JP5911936B1 - 変位検出方式の６軸力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】変位検出方式の６軸力センサにおいて、６軸それぞれの変位量を高精度に検出可能な構造を有する一方で、製造コストを低減できるようにする。【解決手段】６軸力センサ１０は、固定部１２と、第１可動部１４と、直交３軸座標系１６において、第１可動部１４を固定部１２に対し、Ｘ軸に平行な方向、Ｙ軸に平行な方向、及びＺ軸を中心とする回転方向へ、弾性的に変位可能に連結する第１連結部１８と、第２可動部２０と、直交３軸座標系１６において、第２可動部２０を第１可動部１４に対し、Ｘ軸を中心とする回転方向、Ｙ軸を中心とする回転方向、及びＺ軸に平行な方向へ、弾性的に変位可能に連結する第２連結部２２と、固定部１２に対する第１可動部１４の変位量を検出する第１検出部２４と、第１可動部１４に対する第２可動部２０の変位量を検出する第２検出部２６とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、変位検出方式の６軸力センサに関する。

変位検出方式の力センサは、センサ本体に力（荷重）が加わったときに、その力によって変形したセンサ本体の、変形に伴う変位量を検出し、検出した変位量に基づいて力を検出するものである。例えば特許文献１は、センサ本体の所定部位に形成した静電容量の変化から変位量を検出する力センサを開示する。この力センサは、外側箱状構造体と内側箱状構造体とを備え、外側箱状構造体の側面及び上面と内側箱状構造体の側面及び上面とをそれぞれ対向させて、全体に連通するギャップを形成し、ギャップの所定箇所に、それぞれが直交３軸座標系のいずれかの軸方向へ対向する複数組の電極を配置して、個々の対向電極の間に静電容量を形成している。外側箱状構造体が力（荷重）によって変形すると、それに応じてギャップの形状及び寸法が変化し、個々の対向電極間の静電容量が変化する。この静電容量の変化から、内側箱状構造体に対する外側箱状構造体の変位量を算出し、算出した変位量に基づき、外側箱状構造体に加わった力の各軸方向の力成分及び各軸周りのモーメント成分を検出できるように構成されている。

特許第４２７１４７５号公報

直交３軸座標系における各軸方向の力成分及び各軸周りのモーメント成分を検出する変位検出方式の６軸力センサでは、６軸それぞれの変位量を高精度に検出可能な構造を有する一方で、当該構造を単純化して部品の加工や組み立てを容易にし、製造コストを低減できるようにすることが望まれている。

本発明の一態様は、第１固定面を有する固定部と、第１固定面に対向する第１可動面を有するとともに第２固定面を有する第１可動部と、直交３軸座標系において、第１可動部を固定部に対し、第１軸に平行な方向、第１軸に直交する第２軸に平行な方向、及び第１軸と第２軸との双方に直交する第３軸を中心とする回転方向へ、弾性的に変位可能に連結する第１連結部と、第２固定面に対向する第２可動面を有する第２可動部と、直交３軸座標系において、第２可動部を第１可動部に対し、第１軸を中心とする回転方向、第２軸を中心とする回転方向、及び第３軸に平行な方向へ、弾性的に変位可能に連結する第２連結部と、第１固定面と第１可動面との相対移動に基づき固定部に対する第１可動部の変位量を検出する第１検出部と、第２固定面と第２可動面との相対移動に基づき第１可動部に対する第２可動部の変位量を検出する第２検出部とを具備し、第１検出部による検出値及び第２検出部による検出値から、第２可動部に加わる力の、第１軸の方向の力成分、第２軸の方向の力成分、第３軸の方向の力成分、第１軸の周りのモーメント成分、第２軸の周りのモーメント成分、及び第３軸の周りのモーメント成分を検出できるようにした、６軸力センサである。

一態様に係る６軸力センサによれば、６軸それぞれの変位量の検出を、第１検出部と第２検出部とで３自由度ずつ分担して実施できるから、高精度な変位量検出が可能になる。第１検出部の検出対象である変位量を生じる構成部品と、第２検出部の検出対象である変位量を生じる構成部品とは、いずれも３自由度だけの変位を許容する構成を有していればよく、しかもそれら構成部品の双方に第１可動部が共有されているから、６軸力センサの構造が単純化され、部品の加工や組み立てが容易になって、製造コストが低減される。

第１の実施形態による６軸力センサの構成を概念図的に示す斜視図である。 図１の６軸力センサの正面図である。 図１の６軸力センサの上面図である。 図１の６軸力センサを他の方向から示す斜視図である。 図４の線Ｖ−Ｖに沿って切り欠いた６軸力センサの斜視図である。 図４の線Ｖ−Ｖに沿って切り欠いた６軸力センサの平面図である。 図１の６軸力センサに装備できる電極の構成を示す図で、（ａ）第１検出部、（ｂ）第２検出部を示す図である。 変形例による第１検出部を示す切欠き斜視図である。 第２の実施形態による６軸力センサの正面図である。 図９の６軸力センサの構成を概念図的に示す断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。全図面に渡り、対応する構成要素には共通の参照符号を付す。

図１〜図３は、第１の実施形態による６軸力センサ１０を示す。６軸力センサ１０は、固定部１２と、第１可動部１４と、直交３軸座標系１６において、第１可動部１４を固定部１２に対し、第１軸（図ではＸ軸）に平行な方向、第１軸に直交する第２軸（図ではＹ軸）に平行な方向、及び第１軸と第２軸との双方に直交する第３軸（図ではＺ軸）を中心とする回転方向へ、弾性的に変位可能に連結する第１連結部１８と、第２可動部２０と、直交３軸座標系１６において、第２可動部２０を第１可動部１４に対し、第１軸（Ｘ軸）を中心とする回転方向、第２軸（Ｙ軸）を中心とする回転方向、及び第３軸（Ｚ軸）に平行な方向へ、弾性的に変位可能に連結する第２連結部２２と、固定部１２に対する第１可動部１４の変位量を検出する第１検出部２４と、第１可動部１４に対する第２可動部２０の変位量を検出する第２検出部２６とを備える。

