(57)【要約】【課題】低コストで且つ小型に製作することができ、複数の軸方向の並進力並びに複数の軸回りのモーメントを感知する多軸力センサーを提供する。【解決手段】導電性感圧ゴム若しくは静電容量を２軸回りのモーメント（Ｍx，Ｍy）の検出に使用するという理由で、起歪体を歪ませるための距離を小さくすることが可能である。この結果、センサー外径を小さくすることができる。また、構造がシンプルであるため、高さも１０ｍｍ以下にすることが可能であり、複雑な干渉除去演算を行なう必要もない。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＸＹ方向の並進力Ｆx、Ｆyを計測する第１の計測部と、
Ｚ方向に加わる力を感知する複数の感圧部をＸＹ平面上に分散して配置し、各感圧部で感知した複数のＺ方向の力に基づいて、Ｚ方向の並進力Ｆz、及びＸＹ各軸回りのモーメントＭx、Ｍyを計測する第２の計測部と、
を具備することを特徴とする力センサー。
【請求項２】
前記第１の計測部は、起歪体及び前記起歪体の２方向の歪みを検出する歪みセンサーで構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の力センサー。
【請求項３】
前記第２の計測部の前記複数の感圧部は、ゴムの圧縮により抵抗値が変化する導電性感圧ゴム方式の素子からなる、
ことを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の力センサー。
【請求項４】
前記第２の計測部の前記複数の感圧部は、静電板の間隔が変動することにより静電容量が変化する静電容量方式の素子からなる、
ことを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の力センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力を感知する力センサーに係り、特に、複数の軸方向の並進力並びに複数の軸回りのモーメントを感知する多軸の力センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
センサーは、例えば動物の五感などで検知可能な物理量を計測の対象とし、コンピューターなどの電子機器で処理し易い信号に変換するデバイスである。音、光、温度、圧力、流量などさまざまなセンサーが普及している。
【０００３】
このうち、力を感知する力は、材料や構造物に印加される力を計測するために広く利用されている。また、最近では、情報機器（パソコンやＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、ゲーム機など）のタッチパネルを介したユーザー操作や、さらには日常生活で活躍するロボットとの接触を介したコミュニケーションなどにおいて、ユーザーの触動作を検出するデバイスとしても利用されている。
【０００４】
こういったさまざまな製品に組み込むには、多軸の力を感知し、低コスト且つ小型に製作することが望まれている。
【０００５】
例えば、小型化が容易で、且つ、６分力の各力成分を独立に検出できる６分力力覚センサーについて提案がなされている（例えば、特許文献１を参照のこと）。この６軸力覚センサーは、互いに直交する第１軸及び第２軸方向に各々延びる第１及び第２のセンサー要素を各長手方向中間部で十字状に交差させて一体化してなる第１十字形センサーと、第１十字形センサーとの間に第１軸及び第２軸の双方と直交する第３軸方向の間隔を隔てて平行に配置された第２十字形センサーを備え、第１、第２十字形センサーのいずれか一方は第３軸方向の並進力と第１軸、第２軸回りの各モーメントの検出に用いられ、第１、第２十字形センサーの他方は第１、第２軸方向の各並進力と第３軸回りのモーメントの検出に用いられる。要するに、この６軸力センサーは、図１７に示すように、第１乃至第３の各軸方向にそれぞれ伸びる起歪体からなる構造体で、起歪体の側面に接着した歪みゲージの出力を基に、各軸方向の並進力並びに各軸回りのモーメントを検出するものである。しかしながら、このような計測方法によると、起歪体を十分に歪ませる必要があり、言い換えれば起歪体の長さが必要となり、センサーを小さな径で製作することが困難である。
