(57)【要約】【課題】高感度かつ小型で堅牢性に富んだセンサを提供する。【解決手段】物体１０に対して物体２０から作用する力を検出する。作用部１１０と、これを周囲から支持する可撓部１２０と、これを周囲から支持する台座部１３０を有する検出基板１００が物体１０の上に載置され、台座部１３０はネジで物体１０に固定される。作用部１１０は隆起部１１１を介して受力基板２００に接合される。受力基板２００の上面から受力柱２１０が上方に伸び、制御基板３００の柱挿通孔３１０を挿通して上方へ付き出し、上端がネジＳ１によって物体２０に固定される。制御基板３００は、図示されていない接続要素により台座部１３０に固定される。物体２０から力＋ｆｚやモーメント＋ｍｙが作用すると、可撓部１２０に撓みが生じ、半導体基板１４０に設けられたピエゾ抵抗素子の抵抗値が変化する。この抵抗値の変化を電気的に検出する。【選択図】図１８
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
第１の物体と第２の物体とを接続する機能を有し、前記第１の物体に対して前記第２の物体から作用する力を検出する力覚センサであって、
前記第１の物体に接続される検出基板と、前記第２の物体に接続される受力基板と、前記受力基板の変位を制御する制御基板と、を備え、
前記検出基板は前記第１の物体の上方に配置され、前記受力基板は前記検出基板の上方に配置され、前記制御基板は前記受力基板の上方に配置され、前記第２の物体は前記制御基板の上方に配置され、
前記検出基板は、中心に設けられた作用部と、この作用部の周囲に設けられた可撓性をもった可撓部と、この可撓部の周囲に設けられた台座部と、前記可撓部の撓みを検出する検出部と、を有し、前記作用部の上端は上方に隆起した隆起部を構成しており、前記可撓部は前記作用部と前記台座部とを接続し、前記検出部は前記可撓部の撓み具合に基づいて前記作用部に作用した力を電気信号として検出し、
前記受力基板の下面中心部は、前記隆起部の上面に固定され、前記受力基板の上面には、前記第２の物体の下面に接続するための受力柱が設けられ、前記制御基板には、前記受力柱を挿通する柱挿通孔が形成されており、前記受力柱の上端は前記柱挿通孔を挿通し、
前記制御基板は前記台座部に対して固定されており、前記第１の物体に対して前記第２の物体が変位したときに、当該変位が前記受力柱を介して前記受力基板に伝達され、更に前記作用部に伝達されるよう構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の力覚センサにおいて、
制御基板は台座部に対して制御基板固定ネジにより固定されており、前記制御基板固定ネジは筒状スペーサに収容されており、前記筒状スペーサの上端は前記制御基板の下面に接し下端は前記台座部の上面に接しており、前記制御基板には、前記制御基板固定ネジを挿通するとともにネジ頭部を収容保持する制御基板固定ネジ孔が形成されており、前記受力基板には前記筒状スペーサを挿通するスペーサ挿通孔が形成されており、前記台座部には前記制御基板固定ネジの先端部と螺合するネジ受孔が形成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項３】
請求項２に記載の力覚センサにおいて、
台座部には、前記台座部を第１の物体に固定するための台座部固定ネジを挿通するとともにネジ頭部を収容保持する台座部固定ネジ孔が形成されており、制御基板および受力基板には、前記台座部固定ネジの頭部を回転させるための道具を上方から挿入するための道具挿入孔が形成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項４】
請求項３に記載の力覚センサにおいて、
受力基板の周囲部の所定箇所に複数の受力柱が設けられ、台座部の所定箇所に複数の台座部固定ネジ孔が形成されており、制御基板の周囲部の所定箇所が複数の制御基板固定ネジによって固定されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の力覚センサにおいて、
作用部の中心を通り各基板に直交する中心線を定義し、前記中心線に直交する投影面上に前記中心線を中心とした基準円を定義し、この基準円を１２等分する位置に合計１２個の基準点を定義し、各基準点を基準円に沿った順に第１の基準点〜第１２の基準点とし、第３，６，９，１２の基準点をＡグループ、第１，４，７，１０の基準点をＢグループ、第２，５，８，１１の基準点をＣグループとしたときに、
４本の受力柱が前記Ａグループの基準点位置に配置され、４組の台座部固定ネジ孔が前記Ｂグループの基準点位置に配置され、４本の制御基板固定ネジが前記Ｃグループの基準点位置に配置されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項６】
請求項３〜５のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
受力柱の上端には、頭部が第２の物体に固定された受力基板固定ネジの先端部と螺合するネジ受孔が形成されており、前記上端は、制御基板の上面から上方へと突き出し、
制御基板固定ネジ孔は、制御基板固定ネジの本体部を挿通することはできるが頭部を挿通することはできない径をもった本体部挿通孔と、この本体部挿通孔の上部に形成され、前記制御基板固定ネジの頭部を収容するのに必要な径をもった頭部収容孔と、を有し、
台座部固定ネジ孔は、台座部固定ネジの本体部を挿通することはできるが頭部を挿通することはできない径をもった本体部挿通孔と、この本体部挿通孔の上部に形成され、前記台座部固定ネジの頭部を収容するのに必要な径をもった頭部収容孔と、を有することを特徴とする力覚センサ。
【請求項７】
請求項３〜６のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
受力基板の上面周囲部と制御基板の下面周囲部との間には所定の上方空隙が確保されており、受力基板の下面周囲部と台座部上面との間には所定の下方空隙が確保されており、受力基板の変位が前記上方空隙および前記下方空隙の範囲内に制限されるように構成され、かつ、前記上方空隙および前記下方空隙の寸法が、当該制限下での変位が生じる限りにおいて、可撓部および検出部に機械的な損傷が生じない範囲に設定されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項８】
請求項７に記載の力覚センサにおいて、
筒状スペーサが、主筒状部材と２組の副筒状部材とを積み重ねる構造によって構成され、前記主筒状部材は受力基板と同じ厚みを有し、前記副筒状部材は検出基板の隆起部と同じ厚みを有し、前記副筒状部材の厚みが、上方空隙および下方空隙の寸法に一致することを特徴とする力覚センサ。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
受力柱の外周面と柱挿通孔の内周面との間には所定の筒状空隙が確保されており、受力柱の変位が前記筒状空隙の範囲内に制限されるように構成され、かつ、前記筒状空隙の寸法が、当該制限下での変位が生じる限りにおいて、可撓部および検出部に機械的な損傷が生じない範囲に設定されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１０】
請求項２〜８のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
筒状スペーサの外周面とスペーサ挿通孔の内周面との間には所定の筒状空隙が確保されており、受力基板の変位が前記筒状空隙の範囲内に制限されるように構成され、かつ、前記筒状空隙の寸法が、当該制限下での変位が生じる限りにおいて、可撓部および検出部に機械的な損傷が生じない範囲に設定されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
可撓部が、作用部の周囲を取り囲むように配置され、可撓性を奏する厚みをもった環状肉薄部によって構成され、
検出部が、前記環状肉薄部に接合され前記環状肉薄部とともに撓みを生じる半導体基板と、この半導体基板内に形成されたピエゾ抵抗素子と、このピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化に基づいて作用部に作用した力を電気信号として出力する回路と、によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
作用部の中心を通り各基板に直交する中心線上に原点Ｏを定義し、前記中心線をｚ軸、前記中心線に直交する２軸をｘ軸およびｙ軸とするｘｙｚ三次元直交座標系を定義したときに、
検出部が、前記作用部に作用したｘ軸まわりのモーメントｍｘ、ｙ軸まわりのモーメントｍｙ、ｚ軸方向の力ｆｚを検出する機能を有することを特徴とする力覚センサ。
【請求項１３】
請求項１２に記載の力覚センサを複数組と、これら複数組の力覚センサから出力された検出値に基づく演算を行う演算回路と、を備え、
原点ＱをもつＸＹＺ三次元直交座標系において、第１の物体に対して前記第２の物体から作用したＸ軸方向の力Ｆｘ，Ｙ軸方向の力Ｆｙ，Ｚ軸方向の力Ｆｚ，Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ，Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ，Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの６成分を検出する機能をもった６次元力検出装置であって、
前記複数組の力覚センサの各台座部は、前記ＸＹＺ三次元直交座標系における所定位置においてそれぞれ第１の物体に固定されており、前記複数組の力覚センサの各受力柱は、前記ＸＹＺ三次元直交座標系における所定位置においてそれぞれ第２の物体に固定されており、
前記演算回路は、前記各力覚センサが検出した検出値ｍｘ，ｍｙ，ｆｚに基づいて、前記６成分の値を求める演算を行うことを特徴とする６次元力検出装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の６次元力検出装置において、
ＸＹＺ三次元直交座標系の正のＸ軸上に原点Ｏが配置された第１の力覚センサと、負のＸ軸上に原点Ｏが配置された第２の力覚センサと、正のＹ軸上に原点Ｏが配置された第３の力覚センサと、負のＹ軸上に原点Ｏが配置された第４の力覚センサと、を有し、各力覚センサのｘ軸，ｙ軸，ｚ軸は、ＸＹＺ三次元直交座標系のそれぞれＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸に平行となるように配置され、
演算回路が、前記第１の力覚センサによって検出されたｘ軸まわりのモーメントをｍｘ１、ｙ軸まわりのモーメントをｍｙ１、ｚ軸方向の力をｆｚ１とし、前記第２の力覚センサによって検出されたｘ軸まわりのモーメントをｍｘ２、ｙ軸まわりのモーメントをｍｙ２、ｚ軸方向の力をｆｚ２とし、前記第３の力覚センサによって検出されたｘ軸まわりのモーメントをｍｘ３、ｙ軸まわりのモーメントをｍｙ３、ｚ軸方向の力をｆｚ３とし、前記第４の力覚センサによって検出されたｘ軸まわりのモーメントをｍｘ４、ｙ軸まわりのモーメントをｍｙ４、ｚ軸方向の力をｆｚ４としたときに、
Ｆｘ＝ｍｙ１＋ｍｙ２＋ｍｙ３＋ｍｙ４  または
＝ｍｙ１＋ｍｙ２  または
＝ｍｙ３＋ｍｙ４
Ｆｙ＝ｍｘ１＋ｍｘ２＋ｍｘ３＋ｍｘ４  または
＝ｍｘ１＋ｍｘ２  または
＝ｍｘ３＋ｍｘ４
Ｆｚ＝ｆｚ１＋ｆｚ２＋ｆｚ３＋ｆｚ４  または
