JP4035515B2 - 光学式変位センサおよび外力検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学式変位センサおよび外力検出装置に関し、詳しくは、基準体すなわち支持部と検出体すなわち受力部との相対位置の変位を光の受光位置のずれによって検出する光学式変位センサ、および、その光学式変位センサの出力に基づいて前記検出体すなわち受力部に印加された外力を検出する外力検出装置に関する。

従来から、支持部すなわち基準体に対する受力部すなわち検出体の相対変位を光学式変位センサによって検出し、光学式変位センサからの信号に基づいて受力部に印加された外力を算出する、光学式６軸力センサ等の外力検出装置が知られている。

たとえば光学式６軸力センサでは、６軸方向の変位に基づいて６軸方向の力を算出するようにしており、６軸方向の変位を計測するための光学式変位センサを設けた構成としている。

この光学式６軸力センサは、６軸方向の変位を計測するために光センサユニットをベースとしたＸＹ方向の２軸方向の変位を計測することができる光学式変位センサを３つ設けて構成される。

光センサユニットは、光源となるＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、発光ダイオード）と受光素子となるＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ、フォトダイオード）の光軸を一致させて対向配置する。ＰＤは４分割されて、その中心部にＬＥＤからの光が照射され、光学式変位センサでは、このＰＤにおける光の受光位置の変位すなわちＬＥＤが取り付けられた部品とＰＤが取り付けられた部品との相対位置の変位を検出することができるようになっている。

光学式６軸力センサでは、このような各光学式変位センサからの出力に基づいて、ＬＥＤが取り付けられた部品とＰＤが取り付けられた部品との間に印加された６軸力を算出する。

図９は、特許文献１に記載された従来の６軸力センサを示す平面図である。

図９に示すように、従来の６軸力センサ１０１は、円筒状の支持部１０２と、その支持部１０２の中心部に配置される受力部１０３と、これら支持部１０２と受力部１０３との間を連結するスポーク状の弾性連結部１０４を３本有して構成されるフレーム１０５とを備えて構成される。

このフレーム１０５は、アルミ合金材から切削加工および放電加工によって削り出して形成した一体のもので、弾性連結部１０４は屈曲して形成され、計測すべき力に対して所望の変位量が得られるように工夫されている。

支持部１０２および受力部１０３は、計測すべき力が加えられる２部材にそれぞれ固着される。これによって、６軸力センサ１０１に力が作用したとき、支持部１０２と受力部１０３との間に３軸方向の微少変位と３軸回りの微少回転とが生じる。

図９に示すように、支持部１０２には３個の光源１０９が１２０度回転対称に配置され、受力部１０３には、３個の光センサ１０８が１２０度回転対称に、３個の光源１０９のそれぞれと光軸をあわせて対向して配置されており、光センサ１０８とそれと対向する光源１０９とで光センサユニット１１０（光学式変位センサ）を構成する。

図１０は、図９に示した従来の光センサユニット（光学式変位センサ）の説明をする概略斜視図である。

図１０に示すように、光センサユニット１１０の光センサ１０８は、ｘ軸およびｙ軸の上下左右に４分割配置されたＰＤ（フォトダイオード）１０８ａから成る。

支持部１０２には各光センサ１０８に対向する位置それぞれに各光源１０９が設けられている。この光源１０９は、赤外線高輝度ＬＥＤ（発光ダイオード）の前方にピンホールを設けたものであり、そのピンホールから拡散する光が光センサ１０８に投射されるようになっている。

このようにして、支持部１０２と受力部１０３との相対位置が変化したときには、各ＰＤ１０８ａへの光量の比率が変化し、この比率を計測することによってｘ軸、ｙ軸方向の変位が計測されるようになっている。６軸力センサ１０１は、この変位に基づいて６軸方向の力を算出して出力する。

以上説明し、図９および図１０に示したように、従来の６軸力センサ１０１は、計測しようとする力が加えられることによって変形する構造材としての弾性連結部１０４を有する弾性フレーム１０５と、その変位を検出する光センサ１０８および光源１０９から成る３個の光センサユニット１１０とを有して構成される。

特開平３−２４５０２８号公報

ところで、このような６軸力センサ（外力検出装置）は、主として産業用ロボットにおける足首や手首等の制御において外力を検出するのに用いられるが、ロボットの動きをより高性能化するためには、手や足の指にも６軸力センサを使用するのが望ましく、これに対応するためには、６軸力センサの小型化、小径化が求められる。

ところが、従来の６軸力センサでは、上述のように、３組の光学式変位センサのそれぞれで光源と受光素子の両方を備える必要があるため、光源および受光素子の大きさ等による制約を受け、外力検出装置の小径化には限界が生じていた。また、３組の光学式変位センサのそれぞれで光源と受光素子の両方を備える必要があるため、高価な半導体デバイスをそれだけ必要とし、６軸力センサのコストを下げるのは難しかった。

