(57)【要約】【課題】  消費電力を低減すると共に配線を簡素にしコストを低減する。【解決手段】  外部から加わった多軸の力、モーメント、加速度、角加速度のいずれか１つまたは複数を計測する多軸センサユニット１０において、一平面上に配置された８個の歪みゲージＲ１１〜Ｒ２４と、各歪みゲージＲ１１〜Ｒ２４を連結して成る１個のブリッジ回路１１とを備える。これにより従来よりブリッジ回路１１と歪みゲージＲ１１〜Ｒ２４を減らして消費電力を減らすと共に配線を簡素化して製造コストを下げる。【選択図】図１
2005106679.tif 000002
【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、角加速度のいずれか１つまたは複数を計測する多軸センサユニットにおいて、
一平面上に配置された８個の歪みゲージと、各歪みゲージを連結して成る１個のブリッジ回路とを備えていることを特徴とする多軸センサユニット。
【請求項２】
外部から加わった多軸の力、モーメント、加速度、角加速度のいずれか１つまたは複数を計測する多軸センサユニットにおいて、
一平面上に配置された８個の歪みゲージと、各歪みゲージを連結して成る２個のブリッジ回路とを備えていることを特徴とする多軸センサユニット。
【請求項３】
中央に設けられた受力部と外周に設けられた固定部とこれらを連結する円環形状のダイヤフラム部とを備えた起歪体を有すると共に、
前記歪みゲージの配置位置は、前記ダイヤフラムの中心線に直交する線上において前記ダイヤフラムの外縁部と内縁部との４箇所、および前記線に直交する線上において前記ダイヤフラムの外縁部と内縁部との４箇所であることを特徴とする請求項１または２に記載の多軸センサユニット。
【請求項４】
前記歪みゲージはピエゾ抵抗素子又はスパッタリングにより形成したひずみゲージであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の多軸センサユニット。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の前記多軸センサユニットを複数備えていることを特徴とする多軸センサ。
【請求項６】
前記多軸センサユニットは前記多軸センサの中心点を中心に等角度おき、かつ前記中心点から等距離に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の多軸センサ。
【請求項７】
前記角度は９０度であることを特徴とする請求項６に記載の多軸センサ。
【請求項８】
前記多軸センサユニットは、前記中心点を原点とする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７に記載の多軸センサ。
【請求項９】
前記角度は１２０度であることを特徴とする請求項６に記載の多軸センサ。
【請求項１０】
前記歪みゲージの配置位置は、前記多軸センサの中心点と前記多軸センサユニットの中心点とを結ぶ線上において前記ダイヤフラムの外縁部と内縁部、および前記多軸センサユニットの中心点における前記線の直交線上において前記ダイヤフラムの外縁部と内縁部であることを特徴とする請求項５〜９のいずれかに記載の多軸センサ。
【請求項１１】
前記歪みゲージを備える前記多軸センサユニットを有する第１部材と、前記多軸センサユニットに対向して前記歪みゲージを備えない前記起歪体を有する第２部材とを有すると共に、
対向する起歪体の前記受力部同士を連結して、前記第１部材と前記第２部材との間に作用する多軸の力およびモーメントを計測することを特徴とする請求項５〜１０のいずれかに記載の多軸センサ。
【請求項１２】
前記多軸センサユニットと、前記多軸センサユニットの前記受力部に設けられた作用体とを備えると共に、該多軸センサユニットに作用する多軸の加速度および角加速度を計測することを特徴とする請求項５〜１０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、第１部材と第２部材とに外部から加わった多軸の力、モーメント、加速度、角速度のいずれかを計測することができる多軸センサユニットおよびこれを利用した多軸センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の多軸センサとして、半導体の単結晶基板を利用して力やモーメントを検出する装置が知られている。特許文献１には、図２１〜図２３に示すように、中央に設けられた受力部１００と周囲に設けられた固定部１０１とこれらを連結する円環形状のダイヤフラム部１０２とを備えた起歪体１０３と、この起歪体１０３に取り付けられたピエゾ素子などからなる検出素子Ｒ１１〜Ｒ３４とを備えた多軸センサ１０５が開示されている。
【０００３】
検出素子Ｒ１１〜Ｒ３４は各起歪体１０３の上面に設けられている。各起歪体１０３の上面では、受力部１００を中心に互いに直交するＸ軸およびＹ軸と、これらの中間の斜め軸Ｓとが設定されている。検出素子Ｒ１１〜Ｒ３４は各軸上のダイヤフラム部１０２の縁部分に配置されている。
【０００４】
