(57)【要約】【課題】小型化および薄型化を実現できる６軸のセンサユニット等を提供すること。【解決手段】本発明に係るセンサユニット１０は、外力を受ける第１受力部１１１をそれぞれ有し、平面に沿って配列された３つ以上の力覚センサ１１を有する。センサユニット１０は、外力を受ける第２受力部１３を有し、第２受力部１３が受けた外力をそれぞれの第１受力部１１１へ伝達するための、第１受力部１１１を互いに接続した接続部材１２を有する。センサユニット１０は、第２受力部１３が受けた外力のうち接続部材１２を介してそれぞれの第１受力部１１１が受ける分力の、平面に直交する直交軸方向の押圧力と、平面に平行な二軸方向のそれぞれの押圧力に対応する信号を出力する出力部１５とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外力を受ける第１受力部をそれぞれ有し、平面に沿って配列された３つ以上の力覚センサと、
外力を受ける第２受力部を有し、前記第２受力部が受けた外力をそれぞれの前記第１受力部へ伝達するための、前記第１受力部を互いに接続した接続部材と、
前記第２受力部が受けた外力のうち前記接続部材を介してそれぞれの前記第１受力部が受ける分力の、前記平面に直交する直交軸方向の押圧力と、前記平面に平行な二軸方向のそれぞれの押圧力に対応する信号を出力する出力部と
を備えるセンサユニット。
【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に記載のセンサユニット。
【請求項３】
前記接続部材は、前記第１受力部が受けたそれぞれの分力に応じて撓み可能である
請求項１又は２に記載のセンサユニット。
【請求項４】
前記接続部材と前記第１受力部とを、前記接続部材と前記第１受力部との相対的な角度が可変自在に連結する連結部を更に備える
請求項１又は２に記載のセンサユニット。
【請求項５】
前記第２受力部は、前記第２受力部の少なくとも一部が、前記接続部材において前記力覚センサを結んで成される外縁の内側に配置された
請求項１〜４のいずれか一項に記載のセンサユニット。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のセンサユニットと、
前記出力部から受け取った値に基づいて、前記第２受力部が受けた前記平面に直交する直交軸方向の押圧力と、前記直交軸周りのモーメントと、前記平面に平行な二軸方向のそれぞれの押圧力と、前記二軸周りのそれぞれのモーメントとを演算結果として出力する演算装置と
を備えるセンサシステム。
【請求項７】
前記演算装置は、前記出力部から受け取った値と、前記第１受力部と前記第２受力部との距離とに基づいて、前記演算結果を算出する、
請求項６に記載のセンサシステム。
【請求項８】
前記演算装置は、前記第２受力部が予め設定された外力を受けた場合に、前記出力部から受け取った値をそれぞれ比較して、前記力覚センサのうちいずれかが故障しているか否かを判定する故障判定部を更に有する、
請求項６又は７に記載のセンサシステム。
【請求項９】
物体に接触する接触面を有する複数の接触部と、
前記複数の接触部を前記接触面が対向するように近付ける駆動部と、
前記駆動部が前記複数の接触部を近付けて物体を挟持する場合に、
前記接触部を介して触覚を出力する出力部と、を有し、
前記接触部は請求項１〜５のいずれか一項に記載のセンサユニットを有している
ロボットハンド。
【請求項１０】
一以上の関節を有するアーム部と、
前記アーム部の先端に、請求項９に記載のロボットハンドと、を有する
ロボットアーム。
【請求項１１】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のセンサユニットが出力する値を取得するセンサ情報取得部と、
前記センサ情報取得部が取得した値に基づいて、前記センサユニットの前記第２受力部が受けた前記平面に直交する直交軸方向の押圧力と、前記直交軸周りのモーメントと、前記平面に平行な二軸方向のそれぞれの押圧力と、前記二軸周りのそれぞれのモーメントとを演算結果として出力する演算装置と
を備えるサーバ装置。
【請求項１２】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のセンサユニットが出力する値を取得するステップと、
前記センサユニットに係る前記第１受力部と前記第２受力部との距離および相対的な位置関係を記憶するステップと、
前記センサユニットから取得した値と、前記第１受力部と前記第２受力部との距離および相対的な位置関係とに基づいて、前記センサユニットの前記第２受力部が受けた前記平面に直交する直交軸方向の押圧力と、前記直交軸周りのモーメントと、前記平面に平行な二軸方向のそれぞれの押圧力と、前記二軸周りのそれぞれのモーメントとを演算結果として出力するステップと
を備える演算方法。
【請求項１３】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のセンサユニットが出力する値を取得するステップと、
前記センサユニットに係る前記第１受力部と前記第２受力部との距離および相対的な位置関係を記憶するステップと、
前記センサユニットから取得した値と、前記第１受力部と前記第２受力部との距離および相対的な位置関係とに基づいて、前記センサユニットの前記第２受力部が受けた前記平面に直交する直交軸方向の押圧力と、前記直交軸周りのモーメントと、前記平面に平行な二軸方向のそれぞれの押圧力と、前記二軸周りのそれぞれのモーメントとを演算結果として出力するステップと
を備える演算方法をコンピュータに実行させるプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はセンサユニット、センサシステム、ロボットハンド、ロボットアーム、サーバ装置、演算方法、およびプログラムに関する。
【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。
【０００３】
特許文献１に記載の計測装置は、被験者の足のかかと側と、足の先端側とにそれぞれ設けられるセンサユニットのそれぞれに３カ所ずつ反力センサを取り付けて直交３軸方向の力とその軸周りのモーメントを求める。反力センサは、複数のひずみゲージを有している。
【０００４】