固定部１２は、例えばロボットアーム等の機械や構造体（図示せず。以下、機械類。）に力センサ１０を取り付ける際に、当該機械類に直接又は間接に固定される基礎部分である。第２可動部２０は、例えばロボットハンド等の、力センサ１０の検出対象となる力（荷重）を発生する物体（図示せず。以下、力発生体。）に取り付けられて、当該力を受ける力受け部分である。力発生体から第２可動部２０に加わった力（荷重）は、第２可動部２０から第２連結部２２に加わって第２連結部２２を弾性変形させながら、第２可動部２０を第１可動部１４に対し、主として第１軸（Ｘ軸）を中心とする回転方向、第２軸（Ｙ軸）を中心とする回転方向、及び第３軸（Ｚ軸）に平行な方向の、いずれか一方向又は二方向以上の組合せ方向へ、弾性的に変位させる。第２検出部２６は、第２連結部２２の弾性変形に伴って生じる第２可動部２０の、第１可動部１４に対する各軸の変位量を検出する。また、第２可動部２０から第２連結部２２に加わった力は、第２連結部２２から第１可動部１４に伝達され、さらに第１可動部１４から第１連結部１８に加わって第１連結部１８を弾性変形させながら、第１可動部１４を固定部１２に対し、主として第１軸（Ｘ軸）に平行な方向、第２軸（Ｙ軸）に平行な方向、及び第３軸（Ｚ軸）を中心とする回転方向の、いずれか一方向又は二方向以上の組合せ方向へ、弾性的に変位させる。第１検出部２４は、第１連結部１８の弾性変形に伴って生じる第１可動部１４の、固定部１２に対する各軸の変位量を検出する。

図１〜図３の実施形態では、固定部１２は、直方体形状を有し、第１軸と第２軸との成す仮想平面（ＸＹ平面）に沿って広がる矩形平面状の面１２ａの四隅に、第３軸（Ｚ軸）に平行な方向へ延長される柱状の第１連結部１８がそれぞれ設けられる。第１可動部１４は、矩形平板状の第１部分２８と、矩形枠状の第２部分３０と、第１部分２８と第２部分３０との間に介在する矩形平板状の第３部分３２とを備える。第１部分２８と第３部分３２とは、互いに別体に形成されて、互いに一体的に固定される。また、第２部分３０と第３部分３２とは、互いに別体に形成されて、互いに一体的に固定される。第１部分２８と第３部分３２との固定、及び第２部分３０と第３部分３２との固定は、例えば両者に共通するボルト３４により、いわゆる共締め式に行うことができる（図２）。或いは、第１部分２８と第３部分３２との固定、及び第２部分３０と第３部分３２との固定を、それぞれ別のボルト等の固定手段で行うこともできる。

第１部分２８は、平面視（図でＺ軸方向上方から見た形態）で固定部１２と同一の外形の直方体形状を有し、固定部１２の面１２ａに空間３６を介して対向する矩形平面状の面２８ａ（図２）を有する。４個の第１連結部１８の各々は、固定部１２に連結される端部（図で下端）とは反対側の端部（図で上端）で、第１部分２８の面２８ａの四隅に連結される。この実施形態では、固定部１２と第１連結部１８と第１部分２８とは、互いに同一の材料から一体に形成されて、直方体状の外観を呈する単一の構造体を構成している。

第３部分３２は、平面視（図でＺ軸方向上方から見た形態）で第１部分２８と同一の外形の直方体形状を有し、第１部分２８に外形を整合させて重ね合わせて固定される。第３部分３２は、第１部分２８の面２８ａとは反対側を向く矩形平面状の面３２ａ（図２）を有する。第２部分３０は、平面視（図でＺ軸方向上方から見た形態）で第３部分３２と同一の矩形の外形を有し、第３部分３２に外形を整合させて固定される。第２部分３０は、第３部分３２の面３２ａに空間３８を介して対向する矩形枠状かつ平面状の面３０ａ（図２）を有する。

この実施形態では、矩形枠状の第２部分３０の四辺に相当する部分の中央に、計４個の貫通孔３０ｂが形成され、それら貫通孔３０ｂにボルト３４の軸部３４ａがそれぞれ挿通される。各ボルト３４は、軸部３４ａの雄ねじ部分が、第２部分３０の貫通孔３０ｂに対応する位置に形成された第３部分３２の貫通穴３２ｂを通して、同様の位置に形成された第１部分２８のねじ穴２８ｂに螺合する。これにより、第１部分２８と第２部分３０と第３部分３２とが互いに一体的に連結される。この実施形態では、第１部分２８と第２部分３０と第３部分３２とは、互いに同一又は異なる材料から形成され、互いに一体的に固定されて直方体状の外観を呈している。

第２部分３０と第３部分３２との間には、スペーサ３９が挿入される（図２）。この実施形態では、中心孔を有する計４個の環状のスペーサ３９が、その中心孔に個々のボルト３４の軸部３４ａを挿通した状態で、第２部分３０と第３部分３２との間に配置されている。スペーサ３９は所定の厚みを有し、その厚みにより、空間３８の第３軸（Ｚ軸）方向の寸法を規定する。独立した部品であるスペーサ３９に代えて、第２部分３０の面３０ａ又は第３部分３２の面３２ａに、所定高さに突出する突起を設け、この突起により空間３８の寸法を規定することもできる。

４個の第１連結部１８の各々は、固定部１２と第１可動部１４の第１部分２８との間で、それ自体の非変形時に第３軸（Ｚ軸）に平行に配置される弾性梁として作用する。弾性梁である第１連結部１８は、第３軸（Ｚ軸）に平行な方向の力によっては容易に変形（つまり伸縮）しない一方で、第１軸（Ｘ軸）に平行な方向の力、第２軸（Ｙ軸）に平行な方向の力、又は第３軸（Ｚ軸）の周りの回転方向の力によって、柱が傾くような撓みを弾性的に生じる。このような第１連結部１８の作用により、第１可動部１４は固定部１２に対し、第３軸（Ｚ軸）に平行な方向へは変位し難く、他方、第１軸（Ｘ軸）に平行な方向、第２軸（Ｙ軸）に平行な方向、及び第３軸（Ｚ軸）を中心とする回転方向へ弾性的に変位することができる。なお、個々の第１連結部１８が撓んでいない状態で、第１可動部１４の面２８ａ、３０ａ、３２ａは、第１軸と第２軸とが成す仮想平面（ＸＹ平面）に平行に配置される。

