(57)【要約】【課題】小型化および薄型化を実現でき、所望の面積に対応する６軸のセンサシステム等を提供する。【解決手段】本発明に係るセンサシステム１０は、基板９１と、力覚センサ１１と、演算部１５と、出力部１７とを有する。基板９１は、基準平面９１Ａと当該基準平面に対して所定の角度に傾く斜面９１Ｂとを有する。力覚センサ１１は、斜面９１Ｂに設置され、受力部に受ける物体からの外力に応じて、斜面に直交する直交軸方向と基準平面に平行な２軸方向とにそれぞれ対応する３軸方向の信号をそれぞれ出力する。演算部１５は、力覚センサ１１が出力する信号に基づいて、基準平面９１Ａに対して垂直な軸および基準平面に対して平行な２軸により構成される直交座標の各座標軸方向の押圧力および直交座標の各座標軸周りのモーメントを演算する。出力部１７は、演算の結果である演算結果を出力する。【選択図】図２
2020085810.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準平面と当該基準平面に対して所定の角度に傾く斜面とを有する基板と、
前記斜面に設置され、受力部に受ける物体からの外力に応じて、前記斜面に直交する直交軸方向と前記基準平面に平行な２軸方向とにそれぞれ対応する３軸方向の信号をそれぞれ出力する力覚センサと、
前記力覚センサが出力する前記信号に基づいて、前記基準平面に対して垂直な軸および前記基準平面に対して平行な２軸により構成される直交座標の各座標軸方向の押圧力および前記直交座標の各座標軸周りのモーメントを演算する演算部と、
前記演算の結果である演算結果を出力する出力部と
を備えるセンサシステム。
【請求項２】
前記力覚センサは、静電容量型のセンサである
請求項１に記載のセンサシステム。
【請求項３】
前記基準平面は当該基準平面に対してそれぞれ異なる交線を有する複数の前記斜面を有し、
前記力覚センサは複数の前記斜面にそれぞれ設置されている
請求項１または２に記載のセンサシステム。
【請求項４】
前記基準平面が有する前記斜面は前記基準平面を底面とする角錐台状の凸部の側面である
請求項３に記載のセンサシステム。
【請求項５】
前記基準平面が有する前記斜面は前記基準平面を底面とする四角錐台状の凸部の側面である
請求項４に記載のセンサシステム。
【請求項６】
前記基準平面が有する前記斜面は前記基準平面を上面とする逆角錐台状の凹部の側面である
請求項１〜３のいずれか一項に記載のセンサシステム。
【請求項７】
前記演算部は、前記力覚センサの出力の前記斜面に平行な方向の押圧力から前記基準平面に垂直な方向の成分を抽出し、抽出した前記成分と前記基板の回転中心とから前記モーメントを演算する
請求項１〜６のいずれか一項に記載のセンサシステム。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載のセンサシステムと、
物体を把持する複数の把持部と、
複数の前記把持部を対向するように近付ける駆動部と、を備え、
前記把持部は、前記センサシステムの前記基板および複数の前記力覚センサを含む
ロボットハンド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はセンサシステムおよびロボットハンドに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の軸方向の圧力や複数の軸周りのモーメントを検出する力覚センサの開発が行われている。また、このような力覚センサを複数用いることによりセンサシステムを構成し、ロボットハンド等に応用する提案が行われている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、力覚センサの接触子に対して水平方向に働く物理量情報を導出することができる物理量導出装置等が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１５８４０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、複数の軸方向の圧力や複数の軸周りのモーメントを検出する力覚センサは、ロボットハンド等の触覚センサに利用されることが期待されている。しかしながら、特許文献１に記載の技術のように、ひずみゲージを用いた場合、分解能を上げるためには起歪体を大きくする必要があり、センサユニット自体の大きさが大きくなってしまう。
【０００６】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、小型化および薄型化を実現でき、所望の面積に対応する６軸のセンサシステム等を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るセンサシステムは、基板と、力覚センサと、演算部と、出力部とを有する。基板は、基準平面と当該基準平面に対して所定の角度に傾く斜面とを有する。力覚センサは、斜面に設置され、受力部に受ける物体からの外力に応じて、斜面に直交する直交軸方向と基準平面に平行な２軸方向とにそれぞれ対応する３軸方向の信号をそれぞれ出力する。演算部は、力覚センサが出力する信号に基づいて、基準平面に対して垂直な軸および基準平面に対して平行な２軸により構成される直交座標の各座標軸方向の押圧力および直交座標の各座標軸周りのモーメントを演算する。出力部は、演算の結果である演算結果を出力する。
【０００８】
このような構成により、センサシステムは、斜面に設置された力覚センサが出力した信号から基準平面に対して直交する軸方向における引張方向および圧縮方向の押圧力を検出することが可能となる。
【０００９】
上記センサシステムにおいて、複数の力覚センサは、静電容量型のセンサであってもよい。これによりセンサシステムは好適に押圧力またはモーメントの演算をすることができる。
【００１０】
