JP7013303B2 - 力覚センサ - Google Patents

Description

本発明は、受力部に作用する外力及びモーメントの複数の方向の成分を検出する力覚センサに関する。

産業用ロボットのアームや医療用マニピュレータ等の関節部や先端部等の所定の部位に作用する外力を検出する手段として、力覚センサが用いられている。力覚センサの一例として、光学式変位センサを備える６軸力覚センサが特許文献１に開示されている。特許文献１に記載されている力覚センサは、支持部と、受力部と、これらを連結する弾性連結部と、支持部と受力部との間に配置される変位方向変換機構とを備える。変位方向変換機構には検出対象体が設けられ、検出対象体と対面するように支持部に設けられた変位検出素子により、検出対象体の変位（移動）を検出する。例えば、支持部が固定された状態で受力部に外力が作用すると弾性連結部が弾性変形し、受力部は支持部に対して外力の方向と大きさに応じた変位を生じる。このとき、変位方向変換機構も弾性連結部の変形に伴って変形するが、変位方向変換機構の変位方向は受力部の変位方向と直交する方向となる。

特許第５６０２５８２号公報

上記特許文献１には、変位方向変換機構と弾性連結部とが別途に設けられた実施形態について説明されているが、変位方向変換機構を弾性連結部に組み込むことも可能であり、これにより、部品点数の削減と組立工程の簡略化を図ることができる。しかし、変位方向変換機構が弾性連結部に組み込まれた力覚センサでは、受力部に作用する外力の方向によっては、変位方向変換機構に設けられた検出対象体が変位検出素子と接触してしまうおそれがある。

ここで、剛体に対して所定の方向に荷重を印加したときに、その荷重をその方向への変位量で除した値を剛性値と定義する。剛体は、剛性値が高いほど変形し難い。よって、変位方向変換機構に設けられた検出対象体の変位検出素子への接触を防止するためには、変位変換機構を変形し難くする、つまり、剛性値を高くする必要がある。また、力覚センサには、センサ全体の薄型化や小型化も強く求められている。剛性の高い材料を用いれば、センサ全体の薄型化（小型化）を実現しながら、検出対象体の変位検出素子への接触を防止することが可能になると考えられる。

しかし、剛性の高い材料を用いることは、コストの上昇につながってしまう。また、変位方向変換機構が弾性連結部に組み込まれた力覚センサの感度（検出感度）は、一般的に、変位変換機構の高さと正の相関があるため、感度を高めようとすると変位変換機構の高さを高くする必要が生じ、センサ全体の薄型化が妨げられてしまう。つまり、力覚センサについては、剛性を高め且つ感度を高めることが求められているが、一般的に、剛性を高めようとすると感度が低下し、逆に感度を高めようとすると剛性を低下させる必要が生じてしまう。同様に、センサ全体を薄型化させようとすると感度が低下してしまい、感度を高めようとするとセンサ全体の薄型化が困難になる。

本発明は、センサ全体を薄型化させると共に感度を高めることが可能な力覚センサを提供することを目的とする。

本発明に係る力覚センサは、支持部と、外力の作用により前記支持部に対して変位する受力部と、前記支持部と前記受力部とを連結する弾性連結部と、前記弾性連結部に接合され、前記受力部へ入力された負荷に応じて変位する変位変換部と、前記変位変換部に設けられた検出対象体と、前記支持部に固定されたセンサ基板と、前記センサ基板に実装され、前記検出対象体の変位量を検出する変位検出素子と、を備える力覚センサであって、前記検出対象体は、前記変位変換部と前記弾性連結部との接合部の中心を通り、前記支持部と前記受力部を連結する方向と直交する直線よりも前記弾性連結部と前記受力部との接合部がある側に配置され、前記検出対象体の法線と前記直線は０度より大きい角度を成し、前記支持部と前記受力部とを連結する方向における前記検出対象体と前記支持部との間の距離が前記直線と平行な方向での前記変位変換部の高さよりも長いこと特徴とする。

本発明によれば、力覚センサ全体の薄型化と感度の向上を両立させることができる。

力覚センサの外観斜視図である。 力覚センサの構造を説明する断面図及び平面図である。 力覚センサでの弾性連結部の変形の一例を説明する図である。 力覚センサのセンサ基板の平面図である。 実施例１に係る力覚センサ及びその変形例の構造を示す部分断面図である。 実施例２に係る力覚センサ及びその変形例の構造を示す部分断面図である。 実施例３に係る力覚センサの構造と、検出対象体の反射面と変位検出素子の受光面の関係を説明する図である。 比較例１，２に係る力覚センサの構造を示す部分断面図である。 比較例３，４，５に係る力覚センサの構造を示す部分断面図である。 比較例６，７に係る力覚センサの構造を示す部分断面図である。 実施例及び比較例についての感度及び剛性の測定結果を示す図である。 力覚センサの感度増大効果を説明する図である。 力覚センサでの感度増大率と変位検出素子の位置・姿勢との関係を説明するグラフである。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。最初に、実施例及び比較例に共通する力覚センサの基本的な構成について説明する。図１は、力覚センサ１００の外観斜視図である。力覚センサ１００は、略円柱状の本体部２と、本体部２の下部を覆う円盤形状の下蓋１とを備える。

説明の便宜上、図１に示すように、互いに直交するｘ軸、ｙ軸及びｚ軸を定める。力覚センサ１００は、略円板状或いは略円柱状の形状を有しており、その厚み方向をｚ方向とする。ｘ方向とｙ方向は、図２を参照して後述するように、ｚ方向から力覚センサ１００を見たときにｘｙ平面において力覚センサ１００を４つの象限に分けるように設定される。なお、図１に示す中心軸Ｌは、ｚ軸と平行であり、力覚センサ１００におけるｘｙ平面の中心を通る軸である。