上記実施形態では、固定部１２の面１２ａの四隅に第１連結部１８が配置されているが、これに代えて、矩形の面１２ａの四辺に相当する外縁近傍部位のそれぞれの中央に、第１連結部１８を設けることもできる。また、固定部１２及び第１可動部１４が、図示の直方体状の外観ではなく、例えば円板状の外観を有する場合は、例えば中心角１２０度毎の位置に計３個の第１連結部１８を形成することもできる。固定部１２及び第１可動部１４は様々な外観を有することができ、それに応じて所望個数の第１連結部１８を所望位置に形成できるが、好ましくは第１連結部１８は、第１可動部１４が固定部１２に対して変位する間、前者の面２８ａと後者の面１２ａとが略平行な姿勢を維持し得るような位置に形成される。各第１連結部１８は、図示の四角柱状の形状でもよいし、円柱や他の多角柱状の形状でもよい。各第１連結部１８は、図示のように全体に一様な太さを有していてもよいし、長手方向中央又は長手方向一端が細い又は太い形状や、複数の曲面を組み合わせた形状であってもよい。このように第１連結部１８は、固定部１２に対する第１可動部１４の前述した３自由度の弾性変位を可能にするものであればよく、その前提で様々な構成を採用できる。

図１〜図３の実施形態では、第２可動部２０は、直方体形状の基板部分４０と、基板部分４０から突出する直方体形状の突出部分４２とを備える（図１、図３）。基板部分４０は、突出部分４２に対し平面視（図でＺ軸方向上方から見た形態）で僅かに大きな相似の外形を有し、突出部分４２よりも側方へ張り出す領域の四隅に、第２連結部２２がそれぞれ設けられる。基板部分４０は、第１可動部１４の矩形枠状の第２部分３０に対し、平面視（図でＺ軸方向上方から見た形態）で小さな相似の外形と、同一の厚み（図でＺ軸方向寸法）とを有し、第２部分３０によって包囲される位置に配置される。基板部分４０は、第２部分３０の面３０ａと同一側（図２で下側）に位置する矩形平面状の面４０ａ（図２）を有し、面４０ａとは反対側（図２で上側）に突出部分４２が形成される。基板部分４０と第２部分３０との間には、直方体形状の基板部分４０の四辺に相当する外縁に沿って、それぞれ第１軸（Ｘ軸）方向又は第２軸（Ｙ軸）方向へ延びるスリット４４が形成される（図１、図３）。第１軸（Ｘ軸）方向へ延びる一対のスリット４４とそれらの隣で第２軸（Ｙ軸）方向へ延びる一対のスリット４４との間に、計４個の第２連結部２２がそれぞれ形成される（図３）。

４個の第２連結部２２の各々は、第１可動部１４の第２部分３０と第２可動部２０の基板部分４０との間で、それ自体の非変形時に第１軸と第２軸とが成す仮想平面（ＸＹ平面）に沿って配置される弾性梁として作用する。弾性梁である第２連結部２２は、第１軸（Ｘ軸）に平行な方向の力及び第２軸（Ｙ軸）に平行な方向の力によっては容易に変形（つまり伸縮）しない一方で、第３軸（Ｚ軸）に平行な方向の力、第１軸（Ｘ軸）の周りの回転方向の力、又は第２軸（Ｙ軸）の周りの回転方向の力によって、梁が傾くような撓みを弾性的に生じる。このような第２連結部２２の作用により、第２可動部２０は第１可動部１４に対し、第１軸（Ｘ軸）に平行な方向及び第２軸（Ｙ軸）に平行な方向へは変位し難く、他方、第１軸（Ｘ軸）を中心とする回転方向、第２軸（Ｙ軸）を中心とする回転方向、及び第３軸（Ｚ軸）に平行な方向へ弾性的に変位することができる。なお、個々の第２連結部２２が撓んでいない状態で、第２可動部２０の面４０ａは、第１軸と第２軸とが成す仮想平面（ＸＹ平面）に平行に配置される。

この実施形態では、第２部分３０と第２連結部２２と基板部分４０とは、互いに同一の材料から一体に形成されて、直方体状の外観を呈する単一の構造体を構成している。この構造体にさらに、ボルト３４によって第２部分３０に一体的に固定される第３部分３２を加えて、単一の構造体と見なすこともできる。基板部分４０と突出部分４２とは、互いに同一の材料から一体に形成されてもよいし、互いに別体に形成されて、互いに一体的に固定されてもよい。突出部分４２は、基板部分４０の面４０ａとは反対側の面４２ａに、力発生体を取り付ける複数の取付穴４６（図１、図３）が設けられている。

上記実施形態では、第２可動部２０の基板部分４０及び突出部分４２の外観を直方体形状にしているが、円柱状や他の多角柱状の外観を有していてもよい。例えば第２可動部２０が円柱状の場合、その周囲で円弧状に延びるスリット４４を中心角１２０度毎に１個ずつ計３個形成し、周方向へ隣り合うスリット４４の間に計３個の第２連結部２２を形成できる。これに対応して、第１可動部１４の一体化に使用されるボルト３４も、個々の円弧状スリット４４の中心付近の計３箇所に用いることができる。また、スリット４４内の任意の箇所で基板部分４０と第２部分３０とを、それらの相対変位を妨害しない程度に互いに連結し、隣り合う第２連結部２２の間に、貫通するスリット４４ではなく非貫通の溝を形成することもできる。或いは、第２連結部２２を、基板部分４０と第２部分３０との間に延びるダイアフラム状の形状とすることもできる。第１可動部１４及び第２可動部２０は様々な外観を有することができ、それに応じて所望個数の第２連結部２２を所望位置に形成できるが、好ましくは第２連結部２２は、第２可動部２０が第１可動部１４に対して変位する間、前者の面４０ａと後者の面３２ａとの第１軸（Ｘ軸）方向及び第２軸（Ｙ軸）方向の位置関係が変化しないような位置に形成される。このように第２連結部２２は、第１可動部１４に対する第２可動部２０の前述した３自由度の弾性変位を可能にするものであればよく、その前提で様々な構成を採用できる。

図１〜図３の実施形態では、固定部１２と第１可動部１４との間に、静電容量を有する第１ギャップ４８が形成される（図２）。第１検出部２４は、第１ギャップ４８における静電容量の変化を検出することにより、固定部１２に対する第１可動部１４の変位量を検出する。また図１〜図３の実施形態では、第１可動部１４と第２可動部２０との間に、静電容量を有する第２ギャップ５０が形成される（図２）。第２検出部２６は、第２ギャップ５０における静電容量の変化を検出することにより、第１可動部１４に対する第２可動部２０の変位量を検出する。

