JP5489538B2 - 力覚センサ - Google Patents

Description

本発明は、基部と、基部と連結された弾性支持部によって支持された作用部を有し、作用部に作用する外力及びモーメントの少なくとも一方を検出する力覚センサに関する。

外力を検出する力覚センサの方式として、歪みゲージ式（抵抗式）、静電容量式、光学式などが一般に知られており、歪みゲージを用いた方式（特許文献１）によるものが主流である。

一方、光学式の力覚センサには、光ディスクなどの情報記録再生装置に使用される光ピックアップのトラッキング制御及びフォーカス制御の技術を用いる方式（特許文献２）や、光源と４分割ＰＤ（フォトダイオード）を用いる方式（特許文献３）が知られている。

特開平１０−２７４５７３号公報 特開２００５−２４１３５３号公報 特開２００５−９８９６４号公報

ところで、力覚センサの主な用途として、産業用ロボットのアームやフィンガーなどに用いることが考えられる。このような産業用ロボットが行う作業に求められる精度は年々高まってきており、力覚センサとしてもより高精度、高感度な検出が可能なものが必要とされている。また、このような用途においては、ロボットのアームやフィンガーなどを高速に動作させるニーズがあるために、より高帯域の制御が必要とされる。その際、力覚センサの剛性を高めることが求められるが、一般に力覚センサの剛性を高めると検出感度は低くなる。

しかしながら、特許文献１乃至３に記載の力覚センサでは、外力等を算出するために必要な変位を検出する変位センサの分解能が低く、検出感度が十分ではないため、高剛性と高感度な検出とを両立させることは非常に困難である。

そこで、本発明は従来の力覚センサが持つ課題を鑑みてなされたものであり、高剛性と高感度な検出とを両立させることができる力覚センサを提供する。

上記課題を解決するために、本発明の力覚センサは、作用部に作用する外力及びモーメントの少なくとも一方を検出する検出部に作用部の変位を検出する光学式エンコーダを用い、光学式エンコーダで検出された変位に基づいて外力及びモーメントの少なくとも一方を検出するようにした。

つまり、本発明の力覚センサは、基部と、前記基部と連結された弾性支持部と、前記弾性支持部によって支持された作用部と、前記作用部に作用する外力及びモーメントの少なくとも一方を検出する検出部と、を有する力覚センサにおいて、
前記検出部は、前記基部または前記作用部の一方の所定面上に設けられている光源と、前記基部または前記作用部の他方に設けられている３つの回折格子と、前記所定面上に設けられ、前記３つの回折格子の各々に対応する３つの受光素子列群と、
前記３つの受光素子列群からの信号に基づいて前記作用部の前記基部に対する変位を算出し、前記変位に基づいて前記外力及びモーメントの少なくとも一方を算出する演算部と、
を備え、
前記３つの受光素子列群はそれぞれ、前記光源から射出され、前記３つの回折格子で回折した回折光による干渉像を受光し、互いに位相の異なる複数の信号を出力する受光素子列を有しており、
前記３つの受光素子列群に含まれる受光素子列の配列方向は、前記光源と前記受光素子列群を結ぶ直線に対して非平行であることを特徴としている。

本発明の力覚センサによると、受光素子列から出力される、変位に応じて位相が変化する正弦波（余弦波）状の信号に基づいて作用部の変位が算出されるため、より高感度な検出が可能になる。そのため、剛性を下げなくても十分な検出感度を得ることができ、高剛性と高感度な検出の両立が可能になる。

本発明における第一の実施形態の力覚センサを示す模式図。 単一の光源と単一の受光素子列及び反射型回折格子を用いた、変位センサの基本構成を示す模式図。 第一のアナログ信号、及び第二のアナログ信号を示す図。 第一のデジタル信号、及び第二のデジタル信号を示す図。 受光素子列と回折格子との距離（ギャップ）とアナログ信号の振幅値の関係を示す図。 第一のアナログ信号または第二のアナログ信号の振幅がＶからＶ´へ変化する際のリサージュ曲線の一例を示す図。 受光素子列と回折格子との距離（ギャップ）と光源へ流れる電流値の関係を示す図。 受光素子列と回折格子との距離（ギャップ）とフーリエイメージのコントラストの関係を示す図。 受光素子列と回折格子との距離（ギャップ）とフーリエイメージのコントラストの関係におけるギャップに対するコントラストが単調減少する領域を拡大した図。 図１（ｅ）の概略斜視図。 本発明における第二の実施形態の力覚センサを示す模式図。 単一の光源と２つの受光素子列用いた変位センサの基本構成を示す模式図。 本発明における第三の実施形態の力覚センサを示す模式図。 産業用ロボットにおけるピンセットハンドを示す模式図。

