JP4909104B2 - 力覚センサ - Google Patents

Description

本発明は力覚センサに関し、特に、センサの入力部に印加される外力のうちチップへ伝達される分と固定部に伝達される分の力の比率を調整するのに適した緩衝装置を備える力覚センサに関する。

従来、特許文献１により６軸力センサが提案されている。この６軸力センサでは、半導体基板で製作された６軸力センサチップの外力印加部分（力作用部）に印加される外力の大きさが小さくなるように、６軸力センサチップの周囲に緩衝装置を設けている。これにより６軸力センサチップで測定できる外力のレベルを飛躍的に高め、応用範囲を拡大することが可能となる。またこの６軸力センサは、緩衝装置を備えた構造であっても、多軸干渉の問題を解消することができる。また特許文献２に記載された荷重検出器は、外側周囲に位置する環状剛体部と、中心部に位置する剛体部と、これらを連結する部分をなす径方向に設けられた荷重検出部とから構成される。荷重検出部の形状に関して孔、切欠き、または溝等を設けることにより、検出すべき荷重の各軸成分のゲインを揃えることを可能にしている。
特開２００３−２５４８４３号公報 特開平５−１１８９４３号公報

上記のような力覚センサでは、力やモーメントに感応する部分として、半導体製造技術を適用した半導体センサチップが使われる場合がある。半導体センサチップは、半導体基板を利用して外力を受ける部分（力作用部）を形成するので、印加することができる力にも上限があり、必要以上に大きな力やモーメントが印加されると、当該半導体基板のチップが破損するおそれがある。そこで、チップへ力がまったく伝わらないのでは力の検知ができないので、センサの入力部に印加される外力のうち必要かつ適切な力をチップに伝達できるようにすべく、外力を適切に減衰する外力減衰機構部を有する緩衝装置を付設することが望まれる。

緩衝装置の外力減衰機構部による外力減衰性能は、従来、外力減衰機構部の形状および構造に関して、例えば複雑な形状の製作や孔加工等を行うことにより決定されていた。しかし一般的に、減衰機構部の減衰特性を調整するのは容易なものではなかった。

また緩衝装置と力覚センサ用チップとの接続部では、両者の接合面を介して外力の一部が、緩衝装置の外力伝達部から力覚センサ用チップの力作用部に与えられる。通常、力覚センサチップを支持、固定するチップ台座部は緩衝装置の固定部を利用して固定される。従って、外力の印加によってチップ台座部と緩衝装置の固定部との間の接合面まで変形が及ぶおそれがあった。その結果、緩衝装置を備えた従来の力覚センサによれば、チップ台座部と緩衝装置の固定部との間の接合面で剥がれが生じるおそれもあった。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、力覚センサ用チップに印加される外力を十分に減衰してその作用部に伝達し、簡単な加工によってセンサの入力部に印加される外力のうちチップへ伝達される分と固定部に伝達される分の力の比率を調整することができる力覚センサを提供することにある。

さらに本発明の他の目的は、上記の課題に鑑み、緩衝装置の固定部とチップ台座部との間の構造について、両者の接合面の剥がれが生じる事態の発生を防止できるようにした構造を有する力覚センサを提供することにある。

本発明に係る力覚センサは、上記目的を達成するために、次のように構成される。

第１の力覚センサ（請求項１に対応）は、外力を検出する力覚センサ用チップと、外力を減衰させて力覚センサ用チップの作用部に与える緩衝装置とを備えた力覚センサであって、作用部は、力覚センサ用チップの中央部に位置し、力覚センサ用チツプは、作用部を囲む位置にある支持部と、作用部と支持部との間にある連結部と、連結部に複数配置された歪み抵抗素子と、を備えており、緩衝装置は、外力を減衰させる円盤形状の減衰機構部を有し、かつ、円盤形状の減衰機構部の少なくとも表面に環状溝が形成されており、環状溝は、力覚センサ用チップに向けられるように円盤形状の減衰機構部の中心軸に対して傾斜している内周壁面と外周壁面を有する溝側壁によって形成されていることを特徴とする。

