本発明の第1の態様による力覚センサは、XYZ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも1つを検出するものであって、
力ないしモーメントの作用によって弾性変形を生じる閉ループ状の変形体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、XYZ三次元座標系に対して固定された少なくとも2つの固定部と、当該変形体の閉ループ状の経路において前記固定部に隣接して位置付けられ、力ないしモーメントの作用を受ける、少なくとも2つの受力部と、前記閉ループ状の経路において隣接する前記固定部と前記受力部との間に位置付けられた変形部と、を有し、
前記変形部は、
Z軸方向に湾曲した主湾曲面を有する主湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記固定部とを接続し、Z軸方向に湾曲した固定部側湾曲面を有する、固定部側湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記受力部とを接続し、Z軸方向に湾曲した受力部側湾曲面を有する、受力部側湾曲部と、を有し、
前記主湾曲面と、前記固定部側湾曲面及び前記受力部側湾曲面とは、共に、前記変形部のZ軸正側またはZ軸負側に設けられ、湾曲の向きが互いに異なっており、
前記検出回路は、前記主湾曲部に生じる弾性変形に基づいて、前記電気信号を出力する。
この力覚センサにおいて、前記主湾曲面と、前記固定部側湾曲面及び前記受力部側湾曲面とは、共に、前記変形部のZ軸負側に設けられ、
前記主湾曲面は、Z軸負側に向かって湾曲しており、
前記固定部側湾曲面及び前記受力部側湾曲面は、Z軸正側に向かって湾曲していて良い。
また、本発明の第2の態様による力覚センサは、XYZ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも1つを検出するものであって、
力ないしモーメントの作用によって弾性変形を生じる閉ループ状の変形体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、XYZ三次元座標系に対して固定された少なくとも2つの固定部と、当該変形体の閉ループ状の経路において前記固定部に隣接して位置付けられ、力ないしモーメントの作用を受ける、少なくとも2つの受力部と、前記閉ループ状の経路において隣接する前記固定部と前記受力部との間に位置付けられた変形部と、を有し、
前記変形部は、
前記閉ループ状の経路の内側または外側に向かって湾曲した主湾曲面を有する主湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記固定部とを接続し、前記閉ループ状の経路の内側または外側に向かって湾曲した固定部側湾曲面を有する、固定部側湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記受力部とを接続し、前記閉ループ状の経路の内側または外側に向かって湾曲した受力部側湾曲面を有する、受力部側湾曲部と、を有し、
前記主湾曲面と、前記固定部側湾曲面及び前記受力部側湾曲面とは、共に、前記変形体の内周面又は外周面に設けられ、湾曲の向きが互いに異なっており、
前記検出回路は、前記主湾曲部に生じる弾性変形に基づいて、前記電気信号を出力する。
以上の各力覚センサは、XYZ三次元座標系に対して固定された固定体と、
力ないしモーメントの作用によって、前記固定体に対して相対移動する受力体と、を更に備え、
前記固定体は、固定体側接続部材を介して各固定部に接続され、
前記受力体は、受力体側接続部材を介して各受力部に接続されていて良い。
以上の各力覚センサは、XYZ三次元座標系に対して固定された固定体と、
力ないしモーメントの作用によって、前記固定体に対して相対移動する受力体と、を更に備え、
前記固定体は、各固定部と一体的に形成され、
前記受力体は、各受力部と一体的に形成されていて良い。
前記変形体は、Z軸方向から見て原点を取り囲むように配置され、
前記固定体及び前記受力体には、Z軸が挿通する貫通孔がそれぞれ形成されていて良い。
前記変形体は、Z軸方向から見て原点を中心とする円形または矩形の形状を有していて良い。
本発明の第3の態様による力覚センサは、XYZ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも1つを検出するものであって、
XYZ三次元座標系に対して固定された固定体と、
Z軸を取り囲み、前記固定体に接続され、力ないしモーメントの作用により弾性変形を生じる閉ループ状の変形体と、
前記変形体に接続され、力ないしモーメントの作用により前記固定体に対して相対移動する受力体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、前記受力体に作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、前記固定体に接続された少なくとも2つの固定部と、前記受力体に接続され、当該変形体の周方向において前記固定部に隣接して位置付けられた少なくとも2つの受力部と、隣接する前記固定部と前記受力部との間に位置付けられた変形部と、を有し、
前記変形部は、
Z軸方向に湾曲した主湾曲面を有する主湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記固定部とを接続し、Z軸方向に湾曲した固定部側湾曲面を有する、固定部側湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記受力部とを接続し、Z軸方向に湾曲した受力部側湾曲面を有する、受力部側湾曲部と、を有し、
前記主湾曲面と、前記固定部側湾曲面及び前記受力部側湾曲面とは、共に、前記変形部のZ軸正側またはZ軸負側に設けられ、湾曲の向きが互いに異なっており、
前記検出回路は、前記主湾曲部に生じる弾性変形に基づいて、前記電気信号を出力し、
前記受力体は、Z軸正方向またはZ軸負方向を向いた受力体表面を有し、
前記固定体は、Z軸正方向またはZ軸負方向を向いた固定体表面を有し、
前記変形体から前記受力体表面までの距離と、前記変形体から前記固定体表面までの距離と、が異なる。
また、本発明の第4の態様による力覚センサは、XYZ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも1つを検出するものであって、
XYZ三次元座標系に対して固定された固定体と、
Z軸を取り囲み、前記固定体に接続され、力ないしモーメントの作用により弾性変形を生じる閉ループ状の変形体と、
前記変形体に接続され、力ないしモーメントの作用により前記固定体に対して相対移動する受力体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、前記受力体に作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、前記固定体に接続された少なくとも2つの固定部と、前記受力体に接続され、当該変形体の周方向において前記固定部に隣接して位置付けられた少なくとも2つの受力部と、隣接する前記固定部と前記受力部との間に位置付けられた変形部と、を有し、
前記変形部は、
前記閉ループ状の経路の内側または外側に向かって湾曲した主湾曲面を有する主湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記固定部とを接続し、前記閉ループ状の経路の内側または外側に向かって湾曲した固定部側湾曲面を有する、固定部側湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記受力部とを接続し、前記閉ループ状の経路の内側または外側に向かって湾曲した受力部側湾曲面を有する、受力部側湾曲部と、を有し、
前記主湾曲面と、前記固定部側湾曲面及び前記受力部側湾曲面とは、共に、前記変形体の内周面又は外周面に設けられ、湾曲の向きが互いに異なっており、
前記検出回路は、前記主湾曲部に生じる弾性変形に基づいて、前記電気信号を出力し、
前記受力体は、Z軸正方向またはZ軸負方向を向いた受力体表面を有し、
前記固定体は、Z軸正方向またはZ軸負方向を向いた固定体表面を有し、
前記変形体から前記受力体表面までの距離と、前記変形体から前記固定体表面までの距離と、が異なる。
以上の第3及び第4の態様による力覚センサにおいて、前記受力体表面及び前記固定体表面は、XY平面と平行であり、
前記受力体表面のZ座標値と前記固定体表面のZ座標値とが異なっていて良い。
前記変形体は、前記固定体及び前記受力体の一方を取り囲み、
前記固定体及び前記受力体の他方は、前記変形体を取り囲んでいて良い。
前記固定体、前記受力体及び前記変形体は、いずれも、Z軸方向から見て原点を中心とする円形または矩形の形状を有していて良い。
前記少なくとも2つの固定部は、前記固定体と一体的に形成され、
前記少なくとも2つの受力部は、前記受力体と一体的に形成されていて良い。
以上の各力覚センサにおいて、前記少なくとも2つの受力部及び前記少なくとも2つの固定部は、それぞれn個(nは2以上の自然数)設けられ、前記変形体の前記閉ループ状の経路に沿って交互に位置付けられ、
前記変形部は、2n個(nは2以上の自然数)設けられ、隣接する前記受力部と前記固定部との間に1つずつ配置されていて良い。
また、以上の各力覚センサにおいて、前記検出回路は、前記主湾曲部に配置された変位センサを有し、この変位センサの計測値に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力して良い。
前記変位センサは、前記主湾曲部に配置された変位電極と、この変位電極に対向配置され、前記少なくとも2つの固定部に接続された固定電極と、を有する容量素子を含み、
前記検出回路は、前記容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力して良い。
あるいは、前記少なくとも2つの受力部及び前記少なくとも2つの固定部は、それぞれ2つ設けられ、
各固定部は、Z軸方向から見て前記変形体がX軸と重なる部位に、Y軸に関して対称的に配置され、
各受力部は、Z軸方向から見て前記変形体がY軸と重なる部位に、X軸に関して対称的に配置され、
前記変形部は、4つ設けられ、隣接する前記受力部と前記固定部との間に1つずつ配置され
前記変位センサは、各変形部の各主湾曲部に配置された4つの変位電極と、各変位電極に対向配置され、対応する各固定部に接続された4つの固定電極と、を有する4つの容量素子を含み、
前記4つの容量素子は、Z軸方向から見て前記変形体がV軸及びW軸と交わる4つの部位に1つずつ配置され、
前記検出回路は、前記4つの容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力して良い。
前記変形体の前記主湾曲部には、変形体側支持体が接続されており、
前記変位電極は、対応する前記変形体側支持体によって支持されていて良い。
本発明の第5の態様による力覚センサは、XYZ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも1つを検出するものであって、
力ないしモーメントの作用によって弾性変形を生じる閉ループ状の変形体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、XYZ三次元座標系に対して固定された4つの固定部と、当該変形体の閉ループ状の経路において各固定部に隣接して位置付けられ、力ないしモーメントの作用を受ける、4つの受力部と、前記閉ループ状の経路において隣接する各固定部と各受力部との間に位置付けられた変形部と、を有し、
前記変形部は、
Z軸方向に湾曲した主湾曲面を有する主湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記固定部とを接続し、Z軸方向に湾曲した固定部側湾曲面を有する、固定部側湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記受力部とを接続し、Z軸方向に湾曲した受力部側湾曲面を有する、受力部側湾曲部と、を有し、
前記主湾曲面と、前記固定部側湾曲面及び前記受力部側湾曲面とは、共に、各変形部のZ軸正側またはZ軸負側に設けられ、湾曲の向きが互いに異なっており、
前記検出回路は、前記主湾曲部に生じる弾性変形に基づいて、前記電気信号を出力する。
また、本発明の第6の態様による力覚センサは、XYZ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも1つを検出するものであって、
力ないしモーメントの作用によって弾性変形を生じる閉ループ状の変形体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、XYZ三次元座標系に対して固定された4つの固定部と、当該変形体の閉ループ状の経路において前記固定部に隣接して位置付けられ、力ないしモーメントの作用を受ける、4つの受力部と、前記閉ループ状の経路において隣接する前記固定部と前記受力部との間に位置付けられた変形部と、を有し、
前記変形部は、
前記閉ループ状の経路の内側または外側に向かって湾曲した主湾曲面を有する主湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記固定部とを接続し、前記閉ループ状の経路の内側または外側に向かって湾曲した固定部側湾曲面を有する、固定部側湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記受力部とを接続し、前記閉ループ状の経路の内側または外側に向かって湾曲した受力部側湾曲面を有する、受力部側湾曲部と、を有し、