第１検出部２４の構成を、図２及び図４〜図７を参照して詳述する。なお図５及び図６は、６軸力センサ１０を図４の線Ｖ−Ｖに沿って切り欠いて示す。

固定部１２は、面１２ａから第３軸（Ｚ軸）方向（図４で上方）へ各々突出する２個の固定ブロック５２を有する。各固定ブロック５２は、面１２ａよりも十分に小さい直方体形状を有して、空間３６の中で、面１２ａの所定位置に配置される。１つの固定ブロック５２は、第１軸と第３軸との成す仮想平面（ＸＺ平面）に沿って広がる第１固定面５２ａ（図６）を有する。他の１つの固定ブロック５２は、第２軸と第３軸との成す仮想平面（ＹＺ平面）に沿って広がる第１固定面５２ａ（図６）を有する。したがって、１つの固定ブロック５２の第１固定面５２ａと他の１つの固定ブロック５２の第１固定面５２ａとは、互いに９０度の角度で交差する方向へ延びる。

他方、第１可動部１４は、第１部分２８の面２８ａから第３軸（Ｚ軸）方向（図４で下方）へ各々突出する２個の可動ブロック５４を有する。各可動ブロック５４は、面２８ａよりも十分に小さい直方体形状を有して、空間３６の中で、面２８ａの所定位置に配置される。１つの可動ブロック５４は、個々の第１連結部１８が撓んでいない状態で、第１軸と第３軸との成す仮想平面（ＸＺ平面）に沿って広がる第１可動面５４ａを有する。他の１つの可動ブロック５４は、個々の第１連結部１８が撓んでいない状態で、第２軸と第３軸との成す仮想平面（ＹＺ平面）に沿って広がる第１可動面５４ａを有する。したがって、１つの可動ブロック５４の第１可動面５４ａと他の１つの可動ブロック５４の第１可動面５４ａとは、互いに９０度の角度で交差する方向へ延びる。

２つの第１可動面５４ａの各々は、対応する仮想平面に沿って広がる２つの第１固定面５２ａの各々に、平行に対向可能な位置に配置される。個々の第１連結部１８が撓んでいない状態で、第１軸と第３軸との成す仮想平面（ＸＺ平面）に平行な第１固定面５２ａ及び第１可動面５４ａは、互いに平行に第２軸（Ｙ軸）方向へ対向し、第２軸と第３軸との成す仮想平面（ＹＺ平面）に平行な第１固定面５２ａ及び第１可動面５４ａは、互いに平行に第１軸（Ｘ軸）方向へ対向する。これら２組の互いに対向する第１固定面５２ａと第１可動面５４ａとの間のそれぞれに、第１ギャップ４８が形成される。個々の第１連結部１８が撓んでいない状態で、２個の第１ギャップ４８は互いに同一の形状及び寸法を有することができる。

第１検出部２４は、２個の第１ギャップ４８に設けられる互いに電気的に独立した計３個以上の静電容量形成部を有する。各静電容量形成部は、１つの固定ブロック５２の第１固定面５２ａに形成される固定電極５６と、対向する１つの可動ブロック５４の第１可動面５４ａに形成される可動電極５８とから構成される。第１ギャップ４８は、互いに対向する固定電極５６と可動電極５８との間を電気的に絶縁する。互いに対向する固定電極５６と可動電極５８とにより、第１ギャップ４８に所定の静電容量が形成される。

図７（ａ）は、１つの固定ブロック５２の第１固定面５２ａに形成される固定電極５６、又は１つの可動ブロック５４の第１可動面５４ａに形成される可動電極５８の、一実施例の構成を示す。この実施例では、１つの固定ブロック５２の第１固定面５２ａに、長手方向へ互いに隣接する矩形輪郭の一対の固定電極５６が形成される。それら固定電極５６は、互いに同一の輪郭形状を有し、互いに電気的に絶縁されて短冊形に配置される。同様に、１つの可動ブロック５４の第１可動面５４ａに、長手方向へ互いに隣接する矩形輪郭の一対の可動電極５８が形成される。それら可動電極５８は、互いに同一の輪郭形状を有し、互いに電気的に絶縁されて短冊形に配置される。固定電極５６と可動電極５８とは、互いに同一の輪郭形状を有する。個々の第１連結部１８が撓んでいない状態で、互いに対向する固定電極５６と可動電極５８とは、対向方向に見てそれぞれの輪郭を見当合わせした位置に配置される。これら互いに対向する計４組の固定電極５６と可動電極５８とにより、２個の第１ギャップ４８の各々に２個ずつ、全体で計４個の静電容量が形成される。

図７（ａ）の実施例による静電容量形成部を備えた６軸力センサ１０において、第１可動部１４が固定部１２に対して第１軸（Ｘ軸）方向へ変位すると、第１軸（Ｘ軸）方向へ対向する第１固定面５２ａと第１可動面５４ａとが相互に接近又は離反する方向へ相対的に平行移動して、第１ギャップ４８を一様に縮小又は拡大する。これにより、第１軸（Ｘ軸）方向へ対向する２組の固定電極５６と可動電極５８との間の静電容量が互いに同じ態様で変化する。第１検出部２４は、これら静電容量の同一態様の変化を検出し、固定部１２に対する第１可動部１４の第１軸（Ｘ軸）方向への変位量の検出値として出力する。同様に、第１可動部１４が固定部１２に対して第２軸（Ｙ軸）方向へ変位すると、第２軸（Ｙ軸）方向へ対向する第１固定面５２ａと第１可動面５４ａとが相互に接近又は離反する方向へ相対的に平行移動して、第１ギャップ４８を一様に縮小又は拡大する。これにより、第２軸（Ｙ軸）方向へ対向する２組の固定電極５６と可動電極５８との間の静電容量が互いに同じ態様で変化する。第１検出部２４は、これら静電容量の同一態様の変化を検出し、固定部１２に対する第１可動部１４の第２軸（Ｙ軸）方向への変位量の検出値として出力する。

