JPH08122178A - 複数のせん断ひずみゲージを用いた六軸力センサ - Google Patents

複数のせん断ひずみゲージを用いた六軸力センサ

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JPH08122178A
JPH08122178A JP7201848A JP20184895A JPH08122178A JP H08122178 A JPH08122178 A JP H08122178A JP 7201848 A JP7201848 A JP 7201848A JP 20184895 A JP20184895 A JP 20184895A JP H08122178 A JPH08122178 A JP H08122178A
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force sensor
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 直角方向の力についての感度のカップリング
を生じない力センサ。 【構成】 ひずみがＬ型またはＴ型の脚の上に取り付け
られたせん断ひずみゲージにより単独に測定出来る力セ
ンサを提供する。この種の脚９４，９５，９７，１００
のそれぞれは互いに直角な少なくとも二つの腕を有して
いる。即ち、Ｌ型またはＴ型の腕は長さの方向即ち縦方
向の軸を有しており、二つの縦軸は互いにほぼ９０°で
向けられている。各脚には、更に直角な腕の上に取り付
けられた少なくとも二つのせん断ひずみゲージ９０，９
２，１０２，１０６が設けられ、直角方向の力を測定す
る。三つ以上のＬ型またはＴ型の脚は力センサを定める
ほぼ円筒形で中空のボディ８８に組み込まれている。本
構造体の腕からせん断ひずみゲージ出力は円筒形のボデ
ィ８８に加えられた力／モーメントの大きさと方向を決
定するデジタル信号プロセッサに送られる。せん断ひず
みゲージは、ポケット８６，８４他内に取り付けられる
ことで高感度化される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、三つの並進軸に沿
った力の測定と該三軸のそれぞれについてのモーメント
の測定が可能なセンサに関する。更に詳しく言えば、本
発明は、三つまたは四つの脚を有し、各脚には互いに直
角な方向の力を検出する二つのせん断ひずみゲージが備
わっている力センサに関する。
【０００２】多くのアプリケーションにおいて、ロボッ
トの腕の先端で加工工具のような物体の上に作用する力
を正確かつ動的に決定することが必要となる。このよう
な力の大きさと方向は、相互に直角な軸（例えば従来行
なわれているＸ，ＹおよびＺのデカルト座標）とこれら
の軸のそれぞれに対するモーメントで記述され得る。そ
のために種々の力センサが使用されている。広く使用さ
れている力センサの一つのタイプは、ひずみを基本にし
た力センサである。
【０００３】一般にこれらのセンサは、加えられた力と
モーメントによって変形するボディと、該ボディ内でひ
ずみに感度を有する幾つかのトランスデューサを含んで
いる。しばしばひずみゲージ（フォイルまたは半導体）
の形態をとるトランスデューサは、ボディ上のひずみの
発生が期待される位置に置かれる。通常、ひずみゲージ
は、ひずみの一つの形態−曲げ、せん断、または伸びひ
ずみなど−が支配的であるような位置と方向をもって配
置される。適正な位置でひずみを測定することにより、
ボディに作用した力とモーメントを計算することが出来
る。
【０００４】ひずみを基本にした多くの力センサがこの
分野で知られている。しかし、入手可能なセンサには種
々の欠点がある。例えば、多くのセンサは（せん断また
は伸び検出センサでは同じ出力を発生するのに必要な変
形の量と比較して）、十分な大きさの出力を発生するた
めに相対的に大きな変形を必要とする「曲げひずみ」を
測定している。
【０００５】ここで示した曲げは、最初平面であり次に
平面でないように曲げられるビームまたは腕の変形であ
る。十分に大きな曲げひずみを発生するため、ひずみゲ
ージが取り付けられた腕はかなり可撓性を有する必要が
ある。不都合なことに、これは、センサの固有周波数の
低下と、周波数応答の制限と、システム全体に対する振
動の惹起による信号の劣化をもたらす恐れがある。
【０００６】更に、曲げひずみ測定に必要な比較的大き
な変位により、センサは直線応答の範囲から外れ、（即
ち、ボディのひずみがもはや加えられた力に直接比例し
なくなり）、ひずみゲージ出力の判断が複雑になる。更
に、センサの腕が薄過ぎると、相対的に大きな力が加え
られた時にセンサ全体がすぐに正常機能しなくなる。
【０００７】もう一つの問題は、同じ腕の上に複数のひ
ずみゲージを取り付けた力センサについて生ずるもので
ある。センサ上のひずみゲージには、種々のレベルの感
度を有することがしばしば要求される。不都合なこと
に、一方向の力に対する感度は直交方向の力に対する感
度との間でしばしばカップリングを起こす。従って、同
じ腕の上に取り付けられた一方のひずみゲージの感度
を、同じ腕の上に取り付けられた他方のひずみゲージの
感度を増大させることなく増大させることが不可能とな
ることがあり得る。
【０００８】これは、感度を増加させる一つの方法、即
ちより可撓性のある腕を得る為にひずみゲージを取り付
けた腕の厚さを減ずる方法について考えてみれば判るこ
とである。例えば、センサの軸に直角に作用する力を測
定する為のせん断ひずみゲージと、センサの軸に沿った
力を測定する為の並進ひずみゲージを有するビームを使
用している米国特許第４０９４１９２号を検討された
い。曲げ力に対し並進ひずみゲージの感度を上げる為、
ビームの断面領域が少なくされる。しかし、領域を少な
くすることはせん断ゲージにより測定されるひずみにも
影響を及ぼす。従って、センサは軸方向の力の感度が横
方向の力の感度と無関係になるように設計出来ない。
【０００９】多くのひずみゲージに関係のある他の問題
は製造に関連する潜在的に大きな苦労と費用である。あ
る設計において、センサボディは円筒形の殻から放射上
に広がるビームをまとめるように形を作ることは複雑で
あり困難である。更に、ある設計では、複数のひずみゲ
ージをセンサボディの上の所定の位置に置くことが必要
となる。例えば、ある力センサでは中空の円筒形のセン
サボディの内側および外側の表面の両方に取り付けられ
たひずみゲージを有している。例えば米国特許第４６４
０１３８号および第４８２３６１８号を参照されたい。
ボディの内側の表面は特にひずみゲージ取り付けに際し
て届き難い。
【００１０】更に、ある設計では、多くのゲージを小さ
な領域内に置くことが必要となる（米国特許第４９１１
０２４号を参照）。センサ内にひずみゲージを正確に置
くことはしばしば手作業で行なう必要があり、時間と費
用がかかる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】そこで、製造が比較的
容易で、曲げひずみに頼るのではなく、また、直角方向
の力についての感度のカップリングを生じない、改良さ
れた力センサが望まれている。本発明は、この要望に応
えようとするものである。
