WO2015068700A1

WO2015068700A1 - 力覚センサ

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Publication number: WO2015068700A1
Application number: PCT/JP2014/079258
Authority: WO
Inventors: 誠一勅使河原; 和輝飛田; 昌樹桑原
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2013-11-05
Filing date: 2014-11-04
Publication date: 2015-05-14
Anticipated expiration: 2016-05-05
Also published as: US9989427B2; JP6402719B2; JP6413652B2; CN105723198B; JPWO2015068700A1; JP2015129740A; EP3067679A1; CN105723198A; US20160252410A1; EP3067679A4; EP3067679B1

Abstract

　力覚センサは、基部と、基部に対向するように配置される第１可動部と、第１可動部に対向するように配置される第２可動部と、基部に設けられ、第１可動部および第２可動部を揺動可能に支持する支持体と、支持体に設けられ、第２可動部を回転可能に支持するジョイントと、第１可動部および第２可動部の少なくとも一方に外力が加わった場合に、第１可動部および第２可動部を揺動させる分力を検出できる第１検出部と、第２可動部を回転させる分力を検出できる第２検出部と、を含む。

Description

力覚センサ

　本発明は、外力を検出することができる力覚センサに関する。

　外力によって生じる構造体の変位をセンサで検出し、センサの検出結果を演算処理することで構造体に加えられた外力を検出する力覚センサが知られている。特に、外力によって生じる構造体の変位を光学式センサで検出する力覚センサが、特許文献１、特許文献２および特許文献３に開示されている。

特開２０１０－２８１６３５号公報特開２００７－１２７５０１号公報特開２０１０－２１０５５８号公報

　特許文献１、特許文献２および特許文献３に開示されている技術は、外力が加えられたときに変位を生じる可動部と、外力が加えられても変位を生じない固定部と、を備えており、固定部および可動部の相対的な変位量を光学式センサで測定している。しかしながら、特許文献１、特許文献２および特許文献３において、固定部および可動部の相対的な変位量の情報から多方向の外力を分離して検出するには複雑な演算処理が必要であった。このため、力覚センサの応答性が低下する可能性があった。

　本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、外力を検出するための演算処理を容易にすることで検出の応答性を向上させることができる力覚センサを提供することを目的とする。

　上記の目的を達成するため、本発明に係る力覚センサは、基部と、前記基部に対向するように配置される第１可動部と、前記第１可動部に対向するように配置される第２可動部と、前記基部に設けられ、前記第１可動部および前記第２可動部を揺動可能に支持する支持体と、前記支持体に設けられ、前記第２可動部を回転可能に支持するジョイントと、前記第１可動部および前記第２可動部の少なくとも一方に外力が加わった場合に、前記第１可動部および前記第２可動部を揺動させる分力を検出できる第１検出部と、前記第２可動部を回転させる分力を検出できる第２検出部と、を含む。

　これにより、力覚センサに外力が加えられたとき、第１検出部は、第１可動部および第２可動部を揺動させる分力に関する情報を処理している。第２検出部は、第２可動部を回転させる分力に関する情報を処理している。このように、第１検出部と第２検出部とは、同じ外力に含まれる多方向の分力のうち互いに異なる方向の分力に関する情報を処理している。このため、第１検出部および第２検出部のそれぞれが処理する分力の方向に関する情報は、従来技術に比べ少ない。このため、力覚センサは、外力を検出するための演算処理を容易にすることで検出の応答性を向上させることができる。

　また、本発明の望ましい態様として、前記第１可動部および前記第２可動部は、前記基部に対して鉛直方向で上側に配置されることが好ましい。これにより、第２可動部を支持するジョイントに加わる荷重は、主に第２可動部の重量および外力となる。このため、第２可動部を支持するジョイントに加わる荷重は、第１可動部および第２可動部が基部に対して鉛直方向で下側に配置される場合に比較して、小さくなる。よって、本発明に係る力覚センサは、第２可動部を支持するジョイントに加わる荷重を小さくすることで、ジョイントが破損する可能性を抑制することができる。

　また、本発明の望ましい態様として、前記第１検出部は、３つ以上のセンサを含み、前記センサは、光を発することができ且つ当該光の反射光を検出することができることが好ましい。これにより、センサは、第１可動部に貼り付けられた反射板に光を照射して、当該光の反射光強度を検出することができる。第１検出部は比較的大きな面積を有する平坦部を有する反射板に向けて光を照射する。このため、発光部と受光部とが別体になっていて、それらが対向配置される場合に必要となるような精度の高い位置決めを、本発明に係る力覚センサは必要としない。よって、本発明に係る力覚センサは、センサの配置に起因する検出精度の低下を抑制することができる。

　また、本発明の望ましい態様として、前記第１検出部は、４つのセンサを含み、前記４つのセンサのうち２つのセンサが同一直線上に配置され、残りの２つのセンサが当該直線に対して直交する同一直線上に配置されていることが好ましい。これにより、本発明に係る力覚センサは、同一直線上に配置された２つのセンサのセンサ出力に基づいて１つの軸廻りのモーメントを検出し、当該直線に対して直交する同一直線上に配置された２つのセンサのセンサ出力に基づいて異なる軸廻りのモーメントを検出することができる。このため力覚センサは、外力を検出するための演算処理をより容易にすることができる。

　また、本発明の望ましい態様として、前記支持体は、前記基部に支持される第１固定具と、スペーサを介して前記第１固定具に支持され弾性変形できる板状の板バネ部と、スペーサを介して前記板バネ部に支持される第２固定具と、を有し、前記板バネ部は、板状のベース部と、前記ベース部と同一平面上で前記ベース部から突出しかつ前記スペーサが表面に接触する複数の突出部と、を有し、前記第１可動部に外力が加わった場合に、前記突出部は、前記第１可動部の変位に応じて、前記スペーサが接触する位置よりも前記ベース部側の部分が変形することが好ましい。これにより、可動部に加わった外力は、スペーサを介して板バネ部に伝わり、突出部を弾性変形させる。このようにすることで、本発明に係る力覚センサは、可動部に外力が加わった場合に可動部を揺動させ、当該外力が取り除かれた場合に可動部を元の位置に戻すという動作における、がたつきの発生を抑制することができる。よって、本発明に係る力覚センサは、がたつきの発生による外力の検出精度の低下を抑制することができる。

　また、本発明の望ましい態様として、前記支持体は、互いに隙間を空けて対向するように連結された複数の前記板バネ部を有することが好ましい。これにより、本発明に係る力覚センサに可動部を基部に向かって平行移動させる外力が加えられた場合、それぞれの板バネ部が変形することができる。このため、板バネ部の数が多くなるほど、可動部が基部に向かって平行移動できる量が多くなる。よって、本発明に係る力覚センサは、可動部を基部に向かって平行移動させる外力が加えられた場合の可動部の移動量を調節することができる。また、本発明に係る力覚センサは、人間である操作者によって直接外力を与えられることで操作される可能性がある。よって、本発明に係る力覚センサは、可動部を基部に向かって平行移動させる外力が操作者によって加えられる場合に、操作者に可動部の移動を知覚させやすくすることで、操作性を向上させることができる。

　また、本発明の望ましい態様として、前記第１検出部は前記基部の上面に設けられた３つ以上のセンサを含み、前記センサは光を発することができ、かつ当該光の反射光を検出することで検出対象までの距離を取得することができるものであり、前記センサの位置と検出対象までの距離を用いて前記第１可動部の傾斜角度を検出することが好ましい。これにより、センサは、第１可動部に貼り付けられた反射板に光を照射して、当該光の反射光強度を検出することができる。第１検出部は比較的大きな面積を有する平坦部を有する反射板に向けて光を照射する。このため、発光部と受光部とが別体になっていて、それらが対向配置される場合に必要となるような精度の高い位置決めを、本発明に係る力覚センサは必要としない。よって、本発明に係る力覚センサは、センサの配置に起因する検出精度の低下を抑制することができる。

　また、本発明の望ましい態様として、前記第１検出部は３つのセンサを含み、前記基部の上面に周方向に１２０°の等間隔で配置されていることが好ましい。これにより、センサ同士の間隔が長くなる。このため、力覚センサは、第１可動部の傾斜角度の検出精度を向上させることができる。

　また、本発明の望ましい態様として、前記第１検出部は４つ以上のセンサを含み、そのうちの３つのセンサを第１のセットとし、前記３つのセンサの位置と検出対象までの距離を用いて前記第１可動部の傾斜角度を検出し、前記第１のセットとは少なくとも１つのセンサが異なる３つのセンサを第２のセットとして前記第１可動部の傾斜角度を検出し、複数の検出結果を平均して前記第１可動部の傾斜角度を求めることが好ましい。これにより、力覚センサは、２つの結果を平均することでより正確な角度を求めることができる。また、力覚センサは、一方のセットが故障した場合でも継続して使用することができる。

　また、本発明の望ましい態様として、前記第１可動部および前記第２可動部の揺動角度を制限する第１ストッパーと、前記第１可動部および前記第２可動部が前記支持体を引き延ばそうとする方向へ変位する際の変位量を制限する第２ストッパーと、前記第２可動部の中心軸廻りの回転角度を制限する第３ストッパーと、を有することが好ましい。これにより、力覚センサは、力覚センサに過大な外力が作用した場合でも支持体等の破損を防止することができる。

　また、本発明の望ましい態様として、前記第１ストッパーは、前記基部から前記第１可動部に向かって突出した部分であって、前記支持体の中心軸廻りに周方向において等間隔に３箇所以上に設けられ、前記基部からの高さが、前記支持体が弾性変形可能な荷重を超える荷重が力覚センサに加えられた場合に、先端が前記第１可動部に接触する高さとなっていることが好ましい。これにより、第１可動部および第２可動部を揺動させる過大な外力が力覚センサに加えられた場合であっても、力覚センサは、支持体に永久変形が生ずることを抑制することができる。

　また、本発明の望ましい態様として、前記第２ストッパーは、力覚センサの周囲を覆うように配置された筐体の上端部に設けられて、中心に向かう方向に突き出したフランジ状部分であって、前記支持体が弾性変形可能な荷重を超える荷重が力覚センサに加えられた場合に、下側端面が前記第２可動部に接触する高さとなっていることが好ましい。これにより、第２可動部が一定量変位すると第２ストッパーの下側端面に接触し、それ以上は変位しない。このため、力覚センサは、支持体に永久変形が生じることを抑制することができる。

