JP6767559B2 - ひずみゲージ及び多軸力センサ - Google Patents

Description

本発明は、ひずみゲージ及び該ひずみゲージを備える多軸力センサに関する。

ひずみゲージを備える多軸力センサは、ロボット、ゲーム機器、各種計測機器、その他の機器において広く活用されている。特許文献１、２には、ひずみゲージを含む多軸力センサの一例が開示されている。

特開第２０１０−１６４４９５号公報 特許第５００８１８８号公報

ひずみゲージを備える多軸力センサにおいては、周囲温度の変化に起因する計測誤差の存在が認識されており、その抑制が望まれている。

そこで本発明は、周囲温度の変化に起因する計測誤差の発生が抑制されたひずみゲージ、及びこれを備える多軸力センサを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に従えば、
荷重を受けてひずむ起歪部材に取り付けられて、前記起歪部材の第１方向に作用する荷重の第１ホイートストンブリッジ回路による検出、及び前記起歪部材の第１方向に直交する第２方向に作用する荷重の第２ホイートストンブリッジ回路による検出に用いられるひずみゲージであって、
可撓性の基材と、
前記基材上に形成された回路パターンと、を備え、
前記基材は、前記起歪部材の荷重を受けてひずみが生じる起歪領域に取り付けられる受感領域と、前記起歪領域の外側に配置される不感領域と、前記受感領域と前記不感領域とを連結する連結領域と、を有し、
前記連結領域の、前記受感領域と前記不感領域とが連結される方向に直交する直交方向の寸法が、前記受感領域及び前記不感領域の直交方向の寸法よりも小さく、
前記回路パターンは、第１ホイートストンブリッジ回路を構成する２つの第１方向ひずみ受感素子と、第２ホイートストンブリッジ回路を構成する２つの第２方向ひずみ受感素子と、第１ホイートストンブリッジ回路を構成する第１方向固定抵抗素子及び第２ホイートストンブリッジ回路を構成する第２方向固定抵抗素子の少なくとも一方と、を含み、
前記２つの第１方向ひずみ受感素子、前記２つの第２方向ひずみ受感素子、並びに前記第１方向固定抵抗素子及び第２方向固定抵抗素子の少なくとも一方は、同一材料で形成されており、
前記２つの第１方向ひずみ受感素子及び前記２つの第２方向ひずみ受感素子は、前記受感領域に形成されており、
前記第１方向固定抵抗素子及び第２方向固定抵抗素子の少なくとも一方は、前記不感領域に形成されている、
ひずみゲージが提供される。

第１の態様のひずみゲージにおいて、前記回路パターンは、第１ホイートストンブリッジ回路を構成する２つの第１方向固定抵抗素子と第２ホイートストンブリッジ回路を構成する２つの第２方向固定抵抗素子とを含んでもよく、前記２つの第１方向ひずみ受感素子、前記２つの第２方向ひずみ受感素子、前記２つの第１方向固定抵抗素子、及び前記２つの第２方向固定抵抗素子は、同一材料で形成されていてもよく、前記２つの第１方向固定抵抗素子、及び前記２つの第２方向固定抵抗素子は、前記不感領域に形成されていてもよい。

第１の態様のひずみゲージにおいて、前記回路パターンは少なくとも１つの端子を更に含んでもよく、前記少なくとも１つの端子が、前記不感領域に形成されていてもよい。

第１の態様のひずみゲージは、前記不感領域において、前記少なくとも１つの端子が、前記第１方向固定抵抗素子及び第２方向固定抵抗素子の少なくとも一方の前記受感領域とは反対側に設けられていてもよい。

第１の態様のひずみゲージにおいて、前記不感領域は、前記受感領域の両側に一対設けられていてもよい。

第１の態様のひずみゲージにおいて、前記回路パターンは、２つの第３方向ひずみ受感素子又は２つの第３方向固定抵抗素子を更に含んでもよく、前記２つの第３方向ひずみ受感素子又は２つの第３方向固定抵抗素子は、第１ホイートストンブリッジ回路と第２ホイートストンブリッジ回路とを接続して第３ホイートストンブリッジ回路を構成してもよい。

本発明の第２の態様に従えば、
起歪板と、
前記起歪板に接続された荷重作用部と、
前記起歪板に取り付けられた第１の態様のひずみゲージとを備える多軸力センサが提供される。

第２の態様のひずみセンサにおいて、前記ひずみゲージの基材の不感領域が、前記起歪板の側面に貼り付けられていてもよい。

本発明のひずみゲージ及び当該ひずみゲージを備える多軸力センサにおいては、周囲温度の変化に起因する計測誤差の発生が抑制されている。

図１は、本発明の実施形態の３軸力センサの斜視図である。 図２は、図１に示す３軸力センサを、軸Ａを含むＹＺ面で切断した断面図である。 図３は、ひずみゲージの配線パターンを示す。 図４は、図３のひずみゲージの配線パターンに対応する回路図である。 図５（ａ）、図５（ｂ）は、３軸力センサにおける計測の様子を示す説明図である。 図６は、ひずみゲージの配線パターンの他の例を示す。

＜実施形態＞
本発明の多軸力センサ及びひずみゲージの実施形態について、ロボットハンドの触覚センサとして用いられる３軸力センサ１００と、３軸力センサ１００に含まれるひずみゲージ２０を例として、図１〜図６を参照して説明する。