また、上記センサシステムにおいて、上記基準平面は当該基準平面に対してそれぞれ異なる交線を有する複数の前記斜面を有し、上記力覚センサは複数の上記斜面にそれぞれ設置されているものであってもよい。これによりセンサシステムは基準平面に平行な複数の異なる軸周りのモーメントを検出することができる。
【００１１】
また、上記センサシステムにおいて、上記基準平面が有する上記斜面は上記基準平面を底面とする角錐台状の凸部の側面であってもよい。これによりセンサシステムは基準平面に平行な複数の異なる軸周りのモーメントを検出することができる。
【００１２】
また、上記センサシステムにおいて、上記基準平面が有する上記斜面は上記基準平面を底面とする四角錐台状の凸部の側面であってもよい。これによりセンサシステムは基準平面に平行な複数の異なる軸周りのモーメントを検出することができる。
【００１３】
また、上記センサシステムにおいて、上記基準平面が有する上記斜面は上記基準平面を上面とする逆角錐台状の凹部の側面であってもよい。これによりセンサシステムは基準平面に平行な複数の異なる軸周りのモーメントを検出することができる。
【００１４】
また、上記センサシステムにおいて、上記演算部は、上記力覚センサの出力の上記斜面に平行な方向の押圧力から上記基準平面に垂直な方向の成分を抽出し、抽出した上記成分と上記基板の回転中心とから上記モーメントを演算することが好ましい。これによりセンサシステムは基準平面に平行な複数の異なる軸周りのモーメントを好適に検出することができる。
【００１５】
本発明の１態様におけるロボットハンドは、上記センサシステムと、物体を把持する複数の把持部と、複数の把持部を対向するように近付ける駆動部とを有し、把持部は、上記センサシステムの基板および複数の力覚センサを含むものである。これによりロボットハンドは直交軸方向の押圧力と直交軸周りのモーメントとを検出することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、小型化および薄型化を実現でき、所望の面積に対応する６軸のセンサシステム等を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施の形態１に係るロボットハンドの外観斜視図である。
【図２】把持部の構成を示す図である。
【図３】力覚センサをｚ軸プラス側から見た分解斜視図である。
【図４】力覚センサをｘｚ平面から見た断面図である。
【図５】力覚センサの可動部の動きについて説明するための斜視図である。
【図６】力覚センサの容量が変化する原理を説明するための斜視図である。
【図７】実施の形態１に係る力覚センサの出力を示す図である。
【図８】実施の形態に係るセンサシステムの機能ブロック図である。
【図９】ロボットハンドが物体を把持している状態を示す外観斜視図である。
【図１０】物体を把持する把持部の状態の一例を示した図である。
【図１１】実施の形態２に係るロボットハンドの把持部の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲に係る発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。
【００１９】
＜実施の形態１＞
図１は、本実施形態に係るロボットハンド１の外観斜視図である。なお、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものとして、図１は、右手系の直交座標系が付されている。また、図２以降において、直交座標系が付されている場合、図１のｘ軸方向と、これらの直交座標系のｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸方向はそれぞれ一致している。
【００２０】
ロボットハンド１は、物体を把持し、把持した物体を所定の位置に移動させる装置である。ロボットハンド１は、主な構成として、基台２、第１アーム３、第１関節４、第２アーム５、第２関節６、第３アーム７、第３関節８、第１フィンガー部９Ｒ、第２フィンガー部９Ｌを有している。
【００２１】
基台２は、任意の位置に固定され、ロボットハンド１全体を支持する支持台である。基台２は扁平円柱形状をしており、円形の底面が任意の載置面に載置され、上面には第１アーム３が接続されている。第１アーム３は基台２から上方に延伸する棒状部材であり、上端が第１関節４に接続されている。
【００２２】
第１関節４は第１アーム３と第２アーム５とにそれぞれ接続しており、ＸＺ面に平行な回動軸周りに第１アーム３と第２アーム５とを所定の範囲で相対的に回動させる。第１関節４は第１アーム３と第２アーム５とを相対的に回動させるためのモータを有している。第２アーム５は一端が第１関節４に接続する棒状部材である。第２アーム５は、第１関節４から第１関節４の回動軸と直交する方向に延伸し、他端が第２関節６に接続している。
【００２３】
第２関節６は第２アーム５と第３アーム７とにそれぞれ接続しており、ＸＺ面に平行な回動軸周りに第２アーム５と第３アーム７とを所定の範囲で相対的に回動させる。第２関節６は第２アーム５と第３アーム７とを相対的に回動させるためのモータを有している。第３アーム７は一端が第２関節６に接続する棒状部材である。第３アーム７は、第２関節６から第２関節６の回動軸と直交する方向に延伸し、他端が第３関節８に接続している。
【００２４】
第３関節８は第３アーム７に接続し、第２関節６の回動軸に直交する軸周りに回動する。第３関節８は、第２関節６の回動軸に直交する軸周りに回動するためのモータを有している。また、第３関節８は第３アーム７に接続する側と反対の側に、第１フィンガー部９Ｒおよび第２フィンガー部９Ｌが接続されている。第３関節８は、第１フィンガー部９Ｒおよび第２フィンガー部９Ｌを互いに近付けたり離したりさせるための駆動部を有している。
【００２５】
