力覚制御ロボットの最新動向と応用技術

六軸力覚センサの原理と構造*
The Fundamentals and Mechanism of Six Axis Force Sensor

向井優 **

野田善之 ***

Suguru MUKAI and Yoshiyuki NODA

Key words force, force sensor, six axis force sensor, load cell, force measurement, strain gage, parallel link

1．はじめ

外力に外力
ε＝俆L/L

六 軸 力 覚 セ ン サ と は，X，Y，Z 軸 方 向 の 力（F, F , F）と力のモーメント（M , M  , M ）の大きさと方向を測るセンサである．構造体のひずみや変位量などの物理量をさまざまな方法で電気信号に変え，力を検出してL俆L/2いる．

図1

俆L/2

ひずみと抵抗値の関係六軸力覚センサは，ひずみゲージ式・圧電式・光学式・静電容量式など，さまざまな検出方法が実用化されてい抵抗体

る．本稿では，ロードセルの特徴と合わせて六軸力覚センサに求められる構造について解説していく．
電極

2．ひずみゲージの計測原理とロードセルの特徴
2.1

ひずみゲージの計測原理 1)‑3)

基板
（絶縁体）
図2

図 1 に示すように，長さ L の構造体（以下，起歪体）

ひずみゲージの構造に外力が加わると起歪体が変形する．外力による変形量をΔL としたとき，L と ΔL の割合をひずみといい，次式で表す．

2.2

ロードセルの特徴

ロードセルにおける力の検出方法は，一般的にひずみゲ

ε＝ΔLL(1)ージ式が用いられる．起歪体に力が加わるとそれを電気信ひずみゲージは，抵抗体に外力が加わったときに生じる号に変換するため，荷重変換器とも呼ばれている．ひずみ

ひずみによって電気抵抗が変化する性質を利用している．

ゲージ式ロードセル（以下，ロードセル）の特徴は以下の図 2 にひずみゲージの構造を示す．ひずみゲージの抵抗とおりである．

変化率 ΔRR はひずみに比例する．
ΔRR＝K ⋅ε･ ひずみゲージを起歪体に直接貼り付けるため，線形(2)ここで，K はゲージ率であり，ゲージの材料によって決まる定数である．

性，再現性が良い･ 同じひずみゲージを使っても，起歪体の構造・材質によって感度を高めたり剛性を高めることに対応可能

ひずみゲージを起歪体の中でひずみが大きく発生する部分に貼り付け，起歪体のひずみを抵抗値に変換している．
抵抗値をそのまま測定することは困難なため，一般的にひずみゲージでホイートストンブリッジを組み，ひずみゲージの抵抗値変化を電圧変化に変換する．ブリッジからは印加電圧とひずみに比例した電圧信号が出力される．

･ 構造が単純で構成部品も少なく，製作が比較的簡単である･ 時間経過にともなうドリフトが小さく，長期的な計測に適している･ 測る荷重の種類によってさまざまな種類がある（図3）
一軸を検出するロードセルは図 3 に示すように，一方向にしか力がかからないように接点が球面のロードボタンや*原稿受付 平成 30 年 1 月 10 日(株)レプトリノ（長野県佐久市猿久保 92‑8）***
山梨大学大学院総合研究部（山梨県甲府市武田 4‑3‑11）**軸受けが設けられ，測定軸以外の力がかからないように工夫された構造をしている．

精密工学会誌/Journal of the Japan Society for Precision Engineering303

六軸力覚センサの原理と構造

軸受け
外力
ロードボタンY
外力
X（a）圧縮用ロードセル
図3Z（b）引張用ロードセル

主なロードセルの種類
図6

F がかかった場合の変形

テーブル

Y

起歪体

X
ベース
図4

六軸力覚センサ
Z
Mz＋
図7
Fz＋

梁

My

Fy＋

F がかかった場合の変形＋ため，被計測対象の構造物に対してテーブルとベースを完フレクシャ

全に固定しなければならない．したがって，ロードセルとは異なる起歪体構造が必要になる．
図 5 は，クロスビーム型と呼ばれる六軸検出として一F般的な起歪体の構造である．起歪体にはさまざまな形があ＋xMx＋
図5

起歪体：クロスビーム型

るが，クロスビーム型が最も理解しやすいのでこれを例に説明する．
各軸方向に外力が加わった場合の変形は図 6〜9 のようになる．
図 6 に示すように，F（または F ）がかかった場合，ロードセルを使用するためにはアンプが必要になるが，X 軸（または Y 軸）方向にのみ変形する．図 7 に示すよ

ロードセルの出力電圧は数 mV 程度と非常に小さいため，うに，F がかかった場合，Z 軸方向にのみ変形する．図 8

ゲインが高く高精度なアンプが必要になる．ほかにもゼロに 示 す よ う に M  （ま た は M ）が か か っ た 場 合，Y 軸点の調整やゲイン調整が煩雑であることや，システムの小（または X 軸）を中心に回転する．図 9 に示すように，型化が難しいといった欠点があったが，最近では高性能なM  がかかった場合，Z 軸を中心に回転する．このようA/D 変換器が入手可能になったことでロードセルの欠点に，クロスビーム型は加わった外力の方向にのみ起歪体がが解消されてきている．