＝ｆｚ１＋ｆｚ２  または
＝ｆｚ３＋ｆｚ４
Ｍｘ＝ｆｚ３−ｆｚ４
Ｍｙ＝ｆｚ２−ｆｚ１
Ｍｚ＝−ｍｘ１＋ｍｘ２−ｍｙ３＋ｍｙ４  または
＝−ｍｘ１＋ｍｘ２  または
＝−ｍｙ３＋ｍｙ４
なる演算により６成分の値を求めることを特徴とする６次元力検出装置。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、力覚センサおよび６次元力検出装置に関し、特に、ロボットアームなどに装着し、作用した力やモーメントを検出する機能をもった装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用ロボットアームなどでは、アームの中間に装着され、作用した力やモーメントを検出する機能をもった検出装置が利用されている。たとえば、下記の特許文献１には、起歪体に生じる歪みを半導体力覚センサを用いて検出することにより、三次元の各座標軸方向に作用した力を検出する３次元力検出装置が開示されている。
【０００３】
また、下記の特許文献２には、リング構造体の側面に歪みゲージを取り付け、リング構造体に生じる歪みを検出することにより、三次元の各座標軸方向に作用した力および各座標軸まわりに作用したモーメントという６成分を検出する６次元力検出装置が開示されている。更に、下記の特許文献３には、円盤状構造体の一平面上に複数の歪みゲージを配置することにより、上記６成分を検出する６次元力検出装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ８８／０８５２２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
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、産業用ロボットアームなどに取り付ける力覚センサや力の６成分すべてを検出可能な６次元力検出装置として、これまで様々なタイプのものが開発されてきている。ただ、これら従来装置は、そのサイズが比較的大きいため、産業用ロボットのアームや人型ロボットの手首・足首に装着して用いるには適切な大きさであるが、指の関節部として利用するには大きすぎるという問題がある。
【０００６】
また、上記特許文献２，３に開示された装置のように、歪みゲージを検出に用いるタイプの装置では、検出部については小型化を図ることが可能であるが、歪みゲージは検出感度が低く、信号処理のために外付け信号処理回路が必要になるため、結局、全体構成を小型化することが困難である。一方、上記特許文献１に開示された装置のように、検出部に半導体基板を用い、この半導体基板に生じる歪みを電気的に検出する方法を採ることにより、検出感度の向上を図ることは可能であるが、半導体基板は力の作用により損傷を受けやすいため、産業用ロボットアームなどに利用するには、十分な堅牢性を確保できないという問題が生じる。
【０００７】
そこで本考案は、十分な検出感度を確保することができ、小型で堅牢性に富んだ力覚センサおよび６次元力検出装置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】
【０００８】
(1)   本考案の第１の態様は、第１の物体と第２の物体とを接続する機能を有し、第１の物体に対して第２の物体から作用する力を検出する力覚センサにおいて、
第１の物体に接続される検出基板と、第２の物体に接続される受力基板と、受力基板の変位を制御する制御基板と、を設け、
検出基板は第１の物体の上方に配置され、受力基板は検出基板の上方に配置され、制御基板は受力基板の上方に配置され、第２の物体は制御基板の上方に配置されるようにし、
検出基板は、中心に設けられた作用部と、この作用部の周囲に設けられた可撓性をもった可撓部と、この可撓部の周囲に設けられた台座部と、可撓部の撓みを検出する検出部と、を有し、作用部の上端は上方に隆起した隆起部を構成しており、可撓部は作用部と台座部とを接続し、検出部は可撓部の撓み具合に基づいて作用部に作用した力を電気信号として検出し、
受力基板の下面中心部は、隆起部の上面に固定され、受力基板の上面には、第２の物体の下面に接続するための受力柱が設けられ、制御基板には、受力柱を挿通する柱挿通孔が形成されており、受力柱の上端は柱挿通孔を挿通し、
制御基板は台座部に対して固定されており、第１の物体に対して第２の物体が変位したときに、当該変位が受力柱を介して受力基板に伝達され、更に作用部に伝達されるようにしたものである。
【０００９】
(2)   本考案の第２の態様は、上述した第１の態様に係る力覚センサにおいて、
制御基板は台座部に対して制御基板固定ネジにより固定されており、制御基板固定ネジは筒状スペーサに収容されており、筒状スペーサの上端は制御基板の下面に接し下端は台座部の上面に接しており、制御基板には、制御基板固定ネジを挿通するとともにネジ頭部を収容保持する制御基板固定ネジ孔が形成されており、受力基板には筒状スペーサを挿通するスペーサ挿通孔が形成されており、台座部には制御基板固定ネジの先端部と螺合するネジ受孔が形成されているようにしたものである。
【００１０】
(3)   本考案の第３の態様は、上述した第２の態様に係る力覚センサにおいて、
台座部には、この台座部を第１の物体に固定するための台座部固定ネジを挿通するとともにネジ頭部を収容保持する台座部固定ネジ孔が形成されており、制御基板および受力基板には、台座部固定ネジの頭部を回転させるための道具を上方から挿入するための道具挿入孔が形成されているようにしたものである。
【００１１】
(4)   本考案の第４の態様は、上述した第３の態様に係る力覚センサにおいて、
受力基板の周囲部の所定箇所に複数の受力柱が設けられ、台座部の所定箇所に複数の台座部固定ネジ孔が形成されており、制御基板の周囲部の所定箇所が複数の制御基板固定ネジによって固定されているようにしたものである。
【００１２】
(5)   本考案の第５の態様は、上述した第４の態様に係る力覚センサにおいて、
作用部の中心を通り各基板に直交する中心線を定義し、中心線に直交する投影面上に中心線を中心とした基準円を定義し、この基準円を１２等分する位置に合計１２個の基準点を定義し、各基準点を基準円に沿った順に第１の基準点〜第１２の基準点とし、第３，６，９，１２の基準点をＡグループ、第１，４，７，１０の基準点をＢグループ、第２，５，８，１１の基準点をＣグループとしたときに、
４本の受力柱がＡグループの基準点位置に配置され、４組の台座部固定ネジ孔がＢグループの基準点位置に配置され、４本の制御基板固定ネジがＣグループの基準点位置に配置されているようにしたものである。
【００１３】
(6)   本考案の第６の態様は、上述した第３〜第５の態様に係る力覚センサにおいて、
受力柱の上端には、頭部が第２の物体に固定された受力基板固定ネジの先端部と螺合するネジ受孔が形成されており、この受力柱の上端は、制御基板の上面から上方へと突き出し、
制御基板固定ネジ孔は、制御基板固定ネジの本体部を挿通することはできるが頭部を挿通することはできない径をもった本体部挿通孔と、この本体部挿通孔の上部に形成され、制御基板固定ネジの頭部を収容するのに必要な径をもった頭部収容孔と、を有し、
台座部固定ネジ孔は、台座部固定ネジの本体部を挿通することはできるが頭部を挿通することはできない径をもった本体部挿通孔と、この本体部挿通孔の上部に形成され、台座部固定ネジの頭部を収容するのに必要な径をもった頭部収容孔と、を有するようにしたものである。
【００１４】
(7)   本考案の第７の態様は、上述した第３〜第６の態様に係る力覚センサにおいて、
受力基板の上面周囲部と制御基板の下面周囲部との間には所定の上方空隙が確保されており、受力基板の下面周囲部と台座部上面との間には所定の下方空隙が確保されており、受力基板の変位が上方空隙および下方空隙の範囲内に制限されるように構成され、かつ、上方空隙および下方空隙の寸法が、当該制限下での変位が生じる限りにおいて、可撓部および検出部に機械的な損傷が生じない範囲に設定されているようにしたものである。
【００１５】
(8)   本考案の第８の態様は、上述した第７の態様に係る力覚センサにおいて、
筒状スペーサが、主筒状部材と２組の副筒状部材とを積み重ねる構造によって構成され、主筒状部材は受力基板と同じ厚みを有し、副筒状部材は検出基板の隆起部と同じ厚みを有し、副筒状部材の厚みが、上方空隙および下方空隙の寸法に一致するようにしたものである。
【００１６】
(9)   本考案の第９の態様は、上述した第１〜第８の態様に係る力覚センサにおいて、
受力柱の外周面と柱挿通孔の内周面との間には所定の筒状空隙が確保されており、受力柱の変位が筒状空隙の範囲内に制限されるように構成され、かつ、筒状空隙の寸法が、当該制限下での変位が生じる限りにおいて、可撓部および検出部に機械的な損傷が生じない範囲に設定されているようにしたものである。
【００１７】
(10)  本考案の第１０の態様は、上述した第２〜第８の態様に係る力覚センサにおいて、
筒状スペーサの外周面とスペーサ挿通孔の内周面との間には所定の筒状空隙が確保されており、受力基板の変位が筒状空隙の範囲内に制限されるように構成され、かつ、筒状空隙の寸法が、当該制限下での変位が生じる限りにおいて、可撓部および検出部に機械的な損傷が生じない範囲に設定されているようにしたものである。
【００１８】
(11)  本考案の第１１の態様は、上述した第１〜第１０の態様に係る力覚センサにおいて、
可撓部が、作用部の周囲を取り囲むように配置され、可撓性を奏する厚みをもった環状肉薄部によって構成され、
検出部が、環状肉薄部に接合され環状肉薄部とともに撓みを生じる半導体基板と、この半導体基板内に形成されたピエゾ抵抗素子と、このピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化に基づいて作用部に作用した力を電気信号として出力する回路と、によって構成されているようにしたものである。
【００１９】
(12)  本考案の第１２の態様は、上述した第１〜第１１の態様に係る力覚センサにおいて、
作用部の中心を通り各基板に直交する中心線上に原点Ｏを定義し、中心線をｚ軸、中心線に直交する２軸をｘ軸およびｙ軸とするｘｙｚ三次元直交座標系を定義したときに、
検出部が、作用部に作用したｘ軸まわりのモーメントｍｘ、ｙ軸まわりのモーメントｍｙ、ｚ軸方向の力ｆｚを検出する機能を有するようにしたものである。
【００２０】
(13)  本考案の第１３の態様は、上述した第１２の態様に係る力覚センサを複数組と、これら複数組の力覚センサから出力された検出値に基づく演算を行う演算回路と、によって６次元力検出装置を構成し、
原点ＱをもつＸＹＺ三次元直交座標系において、第１の物体に対して第２の物体から作用したＸ軸方向の力Ｆｘ，Ｙ軸方向の力Ｆｙ，Ｚ軸方向の力Ｆｚ，Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ，Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ，Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの６成分を検出する機能をもたせ、
複数組の力覚センサの各台座部は、ＸＹＺ三次元直交座標系における所定位置においてそれぞれ第１の物体に固定されており、複数組の力覚センサの各受力柱は、ＸＹＺ三次元直交座標系における所定位置においてそれぞれ第２の物体に固定されており、
演算回路は、各力覚センサが検出した検出値ｍｘ，ｍｙ，ｆｚに基づいて、６成分の値を求める演算を行うようにしたものである。
