(57)【要約】  第１の発明の力検出装置は、受感部に作用する力に応じた信号を出力する力センサと、力が作用したときの受感部に生じる加速度を検出するように、力センサに固定された加速度センサとを含んで構成され、力センサが出力する信号と、加速度センサによって検出された加速度とに基づいて、受感部に作用した力を検出するので、力センサを変動させるように受感部に作用した力を高精度に測定することができる。  第２の発明の力検出装置は、受感部に作用する力に応じた信号を出力する力センサと、力センサから出力された信号を用いて、力が作用したときの受感部に生じる加速度を算出する加速度算出部とを含んで構成され、力センサが出力する信号と、加速度算出部によって算出された加速度とに基づいて、受感部に作用した力を検出するので、力センサを変動させるように受感部に作用した力を高精度に測定することができる。
2007148511.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受感部に作用する力に応じた信号を出力する力センサと、
力が作用したときの前記受感部に生じる加速度を検出するように、前記力センサに固定された加速度センサと、
を含む力検出装置。
【請求項２】
前記力センサから出力された信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路によって増幅された増幅値から、前記受感部の有効慣性質量と前記加速度センサで検出された加速度との積を減算した値を、前記力センサから出力された信号の補正値として出力する補正回路と、
を更に含む請求項１記載の力検出装置。
【請求項３】
受感部に作用する力に応じた信号を出力する力センサと、
前記力センサから出力された信号を用いて、力が作用したときの前記受感部に生じる加速度を算出する加速度算出部と、
を含む力検出装置。
【請求項４】
前記力センサから出力された信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路によって増幅された増幅値から、前記受感部の有効慣性質量と前記加速度算出部で算出された加速度との積を減算した値を、前記力センサから出力された信号の補正値として出力する補正回路とを更に含み、
前記加速度算出部は、前記増幅回路によって増幅された増幅値を用いて、前記加速度を算出する請求項３記載の力検出装置。
【請求項５】
前記加速度算出部は、前記力センサから出力された信号の２階微分を用いて、力が作用したときの前記受感部に生じる加速度を算出する請求項３又は４記載の力検出装置。
【請求項６】
ガイド部に沿って移動可能に該ガイド部に取り付けられた可動部と、
前記可動部に固定された第１の反射部材、受感部に作用する力を検出する力センサの受感部に固定された第２の反射部材、及び該第１の反射部材と該第２の反射部材とに光を入射させる光源を備え、前記可動部によって前記第２の反射部材が固定された前記受感部に力を作用させたときの前記第１の反射部材及び前記第２の反射部材の各々からの反射光の状態変化を検出する光波干渉計と、
を含む光干渉装置を用い、
前記光波干渉計で検出された前記第１の反射部材からの反射光の状態変化に基づいて前記可動部に作用した力を検出すると共に、前記光波干渉計で検出された前記第２の反射部材からの反射光の状態変化に基づいて前記受感部の加速度を検出し、
前記力センサで検出された力と検出された前記可動部に作用した力との差と、検出された前記受感部の加速度との関係から前記受感部の有効慣性質量を算出する
力センサの受感部の有効慣性質量の算出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力検出装置及び力センサの受感部の有効慣性質量の算出方法に係り、特に、力センサの受感部に作用する力を検出する力検出装置及び力センサの受感部の有効慣性質量の算出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、力センサは、材料試験、動的応答試験、衝突破壊試験などの各種試験や、圧延機などの生産機械におけるプロセス・モニタリング、構造物のヘルス・モニタリング、ロボットの運動制御など、多くの場面において広く使用されている。【０００３】
力センサによって、作用する力を検出する際に、作用する力によって力センサ自体が変動するため、検出された力を、力センサに作用した真の力に較正する必要がある。【０００４】
力センサによって測定された力の較正法として、現状では、静的な荷重を用いて測定された力を較正する方法（静的較正法）しか確立されていない。すなわち、現状では、作用する動的な力によって変動する力センサの測定値の不確かさを評価することが、不可能である。力センサが変動したときに測定した測定値を較正する方法が確立されていないために、作用する動的な力によって変動した力センサの計測値に対する不確かさを評価することができないという現状は、産業界や学術界において、潜在的に極めて大きなマイナス要因となっていると考えられる。現状では、力センサに作用する動的な力を計測する際、使用する力センサの固有振動数が唯一得られる動的特性であり、固有周波数から、静的較正法により較正されたセンサの出力の不確かさを評価することは不可能である。【０００５】
また、不確かさが評価された計測値が得られたときに初めて、現象のモデル化、運動制御、プロセス制御、数値解析の妥当性評価、設計の最適化などの上部構造の構築を適正に行うことが可能となるが、現状では、産業界や学術界において、計測値の不確かさを評価する方法がなく、非常にあいまいな不確かさしか評価することができない。また、センサの特性自体が不明確であり、前述した上部構造の構築を適性に行うことができない。【０００６】
そこで、力センサに作用する動的な力の測定値を較正するために、浮上支持した質量に作用する慣性力を、光波干渉計を利用して高精度に取り出す浮上質量法を用いた力センサの較正法が知られており、例えば、衝撃力に対する動的較正法（非特許文献１）や、ステップ力に対する動的較正法（非特許文献２）、連続振動力に対する動的較正法（非特許文献３）が知られている。
【非特許文献１】Ｙｕｓａｋｕ  Ｆｕｊｉｉ，  Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｖｏｌ．７２，Ｎｏ．７，３１０８−３１１１（２００１）
【非特許文献２】Ｙｕｓａｋｕ  Ｆｕｊｉｉ，Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  １４，１２５９−１２６４（２００３）
【非特許文献３】Ｙｕｓａｋｕ  Ｆｕｊｉｉ，Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  １４，１７４１−１７４６（２００３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の非特許文献１〜３に記載の技術では、作用する動的な力によって変動する力センサの測定値を較正する方法が確立されておらず、静的較正法のみが確立されているにすぎないため、力センサを変動させるように作用する動的な力を精度良く測定することができない、という問題がある。【０００８】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、力センサを変動させるように作用する力の測定を、高精度に行うことができる力検出装置、及び力センサの受感部の有効慣性質量を算出することができる力センサの受感部の有効慣性質量の算出方法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】
【０００９】
上記の目的を達成するために第１の発明に係る力検出装置は、受感部に作用する力に応じた信号を出力する力センサと、力が作用したときの前記受感部に生じる加速度を検出するように、前記力センサに固定された加速度センサとを含んで構成されている。【００１０】
第１の発明では、力センサによって、受感部に作用する力に応じた信号を出力する。また、受感部に力が作用したときに、作用する力によって、力センサが変動し、受感部に加速度が生じるため、加速度センサによって、力が作用したときの受感部に生じる加速度を検出する。ここで、力センサが変動したときに、受感部に生じた加速度によって、受感部に作用した力とは別の力が力センサに作用しているため、力センサによって検出される力と受感部に作用する力とに差が生じている。【００１１】
そこで、加速度センサによって検出された加速度に基づいて、力センサによって検出された力を、受感部に作用した力に補正する。【００１２】
このように、力センサが出力する信号と、加速度センサによって検出された加速度とに基づいて、受感部に作用した力を検出するので、力センサを変動させるように受感部に作用した力を高精度に測定することができる。【００１３】
第１の発明に係る力検出装置は、力センサから出力された信号を増幅する増幅回路と、増幅回路によって増幅された増幅値から、受感部の有効慣性質量と加速度センサで検出された加速度との積を減算した値を、前記力センサから出力された信号の補正値として出力する補正回路とを更に含むことができる。この構成によれば、受感部の有効慣性質量と加速度センサで検出された加速度との積を、力センサが変動したときに力センサに作用する別の力として、増幅回路によって増幅された増幅値から減算して補正する。これによって、力センサによって検出された力を補正して、受感部に作用した力を検出するので、力センサを変動させるように受感部に作用した力を高精度に測定することができる。【００１４】
