(57)【要約】【課題】力覚センサにおいて、力を高精度に計測する。【解決手段】力覚センサ１０は、固定部１１と、固定部１１に対して力を受ける受力部１２と、固定部１１と受力部１２との間の起歪体１３と、受力部１２を介した力による起歪体１３の変形を検出する検出部１４とを備えている。ここで、起歪体１３の形状が、固定部１１側を底部１３ａおよび受力部１２側を頂部１３ｂとし、これらに直交する中心軸を有する円錐台状である。また、起歪体１３の内部が、中空である。また、検出部１４が、起歪体１３の変形を一方向の変位として検出する歪ゲージ２０を複数有している。複数の歪ゲージ２０は、その検出方向が中心軸１００とは交差せずに起歪体１３の表面に貼付され、複数の歪ゲージ２０の検出方向には、互いに異なる方向の対が含まれている。【選択図】図１
2013234975.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定される固定部と、
力を受ける受力部と、
前記固定部と前記受力部との間の起歪体と、
前記受力部を介した力による前記起歪体の変形を検出する検出部とを備え、
前記起歪体の形状が、前記固定部側を底部および前記受力部側を頂部とし、前記底部および前記頂部に直交する中心軸を有する円錐状であり、
前記起歪体の内部が、中空であり、
前記検出部が、前記起歪体の変形を一方向の変位として検出する検出軸を複数有し、
複数の前記検出軸が、前記中心軸と交差せずに前記起歪体の表面に沿うように設けられ、
複数の前記検出軸には、互いに異なる方向の前記検出軸の対が含ま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記載の力覚センサにおいて、
円錐状の前記起歪体の形状が、前記底部より前記頂部が小さい円錐台状であることを特徴とする力覚センサ。
【請求項３】
請求項１または２記載の力覚センサにおいて、
前記検出部が、前記起歪体の外周側部の表面に、複数の前記検出軸を設けて構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１、２または３記載の力覚センサにおいて、
前記起歪体が、前記底部でフランジを有し、
前記固定部に、前記起歪体が前記フランジの周縁部を介して設けられ、
前記検出部が、前記フランジの表面に、複数の前記検出軸を設けて構成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１〜４のいずれか一項に記載の力覚センサにおいて、
前記検出軸を構成する歪ゲージが、前記起歪体の表面に貼付されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項６】
固定される固定部と、
力を受ける受力部と、
前記固定部と前記受力部との間の起歪体と、
前記受力部を介した力による前記起歪体の変形を検出する検出部とを備え、
前記起歪体の形状が、前記固定部側を一端部および前記受力部側を他端部とし、これらに直交する中心軸を有する円柱状であり、
前記検出部が、前記起歪体の変形を一方向の変位として検出する検出軸を複数有し、
複数の前記検出軸が、前記中心軸と交差せずに前記起歪体の表面に沿うように設けられ、
複数の前記検出軸には、互いに異なる方向の前記検出軸の対が含まれていることを特徴とする力覚センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力覚センサに適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
力覚センサは、物体（例えば、受力部）に作用する力を計測（あるいは検知）するセンサであり、例えば、ロボットハンドにおいて人間の指先に作用する力やモーメントを検出するために用いられる。力覚センサには、三次元空間の直交座標系（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）の３軸方向の力成分と、その３軸回りのモーメント成分の計６成分を同時に計測することができるもの（６軸力覚センサと呼ばれている。）がある。
【０００３】
特開平５−１４９８１１号公報（特許文献１）には、６軸力覚センサに関する技術が記載されている。この６軸力覚センサは、支持側部と力作用側部（物体）との間に介装される起歪体と、該起歪体の歪を検出する歪ゲージとを備えている。ここで、起歪体は、支持部側に連結される支持部と、力作用側部に連結される力作用部と、これらを連結する複数の弾性ビームとからなる単一部材から構成されている。また、歪ゲージは、各弾性ビームにおける歪の最も大きな部位に配設されている（特許文献１の請求項１、図２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１４９８１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載のような技術では、起歪体として、単一部材（ブロック体）に平面視Ｔ字状の弾性ビームを複数形成してなる構造体を用いることができる。しかしながら、各弾性ビームが不均一に形成された場合、各歪ゲージによる検出値の正確性が劣り、力作用側部に作用する力を高精度に計測することができないおそれがある。また、歪ゲージを弾性ビームにおける歪の最も大きな部位に貼付するために高い位置精度が要求され、当該部位に歪ゲージが貼付されない場合には、力を高精度に計測することができないおそれがある。
【０００６】
