JP2012093213A - 力覚センサ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化及び低コスト化を図る。
【解決手段】第１の固定部Ａ１のセンサ支持体５に受光素子を有するセンサ基板１１が設けられている。第２の固定部Ａ２は、外力の作用によりセンサ支持体５に対して変位する。第２の固定部Ａ２の円筒部材６と、センサ支持体５とが弾性連結部７ａ，７ｂ，７ｃで連結されている。第２の固定部Ａ２の変換部材取付板３とセンサ支持体５との間には、変位方向変換部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃが配置されている。各変位方向変換部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、センサ支持体５に対する第２の固定部Ａ２の垂直方向の変位によってセンサ支持体５に対して水平方向に変位する中間端部２３を有している。そして、センサ基板１１の各受光素子に対向するように、中間端部２３の下面にスケール３４ａ，３４ｂ，…が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、受力部に作用する外力及びモーメントの複数方向の成分を検出する力覚センサに関する。

産業用ロボットのアームや、医療用等のマニピュレータの各部に作用する外力を検出するために力覚センサが使用されている。このような力覚センサの一例として光学式の変位センサを使用した６軸力覚センサが開示されている（特許文献１参照）。

上記力覚センサは、支持部と、受力部と、それらを連結する弾性連結部とから構成される。ここで支持部は、円筒形状であり、支持部の円筒内壁部には、１２０度間隔で３箇所に反射体（検出対象体）が配設され、一方、受力部は、支持部の内部に配置され、受力部には光源及び受光素子からなる３対の光学式変位センサが配設されている。光源から出射した光束は反射体で２回反射され、受光素子に入射する。受光素子は４分割された受光面を備えており、各々が受光した光量に比例する検出信号を出力する。

支持部を固定した状態で受力部に外力が作用すると、弾性連結部が弾性変形し、その結果、受力部は支持部に対して外力の方向と大きさに応じた変位を生じる。このとき受光素子の受光面に入射する光束の位置が変化するので、４分割された各受光面で検出される信号に変化が生じる。従って各受光面の検出信号の作動演算により、反射体すなわち受力部の変位の方向と大きさを検出することができる。

特開２００５−９８９６４号公報

ところで、一般的には単一の変位センサにより高感度で変位を検出できるのは特定の１〜２方向の成分に限られ、他の方向の成分は検出することができない。例えば上述した従来の光学式変位センサで検出できるのは、受光素子の受光面に平行な方向の変位の２成分のみであり、受光面に垂直な方向や受光面内で回転する変位の成分は検出することができない。従って、このような変位センサを使用してモーメントも含む外力の３成分以上の検出を行う場合には複数の変位センサを必要とし、しかも各々を異なる位置に異なる方向に向けて配設する必要がある。このため上記の例においては６軸すなわち外力の３方向の大きさと３方向のモーメントの成分を検出するために３つの光学式変位センサを用い、それらを、１２０度ずつ方向を異ならせて配置している。

しかしながら、従来の力覚センサでは、複数の変位センサを異なる位置に異なる方向に向けて配設する必要があるため、変位センサの占有部分の体積が大きくなり、その結果小型化及び低コスト化が困難であった。

そこで、本発明は、小型化及び低コスト化を図った力覚センサを提供することを目的とするものである。

本発明は、支持部と、外力の作用により前記支持部に対して変位する受力部と、前記支持部と前記受力部とを連結する弾性連結部と、前記支持部と前記受力部との間に複数配置され、且つ前記支持部に対する前記受力部の垂直方向の変位によって前記支持部に対して水平方向に変位する変位部を有する変位方向変換機構と、前記各変位方向変換機構の前記変位部の前記支持部側に設けられた検出対象体と、前記各検出対象体に対向するように前記支持部に支持され、前記各検出対象体の移動を検出する変位検出素子と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、各検出対象体が水平方向に変位する変位部の支持部側に配置されているので、各検出対象体は同一方向を向いて配置されていることとなる。そして、各変位検出素子が各検出対象体に対向するように支持部に支持されているので、各変位検出素子は同一方向を向いて配置されていることとなる。このように、各検出対象体及び各変位検出素子を同一方向に向けて配置することにより、それらの占有領域を小さくすることができるので、力覚センサの小型化を図ることができ、これにより力覚センサの低コスト化を実現することができる。

本発明の第１実施形態に係る力覚センサを示す斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る力覚センサの内部構成を示す説明図であり、（ａ）は上蓋及び変換部材取付板を取り外した状態の力覚センサの平面図、（ｂ）はＸ−Ｚ面に沿う力覚センサの断面図である。 本発明の第１実施形態に係る力覚センサの変位方向変換部材の詳細な構造を示す図であり、（ａ）は変位方向変換部材を側面から見た断面図、（ｂ）は変位方向変換部材を下面から見た底面図である。 本発明の第１実施形態に係る力覚センサのセンサ基板を示す平面図である。 本発明の第２実施形態に係る力覚センサを示す斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る力覚センサの内部構成を示す説明図であり、（ａ）は上蓋及び変換部材取付板を取り外した状態の力覚センサの平面図、（ｂ）はＸ−Ｚ面に沿う力覚センサの断面図、（ｃ）は下蓋を取り外した状態の力覚センサの底面図である。 本発明の第２実施形態に係る力覚センサの変位方向変換部材とスケール取付板の詳細な構造を示す図であり、（ａ）は、変位方向変換部材を側面から見た断面図、（ｂ）は変位方向変換部材を下面から見た底面図である。 本発明の第２実施形態に係る力覚センサのセンサ基板を示す平面図である。 本発明の第３実施形態に係る力覚センサの変位方向変換部材を側面から見た断面図である。 本発明の第４実施形態に係る力覚センサの変位方向変換部材の側面図である。 本発明の第５実施形態に係る力覚センサの変位方向変換装置を側面から見た断面図である。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る力覚センサを示す斜視図である。図２は、力覚センサの内部構成を示す説明図であり、図２（ａ）は上蓋及び変換部材取付板を取り外した状態の力覚センサの平面図、図２（ｂ）はＸ−Ｚ面に沿う力覚センサの断面図である。