図２（ａ）は、力覚センサ１００のｚｘ断面図である。図２（ｂ）は、力覚センサ１００の受力部４の上部を透視して力覚センサ１００を上面側から見た平面図である。図２（ｃ）は、下蓋１を取り外して力覚センサ１００を底面側から見た平面図である。

本体部２は、円筒形状を有する支持部６と、略円盤形状を有する受力部４と、支持部６と受力部４を連結する弾性連結部５とを有する。下蓋１は支持部６の下面に固定されており、支持部６と下蓋１により固定部が構成されている。受力部４は、弾性連結部５が変形することによって固定部に対してｚ方向に変位可能であり、また、ｘｙ平面に対して傾斜可能な可動部である。固定部は不図示の基台等に取り付けられ、受力部４は不図示のロボットアームやマニピュレータ等に取り付けられる。

弾性連結部５は、ｘｙ平面内において中心軸Ｌまわりに９０°間隔で４箇所の配置されている。換言すれば、弾性連結部５は、支持部６と受力部４との間においてｚ方向での高さが同じとなるように、ｘｙ平面内で十字型に配置されている。４箇所の弾性連結部５のそれぞれに、ｙ方向又はｘ方向から見たときに略Ｕ字型となっている変位方向変換部３（以下「変位変換部３」という）が設けられている。よって、力覚センサ１００では、より正確には、弾性連結部５は変位変換部３を挟んで支持部６と受力部４とを連結している。変位変換部３の先端の外側の面には、検出対象体が取り付けられている。以下、４箇所の変位変換部３のそれぞれに取り付けられている４つの検出対象体を検出対象体８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄと記す。

なお、受力部４の４箇所から下蓋１側（－ｚ方向）へ向けて柱状部が突出しており、それぞれの柱状部の先端にも検出対象体が取り付けられている。以下、４箇所の柱状部のそれぞれの先端に取り付けられている４つの検出対象体を検出対象体８ｅ，８ｆ，８ｇ，８ｈと記す。検出対象体８ａ～８ｈは、同一方向（－ｚ方向）を向くように、且つ、ｚ方向において同じ高さに位置するように、変位変換部３又は柱状部に取り付けられている。支持部６にはセンサ基板７が固定されており、センサ基板７上には、ｚ方向において検出対象体８ａ～８ｈと所定の間隔を隔てて正対するように、変位検出素子９ａ～９ｈが実装されている。

受力部４に負荷（外力又はモーメント）が作用すると、可動部である受力部４が固定部に対して変位することにより、弾性連結部５の受力部４側の端部が変位することで、変位変換部３に取り付けられている検出対象体８ａ～８ｄに変位が生じる。受力部４に－ｚ方向（下蓋１側へ向かう方向）の外力Ｆｚが作用したときの検出対象体８ａ～８ｄの変位について、図３を参照して説明する。

図３は、受力部４に下蓋１側へ向かう外力Ｆｚが入力された場合の、検出対象体８ｄが設けられている変位変換部３の変形前後の様子をｙ方向から見て表した図である。受力部４に－ｚ方向の外力Ｆｚが入力されると、不図示の検出対象体８ａはｙ方向へ、不図示の検出対象体８ｂはｘ方向へ、不図示の検出対象体８ｃは－ｙ方向へ、検出対象体８ｄは－ｘ方向へそれぞれ変位する。このとき、受力部４のｚ方向での変位量Δｚは、弾性連結部５の剛性が高いほど小さくなる。

ここで、変位検出素子９ｄ（不図示）の受光面の法線と直交する方向における検出対象体８ｄの変位検出素子９ｄ（不図示）に対する相対的な変位量を「感度」と定義する。力覚センサ１００では、変位検出素子９ｄ（不図示）の受光面はｚ方向と直交しているため、検出対象体８ｄの感度はｘ方向の変位量Δｘで与えられる。図３から、変位変換部３の高さｈが低くなると、感度は低下することがわかる。また、変位量Δｘは、検出対象体８ｄの表面の中心を通り、ｘ方向と直交する線２３，２４間の距離（間隔）として定められる。なお、略Ｕ字型の形状を有する変位変換部３の高さｈは、弾性連結部５のｚ方向厚みを２等分する線２１と変位変換部３の先端部のｚ方向厚みを２等分する線２２の間の距離（間隔）で規定する。

なお、受力部４にｘ方向の外力Ｆｘが入力されると、検出対象体８ｅ～８ｈはｘ方向に変位し、受力部４にｙ方向の外力Ｆｙが入力されると検出対象体８ｅ～８ｈはｙ方向に変位する。受力部４にｘ軸まわりのモーメントＭｘが入力されると検出対象体８ａ，８ｃが－ｙ方向に変位し、受力部４にｙ軸まわりのモーメントＭｙが入力されると検出対象体８ｂ，８ｄがｘ方向に変位する。受力部４にｚ軸まわりのモーメントＭｚが入力された場合には、検出対象体８ｅ，８ｆはｙ方向及び－ｘ方向へ変位し、検出対象体８ｇ，８ｈは－ｙ方向及びｘ方向に変位する。このように、変位変換部３及び弾性連結部５は、受力部４に作用する力の方向を変換する変位方向変換機構として機能する。

次に、力覚センサ１００における外力及びモーメントの検出方法について説明する。図４は、センサ基板７の平面図である。センサ基板７には、光源１０ａ～１０ｈと変位検出素子９ａ～９ｈが、１個の光源と１個の変位検出素子を１組として実装されている。各組の１個の光源と１個の変位検出素子は、一体的に構成されていてもよいし別体であってもよい。光源１０ａ～１０ｈは、例えばＬＥＤであり、変位検出素子９ａ～９ｈはフォトダイオード（ＰＤ）であるが、これらに限定されるものではない。変位検出素子９ａ～９ｈは、光検出面である複数の受光面がストライプ状に配列された構造を有する。不図示であるが、検出対象体８ａ～８ｈはそれぞれ、ガラス等の基板の表面又は裏面に形成された金属反射膜等によって回折格子が形成された反射面を有する。