本発明の目的は、力覚センサにおいて、力を高精度に計測することのできる技術を提供することにある。本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。本発明の一実施形態における力覚センサは、固定部と、前記固定部に対して力を受ける受力部と、前記固定部と前記受力部との間の起歪体と、前記受力部を介した力による前記起歪体の変形を検出する検出部とを備えている。
【０００８】
ここで、前記起歪体の形状が、前記固定部側を底部および前記受力部側を頂部とし、前記底部および前記頂部に直交する中心軸を有する円錐状である。また、前記起歪体の内部が、中空である。
【０００９】
あるいは、前記起歪体の形状が、前記固定部側を底部（一端部）および前記受力部側を頂部（一端部）とし、これらに直交する中心軸を有する円柱状である。
【００１０】
そして、前記検出部が、前記起歪体の変形を一方向の変位として検出する検出軸を複数有している。複数の前記検出軸が、前記中心軸と交差せずに前記起歪体の表面に沿うように設けられている。複数の前記検出軸には、互いに異なる方向の前記検出軸の対が含まれている。
【００１１】
これによれば、起歪体の形状が、単純な円錐状（円錐台状を含む）や、円柱状であっても、物体に作用する力を高精度に計測することができる。また、円錐状であることで、力覚センサの焦点を、力を受ける受力部側に設けることができる。なお、焦点とは、構造体（物体）にモーメントが加えられたとき、変形の中心となる構造体内部の点であり、かつ、この点に対し、ある軸方向の力を加えたとき、その軸方向以外の変形を生じない（例えば、構造体にｘ軸方向の並進力を加えたとき、構造体は水平方向のみに変形し、ねじれ変形を生じない。）点である。
【００１２】
また、本発明の他の実施形態では、前記検出部が、前記起歪体の外周側部の表面に、複数の前記検出軸を設けて構成されていることが好ましい。
【００１３】
また、本発明の他の実施形態では、前記起歪体が、前記底部でフランジを有し、前記固定部に、前記起歪体が前記フランジの周縁部を介して設けられ、前記検出部が、前記フランジの表面に、複数の前記検出軸を設けて構成されていることが好ましい。これによれば、起歪体の底部（フランジ）を最も剛性が低い部位とすることができる。
【００１４】
また、本発明の他の実施形態では、前記検出軸を構成する歪ゲージが、前記起歪体の表面に貼付して構成されていることが好ましい。これによれば、受力部を介した力による起歪体の変形を直接検出することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。本発明の一実施形態における力覚センサによれば、力を高精度に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態１における力覚センサの模式的側面図である。
【図２】図１に示す力覚センサの模式的上面図である。
【図３】図２のＸ１−Ｘ１線における力覚センサの模式的断面図である。
【図４】図１に示す力覚センサの起歪体の変形を説明するための図である。
【図５】図１に示す力覚センサの起歪体の変形を説明するための図である。
【図６】図１に示す力覚センサの起歪体の変形を説明するための図である。
【図７】図１に示す力覚センサの起歪体の変形を説明するための図である。
【図８】図１に示す力覚センサの起歪体の変形を説明するための図である。
【図９】図１に示す力覚センサの起歪体の変形を説明するための図である。
【図１０】図１に示す力覚センサの起歪体の変形を説明するための図である。
【図１１】図１に示す力覚センサの起歪体の変形を説明するための図である。
【図１２】図１に示す力覚センサの起歪体の変形を説明するための図である。
【図１３】図１に示す力覚センサの起歪体の変形を説明するための図である。
【図１４】図１に示す力覚センサの起歪体の変形を説明するための図である。
【図１５】図１に示す力覚センサの起歪体の変形を説明するための図である。
【図１６】図１に示す力覚センサの起歪体の変形を説明するための図である。
【図１７】図１に示す力覚センサの起歪体の変形を説明するための図である。
【図１８】図１に示す力覚センサの起歪体の変形を説明するための図である。
【図１９】図１に示す力覚センサの起歪体の変形を説明するための図である。
【図２０】本発明の実施形態１における検出部の一例を説明するための図である。
【図２１】本発明の実施形態１における検出部の他例を説明するための図である。
【図２２】本発明の実施形態１における検出部の他例を説明するための図である。
【図２３】本発明の実施形態１における演算部を説明するための図である。
【図２４】本発明の実施形態２における力覚センサの模式的側面図である。
【図２５】図２４に示す力覚センサの模式的上面図である。
【図２６】図２５のＸ２−Ｘ２線における力覚センサの模式的断面図である。
【図２７】本発明の実施形態３における力覚センサの模式的側面図である。
【図２８】本発明の実施形態４における力覚センサの模式的側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下の本発明に係る実施形態では、必要な場合に複数のセクションなどに分けて説明するが、原則、それらはお互いに無関係ではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細などの関係にある。このため、全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００１８】
