(57)【要約】【課題】変位検出方式の６軸力センサにおいて、軸方向の力成分及び軸周りのモーメント成分を、軸間の影響を排除して個々に正確に検出できるようにする。【解決手段】６軸力センサ１０は、第１端部１２と、第２端部１４と、中間部１６と、第１端部１２と中間部１６とを第１の３自由度で弾性的に連結する第１連結部１８と、第２端部１４と中間部１６とを第２の３自由度で弾性的に連結する第２連結部２０と、第１連結部１８の弾性変形を伴う第１端部１２と中間部１６との相対変位を検出する第１検出部２２と、第２連結部２０の弾性変形を伴う第２端部１４と中間部１６との相対変位を検出する第２検出部２４とを備える。中間部１６と第１連結部１８と第２連結部２０とは、第１端部１２又は第２端部１４に加わる力が、第１連結部１８と第２連結部２０との間で中間部１６を伝播せずに、第１連結部１８及び第２連結部２０の双方に加わるように配置される。【選択図】図１
2019100702.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１端部と、
第２端部と、
前記第１端部と前記第２端部との間の中間部と、
前記第１端部と前記中間部とを第１の３自由度で弾性的に連結する第１連結部と、
前記第２端部と前記中間部とを第２の３自由度で弾性的に連結する第２連結部と、
前記第１連結部の弾性変形を伴う前記第１端部と前記中間部との相対変位を検出する第１検出部であって、前記第１端部又は前記第２端部に加わる力の、第１軸の方向の第１力成分、該第１軸に直交する第２軸の方向の第２力成分、及び該第１軸と該第２軸との双方に直交する第３軸の周りの第３モーメント成分を取得するための第１検出値を、該相対変位に基づき出力する第１検出部と、
前記第２連結部の弾性変形を伴う前記第２端部と前記中間部との相対変位を検出する第２検出部であって、前記力の、前記第１軸の周りの第１モーメント成分、前記第２軸の周りの第２モーメント成分、及び前記第３軸の方向の第３力成分を取得するための第２検出値を、該相対変位に基づき出力する第２検出部とを具備し、
前記中間部と前記第１連結部と前記第２連結部とは、前記力が、前記第１連結部と前記第２連結部との間で前記中間部を伝播せずに、前記第１連結部及び前記第２連結部の双方に加わるように配置される、
６軸力センサ。
【請求項２】
前記第１検出値及び前記第２検出値を用いて、前記第１力成分、前記第２力成分、前記第３力成分、前記第１モーメント成分、前記第２モーメント成分、及び前記第３モーメント成分を演算する演算部をさらに具備する、請求項１に記載の６軸力センサ。
【請求項３】
前記第１端部は第１面を有し、前記中間部は該第１面に対向する第１中間面を有し、該第１面と該第１中間面との間に、静電容量を有する第１ギャップが形成され、前記第１検出部は、該第１ギャップにおける該静電容量の変化を検出することにより前記第１検出値を出力する、請求項１又は２に記載の６軸力センサ。
【請求項４】
前記第２端部は第２面を有し、前記中間部は該第２面に対向する第２中間面を有し、該第２面と該第２中間面との間に、静電容量を有する第２ギャップが形成され、前記第２検出部は、該第２ギャップにおける該静電容量の変化を検出することにより前記第２検出値を出力する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の６軸力センサ。
【請求項５】
前記第１連結部は、前記第１端部と前記中間部との間で前記第３軸に沿った方向へ延びる複数の第１弾性梁を備え、該複数の第１弾性梁の各々は、前記力を受けたときに、前記第１端部と前記中間部とが前記第１軸及び前記第２軸を含む仮想平面に沿った方向への移動又は前記第３軸に沿った中心軸線の周りの回転を相対的に生ずるように弾性変形する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の６軸力センサ。
【請求項６】
前記第２連結部は、前記第２端部と前記中間部との間で前記第１軸又は前記第２軸に沿った方向へ延びる複数の第２弾性梁を備え、該複数の第２弾性梁の各々は、前記力を受けたときに、前記第２端部と前記中間部とが前記第３軸に沿った方向への移動又は前記第１軸及び前記第２軸を含む仮想平面に沿った中心軸線の周りの回転を相対的に生ずるように弾性変形する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の６軸力センサ。
【請求項７】
前記中間部と前記第１連結部との間に配置される補助連結部をさらに備え、該補助連結部は、前記力による前記第２連結部の弾性変形に応じて弾性変形する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の６軸力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変位検出方式の６軸力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
変位検出方式の力センサは、センサ本体に力（荷重）が加わったときに、その力によって変形したセンサ本体の、変形に伴う変位量を検出し、検出した変位量に基づいて力を検出するものである。例えば特許文献１は、センサ本体の所定部位に形成した静電容量の変化から変位量を検出する力センサを開示する。この力センサは、外側箱状構造体と内側箱状構造体とを備え、外側箱状構造体の側面及び上面と内側箱状構造体の側面及び上面とをそれぞれ対向させて、全体に連通するギャップを形成し、ギャップの所定箇所に、それぞれが直交３軸座標系のいずれかの軸方向へ対向する複数組の電極を配置して、個々の対向電極の間に静電容量を形成している。外側箱状構造体が力（荷重）によって変形すると、それに応じてギャップの形状及び寸法が変化し、個々の対向電極間の静電容量が変化する。この静電容量の変化から、内側箱状構造体に対する外側箱状構造体の変位量を算出し、算出した変位量に基づき、外側箱状構造体に加わった力の各軸方向の力成分及び各軸周りのモーメント成分を検出できるように構成されている。
【０００３】
また特許文献２は、直交３軸座標系における各軸方向の力成分及び各軸周りのモーメント成分を検出する変位検出方式の６軸力センサにおいて、力成分及びモーメント成分を第１検出部と第２検出部とで３軸ずつ分担して検出する構成を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３０１７３１号公報
【特許文献２】特開２０１６−０７０８２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
変位検出方式の６軸力センサでは、軸方向の力成分及び軸周りのモーメント成分を、軸間の影響を排除して個々に正確に検出でき、以って、センサに加わる力の大きさ及び方向を高精度に検出できるようにすることが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の一態様は、第１端部と、第２端部と、第１端部と第２端部との間の中間部と、第１端部と中間部とを第１の３自由度で弾性的に連結する第１連結部と、第２端部と中間部とを第２の３自由度で弾性的に連結する第２連結部と、第１連結部の弾性変形を伴う第１端部と中間部との相対変位を検出する第１検出部であって、第１端部又は第２端部に加わる力の、第１軸の方向の第１力成分、第１軸に直交する第２軸の方向の第２力成分、及び第１軸と第２軸との双方に直交する第３軸の周りの第３モーメント成分を取得するための第１検出値を、相対変位に基づき出力する第１検出部と、第２連結部の弾性変形を伴う第２端部と中間部との相対変位を検出する第２検出部であって、上記力の、上記第１軸の周りの第１モーメント成分、上記第２軸の周りの第２モーメント成分、及び上記第３軸の方向の第３力成分を取得するための第２検出値を、相対変位に基づき出力する第２検出部とを具備し、中間部と第１連結部と第２連結部とは、上記力が、第１連結部と第２連結部との間で中間部を伝播せずに、第１連結部及び第２連結部の双方に加わるように配置される、６軸力センサである。
