(57)【要約】【課題】ひずみゲージによって検出された力成分の誤差を解消する。【解決手段】力センサ（２０）が、構造体のひずみを検出する複数のひずみゲージ（Ｇｉ）と、力センサの温度を検出する温度検出手段（２１）とを含む。力センサ用の検出装置（３０）は、基準状態における基準ひずみと基準温度とゲージ率補償係数とを記憶する記憶手段（３９）と、温度検出手段により検出された力センサの温度と記憶手段に記憶された基準温度との間の差と記憶手段に記憶されたゲージ率補償係数とに基づいて補償ゲインを作成する補償ゲイン作成手段（３４）と、ひずみゲージにより検出されたひずみおよび記憶手段に記憶された基準ひずみの間の差に補償ゲイン作成手段により作成された補償ゲインを乗算することによりひずみを補償する補償手段（３５）と、ゲージ率温度補償手段により補償された補償後ひずみを用いて多軸の力成分を算出する力成分算出手段（３６）とを含む。【選択図】図２
2008058168.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造体のひずみを検出する複数のゲージと、前記力センサの温度を検出する温度検出手段とを含む力センサにより力成分を検出する力センサ用検出装置において、
基準状態における基準ひずみおよび基準温度とゲージ率補償係数とを記憶する記憶手段と、
前記温度検出手段により検出された前記力センサの温度と前記記憶手段に記憶された前記基準温度との間の差および前記記憶手段に記憶された前記ゲージ率補償係数に基づいて補償ゲインを作成する補償ゲイン作成手段と、
前記ゲージにより検出されたひずみと前記記憶手段に記憶された基準ひずみとの間の差に前記補償ゲイン作成手段により作成された前記補償ゲインを乗算することにより前記ひずみを補償する補償手段と、
該補償手段により補償された補償後ひずみを用いて多軸の力成分を算出する力成分算出手段とを具備する力センサ用検出装置。
【請求項２】
構造体のひずみを検出する複数のゲージと、前記力センサの温度を検出する温度検出手段とを含む力センサにより力成分を検出する力センサ用検出装置において、
基準状態における基準ひずみおよび基準温度とゲージ率補償係数と前記ゲージ毎に設定されたオフセット補償係数とを記憶する記憶手段と、
前記温度検出手段により検出された前記力センサの温度と前記記憶手段に記憶された前記基準温度との間の差および前記記憶手段に記憶されたオフセット補償係数に基づいて前記ひずみを補償する第一補償手段と、
前記温度検出手段により検出された前記力センサの温度と前記記憶手段に記憶された前記基準温度との間の差および前記記憶手段に記憶された前記ゲージ率補償係数に基づいて補償ゲインを作成する補償ゲイン作成手段と、
前記第一補償手段により補償されたひずみと前記記憶手段に記憶された基準ひずみとの間の差に前記補償ゲイン作成手段により作成された前記補償ゲインを乗算することにより前記ひずみを補償する第二補償手段と、
該第二補償手段により補償された補償後ひずみを用いて多軸の力成分を算出する力成分算出手段とを具備する力センサ用検出装置。
【請求項３】
前記ゲージが半導体ゲージを含む請求項１または２に記載の力センサ用検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力センサ用検出装置に関する。特に、本発明は、ロボットの手首部に取付けられていて手首部に作用するＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の力およびＸ、Ｙ、Ｚ軸回りのモーメントを検出する六軸用力センサの検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