　また、本発明の望ましい態様として、前記第３ストッパーは、前記第１可動部と前記第２可動部の、お互いに対向する表面に設けられた永久磁石であって、前記第１可動部に設けた前記永久磁石は前記第１可動部の表面から前記第２可動部に向かって突出しており、前記第２可動部に設けた前記永久磁石は、前記第２可動部の表面から前記第１可動部に向かって突出し、かつ前記第１可動部に設けた前記永久磁石を周方向に挟む位置に設けられていることが好ましい。これにより、外力によって第２可動部が回転した場合、複数の第３ストッパーは、互いの距離が近づくことで反発力を増大させ、外力に対する反力を生じさせる。このため、力覚センサは、ジョイント等の破損を抑制することができる。

　また、本発明の望ましい態様として、前記ジョイントは、前記第２可動部を貫通するシャフトを備え、前記基部を貫通する第１内部通路、前記支持体を貫通する第２内部通路および前記シャフトを貫通する第３内部通路が、同一直線上に配置されることが好ましい。これにより、力覚センサに設けられる配線または配管は、第１内部通路、第２内部通路および第３内部通路を通って、基部から第２可動部まで到達することができる。このため、配線または配管が各部材の外側を通される場合に比べて、力覚センサは、装置全体を小型化することができる。

　本発明によれば、外力を検出するための演算処理を容易にすることで検出の応答性を向上させることができる力覚センサを提供することができる。

図１は、本実施形態に係る力覚センサを示す模式図である。図２は、本実施形態に係る基部、支持体および第２可動部を示す模式図である。図３は、本実施形態に係る支持体および第１可動部を示す平面図である。図４は、本実施形態に係るシャフトおよび第２可動部を示す平面図である。図５は、図４におけるＡ矢視図を示す。図６は、本実施形態に係る力覚センサにＹ軸廻りのモーメントが加えられた状態を示す模式図である。図７は、本実施形態に係る第２センサおよび反射板を示す模式図である。図８は、図７におけるＢ矢視図を示す。図９は、本実施形態に係る力覚センサにＺ軸廻りのモーメントが加えられた状態を示す模式図である。図１０は、図９におけるＣ矢視図を示す。図１１は、本実施形態に係る第１検出部および第２検出部の構成を示す模式図である。図１２は、本実施形態に係る演算処理部の構成図である。図１３は、変形例１に係る力覚センサを示す模式図である。図１４は、変形例２に係る支持体の構成を示す斜視図である。図１５は、変形例２に係る力覚センサにＹ軸廻りのモーメントが加えられた場合を示す模式図である。図１６は、変形例３に係る力覚センサを示す模式図である。図１７は、図１６におけるＤ－Ｄ断面を示す模式図である。図１８は、図１６におけるＥ－Ｅ断面を示す模式図である。図１９は、変形例４に係る力覚センサを示す模式図である。図２０は、変形例５に係る力覚センサを示す模式図である。図２１は、変形例５に係る力覚センサに過大なモーメントが加えられた状態を示す模式図である。図２２は、変形例５に係る力覚センサにＺ軸方向の過大な外力が加えられた状態を示す模式図である。図２３は、変形例６に係る力覚センサを示す模式図である。図２４は、変形例６に係る力覚センサを、中心軸を含む平面で切った断面図である。図２５は、変形例６に係るディスクの一例を示す平面図である。図２６は、変形例６に係るディスクの一例を示す平面図である。

　本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

（実施形態）
　図１は、本実施形態に係る力覚センサを示す模式図である。力覚センサ１は、加えられた外力を検出することができる装置である。力覚センサ１は、例えば、ロボットの動きを規制するモータ等の回転機械に接続される。力覚センサ１は、加えられた外力の大きさおよび方向を検出し、加えられた外力の大きさおよび方向に応じた当該モータ等を制御する制御部に送る制御信号を送出することができる。

　力覚センサ１は、基部１０と、第１可動部２１と、第２可動部２２と、を有する。例えば、基部１０は、円筒状の筐体１００の底面に固定された円盤状の部材であり、支持体３０を備える。なお、基部１０は、筐体１００の底面と一体になっていてもよい。以下の説明において、基部１０の中心軸Ｚｒに平行なＺ軸と、Ｚ軸に対して直交するＸ軸、Ｚ軸およびＸ軸に対して直交するＹ軸と、からなる直交座標系が用いられる。支持体３０は、第１可動部２１および第２可動部２２を揺動可能に支持する。支持体３０は、例えば、ディスク型カップリングであり、基部１０の表面の中央部分に固定される。

　図２は、本実施形態に係る基部、支持体および第２可動部を示す模式図である。図３は、本実施形態に係る支持体および第１可動部を示す平面図である。図４は、本実施形態に係るシャフトおよび第２可動部を示す平面図である。図２に示すように、支持体３０は、下部固定具３１と、上部固定具３２と、ディスク３３と、を有する。下部固定具３１は、例えば、アルミニウム等の金属で形成された円筒状の部材であり、端面がＺ軸に対して垂直になるように基部１０に固定されている。上部固定具３２は、例えば、アルミニウム等の金属で形成された円筒状の部材であり、端面がＺ軸に対して垂直になるようにディスク３３を介して下部固定具３１に固定されている。ディスク３３は、例えば、板ばねである。ディスク３３は、外力が加わっていない場合、中心軸Ｚｒを中心とした周方向でＺ軸方向の高さが一定である。これに対して、外力が加わった場合、ディスク３３は、変形することで中心軸Ｚｒに対して一方側のＺ軸方向の高さが高くなり、他方側のＺ軸方向の高さが低くなる。このため、外力が加わった場合、上部固定具３２は、ディスク３３の変形に応じて傾くことができる。

　また、図３に示すように、上部固定具３２は、Ｚ軸方向に貫通する貫通孔３２ｈと、Ｚ軸に対して直交方向の開口部であるスリット３２ｓと、を有する。このため、上部固定具３２は、Ｚ軸方向から見てＣ字形状となっている。また、上部固定具３２は、スリット３２ｓを挟んで対向する端面３２１および端面３２２を接続するボルト３２ｃを有する。ボルト３２ｃが締め付けられると、端面３２１から端面３２２までの距離が小さくなる。その結果、貫通孔３２ｈの直径が小さくなる。これにより、ボルト３２ｃは、貫通孔３２ｈの直径を調節することができる。

　第２可動部２２は、ジョイント２によってＺ軸廻りに回転可能に支持体３０に支持されている。ジョイント２は、例えば、深溝玉軸受３５と、シャフト１１と、スラストころ軸受１２と、を有する。図２に示すように、上部固定具３２の貫通孔３２ｈには、深溝玉軸受３５が嵌め込まれている。深溝玉軸受３５は、ボルト３２ｃを緩めた状態で貫通孔３２ｈに挿入された後、ボルト３２ｃを締め付けて貫通孔３２ｈの直径を小さくすることで固定されている。例えば、深溝玉軸受３５の内輪の内側には、円柱状のシャフト１１が圧入によって固定されている。シャフト１１の一方側の端部は、貫通孔３２ｈの内側に位置しており、他方側の端部は、上部固定具３２の端面よりもＺ軸方向に突出している。上部固定具３２およびシャフト１１に外力が加わると、上部固定具３２およびシャフト１１は、下部固定具３１を支点としてシャフト１１の中心軸が基部１０の中心軸Ｚｒに対して角度をなすように揺れ動く。以下の説明において、揺動するとの記載は、下部固定具３１を支点としてシャフト１１の中心軸が基部１０の中心軸Ｚｒに対して角度をなすように揺れ動くことを示す。なお、基部１０が円盤状でない場合、揺動するとの記載は、下部固定具３１を支点としてシャフト１１の中心軸が基部１０の表面に対して垂直な直線に対して角度をなすように揺れ動くことを意味する。

　第２可動部２２は、シャフト１１の上部固定具３２から突出している部分に固定されている。第２可動部２２は、例えば、Ｚ軸方向に貫通する貫通孔２２ｈを有する円盤状の剛体である。第２可動部２２は、貫通孔２２ｈにシャフト１１が圧入されることによって、基部１０と平行になるように固定されている。また、例えば、スラストころ軸受１２が、上部固定具３２と第２可動部２２との間に配置されている。第２可動部２２は、深溝玉軸受３５およびシャフト１１によってＺ軸廻りに回転可能に支持体３０に支持されており、スラストころ軸受１２によってより滑らかに回転可能に支持されている。一方、第２可動部２２がＺ軸廻りに回転しているとき、第１可動部２１および基部１０は、Ｚ軸廻りに回転しない。なお、ジョイント２は、スラストころ軸受１２を有していなくてもよい。

　図３に示すように、第１可動部２１は、全体が円筒状の部材であり、上部固定具３２の外周を囲むように固定されている。また、第１可動部２１は、第２可動部２２と平行になるように固定されている。例えば、第１可動部２１は、半円筒状の剛体である第１可動部片２１ｐを２つ含み、上部固定具３２を挟むように配置された２つの第１可動部片２１ｐをボルト２１ｃで連結することにより上部固定具３２に固定されている。なお、第１可動部２１を固定する方法は、上述した方法に限らない。

　以上により、図１に示すように、第１可動部２１は、基部１０に対向するように配置されており、第２可動部２２は、第１可動部２１に対向するように配置されている。力覚センサ１に外力が加わっていない状態においては、基部１０、第１可動部２１および第２可動部２２は、互いに平行な状態を保っている。また、第１可動部２１および第２可動部２２は、ディスク３３を有する支持体３０によって揺動可能に支持されている。また、第２可動部２２は、ジョイント２によってＺ軸廻りに回転可能に支持されている。また、本実施形態において、第１可動部２１および第２可動部２２は、基部１０に対して鉛直方向で上側に配置されている。

　図１に示すように、基部１０は、第１センサ１５を有する。第１センサ１５は、例えば、フォトリフレクタであり、基部１０の表面にセンサ台１５ｂを介して固定されている。第１センサ１５は、例えば、支持体３０の外側に、中心軸Ｚｒを中心とした周方向で等間隔に４つ配置されている。また、４つの第１センサ１５のうち２つの第１センサ１５は、Ｘ軸に平行な直線上に配置されており、残りの２つの第１センサ１５は、Ｙ軸に平行な直線上に配置されている。