特許文献２に記載の力学量ＭＥＭＳセンサは、第１方向および第２方向の力を受ける受力部と、受力部が受ける第１方向の力に応じて、第１回転方向へ回動し、受力部が受ける第２方向の力学量に応じて、第１回転方向へ回動するシーソー部を有する。また、力学量センサは、受力部が受ける第１方向の力学量に応じて、第２回転方向へ回動し、受力部が受ける第２方向の力学量に応じて、第２回転方向とは反対方向へ回動するシーソー部を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１５８４０４号公報
【特許文献２】特許２０１４−１１５２６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。一方、特許文献２に記載の力学量センサは、力学量センサ単体で３軸以上の力学量を好適に検出することは難しい。
【０００７】
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軸のセンサユニット等を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るセンサユニットは、外力を受ける第１受力部をそれぞれ有し、平面に沿って配列された３つ以上の力覚センサを有する。センサユニットは、外力を受ける第２受力部を有し、前記第２受力部が受けた外力をそれぞれの前記第１受力部へ伝達するための、前記第１受力部を互いに接続した接続部材を有する。センサユニットは、前記第２受力部が受けた外力のうち前記接続部材を介してそれぞれの前記第１受力部が受ける分力の、前記平面に直交する直交軸方向の押圧力と、前記平面に平行な二軸方向のそれぞれの押圧力に対応する信号を出力する出力部とを有する。
【０００９】
このような構成により、センサユニットは、第２受力部が受ける押圧力およびモーメントの分力を、力覚センサに伝達する。力覚センサは、それぞれが受ける分力に対して押圧力に対応した信号を出力する。
【発明の効果】
【００１０】
本開示により、小型化および薄型化を実現できる６軸のセンサユニット等を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１に係るセンサユニットの分解斜視図である。
【図２】実施の形態１に係るセンサユニットの機能ブロック図である。
【図３】力覚センサをｚ軸プラス側から見た斜視図である。
【図４】力覚センサをｘｚ平面から見た断面図である。
【図５】力覚センサの動きを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に係るセンサユニットをｘｚ平面に投影した図である。
【図８】実施の形態１に係るセンサユニットにおける押圧力およびモーメントの算出例を説明するための模式図である。
【図９】接続部材１２および第２受力部１３の形状の例を説明するための斜視図である。
【図１０】実施の形態１の変形例に係るセンサユニットにおける押圧力およびモーメントの算出例を説明するための模式図である。
【図１１】実施の形態２に係るセンサユニットをｘｚ平面に投影した図である。
【図１２】実施の形態３に係るセンサユニットを用いたセンサシステムの機能ブロック図である。
【図１３】演算部の処理を示すフローチャートである。
【図１４】実施の形態３に係るセンサユニットを用いたロボットアームの斜視図である。
【図１５】実施の形態３に係るセンサユニットを用いたロボットハンドの構成図である。
【図１６】実施の形態３の変形例に係るセンサユニットを平面に配置した例を示す図である。
【図１７】実施の形態３の変形例に係るセンサユニットを平面に配置した例を示す図である。
【図１８】実施の形態４に係るセンサシステムの機能ブロック図である。
【図１９】実施の形態４に係るセンサシステムの処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
説明の明確化のため、以下の記載および図面は、適宜、省略、および簡略化がなされている。なお、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。
【００１３】
＜実施の形態１＞
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態１について説明する。図１は、実施の形態１に係るセンサユニットの分解斜視図である。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。
【００１４】
図１に示すセンサユニット１０は、ｘ軸方向の押圧力Ｆｘ、ｙ軸方向の押圧力Ｆｙ、ｚ軸方向の押圧力Ｆｚ、ｘ軸周りのモーメントＭｘ、ｙ軸周りのモーメントＭｙ、およびｚ軸周りのモーメントＭｚを検出し、検出したこれらの値を出力する。なお、本開示において、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸をまとめて３軸と称することがある。３軸方向の押圧力とは、３軸方向のそれぞれの押圧力を意味する。３軸周りのモーメントとは、３軸周りのそれぞれのモーメントを意味する。図１に例示するセンサユニット１０は、主な構成として、力覚センサ１１、接続板１２、および基板１４を有する。
【００１５】
力覚センサ１１は、第２受力部１３から伝達される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の機能の詳細については後述するが、センサユニット１０において、力覚センサ１１は、以下のように配置されている。力覚センサ１１は、基板１４の主面に沿って３個配列されている。力覚センサ１１は、基板１４に設置された面の反対側の面（ｚ軸プラス側の面）に、外力を受ける第１受力部１１１をそれぞれ有している。３つの第１受力部１１１は、連結部１６を介して、接続板１２に接続されている。連結部１６は、第１受力部１１１と接続板１２とを連結するための部材であって、例えば接着材である。
【００１６】
接続板１２は、可撓性を有する板状の部材により構成されている。接続板１２の材質は、例えばシリコン、エラストマ、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、金属等である。接続板１２は、センサユニット１０が受けた外力の分力を力覚センサ１１に伝達する役割を担っている。そのため、接続板１２は、３つの力覚センサ１１にそれぞれ接続している接続部材ということもできる。接続板１２は、ｚ軸プラス側に外力を受ける第２受力部１３を含んでいる。