力センサにおいては、応力を電気抵抗値（以下、単に「抵抗値」と言う。）の変化に変換する複数のひずみゲージが金属などの弾性体に組付けられている。このため、力センサは、弾性体に作用した力またはモーメントを抵抗値の変化として検出することができる。近年では、このような力センサはロボットの手首部に取付けられており、その結果、力センサは、手首部に作用するＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の力およびＸ、Ｙ、Ｚ軸回りのモーメントを検出できる。
【０００３】
力センサ内のひずみゲージを用いてひずみを検出する場合には、周囲温度の変化によりひずみゲージの抵抗が変化するので、ひずみの検出に誤差が発生する。この誤差を小さく抑えるため、二つのゲージを用いてブリッジ回路を構成する２ゲージ法が一般的に使われている。この方法では、ゲージとそれを貼付けた構造体の熱膨張差によるひずみの変化など、共通して発生する変化を補償できる。
【０００４】
図５は、一般的な一つのゲージＧｉ（ｉ＝１、２、３・・８）の回路図である。図５に示されるように、一つのゲージＧｉは、二つのひずみゲージＡ、Ｂと二つの固定ブリッジ抵抗ＲＡ、ＲＢからなるブリッジ構成を有している。このブリッジに励起電圧Ｖｅを印加することにより、ひずみゲージの電気抵抗変化が電圧値Ｖｎとして出力される。
【０００５】
図５における一方のひずみゲージＡと他方のひずみゲージＢの抵抗が同じ割合で変化した場合には、それぞれのゲージにおける電位降下は変化せず、従って検出電圧は変化しない。ところが、実際にはひずみゲージの弾性体に対する接着状態はひずみゲージ毎に異なるので、温度によるゲージ抵抗の変化がゲージ毎に異なる場合があり、２ゲージ法ではこの誤差を補償できない。
【０００６】
特許文献１においては、力センサの使用可能範囲の下限付近及び上限付近の二点のみにおいて力センサの各ゲージ出力と内部温度をそれぞれ測定し、これら二点における測定結果から各ゲージ毎の温度係数を算出している。そして、特許文献１においては、算出された温度係数に基づいてゲージ出力を温度補正する所謂オフセット温度補償を行うようにしている。
【特許文献１】特許第３６２３５９２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、ひずみゲージは、ひずみに対する抵抗変化率の比であるゲージ率という特性係数を有している。ひずみゲージにより検出されるひずみにゲージ率を乗算すると抵抗変化率が得られる。
【０００８】
従って、ゲージ率が変化する場合には、ひずみの大きさが同一であっても、抵抗変化率は変動する。そして、ひずみ検出回路は抵抗変化率からひずみを検出しているので、抵抗変化率が変動する場合には、検出されたひずみは実際のひずみとは異なるようになる。その結果、荷重を掛けたときに検出される力成分も実際の力成分からズレて誤差を含むようになる。
【０００９】
ひずみゲージが金属箔ゲージである場合には、温度に対するゲージ率の変化は比較的小さい。しかしながら、ひずみゲージが半導体ゲージである場合には、温度に対するゲージ率の変化は比較的大きいので、力成分も誤差をかなり含むようになる。
【００１０】
このため、ひずみゲージが半導体ゲージである場合には、特許文献１に開示されるような所謂オフセット温度補償を行っただけでは、検出した力成分に含まれる誤差を解消できない。
【００１１】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ひずみゲージが半導体ゲージである場合であっても、検出された力成分の誤差を解消することのできる、力センサ用検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、構造体のひずみを検出する複数のゲージと、前記力センサの温度を検出する温度検出手段とを含む力センサにより力成分を検出する力センサ用検出装置において、基準状態における基準ひずみおよび基準温度とゲージ率補償係数とを記憶する記憶手段と、前記温度検出手段により検出された前記力センサの温度と前記記憶手段に記憶された前記基準温度との間の差および前記記憶手段に記憶された前記ゲージ率補償係数に基づいて補償ゲインを作成する補償ゲイン作成手段と、前記ゲージにより検出されたひずみと前記記憶手段に記憶された基準ひずみとの間の差に前記補償ゲイン作成手段により作成された前記補償ゲインを乗算することにより前記ひずみを補償する補償手段と、該補償手段により補償された補償後ひずみを用いて多軸の力成分を算出する力成分算出手段とを具備する力センサ用検出装置が提供される。