　図１に示すように、基部１０は、ストッパー１９を有する。ストッパー１９は、第１センサ１５よりもＺ軸方向に突出する突出部である。例えば、ストッパー１９は、第１センサ１５の外側に、Ｚ軸を中心とした周方向で等間隔に４つ配置されている。なお、ストッパー１９は、第１センサ１５の内側に配置されていてもよい。例えば、ストッパー１９のＺ軸方向の高さは、支持体３０が弾性変形可能な荷重を超える荷重が力覚センサ１に加えられた場合に、先端が第１可動部２１に接触するように調節されている。このため、第１可動部２１および第２可動部２２を揺動させる過大な外力が力覚センサ１に加えられた場合、ストッパー１９は、支持体３０に永久変形が生ずる事態を抑制することができる。

　また、図１に示すように、第１可動部２１は、第２可動部２２と対向する表面に永久磁石２４を有し、第２可動部２２は、第１可動部２１と対向する表面に２つの永久磁石２５を有する。永久磁石２４は、第１可動部２１の表面から第２可動部２２に向かって突出しており、永久磁石２５は、第２可動部２２の表面から第１可動部２１に向かって突出している。また、Ｚ軸方向から見て、永久磁石２４および２つの永久磁石２５が、中心軸Ｚｒを中心とした同一円周上に配置されている。２つの永久磁石２５は、永久磁石２４に対して周方向の両側に等間隔で配置されている。

　図５は、図４におけるＡ矢視図を示す。永久磁石２４は、例えば、接着剤によってベース２４ｂを介して第１可動部２１に固定されている。永久磁石２４は、Ｚ軸方向にＮ極およびＳ極が並ぶように配置されている。永久磁石２５は、例えば、接着剤によってベース２５ｂを介して第２可動部２２に固定されている。永久磁石２５は、Ｚ軸方向にＮ極およびＳ極が並ぶように配置されている。また、永久磁石２４および永久磁石２５は、互いのＳ極同士およびＮ極同士が周方向に対向するように配置されている。これにより、力覚センサ１に外力が加わっていない場合、永久磁石２４および永久磁石２５の反発力の釣り合いによって、第１可動部２１に対する第２可動部２２のＺ軸廻りの相対回転角度が固定される。また、外力によって第２可動部２２がＺ軸廻りに回転した場合、永久磁石２４および永久磁石２５は、互いの距離が近づくことで反発力を増大させ、外力に対する反力を生じさせる。これにより、力覚センサ１は、ジョイント２等の破損を抑制できる。そして、外力が取り除かれると、第１可動部２１に対する第２可動部２２のＺ軸廻りの相対回転角度は、外力が加わっていないときの角度に戻る。なお、永久磁石２４および永久磁石２５によって生じる反発力は、永久磁石２４および永久磁石２５の磁力の調節、ベース２４ｂおよびベース２５ｂのＺ軸方向の高さの調節、等によって調節することができる。

　また、図１に示すように、第１可動部２１は、第２可動部２２と対向する表面にストッパー２６を有し、第２可動部２２は、第１可動部２１と対向する表面にストッパー２７を有する。ストッパー２６は、第１可動部２１の表面から第２可動部２２に向かって突出している。ストッパー２７は、第２可動部２２の表面から第１可動部２１に向かって突出している。また、Ｚ軸方向から見て、ストッパー２６およびストッパー２７が、中心軸Ｚｒを中心とした同一円周上に配置されている。ストッパー２６とストッパー２７との周方向の距離Ｄｌは、永久磁石２４と永久磁石２５との周方向の距離Ｄｍよりも小さくなっている。これにより、外力によって第２可動部２２がＺ軸廻りに回転した場合、永久磁石２４と永久磁石２５とが接触する前にストッパー２６とストッパー２７とが接触する。このため、ストッパー２６およびストッパー２７は、永久磁石２４と永久磁石２５とが衝突して破損する事態を抑制することができる。

　図１に示すように、第１可動部２１は、基部１０に対向する表面に反射板１６を有する。反射板１６は、４つの第１センサ１５のそれぞれに対向する位置に配置されている。例えば、反射板１６の表面の光に対する反射率は、一様であり、４つの反射板１６の反射率は、互いに等しい。フォトリフレクタである第１センサ１５は、受光部と発光部を有し、光を発することができ且つ当該光の反射光強度を検出することができる。第１センサ１５は、受光部と発光部が第１可動部２１の方向を向くように固定されている。第１センサ１５の発光部が発した光は、反射板１６で反射して第１センサ１５の受光部に入射する。第１センサ１５は、検出した反射光強度の大きさに応じて、センサ出力を変化させる。

　第１センサ１５が検出する反射光強度は、第１センサ１５から反射板１６までの距離および反射板１６の反射率に応じて変化する。力覚センサ１に外力が加わっていない場合、基部１０、第１可動部２１および第２可動部２２が互いに平行であるため、４つの第１センサ１５とそれぞれの第１センサ１５に対向する反射板１６との距離は、互いに等しい距離Ｄｚとなっている。４つの反射板１６の反射率が互いに等しいため、力覚センサ１に外力が加わっていない場合、４つの第１センサ１５が検出する反射光強度は、互いに等しくなっている。

　図６は、本実施形態に係る力覚センサにＹ軸廻りのモーメントが加えられた場合を示す模式図である。なお、図面上で変形をわかりやすくするため、図６では、ストッパー１９の記載が省略されている。Ｙ軸廻りのモーメントＭｙは、第１可動部２１および第２可動部２２を揺動させる第１の分力である。力覚センサ１にＹ軸廻りのモーメントＭｙが加えられた場合、支持体３０のディスク３３が変形することで、第１可動部２１および第２可動部２２は、揺動しＹＺ平面に対して所定の角度θだけ傾斜する。このため、第１可動部２１は、ＸＹ平面に対して角度θだけ傾斜する。第１可動部２１および第２可動部２２が一緒に揺動するので、第１可動部２１および第２可動部２２は、平行な状態を保っている。また、第１可動部２１は、基部１０に対して傾斜している。その結果、Ｘ軸に平行な直線上に配置された２つの第１センサ１５のうち一方の第１センサ１５から当該第１センサ１５に対向する反射板１６までの距離Ｄｚ１は、距離Ｄｚよりも大きくなる。Ｘ軸に平行な直線上に配置された２つの第１センサ１５のうち他方の第１センサ１５から当該第１センサ１５に対向する反射板１６までの距離Ｄｚ２は、距離Ｄｚよりも小さくなる。具体的には、中心軸Ｚｒから各第１センサ１５までの距離Ｄｓを用いて、距離Ｄｚ１は、距離ＤｚよりもＤｓ×ｔａｎθだけ大きくなり、距離Ｄｚ２は、距離ＤｚよりもＤｓ×ｔａｎθだけ小さくなる。これにより、Ｘ軸に平行な直線上に配置された２つの第１センサ１５が検出する反射光強度に差が生じる。力覚センサ１は、当該反射光強度の差によって、加えられたＹ軸廻りのモーメントＭｙの大きさおよび方向を検出する。

　力覚センサ１にＸ軸廻りのモーメントが加えられた場合、力覚センサ１は、Ｙ軸に平行な直線上に配置された２つの第１センサ１５が検出する反射光強度の差によって、加えられたＸ軸廻りのモーメントの大きさおよび方向を検出する。第１センサ１５と反射板１６との距離の説明は、力覚センサ１にＹ軸廻りのモーメントＭｙが加えられた場合と同様であるため省略する。

　図１に示すように、第１可動部２１は、第２可動部２２に対向する表面に第２センサ２８を有し、第２可動部２２は、第１可動部２１に対向する表面に反射板２９を有する。第２センサ２８は、例えば、フォトリフレクタであり、発光部および受光部が第２可動部２２の方向を向くように固定されている。反射板２９は、第２センサ２８に対向する位置に配置されている。

　図７は、本実施形態に係る第２センサおよび反射板を示す模式図である。反射板２９は、例えば、紙製の板状部材であって、高反射率領域２９ｗと、高反射率領域２９ｗよりも光の反射率が小さい低反射率領域２９ｂと、を有する。高反射率領域２９ｗは、例えば、白色に塗装された扇形の領域である。低反射率領域２９ｂは、例えば、黒色に塗装された扇形の領域である。高反射率領域２９ｗおよび低反射率領域２９ｂは、径方向に平行な境界線２９ｌで区切られている。例えば、第２センサ２８は、高反射率領域２９ｗおよび低反射率領域２９ｂの両方に対向するように配置されている。また、例えば、第２センサ２８の発光部は、Ｚ軸方向から見て、境界線２９ｌに重なるように配置されている。

　図８は、図７におけるＢ矢視図を示す。図８中の二点鎖線で示すように、第２センサ２８の発光部は、反射板２９に向かって放射状に光を発する。力覚センサ１に外力が加わっていない場合、第２センサ２８の発光部は、高反射率領域２９ｗおよび低反射率領域２９ｂを等しい面積ずつ光を照射する。すなわち、図８に示すように、高反射率領域２９ｗのうち光が照射される領域Ａｗ１は、低反射率領域２９ｂのうち光が照射される領域Ａｂ１に等しい。

　図９は、本実施形態に係る力覚センサにＺ軸廻りのモーメントが加えられた場合を示す模式図である。図１０は、図９におけるＣ矢視図を示す。Ｚ軸廻りのモーメントＭｚは、第２可動部２２を回転させる第２の分力である。力覚センサ１にＺ軸廻りのモーメントＭｚが加えられた場合、第２可動部２２は、Ｚ軸廻りに回転する。第２可動部２２のＺ軸廻りの回転にしたがって、第２センサ２８に対する反射板２９の相対位置が変化する。このため、図１０に示すように、高反射率領域２９ｗのうち光が照射される領域Ａｗ２は、低反射率領域２９ｂのうち光が照射される領域Ａｂ２よりも大きくなる。高反射率領域２９ｗは低反射率領域２９ｂに比べて光の反射率が大きいため、第２センサ２８の受光部が検出する反射光強度が大きくなる。力覚センサ１は、当該反射光強度の変化によって、加えられたＺ軸廻りのモーメントＭｚの大きさおよび方向を検出する。

　なお、上述した説明とは逆方向にＺ軸廻りのモーメントが力覚センサ１に加えられた場合、高反射率領域２９ｗのうち光が照射される領域は、低反射率領域２９ｂのうち光が照射される領域よりも小さくなる。低反射率領域２９ｂは高反射率領域２９ｗに比べて光の反射率が小さいため、第２センサ２８の受光部が検出する反射光強度が小さくなる。

