(57)【要約】【課題】力覚センサの検出精度を向上する。【解決手段】連結部は、テーブルの可動を受ける３自由度を有する軸受け６と、軸受け６の可動を受ける２自由度を有する軸受け７と、一端が軸受け６と接続され、他端が軸受け７と接続されたロッド４とを含んでいる。軸受け６および軸受け７は、ジャーナル１１と、ジャーナル１１を受けるレース１２と、ジャーナル１１とレース１２とを固定するように、ジャーナル１１とレース１２との間に挟まれた弾性体８とを有している。ジャーナル１１は球状の鋼球であり、レース１２は球状のジャーナル１１を包む形状をしている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースと、前記ベースに対して６自由度を有し、前記ベースと対向して配置されたテーブルと、前記テーブルと前記ベースとを連結する並列配置された６つの連結部とを備えた力覚センサであって、
前記連結部が、前記テーブルの可動を受ける３自由度を有する第１軸受けと、前記第１軸受けの可動を受ける２自由度を有する第２軸受けと、一端が前記第１軸受けと接続され、他端が前記第２軸受けと接続されたロッドと、一端が前記第２軸受けと接続され、他端が前記ベースと固定されたアームと、を含んで前記テーブルと前記ベースとを連結しており、
前記６つの連結部のアームのそれぞれが、前記ベースに対して一方向に変形するものとなっており、
前記第１軸受けまたは前記第２軸受けの少なくともいずれか一方が、ジャーナルと、前記ジャーナルを受けるレースと、前記ジャーナルと前記レースとを固定するように、前記ジャーナルと前記レースとの間に挟まれた弾性体とを有していることを特徴とする力覚センサ。
【請求項２】
前記ジャーナルは、球状をしており、
前記レースは、球状の前記ジャーナルを包む形状をしていることを特徴とする請求項１記載の力覚センサ。
【請求項３】
前記ロッドの端を前記ジャーナルとしていることを特徴とする請求項１記載の力覚センサ。
【請求項４】
前記ベースに設けられ、前記アームの変形を一方向で検出する検出素子を備えていることを特徴とする請求項１、２または３記載の力覚センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力覚センサ、特に、多自由度の軸受け（ジョイント）を備えた力覚センサに適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
所定の部材（例えば、テーブル）に作用する力（外力）を検出する装置として、例えば、閉リンク機構を備えた力覚センサがある。この閉リンク機構は、複数のリンクが軸受けで接続されたリンク機構であって、軸受けで連結されたリンクで閉ループを構成するものである。
【０００３】
例えば、特許第４３８９００１号（特許文献１）には、閉リンク機構を備えた力覚センサに関する技術が開示されている。この力覚センサは、ベースと、前記ベースに対して６自由度を有し、前記ベースと対向して配置されたテーブルと、前記テーブルと前記ベースとを連結する並列配置された６つの連結部とを備えているものである。この並列配置された６つの連結部（パラレルリンク）により、閉リンク機構が構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４３８９００１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図５は本発明者らが検討した閉リンク機構を備えた力覚センサ１０１を模式的に示す側面図であり、図６は本発明者らが検討した軸受け１０６、１０７を模式的に示す断面図である。なお、この力覚センサ１０１に関連する技術が、特許文献１にも開示されている。
【０００６】
図５に示すように、力覚センサ１０１は、ベース１０２と、ベース１０２に対して６自由度を有し、ベース１０２と対向して配置されたテーブル１０３と、テーブル１０３とベース１０２とを連結する並列配置された６つの連結部１１０とを備えている。各連結部１１０は、ロッド１０４、アーム１０５、および軸受け１０６、１０７を含んでテーブル１０３とベース１０２とを連結している。また、力覚センサ１０１は、それぞれのアーム１０５に設けられた検出素子１０９（例えば、歪センサ）と、ベース１０２に設けられた演算部を含む回路基板１１１とを備えている。
【０００７】
