(57)【要約】【課題】基礎部および受力部と結合部材との連結機構に、適用が難しい球対偶の構造を採用することなく、しかも、加えられた力と歪みに関し、本来のスチュワートプラットフォーム構造とほぼ同等の線形特性が得られ、かつ、加えられた力に対して適正量の変位が得られることで、小型化への適用が容易な多軸力覚センサを得ることを目的とする。【解決手段】各ロッド６と上部フランジ１および下部フランジ２との連結を固着構造で行い、各ロッド６は、弾性リング５とこの弾性リング５の両端に結合され当該ロッド６に加わる力の軸線と同軸上に配置された棒状の上部連結ロッド３と下部連結ロッド４とから構成した。【選択図】図１
2007315878.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定される基礎部、この基礎部から所定距離離反して配置され検出対象である荷重が加えられる受力部、および上記基礎部と受力部とを連結する少なくとも６個のロッドからなる起歪体を備え、上記起歪体について予め求めた機械特性に基づき、上記受力部または各ロッドの変位を入力として上記受力部が上記荷重から受ける力の所定の各軸成分を出力する多軸力覚センサであって、
上記各ロッドと上記基礎部および受力部との連結を固着構造で行い、
上記各ロッドは、当該ロッドに加わる力の軸線方向の剛性に対して曲げ方向の剛性が大きくなる弾性体で構成したことを特徴とする多軸力覚センサ。
【請求項２】
固定される基礎部、この基礎部から所定距離離反して配置され検出対象である荷重が加えられる受力部、および上記基礎部と受力部とを連結する少なくとも６個のロッドからなる起歪体を備え、上記起歪体について予め求めた機械特性に基づき、上記受力部または各ロッドの変位を入力として上記受力部が上記荷重から受ける力の所定の各軸成分を出力する多軸力覚センサであって、
上記各ロッドと上記基礎部および受力部との連結を固着構造で行い、
上記各ロッドは、弾性体とこの弾性体の両端に結合され当該ロッドに加わる力の軸線と同軸上に配置された棒状の連結ロッドとから構成したことを特徴とする多軸力覚センサ。
【請求項３】
上記弾性体は、環状構造体からなり、上記ロッドに加わる力の軸線が、上記環状形状を含む平面と平行であって、当該平面と直角な方向から見たとき上記環状形状が上記軸線に対して線対称となるようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の多軸力覚センサ。
【請求項４】
上記環状構造体の環状形状は、円形であることを特徴とする請求項３記載の多軸力覚センサ。
【請求項５】
上記環状構造体の環状形状は、四角形であることを特徴とする請求項３記載の多軸力覚センサ。
【請求項６】
上記弾性体は、当該ロッドに加わる力の軸線を中心とするつる巻状に形成されていることを特徴とする請求項２記載の多軸力覚センサ。
【請求項７】
上記弾性体は、カンチレバー状に形成されていることを特徴とする請求項２記載の多軸力覚センサ。
【請求項８】
上記ロッドの、当該ロッドに加わる力による軸線方向の伸びが所定の寸法を越えたとき、上記弾性体のそれ以上の伸びを阻止するストッパを備えたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の多軸力覚センサ。
【請求項９】
上記基礎部と受力部は、互いに平行に配置された平板体で構成され、上記ロッドは、上記平板体の周方向に沿って６個設けられ、上記多軸力覚センサは、上記受力部が上記荷重から受ける力の、直交３軸の各軸方向の成分と上記各軸のまわりのモーメントの合計６成分を出力することを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の多軸力覚センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、物体に生じた歪を計測することにより、その物体に加えられた複数軸の力およびトルクを測定する多軸力覚センサに関するもので、特に、装置の小型化を実現するものである。
【背景技術】
【０００２】
力、トルクによって物体に生じた歪を計測し、その力とトルクの大きさを測定する力覚センサの基本的構成は、センサ本体を成す構造体およびセンサ部、そして電気回路部からなる。構造体は、固定される基礎部と、外力が作用する受力部と、上記基礎部と受力部とを結合する結合部材とから構成されている。力覚センサにおいて、加えられた力に対してある歪や変位を生じるように構成された構造体を、以下では起歪体と呼ぶこととする。センサ部は、この起歪体に取り付けられた各種センサによって歪や変位の計測を行う。電気回路部では、センサ部からの電圧などの出力値を処理したり、値の補正などを行う。受力部は加えられた外力によってその外力に応じた変位が生じ、生じた変位の大きさはセンサ部によって読み取られる。測定を行う力やトルクの軸数や、得られた変位の処理方法に応じて複数箇所の変位を読み取る必要がある。あらかじめこれらの変位と外力との相関関係を理論的もしくは実験的に求めておき、求めた相関関係を用いて変位から加えられた力の値を求める。
