JP4249735B2

JP4249735B2 - 力センサ

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Inventors: 哲朗坂野
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Publication date: 2009-04-08
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Description

本発明は、荷重を受けたときにひずみが発生するように構成された構造体と、ひずみが発生する該構造体の複数の測定部位にそれぞれ取り付けられる複数の検出用ひずみゲージとを備えた力センサに関する。

例えば、ロボットのアームの先端に外力が付与されると、アームの手首部には荷重が作用する。この荷重は、Ｘ、Ｙ及びＺ軸方向の力とＸ、Ｙ及びＺ軸周りのモーメント（Ａ、Ｂ及びＣ軸方向の力とも呼称する）とによって構成される。このような力及びモーメントを測定する場合、特許文献１に開示されているように、荷重が加えられたときにひずみが生じるように構成された構造体の複数の測定部位にひずみゲージを取り付けて測定部位に生じるひずみを検出し、検出されたひずみを利用して荷重を測定するタイプの力センサを使用することが一般的である。

ところで、従来、ひずみゲージを用いてひずみを検出する場合、一つの軸方向の力成分を検出するために、一つの測定部位に二つのひずみゲージを対にして使用して、ひずみゲージと抵抗とによりホイートストンブリッジ回路（以下、ブリッジ回路と記載する）を構成するいわゆる２ゲージ法を用いることが一般的である。例えば、図６に示されているように、曲げが生じる梁１００に作用する力を測定する場合、引っ張りと圧縮が生じる梁の背中合わせの位置にそれぞれ一つずつひずみゲージ１０２，１０４を取り付け、図７に示されているように、ブリッジ回路の隣接する辺にそれぞれのひずみゲージが直列に組み込まれる。

２ゲージ法では、梁に曲げが生じたときに、対になったひずみゲージの変形量は絶対値が等しく符号が逆になる、すなわち、二つのひずみゲージのうちの一方は抵抗が増加する一方、他方は抵抗が減少し、その変化量の絶対値は等しくなる。したがって、一つの軸方向の力成分を検出するために一つのひずみゲージを使用する場合（いわゆる、１ゲージ法）と比較して、ブリッジ回路からの出力が２倍になり、ひずみの検出感度を２倍に上げることができる。また、２ゲージ法では、温度変動による梁自体の熱変形によって生じたひずみが、対になって使用される二つのひずみゲージに共通して作用するので、ブリッジ回路からの出力に対する温度変動による梁の熱変形の影響が相殺され、温度変動によるひずみの検出誤差を小さく抑えることができる。

特開平８−１２２１７８号公報

２ゲージ法を用いる場合、一つの測定部位における一つの軸方向成分の力の測定につき二つのひずみゲージを使用する。したがって、例えば六つの軸方向の力を測定する６軸力センサを実現するためには、６軸力センサに使用する構造体に少なくとも１２個のひずみゲージを使用しなくてはならない。この結果、ひずみゲージ自体のコストやひずみゲージの取り付け作業及び配線作業等に伴う作業コストを増加させることになる。したがって、６軸力センサのように多軸方向成分の力を測定する必要がある場合には、センサの実現に要するコストが割高となる問題を招く。特に、高精度であるが高価でもある半導体ひずみゲージをひずみゲージとして使用する場合に、上記の問題は顕著となる。

また、２ゲージ法を使用して、構造体の測定部位に曲げを生じさせる一つの軸方向成分の力を測定するためには、構造体の測定部位において引っ張りが生じる側と圧縮が生じる側とにひずみゲージを対になるように取り付ける必要がある。したがって、２ゲージ法を適用できる測定部位の構造には制約があるという問題がある。

一方、１ゲージ法を用いれば、上記の問題は回避できるが、温度変動に起因した測定部位の熱変形（ひずみ）の影響を受けて、測定部位に作用する力を正確に測定できなくなる問題が生じる。

