(57)【要約】【課題】  切削加工だけで製作可能な抵抗型センサを提供する。【解決手段】  抵抗型センサ１は、フランジ２と、フランジ３と、これらの間に配置された４つのアーチ状のビーム１０、２０、３０、４０を有している。各ビーム１０、２０、３０、４０は、センサの中心軸から離れるにしたがって隣り合う２つのビーム間の距離が広がるように配置されている。そして、各ビームの一端部が、Ｚ軸近傍において連続しており、一体に形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から加わった多軸の力、モーメント、加速度、角加速度の少なくとも１つを計測する抵抗型センサにおいて、
第１固定部と、
前記第１固定部に対向する第２固定部と、
前記第１固定部と前記第２固定部とを連結するように、それらと一体成形された連結部と、
前記第１固定部及び前記連結部に配置された複数の歪みゲージとを備えており、
前記連結部は、それぞれが貫通孔を有し且つ中心軸の周りに配置された複数の梁部を有しており、
前記複数の梁部は、前記中心軸から離れるにしたがって隣り合う２つの梁部間の距離が広がるように配置されていることを特徴とする抵抗型センサ。
【請求項２】
前記複数の梁部は、前記中心軸近傍において連続しており、一体に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の抵抗型センサ。
【請求項３】
前記複数の梁部は、前記中心軸の周りにおいて９０度おきに配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の抵抗型センサ。
【請求項４】
前記複数の梁部は、前記中心軸上を原点とするＸ軸およびＹ軸上の正方向および負方向にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項３に記載の抵抗型センサ。
【請求項５】
前記歪みゲージはピエゾ抵抗素子であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の抵抗型センサ。
【請求項６】
前記歪みゲージはフォトリソグラフィ技術またはスパッタリング技術により前記第１固定部及び前記連結部上に直接形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の抵抗型センサ。
【請求項７】
前記歪みゲージは感圧抵抗インクであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の抵抗型センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部から加わった多軸の力、モーメント、加速度、角速度の少なくとも１つを計測することができる抵抗型センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、図１４に示すように、一対の対向する円形プレートから成るフランジ５０２およびフランジ５０３と、これらフランジ５０２とフランジ５０３とを連結する環状のブリッジ要素５０８と、各ブリッジ要素５０８に取り付けられた複数の歪みゲージとを備えた力−モーメントセンサ５０１が開示されている。
【０００３】
このセンサ５０１では、ブリッジ要素５０８がフランジ５０２およびフランジ５０３に対して垂直に設けられている。そして、複数の歪みゲージは、ブリッジ要素５０８の外周面あるいは孔５０８ａの内面に接着により取り付けられている。従って、センサ５０１は、フランジ５０２とフランジ５０３との間に力やモーメントが加えられた場合に、各ブリッジ要素５０８の円環形状がどの方向にどれだけ歪むかを検知することによって、外部から加えられた力やモーメントを検出することができる。
【０００４】
【特許文献１】特開昭６３−７８０３２号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載のセンサ５０１では、フランジ５０２、フランジ５０３及びブリッジ要素５０８が一体に形成されているが、この構造は非常に複雑である。つまり、２つのフランジ５０２及びフランジ５０３は、それらの外周側端部で４つのブリッジ要素５０８により連結されていると共に、２つのフランジ間は中空に成っている。そのため、ワイヤカットを駆使して加工する必要があり、機械加工のコスト負担が大きい。また、この場合には、技術的制約のために、小さなサイズのセンサを製作できないという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、切削加工だけで製作可能な抵抗型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および発明の効果】