【００１７】
第２受力部１３は、外力を受け、受けた外力を第１受力部へ伝達する役割を担っている。すなわち、第２受力部は、センサユニットの着力点となる。図１において、第２受力部は、接続板１２のｚ軸プラス側の主面の中央部に円柱状に立設されている。第２受力部は、接続板１２と同材質であってもよい。この場合、第２受力部は、接続板１２と一体に形成されてもよい。
【００１８】
なお、連結部１６は、第１受力部１１１と接続板１２との隙間を設けるために、予め設定された厚みを有する材料を含んでいる。この場合、予め設定された厚みを有する材料は、例えばポリカーボネートやポリエチレンテレフタレートなどの樹脂であってもよいし、アルミニウム等の金属であってもよい。連結部１６が予め設定された厚みを有することにより、力覚センサ１１のｚ軸マイナス方向へ押圧力が印加された場合に、力覚センサ１１と接続板１２とが衝突するのを回避することができる。なお、連結部１６は、接続板１２と同じ材料で形成されていてもよい。この場合、連結部１６は、接続部材と一体に形成されていてもよい。
【００１９】
基板１４は、ｘｙ平面に平行に設けられている平板状の基板であって、例えば、シリコンを主成分とする半導体基板により形成される。基板１４は、力覚センサ１１を支持するとともに、センサユニット１０が受けた押圧力を出力するための出力部１５を有している。出力部１５は、例えば、基板１４上に金属箔又は金属板等により形成された端子である。
【００２０】
次に、図２を参照しながら、センサユニット１０の機能について説明する。図２は、実施の形態１に係るセンサユニットの機能ブロック図である。センサユニット１０は３個の力覚センサ１１（１）〜１１（３）を有する。力覚センサ１１（１）〜１１（３）は、外力に応じた分力をそれぞれ受ける。力覚センサ１１（１）は、受けた分力に応じて、３軸方向の押圧力（ｆ１ｘ、ｆ１ｙ、ｆ１ｚ）を検出する。同様に、力覚センサ１１（２）は、受けた分力に応じて、３軸方向の押圧力（ｆ２ｘ、ｆ２ｙ、ｆ２ｚ）を検出する。力覚センサ１１（３）も同様の機能を有する。そして、出力部１５は、力覚センサ１１（１）〜１１（３）が検出した押圧力に対応する信号を外部に出力する。
【００２１】
次に、図３および図４を参照しながら実施の形態１に係るセンサユニット１０に用いられている力覚センサ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。
【００２２】
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第１受力部１１１が形成されている。ダイアフラム１１０および第１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、第１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、第１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、第１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。第１受力部１１１は、第１受力部の上面に図１で示した連結部１６を連結することにより、接続板１２の動きを妨げないように構成されている。
【００２３】
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つのシーソー部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。
【００２４】
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。
【００２５】
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は第１受力部１１１と受力片１１６とを接合している。
【００２６】
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１１５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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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、第１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、第１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。
【００３０】
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及び絶縁層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。
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及び受力片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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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、第１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、第１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、第１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。
【００３５】
図５（Ａ）に示すように、第１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、第１受力部１１１および第１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。
【００３６】
