(57)【要約】【課題】力センサの設計方法を提供する。【解決手段】本発明に係る力センサ１の設計方法は、力センサ１が板状体２と、板状体の一面２ａから突出する円柱部３と、円柱部の基端に形成された円環状の溝部４からなる起歪部８と、板状体の他面２ｂ側に配置された複数の歪みゲージＲとを有し、溝部は、基端に沿って延在する第１側壁と、第１側壁５と第１曲率Ｒａを有する第１角部６ａによって連続する底部６と、底部と第２曲率Ｒｂを有する第２角部によって連続し第１側壁に対向して延在する第２側壁とからなるものであり、第１曲率と、第２曲率と、底部から他面までの厚みと、溝部の幅と、のそれぞれの形状パラメータを設定するステップと、構造解析により、円柱部に所定の負荷を与えた状態において、起歪部に発生する最大応力が所定の許容応力より小さくなるようにそれぞれの形状パラメータの解を決定するステップとを有する処理をコンピュータに実行させる。【選択図】図１
2017166847.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
歪を検出する複数の歪センサを有する力センサの設計方法であって、
前記力センサは、板状体と、
前記板状体の一面から突出するように設けられた円柱部と、
前記円柱部の基端の周囲を囲むように前記板状体の前記一面側に形成された円環状の溝部からなる起歪部と、
前記板状体の他面側において前記起歪部の位置に配置された複数の前記歪みゲージと、を有し、
前記溝部は、前記基端に沿って延在する第１側壁と、前記第１側壁と第１曲率を有する第１角部によって連続する底部と、前記底部と第２曲率を有する第２角部によって連続し前記第１側壁に対向して延在する第２側壁と、からなるものであり、
前記第１曲率（Ｒａ）と、前記第２曲率（Ｒｂ）と、前記底部から前記他面までの厚み（Ｔｓ）と、前記溝部の幅（Ｌｓ）と、のそれぞれの形状パラメータを設定するステップと、
構造解析により、前記円柱部に所定の負荷を与えた状態において、前記起歪部に発生する最大応力が所定の許容応力より小さくなるようにそれぞれの前記形状パラメータの解を決定するステップと、
を有する処理をコンピュータに実行させる力センサの設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体に加わる力を検出するための力センサの設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体に加わる力を検出するために力センサが用いられる。加えられる力によって負荷を受ける力センサおよび力検出装置は、力を受けて歪む歪発生部（起歪部）が重要である。そして、この起歪部の形状および歪を検出する歪センサが配置される位置は、力センサの特性を左右する。力を検出するための力センサとして、特許文献１に記載されたものがある。この力センサは、円形の板状体と、板状体の一面から突出して設けられた円柱と、円柱の基端に沿って設けられた円環状の溝部と、板状体の他面側に設けられた複数の歪センサと、からなる。溝部は円柱の軸方向に開放された矩形断面を有するように形成されており、溝部によって板状体に歪を発生する部分となる起歪部（ダイヤフラム）が形成される。そして、複数の歪センサは、板状体の他面側の起歪部の部分に配置される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１０６６７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載された力センサは、溝部が円柱の軸方向に開放された矩形断面を有しており、力が円柱に加えられた際に発生する応力が溝部の矩形断面における角部に集中する。そのため、この力センサでは、大きな力が円柱に加えられると起歪部が破損する虞がある。
本発明は、加えられる力によって生じる歪を検出するための起歪部の剛性を高めることができる力センサの設計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】
【０００５】
本発明は、歪を検出する複数の歪センサを有する力センサの設計方法であって、
前記力センサは、板状体と、
前記板状体の一面から突出するように設けられた円柱部と、
前記円柱部の基端の周囲を囲むように前記板状体の前記一面側に形成された円環状の溝部からなる起歪部と、
前記板状体の他面側において前記起歪部の位置に配置された複数の前記歪みゲージと、を有し、
前記溝部は、前記基端に沿って延在する第１側壁と、前記第１側壁と第１曲率を有する第１角部によって連続する底部と、前記底部と第２曲率を有する第２角部によって連続し前記第１側壁に対向して延在する第２側壁と、からなるものであり、