本第１実施形態の力覚センサ１００は、３軸の力覚センサであり、Ｆｚ（Ｚ方向の力）、Ｍｘ（Ｘ方向回りのモーメント）、Ｍｙ（Ｙ方向回りのモーメント）の検出が可能である。ここでＸ，Ｙ，Ｚの各方向は各図中に示す通りである。

図１に示すように、力覚センサ１００は、円柱状の本体２と、本体２の上部を覆う円盤形状の上蓋４と、本体２の下部を覆う円盤形状の下蓋１と、を備えている。図２（ａ）及び図２（ｂ）を参照すると、本体２は、円筒部材６と、円筒部材６の上部に固定され、内周面が段状に形成された円筒形状の変換部材取付板３と、を備えている。また、本体２は、円筒部材６の内側に配置され、円筒部材６の軸線方向の長さよりも短い長さの円柱形状の支持部としてのセンサ支持体５を備えている。

センサ支持体５の一端面である上面には、センサ基板１１が固定されている。センサ支持体５の他端面である下面には、下蓋１が固定されている。センサ支持体５の外周面と円筒部材６の内周面とが複数の弾性連結部７ａ，７ｂ，７ｃで連結されている。これらセンサ支持体５、円筒部材６及び弾性連結部７ａ，７ｂ，７ｃは、一体に形成されている。各弾性連結部７ａ，７ｂ，７ｃはＺ方向の厚さがＸ，Ｙ方向よりも薄い上下一対の梁から成っており、Ｚ方向にのみ剛性が小さく変形が容易な構造となっている。つまり、受力部としての第２の固定部Ａ２は、第１の固定部Ａ１に対して外力の作用により変位する。

本第１実施形態では、支持部としてのセンサ支持体５及び下蓋１により第１の固定部Ａ１が構成されている。また、上蓋４、変換部材取付板３及び円筒部材６により受力部としての第２の固定部Ａ２が構成されている。さらに第１の固定部Ａ１と第２の固定部Ａ２とは弾性連結部７ａ，７ｂ，７ｃで連結されているので、第１の固定部Ａ１に対して第２の固定部Ａ２はＺ方向の変位、Ｘ方向回りの傾斜、及びＹ方向回りの傾斜が容易である。このように構成されている第１の固定部Ａ１は図示しない基台等に取付けられ、また第２の固定部Ａ２は図示しないロボットのアームやマニピュレータに取付けられて使用される。

本第１実施形態では、力覚センサ１００は、第１の固定部Ａ１と第２の固定部Ａ２との間に複数配置された変位方向変換機構としての変位方向変換部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃを備えている。各変位方向変換部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、略Ｙ字型に形成されており、本体２の円筒部材６のＺ方向に延びる中心軸線Ｌを中心に１２０度間隔で３箇所に配置されている。各変位方向変換部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、その中間の水平方向に突出した中間端部２３がセンサ基板１１の上方に位置するようにして取付けられている。

次に各変位方向変換部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃの詳細な構造および機能について図３を用いて説明する。なお、変位方向変換部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃは同一構造であるので、変位方向変換部材１０ａについて説明する。図３（ａ）は、変位方向変換部材を側面から見た断面図、図３（ｂ）は変位方向変換部材を下面から見た底面図である。

変位方向変換部材１０ａは、複数の弾性板材２５，２６，２７、例えばリン青銅やステンレス等の薄板の曲げ加工及び張り合わせにより作成されている。具体的に説明すると、変位方向変換部材１０ａは、帯状の板材をＺ字形状に折り曲げて形成された一対の弾性板材２５，２６を有している。一対の弾性板材２５，２６は、第１の固定部Ａ１のセンサ支持体５の上面に対して水平な面Ｆで鏡面対称に配置されている。

一対の弾性板材２５，２６のうちの一方の弾性板材である第１の弾性板材２５は、平板状の基端部２５ａと、平板状の先端部２５ｂと、基端部２５ａと先端部２５ｂとの間の平坦部であるリンク部２５ｃと、からなる。そして、第１の弾性板材２５は、基端部２５ａとリンク部２５ｃとが第１の折り曲げ部２５ｄで連結され、リンク部２５ｃと先端部２５ｂとが第２の折り曲げ部２５ｅで連結されて、Ｚ字形状に形成されている。

同様に、一対の弾性板材２５，２６のうちの他方の弾性板材である第２の弾性板材２６は、平板状の基端部２６ａと、平板状の先端部２６ｂと、基端部２６ａと先端部２６ｂとの間の平坦部であるリンク部２６ｃと、からなる。そして、第２の弾性板材２６は、基端部２６ａとリンク部２６ｃとが第１の折り曲げ部２６ｄで連結され、リンク部２６ｃと先端部２６ｂとが第２の折り曲げ部２６ｅで連結されて、Ｚ字形状に形成されている。

