(57)【要約】【課題】歪ゲージに接続された電極や素子などを起歪体に好適に実装することが可能な力覚センサを実現する。【解決手段】力覚センサ（１）は、外力により変形するアーム部（１１３ａ）を有する起歪体（１１）と、アーム部（１１３ａ）に実装された歪ゲージ（１２ａ１〜１２ａ４）と、を備えている。起歪体（１１）には、アーム部（１１３ａ）から、アーム部（１１３ａ）の長手方向と交差する方向に突出した突出部（１１６ａ１，１１６ａ２）が設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外力により変形する変形部を有する起歪体と、該変形部に実装された歪ゲージと、を備えた力覚センサであって、
前記起歪体は、前記変形部から、前記変形部の長手方向と交差する方向に突出した突出部を有している、
ことを特徴とする力覚センサ。
【請求項２】
前記起歪体は、コア部と、前記コア部を取り囲むフレーム部であって、フレクシャを含むフレーム部と、前記コア部と前記フレクシャとを連結するアーム部と、を有しており、
前記変形部は、前記アーム部及び前記フレクシャの一方又は両方である、
ことを特徴とする請求項１に記載の力覚センサ。
【請求項３】
前記起歪体は、コア部と、前記コア部を取り囲むフレーム部と、前記コア部と前記フレーム部とを連結するアーム部と、を有しており、
前記変形部は、前記アーム部である、
ことを特徴とする請求項１に記載の力覚センサ。
【請求項４】
前記突出部には、前記歪ゲージに接続された電極又は抵抗素子が実装されている、
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の力覚センサ。
【請求項５】
前記突出部は、首部と、前記首部よりも幅の広い頭部と、を有し、
前記首部の一端は、前記変形部に連結されており、前記首部の他端は、前記頭部に連結されている、
ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の力覚センサ。
【請求項６】
前記突出部と前記変形部との接合幅は、前記変形部の長さの１／２以下である、
ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の力覚センサ。
【請求項７】
外力により変形する変形部を有する起歪体であって、
前記変形部から、前記変形部の長手方向と交差する方向に突出した突出部を有している、
ことを特徴とする起歪体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力覚センサに関する。特に、外力により変形する変形部を有する起歪体と、その変形部に実装された歪ゲージと、を備えた力覚センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
外力により変形する変形部を有する起歪体と、その変形部に実装された歪ゲージと、を備え、その歪ゲージを用いて外力を検知する力覚センサが知られている。例えば、特許文献１〜２には、外力のｘ軸方向成分、ｙ軸方向成分、ｚ軸方向成分、ｘ軸周りのモーメント成分、ｙ軸周りのモーメント成分、及びｚ軸周りのモーメント成分を個別に検知可能な６軸力覚センサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第６０４７７０３号
【特許文献２】特許第６３７８３８１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１〜２に記載の６軸力覚センサにおいては、（１）コア部（中央部又は受力部とも呼ばれる）と、（２）コア部を取り囲むフレーム部であって、フレクシャを含むフレーム部（枠部又は固定部とも呼ばれる）と、（３）コア部とフレクシャとを連結するアーム部とを有する起歪体が用いられている。そして、この６軸力覚センサにおいては、コア部に外力が働いたときに変形するアーム部及びフレクシャに複数の歪ゲージを実装し、これらの歪ゲージを用いて外力の６成分を検出している。
【０００５】
このような力覚センサにおいては、これらの歪ゲージを導線等により互いに接続することにより、ブリッジ回路を構成する必要がある。ところが、これらの歪ゲージは、細身の構造体であるアーム部及びフレクシャなどに設けられる。このため、これらの歪ゲージを導線に接続するための電極が密集してしまい、その結果、半田付けなどの配線作業が困難になるという問題がある。
【０００６】
また、このような力覚センサにおいては、ブリッジ回路における抵抗バランスを調整するために、薄膜抵抗を歪ゲージの近傍に実装することがある。しかしながら、薄膜抵抗など、変形により特性が変化する素子をアーム部やフレクシャに実装すると、起歪体に外力が作用したときに素子の特性が変化してしまい、その結果、力覚センサの精度が低下するという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、歪ゲージに接続された電極や素子などを好適に実装することが可能な起歪体、及び、そのような起歪体を備えた力覚センサを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の態様１に係る力覚センサは、外力により変形する変形部を有する起歪体と、該変形部に実装された歪ゲージと、を備えた力覚センサであって、以下の構成が採用されている。すなわち、前記起歪体は、前記変形部から、前記変形部の長手方向と交差する方向に突出した突出部を有している、構成が採用されている。
【０００９】
上記の構成によれば、前記突出部は、前記変形部に近接し、且つ、前記変形部が変形しても変形し難い。したがって、上記の構成によれば、前記歪ゲージに接続された電極や抵抗素子などを前記突出部に好適に実装することができる。
