JP2009210441A

JP2009210441A - 六分力センサ

Info

Publication number: JP2009210441A
Application number: JP2008054131A
Authority: JP
Inventors: Masafumi Oda; 雅文尾田; Toshiaki Hara; 利昭原; Akifumi Kosakai; 暁史小坂井
Original assignee: Sunarrow Co Ltd; Niigata University NUC
Current assignee: Sunarrow Co Ltd; Niigata University NUC
Priority date: 2008-03-04
Filing date: 2008-03-04
Publication date: 2009-09-17

Abstract

【課題】接触対象物と接触した際に作用する六分力の検出に用いることが出来る六分力センサを提供する。
【解決手段】本発明に係る六分力センサは、六分力センサにおいて、接触対象物と接触し、この接触対象物と接触した際に作用する力によって変位する接触面と、前記接触面の変位に伴って互いに独立して変位する三つ以上の変位部と、前記変位部一つに対して三つ以上配置し、前記変位部の変位の検出に用いる検出用素子と、を有することを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、コンピュータ等の入力装置、機械装置用の入力装置、食品用ロボット、医療用ロボット、又は産業用ロボット等に利用し得る六分力センサに関する。

例えば特許文献１には、（ａ）棒状の部材及び該棒状の部材の下端部に一体的に形成された円盤部材を備える可動軸と、（ｂ）複数の扇形に分割された検出部及び該検出部の間の隙間部を備え、前記円盤部材の下方に配設される円盤状のシートと、（ｃ）該シートの下方に配設されるベースプレートと、（ｄ）前記可動軸、シート及びベースプレートを結合するカバーとを有するポインティングデバイスにおいて、（ｅ）前記円盤部材が変形強度の高い部分と変形強度の低い部分とを備え、前記変形強度の高い部分が前記検出部に対応し、前記変形強度の低い部分が前記隙間部に対応するように配設され、（ｆ）前記棒状の部材に荷重を加えて傾動させると、荷重の方向に関わらず、荷重の大きさに応じた検出信号を検出することを特徴とするポインティングデバイスが開示されている。
特開２００２−２０７５６８号公報

しかし、上記のポインティングデバイスにおいては、このポインティングデバイスに働く六分力を検出することは出来なかった。六分力を検出することが出来るポインティングデバイスは、多様な用途に使用できる。六分力とは、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸方向の荷重と、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸の各軸回りの力のモーメントと、をいう。また、三分力とは、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸方向の荷重をいう。

本発明は上記点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、接触対象物と接触した際に作用する六分力の検出に用いることが出来る六分力センサを提供することにある。

本発明に係る六分力センサは、
六分力センサにおいて、
接触対象物と接触し、この接触対象物と接触した際に作用する力によって変位する接触面と、
前記接触面の変位に伴って互いに独立して変位する三つ以上の変位部と、
前記変位部一つに対して三つ以上配置し、前記変位部の変位の検出に用いる検出用素子と、
を有することを特徴とする。

また、本発明に係る六分力センサでは、
前記接触面は、板状部材の上面であり、
前記六分力センサは、前記板状部材又は前記変位部が傾くことを互いに拘束しないように前記板状部材の変位を前記変位部に伝達する伝達部をさらに有することを特徴とする。

また、本発明に係る六分力センサでは、
前記伝達部は、ボールジョイントであることを特徴とする。

また、本発明に係る六分力センサでは、
前記変位部は、弾性部材によって支持され、
前記検出用素子は、固定電極と、この固定電極に対向するように前記変位部の下面に形成し、前記変位部の変位に伴って変位する変位電極と、を有する静電容量素子であることを特徴とする。

また、本発明に係る六分力センサでは、
前記変位部それぞれは、正三角形の頂点に位置することを特徴とする。

また、本発明に係る六分力センサでは、
前記変位部それぞれは、正六角形を組合せた場合の各正六角形の中心に位置することを特徴する。

本発明に係る六分力センサでは、接触対象物と接触し、この接触対象物と接触した際に作用する力によって変位する接触面と、前記接触面の変位に伴って互いに独立して変位する三つ以上の変位部と、前記変位部一つに対して三つ以上配置し、前記変位部の変位を検出するための検出用素子と、を有する。このため、各変位部一つに対して三つ以上形成した検出用素子により、各変位部の変位を検出出来る。そして、三つ以上の各変位部の変位を分析することにより、接触面に作用する六分力を測定できる。このように、変位部を三つ以上設け、この変位部の変位を検出するための検出用素子を変位部一つに対して三つ以上配置することにより、初めて、接触面に作用する六分力を測定できる。以上のように、本発明に係る六分力センサは、接触対象物と接触した際に作用する六分力の検出に用いることが出来る。

本発明の実施形態例について図面を参照しながら説明する。なお、図面において、同様のもの、対応するもの、又は総称できるものについては同じ符号を付して説明する場合がある。また、図面において、同様のもの、対応するもの、又は総称できるものが複数ある場合、同じ符号を付して説明する場合がある。本発明は下記の実施形態にのみ限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲で下記の実施形態に変更（例えば構成要素（部材等）の省略又は付加、構成要素の形状の変更等）を加えることが出来るのはもちろんである。

本実施形態に係る六分力センサは、例えば、触覚センサ中の、接触対象物に接触する接触部に相当する。

図１は、実施形態例に係る六分力センサの斜視図である。六分力センサ１００は、一の板状部材１３０と、三つの検出部１５０、２５０、及び３５０と、三つの伝達部（図示せず）を有する。検出部１５０、２５０、及び３５０は、いずれも同様の構造を有する。板状部材３は正三角形に形成され、検出部１５０、２５０、及び３５０は正三角形の頂点に位置する。このような構成により、板状部材１３０の変位を的確に検出し易くなる。三つの伝達部は、それぞれ、三つの検出部１５０、２５０、及び３５０に対応して配置する。