第１の弾性板材２５の基端部２５ａは、第１の固定部Ａ１のセンサ支持体５に固定されている。一方、第２の弾性板材２６の基端部２６ａは、第２の固定部Ａ２の変換部材取付板３に固定されている。

そして、変位方向変換部材１０ａは、一対の弾性板材２５，２６の先端部２５ｂ，２６ｂ同士が接合されて略Ｙ字型に形成されている。一対の弾性板材２５，２６の先端部同士を接合して形成された中間端部２３が、第１の固定部Ａ１のセンサ支持体５に対する第２の固定部Ａ２の垂直方向の変位によってセンサ支持体５に対して水平方向に変位する変位部である。

本第１実施形態では、各変位方向変換部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃの第１の弾性板材２５の基端部２５ａが円環状の基板２４に取り付けられて一体化されており、組み立て作業が容易となっている。

変位方向変換部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃの中間端部２３はすべて円筒部材６の中心軸線Ｌに向けられており、中間端部２３の下面（支持部側の面）には変位検出のための検出対象体であるスケール３４ａ，３４ｂ，３４ｃが取付けられている。そして、スケール３４ａ，３４ｂ，３４ｃは、Ｚ方向において同一レベルに配置されている。

本第１実施形態では、各変位方向変換部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、帯状の板材をＺ字形状に折り曲げて形成された第３の弾性板材２７を有している。この第３の弾性板材２７は、平板状の基端部２７ａと、平板状の先端部２７ｂと、基端部２７ａと先端部２７ｂとの間の平坦部であるリンク部２７ｃと、からなる。そして、第３の弾性板材２７は、基端部２７ａとリンク部２７ｃとが第１の折り曲げ部２７ｄで連結され、リンク部２７ｃと先端部２７ｂとが第２の折り曲げ部２７ｅで連結されて、Ｚ字形状に形成されている。この第３の弾性板材２７は、変位部としての中間端部２３が、センサ支持体５に対して水平状態を維持するために設けられたものである。第３の弾性板材２７の基端部２７ａは、第１の弾性板材２５の基端部２５ａと基板２４との間に配置されて固定され、先端部２７ｂは、第１の弾性板材２５の先端部２５ｂのセンサ支持体５側の面に固定されている。つまり、各スケール３４ａ，３４ｂ，３４ｃは、第３の弾性板材２７の先端部２７ｂを介して変位部としての中間端部２３に固定されている。第３の弾性板材２７のリンク部２７ｃは、第１の弾性板材２５のリンク部２５ｃと離間してリンク部２５ｃと平行に配置されている。

また、本第１実施形態では、各弾性板材２５，２６，２７の折り曲げ部２５ｄ，２５ｅ，２６ｄ，２６ｅ，２７ｄ，２７ｅ以外の部分に補強リブ２５ｆ，２６ｆ，２６ｇ，２７ｆが形成されている。具体的に説明すると、各リンク部２５ｃ，２６ｃ，２７ｃ及び先端部２６ｂは、その両側が鉛直方向への曲げ加工で形成した補強リブ２５ｆ，２６ｆ，２６ｇ，２７ｆによって剛性が付与されている。このように、各弾性板材２５，２６，２７における折り曲げ部以外の部分に補強リブ２５ｆ，２６ｆ，２６ｇ，２７ｆを設けたので、各弾性板材２５，２６，２７は、折り曲げ部２５ｄ，２５ｅ，２６ｄ，２６ｅ，２７ｄ，２７ｅのみが弾性変形可能である。またリンク部２６ｃとリンク部２７ｃとは平行に配置されているので、弾性変形時であっても変位部としての中間端部２３はセンサ支持体５（基板２４）に対して常に平行な状態を維持する。

以上の各変位方向変換部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃの構成により、第２の固定部Ａ２に外力Ｆｚ、モーメントＭｘ、又はモーメントＭｙが作用すると、第２の固定部Ａ２が第１の固定部Ａ１に対してＺ方向に変位、Ｘ方向回りに傾斜又はＹ方向回りに傾斜する。それに伴って第２の固定部Ａ２に取付けられた変位方向変換部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃの基端部２６ａもそれぞれ矢印Ｖで示すＺ方向に変位する。その結果、各折り曲げ部２５ｄ，２５ｅ，２６ｄ，２６ｅ，２７ｄ，２７ｅが弾性変形し、中間端部２３はセンサ支持体５に対して水平なＸ−Ｙ面内であってその延在する方向（矢印Ｈａ，Ｈｂ，Ｈｃで示す方向）に変位する。

このようにして各変位方向変換部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃは検出位置である基端部２６ａの基端部２５ａに対する変位の方向を変換し、検出対象体であるスケール３４ａ，３４ｂ，３４ｃを変位させるのである。

次に外力の検出方法について説明する。図４にセンサ基板１１の上面を示す。センサ基板１１上には１つの光源３１（例えばＬＥＤ）および光源３１を囲む３つの変位検出素子である受光素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃ（例えばフォトダイオード）が一体形成又は実装配置されている。受光素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃは検出面である複数の受光面をストライプ状に配列した構成である。