よって、本発明の目的は、上記従来技術に存する問題を解消して、温度変動による力の測定誤差を小さく抑えることができる安価な力センサを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、荷重を受けたときにひずみが発生するように構成された構造体の複数の測定部位にそれぞれ取り付けられた複数の検出用ひずみゲージを備えた力センサであって、前記荷重を受けたときに実質的にひずみが発生しないように構成された基準部位又は前記構造体と同じ材質の実質的にひずみのない部材に取り付けられ且つ前記検出用ひずみゲージと同じ特性を有した温度補償用共通基準ひずみゲージをさらに備え、前記複数の検出用ひずみゲージ及び前記温度補償用共通基準ひずみゲージの各々にそれぞれ同じ抵抗値の抵抗を直列に接続し、直列に接続された前記複数の検出用ひずみゲージ及び前記温度補償用共通基準ひずみゲージの各々と前記抵抗との両端に同一の入力電圧を印加し、前記入力電圧を前記複数の検出用ひずみゲージの各々と前記抵抗とで分圧した分圧電圧と、前記入力電圧を前記温度補償用共通基準ひずみゲージと前記抵抗とで分圧した分圧電圧との差分を求め、求められた差分に基づいて各測定部位のひずみを検出し、温度変動の影響を補償して前記構造体に作用する力を測定するようにした力センサが提供される。

本発明の力センサでは、複数の検出用ひずみゲージに対して共通に関連付けられた温度補償用共通基準ひずみゲージは、検出用ひずみゲージと同じ特性を有しており、検出用ひずみゲージが取り付けられている構造体において実質的にひずみの発生しない基準部位又は当該構造体と同じ材質の実質的にひずみのない部材に取り付けられている。同じ温度環境下では、周囲温度の変動による構造体の熱変形に起因するひずみが、検出用ひずみゲージの取り付けられている測定部位と温度補償用共通基準ひずみゲージの取り付けられている基準部位とに同じように発生する。したがって、直列に接続された検出用ひずみゲージと抵抗との両端に印加された入力電圧を検出用ひずみゲージと抵抗とで分圧した分圧電圧と、同様に直列に接続された温度補償用共通基準ひずみゲージと抵抗とで分圧した分圧電圧との差分を求め、求められた差分に基づいてひずみを検出すれば、周囲温度の変動の影響が相殺され、構造体に作用する力によって生じたひずみのみを検出することができる。

一方、一つの検出用ひずみゲージに一つずつ別個の温度補償用基準ひずみゲージを関連付けるのではなく、複数の検出用ひずみゲージに一つの温度補償用共通基準ひずみゲージを共通して関連付けているので、必要となる温度補償用共通基準ゲージを少なく抑えることができる。また、一つの検出用ひずみゲージや一つの温度補償用共通基準ひずみゲージに対して別個のブリッジ回路（詳細には、ホイートストンブリッジ回路の四つの抵抗のうちの一つを検出用ひずみゲージ又は温度補償用共通基準ひずみゲージとし、他の三つの抵抗を同じ抵抗値の抵抗としたもの）を構成するのではなく、直列に接続した検出用ひずみゲージ又は温度補償用共通基準ひずみゲージと抵抗との両端に入力した入力電圧をひずみゲージと抵抗とで分圧した分圧電圧を取り出して、検出用ひずみゲージから取り出した分圧電圧と温度補償用共通基準ひずみゲージから取り出した分圧電圧との差分をとっているので、回路構成が簡単である。

上記力センサでは、複数の測定部位の各々に生じる一つの軸方向のひずみを測定するために、一つの検出用ひずみゲージが取り付けられていることが好ましい。この場合、一つの検出用ひずみゲージを使用して一つの軸方向のひずみを検出できると同時に周囲温度の測定に対する影響を抑制できるので、一つの軸方向のひずみを検出するのに二つの検出用ひずみゲージを必要とする２ゲージ法と比較して、必要となる検出用ひずみゲージの数を抑えることができ、コスト面で有利である。特に、この利点は、前記検出用ひずみゲージ及び前記基準用ひずみゲージが高価な半導体ひずみゲージである場合に顕著である。

