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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023117403
(43)【公開日】2023-08-23
(54)【発明の名称】力／トルクセンサのためのクォーターブリッジ温度補償
(51)【国際特許分類】
G01L 1/26 20060101AFI20230816BHJP
G01L 5/00 20060101ALI20230816BHJP
【ＦＩ】
G01L1/26 D
G01L5/00 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】22
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2023018497
(22)【出願日】2023-02-09
(31)【優先権主張番号】17/668,733
(32)【優先日】2022-02-10
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ＰＹＴＨＯＮ
(71)【出願人】
【識別番号】508274529
【氏名又は名称】エーティーアイ インダストリアル オートメーション， インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】ＡＴＩ ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ， ＩＮＣ．
【住所又は居所原語表記】Ｐｉｎｎａｃｌｅ Ｐａｒｋ， １０３１ Ｇｏｏｄｗｏｒｔｈ Ｄｒｉｖｅ， Ａｐｅｘ， Ｎｏｒｔｈ Ｃａｒｏｌｉｎａ ２７５３９， ＵＳＡ
(74)【代理人】
【識別番号】110003281
【氏名又は名称】弁理士法人大塚国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】フライスナー， デイビッド
【テーマコード（参考）】
2F051
【Ｆターム（参考）】
2F051AA10
2F051AB09
2F051AC04
2F051BA03
2F051BA05
2F051BA07
(57)【要約】 （修正有）
【課題】歪みゲージを採用する力／トルクセンサにおいて、熱ドリフトによる誤差を補償する。
【解決手段】ハードウェア温度補償手順は、トリミング抵抗器および単一の無応力歪みゲージを使用して、温度の変化に伴う複数の負荷検知歪みゲージの熱ドリフトを実質的に除去する。歪みゲージは、クォーターブリッジ構成で、複数の並列ステージで接続される。クォーターブリッジ構成の無応力歪みゲージは、並列に接続される。トリミング抵抗器は、所定の温度範囲に渡って前記負荷検知歪みゲージの熱ドリフトを実質的に排除する補償手順において、前記無応力歪みゲージおよび負荷検知歪みゲージの１つ以上に渡って追加される。
【選択図】なし
【解決手段】ハードウェア温度補償手順は、トリミング抵抗器および単一の無応力歪みゲージを使用して、温度の変化に伴う複数の負荷検知歪みゲージの熱ドリフトを実質的に除去する。歪みゲージは、クォーターブリッジ構成で、複数の並列ステージで接続される。クォーターブリッジ構成の無応力歪みゲージは、並列に接続される。トリミング抵抗器は、所定の温度範囲に渡って前記負荷検知歪みゲージの熱ドリフトを実質的に排除する補償手順において、前記無応力歪みゲージおよび負荷検知歪みゲージの１つ以上に渡って追加される。
【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
力／トルクセンサのための温度補償回路であって、
並列に接続された第１の複数の第１のステージであって、各第１のステージは、正電源電圧と負電源電圧との間で固定抵抗器及び負荷検知歪みゲージを直列に接続するノードにおいてそれぞれの電圧を出力するように構成されている、第１の複数の第１のステージと、
前記第１のステージと並列に接続された第２のステージであって、前記第２のステージは、正電源電圧と負電源電圧との間で固定抵抗器及び無応力歪みゲージを直列に接続するノードにおいて電圧を出力するように構成されている、第２のステージと、
前記第２のステージの電圧は、各第１のステージ電圧から減算され、
前記無応力歪みゲージに渡って並列に接続された無応力トリミング抵抗器と、を備え、
前記無応力トリミング抵抗器の値は、所定の温度範囲に渡って、前記無応力歪みゲージに対する、全ての負荷検知歪みゲージの、前記固定抵抗器に接続された前記電源電圧の極性とは反対の極性の、有効温度係数を、実質的に排除するように選択される、温度補償回路。
並列に接続された第１の複数の第１のステージであって、各第１のステージは、正電源電圧と負電源電圧との間で固定抵抗器及び負荷検知歪みゲージを直列に接続するノードにおいてそれぞれの電圧を出力するように構成されている、第１の複数の第１のステージと、
前記第１のステージと並列に接続された第２のステージであって、前記第２のステージは、正電源電圧と負電源電圧との間で固定抵抗器及び無応力歪みゲージを直列に接続するノードにおいて電圧を出力するように構成されている、第２のステージと、
前記第２のステージの電圧は、各第１のステージ電圧から減算され、
前記無応力歪みゲージに渡って並列に接続された無応力トリミング抵抗器と、を備え、
前記無応力トリミング抵抗器の値は、所定の温度範囲に渡って、前記無応力歪みゲージに対する、全ての負荷検知歪みゲージの、前記固定抵抗器に接続された前記電源電圧の極性とは反対の極性の、有効温度係数を、実質的に排除するように選択される、温度補償回路。
【請求項2】
第２の複数の負荷トリミング抵抗器であって、各々が、負荷検知歪みゲージにわたって並列に接続される、第２の複数の負荷トリミング抵抗器をさらに備え、
各負荷トリミング抵抗器の値は、前記所定の温度範囲に渡って、前記無応力歪みゲージに対する、関連する負荷検知歪みゲージの、前記固定抵抗器に接続された前記電源電圧の前記極性の、有効温度係数を実質的に排除するように選択される、請求項１に記載の回路。
各負荷トリミング抵抗器の値は、前記所定の温度範囲に渡って、前記無応力歪みゲージに対する、関連する負荷検知歪みゲージの、前記固定抵抗器に接続された前記電源電圧の前記極性の、有効温度係数を実質的に排除するように選択される、請求項１に記載の回路。
【請求項3】
前記第２の複数は、１つの負荷検知歪みゲージがそれに渡って接続された負荷トリミング抵抗器を有さないように、前記第１の複数よりも１つ少ない、請求項２に記載の回路。
【請求項4】
負荷トリミング抵抗器を有さない前記負荷検知歪みゲージは、トリミング抵抗器が前記無応力歪みゲージに渡って接続されていない場合に、前記無応力歪みゲージに対して、前記固定抵抗器に接続された前記電源電圧の前記極性の、最大有効温度係数を示す前記負荷検知歪みゲージである、請求項３に記載の回路。
【請求項5】
前記無応力歪みゲージは、前記力／トルクセンサが加えられた力および／またはトルクを測定するときに、実質的に機械的歪みを受けない前記力／トルクセンサの部材に取り付けられる、請求項１に記載の回路。
【請求項6】
前記負荷検知歪みゲージは、前記力／トルクセンサによって測定される力および／またはトルクから機械的変形を受ける異なる変形可能なビームの同じ側に対で取り付けられる、請求項１に記載の回路。
【請求項7】
前記第１の複数は６つであり、３つの変形可能なビームが、その上に取り付けられた負荷検知歪みゲージを有する、請求項６に記載の回路。
【請求項8】
力／トルクセンサのための温度補償回路であって、