【０００３】
もし、ある形状の物体に加えられた力が1つの軸方向だけのものである場合、弾性変形の範囲ではこの加えられた力と生じた歪との間には比例関係が成り立つため、計測した歪から加えられた力を精度よく計算することが可能である。しかし、２軸以上の力が同時に加えられた場合には、生じる歪と力の関係が非線形なものとなり、歪量から計算して得た力と実際の力との誤差が大きくなってしまう。
このように、加えられた力と生じた歪との間に線形の関係が得られないと、例えば、特許文献１に示すように、例えば、電気回路部で複雑な補正処理を行う必要があり、検出の動作が煩雑となる。
【０００４】
このような問題に対処するため、起歪体の構造やセンサ配置には、通常なんらかの工夫が施される。例えば、特許文献２では、６軸の力とモーメント、ここでは、直交する３軸の各軸方向の力と各軸回りのモーメントを測定対象とするロードセルの起歪体として、互いに平行に置かれた２枚の円盤と、両円盤を結合して２本が対となって互いに向かい合って円周上に配置された６本のロッドから構成される、いわゆるスチュワートプラットフォームと呼ばれる構造を用いている。この構造では、円盤に加えられた６軸の力が６本のロッドの圧縮、引っ張り力の線形結合で表される。このため、６本のロッドの軸方向の歪を歪ゲージなどの歪センサで計測することで、同時に複数の軸力が円盤に作用した際にも力の干渉による計算誤差を増加させることなく、加えられた力を知ることができる。
【０００５】
【特許文献１】特開平３−２４５０２８号公報（１頁右欄１２行〜２頁上段右欄５行、３頁左欄１６〜３８行参照）
【特許文献２】特開平６−５８８３０号公報（段落００１１〜００１４、図１、２参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、この種の力覚センサにも、その用途等により小型化の要請が存在する。この小型化の要請を実現しようとした場合、以下の問題点が考えられる。
即ち、上述したスチュワートプラットフォーム構造は、基礎部および受力部と結合部材（ロッド）とが、ボールジョイント等いわゆる球対偶の構造で結合されていることが前提である。これは、ロッドと基礎部、受力部との結合が球対偶であると、受力部から各ロッドへはモーメント（曲げ力）は伝わらず、圧縮引張りの軸力のみが伝達されるため、各ロッドには線形的な変形しか生じず、結果として起歪体全体にも線形的な変形しか生じないからである。しかし、実際に理想的な球対偶構造を作成しようとすると精密な加工を要するため、特に、力覚センサの小型化を実現する場合、ロッドの両端にボールジョイント等を作成するのは困難であり、コストも大幅に増加する。
【０００７】
また、力覚センサに加わった力による起歪体の変形を測定する手段として変位センサを用いる場合、変位センサが十分な感度で測定できる変位が生じるよう、起歪体の剛性を調整しておく必要がある。この構造の場合、この剛性の調整はロッドの軸方向の剛性と取付け角を変えることによって行われる。しかし、小型の力覚センサを構成することを考えると、僅かなロッド長に対して一定の変位を生じさせる必要があるため、剛性を低くする必要がある。ロッドの形状を単純に柱状として剛性を低くするには、ヤング率の低い素材を選定することが考えられる。しかしながら、金属素材の物性には限界があるため、断面積を減らして剛性を下げるしかない。ロッド長に対して断面が細くなると、軸方向荷重に対する剛性に比べ、曲げやねじりに対する剛性が低下し脆弱となる。このため、圧縮荷重によって曲げや座屈が生じ必要な機械的強度を保持できない可能性が出てくるため、特に、小型の力覚センサの起歪体としては使用することが難しかった。
【０００８】
この発明は、以上のような問題点を解消するためになされたもので、基礎部および受力部と結合部材との連結機構に、適用が難しい球対偶の構造を採用することなく、しかも、加えられた力と歪みに関し、本来のスチュワートプラットフォーム構造とほぼ同等の線形特性が得られ、かつ、加えられた力に対して適正量の変位が得られることで、小型化への適用が容易な多軸力覚センサを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の発明に係る多軸力覚センサは、固定される基礎部、この基礎部から所定距離離反して配置され検出対象である荷重が加えられる受力部、および基礎部と受力部とを連結する少なくとも６個のロッドからなる起歪体を備え、起歪体について予め求めた機械特性に基づき、受力部または各ロッドの変位を入力として受力部が荷重から受ける力の所定の各軸成分を出力する多軸力覚センサであって、各ロッドと基礎部および受力部との連結を固着構造で行い、各ロッドは、当該ロッドに加わる力の軸線方向の剛性に対して曲げ方向の剛性が大きくなる弾性体で構成したものである。
【００１０】
