JPH09318469A - せん断ひずみゲージを用いた６軸力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 せん断ひずみゲージをＬ字形の脚に装備した
型の６軸力センサの耐過負荷特性を通常の測定に悪影響
を与えずに向上させる。 【解決手段】 センサボディの肉厚の構造部３１０及び
３１１に含まれる支持領域３１３，３１４，３１５は、
各々段差部３１３ａ，３１４ａ，３１５ａを介してＬ字
形のやや肉薄の脚３１２に接続されている。脚３１２に
は、凹部３０３，３０４が設けられ、各底部にせん断ひ
ずみゲージ（図示省略）が取り付けられる。脚３１２の
周辺には、ワイヤカット放電加工技術を用いて孔Ｑ１〜
Ｑ６及びそれらと接続するスリット手段３００，３０
１，３０２が形成されている。力センサに過大な負荷が
作用すると、Ｌ字形の脚３１２の弾性変形に伴ってスリ
ット手段３００，３０１，３０２に含まれるスリットＰ
１→Ｐ２，Ｐ３→Ｐ４等のいずれかの部分で閉塞が起こ
り、それ以上の過大な負荷が力センサに作用しても、Ｌ
字形の脚３１２へかかる負荷は殆ど増大しなくなり、力
センサの機構部が過負荷から防護される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は複数のせん断ひずみ
ゲージを用いた６軸力センサに関し、更に詳しく言え
ば、センサ本体を過負荷から保護する機構を備えた前記
型式の６軸力センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】歪ゲージと弾性体を組み合わせた型の６
軸力センサは、例えば建造物の構成要素の応力測定ある
いは力制御を行なうロボットにおける外力測定などの用
途で広く用いられている。一つの６軸力センサには複数
個の歪ゲージが使用され、それらは６軸力（力とモーメ
ントの各３成分）を検出するための所定の配列で弾性体
に取り付けられる。歪ゲージを取り付けた弾性体に力あ
るいはモーメントが作用して弾性体が変形すると、それ
に応じて各歪ゲージに応力が発生する。

【０００３】その結果生じる各歪ゲージの電気抵抗値の
変化は、周知のブリッジ回路を介して電圧値として出力
される。これら出力は、更に所定の計算処理回路あるい
はソフトウェア処理によって６軸力に変換される。

【０００４】６軸力センサに装備される歪ゲージとして
最も一般的なのは曲げ応力を検出する型のものであっ
た。しかし、曲げ応力を検出する歪ゲージには、十分な
出力を得るために大きな曲げ変形を要し、出力の線形性
が低下し易いこと、固有周波数低下により振動を惹起し
易くなること、異なる方向の力あるいはモーメント成分
間の出力の干渉が生じ易いこと等の欠点がある。

【０００５】そこで、複数のせん断ひずみゲージを弾性
体に所定の配列で取り付けた６軸力センサが提案されて
いる（特願平７−２０１８４８号参照）。図１は、その
ような型式の６軸力センサに装備される典型的なせん断
ひずみゲージの基本構造を説明する平面図である。

【０００６】同図を参照すると、全体を符号Ｇで指示さ
れたせん断ひずみゲージはベース１とその上に設けられ
た歪みゲージ要素２で構成されている。歪みゲージ要素
２は、幹部３と幹部３の軸方向６に対して左右前方（あ
るいは後方）に各々４５°傾斜した櫛形要素４，５を有
している。歪みゲージ要素２は、ホイートストンブリッ
ジの構成要素とされている。このような構造のせん断ひ
ずみゲージＧは、図示した如く、櫛形要素４，５に対し
て４５°づつ傾斜した方向７，８のせん断ひずみの検出
に使用される。

【０００７】即ち、ゲージＧに方向７，８のせん断ひず
みを発生させるような力またはモーメントの成分が作用
すると、主として櫛形要素４，５に歪みが生じる。この
歪みに伴う電気的抵抗値の微小変化がホイートストンブ
リッジの出力として検出される。

【０００８】図２は、図１に示した構造のせん断ひずみ
ゲージを所要数装備した力センサ本体機構部の概略構造
を例示した見取図である。同図を参照すると、力センサ
本体機構部は中空の円筒型のセンサボディＳＢを含み、
センサボディＳＢは２つのリング状のフランジＦＬ１，
ＦＬ２とそれらの間に位置した機構部ＳＳで構成されて
いる。