また、構成要素の数（個数、数値、量、範囲などを含む）については、特に明示した場合や原理的に明らかに特定の数に限定される場合などを除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。また、構成要素などの形状に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合などを除き、実質的にその形状などに近似または類似するものなどを含むものとする。
【００１９】
［実施形態１］
本発明の実施形態では、物体が受ける外力の大きさまたは方向の少なくともいずれか一方の成分を計測（検出）する力覚センサ（慣性力を計測するのであれば、加速度センサや角速度センサなどの運動センサとも呼ばれている。）に適用して説明する。具体的には、三次元空間の直交座標系（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）の３軸方向の力成分と、その３軸回りのモーメント成分の計６成分を同時に計測することができる６軸力覚センサに適用して説明する。
【００２０】
まず、図１〜図３を参照して、力覚センサ１０の構成および構造について概略して説明する。図１は力覚センサ１０のｙ軸−方向からの模式的側面図、図２は力覚センサ１０の模式的上面図、図３は図２のＸ１−Ｘ１線における力覚センサ１０の模式的断面図である。これらの図では、三次元空間の直交座標系に位置する力覚センサ１０を示している。また、図２では、説明を明解にするために、一部を透視して破線で示している。
【００２１】
力覚センサ１０は、図１〜図３に示すように、計測対象に固定される固定部１１と、固定部１１に対して力（例えば、圧縮力、引張力、曲げ力）を受ける受力部１２と、固定部１１と受力部１２との間の起歪体１３とを備えている。固定部１１および受力部１２の形状は、例えば、平面視円の板状である。また、起歪体１３の形状は、例えば、固定部１１側を底部１３ａおよび受力部１２側を頂部１３ｂとし、外周側部１３ｃ（曲面）を有する円錐台状である。なお、力覚センサ１０においては、固定部１１および受力部１２を剛体（形状は板状に限らず任意でよい。）とし、起歪体１３を弾性体とみなしている。
【００２２】
円錐台状の起歪体１３は、底部１３ａおよび頂部１３ｂに直交する共通の中心軸１００を有している。また、起歪体１３は、内部１３ｄが中空であるため、筒状体でもある（図３参照）。この起歪体１３は、固定部１１および受力部１２と一体に形成された構造体で構成される（以下、一体構造体という。）。なお、起歪体１３の形状の円錐台状には、ラッパ型や太鼓型（椀型）も含まれる。具体的には、外周側部１３ｃが、底部１３ａ側から頂部１３ｂ側へ、真っ直ぐに延びた直線で構成されるもの（図１参照）に限らず、窪んだ曲線で構成されるもの（ラッパ型）や、膨らんだ曲線で構成されるもの（太鼓型）を有する円錐台状であってもよい。
【００２３】
この一体構造体は、ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３０４）などの金属（単一部材）から、例えば、旋盤加工技術を用いることで、容易に形成することができる。旋盤加工技術を用いて、固定部１１側から起歪体１３の内部１３ｄを中空にした場合では、図３に示すように、起歪体１３の内部１３ｄに通じる貫通穴（開口穴）が固定部１１に形成される。
【００２４】
また、一体構造によれば、固定部１１、受力部１２、および起歪体１３を接続（接合）したことで発生する応力などの影響を排除できる。したがって、受力部１２に作用する力を高精度に計測することができる。また、力覚センサ１０の小型化を図ることができる。
【００２５】
本実施形態では、力覚センサ１０の剛性において、起歪体１３を低くして、固定部１１および受力部１２を高くなるようにしている。具体的には、平面視円の板状の固定部１１および受力部１２を肉厚にし、これよりも起歪体１３の外周側部１３ｃの厚さを肉薄となるように、起歪体１３の内部１３ｄを中空としている。これにより、起歪体１３は、外部からの力により歪みが起きる構造体（弾性体）となる。
【００２６】
また、本実施形態では、起歪体１３の形状を、底部１３ａより頂部１３ｂが小さい円錐台状としている。これによれば、円錐台状であることで、力覚センサ１０の焦点を、受力部１２側に設けることができる。すなわち、力覚センサ１０において、力による起歪体１３の変形する焦点を、力が作用する受力部１２側に近づけることで（理想的には、一致することがよい。）、力を高精度に計測することができる。
【００２７】
さらに、円錐台状であることで、力を受け易くするために受力部１２を大きくしたとしても、頂部１３ｂで設けるのが容易となる。したがって、力覚センサ１０では、受力部１２に作用する力を高精度に計測することができる。
【００２８】
ここで、図４〜図１９を参照して、受力部１２に力（荷重）が加えられたことによる起歪体１３の変形について説明する。図４〜図１９は、力覚センサ１０の起歪体１３の変形を説明するための図であり、三次元空間の直交座標系に位置する力覚センサ１０の模式的側面図である。なお、図４〜図１９では、起歪体１３の外周側部１３ｃの円周（固定部１１から同じ所定高さの位置を結んで形成された円周）上にある等間隔の位置Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ（図１および図２参照）において説明のための同じ大きさの丸穴を設け、起歪体１３の変形の様子を明解にしている。
【００２９】