上記の力覚センサでは、環状溝加工を円盤形状の減衰機構部に加工することで、センサ性能の設計自由度が高く、かつセンサ性能の再現性の高い力覚センサを製作することが可能となる。また、表面に溝加工を施すことにより、入力部に外力が加わった際に、外力が作用する支点をチップ作用部に近づけることができ、外力の各軸成分をチップ作用部に効果的に伝達させやすくすることができる。

第２の力覚センサ（請求項２に対応）は、上記の第１の力覚センサと同じ構成を有するものにおいて、減衰機構部の裏面にのみに環状溝が形成されることで特徴づけられる。

第３の力覚センサ（請求項３に対応）は、上記の構成において、好ましくは、円盤形状の減衰機構部で、表面に環状溝が形成されると共に、裏面に環状溝が形成されることを特徴とする。円盤形状の減衰機構部の表と裏の各面に溝加工を施すだけで容易に減衰作用を生じる機構を実現することができ、センサ性能の設計自由度が高く、かつセンサ性能の再現性の高い力覚センサを製作することが可能となる。また、表面に溝加工を施すことにより、入力部に外力が加わった際に、外力が作用する支点をチップ作用部に近づけることができ、外力の各軸力成分をチップ作用部に効果的に伝達させやすくすることができ、さらに、裏面に溝加工を施すことにより減衰機構部に加わる力の支点はチップ台座と緩衝装置の固定部の接合面から離れるため、接合面へ力が伝達され難くなり、接合面の剥離を防ぐことができる。

第４の力覚センサ（請求項４に対応）は、上記の構成において、好ましくは、減衰機構部は円盤形状であり、表面の環状溝が円盤状の減衰機構部の径方向内側であり、裏面の環状溝が円盤状の減衰機構部の径方向外側である。

第５の力覚センサ（請求項５に対応）は、上記の構成において、好ましくは、緩衝装置は外力を受ける外力入力部を有し、外力入力部は減衰機構部の中心部に接続されており、減衰機構部に形成された環状溝は、外力入力部を中心としてその周囲の領域に形成されていることを特徴とする。

第６の力覚センサ（請求項６に対応）は、上記の構成において、好ましくは、緩衝装置は外力を受ける外力入力部を有し、外力入力部は減衰機構部の表面の中心部に接続されており、減衰機構部の表面に形成された環状溝、および裏面に形成された環状溝は、共に、外力入力部を中心としてその周囲の領域に形成されていることを特徴とする。

第７の力覚センサ（請求項７に対応）は、上記の各構成において、好ましくは、環状溝は円環状であることを特徴とする。

本発明によれば、力覚センサ用チップと、減衰機構部を備える緩衝装置とを備える力覚センサにおいて、好ましくは減衰機構部を円盤形状とし、例えばその表裏の面に環状溝を作るための溝加工を施すだけで減衰作用を生じする機構部分を形成したため、溝の深さ方向の設計を変更するだけで減衰力を調整することができる。さらに、溝加工を適宜に制御することで、力覚センサのセンサ性能を調整できる。さらに、目的に応じた減衰機構部を再現性よく簡単に製作することができる。本発明の力覚センサの構造によれば、緩衝装置の固定部とチップ台座との間の結合構造について、印加された外力の主たる部分は当該結合部以外の箇所を通して伝達されるようにしたため、両者の接合面の剥がれが生じる事態の発生を防止できる。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

本発明に係る力覚センサは、外側から与えられる外力（軸力）に感応して当該外力を検出する力覚センサ用チップと、印加される外力を所定分だけ減衰させて力覚センサ用チップに伝達する減衰機構部（緩衝機構部）を含む緩衝装置と、から構成されている。本実施形態に係る力覚センサは好ましくは「円盤形状」の外観を有している。

本実施形態で使用されている力覚センサ用チップは、半導体基板を利用して製作され、６軸力センサとして機能するものである。６軸力センサは、直交する３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の各々についての力とモーメントを検出するセンサ機能を有している。

図１〜図４を参照して本発明の第１実施形態に係る力覚センサを説明する。図１は力覚センサ１００の外観を示す斜視図であり、図２は力覚センサ１００の内部の構造を示す断面斜視図である。

