(57)【要約】  実施形態に係る力センサは、発光部と、一対の第１光検出部と、反射部と、第１フレームとを備える。発光部は、拡散光を照射する。一対の第１光検出部は、第１方向において発光部を挟んで配置される。反射部は、発光部の光軸上において発光部に対して対向配置され、発光部から照射される拡散光を一対の第１光検出部側へ反射する。第１フレームは、反射部による拡散光の反射先を、第１方向へ変位可能に変形する。さらに、力センサは、一対の第２光検出部と、第２フレームとを備える。一対の第２光検出部は、第１方向と直交する第２方向において発光部を挟んで配置される。第２フレームは、反射部による拡散光の反射先を、第２方向へ変位可能に変形する。
2014045685.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
拡散光を照射する発光部と、
第１方向において前記発光部を挟んで配置される一対の第１光検出部と、
前記発光部の光軸上において前記発光部に対して対向配置され、前記発光部から照射される拡散光を前記一対の第１光検出部側へ反射する反射部と、
前記反射部による前記拡散光の反射先を、前記第１方向へ変位可能に変形する第１フレームと
を備えることを特徴とする力センサ。
【請求項２】
前記第１方向と直交する第２方向において前記発光部を挟んで配置される一対の第２光検出部と、
前記反射部による前記拡散光の反射先を、前記第２方向へ変位可能に変形する第２フレームと
を備えることを特徴とする請求項１に記載の力センサ。
【請求項３】
前記第１フレームは、
前記発光部の設置面に固定される第１脚部と、
前記発光部の光軸上において前記発光部と対向するように該第１脚部によって支持される第１対向面と
を備え、
第１対向面には、
前記発光部の光軸と交わる位置を含む領域に開口部が設けられ、
前記第２フレームは、
前記第１フレームに連結される第２脚部と、
前記発光部の光軸上において前記第１対向面の前記開口部を介して前記発光部と対向するように該第２脚部によって支持される第２対向面と
を備え、
前記反射部は、
前記第２対向面における前記発光部の光軸と交わる位置を含む領域に設けられる
ことを特徴とする請求項２に記載の力センサ。
【請求項４】
前記第１フレームの前記第１脚部は、
前記第１対向面における前記第１方向の両側に設けられ、
前記１フレームは、
前記第１対向面における前記第２方向の両側に設けられる連結腕部
をさらに備え、
前記第２フレームの前記第２脚部は、
前記第２対向面における前記第２方向の両側に設けられ、前記第１対向面よりも前記発光部の設置面側で前記第１フレームの前記連結腕部に連結される
ことを特徴とする請求項３に記載の力センサ。
【請求項５】
前記第１フレームは、
前記第１脚部と前記第１対向面とが直角以外の角度で連接される連接部を備え、
該連接部は、
前記反射部による前記拡散光の反射先を前記第１方向へ変位可能に変形する
ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の力センサ。
【請求項６】
前記第２フレームは、
前記第２脚部と前記第２対向面とが直角以外の角度で連接される連接部を備え、
該連接部は、
前記反射部による前記拡散光の反射先を前記第２方向へ変位可能に変形する
ことを特徴とする請求項３〜５のいずれか一つに記載の力センサ。
【請求項７】
前記第１方向と直交する第２方向において前記発光部を挟んで配置される一対の第２光検出部
をさらに備え、
前記第１フレームは、
前記発光部の光軸上において前記発光部に対して対向配置される第１対向面と、
前記第１対向面を四方から支持するとともに、前記反射部による前記拡散光の反射先を、前記第１方向および前記第２方向の両方向にのみ変位可能に変形する脚部と
を備え、
前記反射部は、
前記第１対向面に設けられる
ことを特徴とする請求項１に記載の力センサ。
【請求項８】
拡散光を照射する発光部と、
前記発光部を挟んで配置される一対の第１光検出部と、
前記発光部の光軸上において該発光部と対向する対向面を備えるとともに、前記発光部の設置面に固定され、前記一対の第１光検出部の配列方向に自由度を有する１自由度のフレームと、
前記フレームの対向面に設けられ、前記発光部から照射される拡散光を前記一対の第１光検出部側へ反射する反射部と
を備えることを特徴とする力センサ。
【請求項９】
拡散光を照射する発光部と、
第１方向において前記発光部を挟んで配置される一対の第１光検出部と、
前記発光部の光軸上において前記発光部に対して対向配置され、前記発光部から照射される拡散光を前記一対の第１光検出部側へ反射する反射部と、
前記発光部の光軸上において前記発光部に対して対向配置される対向面に前記反射部が設けられて前記発光部の設置面に固定されるとともに、前記反射部による前記拡散光の反射先を、前記第１方向へ変位可能に変形する第１フレームと
を備えることを特徴とする力センサ。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１つに記載の力センサを有する
ことを特徴とするロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示の実施形態は、力センサおよび力センサを有するロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
褥瘡の原因の一つとして、身体に作用するせん断力（摩擦）が挙げられる。たとえば、ベッドを傾斜させると、身体とベッドの間にせん断力が生じ、これによって褥瘡が生じる場合がある。【０００３】
このため、近年では、せん断力を検出するための力センサを褥瘡防止マットレス等の寝具に内蔵し、身体と寝具との間に生じるせん断力を検出する試みがなされている（たとえば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】再表０３／０７９８９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した従来技術には、せん断力を簡易な構成で検出するという点でさらなる改善の余地があった。【０００６】
実施形態の一態様は、せん断力を簡易な構成で検出することのできる力センサおよび力センサを有するロボットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の一態様に係る力センサは、発光部と、一対の第１光検出部と、反射部と、第１フレームとを備える。発光部は、拡散光を照射する。一対の第１光検出部は、第１方向において前記発光部を挟んで配置される。反射部は、前記発光部の光軸上において前記発光部に対して対向配置され、前記発光部から照射される拡散光を前記一対の第１光検出部側へ反射する。第１フレームは、前記反射部による前記拡散光の反射先を、前記第１方向へ変位可能に変形する。
【発明の効果】
【０００８】
実施形態の一態様によれば、身体と寝具等との間に生じるせん断力を簡易な構成で検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る力センサの模式側面図である。
【図２】図２は、変位センサの模式平面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、可変フレームの模式斜視図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、可変フレームの模式背面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、第１の実施形態に係る力センサによるせん断力の検出原理の説明図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、第１の実施形態に係る力センサによるせん断力の検出原理の説明図である。
【図５Ａ】図５Ａは、力伝達体が取り付けられた力センサの模式側面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、力伝達体および可変フレームの模式斜視図である。