【発明の効果】
【０００７】
一態様に係る６軸力センサによれば、第１検出部と第２検出部とが、第１端部と中間部との第１の３自由度での相対変位に基づく第１検出値と、第２端部と中間部との第２の３自由度での相対変位に基づく第２検出値とを、それぞれに分担して出力できるから、６軸の力成分及びモーメント成分を取得するための第１検出値及び第２検出値の確度を向上できる。特に、第１端部又は第２端部に加わる力が第１連結部と第２連結部との間で中間部を伝播せずに第１連結部及び第２連結部の双方に加わる構成であるから、第１端部又は第２端部の変位が中間部に及ぼす荷重の影響が排除され、高精度の第１検出値及び第２検出値を出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】６軸力センサの構成を概念図的に示す正面図である。
【図２Ａ】６軸力センサの第１検出部の動作を示す図である。
【図２Ｂ】６軸力センサの第１検出部の動作を示す図である。
【図２Ｃ】６軸力センサの第１検出部の動作を示す図である。
【図３Ａ】６軸力センサの第２検出部の動作を示す図である。
【図３Ｂ】６軸力センサの第２検出部の動作を示す図である。
【図３Ｃ】６軸力センサの第２検出部の動作を示す図である。
【図４】第１の実施形態による６軸力センサの全体構成を示す斜視図である。
【図５】図４の線Ｖ−Ｖに沿って切り欠いた斜視図である。
【図６】第２の実施形態による６軸力センサの全体構成を示す斜視図である。
【図７Ａ】図６の線ＶＩＩａ−ＶＩＩａに沿って切り欠いた斜視図である。
【図７Ｂ】図６の線ＶＩＩｂ−ＶＩＩｂに沿った断面図である。
【図８】第３の実施形態による６軸力センサの全体構成を示す斜視図である。
【図９】図８の線ＩＸ−ＩＸに沿って切り欠いた斜視図である。
【図１０】図８の６軸力センサの動作を示す図である。
【図１１】第４の実施形態による６軸力センサの全体構成を示す斜視図である。
【図１２Ａ】図１１の線ＸＩＩａ−ＸＩＩａに沿って切り欠いた斜視図である。
【図１２Ｂ】図１１の線ＸＩＩｂ−ＸＩＩｂに沿って切り欠いた斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、添付図面を参照して本開示の実施の形態を説明する。全図面に渡り、対応する構成要素には共通の参照符号を付す。
【００１０】
図１は、本開示の６軸力センサ１０の構成を概念図的に示す。６軸力センサ１０は、第１端部１２と、第２端部１４と、第１端部１２と第２端部１４との間の中間部１６と、第１端部１２と中間部１６とを第１の３自由度で弾性的に連結する第１連結部１８と、第２端部１４と中間部１６とを第２の３自由度で弾性的に連結する第２連結部２０と、第１連結部１８の弾性変形を伴う第１端部１２と中間部１６との相対変位を検出する第１検出部２２と、第２連結部２０の弾性変形を伴う第２端部１４と中間部１６との相対変位を検出する第２検出部２４とを備える。
【００１１】
第１端部１２及び第２端部１４は、例えばロボットアーム等の機械や構造体（図示せず。以下、機械類。）に力センサ１０を取り付ける際に、当該機械類に直接又は間接に固定される基礎部分として構成できる。また、第１端部１２及び第２端部１４は、例えばロボットハンド等の、力センサ１０の検出対象となる力（荷重）を発生する物体（図示せず。以下、力発生体。）に取り付けられて、当該力を受ける力受け部分として構成できる。力センサ１０は、第１端部１２及び第２端部１４のいずれか一方を基礎部分とし、他方を力受け部分として使用することができる。
【００１２】
例えば、第１端部１２を基礎部分とし第２端部１４を力受け部分として用いる場合、力発生体から第２端部１４に加わった力（荷重）は、第２端部１４から第２連結部２０に加わって第２連結部２０を弾性変形させながら、第２端部１４を中間部１６に対し、第２の３自由度として定義される方向へ弾性的に変位させる。また、第２端部１４から第２連結部２０に加わった力（荷重）は、第２連結部２０から第１連結部１８に加わって第１連結部１８を弾性変形させながら、中間部１６を第１端部１２に対し、第１の３自由度として定義される方向へ弾性的に変位させる。このように、６軸力センサ１０では、中間部１６と第１連結部１８と第２連結部２０とは、第１端部１２又は第２端部１４に加わる力が、第１連結部１８と第２連結部２０との間で中間部１６を伝播せずに、第１連結部１８及び第２連結部２０の双方に加わるように配置される。
【００１３】
例えば図示のように、空間に直交３軸座標系（Ｘ−Ｙ−Ｚ）を定義する場合、第１端部１２と中間部１６とは、第１連結部１８の弾性変形の下で、第１軸（Ｘ軸）に沿った方向へ相対的に移動でき、第２軸（Ｙ軸）に沿った方向へ相対的に移動でき、第３軸（Ｚ軸）に沿った中心軸線の周りで相対的に回転できるように構成される。この場合、第１の３自由度は、第１軸（Ｘ軸）及び第２軸（Ｙ軸）の各々に沿った方向への移動並びに第３軸（Ｚ軸）に沿った中心軸線の周りの回転として定義される。第１端部１２と中間部１６とは、第１端部１２又は第２端部１４に加わる力に応じて、これら３方向のうちのいずれか１方向又は２方向以上の組合せ方向へ、相対的に変位できる。
【００１４】
同様に、空間に直交３軸座標系（Ｘ−Ｙ−Ｚ）を定義する場合、第２端部１４と中間部１６とは、第２連結部２０の弾性変形の下で、第１軸（Ｘ軸）に沿った中心軸線の周りで相対的に回転でき、第２軸（Ｙ軸）に沿った中心軸線の周りで相対的に回転でき、第３軸（Ｚ軸）に沿った方向へ相対的に移動できるように構成される。この場合、第２の３自由度は、第１軸（Ｘ軸）に沿った中心軸線及び第２軸（Ｙ軸）に沿った中心軸線の各々の周りの回転並びに第３軸（Ｚ軸）に沿った方向への移動として定義される。第２端部１４と中間部１６とは、第１端部１２又は第２端部１４に加わる力に応じて、これら３方向のうちのいずれか１方向又は２方向以上の組合せ方向へ、相対的に変位できる。
【００１５】
なお本開示において「……に沿う」とは、座標系のいずれかの軸で概略の方向性を表現するための用語であって、当該軸に対し、平行な形態、平行から僅かに逸れた（つまり略平行な）形態、及び例えば４５度以下で交差する形態を包含するものである。
【００１６】
第１検出部２２は、第１端部１２と中間部１６との上記した３方向の相対変位（つまり相対的変位量）を検出する。第１検出部２２は、検出した３方向の相対変位に基づき、第１端部１２又は第２端部１４に加わる力の、第１軸（図ではＸ軸）の方向の第１力成分、第１軸に直交する第２軸（図ではＹ軸）の方向の第２力成分、及び第１軸と第２軸との双方に直交する第３軸（図ではＺ軸）の周りの第３モーメント成分を取得するための第１検出値Ｄ１を出力する。
【００１７】
第２検出部２４は、第２端部１４と中間部１６との上記した３方向の相対変位（つまり相対的変位量）を検出する。第２検出部２４は、検出した３方向の相対変位に基づき、第１端部１２又は第２端部１４に加わる力の、第１軸（図ではＸ軸）の周りの第１モーメント成分、第１軸に直交する第２軸（図ではＹ軸）の周りの第２モーメント成分、及び第１軸と第２軸との双方に直交する第３軸（図ではＺ軸）の方向の第３力成分を取得するための第２検出値Ｄ２を出力する。
【００１８】