以下、本発明に関る実施形態について、図面を用いて説明する。

（第一の実施形態）
図１〜図１０を用いて、本発明の第一の実施形態について説明する。なお、各図面で用いている座標軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）はいずれも共通するものとする。

図１（ａ）は、本発明の第一の実施形態に係る光学式力覚センサの概略斜視図である。本実施形態の力覚センサ１は、基部２と、基部２に対して相対的に移動可能な作用部３と、基部２と作用部３とを連結する弾性支持部４ａ〜４ｆと、作用部３に作用する外力及びモーメントの少なくとも一方を算出する演算部８を有する。基部２は、基部底部２ａと基部側部２ｂにより構成されている。

そして、検出部は、光源５と、３つの受光素子列６ａ〜６ｃ（ＰＤ：フォトダイオードアレイ）と、３つの回折格子（変位スケール）７ａ〜７ｃと、演算部８を有する。そして、光源５及び３つの受光素子列６ａ〜６ｃはｚ軸に直交する同一平面内（ｘｙ面内）に配置されており、いずれも基部２に配置されている。一方、３つの回折格子７ａ〜７ｃは、光源５、及び３つの受光素子列６ａ〜６ｃに対向してｚ軸に直交する面内に配置されており、いずれも作用部３に配置されている。なお、本実施形態では３つの受光素子列６ａ〜６ｃは、光源５を中心とした同一平面内の円周上に互いに１２０度の角をなすように配置された例を示している。

図１（ｂ）は図１（ａ）の概略平面図を示す。図１（ｃ）は図１（ａ）の基部側部２ｂ及び、弾性支持部４ｄ〜４ｆ、演算部８を取り外した際の、概略斜視図である。図１（ｄ）は図１（ｃ）の概略平面図を示す。図１（ｅ）は図１（ｃ）における、作用部３及び弾性支持部４ａ〜４ｃ、演算部８を取り外した概略平面図を示す。図１における弾性支持部４ａ〜４ｆに関して、弾性支持部４ａ〜４ｃは、図１におけるｘｙｚ座標系において、ｘｙｚ各軸方向の弾性変形が可能な弾性部材を示し、弾性支持部４ｄ〜４ｆは、コイルばね状の弾性支持部を示している。弾性支持部４ａ〜４ｆの構造は多種多様であり、弾性支持部に求められる機械的性質（剛性等）に応じて、弾性支持部の構造が選定される。

演算部８は、３つの受光素子列６ａ〜６ｃから出力される信号に基づいて、各回折格子７ａ〜７ｃの格子配列方向の作用部３の変位、または回折格子が形成される面に垂直な方向の作用部３の変位を算出する。そして、算出された変位に基づいて作用部に作用する外力及びモーメントの少なくとも一方を算出する。

次に、検出部が行う作用部の変位検出方法について説明するが、まず回折格子の格子配列方向への変位検出方法について説明する。

図２には図１に示されている光源、１つの受光素子列、回折格子に対応するものとして、光源１４、受光素子列１３、回折格子１５を含む変位センサ１１が示されている。図２（ａ）は光源１４、受光素子列１３及び回折格子１５が１つずつ配置された変位センサの模式図の概略斜視図を示し、図２（ｂ）はその概略右側面図を示す。

光源１４は、点光源とみなせる発光中心より回折格子１５を直接照射する。光源１４から射出された光は回折格子１５で反射され、反射した回折光によるフーリエイメージ（回折干渉像）は受光素子列１３により受光される。光源１４と受光素子列１３が同一平面内にあり、回折格子１５が反射型であるため、受光素子列１３上で観測されるフーリエイメージの明暗の空間的周期は、回折格子１５の配列ピッチの２倍となる。そのため、例えば、受光素子列１３の配列ピッチを回折格子１５の配列ピッチの２倍となるように設定することで、受光素子列１３を用いて出力信号の振幅値を最大とすることが可能である。また、例えば受光素子列１３が所定のピッチで等間隔に配列されている場合、空間的に離れた位置の受光素子の信号を得ることで、異なる位相を持つ複数の信号を得ることが可能である。

図２（ｃ）は、図２（ａ）に示されている受光素子列１３を拡大した概略平面図である。受光素子列１３は、１７ａ〜１７ｄの隣接する４つの受光素子列を図のように５つ配列することによって形成され、空間的に離れた５つの同一受光素子の総和を用いて信号が出力される。図２（ａ）において、受光素子列１３に対する反射型回折格子１５の相対的な移動に伴い、反射型回折格子１５のフーリエイメージは受光素子列上を受光素子の配列方向へ移動する。１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄの順にフーリエイメージが移動する場合、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄの各受光素子より得られる信号は、受光素子１７ａより得られる信号に対し、それぞれ９０度、１８０度、２７０度の位相差を持つ信号となる。この場合、最大４つの位相の異なる信号を得ることが可能である。受光素子列１３はフォトダイオードを直線状に配列したものであり、以上述べた原理に従うと、図３、図４に示されているような位相差を持つ複数の信号２１〜２４を出力することが可能である。