【００２１】
(14)  本考案の第１４の態様は、上述した第１３の態様に係る６次元力検出装置において、
ＸＹＺ三次元直交座標系の正のＸ軸上に原点Ｏが配置された第１の力覚センサと、負のＸ軸上に原点Ｏが配置された第２の力覚センサと、正のＹ軸上に原点Ｏが配置された第３の力覚センサと、負のＹ軸上に原点Ｏが配置された第４の力覚センサと、を有し、各力覚センサのｘ軸，ｙ軸，ｚ軸は、ＸＹＺ三次元直交座標系のそれぞれＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸に平行となるように配置され、
演算回路が、第１の力覚センサによって検出されたｘ軸まわりのモーメントをｍｘ１、ｙ軸まわりのモーメントをｍｙ１、ｚ軸方向の力をｆｚ１とし、第２の力覚センサによって検出されたｘ軸まわりのモーメントをｍｘ２、ｙ軸まわりのモーメントをｍｙ２、ｚ軸方向の力をｆｚ２とし、第３の力覚センサによって検出されたｘ軸まわりのモーメントをｍｘ３、ｙ軸まわりのモーメントをｍｙ３、ｚ軸方向の力をｆｚ３とし、第４の力覚センサによって検出されたｘ軸まわりのモーメントをｍｘ４、ｙ軸まわりのモーメントをｍｙ４、ｚ軸方向の力をｆｚ４としたときに、
Ｆｘ＝ｍｙ１＋ｍｙ２＋ｍｙ３＋ｍｙ４  または
＝ｍｙ１＋ｍｙ２  または
＝ｍｙ３＋ｍｙ４
Ｆｙ＝ｍｘ１＋ｍｘ２＋ｍｘ３＋ｍｘ４  または
＝ｍｘ１＋ｍｘ２  または
＝ｍｘ３＋ｍｘ４
Ｆｚ＝ｆｚ１＋ｆｚ２＋ｆｚ３＋ｆｚ４  または
＝ｆｚ１＋ｆｚ２  または
＝ｆｚ３＋ｆｚ４
Ｍｘ＝ｆｚ３−ｆｚ４
Ｍｙ＝ｆｚ２−ｆｚ１
Ｍｚ＝−ｍｘ１＋ｍｘ２−ｍｙ３＋ｍｙ４  または
＝−ｍｘ１＋ｍｘ２  または
＝−ｍｙ３＋ｍｙ４
なる演算により６成分の値を求めるようにしたものである。
【考案の効果】
【００２２】
本考案に係る力覚センサは、検出基板、受力基板、制御基板という３層の基板がネジによって固定される単純な構造のため、小型でありながら十分な堅牢性を確保することができる。また、制御基板によって、受力基板の変位を一定範囲に制限することができるため、過度の力が作用しても、検出部に生じる撓みを一定範囲に抑えることができ、検出部に半導体基板などの高感度の検出系を用いたとしても、検出系の破損を防止することができる。かくして、本考案によれば、十分な検出感度をもち、小型で堅牢性に富んだ力覚センサを実現することができる。更に、この力覚センサを複数組用いることにより、三次元の各座標軸方向に作用した力および各座標軸まわりに作用したモーメントという６成分を十分な感度で検出することができる小型で堅牢性に富んだ６次元力検出装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本考案の基本的な実施形態に係る力覚センサ５００の側面図である（検出基板１００と制御基板３００との間を接続する制御基板固定ネジＳ３と筒状スペーサ２５０は図示省略）。
【図２】図１に示す力覚センサの検出基板１００の上面図およびＡ−Ａ′切断面における側断面図である。
【図３】図２に示す検出基板１００のＢ−Ｂ′切断面における側断面図である。
【図４】図２に示す検出基板１００のＣ−Ｃ′切断面における側断面図である。
【図５】図１に示す力覚センサの受力基板２００の上面図およびＡ−Ａ′切断面における側断面図である。
【図６】図５に示す受力基板２００のＢ−Ｂ′切断面における側断面図である。
【図７】図５に示す受力基板２００のＣ−Ｃ′切断面における側断面図である。
【図８】図１に示す力覚センサの制御基板３００の上面図およびＡ−Ａ′切断面における側断面図である。
【図９】図８に示す制御基板３００のＢ−Ｂ′切断面における側断面図である。
【図１０】図８に示す制御基板３００のＣ−Ｃ′切断面における側断面図である。
【図１１】図１に示す力覚センサ５００のＡ−Ａ′切断面における側断面図である（検出基板１００と制御基板３００との間を接続する制御基板固定ネジＳ３と筒状スペーサ２５０は図示省略）。
【図１２】図１１に示す力覚センサ５００について、受力基板固定ネジＳ１によって受力基板２００を第２の物体２０に固定した状態を示すＡ−Ａ′切断面における側断面図である（検出基板１００と制御基板３００との間を接続する制御基板固定ネジＳ３と筒状スペーサ２５０は図示省略）。
【図１３】図１に示す力覚センサ５００のＢ−Ｂ′切断面における側断面図である（検出基板１００と制御基板３００との間を接続する制御基板固定ネジＳ３と筒状スペーサ２５０は図示省略）。
【図１４】図１３に示す力覚センサ５００において、台座部固定ネジＳ２によって台座部１３０を第１の物体１０に固定した状態を示すＢ−Ｂ′切断面における側断面図である（検出基板１００と制御基板３００との間を接続する制御基板固定ネジＳ３と筒状スペーサ２５０は図示省略）。
【図１５】図１に示す力覚センサ５００のＣ−Ｃ′切断面における側断面図である（筒状スペーサ２５０および制御基板固定ネジＳ３を取り外した状態を示す）。
【図１６】図１５に示す力覚センサ５００において、制御基板固定ネジＳ３によって制御基板３００を台座部１３０に固定した状態を示すＣ−Ｃ′切断面における側断面図である。
【図１７】図１に示す力覚センサ５００の上面図である。
【図１８】図１に示す力覚センサ５００にモーメントもしくは力が作用した状態を説明するためのＡ−Ａ′切断面における側断面図である（検出基板１００と制御基板３００との間を接続する制御基板固定ネジＳ３と筒状スペーサ２５０は図示省略）。
【図１９】図１８に示す力覚センサ５００における半導体基板１４０の下面図である。
【図２０】図１８に示す力覚センサ５００に、モーメントｍｘ，ｍｙおよび力ｆｚが作用したときの各ピエゾ抵抗素子の伸縮状態を示す表である。
【図２１】図２０に示す表に基づいて、モーメントｍｘ，ｍｙおよび力ｆｚの検出値を出力する電気回路を示す回路図である。
【図２２】図１７に示す力覚センサ５００を４組用いることにより構成した６次元力検出装置の上面図である。
【図２３】図２２に示す６次元力検出装置の側断面図である。
【図２４】図２２に示す６次元力検出装置における各力覚センサ５０１〜５０４の配置を示す上面図である。
【図２５】図２２に示す６次元力検出装置に用いられる演算回路が実行する演算内容を示す式である。
【図２６】図２２に示す６次元力検出装置の第１のバリエーションを示す上面図である。
【図２７】図２２に示す６次元力検出装置の第２のバリエーションを示す上面図である。
【図２８】図１５に示す力覚センサ５００における筒状スペーサ２５０の構成例を示す側断面図である。
【図２９】図１１に示す力覚センサ５００の第１の変形例に用いられる検出基板１００′を示す側断面図である。
【図３０】図２９に示す検出基板１００′の下面図である（蓋板１５０′を外した状態を示す。ハッチングは領域Ｅ１を示すためのものであり、断面を示すものではない）。
【図３１】図１１に示す力覚センサ５００の第２の変形例に用いられる検出基板１００''を示す側断面図である。
【図３２】図３１に示す検出基板１００''の下面図である（蓋板１５０''を外した状態を示す。ハッチングは領域Ｅ２，Ｇ３を示すためのものであり、断面を示すものではない）。
【考案を実施するための形態】
【００２４】
以下、本考案を図示する実施形態に基づいて説明する。
【００２５】
＜＜＜  §１．  力覚センサの各部の構造  ＞＞＞
図１は、本考案の基本的な実施形態に係る力覚センサ５００の側面図である。この力覚センサ５００は、第１の物体１０と第２の物体２０（図では破線で示す）とを接続する機能を有し、第１の物体１０に対して第２の物体２０から作用する力を検出する働きをする。図示のとおり、この力覚センサ５００の主たる構成要素は、検出基板１００、受力基板２００、制御基板３００という３枚の基板である。いずれの基板も、実用上は、十分な堅牢性をもったステンレスなどの金属材料によって構成することができる。ただ、後述する例のように、検出部としてシリコン基板を用いる場合は、熱膨張係数の整合性を確保して温度特性を改善するために、検出基板１００の本体部分はコバールや４−２アロイなどを用いて構成するのが望ましい。
【００２６】
ここで、検出基板１００は第１の物体１０に固定され、受力基板２００は受力柱２１０を介して第２の物体２０に固定される。なお、図１において、中央に描かれた受力柱２１０の奥には、もう１本の受力柱２１０が配置されており、受力基板２００は４本の受力柱２１０によって第２の物体２０に固定される。後述するように、制御基板３００には、各受力柱２１０を挿通するための柱挿通孔がそれぞれ形成されており、４本の受力柱２１０は、この柱挿通孔を通して、受力基板２００と第２の物体２０とを接続することになる。
【００２７】
一方、検出基板１００は、その中心の隆起部１１１を介して受力基板２００の下面に接合されている。結局、第２の物体２０は、第１の物体１０の上方に、力覚センサ５００を介して接合されることになる。そして、第２の物体２０が変位を生じると、当該変位は、４本の受力柱２１０を介して受力基板２００へと伝達され、更に、隆起部１１１を介して検出基板１００へと伝達され、後述するように、検出基板１００において電気的に検出されることになる。
【００２８】
なお、図１では、図が繁雑になるのを避けるため、一部の図示を省略しているが、実際には、後に詳述するとおり、検出基板１００と制御基板３００との間には、両者を接続する接続要素（ネジと筒状スペーサ）が存在し、制御基板３００は検出基板１００に対して固定されている。この制御基板３００は、力検出の原理に直接関連する構成要素ではないが、受力基板２００の変位を制御する働きをする。すなわち、制御基板３００が検出基板１００の上方の所定位置において、検出基板１００に対して固定されているため、受力基板２００の変位は、検出基板１００と制御基板３００とによって挟まれた空間内に抑制される。
【００２９】
以下、この力覚センサ５００の主たる構成要素である、検出基板１００、受力基板２００、制御基板３００の詳細な構造を順に説明する。
【００３０】
はじめに、検出基板１００の構造を述べる。図２の上段は、図１に示す力覚センサ５００の検出基板１００の上面図であり、下段は、そのＡ−Ａ′切断面における側断面図である。上段の図に示すとおり、検出基板１００は円盤状の基板であり、上面には環状溝Ｇ１が掘られている。ここでは、この環状溝Ｇ１によって囲まれた円柱状の部分を作用部１１０（その上端は隆起部１１１）と呼び、環状溝Ｇ１の底部を可撓部１２０と呼び、環状溝Ｇ１の外周に位置する部分を台座部１３０と呼ぶことにする。
【００３１】
台座部１３０には、図示のとおり、４カ所（時計の文字板の１時，４時，７時，１０時の位置）に台座部固定ネジ孔１６０（図の二重円）が設けられ、別な４カ所（時計の文字板の２時，５時，８時，１１時の位置）にネジ受孔１７０（図の小円）が設けられている。台座部固定ネジ孔１６０は、台座部１３０を第１の物体１０に固定するための台座部固定ネジを通すためのネジ孔であり、ネジ受孔１７０は、制御基板３００を台座部１３０に固定するための制御基板固定ネジの先端部と螺合するためのネジ受孔である。
【００３２】
図２の下段の図に示すとおり、検出基板１００の底面側（作用部１１０および可撓部１２０の下方位置）には円柱状の空洞部Ｖが設けられており、空洞部Ｖの内部には、円盤状の半導体基板１４０が収容されている。また、この空洞部Ｖは、蓋板１５０によって封止されている。結局、可撓部１２０は、上方に環状溝Ｇ１が形成され、下方に空洞部Ｖが形成された環状肉薄部（ワッシャ状構造体）をなし、力の作用によって撓みを生じるダイアフラムとして機能する。また、円盤状の半導体基板１４０は、作用部１１０および可撓部１２０の下面に接合された肉薄のシリコン基板であり、可撓部１２０とともに撓みを生じることになる。
