(57)【要約】【課題】光学式力覚センサにより、受光面に対する面外方向の外力を高感度に検出する。【解決手段】光学式力覚センサは、弾性部材３を介して離間して配置されたベース部材１と変位部材２と、変位部材の外力による変位を検出する変位検出器５とを有する。変位検出器は、ベース部材に設けられた光源６と、変位部材に設けられた反射面４ａと、光源と反射面との間に配置され、反射面との間にギャップＧを有する透光部材９と、ベース部材に設けられた第１の受光素子７Ａ〜７Ｃとを含む。光源から出射して透光部材を透過し、反射面で反射して再び透光部材を透過した第１の光束２１と、光源から出射して透光部材におけるギャップ側の面で内面反射した第２の光束２２とが干渉縞を第１の受光素子上に形成する。変位検出器は、ベース部材と変位部材との離間方向である第１の方向における変位部材の変位に伴う干渉縞の強度分布の変化に応じた信号を出力する。【選択図】図２
2015197357.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに離間して配置されたベース部材および変位部材と、
前記ベース部材と前記変位部材との間に配置された弾性部材と、
前記ベース部材に対する前記変位部材の外力による変位を光学的に検出する変位検出器とを有する光学式力覚センサであって、
前記変位検出器は、
前記ベース部材および前記変位部材のうち一方の部材に設けられた光源と、他方の部材に設けられた反射面と、前記光源と前記反射面との間に配置され、前記反射面との間にギャップを有する透光部材と、前記一方の部材に設けられた第１の受光素子とを含み、
前記光源から出射して前記透光部材を透過し、前記反射面で反射して再び前記透光部材を透過した第１の光束と、前記光源から出射して前記透光部材における前記ギャップ側の面で内面反射した第２の光束との干渉縞を前記第１の受光素子上に形成させ、
前記第１の受光素子から、前記ベース部材と前記変位部材との離間方向である第１の方向における前記変位部材の変位に伴う前記干渉縞の強度分布の変化に応じた信号を出力することを特徴とする光学式力覚センサ。
【請求項２】
前記第１の受光素子からの出力を用いて、前記第１の方向での外力を演算する第１の演算器を有することを特徴とする請求項１に記載の光学式力覚センサ。
【請求項３】
前記変位検出器は、
前記一方の部材に設けられた回折格子と、前記他方の部材に設けられた第２の受光素子とを含み、
前記光源から出射して前記透光部材を透過し、前記回折格子で反射して再び前記透光部材を透過した第３の光束による光学像を前記第２の受光素子上に形成させ、
前記第２の受光素子から、前記第１の方向に直交して前記第２の受光素子の受光面に平行な第２の方向での前記変位部材に変位に伴う前記光学像の変位に応じた信号を出力することを特徴とする請求項１または２に記載の光学式力覚センサ。
【請求項４】
前記第２の受光素子は、前記第２の光束が前記透光部材における前記ギャップ側の面に臨界角よりも大きな角度で入射し、該ギャップ側の面で内面反射して前記第２の受光素子に入射する位置に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の光学式力覚センサ。
【請求項５】
前記第２の受光素子からの出力を用いて、前記第２の方向での外力を演算する第２の演算器を有することを特徴とする請求項３または４に記載の光学式力覚センサ。
【請求項６】
前記第２の演算器は、前記第１の受光素子からの出力を用いて、前記第２の受光素子からの出力を用いた演算結果を補正することを特徴とする請求項５に記載の光学式力覚センサ。
【請求項７】
前記光源は、電流狭窄型ＬＥＤであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の光学式力覚センサ。
【請求項８】
前記光源と前記第１の受光素子とが同一基板上に実装されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の光学式力覚センサ。
【請求項９】
前記第１の受光素子または前記第１および第２の受光素子が、２次元イメージセンサにより構成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の光学式力覚センサ。
【請求項１０】
動作可能な可動部と、
請求項１から９のいずれか一項に記載の光学式力覚センサと、
該光学式力覚センサを用いて前記可動部の動作を制御する制御部とを有することを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外力を検出するために用いられる光学式力覚センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