【０００７】
本発明の抵抗型センサは、外部から加わった多軸の力、モーメント、加速度、角加速度の少なくとも１つを計測する抵抗型センサにおいて、第１固定部と、前記第１固定部に対向する第２固定部と、前記第１固定部と前記第２固定部とを連結するように、それらと一体成形された連結部と、前記第１固定部及び前記連結部に配置された複数の歪みゲージとを備えており、前記連結部は、それぞれが貫通孔を有し且つ中心軸の周りに配置された複数の梁部を有しており、前記複数の梁部は、前記中心軸から離れるにしたがって隣り合う２つの梁部間の距離が広がるように配置されている。
【０００８】
この構成によると、中心軸から離れるにしたがって隣り合う２つの梁部間の距離が広がるように複数の梁部が配置されているので、第１固定部と第２固定部との間の連結部（複数の梁部）を、ワイヤカットを用いることなく、切削加工だけで製作することができる。従って、製造コストが低減可能であると共に、小さいサイズのセンサを容易に製作することができる。
【０００９】
本発明の抵抗型センサにおいて、前記複数の梁部は、前記中心軸近傍において連続しており、一体に形成されていてもよい。
【００１０】
この構成によると、複数の梁部のそれぞれの中心軸側の端部間に隙間が形成されないので、複数の梁部の切削加工が容易になる。
【００１１】
本発明の抵抗型センサにおいて、前記複数の梁部は、前記中心軸の周りにおいて９０度おきに配置されていてもよい。この構成によると、中心軸上の位置を原点とする直交座標のＸ軸およびＹ軸での力、モーメント、加速度、角加速度を容易に算出することができる。
【００１２】
本発明の抵抗型センサにおいて、前記複数の梁部は、前記中心軸上を原点とするＸ軸およびＹ軸上の正方向および負方向にそれぞれ配置されていてもよい。この構成によると、Ｘ軸およびＹ軸での力、モーメント、加速度、角加速度を極めて容易に算出することができる。
【００１３】
本発明の抵抗型センサにおいて、前記歪みゲージはピエゾ抵抗素子であってもよい。この構成によると、ピエゾ抵抗素子は箔歪みゲージに比べてゲージ率が１０倍以上大きいので、箔歪みゲージを利用する場合に比べて感度を１０倍以上大きくすることができる。
【００１４】
本発明の抵抗型センサにおいて、前記歪みゲージはフォトリソグラフィ技術またはスパッタリング技術により前記第１固定部及び前記連結部上に直接形成されていてもよい。この構成によると、歪みゲージを梁部などに貼り付ける手間が省けるので効率的に製造することができる。また、歪みゲージを薄膜化できるので、ゲージ抵抗値を大きくできる。しかも、薄い絶縁膜を介して直接母材に形成できるので、歪みゲージを接着剤を介して固定する場合と比較して、力を受けて発生する歪みを効率的に検出することができ、感度を大きくすることができる。つまり、ゲージ率を大きくすることができる。
【００１５】
本発明の抵抗型センサにおいて、前記歪みゲージは感圧抵抗インクであってもよい。この構成によると、印刷により同時に複数の歪みゲージを容易に設けることができるので、製造コストを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】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る抵抗型センサの斜視図である。
【００１７】
図１に示す抵抗型センサ１は、下端側のフランジ２と、上端側のフランジ３と、これらを連結する連結部５と、多数の歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８とを有している。フランジ２、フランジ３及び連結部５は一体に形成されている。この抵抗型センサ１は、３次元空間の直交する３軸の力とその軸回りのモーメントを測定するための６軸力覚センサである。なお、以下の説明では、図１において、抵抗型センサ１のフランジ２とフランジ３との間の中心位置が原点Ｏであり、原点Ｏを含む水平面がＸＹ平面となり、下方向をＺ軸正方向として説明する。
【００１８】
フランジ２及びフランジ３は、十分な剛性を有する円板状部材である。フランジ２の上面とフランジ３の下面とは、所定間隔だけ離隔して対向している。また、フランジ２及びフランジ３には、センサまたはツール等を固定するための４つのネジ穴２ａ、３ａがそれぞれ形成されている。
【００１９】