本発明は上記の点にかんがみてなされたもので、従来よりも装置の小径化を図るとともに、コストの低減を可能とした６軸力センサを提供することを目的とする。

本発明は上記の目的を達成するために、支持部に対する受力部の相対変位を３個の受光素子を有する光学式変位センサによって検出し、前記光学式変位センサからの信号に基づいて前記支持部と受力部とに相対的に印加された外力を算出する外力検出装置において、前記光学式変位センサは、前記受力部の中心軸上に配置され前記中心軸方向に光を出射する１個の光源と、前記中心軸上に順次配設される光分岐体および光反射体と、前記支持部の外周部に１２０度回転対称に配設されるとともにそれぞれの受光面が前記受力部の中心軸を向く前記３個の受光素子とから構成され、前記光源から出射した光を前記光分岐体に入射させることにより、１２０度回転対称方向に出射する３本の光ビームを生成させ、該生成した３本の光ビームを、前記光反射体に入射させることにより、前記中心軸に直交する面内方向に反射させた後、対応する前記受光素子の各々に入射させるように構成し、前記３個の受光素子による前記光ビームの受光結果に基づいて、前記支持部に対する前記受力部の相対変位を検出するものであることを特徴とする。

また本発明は請求項１に記載の発明において、前記光分岐体が、２次元回折格子であることを特徴とする。

また本発明は請求項１または２に記載の発明において、前記光反射体が、三面反射ミラーであることを特徴とする。

また本発明は請求項１または２に記載の発明において、前記光反射体が、円錐ミラーであることを特徴とする。

また本発明は、基準体または検出体のどちらかに設けられた発光部と、前記基準体および前記検出体のうち前記発光部が設けられているのとは別のほうに設けられた受光部とを有し、前記発光部から出射された光を前記受光部で受光し、該受光結果に基づいて、前記基準体に対する前記検出体の相対変位を検出する光学式変位センサにおいて、前記発光部が、所定軸上に配置され前記所定軸方向に光を出射する１個の光源と、前記所定軸上に順次配設される光分岐体および光反射体とから構成され、前記受光部が、前記所定軸を中心軸とする円周上に１２０度回転対称に配設されるとともにそれぞれの受光面が前記所定軸を向く３個の受光素子によって構成され、前記光源から出射した光を前記光分岐体に入射させることにより、１２０度回転対称方向に出射する３本の光ビームを生成させ、該生成した３本の光ビームを、前記光反射体に入射させることにより、前記所定軸に直交する面内方向に反射させた後、対応する前記受光素子の各々に入射させるように構成し、前記３個の受光素子による前記光ビームの受光結果に基づいて、前記基準体に対する前記検出体の相対変位を検出することを特徴とする。

本発明によれば、従来よりも装置の小径化を図るとともに、コストの低減を可能とした６軸力センサを提供することができる。

すなわち本発明によれば、光源および受光素子の両方を備えた３組の光学式変位センサを設ける代わりに、１つの光源と３つの受光素子によって成る光学式変位センサを設けるようにしたので、光源が１つで済むことから、センサを小型化することができ、また、高価な光源用半導体デバイスおよびその駆動用電気回路部が１つで済むので従来よりもコストを低減することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

なお、本実施の形態では、図９に示したような光学式６軸力センサに適用可能な、光学式変位センサについて説明するが、本発明が適用される外力検出装置は、光学式６軸力センサすなわち６軸力を検出するものに限られないことは言うまでもない。

図１は、本発明による６軸力センサの一実施の形態の外観を示す斜視図である。

図１に示すように、本実施の形態の６軸力センサ２０は、円柱状の形状に形成され、本体２１ａの上部に円板上の上部蓋２１ｂがされて構成される。

図２は、図１に示した６軸力センサ２０から上部蓋２１ｂを外して上から見た概略平面図である。

また、図３は、図２に示した６軸力センサ２０を側面から内部が見えるようにした側面断面図である。

図２に示すように、本実施の形態の６軸力センサ２０は、円筒状の支持部２２と、その支持部２２の中心部に配置される受力部２３と、これら支持部２２と受力部２３との間を連結するスポーク状の弾性連結部２４を３本有するフレーム２５とを備えて構成される。

このフレーム２５は、アルミ合金材から切削加工および放電加工によって削り出して形成した一体のもので、弾性連結部２４は屈曲して形成され、全方向に弾性変形しやすくされている。

支持部２２および受力部２３は、計測すべき力が加えられる２部材にそれぞれ固着される。これによって、６軸力センサ２０に力が作用したとき、支持部２２と受力部２３との間に３軸方向の微少変位と３軸回りの微少回転とが生じる。