外力を検出するための力覚センサとして、特許文献１には、複数の受光素子を用いた光学式変位検出器を用いて得られた変位情報から外力を定量的に検出する光学式力覚センサが開示されている。この光学式力覚センサによれば、薄型でありながらも、受光素子の受光面に対する面外方向における変位を含む多軸変位を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２８１６３５公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１にて開示された力覚センサでは、上記面外方向での変位が大きくなるようにセンサの剛性を低くしない限り、該変位を検出する感度を十分に得ることが難しい。また、光源の光量変動の影響も受けやすい。
【０００５】
本発明は、薄型化が可能であるとともに、センサとしての剛性を低くしなくても、受光素子の受光面に対する面外方向の外力を高感度に検出可能な光学式力覚センサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面としての光学式力覚センサは、互いに離間して配置されたベース部材および変位部材と、該ベース部材と該変位部材との間に配置された弾性部材と、該ベース部材に対する変位部材の外力による変位を光学的に検出する変位検出器とを有する。変位検出器は、ベース部材および変位部材のうち一方の部材に設けられた光源と、他方の部材に設けられた反射面と、光源と反射面との間に配置され、反射面との間にギャップを有する透光部材と、該一方の部材に設けられた第１の受光素子とを含む。変位検出器は、光源から出射して透光部材を透過し、反射面で反射して再び前記透光部材を透過した第１の光束と、光源から出射して透光部材におけるギャップ側の面で内面反射した第２の光束との干渉縞を第１の受光素子上に形成させる。そして、変位検出器は、第１の受光素子から、ベース部材と変位部材との離間方向である第１の方向における変位部材の変位に伴う干渉縞の強度分布の変化に応じた信号を出力することを特徴とする。
【０００７】
また、本実施例の他の一側面としての装置は、動作可能な可動部と、上記光学式力覚センサと、該光学式力覚センサを用いて可動部の動作を制御する制御部とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、センサとしての剛性を低くしなくても、受光素子の受光面に対する面外方向である第１の方向の変位を高感度（つまりは高精度）に検出することが可能な小型かつ薄型の光学式力覚センサを実現することができる。そして、該力覚センサを用いることで、可動部の動作を高精度に制御可能な装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施例１である光学式力覚センサの構成を示す図。
【図２】実施例１の力覚センサにおけるセンサ部の側面断面図。
【図３】実施例１のセンサ部の平面断面図。
【図４】実施例１のセンサ部における受光素子アレイを示す図。
【図５】本発明の実施例２である光学式力覚センサのセンサ部の平面断面図。
【図６】本発明の実施例３である光学式力覚センサにおけるセンサ部の側面断面図。
【図７】実施例３のセンサ部の平面断面図。
【図８】実施例３のセンサ部の側面断面図。
【図９】本発明の実施例４である光学式力覚センサにおけるセンサ部の平面断面図。
【図１０】本発明の実施例５であるロボットアームの構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１には、本発明の実施例１である光学式力覚センサの構成を示している。該力覚センサは、センサ部１０１と、第１の演算器としての信号処理回路１０２とにより構成されている。センサ部１０１は、外力によってセンサ部１０１内の後述する変位部材に生じた変位を示す変位信号を信号処理回路１０２に出力する。信号処理回路１０２は、入力された変位信号から外力のベクトル量を演算し、その演算結果を力覚信号として出力する。
【００１２】
図２にはセンサ部１０１の側面断面を、図３にはセンサ部１０１の平面断面をそれぞれ示している。図２は、図３中のＩＩ−ＩＩ線での断面を示している。
【００１３】
センサ部１０１は、ベース部材１と、変位部材２と、弾性支持部材（弾性部材）３と、変位検出器５（検出器本体および反射部材４を含む）とにより構成されている。なお、図３には、センサ部１０１のうち、変位部材２と反射部材４とを除いてベース部材１、弾性支持部材３および変位検出器５の検出器本体を平面視した構成を示している。
【００１４】
それぞれ円板形状を有するベース部材１と変位部材２は、それらの円中心軸であるｚ軸が延びるｚ軸方向（離間方向としての第１の方向）に互いに離間して配置され、それらの間に配置された３つの円筒形状の弾性支持部材３により互いに連結されている。変位部材２は、該変位部材２に作用する外力に応じて、弾性支持部材３を弾性変形させながらベース部材１に対してｚ軸方向への垂直変位が可能である。また、変位部材２は、ベース部材１に対して、ｚ軸に直交するｘ軸やｙ軸に沿った方向（第２の方向）への平行変位や、ｘ軸周り方向およびｙ軸周り方向への回転変位や、ｚ軸周りでの回転変位も可能である。