前記主湾曲面と、前記固定部側湾曲面及び前記受力部側湾曲面とは、共に、前記変形体の内周面又は外周面に設けられ、湾曲の向きが互いに異なっており、
前記検出回路は、前記主湾曲部に生じる弾性変形に基づいて、前記電気信号を出力する。
以上の第5及び第6の態様による力覚センサにおいて、前記4つの受力部及び前記4つの固定部は、前記変形体の前記閉ループ状の経路に沿って交互に位置付けられ、
前記変形部は、8つ設けられ、隣接する前記受力部と前記固定部との間に1つずつ配置されていて良い。
以上の力覚センサは、XYZ三次元座標系に対して固定された固定体と、
力ないしモーメントの作用によって、前記固定体に対して相対移動する受力体と、を更に備え、
前記4つの固定部は、固定体側接続部材を介して前記固定体に接続され、
前記4つの受力部は、受力体側接続部材を介して前記受力体に接続されていて良い。
あるいは、以上の力覚センサは、XYZ三次元座標系に対して固定された固定体と、
力ないしモーメントの作用によって、前記固定体に対して相対移動する受力体と、を更に備え、
前記4つの固定部は、前記固定体と一体的に形成され、
前記4つの受力部は、前記受力体と一体的に形成されていて良い。
前記閉ループ状の変形体は、円形また矩形の形状を有していて良い。
前記検出回路は、前記主湾曲部に配置された変位センサを有し、この変位センサの計測値に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力して良い。
前記変位センサは、前記主湾曲部に配置された変位電極と、この変位電極に対向配置され、前記4つの固定部の少なくとも1つに接続された固定電極と、を有する容量素子を含み、
前記検出回路は、前記容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力して良い。
前記4つの受力部のうち2つは、Z軸方向から見てX軸上に原点対称に配置され、
前記4つの受力部のうち残り2つは、Z軸方向から見てY軸上に原点対称に配置され、
XY平面上に、原点を通りX軸およびY軸に対して45°をなすV軸およびW軸を定義した場合に、
前記4つの固定部のうち2つは、Z軸方向から見てV軸上に原点対称に配置され、
前記4つの固定部のうち残り2つは、Z軸方向から見てW軸上に原点対称に配置され、
前記変形部は、8つ設けられ、隣接する前記受力部と前記固定部との間に1つずつ配置され
前記変位センサは、各変形部の各主湾曲部に配置された8つの変位電極と、各変位電極に対向配置され、対応する各固定部に接続された8つの固定電極と、を有する8つの容量素子を含み、
前記検出回路は、前記8つの容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力して良い。
以上の各力覚センサにおいて、前記主湾曲部の前記主湾曲面は、前記閉ループ状の経路に沿って観察したとき、変曲点を有しない滑らかな曲面で構成されていて良い。
あるいは、以上の各力覚センサにおいて、前記主湾曲部の前記主湾曲面は、前記閉ループ状の経路に沿って観察したとき、円弧に沿った曲面で構成されていて良い。
あるいは、以上の各力覚センサにおいて、前記主湾曲部の前記主湾曲面は、前記閉ループ状の経路に沿って観察したとき、楕円の弧に沿った曲面で構成されていて良い。
以上の各力覚センサにおいて、前記主湾曲部は、前記閉ループ状の経路に沿って観察したとき、少なくとも一方の端部領域に湾曲していない直線区画を有していて良い。
本発明の第7の態様による力覚センサは、XYZ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも1つを検出するものであって、
Z軸を取り囲み、XYZ三次元座標系に対して固定された固定体と、
Z軸を取り囲み、前記固定体に接続され、力ないしモーメントの作用により弾性変形を生じる閉ループ状の変形体と、
Z軸を取り囲み、前記変形体に接続され、力ないしモーメントの作用により前記固定体に対して相対移動する受力体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、前記受力体に作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、前記固定体に接続された少なくとも2つの固定部と、前記受力体に接続され、当該変形体の周方向において前記固定部に隣接して位置付けられた少なくとも2つの受力部と、隣接する前記固定部と前記受力部との間に位置付けられた変形部と、を有し、
前記変形部は、所定の方向に湾曲した湾曲部を有し、
前記検出回路は、前記湾曲部に生じる弾性変形に基づいて、前記電気信号を出力し、
前記受力体は、Z軸正方向またはZ軸負方向を向いた受力体表面を有し、
前記変形体は、前記受力体表面と同じ方向を向いた変形体表面を有し、この変形体表面のZ座標が前記受力体表面のZ座標と異なっている。
前記固定体は、前記受力体表面と同じ方向を向いた固定体表面を有し、この固定体表面のZ座標が前記変形体表面のZ座標及び前記受力体表面のZ座標と異なっていて良い。
あるいは、本発明の第8の態様による力覚センサは、XYZ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも1つを検出するものであって、
Z軸を取り囲み、XYZ三次元座標系に対して固定された固定体と、
Z軸を取り囲み、前記固定体に接続され、力ないしモーメントの作用により弾性変形を生じる閉ループ状の変形体と、
Z軸を取り囲み、前記変形体に接続され、力ないしモーメントの作用により前記固定体に対して相対移動する受力体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、前記受力体に作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、前記固定体に接続された少なくとも2つの固定部と、前記受力体に接続され、当該変形体の周方向において前記固定部に隣接して位置付けられた少なくとも2つの受力部と、隣接する前記固定部と前記受力部との間に位置付けられた変形部と、を有し、
前記変形部は、所定の方向に湾曲した湾曲部を有し、
前記検出回路は、前記湾曲部に生じる弾性変形に基づいて、前記電気信号を出力し、
前記固定体は、Z軸正方向またはZ軸負方向を向いた固定体表面を有し、
前記変形体は、前記固定体表面と同じ方向を向いた変形体表面を有し、この変形体表面のZ座標が前記固定体表面のZ座標と異なっている。
上記第7及び第8の態様による力覚センサにおいて、前記固定体、前記受力体及び前記変形体は、いずれも、Z軸方向から見て原点を中心とする円形または矩形の形状を有して良い。
また、前記受力体及び前記固定体は、前記変形体を挟み込むように配置されていて良い。
あるいは、前記受力体及び前記固定体は、前記変形体に関し同じ側に配置されていて良い。
また、前記固定体または前記受力体は、前記力覚センサが取り付けられる取付対象物に面する領域にセンサ側凸部を有し、
前記センサ側凸部は、前記力覚センサが前記取付対象物に取り付けられる際、当該取付対象物に形成された取付凹部に収容され、
前記センサ側凸部は、前記取付凹部の内周面により当該取付凹部の内側に向かって押圧されて良い。
あるいは、前記固定体または前記受力体は、前記力覚センサが取り付けられる取付対象物に面する領域にセンサ側凹部を有し、
前記センサ側凹部は、前記力覚センサが前記取付対象物に取り付けられる際、当該取付対象物に形成された取付凸部を収容し、
前記センサ側凹部の内周面が、前記取付凸部を当該センサ側凹部の内側に向かって押圧して良い。
本発明の第9の態様による力覚センサは、取付凹部を有する取付対象物に取り付けられ、XYZ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも1つを検出するものであって、
力ないしモーメントの作用によって弾性変形を生じる変形体と、
前記変形体に接続され、XYZ三次元座標に対して固定された固定体と、
前記変形体に接続され、力ないしモーメントの作用により前記固定体に対し相対移動する受力体と、を備え、
前記固定体または前記受力体は、前記取付対象物に面する領域に前記取付凹部に収容されるセンサ側凸部を有し、
前記センサ側凸部は、前記取付凹部に収容される際に、当該取付凹部の内周面により当該取付凹部の内側に向かって押圧される。
以上の第9の態様による力覚センサが前記取付対象物に取り付けられる際の取付方向に対し前記センサ側凸部の外周面がなす鋭角は、前記取付方向に対し前記取付凹部の前記内周面がなす鋭角より小さくて良い。
前記センサ側凸部は、前記力覚センサが前記取付対象物に取り付けられる際の取付方向から見て、間隔を空けて対向して設けられていて良く、または、閉ループ状の経路に沿って連続的または断続的に設けられていて良い。
本発明の第10の態様による力覚センサは、取付凸部を有する取付対象物に取り付けられ、XYZ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも1つを検出するものであって、
力ないしモーメントの作用によって弾性変形を生じる変形体と、
前記変形体に接続され、XYZ三次元座標に対して固定された固定体と、
前記変形体に接続され、力ないしモーメントの作用により前記固定体に対し相対移動する受力体と、を備え、
前記固定体または前記受力体は、前記取付対象物に面する領域に前記取付凸部に収容されるセンサ側凹部を有し、
前記センサ側凹部が前記取付凸部を収容する際に、前記センサ側凹部の内周面が前記取付凸部を当該センサ側凹部の内側に向かって押圧する。
前記力覚センサが前記取付対象物に取り付けられる際の取付方向に対し前記センサ側凹部の内周面がなす鋭角は、前記取付方向に対し前記取付凸部の外周面がなす鋭角より大きくて良い。
また、前記取付凸部は、前記力覚センサが前記取付対象物に取り付けられる際の取付方向から見て、間隔を空けて対向して設けられている、または、閉ループ状の経路に沿って連続的または断続的に設けられていて良い。
以上の第10の態様による力覚センサと、
前記力覚センサが取り付けられる取付対象物と、を備えた、組合せ体も、本発明の範囲内である。
あるいは、本発明の第11の態様による力覚センサは、取付孔を有する取付対象物に取り付けられ、XYZ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも1つを検出するものであって、
力ないしモーメントの作用によって弾性変形を生じる変形体と、
前記変形体に接続され、XYZ三次元座標に対して固定された固定体と、
前記変形体に接続され、力ないしモーメントの作用により前記固定体に対し相対移動する受力体と、を備え、
前記固定体または前記受力体には、取付対象物に前記力覚センサを取り付けるための固定具が通過する貫通孔が設けられ、
前記貫通孔の前記取付対象物側の縁部には、当該取付対象物に向かって突出した突出部が設けられ、
前記突出部は、前記力覚センサを前記取付対象物に取り付ける際に、前記取付孔の縁部を押圧する。
以上の第11の態様による力覚センサにおいて、前記取付孔の縁部には、すり鉢状の取付側テーパ面が形成されており、
前記突出部の外周面に、前記取付対象物に向かって先細となるセンサ側テーパ面が形成され、
前記センサ側テーパ面は、前記力覚センサを前記取付対象物に取り付ける際に、前記取付側テーパ面を押圧し、
前記力覚センサが前記取付対象物に取り付けられる際の取付方向に対し前記センサ側テーパ面がなす鋭角は、前記取付方向に対し前記取付側テーパ面がなす鋭角より小さくて良い。
あるいは、以上の第11の態様による力覚センサと、
前記力覚センサが取り付けられる取付対象物と、を備えた、組合せ体も、本発明の範囲内である。
<<< §1. 本発明の第1の実施の形態による力覚センサ >>>
以下に、添付の図面を参照して、本発明の第1の実施の形態による力覚センサについて詳細に説明する。
< 1−1. 基本構造 >
図1は、本発明の第1の実施の形態による力覚センサの基本構造1を示す概略斜視図であり、図2は、図1の基本構造1を示す概略平面図であり、図3は、図2の[3]−[3]線断面図である。図2においては、左右方向にX軸が、上下方向にY軸が、奥行き方向にZ軸(不図示)が、それぞれ定められている。本明細書では、図1に示すように、Z軸正方向を上方向と呼び、Z軸負方向を下方向と呼ぶこととする。また、モーメントの方向に関し、X軸正まわりとは、右ねじをX軸正方向に前進させるために当該右ねじを回転させる回転方向を意味し、X軸負まわりとは、その逆の回転方向を意味することとする。このようなモーメントの方向の規定の仕方は、Y軸まわり及びZ軸まわりについても、同様とする。
図1〜図3に示すように、基本構造1は、XY平面と平行な上面を有する円盤状の固定体10と、力及び/またはモーメントの作用を受けることにより固定体10に対して相対移動する円盤状の受力体20と、固定体10及び受力体20に接続され、固定体10に対する受力体20の相対移動によって弾性変形を生じる円環状の変形体40と、を備えている。固定体10、受力体20及び変形体40は、互いに同心であり、同一の外径を有していて良い。なお、図2では、変形体40を明確に図示するため、受力体20の図示を省略してある。
