JP2016008889A - 検出回路、力覚センサ、キャリブレーション装置およびキャリブレーション方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の光学式センサ間での測定誤差を抑制し、力覚センサにおける外力の検出精度を向上させることができる検出回路、力覚センサ、キャリブレーション装置およびキャリブレーション方法を提供すること。【解決手段】検出回路は、力覚センサにおける受光素子の出力電力を検出する。検出回路は、複数の発光側回路と、複数の受光側回路を備える。複数の受光側回路の各々は、複数の発光側回路の各々に一対に設けられる。発光側回路は、発光素子と発光側可変抵抗器とを含み、発光側可変抵抗器の抵抗に応じた光量で発光素子を発光させる。受光側回路は、受光素子と受光側可変抵抗器とを含み、第１センサから反射板までの距離と受光側可変抵抗器の抵抗とに応じた大きさで受光素子から出力される出力電圧を検出する。【選択図】図１６

Description

本発明は、検出回路、力覚センサ、キャリブレーション装置およびキャリブレーション方法に関する。

外力によって生じる構造体の変位をセンサで検出し、センサの検出結果を演算処理することで構造体に加えられた外力を検出する力覚センサが知られている。特に、外力によって生じる構造体の変位を光学式センサで検出する力覚センサが、特許文献１、特許文献２および特許文献３に開示されている。

特開２０１０−２８１６３５号公報 特開２００７−１２７５０１号公報 特開２０１０−２１０５５８号公報

特許文献１、特許文献２および特許文献３に開示されている技術は、外力が加えられたときに変位を生じる可動部と、外力が加えられても変位を生じない固定部と、を備えており、固定部および可動部の相対的な変位量を光学式センサで測定している。力覚センサは、互いに異なる位置に配置された複数の光学式センサを備えており、各光学式センサは、発光素子および受光素子を有している。力覚センサは、発光素子が放つ光を受けとった受光素子の出力電圧に基づいて、固定部および可動部の相対的な変位量を測定する。しかしながら、発光素子および受光素子には個体差があるため、発光素子が放つ光量および受光素子における単位受光量あたりの出力電圧は一定ではない。また、発光素子および受光素子を力覚センサに取り付けるときに、取付誤差が生じる可能性がある。これにより、固定部および可動部の相対的な変位量と受光素子の出力電圧との相関関係が、複数の光学式センサ間でバラつく可能性がある。このため、複数の光学式センサ間で測定誤差が生じ、力覚センサにおける外力の検出精度が低下する可能性があった。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、複数の光学式センサ間での測定誤差を抑制し、力覚センサにおける外力の検出精度を向上させることができる検出回路、力覚センサ、キャリブレーション装置およびキャリブレーション方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明に係る検出回路は、板状部材である基部と、前記基部に対向して配置され、かつ前記基部に平行な板状部材である可動部と、前記基部に設けられ、前記可動部を揺動可能に支持する支持体と、前記基部および前記可動部の一方に設けられ、発光素子および受光素子を含む複数のセンサと、前記基部および前記可動部の他方に設けられ、前記発光素子から放たれる光を前記受光素子に向かって反射する反射板と、を備える力覚センサにおける前記受光素子の出力電圧を検出する検出回路であって、前記発光素子と発光側可変抵抗器とを含み、前記発光側可変抵抗器の抵抗に応じた光量で前記発光素子を発光させる複数の発光側回路と、前記受光素子と受光側可変抵抗器とを含み、前記複数の発光側回路の各々に一対に設けられ、前記センサから前記反射板までの距離と前記受光側可変抵抗器の抵抗とに応じた大きさで前記受光素子から出力される出力電圧を検出する複数の受光側回路と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る検出回路を用いることにより、力覚センサを組み立てた後で、発光素子の光量および受光素子の出力電圧を調節することが可能になる。これにより、本発明に係る検出回路は、センサから反射板までの距離と受光素子の出力電圧との相関関係の、複数のセンサ間でのバラつきを補正することができる。このため、検出回路は、複数のセンサ間での測定誤差を抑制し、力覚センサにおける外力の検出精度を向上させることができる。

本発明に係る力覚センサは、検出回路と、前記基部および前記可動部を覆う遮光性の筐体と、を備えることを特徴とする。

これにより、力覚センサは、センサから反射板までの距離と受光素子の出力電圧との相関関係の、複数のセンサ間でのバラつきを補正する際に、外光（発光素子が放つ光以外の光）の影響を抑制することができる。力覚センサは、複数のセンサ間での測定誤差をより抑制しやすくなり、外力の検出精度をより向上させることができる。

また、本発明に係る力覚センサにおいては、前記発光側可変抵抗器および前記受光側可変抵抗器は、デジタル信号に基づいて抵抗を変化させかつ抵抗を所定値に保持することができるデジタル可変抵抗器であることが好ましい。

デジタル可変抵抗器は抵抗を変化させる際に機械的な摺動部分が生じない。このため、発光側可変抵抗器および受光側可変抵抗器に故障等が発生しにくくなり長寿命化することで、力覚センサの信頼性が向上する。

また、本発明に係る力覚センサにおいては、前記発光側可変抵抗器および前記受光側可変抵抗器は、前記筐体の外側に配置されていることが好ましい。

これにより、力覚センサは、発光側可変抵抗器および受光側可変抵抗器に故障等が生じたときに、発光側可変抵抗器および受光側可変抵抗器の交換を容易にすることができる。

本発明に係るキャリブレーション装置は、平坦な表面である第１平面を備える第１アームと、前記第１平面に平行な第２平面を備える第２アームと、前記第１アームおよび前記第２アームの少なくとも一方を、前記第１平面に対して直交する方向に直動運動させる直動機構と、を備え、前記基部と前記可動部とが平行である状態を保ったまま、前記センサから前記反射板までの距離を変化させることができることを特徴とする。

これにより、キャリブレーション装置は、センサから反射板までの距離と受光素子の出力電圧との相関関係をより高い精度で求めることができる。このため、キャリブレーション装置は、複数のセンサ間での測定誤差をより抑制しやすくし、力覚センサにおける外力の検出精度をより向上させることができる。

本発明に係るキャリブレーション方法は、前記力覚センサを前記第１アームと前記第２アームとの間に載置する第１ステップと、前記第１ステップの後で、前記複数の受光側回路のいずれにおいても前記受光素子の出力電圧が基底値になるまで、前記第１アームおよび前記第２アームの少なくとも一方を直動運動させる第２ステップと、前記第２ステップの後で、前記第１アームおよび前記第２アームの少なくとも一方を互いに離れる方向に直動運動させる第３ステップと、前記第３ステップの後で、前記発光側可変抵抗器に対する補正値である発光側補正値を前記複数の発光側回路に対して別々に演算する第４ステップと、前記第４ステップの後で、前記発光側補正値に基づいて前記発光側可変抵抗器の補正を行う第５ステップと、前記第５ステップの後で、前記第１アームおよび前記第２アームの少なくとも一方を、直動運動させる第６ステップと、前記第６ステップの後で、前記受光側可変抵抗器に対する補正値である受光側補正値を前記複数の受光側回路に対して別々に演算する第７ステップと、前記第７ステップの後で、前記受光側補正値に基づいて前記受光側可変抵抗器の補正を行う第８ステップと、を含むことを特徴とする。

これにより、まずセンサから反射板までの距離と受光素子の出力電圧との相関関係の複数のセンサ間でのバラつきのうち、複数の発光素子に起因するバラつきが揃う。その後に、センサから反射板までの距離と受光素子の出力電圧との相関関係の複数のセンサ間でのバラつきのうち、複数の発光素子に起因するバラつきが揃う。キャリブレーション方法は、センサから反射板までの距離と受光素子の出力電圧との相関関係の、複数のセンサ間でのバラつきを補正することができる。このため、キャリブレーション方法は、複数のセンサ間での測定誤差を抑制し、力覚センサにおける外力の検出精度を向上させることができる。また、キャリブレーション方法は、力覚センサに対するキャリブレーションの効率を向上させることができる。

本発明によれば、複数の光学式センサ間での測定誤差を抑制し、力覚センサにおける外力の検出精度を向上させることができる検出回路、力覚センサ、キャリブレーション装置およびキャリブレーション方法を提供することができる。

図１は、本実施形態に係る力覚センサを示す模式図である。 図２は、本実施形態に係る基部、支持体および第２可動部を示す模式図である。 図３は、本実施形態に係る支持体の構成を示す斜視図である。 図４は、本実施形態に係る支持体および第１可動部を示す平面図である。 図５は、本実施形態に係るシャフトおよび第２可動部を示す平面図である。 図６は、図５におけるＡ矢視図である。 図７は、フォトリフレクタの特性を示すグラフである。 図８は、本実施形態に係る力覚センサにＹ軸廻りのモーメントが加えられた場合を示す模式図である。 図９は、本実施形態に係る第２センサおよび反射板を示す模式図である。 図１０は、図９におけるＢ矢視図である。 図１１は、本実施形態に係る力覚センサにＺ軸廻りのモーメントが加えられた場合を示す模式図である。 図１２は、図１１におけるＣ矢視図である。 図１３は、本実施形態に係る第１検出部および第２検出部の構成を示す模式図である。 図１４は、本実施形態に係る演算処理部の構成図である。 図１５は、本実施形態に係る力覚センサにＺ軸に平行な軸方向力が加えられた場合を示す模式図である。 図１６は、本実施形態に係る検出回路の構成を示す模式図である。 図１７は、本実施形態に係るキャリブレーション装置を示す模式図である。 図１８は、第１アームと第２アームとの距離を狭くしたときのキャリブレーション装置を示す模式図である。 図１９は、第１アームおよび第２アームが力覚センサを挟んだ状態での各部の寸法を示す模式図である。 図２０は、本実施形態に係る補正処理部をブロック図で示した模式図である。 図２１は、本実施形態に係るキャリブレーション装置を用いたキャリブレーション方法を示すフローチャートである。 図２２は、第１センサから反射板までの距離と受光素子の出力電圧との実際の相関関係の一例を示すグラフである。 図２３は、第１センサから反射板までの距離と受光素子の出力電圧との実際の相関関係の一例を示すグラフである。 図２４は、第１センサから反射板までの距離と受光素子の出力電圧との理論上の相関関係の一例を示すグラフである。 図２５は、変形例に係る力覚センサを示す模式図である。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

（実施形態）
図１は、本実施形態に係る力覚センサを示す模式図である。力覚センサ１は、加えられた外力を検出することができる装置である。力覚センサ１は、例えば、ロボットの動きを規制するモータ等の回転機械に接続される。力覚センサ１は、加えられた外力の大きさおよび方向を検出し、加えられた外力の大きさおよび方向に応じた当該モータ等を制御する制御部に送る制御信号を送出することができる。