【０００６】
また、起歪体に対して歪みゲージを接着するのではなく、スパッタリングによってプロセス的に形成することで、歪みゲージの貼り付けという面倒な手作業を省略することもできるが（例えば、特許文献２を参照のこと）、起歪体を十分に歪ませるには、センサーを小さな径で製作できない点は上述と相違しない。
【０００７】
また、図１８に示すように、土台に対して複数本の柱を建て、いずれかの柱に力が加わったときのその柱の根元付近の土台部分で生じる歪みを（図示しない歪みゲージを用いて）検出する多軸センサーについて提案がなされている（例えば、特許文献３を参照のこと）。しかしながら、各柱の強度及び土台の中心から柱までの距離が必要であるから、センサーを小さな径で製作できない点は上述と相違しない。また、いずれか１つの柱にしか力が加わっていなくても、他の柱の根元にある歪みゲージにも影響を与えてしまうので、軸毎の力並びにモーメントを取り出すには干渉除去演算を行なう必要がある。
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−２６６６２０号公報
【特許文献２】特開２００５−３００４６５号公報
【特許文献３】特開２００５−３１０６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、複数の軸方向の並進力並びに複数の軸回りのモーメントを感知する多軸構成の、優れた力センサーを提供することにある。
【００１０】
本発明のさらなる目的は、低コストで且つ小型に製作することができる、優れた多軸力センサーを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願は、上記課題を参酌してなされたものであり、請求項１に記載の発明は、
ＸＹ方向の並進力Ｆx、Ｆyを計測する第１の計測部と、
Ｚ方向に加わる力を感知する複数の感圧部をＸＹ平面上に分散して配置し、各感圧部で感知した複数のＺ方向の力に基づいて、Ｚ方向の並進力Ｆz、及びＸＹ各軸回りのモーメントＭx、Ｍyを計測する第２の計測部と、
を具備することを特徴とする力センサーである。
【００１２】
また、本願の請求項２に記載の発明によれば、前記第１の計測部は、起歪体及び前記起歪体の２方向の歪みを検出する歪みセンサーで構成される。
【００１３】
また、本願の請求項３に記載の発明によれば、前記第２の計測部の前記複数の感圧部は、ゴムの圧縮により抵抗値が変化する導電性感圧ゴム方式の素子からなる。
【００１４】
また、本願の請求項４に記載の発明によれば、前記第２の計測部の前記複数の感圧部は、静電板の間隔が変動することにより静電容量が変化する静電容量方式の素子からなる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、複数の軸方向の並進力並びに複数の軸回りのモーメントを感知する５軸構成の、優れた力センサーを提供することができる。
【００１６】
また、本発明によれば、低コストで且つ小型に製作することができる、優れた多軸力センサーを提供することができる。
【００１７】
本願の請求項１に記載の発明によれば、第１の計測部が、起歪体の２方向の歪みを基にＸＹ方向の並進力Ｆx、Ｆyを計測する一方、第２の計測部が、ＸＹ平面上に分散して配置された複数の感圧部から得られる複数のＺ方向の並進力を演算して、Ｚ方向の並進力ＦzとともにＸＹ各軸回りのモーメントＭx、Ｍyを算出するようにしており、低コストで且つ小型に製作することができる。