並列に接続された第１の複数の第１のステージであって、各第１のステージは、正電源電圧と負電源電圧との間で固定抵抗器及び負荷検知歪みゲージを直列に接続するノードにおいて、それぞれの電圧を出力するように構成されている、第１の複数の第１のステージと、
前記第１のステージと並列に接続された第２のステージであって、前記第２のステージは、正電源電圧と負電源電圧との間で固定抵抗器及び無応力歪みゲージを直列に接続するノードにおいて、電圧を出力するように構成されている、第２のステージと、
前記第２のステージの電圧は、各第１のステージの電圧から減算され、
第２の複数の負荷トリミング抵抗器であって、各々が、負荷検知歪みゲージに渡って並列に接続される、第２の複数の負荷トリミング抵抗器と、を備え、
各負荷トリミング抵抗器の値は、前記所定の温度範囲に渡って、前記無応力歪みゲージに対する、関連する負荷検知歪みゲージの、前記固定抵抗器に接続された前記電源電圧の前記極性の、有効温度係数を実質的に排除するように選択される、温度補償回路。
並列に接続された第１の複数の第１のステージであって、各第１のステージは、正電源電圧と負電源電圧との間で固定抵抗器及び負荷検知歪みゲージを直列に接続するノードにおいて、それぞれの電圧を出力するように構成されている、第１の複数の第１のステージと、
前記第１のステージと並列に接続された第２のステージであって、前記第２のステージは、正電源電圧と負電源電圧との間で固定抵抗器及び無応力歪みゲージを直列に接続するノードにおいて、電圧を出力するように構成されている、第２のステージと、
前記第２のステージの電圧は、各第１のステージの電圧から減算され、
第２の複数の負荷トリミング抵抗器であって、各々が、負荷検知歪みゲージに渡って並列に接続される、第２の複数の負荷トリミング抵抗器と、を備え、
各負荷トリミング抵抗器の値は、前記所定の温度範囲に渡って、前記無応力歪みゲージに対する、関連する負荷検知歪みゲージの、前記固定抵抗器に接続された前記電源電圧の前記極性の、有効温度係数を実質的に排除するように選択される、温度補償回路。
【請求項9】
前記無応力歪みゲージに渡って並列に接続された無応力トリミング抵抗器をさらに備え、
前記無応力トリミング抵抗器の値は、所定の温度範囲に渡って、前記無応力歪みゲージに対する、全ての負荷検知歪みゲージの、前記固定抵抗器に接続された前記電源電圧の極性とは反対の前記極性の、有効温度係数を実質的に排除するように選択される、請求項１に記載の回路。
前記無応力トリミング抵抗器の値は、所定の温度範囲に渡って、前記無応力歪みゲージに対する、全ての負荷検知歪みゲージの、前記固定抵抗器に接続された前記電源電圧の極性とは反対の前記極性の、有効温度係数を実質的に排除するように選択される、請求項１に記載の回路。
【請求項10】
前記第２の複数は、１つの負荷検知歪みゲージがそれに渡って接続された負荷トリミング抵抗器を有さないように、前記第１の複数よりも１つ少ない、請求項９に記載の回路。
【請求項11】
負荷トリミング抵抗器を有さない前記負荷検知歪みゲージは、前記負荷トリミング抵抗器を接続する前に、前記無応力歪みゲージに対して、最大の負の有効温度係数を示した前記負荷検知歪みゲージである、請求項１０に記載の回路。
【請求項12】
前記無応力歪みゲージは、前記力／トルクセンサが加えられた力および／またはトルクを測定するときに、実質的に機械的歪みを受けない前記力／トルクセンサの部材に取り付けられる、請求項８に記載の回路。
【請求項13】
前記負荷検知歪みゲージは、前記力／トルクセンサによって測定される力および／またはトルクから機械的変形を受ける異なる変形可能なビームの同じ側に対で取り付けられる、請求項８に記載の回路。
【請求項14】
前記第１の複数は６つであり、３つの変形可能なビームが、その上に取り付けられた負荷検知歪みゲージを有する、請求項１３に記載の回路。
【請求項15】
各第１のステージが、正電源電圧と負電源電圧との間で固定抵抗器及び負荷検知歪みゲージを直列に接続するノードにおいてそれぞれの電圧を出力するように構成された、並列に接続された複数の第１のステージと、前記第１のステージと並列に接続された第２のステージであって、正電源電圧と負電源電圧との間で固定抵抗器及び無応力歪みゲージを直列に接続するノードにおいて、電圧を出力するように構成された、第２のステージとを備える回路において、熱ドリフトに対して力／トルクセンサにおける複数の負荷検知歪みゲージを補償する方法であって、
前記第２のステージおよび各第１のステージの出力電圧を測定し、所定の温度範囲に渡って、各第１のステージの出力電圧から前記第２のステージの出力電圧を減算することと、
前記無応力歪みゲージに対する、前記固定抵抗器に接続された前記電源電圧の極性とは反対の極性の、有効温度係数を少なくとも１つの負荷検知歪みゲージが示すことに応答して、前記無応力歪みゲージに渡って並列に無応力トリミング抵抗器を追加することであって、前記無応力トリミング抵抗器の値は、前記所定の温度範囲に渡って、全ての負荷検知歪みゲージの、前記無応力歪みゲージに対する、前記固定抵抗器に接続された前記電源電圧の極性とは反対の前記極性の、前記有効温度係数を実質的に排除するように選択される、ことと、
各負荷検知歪みゲージについて、前記無応力歪みゲージに対する、前記固定抵抗器に接続された前記電源電圧の極性の、有効温度係数を前記負荷検知歪みゲージが示すことに応答して、前記負荷検知歪みゲージに渡って並列に負荷検知トリミング抵抗器を追加することであって、前記負荷検知トリミング抵抗器の値は、前記所定の温度範囲に渡って、前記負荷検知歪みゲージの、前記無応力歪みゲージに対する、前記固定抵抗器に接続された前記電源電圧の前記極性の、前記有効温度係数を実質的に排除するように選択される、ことと、
を含む、方法。
前記第２のステージおよび各第１のステージの出力電圧を測定し、所定の温度範囲に渡って、各第１のステージの出力電圧から前記第２のステージの出力電圧を減算することと、
前記無応力歪みゲージに対する、前記固定抵抗器に接続された前記電源電圧の極性とは反対の極性の、有効温度係数を少なくとも１つの負荷検知歪みゲージが示すことに応答して、前記無応力歪みゲージに渡って並列に無応力トリミング抵抗器を追加することであって、前記無応力トリミング抵抗器の値は、前記所定の温度範囲に渡って、全ての負荷検知歪みゲージの、前記無応力歪みゲージに対する、前記固定抵抗器に接続された前記電源電圧の極性とは反対の前記極性の、前記有効温度係数を実質的に排除するように選択される、ことと、
各負荷検知歪みゲージについて、前記無応力歪みゲージに対する、前記固定抵抗器に接続された前記電源電圧の極性の、有効温度係数を前記負荷検知歪みゲージが示すことに応答して、前記負荷検知歪みゲージに渡って並列に負荷検知トリミング抵抗器を追加することであって、前記負荷検知トリミング抵抗器の値は、前記所定の温度範囲に渡って、前記負荷検知歪みゲージの、前記無応力歪みゲージに対する、前記固定抵抗器に接続された前記電源電圧の前記極性の、前記有効温度係数を実質的に排除するように選択される、ことと、
を含む、方法。
【請求項16】
無応力トリミング抵抗器を追加することは、
前記無応力歪みゲージに対する、前記固定抵抗器に接続された前記電源電圧の極性とは反対の前記極性の、最大有効温度係数を示す負荷検知歪みゲージを識別することと、
前記無応力歪みゲージに渡って第１の無応力トリミング抵抗器を並列に追加することと、
前記所定の温度範囲に渡って、前記識別された負荷検知歪みゲージの応答を測定することと、
反復的に、前記無応力歪みゲージに対する、前記固定抵抗器に接続された前記電源電圧の極性とは反対の前記極性の、有効温度係数を前記識別された負荷検知歪みゲージが示すことに応答して、