また、前記構造体は、互いに対向して配置される一対の部材と、該一対の部材の間において該部材の周縁部に沿って分散配置され且つ前記一対の部材を接続する少なくとも三つの脚とを備え、前記少なくとも三つの脚の各々に取り付けた前記検出用ひずみゲージによって、前記一対の部材の一方に荷重を付与することにより前記脚に生じたひずみを検出し、検出した前記脚のひずみに基づいて前記一対の部材の一方に作用した力を測定することが好ましい。

さらに、前記脚が、前記一対の部材の一方によって両端部を支持されており且つ前記部材の周縁部を周方向に延びる横梁と、該横梁の中央部から該横梁と垂直方向に延び前記一対の部材の他方に連結する縦梁とからなるＴ字形状脚であることが好ましい。

また、一つの検出用ひずみゲージが、前記横梁の長手軸線方向のひずみを検出できるように前記縦梁と反対方向に向いた前記横梁の表面又は前記縦梁の側に向いた前記横梁の表面に取り付けられると共に、他の一つの検出用ひずみゲージが、前記縦梁の長手軸線方向のひずみを検出できるように周方向に向いた前記縦梁の側面に取り付けられることがさらに好ましい。

なお、本願説明中において、「各軸方向」の力又はひずみは、構造体又は各測定部位において規定された３軸方向の力又はひずみ並びに規定された各軸周りのモーメント又はひずみを含むものとする。例えば、各測定部位において直交座標系が規定された場合、各軸方向の力又はひずみには、Ｘ、Ｙ及びＺ軸の直交３軸に沿った方向の力又はひずみと、Ｘ軸周りの方向であるＡ軸、Ｙ軸周りの方向であるＢ軸、及びＺ軸周りの方向であるＣ軸に沿った力（モーメント）又はひずみとが含まれる。

本発明によれば、２ゲージ法を用いることなく、周囲温度の変動の影響を排除して、構造体に作用する力によって生じたひずみのみを検出することができる。また、使用するひずみゲージ毎に別個のブリッジ回路を構成する必要もない。したがって、簡単且つ安価な構造で、温度変動の影響を補償して構造体に作用する力を正確に測定することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
最初に、図２及び図３を参照して本発明に従って構成された６軸力センサの構造について説明する。図２及び図３は本発明に従って構成された６軸力センサの構造を示しており、図２は６軸力センサを斜め上方から見た斜視図、図３は６軸力センサを斜め下方から見た斜視図である。図２及び図３を参照すると、６軸力センサ１０は、構造体と、構造体の各測定部位及び基準部位に取り付けられたひずみゲージとを備える。構造体は、互いに対向して配置される一対の円板状部材１２、１４と、この一対の円板状部材１２、１４の間に配置され且つ二つの円板状部材１２、１４を接続する脚１６とを含む。

一対の円板状部材１２、１４は、それぞれの中心軸線１８が一直線上に整列するように配置され、それぞれ、例えばロボットの関節の両側に位置する異なる構造体（図示せず）に取り付けられる。下側の円板状部材１２の中央部には、中心軸線１８に沿って延びる貫通穴２０が形成されており、この貫通穴２０内に例えばロボットの関節のような異なる構造体を接続する部分を配置できるようになっている。一方、上側の円板状部材１４には貫通穴は設けられておらず、その他の部位と比較して相対的に変形しにくく構成されており、実質的にひずみが発生しにくくなっている。図３に示されているように、このように構成された円板状部材１４の裏側（６軸力センサの内側を向いた面）に後述する温度補償用共通基準ひずみゲージ２２が取り付けられるようになっている。

脚１６は、一対の円板状部材１２、１４の間において、該円板状部材１２、１４の周縁部に、中心軸線１８を中心とする一つの仮想円の円周に沿って等間隔で配置されている。図２及び図３に示されている実施形態では、四つの脚１６が設けられており、各脚１６は円板状部材１２、１４の周縁部において中心軸線１８周りの仮想円に沿って９０度間隔で配置されている。また、脚１６は、一対の円板状部材１２、１４のうちの一方（図２及び図３中では、上側の円板状部材１２）において中心軸線１８周りの仮想円に沿って延びる横梁１６ａと、横梁１６ａの中央部から横梁１６ａの長手軸線と概略直角に延びる縦梁１６ｂとから構成される。上記円板状部材１２の外周部には、扇状の切欠き部２４が形成されており、脚１６の横梁１６ａの両端は切欠き部２２の両側面に連結され支持されている。また、横梁１６ａから延びる縦梁１６ｂの他方の端部は一対の円板状部材１２、１４のうちの他方（図２及び図３中では、下側の円板状部材１４）に連結されている。