軸受け１０６は、テーブル１０３に設けられ、テーブル１０３の可動を受ける３自由度を有する。また、軸受け１０７は、ロッド１０４を介して軸受け１０６の可動を受ける２自由度を有する。アーム１０５は、一端に軸受け１０７が設けられ、他端で取付台１０２Ａを介してベース１０２と固定されている。ロッド１０４は、一端が軸受け１０６を介してテーブル１０３と接続され、他端が軸受け１０７を介してアーム１０５と接続されている。
【０００８】
軸受け１０６、１０７は、例えば、鋼球を球面で保持し、多自由度で可動できる球面軸受けを用いる。図６に示すような球面軸受けを用いた場合、軸受け１０６、１０７では、ロッド１０４の両端にジャーナル１１２としての鋼球が連結され、この鋼球を包み込むようにレース１１３（受け部）が設けられる。
【０００９】
このような球面軸受けでは、ジャーナル１１２とレース１１３との間の摺動抵抗を減らすために、それらの表面はフッ素樹脂等のコーティングが施されている。しかし、このような球面滑り軸受けを用いた場合、ロッド１０４からの力がジャーナル１１２に伝わると、ジャーナル１１２とレース１１３との摺動抵抗は増加し、力のロスが発生してしまう。また、ジャーナル１１２とレース１１３との間には内部すきま１１４が存在し、この内部すきま１１４によってテーブル１０３の位置が定まらないというガタを発生させてしまう。
【００１０】
また、ジャーナルとしての鋼球（太陽球）とレースの間に小さな鋼球（遊星球）を入れて摺動抵抗を抑えた球面軸受けとして、転がり球面軸受けがある。しかし、転がり球面軸受けは、鋼球同士が点接触であるため衝撃に弱く、転がるためには内部すきまを完全になくすことは出来ない。このため、軸受けとして転がり軸受けを用いた場合であっても、テーブル３の位置が定まらないというガタを発生させてしまう。
【００１１】
このような球面軸受けは、摺動抵抗を低減するように高性能とすればするほど部材などにより製造コストが高くなってしまう。また、性能を高めた軸受けであっても、摺動抵抗、内部すきまを完全に解消することはできない。また、力覚センサの小型化の要求に対して、転がり球面軸受けは、サイズにも限界がある。すなわち、力覚センサのコストダウン化・小型化の障害も発生してしまう。
【００１２】
なお、特許文献１に記載のような力覚センサにおいても、軸受けとして球面軸受け（球面滑り軸受け、転がり球面軸受け）を用いた場合には、前述のような問題が発生してしまうものと考えられる。
【００１３】
本発明の目的は、力覚センサの検出精度を向上することのできる技術を提供することにある。本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。一実施形態における力覚センサは、ベースと、前記ベースに対して６自由度を有し、前記ベースと対向して配置されたテーブルと、前記テーブルと前記ベースとを連結する並列配置された６つの連結部とを備えている。前記連結部が、前記テーブルの可動を受ける３自由度を有する第１軸受けと、前記第１軸受けの可動を受ける２自由度を有する第２軸受けと、一端が前記第１軸受けと接続され、他端が前記第２軸受けと接続されたロッドと、一端が前記第２軸受けと接続され、他端が前記ベースと固定されたアームと、を含んで前記テーブルと前記ベースとを連結している。ここで、前記６つの連結部のアームのそれぞれが、前記ベースに対して一方向に変形するものとなっている。また、前記第１軸受けまたは前記第２軸受けの少なくともいずれか一方が、ジャーナルと、前記ジャーナルを受けるレースと、前記ジャーナルと前記レースとを固定するように、前記ジャーナルと前記レースとの間に挟まれた弾性体とを有している。
【発明の効果】
【００１５】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、力覚センサの検出精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態における力覚センサを模式的に示す側面図である。
【図２】図１に示す力覚センサの上面図である。
【図３】図１に示す力覚センサの一部を省略した上面図である。
【図４】図１に示す力覚センサの要部の断面図である。
【図５】本発明者らが検討した力覚センサを模式的に示す側面図である。
【図６】本発明者らが検討した軸受けを模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
【００１８】