【００１５】
弾性支持部材３の弾性は、検出すべき外力の大きさの範囲やセンサとして求められる剛性に対して適切に選択すればよい。具体的には、微小な外力を検出する場合には、その微小な外力でも変位部材２が変位するように弾性支持部材３の弾性を高く設定する。一方、大きな外力を検出する場合あるいはセンサとしての機械的な剛性を高める場合には、弾性支持部材３の弾性を低く設定する。
【００１６】
変位検出器５の検出器本体は、光源６と、３つの受光素子アレイ（第１の受光素子）７Ａ，７Ｂ，７Ｃと、透光性樹脂により形成された封止層８と、透光部材としてのカバーガラス９と、回路基板１０とにより構成されている。矩形（円形でもよい）の回路基板１０は、ベース部材１の円形の上面（平面）の中央部に固定されている。上述した３つの弾性支持部材３は、回路基板１０を含む変位検出器５の周囲における周方向１２０度間隔の３箇所に配置されている。回路基板１０上の中央には光源６が実装され、回路基板１０上のうち光源６の周囲部における周方向１２０度間隔の３箇所には、３つの受光素子アレイ７Ａ，７Ｂ，７Ｃがそれぞれ放射状に延びるように実装されている。光源６と受光素子アレイ７Ａ，７Ｂ，７Ｃは、回路基板１０の上面を覆うように形成された封止層８により覆われ、さらに封止層８の上面にはカバーガラス９が配置されている。
【００１７】
カバーガラス９の上方では、ガラス板により形成された反射部材４が変位部材２の下面に固定される。カバーガラス９の上面（後述するギャップ側の面）９ａと反射部材４の下面（反射面）４ａとの間には、約２０μｍの高さを有するギャップ（空気層）Ｇが設けられている。このように、ベース部材１に固定された回路基板１０上（同一基板上、かつ同一面であるｘｙ面上）に配置された光源６と受光素子アレイ７Ａ，７Ｂ，７Ｃが、カバーガラス９とギャップＧを挟んで、変位部材２とともに変位可能な反射部材４と対向するように配置される。
【００１８】
光源６は、点光源として好適な発光素子、例えば、電流狭窄型ＬＥＤにより構成されている。電流狭窄型ＬＥＤは、空間的コヒーレンスを有し、半導体レーザに比べて配光角を広くすることが可能であるため、発した光を複数の箇所で受光する場合に適している。この電流狭窄型ＬＥＤの配光分布は、ほぼランバート分布により近似される。また、電流狭窄型ＬＥＤの発光径（直径）は８０μｍ、中心波長は６５０ｎｍ、波長半値幅は１５ｎｍ程度である。なお、光源６として、電流狭窄型ＬＥＤ以外のＬＥＤや半導体レーザ等、カバーガラス９と反射部材４との間のギャップにより生じる光路長差で干渉可能な時間的コヒーレンスを有するものを用いることができる。
【００１９】
図２に示すように、光源６から出射した発散光束は、封止層８を透過してカバーガラス９に入射する。カバーガラス９に入射した光束のうちの一部の光束（以下、第１の光束という）２１は、カバーガラス９におけるギャップＧ側の面（ギャップＧとの界面）９ａで内面反射して受光素子アレイ７Ａ〜７ｃの側に折り返される。折り返された第１の光束２１は、カバーガラス９から出射し、封止層８を透過して受光素子アレイ７Ａ〜７ｃに入射する。一方、光源６からカバーガラス９に入射した光束のうち他の部分の光束（以下、第２の光束という）２２は、カバーガラス９を透過し、ギャップＧを通過して反射部材４の反射面４ａにて反射される。そして、反射面４ａにて反射した第２の光束２２は、再びカバーガラス９および封止層８を透過して受光素子アレイ７Ａ〜７Ｃに入射する。このとき、受光素子アレイ７Ａ〜７Ｃ上では、第１の光束２１と第２の光束２２とが干渉し合い、輪帯縞状の光量分布を有する干渉縞が形成される。受光素子アレイ７Ａ〜７Ｃは、この干渉縞の光量分布（強度分布）に応じた電気信号を出力する。
【００２０】
各受光素子アレイの受光面に対して垂直なｚ軸方向やｘ軸周りおよびｙ軸周りでの回転方向を、以下の説明では、受光面外方向という。受光素子アレイ７Ａ〜７Ｃから出力される信号は、ｚ軸方向での垂直変位およびｘ軸周りやｙ軸周りでの回転変位を含む変位部材２の受光面外方向の変位に伴う干渉縞の強度分布の変化に応じて変化する。このため、受光素子アレイ７Ａ〜７Ｃからの出力を用いることで、変位部材２の受光面外方向の変位を検出することができる。
【００２１】
図４には、３つの受光素子アレイ７Ａ，７Ｂ，７Ｃのうち１つの受光素子アレイにおける受光素子の配列を示している。受光素子アレイは、それぞれ同一幅を有する１６個の受光素子が等間隔に配置されて構成されている。１６個の受光素子は、Ａ＋，Ｂ＋，Ａ−，Ｂ−の４相のそれぞれに対応する４つの受光素子を含み、これらの４相の受光素子がこの順で循環的に一列に並べられている。Ａ＋，Ｂ＋，Ａ−，Ｂ−の４相の受光素子の幅は、上述した干渉縞の１周期に等しいかこれに近い。各相の４つの受光素子の出力は互いに加算される。４相のそれぞれにて加算された信号は、４相のアナログ電気信号Ｓ（Ａ＋），Ｓ（Ｂ＋），Ｓ（Ａ−），Ｓ（Ｂ−）として信号処理回路１０２に出力される。