本実施の形態による基本構造1は、変形体40と固定体10との間に形成されている間隙の所定位置に容量素子を配置し、この容量素子に所定の検出回路50を接続することにより、力覚センサとして機能することになる。検出回路50は、容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力及び/またはモーメントを計測するためのものである。容量素子の具体的な配置態様、及び、作用した力ないしモーメントを計測する具体的な方法は、後述される。
図1及び図2に示すように、変形体40は、XYZ三次元座標系の原点Oを中心とし、XY平面と平行に配置されている。ここでは、図3に示すように、変形体40のZ軸方向の厚みの半分の位置にXY平面が存在していることとする。変形体40の材質としては、例えば金属が採用され得る。
図2に示すように、変形体40は、正のX軸上に位置する第1固定部41と、負のX軸上に位置する第2固定部42と、正のY軸上に位置する第1受力部43と、負のY軸上に位置する第2受力部44と、を有している。後述されるように、各固定部41、42及び各受力部43、44は、変形体40のうち固定体10及び受力体20が接続される領域であって、変形体40の他の領域と異なる特性を有する部位ではない。したがって、各固定部41、42及び各受力部43、44の材質は、変形体40の他の領域と同一である。但し、説明の便宜上、各固定部41、42及び各受力部43、44は、変形体40の他の領域とは異なる記号で図示してある。
更に、図2に示すように、変形体40は、第1固定部41と第1受力部43との間(XY平面の第1象限I)に位置する第1変形部45と、第1受力部43と第2固定部42との間(XY平面の第2象限II)に位置する第2変形部46と、第2固定部42と第2受力部44との間(XY平面の第3象限III)に位置する第3変形部47と、第2受力部44と第1固定部41との間(XY平面の第4象限IV)に位置する第4変形部48と、を有している。各変形部45〜48の両端は、閉ループ状の経路に沿って隣接する固定部41、42及び受力部43、44にそれぞれ一体的に連結されている。このような構造によって、受力部43、44に作用した力ないしモーメントが確実に各変形部45〜48に伝達され、これによって、当該作用した力ないしモーメントに応じた弾性変形が各変形部45〜48に生じるようになっている。
図1及び図3に示すように、基本構造1は、固定体10と変形体40とを接続する第1接続部材31及び第2接続部材32と、受力体20と変形体40とを接続する第3接続部材33及び第4接続部材34と、を更に有している。第1接続部材31は、第1固定部41の下面(図3における下方の面)と固定体10の上面とを互いに接続し、第2接続部材32は、第2固定部42の下面と固定体10の上面とを互いに接続している。第3接続部材33は、第1受力部43の上面(図3における上方の面)と受力体20の下面とを互いに接続し、第4接続部材34は、第2受力部44の上面と受力体20の下面とを互いに接続している。各接続部材31〜34は、実質的に剛体とみなせる程度の剛性を有している。このため、受力体20に作用した力ないしモーメントは、効果的に各変形部45〜48に弾性変形を生じさせることになる。
次に、図4を参照して、変形体40の各変形部45〜48について詳細に説明する。 各変形部45〜48は、互いに同一の構造を有しているため、ここでは、第2変形部46のみについて説明を行うこととする。
図4は、図3の一点鎖線で示された矩形領域Rの拡大図であり、第2変形部46を示している。第2変形部46は、Z軸負方向(図4における下方向)に湾曲した主湾曲面46paを有する主湾曲部46pと、主湾曲部46pと固定部42とを接続し、Z軸正方向に湾曲した固定部側湾曲面46faを有する固定部側湾曲部46fと、主湾曲部46pと受力部43とを接続し、Z軸方向に湾曲した受力部側湾曲面46maを有する受力部側湾曲部46mと、を有している。図4に示すように、主湾曲面46paと、固定部側湾曲面46fa及び受力部側湾曲面46maとは、共に、第2変形部46のZ軸負側の面を構成している。本実施の形態では、主湾曲面46paは、Z軸負方向に向かって湾曲しているのに対し、固定部側湾曲面46fa及び受力部側湾曲面46maは、Z軸正方向に向かって湾曲している。
より具体的には、図4に示すように、第2変形部46のZ軸正側の面46uは、点O1を中心とする半径r1の円弧に沿った湾曲面であり、第2変形部46の主湾曲面46paは、点O2を中心とする半径r2の円弧に沿った湾曲面である。これらの湾曲面46u、46paは、共にZ軸負側に向かって湾曲している。また、固定部側湾曲面46faは、点O3を中心とする半径r3の円弧に沿った湾曲面であり、受力部側湾曲面46maは、点O4を中心とする半径r4の円弧に沿った湾曲面である。これらの湾曲面46fa、46maは、Z軸正側に向かって湾曲している。図示される例では、点O1、O2及び第2計測部位A2は、Z軸と平行な直線上に配置されており、r1=r2且つr3=r4という関係が成立している。もちろん、必ずしもこのような関係を満たしている必要は無い。また、各湾曲面46u、46pa、46maは、真円の円弧に沿った形状に限られず、例えば楕円や長円の円弧に沿った形状を有していても良い。このことは、後述する他の実施の形態及び変形例においても同様である。
更に、図4に示すように、第2変形部46では、固定部側変曲点Bf2を介して固定部側湾曲部46fと主湾曲部46pとが滑らかに接続されており、更に、受力部側変曲点Bm2を介して受力部側湾曲部46mと主湾曲部46pとが滑らかに接続されている。
一方、図4に示すように、第2変形部46のZ軸正側の面(図4における上面)は、Z軸負方向にのみ湾曲した湾曲面によって構成されている。この湾曲面は、本実施の形態では一定の曲率半径を有している。
以上のような構成により、第2変形部46は、閉ループ状の経路に沿って観察したときに、第2固定部42から第1受力部43に至る経路の中央が、最もZ軸負側に位置している。そして、図4に示すように、当該最も負側に位置している部位には、第2変形部46に生じる弾性変形を検出するための第2計測部位A2が規定されている。したがって、第2変形部46は、閉ループ状の経路に沿って観察したときに、第2計測部位A2に関して対称的に構成されている。
更に、図示されてはいないが、第1、第3及び第4変形部45、47、48も、第2変形部46と同様に構成されている。すなわち、第1、第3及び第4変形部45、47、48は、上述したような曲率を有する固定部側湾曲部及び受力部側湾曲部と、これらに挟まれた主湾曲部と、を有している。各変形部45、47、48には、閉ループ状の経路に沿って観察したときに、最もZ軸負側に位置するそれぞれの部位に、第1、第3及び第4計測部位がそれぞれ規定されている。結局、図2に示すように、XY平面上に、原点Oを通りX軸およびY軸に対して45°をなすV軸およびW軸を定義すると、第1変形部45は、正のV軸に関して対称であり、第2変形部46は、正のW軸に関して対称であり、第3変形部47は、負のV軸に関して対称であり、第4変形部48は、負のW軸に関して対称である。そして、各変形部46〜48の第1〜第4計測部位A1〜A4が、Z軸方向から見て、正のV軸、正のW軸、負のV軸及び負のV軸上に各1つずつ位置している。
< 1−2. 基本構造の作用 >
次に、このような基本構造1の作用について説明する。
(1−2−1. 基本構造1にX軸まわりのモーメントMxが作用した場合)
図5は、図1の基本構造1に対してX軸正まわりのモーメント+Mxが作用したときに、各変形部45〜48に生じる弾性変形を説明するための概略平面図である。また、図6は、図5の概略断面図である。図6(a)は、図5の[6a]−[6a]線断面図であり、図6(b)は、図5の[6b]−[6b]線断面図である。なお、図5及び図6において、黒塗りの太い矢印は、作用する力またはモーメントを示しており、白抜きの太い矢印は、計測部位A1〜A4の変位の方向を示している。このことは、他の図においても同様である。
図5に示すように、受力体20(図1及び図3参照)を介して基本構造1にX軸正まわりのモーメント+Mxが作用すると、変形体40の第1受力部43に対してZ軸正方向(図6(a)における上方向)の力が作用し、第2受力部44に対してZ軸負方向(図6(b)における下方向)の力が作用する。図5において、第1受力部43に付されている、黒点を丸で囲んだ記号は、Z軸負方向からZ軸正方向に向かって力が作用することを示しており、第2受力部44に付されている、×印を丸で囲んだ記号は、Z軸正方向からZ軸負方向に向かって力が作用することを示している。これらの記号の意味は、図7、図9及び図11においても同様である。
このとき、図6(a)及び図6(b)に示すように、第1〜第4変形部45〜48には次のような弾性変形が生じる。すなわち、第1受力部43に作用するZ軸正方向の力によって当該第1受力部43が上方に移動するため、第1変形部45及び第2変形部46のうち第1受力部43に連結されている端部が上方に移動させられる。これにより、図6(a)に示すように、第1変形部45及び第2変形部46は、第1及び第2固定部41、42に連結されている端部を除き、全体的に上方に移動する。すなわち、第1計測部位A1及び第2計測部位A2は、共に上方に移動する。他方、第2受力部44に作用するZ軸負方向の力によって当該第2受力部44が下方に移動するため、第3変形部47及び第4変形部48のうち第2受力部44に連結されている端部が下方に移動させられる。これにより、図6(b)に示すように、第3変形部47及び第4変形部48は、第1及び第2固定部41、42に連結されている端部を除き、全体的に下方に移動する。すなわち、第3計測部位A3及び第4計測部位A4は、共に下方に移動する。
このような移動は、図5においては、各計測部位A1〜A4の位置に、丸で囲んだ「+」または「−」の記号を付して表されている。すなわち、黒点を丸で囲んだ記号が付された計測部位は、変形部の弾性変形によってZ軸正方向に変位し、×印を丸で囲んだ記号が付された計測部位は、変形部の弾性変形によってZ軸負方向に変位する。このことは、図7、図9及び図11においても同様である。
結局、基本構造1の受力体20に対してX軸正まわりのモーメント+Mxが作用すると、第1及び第2計測部位A1、A2と固定体10(図3参照)の上面との離間距離は、共に増大し、第3及び第4計測部位A3、A4と固定体10の上面との離間距離は、共に減少する。
図示されていないが、基本構造1の受力体20にX軸負まわりのモーメント−Mxが作用した場合には、各計測部位A1〜A4の移動方向は、上述した方向とは逆になる。すなわち、X軸負まわりのモーメント−Mxの作用によって、第1及び第2計測部位A1、A2と固定体10(図2参照)の上面との離間距離は、共に減少し、第3及び第4計測部位A3、A4と固定体10の上面との離間距離は、共に増大する。
(1−2−2. 基本構造1にY軸まわりのモーメントMyが作用した場合)
図7は、図1の基本構造1に対してY軸正まわりのモーメント+Myが作用したときに、各変形部45〜48に生じる弾性変形を説明するための概略平面図である。また、図8は、図7の概略断面図である。図8(a)は、図7の[8a]−[8a]線断面図であり、図8(b)は、図7の[8b]−[8b]線断面図である。
図7及び図8に示すように、受力体20(図1及び図3参照)を介して基本構造1に対してY軸正まわりのモーメント+Myが作用すると、変形体40の第1及び第2受力部43、44のX軸負側の領域にはZ軸正方向の力が作用し、第1及び第2受力部43、44のX軸正側の領域にはZ軸負方向の力が作用する。
このとき、図8(a)及び図8(b)に示すように、第1〜第4変形部45〜48には次のような弾性変形が生じる。すなわち、第1受力部43のX軸正側(図8(a)における右側)に作用するZ軸負方向の力によって当該X軸正側の領域が下方に移動するため、第1変形部45のうち第1受力部43に連結されている端部が下方に移動させられる。これにより、図8(a)に示すように、第1変形部45は、第1固定部41に連結されている端部を除き、全体的に下方に移動する。すなわち、第1計測部位A1は、下方に移動する。他方、第1受力部43のX軸負側(図8(a)における左側)に作用するZ軸正方向の力によって当該X軸負側の領域が上方に移動するため、第2変形部46のうち第1受力部43に連結されている端部が上方に移動する。これにより、図8(a)に示すように、第2変形部46は、第2固定部42に連結されている端部を除き、全体的に上方に移動する。すなわち、第2計測部位A2は、上方に移動する。
また、図8(b)に示すように、第2受力部44のX軸負側(図8(b)における右側)に作用するZ軸正方向の力によって当該X軸負側の領域が上方に移動するため、第3変形部47のうち第2受力部44に連結されている端部が上方に移動させられる。これにより、図8(b)に示すように、第3変形部47は、第2固定部42に連結されている端部を除き、全体的に上方に移動する。すなわち、第3計測部位A3は、上方に移動する。
他方、図8(b)に示すように、第2受力部44のX軸正側(図8(b)における左側)に作用するZ軸負方向の力によって当該X軸正側の領域が下方に移動するため、第4変形部48のうち第2受力部44に連結されている端部が下方に移動させられる。これにより、図8(b)に示すように、第4変形部48は、第1固定部41に連結されている端部を除き、全体的に下方に移動する。すなわち、第4計測部位A4は、下方に移動する。
結局、基本構造1の受力体20に対してY軸正まわりのモーメント+Myが作用すると、第1及び第4計測部位A1、A4と固定体10(図3参照)の上面との離間距離は、共に減少し、第2及び第3計測部位A2、A3と固定体10の上面との離間距離は、共に増大する。