第１可動部１４が固定部１２に対して第３軸（Ｚ軸）を中心とする回転方向へ変位すると、第１軸（Ｘ軸）方向へ対向する第１固定面５２ａと第１可動面５４ａとが相対的に傾斜するとともに、第２軸（Ｙ軸）方向へ対向する第１固定面５２ａと第１可動面５４ａとが相対的に傾斜して、それぞれの第１ギャップ４８を、固定電極５６又は可動電極５８の長手方向の一端側で縮小し他端側で拡大する。これにより、第１軸（Ｘ軸）方向へ対向する２組の固定電極５６と可動電極５８との間の静電容量が互いに異なる態様で変化するとともに、第２軸（Ｙ軸）方向へ対向する２組の固定電極５６と可動電極５８との間の静電容量が互いに異なる態様で変化する。第１検出部２４は、これら静電容量の互いに異なる態様での変化を検出し、固定部１２に対する第１可動部１４の第３軸（Ｚ軸）を中心とする回転方向への変位量の検出値として出力する。

第１可動部１４が固定部１２に対し、第１軸（Ｘ軸）方向、第２軸（Ｙ軸）方向及び第３軸（Ｚ軸）周り回転方向の、いずれか２つ以上の方向を合成した変位を生じたときにも、第１軸（Ｘ軸）方向へ対向する２組の固定電極５６と可動電極５８との間の静電容量の変化、及び第２軸（Ｙ軸）方向へ対向する２組の固定電極５６と可動電極５８との間の静電容量の変化に基づき、第１検出部２４は、第１可動部１４の変位量の第１軸（Ｘ軸）方向成分、第２軸（Ｙ軸）方向成分及び第３軸（Ｚ軸）周り回転方向成分を検出値として出力することができる。

第１検出部２４は、固定部１２に対する第１可動部１４の、第１軸（Ｘ軸）に平行な方向、第２軸（Ｙ軸）に平行な方向、及び第３軸（Ｚ軸）を中心とする回転方向への変位量を検出するものである。したがって、２個の第１ギャップ４８に少なくとも３個の静電容量を形成すれば、これら各軸方向の変位量を検出できる。例えば、２組の互いに対向する第１固定面５２ａと第１可動面５４ａとのうちいずれか１組は、互いに対向する固定電極５６と可動電極５８とを１組のみ有して、単一の静電容量を形成するように構成できる。或いは、互いに対向する１組の第１固定面５２ａと第１可動面５４ａとに、互いに対向する３組以上の固定電極５６と可動電極５８とを形成したり、或いは互いに対向する固定ブロック５２及び可動ブロック５４を３組以上設けたりすることで、全体で計５個以上の静電容量を形成することもできる。なお、１組の第１固定面５２ａと第１可動面５４ａとに形成される固定電極５６と可動電極５８とは、いずれか一方を１つの大判の電極として共通電位を与え、他方を２つ以上の小判の電極として個別に電位を与えることで、図７（ａ）の実施例と同等の機能を持たせることもできる。或いは、そのような大判の電極をも排除して、第１固定面５２ａと第１可動面５４ａとのいずれか一方を接地電位とすることもできる。

図８は、３組の互いに対向する固定ブロック５２及び可動ブロック５４を備えた変形例による第１検出部２４′の構成を示す。この変形例では、固定部１２の面１２ａの所定位置に３個の固定ブロック５２が設けられ、第１可動部１４の第１部分２８の面２８ａ（図４）の所定位置に３個の可動ブロック５４が設けられる。各固定ブロック５２は、第３軸を含む仮想平面に沿って広がる第１固定面５２ａ（図６）を有する。１つの固定ブロック５２の第１固定面５２ａと他の１つの固定ブロック５２の第１固定面５２ａとは、互いに６０度の角度で交差する方向へ延びる。各可動ブロック５４は、第３軸を含む仮想平面に沿って広がる第１可動面５４ａ（図６）を有する。１つの可動ブロック５４の第１可動面５４ａと他の１つの可動ブロック５４の第１可動面５４ａとは、互いに６０度の角度で交差する方向へ延びる。３つの第１可動面５４ａの各々は、対応する仮想平面に沿って広がる３つの第１固定面５２ａの各々に、平行に対向可能な位置に配置される。これら３組の互いに対向する第１固定面５２ａと第１可動面５４ａとの間のそれぞれに、第１ギャップ４８が形成される。

図８に示す変形例では、３個の第１ギャップ４８の各々に、互いに対向する１組の固定電極５６及び可動電極５８（図６）を形成して、全体で計３個の静電容量を形成することができる。第１検出部２４′は、計３組の固定電極５６と可動電極５８との間の静電容量の変化に基づき、固定部１２に対する第１可動部１４の、第１軸（Ｘ軸）方向への変位量、第２軸（Ｙ軸）方向への変位量、及び第３軸（Ｚ軸）周り回転方向への変位量を検出することができる。

固定電極５６及び可動電極５８は、例えばフレキシブルプリント回路から形成して、第１固定面５２ａ及び第１可動面５４ａに貼り付けることで形成できる。或いは、蒸着、導電性インクの印刷等、他の様々な方法で固定電極５６及び可動電極５８を形成できる。固定ブロック５２は、固定部１２に一体に形成してもよいし、固定部１２とは別体に形成して固定部１２に取り付けてもよい。同様に可動ブロック５４は、第１可動部１４の第１部分２８に一体に形成してもよいし、第１部分２８とは別体に形成して第１部分２８に取り付けてもよい。いずれの場合も、少なくとも固定ブロック５２及び可動ブロック５４は、電気絶縁性の材料から作製されるか、或いは固定電極５６及び可動電極５８から電気的に絶縁される。但し第１固定面５２ａ又は第１可動面５４ａに接地電位を与える場合は、金属製の固定ブロック５２又は可動ブロック５４を使用できる。

固定ブロック５２及び可動ブロック５４の少なくとも一方を、固定部１２及び第１部分２８の少なくとも一方とは別体の部材とすることで、第１ギャップ４８の形成が容易になる。例えば、先に固定部１２の面１２ａの所定位置に固定ブロック５２を取り付けて固定し、所定厚みの薄板を第１固定面５２ａと第１可動面５４ａとの間に挟んだ状態で可動ブロック５４を位置決めし、その状態で可動ブロック５４を第１部分２８の面２８ａに取り付けて固定する。可動ブロック５４の取付が完了した後、薄板を取り除けば、薄板の厚みに相当する寸法の第１ギャップ４８が確保される。