信号処理回路１０２は、
Ｓ（Ａ）＝Ｓ（Ａ＋）−Ｓ（Ａ−）
Ｓ（Ｂ）＝Ｓ（Ｂ＋）−Ｓ（Ｂ−）
なる差動演算を行って、同相ノイズおよび直流成分が除去された２相信号Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）を生成する。
【００２２】
さらに、信号処理回路１０２は、２相信号Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）から、次式を用いて位相信号Φを演算する。
Φ＝ＡＴＡＮ２［Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）］
ただし、ＡＴＡＮ２［Ｙ，Ｘ］は、象限を判別して０〜２πの位相に変換する逆正接演算関数である。
【００２３】
このようにして演算される位相信号Φは、干渉縞の変位に相当するため、反射面４ａが設けられた変位部材２に波長オーダーの変位があると１周期分変化する。１周期分以上の変位を検出する場合には、２πと０の間の折り返しを考慮して変化量を累積するようにすれば、複数周期分の変位量でも検出が可能である。また、本実施例では第１および第２の光束２１，２２の２光束の干渉を利用するため、変位に対する感度が極めて高く、しかも出力される位相信号Φが理想的な正弦波に近く、変位に対する位相信号Φの変化のリニアリティが高い。
【００２４】
受光素子アレイ７Ａ，７Ｂ，７Ｃから得られた位相信号Φをそれぞれ、ΦＡ，ΦＢ，ΦＣとする。このとき、信号処理回路１０２は、変位部材２（反射面４ａ）のｚ軸方向の変位量Ｚ、ｘ軸周りの回転量θｘおよびｙ軸周り回転量θｙである受光面外方向の変位量を以下の式（１）に示す行列演算により取得する。
【００２５】
【数１】
2015197357.tif 000003
【００２６】
変位部材２に作用するｚ軸方向の力Ｆｚ、ｘ軸周りのモーメントＭｘおよびｙ軸周りのモーメントＭｙからなる受光面外３軸の外力はそれぞれ、ｚ軸方向の変位量Ｚ、ｘ軸周りの回転量θｘおよびｙ軸周りの回転量θｙとほぼ比例関係にある。このため、信号処理回路１０２は、変位量Ｚおよび回転量θｘ，θｙのそれぞれに所定の係数を乗算して変換を行うことで、上記受光面外３軸の外力の値を取得する。
【００２７】
以上説明したように、本実施例によれば、センサとしての剛性を低くしなくても、高感度で外力（変位）を高感度で検出可能な小型で薄型の光学式力覚センサを実現することができる。
【００２８】
なお、本実施例では、ベース部材１に変位検出器５の検出器本体（光源６、受光素子アレイ７Ａ〜７Ｃおよびカバーガラス９）を設け、変位部材２に反射部材４を設けた場合について説明した。しかし、ベース部材１に反射部材を設け、変位部材２の検出器本体を設けてもよい。すなわち、検出器本体をベース部材１と変位部材２のうちいずれか一方の部材に設け、反射部材４を他方の部材に設ければよい。このことは、後述する他の実施例でも同じである。
【実施例２】
【００２９】
図５には、本発明の実施例２である光学式力覚センサのセンサ部１０１Ａの構成（図３と同様の平面断面）を示している。本実施例では、弾性支持部材３および受光素子アレイ７Ａ〜７Ｄの数と配置を実施例１に対して変更している。本実施例において、実施例１と共通する構成要素には、実施例１と同符号を付す。
【００３０】
本実施例では、センサ部１０１Ａに４つの弾性支持部材３が設けられ、変位検出部５Ａに４つの受光素子アレイ７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄが設けられている。４つの弾性支持部材３は、ベース部材１と変位部材２との間であって回路基板１０Ａを含む変位検出器５Ａの周囲における周方向９０度間隔の４箇所に配置されている。また、回路基板１０Ａ上のうち光源６の周囲部における周方向９０度間隔の４箇所には、４つの受光素子アレイ７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄがそれぞれ放射状に延びるように実装されている。
【００３１】
各受光素子アレイにおける受光素子の配列および各受光素子アレイから得られる４相のアナログ電気信号Ｓ（Ａ＋），Ｓ（Ｂ＋），Ｓ（Ａ−），Ｓ（Ｂ−）は実施例１にて図４を用いて説明したものと同じである。さらに、これら４相のアナログ電気信号から信号処理回路１０２（図５には示さず）により演算される２相信号Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）および位相信号Φについても、実施例１にて説明したものと同じである。
【００３２】
本実施例では、４つの受光素子アレイ７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄから得られる位相信号ΦをそれぞれΦＡ，ΦＢ，ΦＣ，ΦＤとする。信号処理回路１０２は、以下の式（２）に示す行列演算により、変位部材２（反射面４ａ）のｚ軸方向の変位量Ｚ、ｘ軸周りの回転量θｘおよびｙ軸周りの回転量θｙである受光面外方向の変位量を取得する。
