JP4230241B2 - 触圧センサ、把持ロボット - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、装着面に加わっている力（圧力）を検知する触圧センサ、および触圧センサを触圧検知に用いる把持ロボットに係り、特に、精度よく小さな力から３分力（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向）を検知するのに適する触圧センサおよびこれを用いる把持ロボットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
指先に装着できるような触圧センサとしては、例えば、特開平８−３２３６７８号公報に記載の「柔軟物体把持装置」に用いられているものがある。このセンサは、微小なＯＮ／ＯＦＦスイッチを多数設置し接触面積を検出するものである。検出された接触面積と指先の開き量との関係から物体の大きさや柔軟度を認識し、最適な物体把持が行なわれるよう意図する。センサは、基本的に、装着面に垂直な方向（Ｚ方向）の力を検知する。
【０００３】
市場に供給されている製品としては、ニッタ株式会社の「ＢＩＧ−ＭＡＴ」面圧測定システムがあり、このシステムでは面内の圧力分布を測定するのにセンサシートを用いている。センサシートにより高密度の圧力分布の測定するよう意図されているが、やはりＺ方向の圧力分布のみが測定される。
【０００４】
特開２００２−１８１６４０号公報に記載の「力検出装置」では、静電容量型の力検出が示されている。この検出装置では、Ｚ方向の力のほかに、Ｘ方向の力をも検出することができる。Ｚ方向の力検出は、ＯＮ／ＯＦＦスイッチを基本として行なわれ、力検出としては限定的である。
【０００５】
特開２０００−２６６６２０号公報に記載の「力覚センサ」は、３方向の力と３軸まわりのモーメントの計６分力を検出できるように構成されている。構造として、立体十字型の剛体に歪ゲージを取り付けた構成となっている。この構成では、皮膚や指先の面に装着することは不可能であり、また剛体を用いることから精度よく小さな力を検知するには適さないと考えられる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−３２３６７８号公報
【特許文献２】
特開２００２−１８１６４０号公報
【特許文献３】
特開２０００−２６６６２０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の状況を考慮してなされたもので、装着面に加わっている力（圧力）を検知する触圧センサ、および触圧センサを触圧検知に用いる把持ロボットにおいて、精度よく小さな力から３分力（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向）を検知することが可能な触圧センサおよびこれを用いる把持ロボットを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係る触圧センサは、円板状の第１の起歪部と、前記第１の起歪部の周縁をほぼ等角度で４分割する位置より板状に延設され、前記第１の起歪部の脚となって前記第１の起歪部を支持する構造の第２ないし第５の起歪部と、前記第２ないし第５の起歪部それぞれより前記第１の起歪部とは異なる側に延設された第１ないし第４の足部と、前記第１の起歪部の円板面上に着設されたダイアフラム状の第１の歪ゲージと、前記第２ないし第５の起歪部の板面上にそれぞれ着設された第２ないし第５の歪ゲージとを具備することを特徴とする。
【０００９】
第１の起歪部に着設された第１の歪ゲージによりＺ方向（装着面に垂直の方向）の力（圧力）を検知し、第１の起歪部を支える構造の第２ないし第５の起歪部にそれぞれ着設された第２ないし第５の歪ゲージによりＸ方向、Ｙ方向（それぞれ、装着面に平行な方向（せん断方向））の力（圧力）を検知する。起歪部それぞれは板状であり曲がりが生じやすいので、小さな力から検知ができる。また、それぞれの方向の力検知に専用の歪ゲージを具備し、例えば互いの干渉を小さくして検知精度の向上を図ることができる。
【００１０】
また、本発明に係る触圧センサは、上記の触圧センサがエレメントとしてアレー状に配列されていることを特徴とする。上記の触圧センサは、例えば、板材のプレス・打ち抜きにより微小に製作することが可能であり、したがって、これをアレー状に配列することが容易である。アレー状にすることにより、ある程度の装着面積をカバーする触圧センサとすることができる。これにより、さらに、装着面内での触圧検知を高精度に行なうことが可能になる。
【００１１】
また、本発明に係る把持ロボットは、上記のアレー状の触圧センサを触圧検知のため具備することを特徴とする。アレー状の触圧センサは、装着状態で、ある程度の面積を占めまた装着面の丸みに追従して装着され得る。よって、把持ロボットでは、例えばこれを指先に装着することにより、精度よく小さな力から３分力が検知できることとあいまって、好適な触圧検知を行なうことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施態様としての触圧センサは、前記第２ないし第５の起歪部の板面の両面それぞれに歪ゲージが着設されるように、前記第２ないし第５の歪ゲージのほかに第６ないし第９の歪ゲージをさらに具備する。第２ないし第５の起歪部の板面の両面それぞれに歪ゲージが着設されると、面の一方が圧縮、他方が引張の出力を示し、感度を向上することができる。よって、なお、精度よく小さな力から３分力を検出することができる。さらに、両面の歪ゲージを組み合わせることで第１の起歪部が検知する力からの干渉を避けることができる。
【００１３】
また、実施態様としての触圧センサにおいて、前記第２ないし第５の起歪部が前記第１の起歪部を支持する前記構造における前記第１の起歪部の円板と前記第２ないし第５の起歪部の板との角度は、９０度ないし１３０度である。この角度は、触圧センサとしての高さを小さく抑えるとともに第２ないし第５の起歪部の板面に歪ゲージを着設する面積が確保されるように設計され得る。構造の単純さでは９０度が最も普通の角度と言えるが、これよりやや大きな角度にすることにより高さを高くせずに板面面積の確保が容易になる。
【００１４】
また、実施態様としての触圧センサは、前記第１の起歪部から前記第２ないし第５の起歪部への延設境界付近に、前記第１の起歪部の円板面積または前記第２ないし第５の起歪部の板面積を狭くするように凹部が形成されている。このような凹部を設けることにより、検知する必要のない方向の歪が第２ないし第５の起歪部の板面に生じる割合を減少させることができる。したがって、検知方向ごとの干渉の少ないより高精度の力検知が可能になる。これにより検出精度も向上される。
【００１５】
また、実施態様としての触圧センサは、前記第２ないし第５の起歪部から前記第１ないし第４の足部への延設境界付近に、前記第２ないし第５の起歪部の板面積を狭くするように凹部が形成されている。これも、上記と同旨である。
【００１６】
また、実施態様としての触圧センサは、前記エレメントとしての触圧センサそれぞれに配設された歪ゲージそれぞれの端子に電気的配線を供給する配線基板をさらに具備し、前記配線基板は、多層の配線層を有し、配線層ごとに接続される前記エレメントとしての触圧センサが一定である。アレー状の触圧センサのエレメントそれぞれに接続される配線を多層の配線基板により供給するものである。ここで、配線層ごとに接続される触圧センサが一定であるので、多層配線基板の構造を単純化することができる。例えば多層でありながらスルーホールを一切用いない構造のものを用いることができる。
【００１７】
以上を踏まえ、以下では本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る触圧センサの模式的な構造を示す図である。図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）はＸ方向（Ｘ方向の力の方向）を横に見る断面図である。
【００１８】
図１に示すように、この触圧センサは、円板状の起歪部１が、その周縁をほぼ４分割する位置から延設された板状の起歪部２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂに支持された形状になっている。板状の起歪部２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂは、円板状の起歪部１の脚となっており、それぞれ起歪部１側と反対の側には装着面に固定するための足部１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂが設けられている。
