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6軸力センサの「レンジマッチング」技術：アプリケーションに最適な力・トルクの測定範囲を選ぶには？
ロボット研磨、高精度組立、科学的研究における力学試験などの分野では、6軸力センサを用いて、3方向の力（Fx、Fy、Fz）と3方向のモーメント（Mx、My、Mz）を同時に計測できます。多くのユーザーは、選定時に軸方向の力の測定範囲のみに注目し、モーメントの範囲との整合性を無視しがちです。その結果、センサが過負荷となって早期に損傷したり、測定範囲が大きすぎることで検出感度が不足したりするケースがあります。力とモーメントの測定範囲を適切にマッチさせることが、多軸力センサを十分に活用するうえでの鍵となります。
まず、装置の実際の応力状態を整理し、静的応力と動的衝撃荷重を明確に区別する必要があります。多くの作業条件下では、軸方向力はそれほど大きくないものの、力の作用点がセンサ取付端面から離れており、大きな転倒モーメントが生じます。軸方向力が定格値を超えていなくても、この転倒モーメントがトルク許容範囲を超える場合があり、弾性体の損傷を直接引き起こします。これは、多軸力センサの故障原因としてよく見られるケースです。モデル選定にあたっては、単に軸方向の引張・圧縮力のみに基づいて仕様を決定するのではなく、実際の作業条件下で発生する転倒モーメントも必ず考慮しなければなりません。次に、力の測定範囲とトルクの測定範囲には固定的な比率関係はありません。市場には、力の範囲が大きくトルクの範囲が小さいタイプや、逆に力の範囲が小さくトルクの範囲が大きいタイプなど、非標準のカスタマイズ型多軸力センサが多数存在します。例えば、ロボットによる精密研削作業では接触力は非常に小さい一方で、腕部の突出長が長いため、容易に大きな転倒モーメントが発生します。このため、『小力・大モーメント』タイプの構成が適しています。一方、プレスフィッティング試験のような条件では、軸方向圧力が大きく、転倒モーメントは小さいため、『大力・小モーメント』タイプが推奨されます。
同時に、安全マージンを確保する必要があります。理論計算に基づく負荷に対して、動的衝撃による瞬間的な過負荷を防ぐため、安全係数として1.22倍の余裕を設けることを推奨します。ただし、無闇に過大な測定範囲を選択してはいけません。範囲が大きすぎると、微弱な力信号がノイズに埋もれやすくなり、測定精度が低下し、精密な力制御の効果が失われてしまいます。
また、取付け構造は間接的に実際の応力状態に影響を与えます。不適切な治具や過長なアダプターフランジは、転倒モーメントを増幅させます。測定範囲を決定する際には、機械的な取付け方式も同時に最適化し、余分なトルクによる干渉を低減させる必要があります。
要するに、6軸力センサの選定は、単に最大荷重仕様を選ぶだけではありません。現場の作業条件を十分に分析し、転倒モーメントを考慮した上で、力とモーメントの測定範囲を適切にマッチングさせ、さらに安全余裕率や検出感度も見極める必要があります。こうした総合的な検討によってこそ、多軸力センサはその性能を十分に発揮し、ロボットの手動制御、自動試験、科学研究における較正など、さまざまな試験シーンに対応できるのです。
6軸力センサは、XYZの3次元力と3次元モーメントを同時に検出できるため、知能化自動化および高精度検出分野における核となるセンシング機器です。
主な応用シーン：
協働ロボットの手動制御操作、ロボットによる柔軟な研削・研磨、精密部品の自動組立、産業用プレスフィッティングのオンライン検出、ロボットのドラッグティーチング、ロボットの衝突防止アダプティブ把持、自動車部品の機械試験、航空宇宙構造物の荷重試験、医療用ロボットの力測定、リハビリテーション機器の力監視、大学および高等専門学校における機械工学実験、新素材の性能較正試験。