この多軸センサ１０５では、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の３軸方向の力やモーメントを測定するために、各検出素子Ｒ１１〜Ｒ３４によりブリッジ回路を構成している。具体的には、Ｘ軸上の検出素子Ｒ１１〜Ｒ１４により図２３（Ａ）に示すブリッジ回路１０６を構成して、これにより電圧Ｖｘを得る。また、Ｙ軸上の検出素子Ｒ２１〜Ｒ２４により図２３（Ｂ）に示すブリッジ回路１０７を構成して、これにより電圧Ｖｙを得る。さらに、Ｓ軸上の検出素子Ｒ３１〜Ｒ３４により図２３（Ｃ）に示すブリッジ回路１０８を構成して、これにより電圧Ｖｚを得る。そして、これら３つのブリッジ回路１０６〜１０８により得られた電圧Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚの組み合わせによりＸ，Ｙ，Ｚ軸の３軸方向の力やモーメントを算出することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開平４−１９４６３４号公報（第２図、第３図、第７図、第３頁左下欄第３行〜右下欄第６行、第４頁右下欄第９行〜第１５行）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の技術では、３個のブリッジ回路１０６〜１０８を使用しているので消費電力が大きくなってしまう。また、３個のブリッジ回路１０６〜１０８を構成するために配線が複雑になってしまう。特に検出素子Ｒ１１〜Ｒ１４をシリコン半導体基板に形成する場合は検出素子Ｒ１１〜Ｒ１４となるピエゾ抵抗素子の端子信号を半導体基板の外部に一旦引き出して配線するなどの処理が必要になるので、ブリッジ回路１０６〜１０８が３個もあると構成が複雑になってしまう。よってコストが高くなってしまう。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、消費電力を低減すると共に配線を簡素にしコストを低減できる多軸センサユニットおよびこれを利用した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】
【０００８】
本発明の多軸センサユニットは、外部から加わった多軸の力、モーメント、加速度、角加速度のいずれか１つまたは複数を計測する多軸センサユニットにおいて、一平面上に配置された８個の歪みゲージと、各歪みゲージを連結して成る１個のブリッジ回路とを備えている。
【０００９】
この構成によると、歪みゲージは僅か８個であると共にただ１つのブリッジ回路を構成しているので、従来のように１２個の歪みゲージを４個ずつ分けて３つのブリッジ回路を駆動する場合に比べて消費電力を約１／６に低減することができる。すなわち、ブリッジ回路１個あたりの歪みゲージの数が２倍に増えたので合成抵抗は２倍になり、ブリッジ回路が３個から１個になったので電力は１／３になる。ここで電力Ｗ＝Ｖ2／Ｒであるので、（１／３）×（１／２）により１／６になる。
【００１０】
また、ブリッジ回路が１つだけなので配線を簡素化することができる。このため、配線を立体的に交差させることなくブリッジ回路を容易に構成できるようになる。さらに、歪みゲージの数量を減らすことができるので、部品点数の減少と貼り付け作業の工数の削減によりコストを下げることができる。
【００１１】
本発明の多軸センサユニットは、外部から加わった多軸の力、モーメント、加速度、角加速度のいずれか１つまたは複数を計測する多軸センサユニットにおいて、一平面上に配置された８個の歪みゲージと、各歪みゲージを連結して成る２個のブリッジ回路とを備えている。
【００１２】
この構成によると、歪みゲージは僅か８個であると共に２つのブリッジ回路を構成しているので、従来のように１２個の歪みゲージを４個ずつ分けて３つのブリッジ回路を駆動する場合に比べて消費電力を約２／３に低減することができる。
【００１３】
また、ブリッジ回路が２つだけなので配線を簡素化することができる。このため、配線を立体的に交差させることなくブリッジ回路を容易に構成できるようになる。さらに、歪みゲージの数量を減らすことができるので、部品点数の減少と貼り付け作業の工数の削減によりコストを下げることができる。
【００１４】
本発明において、中央に設けられた受力部と外周に設けられた固定部とこれらを連結する円環形状のダイヤフラム部とを備えた起歪体を有すると共に、前記歪みゲージの配置位置は、前記ダイヤフラムの中心線に直交する線上において前記ダイヤフラムの外縁部と内縁部との４箇所、および前記線に直交する線上において前記ダイヤフラムの外縁部と内縁部との４箇所であることが好ましい。この構成によると、２つの直交する軸方向への力およびモーメント、さらにはこれらの軸に直交する軸方向への力を検出することができる。
【００１５】
本発明において、前記歪みゲージはピエゾ抵抗素子であることが好ましい。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。同様に本発明において、前記歪みゲージはスパッタリング法で形成したひずみゲージであることが好ましい。この製造方法によるひずみゲージは、一般的な箔歪みゲージに比べてゲージ率が１０倍以上大きいので、一般的な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。