【００１２】
【課題を解決する為の手段】本発明は、センサボディの
ほぼＬ型またはＴ型の脚の上に取り付けられたせん断ひ
ずみゲージによって、ひずみが単独に測定される力セン
サを提供する。センサボディは、中空の円筒形の殻をな
すことが好ましい。センサボディのそれぞれのＬ型また
はＴ型の脚は、互いにほぼ直角をなす少なくとも二つの
腕を有している。即ち、Ｌ型またはＴ型の脚の腕にはそ
れ自体によって定まる方向があり、該方向は互いにほぼ
９０°をなしている。一般に、各腕の「方向」は横軸の
方向、もしくは縦軸に沿っているが、腕が特に短い場合
にはその限りではない。
【００１３】ここで使用する「Ｌ型またはＴ型」という
語は、脚を形成する部材即ち腕の相対的な配置を非常に
一般的な意味で表わしている。これらの腕は一般には互
いに直角をなしているが、正確に直角である必要はな
い。更に、腕はＬ型またはＴ型の腕の縦横比を大きく変
えられるよう、可変なかなりの長さを有している。更
に、Ｌ型またはＴ型の脚はセンサボディに対し、（３６
０°に亙って）異なる方向を取ることが出来る。
【００１４】Ｌ型またはＴ型の脚の二つの直角な腕のそ
れぞれは、主として取り付けられた腕の方向に直角にな
っている力の成分に応ずるような方向に取り付けられた
せん断ひずみゲージを有している。好ましい実施形態に
おいては、これらのセンサの脚はひずみゲージを把持し
良好な感度を与える大きさの開口部（例えばポケットま
たはチャネル）が与えられている。
【００１５】更に好ましい実施形態では、センサボディ
上のせん断ひずみゲージの出力は、例えばロボットの腕
からセンサボディに加えられるあらゆる力／モーメント
の大きさと方向を決定するデジタルプロセッサに送られ
る。
【００１６】既に述べたように、曲げひずみに応ずるセ
ンサの腕は、加えられた力に対し十分な感度を与えるよ
うにかなり可撓性を有する必要がある。せん断ひずみゲ
ージを使用することにより、本発明では曲げひずみの測
定に関する種々の困難が避けられる。更に、ひずみゲー
ジを開口部の床に取り付けることにより、本発明の力セ
ンサでは腕の強さを損なうことなく良好な感度を得るこ
とが出来る。これは開口部に比べて厚く強固な、開口部
周辺の腕の領域と比較し、せん断に対してより感度の高
い床部にひずみゲージが取り付けられているからであ
る。更に、開口部の深さを各ひずみゲージ用に作ること
が出来るため、互いに直角な方向の力に対してひずみゲ
ージの感度を分離出来るからである。言い換えれば、各
ひずみゲージの感度はセンサの他のひずみゲージの感度
に影響を与えないように無関係に調整される。
【００１７】一つの特別な観点から言えば、本発明はセ
ンサボディ上で少なくとも二次元で力を測定する力セン
サを提供する。本力センサは、次の要素をもって定める
ことが出来る。（１）センサボディに組み込まれ第一と
第二の腕を有するＬ型の脚。該腕のそれぞれは他の腕の
方向にほぼ直角な方向を有している（各腕は一般に平ら
な表面を有している）。（２）第一のひずみゲージが第
一の腕の平面に平行で、且つ第一の腕の方向に直角であ
るせん断力に主に対応するようにＬ型部材の第一の腕に
取り付けられた第一のせん断ひずみゲージ。（３）第二
のひずみゲージが第二の腕の平面に平行で、且つ第二の
腕の方向に直角であるせん断力に主に対応するようにＬ
型部材の第二の腕に取り付けられた第二のせん断ひずみ
ゲージ。このような複数のＬ型の脚は中空の円筒形の力
センサボディの中に組み込まれていることが好ましい。
【００１８】本発明においては、本ひずみゲージはＬ型
の脚の腕の中に与えられた開口部に取り付けられている
ことが好ましい。これらの開口部は一般にＵ型の断面を
有したポケット、チャネル、Ｉビーム等である。典型的
には、せん断ひずみゲージは開口部内に取り付けられて
いる。しかし、他の実施形態では、ひずみゲージはＬ型
の上であるが、開口部とはちょうど反対側の脚の上に取
り付けられている。言い換えれば、ひずみゲージは開口
部の「裏側」の面に取り付けられている。もう一つの観
点から言えば、本発明は、主軸および横軸を有し、更に
主として主軸方向の力成分を検知するように向けられた
少なくとも第一のせん断ひずみゲージと主として横軸に
沿った力成分を検知するように向けられた第二のせん断
ひずみゲージをそれぞれ備えた３以上の脚を有するほぼ
円筒で中空の力センサ上で力を検知する方法を提供す
る。
【００１９】この力の検出法は次の諸ステップで定めら
れる：（１）第一のひずみゲージにより検知され、軸方
向で作用する力および／または横軸の一つの回りのモー
メントにより主に生ずるせん断ひずみをモニタするステ
ップ；（２）第二のひずみゲージにより検出され、一つ
以上の横軸方向に作用する力および／または軸の回りの
モーメントにより主に生ずるせん断ひずみをモニタする
ステップ；および（３）力センサに加えられたあらゆる
力および／またはモーメントの大きさおよび方向を決定
する為に、第一と第二のひずみゲージにより検知される
せん断ひずみを処理するステップ。
【００２０】本発明の一つの眼目に従えば、せん断ひず
みをモニタするステップはひずみゲージが取り付けられ
た開口部に発生するせん断ひずみを検知する。更に、処
理のステップは、円筒の力センサの中空の部屋内にある
デジタルプロセッサにより行なわれることが好ましい。
本発明のこれらおよび他の特徴は、以下の説明及び添付
の図面によってより詳細に記述される。
【００２１】
【発明の実施の形態】本発明は、三つの並進および三つ
の回転方向で作用する力／モーメントを検知する力セン
サを提供する為に、センサボディ上で特別な配置を有す
るせん断ひずみゲージを使用する。（他のタイプのひず
みゲージと同様に、）せん断ひずみゲージはひずみ（ボ
ディの単位長さ当たりで測定したボディの局所的な小さ
い変形）を測定する。応力とひずみの間の周知の関係お
よび較正により、測定されたひずみはボディに加えられ
た力に変換される。ゲージにより生ずるひずみは例えば
ホイートストンブリッジにより測定される電気抵抗に変
化を生ずる。力センサは、特定の方向に作用する力の成
分に主に応答するように選択された既知のセンサボディ
の位置に取り付けられた複数のひずみゲージからの出力
を比較し処理することにより、加えられた力／モーメン
トを決定することが出来る。
【００２２】一般に、力センサは加えられた力とセンサ
ボディ上に取り付けられた各ひずみゲージのひずみとの
間の比例定数を得る為に、較正を行なう必要がある。最
も広く利用されるひずみゲージは、金属箔または半導体
エレメントのいずれかで構成されている。これらのいず
れも本発明で使用可能であり、適当な金属箔ひずみゲー
ジは北カロライナ州レイリーのメジャーメントグループ
社により入手可能である。
【００２３】せん断ひずみゲージの特別な設計は本発明
を限定するものでなく、せん断ひずみゲージがどのよう
に働くかという一般的な理解により本発明を理解するこ
とが出来る。図１を参照して、典型的なせん断ひずみゲ
ージ２について説明する。ひずみゲージエレメント４と
６により、それらの軸のみに沿ったひずみが測定され
る。ボディ内でせん断ひずみを測定する為に、二つのゲ
ージエレメント４と６はせん断ひずみに関連した二つの