前記識別された負荷検知歪みゲージが、前記所定の温度範囲に渡って、前記無応力歪みゲージに対して、実質的にゼロの有効温度係数を示すまで、
現在の無応力トリミング抵抗器に代えて、異なる無応力トリミング抵抗器を使用することと、
前記所定の温度範囲に渡って、前記識別された負荷検知歪みゲージの応答を測定することと、
を含む、請求項１５に記載の方法。
前記無応力歪みゲージに対する、前記固定抵抗器に接続された前記電源電圧の極性とは反対の前記極性の、最大有効温度係数を示す負荷検知歪みゲージを識別することと、
前記無応力歪みゲージに渡って第１の無応力トリミング抵抗器を並列に追加することと、
前記所定の温度範囲に渡って、前記識別された負荷検知歪みゲージの応答を測定することと、
反復的に、前記無応力歪みゲージに対する、前記固定抵抗器に接続された前記電源電圧の極性とは反対の前記極性の、有効温度係数を前記識別された負荷検知歪みゲージが示すことに応答して、
前記識別された負荷検知歪みゲージが、前記所定の温度範囲に渡って、前記無応力歪みゲージに対して、実質的にゼロの有効温度係数を示すまで、
現在の無応力トリミング抵抗器に代えて、異なる無応力トリミング抵抗器を使用することと、
前記所定の温度範囲に渡って、前記識別された負荷検知歪みゲージの応答を測定することと、
を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項17】
前記所定の温度範囲に渡って、前記識別された負荷検知歪みゲージの応答を反復的に測定することは、前記所定の温度範囲に渡って前記回路のモデルをシミュレートすることと、前記識別された負荷検知歪みゲージのシミュレートされた応答を記録することとを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項18】
負荷検知トリミング抵抗器を追加することは、前記無応力歪みゲージに対する、前記固定抵抗器に接続された前記電源電圧の前記極性の、有効温度係数を示すと識別された各負荷検知歪みゲージについて、
前記負荷検知歪みゲージに渡って並列に第１の負荷検知トリミング抵抗器を追加することと、
前記所定の温度範囲に渡って、前記負荷検知歪みゲージの応答を測定することと、
反復的に、前記固定抵抗器に接続された前記電源電圧の前記極性の、有効温度係数を前記負荷検知歪みゲージが示すことに応答して、
前記負荷検知歪みゲージが、前記所定の温度範囲に渡って、前記無応力歪みゲージに対して、実質的にゼロの有効温度係数を示すまで、
現在の負荷検知トリミング抵抗器に代えて、異なる負荷検知トリミング抵抗器を使用することと、
前記所定の温度範囲に渡って、前記負荷検知歪みゲージの応答を測定することと、
を含む、請求項１５に記載の方法。
前記負荷検知歪みゲージに渡って並列に第１の負荷検知トリミング抵抗器を追加することと、
前記所定の温度範囲に渡って、前記負荷検知歪みゲージの応答を測定することと、
反復的に、前記固定抵抗器に接続された前記電源電圧の前記極性の、有効温度係数を前記負荷検知歪みゲージが示すことに応答して、
前記負荷検知歪みゲージが、前記所定の温度範囲に渡って、前記無応力歪みゲージに対して、実質的にゼロの有効温度係数を示すまで、
現在の負荷検知トリミング抵抗器に代えて、異なる負荷検知トリミング抵抗器を使用することと、
前記所定の温度範囲に渡って、前記負荷検知歪みゲージの応答を測定することと、
を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項19】
前記所定の温度範囲に渡って前記負荷検知歪みゲージの応答を反復的に測定することは、前記所定の温度範囲に渡って前記回路のモデルをシミュレートすることと、前記負荷検知歪みゲージのシミュレートされた応答を記録することとを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項20】
前記無応力歪みゲージは、前記力／トルクセンサが、加えられた力および／またはトルクを測定するときに、実質的に機械的歪みを受けない前記力／トルクセンサの部材に取り付けられる、請求項１５に記載の方法。
【請求項21】
前記力／トルクセンサは、６つの負荷検知歪みゲージを含み、そのうちの２つが、加えられた力および／またはトルクから機械的変形を受ける３つの変形可能なビームの各々に取り付けられる、請求項１５に記載の方法。
【請求項22】
各変形可能なビーム上の前記２つの負荷検知歪みゲージは、前記変形可能なビームの同じ側に取り付けられる、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、概してロボット力／トルクセンサに関し、特に、無応力歪みゲージを有するホイートストンクォーターブリッジ回路構成における複数の負荷（荷重）検知歪みゲージを温度補償するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【0002】
ロボットは、製品の製造、試験、組み立て、および梱包、補助的手術および遠隔手術、宇宙探査、危険な環境での動作、ならびに多くの他の用途に不可欠な存在である。多くのロボットおよびロボットアプリケーションは、材料除去（研削、研磨など）、部品組立、遠隔掘削、または環境の他の操作など、加えられるまたは経験される力の定量化を必要とする。
【0003】
産業用ロボットは、典型的には空間を移動し、多数の自由度に沿ってワークピース上で動作するようにプログラムされた、汎用アクチュエータ、すなわち「アーム」を備える。エンドエフェクタとしても知られる様々な異なるツールをロボットアームに取り付けて、異なるタスクを実行することができる。
【0004】
ロボットがワークピースに加える力の程度を監視および制御しなければならない、および／またはロボットが受ける力をフィードバックしてロボットの動作（動き）を制御する（「力制御」動作）用途では、ロボットアームとツールとの間に力／トルク（Ｆ／Ｔ）センサが介在する。
【0005】
従来のタイプのＦ／Ｔセンサの１つは、歪みゲージを使用して、２つの機械部品、－すなわち一方がロボットアームに（直接的または間接的に）結合され、他方がロボットツールに（直接的または間接的に）結合される－、を接続する小さなビーム（梁）の変形を測定する。そのようなＦ／Ｔセンサの１つのコンパクトな例は、開示の譲受人に譲渡された米国特許第１０，４２２，７０７号明細書（「'７０７特許」）に記載されており、本その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【0006】
'７０７特許から再現された図１は、ツールアダプタプレート（ＴＡＰ）と呼ばれる、ツールに結合された中央「ハブ」を示す。ＴＡＰの周りに環状に配置され、ＴＡＰから離間して配置され、当技術分野では取付アダプタプレート（ＭＡＰ）と呼ばれる別の本体が、ロボットアームに結合される。ＭＡＰとＴＡＰは、ＴＡＰの周りに放射状に配置された、複数の比較的薄い、したがって機械的に変形可能なビームによって接続され、ある構成では車輪のスポークに似ている。ＴＡＰおよびＭＡＰにそれぞれ結合された物体間の相対的な力またはトルクは、ＴＡＰに対してＭＡＰを移動させようとし、結果として、少なくともいくつかのビームがわずかに変形または屈曲する。
【0007】
典型的には、少なくともいくつかのビームの複数の表面に取り付けられた歪みゲージが、この変形を検出する。機械的変形を受けるビームは、一方の側に沿ってわずかに伸長し、反対側に沿って圧縮される。そのようなビームの側面に堅固に取り付けられた抵抗性歪みは、それぞれ、対応する伸びまたは縮みを受け、歪みゲージの抵抗はその長さに比例する。したがって、ホイートストンブリッジ回路のいくつかの構成などによって、歪みゲージの抵抗の変化を検出して定量化し、複数のゲージからの信号を組み合わせて、Ｆ／Ｔセンサに作用する力およびトルクを分解することができる。
