JP6586860B2 - 力覚センサ - Google Patents

Description

本発明は、外力を検出することができる力覚センサの構造に関する。

外力によって生じる構造体の変位をセンサで検出し、センサの検出結果を演算処理することで構造体に加えられた外力を検出する力覚センサが知られている。特に、外力によって生じる構造体の変位を光学式センサで検出する力覚センサが、特許文献１、特許文献２に開示されている。

特開２００７−１２７５０１号公報 特開２０１０−２１０５５８号公報

特許文献１および特許文献２に開示されている技術は、外力が加えられたときに変位を生じる可動部と、外力が加えられても変位を生じない固定部と、を備えており、固定部および可動部の相対的な変位量を光学式センサで測定している。しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載された発明は、発光素子と受光素子とが対向配置されていることから、これら２つの素子の正確な位置決めが必要という問題があった。

また、産業用ロボットを用いてワークを把持し、目的の位置に搬送した後、解放するという、いわゆるピックアンドプレースを行う場合、ロボットハンドに加わる外力を検出し、ワークやチャックの位置を補正する必要がある。ロボットハンドに加わる外力を検出するために力覚センサが用いられる。このような使われ方をする力覚センサには高い剛性が求められる。しかしながら、市販のカップリング、特にヘリカルカップリングは剛性が低いものが多く、高い剛性を持つ力覚センサを作る場合には全体が大型化する可能性があった。

上記の目的を達成するため、本発明に係る力覚センサの第１の形態は、基部と、前記基部に対向するように配遣される第１可動部と、前記基部に設けられ、前記第１可動部を揺動可能に支持する支持体と、前記第１可動部に外力が加わった場合に、前記第１可動部を揺動させる分力を検出できる第１検出部と、を含み、前記支持体は、円筒形状であって、その軸方向の一端が前記基部と一体である。これにより、力覚センサは、高い剛性を有し且つ小型化することができる。

また、本発明に係る力覚センサの第２の形態は、基部と、前記基部に対向するように配置される第１可動部と、前記第１可動部に対向するように配置される第２可動部と、前記基部に設けられ、前記第１可動部および前記第２可動部を揺動可能に支持する支持体と、前記支持体に設けられ、前記第２可動部を回転可能に支持するジョイントと、前記第１可動部および前記記第２可動部の少なくとも一方に外力が加わった場合に、前記第１可動部および前記第２可動部を揺動させる分力を検出できる第１検出部と、前記第２可動部を回転させる分力を検出できる第２検出部と、を含み、前記支持体は、円筒形状であって、その軸方向の一端が前記基部と一体である。これにより、力覚センサは、高い剛を有し且つ小型化することができる。

また、本発明の望ましい態様として、前記支持体は、螺旋状のスリット、又は前記支持体の軸に略直交する少なくとも一つのスリットを備えることが好ましい。このような構造とすることにより、支持体の基部に接続される部分にもスリットを形成することができるので、市販のヘリカルカップリング等を用いた場合に比べて支持体の全長を短くすることができる。その結果、力覚センサを小型化することができる。

また、本発明の望ましい態様として、前記ジョイントは、前記第２可動部を貫通するシャフトを備え、前記基部を貫通する第１内部通路、前記支持体を貫通する第２内部通路および前記シャフトを貫通する第３内部通路が、同一直線上に配置されていることが好ましい。これにより、他の装置の配線または配管は、第１内部通路、第２内部通路および第３内部通路を通過することができる。すなわち、他の装置の配線または配管が力覚センサの内部に収納される。このため、他の装置の配線または配管が力覚センサの外側を通過する場合に比べて、力覚センサは、力覚センサが取り付けられる装置全体を小型化することができる。

また、本発明の望ましい態様として、一端が前記基部および前記第１可動部の間の空間で開口し且つ前記基部を貫通するセンサ配線通路を備えることが好ましい。これにより、第１可動部等に配置されるセンサの出力配線が力覚センサの内部を通過できるので、出力配線と他の装置との干渉が抑制される。

本発明によれば、力覚センサの使用目的に適した高い剛性を支持体に容易かつ低コストで設定することができる。また、基部と支持体を一体化させているため力覚センサを小型化することができる。

図１は、第１の実施形態に係る力覚センサを示す模式図である。 図２は、第１の実施形態に係る基部、支持体および第２可動部を示す模式図である。 図３は、第１の実施形態に係る支持体および第１可動部を示す平面図である。 図４は、第１の実施形態に係るシャフトおよび第２可動部を示す平面図である。 図５は、図４におけるＡ矢視図である。 図６は、第１の実施形態に係る力覚センサにＹ軸廻りのモーメントが加えられた状態を示す模式図である。 図７は、第１の実施形態に係る第２センサおよび反射板を示す模式図である。 図８は、図７におけるＢ矢視図である。 図９は、第１の実施形態に係る力覚センサにＺ軸廻りのモーメントが加えられた状態を示す模式図である。 図１０は、図９におけるＣ矢視図である。 図１１は、第１の実施形態に係る第１検出部および第２検出部の構成を示す模式図である。 図１２は、第１の実施形態に係る演算処理部の構成図である。 図１３は、第１の実施形態の第１の変形例に係る力覚センサを示す模式図である。 図１４は、図１３におけるＤ−Ｄ断面を示す模式図である。 図１５は、図１３におけるＥ−Ｅ断面を示す模式図である。 図１６は、第１の実施形態の第２の変形例に係る力覚センサを、中心軸を含む平面で切った断面図である。 図１７は、第２の実施形態に係る力覚センサを示す模式図である。 図１８は、第２の実施形態に係る基部、支持体および第２可動部を示す模式図である。 図１９は、第２の実施形態の変形例に係る力覚センサを示す模式図である。 図２０は、第３の実施形態に係る力覚センサを示す模式図である。 図２１は、第４の実施形態に係る力覚センサを示す模式図である。 図２２は、第４の実施形態に係る力覚センサを、中心軸を含む平面で切った断面図である。

本発明を実施するための形態(実施形態)につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る力覚センサを示す模式図である。力覚センサ１は、加えられた外力を検出することができる装置である。力覚センサ１は、例えば、ロボットの動きを規制するモータ等の回転機械に接続される。力覚センサ１は、加えられた外力の大きさおよび方向を検出し、加えられた外力の大きさおよび方向に応じた当該モータ等を制御する制御部に送る制御信号を送出することができる。

力覚センサ１は、基部１０と、第１可動部２１と、第２可動部２２と、支持体３０と、ジョイント２（図２参照）と、を有する。例えば、基部１０は、円筒状の筐体１００の底面に固定された円盤状の部材であり、支持体３０を備える。なお、基部１０は、筐体１００の底面と一体になっていてもよい。以下の説明において、基部１０の中心軸Ｚｒに平行なＺ軸と、Ｚ軸に対して直交するＸ軸、Ｚ軸およびＸ軸に対して直交するＹ軸と、からなる直交座標系が用いられる。

支持体３０は、基部１０に支持されており、第１可動部２１および第２可動部２２を揺動可能に支持する。支持体３０は、図１に示すように円筒状の部材であって、支持体３０には螺旋状のスリット３３ｒが形成されている。支持体３０は、基部１０と一体の構造となっている。

図２は、第１の実施形態に係る基部、支持体および第２可動部を示す模式図である。図３は、第１の実施形態に係る支持体および第１可動部を示す平面図である。図４は、第１の実施形態に係るシャフトおよび第２可動部を示す平面図である。図２に示すように、支持体３０は、弾性部３３と、上部固定部３２と、を有している。支持体３０の一端は基部１０と一体となっており、基部１０および支持体３０はアルミニウム等の金属で形成されている。

弾性部３３は円筒状であり、弾性部３３には図２に示すように螺旋状のスリット３３ｒが形成されている。弾性部３３は、外力が加わっていない場合、中心軸Ｚｒを中心とした周方向でＺ軸方向の高さが一定である。これに対して、外力が加わった場合、弾性部３３は、変形することで中心軸Ｚｒに対して一方側のＺ軸方向の高さが高くなり、他方側のＺ軸方向の高さが低くなる。このため、外力が加わった場合、上部固定部３２は、弾性部３３の変形に応じて傾くことができる。