【０００９】機構部ＳＳには、破線で概略を囲んで示し
たように、所定数（一般には３つ以上）のＬ字形の脚１
２（少なくともその一部にＬ字形の領域を有する脚の
意。以下、同じ。）が設けられている。図１で説明した
せん断ひずみゲージＧは、これら脚１２に２個づつ配置
されている。各Ｌ字形の脚１２の周辺には、センサボデ
ィＳＢの一部を切欠くような態様を以ていくつかの開口
ＯＰが形成される。

【００１０】図３（ａ）は、図２に示した力センサの一
つの脚１２とその周辺部分の構造を拡大描示した図であ
り、図３（ｂ）は図３（ａ）のラインＡ−Ａ’に沿った
断面図である。なお、ここでは図示の都合上、図２とは
上下方向が反転している。

【００１１】一般に、Ｌ字形の脚１２は脚１２を支持す
るための支持領域１３，１４，１５を含む大きな構造体
（即ち、センサボディＳＢ）の一部をなしいる。脚１２
の周辺部に設けられる開口は、ここでは符号ＯＰ１〜Ｏ
Ｐ３を付して示されている。支持領域１３，１４を含む
一方の高剛性の構造部１０は前述のフランジＦＬ１に連
なり、例えばロボットの手首フランジに取り付けられ
る。一方、支持領域１５を含む他方の高剛性の構造部１
１は前述のフランジＦＬ２に連なり、例えばエンドエフ
ェクタ（ロボットハンドなど）に取り付けられる。

【００１２】脚１２は互いに直交した方向を向いた第１
及び第２のアーム２０，２２を備えている。これらアー
ム２０，２２は脚１２にＬ字形状を与えるもので、図中
で鉛直アームとして描かれた第１のアーム２０は支持領
域体１５に接続されている。一方、水平アームとして描
かれた第２のアーム２２は支持領域１３に接続されると
ともに、ブリッジ１６を介して、支持領域１４に接続さ
れている。

【００１３】そして、第１のアーム２０には凹部２１が
設けられており、その内部にせん断ひずみゲージ３４が
取り付けられている。同様に、第２のアーム２２に設け
られた凹部２３の内部にはせん断ひずみゲージ３５が取
り付けられている。２つのせん断ひずみゲージ３４，３
５の配置方向は、アーム２０，２２のＬ字形の配置に合
わせて互いに垂直な向きを向くように選ばれている。

【００１４】凹部２１の断面は、図３（ｂ）に示す様に
コの字型に形成されている。凹部２１の底面４２は側壁
部４０，４１と比較して相対的に薄くなっており、底部
４２に取り付けられた歪みゲージ３４に歪みが有効に集
中する様に配慮がなされている。凹部２３あるいはここ
に図示した以外の脚１２を構成する各アームに設けられ
る凹部の断面についても同様の断面構造を有している。

【００１５】以上の構造を有する力センサの機能を説明
するために、ここでは図中に併記したような座標系を採
用する。Ｚ軸は紙面上で垂直上方向を向き、Ｘ軸は紙面
上で水平左方向を向いている。本力センサは剛体１０
（フランジＦＬ１など）と剛体１１（同じくフランジＦ
Ｌ２など）の間に相対的に作用する力ないしモーメント
をせん断ひずみゲージ３４，３５を装備したＬ字形の脚
１２で検出する。

【００１６】今、図示したように力Ｆz が支持領域１５
を通してＬ字形の脚１２に作用すると、脚１２は堅い支
持領域１３により支えられているため、局所的な力３０
と３１を生ずる。これらの力により凹部２３には±Ｚ方
向の剪断力が作用する。これに応じて、せん断ひずみゲ
ージ３５は比較的大きな出力信号を生ずる。力がＬ字形
の脚１２に対して図示した方向と反対向き（下方）に加
えられると、凹部２３には剪断力が生ずるが、局所的な
力３０と３１の方向は図示したものとは反対となり、歪
みゲージ３５からの出力信号の符号も反対となる。

【００１７】一方、このような±Ｚ方向の力は凹部２１
に対しては圧縮力あるいは引張り力として作用する。従
って、せん断ひずみゲージ３４からは比較的小さな出力
しか生じない。即ち、±Ｚ方向の力が脚１２に作用する
と、せん断ひずみゲージ３４からは相対的に小さな出力
が得られ、せん断ひずみゲージ３５からは相対的に大き
な出力が得られることになる。