図２は、実施形態例に係る六分力センサの構造を説明するための概略要部断面図である。図３は、実施形態例に係る六分力センサの検出部の構造を説明するための概略説明図である。検出部５０は、検出部１５０、２５０、及び３５０それぞれに対応し、板状部材３０は、板状部材１３０に対応する。また、伝達部７０は、上記の図示しない三つの伝達部それぞれに対応する。また、基板５３は、基板４５３に対応する（但し、形状が異なる）。なお、図２及び図３において、電極の断面は、ハッチングではなく、黒く塗りつぶした。

板状部材３０は、接触対象物と接触し、この接触対象物と接触した際に作用する力によって変位する。板状部材３０の上面は、接触対象物と接触する水平な接触面３０ａとなる。そして、この接触面３０ａは、接触対象物と接触した際に作用する力によって変位することになる。板状部材３０の下面には、変位部５１の中央に対応する位置に、凹部３０ｃを形成する。

板状部材３０及び下記の変位部５１は、金属、ガラス、又は硬質樹脂等を材料とする硬質な部材により形成する。硬質樹脂としては、例えば、一般的な熱可塑性樹脂・熱硬化性樹脂として、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート系）樹脂、ＰＣ（ポリカーボネイト系）樹脂、ポリウレタン系樹脂、アクリル系樹脂、シリコーン系樹脂等の合成樹脂がある。また、硬質樹脂としては、アクリル系、エポキシ系、ビニル系、シリコーン系等の電磁波硬化性樹脂がある。電磁波硬化性樹脂とは、電磁波が照射されると硬化する樹脂で、紫外線硬化性樹脂（ＵＶ硬化性樹脂）、可視光線硬化性樹脂等がある。

検出部５０は、変位部５１と、支持部５２と、基板５３と、変位電極５４と、固定電極５５ａ乃至５５ｄと、を有する。

変位部５１は、円盤状の硬質プレート５１ａと、この硬質プレート５１ａの上面中央に形成した円盤状の台座５１ｂと、を有する。変位部５１が円盤状であることにより、変位部５１は、あらゆる方向から作用する力に適切に対応して、変位出来る。台座５１ｂは、硬質プレート５１ａに固着するか、硬質プレート５１ａと一体的に形成する。台座５１ｂの上面、すなわち変位部５１の上面中央には、凹部５１ｃを形成する。

支持部５２は、弾性部材であり、弾性材料により円筒状に形成する。支持部５２の下面は、基板５３の上面に固着される。さらに、支持部５２の上面は、変位部５１の下面と固着する。このようにして、変位部５１は、支持部５２により、変位可能に支持される。

弾性材料としては、弾性を有する合成樹脂等がある。このような合成樹脂としては、ゴム材又は熱可塑性エラストマー等がある。ゴム材としては、例えば、シリコーンゴム等がある。支持部５２は、弾性部材であればよく、金属ばね、ベローズ等により形成してもよい。

基板５３は、各種回路及び各種素子等から構成する制御部が配置される。素子としては、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、及び、Ｃ／Ｖ変換ＩＣ等がある。六分力センサが出力する信号は、この制御部に送られ処理される。

基板５３上の支持部５２よりも内側の位置には、固定電極５５ａ乃至５５ｄ（５５ｂは、図２及び図３において図示せず。）を形成する。固定電極５５ａ乃至５５ｄは、円環形状を間隙部５３ａ乃至５３ｄ（５３ａ及び５３ｂは、図２及び図３において図示せず。）を介して四つに分割した形状である。固定電極５５ａ乃至５５ｄは、それぞれ、円弧状になる。

変位電極５４は、固定電極５５ａ乃至５５ｄに対向するように変位部５１（硬質プレート５１ａ）の下面に形成する。変位電極５４は、支持部５２よりも内側の位置に形成する。変位電極５４は、円環状に形成される。変位電極５４は、変位部５１の下面に形成するので、変位部５１の変位に伴って変位する。

変位電極５４及び固定電極５５ａ乃至５５ｄは、それぞれ、金属板、導電インク等の導電性材料により形成され、変位部５１又は基板５３に固着する。変位部５１が導電性を有する場合、変位電極は、変位部５１の下面全体となる。この場合でも、変位電極は、変位部５１の下面に形成すると表現する。

固定電極５５ａ乃至５５ｄと変位電極５４とは対向し、互いに重なる領域それぞれが静電容量素子（コンデンサ）を構成する電極となる。固定電極は、四つなので、静電容量素子は、四つ形成される。静電容量素子の静電容量は、変位電極５４の変位により変化する。この変化を分析することで、変位部５１の変位を検出できる。

例えば、変位部５１の固定電極５５ａ側が基板５３に近付くように変位部５１が傾くと、変位電極５４の固定電極５５ａ側が基板に近付くので、固定電極５５ａと変位電極５４とが重なる領域を二枚の電極とする静電容量素子の静電容量が大きくなる。さらに、変位電極５４の固定電極５５ｃ側が基板から遠ざかるので、固定電極５５ｃと変位電極５４とが重なる領域を二枚の電極とする静電容量素子の静電容量が大きくなる。