脚１６の縦梁１６ｂには、仮想円の半径方向に貫通する開口部２６が形成されており、縦梁１６ｂが仮想円の周方向又は接線方向に撓み易くなっている。これにより、小さい荷重が６軸力センサ１０に作用した場合でも仮想円の周方向又は接線方向に比較的大きな撓みが生じるようになる。その一方で、縦梁１６ｂの他の部分の断面積は大きくなり、縦梁の強度を高めることができる。

横梁１６ａにおいて縦梁１６ｂとは反対側を向いた表面上の縦梁１６ｂと対向する位置（すなわち、横梁１６ａの上面の中央部）には、横梁１６ａの長手軸線方向（すなわち仮想円の周方向）のひずみ（すなわち、横梁１６ａの長手軸線方向に作用する力）を主として検出できるように検出用ひずみゲージ２８が取り付けられている。また、仮想円の周方向に向いた縦梁１６ｂの側面の一方にも、縦梁１６ｂの長手軸線方向のひずみ（すなわち、縦梁１６ｂの長手軸線方向に作用する力）を主として検出できるように検出用ひずみゲージ３０が取り付けられている。さらに、上側の円板状部材１２の裏面には、温度補償用共通基準ひずみゲージ２２が取り付けられている。このように、構造体上で、ひずみが生じやすいように構成された部位（以下、測定部位と記載する）に検出用ひずみゲージ２８、３０が取り付けられ、相対的にひずみが生じにくく構成され実質的にひずみが生じない部位（以下、基準部位と記載する）に温度補償用共通基準ひずみゲージ２２が取り付けられるようになっている。

検出用ひずみゲージ２８、３０と温度補償用共通基準ひずみゲージとしては、同じ特性のひずみゲージ（材質、ゲージ率、基準抵抗値等が同一のひずみゲージ）が使用され、検出用ひずみゲージ２８、３０と温度補償用共通基準ひずみゲージとは、同一の温度環境下で、同一のひずみに対して同一の抵抗値を示すようになっている。また、検出用ひずみゲージ２８、３０及び温度補償用共通基準ひずみゲージとしては、金属箔タイプのひずみゲージや半導体タイプのひずみゲージを用いることができる。

しかしながら、半導体タイプのひずみゲージは、一般に金属箔タイプのひずみゲージと比較してひずみの検出感度が高く、より小さなひずみを検出できるので、６軸力センサ１０の検出分解能を高めるためには半導体タイプのひずみゲージを用いることが好ましい。また、半導体タイプのひずみゲージを使用する場合、小さなひずみを検出でき、同じ荷重に対して脚１６に生じるひずみがより小さくても検出できるので、脚１６を強度の高い丈夫な構造にできる利点がある。６軸力センサ１０をロボットのアームの手首部などに装着して使用する場合、アームが対象物に衝突して大きな荷重が手首部に加えられることがあり、このようなときに破損を回避するためにも６軸力センサ１０が丈夫な構造であることは重要な利点となる。

なお、図２及び図３の実施形態における横梁１６ａ及び縦梁１６ｂは、仮想円に沿って僅かに湾曲しているが、その量は僅かであり、横梁１６ａ及び縦梁１６ｂの撓みを生じにくくする影響はほとんどない。その一方で、このように横梁１６ａ及び縦梁１６ｂが仮想円に沿って湾曲していれば、切削加工やワイヤ放電加工などにより仮想円と同じ輪郭を有する一つの筒状体から一体的構造の６軸力センサ１０を作成することが可能となる。このような一体的構造の６軸力センサ１０は、組立工数が少なく、脚１６を正確に配置する手間が省ける点で有効である。しかしながら、横梁１６ａ及び縦梁１６ｂの湾曲が撓みに与える影響を小さくして力及びモーメントの検出感度を向上させたい場合には、直線状の横梁及び縦梁からなる脚を仮想円上に等間隔で配置するようにしてもよい。