図５（Ｂ）に示すように、第１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第１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、第１受力部１１１の動きに従い、第１受力部１１１とは反対方向に回転する。図５（Ｂ）においては、第１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。
【００３７】
図５（Ｃ）に示すように、第１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第１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、第１受力部１１１の動きに従い、第１受力部１１１とは反対方向に回転する。図５（Ｃ）においては、第１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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
シーソー部１１３ａは、第１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、第１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、第１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、第１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。
【００４２】
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】
2020034428.tif 000003
ここで、ｆｘは第１受力部１１１が受けるｘ軸方向の押圧力、ｆｙは第１受力部１１１が受けるｙ軸方向の押圧力、そしてｆｚは第１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１４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、センサユニットをさらに小型化できる。Ｓ／Ｎの向上も期待できる。
【００４３】
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第１受力部１１１を有する。また、力覚センサ１１は、第１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。
【００４４】
なお、上述した力覚センサ１１の構成は、センサユニット１０に用いられる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、第１受力部１１１と接続するシーソー部は４つではなく、３つでもよい。
【００４５】
次に、図７を参照しながらセンサユニット１０に外力が加わった場合の各構成の動きについて説明する。図７は、実施の形態１に係るセンサユニットをｘｚ平面に投影した図である。図７は理解を容易にするため、押圧力およびモーメントはｘｚ平面のみに発生しているものとする。図７に示すセンサユニット１０は、３つの力覚センサ１１（１）〜１１（３）を有している。
【００４６】
図７において、センサユニット１０は、外力として押圧力Ｆ４とモーメントＭ４との合力を第２受力部１３に受けている。押圧力Ｆ４は、ｘ軸プラス方向の成分を含んでいる。またモーメントＭ４はｙ軸マイナス方向に向かって右回りの成分を含んでいる。接続板１２は、押圧力Ｆ４を受けることによりｘ軸プラス方向へ変位するとともに、モーメントＭ４を受けることにより、ｘ軸プラス方向へ向かうにつれてｚ軸マイナス方向へ傾斜している。また、接続板１２は、可撓性を有しているため、それぞれの第１受力部１１１の傾斜に応じて撓むことができる。また接続板１２は、剛性を均一とせず、中央部の厚みを厚くするか、または幅を太くすることでＺ方向に対して剛に、両端部の厚みを薄くするか、または幅を狭くすることで柔にする構成も可能である。この構成により、接続板１２が連結部１６の傾きにならった変形ができ、他軸感度の低減を図ることができる。
【００４７】
第１受力部１１１（１）〜１１１（３）は、接続板１２の動きに従って、それぞれ変位している。より具体的には、次のとおりである。まず、押圧力Ｆ４に含まれるｘ軸プラス方向の成分の影響により、第１受力部１１１（１）〜１１１（３）は、ｘ軸プラス方向の力のみを受ける。また、モーメントＭ４の影響により、第１受力部１１１（１）は第１受力部１１１（２）よりｚ軸プラス側に位置し、第１受力部１１１（３）は第１受力部１１１（２）よりｚ軸マイナス側に位置している。このように、接続板１２は、第２受力部１３が受けた外力の分力を、第１受力部１１１に伝達する。第１受力部１１１は、それぞれの分力に応じて、ｚ方向、ｘ軸周り、およびｙ軸周りに従動する。このような構成により、センサユニット１０は第２受力部が受けた力を平面上に配列された各力覚センサに伝達する。よって、センサユニット１０は、力覚センサが配列された平面に直交する方向の厚みを抑えることができる。このような構成により、センサユニット１０は薄型化を実現可能にしている。
【００４８】
次に、図８を参照しながら、センサユニット１０が各力覚センサ１１の出力に基づいて、第２受力部に受けた押圧力およびモーメントを算出する原理の別の例について説明する。図８は、センサユニットにおける押圧力およびモーメントの算出例を説明するための模式図である。図８において、ｘ軸は図の上下方向であり、ｘ軸プラス方向は図の上方向である。ｙ軸は図の左右方向であり、ｙ軸プラス方向は図の左方向である。ｚ軸は図の前後方向であり、ｚ軸プラス方向は図の手前方向である。図８は、ｘｙ平面に設置されたセンサユニット１０をｚ軸プラス側から見ている状態を示しており、ｘ軸とｙ軸が交差する位置に、第２受力部１３が位置する。ここで、第２受力部１３の中心点は、第２受力部１３が外力を受ける際の着力点である。つまり、図８において、第２受力部１３の着力点は、x軸とｙ軸とが交差する点と一致している。
【００４９】