【００３３】
作用部１１０の上端は上方に隆起した隆起部１１１を構成している。この実施例では、隆起部１１１だけを別な構造体として用意し、検出基板１００の上面中央部に接合する構成をとっているが、隆起部１１１を含めた作用部１１０全体を一体構造体としてもかまわない。図１に示すように、この隆起部１１１の上面は、受力基板２００の中央部に接合される。
【００３４】
図３は、図２に示す検出基板１００のＢ−Ｂ′切断面における側断面図である。その基本構成は図２の下段の図（Ａ−Ａ′切断面における側断面図）とほぼ同じであるが、台座部１３０には、台座部固定ネジ孔１６０の断面が示されている。この台座部固定ネジ孔１６０は、下方に設けられた本体部挿通孔１６１と、上方に設けられた径の大きな頭部収容孔１６２と、によって構成され、台座部固定ネジを挿通するために利用される。
【００３５】
一方、図４は、図２に示す検出基板１００のＣ−Ｃ′切断面における側断面図である。その基本構成は図２の下段の図（Ａ−Ａ′切断面における側断面図）とほぼ同じであるが、台座部１３０には、ネジ受孔１７０の断面が示されている。このネジ受孔１７０は、上述したように、制御基板３００を台座部１３０に固定するための制御基板固定ネジの先端部と螺合するためのネジ受孔である。
【００３６】
続いて、受力基板２００の構造を述べる。図５の上段は、図１に示す力覚センサの受力基板２００の上面図であり、下段は、そのＡ−Ａ′切断面における側断面図である。上段の図に示すとおり、受力基板２００は円盤状の基板であり、上面の４カ所（時計の文字板の３時，６時，９時，１２時の位置）には４本の受力柱２１０が設けられている。また、４カ所（時計の文字板の１時，４時，７時，１０時の位置）に道具挿入孔２２０が設けられ、別な４カ所（時計の文字板の２時，５時，８時，１１時の位置）にスペーサ挿通孔２３０が設けられている。ここで、受力柱２１０は、第２の物体に接続するための構成要素であり、道具挿入孔２２０は、後述するように、台座部固定ネジの頭部を回転させるための道具を上方から挿入するための孔であり、スペーサ挿通孔２３０は、後述するように、筒状スペーサを挿通するための孔である。
【００３７】
図５の下段の図に示すとおり、受力柱２１０は、受力基板２００の周囲近傍から上方へと伸びる円柱状の構造体であり、その上面には、ネジ受孔２１５が形成されている。このネジ受孔２１５は、上方に配置された第２の物体を受力基板２００に固定するための受力基板固定ネジの先端部と螺合するためのネジ受孔である。
【００３８】
図６は、図５に示す受力基板２００のＢ−Ｂ′切断面における側断面図である。その基本構成は図５の下段の図（Ａ−Ａ′切断面における側断面図）とほぼ同じであるが、道具挿入孔２２０の断面が示されている。一方、図７は、図５に示す受力基板２００のＣ−Ｃ′切断面における側断面図である。その基本構成は図５の下段の図（Ａ−Ａ′切断面における側断面図）とほぼ同じであるが、スペーサ挿通孔２３０の断面が示されている。
【００３９】
次に、制御基板３００の構造を述べる。図８の上段は、図１に示す力覚センサの制御基板３００の上面図であり、下段は、そのＡ−Ａ′切断面における側断面図である。上段の図に示すとおり、制御基板３００は円盤状の基板であり、上面の４カ所（時計の文字板の３時，６時，９時，１２時の位置）に柱挿通孔３１０が設けられ、別な４カ所（時計の文字板の１時，４時，７時，１０時の位置）に道具挿入孔３２０が設けられ、更に別な４カ所（時計の文字板の２時，５時，８時，１１時の位置）に制御基板固定ネジ孔３３０が設けられている。ここで、柱挿通孔３１０は、受力柱２１０を挿通するための孔であり、道具挿入孔３２０は、台座部固定ネジの頭部を回転させるための道具を上方から挿入するための孔であり、制御基板固定ネジ孔３３０は、制御基板固定ネジを挿通するための孔である。
【００４０】
図８の下段の図に示すとおり、Ａ−Ａ′切断面の位置には、柱挿通孔３１０が設けられている。一方、図９は、図８に示す制御基板３００のＢ−Ｂ′切断面における側断面図である。その基本構成は図８の下段の図（Ａ−Ａ′切断面における側断面図）とほぼ同じであるが、道具挿入孔３２０の断面が示されている。また、図１０は、図８に示す制御基板３００のＣ−Ｃ′切断面における側断面図である。その基本構成は図８の下段の図（Ａ−Ａ′切断面における側断面図）とほぼ同じであるが、制御基板固定ネジ孔３３０の断面が示されている。この制御基板固定ネジ孔３３０は、下方に設けられた本体部挿通孔３３１と、上方に設けられた径の大きな頭部収容孔３３２と、によって構成され、制御基板固定ネジを挿通するために利用される。
【００４１】
＜＜＜  §２．  力覚センサの全体構造  ＞＞＞
続いて、図１に示す力覚センサ５００の全体構造を、３通りの異なる切断面で切った側断面図を参照しながら説明する。
【００４２】
図１１は、図１に示す力覚センサ５００のＡ−Ａ′切断面における側断面図であり、図２の下段に示す検出基板１００の上方に図５の下段に示す受力基板２００を配置し、更にその上方に図８の下段に示す制御基板３００を配置した状態を示している（検出基板１００と制御基板３００との間を接続する制御基板固定ネジと筒状スペーサは図示省略、図１２についても同様）。ここで、各基板の個々の構成要素については、既に述べたとおりである。
【００４３】
図示のとおり、受力基板２００から上方に伸びた受力柱２１０は、制御基板３００に設けられた柱挿通孔３１０を挿通しており、その上端は、制御基板３００の上面から上方へと突き出している。受力柱２１０の上端には、ネジ受孔２１５が形成されており、このネジ受孔２１５を利用して、受力柱２１０の上端を第２の物体２０に固定することができる。
【００４４】
図１２は、図１１に示す力覚センサ５００について、受力基板固定ネジＳ１によって受力基板２００を第２の物体２０（破線で示す）に固定した状態を示すＡ−Ａ′切断面における側断面図である。受力基板固定ネジＳ１は、頭部が第２の物体２０に固定されており（第２の物体２０側の構造については、図示省略）、受力柱２１０の上端に形成されたネジ受孔２１５は、この受力基板固定ネジＳ１の先端部と螺合する構造になっている。したがって、第２の物体２０側に、４本の受力基板固定ネジＳ１の頭部を固定する構造を設けておけば、この４本のネジＳ１によって、第２の物体を４本の受力柱２１０に固定することができ、第２の物体２０は、受力柱２１０を介して受力基板２００に接続される。
【００４５】
なお、図示のとおり、円柱状の受力柱２１０の外周面と柱挿通孔３１０の内周面との間には所定の筒状空隙が確保されており、この筒状空隙によって与えられる自由度の範囲内で、受力柱２１０は自由に変位することができる。このため、第２の物体２０の変位は、受力柱２１０を介して受力基板２００へと伝達される。
【００４６】
図１３は、図１に示す力覚センサ５００のＢ−Ｂ′切断面における側断面図であり、図３に示す検出基板１００の上方に図６に示す受力基板２００を配置し、更にその上方に図９に示す制御基板３００を配置した状態を示している（検出基板１００と制御基板３００との間を接続する制御基板固定ネジと筒状スペーサは図示省略、図１４についても同様）。ここで、各基板の個々の構成要素については、既に述べたとおりである。
【００４７】
図示のとおり、検出基板１００の台座部１３０に設けられた台座部固定ネジ孔１６０の真上に受力基板２００に設けられた道具挿入孔２２０が配置されており、更にその真上に制御基板３００に設けられた道具挿入孔３２０が配置されている。
【００４８】
図１４は、図１３に示す力覚センサ５００において、台座部固定ネジＳ２によって台座部１３０を第１の物体１０（破線で示す）に固定した状態を示すＢ−Ｂ′切断面における側断面図である（第１の物体１０側の構造については、図示省略）。
【００４９】
図１４には、第２の物体２０を配置した状態が示されているが、実際には、第２の物体２０を力覚センサ５００の上方に取り付ける前に、この力覚センサ５００の台座部１３０を第１の物体１０の上面に取り付けるようにすればよい。すなわち、第２の物体２０が取り付けられていない状態では、台座部固定ネジＳ２を、道具挿入孔３２０および道具挿入孔２２０を通して、上方から台座部固定ネジ孔１６０に挿入することができ、更に、この道具挿入孔３２０および道具挿入孔２２０を通して、ドライバーなどの道具を上方から挿入して、台座部固定ネジＳ２の頭部を回転させることができる。
【００５０】
台座部１３０に形成された台座部固定ネジ孔１６０は、台座部固定ネジＳ２を挿通するとともにネジ頭部を収容保持する機能を有する。より具体的には、図１３に示すとおり、台座部固定ネジ孔１６０は、台座部固定ネジＳ２の本体部を挿通することはできるが頭部を挿通することはできない径をもった本体部挿通孔１６１と、この本体部挿通孔１６１の上部に形成され、台座部固定ネジＳ２の頭部を収容するのに必要な径をもった頭部収容孔１６２と、を有している。したがって、図１４に示すように、第１の物体１０側に台座部固定ネジＳ２の先端部と螺合するネジ受孔を形成しておけば、４本のネジＳ２によって、台座部１３０を第１の物体１０に固定することができ、検出基板１００を第１の物体１０に接続することができる。
【００５１】
図１５は、図１に示す力覚センサ５００のＣ−Ｃ′切断面における側断面図であり、図４に示す検出基板１００の上方に図７に示す受力基板２００を配置し、更にその上方に図１０に示す制御基板３００を配置した状態を示している。ここで、各基板の個々の構成要素については、既に述べたとおりである。なお、受力基板２００の脇に描かれた筒状スペーサ２５０は、制御基板固定ネジＳ３を収容することができる円筒状の部材（金属製でもよいし、樹脂製でもかまわない）であり、実際には、スペーサ挿通孔２３０内に配置して用いられる。
【００５２】
制御基板３００には、制御基板固定ネジＳ３を挿通するとともにネジ頭部を収容保持する制御基板固定ネジ孔３３０が形成されている。この制御基板固定ネジ孔３３０は、制御基板固定ネジＳ３の本体部を挿通することはできるが頭部を挿通することはできない径をもった本体部挿通孔３３１と、この本体部挿通孔３３１の上部に形成され、制御基板固定ネジＳ３の頭部を収容するのに必要な径をもった頭部収容孔３３２と、を有している。
【００５３】
図１６は、図１５に示す力覚センサ５００において、制御基板固定ネジＳ３によって制御基板３００を台座部１３０に固定した状態を示すＣ−Ｃ′切断面における側断面図である。図示のとおり、制御基板固定ネジＳ３は筒状スペーサ２５０に収容されており、筒状スペーサ２５０は、受力基板２００に形成されたスペーサ挿通孔２３０内を挿通している。また、台座部１３０には制御基板固定ネジＳ３の先端部と螺合するネジ受孔１７０が形成されている。したがって、制御基板固定ネジＳ３を締め付けると、筒状スペーサ２５０の上端は制御基板３００の下面に接した状態になり、下端は台座部１３０の上面に接した状態になる。かくして、制御基板３００は台座部１３０に対して制御基板固定ネジＳ３により固定される。
【００５４】
図１６には、第２の物体２０を配置した状態が示されているが、実際には、第２の物体２０を力覚センサ５００の上方に取り付ける前に、この力覚センサ５００の制御基板３００を台座部１３０の上面に取り付けるようにすればよい。すなわち、第２の物体２０が取り付けられていない状態で、受力基板２００に形成されたスペーサ挿通孔２３０に筒状スペーサ２５０を挿通し、その上に制御基板３００を載せ、４本の制御基板固定ネジＳ３を締め付けて固定すればよい。