【００１８】
また、本願の請求項２に記載の発明によれば、起歪体に２方向に撓みが生じると、歪みゲージ３よる計測結果を基に、各方向の並進力Ｆx、Ｆyを計測することができる。
【００１９】
また、本願の請求項３に記載の発明によれば、Ｚ方向の力が印加されたときに、導電性感圧ゴム方式の各感圧部の抵抗値の変化から各感圧部に印加された力Ｆ0〜Ｆ3を求め、各力Ｆ0〜Ｆ3からＺ方向の並進力Ｆz、及びＸＹ各軸回りのモーメントＭx、Ｍyを求めることができる。
【００２０】
また、本願の請求項４に記載の発明によれば、Ｚ方向の力が印加されたときに、静電容量方式の各感圧部の静電容量の変化に伴う測定電圧の変化から各感圧部に印加された力Ｆ0〜Ｆ3を求め、各力Ｆ0〜Ｆ3からＺ方向の並進力Ｆz、及びＸＹ各軸回りのモーメントＭx、Ｍyを求めることができる。
【００２１】
本願の請求項３、４に記載の発明によれば、導電性感圧ゴム若しくは静電容量を２軸回りのモーメント（Ｍx，Ｍy）の検出に使用するという理由で、起歪体を歪ませるための距離を小さくすることが可能である。この結果、センサー外径を小さくすることができる。また、構造がシンプルであるため、高さも１０ｍｍ以下にすることが可能であり、複雑な干渉除去演算を行なう必要もない。加えて、歪みゲージを２方向の並進力（Ｆx，Ｆy）の検出に使用するという理由で、基準がずれることが小さくて済む。さらに、導電性感圧ゴム部若しくは静電容量部と歪みゲージを用いるという理由で、導電性感圧ゴム（数十円）＋歪みゲージ（数百円）＋構造体費という安価で、既製品の１／１０程度で製作することが可能である。
【００２２】
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。
【００２４】
図１及び図２には、本発明の一実施形態に係る５軸力センサーの組み立て構成、並びに分解図をそれぞれ示している。
【００２５】
図示の５軸力センサー１０は、高さ方向（Ｚ軸方向）に印加された圧力によって生じる歪み量に応じて抵抗値又は静電容量を変化させる感圧部１と、感圧部１における抵抗体又は静電容量の変化を電圧信号として測定するセンサー部２と、表面にＸ軸方向及びＹ軸方向の歪み量測定用の２組の歪みゲージ３が表面に配設されたほぼ四角柱形状の起歪体４と、これらのセンサー構成要素１〜４を支持する第１乃至第３の構造体６〜８と、構造体を係止する係止部５で構成される。歪みゲージは、機械的な寸法の微小な変化を電気信号として検出するデバイスである（周知）。
【００２６】
感圧部１及びセンサー部２は、第１の構造体６と第３の構造体８の間に挟持されている。また、第１の構造体６と第２の構造体７はポール・ジョイントになっており、ほぼ円弧形状を那須第１の構造体６は円弧中心に沿って回転可能に構造体７に支持されている。また、起歪体４と第１の構造体６は、係止部５で締結され、一定の与圧がかけられている。
【００２７】
図３には、図１に示した５軸力センサー１０が、水平すなわちＸ軸方向及びＹ軸方向の各並進力Ｆx、Ｆyを計測するための動作原理を図解している。
【００２８】
図１並びに図２に示したように、構造体７は、構造体６を介して起歪体４に締結されている。したがって、構造体７に並進力Ｆx、Ｆyが加わると、構造体７は水平方向（すなわちＸＹ平面内で）スライドし、これに伴って起歪体４にはＸ軸又はＹ軸方向に撓みが生じることから、歪みゲージ３による計測結果を基に、各並進力Ｆx、Ｆyを計測することができる。かかる歪みゲージ方式のセンサー構成については当業界で周知であるので、本明細書ではこれ以上説明しない。２方向の並進力Ｆx、Ｆyを計測する機能は、本願の請求項１における第１の計測部に相当する。
【００２９】