図４〜図７はそれぞれ、力覚センサ１０の側面４方向（ｙ軸−方向、ｘ軸＋方向、ｙ軸＋方向、ｘ軸−方向）からみた、受力部１２に所定の大きさでｘ軸＋方向のみに力を加えた場合（力Ｆｘ＋）の力覚センサ１０の変形の様子を示している。また、図８〜図１１はそれぞれ、力覚センサ１０の側面４方向（ｙ軸−方向、ｘ軸＋方向、ｙ軸＋方向、ｘ軸−方向）からみた、受力部１２に所定の大きさでｚ軸＋方向のみに力Ｆｚ＋を加えた場合の力覚センサ１０の様子を示している。なお、受力部１２にｙ軸方向に力を加えた場合も、ｘ軸方向に力を加えた場合と同様の変形となる。
【００３０】
また、図１２〜図１５はそれぞれ、力覚センサ１０の側面４方向（ｙ軸−方向、ｘ軸＋方向、ｙ軸＋方向、ｘ軸−方向）からみた、受力部１２にｘ軸＋方向に向かって右ネジ回りの力Ｍｘ＋を加えた場合の力覚センサ１０の様子を示している。また、図１６〜図１９はそれぞれ、力覚センサ１０の側面４方向（ｙ軸−方向、ｘ軸＋方向、ｙ軸＋方向、ｘ軸−方向）からみた、受力部１２にｚ軸＋方向に向かって右ネジ回りの力Ｍｚ＋を加えた場合の力覚センサ１０の様子を示している。なお、受力部１２にｙ軸方向の回りに力を加えた場合も、ｘ軸方向の周りに力を加えた場合と同様の変形となる。
【００３１】
これら図４〜図１９に示すように、受力部１２に種々の力を加えると、受力部１２を介して起歪体１３がそれらの力に伴う変形をする。このとき、位置Ａ〜Ｆの丸穴から分かるように、起歪体１３の局所においても、種々の力に伴う変形をする。そして、これら丸穴の変形は、それぞれが一方向において変位（伸縮）していることが分かる。
【００３２】
これによれば、特許文献１に記載の技術のように、複数の弾性ビームなどの部位から構成されるものではなく、単純な形状（例えば、円錐状）で、力覚センサ１０において剛性が低い起歪体１３を構成することができる。そして、受力部１２を介した力による起歪体１３の変形を、一方向の変位として検出する検出軸を複数有して構成された検出部を設けることで、受力部１２に作用する力を検出することができる。
【００３３】
また、起歪体１３の外周側部１３ｃに複数の検出軸を設けて、検出部を構成することで、起歪体１３の変形を検出しやすくなる。したがって、力覚センサ１０では、受力部１２に作用する力を高精度に計測することができる。
【００３４】
後述するが、本実施形態では、複数の検出軸をそれぞれ構成する複数の歪ゲージ２０を起歪体１３の外周側部１３ｃに貼付して、検出部１４を構成している（図１参照）。すなわち、特許文献１に記載の技術のように、複数の弾性ビームなどの限定された部位（歪の最も大きな部位）に歪ゲージを高精度に貼付する技術は要求されない。このように、単純な形状の起歪体１３の広範囲（例えば、外周側部１３ｃの表面）に、検出部１４の検出軸１５を設けることができる。したがって、受力部１２（物体）に作用する力を検出する力覚センサ１０を容易に、また迅速に提供することができる。
【００３５】
ここで、図２０を参照して、検出部１４について説明する。図２０は、力覚センサ１０の検出部１４を説明するための図であって、起歪体１３をｚ軸＋方向からみた平面図である。図２０では、円錐台状の起歪体１３（図１参照）の形状を円錐状（直円錐状）とみなし、そのときの頂点を中心Ｏとし、固定部１１からの所定高さ（図１の位置Ａなどで示している。）の起歪体１３の外周側部１３ｃの円周を、円Ｃ１（点線で示す。）としている。
【００３６】
また、図２０に示すように、位置Ａ〜Ｆは、円Ｃ１の円周上に等間隔（平面視で６０°毎）で位置している。これら位置Ａ〜Ｆのそれぞれにおいて、歪ゲージ２０（それぞれを２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆと示す。）が設けられている。これら歪ゲージ２０は、検出方向が中心軸１００と交差せずに起歪体１３の外周側部１３ｃの表面に設けられている。
【００３７】
図１に示すように、位置Ｅの歪ゲージ２０と、位置Ｆの歪ゲージ２０との対は、検出方向が交差するように、ハの字状に起歪体１３の外周側部１３ｃの表面に貼付される。また、同様に、位置Ａの歪ゲージ２０と位置Ｂの歪ゲージ２０との対や、位置Ｃの歪ゲージ２０と位置Ｄの歪ゲージ２０の対もハの字状に貼付される。すなわち、検出部１４には、起歪体１３の外周側部１３の表面内において、互いに異なる検出方向の歪ゲージ２０の対が３つ含まれている。
【００３８】
本実施形態では、複数の歪ゲージ２０の検出方向により、位置Ａ〜Ｆのそれぞれにおいて、検出軸１５（それぞれを１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆと示す。）が設けられることとなる。これら検出軸１５は、検出方向が中心軸１００と交差せずに起歪体１３の外周側部１３ｃの表面に沿うように設けられている。
【００３９】
このように、歪ゲージ２０ａ〜２０ｆの検出方向がそれぞれ、検出軸１５ａ〜１５ｆの方向に対応している（一致している）。なお、歪ゲージ２０が起歪体１３の表面に貼付されるので、局所的にみれば歪ゲージ２０の検出方向（検出軸１５の方向）は、起歪体１３の表面での接線方向となる。
【００４０】
図２０において、検出軸１５ａは、頂点（中心Ｏ）から円Ｃ１の円周上の位置Ａを結ぶ線分ＯＡに対して、平面視で時計回りに角度θａずれた方向を検出対象としている。また、検出軸１５ｂは、頂点（中心Ｏ）から円Ｃ１の円周上の位置Ｂを結ぶ線分ＯＢに対して、平面視で反時計回りに角度θｂずれた方向を検出対象としている。このため、検出軸１５ａ、１５ｂは、起歪体１３の中心軸１００と交差せず、互いに異なる方向の対をなして交差していることになる（図２０では、交差点Ｐを示している。）。