第２の発明に係る多軸力覚センサは、固定される基礎部、この基礎部から所定距離離反して配置され検出対象である荷重が加えられる受力部、および基礎部と受力部とを連結する少なくとも６個のロッドからなる起歪体を備え、起歪体について予め求めた機械特性に基づき、受力部または各ロッドの変位を入力として受力部が荷重から受ける力の所定の各軸成分を出力する多軸力覚センサであって、各ロッドと基礎部および受力部との連結を固着構造で行い、各ロッドは、弾性体とこの弾性体の両端に結合され当該ロッドに加わる力の軸線と同軸上に配置された棒状の連結ロッドとから構成したものである。
【発明の効果】
【００１１】
第１の発明に係る多軸力覚センサは、以上のように、各ロッドを、当該ロッドに加わる力の軸線方向の剛性に対して曲げ方向の剛性が大きくなる弾性体で構成したので、各ロッドと基礎部および受力部との連結を固着構造としても、ロッドは、曲げやねじりに対する剛性を保ったまま軸方向のみに変位が生じ加えられた力と歪みに関し線形特性が得られ検出動作が簡便になると共に、弾性体としての軸方向の剛性の低減で、必要な機械的強度を保持しつつ加えられた力に対する変位が増大し、変位の検出が容易確実になされる。
【００１２】
第２の発明に係る多軸力覚センサは、以上のように、各ロッドを、弾性体とこの弾性体の両端に結合され当該ロッドに加わる力の軸線と同軸上に配置された棒状の連結ロッドとから構成したので、各ロッドと基礎部および受力部との連結を固着構造としても、ロッド全体で見るとロッド端の連結ロッドの結合部位付近のみにおいて曲げやねじりの剛性が低くなった構造となるため、結合部位で生じた誤差要因のモーメントが連結ロッドにおいて吸収されて弾性体まで伝わらなくなり加えられた力と歪みに関し線形特性が得られ検出動作が簡便になると共に、弾性体としての軸方向の剛性の低減で、必要な機械的強度を保持しつつ加えられた力に対する変位が増大し、変位の検出が容易確実になされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
実施の形態１．
図1は、本発明の実施の形態1による６軸力覚センサを示す斜視図である。ここで、６軸力とは、後段の図２に示すｘ、ｙ、ｚ直交３軸の各軸方向の力と各軸回りのモーメントが対象である。受力部として力を受ける上部フランジ１と固定される基礎部となる下部フランジ２の２枚の板状部材があり、これらを６本のロッド６が連結している。そして、上部フランジ１と下部フランジ２とロッド６とで起歪体を構成する。
ロッド６は、環状構造体である弾性リング５と、この弾性リング５を上部フランジ１とつなぐための上部連結ロッド３と、下部フランジ２とつなぐための下部連結ロッド４とから構成されており、連結ロッド３、４とフランジ１、２とは、溶接やボルト止め、ピンや一体部材からの削り出しなどの固着構造によって結合されている。完全な球対偶構造を要しないので、小型化においても実現が容易となる。固着構造として、完全に自由度をなくした溶接のような接合方法ではなく、ピン止めのような１軸自由度をもつ接合方法、もしくは、２軸自由度を持つような接合方法のように１ないし２つの自由度を減少させただけでも、実現性はかなり容易となる。なお、このように、固着構造としても、起歪体として線形の機械特性が得られる理由については後述する。
【００１４】
連結ロッド３、４と弾性リング５とは溶接やボルト止めなどの手段によって接合されている。もしくは、一体部材からの削りだしや、板状部材からの打ち抜きによって構成されている。各ロッド６は、上部フランジ１および下部フランジ２の中心から同心円上周方向に沿って等間隔に配置され、２本のロッド６が対となってお互いに所定の角度で傾きを持って向かい合った形で取り付けられている。
【００１５】
図２は、力覚センサ内部をわかりやすく表示するため、上部フランジ１を取り払った状態で示した図である。下部フランジ２からは４分割フォトダイオードＰＤ７を取り付けるための部分であるＰＤ取付け部９が出ており、ここに４分割フォトダイオードＰＤ７が取り付けられている。上部フランジ１には、４分割フォトダイオードＰＤ７の光源となるダイオードＤ８が取り付けられるダイオード取付け部１０が取り付けられており、ここに４分割フォトダイオードＰＤ７に正対してダイオードＤ８が取り付けられる。４分割フォトダイオードＰＤ７とダイオードＤ８との対は、１２０度回転対称になるよう３組取り付けられており、図３に示すように、それぞれのダイオードＤ８の座標系ｘｉ、ｙｉ、ｚｉ、ｉ＝１、２、３のｙｉ軸方向と力覚センサ全体の座標軸のｚ軸方向とが一致するように取り付けてある。
【００１６】
次に、図１の起歪体が、本来のスチュワートプラットフォーム構造であり、加えられた力と発生変位とが線形の関係を有すると仮定し、多軸力覚センサとして、荷重が加えられる上部フランジ１に働く６軸の力およびモーメントを検出する要領について説明する。もっとも、この部分は、本願発明の要部ではなく、それ自体公知の内容であるので概略の説明に留めるものとする。
【００１７】