図４には、感圧部１の構成例を示している。図示の例では、感圧部１は、４個の均一な導電性感圧ゴム部１−０、１−１、１−２、１−３で構成され、それぞれ歪み量に応じて抵抗値が変化する可変抵抗Ｒ0〜Ｒ3として作用する。感圧部１は、本願の請求項１における第２の計測部に相当する。
【００３０】
図５には、導電性感圧ゴム部１−０、１−１、１−２、１−３からなる各可変抵抗Ｒ0〜Ｒ3の配置例を示している。
【００３１】
起歪体４を用いて並進力Ｆx、Ｆyを計測するＸＹ平面に対し、各可変抵抗Ｒ0〜Ｒ3は、原点から距離Ｌだけ離間した同心円上で、第１〜第４象限にちょうど分散して配置されている。
【００３２】
図６には、感圧部１が備える可変抵抗Ｒ0〜Ｒ3の抵抗値を計測するセンサー部２の等価回路を示している。
【００３３】
感圧部１にＺ方向の力を加えると、各可変抵抗Ｒ0〜Ｒ3の抵抗値が変化する。センサー部２では、抵抗値Ｒ0〜Ｒ3の変化をそれぞれ電圧Ｖ0〜Ｖ3の変化として計測する。
【００３４】
そして、各可変抵抗Ｒ0〜Ｒ3からの測定電圧Ｖ0〜Ｖ3に対して、所定のキャリブレーションを施すことによって、各導電性感圧ゴム部１−０、１−１、１−２、１−３に印加された力Ｆ0〜Ｆ3に変換することができる。さらに、以下の式（１）によって、各力Ｆ0〜Ｆ3からＺ方向の並進力Ｆz、及びＸＹ各軸回りのモーメントＭx、Ｍyを求めることができる。
【００３５】
【数１】
2010112864.tif 000003
【００３６】
図７には、図１に示した５軸力センサー１０が、高さ方向すなわちＺ軸方向の並進力Ｆz、並びにＸ軸又はＹ軸回りのモーメントＭx、Ｍyを計測するための動作原理を図解している。
【００３７】
構造体７全体を上からＺ軸方向に押すと、感圧部１が印加された力Ｆzに応じて導電性感圧ゴム部１−０、１−１、１−２、１−３はほぼ一様に圧縮されて、各々の抵抗値Ｒ0〜Ｒ3がほぼ同じく変化する。そして、センサー部２は感圧部１における抵抗体の変化を電圧信号に変換して、さらに上式（１）に従ってＸ軸方向の並進力Ｆzを測定することができる。構造体７に印加された力にモーメント成分が含まれない場合には、各導電性感圧ゴム部１−０、１−１、１−２、１−３から計測される力Ｆ0〜Ｆ3は一定となることから、上式（１）において、モーメントＭx、Ｍyはともに０になる。
【００３８】
他方、構造体７の端部をＺ方向に押すと、導電性感圧ゴム部１−０、１−１、１−２、１−３の一部のみが圧縮され（あるいは不均一に圧縮され）、各々の抵抗値Ｒ0〜Ｒ3が不均一に変化する。そして、センサー部２は感圧部１における抵抗体の変化を電圧信号に変換して、さらに上式（１）に従ってＸ軸方向の並進力Ｆz、並びにＸ軸又はＹ軸回りのモーメントＭx、Ｍyを測定することができる。
【００３９】
図４〜図６に示したような感圧部１が４個の均一な導電性感圧ゴム部１−０、１−１、１−２、１−３で構成された実施形態によれば、導電性感圧ゴムを２軸回りのモーメント（Ｍx，Ｍy）の検出に使用するという理由で、起歪体を歪ませるための距離を小さくすることが可能である。この結果、センサー外径を小さくすることができる。また、構造がシンプルであるため、高さも１０ｍｍ以下にすることが可能であり、複雑な干渉除去演算を行なう必要もない。加えて、歪みゲージを２方向の並進力（Ｆx，Ｆy）の検出に使用するという理由で、基準がずれることが小さくて済む。さらに、導電性感圧ゴム部と歪みゲージを用いるという理由で、導電性感圧ゴム（数十円）＋歪みゲージ（数百円）＋構造体費という低コストで製作することが可能であり、この価格は既製品の１／１０程度に相当する。
【００４０】
図８〜図１２には、図１に示した５軸力センサー１０における、各並進力Ｆx、Ｆy、Ｆz、並びにＸ軸又はＹ軸回りのモーメントＭx、Ｍyを計測した出力データを例示している。各図において、横軸が時間［秒］であり、縦軸が出力電圧値［Ｖ］である。但し、いずれもサンプリング速度は１００マイクロ秒とする。