第２受力部１３の周囲には、３つの力覚センサ１１（１）〜１１（３）がそれぞれ配置されている。力覚センサ１１（１）〜１１（３）は、それぞれが有する第１受力部１１１（１）〜１１１（３）の中心と、着力点とが距離Ｌの位置にそれぞれ配置されている。第１の力覚センサ１１（１）は、ｘ軸プラス側且つｙ軸マイナス側のエリアにあって、第１の力覚センサ１１（１）と着力点とを結ぶ直線とｙ軸とが成す角度は３０度である。第２の力覚センサ１１（２）は、ｘ軸プラス側且つｙ軸プラス側のエリアにあって、第２の力覚センサ１１（２）と着力点とを結ぶ直線とｙ軸とが成す角度は３０度である。第３の力覚センサ１１（３）は、ｘ軸マイナス側且つｘ軸上（ｙ＝０）の位置にある。
【００５０】
力覚センサ１１（１）〜１１（３）は、それぞれが有する第１受力部１１１（１）〜１１１（３）が受ける分力３軸方向の押圧力を出力する。すなわち、第１の力覚センサ１１（１）は、ｘ軸方向の押圧力ｆ１ｘを出力し、ｙ軸方向の押圧力ｆ１ｙを出力し、ｚ軸方向の押圧力ｆ１ｚを出力する。他の力覚センサについても同様に、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸に沿った押圧力を出力する。
【００５１】
以上の構成の場合、第２受力部１３の着力点が受ける３軸方向の押圧力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚおよび３軸周りのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚは、以下に示す式（２）〜（７）により算出される。
【数２】
2020034428.tif 000004
【数３】
2020034428.tif 000005
【数４】
2020034428.tif 000006
【数５】
2020034428.tif 000007
【数６】
2020034428.tif 000008
【数７】
2020034428.tif 000009
【００５２】
このように、着力点と第１受力部１１１との距離および相対的な位置関係が明らかである場合、実施の形態１は、センサユニット１０の出力に基づいて、着力点が受けた押圧力およびモーメントを算出することができる。
【００５３】
次に、図９（Ａ）〜図９（Ｃ）を参照しながら、接続板１２および第２受力部１３のバリエーションについて説明する。図９（Ａ）〜図９（Ｃ）は、接続板１２および第２受力部１３の形状の例を説明するための斜視図である。図９（Ａ）において、接続板１２の上面（ｚ軸プラス側の面）は平面である。第２受力部１３は、接続板１２の上面において、破線により示されている。第２受力部１３は、外力を受ける部分として予め設定された領域である。したがって、図９（Ａ）に示すセンサユニット１０は、接続板１２の上面の内、破線により示した第２受力部１３において外力を受ける。すなわち、センサユニット１０が受ける外力の着力点は、第２受力部１３の領域内に含まれる。
【００５４】
次に、図９（Ｂ）の例について説明する。図９（Ｂ）において、接続板１２の上面は、平面である。第２受力部１３は、接続板１２の上面において、円柱状に立設されている。したがって、図３（Ｂ）に示すセンサユニット１０は、接続板１２の上面の内、円柱状の第２受力部１３において外力を受ける。このような構成とすることにより、第２受力部１３は、確実に外力を受けることができる。
【００５５】
次に、図９（Ｃ）の例について説明する。図９（Ｃ）において、接続板１２の上面は、中央部に頂点を有する紡錘形状を呈している。第２受力部１３は、接続板１２の上面において、頂点の領域に設定されている。このような構成とすることにより、第２受力部１３は、受けた外力を力覚センサ１１に分散することができる。なお、接続板１２の形状および第２受力部１３の形状は、上述の形状以外の種々のものを採用することができる。
【００５６】
このような構成により、センサユニット１０は、第２受力部１３が受けた外力のうち接続板１２を介してそれぞれの第１受力部１１１が受ける分力の、ｘｙ平面に直交するｚ軸方向の押圧力と、ｘ軸方向およびｙ軸方向のそれぞれの押圧力とを出力する。
【００５７】
＜実施の形態１の変形例＞
次に、図１０を参照しながら、実施の形態１の変形例について説明する。図１０の例は、センサユニット１０が４つの力覚センサ１１を有している場合である。図１０は、センサユニットにおける押圧力およびモーメントの算出例を説明するための模式図である。なお、図１０におけるｘ軸、ｙ軸およびｚ軸と、センサユニット１０との相対的な位置関係は、図８と同様である。つまり、図１０においても、第２受力部１３の着力点は、x軸とｙ軸とが交差する点と一致している。
【００５８】
第２受力部１３の周囲には、４つの力覚センサ１１（１）〜１１（４）がそれぞれ配置されている。力覚センサ１１（１）〜１１（４）は、それぞれが有する第１受力部１１１（１）〜１１１（４）の中心と、着力点とが距離Ｌの位置にそれぞれ配置されている。第１の力覚センサ１１（１）は、ｘ軸プラス側且つｙ軸マイナス側のエリアにあって、第１の力覚センサ１１（１）と着力点とを結ぶ直線とｘ軸又はｙ軸とが成す角度は４５度である。第２の力覚センサ１１（２）は、ｘ軸プラス側且つｙ軸プラス側のエリアにあって、第２の力覚センサ１１（２）と着力点とを結ぶ直線とｘ軸又はｙ軸とが成す角度は４５度である。第３の力覚センサ１１（３）は、ｘ軸マイナス側且つｙ軸プラス側のエリアにあって、第３の力覚センサ１１（３）と着力点とを結ぶ直線とｘ軸又はｙ軸とが成す角度は４５度である。第４の力覚センサ１１（４）は、ｘ軸マイナス側且つｙ軸マイナス側のエリアにあって、第４の力覚センサ１１（４）と着力点とを結ぶ直線とｘ軸又はｙ軸とが成す角度は４５度である。
【００５９】
力覚センサ１１（１）〜１１（４）は、それぞれが有する第１受力部１１１（１）〜１１１（４）が受ける分力３軸方向の押圧力を出力する。すなわち、第１の力覚センサ１１（１）は、ｘ軸方向の押圧力ｆ１ｘを出力し、ｙ軸方向の押圧力ｆ１ｙを出力し、ｚ軸方向の押圧力ｆ１ｚを出力する。他の力覚センサについても同様に、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸に沿った押圧力を出力する。
【００６０】
以上の構成の場合、第２受力部１３の着力点が受ける３軸方向の押圧力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚおよび３軸周りのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚは、以下に示す式（８）〜（１３）により算出される。
【数８】
2020034428.tif 000010