【００１６】
本発明において、上述のいずれかに記載の前記多軸センサユニットを複数備えていることが好ましい。この構成によると、３軸の力およびモーメント、あるいは加速度および角加速度を高精度に検出できるようになる。
【００１７】
本発明において、前記多軸センサユニットは前記多軸センサの中心点を中心に等角度おき、かつ前記中心点から等距離に配置されていることが好ましい。この構成によると、各多軸センサユニットの歪みゲージの抵抗値の変化から比較的簡易な計算により多軸の力、モーメント、加速度、角加速度を算出することができる。
【００１８】
本発明において、前記角度は９０度であることが好ましい。この構成によると、多軸センサの中心点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。
【００１９】
本発明において、前記多軸センサユニットは、前記中心点を原点とする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が好ましい。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。
【００２０】
本発明において、前記角度は１２０度であることが好ましい。この構成によると、３個の多軸センサユニットで多軸の力、モーメント、加速度、角加速度を算出することができるので、多軸センサの構成を更に簡易化することができる。
【００２１】
本発明において、前記歪みゲージの配置位置は、前記多軸センサの中心点と前記多軸センサユニットの中心点とを結ぶ線上において前記ダイヤフラムの外縁部と内縁部、および前記多軸センサユニットの中心点における前記線の直交線上において前記ダイヤフラムの外縁部と内縁部であることが好ましい。
【００２２】
この構成によると、多軸センサユニットの中で最も歪みが大きい部位に歪みゲージを取り付けることができるので、感度を高めることができる。
【００２３】
本発明において、前記歪みゲージを備える前記多軸センサユニットを有する第１部材と、前記多軸センサユニットに対向して前記歪みゲージを備えない前記起歪体を有する第２部材とを有すると共に、対向する起歪体の前記受力部同士を連結して、前記第１部材と前記第２部材との間に作用する多軸の力およびモーメントを計測することが好ましい。
【００２４】
この構成によると、片方の部材のみに多軸センサユニットを設けるだけで多軸の力およびモーメントを計測することができる。
【００２５】
本発明において、前記多軸センサユニットと、前記多軸センサユニットの中央部に設けられた作用体とを備えると共に、該多軸センサユニットに作用する多軸の加速度および角加速度を計測することが好ましい。この構成によると、片方の部材のみに多軸センサユニットを設けるだけで多軸の加速度および角加速度を計測することができる。
【発明の効果】
【００２６】
以上説明したように、本発明によると、歪みゲージは僅か８個であると共にただ１つのブリッジ回路を構成している場合には、従来のように１２個の歪みゲージを４個ずつ分けて３つのブリッジ回路を駆動する場合に比べて消費電力を約１／６に低減することができる。また、歪みゲージは僅か８個であると共に２つのブリッジ回路を構成している場合には、従来のように１２個の歪みゲージを４個ずつ分けて３つのブリッジ回路を駆動する場合に比べて消費電力を約２／３に低減することができる。よって、省電力化を図ることができる。
【００２７】
また、ブリッジ回路が１つまたは２つだけなので配線を簡素化することができる。このため、配線を立体的に交差させることなくブリッジ回路を構成できるようになる。よって、ＩＣプロセスやスパッタリング技術でブリッジを構成する場合に、配線を交差させる必要が無くなるので、工程が簡略化されてコストの低減を図ることができる。さらに、歪みゲージの数量を減らすことができるので、部品点数の減少と貼り付け作業の工数の削減によりコストを下げることができる。
【００２８】
そして、２つの直交する軸方向への力およびモーメント、さらにはこれらの軸に直交する軸方向への力を検出することができる。また、ピエゾ抵抗素子あるいは、スパッタリングにより形成したひずみゲージの利用により、ピエゾ抵抗素子あるいは、スパッタリングにより形成したひずみゲージは、一般的な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。
【００２９】
さらに、３軸の力およびモーメント、あるいは加速度および角加速度を高精度に検出できるようになる。また、各多軸センサユニットの歪みゲージの抵抗値の変化から比較的簡易な計算により多軸の力、モーメント、加速度、角加速度を算出することができる。多軸センサの中心点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。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ようにもなる。３個の多軸センサユニットで多軸の力、モーメント、加速度、角加速度を算出することができるので、多軸センサの構成を更に簡易化することができる。