例えば、変位部５１が下方に平行移動すると、変位電極５４が下方に平行移動して、固定電極５５ａ乃至５５ｄに近付くので、各静電容量素子の静電容量が一様に大きくなる。

また、静電容量の変化量により、変位部５１の変位の大きさを検出出来る。

このように、静電容量素子は、変位部５１の変位の検出に用いる静電容量型検出用素子であり、一つの変位部５１に対して変位部５１の中心から３６０度均等に、三つ以上配置するとよい。変位部５１の変位は、変位部５１の変位の種類、変位部５１の変位の方向、及び変位部５１の変位の大きさを含む。変位部５１の変位の種類としては、変位部５１の傾き、及び、変位部５１の平行移動等がある。変位部５１の変位の方向として、変位部５１の傾きの方向、及び、変位部５１の平行移動の方向等がある。平行移動の方向としては、基板５３に対する垂直方向における下方及び上方がある。検出用素子の他の例は、変位部５１の変位の検出に用いることが出来る、感圧導電ゴム等を用いた素子である。検出用素子を一つの変位部５１に対して三つ以上配置することにより、変位部５１の変位の種類、及び、変位部５１の変位の方向を適切に検出することが出来る。

六分力センサは、伝達部７０を有する。伝達部７０は、変位部５１に対応して配置され、板状部材３０と変位部５１とを連結する。伝達部７０は、板状部材３０の凹部３０ｃと、変位部５１の凹部５１ｃと、両者により回転可能及び又は移動可能に狭まれた球７１と、を有する。球７１は、硬質の球であれば良く、例えば、鋼球、又は、硬質樹脂製の球とする。硬質樹脂の例は上記参照。このような構成により、伝達部７０は、板状部材の変位を、板状部材３０又は変位部５１が傾くことを互いに拘束しないように変位部に伝達する。凹部３０ｃ及び凹部５１ｃは、球７１よりも緩い曲線を有し、半球を上下方向につぶしたようなお椀形状とする。凹部５１ｃ及び又は凹部３０ｃは、適宜、球７１の曲線に略合わせた形状にしてもよい。伝達部７０は、球７１と、凹部３０ｃと、凹部５１ｃと、を有するので、板状部材３０又は変位部５１が傾くことを互いに拘束しないボールジョイントとなる。伝達部７０は、板状部材３０又は変位部５１が傾くことを互いに拘束しない、他の構成のボールジョイントであっても良い。

例えば、板状部材３０が、基板５３に対して水平方向に移動すると、球７１は、転がりながら及び又は滑りながら、変位部５１を斜めに押圧して、この変位部５１を傾かせる。板状部材３０が、基板５３に対して傾くか、基板５３に対して垂直方向に移動すると、球７１は、変位部５１を押圧して、変位部５１を下方に移動させる。このようにして、伝達部７０は、板状部材３０が水平方向の移動する場合には変位部５１を傾かせ、板状部材３０が傾くか垂直方向に移動する場合には変位部５１を下方に移動させる。また、板状部材３０が、これらの動きを複合させた動きをすると、変位部５１もそれに合わせて変位する。このように、伝達部７０は、板状部材３０の変位に伴い変位部５１を傾かせて及び又は平行移動させるので、板状部材３０の変位を変位部５１に適切に伝達することが出来る。伝達部７０は、板状部材３０又は変位部５１が傾くことを互いに拘束しない。

伝達部７０は、同様の役割を有するものとして、円柱等の柱状の弾性部材（材料の例は上記参照。）の上面及び下面（底面）を、それぞれ板状部材３０の下面と、変位部５１の上面に固着した構造であってもよい。弾性部材の材料の例は上記参照。しかし、伝達部７０が、板状部材３０の凹部３０ｃと、変位部５１の凹部５１ｃと、両者により回転可能及び又は移動可能に狭まれた球７１と、を有する構成（ボールジョイントの構成）の方が、板状部材３０の変位を、より直接的に変位部５１に伝達することが出来る。伝達部７０を弾性部材とすると、板状部材３０の変位量を弾性部材の弾性により吸収してしまい、直接的に変位部５１に伝達することが出来ない場合があるからである。また、板状部材３０又は変位部５１が傾くことを互いに拘束しないように、板状部材３０の変位を、変位部５１を傾かせて及び又は平行移動させて、変位部５１に適切に伝達することが出来れば、伝達部７０は不要の場合もある。

上記のようにして、変位部５１は、接触面３０ａ（板状部材３０）の変位に伴って変位する。そして、３つ以上の検出部５０を設ける場合、検出部５０それぞれの有する変位部は、接触面３０ａ（板状部材３０）の変位に伴って互いに独立して変位する。

図４は、板状部材（接触面）の変位と変位部の変位との関係を模式的に表した模式図である。図４（ａ）は、接触対象物からの力が接触面に作用していない状態を示した図である。図４（ｂ）は、接触対象物からの力が接触面に垂直荷重として作用している状態を示した図である。図４（ｃ）は、接触対象物からの力が接触面に水平荷重として作用している状態を示した図である。図４（ｄ）は、接触対象物から接触面に力のモーメントが作用している状態を示した図である。

板状部材５３０は、板状部材３０等と同様の構成である。接触面５３０ａは、接触面３０ａ等と同様の構成である。伝達部５７０Ａ乃至５７０Ｂは、それぞれ、伝達部７０等と同様の構成である。検出部５５０Ａ乃至５５０Ｂは、それぞれ、検出部５０等と同様の構成である。変位部５５１Ａ乃至５５１Ｂは、それぞれ、変位部５１等と同様の構成である。また、検出部が二つの場合について、板状部材（接触面）の変位と変位部の変位との関係を説明するが、水平荷重は互いに直交するＸ軸方向及びＹ軸方向に分解できるため、実際はこれらに加えて、検出部は三つ以上必要になる。但し、各検出部は、一直線状にならないように（非直線状に）、中心から３６０度均等に、配置する。検出方法等は原理的に二つの場合に準じる。