【００３３】
【数２】
2015197357.tif 000004
【００３４】
そして、信号処理部１０２は、実施例１と同様に、変位量Ｚおよび回転量θｘ，θｙのそれぞれに所定の係数を乗算して外力変換を行うことで、受光面外３軸の外力の値を取得する。
【００３５】
本実施例でも、センサとしての剛性を低くしなくても、高感度で外力（変位）を高感度で検出可能な小型で薄型の光学式力覚センサを実現することができる。しかも、本実施例では、２軸周りのモーメントをそれぞれ異なる受光素子で検出するようにしたので、良好な信号分離特性を得ることができる。
【実施例３】
【００３６】
図６には、本発明の実施例３である光学式力覚センサのセンサ部１０１Ｂの構成（側面断面）を示している。また、図７には、センサ部１０１Ｂの平面断面を示している。図６は、図７中のＶＩ−ＶＩ線での断面を示している。
【００３７】
本実施例では、実施例１において検出可能とした面外３軸の外力に、ｘ軸およびｙ軸に沿った第２の方向に相当する受光素子アレイの受光面の面内方向（以下、受光面内方向という）に作用する３軸外力を加えた６軸外力を検出可能としている。本実施例において、実施例１と共通する構成要素には、実施例１と同符号を付す。
【００３８】
本実施例において、センサ部１０１Ｂの変位検出器５Ｂは、検出器本体と、反射部材４と、反射型回折格子１２とにより構成されている。図７には、センサ部１０１Ｂのうち、変位部材２と反射部材４とを除いてベース部材１、弾性支持部材３および変位検出器５Ｂの検出器本体を平面視した構成を示している。
【００３９】
検出器本体は、光源６と、３つの受光素子アレイ（第１の受光素子）７Ａ，７Ｂ，７Ｃと、３つの受光素子アレイ（第２の受光素子）７Ｅ，７Ｆ，７Ｇと、封止層（透光性樹脂）８と、カバーガラス（透光部材）９と、回路基板１０Ｂとにより構成されている。６角形（円形でもよい）の回路基板１０Ｂは、ベース部材１の円形の上面（平面）の中央部に固定される。３つの弾性支持部材３は、回路基板１０Ｂを含む変位検出器５Ｂの周囲における周方向１２０度間隔の３箇所に配置される。
【００４０】
回路基板１０Ｂ上の中央には光源６が実装され、回路基板１０Ｂ上のうち光源６の周囲部の内周側の領域における周方向１２０度間隔の３箇所には、３つの受光素子アレイ７Ａ，７Ｂ，７Ｃがそれぞれ放射状に延びるように実装されている。さらに、該周囲部の外周側の領域（光源６に対して受光素子アレイ７Ａ，７Ｂ，７Ｃより遠い領域）における周方向１２０度間隔の３箇所には、３つの受光素子アレイ７Ｅ，７Ｆ，７Ｇがそれぞれ周方向に対する接線方向に延びるように実装されている。受光素子アレイ７Ｅ〜７Ｇが配置された３箇所は、受光素子アレイ７Ａ，７Ｂ，７Ｃが配置された３箇所に対して周方向に６０度ずれている。
【００４１】
光源６と受光素子アレイ７Ａ〜７Ｇは、回路基板１０Ｂの上面を覆うように形成された封止層８により覆われ、さらに封止層８の上面にはカバーガラス９が配置されている。
【００４２】
カバーガラス９の上方では、反射部材４が変位部材２の下面に固定される。カバーガラス９の上面（ギャップ側の面）９ａと反射部材４の下面である反射面４ａとの間には、約２０μｍの高さを有するギャップ（空気層）Ｇが設けられる。さらに、反射部材４の上面（反射面４ａとは反対側の裏面）には、反射型回折格子１２が設けられている。このように、ベース部材１に固定された回路基板１０Ｂ上（同一基板上、かつ同一ｘｙ面上）に配置された光源６と受光素子アレイ７Ａ〜７Ｇが、カバーガラス９とギャップＧを挟んで、変位部材２とともに変位可能な反射部材４と反射型回折格子１２と対向するように配置される。
【００４３】
図６に示すように、実施例１と同様に電流狭窄型ＬＥＤ等により構成された光源６から出射した発散光束は、封止層８を透過してカバーガラス９に入射する。カバーガラス９に入射した光束のうち第１の光束２１は、カバーガラス９におけるギャップＧ側の面９ａで内面反射して受光素子アレイ７Ａ〜７ｃの側に折り返される。折り返された第１の光束２１は、カバーガラス９から出射し、封止層８を透過して受光素子アレイ７Ａ〜７ｃに入射する。一方、光源６からカバーガラス９に入射した光束のうち第２の光束２２は、カバーガラス９を透過し、ギャップＧを通過して反射部材４の反射面４ａにて反射される。そして、反射面４ａにて反射した第２の光束２２は、再びカバーガラス９および封止層８を透過して受光素子アレイ７Ａ〜７Ｃに入射する。
【００４４】
実施例１でも説明したように、受光素子アレイ７Ａ〜７Ｃ上では、第１の光束２１と第２の光束２２とが干渉し合って干渉縞を形成する。受光素子アレイ７Ａ〜７Ｃは、この干渉縞の光量分布（強度分布）に応じた電気信号を出力する。そして、変位部材２の受光面外方向の変位に伴う干渉縞の強度分布の変化に応じて変化する受光素子アレイ７Ａ〜７Ｃからの出力を用いることで、変位部材２の受光面外方向の変位を検出することができる。