変位検出素子９ａ～９ｈと検出対象体８ａ～８ｈは１対１で、検出対象体の反射面と変位検出素子の受光面とがｚ方向において正対するように配置されている。光源１０ａ～１０ｈから検出対象体８ａ～８ｈへ照射される発散光束は、検出対象体８ａ～８ｈで反射し、検出対象体８ａ～８ｈからの反射光は変位検出素子９ａ～９ｈの受光面に明暗の縞である回折光パターンを形成する。変位検出素子９ａ～９ｈの受光面の配列ピッチは、回折光パターンの１／４周期に一致している。したがって、検出対象体８ａ～８ｈが変位検出素子９ａ～９ｈの受光面の配列方向に変位すると、変位に伴って回折光パターンが移動する。こうして、複数の受光面からは９０°の位相差を持った２相の正弦波状信号（sin，cos）が得られる。

不図示の演算回路は、得られた２相の正弦波状信号の逆正接演算（tan^－１）を行って、検出対象体８ａ～８ｈの変位量を算出する。演算回路は更に、算出した変位量から外力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ及びモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚの６つの成分（６軸方向の力）を算出する。変位変換部３に検出対象体８ａ～８ｄを設置することにより、別途に変位方向変換機構を設ける必要がなくなることで、部品点数の削減による低コスト化を図ることができると共に力覚センサ１００の小型化を図ることができる。

次に、力覚センサ１００をベースとした本発明の実施例に係る力覚センサについて説明する。以下に説明する実施例１～３に係る力覚センサは、概略、上述した力覚センサ１００の変位変換部３の構造等を改良し、これに伴って検出対象体８ａ～８ｄと変位検出素子９ａ～９ｄの配置を工夫したものである。

図５（ａ）は、実施例１に係る力覚センサ１００Ａの部分断面図であり、検出対象体８ｄが取り付けられている変位変換部３とその近傍が示されている。力覚センサ１００Ａにおいて長さ方向がｘ方向と平行になっている他方の弾性連結部の構造と、長さ方向がｙ方向と平行になっている２箇所の弾性連結部の構造はそれぞれ図５（ａ）に示す構造と同等であるため、図示と説明を省略する。なお、図５（ａ）中の座標軸は図２に示した座標軸に対応しており、よって、図５（ａ）に示されている部分の右側が不図示の中心軸Ｌ側となっている。説明の便宜上、図５（ａ）の状態で、ｚ方向は鉛直方向と平行であり、ｘ方向及びｙ方向は共に水平方向と平行であるものとし、このことは後述する力覚センサ１００Ｂ，１００Ｃ，１００ｐ～１００ｖについても同様とする。

力覚センサ１００Ａにおいて支持部６と受力部４（不図示）を連結する弾性連結部５と変位変換部３とが接合されている部分を接合部１１と称呼し、後述する力覚センサ１００Ｂ，１００Ｃ，１００ｐ～１００ｖについても同様の称呼を用いる。また、支持部６と受力部４を連結する方向と直交し、且つ、接合部１１の中心を通る線、つまり、接合部１１のｘ方向中心を通り、ｚ方向と平行な直線、を「接合部鉛直線１２」と規定する。力覚センサ１００Ａでは、接合部１１は弾性連結部５の長さ方向中央（ｘ方向中央）に設けられている。つまり、ｘ方向において、支持部６の内周面から接合部鉛直線１２までの距離Ｅは、弾性連結部５と受力部４との境界から接合部鉛直線１２までの距離Ｆと同じ距離に設定されている。なお、詳細は後述するが、接合部１１の位置は、弾性連結部５の長さ方向中央部に限られるものではなく、支持部６側（外周寄り）又は不図示の中心軸Ｌ側（中心寄り）に設けることもできる。

変位変換部３には、センサ基板７側の先端部から不図示の中心軸Ｌへ向けて突出した張り出し部１５が設けられている。検出対象体８ｄは、不図示の光源１０ｄから照射された光を反射する反射面がｚ方向と平行となるように、張り出し部１５の先端面に取り付けられている。なお、張り出し部１５は、変位変換部３と一体的に形成されていてもよいし、別部品として準備されて変位変換部３に接合されていてもよい。力覚センサ１００Ａでは検出対象体８ｄは、接合部鉛直線１２よりも弾性連結部５と受力部４との接合部がある側、つまり、中心軸Ｌ側に配置されている。変位検出素子９ｄは、検出対象体８ｄと正対するようにセンサ基板７に実装されている。

なお、力覚センサ１００Ａでは、変位変換部３の高さｈは、図３に示した力覚センサ１００と同様に規定される。ここで、図５（ａ）に示すように、検出対象体８ｄの弾性連結部５に対する垂直距離Ｇを、検出対象体８ｄの表面の中心から弾性連結部５のｚ方向厚みを２等分する線２１に下ろした垂線の長さであると定義する。また、検出対象体８ｄの表面中心から接合部鉛直線１２に下ろした垂線の長さを、検出対象体８ｄの接合部鉛直線１２に対する水平距離Ｊと定義する。変位変換部３の高さｈ、垂直距離Ｇ、水平距離Ｊは、後述する力覚センサ１００Ｂ，１００Ｃ，１００ｐ～１００ｖについても同様に定義される。

図５（ｂ），（ｃ）はそれぞれ、力覚センサ１００Ａの第１の変形例と第２の変形例の部分断面図であり、図５（ａ）に示した部位に対応する部位が表されている。力覚センサ１００Ａは、変位変換部３が略Ｕ字型となっているため、検出対象体８ｂ（不図示），８ｄは受力部４に加わったｘ方向の力を検出することができ、検出対象体８ａ，８ｃ（共に不図示）は受力部４に加わったｙ方向の力を検出することができる。これに対して、図５（ｂ），（ｃ）にそれぞれ示す第１の変形例と第２の変形例は、力覚センサ１００Ａを水平方向に作用する力を検出しない構成へと変更したものである。