【図６】図６は、第１の実施形態に係る力センサに対して、せん断力を−４０Ｎから４０Ｎまで５Ｎごとに上昇させつつ印加した場合の値Ｓの変化を示す図である。
【図７】図７は、第１の実施形態に係る力センサによる押圧力の検出原理の説明図である。
【図８】図８は、第１の実施形態に係る力センサをトルクの検出に用いた適用例を示す説明図である。
【図９Ａ】図９Ａは、第１の実施形態に係る力センサによるトルクの検出原理の説明図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、第１の実施形態に係る力センサによるトルクの検出原理の説明図である。
【図１０】図１０は、第１の実施形態に係る力センサによるトルクの検出実験条件の一例を示す説明図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、第１の実施形態に係る力センサによるトルクの検出実験結果の一例を示す説明図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、第１の実施形態に係る力センサによるトルクの検出実験結果の一例を示す説明図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、第１の実施形態に係る力センサによるトルクの検出実験結果の一例を示す説明図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、第１の実施形態に係る力センサによるトルクの検出実験結果の一例を示す説明図である。
【図１３】図１３は、第１の実施形態に係る力センサを高感度化する可変フレームの模式側面図である。
【図１４】図１４は、第２の実施形態に係る力センサの模式側面図である。
【図１５】図１５は、第３の実施形態に係る可変フレームの模式斜視図である。
【図１６】図１６は、第４の実施形態に係る力センサの模式斜視図である。
【図１７】図１７は、第４の実施形態に係る力センサの模式分解斜視図である。
【図１８Ａ】図１８Ａは、第４の実施形態に係る力センサの動作を示す模式側面図である。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、第４の実施形態に係る力センサの動作を示す模式側面図である。
【図１９Ａ】図１９Ａは、第４の実施形態に係る力センサの動作を示す模式側面図である。
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、第４の実施形態に係る力センサの動作を示す模式側面図である。
【図２０】図２０は、第５の実施形態に係る力センサの模式斜視図である。
【図２１】図２１は、第５の実施形態に係る力センサの脚部の変形例を示す説明図である。
【図２２】図２２は、第１の実施形態に係る力センサを有するロボット示す説明図である。
【図２３】図２３は、第１の実施形態に係る力センサを有するロボットのエンドエフェクタ部分を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照して、本願の開示する力センサおよび力センサを有するロボットの実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る力センサの模式側面図である。なお、以下においては、位置関係を明確にするために、互いに直交するＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向を規定し、Ｚ軸正方向を鉛直上向き方向とする。
【００１２】
図１に示すように、第１の実施形態に係る力センサ１は、基台１０と、基台１０の上部に設けられる変位センサ２０と、基台１０に固定され、変位センサ２０の上方を覆う第１フレーム（以下、「可変フレーム３０」と記載する）とを備える。また、力センサ１は、可変フレーム３０の変位センサ２０と対向する面に設けられた反射部（以下、「ミラー４０」と記載する）を備える。
【００１３】
変位センサ２０は、発光部２１と、光検出部２２とを備える。発光部２１は、拡散光、具体的には拡散レーザ光を照射する。かかる発光部２１としては、たとえば垂直共振器面発光レーザ（Vertical  Cavity  Surface  Emitting  Laser、ＶＣＳＥＬ）を用いることができる。なお、垂直共振器面発光レーザとは、共振器を半導体基板と垂直に作り込んだ面発光レーザである。
【００１４】
光検出部２２は、ミラー４０によって反射された拡散レーザ光を検出する。光検出部２２としては、たとえばフォトダイオードを用いることができる。なお、ミラー４０は、可変フレーム３０と一体に形成されてもよい。
【００１５】
ここで、発光部２１および光検出部２２の配置について図２を参照して説明する。図２は、変位センサ２０の模式平面図である。
【００１６】
図２に示すように、変位センサ２０は、中央に発光部２１が配置され、かかる発光部２１の四方に光検出部２２ａ〜２２ｄがそれぞれ配置される。図２に示す例では、光検出部２２ｂ，２２ｄが第１方向（ここでは、Ｘ軸正方向）に沿って、光検出部２２ｂ→光検出部２２ｄの順に並べて配置され、光検出部２２ａ，２２ｃが第２方向（ここでは、Ｙ軸正方向）に沿って、光検出部２２ｃ→光検出部２２ａの順に並べて配置される。以下では、光検出部２２ｂ，２２ｄを第１光検出部２２ｂ，２２ｄ、光検出部２２ａ，２２ｃを第２光検出部２２ａ，２２ｃと称することがある。
【００１７】
なお、変位センサ２０の大きさは、たとえば、縦横それぞれ約３．０ｍｍ、厚さ約１．６ｍｍである。
【００１８】
つづいて、可変フレーム３０およびミラー４０の構成について図１、図３Ａおよび図３Ｂを参照して説明する。図３Ａは、可変フレーム３０の模式斜視図である。また、図３Ｂは、可変フレーム３０の模式背面図である。
【００１９】
可変フレーム３０は、図１に示すように、変位センサ２０の上方を覆う側面視略台形状の部材である。具体的には、可変フレーム３０は、鉛直方向（Ｚ軸方向）に対して傾斜した支持部３１ａ，３１ｂと、両端部において支持部３１ａ，３１ｂとそれぞれ連接し、支持部３１ａ，３１ｂによって水平に支持された天井部３２とを備える。なお、図１に示す例では、支持部３１ａが鉛直方向に対してＸ軸正方向側に傾斜し、支持部３１ｂが鉛直方向に対してＸ軸負方向側に傾斜している。
【００２０】
かかる可変フレーム３０は、支持部３１ａ，３１ｂと天井部３２との連接部、つまり、可変フレーム３０の角部に自由度を有しており、Ｘ軸方向に力が加わると変形して天井部３２が傾斜するように構成される。
【００２１】
すなわち、可変フレーム３０は、支持部３１ａ，３１ｂと天井部３２とが直角以外の角度で連接されるため、Ｘ軸方向に力が加わった場合に、支持部３１ａと天井部３２との連接位置の高さと、支持部３１ｂと天井部３２との連接位置の高さとに差が生じて天井部３２が傾斜する。
【００２２】
このように、可変フレーム３０は、発光部２１と対向する対向面３２ａを有する天井部３２と、一対の光検出部２２ｂ，２２ｄの配列方向に沿って配置され、天井部３２と直角以外の角度で連接して天井部３２を支持する一対の支持部３１ａ，３１ｂとを備える。そして、可変フレーム３０は、天井部３２と支持部３１ａ，３１ｂとの連接部が一対の光検出部２２ｂ，２２ｄの配列方向に自由度を有する。
【００２３】
なお、支持部３１ａのＸ軸負方向側および支持部３１ｂのＸ軸正方向側には、可変フレーム３０を基台１０に固定するための固定部３３がそれぞれ形成されている（図３Ａ参照）。
【００２４】
ミラー４０は、可変フレーム３０における天井部３２の背面（発光部２１と対向する対向面３２ａ）に取り付けられて（図３Ｂ参照）、変位センサ２０の発光部２１の直上に配置される。かかるミラー４０は、変位センサ２０の発光部２１から照射されたレーザを反射させ、光検出部２２ａ〜２２ｄへ入射させる。
【００２５】