図４（ａ）のように、接触対象物からの力が接触面５３０ａに作用していない状態では、板状部材と変位部とは初期状態にある。

図４（ｂ）のように、接触対象物からの力が接触面５３０ａに垂直荷重Ｆｚとして作用する場合、接触面５３０ａ（板状部材５３０）は、垂直方向下方に平行移動する。これに伴って、変位部５５１Ａ乃至５５１Ｂは、共に、一様に垂直方向下方に平行移動する。変位部５５１Ａ乃至５５１Ｂそれぞれの変位は、検出部５５０Ａ乃至５５０Ｂそれぞれが有する三つ以上の検出素子を用いて検出出来る（上記参照）ので、変位部５５１Ａ乃至５５１Ｂが一様に垂直方向下方に平行移動すると検出した場合、接触対象物からの力が接触面５３０ａに垂直荷重Ｆｚとして作用するとわかる。

図４（ｃ）のように、接触対象物からの力が接触面５３０ａにｘ軸方向の水平荷重Ｆｘとして作用する場合、接触面５３０ａ（板状部材５３０）は、ｘ軸方向に平行移動する。これに伴って、変位部５５１Ａ乃至５５１Ｂは、共に傾く。変位部５５１Ａ乃至５５１Ｂそれぞれの変位は、検出部５５０Ａ乃至５５０Ｂそれぞれが有する三つ以上の検出素子を用いて検出出来る（上記参照）ので、変位部５５１Ａ乃至５５１Ｂが傾くと検出した場合、接触対象物からの力が接触面５３０ａに水平荷重Ｆｘとして作用するとわかる。なお、これは、ｙ軸方向の水平荷重Ｆｙが作用する場合も同様である。また、接触面５３０ａ（板状部材５３０）がｚ軸を中心に回転する場合（ｚ軸回りのモーメント）、この回転に沿うように変位部５５１Ａ乃至５５１Ｂは、共に傾く。本発明において、水平方向への平行移動は、ｚ軸を中心に回転する場合も適宜含む。

図４（ｄ）のように、接触対象物からの接触面５３０ａにモーメントＭが作用する場合、接触面５３０ａ（板状部材５３０）は傾く。これに伴って、変位部５５１Ａは、垂直方向下方に平行移動する。そして、５５１Ｂは、変位しない。変位部５５１Ａの変位は、検出部５５０Ａが有する三つ以上の検出素子を用いて検出出来る（上記参照）ので、変位部５５１Ａが垂直方向下方に平行移動し、変位部５５１Ｂが変位しないと検出した場合、接触対象物から接触面５３０ａにモーメントＭが作用するとわかる。

なお、伝達部５７０Ｂが、検出部５５０Ｂ及び板状部材５３０に固着等されている場合、変位部５５１Ｂは、垂直方向上方に平行移動する（図４（ｄ）の点線参照）。この場合、変位部５５１Ａが垂直方向下方に平行移動し、変位部５５１Ｂが垂直方向上方に平行移動すると検出した場合、モーメントＭが接触対象物から接触面５３０ａに作用するとわかる。

図５は、実施形態例に係る六分力センサ及び制御部の概略構成を示したブロック図である。１５４は、検出部１５０が有する可動電極であり、１５５ａ乃至１５５ｄは、検出部１５０が有する固定電極である。２５４は、検出部２５０が有する可動電極であり、２５５ａ乃至２５５ｄは、検出部２５０が有する固定電極である。３５４は、検出部３５０が有する可動電極であり、３５５ａ乃至３５５ｄは、検出部３５０が有する固定電極である。なお、図５の固定電極１５５ａ乃至１５５ｄ、固定電極２５５ａ乃至２５５ｄ、及び、固定電極３５５ａ乃至３５５ｄに付したハッチングは、電極を明瞭にするためのもので、断面をあらわすものではない。

固定電極１５５ａ乃至１５５ｄそれぞれは、制御部１０００に接続して、Ｃ／Ｖ変換ＩＣ１０１１に接続される。Ｃ／Ｖ変換ＩＣ１０１１は、固定電極１５５ａ乃至１５５ｄについての静電容量値を、検出部１５０の変位部の、ｙ軸回りの傾き量（図２等を参照）、ｘ軸回りの傾き量（図２等を参照）、及び、ｚ軸方向の押し込み量（垂直方向下方への移動量、図２等を参照）に比例した電圧値（Ｖｘ_１，Ｖｙ_１，Ｖｚ_１）に変換する。変換した値は、Ａ／Ｄ変換ＩＣ１００５に入力される。この電圧値（Ｖｘ_１，Ｖｙ_１，Ｖｚ_１）は、Ａ／Ｄ変換ＩＣ１００５によりデジタル化され、ＣＰＵ１００１に入力する。固定電極２５５ａ乃至２５５ｄ、又は固定電極３５５ａ乃至３５５ｄについての静電容量値についても、同様に電圧値（Ｖｘ_２，Ｖｙ_２，Ｖｚ_２）又は（Ｖｘ_３，Ｖｙ_３，Ｖｚ_３）に変換され、デジタル化され、ＣＰＵ１００１に入力する。ＣＰＵ１００１は、メモリ１００３に記録したプログラム及び各種データに基づいて、デジタル化されて入力された電圧値の変化をもとに、接触対象物から作用する六分力を検出する。Ｃ／Ｖ変換ＩＣ１０１１としては、例えば「ＭＯＯＮ２」素子（株式会社ワコー製）がある。