【００４５】
また、光源６からカバーガラス９に入射してこれを透過し、さらに反射部材４の反射面４ａを透過した光束（以下、第３の光束という）２３は、反射部材４の裏面に形成された反射型回折格子１２により反射される。反射型回折格子１２より反射された第３の光束２３は、反射部材４の反射面４ａから出射して再度カバーガラス９および封止層８を透過して受光素子アレイ７Ｅ〜７Ｇに入射する。この第３の光束２３は、受光素子アレイ７Ｅ〜７Ｇ上に、反射型回折格子１２を２倍に拡大した光学像である格子像を形成する。受光素子アレイ７Ｅ〜７Ｇは、この格子像の光量分布（強度分布）に応じた電気信号を出力する。
【００４６】
これら受光素子アレイ７Ｅ〜７Ｇから出力される信号は、ｘ軸方向およびｙ軸方向への平行変位およびｚ軸周りでの回転変位を含む変位部材２の受光面内方向での変位に伴う格子像の強度分布の変化に応じて変化する。このため、受光素子アレイ７Ｅ〜７Ｇからの出力を用いることで、変位部材２の受光面内方向での変位を検出することができる。
【００４７】
ここで、図６に示すように、受光素子アレイ７Ｅ〜７Ｇは、第２の光束２２Ａがカバーガラス９のギャップＧ側の面９ａに臨界角よりも大きな角度で入射し、外ギャップＧ側の面９ａで内面反射して受光素子アレイ７Ｅ〜７Ｇに入射する位置に配置されている。臨海角とは、それよりも大きい角度で入射した光が該面で全反射する入射角である。このため、受光素子アレイ７Ｅ〜７Ｇには、第１の光束２１が入射せず、第１および第２の光束２１，２２Ａによって干渉縞は形成されない。
【００４８】
受光素子アレイ７Ａ〜７Ｃ，７Ｅ〜７Ｇにおける受光素子の配列およびこれら受光素子アレイのそれぞれから得られる４相のアナログ電気信号Ｓ（Ａ＋），Ｓ（Ｂ＋），Ｓ（Ａ−），Ｓ（Ｂ−）は実施例１にて図４を用いて説明したものと同じである。さらに、これら４相のアナログ電気信号から、信号処理回路１０２（図６および図７には示さず）により演算される２相信号Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）および位相信号Φについても、実施例１にて説明したものと同じである。なお、本実施例における信号処理回路１０２は、第１の演算器および第２の演算器に相当する。また、反射型回折格子１２には、変位部材２の変位に対する位相信号の変化のリニアリティを高めるため、波形歪除去パターンを用いることが望ましい。
【００４９】
本実施例では、受光素子アレイ７Ａ，７Ｂ，７Ｃから得られた位相信号Φをそれぞれ、ΦＡ，ΦＢ，ΦＣとする。また、受光素子アレイ７Ｅ，７Ｆ，７Ｇから得られた位相信号Φをそれぞれ、ΦＥ，ΦＦ，ΦＧとする。そして、信号処理回路１０２は、次式（３）で示した行列演算により、変位部材２（反射面４ａ）のｚ軸方向の変位量Ｚ、ｘ軸周りの回転量θｘおよびｙ軸周り回転量θｙである受光面外方向の変位量を取得する。また、同式の行列演算により、変位部材２（反射型回折格子１２）のｘ軸方向の変位量Ｘ、ｙ軸方向の変位量Ｙおよびｚ軸周りの回転量θｚである受光面内方向の変位量を取得する。
【００５０】
【数３】
2015197357.tif 000005
【００５１】
式（３）中のαおよびβは、反射部材４がθｘおよびθｙだけ回転変位したときの受光素子アレイ７Ｅ〜７Ｇ上での格子像のｘ軸およびｙ軸方向での変位に対する感度の１／２に相当する係数である。１／２としているのは、格子像の変位が反射部材４の受光面内方向での変位に対して２倍に拡大される関係にあるためである。これら係数α，βを用いることで、受光素子アレイ７Ｅ〜７Ｇ上での格子像の変位を反射部材４の受光面内方向での変位に換算することができる。
【００５２】
なお、係数α，βは、センサ部１０１Ｂの設計によって決まり、光源６から反射型回折格子１２までの距離や光源６と受光素子アレイ７Ｅ〜７Ｇ間の距離等の設計値によって幾何光学的に算出可能である。もちろん、実測によって決定してもよい。このようにして、反射型回折格子１２を用いた受光面内方向での変位の検出において、反射部材４の傾き変動によるクロストーク成分を除去することができる。
【００５３】
実施例１でも述べたように、変位部材２に作用するｚ軸方向の力Ｆｚ、ｘ軸周りのモーメントＭｘおよびｙ軸周りのモーメントＭｙからなる受光面外３軸の外力はそれぞれ、ｚ軸方向の変位量Ｚ、ｘ軸周りの回転量θｘおよびｙ軸周り回転量θｙとほぼ比例関係にある。このため、信号処理回路１０２は、変位量Ｚおよび回転量θｘ，θｙのそれぞれに所定の係数を乗算して変換を行うことで、上記受光面外３軸の外力の値を取得する。また、変位部材２に作用するｘ軸方向の力Ｆｘ、ｙ軸方向の力Ｆｙおよびｚ軸周りのモーメントＭｚからなる受光面内３軸の外力はそれぞれ、ｘ軸方向の変位量Ｘ、ｙ軸方向の変位量Ｙおよびｚ軸周りの回転量θｚとほぼ比例関係にある。このため、信号処理回路１０２は、変位量Ｘ，Ｙおよび回転量θｚのそれぞれに所定の係数を乗算して変換を行うことで、上記受光面内３軸の外力の値を取得する。