なお、天井部３２の大きさは、たとえば、縦横約６×１８ｍｍである。また、可変フレーム３０の高さ（固定部３３から天井部３２までの距離）は、たとえば、４ｍｍである。
【００２６】
第１の実施形態に係る力センサ１は上記のように構成されており、たとえば褥瘡防止マットレスなどの寝具やクッション等の内部に埋め込まれ、寝具等と身体との間に生じるせん断力を検出する。
【００２７】
次に、力センサ１によるせん断力の検出原理について図４Ａおよび図４Ｂを用いて説明する。図４Ａおよび図４Ｂは、第１の実施形態に係る力センサ１によるせん断力の検出原理の説明図である。なお、ここでは、光検出部２２ｂおよび光検出部２２ｄを用いてＸ軸方向に作用するせん断力を検出する場合の検出原理について説明する。
【００２８】
図４Ａの上図に示すように、第１の実施形態に係る力センサ１は、発光部２１から拡散レーザ光を照射させ、かかる拡散レーザ光をミラー４０で反射させる。これにより、拡散レーザ光の反射光が変位センサ２０上に照射される。
【００２９】
光検出部２２ａ〜２２ｄは、図４Ａの下図に示すように、拡散レーザ光の反射光の照射領域Ｒと部分的に重複する位置に配置されており、受光した反射光の強度をそれぞれ検出する。なお、図４Ａに示すように、可変フレーム３０の天井部３２が水平に支持された状態において、照射領域Ｒの中心は、発光部２１の中心と一致する。また、この状態において、光検出部２２ａ〜２２ｄの各々は、照射領域Ｒと均等に重複する。
【００３０】
つづいて、図４Ｂの上図に示すように、可変フレーム３０の天井部３２にＸ軸負方向のせん断力が印加されると、天井部３２が傾斜する。天井部３２が傾斜すると、天井部３２に設けられたミラー４０が傾斜して、拡散レーザ光による反射光の反射先となる照射領域Ｒの位置が変位する（図４Ｂの下図参照）。
【００３１】
照射領域Ｒの位置が変位すると、光検出部２２ｂと照射領域Ｒとが重複する範囲と、光検出部２２ｄと照射領域Ｒとが重複する範囲とに差が生じるため、光検出部２２ｂおよび光検出部２２ｄは、異なる強度の反射光を検出することとなる。
【００３２】
力センサ１では、かかる反射光の強度差からミラー４０の傾きを算出する。具体的には、光検出部２２ｂからの出力値をＰ２、光検出部２２ｄからの出力値をＰ４とすると、ミラー４０の傾きを示す値Ｓは、Ｓ＝（Ｐ２−Ｐ４）／（Ｐ２＋Ｐ４）で表される。
【００３３】
また、力センサ１は、算出した値Ｓをせん断力に変換して出力する変換処理部を備える。変換処理部は、値Ｓからせん断力への変換式、あるいは、値Ｓとせん断力とが対応付けられたテーブルを用いて値Ｓをせん断力へ変換する。これら変換式やテーブル値は、実測あるいは構造計算等により決定される。
【００３４】
可変フレーム３０に印加されるせん断力が大きくなるほど、天井部３２が大きく傾斜するため、ミラー４０の傾斜角が増大する。そして、ミラー４０の傾斜角が増大すると、光検出部２２ｂおよび光検出部２２ｄからの出力値の差が大きくなり、値Ｓの絶対値が大きくなる。このように、可変フレーム３０に印加されるせん断力と値Ｓとは比例関係にあり、力センサ１は、値Ｓを検出することによって可変フレーム３０に印加されるせん断力を検出することができる。
【００３５】
かかる点について図５Ａ，図５Ｂおよび図６を用いてより具体的に説明する。図５Ａは、力伝達体が取り付けられた力センサ１の模式側面図であり、図５Ｂは、力伝達体および可変フレーム３０の模式斜視図である。また、図６は、第１の実施形態に係る力センサ１に対して、せん断力を−４０Ｎから４０Ｎまで５Ｎごとに上昇させつつ印加した場合の値Ｓの変化を示している。
【００３６】
なお、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、ここでは、可変フレーム３０の天井部３２にせん断力が正確に印加されるように、天井部３２の上部に力伝達体５０を取り付けている。力伝達体５０は、直方体状の物体であり、外部から受けた力を可変フレーム３０の天井部３２へ伝達する。つまり、力伝達体５０が押されることにより、可変フレーム３０の天井部３２に表面せん断力が印加される。
【００３７】
また、ここでは、Ｘ軸負方向に作用するせん断力を正で表している。したがって、たとえばＸ軸正方向へ印加される４０Ｎのせん断力は、「−４０Ｎ」で表される。
【００３８】
図６に示すように、力伝達体５０をＸ軸負方向に押した場合、すなわち、可変フレーム３０の天井部３２にＸ軸負方向のせん断力を加えた場合、値Ｓは、せん断力の増加に伴って直線的に増加した。これは、天井部３２にＸ軸負方向の力を加えることで、ミラー４０が傾斜して照射領域Ｒ（図４Ａ参照）がＸ軸負方向側に移動した結果、光検出部２２ｂからの出力値Ｐ２が光検出部２２ｄからの出力値Ｐ４よりも大きくなったためである。
【００３９】
一方、力伝達体５０をＸ軸正方向に押した場合、すなわち、可変フレーム３０の天井部３２にＸ軸正方向の力を加えた場合、値Ｓは、せん断力の増加に伴って直線的に減少した。これは、天井部３２にＸ軸正方向の力を加えることで、ミラー４０が傾斜して照射領域Ｒ（図４Ａ参照）がＸ軸正方向側に移動した結果、光検出部２２ｂからの出力値Ｐ２が光検出部２２ｄからの出力値Ｐ４よりも小さくなったためである。
【００４０】
このように、可変フレーム３０の天井部３２に対して一方（ここでは、Ｘ軸負方向）からせん断力を印加した場合、せん断力の増加にともなって値Ｓが直線的に増加し、他方（ここでは、Ｘ軸正方向）からせん断力を印加した場合には直線的に減少した。これらの結果から、力センサ１を用いることによってせん断力の方向および大きさを検出できることがわかる。
【００４１】
上述してきたように、第１の実施形態に係る力センサ１は、発光部２１と、変位センサ２０と、可変フレーム３０と、ミラー４０とを備える。発光部２１は、拡散光を照射する。変位センサ２０は、第１方向において発光部２１を挟んで配置される一対の第１光検出部２２ｂ，２２ｄを備える。
【００４２】
可変フレーム３０は、発光部２１の光軸上において発光部２１と対向する対向面３２ａを備えるとともに、発光部２１の設置面である基台１０に固定され、一対の第１光検出部２２ｂ，２２ｄの配列方向に自由度を有する。ミラー４０は、可変フレーム３０の発光部２１と対向する対向面３２ａに設けられ、発光部２１から照射される拡散光を一対の第１光検出部２２ｂ，２２ｄ側へ反射する。
【００４３】
言い換えれば、ミラー４０は、発光部２１の光軸上において発光部２１に対して対向配置され、発光部２１から照射される拡散光を一対の第１光検出部２２ｂ，２２ｄ側へ反射する。可変フレーム３０は、発光部２１の光軸上において発光部２１に対して対向配置される対向面３２ａにミラー４０が設けられて発光部２１の設置面である基台１０に固定されるとともに、ミラー４０による拡散光の反射先を、第１方向へ変位可能に変形する。したがって、実施形態に係る力センサ１によれば、身体と寝具等との間に生じるせん断力を簡易な構成で検出することができる。
【００４４】
また、第１の実施形態に係る力センサ１は、変位センサ２０を用いることとした。変位センサ２０は、圧電センサと比較して温度によるバラつきや個体差も少ない。したがって、第１の実施形態に係る力センサ１によれば、圧電センサを用いる力センサと比較して、せん断力を外部環境や個体差に寄らず正確に検出することができる。
【００４５】
なお、可変フレーム３０は鉛直方向にも自由度を有しており、力センサ１は、せん断力に加え押圧力を検出することも可能である。かかる点について図７を参照して説明する。図７は、第１の実施形態に係る力センサ１による押圧力の検出原理の説明図である。
【００４６】
図７に示すように、力センサ１は、鉛直下方（Ｚ軸負方向）に押されると、支持部３１ａ，３１ｂが撓み、天井部３２およびミラー４０が水平に支持された状態で変位センサ２０に近づく。この結果、各光検出部２２ａ〜２２ｄが拡散レーザ光の反射を受光する面積が縮小するため、各光検出部２２ａ〜２２ｄからの出力値は均一に減少する。
【００４７】