【００５５】
図１７は、図１に示す力覚センサ５００の上面図である。図には、一番上層に配置された制御基板３００のみしか現れていないが、この下に、受力基板２００および検出基板１００が配置されている。図８で説明したとおり、制御基板３００上には合計１２個の孔が形成されている。
【００５６】
時計の文字板の０時，３時，６時，９時の位置には、柱挿通孔３１０が形成されており、受力基板２００の上面に取り付けられた受力柱２１０が上方へと挿通している。この受力柱２１０の上面にはネジ受孔２１５が形成されており、上述したとおり、第２の物体２０を接続するための受力基板固定ネジＳ１の先端部が螺合する。
【００５７】
また、時計の文字板の１時，４時，７時，１０時の位置には、道具挿入孔３２０が形成されており、上方から覗くと、台座部固定ネジＳ２の頭部が見えている。前述したとおり、この道具挿入孔３２０から、ドライバーなどの道具を挿入して、台座部固定ネジＳ２の頭部を回転させ、台座部１３０を第１の物体１０に固定することができる。一方、時計の文字板の２時，５時，８時，１１時の位置には、制御基板固定ネジ孔３３０が形成されており、ここには制御基板固定ネジＳ３が挿入され、制御基板３００が台座部１３０に固定される。
【００５８】
結局、ここに示す力覚センサ５００の場合、作用部１１０の中心を通り各基板１００，２００，３００に直交する中心線を定義し、この中心線に直交する投影面（たとえば、図１７に示す制御基板３００の上面）に、この中心線の位置を中心点Ｔとした基準円Ｕ（図１７では破線で示す）を定義すると、制御基板３００上に形成された１２個の孔の中心（基準点）は、いずれも基準円Ｕ上に位置することになる。そして、基準円Ｕを１２等分する位置に合計１２個の基準点を定義し、各基準点を基準円に沿った順に、時計の文字板における数字の並び順と同様に、第１の基準点〜第１２の基準点とし、第３，６，９，１２の基準点をＡグループ、第１，４，７，１０の基準点をＢグループ、第２，５，８，１１の基準点をＣグループとすれば、４本の受力柱２１０がＡグループの各基準点位置に配置され、４組の台座部固定ネジ孔１６０（および台座部固定ネジＳ２を回転させるための道具挿入孔２２０，３２０）がＢグループの基準点位置に配置され、４本の制御基板固定ネジＳ３が前記Ｃグループの基準点位置に配置されていることになる。
【００５９】
もちろん、受力柱２１０の数、台座部固定ネジ孔１６０の数、制御基板固定ネジＳ３の数は、必ずしも４組にする必要はなく、理論的には、いずれも最低限１組あれば、本考案に係る力覚センサを構成することは可能である。ただ、実用上は、それぞれ複数組を用いるのが好ましく、また、各基板の周囲部に配置するのが好ましい。すなわち、実用上は、受力基板２００の周囲部の所定箇所に複数の受力柱２１０を設け、台座部１３０の所定箇所に複数の台座部固定ネジ孔１６０を形成し、制御基板３００の周囲部の所定箇所を、複数の制御基板固定ネジＳ３によって台座部１３０に固定するのが好ましい。
【００６０】
また、ここに示す実施例の場合、各基板１００，２００，３００はいずれも円盤状の基板であるが、各基板の形状は必ずしも円に限定されるものではなく、矩形、六角形など、任意の形状にしてかまわないし、個々の基板ごとに異なる形状にしてもかまわない。
【００６１】
＜＜＜  §３．  力覚センサの検出動作  ＞＞＞
次に、図１に示す力覚センサ５００による検出動作を説明する。図１８は、この力覚センサ５００にモーメントもしくは力が作用した状態を説明するためのＡ−Ａ′切断面における側断面図である（検出基板１００と制御基板３００との間を接続する制御基板固定ネジＳ３と筒状スペーサ２５０は図示省略）。
【００６２】
前述したとおり、この力覚センサ５００は、図に破線で示した第１の物体１０と第２の物体２０との間に装着され、両物体を相互に接続する機能を有する。図示のとおり、検出基板１００は第１の物体１０の上方に配置され、受力基板２００は検出基板１００の上方に配置され、制御基板３００は受力基板２００の上方に配置され、第２の物体２０は制御基板３００の上方に配置される。もちろん、ここで言及している上下の位置関係は、各構成要素の相対的な配置を説明するための便宜であり、実用上は、この力覚センサ５００をどのような向きに装着してもかまわない。
【００６３】
また、本願では、この力覚センサ５００の機能を、「第１の物体１０に対して第２の物体２０から作用する力を検出する機能」として説明するが、作用反作用の法則により、２つの物体間に作用する力は相互的なものであり、この力覚センサ５００は、「第２の物体２０に対して第１の物体１０から作用する力を検出する機能」も当然ながら有している。
【００６４】
力覚センサ５００の基本構造は、次のとおりである。すなわち、図１８において、台座部１３０は第１の物体１０に固定されており、制御基板３００はネジＳ３と筒状スペーサ２５０（図１８では、図示省略）によって台座部１３０に固定されている。したがって、台座部１３０および制御基板３００は、第１の物体１０に固定されている。一方、受力基板２００の下面中心部は、隆起部１１１の上面に固定され、受力基板２００の上面には、第２の物体２０の下面に接続するための４本の受力柱２１０が設けられている。そして、制御基板３００には、この受力柱２１０を挿通する柱挿通孔３１０が形成されており、各受力柱２１０の上端は、この柱挿通孔３１０を挿通して上方へと突き出し、第２の物体２０に固定される。
【００６５】
また、検出基板１００は、中心に設けられた作用部１１０と、この作用部１１０の周囲に設けられた可撓性をもった可撓部１２０と、この可撓部１２０の周囲に設けられた台座部１３０とを有しており、作用部１１０の上端は上方に隆起した隆起部１１１を構成しており、可撓部１２０は作用部１１０と台座部１３０とを接続する可撓性接続部材（肉薄のダイアフラム）として機能している。なお、可撓部１２０は、必ずしもダイアフラムで構成する必要はなく、複数本のビーム構造体によって構成してもよい。この場合、作用部１１０は、その周囲から複数本のビーム構造体によって支持されることになる。
【００６６】
このような基本構造をもつ力覚センサ５００では、第１の物体１０を固定した状態で第２の物体２０に力が作用すると、当該力は、受力柱２１０から受力基板２００を経て作用部１１０へと伝達される。すると、作用部１１０と台座部１３０とを接続する可撓部１２０は、伝達されてきた力の作用により撓みを生じることになる。このように可撓部１２０が撓みを生じるため、第２の物体２０は、受力基板２００および作用部１１０とともに、第１の物体１０および台座部１３０に対して変位を生じることになる。換言すれば、第１の物体１０に対して第２の物体２０が変位すると、当該変位は受力柱２１０を介して受力基板２００に伝達され、更に作用部１１０に伝達され、可撓部１２０に撓みを生じさせることになる。
【００６７】
この検出基板１００には、更に、可撓部１２０の撓みを検出する検出部が設けられている。図示の実施例の場合、半導体基板１４０が、この検出部として機能し、可撓部１２０の撓み具合に基づいて作用部１１０に作用した力を電気信号として検出する働きをする。
【００６８】
図１９は、図１８に示す力覚センサ５００における半導体基板１４０の下面図である。この半導体基板１４０は、円盤状のシリコン基板であり、その下面には合計１２組のピエゾ抵抗素子Ｒが形成されている。これらピエゾ抵抗素子Ｒには、図示しない検出用回路が接続されている。既に述べたとおり、可撓部１２０は、作用部１１０の周囲を取り囲むように配置され、可撓性を奏する厚みをもった円環状（ワッシャ状）の肉薄部によって構成されており、半導体基板１４０の外周は、この円環状の可撓部１２０の外周に一致する。別言すれば、半導体基板１４０の外周部は、台座部１３０の内周面に接している。
【００６９】
結局、この実施例の場合、検出部は、環状肉薄部からなる可撓部１２０に接合され、この可撓部１２０とともに撓みを生じる半導体基板１４０と、この半導体基板１４０内に形成された１２組のピエゾ抵抗素子Ｒと、このピエゾ抵抗素子Ｒの抵抗値の変化に基づいて作用部１１０に作用した力を電気信号として出力する回路と、によって構成されていることになる。
【００７０】
ここでは、説明の便宜上、図１８に示すように、作用部１１０の中心を通り各基板に直交する中心線上に原点Ｏを定義し、この中心線をｚ軸、この中心線に直交する２軸をｘ軸およびｙ軸とするｘｙｚ三次元直交座標系を定義する。図１８の例の場合、半導体基板１４０の下面中心に原点Ｏが定義されており、図の右方向にｘ軸、図の下方向にｚ軸、図の紙面に垂直な手前方向にｙ軸がそれぞれ定義されている。検出部は、作用部１１０（すなわち、第２の物体２０）に作用したｘ軸まわりのモーメントｍｘ、ｙ軸まわりのモーメントｍｙ、ｚ軸方向の力ｆｚを検出する機能を有している。
【００７１】
本願では、各座標軸の正方向に作用する力を当該座標軸に関する正の力とし、各座標軸方向に右ネジを進める回転方向に作用するモーメントを当該座標軸に関する正のモーメントとして取り扱うことにする。図１８の上方に描いた＋ｍｙは第２の物体２０に作用したｙ軸まわりの正のモーメントを示し、＋ｆｚは第２の物体２０に作用したｚ軸方向の正の力を示している。
【００７２】
なお、物理的に正確なモーメントｍｘ，ｍｙを定義するには、回転の中心となる原点Ｏの位置を正確に定義する必要があるが、実際の原点Ｏの正確な位置は、可撓部１２０および半導体基板１４０の厚みや変形特性に依存して定まるので、実際の装置を設計した段階ではじめて決定することができる。したがって、ここでは、便宜上、図１８に示すとおり、半導体基板１４０の下面の中心点に原点Ｏを定義した説明を行う。
【００７３】
図１９は、半導体基板１４０の下面図であり、図の右方向にｘ軸、図の上方向にｙ軸が定義されている。１２組のピエゾ抵抗素子Ｒは、いずれもこの半導体基板１４０（シリコン基板）の表面に形成された細長い素子であるが、その配置に特徴がある。すなわち、モーメントｍｙの検出に利用される４組の素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４はｘ軸に沿って配置され、モーメントｍｘの検出に利用される４組の素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４はｙ軸に沿って配置され、力ｆｚの検出に利用される４組の素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４は任意軸（図示の例では、ｘ軸に平行かつその近傍に配置された軸であるが、たとえば、ｘ軸やｙ軸に対して傾斜した軸であってもかまわない）に沿って配置されている。
【００７４】
また、素子Ｒｘ１，Ｒｘ４，Ｒｙ１，Ｒｙ４，Ｒｚ１，Ｒｚ４は、円環状の可撓部１２０の外周部近傍に配置され、素子Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｚ２，Ｒｚ３は、円環状の可撓部１２０の内周部近傍に配置されているが、これらの位置は、いずれも可撓部１２０が撓みを生じる際に、最も大きな機械的応力が生じる位置になっている。すなわち、各素子をこれらの位置に配置することにより、検出感度を高めることができる。
【００７５】