第２の発明に係る力検出装置は、受感部に作用する力に応じた信号を出力する力センサと、前記力センサから出力された信号を用いて、力が作用したときの前記受感部に生じる加速度を算出する加速度算出部とを含んで構成されている。【００１５】
第２の発明では、力センサによって、受感部に作用する力に応じた信号を出力する。また、受感部に力が作用したときに、作用する力によって、力センサが変動し、受感部に加速度が生じるため、加速度算出部によって、力センサから出力された信号を用いて、力が作用したときの受感部に生じる加速度を算出する。ここで、力センサが変動したときに、受感部に生じた加速度によって、受感部に作用した力とは別の力が力センサに作用しているため、力センサによって検出される力と受感部に作用する力とに差が生じている。【００１６】
そこで、加速度算出部によって算出された加速度に基づいて、力センサによって検出された力を、受感部に作用した力に補正する。【００１７】
このように、力センサが出力する信号と、加速度算出部によって算出された加速度とに基づいて、受感部に作用した力を検出するので、力センサを変動させるように受感部に作用した力を高精度に測定することができる。【００１８】
第２の発明に係る力検出装置は、力センサから出力された信号を増幅する増幅回路と、増幅回路によって増幅された増幅値から、受感部の有効慣性質量と加速度算出部で算出された加速度との積を減算した値を、力センサから出力された信号の補正値として出力する補正回路とを更に含み、加速度算出部は、増幅回路によって増幅された増幅値を用いて、加速度を算出することができる。この構成によれば、受感部の有効慣性質量と加速度算出部で算出された加速度との積を、力センサが変動したときに力センサに作用する別の力として、増幅回路によって増幅された増幅値から減算して補正する。これによって、力センサによって検出された力を補正して、受感部に作用した力を検出するので、力センサを変動させるように受感部に作用した力を高精度に測定することができる。【００１９】
第２の発明に係る加速度算出部は、力センサから出力された信号の２階微分を用いて、力が作用したときの受感部に生じる加速度を算出することができる。力センサから出力された信号の２階微分が、加速度と相関があるため、力センサから出力された信号の２階微分を用いて、加速度を算出することができる。【００２０】
また、本発明に係る力センサの受感部の有効慣性質量の算出方法は、ガイド部に沿って移動可能に該ガイド部に取り付けられた可動部と、前記可動部に固定された第１の反射部材、受感部に作用する力を検出する力センサの受感部に固定された第２の反射部材、及び該第１の反射部材と該第２の反射部材とに光を入射させる光源を備え、前記可動部によって前記第２の反射部材が固定された前記受感部に力を作用させたときの前記第１の反射部材及び前記第２の反射部材の各々からの反射光の状態変化を検出する光波干渉計と、を含む光干渉装置を用い、前記光波干渉計で検出された前記第１の反射部材からの反射光の状態変化に基づいて前記可動部に作用した力を検出すると共に、前記光波干渉計で検出された前記第２の反射部材からの反射光の状態変化に基づいて前記受感部の加速度を検出し、前記力センサで検出された力と検出された前記可動部に作用した力との差と、検出された前記受感部の加速度との関係から前記受感部の有効慣性質量を算出することを特徴としている。【００２１】
本発明の算出方法によれば、可動部をガイド部に沿って移動させて、可動部によって力センサの受感部に力を作用させて、受感部に力を作用させたときの、可動部に固定された第１の反射部材及び受感部に固定された第２の反射部材の各々からの反射光の状態変化を光波干渉計で検出する。【００２２】
そして、光波干渉計で検出された第１の反射部材からの反射光の状態変化に基づいて可動部に作用した力を検出すると共に、光波干渉計で検出された第２の反射部材からの反射光の状態変化に基づいて受感部の加速度を検出する。【００２３】
このとき、受感部に固定された第２の反射部材からの反射光の状態変化を光波干渉計によって検出して、状態変化によって受感部の変位速度を検出し、検出した変位速度を微分して受感部の加速度を正確に検出する。また、可動部に固定された第１の反射部材からの反射光の状態変化を光波干渉計によって検出して、状態変化によって可動部の変位速度を検出し、検出した変位速度を微分して可動部の加速度を検出する。そして、可動部の加速度と可動部の質量とから可動部に作用する力を検出する。【００２４】
ここで、ガイド部と可動部との間に作用する内部摩擦力及び空気抵抗等の外力が無視できる条件下では、可動部によって力センサの受感部に力を作用させたとき、受感部から可動部に作用する力と可動部から受感部に作用する力とは、作用、反作用の法則により、大きさが等しい逆向きの力になる。【００２５】
そして、力センサで検出された力と可動部に作用した力との差が、受感部の有効慣性質量に作用する力に一致するため、力センサで検出された力と検出された可動部に作用した力との差と、検出された受感部の加速度との関係から受感部の有効慣性質量を算出する。【００２６】
このように、光波干渉計によって、可動部に作用した力や受感部の加速度を高精度に検出し、力センサで検出された力と可動部に作用した力との差と、受感部の加速度との関係から有効慣性質量を算出することができる。また、算出された有効慣性質量を用いて、力センサによって検出された力を補正することにより、センサを変動させるように受感部に作用した力を高精度に測定することが可能となる。
【発明の効果】
【００２７】
以上説明したように、本発明の力検出装置によれば、力センサが出力する信号と、加速度センサによって検出された加速度又は算出された加速度とに基づいて、受感部に作用した力を検出するので、力センサを変動させるように受感部に作用した力を高精度に測定することができる、という効果が得られる。【００２８】
また、本発明の力センサの受感部の有効慣性質量の算出方法によれば、光波干渉計によって、可動部に作用した力や受感部の加速度を高精度に検出し、力センサで検出された力と可動部に作用した力との差と、受感部の加速度との関係から有効慣性質量を算出することができ、また、算出された有効慣性質量を用いて、力センサによって検出された力を補正することにより、センサを変動させるように受感部に作用した力を高精度に測定することができる、という効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る力センサの構成を示す概略図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る力検出システムの構成を示す概略図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る計測システムの構成を示す概略図である。
【図４Ａ】ビート周波数及び基準周波数の測定データを示すグラフである。
【図４Ｂ】ビート周波数及び基準周波数の測定データを示すグラフである。
【図４Ｃ】ビート周波数及び基準周波数の測定データから算出した可動部及び受感部の変位速度を示すグラフである。
【図４Ｄ】ビート周波数及び基準周波数の測定データから算出した可動部及び受感部の変位速度を示すグラフである。
【図４Ｅ】変位速度から算出した可動部及び受感部の変位を示すグラフである。
【図４Ｆ】変位速度から算出した可動部及び受感部の変位を示すグラフである。
【図４Ｇ】変位速度から算出した可動部及び受感部の加速度を示すグラフである。
【図４Ｈ】変位速度から算出した可動部及び受感部の加速度を示すグラフである。
【図４Ｉ】加速度から算出した可動部の慣性力を示すグラフである。
【図５】力センサの出力と光波干渉計で測定した可動部に作用する力を示すグラフである。
【図６】力センサの受感部の加速度と力センサの出力及び可動部に作用する力の差との関係を示すグラフである。
【図７】力センサの出力及び可動部に作用する力の差と有効慣性質量及び受感部の加速度の積との関係を示すグラフである。
【図８】補正した力センサの出力と、計測システムで測定した可動部に作用する力との関係を示すグラフである。
【図９】力センサの衝撃力に対する機械的応答を示すグラフである。
【図１０】本発明の第２の実施の形態に係る力センサの構成を示す概略図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係る力検出システムの構成を示す概略図である。
【図１２】力センサの出力、及び光波干渉計で測定した加速度と可動部の質量との積によって算出される力を示すグラフである。
【図１３】力センサの出力の２階微分と測定誤差との関係を示すグラフである。
【図１４】測定誤差と、力センサの出力の２階微分の回帰直線によって得られる値とを示すグラフである。
【図１５】力センサの出力の２階微分の回帰直線の式を用いて補正を行った場合の測定誤差のＲＭＳ値と、補正を行わない場合の測定誤差のＲＭＳ値とを示すグラフである。
【図１６】、力センサの出力の２階微分と、力センサの受感部の加速度との関係を示すグラフである。