【００１８】これに対してＸ方向に力Ｆx が支持領域１
５を通して脚１２に加えられると、Ｌ字形の脚１２は堅
い支持領域１３に支えられているため、局所的な力３２
と３３を生ずる。これらの力は凹部２１に±Ｘ方向の剪
断力を生じさせ、歪みゲージ３４に比較的大きな出力を
発生する。しかし、同じ力は凹部２３に対しては圧縮力
として作用するので、歪みゲージ３５から発生する出力
は小さい。

【００１９】同様に、−Ｘ方向の力−Ｆx は凹部２１に
±Ｘ方向の剪断力を生じさせ、歪みゲージ３４からは比
較的大きな反対符号の出力を発生させる一方、凹部２３
に対しては引張力として作用し、歪みゲージ３５から比
較的小さな出力を発生させる。

【００２０】この様に、±Ｘ方向を以て脚１２に作用す
る力は、せん断ひずみゲージ３４から比較的大きい出力
を発生させ、せん断ひずみゲージ３５からは比較的小さ
い出力を発生させる。

【００２１】±Ｘ方向成分と±Ｚ方向成分の両方を含む
一般の力が作用した場合、上記の現象が重なって同時に
起るが、せん断ひずみゲージ３４，３５の±Ｘ方向成分
と±Ｚ方向成分の力に対する感度の差を利用して、せん
断ひずみゲージ３４，３５の出力に所定の演算に相当す
る処理を施すことによって±Ｘ方向成分と±Ｚ方向成分
を分離して検出することが出来る。

【００２２】図３に示した例では、Ｌ字形の脚１２と支
持領域１４の間を連結するブリッジ１６が設けられてい
るが、このブリッジ１６は水平方向のアーム２２に加え
られた曲げの力を例えば±Ｚ方向の力によって支える作
用を持つ。従って、このようなブリッジ１６を採用すれ
ば、Ｌ字形の脚１２の剛性を実質的に増大させ、大きな
負荷に対する耐性を強化することが出来る。但し、この
ような手段による剛性の増大は常時脚１２の変形を妨げ
るように作用するから、力センサの感度を低下させる。

【００２３】以上がＬ字形の脚にせん断ひずみゲージを
装備させた型の力センサの一般的な構造と機能の概略で
あるが、このような力センサには過負荷に対する耐性の
点で問題があった。これを図４（ａ）〜図４（ｃ）を参
照図に加えて説明する。図４（ａ）は図３に示したと同
様の構造を簡略化して示した図であり、図４（ｂ）及び
図４（ｃ）は、各々この構造に±Ｘ方向の剪断力が作用
した場合の変形状態と±Ｚ方向の剪断力が作用した場合
の変形状態を説明する図である。

【００２４】なお、各要素の符号は適宜繰り返し表示を
省略し、図３におけるブリッジ１６に相当する部分はこ
こでは短寸に描かれている。また、図４（ｂ）及び図４
（ｃ）において、各部の変形は理解を容易にするために
誇張して描かれている。

【００２５】先ず、図４（ｂ）と図４（ａ）を比較する
と判るように、横方向（±Ｘ方向）の力が脚１２に加わ
った場合には、せん断ひずみゲージ３４を取り付けた凹
部２１に図示したような比較的大きな歪み変形（ここで
は矩形からひし形）が発生し、それに伴ってせん断ひず
みゲージ３４自身が歪みを起し、上述した通り比較的大
きな出力が生成される。これに対して、せん断ひずみゲ
ージ３５を取り付けた凹部２３には形をゆがめるような
変形（矩形からひし形への変形）は殆ど発生せず、せん
断ひずみゲージ３５の出力も小さい。

【００２６】次に、図４（ｃ）と図４（ａ）を比較する
と判るように、縦方向（±Ｚ方向）の力が脚１２に加わ
った場合には、せん断ひずみゲージ３５を取り付けた凹
部２３に図示したような比較的大きな歪み変形（矩形か
らひし形）が発生し、それに伴ってせん断ひずみゲージ
３５自身が歪みを起し、上述した通り比較的大きな出力
が生成される。これに対して、せん断ひずみゲージ３４
を取り付けた凹部２１には形をゆがめるような変形（矩
形からひし形への変形）は殆ど発生せず、せん断ひずみ
ゲージ３４の出力も小さい。