力覚センサ１は、筐体１００と、基部１０と、第１可動部２１と、第２可動部２２と、を有する。筐体１００は、例えばアルミニウム等の金属で形成された円筒状の部材であって、遮光性を有している。基部１０は、例えば筐体１００の底面に固定された円盤状の板状部材であり、支持体３０を備える。なお、基部１０は、筐体１００の底面と一体になっていてもよい。以下の説明において、基部１０の中心軸Ｚｒに平行なＺ軸と、Ｚ軸に対して直交するＸ軸、Ｚ軸およびＸ軸に対して直交するＹ軸と、からなる直交座標系が用いられる。支持体３０は、第１可動部２１および第２可動部２２を揺動可能に支持する。支持体３０は、例えば、基部１０の表面の中央部分に固定される。

図２は、本実施形態に係る基部、支持体および第２可動部を示す模式図である。図３は、本実施形態に係る支持体の構成を示す斜視図である。図４は、本実施形態に係る支持体および第１可動部を示す平面図である。図５は、本実施形態に係るシャフトおよび第２可動部を示す平面図である。図２に示すように、支持体３０は、下部固定具３１と、上部固定具３２と、板バネ部３３と、を有する。下部固定具３１は、例えば、アルミニウム等の金属で形成された円筒状の部材であり、端面がＺ軸に対して垂直になるように基部１０に固定されている。上部固定具３２は、例えば、アルミニウム等の金属で形成された円筒状の部材であり、端面がＺ軸に対して垂直になるように板バネ部３３を介して下部固定具３１に固定されている。なお、支持体３０は、ディスク型カップリングであってもよい。

図３に示すように、板バネ部３３は、例えば、Ｚ軸方向から見た形状が十字形であって、下部固定具３１および上部固定具３２に平行な板状の部材である。板バネ部３３は、ベース部３３ｘと、ベース部３３ｘから突出する突出部３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄと、を有する。突出部３３ａ、３３ｂは、ベース部３３ｘからＸ軸方向に向かって突出しており、突出部３３ｃ、３３ｄは、ベース部３３ｘからＹ軸方向に向かって突出している。突出部３３ａ、３３ｂの上部固定具３２側の表面には、スペーサ３７がそれぞれ接触している。スペーサ３７は、上部固定具３２と板バネ部３３との間に隙間を生じさせるために設けられる部材であって、上部固定具３２に変位が生じた場合に上部固定具３２とともに移動することができる部材である。突出部３３ｃ、３３ｄの下部固定具３１側の表面には、スペーサ３６がそれぞれ接触している。スペーサ３６は、下部固定具３１と板バネ部３３との間に隙間を生じさせるために設けられる部材である。これにより、板バネ部３３は、２つのスペーサ３６を介して下部固定具３１に支持されており、上部固定具３２は、２つのスペーサ３７を介して板バネ部３３に支持されている。なお、ベース部３３ｘと突出部３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄとは一体であってもよいし、別部材であってもよい。また、板バネ部３３は、複数あってもよいし、突出部３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄの表面にそれぞれ配置されるスペーサ３６、３７は、複数であってもよい。

上部固定具３２に外力が加わっていない場合、板バネ部３３が下部固定具３１および上部固定具３２に平行であるため、下部固定具３１から突出部３３ａまでの距離３３１は、下部固定具３１から突出部３３ｂまでの距離３３２と等しく、突出部３３ｃから上部固定具３２までの距離３３３は、突出部３３ｄから上部固定具３２までの距離３３４と等しくなっている。これに対して、上部固定具３２に外力が加わった場合、突出部３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄは、上部固定具３２の変位に応じて、スペーサ３６またはスペーサ３７が接触する位置よりもベース部３３ｘ側の部分が弾性変形する。具体的には、Ｙ軸廻りのモーメントＭｙが上部固定具３２に加わった場合、突出部３３ａの根元における仮想断面ＣＳ１よりスペーサ３７側の部分がＺ軸方向に下がるように変形し、突出部３３ｂの根元における仮想断面ＣＳ２よりスペーサ３７側の部分がＺ軸方向に上がるように変形する。これにより、突出部３３ａ、３３ｂが下部固定具３１に対して傾斜するため、距離３３１が距離３３２よりも小さくなる。その結果、上部固定具３２が傾斜する。また、Ｘ軸廻りのモーメントＭｘが板バネ部３３に加わった場合、突出部３３ｃの根元における仮想断面ＣＳ３がＺ軸方向に下がるように突出部３３ｃが変形し、かつ突出部３３ｄの根元における仮想断面ＣＳ４がＺ軸方向に上がるように突出部３３ｄが変形する。これにより、突出部３３ａ、３３ｂが下部固定具３１に対して傾斜する。その結果、上部固定具３２が傾斜することで、距離３３３が距離３３４よりも小さくなる。以上より、力覚センサ１に外力が加わった場合、上部固定具３２は、板バネ部３３の変形に応じて傾くことができる。

図４に示すように、上部固定具３２は、Ｚ軸方向に貫通する貫通孔３２ｈと、Ｚ軸に対して直交方向の開口部であるスリット３２ｓと、を有する。このため、上部固定具３２は、Ｚ軸方向から見てＣ字形状となっている。また、上部固定具３２は、スリット３２ｓを挟んで対向する端面３２１および端面３２２を接続するボルト３２ｃを有する。ボルト３２ｃが締め付けられると、端面３２１から端面３２２までの距離が小さくなる。その結果、貫通孔３２ｈの直径が小さくなる。これにより、ボルト３２ｃは、貫通孔３２ｈの直径を調節することができる。

第２可動部２２は、ジョイントによってＺ軸廻りに回転可能に支持体３０に支持されている。ジョイントは、例えば、深溝玉軸受３５と、シャフト１１と、スラストころ軸受１２と、を有する。図２に示すように、上部固定具３２の貫通孔３２ｈには、深溝玉軸受３５が嵌め込まれている。深溝玉軸受３５は、ボルト３２ｃを緩めた状態で貫通孔３２ｈに挿入された後、ボルト３２ｃを締め付けて貫通孔３２ｈの直径を小さくすることで固定されている。また、深溝玉軸受３５の内輪の内側には、円柱状のシャフト１１が圧入によって固定されている。シャフト１１の一方側の端部は、貫通孔３２ｈの内側に位置しており、他方側の端部は、上部固定具３２の端面よりもＺ軸方向に突出している。上部固定具３２およびシャフト１１に外力が加わると、上部固定具３２およびシャフト１１は、下部固定具３１を支点としてシャフト１１の中心軸が基部１０の中心軸Ｚｒに対して角度をなすように揺れ動く。以下の説明において、揺動するとの記載は、下部固定具３１を支点としてシャフト１１の中心軸が基部１０の中心軸Ｚｒに対して角度をなすように揺れ動くことを示す。なお、基部１０が円盤状でない場合、揺動するとの記載は、下部固定具３１を支点としてシャフト１１の中心軸が基部１０の表面に対して垂直な直線に対して角度をなすように揺れ動くことを意味する。

第２可動部２２は、シャフト１１の上部固定具３２から突出している部分に固定されている。第２可動部２２は、例えば、Ｚ軸方向に貫通する貫通孔２２ｈを有する円盤状の剛体である。第２可動部２２は、貫通孔２２ｈにシャフト１１が圧入されることによって、基部１０と平行になるように固定されている。また、例えば、スラストころ軸受１２が、上部固定具３２と第２可動部２２との間に配置されている。第２可動部２２は、深溝玉軸受３５およびシャフト１１によってＺ軸廻りに回転可能に支持体３０に支持されており、スラストころ軸受１２によってより滑らかに回転可能に支持されている。一方、第２可動部２２がＺ軸廻りに回転しているとき、第１可動部２１および基部１０は、Ｚ軸廻りに回転しない。なお、ジョイントは、スラストころ軸受１２を有していなくてもよい。

図４に示すように、第１可動部２１は、全体が円盤状の板状部材であり、上部固定具３２の外周を囲むように固定されている。また、第１可動部２１は、第２可動部２２と平行になるように固定されている。例えば、第１可動部２１は、半円筒状の剛体である第１可動部片２１ｐを２つ含み、上部固定具３２を挟むように配置された２つの第１可動部片２１ｐをボルト２１ｃで連結することにより上部固定具３２に固定されている。なお、第１可動部２１を固定する方法は、上述した方法に限らない。

以上により、図１に示すように、第１可動部２１は、基部１０に対向するように配置されており、第２可動部２２は、第１可動部２１に対向するように配置されている。力覚センサ１に外力が加わっていない状態においては、基部１０、第１可動部２１および第２可動部２２は、互いに平行な状態を保っている。筐体１００は、基部１０、第１可動部２１および第２可動部２２を覆っている。これにより、筐体１００は、基部１０および第１可動部２１の間の空間と第１可動部２１および第２可動部２２の間の空間に外部からの光の侵入を防いでいる。また、第１可動部２１および第２可動部２２は、板バネ部３３を有する支持体３０によって揺動可能に支持されている。また、第２可動部２２は、ジョイント３５によってＺ軸廻りに回転可能に支持されている。また、本実施形態において、第１可動部２１および第２可動部２２は、基部１０に対して鉛直方向で上側に配置されている。

図１に示すように、基部１０は、第１センサ１５を有する。第１センサ１５は、例えば、フォトリフレクタであり、基部１０の表面にセンサ台１５ｂを介して固定されている。第１センサ１５は、例えば、支持体３０の外側に、中心軸Ｚｒを中心とした周方向で等間隔に４つ配置されている。また、４つの第１センサ１５のうち２つの第１センサ１５は、Ｘ軸に平行な直線上に配置されており、残りの２つの第１センサ１５は、Ｙ軸に平行な直線上に配置されている。

図１に示すように、基部１０は、ストッパー１９を有する。ストッパー１９は、第１センサ１５よりもＺ軸方向に突出する突出部である。例えば、ストッパー１９は、第１センサ１５の外側に、Ｚ軸を中心とした周方向で等間隔に４つ配置されている。なお、ストッパー１９は、第１センサ１５の内側に配置されていてもよい。例えば、ストッパー１９のＺ軸方向の高さは、支持体３０が弾性変形可能な荷重を超える荷重が力覚センサ１に加えられた場合に、先端が第１可動部２１に接触するように調節されている。このため、第１可動部２１および第２可動部２２を揺動させる過大な外力が力覚センサ１に加えられた場合、ストッパー１９は、支持体３０に永久変形が生ずる事態を抑制することができる。