図２０は、図１８に示す力覚センサ５００に、モーメント＋ｍｘ，＋ｍｙおよび力＋ｆｚが作用したときの各ピエゾ抵抗素子Ｒの伸縮状態を示す表である。表における「＋」は素子に対して長手方向に伸びる応力が作用することを示し、「−」は素子に対して長手方向に縮む応力が作用することを示し、「０」は長手方向に関する応力が作用しないことを示す。たとえば、第２の物体２０にモーメント＋ｍｙが作用すると、図１８に矢印＋ｍｙで示すような変位が生じ、受力基板２００は、図の左側が下方へ移動し、図の右側が上方へ移動することになる。その結果、可撓部１２０および半導体基板１４０に撓みが生じ、素子Ｒｘ１，Ｒｘ３に対しては長手方向（ｘ軸方向）に伸びる応力が働き、素子Ｒｘ２，Ｒｘ４に対しては縮む応力が働く。素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４についても長手方向に関して同様の応力が働くが、素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４については長手方向への応力は働かない。図２０の表の２行目は、このときの伸縮状態を示している。逆まわりのモーメント−ｍｙが作用した場合は、伸縮状態が逆転する。
【００７６】
同様に、第２の物体２０にモーメント＋ｍｘが作用すると、素子Ｒｙ１，Ｒｙ３に対しては長手方向（ｙ軸方向）に伸びる応力が働き、素子Ｒｙ２，Ｒｙ４に対しては縮む応力が働く。素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４および素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４については長手方向への応力は働かない。図２０の表の１行目は、このときの伸縮状態を示している。逆まわりのモーメント−ｍｘが作用した場合は、伸縮状態が逆転する。
【００７７】
また、第２の物体２０に力＋ｆｚが作用すると、図１８に矢印＋ｆｚで示すような変位が生じ、受力基板２００は、全体が図の下方へ移動する。その結果、可撓部１２０および半導体基板１４０に撓みが生じ、素子Ｒｚ１，Ｒｚ４に対しては長手方向に縮む応力が働き、素子Ｒｚ２，Ｒｚ３に対しては伸びる応力が働く。素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４および素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４についても同様である。図２０の表の３行目は、このときの伸縮状態を示している。逆まわりの力−ｆｚが作用した場合は、伸縮状態が逆転する。
【００７８】
ピエゾ抵抗素子Ｒは、伸縮状態に応じて電気抵抗値が変化する性質を有しているため、各素子Ｒの電気抵抗値の変化を認識することができれば、作用したモーメントｍｘ，ｍｙおよび力ｆｚの大きさおよび方向を電気信号として検出することができる。そこで、図２１(a) ，(b) ，(c) に示すような電気回路を用意する。これらの回路は、いずれも４組の素子Ｒを用いて組んだホイートストンブリッジであり、各素子ＲがＰ型のピエゾ抵抗素子である場合に、符号を含めて正しい検出値が得られる回路になっている。
【００７９】
図２１(a) に示す回路は、素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４についてのブリッジ回路であり、このブリッジに電源から所定電圧を供給すると、電位差計Ｖｘによって測定された電位差が、ｙ軸まわりのモーメントｍｙを示すものになる（符号はモーメントの向きを示す）。これは、図２０の表の第２行目に示す伸縮状態に基づいて、各素子の電気抵抗に、第２の物体２０に作用したモーメントに応じた変化が生じるためである。なお、ｙ軸まわりのモーメントｍｙのみが作用したときは、図２１(b) ，(c) に示す電位差計Ｖｙ，Ｖｚからの出力は０であり、他軸成分が誤検出されることはない。
【００８０】
図２１(b) に示す回路は、素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４についてのブリッジ回路であり、このブリッジに電源から所定電圧を供給すると、電位差計Ｖｙによって測定された電位差が、ｘ軸まわりのモーメントｍｘを示すものになる（符号はモーメントの向きを示す）。これは、図２０の表の第１行目に示す伸縮状態に基づいて、各素子の電気抵抗に、第２の物体２０に作用したモーメントに応じた変化が生じるためである。なお、ｘ軸まわりのモーメントｍｘのみが作用したときは、図２１(a) ，(c) に示す電位差計Ｖｘ，Ｖｚからの出力は０であり、やはり他軸成分が誤検出されることはない。
【００８１】
図２１(c) に示す回路は、素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４についてのブリッジ回路であり、このブリッジに電源から所定電圧を供給すると、電位差計Ｖｚによって測定された電位差が、ｚ軸方向の力ｆｚを示すものになる（符号は力の向きを示す）。これは、図２０の表の第３行目に示す伸縮状態に基づいて、各素子の電気抵抗に、第２の物体２０に作用した力に応じた変化が生じるためである。この場合も、ｚ軸方向の力ｆｚのみが作用したときは、図２１(a) ，(b) に示す電位差計Ｖｘ，Ｖｙからの出力は０であり、やはり他軸成分が誤検出されることはない。
【００８２】
かくして、この図２１に示す検出回路により、第２の物体２０に作用したｘ軸まわりのモーメントｍｘ、ｙ軸まわりのモーメントｍｙ、ｚ軸方向の力ｆｚを検出することができる。なお、このような検出回路は、半導体基板１４０内に形成することが可能であり、結局、図２１に示す検出回路は、検出基板１００内に組み込まれることになり、検出基板１００のいずれかの箇所に、外部への配線端子を用意しておけば、この配線端子から検出結果を電気信号として取り出すことができる。
【００８３】
以上、半導体基板１４０と、この半導体基板１４０上に形成されたピエゾ抵抗素子Ｒおよび検出回路と、によって検出部を構成する例を述べたが、本考案に係る力覚センサに用いる検出部は、当該実施例に限定されるものではない。要するに、可撓部１２０の撓み具合に基づいて作用部１１０（すなわち、第２の物体２０）に作用した力を電気信号として検出する機能をもったものであれば、この他にも種々の形態の検出部を採用することが可能である。
【００８４】
本考案に係る力覚センサ５００の最も重要な特徴は、台座部１３０に対して固定された制御基板３００を設け、この制御基板３００によって受力基板２００の変位を制御することができるようにした点である。図１８に示す構造では、第２の物体２０に大きな力が加わったとしても、受力基板２００の下方への変位は台座部１３０によって制御され、上方への変位は制御基板３００によって制御されることになる。すなわち、受力基板２００の変位は、台座部１３０と制御基板３００とに挟まれた空間内に制限されることになる。
【００８５】
これは、可撓部１２０や半導体基板１４０に伝達される変位も、所定範囲に制限されることを意味する。したがって、第２の物体２０に過度の力が加わった場合でも、可撓部１２０や半導体基板１４０に過度の撓みが生じることはない。可撓部１２０に過度の撓みが生じると、弾性変形の領域を越え、塑性変形が生じてしまう。そうなると、検出系の零点が変位してしまい、正確な検出値を得ることができなくなる。また、半導体基板１４０に過度の撓みが生じると、機械的に損傷を受けることになる。制御基板３００は、過度の負荷が加わった場合にも、上述のような問題発生を防止する役割を果たすことになる。
【００８６】
この保護機能は、半導体基板１４０上に検出回路を形成した場合には特に有効である。一般に、ピエゾ抵抗素子を用いた検出系は、歪ゲージを用いた検出系に比べて、５０〜１００倍の感度を得ることができ、実用上、マイコン内蔵のＡＤ変換器で直接取り込むことのできる十分な信号レベルの電気信号を得ることができる。このため、ピエゾ抵抗素子を用いた検出系を用いると、アンプ回路が不要になり、信号処理回路の規模を小さく抑える利点が得られる。しかしながら、このような高感度検出系は、過度の応力に対する脆弱性を有しており、実際、上述した半導体基板１４０を用いた検出系では、過度の応力が加わると機械的な損傷が生じてしまう。
【００８７】
本考案に係る力覚センサ５００では、上記保護機能が付加されるため、このような高感度検出系を利用しても破損の心配がない。また、この力覚センサ５００の基本構造は、検出基板１００、受力基板２００、制御基板３００という３層の基板からなる単純な構造であり、しかもネジによって固定可能な構造となっているため、小型でありながら十分な堅牢性を確保することができる。
【００８８】
かくして、本考案によれば、十分な検出感度を確保することができ、小型で堅牢性に富んだ力覚センサを実現することが可能になる。
【００８９】
＜＜＜  §４．  ６次元力検出装置の実施例  ＞＞＞
これまで述べた力覚センサ５００は、上述したように、第２の物体２０に作用したｘ軸まわりのモーメントｍｘ、ｙ軸まわりのモーメントｍｙ、ｚ軸方向の力ｆｚという３成分を検出する機能を有している。しかしながら、産業界では、三次元の各座標軸方向に作用した力および各座標軸まわりに作用したモーメントという６成分を検出する６次元力検出装置の需要が高まってきている。
【００９０】
ここでは、これまで述べた力覚センサ５００を複数台用いることにより、６次元力検出装置を構成した実施例を述べる。§３では、力覚センサ５００の動作を説明するために、原点Ｏをもつｘｙｚ三次元座標系（ローカル座標系）を定義したが、この６次元力検出装置の実施例では、便宜上、原点ＱをもつＸＹＺ三次元座標系（グローバル座標系）を定義し、両座標系を区別した説明を行うことにする。結局、ここで述べる６次元力検出装置は、原点ＱをもつＸＹＺ三次元直交座標系において、第１の物体に対して第２の物体から作用したＸ軸方向の力Ｆｘ，Ｙ軸方向の力Ｆｙ，Ｚ軸方向の力Ｆｚ，Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ，Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ，Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの６成分を検出する機能をもった装置ということになる。
【００９１】
このような６次元力検出装置は、これまで述べてきた力覚センサ５００を複数組と、これら複数組の力覚センサ５００から出力された検出値に基づく演算を行う演算回路と、によって構成することができる。すなわち、複数組の力覚センサ５００の各台座部１３０を、ＸＹＺ三次元直交座標系における所定位置においてそれぞれ第１の物体に固定し、各受力柱２１０を、それぞれ第２の物体に固定すればよい。各力覚センサ５００からは、それぞれ検出値ｍｘ，ｍｙ，ｆｚが得られることになるので、演算回路によって、これら各検出値ｍｘ，ｍｙ，ｆｚに基づいて、６成分の値を求める所定の演算を行うようにすればよい。
【００９２】
図２２は、図１７に示す力覚センサ５００を４組用いることにより構成した６次元力検出装置の上面図である。図に示されている大きな円は、第１の物体３０の上面であり、その上に４組の力覚センサ５００が配置されている。ここでは、これら４組を区別するため、それぞれ力覚センサ５０１〜５０４と呼ぶことにする。図示の例の場合、第１の物体３０の中心軸（図２２の紙面に直交する軸）上に原点Ｑを定義し、当該中心軸をＺ軸とし、図２２の右方にＸ軸、下方にＹ軸をとることにより、ＸＹＺ三次元直交座標系が定義されている。
【００９３】