【００２７】このように、本型の力センサは凹部２１，
２３、即ちせん断ひずみゲージの取付部分が弾性変形を
することを前提にしている。従って、当然のことなが
ら、センサに過大な力が作用した場合には、せん断ひず
みゲージ３４，３５を取り付けた部分（凹部２１，２
３）にも過大な力が作用し、材料（通常は金属）の変形
が弾性限界を超えてしまうことになる。こうした場合、
力センサに作用する力を解除した後も凹部には永久的な
変形が残存したままとなる。

【００２８】このような変形を起した力センサにはもは
や正常な検出能力はなく、力あるいはモーメントが作用
していなくともあたかも力センサに力が作用しているか
の様な出力を発生するので、実際上使用不可能になる。
また、一旦機構部分に生じた塑性変形を解消することも
困難である。

【００２９】せん断ひずみゲージ３４，３５の取り付け
部分（凹部２１，２３）を堅牢化して高剛性を持たせれ
ば過負荷に対する耐性は向上するが、正常な範囲の負荷
がかかっている時にもせん断ひずみゲージ３４，３５に
歪応力が発生し難くなり、感度に悪影響を及ぼす。ま
た、先に触れた通り、強固なブリッジ１６を設けた場合
も同様である。従って、このような手法では本型の力セ
ンサに適した過負荷防護手段は獲られない。

【００３０】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明の目的
は、上記型の６軸力センサに有効性の高い過負荷防護能
力を持たせることにある。更に詳しく言えば、本発明は
過大な負荷が作用した場合に作動する性質の過負荷防護
手段を備えた上記型の６軸力センサを提供することにあ
る。

【００３１】

【課題を解決するための手段】本発明は、過大な負荷の
作用時にＬ字形の脚の機械的剛性を高めるように作動す
る機械的変形ストッパを上記型の６軸力センサに設ける
ことによって上記技術課題を解決したものである。より
詳しく言えば、本発明は、センサ本体機構部に各々変形
可能なＬ字形部分を有する少なくとも３つの脚と前記各
脚の周辺に設けられた開口手段を含み、前記Ｌ字形部分
を与える第１のアームと第２のアームには各々せん断ひ
ずみゲージ取付部が設けられ、前記せん断ひずみゲージ
取付部にせん断ひずみゲージが取り付けられた型の６軸
力センサに、過大負荷が加えられた時のＬ字形の脚の機
械的剛性を過大負荷が加えられていない時の機械的剛性
に比して増大させるための機械的変形ストッパ手段を設
けることを提案する。

【００３２】本発明の特徴をなす機械的変形ストッパ手
段は、上記型の６軸力センサに作用する負荷が過大でな
い条件下（測定レンジ内）では前述した原理に従ってせ
ん断ひずみゲージの取付部の変形（弾性変形）を妨げな
いが、該部分の変形が塑性変形を起す恐れがある程大き
くなるような負荷が加わった条件下（測定レンジ外）で
は、変形の増大に抵抗し、塑性変形を未然に回避するよ
うに作動する。

【００３３】また、本発明は機械的変形ストッパ手段の
具体的形態として、各脚の周辺に設けられた開口手段の
少なくとも一部に形成されたスリット手段を提案する。
このスリット手段は、センサに作用する負荷に応じて変
形し、過大負荷が加えられた時には少なくともその一部
が変形に伴って閉塞され、それによってＬ字形の脚の機
械的剛性を増大させる。

【００３４】各脚の周辺に設けられた開口手段の少なく
とも一部に形成されたスリット手段が機械的変形ストッ
パ手段として利用出来る背景には、本型の力センサが前
提としているせん断ひずみゲージの取付部の変形（弾性
変形）にその周辺に存在する開口手段の変形が付随して
いるという事実がある。

【００３５】即ち、図４（ｂ），（ｃ）に示したよう
に、脚１２に横方向（±Ｘ方向）あるいは縦方向（±Ｚ
方向）の力が加わった場合には、せん断ひずみゲージ３
４，３５の取付部（凹部２１あるいは２３）に開口手段
を構成する開口ＯＰ１〜ＯＰ３にもなんらかの歪み変形
が発生する（ここでは、特に開口ＯＰ２の変形が判り易
く顕著に描かれている）。

【００３６】歪み変形の形態と大きさは、当然、加わる
力の方向性と大きさによって異なるが、一般に開口のあ
る部分においては開口幅を広げるが別の部分では開口幅
を狭めるように起ると考えられる。そして、もし、開口
幅が狭まるように変形した部分で開口の閉塞（対岸同士
の当接）が起ると、それ以上の変形の増大に対する強い
抵抗力が生まれる。換言すれば、開口の閉塞（対岸同士
の当接）は脚１２を含むその周辺部の剛性を急激に増大
させる。