【００１３】
すなわち１番目の発明においては、ゲージ率補償係数に基づいて作成された補償ゲインによってゲージ率温度補償を行っているので、ゲージ率の変化に基づいた力成分の誤差を解消することができる。
【００１４】
２番目の発明によれば、構造体のひずみを検出する複数のゲージと、前記力センサの温度を検出する温度検出手段とを含む力センサにより力成分を検出する力センサ用検出装置において、基準状態における基準ひずみおよび基準温度とゲージ率補償係数と前記ゲージ毎に設定されたオフセット補償係数とを記憶する記憶手段と、前記温度検出手段により検出された前記力センサの温度と前記記憶手段に記憶された前記基準温度との間の差および前記記憶手段に記憶されたオフセット補償係数に基づいて前記ひずみを補償する第一補償手段と、前記温度検出手段により検出された前記力センサの温度と前記記憶手段に記憶された前記基準温度との間の差および前記記憶手段に記憶された前記ゲージ率補償係数に基づいて補償ゲインを作成する補償ゲイン作成手段と、前記第一補償手段により補償されたひずみと前記記憶手段に記憶された基準ひずみとの間の差に前記補償ゲイン作成手段により作成された前記補償ゲインを乗算することにより前記ひずみを補償する第二補償手段と、該第二補償手段により補償された補償後ひずみを用いて多軸の力成分を算出する力成分算出手段とを具備する力センサ用検出装置が提供される。
【００１５】
すなわち２番目の発明においては、ゲージ率温度補償に加えて、オフセット温度補償を行っているので、力成分の誤差をさらに解消することができる。なお、２番目の発明のように、最初にオフセット温度補償を行って、次いでゲージ率温度補償を行うのが好ましいが、最初にゲージ率温度補償を行って、次いでオフセット温度補償を行うようにしてもよい。
【００１６】
３番目の発明によれば、１番目または２番目の発明において、前記ゲージが半導体ゲージを含む。
すなわち３番目の発明においては、力成分の誤差が比較的大きい半導体ゲージを用いる場合であっても、検出された力成分の誤差を解消できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同一の部材には同一の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１は力センサの回路構成の概略を示す図である。図１には、八つのゲージＧ１〜Ｇ８（これらをまとめて適宜「Ｇｉ」（ｉ＝１〜８）と呼ぶ）を備えた力センサ２０のひずみ検出部１０が示されている。そして、各ゲージＧ１〜Ｇ８の出力電圧は、プログラマブルアンプ（利得可変増幅器）１１〜１８においてそれぞれ増幅され、ひずみゲージ毎の出力ＬＰＦ１〜ＬＰＦ８からなる出力ＬＰＦｉを供給する。
【００１８】
このような力センサ２０は、例えばロボットの手首部に取付けられている。力センサ２０のひずみ検出部１０は、力センサ２０に加えられた荷重に対応して、構造体に発生する複数箇所のひずみを検出する。なお、ひずみ検出部１０のゲージＧ１〜Ｇ８は等価な回路構成であり、各ゲージＧ１〜Ｇ８の構成は図５を参照して説明したのと同様であるので説明を省略する。なお、各ゲージＧ１〜Ｇ８は半導体ゲージであるものとする。
【００１９】