【数９】
2020034428.tif 000011
【数１０】
2020034428.tif 000012
【数１１】
2020034428.tif 000013
【数１２】
2020034428.tif 000014
【数１３】
2020034428.tif 000015
【００６１】
図８に示した例と同様に、着力点と第１受力部１１１との距離および相対的な位置関係が明らかである場合、実施の形態１は、センサユニット１０の出力に基づいて、着力点が受けた押圧力およびモーメントを算出することができる。なお、上述したように着力点における押圧力およびモーメントを算出するためには、平面上に配列された力覚センサを結んで成される外縁の内側に、着力点を配置しておくのが好ましい。
【００６２】
以上、実施の形態１およびその変形例について説明したが、接続板１２は、上述したような平板状の部材に限られない。接続板１２は、第２受力部１３を有し、第１受力部のそれぞれに接続していれば梁状であってもよいし、円板状であってもよい。
【００６３】
以上の構成により、実施の形態１によれば、センサユニットは、第２受力部が受ける押圧力およびモーメントの分力を、力覚センサに伝達する。力覚センサは、それぞれが受ける分力に対して３軸方向の押圧力に対応する信号を出力する。そして、センサユニット１０が出力する信号に基づいて、３軸方向の押圧力および３軸周りのモーメントを算出することが可能となる。このように、実施の形態１によれば、小型化および薄型化を実現できる６軸のセンサユニット等を提供することができる。
【００６４】
＜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。実施の形態２に係るセンサユニット１０は、接続部材および、連結部の構成が実施の形態１と異なる。すなわち、実施の形態２に係るセンサユニット１０は、接続板１２に代えて、連結部１６が可撓性を有している。
【００６５】
図１１は、実施の形態２に係るセンサユニット１０をｘｚ平面に投影した図である。図１１は理解を容易にするため、押圧力およびモーメントはｘｚ平面のみに発生しているものとする。図１１に示すセンサユニット１０は、３つの力覚センサ１１（１）〜１１（３）を有している。図１１は、連結部１６が可撓性を有していることにより、接続板１２と第１受力部１１１との互いに対向する面が成す角度が、可変自在に構成される。連結部１６の材質は、例えば、シリコン樹脂やエラストマ等を主成分とする軟質材であってもよいし、アクリル系やウレタン系の粘着剤等であってもよい。一方、この場合、接続板１２は、実施の形態１に比べて高い合成を有する材質を選択することができる。例えば、実施の形態２に係る接続板１２は、アルミニウムや鉄等を主成分とする板であってもよい。また、樹脂であっても、実施の形態１の場合と比べて剛性の高い材質を選択することができる。あるいは、実施の形態１の場合と同じ材料であっても、厚みを厚くすることができる。
【００６６】
図１１において、センサユニット１０は、外力として押圧力Ｆ４とモーメントＭ４との合力を第２受力部１３に受けている。押圧力Ｆ４は、ｘ軸プラス方向の成分を含んでいる。またモーメントＭ４はｙ軸マイナス方向に向かって右回りの成分を含んでいる。そのため、接続板１２は、押圧力Ｆ４を受けることによりｘ軸プラス方向へ変位するとともに、モーメントＭ４を受けることにより、ｘ軸プラス方向へ向かうにつれてｚ軸マイナス方向へ傾斜している。
【００６７】
第１受力部１１１（１）〜１１１（３）は、連結部１６の動きに従って、それぞれ変位している。より具体的には、次のとおりである。まず、押圧力Ｆ４に含まれるｘ軸プラス方向の成分の影響により、第１受力部１１１（１）〜１１１（３）は、ｘ軸プラス方向への力を受けている。このとき、連結部１６が可撓性を有しているため、接続板１２と第１受力部１１１とは、接続板１２がｘ軸方向へシフトした量に応じて所定の角度を成す構成となっている。また、モーメントＭ４の影響により、第１受力部１１１（１）は第１受力部１１１（２）よりｚ軸プラス側に位置し、第１受力部１１１（３）は第１受力部１１１（２）よりｚ軸マイナス側に位置している。
【００６８】
このように、接続板１２は、第２受力部１３が受けた外力の分力を、連結部１６を介して第１受力部１１１に伝達する。第１受力部１１１は、それぞれの分力に応じて、ｚ方向、ｘ軸周り、およびｙ軸周りに従動する。よって、センサユニット１０は、力覚センサが配列された平面に直交する方向の厚みを抑えることができる。このような構成により、センサユニット１０は薄型化を実現可能にしている。なお、当然ながら、実施の形態２においても、力覚センサ１１の数は３個に限らず、４個以上であってもよい。
【００６９】
＜実施の形態３＞
次に、図１２を参照しながら、実施の形態３について説明する。実施の形態３に係るセンサシステム１は、実施の形態１又は実施の形態２に係るセンサユニット１０を利用する。図１２は、実施の形態３に係るセンサシステムの機能ブロック図である。センサシステム１は、センサユニット１０と、演算装置２１を有している。演算装置２１は、センサユニット１０の出力を受け取り、受け取った値に基づいて、例えば、図９や図１０を参照しながら説明した処理を行う。演算装置２１は、第２受力部１３が受けた３軸方向の押圧力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、３軸方向のモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚとを演算結果として出力する。なお、センサユニット１０の出力を演算装置２１が受け取る手段は、有線か無線かを問わない。
【００７０】
演算装置２１は、センサユニット１０から出力された信号を取得するセンサ信号取得部２１０を有している。また、演算装置２１は、記憶部２１１と、演算部２１２とを有している。記憶部２１１は、センサユニット１０に係る第１受力部１１１と第２受力部との距離および相対的な位置関係に関するデータを予め記憶している。センサユニット１０に係る第１受力部１１１と第２受力部との距離および相対的な位置関係は、センサユニット１０における力覚センサ１１の配置、およびセンサユニット１０における第２受力部１３の配置によりそれぞれ決定される。したがって、力覚センサ１１の配置や第２受力部１３の配置が異なる場合、記憶すべきデータは、異なる。記憶部２１１は、適宜、記憶しているこれらのデータを演算部２１２に供給する。