【００１０】
本発明の態様２に係る力覚センサにおいては、態様１に係る力覚センサの構成に加えて、以下の構成が採用されている。すなわち、前記起歪体は、コア部と、前記コア部を取り囲むフレーム部であって、フレクシャを含むフレーム部と、前記コア部と前記フレクシャとを連結するアーム部と、を有しており、前記変形部は、前記アーム部及び前記フレクシャの一方又は両方である、構成が採用されている。
【００１１】
上記の構成によれば、前記突出部は、前記アーム部又はフレクシャに近接し、且つ、前記アーム部又はフレクシャが変形しても変形し難い。したがって、上記の構成によれば、前記歪ゲージに接続された電極や抵抗素子などを前記突出部に好適に実装することができる。
【００１２】
本発明の態様３に係る力覚センサにおいては、態様１に係る力覚センサの構成に加えて、以下の構成が採用されている。すなわち、前記起歪体は、コア部と、前記コア部を取り囲むフレーム部と、前記コア部と前記フレーム部とを連結するアーム部と、を有しており、前記変形部は、前記アーム部である、構成が採用されている。
【００１３】
上記の構成によれば、前記突出部は、前記アーム部に近接し、且つ、前記アーム部が変形しても変形し難い。したがって、上記の構成によれば、前記歪ゲージに接続された電極や抵抗素子などを前記突出部に好適に実装することができる。
【００１４】
本発明の態様４に係る力覚センサは、態様１〜３の何れかに係る力覚センサの構成に加えて、以下の構成が採用されている。すなわち、前記突出部には、前記歪ゲージに接続された電極又は抵抗素子が実装されている、構成が採用されている。
【００１５】
上記の構成によれば、前記突出部に前記電極が実装されている場合、配線作業を容易にすることができる。また、上記の構成によれば、前記突出部に前記抵抗素子が実装されている場合、前記抵抗素子の特性変化に伴う力覚センサの精度低下を抑えることができる。
【００１６】
本発明の態様５に係る力覚センサは、態様１〜４の何れかに係る力覚センサの構成に加えて、以下の構成が採用されている。すなわち、前記突出部は、首部と、前記首部よりも幅の広い頭部と、を有し、前記首部の一端は、前記変形部に連結されており、前記首部の他端は、前記頭部に連結されている、構成が採用されている。
【００１７】
上記の構成によれば、変形部が変形した際に生じ得る前記突出部の変形を更に抑制することができる。
【００１８】
本発明の態様６に係る力覚センサは、態様１〜５の何れかに係る力覚センサの構成に加えて、以下の構成が採用されている。すなわち、前記突出部と前記変形部との接合幅は、前記変形部の長さの１／２以下である、構成が採用されている。
【００１９】
上記の構成によれば、変形部が変形した際に生じ得る前記突出部の変形を更に抑制することができる。
【００２０】
本発明の態様７に係る起歪体は、外力により変形する変形部を有する起歪体であって、態様１に係る力覚センサと同様、以下の構成が採用されている。すなわち、前記起歪体は、前記変形部から、前記変形部の長手方向と交差する方向に突出した突出部を有している、構成が採用されている。
【００２１】
上記の構成によれば、前記突出部は、前記変形部に近接し、且つ、前記変形部が変形しても変形し難い。したがって、上記の構成によれば、前記変形部に実装された素子（例えば、歪ゲージ）に接続された電極や素子（例えば、抵抗素子）などを前記突出部に好適に実装することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、歪ゲージに接続される素子を起歪体に好適に実装することが可能な力覚センサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態に係る力覚センサが備える起歪体の構成を示す斜視図である。
【図２】（ａ）は、図１の起歪体の表面の一部を示す平面図である。（ｂ）は、図１の起歪体の裏面の一部を示す平面図である。
【図３】（ａ）は、図１の起歪体のアーム部の表面内周側及び裏面内周側に実装された歪ゲージを含んで構成されるブリッジ回路の回路図である。（ｂ）は、図１の起歪体のアーム部の表面外周側及び裏面外周側に実装された歪ゲージを含んで構成されるブリッジ回路の回路図である。
【図４】本発明の一実施例に係る力覚センサが備える起歪体の各部の寸法を示す平面図である。
【図５】図４の起歪体に生じる応力の分布を示す図である。
【図６】比較例に係る力覚センサが備える起歪体に生じる応力の分布を示す図である。
【図７】突出部とアーム部との接合幅が異なる複数の起歪体について、各起歪体のアーム部に生じる応力の分布を示す図である。
【図８】抵抗素子の第１の構成例を示す平面図及び側面図である。
【図９】抵抗素子の第２の構成例を示す平面図及び側面図である。
【図１０】抵抗素子の第３の構成例を示す平面図である。
【図１１】抵抗素子の第４の構成例を示す平面図である。
【図１２】抵抗素子の第５の構成例を示す平面図である。
【図１３】抵抗素子の第６の構成例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
〔力覚センサの構成〕
本発明の一実施形態に係る力覚センサ１の構成について、図１〜図３を参照して説明する。
【００２５】
力覚センサ１は、６軸力覚センサであり、起歪体１１と、２４個の歪ゲージからなる歪ゲージ群１２と、４８個の電極からなる電極群１３と、２４個の抵抗素子からなる抵抗素子群１４と、６個のブリッジ回路からなるブリッジ回路群１５と、を備えている。ここで、６軸力覚センサとは、外力のｘ軸方向成分、ｙ軸方向成分、ｚ軸方向成分、ｘ軸周りのモーメント成分、ｙ軸周りのモーメント成分、及びｚ軸周りのモーメント成分を検出することが可能な力覚センサのことを指す。なお、起歪体１１は、２つの主面がｘｙ平面と平行になるように配置されているものとし、起歪体１１のｚ軸正方向側の主面を「表面」、起歪体１１のｚ軸負方向側の主面を「裏面」と呼ぶ。