また、図３に示すように、上部固定部３２は円筒状の部材である。上部固定部３２は、弾性部３３の基部１０とは反対側に配置されており、弾性部３３と一体となっている。上部固定部３２の端面は、Ｚ軸に対して垂直になるように形成されている。上部固定部３２は、Ｚ軸方向に貫通する貫通孔３２ｈと、Ｚ軸に対して直交方向の開口部であるスリット３２ｓと、を有する。このため、上部固定部３２は、Ｚ軸方向から見てＣ字形状となっている。また、上部固定部３２は、スリット３２ｓを挟んで対向する端面３２１および端面３２２を接続するボルト３２ｃを有する。ボルト３２ｃが締め付けられると、端面３２１から端面３２２までの距離が小さくなる。その結果、貫通孔３２ｈの直径が小さくなる。これにより、ボルト３２ｃは、貫通孔３２ｈの直径を調節することができる。

第２可動部２２は、ジョイント２によってＺ軸廻りに回転可能に支持体３０に支持されている。ジョイント２は、例えば、深溝玉軸受３５と、シャフト１１と、スラストころ軸受１２と、を有する。図２に示すように、上部固定部３２の貫通孔３２ｈには、深溝玉軸受３５が嵌め込まれている。深溝玉軸受３５は、ボルト３２ｃを緩めた状態で貫通孔３２ｈに挿入された後、ボルト３２ｃを締め付けて貫通孔３２ｈの直径を小さくすることで固定されている。深溝玉軸受３５の内輪の内側には、円柱状のシャフト１１が圧入によって固定されている。シャフト１１の一方側の端部は、貫通孔３２ｈの内側に位置しており、他方側の端部は、上部固定部３２の端面よりもＺ軸方向に突出している。

上部固定部３２およびシャフト１１に外力が加わると、上部固定部３２およびシャフト１１は、弾性部３３の根元（基部１０に近い端部）を支点としてシャフト１１の中心軸が基部１０の中心軸Ｚｒに対して角度をなすように揺れ動く。以下の説明において、揺動するとの記載は、弾性部３３の根元を支点としてシャフト１１の中心軸が基部１０の中心軸Ｚｒに対して角度をなすように揺れ動くことを示す。なお、基部１０が円盤状でない場合、揺動するとの記載は、弾性部３３の根元を支点としてシャフト１１の中心軸が基部１０の表面に対して垂直な直線に対して角度をなすように揺れ動くことを意味する。

第２可動部２２は、図２に示すようにシャフト１１の上部固定部３２から突出している部分に固定されている。第２可動部２２は、例えば、Ｚ軸方向に貫通する貫通孔２２ｈを有する円盤状の部材である。第２可動部２２は、貫通孔２２ｈにシャフト１１が圧入されることによって、基部１０と平行になるように固定されている。また、例えば、スラストころ軸受１２が、上部固定部３２と第２可動部２２との間に配置されている。第２可動部２２は、深溝玉軸受３５およびシャフト１１によってＺ軸廻りに回転可能に支持体３０に支持されており、スラストころ軸受１２によってより滑らかに回転可能に支持されている。一方、第２可動部２２がＺ軸廻りに回転しているとき、第１可動部２１および基部１０は、Ｚ軸廻りに回転しない。なお、ジョイント２は、スラストころ軸受１２を有していなくてもよい。

図３に示すように、第１可動部２１は、全体が円筒状の部材であり、上部固定部３２の外周を囲むように固定されている。また、第１可動部２１は、第２可動部２２と平行になるように固定されている。例えば、第１可動部２１は、半円筒状の第１可動部片２１ｐを２つ含み、上部固定部３２を挟むように配置された２つの第１可動部片２１ｐをボルト２１ｃで連結することにより上部固定部３２に固定されている。なお、第１可動部２１を固定する方法は、上述した方法に限らない。

以上により、図１に示すように、第１可動部２１は、基部１０に対向するように配置されており、第２可動部２２は、第１可動部２１に対向するように配置されている。力覚センサ１に外力が加わっていない状態においては、基部１０、第１可動部２１および第２可動部２２は、互いに平行な状態を保っている。また、第１可動部２１および第２可動部２２は、弾性部３３を有する支持体３０によって揺動可能に支持されている。また、第２可動部２２は、ジョイント２によってＺ軸廻りに回転可能に支持されている。また、第１の実施形態において、第１可動部２１および第２可動部２２は、基部１０に対して鉛直方向で上側に配置されている。

図１に示すように、基部１０は、第１センサ１５を有する。第１センサ１５は、例えばフォトリフレクタであり、基部１０の表面にセンサ台１５ｂを介して固定されている。第１センサ１５は、例えば、支持体３０の外側に、中心軸Ｚｒを中心とした周方向で等間隔に４つ配置されている。また、４つの第１センサ１５のうち２つの第１センサ１５は、Ｘ軸に平行な直線上に配置されており、残りの２つの第１センサ１５は、Ｙ軸に平行な直線上に配置されている。

図１に示すように、基部１０はストッパー１９を有する。ストッパー１９は、第１センサ１５よりもＺ軸方向に突出する突出部である。例えば、ストッパー１９は、第１センサ１５の外側に、Ｚ軸を中心とした周方向で等間隔に４つ配置されている。なお、ストッパー１９は、第１センサ１５の内側に配置されていてもよい。例えば、ストッパー１９のＺ軸方向の高さは、支持体３０が弾性変形可能な荷重を超える荷重が力覚センサ１に加えられた場合に、先端が第１可動部２１に接触するように調節されている。このため、第１可動部２１および第２可動部２２を揺動させる過大な外力が力覚センサ１に加えられた場合、ストッパー１９は、支持体３０に永久変形が生ずる事態を抑制することができる。

また、力覚センサ１に対して第１可動部２１及び第２可動部２２を上方（Ｚ軸の正方向）に引っ張る外力が作用した場合でも支持体３０に過大な変形を生じないようにするため、力覚センサ１はストッパー２０を備えている。ストッパー２０は筐体１００の上端に設けられており、中心に向かってフランジ状に突出した部分である。ストッパー２０は筐体１００の全周にわたって設けられても良く、または周方向に幅の狭い突出部が複数箇所に設けられてもよい。

さらに、図１に示すように、第１可動部２１は、第２可動部２２と対向する表面に永久磁石２４を有し、第２可動部２２は、第１可動部２１と対向する表面に２つの永久磁石２５を有する。永久磁石２４は、第１可動部２１の表面から第２可動部２２に向かって突出しており、永久磁石２５は、第２可動部２２の表面から第１可動部２１に向かって突出している。また、Ｚ軸方向から見て、永久磁石２４および２つの永久磁石２５が、中心軸Ｚｒを中心とした同一円周上に配置されている。２つの永久磁石２５は、永久磁石２４に対して周方向の両側に等間隔で配置されている。

図５は、図４におけるＡ矢視図を示す。永久磁石２４は、例えば、接着剤によってベース２４ｂを介して第１可動部２１に固定されている。永久磁石２４は、Ｚ軸方向にＮ極およびＳ極が並ぶように配置されている。永久磁石２５は、例えば、接着剤によってベース２５ｂを介して第２可動部２２に固定されている。永久磁石２５は、Ｚ軸方向にＮ極およびＳ極が並ぶように配置されている。また、永久磁石２４および永久磁石２５は、互いのＳ極同士およびＮ極同士が周方向に対向するように配置されている。これにより、力覚センサ１に外力が加わっていない場合、永久磁石２４および永久磁石２５の反発力の釣り合いによって、第１可動部２１に対する第２可動部２２のＺ軸廻りの相対回転角度が固定される。また、外力によって第２可動部２２がＺ軸廻りに回転した場合、永久磁石２４および永久磁石２５は、互いの距離が近づくことで反発力を増大させ、外力に対する反力を生じさせる。そして、外力が取り除かれると、第１可動部２１に対する第２可動部２２のＺ軸廻りの相対回転角度は、外力が加わっていないときの角度に戻る。なお、永久磁石２４および永久磁石２５によって生じる反発力は、永久磁石２４および永久磁石２５の磁力の調節、ベース２４ｂおよびベース２５ｂのＺ軸方向の高さの調節、等によって調節することができる。