【００４１】
また、図２０において、検出軸１５ｃ、１５ｅはそれぞれ、頂点（中心Ｏ）から円Ｃ１の円周上の位置Ｃ、Ｅを結ぶ線分ＯＣ、ＯＥに対して、平面視で時計回りに角度θｃ、θｅずれた方向を検出対象としている。また、検出軸１５ｄ、１５ｆはそれぞれ、頂点（中心Ｏ）から円Ｃ１の円周上の位置Ｄ、Ｆを結ぶ線分ＯＤ、ＯＦに対して、平面視で反時計回りに角度θｄ、θｆずれた方向を検出対象としている。このため、検出軸１５ｃ、１５ｄは、起歪体１３の中心軸１００と交差せず、互いに異なる方向の対をなして交差していることになる。また、検出軸１５ｅ、１５ｆは、起歪体１３の中心軸１００と交差せず、互いに異なる方向の対をなして交差していることになる。
【００４２】
複数の検出軸１５が中心軸１００と交差する場合であると、例えば、受力部１２に加えられた力Ｆｚ＋（図８〜図１１参照）と、力Ｍｚ＋（図１６〜図１９参照）とを区別することができなくなってしまう。図８〜図１１に示す位置Ａ〜Ｆの丸穴の変位がｚ軸方向で同じであり、図１６〜図１９に示す位置Ａ〜Ｆの丸穴の変位がｚ軸方向で同じだからである。
【００４３】
このように、複数の検出軸１５が中心軸１００と交差する場合であると、検出部１４では、ｚ軸方向における位置Ａ〜Ｆの相対的な変位が同じであるため、受力部１２に加えられた力が、力Ｆｚ＋なのか、力Ｍｚ＋なのか区別することができない。また、複数の検出軸１５がすべて同じ方向（例えば、中心Ｏと円Ｃ１の円周上の点を結ぶ線分から時計回りに同じ角度ずれた方向が一致する。）の場合も同様である。
【００４４】
したがって、検出部１４では、中心軸１００とは交差させずに、複数の検出軸１５のうちの一つ（例えば、検出軸１５ａ）が、他の検出軸１５のいずれか一つ（例えば、検出軸）と交差させるように、複数の検出軸１５が設けられている。各検出軸１５の起歪体１３の変形量（変位量）は、後述するキャリブレーション行列による補正により、受力部１２に作用する６成分の力として変換され、力覚センサ１０の計測結果として出力される。また、仮に限定された部位から検出軸１５が僅かにずれて設けられた場合であっても、キャリブレーション行列による補正範囲内であり、受力部１２に作用する力を高精度に計測することができる。
【００４５】
ところで、力覚センサ１０の検出部１４では、図２０で示したように、検出軸１５の方向（歪ゲージ２０の検出方向）が、中心Ｏと円Ｃ１の円周上の点を結ぶ線分に対して、円Ｃ１の円周上で交互に時計回り、反時計回りに傾くような配置に限られるものではない。
【００４６】
例えば、図２１に示すような、検出軸１５の配置であってもよい。図２１は、力覚センサ１０の検出部１４を説明するための図であって、起歪体１３をｚ軸＋方向からみた平面図である。図２１では、円錐台状の起歪体１３の形状を円錐状（直円錐状）とみなし、そのときの頂点を中心Ｏとし、固定部１１からの所定高さの起歪体１３の外周側部１３ｃの円周を、円Ｃ１（点線で示す。）としている。
【００４７】
図２１では、検出軸１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、線分ＯＡ、ＯＢ、ＯＣに対して、平面視で時計回りに角度θａ、θｂ、θｃずれた方向を検出対象としている。また、検出軸１５ｄ、１５ｅ、１５ｆは、線分ＯＤ、ＯＥ、ＯＦに対して、平面視で反時計回りに角度θｄ、θｅ、θｆずれた方向を検出対象としている。このため、検出軸１５は、起歪体１３の中心軸１００と交差せず、検出軸１５ａと検出軸１５ｄの対、検出軸１５ｂと検出軸１５ｅの対、検出軸１５ｃと検出軸１５ｆの対となり、各対が交差していることになる。図２１に示すような、検出軸１５の配置であっても、同様に高精度の力覚センサ１０となる。
【００４８】
また、例えば、図２２に示すような、検出軸１５の配置であってもよい。図２２は、力覚センサ１０の検出部１４を説明するための図であって、起歪体１３をｚ軸＋方向からみた平面図である。図２２では、円錐台状の起歪体１３の形状を円錐状（直円錐状）とみなし、そのときの頂点を中心Ｏとし、固定部１１からの所定高さの起歪体１３の外周側部１３ｃの円周を、円Ｃ１、Ｃ２（点線で示す。）としている。なお、円Ｃ１における高さが、円Ｃ２における高さより高い。
【００４９】
この図２２では、位置Ａ、Ｃ、Ｅは、円Ｃ１の円周上に等間隔（平面視で１２０°毎）で位置し、位置Ｂ、Ｄ、Ｆは、円Ｃ１の円周上に等間隔（平面視で１２０°毎）で位置している。なお、平面視において、線分ＯＡと線分ＯＢのなす角は、６０°となっている。
【００５０】
図２２では、検出軸１５ａ、１５ｃ、１５ｅは、線分ＯＡ、ＯＣ、ＯＥに対して、平面視で時計回りに角度θａ、θｃ、θｅずれた方向を検出対象としている。また、検出軸１５ｂ、１５ｄ、１５ｆは、線分ＯＢ、ＯＤ、ＯＦに対して、平面視で反時計回りに角度θｂ、θｄ、θｆずれた方向を検出対象としている。このため、検出軸１５は、起歪体１３の中心軸１００と交差せず、検出軸１５ａと検出軸１５ｂの対、検出軸１５ｃと検出軸１５ｄの対、検出軸１５ｅと検出軸１５ｆの対となり、各対が交差していることになる。図２２に示すような、検出軸１５の配置であっても、同様に高精度の力覚センサ１０となる。
【００５１】
ところで、平面視において６つの検出軸１５のうちの一つ（例えば、検出軸１５ａ）が残りの検出軸１５（例えば、検出軸１５ｂ〜１５ｆ）とすべて交差するような検出軸１５の配置であっても、受力部１２に作用する力を計測することができる。しかしながら、キャリブレーション行列による補正の際に、検出軸１５ａの重みが大きくなり、受力部１２に作用する力によっては、高精度に検出できないおそれもある。具体的には、起歪体１３に加わる力の各成分（力およびモーメント）は、いわゆる他軸出力により、精度よく分離できなくなることが考えられる。