前記第１曲率（Ｒａ）と、前記第２曲率（Ｒｂ）と、前記底部から前記他面までの厚み（Ｔｓ）と、前記溝部の幅（Ｌｓ）と、のそれぞれの形状パラメータを設定するステップと、
構造解析により、前記円柱部に所定の負荷を与えた状態において、前記起歪部に発生する最大応力が所定の許容応力より小さくなるようにそれぞれの前記形状パラメータの解を決定するステップと、
を有する処理をコンピュータに実行させる力センサの設計方法である。
【０００６】
本発明は、このような構成により、力センサにおいて、第１曲率と、第２曲率とを有する起歪部の角部に対して曲線に対する形状パラメータを設定し、該形状パラメータの解を決定する。これにより、本発明は起歪部が応力を分散する形状に設計することができる。即ち本発明は、力センサの起歪部が高剛性を有するように設計することができる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る力センサの設計方法によると、加えられる力によって生じる歪を検出するための起歪部の剛性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係る力センサの構成を示した図である。
【図２】力センサに配置される歪センサのブリッジ回路を示した図である。
【図３】力センサに配置される歪センサとその電極の配置関係を示した図である。
【図４】ブリッジと電極とを接続する配線パターンを示した図である。
【図５】力センサに実際に形成される配線パターンの例を示した図である。
【図６】力センサの設計方法を示したフローチャートである。
【図７】力センサの変形例１を示した図である。
【図８】力センサの変形例２を示した図である。
【図９】力センサの変形例３を示した図である。
【図１０】変形例３の力センサの歪センサと電極の配置関係を示した図である。
【図１１】ブリッジと電極とを接続する配線パターンを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ、本発明にかかる力センサの設計方法の実施形態について説明する。
【００１０】
図１に示されるように、力センサ１は、円形の板状体２と、板状体２の一面２ａ側の中心から突出して設けられた円柱３と、を有する。板状体２と円柱３とは、樹脂等で一体に成形される。板状体２は、力センサ１の本体部をなし、力を検出する対象物の特定の位置に固定される。板状体２の一面２ａ側に円柱３が設けられている。円柱３は、異なる方向から力を受けるための構造体である。円柱３の基端３ａには、基端３ａの周囲を囲むように板状体２の一面２ａ側に円環状の溝部４が形成されている。
【００１１】
溝部４は、Ｕ字断面を有している。溝部４は、基端３ａに沿って延在する第１側壁５と、第１側壁５と第１曲率Ｒａを有する第１角部６ａによって連続する底部６と、底部６と第２曲率Ｒｂを有する第２角部６ｂによって連続し第１側壁５に対向して延在する第２側壁７と、からなる。溝部４が形成されていることによって、底部６から板状体２の他面２ｂ側までの厚みＴｓは、板状体２の厚みより薄くなっている。そのため、円柱３に力が加わると、この部分に歪が生じる。この歪が生じる部分を起歪部８とする。
【００１２】
つまり、起歪部８は、幅Ｌｓと、厚みＴｓとを有する円環状に形成されている。起歪部８の形状パラメータＬｓ、Ｔｓ、Ｒａ、Ｒｂは、後述する設計方法によって定められる。板状体２の他面２ｂ側において、起歪部８には、歪を検出するための複数の歪センサＲが配置されている。歪センサＲは、例えば、Ｃｒ−Ｎ薄膜歪センサを用いることができる。Ｃｒ−Ｎ薄膜歪センサのゲージ率は、８〜１６であり、一般的な歪センサのゲージ率２に対して大きい。複数の歪センサＲは、例えば、板状体２の他面２ｂ側に十字状に配列される。板状体２の他面２ｂ側の第１象限には、第１角部６ａおよび第２角部６ｂのそれぞれの位置にＸ軸近傍に沿って歪センサＲが２個配置されている。
【００１３】
さらに、板状体２の他面２ｂ側の第１象限には、第１角部６ａおよび第２角部６ｂのそれぞれに相当する位置にＹ軸近傍に沿って歪センサＲが２個配置されている。第２〜第４象限にも同様に複数の歪センサＲが配置されている。これにより、板状体２の他面２ｂ側には、合計で１６個の歪センサＲが十字状に配置されている。即ち、歪センサＲは、歪が最も大きく生じる第１角部６ａおよび第２角部６ｂのそれぞれに相当する位置の近傍に４個ずつ、合計１６個が配置されている。その他、板状体２の他面２ｂ側において、中心近傍に１６個の電極Ｐが８×２の配列で配置されている。