図１に示されるように、ひずみゲージのバランス抵抗ＲＡ、ＲＢは、全てのゲージＧ１〜Ｇ８に対して共通である。なお、図５から分かるように、可変抵抗ＶＲｉと固定抵抗Ｒｉを含む初期誤差補正回路は、初期設定時の誤差を補正するために設けられている。この可変抵抗ＶＲｉは、設置時の標準状態（例えば、室温２４℃；無負荷）において各ゲージＧｉの出力ＬＰＦｉ（ｉ＝１、２、３・・・８）の全てがゼロになるように調整される。
【００２０】
図５に示されるように、各ひずみゲージＡ、Ｂは、力センサ本体上において所定の方向を向いて固定される。ゲージＧ１〜Ｇ８の各端子Ｃに現われる電圧は、対応するプログラマブルアンプ１１〜１８のＩＮ＋に印加される。一方、共通のバランス抵抗ＲＡ、ＲＢ間の端子Ｄに現われる電圧は、対応するプログラマブルアンプ１１〜１８のＩＮ−に印加される。プログラマブルアンプ１１〜１８は、差電圧を増幅して八個のゲージ出力ＬＰＦ１〜ＬＰＦ８を生成する。
【００２１】
図２は本発明に基づく力センサと力センサ用検出装置の機能ブロック図である。図２から分かるように、これらゲージ出力ＬＰＦ１〜ＬＰＦ８（ＬＰＦ）は、力センサ２０のＡＤ変換部２５においてデジタルデータに変換された後、検出装置３０に供給される。さらに、力センサ２０は、力センサ２０の内部または力センサ２０が取付けられている構造体の温度を検出する温度検出部２１と、検出された温度をデジタルデータに変換するＡＤ変換部２６とを備えている。
【００２２】
力センサ２０に接続される検出装置３０は、通常は公知の技術であるコンピュータ処理装置で構成されており、各機能ブロックはコンピュータ処理で実現される。機能ブロックとして、オフセット温度補償演算部３１と、温度偏差算出部３２と、ひずみ偏差算出部３３と、補償ゲイン算出部３４と、ゲージ率温度補償演算部３５と、力変換演算部３６と、記憶部３９とを含んでいる。これら各機能ブロックについては後述するフローチャートに沿って詳細を説明する。
【００２３】
記憶部３９には後述する基準ひずみデータＲｉ、基準温度データＴｒ、オフセット補償係数Ｍｉ、ゲージ率補償係数Ｌ、キャリブレーション行列を予め記憶させておく。
【００２４】
力センサ２０に対しては、検出したひずみから６軸力成分を求めるために、予め公知の手法でキャリブレーションと呼ぶ作業を実施する。キャリブレーション作業においては、力センサ２０に所定の複数の荷重を掛けたときのひずみデータを取得する。次いで、これらひずみデータに基づいて、これらひずみデータを荷重に変換するためのキャリブレーション行列（この場合は、６×８の変換行列）を算出し、記録する。
【００２５】
キャリブレーション作業は力センサ２０の検出精度を左右する重要な作業であり、通常は温度管理された、例えば２４℃の環境で実施する。キャリブレーション作業の間に、力センサ２０を所定の基準状態に配置し、力センサ２０により出力されたひずみデータを基準ひずみデータＲｉ、温度検出部２１により検出された力センサ２０内の温度を基準温度データＴｒとして記録しておく。力センサ２０の基準状態は、例えば力センサ２０を鉛直方向に向けて、荷重を掛けない状態を意味する。
【００２６】
図３は本発明に基づく検出装置３０のコンピュータ処理に関するフローチャートである。通常は一定周期で、例えば１０ｍｓ毎にこの処理を繰り返し、ロボットの手首に装着された力センサからデータを取得し、時々刻々と最新の６軸力成分を算出して出力する。
【００２７】
まず、ステップ１０２においては、力センサ２０によりひずみデータＳｉを検出する。さらに、ステップ１０３において、温度検出部２１が力センサ２０内部の温度Ｔを検出する。
【００２８】
次いで、検出装置３０の温度偏差算出部３２は、検出された温度Ｔと記憶部３９に記憶された基準温度データＴｒとに基づいて温度偏差Ｔ−Ｔｒ（＝ΔＴ）を算出する。次いで、温度偏差Ｔ−Ｔｒはオフセット温度補償演算部３１に伝達され、オフセット温度補償演算部３１においては、ひずみデータＳｉに対してオフセット温度補償が行われる（ステップ１０５）。
【００２９】