【００７１】
演算部２１２は、センサ信号取得部２１０を介してセンサユニット１０から受け取った信号と、記憶部２１１から受け取るデータに基づいて、センサユニット１０が受けた３軸方向の押圧力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、３軸方向のモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚとを算出する。なお、センサシステム１において、演算装置２１は、基板１４に含まれていてもよい。また、演算装置２１は、サーバ装置であってもよい。
【００７２】
次に、図１３を参照しながら、演算装置が行う処理について説明する。図１３は、演算装置の処理を示すフローチャートである。まず、記憶部２１１は、位置関係に関するデータを記憶する（ステップＳ１０）。位置関係に関するデータとは、センサユニット１０における着力点と第１受力部１１１との距離および相対的な位置関係に関するデータである。次に、センサ信号取得部２１０は、センサユニット１０の出力を取得する（ステップＳ１１）。次に、演算部２１２は、記憶部２１１から位置関係に関するデータを受け取り、センサ信号取得部２１０からセンサユニット１０の出力を受け取ると、受け取ったこれらのデータおよび出力に基づいて、センサユニット１０が受けた押圧力およびモーメントを算出する（ステップＳ１２）。そして、演算装置２１は、演算部２１２が演算した結果を出力する（ステップＳ１３）。より具体的には、演算装置２１は、算出した３軸方向の押圧力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、および３軸周りのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚの値を出力する。
【００７３】
次に、図１４および図１５を参照しながら、実施の形態２に係るセンサユニットの具体例について説明する。図１４は、実施の形態１に係るセンサユニットを用いたロボットアームの斜視図である。図１４に示すロボットアーム３０は、アームの先端にロボットハンド３１を有している。ロボットハンド３１は、駆動部（不図示）を有し、２つのフィンガー部３２を、互いに近付けたり離したりする動作を行う。これにより、ロボットハンド３１は、対象物を挟持したり、離したりする動作を行うように構成されている。２つのフィンガー部３２におけるそれぞれの先端には、互いに対向するように、接触部３３がそれぞれ設けられている。接触部３３は弾性を有する部材（弾性シート）により構成されている。接触部３３の互いに対向する主面は、対象物を挟持する際に直接対象物に接触する部分である。接触部３３において、互いに対向する主面の反対側には、センサユニット１０が設けられている。センサユニット１０が弾性を有する部材（接触部３３）に覆われていることにより、接触部３３表面に衝撃を受けた場合にセンサユニット１０への入力が緩和され、かつ、対象物を柔らかく把持できる。
【００７４】
図１５は、実施の形態１に係るセンサユニットを用いたロボットハンドの構成図である。図１５は、右手系直交座標が付されている。図１５は、上方向がｘ軸プラス方向であり、左方向がｙ軸プラス方向であり、手前側がｚ軸プラス方向である。図１５は、ロボットハンド３１のフィンガー部３２および接触部３３を接触部３３の主面側から見た図である。接触部３３の主面の反対側には、センサユニット１０が設けられている。センサユニット１０の第２受力部１３は、接触部３３と連結している。また、接触部３３は、予め設定された範囲に可動自由に設置されている。すなわち、接触部３３が受ける外力は、センサユニット１０の第２受力部１３に伝達される構成となっている。第２受力部１３が受けた外力は、接続板１２を介して、センサユニット１０が有する４つの力覚センサ１１に伝達される。
【００７５】
このような構成により、センサユニット１０を有するロボットアーム乃至ロボットハンドは、対象物を掴んだときにロボットハンドに加えられる押圧力およびモーメントを検出することができる。この場合、センサユニット１０は、ロボットハンド３１の触覚センサと称することができる。つまり、センサユニット１０が有する出力部１５は、接触部３３を介してロボットハンド３１の触覚を出力する。また、このような構成により、実施の形態１に係るセンサユニットをロボットハンドに搭載することにより、ロボットハンドは小型化を図ることができる。
【００７６】
なお、センサユニット１０が有する力覚センサ１１が４個の例を示したが、力覚センサ１１は３個以上であればよい。また、図１３および図１４において、フィンガー部３２が有する接触部３３に１個のセンサユニット１０を配置した例を示したが、センサユニット１０は複数配置されていてもよい。また、ロボットアーム３０乃至ロボットハンド３１は、演算装置２１を含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい。
【００７７】
＜実施の形態３の変形例＞
次に、図１６および図１７を参照しながら、実施の形態３の変形例として、センサユニットの配置パタンのバリエーションについて説明する。図１６は、実施の形態１に係るセンサユニットを平面に複数配置した例を示す図である。図１６に示すセンサユニット１３０は、力覚センサ１１が第２受力部１３のまわりに４個配列されている。４個の力覚センサは、ｘ軸に平行に２列配列され、且つ、ｙ軸に平行に２列配列されている。そして、このような構成のセンサユニット１３０が、ｘ軸方向およびｙ軸方向にそれぞれ平行に、３列ずつ配列されている。また、接続板１２は、矩形である。
【００７８】
このようにセンサユニット１３０を複数配列することにより、隣接する第１受力部は、ｘ軸方向に直線状に並び、且つ、ｙ軸方向に直線状に並んでいる。図１６に示した例は、センサユニット１３０をｘ軸方向に３列と、ｙ軸方向に３列並べたものである。このように複数のセンサユニット１３０を平面上に複数配列することにより、３軸方向の押圧力および３軸周りのモーメントを検出するセンサユニットを、所定の面に沿って構成することが可能となる。
【００７９】