第３関節８はまた、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算装置を含む基板である信号処理部８１を有している。信号処理部８１は、複数の力覚センサ１１に接続している。信号処理部８１は、力覚センサ１１からの信号を取得し、取得した信号を処理し、処理結果を出力する。
【００２６】
第１フィンガー部９Ｒおよび第２フィンガー部９Ｌは、両者が互いに離れ、そして近づく動作をすることにより物体を把持する機能を有する。第１フィンガー部９Ｒおよび第２フィンガー部９Ｌは、一端が第３関節８に接続されており、互いに離れる方向に延伸し、中間部で同じ方向に直角に折れ曲がり、他端同士が対向するように配置されている略L字状の部材である。第１フィンガー部９Ｒおよび第２フィンガー部９Ｌの先端部には、把持部９１が互いに対向するように設けられている。第１フィンガー部９Ｒおよび第２フィンガー部９Ｌがそれぞれ有する把持部９１が対向する面である基準平面９１Ａには、複数の力覚センサ１１が設置されている。力覚センサ１１は、信号処理部８１に接続されており、受けた外力に応じて出力される信号を信号処理部８１に供給する。
【００２７】
図１に示したロボットハンド１は、センサシステム１０を有している。センサシステム１０は、ロボットハンド１が把持した物体から受ける直交軸方向の押圧力および直交軸周りのモーメントを検出し、検出した押圧力およびモーメントを出力するシステムである。センサシステム１０は、上述の把持部９１が有する複数の力覚センサ１１と、力覚センサ１１が出力した信号を処理する信号処理部８１に含まれる機能とにより構成される。センサシステム１０の構成の詳細については、後述する。
【００２８】
次に、図２を参照しながら、把持部９１の詳細について説明する。図２は、把持部９１の構成を示す図である。把持部９１は、物体を把持する際に物体に当接する構成が配置される基板である。把持部９１は、略矩形状の板状部材で形成されており、物体に当接する側に基準平面９１Ａを有している。図に示す基準平面９１Ａはｘｙ平面に対して平行な状態で停止した状態である。
【００２９】
基準平面９１Ａ上には四角錐台状の凸部がｙ軸に沿って２つ形成されている。また２つの四角錐台は同じ形状をしている。四角錐台の底面部の矩形が成す各辺はそれぞれｘ軸またはｙ軸に沿った状態である。四角錐台の側面である斜面９１Ｂは、基準平面９１Ａに対して予め設定された角度になるように形成されている。
【００３０】
それぞれの斜面９１Ｂ上には力覚センサ１１が１個ずつ設置されている。すなわち２つの四角錐台状の凸部が有する斜面上には、それぞれ力覚センサ１１が設置されている。そのため、把持部９１は力覚センサ１１を８個有している。すなわち、基準平面９１Ａは当該基準平面９１Ａに対してそれぞれ異なる交線を有する複数の斜面９１Ｂを有し、力覚センサ１１は複数の斜面９１Ｂにそれぞれ設置されている。
【００３１】
図に示す例において、８個の力覚センサは力覚センサ１１（１）〜力覚センサ１１（８）の符号で示されている。図におけるｙ軸プラス側の四角錐台の、ｘ軸プラス側の斜面９１Ｂに設置されているのが力覚センサ１１（１）であり、反時計回りに力覚センサ１１（２）、１１（３）、１１（４）が配置されている。図におけるｙ軸マイナス側の四角錐台も同様に、ｘ軸プラス側の斜面９１Ｂに設置されているのが力覚センサ１１（５）であり、反時計回りに力覚センサ１１（６）、１１（７）、１１（８）が配置されている。
【００３２】
力覚センサ１１（１）〜１１（４）は１の四角錐台の側面にそれぞれ配置されている。そのため、力覚センサ１１（１）〜１１（４）は基準平面９１Ａに対して予め設定された角度を成すとともにそれぞれが互いに平行ではない面に配置されている。なお、力覚センサ１１（１）と力覚センサ１１（５）とは平行に配置されている。同様に、力覚センサ１１（２）と力覚センサ１１（６）、力覚センサ１１（３）と力覚センサ１１（７）および力覚センサ１１（４）と力覚センサ１１（８）とはそれぞれ平行に配置されている。
【００３３】
力覚センサ１１は、外力を受けるセンサであって、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）の技術を利用して構成されるＭＥＭＳセンサである。力覚センサ１１は扁平角柱状を呈しており、上面に当接部１３が設けられている。また、力覚センサ１１は当接部１３が受けた外力に応じた信号を出力し、出力した信号を信号処理部８１に供給するように構成されている。よって、ロボットハンド１は、把持部９１に設置した力覚センサ１１（１）〜１１（８）の当接部１３が外力を受けることにより物体から受ける押圧力またはモーメントを検出する。
【００３４】
次に、図３〜図６を参照しながら、力覚センサ１１について説明する。図３は、力覚センサ１１をｚ軸プラス側から見た分解斜視図である。図４は、力覚センサをｘｚ平面から見た断面図である。力覚センサ１１は、ｚ軸に直交する面を主面とする四角柱状の形態を呈しており、主面は略正方形を呈している。力覚センサ１１は、３軸方向の押圧力を出力する静電容量型のセンサである。すなわち、力覚センサ１１は、複数の電極を有している。電極の構成については、後述する。力覚センサ１１は主な構成として、第１のシリコン層１００、第２のシリコン層１１５、接合部１２２、および封止基板１１７を有している。
【００３５】
第１のシリコン層１００は、後述するシーソー部を支持する支持基板でもある。また第１のシリコン層１００は、導電性を有するシリコン層である。第１のシリコン層１００の背面中央部にダイアフラム１１０が形成されており、さらにダイアフラム１１０の内側の中央部に突起状の受力部１１１が形成されている。ダイアフラム１１０および受力部１１１は、第１のシリコン層１００の外形と同様に、上面視で略正方形状である。ダイアフラム１１０は、第１のシリコン層１００の周辺部１０９よりも膜厚の薄い薄肉部であり、可撓性を有し、受力部１１１への力の印加に応じて弾性変形する。第１のシリコン層１００は所定の膜厚であり、受力部１１１を除く中央部をｚ軸プラス側からエッチングにより膜厚を薄くすることで、ダイアフラム１１０が形成されている。なお、受力部１１１は周辺部１０９と同じ厚さでもよいし、周辺部１０９より厚く形成されていてもよい。受力部１１１は、第１受力部の上面に当接部１３を連結し、当接部１３を介して外力を受けるように構成されている。