本実施形態における閉リンク機構を備えた力覚センサの構造について図面を参照して説明する。図１に力覚センサ１の側面を一部透視した状態で示す。また、図２に力覚センサ１の上面を示す。また、図３に一部（テーブル３など）を取り外した力覚センサ１の上面を示す。なお、図２では、図３との位置関係を明確にするために、軸受け７を透視した状態で示している。
【００１９】
力覚センサ１は、テーブル３に作用する力（負荷）の大きさと方向を、三次元空間の直交座標系（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）の３軸方向の力成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、その３軸回りのモーメント成分Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚの計６成分として、検出することができるものである。
【００２０】
このため、力覚センサ１は、ベース２と、ベース２に対して６自由度を有し、ベース２と対向して配置されたテーブル３と、テーブル３とベース２とを連結する並列配置された６つの連結部１０とを備えている。この６つの連結部１０によって、力覚センサ１では、閉リンク機構が構成される。また、力覚センサ１は、アーム５の変形を一方向で検出する検出素子９と、この検出値からテーブル３に作用する力の大きさと方向を計算する演算部を有する回路基板１１とを備えている。
【００２１】
また、力覚センサ１では、テーブル３の周方向に沿って連結部１０が６本設けられ、２本ずつで並設されており、２本の連結部１０がテーブル３（ベース２）の中心から１２０°間隔で並列配置されている。
【００２２】
各連結部１０は、一端が軸受け６と接続され、他端が軸受け７と接続されたロッド４と、一端が軸受け７と接続され、他端がベース２と固定されたアーム５と、を含んでテーブル３とベース２とを連結している。このため、各連結部１０は、テーブル３の可動を受ける３自由度を有する軸受け６と、軸受け６の可動を受ける２自由度を有する軸受け７を含んでいることとなる。
【００２３】
また、力覚センサ１では、１つのベース２に６つの連結部１０のアーム５が取付台２Ａを介して固定されている。このため、６つの連結部１０のアーム５のそれぞれが、ベース２に対して一方向に変形する。このアーム５の変形は、それに接続された軸受け７を介して検出素子９で検出される。力覚センサ１では、図１に示すように、軸受け７の下方に検出素子９を設けている。検出素子９としては、例えば、アーム５の変形を変位として捉える変位センサを用いることができる。
【００２４】
ここで、本実施形態における力覚センサ１の一特徴である軸受け６、７についてより詳細に説明する。図４に軸受け６、７の断面を模式的に示す。軸受け６および軸受け７は、ジャーナル１１と、ジャーナル１１を受けるレース１２と、ジャーナル１１とレース１２とを固定するように、ジャーナル１１とレース１２との間に挟まれた弾性体８とを有している。
【００２５】
図６を参照して説明したように、軸受け１０６、１０７では、ジャーナル１１２とレース１１３との間の摺動抵抗を減らすために、それらの表面にコーティングが施されたとしても摺動抵抗が存在してしまう。また、軸受け１０６、１０７では、完全に内部すきま１１４を無くすことはできないので、テーブル１０３の位置が定まらないというガタを発生させてしまう。
【００２６】
そこで、本実施形態では、特に、ガタの発生を防止するために、ジャーナル１１とレース１２との間に、例えばゴムなどの弾性体８を挟んでいる。これにより、ジャーナル１１とレース１２との間には内部すきまが形成されないため、ガタの発生を防止することができる。したがって、力覚センサ１の検出精度を向上することができる。
【００２７】
また、本実施形態では、弾性体８が有する特性（力が加わると形が変わり、力を除くと形が戻る特性）を用いている。これにより、力覚センサ１のテーブル３に力が加わったときに、弾性体８が変形して、テーブル３の可動を軸受け６、７が受けることができることとなる。このため、軸受け１０６、１０７で生じる摺動抵抗による影響を排除することができる。したがって、力覚センサ１の検出精度を向上することができる。
【００２８】
このように、軸受け６、７を構成するジャーナル１１とレース１２との間に弾性体８を設けることは、摺動抵抗を低減させ、また、内部すきまを低減して軸受けの高性能を図るという、従来の主流から外れるものである。しかしながら、本発明者らは、小型化された力覚センサでは、軸受け自体の可動が少ない範囲であることに着目し、その可動を弾性体８の弾性で受けるものとしている。また、例えば、図６で示した軸受け１０６、１０７のような内部すきま１１４を、軸受け６、７では排除している。