また、図１に示すように、第１可動部２１は、第２可動部２２と対向する表面に永久磁石２４を有し、第２可動部２２は、第１可動部２１と対向する表面に２つの永久磁石２５を有する。永久磁石２４は、第１可動部２１の表面から第２可動部２２に向かって突出しており、永久磁石２５は、第２可動部２２の表面から第１可動部２１に向かって突出している。また、Ｚ軸方向から見て、永久磁石２４および２つの永久磁石２５が、中心軸Ｚｒを中心とした同一円周上に配置されている。２つの永久磁石２５は、永久磁石２４に対して周方向の両側に等間隔で配置されている。

図６は、図５におけるＡ矢視図である。永久磁石２４は、例えば、接着剤によってベース２４ｂを介して第１可動部２１に固定されている。永久磁石２４は、Ｚ軸方向にＮ極およびＳ極が並ぶように配置されている。永久磁石２５は、例えば、接着剤によってベース２５ｂを介して第２可動部２２に固定されている。永久磁石２５は、Ｚ軸方向にＮ極およびＳ極が並ぶように配置されている。また、永久磁石２４および永久磁石２５は、互いのＳ極同士およびＮ極同士が周方向に対向するように配置されている。これにより、力覚センサ１に外力が加わっていない場合、永久磁石２４および永久磁石２５の反発力の釣り合いによって、第１可動部２１に対する第２可動部２２のＺ軸廻りの相対回転角度が固定される。また、外力によって第２可動部２２がＺ軸廻りに回転した場合、永久磁石２４および永久磁石２５は、互いの距離が近づくことで反発力を増大させ、外力に対する反力を生じさせる。そして、外力が取り除かれると、第１可動部２１に対する第２可動部２２のＺ軸廻りの相対回転角度は、外力が加わっていないときの角度に戻る。なお、永久磁石２４および永久磁石２５によって生じる反発力は、永久磁石２４および永久磁石２５の磁力の調節、ベース２４ｂおよびベース２５ｂのＺ軸方向の高さの調節、等によって調節することができる。

また、図１に示すように、第１可動部２１は、第２可動部２２と対向する表面にストッパー２６を有し、第２可動部２２は、第１可動部２１と対向する表面にストッパー２７を有する。ストッパー２６は、第１可動部２１の表面から第２可動部２２に向かって突出している。ストッパー２７は、第２可動部２２の表面から第１可動部２１に向かって突出している。また、Ｚ軸方向から見て、ストッパー２６およびストッパー２７が、中心軸Ｚｒを中心とした同一円周上に配置されている。ストッパー２６とストッパー２７との周方向の距離Ｄｌは、永久磁石２４と永久磁石２５との周方向の距離Ｄｍよりも小さくなっている。これにより、外力によって第２可動部２２がＺ軸廻りに回転した場合、永久磁石２４と永久磁石２５とが接触する前にストッパー２６とストッパー２７とが接触する。このため、ストッパー２６およびストッパー２７は、永久磁石２４と永久磁石２５とが衝突して破損する事態を抑制することができる。

図１に示すように、第１可動部２１は、基部１０に対向する表面に反射板１６を有する。反射板１６は、４つの第１センサ１５のそれぞれに対向する位置に配置されている。例えば、反射板１６の表面の光に対する反射率は、一様であり、４つの反射板１６の反射率は、互いに等しい。フォトリフレクタである第１センサ１５は、受光部と発光部を有し、光を発することができかつ当該光の反射光強度を検出することができる。第１センサ１５は、受光部と発光部が第１可動部２１の方向を向くように固定されている。第１センサ１５の発光部が発した光は、反射板１６で反射して第１センサ１５の受光部に入射する。第１センサ１５は、検出した反射光強度の大きさに応じて、出力電圧を変化させる。

第１センサ１５が検出する反射光強度は、第１センサ１５から反射板１６までの距離および反射板１６の反射率に応じて変化する。力覚センサ１に外力が加わっていない場合、基部１０、第１可動部２１および第２可動部２２が互いに平行であるため、４つの第１センサ１５とそれぞれの第１センサ１５に対向する反射板１６との距離は、互いに等しい距離Ｄｚとなっている。４つの反射板１６の反射率が互いに等しいため、力覚センサ１に外力が加わっていない場合、４つの第１センサ１５が検出する反射光強度は、互いに等しくなっている。

図７は、フォトリフレクタの特性を示すグラフである。図７の横軸はフォトリフレクタ（本実施形態における第１センサ１５）から反射対象物（本実施形態に係る反射板１６）までの距離であり、図７の縦軸はフォトリフレクタが検出する反射光強度である。図７に示すように、フォトリフレクタが検出する反射光強度は、反射対象物との距離が焦点距離ｆｄのときに最も大きくなる。フォトリフレクタから反射対象物までの距離が焦点距離ｆｄよりも小さい場合、フォトリフレクタから反射対象物までの距離が大きくなるにしたがって反射光強度が大きくなる。すなわち、反射光強度がフォトリフレクタから反射対象物までの距離に比例する。この理由は、フォトリフレクタから反射対象物までの距離が非常に小さい場合には反射対象物で反射された光が十分に受光部に届かなくなるためである。一方、フォトリフレクタから反射対象物までの距離が焦点距離ｆｄよりも大きい場合、フォトリフレクタから反射対象物までの距離が大きくなるにしたがって反射光強度が小さくなる。すなわち、反射光強度がフォトリフレクタから反射対象物までの距離に反比例する。この理由は、反射対象物で反射された光のうち受光部に届く光の割合が低下するためである。また、図７に示すように、フォトリフレクタから反射対象物までの距離の変化に対する反射光強度の変化は、フォトリフレクタから反射対象物までの距離が焦点距離ｆｄよりも小さい場合の方が急峻である。

本実施形態に係る力覚センサ１においては、第１センサ１５から反射板１６までの距離が第１センサ１５の焦点距離より小さくされている。このため、本実施形態に係る第１センサ１５が検出する反射光強度は、第１センサ１５から反射板１６までの距離に比例する。そして、第１センサ１５から反射板１６までの距離の変化に対する反射光強度の変化が急峻であるため、力覚センサ１は、第１センサ１５から反射板１６までの距離の微小な変化を高い分解能で検出することができる。

図８は、本実施形態に係る力覚センサにＹ軸廻りのモーメントが加えられた場合を示す模式図である。なお、図面上で変形をわかりやすくするため、図８では、ストッパー１９の記載が省略されている。Ｙ軸廻りのモーメントＭｙは、第１可動部２１および第２可動部２２を揺動させる第１の分力である。力覚センサ１にＹ軸廻りのモーメントＭｙが加えられた場合、支持体３０の板バネ部３３が変形することで、第１可動部２１および第２可動部２２は、揺動しＹＺ平面に対して所定の角度θだけ傾斜する。このため、第１可動部２１は、ＸＹ平面に対して角度θだけ傾斜する。第１可動部２１および第２可動部２２が一緒に揺動するので、第１可動部２１および第２可動部２２は、平行な状態を保っている。また、第１可動部２１は、基部１０に対して傾斜している。その結果、Ｘ軸に平行な直線上に配置された２つの第１センサ１５のうち一方の第１センサ１５から当該第１センサ１５に対向する反射板１６までの距離Ｄｚ１は、距離Ｄｚよりも大きくなる。Ｘ軸に平行な直線上に配置された２つの第１センサ１５のうち他方の第１センサ１５から当該第１センサ１５に対向する反射板１６までの距離Ｄｚ２は、距離Ｄｚよりも小さくなる。具体的には、中心軸Ｚｒから各第１センサ１５までの距離Ｄｓを用いて、距離Ｄｚ１は、距離ＤｚよりもＤｓ×ｔａｎθだけ大きくなり、距離Ｄｚ２は、距離ＤｚよりもＤｓ×ｔａｎθだけ小さくなる。これにより、Ｘ軸に平行な直線上に配置された２つの第１センサ１５が検出する反射光強度に差が生じる。力覚センサ１は、当該反射光強度の差によって、加えられたＹ軸廻りのモーメントＭｙの大きさおよび方向を検出する。

力覚センサ１にＸ軸廻りのモーメントが加えられた場合、力覚センサ１は、Ｙ軸に平行な直線上に配置された２つの第１センサ１５が検出する反射光強度の差によって、加えられたＸ軸廻りのモーメントの大きさおよび方向を検出する。第１センサ１５と反射板１６との距離の説明は、力覚センサ１にＹ軸廻りのモーメントＭｙが加えられた場合と同様であるため省略する。

図１に示すように、第１可動部２１は、第２可動部２２に対向する表面に第２センサ２８を有し、第２可動部２２は、第１可動部２１に対向する表面に反射板２９を有する。第２センサ２８は、例えば、フォトリフレクタであり、発光部および受光部が第２可動部２２の方向を向くように固定されている。反射板２９は、第２センサ２８に対向する位置に配置されている。

図９は、本実施形態に係る第２センサおよび反射板を示す模式図である。反射板２９は、例えば、紙製の板状部材であって、高反射率領域２９ｗと、高反射率領域２９ｗよりも光の反射率が小さい低反射率領域２９ｂと、を有する。高反射率領域２９ｗは、例えば、白色に塗装された扇形の領域である。低反射率領域２９ｂは、例えば、黒色に塗装された扇形の領域である。高反射率領域２９ｗおよび低反射率領域２９ｂは、径方向に平行な境界線２９ｌで区切られている。例えば、第２センサ２８は、高反射率領域２９ｗおよび低反射率領域２９ｂの両方に対向するように配置されている。また、例えば、第２センサ２８の発光部は、Ｚ軸方向から見て、境界線２９ｌに重なるように配置されている。

図１０は、図９におけるＢ矢視図である。図１０中の二点鎖線で示すように、第２センサ２８の発光部は、反射板２９に向かって放射状に光を発する。力覚センサ１に外力が加わっていない場合、第２センサ２８の発光部は、高反射率領域２９ｗおよび低反射率領域２９ｂを等しい面積ずつ光を照射する。すなわち、図１０に示すように、高反射率領域２９ｗのうち光が照射される領域Ａｗ１は、低反射率領域２９ｂのうち光が照射される領域Ａｂ１に等しい。