【0008】
'７０７特許は、変形可能なビームの片側のみに取り付けられた歪みゲージを記載し、図１に示す。この構成は、全ての力およびトルクを依然として分解しながら、非常にコンパクトなセンサ本体および製造時の歪みゲージの配置の容易さを可能にする。歪みゲージは、'７０７特許の図３から再現される図２に示されるように、クォーターブリッジ回路に接続される。
【0009】
ロボット力／トルクセンサにおける誤差の主な原因は、熱ドリフトによる不正確さである。熱ドリフトの原因は、周囲温度変化、周囲温度勾配、及び自己加熱を含む。シリコン歪みゲージの場合、温度変化によるゲージ回路の出力電圧の変化は、誘起応力による出力電圧変化の大きさの数倍であり得る。実際、シリコン歪みゲージは、応力センサよりも良好な温度センサであると考えることができる。ハーフブリッジトポロジーで歪みゲージを接続することにより、ゲージが十分に整合されている場合にのみ、また、ゲージが互いに正確に対向して配置されている場合にのみ、温度の影響を補償することができる。さらに、歪みゲージ出力に影響を与えることに加えて、ロボット力－トルクセンサの温度変化は、構造要素の不均等な膨張／圧縮に起因する機械的応力を誘発する可能性があり、センサは、加えられた負荷または力として解釈しうる。
【0010】
熱ドリフトを補償するための１つのアプローチは、歪みゲージに対する温度変化の影響を捕捉し、それらを数学的に除去することである。'７０７特許の図８である図３は、Ｆ／Ｔセンサの無応力機械部材に取り付けられた無応力温度補償歪みゲージを示す。この歪みゲージは、その抵抗を変化させるための機械的変形を受けないので、抵抗の変化は、Ｆ／Ｔセンサ本体の温度の変化のみに起因する。無応力歪みゲージからの信号は、熱の影響を補償するために、負荷検知歪みゲージからの信号から数学的に除去される。
【0011】
本開示の譲受人に譲渡され、その全体が参照により本明細書に組み込まれる国際公開２０１８／２００６６８号は、各負荷検知歪みゲージについてクォーターブリッジ回路によって出力される電圧から、無応力歪みゲージのクォーターブリッジ回路によって出力される電圧を減算することを記載している。第'６６８号ＰＣＴ公報の図２である図４は、歪みゲージＳＧ０およびＳＧ１の信号から無応力歪みゲージＳＧＵ信号が減算されることを示している。
【0012】
しかし、個々の歪みゲージの温度係数の違いにより、無応力歪みゲージ回路の出力が減算された場合でも、負荷検知歪みゲージ回路は、温度変化に対する出力の変動を示す。すなわち、負荷検知歪みゲージの少なくともいくつかは、無応力歪みゲージとは異なる、温度に対する抵抗値の変化を示す。これは、本明細書では、無応力歪みゲージに対する有効温度係数と呼ばれる。これらの有効温度係数は、温度が変化するにつれて熱ドリフトをもたらし、力およびトルクの測定に誤差を生じさせる。
【0013】
本明細書の背景技術は、本発明の実施形態を技術的および動作的な文脈に置き、当業者がそれらの範囲および有用性を理解するのを助けるために提供される。背景技術に記載されているアプローチは、追求することができるが、必ずしも以前に着想または追求されているアプローチではない。そのように明示的に特定されない限り、本明細書におけるいかなる記述も、単に背景技術セクションに含まれることによって、従来技術であると認められるものではない。
【発明の概要】
【0014】
以下は当業者に基本的な理解を提供するために、本開示の簡略化された発明の概要を提示する。この概要は、本開示の広範な概要略ではなく、本発明の実施形態の主要／重要な要素を識別すること、または本発明の範囲を線引きすることを意図するものではない。この概要の唯一の目的は、本明細書で開示されるいくつかの概念を、後で提示されるより詳細な説明の前置きとして簡略化された形で提示することである。
【0015】
本明細書に記載され、特許請求される１つ以上の実施形態によれば、ハードウェア温度補償手順は、トリミング抵抗器を使用して、無応力歪みゲージに対する、負荷（荷重）検知歪みゲージの任意の有効温度係数を実質的に排除する。前記歪みゲージは、クォーターブリッジ構成で、複数の並列ステージで接続される。クォーターブリッジ構成の無応力歪みゲージは、並列に接続される。トリミング抵抗器は、所定の温度範囲に渡って、前記無応力歪みゲージに対する、負荷検知歪みゲージの任意の有効温度係数を実質的に排除する補償手順において、前記無応力歪みゲージおよび負荷検知歪みゲージのうちの１つ以上に渡って追加される。
【0016】
一実施形態は、力／トルクセンサのための温度補償回路に関する。前記回路は、並列に接続された第１の複数の第１のステージを含む。各第１のステージは、正電源電圧と負電源電圧との間で固定抵抗器及び負荷検知歪みゲージを直列に接続するノードにおいてそれぞれの電圧を出力するように構成される。前記回路はまた、前記第１のステージと並列に接続された第２のステージを含む。前記第２のステージは、正電源電圧と負電源電圧との間で固定抵抗器及び無応力歪みゲージを直列に接続するノードにおいて電圧を出力するように構成される。前記第２のステージの電圧は、各第１のステージ電圧から減算される。前記回路は、前記無応力歪みゲージに渡って並列に接続された無応力トリミング抵抗器をさらに含む。前記無応力トリミング抵抗器の値は、所定の温度範囲に渡って、前記無応力歪みゲージに対する、全ての負荷検知歪みゲージの、前記固定抵抗器に接続された前記電源の極性とは反対の極性の、有効温度係数を実質的に排除するように選択される。
【0017】
別の実施形態は、力／トルクセンサのための温度補償回路に関する。前記回路は、並列に接続された第１の複数の第１のステージを含む。各第１のステージは、正電源電圧と負電源電圧との間で固定抵抗器及び負荷検知歪みゲージを直列に接続するノードにおいてそれぞれの電圧を出力するように構成される。前記回路はまた、前記第１のステージと並列に接続された第２のステージを含む。前記第２のステージは、正電源電圧と負電源電圧との間で固定抵抗器及び無応力歪みゲージを直列に接続するノードにおいて電圧を出力するように構成される。前記第２のステージの電圧は、各第１のステージ電圧から減算される。前記回路は、第２の複数の負荷トリミング抵抗器をさらに含む。各負荷トリミング抵抗器は、負荷検知歪みゲージに渡って並列に接続される。各負荷トリミング抵抗器の値は、前記所定の温度範囲に渡って、前記無応力歪みゲージに対する、関連する負荷検知歪みゲージの、前記固定抵抗器に接続された前記電源の極性の、有効温度係数を実質的に排除するように選択される。
【0018】
さらに別の実施形態は、熱ドリフトに対して力／トルクセンサにおける複数の負荷検知歪みゲージを補償する方法に関する。回路は、並列に接続された複数の第１のステージを含む。各第１のステージは、正電源電圧と負電源電圧との間で固定抵抗器及び負荷検知歪みゲージを直列に接続するノードにおいてそれぞれの電圧を出力するように構成される。前記回路はまた、前記第１のステージと並列に接続された第２のステージを含む。前記第２のステージは、正電源電圧と負電源電圧との間で固定抵抗器及び無応力歪みゲージを直列に接続するノードにおいて電圧を出力するように構成される。前記第２のステージおよび各第１のステージの前記出力電圧が測定され、前記第２のステージの出力電圧が、所定の温度範囲に渡って、各第１のステージの出力電圧から減算される。前記無応力歪みゲージに対する、前記固定抵抗器に接続された前記電源の極性と反対の極性の、有効温度係数を少なくとも１つの負荷検知歪みゲージが示すことに応答して、無応力トリミング抵抗器が、前記無応力歪みゲージに渡って並列に追加される。前記無応力トリミング抵抗器の値は、前記所定の温度範囲に渡って、全ての負荷検知歪みゲージの、前記無応力歪みゲージに対する、前記固定抵抗器に接続された前記電源の反対の極性の、有効温度係数を実質的に排除するように選択される。各負荷検知歪みゲージについて、前記無応力歪みゲージに対する、前記固定抵抗器に接続された前記電源の極性の、有効温度係数を前記負荷検知歪みゲージが示すことに応答して、負荷検知トリミング抵抗器が前記負荷検知歪みゲージに渡って並列に追加される。前記負荷検知トリミング抵抗器の値は、前記所定の温度範囲に渡って、前記負荷検知歪みゲージの、前記無応力歪みゲージに対する、前記固定抵抗器に接続された前記電源の極性の、有効温度係数を実質的に排除するように選択される。