【００２９】
また、力の検出量は、各アーム５の変形量を検出素子９で検出して、回路基板１１の演算部で計算することによって求めることができる。このため、計算に含まれてしまう不明な要素を取り除くことが重要となってくる。そこで、本実施形態では、ジャーナル１１とレース１２とを固定するように弾性体８を、軸受け６、７に設けている。すなわち、弾性体８の弾性率という明確な要素であれば、力の検出の際に問題となることは無くなってくる。これにより、テーブル３に作用する力の検出精度を向上することができる。
【００３０】
なお、例えば、第１軸受けに弾性体８を有する軸受け６を用い、第２軸受けに弾性体を有しない軸受け１０７を用いた組み合わせであっても、力覚センサ１の検出精度を向上することができる。６方向の力を受けるテーブル３に対して、弾性体８を有する軸受け６を用いて、テーブル３のガタの発生を防止し、アーム５に対して、高性能の軸受け１０７を用いることができるからである。
【００３１】
また、本実施形態では、ジャーナル１１は球状の鋼球であり、レース１２は、球状のジャーナル１１を包む形状（球に沿った形状）をしている。すなわち、軸受け６、７は球面軸受けの構造となっている。このため、ジャーナル１１とレース１２との間に弾性体８を挟んだ場合、ジャーナル１１およびレース１２に均等に押すように力が働くこととなる。すなわち、弾性体８の弾性率が局所的に異なることを防止することができるので、テーブル３に作用する力の検出精度を向上することができる。
【００３２】
前述したように、ロッド４の端にジャーナル１１を設けている。このジャーナル１１は、弾性体８によって、レース１２と固定されている。このため、本実施形態ではジャーナル１１を球状としているが、ロッド４の端がレース１２と固定されていれば、ロッド４の端自体をジャーナルとみなすことができる。この場合、球状としてのジャーナル１１（鋼球）は無くて良いこととなる。また、ジャーナル１１の形状は、球状に限られないこととなる。
【００３３】
また、本実施形態では、軸受け６は、テーブル３に形成された穴に嵌め込まれるようにして、テーブル３と固定して接続されている。具体的には、軸受け６のレース１２が、テーブル３に一体成形されるように、テーブル３と固定して接続され、ジャーナル１１を受けている。
【００３４】
したがって、テーブル３と軸受け６のレース１２は、一体成型することもできる。この場合、テーブル３が、ジャーナル１１を受けるレースの機能を有することとなる。したがって、部品点数を減らすことができるので、力覚センサ１の製造コストを低減することができる。同様に、アーム５と軸受け７のレース１２とを一体成型することによっても、部品点数を減らすことができるので、力覚センサ１の製造コストを低減することができる。
【００３５】
以下では、本実施形態における力覚センサ１の他の特徴について説明する。
【００３６】
例えば、図５に示したように、アーム１０５の変形を一方向で検出する検出素子１０９として歪ゲージを用いることもできる。このように検出素子１０９として歪ゲージを用いた場合、歪ゲージはアーム１０５に直接固定する必要がある。このため、アーム１０５が、仮に、一方向による変形の他に、他方向によってそれよりも弱く変形した場合、その変形量も歪ゲージではノイズとして検出してしまうことが考えられる。この場合、力覚センサ１０１では、各アーム１０５自体に検出素子（歪センサ）が設けられることとなるので、精度が低下してしまう。
【００３７】
これに対して、本実施形態では、ベース２に検出素子９（変位センサ）を設けている。この場合は、１つのベース２を基準として６つのアーム５の変形を検出することができるので、仮に、一方向による変形の他に、他方向によってアーム５が変形したときであっても、その他の変形の検出量を排除する（フィルタリング）することができる。したがって、ベース２に検出素子９を設けることによって、力覚センサ１の検出精度を向上することができる。
【００３８】
また、本実施形態では、すべてのアーム５は、片持ち構造であって、同一平面内で取付台２Ａから外側へ広がるように設けられている。アーム５を同一平面内に設けることで、例えば図５で示した力覚センサ１０１よりも、力覚センサ１のｚ軸方向の薄型化を図ることができる。
【００３９】