ここで、検出部についての出力特性を分析する。図６は、検出部についての出力特性を検証するための実験方法を説明するための検出部及び実験装置の概略断面図である。検出部及び伝達部の説明については、図２の説明に準じるので対応する各構成要素については説明を省略する。なお、図６において、電極の断面は、ハッチングではなく、黒く塗りつぶした。なお、図６では、一部の部材を誇張して描いたので、各部材のスケールが下記の寸法と異なる場合がある。

プレート８３０は、硬質樹脂性のプレートである。図示しない負荷装置により、プレート８３０及び伝達部７０を介して検出部５０に力を作用させる。プレート８３０は、下面に凹部８３０ｃを有する。凹部８３０ｃは、凹部３０ｃに対応するので説明を省略する。また、固定電極５５ａ乃至５５ｄと接続するＩ／Ｃ変換ＩＣ５６は、上記のＩ／Ｃ変換ＩＣ１０１１に対応するので説明を省略する。Ｉ／Ｃ変換ＩＣ５６は、ｙ軸回りの傾き量（図６等を参照）、ｘ軸回りの傾き量（図６等を参照）、及び、ｚ軸方向の押し込み量（図６等を参照）に比例した電圧値（Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ）を出力する。

今回の実験１の他の条件は下記の通り
（１）硬質プレート５１ａは、アクリル樹脂を材料とし、厚さ３ｍｍで、直径が１２．３ｍｍである。
（２）台座５１ｂは、アクリル樹脂を材料とし、厚さ３ｍｍで、直径が５．６ｍｍである。
（３）プレート８３０は、アクリル樹脂を材料とし、厚さ５ｍｍで、一辺が１０ｍｍの板材である。
（４）凹部８３０ｃの開口部は、直径５ｍｍのボールエンドミルで、凹部８３０ｃの開口部からの深さが、０．７ｍｍとなるようプレート８３０を加工した。
（５）凹部５１ｃの開口部は、直径５ｍｍのボールエンドミルで、凹部５１ｃの開口部からの深さが、０．７ｍｍになるよう台座５１ｂを加工した。
（６）支持部材５２は、シリコーンゴムを材料とし、外周面の直径は、１２．３ｍｍで、内周面の直径は、８ｍｍで、厚さは、１ｍｍである。
（７）球７１は、鋼球であり、直径は３ｍｍである。
（８）台座５１ｂの上面とプレート８３０の下面との距離は、１．６ｍｍである。
（９）変位電極５４の面積は、１２．５６６ｍｍ^２であり、電極最大容量：２０．０ｐＦ（＋浮遊容量約７ｐＦ）、電極最小容量：約７ｐＦ(実測値)である。
（１０）固定電極５５ａ乃至５５ｄの合計面積は、１５．０９９ｍｍ^２であり、電極最大容量：２４．５ｐＦ（＋浮遊容量約７ｐＦ）、電極最小容量：約７ｐＦ（実測値）である。固定電極５５ａ乃至５５ｄの表面には、厚さ：２０μｍ、比誘電率：３．６のレジスト膜を形成した。
（１１）検出部５０への印加電圧は、５Ｖに設定した。
（１２）上記の負荷装置としては、マシニングセンタ（ＯＫＵＭＡ＆ＨＯＷＡ社製、ＭＩＬＬＡＣ４１５Ｖ）を使用し、スピンドル及びテーブルの各送り速度を、０．１ｍｍ／ｍｉｎに設定した。
（１３）検出部５０の下面（Ｉ／Ｃ変換ＩＣ５６の下面も適宜含む）には、図示しない六分力計（共和電業社製：ＬＡＴ−１０３０ＫＡ−２）を配置し、六分力計で得られる値を検出部５０へ作用する荷重の真値として、Ｉ／Ｃ変換ＩＣ５６から出力された電圧値（Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ）のうちの少なくとも一つの値と比較した。なお、真値とする六分力計で得られる値は、適宜、六分力計の測定部から負荷をかける作用点までの距離Ｄ１（４０ｍｍ）を考慮した値とする。
（１４）負荷装置は、まず、ｚ軸方向へ最大１５Ｎまでの負荷をかけ、ｚ方向負荷時の出力特性を評価する。
（１５）次に、負荷装置は、ｚ軸方向へ８Ｎの負荷をかけた状態で、ｘ軸方向へ最大＋−５Ｎまでの負荷をかけ、ｘ方向の出力特性を評価する。

プレート８３０が水平方向に移動すると、プレート８３０からの力が伝達部５１を介して変位部５１に作用して、変位部５１は傾く。プレート８３０が垂直方向下方に移動すると、プレート８３０からの力が伝達部５１を介して変位部５１に作用して、変位部５１は垂直方向下方に平行移動する。

上記の実験結果を図７に示す。図７は、実験１の結果のグラフである。横軸は、六分力計で得られた値を示し、縦軸は、出力された電圧値をそれぞれ示している。負荷装置が与える負荷がｚ軸方向へ最大１５Ｎまでの負荷である場合、ｘ軸方向及びｙ軸方向には荷重が作用しないため、縦軸の電圧は、Ｖｚである。負荷装置が与える負荷がｚ軸方向へ８Ｎ負荷した状態で、ｘ軸方向へ最大＋−５Ｎまでの負荷である場合は、ｘ軸方向への荷重が重要であるため、縦軸の電圧は、Ｖｘである。六分力計で得られた値と電圧値との関係は、線形ではないものの、図７のグラフの曲線を検出部の出力特性曲線として利用すれば、得られた電圧値から作用した荷重の三分力が検出出来る。なお、ｙ軸方向へ作用する荷重については、方向が異なるのみなので、ｘ軸方向への荷重と同様の結果を適用出来る。