【００２６】
図１は、力覚センサ１が備える起歪体１１の斜視図である。起歪体１１は、ばね性を有する材料により構成された構造体であり、図１に示すように、コア部１１１と、コア部１１１を取り囲むフレーム部１１２と、コア部１１１とフレーム部１１２とを連結するアーム部１１３ａ〜１１３ｃと、を備えている。起歪体１１の材料としては、例えば、アルミニウム合金、合金鋼、ステンレス鋼などが挙げられる。また、起歪体１１の加工方法としては、例えば、ＮＣ（Numerical Control）加工などが挙げられる。なお、フレーム部１１２が固定された状態でコア部１１１に外力が作用すると、アーム部１１３ａ〜１１３ｃにその外力に応じた歪が生じる。このため、コア部１１１は、「受力部」と呼ばれることがあり、フレーム部１１２は、「固定部」と呼ばれることがある。
【００２７】
コア部１１１の形状は特に限定されないが、本実施形態においては、コア部１１１の形状として、底面が略六角形である柱形状（すなわち、略六角柱形状）を採用している。また、フレーム部１１２の形状は特定に限定されないが、本実施形態においては、フレーム部１１２の形状として、底面が略円形から略六角形をくり抜いた形状である筒形状を採用している。コア部１１１は、コア部１１１の６つの側面１１１ａ〜１１１ｆが、それぞれ、フレーム部１１２の６つの内側面１１２ａ〜１１２ｆと対向するように、フレーム部１１２に収められている。
【００２８】
また、アーム部１１３ａ〜１１３ｃの形状は特に限定されないが、本実施形態においては、アーム部１１３ａ〜１１３ｃの形状として、底面が略長方形である柱形状（すなわち、略四角柱形状）を採用している。また、アーム部１１３ａ〜１１３ｃの個数は、特に限定されないが、本実施形態においては、アーム部１１３ａ〜１１３ｃの個数を３としている。アーム部１１３ａは、コア部１１１からｙ軸負方向に延出し、コア部１１１の側面１１１ａとフレーム部１１２の内側面１１２ａとを連結する。また、アーム部１１３ｂは、ｘｙ平面内においてｙ軸負方向から−１２０°（時計周りに１２０°）の方向に延出し、コア部１１１の側面１１１ｂとフレーム部１１２の内側面１１２ｂとを連結する。また、アーム部１１３ｃは、コア部１１１からｘｙ平面内においてｙ軸負方向から＋１２０°（反時計周りに１２０°）の方向に延出し、コア部１１１の側面１１１ｃとフレーム部１１２の内側面１１２ｃとを連結する。
【００２９】
フレーム部１１２には、ｚ軸方向にフレーム部１１２を貫通する貫通孔１１４ａ〜１１４ｃが形成されている。貫通孔１１４ａは、アーム部１１３ａとフレーム部１１２との連結点近傍において、貫通孔１１４ａの長手方向がアーム部１１３ａの延在方向と直交するように形成されている。また、貫通孔１１４ｂは、アーム部１１３ｂとフレーム部１１２との連結点近傍において、貫通孔１１４ｂの長手方向がアーム部１１３ｂの延在方向と直交するように形成されている。また、貫通孔１１４ｃは、アーム部１１３ｃとフレーム部１１２との連結点近傍において、貫通孔１１４ｃの長手方向がアーム部１１３ｃの延在方向と直交するように形成されている。これにより、アーム部１１３ａ〜１１３ｃに外力に応じた歪を生じさせることが可能になる。
【００３０】
以下、フレーム部１１２のうち、貫通孔１１４ａの内周側においてアーム部１１３ａと連結される領域のことを、フレクシャ１１５ａと呼ぶ。また、フレーム部１１２のうち、貫通孔１１４ｂの内周側においてアーム部１１３ｂと連結される領域のことを、フレクシャ１１５ｂと呼ぶ。フレーム部１１２のうち、貫通孔１１４ｃの内周側においてアーム部１１３ｃと連結される領域のことを、フレクシャ１１５ｃと呼ぶ。
【００３１】
図２の（ａ）は、アーム部１１３ａの表面の一部（図１に示す円周αの内部）を示す平面図である。アーム部１１３ａの表面には、図２の（ａ）に示すように、４個の歪ゲージ１２ａ１〜１２ａ４が実装されている。歪ゲージ１２ａ１〜１２ａ４としては、例えば、導体薄膜（例えば、Ｃｕ−Ｎｉ系合金薄膜やＮｉ−Ｃｒ系合金薄膜などの金属薄膜）又は半導体薄膜を絶縁体フィルム（例えば、ポリイミドフィルムやエポキシフィルムなどの樹脂フィルム）で覆ったものを用いることができる。歪ゲージ１２ａ１〜１２ａ４の実装方法としては、接着法、真空蒸着法、スパッタ法などが挙げられる。
【００３２】
これら４つの歪ゲージ１２ａ１〜１２ａ４のうち、表面内周側（コア部１１１側）の２個の歪ゲージ１２ａ１，１２ａ２は、それぞれ、ｘｙ平面内において長手方向がアーム部１１３ａの延在方向と平行になるように配置さている。一方、表面外周側（フレーム部１１２側）の２個の歪ゲージ１２ａ３，１２ａ４は、それぞれ、ｘｙ平面内において長手方向がアーム部１１３の延在方向と４５°を成すように配置されている。
【００３３】
歪ゲージ１２ａ１には、２つの電極１３ａ１，１３ａ２が接続されている。歪ゲージ１２ａ１と電極１３ａ２との間の配線には、抵抗素子１４ａ１が挿入されている（ＡとＢとの間の配線に抵抗素子が挿入されるとは、その配線がＡ側とＢ側とに分かれており、抵抗素子の一端がＡ側の配線に接続され、抵抗素子の他端がＢ側の配線に接続されることを指す。以下同様である）。また、歪ゲージ１２ａ２には、２つの電極１３ａ３，１３ａ４が接続されている。歪ゲージ１２ａ２と電極１３ａ４との間の配線には、抵抗素子１４ａ２が挿入されている。また、歪ゲージ１２ａ３には、２つの電極１３ａ５，１３ａ６が接続されている。歪ゲージ１２ａ３と電極１３ａ５との間の配線には、抵抗素子１４ａ３が挿入されている。また、歪ゲージ１２ａ４には、２つの電極１３ａ７，１３ａ８が接続されている。歪ゲージ１２ａ４と電極１３ａ７との間の配線には、抵抗素子１４ａ４が挿入されている。したがって、アーム部１１３ａの表面には、４個の歪ゲージ１２ａ１〜１２ａ４に加えて、８個の電極１３ａ１〜１３ａ８と、４個の抵抗素子１４ａ１〜１４ａ４と、が実装されている。なお、電極１３ａ１〜１３ａ８、抵抗素子１４ａ１〜１４ａ４、及び、これらを接続する配線パターンの実装方法としては、例えば、スパッタ法が挙げられる。