【００１９】
円板状の起歪部１の下面にはダイアフラム状の歪ゲージ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄが着設されており、板状の起歪部２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂのそれぞれ両面には、歪ゲージ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、５ａ、…（計８つ）が着設されている。ダイヤフラム状の歪ゲージ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄについては、のちに図２を参照してさらに説明する。板状の起歪部２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ上の歪ゲージ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、５ａ、…は、起歪部１周縁から足部１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂに向かう方向の各板における曲げなどの変形に対して歪を検知するように、その方向に長手方向が平行となるように着設される。
【００２０】
円板上の起歪部１と各脚たる板状の起歪部２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂとの角度は、この実施形態では、１０５度としている。これは、９０度よりやや大きくすることで、触圧センサとしての高さをあまり高くすることなく板状の起歪部２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂの面積を確保するためである。なお、さらに鈍角にすると、触圧センサとしての高さが低くはなるが、平面方向に大きくなるので触圧センサとしての配置密度は小さくならざるを得ない。高さに代表される大きさをある程度小さく抑え、配置密度も確保するためには、この角度は、９０度から１３０度程度に設計するのが適切と考えられる。その中でも、１００度から１１０度程度にすれば板状の起歪部２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂの大きさの確保に寄与し、これにより歪ゲージ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、５ａ、…の取り付けに都合がよい。
【００２１】
具体的な寸法は、例えば、高さとして１ｍｍから３ｍｍ程度、足部１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂを含めたＸ方向、Ｙ方向の全長として５ｍｍから１５ｍｍ程度である。起歪部１、２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂの板厚は、例えば０．０５ｍｍから０．３ｍｍ程度、その材質としては、例えばステンレスなどの金属や樹脂など適度の剛性のあるものを用いることができる。金属の場合には、例えば、プレスおよび打ち抜きにより曲げを含めて容易に加工、製作することができる。樹脂の場合には、例えば金型を用いたモールドにより製作することができる。
【００２２】
また、図示するように、円板上の起歪部１と板状の起歪部２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂとの境界付近には、これらの円板および板の面積を狭くするように凹部６が形成されている（狭くするのは円板、板の一方でもよい。）。また、板状の起歪部２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂと足部１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂとの境界付近にも、これらの板の面積を狭くするように凹部７が形成されている。これらの凹部６、７は、板状の起歪部２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂに発生する歪であって歪ゲージ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、５ａ、…に検知されるものをできるだけ大きくするため設けられたものである。
【００２３】
すなわち、例えばＸ方向の力に対しては、起歪部２ａ、２ｂが曲がりやすい方が感度よい圧力検出に好ましい。しかしＸ方向の力に対しては、起歪部３ａ、３ｂ面の法線まわりの曲げ応力が起歪部３ａ、３ｂに発生するのでかなりの高剛性となる。そこで、上記のように凹部６、７を設けると、起歪部３ａ、３ｂ面の法線まわりの曲げ応力が集中して曲がりやすく（Ｘ方向に変形しやすく）なる。Ｙ方向で考えても同様である。これらにより、より小さな力でも検知できるようになる。
【００２４】
なお、図１では図示省略しているが、円板状の起歪部１の上面には例えばウレタンゴムのような弾性のある素材を接着し加重緩衝の機能を得るようにしてもよい。
【００２５】
図２は、円板状の起歪部１の下面に着設されたダイヤフラム状の歪ゲージ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの構成を模式的に拡大して示す図である。図２において、図１に示した構成要素と対応する部位には同一番号を付してある。
【００２６】
図２に示すように、歪ゲージ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄは、全体として円状のシート２０上に設けられている。歪ゲージ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを構成する線の配置は、接続パッド２１から、シート２０の半径方向に長手方向が配設された歪ゲージ８ａを経て接続パッド２２に至り、さらに接続パッド２２から、シート２０の円周方向に長手方向が配設された歪ゲージ８ｄを経て接続パッド２３に至り、さらに接続パッド２３から、シ−ト２０の半径方向に長手方向が配設された歪ゲ−ジ８ｂを経て接続パッド２４に至り、さらに接続パッド２４からシ−ト２０の円周方向に長手方向が配設された歪ゲ−ジ８ｃを経て接続パッド２５に至っている。
【００２７】
シート２０の半径方向に長手方向が配設された歪ゲージ８ａ、８ｂは、シート２０上で対向するようにシート２０の周縁に近い側に設けられる。シート２０の円周方向に長手方向が配設された歪ゲージ８ｃ、８ｄは、互いに対向するようにシート２０の中心に近い側に設けられる。
【００２８】
周縁側の歪ゲージ８ａ、８ｂと中心側の歪ゲージ８ｃ、８ｄとは、起歪部１の変形により互いに反対の歪（すなわち圧縮歪と引張歪）を検知するものである。これについては次述する。なお、図示するように、以後、一方の周縁側歪ゲージ８ａの抵抗値をＺ１ａで、他方の周縁側歪ゲージ８ｂの抵抗値をＺ１ｂで、一方の中心側歪ゲージ８ｃの抵抗値をＺ２ａで、他方の中心側歪ゲージ８ｄの抵抗値をＺ２ｂで、それぞれ表わす。
【００２９】
図３は、図１に示した触圧センサがＺ方向の力を検知する原理を説明する図である。図３において、すでに説明した図の中の構成要素に対応するものには同一符合を付してある。
【００３０】
図３（ａ）に示すように、Ｚ方向の力Ｆｚが触圧センサに印加されるとダイアフラム状の歪ゲージ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄに歪に応じた変化が発生する。すなわち、中心側歪ゲージ８ｃ、８ｄは引張に応じた変化であり、周縁側歪ゲージ８ａ、８ｂは圧縮に応じた変化である。周縁側歪ゲージ８ａ、８ｂが圧縮に応じた変化をするのは、中心側歪ゲージ８ｃ、８ｄと周縁側歪ゲージ８ａ、８ｂとの間に中立となる位置が存在するためである。この中立点より中心側では、起歪部１が下に凸に曲がり、中立点より周縁側では、起歪部１が上に凸に曲がる。
【００３１】
歪ゲージ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄは、図３（ｂ）に示すように、ブリッジを構成するように接続される。ブリッジの入力端子対３４、３５から入力電圧（電流でもよい）が印加され、出力端子対２１、２３間に出力を得る。歪ゲージ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄに何ら変化のないときに、ブリッジ回路の平衡条件：Ｚ１ａ・Ｚ１ｂ＝Ｚ２ａ・Ｚ２ｂ（＝対向する要素間のインピーダンス積が同一）が満たされるように歪ゲ−ジ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの抵抗を調整しておくと、歪ゲージ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄが抵抗変化したときに平衡がくずれる。