図３は、図２に示されている変位センサ１１より出力されるアナログ信号の一例を示し、第一のアナログ信号２１及び、第一のアナログ信号２１に対して９０度の位相差を持つ第二のアナログ信号２２を示す。第一及び第二のアナログ信号２１、２２は正弦波、余弦波に近似するため、例えば両信号の値のアークタンジェントを求める等の方法により、１周期内の信号の位相を正確に算出（電気分割）することができる。そして算出した信号の位相と、カウントした第一あるいは第二のアナログ信号の波数とにより、受光素子列１３に対する反射型回折格子１５の相対変位を算出することができる。また、両信号の位相差を、例えば上述する９０度など、１８０度以外の値に設定することにより、各受光素子列での変位量を符号付きで得ることが可能である。また、原点マークと原点マーク検出手段など原点検出機能を設けることにより絶対位置を検出するようにすることも可能である。

また、図４は図２に示されている変位センサ１１より出力されるデジタル信号の一例を示し、図３に示されているアナログ信号をある閾値により２値化することにより得られる第一のデジタル信号２３及び、第二のデジタル信号２４を示す。上述する信号の波数をカウントする場合にはデジタル信号を用いて行う方が好ましい。

また、回折格子の格子ピッチ及び受光素子列の配列ピッチを小さくすることにより、分解能を高め、より精密な変位の検出が可能になる。

次に、回折格子が設けられている面に垂直な方向の変位検出方法について説明する。

第一の方法として、光源５へ流れる単位電流あたりの、光量変化により検出する方法がある。この方法は、受光素子列と回折格子の距離（ギャップ）の変化によらず、受光素子列で受光する総光量を一定とするように、光源で消費する電流値を制御するＡＰＣ（Ａｕｔｏ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）駆動の動作・非動作によって２つの方法がある。

ＡＰＣ駆動が非動作の場合、ギャップと、図３に示されているアナログ信号２１、２２の振幅値の関係は、図５に示されているようにギャップの増加に対し、振幅値は単調減少となる。アナログ信号振幅値の変化δＶを検出することで、回折格子のｚ軸方向の変位δｚ（ギャップ変化）を検出することが可能である。アナログ振幅の検出方法の例として、リサージュ曲線を用いる方法がある。図６に示されている、第一のアナログ信号２１と第二のアナログ信号２２が９０度の位相差を持つ場合、二つの信号２１、２２を用いて図６に示されているようなリサージュ曲線を得ることが出来る。リサージュ曲線の半径は信号振幅値を示すため、半径の変化（図６ではＶからＶ´へ変化）を検出することにより、振幅値を得ることができる。

一方、ＡＰＣ駆動が動作している場合、光源へ流れる電流値はギャップの増加により、図７のように単調増加となる。この電流値の変化δｉを検出することで、回折格子のｚ軸方向の変位δｚ（ギャップ変化）を検出することが可能である。

第二の方法として、発散光束照明下での三光束干渉によるフーリエイメージコントラストを利用する方法がある。一般に、フーリエイメージのコントラストが高くなれば、図２に示されている受光素子列１３より出力されるアナログ信号の信号振幅値は増大し、フーリエイメージのコントラストが低くなれば、受光素子列１３より出力されるアナログ信号の信号振幅値は減少する。つまり、フーリエイメージのコントラストに対し、アナログ信号の信号振幅値が一意的に定まるため、アナログ信号の信号振幅値の変化からフーリエイメージのコントラストの変化を検出することが可能である。一般に、発散光束照明下におけるフーリエイメージのコントラストの、ギャップに対する関係は図８に示されているように周期性を持つことが知られている。図８において、ギャップがゼロの状態から、次のコントラストが極大となるまでの周期Ｌは、次式で与えられる。

ここで、Ｐは回折格子のピッチ、λは光源波長である。

変位センサのＡＰＣ駆動を動作させた状態において、受光素子列６ａ〜６ｃと反射型回折格子７ａ〜７ｃの間の距離（ギャップ）を変化させることにより、フーリエイメージのコントラストが低下すると、信号振幅も同時に減少する。すなわち、フーリエイメージのコントラストに対し、信号振幅値が一意的に定まる関係を利用する。図９に示されているように、ギャップ（距離）の増加に対し、フーリエイメージのコントラスト（信号振幅）が単調に減少する領域を用いると、アナログ信号振幅値の変化δＶを検出することで、基準点からのｚ軸方向の変位δｚを検出することが可能である。