【図１７】力センサの受感部の変位と、力センサからの反力との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。本実施の形態では、力センサを用いて作用する力を検出する力検出システムに、本発明を適用した場合を例に説明する。【００３１】
図１に示すように、第１の実施の形態に係る力センサ１０は、力センサ部１２と加速度計部１４とを備えている。力センサ部１２は、ベース２０に取り付けられ、かつ、アルミブロックで形成されたＳ字型力センサ１６で構成されている。Ｓ字型力センサ１６の中央部には穴が形成されており、穴に沿ってひずみゲージ１８が設けられている。【００３２】
また、加速度計部１４は、加速度センサ２２と、加速度センサ２２を収納した十分な剛性のあるケース２４と、ケース２４に取り付けられたＳ字型力センサ１６の受感部（ロードボタン）２６とを備えている。【００３３】
力センサ１０の受感部２６に力が作用すると、Ｓ字型力センサ１６が変動するため、受感部２６が変動すると共に、受感部２６周辺が変動して、加速度が生じ、Ｓ字型力センサ１６に作用する力が生じる。従って、力センサ１０は、受感部２６に作用する力の他、受感部２６周辺が変動することによって生じた力も検出してしまう。すなわち、力センサ１０で検出される力は、受感部２６に作用する力と、受感部２６周辺が変動することによって生じた力との和になる。【００３４】
次に、力センサ１０で検出された力を、作用された真の力に補正する方法について説明する。受感部２６に力を作用させたことによって受感部２６周辺が変動するときに、質量として作用する受感部２６周辺部分の質量を、有効慣性質量とすると、以下の（１）式より、力センサ１０によって検出された力を、受感部２６に作用された真の力に補正することができる。
Ｆcorrected  ＝  Ｆtrans  −  Ｍestimated・ａ２    （１）
ここで、Ｆcorrectedは、補正後の力センサ１０の出力（単位はＮ）、Ｆtransは、補正前の力センサ１０の出力（静的較正法によって較正された力センサ１０の出力、単位はＮ）、Ｍestimatedは、力センサ１０の受感部２６周辺の有効慣性質量、ａ２は、力センサ１０の受感部２６周辺の加速度（代表位置での計測値）を示す。【００３５】
上記の（１）式により、Ｓ字型力センサ１６の変動により力が生じるときの質量として作用する部分（受感部２６周辺部分）の有効慣性質量と、受感部２６周辺の加速度との積によって、受感部２６に作用する力とは異なるＳ字型力センサ１６に作用する力を算出する。そして、この算出された力を、力センサ１０で検出された力から減算することにより、力センサ１０で検出された力を、受感部２６に作用した真の力に補正することができる。【００３６】
次に、本実施の形態に係る力検出システムについて図２を用いて説明する。力検出システム３０は、上述した力センサ１０に作用した力に応じた信号を出力する力センサ１０と、力センサ１０から出力された信号を増幅する増幅回路３２と、加速度センサ２２の検出結果及び増幅回路３２の出力に基づいて、力センサ１０によって検出された力を補正する補正部３４とを備えている。【００３７】
力センサ１０には、ブリッジ回路３６が設けられ、ブリッジ回路３６の一部がひずみゲージ１８で形成されており、ブリッジ回路３６は力に応じた信号を出力し、ブリッジ回路３６から出力した信号が増幅回路３２に入力される。なお、本実施の形態では、増幅回路３２によって出力される信号が、力センサ１０の出力Ｆtransを示している。【００３８】
補正部３４には、メモリ（図示省略）が設けられ、メモリには、後述する方法により予め算出された力センサ１０の受感部２６周辺の有効慣性質量を示すデータが格納されている。補正部３４は、上記の（１）式に基づいて、加速度センサ２２の出力ａ２、増幅回路３２の出力Ｆtrans、及びメモリの有効慣性質量Ｍestimatedを用いて、補正後の力センサ１０の出力Ｆcorrectedを算出して出力する。【００３９】
次に、力検出システム３０において、力センサ１０に作用する力を計測する処理について説明する。まず、力センサ１０の受感部２６に力が作用されると、力センサ１０のＳ字型力センサ１６が変動し、ブリッジ回路３６において、ひずみゲージ１８が変形して抵抗値が変化し、ブリッジ回路３６の出力が変化することにより、ブリッジ回路３６から作用した力に応じた信号が出力される。そして、増幅回路３２によってブリッジ回路３６からの出力信号が増幅され、増幅された信号が示す増幅値Ｆtransが補正部３４に入力される。【００４０】
また、受感部２６に力が作用されたときの受感部２６の加速度ａ２を、加速度センサ２２から補正部３４に取り込む。【００４１】
そして、補正部３４では、上記の（１）式により、力センサ１０で検出された力Ｆtransを補正して、補正値Ｆcorrectedを出力し、力センサ１０に作用する力を計測する処理を終了する。【００４２】
上記のように、力センサ１０で検出された力を動的に較正して、力センサ１０の受感部２６に作用した力を測定することができる。【００４３】
次に、受感部２６周辺の有効慣性質量を算出する方法について説明する。なお、浮上質量法（Ｌｅｖｉｔａｔｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｍｅｔｈｏｄ）を用いて、力センサの衝撃力に対する電気的応答と機械的応答とを同時に求める計測システムによって、有効慣性質量を算出する場合を例に説明する。【００４４】
ここで、浮上質量法は、慣性質量としての物体を空気圧により非接触で浮上支持して、誤差要因としての外力を小さく抑制した状態を作ることにより、物体に作用する慣性力を、光波干渉計を利用して高精度に取り出すことを特徴とする、変動する力の発生方法及び計測方法である。浮上質量法では、浮上支持した物体（慣性質量）に作用する慣性力を、光波干渉計により、超高精度に測定する。浮上質量法においては、空気圧支持手段として、超精密工作機械や検査機器などにおいてもキーテクノロジーとして使用される静圧空気軸受を用いる。また、測定中に光波干渉計で測定するのは、物体にあてた信号光のドップラーシフト周波数ｆのみである。このドップラーシフト周波数ｆから、物体の速度ｖ、位置ｘ、加速度ａ、及び慣性力Ｆを数値微分や数値積分などによって求める。これにより、物体の速度ｖ、位置ｘ、加速度ａ、及び慣性力Ｆを、完全に同期したデータとして、高精度に測定することができる。【００４５】
図３に示すように、本実施の形態に係る光干渉装置としての計測システム１１０には、浮上支持した物体を取り付けるための浮上物体支持部１１２、及び２つの光波干渉計１１４Ａ、１１４Ｂを備えた計測ユニット１１４が設けられている。浮上物体支持部１１２は、摩擦抵抗の小さいガイド部給気方式の静圧空気軸受（ｍｏｄｅｌ：Ａｉｒ−Ｓｌｉｄｅ  ＴＡＡＧ１０Ａ−０２、ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ  ｂｙ  ＮＴＮ  Ｃｏ．、Ｌｔｄ．、Ｊａｐａｎ）を備えており、静圧空気軸受は、傾斜微調整機構の付いた台座（図示省略）に固定されている。また、静圧空気軸受の直線状のガイド部１１８が、水平方向を向くようにベース（図示省略）に固定されて設けられており、ブロック状の可動部１１６が、ガイド部１１８に沿って移動可能に取り付けられている。【００４６】
また、可動部１１６には、貫通孔が穿設されており、静圧空気軸受のガイド部１１８は、この貫通孔を貫通するように設けられている。【００４７】
この貫通孔の内周面とガイド部１１８の外周面との間には、ガイド部１１８の外周面全周に亘って圧縮空気層（約５〜１０μｍ）が形成されている。これにより、可動部１１６は、極めて小さい摩擦抵抗でガイド部１１８の長さ方向に直進運動することが可能である。なお、図示を省略したが、圧縮空気はガイド部１１８の一端から導入されて、ガイド部１１８の中央部に形成された出口から、可動部１１６の内周に形成された溝を介して、可動部１１６の中央部に形成された入口に導かれ、可動部１１６の内部配管を介して上記圧縮空気層に供給される。また、給気チューブを介して可動部１１６に圧縮空気を直接導入すれば、給気通路の構造は更に簡単になるが、本実施の形態では給気チューブからの外力が可動部１１６に作用することを防止するため、ガイド部１１８から圧縮空気を導入している。【００４８】
また、可動部１１６の側面前方には、外延ブロック１１７が取り付けられており、後述する受感部２６の緩衝材１２４に対向するように配置されている。また、可動部１１６の側面後方には、光波干渉計を構成する第１のコーナ・キューブ・プリズム１２０が設けられ、第１のコーナ・キューブ・プリズム１２０は、光入出射側を後方に向けて可動部１１６に固定されている。【００４９】
また、ガイド部１１８の端部に対向するようにベース１２２が立設されており、ベース１２２のガイド部１１８側の側面には、計測対象となる力センサ１０のＳ字型力センサ１６が取り付けられている。また、力センサ１０の受感部２６には、外延ブロック１１７が当接するゴムブロック等で構成された緩衝材１２４が固定されている。また、受感部２６の上方には、光波干渉計を構成する第３のコーナ・キューブ・プリズム１６６が設けられ、第３のコーナ・キューブ・プリズム１６６は、光入出射側を後方に向けて受感部２６に固定されている。【００５０】