【００３２】
上記のように、中心側歪ゲージ８ｃ、８ｄは引張に応じて抵抗が増加し、周縁側歪ゲージ８ａ、８ｂは圧縮に応じて抵抗が減少する。したがって、起歪部１がＺ方向の力を検知すると接続パッド２１と端子２３との間に電圧が生じる。この電圧（またはこの電圧による電流）の検出によりＺ方向の力が検知できる。この力の検知は、起歪部１の弾性限界内ではＦｚによく比例する。
【００３３】
図３（ｃ）は、Ｚ方向の力Ｆｚが印加されたときに生じる、Ｘ方向の力を検知するための歪ゲージ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの変化を説明する図である（なお、この説明はＹ方向の力を検知するための歪ゲージ５ａ、…についても同様である）。
【００３４】
Ｚ方向の力Ｆｚが印加されると、歪ゲージ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄが取り付けられている起歪部２ａ、２ｂについても歪が発生する。この歪は、図３（ａ）に示す構造からわかるように、外側の歪ゲージ４ａ、４ｄは引張、内側の歪ゲージ４ｂ、４ｃは圧縮となるような歪である。
【００３５】
ここで、歪ゲージ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは、図３（ｃ）に示すように、ブリッジを構成するように接続されている。すなわち、対向する起歪部２ａ、２ｂの一方の内側に取り付けられた歪ゲージ４ｂと他方の外側に取り付けられた歪ゲージ４ｄとが一方の対向するブリッジの要素になり、一方の外側に取り付けられた歪ゲージ４ａと他方の内側に取り付けられた歪ゲージ４ｃとが他方の対向するブリッジの要素になる接続である。そして、このブリッジの入力端子対４４、４５から入力を加え、出力端子対４２、４３間に出力を得る。
【００３６】
このようなブリッジの構成では、上記のような歪により、歪ゲージ４ｂの抵抗Ｘ１が減少、歪ゲージ４ａの抵抗Ｘ１＊が増加、歪ゲージ４ｃの抵抗Ｘ２が減少、歪ゲージ４ｄの抵抗Ｘ２＊が増加となり、ブリッジ回路の平衡条件：Ｘ１・Ｘ２＊＝Ｘ２・Ｘ１＊は保持されたままになる。この意味で、Ｆｚ検知からＦｘ検知（Ｆｙ検知）への干渉が大きく軽減される。この実施形態の大きな利点である。
【００３７】
図４は、図１に示した触圧センサがＸ方向の力を検知する原理を説明する図である。図４において、すでに説明した図の中の構成要素に対応するものには同一符合を付してある。（なお、この図４の説明は、Ｙ方向の力を検知する原理を説明する場合も同様である。）
【００３８】
図４（ａ）に示すように、Ｘ方向の力Ｆｘが触圧センサに印加されると、対向する起歪部２ａ、２ｂに取り付けられた歪ゲージ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄに歪に応じた変化が発生する。すなわち、図示するように、力Ｆｘの出力方向側における起歪部２ａの外側の歪ゲージ４ａおよび入力方向側における起歪部２ｂの内側の歪ゲージ４ｃは圧縮に応じた変化であり、力Ｆｘの出力方向側における起歪部２ａの内側の歪ゲージ４ｂおよび入力方向側における起歪部２ｂの外側の歪ゲージ４ｄは引張に応じた変化である。
【００３９】
歪ゲージ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは、すでに説明したように、図４（ｂ）に示すように、ブリッジ構成の接続がされている。よって、上記の変化により、歪ゲージ４ｂの抵抗Ｘ１が増加、歪ゲージ４ａの抵抗Ｘ１＊が減少、歪ゲージ４ｃの抵抗Ｘ２が減少、歪ゲージ４ｄの抵抗Ｘ２＊が増加となり、ブリッジ回路の平衡条件：Ｘ１・Ｘ２＊＝Ｘ２・Ｘ１＊がくずれる。よって、出力端子対４２、４３間に電圧が発生する。この電圧（またはこの電圧による電流）の検出によりＸ方向の力が検知できる。この力の検知は、起歪部２ａ、２ｂの弾性限界内ではＦｘによく比例する。
【００４０】
図４（ｃ）は、Ｘ方向の力Ｆｘが印加されたときに生じる、Ｚ方向の力を検知するための歪ゲージ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの変化を説明する図である。Ｘ方向の力Ｆｘが印加されても、図４（ａ）に示すように、歪ゲージ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄが取り付けられている起歪部１については歪がほとんど発生しない。
【００４１】
したがって、すでに説明したＺ方向の力を検知するブリッジ回路は、図４（ｃ）に示すように、歪ゲージ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄに抵抗変化がほとんどないため、ブリッジ回路の平衡が保たれる。すなわち、Ｆｘ検知（またはＦｙ検知）からＦｚ検知への干渉はほとんどないことになる。
【００４２】
以上説明したように、この実施形態では、起歪部１、２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂを板状にし、起歪部同士または他の部位との境界付近に凹部を設け、脚となる起歪部２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂの両面に歪ゲージ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、５ａ、…（計８つ）を取り付けこれらを２つのブリッジ回路として接続した。これらにより、相互干渉を大きく軽減して精度よく小さな力から３分力（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向）を検知することができる。
【００４３】
なお、図４（ａ）に示したブリッジ接続の構成は、以下のようなブリッジ構成に変えてもよい。すなわち、図４（ａ）の４ａの位置に４ａおよび４ｃ（つまりＸ２＋Ｘ１＊を配置）を、図４（ａ）の４ｄの位置に４ｄおよび４ｂ（つまりＸ１＋Ｘ２＊を配置）を、それぞれ接続し、残る４ｂ、４ｃの位置には外付けの固定抵抗を接続してなるブリッジである。このようにしても同様な検知感度が得られ、かつ図３（ｃ）において説明した、Ｚ方向の力Ｆｚからの干渉を避ける効果がある。
【００４４】
【実施例１】
以下では実施例について説明する。実施例１として、０．１ｍｍ厚の金属板を十字形にプレスで打ちぬき、中央平面部を残したまま折り曲げ加工して図１に示すような触圧センサを作った。触圧センサの高さは１．６ｍｍとした。
【００４５】
歪ゲージ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ（５ａ、…）によるブリッジ回路への入力電圧を５Ｖとした。また、歪ゲージ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ（５ａ、…）それぞれの名目抵抗値は３５０Ωである。この触圧センサの４つの足部１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの底面を装着面に固定しＸ方向にＦｘ＝２５０ｇの力を加えた。評価項目は、ブリッジ回路の出力電圧、Ｆｘ検知とＦｙ検知との干渉、Ｆｘ検知のリニアリティ（直線性）の３点である。
【００４６】
得られた結果として、ブリッジ回路の出力電圧は１．７ｍＶないし１．８ｍＶ、Ｆｘ検知とＦｙ検知との干渉は２０％以内、リニアリティは±１％以内であった。この結果は、以下説明する他の実施例より、ブリッジ回路の出力電圧は、比較的大きく検出され、Ｆｘ検知とＦｙ検知との干渉およびリニアリティは、比較的小さい。
【００４７】
【実施例２】
実施例２では、歪ゲ−ジを起歪部２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂの片面のみに張り付け（外側の歪ゲージ４ａ、４ｄ、５ａ、…のみにする）、その他の構造は実施例１と同じ構造のものとした。この構造を図５に示す。図５は、本発明の別の実施形態に係る触圧センサの構造を模式的に示す図であり、すでに説明した構成要素と同一のものには同一符合を付してある。
【００４８】
歪ゲージ４ａ、４ｄによるブリッジ回路は、図４（ｂ）に示すブリッジ回路において、歪ゲージ４ｂ、４ｃに対応する要素を外付けの固定抵抗に代える。このときに、実施例１と同様にＸ方向にＦｘ＝２５０ｇの力を加えた。得られた結果として、ブリッジ回路の出力電圧は０．８５ｍＶないし０．９ｍＶ、Ｆｘ検知とＦｙ検知との干渉は２０％以内、リニアリティは±１％以内であった。歪ゲージが起歪部２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂの片面のみに取り付けられているので出力が減少し検知感度が約半分になっている。