【００１４】
図２および図３に示されるように、Ｘ軸に沿って近隣する４個の歪センサＲ１〜Ｒ４は、４アクティブ法でブリッジＢｒ−２が構成される。電位差Ｅ,ｅ０より、４個の歪センサＲ１〜Ｒ４のそれぞれの抵抗値を計算により求めることができる。１６個の歪センサＲ１〜Ｒ１６によって４個のブリッジＢｒ−１〜Ｂｒ−４が形成される。１６個の歪センサＲ１〜Ｒ１６に対して１６個の電極Ｐ１〜Ｐ１６が設けられる。
【００１５】
図４に示されるように、例えば、ブリッジＢｒ−１は、配線Ｌにより構成される。ブリッジＢｒ−１は、板状体２の他面２ｂ側に同一平面で一体成形される。ブリッジＢｒ−１に形成される実際の配線パターンは、図５に示されている。
【００１６】
力センサ１は、上述したような構成により、円柱３に加わる少なくともＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の３軸力（ＦｘもしくはＭｘ、ＦｙもしくはＭｙ、Ｆｚ）を検出することができる。そして、力センサ１は、加えられる応力を制御するように設計することができる。例えば、力センサ１は、定格負荷（測定したい負荷）に安全率４をかけ、その負荷時の最大応力（角部６ａ，６ｂに発生することが多い）が材料の降伏応力以下になるように、あるいは定格負荷に安全率５倍をかけ、その負荷時の最大応力が材料の耐力以下になるように設計することができる。力センサ１は、一般的な歪センサより感度（ゲージ率）が高いＣｒ−Ｎ薄膜を用いることにより、応力を抑えながら十分な歪感度を持ち、かつ高剛性に構成することができる。剛性の高い起歪体を用いるには、ゲージ率（感度）が１０以上で、ＴＣＲ（温度抵抗係数）が０付近である安定なＣｒ−Ｎ薄膜の使用が望ましい。
【００１７】
次に、力センサ１の設計方法について説明する。
【００１８】
図６に示されるように、力センサ１の設計方法は、力センサ１を構成する起歪構造体材料の機械特性（条件）を設定する（Ｓ１００）。例えば、力センサ１の材料をステンレス鋼材とする場合、その耐力値等を設定する。次に、力センサ１に負荷される力およびモーメントの条件を設定する（Ｓ１０１）。次に、起歪体形状パラメータを適用し、起歪部８の３次元形状を設定する（Ｓ１０２）。ここでは、上記の形状パラメータＬｓ、Ｔｓ、Ｒａ、Ｒｂを適用する。
【００１９】
即ち、このステップでは、第１曲率Ｒａと、第２曲率Ｒｂと、底部６から板状体２の他面２ｂまでの厚みＴｓと、溝部４の幅Ｌｓと、のそれぞれの形状パラメータを設定する。次に、適用された形状パラメータＬｓ、Ｔｓ、Ｒａ、Ｒｂに基づいて力センサ１の構造解析を行う（Ｓ１０３）。
【００２０】
次に、定格負荷に対する計測点の必要十分歪量が所定値以下であるかどうか判定する（Ｓ１０４）。歪量の所定値は、例えば、４／１０００、１／１０００である。必要十分歪量が所定値以下の場合（Ｓ１０４：Ｙｅｓ）、力センサ１に生じる最大応力が許容応力より小さいかどうか判定する（Ｓ１０５）。最大応力が許容応力より小さい場合（Ｓ１０５：Ｙｅｓ）、力センサ１の起歪部８の最適形状の解を得る（Ｓ１０６）。ステップＳ１０４およびＳ１０５で条件を満たさない場合（Ｎｏ）、ステップＳ１０３に戻り、構造解析を再度行う。即ち、ステップ１０３〜１０６では構造解析により、円柱部３に所定の負荷を与えた状態において、起歪部８に発生する最大応力が所定の許容応力より小さくなるようにそれぞれの形状パラメータの解を決定する。
【００２１】
上述したように、力センサ１の設計方法によると、形状パラメータを設定しその解を決定することにより、最大応力が発生する起歪部８に対して剛性を高めることができる。力センサ１の設計方法によると、形状パラメータの解により、起歪部８にかかる応力が分散される形状に形成することができる。
【００２２】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、以下の変形例を適用することができる。以下の変形例においても上述した設計方法を適用することができる。
［変形例１］
力センサ１は、３軸力を検出できるよう形成されている。力センサ１は、軸力の他に、モーメント負荷を検出できるよう変形することができる。以下では、上記と同様の構成については同一の名称および符号を用い、同様の構成については、説明を適宜省略する。
【００２３】
図７に示されるように、力センサ２０は、円柱２３の軸線（Ｚ軸）回りのモーメント負荷Ｍｚを検出するものである。力センサ２０の板状体２２は、側面がＸ軸およびＹ軸に沿って平行に直線的にカットされている。これにより、力センサ２０は、固定部材Ｄによって固定された状態では、Ｚ軸回りの回転が防止される。従って、力センサ２０は、モーメント負荷Ｍｚを安定して検出することができる。