【００３６】
第１のシリコン層１００の下面側の第２のシリコン層１１５では、中央部に受力片１１６が形成され、受力片１１６の周囲に４個のシーソー部１１３ａ〜１１３ｄが形成されている。受力片１１６のｘ軸方向両側にシーソー部１１３ａおよび１１３ｃが配置され、受力片１１６のｙ軸方向両側にシーソー部１１３ｂおよび１１３ｄが配置されている。受力片１１６とシーソー部１１３ａ〜１１３ｄは、それぞれヒンジビーム１１２ａ〜１１２ｄ（いずれかをヒンジビーム１１２とも称する）により連結されている。
【００３７】
第２のシリコン層１１５は所定の膜厚であり、エッチングすることにより、受力片１１６、シーソー部１１３ａ〜１１３ｄ、ヒンジビーム１１２ａ〜１１２ｄ等が形成されている。第２のシリコン層１１５は、第１のシリコン層１００と同様に、導電性を有するシリコン層であり、受力片１１６、シーソー部１１３ａ〜１１３ｄ、ヒンジビーム１１２ａ〜１１２ｄ等の全体が導通し、電気的に接続されている。
【００３８】
第１のシリコン層１００と第２のシリコン層１１５との間には、絶縁層１０７が設けられている。絶縁層１０７は犠牲エッチングにより加工されており、第２シリコン層１１５の周辺部１１５ａと第１のシリコン層１００とを接合している。また、絶縁層１０７は受力部１１１と受力片１１６とを接合している。
【００３９】
シーソー部１１３ａのｙ軸プラス側およびｙ軸マイナス側のそれぞれの辺からは、ｙ軸に平行かつ同軸上にトーションビーム１１４ａが延伸している。シーソー部１１３ｂのｘ軸プラス側およびｘ軸マイナス側のそれぞれの辺からは、ｘ軸に平行かつ同軸上にトーションビーム１１４ｂが延伸している。シーソー部１１３ｃのｙ軸プラス側およびｙ軸マイナス側のそれぞれの辺からは、ｙ軸に平行かつ同軸上にトーションビーム１１４ｃが延伸している。シーソー部１１３ｄのｘ軸プラス側およびｘ軸マイナス側のそれぞれの辺からは、ｘ軸に平行かつ同軸上にトーションビーム１１４ｄが延伸している。シーソー部１１３ａ〜１１３ｄは，トーションビーム１１４ａ〜１１４ｄによりそれぞれ周辺部１１５ａに連結されている。トーションビーム１１４ａ〜１１４ｄは捩れることのできるビーム構造となっている。したがって、シーソー部１１３ａ〜１１３ｄは、それぞれが支持されているトーションビーム１１４ａ〜１１４ｄを軸として回転可能に支持されている。トーションビーム１１４ａ〜１１４ｄは、シーソー部１１３ａ〜１１３ｄの回転軸と称されてもよい。
【００４０】
第２のシリコン層１１５は、シーソー部１１３ａ〜１１３ｄの周囲に周辺部１１５ａが形成されている。周辺部１１５ａは、トーションビーム１１４ａ〜１１４ｄと接続することによりシーソー部１１３を支持している。
【００４１】
受力片１１６のｘ軸マイナス側において、受力片１１６と、シーソー部１１３ａとは、対向するそれぞれの辺の中央部がヒンジビーム１１２ａにより連結されている。受力片１１６のｙ軸プラス側において、受力片１１６と、シーソー部１１３ｂとは、対向するそれぞれの辺の中央部がヒンジビーム１１２ｂにより連結されている。受力片１１６のｘ軸プラス側において、受力片１１６と、シーソー部１１３ｃとは、対向するそれぞれの辺の中央部がヒンジビーム１１２ｃにより連結されている。受力片１１６のｙ軸マイナス側において、受力片１１６と、シーソー部１１３ｄとは、対向するそれぞれの辺の中央部がヒンジビーム１１２ｄにより連結されている。ヒンジビーム１１２ａとヒンジビーム１１２ｃとはｘ軸に平行且つ同軸上に設けられている。ヒンジビーム１１２ｂとヒンジビーム１１２ｄとはｙ軸に平行且つ同軸上に設けられている。ヒンジビーム１１２ａ〜１１２ｄは、しなり、捩れることのできるビーム構造となっており、トーションビーム１１４ａ〜１１４ｄにより構成される回転軸に対し垂直に向かって伸びている。
【００４２】
このような構成により、受力片１１６は、ヒンジビーム１１２ａおよび１１２ｃを軸として回転可能に支持されている。また、受力片１１６は、ヒンジビーム１１２ｂおよび１１２ｄを軸として回転可能に支持されている。また、受力片１１６は、ｚ軸方向に平行に変位可能に支持されている。換言すると、受力片１１６は、受力部１１１が受けた外力に応じて、ｚ軸方向と、ｘ軸周りと、ｙ軸周りとにそれぞれ従動する。さらに、受力部１１１は、外力をシーソー部１１３ａ〜１１３ｄに伝達する。伝達された力によってシーソー部１１３ａ〜１１３ｄが回転方向に変位すると、力覚センサ１１は、力覚センサ１１が受けた３軸方向の押圧力を出力する。
【００４３】
第２のシリコン層１１５のうち、シーソー部１１３ａ〜１１３ｄの外側の周辺部１１５ａには、貫通電極１２１が形成されている。貫通電極１２１は、第２のシリコン層１１５および絶縁層１０７を貫通し、第１のシリコン層１００と第２のシリコン層１１５および接合部１２２とを電気的に接続する。
【００４４】
接合部１２２は、力覚センサ１１の周辺部において、シーソー部１１３および受力片１１６を囲むように、第２のシリコン層１１５と封止基板１１７とを封止接合している。接合部１２２は、導電性を有する金属拡散接合部材であり、例えば、Ｃｕ−Ｓｎ（銅−錫）合金等である。
【００４５】