【００３０】
また、多軸センサユニットの中で最も歪みが大きい部位に歪みゲージを取り付けることができるので、感度を高めることができる。そして、片方の部材のみに多軸センサユニットを設けるだけで多軸の力およびモーメント、あるいは加速度および角加速度を計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
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。
【００３２】
図１（Ａ）は、本発明の第１の実施の形態による多軸センサユニット１０を歪みゲージの取り付け面側から見たときの平面図であり、図１（Ｂ）は多軸センサユニット１０の中央縦断面正面図である。図１において、多軸センサユニット１０は、外部から加わった多軸の力、モーメント、加速度、角加速度のいずれか１つまたは複数を計測するものである。この多軸センサユニット１０は、一平面上に配置された８個の歪みゲージＲ１１〜Ｒ２４と、各歪みゲージＲ１１〜Ｒ２４を連結して成る１個のブリッジ回路１１とを備えている。
【００３３】
各歪みゲージＲ１１〜Ｒ２４は、アルミやＳＵＳなどの金属製可撓性材料から成る起歪体１２に取り付けられている。起歪体１２は、中央に設けられた受力部１３と、外周に設けられた固定部１４と、これらを連結する円環形状のダイヤフラム部１５とを備えている。固定部１４は多軸センサユニット１０を他の装置に取り付けるためのものであり、受力部１３に外力が与えられても歪みや変形が発生しにくいように肉厚の大きい剛性の高いものとしている。ダイヤフラム部１５は変形し易い薄肉状としている。受力部１３は棒状とされ、外部から受けた力を効率良くダイヤフラム部１５に伝達する。よって、受力部１３に外力を与えると、歪みや変形は殆どダイヤフラム部１５に集中する。
【００３４】
歪みゲージＲ１１〜Ｒ２４としては、金属箔歪みゲージや金属線歪みゲージを用いている。歪みゲージＲ１１〜Ｒ２４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。
【００３５】
歪みゲージＲ１１〜Ｒ２４の配置位置は、ダイヤフラム部１５の中心線（Ｚ軸）に直交する線（Ｘ軸）上においてダイヤフラム部１５の外縁部と内縁部との４箇所、およびＸ軸に直交する線（Ｙ軸）上においてダイヤフラム部１５の外縁部と内縁部との４箇所としている。歪みゲージＲ１１〜Ｒ２４は各位置に貼り付けられている。いずれの歪みゲージＲ１１〜Ｒ２４もダイヤフラム部１５の縁部に設けられているので、起歪体１２に発生した歪みを効率良く受けることができる。
【００３６】
図２に、多軸センサユニット１０の受力部１３にＸ軸方向の力Ｆｘを加えたときの状態および各歪みゲージＲ１１〜Ｒ１４の変化を示す。力Ｆｘは、受力部１３の作用点１３ａと多軸センサユニット１０の原点Ｏとの距離Ｌに対応したモーメントＭｙ（Ｙ軸回りのモーメント）として作用する。このときは、Ｘ軸上の全ての歪みゲージＲ１１〜Ｒ１４が図示したように変位し、歪みが検出される。図中、歪みゲージＲ１１〜Ｒ２４の（＋）は引っ張り方向の歪みを受けて抵抗値が増加したこと、（−）は圧縮方向の歪みを受けて抵抗値が減少したことを示す。
【００３７】
次に、多軸センサユニット１０の受力部１３にＹ軸方向の力Ｆｙを加えたときは、力Ｆｙは受力部１３の作用点１３ａと多軸センサユニット１０の原点Ｏとの距離Ｌに対応したモーメントＭｘ（Ｘ軸回りのモーメント）として作用する。これは上述したＸ軸方向の力Ｆｘを加えたときの状態を９０度ずらして考えればよいので、ここでは省略する。
【００３８】
図３に、多軸センサユニット１０の受力部１３にＺ軸方向の力Ｆｚを加えたときの状態および各歪みゲージＲ１１〜Ｒ２４の変化を示す。
【００３９】
表１に上述した各力およびモーメントに対する歪みゲージＲ１１〜Ｒ２４の変化を示す。表中、＋は抵抗値の増加、−は抵抗値の減少を示し、０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。
【００４０】
【表１】
2005106679.tif 000003
【００４１】
図４に、各歪みゲージＲ１１〜Ｒ２４を接続してなるブリッジ回路１１を示す。このブリッジ回路１１では、駆動用電圧Ｖ＋からＧＮＤまでをＲ１１→Ｒ１２→Ｒ２３→Ｒ２４で直列させると共に、Ｒ１４→Ｒ１３→Ｒ２２→Ｒ２１で直列させる。なお、Ｒ１２とＲ１４とは入れ替えてもよい。そして、Ｒ１１とＲ１２の節点ａの電圧をＶａ、Ｒ１３とＲ１４の節点ｂの電圧をＶｂ、Ｒ２３とＲ２４の節点ｃの電圧をＶｃ、Ｒ２１とＲ２２の節点ｄの電圧をＶｄとする。なお、Ｒ１２とＲ２３の節点ｇとＲ１３とＲ２２の節点ｈとを短絡させてもよい。
【００４２】
図１（Ａ）に、各歪みゲージＲ１１〜Ｒ２４を接続する配線図を示す（図中、二点鎖線）。このように配線することにより、重なる部分が無いので配線を交差させる必要が無く、１回のスパッタリングで製造することができるようになり、工程が簡略化されてコストの低減を図ることができる。
【００４３】