【００３４】
図２の（ｂ）は、アーム部１１３ａの裏面の一部（図１に示す円周βの内部）を示す平面図である。アーム部１１３ａの裏面には、図２の（ｂ）に示すように、４個の歪ゲージ１２ａ５〜１２ａ８が実装されている。歪ゲージ１２ａ５〜１２ａ８としては、歪ゲージ１２ａ１〜１２ａ４と同様、導体薄膜又は半導体薄膜を絶縁体フィルムで覆ったものを用いることができる。歪ゲージ１２ａ５〜１２ａ８の実装方法としては、歪ゲージ１２ａ１〜１２ａ４の実装方法と同様、接着法、真空蒸着法、スパッタ法などが挙げられる。
【００３５】
これら４つの歪ゲージ１２ａ５〜１２ａ８のうち、裏面内周側の２個の歪ゲージ１２ａ５，１２ａ６は、それぞれ、ｘｙ平面内において長手方向がアーム部１１３ａの延在方向と平行になるように実装されており、表面内周側に実装された２個の歪ゲージ１２ａ１，１２ａ２と共にブリッジ回路を構成する。一方、裏面外周側の２個の歪ゲージ１２ａ７，１２ａ８は、それぞれ、ｘｙ平面内において長手方向がアーム部１１３ａの延在方向と４５°を成すように実装されており、表面外周側に実装された２個の歪ゲージ１２ａ３，１２ａ４と共にブリッジ回路を構成する。
【００３６】
歪ゲージ１２ａ５には、２つの電極１３ａ９，１３ａ１０が接続されている。歪ゲージ１２ａ５と電極１３ａ１０との間の配線には、抵抗素子１４ａ５が挿入されている。また、歪ゲージ１２ａ６には、２つの電極１３ａ１１，１３ａ１２が接続されている。歪ゲージ１２ａ６と電極１３ａ１２との間の配線には、抵抗素子１４ａ６が挿入されている。また、歪ゲージ１２ａ７には、２つの電極１３ａ１３，１３ａ１４が接続されている。歪ゲージ１２ａ７と電極１３ａ１３との間の配線には、抵抗素子１４ａ７が挿入されている。また、歪ゲージ１２ａ８には、２つの電極１３ａ１５，１３ａ１６が接続されている。歪ゲージ１２ａ８と電極１３ａ１５との間の配線には、抵抗素子１４ａ８が挿入されている。したがって、アーム部１１３ａの裏面には、４個の歪ゲージ１２ａ５〜１２ａ８に加えて、８個の電極１３ａ９〜１３ａ１６と、４個の抵抗素子１４ａ５〜１４ａ８と、が実装されている。なお、電極１３ａ９〜１３ａ１６、抵抗素子１４ａ５〜１４ａ８、及び、これらを接続するための配線パターンの実装方法としては、例えば、スパッタ法が挙げられる。
【００３７】
このように、アーム部１１３ａには、表面及び裏面のそれぞれに４個の歪ゲージと８個の電極と４個の抵抗素子とが設けられている。アーム部１１３ｂにも、アーム部１１３ａと同様、表面及び裏面のそれぞれに４個の歪ゲージと８個の電極と４個の抵抗素子とが設けられている。また、アーム部１１３ｃにも、アーム部１１３ａと同様、表面及び裏面のそれぞれに４個の歪ゲージと８個の電極と４個の抵抗素子とが設けられている。したがって、起歪体１１には、計２４個の歪ゲージと計４８個の電極と計２４個の抵抗素子群が含まれることになる。上述した歪ゲージ群１２とは、これら２４個の歪ゲージの集合のことを指し、上述した電極群１３とは、これら４８個の電極の集合のことを指し、上述した抵抗素子群とは、これら２４個の抵抗素子の集合のことを指す。
【００３８】
図３の（ａ）は、アーム部１１３ａの表面内周側に実装された２個の歪ゲージ１２ａ１，１２ａ２と、アーム部１１３ａの裏面内周側の２個の歪ゲージ１２ａ５，１２ａ６と、を含んで構成されるブリッジ回路１５ａ１の回路図である。ブリッジ回路１５ａ１は、以下の電極を導線等により接続することにより実現される。
【００３９】
・歪ゲージ１２ａ１の電極１３ａ１と歪ゲージ１２ａ６の電極１３ａ１１、
・歪ゲージ１２ａ２の電極１３ａ３と歪ゲージ１２ａ５の電極１３ａ９、
・歪ゲージ１２ａ１の電極１３ａ２と歪ゲージ１２ａ５の電極１３ａ１０、
・歪ゲージ１２ａ２の電極１３ａ４と歪ゲージ１２ａ６の電極１３ａ１２。
【００４０】
ブリッジ回路１５ａ１においては、図３の（ａ）に示すように、Ａ点とＢ点との間に基準電圧Ｖrefを印加したときのＣ点とＤ点との間の電圧Ｖoが出力電圧となる。ここで、Ａ点とは、歪ゲージ１２ａ１の電極１３ａ１と歪ゲージ１２ａ６の電極１３ａ１１との中間点のことを指す。また、Ｂ点とは、歪ゲージ１２ａ２の電極１３ａ３と歪ゲージ１２ａ５の電極１３ａ９との中間点のことを指す。また、Ｃ点とは、歪ゲージ１２ａ１の電極１３ａ２と歪ゲージ１２ａ５の電極１３ａ１０との中間点のことを指す。また、Ｄ点とは、歪ゲージ１２ａ２の電極１３ａ４と歪ゲージ１２ａ６の電極１３ａ１２との中間点のことを指す。ブリッジ回路１５ａ１に含まれる抵抗素子１４ａ１，１４ａ２，１４ａ５，１４ａ６は、ブリッジ回路１５ａ１の抵抗バランスの調整に利用される。
【００４１】
図３の（ｂ）は、アーム部１１３ａの表面外周側に実装された２個の歪ゲージ１２ａ３，１２ａ４と、アーム部１１３ａの裏面内周側の２個の歪ゲージ１２ａ７，１２ａ８と、を含んで構成されるブリッジ回路１５ａ２の回路図である。ブリッジ回路１５ａ２は、以下の電極を導線等により接続することにより実現される。
【００４２】
・歪ゲージ１２ａ３の電極１３ａ５と歪ゲージ１２ａ８の電極１３ａ１５、
・歪ゲージ１２ａ４の電極１３ａ７と歪ゲージ１２ａ７の電極１３ａ１３、
・歪ゲージ１２ａ７の電極１３ａ１４と歪ゲージ１２ａ８の電極１３ａ１６、