【００５４】
以上説明したように、本実施例によれば、センサとしての剛性を低くしなくても、高感度で外力（変位）を高感度で検出可能な小型で薄型の光学式力覚センサを実現することができる。しかも、本実施例では、受光面外３軸の外力に加えて受光面内３軸の外力をも検出可能な６軸の力覚センサを実現することができる。
【００５５】
なお、第１および第２の光束２１，２２の干渉により形成される輪帯状の干渉縞と、反射型回折格子１２で反射した第３の光束２３と第２の光束２２Ａとの干渉により形成される回折干渉縞とは方向が９０度異なっている。このため、これらの干渉縞が重なる位置に受光素子アレイ７Ａ〜７Ｃ，７Ｅ〜７Ｇを配置しても、それらから出力される信号には大きな影響はない。したがって、受光素子アレイ７Ａ〜７Ｃと受光素子アレイ７Ｅ〜７Ｇを光源６を中心とした同じ円周上に配置してもよい。
【実施例４】
【００５６】
図８には、本発明の実施例４である光学式力覚センサのセンサ部１０１Ｃの構成（側面断面）を示している。また、図９には、センサ部１０１Ｃの平面断面を示している。図８は、図９中のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線での断面を示している。本実施例において、実施例２と共通する構成要素には、実施例１と同符号を付す。
【００５７】
本実施例において、センサ部１０１Ｃの変位検出器５Ｃは、検出器本体と、反射部材４と、複数の反射型回折格子１２とにより構成されている。図９には、センサ部１０１Ｃのうち、変位部材２、反射部材４および変位検出器５Ｃのカバーガラス９を除いてベース部材１、弾性支持部材３および変位検出器５Ｃの検出器本体を平面視した構成を示している。
【００５８】
変位検出器５Ｃの検出器本体は、光源６と、ＣＣＤセンサ等の２次元受光素子としての２次元エリアセンサ１３と、カバーガラス（透光部材）９と、回路基板１０Ｃとにより構成されている。矩形（円形でもよい）の回路基板１０Ｃは、ベース部材１の円形の上面（平面）の中央部に固定される。４つの弾性支持部材３は、回路基板１０Ｃを含む変位検出器５Ｃの周囲における周方向９０度間隔の４箇所に配置される。
【００５９】
エリアセンサ１３は、回路基板１０Ｃ上に実装されている。エリアセンサ１３の中央にはエリアセンサ１３の画素が配置されていない矩形領域が形成されている。該矩形領域には、光源用電極（図示せず）が形成されており、ここに光源６が実装されている。
【００６０】
回路基板１０Ｃ上におけるエリアセンサ１３の外周には矩形枠形状のスペーサ１４が配置されており、該スペーサ１４の上端にはカバーガラス９が配置されている。こうして、回路基板１０Ｃ上のエリアセンサ１３と光源６とがスペーサ１４とカバーガラス９により囲まれた空間を有してパッケージングされている。
【００６１】
カバーガラス９の上方では、反射部材４が変位部材２の下面に固定されている。カバーガラス９の上面（ギャップ側の面）９ａと反射部材４の下面である反射面４ａとの間には、約２０μｍの高さを有するギャップ（空気層）Ｇが設けられている。さらに、反射部材４の上面（反射面４ａとは反対側の裏面）には、複数の反射型回折格子１２が設けられている。このように、ベース部材１に固定された回路基板１０Ｂ上（同一基板上）に配置された光源６とエリアセンサ１３が、カバーガラス９とギャップＧを挟んで、変位部材２とともに変位可能な反射部材４および反射型回折格子１２と対向するように配置される。
【００６２】
図８に示すように、実施例１と同様に電流狭窄型ＬＥＤ等により構成された光源６から出射した発散光束は、光源６およびエリアセンサ１３上の空間（以下、パッケージ空間という）を通過してカバーガラス９に入射する。カバーガラス９に入射した光束のうち第１の光束２１は、カバーガラス９におけるギャップＧ側の面９ａで内面反射してエリアセンサ１３の側に折り返される。折り返された第１の光束は、カバーガラス９から出射し、パッケージ空間を通過して、図９に示すように、エリアセンサ１３のうち第１の受光素子に相当する第１の受光エリア１３ａに入射する。
【００６３】
一方、光源６からカバーガラス９に入射した光束のうち第２の光束２２は、カバーガラス９を透過し、ギャップＧを通過して反射部材４の反射面４ａにて反射される。そして、反射面４ａにて反射した第２の光束２２は、再びカバーガラス９およびパッケージ空間を透過および通過して第１の受光エリア１３ａに入射する。
【００６４】
実施例１，３での説明と同様に、第１の受光エリア１３ａでは、第１の光束２１と第２の光束２２とが干渉し合って干渉縞を形成する。エリアセンサ１３は、第１の受光エリア１３ａから、この干渉縞の光量分布（強度分布）に応じた画像信号を出力する。そして、変位部材２の受光面外方向の変位に伴う干渉縞の強度分布の変化に応じて変化する第１の受光エリア１３ａからの出力を用いることで、変位部材２の受光面外方向の変位を検出することができる。
【００６５】