【００５２】
そこで、図２０〜図２２を参照して説明したように、複数の検出軸１５のうちの一つが、他の検出軸１５のいずれか一つと対をなして交差するように、複数の検出軸１５を設けることで、受力部１２に作用する力をより高精度に計測することができることとなる。なお、６軸力覚センサの場合であれば、この検出軸１５の対が少なくとも３つ含まれていれば高精度に計測することができる。
【００５３】
本実施形態では、変形量を一方向で検出する歪ゲージ２０を複数備えて検出部１４が構成されている。歪ゲージ２０は、例えば、線状の抵抗体（金属体）を、絶縁体上に平面視くし歯状に設け、その歯の長さ方向を一方向（この方向が、検出方向となる。）としたものを用いることができる。
【００５４】
歪ゲージ２０では、起歪体１３に力が加わると抵抗値が変化するので、その変化の有無で、受力部１２に力が加えられたか否かを検知（判定）することができる。そして、より具体的には、歪ゲージ２０では、起歪体１３に力が加わると起歪体１３の変形度合い（応力）に応じて抵抗体の抵抗値が変化し、それに伴う電気信号が検出値として出力される。すなわち、歪ゲージ２０からの電気信号から、受力部１２を介した力による起歪体１３の変形を検知、検出することができる。
【００５５】
このように、検出部１４の検出軸１５を、歪ゲージ２０の検出方向で構成すれば、受力部１２を介した力による起歪体１３の変形を直接検知、検出することができる。このため、起歪体１３の変形量、すなわち検出部１４の検出値から、受力部１２に作用する力をより高精度に計測することができる。また、検出素子として歪ゲージ２０を直接起歪体１３に貼付するので、例えば光学式変位計を用いるより、力覚センサ１０の小型化を図ることができる。
【００５６】
ここで、図２３を参照して、検出部１４の検出値から、受力部１２に作用する力として算出する演算部３０について説明する。図２３は、力覚センサ１０が備える演算部３０を説明するための図である。例えば、固定部１１の裏面（受力部１２と対向する面とは反対の面）や、別に設けたフレームに設けることができる。なお、力覚センサ１０自身が演算部３０を備えずに、外部装置としての演算部３０と、力覚センサ１０とを接続して構成されるシステムでも、受力部１２に作用する力を高精度に計測することができる。
【００５７】
検出部１４（歪ゲージ２０ａ〜２０ｆ）と演算部３０とは、配線により電気的に接続される。演算部３０では、歪ゲージ２０ａ〜２０ｆ（ＣＨ１〜ＣＨ６）からの信号（アナログ信号）を各アンプ３１（ＡＭＰ１〜ＡＭＰ６）によって増幅した後、そのアナログ信号をＡ／Ｄ変換器３２でデジタル信号に変換し、ＣＰＵ３３に送られる。
【００５８】
ＣＰＵ３３では、メモリ３４からキャリブレーション行列（校正行列）を参照して、受力部１２に作用する力の６成分（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）を算出する。演算部３０による結果は、ＣＰＵ３３からデジタル信号として出力することができ、またＤ／Ａ変換器３５を用いてアナログ信号としても出力することもできる。
【００５９】
このように演算部３０は、検出部１４からの検出値を参照して補正するキャリブレーション機能を有している。次式のように、受力部１２に作用する力Ｆは、キャリブレーション行列Ｃと、検出部１４からの検出値をＡ／Ｄ変換した値Ｖとを乗じて求めることができる。
【数１】
2013234975.tif 000003
【数２】
2013234975.tif 000004
【数３】
2013234975.tif 000005
【数４】
2013234975.tif 000006
【００６０】
キャリブレーション行列Ｃは、個々の力覚センサ１０に固有のものとして予め算出される。具体的には、力覚センサ１０に１軸ずつ６軸（６成分）の定格荷重を加える計測条件と、そのときの起歪体１３の変形量の計測結果から、キャリブレーション行列Ｃを算出することができる。このようなキャリブレーション行列Ｃを用いるので、力覚センサ１０の受力部１２に作用する力を高精度で計測することができる。また、本実施形態では、起歪体１３の形状が単純であるため、形状変化が起こりにくく、長期にわたって、高精度の計測を維持することができる。
【００６１】
［実施形態２］
前記実施形態１では、検出部１４を構成するにあたり、起歪体１３の外周側部１３に、複数の検出軸１５を設けた場合について説明した。本実施形態では、起歪体１３（以下、起歪体１３Ａと記す。）の他面に、複数の検出軸１５を設ける場合について図２４〜図２６を参照して説明する。図２４は力覚センサ１０（以下、力覚センサ１０Ａと記す。）のｙ軸−方向からの模式的側面図、図２５は力覚センサ１０Ａの模式的上面図、図２６は図２５のＸ２−Ｘ２線における力覚センサ１０Ａの模式的断面図である。これらの図では、三次元空間の直交座標系に位置する力覚センサ１０Ａを示している。また、図２５では、説明を明解にするために、一部を透視して破線で示している。
【００６２】
本実施形態では、円錐台状の起歪体１３Ａが、底部１３ａでフランジ１３ａｆ、頂部１３ｂでフランジ１３ｂｆを有する。この起歪体１３Ａは、固定部１１および受力部１２と一体に形成された構造体で構成される。この一体構造体は、ステンレス鋼などの金属から、例えば、旋盤加工技術を用いることで、容易に形成することができる。これにより、固定部１１に起歪体１３Ａがフランジ１３ａｆの周縁部を介して設けられ、受力部１２に起歪体１３Ａがフランジ１３ｂｆの周縁部を介して設けられる。