【００３７】実際にせん断ひずみゲージの取付部に弾性
変形限界内で発生する変形の大きさは非常に小さいか
ら、それに伴う周辺開口手段の変形も決して大きくな
い。従って、開口の変形による閉塞現象を利用して有効
な機械的変形ストッパ手段を得るためには、開口手段の
少なくとも一部に十分に狭い領域、即ちスリット手段を
設ける必要がある。スリット手段を構成するスリット
（複数個）の幅や形状は、希望する機械的変形ストッパ
機能の作動点（臨界負荷の大きさと方向性）を考慮して
設計的に定められる。

【００３８】一般に、スリット幅を狭めれば小さな負荷
で機械的変形ストッパ機能が作動し、スリット幅を広げ
れば大きな負荷で機械的変形ストッパ機能が作動する傾
向が生じる。また、いずれの方向の過大負荷に対しても
感応出来る（いずれかの部分で閉塞が起る）ようにスリ
ット手段の形状を屈曲させることは、機械的変形ストッ
パ機能がの作動する臨界負荷の方向依存性を除去する上
で好ましい。機械的変形ストッパ機能を安定して発揮さ
せるために、スリットは十分な長さを持つことが好まし
いことも言うまでもない。

【００３９】

【発明の実施の形態】図５は、本発明に従った６軸力セ
ンサの本体機構部の一例（第１の実施形態とも呼ぶ。）
を図３（ａ）と同様の側面図で表わしたものである。な
お、本実施形態における力センサの機構部のボディ全体
の構成は、Ｌ字形の脚の周辺の構造（過負荷防護機構の
関連構成）が異なる点を除いて図２に示したものと同様
であるから、図示の繰り返しを省略した。従って、第１
の実施形態で具体化されている本発明の特徴は、図３
（ａ）と対比することによって容易に理解される。

【００４０】図５において、符号１１２で全体を指示さ
れた脚は、脚１１２にＬ字形状を与える第１及び第２の
アーム１２０，１２２を含み、両者の境界付近から延び
るブリッジ１１６を介して支持領域１１４に接続される
一方、第２のアーム１２２の基端部で支持領域１１３に
接続されている。

【００４１】支持領域１１３，１１４を含む一方の高剛
性の構造部１１０は、センサボディの一方のフランジ
（図２におけるフランジＦＬ１参照）に連なり、例えば
ロボットの手首フランジに取り付けられる。一方、支持
領域１５を含む他方の高剛性の構造部１１１は、センサ
ボディの他方のフランジ（図２におけるフランジＦＬ２
参照）に連なり、例えばエンドエフェクタ（ロボットハ
ンドなど）に取り付けられる。

【００４２】第１のアーム１２０には凹部１２１が設け
られており、その内部にせん断ひずみゲージ１２４が取
り付けられている。同じく、第２のアーム１２２に設け
られた凹部１２３の内部にはせん断ひずみゲージ１２５
が取り付けられている。図５に示されていない他の脚に
ついても同様の態様でせん断ひずみゲージが２個づつ装
備されている。各せん断ひずみゲージ１２４，１２５の
取付部となる凹部１２１，１２３の断面構造は、図３
（ｂ）に示したものと同様である。

【００４３】各Ｌ字形の脚１１２の周辺には、センサボ
ディの一部を切欠くような態様を以て開口手段が形成さ
れている。この開口手段には、本発明の特徴に従って過
負荷防護機構が設けられる。本実施形態では、Ｌ字形の
脚１１２の周辺部に設けられる開口手段として３つの開
口ＯＰ１１〜ＯＰ１３が示されている。

【００４４】これらの開口ＯＰ１１〜ＯＰ１３は、前述
の開口ＯＰ１〜ＯＰ３に対応するものであるが、全体が
幅広に形成された開口ＯＰ１〜ＯＰ３とは形態と機能が
異なっている。即ち、開口手段を過大負荷作用時に発動
する機械的変形ストッパ手段として機能させるために、
開口手段に含まれる開口の少なくとも一部に対岸部同士
が接近したスリットが設けられる。