封止基板１１７は、シーソー部１１３ａ〜１１３ｄ、受力片１１６を含む可動部全体を封止する基板である。封止基板１１７は、例えば、シリコン基板、ＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramic：低温同時焼成セラミックス）基板、ＬＳＩ（Large Scale Integration）などである。例えば、封止基板１１７中には上面側の電極電位を下面側に引き出すビア（不図示）が配置され、封止基板１１７の背面（下面側）にはこのビアにつながった外部端子（不図示）が配置され、外部の検出回路等が接続される。また、必要に応じて、封止基板１１７の内部には、検出回路等の回路や配線が設けられる。封止基板１１７は、ＬＳＩで構成することが好ましい。これにより、センサ構造に近い部分に処理回路を配置できるため、ノイズの影響を受けにくい。
【００４６】
封止基板１１７の上面側には、固定電極対１２０ａ〜１２０ｄが形成されている。固定電極対１２０ａは、固定電極１１８ａおよび１１９ａを含んでいる。同様に、固定電極対１２０ｂは、固定電極１１８ｂおよび１１９ｂを含み、固定電極対１２０ｃは、固定電極１１８ｃおよび１１９ｃを含み、そして、固定電極対１２０ｄは、固定電極１１８ｄおよび１１９ｄを含んでいる。
【００４７】
固定電極１１８ａ〜１１８ｄ、１１９ａ〜１１９ｄは、金属など導電性を有する導電膜であり、封止基板１１７上にパターニングされて形成されている。固定電極１１８ａ〜１１８ｄ、１１９ａ〜１１９ｄは、それぞれシーソー部１１３ａ〜１１３ｄに対応する位置に配置され、シーソー部１１３ａ〜１１３ｄとともに容量素子を構成する。シーソー部１１３ａ〜１１３ｄの回転軸（トーションビーム１１４ａ〜１１４ｄ）に対し、外側に固定電極１１８ａ〜１１８ｄが配置され、内側に固定電極１１９ａ〜１１９ｄが配置されている。例えば、封止基板１１７中に配置されたビア（不図示）を介し外部の検出回路等で、あるいは封止基板１１７中に構成されたＬＳＩで、これら容量素子の静電容量を検出することができる。
【００４８】
次に、図５（Ａ）〜図５（Ｃ）を参照しながら、力覚センサ１１の可動部の動きについて詳細を説明する。図５（Ａ）〜図５（Ｃ）は、力覚センサの動きを説明するための斜視図である。図５（Ａ）は、受力部１１１にｚ軸マイナス方向の押圧力ｆｚが加えられた場合の図である。図５（Ｂ）は、受力部１１１にｘ軸プラス方向の押圧力ｆｘが加えられた場合の図である。図５（Ｃ）は、受力部１１１にｙ軸マイナス方向の押圧力ｆｙが加えられた場合の図である。なお、図５（Ａ）〜図５（Ｃ）は、説明の都合上、第１のシリコン層１００を省略して示している。
【００４９】
図５（Ａ）に示すように、受力部１１１にｚ軸マイナス方向の押圧力ｆｚが加えられた場合、受力部１１１および受力部１１１に接合されている受力片１１６は、ｘｙ平面に平行な状態を維持したまま、ｚ軸マイナス方向に変位する。これにより、シーソー部１１３ａはｘ軸プラス側がｚ軸マイナス側に傾くように回転する。同様に、シーソー部１１３ｂはｙ軸マイナス側がｚ軸マイナス側に傾くように回転し、シーソー部１１３ｃはｘ軸マイナス側がｚ軸マイナス側に傾くように回転し、シーソー部１１３ｄはｙ軸プラス側がｚ軸マイナス側に傾くように回転する。
【００５０】
図５（Ｂ）に示すように、受力部１１１にｘ軸プラス方向の押圧力ｆｘが加えられた場合、第１受力部１１１はｙ軸まわりに回転し、また受力片１１６を回転させる。また、シーソー部１１３ｂおよびシーソー部１１３ｄは回転せず、ヒンジビーム１１２ｂとヒンジビーム１１２ｄとがそれぞれ捩れることにより受力部１１１の回転運動の支点となる。一方、シーソー部１１３ａおよびシーソー部１１３ｃは、受力部１１１の動きに従い、受力部１１１とは反対方向に回転する。図５（Ｂ）においては、受力部１１１は、ｘ軸プラス側がｚ軸マイナス側に傾くように回転している。そのため、シーソー部１１３ａおよびシーソー部１１３ｃは、ｘ軸マイナス側がｚ軸マイナス側に傾くように回転している。
【００５１】
図５（Ｃ）に示すように、受力部１１１にｙ軸マイナス方向の押圧力ｆｙが加えられた場合、第１受力部１１１はｘ軸まわりに回転し、また受力片１１６を回転させる。また、シーソー部１１３ａおよびシーソー部１１３ｃは回転せず、ヒンジビーム１１２ａとヒンジビーム１１２ｃとがそれぞれ捩れることにより受力部１１１の回転運動の支点となる。一方、シーソー部１１３ｂおよびシーソー部１１３ｄは、受力部１１１の動きに従い、受力部１１１とは反対方向に回転する。図５（Ｃ）においては、受力部１１１は、ｙ軸マイナス側がｚ軸マイナス側に傾くように回転している。そのため、シーソー部１１３ｂおよびシーソー部１１３ｄは、ｙ軸プラス側がｚ軸マイナス側に傾くように回転している。
【００５２】
次に、図６を参照しながら、力覚センサ１１の出力について説明する。図６は、力覚センサの容量が変化する原理を説明するための斜視図である。図６は、力覚センサ１１における、シーソー部１１３ａ〜１１３ｄとトーションビーム１１４ａ〜１１４ｄの配置イメージを示している。
【００５３】
まず、以下にシーソー部１１３ａに対応する電極の容量変化について説明する。力覚センサ１１が有するシーソー部１１３ａ〜１１ｄは、以下に説明するシーソー部１１３ａと同様の原理に基づいて、静電容量を変化させる。
【００５４】
シーソー部１１３ａでは、回転軸であるトーションビーム１１４ａがｙ軸方向に延びている。このため、シーソー部１１３ａは、トーションビーム１１４ａを中心に、ｘ軸方向およびｚ軸方向の力に応じて、αＡ方向又はβＡ方向に回転する。シーソー部１１３ａの回転軸より外側の容量を容量Ａ１とし、回転軸より内側の容量を容量Ａ２とする。シーソー部１１３ａは、αＡ方向に回転すると、容量Ａ１が減少しつつ容量Ａ２が増加し、また、βＡ方向に回転すると、容量Ａ１が増加しつつ容量Ａ２が減少する。すなわち、力覚センサ１１は、シーソー部１１３ａの回転軸より外側の容量Ａ１を検出する電極と、シーソー部１１３ａの回転軸より内側の容量Ａ２を検出する電極とをそれぞれ有している。これにより力覚センサ１１は、シーソー部１１３ａの回転変位に応じた容量Ａ１と容量Ａ２との差動を検出する。
【００５５】