図２Ａ〜図２Ｃは、第１検出部２２の構成及び動作の一例を模式的に示す。図示の例では、第１端部１２は第１面２６を有し、中間部１６は第１面２６に対向する第１中間面２８を有し、第１面２６と第１中間面２８との間に、第１端部１２と中間部１６との相対変位に伴って寸法が変化する第１ギャップ３０が形成される。第１検出部２２は、第１ギャップ３０の寸法の変化を検出して第１検出値Ｄ１を出力する。例えば図２Ｃに示すように、第１検出部２２は、第１軸（Ｘ軸）に沿った方向への相対移動を検出するための２つの第１ギャップ３０（ｘ）と、第２軸（Ｙ軸）に沿った方向への相対移動を検出するための１つの第１ギャップ３０（ｙ）とを備えることができる（図２Ａ及び図２Ｂでは第１軸方向の第１ギャップ３０のみを示す）。
【００１９】
第１端部１２と中間部１６とが第１軸（Ｘ軸）に沿った方向へ相対的に移動すると、その移動距離に従って第１ギャップ３０（ｘ）の寸法が変化する（図２Ａ、図２Ｂ）。同様に、第１端部１２と中間部１６とが第２軸（Ｙ軸）に沿った方向へ相対的に移動すると、その移動距離に従って第１ギャップ３０（ｙ）の寸法が変化する（図示せず）。また、第１端部１２と中間部１６とが第３軸（Ｚ軸）に沿った中心軸線（図示の例では平面視で矩形状の第１端部１２の中心軸線１２ａ）の周りで相対的に回転すると、その回転角度に従って第１ギャップ３０（ｘ）、３０（ｙ）の寸法が変化する（図２Ｃ）。これら相対的な移動及び回転の間、第１端部１２と中間部１６とは変形せず、第１連結部１８のみが弾性変形する。
【００２０】
第１ギャップ３０は、それ自体の寸法変化を数量で表すための構成要素の一例として、静電容量を有することができる。この場合、第１検出部２２は、前述した３方向の相対変位を検出するために、互いに電気的に独立した３つ以上の静電容量形成部（つまり電極対）を第１ギャップ３０に有することができる。図２Ｃの例では、３つの第１ギャップ３０の各々が１つの静電容量形成部を有する。第１検出部２２は、個々の静電容量形成部における静電容量の変化を検出することにより第１検出値Ｄ１を出力する。
【００２１】
図３Ａ〜図３Ｃは、第２検出部２４の構成及び動作の一例を模式的に示す。図示の例では、第２端部１４は第２面３２を有し、中間部１６は第２面３２に対向する第２中間面３４を有し、第２面３２と第２中間面３４との間に、第２端部１４と中間部１６との相対変位に伴って寸法が変化する第２ギャップ３６が形成される。第２検出部２４は、第２ギャップ３６の寸法の変化を検出することにより第２検出値Ｄ２を出力する。
【００２２】
第２端部１４と中間部１６とが第３軸（Ｚ軸）に沿った方向へ相対的に移動すると、その移動距離に従って第２ギャップ３６の寸法が変化する（図３Ａ、図３Ｂ）。また、第２端部１４と中間部１６とが第２軸（Ｙ軸）に沿った中心軸線（図示の例では直方体形状の第２端部１４の矩形断面の中心軸線１４ａ）の周りで相対的に回転すると、その回転角度に従って第２ギャップ３６の寸法が変化する（図３Ｃ）。同様に、第２端部１４と中間部１６とが第１軸（Ｘ軸）に沿った中心軸線の周りで相対的に回転すると、その回転角度に従って第２ギャップ３６の寸法が変化する（図示せず）。これら相対的な移動及び回転の間、第２端部１４と中間部１６とは変形せず、第２連結部２０のみが弾性変形する。
【００２３】
第２ギャップ３６は、それ自体の寸法変化を数量で表すための構成要素の一例として、静電容量を有することができる。この場合、第２検出部２４は、前述した３方向の相対変位を検出するために、互いに電気的に独立した３つ以上の静電容量形成部（つまり電極対）を第２ギャップ３６に有することができる。第２検出部２４は、個々の静電容量形成部における静電容量の変化を検出することにより第２検出値Ｄ２を出力する。
【００２４】
６軸力センサ１０において、第１ギャップ３０及び第２ギャップ３６の寸法変化を数量で表すための構成要素（変位検出要素）は、静電容量に限定されない。例えば、第１ギャップ３０又は第２ギャップ３６における電磁パーミアンス、光量、空気流量等により、寸法変化を表すことができる。第１検出部２２は、互いに独立した３つ以上の検出要素形成部を有することができ、個々の検出要素形成部における変位検出要素の変化を検出することにより第１検出値Ｄ１を出力する。同様に第２検出部２４は、互いに独立した３つ以上の検出要素形成部を有することができ、個々の検出要素形成部における変位検出要素の変化を検出することにより第２検出値Ｄ２を出力する。
【００２５】
図４及び図５は、第１の実施形態による６軸力センサ４０を示す。以下、図１〜図５を参照して、本開示の６軸力センサ１０、４０の特徴的構成をさらに詳細に説明する。なお６軸力センサ４０は、前述した６軸力センサ１０の基本的な構成を同様に有するものであって、対応する構成要素にはその説明の繰り返しを避けるべく共通の参照符号を付す。また以下の説明では、６軸力センサ１０、４０に対し直交３軸座標系（Ｘ−Ｙ−Ｚ）を定義する一方で、理解を助けるために図面上での「上」、「下」等の方向性を示す語句を用いるが、これら語句は６軸力センサ１０、４０の使用時の方向性を限定するものではない。
【００２６】
６軸力センサ４０は、第１端部１２と、第２端部１４と、中間部１６と、第１連結部１８と、第２連結部２０と、第１検出部２２と、第２検出部２４とを備える。第１端部１２は、平面視で略正方形の平板形状を有する。第１端部１２は、第１軸（Ｘ軸）と第２軸（Ｙ軸）との成す仮想平面（ＸＹ平面）に沿って広がる平坦な上面１２ｂを有し、上面１２ｂの四隅に、第３軸（Ｚ軸）に沿った方向へ延びる柱状の第１弾性梁４２がそれぞれ上向きに突設される。第１連結部１８は、これら４本の第１弾性梁４２によって構成される。
【００２７】
中間部１６は、第１端部１２に対応する平面視で略正方形の平板形状を有する。中間部１６は、第１端部１２の上面１２ａに対向する平坦な下面１６ａを有し、下面１６ａの四隅に、第１連結部１８の４本の第１弾性梁４２がそれぞれの上端で固定される。第１端部１２及び中間部１６は、第１端部１２又は第２端部１４に力が加わったときに、当該力に抗して自己形状を保持し得る剛性を有する。
【００２８】
この実施形態では、第１連結部１８が弾性変形していない平衡状態で、略正方形の上面１２ａ及び下面１６ａの四辺に平行に第１軸（Ｘ軸）及び第２軸（Ｙ軸）を配置し、上面１２ａ及び下面１６ａの中心を通る軸線に平行に第３軸（Ｚ軸）を配置するように、直交座標系が定義される。なお第１端部１２及び中間部１６の形状は、図示の矩形平板状に限定されず、例えば円板状や他の多角形状とすることもできる。
【００２９】
４本の第１弾性梁４２の各々は、第３軸（Ｚ軸）に平行な方向の力によっては容易に変形（つまり伸縮）しない一方で、第１軸（Ｘ軸）に平行な方向の力、第２軸（Ｙ軸）に平行な方向の力、又は第３軸（Ｚ軸）の周りの回転方向の力によって、柱が傾くような撓みを弾性的に生ずるように構成される。第１端部１２又は第２端部１４に力が加わったときには、第１端部１２及び中間部１６が有する剛性により、専ら４本の第１弾性梁４２がこのような弾性的変形を呈する。第１弾性梁４２が上記力を受けて弾性変形することにより、第１端部１２と中間部１６とは、第１軸（Ｘ軸）及び第２軸（Ｙ軸）を含む仮想平面（ＸＹ平面）に沿った方向への移動又は第３軸（Ｚ軸）に沿った中心軸線の周りの回転を相対的に生ずる。
【００３０】
各第１弾性梁４２の形状は、図示の四角柱状でもよいし、円柱や他の多角柱状でもよい。また各第１弾性梁４２は、図示のように全体に一様な太さを有していてもよいし、或いは長手方向中央又は長手方向一端が細い又は太い形状や複数の曲面を組み合わせた形状であってもよい。４本の第１弾性梁４２は、図示のように互いに同じ長さを有してもよいし、或いは互いに異なる長さを有してもよい。４本の第１弾性梁４２の長さが同一の場合、第１端部１２の上面１２ｂと中間部１６の下面１６ａとは互いに平行に配置される。
【００３１】