図２３は、図２２に示す６次元力検出装置をＸＺ平面で切断した側断面図であり、２組の力覚センサ５０１，５０２の断面が示されている。その奥には、力覚センサ５０４が配置されているが、図が繁雑になるのを避けるため、図示は省略する。この側断面図に示すとおり、４組の力覚センサ５０１〜５０４は、第１の物体３０（破線で示す）と第２の物体４０（破線で示す）との間に装着されており、これまで述べた力覚センサ５００の装着形態と同様に、それぞれ台座部１３０が第１の物体３０に対して固定され、受力柱２１０が第２の物体４０に固定される。図２２では、第２の物体４０は省略されているが、実際には、各力覚センサ５０１〜５０４の上に、第２の物体４０が取り付けられることになる。なお、ＸＹＺ三次元直交座標系の原点Ｑは、ｘｙｚ三次元直交座標系の各原点Ｏを含む平面上に定義されている。
【００９４】
この６次元力検出装置の検出対象は、第１の物体３０に対して第２の物体４０から作用した６成分の力であり、図２３には、そのうちの力＋Ｆｘ，＋Ｆｚおよびモーメント＋Ｍｙが白矢印で例示されている。力＋Ｆｙは、図２３において紙面垂直手前側に向かう力であり、モーメント＋Ｍｘは、第２の物体４０をＸ軸まわりに回転させるモーメントである。また、モーメント＋Ｍｚは、図２２において、図示されていない第２の物体４０を時計まわりに回転させるモーメントである。
【００９５】
このように、６次元力検出装置の検出対象であるＦｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚの６成分は、あくまでも原点ＱをもったＸＹＺ三次元直交座標系で定義された成分であり、個々の力覚センサ５０１〜５０４が検出したｍｘ，ｍｙ，ｆｚとは若干異なる。ただ、個々の力覚センサ５０１〜５０４のローカル座標系（ｘｙｚ三次元直交座標系）と、６次元力検出装置のグローバル座標系（ＸＹＺ三次元直交座標系）との間で、それぞれ座標軸の幾何学的対応関係が決められれば、各検出値ｍｘ，ｍｙ，ｆｚを用いた所定の演算により、６成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚを算出することができる。
【００９６】
ここに示す実施例では、各力覚センサ５０１〜５０４のｘ軸，ｙ軸，ｚ軸が、ＸＹＺ三次元直交座標系のそれぞれＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸に平行となるように配置することにより、演算回路による演算を簡潔化している。図２４は、図２２に示す６次元力検出装置における各力覚センサ５０１〜５０４の配置を示す上面図である。便宜上、各力覚センサ５０１〜５０４については、その輪郭（円）、４本の受力柱の位置（星印で示す）、原点Ｏおよびｘ，ｙ軸の方向のみを示してある。いずれの力覚センサについても、その検出軸ｘ，ｙはグローバル座標系のＸ，Ｙ軸に平行となっており、検出軸ｚ（紙面に垂直な軸）も、グローバル座標系のＺ軸に平行となっている。
【００９７】
また、第１の力覚センサ５０１は正のＸ軸上に原点Ｏがくるように配置され、第２の力覚センサ５０２は負のＸ軸上に原点Ｏがくるように配置され、第３の力覚センサ５０３は正のＹ軸上に原点Ｏがくるように配置され、第４の力覚センサ５０４は負のＹ軸上に原点Ｏがくるように配置されている。
【００９８】
なお、図２４に示されている吹き出し内の記号は、各力覚センサ５０１〜５０４によって検出される力およびモーメントを示している。すなわち、ここでは、第１の力覚センサ５０１によって検出されたｘ軸まわりのモーメントをｍｘ１、ｙ軸まわりのモーメントをｍｙ１、ｚ軸方向の力をｆｚ１とし、第２の力覚センサ５０２によって検出されたｘ軸まわりのモーメントをｍｘ２、ｙ軸まわりのモーメントをｍｙ２、ｚ軸方向の力をｆｚ２とし、第３の力覚センサ５０３によって検出されたｘ軸まわりのモーメントをｍｘ３、ｙ軸まわりのモーメントをｍｙ３、ｚ軸方向の力をｆｚ３とし、第４の力覚センサ５０４によって検出されたｘ軸まわりのモーメントをｍｘ４、ｙ軸まわりのモーメントをｍｙ４、ｚ軸方向の力をｆｚ４とする。
【００９９】
図２５は、この６次元力検出装置に用いられる演算回路が実行する演算内容を示す式である。すなわち、４組の力覚センサ５０１〜５０４から、図２４の吹き出しに示すような検出結果が得られるという前提では、図２５に示す各演算式による演算を行うことにより、検出対象であるＦｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚの６成分を得ることができる。
【０１００】
具体的には、Ｘ軸方向の力Ｆｘは、
Ｆｘ＝ｍｙ１＋ｍｙ２＋ｍｙ３＋ｍｙ４  または
＝ｍｙ１＋ｍｙ２  または
＝ｍｙ３＋ｍｙ４
なる演算によって求めることができ、Ｙ軸方向の力Ｆｙは、
Ｆｙ＝ｍｘ１＋ｍｘ２＋ｍｘ３＋ｍｘ４  または
＝ｍｘ１＋ｍｘ２  または
＝ｍｘ３＋ｍｘ４
なる演算によって求めることができ、Ｚ軸方向の力Ｆｚは、
Ｆｚ＝ｆｚ１＋ｆｚ２＋ｆｚ３＋ｆｚ４  または
＝ｆｚ１＋ｆｚ２  または
＝ｆｚ３＋ｆｚ４
なる演算によって求めることができる。
同様に、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘは、
Ｍｘ＝ｆｚ３−ｆｚ４
なる演算によって求めることができ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙは、
Ｍｙ＝ｆｚ２−ｆｚ１
なる演算によって求めることができ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚは、
Ｍｚ＝−ｍｘ１＋ｍｘ２−ｍｙ３＋ｍｙ４  または
＝−ｍｘ１＋ｍｘ２  または
＝−ｍｙ３＋ｍｙ４
なる演算により求めることができる。
【０１０１】
いずれも、得られた演算値の符号が、作用した力やモーメントの向きを示すものになる。上記演算式によって、この６成分の値を求めることができるのは、４組の力覚センサ５０１〜５０４が図２４に示す配置を採っているためである。すなわち、これらの演算式は、図２４に示す配置において、第２の物体４０から各成分の力やモーメントが作用したときに、各力覚センサ５０１〜５０４の受力柱（図に星印で示す位置）にどのような力が作用するかを検討することにより、理論的に導出することができる。
【０１０２】
もちろん、図２４に示す力覚センサの配置は一例を示すものであり、本考案に係る６次元力検出装置は、このような配置を採る装置に限定されるものではない。たとえば、図２６は、本考案に係る６次元力検出装置の第１のバリエーションを示す上面図である。図２４に示す例では、４組の力覚センサ５０１〜５０４がＸ軸もしくはＹ軸上に配置されているが、図２６に示すバリエーションでは、４組の力覚センサ５１１〜５１４が、それぞれＸＹ座標の第１象限〜第４象限に配置されている。ローカル座標系の各座標軸ｘ，ｙ，ｚが、グローバル座標系の各座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに平行に配置されている点は同様である。
【０１０３】
一方、図２７は、本考案に係る６次元力検出装置の第２のバリエーションを示す上面図である。図２４に示す例では、４組の力覚センサ５０１〜５０４が用いられていたが、図２７に示すバリエーションでは、３組の力覚センサ５２１〜５２３のみが用いられている。第１の力覚センサ５２１は、負のＹ軸上に配置され、第２の力覚センサ５２２はＸＹ座標の第３象限に配置され、第３の力覚センサ５２３はＸＹ座標の第４象限に配置されている。より具体的には、第２の力覚センサ５２２および第３の力覚センサ５２３は、いずれも点ＱＯを結ぶ線がＹ軸に対して６０°をなす位置に配置されている。
【０１０４】
図２６や図２７に示すバリエーションでは、演算回路が実行する演算式が図２５に示すものと異なるが、それぞれ所定の演算式を用いた演算により、検出対象であるＦｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚの６成分を得ることができる。
【０１０５】
＜＜＜  §５．  その他の実施例  ＞＞＞
最後に、本考案に係る力覚センサのいくつかの変形例を述べておく。もちろん、これらの変形例を複数組用いることにより、§４で述べた６次元力検出装置を構成することもできる。
【０１０６】
(1)   筒状スペーサ２５０の構造
図１８に示す実施例で述べたとおり、本考案に係る力覚センサ５００では、受力基板２００の上面周囲部と制御基板３００の下面周囲部との間には所定の上方空隙が確保され、受力基板２００の下面周囲部と台座部１３０の上面との間には所定の下方空隙が確保されており、受力基板２００の変位は、この上方空隙および下方空隙の範囲内に制限されるように構成されている。その結果、第２の物体２０に過度の力が作用した場合でも、可撓部１２０や半導体基板１４０（検出部）に過度な撓みが生じることを防止することができる。
【０１０７】
したがって、この力覚センサ５００を設計する場合、上方空隙および下方空隙の寸法が、当該空隙の制限下での変位が生じる限りにおいて、可撓部１２０および検出部に機械的な損傷が生じない範囲に設定する必要がある。この空隙寸法の適正値は、力覚センサ５００の各部の寸法や材質などに応じて適宜設定されるべきものであるが、図１８に白矢印で示すようなモーメント＋ｍｙ等が作用した場合に、受力基板２００が台座部１３０の上面と制御基板３００の下面とによって同時に制御されるようにすることを考えると、上方空隙および下方空隙の寸法を等しく設定するのが好ましい。
【０１０８】
ただ、これら空隙寸法は、一般的には、１０〜１００μｍ程度であり、適切な空隙寸法をもった装置を量産するためには、高精度の機械加工技術が必要になる。そこで、以下、筒状スペーサ２５０の構造を工夫することにより、適切な空隙寸法をもった装置を量産する方法を述べておく。
【０１０９】
図２８は、図１５に示す力覚センサ５００における筒状スペーサ２５０の具体的構成例を示す側断面図である。図の左側に示すとおり、ここに示す筒状スペーサ２５０は、３つの部材２５１，２５２，２５３によって構成されている。ここでは、部材２５２を主筒状部材と呼び、部材２５１，２５３を副筒状部材と呼ぶことにする。結局、筒状スペーサ２５０は、主筒状部材２５２と２組の副筒状部材２５１，２５３とを積み重ねる構造によって構成される。図では、説明の便宜上、主筒状部材２５２の上下に、それぞれ副筒状部材２５１，２５３を配置した例が示されているが、これら３つの筒状部材の積層順は任意でかまわない。
【０１１０】
ここで重要な点は、主筒状部材２５２が受力基板２００と同じ厚みを有する部材となるようにし、副筒状部材２５１，２５３が検出基板の隆起部１１１と同じ厚みを有するようにする点である。実用上は、隆起部１１１を除く検出基板１００の部分を１枚の平坦な基板を加工することにより形成し、別体として用意した隆起部１１１を接合するようにするとともに、主筒状部材２５２を受力基板２００と同じ材料基板から切り出すようにし、副筒状部材２５１，２５３を隆起部１１１と同じ材料基板から切り出すようにすればよい。そうすれば、同じ材料基板から切り出された受力基板２００と主筒状部材２５２とは同じ厚みになり、同じ材料基板から切り出された隆起部１１１と副筒状部材２５１，２５３とは同じ厚みになる。
【０１１１】
このような厚みをもった３つの筒状部材２５１，２５２，２５３を積層して筒状スペーサ２５０を構成し、これを台座部１３０と制御基板３００との間に介挿すれば、図に示す上方空隙の寸法ｄ１と下方空隙の寸法ｄ２とは、いずれも副筒状部材２５１，２５３の厚み、すなわち、隆起部１１１の厚みに一致し、ｄ１＝ｄ２という条件を満足させることが可能になる。
【０１１２】