図１１は、本実施形態に係る力覚センサにＺ軸廻りのモーメントが加えられた場合を示す模式図である。図１２は、図１１におけるＣ矢視図である。Ｚ軸廻りのモーメントＭｚは、第２可動部２２を回転させる第２の分力である。力覚センサ１にＺ軸廻りのモーメントＭｚが加えられた場合、第２可動部２２は、Ｚ軸廻りに回転する。第２可動部２２のＺ軸廻りの回転にしたがって、第２センサ２８に対する反射板２９の相対位置が変化する。このため、図１２に示すように、高反射率領域２９ｗのうち光が照射される領域Ａｗ２は、低反射率領域２９ｂのうち光が照射される領域Ａｂ２よりも大きくなる。高反射率領域２９ｗは低反射率領域２９ｂに比べて光の反射率が大きいため、第２センサ２８の受光部が検出する反射光強度が大きくなる。力覚センサ１は、当該反射光強度の変化によって、加えられたＺ軸廻りのモーメントＭｚの大きさおよび方向を検出する。

なお、上述した説明とは逆方向にＺ軸廻りのモーメントが力覚センサ１に加えられた場合、高反射率領域２９ｗのうち光が照射される領域は、低反射率領域２９ｂのうち光が照射される領域よりも小さくなる。低反射率領域２９ｂは高反射率領域２９ｗに比べて光の反射率が小さいため、第２センサ２８の受光部が検出する反射光強度が小さくなる。

図１３は、本実施形態に係る第１検出部および第２検出部の構成を示す模式図である。力覚センサ１は、第１検出部６１と、第２検出部６２と、を有している。第１検出部６１および第２検出部６２は、モータ等の回転機械の制御部４１と接続されている。第１検出部６１および第２検出部６２は、力覚センサ１に加えられた外力の情報である外力データＰ１、Ｐ２を制御部４１へ出力する。第１検出部６１は、第１センサ１５と、ＡＤ変換部５１と、距離演算部５３と、力演算部５５と、を有する。第２検出部６２は、第２センサ２８と、ＡＤ変換部５２と、角度演算部５４と、力演算部５６と、を有する。４つの第１センサ１５は、それぞれが検出した反射光強度に応じて出力電圧Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４をＡＤ変換部５１に送る。第２センサ２８は、検出した反射光強度に応じて出力電圧Ｓ２をＡＤ変換部５２に送る。ＡＤ変換部５１、５２、距離演算部５３、角度演算部５４および力演算部５５、７２は、例えば、１つの演算処理部４２に備えられる。なお、ＡＤ変換部５１、距離演算部５３および力演算部５５が１つの演算処理部に備えられ、ＡＤ変換部５２、角度演算部５４および力演算部５６が異なる演算処理部に備えられてもよい。

図１４は、本実施形態に係る演算処理部の構成図である。演算処理部４２は、マイクロコンピュータ（マイコン）等のコンピュータであり、入力インターフェース４２ａと、出力インターフェース４２ｂと、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４２ｃと、ＲＯＭ（Read Only Memory）４２ｄと、ＲＡＭ（Random Access Memory）４２ｅと、内部記憶装置４２ｆと、を含んでいる。入力インターフェース４２ａ、出力インターフェース４２ｂ、ＣＰＵ４２ｃ、ＲＯＭ４２ｄ、ＲＡＭ４２ｅおよび内部記憶装置４２ｆは、内部バスに接続されている。

入力インターフェース４２ａは、第１センサ１５からの出力電圧Ｓ１および第２センサ２８からの出力電圧Ｓ２を受け取り、ＣＰＵ４２ｃに出力する。出力インターフェース４２ｂは、ＣＰＵ４２ｃから外力データＰ１、Ｐ２を受け取り、制御部４１に出力する。

ＲＯＭ４２ｄには、ＢＩＯＳ（Basic Input/Output System）等のプログラムが記憶されている。内部記憶装置４２ｆは、例えばＨＤＤ（Hard Disk Drive）やフラッシュメモリ等であり、オペレーティングシステムプログラムやアプリケーションプログラムを記憶している。ＣＰＵ４２ｃは、ＲＡＭ４２ｅをワークエリアとして使用しながらＲＯＭ４２ｄや内部記憶装置４２ｆに記憶されているプログラムを実行することにより、種々の機能を実現する。

内部記憶装置４２ｆは、４つの出力電圧Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４と４つの第１センサ１５から反射板１６までの距離とを対応付けた距離データベースと、出力電圧Ｓ２と第１可動部２１に対する第２可動部２２の相対回転角度とを対応付けた角度データベースとを記憶している。また、内部記憶装置４２ｆは、４つの第１センサ１５から反射板１６までの距離と第１の分力の大きさおよび方向とを対応付けた第１の分力データベースと、第１可動部２１に対する第２可動部２２の相対回転角度と第２の分力の大きさおよび方向とを対応付けた第２の分力データベースと、が記憶されている。

ＡＤ変換部５１、５２は、入力インターフェース４２ａを用いてアナログデータである出力電圧Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４、Ｓ２をデジタル変換する。距離演算部５３は、ＣＰＵ４２ｃがＲＡＭ４２ｅを一時記憶のワークエリアとして使用しながら、内部記憶装置４２ｆに記憶された距離データベースに出力電圧Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４を与えて、４つの第１センサ１５から反射板１６までの距離を導出する演算処理を行う。角度演算部５４は、ＣＰＵ４２ｃがＲＡＭ４２ｅを一時記憶のワークエリアとして使用しながら、内部記憶装置４２ｆに記憶された角度データベースに出力電圧Ｓ２を与えて、第１可動部２１に対する第２可動部２２の相対回転角度を導出する演算処理を行う。力演算部５５は、ＣＰＵ４２ｃがＲＡＭ４２ｅを一時記憶のワークエリアとして使用しながら、内部記憶装置４２ｆに記憶された第１の分力データベースに距離演算部５３出力を与えて、第１の分力の大きさおよび方向を導出する演算処理を行う。力演算部５６は、ＣＰＵ４２ｃがＲＡＭ４２ｅを一時記憶のワークエリアとして使用しながら、内部記憶装置４２ｆに記憶された第２の分力データベースに角度演算部５４出力を与えて、第２の分力の大きさおよび方向を導出する演算処理を行う。また、力演算部５５、７２は、出力インターフェース４２ｂを介して制御部４１へ外力データＰ１、Ｐ２を出力する。外力データＰ１は、第１可動部２１および第２可動部２２を揺動させる外力の大きさおよび方向のデータである。外力データＰ２は、第２可動部２２を回転させる外力の大きさおよび方向のデータである。

力覚センサ１は、第１検出部６１を用いて、第１可動部２１および第２可動部２２を揺動させる第１の分力である図８に示したモーメントＭｙを検出することができる。力覚センサ１にモーメントＭｙが加えられたとき、図８で示した距離Ｄｚ１が距離Ｄｚよりも大きくなるため、反射板１６と距離Ｄｚ１だけ離れた第１センサ１５が検出する反射光強度は、力覚センサ１に外力が加えられていない場合に比較して、大きくなる。このため、当該第１センサ１５の出力電圧Ｓ１１が大きくなる。一方、図８で示した距離Ｄｚ２が距離Ｄｚよりも小さくなるため、反射板１６と距離Ｄｚ２だけ離れた第１センサ１５が検出する反射光強度は、力覚センサ１に外力が加えられていない場合に比較して、小さくなる。このため、当該第１センサ１５が出力する出力電圧Ｓ１２が小さくなる。そして、Ｘ軸に平行な直線上に配置された２つの第１センサ１５から、２つの出力電圧Ｓ１１、Ｓ１２がＡＤ変換部５１へ送られる。

アナログデータである２つの出力電圧Ｓ１１、Ｓ１２は、ＡＤ変換部５１によりデジタル変換され、距離演算部５３へ送られる。距離演算部５３は、デジタル変換された２つの出力電圧Ｓ１１、Ｓ１２を、距離データベースに与え、距離Ｄｚ１、Ｄｚ２のデータを得たのち、距離Ｄｚ１、Ｄｚ２のデータを力演算部５５に送る。力演算部５５は、距離Ｄｚ１および距離Ｄｚ２の差とモーメントＭｙの大きさおよび方向とを対応付けた第１の分力データベースに距離Ｄｚ１、Ｄｚ２のデータを与え、モーメントＭｙのデータを得たのち、モーメントＭｙの大きさおよび方向のデータを外力データＰ１として制御部４１へ送る。以上の方法により、力覚センサ１は、第１検出部６１により、モーメントＭｙを検出することができる。なお、力覚センサ１にＸ軸廻りのモーメントが加えられた場合も、Ｙ軸に平行な直線上に配置された２つの第１センサ１５の出力電圧Ｓ１３、Ｓ１４に基づいて、同様の方法で検出できる。

力覚センサ１は、第２検出部６２を用いて、第２可動部２２を回転させる第２の分力である図１１に示したモーメントＭｚを検出することができる。力覚センサ１にモーメントＭｚが加えられた場合、第２可動部２２のＺ軸廻りの回転にしたがって第２センサ２８に対する反射板２９の相対位置が変化する。これにより、第２センサ２８の受光部が検出する反射光強度が変化する。このため、第２センサ２８の出力電圧Ｓ２が変化する。当該出力電圧Ｓ２は、ＡＤ変換部５２へ送られる。

アナログデータである出力電圧Ｓ２は、ＡＤ変換部５２によりデジタル変換され、角度演算部５４へ送られる。角度演算部５４は、デジタル変換された出力電圧Ｓ２を、角度データベースに与え、第１可動部２１に対する第２可動部２２の相対回転角度のデータを得たのち、当該相対回転角度のデータを力演算部５６に送る。力演算部５６は、第１可動部２１に対する第２可動部２２の相対回転角度とモーメントＭｚの大きさおよび方向とを対応付けた第２の分力データベースに当該相対回転角度のデータを与え、モーメントＭｚのデータを得たのち、モーメントＭｚのデータを外力データＰ２として制御部４１へ送る。以上の方法により、力覚センサ１は、第２検出部６２により、モーメントＭｚを検出することができる。

よって、第１可動部２１および第２可動部２２を揺動させる第１の分力が加わった場合、力覚センサ１は、第１可動部２１および第２可動部２２の基部１０に対する相対的な変位に基づいた演算を行う第１検出部６１により、第１の分力を検出することができる。また、第２可動部２２を回転させる第２の分力が加わった場合、力覚センサ１は、第２可動部２２の第１可動部２１に対する相対的な変位に基づいた演算を行う第２検出部６２により、第２の分力を検出することができる。すなわち、力覚センサ１は、第１検出部６１により、Ｘ軸廻りのモーメントおよびＹ軸廻りのモーメントを検出することができ、第２検出部６２により、Ｚ軸廻りのモーメントを検出することができる。