図示されていないが、基本構造1の受力体20にY軸負まわりのモーメント−Myが作用した場合には、各計測部位A1〜A4の移動方向は、上述した方向とは逆になる。すなわち、Y軸負まわりのモーメント−Myの作用によって、第1及び第4計測部位A1、A4と固定体10(図3参照)の上面との離間距離は、共に増大し、第2及び第3計測部位A2、A3と固定体10の上面との離間距離は、共に減少する。
(1−2−3. 基本構造1にZ軸まわりのモーメントMzが作用した場合)
図9は、図1の基本構造1に対してZ軸正まわりのモーメント+Mzが作用したときに、各変形部45〜48に生じる弾性変形を説明するための概略平面図である。また、図10は、図9の概略断面図である。図10(a)は、図9の[10a]−[10a]線断面図であり、図10(b)は、図9の[10b]−[10b]線断面図である。
図9に示すように、受力体20(図1及び図3参照)を介して基本構造1に対してZ軸正まわりのモーメント+Mzが作用すると、変形体40の第1受力部43に対してX軸負方向(図9における左方向)の力が作用し、第2受力部44に対してX軸正方向(図9における右方向)の力が作用する。
このとき、図10(a)及び図10(b)に示すように、第1〜第4変形部45〜48には次のような弾性変形が生じる。すなわち、第1受力部43に作用するX軸負方向の力によって当該第1受力部43がX軸負方向に移動するため、第1変形部45には、X軸方向に沿った引張力が作用する。これにより、第1主湾曲部45pは、その両端部のZ座標値を維持したまま曲率半径が大きくなるように弾性変形する。すなわち、第1計測部位A1は、上方に移動する。他方、第1受力部43がX軸負方向に移動することにより、第2変形部46には、X軸方向に沿った圧縮力が作用する。これにより、第2主湾曲部46pは、その両端部のZ座標値を維持したまま曲率半径が小さくなるように弾性変形する。すなわち、第2計測部位A2は、下方に移動する。
また第2受力部44に作用するX軸正方向の力によって当該第2受力部44がX軸正方向に移動するため、第3変形部47には、X軸方向に沿った引張力が作用する。これにより、第3主湾曲部47pは、その両端部のZ座標値を維持したまま曲率半径が大きくなるように弾性変形する。すなわち、第3計測部位A3は、上方に移動する。他方、第2受力部44がX軸正方向に移動することにより、第4変形部48には、X軸方向に沿った圧縮力が作用する。これにより、第4主湾曲部48pは、その両端部のZ座標値を維持したまま曲率半径が小さくなるように弾性変形する。すなわち、第4計測部位A4は、下方に移動する。
結局、基本構造1の受力体20に対してZ軸正まわりのモーメント+Mzが作用すると、第1及び第3計測部位A1、A3と固定体10の上面との離間距離は、共に増大し、第2及び第4計測部位A2、A4と固定体10(図2参照)の上面との離間距離は、共に減少する。
図示されていないが、基本構造1の受力体20にZ軸負まわりのモーメント−Mzが作用した場合には、各計測部位A1〜A4の移動方向は、上述した方向とは逆になる。すなわち、Z軸負まわりのモーメント−Mzの作用によって、第1及び第3計測部位A1、A3と固定体10の上面との離間距離は、共に減少し、第2及び第4計測部位A2、A4と固定体10(図2参照)の上面との離間距離は、共に増大する。
(1−2−4. 基本構造1にZ方向の力Fzが作用した場合)
次に、図11は、図1の基本構造1に対してZ軸正方向の力+Fzが作用したときに、各変形部45〜48に生じる弾性変形を説明するための概略平面図である。また、図12は、図11の概略断面図である。図12(a)は、図11の[12a]−[12a]線断面図であり、図12(b)は、図11の[12b]−[12b]線断面図である。
図11及び図12に示すように、受力体20(図1及び図3参照)を介して基本構造1に対してZ軸正方向の力+Fzが作用すると、変形体40の第1及び第2受力部43、44にはZ軸正方向の力が作用する。
このとき、図12(a)及び図12(b)に示すように、第1〜第4各変形部45〜48には次のような弾性変形が生じる。すなわち、第1及び第2受力部43、44に作用するZ軸正方向の力によって各受力部43、44が上方に移動するため、各変形部45〜48のうち第1及び第2受力部43、44に連結されている各端部が上方に移動させられる。これにより、図11(a)及び図11(b)に示すように、各計測部位A1〜A4は、上方に移動する。
結局、基本構造1の受力体20に対してZ軸正方向の力+Fzが作用すると、第1〜第4計測部位A1〜A4と固定体10(図2参照)の上面との離間距離は、全て増大する。
図示されていないが、基本構造1の受力体20にZ軸負方向の力−Fzが作用した場合には、各計測部位A1〜A4の移動方向は、上述した方向とは逆になる。すなわち、Z軸負方向の力−Fzの作用によって、第1〜第4計測部位A1〜A4と固定体10(図2参照)の上面との離間距離は、全て減少する。
< 1−3. 容量素子型の力覚センサ >
(1−3−1. 力覚センサの構成)
§1−1.及び§1−2.において詳述した基本構造1は、容量素子型の力覚センサ1cとして好適に使用することができる。ここでは、このような力覚センサ1cについて、以下詳細に説明する。
図13は、図1の基本構造1を利用した力覚センサ1cを示す概略平面図であり、図14は、図13の[14]−[14]線断面図である。なお、図14では、変形体40を明確に図示するため、受力体20の図示を省略してある。
図13及び図14に示すように、力覚センサ1cは、図1の基本構造1の計測部位A1〜A4に、各1つの容量素子C1〜C4が配置されることにより、構成されている。具体的には、図14に示すように、力覚センサ1cは、第1計測部位A1に配置された第1変位電極Em1と、第1変位電極Em1に対向して配置され、固定体10に対して相対移動しない第1固定電極Ef1と、を有している。これらの電極Em1、Ef1は、第1容量素子C1を構成している。更に、図14に示すように、力覚センサ1cは、第2計測部位A2に配置された第2変位電極Em2と、第2変位電極Em2に対向して配置され、固定体10に対して相対移動しない第2固定電極Ef2と、を有している。これらの電極Em2、Ef2は、第2容量素子C2を構成している。
図示されていないが、力覚センサ1cは、第3計測部位A3に配置された第3変位電極Em3と、第3変位電極Em3に対向して配置され、固定体10に対して相対移動しない第3固定電極Ef3と、第4計測部位A4に配置された第4変位電極Em4と、第4変位電極Em4に対向して配置され、固定体10に対して相対移動しない第4固定電極Ef4と、を有している。電極Em3及び電極Ef3は、第3容量素子C3を構成しており、電極Em4及び電極Ef4は、第4容量素子C4を構成している。
具体的には、図14に示すように、各変位電極Em1〜Em4は、対応する計測部位A1〜A4に支持された第1〜第4変形体側支持体61〜64の下面に、第1〜第4変位基板Im1〜Im4を介して支持されている。更に、各固定電極Ef1〜Ef4は、固定体10の上面に固定された第1〜第4固定体側支持体71〜74の上面に、第1〜第4固定基板If1〜If4を介して支持されている。各変位電極Em1〜Em4は、全て同一の面積であり、各固定電極Ef1〜Ef4も、全て同一の面積である。但し、力及び/またはモーメントの作用によって各容量素子C1〜C4の実効対向面積が一定の値を維持するようにするための工夫として、変位電極Em1〜Em4の電極面積は、固定電極Ef1〜Ef4の電極面積よりも大きく構成されている。この点については、後に詳述される。初期状態において、容量素子C1〜C4を構成する各組の電極の実効対向面積及び離間距離は、全て同一である。
更に、図13及び図14に示すように、力覚センサ1cは、変形体40の各変形部45〜48に生じる弾性変形に基づいて、受力体20に作用した力及びモーメントを示す電気信号を出力する検出回路50を有している。図13及び図14では、各容量素子C1〜C4と検出回路50とを電気的に接続する配線は、図示が省略されている。
なお、固定体10、受力体20及び変形体40が金属などの導電材料で構成されている場合、各電極がショートしないように、第1〜第4変位基板Im1〜Im4及び第1〜第4固定基板If1〜If4は、絶縁体で構成される必要がある。
(1−3−2. 力覚センサ1cにX軸まわりのモーメントMxが作用したときの、各容量素子の静電容量値の変動について)
次に、図14は、図13の力覚センサ1cに対して、力及びモーメントが作用した時に各容量素子C1〜C4に生じる静電容量値の変動を示す図表である。
まず、本実施の形態による力覚センサ1cに対して、X軸正まわりのモーメント+Mxが作用すると、§1−2−1にて説明した各計測部位A1〜A4の挙動から理解されるように、第1容量素子C1及び第2容量素子C2を構成する電極間の離間距離が、共に増大する。このため、第1容量素子C1及び第2容量素子C2の静電容量値は、共に減少する。他方、第3容量素子C3及び第4容量素子C4を構成する電極間の離間距離は、共に減少する。このため、第3容量素子C3及び第4容量素子C4の静電容量値は、共に増大する。各容量素子C1〜C4の静電容量値の変動は、図15の「Mx」の欄に纏めて示されている。この図表において、「+」は、静電容量値が増大することを示しており、「−」は、静電容量値が減少することを示している。なお、力覚センサ1cにX軸負まわりのモーメント−Mxが作用すると、各容量素子C1〜C4の静電容量値の変動は、上述した変動とは逆になる(図15のMxの欄に示す符号が全て逆になる)。
(1−3−3. 力覚センサ1cにY軸まわりのモーメントMyが作用したときの、各容量素子の静電容量値の変動について)
次に、本実施の形態による力覚センサ1cに対して、Y軸正まわりのモーメント+Myが作用すると、§1−2−2にて説明した各計測部位A1〜A4の挙動から理解されるように、第1容量素子C1及び第4容量素子C4を構成する電極間の離間距離が、共に減少する。このため、第1容量素子C1及び第4容量素子C4の静電容量値は、共に増大する。他方、第2容量素子C2及び第3容量素子C3を構成する電極間の離間距離は、共に増大する。このため、第2容量素子C2及び第3容量素子C3の静電容量値は、共に減少する。各容量素子C1〜C4の静電容量値の変動は、図15の「My」の欄に纏めて示されている。なお、力覚センサ1cにY軸負まわりのモーメント−Myが作用すると、各容量素子C1〜C4の静電容量値の変動は、上述した変動とは逆になる(図15のMyの欄に示す符号が全て逆になる)。
(1−3−4. 力覚センサ1cにZ軸まわりのモーメントMzが作用したときの、各容量素子の静電容量値の変動について)
次に、本実施の形態による力覚センサ1cに対して、Z軸正まわりのモーメント+Mzが作用すると、§1−2−3にて説明した各計測部位A1〜A4の挙動から理解されるように、第1容量素子C1及び第3容量素子C3を構成する電極間の離間距離は、共に増大する。このため、第1容量素子C1及び第3容量素子C3の静電容量値は、共に減少する。他方、第2容量素子C2及び第4容量素子C4を構成する電極間の離間距離は、共に減少する。このため、第2容量素子C2及び第4容量素子C4の静電容量値は、共に増大する。各容量素子C1〜C4の静電容量値の変動は、図15の「Mz」の欄に纏めて示されている。なお、力覚センサ1cにZ軸負まわりのモーメント−Mzが作用すると、各容量素子C1〜C4の静電容量値の変動は、上述した変動とは逆になる(図15のMzの欄に示す符号が全て逆になる)。
(1−3−5. 力覚センサ1cにZ軸方向の力Fzが作用したときの、各容量素子の静電容量値の変動について)
次に、本実施の形態による力覚センサ1cに対して、Z軸正方向の力+Fzが作用すると、§1−2−4にて説明した各計測部位A1〜A4の挙動から理解されるように、各容量素子C1〜C4を構成する電極間の離間距離は、全て増大する。このため、容量素子C1〜C4の静電容量値は、全て減少する。各容量素子C1〜C4の静電容量値の変動は、図15の「Fz」の欄に纏めて示されている。なお、力覚センサ1cにZ軸負方向の力−Fzが作用すると、各容量素子C1〜C4の静電容量値の変動は、上述した変動とは逆になる(図15のFzの欄に示す符号が全て逆になる)。
(1−3−6. 作用した力及びモーメントの算出方法)
以上のような容量素子C1〜C4の静電容量値の変動に鑑み、検出回路50は、次の[式1]を用いて力覚センサ1cに作用したモーメントMx、My、Mz及び力Fzを算出する。[式1]において、C1〜C4は、第1〜第4容量素子C1〜C4の静電容量値の変動量を示している。
[式1]
Mx=−C1−C2+C3+C4
My=C1−C2−C3+C4
Mz=−C1+C2−C3+C4
Fz=−(C1+C2+C3+C4)
なお、力覚センサ1cに作用した力及びモーメントが負方向である場合には、左辺のMx、My、Mz及びFzを−Mx、−My、−Mz及び−Fzにすれば良い。但し、この場合、右辺のC1〜C4の符号も逆になるため、結局、作用した力及びモーメントの正負によらず、[式1]により作用した力及びモーメントが計測される。
以上のような本実施の形態による力覚センサ1cによれば、主湾曲部45p〜48pとこれに隣接する固定部41、42及び受力部43、44との間に固定部側湾曲部45f〜48f及び受力部側湾曲部45m〜48mがそれぞれ介在することにより、主湾曲部45p〜48pとこれに隣接する固定部41、42及び受力部43、44との接続部分への応力集中を回避することができる。このため、本実施の形態によれば、高い信頼性を備えた静電容量タイプの力覚センサ1cが提供され得る。