一方、図３に示したスケール３４ａ，３４ｂ，３４ｃはガラス等の基板と、その表面または裏面に形成した金属等の反射膜からなる回折格子で構成される。スケール３４ａ，３４ｂ，３４ｃは受光素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃに対向するように配置されており、光源３１が発生する発散光束を反射し受光素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃ上に明暗の縞である回折光のパターンを形成する。受光素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃの受光面の配列ピッチはこの回折光のパターンの１／４周期に一致するように作成されている。従ってスケール３４ａ，３４ｂ，３４ｃが受光面の配列方向に変位すると、それに伴ってこの回折光のパターンも移動する。それにより複数の受光面からは９０度の位相差を持った２相の正弦波状信号（ｓｉｎ及びｃｏｓ）が得られ、さらに得られた信号の逆正接演算（ｔａｎ^−１）を行えばスケール３４ａ，３４ｂ，３４ｃの変位量を検出することができる。

以上のようにして受光素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃはそれぞれ変位方向変換部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃの基端部２６ａのＺ方向の変位から変換されたスケール３４ａ，３４ｂ，３４ｃのＸ，Ｙ方向の変位を検出する。得られた３つの信号から外力の３成分であるＦｚ，Ｍｘ，Ｍｙが演算によって求められる。

以上、本第１実施形態では、各スケール３４ａ，３４ｂ，３４ｃが変位部である中間端部２３の下面（支持部側の面）に配置されているので、各スケール３４ａ，３４ｂ，３４ｃは同一方向を向いて配置されていることとなる。そして、各受光素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃが各スケール３４ａ，３４ｂ，３４ｃに対向するように支持部であるセンサ支持体５に支持されているので、各スケール３４ａ，３４ｂ，３４ｃは同一方向を向いて配置されていることとなる。このように、各スケール３４ａ，３４ｂ，３４ｃ及び各受光素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃを同一方向に向けて配置することにより、それらの占有領域を小さくすることができる。したがって、力覚センサ１００の小型化を図ることができ、これにより力覚センサ１００の低コスト化を実現することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る力覚センサ１００Ａについて詳細に説明する。図５は、本発明の第２実施形態に係る力覚センサを示す斜視図である。図６は、力覚センサの内部構成を示す説明図であり、図６（ａ）は上蓋及び変換部材取付板を取り外した状態の力覚センサの平面図、図６（ｂ）はＸ−Ｚ面に沿う力覚センサの断面図である。図６（ｃ）は下蓋を取り外した状態の力覚センサの底面図である。なお、本第２実施形態において、上記第１実施形態と同様の構成については、同一符号を付してその説明を省略する。

本第２実施形態の力覚センサ１００Ａは、６軸の力覚センサであり、Ｆｘ（Ｘ方向の力）、Ｆｙ（Ｙ方向の力）、Ｆｚ（Ｚ方向の力）、Ｍｘ（Ｘ方向回りのモーメント）、Ｍｙ（Ｙ方向回りのモーメント）、Ｍｚ（Ｚ方向回りのモーメント）の検出が可能である。ここでＸ，Ｙ，Ｚの各方向は各図中に示す通りである。

図５に示すように、力覚センサ１００Ａは、円柱状の本体２Ａと、本体２Ａの上部を覆う円盤形状の上蓋４と、本体２Ａの下部を覆う円盤形状の下蓋１と、を備えている。本体２Ａは、本体下部１４と本体上部１５とからなる。

図６（ａ）及び図６（ｂ）を参照すると、本体上部１５は、上記第１実施形態の本体２において、センサ基板１１の代わりにセンサ基板１１Ａを備え、センサ支持体５の代わりに支持体上部１７を備えている。

本体下部１４は、円筒上部としての円筒部材６の下方に配置され、外周の径が円筒部材６の外周の径と同一の円筒下部としての円筒部材１８と、円筒部材１８の内側に配置され、支持体上部１７の下面に固定された円柱形状の支持体下部１６と、を備えている。

支持体下部１６の外周面と、円筒部材１８の内周面とが複数の弾性連結部８ａ，８ｂ，８ｃで連結されている。これら支持体下部１６、円筒部材１８及び弾性連結部８ａ，８ｂ，８ｃは、一体に形成されている。弾性連結部８ａ，８ｂ，８ｃの両側には、図６（ｃ）に示すように、矩形の貫通孔１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１３ａ，１３ｂ，１３ｃが形成され、弾性連結部８ａ，８ｂ，８ｃはＺ方向より見るとＨ型で四端を固定した梁から成っている。各梁のＺ方向の寸法は十分に大きく、Ｘ−Ｙ面内であればいずれかの梁が撓んで変形することが容易な構造となっている。

本第２実施形態では、円筒部材１８及び下蓋１により第１の固定部Ａ１’が構成されている。また、支持体上部１７及び支持体下部１６により支持部としての中間部Ｂが構成されている。また、上蓋４、変換部材取付板３及び円筒部材６により受力部としての第２の固定部Ａ２’が構成されている。第１の固定部Ａ１’は図示しない基台等に取付けられ、また第２の固定部Ａ２’は図示しないロボットのアームやマニピュレータに取付けられて使用される。