力覚センサ１に外力が加えられたとき、出力電圧Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４は、第１可動部２１および第２可動部２２を揺動させる第１の分力に関する情報を有している。一方、出力電圧Ｓ２は、第２可動部２２を回転させる第２の分力に関する情報を有している。このように、出力電圧Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４と出力電圧Ｓ２とは、同じ外力に含まれる多方向の分力のうち互いに異なる方向の分力に関する情報を有している。このため、出力電圧Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４および出力電圧Ｓ２のそれぞれが有する分力の方向に関する情報は、従来技術に比べ少ない。力覚センサ１は、互いに異なる方向の分力に関する情報を有する出力電圧Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４および出力電圧Ｓ２をそれぞれ個別に演算することで、互いに異なる方向の分力である第１の分力と第２の分力とを検出する。このため、力覚センサ１は、外力を検出するための演算処理を容易にすることで検出の応答性を向上させることができる。

図１５は、本実施形態に係る力覚センサにＺ軸に平行な軸方向力が加えられた場合を示す模式図である。力覚センサ１は、第１可動部２１を基部１０に向かって平行移動させる外力を検出することができる。第１可動部２１を基部１０に向かって平行移動させる外力は、図１５に示すＺ軸に平行な軸方向力Ｆｚである。

力覚センサ１にＺ軸に平行な軸方向力Ｆｚが加えられた場合、支持体３０に備えられた板バネ部３３は、図３で示した突出部３３ａ、３３ｂが一様にＺ軸方向に下がるように変形する。このため、支持体３０の上部固定具３２に固定された第１可動部２１は、基部１０に平行な状態を保ったままＺ軸方向に移動する。その結果、４つの第１センサ１５とそれぞれの第１センサ１５に対向する反射板１６との距離は、図１に示した距離Ｄｚよりも小さくなる。すなわち、図１５に示すように、Ｘ軸に平行な直線上に配置された２つの第１センサ１５とそれぞれの第１センサ１５に対向する反射板１６との距離Ｄｚ５、Ｄｚ６は、ともに距離Ｄｚよりも小さくなる。また、Ｙ軸に平行な直線上に配置された２つの第１センサ１５とそれぞれの第１センサ１５に対向する反射板１６との距離をそれぞれ距離Ｄｚ７、Ｄｚ８とすると、距離Ｄｚ７、Ｄｚ８は、ともに距離Ｄｚよりも小さくなる。

上述したように、第１センサ１５が検出する反射光強度は、第１センサ１５から反射板１６までの距離および反射板１６の反射率に応じて変化する。また、反射板１６の反射率は、一定である。このため、力覚センサ１にＺ軸に平行な軸方向力Ｆｚが加えられた場合、４つの第１センサ１５が検出する反射光強度は、一様に小さくなる。力覚センサ１の第１検出部６１は、４つの第１センサ１５が検出する反射光強度の一様に小さくなる変化から、Ｚ軸に平行な軸方向力Ｆｚが加えられていることを判断し、例えば、距離Ｄｚ５、Ｄｚ６、Ｄｚ７、Ｄｚ８の平均値から軸方向力Ｆｚの大きさを検出することができる。

距離演算部５３は、４つの第１センサ１５の出力電圧Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４に基づいて４つの出力を演算する。また、内部記憶装置４２ｆは、距離Ｄｚ５、Ｄｚ６、Ｄｚ７、Ｄｚ８の平均値と軸方向力Ｆｚの大きさとを対応付けた軸方向力データベースを記憶している。距離演算部５３が距離として出力する４つの出力がいずれも距離Ｄｚよりも小さい場合、力演算部５５は、内部記憶装置４２ｆに記憶された軸方向力データベースに距離演算部５３の出力の平均値を与えて、軸方向力Ｆｚの大きさを導出する演算処理を行う。そして、力演算部５５は、Ｚ軸に平行な軸方向力として外力データＰ１を制御部４１へ出力する。これにより、力覚センサ１は、力覚センサ１に加えられる軸方向力Ｆｚを検出することができる。

また、力覚センサ１において、支持体３０は、互いに隙間を空けて対向するように連結された複数の板バネ部３３を有していることが好ましい。例えば、複数の板バネ部３３は、各板バネ部３３における突出部３３ａおよび突出部３３ｂまたは突出部３３ｃおよび突出部３３ｄに配置されたスペーサを介してＺ軸方向に重ねられることで、互いに隙間を空けて対向するように連結される。これにより、力覚センサ１に第１可動部２１を基部１０に向かって平行移動させる外力が加えられた場合、それぞれの板バネ部３３が変形することができる。このため、板バネ部３３の数が多くなるほど、第１可動部２１が基部１０に向かって平行移動できる量が多くなる。よって、力覚センサ１は、第１可動部２１を基部１０に向かって平行移動させる外力が加えられた場合の第１可動部２１の移動量を調節することができる。また、力覚センサ１は、人間である操作者によって直接外力を与えられることで操作される可能性がある。よって、力覚センサ１は、第１可動部２１を基部１０に向かって平行移動させる外力が操作者によって加えられる場合に、操作者に第１可動部２１の移動を知覚させやすくすることで、操作性を向上させることができる。

なお、力覚センサ１は、永久磁石２４、２５に代えて、コイルばね等の弾性体を有していてもよい。例えば、力覚センサ１がコイルばねを有する場合、コイルばねの一方の端部が第１可動部２１に固定され、他方の端部が第２可動部２２に固定されていればよい。これにより、第１可動部２１に対する第２可動部２２の相対回転角度が変化すると、コイルばねが伸縮して弾性力を生じるため、当該相対回転角度が規制される。

なお、第１センサ１５および反射板１６が配置される位置は、上述した説明とは逆であってもよい。すなわち、第１センサ１５が第１可動部２１に設けられ、反射板１６が基部１０に設けられていてもよい。また、第２センサ２８および反射板２９が配置される位置は、上述した説明とは逆であってもよい。すなわち、第２センサ２８が第２可動部２２に設けられ、反射板２９が第１可動部２１に設けられていてもよい。

なお、反射板１６は、光に対する反射率が一様であればよく、材質、表面性状、色等の制限はない。また、第１可動部２１の基部１０側の表面の反射率が一様である場合、反射板１６は、なくてもよい。

なお、反射板２９は、高反射率領域２９ｗおよび低反射率領域２９ｂに代えて、光を多方向に拡散させる拡散領域および光を入射方向に反射する再帰性反射領域を有していてもよい。再帰性反射領域の光の反射率は、拡散領域の光の反射率よりも大きいため、力覚センサ１にＺ軸廻りのモーメントが加えられた場合、第２センサ２８が検出する反射光強度が変化する。また、反射板２９は、高反射率領域２９ｗおよび低反射率領域２９ｂに代えて、Ｚ軸に対する周方向で段階的に反射率が異なるグラデーション領域を有していてもよい。

なお、第２可動部２２は、反射板２９に代えて、第１可動部２１側の表面の一部を段階的に突出させるまたは段階的に窪ませることによって傾斜面を有していてもよい。このようにした場合、力覚センサ１にＺ軸廻りのモーメントが加えられたとき、第２センサ２８と当該傾斜面との距離が変化するため、第２センサ２８が検出する反射光強度が変化する。

なお、本実施形態において、第１検出部６１は、必ずしも４つの第１センサ１５を有する必要はない。第１検出部６１は、少なくとも３つ以上の第１センサ１５を有していればよい。

ところで、特許文献１〜３で示されるように、力覚センサに用いられる複数の光学式センサは、それぞれ発光素子および受光素子を備えている。発光素子には、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）が用いられ、受光素子には、例えばＰＤ(Photo Diode)が用いられる。しかしながら、ＬＥＤおよびＰＤには個体差があるため、ＬＥＤが放つ光量およびＰＤにおける単位受光量あたりの出力電圧は一定ではない。また、ＬＥＤおよびＰＤを力覚センサに取り付けるときに、取付誤差が生じる可能性がある。これにより、固定部および可動部の相対的な変位量とＰＤの出力電圧との相関関係が、複数の光学式センサ同士の間でバラつく可能性がある。このため、力覚センサが測定する外力に誤差が生じる可能性があった。

これに対して、発光素子および受光素子に起因する測定誤差を抑制するため、本実施形態に係る力覚センサ１は、検出回路２００を備えている。図１６は、本実施形態に係る検出回路の構成を示す模式図である。図１６に示すように、検出回路２００は、４つの発光側回路１７および４つの受光側回路１８を含む。１つの発光側回路１７と１つの受光側回路１８とが一対となっている。このため、検出回路２００は、４対の発光側回路１７および受光側回路１８を備えている。

発光側回路１７は、例えば電源１７１と、発光素子１７２と、固定抵抗器１７３と、発光側可変抵抗器１７４を備える。本実施形態に係る発光側回路１７においては、電源１７１、発光素子１７２、固定抵抗器１７３、発光側可変抵抗器１７４の順でそれぞれが電気的に接続されている。そして、発光側可変抵抗器１７４の一端が接地されている。受光側回路１８は、例えば電源１８１と、受光素子１８２と、固定抵抗器１８３と、受光側可変抵抗器１８４を備える。本実施形態に係る受光側回路１８においては、電源１８１、受光素子１８２、固定抵抗器１８３、受光側可変抵抗器１８４の順でそれぞれが電気的に接続されている。そして、受光側可変抵抗器１８４の一端が接地されている。

なお、発光側回路１７における電源１７１、発光素子１７２、固定抵抗器１７３および発光側可変抵抗器１７４の接続順は、電源１７１と接地点との間に発光素子１７２、固定抵抗器１７３および発光側可変抵抗器１７４が配置されていればよく、必ずしも上述した順でなくてもよい。受光側回路１８における電源１８１、受光素子１８２、固定抵抗器１８３および受光側可変抵抗器１８４の接続順は、電源１８１と接地点との間に受光素子１８２、固定抵抗器１８３および受光側可変抵抗器１８４が配置されていればよく、必ずしも上述した順でなくてもよい。

電源１７１は、例えば５Ｖの電圧を印加する直流電源である。発光素子１７２は、上述した説明における第１センサ１５の発光部に該当し、例えばＬＥＤである。発光側回路１７は、電源１７１により発光素子１７２に電圧を印加し、固定抵抗器１７３の抵抗および発光側可変抵抗器１７４の抵抗の和に応じた光量で発光素子１７２を発光させる。発光側可変抵抗器１７４は、例えばデジタル可変抵抗器である。４つの発光側可変抵抗器１７４は、それぞれ発光側抵抗制御部１７５を備えており、発光側抵抗制御部１７５から送信されるデジタル信号に基づいて抵抗の大きさを変化させかつ抵抗を所定値に保持することができる。これにより、検出回路２００は、４つの発光側可変抵抗器１７４を別々に調節することにより、４つの発光素子１７２が放つ光Ｅ１１、Ｅ１２、Ｅ１３、Ｅ１４の大きさを別々に調節することができる。