【００６３】
本実施形態では、力覚センサ１０Ａの剛性において、起歪体１３Ａを低くして、固定部１１および受力部１２を高くなるようにしている。そして、起歪体１３Ａでもフランジ１３ａｆ、１３ｂｆを最も剛性を低くしている。
【００６４】
具体的には、平面視円の板状の固定部１１および受力部１２を肉厚にし、これよりも起歪体１３Ａの外周側部１３ｃの厚さを肉薄となるように、起歪体１３Ａの内部１３ｄを中空としている。そして、外周側部１３ｃの厚さよりも、フランジ１３ａｆ、１３ｂｆの厚さを肉薄としている。これにより、起歪体１３Ａは、撓みが起きる構造体（弾性体）となる。
【００６５】
このような起歪体１３Ａに対して、図２５に示すように、検出部１４が、起歪体１３Ａのフランジ１３ａｆ面の位置Ａ〜Ｆにそれぞれ歪ゲージ２０ａ〜２０ｆを設けて構成されている。そして、これら歪ゲージ２０ａ〜２０ｆにより、検出部１４では、例えば、図２０と同様な考え方で検出軸１５ａ〜１５ｆを設けることができる。
【００６６】
起歪体１３Ａの底部１３ａ（フランジ１３ａｆ）を最も剛性が低い部位とすることができ、起歪体１３Ａの変形を、特に、撓みとして検出しやすくなる。すなわち、剛性をより低くすることで、受力部１２に作用する小さな力を高精度に計測することができる。したがって、低定格の力覚センサ１０Ａを提供することができるようになる。なお、起歪体１３Ａの底部１３ａの他に検出軸１５を設けるとともに、前記実施形態１で示したように、起歪体１３の外周側部１３ｃにも検出軸１５を設けることもできる。
【００６７】
［実施形態３］
前記実施形態１では、起歪体１３の形状が、円錐台状の場合について説明した。本実施形態では、起歪体１３（以下、起歪体１３Ｂと記す。）の形状が、円柱状の場合について図２７を参照して説明する。図２７は力覚センサ１０（以下、力覚センサ１０Ｂと記す。）のｙ軸−方向からの模式的側面図である。なお、起歪体１３Ｂの内部は、中空となっていない。
【００６８】
図２７に示すように、起歪体１３Ｂの形状が、固定部１１側を底部１３ａ（一端部）および受力部１２側を頂部１３ｂ（他端部）とし、これらに直交する中心軸１００を有する円柱状である。また、固定部１１、受力部１２および起歪体１３で構成される構造体の形状が、バーベル状である。このようにバーベル状にすることで、力覚センサ１０Ｂの剛性において、起歪体１３Ｂが低く、固定部１１および受力部１２を高くなる。
【００６９】
このような起歪体１３Ｂに対して、図２７に示すように、検出部１４が、起歪体１３Ｂの外周側部１３ｃの所定位置に複数の歪ゲージ２０を設けて構成されている。そして、これら複数の歪ゲージ２０により、検出部１４では、例えば、図２０と同様な考え方で複数の検出軸１５を設けることができる。
【００７０】
起歪体１３Ｂの形状が円柱状であっても、起歪体１３Ｂの外周側部１３ｃに複数の検出軸１５を設けて、検出部１４を構成することで、起歪体１３Ｂの変形を検出しやすくなる。したがって、力覚センサ１０Ｂでは、受力部１２に作用する力を高精度に計測することができる。
【００７１】
［実施形態４］
前記実施形態１では、起歪体１３の形状が、円錐台状の場合について説明した。本実施形態では、起歪体１３（以下、起歪体１３Ｃと記す。）の形状が、円錐状の場合について図２８を参照して説明する。図２８は力覚センサ１０（以下、力覚センサ１０Ｃと記す。）のｙ軸−方向からの模式的側面図である。なお、起歪体１３Ｃの内部１３ｄは、中空となっている。
【００７２】
図２８に示すように、起歪体１３Ｃの形状が、固定部１１側を底部１３ａおよび受力部１２側を頂部１３ｂとし、これらに直交する中心軸１００を有する円錐状である。例えば、点として受力部１２（物体）が力を受けることを考慮して、受力部１２の形状を球状にすることもできる。円錐状とすることで、力覚センサ１０Ｃの焦点を、球状の受力部１２側に設けることができる。
【００７３】
このような起歪体１３Ｃに対して、図２８に示すように、検出部１４が、起歪体１３Ｃの外周側部１３ｃの所定位置に複数の歪ゲージ２０を設けて構成されている。そして、これら複数の歪ゲージ２０により、検出部１４では、例えば、図２０と同様な考え方で複数の検出軸１５を設けることができる。
【００７４】
起歪体１３Ｃの形状が円錐状であっても、起歪体１３Ｃの外周側部１３ｃに複数の検出軸１５を設けて、検出部１４を構成することで、起歪体１３Ｃの変形を検出しやすくなる。したがって、力覚センサ１０Ｃでは、受力部１２に作用する力を高精度に計測することができる。
【００７５】
以上、本発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、代表的なものの新規な特徴およびこれによって得られる作用、効果を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００７６】
本発明の一実施形態における力覚センサ１０は、固定部１１と、固定部１１に対して力（例えば、外部からの圧縮力、引張力、曲げ力）を受ける受力部１２と、固定部１１と受力部１２との間の起歪体１３と、受力部１２を介した力による起歪体１３の変形を検出する検出部１４とを備えている。
【００７７】
ここで、起歪体１３の形状が、固定部１１側を底部１３ａおよび受力部１２側を頂部１３ｂとし、底部１３ａおよび頂部１３ｂに直交する中心軸１００を有する円錐状である。また、起歪体１３の内部が、中空である。