第１弾性梁４２の位置は、第１端部１２の上面１２ａの四隅に限定されず、例えば上面１２ａの四辺に沿った位置に設けられてもよい。また、第１弾性梁４２の本数は４本に限定されず、３本や５本以上であってもよい。第１連結部１８は、第１端部１２と中間部１６との前述した３自由度の変位を可能にするものであればよく、その前提で所望位置に所望個数の第１弾性梁４２を設けることができる。
【００３２】
中間部１６は、下面１６ａの反対側の平坦な上面１６ｂを有し、上面１６ｂの四隅に、第３軸（Ｚ軸）に沿った方向へ延びる剛性柱４４がそれぞれ立設される。４本の剛性柱４４の各々は、４本の第１弾性梁４２の各々に対し第３軸（Ｚ軸）に沿った方向へ直線状に並ぶように配置される。
【００３３】
第２端部１４は、平面視で略正方形の直方体形状を有する。第２端部１４は、第１軸（Ｘ軸）と第３軸（Ｚ軸）との成す仮想平面（ＸＺ平面）及び第２軸（Ｙ軸）と第３軸（Ｚ軸）との成す仮想平面（ＹＺ平面）に沿って広がる４つの平坦な側面１４ａを有し、それら側面１４ａのそれぞれの略中央に、第１軸（Ｘ軸）又は第２軸（Ｙ軸）に沿った方向へ延びる棒状の第２弾性梁４６が横向きに突設される。第２連結部２０は、これら４本の第２弾性梁４６によって構成される。なお第２端部１４の形状は、図示の直方体形状に限定されず、例えば円板状や他の多角形状とすることもできる。
【００３４】
４本の第２弾性梁４６は、第２端部１４とは反対側のそれぞれの末端で剛性枠４８に接続される。剛性枠４８は、中間部１６に対応する平面視で略正方形の輪郭を有し、当該輪郭の四辺の中央に相当する部位に、第２弾性梁４６の末端が固定される。剛性枠４８はまた、その四隅で、４本の剛性柱４４の上端に固定される。剛性枠４８と剛性柱４４との固定は、例えば、中間部１６と第１弾性梁４２の固定と共に、両者に共通するボルト（図示せず）を用いていわゆる共締め式に行うことができる。また、剛性枠４８と第２弾性梁４６との間も図示しないボルトを用いて固定できる。第２端部１４、剛性柱４４及び剛性枠４８は、第１端部１２又は第２端部１４に力が加わったときに、当該力に抗して自己形状を保持し得る剛性を有する。なお剛性枠４８の輪郭形状は、図示の略正方形に限定されず、中間部１６の形状に合わせて例えば円板状や他の多角形状とすることもできる。
【００３５】
４本の第２弾性梁４６のうち、第１軸（Ｘ軸）に沿った方向へ延びる２本の第２弾性梁４６の各々は、第１軸（Ｘ軸）に平行な方向の力によっては容易に変形（つまり伸縮）しない一方で、第３軸（Ｚ軸）に平行な方向の力、第１軸（Ｘ軸）の周りの回転方向の力、又は第２軸（Ｙ軸）の周りの回転方向の力によって、梁が傾くような撓みを弾性的に生ずるように構成される。同様に、第２軸（Ｙ軸）に沿った方向へ延びる２本の第２弾性梁４６の各々は、第２軸（Ｙ軸）に平行な方向の力によっては容易に変形（つまり伸縮）しない一方で、第３軸（Ｚ軸）に平行な方向の力、第１軸（Ｘ軸）の周りの回転方向の力、又は第２軸（Ｙ軸）の周りの回転方向の力によって、梁が傾くような撓みを弾性的に生じる。第１端部１２又は第２端部１４に力が加わったときには、第２端部１４、剛性柱４４、剛性枠４８及び中間部１６が有する剛性により、専ら４本の第２弾性梁４６がこのような弾性的変形を呈する。第２弾性梁４６が上記力を受けて弾性変形することにより、第２端部１４と中間部１６とは、第３軸（Ｚ軸）に沿った方向への移動又は第１軸（Ｘ軸）及び第２軸（Ｙ軸）を含む仮想平面（ＸＹ平面）に沿った中心軸線の周りの回転を相対的に生ずる。
【００３６】
各第２弾性梁４６の形状は、図示の四角柱状でもよいし、円柱や他の多角柱状でもよい。また各第２弾性梁４６は、図示のように全体に一様な太さを有していてもよいし、或いは長手方向中央又は長手方向一端が細い又は太い形状や複数の曲面を組み合わせた形状であってもよい。４本の第２弾性梁４６は、図示のように互いに同じ長さを有してもよいし、或いは互いに異なる長さを有してもよい。また４本の第２弾性梁４６は、図示のように互いに直交する方向へ延びてもよいし、或いは互いに直角以外で交わる方向へ延びてもよい。
【００３７】
第２弾性梁４６の位置は、第２端部１４の各側面１４ａの略中央に限定されず、各側面１４ａの適当な位置に設けられてもよい。また、第２弾性梁４６の本数は４本に限定されず、３本や５本以上であってもよい。例えば、第２端部１４の４側面１４ａのうち３つの側面に第２弾性梁４６を設けてもよい。第２連結部２０は、第２端部１４と中間部１６との前述した３自由度の変位を可能にするものであればよく、その前提で所望位置に所望個数の第２弾性梁４６を設けることができる。
【００３８】
６軸力センサ４０では、上記した第１端部１２、第２端部１４、中間部１６、第１連結部１８（第１弾性梁４２）、剛性柱４４、第２連結部２０（第２弾性梁４６）及び剛性枠４８の構成により、第１端部１２又は第２端部１４に加わる力が、第１連結部１８と第２連結部２０との間で中間部１６を伝播せずに、第１連結部１８及び第２連結部２０の双方に加わるようになっている。例えば、第１端部１２を基礎部分とし第２端部１４を力受け部分として用いる場合、力発生体から第２端部１４に加わった力（荷重）は、第２端部１４から第２連結部２０に加わって、力の方向に応じて第２連結部２０を、前述した第２の３自由度の方向へ弾性変形させる。第２連結部２０に加わった力は、剛性枠４８及び剛性柱４４に伝わり、剛性枠４８及び剛性柱４４を変形させずに、かつ中間部１６を伝播せずに第１連結部１８に加わって、力の方向に応じて第１連結部１８を、前述した第１の３自由度の方向へ弾性変形させる。
【００３９】
６軸力センサ４０では、第１端部１２と中間部１６との間に、静電容量を有する第１ギャップ３０が形成される。第１検出部２２は、第１ギャップ３０における静電容量の変化を検出することにより、第１端部１２と中間部１６との相対変位を検出する。また６軸力センサ４０では、第２端部１４と中間部１６との間に、静電容量を有する第２ギャップ３６が形成される。第２検出部２４は、第２ギャップ３６における静電容量の変化を検出することにより、第２端部１４と中間部１６との相対変位を検出する。
【００４０】
６軸力センサ４０の第１検出部２２の構成を、図４及び図５と図２Ａ〜図２Ｃとを参照して説明する。第１端部１２には、上面１２ｂから第３軸（Ｚ軸）に沿った方向へ各々突出する３個の第１ブロック５０が設けられる。各第１ブロック５０は直方体形状を有し、上面１２ｂの所定位置に配置される。１つの第１ブロック５０は、第１軸（Ｘ軸）と第３軸（Ｚ軸）との成す仮想平面（ＸＺ平面）に沿って広がる第１面２６を有する。他の２つの第１ブロック５０は、第２軸（Ｙ軸）と第３軸（Ｚ軸）との成す仮想平面（ＹＺ平面）に沿って広がる第１面２６を有する。
【００４１】
中間部１６には、下面１６ａから第３軸（Ｚ軸）に沿った方向へ各々突出する３個の第１中間ブロック５２が設けられる。各第１中間ブロック５２は直方体形状を有し、各第１ブロック５０の位置に対応する下面１６ａの所定位置に配置される。１つの第１中間ブロック５２は、第１軸（Ｘ軸）と第３軸（Ｚ軸）との成す仮想平面（ＸＺ平面）に沿って広がる第１中間面２８を有する。他の２つの第１中間ブロック５２は、第２軸（Ｙ軸）と第３軸（Ｚ軸）との成す仮想平面（ＹＺ平面）に沿って広がる第１中間面２８を有する。
【００４２】
対応する位置で同じ仮想平面に沿って広がる第１面２６と第１中間面２８とは、第１連結部１８が弾性変形していない状態で、互いに略平行に対向して配置される。これら３組の互いに対向する第１面２６と第１中間面２８との間のそれぞれに、第１ギャップ３０が形成される。第１連結部１８が弾性変形していない状態で、３個の第１ギャップ３０は互いに同一の形状及び寸法を有することができる。
【００４３】