【００４１】
図４〜図６には、感圧部１が４個の均一な導電性感圧ゴム部１−０、１−１、１−２、１−３で構成された実施形態を示したが、感圧ゴムに代えて、圧力に応じて静電容量を変化させる４個の静電容量部を用いて感圧部１を構成することもできる。
【００４２】
図１３には、静電容量部Ｃ0〜Ｃ3の配置例を示している。起歪体４を用いて並進力Ｆx、Ｆyを計測するＸＹ平面に対し、各静電容量部Ｃ0〜Ｃ3は、原点から距離Ｌだけ離間した同心円上で、第１〜第４象限にちょうど分散して配置されている。
【００４３】
図１４には、感圧部１が備える静電容量部Ｃ0〜Ｃ3の静電容量を計測するセンサー部２の等価回路を示している。
【００４４】
コンデンサーの静電容量Ｃは、対向する極板間の誘電率εと、極板の面積Ｓ及び極板間距離ｄにより決定され、Ｃ＝εＳ／ｄが成り立つ（周知）。したがって、静電容量部に力が加わって極板間距離ｄが減少すると、これに伴う静電容量Ｃの変化量に応じて、図１５に示すようにチャージ曲線が変化する。
【００４５】
センサー部２では、時刻ｔ1における各静電容量部Ｃ0〜Ｃ3からの電圧Ｖ0〜Ｖ3を計測する。そして、各測定電圧Ｖ0〜Ｖ3に対して、所定のキャリブレーションを施すことによって、各静電容量部Ｃ0〜Ｃ3に印加された力Ｆ0〜Ｆ3に変換することができる。さらに、以下の式（２）によって、各力Ｆ0〜Ｆ3からＺ方向の並進力Ｆz、及びＸＹ各軸回りのモーメントＭx、Ｍyを求めることができる。
【００４６】
【数２】
2010112864.tif 000004
【００４７】
図７に示したように、構造体７全体を上からＺ軸方向に押すと、感圧部１が印加された力Ｆzに応じて各静電容量部はほぼ一様に圧縮されて、各々の静電容量値Ｃ0〜Ｃ3がほぼ同じく変化する。そして、センサー部２は感圧部１における静電容量の変化を電圧信号に変換して、さらに上式（２）に従ってＸ軸方向の並進力Ｆzを測定することができる。
【００４８】
他方、構造体７の端部をＺ方向に押すと、静電容量部の一部のみが圧縮され（あるいは不均一に圧縮され）、各々の静電容量値Ｃ0〜Ｃ3が不均一に変化する。そして、センサー部２は感圧部１における静電容量の変化を電圧信号に変換して、さらに上式（２）に従ってＸ軸方向の並進力Ｆz、並びにＸ軸又はＹ軸回りのモーメントＭx、Ｍyを測定することができる。
【００４９】
図１３〜図１４に示したような感圧部１が４個の均一な静電容量部で構成された実施形態によれば、静電容量部を２軸回りのモーメント（Ｍx，Ｍy）の検出に使用するという理由で、起歪体を歪ませるための距離を小さくすることが可能である。この結果、センサー外径を小さくすることができる。また、構造がシンプルであるため、高さも１０ｍｍ以下にすることが可能であり、複雑な干渉除去演算を行なう必要もない。加えて、歪みゲージを２方向の並進力（Ｆx，Ｆy）の検出に使用するという理由で、基準がずれることが小さくて済む。さらに、静電容量部と歪みゲージを用いるという理由で、静電容量部（数十円）＋歪みゲージ（数百円）＋構造体費という低コストで製作することが可能であり、この価格は既製品の１／１０程度に相当する。
【００５０】
なお、これまでは５軸の力センサーについて説明してきたが、起歪体４に取り付ける歪みゲージを、図１６に示すように２つの歪みゲージが９０度に交差するよう配置すれば、Ｚ軸回りの捻りモーメントＭzを検出することができ、６軸力センサーを構成することも可能である。言い換えれば、本発明の要旨は５軸の検出に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。
【００５２】
本発明に係る５軸力センサーは、例えばロボットの指先などのエンド・エフェクターに取り付けて、３軸方向の並進力Ｆx、Ｆy、Ｆz、及び２軸回りのモーメントＭx、Ｍyの感知に用いることができるが、本発明の要旨はこれに限定されるものではない。例えば、情報機器や家電製品、各種産業用機器にも本発明に係る５軸力センサーを適用することができる。