【００４５】本実施形態では、開口ＯＰ１１，ＯＰ１
２，ＯＰ１３に各々スリット２００〜２０５，２０６，
２０７〜２１２が設けられている。開口ＯＰ１１及びＯ
Ｐ１３では、スリットが屈曲部Ｃ１〜Ｃ４及びＣ５〜Ｃ
８を形成するように設けられている。このようにスリッ
トを一方方向にのみ形成せずに、縦横方向（一般には独
立した２方向）に形成することは、過大負荷の防護機能
を安定させる上で好ましい。また、スリットが形成され
る部分をなるべく多くして、高剛性の構造部１１０，１
１１の間の間隔を極力小さくすることも、同様の趣旨で
好ましいことである。

【００４６】このような構造を有する力センサの力ある
いはモーメントの検出原理自体は、図３、図４等を参照
して説明したものと同様である。力の方向を記述する座
標系として、図示した通り、図３（ａ）と同じものを使
用すると、先ず力±Ｆz が支持領域１１５を通してＬ字
形の脚１１２に作用すると、脚１１２は堅い支持領域１
１３により支えられているため、凹部１２３に±Ｚ方向
の剪断力が作用する。その結果、せん断ひずみゲージ１
３５が比較的大きな出力信号を生ずる。

【００４７】一方、±Ｚ方向の力は凹部１２１に対して
は圧縮力あるいは引張り力として作用するから、せん断
ひずみゲージ１３４からは比較的小さな出力しか生じな
い。即ち、±Ｚ方向の力が脚１１２に作用すると、せん
断ひずみゲージ１３４からは相対的に小さな出力が得ら
れ、せん断ひずみゲージ１３５からは相対的に大きな出
力が得られることになる。

【００４８】これに対してＸ方向に力±Ｆx が支持領域
１１５を通して脚１１２に加えられると、Ｌ字形の脚１
１２は堅い支持領域１１３に支えられているため、凹部
１２１に±Ｘ方向の剪断力を生じさせ、歪みゲージ１３
４に比較的大きな出力を発生する。しかし、同じ力は凹
部１２３に対しては圧縮力あるいは引張り力ととして作
用するので、歪みゲージ１３５から発生する出力は小さ
い。この様に、±Ｘ方向を以て脚１１２に作用する力
は、せん断ひずみゲージ１３４から比較的大きい出力を
発生させ、せん断ひずみゲージ１３５からは比較的小さ
い出力を発生させる。

【００４９】±Ｘ方向成分と±Ｚ方向成分の両方を含む
一般の力が作用した場合は、上記の現象が重なって同時
に起るが、せん断ひずみゲージ１３４，１３５の±Ｘ方
向成分と±Ｚ方向成分の力に対する感度の差を利用し
て、せん断ひずみゲージ１３４，１３５の出力に所定の
演算に相当する処理を施すことによって±Ｘ方向成分と
±Ｚ方向成分を分離して検出することが出来る。

【００５０】さて、既に述べた通り、本型の力センサに
負荷が作用すると、Ｌ字形の脚の周辺の開口のある部分
では開口幅を広げる変形が生じるが、別の部分では開口
幅を狭めるような変形が生じる。従って、本実施形態の
ように開口ＯＰ１１〜ＯＰ１３にスリット２００〜２１
２が形成されている場合、力センサにある臨界を越えた
過大な負荷が作用するとスリット２００〜２１２の一部
がＬ字形の脚１１２の弾性変形が原因で閉塞し、構造的
には高剛性の構造部１１０と１１１と一体化された状態
が生じる。

【００５１】これにより、それ以上の過大な負荷が力セ
ンサに作用しても、Ｌ字形の脚１１２における内部応力
は殆ど増大しなくなる。即ち、力センサに過大な負荷が
作用するまでは、力センサ全体の剛性はＬ字形の脚１１
２に依存して低く保たれるが、スリット２００〜２１２
の一部が塞がった後は、力センサ全体の剛性は飛躍的に
増大した状態に転移する。別の言い方をすれば、測定レ
ンジ内では力センサは感度を維持する一方、測定レンジ
外では感度を失う代わりに過大な負荷に対する防護機能
が有効に発揮される。

【００５２】ここで、過大な負荷によって起るスリット
２００〜２１３の閉塞について、図５を参照してより具
体的に説明しておく。先ず過大な力Ｆz が領域１１５を
通してＬ字形の脚１１２に作用すると、スリット２０
０，２０６，２０７が閉塞してＬ字形の脚１１２の変形
の進行を差し止める。逆に下向きの−Ｆz が作用する
と、スリット２０２，２０９が閉塞して同様の効果が得
られる。