力覚センサ１００Ａの第１の変形例は、接合部１１からｚ方向と所定の角度θで交わり、且つ、中心軸Ｌ（不図示）とセンサ基板７へ近付く方向へ直線的に延びる変位変換部３Ａを有する。力覚センサ１００Ａの第２の変形例は、接合部１１からセンサ基板７（不図示）へｚ方向に延びた後に中心軸Ｌ（不図示）へ向かう方向へ延びる変位変換部３Ｂを有する。第１の変形例と第２の変形例の双方で、検出対象体８ｄは、接合部鉛直線１２よりも中心軸Ｌ側において、反射面がｚ方向と平行となるように変位変換部に配置される。変位検出素子９ｄ（不図示）は図５（ａ）に示した状態と同様に、検出対象体８ｄと正対するように配置される。

図６（ａ）は、実施例２に係る力覚センサ１００Ｂの部分断面図であり、図５（ａ）に示した部位に対応する部位が示されている。なお、力覚センサ１００Ｂにおいて長さ方向がｘ方向と平行になっている他方の弾性連結部の構造と、長さ方向がｙ方向と平行になっている２箇所の弾性連結部の構造はそれぞれ図６（ａ）に示す構造と同等であるため、図示と説明を省略する。

力覚センサ１００Ａでは、検出対象体８ｄの反射面がｚ方向と平行となっている。これに対して、力覚センサ１００Ｂでは、検出対象体８ｄの反射面が所定の角度でｚ方向と交差してセンサ基板７側を向くように、張り出し部１５の先端面がｚ方向に対して傾斜した面となっている。変位検出素子９ｄは、検出対象体８ｄと正対するようにセンサ基板７に実装されている。力覚センサ１００Ｂのその他の構成は、力覚センサ１００Ａと同じであるので、重複する説明を省略する。なお、力覚センサ１００Ｂでの垂直距離Ｇ、水平距離Ｊは、図５（ａ）を参照して説明した定義に従い、図６（ａ）に示す通りとなる。

図６（ｂ），（ｃ）はそれぞれ、力覚センサ１００Ｂの第１の変形例と第２の変形例の部分断面図であり、図６（ａ）に示した部位に対応する部位が表されている。力覚センサ１００Ｂは、力覚センサ１００Ａと同様に、受力部４に加わったｘ方向とｙ方向の力を検出することができる。これに対して、図６（ｂ），（ｃ）にそれぞれ示す第１の変形例と第２の変形例は、力覚センサ１００Ｂを水平方向に作用する力を検出しない構成へと変更したものである。

力覚センサ１００Ｂの第１の変形例は、力覚センサ１００Ａの第１の変形例（図５（ｂ））と比較すると、検出対象体８ｄの受光面の角度が力覚センサ１００Ｂと同様にｚ方向と所定の角度で交わるように変更されている点で異なるが、その他の構成は同じである。力覚センサ１００Ｂの第２の変形例は、力覚センサ１００Ａの第２の変形例（図５（ｃ））と比較すると、検出対象体８ｄの受光面の角度が力覚センサ１００Ｂと同様にｚ方向と所定の角度で交差するように変更されている点で異なるが、その他の構成は同じである。変位検出素子９ｄ（不図示）は図６（ａ）に示した状態と同様に、検出対象体８ｄと正対するように配置される。

図７（ａ）は、実施例３に係る力覚センサ１００Ｃの部分断面図であり、図５（ａ）に示した部位に対応する部位が示されている。なお、力覚センサ１００Ｃにおいて長さ方向がｘ方向と平行になっている他方の弾性連結部の構造と、長さ方向がｙ方向と平行になっている２箇所の弾性連結部の構造はそれぞれ図７（ａ）に示す構造と同等であるため、図示と説明を省略する。

力覚センサ１００Ｃは、実施例２に係る力覚センサ１００Ｂと比較すると、変位検出素子９ｄの受光面が検出対象体８ｄの反射面に対して正対していない点で異なるが、その他の構成は同じであるので、共通する説明は省略する。力覚センサ１００Ｃでは、変位検出素子９ｄは、受光面の法線がｚ方向と平行になるようにセンサ基板７に実装されている。

図７（ｂ）は、検出対象体８ｄと変位検出素子９ｄの間の光路を説明する図である。検出対象体８ｄの反射面と直交する線は、変位検出素子９ｄの受光面と角度ηで交わる。図７（ｃ）は、変位検出素子９ｄの拡大図である。力覚センサ１００Ｃでは、検出対象体８ｄの反射面と平行となるように角度ηの傾斜を有する受光面が形成された回折格子１３が変位検出素子９ｄの表面（受光面上）に配置されている。よって、検出対象体８ｄからの入射光は、回折格子１３によって図７（ｃ）に破線で示すように屈折し、変位検出素子９ｄの受光面に対して垂直に入射する。その結果、力覚センサ１００Ｃでの検出対象体８ｄと変位検出素子９ｄとの光学的な関係は、力覚センサ１００Ｂでの検出対象体８ｄと変位検出素子９ｄとの光学的な関係と同等になる。なお、力覚センサ１００Ｃは、力覚センサ１００Ｂの第１の変形例及び第２の変形例と同様にして、ｘ方向とｙ方向に作用する力を検出しない構成へと変更することができる。

次に、上述した実施例１～３に係る力覚センサ１００Ａ～１００Ｃとの比較対象となる比較例１～７に係る力覚センサ１００ｐ～１００ｖについて説明する。図８（ａ），（ｂ）はそれぞれ、比較例１，２に係る力覚センサ１００ｐ，１００ｑの部分断面図であり、図５（ａ）に示した部位に対応する部位が示されている。