また、図１に示すように、第１可動部２１は、第２可動部２２と対向する表面にストッパー２６を有し、第２可動部２２は、第１可動部２１と対向する表面にストッパー２７を有する。ストッパー２６は、第１可動部２１の表面から第２可動部２２に向かって突出している。ストッパー２７は、第２可動部２２の表面から第１可動部２１に向かって突出している。また、Ｚ軸方向から見て、ストッパー２６およびストッパー２７が、中心軸Ｚｒを中心とした同一円周上に配置されている。ストッパー２６とストッパー２７との周方向の距離Ｄｌは、永久磁石２４と永久磁石２５との周方向の距離Ｄｍよりも小さくなっている。これにより、外力によって第２可動部２２がＺ軸廻りに回転した場合、永久磁石２４と永久磁石２５とが接触する前にストッパー２６とストッパー２７とが接触する。このため、ストッパー２６およびストッパー２７は、永久磁石２４と永久磁石２５とが衝突して破損する事態を抑制することができる。

図１に示すように、第１可動部２１は、基部１０に対向する表面に反射板１６を有する。反射板１６は、４つの第１センサ１５のそれぞれに対向する位置に配置されている。例えば、反射板１６の表面の光に対する反射率は、一様であり、４つの反射板１６の反射率は、互いに等しい。フォトリフレクタである第１センサ１５は、受光部と発光部を有し、光を発することができ且つ当該光の反射光強度を検出することができる。第１センサ１５は、受光部と発光部が第１可動部２１の方向を向くように固定されている。第１センサ１５の発光部が発した光は、反射板１６で反射して第１センサ１５の受光部に入射する。第１センサ１５は、検出した反射光強度の大きさに応じて、センサ出力を変化させる。

第１センサ１５が検出する反射光強度は、第１センサ１５から反射板１６までの距離および反射板１６の反射率に応じて変化する。力覚センサ１に外力が加わっていない場合、基部１０、第１可動部２１および第２可動部２２が互いに平行であるため、４つの第１センサ１５とそれぞれの第１センサ１５に対向する反射板１６との距離は、互いに等しい距離Ｄｚとなっている。４つの反射板１６の反射率が互いに等しいため、力覚センサ１に外力が加わっていない場合、４つの第１センサ１５が検出する反射光強度は、互いに等しくなっている。

図６は、第１の実施形態に係る力覚センサにＹ軸廻りのモーメントが加えられた場合を示す模式図である。なお、図面上で変形をわかりやすくするため、図６では、ストッパー１９の記載が省略されている。Ｙ軸廻りのモーメントＭｙは、第１可動部２１および第２可動部２２を揺動させる第１の分力である。力覚センサ１にＹ軸廻りのモーメントＭｙが加えられた場合、支持体３０の弾性部３３が変形することで、第１可動部２１および第２可動部２２は、揺動しＹＺ平面に対して所定の角度θだけ傾斜する。このため、第１可動部２１は、ＸＹ平面に対して角度θだけ傾斜する。第１可動部２１および第２可動部２２が一緒に揺動するので、第１可動部２１および第２可動部２２は、平行な状態を保っている。また、第１可動部２１は、基部１０に対して傾斜している。その結果、Ｘ軸に平行な直線上に配置された２つの第１センサ１５のうち一方の第１センサ１５から当該第１センサ１５に対向する反射板１６までの距離Ｄｚ１は、距離Ｄｚよりも大きくなる。Ｘ軸に平行な直線上に配置された２つの第１センサ１５のうち他方の第１センサ１５から当該第１センサ１５に対向する反射板１６までの距離Ｄｚ２は、距離Ｄｚよりも小さくなる。具体的には、中心軸Ｚｒから各第１センサ１５までの距離Ｄｓを用いて、距離Ｄｚ１は、距離ＤｚよりもＤｓ×ｔａｎθだけ大きくなり、距離Ｄｚ２は、距離ＤｚよりもＤｓ×ｔａｎθだけ小さくなる。これにより、Ｘ軸に平行な直線上に配置された２つの第１センサ１５が検出する反射光強度に差が生じる。力覚センサ１は、当該反射光強度の差によって、加えられたＹ軸廻りのモーメントＭｙの大きさおよび方向を検出する。

力覚センサ１にＸ軸廻りのモーメントが加えられた場合、力覚センサ１は、Ｙ軸に平行な直線上に配置された２つの第１センサ１５が検出する反射光強度の差によって、加えられたＸ軸廻りのモーメントの大きさおよび方向を検出する。第１センサ１５と反射板１６との距離の説明は、力覚センサ１にＹ軸廻りのモーメントＭｙが加えられた場合と同様であるため省略する。

図１に示すように、第１可動部２１は、第２可動部２２に対向する表面に第２センサ２８を有し、第２可動部２２は、第１可動部２１に対向する表面に反射板２９を有する、第２センサ２８は、例えば、フォトリフレクタであり、発光部および受光部が第２可動部２２の方向を向くように固定されている。反射板２９は、第２センサ２８に対向する位置に配置されている。

図７は、第１の実施形態に係る第２センサおよび反射板を示す模式図である。反射板２９は例えば、紙製の板状部材であって、高反射率領域２９ｗと、高反射率領域２９ｗよりも、光の反射率が小さい低反射率領域２９ｂと、を有する。高反射率領域２９ｗは、例えば、白色に塗装された扇形の領域である。低反射率領域２９ｂは、例えば、黒色に塗装された扇形の領域である。高反射率領域２９ｗおよび低反射率領域２９ｂは、径方向に平行な境界線２９ｌで区切られている。例えば、第２センサ２８は、高反射率領域２９ｗおよび低反射率領域２９ｂの両方に対向するように配置されている。また、例えば、第２センサ２８の発光部は、Ｚ軸方向から見て、境界線２９ｌに重なるように配置されている。

図８は、図７におけるＢ矢視図を示す。図８中の二点鎖線で示すように、第２センサ２８の発光部は、反射板２９に向かって放射状に光を発する。力覚センサ１に外力が加わっていない場合、第２センサ２８の発光部は、高反射率領域２９ｗおよび低反射率領域２９ｂを等しい面積ずつ光を照射する。すなわち、図８に示すように、高反射率領域２９ｗのうち光が照射される領域Ａｗ１は、低反射率領域２９ｂのうち光が照射される領域Ａｂ１に等しい。

図９は、第１の実施形態に係る力覚センサにＺ軸廻りのモーメントが加えられた場合を示す模式図である。図１０は、図９におけるＣ矢視図を示す。Ｚ軸廻りのモーメントＭｚは、第２可動部２２を回転させる第２の分力である。力覚センサ１にＺ軸廻りのモーメントＭｚが加えられた場合、第２可動部２２は、Ｚ軸廻りに回転する。第２可動部２２のＺ軸廻りの回転にしたがって、第２センサ２８に対する反射板２９の相対位置が変化する。このため、図１０に示すように、高反射率領域２９ｗのうち光が照射される領域Ａｗ２は、低反射率領域２９ｂのうち光が照射される領域Ａｂ２よりも大きくなる。高反射率領域２９ｗは低反射率領域２９ｂに比べて光の反射率が大きいため、第２センサ２８の受光部が検出する反射光強度が大きくなる。力覚センサ１は、当該反射光強度の変化によって、加えられたＺ軸廻りのモーメントＭｚの大きさおよび方向を検出する。