【００５３】また過大なＦx が領域１１５を通してＬ字
形の脚１１２に作用すると、スリット２０８，２１０が
閉塞し、Ｌ字形の脚１１２の変形の進行を差し止める。
逆に−Ｆx が作用すると、スリット２０１，２０３が閉
塞して同様の効果が得られる。

【００５４】次に、図６は本発明の別の実施形態（第２
の実施形態とも呼ぶ。）に係る６軸力センサの本体機構
部を図５とほぼ同様の側面図で表わしたものである。但
し、過負荷防護のために設けられたスリットについて
は、スリット幅の狭さを考慮して線分で表示した。ま
た、力センサの機構部のボディ全体の構成につては、第
１の実施形態の場合と同様、Ｌ字形の脚の周辺の構造
（過負荷防護機構の関連構成）が異なる点を除いて図２
に示したものと同様であるから、図示の繰り返しを省略
した。

【００５５】図中上下位置を占める高剛性の肉厚の構造
部３１０及び３１１は、図５に示した第１実施形態に示
した高剛性の構造部１１０及び１１１に対応する部分で
あり、各々センサボディの一方及び他方のフランジ（図
２におけるフランジＦＬ１及びＦＬ２）に連なってい
る。

【００５６】本実施形態における脚３１２は、構造部３
１０に含まれる支持領域３１３，３１４の段差部３１３
ａ，３１４ａ及び構造部３１１に含まれる支持領域３１
５の段差部３１５ａを介して各支持領域３１３〜３１５
に接続されたＬ字形のやや肉薄の構造部として与えられ
ている。第１実施形態の場合と同様に、脚３１２の２つ
のアームを構成する部分には凹部３０３及び３０４が設
けられ、その底部にせん断ひずみゲージ（図示省略）が
取り付けられている。

【００５７】Ｌ字形の脚３１２の周辺の開口手段は周知
のワイヤカット放電加工技術を用いて形成されており、
加工開始／終了孔に相当する丸孔あるいは長孔Ｑ１〜Ｑ
６とそれらと接続するスリット手段３００，３０１，３
０２で構成されている。スリットＰ１→Ｐ２（孔Ｑ１）
とＰ３（孔Ｑ１）→Ｐ４（孔Ｑ２）を含むスリット手段
３００は、第１実施形態（図５）におけるスリット２０
０〜２０５に相当している。

【００５８】同様に、スリットＰ５（孔Ｑ３）→Ｐ６
（孔Ｑ４）を含むスリット手段３０１は第１実施形態
（図５）におけるスリット２０６に相当し、スリットＰ
７→Ｐ８（孔Ｑ５）とＰ９（孔Ｑ５）→Ｐ１０（孔Ｑ
６）を含むスリット手段３０２は、第１実施形態（図
５）におけるスリット２０７〜２１２に相当している。
各スリットのスリット幅（ギャップ）は、Ｌ字形の脚の
剛性や形状に応じて、適当な力のしきい値を越えた時に
スリットが閉塞するように設計的に定められている。

【００５９】本実施形態の力センサによる力あるいはモ
ーメントの検出原理は、第１実施形態の力センサと同様
であるから、繰り返し説明は省略する。また、スリット
手段３００，３０１，３０２は、第１実施形態における
スリット２００〜２１２と同様の作用により、過負荷作
用時の機械的ストッパ手段として機能する。

【００６０】即ち、本実施形態の力センサに上記しきい
値に相当する臨界を越えた過大な負荷が作用すると、Ｌ
字形の脚３１２の弾性変形に伴ってスリットＰ１→Ｐ
２，Ｐ３→Ｐ４・・・のいずれかの部分で閉塞が起こ
り、構造的に高剛性の構造部３１０あるいは３１１と一
体化された状態となる。これにより、それ以上の過大な
負荷が力センサに作用しても、Ｌ字形の脚３１２におけ
る内部応力の増大は抑止される。このようにして、上記
しきい値以下の負荷（測定レンジ内の負荷）の作用時に
は力センサの感度は維持され、上記しきい値を越える負
荷（測定レンジを越える負荷）の作用時には感度を失う
代わりに過大な負荷に対する防護機能が有効に発揮され
る。

【００６１】なお、各実施形態の力センサにおける各せ
ん断ひずみゲージからの電気信号を処理する手法に関し
ては、様々な形態を採用することが可能である。そし
て、本発明は、純粋に機械的なストッパ機構を過負荷作
用時に作動させるものであり、特に信号処理回路との関
連を持たないので、せん断ひずみゲージからの電気信号
の処理に関する詳しい記述はここでは行なわない。