・歪ゲージ１２ａ３の電極１３ａ６と歪ゲージ１２ａ４の電極１３ａ８。
【００４３】
ブリッジ回路１５ａ２においては、図３の（ｂ）に示すように、Ｅ点とＦ点との間に基準電圧Ｖrefを印加したときのＧ点とＨ点との間の電圧Ｖoが出力電圧となる。ここで、Ｅ点とは、歪ゲージ１２ａ３の電極１３ａ５と歪ゲージ１２ａ８の電極１３ａ１５との中間点のことを指す。また、Ｆ点とは、歪ゲージ１２ａ４の電極１３ａ７と歪ゲージ１２ａ７の電極１３ａ１３との中間点のことを指す。また、Ｇ点とは、歪ゲージ１２ａ７の電極１３ａ１４と歪ゲージ１２ａ８の電極１３ａ１６との中間点のことを指す。また、Ｈ点とは、歪ゲージ１２ａ３の電極１３ａ６と歪ゲージ１２ａ４の電極１３ａ８との中間点のことを指す。ブリッジ回路１５ａ２に含まれる抵抗素子１４ａ３，１４ａ４，１４ａ７，１４ａ８は、ブリッジ回路１５ａ２の抵抗バランスの調整に利用される。
【００４４】
このように、アーム部１１３ａに設けられた４個の歪ゲージ、８個の電極、及び４個の抵抗素子は、２個のブリッジ回路を構成する。アーム部１１３ｂに設けられた４個の歪ゲージ８個の電極、及び４個の抵抗素子も、アーム部１１３ａに設けられた４個の歪ゲージ、８個の電極、及び４個の抵抗素子と同様、２個のブリッジ回路を構成する。また、アーム部１１３ｃに設けられた４個の歪ゲージ、８個の電極、及び４個の抵抗素子も、アーム部１１３ａに設けられた４個の歪ゲージ、８個の電極、及び４個の抵抗素子と同様、２個のブリッジ回路を構成する。したがって、起歪体１１には、計６個のブリッジ回路が含まれることになる。上述したブリッジ回路群１５とは、これら６個のブリッジ回路の集合のことを指す。なお、ブリッジ回路群１５を構成する各ブリッジ回路における抵抗バランスの調整が不要な場合には、抵抗素子群１４を省略することができる。
【００４５】
〔力覚センサの特徴〕
力覚センサ１の特徴について、再び図１及び図２を参照して説明する。
【００４６】
力覚センサ１において特徴的な点は、起歪体１１が突出部を有していることである。突出部は、起歪体１１においてコア部１１１に外力が働いた際に変形が生じる部分（以下、「変形部」とも記載する）から、ｘｙ平面内において変形部の長手方向と交差する方向に突出するように形成される。このような突出部は、変形部に隣接している。このため、変形部に実装される素子（例えば、歪ゲージ）に接続される素子（例えば、電極及び抵抗素子）を実装するためのスペースとして好適に利用することができる。また、このような突出部は、変形部と隣接しているにも関わらず、変形部と比べて変形が生じ難い。このため、変形部に実装される素子（例えば、歪ゲージ）に接続される素子であって、変形によって特性が変化する素子（例えば、抵抗素子）を実装するスペースとして特に好適に利用することができる。
【００４７】
本実施形態に係る力覚センサ１において、上述した変形部に該当する部分は、アーム部１１３ａ〜１１３ｃ、及び、フレクシャ１１５ａ〜１１５ｃである。このため、本実施形態に係る力覚センサ１の起歪体１１は、図１に示すように、アーム部１１３ａ〜１１３ｃから突出する突出部１１６ａ１〜１１６ｃ２、及び、フレクシャ１１５ａ〜１１５ｃから突出する突出部１１７ａ１〜１１７ｃ４を備えている。
【００４８】
アーム部１１３ａから突出する突出部１１６ａ１，１１６ａ２について、図２を参照して説明する。
【００４９】
突出部１１６ａ１は、アーム部１１３ａの中央部からｘ軸負方向へ突出した部分であり、突出部１１６ａ１の突出方向（ｘ軸負方向）は、アーム部１１３ａの長手方向（ｙ軸方向）と交差（図示した例では、直交）している。突出部１１６ａ２は、アーム部１１３ａの中央部からｘ軸正方向へ突出した部分であり、突出部１１６ａ２の突出方向（ｘ軸正方向）は、アーム部１１３ａの長手方向（ｙ軸方向）と交差（図示した例では、直交）している。突出部１１６ａ１，１１６ａ２は、それぞれ、首部１１６ａ１１，１１６ａ２１と頭部１１６ａ１２，１１６ａ２２と、を有している。首部１１６ａ１１，１１６ａ２１の一端は、それぞれ、アーム部１１３ａに連結され、首部１１６ａ１１，１１６ａ２１の他端は、それぞれ、頭部１１６ａ１２，１１６ａ２２に連結されている。首部１１６ａ１１，１１６ａ２１の幅（アーム部１１３ａの長手方向に沿って測った幅）は、頭部１１６ａ１２，１１６ａ２２の幅（アーム部１１３ａの長手方向に沿って測った幅）よりも狭くなっている。これにより、アーム部１１３ａの変形が生じても、突出部１１６ａ１，１１６ａ２（特に、頭部１１６ａ１２，１１６ａ２２）の変形は更に生じ難くなる。
【００５０】
突出部１１６ａ１の表面には、図２の（ａ）に示すように、歪ゲージ１２ａ１に接続された電極１３ａ２及び抵抗素子１４ａ１、並びに、歪ゲージ１２ａ３に接続された電極１３ａ５及び抵抗素子１４ａ３が実装される。また、突出部１１６ａ１の裏面には、図２の（ｂ）に示すように、歪ゲージ１２ａ６に接続された電極１３ａ１２及び抵抗素子１４ａ６、並びに、歪ゲージ１２ａ８に接続された電極１３ａ１５及び抵抗素子１４ａ８が実装される。一方、突出部１１６ａ２の表面には、図２の（ａ）に示すように、歪ゲージ１２ａ２に接続された電極１３ａ４及び抵抗素子１４ａ２、並びに、歪ゲージ１２ａ４に接続された電極１３ａ７及び抵抗素子１４ａ４が実装される。また、突出部１１６ａ２の裏面には、図２の（ｂ）に示すように、歪ゲージ１２ａ５に接続された電極１３ａ１０及び抵抗素子１４ａ５、並びに、歪ゲージ１２ａ７に接続された電極１３ａ１３及び抵抗素子１４ａ７が実装される。
【００５１】