【００２４】
［変形例２］
図８に示されるように、円柱２３に対して貫通孔Ｓが形成された円柱２３Ａを有する力センサ３０としてもよい。力センサ３０の基本的な機能は、上述した力センサ１，２０と同じである。中空構造の円柱２３Ａにより、貫通孔Ｓに歪センサＲの配線Ｌを通すことができる。力センサ３０によると、組み込み型のセンサの設計において歪センサＲの配置の自由度を高くすることができる。
【００２５】
［変形例３］
図９および図１０に示されるように、力センサ４０において、歪センサＲは、Ｘ軸およびＹ軸に対して斜めに配置してもよい。各ブリッジＢｒ−１〜Ｂｒ−４の回路は、図２と同様である。ブリッジＢｒ−１，Ｂｒ−４と電極Ｐとの接続は、例えば、図１１に示される配線パターンを用いることができる。力センサ４０の基本的な配線パターンは、力センサ１と同様である。力センサ４０では、力センサ１における各ブリッジＢｒ−１〜Ｂｒ−４の配線パターンを４５度回転させたものである。
【００２６】
力センサ４０によると、Ｚ軸回りのモーメント負荷Ｍｚによる歪を効率的に検出することができる。力センサ４０によると、上述したような構成により、円柱２３に加わる少なくともＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の３軸力（ＦｘもしくはＭｘ、ＦｙもしくはＭｙ、Ｆｚ）およびＺ軸回りのモーメント負荷Ｍｚの４軸力を検出することができる。
【００２７】
上記で説明した力センサ１，２０，３０，４０の設計方法は、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）を含む半導体処理装置を用いて実現されてもよい。また、これらの処理は、少なくとも１つのプロセッサ（例えば、マイクロプロセッサ、ＭＰＵ、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ））を含むコンピュータシステムにプログラムを実行させることによって実現されてもよい。具体的には、これらの送信信号処理又は受信信号処理に関するアルゴリズムをコンピュータシステムに行わせるための命令群を含む１又は複数のプログラムを作成し、当該プログラムをコンピュータに供給すればよい。
【００２８】
これらのプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（ｎｏｎ−ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ  ｃｏｍｐｕｔｅｒ  ｒｅａｄａｂｌｅ  ｍｅｄｉｕｍ）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（ｔａｎｇｉｂｌｅ  ｓｔｏｒａｇｅ  ｍｅｄｉｕｍ）を含む。
【００２９】
非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ（登録商標）−ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ＲＯＭ）、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ  ＰＲＯＭ）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（ｒａｎｄｏｍ  ａｃｃｅｓｓ  ｍｅｍｏｒｙ））を含む。
【００３０】
また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ  ｃｏｍｐｕｔｅｒ  ｒｅａｄａｂｌｅ  ｍｅｄｉｕｍ）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。
【符号の説明】
【００３１】
１…力センサ  ２…板状体  ２ａ…一面  ２ｂ…他面  Ｂｒ−１−Ｂｒ−４…ブリッジ  ３…円柱  ３ａ…基端  ４…溝部  ５…側壁  ６…底部  ６ａ…角部  ６ｂ…角部  ７…側壁  ８…起歪部  ２０…力センサ  ２２…板状体  ２３…円柱  ２３Ａ…円柱  ３０…力センサ  ４０…力センサ  Ｄ…固定部材  Ｌ…配線  Ｐ…電極  Ｐ１−Ｐ１６…電極  Ｒ…歪センサ  Ｒ１−Ｒ１６…歪センサ  Ｓ…貫通孔  
【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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