上記実施形態においては、脚１６が仮想円に沿って等間隔で配置されているが、脚１６は円板状部材１２、１４の周縁部に分散配置されていてもよい。また、一対の円板状部材に代えて、四角形状など他の形状を有した板状部材を使用することも可能である。また、上記実施形態においては、６軸力センサ１０は四つの脚１６を備えているが、各脚がそこに取り付けられた検出用ひずみゲージから六つの線形独立の出力が得られるようになっている限り、少なくとも三つの脚を備えていればよい。

図２及び図３に示されている６軸力センサ１０において、脚１６にＺ軸方向の力（中心軸線１８と平行な方向の力）が作用すると、脚１６の横梁１６ａは、一方の円板状部材１２によって両端部を支持されているので、他方の円板状部材１４に連結している縦梁１６ｂから力を受けてＺ軸方向に撓む。例えば、一対の円板状部材１２、１４をＺ軸方向に互いに近づける向きに力が脚１６に作用すると、図４に示されているように、脚１６の横梁１６ａが図４中上向きにＺ軸方向に撓む。検出用ひずみゲージ２８は、この撓みにより横梁１６ａの表面に生じた横梁１６ａの長手軸線方向のひずみを主として検出する。

一方、６軸力センサ１０の脚１６に仮想円の周方向又は接線方向に力が作用すると、脚１６の縦梁１６ｂが力の方向に撓む。例えば、図２に示されている６軸力センサ１０においてＡで示される位置の脚１４にＸ軸方向（位置Ａにおける接線方向）に力が作用すると、図５に示されているように、横梁１６ａを介して脚１６の縦梁１６ｂにＸ軸方向の同じ向き（図５中右向き）の力が作用して撓む。検出用ひずみゲージ３０は、この撓みにより縦梁１６ｂの表面に生じた縦梁１６ｂの長手軸線方向のひずみを主として検出する。

また、６軸力センサ１０の脚１６に仮想円の半径方向の力が作用すると、縦梁１６ｂが半径方向に力と同じ向きに撓む。しかしながら、検出用ひずみゲージ３０は縦梁１６ｂの周方向に向いた側面に取り付けられているので、周方向に縦梁１６ｂに作用する力によって縦梁１６ｂに生じるひずみに対しては大きな抵抗変化を生じるが、仮想円の半径方向に作用する力によって横梁１６ａに生じるひずみに対しては相対的に小さな抵抗変化しか生じない。

なお、上記のようなＺ軸方向の力はＸ軸又はＹ軸周りのモーメント（Ａ軸又はＢ軸方向の力）の成分によっても脚１６に作用し、また、仮想円の周方向の力はＺ軸周りのモーメント（Ｃ軸方向の力）の成分によっても脚１６に作用することに留意されたい。

このような作動原理に基づけば、基本的に、Ｚ軸方向の力は、各脚１６の横梁１６ａに取り付けられた検出用ひずみゲージ２８が相対的に大きな抵抗変化を生じ且つそれらが略等しい場合に相当し、Ｘ軸又はＹ軸方向の力は、各脚１６の縦梁１６ｂに取り付けられた検出用ひずみゲージ３０が相対的に大きい抵抗変化を生じ且つそれらが等しくない場合に相当することが分かる。また、Ｚ軸周りのモーメント（Ｃ軸方向の力）は、各脚１６の縦梁１６ｂに取り付けられた検出用ひずみゲージ３０が相対的に大きい抵抗変化を生じ且つそれらが略等しい場合に相当し、Ｘ軸又はＹ軸周りのモーメント（Ａ軸又はＢ軸方向の力）は四つの脚１６のうちの半径方向に対向する二つの脚１６の横梁１６ａに取り付けられた検出用ひずみゲージ２８のみが相対的に大きい抵抗変化を生じ且つそれらの絶対値が略等しい場合に相当することが分かる。