シーソー部１１３ａは、受力部１１１にｚ軸プラス方向の力が印加されると、αＡ方向に回転し、受力部１１１にｚ軸マイナス方向の力が印加されると、βＡ方向に回転する。シーソー部１１３ａは、受力部１１１にｘ軸マイナス方向の力が印加されると、βＡ方向に回転し、受力部１１１にｘ軸プラス方向の力が印加されると、αＡ方向に回転する。シーソー部１１３ａは、ｙ軸方向の力に対しては変位しない。
【００５６】
上述した説明と同様の原理に基づいて、シーソー部１１３ｂは、ｘ軸方向に伸びるトーションビーム１１４ｂを回転軸として、αＢ方向およびβＢ方向に回転する。これに伴い、シーソー部１１３ｂに対応する容量Ｂ１および容量Ｂ２が変化する。同様に、シーソー部１１３ｃは、ｙ軸方向に伸びるトーションビーム１１４ｃを回転軸として、αＣ方向およびβＣ方向に回転する。これに伴い、シーソー部１１３ｃに対応する容量Ｃ１および容量Ｃ２が変化する。シーソー部１１３ｄは、ｘ軸方向に伸びるトーションビーム１１４ｄを回転軸として、αＤ方向およびβＤ方向に回転する。これに伴い、シーソー部１１３ｄに対応する容量Ｄ１およびＤ２が変化する。このようにして、力覚センサ１１は、シーソー部１１３ａ〜１１３ｄのそれぞれが有する電極の差動を検出する。力覚センサ１１が検出する電極の差動は、以下に示す式（１）により、３軸方向の押圧力に変換される。
【数１】
2020085810.tif 000003
ここで、ｆｘは受力部１１１が受けるｘ軸方向の押圧力、ｆｙは受力部１１１が受けるｙ軸方向の押圧力、そしてｆｚは受力部１１１が受けるｚ軸方向の押圧力である。式（１）に示す演算は、アナログ回路やデジタル回路を含むハードウェア又はソフトウェア、もしくはその両方によって実現可能である。例えば、式（１）の演算を行う演算回路を、基板（把持部９１）に内蔵してもよいし、外部のマイクロコンピュータ等で実現してもよい。力覚センサは、半導体基板と集積化されていてもよい。集積化することにより、演算機能を内蔵でき、センサシステムをさらに小型化できる。Ｓ／Ｎの向上も期待できる。
【００５７】
このように、力覚センサ１１は、外力に応じて、ｚ軸方向と、ｘ軸周りと、ｙ軸周りとにそれぞれ従動する受力部１１１を有する。また、力覚センサ１１は、受力部１１１が受けた外力を３軸方向の押圧力（ｆｘ、ｆｙ、ｆｚ）として出力する。
【００５８】
なお、上述した力覚センサ１１の構成は、センサの一例を示すものであり、具体的な構成は、これに限られない。例えば、受力部１１１と接続するシーソー部は４個ではなく、３つでもよい。
【００５９】
以上、力覚センサ１１の詳細について説明した。受力部１１１が受けた外力を３軸方向の押圧力（ｆｘ、ｆｙ、ｆｚ）として出力する力覚センサ１１を複数配置することにより、センサシステム１０は、把持部９１が物体から受ける３軸方向の押圧力および基準平面９１Ａに直交する軸周りのモーメントを検出することができる。
【００６０】
次に、図７を参照しながら、把持部９１に設置されている力覚センサ１１（１）〜１１（８）の出力について説明する。図７は、実施の形態１に係る力覚センサの出力を示す図である。図はｘｙ平面をz軸プラス側から観察した場合における力覚センサ１１（１）〜１１（８）の押圧力を示している。押圧力として示した矢印の方向は、押圧力のプラス方向と一致する。また、理解を容易にするため、図に示した押圧力のうち、ｚ軸の方向に近い押圧力の矢印は、z軸方向と一致させて表している。
【００６１】
力覚センサ１１（１）は、押圧力（ｆ１ｘ、ｆ１ｙ、ｆ１ｚ）を出力する。押圧力（ｆ１ｘ、ｆ１ｙ、ｆ１ｚ）のうち、設置面である斜面９１Ｂに対して垂直な方向の押圧力ｆ１ｚは、直交座標のｚ軸に沿う方向であって、且つ、より正確には、四角錐台の中心から外側へ向かう方向に設定されている。次に、斜面９１Ｂに対して平行な２軸方向の押圧力のうち、押圧力ｆ１ｙは、四角錐台の中心に向う方向に設定されている。最後に、押圧力ｆ１ｘは、力覚センサ１１（１）の押圧力が右手系直交座標の位置関係と一致するように設定される。すなわち力覚センサ１１（１）の押圧力ｆ１ｘは、直交座標のｙ軸プラス方向と同じ方向に設定される。
【００６２】
力覚センサ１１（２）は、押圧力（ｆ２ｘ、ｆ２ｙ、ｆ２ｚ）を出力する。このうち押圧力ｆ２ｚは、直交座標のｚ軸に沿う方向に設定されている。次に、押圧力ｆ２ｙは、四角錐台の中心に向う方向に設定されている。最後に、押圧力ｆ２ｘは、力覚センサ１１（１）の押圧力が右手系直交座標の位置関係と一致するように、直交座標のｘ軸マイナス方向と同じ方向に設定される。
【００６３】
力覚センサ１１（３）〜１１（８）の押圧力の方向も、上述の力覚センサ１１（１）、１１（２）と同様に設定されている。すなわち、力覚センサ１１の押圧力ｆｚ（ｆ１ｚ〜ｆ８ｚ）は、直交座標のｚ軸に沿う方向であって、且つ、より正確には、四角錐台の中心から外側へ向かう方向に設定されている。斜面９１Ｂに対して平行な２軸方向の押圧力のうち、押圧力ｆｙ（ｆ１ｙ〜ｆ８ｙ）は、四角錐台の中心に向う方向に設定されている。最後に、押圧力ｆｘ（ｆ１ｘ〜ｆ８ｘ）は、力覚センサ１１（１）の押圧力が右手系直交座標の位置関係と一致するようにそれぞれ設定される。すなわち押圧力ｆ１ｘおよび押圧力ｆ５ｘは、直交座標のｙ軸プラス方向と同じ方向に設定される。押圧力ｆ２ｘおよび押圧力ｆ６ｘは、直交座標のｘ軸マイナス方向と同じ方向に設定される。押圧力ｆ３ｘおよび押圧力ｆ７ｘは、直交座標のｙ軸マイナス方向と同じ方向に設定される。そして押圧力ｆ４ｘおよび押圧力ｆ８ｘは、直交座標のｘ軸プラス方向と同じ方向に設定される。
【００６４】
次に、図８を参照しながらセンサシステム１０の機能構成について説明する。図８は、実施の形態に係るセンサシステムの機能ブロック図である。図に示したセンサシステム１０は、８個の力覚センサ１１（１）〜１１（８）および信号処理部８１により構成されている。８個の力覚センサ１１は、上述した第１フィンガー部９Ｒの把持部９１に設けられている８個の力覚センサ１１（１）〜１１（８）である。