基本的（軸方向）なひずみの方向に沿った軸に整列され
ている。即ち、これらエレメントは（矢印８および１０
で示した）せん断力の方向に対して４５゜傾いている。
【００２４】せん断力の方向に４５゜傾いた二つのゲー
ジエレメントを組み合わせることは一般にせん断ひずみ
ゲージとして知られている。典型的にはひずみゲージの
各エレメントは、抵抗の小さな変化、即ち加えられたひ
ずみと力を測定するホイートストンブリッジの辺の役割
を果す。図１に示したせん断ひずみゲージは、「金属
箔」せん断ひずみゲージに共通な単一の基材の上に二つ
のゲージエレメントを含んでいるが、本発明の「せん断
ひずみゲージ」は、前述したように、互いに接近して整
列した二つのゲージエレメントを含んでいる。例えば、
二つのひずみ主軸方向に沿った軸に関して整列した二つ
の半導体ひずみゲージは、本発明の範囲の「せん断ひず
みゲージ」を構成する。
【００２５】図２（ａ）は本発明が力を測定する為にど
のようにＬ型の脚乃至部材１４を使用しているかを表わ
している。以下により詳細に説明するように、本発明の
典型的な力センサは、中空の円筒形のセンサボディに組
み込まれた三つまたは四つのＬ型の脚を含んでいる。一
般に、Ｌ型の脚１４は支持領域２６、２８、４７を含む
大きな構造体（センサボディ）の一部をなす。支持領域
２８、４７は、典型的にはレファレンスボディに取り付
けられた単一の構造体の一部をなす。支持領域２６は、
別のボディに取り付けられた別の構造体の一部をなす。
【００２６】脚１４は二つの体の間に働く力を検知す
る。Ｌ型の脚１４は次の二つの腕を含んでいる。即ち、
支持体２８に接続された水平の腕２０と支持体２６に接
続された垂直の腕２２である。水平の腕２０はせん断ひ
ずみゲージ３２が取り付けられている取付領域１８を含
んでいる。同様に、垂直の腕２２はせん断ひずみゲージ
３０が取付けられている取付領域１６を含んでいる。こ
こで使用している「水平」および「垂直」は図示する為
のみに使用していることに注意する必要がある。実際に
は、Ｌ型の部材１４は腕２０が水平として、腕２２が垂
直として特徴づけられないように種々の方向に並べられ
るかも知れない。更に、腕２０と２２の相対的な長さお
よびそれらの間の角度は図２（ａ）（および図２
（ｂ））に示す実施形態とある程度異なっている。しか
し、一般に腕２０は腕２２とほぼ直角である。
【００２７】図２（ａ）および図２（ｂ）について説明
する為に、次のような座標を採用する。Ｚ軸は紙面上で
垂直方向を向き、Ｘ軸は紙面上で水平方向を向いてい
る。力Ｆz が図示したように（領域２６を通して）Ｌ型
の脚１４に作用すると、堅い支持体２８によりさえぎら
れ、局所的な反力４０と４２を生ずる。これらの力によ
り取付領域１８にはせん断が発生ずる。これに応じて、
せん断ひずみゲージ３２は比較的大きな出力信号を生ず
る。Ｆz がＬ型の脚１４に対し図示と反対の方向（即ち
下方）に加えられると、領域１８にはせん断が生ずる
が、局所的な力４０および４２の方向は反対となり、ひ
ずみゲージ３２からの出力信号の符号も同様に反対とな
る。
【００２８】Ｚ方向の力は取付領域１６を押しあるいは
延ばし、せん断ひずみゲージ３０から比較的小さな出力
が生ずる。このように、Ｚ方向で脚１４に作用する力は
せん断ひずみゲージ３２からは比較的大きな出力によ
り、またひずみゲージ３０からは比較的小さな出力によ
り特徴づけられる。
【００２９】Ｘ方向に加えられた力Ｆx は反対の効果を
示す。特に、図示のように堅い支持体２６においてＬ型
の脚１４に作用する力Ｆx は、堅い支持体２８によりさ
えぎられて対をなす局所的な力３６と３８を生ずる。こ
れらの力は取付領域１６にせん断を生じひずみゲージ３
０に比較的大きな出力を発生する。しかし、同じ力は領
域１８を押し（Ｆx が反対の方向なら領域１８を延ば
す）比較的小さな出力がひずみゲージ３２から生ずる。
このように、Ｘ方向でＬ型の脚１４に加えられる力はせ
ん断ひずみゲージ３０からは比較的大きな出力が、また
せん断ひずみゲージ３２からは比較的小さな出力が生ず
る。
【００３０】任意のブリッジまたはランナ４６がＬ型の
脚１４と支持体４７の間に設けられ、水平方向の腕２０
に加えられた曲げの力を例えばＺ方向の力により支え
る。従って、ブリッジ４６を使用すると感度が低下する
かも知れないが、Ｌ型の脚１４とそれが取付けられてい
る構造体の強さは強化される。本発明の他の実施形態で
は、ブリッジ４６は使用されていない。
【００３１】好ましい実施形態では、取付領域１６と１
８は腕２２と２０内に設けられたポケットである。Ｌ型
の脚１４の主要構造部は十分な大きさの厚さを有し、過
重および変形から壊れるのを防いでいる。しかし、ひず
みゲージ３０および３２に加えられた応力に対する感度
を良くする為に、取付領域１６と１８はひずみゲージ３
０と３２が取付けられる床を有するポケットであること
が好ましい。特に、腕２０と２２の厚さは領域１８と１
６内ではＬ型の脚１４を連想させる程大きくない。この
ようにして、領域１６と１８には加えられた応力に応じ
て大きなひずみがもたらされる。それ故、ポケットは周
囲の構造の強度を大きく損なうことなく、力センサの感
度を増加させる。この場合、周囲の構造の強度とはＬ型
の脚１４とそこに組み込まれた構造体の強度のことであ
る。
【００３２】ここで述べたポケットは、腕２０と２２に
「開口部」として一般に特徴づけられる構造体を与える
ことに注意する必要がある。これと等価な好適な構造体
にはチャネル、Ｉビーム構造体等が含まれる。この分野
の機械技術者に知られている通り、このような構造体は
加えられた力に応じてその床の全幅にわたりほぼ均一な
せん断プロファイルを与える。従って、開口部に取付け
られたせん断ひずみゲージを用いれば、他の構造体に取
付けられたせん断ひずみゲージを用いた場合よりも小さ
な局所的変動でせん断ひずみが測定される。これによ
り、種々の力に対する力／モーメントの読みがより確実
なものとなる。開口部の床の表側部分および裏側部分に
せん断ひずみゲージを取付けることは同様に利点がある
ことに注意する必要がある。その場合もせん断プロファ
イルは床のいずれの側でも均一となる。
【００３３】図２（ｂ）は本発明の他の実施形態を表わ
している。Ｔ型の脚４８は支持体７２、７４および７６
に堅く取付けられている。特に、水平の横の腕７０は支
持体７４と７６に取付けられ、垂直の腕５０は支持体７
２に取付けられている。水平の横の腕７０は、前述した
ようにポケットの形を取ることが好ましい二つの取付領
域５４と５６を有している。これらのポケット内にせん
断ひずみゲージ６２と６４が取付けられている。これら
のゲージは図２（ａ）に関連して述べたＺ方向の力に対
応している。腕５０は、せん断ひずみゲージ６０が取付
けられる取付領域５２（やはりポケットであることが好
ましい）を有している。
【００３４】一般に、Ｚ方向に加えられた力はひずみゲ
ージ６２と６４から比較的大きな出力を生じさせ、ひず
みゲージ６０から比較的小さな出力を生じさせる。反対
に、Ｘ方向の力はひずみゲージ６０から比較的大きな出
力を生じせ、ひずみゲージ６２と６４からは比較的小さ
な出力を生じさせる。図２（ｂ）に示す実施形態には、
付加的なひずみゲージと付加的な製造段階に関連した余