本実施形態の３軸力センサ１００は、図１及び図２に示す通り、軸Ａの周りに回転対称な本体部１０と、本体部１０に貼り付けられたひずみゲージ２０とを有する。本体部１０は、軸Ａを回転軸とする円板状の起歪板（起歪部材）１１と、起歪板１１の表面１１ａの中央から軸方向に直立する荷重作用部１２と、起歪板１１の表面１１ａの周縁部から軸方向に直立する一対の保持板１３と、起歪板１１の裏面１１ｂの周縁部から軸方向に直立する周壁１４と、周壁１４上に取り付けられた４つの脚部１５を含む。本体部１０は例えば合成樹脂素材により一体成形されている。

以下の説明においては、図１に示す通り、起歪板１１の直交する２つの径方向を３軸力センサ１００及び本体部１０のＸ方向（第１方向）及びＹ方向（第２方向）とする。また、Ｘ方向及びＹ方向に直交する軸Ａの方向を３軸力センサ１００及び本体部１０のＺ方向（第３方向）とする。

起歪板１１は、３軸力センサ１００の本体部１０に荷重作用部１２を介して加えられる外部からの荷重を受けてひずむ円板である。起歪板１１におけるひずみは、起歪板１１の表面１１ａ及び裏面１１ｂ（図１において軸Ａに直交する上下面）において生じ、起歪板１１の側面１１ｃ（図１において軸Ａと平行な周面）においては生じないか無視できるほど小さい。本明細書においては、本実施形態における起歪板１１の表面１１ａ及び裏面１１ｂのように、起歪板１１のうち外部荷重を受けてひずむ領域を「起歪領域」と呼ぶこととする。起歪板１１の径及び厚さは任意である。

荷重作用部１２は、外部からの荷重を受けて移動し、起歪板１１にひずみを生じさせる部分であり、例えば断面形状が正方形の角柱である。荷重作用部１２は、角柱の中心軸が起歪板１１の回転軸（軸Ａ）と一致するよう、即ち起歪板１１と同軸状に、起歪板１１の表面１１ａに設けられている。

一対の保持板１３は、後述するひずみゲージ２０の基材２１（図３）の一部分（不感領域２１ｎ１、２１ｎ２）が貼り付けられる部分である。保持板１３は、Ｙ方向において荷重作用部１２を挟むように互いに対向して、起歪板１１の表面１１ａから直立しており、それぞれが起歪板１１の外周に沿った曲面を有する。

周壁１４は、起歪板１１の裏面１１ｂの外周に沿って裏面１１ｂから直立し、裏面１１ｂを囲んでいる。また、周壁１４には、Ｙ方向において荷重作用部１２を挟むように、一対の切欠部１４ｎが設けられている。すなわち、一対の切欠部１４ｎは、起歪体１１の周方向において、一対の保持板１３と重複する位置に設けられている。周壁１４はひずみゲージ２０を起歪板１１に貼り付ける際のガイドとして用いられるが、その詳細については後述する。

脚部１５は、３軸力センサ１００をロボットハンドに取付けるための台座であり、周壁１４上に等間隔に離間して４つ設けられている。

図３に、図１に示したひずみゲージ２０が起歪体１１に取り付けられる前の状態（展開図）を示す。ひずみゲージ２０は、図３に示す通り、基材２１と、基材２１の表面上にプリントされた回路パターンＣＰを含む。基材２１は、受感領域２１ｓ及びこれを挟む不感領域２１ｎ１、２１ｎ２を有し、回路パターンＣＰは、６つのひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２、Ｙ_１、Ｙ_２、Ｚ_１、Ｚ_２と、４つの固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２、ＲＹ_１、ＲＹ_２と、８つの端子Ｔ_１〜Ｔ_８と、これらを接続する配線Ｗとを含む。なお、以下の説明では、不感領域２１ｎ１、２１ｎ２が受感領域２１ｓを挟む方向をｙ方向（第２方向）とし、基材２１の表面上においてｙ方向に直交する方向をｘ方向（第１方向）とする。

基材２１は、可撓性を有する樹脂フィルムであり、中央の円形状の受感領域２１ｓと、受感領域２１ｓを挟む一対の不感領域２１ｎ１、２１ｎ２と、受感領域２１ｓと一対の不感領域２１ｎ１、２１ｎ２とをそれぞれ連結する一対の連結領域２１ｃ１、２１ｃ２とを有する。樹脂フィルムは容易に折り曲げが行えるような柔軟で屈曲性の高いものを用いることが望ましく、具体例としては、ポリエステル、ポリイミド等を使用することができる。また、受感領域２１ｓ、不感領域２１ｎ１、２１ｎ２、連結領域２１ｃ１、２１ｃ２をそれぞれ異なる材料より形成することも可能であるが、これらを同一の材料により形成して全領域の温度特性（抵抗温度係数等）を等しくすることが望ましい。また、この場合は、一体に形成された材料（例えばポリエステル、ポリイミド等のシート）内の近傍の部位より受感領域２１ｓ、不感領域２１ｎ１、２１ｎ２、連結領域２１ｃ１、２１ｃ２を一体に切り出して基材２１を形成することがより望ましい。これにより各領域の温度特性をより均一にすることができる。

受感領域２１ｓは、本体部１０の起歪板１１の裏面１１ｂに貼り付けられる領域であるため、起歪板１１の裏面１１ｂと同等かそれより小さい径を有する。受感領域２１ｓの一面上には、中心ｃをｘ方向に挟んでひずみ受感素子（第１方向ひずみ受感素子）Ｘ_１、Ｘ_２が、ｙ方向に挟んでひずみ受感素子（第２方向ひずみ受感素子）Ｙ_１、Ｙ_２が形成されており、外周に沿ってひずみ受感素子（第３方向ひずみ受感素子）Ｚ_１、Ｚ_２が形成されている。

ひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２は、それぞれｙ方向をグリッドの幅方向として、互いに平行に形成されている。ひずみ受感素子Ｘ_１とひずみ受感素子Ｘ_２とは、それぞれ中心ｃから等距離の位置に形成されており、ひずみ受感素子Ｘ_１とひずみ受感素子Ｘ_２との間のｘ方向の距離は、本体部１０の荷重作用部１２のＸ方向の幅よりも大きい。

ひずみ受感素子Ｙ_１、Ｙ_２は、それぞれｘ方向をグリッドの幅方向として、互いに平行に形成されている。ひずみ受感素子Ｙ_１とひずみ受感素子Ｙ_２とは、それぞれ中心ｃから等距離の位置に形成されており、ひずみ受感素子Ｙ_１とひずみ受感素子Ｙ_２との間のｙ方向の距離は、本体部１０の荷重作用部１２のＹ方向の幅よりも大きい。

ひずみ受感素子Ｚ_１、Ｚ_２は、それぞれ円弧状であり、受感領域２１ｓの周方向をグリッドの幅方向として、ｘ方向に対向して形成されている。ひずみ受感素子Ｚ_１、Ｚ_２は、ひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２、Ｙ_１、Ｙ_２の中心ｃとは反対側（外側）に配置されている。

一対の不感領域２１ｎ１、２１ｎ２は、ｙ方向に受感領域２１ｓを挟んでおり、それぞれｘ方向を長辺方向、ｙ方向を短辺方向とする矩形状である。

不感領域２１ｎ１の表面上における受感領域２１ｓから遠い部分には、それぞれｘ方向に延びる固定抵抗素子（第１方向固定抵抗素子）ＲＸ_１、ＲＸ_２が、ｘ方向に並んで形成されており、受感領域２１ｓに近い部分には、ｘ方向に並ぶ４つの端子Ｔ_１、Ｔ_２、Ｔ_３、Ｔ_４が形成されている。すなわち、不感領域２１ｎ１においては、固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２が端子Ｔ_１〜Ｔ_４の、受感領域２１ｓとは反対側に配置されている。

同様に、不感領域２１ｎ２の表面上における受感領域２１ｓから遠い部分には、それぞれｘ方向に延びる固定抵抗素子（第２方向固定抵抗素子）ＲＹ_１、ＲＹ_２が、ｘ方向に並んで形成されており、受感領域２１ｓに近い部分には、ｘ方向に並ぶ４つの端子Ｔ_５、Ｔ_６、Ｔ_７、Ｔ_８が形成されている。すなわち、不感領域２１ｎ２においては、固定抵抗素子ＲＹ_１、ＲＹ_２が端子Ｔ_５〜Ｔ_８の、受感領域２１ｓとは反対側に配置されている。

受感領域２１ｓと不感領域２１ｎ１、２１ｎ２とを連結する連結領域２１ｃ１、２１ｃ２は、それぞれ、受感領域２１ｓと不感領域２１ｎ１、２１ｎ２とが連結されるｙ方向に直交するｘ方向の寸法（幅）が受感領域２１ｓ、不感領域２１ｎ１、２１ｎ２のｘ方向の寸法（幅）より小さい。そのため基材２１は、連結領域２１ｃ１、２１ｃ２においてくびれた形状となっている。

図３及び図４に示す通り、配線Ｗは、ひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２、固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２を接続して第１ブリッジ回路（第１ホイートストンブリッジ回路）ＢＣ１を構成している。また、ひずみ受感素子Ｘ_１と固定抵抗素子ＲＸ_１との間に端子Ｔ_１が、ひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２の間に端子Ｔ_２が、固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２の間に端子Ｔ_３が、ひずみ受感素子Ｘ_２と固定抵抗素子ＲＸ_２との間に端子Ｔ_４が接続されている。

同様に、配線Ｗは、ひずみ受感素子Ｙ_１、Ｙ_２、固定抵抗素子ＲＹ_１、ＲＹ_２を接続して第２ブリッジ回路（第２ホイートストンブリッジ回路）ＢＣ２を構成している。ひずみ受感素子Ｙ_１と固定抵抗素子ＲＹ_１の間に端子Ｔ_８が、ひずみ受感素子Ｙ_１、Ｙ_２の間に端子Ｔ_６が、固定抵抗素子ＲＹ_１、ＲＹ_２の間に端子Ｔ_７が、ひずみ受感素子Ｙ_２と固定抵抗素子ＲＹ_２の間に端子Ｔ_５が接続されている。

ひずみ受感素子Ｚ_１の一端はひずみ受感素子Ｘ_１と固定抵抗素子ＲＸ_１との間において第１ブリッジ回路ＢＣ１に接続されており、他端はひずみ受感素子Ｙ_１と固定抵抗素子ＲＹ_１との間において第２ブリッジ回路ＢＣ２に接続されている。同様に、ひずみ受感素子Ｚ_２の一端はひずみ受感素子Ｘ_２と固定抵抗素子ＲＸ_２との間において第１ブリッジ回路ＢＣ１に接続されており、他端はひずみ受感素子Ｙ_２と固定抵抗素子ＲＹ_２との間において第２ブリッジ回路ＢＣ２に接続されている。これにより、一対の対辺部に第１ブリッジ回路ＢＣ１と第２ブリッジ回路ＢＣ２をそれぞれ有し、他の一対の対辺部にひずみ受感素子Ｚ_１、Ｚ_２をそれぞれ有する第３ブリッジ回路（第３ホイートストンブリッジ回路）ＢＣ３を構成している。