ベース１２２と可動部１１６との間に設定された基準位置には、基準位置で鉛直方向に沿った光路を形成するように、レーザダイオード１２６Ａとフォトダイオード１２６Ｂとで構成された基準位置センサ１２６が配置されている。基準位置センサ１２６のフォトダイオード１２６Ｂは、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤコンバータ１２８を介してパーソナルコンピュータ１３２に接続されている。パーソナルコンピュータ１３２には、受感部２６周辺の有効慣性質量を計測するためのプログラムを記憶したＲＯＭ、計測された時系列データを記憶するハードディスク等で構成された記憶媒体、及び記憶した時系列データを表示するＬＣＤやＣＲＴ等で構成された表示装置が設けられている。【００５１】
Ｓ字型力センサ１６は、力センサ出力を増幅する増幅器１８０及び増幅器１８０から出力された電流値を検出するデジタル電圧計（ｍｏｄｅｌ：ＶＰ５４８１Ｌ；ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ  ｂｙ  Ｐａｎａｓｏｎｉｃ  Ｃｏｒｐ．，Ｊａｐａｎ）１５０を介してパーソナルコンピュータ１３２及びパーソナルコンピュータ１３２に接続されたＤＡコンバータ１７８に接続されている。なお、デジタル電圧計に代えて、電圧計（例えば、ＨＰ製３４５８Ａ）を使用してもよい。また、力センサ１０の出力は、デジタル電圧計１５０により、例えば、サンプリング間隔０．２秒で測定される。【００５２】
計測ユニット１１４は、ゼーマンタイプの２周波ヘリウムネオンレーザ等から構成された光源１３４を備えており、この光源１３４から出射された光は、第１の非偏光ビームスプリッタ１３６で第１の測定光と第１の参照光とに分光される。また、第１の測定光は、第１の偏光ビームスプリッタ１３８に入射され、第２の測定光と第２の参照光とに分光される。【００５３】
第２の測定光は、可動部１１６に固定された第１のコーナ・キューブ・プリズム１２０に入射され、第１のコーナ・キューブ・プリズム１２０で反転されて光路を１８０°変更し、再度第１の偏光ビームスプリッタ１３８に入射される。ここで、第１の偏光ビームスプリッタ１３８と第１のコーナ・キューブ・プリズム１２０との間の光路の方向は、可動部１１６の移動方向と平行になるように設定されている。第２の測定光は、第１のコーナ・キューブ・プリズム１２０で反転する際に、可動部１１６の変位速度に応じたドップラーシフト(ドップラ効果による周波数変化または位相変化)を生じ、反射光の状態が変化する。【００５４】
一方、第２の参照光は、第１の偏光ビームスプリッタ１３８から第２のコーナ・キューブ・プリズム１４０方向に反射され、第２のコーナ・キューブ・プリズム１４０で反転されて再度第１の偏光ビームスプリッタ１３８に入射される。そして、再度入射された第２の参照光が、第１の偏光ビームスプリッタ１３８で第１のコーナ・キューブ・プリズム１２０からの反射光（信号光）と干渉し、信号光と第２の参照光との周波数の差分のビートを生ずる干渉光が生じる。すなわち、信号光に生じた状態変化（信号光の周波数のドップラーシフト、または信号光の位相の変化）が、光波干渉計１１４Ａによって干渉光から検出される。【００５５】
干渉光は、第１の偏光ビームスプリッタ１３８から反射ミラー１４２と第１の偏光板（例えば、グラン・トンプソン・プリズム)１４４とを介してフォトダイオードで構成された第１の光検出器１４６に入射される。そして、干渉光は、第１の光検出器１４６で干渉光のビート周波数ｆbeat-1に応じた電気信号に変換されて第１の周波数カウンタ（ｍｏｄｅｌ：Ｒ５３６３；ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ  ｂｙ  Ａｄｖａｎｔｅｓｔ  Ｃｏｒｐ．、Ｊａｐａｎ）１４８に入力される。そして、第１の周波数カウンタ１４８によりビート周波数ｆbeat-1の測定値を表すデジタルデータが生成され、このデジタルデータが、パーソナルコンピュータ１３２に入力される。【００５６】
また、第１の参照光は、第２の非偏光ビームスプリッタ１６０で第３の測定光と第３の参照光とに分光される。また、第３の測定光は、第２の偏光ビームスプリッタ１６２に入射され、第４の測定光と第４の参照光とに分光される。【００５７】
第４の測定光は、受感部２６に固定された第３のコーナ・キューブ・プリズム１６６に入射され、第３のコーナ・キューブ・プリズム１６６で反転されて光路を１８０°変更し、再度第２の偏光ビームスプリッタ１６２に入射される。ここで、第２の偏光ビームスプリッタ１６２と第３のコーナ・キューブ・プリズム１６６との間の光路の方向は、可動部１１６の移動方向と平行になるように設定されており、可動部１１６の外延ブロック１１７から受感部２６に力を作用する方向と平行になるように設定されている。【００５８】
また、第４の測定光は、第３のコーナ・キューブ・プリズム１６６で反転する際に、受感部２６の変位速度に応じたドップラーシフトを生じ、反射光の状態が変化する。【００５９】
一方、第４の参照光は、第２の偏光ビームスプリッタ１６２から第４のコーナ・キューブ・プリズム１６４方向に反射され、第４のコーナ・キューブ・プリズム１６４で反転されて再度第２の偏光ビームスプリッタ１６２に入射される。再度入射された第４の参照光は、第２の偏光ビームスプリッタ１６２で第３のコーナ・キューブ・プリズム１６６からの反射光（信号光）と干渉し、信号光と第４の参照光との周波数の差分のビートを生ずる干渉光が生じる。この信号光に生じた状態変化が、光波干渉計１１４Ｂによって干渉光から検出される。【００６０】
干渉光は、第２の偏光ビームスプリッタ１６２から反射ミラー１６７と第２の偏光板１６８とを介してフォトダイオードで構成された第２の光検出器１７０に入射される。入射された干渉光が、第２の光検出器１７０で干渉光のビート周波数ｆbeat-2に応じた電気信号に変換されて第２の周波数カウンタ１７２に入力される。そして、第２の周波数カウンタ１７２によりビート周波数ｆbeat-2の測定値を表すデジタルデータが生成され、生成されたデジタルデータが、パーソナルコンピュータ１３２に入力される。【００６１】
また、第３の参照光は、第３の偏光板１５４を介して第３の光検出器１５６に入射される。入射された第３の参照光は、第３の光検出器１５６で、可動部１１６及び受感部２６の静止状態に対応する基準周波数frestの電気信号に変換されて、第３の周波数カウンタ１５８により基準周波数ｆrestの値を表すデジタルデータが生成される。そして、生成されたデジタルデータが、パーソナルコンピュータ１３２に入力される。【００６２】
なお、３台の周波数カウンタ１４８、１５８、１７２の各々は、第１の光検出器１４６、第２の光検出器１７０、及び第３の光検出器１５６が出力する電気信号を、サンプリングレートＴ＝４００／ｆで測定し、サンプリングデータとして、それぞれ１０００回測定を行い、サンプリングデータが記憶媒体に記録する。例えば、入力周波数が２．７ＭＨｚのとき、サンプリング間隔は１．５ｍｓとなる。【００６３】
次に、可動部１１６及び力センサ１０の受感部２６に関する各種物理量の算出方法について説明する。【００６４】
まず、可動部１１６に作用する力Ｆmassは、以下の（２）式に示すように、可動部１１６の質量Ｍ１と可動部１１６の加速度ａ１との積として表すことができる。
Ｆmass  ＝  Ｍ１・ａ１              （２）
空気軸受の摩擦が無視できる条件下では、Ｆmassは、力センサ１０の受感部２６の緩衝材１２４から可動部１１６に作用する力と等しく、作用と反作用の法則により、Ｆmassは、可動部１１６から力センサ１０の受感部２６に作用する力と厳密に同じ大きさで厳密に逆向きになる。【００６５】
また、可動部１１６の速度ｖ１は、光波干渉計１１４Ａで測定される可動部１１６で反射したビーム光のドップラーシフト周波数ｆDoppler-1を用いて、以下の（３）式で表すことができる。
ｖ１＝λair・ｆDoppler-1／２                  （３）
ただし、
ｆDoppler-1＝−（ｆbeat-1−ｆrest）              （４）
ここで、λairは、測定環境における空気の屈折率、ｆbeat-1は、光波干渉計１１４Ａの信号光と参照光との周波数の差であり、第１の光検出器１４６に接続された第１の周波数カウンタ１４８で計測される周波数である。また、光波干渉計１１４Ａの信号光の周波数は、可動部１１６の動きに比例したドップラーシフトを受けているため、可動部１１６の速度ｖ１を用いて、可動部１１６の位置ｘ１、可動部１１６の加速度ａ１、及び可動部１１６に作用する力Ｆmass（＝Ｍ１・ａ１）の各々が計算される。【００６６】
一方、力センサ１０の受感部２６の速度ｖ２は、光波干渉計１１４Ｂで測定されるドップラーシフト周波数ｆDoppler-2を用いて、以下の（５）式で表すことができる。
ｖ２＝λair・ｆDoppler-2／２                （５）
ただし、
ｆDoppler-2＝−（ｆbeat-2−ｆrest）            （６）
ここで、ｆbeat-2は、光波干渉計１１４Ｂの信号光と参照光との周波数の差であり、第２の光検出器１７０に接続された第２の周波数カウンタ１７２で計測される周波数である。また、受感部２６の速度ｖ２を用いて、受感部２６の位置ｘ２及び受感部２６の加速度ａ２の各々が計算される。【００６７】
次に、パーソナルコンピュータ１３２における受感部２６周辺の有効慣性質量を算出する処理について説明する。【００６８】