図５に各節点電圧Ｖａ〜Ｖｄと力またはモーメントとの関係を示す。力ＦｘおよびモーメントＭｙは節点電圧Ｖａ、Ｖｂの差Ｖｘ（＝Ｖａ−Ｖｂ）として測定できる。力ＦｙおよびモーメントＭｘは節点電圧Ｖｃ、Ｖｄの差Ｖｙ（＝Ｖｃ−Ｖｄ）として測定できる。力Ｆｚは節点電圧Ｖａ、Ｖｃの差（Ｖａ−Ｖｃ）と節点電圧Ｖｂ、Ｖｄの差（Ｖｂ−Ｖｄ）との和Ｖｚ（＝（Ｖａ−Ｖｃ）＋（Ｖｂ−Ｖｄ））として測定できる。あるいは同図中の括弧に示すように、力Ｆｚを節点電圧Ｖａ、Ｖｄの差（Ｖａ−Ｖｄ）と節点電圧Ｖｂ、Ｖｃの差（Ｖｂ−Ｖｃ）との和Ｖｚ（＝（Ｖａ−Ｖｄ）＋（Ｖｂ−Ｖｃ））として測定することもできる。これらの演算はＯＰアンプ１９を用いて電気的に直接演算しても良く、または各節点電圧をＡＤ変換してコンピュータにより演算処理するようにしてもよい。
【００４４】
ここで、各節点電圧Ｖａ〜Ｖｄから力またはモーメントを求める原理を簡単に説明する。力Ｆｘ（モーメントＭｙ）が与えられたときは、Ｒ１１〜Ｒ１４のみが変化し、Ｒ２１〜Ｒ２４は変化しない。このため、図６（Ａ）に示すブリッジ回路１１は同図（Ｂ）に示すものと同様になる。これは従来から利用されているブリッジ回路１１であり、結局Ｖｘ＝Ｖａ−Ｖｂということになる。
【００４５】
また、力Ｆｚが与えられたときは、図７（Ａ）に示すように力Ｆｚの方向によって作動する歪みゲージＲ１１〜Ｒ２４が異なる。図７（Ａ）中、矢印Ｔ１方向に加わったときの変化を同図（Ｂ）に、矢印Ｔ２方向に加わったときの変化を同図（Ｃ）に、矢印Ｔ３方向に加わったときの変化を同図（Ｄ）に、矢印Ｔ４方向に加わったときの変化を同図（Ｅ）に各々示す。
【００４６】
ここで、例えばＶｚ＝Ｖａ−ＶｃまたはＶｚ＝Ｖｂ−Ｖｄであると矢印Ｔ１方向にＦｘ，Ｆｙの合力が作用したときにＦｚが反応しない。また、Ｖｚ＝Ｖａ−ＶｄまたはＶｚ＝Ｖｂ−ＶｃであるとＦｚとして反応する。これらの関係を表２に示す。
【００４７】
【表２】
2005106679.tif 000004
【００４８】
そこで、Ｖｚ＝（Ｖａ−Ｖｃ）＋（Ｖｂ−Ｖｄ）とすることにより、矢印Ｔ１〜Ｔ４方向の力が作用しても打ち消しあってＦｚを正確に出力することができる。同様にＶｚ＝（Ｖａ−Ｖｄ）＋（Ｖｂ−Ｖｃ）とすることもできる。なお、節点電圧Ｖａ〜Ｖｄが各モードにおいて変化するのは、歪みゲージの抵抗が大きくなる（＋）のとき（Ｒ＋△Ｒ）と歪みゲージの抵抗が小さくなる（−）のとき（Ｒ−△Ｒ）とすることにより、オームの法則の分圧にも合致する。
【００４９】
なお、本実施形態では力Ｆｘ（モーメントＭｙ）、力Ｆｙ（モーメントＭｘ）、力Ｆｚについて求めているが、これには限られず各軸方向への加速度や角加速度を求めるようにしてもよい。この場合、受力部１３の先端に重量体を取り付けることにより受力部１３の触れを大きくして感度を高めることができる。
【００５０】
ブリッジ回路１１としては図４に示すものには限られない。例えば図８に示すように、駆動用電圧Ｖ＋からＧＮＤまでをＲ１３→Ｒ１４→Ｒ２１→Ｒ２２で直列させると共に、Ｒ１２→Ｒ１１→Ｒ２４→Ｒ２３で直列させるようにしてもよい。なお、Ｒ１４とＲ２１の節点ｇとＲ１１とＲ２４の節点ｈとを短絡させてもよい。また、図９に示すように、駆動用電圧Ｖ＋からＧＮＤまでをＲ１１→Ｒ１２→Ｒ２３→Ｒ２４で直列させると共に、Ｒ１４→Ｒ１３→Ｒ２２→Ｒ２１で直列させて、更にＲ１２とＲ２３の節点ｇとＲ１３とＲ２２の節点ｈとを短絡させるようにしてもよい。なお、節点ｇ、ｈの短絡は解放してもよい。
【００５１】
さらには図１０に示すように、Ｒ１１〜Ｒ１４からなるブリッジ回路１１ａとＲ２１〜Ｒ２４からなるブリッジ回路１１ｂとを並列に備えたブリッジ回路１１としてもよい。この場合、Ｆｘ（Ｍｙ）はＲ１１〜Ｒ１４のブリッジ回路１１ａでＶｘ＝Ｖａ−Ｖｂより、Ｆｙ（Ｍｘ）はＲ２１〜Ｒ２４のブリッジ回路１１ｂでＶｙ＝Ｖｃ−Ｖｄより各々算出される。またＦｚについては、Ｖｚ＝（Ｖａ−Ｖｃ）＋（Ｖｂ−Ｖｄ）、またはＶｚ＝（Ｖａ−Ｖｄ）＋（Ｖｂ−Ｖｃ）、またはＶｚ＝Ｖａ＋Ｖｂ、またはＶｚ＝Ｖｃ＋Ｖｄにより算出される。なお、このように、２個のブリッジ回路１１が用いられた多軸センサユニット１０では、図４に示す１個のブリッジ回路１１が用いられた多軸センサユニット１０と比較して、感度が約２倍になる。
【００５２】
あるいは、図１１に示すように、Ｒ１１〜Ｒ１４からなるブリッジ回路１１ａとＲ２１〜Ｒ２４からなるブリッジ回路１１ｂとを並列に備えたブリッジ回路１１としてもよい。ここでは図１０に示すＲ２１〜Ｒ２４からなるブリッジ回路１１ｂでの歪みゲージＲ１１〜Ｒ２４を入れ替えている。この場合、Ｆｘ（Ｍｙ）はＲ１１〜Ｒ１４のブリッジ回路１１ａでＶｘ＝Ｖａ−Ｖｂより、Ｆｙ（Ｍｘ）はＲ２１〜Ｒ２４のブリッジ回路１１ｂでＶｙ＝Ｖｃ−Ｖｄより各々算出される。またＦｚについては、Ｖｚ＝Ｖａ＋Ｖｂ＋Ｖｃ＋Ｖｄ、またはＶｚ＝Ｖａ＋Ｖｂ、またはＶｚ＝Ｖｃ＋Ｖｄにより算出される。
【００５３】
一方、上述した固定されたブリッジ回路１１には限られず、図１２に示すような検出回路１６を利用してもよい。この検出回路１６では、環状に連結した歪みゲージＲ１１〜Ｒ２４と、歪みゲージＲ１１〜Ｒ２４に駆動用電圧Ｖ＋とＧＮＤを切り換えて設定するスイッチ１７と、このスイッチ１７を制御すると共に節点電圧を演算処理して力やモーメントを算出するマイコン１８とを備えている。歪みゲージＲ１１〜Ｒ２４の接続および節点電圧の設定は図４に示すブリッジ回路１１と同様である。ここでは、Ｒ１１とＲ１４の節点ｅ、Ｒ２１とＲ２４の節点ｆを設定している。