上部フランジ１の発生変位を検出する変位センサである４分割フォトダイオードＰＤ７は、図４のＳ１〜Ｓ４で示した４つの受光領域を持っており、これらの領域に対してダイオードＤ８からピンホールによって絞られた光が投射される。各受光領域への光の強度に応じて出力信号Ｉ１〜Ｉ４が得られる。４分割フォトダイオードＰＤ７とダイオードＤ８との相対位置が変化すると各受光領域への光の投射の割合も変化するため、図中のｘ軸方向とｙ軸方向の変位Ｄｘ、Ｄｙは、次のような関係で表される。
【００１８】
Ｄｘ＝Ｉ１−Ｉ２−Ｉ３＋Ｉ４                        （１）
Ｄｙ＝Ｉ１＋Ｉ２−Ｉ３−Ｉ４                        （２）
【００１９】
３組のダイオードから得られる６つの変位を、Ｄ∈Ｒ６×１とし、力によって上部フランジ１に生じる6軸の変位を、Ｘ∈Ｒ６×１とすると、両者の関係は次の式で表される。
【００２０】
【数１】
2007315878.tif 000003
【００２１】
なお、上式中のｒは、図３における、上部フランジ１の中心から各４分割フォトダイオードＰＤ７の受光面までのｘｙ平面上の距離である。
【００２２】
上式の関係により、変位センサの出力から上部フランジ１の変位を得ることができる。  なお、図３の例では変位センサを１２０゜対称の配置で示しているが、例えば、図５に示すように、変位センサの配置を変えることも可能である。変位センサの配置を変えた場合は、配置に応じて式（３）の変換行列Ａに相当する行列を求めることで、同様の効果を得ることが可能である。また、ここでは、変位センサとして４分割フォトダイオードＰＤ７と光源となるダイオードＤ８を例に挙げたが、２次元の変位を測定できるセンサならばこれに限ることはなく、例えば、ＰＳＤやＣＣＤ、また、静電容量を用いたセンサでも同様の効果を得ることができる。
【００２３】
更に、上部フランジ１および下部フランジ２への各ロッド６の取り付け位置に関する情報から求められる変換行列Ｇを適用することにより、上部フランジ１の中心に加えられたｘ、ｙ、ｚ座標軸方向と一致する力ｆｘ、ｆｙ、ｆｚ、およびｘ、ｙ、ｚ座標軸周りのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚと、各ロッド６の軸方向の力ｆｉ、ｉ＝１、・・６との関係は次のように表される。
【００２４】
【数２】
2007315878.tif 000004
【００２５】
変換行列Ｇの逆行列を求めることで、逆に、上部フランジ１に加えられた力から各ロッド６に作用する力を下式から求めることもできる。
【００２６】
【数３】
2007315878.tif 000005
【００２７】
一般に、構造体に生じた変位Ｘと加えられた力Ｆ（ｆｘ、ｆｙ、ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）の関係は、いずれか１軸の力のみを加えた際の変位を測定し、これを加える軸力を変えてすべての軸力について行って得た、力と変位を変換する行列によって下式の通りに表される。
【００２８】
Ｘ＝ＣＦ                                      （６）
Ｆ＝Ｃ−１Ｘ                                    （７）
【００２９】
行列Ｃはコンプライアンス行列、Ｃ−１は剛性行列と呼ばれる。行列Ｃを求めることにより、１軸力によって他の軸方向に変位が生じてもこの影響を取り除いて加えられた力を知ることができる。しかし、この方法で求めた行列Ｃは、1軸力のみが加わった際の変位から求めたものであるから、同時に複数の軸力が加わった際に正確な値を導くとは限らない。もしそれぞれの軸力による変位が、同時に他軸力が加わった際も線形的な重ね合わせで表されるならば、行列Ｃによって正確な値を知ることができる。
【００３０】
起歪体として、スチュワートプラットフォーム構造を用いた場合には、先の式（５）で表されるように、加えられた６軸力がすべてロッドの圧縮ないし引張りの１軸力に変換される。このため、複数の軸力が同時に加えられても、これらの軸力が構造の変位特性を変化させるようには働かないので、それぞれの軸力と変位の関係において、線形的な関係が成り立つ。よって、行列Ｃを用いた計算によって精度よく加えられた力を知ることが可能となる。
【００３１】
以上で得られた関係式を使用することで、即ち、４分割フォトダイオードＰＤ７を利用した変位センサの検出出力Ｄを基に式（３）により上部フランジ１の発生変位Ｘを求め、この発生変位Ｘを基に式（７）により、上部フランジ１に加わった６軸の力を求めることが出来るわけである。
また、各ロッド６に発生した変位を検出し、これら各変位とロッド６の剛性から各ロッド６に発生する力ｆｉを求め、この力ｆｉを基に式（４）により、上部フランジ１に加わった６軸の力を求めることも出来るわけである。
【００３２】
次に、本願発明の要部であるロッド６の構造およびその構造に基づく機械的特性について説明する。先ず、各ロッド６と上下フランジ１、２との連結構造について説明する。