変形するため，それぞれの梁の変形を検出することで 6 方

3．六軸力覚センサ
3.1

六軸力覚センサの構造

向の力に変換することができる．
六軸力覚センサにおいて最も重要なのは，起歪体が以下の構造をもっていることである．

六軸力覚センサの外観を図 4 に示す．六軸力覚センサ･ 外力方向に対し，線形に変形すること（非直線性）

は，ロードセルとは異なりすべての方向からの力を受ける･ 同じく，別の方向に変形しないこと（他軸干渉）304

精密工学会誌/Journal of the Japan Society for Precision Engineering六軸力覚センサの原理と構造

YX

図 10

Z

薄型六軸力覚センサ

治具

図8

力覚センサ
ステージ

重り

M  がかかった場合の変形mYm（a）上面視（b）正面視（c）Fx，Fy 加重時（d）Mz 加重時

X

図9M  がかかった場合の変形･ 一体構造であること･ 固定した際の影響がないことこれを満たした起歪体の変形を精度良くとらえることができれば，検出方法は何であっても構わないことになる．
六軸力覚センサを選定する際は，起歪体構造を確認し，検出方法による分解能・温度特性等の性能が目的の仕様を満足できるかどうかを検討しなければならない．
3.2

剛性と感度mmm（e）Fz 加重時

図 11m（f）Mx，My 加重時

加重試験装置の概要

上記の起歪体構造に加え，六軸力覚センサには正確な力検出と定格荷重以上の荷重がかかった際にどこまで壊れないかが求められる．どのような検出方法であっても，起歪変換している．梁の形状や起歪体の材質を変えることで感体の変形を検出して力に変換している．起歪体の変形は，度や剛性を調整することができるため，他の検出方法に比外力が大きいほど大きくなり，限界を超えると壊れてしまべ比較的容易に用途に合わせた設計が可能である．また，う．剛性の低い起歪体であればストッパー機構などを設け起歪体の構造が正しければ従来のセンサのように固定用ボるなどして過負荷から保護することも可能だが，固有振動ルトの締め付けトルクに細かく気を使う必要もなく，テー数などを考えると可能な限り剛性の高いセンサであること

ブル・ベースを必要としない構造にすることもできる．図が好ましい．しかし半面，「剛性が高い」ことは「起歪体10 は弊社が開発した起歪体とカバーのみで構成された薄の変形量が小さい」となり感度が落ちることになる．

型六軸力覚センサである．起歪体は一枚の金属板からの削検出方法によって差はあるものの，剛性と感度はトレードオフの関係にあるので，目的に応じて仕様を決定する必要がある．
3.3

ひずみゲージ式六軸力覚センサ

クロスビーム型起歪体の場合，4 本の梁の上下・左右の面にひずみゲージを貼り付け，梁の曲げひずみを検出し力出で，変換回路を内蔵し力信号をデジタル出力している．

4．六軸力覚センサの校正
六軸力覚センサには非常に高価な製品が多い．検出方法や構造に起因するところもあるが，大きな要因の一つは校正の大変さである．

精密工学会誌/Journal of the Japan Society for Precision Engineering305

六軸力覚センサの原理と構造できていないため，今後改善を進めさらに高精度な試験装置を開発し，六軸力覚センサの価格を引き下げていく予定
である．

5．おわりに今，人工知能や IoT（Internet of Things）が非常に注目されている．IoT では，作業の環境や状態を定量化することが重要であり，あらゆるモノにさまざまなセンサが取り付けられることが予想される．人と協調する作業や人と同様の作業をするロボットが普及しつつあり，力計測・力制御の需要はますます高まってくるものと思われる．六軸力覚センサは，今後さらにさまざまな用途で活用される可能
図 12

試験装置の外観性があり，技術の進歩やさらなる低価格化が期待される．

参六軸方向すべてに何個もの検量された重りをかける校正作業は作業性が悪く時間がかかる．また，他軸成分を含まず単軸のみに加重することや複合力を自在にかけることは非常に困難なことである．そこに作業者の個人差も考慮しなければならない．

考文献1) 西田恵一：ひずみゲージ・センサの使い方とひずみ測定器の製作，CQ 出版社，トランジスタ技術 2003 年 7 月号（2003）257‑
264．
2) 力が加わったことによる微小なひずみを検出するセンサ，CQ 出版社，トランジスタ技術，2007 年 7 月号（2007）136．
3) 岡野一雄：物理/化学センサのしくみと動作原理，CQ 出版社，
Interface, 2001 年 2 月号（2001）65．

この問題を解消するため，弊社では独自に六方向に加重試験ができる装置を開発し，自動で校正作業を行うことでコストを大幅に削減している．
図 11 に加重試験装置の概要を示し，図 12 に外観を示す．加重する際は固定されたセンサに重りをかけるのが一

向井 優
信州大学繊維学部機能機械学課程学士課程 2012
年 3 月卒業．2014 年に(株)レプトリノ入社．六軸力覚センサの設計，開発業務に従事．現在に至る．

般的だが，この試験装置はセンサを 6 方向への運動可能なステージに固定し，さらにセンサへ重りをつなぐ治具を固定して，ステージを姿勢変更させることで加重を変えることができる．試験装置はパラレルリンク機構を用いており，ステージを 6 方向の任意の位置や姿勢に移すことで自在の加重を発生させることができる．被試験センサはステージ上に組み込んだマスタセンサ上に設置され，マスタセンサ出力を基準に校正を行っている．
しかし，高精度センサ（非直線性 ±0.5% 以下）に対応

306

精密工学会誌/Journal of the Japan Society for Precision Engineering

野田善之
2006 年豊橋技術科学大学大学院工学研究科博士後期課程修了．博士（工学）．2006 年豊橋技術科学大学生産システム工学系助手，2011 年山梨大学大学院総合研究部准教授，現在に至る．振動制御，パワーアシスト，注湯制御に興味をもつ．計測自動制御学会，IEEE の会員．