次に、本実施形態に係る六分力センサ１００を評価する。図８は、六分力センサの評価をするための実験方法を説明するための六分力センサ及び実験装置等の説明図である。六分力センサの説明は上記の説明に対応するので、各構成要素の説明は省略する。なお、図２乃至３では、一部の部材を誇張して描いたので、各部材のスケールが下記の寸法と異なる場合がある。

負荷装置の作動部９３０には、硬質樹脂性の中間部９４０が接続される。硬質樹脂については上記参照。中間部９４０の下面には、直径３ｍｍの鋼球９７０が固着される。このような構成により、中間部９４０及び鋼球９７０を介して板状部材１３０の所定のポイントＡ乃至Ｅに力を作用させる。また、六分力センサ１００等は、アルミニウム製の厚さ１０ｍｍの台９５０に載せられる。台９５０の下面には、上記と同じ六分力計９６０（共和電業社製：ＬＡＴ−１０３０ＫＡ−２）を配置して、板状部材１３０の所定のポイントＡ乃至Ｅに作用させた力を計測する。９６０ａは、六分力計の計測部である。

今回の実験２の他の条件は下記の通り。なお、下記に無い諸条件（寸法、及び条件等）については、上記実験１の説明を参照。
（１）板状部材１３０は、アクリル樹脂を材料とし、一辺が２８ｍｍの正三角形で、厚さが５ｍｍである。
（２）各球（球７１に対応）と板状部材１３０との接点、すなわち、各伝達部が板状部材１３０と連結する連結点は、重心Ａから各頂点に向かって水平方向に１１．５ｍｍ離れた位置に対応している。接点は、板状部材１３０下面の凹部（３０ｃに対応）の中心に対応する。各接点間の距離は、２０ｍｍである。
（３）板状部材１３０下面の凹部（３０ｃに対応）の開口部は、直径５ｍｍのボールエンドミルで、この凹部の開口部からの深さが、０．７ｍｍになるよう板状部材１３０を加工した。
（４）変位部（５１に対応）の上面、すなわち台座（５１ｂに対応）の上面と板状部材１３０の下面との距離は、１．６ｍｍである。
（５）上記の負荷装置としては、マシニングセンタ（ＯＫＵＭＡ＆ＨＯＷＡ社製、ＭＩＬＬＡＣ４１５Ｖ）を使用し、スピンドル及びテーブルの各送り速度を、０．１ｍｍ／ｍｉｎに設定した。
（６）負荷装置は、まず、ｚ軸方向に最大１８Ｎまでの負荷をポイントＡ（重心）にかける。
（７）次に、負荷装置は、ｚ軸方向へ１５Ｎの負荷をかけた状態で、ｘ軸方向へ最大＋−８Ｎまでの負荷をかける。
（８）次に、負荷装置は、ｚ軸方向へ１０Ｎの負荷をポイントＡ乃至Ｄに順次かける。ここで、ポイントＢ乃至Ｄは、ポイントＡから各頂点に向かって７．５１ｍｍの距離にある点である。
（９）ポイントＡ乃至Ｄの周囲には、直径５ｍｍのボールエンドミルで、深さ０．７ｍｍとなるよう、鋼球９７０の下部が嵌る凹部Ａａ乃至Ｅａについてそれぞれ加工した。

板状部材の任意の位置に負荷をかけた場合、各検出部の出力値をＣ／Ｖ変換した電圧値と、板状部材に作用する力のｘ軸成分Ｆｘ、ｙ軸成分Ｆｙ、及びｚ軸成分Ｆｚとの関係を一般化した式は、数１の式のようになる。

（Ｖｘ_ｉ，Ｖｙ_ｉ，Ｖｚ_ｉ）は、各検出部１５０、２５０、及び３５０に接続した各Ｃ／Ｖ変換ＩＣ１０１１、１０１２、１０１３が出力した電圧値である。検出部１５０の場合は、（Ｖｘ_１，Ｖｙ_１，Ｖｚ_１）、検出部２５０の場合は、（Ｖｘ_２，Ｖｙ_２，Ｖｚ_２）、検出部３５０の場合は、（Ｖｘ_３，Ｖｙ_３，Ｖｚ_３）となる。また、実験２では、検出部が三つなので、ｎ＝３となる。また、ｆ（Ｖｘ_ｉ）及びｇ（Ｖｙ_ｉ）は、実験１で求めたｘ軸方向についての出力特性曲線に各電圧値を当てはめて、各荷重を導出することを示し、ｈ（Ｖｚ_ｉ）は、実験１で求めたｚ軸方向についての出力特性曲線に各電圧値を当てはめて、各荷重を導出することを示す。このようにして、検出部について個別に求めた特性曲線と、各Ｃ／Ｖ変換ＩＣが出力する電圧値と、式（１）と、により、板状部材の中心（重心）位置に作用する力（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ）を求めることが出来る。

さらに、板状部材の中心（重心）位置に作用するｘ軸回りのモーメントＭｘ、ｙ軸回りのモーメントＭｙ、及びｚ軸回りのモーメントＭｚとの関係を一般化した式は、数２の式のようになる。