この連結構造は、既述したように、小型化した場合にも比較的簡便に形成できる固着構造を採用している。図６は、１つのロッド６を単独で図示したものである。結合部２０は、上部フランジ１および下部フランジ２に連結される部分で、例えば、溶接等によりそれぞれのフランジ１、２に固着結合される。
【００３３】
図６に示すように、この実施の形態１のロッド６では、環状形状として円形の弾性リング５の端部に直接結合部２０を取り付けるのではなく、その間に、柱状部材からなる連結ロッド３、４を設けている。そして、連結ロッド３、４には、荷重によって生じる歪みが弾性限界に対して十分な余裕を持つようにその材料、寸法が選定される。
この連結ロッド３、４の存在により結合部２０でのモーメントの影響を減らすことが出来る。即ち、この連結ロッド３、４を構成する柱状部材は、曲げやねじりに対する剛性が圧縮荷重に対する剛性より低いため、ロッド６全体で見ると、ロッド６端部の結合部位付近のみにおいて曲げやねじりの剛性が低くなった構造となる。このため、結合部位で生じた誤差要因のモーメントは、弾性リング５端部の連結ロッド３、４において吸収されて弾性リング５まで伝わらなくなる。また、連結ロッド３、４における曲げねじりの変形はロッド６端部の僅かな箇所で生じるのみで、軸方向力は連結ロッド３、４を介して弾性リング５まで伝達される。従って、擬似的にロッド６端部に球対偶構造を用いたのと同様の効果を得ることができる訳である。
【００３４】
換言すれば、両フランジ１、２とロッド６とを固着構造で連結するようにしても、加えられた力と発生する変位に関し、本来この連結を球対偶構造とするスチュワートプラットフォームとほぼ同等の線形関係が得られる。従って、センサの小型化が容易簡便に実現でき、複雑な補正処理を要することなく、荷重によって上部フランジ１に加えられた６軸の力、モーメントを検出することができる。
【００３５】
本願発明の要部であるロッド６の構造およびその構造に基づく機械的特性として、次に、負荷に対する変位量の増大効果について説明する。
この変位量の増大を、ロッドを柱状部材の形状のままで追求した場合の困難性については先に簡単に触れたが、ここで、更に具体的に説明する。
【００３６】
例えば、定格の負荷が１０ｋｇ程度の一般的な小型の力覚センサが、外径φが７０ｍｍ程度、高さが２５ｍｍ程度であるとする。変位センサを用いて起歪体の変形を測る場合、定格荷重に対してある程度大きな変形を生じさせる必要がある。この変形量をｚ軸方向定格荷重１２ｋｇに対して２５μｍとする。例えば、ロッド６の傾きθを３０゜とすると、ロッド長は最長でも２９ｍｍ以下となる。式（５）から、１２ｋｇの荷重を加えた際には各ロッド６にそれぞれ約２．３ｋｇの荷重がかかる。それぞれのロッド６がこの荷重に対して、ｚ軸方向に２５μｍ変形するには、ロッド６の軸方向に約２９μｍ変形する必要がある。ここで、ロッドの材質が一般的な鉄材であるとすると、そのヤング率は約２．１×１０５ＭＰａであるから、長さ２９ｍｍのロッドに約２．３ｋｇの荷重で２９μｍの変位を生じさせるロッドの断面積は、１．１×１０−１ｍｍ２となり、ロッド６が円柱状であるとすると、その直径は約０．３７ｍｍとなる。このようにロッド６が細くなると圧縮の荷重が加わった際にロッド６がたわみ、座屈を生じる可能性が出てくる。
【００３７】
これは、力覚センサの小型化を図る場合、ある程度小さな荷重に対して小さな部材で大きな変位を生じさせる必要があり、ロッド６の剛性を下げる必要があるためである。また、予めロッド６に張力をかけておいて、加わった圧縮力を打ち消すことで座屈を防ぐ方法も考えられるが、この場合には引っ張りの荷重が加わった際に大きな応力がロッド６に生じることになるため、定格荷重に対して塑性変形を生じないようにしたり、過大な負荷に耐えられるように負荷に対する安全率を大きくとることが難しくなる。例えば、２９ｍｍのロッドが２９μｍの変位を生じるとその歪は０．１％にもなるため、安全率を大きくとるのはむずかしい。
【００３８】
本願発明の実施の形態１では、このような小型化に際して生じた問題に対して、弾性リング５をロッド６中に設けることで、十分な変位を発生させ、かつ、部材各部で発生する応力を低く抑えて安全率を高くとることを可能にしている。
図７に示すように、材料のヤング率をＥ、リングの中心までの半径をｒｒ、リング断面の幅をｂ、厚さをｈとし、力ｆは弾性リング５の直径の方向に加わっているとする。即ち、弾性リング５に加わる力ｆの軸線が、リング形状を含む平面と平行であって、当該平面と直角な方向から見たとき上記リング形状が上記軸線にに対して線対称となるようにしている。このときのリングの力方向の変位ｄは、次の式のようになる。
【００３９】
【数４】
2007315878.tif 000006
【００４０】
また、このときの最大歪はリングに力が加わっている箇所の内側表面において発生し、その値εｍａｘは、次式で表される。
【００４１】
【数５】
2007315878.tif 000007
【００４２】