本願明細書において用語「オフセット」は基準状態におけるゲージＧｉの出力値を意味する。基準状態とは異なる状態におけるゲージＧｉの出力値からオフセットを減算することにより、基準状態からの変化を求めることができる。このため、オフセットは出力変化を算出するための基準値としての役目を果たしうる。
【００３０】
オフセット温度補償演算部３１においては以下の式（１）に基づいてオフセット補償後ひずみデータＰｉが算出される。
Ｐｉ＝Ｓｉ−Ｍｉ（Ｔ−Ｔｒ）                                        （１）
ここで、ＭｉはそれぞれのゲージＧｉに対して予め設定されたオフセット補償係数である。オフセット補償係数Ｍｉは、無荷重または荷重一定の場合に検出されるひずみのオフセットと複数の周囲温度との間の関係から予め定められた係数である。具体的には、オフセット補償係数Ｍｉは、オフセットの変化が温度に比例するとした場合における比例係数である。
【００３１】
オフセット補償係数Ｍｉは、力センサの使用可能範囲の下限付近及び上限付近の二点のみについて力センサの各ゲージ出力と内部温度とをそれぞれ測定することにより得られた各ゲージ毎の温度係数を採用できる。そのようなオフセット補償係数Ｍｉの算出工程を動作プログラム１００に組入れるようにしてもよい。
【００３２】
温度の変化によってオフセットが変化した場合には、前述した出力変化が誤差を含むようになる。この誤差は、オフセット変化量である「Ｍｉ（Ｔ−Ｔｒ）」に相当する。オフセット温度補償演算部３１においては、オフセット変化量「Ｍｉ（Ｔ−Ｔｒ）」をひずみデータＳｉから減算しているので、補償後ひずみデータＰｉは温度変化により生じたオフセット変化量を含まないようになる。
【００３３】
次いで、ゲージ率温度補償演算部３５によるゲージ率温度補償を行う。ゲージ率温度補償を行うための準備として、ひずみ偏差および補償ゲインＨをそれぞれ算出する。ゲージ率温度補償は、ひずみゲージのゲージ率が温度により変化した場合に検出されたひずみに含まれるは誤差を排除するように、ゲージ率の変化を補正することを意味する。
【００３４】
ステップ１０６においては、ひずみ偏差算出部３３によって、ひずみ偏差を算出する。ひずみ偏差は、補償後ひずみデータＰｉから基準ひずみデータＲｉを減算することにより求められる。
【００３５】
次いで、ステップ１０７においては、補償ゲイン算出部３４によって、補償ゲインＨを算出する。以下、補償ゲインＨの算出手法について説明する。
【００３６】
前述したように力センサ２０が所定の温度範囲内に在る場合、例えば力センサ２０の仕様書で指定される使用可能温度範囲内に在る場合には、ゲージ率の変化が温度変化に比例すると見なされる。そのような場合には、ゲージ率と温度との間に以下の式（２）の関係が成立する。
（Ｋ−Ｋｒ）／Ｋｒ＝Ｌ（Ｔ−Ｔｒ）                                （２）
式（２）において、Ｋは温度Ｔにおけるゲージ率を示しており、Ｋｒは基準状態（温度Ｔｒ）における基準ゲージ率を示しており、Ｌはゲージ率補償係数を示している。なお、ゲージ率補償係数Ｌは、ゲージ率Ｋの変化が温度Ｔに比例するとした場合における比例定数である。
【００３７】
式（２）を変形することにより、以下の式（３）が得られる。
Ｋ＝Ｋｒ｛１＋Ｌ（Ｔ−Ｔｒ）｝                                    （３）
ところで、補償ゲインＨは、温度Ｔｒにおけるゲージ率Ｋｒに対する、温度Ｔにおけるゲージ率Ｋの比であるので、以下の式（４）が成立する。
Ｈ＝Ｋｒ／Ｋ                                                      （４）
【００３８】
従って、式（３）および式（４）を用いることにより、補償ゲインＨは以下の式（５）で表される。
Ｈ＝１／｛１＋Ｌ（Ｔ−Ｔｒ）｝                                    （５）
【００３９】