電源１８１は、例えば５Ｖの電圧を印加する直流電源である。受光素子１８２は、上述した説明における第１センサ１５の受光部に該当し、例えばＰＤである。電源１８１により受光素子１８２に電圧が印加されている状態で、発光素子１７２が放つ光を受光素子１８２が受け取ると、受光素子１８２に出力電圧が生じる。受光側回路１８は、第１センサ１５から反射板１６までの距離と固定抵抗器１７３の抵抗および発光側可変抵抗器１７４の抵抗の和に応じた大きさで受光素子１８２から出力される出力電圧を検出する。受光側可変抵抗器１８４は、例えばデジタル可変抵抗器である。４つの受光側可変抵抗器１８４は、それぞれ受光側抵抗制御部１８５を備えており、受光側抵抗制御部１８５から送信されるデジタル信号に基づいて抵抗の大きさを変化させかつ抵抗を所定値に保持することができる。これにより、検出回路２００は、４つの受光側可変抵抗器１８４を別々に調節することにより、４つの受光素子１８２が出力する出力電圧Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４の大きさを別々に調節することができる。

４つの発光側可変抵抗器１７４および４つの受光側抵抗制御部１８５を適切に調節するためには、図１に示した距離Ｄｚと出力電圧Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４との相関関係を高い精度で求める必要がある。この相関関係を求めた上で発光側可変抵抗器１７４および受光側抵抗制御部１８５を適切に調節するため、本実施形態に係る力覚センサ１には、キャリブレーション装置８が用いられる。

図１７は、本実施形態に係るキャリブレーション装置を示す模式図である。本実施形態に係るキャリブレーション装置８は、直動機構８０と、第１アーム８４と、第２アーム８５と、補正処理部９と、を備える。直動機構８０は、筐体８７と、直動シャフト８１と、回転シャフト８２と、モータ８３と、を備える。筐体８７は、例えば略直方体状であって上面が開口している。直動シャフト８１は、例えば円筒状の部材であって、内壁に雌ねじを有している。直動シャフト８１の一端は、軸方向に移動可能な状態で筐体８７に支持されている。回転シャフト８２は、例えば円柱状の部材であって、表面に雄ネジを有している。回転シャフト８２の一端が直動シャフト８１の他端に挿入されており、直動シャフト８１の雌ねじと回転シャフト８２の雄ねじとが螺合している。回転シャフト８２の他端は、モータ８３に連結されている。これにより、モータ８３が駆動すると、回転シャフト８２が回転し、直動シャフト８１が軸方向に移動する。

第１アーム８４は、例えば板状部材であって、直動シャフト８１の軸方向に対して直交する表面である第１平面８４１を有する。第１アーム８４の一端は、直動シャフト８１の表面に固定されている。これにより、直動シャフト８１が軸方向に移動すると、第１アーム８４は直動シャフト８１の軸方向に直動運動することができる。

第２アーム８５は、例えば板状部材であって、第１平面８４１に平行な第２平面８５１を有する。第２アーム８５の一端は、筐体８７の表面に固定されている。これにより、直動シャフト８１が軸方向に移動しても、第２アーム８５は移動しない。このため、直動シャフト８１が軸方向に移動すると、第１平面８４１から第２平面８５１までの距離が変化する。また、第２平面８５１には、図１で示したシャフト１１と略同径の窪みが設けられている。

補正処理部９は、マイクロコンピュータ（マイコン）等のコンピュータであり、図１４で示した演算処理部４２と同様に、入力インターフェースと、出力インターフェースと、ＣＰＵと、ＲＯＭと、ＲＡＭと、内部記憶装置と、を含んでいる。補正処理部９は、発光側回路１７および受光側回路１８に対して信号を送受信することができる。

図１に示した距離Ｄｚと出力電圧Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４との相関関係を求める際、図１７に示すように、第１アーム８４と第２アーム８５との間の位置に力覚センサ１が配置される。力覚センサ１は、例えば治具８６を介して筐体８７の上に載置されている。本実施形態において、力覚センサ１は、基部１０が第１平面８４１に対向し、かつ基部１０が第１平面８４１に平行になるように配置されている。力覚センサ１に外力が加わっていないときは基部１０、第１可動部２１および第２可動部２２は互いに平行であるため、第１平面８４１、基部１０、第１可動部２１、第２可動部２２および第２平面８５１は、互いに平行になっている。また、力覚センサ１は、キャリブレーション装置８に配置されるとき、図１で示したストッパー１９を備えていない。

図１８は、第１アームと第２アームとの距離を狭くしたときのキャリブレーション装置を示す模式図である。第１アーム８４と第２アーム８５との間の位置に力覚センサ１が配置された状態で、第１アーム８４が第２アーム８５に接近する方向に直動運動すると、図１８に示すように、力覚センサ１が第１アーム８４および第２アーム８５に挟まれて保持される。この時、第２可動部２２から突出するシャフト１１は、上述した第２平面８５１の窪みに収まる。治具８６は不要となるため取り除かれる。さらに第１アーム８４が直動運動すると、基部１０および第１可動部２１が平行を保ったまま接近する。すなわち、図１５に示した軸方向力Ｆｚだけが力覚センサ１に作用する状態となる。このため、４つの第１センサ１５の各々から反射板１６までの距離が一様に小さくなる。

図１９は、第１アームおよび第２アームが力覚センサを挟んだ状態での各部の寸法を示す模式図である。補正処理部９は、第１アーム８４の位置を検出することで、第１平面８４１から第２平面８５１までの距離δ４を検出することができる。また、基部１０の底面から第１センサ１５の端部までの距離δ２は一定であり、反射板１６の表面から第２可動部２２の上面までの距離δ３も一定である。補正処理部９は、予め距離δ２および距離δ３を記憶している。したがって、補正処理部９は、距離δ４から距離δ２および距離δ３を減算することで、第１センサ１５から反射板１６までの距離δ４を算出することができる。補正処理部９は、第１アーム８４の直動運動に伴い、距離δ４を随時算出することができる。

力覚センサ１が第１アーム８４および第２アーム８５に挟まれた状態で、発光素子１７２が電源１７１（図１６参照）により電圧を印加され、受光素子１８２が電源１８１（図１６参照）により電圧を印加される。これにより、受光素子１８２は、距離δ４に応じた出力電圧を随時出力する。

図２０は、本実施形態に係る補正処理部９をブロック図で示した模式図である。補正処理部９は、寸法記憶部９１と、距離演算部９２と、ＡＤ変換部９３と、相関関係記憶部９４と、補正値演算部９５と、基準値記憶部９６と、を備える。寸法記憶部９１は、図１９で示した距離δ２、δ３を記憶している。距離演算部９２は、第１アーム８４から距離δ４のデータを受け取り、寸法記憶部９１から距離δ２、δ３のデータを受け取る。距離演算部９２は、距離δ４から距離δ２および距離δ３を減算することで距離δ４を演算し、相関関係記憶部９４に出力する。ＡＤ変換部９３は、受光側回路１８の受光素子１８２から出力されるアナログデータである出力電圧Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４をデジタル変換し、相関関係記憶部９４に出力する。相関関係記憶部９４は、距離演算部９２から得た距離δ４の値とＡＤ変換部９３から得た出力電圧Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４の値とに基づいて、距離δ４と出力電圧Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４との相関関係を記憶し、補正値演算部９５に出力する。基準値記憶部９６は、例えば距離δ４と受光素子１８２の出力電圧との理論上の相関関係を記憶している。補正値演算部９５は、相関関係記憶部９４から得た相関関係と、基準値記憶部９６から得た理論上の相関関係と、に基づいて発光側可変抵抗器１７４に対する補正値である発光側補正値を演算できる。補正値演算部９５は、発光側補正値を発光側抵抗制御部１７５に出力できる。また、補正値演算部９５は、相関関係記憶部９４から得た相関関係と、基準値記憶部９６から得た理論上の相関関係と、に基づいて光側可変抵抗器１８４に対する補正値である受光側補正値を演算できる。補正値演算部９５は、受光側補正値を受光側抵抗制御部１８５に出力できる。

図２１は、本実施形態に係るキャリブレーション装置を用いたキャリブレーション方法を示すフローチャートである。図２２は、第１センサから反射板までの距離と受光素子の出力電圧との実際の相関関係の一例を示すグラフである。図２３は、第１センサから反射板までの距離と受光素子の出力電圧との実際の相関関係の一例を示すグラフである。図２４は、第１センサから反射板までの距離と受光素子の出力電圧との理論上の相関関係の一例を示すグラフである。

まず、力覚センサ１がキャリブレーション装置８に載置される（ステップＳＴ１）。より具体的には、図１７で示したように第１アーム８４および第２アーム８５の間の位置で治具８６を介して筐体８７の上に載置される。

次に、４つの受光素子１８２の出力電圧Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４が受光素子１８２の作動範囲を超えて基底値に至るまで、第１アーム８４が第２アーム８５に接近する方向に直動運動する（ステップＳＴ２）。例えば本実施形態において、基底値は０Ｖである。出力電圧Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４が０Ｖである状態で、第１アーム８４の直動運動が停止する。

次に、第１アーム８４が第２アーム８５から離れる方向に直動運動する（ステップＳＴ３）。この時、第１センサ１５から反射板１６までの距離δ４と受光素子１８２の出力電圧Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４との相関関係を、図２０で示した相関関係記憶部９４が記憶する。図２２中の曲線Ｌ１は、距離δ４と出力電圧Ｓ１１との相関関係を示す。曲線Ｌ２は、距離δ４と出力電圧Ｓ１２との相関関係を示す。曲線Ｌ３は、距離δ４と出力電圧Ｓ１３との相関関係を示す。曲線Ｌ４は、距離δ４と出力電圧Ｓ１４との相関関係を示す。

図２２に示すように、出力電圧が０Ｖから立ち上がる点に対応する距離δ４が、４つの曲線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４間でバラついている。例えば、曲線Ｌ４において出力電圧が０Ｖから立ち上がる点に対応する距離δ４が約０．４ｍｍであるのに対して、曲線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３においては約０．４ｍｍよりも小さい。このような曲線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４間でのバラつきは、発光素子１７２の個体差に起因している可能性がある。