フランジ２とフランジ３との間に配置される連結部５は、４つのアーチ状のビーム（梁）１０、２０、３０、４０を有している。各ビーム１０、２０、３０、４０は、略五角形状の板状部材であって、センサの中心軸つまりＺ軸から離れるにしたがって隣り合う２つのビーム間の距離が広がるように配置されている。そして、各ビームの一端部が、Ｚ軸近傍において連続しており、一体に形成されている。また、各ビーム１０、２０、３０、４０は、原点Ｏを通るＸＹ平面に対してそれぞれ対称な形状になっている。
【００２０】
各ビーム１０、２０、３０、４０は、Ｚ軸の周りに９０度おきに配置されている。ここで、ビーム１０、３０はＸＺ平面上に配置されていると共に、ビーム２０、４０はＹＺ平面上に配置されている。また、ビーム１０はＸ軸正方向に対応し、ビーム３０はＸ軸負方向に対応し、ビーム２０はＹ軸正方向に対応し、ビーム４０はＹ軸負方向に対応している。
【００２１】
また、各ビーム１０、２０、３０、４０の中央部には、略半円形の貫通孔１１、２１、３１、４１がそれぞれ形成されている。そして、上述したように、各ビーム１０、２０、３０、４０のＺ軸と一致する一端部は共通であって、その一端部の中央部には切り欠き５０が形成されている。従って、４つの貫通孔１１、２１、３１、４１は切り欠き５０により連結された構成になっている。この切り欠き５０は、Ｚ軸方向の力がフランジ２またはフランジ３に加えられた場合に、これらがＺ軸方向に変位し易いように設けられている。
【００２２】
ここで、切り欠き５０の大きさは変更可能であるが、切り欠き５０の大きさを極力小さな隙間程度に設定すれば、Ｚ軸方向の大きな力がフランジ２またはフランジ３に加えられた場合に、切り欠き５０の切り口が互いに当接し、各ビームに過大な歪みが発生するのが抑制される。従って、各ビームや歪みゲージが破損するのを防止することができる。
【００２３】
なお、フランジ２、フランジ３及び連結部５は、ステンレス（ＳＵＳ）やアルミ等の金属材料から形成されていることが好ましいが、樹脂等で形成されていてもよい。
【００２４】
次に、抵抗型センサにおける歪みゲージの配置について、図２を参照して説明する。図２は、図１の抵抗型センサにおける歪みゲージの配置を描いた図である。なお、図２では、図２（ａ）が平面図を、図２（ｂ）〜図２（ｅ）がＸ軸正方向、Ｘ軸負方向、Ｙ軸正方向及びＹ軸負方向からの側面図をそれぞれ示している。
【００２５】
抵抗型センサ１は、図２に示すように、３２個の歪みゲージを有している。つまり、各ビームにそれぞれ６個ずつ２４個の歪みゲージが配置されており、フランジ２の上面に８個の歪みゲージが配置されている。歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８としては、金属箔歪みゲージや金属線歪みゲージが用いられる。歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８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検出素子である。歪みの発生により抵抗値が変化することにより、歪みεを測定することができる。一般には、引張りによる歪みεに対しては抵抗値が大きくなり、圧縮による歪みεに対しては抵抗値が小さくなる比例特性を持っている。また、通常は材料が歪みεに対して応力σが比例する弾性域で使用する。
【００２６】
歪みゲージＲ１１〜Ｒ１６は、図２（ｂ）に示すように、ビーム２０、４０のＸ軸正方向側の面に配置されている。歪みゲージＲ１２、Ｒ１３は、ビーム２０の垂直部であり且つＸＹ平面上に配置されている。ここで、歪みゲージＲ１２は垂直部の内側端部に配置されており、歪みゲージＲ１３は垂直部の外側端部に配置されている。また、歪みゲージＲ１４、Ｒ１５は、ビーム４０の垂直部であり且つＸＹ平面上に配置されている。ここで、歪みゲージＲ１４は垂直部の外側端部に配置されており、歪みゲージＲ１５は垂直部の内側端部に配置されている。
【００２７】
一方、歪みゲージＲ１１は、ビーム２０の斜め部であり且つＸＹ平面に対して４５度の方向に配置されている。ここで、歪みゲージＲ１１は斜め部の内側端部に配置されている。また、歪みゲージＲ１６は、ビーム４０の斜め部であり且つＸＹ平面に対して４５度の方向に配置されている。ここで、歪みゲージＲ１６は斜め部の内側端部に配置されている。
【００２８】
そして、歪みゲージＲ１７、Ｒ１８は、フランジ２の上面であり且つビーム１０近傍に配置されている。ここで、歪みゲージＲ１７はビーム１０のＹ軸負方向側であり、歪みゲージＲ１８はビーム１０のＹ軸正方向側である。また、フランジ２は十分な剛性を有しており、外部からフランジ３に力が加えられた場合でも、歪みはほとんど発生しない。そのため、歪みゲージＲ１７、Ｒ１８は任意の位置に設けても、力の検出には大きな影響を与えない。
【００２９】