まず、パーソナルコンピュータ１３２を立ち上げ、フォトダイオード１２６Ｂ、第１の光検出器１４６、第２の光検出器１７０、及び第３の光検出器１５６の各々にレーザ光が入射されるように、レーザダイオード１２６Ａ及び光源１３４の各々からレーザ光を発振させておく。このような状態で、可動部１１６をガイド部１１８の長さ方向に手で押して、可動部１１６を慣性で移動させる。これにより、第１のコーナ・キューブ・プリズム１２０及び可動部１１６を一体とした物体（以下、錘体という）が慣性で移動する。なお、アクチュエータを設けて、アクチュエータによって錘体に初速（または、初期運動量、または初期運動エネルギー）を与えても良い。【００６９】
そして、レーザダイオード１２６Ａからフォトダイオード１２６Ｂに入射されるレーザ光が、可動部１１６によって遮られると、パーソナルコンピュータ１３２によって、ＤＡＣ１７８にトリガ信号を発生させる。そして、このトリガ信号によって、３台の周波数カウンタ１４８、１５８、１７２と１台のデジタル電圧計１５０とによる測定を開始させ、衝突実験を開始する。【００７０】
そして、衝突実験の間、第１の光検出器１４６、第２の光検出器１７０、及び第３の光検出器１５６の各々の出力から、ｆbeat-1（図４Ａ参照）、ｆbeat-2（図４Ｂ参照）、及びｆrestを測定する。また、同時に上記の（３）式を用いて可動部１１６の変位速度ｖ１（図４Ｃ参照）を測定し、測定された変位速度ｖ１から変位ｘ１（図４Ｅ参照）及び加速度ａ１（図４Ｇ参照）各々を計算する。そして、計算された加速度ａ１を用いて、上記の（２）式から慣性力Ｆmass（図４Ｉ参照）を計算する。【００７１】
また、上記の（５）式を用いて力センサ１０の受感部２６の変位速度ｖ２（図４Ｄ参照）を測定し、測定された変位速度ｖ２から変位ｘ２（図４Ｆ参照）及び加速度ａ２（図４Ｈ参照）の各々を計算する。なお、座標軸は、図４Ａ〜図４Ｉの右方向を正にとる。上記の各物理量は、所定のサンプリング測定間隔で測定され、サンプリングデータがパーソナルコンピュータ１３２の記憶媒体に記憶される。また、力センサ１０の出力も、サンプリング測定間隔で測定され、サンプリングデータが記憶媒体に記憶される。【００７２】
次に、力センサ１０の出力Ｆtransと、作用する真の力としての可動部１１６に作用する力Ｆmassとの関係について説明する。【００７３】
図５に示すように、力センサ１０の衝撃力に対する電気的な応答として、静的な較正方法を用いて計算された力センサ１０の出力Ｆtransと、光波干渉計１１４Ａで測定された加速度ａ１と可動部１１６の質量Ｍ１との積として計算された力Ｆmassとが変化する。このとき、ＦtransとＦmassとに差が生じる。この差は、主に、力センサ１０の静的特性と動的特性との差から生じる。なお、ＦtransとＦmassとの差のＲＭＳ（ｒｏｏｔ  ｍｅａｎ  ｓｑｕａｒｅ  ｖａｌｕｅ）は、例えば、約３．８Ｎである。【００７４】
図６に示すように、力センサ１０の受感部２６の加速度ａ２と、Ｆtrans−Ｆmassとの関係においては、明確な相関が見られ、回帰直線は、Ｆ＝０．３２３・ａ２となる。ここで、次の２つの仮定を導入する。（１）力センサ１０は、慣性質量とバネ要素とから構成される構造であり、（２）力センサ１０の出力は、バネの変形量に比例する。【００７５】
上記の仮定のもとで、回帰直線の係数０．３２３が、力センサ１０の受感部２６周辺の有効慣性質量となるため、力センサ１０の受感部２６周辺の有効慣性質量は、０．３２３ｋｇと計算される。【００７６】
この有効慣性質量の値から受感部２６に後付けで取り付けた部品の質量０．０８２ｋｇを差し引いた値０．２４１ｋｇは、力センサ１０の質量の約６０％に相当する。この結果（受感部２６の有効慣性質量が、力センサ１０の質量のほぼ半分になること）は、使用した力センサ１０がほぼ上下対称で、その変形が中心部に集中する設計のＳ字型のものであることと整合している。【００７７】
すなわち、力センサ１０の系全体を、単純な「土台−第１の質量−バネ−第２の質量−受感部」とみたときに、受感部とバネとの間にある第２の質量が、慣性質量となるため、力センサ１０の上部半分と下部半分とが、真ん中のバネ（中央の穴が空いた部分）で接合されたかのように振る舞うと共に、上部半分が剛体として振る舞う。ここで、その質量（力センサ１０全体の半分の質量）に作用する慣性力を考慮すると、力センサ１０の静的特性と動的特性とのズレを説明することができる。【００７８】
また、図７に示すように、Ｆtrans−Ｆmassの時間変化と、Ｍestimated・ａ２の時間変化とは一致しており、Ｆtrans−Ｆmassは、力センサ１０の静的特性と動的特性との差を表している。また、Ｍestimated・ａ２は、力センサ１０の受感部２６周辺にある有効慣性質量に作用する力を表している。従って、力センサ１０の静的特性と動的特性との差が、力センサ１０の受感部２６周辺にある有効慣性質量に作用する力を表わしていることを説明できる。なお、（Ｆtrans−Ｆmass）−（Ｍestimated・ａ２）のＲＭＳ値は、０．７Ｎである。【００７９】
また、Ｆtrans−Ｍestimated・ａ２とＦmassとの時間変化の比較結果について説明する。図８に示すように、Ｆtrans−Ｍestimated・ａ２とＦmassとの時間変化は一致しているため、Ｆtrans−Ｍestimated・ａ２は、本発明による補正のための式を表している。上記の補正のための式により、力センサ１０による測定値と、真値（光波干渉計で測定した値）との差異のＲＭＳ値を、３．７Ｎから０．７Ｎに大きく低減することが可能になる。【００８０】
なお、力センサ１０の衝撃力に対する機械的応答では、図９に示すように、可動部１１６に作用する力Ｆmassが変化し、力センサ１０の構造体としての粘弾性によるヒステリシスが観測される。【００８１】
従って、有効慣性質量を算出する処理では、上述した、力センサ１０の出力Ｆtransと、真の力としての可動部１１６に作用する力Ｆmassとの関係を求めるために、メモリに記憶された各物理量を用いて、サンプリング測定間隔毎に、力センサ１０で検出された力Ｆtransと光波干渉計１１４Ａを用いて測定された可動部１１６に作用する力Ｆmassとの差を求める。また、求められた差と光波干渉計１１４Ｂを用いて測定された受感部２６の加速度との相関によって、回帰直線の係数を算出し、算出された係数を受感部２６周辺の有効慣性質量とする。【００８２】
このように、計測対象の力センサ１０の受感部２６周辺の有効慣性質量を算出し、この計測対象の力センサ１０を用いた力検出システム３０の補正部３４のメモリに、算出された有効慣性質量を設定する。これにより、力検出システム３０では、力センサ１０の出力を、加速度センサ２２で検出された加速度及びメモリに格納された有効慣性質量を用いて補正して、動的に較正することができ、力センサ１０の受感部２６に作用する力を高精度に測定することができる。【００８３】
以上説明したように、本発明の第１の実施の形態に係る力検出システムによれば、力センサが出力する信号と加速度センサによって検出された加速度とに基づいて、力センサによって検出された力を補正して、力センサの受感部に作用した真の力を測定するので、力センサを変動させるように受感部に作用した力を高精度に測定することができる。【００８４】
また、変動する力に対する力センサの出力における、静的特性と動的特性との差を補正することができ、変動する力の測定を高精度に行うことが可能となる。また、力センサの固有振動数の影響によって、出力信号へ重ねあわされた振動成分を除去し、高精度な測定を行うことが可能となる
また、本発明の実施の形態に係る力センサの受感部周辺の有効慣性質量の算出方法によれば、計測システムによって、可動部に作用した力や受感部の加速度を高精度に検出し、力センサで検出された力と可動部に作用した力との差と、受感部の加速度との関係から有効慣性質量を算出することができる。また、算出された有効慣性質量を用いることにより、力センサによって検出された力を補正して、センサを変動させるように受感部に作用した力を高精度に測定することが可能となる。
次に、第２の実施の形態に係る力検出システムについて説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成については、同一符号を付して説明を省略する。【００８５】
第２の実施の形態では、力センサの出力を用いて、力センサの出力を補正している点が異なっている。【００８６】
図１０に示すように、第２の実施の形態に係る力センサ２１０は、力センサ部１２と、十分な剛性のあるケース２４と、ケース２４に取り付けられたＳ字型力センサ１６の受感部（ロードボタン）２６とを備えている。【００８７】
次に、力センサ２１０で検出された力を、作用された真の力に補正する方法について説明する。受感部２６に力を作用させたことによって、受感部２６周辺が変動したときに、質量として作用する受感部２６周辺部分の質量を、有効慣性質量とすると、上記の（１）式より、力センサ２１０によって検出された力を、受感部２６に作用された真の力に補正することができる。【００８８】
ここで、衝撃力測定時における、力センサ２１０の受感部２６の加速度が、力センサ１０の出力の２階微分に対してほぼ比例する関係にあり、高い相関があることから、力センサ２１０の出力の２階微分を用いて、受感部２６の加速度を算出する。【００８９】