第１検出部２２は、３個の第１ギャップ３０に設けられる互いに電気的に独立した３個以上の静電容量形成部を有する。各静電容量形成部は、１つの第１ブロック５０の第１面２６に形成される電極５４（図２Ｃ）と、対向する１つの第１中間ブロック５２の第１中間面２８に形成される電極５６（図２Ｃ）とから構成される。第１ギャップ３０は、互いに対向する電極５４、５６（つまり電極対）の間を電気的に絶縁し、これら電極５４、５６により、第１ギャップ３０に所定の静電容量が形成される。
【００４４】
６軸力センサ４０において、第１端部１２と中間部１６とが第１軸（Ｘ軸）に沿った方向へ相対移動すると、第１軸（Ｘ軸）方向へ対向する第１面２６と第１中間面２８とが相互に接近又は離反する方向へ相対的に並進して、第１ギャップ３０を一様に縮小又は拡大する（図２Ａ及び図２Ｂ）。これにより、第１軸（Ｘ軸）方向へ対向する２組の電極５４、５６の間の静電容量が互いに同じ態様で変化する。第１検出部２２は、これら静電容量の同一態様の変化を検出し、第１端部１２と中間部１６との第１軸（Ｘ軸）に沿った方向への相対移動の検出値（第１検出値Ｄ１）として出力する。同様に、第１端部１２と中間部１６とが第２軸（Ｙ軸）に沿った方向へ相対移動すると、第２軸（Ｙ軸）方向へ対向する第１面２６と第１中間面２８とが相互に接近又は離反する方向へ相対的に並進して、第１ギャップ３０を一様に縮小又は拡大する（図示せず）。これにより、第２軸（Ｙ軸）方向へ対向する１組の電極５４、５６の間の静電容量が変化する。第１検出部２２は、この静電容量の変化を検出し、第１端部１２と中間部１６との第２軸（Ｙ軸）に沿った方向への相対移動の検出値（第１検出値Ｄ１）として出力する。
【００４５】
第１端部１２と中間部１６とが第３軸（Ｚ軸）に沿った中心軸線１２ａ（図２Ｃ）の周りで相対回転すると、第１軸（Ｘ軸）方向へ対向する第１面２６と第１中間面２８とが相対的に傾斜するとともに、第２軸（Ｙ軸）方向へ対向する第１面２６と第１中間面２８とが相対的に傾斜して、それぞれの第１ギャップ３０を、電極対の一端側で縮小し他端側で拡大する（図２Ｃ）。これにより、第１軸（Ｘ軸）方向へ対向する２組の電極５４、５６の間の静電容量が互いに同じ態様で変化する一方、第２軸（Ｙ軸）方向へ対向する１組の電極５４、５６の間の静電容量がＸ軸方向とは異なる態様で変化する。第１検出部２２は、これら静電容量の互いに異なる態様での変化を検出し、第１端部１２と中間部１６との第３軸（Ｚ軸）に沿った中心軸線１２ａの周りの相対回転の検出値（第１検出値Ｄ１）として出力する。
【００４６】
第１端部１２と中間部１６とが、第１軸（Ｘ軸）に沿った方向、第２軸（Ｙ軸）に沿った方向、及び第３軸（Ｚ軸）に沿った中心軸線周りの方向の、いずれか２つ以上の方向を合成した変位を生じたときにも、第１軸（Ｘ軸）方向へ対向する２組の電極５４、５６の間の静電容量の変化、及び第２軸（Ｙ軸）方向へ対向する１組の電極５４、５６の間の静電容量の変化に基づき、第１検出部２２は、第１端部１２と中間部１６との相対変位の、第１軸（Ｘ軸）に沿った方向への成分、第２軸（Ｙ軸）に沿った方向への成分、及び第３軸（Ｚ軸）に沿った中心軸線の周りの方向への成分を、第１検出値Ｄ１として出力することができる。
【００４７】
次に、６軸力センサ４０の第２検出部２４の構成を、図４及び図５と図３Ａ〜図３Ｃとを参照して説明する。第２端部１４は、中間部１６に対向する下面に、第１軸（Ｘ軸）と第２軸（Ｙ軸）との成す仮想平面（ＸＹ平面）に沿って広がる第２面３２を有する。中間部１６には、上面１６ｂから第３軸（Ｚ軸）に沿った方向へ突出する１個の第２ブロック５８が設けられる。第２ブロック５８は直方体形状を有し、第２端部１４の位置に対応する上面１６ｂの所定位置に配置される。第２ブロック５８は、第１軸（Ｘ軸）と第２軸（Ｙ軸）との成す仮想平面（ＸＹ平面）に沿って広がる第２中間面３４を有する。第２面３２と第２中間面３４とは、第２連結部２０が弾性変形していない状態で、互いに略平行に対向して配置される。互いに対向する第２中間面３４と第２面３２との間に、第２ギャップ３６が形成される。
【００４８】
第２検出部２４は、第２ギャップ３６に設けられる互いに電気的に独立した３個以上の静電容量形成部を有する。各静電容量形成部は、第２面３２に形成される電極６０（図３Ｃ）と第２中間面３４に形成される電極６２（図３Ｃ）とから構成される。第２ギャップ３６は、互いに対向する電極６０、６２（つまり電極対）の間を電気的に絶縁し、これら電極６０、６２により、第２ギャップ３６に所定の静電容量が形成される。なお図示しないが、この実施形態では、第２面３２には周方向へ互いに隣接する扇形輪郭の３個の電極６０が形成され、第２中間面３４には周方向へ互いに隣接する扇形輪郭の３個の電極６２が形成される。第３軸（Ｚ軸）方向へ互いに対向する３組の電極６０、６２は、第３軸方向に見てそれぞれの輪郭を見当合わせした位置に配置され、これら３組の電極６０、６２により、第２ギャップ３６に３個の静電容量が形成される。
【００４９】
６軸力センサ４０において、第２端部１４と中間部１６とが第３軸（Ｚ軸）に沿った方向へ相対移動すると、第３軸（Ｚ軸）方向へ対向する第２面３２と第２中間面３４とが相互に接近又は離反する方向へ相対的に並進して、第２ギャップ３６を一様に縮小又は拡大する（図３Ａ及び図３Ｂ）。これにより、第３軸（Ｚ軸）方向へ対向する３組の電極６０、６２の間の静電容量が互いに同じ態様で変化する。第２検出部２４は、これら静電容量の同一態様の変化を検出し、第２端部１４と中間部１６との第３軸（Ｚ軸）に沿った方向への相対移動の検出値（第２検出値Ｄ２）として出力する。
【００５０】
第２端部１４と中間部１６とが第２軸（Ｙ軸）に沿った中心軸線１４ａ（図３Ｃ）の周りで相対回転すると、第２面３２と第２中間面３４とが相対的に傾斜して、第２ギャップ３６を、電極対の一端側で縮小し他端側で拡大する（図３Ｃ）。これにより、第３軸（Ｚ軸）方向へ対向する３組の電極６０、６２の間の静電容量が互いに異なる態様で変化する。第２検出部２４は、これら静電容量の互いに異なる態様での変化を検出し、第２端部１４と中間部１６との第２軸（Ｙ軸）に沿った中心軸線１４ａの周りの相対回転の検出値（第２検出値Ｄ２）として出力する。同様に、第２端部１４と中間部１６とが第１軸（Ｘ軸）に沿った中心軸線（図示せず）の周りで相対回転すると、第２面３２と第２中間面３４とが相対的に傾斜して、第２ギャップ３６を、電極対の一端側で縮小し他端側で拡大する（図示せず）。これにより、第３軸（Ｚ軸）方向へ対向する３組の電極６０、６２の間の静電容量が互いに異なる態様で変化する。第２検出部２４は、これら静電容量の互いに異なる態様での変化を検出し、第２端部１４と中間部１６との第１軸（Ｘ軸）に沿った中心軸線の周りの相対回転の検出値（第２検出値Ｄ２）として出力する。
【００５１】
第２端部１４と中間部１６とが、第１軸（Ｘ軸）に沿った中心軸線周りの方向、第２軸（Ｙ軸）に沿った中心軸線周りの方向、及び第３軸（Ｚ軸）に沿った方向の、いずれか２つ以上の方向を合成した変位を生じたときにも、第３軸（Ｚ軸）方向へ対向する３組の電極６０、６２の間の静電容量の変化に基づき、第２検出部２４は、第２端部１４と中間部１６との相対変位の、第１軸（Ｘ軸）に沿った中心軸線周りの方向への成分、第２軸（Ｙ軸）に沿った中心軸線周りの方向への成分、及び第３軸（Ｚ軸）に沿った方向への成分を、第２検出値Ｄ２として出力することができる。
【００５２】