回路パターンＣＰに含まれるひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２、Ｙ_１、Ｙ_２、Ｚ_１、Ｚ_２、固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２、ＲＹ_１、ＲＹ_２、配線Ｗは互いに同じ材料により、さらに好ましくは一つの材料内の近傍の部位により形成されている。この材料は、一例として銅、銅／ニッケルなどの銅合金等である。回路パターンＣＰの基材２１上へのプリントは、フォトエッチング、印刷、蒸着、スパッタリング等により行うことができる。

図１、図２に示す通り、ひずみゲージ２０は、基材２１の、回路パターンＣＰが形成された面とは反対側の面が本体部１０に接するように、本体部１０に貼り付けられている。

具体的には、基材２１の受感領域２１ｓは、ｘ方向及びｙ方向が、本体部１０のＸ方向及びＹ方向にそれぞれ一致し、中心ｃが軸Ａに一致するように、起歪板１１の裏面１１ｂに貼り付けられている。なお、上記の通りひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２の間のｘ方向の距離は荷重作用部１２のＸ方向の寸法より大きく、ひずみ受感素子Ｙ_１、Ｙ_２間のｙ方向の距離は荷重作用部１２のＹ方向の寸法より大きい。したがって、基材２１の受感部２１ｓを起歪板１１に貼り付けた状態においては、ひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２及びひずみ受感素子Ｙ_１、Ｙ_２は、それぞれ、Ｘ方向及びＹ方向において荷重作用部１２の外側の、ひずみが比較的大きく生じる領域に配置される。なお、図３及び図６においては、起歪板１１に基材２１を貼り付けた状態における荷重作用部１２の輪郭を破線で示し、荷重作用部１２とひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２、Ｙ_１、Ｙ_２との位置関係を示している。

基材２１の一対の不感領域２１ｎ１、２１ｎ２は、それぞれ、折り曲げられて起歪板１１の側面１１ｃと、その上方に延びる保持板１３の外面に貼り付けられている。したがって、不感領域２１ｎ１に形成された端子Ｔ_１、Ｔ_２、Ｔ_３、Ｔ_４、不感領域２１ｎ２に形成された端子Ｔ_５、Ｔ_６、Ｔ_７、Ｔ_８は、起歪板１１の径方向外側を向いて露出している。

一対の連結部２１ｃ１、２１ｃ２は、それぞれ、周壁１４の切欠部１４ｎを通り、起歪板１１の裏面１１ｂと側面１１ｃとの連接部において屈曲している。

ひずみゲージ２０を基材２１に貼り付ける際には、基材２１の受感領域２１ｓの周縁部を周壁１４の内周面に当接させ、基材２１の一対の連結領域２１ｃ１、２１ｃ２を周壁１４の一対の切欠部１４ｎにそれぞれ配置することで、本体部１０及び起歪板１１に対するひずみゲージ２０の位置決めを容易に行うことができる。

具体的には、基材２１の受感領域２１ｓの周縁部を周壁１４の内周面に当接させることで、受感領域２１ｓの中心ｃが本体部１０の軸Ａと一致するよう位置合わせされ、且つ、受感領域２１ｓのＸ方向及びＹ方向への移動が規制される。次いで、ひずみゲージ２０の一対の連結部２１ｃ１、２１ｃ２を周壁１４の一対の切欠部１４ｎに配置することで、ひずみゲージ２０は、軸Ａ中心の周方向においても、本体部１０及び起歪板１１に対して位置合わせされる。

次に、本実施形態の３軸力センサ１００、及びひずみゲージ２０の使用方法と動作について説明する。

３軸力センサ１００をロボットハンドの触覚センサとして用いる場合には、まず、３軸力センサ１００を、脚部１５を介して、ロボットハンドの指先に固定する。次いで、端子Ｔ_１〜Ｔ_８と信号処理部（不図示）とを、それぞれ、リード線Ｌ_１〜Ｌ_８（図２）を用いて接続する。端子Ｔ_１〜Ｔ_８とリード線Ｌ_１〜Ｌ_８の接合は任意の方法で行うことができ、例えばはんだや異方性導電フィルム（ＡＣＦ）を用いて行うことができる。

端子Ｔ_１、Ｔ_５は、それぞれ、リード線Ｌ_１、Ｌ_５により、信号処理部の電源（不図示）に接続される。端子Ｔ_２、Ｔ_３、端子Ｔ_６、Ｔ_７、端子Ｔ_４、Ｔ_８は、それぞれ、リード線Ｌ_２、Ｌ_３、リード線Ｌ_６、Ｌ_７、リード線Ｌ_４、Ｌ_８により、信号処理部内のアンプ（不図示）を介して、信号処理部内の演算部（不図示）に接続される。