ここで中間部Ｂと第１の固定部Ａ１’は弾性連結部８ａ，８ｂ，８ｃで連結されており、中間部Ｂは第１の固定部Ａ１に対してＸＹ方向の変位およびＺ方向回りの回転が容易である。さらに第２の固定部Ａ２’と中間部Ｂは弾性連結部７ａ，７ｂ，７ｃで連結されており、第２の固定部Ａ２’は中間部Ｂに対してＺ方向の変位、Ｘ方向回りの傾斜、及びＹ方向回りの傾斜が容易である。

本第２実施形態において、変位方向変換機構は上記第１実施形態と同様、変位方向変換部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃであり、変位部としての中間端部２３の下面（支持部側の面）にスケール３４ａ，３４ｂ，３４ｃが取り付けられている。変位方向変換部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、上記第１実施形態と同一である構成および機能であるので、以下、詳細な説明を省略する。

本第２実施形態では、円筒部材１８には３箇所に上方へ突出する突出部が形成され、その上端にはセンサ基板１１Ａの上方まで延びるスケール取付板２０ａ，２０ｂ，２０ｃが取付けられている。

図７に、変位方向変換部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃとスケール取付板２０ａ，２０ｂ，２０ｃの詳細な構造を示す。図７（ａ）は、変位方向変換部材を側面から見た断面図、図７（ｂ）は変位方向変換部材を下面から見た底面図である。図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、スケール取付板２０ａ，２０ｂ，２０ｃの先端の下面には変位検出のための検出対象体であるスケール３５ａ，３５ｂ，３５ｃが取付けられている。そして、スケール３４ａ，３４ｂ，３４ｃ及びスケール３５ａ，３５ｂ，３５ｃは、Ｚ方向において同一レベルに配置されている。

本第２実施形態においては、変位方向変換部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃの基端部２５ａは中間部Ｂの支持体上部１７に取付けられている。従って外力Ｆｚ、モーメントＭｘ又はモーメントＭｙの作用によって第２の固定部Ａ２’が中間部Ｂに対してＺ方向に変位、Ｘ方向回りに傾斜、又はＹ方向回りに傾斜する。それに伴って第２の固定部Ａ２’に取付けられた変位方向変換部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃの基端部２６ａもそれぞれ矢印Ｖで示すＺ方向に変位する。その結果、各折り曲げ部が弾性変形を生じ中間端部２３はＸ−Ｙ面内であってその延在する方向（矢印Ｈａ，Ｈｂ，Ｈｃで示す方向）に変位する。

このようにして変位方向変換部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃは検出位置である基端部２６ａの基端部２５ａに対する変位の方向を変換し、対象体であるスケール３４ａ，３４ｂ，３４ｃを変位させるのである。

スケール取付板２０ａ，２０ｂ，２０ｃは第１の固定部Ａ１’の円筒部材１８に取付けられている。従って外力Ｆｘ、外力Ｆｙ又はモーメントＭｚの作用によって中間部Ｂが第１の固定部Ａ１’に対してＸ方向に変位、Ｙ方向に変位、又はＺ方向回りに回転したとする。その結果、スケール３５ａ，３５ｂ，３５ｃが中間部Ｂに対して相対的に変位することになる。

次に外力の検出方法について説明する。図８にセンサ基板１１Ａの平面図を示す。センサ基板１１Ａ上には１つの光源３１（例えばＬＥＤ）及び光源３１を囲む６つの受光素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３３ａ，３３ｂ，３３ｃ（例えばフォトダイオード）が一体形成または実装配置されている。

個々の受光素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３３ａ，３３ｂ，３３ｃとスケール３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３５ａ，３５ｂ，３５ｃの構成については上記第１実施形態と同一であるので説明を省略する。スケール３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３５ａ，３５ｂ，３５ｃは受光素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３３ａ，３３ｂ，３３ｃに対向するように配置されている。各スケール３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３５ａ，３５ｂ，３５ｃは、光源３１が発生する発散光束を反射し、各受光素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３３ａ，３３ｂ，３３ｃ上に明暗の縞である回折光のパターンを形成する。

受光素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃは上記第１実施形態と同様にそれぞれ変位方向変換部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃの基端部２６ａのＺ方向の変位から変換されたスケール３４ａ，３４ｂ，３４ｃのＸ，Ｙ方向の変位を検出する。得られた３つの信号から外力の３成分であるＦｚ，Ｍｘ，Ｍｙが演算によって求められる。さらに受光素子３３ａ，３３ｂ，３３ｃはそれぞれスケール取付板２０ａ，２０ｂ，２０ｃに取り付けられたスケール３５ａ，３５ｂ，３５ｃの変位を検出する。得られた３つの信号から外力の他の３成分であるＦｘ，Ｆｙ，Ｍｚが演算によって求められるのである。

以上、本第２実施形態では、各スケール３４ａ〜３４ｃ，３５ａ〜３５ｃが変位部である中間端部２３の下面（支持部側の面）に配置されているので、各スケールは同一方向を向いて配置されていることとなる。そして、各受光素子３２ａ〜３２ｃ，３３ａ〜３３ｃが各スケール３４ａ〜３４ｃ，３５ａ〜３５ｃに対向するように支持部である中間部Ｂに支持されているので、各スケール３４ａ，３４ｂ，３４ｃは同一方向を向いて配置されていることとなる。このように、各スケール３４ａ〜３４ｃ，３５ａ〜３５ｃ及び各受光素子３２ａ〜３２ｃ，３３ａ〜３３ｃを同一方向に向けて配置することにより、それらの占有領域を小さくすることができる。したがって、力覚センサ１００Ａの小型化を図ることができ、これにより力覚センサ１００Ａの低コスト化を実現することができる。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係る力覚センサについて説明する。図９は、本第３実施形態に係る力覚センサの変位方向変換機構である変位方向変換部材を側面から見た断面図である。なお、本第３実施形態に係る力覚センサにおいて、変位方向変換部材を除く部分は、上記第１実施形態又は上記第２実施形態に係る力覚センサと同様であるので、変位方向変換部材についてのみ説明する。図９に示す変位方向変換部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、すべて同一構造である。