このように、ミラー４０が変位センサ２０に近づくほど、言い換えれば、力センサ１が受ける鉛直向きの押圧力が大きくなるほど、各光検出部２２ａ〜２２ｄからの出力値は均一に減少する。したがって、力センサ１は、各光検出部２２ａ〜２２ｄからの出力値に基づいて押圧力を検出することが可能である。
【００４８】
また、力センサ１は、せん断力、押圧力に加え、トルクを検出することも可能である。かかる点について図８、図９Ａおよび図９Ｂを参照して説明する。ここでは、一例として、車両のステアリングホイール（以下、「ハンドル」と記載する）に対して回転方向へ力を加えて、ステアリングシャフト（以下、「シャフト」と記載する）へ掛るトルクを検出する場合について説明する。なお、力センサ１の検出対象となるトルクは、シャフトへ掛るトルクに限定されるものではない。
【００４９】
図８は、第１の実施形態に係る力センサ１をトルクの検出に用いた適用例を示す説明図であり、図９Ａおよび図９Ｂは、第１の実施形態に係る力センサ１によるトルクの検出原理の説明図である。
【００５０】
図８に示すように、ハンドル１００に対して回転方向へ力を加えて、シャフト１０１へ掛るトルクを検出する場合、力センサ１は、シャフト１０１とステアリングスポーク（以下「スポーク１０２」と記載する）との間に設けられる。
【００５１】
これにより、力センサ１の天井部３２（図１参照）には、ハンドル１００に対して回転方向へ加えられる力が、シャフト１０１を回転させるトルクとなって掛るため、シャフト１０１に掛るトルクを力センサ１によって検出することが可能となる。
【００５２】
例えば、図９Ａに示すように、力センサ１の天井部３２からハンドル１００のＺ軸正方向における端部（以下、「最上部」と記載する）までの距離がｒであった場合に、ハンドル１００の最上部にＸ軸負方向へ力Ｆを加える。このとき、スポーク１０２には、ハンドル１００からスポーク１０２を反時計回に回転させようとする力が加わり、力センサ１の天井部３２には、スポーク１０２から天井面３２を反時計回りに回転させようとする大きさＦ×ｒのトルクが掛る。
【００５３】
これにより、図９Ｂに示すように、可変フレーム３０は、ミラー４０による拡散光の反射先を、Ｘ軸正方向へ変位させるように変形する。具体的には、支持部３１ａが図９Ａに示す状態から時計回りに傾動し、支持部３１ｂが図９Ａに示す状態から反時計回りに傾動し、天井部３２が図９Ａに示す水平状態からＸ軸負方向へ向けて下り勾配となる傾斜状態に変位する。
【００５４】
その結果、ミラー４０による拡散光の反射先が図９Ａに示す状態からＸ軸正方向へ変位するので、光検出部２２ｂによる反射光の受光強度が低下するとともに、光検出部２２ｄによる反射光の受光強度が上昇する。つまり、光検出部２２ｂおよび光検出部２２ｄによる反射光の受光強度に差が生じる。
【００５５】
かかる受光強度の差は、ミラー４０の傾斜角である傾きが大きくなるほど増大する。そして、ミラー４０の傾きは、力センサ１の天井部３２に掛るトルクが増大するほど大きくなる。したがって、力センサ１によれば、光検出部２２ｂおよび光検出部２２ｄによる反射光の受光強度の差に基づいて、ミラー４０の傾きを算出することにより、天井部３２に掛るトルクを検出することができる。
【００５６】
なお、ミラー４０の傾きを算出する方法には、せん断力を検出する際に使用したミラー４０の傾きを示す値Ｓの算出式Ｓ＝（Ｐ２−Ｐ４）／（Ｐ２＋Ｐ４）を用いることができる。そして、算出した値Ｓをせん断力に変換する場合には、値Ｓからトルクへの変換式、あるいは、値Ｓとせん断力とが対応付けられたテーブルを用いて値Ｓをせん断力へ変換する。これら変換式やテーブル値は、実測あるいは構造計算等により決定される。
【００５７】
ただし、図９Ｂと図４Ｂとを参照すれば分かるように、力センサ１に対してトルクが掛る場合と、せん断力が掛る場合とでは、トルクまたはせん断力の掛る方向が同じ場合に、ミラー４０の傾斜方向が逆となる。
【００５８】
例えば、図４Ｂに示すように、力センサ１に対してＸ軸負方向のせん断力が掛る場合、ミラー４０は、Ｘ軸正方向へ向けて下り勾配となる。一方、図９Ｂに示すように、力センサ１に対してＸ軸負方向のトルクが掛る場合、ミラー４０は、Ｘ軸負方向へ向けて下り勾配となる。
【００５９】
このため、上記値Ｓの算出式を用いてトルクを検出する場合には、力センサ１に対して、Ｘ軸正方向に作用するトルク、つまり、ハンドル１００が時計方向へ回転される場合のトルクを正とする必要がある。一方、力センサ１に対して、Ｘ軸負方向に作用するトルク、つまり、ハンドル１００が反時計回りに回転される場合のトルクを負とする。
【００６０】
このように、第１の実施形態に係る力センサ１は、シャフト１０１に対してシャフト１０１を回転させる力が加えられるスポーク１０２と、シャフト１０１との間に設けられることで、シャフト１０１に掛るトルクを検出することができる。なお、力センサ１は、任意の回転体と、回転体に対して回転力を印加する部材との間に設けられることで、任意の回転体に掛るトルクを検出することができる。
【００６１】
また、力センサ１は、可変フレーム３０の材質や、可変フレーム３０の天井部３２と支持部３１ａ，３１ｂとのなす内角を変更することで、トルクの検出感度や測定範囲を変更することができる。
【００６２】
次に、かかる点について、図１０、図１１Ａ、図１１Ｂ、図１２Ａ、および図１２Ｂを参照して説明する。ここでは、材質、および天井部３２と支持部３１ａ，３１ｂとのなす内角が異なる可変フレーム３０を用い、各可変フレーム３０が設けられた力センサ１によってトルクを検出する実験の結果を参照しながら説明する。
【００６３】
図１０は、第１の実施形態に係る力センサ１によるトルクの検出実験条件の一例を示す説明図であり、図１１Ａ〜図１２Ｂは、第１の実施形態に係る力センサ１によるトルクの検出実験結果の一例を示す説明図である。
【００６４】
トルクの検出実験では、図１０に示すように、（ａ）〜（ｄ）の４つの実験条件で力センサ１によるトルクの検出を行った。具体的には、実験条件（ａ）および（ｂ）では、ステンレス製の可変フレーム３０を用い、実験条件（ｃ）および（ｄ）では、銅製の可変フレーム３０を用いた。図１０に示すヤング率から分かるように、銅製の可変フレーム３０は、ステンレス製の可変フレーム３０よりも高い弾性を有する。
【００６５】
また、実験条件（ａ）では、可変フレーム３０の天井部３２と支持部３１ａとのなす内角を１０５°、可変フレーム３０の天井部３２と支持部３１ｂとのなす内角を１１０°とした。また、実験条件（ｂ）では、可変フレーム３０の天井部３２と支持部３１ａとのなす内角を１１５°、可変フレーム３０の天井部３２と支持部３１ｂとのなす内角を１２０°とした。
【００６６】
また、実験条件（ｃ）では、可変フレーム３０の天井部３２と支持部３１ａとのなす内角を１１１°、可変フレーム３０の天井部３２と支持部３１ｂとのなす内角を１１２°とした。また、実験条件（ｄ）では、可変フレーム３０の天井部３２と支持部３１ａとのなす内角を１１８°、可変フレーム３０の天井部３２と支持部３１ｂとのなす内角を１２２°とした。なお、ここでは、可変フレーム３０の天井部３２と支持部３１ａ、３１ｂとのなす内角が９０°よりも大きいことを前提とする。
【００６７】
そして、実験条件（ａ）および（ｂ）では、力センサ１へ−０．３［Ｎｍ］〜０．３［Ｎｍ］のトルクを掛けて検出させ、実験条件（ｃ）および（ｄ）では、力センサ１へ−０．２［Ｎｍ］〜０．２［Ｎｍ］のトルクを掛けて検出させた。
【００６８】
なお、力センサ１は、ハンドル１００に対して時計回り方向の力が加えられた場合に、正のトルクを検出し、ハンドル１００に対して反時計回り方向の力が加えられた場合に、負のトルクを検出する。
【００６９】
図１１Ａおよび図１１Ｂにおける丸点は、実験条件（ａ）での実験結果であり、三角点は、実験条件（ｂ）での実験結果である。また、図１２Ａおよび図１２Ｂにおける丸点は、実験条件（ｃ）での実験結果であり、三角点は、実験条件（ｄ）での実験結果である。なお、図１１Ａ〜図１２Ｂに示すグラフの横軸は、力センサ１へ加えるトルクであり、縦軸は、ミラー４０の傾きを示す値Ｓである。