このように、本実施形態に係る力覚センサ１においては、電極１３ａ１〜１３ａ１６の一部を突出部１１６ａ１，１１６ａ２に実装することができる。このため、電極１３ａ１〜１３ａ１６の密集度が下がる。したがって、電極１３ａ１〜１３ａ１６への配線作業（例えば、半田付け作業）が容易になるという効果が得られる。また、本実施形態に係る力覚センサ１においては、抵抗素子１４ａ１〜１４ａ８を突出部１１６ａ１，１１６ａ２に実装することができる。このため、アーム部１１３ａの変形に起因する抵抗素子１４ａ１〜１４ａ８の抵抗値の変化が抑えられる。したがって、抵抗素子１４ａ１〜１４ａ８の抵抗値の変化に起因する力覚センサ１の精度の低下が抑えられるという効果が得られる。
【００５２】
なお、突出部１１６ａ１，１１６ａ２の首部１１６ａ１１，１１６ａ２１の幅（アーム部１１３ａの長手方向に沿って測った幅）は、アーム部１１３ａの長さＬの１／２以下であることが好ましい。
【００５３】
フレクシャ１１５ａから突出する突出部１１７ａ１〜１１７ａ４について、図２を参照して説明する。
【００５４】
突出部１１７ａ１，１１７ａ２は、フレクシャ１１５ａからｙ軸正方向へ突出した部分であり、突出部１１７ａ１，１１７ａ２の突出方向（ｙ軸正方向）は、フレクシャ１１５ａの長手方向（ｘ軸方向）と交差（図示した例では、直交）している。突出部１１７ａ１の突出起点は、アーム部１１３ａよりもｘ軸負方向側であり、突出部１１７ａ２の突出起点は、アーム部１１３ａよりもｘ軸正方向側である。突出部１１７ａ１，１１７ａ２は、それぞれ、首部１１７ａ１１，１１７ａ２１と頭部１１７ａ１２，１１７ａ２２と、を有している。首部１１７ａ１１，１１７ａ２１の一端は、それぞれ、フレクシャ１１５ａに連結され、首部１１７ａ１１，１１７ａ２１の他端は、それぞれ、頭部１１７ａ１２，１１７ａ２２に連結されている。首部１１７ａ１１，１１７ａ２１の幅は、頭部１１７ａ１２，１１７ａ２２の幅よりも狭くなっている。これにより、フレクシャ１１５ａの変形が生じても、突出部１１７ａ１，１１７ａ２（特に、頭部１１７ａ１２，１１７ａ２２）の変形は更に生じ難くなる。
【００５５】
突出部１１７ａ３，１１７ａ４は、フレクシャ１１５ａからｙ軸負方向へ突出した部分であり、突出部１１７ａ３，１１７ａ４の突出方向（ｙ軸負方向）は、フレクシャ１１５ａの長手方向（ｘ軸方向）と交差（図示した例では、直交）している。突出部１１７ａ３の突出起点は、アーム部１１３ａよりもｘ軸負方向側であり、突出部１１７ａ４の突出起点は、アーム部１１３ａよりもｘ軸正方向側である。突出部１１７ａ３，１１７ａ４は、それぞれ、首部１１７ａ３１，１１７ａ４１と頭部１１７ａ３２，１１７ａ４２と、を有している。首部１１７ａ３１，１１７ａ４１の一端は、それぞれ、フレクシャ１１５ａに連結され、首部１１７ａ３１，１１７ａ４１の他端は、それぞれ、頭部１１７ａ３２，１１７ａ４２に連結されている。首部１１７ａ３１，１１７ａ４１の幅は、頭部１１７ａ３２，１１７ａ４２の幅よりも狭くなっている。これにより、フレクシャ１１５ａの変形が生じても、突出部１１７ａ３，１１７ａ４（特に、頭部１１７ａ３２，１１７ａ４２）の変形は更に生じ難くなる。
【００５６】
フレクシャ１１５ａには、歪ゲージが実装されることがある。この場合、歪ゲージに接続される電極の一部を突出部１１７ａ１〜１１７ａ４に実装することができる。また、この場合、歪ゲージに接続される抵抗素子を突出部１１７ａ１〜１１７ａ４に実装することができる。したがって、アーム部１１３ａに突出部１１６ａ１，１１６ａ２を設けることで得られる効果と同様の効果が、フレクシャ１１５ａに突出部１１７ａ１〜１１７ａ４を設けることでも得られる。
【００５７】
なお、本実施形態においては、突出部を設ける変形部がアーム部１１３ａ〜１１３ｃ及びフレクシャ１１５ａ〜１１５ｃの両方である構成を採用しているが、本発明はこれに限定されない。例えば、突出部を設ける変形部がアーム部１１３ａ〜１１３ｃ及びフレクシャ１１５ａ〜１１５ｃの一方である構成、すなわち、突出部を設ける変形部がアーム部１１３ａ〜１１３ｃのみである構成、又は、突出部を設ける変形部がフレクシャ１１５ａ〜１１５ｃのみである構成を採用してもよい。また、フレクシャ１１５ａ〜１１５ｃは、省略することも可能である。この場合、突出部を設ける変形部は、アーム部１１３ａ〜１１３ｃのみとなる。
【００５８】
〔起歪体に生じる応力の分布〕
コア部に外力を作用させたときに、起歪体に生じる応力の分布について、図４〜図７を参照して説明する。ここでは、φ５５力覚センサの起歪体について、３ＤＣＡＤを用いたシミュレーションの結果を示す。
【００５９】
図４は、実施例とした起歪体の各部の寸法を示す平面図である。この起歪体から突出部を省略したものを比較例とする。
【００６０】
図５は、実施例に係る起歪体の応力分布を示す図である。図５の（ａ）は、コア部に対してｘ軸正方向を向いた外力Ｆｘ＋が作用したときに、実施例に係る起歪体に生じる応力の分布を示している。図５の（ｂ）は、コア部に対してｙ軸正方向を向いた外力Ｆｙ＋が作用したときに、実施例に係る起歪体に生じる応力の分布を示している。図５の（ｃ）は、コア部に対してｚ軸正方向を向いた外力Ｆｚ＋が作用したときに、実施例に係る起歪体に生じる応力の分布を示している。図５の（ｄ）は、コア部に対してｘ軸まわりのモーメントＭｘ＋が作用したときに、実施例に係る起歪体に生じる応力の分布を示している。図５の（ｅ）は、コア部に対してｙ軸まわりのモーメントＭｙ＋が作用したときに、実施例に係る起歪体に生じる応力の分布を示している。図５の（ｆ）は、コア部に対してｚ軸まわりのモーメントＭｚ＋が作用したときに、実施例に係る起歪体に生じる応力の分布を示している。
【００６１】