次に、以上に説明した作用部の変位検出方法によって検出された変位を用いて、作用部に作用する外力及びモーメントを算出する方法について説明する。

第一の実施形態において、光源５と、配列方向が互いに異なる３つ以上の受光素子列６ａ〜６ｃが配置されている場合、以下の演算方法を基本として６軸の外力及び、モーメントを検出することが可能である。算出方法を説明する図として、図１（ｅ）の概略斜視図である図１０を用いる。図１０では、光源の重心Ｏを原点し、ｘｙｚ直交座標系を用いる。３つの受光素子列６ａ、６ｂ、６ｃそれぞれの重心位置をＡ、Ｂ、Ｃと定め、∠ＡＯＢ＝∠ＢＯＣ＝∠ＣＯＡ＝１２０°、ＯＡ＝ＯＢ＝ＯＣ＝ｒの場合を考える。６ａ、６ｂ、６ｃ各々の受光素子列で検出される変位をそれぞれｓ_ａ、ｓ_ｂ、ｓ_ｃとし、Ａ、Ｂ、Ｃ各点におけるｚ軸方向の変位をそれぞれδｚ_ａ、δｚ_ｂ、δｚ_ｃとする。また、作用部全体のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向の各変位をそれぞれΔｘ、Δｙ、Δｚとし、原点Ｏを中心とした作用部全体のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸周りの各回転角をそれぞれθ_ｘ、θ_ｙ、θ_ｚとする。

ｘｙ平面内で検出される３つの各受光素子列６ａ、６ｂ、６ｃから得られる変位ｓ_ａ、ｓ_ｂ、ｓ_ｃを用いて、Δｘ、Δｙ、θ_ｚは次式で表される。

一方、３つの各受光素子列６ａ、６ｂ、６ｃから得られるｚ軸方向の変位δｚ_ａ、δｚ_ｂ、δｚ_ｃを用いて、Δｚ、θ_ｘ、θ_ｙは次式で表される。

第一の実施形態において、６軸の外力及びモーメントの検出を可能とするためには、Ａ、Ｂ、Ｃ各点におけるｚ軸方向の変位δｚ_ａ、δｚ_ｂ、δｚ_ｃをそれぞれ独立に検出する必要がある。従って、受光素子列の垂直方向の変位を検出する方法について、前述した第一の方法である光源へ流れる電流で規格化された光量変化を用いる場合、次の注意が必要である。ＡＰＣ駆動が動作時の光源へ流れる電流値の変化δｉを検出する方法を用いる際は、３つの受光素子列６ａ、６ｂ、６ｃ各々に対応する３つの光源を設ける必要がある。

以上、６軸の変位Δｘ、Δｙ、Δｚ、θ_ｘ、θ_ｙ、θ_ｚをもとに、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向に働く各外力Ｆ_ｘ、Ｆ_ｙ、Ｆ_ｚ及び、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸周りの各モーメントＭ_ｘ、Ｍ_ｙ、Ｍ_ｚは、例えば次のように算出される。

ここで、Ｋ_ｘ、Ｋ_ｙ、Ｋ_ｚは各軸のばね定数、Ｇ_ｘ、Ｇ_ｙ、Ｇ_ｚは各軸のせん断弾性率、Ｉ_ｐｘ、Ｉ_ｐｙ、Ｉ_ｐｚは各軸の断面二次極モーメントである。なお、ここで示す外力及びモーメントを算出する方法は一例である。この算出方法は、各軸方向に働く外力と変位の間にフックの法則が成り立ち、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の各軸周りのねじれθ_ｘ、θ_ｙ、θ_ｚを原点Ｏを中心としたｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の各軸周りの比ねじれ角とみなすことができる場合の算出方法である。

このように、各軸のばね定数、せん断弾性率、断面二次極モーメントを予め求めておく、あるいは算出することにより、これらの定数と算出された各軸の変位に基づいて各軸に作用する外力及び各軸周りのモーメントを算出することができる。

以上に説明するように、本実施形態の力覚センサは、光学式エンコーダの原理を用いて電気分割により高精度に作用部の変位を算出し、その変位に基づいて作用部に作用する外力及びモーメントの少なくとも一方を算出する。そのため、力覚センサの剛性が高くてもより高感度な外力等の検出を行うことができる。また、光学式エンコーダの原理を用いているため、光源から射出される光の波長変動などの外乱による影響も少なく、安定した検出が可能である。

また、本実施形態では、複数の受光素子列及び複数の回折格子をそれぞれ平面的に配置しており、さらに受光素子列及び回折格子はいずれも平板状の部材として構成できるため、力覚センサを薄型化する効果もある。

なお、特許文献１のように歪みゲージを用いた方式では、多くの歪みゲージを手作業によって貼り付けることで製造されるのが一般的である。手作業により歪みゲージの貼り付けを行うことが一般的であることから、力覚センサの小型化には限界がある。そのため、より精密な作業を行うロボットのフィンガーなどへの応用は難しい。さらに、多くの歪みゲージを貼り付けた後の配線作業も困難であることが多く、製造工程の多さからコストも増大してしまう。また、歪みゲージの貼り付け枚数の多さから、複雑なキャリブレーション手段が必要となることも課題の一つである。