【００７０】
図１１Ａ〜図１２Ｂに示すように、可変フレーム３０は、材質が同一の場合、天井部３２と支持部３１ａ，３１ｂとのなす内角が大きいほど、加えられるトルクの変化量に対する天井部３２の傾斜角の変化量が大きい。つまり、力センサ１は、可変フレーム３０の材質が同一の場合、天井部３２と支持部３１ａ，３１ｂとの内角が大きいほど、トルクの検出感度が高くなる。
【００７１】
また、可変フレーム３０は、材質が同一の場合、天井部３２と支持部３１ａ，３１ｂとのなす内角が小さいほど、天井部３２の傾斜角度の範囲が大きくなる。つまり、力センサ１は、材質が同一の場合、天井部３２と支持部３１ａ，３１ｂとのなす内角が小さいほど、トルクの測定範囲が大きくなる。
【００７２】
また、可変フレーム３０は、材質が異なる場合、弾性が高い材質であるほど、同じ大きさのトルクを掛けた際に天井部３２が大きく傾斜する。つまり、力センサ１は、材質が異なる場合、弾性が高い材質であるほど、トルクの検出感度が高くなる。
【００７３】
このように、第１の実施形態に係る力センサ１は、可変フレーム３０の材質や、可変フレーム３０の天井部３２と支持部３１ａ，３１ｂとのなす内角を変更することで、トルクの検出感度や測定範囲を変更することができる。
【００７４】
また、力センサ１の感度を変更する方法は、これに限定されるものではない。図１３は、第１の実施形態に係る力センサ１を高感度化する可変フレーム３０ａの模式側面図である。図１３に示すように、可変フレーム３０ａは、天井部３２と支持部３１ａ，３１ｂとの接合部に、他の部位よりも肉薄な肉薄部３１ｃ，３１ｄを備える。
【００７５】
かかる可変フレーム３０ａによれば、肉薄部３１ｃ，３１ｄの厚さが薄く形成されるほど、小さなトルクで天井部３２が傾斜する。つまり、可変フレーム３０ａを備える力センサ１は、可変フレーム３０ａにおける肉薄部３１ｃ，３１ｄの厚さが変更されることで感度が変更され、肉薄部３１ｃ，３１ｄの厚さが薄くなるほど、トルクの検出感度が高くなる。
【００７６】
なお、ここでは、可変フレーム３０の材質や形状を変更することで、力センサ１によるトルクの検出感度および測定範囲が変更可能な点について説明したが、可変フレーム３０の材質や形状を変更することで、せん断力の検出感度および測定範囲も変更可能である。
【００７７】
例えば、せん断力を検出する場合、力センサ１は、トルクを検出する場合とは逆に、天井部３２と支持部３１ａ，３１ｂとのなす内角が小さいほど、せん断力の検出感度が高くなる。また、力センサ１は、可変フレーム３０の材質として用いる材質の弾性が高いほど、せん断力の検知感度が高くなる。
【００７８】
なお、可変フレーム３１ａを備える力センサ１は、トルクを検出する場合と同様に、肉薄部３１ｃ，３１ｄの厚さが厚いほど、せん断力の検知感度が高くなる。
【００７９】
測定範囲については、せん断力を検出する場合も、トルクを検出する場合と同様に、力センサ１は、天井部３２と支持部３１ａ，３１ｂとのなす内角が小さいほど、測定範囲が大きくなる。
【００８０】
（第２の実施形態）
変位センサ２０は、発光部２１から照射される拡散レーザ光の出力をフィードバックするためのモニタ用光検出部をさらに備えてもよい。以下では、変位センサ２０がモニタ用光検出部を備える場合の例について図１４を参照して説明する。図１４は、第２の実施形態に係る力センサの模式側面図である。なお、以下の説明では、既に説明した部分と同様の部分については、既に説明した部分と同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００８１】
図１４に示すように、第２の実施形態に係る力センサ１Ａは、第１の実施形態に係る変位センサ２０に代えて、変位センサ２０Ａを備える。また、第２の実施形態に係る力センサ１Ａは、カバー体６０をさらに備える。
【００８２】
カバー体６０は、変位センサ２０Ａを密閉する箱状の透明部材である。かかるカバー体６０によって変位センサ２０Ａを密閉することにより、発光部２１からの拡散レーザ光を透過させつつ、変位センサ２０Ａの防湿性、気密性等を確保することができる。カバー体６０の天井部には、たとえば金箔などの反射部材６１が設けられる。
【００８３】
変位センサ２０Ａは、変位センサ２０が備える構成に加えて、モニタ用光検出部２３をさらに備える。モニタ用光検出部２３としては、たとえばフォトダイオードを用いることができる。モニタ用光検出部２３は、発光部２１の近傍に配置され、カバー体６０の反射部材６１によって反射された拡散レーザ光の強度を検出する。
【００８４】
このように、第２の実施形態に係る力センサ１Ａによれば、発光部２１から照射され反射部材６１によって反射された拡散レーザ光をモニタ用光検出部２３で検出することにより、拡散レーザ光の出力をフィードバックすることができる。これにより、拡散レーザ光の温度や寿命等による出力変化を監視することができる。
【００８５】
（第３の実施形態）
上述してきた各実施形態では、Ｘ軸方向に沿って配置された第１光検出部２２ｂ，２２ｄを用いて、Ｘ軸方向に沿って作用するせん断力を検出する場合の例について説明した。しかしながら、本願の開示する力センサは、上述した検出原理を適用し、第２光検出部２２ａ，２２ｃをさらに用いることで、Ｘ軸方向のみならずＹ軸方向に作用するせん断力を検出することも可能である。
【００８６】
かかる場合には、上述した可変フレーム３０に代えて、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の両方向に変形可能な可変フレームを用いればよい。そこで、以下では、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に変形可能な可変フレームの構成の一例について図１５を参照して説明する。図１５は、第３の実施形態に係る可変フレームの模式斜視図である。
【００８７】
図１５に示すように、第３の実施形態に係る可変フレーム７０は、Ｘ軸方向に自由度を有する第１フレーム８０と、Ｙ軸方向に自由度を有する第２フレーム９０とが上下に積層された構成を有する。
【００８８】
第１フレーム８０および第２フレーム９０の基本的な構成は、第１の実施形態および第２の実施形態に係る可変フレーム３０と同様である。すなわち、第１フレーム８０は、鉛直方向（Ｚ軸方向）に対して傾斜した第１脚部（以下、「支持部８１ａ，８１ｂ」と記載する）と、支持部８１ａ，８１ｂによって水平に支持された天井部８２とを備える。かかる天井部８２は、発光部２１の光軸上において発光部２１と対向するように支持部８１ａ，８１ｂによって支持される第１対向面８２ａを備える。
【００８９】
また、第２フレーム９０は、鉛直方向（Ｚ軸方向）に対して傾斜した第２脚部（以下、「支持部９１ａ，９１ｂ」と記載する）と、支持部９１ａ，９１ｂによって水平に支持された天井部９２とを備える。かかる天井部９２は、発光部２１の光軸上において発光部２１と対向するように支持部９１ａ，９１ｂによって支持される第２対向面９２ａを備える。
【００９０】
第１フレーム８０は、支持部８１ａ，８１ｂがＸ軸方向に沿って配置される。このため、第１フレーム８０は、Ｘ軸方向に力が加わった場合に、Ｘ軸方向に沿って変形する。また、第２フレーム９０は、支持部９１ａ，９１ｂがＹ軸方向に沿って配置されるため、Ｙ軸方向に力が加わった場合に、Ｙ軸方向に沿って変形する。
【００９１】
また、第１フレーム８０の天井部８２には、開口部８３が形成され、第２フレーム９０の天井部９２には、ミラー９３が設けられる。これにより、可変フレーム７０は、変位センサ２０，２０Ａの発光部２１から照射された拡散レーザ光を開口部８３を介してミラー９３へ入射させるとともに、ミラー９３からの反射光を変位センサ２０，２０Ａへ反射させることができる。
【００９２】
このように、可変フレーム７０では、ミラー９３が、第１フレーム８０および第２フレーム９０によって支持され、発光部２１の光軸上において発光部２１に対向配置されて拡散光を反射する。
【００９３】