図６は、比較例に係る起歪体の応力分布を示す図である。図６の（ａ）は、コア部に対してｘ軸正方向を向いた外力Ｆｘ＋が作用したときに、比較例に係る起歪体に生じる応力の分布を示している。図６の（ｂ）は、コア部に対してｙ軸正方向を向いた外力Ｆｙ＋が作用したときに、比較例に係る起歪体に生じる応力の分布を示している。図６の（ｃ）は、コア部に対してｚ軸正方向を向いた外力Ｆｚ＋が作用したときに、比較例に係る起歪体に生じる応力の分布を示している。図６の（ｄ）は、コア部に対してｘ軸まわりのモーメントＭｘ＋が作用したときに、比較例に係る起歪体に生じる応力の分布を示している。図６の（ｅ）は、コア部に対してｙ軸まわりのモーメントＭｙ＋が作用したときに、比較例に係る起歪体に生じる応力の分布を示している。図６の（ｆ）は、コア部に対してｚ軸まわりのモーメントＭｚ＋が作用したときに、比較例に係る起歪体に生じる応力の分布を示している。
【００６２】
図５を参照することにより、以下のことが確かめられる。すなわち、各突出部には、応力が発生しないか、又は、応力が発生したとしても十分に小さい。これは、各突出部は、コア部に外力が作用しても、各突出部に変形は生じないか、又は、生じたとしても十分に小さいことを意味する。これにより、突出部は、変形により特性が変化する素子（例えば、抵抗素子）を実装するためのスペースとして好適であることが確かめられた。
【００６３】
また、図５と図６とを比較することにより、以下のことが確かめられる。すなわち、突出部を設けても、アーム部及びフレクシャに生じる応力は、変化しないか、又は、変化したとしても、その変化量は十分に小さい。これにより、突出部を設けることで、力覚センサの精度低下は生じないか、又は、生じたとしても、その低下量は十分に小さいことが確かめられた。
【００６４】
次に、コア部に対してｘ軸正方向を向いた外力Ｆｘ＋が作用したときにアーム部に生じる応力の分布が、突出部とアーム部との接合幅Ｗ（図４参照）にどのように依存するかを調べた。図７は、その結果を示す図である。
【００６５】
図７の（ａ）は、比較例に係る起歪体のアーム部に生じる応力の分布を示している。図７の（ｂ）は、接合幅Ｗを０．５ｍｍとした実施例に係る起歪体において、アーム部に生じる応力の分布を示している。図７の（ｃ）は、接合幅Ｗを１．０ｍｍとした実施例に係る起歪体において、アーム部に生じる応力の分布を示している。図７の（ｄ）は、接合幅Ｗを１．５ｍｍとした実施例に係る起歪体において、アーム部に生じる応力の分布を示している。図７の（ｅ）は、接合幅Ｗを２．０ｍｍとした実施例に係る起歪体において、アーム部に生じる応力の分布を示している。図７の（ｆ）は、接合幅Ｗを２．５ｍｍとした実施例に係る起歪体において、アーム部に生じる応力の分布を示している。図７の（ｇ）は、接合幅Ｗを３．０ｍｍとした実施例に係る起歪体において、アーム部に生じる応力の分布を示している。図７の（ｈ）は、接合幅Ｗを３．５ｍｍとした実施例に係る起歪体において、アーム部に生じる応力の分布を示している。図７の（ｉ）は、接合幅Ｗを４．０ｍｍとした実施例に係る起歪体において、アーム部に生じる応力の分布を示している。なお、シミュレーションの都合上、接合幅Ｗが２．５ｍｍ以上となる起歪体においては、突出部に幅の狭い首部と幅の広い頭部とを設けずに、突出部の幅を一律とした。
【００６６】
図７を参照することにより、以下のことが確かめられる。第１に、接合幅Ｗが４．０ｍｍ以下の場合、換言すれば、接合幅Ｗがアーム部の長さ（８ｍｍ）の１／２以下である場合、突出部には応力が生じない部分が存在することが確かめられる。したがって、突出部を変形により特性が変化する素子（例えば、抵抗素子）を実装するためのスペースとして突出部を利用する場合、アーム部と突出部との接合幅Ｗは、アーム部の長さの１／２以下であることが好ましい。第２に、接合幅Ｗが１．０ｍｍ以下の場合、換言すれば、接合幅Ｗがアーム部の長さ（８ｍｍ）の１／８以下である場合、アーム部に生じる応力は突出部がない場合と殆ど変らないことが確かめられる。したがって、力覚センサ１に極めて高い精度が要求される場合、アーム部と突出部との接合幅Ｗは、アーム部の長さの１／８以下であることが好ましい。
【００６７】
〔抵抗素子の構成例〕
抵抗素子群１４に属する各抵抗素子の構成例について、図８〜図１３を参照して説明する。
【００６８】
図８の（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、抵抗素子の第１の構成例を示す平面図（左）及び側面図（右）である。
【００６９】
本構成に係る抵抗素子は、平面視形状が四角形（図示した例では長方形）の薄膜抵抗２１により構成されている。この抵抗素子における抵抗値の調整は、薄膜抵抗２１の上面を削り、薄膜抵抗２１の厚みを薄くことによって行われる。図８の（ａ）は、調整前の抵抗素子を示し、図８の（ｂ）は、調整後の抵抗素子を示す。この調整により、薄膜抵抗２１の断面積が減少するので、抵抗値は上昇する。なお、抵抗値をどの程度上昇させるかは、薄膜抵抗２１を削る厚みを変更することにより適宜調整することが可能である。
【００７０】
図９の（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、抵抗素子の第２の構成例を示す平面図（左）及び側面図（右）である。
【００７１】
本構成例に係る抵抗素子は、第１の構成例に係る抵抗素子と同様、平面視形状が四角形（図示した例では長方形）の薄膜抵抗２１により構成されている。この抵抗素子における抵抗値の調整は、薄膜抵抗２１の上面に導体層２２を形成することによって行われる。図９の（ａ）は、調整前の抵抗素子を示し、図９の（ｂ）は、調整後の抵抗素子を示す。この調整により、薄膜抵抗２１の実効的な長さが減少するので、抵抗値は低下する。なお、抵抗値をどの程度低下させるかは、導体層２２の長さを変更することにより適宜調整することが可能である。
【００７２】