【００７８】
また、検出部１４が、起歪体１３の変形を一方向の変位として検出する検出軸１５を複数有している。複数の検出軸１５が、中心軸１００と交差せずに起歪体１３の表面に沿うように設けられる。複数の検出軸１５には、互いに異なる方向の検出軸１５の対（図２０では、検出軸１５ａと検出軸１５ｂの対）が含まれている。
【００７９】
これによれば、力覚センサ１０を構成する起歪体１３（剛性が低い構造体）が、特許文献１に記載の技術のように、複数の弾性ビームなどの部位から構成されるものではなく、単純な形状（例えば、円錐状）である。また、複数の弾性ビームなどの限定された部位（歪の最も大きな部位）に歪ゲージを高精度に貼付する技術は要求されない。すなわち、単純な形状の起歪体１３の広範囲（例えば、外周側部１３ｃ）に、検出部１４の検出軸１５を設けることができる。
【００８０】
したがって、受力部１２（物体）に作用する力を検出する力覚センサ１０を容易に、また迅速に提供することができる。そして、力覚センサ１０では、仮に限定された部位から検出軸１５が僅かにずれて設けられた場合であっても、キャリブレーション行列による補正範囲内であり、受力部１２に作用する力を高精度に計測することができる。
【００８１】
さらに、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００８２】
例えば、前記実施形態では、検出素子として歪ゲージを用いた場合について説明した。これに限らず、検出素子として光学式変位計を用いることもできる。これによれば、例えば、起歪体の変形を非接触で一方向の変位量（変形量）として検出することもできる。
【００８３】
また、例えば、前記実施形態では、ステンレス鋼などの金属（単一部材）から旋盤加工技術を用いて固定部、受力部、および起歪体を一体に形成した構造体を形成した場合について説明した。これに限らず、ポリアセタールなどの樹脂から旋盤加工技術を用いて構造体を形成することもできる。これによれば、力覚センサの定格が高いあるいは低い場合のように、適宜材料を選択して構造体を形成することができる。
【００８４】
また、例えば、前記実施形態では、内部を中空とした円錐状の起歪体を用いた場合について説明した。これに限らず、内部を中空としない起歪体の起歪体を用いることもできる。起歪体の内部を中空としないことで、構造体の剛性を調整することができる。
【００８５】
また、例えば、前記実施形態では、旋盤加工技術を用いて起歪体などの構造体を形成した場合について説明した。これに限らず、半導体製造技術（いわゆる前工程や後工程）を用いて構造体を形成することもできる。これによれば、例えば、絶縁体をパターニング（エッチング）して構造体（絶縁体を積層したものも含む）を形成したり、歪ゲージの抵抗体をパターニングしたりできる。また、例えば、樹脂を金型に充填して構造体を形成することもできる。
【符号の説明】
【００８６】
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ  力覚センサ
１１  固定部
１２  受力部
１３、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ  起歪体
１３ａ  底部
１３ａｆ  フランジ
１３ｂ  頂部
１３ｂｆ  フランジ
１３ｃ  外周側部
１３ｄ  内部
１４  検出部
１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ  検出軸
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ  歪ゲージ
３０  演算部
３１  アンプ
３２  Ａ／Ｄ変換器
３３  ＣＰＵ
３４  メモリ
３５  Ｄ／Ａ変換器
１００  中心軸
【図１】
2013234975.tif 000007
【図２】
2013234975.tif 000008
【図３】
2013234975.tif 000009
【図４】
2013234975.tif 000010
【図５】
2013234975.tif 000011
【図６】
2013234975.tif 000012
【図７】
2013234975.tif 000013
【図８】
2013234975.tif 000014
【図９】
2013234975.tif 000015
【図１０】
2013234975.tif 000016
【図１１】
2013234975.tif 000017
【図１２】
2013234975.tif 000018
【図１３】
2013234975.tif 000019
【図１４】
2013234975.tif 000020
【図１５】
2013234975.tif 000021
【図１６】
2013234975.tif 000022
【図１７】
2013234975.tif 000023
【図１８】
2013234975.tif 000024
【図１９】
2013234975.tif 000025
【図２０】
2013234975.tif 000026
【図２１】
2013234975.tif 000027
【図２２】
2013234975.tif 000028
【図２３】
2013234975.tif 000029
【図２４】
2013234975.tif 000030
【図２５】
2013234975.tif 000031
【図２６】
2013234975.tif 000032
【図２７】
2013234975.tif 000033
【図２８】
2013234975.tif 000034