また、力覚センサ1cは、XYZ三次元座標系に対して固定された固定体10と、力及び/またはモーメントの作用によって、固定部41、42に対して相対移動する受力体20と、を更に備えており、変形体40の固定部41、42は、固定体10に接続され、変形体40の受力部43、44は、受力体20に接続されている。このため、変形体40に対して力及びモーメントを作用させることが容易である。
また、固定体10及び受力体20には、Z軸が挿通する貫通孔がそれぞれ形成されているため、力覚センサ1cを軽量化することができると共に、当該力覚センサ1cの設置の自由度を高めることもできる。
本実施の形態による力覚センサ1cでは、XY平面上に原点Oを通りX軸およびY軸に対して45°をなすV軸およびW軸を定義した場合に、4組の容量素子C1〜C4が、Z軸方向から見てV軸及びW軸に重なる4つの部位に1つずつ配置されている。したがって、容量素子C1〜C4がX軸及びY軸に関して対称的に配置されているため、高い対称性をもって各容量素子C1〜C4の静電容量値が変動することになる。このため、容量素子C1〜C4の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力及びモーメントを極めて容易に計測することができる。
以上の説明においては、4つの容量素子C1〜C4は、個別の固定基板If1〜If4及び個別の固定電極Ef1〜Ef4を有していた。しかしながら、他の実施の形態においては、固定基板を4つの容量素子で共通となるように構成し、その固定基板上に個別の固定電極を設けても良い。あるいは、固定基板及び固定電極を4つの容量素子で共通となるように構成しても良い。これらのような構成によっても、前述した力覚センサ1cと同様にして、力及びモーメントを計測することができる。なお、これらの構成は、後述される各実施の形態でも成り立つ。
また、力覚センサ1cは、変形体40の断面形状が変更されることにより、作用する力及びモーメントに対する感度が変化する。具体的には、次の通りである。すなわち、本実施の形態では、変形体40の径方向の断面形状が正方形であった(図3参照)が、この断面形状を、Z軸方向に長い縦長の長方形にすると、X、Y軸まわりのモーメントMx、My及びZ軸方向の力Fzに対する感度が、Z軸まわりのモーメントMzに対する感度よりも相対的に低くなる。その一方、変形体40の断面形状を、当該変形体40の径方向に長い横長の長方形にすると、先の場合とは逆に、X、Y軸まわりのモーメントMx、My及びZ軸方向の力Fzに対する感度が、Z軸まわりのモーメントMzに対する感度よりも相対的に高くなる。
あるいは、力覚センサ1cは、主湾曲部45p〜48pの曲率半径(湾曲の度合い)が変更されることによっても、作用する力及びモーメントに対する感度が変化する。具体的には、主湾曲部45p〜48pの曲率半径を小さくすると(湾曲の度合いを大きくすると)、作用する力及びモーメントに対する感度が高くなる。その一方、主湾曲部45p〜48pの曲率半径を大きくすると(湾曲の度合いを小さくすると)、作用する力及びモーメントに対する感度が低くなる。
以上のような変形体40の断面形状及び主湾曲部45p〜48pの曲率半径と、力及びモーメントに対する感度と、の関係を考慮することにより、力覚センサ1cの感度を使用環境に対して最適化することができる。もちろん、以上の説明は、後述される各実施の形態でも成り立つ。
<<< §2. 本発明の第2の実施の形態による力覚センサ >>>
次に、本発明の第2の実施の形態による力覚センサ201cについて説明する。
図16は、本発明の第2の実施の形態による力覚センサ201cの基本構造201を示す概略平面図であり、図17は、図16の[17]−[17]線断面図である。
図16及び17に示すように、基本構造201は、固定体210及び受力体220の構造が第1の実施の形態による力覚センサ1cの基本構造1とは異なっている。具体的には、基本構造201の固定体210及び受力体220は、共に円環(円筒)の形状を有している。そして、図16及び図17に示すように、Z軸方向から見て、固定体210は変形体40の内側に配置されており、受力体220は、変形体40の外側に配置されている。固定体210、受力体220及び変形体40は、それらの中心軸線がいずれもZ軸と重なっており、互いに同心となっている。もちろん、固定体210が変形体40の外側に配置され、受力体220が、変形体40の内側に配置されていても良い。
図17に示すように、受力体220は、Z軸負方向(下方)を向いた受力体表面220aを有している。また、固定体210は、Z軸負方向(下方)を向いた固定体表面210aを有している。受力体表面220a及び固定体表面210aは、共にXY平面と平行な面である。更に、変形体40は、受力体表面220aと同じ下方を向いた変形体表面40aを有している。本実施の形態では、図17に示すように、受力体表面220aZ座標と、固定体表面210aのZ座標と、変形体表面40aのZ座標と、が互いに異なっている。より具体的には、固定体表面210aのZ座標は、変形体表面40aのZ座標よりも小さく、変形体表面40aのZ座標は、受力体表面220aのZ座標よりも小さい。ここで、変形体表面40aのZ座標とは、変形体表面40aのうちZ座標の絶対値が最も大きい座標をいうものとする。したがって、本実施の形態の変形体表面40aのZ座標は、計測部位A1〜A4のZ座標ということになる。なお、他の実施の形態では、受力体表面220aZの座標と、固定体表面210aのZ座標と、のうちの一方のみが、変形体表面40aのZ座標と異なっていても良い。
以上のような固定体210、受力体220及び変形体40の配置に伴って、第1〜第4接続部材231〜234の配置も、第1の実施の形態による力覚センサ1cとは異なっている。すなわち、図16及び図17に示すように、第1接続部材231は、正のX軸上にて、固定体210の外側面(X軸正方向に面する側面)と変形体40の内側面(X軸負方向に面する側面)とを接続している。他方、第2接続部材232は、負のX軸上にて、固定体210の外側面(X軸負方向に面する側面)と変形体40の内側面(X軸正方向に面する側面)とを接続している。更に、図16に示すように、正のY軸上において、受力体220の内側面(Y軸負方向に面する側面)と変形体40の外側面(Y軸正方向に面する側面)とが第3接続部材233によって接続されており、負のY軸上において、受力体220の内側面(Y軸正方向に面する側面)と変形体40の外側面(Y軸負方向に面する側面)とが第4接続部材234によって接続されている。その他の構成は第1の実施の形態による力覚センサ1cの基本構造1と同様である。このため、図面において、対応する構成要素には同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図示されていないが、以上のような基本構造201に対して、第1の実施の形態による力覚センサ1cと同様の配置にて4つの容量素子が配置されることにより、力覚センサ201cが構成される。なお、図17には、固定電極を配置するための部材が示されていないが、力覚センサ201cが取り付けられる部位に適宜固定電極を配置しても良いし、あるいは固定体210に付加的な部材を固定し、この部材に固定電極を配置しても良い。
以上のような力覚センサ201cは、例えばロボットの関節など、互いに相対移動する第1部材及び第2部材から構成される機構部に好適に設置され得る。すなわち、第1部材に固定体210を連結し、第2部材に受力体220を連結すれば、限られたスペースに、他の部材と干渉しないような態様で、力覚センサ201cを配置することができる。
なお、力覚センサ201cに作用した力及びモーメントを計測するための方法は、第1の実施の形態による力覚センサ1cと同様であるため、ここでは、その詳細な説明は省略する。
以上のような基本構造201は、受力体220、変形体40及び固定体210が同心円状に、且つ、XY平面に沿って、配置されている。このため、基本構造201、202の各構成要素を切削加工によって一体的に成形することができる。このような加工により、ヒステリシスの無い力覚センサ201cを提供することができる。
<<< §3. §1及び§2の変形例 >>>
次に、図18及び図19を参照して、以上の各実施の形態による力覚センサ1c、201cに適用可能な変形体640の変形例について説明する。
図2に示す環状変形体40は、内周の輪郭および外周の輪郭がともに円形をなすドーナツ状の構造体であるが、本発明に用いる環状変形体は、必ずしも円形である必要はなく、楕円状、矩形状、三角形状など、任意形状の構造体であってもかまわない。要するに、閉ループ状の経路に沿った構造体であれば、どのような形状の環状変形体を用いてもかまわない。
図18は、矩形の変形体640を示す概略平面図である。また、図19は、図18の概略断面図であり、図19(a)は、図18の[19a]−[19a]線断面図であり、図19(b)は、図18の[19b]−[19b]線断面図である。
本変形例による変形体640は、全体として矩形の形状を有している。ここでは、図18に示すように、正方形の変形体640を例に挙げて説明する。変形体640は、正のX軸上に位置する第1固定部641と、負のX軸上に位置する第2固定部642と、正のY軸上に位置する第1受力部643と、負のY軸上に位置する第2受力部644と、を有している。各固定部641、642及び各受力部643、644は、変形体640のうち固定体10及び受力体20が接続される領域であって、変形体640の他の領域と異なる特性を有する部位ではない。したがって、各固定部641、642及び各受力部643、644の材質は、変形体640の他の領域と同一である。
図18に示すように、変形体640は、更に、第1固定部641と第1受力部643との間(XY平面の第1象限)に位置する第1変形部645と、第1受力部643と第2固定部642との間(XY平面の第2象限)に位置する第2変形部646と、第2固定部642と第2受力部644との間(XY平面の第3象限)に位置する第3変形部647と、第2受力部644と第1固定部641との間(XY平面の第4象限)に位置する第4変形部648と、を有している。各変形部645〜648の両端は、隣接する固定部641、642及び受力部643、644にそれぞれ一体的に連結されている。このような構造によって、受力部43,44に作用した力及びモーメントが確実に各変形部645〜648に伝達され、これによって、当該作用した力及びモーメントに応じた弾性変形が各変形部645〜648に生じるようになっている。
図19に示すように、第1〜第4変形部645〜648は、Z軸方向から見て全て直線状に構成されている。また、原点Oから各固定部641、642及び各受力部643、644までの距離は全て等しいため、各変形部645〜648は、それぞれ、正方形の一辺を構成するように配置されている。
更に、図19(a)及び図19(b)に示すように、変形体640の各変形部645〜648は、§1で説明した各変形部45〜48と同様の構造を有している。但し、本変形例の変形体640では、各変形部645〜648は、Z軸方向から見て円弧状ではなく直線状に構成されている。本変形例でも、第1変形部645が正のV軸に関して対称的に構成されているため、第1主湾曲部645pの最も下方(Z軸負方向)に位置する部位は、正のV軸上に存在している。
このような構成は、残りの3つの変形部646、647、648においても採用されている。すなわち、第2変形部646は、第2主湾曲部646pの最も下方に位置する部位が正のW軸上に存在しており、且つ、正のW軸に関して対称的な形状を有している。第3変形部647は、第3主湾曲部647pの最も下方に位置する部位が負のV軸上に存在しており、且つ、負のV軸に関して対称的な形状を有している。第4変形部648は、第4主湾曲部648pの最も下方に位置する部位が負のW軸上に存在しており、且つ、負のV軸に関して対称的な形状を有している。
図19(a)及び図19(b)に示すように、変形体640には、第1〜第4主湾曲部645p〜648pの最も下方に位置する部位に、すなわちZ軸方向から見て各主湾曲部645p〜648pがV軸及びW軸と重なる部位の下部に、各変形部645〜648に生じる弾性変形を検出するための計測部位A1〜A4が規定されている。なお、図18では、計測部位A1〜A4が変形体640の上面(手前側の面)に設けられているように示されているが、実際は、変形体640の下面(奥側の面)に設けられている(図19参照)。
結局、変形体640は、§1及び§2で説明した力覚センサ1c、201cの環状の変形体40を、各変形部の構造を実質的に維持したまま全体形状のみを矩形に変更したものと言える。したがって、力覚センサ1c、201cの環状の変形体40を上述した変形体640に置換しても、当該力覚センサ1c、201cと同様の作用効果を得ることができる。
<<< §4. 本発明の第3の実施の形態による力覚センサ >>>
次に、本発明の第3の実施の形態による力覚センサについて詳細に説明する。
< 4−1.基本構造の構成 >
図20は、本発明に利用可能な正方形状の矩形変形体340の平面図である。また、図21(a)は、図20の[21a]−[21a]線断面図であり、図21(b)は、図20の[21b]−[21b]線断面図であり、図21(c)は、図20の[21c]−[21c]線断面図であり、図21(d)は、図20の[21d]−[21d]線断面図である。本実施の形態の矩形変形体340は、内周の輪郭および外周の輪郭がともに正方形をなす構造体であり、Z軸方向から見て、原点Oを中心とし各辺がX軸またはY軸に平行に配置されている。矩形変形体340は、正方形の閉ループ状の経路に沿って、XYZ三次元座標系に対して固定された4つの固定部341a〜341dと、矩形変形体340の閉ループ状の経路において固定部341a〜341dと交互に位置付けられ、力及びモーメントの作用を受ける、4つの受力部343a〜343dと、閉ループ状の経路において隣接する固定部341a〜341dと受力部343a〜343dとの間に1つずつ位置付けられた合計8つの変形部345A〜345Hと、を有している。