図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面を示した図である。

図２および図３に示すように、支持部２２には３個の受光素子１ａ、１ｂ、１ｃが１２０度回転対称に配置されている。この受光素子１ａ、１ｂ、１ｃの受光面は受力部２３の中心軸を向くように配設されている。

一方、受力部２３には、受力部２３の中心軸上に、この中心軸方向に光を出射する光源２と、光分岐体である回折格子３と、光反射体である三角錐ミラー４とが設けられている。

光源２から出射された光は、回折格子３を通過する際に分岐され、三角錐ミラー４で反射され、受光素子１ａ、１ｂ、１ｃのそれぞれの受光面に入射する。

本実施の形態では、図２および図３に示すように、光源２と回折格子３と三角錐ミラー４と受光素子１ａ、１ｂ、１ｃとによって光センサユニットすなわち光学式変位センサを構成する。

図４は、図２および図３に示した光センサユニットの組み合わせの構成の例を示す斜視図である。

なお、図４においては、見易さのために受光素子１ｃの図示を省略している。

光源（たとえば発光ダイオード）２からの光ビーム５は回折格子（たとえば２次元回折格子）３に入射する。この光ビーム５は回折格子３によって３本の光ビーム５ａ、５ｂ、５ｃに分岐される。なお、分岐される本数は３本以上であってもかまわない。

この３本の光ビーム５ａ、５ｂ、５ｃは、三角錐ミラー４の反射面に入射し、この反射面にて、受力部２３の中心軸すなわち光ビーム５の光軸に直交する面内方向に反射され、受光素子（たとえばフォトダイオード）１ａ、１ｂ、１ｃのそれぞれの受光面に入射する。

受光素子１ａ、１ｂ、１ｃのそれぞれの受光面は、図４や図５に示すように、受光面内で４分割されている。この詳細について図５を参照しながら説明する。

図５は、図４に示した受光素子１ａの受光面を示す概略平面図である。

なお、本実施の形態においては、受光素子１ａ、１ｂ、１ｃのすべてが同じ構造であるため、ここでは代表して受光素子１ａについて説明する。

図５に示すように、受光素子１ａの受光面には４分割されたＰＤ（フォトダイオード）１ａａ、１ａｂ、１ａｃ、１ａｄが設けられており、光源２から出射され、回折格子３で分岐され、三角錐ミラー４で反射された光ビーム５ａがこの受光面に入射する。このＰＤ１ａａ、１ａｂ、１ａｃ、１ａｄは受光素子群を形成する。

受光面を４分割する方向は、この光センサユニットすなわち光学式変位センサで変位を検出したい方向である、ｘ軸方向に直交する方向と、ｙ軸方向に直交する方向とで４分割するのが望ましい。

受光面に入射する光の中心軸は受光面に垂直であり、かつ、受光面に入射する光ビーム５ａの中心が４分割されたＰＤ１ａａ、１ａｂ、１ａｃ、１ａｄの中心にくるように配置するのが望ましい。

このような構成にて、受光素子１ａは、ＰＤ１ａａ、１ａｂ、１ａｃ、１ａｄのそれぞれにおける受光光量の変動に基づいて、光ビーム５ａが受光素子１ａの受光面に入射する位置の変化すなわち、光源２と回折格子３と三角錐ミラー４とから成る発光部と受光部を構成する受光素子１ａとの、図４や図５に示すｘ軸方向およびｙ軸方向での相対的な変位を検出する。

光学式変位センサは、受光部を受光素子１ａ、１ｂ、１ｃによって構成し、受光素子１ａ、１ｂ、１ｃのそれぞれでのｘ軸方向およびｙ軸方向の変位を検出する。

図６は、図４に示した回折格子３を示す斜視図である。

図７は、図６に示した回折格子３の平面図である。

図８は、図６に示した回折格子３の構成の一例を示す斜視図である。

図４に示したように、光源２からの光ビーム５は回折格子３に入射する。この回折格子３では入射してきた光ビーム５を、３本の光ビーム５ａ、５ｂ、５ｃに分岐させるが、この３本の光ビーム５ａ、５ｂ、５ｃの強度は互いに等しいほうが好ましい。また、図７に示すように、３本の光ビーム５ａ、５ｂ、５ｃは、光ビーム５の光軸に対して１２０度回転対象になるように分岐される必要がある。回折格子３はこのような光分岐を生じるように構成される。