比較例１に係る力覚センサ１００ｐは、実質的に図２を参照して説明した力覚センサ１００と同等である。つまり、検出対象体８ｄと変位検出素子９ｄは、それぞれの中心が接合部鉛直線１２上に位置するよう配置され、且つ、ｚ方向で正対している。なお、図５（ａ）を参照して説明した定義に従い、力覚センサ１００ｐでは、検出対象体８ｄの接合部鉛直線１２に対する水平距離Ｊはゼロ（０）となる。また、力覚センサ１００ｐでの検出対象体８ｄの弾性連結部５に対する垂直距離Ｇは、厳密には、変位変換部３の高さｈに検出対象体８ｄの厚みを加えた長さとなる。但し、変位変換部３の高さｈに比べて検出対象体８ｄの厚みは十分に小さいと見なして、力覚センサ１００ｐでは、垂直距離Ｇは変位変換部３の高さｈと同じであるとする。

比較例２に係る力覚センサ１００ｑでは、検出対象体８ｄが接合部鉛直線１２よりも支持部６側に配置されるように、変位変換部３にはセンサ基板７側の先端部から支持部６側へ突出した張り出し部１５が設けられている。検出対象体８ｄは、反射面がｚ方向と平行になるように張り出し部１５の先端面に取り付けられている。また、変位検出素子９ｄは、検出対象体８ｄと正対するようにセンサ基板７に実装されている。

図９（ａ）～（ｃ）はそれぞれ、比較例３，４，５に係る力覚センサ１００ｒ，１００ｓ，１００ｔの部分断面図であり、図５（ａ）に示した部位に対応する部位で示されている。比較例３に係る力覚センサ１００ｒは、実施例１に係る力覚センサ１００Ａが備える変位変換部３及び張り出し部１５と同じ変位変換部を備えている。よって、力覚センサ１００ｒにおいて検出対象体８ｄは接合部鉛直線１２よりも中心軸Ｌ側に配置されている。但し、力覚センサ１００ｒでは、検出対象体８ｄは、張り出し部１５の先端部においてセンサ基板７と対面する面に取り付けられ、センサ基板７に実装された変位検出素子９ｄとｚ方向で正対しており、この点で力覚センサ１００Ａと異なっている。なお、図５（ａ）を参照して説明した定義に従い、力覚センサ１００ｒにおいて検出対象体８ｄの接合部鉛直線１２に対する水平距離Ｊは、検出対象体８ｄの表面の中心から接合部鉛直線１２へ下ろした垂線の長さとなる。また、比較例１に係る力覚センサ１００ｐと同様に、力覚センサ１００ｒでは、垂直距離Ｇは変位変換部３の高さｈと同じであるとする。

比較例４に係る力覚センサ１００ｓは、比較例２に係る力覚センサ１００ｑと比較すると、検出対象体８ｄと変位検出素子９ｄの配置が異なるが、その他の構成は力覚センサ１００ｑと同等である。力覚センサ１００ｓでは、検出対象体８ｄは、張り出し部１５の先端部においてセンサ基板７と対面する面に取り付けられ、接合部鉛直線１２よりも支持部６側に配置されている。また、検出対象体８ｄは、センサ基板７に実装された変位検出素子９ｄとｚ方向で正対している。なお、比較例１に係る力覚センサ１００ｐと同様に、力覚センサ１００ｒでは、垂直距離Ｇは変位変換部３の高さｈと同じであるとする。

比較例５に係る力覚センサ１００ｔでは、検出対象体８ｄが接合部鉛直線１２よりも支持部６側に配置されるように、変位変換部３にはセンサ基板７側の先端部から支持部６側へ突出した張り出し部１５が設けられている。力覚センサ１００ｔは、張り出し部１５の先端面が所定の角度でｚ方向と交わるように設計されている点で、力覚センサ１００ｑ，１００ｓと異なる。検出対象体８ｄは張り出し部１５ｔの先端面に取り付けられており、よって、検出対象体８ｄの反射面はｚ方向と所定の角度で交差している。また、変位検出素子９ｄは、検出対象体８と正対するようにセンサ基板７に実装されている。

図１０（ａ），（ｂ）はそれぞれ、比較例６，７に係る力覚センサ１００ｕ，１００ｖの部分断面図であり、図５（ａ）に示した部位に対応する部位で示されている。比較例６に係る力覚センサ１００ｕでは、検出対象体８ｄと変位検出素子９ｄの位置関係は実施例１に係る力覚センサ１００Ａと同様であり、検出対象体８ｄは接合部鉛直線１２よりも中心軸Ｌ側に配置されている。但し、変位変換部３の高さｈが、後述する各部の寸法の通り、力覚センサ１００ｕでは実施例１に係る力覚センサ１００Ａよりも高くなっている。具体的には、力覚センサ１００ｕでは、図５（ａ）を参照して説明した距離Ｅと水平距離Ｊの和が変位変換部３の高さｈよりも短い構造となっている。

比較例７に係る力覚センサ１００ｖは、比較例６に係る力覚センサ１００ｕの変位変換部３と同じ変位変換部３を備えている。但し、力覚センサ１００ｖでは、検出対象体８ｄの反射面がｚ方向と直交し、且つ、検出対象体８の中心が接合部鉛直線１２上に位置するように配置されており、この点で力覚センサ１００ｕと異なる。

次に、実施例１～３（力覚センサ１００Ａ～１００Ｃ）と比較例１～７（力覚センサ１００ｐ～１００ｖ）の感度等について説明する。なお、力覚センサが備える４箇所の変位変換部３のそれぞれに取り付けられた検出対象体は等価であり、各検出対象体に対面する各変位検出素子も等価であるため、以下では「検出対象体８」及び「変位検出素子９」と記して説明を行う。