【図面の簡単な説明】
【0019】
以下、本発明の実施形態を示す添付図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。しかしながら、本発明は、本明細書に記載の実施形態に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が十分かつ完全になるように提供され、本発明の範囲を当業者に十分に伝えるのであろう。同じ参照符号は全体を通して同じ要素を指す。
【0020】
【0021】
【0022】
【0023】
【0024】
【0025】
【0026】
【0027】
【0028】
【0029】
【0030】
【0031】
【0032】
【発明を実施するための形態】
【0033】
本発明は、簡単かつ例示的な目的のために、主にその例示的な実施形態を参照することによって説明される。これから述べる説明において、本発明を完全に理解するために、数多くの具体的な詳細が説明される。しかしながら、本発明がこれらの特定の詳細に限定されることなく実施され得ることは、当業者には容易に明らかであろう。本明細書では、本発明を不必要に不明瞭にしないように、周知の方法および構造については詳細に説明しない。
【0034】
本発明の実施形態は、上記で組み込まれた米国特許第１０，４２２，７０７号（「７０７特許」）に記載されているコンパクトな力／トルク（Ｆ／Ｔ）センサの文脈で本明細書に記載されている。しかしながら、本発明はこの用途に限定されず、当業者は、実施形態が多種多様なＦ／Ｔセンサに有利に適用され得ることを容易に認識するのであろう。本明細書の図１～３はそれぞれ、'７０７特許の図１、３、および８から再現され、図４は'６６８ ＰＣＴ公報の図２から再現されている。説明を明確にするために、'７０７特許における要素の番号付けがここで採用される。
【0035】
図１は、Ｆ／Ｔセンサ１０の一実施形態の平面図を示す。ＴＡＰ１２は、３つの変形可能なビーム１６ａ、１６ｂ、１６ｃによってＭＡＰ１４に接続される。図示された実施形態では、各ビーム１６は、ＴＡＰ１２に直接接続され、薄い屈曲部１７によってＭＡＰ１４に接続され、これは機械的負荷下でのビーム１６の変形を助ける。ＴＡＰ１２は、貫通孔３０を介して、ロボットツールなどの第１の物体に接続されるように構成される。ＭＡＰ１４は、複数の取付孔３２を介して、ロボットアーム等の第２の物体に接続されるように構成されている。ＴＡＰ１２およびＭＡＰ１４は、ビーム１６および屈曲部１７によってのみ接続される。
【0036】
各ビーム１６ａ～ｃの上面に（のみ）固定されているのは、負荷検知歪みゲージ１～６である。本明細書で使用する場合、用語「負荷検知歪みゲージ」は、Ｆ／Ｔセンサが加えられた力及び／又はトルクを測定するときに機械的応力を受ける、Ｆ／Ｔセンサの部材（変形可能なビーム１６など）に取り付けられた歪みゲージを指す。他の実施形態では、負荷検知歪みゲージは、変形可能なビーム１６の複数の表面、例えば、その反対側の表面（例えば、反対側の面、上面および下面）に取り付けられてもよい。Ｆ／Ｔセンサ１０はまた、各負荷検知歪みゲージ１～６から電気信号を受信し、信号を処理して、ＭＡＰ１４とＴＡＰ１２との間に加えられる力（複数可）およびトルク（複数可）の大きさおよび方向を分解するように動作する処理回路（図示せず）を含む。そのような処理回路は、例えば、プログラムコードおよびセンサデータを記憶するように動作可能なメモリに結合されたマイクロプロセッサを備え得る。
【0037】
図２は、クォーターブリッジ構成で配線された２つの負荷検知歪みゲージを示している。'７０７号特許に記載されているように、この回路構成は、２つの負荷検知歪みゲージの抵抗ＲLSnの変化から、それぞれの負荷検知歪みゲージが取り付けられているビーム１６の表面の一部分が引張状態または圧縮状態のどちらであるかを区別するのに十分である。全ての６つの負荷検知歪みゲージについてこの情報を比較すれば、力Ｆｘ、Ｆｙ、ＦｘおよびトルクＴｘ、Ｔｙ、Ｔｚを決定するのに十分である。
【0038】
図３は、無応力歪みゲージ３８を示す。無応力歪みゲージ３８は、ＴＡＰ１２内に空隙３５を形成することによって形成される拡張部３７に取り付けられる。拡張部３７は、Ｆ／Ｔセンサ１０に加えられた、または受けた任意の力またはトルクによる変形を受けない。したがって、無応力歪みゲージ３５の抵抗の変化は、温度変化によって生じる。本明細書で使用する場合、「無応力歪みゲージ」という用語は、Ｆ／Ｔセンサが加えられた力及び／又はトルクを測定するときに、実質的に機械的応力を受けないＦ／Ｔセンサの部材に取り付けられた、他の点で負荷検知歪みゲージに実質的に類似する歪みゲージを意味する。
【0039】
図４は、クォーターブリッジ回路構成における２つの負荷検知歪みゲージＳＧ０およびＳＧ１を示す。負荷検知歪みゲージ信号は、同じ区クォーターブリッジ回路に配線された、無応力歪みゲージＳＧＵからの信号を減算することによって、熱ドリフトに対して部分的に補償される。無応力歪みゲージＳＧＵ信号のこの減算は、温度変化に対するＦ／Ｔセンサの性能を改善するが、温度に対する各負荷検知歪みゲージＳＧ０、ＳＧ１の抵抗の変化は、無応力歪みゲージＳＧＵのそれとは正確に一致しない。したがって、負荷検知歪みゲージＳＧ０、ＳＧ１のいくつかは、Ｆ／Ｔセンサが温度変化を受けるとき、無応力歪みゲージに対する、有効温度係数を示す。この有効温度係数は、Ｆ／Ｔセンサ温度が変化するにつれて、力およびトルクの測定に悪影響を及ぼす。
【0040】
図５は、Ｆ／Ｔセンサにおける負荷検知歪みゲージの抵抗値の変化を測定するための回路、および、熱ドリフトを補償するための可能なトリミング抵抗器を示す。複数の第１のステージが並列に接続されており、各第１のステージは、正電源電圧と負電源電圧との間で固定抵抗器と負荷検知歪みゲージとを直列に接続するノードにおいてそれぞれの電圧を出力するように構成される。ｉ番目の負荷検知歪みゲージの抵抗値は、ＲLSi（すなわち、ＲLS0、ＲLS1、．．．ＲLS(n-1)）と表される。図示の回路ではｎ＝６であるが、これは本発明を限定するものではない。変数ＲLSiは、ｉ番目の負荷検知歪みゲージの抵抗値のみを適切に指すが、以下の説明では便宜上、歪みゲージそのものをＲLSiと表記する（及び負荷検知歪みゲージをまとめてＲLSと表記する）ことがある。ｎ個の負荷検知歪みゲージＲLS0、ＲLS1、．．．ＲLS(n-1)の各々は、対応する固定抵抗器RF0, RF1, . . . , RF(n-1)に直列に接続される。図５の回路構成では、固定抵抗器が正電圧源に接続されており、他の実施形態では、固定抵抗器が負電圧源に接続されていてもよいことに留意されたい。実際には、全ての固定抵抗器ＲFは、１ｋΩなどの同じ値を有することができる。一実施形態では、固定抵抗器ＲFの数値は、本明細書でより詳しく説明するように、電圧測定値を好ましい範囲内に維持するように、変更することができる。