本実施の形態では、図８に示すように、所定方向の格子を有する回折格子３ａと、回折格子３ａとは別の方向の格子を有する回折格子３ｂとを重ね合わせて回折格子３を構成し、回折格子３ａや回折格子３ｂの格子ピッチ（所定の溝と隣の溝との幅）や、回折格子３ａの格子の方向と回折格子３ｂの格子の方向とが成す交差角度、各回折格子の溝の深さ、溝の形状（溝でなく山でもよい）などを調整することによって、上記条件の３本の光ビーム５ａ、５ｂ、５ｃを生成するようにしている。

なお、回折格子３は、図８のように２枚の回折格子を重ね合わせるものではなく、１枚の基板に複数の所定方向の格子を所定幅のピッチで形成して実現するものであってもよい。この場合、１枚の基板の表面に所定方向の格子を形成し、裏面に別の所定方向の格子を形成するようにしてもよいし、１枚の基板の片面にすべての格子を形成するようにしてもよい。

本発明による光学式変位センサは、すでに説明したように６軸力センサなどの外力検出装置にも適用することができるが、そのほか、変位に基づいて検出することができる様々な物理量の計測に用いることができる。

本発明による６軸力センサの一実施の形態の外観を示す斜視図である。 図１に示した６軸力センサから上部蓋を外して上から見た概略平面図である。 図２に示した６軸力センサを側面から内部が見えるようにした側面断面図である。 図２および図３に示した光センサユニットの組み合わせの構成の例を示す斜視図である。 図４に示した受光素子の受光面を示す概略平面図である。 図４に示した回折格子を示す斜視図である。 図６に示した回折格子の平面図である。 図６に示した回折格子の構成の一例を示す斜視図である。 特許文献１に記載された従来の６軸力センサを示す平面図である。 図９に示した従来の光センサユニット（光学式変位センサ）の説明をする概略斜視図である。

符号の説明

２０ ６軸力センサ
２１ａ 本体
２１ｂ 上部蓋
２２ 支持部
２３ 受力部
２４ 弾性連結部
２５ フレーム
１ａ、１ｂ、１ｃ 受光素子
１ａａ、１ａｂ、１ａｃ、１ａｄ ＰＤ
２ 光源
３、３ａ、３ｂ 回折格子
４ 三角錐ミラー
５、５ａ、５ｂ、５ｃ 光ビーム

Claims (5)

1. 支持部に対する受力部の相対変位を３個の受光素子を有する光学式変位センサによって検出し、前記光学式変位センサからの信号に基づいて前記支持部と受力部とに相対的に印加された外力を算出する外力検出装置において、
   前記光学式変位センサは、
   前記受力部の中心軸上に配置され前記中心軸方向に光を出射する１個の光源と、前記中心軸上に順次配設される光分岐体および光反射体と、前記支持部の外周部に１２０度回転対称に配設されるとともにそれぞれの受光面が前記受力部の中心軸を向く前記３個の受光素子とから構成され、
   前記光源から出射した光を前記光分岐体に入射させることにより、１２０度回転対称方向に出射する３本の光ビームを生成させ、
   該生成した３本の光ビームを、前記光反射体に入射させることにより、前記中心軸に直交する面内方向に反射させた後、対応する前記受光素子の各々に入射させるように構成し、
   前記３個の受光素子による前記光ビームの受光結果に基づいて、前記支持部に対する前記受力部の相対変位を検出するものである
   ことを特徴とする外力検出装置。
2. 前記光分岐体が、２次元回折格子であることを特徴とする請求項１に記載の外力検出装置。
3. 前記光反射体が、三面反射ミラーであることを特徴とする請求項１または２に記載の外力検出装置。
4. 前記光反射体が、円錐ミラーであることを特徴とする請求項１または２に記載の外力検出装置。
5. 基準体または検出体のどちらかに設けられた発光部と、前記基準体および前記検出体のうち前記発光部が設けられているのとは別のほうに設けられた受光部とを有し、前記発光部から出射された光を前記受光部で受光し、該受光結果に基づいて、前記基準体に対する前記検出体の相対変位を検出する光学式変位センサにおいて、
   前記発光部が、所定軸上に配置され前記所定軸方向に光を出射する１個の光源と、前記所定軸上に順次配設される光分岐体および光反射体とから構成され、
   前記受光部が、前記所定軸を中心軸とする円周上に１２０度回転対称に配設されるとともにそれぞれの受光面が前記所定軸を向く３個の受光素子によって構成され、
   前記光源から出射した光を前記光分岐体に入射させることにより、１２０度回転対称方向に出射する３本の光ビームを生成させ、
   該生成した３本の光ビームを、前記光反射体に入射させることにより、前記所定軸に直交する面内方向に反射させた後、対応する前記受光素子の各々に入射させるように構成し、
   前記３個の受光素子による前記光ビームの受光結果に基づいて、前記基準体に対する前記検出体の相対変位を検出することを特徴とする光学式変位センサ。

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