　図１１は、本実施形態に係る第１検出部および第２検出部の構成を示す模式図である。力覚センサ１は、第１検出部９１と、第２検出部９２と、を有している。第１検出部９１および第２検出部９２は、モータ等の回転機械の制御部４１と接続されている。第１検出部９１および第２検出部９２は、力覚センサ１に加えられた外力の情報である外力データＰ１、Ｐ２を制御部４１へ出力する。第１検出部９１は、第１センサ１５と、ＡＤ変換部５１と、距離演算部６１と、力演算部７１と、を有する。第２検出部９２は、第２センサ２８と、ＡＤ変換部５２と、角度演算部６２と、力演算部７２と、を有する。４つの第１センサ１５は、それぞれが検出した反射光強度に応じてセンサ出力Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４をＡＤ変換部５１に送る。第２センサ２８は、検出した反射光強度に応じてセンサ出力Ｓ２をＡＤ変換部５２に送る。ＡＤ変換部５１、５２、距離演算部６１、角度演算部６２および力演算部７１、７２は、例えば、１つの演算処理部４２に備えられる。なお、ＡＤ変換部５１、距離演算部６１および力演算部７１が１つの演算処理部に備えられ、ＡＤ変換部５２、角度演算部６２および力演算部７２が異なる演算処理部に備えられてもよい。

　図１２は、本実施形態に係る演算処理部の構成図である。演算処理部４２は、マイクロコンピュータ（マイコン）等のコンピュータであり、入力インターフェース４２ａと、出力インターフェース４２ｂと、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）４２ｃと、ＲＯＭ（Read　Only　Memory）４２ｄと、ＲＡＭ（Random　Access　Memory）４２ｅと、内部記憶装置４２ｆと、を含んでいる。入力インターフェース４２ａ、出力インターフェース４２ｂ、ＣＰＵ４２ｃ、ＲＯＭ４２ｄ、ＲＡＭ４２ｅおよび内部記憶装置４２ｆは、内部バスに接続されている。

　入力インターフェース４２ａは、第１センサ１５からのセンサ出力Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４および第２センサ２８からのセンサ出力Ｓ２を受け取り、ＣＰＵ４２ｃに出力する。出力インターフェース４２ｂは、ＣＰＵ４２ｃから外力データＰ１、Ｐ２を受け取り、制御部４１に出力する。

　ＲＯＭ４２ｄには、ＢＩＯＳ（Basic　Input/Output　System）等のプログラムが記憶されている。内部記憶装置４２ｆは、例えばＨＤＤ（Hard　Disk　Drive）やフラッシュメモリ等であり、オペレーティングシステムプログラムやアプリケーションプログラムを記憶している。ＣＰＵ４２ｃは、ＲＡＭ４２ｅをワークエリアとして使用しながらＲＯＭ４２ｄや内部記憶装置４２ｆに記憶されているプログラムを実行することにより、種々の機能を実現する。

　内部記憶装置４２ｆは、４つのセンサ出力Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４と４つの第１センサ１５から反射板１６までの距離とを対応付けた距離データベースと、センサ出力Ｓ２と第１可動部２１に対する第２可動部２２の相対回転角度とを対応付けた角度データベースとを記憶している。また、内部記憶装置４２ｆは、４つの第１センサ１５から反射板１６までの距離と第１の分力の大きさおよび方向とを対応付けた第１の分力データベースと、第１可動部２１に対する第２可動部２２の相対回転角度と第２の分力の大きさおよび方向とを対応付けた第２の分力データベースと、が記憶されている。

　ＡＤ変換部５１、５２は、入力インターフェース４２ａを用いてアナログデータであるセンサ出力Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４、Ｓ２をデジタルデータに変換する。距離演算部６１は、ＣＰＵ４２ｃがＲＡＭ４２ｅを一時記憶のワークエリアとして使用しながら、内部記憶装置４２ｆに記憶された距離データベースにセンサ出力Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４を与えて、４つの第１センサ１５から反射板１６までの距離を導出する演算処理を行う。角度演算部６２は、ＣＰＵ４２ｃがＲＡＭ４２ｅを一時記憶のワークエリアとして使用しながら、内部記憶装置４２ｆに記憶された角度データベースにセンサ出力Ｓ２を与えて、第１可動部２１に対する第２可動部２２の相対回転角度を導出する演算処理を行う。力演算部７１は、ＣＰＵ４２ｃがＲＡＭ４２ｅを一時記憶のワークエリアとして使用しながら、内部記憶装置４２ｆに記憶された第１の分力データベースに距離演算部６１の出力を与えて、第１の分力の大きさおよび方向を導出する演算処理を行う。力演算部７２は、ＣＰＵ４２ｃがＲＡＭ４２ｅを一時記憶のワークエリアとして使用しながら、内部記憶装置４２ｆに記憶された第２の分力データベースに角度演算部６２の出力を与えて、第２の分力の大きさおよび方向を導出する演算処理を行う。また、力演算部７１、７２は、出力インターフェース４２ｂを介して制御部４１へ外力データＰ１、Ｐ２を出力する。外力データＰ１は、第１可動部２１および第２可動部２２を揺動させる外力の大きさおよび方向のデータである。外力データＰ２は、第２可動部２２を回転させる外力の大きさおよび方向のデータである。

　力覚センサ１は、第１検出部９１を用いて、第１可動部２１および第２可動部２２を揺動させる第１の分力である図６に示したモーメントＭｙを検出することができる。力覚センサ１にモーメントＭｙが加えられたとき、図６で示した距離Ｄｚ１が距離Ｄｚよりも大きくなるため、反射板１６と距離Ｄｚ１だけ離れた第１センサ１５が検出する反射光強度は、力覚センサ１に外力が加えられていない場合に比較して、小さくなる。このため、当該第１センサ１５のセンサ出力Ｓ１１が小さくなる。一方、図６で示した距離Ｄｚ２が距離Ｄｚよりも小さくなるため、反射板１６と距離Ｄｚ２だけ離れた第１センサ１５が検出する反射光強度は、力覚センサ１に外力が加えられていない場合に比較して、大きくなる。このため、当該第１センサ１５が出力するセンサ出力Ｓ１２が大きくなる。そして、Ｘ軸に平行な直線上に配置された２つの第１センサ１５から、２つのセンサ出力Ｓ１１、Ｓ１２がＡＤ変換部５１へ送られる。

　アナログデータである２つのセンサ出力Ｓ１１、Ｓ１２は、ＡＤ変換部５１によりデジタルデータに変換され、距離演算部６１へ送られる。距離演算部６１は、デジタル変換された２つのセンサ出力Ｓ１１、Ｓ１２を、距離データベースに与え、距離Ｄｚ１、Ｄｚ２のデータを得たのち、距離Ｄｚ１、Ｄｚ２のデータを力演算部７１に送る。力演算部７１は、距離Ｄｚ１および距離Ｄｚ２の差とモーメントＭｙの大きさおよび方向とを対応付けた第１の分力データベースに距離Ｄｚ１、Ｄｚ２のデータを与え、モーメントＭｙのデータを得たのち、モーメントＭｙの大きさおよび方向のデータを外力データＰ１として制御部４１へ送る。以上の方法により、力覚センサ１は、第１検出部９１により、モーメントＭｙを検出することができる。なお、力覚センサ１にＸ軸廻りのモーメントが加えられた場合も、Ｙ軸に平行な直線上に配置された２つの第１センサ１５のセンサ出力Ｓ１３、Ｓ１４に基づいて、同様の方法で検出できる。

　力覚センサ１は、第２検出部９２を用いて、第２可動部２２を回転させる第２の分力である図９に示したモーメントＭｚを検出することができる。力覚センサ１にモーメントＭｚが加えられた場合、第２可動部２２のＺ軸廻りの回転にしたがって第２センサ２８に対する反射板２９の相対位置が変化する。これにより、第２センサ２８の受光部が検出する反射光強度が変化する。このため、第２センサ２８のセンサ出力Ｓ２が変化する。当該センサ出力Ｓ２は、ＡＤ変換部５２へ送られる。

　アナログデータであるセンサ出力Ｓ２は、ＡＤ変換部５２によりデジタルデータに変換され、角度演算部６２へ送られる。角度演算部６２は、デジタル変換されたセンサ出力Ｓ２を、角度データベースに与え、第１可動部２１に対する第２可動部２２の相対回転角度のデータを得たのち、当該相対回転角度のデータを力演算部７２に送る。力演算部７２は、第１可動部２１に対する第２可動部２２の相対回転角度とモーメントＭｚの大きさおよび方向とを対応付けた第２の分力データベースに当該相対回転角度のデータを与え、モーメントＭｚのデータを得たのち、モーメントＭｚのデータを外力データＰ２として制御部４１へ送る。以上の方法により、力覚センサ１は、第２検出部９２により、モーメントＭｚを検出することができる。

　よって、第１可動部２１および第２可動部２２を揺動させる第１の分力が加わった場合、力覚センサ１は、第１可動部２１および第２可動部２２の基部１０に対する相対的な変位に基づいた演算を行う第１検出部９１により、第１の分力を検出することができる。また、第２可動部２２を回転させる第２の分力が加わった場合、力覚センサ１は、第２可動部２２の第１可動部２１に対する相対的な変位に基づいた演算を行う第２検出部９２により、第２の分力を検出することができる。すなわち、力覚センサ１は、第１検出部９１により、Ｘ軸廻りのモーメントおよびＹ軸廻りのモーメントを検出することができ、第２検出部９２により、Ｚ軸廻りのモーメントを検出することができる。

　力覚センサ１に外力が加えられたとき、センサ出力Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４は、第１可動部２１および第２可動部２２を揺動させる第１の分力に関する情報を有している。一方、センサ出力Ｓ２は、第２可動部２２を回転させる第２の分力に関する情報を有している。このように、センサ出力Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４とセンサ出力Ｓ２とは、同じ外力に含まれる多方向の分力のうち互いに異なる方向の分力に関する情報を有している。このため、センサ出力Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４およびセンサ出力Ｓ２のそれぞれが有する分力の方向に関する情報は、従来技術に比べ少ない。力覚センサ１は、互いに異なる方向の分力に関する情報を有するセンサ出力Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４およびセンサ出力Ｓ２をそれぞれ個別に演算することで、互いに異なる方向の分力である第１の分力と第２の分力とを検出する。このため、力覚センサ１は、外力を検出するための演算処理を容易にすることで検出の応答性を向上させることができる。