【００５４】
モーメントＭｘ，Ｍｙを求める場合は、マイコン１８の出力ポートの信号ＰＯをオフにしてスイッチ１７の出力端子を図中１，３，５側に接続する。これにより、ブリッジ回路１１の節点ｅ，ｆは駆動用電圧Ｖに接続され、節点ｇ，ｈはＧＮＤに接続される。すなわち、歪みゲージＲ１１〜Ｒ１４で構成されるブリッジ回路１１ａと、歪みゲージＲ２１〜Ｒ２４で構成されるブリッジ回路１１ｂとからなるブリッジ回路１１が構成される。このときのブリッジ回路１１を図１３に示す。そして、モーメントＭｘ（力Ｆｙ）は節点電圧Ｖｃ，Ｖｄの差Ｖｙとして検出できる。また、モーメントＭｙ（力Ｆｘ）は節点電圧Ｖａ，Ｖｂの差Ｖｘとして検出できる。
【００５５】
力Ｆｚを求める場合は、マイコン１８の信号ＰＯをオンにしてスイッチ１７の出力端子を図１２中２，４，６側に接続する。これにより、ブリッジ回路１１の節点ｂは駆動用電圧Ｖに接続され、節点ｃはＧＮＤに接続される。節点ｇ，ｈはＧＮＤから切り離され、節点ｅ，ｆは駆動用電圧Ｖ＋から切り離される。検出回路１６は８個の歪みゲージＲ１１〜Ｒ２４からなる１個のブリッジ回路１１となる。このときのブリッジ回路１１を図１４に示す。力Ｆｚは節点電圧Ｖａ，Ｖｄの差Ｖｚとして検出できる。
【００５６】
これらの電圧Ｖｘ，Ｖｙ，ＶｚはＯＰアンプ１９で演算されてマイコン１８のＡＤ変換ポートに入力される。マイコン１８では出力ポートＰＯの状態（オンかオフ）に応じてモーメントＭｘ，Ｍｙを検出する場合か力Ｆｚを検出する場合かを判別して、不要なデータ、例えばモーメントＭｘ，Ｍｙを検出する場合の力Ｆｚのデータを無視するようにする。
【００５７】
この動作の繰り返しによりモーメントＭｘ，Ｍｙと力Ｆｚとを時分割で精度良く検出することができる。
【００５８】
次に、本発明の第２の実施の形態について、図１５を参照して説明する。図１５に示すように、第２の実施の形態は、歪みゲージＲ１０１〜Ｒ２０４としてピエゾ抵抗素子を用いている。そして、半導体製造プロセスを利用して、１つの多軸センサユニット１０に必要なピエゾ抵抗素子を１枚のシリコン半導体基板２０に集積して起歪体１２にダイボンディング（はんだ付け）して固定している。ピエゾ抵抗素子は箔歪みゲージに比べてゲージ率が１０倍以上大きく、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。また、ＩＣの半導体プロセスを利用して、検出素子であるピエゾ抵抗素子のみならず信号処理用のＯＰアンプなどの回路素子までも同じ半導体基板２０に作製でき集積化できるようになる。
【００５９】
次に、本発明の第３の実施の形態について、図１６を参照して説明する。図１６に示すように、第３の実施の形態は、歪みゲージおよびブリッジ回路としてスパッタリングにより形成した酸化クロム膜２１を使用している。すなわち、起歪体１２にスパッタリングにより絶縁膜２２を形成し、その上にスパッタリングにより酸化クロム膜２１を形成し、その上に保護膜２３を形成する。絶縁膜２２は起歪体１２と酸化クロム膜２１とが導通しないようにするものである。酸化クロム膜２１はスパッタリングにより形成し、歪みゲージと導電性のブリッジ回路とを同時に形成することができる。歪みゲージとなる部分は歪み検出の方向に線幅が細くなり抵抗値が大きくなるようにしている。保護膜２３は酸化防止と物理的な接触による損傷防止のために設ける。
【００６０】
更に、本発明の第４の実施の形態について、図１７〜図１８を参照して説明する。図１７（Ａ）は、本発明の第４の実施の形態による多軸センサ１を第２部材３側からＺ軸方向に透視したときの歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８の配置を描いた平面図であり、図１７（Ｂ）は多軸センサ１の中央縦断面正面図である。図１７において、多軸センサ１は、多軸センサユニット４〜７を複数備えると共に、第１部材２と第２部材３とに外部から加わった多軸の力、モーメント、加速度、角加速度のいずれかを計測するものである。第１部材２および第２部材３は円盤形状のフランジから成る。歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８は第１部材２の表側面２ａのみに取り付けられている。
【００６１】
第１部材２は、４つの多軸センサユニット４，５，６，７を備えている。ここで、４つの多軸センサユニット４，５，６，７は、いずれも第１の実施の形態の多軸センサユニット１０と同様の構成であって、上述と同様のブリッジ回路１１または検出回路１６がそれぞれに設けられている。第２部材３は、第１部材２の多軸センサユニット４〜７に対向する４つの起歪体１２を備えている。互いに向き合う多軸センサユニット４〜７と起歪体１２との受力部１３同士がボルト９により連結されている。これにより、第１部材２と第２部材３とが一体化されている。
【００６２】