力センサ２１０の出力の２階微分をｄ2Ｆtrans／ｄｔ2とすると、受感部２６の加速度ａ２は、以下の（７）式によって求められる。
ａ２＝Ｃ・ｄ2Ｆtrans／ｄｔ2      （７）
ただし、Ｃは、力センサ２１０の出力の２階微分と受光部２６周辺の加速度との関係から求められる比例係数であり、実験により予め求めておく。【００９０】
上記（７）式により、力センサ２１０の出力の２階微分を用いて、受光部２６周辺の加速度を算出する。そして、上記の（１）式により、Ｓ字型力センサ１６が変動して力が生じるときの質量として作用する部分（受感部２６周辺部分）の有効慣性質量と、算出された受感部２６周辺の加速度との積によって、受感部２６に作用する力とは異なるＳ字型力センサ１６に作用する力を算出する。この算出された力を、力センサ２１０で検出された力から減算することにより、力センサ２１０で検出された力を受感部２６に作用した真の力に補正することができる。【００９１】
次に、第２の実施の形態に係る力検出システムについて、図１１を用いて説明する。力検出システム２３０は、上述した力センサ２１０に作用した力に応じた信号を出力する力センサ２１０と、力センサ２１０から出力された信号を増幅する増幅回路３２と、増幅回路３２の出力に基づいて、受感部２６の加速度を算出する加速度算出部２２２と、加速度算出部２２２によって算出された加速度及び増幅回路３２の出力に基づいて、力センサ２１０によって検出された力を補正する補正部２３４とを備えている。また、増幅回路３２によって出力される信号が、力センサ２１０の出力Ｆtransを示している。【００９２】
加速度算出部２２２には、メモリ（図示省略）が設けられ、メモリには、予め算出された力センサ２１０の出力の２階微分と受感部２６の加速度との関係から求められる比例係数を示すデータが格納されている。加速度算出部２２２は、上記の（７）式に基づいて、増幅回路３２の出力Ｆtrans及びメモリの比例係数Ｃを用いて、受感部２６の加速度ａ２を算出して出力する。【００９３】
補正部２３４は、上記の（１）式に基づいて、加速度算出部２２２の出力ａ２、増幅回路３２の出力Ｆtrans、及びメモリの有効慣性質量Ｍestimatedを用いて、補正後の力センサ２１０の出力Ｆcorrectedを算出して出力する。【００９４】
次に、力検出システム２３０によって、力センサ２１０に作用する力を計測する処理について説明する。まず、力センサ２１０の受感部２６に力が作用されると、力センサ２１０のＳ字型力センサ１６が変動し、ブリッジ回路３６の出力が変化することにより、ブリッジ回路３６から作用した力に応じた信号が出力される。そして、増幅回路３２によってブリッジ回路３６からの出力信号が増幅され、増幅された信号が示す増幅値Ｆtransが加速度算出部２２２及び補正部２３４に入力される。【００９５】
加速度算出部２２２では、上記の（７）式により、増幅回路３２の出力Ｆtransを用いて、受感部２６に力が作用されたときの受感部２６の加速度ａ２を算出して出力し、出力された加速度ａ２が、補正部２３４に入力される。【００９６】
そして、補正部２３４では、上記の（１）式により、力センサ２１０で検出された力を補正し、補正値Ｆcorrectedを出力して、力センサ２１０に作用する力を計測する処理を終了する。【００９７】
上記のように、力センサ２１０で検出された力を動的に較正して、力センサ２１０の受感部２６に作用した力を測定することができる。【００９８】
次に、力センサ２１０の出力を用いて受感部２６の加速度を算出することの有効性に関する検証結果について説明する。なお、上記図３に示した計測システム１１０を用いて検証した場合を例に説明する。【００９９】
まず、力センサ２１０の出力Ｆtransと、受感部２６に作用する真の力と等しい可動部１１６に作用する力Ｆmassと、それらの差Ｆdiff（＝Ｆtrans−Ｆmass）との関係について説明する。【０１００】
図１２に示すように、力センサ２１０の衝撃力に対する電気的な応答として、静的な較正方法を用いて計算された力センサ２１０の出力Ｆtransと、光波干渉計１１４Ａで測定された加速度ａ１と可動部１１６の質量Ｍ１との積によって算出される力Ｆmassとが変化する。図１２に示す用意、ＦtransとＦmassとに差が生じており、ＦtransとＦmassとの差ＦdiffのＲＭＳ値は、例えば、約５．８Ｎである。【０１０１】
また、力センサ２１０の出力Ｆtransの２階微分ｄ2Ｆtrans／ｄｔ2と、測定誤差Ｆdiffとの関係を図１３に示す。上記図１３の関係より、回帰直線として、Ｆreg＝（−３．３３×１０-7）・ｄ2Ｆtrans／ｄｔ2が得られる。上記図１３の関係より、力センサ２１０の衝撃力に対する電気的な応答の測定誤差が、力センサ２１０の出力Ｆtransの２階微分に対してほぼ比例する関係であり、高い相関があることがわかる。【０１０２】
また、上記図１３の関係の横軸を時間に変えると、図１４に示すように、衝撃力作用時（０ｍｓ＜ｔ＜１４ｍｓ）において、測定誤差Ｆdiffが、力センサ２１０の出力Ｆtransの２階微分ｄ2Ｆtrans／ｄｔ2の回帰直線によって得られる値Ｆreg＝（−３．３３×１０-7）・ｄ2Ｆtrans／ｄｔ2とほぼ一致していることがわかる。【０１０３】
次に、上記図１３、図１４で示した一回の衝突実験における、力センサ２１０の出力Ｆtransの２階微分ｄ2Ｆtrans／ｄｔ2の回帰直線の式Ｆreg＝（−３．３３×１０-7）・ｄ2Ｆtrans／ｄｔ2を用いて補正を行った場合の測定誤差（Ｆcorrected−Ｆmass）のＲＭＳ値と、補正を行わない場合の測定誤差（Ｆtrans−Ｆmass）のＲＭＳ値とを図１５に示す。ここで、Ｆcorrected＝Ｆtrans−Ｆregである。上記図１５により、補正を行うことによって、測定誤差が大幅に減少していることがわかる。【０１０４】
図１６に、力センサ２１０の出力Ｆtransの２階微分ｄ2Ｆtrans／ｄｔ2と、力センサ２１０の受感部２６の加速度ａ２との関係を示す。上記図１６により、回帰直線ａ２＝（−１．０３×１０-6）・ｄ2Ｆtrans／ｄｔ2と力センサ２１０の受感部２６の加速度ａ２とがほぼ一致することから、力センサ２１０の受感部２６の加速度が、力センサ２１０の出力の２階微分に対して比例する関係であり、高い相関があることが分かる。【０１０５】
ここで、Ｆreg／ａ２＝（−３．３３×１０-7）／（−１．０３×１０-6）＝０．３２３ｋｇとなり、０．３２３ｋｇが有効慣性質量Ｍestimatedであると解釈される。この値Ｍestimatedから、力センサ２１０の受感部２６に取り付けた部品の質量Ｍ２を差し引いた値（Ｍestimated−Ｍ２）は、０．２４１ｋｇとなる。この値は、使用したＳ字型力センサ（中心について点対称の形状）の全質量の５７％に相当する。このことは、力センサを両端に質量がついた「質量＝バネモデル」で近似することができ、更に、力センサの出力がバネの変位に比例するものとして考えることができることを示している。【０１０６】
また、図１７に、力センサ２１０の受感部２６の変位Ｘ２と、力センサ２１０からの反力Ｆｍａｓｓとの関係を示す。また、回帰直線Ｆ＝Ｘ２／（−１．０３×１０-6）を示す。この回帰直線は、上記図１６で求められる回帰直線ａ２＝（−１．０３×１０-6）・ｄ2Ｆtrans／ｄｔ2を積分することによって求められる。【０１０７】
以上のように、力センサ２１０の出力は、ほぼ変位に比例し、変位の時間に対する２階微分は、加速度になることから、力センサ２１０の出力の２階微分に、所定の比例係数を乗算することにより、受感部２６の加速度を得ることができる。【０１０８】
以上説明したように、本発明の第２の実施の形態に係る力検出システムによれば、力センサが出力する信号と、力センサの出力から算出された加速度とに基づいて、力センサによって検出された力を補正して、力センサの受感部に作用した真の力を測定するので、力センサを変動させるように受感部に作用した力を高精度に測定することができる。【０１０９】
また、力センサの出力の２階微分を用いて、受感部の加速度を算出することができるため、力センサのみで力センサの受感部に作用した真の力を測定することができ、力検出システムを簡易な構成とすることができる。【０１１０】
なお、上記の実施の形態では、力センサの出力の２階微分を用いて、受感部の加速度を算出する場合を例に説明したが、力センサの出力の時系列波形を用いて、受感部の加速度を算出するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１１１】
材料試験、動的応答試験、衝突破壊試験、生産機械のプロセスモニタリング、ロボットのアームなどで用いられる力を検出する力検出装置に適用することによって、作用力に関して高精度な測定データを得ることができる。
【符号の説明】
【０１１２】
１０、２１０ 力センサ
１６ Ｓ字型力センサ
１８ ひずみゲージ
２２ 加速度センサ
２６ 受感部
３０、２３０ 力検出システム
３２ 増幅回路
３４、２３４ 補正部
３６ ブリッジ回路
１１０  計測システム
１１２  浮上物体支持部
１１４Ａ、１１４Ｂ  光波干渉計
１１６  可動部
１１８  ガイド部
１３２  パーソナルコンピュータ
１３４  光源
１４８、１５８、１７２ 周波数カウンタ
２２２  加速度算出部
ａ１、ａ２ 加速度
Ｆcorrected 補正値
Ｆmass   力
Ｆtrans  力
Ｍestimated  有効慣性質量