これに対して、本発明の力覚センサは、抵抗式センサにおける歪みゲージのように貼り付け作業、貼り付け後の配線作業が不要であり、力覚センサの小型化、製造コストにおいて優れている。

また、特許文献２のように光ピックアップ原理を用いた方式では、集光用のレンズとそのフォーカス駆動機構が必要であり、変位センサ自身の小型化及びアライメントが困難となるため、より精密な作業を行うロボットのフィンガーなどへの応用は難しい。さらに、構成部品の多さは、製造過程における工程数を増大させ、コスト上昇へ繋がる懸念がある。

これに対して、本発明の力覚センサは、光ピックアップ原理を用いた光学式センサと異なり、集光用レンズとそのフォーカス駆動機構が不要であり、力覚センサの小型化、製造コストにおいて優れている。

また、特許文献３のように光軸の面内変位を４分割ＰＤによる位置検出で行う方式では、高感度化のためには、光源より射出されるビームのスポット径を小さくすることが求められる。しかしながら、スポット径を小さくするほど、スポットの中心をＰＤ中心と位置合わせすることが困難となる。

これに対して、本発明の力覚センサは、４分割ＰＤを用いた光学式センサに比べて、同様の感度で検出する場合、光源から射出される光の照射位置の許容範囲が広いため、製造がより容易になる。

（第二の実施形態）
図１１及び図１２を用いて、本発明の第二の実施形態について説明する。本実施形態については第一の実施形態とは異なる点を中心に説明し、同様の点については説明を省略する。なお、各図面で用いている座標軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）はいずれも共通するものとする。

図１１（ａ）は、本発明の第二の実施形態に係る光学式力覚センサの概略斜視図であり、図１１（ｂ）はその概略平面図である。図１１（ａ）、（ｂ）において、３１は第二の実施形態を表した光学式力覚センサ、３２は基部、３２ａは基部底部、３２ｂは基部側部、３３は作用部、３４は弾性支持部を示す。図１１の弾性支持部３４は、ここでは基部３２と作用部３３を連結しており、基部３２に対し、作用部３３は相対的に三次元的に変位可能である。なお、本実施の形態における弾性支持部３４は、１つの部材であり、光源３５ａ〜３５ｃや受光素子列３６ａ〜３６ｆの周りを囲うように形成されている。また、本実施形態においても第一の実施形態と同様に演算部（不図示）を有している。

図１１（ｃ）は、図１１（ａ）の反射型回折格子３７ａ〜３７ｆを備えた作用部３３を非表示とした概略斜視図であり、図１１（ｄ）はその概略平面図である。図１１（ｃ）、図１１（ｄ）において、３５ａ〜３５ｃは光源を示し、３６ａ、３６ｂは光源３５ａに対する受光素子列、３６ｃ、３６ｄは光源３５ｂに対する受光素子列、３６ｅ、３６ｆは光源３５ｃに対する受光素子列を表す。光源３５ａ、３５ｂ、３５ｃの発光点は、それぞれ受光素子列３６ａ−３６ｂ、３６ｃ−３６ｄ、３６ｅ−３６ｆと同一平面上に形成されている例を示す。ここでは、３つの受光素子列の組み合わせ３６ａ−３６ｂ、３６ｃ−３６ｄ、３６ｅ−３６ｆに対し、それぞれ光源を設けた例を示したが、光ファイバーなどの構成要素を用いて、単一の光源に対し３つの発光点を形成してもよい。また図１１（ｅ）は、反射型回折格子３７ａ〜３７ｆを備えた作用部３３について表示した概略斜視図であり、図１１（ｆ）はその概略平面図である。

次に、図１２に示されている変位センサの基本構成要素を用いて、作用部の変位検出方法について説明する。

図１２では、光源３５ａの重心Ｏを原点とした、ｘｙｚ直交座標系を用いる。２つの受光素子列３６ａ、３６ｂ、それぞれの重心位置をＡ、Ｂと定める。各々の受光素子列３６ａ、３６ｂで検出される変位をそれぞれｓ_ａ、ｓ_ｂ、作用部全体のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向の各変位をそれぞれΔｘ、Δｙ、Δｚ、原点を中心とした作用部全体のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸周りの各回転角をそれぞれθ_ｘ、θ_ｙ、θ_ｚとする。