【0041】
第１のステージは、印加されるソース電圧Ｖ＋とＶ－との間で並列に接続される。クォーターブリッジ回路は、負荷検知歪みゲージＲLSiと固定抵抗器ＲFnの間の、各第１のステージの中間点で電圧測定を行うことによって形成される。
【0042】
第２のステージは、第１のステージと並列に接続される。第２のステージは、正電源電圧と負電源電圧との間で固定抵抗器ＲFUと無応力歪みゲージＲUとを直列に接続するノードにおいて、電圧を出力するように構成される。固定抵抗器ＲFUは、正電源電圧に接続されている。実際には、固定抵抗器ＲFUは、第１のステージの固定抵抗器ＲFと同じ値を有することができる。無応力歪みゲージＲUは、負荷検知歪みゲージＲLSと実質的に同様であり、唯一の違いは、それが、加えられた力またはトルクの下で機械的応力を受けないＦ／Ｔセンサの部材に取り付けられることである。
【0043】
各歪みゲージＲLSi、ＲUの出力は、対応するステージの中間点で測定される電圧である。図４に示すように、第２のステージの出力電圧は、各第１のステージの出力電圧から減算される。このことから、固定抵抗器ＲFn、ＲFUの既知の値を用いて、負荷検知歪みゲージＲLSnの抵抗値の変化、ひいては機械的応力を引き起こす加えられた力およびトルクを計算することができる。本明細書に記載の補正手順は、各負荷検知歪みゲージＲLSiについて、無応力歪みゲージＲUに対する、任意の有効温度係数を実質的に排除して、力／トルクの計測値から熱ドリフトを実質的に排除する。
【0044】
上述のように、固定抵抗器ＲFn、ＲFUは、正の電圧源に接続される。これは、温度上昇に伴う負荷検知歪みゲージＲLSnと無応力歪みゲージＲUとの間の相対的な温度ドリフトの方向、すなわち、本明細書では「極性」とも呼ばれる、正または負の方向を決定する。この相対的な熱ドリフト、より正確には、無応力歪みゲージＲUに対する負荷検知歪みゲージＲLSiの温度上昇に伴う抵抗値の変化率の差は、本明細書では無応力歪みゲージＲUに対する負荷検知歪みゲージＲLSnの有効温度係数と呼ばれる。有効温度係数の方向または極性は、固定抵抗器ＲFn、ＲFUが正または負の電源電圧に接続されているかどうかに依存する。ここでは、説明を明確にするために、図５の回路構成を想定し、固定抵抗器ＲFn、ＲFUを正電圧源に接続するものとする。
【0045】
図５は、各負荷検知歪みゲージＲLSに渡って並列に接続された可能なトリミング抵抗器ＲLSTと、無応力歪みゲージＲUに渡って並列に接続された可能なトリミング抵抗器ＲUTとを示している。トリミング抵抗器ＲLST、ＲUTは、破線で示されており、温度補償手順中に各々が任意の所与の歪みゲージに追加されても追加されなくてもよいことを示している。負荷検知歪みゲージＲLSnに渡る任意のトリミング抵抗器は、本明細書では負荷検知トリミング抵抗器ＲLSTと呼ばれ、無応力歪みゲージＲUに渡る任意のトリミング抵抗器は、本明細書では無応力トリミング抵抗器ＲUTと呼ばれる（負荷検知トリミング抵抗器ＲLSTは、いかなる負荷も検知せず、無応力トリミング抵抗器ＲUTが機械的応力を受けるかどうかは無関係である－トリミング抵抗器に適用される用語は参考のためのみである）。任意のトリミング抵抗器ＲLST、ＲUTの値は、温度の変化に対する反復処理において決定され、それはいくつかの実施形態ではシミュレートされ得る。
【0046】
本発明の実施形態によれば、負荷検知歪みゲージＲLSは、所定の温度範囲に渡って、無応力歪みゲージＲUに対する、有効温度係数を実質的に排除するように温度補償される。図５の回路構成では、無応力歪みゲージＲUにトリミング抵抗器ＲUTを追加すると、無応力歪みゲージＲUに対する、全ての負荷検知歪みゲージＲLSの有効温度係数が増加する（高くなる）。また、この回路構成では、負荷検知歪みゲージＲLSiにトリミング抵抗器を追加すると、無応力歪みゲージＲUに対する、負荷検知歪みゲージＲLSiの有効温度係数が減少する（低くなる）。
【0047】
最初に、機械的負荷が加えられていない状態で、センサが所定の温度範囲に渡って加熱されるにつれて、各第１のステージおよび第２のステージの出力が測定され、各第１のステージの出力電圧から第２のステージの出力電圧が減算される。万が一、全ての負荷検知歪みゲージＲLSの抵抗値の変化が、無応力歪みゲージＲUの抵抗値の変化と正確に一致（マッチ）する場合には、補償は不要である。ほとんどの現実的なケースでは、少なくとも１つの負荷検知歪みゲージＲLSiは、所定の温度範囲にわたって、無応力歪みゲージに対して、負の有効温度係数を示す。
【0048】
図６は、各負荷検知歪みゲージＲLSiの、昇温に対する応答をプロットしている。本明細書で使用される場合、負荷検知歪みゲージＲLSnの応答は、励磁電圧（Ｖ＋とＶ－との間の差）によって正規化された、対応する第１のステージの出力電圧と第２のステージの出力電圧との間の差分である。応答は、温度の上昇に伴って測定される。例えば、ＲLS0のグラフは、Ｆ／Ｔセンサ本体が所定の温度範囲に渡って加熱されるときに、単位ｍＶ／Ｖでの値
の時系列プロットである。各固定抵抗器ＲFiの値は既知であるので、ＲUの抵抗値に対する、歪みゲージＲLSの抵抗値は、測定された電圧およびオームの法則から容易に計算される。別の実施形態では、各負荷検知歪みゲージＲLSiの抵抗値は、所定の温度範囲に渡って多数の点で直接的に測定されてもよい。図６の例では、ＲLS1は、最大の負の有効温度係数を有し、つまり、対応する第１のステージは、温度の上昇に伴い、第２のステージに対して最大の電圧低下を示す。ＲLS0とＲLS1のプロットが交差するので、混乱を避けるために、図６－９ではＲLS0のプロットが破線で描かれていることに留意されたい。
【数1】
【0049】
次いで、無応力トリミング抵抗器ＲUTの値決定され、これは、無応力歪みゲージＲU（ＲLSmax-negとして、図５の回路のための一般的な場合で示される）に対して、最大の負の有効温度係数を示す負荷検知歪みゲージＲLS1の、温度に渡って、応答を平坦化（フラットに）する。一実施形態では、無応力トリミング抵抗器ＲUTの値を決定することは、抵抗値の場イナリサーチを実行することと、無応力トリミング抵抗器ＲUTの新しい値を、現在の値に代えて使用することと、所定の温度範囲に渡って、最も負の負荷検知歪みゲージＲLSmax-neg（図６ではＲLS1）の実質的にゼロの有効温度係数をもたらすＲUT値が見つかるまで、ＲUTの異なる値の反復ごとに、所定の温度範囲に渡って第１のステージの出力を測定またはシミュレートすることとを含む。
【0050】
図７は、決定された無応力トリミング抵抗器ＲUTが、無応力歪みゲージＲUに渡って接続された後の、負荷検知歪みゲージＲLSの応答を示す。負荷検知歪みゲージＲLS1の応答は、以前は最も負の有効温度係数を示していたが、ここでは所定の温度範囲に渡って実質的に一定である。しかし、無応力トリミング抵抗器ＲUTを追加すると、他の全ての負荷検知歪みゲージＲLSの有効温度係数は、無応力歪みゲージＲUに対して、増加した。すなわち、残りの第１のステージは、第２のステージよりも、温度が増加することにつれて、より大きな電圧の増加を出力する。
【0051】
次に、負荷検知トリミング抵抗器ＲLSTは、無応力歪みゲージＲUに対して、正の有効温度係数を示す各負荷検知歪みゲージＲLSに渡って並列に接続される。第１のステージの各々について、負荷検知トリミング抵抗器ＲLSTiの値が決定され、これは、その負荷検知歪みゲージＲLSiについて、所定の温度範囲に渡って、実質的に平坦な応答をもたらす。また、ここでは、負荷検知トリミング抵抗ＲLSTiの新しい値を代用し、反復ごとに所定の温度範囲に渡って負荷検知歪みゲージＲLSiの抵抗値を測定またはシミュレートする、バイナリサーチが適用されてもよい。