各変位方向変換部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、Ｚ字形状に折り曲げられた第１の弾性板材２５と、コ字形状に折り曲げられた第２の弾性板材２６とからなる一対の弾性板材を有している。

第１の弾性板材２５は、平板状の基端部２５ａと、平板状の先端部２５ｂと、基端部２５ａと先端部２５ｂとの間の平坦部であるリンク部２５ｃと、からなる。そして、第１の弾性板材２５は、基端部２５ａとリンク部２５ｃとが第１の折り曲げ部２５ｄで連結され、リンク部２５ｃと先端部２５ｂとが第２の折り曲げ部２５ｅで連結されて、Ｚ字形状に形成されている。

これに対し、第２の弾性板材２６は、平板状の基端部２６ａと、平板状の先端部２６ｂと、基端部２６ａと先端部２６ｂとの間の平坦部であるリンク部２６ｃと、からなる。そして、第２の弾性板材２６は、基端部２６ａとリンク部２６ｃとが第１の折り曲げ部２６ｄで連結され、リンク部２６ｃと先端部２６ｂとが第２の折り曲げ部２６ｅで連結されて、コ字形状に形成されている。

第１の弾性板材２５の基端部２５ａは、支持部としてのセンサ支持体に固定される基板２４に固定されている。一方、第２の弾性板材２６の基端部２６ａは、受力部の変換部材取付板に固定されている。

第１の弾性板材２５の先端部２５ｂである中間端部２３が水平方向に変位する変位部となるように、第２の弾性板材２６の先端部２６ｂが第１の弾性板材２５の基端部２５ａと先端部２５ｂとの間の平坦部であるリンク部２５ｃに固定されている。具体的には、第２の弾性板材２６の先端部２６ｂは第１の弾性板材２５のリンク部２５ｃの中間に取付けられている。なお、上記第１，第２実施形態と同様に、第３の弾性板材２７が設けられている。

また、本第３実施形態では、各弾性板材２５，２６，２７の折り曲げ部２５ｄ，２５ｅ，２６ｄ，２６ｅ，２７ｄ，２７ｅ以外の部分に補強リブ２５ｆ，２５ｇ，２６ｆ，２７ｆが形成されている。具体的に説明すると、各リンク部２５ｃ，２６ｃ，２７ｃ及び先端部２５ｂは、その両側が鉛直方向への曲げ加工で形成した補強リブ２５ｆ，２５ｇ，２６ｆ，２７ｆによって剛性が付与されている。これにより各弾性板材２５，２６，２７は、折り曲げ部２５ｄ，２５ｅ，２６ｄ，２６ｅ，２７ｄ，２７ｅのみが弾性変形可能である。またリンク部２６ｃとリンク部２７ｃとは平行に配置されているので、弾性変形時であっても変位部としての中間端部２３は基板２４に対して常に平行な状態を維持する。

外力Ｆｚ、モーメントＭｘ又はモーメントＭｙの作用によって、受力部が支持部に対してＺ方向に変位、Ｘ方向回りに傾斜、又はＹ方向回りに傾斜したとする。それに伴って変位方向変換部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃの基端部２６ａもそれぞれ矢印Ｖで示すＺ方向に変位する。その結果、各折り曲げ部が弾性変形を生じ中間端部２３はＸ−Ｙ面内であってその延在する方向（矢印Ｈａ，Ｈｂ，Ｈｃで示す方向）に変位する。

このようにして変位方向変換部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃは検出位置である基端部２６ａの基端部２５ａに対する変位の方向を変換し、変位対象体であるスケール３４ａ，３４ｂ，３４ｃを変位させるのである。

本第３実施形態では、第２の弾性板材２６の先端部２６ｂは第１の弾性板材２５のリンク部２５ｃに取付けられているので、方向が変換された変位は、上記第１，第２実施形態と比較してより大きく、すなわち変換係数を大きくすることができる。

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態に係る力覚センサについて説明する。図１０は、本第４実施形態に係る力覚センサの変位方向変換機構である変位方向変換部材の側面図である。なお、本第４実施形態に係る力覚センサにおいて、変位方向変換部材を除く部分は、上記第１実施形態又は上記第２実施形態に係る力覚センサと同様であるので、変位方向変換部材についてのみ説明する。図１０に示す変位方向変換部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、すべて同一構造である。

各変位方向変換部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、支持部と受力部とにヒンジ部４４，４５を介して接続される回転体４１を有している。具体的に説明すると、各変位方向変換部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、回転体４１、取付け部４２，４３、ヒンジ部４４，４５から成っており、これらが一体的に形成されている。

本第４実施形態では、変位部として、回転体４１から支持部に対して水平に突出する突出部４６が形成されている。突出部４６の下面には、スケール３４ａ，３４ｂ，３４ｃが取付けられている。取付け部４３は図２に示した支持部としてのセンサ支持体５又は図６に示した支持部としての中間部Ｂの支持体上部１７に取り付けられている。取付け部４２は、図２又は図６に示した受力部としての変換部材取付板３に取付けられている。