【００４９】
【実施例３】
実施例３では、起歪部１と４つの脚である起歪部２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂとの境界付近、および起歪部２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂと足部１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂとの境界付近に凹部を設けないようにした。その他は実施例１と同じ構成である。この構造を図６に示す。図６は、本発明のさらに別の実施形態に係る触圧センサの構造を模式的に示す図であり、すでに説明した構成要素と同一のものには同一符合を付してある。
【００５０】
実施例１と同様にＸ方向にＦｘ＝２５０ｇの力を加えた。得られた結果として、ブリッジ回路の出力電圧は０．５ｍＶないし０．５５ｍＶ、Ｆｘ検知とＦｙ検知との干渉は３０％以内、リニアリティは±２％以内であった。凹部がない分、起歪部２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂの剛性が増加しており、変形しにくいので歪に対応する出力値は小さい値になっている。また、Ｆｘ検知とＦｙ検知との干渉、リニアリティも上記の実施例よりは劣る。
【００５１】
次に、本発明のさらに別の実施形態に係る触圧センサについて図７を参照して説明する。図７は、本発明のさらに別の実施形態に係る触圧センサの構造を模式的に示す図である。図７（ａ）は上面図、図７（ｂ）は正面図である。
【００５２】
この実施形態に係る触圧センサ７０は、図１に示した触圧センサをアレー状に配列させて装着面上の力の分布を検知可能にしたものである。例えば、指先面等に装着して接着等で固定し指先面全体に加えられる３分力を分力ごとに積算して、全３分力を求めることができる。図７に示すように、この触圧センサ７０は、各触圧センサの足部が十字状になって隣りの触圧センサにつながっており、この場合には全体として４×３の計１２個のアレーとなっている。このようなアレー構成についても、例えば、一枚の板材のプレスと打ち抜きで製作することができる。
【００５３】
具体的な寸法は、例えば横方向Ａが１０ｍｍないし３０ｍｍ程度（より具体的には例えば１５ｍｍ）、縦方向Ｂが１５ｍｍないし４５ｍｍ程度（より具体的には例えば２０ｍｍ）である。また、高さＨは例えば１ｍｍないし３ｍｍ程度（より具体的には例えば１．６ｍｍ）である。
【００５４】
また、縦方向の各列を構成する触圧センサの下側には、円板上の起歪部１の凸形状にはまり込むようにリボン状の配線基板７１ａ、７１ｂ、７１ｃがそれぞれ伴なわれている。配線基板７１ａ、７１ｂ、７１ｃは、エレメントとしての触圧センサに取り付けられた歪ゲージに電気的配線を供給する。歪ゲージと配線基板７１ａ等とはリード線を用い例えばはんだで接続されるが、ここでは図示省略している。
【００５５】
図８は、配線基板７１ａ（７１ｂ、７１ｃ）の構造を示す図である。図８（ａ）は上面図、図８（ｂ）は側面図である。図８に示すように、この配線基板は一種の多層配線板であり、絶縁層９１、９２、９３、９４、…と配線層８１、８２、８３、…とが交互に積層された構造である。絶縁層９１、９２、９３、９４、…は例えばポリイミドのようなフレキシブルな絶縁材料であり、配線層８１、８２、８３、…は例えば銅のような導電材料である。配線層８１、…の数は、図７（ａ）に示す縦方向のエレメントの数に一致させる。
【００５６】
図８において、最も下側の配線層８１は最も先端側（図で上側）で露出し、以下配線層として上側のものになるほど先端側より離れた各位置で露出するようになっている。露出部分が各歪ゲージとの接続端になる。このような配線基板７１ａの構成によれば、各エレメントとしての触圧センサに装着された歪ゲージ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、５ａ、…、８ａ〜８ｄについての配線を、各エレメントごとにひとつの配線層により担当させることができる。配線基板として非常に単純な構造になり、多層基板でありながらスルーホールのような構造を必要とせず廉価なものにすることができる。
【００５７】
図９は、図８に示したアレー状の触圧センサ７０を把持ロボットの指部分１００の指先に装着したときの構成を示す図である。図９（ａ）は側面図、図９（ｂ）は正面図であり、図８、図９に示した構成要素と対応するものには同一符合を付してある。
【００５８】
図９に示すように、アレー状の触圧センサ７０は、人の指先のような微小な曲面を有する面上にも追従して装着することができる。したがって、各種の把持ロボットとしての触圧検知に適している。把持ロボットは、今後、産業用のみならず洗濯機、自動販売機、調理器など種々の分野で応用されることが期待される。
【００５９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明よれば、第１の起歪部に着設された第１の歪ゲージによりＺ方向（装着面に垂直の方向）の力（圧力）が検知され、第１の起歪部を支える構造の第２ないし第５の起歪部にそれぞれ着設された第２ないし第５の歪ゲージによりＸ方向、Ｙ方向（それぞれ、装着面に平行な方向（せん断方向））の力（圧力）が検知される。起歪部それぞれは板状であり曲がりが生じやすいので、小さな力から検知ができる。また、それぞれの方向の力検知に専用の歪ゲージを具備し、例えば互いの干渉を小さくして検知精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る触圧センサの模式的な構造を示す図。
【図２】図１中における円板状の起歪部１の下面に着設されたダイヤフラム状の歪ゲージ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの構成を模式的に拡大して示す図。
【図３】図１に示した触圧センサがＺ方向の力を検知する原理を説明する図。
【図４】図１に示した触圧センサがＸ方向の力を検知する原理を説明する図。
【図５】本発明の別の実施形態に係る触圧センサを模式的に示す図。
【図６】本発明のさらに別の実施形態に係る触圧センサを模式的に示す図。
【図７】本発明のさらに別の実施形態に係る触圧センサの構造を模式的に示す図。
【図８】図７中に示した配線基板７１ａ（７１ｂ、７１ｃ）の構造を示す図。
【図９】図８に示したアレー状の触圧センサ７０を把持ロボットの指部分１００の指先に装着したときの構成を示す図。
【符号の説明】
１…円板状の起歪部 ２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ…板状の起歪部 ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、５ａ、……歪ゲージ ６、７…凹部 ８ａ、８ｂ…周縁側の歪ゲージ ８ｃ、８ｄ…中心側の歪ゲージ １２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂ…足部 ２０…ダイアフラム状の歪ゲージのシート ２１、２２、２３、２４…接続パッド ３４、３５…ブリッジの入力端子 ４２、４３…ブリッジの出力端子 ４４、４５…ブリッジの入力端子 ７０…触圧センサ ７１ａ、７１ｂ、７１ｃ…配線基板 ８１、８２、８３…配線層 ９１、９２、９３、９４…絶縁層 １００…把持ロボットの指部分
【発明の属する技術分野】
本発明は、装着面に加わっている力（圧力）を検知する触圧センサ、および触圧センサを触圧検知に用いる把持ロボットに係り、特に、精度よく小さな力から３分力（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向）を検知するのに適する触圧センサおよびこれを用いる把持ロボットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
指先に装着できるような触圧センサとしては、例えば、特開平８−３２３６７８号公報に記載の「柔軟物体把持装置」に用いられているものがある。このセンサは、微小なＯＮ／ＯＦＦスイッチを多数設置し接触面積を検出するものである。検出された接触面積と指先の開き量との関係から物体の大きさや柔軟度を認識し、最適な物体把持が行なわれるよう意図する。センサは、基本的に、装着面に垂直な方向（Ｚ方向）の力を検知する。
【０００３】