なお、上述した説明とは逆方向にＺ軸廻りのモーメントが力覚センサ１に加えられた場合、高反射率領域２９ｗのうち光が照射される領域は、低反射率領域２９ｂのうち光が照射される領域よりも小さくなる。低反射率領域２９ｂは高反射率領域２９ｗに比べて光の反射率が小さいため、第２センサ２８の受光部が検出する反射光強度が小さくなる。

図１１は、第１の実施形態に係る第１検出部および第２検出部の構成を示す模式図である。力覚センサ１は、第１検出部９１と、第２検出部９２と、を有している。第１検出部９１および第２検出部９２は、モータ等の回転機械の制御部４１と接続されている。第１検出部９１および第２検出部９２は、力覚センサ１に加えられた外力の情報である外力データＰ１、Ｐ２を制御部４１へ出力する。第１検出部９１は、第１センサ１５と、ＡＤ変換部５１と、距離演算部６１と、力演算部７１と、を有する。第２検出部９２は、第２センサ２８と、ＡＤ変換部５２と、角度演算部６２と、力演算部７２と、を有する。４つの第１センサ１５は、それぞれが検出した反射光強度に応じてセンサ出力Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４をＡＤ変換部５１に送る。第２センサ２８は、検出した反射光強度に応じてセンサ出力Ｓ２をＡＤ変換部５２に送る。ＡＤ変換部５１、５２、距離演算部６１、角度演算部６２および力演算部７１、７２は、例えば、１つの演算処理部４２に備えられる。なお、ＡＤ変換部５１、距離演算部６１および力演算部７１が１つの演算処理部に備えられ、ＡＤ変換部５２、角度演算部６２および力演算部７２が異なる演算処理部に備えられてもよい。

図１２は、第１の実施形態に係る演算処理部の構成図である。演算処理部４２は、マイクロコンピュータ（マイコン）等のコンピュータであり、入力インターフェース４２ａと、出力インターフェース４２ｂと、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４２ｃと、ＲＯＭ（Read Only Memory）４２ｄと、ＲＡＭ（Random Access Memory）４２ｅと、内部記憶装置４２ｆと、を含んでいる。入力インターフェース４２ａ、出力インターフェース４２ｂ、ＣＰＵ４２ｃ、ＲＯＭ４２ｄ、ＲＡＭ４２ｅおよび内部記憶装置４２ｆは、内部バスに接続されている。

入力インターフェース４２ａは、第１センサ１５からのセンサ出力Ｓ１１および第２センサ２８からのセンサ出力Ｓ２を受け取り、ＣＰＵ４２ｃに出力する。出力インターフェース４２ｂは、ＣＰＵ４２ｃから外力データＰ１、Ｐ２を受け取り、制御部４１に出力する。

ＲＯＭ４２ｄには、ＢＩＯＳ(Basic Input/Output System）等のプログラムが記憶されている。内部記憶装置４２ｆは、例えばＨＤＤ（Hard Disk Drive）やフラッシュメモリ等であり、オペレーティングシステムプログラムやアプリケーションプログラムを記憶している。ＣＰＵ４２ｃは、ＲＡＭ４２ｅをワークエリアとして使用しながらＲＯＭ４２ｄや内部記憶装置４２ｆに記憶されているプログラムを実行することにより、種々の機能を実現する。

内部記憶装置４２ｆは、４つのセンサ出力Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４と４つの第１センサ１５から反射板１６までの距離とを対応付けた距離データベースと、センサ出力Ｓ２と第１可動部２１に対する第２可動部２２の相対回転角度とを対応付けた角度データベースとを記憶している。また、内部記憶装置４２ｆは、４つの第１センサ１５から反射板１６までの距離と第１の分力の大きさおよび方向とを対応付けた第１の分力データベースと、第１可動部２１に対する第２可動部２２の相対回転角度と第２の分力の大きさおよび方向とを対応付けた第２の分力データベースと、が記憶されている。

ＡＤ変換部５１、５２は、入力インターフェース４２ａを用いてアナログデータであるセンサ出力Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４、Ｓ２をデジタルデータに変換する。距離演算部６１は、ＣＰＵ４２ｃがＲＡＭ４２ｅを一時記憶のワークエリアとして使用しながら、内部記憶装置４２ｆに記憶された距離データベースにセンサ出力Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４を与えて、４つの第１センサ１５から反射板１６までの距離を導出する演算処理を行う。角度演算部６２は、ＣＰＵ４２ｃがＲＡＭ４２ｅを一時記憶のワークエリアとして使用しながら、内部記憶装置４２ｆに記憶された角度データベースにセンサ出力Ｓ２を与えて、第１可動部２１に対する第２可動部２２の相対回転角度を導出する演算処理を行う。力演算部７１は、ＣＰＵ４２ｃがＲＡＭ４２ｂを一時記憶のワークエリアとして使用しながら、内部記憶装置４２ｆに記憶された第１の分力データベースに距離演算部６１の出力を与えて、第１の分力の大きさおよび方向を導出する演算処理を行う。力演算部７２は、ＣＰＵ４２ｃがＲＡＭ４２ｅを一時記憶のワークエリアとして使用しながら、内部記憶装置４２ｆに記憶された第２の分力データベースに角度演算部６２の出力を与えて、第２の分力の大きさおよび方向を導出する演算処理を行う。また、力演算部７１、７２は、出力インターフェース４２ｂを介して制御部４１へ外力データＰ１、Ｐ２を出力する。外力データＰ１は、第１可動部２１および第２可動部２２を揺動させる外力の大きさおよび方向のデータである。外力データＰ２は、第２可動部２２を回転させる外力の大きさおよび方向のデータである。

力覚センサ１は、第１検出部９１を用いて、第１可動部２１および第２可動部２２を揺動させる第１の分力である図６に示したモーメントＭｙを検出することができる。力覚センサ１にモーメントＭｙが加えられたとき、図６で示した距離Ｄｚ１が距離Ｄｚよりも大きくなるため、反射板１６と距離Ｄｚ１だけ離れた第１センサ１５が検出する反射光強度は、力覚センサ１に外力が加えられていない場合に比して、小さくなる。このため、当該第１センサ１５のセンサ出力Ｓ１１が小さくなる。一方、図６で示した距離Ｄｚ２が距離Ｄｚよりも小さくなるため、反射板１６と距離Ｄｚ２だけ離れた第１センサ１５が検出する反射光強度は、力覚センサ１に外力が加えられていない場合に比較して、大きくなる。このため、当該第１センサ１５が出力するセンサ出力Ｓ１２が大きくなる。そして、Ｘ軸に平行な直線上に配置された２つの第１センサ１５から、２つのセンサ出力Ｓ１１、Ｓ１２がＡＤ変換部５１へ送られる。

アナログデータである２つのセンサ出力Ｓ１１、Ｓ１２は、ＡＤ変換部５１によりデジタルデータに変換され、距離演算部６１へ送られる。距離演算部６１は、デジタル変換された２つのセンサ出力Ｓ１１、Ｓ１２を、距離データベースに与え、距離Ｄｚ１、Ｄｚ２のデータを得たのち、距離Ｄｚ１、Ｄｚ２のデータを力演算部７１に送る。力演算部７１は、距離Ｄｚ１および距離Ｄｚ２の差とモーメントＭｙの大きさおよび方向とを対応付けた第１の分力データベースに距離Ｄｚ１、Ｄｚ２のデータを与え、モーメントＭｙのデータを得たのち、モーメントＭｙの大きさおよび方向のデータを外力データＰ１として制御部４１に送る。以上の方法により、力覚センサ１は、第１検出部９１により、モーメントＭｙを検出することができる。なお、力覚センサ１にＸ軸廻りのモーメントが加えられた場合も、Ｙ軸に平行な直線上に配置された２つの第１センサ１５のセンサ出力Ｓ１３、Ｓ１４に基づいて、同様の方法で検出できる。