なお、主筒状部材２５２と受力基板２００とは、必ずしも同じ材料基板から切り出す必要はなく、別な材料基板から切り出した後に研磨工程などで厚みを揃えるようにしてもかまわない。同様に、副筒状部材２５１，２５３と隆起部１１１とは、必ずしも同じ材料基板から切り出す必要はなく、別な材料基板から切り出した後に研磨工程などで厚みを揃えるようにしてもかまわない。
【０１１３】
(2)   柱挿通孔およびスペーサ挿通孔による制御
これまで、受力基板２００の下方への変位を台座部１３０の上面によって制御し、上方への変位を制御基板３００の下面によって制御する、という前提で説明を行ってきたが、受力基板２００の変位は、別な方法で制御することも可能である。
【０１１４】
第１の方法は、図１８に示す受力柱２１０の外周面と柱挿通孔３１０の内周面との接触による制御方法である。第２の物体２０の変位は、受力柱２１０を介して受力基板２００へと伝達されるので、受力基板２００が傾斜を伴う変位を生じると、受力柱２１０も傾斜していることになる。したがって、受力柱２１０の外周面と柱挿通孔３１０の内周面との間に形成された筒状空隙の寸法を適切な値に設定しておけば、受力柱２１０の外周面と柱挿通孔３１０の内周面との接触により、受力柱２１０の変位が上記筒状空隙の範囲内に制限されることになるので、受力基板２００の傾斜を伴う過度の変位を制御することができる。
【０１１５】
もちろん、このような制御を行う必要がない場合には、柱挿通孔３１０の径を十分大きな寸法に設定しておけばよいが、このような制御を利用するのであれば、上記筒状空隙の寸法が、当該筒状空隙の範囲内の制限下で変位が生じる限りにおいて、可撓部１２０および検出部に機械的な損傷が生じない範囲となるように、上記筒状空隙の寸法を設定しておくようにすればよい。
【０１１６】
第２の方法は、図１６に示す筒状スペーサ２５０の外周面とスペーサ挿通孔２３０の内周面との接触による制御方法である。この場合も、受力基板２００が傾斜を伴う変位を生じると、スペーサ挿通孔２３０も傾斜することになる。一方、筒状スペーサ２５０は、台座部１３０の上面に直立した状態を維持する。したがって、筒状スペーサ２５０の外周面とスペーサ挿通孔２３０の内周面との間に形成された筒状空隙の寸法を適切な値に設定しておけば、筒状スペーサ２５０の外周面とスペーサ挿通孔２３０の内周面との接触により、スペーサ挿通孔２３０の変位が上記筒状空隙の範囲内に制限されることになるので、受力基板２００の傾斜を伴う過度の変位を制御することができる。
【０１１７】
もちろん、このような制御を行う必要がない場合には、スペーサ挿通孔２３０の径を十分大きな寸法に設定しておけばよいが、このような制御を利用するのであれば、上記筒状空隙の寸法が、当該筒状空隙の範囲内の制限下で変位が生じる限りにおいて、可撓部１２０および検出部に機械的な損傷が生じない範囲となるように、上記筒状空隙の寸法を設定しておくようにすればよい。
【０１１８】
(3)   半導体基板の位置合わせに関する工夫
これまで述べてきた実施例では、検出部として円盤状の半導体基板１４０が用いられていたが、もちろん、半導体基板１４０の形状はどのようなものであってもかまわない。ただ、実用上、この装置を量産する場合、半導体基板１４０としては、シリコン基板から矩形状のペレットとして切り出されたものを利用するケースが少なくない。ここでは、このような矩形状の半導体基板１４０を位置合わせするための工夫を述べておく。
【０１１９】
図２９は、図１１に示す力覚センサ５００の第１の変形例に用いられる検出基板１００′を示す側断面図である。この検出基板１００′の基本構造は、これまで述べてきた検出基板１００とほぼ同じであり、対応する各部の符号にはダッシュを付して示してある。ただ、半導体基板１４０′は、矩形状のペレットであるため、これを収容するための円形の空洞部Ｖ′は、これまでの実施例よりも若干大きくなっている。
【０１２０】
このような構造をもった装置を量産する際には、半導体基板１４０′の位置合わせが非常に重要になる。これは、半導体基板１４０′の位置に応じてピエゾ抵抗素子Ｒの位置が定まり、ピエゾ抵抗素子Ｒの位置は、検出感度に大きな影響を与えるためである。既に述べたとおり、作用部１１０′の変位に基づいて可撓部１２０′に生じる応力は、可撓部１２０′の外周位置Ｐ１の内側直近部分および可撓部１２０′の内周位置Ｐ２の外側直近部分（すなわち、環状溝Ｇ２の内側および外側に対応する部分）において最も大きくなる。したがって、実用上、ピエゾ抵抗素子Ｒが、これらの位置に配置されるような装置設計が行われる。ところが、実際の製造プロセスでは、半導体基板１４０′は、位置Ｐ３にある台座部１３０′の内壁で囲まれた円形の空洞部Ｖ′内に取り付けられるため、位置合わせ方法を工夫しないと、正確な位置に取り付けることができなくなり、感度にばらつきが生じることになる。
【０１２１】
そこで、ここに示す変形例では、空洞部Ｖ′の底面に目印となる位置合わせ溝を形成する工夫を施してある。図３０は、図２９に示す検出基板１００′の下面図である（蓋板１５０′を外した状態を示す。なお、ハッチングは領域Ｅ１を示すためのものであり、断面を示すものではない）。図に示されている台座部１３０′上の４つの孔は、台座部固定ネジ孔１６０である。円形の空洞部Ｖ′の底面にハッチングを施して示す矩形の領域Ｅ１は、半導体基板１４０′を配置する基板配置領域である。ここに示す例では、当該領域Ｅ１の四辺の位置を示すために、「井」の字状の位置合わせ溝１８０が形成されている。
【０１２２】
通常、半導体基板１４０′は、ダイボンド剤を用いて、空洞部Ｖ′の底面に接着される。検出基板１００の本体部分を金属によって構成し、半導体基板１４０′をシリコン基板によって構成する一般的な例の場合、ダイボンド剤としては、ＡｕＳｎ，ＡｕＳｉなどの共晶合金を用いるのが好ましい。このような共晶合金を用いると、可撓部１２０′に生じた機械的な歪みを半導体基板１４０′を介してピエゾ抵抗素子Ｒまで正確に伝達することができる。あるいは、共晶合金の代わりに、強固な有機系の樹脂接着剤を用いることもできる。
【０１２３】
このようにダイボンド剤を用いて半導体基板１４０′を空洞部Ｖ′の底面に接着する際に、「井」の字状の位置合わせ溝１８０を目印として利用すれば、図にハッチングを施して示した正しい領域Ｅ１に、半導体基板１４０′を正確に位置合わせして接着することが可能になる。しかも、位置合わせ溝１８０は、底面に掘られた溝を形成しているため、余分なダイボンド剤を落とし込む逃げ場としての機能も果たす。ダイボンド剤を用いた接着工程では、通常、接着強度を増すために、半導体基板１４０′を空洞部Ｖ′の底面に擦り付ける作業が行われ、この作業で余分なダイボンド剤が半導体基板１４０′の周囲からにじみ出てくる。位置合わせ溝１８０は、位置合わせの目印の役割を果たすとともに、余分なダイボンド剤を収容する役割も果たすことになる。なお、位置合わせの目印の役割を果たすだけなら、「井」の字状の溝の代わりに「Ｌ」字状の溝（直交する２本の溝）を形成してもかまわない。
【０１２４】
図３１は、図１１に示す力覚センサ５００の第２の変形例に用いられる検出基板１００''を示す側断面図である。この検出基板１００''の基本構造も、これまで述べてきた検出基板１００とほぼ同じであり、対応する各部の符号にはツーダッシュを付して示してある。ただ、半導体基板１４０''は、矩形状のペレットであるため、これを収容するための円形の空洞部Ｖ''は、これまでの実施例よりも若干大きくなっている。
【０１２５】
この第２の変形例では、半導体基板１４０''を空洞部Ｖ''の底部に接着する際の位置合わせ手段として、周辺溝Ｇ３が形成されている。図３２は、図３１に示す検出基板１００''の下面図である（蓋板１５０''を外した状態を示す。なお、ハッチングは領域Ｅ２および周辺溝Ｇ３の形成領域を示すためのものであり、断面を示すものではない）。図に示されている台座部１３０''上の４つの孔は、台座部固定ネジ孔１６０である。円形の空洞部Ｖ''の底面に単線ハッチングを施して示す矩形の領域Ｅ２は、半導体基板１４０''を配置する基板配置領域であり、その周囲に位置する二重線ハッチングを施して示す領域は、周辺溝Ｇ３が形成された領域である。周辺溝Ｇ３は、正方形の領域Ｅ２の周囲を更に掘り下げた領域となっている。すなわち、円形の空洞部Ｖ''を覗いてみると、中央に隆起した正方形状の丘の部分が基板配置領域Ｅ２であり、その周囲の谷の部分が周辺溝Ｇ３となっている。
【０１２６】
したがって、この第２の変形例の場合も、半導体基板１４０''をダイボンド剤を用いて接着する際に、丘の部分を構成する基板配置領域Ｅ２の輪郭を位置合わせの目印として利用することができ、しかも半導体基板１４０''の周囲からにじみ出た余分なダイボンド剤を、周辺溝Ｇ３へと流し込むことにより処理することができる。
【符号の説明】
【０１２７】
１０：第１の物体
２０：第２の物体
３０：第１の物体
４０：第２の物体
１００，１００′，１００''：検出基板
１１０，１１０′，１１０''：作用部
１１１：隆起部
１２０，１２０′，１２０''：可撓部
１３０，１３０′，１３０''：台座部
１４０，１４０′，１４０''：半導体基板
１５０，１５０′，１５０''：蓋板
１６０：台座部固定ネジ孔
１６１：本体部挿通孔
１６２：頭部収容孔
１７０：ネジ受孔
１８０：位置合わせ溝
２００：受力基板
２１０：受力柱
２１５：ネジ受孔
２２０：道具挿入孔
２３０：スペーサ挿通孔
２５０：筒状スペーサ
２５１：副筒状部材
２５２：主筒状部材
２５３：副筒状部材
３００：制御基板
３１０：柱挿通孔
３２０：道具挿入孔
３３０：制御基板固定ネジ孔
３３１：本体部挿通孔
３３２：頭部収容孔
５００：力覚センサ
５０１：第１の力覚センサ
５０２：第２の力覚センサ
５０３：第３の力覚センサ
５０４：第４の力覚センサ
５１１：第１の力覚センサ
５１２：第２の力覚センサ
５１３：第３の力覚センサ
５１４：第４の力覚センサ
５２１：第１の力覚センサ
５２２：第２の力覚センサ
５２３：第３の力覚センサ
Ａ−Ａ′：切断面
Ｂ−Ｂ′：切断面
Ｃ−Ｃ′：切断面
ｄ１，ｄ２：空隙寸法
Ｅ１，Ｅ２：基板配置領域
Ｆｘ：Ｘ軸方向の力
Ｆｙ：Ｙ軸方向の力
Ｆｚ：Ｚ軸方向の力
ｆｚ，ｆｚ１〜ｆｚ４：ｚ軸方向の力
Ｇ１，Ｇ２：環状溝
Ｇ３：周辺溝
Ｍｘ：Ｘ軸まわりのモーメント
Ｍｙ：Ｙ軸まわりのモーメント
Ｍｚ：Ｚ軸まわりのモーメント
ｍｘ，ｍｘ１〜ｍｘ４：ｘ軸まわりのモーメント
ｍｙ，ｍｙ１〜ｍｙ４：ｙ軸まわりのモーメント
Ｏ：ｘｙｚ三次元直交座標系（ローカル座標系）の原点
Ｐ１〜Ｐ３：位置
Ｑ：ＸＹＺ三次元直交座標系（グローバル座標系）の原点
Ｒ：ピエゾ抵抗素子
Ｒｘ１〜Ｒｘ４：ｘ軸上に配置されたピエゾ抵抗素子
Ｒｙ１〜Ｒｙ４：ｙ軸上に配置されたピエゾ抵抗素子
Ｒｚ１〜Ｒｚ４：任意軸上に配置されたピエゾ抵抗素子
Ｓ１：受力基板固定ネジ
Ｓ２：台座部固定ネジ
Ｓ３：制御基板固定ネジ
Ｔ：基準円Ｕの中心点
Ｕ：基準円
Ｖ，Ｖ′，Ｖ''：空洞部
Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ：電位差計
Ｘ：ＸＹＺ三次元直交座標系（グローバル座標系）の座標軸
ｘ：ｘｙｚ三次元直交座標系（ローカル座標系）の座標軸
Ｙ：ＸＹＺ三次元直交座標系（グローバル座標系）の座標軸
ｙ：ｘｙｚ三次元直交座標系（ローカル座標系）の座標軸
Ｚ：ＸＹＺ三次元直交座標系（グローバル座標系）の座標軸
ｚ：ｘｙｚ三次元直交座標系（ローカル座標系）の座標軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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