力覚センサ１００は力覚センサ用チップ１１と緩衝装置１２とから構成されている。力覚センサ用チップ１１の構成の一例は図３と図４に示される。力覚センサ１００の構成を説明する前に、図３と図４を参照して力覚センサ用チップ１１の構成の一例を説明する。この力覚センサ用チップ１１は、歪み抵抗素子を利用して外力を検出するように構成されている。

図３は力覚センサ用チップ１１の斜視図を示し、図４は力覚センサ用チップ１１の平面図を示す。力覚センサ用チップ１１は、半導体基板を利用し、半導体製造プロセス技術を適用して形成される半導体センサ素子である。力覚センサ用チップ１１の平面形状は好ましくは正方形であり、平板状の形態を有している。力覚センサ用チップ１１の平面形状を示した図３において、力覚センサ用チップ１１は、中央部に位置するほぼ正方形の形状をした作用部２１と、この作用部２１を囲むような周囲位置にある正方形リング形状の支持部２２と、作用部２１と支持部２２の間に位置して四辺の各部分に対応して両者を連結するＴ字形状の４つの連結部２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄとから構成されている。４つの連結部２３Ａ〜２３Ｄの各々は、Ｔ字梁となっており、橋梁部と弾性部を有する。Ｔ字形状の４つの連結部２３Ａ〜２３Ｄの各々は、作用部２１に接続される境界部における、好ましくは、一方の面（表面２４）に３つの歪み抵抗素子(Sxa1,Sxa2,Sxa3),(Sxb1,Sxb2,Sxb3),(Sya1,Sya2,Sya3),(Syb1,Syb2,Syb3)が配置されている。

作用部２１、支持部２２、連結部２３Ａ〜２３Ｄは、図３に示すごとく、力覚センサ用チップ１１に設けられた８つの貫通孔２５ａ〜２５ｈによって形成されている。貫通孔２５ａ〜２５ｈは、作用部２１に与えられた外力を応じた連結部２３Ａ〜２３Ｄの変形および作用部２１の変位を生じさせ、力検出が高精度にできるように、その形成位置および形状が調整されている。

図３と図４では、力覚センサ用チップ１１に対して、図示される通り直交されるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が定義されている。図３では力覚センサ用チップ１１における「上」、「下」、「右」、「左」が便宜的に定められている。図４では横軸がＸ軸、縦軸がＹ軸として示されている。さらに図３では、各軸に係る力およびモーメントが矢印と符号で示されている。直交座標系の３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）に関して、Ｘ軸方向の力をＦｘとし、Ｙ軸方向の力をＦｙとし、Ｚ軸方向の力をＦｚとし、またＸ軸に対して回転方向に与えられるモーメントをＭｘとし、Ｙ軸に対して回転方向に与えられるモーメントをＭｙとし、Ｚ軸に対して回転方向に与えられるモーメントをＭｚとする。

上記の６軸成分（軸力）、すなわちＦｘ［Ｎ］，Ｆｙ［Ｎ］，Ｆｚ［Ｎ］，Ｍｘ［Ｎ・ｃｍ］，Ｍｙ［Ｎ・ｃｍ］，Ｍｚ［Ｎ・ｃｍ］が、支持部２２が固定された力覚センサ用チップ１１の作用部２１に直接印加させると、その印加力に応じて連結部２３Ａ〜２３Ｄの変形が生じる。この連結部２３Ａ〜２３Ｄの変形に従って、歪み抵抗素子(Sxa1,Sxa2,Sxa3),(Sxb1,Sxb2,Sxb3),(Sya1,Sya2,Sya3),(Syb1,Syb2,Syb3)が歪みので、歪み抵抗素子(Sxa1,Sxa2,Sxa3),(Sxb1,Sxb2,Sxb3),(Sya1,Sya2,Sya3),(Syb1,Syb2,Syb3)からの信号を解析することで６軸力の大きさと方向が検知できる。

なお実際の力覚センサ用チップ１１では、チップ周縁部に複数の電極と、当該電極と各歪み抵抗素子とを接続する配線が設けられているが、これらは本発明の要部ではないので、図３および図４ではその図示は省略している。