なお、歪みゲージＲ２１〜Ｒ２８、Ｒ３１〜Ｒ３８、Ｒ４１〜Ｒ４８は、図２（ｃ）〜図２（ｄ）に示すように、歪みゲージＲ１１〜Ｒ１８と同様の位置に配置されているので、これらの配置の詳細な説明は省略する。
【００３０】
次に、各軸方向ごとに力とモーメントを検出する原理を説明する。以下、フランジ２を固定し、フランジ３に力やモーメントが作用するものとする。なお、図３〜図８では、歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８の変化を示し、（＋）は抵抗値の増加を、（−）は抵抗値の減少を示す。どちらの記号も無い歪みゲージは抵抗値の変化が殆ど無い。
【００３１】
図３に、Ｘ軸方向の力Ｆｘを点Ａに加えたときの状態を示す。このとき、ダイヤフラムの一部で歪みが検出される。また、図４に、Ｙ軸方向の力Ｆｙを点Ｂに加えたときの状態を示し、図５に、Ｚ軸方向の力Ｆｚを点Ｃに加えたときの状態を示す。
【００３２】
図６に、Ｘ軸のモーメントＭｘつまりＺ軸正方向の力Ｆを点Ｄに加えると共に、Ｚ軸負方向の力Ｆを点Ｅに加えたときの状態を示す。また、図７に、Ｙ軸のモーメントＭｙつまりＺ軸正方向の力Ｆを点Ｇに加えると共に、Ｚ軸負方向の力Ｆを点Ｈに加えたときの状態を示し、図８に、Ｚ軸のモーメントＭｚつまりＹ軸正方向の力Ｆを点Ｊに加えると共に、Ｙ軸負方向の力Ｆを点Ｋに加えたときの状態を示す。
【００３３】
ここで、表１に、各力およびモーメントに対する歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８の変化を示す。表１において、＋は抵抗値の増加、−は抵抗値の減少を示し、符号無しは抵抗値が殆ど変化しないことを示す。また、反対方向の力やモーメントの場合は符号が逆になる。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
以上の性質を利用して、数式１の演算を行うことにより各力およびモーメントを検出することができる。
【００３６】
【数１】
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【００３７】
この演算では各歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８が１回ずつ使用されるので無駄が無く、また電圧に変換してＯＰアンプで演算する場合に都合がよい。なお、演算方法は数式１に限られないのは勿論である。
【００３８】
また、数式１の演算は各抵抗値を既知あるいは新規の手段を用いて電圧に変換し、ＯＰアンプで演算してもよく、あるいはＡＤ変換器を用いてマイクロコントローラやコンピュータを用いて演算してもよい。
【００３９】
あるいは、図９に示すようにブリッジ回路を構成して定電圧または定電流を印加しても力およびモーメントを検出することができる。さらに、ハーフブリッジまたはクォーターブリッジを構成して歪みゲージの数を減らしても検出することができる。なお、歪みゲージの組み合わせは図９に示したものに限られないのは勿論である。
【００４０】
また、フランジ２の上面に配置される歪みゲージＲ１７、Ｒ１８、Ｒ２７、Ｒ２８、Ｒ３７、Ｒ３８、Ｒ４７、Ｒ４８は、固定抵抗に変更してもよい。この場合には、固定抵抗の抵抗値は歪みゲージの抵抗値と同じにするのが感度の点で好ましい。
【００４１】
以上説明したように、本実施の形態の抵抗型センサ１では、フランジ２とフランジ３との間に形成されるビーム１０、２０、３０、４０は、中心軸（Ｚ軸）から離れるにしたがって隣り合う２つのビーム間の距離が広がるように配置されているので、ワイヤカットを用いることなく、切削加工だけで製作することができる。従って、製造コストを低減可能であると共に、小さいサイズのセンサを容易に製作することができる。
【００４２】
次に、本発明の第２の実施の形態について、図１０を参照して説明する。第２の実施の形態は、抵抗型センサ１の構造としては第１の実施の形態と同様であるが、ブリッジの構成を変形している。図１０に示すように、各ブリッジは、各ビーム上の同じ面に配置された歪みゲージ及びフランジ２に配置された歪みゲージから、各ビームの歪みの発生状況が直接８個の電圧値として出力されるように構成されている。
【００４３】
この場合、数式２により演算を行って力とモーメントを算出することができる。
【００４４】
【数２】
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【００４５】
数式２の演算は各抵抗値を既知あるいは新規の手段を用いて電圧に変換し、ＯＰアンプで演算してもよく、あるいはＡＤ変換器を用いてマイクロコントローラやコンピュータを用いて演算してもよい。