市場に供給されている製品としては、ニッタ株式会社の「ＢＩＧ−ＭＡＴ」面圧測定システムがあり、このシステムでは面内の圧力分布を測定するのにセンサシートを用いている。センサシートにより高密度の圧力分布の測定するよう意図されているが、やはりＺ方向の圧力分布のみが測定される。
【０００４】
特開２００２−１８１６４０号公報に記載の「力検出装置」では、静電容量型の力検出が示されている。この検出装置では、Ｚ方向の力のほかに、Ｘ方向の力をも検出することができる。Ｚ方向の力検出は、ＯＮ／ＯＦＦスイッチを基本として行なわれ、力検出としては限定的である。
【０００５】
特開２０００−２６６６２０号公報に記載の「力覚センサ」は、３方向の力と３軸まわりのモーメントの計６分力を検出できるように構成されている。構造として、立体十字型の剛体に歪ゲージを取り付けた構成となっている。この構成では、皮膚や指先の面に装着することは不可能であり、また剛体を用いることから精度よく小さな力を検知するには適さないと考えられる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−３２３６７８号公報
【特許文献２】
特開２００２−１８１６４０号公報
【特許文献３】
特開２０００−２６６６２０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の状況を考慮してなされたもので、装着面に加わっている力（圧力）を検知する触圧センサ、および触圧センサを触圧検知に用いる把持ロボットにおいて、精度よく小さな力から３分力（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向）を検知することが可能な触圧センサおよびこれを用いる把持ロボットを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係る触圧センサは、円板状の第１の起歪部と、前記第１の起歪部の周縁をほぼ等角度で４分割する位置より板状に延設され、前記第１の起歪部の脚となって前記第１の起歪部を支持する構造の第２ないし第５の起歪部と、前記第２ないし第５の起歪部それぞれより前記第１の起歪部とは異なる側に延設された第１ないし第４の足部と、前記第１の起歪部の円板面上に着設されたダイアフラム状の第１の歪ゲージと、前記第２ないし第５の起歪部の板面上にそれぞれ着設された第２ないし第５の歪ゲージとを具備することを特徴とする。
【０００９】
第１の起歪部に着設された第１の歪ゲージによりＺ方向（装着面に垂直の方向）の力（圧力）を検知し、第１の起歪部を支える構造の第２ないし第５の起歪部にそれぞれ着設された第２ないし第５の歪ゲージによりＸ方向、Ｙ方向（それぞれ、装着面に平行な方向（せん断方向））の力（圧力）を検知する。起歪部それぞれは板状であり曲がりが生じやすいので、小さな力から検知ができる。また、それぞれの方向の力検知に専用の歪ゲージを具備し、例えば互いの干渉を小さくして検知精度の向上を図ることができる。
【００１０】
また、本発明に係る触圧センサは、上記の触圧センサがエレメントとしてアレー状に配列されていることを特徴とする。上記の触圧センサは、例えば、板材のプレス・打ち抜きにより微小に製作することが可能であり、したがって、これをアレー状に配列することが容易である。アレー状にすることにより、ある程度の装着面積をカバーする触圧センサとすることができる。これにより、さらに、装着面内での触圧検知を高精度に行なうことが可能になる。
【００１１】
また、本発明に係る把持ロボットは、上記のアレー状の触圧センサを触圧検知のため具備することを特徴とする。アレー状の触圧センサは、装着状態で、ある程度の面積を占めまた装着面の丸みに追従して装着され得る。よって、把持ロボットでは、例えばこれを指先に装着することにより、精度よく小さな力から３分力が検知できることとあいまって、好適な触圧検知を行なうことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施態様としての触圧センサは、前記第２ないし第５の起歪部の板面の両面それぞれに歪ゲージが着設されるように、前記第２ないし第５の歪ゲージのほかに第６ないし第９の歪ゲージをさらに具備する。第２ないし第５の起歪部の板面の両面それぞれに歪ゲージが着設されると、面の一方が圧縮、他方が引張の出力を示し、感度を向上することができる。よって、なお、精度よく小さな力から３分力を検出することができる。さらに、両面の歪ゲージを組み合わせることで第１の起歪部が検知する力からの干渉を避けることができる。
【００１３】
また、実施態様としての触圧センサにおいて、前記第２ないし第５の起歪部が前記第１の起歪部を支持する前記構造における前記第１の起歪部の円板と前記第２ないし第５の起歪部の板との角度は、９０度ないし１３０度である。この角度は、触圧センサとしての高さを小さく抑えるとともに第２ないし第５の起歪部の板面に歪ゲージを着設する面積が確保されるように設計され得る。構造の単純さでは９０度が最も普通の角度と言えるが、これよりやや大きな角度にすることにより高さを高くせずに板面面積の確保が容易になる。
【００１４】
また、実施態様としての触圧センサは、前記第１の起歪部から前記第２ないし第５の起歪部への延設境界付近に、前記第１の起歪部の円板面積または前記第２ないし第５の起歪部の板面積を狭くするように凹部が形成されている。このような凹部を設けることにより、検知する必要のない方向の歪が第２ないし第５の起歪部の板面に生じる割合を減少させることができる。したがって、検知方向ごとの干渉の少ないより高精度の力検知が可能になる。これにより検出精度も向上される。
【００１５】
また、実施態様としての触圧センサは、前記第２ないし第５の起歪部から前記第１ないし第４の足部への延設境界付近に、前記第２ないし第５の起歪部の板面積を狭くするように凹部が形成されている。これも、上記と同旨である。
【００１６】
また、実施態様としての触圧センサは、前記エレメントとしての触圧センサそれぞれに配設された歪ゲージそれぞれの端子に電気的配線を供給する配線基板をさらに具備し、前記配線基板は、多層の配線層を有し、配線層ごとに接続される前記エレメントとしての触圧センサが一定である。アレー状の触圧センサのエレメントそれぞれに接続される配線を多層の配線基板により供給するものである。ここで、配線層ごとに接続される触圧センサが一定であるので、多層配線基板の構造を単純化することができる。例えば多層でありながらスルーホールを一切用いない構造のものを用いることができる。
【００１７】
以上を踏まえ、以下では本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る触圧センサの模式的な構造を示す図である。図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）はＸ方向（Ｘ方向の力の方向）を横に見る断面図である。
【００１８】
図１に示すように、この触圧センサは、円板状の起歪部１が、その周縁をほぼ４分割する位置から延設された板状の起歪部２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂに支持された形状になっている。板状の起歪部２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂは、円板状の起歪部１の脚となっており、それぞれ起歪部１側と反対の側には装着面に固定するための足部１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂが設けられている。
【００１９】
円板状の起歪部１の下面にはダイアフラム状の歪ゲージ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄが着設されており、板状の起歪部２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂのそれぞれ両面には、歪ゲージ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、５ａ、…（計８つ）が着設されている。ダイヤフラム状の歪ゲージ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄについては、のちに図２を参照してさらに説明する。板状の起歪部２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ上の歪ゲージ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、５ａ、…は、起歪部１周縁から足部１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂに向かう方向の各板における曲げなどの変形に対して歪を検知するように、その方向に長手方向が平行となるように着設される。