多軸センサユニット４〜７は多軸センサ１の中心点Ｏを中心に等角度おき、かつ中心点Ｏから等距離に配置されている。ここでは、９０度おきに配置されている。さらに、多軸センサユニット４〜７は、中心点Ｏ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。よって、この多軸センサ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軸力覚センサとして機能する。また、原点Ｏから第１部材２側への垂直線をＺ軸としている。図１８に、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の方向と、各軸に対するモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚの方向を示す。
【００６３】
各多軸センサユニット４〜７は大きさや厚さを同じにしている。このため、剛性が等しくなる。これにより、第１部材２と第２部材３と受力部１３とが全体として平行四辺形の四辺を構成するように変位するときに、各多軸センサユニット４〜７に力の方向や大きさに応じた歪みが歪みゲージＲ１１〜Ｒ４８に発生するようになるので、力やモーメントを高精度に検出することができる。なお、歪みゲージの取り付け作業を簡易にしたり歪みゲージの保護を図るために、取り付け位置に段差を設けてもよい。また、ダイヤフラム部１５以外の部分には他の部材への取り付け用のタップ穴を形成してもよい。
【００６４】
図１９に、各歪みゲージＲ１１〜Ｒ２４を接続してなるブリッジ回路１１を示す。なお、ブリッジ回路１１は、第１の実施の形態で説明したものはいずれも適用可能であるが、ここでは、その一例について説明する。図１９に示すように、多軸センサユニット４については、Ｒ１１〜Ｒ１４からなるブリッジ回路とＲ１５〜Ｒ１８からなるブリッジ回路とを並列に備えたブリッジ回路１１が設けられている。また、多軸センサユニット５〜７については、Ｒ２１〜Ｒ２４、Ｒ３１〜Ｒ３４、Ｒ４１〜Ｒ４４からなるブリッジ回路とＲ２５〜Ｒ２８、Ｒ３５〜Ｒ３８、Ｒ４５〜Ｒ４８からなるブリッジ回路とをそれぞれ並列に備えたブリッジ回路１１が設けられている。
【００６５】
ここで、ひずみゲージＲ１１〜１８で構成したブリッジ回路１１により検出したＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の力を示す信号をそれぞれＶｘ１、Ｖｙ１、Ｖｚ１とする。そして、Ｒ１１とＲ１２の節点ａ１の電圧をＶａ１、Ｒ１３とＲ１４の節点ｂ１の電圧をＶｂ１、Ｒ１７とＲ１８の節点ｃ１の電圧をＶｃ１、Ｒ１５とＲ１６の節点ｄ１の電圧をＶｄ１とすると、次のような演算により測定できる。
【００６６】
Ｖｘ１＝Ｖａ１−Ｖｂ１
Ｖｙ１＝Ｖｃ１−Ｖｄ１
Ｖｚ１＝Ｖａ１＋Ｖｂ１−Ｖｃ１−Ｖｄ１
【００６７】
なお、ひずみゲージＲ２１〜２８、ひずみゲージＲ３１〜３８、ひずみゲージＲ４１〜４８で構成したブリッジ回路１１により検出したＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の力を示す信号Ｖｘ２、Ｖｙ２、Ｖｚ２、Ｖｘ３、Ｖｙ３、Ｖｚ３、Ｖｘ４、Ｖｙ４、Ｖｚ４についても、同様にして測定できる。但し、Ｖｙ１とＶｙ３、Ｖｘ２とＶｘ４は、力の方向を示す信号の極性が逆になるようになっており、Ｖｚ１、Ｖｚ２、Ｖｚ３、Ｖｚ４は、力の方向を示す信号の極性が同じになっている。
【００６８】
従って、本実施の形態では、各多軸センサユニット４〜７で得られた結果を利用して、６軸の力およびモーメント成分は、次のような演算により求めることができる。ただし、各多軸センサユニット４〜７の３軸分の信号出力のうちで使用しない信号もある。ここで、下記の演算では、各抵抗値を既知また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計算してもよい。
【００６９】
Ｆｘ＝Ｖｘ４−Ｖｘ２
Ｆｙ＝Ｖｙ３−Ｖｙ１
Ｆｚ＝Ｖｚ１＋Ｖｚ２＋Ｖｚ３＋Ｖｚ４
Ｍｘ＝Ｖｚ４−Ｖｚ２
Ｍｙ＝Ｖｚ３−Ｖｚ１
Ｍｚ＝Ｖｙ１＋Ｖｘ２＋Ｖｙ３＋Ｖｘ４
【００７０】
なお、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軸力覚センサとして機能する多軸センサ１のブリッジ回路１１を用いた演算方法については、本件出願人による特願２０００−１７２０４５号公報に詳細に記載されている。
【００７１】
更に、本発明の第５の実施の形態について、図２０を参照して説明する。図２０は、第５の実施の形態による多軸センサ１を第２部材３側からＺ軸方向に透視したときの歪みゲージＲ１１〜Ｒ３８の配置を描いた平面図である。第５の実施の形態では、第１部材２に３つの多軸センサユニット４〜６を備えている。第２部材３は各多軸センサユニット４〜６に対向する３つの起歪体１２を備えている。多軸センサユニット４〜６は多軸センサ１の中心点Ｏを中心に１２０度おき、かつ中心点Ｏから等距離に配置されている。
【００７２】