次に、第２検出部２６の構成を、図２、図３及び図７を参照して詳述する。

第１可動部１４は、第３部分３２の面３２ａとして、第３軸（Ｚ軸）に直交する仮想平面に沿って広がる第２固定面３２ａを有する。第２可動部２０は、基板部分４０の面４０ａとして、個々の第２連結部２２が撓んでいない状態で第３軸（Ｚ軸）に直交する仮想平面に沿って広がる第２可動面４０ａを有する。第２可動面４０ａは、第２固定面３２ａに平行に対向可能な位置に配置される。個々の第２連結部２２が撓んでいない状態で、第２固定面３２ａ及び第２可動面４０ａは、互いに平行に第３軸（Ｚ軸）方向へ対向する。互いに対向する第２固定面３２ａと第２可動面４０ａとの間に、第２ギャップ５０が形成される。なお、第２固定面３２ａという名称は、第２可動面４０ａとの相対的動作関係を表現したものであって、前述した第１固定面５２ａと異なり、６軸力センサ１０の中で常に固定的に配置される面を意味するものではない。

第２検出部２６は、第２ギャップ５０に設けられる互いに電気的に独立した計３個以上の静電容量形成部を有する。各静電容量形成部は、第２固定面３２ａに形成される固定電極６０と、第２可動面４０ａに形成される可動電極６２とから構成される。第２ギャップ５０は、互いに対向する固定電極６０と可動電極６２との間を電気的に絶縁する。互いに対向する固定電極６０と可動電極６２とにより、第２ギャップ５０に所定の静電容量が形成される。なお、固定電極６０という名称は、可動電極６２との相対的動作関係を表現したものであって、前述した固定電極５６と異なり、６軸力センサ１０の中で常に固定的に配置される電極を意味するものではない。

図７（ｂ）は、第２固定面３２ａに形成される固定電極６０、又は第２可動面４０ａに形成される可動電極６２の、一実施例の構成を示す。この実施例では、第２固定面３２ａに、周方向へ互いに隣接する扇形輪郭の３個の固定電極６０が形成される。それら固定電極６０は、中心角１２０度の互いに同一の輪郭形状を有し、互いに電気的に絶縁されて円形に配置される。同様に、第２可動面４０ａに、周方向へ互いに隣接する扇形輪郭の３個の可動電極６２が形成される。それら可動電極６２は、中心角１２０度の互いに同一の輪郭形状を有し、互いに電気的に絶縁されて円形に配置される。固定電極６０と可動電極６２とは、互いに同一の輪郭形状を有する。個々の第１連結部１８が撓んでいない状態で、互いに対向する固定電極６０と可動電極６２とは、対向方向に見てそれぞれの輪郭を見当合わせした位置に配置される。これら互いに対向する計３組の固定電極６０と可動電極６２とにより、第２ギャップ５０に計３個の静電容量が形成される。

図７（ｂ）の実施例による静電容量形成部を備えた６軸力センサ１０において、第２可動部２０が第１可動部１４に対して第３軸（Ｚ軸）方向へ変位すると、第３軸（Ｚ軸）方向へ対向する第２固定面３２ａと第２可動面４０ａとが相互に接近又は離反する方向へ相対的に平行移動して、第２ギャップ５０を一様に縮小又は拡大する。これにより、３組の固定電極６０と可動電極６２との間の静電容量が互いに同じ態様で変化する。第２検出部２６は、これら静電容量の同一態様の変化を検出し、第１可動部１４に対する第２可動部２０の第３軸（Ｚ軸）方向への変位量の検出値として出力する。

第２可動部２０が第１可動部１４に対して第１軸（Ｘ軸）又は第２軸（Ｙ軸）を中心とする回転方向へ変位すると、第２固定面３２ａと第２可動面４０ａとが相対的に傾斜して、第２ギャップ５０を、固定電極６０又は可動電極６２の径方向の一端側で縮小し他端側で拡大する。これにより、第３軸（Ｚ軸）方向へ対向する３組の固定電極６０と可動電極６２との間の静電容量がそれぞれに異なる態様で変化する。第２検出部２６は、これら静電容量の互いに異なる態様での変化を検出し、第１可動部１４に対する第２可動部２０の第１軸（Ｘ軸）又は第２軸（Ｙ軸）を中心とする回転方向への変位量の検出値として出力する。

第２可動部２０が第１可動部１４に対し、第１軸（Ｘ軸）周り回転方向、第２軸（Ｙ軸）周り回転方向及び第３軸（Ｚ軸）方向の、いずれか２つ以上の方向を合成した変位を生じたときにも、第３軸（Ｚ軸）方向へ対向する３組の固定電極６０と可動電極６２との間の静電容量の変化に基づき、第２検出部２６は、第２可動部２０の変位量の第１軸（Ｘ軸）周り回転方向成分、第２軸（Ｙ軸）周り回転方向成分及び第３軸（Ｚ軸）方向成分を検出値として出力することができる。

第２検出部２６は、第１可動部１４に対する第２可動部２０の、第１軸（Ｘ軸）を中心とする回転方向、第２軸（Ｙ軸）を中心とする回転方向、及び第３軸（Ｚ軸）に平行な方向への変位量を検出するものである。したがって、第２ギャップ５０に少なくとも３個の静電容量を形成すれば、これら各軸方向の変位量を検出できる。例えば、第２固定面３２ａと第２可動面４０ａとに、互いに対向する４組以上の固定電極６０と可動電極６２とを形成することで、計４個以上の静電容量を形成することもできる。また、固定電極６０及び可動電極６２は、図示の扇形以外の形状、及び図示の円形配置以外の配置を有することができる。なお、第２固定面３２ａに形成される固定電極６０と第２可動面４０ａに形成される可動電極６２とは、いずれか一方を１つの大判の電極として共通電位を与え、他方を３つ以上の小判の電極として個別に電位を与えることで、図７（ｂ）の実施例と同等の機能を持たせることもできる。或いは、そのような大判の電極をも排除して、第２固定面３２ａと第２可動面４０ａとのいずれか一方を接地電位とすることで、静電容量を形成することもできる。