力覚センサ１は、第２検出部９２を用いて、第２可動部２２を回転させる第２の分力である図９に示したモーメントＭｚを検出することができる。力覚センサ１にモーメントＭｚが加えられた場合、第２可動部２２のＺ軸廻りの回転にしたがって第２センサ２８に対する反射板２９の相対位置が変化する。これにより、第２センサ２８の受光部が検出する反射光強度が変化する。このため、第２センサ２８のセンサ出力Ｓ２が変化する。当該センサ出力Ｓ２は、ＡＤ変換部５２へ送られる。

アナログデータであるセンサ出力Ｓ２は、ＡＤ変換部５２によりデジタルデータに変換され、角度演算部６２へ送られる。角度演算部６２は、デジタル変換されたセンサ出力Ｓ２を、角度データベースに与え、第１可動部２１に対する第２可動部２２の相対回転角度のデータを得たのち、当該相対回転角度のデータを力演算部７２に送る。力演算部７２は、第１可動部２１に対する第２可動部２２の相対回転角度とモーメントＭｚの大きさおよび方向とを対応付けた第２の分力データベースに当該相対回転角度のデータを与え、モーメントＭｚのデータを得たのち、モーメントＭｚのデータを外力データＰ２として制御部４１へ送る。以上の方法により、力覚センサ１は、第２検出部９２により、モーメントＭｚを検出することができる。

よって、第１可動部２１および第２可動部２２を揺動させる第１の分力が加わった場合、力覚センサ１は、第１可動部２１および第２可動部２２の基部１０に対する相対的な変位に基づいた演算を行う第１検出部９１により、第１の分力を検出することができる。また、第２可動部２２を回転させる第２の分力が加わった場合、力覚センサ１は、第２可動部２２の第１可動部２１に対する相対的な変位に基づいた演算を行う第２検出部９２により、第２の分力を検出することができる。すなわち、力覚センサ１は、第１検出部９１により、Ｘ軸廻りのモーメントおよびＹ軸廻りのモーメントを検出することができ、第２検出部９２により、Ｚ軸廻りのモーメントを検出することができる。

力覚センサ１に外力が加えられたとき、センサ出力Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４は、第１可動部２１および第２可動部２２を揺動させる第１の分力に関する情報を有している。一方、センサ出力Ｓ２は、第２可動部２２を回転させる第２の分力に関する情報を有している。このように、センサ出力Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４とセンサ出力Ｓ２とは、同じ外力に含まれる多方向の分力のうち互いに異なる方向の分力に関する情報を有している。このため、センサ出力Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４およびセンサ出力Ｓ２のそれぞれが有する分力の方向に関する情報は、従来技術に比べ少ない。力覚センサ１は、互いに異なる方向の分力に関する情報を有するセンサ出力Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４およびセンサ出力Ｓ２をそれぞれ個別に演算することで、互いに異なる方向の分力である第１の分力と第２の分力とを検出する。このため、力覚センサ１は、外力を検出するための演算処理を容易にすることで検出の応答性を向上させることができる。

上述したように、第１の実施形態に係る力覚センサ１は、基部１０と、基部１０に対向するように配置される第１可動部２１と、第１可動部２１に対向するように配置される第２可動部２２と、基部１０に設けられ、第１可動部２１および第２可動部２２を揺動可能に支持する支持体３０と、支持体３０に設けられ、第２可動部２２を回転可能に支持するジョイント２と、を有する。また、力覚センサ１は、第１可動部２１および第２可動部２２の少なくとも一方に外力が加わった場合に、第１可動部２１および第２可動部２２を揺動させる外力を検出できる第１検出部９１と、第２可動部２２を回転させる外力を検出できる第２検出部９２と、を含むことを特徴とする。

これにより、力覚センサ１に外力が加えられたとき、第１検出部９１は、第１可動部２１および第２可動部２２を揺動させる第１の分力に関する情報を処理している。第２検出部９２は、第２可動部２２を回転させる方向の第２の分力に関する情報を処理している。このように、第１検出部９１と第２検出部９２とは、同じ外力に含まれる多方向の分力のうち互いに異なる方向の分力に関する情報を処理している。このため、第１検出部９１および第２検出部９２のそれぞれが処理する分力の方向に関する情報は、従来技術に比べ少ない。このように、力覚センサ１は、互いに異なる方向の分力に関する情報を処理する第１検出部９１および第２検出部９２を有することで、互いに異なる方向の分力である第１の分力と第２の分力とを検出する。このため、力覚センサ１は、外力を検出するための演算処理を容易にすることで検出の応答性を向上させることができる。

また、第１の実施形態に係る力覚センサ１において、第１可動部２１および第２可動部２２は、基部１０に対して鉛直方向で上側に配置される。これにより、第２可動部２２を支持するジョイント２に加わる荷重は、主に第２可動部２２の重量および外力となる。このため、第２可動部２２を支持するジョイント２に加わる荷重は、第１可動部２１および第２可動部２２が基部１０に対して鉛直方向で下側に配置される場合に比較して、小さくなる。よって、第１の実施形態に係る力覚センサ１は、第２可動部２２を支持するジョイント２に加わる荷重を小さくすることで、ジョイント２が破損する可能性を抑制することができる。

また、第１の実施形態に係る力覚センサ１において、第１検出部９１は、３つ以上の第１センサ１５を含み、第１センサ１５は、光を発することができ且つ当該光の反射光を検出することができることを特徴とする。これにより、第１センサ１５は、第１可動部２１に光を照射して、当該光の反射光強度を検出することができる。このため、力覚センサ１は、発光部と受光部が対向配置される場合に必要となるような、精度の高い位置決めを必要としない。よって、力覚センサ１は、第１センサ１５の配置に起因する検出精度の低下を抑制することができる。

また、第１の実施形態に係る力覚センサ１において、第１検出部９１は、４つの第１センサ１５を含み、４つの第１センサ１５のうち２つの第１センサ１５がＸ軸に平行な同一直線上に配置され、残りの２つの第１センサ１５がＹ軸に平行な同一直線上に配置されている。これにより、力覚センサ１は、Ｘ軸に平行な同一直線上に配置された２つの第１センサ１５のセンサ出力Ｓ１１、Ｓ１２に基づいてＹ軸廻りのモーメントを検出し、Ｙ軸に平行な同一直線上に配置された２つの第１センサ１５のセンサ出力Ｓ１３、Ｓ１４に基づいてＸ軸廻りのモーメントを検出することができる。このため力覚センサ１は、外力を検出するための演算処理をより容易にすることができる。

なお、力覚センサ１は、永久磁石２４、２５に代えて、コイルばね等の弾性体を有していてもよい。例えば、力覚センサ１がコイルばねを有する場合、コイルばねの一方の端部が第１可動部２１に固定され、他方の端部が第２可動部２２に固定されていればよい。これにより、第１可動部２１に対する第２可動部２２の相対回転角度が変化すると、コイルばねが伸縮して弾性力を生じるため、当該相対回転角度が規制される。

また、反射板１６は、光に対する反射率が一様であればよく、材質、表面性状、色等の制限はない。また、第１可動部２１の基部１０側の表面の反射率が一様である場合、反射板１６は、なくてもよい。

また、反射板２９は、高反射率領域２９ｗおよび低反射率領域２９ｂに代えて、光を多方向に拡散させる拡散領域および光を入射方向に反射する再帰性反射領域を有していてもよい。再帰性反射領域の光の反射率は、拡散領域の光の反射率よりも大きいため、力覚センサ１にＺ軸廻りのモーメントが加えられた場合、第２センサ２８が検出する反射光強度が変化する。また、反射板２９は、高反射率領域２９ｗおよび低反射率領域２９ｂに代えて、Ｚ軸に対する周方向で段階的に反射率が異なるグラデーション領域を有していてもよい。

また、第２可動部２２は、反射板２９に代えて、第１可動部２１側の表面の一部を段階的に突出させるまたは段階的に窪ませることによって傾斜面を有していてもよい。このようにした場合、力覚センサ１にＺ軸廻りのモーメントが加えられたとき、第２センサ２８と当該傾斜面との距離が変化するため、第２センサ２８が検出する反射光強度が変化する。