　上述したように、本実施形態に係る力覚センサ１は、基部１０と、基部１０に対向するように配置される第１可動部２１と、基部１０に設けられ、第１可動部２１を揺動可能に支持する支持体３０と、第１可動部２１に外力が加わった場合に、第１可動部２１を揺動させる２方向の分力を別々に検出できる第１検出部９１と、を含む。

　これにより、力覚センサ１に外力が加えられたとき、第１検出部９１は、外力に含まれる多方向の分力のうち２方向の分力に関する情報を別々に処理する。このため、第１検出部９１が処理する分力の方向に関する情報は、従来技術に比べ少ない。したがって、力覚センサ１は、外力を検出するための演算処理を容易にすることで検出の応答性を向上させることができる。

　さらに、本実施形態に係る力覚センサ１は、基部１０と、基部１０に対向するように配置される第１可動部２１と、第１可動部２１に対向するように配置される第２可動部２２と、基部１０に設けられ、第１可動部２１および第２可動部２２を揺動可能に支持する支持体３０と、支持体３０に設けられ、第２可動部２２を回転可能に支持するジョイント２と、を有する。また、力覚センサ１は、第１可動部２１および第２可動部２２の少なくとも一方に外力が加わった場合に、第１可動部２１および第２可動部２２を揺動させる外力を検出できる第１検出部９１と、第２可動部２２を回転させる外力を検出できる第２検出部９２と、を含む。

　これにより、力覚センサ１に外力が加えられたとき、第１検出部９１は、第１可動部２１および第２可動部２２を揺動させる第１の分力に関する情報を処理している。第２検出部９２は、第２可動部２２を回転させる方向の第２の分力に関する情報を処理している。このように、第１検出部９１と第２検出部９２とは、同じ外力に含まれる多方向の分力のうち互いに異なる方向の分力に関する情報を処理している。このため、第１検出部９１および第２検出部９２のそれぞれが処理する分力の方向に関する情報は、従来技術に比べ少ない。このように、力覚センサ１は、互いに異なる方向の分力に関する情報を処理する第１検出部９１および第２検出部９２を有することで、互いに異なる方向の分力である第１の分力と第２の分力とを検出する。このため、力覚センサ１は、外力を検出するための演算処理を容易にすることで検出の応答性を向上させることができる。

　また、本実施形態に係る力覚センサ１において、第１可動部２１および第２可動部２２は、基部１０に対して鉛直方向で上側に配置される。これにより、第２可動部２２を支持するジョイント２に加わる荷重は、主に第２可動部２２の重量および外力となる。このため、第２可動部２２を支持するジョイント２に加わる荷重は、第１可動部２１および第２可動部２２が基部１０に対して鉛直方向で下側に配置される場合に比較して、小さくなる。よって、本実施形態に係る力覚センサ１は、第２可動部２２を支持するジョイント２に加わる荷重を小さくすることで、ジョイント２が破損する可能性を抑制することができる。

　また、本実施形態に係る力覚センサ１において、第１検出部９１は、３つ以上の第１センサ１５を含み、第１センサ１５は、光を発することができ且つ当該光の反射光を検出することができる。これにより、第１センサ１５は、第１可動部２１に光を照射して、当該光の反射光強度を検出することができる。このため、力覚センサ１は、発光部と受光部が対向配置される場合に必要となるような、精度の高い位置決めを必要としない。よって、力覚センサ１は、第１センサ１５の配置に起因する検出精度の低下を抑制することができる。

　また、本実施形態に係る力覚センサ１において、第１検出部９１は、４つの第１センサ１５を含み、４つの第１センサ１５のうち２つの第１センサ１５がＸ軸に平行な同一直線上に配置され、残りの２つの第１センサ１５がＹ軸に平行な同一直線上に配置されている。これにより、力覚センサ１は、Ｘ軸に平行な同一直線上に配置された２つの第１センサ１５のセンサ出力Ｓ１１、Ｓ１２に基づいてＹ軸廻りのモーメントを検出し、Ｙ軸に平行な同一直線上に配置された２つの第１センサ１５のセンサ出力Ｓ１３、Ｓ１４に基づいてＸ軸廻りのモーメントを検出することができる。このため力覚センサ１は、外力を検出するための演算処理をより容易にすることができる。

　また、本実施形態に係る力覚センサ１において、第１検出部９１は基部１０の上面に設けられた３つ以上の第１センサ１５を含み、第１センサ１５は光を発することができ、かつ光の反射光を検出することで検出対象までの距離を取得することができるものであり、第１センサ１５の位置と検出対象までの距離を用いて第１可動部２１の傾斜角度を検出する。これにより、第１センサ１５は、第１可動部２１に貼り付けられた反射板１６に光を照射して、光の反射光強度を検出することができる。第１検出部９１は比較的大きな面積を有する平坦部を有する反射板１６に向けて光を照射する。このため、発光部と受光部とが別体になっていて、それらが対向配置される場合に必要となるような精度の高い位置決めを、本実施形態に係る力覚センサ１は必要としない。よって、本実施形態に係る力覚センサ１は、第１センサ１５の配置に起因する検出精度の低下を抑制することができる。

　なお、力覚センサ１は、永久磁石２４、２５に代えて、コイルばね等の弾性体を有していてもよい。例えば、力覚センサ１がコイルばねを有する場合、コイルばねの一方の端部が第１可動部２１に固定され、他方の端部が第２可動部２２に固定されていればよい。これにより、第１可動部２１に対する第２可動部２２の相対回転角度が変化すると、コイルばねが伸縮して弾性力を生じるため、当該相対回転角度が規制される。

　また、反射板１６は、光に対する反射率が一様であればよく、材質、表面性状、色等の制限はない。また、第１可動部２１の基部１０側の表面の反射率が一様である場合、反射板１６は、なくてもよい。

　また、反射板２９は、高反射率領域２９ｗおよび低反射率領域２９ｂに代えて、光を多方向に拡散させる拡散領域および光を入射方向に反射する再帰性反射領域を有していてもよい。再帰性反射領域の光の反射率は、拡散領域の光の反射率よりも大きいため、力覚センサ１にＺ軸廻りのモーメントが加えられた場合、第２センサ２８が検出する反射光強度が変化する。また、反射板２９は、高反射率領域２９ｗおよび低反射率領域２９ｂに代えて、Ｚ軸に対する周方向で段階的に反射率が異なるグラデーション領域を有していてもよい。

　また、第２可動部２２は、反射板２９に代えて、第１可動部２１側の表面の一部を段階的に突出させるまたは段階的に窪ませることによって傾斜面を有していてもよい。このようにした場合、力覚センサ１にＺ軸廻りのモーメントが加えられたとき、第２センサ２８と当該傾斜面との距離が変化するため、第２センサ２８が検出する反射光強度が変化する。

　また、第１センサ１５は、第１センサ１５から反射板１６までの距離を検出できるものであればよく、必ずしもフォトリフレクタでなくてもよい。例えば、第１センサ１５は、超音波センサや静電容量センサでもよい。また、第１センサ１５は、基部１０および第１可動部２１に固定される加速度センサであってもよい。このようにする場合、第１検出部９１は、基部１０に固定された加速度センサと第１可動部２１に固定された加速度センサの出力の差から基部１０に対する第１可動部２１の傾斜角度を演算し、当該傾斜角度に基づいて第１センサ１５から反射板１６までの距離を検出すればよい。また、力覚センサ１は、例えば、フォトリフレクタと加速度センサを組み合わせた第１センサ１５を有していてもよい。

　また、本実施形態において、第１検出部９１は、必ずしも４つの第１センサ１５を有する必要はない。第１検出部９１は、少なくとも３つ以上の第１センサ１５を有していればよい。

　本実施形態は、外力を検出することができる力覚センサ１におけるセンサの配置に関する。

　特許文献１及び特許文献２に記載された発明は、発光素子と受光素子とが対向配置されていることから、これら２つの素子の正確な位置決めが必要である。また、上記の先行技術は構造体が高剛性であるが故に、外力によって発生する変位は非常に小さい（最大で１００μｍ程度）。この微小な変位を正確に検出するためにはセンサ出力のＳ／Ｎ比を向上させる必要があり、複雑なフィルタ処理やアンプ回路設計における十分な検討が必要である。

　これに対して、本実施形態に係る力覚センサ１によれば、比較的大きな平面部を有する反射板１６に変位測定のための光を直接照射し、その反射光を検出して可動部の変位量を測定するため、発光素子と受光素子の位置決めが容易になる。また、本構造体では可動部に最大で数ｍｍ程度の変位が生じるため、これを検出する場合、通常より大きなセンサ出力を得ることができ、フィルタ回路やアンプ回路を通常より小規模に構成しつつ、良好なＳ／Ｎ比を実現できる。

　本実施形態は、外力を検出することができる力覚センサ１のストロークを規制するストッパーに関する。

　特許文献１、特許文献２および特許文献３には、過大な外力が加えられた場合に力覚センサを保護する方法や構造は記載されていない。そのため仮に過大な外力が力覚センサに作用した場合、センサが破損する可能性がある。

　これに対して、本実施形態は、力覚センサ１に過大な外力が作用した場合でもセンサの破損を防止するストッパーを備える。

　本実施形態に係る力覚センサ１は第１可動部２１および第２可動部２２の可動範囲を規制するストッパーを有する。第１可動部２１の可動範囲を規制するストッパー１９は基部１０からＺ軸方向に突出するよう、Ｚ軸を中心とした周方向で等間隔に３つまたは４つが配置されている。ストッパー１９は第１可動部２１が過度に傾斜した際に接触する長さとなっており、力覚センサ１に過大なモーメントが作用した場合でもセンサの破損を防止することができる。

　さらに、第２可動部２２の可動範囲を規制するストッパー２６、２７は第１可動部２１と第２可動部２２の、相対する面にそれぞれ設けられており、第２可動部２２が過度に動いた際にストッパー２６、２７同士が衝突するよう取り付けられている。

　本実施形態によれば、外力を検出するための演算処理を容易にすることで検出の応答性を向上させることができる力覚センサ１を提供することができる。また、大きな外力が作用した場合でも第１可動部２１および第２可動部２２の過度な動きを防止し、力覚センサ１の破壊を防ぐことができる。