【００２０】
円板上の起歪部１と各脚たる板状の起歪部２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂとの角度は、この実施形態では、１０５度としている。これは、９０度よりやや大きくすることで、触圧センサとしての高さをあまり高くすることなく板状の起歪部２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂの面積を確保するためである。なお、さらに鈍角にすると、触圧センサとしての高さが低くはなるが、平面方向に大きくなるので触圧センサとしての配置密度は小さくならざるを得ない。高さに代表される大きさをある程度小さく抑え、配置密度も確保するためには、この角度は、９０度から１３０度程度に設計するのが適切と考えられる。その中でも、１００度から１１０度程度にすれば板状の起歪部２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂの大きさの確保に寄与し、これにより歪ゲージ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、５ａ、…の取り付けに都合がよい。
【００２１】
具体的な寸法は、例えば、高さとして１ｍｍから３ｍｍ程度、足部１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂを含めたＸ方向、Ｙ方向の全長として５ｍｍから１５ｍｍ程度である。起歪部１、２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂの板厚は、例えば０．０５ｍｍから０．３ｍｍ程度、その材質としては、例えばステンレスなどの金属や樹脂など適度の剛性のあるものを用いることができる。金属の場合には、例えば、プレスおよび打ち抜きにより曲げを含めて容易に加工、製作することができる。樹脂の場合には、例えば金型を用いたモールドにより製作することができる。
【００２２】
また、図示するように、円板上の起歪部１と板状の起歪部２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂとの境界付近には、これらの円板および板の面積を狭くするように凹部６が形成されている（狭くするのは円板、板の一方でもよい。）。また、板状の起歪部２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂと足部１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂとの境界付近にも、これらの板の面積を狭くするように凹部７が形成されている。これらの凹部６、７は、板状の起歪部２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂに発生する歪であって歪ゲージ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、５ａ、…に検知されるものをできるだけ大きくするため設けられたものである。
【００２３】
すなわち、例えばＸ方向の力に対しては、起歪部２ａ、２ｂが曲がりやすい方が感度よい圧力検出に好ましい。しかしＸ方向の力に対しては、起歪部３ａ、３ｂ面の法線まわりの曲げ応力が起歪部３ａ、３ｂに発生するのでかなりの高剛性となる。そこで、上記のように凹部６、７を設けると、起歪部３ａ、３ｂ面の法線まわりの曲げ応力が集中して曲がりやすく（Ｘ方向に変形しやすく）なる。Ｙ方向で考えても同様である。これらにより、より小さな力でも検知できるようになる。
【００２４】
なお、図１では図示省略しているが、円板状の起歪部１の上面には例えばウレタンゴムのような弾性のある素材を接着し加重緩衝の機能を得るようにしてもよい。
【００２５】
図２は、円板状の起歪部１の下面に着設されたダイヤフラム状の歪ゲージ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの構成を模式的に拡大して示す図である。図２において、図１に示した構成要素と対応する部位には同一番号を付してある。
【００２６】
図２に示すように、歪ゲージ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄは、全体として円状のシート２０上に設けられている。歪ゲージ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを構成する線の配置は、接続パッド２１から、シート２０の半径方向に長手方向が配設された歪ゲージ８ａを経て接続パッド２２に至り、さらに接続パッド２２から、シート２０の円周方向に長手方向が配設された歪ゲージ８ｄを経て接続パッド２３に至り、さらに接続パッド２３から、シ−ト２０の半径方向に長手方向が配設された歪ゲ−ジ８ｂを経て接続パッド２４に至り、さらに接続パッド２４からシ−ト２０の円周方向に長手方向が配設された歪ゲ−ジ８ｃを経て接続パッド２５に至っている。
【００２７】
シート２０の半径方向に長手方向が配設された歪ゲージ８ａ、８ｂは、シート２０上で対向するようにシート２０の周縁に近い側に設けられる。シート２０の円周方向に長手方向が配設された歪ゲージ８ｃ、８ｄは、互いに対向するようにシート２０の中心に近い側に設けられる。
【００２８】
周縁側の歪ゲージ８ａ、８ｂと中心側の歪ゲージ８ｃ、８ｄとは、起歪部１の変形により互いに反対の歪（すなわち圧縮歪と引張歪）を検知するものである。これについては次述する。なお、図示するように、以後、一方の周縁側歪ゲージ８ａの抵抗値をＺ１ａで、他方の周縁側歪ゲージ８ｂの抵抗値をＺ１ｂで、一方の中心側歪ゲージ８ｃの抵抗値をＺ２ａで、他方の中心側歪ゲージ８ｄの抵抗値をＺ２ｂで、それぞれ表わす。
【００２９】
図３は、図１に示した触圧センサがＺ方向の力を検知する原理を説明する図である。図３において、すでに説明した図の中の構成要素に対応するものには同一符合を付してある。
【００３０】
図３（ａ）に示すように、Ｚ方向の力Ｆｚが触圧センサに印加されるとダイアフラム状の歪ゲージ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄに歪に応じた変化が発生する。すなわち、中心側歪ゲージ８ｃ、８ｄは引張に応じた変化であり、周縁側歪ゲージ８ａ、８ｂは圧縮に応じた変化である。周縁側歪ゲージ８ａ、８ｂが圧縮に応じた変化をするのは、中心側歪ゲージ８ｃ、８ｄと周縁側歪ゲージ８ａ、８ｂとの間に中立となる位置が存在するためである。この中立点より中心側では、起歪部１が下に凸に曲がり、中立点より周縁側では、起歪部１が上に凸に曲がる。
【００３１】
歪ゲージ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄは、図３（ｂ）に示すように、ブリッジを構成するように接続される。ブリッジの入力端子対３４、３５から入力電圧（電流でもよい）が印加され、出力端子対２１、２３間に出力を得る。歪ゲージ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄに何ら変化のないときに、ブリッジ回路の平衡条件：Ｚ１ａ・Ｚ１ｂ＝Ｚ２ａ・Ｚ２ｂ（＝対向する要素間のインピーダンス積が同一）が満たされるように歪ゲ−ジ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの抵抗を調整しておくと、歪ゲージ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄが抵抗変化したときに平衡がくずれる。
【００３２】
上記のように、中心側歪ゲージ８ｃ、８ｄは引張に応じて抵抗が増加し、周縁側歪ゲージ８ａ、８ｂは圧縮に応じて抵抗が減少する。したがって、起歪部１がＺ方向の力を検知すると接続パッド２１と端子２３との間に電圧が生じる。この電圧（またはこの電圧による電流）の検出によりＺ方向の力が検知できる。この力の検知は、起歪部１の弾性限界内ではＦｚによく比例する。
【００３３】
図３（ｃ）は、Ｚ方向の力Ｆｚが印加されたときに生じる、Ｘ方向の力を検知するための歪ゲージ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの変化を説明する図である（なお、この説明はＹ方向の力を検知するための歪ゲージ５ａ、…についても同様である）。
【００３４】