なお、半導体ゲージの種類によって異なるものの、半導体ゲージのゲージ率は温度が上昇すると低下する傾向にある。典型的な半導体ゲージのゲージ率は、温度が１℃上昇すると約０．００３〜０．００７だけ低下する。ここで、力センサ２０の通常の使用温度は約０℃〜４５℃程度である。例えば基準温度Ｔｒが２４℃である場合には、以下の近似式（６）を用いて、補償ゲインＨを算出するようにしてもよい。
Ｈ＝１−Ｌ（Ｔ−Ｔｒ）                                            （６）
【００４０】
また、ひずみゲージＧｉによってゲージ率の変化が異なる場合は、ゲージ毎にゲージ率補償係数Ｌｉを準備してゲージＧｉ毎に補償ゲインＨｉを求めるのが好ましい。このような場合には、誤差のより少ない補償が可能となる。この場合には、補償ゲインＨｉは以下の式（７）で表される。
Ｈｉ＝１／｛１＋Ｌｉ（Ｔ−Ｔｒ）｝        （ｉ＝１〜ｎ）          （７）
【００４１】
すなわち、補償ゲイン算出部３４においては、温度偏差算出部３２により算出された温度偏差Ｔ−Ｔｒおよび記憶部３９に記憶されたゲージ率補償係数Ｌに基づいて、補償ゲインＨが式（５）、式（６）または式（７）から算出される。
【００４２】
なお、前述した式（５）、式（６）および式（７）においてはゲージ率補償係数Ｌが一定であることを前提としている。しかしながら、半導体ゲージの種類によっては、ゲージ率補償係数Ｌが温度に応じて変化する場合がある。
【００４３】
そのような場合には、図４に示されるような温度Ｔとゲージ率補償係数Ｌとの関係のテーブルを準備する。そして、温度Ｔに対応したゲージ率補償係数Ｌを式（５）、式（６）または式（７）に適用すればよい。これによって、より高精度な補償を行うことができるのは明らかであろう。
【００４４】
次いで、ステップ１０８においては、ゲージ率温度補償演算部３５が、オフセット補償後ひずみデータＰｉに対してゲージ率温度補償を行う。ゲージ率温度補償演算部３５においては、以下の式（８）に基づいてゲージ率温度補償後ひずみデータＱｉが算出される。
Ｑｉ＝Ｈ（Ｐｉ−Ｒｉ）            （ｉ＝１〜ｎ）                    （８）
【００４５】
すなわち、ゲージ率温度補償演算部３５においては、ひずみ偏差Ｐｉ−Ｒｉに補償ゲインＨを乗算することにより、ゲージ率温度補償後ひずみデータＱｉを求めるようにしている。ゲージ率温度補償演算部３５によるゲージ率温度補償作用により、補償後ひずみデータＱｉはゲージ率の変化に基づく誤差を含まないようになる。
【００４６】
次いで、ステップ１０９においては、力変換演算部３６が、前述したキャリブレーション作用により得られた６×８の変換行列によりゲージ率温度補償後ひずみデータＱｉから六軸の力成分を算出する。
【００４７】
このように本発明においては、オフセット温度補償を行っているので、温度変化により生じたオフセットの変化量を排除でき、さらにゲージ率温度補償を行っているので、ゲージ率の変化に基づいた誤差も排除できる。従って、本発明においては、最終的に算出された六軸の力成分をより正確に求めることが可能であることが分かるであろう。
【００４８】
前述したように本発明の力センサ２０は例えばロボットの手首軸に取付けられる。このような場合には、荷重を掛ける前後において検出したひずみから荷重を掛ける前後における力成分を算出し、次いで、荷重を掛けた後における力成分から荷重を掛ける前における力成分を減算し、それにより、荷重の変化を求めることが多い。
【００４９】
荷重を掛ける前後における時間間隔が比較的短く、従って、温度は荷重を掛ける前後において一定であると判断してよい。このような場合には、荷重を掛けた後における力成分から荷重を掛ける前における力成分を減算したために、オフセットはキャンセルされる。それゆえ、このような場合には、ゲージ率温度補償演算部３５によるゲージ率温度補償作用の方が、オフセット温度補償演算部３１によるオフセット温度補償と比較して、検出されたひずみの誤差を低減する効果が大きいといえる。