そして、第１フレーム８０は、ミラー９３による拡散光の反射先を、Ｘ軸方向へ変位可能に変形する。また、第２フレーム９０は、ミラー９３による拡散光の反射先を、Ｙ軸方向へ変位可能に変形する。
【００９４】
かかる可変フレーム７０を備えることにより、力センサは、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の両方向についてせん断力を検出することが可能となる。すなわち、Ｘ軸方向に力が加わった場合には、可変フレーム７０の第１フレーム８０がミラー９３による拡散光の反射先を、Ｙ軸方向へ変位させるように変形するため、光検出部２２ｂ，２２ｄ（図２参照）によってＸ軸方向に作用するせん断力を検出することができる。
【００９５】
また、Ｙ軸方向に力が加わった場合には、可変フレーム７０の第２フレーム９０がミラー９３による拡散光の反射先を、Ｙ軸方向へ変位させるように変形するため、光検出部２２ａ，２２ｃ（図２参照）によってＹ軸方向に作用するせん断力を検出することができる。
【００９６】
なお、第３の実施形態では、第１フレーム８０の天井部８２によって第２フレーム９０を支持する可変フレーム７０を設けることで、直交する２方向のせん断力を検出可能としたが、直交する２方向のせん断力を検出可能な可変フレームは、これに限定されない。かかる点については、第４の実施形態において説明する。
【００９７】
（第４の実施形態）
図１６は、第４の実施形態に係る力センサ１Ｂの模式斜視図であり、図１７は、第４の実施形態に係る力センサ１Ｂの模式分解斜視図である。図１６に示すように、力センサ１Ｂは、第３の実施形態に記載の可変フレーム７０とは形状の異なる第１フレーム８と、第２フレーム９とを備える。
【００９８】
かかる力センサ１Ｂにおいても、第２フレーム９は、第１フレーム８に積層される。ただし、第３の実施形態では、第２フレーム９０が第１フレーム８０の天井部８２によって支持されていたのに対し、第４の実施形態では、第２フレーム９が第１フレーム８の天井部８４よりも力センサ１Ｂの設置面側で、第１フレーム８によって支持される。これにより、力センサ１Ｂは、Ｚ軸方向の厚さをさらに薄型化することができる。
【００９９】
具体的には、図１７に示すように、力センサ１Ｂは、変位センサ２０と、第１フレーム８と、第２フレーム９とを備える。変位センサ２０は、力センサ１Ｂの設置面１０３に設置される。なお、変位センサ２０は、第１の実施形態で説明したものと同一構成であるため、ここでは、第１の実施形態に記載した符号と同一の符号を付することにより、その説明を省略する。
【０１００】
第１フレーム８は、発光部２１の設置面１０３に固定される一対の第１脚部８６ａ，８６ｂと、発光部２１の光軸上において発光部２１と対向するように第１脚部８６ａ，８６ｂによって支持される第１対向面８４ａを有する天井部８４とを備える。
【０１０１】
第１脚部８６ａ，８６ｂは、第１対向面８４ａにおける第１方向（ここでは、Ｘ軸方向）の両側に設けられる。また、第１対向面８４ａには、発光部２１の光軸と交わる位置を含む領域に、開口部８５が設けられる。
【０１０２】
さらに、第１フレーム８は、第１対向面８４ａにおける第２方向（ここでは、Ｙ軸方向）の両側に設けられる一対の連結腕部８８ａ，８８ｂを備える。連結腕部８８ａ，８８ｂは、第１対向面８４ａから設置面１０３側へ向けて下り勾配となるように設けられる。
【０１０３】
かかる第１フレーム８は、第１脚部８６ａ，８６ｂの下端部８７ａ，８７ｂによって設置面１０３に固定される。設置面１０３に固定された場合、第１フレーム８の連結腕部８８ａ，８８ｂは、下端部８９ａ，８９ｂが設置面１０３から浮いた状態となる。
【０１０４】
第２フレーム９は、第１フレーム８に連結される一対の第２脚部９６ａ，９６ｂと、発光部２１の光軸上において第１対向面８４ａの開口部８５を介して発光部２１と対向するように第２脚部９６ａ，９６ｂによって支持される第２対向面９４ａとを備える。
【０１０５】
第２脚部９６ａ，９６ｂは、第２対向面９４ａにおける第２方向の両側に設けられ、下端部９７ａ，９７ｂが第１対向面８４ａよりも発光部２１の設置面１０３側で第１フレーム８の連結腕部８８ａ，８８ｂの下端部８９ａ，８９ｂに連結される。また、力センサ１Ｂの反射部となるミラー９５は、第２対向面９４ａにおける発光部２１の光軸と交わる位置を含む領域に設けられる。
【０１０６】
そして、力センサ１Ｂでは、第２フレーム９の天井部９４に第１方向のせん断力が加わる場合、第１フレームがミラー９５による拡散光の反射先を第１方向に変位させるように変形する。一方、第２フレーム９の天井部９４に第２方向のせん断力が加わる場合、力センサ１Ｂでは、第２フレーム９がミラー９５による拡散光の反射先を第２方向へ変位させるように変形する。次に、かかる力センサ１Ｂの動作について、図１８Ａ〜図１９Ｂを参照して説明する。
【０１０７】
図１８Ａ、図１８Ｂ、図１９Ａ、および図１９Ｂは、第４の実施形態に係る力センサ１Ｂの動作を示す模式側面図である。図１８Ａに示すように、Ｘ軸方向のせん断力が加わっていない場合、第１フレーム８の天井部８４および第２フレーム９の天井部９４は、設置面１０３に対して平行な姿勢を維持する。これにより、ミラー９５は、拡散光の反射光が第１光検出部２２ｂ，２２ｄの各受光領域と均等に一部重複するように拡散光を反射する。
【０１０８】
そして、第１フレーム８は、図１８Ｂに示すように、第２フレーム９の天井部９４に、例えば、Ｘ軸負方向のせん断力Ｆが加わると、ミラー９５による拡散光の反射先を、Ｘ軸負方向へ変位させるように変形する。
【０１０９】
具体的には、第２フレーム９の天井部９４に、Ｘ軸負方向のせん断力Ｆが加わると、第２フレーム９の天井部９４は、Ｘ軸負方向へ移動する。ここで、第２フレーム９は、第２脚部９６ａ，９６ｂの下端部９７ａ，９７ｂが、第１フレーム８の連結腕部８８ａ，８８ｂに連結されて第１フレーム８に固定されている。このとき、連結腕部８８ａ，８８ｂは、設置面１０３から浮いた状態である。
【０１１０】
このため、第１フレーム８の天井部８４は、第２フレーム９の天井部９４とともに、Ｘ軸負方向へ移動する。ここで、第１フレーム８の第１脚部８６ａ，８６ｂは、下端部８７ａ，８７ｂが設置面１０３に固定されている。したがって、第１フレーム８の天井部８４がＸ軸負方向へ移動すると、第１フレーム８の第１脚部８６ａ，８６ｂが、ともに長さを維持した状態で反時計方向へ傾動する。
【０１１１】
これに伴って第１対向面８４ａおよび第２対向面９４ａがＸ軸正方向へ向けて下り勾配となるように傾動するので、ミラー９５による拡散光の反射先がＸ軸負方向へ変位する。つまり、第１フレーム８では、直角以外の角度で連接される第１脚部８６ａ，８６ｂと第１対向面８４ａとの連接部８６ｃが、Ｘ軸負方向のせん断力によって、ミラー９５による拡散光の反射先をＸ軸負方向へ変位させるように変形する。
【０１１２】
その結果、各第１光検出部２２ｂ，２２ｄによって受光される拡散光の受光強度に差が生じるので、力センサ１Ｂは、かかる受光強度の差に基づき、第１の実施形態と同様の原理によってＸ軸方向に作用するせん断力を検出することができる。
【０１１３】
また、図１９Ａに示すように、Ｙ軸方向のせん断力が加わっていない場合、第１フレーム８の天井部８４および第２フレーム９の天井部９４は、設置面１０３に対して平行な姿勢を維持する。これにより、ミラー９５は、拡散光の反射光が第２光検出部２２ｃ，２２ａの各受光領域と均等に一部重複するように拡散光を反射する。
【０１１４】
そして、第２フレーム９は、図１９Ｂに示すように、第２フレーム９の天井部９４に、例えば、Ｙ軸負方向のせん断力Ｆが加わると、ミラー９５による拡散光の反射先を、Ｙ軸負方向へ変位させるように変形する。
【０１１５】
具体的には、第２フレーム９の天井部９４に、Ｙ軸負方向のせん断力Ｆが加わると、第２フレーム９の天井部９４は、Ｙ軸負方向へ移動する。ここで、第２フレーム９は、第２脚部９６ａ，９６ｂの下端部９７ａ，９７ｂが、第１フレーム８の連結腕部８８ａ，８８ｂに連結されて第１フレーム８に固定されている。そして、第１フレーム８は、第１脚部８６ａ，８６ｂの下端部８７ａ，８７ｂが設置面１０３に固定されている。