【0052】
図８は、補償手順の１回の反復が完了した後の、温度補償された負荷検知歪みゲージＲLSの応答を示す。全ての負荷検知歪みゲージＲLSは、所定の温度範囲に渡って実質的に一定の応答を示す（この例では、ＲLS0およびＲLS5のプロットが重なっていることに留意されたい）。
【0053】
図９は、補償手順の数回の反復後の温度補償された負荷検知歪みゲージＲLSの応答を示している。応答はより平坦であり、すなわち、全ての負荷検知歪みゲージＲLSは、無応力歪みゲージＲUに対して、実質的にゼロの有効温度係数を示す。さらに、応答は、ゼロｍＶ／Ｖ付近を中心としたものとなっている。
【0054】
当業者であれば、上述の温度補償手順は、図５のクォーターブリッジ回路構成に関連することに留意されたい。特に、その回路構成では、固定抵抗器ＲFn、ＲFUは、正電圧源に接続される。電源電圧が逆になり、固定抵抗器ＲFn、ＲFUが負の電圧源に接続されている場合、逆のブリッジ出力変化が生じる。すなわち、無応力歪みゲージＲUに渡る無応力トリミング抵抗ＲUTの追加は、無応力歪みゲージＲUに対して、負荷検知歪みゲージＲLSnの有効温度係数を低下させる。さらに、負荷検知歪みゲージＲLSiに渡る負荷検知トリミング抵抗器ＲLSTiの追加は、無応力歪みゲージＲUに対して、その負荷検知歪みゲージＲLSiの有効温度係数を増加させる。
【0055】
したがって、一般な場合、無応力トリミング抵抗器ＲUTは、所定の温度範囲に渡って、無応力歪みゲージＲUに対する、全ての負荷検知歪みゲージＲLSnの、固定抵抗器ＲFn、ＲFUに接続された電源電圧の極性と逆の極性の、有効温度係数を実質的に排除するように選択される。さらに、一般に、各負荷トリミング抵抗器ＲLSTiの値は、所定の温度範囲にわたって、無応力歪みゲージＲUに対する、関連する負荷検知歪みゲージＲLSiの、固定抵抗器ＲFn、ＲFUに接続された電源電圧の極性の、有効温度係数を実質的に排除するように選択される。
【0056】
図１０は、Ｆ／Ｔセンサ内の複数の負荷検知歪みゲージＲLSを熱ドリフトに対して補償する方法１００におけるステップのフロー図である。この方法は、並列に接続された複数の第１のステージを備える回路で動作する。各第１のステージｉは、正電源電圧と負電源電圧との間で固定抵抗器ＲFiと負荷検知歪みゲージＲLSiとを直列に接続するノードにおいてそれぞれの電圧を出力するように構成される。回路は、第１のステージと並列に接続された第２のステージを含む。第２のステージは、電源電圧と負電源電圧との間で固定抵抗器ＲFUと無応力歪みゲージＲUとを直列に接続するノードにおいて正電圧を出力するように構成される。
【0057】
第２のステージおよび各第１のステージの出力電圧が測定され、第２のステージの出力電圧が、所定の温度範囲に渡って、各第１のステージの出力電圧から減算される（ブロック１０２）。
【0058】
様々な歪みゲージに対する任意のトリミング抵抗器の必要性および値は、以下に説明されるトリミング抵抗器決定手順（ブロック２００）において決定される。一実施形態では、手順２００は、回路のコンピュータシミュレーションで実行される。一実施形態では、回路は、Ｐｙｔｈｏｎ言語でモデル化され、所定の温度範囲にわたる回路の動作がシミュレートされるが、当業者は、様々なプログラミング言語および／または回路シミュレーションプログラムのいずれかでモデルおよびシミュレーションを実施することができる。代替的に、手順２００は、本明細書でより詳細に説明されるように、個別の抵抗器またはポテンショメータを使用して実行され得、トリミング抵抗器の値に収束するために必要に応じて、回路を反復的に熱的に循環させる。
【0059】
全てのトリミング抵抗器の必要性、及び、そうである場合には、全てのトリミング抵抗器の値が、トリミング抵抗器決定手順から決定されると（ブロック２００）、決定されたトリミング抵抗器ＲUT、ＲLSTnが、回路内に設置（インストール）される（ブロック１０４）。次いで、回路は所定の温度範囲に渡って循環され、負荷検知歪みゲージＲLSの応答が測定されて、それらが実質的に一定のままであることを検証する（ブロック１０６）。
【0060】
図１１は、トリミング抵抗決定手順２００の一実施形態におけるステップを示す。なお、図１１、及び以下のトリミング抵抗器決定手順２００の説明は、最も一般的な場合を説明するものであり、図５（固定抵抗器ＲFn、ＲFUが正電源電圧に接続されている場合）の回路構成に限定されない。方法１００（図１０）のブロック１０４の測定処理中に、少なくとも１つの負荷検知歪みゲージＲLSが、無応力歪みゲージＲUに対して、固定抵抗器に接続された電源電圧の極性とは逆の極性の、有効温度係数を示す場合（ブロック２０２）、無応力トリミング抵抗器ＲUTが、無応力歪みゲージＲUに渡って並列に追加される。無応力トリミング抵抗器ＲUTの値は、所定の温度範囲にわたって、全ての負荷検知歪みゲージＲLSの、無応力歪みゲージＲUに対する、固定抵抗器に接続された電源電圧の極性とは逆の極性の、有効温度係数を実質的に排除するように選択される（ブロック２０４）。
【0061】
一実施形態では、無応力トリミング抵抗器ＲUTの値の決定は、無応力ストレインゲージＲUに対して、固定抵抗器に接続された電源電圧の極性と逆の極性の、最大有効温度係数を示す負荷検知歪みゲージＲLSmaxを最初に識別することによって実行される。第１の無応力トリミング抵抗器ＲUT1が、無応力歪みゲージＲUに渡って並列に追加され、識別された負荷検知歪みゲージＲLSmaxの応答が所定の温度範囲に渡って再度測定される。この負荷検知歪みゲージＲLSmaxが、固定抵抗器に接続された電源電圧の極性と逆の極性の、有効温度係数を依然として示す場合、現在の無応力トリミング抵抗器の代わりに、異なる無応力トリミング抵抗器ＲUT2が使用（代用）される。一実施形態では、ｊ個の連続する無応力トリミング抵抗器ＲUTjの値は、バイナリサーチを介して選択される。所定の温度範囲に渡って応答を測定し、異なる無応力トリミング抵抗器ＲUTjを使用（代用）するステップは、識別された負荷検知歪みゲージＲLSmaxが実質的にゼロの有効温度係数（または固定抵抗器に接続された電源電圧の極性の小さな温度係数）を示すまで、反復的に繰り返される。最終的な無応力トリミング抵抗器ＲUTの値は、最後の測定反復中の全ての負荷検知歪みゲージＲLSの応答と同様に、記憶される。
【0062】
次に、トリミング抵抗器決定手順２００は、回路の第１のステージのうちのいずれかが、負荷検知トリミング抵抗器ＲLSTの追加を必要とするかどうか、および必要とする場合、それらの値を決定する。無応力トリミング抵抗器ＲUTは、識別された負荷検知歪みゲージＲLSmaxの有効温度係数をゼロにするように選択された。したがって、残りの負荷検知歪みゲージＲLSの全てではないにしてもほとんどの有効温度係数は、現在、非ゼロである可能性が高く、固定抵抗器に接続された電源の極性のものである可能性が高い。
【0063】
ブロック２０４における最後の測定反復の間に、任意の負荷検知歪みゲージＲLSiが、無応力歪みゲージＲUに対する、固定抵抗器に接続された電源電圧の極性の、有効温度係数を示す場合（ブロック２０６）、負荷検知歪みゲージＲLSiに渡って、負荷検知トリミング抵抗器ＲLSTiが並列に追加される。負荷検知トリミング抵抗器ＲLSTiの値は、所定の温度範囲に渡って、関連する負荷検知歪みゲージＲLSiの、無応力歪みゲージＲUに対する有効温度係数を実質的に排除するように選択される（ブロック２０８）。
【0064】