分な費用を必要とするという短所がある一方、（１）付
加的なゲージからデータが提供され、（２）付加的な強
度を力センサに与えるという利点がある。Ｔ型の脚が必
要としているのは、直角の方向でひずみを検知するよう
に配置された二つのひずみゲージだけであることに注意
する必要がある。
【００３５】図３は本発明の好ましい力センサ７８の斜
視図である。力センサ７８は、ロボットの腕のように
（図示していない）他のエレメントに取付けられるフラ
ンジ８０と８２を含んだほぼ円筒形の（更に中空の）ボ
ディをなしている。以下の記載では、下側のフランジ８
０はレファレンス構造体に取付けられ、上側のフランジ
８２は、組み立て用の「ハンド」あるいは研削またはば
り取り用の機械工具を含むロボットアームの如き力の作
用源に取付けられていると仮定している。これに関して
は、例えば、後述する図１２を参照されたい。
【００３６】図２（ａ）に関連して述べたように、四つ
のＬ型の脚はフランジ８０と８２の間のほぼ円筒形の表
面８８の上に設けられている。これらのＬ型の部材は等
しく配置された四つの長い窓１１６と、等しく配置され
た他の四つのＬ型の窓１０８により定められている。二
つのＬ型の脚９４と１００は互いにほぼ９０°離れた表
面８８の上にあるのが見える。他の二つのＬ型の脚９５
と９７は内側に見え、隣り合った部材と９０°離れてい
る。図３に示す座標系で、Ｌ型の部材９４と９５はＹ軸
の上にあり、Ｌ型の部材１００と９７はＸ軸の上にあ
る。Ｌ型の脚はほぼ平面であるが、円筒形の表面８８上
で、ある曲率を有している。
【００３７】Ｌ型の脚９４にはせん断ひずみゲージ９２
が取付けられている垂直なポケット８６と、せん断ひず
みゲージ９０が取付けられている水平なポケット８４が
含まれている。同様に、Ｌ型の脚１００にはせん断ひず
みゲージ１０２が取付けられている垂直なポケット１０
３と、せん断ひずみゲージ１０６が取付けられている水
平なポケットが含まれている。以下に説明するように、
円筒形の表面８８の回りに置かれ互いに９０°の間隔で
離れている四つのＬ型の部材の配置により、Ｘ，Ｙ，Ｚ
の並進軸とこれらの軸の回りのモーメントの六つの軸に
沿った力とモーメントを正確に測定することが出来る。
【００３８】垂直なポケット１０３と８６に取付けられ
たひずみゲージ１０２と９２（および脚９５と９７の他
の垂直なポケット内に取付けられた向かい合ったひずみ
ゲージ）は、センサボディ８８を横切る方向（即ち、Ｘ
とＹ方向）の力に対応している。このような力はＺ軸の
回りのモーメントにより発生することに注意する必要が
ある。横方向の力とＺ軸の回りのモーメントに対するこ
れらひずみゲージの応答は、このような力がポケット１
０３と８６（図示していないが、他の二つの向かい合っ
た垂直のポケットにも）せん断負荷がかかることに由来
している。これらの同じ横方向の力は、ポケット１０６
と８６を含んだ水平のポケットに取付けられたせん断ひ
ずみゲージに比較的小さな影響しか与えない。これはこ
れらのポケットが（せん断に対し）曲げと引っ張りを主
に生ずるからである。
【００３９】しかし、水平ポケット内に取付けられたひ
ずみゲージは、センサボディ８８の軸に沿った力（即ち
Ｚ方向の力）に応答して比較的大きな出力を生じる。Ｘ
軸およびＹ軸の回りのモーメントが同じひずみゲージに
生じ比較的大きな出力を発生していることに注意する必
要がある。以下に述べるように、力センサ７８内の種々
のひずみゲージの相対的な出力は、加えられた力の大き
さと方向を明確に確定する。
【００４０】図４は、図３中に示したラインＡ−Ａ’に
沿って垂直ポケット１０３の断面を表わした図である。
ポケットにはせん断ひずみゲージ１０２が取付けられて
いる薄いポケットの床１２０が含まれている。図から判
るように、Ｕ型の断面は、床１２０に平行な方向と比べ
て床１２０に垂直な方向について相対的に薄い。従っ
て、（厚い壁を含めて）ポケット１０３の全体の断面
は、Ｘ方向の力でみた場合、センサボディの上で９０°
離れた位置にある脚の厚さに比べて「薄い」。より正確
に言えば、脚１００の慣性モーメントはＸ方向の９４の
慣性のモーメントに比較して小さい（図３）。従って、
Ｘの力がセンサに加えられると、脚９４は脚１００より
大きな力を支える。これによって、脚１００の出力は脚
９４より小さくなる。更に、脚１００により支えられる
Ｘの力は脚１００を曲げるが、せん断力にはならない。
ひずみゲージは、曲げにより生ずるひずみに対しては相
対的に鈍感となるように脚１００に取付けられている。
【００４１】図５は本発明の他の実施形態を示した透視
図である。この実施形態では、力センサ１４０は三つの
Ｌ型の脚を含み、それぞれが二つのせん断ひずみゲージ
を含んでいる。図に示すように、Ｌ型の窓１４８及びそ
の二つの同等物により腕１５０とその二つの同等物が定
められている。図３の実施形態に関連し記載したＬ型の
脚と異なり、本実施形態のＬ型の脚は平面でない腕とひ
ずみゲージを有している。例えば、一つのＬ型の脚は垂
直な腕１４６と１５０を含んでいる。腕１４６はせん断
ひずみゲージが取付けられているポケット１５２を含ん
でいる。同等物の脚１６２と１５６はそれぞれポケット
１６４と１６０を含んでいる。
【００４２】これらの三つの脚１４６、１５６および１
６２は中央の支持部材１６８に取付けられている。この
配置により、ポケット１５２、１６０、１６４内のせん
断ひずみゲージは主として中空の円筒形のボディ１４４
を横切る方向の力に応答する。ポケット１４２、１５８
と脚１６２のポケット１６４の同等物（図示していな
い）はセンサボディ１４４の中に与えられている。これ
らのポケットのそれぞれは、主として円筒形のセンサボ
ディ１４４の軸方向に沿った力に応答するせん断ひずみ
ゲージを含んでいる。ポケット１５２、１６０および１
６４内のせん断ひずみゲージは、実際にかかる力の方向
により定まる異なる角度でＸ−Ｙ面内の力に応答する。
【００４３】更に、これらのひずみゲージはＺ軸の回り
のモーメントに応答する。図示していない部分があるポ
ケット１４２と１５８内のひずみゲージは、Ｚ方向の力
に応答する。これらのひずみゲージは、実際のモーメン
ト軸により定まる角度でＸ軸およびＹ軸の回りのモーメ
ントに応答する。
【００４４】図６は、図３と図４の力センサ７８を切断
して示した上面図である。図７に関連したこの図は、力
センサ７８が六つの軸に沿った力の間でどのように区別
されるかを示す為に使用される。Ｃ型の領域１７１、１
７２、１７３および１７４は力センサ７８の四つの垂直
なポケットの断面である。Ｘ方向の力に応答する為に、
ポケット１７１と１７３に対する支持は殆どなされてお
らず、主として曲げが生ずるようになている。このよう
な曲げにより、ポケット１０３の床は伸びる。
【００４５】ポケット１７１と１７３に取付けられたせ
ん断ひずみゲージからは、この変形により比較的小さな
出力信号が提供される。これは図２（ａ）を参照にする
と理解されるように、ポケット１７１と１７３により生
じた曲げの力はポケット１６により生ずるＹ方向の力に
等しいと言うことである。このような力によりポケット
１６内に伸びが与えられ、せん断ひずみゲージ３０から
は比較的小さな出力信号が提供される。