【００５０】
なお、図面を参照して説明した実施形態においては八つのゲージＧ１〜Ｇ８を使用しているが、六軸の力成分を算出するためにはひずみ検出部１０が六つのゲージが在れば足りる。このため、力センサ２０が六つ以上のゲージを含んでいる場合であってもは、本発明の範囲に含まれる。
【００５１】
また、図面を参照して説明した実施形態においてはオフセット温度補償とゲージ率温度補償の両方を行っているが、力センサの特性のためにオフセット変化による誤差の発生が少ない場合には、オフセット温度補償演算部３１によるオフセット温度補償を省略してもよい。
【００５２】
当然のことながら、先にゲージ率温度補償を行い、次いでオフセット温度補償を行うことも本発明の範囲に含まれる。さらに、図２においては、力センサ２０がひずみ検出部１０および温度検出部２１ならびにＡＤ変換部２５、２６を備える構成としているが、これらに加えて、力センサ２０がオフセット温度補償演算部３１および／またはゲージ率温度補償演算部３５を含む構成であってもよい。さらに、これらに加えて、力センサ２０が力変換演算部３６を含む構成、すなわち検出装置が全て力センサに内蔵される構成であってもよい。
【実施例１】
【００５３】
以下、実施例として、力センサ２０の第一のひずみゲージＧ１を用いた場合について説明する。力センサ２０の内部温度は力センサ２０の周囲温度と同じであるものとする。また、力センサ２０の定格荷重は１００Ｎであり、定格荷重におけるひずみの増加量は３００マイクロひずみである。さらに、ひずみの変化量は荷重に対して比例するものとする。
【００５４】
力センサの基準状態においては、力センサ２０は上向きでかつ荷重無しとする。さらに、基準温度Ｔｒ＝２４．０［℃］、基準ひずみデータＲ１＝１８０［マイクロひずみ］、オフセット補償係数Ｍ１＝−６［マイクロひずみ／℃］、ゲージ率補償係数Ｌ＝−０．００５［／℃］とする。
【００５５】
力センサ２０に対して、荷重前と荷重後のデータを測定する。そして、加わった荷重の大きさを求める場合について説明する。荷重の大きさは定格荷重と同じ１００Ｎであり、力センサ２０の姿勢は基準状態と同じ上向きとする。
【００５６】
はじめに、荷重前の力センサ２０のデータを測定する。このときの温度はＴａ＝３４．０［℃］、読取ったひずみデータはＳ１ａ＝１２０［マイクロひずみ］とする。
【００５７】
次いで、１００Ｎの荷重を掛けて力センサ２０のデータを測定する。周囲温度の変化が少なくかつ荷重前と荷重後の時間間隔が短いので、温度は余り変化せず、このときの温度はＴｂ＝３４．２［℃］とする。そして、読取ったひずみデータはＳ１ｂ＝４０４［マイクロひずみ］とする。
【００５８】
オフセット温度補償およびゲージ率温度補償の何れも行わない場合には、荷重によるひずみ増分は２８４マイクロひずみ（＝４０４−１２０）である。そして、算出される荷重は９４．７Ｎであり、誤差は−５．３％である。
【００５９】
オフセット温度補償を行う場合には、荷重前のひずみは式（９）により、荷重後のひずみは式（１０）によりそれぞれ算出される。
Ｐ１ａ＝１２０＋６×（３４−２４）                                （９）
Ｐ１ｂ＝４０４＋６×（３４．２−２４）                            （１０）
すなわち、荷重前のひずみはＰ１ａ＝１８０［マイクロひずみ］であり、荷重後のひずみはＰ１ｂ＝４６５．２［マイクロひずみ］になる。従って、荷重によるひずみ増分は２８５．２マイクロひずみ（＝４６５．２−１８０）であり、算出される荷重は９５．１Ｎであり、誤差は−４．９％になる。
【００６０】
次いで、オフセット温度補償で得られた結果に対してゲージ率温度補償を行う。
荷重前においては、補償ゲインＨａは式（１１）より、Ｈａ＝１．０５３となる。