とろこで、撓みが生じる脚１６の横梁１６ａや縦梁１６ｂのような測定部位には、周囲環境の温度変動に伴って、熱膨張や熱収縮等の熱変形が生じるので、これら熱変形に起因して測定部位に生じるひずみの影響を除去しなければ、純粋に荷重によって測定部位に生じるひずみを検出することができず、さらには構造体に作用する力を正確に測定することもできない。周囲環境の温度変動に伴って構造体の測定部位に生じるひずみの影響を除去するためには、一般に２ゲージ法が用いられる。しかしながら、上述したような６軸力センサ１０では、少なくとも六つの軸方向の力成分を検出しなければならず、一つの軸方向のひずみの検出につき二つの検出用ひずみゲージを使用すると、製造費用が高くなってしまう（特に、検出用ひずみゲージ２８，３０として高価な半導体ひずみゲージを使用する場合）。また、上述したような６軸力センサ１０の脚１６の構造の場合、横梁１６ａと縦梁１６ｂとの連結部分において、縦梁１６ｂの存在のために、横梁１６ａの圧縮側と引っ張り側の両方に対にして検出用ひずみゲージを取り付けることができない。

これに対して、本発明の力センサ１０は、測定部位における一つの軸方向のひずみを検出するのに一つの検出用ひずみゲージ２８，３０しか使用しないように構成されており、脚１６の構造による制約を受けない。さらに、本発明の力センサ１０では、構造体において実質的にひずみを生じない基準部位に温度補償用共通基準ひずみゲージ２２を取り付けるようにしており、その温度補償用共通基準ひずみゲージ２２の抵抗値を各検出用ひずみゲージの抵抗値から差し引くことで温度変動に起因するひずみの影響を除去するようにしている。もっとも、ひずみゲージ２２，２８，３０の抵抗変化は微小であるため、実際には、各ひずみゲージ２２，２８，３０に既知の抵抗値Ｒの抵抗３２，３４を直列で接続し、直列で接続したひずみゲージ２２，２８，３０と抵抗３２，３４の両端に入力電圧を印加して、ひずみゲージ２８，３０，３２と抵抗とで分圧した分圧電圧を各ひずみゲージ２２，２８，３０からの出力とみなして、各検出用ひずみゲージ２８，３０の出力から温度補償用共通基準ひずみゲージ２２の出力を差し引くことで、温度変動に起因するひずみの影響を除去している。

以下に、図１を参照して、周囲環境の温度変化に伴う測定部位の温度変動に起因するひずみの影響を除去する具体的な構成及び方法について詳述する。
各測定部位に取り付けられた検出用ひずみゲージ２８，３０に同じ抵抗値Ｒの抵抗３４を直列に接続して、直列に接続した各検出用ひずみゲージ２８，３０と抵抗３４との両端に入力電圧Ｅを印加し、入力電圧Ｅを検出用ひずみゲージ２８，３０と抵抗３４とで分圧した分圧電圧（すなわち、検出用ひずみゲージ２８，３０と抵抗３４との間の回路上の位置における電圧）を出力として取り出すように回路を構成する。同様に、温度補償用共通基準ひずみゲージ２２にも同じ抵抗値Ｒの抵抗３２を直列に接続して、直列に接続した温度補償用共通基準ひずみゲージ２２と抵抗３２との両端に入力電圧Ｅを印加し、入力電圧Ｅを温度補償用共通基準ひずみゲージ２２と抵抗３２とで分圧した分圧電圧（すなわち、温度補償用共通基準ひずみゲージ２２と抵抗３２との間の回路上の位置における電圧）を出力として取り出すように回路を構成する。直列に接続した各検出用ひずみゲージ２８，３０と抵抗３４の両端並びに直列に接続した温度補償用共通基準ひずみゲージ２２と抵抗３２の両端に印加される入力電圧Ｅは、共通の電源から得てもよいし、同じ電源電圧の別個の電源から得てもよい。