本実施の形態の３つの多軸センサユニット４，５，６は、いずれも第１の実施の形態の多軸センサユニット１０と同様の構成であって、上述と同様のブリッジ回路１１または検出回路１６がそれぞれに設けられている。この場合も、各多軸センサユニット４〜６で得られた結果を利用して、６軸の力およびモーメント成分を検出することができる。従って、本実施の形態の多軸センサ１は、上述の第４の実施の形態と同様に、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軸力覚センサとして機能する。なお、多軸センサ１のブリッジ回路１１を用いた演算方法については、第４の実施の形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００７３】
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。上述した第４および第５の実施形態では第１部材２と第２部材３とを互いに取り付けているが、第１部材２のみを単独で使用してもよい。この場合、多軸センサユニット１０の受力部１３に作用体として重量体を取り付けることにより、多軸センサユニット１０に作用する多軸の加速度および角加速度を計測することができる。
【００７４】
以上、本発明の好適な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、上述したブリッジ回路１１では定電圧とＧＮＤを加える駆動方式としているが、これには限られず正負の両電圧を加えて駆動するようにしてもよい。あるいは定電圧の代わりに定電流を加えて駆動するようにしてもよい。
【００７５】
また、上述した各実施形態での歪みゲージの配置は図示したものに限られないのは勿論である。歪みゲージの配置を変更しても、ブリッジ回路１１の各節点電圧の差や和などの演算によってＭｘ，Ｍｙ，Ｆｚなどが求まればよい。
【００７６】
そして、上述した実施形態では３軸または６軸の力やモーメントを検出するセンサとしているが、これには限られず例えばＸ軸とＹ軸の２方向の力やモーメントだけを検出する２軸センサとして使用してもよい。または、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうちどれか１方向の力あるいはモーメントだけを検出する１軸センサとして使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の第１の実施の形態による多軸センサユニットを描いた図であり、（Ａ）は歪みゲージの配置を描いた平面図、（Ｂ）は中央縦断面正面図である。
【図２】多軸センサに力Ｆｘを加えたときの変位および歪みゲージの抵抗値の変化を示す中央縦断面正面図である。
【図３】多軸センサに力Ｆｚを加えたときの変位および歪みゲージの抵抗値の変化を示す中央縦断面正面図である。
【図４】ブリッジ回路の一例を示す回路図である。
【図５】ＯＰアンプを用いた節点電圧の演算処理の例を示す図である。
【図６】Ｆｘを算出するためのブリッジ回路の一例を示す回路図であり、（Ａ）は全体図、（Ｂ）は実質的な等価回路を示す。
【図７】Ｆｚを算出するための参照図であり、（Ａ）は力の加わる方向、（Ｂ）は矢印Ｔ１方向に加わったときのブリッジ回路、（Ｃ）は矢印Ｔ２方向に加わったときのブリッジ回路、（Ｄ）は矢印Ｔ３方向に加わったときのブリッジ回路、（Ｅ）は矢印Ｔ４方向に加わったときのブリッジ回路をそれぞれ示す。
【図８】ブリッジ回路の他の例を示す回路図である。
【図９】ブリッジ回路の更に他の例を示す回路図である。
【図１０】ブリッジ回路の別の例を示す回路図である。
【図１１】ブリッジ回路の更に別の例を示す回路図である。
【図１２】検出回路の一例を示す図である。
【図１３】検出回路によりＭｘまたはＭｙを求めるときに形成されるブリッジ回路を示す回路図である。
【図１４】検出回路によりＦｚを求めるときに形成されるブリッジ回路を示す回路図である。
【図１５】第２の実施の形態による多軸センサユニットを描いた中央縦断面正面図である。
【図１６】第３の実施の形態による多軸センサユニットを描いた一部省略の縦断面図である。
【図１７】本発明の第４の実施の形態による多軸センサを描いた図であり、（Ａ）は第２部材側からＺ軸方向に透視したときの歪みゲージの配置を描いた平面図、（Ｂ）は中央縦断面正面図である。
【図１８】直交座標軸を示す斜視図である。
【図１９】ブリッジ回路の一例を示す回路図である。
【図２０】第５の実施の形態による多軸センサの第２部材側からＺ軸方向に透視したときの歪みゲージの配置を描いた平面図である。
【図２１】従来の多軸センサユニットを描いた中央縦断面正面図である。
【図２２】従来の多軸センサユニットの歪みゲージの配置を描いた平面図である。
【図２３】従来の多軸センサユニットの歪みゲージにより形成されるブリッジ回路を示す回路図である。
【符号の説明】
【００７８】
１  多軸センサ
２  第１部材
３  第２部材
４〜７  多軸センサユニット
１０  多軸センサユニット
１１  ブリッジ回路
１２  起歪体
１３  受力部
１４  固定部
１５  ダイヤフラム部
Ｒ１１〜Ｒ４８  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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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