例えば、ｒｒ＝６．５ｍｍ、ｈ＝０．６ｍｍ、ｂ＝６．３ｍｍとすると、棒形状のロッドについて検討した際と同じ荷重約２．３ｋｇに対して同じだけの変位約２９μｍを生じ、その際の最大歪は、約０．０５％となり大幅に低減する。このように、ロッド中に弾性構造部分（弾性リング５）を設けることによって、荷重に対して十分な変位を生じさせつつ座屈や塑性変形が生じることを防ぐことができる様になる。また、素材としてＳＵＰ１０などのバネ鋼を用いることで、許容される歪量を更に増やすことが可能である。
【００４３】
また、弾性構造部分をリング状としたことによって、リングの径や厚み、幅を変えることにより容易にその剛性を調節することができる。リングの厚みの調節は旋盤等により容易に行うことができ、また、円筒部材をある幅に加工することも容易であるため、弾性構造部分にリング状の部材を用いることで、所望の弾性を極めて容易に得ることができる。
【００４４】
この様に、ロッド中に弾性構造部分を設けたことは、また、次のような意味を持つ。即ち、荷重によって変形を生じる部材を増やしたことによって、部材の単位量当たりに加わる荷重や、生じさせるべき変位量を減少させることができる。これによって、小型のセンサのように僅かな部材が変位を生じさせる必要がある場合でも、座屈や塑性変形が生じることを防ぎながら起歪体を構成することが可能になる。
【００４５】
なお、以上の説明においては、ダイオードＤ８が取り付けられた上部フランジ１を受力部としたが、これを逆にして、下部フランジ２を受力部としても同様の効果を得ることができる。
また、以上の説明において、ロッド６の傾きθをすべて同一の値としたが、個々のロッドにおいて傾きが同一である必要はなく、それぞれのロッドの傾きが異なっている場合にも上述したと同様の効果を得ることができる。ただし、この場合、式（４）〜（７）における変換行列Ｇ、Ｃは、それに応じて修正を行う必要がある。
【００４６】
実施の形態２．
図８は、この発明の実施の形態２における多軸力覚センサのロッド６を示す図である。即ち、ロッド６としてリング状の弾性体を持つものを使用する代わりに、図８に示すようなつる巻状に形成されたバネ状弾性体１１を持つロッドを使用してもよい。この例では、素線を巻いて作成されたコイルバネを弾性体として用いているものを示している。コイルバネの力ｆに対するたわみ量δは、コイルの素線径をｄ、コイルの平均径をＤ、有効巻数をｎ、素線素材の横弾性係数をＧとすると、以下の式で表される。
【００４７】
【数６】
2007315878.tif 000008
【００４８】
これによって、任意の剛性を得ることが可能である。弾性体にこのようなバネを用いることによって、その両端の連結ロッド３、４の柱状部分と弾性体とを一体にできるため、ロッドの作成が容易になる。
【００４９】
また、バネの最大ねじり応力τｍａｘは、荷重をｆ、ばね指数をｃ＝Ｄ／ｄとすると、以下の式で表される。
【００５０】
【数７】
2007315878.tif 000009
【００５１】
但し、κは、ワールの応力修正係数である。
バネの最大ねじり応力は、バネの内側で発生する。例えば、材料をバネ鋼（Ｇ＝７．８５×１０４ＭＰａ）とすると、素線径２．５ｍｍ、コイル平均径５ｍｍでリング形状の時と同じ荷重に対して同じ変位を生じるバネでは、その最大ねじり応力は約３６ＭＰａとなり、材料の許容ねじり応力５００ＭＰａ以上に比べ十分に小さく、また、材料表面の歪み量も０．０４６％と小さいため、座屈を防ぐ効果を持つ。
【００５２】
実施の形態３．
図９は、この発明の実施の形態３における多軸力覚センサのロッド６を示す図である。先の実施の形態１と同じ環状弾性体であるが、ここでは、円形ではなく四角形のフレーム状弾性体１２を採用している。ここでも、フレーム状弾性体１２に加わる力ｆの軸線が、フレーム形状を含む平面と平行であって、当該平面と直角な方向から見たとき上記フレーム形状が上記軸線にに対して線対称となるようにしている。
ここで、フレーム中心までの高さをＨ、横の長さをＬ、荷重と垂直な梁の厚みをｈ１、荷重と平行な梁の厚みをｈ２、幅をｂ、素材のヤング率をＥ、Ｉ１を、横梁の断面二次モーメント、Ｉ２を、縦梁の断面二次モーメントとすると、荷重ｆが加わった際の変形量δは、以下の式で表される。
【００５３】
【数８】
2007315878.tif 000010
【００５４】
各パラメータを調節することによって、荷重ｆに対して所望の変位を得ることができる。弾性体をこのようなフレーム形状とすることによって、両端の連結ロッド３、４と弾性体１２との接合部が平面となるので、接合を行う作業が容易となる。
【００５５】
最大応力τｍａｘは、横梁の中心、ちょうどロッドと接合される部分で発生し、その値は、以下の式で表される。
【００５６】
【数９】
2007315878.tif 000011
【００５７】
例えば、ｂ＝４ｍｍ、ｈ１＝ｈ２＝０．８５２ｍｍ、Ｅ＝２．１×１０５ＭＰａとすると、最大歪みは、約０．０５％となり、単なる柱状構造に比べて歪み量を減らす効果を持つ。
【００５８】