３軸力センサ１００の動作時には、電源により端子Ｔ_１と端子Ｔ_５との間に入力電圧Ｅｉをかける。第１ブリッジ回路ＢＣ１、第２ブリッジ回路ＢＣ２、第３ブリッジ回路ＢＣ３を構成する各ひずみ受感素子の抵抗値及び各固定抵抗素子の抵抗値は、基材２１の受感領域２１ｓにたわみがない状態において、端子Ｔ_２、Ｔ_３間で電圧が等しくなり、端子Ｔ_６、Ｔ_７間で電圧が等しくなり、端子Ｔ_４、Ｔ_８間で電圧が等しくなるように調整されている。したがって、起歪板１１にひずみが生じておらず、受感領域２１ｓにたわみがない状態（図５（ａ））においては、端子Ｔ_２、Ｔ_３間、端子Ｔ_６、Ｔ_７間、端子Ｔ_４、Ｔ_８間に電位差はなく、演算部はひずみを算出しない。

次に、荷重作用部１２にＸ方向の荷重が付加されると、荷重作用部１２が荷重を受けて移動し、起歪板１１にひずみを生じさせる（図５（ｂ））。この時、起歪板１１に貼り付けられたひずみゲージ２０の基材２１の受感領域２１ｓも起歪板１１と一体にたわみ、ひずみ受感素子Ｘ_１には圧縮ひずみが、ひずみ受感素子Ｘ_２には伸びひずみが生じる。これにより、ひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２の抵抗値がそれぞれ変化し、ひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２を含む第１ブリッジ回路ＢＣ１の端子Ｔ_２、Ｔ_３間に電位差が生じる。演算部はこの電位差に基づいて、起歪板１１に生じたひずみの量を求め、荷重作用部１２に作用したＸ方向の荷重の大きさを求める。なおこの時、起歪板１１の側面１１ｃ及び保持板１３にはひずみは生じておらず、固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２の抵抗値は一定である。荷重作用部１２にＹ方向の荷重が付加された場合も、同様にして作用したＹ方向の荷重の大きさを求める。

荷重作用部１２にＺ方向の荷重が付加された場合には、起歪板１１及び基材２１の受感領域２１ｓは中心が突出するように湾曲するため、ひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２、Ｙ_１、Ｙ_２、Ｚ_１、Ｚ_２の全てにおいて延びひずみが生じる。これにより、第１ブリッジ回路ＢＣ１の合成抵抗、第２ブリッジ回路ＢＣ２の合成抵抗、ひずみ受感素子Ｚ_１、Ｚ_２の抵抗値がそれぞれ変化し、第３ブリッジ回路ＢＣ３の端子Ｔ_４、Ｔ_８間に電位差が生じる。演算部はこの電位差に基づいて、起歪板１１に生じたひずみの量を求め、荷重作用部１２に作用したＺ方向の荷重の大きさを求める。

ここで、第１ブリッジ回路ＢＣ１の固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２、第２ブリッジ回路ＢＣ２の固定抵抗素子ＲＹ_１、ＲＹ_２を基材２１上にプリントし、ひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２、Ｙ_１、Ｙ_２と同一の材料により形成する意義について説明する。

（１）固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２、ＲＹ_１、ＲＹ_２をこのように形成することにより、固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２、ＲＹ_１、ＲＹ_２が、ひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２、Ｙ_１、Ｙ_２、Ｚ_１、Ｚ_２と同一の材料で、且つこれらに近接した位置に形成されることになる。ここで、温度変化に対する抵抗値の変化の割合を示す抵抗温度係数は、材料に依存する物性値であるため、本実施形態では全ひずみ受感素子と全固定抵抗素子の抵抗温度係数は等しい。また、固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２、ＲＹ_１、ＲＹ_２が基材２１上に形成されており、ひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２、Ｙ_１、Ｙ_２、Ｚ_１、Ｚ_２の近傍に形成されているため、全ひずみ受感素子と全固定抵抗素子に影響する周囲温度の変化は実質的に同一となる。したがって、周囲温度に変化が生じた場合には、全ひずみ受感素子の抵抗値と全固定抵抗素子の抵抗値は同一の割合で変化する。

第１ブリッジ回路ＢＣ１、第２ブリッジ回路ＢＣ２、第３ブリッジ回路ＢＣ３においては、それぞれに含まれる抵抗素子（ひずみ受感素子及び固定抵抗素子）の間で抵抗値のバランスが変化した場合に、端子Ｔ_２、Ｔ_３間、端子Ｔ_６、Ｔ_７間、端子Ｔ_４、Ｔ_８間に電位差が生じ、これに基づきひずみが検出される。したがって周囲温度の変化によりひずみ受感素子の抵抗値及び固定抵抗素子の抵抗値の間のバランスが変化した場合には、このバランスの変化により計測誤差が生じ得る。しかしながら、本実施形態においては、周囲温度に変化が生じた場合には、全ひずみ受感素子の抵抗値と全固定抵抗素子の抵抗値が同一の割合で変化するため、周囲の温度が変化した場合でも各素子間の抵抗値のバランスは変化せず、計測誤差の発生が抑制される。なお、回路パターンＣＰの形成時に、一体の塊りとして準備された材料（銅、銅合金等）の近傍の部位を用いてひずみ受感素子等を形成することで、ひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２、Ｙ_１、Ｙ_２、Ｚ_１、Ｚ_２、固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２、ＲＹ_１、ＲＹ_２、配線Ｗの抵抗温度係数をより均一とでき、計測誤差の発生をより良好に抑制することができる。