（変形例１）
　図１３は、変形例１に係る力覚センサを示す模式図である。変形例１に係る力覚センサ１は、第１可動部２１を基部１０に向かって平行移動させる外力を検出することができる。第１可動部２１を基部１０に向かって平行移動させる外力は、図１３に示すＺ軸に平行な軸方向力Ｆｚである。なお、上述した実施形態で説明したものと同じ構成要素には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

　力覚センサ１にＺ軸に平行な軸方向力Ｆｚが加えられた場合、支持体３０に備えられた板ばねであるディスク３３は、全体が一様にＺ軸方向に縮むように変形する。このため、支持体３０の上部固定具３２に固定された第１可動部２１は、基部１０に平行な状態を保ったままＺ軸方向に移動する、すなわち全体が一様にＺ軸方向に移動する。その結果、４つの第１センサ１５とそれぞれの第１センサ１５に対向する反射板１６との距離は、図１に示した距離Ｄｚよりも小さくなる。すなわち、図１３に示すように、Ｘ軸に平行な直線上に配置された２つの第１センサ１５とそれぞれの第１センサ１５に対向する反射板１６との距離Ｄｚ５、Ｄｚ６は、ともに距離Ｄｚよりも小さくなる。また、Ｙ軸に平行な直線上に配置された２つの第１センサ１５とそれぞれの第１センサ１５に対向する反射板１６との距離をそれぞれ距離Ｄｚ７、Ｄｚ８とすると、距離Ｄｚ７、Ｄｚ８は、ともに距離Ｄｚよりも小さくなる。

　上述したように、第１センサ１５が検出する反射光強度は、第１センサ１５から反射板１６までの距離および反射板１６の反射率に応じて変化する。また、反射板１６の反射率は、一定である。このため、力覚センサ１にＺ軸に平行な軸方向力Ｆｚが加えられた場合、４つの第１センサ１５が検出する反射光強度は、一様に大きくなる。変形例１に係る力覚センサ１の第１検出部９１は、４つの第１センサ１５が検出する反射光強度の一様に大きくなる変化から、Ｚ軸に平行な軸方向力Ｆｚが加えられていることを判断し、例えば、距離Ｄｚ５、Ｄｚ６、Ｄｚ７、Ｄｚ８の平均値から軸方向力Ｆｚの大きさを検出することができる。

　変形例１に係る距離演算部６１は、４つの第１センサ１５のセンサ出力Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４に基づいて４つの出力を演算する。また、変形例１に係る内部記憶装置４２ｆは、距離Ｄｚ５、Ｄｚ６、Ｄｚ７、Ｄｚ８の平均値と軸方向力Ｆｚの大きさとを対応付けた軸方向力データベースを記憶している。距離演算部６１が距離として出力する４つの出力がいずれも距離Ｄｚよりも小さい場合、変形例１に係る力演算部７１は、内部記憶装置４２ｆに記憶された軸方向力データベースに距離演算部６１の出力の平均値を与えて、軸方向力Ｆｚの大きさを導出する演算処理を行う。そして、力演算部７１は、Ｚ軸に平行な軸方向力として外力データＰ１を制御部４１へ出力する。これにより、変形例１に係る力覚センサ１は、力覚センサ１に加えられる軸方向力Ｆｚを検出することができる。

（変形例２）
　図１４は、変形例２に係る支持体の構成を示す斜視図である。図１５は、変形例２に係る力覚センサにＹ軸廻りのモーメントが加えられた場合を示す模式図である。変形例２に係る支持体３０Ａは、下部固定具３１と、上部固定具３２と、板バネ部３３Ａと、を有する。なお、上述した実施形態で説明したものと同じ構成要素には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

　図１４に示すように、板バネ部３３Ａは、例えば、Ｚ軸方向から見た形状が十字形であって、下部固定具３１および上部固定具３２に平行な板状の部材である。板バネ部３３Ａは、ベース部３３ｘと、ベース部３３ｘから突出する突出部３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄと、を有する。突出部３３ａ、３３ｂは、ベース部３３ｘからＸ軸方向に向かって突出しており、突出部３３ｃ、３３ｄは、ベース部３３ｘからＹ軸方向に向かって突出している。突出部３３ａ、３３ｂの上部固定具３２側の表面には、スペーサ３７がそれぞれ接触している。スペーサ３７は、上部固定具３２と板バネ部３３Ａとの間に隙間を生じさせるために設けられる部材であって、上部固定具３２に変位が生じた場合に上部固定具３２とともに移動することができる部材である。突出部３３ｃ、３３ｄの下部固定具３１側の表面には、スペーサ３６がそれぞれ接触している。スペーサ３６は、下部固定具３１と板バネ部３３Ａとの間に隙間を生じさせるために設けられる部材である。これにより、板バネ部３３Ａは、２つのスペーサ３６を介して下部固定具３１に支持されており、上部固定具３２は、２つのスペーサ３７を介して板バネ部３３Ａに支持されている。なお、ベース部３３ｘと突出部３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄとは一体であってもよいし、別部材であってもよい。また、板バネ部３３Ａは、複数あってもよいし、突出部３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄの表面にそれぞれ配置されるスペーサ３６、３７は、複数であってもよい。

　上部固定具３２に外力が加わっていない場合、板バネ部３３Ａが下部固定具３１および上部固定具３２に平行であるため、下部固定具３１から突出部３３ａまでの距離３３１は、下部固定具３１から突出部３３ｂまでの距離３３２と等しく、突出部３３ｃから上部固定具３２までの距離３３３は、突出部３３ｄから上部固定具３２までの距離３３４と等しくなっている。これに対して、上部固定具３２に外力が加わった場合、突出部３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄは、上部固定具３２の変位に応じて、スペーサ３６またはスペーサ３７が接触する位置よりもベース部３３ｘ側の部分が弾性変形する。具体的には、Ｙ軸廻りのモーメントＭｙが上部固定具３２に加わった場合、突出部３３ａの根元における仮想断面ＣＳ１よりスペーサ３７側の部分がＺ軸方向に下がるように変形し、突出部３３ｂの根元における仮想断面ＣＳ２よりスペーサ３７側の部分がＺ軸方向に上がるように変形する。これにより、突出部３３ａ、３３ｂが下部固定具３１に対して傾斜するため、距離３３１が距離３３２よりも小さくなる。その結果、上部固定具３２が傾斜する。また、Ｘ軸廻りのモーメントＭｘが板バネ部３３Ａに加わった場合、突出部３３ｃの根元における仮想断面ＣＳ３がＺ軸方向に下がるように突出部３３ｃが変形し、且つ突出部３３ｄの根元における仮想断面ＣＳ４がＺ軸方向に上がるように突出部３３ｄが変形する。これにより、突出部３３ａ、３３ｂが下部固定具３１に対して傾斜する。その結果、上部固定具３２が傾斜することで、距離３３３が距離３３４よりも小さくなる。以上より、力覚センサ１Ａに外力が加わった場合、上部固定具３２は、板バネ部３３Ａの変形に応じて傾くことができる。

　なお、力覚センサ１Ａに対して、変形例１で示したように第１可動部２１を基部１０に向かって平行移動させる外力が加えられた場合、突出部３３ａ、３３ｂが一様にＺ軸方向に下がるように変形する。このため、支持体３０Ａの上部固定具３２に固定された第１可動部２１は、基部１０に平行な状態を保ったままＺ軸方向に移動する。

　上述したように、変形例２に係る力覚センサ１Ａにおいて、支持体３０Ａは、基部１０に支持される下部固定具３１と、スペーサ３６を介して下部固定具３１に支持され弾性変形できる板状の板バネ部３３Ａと、スペーサ３７を介して板バネ部３３Ａに支持される上部固定具３２と、を有する。板バネ部３３Ａは、板状のベース部３３ｘと、ベース部３３ｘと同一平面上でベース部３３ｘから突出し且つスペーサ３６、３７が表面に接触する複数の突出部３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄと、を有する。第１可動部２１に外力が加わった場合に、突出部３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄは、第１可動部２１の変位に応じて、スペーサ３６、３７が接触する位置よりもベース部３３ｘ側の部分が変形する。これにより、第１可動部２１に加わった外力は、スペーサ３７を介して板バネ部３３Ａに伝わり、突出部３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄを弾性変形させる。このようにすることで、力覚センサ１Ａは、第１可動部２１に外力が加わった場合に第１可動部２１を揺動させ、当該外力が取り除かれた場合に第１可動部２１を元の位置に戻すという動作における、がたつきの発生を抑制することができる。よって、力覚センサ１Ａは、がたつきの発生による外力の検出精度の低下を抑制することができる。

　また、変形例２に係る力覚センサ１Ａにおいて、支持体３０Ａは、互いに隙間を空けて対向するように連結された複数の板バネ部３３Ａを有している。例えば、複数の板バネ部３３Ａは、各板バネ部３３Ａにおける突出部３３ａおよび突出部３３ｂまたは突出部３３ｃおよび突出部３３ｄに配置されたスペーサを介してＺ軸方向に重ねられることで、互いに隙間を空けて対向するように連結される。これにより、変形例１で示したように力覚センサ１Ａに第１可動部２１を基部１０に向かって平行移動させる外力が加えられた場合、それぞれの板バネ部３３Ａが変形することができる。このため、板バネ部３３Ａの数が多くなるほど、第１可動部２１が基部１０に向かって平行移動できる量が多くなる。よって、力覚センサ１Ａは、第１可動部２１を基部１０に向かって平行移動させる外力が加えられた場合の第１可動部２１の移動量を調節することができる。また、力覚センサ１Ａは、人間である操作者によって直接外力を与えられることで操作される可能性がある。よって、力覚センサ１Ａは、第１可動部２１を基部１０に向かって平行移動させる外力が操作者によって加えられる場合に、操作者に第１可動部２１の移動を知覚させやすくすることで、操作性を向上させることができる。

（変形例３）
　図１６は、変形例３に係る力覚センサを示す模式図である。図１７は、図１６におけるＤ－Ｄ断面を示す模式図である。図１８は、図１６におけるＥ－Ｅ断面を示す模式図である。なお、上述した実施形態で説明したものと同じ構成要素には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

　変形例３に係る力覚センサ１Ｂにおいては、第１検出部９１は、少なくとも３つ以上の第１センサ１５を備えていればよい。図１６～図１８は、３つの第１センサ１５を円周方向に略等間隔に配置した変形例３に係る力覚センサ１Ｂを示している。第１センサ１５が３つ以上設けられていれば、力覚センサ１Ｂは第１可動部２１の傾斜角度を特定することができる。