実施例１～３と比較例１～７のそれぞれの力覚センサに対して以下の通りに形状（寸法）を設定する。実施例１～３及び比較例１～７に共通して、距離Ｅと距離Ｆは共に１４．７５ｍｍである。弾性連結部５をｙｚ平面で切断して現れる断面の断面積は、１９．２ｍｍ^２である。また、変位変換部３においてｚ方向と平行な２本の直線部をｘｙ平面で切断して現れる２つの断面のそれぞれの断面積も１９．２ｍｍ^２である。実施例１～３及び比較例１～５に共通して、変位変換部３の高さｈは９．１ｍｍである。比較例６，７では、変位変換部３の高さは３６ｍｍである。実施例１～３及び比較例１～５に共通して、垂直距離Ｇは９．１ｍｍである。比較例６，７では、垂直距離Ｇは３６ｍｍである。実施例１～３及び比較例２～５に共通して、水平距離Ｊは９．１ｍｍである。比較例６では、水平距離Ｊは１４．７５ｍｍである。なお、比較例１，７では、前述した通り、水平距離Ｊはゼロ（０）である。また、ここに規定した寸法は一例であり、実施例１～３に係る力覚センサ１００Ａ～１００Ｃの各部の寸法を限定するものではない。

実施例１～３と比較例１～７に係る力覚センサ１００の受力部４に－ｚ方向に４０Ｎの負荷を印加し、変位検出素子９により検知された感度（変位検出素子９に対する検出対象体８の相対移動距離）を計測した。なお、実施例３を除き、全ての力覚センサで変位検出素子９と検出対象体８とは正対しており、よって、変位検出素子９の受光面の法線と検出対象体８ｄの受光面の法線とは平行であるとする。

実施例１、比較例１，２の感度及び剛性の測定値を図１１（ａ）に示す。なお、図１１（ａ）中の「観測方向」とは、実施例３を除き検出対象体８と変位検出素子９とが正対している方向であり、図１１（ｂ），（ｃ）でも同様である。実施例３では検出対象体９の受光面の法線方向である。例えば、実施例１では、検出対象体８と変位検出素子９とはｘｙ平面（水平面）と平行な方向で正対しているため、観測方向を水平方向と定める。

実施例１、比較例１，２の力覚センサでは、検出対象体８の弾性連結部５に対する垂直距離Ｇは等しい。検出対象体８が接合部鉛直線１２よりも中心軸Ｌ側にある実施例１では、検出対象体８が支持部６側にある比較例２よりも感度が高くなっていることがわかる。また、検出対象体８が接合部鉛直線１２上にある比較例１の感度は、比較例２よりも高いが、実施例１よりも低いことがわかる。これらのことから、検出対象体８の弾性連結部５に対する垂直距離Ｇが等しく、観測方向が水平方向である場合には、検出対象体８を接合部鉛直線１２よりも中心軸Ｌ側に配置することで、感度を高めることが可能なことがわかる。なお、剛性に関しては、変位変換部３の形状に依存するため、各力覚センサで同等となっている。

実施例２，３及び比較例２，５の感度及び剛性の測定値を図１１（ｂ）に示す。これらの力覚センサでは、検出対象体８の弾性連結部５に対する垂直距離Ｇは等しい。実施例２と比較例５では、検出対象体８の表面（反射面）の法線と接合部鉛直線１２とが成す角は０度より大きい。検出対象体８が接合部鉛直線１２より中心軸Ｌ側にある実施例２，３の感度は、検出対象体８が支持部６側にある比較例２，５の感度よりも高い。なお、剛性に関しては、変位変換部３の形状に依存するため、各力覚センサで同等となっている。

比較例３，１，４の感度及び剛性の測定値を図１１（ｃ）に示す。これらの力覚センサでは、検出対象体８の弾性連結部５に対する垂直距離Ｇは等しい。検出対象体８の向きがｚ方向（鉛直方向）である場合、検出対象体８が接合部鉛直線１２よりも中心軸Ｌ側か、接合部鉛直線１２上か、支持部６側かは、感度に影響を与えないことがわかる。剛性に関しては、変位変換部３の形状に依存するため、各力覚センサで同等となっている。以上の比較から、検出対象体８を接合部鉛直線１２よりも中心軸Ｌ側に配置し、且つ、検出対象体８の表面の法線と接合部鉛直線１２との成す角を０度より大きい角度とすることで、感度を高めることができることがわかる。

比較例６，７の感度及び剛性の測定値を図１１（ｄ）に示す。これらの力覚センサでは、検出対象体８の弾性連結部５に対する垂直距離Ｇは等しい。比較例６では、検出対象体８は中心軸Ｌ側にあるが、比較例６の感度は検出対象体８が接合部鉛直線１２上にある比較例７の感度よりも低くなっていることがわかる。そして、比較例６，７では、実施例１～３及び比較例１～５と比較して、剛性が低下しており、これは、変位変換部３の高さの違いに起因するものと考えられる。更に比較例６では、検出対象体８の支持部６からの水平距離（距離Ｅ（１４．７５ｍｍ）と水平距離Ｊ（１４．７５ｍｍ）の和）が変位変換部３の高さｈ（３６ｍｍ）よりも短い。このような条件が揃った場合、検出対象体８を接合部鉛直線１２より中心軸Ｌ側に配置しても、検出対象体８が接合部鉛直線１２上にあるものに比較して、感度を高める効果が得られないことがわかる。

上述した実施例１～３及び比較例１～７の比較から、以下の第１乃至第３の条件が満たされることで、力覚センサの感度を高めることが可能になることがわかる。第１の条件は「検出対象体８が接合部鉛直線１２よりも中心軸Ｌ側に配置されること」である。第２の条件は「変位変換部３が無変位の状態で検出対象体８の表面の法線方向（反射面と直交する方向）がｚ方向（鉛直方向）を向いていないこと」である。第３の条件は「支持部６の内周面から検出対象体８までの距離が変位変換部３の高さよりも長いこと」である。