【図１】
2007148511.tif 000003
【図２】
2007148511.tif 000004
【図３】
2007148511.tif 000005
【図４Ａ】
2007148511.tif 000006
【図４Ｂ】
2007148511.tif 000007
【図４Ｃ】
2007148511.tif 000008
【図４Ｄ】
2007148511.tif 000009
【図４Ｅ】
2007148511.tif 000010
【図４Ｆ】
2007148511.tif 000011
【図４Ｇ】
2007148511.tif 000012
【図４Ｈ】
2007148511.tif 000013
【図４Ｉ】
2007148511.tif 000014
【図５】
2007148511.tif 000015
【図６】
2007148511.tif 000016
【図７】
2007148511.tif 000017
【図８】
2007148511.tif 000018
【図９】
2007148511.tif 000019
【図１０】
2007148511.tif 000020
【図１１】
2007148511.tif 000021
【図１２】
2007148511.tif 000022
【図１３】
2007148511.tif 000023
【図１４】
2007148511.tif 000024
【図１５】
2007148511.tif 000025
【図１６】
2007148511.tif 000026
【図１７】
2007148511.tif 000027
【手続補正書】
【提出日】平成20年9月7日(2008.9.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受感部に作用する力に応じた信号を出力する力センサと、
力が作用したときの前記受感部に生じる加速度を検出するように、前記力センサに固定された加速度センサと、
前記力センサから出力された信号を増幅する増幅回路と、
前記受感部の有効慣性質量を記憶したメモリと、
前記増幅回路によって増幅された増幅値から、前記メモリに記憶された前記受感部の有効慣性質量と前記加速度センサで検出された加速度との積を減算した値を、前記力センサから出力された信号の補正値として出力する補正回路と、
を含む力検出装置であって、
ガイド部に沿って移動可能に該ガイド部に取り付けられた可動部、及び
前記可動部に固定された第１の反射部材、前記力センサの受感部に固定された第２の反射部材、及び該第１の反射部材と該第２の反射部材とに光を入射させる光源を備え、前記可動部によって前記第２の反射部材が固定された前記受感部に力を作用させたときの前記第１の反射部材及び前記第２の反射部材の各々からの反射光の状態変化を検出する光波干渉計を含む光干渉装置を用い、
前記光波干渉計で検出された前記第１の反射部材からの反射光の状態変化に基づいて前記可動部に作用した力を検出すると共に、前記光波干渉計で検出された前記第２の反射部材からの反射光の状態変化に基づいて前記受感部の加速度を検出し、
前記力センサで検出された力と検出された前記可動部に作用した力との差と、検出された前記受感部の加速度との関係から前記受感部の有効慣性質量を算出し、
前記算出された前記受感部の有効慣性質量を前記メモリに記憶したことを特徴とする力検出装置。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
受感部に作用する力に応じた信号を出力する力センサと、
前記力センサから出力された信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路によって増幅された増幅値を用いて、力が作用したときの前記受感部に生じる加速度を算出する加速度算出部と、
前記受感部の有効慣性質量を記憶したメモリと、
前記増幅回路によって増幅された増幅値から、前記メモリに記憶された前記受感部の有効慣性質量と前記加速度算出部で算出された加速度との積を減算した値を、前記力センサから出力された信号の補正値として出力する補正回路と
を含む力検出装置であって、
ガイド部に沿って移動可能に該ガイド部に取り付けられた可動部、及び
前記可動部に固定された第１の反射部材、前記力センサの受感部に固定された第２の反射部材、及び該第１の反射部材と該第２の反射部材とに光を入射させる光源を備え、前記可動部によって前記第２の反射部材が固定された前記受感部に力を作用させたときの前記第１の反射部材及び前記第２の反射部材の各々からの反射光の状態変化を検出する光波干渉計を含む光干渉装置を用い、
前記光波干渉計で検出された前記第１の反射部材からの反射光の状態変化に基づいて前記可動部に作用した力を検出すると共に、前記光波干渉計で検出された前記第２の反射部材からの反射光の状態変化に基づいて前記受感部の加速度を検出し、
前記力センサで検出された力と検出された前記可動部に作用した力との差と、検出された前記受感部の加速度との関係から前記受感部の有効慣性質量を算出し、
前記算出された前記受感部の有効慣性質量を前記メモリに記憶したことを特徴とする力検出装置。
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
前記加速度算出部は、前記力センサから出力された信号の２階微分を用いて、力が作用したときの前記受感部に生じる加速度を算出する請求項３記載の力検出装置。
【請求項６】
ガイド部に沿って移動可能に該ガイド部に取り付けられた可動部と、
前記可動部に固定された第１の反射部材、受感部に作用する力を検出する力センサの受感部に固定された第２の反射部材、及び該第１の反射部材と該第２の反射部材とに光を入射させる光源を備え、前記可動部によって前記第２の反射部材が固定された前記受感部に力を作用させたときの前記第１の反射部材及び前記第２の反射部材の各々からの反射光の状態変化を検出する光波干渉計と、
を含む光干渉装置を用い、
前記光波干渉計で検出された前記第１の反射部材からの反射光の状態変化に基づいて前記可動部に作用した力を検出すると共に、前記光波干渉計で検出された前記第２の反射部材からの反射光の状態変化に基づいて前記受感部の加速度を検出し、
前記力センサで検出された力と検出された前記可動部に作用した力との差と、検出された前記受感部の加速度との関係から前記受感部の有効慣性質量を算出する
力センサの受感部の有効慣性質量の算出方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
きない。また、センサの特性自体が不明確であり、前述した上部構造の構築を適性に行うことができない。
［０００６］
そこで、力センサに作用する動的な力の測定値を較正するために、浮上支持した質量に作用する慣性力を、光波干渉計を利用して高精度に取り出す浮上質量法を用いた力センサの較正法が知られており、例えば、衝撃力に対する動的較正法（非特許文献１）や、ステップ力に対する動的較正法（非特許文献２）、連続振動力に対する動的較正法（非特許文献３）が知られている。
非特許文献１：Ｙｕｓａｋｕ  Ｆｕｊｉｉ，Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｖｏｌ．７２，Ｎｏ．７，３１０８−３１１１（２００１）
非特許文献２：Ｙｕｓａｋｕ  Ｆｕｊｉｉ，Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  １４，１２５９−１２６４（２００３）
非特許文献３：Ｙｕｓａｋｕ  Ｆｕｊｉｉ，Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  １４，１７４１−１７４６（２００３）
発明の開示
発明が解決しようとする課題
［０００７］
しかしながら、上記の非特許文献１〜３に記載の技術では、作用する動的な力によって変動する力センサの測定値を較正する方法が確立されておらず、静的較正法のみが確立されているにすぎないため、力センサを変動させるように作用する動的な力を精度良く測定することができない、という問題がある。
［０００８］
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、力センサを変動させるように作用する力の測定を、高精度に行うことができる力検出装置、及び力センサの受感部の有効慣性質量を算出することができる力センサの受感部の有効慣性質量の算出方法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
［０００９］