無応力トリミング抵抗器ＲUTの決定と同様に、一実施形態では、各負荷検知トリミング抵抗器ＲLSTiの値の決定は、反復測定／代用処理で実行される。無応力歪みゲージＲUに対して、固定抵抗器に接続された電源電圧の極性の、有効温度係数を示すｉ番目の負荷検知歪みゲージＲLSiごとに、第１の負荷検知トリミング抵抗器ＲLST1が、関連する負荷検知歪みゲージＲLSiに渡って並列に追加される。少なくともその負荷検知歪みゲージＲLSiの応答は、所定の温度範囲にわたって再び測定される。負荷検知歪みゲージＲLSiが依然として有効温度係数を示す場合、その負荷検知歪みゲージＲLSiに渡って、現在の負荷検知トリミング抵抗器の代わりに、異なる負荷検知トリミング抵抗器ＲLST2が使用（代用）される。一実施形態では、ｊ個の連続する負荷検知トリミング抵抗器ＲLSTjの値は、バイナリサーチを介して選択される。所定の温度範囲に渡って応答を測定し、異なる負荷検知トリミング抵抗器ＲUTjを代用するステップは、ｉ番目の負荷検知歪みゲージＲLSiが、無応力歪みゲージＲUに対して、実質的にゼロの有効温度係数を示すまで、反復的に繰り返される。次に、固定抵抗器に接続された電源の極性の、有効温度係数を示す全てのｎ個の負荷検知歪みゲージが補償されるまで、このプロセスが、次の第１のステージに対して繰り返される。
【0065】
代替的に、全ての負荷検知トリミング抵抗器ＲLSTnの値を同時に変更し、その後、歪みゲージ応答を熱サイクルにわたって測定することができる。最終的な負荷検出トリミング抵抗ＲLSTの全ての値が記憶される。図１０の方法１００に関して上述したように、これらの値を有するトリミング抵抗器が、回路に設置され（ブロック１０４）、温度安定性が検証される（ブロック１０６）。
【0066】
トリミング抵抗器ＲLST、ＲUTを追加すると、場合によっては、所望の電圧範囲から外れる出力が発生することがある。一実施形態では、この場合、１つ以上の固定抵抗ＲF、ＲFUの値（複数可）は、出力電圧が所望の範囲内になるように変更される。この場合、任意のトリミング抵抗器ＲLSTn、ＲUTが除去され、計測サイクルが実行され、所定の温度範囲にわたって全ての負荷検知歪みゲージＲLSの応答が測定され、次いで、トリミング抵抗器決定手順２００がブロック２０２で再開され、更新された固定抵抗値ＲF、ＲFUで再度実行される。
【0067】
図５に戻ると、補償手順、例えば、方法１００の実行後、補償手順中に測定された応答に応じて、トリミング抵抗器ＲLSTn、ＲUTのいくつかの可能な構成がある。上述のように、万一、最初の測定で、全ての負荷検知歪みゲージＲLSが、無応力歪みゲージＲUに対して、ゼロノ有効温度係数を示すことを明らかになった場合には、トリミング抵抗器ＲLSTまたはＲUTは必要とされない。
【0068】
別の可能性は、１つ以上の負荷検知歪みゲージＲLSの全ての有効温度係数がゼロまたは正であることである。この場合、無応力歪みゲージＲUには無応力トリミング抵抗器ＲUTが追加されないが、１つ以上の負荷検知歪みゲージＲLSにわたって負荷検知トリミング抵抗器ＲLSTが追加される。
【0069】
一般的な場合、負荷検知歪みゲージＲLSmaxは、最初に最大の負の有効温度係数を示し、その歪みゲージＲLSmaxの応答を所定の温度範囲に渡って実質的に一定にする（すなわち、無応力歪みゲージＲUに対して、その有効温度係数をゼロにする）ために、無応力トリミング抵抗器ＲUTを無応力歪みゲージＲUに追加することを促す。これは、他の負荷検知歪みゲージＲLSの大部分または全てに対して正の有効温度係数を生じさせ、負荷検知トリミング抵抗器ＲLSTをそれらに追加することを促す。したがって、（ｎ－１）個までの第１のステージは、負荷検知トリミング抵抗器ＲLSTを含むことができ、１つの例外は、無応力トリミング抵抗器ＲUTによって最初にゼロにされた負荷検知歪みゲージＲLSmaxである。しかし、この場合でも、実際問題として、無応力トリミング抵抗器ＲUTの利用可能な値が離散的であるので、この負荷検知歪みゲージＲLSmaxに、ゼロではなく、わずかに正の有効温度係数を与える値が選択されることができ、同様に、負荷検知トリミング抵抗器ＲLSTの追加を促す。
【0070】
図６にプロットされたデータは、代表的なＦ／Ｔセンサから測定されたものである。回路のモデルを用いて、図５の回路の変化（すなわち、トリミング抵抗ＲLSTn、ＲUTの追加および数値の調整）をシミュレートした。したがって、図７－９にプロットされた歪みゲージの応答は、シミュレーションされたデータを反映している。対照的に、図１２Ａおよび１２Ｂはそれぞれ、熱補償方法１００の前後のＦ／Ｔセンサについて測定された歪みゲージ応答を示し、追加および調整されたトリミング抵抗器は実際のハードウェアであり、歪みゲージ応答は、所定の温度範囲にわたって測定された。これらのグラフは、本発明の実施形態によって達成される熱ドリフトの劇的な改善を示している。
【0071】
本発明の実施形態は、従来技術を超える多数の利点を提示する。所定の温度範囲に渡って、１つの無応力歪みゲージＲUに対して、複数の負荷検知歪みゲージＲLSnの有効温度係数を実質的に排除することによって、Ｆ／Ｔセンサ精度が改善され、他の熱ドリフト軽減手段が無意味となる。本発明の実施形態による歪みゲージの温度補償は、Ｆ／Ｔセンサのクォーターブリッジ測定回路に設置された特定の歪みゲージに適合された、個別のトリミング抵抗器の特定の値をもたらす。補償はＦ／Ｔセンサ製造時に実行されてもよく、トリミング抵抗器が回路内に設置されると、熱ドリフトは、Ｆ／Ｔセンサの寿命の間、ハードウェア内で永続的に排除される。
【0072】
一般に、本明細書で使用される全ての用語は、異なる意味が明確に与えられ、かつ／またはそれが使用される文脈から暗示されない限り、関連する技術分野におけるそれらの通常の意味に従って解釈されるべきである。ａ／ａｎ／ｔｈｅ要素、装置、構成要素、手段、ステップなどへの全ての言及は、明示的に別段の定めがない限り、要素、装置、構成要素、手段、ステップなどの少なくとも１つのインスタンスを指すものとして、オープンに解釈されるべきである。本明細書に開示される任意の方法のステップは、ステップが別のステップに続くまたは先行しなければならないと明示的に記載されない限り、および／またはステップが別のステップに続くまたは先行しなければならないことが暗示的である場合を除き、開示された正確な順序で実行される必要はない。本明細書に開示される実施形態のいずれかの任意の特徴は、適切な場合にはいつでも、任意の他の実施形態に適用され得る。同様に、任意の実施形態の任意の利点は、任意の他の実施形態に適用することができ、逆もまた同様である。同封の実施形態の他の目的、特徴および利点は、以下の説明から明らかになるのであろう。本明細書で使用される場合、用語「ように構成される」は、特定の方法で動作するように設定、編成、適合、または配置されることを意味し、用語「ように設計される」と同義である。本明細書で使用される場合、用語「実質的に」は、ほぼまたは本質的を意味するが必ずしも完全ではない。この用語は、機械的または部品値の許容誤差（公差）、測定誤差、ランダム変動、および不正確さの動揺の原因を包含し、説明する。
【0073】
もちろん、本発明は、本発明の本質的な特徴から逸脱することなく、本明細書に具体的に記載されたもの以外の方法で実施されてもよい。本実施形態は全ての点で例示的であり、限定的ではないと見なされるべきであり、添付の特許請求の範囲の意味および均等の範囲内に入る全ての変更は、その中に包含されることが意図される。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12A】
【図12B】
【外国語明細書】