【００４６】Ｘ方向の力は、主としてせん断が加えられ
るポケット１７２と１７４により支えられる。このよう
に、ポケット１７２と１７４内に取付けられたせん断ひ
ずみゲージによりＸ方向の力に対応した比較的大きな出
力信号が提供される。これは図２（ａ）を参照にすると
理解出来るように、力Ｆx によりポケット１６にせん断
が与えられるということである。このような力により、
せん断ひずみゲージ３０は比較的大きな出力信号を与え
る。
【００４７】前述の説明により、Ｘ方向の力はポケット
１７２と１７４内のせん断ひずみゲージから比較的大き
な出力を提供し、ポケット１７１と１７３内のせん断ひ
ずみゲージから比較的小さな出力を提供する。実際に
は、加えられた力はしばしばＸおよびＹ成分を有する。
ポケット１７１から１７４内のひずみゲージにより提供
される信号の相対的な大きさにより加えられた力の実際
の方向が決定される。
【００４８】Ｙ方向の力は反対の影響を与える。この場
合、ポケット１７２と１７４は取付けられたせん断ひず
みゲージから比較的小さな出力を生ずる曲げを主に受け
る。しかし、ポケット１７１と１７３に取付けられたせ
ん断ひずみゲージはせん断を受け、比較的大きな出力信
号を提供する。
【００４９】Ｚ軸の回りのモーメントは、ポケット１７
１から１７４のそれぞれにせん断作用を及ぼし、四つの
垂直に取付けられたせん断ひずみゲージに比較的大きな
出力を提供する。このように、垂直方向のひずみゲージ
のそれぞれからの比較的大きな出力は加えられた力／モ
ーメントがＺ軸の回りのモーメントを含むことを示して
いる。以下に説明するように、垂直方向を向いたひずみ
ゲージは、Ｚ方向の力並びにＸおよびＹ軸上のモーメン
トに応答して比較的小さな出力を提供する。
【００５０】ＸおよびＹ方向の力とＺ軸の回りのモーメ
ントが比較的小さなせん断ひずみを水平のポケットに与
えることに注意する必要がある。これは図２（ａ）を参
照すると理解されるように、力Ｆx またはＹ方向の力は
水平なポケット１８に加えられるということである。
【００５１】図７は力センサ７８の水平のポケット内に
取付けられたせん断ひずみゲージがＺ方向の力とＸおよ
びＹ軸の回りのモーメントにどのように応答するかを示
している。図２（ａ）に関して説明したように、Ｚ方向
の力によりせん断ひずみゲージ３２から比較的大きな出
力信号を提供するせん断が水平のポケット１８に加えら
れる。同様に、（図示していない）他の水平のポケット
と共に図７に示した水平のポケット２７９、２８５およ
び２８３はせん断作用を受け、比較的大きな出力信号を
発生する。このように、Ｚ方向の力は四つの水平のせん
断ひずみゲージのそれぞれから発生する比較的大きな出
力信号により特徴づけられる。図２（ａ）に関連して示
したように、垂直ポケット１６内のひずみゲージ３０は
Ｚ方向の力に対応して比較的小さな出力信号を提供す
る。同様に、垂直ポケット２８７のせん断ひずみゲージ
２８９は、比較的小さな出力信号を提供する。同様のこ
とは垂直ポケットに取付けられた他のひずみゲージにつ
いても言える。
【００５２】Ｙ軸の回りのモーメントはひずみゲージ２
８５またはひずみゲージ２８９からは殆ど出力を提供し
ない。これらのひずみゲージはＹ軸の近くにあり、従っ
て比較的短いモーメントの腕を有している。このよう
に、（図２（ａ）の矢印４４で示すように）Ｙ軸の回り
のモーメントに対し、ポケット２８１と２８７は比較的
小さな力を受ける。しかし、比較的大きな腕のモーメン
トにより、水平方向のポケット２７９と２８３は異なる
方向にも拘らずＺ方向から来る比較的大きな力を受け
る。再び図２（ａ）に関していえば、このような力は水
平ポケット内のせん断ひずみゲージから比較的大きな出
力信号を発生し、対応する垂直ポケット内のせん断ひず
みゲージから比較的小さな出力信号を発生すると期待出
来る。Ｙ方向の力はＸ軸上の水平のポケット内のひずみ
ゲージから発生する比較的大きな出力信号（符号が反
対）と全ての残りのひずみゲージから生ずる比較的小さ
な出力信号により特徴づけられる。
【００５３】同様なことはＸ軸の回りのモーメントに対
しても観測される。この場合、Ｙ軸上の水平のせん断ひ
ずみゲージのみが比較的大きな出力信号を発生する。他
の全てのひずみゲージは比較的小さな出力信号を発生す
る。Ｙ軸の回りのモーメントのように、比較的大きな出
力信号を発生する二つの水平ひずみゲージは互いに反対
の符号を有した信号を発生する。
【００５４】図８は力センサ７８およびそれに関連した
構成要素の分解図である。円盤状のプリント回路基板２
０２は力センサ７８の上に取付けられたせん断ひずみゲ
ージ用の処理用電子回路を含んでいる。プリント回路基
板２０２はひずみゲージに都合良く線で接続する為円筒
形のボディ８８内に合う大きさを有している。一つの好
ましい実施形態では、ゲージはプリント回路基板に直接
線で接続される。他の実施形態では、ゲージは（図示し
ていない）第一の電子接続部に電線で接続され、そこを
中継しプリント回路基板の上に取付けられた（図示して
いない）第二の電子接続部に接続される。
【００５５】上面のカバー２００と側面のカバー２０４
および２０６はセンサおよび関連の電子回路を屑および
他の物質との接触から保護している。側面のカバー２０
４と２０６は、上面のフランジ８２と底面のフランジ８
０の間に余裕を有して合う大きさを有し、フランジ８２
と８０の周辺に広がる放射状の出っ張り２０８と２１０
を含んでいる。このような設計により力センサ７８がＺ
方向から受ける過大負荷から保護している。好ましい実
施形態では、この余裕は約０．０５ｍｍと０．５ｍｍの
間である。
【００５６】通常の動作の間側面のカバーとフランジの
間の余裕により力とモーメントがＬ型の部材を通して伝
えられる。しかし、センサに過大なＦz の力またはＭx
あるいはＭy のモーメントが加えられる場合、側面のカ
バーの張出部２０８と２１０は、フランジ８２と８０を
支え、センサのＬ型部材が塑性的な変形と損傷を受ける
ことから保護する。電気ケーブル２１４はセンサの電子
プリント回路基板２０２を（図示していない）ホスト制
御器と電源供給回路に接続する。このケーブルはケーブ
ルアンカー２１２により支えられた対となる部品に接続
され、該アンカーは側面のカバー部分２０４と２０６と
共に、センサ７８の上方のフランジ８２に固定されてい
る。この配置は力とモーメントを測定する際エラーを生
ずるケーブルの動きからセンサを保護している。
【００５７】図９（ａ）はプリント回路基板２０２の電
子回路の概要図で、八組のせん断ひずみゲージが補償電
子回路に接続されている。ひずみゲージからの出力信号
がホイーストンブリッジを使用して処理される。垂直せ
ん断ひずみゲージ９２のようなひずみゲージがハーフブ
リッジとして二つのブリッジの固定抵抗２２０に並列に
接続されている。ポテンションメータ２２２のような８
個のポテンションメータは互いに並列に接続され、ブリ
ッジの固定抵抗２２０に直列に接続されている。各せん
断ひずみゲージ（例えばせん断ひずみゲージ９２）の出
力は計装アンプの一つの端子に送られ、ポテンションメ
ータ２２２の出力は計装アンプの他の端子に送られる。
通常の構成では、各ホイートストンブリッジで二つのブ
リッジ固定抵抗（全体で１６個）を必要とするのに比