外力Ｆｚ、モーメントＭｘ又はモーメントＭｙの作用によって、受力部が支持部に対してＺ方向に変位、Ｘ方向回りに傾斜、又はＹ方向回りに傾斜したとし、それに伴って変位方向変換部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃの取付け部４２も矢印Ｖで示すＺ方向に変位する。この時、ヒンジ部４４，４５が弾性変形すると同時に回転体４１はヒンジ部４５を支点として回動する。その結果、スケール３４ａ，３４ｂ，３４ｃは、ほぼＸ−Ｙ面内であって突出部４６の延在する方向（矢印Ｈａ，Ｈｂ，Ｈｃで示す方向）にほぼ平行移動する。

このようにして変位方向変換部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃは検出位置である取付け部４２の取付け部４３に対する変位の方向を変換し、対象体であるスケール３４ａ，３４ｂ，３４ｃを変位させるのである。

以上説明した第１〜第４実施形態における変位方向変換機構である変位方向変換部材は、すべて変位検出のための対象体を保持する保持部材を回動変位させることによって変位方向を変換する方式である。このような手段は少なくとも検出対象体の保持部材、保持部材の回動中心となる支点、外力を保持部材に対して支点の回りのモーメントとして作用させる力点とを備える必要がある。さらに支点と検出対象体を結ぶ直線に対して外力の方向は垂直ではなく、望ましくは平行であれば外力の作用により保持部材が回動し変位の方向は変換される。

例えば図３、図７、図９に示した上記第１〜第３実施形態の力覚センサにおいて、検出対象体の保持部材に相当するのはリンク部２５ｃ，２７ｃ、支点に相当するのはリンク部２５ｃ，２７ｃと基端部２５ａ，２７ａとを繋ぐ折り曲げ部である。また、力点に相当するのはリンク部２５ｃとリンク部２６ｃを繋ぐ折り曲げ部である。

また、図１０に示した第４実施形態の力覚センサにおいては、検出対象体の保持部材に相当するのは回転体４１、支点に相当するのはヒンジ部４５、力点に相当するのはヒンジ部４４である。

［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態に係る力覚センサについて説明する。図１１は、本第５実施形態に係る力覚センサの変位方向変換機構である変位方向変換装置を側面から見た断面図である。なお、本第５実施形態においても変位方向変換装置を除く部分はすべて上記第１実施形態又は上記第２実施形態の力覚センサと同一の構成である。従って、同一構成の部分については説明を省略し、上記第１実施形態及び上記第２実施形態と異なる変位方向変換機構である変位方向変換装置５１ａ，５１ｂ，５１ｃについてのみ説明する。

図１１において、変位方向変換装置５１ａ，５１ｂ，５１ｃはすべて同一構成である。各変位方向変換装置５１ａ，５１ｂ，５１ｃは、容器５２と、可動部材５３，５４と、取付け部材５５とから成っている。容器５２は支持部（図２又は図６のセンサ支持体５又は中間部Ｂ）に固定される。容器５２内には上方と側方に開口を有する空間が形成され、その空間に非圧縮性の流体（液体）である磁性流体５６が充填されている。

容器５２の上方の開口には、可動部材５３が挿入され、容器５２の上方の開口が塞がれている。したがって、可動部材５３は、支持部に対して垂直方向に移動可能に容器５２を貫通した状態で配置されている。可動部材５３は、取付け部材５５を介して受力部（図２又は図６の変換部材取付板３）に固定されている。

また、容器５２の側方の開口には、変位部である可動部材５４が挿入され、開口が塞がれている。したがって、可動部材５４は、支持部に対して水平方向に移動可能に容器５２を貫通した状態で配置されている。容器内の空間には、磁石５７が設けられており、磁性流体５６を吸引し、流出を防止している。

可動部材５３は、容器５２の内壁と接触摺動しつつ矢印Ｖで示すＺ方向に変位が可能であり、可動部材５４は矢印Ｈａ，Ｈｂ，Ｈｃで示すＺ方向に垂直な方向に変位が可能である。

外力Ｆｚ、モーメントＭｘ又はモーメントＭｙの作用によって、第２の固定部が第１の固定部に対してＺ方向に変位、Ｘ方向回りに傾斜、又はＹ方向回りに傾斜したとすると、取付け部材５５及び可動部材５３も矢印Ｖで示すＺ方向に変位する。それに伴い容器５２の内部で磁性流体５６が可動部材５３の変位で流動し、磁性流体５６の圧力で可動部材５４が変位するのでスケール３４ａ，３４ｂ，３４ｃはＸ−Ｙ面内であって可動部材５４の延在する方向（矢印Ｈａ，Ｈｂ，Ｈｃで示す方向）に変位する。このようにして変位の方向が変換されるのである。

以上、上記第１〜第５実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。

上記第１〜第５実施形態のいずれにおいても信号の検出または演算のための回路はセンサ基板１１，１１Ａ上に一体形成または実装配置することが可能である。

また上記第１〜第５実施形態では、変位検出素子として受光素子、検出対象体として反射型回折格子を形成したスケールを用いたが、他の検出素子を用いても同様の原理で変位を検出することができる。例えば変位検出素子と検出対象体をともにストライプ状電極パターンで形成し、両者間に生じる静電容量の変化から変位を検出することもできる。また変位検出素子に磁気センサアレイ（例えばホール素子や磁気抵抗素子）、検出対象体にはパターニングされた磁束発生手段（磁石）を用い、磁束密度分布の変化から変位を検出することもできる。