また、光源６からカバーガラス９に入射してこれを透過し、さらに反射部材４の反射面４ａを透過した第３の光束２３は、反射部材４の裏面に形成された反射型回折格子１２により反射される。反射型回折格子１２より反射された第３の光束２３は、図９に示すように、反射部材４の反射面４ａから出射して再度カバーガラス９およびパッケージ空間を透過および通過してエリアセンサ１３のうち第２の受光素子に相当する第２の受光エリア１３ｂに入射する。この第３の光束２３は、第２の受光エリア１３ｂ上に、反射型回折格子１２を２倍に拡大した光学像である格子像を形成する。エリアセンサ１３は、第２の受光エリア１３ｂから、この格子像の光量分布（強度分布）に応じた画像信号を出力する。
【００６６】
実施例３での説明と同様に、第２の受光エリア１３ｂから出力される信号（画像信号）は、変位部材２の受光面内方向での変位に伴う格子像の強度分布の変化に応じて変化する。このため、第２の受光エリア１３ｂからの出力を用いることで、変位部材２の受光面内方向での変位を検出することができる。
【００６７】
信号処理回路１０２（図８および図９には示さず）は、エリアセンサ１３から出力された画像信号に対して画像処理を行うことで、実施例３にて説明した位相信号ΦＡ，ΦＢ，ΦＣ，ΦＥ，ΦＦ，ΦＧに相当する信号を生成する。このとき、信号処理回路１０２は、第１の受光エリアからの画像信号を用いて輪帯状の干渉縞の間隔を検出し、その検出結果を用いて位相信号ΦＥ〜ΦＧの位相量（第２の受光エリア１３ｂからの出力に対する演算結果）を補正するようにしてもよい。これにより、変位部材２が受光面外方向に回転すること等により輪帯状の干渉縞の間隔が変化した場合でも、位相信号ΦＥ〜ΦＧを精度良く外力に換算することができる。以下の演算については、実施例３と同様であるので、説明を省略する。
【００６８】
本実施例によれば、センサとしての剛性を低くしなくても、高感度で外力（変位）を高感度で検出可能な小型で薄型の光学式力覚センサを実現することができる。
【実施例５】
【００６９】
図１０には、実施例１〜４のいずれかにて説明した光学式力覚センサを用いた装置としてのロボットアーム搬送装置の構成を示している。
【００７０】
動作可能な可動部としてのロボットアーム２００は、その把持部２０１にて被搬送物２０５を把持する。ロボットアーム２００は、被搬送物２０５を基板２０６に形成された穴部２０６ａに挿入する動作を行っており、その動作は制御部２１０によって制御される。
【００７１】
ロボットアーム２００には、把持部２０１が被搬送物２０５を介して基板２０６から受ける上向きの外力を検出するための光学式力覚センサ（ここでは、実施例１の力覚センサにおけるセンサ部１０１を示している）が搭載されている。
【００７２】
被搬送物２０５が基板２０６の上面における穴部２０６ａ以外の部分に接触しているときは、把持部２０１から力覚センサ（センサ部１０１）に上記外力が作用するため、被搬送物２０５の位置が穴部２０６ａの位置から外れていることが検出される。このため、制御部２１０は、被搬送物２０５を基板２０６の上面に沿って移動させるようにロボットアーム２００の動作を制御する。
【００７３】
そして、被搬送物２０５が穴部２０６ａの上方に位置すると、それまで把持部２０１から力覚センサ（センサ部１０１）に作用していた外力がなくなるため、被搬送物２０５の位置が穴部２０６ａの位置に一致したことが検出される。このため、制御部２１０は、被搬送物２０５を穴部２０６ａ内に挿入するようにロボットアーム２００の動作を制御する。
【００７４】
このようなロボットアーム２００に実施例１〜４のいずれかにて説明した光学式力覚センサを用いることで、ロボットアーム２００の動作を精度良く制御することができる。
【００７５】
なお、実施例１〜４のいずれかにて説明した光学式力覚センサは、本実施例で説明したようなロボットアーム搬送装置以外の装置であって、外力検出の結果を用いて動作の制御を行う各種装置に用いることができる。
【００７６】
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
高精度な外力検出が可能な光学式力覚センサを提供することができる。
【符号の説明】
【００７８】
１  ベース部材
２  変位部材
３  弾性支持部材
４ａ  反射面
５  変位検出器
６  光源
７Ａ〜７Ｇ  受光素子アレイ
９  カバーガラス
１３  次元ＣＣＤエリアセンサ
【図１】
2015197357.tif 000006
【図２】
2015197357.tif 000007
【図３】
2015197357.tif 000008
【図４】
2015197357.tif 000009
【図５】
2015197357.tif 000010
【図６】
2015197357.tif 000011
【図７】
2015197357.tif 000012
【図８】
2015197357.tif 000013
【図９】
2015197357.tif 000014
【図１０】
2015197357.tif 000015