二つの受光素子列３６ａ、３６ｂで検出される変位ｓ_ａ、ｓ_ｂを用いて、Δｘ、θ_ｚは以下のように表される。

なお、ここではΔｘ、θ_ｚの算出方法のみについて記載したが、Δｙ、θ_ｘ及び、Δｚ、θ_ｙの算出方法についても同様である。

このように、第二の実施形態は、図１２に示されている変位センサ（反射型回折格子３７ａ、３７ｂは非表示）を独立な（非平行な）３つの平面上で１つずつ用いた、６軸検出力覚センサの一例を示してある。この方法を用いれば、回折格子の格子配列方向の変位のみを検出しているため、６軸Δｘ、Δｙ、Δｚ、θ_ｘ、θ_ｙ、θ_ｚの検出感度をほぼ同等に得ることが可能である。なお、受光素子列より出力される各変位を用いた外力及びモーメントの算出方法については、第一の実施形態に記載した方法に従う。

なお、第一の実施形態で示した、回折格子面に垂直な方向の変位検出方法を用いると、以下に示すように、Δｚ、θ_ｘの変位検出も検出可能である。３６ａ、３６ｂ各々の受光素子列重心Ａ、Ｂ各点におけるｚ軸方向の変位をそれぞれδｚ_ａ、δｚ_ｂとすると、Δｚ、θ_ｘはδｚ_ａ、δｚ_ｂを用いて以下のように表される。

上記の方法を用いれば、図１２に示されている構成、つまり１つの光源と平行に配列された２つの受光素子列からなる構成で最大Δｘ、θ_ｚ、Δｚ、θ_ｘの４軸の検出が可能である。

このように、本発明においては、図１１に示されている形態だけでなく、必要な検出軸数及び、検出感度に応じ、構成要素を適宜変更することが可能である。

また、本実施形態の力覚センサについても、第一の実施形態の力覚センサと同様に特許文献１乃至３に対する優位性を有している。

（第三の実施形態）
図１３を用いて、本発明の第三の実施形態について説明する。本実施形態については第一及び第二の実施形態とは異なる点を中心に説明し、同様の点については説明を省略する。なお、各図面で用いている座標軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）はいずれも共通するものとする。

図１３（ａ）は、本発明の第三の実施形態に係る光学式力覚センサ５１の概略斜視図であり、図１３（ｂ）はその概略平面図である。図１３（ａ）、図１３（ｂ）において、５２は基部、５２ａは基部底部、５２ｂは基部側部、５３は作用部、５４は弾性支持部を示している。図１３に示されている弾性支持部５４は、ここでは基部５２と作用部５３を連結しており、基部５２に対し、作用部５３は相対的に三次元的に変位可能である。なお、本実施の形態における弾性支持部５４は、１つの部材であり、光源５５や受光素子列５６ａ〜５６ｆの周りを囲うように形成されている。また、本実施形態においても第一の実施形態と同様に演算部（不図示）を有している。

図１３（ｃ）は、図１３（ａ）の反射型回折格子５７ａ〜５７ｆを備えた作用部５３、基部側部５２ｂを非表示とした概略斜視図であり、図１３（ｄ）はその概略平面図、図１３（ｅ）はその概略右側面図である。また、図１３（ｆ）は、反射型回折格子５７ａ〜５７ｆを備えた作用部５３を示す概略斜視図であり、図１３（ｇ）はその概略平面図、図１３（ｈ）はその概略右側面図である。

図１３に示されている本発明の第三の実施形態は、光源５５とその周りに６個の受光素子列５６ａ〜５６ｆを配列したものである。６個の受光素子列５６ａ〜５６ｆのうち、受光素子列５６ａ〜５６ｃは光源の発光面と同一平面上に配置されている。一方、他の受光素子列５６ｄ〜５６ｆは、図１３（ｅ）に示されているように、光源５５の発光面と０度以上９０度未満の角φをなすように、受光素子列５６ｄ〜５６ｆの重心Ｄ、Ｅ、Ｆが原点Ｏを含む発光面と同一平面となるように配置されている。また、図１３（ｆ）に示されている作用部５３には、基部５２に配置された６個の受光素子列５６ａ〜５６ｆと平行に、６つの反射型回折格子５７ａ〜５７ｆがそれぞれ設けられている。

図１３に示した第三の実施形態は一例であり、それぞれの受光素子列５６ａ〜５６ｆに光源が各々設けられていてもよいし、発光面に対して傾斜角をもって配置された３個の受光素子列５６ｄ〜５６ｆの傾斜角がそれぞれ異なっていてもよい。