（２）本実施形態のように、第１ブリッジ回路ＢＣ１の固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２、第２ブリッジ回路ＢＣ２の固定抵抗素子ＲＹ_１、ＲＹ_２を、基材２１の不感領域２１ｎ１、２１ｎ２に形成し、不感領域２１ｎ１、２１ｎ２を、本体部１０のひずみが生じない部分（起歪領域の外側）に貼り付けた場合には、固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２、ＲＹ_１、ＲＹ_２を温度補償用のダミーゲージとして作用させることができる。したがって、周囲温度の変化により起歪板１１を含む本体部１０に膨張や収縮が生じた場合にも、この膨張や収縮によるひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２、Ｙ_１、Ｙ_２の抵抗値の変化を補償して、計測誤差の発生を抑制することができる。

（３）固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２、ＲＹ_１、ＲＹ_２を基材２１上にプリントして形成することにより、第１ブリッジ回路ＢＣ１、第２ブリッジ回路ＢＣ２、第３ブリッジ回路ＢＣ３を、それぞれ、基材２１上で完結した閉回路として形成することができる。

ブリッジ回路を構成するひずみ受感素子を基材上にプリントし、ブリッジ回路を構成する固定抵抗素子を基材の外部、例えば信号処理部に設ける場合には、ブリッジ回路を閉回路とするために、基材上のひずみ受感素子と信号処理部の固定抵抗素子とをリード線等により接続する必要がある。この場合、基材上の配線とリード線との接続は、基材上に設けられた電極にリード線を接合して行うが、電極とリード線との接合部に接合抵抗が生じるとこれがブリッジ回路内の抵抗となり大きなひずみ検出誤差の原因となるため、接合方法は、接合抵抗が実質的に無視できるほど小さいはんだ接合に限られている。

しかしながら、はんだ接合を良好に行うためには、基材上に比較的大きな電極を設け、且つ複数の電極間のピッチを確保する必要があるため、基材が大きくなってしまう。また、はんだ接合を良好に行うためにはある程度の厚みを有してはんだを盛る必要があるため、３軸力センサの小型化の妨げにもなる。

これに対し、本実施形態では、第１ブリッジ回路ＢＣ１、第２ブリッジ回路ＢＣ２、第３ブリッジ回路ＢＣ３が、それぞれ、基材２１上で完結した閉回路として形成されており、端子Ｔ_１〜Ｔ_８を介した基材２１と信号処理部との接続は、第１ブリッジ回路ＢＣ１、第２ブリッジ回路ＢＣ２、第３ブリッジ回路ＢＣ３を電源や演算部に接続するための接合にすぎない。したがって、本実施形態においては、端子Ｔ_１〜Ｔ_８とリード線Ｌ_１〜Ｌ_８との接合部において接合抵抗の発生が許容され、はんだ接合以外の任意の接合方法、例えば異方性導電フィルムを用いた接合を採用することができる。なお、異方性導電フィルムを用いることにより、電極の大きさ、電極間のピッチ、接合部の厚さをいずれもはんだ接合の場合の１０分の１程度に抑えることができるため、３軸力センサ１００の小型化を望む場合には異方性導電フィルムによる接合が有利である。

本実施形態の３軸力センサ１００及びひずみゲージ２０の効果は以下の通りである。

本実施形態のひずみゲージ２０は、第１ブリッジ回路ＢＣ１の固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２、第２ブリッジ回路ＢＣ２の固定抵抗素子ＲＹ_１、ＲＹ_２を基材２１上に形成しているため、上記（２）、（３）の効果を奏することができ、更に固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２、ＲＹ_１、ＲＹ_２をひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２、Ｙ_１、Ｙ_２と同一の材料により形成しているため上記（１）の効果を奏することができる。

本実施形態のひずみゲージ２０においては、受感領域２１ｓには、ひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２、Ｙ_１、Ｙ_２、Ｚ_１、Ｚ_２のみが形成されており、端子Ｔ_１〜Ｔ_８及び固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２、ＲＹ_１、ＲＹ_２は不感領域２１ｎ１、２１ｎ２に形成されている。したがって、受感領域２１ｓの径（寸法）を小さくすることができ、ひいては３軸力センサ１００の起歪板１１を小さくすることができる。起歪板１１の小型化は３軸力センサ１００の小型化につながり好もしい。

本実施形態のひずみゲージ２０においては、電極Ｔ_１〜Ｔ_８が不感領域２１ｎ１、２１ｎ２に設けられているため、必要に応じて、受感領域２１ｓの径を大きくすることなく、電極Ｔ_１〜Ｔ_８の寸法を大きくし、リード線等との接合作業を容易とすることができる。

本実施形態のひずみゲージ２０の基材２１は、受感領域２１ｓと不感領域２１ｎ１、２１ｎ２の間に、受感領域２１ｓ及び不感領域２１ｎ１、２１ｎ２よりも幅の狭い連結部２１ｃ１、２１ｃ２を有するため、受感領域２１ｓ及び不感領域２１ｎ１、２１ｎ２を、連結部２１ｃ１、２１ｃ２との接続部に規制されることなく様々な態様で配置することができる。

本実施形態の３軸力センサ１００は、ひずみゲージ２０を備えるため、ひずみゲージ２０の効果と同様の効果を奏することができる。

上記実施形態において、次の変形態様を採用することもできる。

ひずみゲージ２０において、ひずみ受感素子Ｚ_１、Ｚ_２は、不感領域２１ｎ１及び／又は不感領域２１ｎ２に形成されていてもよい。この場合、不感領域２１ｎ１、２１ｎ２にはたわみが生じないため、ひずみ受感素子Ｚ_１、Ｚ_２は実質的に固定抵抗素子（第３方向固定抵抗素子）として作用する。