実施の形態４．
図１０は、この発明の実施の形態４における多軸力覚センサのロッド６を示すもので、カンチレバー構造やこれを重ねた構造を弾性体として使用している。カンチレバー構造は、板状部材を折り曲げたり打ち抜くことで容易に作成が可能なため、製造が容易となる。また、カンチレバー構造の場合、幾重にもおり重ねて構成することによって、僅かな空間に弾性部材を効率よく配置することが可能になる。これによって、荷重に対して多くの部材が少しずつ変形することになり、単位部材当たりの歪や応力を減らす効果を持つ。
【００５９】
実施の形態５．
先の実施の形態１および３に示したように、ロッド６として、円形や四角形等の環状形状の弾性体を採用した場合、その弾性によって力が加わる軸方向の剛性は低減するが、その環状形状により、一般に曲げに対する剛性は高い値を保っている。即ち、軸方向の荷重に対しては、特に剛性が低くなるように調整しているが、曲げやねじりに対する剛性を保っており、軸方向のみに変位が生じる。よって、単純な柱形状の場合に比べて、曲げやねじりなどの変形が生じにくく、誤差要因となる結合部２０でのモーメントの影響を受けにくい構造となっている。
【００６０】
図１１は、この実施の形態５におけるロッド６の例を示す。同図（ａ）は、両フランジ１、２との連結を行う結合部２０を、先の連結ロッド３、４を介さず、直接、弾性リング５に結合している。また、同図（ｂ）は、同じく、結合部２０を、直接、フレーム状弾性体１２に結合している。
この場合、ロッド６を両フランジ１、２に固着する構造としても、ロッド６は、曲げやねじりに対する剛性を保ったまま軸方向のみに変位が生じ加えられた力と歪みに関し線形特性が得られ検出動作が簡便になると共に、弾性体としての軸方向の剛性の低減で、必要な機械的強度を保持しつつ加えられた力に対する変位が増大し、変位の検出が容易確実になされる。
【００６１】
実施の形態６．
本発明では歪センサではなく変位センサを使用しているが、変位センサで精度よい測定値を得るには、ある程度大きな変位を生じさせる必要がある。先の各実施の形態では、このため、ロッド６中に弾性変形部位５、１１、１２、１３を設けているが、この実施の形態６では、更に、図１２に示すように、変位センサのダイオードＤ８と４分割フォトダイオードＰＤ７との間に凹レンズ１４を設けている。この凹レンズ１４を設けることで、スポット光１５が屈折し４分割フォトダイオードＰＤ７で観測される変位量が実際の変位量より拡大するので、僅かな変位に対しても精度よく測定することが可能となる。また、上部フランジ１に要求される変位量を減らすことができるので、ロッド６の弾性変形部位に要求される変位量も小さくなるため荷重によって降伏する可能性が減少するほか、センサ全体としての剛性を上げることができるため、剛性の高い力覚センサを構成することが可能になる。
【００６２】
実施の形態７．
先の各実施の形態例では、２次元の変位センサを用いて受力部（上部フランジ１）の変位を計測し、これと加えた力の関係を予め求めておいたコンプライアンス行列や剛性行列（式（６）（７）参照）から導き出した。この実施の形態７では、このような力の導出方法とは別に、２次元の変位センサを用いて受力部の変位を測定する代わりに、図１３に示すように、ロッド６中にロッド６に生じた変位を測定するための静電容量計１６を利用した（同図（ａ））、もしくは、ダイオードＤ８と２分割フォトダイオードＰＤ１７とを利用した（同図（ｂ））１次元変位センサを設け、得られたロッド６の変位をロッド６の軸方向力に換算することによって、加えられた力を測定することができる。この方法では、各ロッド６に加わった力を測定することができるため、先の式（４）を用いることで力覚センサに加えられた力を得ることができる。
これによって、コンプライアンス行列などを求めたり、２次元変位センサからの値を変換して受力部の変位を導く必要がないために、力を計測するのに必要な計算量や手間を大幅に減らすことが可能になる。
【００６３】
実施の形態８．
図１４は、この発明の実施の形態８におけるロッド６を示す図である。力覚センサにおいては、使用者の意図しない過大な荷重が加わった際に、起歪体中に塑性変形が生じないよう対策を備えていることが望ましい。この要請に応えるため、図１４（ａ）では、上下の連結ロッド３、４から伸びて中心で鉤手状になったストッパ１８が、互いにある隙間を持ってかみ合っている。もし、大きな荷重が加わって弾性リング５が大きく変形しようとしても、ストッパ１８の隙間がなくなることで力を弾性リング５ではなくストッパ１８が受けることになるので、それ以上弾性リング５が変形することを防ぐことができる。
また、図１４（ｂ）のように、ある外径を持つピン状部材と、このピン状部材の外径に許容変位量の値を加えた内径を持つ穴状部材とを組み合わせたストッパ１９を用いても同様の効果を得ることができる。
【００６４】