Ｚ方向の力Ｆｚが印加されると、歪ゲージ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄが取り付けられている起歪部２ａ、２ｂについても歪が発生する。この歪は、図３（ａ）に示す構造からわかるように、外側の歪ゲージ４ａ、４ｄは引張、内側の歪ゲージ４ｂ、４ｃは圧縮となるような歪である。
【００３５】
ここで、歪ゲージ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは、図３（ｃ）に示すように、ブリッジを構成するように接続されている。すなわち、対向する起歪部２ａ、２ｂの一方の内側に取り付けられた歪ゲージ４ｂと他方の外側に取り付けられた歪ゲージ４ｄとが一方の対向するブリッジの要素になり、一方の外側に取り付けられた歪ゲージ４ａと他方の内側に取り付けられた歪ゲージ４ｃとが他方の対向するブリッジの要素になる接続である。そして、このブリッジの入力端子対４４、４５から入力を加え、出力端子対４２、４３間に出力を得る。
【００３６】
このようなブリッジの構成では、上記のような歪により、歪ゲージ４ｂの抵抗Ｘ１が減少、歪ゲージ４ａの抵抗Ｘ１＊が増加、歪ゲージ４ｃの抵抗Ｘ２が減少、歪ゲージ４ｄの抵抗Ｘ２＊が増加となり、ブリッジ回路の平衡条件：Ｘ１・Ｘ２＊＝Ｘ２・Ｘ１＊は保持されたままになる。この意味で、Ｆｚ検知からＦｘ検知（Ｆｙ検知）への干渉が大きく軽減される。この実施形態の大きな利点である。
【００３７】
図４は、図１に示した触圧センサがＸ方向の力を検知する原理を説明する図である。図４において、すでに説明した図の中の構成要素に対応するものには同一符合を付してある。（なお、この図４の説明は、Ｙ方向の力を検知する原理を説明する場合も同様である。）
【００３８】
図４（ａ）に示すように、Ｘ方向の力Ｆｘが触圧センサに印加されると、対向する起歪部２ａ、２ｂに取り付けられた歪ゲージ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄに歪に応じた変化が発生する。すなわち、図示するように、力Ｆｘの出力方向側における起歪部２ａの外側の歪ゲージ４ａおよび入力方向側における起歪部２ｂの内側の歪ゲージ４ｃは圧縮に応じた変化であり、力Ｆｘの出力方向側における起歪部２ａの内側の歪ゲージ４ｂおよび入力方向側における起歪部２ｂの外側の歪ゲージ４ｄは引張に応じた変化である。
【００３９】
歪ゲージ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは、すでに説明したように、図４（ｂ）に示すように、ブリッジ構成の接続がされている。よって、上記の変化により、歪ゲージ４ｂの抵抗Ｘ１が増加、歪ゲージ４ａの抵抗Ｘ１＊が減少、歪ゲージ４ｃの抵抗Ｘ２が減少、歪ゲージ４ｄの抵抗Ｘ２＊が増加となり、ブリッジ回路の平衡条件：Ｘ１・Ｘ２＊＝Ｘ２・Ｘ１＊がくずれる。よって、出力端子対４２、４３間に電圧が発生する。この電圧（またはこの電圧による電流）の検出によりＸ方向の力が検知できる。この力の検知は、起歪部２ａ、２ｂの弾性限界内ではＦｘによく比例する。
【００４０】
図４（ｃ）は、Ｘ方向の力Ｆｘが印加されたときに生じる、Ｚ方向の力を検知するための歪ゲージ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの変化を説明する図である。Ｘ方向の力Ｆｘが印加されても、図４（ａ）に示すように、歪ゲージ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄが取り付けられている起歪部１については歪がほとんど発生しない。
【００４１】
したがって、すでに説明したＺ方向の力を検知するブリッジ回路は、図４（ｃ）に示すように、歪ゲージ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄに抵抗変化がほとんどないため、ブリッジ回路の平衡が保たれる。すなわち、Ｆｘ検知（またはＦｙ検知）からＦｚ検知への干渉はほとんどないことになる。
【００４２】
以上説明したように、この実施形態では、起歪部１、２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂを板状にし、起歪部同士または他の部位との境界付近に凹部を設け、脚となる起歪部２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂの両面に歪ゲージ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、５ａ、…（計８つ）を取り付けこれらを２つのブリッジ回路として接続した。これらにより、相互干渉を大きく軽減して精度よく小さな力から３分力（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向）を検知することができる。
【００４３】
なお、図４（ａ）に示したブリッジ接続の構成は、以下のようなブリッジ構成に変えてもよい。すなわち、図４（ａ）の４ａの位置に４ａおよび４ｃ（つまりＸ２＋Ｘ１＊を配置）を、図４（ａ）の４ｄの位置に４ｄおよび４ｂ（つまりＸ１＋Ｘ２＊を配置）を、それぞれ接続し、残る４ｂ、４ｃの位置には外付けの固定抵抗を接続してなるブリッジである。このようにしても同様な検知感度が得られ、かつ図３（ｃ）において説明した、Ｚ方向の力Ｆｚからの干渉を避ける効果がある。
【００４４】
【実施例１】
以下では実施例について説明する。実施例１として、０．１ｍｍ厚の金属板を十字形にプレスで打ちぬき、中央平面部を残したまま折り曲げ加工して図１に示すような触圧センサを作った。触圧センサの高さは１．６ｍｍとした。
【００４５】
歪ゲージ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ（５ａ、…）によるブリッジ回路への入力電圧を５Ｖとした。また、歪ゲージ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ（５ａ、…）それぞれの名目抵抗値は３５０Ωである。この触圧センサの４つの足部１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの底面を装着面に固定しＸ方向にＦｘ＝２５０ｇの力を加えた。評価項目は、ブリッジ回路の出力電圧、Ｆｘ検知とＦｙ検知との干渉、Ｆｘ検知のリニアリティ（直線性）の３点である。
【００４６】
得られた結果として、ブリッジ回路の出力電圧は１．７ｍＶないし１．８ｍＶ、Ｆｘ検知とＦｙ検知との干渉は２０％以内、リニアリティは±１％以内であった。この結果は、以下説明する他の実施例より、ブリッジ回路の出力電圧は、比較的大きく検出され、Ｆｘ検知とＦｙ検知との干渉およびリニアリティは、比較的小さい。
【００４７】
【実施例２】
実施例２では、歪ゲ−ジを起歪部２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂの片面のみに張り付け（外側の歪ゲージ４ａ、４ｄ、５ａ、…のみにする）、その他の構造は実施例１と同じ構造のものとした。この構造を図５に示す。図５は、本発明の別の実施形態に係る触圧センサの構造を模式的に示す図であり、すでに説明した構成要素と同一のものには同一符合を付してある。
【００４８】
歪ゲージ４ａ、４ｄによるブリッジ回路は、図４（ｂ）に示すブリッジ回路において、歪ゲージ４ｂ、４ｃに対応する要素を外付けの固定抵抗に代える。このときに、実施例１と同様にＸ方向にＦｘ＝２５０ｇの力を加えた。得られた結果として、ブリッジ回路の出力電圧は０．８５ｍＶないし０．９ｍＶ、Ｆｘ検知とＦｙ検知との干渉は２０％以内、リニアリティは±１％以内であった。歪ゲージが起歪部２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂの片面のみに取り付けられているので出力が減少し検知感度が約半分になっている。
【００４９】
【実施例３】
実施例３では、起歪部１と４つの脚である起歪部２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂとの境界付近、および起歪部２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂと足部１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂとの境界付近に凹部を設けないようにした。その他は実施例１と同じ構成である。この構造を図６に示す。図６は、本発明のさらに別の実施形態に係る触圧センサの構造を模式的に示す図であり、すでに説明した構成要素と同一のものには同一符合を付してある。
【００５０】