【０１１６】
このため、第２フレーム９の天井部９４は、Ｙ軸負方向へ移動するが、第１フレーム８の天井部８４は移動しない。したがって、第２フレーム９の天井部９４がＹ軸負方向へ移動すると、第２フレーム９の第２脚部９６ａ，９６ｂが、ともに長さを維持した状態で反時計方向へ傾動する。
【０１１７】
これに伴って第２対向面９４ａがＹ軸正方向へ向けて下り勾配となるように傾動するので、ミラー９５による拡散光の反射先がＹ軸負方向へ変位する。つまり、第２フレーム９では、直角以外の角度で連接される第２脚部９６ａ，９６ｂと第２対向面９４ａとの連接部９６ｃが、Ｙ軸負方向のせん断力Ｆによって、ミラー９５による拡散光の反射先をＹ軸負方向へ変位させるように変形する。
【０１１８】
その結果、各第２光検出部２２ｃ，２２ａによって受光される拡散光の受光強度に差が生じるので、力センサ１Ｂは、かかる受光強度の差に基づき、第１の実施形態と同様の原理によってＹ軸方向に作用するせん断力Ｆを検出することができる。このように、第４の実施形態に係る力センサ１Ｂによっても、直交する２方向のせん断力を検出することができる。
【０１１９】
しかも、力センサ１Ｂでは、第２フレーム９が第１フレーム８の天井部８４よりも力センサ１Ｂの設置面１０３側で、第１フレーム８によって支持される。これにより、力センサ１Ｂは、Ｚ軸方向の厚さをさらに薄型化することができる。
【０１２０】
さらに、力センサ１Ｂは、Ｚ軸方向の厚さがさらに薄型化されるので、低重心化が可能である。したがって、力センサ１Ｂは、例えば、傾斜した設置面に設けられる場合に、重力による第１フレーム８および第２フレーム９の変形を可及的に抑制することによって、高精度にせん断力を検出することができる。
【０１２１】
（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態に係る力センサ１Ｃについて、図２０を参照して説明する。図２０は、第５の実施形態に係る力センサ１Ｃの模式斜視図である。図２０に示すように、力センサ１Ｃは、変位センサ２０と、第１フレーム３０ｃとを備える。なお、変位センサ２０は、第１の実施形態で説明したものと同一構成であるため、ここでは、第１の実施形態に記載した符号と同一の符号を付することにより、その説明を省略する。
【０１２２】
第１フレーム３０ｃは、発光部２１の光軸上において発光部２１に対して対向配置される第１対向面１１０ａを有する天井部１１０を備える。第１対向面１１０ａには、反射部となるミラー１１１が設けられる。
【０１２３】
さらに、第１フレーム３０ｃは、第１対向面１１０ａを四方から支持するとともに、ミラー１１１による拡散光の反射先を第１方向（ここでは、Ｘ軸方向）、および、第２方向（ここでは、Ｙ軸方向）の両方向にのみ変位可能に変形する脚部１１２〜１１５を備える。
【０１２４】
脚部１１２，１１３は、第１対向面１１０ａにおける第１方向の両側に設けられ、各下端部１１２ａ、１１３ａが変位センサ２０の設置面に固定される。また、脚部１１４，１１５は、第１対向面１１０ａにおける第２方向の両側に設けられ、各下端部１１４ａ、１１５ａが変位センサ２０の設置面に固定される。
【０１２５】
このように、第５の実施形態に係る力センサ１Ｃは、変形可能な４本の脚部１１２〜１１５によって、ミラー１１１が設けられる第１対向面１１０ａを変位センサ２０と対向するように支持する第１フレーム３０ｃを備える。このように構成した力センサ１Ｃによっても、直交する２方向のせん断力を検出することができる。
【０１２６】
なお、力センサ１Ｃは、４本の各脚部１１２〜１１５の形状を変更することによって、せん断力の検出感度を高めることができる。図２１は、第５の実施形態に係る力センサ１Ｃの脚部の変形例を示す説明図である。なお、図２１には、４本の脚部のうちの１本を示している。
【０１２７】
図２１に示すように、変形例に係る力センサ１Ｃの脚部１１６は、第１フレーム３０ｃの天井部１１０から延伸する脚部本体１１６ａと、設置面に固定される下端部１１６ａとの間に、脚部本体１１６ａおよび下端部１１６ｂよりも幅狭な連結部１１６ｂを備える。
【０１２８】
このように、脚部本体１１６ａと下端部１１６ｂとの間に、脚部本体１１６ａおよび下端部１１６ｂよりも幅狭な連結部１１６ｃを設けることにより、天井部１１０により小さなせん断力が加わる場合であっても、連結部１１６ｃが変形する。したがって、かかる脚部１１６を設けることにより、力センサ１Ｃによるせん断力の検出感度を、さらに高めることができる。
【０１２９】
（その他の実施形態）
上述してきた各実施形態では、可変フレームを側面視略台形状に形成することで、可変フレームにせん断力が印加された場合に可変フレームの天井部が傾斜して、拡散レーザ光の反射光の照射領域Ｒが変位するようにした（図４Ａ，図４Ｂ参照）。
【０１３０】
しかしながら、せん断力に応じて照射領域Ｒを変位させる方法は、上記の方法に限定されない。たとえば、ミラーの反射面を凹状または凸状に形成すれば、可変フレームを側面視略矩形状に形成した場合であっても、言い換えれば、可変フレームの天井部が傾斜しない構成であっても、照射領域Ｒを変位させることができる。すなわち、可変フレームを側面視略矩形状に形成した場合、可変フレームにせん断力が印加されても可変フレームの天井部は水平状態を保ったまま移動するため傾斜しないが、ミラーの位置が変化することにより拡散レーザ光の反射角度が変化するため、照射領域Ｒを変位させることができる。
【０１３１】
また、上述してきた各実施形態では、変位センサが発光部を備える場合の例、すなわち、変位センサと発光部とが一体的に構成される場合の例を示したが、変位センサと発光部とは、別構成であってもよい。
【０１３２】
また、上述してきた実施形態では、第１の実施形態に記載の力センサがトルクを検出可能である点について説明したが、第２〜第５の実施形態に記載の力センサについても同様である。つまり、第２〜第５の実施形態に記載の力センサは、任意の回転体と、回転体に対して回転力を印加する部材との間に設けられることで、任意の回転体に掛るトルクを検出することができる。
【０１３３】
また、上述した各実施形態に係る力センサは、例えば、ロボットに設けられる。図２２は、第１の実施形態に係る力センサを有するロボット示す説明図であり、図２３は、第１の実施形態に係る力センサを有するロボットのエンドエフェクタ部分を示す説明図である。
【０１３４】
図２２に示すように、第１の実施形態に係る力センサを有するロボット２００は、胴部２０１と、胴部２０１の方部から延伸する右腕部２０２および左腕部２０３と、右腕部２０２および左腕部２０３の各先端部に設けられるエンドエフェクタ２０４とを備える。右腕部２０２および左腕部２０３は、それぞれが６軸の自由度を有するロボットアームである。
【０１３５】
エンドエフェクタ２０４は、図２３に示すように、作業対象となるワークを把持する一対の把持爪２０５を有するロボットハンドである。そして、第１の実施形態に係る力センサ１は、一対の把持爪２０５の先端部分における互いに対向する面側、つまり、ワークを把持する際にワークと接触する把持面側に設けられる。
【０１３６】
また、力センサ１は、天井部３２（図１参照）が把持爪２０５における把持面と面一となり、天井部３２が把持面から露出するように把持爪２０５の内部に埋め込まれる。なお、力センサ１の天井部３２は、弾性を有するカバーによって被覆されてもよい。
【０１３７】
かかるロボット２００によれば、ワークの把持作業中に把持爪２０５に作用するせん断力を検出することができるので、検出されるせん断力をモニタしながら作業を行うことで、過度なせん断力によるワークの損傷を抑制することができる。
【０１３８】
なお、ここでは、右腕部２０２および左腕部２０３を備える双腕のロボット２００を例に挙げたが、力センサ１が設けられるロボットは、単腕のロボットであってもよい。また、エンドエフェクタ２０４の把持爪２０５の本数についても、２本に限定されるものではない。また、ロボット２００に設けられるセンサ１は、第１の実施形態に記載のものに限定されるものではなく、上述した各実施形態に記載のものであってもよい。