また、この発明の各変形例において、弾性体は、環状構造体からなり、ロッドに加わる力の軸線が、環状形状を含む平面と平行であって、当該平面と直角な方向から見たとき環状形状が軸線に対して線対称となるようにした場合は、曲げやねじりに対する剛性を保っており、軸方向のみに変位が生じるロッドが得られる。
【００６５】
また、環状構造体の環状形状が、円形である場合は、ロッドの製作が簡便になされる。
【００６６】
また、環状構造体の環状形状が、四角形である場合は、連結のための端部の構造が簡便となる。
【００６７】
また、弾性体が、当該ロッドに加わる力の軸線を中心とするつる巻状に形成されている場合は、連結のための端部の構造が簡便となる。
【００６８】
また、弾性体が、カンチレバー状に形成されている場合は、単位部材当たりの歪や応力を減らすことができる。
【００６９】
また、ロッドの、当該ロッドに加わる力による軸線方向の伸びが所定の寸法を越えたとき、弾性体のそれ以上の伸びを阻止するストッパを備えた場合は、過大な荷重がかかった場合にも塑性変形を防止することが出来、センサとしての信頼性が向上する。
【００７０】
また、基礎部と受力部は、互いに平行に配置された平板体で構成され、ロッドは、平板体の周方向に沿って６個設けられ、多軸力覚センサは、受力部が荷重から受ける力の、直交３軸の各軸方向の成分と各軸のまわりのモーメントの合計６成分を出力する場合は、６軸成分の力とモーメントを確実に検出する多軸力覚センサを実現することが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
以上では、直交３軸の各軸方向の成分と各軸のまわりのモーメントの合計６成分を出力する多軸力覚センサとして説明したが、この発明は、例えばその機能を限定して、この内の３成分を検出する３軸力覚センサとしても適用出来ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の実施の形態１による多軸力覚センサを示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１による多軸力覚センサの、センサ内部を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態１による多軸力覚センサの、センサ本体の座標系と３つの変位センサそれぞれの座標系とを示す正面図である。
【図４】本発明の実施の形態１による多軸力覚センサ中の４分割フォトダイオードとダイオードの位置関係と座標系を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態１による多軸力覚センサの、センサ本体の座標系と３つの変位センサの１２０゜対称配置と異なる配置の例を示す正面図である。
【図６】本発明の実施の形態１による多軸力覚センサの弾性リング６を単独で示した正面図である。
【図７】本発明の実施の形態１の弾性リング６の形状を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態２によるバネ状弾性体１１を示した正面図である。
【図９】本発明の実施の形態３によるフレーム状弾性体１２を示した図である。
【図１０】本発明の実施の形態４によるカンチレバー状弾性体１３を示した正面図である。
【図１１】本発明の実施の形態５の弾性リング６の形状を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態６による凹レンズ１４を用いた変位の拡大方法を示した正面図である。
【図１３】本発明の実施の形態７による１次元変位センサを用いたロッド６の構成を示した正面図である。
【図１４】本発明の実施の形態８によるロッド６中に配されたストッパ１８、１９の構造を示した正面図である。
【符号の説明】
【００７３】
１  上部フランジ、２  下部フランジ、３  上部連結ロッド、４  下部連結ロッド、
５  弾性リング、６  ロッド、７  ４分割フォトダイオードＰＤ、８  ダイオードＤ、
１１  バネ状弾性体、１２  フレーム状弾性体、１３  カンチレバー状弾性体、
１４  凹レンズ、１６  静電容量計、１７  ２分割フォトダイオードＰＤ、
１８，１９  ストッパ、２０  結合部。
【図１】
2007315878.tif 000012
【図２】
2007315878.tif 000013
【図３】
2007315878.tif 000014
【図４】
2007315878.tif 000015
【図５】
2007315878.tif 000016
【図６】
2007315878.tif 000017
【図７】
2007315878.tif 000018
【図８】
2007315878.tif 000019
【図９】
2007315878.tif 000020
【図１０】
2007315878.tif 000021
【図１１】
2007315878.tif 000022
【図１２】
2007315878.tif 000023
【図１３】
2007315878.tif 000024
【図１４】
2007315878.tif 000025