次に図１および図２を参照して力覚センサ１００の構造を説明する。

力覚センサ１００は、前述した通り、上記の力覚センサ用チップ１１と、緩衝装置１２とによって構成される。緩衝装置１２は、外部から与えられる外力Ｆ１が直接に印加される円柱棒状の入力部１０１と、力覚センサ１００を所要の場所に固定するための軸方向の長さが短い比較的扁平な有底円筒形状のセンサ固定部１０２と、力覚センサ用チップ１１を取り付けるための環形状のチップ台座１０３と、減衰機能（または緩衝機能）を有する円盤形状の減衰機構部１０４と、入力部１０１と力覚センサ用チップ１１の作用部２１とを結合する伝達部１０５とから構成されている。

上記の外力Ｆ１は、前述した６軸成分（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）のいずれかである。

センサ固定部１０２は底部１０２ａと円筒部１０２ｂを有する。力覚センサ用チップ１１を固定するチップ台座１０３は、センサ固定部１０２の底部１０２の上面にリング状突部１０２ａ−１を介して固定されている。チップ台座１０３は、図２に示すごとくセンサ固定部１０２とは別の部材として作ることもできるし、センサ固定部１０２の一部として作ることができる。

前述した力覚センサ用チップ１１の支持部２２は、環形状のチップ台座１０３に固定されている。

円盤形状の減衰機構部１０４と円板形状のチップ台座１０３とは、比較的に接近した位置にて平行の位置関係で配置されている。円盤形状の減衰機構部１０４とチップ台座３０３は、共に、中心部に孔が形成されている。別部品として作られた入力部１０１、センサ固定部１０２、および減衰機構部１０４は組み合わせて、結合されている。円柱棒状の入力部１０１は円盤形状の減衰機構部１０４の中心部の孔に挿入され、固定されている。円盤形状の減衰機構部１０４は、センサ固定部１０２の円筒部１０２ｂの上側の開口部に固定されている。

円形状のチップ台座１０３の中心部の孔の部分には、チップ台座１０３の上側の位置に力覚センサ用チップ１１が固定されている。棒状の伝達部１０５は、入力部１０１の下面と力覚センサ用チップ１１の作用部２１とを連結している。

円盤形状の減衰機構部１０４は、図２等での上面（表面）と下面（裏面）に、溝加工によって好ましくは円形のリング状の溝３１，３２が形成されている。円形リング状の２つの溝３１，３２は、入力部１０１および減衰機構部１０４の共通の中心軸３３の周りに同心円的な位置関係で形成されている。溝３１，３２の各々の内周壁面と外周壁面は傾斜して形成され、かつ底面は湾曲させて形成されている。溝３１，３２の内周壁面と外周壁面は、上記の減衰機構部１０４等の中心軸に対して傾斜しており、かつその傾斜方向が下方に位置する力覚センサ用チップ１１に向かうように傾斜している。この結果、溝３１と溝３２の間に形成される部分の断面形状は、図２中の左側部分の断面で見ると、ほぼＮ字型の形状に形成されている。

減衰機構部１０４を円盤形状とし、その上面および下面に溝加工によって溝３１，３２を形成することにより、外力Ｆ１に対応する変形性を高め、かつ外力Ｆ１を減衰させ、外力Ｆ１の一部を力覚センサ用チップ１１の作用部２１に与えるようしている。減衰機構部１０４では、上下面に溝加工することにより溝３１，３２の深さ（傾斜方向の深さ）を調整することで、外力Ｆ１に対する感応性能（検知性能）を調整することができる。また、上面に溝加工することにより、入力部に外力が加わった際に、入力部の変位の中心をチップ作用部に近づけることができ、外力の各軸力成分をチップ作用部に効果的に伝達させるやすくすることができる。

上記の実施形態に係る力覚センサ１００において、入力部１０１に与えられた外力Ｆ１は、主たる部分は減衰機構部１０４に伝達し、その一部が伝達部１０５を介して力覚センサ用チップ１１の作用部２１に伝達・印加される。力覚センサ用チップ１１は、外力Ｆ１の減衰された一部に感応して変形状態を生じ、前述した歪み抵抗素子により外力Ｆ１を検知する。