具体的には、図20に示すように、矩形変形体340は、第2象限に配置された第1固定部341a、第1象限に配置された第2固定部341b、第4象限に配置された第3固定部341c及び第3象限に配置された第4固定部341dを有している。XY平面上に、原点Oを通りX軸およびY軸に対して45°をなすV軸およびW軸を定義した場合に、第2及び第4固定部341b、341dはV軸上に、第1及び第3固定部341a、341cはW軸上に、それぞれ原点Oに関して対称的に配置されている。そして、第1受力部343aは、第1固定部341aと第4固定部341dとの中間地点において負のX軸上に配置されている。更に、第2受力部343bは、第1固定部341aと第2固定部341bとの中間地点において正のY軸上に配置されており、第3受力部343cは、第2固定部341bと第3固定部341cとの中間地点において正のX軸上に配置されており、第4受力部343dは、第3固定部341cと第4固定部341dとの中間地点において負のY軸上に配置されている。
そして、第1変形部345Aが第1受力部343aと第1固定部341aとの間にY軸と平行に配置されており、第2変形部345Bが第1固定部341aと第2受力部343bとの間にX軸と平行に配置されており、第3変形部345Cが第2受力部343bと第2固定部341bとの間にX軸と平行に配置されており、第4変形部345Dが第2固定部341bと第3受力部343cとの間にY軸と平行に配置されており、第5変形部345Eが第3受力部343cと第3固定部341cとの間にY軸と平行に配置されており、第6変形部345Fが第3固定部341cと第4受力部343dとの間にX軸と平行に配置されており、第7変形部345Gが第4受力部343dと第4固定部341dとの間にX軸と平行に配置されており、第8変形部345Hが第4固定部341dと第1受力部343aとの間にY軸と平行に配置されている。各変形部345A〜345Hの具体的な構造は、第1の実施の形態の各変形部45〜48と同様の湾曲構造を有している(図21参照)。
図22は、図20の矩形変形体340を採用した、本実施の形態による力覚センサの基本構造301を示す概略断面図である。図22に示すように、基本構造301は、図20及び図21を参照して説明した矩形変形体340と、この矩形変形体340に対してZ軸負側に配置され、XYZ三次元座標系に対して固定された固定体310と、矩形変形体340に対してZ軸正側に配置され、作用する力及びモーメントを受ける受力体320と、を備えている。固定体310と矩形変形体340とは、当該矩形変形体340の4つの固定部341a〜341dにおいて4つの固定部側接続部材331a〜331dによって接続されている。すなわち、第1固定部側接続部材331aは矩形変形体340の第1固定部341aと固定体310とを接続しており、第2固定部側接続部材331bは矩形変形体340の第2固定部341bと固定体310とを接続しており、第3固定部側接続部材331cは矩形変形体340の第3固定部341cと固定体310とを接続しており、第4固定部側接続部材331dは矩形変形体340の第4固定部341dと固定体310とを接続している。
また、受力体320と矩形変形体340とは、当該矩形変形体340の4つの受力部343a〜343dにおいて4つの受力部側接続部材332a〜332dによって接続されている。すなわち、第1受力部側接続部材332aは矩形変形体340の第1受力部343aと受力体320とを接続しており、第2受力部側接続部材332bは矩形変形体340の第2受力部343bと受力体320とを接続しており、第3受力部側接続部材332cは矩形変形体340の第3受力部343cと受力体320とを接続しており、第4受力部側接続部材332dは矩形変形体340の第4受力部343dと受力体320とを接続している。以上のような構成によって、受力体320に作用した力及びモーメントが確実に矩形変形体340に伝達されるようになっている。なお、図22では、本実施の形態の基本構造301について、図21(a)に対応する断面図のみが示されており、図21(c)〜図21(d)に対応する断面図は、図22と略同様であるため、図示が省略されている。
< 4−2. 基本構造の作用 >
次に、この基本構造301の作用について説明する。
(4−2−1.X軸正方向の力+Fxが作用した場合)
図23は、受力体230にX軸正方向の力+Fxが作用したときに、図20に示す矩形変形体340の各検出点A1〜A8に生じる変位を説明するための図である。図中の矢印等の記号の意味は、§1で説明した通りである。
受力体320を介して受力部341a〜341dにX軸正方向の力+Fxが作用することにより、各受力部341a〜341dはX軸正方向へ変位する。この結果、第3変形部345C及び第6変形部345Fは、圧縮力の作用を受ける。この場合、前述した1−2.から理解されるように、第3変形部345C及び第6変形部345Fは各湾曲部345Cp、345Fpの曲率半径が小さくなるように弾性変形する。このため、各検出点A3、A6は共にZ軸負方向に変位する。一方、図23に示すように、第2変形部345B及び第7変形部345Gは、引張力の作用を受ける。この場合、前述した1−2.から理解されるように、第2変形部345B及び第7変形部345Gは各湾曲部345Bp、345Gpの曲率半径が大きくなるように弾性変形する。このため、各検出点A2、A7は共にZ軸正方向に変位する。
また、X軸上に位置する2つの受力部343a、343cは、第1、第4、第5、第8変形部345A、345D、345E、345Hの整列方向(Y軸方向)に対して直交する方向(X軸方向)に移動する。このため、これら4つの変形部345A、345D、345E、345Hでは、対応する検出点A1、A4、A5、A8にZ軸方向への変位がほとんど生じない。
なお、基本構造301の受力部341a〜341dにY軸正方向の力+Fyが作用したときの当該基本構造301の作用は、上述した、X軸正方向の力+Fxが作用したときの基本構造301の作用を、原点Oを中心として反時計回りに90°回転させて考えればよい。このため、ここでは、その詳細な説明は省略する。
(4−2−2.Z軸正方向の力+Fzが作用した場合)
次に、図24は、受力体320にZ軸正方向の力+Fzが作用したときに、図20に示す矩形変形体340の各検出点A1〜A8に生じる変位を説明するための図である。図中の矢印等の記号の意味は、§1で説明した通りである。
受力体320を介して受力部341a〜341dにZ軸正方向の力+Fzが作用することにより、各受力部341a〜341dはZ軸正方向へ変位する。この結果、図24に示すように、第1〜第8変形部345A〜345Hは、受力部341a〜341dの側がZ軸正方向に引っ張られる。この結果、各検出点A1〜A8は、いずれもZ軸正方向に変位する。
(4−2−3.X軸正まわりのモーメント+Mxが作用した場合)
次に、図25は、図20の矩形変形体340に対してX軸正方向のモーメント+Mxが作用したときに各検出点A1〜A8に生じる変位を説明するための図である。図中の矢印等の記号の意味は、§1で説明した通りである。
受力体320にX軸正まわりのモーメント+Mxが作用すると、正のY軸上に位置する第2受力部343bがZ軸正方向(図25における手前方向)に変位し、負のY軸上に位置する第4受力部343dがZ軸負方向(図25における奥行き方向)に変位する。したがって、図33に示すように、第2及び第3変形部345B、345Cは、力+Fzが作用したときと同様に、Z軸正方向の力の作用を受ける。すなわち、3−2−2.で説明したように、第2及び第3検出点A2、A3は、Z軸正方向に変位する。一方、図25に示すように、第6及び第7変形部345F、345Gは、力+Fzが作用したときとは逆に、Z軸負方向の力の作用を受ける。この場合、第6及び第7検出点A6、A7は、Z軸負方向に変位する。
更に、図25に示すように、第1受力部343a及び第3受力部343cは、Y軸正側の端部がZ軸正方向(図25における手前側)に変位し、Y軸負側の端部がZ軸負方向(図25における奥側)に変位する。これらの変位に伴って、第1及び第4計測部位A1、A4はZ軸正方向に変位し、第5及び第8計測部位A5、A8はZ軸負方向に変位する。但し、回転中心軸であるX軸から各計測部位A1〜A8までの距離から明らかなように、第1、第4、第5及び第8計測部位A1、A4、A5、A8に生じるZ軸方向の変位の絶対値は、第2、第3、第6及び第7計測部位A2、A3、A6及びA7に生じるZ軸方向の変位より小さい。
なお、基本構造301の受力部343a〜343dにY軸正まわりのモーメント+Myが作用したときの当該基本構造301の作用は、上述した、X軸正まわりのモーメント+Mxが作用した場合を、原点Oを中心として反時計回りに90°回転させて考えればよい。このため、ここでは、その詳細な説明は省略する。
(4−2−4.Z軸正まわりのモーメント+Mzが作用した場合)
次に、図26は、図20の矩形変形体340に対してZ軸正方向のモーメント+Mzが作用したときに各検出点A1〜A8に生じる変位を説明するための図である。図中の矢印等の記号の意味は、§2で説明した通りである。
受力体320にZ軸正まわりのモーメント+Mzが作用すると、図26に示すように、負のX軸上に位置する第1受力部343aがX軸負方向に変位し、正のY軸上に位置する第2受力部343bがX軸負方向に変位し、正のX軸上に位置する第3受力部343cがY軸正方向に変位し、負のY軸上に位置する第4受力部343dがX軸正方向に変位する。したがって、図26に示すように、第2、第4、第6及び第8変形部345B、345D、345F、345Hは、圧縮力の作用を受ける。この場合、前述した1−2.から理解されるように、第2、第4、第6及び第8変形部345B、345D、345F、345Hは、各湾曲部345Bp、345Dp、345Fp、345Hpの曲率半径が小さくなるように弾性変形する。このため、各検出点A2、A4、A6、A8は、Z軸負方向に変位する。
一方、図26に示すように、第1、第3、第5及び第7変形部345A、345C、345E、345Gは、引張力の作用を受ける。この場合、前述した1−2.から理解されるように、第1、第3、第5及び第7変形部345A、345C、345E、345Gは、各湾曲部345Ap、345Cp、345Ep、345Gpの曲率半径が大きくなるように弾性変形する。このため、各検出点A1、A3、A5、A7は、Z軸正方向に変位する。
以上のまとめとして、図27には、受力体320にXYZ三次元座標系の各軸方向の力+Fx、+Fy、+Fz及び各軸方向のモーメント+Mx、+My、+Mzが作用したときに図20の矩形変形体340の各検出点A1〜A8と固定体310との離間距離の増減が、一覧で示されている。図27において、検出点A1〜A8の欄に記された符号「+」は、検出点と固定体310との離間距離が増大することを意味し、符号「−」は、当該離間距離が減少することを意味し、「0」は、当該離間距離が変化しないことを意味している。また、符号「++」及び「−−」は、検出点と固定体310との離間距離がより大きく増大及び減少することを、それぞれ意味している。
なお、受力体320に作用する力及びモーメントが負方向及び負まわりである場合には、上述した各変形部345A〜345Hに作用する力の向きが逆になる。このため、図27に一覧で示した各検出点A1〜A8と固定体310との離間距離の増減は、全て逆になる。
< 4−3. 力覚センサの構成 >
次に、4−1、4−2において説明した基本構造301を有する力覚センサ301cの構成について説明する。
図28は、図22の基本構造301を用いた、本実施の形態による力覚センサ301cを示す概略平面図であり、図29は、図28の[29]−[29]線断面図である。図28では、説明の便宜上、受力体320の図示は省略されている。
図28及び図29に示すように、力覚センサ301cは、上述した基本構造301と、基本構造301の変形部345A〜315Hの各検出点A1〜A8に生じる変位に基づいて、作用した力及びモーメントを検出する検出回路350と、を有している。本実施の形態の検出回路350は、図28及び図29に示すように、変形部345A〜315Hの各検出点A1〜A8に1つずつ配置された、合計8個の容量素子C1〜C8と、これらの容量素子C1〜C8に接続され、当該容量素子C1〜C8の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力を計測する計測部(不図示)と、を有している。
8個の容量素子C1〜C8の具体的な構成は、第1の実施の形態と同様である。すなわち、図29に示すように、基本構造301において、第2変位電極Em2が第2検出点A2に設けられ、この第2変位電極Em2に対向するように第2固定電極Ef2が固定体310上に設けられている。これらの電極Em2、Ef2が第2容量素子C2を構成している。同様に、基本構造301において、第3変位電極Em3が第3検出点A3に設けられ、この第3変位電極Em3に対向するように第3固定電極Ef3が固定体310上に設けられている。これらの電極Em3、Ef3が第3容量素子C3を構成している。