また、第１センサ１５は、第１センサ１５から反射板１６までの距離を検出できるものであればよく、必ずしもフォトリフレクタでなくてもよい。例えば、超音波センサや静電容量センサでもよい。また第１センサ１５は、基部１０および第１可動部２１に固定される加速度センサであってもよい。このようにする場合、第１検出部９１は、基部１０に固定された加速度センサと第１可動部２１に固定された加速度センサの出力の差から基部１０に対する第１可動部２１の傾斜角度を演算し、当該傾斜角度に基づいて第１センサ１５から反射板１６までの距離を検出すればよい。また、力覚センサ１は、例えば、フォトリフレクタと加速度センサを組み合わせた第１センサ１５を有していてもよい。

また、力覚センサ１においては、第１検出部９１は、必ずしも４つの第１センサ１５を備える必要はない。第１検出部９１は、少なくとも３つ以上の第１センサ１５を備えていればよい。第１センサ１５が３つ以上設けられていれば第１可動部２１の傾斜角度を特定することができる。

第２センサ２８は２個以上配置されるのが望ましい。一つの反射板２９に対して第２センサ２８が２個以上配置されてもよい。また反射板２９が複数箇所に設けられて、それぞれの反射板２９に第２センサ２８が配置されてもよい。このような構成とすることで、一つの第２センサ２８が故障した場合でも力覚センサ１の使用を継続することができる。

さらに、弾性部３３に形成されるスリット３３ｒのＺ軸方向の間隔が調整されることで、使用目的に合わせて適切な剛性を設定することが可能である。また、弾性部３３は基部１０と一体の構造となっているので、基部１０に近い部分からスリット３３ｒの形成が可能である。これにより、力覚センサ１のＺ軸方向の高さが小さくなる。なお、高い剛性が必要な場合はスリット３３ｒが形成されない構成とすることも可能である。

所謂２条ねじや３条ねじと同様に、複数の螺旋状のスリット３３ｒを弾性部３３に形成することが可能である。このような構成とすることにより、力覚センサ１の使用目的に適した剛性を弾性部３３に対して設定することが可能である。

（第１の実施形態の第１の変形例）
図１３は、第１の実施形態の第１の変形例に係る力覚センサを示す模式図である。図１４は、図１３におけるＤ−Ｄ断面を示す模式図である。図１５は、図１３におけるＥ−Ｅ断面を示す模式図である。なお、上述した第１の実施形態で説明したものと同じ構成要素には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

力覚センサ１Ａにおいては、図１５に示すように、３つの第１センサ１５が円周方向に略等間隔に配置されている。以下において、外力が加えられていないときの３つの反射板１６を含む平面と中心軸Ｚｒとの交点を原点としたＸＹＺ直交座標系を用いて説明する。３つの第１センサ１５をそれぞれ第１センサ１５１、第１センサ１５２、第１センサ１５３とし、Ｘ−Ｙ平面上における座標をそれぞれ（ｘ１５１、ｙ１５１）、（ｘ１５２、ｙ１５２）、（ｘ１５３、ｙ１５３）とする。力覚センサ１Ａに外力が加えられていない状態において、第１センサ１５１、第１センサ１５２および第１センサ１５３の出力を０に合わせると、第１可動部２１の第１センサ１５が測定している点ＰＡ、点ＰＢおよび点ＰＣ（図１４参照）の座標はそれぞれ（ｘ１５１、ｙ１５１、０）（ｘ１５２、ｙ１５２、０）（ｘ１５３、ｙ１５３、０）となる。第１センサ１５１、第１センサ１５２および第１センサ１５３の出力を０に合わせることは、０点セットと呼ばれる。

力覚センサ１Ａに外力が加えられると第１可動部２１および第２可動部２２が傾斜し、第１センサ１５１、第１センサ１５２および第１センサ１５３の出力が変化する。その結果、点ＰＡ、点ＰＢおよび点ＰＣの座標は（ｘ１５１、ｙ１５１、ｚ１５１）（ｘ１５２、ｙ１５２、ｚ１５２）、（ｘ１５３、ｙ１５３、ｚ１５３）に変わる。ここで、下記（１）式に示す点ＰＡから点ＰＢへのベクトルは、下記（２）式となる。また、下記（３）式に示す点ＰＡから点ＰＣへのベクトルは、下記（４）式となる。したがって第１可動部２１における点ＰＡ、点ＰＢおよび点ＰＣを含む平面の法線ベクトルＨは２つのベクトルの外積である下記（５）式のように表せる。法線ベクトルＨの（ｘ、ｙ、ｚ）成分をそれぞれ（ｈｘ、ｈｙ、ｈｚ）と記述すると、第１可動部２１のＸ軸廻りの傾きθｘ、Ｙ軸廻りの傾きθｙはそれぞれ下記（６）式および下記（７）式のように表すことができる。

第１センサ１５１、第１センサ１５２および第１センサ１５３は必ずしも周方向に等間隔である必要はなく、位置が固定されていればよい。ただし、傾きθｘ、θｙの検出精度を向上させるためには第１センサ１５１、第１センサ１５２および第１センサ１５３の各々の間隔は可能な限り長く設定される方がよい。したがって、第１センサ１５１、第１センサ１５２および第１センサ１５３は、周方向に１２０°ずつずらして配置されるのが好ましい。

（第１の実施形態の第２の変形例）
図１６は、第１の実施形態の第２の変形例に係る力覚センサを、中心軸を含む平面で切った断面図である。なお、上述した第１の実施形態で説明したものと同じ構成要素には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

図１６に示すように、第１の実施形態の第２の変形例に係る力覚センサ１Ｂは、基部１０Ｂと、支持体３０Ｂと、ジョイント２Ｂと、を備える。例えば、基部１０Ｂは、円盤状の部材であり、Ｚ軸方向に貫通する孔である第１内部通路１０ｈと、センサ配線通路１０ａと、を備える。支持体３０Ｂは、円筒状の部材であって、Ｚ軸方向に貫通する孔である第２内部通路３０ｈを備える。ジョイント２Ｂは、円筒状の部材であるシャフト１１Ｂを備える。シャフト１１Ｂは、深溝玉軸受３５を介して第２内部通路３０ｈの内壁に支持されており、Ｚ軸方向に貫通する孔である第３内部通路１１ｈを備える。

図１６に示すように、第１内部通路１０ｈ、第２内部通路３０ｈおよび第３内部通路１１ｈは、例えば円柱状の孔であって、同一直線状に配置されている。連続する第１内部通路１０ｈおよび第２内部通路３０ｈによって、一つ孔が形成されている。第３内部通路１１ｈの一端は、第２内部通路３０ｈの内部で開口しており、第３内部通路１１ｈの他端は、第２可動部２２のうち第１可動部２１とは反対側の表面から突出した位置で開口している。

センサ配線通路１０ａは、基部１０Ｂおよび第１可動部２１の間の空間と、第１内部通路１０ｈとを繋ぐ孔である。センサ配線通路１０ａは基部１０Ｂを貫通している。センサ配線通路１０ａの一端は基部１０Ｂおよび第１可動部２１の間の空間で開口しており、センサ配線通路１０ａの他端は第１内部通路１０ｈで開口している。センサ配線通路１０ａは、例えば直線状の孔であって、ＸＹ平面に対して傾斜している。

力覚センサ１Ｂは例えばロボットハンドに取り付けられるので、力覚センサ１Ｂの周辺にはロボットハンドに取り付けられる他の装置の配線および配管が配置される。仮に他の装置の配線および配管が力覚センサ１Ｂの外側を通過する場合、配線および配管の分だけロボットハンドが大きくなる。これに対して、力覚センサ１Ｂにおいては、配線または配管は、第１内部通路１０ｈ、第２内部通路３０ｈおよび第３内部通路１１ｈを通過することができる。すなわち、配線または配管が力覚センサ１Ｂの内部に収納される。このため、配線または配管が力覚センサ１Ｂの外側を通過する場合に比べて、力覚センサ１Ｂは、力覚センサ１Ｂが取り付けられる装置全体を小型化することができる。