べ、今回の構成では、全ての八つのブリッジにたった２
個のブリッジの固定抵抗で十分であるという利点があ
る。
【００５８】図９（ｂ）に示すように、計装アンプ（例
えば計装アンプ２２６）の出力はマルチプレクサ２２８
に送られる。計装アンプの出力はＡ／Ｄ変換器２３０に
より順番にデジタル化される。プロセッサ２３２はデジ
タル化されたゲージ出力を較正し、力センサを監視する
ホスト制御器と直列にデータの通信を行なう。プロセッ
サ２３２に加えられた作業内容により、未処理のゲージ
出力または較正された力およびモーメントのいずれかが
ホスト制御器に送られる。温度センサ２３６の出力は、
センサ出力内の温度変動による影響を補償するために、
プロセッサ２３２またはホスト制御器において使用され
る。
【００５９】またこれに代えて、温度センサをセンサボ
ディに取付け、センサボディの温度を直接測定するよう
にすることも出来る。プロセッサ２３２は、較正、エラ
ー検出、温度補正、更に力とモーメントを異なる座標系
に変換することを含む広範囲なコマンドを実行するよう
にプログラムされていることが好ましい。プロセッサ２
３２はデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、マイクロプ
ロセッサ、またはマイクロコントローラのようなデジタ
ルプロセッサであることが好ましい。
【００６０】図９（ｃ）は、ブリッジ回路内のポテンシ
ョンメータをＤ／Ａ変換器２４０のようなＤ／Ａ変換器
に置き換えた他の実施形態を示している。この実施形態
では、Ｄ／Ａ変換器２４０はブリッジを平衡させる為に
基準電圧を与えている。Ｄ／Ａ変換器２４０の出力は計
装アンプ２２６’に一つの入力を与えている。計装アン
プ２２６’に対する他の入力はせん断ひずみゲージ９
２’により与えられている。増幅器２２６’の出力は図
９（ｂ）の実施形態に記載のように処理される。ブリッ
ジの固定抵抗２２０’も前述のように与えられている。
【００６１】この実施形態は、プロセッサがホスト制御
器のコマンドのもとでブリッジ回路を平衡するようにプ
ログラムされ、ポテンションメータの手動の調整が避け
られ信頼性と利便性が得られる利点を有している。
【００６２】以下に記載する実験で採用された力センサ
ボディは、２０２４−Ｔ８１アルミニウムのモノリシッ
クブロックから機械加工されている。上面および下面の
フランジは直径が１０５ｍｍでありセンサの全体の高さ
（上面のフランジの最上部と下面のフランジの最下部の
距離）は３９ｍｍである。せん断ひずみゲージは北カロ
ライナ州、レイリーのメジャーメントグループ社から入
手した。これらのゲージは横の最大が１１ｍｍで最小が
７ｍｍであり２．２５ｍｍの深さの垂直ポケットと２．
３５ｍｍの深さの水平ポケット内に取付けられている。
ポケットの床の厚さは垂直のポケットに対し０．７５ｍ
ｍで水平のポケットに対し０．６５ｍｍである。ひずみ
ゲージはメジャーメントグループ社のＭ−６１０エポキ
シ接着剤を用いてポケット内に取付けられている。導線
はゲージ内に半田付けされ、線はセンサボディの内部に
接続されている。
【００６３】前述の力センサは図１０の平面図に示す構
造を有する試験装置（較正クロス）２５０で試験した。
該試験は較正装置２５０を力センサの上面のフランジ８
２に取付けることにより行なった。既知の大きさと既知
の方向の種々の力を四つの腕、２５１、２５２、２５
３、２５４のそれぞれ、またはボディ部分２６０の中央
に加えた。種々のひずみゲージの出力を種々の試験の力
に対して測定した。
【００６４】図１１は、力マトリックス２７０と当該ひ
ずみゲージの出力マトリックス２８０を示している。試
験装置２５０により力センサに加えられた力とモーメン
トは力マトリックス２７０の行として示されている。力
センサの上の種々のひずみゲージの出力はひずみゲージ
出力マトリックス２８０の当該行に示されている。これ
らのマトリックスは、較正マトリックスを求めるために
使用される。前記較正マトリックスとは、未知の力に対
するひずみゲージ出力マトリックスと前記較正マトリッ
クスを乗算すると、実際に加えられた力が求められるよ
うなマトリックスのことである。
【００６５】例に示すように、力マトリックス２７０の
第一の列はＸ方向の力の大きさに対応している。力マト
リックスの第二および第三番目の列はそれぞれＹ方向お
よびＺ方向の力に対応している。力マトリックス２７０
の第四番目、第五番目、および第六番目の列はＸ、Ｙ、
およびＺ方向のモーメントにそれぞれ対応している。
【００６６】ひずみゲージ出力マトリックス２８０の第
一および第二の列は較正クロスの腕２５１に向きを合わ
せて配置された力センサの脚に取付けられた（それぞ
れ）垂直および水平方向のひずみゲージの出力電圧に対
応している。同様にマトリックス２８０の第三番目およ
び第四番目の列は腕２５２に向きを合わせて取付けられ
た垂直および水平方向のひずみゲージに対応している。
同様にマトリックス２８０の第五、第六、第七および第
八番目の列は試験装置２５０の腕２５３および２５４に
隣接したセンサの脚のひずみゲージ出力に対応してい
る。
【００６７】図１１に示す例では、マトリックスの第一
の行はＺ方向下向きに腕２５３に加えられた２０，００
０グラムの質量に対応している。これにより（力マトリ
ックス２７０の第五番目の列に示すように）２００，０
００グラム重ｃｍのＹ軸に対するモーメントＭy を生じ
ている。センサには、このモーメントのみならずＺ方向
の負の力Ｆz も同時に与えられている。Ｆz は力マトリ
ックス２７０の第一の行の第三番目の列で２０，０００
グラム重として示されている。
【００６８】力マトリックス２７０の第二の行は２０，
０００グラムの質量が試験装置２５０の腕２５１に加わ
った時力センサが受ける力を示している。これも（行２
の第三番目の列に示すように）成分Ｆz を生ずることが
判る。更に、これは前の実験の場合と同じ大きさのモー
メントＭy を生じている。しかし、下向きの力が腕２５
３から腕２５１に動く時（右手の法則に従い）モーメン
トの方向が逆であるのでＭy の符号は変わっている。
【００６９】力マトリックス２７０の第三番目の行は２
０，０００グラム重が試験装置２５０のボディ２６０の
中央に加えられた時Ｚの負の方向に結合のない２０，０
００グラム重の力Ｆz が加えられたことを示している。
前述のように、Ｚ方向の力は力センサの水平せん断ひず
みゲージに比較的大きな出力を発生し、垂直せん断ひず
みゲージに比較的小さな出力を発生する。出力マトリッ
クス２８０の第三番目の行で判るように、水平方向のせ
ん断ひずみゲージは垂直方向のひずみゲージに比較して
比較的大きな出力を与えている。言い換えれば、第二、
第四、第六および第八番目の列に示す出力はマトリック
ス２８０の第一、第三、第五および第七番目の列に示す
出力より大きい。
【００７０】マトリックス２７０および２８０の第三番
目の行に示す実験値は加えられた力が結合していないの
で特に容易に判断される。マトリックスの他の行は結合
された力が二つある実験値を示している。このように結
合された力は他の結合された力に部分的にオフセットを
生じ、ひずみゲージ出力マトリックスの結合を判断する