ひずみ受感素子Ｚ_１、Ｚ_２が固定抵抗素子として作用する場合も、第１ブリッジ回路ＢＣ１を用いたＸ方向荷重の検出、第２ブリッジ回路ＢＣ２を用いたＹ方向荷重の検出は、上記実施形態と同様に行うことができる。また、Ｚ方向荷重の検出も行うことができる。荷重作用部１２にＺ方向荷重が作用してひずみ検出素子Ｘ_１、Ｘ_２、Ｙ_１、Ｙ_２に抵抗値の変化が生じると、第１ブリッジ回路ＢＣ１の合成抵抗、第２ブリッジ回路ＢＣ２の合成抵抗がそれぞれ変化し、ひずみ受感素子Ｚ_１、Ｚ_２の抵抗値が一定であっても、第３ブリッジ回路ＢＣ３の素子間の抵抗値のバランスが変化するためである。

ひずみゲージ２０は、ひずみ受感素子Ｚ_１、Ｚ_２を有さなくても良い。この場合は例えば、第１ブリッジ回路ＢＣ１、第２ブリッジ回路ＢＣ２は、ひずみ受感素子Ｚ_１、Ｚ_２に代えて、２本の円弧状の配線Ｗで接続される。

ひずみ受感素子Ｚ_１、Ｚ_２が存在しない場合も、第１ブリッジ回路ＢＣ１を用いたＸ方向荷重の検出、第２ブリッジ回路ＢＣ２を用いたＹ方向荷重の検出は、上記実施形態と同様に行うことができる。このような変形態様のひずみゲージ２０は、２軸力センサにおいて用いることができる。または、このような変形態様のひずみゲージが有する第１ホイートストンブリッジ及び第２ホイートストンブリッジを、信号処理部に形成された固定抵抗素子で繋いで第３ホイートストンブリッジを構成して、３軸力センサにおいて用いることもできる。

ひずみゲージ２０において、基材２１の不感領域２１ｎ１、２１ｎ２に形成された固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２、ＲＹ_１、ＲＹ_２は、これらの少なくとも１つを基材２１上に残し、他を基材２１の外部、例えば信号処理部に設けても良い。このような態様であっても、第１ブリッジ回路ＢＣ１を構成する固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２及び第２ブリッジ回路ＢＣ２を構成する固定抵抗素子ＲＹ_１、ＲＹ_２の少なくとも１つを基材２１上の不感領域２１ｎ１及び／又は２１ｎ２に設けることにより、ひずみゲージ２０及び３軸力センサ１００における温度誤差を抑制する効果を奏することができる。

受感領域２１ｓのｙ方向（第２方向）の一方側に設けられた不感領域２１ｎ１において、固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２と端子Ｔ_１〜Ｔ_４とをｙ方向（第２方向）に直交するｘ方向（第１方向）に沿って一列に配置してもよく、受感領域２１ｓのｙ方向（第２方向）の他方側に設けられた不感領域２１ｎ２において、固定抵抗素子ＲＹ_１、ＲＹ_２と端子Ｔ_５〜Ｔ_８とをｙ方向（第２方向）に直交するｘ方向（第１方向）に沿って一列に配置してもよい。これにより、不感領域２１ｎ１、２１ｎ２をより細長い部分に貼り付けることができ、例えば本体部１０の保持板１３を省略し、起歪板１１の側面のみに不感領域２１ｎ１、２１ｎ２を貼り付けることができる。

図６に示す通り、不感領域２１ｎ１の受感領域２１ｓに近い部分に固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２が、受感領域２１ｓから遠い部分に端子Ｔ_１〜Ｔ_４が形成されていてもよい。すなわち、不感領域２１ｎ１においては、端子Ｔ_１〜Ｔ_４が固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２の受感領域２１ｓとは反対側に設けられていてもよい。不感領域２１ｎ２における固定抵抗素子ＲＹ_１、ＲＹ_２及び端子Ｔ_５〜Ｔ_８の配置も同様である。このように端子Ｔ_１〜Ｔ_８を外側に配置することで、端子Ｔ_１〜Ｔ_８へのリード線等の接合がより容易となる。

端子Ｔ_１〜Ｔ_８のいずれか１つ以上が、受感領域２１ｓに形成されていてもよい。この場合、荷重作用部１２の下方に貼り付けられてひずみが生じにくい中心ｃの近傍に設けることが望ましい。

受感領域２１ｓにおいて、ひずみ受感素子Ｚ_１、Ｚ_２は、ひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２、Ｙ_１、Ｙ_２の中心ｃ側（内側）に配置されていてもよい。また、ひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２、Ｙ_１、Ｙ_２はそれぞれ、そのグリッドの幅方向が受感領域２１ｓの周方向となるよう円弧状に形成されていてもよい。このようなひずみゲージ２０は、荷重作用部１２が軸Ａを中心とする円筒状である本体部１０に貼り付けて良好に使用することができる。

ひずみゲージ２０の基材２１の形状は任意であり、連結部２１ｃ１、２１ｃ２を有さない矩形状や楕円形状であってもよく、不感領域２１ｎ１、２１ｎ２のいずれか一方を有するのみでもよい。不感領域２１ｎ１、２１ｎ２のいずれか一方のみを有する基材２１においては、この不感領域に固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２、ＲＹ_１、ＲＹ_２、端子Ｔ_１〜Ｔ_８のすべてが形成され得る。その他、基材２１は、多軸力センサの起歪板に貼り付けられる受感領域と、当該領域の外側に配置される不感領域とを備える任意の形状とすることができる。

