同様である。
【０１２２】
干渉除去演算部１４は、第１グループの出力結果（出力電圧）に基づいて、６軸の力及びモーメントＦｘ１〜Ｍｚ１を求める。干渉除去演算部１５は、第２グループの出力結果（出力電圧）に基づいて、６軸の力及びモーメントＦｘ２〜Ｍｚ２を求める。
【０１２３】
出力演算部１６は、干渉除去演算部１４によって求められた第１グループの６軸の力及びモーメントＦｘ１〜Ｍｚ１と、干渉除去演算部１５によって求められた第２グループの６軸の力及びモーメントＦｘ２〜Ｍｚ２と、に基づいて、６軸センサ１の出力としての６軸の力及びモーメントＦｘ〜Ｍｚを算出する。具体的には、Ｆｘ１〜Ｍｚ１と、Ｆｘ２〜Ｍｚ２と、の平均値を算出し、この平均値を、６軸センサ１の出力に係る６軸の力及びモーメントＦｘ〜Ｍｚとする。この出力演算部１６の演算結果は、図略の制御機器へと送信されるようになっている。
【０１２４】
判定部１７は、干渉除去演算部１４に係る前記の力及びモーメントＦｘ１〜Ｍｚ１と、干渉除去演算部１５に係る前記の力及びモーメントＦｘ２〜Ｍｚ２と、を比較して両者に所定量以上の開きがあるかを判定する。所定量は、例えば、干渉除去演算部１４や干渉除去演算部１５の演算結果の数％などとして設定すればよい。
【０１２５】
異常処理実行部１８は、上記の両者に所定量以上の開きがあると判定部１７が判定した場合は、所定の異常処理を実行する。「所定の異常処理」としては、例えば、図略の警告ランプを点滅させたり、警告ブザーを鳴らしたりすることが好適である。
【０１２６】
次に、６軸センサ１の作動を説明する。まず、６軸センサ１の第１グループの各ブリッジ（図８を併せて参照）の微小な出力電圧Ｖ１１〜Ｖ５２は、増幅器１０が適宜に増幅した後、Ａ／Ｄ変換器１２がデジタル信号に変換する。次に、干渉除去演算部１４は、上記式（１３）に基づく干渉除去演算を実行することで、上記の出力電圧Ｖ１１〜Ｖ５２に基づいてＦｘ１〜Ｍｚ１を求める。
【０１２７】
同様に、６軸センサ１の第２グループの各ブリッジ（図８を併せて参照）の微小な出力電圧Ｖ２１〜Ｖ６２は、増幅器１１が適宜に増幅した後、Ａ／Ｄ変換器１３がデジタル信号に変換する。次に、干渉除去演算部１５は、上記式（１４）に基づく干渉除去演算を実行することで、上記の出力電圧Ｖ２１〜Ｖ６２に基づいてＦｘ２〜Ｍｚ２を求める。
【０１２８】
次に、判定部１７は、Ｆｘ１とＦｘ２を比較し、例えば（Ｆｘ１−Ｆｘ２）の絶対値がＦｘ１の５％である閾値を下回っているか否かを判定する。Ｆｙ１とＦｙ２、Ｆｚ１とＦｚ２・・・についても、判定部１７は同様に判定する。そして、何れの比較においても上記絶対値が上記閾値を下回っていると判定部１７が判定した場合は、出力演算部１６が、Ｆｘ１とＦｘ２、Ｆｙ１とＦｙ２、・・・を上記式（２２）に示されるように平均化し、その平均値を、６軸センサ１の６軸の力及びモーメントＦｘ〜Ｍｚとして図略の制御機器
へ送信する。
【０１２９】
一方、上記比較のうち何れかの比較において、上記絶対値が上記閾値を下回っていないと判定部１７が判定した場合は、異常処理実行部１８が、例えばシステムの稼動を停止させたり、警告ランプを点滅させるなどの異常処理を実行する。
【０１３０】
以上説明したように、上記実施形態において６軸センサ１は、以下のように構成される。すなわち、６軸センサ１は、複数の歪みゲージ（歪検出素子）が配置された可撓部１１１〜１１６（第１可撓部）を有するフランジ１００（第１部材）と、前記可撓部１１１〜１１６に対向する可撓部２１１〜２１６（第２可撓部）を有するフランジ２００（第２部材）と、前記のフランジ１００とフランジ２００とを連結する連結体１２１〜１２６、２２１〜２２６とを備える。