固定電極６０及び可動電極６２は、例えばフレキシブルプリント回路から形成して、第２固定面３２ａ及び第２可動面４０ａに貼り付けることで形成できる。或いは、蒸着、導電性インクの印刷等、他の様々な方法で固定電極６０及び可動電極６２を形成できる。第１可動部１４の第３部分３２及び第２可動部２０の基板部分４０は、電気絶縁性の材料から作製されるか、或いは固定電極６０及び可動電極６２から電気的に絶縁される。但し第２固定面３２ａ又は第２可動面４０ａに接地電位を与える場合は、金属製の第３部分３２又は基板部分４０を使用できる。第２ギャップ５０は、第１可動部１４の第２部分３０と第３部分３２との間に空間３８を形成するためのスペーサ３９（又は同等の機能を有する突起）によって、所定寸法に確保できる。

６軸力センサ１０は、第１検出部２４による前述した変位量の検出値及び第２検出部２６による前述した変位量の検出値から、第２可動部２０に加わる力の、第１軸（図でＸ軸）の方向の力成分、第２軸（図でＹ軸）の方向の力成分、第３軸（図でＺ軸）の方向の力成分、第１軸の周りのモーメント成分、第２軸の周りのモーメント成分、及び第３軸の周りのモーメント成分を検出できるようにするものである。これら力成分及びモーメント成分の検出は、６軸力センサ１０とは別の演算装置によって実施できる。或いは図１に示すように、６軸力センサ１０は、第１検出部２４が検出した変位量の検出値及び第２検出部２６が検出した変位量の検出値に基づき、第２可動部２０に加わる力の、第１軸（図でＸ軸）の方向の力成分、第２軸（図でＹ軸）の方向の力成分、第３軸（図でＺ軸）の方向の力成分、第１軸の周りのモーメント成分、第２軸の周りのモーメント成分、及び第３軸の周りのモーメント成分を演算する演算部６４を備えることができる。

変位量の検出値から力成分やモーメント成分を求める演算は、例えば、変位量の検出値と予め求めた変換係数行列とを行列演算する手法により実行できる。変換係数行列は、６軸力センサ１０に対して既知の荷重を様々な方向に加えて、当該荷重の力及びモーメントの６軸方向成分に対応する変位データを収集し、それら変位データから公知の数学的手法により求めることができる。ここで、静電容量は固定電極５６、６０と可動電極５８、６２との間の距離に反比例するので、第１検出部２４及び第２検出部２６は、検出した静電容量の変化量の逆数から第１可動部１４及び第２可動部２０の変位量を求めて検出値として出力できる。しかし、公知の数学的手法を用いることで、第１検出部２４及び第２検出部２６が検出した静電容量の変化量の生データ（つまり静電容量の検出値）に基づき、例えば演算部６４が、直接的に力成分及びモーメント成分を求めることもできる。この場合、第１検出部２４及び第２検出部２６は、検出した静電容量の変化量を検出値として出力することになる。本実施形態では、第１検出部２４及び第２検出部２６が静電容量の変化を検出することは、第１検出部２４及び第２検出部２６が対応の可動部１４、２０の変位量を検出することと、数学的観点において同義のものと定義する。

第１の実施形態による６軸力センサ１０は、第１連結部１８により固定部１２と第１可動部１４とを、第１可動部１４が３自由度の態様で変位できるように相互連結するとともに、第２連結部２２により第１可動部１４と第２可動部２０とを、第２可動部２０が第１可動部１４とは異なる３自由度の態様で変位できるように相互連結し、第１検出部２４が固定部１２対する第１可動部１４の変位量を検出する一方で、第１検出部２４とは異なる第２検出部２６が第１可動部１４に対する第２可動部２０の変位量を検出するように構成されている。６軸それぞれの変位量の検出を、第１検出部２４と第２検出部２６とで３自由度ずつ分担して実施できるから、高精度な変位量検出が可能になる。第１検出部２４の検出対象である変位量を生じる構成部品と、第２検出部２６の検出対象である変位量を生じる構成部品とは、いずれも３自由度だけの変位を許容する構成を有していればよく、しかもそれら構成部品の双方に、第１可動部１４が共有されているから、６軸力センサ１０の構造が単純化され、部品の加工や組み立てが容易になって、製造コストが低減される。

特に６軸力センサ１０では、固定部１２と第１可動部１４との間に第１ギャップ４８を形成して、第１ギャップ４８における静電容量の変化を第１検出部２４が検出し、第１可動部１４と第２可動部２０との間に第２ギャップ５０を形成して、第２ギャップ５０における静電容量の変化を第２検出部２６が検出するように構成したから、第１ギャップ４８と第２ギャップ５０とを別々に精度良く形成できる。その結果、第１ギャップ４８及び第２ギャップ５０における静電容量の変化を高精度に検出でき、固定部１２に対する第１可動部１４の変位量、及び第１可動部１４に対する第２可動部２０の変位量を、それぞれに高精度に検出することができる。

図９及び図１０は、第２の実施形態による６軸力センサ７０を示す。６軸力センサ７０は、６軸力センサ１０における第１可動部１４の第３部分３２を省略した点以外は、６軸力センサ１０と同様の構成を有する。よって、対応する構成要素には共通する参照符号を付してその説明を省略する。

６軸力センサ７０は、固定部１２と、第１可動部７２と、第１連結部１８と、第２可動部２０と、第２連結部２２と、第１検出部２４と、第２検出部２６とを備える。第１可動部７２は、矩形平板状の第１部分２８と、矩形枠状の第２部分３０とを備える。第１部分２８と第２部分３０とは、互いに別体に形成されて、互いに一体的に固定される。第１部分２８と第２部分３０とは、例えばボルト３４により互いに固定できる。第１部分２８の、面２８ａとは反対側（図で上側）の面２８ｃは、第２部分３０の面３０ａに空間３８を介して対向する。

第１可動部７２は、第１部分２８の面２８ｃとして、第３軸（Ｚ軸）に直交する仮想平面に沿って広がる第２固定面２８ｃを有する。第２可動部２０の面４０ａすなわち第２可動面４０ａは、第２固定面２８ｃに平行に対向可能な位置に配置される。個々の第２連結部２２が撓んでいない状態で、第２固定面２８ｃ及び第２可動面４０ａは、互いに平行に第３軸（Ｚ軸）方向へ対向する。互いに対向する第２固定面２８ｃと第２可動面４０ａとの間に、第２ギャップ５０が形成される。第２ギャップ５０に設けられる計３個以上の静電容量形成部は、第２固定面２８ｃに形成される固定電極６０と、第２可動面４０ａに形成される可動電極６２とから構成される。第２ギャップ５０は、第１可動部１４の第１部分２８と第２部分３０との間に空間３８を形成するためのスペーサ３９（又は同等の機能を有する突起）によって、所定寸法に確保できる。