上記したように、６軸力センサ１０、４０は、第１端部１２と中間部１６とが第１連結部１８により第１の３自由度で互いに連結されるとともに、第２端部１４と中間部１６とが第２連結部２０により、第１の３自由度とは異なる第２の３自由度で互いに連結され、第１検出部２２が第１端部１２と中間部１６との第１の３自由度での相対変位を検出する一方で、第１検出部２２とは異なる第２検出部２４が第２端部１４と中間部１６との第２の３自由度での相対変位を検出するように構成されている。したがって、第１端部１２と第２端部１４との間の６自由度の相対変位を、第１検出部２２と第２検出部２４とで３自由度ずつ分担して検出できる。第１検出部２２と第２検出部２４とは、第１の３自由度での相対変位に基づく第１検出値Ｄ１と、第２の３自由度での相対変位に基づく第２検出値Ｄ２とを、それぞれに分担して出力できるから、３軸の力成分及び３軸のモーメント成分を取得するための第１検出値Ｄ１及び第２検出値Ｄ２の確度が向上する。
【００５３】
特に６軸力センサ１０、４０は、前述したように、第１端部１２又は第２端部１４に加わる力が、第１連結部１８と第２連結部２０との間で中間部１６を伝播せずに、第１連結部１８及び第２連結部２０の双方に加わるように構成されている。したがって、例えば第１端部１２を基礎部分とし第２端部１４を力受け部分として用いる場合に、力発生体から第２端部１４に加わった力（荷重）が、第２連結部２０を第２の３自由度（第１軸に沿った中心軸線周りの回転、第２軸に沿った中心軸線周りの回転、及び第３軸に沿った並進）の方向へ弾性変形させる間、この力の他方向への成分は、中間部１６を伝播せずに第１連結部１８に加わって、第１連結部１８を第１の３自由度（第１軸に沿った並進、第２軸に沿った並進、及び第３軸に沿った中心軸線周りの回転）の方向へ弾性変形させる。第２連結部２０に加わる力のうち第２連結部２０を変形させない成分（つまり第１の３自由度の方向の力成分及びモーメント成分）が中間部１６を伝播せずに第１連結部１８を変形させるから、仮に第２端部１４が中間部１６に対し変位する間に中間部１６の剛性を超えるような荷重が発生したとしても、その荷重による中間部１６の意図しない変形は防止される。その結果、第２端部１４と中間部１６との相対変位、及び第１端部１２と中間部１６との相対変位は、第２端部１４に加わる力の３自由度ずつ分担した力成分及びモーメント成分に正確に対応するものとなる。このように６軸力センサ１０、４０では、第１端部１２又は第２端部１４の変位が中間部１６に及ぼす荷重の影響が排除され、以って、高精度の第１検出値Ｄ１及び第２検出値Ｄ２が出力される。
【００５４】
図６〜図７Ｂは、第２の実施形態による６軸力センサ７０を示す。６軸力センサ７０は、中間部１６と第１連結部１８と第２連結部２０との構造的関係性を除いて、前述した６軸力センサ４０と同様の構成を有する。よって、対応する構成要素にはその説明の繰り返しを避けるべく共通の参照符号を付す。なお図６〜図７Ｂでは、第１検出部２２及び第２検出部２４の図示を省略する。
【００５５】
６軸力センサ７０は、第１端部１２と、第２端部１４と、中間部１６と、第１連結部１８と、第２連結部２０と、第１検出部２２（図４）と、第２検出部２４（図４）とを備える。第１端部１２は、平面視で略正方形の平板形状を有し、その上面１２ｂの四隅に、第１連結部１８を構成する柱状の第１弾性梁４２がそれぞれ上向きに突設される。それら第１弾性梁４２の各々は、その上端で、剛性枠４８の四隅に固定される。６軸力センサ７０では、前述した６軸力センサ４０の剛性柱４４が省略されている。
【００５６】
中間部１６は、第１端部１２よりも小さく第１端部１２に対応する平面視で略正方形の平板形状を有する。前述した６軸力センサ４０と異なり、中間部１６は、第１連結部１８の４本の第１弾性梁４２に直接には接続されない。その代わりに中間部１６は、個々の第１弾性梁４２の近傍で、例えばボルト７２を用いて剛性枠４８の四隅に固定される。
【００５７】
第２端部１４は、平面視で略正方形の直方体形状を有し、その４側面１４ａに、第２連結部２０を構成する棒状の第２弾性梁４６がそれぞれ横向きに突設される。それら第２弾性梁４６の各々は、第２端部１４とは反対側の末端で剛性枠４８に接続される。第１端部１２、第２端部１４、中間部１６及び剛性枠４８は、第１端部１２又は第２端部１４に力が加わったときに、当該力に抗して自己形状を保持し得る剛性を有する。
【００５８】
６軸力センサ７０では、６軸力センサ４０と同様に、第１端部１２又は第２端部１４に加わる力が、第１連結部１８と第２連結部２０との間で中間部１６を伝播せずに、第１連結部１８（第１弾性梁４２）及び第２連結部２０（第２弾性梁４６）の双方に加わるようになっている。例えば、第１端部１２を基礎部分とし第２端部１４を力受け部分として用いる場合、力発生体から第２端部１４に加わった力（荷重）は、第２端部１４から第２連結部２０に加わって、力の方向に応じて第２連結部２０を、第２の３自由度（第１軸（Ｘ軸）に沿った中心軸線周りの回転、第２軸（Ｙ軸）に沿った中心軸線周りの回転、及び第３軸（Ｚ軸）に沿った並進）の方向へ弾性変形させる。第２連結部２０に加わった力は、剛性枠４８に伝わり、剛性枠４８を変形させずに、かつ中間部１６を伝播せずに第１連結部１８に加わって、力の方向に応じて第１連結部１８を、第１の３自由度（第１軸（Ｘ軸）に沿った並進、第２軸（Ｙ軸）に沿った並進、及び第３軸（Ｚ軸）に沿った中心軸線周りの回転）の方向へ弾性変形させる。
【００５９】
６軸力センサ７０の第１検出部２２及び第２検出部２４は、図示しないが、前述した６軸力センサ４０の第１検出部２２及び第２検出部２４と同様の構成を有する。ただし６軸力センサ７０では、中間部１６の上面１６ｂに設けられる第２ブロック５８が省略され、第２端部１４の下面１４ｂと中間部１６の上面１６ｂとの間に第２ギャップ３６が形成される（図７Ｂ）。中間部１６と剛性枠４８との固定部（例えばボルト７２）には、中間部１６と剛性枠４８との間に介在するスペーサ７４（図７Ｂ）を設けることができる。第２ギャップ３６の寸法は、スペーサ７４によって調整できる。
【００６０】
６軸力センサ７０は、６軸力センサ１０、４０と同様に、第１検出部２２と第２検出部２４とが、第１の３自由度での相対変位に基づく第１検出値Ｄ１と、第２の３自由度での相対変位に基づく第２検出値Ｄ２とを、それぞれに分担して出力できるから、３軸の力成分及び３軸のモーメント成分を取得するための第１検出値Ｄ１及び第２検出値Ｄ２の確度を向上させることができる。また６軸力センサ７０では、６軸力センサ１０、４０と同様に、第１端部１２又は第２端部１４に加わる力が、第１連結部１８と第２連結部２０との間で中間部１６を伝播せずに、第１連結部１８及び第２連結部２０の双方に加わるように構成されているから、第１端部１２又は第２端部１４の変位が中間部１６に及ぼす荷重の影響が排除され、以って、高精度の第１検出値Ｄ１及び第２検出値Ｄ２が出力される。
【００６１】
図８〜図１０は、第３の実施形態による６軸力センサ８０を示す。６軸力センサ８０は、中間部１６と第１連結部１８と第２連結部２０との構造的関係性を除いて、前述した６軸力センサ４０、７０と同様の構成を有する。よって、対応する構成要素にはその説明の繰り返しを避けるべく共通の参照符号を付す。
【００６２】
６軸力センサ８０は、第１端部１２と、第２端部１４と、中間部１６と、第１連結部１８と、第２連結部２０と、第１検出部２２と、第２検出部２４とを備える。第１端部１２は、平面視で略正方形の平板形状を有し、その上面１２ｂの四隅に、第１連結部１８を構成する柱状の第１弾性梁４２がそれぞれ上向きに突設される。それら第１弾性梁４２の各々は、その上端で、剛性枠４８の四隅に固定される。６軸力センサ８０では、前述した６軸力センサ４０の剛性柱４４が省略されている。
【００６３】
中間部１６は、第１端部１２よりも小さく第１端部１２に対応する平面視で略正方形の平板形状を有する。前述した６軸力センサ４０と異なり、中間部１６は、第１連結部１８の４本の第１弾性梁４２に直接には接続されない。その代わりに中間部１６は、個々の第１弾性梁４２の近傍で、補助連結部８２を介して、剛性枠４８の四隅に連結される。
【００６４】