上記の減衰機構部１０４では上下面に溝３１，３２を形成することが好ましいが、減衰機構部１０４に形成される溝は、減衰力調整の観点から表面のみの溝３１だけ、または裏面の溝３２だけとしてもよい。

本実施形態による力覚センサ１００によれば、円盤形状の減衰機構部１０４で溝３１，３２を形成することで、外力Ｆ１を力覚センサ用チップ１１の中心へ効果的に減衰させて伝達することができ、さらに溝の傾斜方向の深さを変えることで検知性能を容易に調整することができる。また減衰機構部１０４の構成要素を個別の部品で形成するようにしたため、仕様別に設計変更するのみで量産することができる。

力覚センサ１００の入力部１０１、センサ固定部１０２、チップ台座１０３、減衰機構部１０４、伝達部１０５は、一般的には、金属（アルミニウム、炭素鋼、ステンレス等）、プラスチック、セラミックス、ガラス等の固体材料で形成される。

上記において、２種以上の金属を使用しても良いが、製造工程やコストを考慮すると、１種類の金属を使用して入力部やセンサ固定部等のセンサ筐体を形成し、さらに形状、サイズ、溝、孔等の形成の仕方等で変形作用を調整する方がより現実的である。

またチップ台座１０３については、特に、力覚センサ１００としてのセンサ精度を高く維持する観点では、絶縁性が有することが望ましく、さらに力覚センサ用チップ１１と熱膨張係数が近い材料が望ましい。仮に熱膨張係数が近くないとすると、外部の温度変化によって力覚センサ用チップ１１が延伸することがある。これは、力覚センサ１００による検出での誤差（温度ドリフト）を生じさせる。力覚センサ１００から検出信号を取り出すためには、通常、バイアス電圧をかけてノイズの影響をなくすようにする。しかし、当該バイアス電圧が他の部分に印加されないようにするためには、チップ台座１０３は絶縁性を有することが望ましい。この観点からも、セラミックスやガラスは好適である。

さらにチップ台座１０３は、センサ固定部１０２の円筒部１０２ｂおよび力覚センサ用チップ１１に陽極接合により結合させるため、特にガラスを選択することが望ましい。なお陽極接合の代わりに、従来のようにエポキシ樹脂系などの接着剤を使用することもできる。なおセンサの使用態様によっては、耐熱性に優れたフェノール系の接着剤を使用してもよい。

次に図５を参照して本発明の第２実施形態に係る力覚センサ２００を説明する。図５は、力覚センサ２００の内部の構造を示す断面斜視図であり、図２と同様な図である。図５において、図２で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付している。

力覚センサ２００は力覚センサ用チップ１１と緩衝装置１２とを備える。緩衝装置１２は、外部から与えられる外力Ｆ１が直接に印加される円柱棒状の入力部２０１と、力覚センサ２００を所要の場所に固定するための軸方向の長さが短い比較的扁平な円筒形状のセンサ固定部２０２と、力覚センサ用チップ１１を取り付けるための円板形状のチップ台座２０３と、減衰機能（緩衝機能）を有する円盤形状の減衰機構部１０４と、入力部２０１と力覚センサ用チップ１１の作用部２１とを結合する伝達部１０５とから構成されている。円板形状のチップ台座２０３は中心部に孔が形成されている。円形形状のチップ台座２０３の中心部の孔の部分には、チップ台座２０３の下側（外側）の位置に力覚センサ用チップ１１が固定される。棒状の伝達部１０５は、チップ台座２０３の孔を通して配置され、入力部１０１の下面と力覚センサ用チップ１１の作用部２１とを連結している。

力覚センサ２００における減衰機構部１０４は、第１実施形態で説明した通りの溝３１、３２を有した形状、および外力Ｆ１を減衰させてその一部を力覚センサ用チップ１１に与える機能を有している。