ことがより複雑になる。しかし、（較正マトリックスに
関連し）本発明に必要な８個のひずみゲージを採用する
ことにより、出力は十分な情報を与え、加えられた力を
識別出来る。当業者は力マトリックス２７０の他の行が
どのように発生し出力マトリックス２８０に示す結果を
生ずるか理解出来るであろう。
【００７１】（例えば較正クロスにより）センサに既知
の力とモーメントを加えることにより、更にゲージの応
答を記録することにより、センサに対する較正マトリッ
クスが決定される。実際には、較正マトリックスとひず
みゲージ出力を力に変換するために必要とされる処理は
デジタルプロセッサにより提供される。力とモーメント
はあらゆる目的の為参照として採用した米国特許第４０
９４１９２号に記載されているものと同じ方法でセンサ
に加えられる。
【００７２】好ましい実施形態では、最小二乗法がセン
サを較正するのに使用されている。この方法は較正中の
変動による較正エラーを最小にするという意味で最良の
結果を与えてくれる。この方法は四分の一、二分の一ま
たは全ブリッジの形態をとりうる八つのブリッジ出力を
有するセンサに対する以下の記載により理解出来る。較
正クロスは前述のようにセンサに取付けられている。
【００７３】ひずみゲージの電圧出力をｖ１，ｖ２，・
・・ｖ８で表せば、較正マトリックスＣはＣｖ＝Ｆで与
えられ、Ｃ，ｖ，Ｆは次式の様になる
【００７４】
【数１】 既知のＦx がセンサに加えられた時、Ｃは未知であるも
のの次のような表現が可能であると言うことは出来る。
【００７５】
【数２】 Ｆx の複数回の測定１，・・・ｍを実行する場合、これ
らの測定を次の形のマトリックスで整理することが可能
である。
【００７６】
【数３】 Ｃ１に対する最小二乗法は、次の二乗エラー； Ｅ2 ＝（Ｆx −Ｖｃ1 ）T （Ｆx −Ｖｃ1 ） を最小にし、更に線形代数により、解は次の様になる。 ｃ1 ＝（ＶT Ｖ）-1ＶT Ｆx 但し、Ｖの各列は線形独立であることが仮定されている
（即ち、ＶT Ｖは逆行列を持つ）。
【００７７】既に述べたように、この方法により較正マ
トリックスＣの第一の行のみが見つかる。しかし、同時
に全てのＣマトリックスに対する最小二乗法の解を得る
ことは容易である。特に複数の力とモーメントをセンサ
に加え、電圧出力を記録することにより次式が得られ
る。
【００７８】
【数４】 従って、較正マトリックスの全体は次式で与えられる。 ＣT ＝（ＶT Ｖ）-1ＶT Ｆ 図１２は本発明の力センサをロボットに応用する場合に
ついて説明する図である。特に、力センサ２８４は力セ
ンサの感応端（上面）とロボット２８０の残りの部分を
結合するアダプタ２８２を含むロボットの腕２９２に組
み込まれている。ロボットの腕２９２は、物品をある位
置から他の位置へ運搬する為のハンドリングや把持、組
み立てラインでの物品の機械加工、有毒または放射性の
環境内での洗浄などの多様な機能を有し得る。ロボット
２８０が、最終的な応用の姿に左右される種々の形態を
取り種々のエレメントを有することは勿論である。力セ
ンサの底はロボットの腕をマウントから離す為リリース
ユニット２８６に堅く接続されている。ロボット２８０
が受ける力センサ２８４により決定される力およびモー
メントの情報はロボット２８０の位置を前記力およびモ
ーメントに応じて調整出来る（図示していない）制御器
により使用される。
【００７９】以上の説明は、本発明の理解を明確にする
為に詳細に行なったものであり、各請求項に記載された
範囲で、変更および修正を加え得ることは明らかであ
る。例えば、本明細書ではほぼ円筒形のセンサボディに
ついて説明したが、他の形も同様に採用可能である。例
えば、多角形のセンサボディを使用することが出来る。
更に、ここに記載した力センサはロボット以外の他の分
野にも応用可能であることも理解されるであろう。例え
ば、ここで取り扱った力センサは、他の種々の応用と同
じく、航空または他の輸送の分野にも使用可能である。
【００８０】
【発明の効果】本発明によれば、製造が比較的容易で、
曲げひずみに頼るのではなく、また、直角方向の力につ
いての感度のカップリングを生じない、改良された力セ
ンサが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の使用に適した金属箔タイプのせん断ひ
ずみゲージを表わした図である。
【図２】（ａ）は本発明により垂直および水平に向けた
せん断ひずみゲージを含むＬ型の脚の側面図であり、
（ｂ）は本発明により二つの水平に向けられたひずみゲ
ージと一つの垂直に向けられたひずみゲージを有するＴ
型の脚の側面図である。
【図３】本発明の好ましい実施形態による四つのＬ型の
脚を有するほぼ円筒形の力センサの斜視図である。
【図４】本発明の力センサ内にひずみゲージを取り付け
る為のポケットの断面図で、図３中Ａ−Ａ’に沿った断
面が描かれている。
【図５】本発明の他の実施形態による三つの脚を有する
力センサの斜視図である。
【図６】垂直方向のひずみゲージがどのように種々の力
およびモーメントに対応するかを説明するために、図３
と図４の力センサを切断して示した上面図である。
【図７】水平方向のひずみゲージがどのように種々の力
およびモーメントに対応するかを説明する立面図であ
る。
【図８】本発明の良好な実施形態による力センサ内に使
用されている成分の分解図である。
【図９】（ａ）と（ｂ）は、本発明の良好な実施形態に
よる力センサの電子回路の概要を説明する図である。ま
た、（ｃ）は、本発明の他の実施形態によるブリッジ平
衡電子回路の概要を説明する図である。
【図１０】本発明の力センサを較正する為に使用した試
験装置の平面図である。
【図１１】本発明により構成された力センサに対し行な
った較正の実験値の力マトリックスおよびそれに関連す
るせん断ひずみゲージの出力マトリックスを説明する図
である。
【図１２】本発明の力センサを従来のロボットの腕に組
み込むケースについて説明する図である。
【符号の説明】
２，３２，６０，６２，６４，１０２，１０６ せん断
ひずみゲージ ４，６ ひずみゲージエレメント ８，１０ せん断力の方向 １４ Ｌ型の脚 １６，１８，５２，５４，５６ 取付領域 ２０，５０ 水平の腕 ２２，７０ 垂直の腕 ２６，２８，４７ 支持領域 ３２ せん断ひずみゲージ ４６ ブリッジ ４８ Ｔ型の脚 ７２，７４，７６ 支持体 ７８ 力センサ ８０，８２ フランジ ９４，１００ Ｌ型の脚 １０３，１４２，１５２，１５８，１６０，１６４ ポ
ケット １２０ 床 １４０ 力センサ １４６，１５６，１６２ 脚 １６８ 中央の支持部材 １４４ 円筒形のボディ １７１，１７３ ポケット ２８５，２８９ ひずみゲージ ２８１，２８７ ポケット ２００ 上面のカバー ２０２ プリント回路基板 ２０４，２０６ 側面のカバー ２０８，２１０ 張出部 ２１２ ケーブルアンカー ２１４ 電気ケーブル ２２０ 固定抵抗 ２２２ ポテンションメータ ２２６ 計装アンプ ２２８ マルチプレクサ ２３０ Ａ／Ｄ変換器 ２３６ 温度センサ ２５０ 試験装置（較正機械） ２５１，２５２，２５３，２５４ 腕 ２７０ 力マトリックス ２８０ ひずみゲージ出力マトリックス、ロボット ２８２ アダプタ ２８４ カセンサ ２８６ リリースユニット