　図１８に示すように、３つの第１センサ１５をそれぞれ第１センサ１５１、１５２、１５３とし、Ｘ－Ｙ平面上における座標をそれぞれ（ｘ１５１、ｙ１５１）、（ｘ１５２、ｙ１５２）、（ｘ１５３、ｙ１５３）とする。力覚センサ１Ｂに外力が加えられていない状態において、３つの第１センサ１５１、１５２、１５３の出力が０に合わされると、図１７に示すように第１可動部２１の第１センサ１５が測定している点ＰＡ、ＰＢ、ＰＣのＸ－Ｙ－Ｚ座標系における座標はそれぞれ（ｘ１５１、ｙ１５１、０）（ｘ１５２、ｙ１５２、０）（ｘ１５３、ｙ１５３、０）となる。

　力覚センサ１Ｂに外力が加えられると第１可動部２１が傾斜し、３つの第１センサ１５１、１５２、１５３の出力が変化する。その結果、点ＰＡ、点ＰＢおよび点ＰＣの座標はそれぞれ（ｘ１５１、ｙ１５１、ｚ１５１）、（ｘ１５２、ｙ１５２、ｚ１５２）、（ｘ１５３、ｙ１５３、ｚ１５３）に変わる。ここで、下記（１）式に示す点ＰＡから点ＰＢへのベクトルは、下記（２）式となる。また、下記（３）式に示す点ＰＡから点ＰＣへのベクトルは、下記（４）式となる。したがって第１可動部２１における点ＰＡ、点ＰＢおよび点ＰＣを含む平面の法線ベクトルＨは２つのベクトルの外積である下記（５）式のように表せる。法線ベクトルＨの（ｘ、ｙ、ｚ）成分をそれぞれ（ｈｘ、ｈｙ、ｈｚ）と記述すると、第１可動部２１のＸ軸廻りの傾きθｘ、Ｙ軸廻りの傾きθｙはそれぞれ下記（６）式および下記（７）式のように表すことができる。

　３つの第１センサ１５１、１５２、１５３は必ずしも周方向に等間隔である必要はなく、位置が固定されていればよい。ただし、傾きθｘ、θｙの検出精度を向上させるためには３つの第１センサ１５１、１５２、１５３の各々の間隔を可能な限り長く設定する方が好ましい。したがって、３つの第１センサ１５１、１５２、１５３は、周方向に１２０°ずつずらして配置されるのが最も好ましい。

　上述したように、変形例３に係る力覚センサ１Ｂにおいて、第１検出部９１は３つの第１センサ１５１、１５２、１５３を含み、基部１０の上面に周方向に１２０°の等間隔で配置されている。これにより、第１センサ１５１、１５２、１５３同士の間隔が長くなる。このため、力覚センサ１Ｂは、第１可動部２１の傾斜角度の検出精度を向上させることができる。

(変形例４）
　図１９は、変形例４に係る力覚センサを示す模式図である。図１９は第１センサを６つ設けた例を示している。６つの第１センサ１５１～１５６は正六角形の頂点に対応する位置に設置されている。第１センサ１５１、１５２、１５３を第１のセットとして（変形例３）に記載した方法を用いて第１可動部２１の傾斜角度を求め、同様に第１センサ１５４、１５５、１５６を第２のセットとして第１可動部２１の傾斜角度を求める。２つの結果を平均することでより正確な角度を求めることができる。また一方のセットが故障した場合でも力覚センサ１Ｂの使用を継続することができる。なお、この方法を用いる上では第１センサは必ずしも６つ必要ではなく、４つ以上あれば良い。４つ以上の第１センサから特定の３つのセンサを選択して第１および第２のセットを作り、上述の方法により第１可動部２１の傾斜角度を求める。同一の第１センサが複数のセットに含まれても良い。

　上述したように、第１検出部９１は６つの第１センサ１５１～１５６を含み、そのうちの３つの第１センサ１５１、１５２、１５３を第１のセットとし、３つの第１センサ１５１、１５２、１５３の位置と検出対象までの距離を用いて第１可動部２１の傾斜角度を検出し、第１のセットとは異なる３つの第１センサ１５４、１５５、１５６を第２のセットとして第１可動部２１の傾斜角度を検出し、複数の検出結果を平均して第１可動部２１の傾斜角度を求める。これにより、力覚センサ１Ｂは、２つの結果を平均することでより正確な角度を求めることができる。また、力覚センサ１Ｂは、一方のセットが故障した場合でも継続して使用することができる。

（変形例５）
　図２０は、変形例５に係る力覚センサを示す模式図である。図２１は、変形例５に係る力覚センサに過大なモーメントが加えられた状態を示す模式図である。図２２は、変形例５に係る力覚センサにＺ軸方向の過大な外力が加えられた状態を示す模式図である。なお、上述した実施形態で説明したものと同じ構成要素には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

　図２１に示すように、ストッパー１９のＺ軸方向の高さは、支持体３０が弾性変形可能な荷重を超える荷重が力覚センサ１Ｃに加えられた場合に、先端が第１可動部２１に接触するように調節されている。このため、第１可動部２１および第２可動部２２を揺動させる過大な外力が力覚センサ１Ｃに加えられた場合、ストッパー１９は、支持体３０に永久変形が生ずる事態を抑制することができる。

　力覚センサ１Ｃに対して、Ｚ軸に平行な軸方向力Ｆｚがマイナスの大きさ、すなわち第１可動部２１及び第２可動部２２を上方（Ｚ軸の正方向）に引っ張る外力が作用した場合でも支持体３０に過大な伸び変形を生じないようにするため、変形例５に係る力覚センサ１Ｃはストッパー２０を備えている。ストッパー２０は筐体１００の上端に設けられており、中心に向かってフランジ状に突出した部分である。ストッパー２０は筐体１００の全周にわたって設けられても良く、または周方向に幅の狭い突出部が複数箇所に設けられても良い。ストッパー２０の下側端面２０ａと第２可動部２２との間隔は、支持体３０を引き延ばす方向に変形させた時の弾性変形の限度内となる距離よりも小さく設定されている。

　力覚センサ１Ｃに対してＺ軸正方向の外力が加えられた場合、第１可動部２１及び第２可動部２２が上方に向かって変位するとともに、支持体３０が引き伸ばされる。外力が過大であった場合、支持体３０が大きく引き伸ばされて永久変形を生じる可能性がある。しかしながら、図２２に示すように、変形例５に係る力覚センサ１Ｃにおいては、第２可動部２２がＺ軸の正方向に一定量変位するとストッパー２０の下側端面２０ａに接触し、それ以上は変位しないので支持体３０に永久変形が生じることがない。

　上述したように、変形例５に係る力覚センサ１Ｃは、第１可動部２１および第２可動部２２の揺動角度を制限するストッパー１９（第１ストッパー）と、第１可動部２１および第２可動部２２が支持体３０を引き延ばそうとする方向へ変位する際の変位量を制限するストッパー２０（第２ストッパー）と、第２可動部２２の中心軸Ｚｒ廻りの回転角度を制限する永久磁石２４、２５（第３ストッパー）と、を有する。これにより、力覚センサ１Ｃは、力覚センサ１Ｃに過大な外力が作用した場合でも支持体３０等の破損を防止することができる。

　また、変形例５に係る力覚センサ１Ｃにおいて、ストッパー１９（第１ストッパー）は、基部１０から第１可動部２１に向かって突出した部分であって、支持体３０の中心軸Ｚｒ廻りに周方向において等間隔に３箇所以上に設けられ、基部１０からの高さが、支持体３０が弾性変形可能な荷重を超える荷重が力覚センサ１Ｃに加えられた場合に、先端が第１可動部２１に接触する高さとなっている。これにより、第１可動部２１および第２可動部２２を揺動させる過大な外力が力覚センサ１Ｃに加えられた場合であっても、力覚センサ１Ｃは、支持体３０に永久変形が生ずることを抑制できる。

　また、変形例５に係る力覚センサ１Ｃにおいて、ストッパー２０（第２ストッパー）は、力覚センサ１Ｃの周囲を覆うように配置された筐体１００の上端部に設けられて、中心に向かう方向に突き出したフランジ状部分であって、支持体３０が弾性変形可能な荷重を超える荷重が力覚センサ１Ｃに加えられた場合に、下側端面２０ａが第２可動部２２に接触する高さとなっている。これにより、第２可動部２２が一定量変位するとストッパー２０の下側端面２０ａに接触し、それ以上は変位しない。このため、力覚センサ１Ｃは、支持体３０に永久変形が生じることを抑制できる。

　また、変形例５に係る力覚センサ１Ｃにおいて、永久磁石２４、２５（第３ストッパー）は、第１可動部２１と第２可動部２２の、お互いに対向する表面に設けられた永久磁石であって、第１可動部２１に設けた永久磁石２４は第１可動部２１の表面から第２可動部２２に向かって突出しており、第２可動部２２に設けた永久磁石２５は、第２可動部２２の表面から第１可動部２１に向かって突出し、かつ第１可動部２１に設けた永久磁石２４を周方向に挟む位置に設けられている。これにより、外力によって第２可動部２２が回転した場合、複数の永久磁石２４、２５（第３ストッパー）は、互いの距離が近づくことで反発力を増大させ、外力に対する反力を生じさせる。このため、力覚センサ１Ｃは、ジョイント２２等の破損を抑制できる。

（変形例６）
　図２３は、変形例６に係る力覚センサを示す模式図である。図２４は、変形例６に係る力覚センサを、中心軸を含む平面で切った断面図である。図２５は、変形例６に係るディスクの一例を示す平面図である。図２６は、変形例６に係るディスクの一例を示す平面図である。なお、上述した実施形態で説明したものと同じ構成要素には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

　図２３に示すように、変形例６に係る力覚センサ１Ｄは、基部１０Ｄと、支持体３０Ｄと、シャフト１１Ｄと、を備える。例えば、基部１０Ｄは、円盤状の部材であり、Ｚ軸方向に貫通する貫通孔である第１内部通路１０ｈを備える。また、基部１０Ｄは、第１可動部２１に対向する表面の中央部でＺ軸方向に突出する突出部１０１を備える。第１内部通路１０ｈは、突出部１０１を貫通している。このため、突出部１０１は筒状になっている。