前述の第１実施形態の力覚センサ１００ではチップ台座１０３と外力の伝達部１０５とが力覚センサ用チップ１１に対して異なる側（表と裏）に接していたのに対して（両面接合構造）、第２実施形態の力覚センサ２００では、チップ台座２０３と伝達部１０５とが力覚センサ用チップ１１に対して同じ側で接している（片面接合構造）。従来、両面接合構造においては、チップ台座と緩衝装置の固定部の接合面は減衰機構と離れているため、接合面の剥離のおそれはないが、片面接合構造においては、チップ台座と緩衝装置の固定部の接合面は、減衰機構部と近いため剥離のおそれがあった。しかし、片面接合構造においても、減衰機構部の下面に溝加工を施すことにより、減衰機構部の変形の中心がチップ台座と緩衝装置の固定部の接合面から離れるため、接合面へ力が伝達され難くなり、接合面の剥離を防ぐことができる。

また図５に示す緩衝装置１２のようなレイアウトを採用することで、緩衝装置１２の全構成部が力覚センサ用チップ１１に対して同一側に存在することになり（図５では力覚センサ用チップ１１の上側）、入力部２０１、減衰機構部１０４、センサ固定部２０２、伝達部１０５、およびチップ台座２０３を一体的に形成してから後付けで力覚センサ用チップ１１を接着することが可能となる。これにより、力覚センサ２００の製造工程の簡略化に貢献する。入力部２０１から減衰機構部１０４に到る部分の一部または全部を一体形成することは、接着剤の使用量の低減にもつながり、また堅牢性を高くすることができる。

また、力覚センサ２００は上下方向の一層の薄型化を実現している。力覚センサ２００では、薄型化を図るために、伝達部１０５、減衰機構部１０４、およびチップ台座２０３を力覚センサ用チップ１１の同一面側に配置し、さらにセンサ固定部２０２の内周側に減衰機構部１０４を設け、チップ台座２０３の内周側に伝達部１０５を設けている。

次に、図６〜図８を参照して、本発明の第３実施形態に係る力覚センサ３００を説明する。本実施形態に係る力覚センサ３００は、片面接合構造を有する第２実施形態に係る力覚センサを利用して構成される力覚センサである。

図６は力覚センサ３００の外観図であり、図７は力覚センサ３００の半裁縦断面を示す断面斜視図であり、図８は力覚センサ３００の特徴的構成を明示するようにした縦断面図である。

力覚センサ３００は、筐体上部３００Ａと筐体下部３００Ｂとから構成される。筐体上部３００Ａと筐体下部３００Ｂは、ネジ結合構造や接合等で結合され、一体化される。

筐体上部３００Ａは、中央部に位置する径の大きな円盤形状の減衰機構部３０１と、その上面に形成される円柱状突起部をなす外力入力部３０２と、減衰機構部３０１の下面に取り付けられるチップ台座３０３とを有している。減衰機構部３０１と外力入力部３０２とは一体物として形成されており、表面側の外力入力部３０２の根本部の周囲に径方向外側の溝３０４が形成されている。減衰機構部３０１の下面（裏面側）に径方向内側の溝３０５が形成されている。溝３０４は前述の溝３１に対応しており、溝３０５は前述の溝３２に対応している。２つの溝３０４，３０５によって薄肉部が形成されることにより、減衰機構部３０１の減衰機能が作られる。チップ台座３０３は、減衰機構部３０１と外力入力部３０２に対して別部材として用意される。チップ台座３０３の周縁部が減衰機構部３０１の下面に接合されている。チップ台座３０３の中心部には孔が形成されており、当該孔の部分に臨むように力覚センサ用チップ１１が固定されている。減衰機構部３０１の下面の中央部は、伝達部３０６を介して、力覚センサ用チップ１１の中央の作用部２１に連結されている。

上記外力入力部３０２には、連結部材等を介して外力受け部が取り付けられる。また筐体上部３００Ａと筐体下部３００Ｂとの連結状態において、それらの間にはスペース３１１が形成される。上記の力覚センサ用チップ１１は当該スペース３１１内に配置されることになる。