図１７は、実施の形態１に係るセンサユニットを平面に配置した別の例を示す図である。図１７のセンサユニット１４０は、力覚センサ１１の配置および接続板１２の形状が、図１６のセンサユニット１３０と異なる。センサユニット１４０は、接続板１２がひし形を呈している。センサユニット１４０が有する４個の力覚センサ１１は、ｙ軸方向に沿って２列配列されている。図１７の例において、力覚センサ１１は、ｘ軸方向に沿って配列されておらず、接続板１２の形状であるひし形に沿って配列されている。実施の形態３の変形例に係るセンサユニット１４０は、ｘ軸方向に沿った配列は、隣接する第１受力部１１１が直線状に並んでいない。このように、センサユニットは、図１６や図１７に限らず、種々の形態を有することができる。
【００８０】
このような構成により、実施の形態３に係るセンサシステムは、小型化および薄型化を実現できる６軸のセンサユニットを所望の面に配置することができる。そのため、実施の形態３によれば、システムの大型化を抑えた６軸センサユニットを有するセンサシステムを実現することが可能となる。
【００８１】
＜実施の形態４＞
次に、実施の形態４について説明する。実施の形態４は、センサユニットにおける演算部の機能が、実施の形態３と異なる。図１８は、実施の形態４に係るセンサシステムの機能ブロック図である。実施の形態４に係るセンサシステム２は、センサユニット１０と、演算装置２２とを有する。センサユニット１０は実施の形態１において説明した構成と同様である。そのため、ここでの説明は省略する。
【００８２】
演算装置２２は、演算部２２２が故障判定部２２３を有している点において、実施の形態１の構成と異なる。故障判定部２２３は、システム起動時等の予め設定されたタイミングにおいて、センサユニット１０が有する力覚センサに故障が起きているか否かを判定する。センサシステム２は、予め設定された故障判定モードを有する。そして、故障判定モードにおいて、センサユニット１０は、力覚センサ１１の故障を判定するための、予め設定された検査荷重を受ける。検査荷重は、全ての力覚センサ１１に対して一定の方向に一定の押圧力を加えるものである。例えば、検査荷重は、ｚ軸方向のみに加えられる予め設定された荷重であってもよい。同様に、検査荷重はｘ軸方向又はｙ軸方向に加えられる予め設定された荷重であってもよい。故障判定部２２３は、センサ信号取得部２１０を介してセンサユニット１０の出力を受け取る。故障判定部２２３は、力覚センサ１１の出力をそれぞれ比較する。そして、故障判定部２２３は、力覚センサ１１の出力を比較した結果を出力する。
【００８３】
以下に具体例とともに故障判定部２２３の機能について説明する。例えば、センサユニット１０が力覚センサ１１を４個有している場合は、４個の力覚センサの内の２個の組合せを全て抽出する。そして、故障判定部２２３は、抽出した組合せに対して、力覚センサの出力の差分を算出する。さらに、故障判定部２２３は、算出した差分が、所定の閾値より小さいか否かを算出する。なお、閾値は、記憶部２１１に予め記憶されているものである。例えば検査荷重としてセンサユニットにｘ軸方向の押圧力を印加した場合、故障判定部２２３は、以下に示す演算を行う。
【数１４】
2020034428.tif 000016
このような演算を行った結果、例えば、式（１４ａ）、（１４ｄ）、（１４ｅ）が不成立だった場合、故障判定部２２３は、力覚センサ１１（２）が故障していると判定する。なお、故障判定部２２３は、単に判定後の結果がＯＫかＮＧかを出力するものであってもよい。
【００８４】
次に、図１９を参照しながら、実施の形態４にかかるセンサシステム２の処理について説明する。図１９は、実施の形態４に係るセンサシステム２の処理を示すフローチャートである。故障判定を開始すると、まず、センサユニット１０は検査荷重が印加される（ステップＳ２０）。次に、故障判定部２２３は、センサユニット１０の出力を取得する（ステップＳ２１）。次に、故障判定部２２３は、取得したセンサユニット１０の出力の内から２個の出力を抽出し、これらの差分を算出する（ステップＳ２２）。次に、故障判定部２２３は、算出した差分が閾値より小さいか否かを判定する（ステップＳ２３）。算出した全ての差分が閾値より小さい場合（ステップＳ２３：Ｙｅｓ）、故障判定部２２３は、検査結果ＯＫの信号を出力する（ステップＳ２４）。一方、算出した全ての差分が閾値より小さいと判定しない場合、換言すると、算出した全ての差分の内、一つでも閾値より小さくないものがあると判定した場合（ステップＳ２３：Ｎｏ）、故障判定部２２３は、検査結果ＮＧの信号を出力する（ステップＳ２５）。
【００８５】
以上に説明した構成を採用することにより、センサシステム２は、信頼性を向上させることができる。よって、実施の形態４は、小型化および薄型化を実現するとともに、信頼性の高い６軸センサユニットを有するセンサシステムを提供することができる。
【００８６】
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。
【符号の説明】
【００８７】
１、２  センサシステム
１０  センサユニット
１１  力覚センサ
１２  接続部材
１３  第２受力部
１４  基板
１５  出力部
１６  連結部
２１、２２  演算装置
３０  ロボットアーム
３１  ロボットハンド
３２  フィンガー部
３３  接触部
１０７  絶縁層
１００  第１のシリコン層
１１０  ダイアフラム
１１１  第１受力部
１１５  第２のシリコン層
１１６  受力片
１１７  封止基板
１１１  第１受力部
１２０  固定電極対
１２２  接合部
２１０  センサ信号取得部
２１１  記憶部
２１２、２２２  演算部
２２３  故障判定部
【図１】
2020034428.tif 000017
【図２】
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【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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【図１４】
2020034428.tif 000030
【図１５】
2020034428.tif 000031
【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
2020034428.tif 000034
【図１９】
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