更に、詳細には図示されていないが、基本構造301において、第1及び第4〜8変位電極Em1、Em4〜Em8が第1、第4〜第8検出点A1、A4〜A8にそれぞれ設けられ、これらの変位電極Em1、Em4〜Em8に対向するように第1及び第4〜第8固定電極Ef1、Ef4〜Ef8が固定体310上に設けられている。そして、互いに対向する変位電極Em1、Em4〜Em8及び固定電極Ef1、Ef4〜Ef8が第1及び第4〜第8容量素子C1、C4〜C8を構成している。
具体的には、図29に示すように、各変位電極Em1〜Em8は、対応する計測部位A1〜A8に支持された第1〜第8変形体側支持体361〜368の下面に、第1〜第8変位基板Im1〜Im8を介して支持されている。更に、各固定電極Ef1〜Ef8は、固定体310の上面に固定された第1〜第8固定体側支持体371〜378の上面に、第1〜第8固定基板If1〜If8を介して支持されている。各変位電極Em1〜Em8は、全て同一の面積であり、各固定電極Ef1〜Ef8も、全て同一の面積である。但し、第1の実施の形態と同様に、変位電極Em1〜Em8の電極面積は、固定電極Ef1〜Ef8の電極面積よりも大きく構成されている。初期状態において、容量素子C1〜C8を構成する各組の電極の実効対向面積及び離間距離は、全て同一である。
更に、図28及び図29に示すように、力覚センサ301cは、変形体340の各変形部345A〜345Hに生じる弾性変形に基づいて、受力体320に作用した力及びモーメントを示す電気信号を出力する検出回路350を有している。図28及び図29では、各容量素子C1〜C8と検出回路350とを電気的に接続する配線は、図示が省略されている。
なお、固定体310、受力体320及び変形体340が金属などの導電材料で構成されている場合、各電極がショートしないように、第1〜第8変位基板Im1〜Im8及び第1〜第8固定基板If1〜If8は、絶縁体で構成される必要がある。この点については、第1の実施の形態と同様である。
< 4−4. 力覚センサの作用 >
次に、以上の力覚センサ301cに対してXYZ三次元座標系における各軸方向の力Fx、Fy、Fz及び各軸まわりのモーメントMx、My、Mzが作用したときの、当該力覚センサ301cの作用について説明する。
(4−4−1. X軸正方向の力+Fxが作用したとき)
まず、力覚センサ301cにX軸正方向の力+Fxが作用すると、図27の+Fxの欄から理解されるように、第2及び第7容量素子C2、C7では、電極間の離間距離が共に増大するため、静電容量値が減少する。一方、第3及び第6容量素子C3、C6では、電極間の離間距離が共に減少するため、静電容量値が増大する。残りの第1、第4、第5及び第8容量素子C1、C4、C5、C8では、電極間の離間距離が実質的に変化しないため、静電容量値は変化しない。なお、力覚センサ301cにX軸負方向の力−Fxが作用すると、第2、第3、第6及び第7容量素子C2、C3、C6、C7の静電容量値の増減が逆になる。
(4−4−2. Y軸正方向の力+Fyが作用したとき)
次に、力覚センサ301cにY軸正方向の力+Fyが作用すると、図27の+Fyの欄から理解されるように、第5及び第8容量素子C5、C8では、電極間の離間距離が共に増大するため、静電容量値が減少する。一方、第1及び第4容量素子C1、C4では、電極間の離間距離が共に減少するため、静電容量値が増大する。残りの第2、第3、第6及び第7容量素子C2、C3、C6、C7では、電極間の離間距離が実質的に変化しないため、静電容量値は変化しない。なお、力覚センサ301cにY軸負方向の力−Fyが作用すると、第1、第4、第5及び第8容量素子C1、C4、C5、C8の静電容量値の増減が逆になる。
(4−4−3. Z軸正方向の力+Fzが作用したとき)
次に、力覚センサ301cにZ軸正方向の力+Fzが作用すると、図27の+Fzの欄から理解されるように、全ての容量素子C1〜C8において、電極間の離間距離が増大するため、静電容量値が減少する。なお、力覚センサ301cにZ軸負方向の力−Fzが作用すると、全ての容量素子C1〜C8において、電極間の離間距離が減少するため、静電容量値が増大する。
(4−4−4. X軸正まわりのモーメント+Mxが作用したとき)
次に、力覚センサ301cにX軸正まわりのモーメント+Mxが作用すると、図27の+Mxの欄から理解されるように、第1〜第4容量素子C1〜C4では、電極間の離間距離が増大するため静電容量値が減少する。但し、電極間の離間距離の変化量の相違から、第1及び第4容量素子C1、C4よりも第2及び第3容量素子C2、C3において、静電容量値がより大きく減少する。一方、第5〜第8容量素子C5〜C8では、電極間の離間距離が減少するため静電容量値が増大する。但し、電極間の離間距離の変化量の相違から、第5及び第8容量素子C5、C8よりも第6及び第7容量素子C6、C7において、静電容量値がより大きく増大する。なお、力覚センサ301cにX軸負まわりのモーメント−Mxが作用すると、各容量素子C1〜C8の静電容量値の増減が逆になる。
(4−4−5. Y軸正まわりのモーメント+Myが作用したとき)
次に、力覚センサ301cにY軸正まわりのモーメント+Myが作用すると、図27の+Myの欄から理解されるように、第1、第2、第7及び第8容量素子C1、C2、C7、C8では、電極間の離間距離が増大するため静電容量値が減少する。但し、電極間の離間距離の変化量の相違から、第2及び第7容量素子C2、C7よりも第1及び第8容量素子C1、C8において、静電容量値がより大きく減少する。一方、第3〜第6容量素子C3〜C6では、電極間の離間距離が減少するため静電容量値が増大する。但し、電極間の離間距離の変化量の相違から、第3及び第6容量素子C3、C6よりも第4及び第5容量素子C4、C5において、静電容量値がより大きく増大する。なお、力覚センサ301cにY軸負まわりのモーメント−Myが作用すると、各容量素子C1〜C8の静電容量値の増減が逆になる。
(4−4−6. Z軸正まわりのモーメント+Mzが作用したとき)
次に、力覚センサ301cにZ軸正まわりのモーメント+Mzが作用すると、図27の+Mzの欄から理解されるように、第1、第3、第5及び第7容量素子C1、C3、C5、C7では、電極間の離間距離が増大するため静電容量値が減少する。一方、第2、第4、第6及び第8容量素子C2、C4、C6、C8では、電極間の離間距離が減少するため静電容量値が増大する。なお、力覚センサ301cにZ軸負まわりのモーメント−Mzが作用すると、各容量素子C1〜C8の静電容量値の増減が逆になる。
以上に説明した各容量素子C1〜C8の静電容量値の増減は、図30に纏めて示してある。図30において、符号「+」は、静電容量値が増大することを意味し、符号「−」は静電容量値が減少することを意味している。また、符号「++」は、静電容量値が大きく増大することを意味し、符号「−−」は、静電容量値が大きく減少することを意味している。一方、数字「0」は、静電容量値が実質的に変化しないことを意味している。
(4−4−7. 作用した力及びモーメントの算出方法)
以上のような容量素子C1〜C8の静電容量値の変動に鑑み、検出回路350は、次の[式2]を用いて力覚センサ301cに作用した力Fx、Fy、Fz及びモーメントMx、My、Mzを算出する。[式2]において、C1〜C8は、第1〜第8容量素子C1〜C8の静電容量値の変動量を示している。
[式2]
Fx=−C2+C3+C6−C7
Fy=C1+C4−C5−C8
Fz=−C1−C2−C3−C4−C5−C6−C7−C8
Mx=−C1−C2−C3−C4+C5+C6+C7+C8
My=−C1−C2+C3+C4+C5+C6−C7−C8
Mz=−C1+C2−C3+C4−C5+C6−C7+C8
なお、力覚センサ301cに作用した力及びモーメントが負方向である場合には、左辺のFx、Fy、Fz、Mx、My及びMzを−Fx、−Fy、−Fz、−Mx、−My及び−Mzにすれば良い。但し、この場合、右辺のC1〜C4の符号も逆になるため、結局、作用した力及びモーメントの正負によらず、[式2]により作用した力及びモーメントが計測される。
但し、[式2]によれば、Z軸方向の力Fzが−C1〜−C8の和によって求められる。このため、力Fzについては、力覚センサ301cの使用環境における温度変化や同相ノイズの影響を受けやすい点に注意が必要である。
< 4−5. 力覚センサの他軸感度 >
次に、図31を参照して、本実施の形態による力覚センサ301cの他軸感度について説明する。図31は、図28に示す力覚センサ301cにおける、各軸方向の力Fx、Fy、Fz及び各軸まわりのモーメントMx、My、Mzの他軸感度VFx〜VMzを一覧で示す図表である。
図31の図表中に配された数字は、図30に示す図表の各力Fx、Fy、Fz及び各モーメントMx、My、Mzについて、「+」の記号が付された容量素子を+1とし、「−」の記号が付された容量素子を−1として、上述した[式2]のそれぞれの右辺に代入して得られた値である。すなわち、行VFxと列Fxとが交わるマス目に記された「8」という数字は、Fxを示す式([式2]の第1式)に、図30のFxの行に基づいてC2=C7=−1、及び、C3=C6=+1を代入して得られた値である。また、行VFxと列Fyとが交わるマス目に記された「0」という数字は、Fxを示す式に、図30のFyの行に基づいてC1=C4=+1、及び、C5=C8=−1を代入して得られた値である。その他のマス目の数字についても同様である。
他軸感度が無い場合には、図31の図表において左上から右下に向かう対角線上に位置する6つのマス目以外の全てのマス目がゼロになる。ところが、図31に示すように、例えばFxにはMyの他軸感度が存在しているため、FxとMyが互いに影響を及ぼし合う。したがって、このままでは正確な力及びモーメントを検出することができない。しかしながら、この場合、実際の他軸感度のマトリクス(図31の図表に対応する6行6列の行列)の逆行列を求め、この逆行列を力覚センサ301cの出力に乗じるという補正演算によって、他軸感度をゼロにすることができる。
以上のような本実施の形態による力覚センサ301cによれば、主湾曲部345Ap〜345Hpとこれに隣接する固定部341a〜341d及び受力部343a〜343dとの間に固定部側湾曲部345Af〜345Hf及び受力部側湾曲部345Am〜345Hmがそれぞれ介在することにより、主湾曲部345Ap〜345Hpとこれに隣接する341a〜341d及び受力部343a〜343dとの接続部分への応力集中を回避することができる。このため、本実施の形態によれば、高い信頼性を備えた静電容量タイプの力覚センサ301cを提供することができる。
また、本実施の形態による力覚センサ301cは、XYZ三次元座標系の各軸方向の力Fx、Fy、Fz及び各軸まわりのモーメントMx、My、Mzの6つの成分全てを計測することができる。更に、力覚センサ301cは、Z軸方向の力Fzを除く5つの成分を、8つの容量素子C1〜C8の静電容量値の差分によって検出することができる。すなわち、本実施の形態によれば、力Fzを除く5つの成分Fx、Fy、Mx、My、Mzを計測するに当たって、使用環境の温度変化や同相ノイズによる影響を受けにくい力覚センサ301cを提供することができる。
また、変形体として、X軸及びY軸に関して対称的な正方形の形状を有する矩形変形体340を有しているため、作用した力及びモーメントに起因して、矩形変形体340が対称的に変形する。このため、当該変形に基づいて作用した力及びモーメントを計測することが容易である。
とりわけ、矩形変形体340は、その中心がXYZ三次元座標系の原点Oに一致するようにXY平面上に位置付けられている。そして、4つの受力部343a〜343dが矩形変形体340の各辺の中点に1つずつ配置されており、4つの固定部が矩形変形体340の各頂点に1つずつ配置されている。このような対称的な構成により、容量素子C1〜C8がX軸及びY軸に関して対称的に配置されるため、各容量素子C1〜C8の静電容量値の変動量に基づいて、極めて容易に作用した力及びモーメントを計測することができる。
また、主湾曲部345Ap〜345Hpの主湾曲面345Apa〜345Hpaは、矩形変形体340の閉ループ状の矩形の経路に沿って観察したとき、円弧に沿った曲面で構成されている。このため、力覚センサ301cに作用する力及びモーメントによって主湾曲部345Ap〜345Hpに生じる弾性変形をより安定化させることができる。
<<< §5. 本発明の第4の実施の形態による力覚センサ >>>
次に、本発明の第4の実施の形態による力覚センサについて詳細に説明する。
< 5−1.基本構造の構成 >
図32は、本発明の第4の実施の形態による力覚センサに採用される基本構造401を示す概略正面図である。上述した第3の実施の形態とは異なり、本実施の形態の基本構造401は、ドーナツ状の環状変形体440を有している。環状変形体440は、内周の輪郭および外周の輪郭がともに円形をなす構造体であり、Z軸方向から見て、原点Oを中心としてXY平面上に配置されている。環状変形体440は、円形の閉ループ状の経路に沿って、XYZ三次元座標系に対して固定された4つの固定部441a〜441dと、当該閉ループ状の経路において固定部441a〜441dと交互に位置付けられ、力及びモーメントの作用を受ける、4つの受力部443a〜443dと、閉ループ状の経路において隣接する固定部441a〜441dと受力部443a〜443dとの間に1つずつ位置付けられた合計8つの変形部445A〜445Hと、を有している。