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 力センサを挟んで向かい合って接続され
    たボディ間に作用する力を、センサボディ構造上におい
    て少なくとも２次元で測定する力センサであって、 そ
    れぞれほぼ平らな面を有し、互いに実質的に垂直な方向
    に配設された第一及び第二の腕を備えるとともに、前記
    センサボディに組み込まれたＬ型の脚と、 第一の腕の平面に平行で該第一の腕の方向に直角である
    せん断力を主に測定するように、Ｌ型の脚の第一の腕に
    取付けられた第一のせん断ひずみゲージと、 第二の腕の平面に平行で該第二の腕の方向に直角である
    せん断力を主に測定するように、Ｌ型の脚の第二の腕に
    取付けられた第二のせん断ひずみゲージとを備えた前記
    力センサ。
  2. 【請求項２】 Ｌ型の脚の第一の腕の中に第一の開口部
    を更に備え、第一のせん断ひずみゲージが取付けられて
    いる床を含むほぼＵ型の断面を該第一の開口部が有して
    いる請求項１に記載された力センサ。
  3. 【請求項３】 Ｌ型の脚の第二の腕の中に第二の開口部
    を更に備え、第二のせん断ひずみゲージが取付けられて
    いる床を含むほぼＵ型の断面を該第二の開口部が有して
    いる請求項２に記載された力センサ。
  4. 【請求項４】 少なくとも三つのＬ型の脚を含み、それ
    ぞれの脚が第一と第二のせん断ひずみゲージを有してお
    り、せん断ひずみゲージが三つの相互に直交した軸に沿
    って構造体の上で作用する力と三つの軸についてのモー
    メントを示す情報をせん断ひずみゲージがまとめて与え
    るように少なくとも三つのＬ型の脚が配置されている請
    求項１に記載された力センサ。
  5. 【請求項５】 前記構造体が三つのＬ型の脚を含み、各
    Ｌ型の脚の第一と第二の腕が同一平面上にない請求項４
    に記載された力センサ。
  6. 【請求項６】 前記構造体が四つのＬ型の脚を含み、各
    Ｌ型の脚の第一と第二の腕が同一平面上にある請求項４
    に記載された力センサ。
  7. 【請求項７】 センサボディがほぼ中空かつ円筒形であ
    り、ほぼ円筒形の表面に平行な軸を有しており、四つの
    Ｌ型の脚が互いに９０°離れた位置でセンサボディの円
    筒形の表面に組み込まれている請求項６に記載された力
    センサ。
  8. 【請求項８】 四つのＬ型の脚のそれぞれに対し、第一
    のせん断ひずみゲージが円筒形の表面上で横方向に作用
    する力に主に対応し、第二のせん断ひずみゲージが構造
    体の軸に平行な方向に作用する力に主に対応するよう
    に、該四つのＬ型の脚が円筒形のセンサボディの上に位
    置決めされている請求項７に記載された力センサ。
  9. 【請求項９】 Ｌ型の脚がセンサボディ内に組み込まれ
    たＴ型の脚の一部を形成している請求項１に記載された
    力センサ。
  10. 【請求項１０】 Ｔ型の脚が三つのせん断ひずみゲージ
    を含んでいる請求項９に記載された力センサ。
  11. 【請求項１１】 主軸と横軸、並びに少なくとも３本の
    脚を有するとともに、それら脚のそれぞれが主として主
    軸方向に力成分を検知するため方向が定められた少なく
    とも第一のせん断ひずみゲージと主として横軸の一つに
    沿って力成分を検知するため方向が定められた第二のせ
    ん断ひずみゲージを備えている、ほぼ中空であり円筒形
    の力センサに加えられた力の大きさと方向を決定する方
    法であって、 第一のひずみゲージにより検知され、軸方向で作用する
    力および／または横軸の一つのモーメントにより主に生
    ずるせん断ひずみをモニタするステップと、 第二のひずみゲージにより検出され、一つ以上の横軸方
    向に作用する力および／または軸の回りのモーメントに
    より主に生ずるせん断ひずみをモニタするステップと、 力センサに加えられたあらゆる力および／またはモーメ
    ントの大きさおよび方向を決定するため第一と第二のひ
    ずみゲージにより検知されるせん断ひずみを処理するス
    テップとを備えた前記方法。
  12. 【請求項１２】 せん断ひずみをモニタする諸ステップ
    が、ひずみゲージが取り付けられたポケット内で発生す
    るせん断ひずみをモニタする請求項１１に記載された方
    法。
  13. 【請求項１３】 力センサに接続された工具の位置を処
    理のステップで決定される力に対応し調整するステップ
    を更に備えている請求項１１に記載された方法。
  14. 【請求項１４】 処理のステップが、円筒形の力センサ
    内にあるデジタルプロセッサにより少なくとも部分的に
    実行される請求項１１に記載された方法。
  15. 【請求項１５】 デジタルプロセッサが、力センサに加
    えられるあらゆる力および／またはモーメントの全てに
    大きさと方向を決定する請求項１４に記載された方法。
  16. 【請求項１６】 六つの自由度で力及びモーメントを測
    定する力センサであって、 一つの主軸を有する中空でほぼ円筒形の力センサボディ
    と、 力センサボディの上に配置された三つ以上のＬ型の脚
    と、 Ｌ型の脚のそれぞれに与えられた少なくとも二つのポケ
    ットと、 Ｌ型の脚のポケット内に取り付けられた複数のせん断ひ
    ずみゲージとを備え、 各脚内で少なくとも第一のせん断ひずみゲージがセンサ
    ボディの軸に平行な力に主に応ずるように向けられてお
    り、更に少なくとも第二のせん断ひずみゲージがセンサ
    ボディの軸に平行でない横方向の力に主に応ずるように
    向けられている前記力センサ。
  17. 【請求項１７】 力センサボディがモノリシック構造を
    有する請求項１６に記載された力センサ。
  18. 【請求項１８】 せん断ひずみゲージに接続されたデジ
    タルプロセッサを更に備え、 該デジタルプロセッサが、力センサボディに加えられる
    力および／またはモーメントの大きさと方向を複数のせ
    ん断ひずみゲージの出力信号から決定するようにプログ
    ラムされている請求項１６に記載された力センサ。
  19. 【請求項１９】 力センサボディの上に四つのＬ型の脚
    を備え、 各Ｌ型の脚が他の二つの隣接したＬ型の脚と約９０°の
    角度を有している請求項１６に記載された力センサ。
  20. 【請求項２０】 Ｌ型の脚がセンサボディの窓により互
    いに離れている請求項１６に記載された力センサ。
  21. 【請求項２１】 Ｌ型の脚が三つの端で力センサボディ
    に接続されているＴ型の脚の一部である請求項１６に記
    載された力センサ。
  22. 【請求項２２】 前記力センサボディに接続されたロボ
    ットアームを更に備えている請求項１６に記載されたセ
    ンサ。
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