次に、図２０で示した補正値演算部９５が、発光側補正値を演算する（ステップＳＴ４）。図２４中の曲線Ｌ９は、距離δ４と出力電圧との理論上の相関関係を示す。補正値演算部９５は、曲線Ｌ９における任意の距離δ４に対応する出力電圧と、曲線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４における当該任意の距離δ４に対応する出力電圧と、の差異に基づき４つの発光側補正値を別々に演算する。例えば、補正値演算部９５は、曲線Ｌ９における距離δ４が０．４ｍｍの場合の出力電圧と、曲線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４における距離δ４が０．４ｍｍの場合の出力電圧と、の差異に基づき４つの発光側補正値を別々に演算する。

次に、補正値演算部９５が発光側可変抵抗器１７４の補正を行う（ステップＳＴ５）。具体的には、補正値演算部９５が、ステップＳＴ４で演算した４つの発光側補正値をデジタル信号として４つの発光側抵抗制御部１７５に別々に出力する。そして、発光側補正値のデジタル信号を受け取った４つの発光側抵抗制御部１７５が、それぞれ発光側可変抵抗器１７４の補正を行う。これにより、４つの発光素子１７２のそれぞれが放つ光量が変化する。このため、一定の反射光が受光素子１８２に届く距離δ４が変化する。これは、図２２において、４つの曲線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４の位置が横軸方向に移動することを意味する。その結果、距離δ４と出力電圧Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４との相関関係は、図２３に示す曲線Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８のようになる。

次に、第１アーム８４が再び直動運動する（ステップＳＴ６）。例えば、第１アーム８４は、第１センサ１５から反射板１６までの距離δ４が略０ｍｍとなる位置から距離δ４が略５ｍｍとなる位置まで直動運動する。この時、距離δ４と受光素子１８２の出力電圧Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４との相関関係を、図２０で示した相関関係記憶部９４が記憶する。図２３中の曲線Ｌ５は、距離δ４と出力電圧Ｓ１１との相関関係を示す。曲線Ｌ６は、距離δ４と出力電圧Ｓ１２との相関関係を示す。曲線Ｌ７は、距離δ４と出力電圧Ｓ１３との相関関係を示す。曲線Ｌ８は、距離δ４と出力電圧Ｓ１４との相関関係を示す。

図２３に示すように、距離δ４が略０ｍｍの場合では、曲線Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８が各々示す相関関係は揃っている。しかし、距離δ４が略５ｍｍの場合では曲線Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８が各々示す相関関係はバラついている。このような曲線Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８間でのバラつきは、受光素子１８２の個体差に起因している可能性がある。

次に、図２０で示した補正値演算部９５が、受光側補正値を演算する（ステップＳＴ７）。補正値演算部９５は、図２４で示す曲線Ｌ９における任意の距離δ４に対応する出力電圧と、曲線Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８における当該任意の距離δ４に対応する出力電圧と、の差異に基づき４つの受光側補正値を別々に演算する。例えば、補正値演算部９５は、曲線Ｌ９における距離δ４が４ｍｍの場合の出力電圧と、曲線Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８における距離δ４が４ｍｍの場合の出力電圧と、の差異に基づき４つの受光側補正値を別々に演算する。

次に、補正値演算部９５が受光側可変抵抗器１８４の補正を行う（ステップＳＴ８）。具体的には、補正値演算部９５が、ステップＳＴ７で演算した４つの受光側補正値をデジタル信号として４つの受光側抵抗制御部１８５に別々に出力する。そして、受光側補正値のデジタル信号を受け取った４つの受光側抵抗制御部１８５が、それぞれ受光側可変抵抗器１８４の補正を行う。これにより、４つの受光素子１８２のそれぞれにおいて、距離δ４の変化量に対する出力電圧の変化量が変化する。これは、図２３において、４つの曲線Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８の任意の距離δ４に対応する位置が縦軸方向に変化することを意味する。これにより、距離δ４と出力電圧Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４との相関関係が、曲線Ｌ９が示す理論上の相関関係と揃うまたは近くなる。

ところで、受光素子１８２が高感度である場合、蛍光灯等の可視光がキャリブレーションの精度に影響を与える可能性がある。このため、図１に示すように遮光性の筐体１００で力覚センサ１が覆われた状態でキャリブレーションを行うことが望ましい。そのためには、発光側可変抵抗器１７４および受光側可変抵抗器１８４が筐体１００の内側に配置される場合、発光側可変抵抗器１７４および受光側可変抵抗器１８４と補正処理部９とのデジタル信号の送受信が、電波等を用いて無線で行われることが好ましい。または、発光側可変抵抗器１７４および受光側可変抵抗器１８４が、筐体１００の外側に配置されていることが望ましい。発光側可変抵抗器１７４および受光側可変抵抗器１８４が筐体１００の外側に配置されている場合、発光側可変抵抗器１７４および受光側可変抵抗器１８の故障時等における交換が容易になる。

なお、本実施形態に係る発光側可変抵抗器１７４および受光側可変抵抗器１８４は、必ずしもデジタル可変抵抗器でなくてもよく、アナログ可変抵抗器であってもよい。アナログ可変抵抗器は、手動で抵抗を変化させかつ抵抗を所定値に保持することができる可変抵抗器である。発光側可変抵抗器１７４および受光側可変抵抗器１８４がアナログ可変抵抗器である場合、上述したキャリブレーション方法で補正処理部９が自動的に行っていた工程を、手動で行うこととなる。したがって、筐体１００で力覚センサ１が覆われた状態でキャリブレーションを行うためには、発光側可変抵抗器１７４および受光側可変抵抗器１８４が筐体１００の外側に配置されている必要がある。また、アナログ可変抵抗器は抵抗を変化させる際に機械的な摺動部分が生じるのに対して、デジタル可変抵抗器は抵抗を変化させる際に機械的な摺動部分が生じない。このため、発光側可変抵抗器１７４および受光側可変抵抗器１８４がデジタル可変抵抗器である方が、発光側可変抵抗器１７４および受光側可変抵抗器１８４に故障等が発生しにくくなり長寿命化する点で好ましい。

なお、上述した説明においては、測定した相関関係と理論上の相関関係との差異に基づいてキャリブレーションを行っていたが、他の方法でキャリブレーションを行ってもよい。例えば、補正値演算部９５が、任意の距離δ４での出力電圧について、図２２に示した４つの曲線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４の平均値を求め、当該平均値と基準値とに基づいて発光側補正値を演算してもよい。例えば、補正値演算部９５が、任意の距離δ４での出力電圧について、図２３に示した４つの曲線Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８の平均値を求め、当該平均値と基準値とに基づいて受光側補正値を演算してもよい。

または、図２２に示した４つの曲線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４のうちいずれか１つの曲線を基準として、補正値演算部９５が発光側補正値を演算してもよい。例えば、４つの曲線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４のうち出力電圧の立ち上がりが最も早い曲線、すなわち出力電圧が０Ｖから立ち上がる点に対応する距離δ４が最も小さい曲線である曲線Ｌ１を基準として、補正値演算部９５が発光側補正値を演算してもよい。これにより、基準とした曲線Ｌ１に対応する発光側可変抵抗器１７４の補正が不要になるので、演算する必要のある発光側補正値が３つになる。また、図２３に示した４つの曲線Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８のうちいずれか１つの曲線を基準として、補正値演算部９５が受光側補正値を演算してもよい。例えば、４つの曲線Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８のうち距離δ４の変化に応じた出力電圧の変化が最も大きい曲線Ｌ５を基準として補正値演算部９５が受光側補正値を演算してもよい。これにより、基準とした曲線Ｌ５に対応する受光側可変抵抗器１８４の補正が不要になるので、演算する必要のある受光側補正値が３つになる。このようにすることで、演算する必要のある発光側補正値または受光側補正値の数が減るため、キャリブレーションの工程が減り、キャリブレーションがより容易になる。

なお、本実施形態に係るキャリブレーション装置８は、第１アーム８４を直動運動させるのではなく、第２アーム８５を直動運動させてもよい。また、キャリブレーション装置８は、第１アーム８４および第２アーム８５の両方を直動運動させてもよい。すなわち、キャリブレーション装置８は、第１アーム８４および第２アーム８５のうち少なくとも一方を直動運動させればよい。

以上で述べたように、力覚センサ１は、板状部材である基部１０と、基部１０に対向して配置され、かつ基部１０に平行な板状部材である第１可動部２１と、基部１０に設けられ、第１可動部２１を揺動可能に支持する支持体３０と、基部１０および第１可動部２１の一方に設けられ、発光素子１７２および受光素子１８２を含む複数の第１センサ１５と、基部１０および第１可動部２１の他方に設けられ、発光素子１７２から放たれる光を受光素子１８２に向かって反射する反射板１６と、を備える。本実施形態に係る検出回路２００は、力覚センサ１における受光素子１８２の出力電力を検出する。検出回路２００は、複数の発光側回路１７と、複数の受光側回路１８を備える。複数の受光側回路１８の各々は、複数の発光側回路１７の各々に一対に設けられる。発光側回路１７は、発光素子１７２と発光側可変抵抗器１７４とを含み、発光側可変抵抗器１７４の抵抗に応じた光量で発光素子１７２を発光させる。受光側回路１８は、受光素子１８２と受光側可変抵抗器１８４とを含み、第１センサ１５から反射板１６までの距離と受光側可変抵抗器１８４の抵抗とに応じた大きさで受光素子１８２から出力される出力電圧を検出する。

本実施形態に係る検出回路２００を用いることにより、力覚センサ１を組み立てた後で、発光素子１７２の光量および受光素子１８２の出力電圧を調節することが可能になる。これにより、本実施形態に係る検出回路２００は、第１センサ１５から反射板１６までの距離と受光素子１８２の出力電圧との相関関係の、複数の第１センサ１５間でのバラつきを補正することができる。このため、検出回路２００は、複数の第１センサ１５間での測定誤差を抑制し、力覚センサ１における外力の検出精度を向上させることができる。

本実施形態に係る力覚センサ１は、検出回路２００と、基部１０および第１可動部２１を覆う遮光性の筐体１００と、を備える。

これにより、力覚センサ１は、第１センサ１５から反射板１６までの距離と受光素子１８２の出力電圧との相関関係の、複数の第１センサ１５間でのバラつきを補正する際に、外光（発光素子１７２が放つ光以外の光）の影響を抑制することができる。力覚センサ１は、複数の第１センサ１５間での測定誤差をより抑制しやすくなり、外力の検出精度をより向上させることができる。

また、本実施形態に係る力覚センサ１において、発光側可変抵抗器１７４および受光側可変抵抗器１８４は、デジタル信号に基づいて抵抗を変化させかつ抵抗を所定値に保持することができるデジタル可変抵抗器である。