【０１３９】
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
【符号の説明】
【０１４０】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ  力センサ
１０  基台
２０，２０Ａ  変位センサ
２１  発光部
２２，２２ｂ，２２ｄ  （第１）光検出部
２２ａ，２２ｃ  （第２）光検出部
２３  モニタ用光検出部
３０  可変フレーム（第１フレーム）
３１ａ，３１ｂ  支持部
３１ｃ，３１ｄ  肉薄部
３２，８２，９２，８４，９４，１１０  天井部
３２ａ  対向面
３３  固定部
４０，９３，９５，１１１  ミラー（反射部）
５０  力伝達体
８１ａ，８１ｂ  支持部（第１脚部）
８２ａ，８４ａ，１１０ａ  第１対向面
８３，８５  開口部
８６ａ，８６ｂ  第１脚部
８８ａ，８８ｂ  連結腕部
９１ａ，９１ｂ  支持部（第２脚部）
９２ａ，９４ａ  第２対向面
９６ａ，９６ｂ  第２脚部
１００  ハンドル
１０１  シャフト
１０２  スポーク
１０３  設置面
２００  ロボット
２０４  エンドエフェクタ
２０５  把持爪
【図１】
2014045685.tif 000003
【図２】
2014045685.tif 000004
【図３Ａ】
2014045685.tif 000005
【図３Ｂ】
2014045685.tif 000006
【図４Ａ】
2014045685.tif 000007
【図４Ｂ】
2014045685.tif 000008
【図５Ａ】
2014045685.tif 000009
【図５Ｂ】
2014045685.tif 000010
【図６】
2014045685.tif 000011
【図７】
2014045685.tif 000012
【図８】
2014045685.tif 000013
【図９Ａ】
2014045685.tif 000014
【図９Ｂ】
2014045685.tif 000015
【図１０】
2014045685.tif 000016
【図１１Ａ】
2014045685.tif 000017
【図１１Ｂ】
2014045685.tif 000018
【図１２Ａ】
2014045685.tif 000019
【図１２Ｂ】
2014045685.tif 000020
【図１３】
2014045685.tif 000021
【図１４】
2014045685.tif 000022
【図１５】
2014045685.tif 000023
【図１６】
2014045685.tif 000024
【図１７】
2014045685.tif 000025
【図１８Ａ】
2014045685.tif 000026
【図１８Ｂ】
2014045685.tif 000027
【図１９Ａ】
2014045685.tif 000028
【図１９Ｂ】
2014045685.tif 000029
【図２０】
2014045685.tif 000030
【図２１】
2014045685.tif 000031
【図２２】
2014045685.tif 000032
【図２３】
2014045685.tif 000033
【手続補正書】
【提出日】平成27年11月2日(2015.11.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
拡散光を照射する発光部と、
第１方向において前記発光部を挟んで配置される一対の第１光検出部と、
前記第１方向と直交する第２方向において前記発光部を挟んで配置される一対の第２光検出部と、
前記発光部の光軸上において前記発光部に対して対向配置され、前記発光部から照射される拡散光を反射する反射部と、
前記反射部による前記拡散光の反射先を、前記第１方向へ変位可能に変形する第１フレームと、
前記反射部による前記拡散光の反射先を、前記第２方向へ変位可能に変形する第２フレームと
を備えることを特徴とする力センサ。
【請求項２】
前記第１フレームは、
前記発光部の設置面に固定される第１脚部と、
前記発光部の光軸上において前記発光部と対向するように該第１脚部によって支持される第１対向面と
を備え、
第１対向面には、
前記発光部の光軸と交わる位置を含む領域に開口部が設けられ、
前記第２フレームは、
前記第１フレームに連結される第２脚部と、
前記発光部の光軸上において前記第１対向面の前記開口部を介して前記発光部と対向するように該第２脚部によって支持される第２対向面と
を備え、
前記反射部は、
前記第２対向面における前記発光部の光軸と交わる位置を含む領域に設けられる
ことを特徴とする請求項１に記載の力センサ。
【請求項３】
前記第１フレームの前記第１脚部は、
前記第１対向面における前記第１方向の両側に設けられ、
前記第１フレームは、
前記第１対向面における前記第２方向の両側に設けられる連結腕部
をさらに備え、
前記第２フレームの前記第２脚部は、
前記第２対向面における前記第２方向の両側に設けられ、前記第１対向面よりも前記発光部の設置面側で前記第１フレームの前記連結腕部に連結される
ことを特徴とする請求項２に記載の力センサ。
【請求項４】
前記第１フレームは、
前記第１脚部と前記第１対向面とが直角以外の角度で連接される連接部を備え、
該連接部は、
前記反射部による前記拡散光の反射先を前記第１方向へ変位可能に変形する
ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の力センサ。
【請求項５】
前記第２フレームは、
前記第２脚部と前記第２対向面とが直角以外の角度で連接される連接部を備え、
該連接部は、
前記反射部による前記拡散光の反射先を前記第２方向へ変位可能に変形する
ことを特徴とする請求項２〜４のいずれか一つに記載の力センサ。
【請求項６】
前記第１フレームは、
前記発光部の光軸上において前記発光部に対して対向配置される第１対向面と、
前記第１対向面を四方から支持するとともに、前記反射部による前記拡散光の反射先を、前記第１方向および前記第２方向の両方向にのみ変位可能に変形する脚部と
を備え、
前記反射部は、
前記第１対向面に設けられる
ことを特徴とする請求項１に記載の力センサ。
【請求項７】
拡散光を照射する発光部と、
前記発光部を挟んで配置される一対の第１光検出部と、
前記発光部の光軸上において該発光部と対向する対向面を備えるとともに、前記発光部の設置面に固定され、前記一対の第１光検出部の配列方向に自由度を有する１自由度のフレームと、
前記フレームの対向面に設けられ、前記発光部から照射される拡散光を前記一対の第１光検出部側へ反射する反射部と
を備えることを特徴とする力センサ。
【請求項８】
拡散光を照射する発光部と、
第１方向において前記発光部を挟んで配置される一対の第１光検出部と、
前記第１方向と直交する第２方向において前記発光部を挟んで配置される一対の第２光検出部と、
前記発光部の光軸上において前記発光部に対して対向配置され、前記発光部から照射される拡散光を反射する反射部と、
前記発光部の光軸上において前記発光部に対して対向配置される対向面に前記反射部が設けられて前記発光部の設置面に固定されるとともに、前記反射部による前記拡散光の反射先を、前記第１方向へ変位可能に変形する第１フレームと
前記反射部による前記拡散光の反射先を、前記第２方向へ変位可能に変形する第２フレームと
を備えることを特徴とする力センサ。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１つに記載の力センサを有する
ことを特徴とするロボット。
【国際調査報告】
2014045685.tif 000034
2014045685.tif 000035
2014045685.tif 000036
2014045685.tif 000037