本体部１０の保持板１３は、起歪板１１の外周から、起歪板１１と平行に延びる平板であってもよい。この場合は、ひずみゲージ２０の基材２１は、折り曲げることなく、起歪板１１及び保持板１３に貼り付けられる。また、本体部１０は保持板１３を有さなくてもよい。この場合は、起歪板１１の側面１１ｃに不感領域２１ｎ１、２１ｎ２の全域を貼り付け得る。その他、不感領域２１ｎ１、２１ｎ２は起歪板１１の側面１１ｃに貼り付けられていなくてもよく、本体部１０に貼り付けられていなくてもよい。受感領域２１ｓが起歪板１１の裏面１１ｂに貼り付けられた状態における不感領域２１ｎ１、２１ｎ２の配置は、多軸センサの本体部の形状や多軸センサの用途に応じて適宜決定することができる。

上記実施形態のひずみゲージ２０を、多軸力センサ以外の任意のセンサの起歪部材に用いることもできる。

本発明の特徴を維持する限り、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

本発明のひずみゲージ及び多軸力センサは、荷重検出における温度変化の影響を抑制でき、ロボット、ゲーム機器、各種計測機器、その他の機器における安定性、信頼性の向上に寄与することができる。

１０ 本体部
１１ 起歪板（起歪部材）
１２ 荷重作用部
１３ 保持板
１４ 周壁
１５ 脚部
２０ ひずみゲージ
２１ 基材
２１ｓ 受感領域
２１ｃ１、２１ｃ２ 連結領域
２１ｎ１、２１ｎ２ 不感領域
ＢＣ１ 第１ブリッジ回路（第１ホイートストンブリッジ回路）
ＢＣ２ 第２ブリッジ回路（第２ホイートストンブリッジ回路）
ＢＣ３ 第３ブリッジ回路（第３ホイートストンブリッジ回路）
ＲＸ_１、ＲＸ_２ 固定抵抗素子（第１方向固定抵抗素子）
ＲＹ_１、ＲＹ_２ 固定抵抗素子（第２方向固定抵抗素子）
Ｔ_１〜Ｔ_８ 端子
Ｘ_１、Ｘ_２ ひずみ受感素子（第１方向ひずみ受感素子）
Ｙ_１、Ｙ_２ ひずみ受感素子（第２方向ひずみ受感素子）
Ｚ_１、Ｚ_２ ひずみ受感素子（第３方向ひずみ受感素子）

Claims (7)

1. 第１方向に作用する荷重の第１ホイートストンブリッジ回路による検出、及び第１方向に直交する第２方向に作用する荷重の第２ホイートストンブリッジ回路による検出に用いられる起歪体であって、
   起歪部材と、
   前記起歪部材上に設けられた回路パターンとを備え、
   前記起歪部材は、検出対象の荷重を受けてひずみが生じる起歪領域と、前記起歪領域とは異なる領域とを有し、
   前記回路パターンは、第１ホイートストンブリッジ回路を構成する２つの第１方向ひずみ受感素子と、第２ホイートストンブリッジ回路を構成する２つの第２方向ひずみ受感素子と、第１ホイートストンブリッジ回路を構成する第１方向固定抵抗素子及び第２ホイートストンブリッジ回路を構成する第２方向固定抵抗素子の少なくとも一方を含み、
   前記２つの第１方向ひずみ受感素子、前記２つの第２方向ひずみ受感素子、並びに前記第１方向固定抵抗素子及び第２方向固定抵抗素子の少なくとも一方は同一材料で形成されており、
   前記２つの第１方向ひずみ受感素子及び前記２つの第２方向ひずみ受感素子は前記起歪領域に設けられており、前記第１方向固定抵抗素子及び第２方向固定抵抗素子の少なくとも一方は前記起歪領域とは異なる領域に設けられている起歪体。
2. 前記回路パターンは、第１ホイートストンブリッジ回路を構成する２つの第１方向固定抵抗素子と第２ホイートストンブリッジ回路を構成する２つの第２方向固定抵抗素子とを含み、
   前記２つの第１方向ひずみ受感素子、前記２つの第２方向ひずみ受感素子、前記２つの第１方向固定抵抗素子、及び前記２つの第２方向固定抵抗素子は同一材料で形成されており、
   前記２つの第１方向固定抵抗素子、及び前記２つの第２方向固定抵抗素子は前記起歪領域とは異なる領域に設けられている請求項１に記載の起歪体。
3. 前記回路パターンは少なくとも１つの端子を更に含み、
   前記少なくとも１つの端子が、前記起歪領域とは異なる領域に設けられている請求項１又は２に記載の起歪体。
4. 前記起歪領域とは異なる領域において、前記少なくとも１つの端子が、前記第１方向固定抵抗素子及び第２方向固定抵抗素子の少なくとも一方の前記起歪領域とは反対側に設けられている請求項３に記載の起歪体。
5. 前記起歪領域とは異なる領域は、前記起歪領域の両側に一対設けられている請求項１〜４のいずれか一項に記載の起歪体。
6. 前記回路パターンは２つの第３方向ひずみ受感素子又は２つの第３方向固定抵抗素子を更に含み、
   前記２つの第３方向ひずみ受感素子又は２つの第３方向固定抵抗素子は、第１ホイートストンブリッジ回路と第２ホイートストンブリッジ回路とを接続して第３ホイートストンブリッジ回路を構成する請求項１〜５のいずれか一項に記載の起歪体。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の起歪体と、
   前記起歪部材に接続された荷重作用部とを備えるセンサ。

Images