既存の圧電式四次元力測定方法では、トルクは側方力から算出する方法と直接測定する方法の二つがある。算出方法は適用範囲が広いが、分力間の交差結合の影響を大きく受ける。直接測定は理論的精度が高いが、センサーの配置方式に制限がある。本稿では、センサー内に石英結晶群を追加し、センサーの特殊な配置に依存せずにトルクを直接測定する四次元力測定方案を提案する。まず、センサー配置方案を決定し、既存の三軸力測定基盤の上に各センサー内にトルク測定用の剪断力測定結晶群を追加した。センサーの加工・組立過程の誤差を定義し、二つの測定方法下でのトルク測定誤差伝達モデルを構築し、数値シミュレーションで測定精度の差異を比較した。力計を設計・製作し、主要寸法のパラメータ分析を行った。静的および動的性能検定実験を実施し、その基礎上で多点トルク荷重キャリブレーション実験を行い、二つの測定方案でトルクを算出した。実験結果は、力計の最大非線形誤差および再現性誤差が0.5％未満で、方向間干渉が3％未満、力計の各固有周波数が1400Hz以上、静的・動的性能が設計要件を満たすことを示した。多点トルク荷重実験で新方案は平均二乗誤差を83.4％低減し、最大測定誤差を26.5％低減した。新方案がトルク測定精度向上に有効であることを検証し、広範な応用展望を有する。

トルク試験精度;四次元力測定;四方向力センサー;力計設計;パラメータ解析