実施例１と同様にＸ方向にＦｘ＝２５０ｇの力を加えた。得られた結果として、ブリッジ回路の出力電圧は０．５ｍＶないし０．５５ｍＶ、Ｆｘ検知とＦｙ検知との干渉は３０％以内、リニアリティは±２％以内であった。凹部がない分、起歪部２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂの剛性が増加しており、変形しにくいので歪に対応する出力値は小さい値になっている。また、Ｆｘ検知とＦｙ検知との干渉、リニアリティも上記の実施例よりは劣る。
【００５１】
次に、本発明のさらに別の実施形態に係る触圧センサについて図７を参照して説明する。図７は、本発明のさらに別の実施形態に係る触圧センサの構造を模式的に示す図である。図７（ａ）は上面図、図７（ｂ）は正面図である。
【００５２】
この実施形態に係る触圧センサ７０は、図１に示した触圧センサをアレー状に配列させて装着面上の力の分布を検知可能にしたものである。例えば、指先面等に装着して接着等で固定し指先面全体に加えられる３分力を分力ごとに積算して、全３分力を求めることができる。図７に示すように、この触圧センサ７０は、各触圧センサの足部が十字状になって隣りの触圧センサにつながっており、この場合には全体として４×３の計１２個のアレーとなっている。このようなアレー構成についても、例えば、一枚の板材のプレスと打ち抜きで製作することができる。
【００５３】
具体的な寸法は、例えば横方向Ａが１０ｍｍないし３０ｍｍ程度（より具体的には例えば１５ｍｍ）、縦方向Ｂが１５ｍｍないし４５ｍｍ程度（より具体的には例えば２０ｍｍ）である。また、高さＨは例えば１ｍｍないし３ｍｍ程度（より具体的には例えば１．６ｍｍ）である。
【００５４】
また、縦方向の各列を構成する触圧センサの下側には、円板上の起歪部１の凸形状にはまり込むようにリボン状の配線基板７１ａ、７１ｂ、７１ｃがそれぞれ伴なわれている。配線基板７１ａ、７１ｂ、７１ｃは、エレメントとしての触圧センサに取り付けられた歪ゲージに電気的配線を供給する。歪ゲージと配線基板７１ａ等とはリード線を用い例えばはんだで接続されるが、ここでは図示省略している。
【００５５】
図８は、配線基板７１ａ（７１ｂ、７１ｃ）の構造を示す図である。図８（ａ）は上面図、図８（ｂ）は側面図である。図８に示すように、この配線基板は一種の多層配線板であり、絶縁層９１、９２、９３、９４、…と配線層８１、８２、８３、…とが交互に積層された構造である。絶縁層９１、９２、９３、９４、…は例えばポリイミドのようなフレキシブルな絶縁材料であり、配線層８１、８２、８３、…は例えば銅のような導電材料である。配線層８１、…の数は、図７（ａ）に示す縦方向のエレメントの数に一致させる。
【００５６】
図８において、最も下側の配線層８１は最も先端側（図で上側）で露出し、以下配線層として上側のものになるほど先端側より離れた各位置で露出するようになっている。露出部分が各歪ゲージとの接続端になる。このような配線基板７１ａの構成によれば、各エレメントとしての触圧センサに装着された歪ゲージ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、５ａ、…、８ａ〜８ｄについての配線を、各エレメントごとにひとつの配線層により担当させることができる。配線基板として非常に単純な構造になり、多層基板でありながらスルーホールのような構造を必要とせず廉価なものにすることができる。
【００５７】
図９は、図８に示したアレー状の触圧センサ７０を把持ロボットの指部分１００の指先に装着したときの構成を示す図である。図９（ａ）は側面図、図９（ｂ）は正面図であり、図８、図９に示した構成要素と対応するものには同一符合を付してある。
【００５８】
図９に示すように、アレー状の触圧センサ７０は、人の指先のような微小な曲面を有する面上にも追従して装着することができる。したがって、各種の把持ロボットとしての触圧検知に適している。把持ロボットは、今後、産業用のみならず洗濯機、自動販売機、調理器など種々の分野で応用されることが期待される。
【００５９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明よれば、第１の起歪部に着設された第１の歪ゲージによりＺ方向（装着面に垂直の方向）の力（圧力）が検知され、第１の起歪部を支える構造の第２ないし第５の起歪部にそれぞれ着設された第２ないし第５の歪ゲージによりＸ方向、Ｙ方向（それぞれ、装着面に平行な方向（せん断方向））の力（圧力）が検知される。起歪部それぞれは板状であり曲がりが生じやすいので、小さな力から検知ができる。また、それぞれの方向の力検知に専用の歪ゲージを具備し、例えば互いの干渉を小さくして検知精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る触圧センサの模式的な構造を示す図。
【図２】図１中における円板状の起歪部１の下面に着設されたダイヤフラム状の歪ゲージ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの構成を模式的に拡大して示す図。
【図３】図１に示した触圧センサがＺ方向の力を検知する原理を説明する図。
【図４】図１に示した触圧センサがＸ方向の力を検知する原理を説明する図。
【図５】本発明の別の実施形態に係る触圧センサを模式的に示す図。
【図６】本発明のさらに別の実施形態に係る触圧センサを模式的に示す図。
【図７】本発明のさらに別の実施形態に係る触圧センサの構造を模式的に示す図。
【図８】図７中に示した配線基板７１ａ（７１ｂ、７１ｃ）の構造を示す図。
【図９】図８に示したアレー状の触圧センサ７０を把持ロボットの指部分１００の指先に装着したときの構成を示す図。
【符号の説明】
１…円板状の起歪部 ２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ…板状の起歪部 ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、５ａ、……歪ゲージ ６、７…凹部 ８ａ、８ｂ…周縁側の歪ゲージ ８ｃ、８ｄ…中心側の歪ゲージ １２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂ…足部 ２０…ダイアフラム状の歪ゲージのシート ２１、２２、２３、２４…接続パッド ３４、３５…ブリッジの入力端子 ４２、４３…ブリッジの出力端子 ４４、４５…ブリッジの入力端子 ７０…触圧センサ ７１ａ、７１ｂ、７１ｃ…配線基板 ８１、８２、８３…配線層 ９１、９２、９３、９４…絶縁層 １００…把持ロボットの指部分
Claims (8)
- 円板状の第１の起歪部と、
前記第１の起歪部の周縁をほぼ等角度で４分割する位置より板状に延設され、前記第１の起歪部の脚となって前記第１の起歪部を支持する構造の第２ないし第５の起歪部と、
前記第２ないし第５の起歪部それぞれより前記第１の起歪部とは異なる側に延設された第１ないし第４の足部と、
前記第１の起歪部の円板面上に着設されたダイアフラム状の第１の歪ゲージと、
前記第２ないし第５の起歪部の板面上にそれぞれ着設された第２ないし第５の歪ゲージと
を具備することを特徴とする触圧センサ。 - 前記第２ないし第５の起歪部の板面の両面それぞれに歪ゲージが着設されるように、前記第２ないし第５の歪ゲージのほかに第６ないし第９の歪ゲージをさらに具備することを特徴とする請求項１記載の触圧センサ。
- 前記第２ないし第５の起歪部が前記第１の起歪部を支持する前記構造における前記第１の起歪部の円板と前記第２ないし第５の起歪部の板との角度は、９０度ないし１３０度であることを特徴とする請求項１記載の触圧センサ。
- 前記第１の起歪部から前記第２ないし第５の起歪部への延設境界付近に、前記第１の起歪部の円板面積または前記第２ないし第５の起歪部の板面積を狭くするように凹部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の触圧センサ。
- 前記第２ないし第５の起歪部から前記第１ないし第４の足部への延設境界付近に、前記第２ないし第５の起歪部の板面積を狭くするように凹部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の触圧センサ。
- 請求項１記載の触圧センサがエレメントとしてアレー状に配列されていることを特徴とする触圧センサ。
- 前記エレメントとしての触圧センサそれぞれに配設された歪ゲージそれぞれの端子に電気的配線を供給する配線基板をさらに具備し、
前記配線基板は、多層の配線層を有し、配線層ごとに接続される前記エレメントとしての触圧センサが一定である
ことを特徴とする請求項６記載の触圧センサ。 - 請求項６記載の触圧センサを触圧検知のため具備することを特徴とする把持ロボット。
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