第２の実施形態による６軸力センサ７０は、第１実施形態による６軸力センサ１０と同様に作用して、第１検出部２４による検出値及び第２検出部２６による検出値から、第２可動部２０に加わる力の、第１軸（Ｘ軸）の方向の力成分、第２軸（Ｙ軸）の方向の力成分、第３軸（Ｚ軸）の方向の力成分、第１軸の周りのモーメント成分、第２軸の周りのモーメント成分、及び第３軸の周りのモーメント成分を検出できるようにする。このような構成を有する６軸力センサ７０は、前述した６軸力センサ１０の効果と同等の効果を奏する。さらに６軸力センサ７０は、第１可動部７２の構成を第１可動部１４に比べて単純化したから、製造コストを一層削減することができる。

以上、本発明の実施形態の構成を図面に基づいて説明したが、本発明は図示構成に限定されない。例えば、第１検出部及び第２検出部は、静電容量の変化から変位量を検出する上記構成に限定されず、光学式、磁気式等の、他の変位量検出手段を備える構成とすることができる。

１０、７０ ６軸力センサ
１２ 固定部
１４、７２ 第１可動部
１８ 第１連結部
２０ 第２可動部
２２ 第２連結部
２４ 第１検出部
２６ 第２検出部
２８ 第１部分
２８ｃ 第２固定面
３０ 第２部分
３２ 第３部分
３２ａ 第２固定面
４０ａ 第２可動面
４８ 第１ギャップ
５０ 第２ギャップ
５２ａ 第１固定面
５４ａ 第１可動面
５６、６０ 固定電極
５８、６２ 可動電極

Claims (12)

1. 第１固定面を有する固定部と、
   前記第１固定面に対向する第１可動面を有するとともに第２固定面を有する第１可動部と、
   直交３軸座標系において、前記第１可動部を前記固定部に対し、第１軸に平行な方向、該第１軸に直交する第２軸に平行な方向、及び該第１軸と該第２軸との双方に直交する第３軸を中心とする回転方向へ、弾性的に変位可能に連結する第１連結部と、
   前記第２固定面に対向する第２可動面を有する第２可動部と、
   前記直交３軸座標系において、前記第２可動部を前記第１可動部に対し、前記第１軸を中心とする回転方向、前記第２軸を中心とする回転方向、及び前記第３軸に平行な方向へ、弾性的に変位可能に連結する第２連結部と、
   前記第１固定面と前記第１可動面との相対移動に基づき前記固定部に対する前記第１可動部の変位量を検出する第１検出部と、
   前記第２固定面と前記第２可動面との相対移動に基づき前記第１可動部に対する前記第２可動部の変位量を検出する第２検出部とを具備し、
   前記第１検出部による検出値及び前記第２検出部による検出値から、前記第２可動部に加わる力の、前記第１軸の方向の力成分、前記第２軸の方向の力成分、前記第３軸の方向の力成分、前記第１軸の周りのモーメント成分、前記第２軸の周りのモーメント成分、及び前記第３軸の周りのモーメント成分を検出できるようにした、
   ６軸力センサ。
2. 前記第１検出部による検出値及び前記第２検出部による検出値に基づき、前記第２可動部に加わる力の、前記第１軸の方向の力成分、前記第２軸の方向の力成分、前記第３軸の方向の力成分、前記第１軸の周りのモーメント成分、前記第２軸の周りのモーメント成分、及び前記第３軸の周りのモーメント成分を演算する演算部をさらに具備する、請求項１に記載の６軸力センサ。
3. 前記第１固定面と前記第１可動面との間に、静電容量を有する第１ギャップが形成され、前記第１検出部は、該第１ギャップにおける該静電容量の変化を検出することにより、前記第１可動部の前記変位量を検出する、請求項１又は２に記載の６軸力センサ。
4. 前記固定部は、前記第３軸を含む仮想平面に沿って広がるとともに互いに６０度以上の角度で交差する方向へ延びる複数の前記第１固定面を有し、前記第１可動部は、それぞれが該複数の第１固定面に平行に対向する位置に配置されて互いに６０度以上の角度で交差する方向へ延びる複数の前記第１可動面を有し、複数組の互いに対向する該第１固定面と該第１可動面との間のそれぞれに前記第１ギャップが形成される、請求項３に記載の６軸力センサ。
5. 前記第１検出部は、複数の前記第１ギャップに設けられる互いに電気的に独立した計３個以上の静電容量形成部を有する、請求項４に記載の６軸力センサ。
6. 前記第２固定面と前記第２可動面との間に、静電容量を有する第２ギャップが形成され、前記第２検出部は、該第２ギャップにおける該静電容量の変化を検出することにより、前記第２可動部の前記変位量を検出する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の６軸力センサ。
7. 前記第１可動部は、前記第３軸に直交する仮想平面に沿って広がる前記第２固定面を有し、前記第２可動部は、該第２固定面に平行に対向する位置に配置される前記第２可動面を有し、該第２固定面と該第２可動面との間に前記第２ギャップが形成される、請求項６に記載の６軸力センサ。
8. 前記第２検出部は、前記第２ギャップに設けられる互いに電気的に独立した３個以上の静電容量形成部を有する、請求項７に記載の６軸力センサ。
9. 前記第１可動部は、前記第１連結部に一体に形成される第１部分と、該第１部分とは別体に形成されて該第１部分に固定され、前記第２連結部に一体に形成される第２部分とを有する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の６軸力センサ。
10. 前記第１可動部は、前記第１部分と前記第２部分との間に介在する第３部分であって、前記第１部分及び前記第２部分とは別体に形成されて前記第１部分及び前記第２部分に固定される第３部分を有する、請求項９に記載の６軸力センサ。
11. 前記第１連結部は、前記固定部と前記第１可動部との間に延びる複数の弾性梁を有する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の６軸力センサ。
12. 前記第２連結部は、前記第１可動部と前記第２可動部との間に延びる複数の弾性梁を有する、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の６軸力センサ。

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