【００６５】
力覚センサ１１は外力を受けると押圧力（ｆｘ、ｆｙ、ｆｚ）を出力する。図に示す例においては、例えば力覚センサ１１（１）は押圧力（ｆ１ｘ、ｆ１ｙ、ｆ１ｚ）を出力する。力覚センサ１１（２）は押圧力（ｆ２ｘ、ｆ２ｙ、ｆ２ｚ）を出力する。同様に、力覚センサ１１（８）は押圧力（ｆ８ｘ、ｆ８ｙ、ｆ８ｚ）を出力する。力覚センサ１１はそれぞれの出力を信号処理部８１に供給する。
【００６６】
信号処理部８１は主な構成として、演算部１５および出力部１７を有している。演算部１５は、基板上に実装されたＣＰＵを含む演算装置である。演算部１５は、力覚センサ１１の出力を受け取り、受け取った出力から、把持部９１が物体から受ける押圧力およびモーメントの演算をする。
【００６７】
上述したように、本実施の形態における８個の力覚センサ１１は、基準平面上に形成された四角錐台の側面である斜面９１Ｂに配置されている。したがって、演算部１５は、基準平面９１Ａに対して予め設定された角度を有する斜面に配置されている力覚センサ１１の出力を、基準平面９１Ａに対応した直交座標の座標軸に沿った押圧力およびモーメントに変換する演算を行う。
【００６８】
このとき演算部１５は、力覚センサ１１が配置されている方向および力覚センサ１１が設置されている斜面９１Ｂと基準平面９１Ａとが成す角度に応じた演算を行う。複数の力覚センサ１１が互いに平行ではない斜面に配置されていることにより、センサシステム１０は、力覚センサ１１の配置に応じた押圧力およびモーメントを検出することができる。演算部１５は行った演算の結果を出力部１７に供給する。
【００６９】
出力部１７は、所定の信号を外部へ出力するためのインタフェース部である。インタフェース部は、例えば、基板上に実装されるコネクタである。出力部１７は、演算部１５から演算の結果を受け取り、受け取った結果を信号処理部８１の外部に出力する。出力部１７は、有線のコネクタに限らず、無線通信インタフェースであってもよい。なお、信号処理部８１は、第１フィンガー部９Ｒが有する力覚センサ１１（１）〜１１（８）の信号に加えて、第２フィンガー部９Ｌが有する複数の力覚センサ１１の出力を受け取ってもよい。
【００７０】
次に、演算部１５が行う演算について具体例とともに説明する。図９は、ロボットハンドが物体を把持している状態を示す外観斜視図である。図において、ロボットハンド１は、球体状の物体９００を把持している。物体９００はスポンジやゴムなどの弾性体を含む材料により構成されている。そのため、ロボットハンド１の把持部は物体９００の表面を圧縮しながら把持している。このとき、第１フィンガー部９Ｒは、物体９００を把持するｚ軸方向に反力として押圧力Ｆｚを受けている。また、第１フィンガー部９Ｒは、物体９００の自重によりｙ軸方向に押圧力Ｆｙを受けている。さらに、第１フィンガー部９Ｒは、ｘ軸周りのモーメントＭｘを受けている。このような状況において、ロボットハンド１が有するセンサシステム１０は、第１フィンガー部９Ｒが物体９００から受ける直交座標の軸に沿った押圧力Ｆｘ、ＦｙおよびＦｚを出力するとともに、直交座標の軸周りのモーメントＭｘ、ＭｙおよびＭｚを出力する。
【００７１】
次に図１０を参照しながら把持部９１における押圧力とモーメントの状態について説明する。図１０は物体を把持する把持部の状態の一例を示した図である。図は物体９００を把持するロボット１の第１フィンガー部９Ｒをｙｚ平面に沿って示している。上述のように、第１フィンガー部９Ｒの把持部９１は押圧力Ｆｚ、押圧力ＦｙおよびモーメントＭｘを受けている。把持部９１において、力覚センサ１１（４）および力覚センサ１１（６）が物体９００に当接している。このような状況を踏まえ、以下に演算部１５が行う演算について説明する。
【００７２】
演算部１５は、把持部９１が受ける押圧力Ｆｘ、ＦｙおよびＦｚをそれぞれ演算する。すなわち演算部１５は、力覚センサ１１（１）〜１１（８）の出力から直交座標のｘ軸に平行な成分をそれぞれ抽出し、抽出した力覚センサ１１の出力の総和を演算する。このとき演算部１５は、例えば力覚センサ１１（１）の押圧力ｆ１ｙや、力覚センサ１１（２）の押圧力ｆ２ｙおよび押圧力ｆ２ｚなど、ｘ軸に直交している押圧力を演算に含まない。なお、図に示した例においては、押圧力Ｆｘはゼロである。
【００７３】
また、演算部１５は押圧力Ｆｙを演算する。すなわち演算部１５は、力覚センサ１１（１）〜１１（８）の出力から直交座標のｙ軸に平行な成分をそれぞれ抽出し、抽出した力覚センサ１１の出力の総和を演算する。図に示した例においては、押圧力Ｆｙは、力覚センサ１１（４）の押圧力ｆ４ｙ、ｆ４ｚおよび力覚センサ１１（６）の押圧力ｆ６ｙ、ｆ６ｚのｙ軸方向の成分の総和により演算される。
【００７４】
また、演算部１５は押圧力Ｆｚを演算する。押圧力Ｆｚは、全ての力覚センサ１１のｚ軸方向の成分の総和により求められる。図に示した例においては、押圧力Ｆｚは、力覚センサ１１（４）の押圧力ｆ４ｙ、ｆ４ｚおよび力覚センサ１１（６）の押圧力ｆ６ｙ、ｆ６ｚのｙ軸方向の成分の総和により演算される。
【００７５】
次に、演算部１５が行うモーメントの演算について説明する。例えば把持部９１が受けるモーメントＭｘは、把持部９１の中心Ｃｍｘを中心に時計回りを正方向として回転する力である。本実施の形態において、モーメントＭｘは、次の式（２）により求められる。
【数２】
2020085810.tif 000004
ここで、ｄ１は中心Ｃｍｘから力覚センサ１１（４）までのｙ軸方向の距離および中心Ｃｍｘから力覚センサ１１（６）までのｙ軸方向の距離である。またｄ２は中心Ｃｍｘから力覚センサ１１（２）までのｙ軸方向の距離および中心Ｃｍｘから力覚センサ１１（８）までのｙ軸方向の距離である。またθは基準平面９１Ａと斜面９１Ｂとが成す角度である。図に示した例においては、モーメントＭｘは式（２）の右辺の第１項を演算することにより求められる。なお、図に示した場合のように物体９００を把持した場合に押圧力ｆｙが生じるのは、力覚センサ１１の当接部１３の表面と物体９００との間に摩擦が生じる場合である。