次に、図１３に示されている変位センサを用いた作用部の変位検出方法について説明する。

図１３（ｃ）では、光源５５の発光点（重心）Ｏを原点とし、ｘｙｚ直交座標系を用いる。６つの受光素子列５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄ、５６ｅ、５６ｆそれぞれの重心位置をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆとする。そして、∠ＡＯＢ＝∠ＢＯＣ＝∠ＣＯＡ＝１２０°、∠ＤＯＥ＝∠ＥＯＦ＝∠ＦＯＤ＝１２０°、ＯＡ＝ＯＢ＝ＯＣ＝ＯＤ＝ＯＥ＝ＯＦ＝ｒの場合を考える。各々の受光素子列５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄ、５６ｅ、５６ｆで検出される変位をそれぞれｓ_ａ、ｓ_ｂ、ｓ_ｃ、ｓ_ｄ、ｓ_ｅ、ｓ_ｆとする。また、作用部のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向の各変位をそれぞれΔｘ、Δｙ、Δｚ、原点を中心としたｘ軸、ｙ軸、ｚ軸周りの各回転角をそれぞれθ_ｘ、θ_ｙ、θ_ｚとする。

ｘｙ平面内で検出される３つの各受光素子列５６ａ、５６ｂ、５６ｃから得られる変位ｓ_ａ、ｓ_ｂ、ｓ_ｃを用いて、Δｘ、Δｙ、θ_ｚは次式で表される。

点Ｄ、Ｅ、Ｆにおけるｚ軸方向の各変位をそれぞれδｚ_ｄ、δｚ_ｅ、δｚ_ｆとすると、δｚ_ｄ、δｚ_ｅ、δｚ_ｆと、３つの各受光素子列５６ｄ、５６ｅ、５６ｆから得られる変位ｓ_ｄ、ｓ_ｅ、ｓ_ｆとの関係は以下のように表される。

従って、３つの各受光素子列５６ｄ、５６ｅ、５６ｆから得られる変位ｓ_ｄ、ｓ_ｅ、ｓ_ｆを用いて、Δｚ、θ_ｘ、θ_ｙは次式で表される。

このように第三の実施形態によれば、受光素子列と平行な変位により、外力及びモーメントを算出するので、６軸の検出感度をほぼ同等に得ることが可能である。また、三次元実装技術などを適用することで、さらなる力覚センサの小型化及び、アライメントの容易化が期待できる。なお、受光素子列より出力される各変位を用いた外力及びモーメントの算出方法については、第一の実施形態に記載した方法に従う。

また、本実施形態の力覚センサについても、第一の実施形態の力覚センサと同様に特許文献１乃至３に対する優位性を有している。

以上、本発明の力覚センサの実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

例えば、上述の実施形態では、光源の数が受光素子アレイの数よりも少なく、１つの光源を複数の変位センサで共用することにより小型化を図っているが、各変位センサにそれぞれ光源を設けてもよい。

例えば、上述の実施形態では、３つあるいは６つの受光素子列が設けられているが、受光素子の数は検出する軸数に応じて適宜変更してもよい。

例えば、上述の実施形態では、各受光素子列及び回折格子は、ｘｙ面内における力覚センサの中心に対して１２０度回転させると同様の配置になるように構成されているが、この構成に限られるものではない。第一、第三の実施形態においては、各受光素子列の配列方向は互いに異なっていればよく、また各回折格子の格子配列方向についても異なっていればよい。第二の実施形態においては、２つの受光素子列と１つの光源がそれぞれ配置されている３つの面が平行でなければよい。

例えば、上述の実施形態では、基部に光源が設けられ、作用部に回折格子が設けられているが、基部に回折格子が設けられ、作用部に光源が設けられていてもよい。つまり、基部と作用部の一方に光源が設けられ、他方に回折格子が設けられていればよい。受光素子列は、光源と共に基部または作用部に設けられていてもよいし、例えば回折格子が透過型の場合等には、基部、作用部とは異なる部材に設けられていてもよい。

例えば、上述の実施形態では、回折格子と受光素子列とが平行に向き合っているが、プリズムや反射部材等の光束を折り曲げる部材を設けることにより、平行に向き合わないようにしてもよい。例えば、第一の実施の形態のように同一平面（ｘｙ平面）内に複数の受光素子列を設けつつ、その平面に垂直な方向（ｚ軸方向）の変位をエンコーダの原理により検出するために、一部の回折格子の格子配列方向がｚ軸方向になるように配置してもよい。

例えば、回折格子は、樹脂成型技術を用いて基部又は作用部と一体で形成してもよいし、基部又は作用部へ別の構成要素として取り付けてもよい。

例えば、上述の実施形態では、ばね構造を持つ弾性部材あるいは樹脂やゴム等の弾性体が弾性支持部に用いられているが、弾性支持部に求められる機械的性質に応じて、弾性支持部の構造を選定すればよい。第二あるいは第三の実施形態のように、光源、受光素子列、回折格子の周りに一体となった弾性支持部が形成され、基部、作用部、弾性支持部によって光源、受光素子列、回折格子を封止されることにより、封止された部材を外部環境から保護することができる。この場合、光源や、受光素子列の上に別途保護部材を形成する必要が無いため、保護部材の界面で反射するゴースト光の影響を回避することもできる。