（Ｆｘ_ｉ，Ｆｙ_ｉ，Ｆｚ_ｉ）（但し、ｉ＝１，２，３，・・・）は、各Ｃ／Ｖ変換ＩＣが出力した電圧値と、上記のような出力特性曲線と、から求めた各検出部に作用する各軸方向への荷重である。例えば、検出部１５０に作用する各軸方向の荷重は、（Ｆｘ_１，Ｆｙ_１，Ｆｚ_１）となる。ｎは、検出部の個数で、ここでは、ｎ＝３となる。Ｆｚは、上記参照。（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）（但し、ｉ＝１，２，３，・・・）は、板状部材の中心位置を（ｘ_０，ｙ_０）とした場合の各検出部の座標である。例えば、検出部１５０の座標は、（ｘ_１，ｙ_１）となる。このようにして、検出部について個別に求めた特性曲線と、各Ｃ／Ｖ変換ＩＣが出力する電圧値と、各検出部の座標と、検出部の個数と、式（２）、により、板状部材の中心（重心）位置に作用する各軸回りのモーメント（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）を求めることが出来る。

上記実験２（７）の負荷について上記方法により求めたＦｚ及び上記実験２（８）の負荷について上記方法により求めたＦｘ及びＭｙと、上記実験２（７）の負荷について六分力計で得られる値Ｆｚ及び上記実験２（８）の負荷について六分力計で得られる値Ｆｘ及びＭｙと、を比較した。なお、この際六分力計で得られる値は、適宜、六分力計の測定部から負荷をかける作用点までの距離（４０ｍｍ）を考慮した値とする。

比較した結果を図９に示す。図９は、実験２の結果のグラフである。下側横軸には六分力計で得られるＦがとりうる値ｆを取り、左側縦軸には上記方法により求めるＦが取り得る値ｆを取った。上側横軸には六分力計で得られるＭｙがとりうる値Ｍｙを取り、右側縦軸には上記方法により求めるＭｙが取り得る値Ｍｙを取った。Ｆｘ、Ｆｚ、及びＭｙの各点は、ある負荷における、上記方法により求めた値と六分力計で得られる値とを結ぶ点である。

図９を分析すると、六分力計で得られる値と、方法により求めた値は、略一対一に対応し、本実施形態に係る六分力センサ１００を用いれば、荷重及びモーメントを分離して、特に荷重及びモーメントについて六分力として検出することが可能であることが示された。

板状部材の重心の任意の点にｚ方向負荷をかけた場合、この負荷をかけた作用点の座標（ｘ，ｙ）は、板状部材の中心の座標を（ｘ_０，ｙ_０）として、数式３の式になる。なお、Ｆｚ、Ｆｚ_ｉ、及び（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）は、上記参照。

このようにして、検出部について個別に求めた特性曲線と、各Ｃ／Ｖ変換ＩＣが出力する電圧値と、各検出部の座標と、式（３）と、により、板状部材の負荷をかけた作用点の座標を求めることが出来る。

上記実験２（９）を用いた実験結果について、上記方法により求めたポイントＡ乃至Ｄの座標を図１０の表に示す。図１０（ａ）は、ポイントＡ乃至Ｄの実際の座標（単位はｍｍ）を示した表であり、図１０（ｂ）は、実験２の結果に基づいて検出したポイントＡ乃至Ｄの座標（単位はｍｍ）を示した表である。両者を比較すると、本六分力センサ１００を用いれば、最大誤差０．６ｍｍで荷重位置を検出可能であることが分かる。

図１１（ａ）は、六分力センサの伝達部及び板状部材を取り除いた概略平面図である。但し凹部５１ｃに相当する凹部は省略した。また、変位部１５１、２５１、及び３５１それぞれは、変位部５１に対応する。図１１（ｂ）は、複数の六分力センサを組み合わせた模式図である。

図１１（ａ）のように、変位部１５１、２５１、及び３５１（特に変位部の中心）それぞれは、正三角形の頂点に位置する。これにより、六分力センサ１００に作用する六分力を検出し易くなる。また、これにより、変位部１５１、２５１、及び３５１を一組として多数の変位部を等間隔に敷き詰めることが出来る（図１１（ｂ）も参照）。このようにすれば、六分力センサの精度を高めることが出来る。

また、三つの検出部（基板４５３）の外形を正六角形を組み合わせた形状等にする等して、変位部それぞれは、正六角形を組合せた場合の各正六角形の中心に位置するようにする（図１１（ａ）参照）と、この三つの検出部を組み合わせて、変位部１５１、２５１、及び３５１を一組として多数の変位部を等間隔に敷き詰めることが出来る（図１１（ｂ）参照）。

上記のように、本実施形態に係る六分力センサでは、六分力センサでは、接触対象物と接触し、この接触対象物と接触した際に作用する力によって変位する接触面と、前記接触面の変位に伴って互いに独立して変位する三つ以上の変位部と、前記変位部一つに対して三つ以上配置し、前記変位部の変位を検出するための検出用素子と、を有する。このため、各変位部一つに対して三つ以上形成した検出用素子により、各変位部の変位を検出出来る。そして、三つ以上の各変位部の変位を分析することにより、接触面に作用する六分力を測定できる。このように、変位部を三つ以上設け、この変位部の変位を検出するための検出用素子を変位部一つに対して三つ以上配置することにより、初めて、接触面に作用する六分力を測定できる。このように、本実施形態に係る六分力センサは、接触対象物と接触した際に作用する六分力の検出に用いることが出来る。また、作用するｚ方向荷重位置の検出も可能になる。また、伝達部（特にボールジョイント）は、板状部材又は変位部が傾くことを互いに拘束しないように板状部材の変位を変位部に伝達するので、この六分力センサでは、板状部材（接触面）が水平方向に平行移動した場合、これに伴って変位部が傾く。また、板状部材（接触面）が、傾いたり、垂直方向に平行移動した場合、これに伴って変位部が垂直方向に平行移動する。これにより、六分力センサは六分力の検出に用いることが出来る。また、このセンサは、構成が簡単で小型化が容易なため、様々な入力装置に用いることが出来る。また、このセンサを用いた装置は、モーメントも検出できるので、このモーメントに応じた処理を行うことで、三次元空間における入力も表現でき、操作者に新たな操作感を与える入力装置を提供できる。