【００４６】
次に、本発明の第３の実施の形態について、図１１〜図１３を参照して説明する。図１１は、本発明の第３の実施の形態に係る抵抗型センサの斜視図である。図１２は、図１１の抵抗型センサにおける歪みゲージの配置を描いた図である。なお、図１２では、図１２（ａ）が平面図を、図１２（ｂ）及び図１２（ｃ）がＸ軸正方向及びＹ軸正方向からの側面図をそれぞれ示している。図１３は、図１１の抵抗型センサにおける検出回路を示す図である。
【００４７】
図１１に示す抵抗型センサ１０１が、図１に示す抵抗型センサ１と大きく異なる点は、抵抗型センサ１では歪みゲージが各ビームの側面（平面部）に配置されていたのに対し、抵抗型センサ１０１では歪みゲージが各ビームの貫通孔の内部曲面に配置されている点である。
【００４８】
ここで、抵抗型センサ１０１は、１６個の歪みゲージを有しており、抵抗型センサ１よりも歪みゲージの枚数が少ない。そのため、抵抗型センサ１０１では、検出可能な力の成分は、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚの３軸に限定されている。
【００４９】
以上、本発明の好適な一実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。例えば、上述の実施の形態では、各ビームの外側形状は略五角形であるが、それらの形状は変更することができる。従って、各ビームの形状は円弧状であってもよい。
【００５０】
また、上述の実施の形態では、４つのビームがＺ軸の周りにおいて９０度おきに配置されているが、複数のビームがＺ軸から離れるにしたがって隣り合う２つのビーム間の距離が広がるように配置されていればよく、例えば３つのビームがＺ軸の周りにおいて１２０度おきに配置されていてもよい。
【００５１】
また、上述の実施の形態では、４つのビームの一端部が、Ｚ軸近傍において連続しており、一体に形成されているが、４つのビームは互いに離隔するように配置されていてもよい。つまり、この場合は、４つのビームのそれぞれのＺ軸側の端部間に隙間が形成される。
【００５２】
また、上述の実施の形態では、抵抗型センサ１では検出可能な力の成分は６軸であり、抵抗型センサ１０１では検出可能な力の成分は３軸であるが、これらに限定されず、複数の力の成分を検出可能なセンサであれば、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００５３】
また、上述の実施の形態では、金属箔歪みゲージや金属線歪みゲージを用いているが、歪みゲージがフォトリソグラフィ技術またはスパッタリング技術によりフランジ及び各ビーム上に直接形成されていてもよい。また、歪みゲージの代わりに、ピエゾ抵抗素子または感圧抵抗インクで構成されたものを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る抵抗型センサの斜視図である。
【図２】図１の抵抗型センサにおける歪みゲージの配置を描いた図である。
【図３】Ｘ軸方向の力Ｆｘが加えられた場合の各歪みゲージの変化を示す図である。
【図４】Ｙ軸方向の力Ｆｙが加えられた場合の各歪みゲージの変化を示す図である。
【図５】Ｚ軸方向の力Ｆｚが加えられた場合の各歪みゲージの変化を示す図である。
【図６】Ｘ軸のモーメントＭｘが加えられた場合の各歪みゲージの変化を示す図である。
【図７】Ｙ軸のモーメントＭｙが加えられた場合の各歪みゲージの変化を示す図である。
【図８】Ｚ軸のモーメントＭｚが加えられた場合の各歪みゲージの変化を示す図である。
【図９】図１の抵抗型センサにおける検出回路を示す図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態に係る抵抗型センサにおける検出回路を示す図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態に係る抵抗型センサの斜視図である。
【図１２】図１１の抵抗型センサにおける歪みゲージの配置を描いた図である。
【図１３】図１１の抵抗型センサにおける検出回路を示す図である。
【図１４】従来の抵抗型センサを描いた斜視図である。
【符号の説明】
【００５５】
１、１０１  抵抗型センサ
２  フランジ（第１固定部）
３  フランジ（第２固定部）
１０、２０、３０、４０  ビーム（梁部）
Ｒ１１〜Ｒ４８、Ｒ１１１〜Ｒ１２８  歪みゲージ
【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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