補助連結部８２は、中間部１６と第１連結部１８との間に配置され、第１端部１２又は第２端部１４に加わる力により第２連結部２０が弾性変形したときに、第２連結部２０の弾性変形に応じて弾性変形する。図示実施形態では、中間部１６の上面１６ｂの四隅に、第３軸（Ｚ軸）に沿った方向へ延びる柱状の第３弾性梁８４がそれぞれ上向きに突設され、これら第３弾性梁８４により補助連結部８２が構成される。各第３弾性梁８４はその上端で、剛性枠４８の四隅に、第１弾性梁４２から離れて固定される。
【００６５】
第２端部１４は、平面視で略正方形の直方体形状を有し、その４側面１４ａに、第２連結部２０を構成する棒状の第２弾性梁４６がそれぞれ横向きに突設される。それら第２弾性梁４６の各々は、第２端部１４とは反対側の末端で剛性枠４８に接続される。第１端部１２、第２端部１４、中間部１６及び剛性枠４８は、第１端部１２又は第２端部１４に力が加わったときに、当該力に抗して自己形状を保持し得る剛性を有する。
【００６６】
６軸力センサ８０では、６軸力センサ４０、７０と同様に、第１端部１２又は第２端部１４に加わる力が、第１連結部１８と第２連結部２０との間で中間部１６を伝播せずに、第１連結部１８（第１弾性梁４２）及び第２連結部２０（第２弾性梁４６）の双方に加わるようになっている。例えば、第１端部１２を基礎部分とし第２端部１４を力受け部分として用いる場合、力発生体から第２端部１４に加わった力（荷重）は、第２端部１４から第２連結部２０に加わって、力の方向に応じて第２連結部２０を、第２の３自由度（第１軸（Ｘ軸）に沿った中心軸線周りの回転、第２軸（Ｙ軸）に沿った中心軸線周りの回転、及び第３軸（Ｚ軸）に沿った並進）の方向へ弾性変形させる。第２連結部２０に加わった力は、剛性枠４８に伝わり、剛性枠４８を変形させずに、かつ中間部１６を伝播せずに第１連結部１８に加わって、力の方向に応じて第１連結部１８を、第１の３自由度（第１軸（Ｘ軸）に沿った並進、第２軸（Ｙ軸）に沿った並進、及び第３軸（Ｚ軸）に沿った中心軸線周りの回転）の方向へ弾性変形させる。
【００６７】
上記の例において、第２連結部２０に加わった力が剛性枠４８に伝わるときに、力の大きさによっては剛性枠４８が僅かに変形する場合がある。剛性枠４８に変形が生じると、剛性枠４８から中間部１６に荷重が掛かって中間部１６が意図しない変形を生じる恐れがある。中間部１６に変形が生じると、第１検出部２２の第１検出値Ｄ１及び第２検出部２４の第２検出値Ｄ２の確度が低下する懸念がある。６軸力センサ８０では、第２連結部２０の弾性変形に伴いそのような意図しない荷重が生じたときに、補助連結部８２（第３弾性梁８４）が当該荷重に応じて弾性変形し、剛性枠４８から中間部１６に荷重が掛かることを防止する（図１０）。
【００６８】
６軸力センサ８０の第１検出部２２及び第２検出部２４は、前述した６軸力センサ４０の第１検出部２２及び第２検出部２４と同様の構成を有する。要約すると、第１端部１２の上面１２ｂに設けられる３個の第１ブロック５０と、中間部１６の下面１６ａに設けられる３個の第１中間ブロック５２との間に、それぞれ第１ギャップ３０が形成される。第１検出部２２は、個々の第１ギャップ３０の寸法変化を静電容量等により検出することで、第１検出値Ｄ１を出力する。また、第２端部１４の下面１４ｂと、中間部１６の上面１６ｂに設けられる第２ブロック５８との間に、第２ギャップ３６が形成される。第２検出部２４は、第２ギャップ３６の寸法変化を静電容量等により検出することで、第２検出値Ｄ２を出力する。
【００６９】
６軸力センサ８０は、６軸力センサ１０、４０、７０と同様に、第１検出部２２と第２検出部２４とが、第１の３自由度での相対変位に基づく第１検出値Ｄ１と、第２の３自由度での相対変位に基づく第２検出値Ｄ２とを、それぞれに分担して出力できるから、３軸の力成分及び３軸のモーメント成分を取得するための第１検出値Ｄ１及び第２検出値Ｄ２の確度を向上させることができる。また６軸力センサ８０では、６軸力センサ１０、４０、７０と同様に、第１端部１２又は第２端部１４に加わる力が、第１連結部１８と第２連結部２０との間で中間部１６を伝播せずに、第１連結部１８及び第２連結部２０の双方に加わるように構成されているから、第１端部１２又は第２端部１４の変位が中間部１６に及ぼす荷重の影響が排除され、以って、高精度の第１検出値Ｄ１及び第２検出値Ｄ２が出力される。
【００７０】
図１１〜図１２Ｂは、第４の実施形態による６軸力センサ９０を示す。６軸力センサ９０は、中間部１６と第１連結部１８と第２連結部２０との構造的関係性を除いて、前述した６軸力センサ４０、７０、８０と同様の構成を有する。よって、対応する構成要素にはその説明の繰り返しを避けるべく共通の参照符号を付す。
【００７１】
６軸力センサ９０は、第１端部１２と、第２端部１４と、中間部１６と、第１連結部１８と、第２連結部２０と、第１検出部２２と、第２検出部２４とを備える。第１端部１２は、平面視で略正方形の平板形状を有し、その上面１２ｂの四隅に、第１連結部１８を構成する柱状の第１弾性梁４２がそれぞれ上向きに突設される。それら第１弾性梁４２の各々は、その上端で、剛性枠４８の四隅に固定される。６軸力センサ９０では、前述した６軸力センサ４０の剛性柱４４が省略されている。
【００７２】
中間部１６は、第１端部１２よりも小さく第１端部１２に対応する平面視で略正方形の平板形状を有する。前述した６軸力センサ４０と異なり、中間部１６は、第１連結部１８の４本の第１弾性梁４２に直接には接続されない。その代わりに中間部１６は、個々の第１弾性梁４２の近傍で、補助連結部９２を介して、剛性枠４８の四隅に連結される。
【００７３】
補助連結部９２は、中間部１６と第１連結部１８との間に配置され、第１端部１２又は第２端部１４に加わる力により第２連結部２０が弾性変形したときに、第２連結部２０の弾性変形に応じて弾性変形する。図示実施形態では、中間部１６の四隅に、第１軸（Ｘ軸）と第２軸（Ｙ軸）とを含む仮想平面（ＸＹ平面）に沿った方向へ蛇行して延びるバネ状の第４弾性梁９４がそれぞれ横向きに突設され、これら第４弾性梁９４により補助連結部９２が構成される。各第４弾性梁９４は、中間部１６とは反対側の末端で、剛性枠４８の四隅に、第１弾性梁４２から離れて固定される。
【００７４】
第２端部１４は、平面視で略正方形の直方体形状を有し、その４側面１４ａに、第２連結部２０を構成する棒状の第２弾性梁４６がそれぞれ横向きに突設される。それら第２弾性梁４６の各々は、第２端部１４とは反対側の末端で剛性枠４８に接続される。第１端部１２、第２端部１４、中間部１６及び剛性枠４８は、第１端部１２又は第２端部１４に力が加わったときに、当該力に抗して自己形状を保持し得る剛性を有する。
【００７５】
６軸力センサ９０では、６軸力センサ４０、７０、８０と同様に、第１端部１２又は第２端部１４に加わる力が、第１連結部１８と第２連結部２０との間で中間部１６を伝播せずに、第１連結部１８（第１弾性梁４２）及び第２連結部２０（第２弾性梁４６）の双方に加わるようになっている。例えば、第１端部１２を基礎部分とし第２端部１４を力受け部分として用いる場合、力発生体から第２端部１４に加わった力（荷重）は、第２端部１４から第２連結部２０に加わって、力の方向に応じて第２連結部２０を、第２の３自由度（第１軸（Ｘ軸）に沿った中心軸線周りの回転、第２軸（Ｙ軸）に沿った中心軸線周りの回転、及び第３軸（Ｚ軸）に沿った並進）の方向へ弾性変形させる。第２連結部２０に加わった力は、剛性枠４８に伝わり、剛性枠４８を変形させずに、かつ中間部１６を伝播せずに第１連結部１８に加わって、力の方向に応じて第１連結部１８を、第１の３自由度（第１軸（Ｘ軸）に沿った並進、第２軸（Ｙ軸）に沿った並進、及び第３軸（Ｚ軸）に沿った中心軸線周りの回転）の方向へ弾性変形させる。
【００７６】