また、本発明は、以上に説明した力覚センサを用いて産業ロボットを構成することもできる。この場合、図１４に示す産業用ロボット１００は、力覚センサ６１の他に、ロボットアーム（被駆動部）６２及び、その駆動部６３と、力覚センサ６１で検出された外力及びモーメントの少なくとも一方に基づいて駆動部６３の駆動を制御する制御部６４と、を有する。力覚センサ６１は、ロボットアーム６２全体に加わる力及び、モーメントを検出する。また、図１４に示すように、力覚センサ６１の先端部（作用部または基部）に小さな物体の把持が可能なピンセットハンド７２と、その駆動部７３、ピンセットハンド全体に加わる力及びモーメントを検出する力覚センサ７１、力覚センサ７１で検出された外力及びモーメントの少なくとも一方に基づいて駆動部７３の駆動を制御する制御部７４、を有していても良い。本発明の産業用ロボットは、高感度かつ高剛性の力覚センサを用いることにより、より高精度、高速な駆動を実現できる。

１ 力覚センサ
２ 基部
３ 作用部
４ａ〜４ｆ 弾性支持部
５，１４ 光源
６ａ〜６ｃ，１３ 受光素子列
７ａ〜７ｃ，１５ 回折格子
８ 演算部
１７ａ〜１７ｄ 受光素子
２１ 第一のアナログ信号
２２ 第二のアナログ信号
２３ 第一のデジタル信号
２４ 第二のデジタル信号

Claims (6)

1. 基部と、前記基部と連結された弾性支持部と、前記弾性支持部によって支持された作用部と、前記作用部に作用する外力及びモーメントの少なくとも一方を検出する検出部と、を有する力覚センサにおいて、
   前記検出部は、
   前記基部または前記作用部の一方に設けられている光源と、
   前記基部または前記作用部の他方に設けられている回折格子と、
   前記光源から射出され、前記回折格子で回折した回折光による干渉像を受光し、互いに位相の異なる複数の信号を出力する受光素子列と、
   前記複数の信号に基づいて前記作用部の前記基部に対する変位を算出し、前記変位に基づいて前記外力及びモーメントの少なくとも一方を算出する演算部と、
   を備え、
   前記演算部は、前記受光素子列が設けられている面に垂直な方向の移動に伴う前記干渉像のコントラストの変化に基づいて前記作用部の前記垂直な方向の変位を算出し、前記垂直な方向の変位に基づいて前記作用部の前記垂直な方向に作用する外力を算出することを特徴とする力覚センサ。
2. 基部と、前記基部と連結された弾性支持部と、前記弾性支持部によって支持された作用部と、前記作用部に作用する外力及びモーメントの少なくとも一方を検出する検出部と、を有する力覚センサにおいて、
   前記検出部は、
   前記基部または前記作用部の一方の所定面上に設けられている光源と、
   前記基部または前記作用部の他方に設けられている３つの回折格子と、
   前記所定面上に設けられ、前記３つの回折格子の各々に対応する３つの受光素子列群と、
   前記３つの受光素子列群からの信号に基づいて前記作用部の前記基部に対する変位を算出し、前記変位に基づいて前記外力及びモーメントの少なくとも一方を算出する演算部と、
   を備え、
   前記３つの受光素子列群はそれぞれ、前記光源から射出され、前記３つの回折格子で回折した回折光による干渉像を受光し、互いに位相の異なる複数の信号を出力する受光素子列を有しており、
   前記３つの受光素子列群に含まれる受光素子列の配列方向は、前記光源と前記受光素子列群を結ぶ直線に対して非平行である
   ことを特徴とする力覚センサ。
3. 前記３つの受光素子列群に含まれる受光素子列の配列方向は、前記光源を中心とする円の円周方向と一致する、ことを特徴とする請求項２に記載の力覚センサ。
4. 前記演算部は、前記受光素子列が設けられている面に垂直な方向の移動に伴う前記受光素子列で受光する光量の変化に基づいて前記作用部の前記垂直な方向の変位を算出し、前記垂直な方向の変位に基づいて前記作用部の前記垂直な方向に作用する外力を算出することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の力覚センサ。
5. 前記演算部は、前記受光素子列が設けられている面に垂直な方向の移動に伴う前記干渉像のコントラストの変化に基づいて前記作用部の前記垂直な方向の変位を算出し、前記垂直な方向の変位に基づいて前記作用部の前記垂直な方向に作用する外力を算出す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。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の力覚センサと、
   前記作用部に設けられている被駆動部と、
   前記被駆動部を駆動するための駆動部と、
   前記力覚センサで検出された外力及びモーメントの少なくとも一方に基づいて前記駆動部の駆動を制御する制御部と、を有することを特徴とする産業用ロボット。

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