デジタル可変抵抗器は抵抗を変化させる際に機械的な摺動部分が生じない。このため、発光側可変抵抗器および受光側可変抵抗器に故障等が発生しにくくなり長寿命化することで、力覚センサ１の信頼性が向上する。

また、本実施形態に係る力覚センサ１において、発光側可変抵抗器１７４および受光側可変抵抗器１８４は、筐体１００の外側に配置されている。

これにより、力覚センサ１は、発光側可変抵抗器１７４および受光側可変抵抗器１８４に故障等が生じたときに、発光側可変抵抗器１７４および受光側可変抵抗器１８４の交換を容易にすることができる。

本実施形態に係るキャリブレーション装置８は、平坦な表面である第１平面８４１を備える第１アーム８５と、第１平面８４１に平行な第２平面８５２を備える第２アーム８５と、第１アーム８４および第２アーム８５の少なくとも一方を、第１平面８４１に対して直交する方向に直動運動させる直動機構８０と、を備える。キャリブレーション装置８は、基部１０と第１可動部２１とが平行である状態を保ったまま、第１センサ１５から反射板１６までの距離を変化させることができる。

これにより、キャリブレーション装置８は、第１センサ１５から反射板１６までの距離と受光素子１８２の出力電圧との相関関係をより高い精度で求めることができる。このため、キャリブレーション装置８は、複数の第１センサ１５間での測定誤差をより抑制しやすくし、力覚センサ１における外力の検出精度をより向上させることができる。

本実施形態に係るキャリブレーション方法は、ステップＳＴ１ないしステップＳＴ８を含む。ステップＳＴ１は、力覚センサ１を第１アーム８４と第２アーム８５との間に載置するステップである。ステップＳＴ２は、ステップＳＴ１の後で、複数の受光側回路１８
のいずれにおいても受光素子１８２の出力電圧が基底値（本実施形態においては０Ｖ）になるまで、第１アーム８４および第２アーム８５の少なくとも一方を直動運動させるステップである。ステップＳＴ３は、ステップＳＴ２の後で、第１アーム８４および第２アーム８５の少なくとも一方を互いに離れる方向に直動運動させるステップである。ステップＳＴ４は、ステップＳＴ３の後で、発光側可変抵抗器１７４に対する補正値である発光側補正値を複数の発光側回路１７に対して別々に演算するステップである。ステップＳＴ５は、ステップＳＴ４の後で、発光側補正値に基づいて発光側可変抵抗器１７４の補正を行うステップである。ステップＳＴ６は、ステップＳＴ５の後で、第１アーム８４および第２アーム８５の少なくとも一方を、直動運動させるステップである。ステップＳＴ７は、ステップＳＴ６の後で、受光側可変抵抗器１８４に対する補正値である受光側補正値を複数の受光側回路１８に対して別々に演算するステップである。ステップＳＴ８は、ステップＳＴ７の後で、受光側補正値に基づいて受光側可変抵抗器１８４の補正を行うステップである。

このキャリブレーション方法を用いると、まず、第１センサ１５から反射板１６までの距離と受光素子１８２の出力電圧との相関関係の複数の第１センサ１５間でのバラつきのうち、複数の発光素子１７２に起因するバラつきが揃う。その後に、第１センサ１５から反射板１６までの距離と受光素子１８２の出力電圧との相関関係の複数の第１センサ１５間でのバラつきのうち、複数の発光素子１７２に起因するバラつきが揃う。キャリブレーション方法は、第１センサ１５から反射板１６までの距離と受光素子１８２の出力電圧との相関関係の、複数の第１センサ１５間でのバラつきを補正することができる。このため、キャリブレーション方法は、複数の第１センサ１５間での測定誤差を抑制し、力覚センサ１における外力の検出精度を向上させることができる。また、キャリブレーション方法は、力覚センサ１に対するキャリブレーションの効率を向上させることができる。

（変形例）
図２５は、変形例に係る力覚センサを示す模式図である。変形例に係る力覚センサ１Ａは、上述した実施形態に対して第２可動部２２および第２検出部６２を有さない点が異なる。なお、上述した実施形態で説明したものと同じ構成要素には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

変形例に係る力覚センサ１Ａは、基部１０と、第１可動部２１と、第１検出部６１と、を有する。基部１０は、支持体３０と、第１センサ１５と、ストッパー１９と、を有する。支持体３０の上部固定具３２には、第１可動部２１が実施形態で示した方法で取り付けられている。変形例に係る力覚センサ１Ａは、第１検出部６１を有するので、実施形態で示した方法により、第１可動部２１を搖動させる第１の分力を検出することができる。

変形例に係る力覚センサ１Ａは、第１可動部２１のＺ軸方向に重なる第２可動部２２を有さないので、実施形態と比較して、Ｚ軸方向の高さが低くなる。よって、変形例２に係る力覚センサ１Ａは、装置全体を小型化することができる。また、変形例に係る力覚センサ１Ａに対しても、上述した実施形態と同様にキャリブレーション装置８を用いることができる。

１、１Ａ 力覚センサ
１０ 基部
１１ シャフト
１２ スラストころ軸受
１５ 第１センサ
１５ｂ センサ台
１６ 反射板
１７ 発光側回路
１７１ 電源
１７２ 発光素子
１７３ 固定抵抗器
１７４ 発光側可変抵抗器
１７５ 発光側抵抗制御部
１８ 受光側回路
１８１ 電源
１８２ 受光素子
１８３ 固定抵抗器
１８４ 受光側可変抵抗器
１８５ 受光側抵抗制御部
１９ ストッパー
２１ 第１可動部
２１ｃ ボルト
２１ｐ 第１可動部片
２２ 第２可動部
２２ｈ 貫通孔
２４、２５ 永久磁石
２４ｂ、２５ｂ ベース
２６、２７ ストッパー
２８ 第２センサ
２９ 反射板
２９ｂ 低反射率領域
２９ｗ 高反射率領域
２９ｌ 境界線
２００ 検出回路
３０ 支持体
３１ 下部固定具
３２ 上部固定具
３２１、３２２ 端面
３２ｃ ボルト
３２ｈ 貫通孔
３２ｓ スリット
３３ 板バネ部
３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ 突出部
３３ｘ ベース部
３５ 深溝玉軸受
３６、３７ スペーサ
４１ 制御部
４２ 演算処理部
５１、５２ ＡＤ変換部
５３ 距離演算部
５４ 角度演算部
５５、５６ 力演算部
６１ 第１検出部
６２ 第２検出部
８ キャリブレーション装置
８０ 直動機構
８１ 直動シャフト
８２ 回転シャフト
８３ モータ
８４ 第１アーム
８５ 第２アーム
８６ 治具
８７ 筐体
９ 補正処理部
９１ 寸法記憶部
９２ 距離演算部
９３ ＡＤ変換部
９４ 相関関係記憶部
９５ 補正値演算部
９６ 基準値記憶部
ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３、ＣＳ４ 仮想断面
Ｅ１１、Ｅ１２、Ｅ１３、Ｅ１４ 光
Ｆｚ 軸方向力
Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ モーメント
Ｐ１、Ｐ２ 外力データ
Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４、Ｓ２ 出力電圧

Claims (6)

1. 板状部材である基部と、
   前記基部に対向して配置され、かつ前記基部に平行な板状部材である可動部と、
   前記基部に設けられ、前記可動部を揺動可能に支持する支持体と、
   前記基部および前記可動部の一方に設けられ、発光素子および受光素子を含む複数のセンサと、
   前記基部および前記可動部の他方に設けられ、前記発光素子から放たれる光を前記受光素子に向かって反射する反射板と、
   を備える力覚センサにおける前記受光素子の出力電圧を検出する検出回路であって、
   前記発光素子と発光側可変抵抗器とを含み、前記発光側可変抵抗器の抵抗に応じた光量で前記発光素子を発光させる複数の発光側回路と、
   前記受光素子と受光側可変抵抗器とを含み、前記複数の発光側回路の各々に一対に設けられ、前記センサから前記反射板までの距離と前記受光側可変抵抗器の抵抗とに応じた大きさで前記受光素子から出力される出力電圧を検出する複数の受光側回路と、
   を備えることを特徴とする検出回路。
2. 請求項１に記載の検出回路と、
   前記基部および前記可動部を覆う遮光性の筐体と、
   を備えることを特徴とする力覚センサ。
3. 前記発光側可変抵抗器および前記受光側可変抵抗器は、デジタル信号に基づいて抵抗を変化させかつ抵抗を所定値に保持することができるデジタル可変抵抗器であることを特徴とする請求項２に記載の力覚センサ。
4. 前記発光側可変抵抗器および前記受光側可変抵抗器は、前記筐体の外側に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の力覚センサ。
5. 請求項２から４のいずれか１項に記載の力覚センサに用いられるキャリブレーション装置であって、
   平坦な表面である第１平面を備える第１アームと、
   前記第１平面に平行な第２平面を備える第２アームと、
   前記第１アームおよび前記第２アームの少なくとも一方を、前記第１平面に対して直交する方向に直動運動させる直動機構と、を備え、
   前記基部と前記可動部とが平行である状態を保ったまま、前記センサから前記反射板までの距離を変化させることができることを特徴とするキャリブレーション装置。
6. 請求項５に記載のキャリブレーション装置を用いたキャリブレーション方法であって、
   前記力覚センサを前記第１アームと前記第２アームとの間に載置する第１ステップと、
   前記第１ステップの後で、前記複数の受光側回路のいずれにおいても前記受光素子の出力電圧が基底値になるまで、前記第１アームおよび前記第２アームの少なくとも一方を直動運動させる第２ステップと、
   前記第２ステップの後で、前記第１アームおよび前記第２アームの少なくとも一方を互いに離れる方向に直動運動させる第３ステップと、
   前記第３ステップの後で、前記発光側可変抵抗器に対する補正値である発光側補正値を前記複数の発光側回路に対して別々に演算する第４ステップと、
   前記第４ステップの後で、前記発光側補正値に基づいて前記発光側可変抵抗器の補正を行う第５ステップと、
   前記第５ステップの後で、前記第１アームおよび前記第２アームの少なくとも一方を、直動運動させる第６ステップと、
   前記第６ステップの後で、前記受光側可変抵抗器に対する補正値である受光側補正値を前記複数の受光側回路に対して別々に演算する第７ステップと、
   前記第７ステップの後で、前記受光側補正値に基づいて前記受光側可変抵抗器の補正を行う第８ステップと、
   を含むことを特徴とするキャリブレーション方法。

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