上記の例において、第２連結部２０に加わった力が剛性枠４８に伝わるときに、力の大きさによっては剛性枠４８が僅かに変形する場合がある。剛性枠４８に変形が生じると、剛性枠４８から中間部１６に荷重が掛かって中間部１６が意図しない変形を生じる恐れがある。中間部１６に変形が生じると、第１検出部２２の第１検出値Ｄ１及び第２検出部２４の第２検出値Ｄ２の確度が低下する懸念がある。６軸力センサ９０では、第２連結部２０の弾性変形に伴いそのような意図しない荷重が生じたときに、６軸力センサ８０と同様に、補助連結部９２（第４弾性梁９４）が当該荷重に応じて弾性変形し、剛性枠４８から中間部１６に荷重が掛かることを防止する。
【００７７】
６軸力センサ９０の第１検出部２２及び第２検出部２４は、前述した６軸力センサ４０の第１検出部２２及び第２検出部２４と同様の構成を有する。要約すると、第１端部１２の上面１２ｂに設けられる３個の第１ブロック５０と、中間部１６の下面１６ａに設けられる３個の第１中間ブロック５２との間に、それぞれ第１ギャップ３０が形成される。第１検出部２２は、個々の第１ギャップ３０の寸法変化を静電容量等により検出することで、第１検出値Ｄ１を出力する。また、第２端部１４の下面１４ｂと、中間部１６の上面１６ｂとの間に、第２ギャップ３６が形成される。第２検出部２４は、第２ギャップ３６の寸法変化を静電容量等により検出することで、第２検出値Ｄ２を出力する。
【００７８】
６軸力センサ９０は、６軸力センサ１０、４０、７０、８０と同様に、第１検出部２２と第２検出部２４とが、第１の３自由度での相対変位に基づく第１検出値Ｄ１と、第２の３自由度での相対変位に基づく第２検出値Ｄ２とを、それぞれに分担して出力できるから、３軸の力成分及び３軸のモーメント成分を取得するための第１検出値Ｄ１及び第２検出値Ｄ２の確度を向上させることができる。また６軸力センサ９０では、６軸力センサ１０、４０、７０、８０と同様に、第１端部１２又は第２端部１４に加わる力が、第１連結部１８と第２連結部２０との間で中間部１６を伝播せずに、第１連結部１８及び第２連結部２０の双方に加わるように構成されているから、第１端部１２又は第２端部１４の変位が中間部１６に及ぼす荷重の影響が排除され、以って、高精度の第１検出値Ｄ１及び第２検出値Ｄ２が出力される。
【００７９】
６軸力センサ１０、４０、７０、８０、９０は、第１検出部２２による第１検出値Ｄ１及び第２検出部２４による第２検出値Ｄ２から、第１端部１２又は第２端部１４に加わる力の、前述した第１力成分、第２力成分、第３力成分、第１モーメント成分、第２モーメント成分及び第３モーメント成分を検出できるようにするものである。これら力成分及びモーメント成分の検出は、６軸力センサ１０、４０、７０、８０、９０とは別の演算装置によって実施できる。或いは図１に示すように、６軸力センサ１０、４０、７０、８０、９０はそれ自体に、第１検出部２２が検出した第１検出値Ｄ１及び第２検出部２４が検出した第２検出値Ｄ２を用いて、第１端部１２又は第２端部１４に加わる力の、第１力成分、第２力成分、第３力成分、第１モーメント成分、第２モーメント成分及び第３モーメント成分を演算する演算部１００を備えることができる。
【００８０】
第１検出値Ｄ１及び第２検出値Ｄ２から力成分やモーメント成分を求める演算は、例えば、検出値Ｄ１、Ｄ２と予め求めた変換係数行列とを行列演算する手法により実行できる。変換係数行列は、６軸力センサ１０、４０、７０、８０、９０に対して既知の荷重を様々な方向に加えて、当該荷重の力及びモーメントの６軸方向成分に対応する変位データを収集し、それら変位データから公知の数学的手法により求めることができる。変位の検出に静電容量を用いる場合、静電容量は第１ギャップ３０及び第２ギャップ３６の寸法に反比例するので、第１検出部２２及び第２検出部２４は、検出した静電容量の変化量の逆数から変位量を求めて第１検出値Ｄ１及び第２検出値Ｄ２として出力できる。或いは、公知の数学的手法を用いることで、第１検出部２２及び第２検出部２４が検出した静電容量の変化量の生データ（つまり静電容量の検出値）に基づき、例えば演算部６４が、直接的に力成分及びモーメント成分を求めることもできる。この場合、第１検出部２２及び第２検出部２４は、検出した静電容量の変化量を第１検出値Ｄ１及び第２検出値Ｄ２として出力することになる。
【００８１】
６軸力センサ１０、４０、７０、８０、９０においては、第１連結部１８が実現する第１の３自由度の方向及び第２連結部２０が実現する第２の３自由度の方向が、必ずしも直交座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に正確に対応するものではない。例えば、第１端部１２と中間部１６との相対変位を規定する第１の３自由度において、第１軸（Ｘ軸）に沿った移動方向と第２軸（Ｙ軸）に沿った移動方向とが直交しない場合はデータ演算においてクロストーク項が発生するが、例えば演算部１００は、それら移動方向の成す角度を用いて第１軸（Ｘ軸）に沿った変位量と第２軸（Ｙ軸）に沿った変位量とを互いに独立して検出することができる。また、第１軸（Ｘ軸）及び第２軸（Ｙ軸）を含む仮想平面（ＸＹ平面）に対して第３軸（Ｚ軸）に沿った中心軸線が直交しない場合、第１検出値Ｄ１と第２検出値Ｄ２とが互いに独立しなくなるが、例えば演算部１００は、仮想平面と中心軸線との成す角度を用いてそれら検出値Ｄ１、Ｄ２を補正することができる。
【００８２】
さらに、６軸力センサ８０、９０に関して説明したように、例えば剛性枠４８の変形により中間部１６に荷重が掛かるような場合、補助連結部８２、９２のような構造的対策に代えて、例えば演算部１００の演算により第１検出値Ｄ１及び第２検出値Ｄ２の確度を維持することもできる。この構成では、演算部１００は例えば、第１検出部２２が出力する第１検出値Ｄ１に対し、第２検出部２４が出力する第２検出値Ｄ２を用いて算出した補正値を適用して、補正後の第１検出値Ｄ１により力成分及びモーメント成分を算出することができる。この補正値を求める手法としては、例えば第２検出値Ｄ２をＡ／Ｄ変換した後にデジタル演算する手法を挙げることができる。
【符号の説明】
【００８３】
１０、４０、７０、８０、９０    ６軸力センサ
１２    第１端部
１４    第２端部
１６    中間部
１８    第１連結部
２０    第２連結部
２２    第１検出部
２４    第２検出部
２６    第１面
２８    第１中間面
３０    第１ギャップ
３２    第２面
３４    第２中間面
３６    第２ギャップ
４２    第１弾性梁
４６    第２弾性梁
８２、９２    補助連結部
１００    演算部
【図１】
2019100702.tif 000003
【図２Ａ】
2019100702.tif 000004
【図２Ｂ】
2019100702.tif 000005
【図２Ｃ】
2019100702.tif 000006
【図３Ａ】
2019100702.tif 000007
【図３Ｂ】
2019100702.tif 000008
【図３Ｃ】
2019100702.tif 000009
【図４】
2019100702.tif 000010
【図５】
2019100702.tif 000011
【図６】
2019100702.tif 000012
【図７Ａ】
2019100702.tif 000013
【図７Ｂ】
2019100702.tif 000014
【図８】
2019100702.tif 000015
【図９】
2019100702.tif 000016
【図１０】
2019100702.tif 000017
【図１１】
2019100702.tif 000018
【図１２Ａ】
2019100702.tif 000019
【図１２Ｂ】
2019100702.tif 000020