　支持体３０Ｄは、下部固定具３１Ｄと、上部固定具３２Ｄと、ディスク３３Ｄと、を有する。下部固定具３１Ｄは、例えば、アルミニウム等の金属で形成されている。下部固定具３１Ｄは、Ｚ軸方向に貫通する貫通孔３１ｈを中央部に備えた円筒状の部材であり、端面がＺ軸に対して垂直になるように基部１０Ｄに固定されている。例えば、基部１０Ｄの突出部１０１が貫通孔３１ｈに圧入されることにより、支持体３０Ｄが基部１０Ｄに固定されている。上部固定具３２Ｄは、例えば、アルミニウム等の金属で形成されている。上部固定具３２Ｄは、Ｚ軸方向に貫通する貫通孔３２ｈを中央部に備えた円筒状の部材であり、端面がＺ軸に対して垂直になるようにディスク３３Ｄを介して下部固定具３１Ｄに固定されている。ディスク３３Ｄは、例えば、板ばねである。ディスク３３Ｄは、Ｚ軸方向に貫通する貫通孔３３ｈを備える。図２５に示すように、貫通孔３３ｈは、円盤状のディスク３３Ｄの中央部を貫通している。貫通孔３１ｈ、貫通孔３３ｈおよび貫通孔３２ｈは、Ｚ軸方向で見て重なるように配置されている。これにより、貫通孔３１ｈ、貫通孔３３ｈおよび貫通孔３２ｈは、Ｚ軸方向に貫通する第２内部通路３０ｈを形成している。第２内部通路３０ｈは、Ｚ軸方向で見て第１内部通路１０ｈと重なっている。すなわち、第１内部通路１０ｈおよび第２内部通路３０ｈは、同一直線上に並んで配置されている。

　第２可動部２２は、ジョイント２ＤによってＺ軸廻りに回転可能に支持体３０Ｄに支持されている。変形例６に係るジョイント２Ｄは、深溝玉軸受３５と、シャフト１１Ｄと、スラストころ軸受１２と、を有する。図２４に示すように、シャフト１１Ｄは、深溝玉軸受３５の内輪の内側に圧入によって固定されている。シャフト１１Ｄの一端は、貫通孔３２ｈの内側に位置している。より具体的には、シャフト１１Ｄの一端のＺ軸方向の位置が、上部固定具３２Ｄのディスク３３Ｄ側の端面と揃っている。シャフト１１Ｄの他端は、第２可動部２２よりもＺ軸方向に突出している。シャフト１１Ｄは、Ｚ軸方向に貫通する貫通孔である第３内部通路１１ｈを備える。第３内部通路１１ｈは、Ｚ軸方向で見て第１内部通路１０ｈおよび第２内部通路３０ｈと重なっている。すなわち、第１内部通路１０ｈ、第２内部通路３０ｈおよび第３内部通路１１ｈは、同一直線上に並んで配置されている。

　なお、上述した変形例２で示した板バネ部３３Ａに貫通孔３３ｈが設けられる場合、図２６に示すように、貫通孔３３ｈは、例えばベース部３３ｘの中央部を貫通するように設けられる。貫通孔３３ｈの面積は、ベース部３３ｘの面積よりも小さい。

　上述したように、変形例６に係る力覚センサ１Ｄにおいて、ジョイント２Ｄは、第２可動部２２を貫通するシャフト１１Ｄを備える。基部１０Ｄを貫通する第１内部通路１０ｈ、支持体３０Ｄを貫通する第２内部通路３０ｈおよびシャフト１１Ｄを貫通する第３内部通路１１ｈが、同一直線上に並んで配置されている。

　力覚センサ１Ｄにおいては、基部１０Ｄから第２可動部２２に至る配線または配管が設けられる。変形例６に係る力覚センサ１Ｄにおいては、配線または配管は、第１内部通路１０ｈ、第２内部通路３０ｈおよび第３内部通路１１ｈを通って、基部１０Ｄから第２可動部２２まで到達することができる。このため、配線または配管が各部材の外側を通される場合に比べて、力覚センサ１Ｄは、装置全体を小型化することができる。

　１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ　力覚センサ
　１０　基部
　１０ｈ　第１内部通路
　１１　シャフト
　１１ｈ　第３内部通路
　１２　スラストころ軸受
　１５　第１センサ
　１５ｂ　センサ台
　１６　反射板
　１９、２０　ストッパー
　２　ジョイント
　２０ａ　下側端面
　２１　第１可動部
　２１ｃ　ボルト
　２１ｐ　第１可動部片
　２２　第２可動部
　２２ｈ　貫通孔
　２４、２５　永久磁石
　２４ｂ、２５ｂ　ベース
　２６、２７　ストッパー
　２８　第２センサ
　２９　反射板
　２９ｂ　低反射率領域
　２９ｌ　境界線
　２９ｗ　高反射率領域
３０　支持体
　３０ｈ　第２内部通路
　３１　下部固定具
　３１ｈ　貫通孔
　３２　上部固定具
　３２１、３２２　端面
　３２ｃ　ボルト
　３２ｈ　貫通孔
　３２ｓ　スリット
　３３　ディスク
　３３Ａ　板バネ部
　３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ　突出部
　３３ｈ　貫通孔
　３３ｘ　ベース部
　３５　深溝玉軸受
　３６、３７　スペーサ
　４１　制御部
　４２　演算処理部
　５１、５２　ＡＤ変換部
　６１　距離演算部
　６２　角度演算部
　７１、７２　力演算部
　９１　第１検出部
　９２　第２検出部
　ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３、ＣＳ４　仮想断面
　Ｆｚ　軸方向力
　Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ　モーメント
　Ｐ１、Ｐ２　外力データ
　Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４、Ｓ２　センサ出力

Claims

　基部と、
　前記基部に対向するように配置される第１可動部と、
　前記第１可動部に対向するように配置される第２可動部と、
　前記基部に設けられ、前記第１可動部および前記第２可動部を揺動可能に支持する支持体と、
　前記支持体に設けられ、前記第２可動部を回転可能に支持するジョイントと、
　前記第１可動部および前記第２可動部の少なくとも一方に外力が加わった場合に、前記第１可動部および前記第２可動部を揺動させる分力を検出できる第１検出部と、前記第２可動部を回転させる分力を検出できる第２検出部と、
　を含む力覚センサ。
　前記第１可動部および前記第２可動部は、前記基部に対して鉛直方向で上側に配置される請求項１に記載の力覚センサ。
　前記第１検出部は、３つ以上のセンサを含み、
　前記センサは、光を発することができ且つ当該光の反射光を検出することができる請求項１または２に記載の力覚センサ。
　前記第１検出部は、４つのセンサを含み、
　前記４つのセンサのうち２つのセンサが同一直線上に配置され、残りの２つのセンサが当該直線に対して直交する同一直線上に配置されている請求項１～３のいずれか１項に記載の力覚センサ。
　前記支持体は、前記基部に支持される第１固定具と、スペーサを介して前記第１固定具に支持され弾性変形できる板状の板バネ部と、スペーサを介して前記板バネ部に支持される第２固定具と、を有し、
　前記板バネ部は、板状のベース部と、前記ベース部と同一平面上で前記ベース部から突出しかつ前記スペーサが表面に接触する複数の突出部と、を有し、
　前記第１可動部に外力が加わった場合に、前記突出部は、前記第１可動部の変位に応じて、前記スペーサが接触する位置よりも前記ベース部側の部分が変形する請求項１～４のいずれか１項に記載の力覚センサ。
　前記支持体は、互いに隙間を空けて対向するように連結された複数の前記板バネ部を有する請求項５に記載の力覚センサ。
　前記第１検出部は前記基部の上面に設けられた３つ以上のセンサを含み、前記センサは光を発することができ、かつ当該光の反射光を検出することで検出対象までの距離を取得することができるものであり、前記センサの位置と検出対象までの距離を用いて前記第１可動部の傾斜角度を検出する請求項１～６のいずれか１項に記載の力覚センサ。
　前記第１検出部は３つのセンサを含み、前記基部の上面に周方向に１２０°の等間隔で配置されている請求項７に記載の力覚センサ。
　前記第１検出部は４つ以上のセンサを含み、そのうちの３つのセンサを第１のセットとし、前記３つのセンサの位置と検出対象までの距離を用いて前記第１可動部の傾斜角度を検出し、前記第１のセットとは少なくとも１つのセンサが異なる３つのセンサを第２のセットとして前記第１可動部の傾斜角度を検出し、複数の検出結果を平均して前記第１可動部の傾斜角度を求める請求項７に記載の力覚センサ。
　前記第１可動部および前記第２可動部の揺動角度を制限する第１ストッパーと、前記第１可動部および前記第２可動部が前記支持体を引き延ばそうとする方向へ変位する際の変位量を制限する第２ストッパーと、前記第２可動部の中心軸廻りの回転角度を制限する第３ストッパーと、を有する請求項１～９のいずれか１項に記載の力覚センサ。
　前記第１ストッパーは、前記基部から前記第１可動部に向かって突出した部分であって、前記支持体の中心軸廻りに周方向において等間隔に３箇所以上に設けられ、前記基部からの高さが、前記支持体が弾性変形可能な荷重を超える荷重が力覚センサに加えられた場合に、先端が前記第１可動部に接触する高さとなっている請求項１０に記載の力覚センサ。
　前記第２ストッパーは、力覚センサの周囲を覆うように配置された筐体の上端部に設けられて、中心に向かう方向に突き出したフランジ状部分であって、前記支持体が弾性変形可能な荷重を超える荷重が力覚センサに加えられた場合に、下側端面が前記第２可動部に接触する高さとなっている請求項１０または１１に記載の力覚センサ。
　前記第３ストッパーは、前記第１可動部と前記第２可動部の、お互いに対向する表面に設けられた永久磁石であって、前記第１可動部に設けた前記永久磁石は前記第１可動部の表面から前記第２可動部に向かって突出しており、前記第２可動部に設けた前記永久磁石は、前記第２可動部の表面から前記第１可動部に向かって突出し、かつ前記第１可動部に設けた前記永久磁石を周方向に挟む位置に設けられている請求項１０～１２のいずれか１項に記載の力覚センサ。
　前記ジョイントは、前記第２可動部を貫通するシャフトを備え、
　前記基部を貫通する第１内部通路、前記支持体を貫通する第２内部通路および前記シャフトを貫通する第３内部通路が、同一直線上に配置される請求項１～１３のいずれか１項に記載の力覚センサ。