【０１３１】
前記複数の歪みゲージ（例えば、歪みゲージＲ１１〜１４）、前記可撓部（例えば可撓部１１１）、前記第２可撓部（例えば可撓部２１１）及び前記連結体（例えば連結体１２１、２２１）から成る組は、図１に示されるように、円弧上で等間隔となるように６組で配置される。
【０１３２】
６軸センサ１は、前記複数の組のうち一つ飛ばしで選出される組からの出力結果に基づいて６軸の力及びモーメントを求める干渉除去演算部１４（第１力モーメント演算手段）と、前記複数の組のうち残りの組からの出力結果に基づいて６軸の力及びモーメントを求める干渉除去演算部１５（第２力モーメント演算手段）と、前記干渉除去演算部１４によって求められた前記６軸の力及びモーメントと、前記干渉除去演算部１５によって求められた前記６軸の力及びモーメントと、に基づいて、前記６軸センサ１の出力としての前記６軸の力及びモーメントを算出する、出力演算部１６（出力演算手段）と、をさらに備える。以上の構成によれば、前者の組に属する前記の歪みゲージ（Ｒ１１〜１４、Ｒ３１〜３４、Ｒ５１〜５４）と、後者の組に属する前記の歪みゲージ（Ｒ２１〜２４、Ｒ４１〜４４、Ｒ６１〜６４）と、の間の対称性の存在により、前述の複合力誤差が緩和される。
【０１３３】
上記の６軸センサ１は、さらに以下のように構成される。すなわち、前記出力演算部１６は、前記干渉除去演算部１４に係る前記の力及びモーメントと、前記干渉除去演算部１５に係る前記の力及びモーメントと、の平均値を算出し、この平均値を、前記６軸センサ１の出力に係る前記の力及びモーメントとする。以上の構成によれば、前者の組に属する前記の歪みゲージ（Ｒ１１〜１４、Ｒ３１〜３４、Ｒ５１〜５４）と、後者の組に属する前記の歪みゲージ（Ｒ２１〜２４、Ｒ４１〜４４、Ｒ６１〜６４）との間の対称性の存在により、前述の複合力誤差が強力に相殺される。
【０１３４】
上記の６軸センサ１は、さらに以下のように構成される。すなわち、６軸センサ１は、前記干渉除去演算部１４に係る前記の力及びモーメントと、前記干渉除去演算部１５に係る前記の力及びモーメントと、を比較して両者に所定量以上の開きがあるかを判定する判定部１７（判定手段）と、両者に所定量以上の開きがあると前記判定部１７が判定した場合は、所定の異常処理を実行する異常処理実行部１８（異常処理実行手段）とを備える。以上の構成によれば、前記歪みゲージ（Ｒ１１〜６４）の故障を検出できるので、前記６軸センサ１の信頼性が向上する。
【０１３５】
上記の６軸センサ１は、さらに以下のように構成される。すなわち、前記組は６組で配置される。以上の構成によれば、構成が簡素であるから、製造コストを抑えられる。
【０１３６】
上記の６軸センサ１は、全ての歪みゲージを平坦な一平面に配置するだけなので、一般的に手作業で労力を要する歪みゲージの貼り付け作業を容易に実現でき、高い生産性を確保できる。
【０１３７】
なお、付言するならば、上記実施形態に係る６軸センサ１は、上記特許文献１の図１２に示される構成と比較して、連結体を２倍以上備える。これにより、各可撓部あたりの歪み量が小さくなるので、６軸の力及びモーメントＦｘ〜Ｍｚの測定レンジが広がることとなる。
【０１３８】
以上に、本願発明の好適な実施形態を説明したが、上記実施形態は以下のようにして変更できる。
【０１３９】