次に、各検出用ひずみゲージ２８，３０からの出力である分圧電圧をそれぞれ各差動増幅器３６のプラス側端子に、温度補償用共通基準ひずみゲージ２２からの出力である分圧電圧を全ての差動増幅器３６のマイナス側端子に共通して入力し、検出用ひずみゲージ２８，３０の分圧電圧から温度補償用共通基準ひずみゲージ２２の分圧電圧を差し引いた差分電圧Ｖｄ１〜Ｖｄ８を求める。求められた各差分電圧Ｖｄ１〜Ｖｄ８はＡＤ変換器（図示せず）によってデジタル値に変換され、それに変換行列を掛けて、各検出用ひずみゲージ２８，３０を取り付けた測定部位における対応する軸方向のひずみが算出される。各差分電圧Ｖｄ１〜Ｖｄ８をデジタル値に変換したものに変換行列を掛けて、力センサの構造体全体に作用する六つの軸方向の力成分を直接的に算出してもよい。ひずみゲージからの出力をデジタル値に変換し、それに変換行列を掛けて各軸方向の力成分を算出する方法は特許文献１に記載されているように周知であり、ここでは詳しく説明しない。

各検出用ひずみゲージの基準抵抗値が抵抗３４と同じくＲであるとし、測定部位に作用する力によって測定部位に発生したひずみによるゲージ抵抗変化に対応したゲージ抵抗変化率をｋｓ、温度変動に起因して発生したゲージ抵抗変化に対応したゲージ抵抗変化率をｋｔ、差動増幅器３６のゲインを１とすると、検出用ひずみゲージ２８，３０の分圧電圧Ｖ１は以下の式により求められる。
Ｖ１＝ＥＲ／（Ｒ＋Ｒ（１＋ｋｓ＋ｋｔ））
ここで、ｋｓとｋｔは１に比べて非常に小さいので、上式は以下の式により近似される。
Ｖ１≒Ｅ（２−ｋｓ−ｋｔ）／４
温度補償用共通基準ひずみゲージの分圧電圧Ｖ２は、同様にして、以下のように求められる。
Ｖ２≒Ｅ（２−ｋｔ）／４
したがって、検出用ひずみゲージ２８，３０の分圧電圧と温度補償用共通基準ひずみゲージ２２の分圧電圧との差分電圧は、以下のようになる。
Ｖ１−Ｖ２＝−Ｅｋｓ／４
したがって、差分電圧に基づいてひずみを検出すれば、温度変動により発生したゲージ抵抗変化の影響が除去できることが分かる。

このように、検出用ひずみゲージ２８，３０の分圧電圧と温度補償用共通基準ひずみゲージ２２の分圧電圧との差分電圧Ｖｄ１〜Ｖｄ８に基づいて、各測定部位に発生したひずみを検出すれば、測定部位において温度変動に起因して発生するひずみの影響を排除して、各測定部位に作用する力によって発生するひずみを正確に検出することができるので、構造体に作用する各軸方向の力を正確に測定することができる。

上記実施形態では、構造体の脚１６の横梁１６ａに取り付けられた四つの検出用ひずみゲージ２８と脚１６の縦梁１６ｂに取り付けられた四つの検出用ひずみゲージ３０からなる八つの検出用ひずみゲージが使用されているが、検出用ひずみゲージの数は構造体の形状や用途に応じて適宜の数とすることができる。また、上記実施形態では、力センサ１０に使用されている全ての検出用ひずみゲージ２８，３０に対して一つの温度補償用共通基準ひずみゲージ２２が共通して関連付けられているが、全ての検出用ひずみゲージ２８，３０のうちの一部に対して一つの温度補償用共通基準ひずみゲージ２２を関連付け、力センサ全体において複数の温度補償用共通基準ひずみゲージを使用してもよい。

さらに、上記実施形態では、温度補償用共通基準ひずみゲージ２２が構造体の円板状部材１２の裏面に取り付けられているが、温度補償用共通基準ひずみゲージ２２を取り付ける位置は構造体において実質的にひずみが発生しない部位であれば特に制限されない。また、温度補償用共通基準ひずみゲージ２２の取り付け部位は、構造体と同じ温度になり且つ構造体と熱膨張係数が同じ部位であれば必ずしも構造体上の部位に限定されるものではなく、構造体と同じ材質から形成され且つひずみの発生していない構造体とは別個の部材に温度補償用共通基準ひずみゲージ２２を取り付けてもよい。