【００６２】

【発明の効果】本発明によれば、せん断ひずみゲージを
装備したＬ字形の脚の剛性を過大な負荷の作用時に限定
して高めることを通して６軸力センサが過負荷に対して
防護されるので、通常の測定に悪影響を及さずに耐過負
荷特性を向上させることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】６軸力センサに装備される典型的なせん断ひず
みゲージの基本構造を説明する平面図である。

【図２】図１に示した構造のせん断ひずみゲージを所要
数装備した力センサ本体機構部の概略構造を例示した見
取図である。

【図３】（ａ）は図２に示した力センサの一つの脚とそ
の周辺部分の構造を拡大描示した図であり、（ｂ）は
（ａ）のラインＡ−Ａ’に沿った断面図である。

【図４】（ａ）は図３に示したと同様の構造を簡略化し
て示した図であり、（ｂ）及び（ｃ）は各々この構造に
±Ｘ方向の剪断力が作用した場合の変形状態と±Ｚ方向
の剪断力が作用した場合の変形状態を説明する図であ
る。

【図５】本発明の第１の実施形態に従った６軸力センサ
の本体機構部を図３（ａ）と同様の側面図で表わしたも
のである。

【図６】本発明の第２の実施形態に従った６軸力センサ
の本体機構部を図３（ａ）あるいは図５と同様の側面図
で表わしたものである。

【符号の説明】

１ ベース ２ 歪みゲージ要素 ３ 幹部 ４，５ 櫛形要素 ６ 幹部の軸方向 ７，８ 剪断力の作用方向 Ｇ せん断ひずみゲージ １０，１１，１１０，１１１ 高剛性の構造部 １２，１１２，２１２，３１２ 脚 １３，１４，１５，１１３，１１４，３１３，３１４，
３１５ 支持領域 １６，１１６ ブリッジ ２０，１２０ 第１のアーム ２１，２３，１２１，１２３ 凹部 ２２，１２２ 第２のアーム ３４，３５，１２４，１２５ せん断ひずみゲージ ４０，４１ 凹部の側壁部 ４２ 凹部の底面 ２００〜２１２ スリット ３１３ａ，３１４ａ，３１５ａ 支持領域３１３〜３１
５の段差部 ３００，３０１，３０２ スリット手段 ＦＬ１，ＦＬ２ フランジ ＯＰ，ＯＰ１〜ＯＰ３，ＯＰ１１〜ＯＰ１３ 開口（開
口手段） Ｐ１→Ｐ２，Ｐ３→Ｐ４，・・・Ｐ９→Ｐ１０ スリッ
ト Ｑ１〜Ｑ６ 孔 ＳＢ センサボディ ＳＳ 機構部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 センサ本体機構部に各々変形可能なＬ字
   形部分を有する少なくとも３つの脚と前記各脚の周辺に
   設けられた開口手段を備え、前記Ｌ字形部分を与える第
   １のアームと第２のアームには各々せん断ひずみゲージ
   取付部が設けられており、前記せん断ひずみゲージ取付
   部にせん断ひずみゲージが取り付けられている６軸力セ
   ンサにおいて、 過大負荷が加えられた時のＬ字形の脚の機械的剛性を過
   大負荷が加えられていない時の機械的剛性に比して増大
   させるための機械的変形ストッパ手段を備えている前記
   ６軸力センサ。
2. 【請求項２】 前記機械的変形ストッパ手段が前記開口
   手段の少なくとも一部に形成されたスリット手段であ
   り、前記スリット手段はその少なくとも一部が過大負荷
   が加えられた時に閉塞して前記Ｌ字形の脚の機械的剛性
   を増大させる、請求項１に記載された６軸力センサ。
3. 【請求項３】 前記機械的変形ストッパ手段が前記開口
   手段の少なくとも一部に形成されるとともに屈曲部を有
   しているスリット手段であり、前記スリット手段はその
   少なくとも一部が過大負荷が加えられた時に閉塞して前
   記Ｌ字形の脚の機械的剛性を増大させる、請求項１に記
   載された６軸力センサ。
4. 【請求項４】 前記せん断ひずみゲージ取付部が、前記
   第１のアーム及び前記第２のアームに各々設けられた凹
   部である、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載さ
   れた６軸力センサ。