図１０の（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、抵抗素子の第３の構成例を示す平面図である。
【００７３】
本構成例に係る抵抗素子は、（１）第１の帯状薄膜導体２４ａと、（２）第１の帯状薄膜導体２４ａと平行に配置された第２の帯状薄膜導体２４ｂと、（３）一端が第１の帯状薄膜導体２４ａに接続され、他端が第２の帯状薄膜導体２４ｂに接続された複数の帯状薄膜抵抗２５と、により構成されている。この抵抗素子における抵抗値の調整は、帯状薄膜抵抗２５の幾つかを切断することによって行われる。図１０の（ａ）は、調整前の抵抗素子を示し、図１０の（ｂ）は、調整後の抵抗素子を示す。この調整により、第１の帯状薄膜導体２４ａと第２の帯状薄膜導体２４ｂとの間に介在する帯状薄膜抵抗２５の本数が減るので、抵抗値は上昇する。なお、抵抗値をどの程度上昇させるかは、切断する帯状薄膜抵抗２５の本数を変更することにより適宜調整することが可能である。
【００７４】
図１１の（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、抵抗素子の第４の構成例を示す平面図である。
【００７５】
本構成例に係る抵抗素子は、（１）第１の帯状薄膜導体２４ａと、（２）第１の帯状薄膜導体２４ａと平行に配置された第２の帯状薄膜導体２４ｂと、（３）一端が第１の帯状薄膜導体２４ａに接続され、他端が第２の帯状薄膜導体２４ｂに接続された複数の帯状薄膜抵抗２５と、（４）一端が開放され、他端が第２の帯状薄膜導体２４ｂに接続された複数の帯状薄膜抵抗２６と、により構成されている。この抵抗素子における抵抗値の調整は、帯状薄膜抵抗２６の幾つかを、半田等により第１の帯状薄膜導体２４ａに接続することによって行われる。図１１の（ａ）は、調整前の抵抗素子を示し、図１１の（ｂ）は、調整後の抵抗素子を示す。この調整により、第１の帯状薄膜導体２４ａと第２の帯状薄膜導体２４ｂとの間に介在する帯状薄膜抵抗２６の本数が増えるので、抵抗値は低下する。なお、抵抗値をどの程度低下させるかは、第１の帯状薄膜導体２４ａに接続する帯状薄膜抵抗２６の本数を変更することにより適宜調整することが可能である。
【００７６】
図１２の（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、抵抗素子の第５の構成例を示す平面図である。
【００７７】
本構成例に係る抵抗素子は、（１）第１の電極２７と、（２）第２の電極２８と、（３）一端が第１の電極２７に接続され、他端が第２の電極２８に接続されたチップ抵抗２９ａと、により構成されている。この抵抗素子における抵抗値の調整は、（ａ）チップ抵抗２９ａを取り外し、（ｂ）チップ抵抗２９ａとは抵抗値の異なる他のチップ抵抗２９ｂを取り付ける（一端を第１の電極２７に接続し、他端を第２の電極２８に接続する）ことによって行われる。図１２の（ａ）は、調整前の抵抗素子を示し、図１２の（ｂ）は、調整後の抵抗素子を示す。新しいチップ抵抗２９ｂの抵抗値が古いチップ抵抗２９ａの抵抗値よりも大きい場合、この調整により、抵抗値は上昇する。逆に、新しいチップ抵抗２９ｂの抵抗値が古いチップ抵抗２９ａの抵抗値よりも小さい場合、この調整により、抵抗値は低下する。
【００７８】
図１３の（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、抵抗素子の第６の構成例を示す平面図である。
【００７９】
本構成例に係る抵抗素子は、（１）電極３１と、（２）一端が電極３１に接続された帯状薄膜抵抗３２と、により構成されている。電極３１は、素子が接続されている電極３３と並んで配置され、帯状薄膜抵抗３２は、一端が電極３３に接続された帯状薄膜導体３４と並んで配置される。この抵抗素子における抵抗値の調整は、（ａ）帯状薄膜抵抗３２と帯状薄膜導体３４とを半田等により短絡し、（ｂ）素子を電極３３から取り外し、（ｃ）その素子を電極３１に取り付けることによって行われる。図１３の（ａ）は、調整前の抵抗素子を示し、図１３の（ｂ）は、調整後の抵抗素子を示す。この調整により、帯状薄膜導体３４と素子との間に帯状薄膜抵抗３２が介在することになるので、抵抗値は上昇する。なお、抵抗値をどの程度上昇させるかは、帯状薄膜抵抗３２と帯状薄膜導体３４とを短絡する箇所を変更することにより適宜調整することが可能である。
【００８０】
〔付記事項〕
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。上述した実施形態に含まれる個々の技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても、本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００８１】
１                    力覚センサ
１１                  起歪体
１１１                コア部（受力部）
１１２                フレーム部（固定部）
１１３ａ〜１１３ｃ    アーム部
１１４ａ〜１１４ｃ    貫通孔
１１５ａ〜１１５ｃ    フレクシャ
１２                  歪ゲージ群
１３                  電極群
１４                  抵抗素子群
１５                  ブリッジ回路群
【図１】
2020165898.tif 000003
【図２】
2020165898.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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