なお、上記実施例１～３及び比較例１～７の比較は、各例に対応する各力覚センサにおいて、検出対象体８の弾性連結部５に対する垂直距離Ｇは変位変換部３の高さｈと等しいという条件の下で行っている。よって、上記第１乃至第３の条件は、力覚センサ全体の厚み（力覚センサのｚ方向で高さ）が等しい場合に感度を高める条件を示している。変位変換部３の高さｈと感度とは正の相関関係にある。よって、設計上、比較例１で変位変換部３の高さを高くしたもの（力覚センサ全体の厚みが厚いもの）と、実施例１～３で変位変換部３の高さを低くしたもの（力覚センサ全体の厚みが薄いもの）とで、同等の感度を出すことが可能である。また、上記比較結果からわかるように、力覚センサの剛性は変位変換部３の高さが低いと向上する傾向がある。よって、実施例１～３に係る力覚センサでは、感度を維持したままセンサを薄型化、剛性を向上させることが可能になる。逆に、力覚センサの高さを従来からの高さと変えることなく検出対象体８の配置を実施例１～３の通りに変更することにより、感度を高めることができる。

次に、上記第１乃至第３の条件が力覚センサの感度増大に寄与する理由について、図１２を参照して説明する。図１２（ａ）は、感度増大効果を奏する力覚センサの部分断面図である。ここでは、第２実施形態に係る力覚センサ１００Ｂの第１の変形例を取り上げる。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）の弾性連結部５の右側にある不図示の受力部４に－ｚ方向に外力が作用した後の弾性連結部５及び変位変換部３の変形後の状態を示す断面図である。なお、図１２（ａ），（ｂ）では、各部の寸法等を明記するために、各部でのハッチングを省略している。

図１２（ａ）に示す変位変換部３の高さｈ、距離Ｅ、垂直距離Ｇ及び水平距離Ｊは、図５（ａ）及び図６（ａ）を参照して説明した定義に従う。ここでは、検出対象体８は、変位変換部３の高さｈと垂直距離Ｇとが等しくなるように配置されている。線２１と接合部鉛直線１２との交点を接合部中心点１４ａとし、接合部中心点１４ａから検出対象体８の表面中心までの距離を“ｗ”とする。また、接合部中心点１４ａと検出対象体８の表面中心とを結ぶ直線が接合部鉛直線１２と成す角を“β”とし、検出対象体８における反射面の法線がｚ方向（接合部鉛直線１２）と成す角を“γ”とする。なお、角度β，γについては、検出対象体８が接合部鉛直線１２よりも不図示の中心軸Ｌ側（図１２（ａ）において右側）にある場合に正の値をとり、支持部６側にある場合に負の値を取るものとする。また、力覚センサに外力が作用していない状態では、検出対象体８と変位検出素子９は正対しているものとする。図１２（ｂ）に示すように、変形後の弾性連結部５が水平面と成す角度を“ｄα”とする。接合部中心点１４ａは変形後に接合部中心点１４ｂへ移動し、接合部鉛直線１２は変形後に接合部鉛直線１２´の通りに傾斜するものとする。

変形時の検出対象体８の軌跡は、以下の第１の運動と第２の運動からなると考えることができる。第１の運動は、接合部中心点１４ａが支持部６と弾性連結部５との境界点を中心にｄαだけ回転することによる－ｚ方向（鉛直方向下向き）の運動である。第２の運動は、変形後の接合部中心点１４ｂを中心にｄαだけ回転する運動である。これらの運動を変位検出素子９による観測方向であるｚ方向（鉛直方向）に対して角度βを成す方向に射影するので、第１の運動と第２の運動によって検出対象体８はそれぞれ、ｚｘ平面上を下記式１，２のベクトルで表される分だけ移動する。以下の計算では、変位変換部３の高さｈ（＝ｗcosβ）は一定として計算を行う。

下記式１，２で表される変位の和のベクトルを検出対象体８上に射影したものが感度である。ｚｘ平面上での検出対象体８の設置方向は、下記式３で表される。よって下記３で表される方向に下記式１，２の変位を足し合わせたものの射影成分の絶対値を取り、Ｊ＝ｗsinβ、及び、ｈ＝ｗcosβであることに注意すると、感度は下記式４で表される。

接合部鉛直線１２上に検出対象体８がある場合（例えば、比較例１に係る力覚センサ１００ｐの場合）、β＝０度、γ＝０度、ｗ＝ｈとなるため、感度はｈｄαとなる。以下感度ｈｄαを基準値として力覚センサの感度を評価する。

所定の角度γに対して、角度βと感度の関係をグラフにしたものを図１３（ａ），（ｂ）に示す。図１３（ａ），（ｂ）中、縦軸の感度増大率とは、上記式４により計算した感度の値を基準値（＝ｈｄα）で除したものである。図１３からわかるように、変位変換部３の高さｈが一定の条件の下、角度γが正の値を取る場合には、角度βが正の値を取ると感度増大率が１以上となり、感度増大効果が顕著に現れることがわかる。また、角度βが大きいほど（水平距離Ｊが長い）、感度増大効果は大きいことがわかる。一方、角度γが負の値を取る場合でも、角度βが正の値を取って値が大きくなることで感度増大効果が得られる傾向は見られるが、感度増大効果が得られる角度βの範囲が限定されていることがわかる。

β＞０、γ＝９０度の場合（検出対象体８と変位検出素子９が水平方向で正対しており、接合部鉛直線１２より中心軸Ｌ側にあり、反射面がｘｙ平面と平行な場合）、上記式４は下記式５の通りに変形することができる。これより、感度増大条件は、下記式６で表される。これにより、検出対象体８から支持部６までの水平距離（＝Ｅ＋Ｊ）が変位変換部３の高さｈより長い場合、感度増大効果があることがわかる。つまり、本実施形態に係る力覚センサの感度は、検出対象体８から支持部６までの水平距離（Ｅ＋Ｊ）の関数で表され、よって、弾性連結部５に対して変位変換部３を設ける接合部中心点１４ａの位置に依存しないことがわかる。変位変換部３の高さｈが、下記式６を満たしていない上述の比較例６では感度増大効果が得られず、また、比較例７よりも感度が劣る結果となっている。