すなわち、上記実施形態において６軸センサ１には、フランジ１００とフランジ２００に対となる可撓部を６組設けるとした。しかし、これに限定されることはなく、例えば、上記のフランジ１００とフランジ２００に、対となる可撓部をＺ軸を中心として等間隔、等角度で２ｍ（ただし、ｍは３以上の整数）個、設ける構成が考えられる。この構成でも、２系統の６軸の力及びモーメントＦｘ１〜Ｍｚ１、Ｆｘ２〜Ｍｚ２を検出できる。
【０１４０】
以下、上記の変形例において、ｍ＝４とした場合の６軸センサ１の作動を簡単に説明する。すなわち、斯かる場合、複数の歪みゲージから構成されるハーフブリッジ回路は１６個となり、この１６個のハーフブリッジ回路から１６個の出力電圧が得られる。この１６個の出力電圧に基づいて、上記式（１９）、（２０）の要領で中間的な信号であるＦｘ１０〜Ｍｚ１０、Ｆｘ２０〜Ｍｚ２０を求める。さらに、このＦｘ１０〜Ｍｚ１０をＶ１１〜Ｖ５２と、同じくＦｘ２０〜Ｍｚ２０をＶ２１〜Ｖ６２として、上記式（１３）、（１４）、（２２）にしたがって、６軸センサ１の出力としての６軸の力及びモーメントＦｘ〜Ｍｚを算出する。
【０１４１】
このように前記組が８組で配置されると以下のような効果を奏する。すなわち、前記６軸センサ１が、Ｚ軸を中心として２２．５°、６７．５°、１１２．５°、１５７．５°の点対称であってＸ軸及びＹ軸に関して線対称となり、一層優れた対称性を呈する。したがって、複合力誤差の一態様を一層低減することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１４２】
本発明を利用すれば、従来技術に比して複合力誤差を緩和すると共に、６軸の力及びモーメントを精度良く検出可能な多軸センサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１４３】
【図１】各可撓部の配置を描いた平面図である。
【図２】図１に示すＡ−Ａ線の矢視断面図である。
【図３】図１に示すＢ−Ｂ線の矢視断面図である。
【図４】フランジに力やモーメントを加えた場合の歪みの検知動作を示す説明図である。
【図５】フランジに力やモーメントを加えた場合の歪みの検知動作を示す説明図である。
【図６】フランジに力やモーメントを加えた場合の歪みの検知動作を示す説明図である。
【図７】フランジに力やモーメントを加えた場合の歪みの検知動作を示す説明図である。
【図８】各可撓部に構成された６個のブリッジ回路の回路図とそれらの位置関係を示した説明図である。
【図９】ブリッジ回路の出力電圧を示すベクトル図である。
【図１０】ブリッジ回路の出力電圧を示すベクトル図である。
【図１１】ブリッジ回路の出力電圧を示すベクトル図である。
【図１２】ブリッジ回路の出力電圧を示すベクトル図である。
【図１３】複合力誤差の有無を検証するための試験機の概略図である。
【図１４】複合力誤差の検証結果を示すグラフである。
【図１５】６軸センサのブロック図である。
【符号の説明】
【０１４４】
１  ６軸センサ（多軸センサ）
１４  干渉除去演算部
１５  干渉除去演算部
１６  出力演算部
１７  判定部
１８  異常処理実行部
１００  フランジ（第１部材）
１１１〜１１６  可撓部（第１可撓部）
１２１〜１２６、２２１〜２２６  連結体
２００  フランジ（第２部材）
２１１〜２１６  可撓部（第２可撓部）
Ｒ１１〜Ｒ６４  歪みゲージ（力検出素子）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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