筐体下部３００Ｂは、力覚センサ３００が固定されるべき被固定部材（図示せず）に対して、当該力覚センサ３００を固定するための要素である。筐体下部３００Ｂは、筐体上部３００Ａに結合される円盤形状部３１２と、この円盤形状部３１２の下面に形成される円柱状突起部をなす連結部３１３とから構成されている。円盤形状部３１２と連結部３１３とは一体物となっている。連結部３１３は連結部材（図示せず）を介して被固定部材に固定される。

上記の構造を有する力覚センサによれば、外力入力部３０２に印加される外力Ｆ１は、筐体上部３００Ａの減衰機構部３０１による減衰作用で減衰され、外力の一部が伝達部３０６を経由して力覚センサ用チップ１１の作用部に与えられる。

図８において、減衰機構部３０１における上側の溝３０４と下側の溝３０５を含む断面領域３３０は減衰作用を生じさせる領域である。この領域３３０の厚み方向の寸法、各厚み位置における径方向の寸法は、力覚センサ３００のセンサ性能（検知性能、耐荷重性能等）の設計に応じて、適宜に変更することができる。さらに、減衰機構部３０１における上側の溝３０４と下側の溝３０５のそれぞれについて、傾斜方向の溝の深さ、径方向の位置、軸心３３の方向の位置を変化させることにより、センサ性能、すなわち検知性能を大きく変化させることができる。特に、傾斜方向の溝の深さおよび上下溝による薄肉部の形成位置によって定格荷重を調整することが容易となる。これにより力覚センサ３００の設計自由度、設計効率を向上させることができる。

次に、下記の表１を参照して、本発明（第２実施形態）に係る力覚センサの検知性能と従来構造（平板形状）の力覚センサの検知性能とを比較する。

上記の表１において、上段は本発明の第２実施形態に係る力覚センサを示し、下段は従来構造（平板形状）の力覚センサを示している。表１において、横方向に「形状」、「検知性能評価（構造解析による検知シミュレーション）」、「検知性能（○または△）」の各項目が示されている。検知性能評価の欄では、本発明の第２実施形態と従来構造のいずれの場合にも、検知評価性能テーブルが示されている。

本発明の第２実施形態の場合の検知評価性能テーブルでは、ブロックＢ１に示されるように各検知用歪は２７μＳ以上になり、信号強度が十分に確保され、またブロックＢ２に示されるように他軸干渉に関して、例えばＭｙについては９０／４０＝２．２となり、他軸干渉を十分に低減することができる。従って本発明に係る力覚センサの検知性能は高いものになる。これに対して、従来構造の場合の検知評価性能テーブルでは、ブロックＢ３に示されるように各検知用歪は１８μＳ以上であり、またブロックＢ４に示されるように他軸干渉に関して、例えばＭｙについては１４０／３５＝４となり、従来構造の力覚センサでは十分な検知性能を得ることができない。

次に、下記の表２を参照して、設計の観点から本発明に係る力覚センサの検知性能を検討する。

上記の表２において、上段は本発明の第２実施形態に係る力覚センサの構造であって３０Ｎ定格のものであり、下段は同力覚センサの構造であって１５Ｎ定格のものを示す。表２では、横方向に「設計」、「検知性能評価（構造解析による検知シミュレーション）」、「検知性能（○または△）」の各項目が示されている。検知性能評価の欄では、いずれの場合にも、検知評価性能テーブルが示されている。１５Ｎ定格の力覚センサは、３０Ｎ定格の力覚センサに対して上側に位置する表面側の溝を深くして力覚センサの定格を調整している。

３０Ｎ定格の場合の検知評価性能テーブルでは、ブロックＢ５に示されるように各検知用歪は２７μＳ以上になり、信号強度が十分に確保され、またブロックＢ６に示されるように他軸干渉に関して、例えばＭｙについては９０／４０＝２．２となり、他軸干渉を十分に低減することができる。また１５Ｎ定格の場合の検知評価性能テーブルでは、ブロックＢ７に示されるように各検知用歪は２６μＳ以上であり、またブロックＢ８に示されるように他軸干渉に関して、例えばＭｙについては８５／５１＝１．６となり、この場合にも十分な検知性能を得ることができる。