γ＝０度、つまり、受力部４（不図示）に外力が印加されていない状態で検出対象体８と変位検出素子９がｚ方向で正対している構成の場合、上記式４は下記式７の通りに変形することができる。下記式７より、角度βの値に依らず、γ＝０度の場合には感度増大率は１となることがわかる。このことは、変位変換部３の高さｈが一定であるとの条件の下、検出対象体８と変位検出素子９とがｚ方向で正対している構成（比較例１，３，４）では、どの位置に検出対象体８があっても感度は角度βによらず一定となり、感度増大効果は得られないことがわかる。この結果は、図１１に示した結果と一致している。

ところで、力覚センサを備える各種の装置では、受力部に作用する力によって受力部が大きく変形してしまうと、弾性連結部が自重で大きく振動してしまうおそれがある。例えば、ロボットアーム等の先端に取り付ける等、動作が大きい場所での力を検出する用途では、弾性連結部の振動が測定値にノイズとなって現れてしまう。また、ロボットハンドの所定の部位に掛かる力を検知するために力覚センサを用いる場合、ハンド取付部からハンド先端部までのストロークを短くしたいという要望があり、この要望に応えるために力覚センサの薄型化が求められている。更に、医療ロボットの一例であるマニピュレータ等のヒューマンインタラクティブなエンドエフェクタには、非常に小さな力を高精度で検知できる性能、つまり、感度の向上が求められている。

このような要求に対して上記第１乃至第３の条件を満たすように力覚センサを構成することにより、剛性を維持しながら、力覚センサ全体の厚みを増すことなく、感度を高めることが可能になる。逆に言えば、感度特性を維持しながら、力覚センサ全体の薄型化を実現することができる。これにより、力覚センサを装備する各種機器の性能向上を図ることが可能になる。

以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて詳述してきたが、本発明はこれら特定の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。更に、上述した各実施形態は本発明の一実施形態を示すものにすぎず、各実施形態を適宜組み合わせることも可能である。例えば、上記実施形態では、検出対象体８と変位検出素子９との組み合わせに関して、光学的に変位を検出する手段を用いたが、静電容量や磁束密度を検出する手段を用いてもよい。

３ 変位変換部（変位方向変換部）
４ 受力部
５ 弾性連結部
６ 支持部
７ センサ基板
８，８ａ～８ｈ 検出対象体
９，９ａ～９ｈ 変位検出素子
１１ 接合部
１２ 接合部鉛直線
１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ 力覚センサ

Claims (6)

1. 支持部と、
   外力の作用により前記支持部に対して変位する受力部と、
   前記支持部と前記受力部とを連結する弾性連結部と、
   前記弾性連結部に接合され、前記受力部へ入力された負荷に応じて変位する変位変換部と、
   前記変位変換部に設けられた検出対象体と、
   前記支持部に固定されたセンサ基板と、
   前記センサ基板に実装され、前記検出対象体の変位量を検出する変位検出素子と、を備える力覚センサであって、
   前記検出対象体は、前記変位変換部と前記弾性連結部との接合部の中心を通り、前記支持部と前記受力部を連結する方向と直交する直線よりも前記弾性連結部と前記受力部との接合部がある側に配置され、
   前記検出対象体の法線と前記直線は０度より大きい角度を成し、
   前記支持部と前記受力部とを連結する方向における前記検出対象体と前記支持部との間の距離が前記直線と平行な方向での前記変位変換部の高さよりも長いこと特徴とする力覚センサ。
2. 支持部と、
   外力の作用により前記支持部に対して変位する受力部と、
   前記支持部と前記受力部とを連結する弾性連結部と、
   前記弾性連結部に接合され、前記受力部へ入力された負荷に応じて変位する変位変換部と、
   前記変位変換部に設けられた検出対象体と、
   前記支持部に固定されたセンサ基板と、
   前記センサ基板に実装され、前記検出対象体の変位量を検出する変位検出素子と、を備える力覚センサであって、
   前記検出対象体は、前記変位変換部と前記弾性連結部との接合部の中心を通り、前記支持部と前記受力部を連結する方向と直交する直線よりも前記弾性連結部と前記受力部との接合部がある側に配置され、
   前記検出対象体の法線と前記直線は０度より大きい角度を成し、
   前記支持部と前記受力部とを連結する方向における前記検出対象体と前記支持部との間の距離が、前記直線と平行な方向での前記検出対象体から前記弾性連結部までの垂直距離よりも長いこと特徴とする力覚センサ。
3. 前記変位検出素子と前記検出対象体は正対していることを特徴とする請求項１又は２に記載の力覚センサ。
4. 前記検出対象体の法線と前記直線が成す角度は９０度であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の力覚センサ。
5. 前記検出対象体へ光を照射する光源を備え、
   前記変位検出素子は、前記光源から前記検出対象体へ照射された光の前記検出対象体からの反射光を受光して前記検出対象体の変位量を検出することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の力覚センサ。
6. 前記検出対象体へ光を照射する光源を備え、
   前記検出対象体は前記光源から照射された光を反射する反射面を有し、
   前記変位検出素子は、前記検出対象体からの反射光を受光する受光面と、前記受光面の表面に設けられた回折格子と、を有し、
   前記検出対象体と前記変位検出素子とは、前記反射面の法線と前記受光面の法線とが所定の角度で交差するように配置され、
   前記回折格子は、前記検出対象体からの反射光を前記所定の角度で屈折させて前記受光面に垂直に入射させることを特徴とする請求項１、２、４、５のいずれか１項に記載の力覚センサ。

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