図１は、本発明の実施形態例に係る六分力センサの斜視図である。図２は、本発明の実施形態例に係る六分力センサの構造を説明するための概略要部断面図である。図３は、本発明の実施形態例に係る六分力センサの検出部の構造を説明するための概略説明図である。図４は、本発明の実施形態例に係る板状部材（接触面）の変位と変位部の変位との関係を模式的に表した模式図である。図４（ａ）は、接触対象物からの力が接触面に作用していない状態を示した図である。図４（ｂ）は、接触対象物からの力が接触面に垂直荷重として作用している状態を示した図である。図４（ｃ）は、接触対象物からの力が接触面に水平荷重として作用している状態を示した図である。図４（ｄ）は、接触対象物から接触面に力のモーメントが作用している状態を示した図である。図５は、本発明の実施形態例に係る六分力センサ及び制御部の概略構成を示したブロック図である。図６は、本発明の実施形態例に係る検出部についての出力特性を検証するための実験方法を説明するための検出部及び実験装置の概略断面図である。図７は、本発明の実施形態例に係る実験１の結果のグラフである。図８は、本発明の実施形態例に係る六分力センサの評価をするための実験方法を説明するための六分力センサ及び実験装置等の説明図である。図９は、本発明の実施形態例に係る実験２の結果のグラフである。図１０（ａ）は、ポイントＡ乃至Ｄの実際の座標（単位はｍｍ）を示した表であり、図１０（ｂ）は、実験２の結果に基づいて検出したポイントＡ乃至Ｄの座標（単位はｍｍ）を示した表である。図１１（ａ）は、本発明の実施形態例に係る六分力センサの伝達部及び板状部材を取り除いた概略平面図である。図１１（ｂ）は、本発明の実施形態例に係る複数の六分力センサを組み合わせた模式図である。

符号の説明

３０板状部材
３０ａ接触面
３０ｃ凹部
５０検出部
５１変位部
５１ａ硬質プレート
５１ｂ台座
５１ｃ凹部
５２支持部
５３基板
５４変位電極
５５ａ固定電極
５５ｂ固定電極
５５ｃ固定電極
５５ｄ固定電極
５６Ｃ／Ｖ変換ＩＣ
７０伝達部
７１球
１００六分力センサ
１３０板状部材
１５０検出部
１５１変位部
１５４変位電極
１５５ａ固定電極
１５５ｂ固定電極
１５５ｃ固定電極
１５５ｄ固定電極
２５０検出部
２５１変位部
２５４変位電極
２５５ａ固定電極
２５５ｂ固定電極
２５５ｃ固定電極
２５５ｄ固定電極
３５０検出部
３５１変位部
３５４変位電極
３５５ａ固定電極
３５５ｂ固定電極
３５５ｃ固定電極
３５５ｄ固定電極
４５３基板
５３０板状部材
５３０ａ接触面
５７０Ａ伝達部
５７０Ｂ伝達部
５５１Ａ変位部
５５１Ｂ変位部
５５０Ａ検出部
５５０Ｂ検出部
８３０プレート
８３０ｃ凹部
９３０作動部
９４０中間部
９５０台
９６０六分力計
９６０ａ計測部
９７０鋼球
１０００制御部
１００１ＣＰＵ
１００３メモリ
１００５Ａ／Ｄ変換ＩＣ
１００６Ａ／Ｄ変換ＩＣ
１００７Ａ／Ｄ変換ＩＣ
１０１１Ｃ／Ｖ変換ＩＣ
１０１２Ｃ／Ｖ変換ＩＣ
１０１３Ｃ／Ｖ変換ＩＣ

Claims

六分力センサにおいて、
接触対象物と接触し、この接触対象物と接触した際に作用する力によって変位する接触面と、
前記接触面の変位に伴って互いに独立して変位する三つ以上の変位部と、
前記変位部一つに対して三つ以上配置し、前記変位部の変位の検出に用いる検出用素子と、
を有することを特徴とする六分力センサ。
請求項１記載の六分力センサにおいて、
前記接触面は、板状部材の上面であり、
前記六分力センサは、前記板状部材又は前記変位部が傾くことを互いに拘束しないように前記板状部材の変位を前記変位部に伝達する伝達部をさらに有することを特徴とする六分力センサ。
請求項２記載の六分力センサにおいて、
前記伝達部は、ボールジョイントであることを特徴とする六分力センサ。
請求項１乃至３いずれか１項記載の六分力センサにおいて、
前記変位部は、弾性部材によって支持され、
前記検出用素子は、固定電極と、この固定電極に対向するように前記変位部の下面に形成し、前記変位部の変位に伴って変位する変位電極と、を有する静電容量素子であることを特徴とする六分力センサ。
請求項１乃至４いずれか１項記載の六分力センサにおいて、
前記変位部それぞれは、正三角形の頂点に位置することを特徴とする六分力センサ。
請求項１乃至５いずれか１項記載の六分力センサにおいて、
前記変位部それぞれは、正六角形を組合せた場合の各正六角形の中心に位置することを特徴する六分力センサ。