【００７６】
演算部１５はまたモーメントＭｙを演算する。モーメントＭｙは上述したモーメントＭｘの演算と同様に、把持部９１の回転中心からそれぞれの力覚センサ１１までの距離（ｘ軸方向の距離）と、力覚センサ１１の押圧力ｆｙと、角度θとにより求めることができる。なお、図に示した例においては、モーメントＭｙはゼロである。
【００７７】
このように、センサシステム１０は、把持部９１が斜面９１Ｂを有し、力覚センサ１１が斜面９１Ｂに設置されている。そして、演算部１５は、斜面９１Ｂに平行な方向の押圧力から基準平面９１Ａに垂直な方向の成分を抽出し、抽出した成分の押圧力と把持部９１の回転中心とからモーメントＭｘおよびモーメントＭｙを演算する。
【００７８】
演算部１５はまた、モーメントＭｚを演算する。演算部１５は、力覚センサ１１の出力の内、ｘｙ平面に平行な成分を抽出し、抽出した成分と回転中心とを掛けた値の総和を演算する。なお、モーメントＭｚの演算手法については従来より当業者により行われている。そのためここでは詳述を省略する。
【００７９】
以上、実施の形態１について説明したが、実施の形態１の構成は上述したものに限られない。例えば、基準平面９１上に形成された四角錐台は、三角錐台であってもよいし、五角形以上の多角形を底面とする角錐台であってもよい。また、このような角錐台により形成される凸部は１個以上であれば何個であってもよい。
【００８０】
上述した実施の形態１によれば、小型化および薄型化を実現でき、所望の面積に対応する６軸のセンサシステム等を提供することができる。
【００８１】
＜実施の形態２＞
次に、図１１を参照しながら実施の形態２について説明する。図１１は、実施の形態２に係るロボットハンドの把持部の構成を示す図である。図に示す実施の形態２に係る把持部９２は、凸部に代えて凹部を有する点が実施の形態１の把持部９１と異なる。
【００８２】
把持部９２は物体を把持する側に基準平面９２Ａを有している。また基準平面９２Ａ上には逆四角錐台状の凹部がｙ軸に沿って２つ形成されている。逆四角錐台の底面部の矩形が成す各辺はそれぞれｘ軸またはｙ軸に沿った状態である。逆四角錐台の側面である斜面９２Ｂは、基準平面９２Ａに対して予め設定された角度になるように形成されている。
【００８３】
それぞれの斜面９２Ｂ上には力覚センサ１１が１個ずつ設置されている。すなわち２つの四角錐台状の凸部が有する斜面上には、それぞれ力覚センサ１１が設置されている。そのため、把持部９２は力覚センサ１１を８個有している。すなわち、基準平面９２Ａは当該基準平面９２Ａに対してそれぞれ異なる交線を有する複数の斜面９２Ｂを有し、力覚センサ１１は複数の斜面９２Ｂにそれぞれ設置されている。
【００８４】
図に示す例において、８個の力覚センサは力覚センサ１１（２１）〜力覚センサ１１（２８）の符号で示されている。図におけるｙ軸プラス側の逆四角錐台の、ｘ軸プラス側の斜面９２Ｂに設置されているのが力覚センサ１１（２１）であり、反時計回りに力覚センサ１１（２２）、１１（２３）、１１（２４）が配置されている。図におけるｙ軸マイナス側の逆四角錐台も同様に、ｘ軸プラス側の斜面９２Ｂに設置されているのが力覚センサ１１（２５）であり、反時計回りに力覚センサ１１（２６）、１１（２７）、１１（２８）が配置されている。
【００８５】
力覚センサ１１（２１）〜１１（２４）は１の逆四角錐台の側面にそれぞれ配置されている。そのため、力覚センサ１１（２１）〜１１（２４）は基準平面９２Ａに対して予め設定された角度を成すとともにそれぞれが互いに平行ではない面に配置されている。なお、力覚センサ１１（２１）と力覚センサ１１（２５）とは平行に配置されている。同様に、力覚センサ１１（２２）と力覚センサ１１（２６）、力覚センサ１１（２３）と力覚センサ１１（２７）および力覚センサ１１（２４）と力覚センサ１１（２８）とはそれぞれ平行に配置されている。
【００８６】
上述した実施の形態２によれば、小型化および薄型化を実現でき、所望の面積に対応する６軸のセンサシステム等を提供することができる。
【００８７】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、把持部は実施の形態１に示した凸部と実施の形態２に示した凹部とのいずれも有するものであってもよい。
【符号の説明】
【００８８】
１  ロボットハンド
２  基台
３  第１アーム
４  第１関節
５  第２アーム
６  第２関節
７  第３アーム
８  第３関節
９Ｒ  第１フィンガー部
９Ｌ  第２フィンガー部
１０  センサシステム
１１  力覚センサ
１２  凸部
１３  当接部
１５  演算部
１７  出力部
８１  信号処理部
９１、９２  把持部
９１Ａ、９２Ａ  基準平面
９１Ｂ、９２Ｂ  斜面
１００  シリコン層
１０７  絶縁層
１０９  周辺部
１１０  ダイアフラム
１１１  受力部
１１２  ヒンジビーム
１１３  シーソー部
１１５  シリコン層
１１６  受力片
１１７  封止基板
１２１  貫通電極
１２２  接合部
９００  物体
【図１】
2020085810.tif 000005
【図２】
2020085810.tif 000006
【図３】
2020085810.tif 000007
【図４】
2020085810.tif 000008
【図５】
2020085810.tif 000009
【図６】
2020085810.tif 000010
【図７】
2020085810.tif 000011
【図８】
2020085810.tif 000012
【図９】
2020085810.tif 000013
【図１０】
2020085810.tif 000014
【図１１】
2020085810.tif 000015