上記のごとく、３０Ｎ定格荷重の力覚センサの設計をベースにして溝形状（深さ等）を変更することで良好な検知性能を有する１５Ｎ定格荷重の力覚センサを設計することができる。よって溝の形状を調整することにより設計自由度を高いものにすることができる。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明は、工作機械やポインティングデバイス等において軸力や荷重を検出する力覚センサとして利用される。

本発明の第１実施形態に係る力覚センサの外観斜視図である。 第１実施形態に係る力覚センサの縦断面を示した半裁斜視図である。 力覚センサ用チップの一例を示す外観斜視図である。 力覚センサ用チップの平面図である。 本発明の第２実施形態に係る力覚センサの縦断面を示した半裁斜視図である。 本発明の第３実施形態に係る力覚センサの外観斜視図である。 第３実施形態に係る力覚センサの縦断面を示した半裁斜視図である。 第３実施形態に係る力覚センサの半裁縦断面図である。

符号の説明

１１ 力覚センサ用チップ
１２ 緩衝装置
２１ 作用部
２２ 支持部
２３Ａ〜２３Ｄ 連結部
３１，３２ 溝
１００ 力覚センサ
１０１ 入力部
１０４ 減衰機構部
２００ 力覚センサ
３００ 力覚センサ
３０１ 減衰機構部
３０４，３０５ 溝

Claims (7)

1. 外力を検出する力覚センサ用チップと、前記外力を減衰させて前記力覚センサ用チップの作用部に与える緩衝装置とを備えた力覚センサであって、
   前記作用部は、前記力覚センサ用チップの中央部に位置し、
   前記力覚センサ用チツプは、前記作用部を囲む位置にある支持部と、前記作用部と前記支持部との間にある連結部と、前記連結部に複数配置された歪み抵抗素子と、を備えており、
   前記緩衝装置は、前記外力を減衰させる円盤形状の減衰機構部を有し、かつ、前記円盤形状の減衰機構部の少なくとも表面に環状溝が形成されており、
   前記環状溝は、前記力覚センサ用チップに向けられるように前記円盤形状の減衰機構部の中心軸に対して傾斜している内周壁面と外周壁面を有する溝構造によって形成されていることを特徴とする力覚センサ。
2. 外力を検出する力覚センサ用チップと、前記外力を減衰させて前記力覚センサ用チップの作用部に与える緩衝装置とを備えた力覚センサであって、
   前記作用部は、前記力覚センサ用チップの中央部に位置し、
   前記力覚センサ用チツプは、前記作用部を囲む位置にある支持部と、前記作用部と前記支持部との間にある連結部と、前記連結部に複数配置された歪み抵抗素子と、を備えており、
   前記緩衝装置は、前記外力を減衰させる円盤形状の減衰機構部を有し、かつ、前記円盤形状の減衰機構部の少なくとも裏面に環状溝が形成されており、
   前記環状溝は、前記力覚センサ用チップに向けられるように前記円盤形状の減衰機構部の中心軸に対して傾斜している２つの溝側壁によって形成されていることを特徴とする力覚センサ。
3. 前記減衰機構部で、前記表面に前記環状溝が形成されると共に、裏面に前記環状溝が形成されることを特徴とする請求項１記載の力覚センサ。
4. 前記減衰機構部は円盤形状であり、前記表面の前記環状溝が円盤状の前記減衰機構部の径方向内側であり、前記裏面の前記環状溝が円盤状の前記減衰機構部の径方向外側であることを特徴とする請求項３記載の力覚センサ。
5. 前記緩衝装置は前記外力を受ける外力入力部を有し、前記外力入力部は前記減衰機構部の中心部に接続されており、前記減衰機構部に形成された前記環状溝は、前記外力入力部を中心としてその周囲の領域に形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の力覚センサ。
6. 前記緩衝装置は前記外力を受ける外力入力部を有し、前記外力入力部は前記減衰機構部の前記表面の中心部に接続されており、前記減衰機構部の前記表面に形成された前記環状溝、および前記裏面に形成された前記環状溝は、共に、前記外力入力部を中心としてその周囲の領域に形成されていることを特徴とする請求項３記載の力覚センサ。
7. 前記環状溝は円環状であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の力覚センサ。

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