また、力覚センサ１Ｂには、第１センサ１５および第２センサ２８の出力配線が設けられる。仮に第１センサ１５および第２センサ２８の出力配線が力覚センサ１Ｂの側面から引き出される場合、出力配線がロボットハンドに取り付けられる他の装置に干渉する可能性がある。これに対して、力覚センサ１Ｂにおいては、第１センサ１５および第２センサ２８の出力配線は、センサ配線通路１０ａを介して第１内部通路１０ｈへ引き出される。これにより、第１センサ１５および第２センサ２８の出力配線が力覚センサ１Ｂの内部を通過するので、出力配線と他の装置との干渉が抑制される。また、センサ配線通路１０ａがＸＹ平面に対して傾斜していることにより、センサ配線通路１０ａがＸＹ平面に平行な孔である場合に比較して、スリット３３ｒの近傍での断面欠損が生じにくい。このため、センサ配線通路１０ａが支持体３０Ｂのばね定数に与える影響が小さくなる。

なお、センサ配線通路１０ａは、必ずしもＸＹ平面に対して傾斜した孔でなくてもよい。例えば、センサ配線通路１０ａは、ＸＹ平面に平行な孔であってもよいし、ＸＹ平面に対して垂直な孔であってもよい。すなわち、少なくともセンサ配線通路１０ａの一端が基部１０Ｂおよび第１可動部２１の間の空間で開口し、他端が第１内部通路１０ｈ又は基部１０Ｂを挟んだ反対側の空間に開口していればよい。

（第２の実施形態）
図１７は、第２の実施形態に係る力覚センサを示す模式図である。図１８は、第２の実施形態に係る基部、支持体および第２可動部を示す模式図である。図１９は、第２の実施形態の変形例に係る力覚センサを示す模式図である。なお、上述した第１の実施形態で説明したものと同じ構成要素には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

図１７に示すように、第２の実施形態に係る力覚センサ１Ｃは、上述した支持体３０とは異なる支持体３０Ｃを備える。支持体３０Ｃは、第１可動部２１および第２可動部２２を揺動可能に支持する。支持体３０Ｃは、円筒状の部材である。支持体３０Ｃは、基部１０と一体の構造となっている。

図１８に示すように、支持体３０Ｃは弾性部３３Ｃを備える。弾性部３３Ｃは円筒状であり、弾性部３３ＣにはＺ軸に対して略直交するスリット３３ｈが形成されている。例えば、スリット３３ｈは複数設けられており、複数のスリット３３ｈはＺ軸方向に沿って並んでいる。１つのスリット３３ｈは、Ｚ軸方向から見て、当該スリット３３ｈの隣りのスリット３３ｈの一部と重なる。例えば、スリット３３ｈは、Ｚ軸方向から見て略Ｃ字状である。

より具体的には、スリット３３ｈは、Ｘ軸方向のうち一方側に開口する第１のスリット３３１ｈと、Ｘ軸方向のうち他方側に開口する第２のスリット３３２ｈと、を含む。第１のスリット３３１ｈおよび第２のスリット３３２ｈは、それぞれ偶数個ずつ設けられている。Ｚ軸方向から見て、第２のスリット３３２ｈは、中心軸Ｚｒを中心として第１のスリット３３１ｈと点対称である位置に配置されている。すなわち、第１のスリット３３１ｈおよび第２のスリット３３２ｈは、Ｚ軸方向に沿って互い違いに並べられている。

なお、弾性部３３Ｃに形成されるスリット３３ｈのＺ軸方向の間隔が調整されることで、使用目的に合わせて適切な剛性を設定することが可能である。また、弾性部３３Ｃは基部１０と一体の構造となっているので、基部１０に近い部分からスリット３３ｒの形成が可能である。これにより、力覚センサ１ＣのＺ軸方向の高さが小さくなる。なお、高い剛性が必要な場合はスリット３３ｈが形成されない構成とすることも可能である。

なお、支持体３０Ｃは、必ずしも複数のスリット３３ｈを備えていなくてもよく、少なくとも１つのスリット３３ｈを備えていればよい。また、スリット３３ｈは、必ずしも偶数個でなくてもよく、奇数個であってもよい。すなわち、第２のスリット３３２ｈの数が第１のスリット３３１ｈの数と異なっていてもよい。

なお、第２の実施形態に係る力覚センサ１Ｃに対して、上述した第１の実施形態の第２の変形例の構成が適用されてもよい。すなわち、力覚センサ１Ｃにおける基部１０が、図１６に示した第１内部通路１０ｈ、第２内部通路３０ｈ、第３内部通路１１ｈおよびセンサ配線通路１０ａを備えていてもよい。

（第２の実施形態の変形例）
図１９は、第２の実施形態の変形例に係る力覚センサを示す模式図である。なお、上述した第２の実施形態で説明したものと同じ構成要素には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

図１９に示すように、第２の実施形態の変形例に係る力覚センサ１Ｄは、上述した支持体３０とは異なる支持体３０Ｄを備える。支持体３０Ｄは、第１可動部２１および第２可動部２２を揺動可能に支持する。支持体３０Ｄは、円筒状の部材である。支持体３０Ｄは、基部１０と一体の構造となっている。

図１９に示すように、支持体３０Ｄは弾性部３３Ｄを備える。弾性部３３Ｄは円筒状であり、弾性部３３ＤにはＺ軸に対して略直交するスリット３３ｈＤが形成されている。例えば、スリット３３ｈＤは複数設けられており、複数のスリット３３ｈＤはＺ軸方向に沿って並んでいる。１つのスリット３３ｈＤは、Ｚ軸方向から見て、当該スリット３３ｈＤの隣りのスリット３３ｈＤの一部と重なる。例えば、スリット３３ｈＤは、Ｚ軸方向から見て略Ｃ字状である。

より具体的には、スリット３３ｈは、複数の第１のスリット３３１ｈＤと、複数の第２のスリット３３２ｈＤと、を含む。ＹＺ平面に対して面対称に配置された２つの第１のスリット３３１ｈＤの組と、ＸＺ平面に対して面対称に配置された２つの第２のスリット３３２ｈＤの組とが、Ｚ軸方向に沿って交互に配置されている。言い換えると、Ｚ軸方向から見て、２つの第１のスリット３３１ｈＤが中心軸Ｚｒを中心として点対称に配置されており、且つ２つの第２のスリット３３２ｈＤが中心軸Ｚｒを中心として点対称に配置されている。このような構成とすることにより、力覚センサ１Ｄの使用目的に適した剛性を弾性部３３Ｄに対して設定することが可能である。

（第３の実施形態）
図２０は、第３の実施形態に係る力覚センサを示す模式図である。なお、上述した第１の実施形態で説明したものと同じ構成要素には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

第３の実施形態に係る力覚センサ１Ｅは、図２０に示すように、上述した第１の実施形態の支持体３０とは異なる支持体３０Ｅを備える。支持体３０Ｅは、Ｚ軸方向の少なくとも一部に、Ｚ軸周りの全周に亘る薄肉部３４を備える。薄肉部３４は、例えば上部固定部３２の外周よりも小さな外周を有する略円筒状の部材である。このような構造とすることにより、基部１０および上部固定部３２が旋削加工される際に薄肉部３４を同時に形成することが可能である。このため、力覚センサ１Ｅは、上述した第１の実施形態および第２の実施形態に比べて、スリット３３ｒまたはスリット３３ｈを形成するための加工コストを削減することができる。

（第４の実施形態）
図２１は、第４の実施形態に係る力覚センサを示す模式図である。図２２は、第４の実施形態に係る力覚センサを、中心軸を含む平面で切った断面図である。なお、上述した第１の実施形態で説明したものと同じ構成要素には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