また、本実施形態では、ベース２はカップ状に形成されており、その内部の中央で突起するように取付部２Ａが形成されている。アーム５は取付台２Ａを介してベース２と一体成形となるように固定されている。また、そのカップの縁とテーブル３との間にギャップが形成されているが、ロッド４やアーム５を有する連結部１０はカップ状のベース２内に設けられている。このように、連結部１０をカップ内に配置することで、連結部１０を保護することができる。したがって、精度の高い力覚センサ１の信頼性を向上することができる。
【００４０】
また、本実施形態では、図１で示すように、検出素子９を軸受け７の下方に設けた場合について説明したが、ベース２をカップ状とすることで、検出素子９を軸受け７の側方となるカップの縁側に設けることもできる。これにより、力覚センサ１の厚さ方向に部材（ここでは、検出素子９）を設ける必要がなくなるので、力覚センサ１を薄型化することができる。
【００４１】
また、本実施形態では、カップ状のベース２の内部に、ベース２と固定して回路基板１１を設けている。この回路基板１１上に、例えば、変位センサなどの検出素子９が設けられている。言い換えると、検出素子９は回路基板１１を介してベース２に設けられている。６つの連結部１０のアーム５のそれぞれが、ベース２に対して一方向に変形するものとなっているため、アーム５の変形を一方向で検出する検出素子９を、ベース２に設けることができる。
【００４２】
このように構成される力覚センサ１において、ベース２、テーブル３、ロッド４のそれぞれの材質は、テーブル３へ加わる定格負荷に耐えられる剛体であり、またアーム５は弾性体である。ベース２、テーブル３、ロッド４は、例えば、腐食性、加工性に優れたステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）などの金属からなる剛体である。また、アーム５は、例えば、一般にばね材として用いられるリン青銅などの金属からなる弾性体である。なお、アーム５は、テーブル３への負荷が１０Ｎ以下の低負荷であれば、金属ではなく、樹脂（ポリアセタールなど）で構成することもできる。
【００４３】
アーム５とベース２の取付台２Ａとは、例えば、溶接で固定することができる。また、ベース２とアーム５とを一体成型して、それらを固定することもできる。この場合、剛体のベース２と弾性体のアーム５との一体成型は、ベース２の厚さに対してアーム５となる部分を薄くすれば、その部分が特定負荷内で弾性を持つことができるので、生産時の一体化によって形成することができる。したがって、部品点数を減らすことができるので、力覚センサ１の製造コストを低減することができる。
【００４４】
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではない。
【００４５】
例えば、前記実施形態では、テーブルが負荷を受ける場合を示すが、ベースが負荷を受ける場合でも同様に、物体に加えられた力（外力）を検出することができる。
【００４６】
また、例えば、前記実施形態では、力覚センサに用いた場合について説明したが、物体に加えられた力（外力）を検出する力覚センサに対して、物体の動きから生じる慣性力から検出する装置（運動センサ）にも用いることができる。
【００４７】
例えば、アームの変位または変形の少なくともいずれか一方を検出する検出素子として、アームに圧電素子や、ベースに静電容量素子、光素子（例えばレーザ）、磁気識別素子などを設けても良い。また、アームを水晶で作製し、固有振動の変化を捉えることもできる。このように、アームの変位または変形の少なくともいずれか一方の検出は、アームの歪、変化量などを例えば変換した電気信号から行うことができる。
【符号の説明】
【００４８】
１、１０１  力覚センサ
２、１０２  ベース
２Ａ、１０２Ａ  取付台
３、１０３  テーブル
４、１０４  ロッド
５、１０５  アーム
６、１０６  軸受け
７、１０７  軸受け
８  弾性体
９、１０９  検出素子
１０、１１０  連結部
１１、１１１  回路基板
１２、１１２  ジャーナル
１３、１１３  レース
１１４  内部すきま
【図１】
2011242155.tif 000003
【図２】
2011242155.tif 000004
【図３】
2011242155.tif 000005
【図４】
2011242155.tif 000006
【図５】
2011242155.tif 000007
【図６】
2011242155.tif 000008