Ｈａ＝１／｛１−０．００５×（３４−２４）｝                      （１１）
従って、ひずみＱ１ａは式（１２）で表されるように零になる。
Ｑ１ａ＝１．０５３×（１８０−１８０）                            （１２）
【００６１】
荷重後においては、補償ゲインＨｂは式（１３）よりＨｂ＝１．０５４になる。
Ｈｂ＝１／｛１−０．００５×（３４．２−２４）｝                  （１３）
従って、ひずみＱ１ｂは式（１４）よりＱ１ｂ＝３００．６になる。
Ｑ１ｂ＝１．０５４×（４６５．２−１８０）                        （１４）
【００６２】
それゆえ、荷重によるひずみ増分は３００．６マイクロひずみであり、算出される荷重は１００．２Ｎであり、誤差は０．２％である。
【００６３】
一方、オフセット温度補償を行うことなしに、ゲージ率補償のみを行った場合について述べる。補償ゲインは前述した場合と変わらないので、Ｈａ＝１．０５３、Ｈｂ＝１．０５４で表される。
【００６４】
そして、荷重前のひずみは、以下の式（１５）より、−６３．２マイクロひずみとなり、荷重後のひずみは以下の式（１６）より、２３６．１マイクロひずみとなる。
１．０５３×（１２０−１８０）                                  （１５）
１．０５４×（４０４−１８０）                                  （１６）
【００６５】
従って、荷重によるひずみ増分は２９９．３マイクロひずみ（＝２３６．１−（−６３．２））であり、算出される荷重は９９．８Ｎであり、誤差は−０．２％になる。
【００６６】
これらのことから、力センサ２０に加わった荷重を求める場合には、温度が一定状態であればオフセット変化による誤差は少なく、ゲージ率温度補償を行うことにより精度が大きく向上させられることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】力センサの回路構成の概略を示す図である。
【図２】本発明に基づく力センサと力センサ用検出装置の機能ブロック図である。
【図３】本発明の第一の実施形態に基づく力センサ用検出装置のコンピュータ処理に関するフローチャートである。
【図４】温度Ｔとゲージ率補償係数Ｌとの関係のテーブルを示す図である。
【図５】一般的な一つのゲージの回路図である。
【符号の説明】
【００６８】
１０    ひずみ検出部
１１〜１８    プログラマブルアンプ
２０    力センサ
２１    温度検出部
２５、２６    ＡＤ変換部
３０    検出装置
３１    オフセット温度補償演算部（第一補償手段）
３２    温度偏差算出部
３３    ひずみ偏差算出部
３４    補償ゲイン算出部
３５    ゲージ率温度補償演算部（補償手段、第二補償手段）
３６    力変換演算部
３９    記憶部
１００    動作プログラム
Ａ、Ｂ    ひずみゲージ
Ｃ    端子
Ｄ    端子
Ｇ１〜Ｇ８、Ｇｉ    ゲージ
Ｈ、Ｈｉ、Ｈａ、Ｈｂ    補償ゲイン
Ｋ    ゲージ率
Ｋｒ    基準ゲージ率
Ｌ、Ｌｉ    ゲージ率補償係数
ＬＰＦ１〜ＬＰＦ８、ＬＰＦｉ    ゲージ出力
Ｍｉ    オフセット補償係数
Ｐｉ    オフセット温度補償後ひずみデータ
Ｐｉ−Ｒｉ    ひずみ偏差
Ｑｉ    ゲージ率温度補償後ひずみデータ
Ｒｉ    基準ひずみデータ
Ｓｉ    ひずみデータ
Ｔ    温度
Ｔｒ    基準温度
Ｔ−Ｔｒ    温度偏差
【図１】
2008058168.tif 000003
【図２】
2008058168.tif 000004
【図３】
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【図４】
2008058168.tif 000006
【図５】
2008058168.tif 000007