図２２に示すように、第４の実施形態に係る力覚センサ１Ｆは、基部１０Ｆと、支持体３０Ｆと、ジョイント２Ｆと、を備える。を備える。例えば、基部１０Ｆは、円盤状の部材であり、Ｚ軸方向に貫通する貫通孔である第１内部通路１０ｈＦと、センサ配線通路１０ａＦと、を備える。また、基部１０Ｆは、第１可動部２１に対向する表面の中央部でＺ軸方向に突出する突出部１０１を備える。第１内部通路１０ｈＦは、突出部１０１を貫通している。このため、突出部１０１は筒状になっている。

支持体３０Ｆは、下部固定部３１Ｆと、上部固定部３２Ｆと、ディスク３３Ｆと、を有する。下部固定部３１Ｆは、例えば、アルミニウム等の金属で形成されている。下部固定部３１Ｆは、Ｚ軸方向に貫通する貫通孔３１ｈを中央部に備えた円筒状の部材であり、端面がＺ軸に対して垂直になるように基部１０Ｆに固定されている。例えば、基部１０Ｆの突出部１０１が貫通孔３１ｈに圧入されることにより、支持体３０Ｆが基部１０Ｆに固定されている。上部固定部３２Ｆは、例えば、アルミニウム等の金属で形成されている。上部固定部３２Ｆは、Ｚ軸方向に貫通する貫通孔３２ｈを中央部に備えた円筒状の部材であり、端面がＺ軸に対して垂直になるようにディスク３３Ｆを介して下部固定部３１Ｆに固定されている。上部固定部３２Ｆは、第１可動部２１をＺ軸方向に貫通している。ディスク３３Ｆは、例えば、板ばねである。ディスク３３Ｆは、Ｚ軸方向に貫通する貫通孔３３ｈを備える。貫通孔３３ｈは、円盤状のディスク３３Ｆの中央部を貫通している。貫通孔３１ｈ、貫通孔３３ｈおよび貫通孔３２ｈは、Ｚ軸方向で見て重なっている。これにより、貫通孔３１ｈ、貫通孔３３ｈおよび貫通孔３２ｈは、Ｚ軸方向に貫通する第２内部通路３０ｈＦを形成している。

ジョイント２Ｆは、円筒状の部材であるシャフト１１Ｆを備える。シャフト１１Ｆは、深溝玉軸受３５を介して第２内部通路３０ｈＦの内壁に支持されており、Ｚ軸方向に貫通する孔である第３内部通路１１ｈＦを備える。第３内部通路１１ｈＦの一端は、第２内部通路３０ｈＦの内部で開口しており、第３内部通路１１ｈＦの他端は、第２可動部２２のうち第１可動部２１とは反対側の表面から突出した位置で開口している。

第２内部通路３０ｈＦおよび第３内部通路１１ｈＦは、Ｚ軸方向で見て第１内部通路１０ｈＦと重なっている。すなわち、第１内部通路１０ｈＦ、第２内部通路３０ｈＦおよび第３内部通路１１ｈＦは、同一直線上に配置されている。

センサ配線通路１０ａＦは、基部１０Ｆおよび第１可動部２１の間の空間と、第１内部通路１０ｈＦとを繋ぐ孔である。センサ配線通路１０ａＦは基部１０Ｆを貫通している。センサ配線通路１０ａＦの一端は基部１０Ｆおよび第１可動部２１の間の空間で開口しており、センサ配線通路１０ａＦの他端は第１内部通路１０ｈＦで開口している。第１内部通路１０ｈＦは、例えば直線状であって、ＸＹ平面に平行である。第１内部通路１０ｈＦは、例えば、基部１０Ｆの第１可動部２１と対向する表面に設けられた溝１０ｂＦと、溝１０ｂＦおよび第１内部通路１０ｈＦを繋ぐ貫通孔１０ｃＦとから構成されている。

力覚センサ１Ｆにおいては、他の装置の配線または配管は、第１内部通路１０ｈＦ、第２内部通路３０ｈＦおよび第３内部通路１１ｈＦを通過することができる。すなわち、配線または配管が力覚センサ１Ｆの内部に収納される。このため、配線または配管が力覚センサ１Ｆの外側を通過する場合に比べて、力覚センサ１Ｆは、力覚センサ１Ｆが取り付けられる装置全体を小型化することができる。

また、力覚センサ１Ｆにおいては、第１センサ１５および第２センサ２８の出力配線は、センサ配線通路１０ａＦを介して第１内部通路１０ｈＦへ引き出される。これにより、第１センサ１５および第２センサ２８の出力配線が力覚センサ１Ｆの内部を通過するので、出力配線と他の装置との干渉が抑制される。

なお、センサ配線通路１０ａＦは、必ずしもＸＹ平面に平行な孔でなくてもよい。例えば、センサ配線通路１０ａＦは、ＸＹ平面に対して傾斜していてもよいし、ＸＹ平面に対して垂直な孔であってもよい。すなわち、少なくともセンサ配線通路１０ａＦの一端が基部１０Ｆおよび第１可動部２１の間の空間で開口し、他端が第１内部通路１０ｈＦ又は基部１０Ｆを挟んだ反対側の空間に開口していればよい。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ 力覚センサ
１０、１０Ｂ、１０Ｆ 基部
１０ａ、１０ａＦ センサ配線通路
１０ｈ、１０ｈＦ 第１内部通路
１１、１１Ｆ シャフト
１１ｈ、１１ｈＦ 第３内部通路
１２ スラストころ軸受
１５ 第１センサ
１５ｂ センサ台
１６ 反射板
１９、２０ ストッパー
２、２Ｆ ジョイント
２１ 第１可動部
２１ｃ ボルト
２２ 第２可動部
２２ｈ 貫通孔
２４、２５ 永久磁石
２４ｂ、２５ｂ ベース
２６、２７ ストッパー
２８ 第２センサ
２９ 反射板
２９ｂ 低反射率領域
２９ｗ 高反射率領域
２９ｌ 境界線
３０、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅ，３０Ｆ 支持体
３０ｈ、３０ｈＦ 第２内部通路
３１Ｆ 下部固定部
３２、３２Ｆ 上部固定部
３２１、３２２ 端面
３２ｃ ボルト
３２ｈ 貫通孔
３２ｓ スリット
３３、３３Ｃ、３３Ｄ 弾性部
３３Ｆ ディスク
３３ｈ、３３ｈＤ、３３ｒ スリット
３３１ｈ、３３１ｈＤ 第１のスリット
３３２ｈ、３３２ｈＤ 第２のスリット
３４ 薄肉部
３５ 深溝玉軸受
４１ 制御部
４２ 演算処理部
５１、５２ ＡＤ変換部
６１ 距離演算部
６２ 角度演算部
７１、７２ 力演算部
９１ 第１検出部
９２ 第２検出部
Ｍｙ、Ｍｚ モーメント

Claims (5)

1. 基部と、
   前記基部に対向するように配置される第１可動部と、
   前記第１可動部に対向するように配置される第２可動部と、
   前記基部に設けられ、前記第１可動部および前記第２可動部を揺動可能に支持する支持体と、
   前記支持体に設けられ、前記第２可動部を回転可能に支持するジョイントと、
   前記第１可動部および前記第２可動部の少なくとも一方に外力が加わった場合に、前記第１可動部および前記第２可動部を揺動させる分力を検出できる第１検出部と、
   前記第２可動部を回転させる分力を検出できる第２検出部と、
   を含み、
   前記支持体は、円筒形状であって、その軸方向の一端が前記基部と一体である力覚センサ。
2. 前記支持体は、螺旋状のスリットを備える請求項１に記載の力覚センサ。
3. 前記支持体は、前記支持体の軸に略直交するスリットを備える請求項１に記載の力覚センサ。
4. 前記ジョイントは、前記第２可動部を貫通するシャフトを備え、
   前記基部を貫通する第１内部通路、前記支持体を貫通する第２内部通路および前記シャフトを貫通する第３内部通路が、同一直線上に配置されている請求項１から３のいずれか１項に記載の力覚センサ。
5. 一端が前記基部および前記第１可動部の間の空間で開口し且つ前記基部を貫通するセンサ配線通路を備える請求項１から４のいずれか１項に記載の力覚センサ。
   

Images