いずれも変位検出素子を一方向に配列した複数の検出面で構成し、検出対象体により形成された物理量（光束、電界、磁束等）の分布が検出面の配列方向に変位することで得られる正弦波状信号から検出対象体の変位量を検出する方式である。このような方式は検出面の配列ピッチを小さくすることにより、変位検出範囲に関わらず検出分解能を高めることができる点で有効である。

また変位方向変換部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃは各々の基端部２６ａにおいて基端部２５ａに対するＺ方向の変位を検出するものである。モーメントＭｘ及びＭｙの作用による第２の固定部Ａ２，Ａ２’の傾きを高精度に検出するには、検出位置であるこれら３箇所の取付け位置は互いに離間している方が好ましい。

一方で方向が変換された変位はスケール３４ａ〜３４ｃで検出される。したがって、上記実施形態のように単一の光源を共通で使用して複数の検出位置の変位を検出し、複数の受光素子をすべて同一基板に実装するためには、スケール３４ａ〜３４ｃを接近して設ける方が望ましい。つまり変位方向変換部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃは各基端部２６ａの間隔および各基端部２５ａの間隔よりもスケール３４ａ，３４ｂ，３４ｃを設けた各中間端部２３の間隔の方が小さくなるような形状および配置とするのが望ましい。上記実施形態のようにＹ字型の変位方向変換部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃの基端部２５ａ，２６ａはすべて外側に向け、中間端部２３はすべて内側に向けて配置するのはその点で望ましい一例である。

一方で特に力覚センサの外径寸法を小さくする必要がある場合には、変位方向変換部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃは各基端部２６ａを内側に向けた形状および配置とした方が望ましい。

３…変換部材取付板、５…センサ支持体、６…円筒部材、７ａ，７ｂ，７ｃ…弾性連結部、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…変位方向変換部材、１１，１１Ａ…センサ基板、１７…支持体上部、２３…中間端部、２５…第１の弾性板材、２５ａ…基端部、２５ｂ…先端部、２５ｃ…リンク部、２５ｄ…第１の折り曲げ部、２５ｅ…第２の折り曲げ部、２５ｆ…補強リブ、２６…第２の弾性板材、２６ａ…基端部、２６ｂ…先端部、２６ｃ…リンク部、２６ｄ…第１の折り曲げ部、２６ｅ…第２の折り曲げ部、２６ｆ…補強リブ、３１…光源、３２ａ，３２ｂ，３２ｃ…受光素子、３４ａ，３４ｂ，３４ｃ…スケール、１００，１００Ａ…力覚センサ、Ａ１，Ａ１’…第１の固定部、Ａ２，Ａ２’…第２の固定部、Ｂ…中間部

Claims (6)

1. 支持部と、
   外力の作用により前記支持部に対して変位する受力部と、
   前記支持部と前記受力部とを連結する弾性連結部と、
   前記支持部と前記受力部との間に複数配置され、且つ前記支持部に対する前記受力部の垂直方向の変位によって前記支持部に対して水平方向に変位する変位部を有する変位方向変換機構と、
   前記各変位方向変換機構の前記変位部の前記支持部側に設けられた検出対象体と、
   前記各検出対象体に対向するように前記支持部に支持され、前記各検出対象体の移動を検出する変位検出素子と、を備えたことを特徴とする力覚センサ。
2. 前記各変位方向変換機構は、Ｚ字形状に折り曲げられ、前記支持部に対して水平な面で鏡面対称に配置された一対の弾性板材を有し、
   前記一対の弾性板材のうちの一方の弾性板材の基端部が前記支持部に固定され、前記一対の弾性板材のうちの他方の弾性板材の基端部が前記受力部に固定され、
   前記一対の弾性板材の先端部同士が接合されて前記変位部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の力覚センサ。
3. 前記各変位方向変換機構はＺ字形状に折り曲げられた第１の弾性板材と、コ字形状に折り曲げられた第２の弾性板材とからなる一対の弾性板材を有し、
   前記第１の弾性板材の基端部が前記支持部に固定され、前記第２の弾性板材の基端部が前記受力部に固定され、
   前記第１の弾性板材の先端部が前記変位部となるように、前記第２の弾性板材の先端部が前記第１の弾性板材の基端部と先端部との間の平坦部に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の力覚センサ。
4. 前記一対の弾性板材のそれぞれには、折り曲げ部以外の部分に補強リブが形成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の力覚センサ。
5. 前記各変位方向変換機構は、前記支持部と前記受力部とにヒンジ部を介して接続される回転体を有し、
   前記変位部として、前記回転体から前記支持部に対して水平に突出する突出部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の力覚センサ。
6. 前記各変位方向変換機構は、
   前記支持部に固定され、内部に液体が充填された容器と、
   前記受力部に固定され、前記支持部に対して垂直方向に移動可能に前記容器を貫通した状態で配置された可動部材と、を有し、
   前記変位部は、前記容器の内部の液体の圧力により前記支持部に対して水平方向に移動可能に前記容器を貫通した状態で配置されていることを特徴とする請求項１に記載の力覚センサ。

Images