上記の目的を達成するために第１の発明に係る力検出装置は、受感部に作用する力に応じた信号を出力する力センサと、力が作用したときの前記受感部に生じる加速度を検出するように、前記力センサに固定された加速度センサと、前記力センサから出力された信号を増幅する増幅回路と、前記受感部の有効慣性質量を記憶したメモリと、前記増幅回路によって増幅された増幅値から、前記メモリに記憶された前記受感部の有効慣性質量と前記加速度センサで検出された加速度との積を減算した値を、前記力センサから出力された信号の補正値として出力する補正回路と、を含む力検出装置であって、ガイド部に沿って移動可能に該ガイド部に取り付けられた可動部、及び前記可動部に固定された第１の反射部材、前記力センサの受感部に固定された第２の反射部材、及び該第１の反射部材と該第２の反射部材とに光を入射させる光源を備え、前記可動部によって前記第２の反射部材が固定された前記受感部に力を作用させたときの前記第１の反射部材及び前記第２の反射部材の各々からの反射光の状態変化を検出する光波干渉計を含む光干渉装置を用い、前記光波干渉計で検出された前記第１の反射部材からの反射光の状態変化に基づいて前記可動部に作用した力を検出すると共に、前記光波干渉計で検出された前記第２の反射部材からの反射光の状態変化に基づいて前記受感部の加速度を検出し、前記力センサで検出された力と検出された前記可動部に作用した力との差と、検出された前記受感部の加速度との関係から前記受感部の有効慣性質量を算出し、前記算出された前記受感部の有効慣性質量を前記メモリに記憶したことを特徴としている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
［００１０］
第１の発明では、力センサによって、受感部に作用する力に応じた信号を出力する。また、受感部に力が作用したときに、作用する力によって、力センサが変動し、受感部に加速度が生じるため、加速度センサによって、力が作用したときの受感部に生じる加速度を検出する。ここで、力センサが変動したときに、受感部に生じた加速度によって、受感部に作用した力とは別の力が力センサに作用しているため、力センサによって検出される力と受感部に作用する力とに差が生じている。
［００１１］
そこで、受感部の有効慣性質量と加速度センサで検出された加速度との積を、力センサが変動したときに力センサに作用する別の力として、増幅回路によって増幅された増幅値から減算して補正する。これによって、力センサによって検出された力を補正して、受感部に作用した力を検出する。
［００１２］
このように、力センサが出力する信号と、加速度センサによって検出された加速度と、受感部の有効慣性質量とに基づいて、力センサによって検出された力を補正して、受感部に作用した力を検出するので、力センサを変動させるように受感部に作用した力を高精度に測定することができる。
［００１３］
また、光波干渉計によって、可動部に作用した力や受感部の加速度を高精度に検出し、力センサで検出された力と可動部に作用した力との差と、受感部の加速度との関係から受感部の有効慣性質量を算出することができる。算出された受感部の有効慣性質量を用いて、力センサによって検出された力を補正することにより、センサを変動させるように受感部に作用した力を高精度に測定することが可能となる。
［００１４］
第２の発明に係る力検出装置は、受感部に作用する力に応じた信号を出力する力センサと、前記力センサから出力された信号を増幅する増幅回路と、前記増幅回路によって増幅された増幅値を用いて、力が作用したときの前記受感部に生じる加速度を算出する加速度算出部と、前記受感部の有効慣性質量を記憶したメモリと、前記増幅回路によって増幅された増幅値から、前記メモリに記憶された前記受感部の有効慣性質量と前記加速度算出部で算出された加速度との積を減算した値を、前記力センサから出力された信号の補正値として出力する補正回路とを含む力検出装置であって、ガイド部に沿って移動可能に該ガイド部に取り付けられた可動部、及び前記可動部に固定された第１の反射部材、前記力センサの受感部に固定された第２の反射部材、及び該第１の反射部材と該第２の反射部材とに光を入射させる光源を備え、前記可動部によって前記第２の反射部材が固定された前記受感部に力を作用させたときの前記第１の反射部材及び前記第２の反射部材の各々からの反射光の状態変化を検出する光波干渉計を含む光干渉装置を用い、前記光波干渉計で検出された前記第１の反射部材からの反射光の状態変化に基づいて前記可動部に作用した力を検出すると共に、前記光波干渉計で検出された前記第２の反射部材からの反射光の状態変化に基づいて前記受感部の加速度を検出し、前記力センサで検出された力と検出された前記可動部に作用した力との差と、検出された前記受感部の加速度との関係から前記受感部の有効慣性質量を算出し、前記算出された前記受感部の有効慣性質量を前記メモリに記憶したことを特徴としている。
［００１５］
第２の発明では、力センサによって、受感部に作用する力に応じた信号を出力する。また、受感部に力が作用したときに、作用する力によって、力センサが変動し、受感部に加速度が生じるため、加速度算出部によって、力センサから出力された信号を用いて、力が作用したときの受感部に生じる加速度を算出する。ここで、力センサが変動したときに、受感部に生じた加速度によって、受感部に作用した力とは別の力が
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
力センサに作用しているため、力センサによって検出される力と受感部に作用する力とに差が生じている。
［００１６］
そこで、受感部の有効慣性質量と加速度算出部で算出された加速度との積を、力センサが変動したときに力センサに作用する別の力として、増幅回路によって増幅された増幅値から減算して補正して、受感部に作用した力を検出する。
［００１７］
このように、力センサが出力する信号と、加速度算出部によって算出された加速度と、受感部の有効慣性質量とに基づいて、力センサによって検出された力を補正して、受感部に作用した力を検出するので、力センサを変動させるように受感部に作用した力を高精度に測定することができる。
［００１８］
また、光波干渉計によって、可動部に作用した力や受感部の加速度を高精度に検出し、力センサで検出された力と可動部に作用した力との差と、受感部の加速度との関係から受感部の有効慣性質量を算出することができる。算出された受感部の有効慣性質量を用いて、力センサによって検出された力を補正することにより、センサを変動させるように受感部に作用した力を高精度に測定することが可能となる。
［００１９］
第２の発明に係る加速度算出部は、力センサから出力された信号の２階微分を用いて、力が作用したときの受感部に生じる加速度を算出することができる。力センサから出力された信号の２階微分が、加速度と相関があるため、力センサから出力された信号の２階微分を用いて、加速度を算出することができる。
［００２０］
また、本発明に係る力センサの受感部の有効慣性質量の算出方法は、ガイド部に沿って移動可能に該ガイド部に取り付けられた可動部と、前記可動部に固定された第１の反射部材、受感部に作用する力を検出する力センサの受感部に固定された第２の反射部材、及び該第１の反射部材と該第２の反射部材とに光を入射させる光源を備え、前記可動部によって前記第２の反射部材が固定された前記受感部に力を作用させたときの前記第１の反射部材及び前記第２の反射部材の各々からの反射光の状態変化を検出する光波干渉計と、を含む光干渉装置を用い、前記光波干渉計で
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
［００２６］
このように、光波干渉計によって、可動部に作用した力や受感部の加速度を高精度に検出し、力センサで検出された力と可動部に作用した力との差と、受感部の加速度との関係から有効慣性質量を算出することができる。また、算出された有効慣性質量を用いて、力センサによって検出された力を補正することにより、センサを変動させるように受感部に作用した力を高精度に測定することが可能となる。
発明の効果
［００２７］
以上説明したように、本発明の力検出装置によれば、力センサが出力する信号と、加速度センサによって検出された加速度又は算出された加速度と、受感部の有効慣性質量とに基づいて、力センサによって検出された力を補正して、受感部に作用した力を検出するので、力センサを変動させるように受感部に作用した力を高精度に測定することができる、という効果が得られる。
［００２８］
また、本発明の力センサの受感部の有効慣性質量の算出方法によれば、光波干渉計によって、可動部に作用した力や受感部の加速度を高精度に検出し、力センサで検出された力と可動部に作用した力との差と、受感部の加速度との関係から有効慣性質量を算出することができ、また、算出された有効慣性質量を用いて、力センサによって検出された力を補正することにより、センサを変動させるように受感部に作用した力を高精度に測定することができる、という効果が得られる。
図面の簡単な説明
［００２９］
［図１］本発明の第１の実施の形態に係る力センサの構成を示す概略図である。
［図２］本発明の第１の実施の形態に係る力検出システムの構成を示す概略図である。
［図３］本発明の第１の実施の形態に係る計測システムの構成を示す概略図である。
［図４Ａ］ビート周波数及び基準周波数の測定データを示すグラフである。
［図４Ｂ］ビート周波数及び基準周波数の測定データを示すグラフである。
［図４Ｃ］ビート周波数及び基準周波数の測定データから算出した可動部及び受感部の変位速度を示すグラフである。
［図４Ｄ］ビート周波数及び基準周波数の測定データから算出した可動部及び受感部の変位速度を示すグラフである。
［図４Ｅ］変位速度から算出した可動部及び受感部の変位を示すグラフである。
［図４Ｆ］変位速度から算出した可動部及び受感部の変位を示すグラフである。
【国際調査報告】
2007148511.tif 000028
2007148511.tif 000029
2007148511.tif 000030
2007148511.tif 000031
2007148511.tif 000032
2007148511.tif 000033