本発明による力センサの回路構成を示す回路図である。本発明による力センサを斜め上方から見た斜視図である。本発明による力センサを斜め下方から見た斜視図である。図２及び図３に示されている６軸力センサの脚の部分の拡大図であり、一対の円板状部材を互いに近づける方向の荷重を受けて横梁が撓んだ状態を示している。図２及び図３に示されている６軸力センサの脚の部分の拡大図であり、一対の円板状部材を互いに対して横方向に移動させる方向の荷重を受けて縦梁が撓んだ状態を示している。梁に曲げが生じるときに梁に生じたひずみを検出するための２ゲージ法によるひずみゲージの配置を示す斜視図である。２ゲージ法において使用されるホイートストンブリッジ回路を示す回路図である。

符号の説明

１０６軸力センサ
１６脚
１６ａ横梁
１６ｂ縦梁
２２温度補償用共通基準ひずみゲージ
２８検出用ひずみゲージ
３０検出用ひずみゲージ
３２抵抗
３４抵抗
３６差動増幅器

Claims

荷重を受けたときにひずみが発生するように構成された構造体の複数の測定部位にそれぞれ取り付けられた複数の検出用ひずみゲージを備えた力センサであって、
前記荷重を受けたときに実質的にひずみが発生しないように構成された基準部位又は前記構造体と同じ材質の実質的にひずみのない部材に取り付けられ且つ前記検出用ひずみゲージと同じ特性を有した温度補償用共通基準ひずみゲージをさらに備え、前記複数の検出用ひずみゲージ及び前記温度補償用共通基準ひずみゲージの各々にそれぞれ同じ抵抗値の抵抗を直列に接続し、直列に接続された前記複数の検出用ひずみゲージ及び前記温度補償用共通基準ひずみゲージの各々と前記抵抗との両端に同一の入力電圧を印加し、前記入力電圧を前記複数の検出用ひずみゲージの各々と前記抵抗とで分圧した分圧電圧と、前記入力電圧を前記温度補償用共通基準ひずみゲージと前記抵抗とで分圧した分圧電圧との差分を求め、求められた差分に基づいて各測定部位のひずみを検出し、温度変動の影響を補償して前記構造体に作用する力を測定することを特徴とした力センサ。
複数の測定部位の各々に生じる一つの軸方向のひずみを測定するために、一つの検出用ひずみゲージが取り付けられている、請求項１に記載の力センサ。
前記検出用ひずみゲージ及び前記温度補償用共通基準ひずみゲージは、半導体ひずみゲージである、請求項１に記載の力センサ。
前記構造体は、互いに対向して配置される一対の部材と、該一対の部材の間において該部材の周縁部に沿って分散配置され且つ前記一対の部材を接続する少なくとも三つの脚とを備え、前記少なくとも三つの脚の各々に取り付けた前記検出用ひずみゲージによって、前記一対の部材の一方に荷重を付与することにより前記脚に生じたひずみを検出し、検出した前記脚のひずみに基づいて前記一対の部材の一方に作用した力を測定する、請求項１から請求項３の何れか一項に記載の力センサ。
前記脚が、前記一対の部材の一方によって両端部を支持されており且つ前記部材の周縁部を周方向に延びる横梁と、該横梁の中央部から該横梁と垂直方向に延び前記一対の部材の他方に連結する縦梁とからなるＴ字形状脚である、請求項４に記載の力センサ。
一つの検出用ひずみゲージが、前記横梁の長手軸線方向のひずみを検出できるように前記縦梁と反対方向に向いた前記横梁の表面又は前記縦梁の側に向いた前記横梁の表面に取り付けられると共に、他の一つの検出用ひずみゲージが、前記縦梁の長手軸線方向のひずみを検出できるように周方向に向いた前記縦梁の側面に取り付けられる、請求項５に記載の力センサ。