【００５３】
要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る５軸力センサーの組み立て構成を示した図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係る５軸力センサーの分解図である。
【図３】図３は、図１に示した５軸力センサー１０がＸ軸方向及びＹ軸方向の各並進力Ｆx、Ｆyを計測するための動作原理を説明するための図である。
【図４】図４は、感圧部１の構成例を示した図である。
【図５】図５は、導電性感圧ゴム部１−０、１−１、１−２、１−３からなる各可変抵抗Ｒ0〜Ｒ3の配置例を示した図である。
【図６】図６は、感圧部１が備える可変抵抗Ｒ0〜Ｒ3の抵抗値を計測するセンサー部２の等価回路を示した図である。
【図７】図７は、図１に示した５軸力センサー１０がＺ軸方向の並進力Ｆz、並びにＸ軸又はＹ軸回りのモーメントＭx、Ｍyを計測するための動作原理を説明するための図である。
【図８】図８は、図１に示した５軸力センサー１０における並進力Ｆxを計測した出力データ例を示した図である。
【図９】図９は、図１に示した５軸力センサー１０における並進力Ｆyを計測した出力データ例を示した図である。
【図１０】図１０は、図１に示した５軸力センサー１０における並進力Ｆzを計測した出力データ例を示した図である。
【図１１】図１１は、図１に示した５軸力センサー１０におけるＸ軸回りのモーメントＭxを計測した出力データ例を示した図である。
【図１２】図１２は、図１に示した５軸力センサー１０におけるＹ軸回りのモーメントＭyを計測した出力データ例を示した図である。
【図１３】図１３は、静電容量部Ｃ0〜Ｃ3の配置例を示した図である。
【図１４】図１４は、感圧部１が備える静電容量部Ｃ0〜Ｃ3の静電容量を計測するセンサー部２の等価回路を示した図である。
【図１５】図１５は、静電容量部Ｃ0〜Ｃ3のチャージ曲線を示した図である。
【図１６】図１６は、起歪体４及び歪みゲージ３の変形例を示した図である。
【図１７】図１７は、第１乃至第３の各軸方向にそれぞれ伸びる起歪体からなる構造体を例示した図である。
【図１８】図１８は、土台に対して複数本の柱を建て、いずれかの柱に力が加わったときのその柱の根元付近の土台部分で生じる歪みを検出する多軸センサーを示した図である。
【符号の説明】
【００５５】
１…感圧部
２…センサー部
３…歪みゲージ
４…起歪体
５…係止部
６…第１の構造体
７…第２の構造体
８…第３の構造体
１０…５軸力センサー
【図１】
2010112864.tif 000005
【図２】
2010112864.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図８】
2010112864.tif 000009
【図９】
2010112864.tif 000010
【図１０】
2010112864.tif 000011
【図１１】
2010112864.tif 000012
【図１２】
2010112864.tif 000013
【図１３】
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【図１４】
2010112864.tif 000015
【図１５】
2010112864.tif 000016
【図１７】
2010112864.tif 000017
【図３】
2010112864.tif 000018
【図４】
2010112864.tif 000019
【図７】
2010112864.tif 000020
【図１６】
2010112864.tif 000021
【図１８】
2010112864.tif 000022