図32に示すように、XY平面上に原点Oを通りX軸およびY軸に対して45°をなすV軸およびW軸を定義すると、4つの固定部441a〜441dは当該V軸上及びW軸上に1つずつ配置されている。また、4つの受力部443a〜443dは、X軸上及びY軸上に1つずつ配置されている。原点Oから各固定部441a〜441d及び各受力部443a〜443dまでの距離は、いずれも等しい。図32に示すように、8つの変形部445A〜445Hは、負のX軸及び正のW軸とで挟まれた領域に位置する変形部を第1変形部445Aとし、環状変形体440の円環状の経路に沿って時計回りに、第2変形部445B、第3変形部445C、・・・、第8変形部445Hと呼ぶこととする。各変形部445A〜445Hの具体的な構造は、第1の実施の形態の各変形部45〜48と同様の湾曲構造を有している(図21参照)。要するに、本実施の形態の環状変形体440は、第3の実施の形態の矩形変形体340(図20参照)の各辺を湾曲させて円環状に構成したものである。したがって、本実施の形態による基本構造401は、このような環状変形体が採用されている点で第3の実施の形態とは異なっている。
また、環状変形体440が採用されたことに伴って、固定体410及び受力体420も外周の輪郭線が原点Oを中心とする円であるように構成されている。但し、図21においては、説明の便宜上、受力体420の図示は省略されている。一方、その他の構成は第3の実施の形態と同様であるため、図32において第3の実施の形態と共通する構成には同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
< 5−2. 基本構造の作用 >
次に、この基本構造401の作用について説明する。前述したように、環状変形体440は、第3の実施の形態による矩形変形体340の各辺を湾曲させて構成されたものと見なすことができる。したがって、環状変形体440の受力部443a〜443dにXYZ三次元座標系の各軸方向の力Fx、Fy、Fz及び各軸まわりのモーメントMx、My、Mzが作用したときに、各変形部445A〜445Hの計測部位A1〜A8と固定体410との離間距離の増減は、第3の実施の形態における当該離間距離の増減と本質的に同じである。
但し、変形体の形状が矩形から円形に変更されたことに伴って、受力体420を介して受力部443a〜443dにX軸正方向の力+Fxが作用すると、第1、第4、第5及び第8変形部445A、445D、445E、445Hの各湾曲部445Ap、445Dp、445Ep、445Hpにおいて弾性変形が観察される。具体的には、第1及び第8変形部445A、445Hが僅かに圧縮変形されるため、対応する第1及び第8計測部位A1、A8がZ軸負方向に変位する。一方、第4及び第5変形部445D、445Eは僅かに引張変形されるため、対応する第4及び第5計測部位A4、A5がZ軸正方向に変位する。同様に、受力体420を介して受力部443a〜443dにY軸正方向の力+Fyが作用すると、第6及び第7変形部445F、445Gが僅かに圧縮変形されるため、対応する第6及び第7計測部位A6、A7がZ軸負方向に変位する。一方、第2及び第3変形部445B、445Cは僅かに引張変形されるため、対応する第2及び第3計測部位A2、A3がZ軸正方向に変位する。その他の力Fz及びモーメントMx、My、Mzが作用した場合には、各計測部位A1〜A8に生じるZ軸方向の変位は、第3の実施の形態と同様である。
本実施の形態による基本構造401の受力体420にXYZの各軸方向の力Fx、Fy、Fz及び各軸まわりのモーメントMx、My、Mzが作用したときの、各計測部位A1〜A8と固定体410との離間距離の増減が図33に一覧で示されている。図33において、符号「+」は、計測部位A1〜A8と固定体410との離間距離が増大することを意味し、符号「−」は当該離間距離が減少することを意味している。また、符号「++」は、当該離間距離が大きく増大することを意味し、符号「−−」は、当該離間距離が大きく減少することを意味している。更に、括弧書きの符号「(+)」及び「(−)」は、各計測部位A1〜A8と固定体410との離間距離の増減の程度が僅かであることを意味している。
< 5−3. 力覚センサの構成 >
次に、5−1、5−2において説明した基本構造401を有する力覚センサ401cの構成について説明する。
図34は、図32の基本構造301を用いた、本実施の形態による力覚センサ301cを示す概略平面図である。図34に示すように、力覚センサ401cは、上述した基本構造401と、基本構造401の変形部445A〜415Hの各検出点A1〜A8に生じる変位に基づいて、作用した力及びモーメントを検出する検出回路450と、を有している。本実施の形態の検出回路450は、図34に示すように、変形部445A〜445Hの各検出点A1〜A8に1つずつ配置された、合計8個の容量素子C1〜C8と、これらの容量素子C1〜C8に接続され、当該容量素子C1〜C8の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力を計測する計測部(不図示)と、を有している。図34では、各容量素子C1〜C8と検出回路450とを電気的に接続する配線は、図示が省略されている。各容量素子の構成及び基本構造401への取付態様、及びその他の構成については、第3の実施の形態と略同様である。このため、図34において、第3の実施の形態と同様の構成部分には略同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
< 5−4. 力覚センサの作用 >
以上の説明から理解されるように、力覚センサ401cは、作用する力及びモーメントに対し、第3の実施の形態による力覚センサ301cと略同様の挙動を示す。とりわけ、力覚センサ401cに対して、Z軸方向の力Fz、XYZの各軸まわりのモーメントMx、My、Mzの4つの成分がそれぞれ作用した場合、各容量素子C1〜C8の静電容量値の変動は、第3の実施の形態による力覚センサ301cと同じ挙動を示す。
一方、変形体の形状の相違に起因して、X及びY軸方向の力Fx、Fyがそれぞれ作用した場合、各容量素子C1〜C8の静電容量値の変動は、第3の実施の形態による力覚センサ301cと僅かに異なる。例えば、受力体420にX軸正方向の力+Fxが作用すると、環状変形体440の各受力部443a〜443dはX軸正方向に変位する。このとき、第1受力部443aが環状変形体440の中心(原点O)に向かって変位することによって、第1及び第8変形部445A、445Hが、環状変形体440の径方向に僅かに圧縮される。これにより、第1及び第8主湾曲部445Ap、445Hpは、曲率半径が僅かに小さくなるように弾性変形し、対応する各検出点A1、A8がZ軸負方向に僅かに変位する。同様に、第3受力部443cが環状変形体440の中心(原点O)から離れるように変位することによって、第4及び第5変形部445D、445Eが、環状変形体440の周方向に僅かに引っ張られる。これにより、第4及び第5主湾曲部445Dp、445Epは、曲率半径が僅かに大きくなるように弾性変形し、対応する検出点A4、A5がZ軸正方向に僅かに変位する。
他方、残りの第2、第3、第6及び第7変形部445B、445C、445F、445Gに生じる弾性変形、及び、対応する計測部位A2、A3、A6、A7の変位は、第3の実施の形態と同様である。もちろん、これらの計測部位A2、A3、A6、A7の変位の絶対値は、上述した計測部位A1、A4、A5、A8の変位の絶対値よりも大きい。なお、力覚センサ401cの受力体420にX軸負方向の力が作用した場合には、各変形部445A〜445Hに作用する力の向きが逆になるため、各検出点A1〜A8の変位の方向も逆になる。
力覚センサ401cの受力体420にY軸方向の力Fyが作用した場合については、上述したX軸方向の力Fxが作用した場合を、原点Oを中心として反時計まわりに90°回転させて考えれば良い。したがって、力覚センサ401cでは、第3の実施の形態による力覚センサ301cの受力体320にY軸方向の力Fyが作用した場合には変位が生じていなかった第2、第3、第6及び第7計測部位A2、A3、A6、A7にも、僅かにZ軸方向の変位が検出することになる。
以上のことから、本実施の形態による力覚センサ401cでは、XYZ三次元座標系における各軸方向の力Fx、Fy、Fz及び各軸まわりのモーメントMx、My、Mzが作用すると、各検出点A1〜A8にそれぞれ対応付けられた容量素子C1〜C8の静電容量値が、第3の実施の形態と略同様に変動することが分かる。但し、本実施の形態では、X軸方向の力Fxが作用したときに、計測部位A1、A4、A5、A8にZ軸方向の僅かな変位が生じるため、これに伴って容量素子C1、C4、C5、C8の静電容量値が僅かに変動する。同様に、Y軸方向の力Fyが作用したときに、計測部位A2、A3、A6、A7にZ軸方向の僅かな変位が生じるため、これに伴って容量素子C2、C3、C6、C7の静電容量値が僅かに変動する。
以上に説明した各容量素子C1〜C8の静電容量値の増減は、図35に纏めて示してある。図35において、符号「+」は、静電容量値が増大することを意味し、符号「−」は静電容量値が減少することを意味している。また、符号「++」は、静電容量値が大きく増大することを意味し、符号「−−」は、静電容量値が大きく減少することを意味している。更に、括弧書きの符号「(+)」及び「(−)」は、静電容量値が僅かに変動することを意味している。
< 5−5. 作用した力及びモーメントの算出方法 >
以上のような容量素子C1〜C8の静電容量値の変動に鑑み、検出回路450は、次の[式3]を用いて力覚センサ401cに作用した力Fx、Fy、Fz及びモーメントMx、My、Mzを算出する。[式3]において、C1〜C8は、第1〜第8容量素子C1〜C8の静電容量値の変動量を示している。
[式3]
Fx=−C2+C3+C6−C7
Fy=C1+C4−C5−C8
Fz=−C1−C2−C3−C4−C5−C6−C7−C8
Mx=−C1−C2−C3−C4+C5+C6+C7+C8
My=−C1−C2+C3+C4+C5+C6−C7−C8
Mz=−C1+C2−C3+C4−C5+C6−C7+C8
あるいは、検出回路450は、Mx及びMyについて、図35中の「++」及び「−−」の符号が付されている容量素子のみを用いて、以下の[式4]を用いて作用した力Fx、Fy、Fz及びモーメントMx、My、Mzを算出しても良い。もちろん、このことは第3の実施の形態にも当てはまる。
[式4]
Fx=−C2+C3+C6−C7
Fy=C1+C4−C5−C8
Fz=−C1−C2−C3−C4−C5−C6−C7−C8
Mx=−C2−C3+C6+C7
My=−C1−C2+C3+C4+C5+C6−C7−C8
Mz=−C1+C2−C3+C4−C5+C6−C7+C8
この[式3]は、第3の実施の形態において説明した[式2]と同一である。前述したように、力覚センサ401cでは、X及びY軸方向の力Fx、Fyが作用したときに、図35において括弧書きで符号示したように、僅かに静電容量値が変動する容量素子が存在する。しかしながら、これらの静電容量値の変動量は、括弧無しの符号が示されている容量素子の静電容量値の変動量と比較すると極めて小さいものである。したがって、作用した力及びモーメントを算出する際には、括弧書きで符号が示されている容量素子の静電容量値の変化は、実質的にゼロとして取り扱って差し支えない。
力覚センサ401cに作用した力及びモーメントが負方向である場合には、左辺のFx、Fy、Fz、Mx、My及びMzを−Fx、−Fy、−Fz、−Mx、−My及び−Mzにすれば良い。なお、Z軸方向の力Fzが−C1〜−C8の和によって求められるため、力Fzについては、力覚センサ301cの使用環境における温度変化や同相ノイズの影響を受けやすい点に注意が必要である。また、他軸感度を打ち消すための補正演算についても、第3の実施の形態と同様の手法が採用され得る。これにより、他軸感度の影響を実質的にゼロにすることができ、高精度の力覚センサ401cが達成され得る。
以上のような本実施の形態による力覚センサ401cによっても、第3の実施の形態による力覚センサ301cと同様の作用効果を得ることができる。
< 5−6. 補正演算の具体的な手法 >
ここで、補正演算の手法について詳細に説明する。図36は、受力体420にXYZ三次元座標系の各軸方向の力Fx、Fy、Fz及び各軸方向のモーメントMx、My、Mzが作用したときに、各容量素子C1〜C8に生じる静電容量値の変動を示す図表である。また、図37は、図36に示す各静電容量値の変動に基づいて算出した、図34の力覚センサ401cの他軸感度を一覧で示す図表である。
受力体420にXYZ三次元座標系の各軸方向の力Fx、Fy、Fz及び各軸方向のモーメントMx、My、Mzが作用すると、各容量素子C1〜C8の静電容量値は、図36に示すように変動する。なお、図36の図表と図35の図表とは、図35の(+)及び(−)に対応する欄の符号が異なっている。この理由としては、図35が図34の点A1〜A8における変位であり、図36が図34の容量素子の静電容量値の実際の変化を示している点、図36が有限要素解析による解析結果であり、解析時のメッシュの設定などにより計算誤差が生じる点、などが考えられる。いずれにしても、作用した力及びモーメントを計測する際に補正演算を行うので、上述した符号の相違は大きな問題ではない。
図36に示す各数値に基づき、本実施の形態による力覚センサ401cの他軸感度を評価すると、図37に示すとおりである。なお、図37の他軸感度は、前述した[式4]に基づいて算出されている。具体的には、図37の行Fxと列VFxとが交わるマス目に記載されている0.88という数値は、Fx=−C2+C3+C6−C7という[式4]の第1式に、図36のFxの行に記載されているC2=−0.22、C3=C6=0.22及びC7=−0.22を代入して得られた数値である。同様に、例えば行Myと列VFxとが交わるマス目に記載されている2.00という数値は、Fx=−C2+C3+C6−C7という[式4]の第1式に、図36のMyの行に記載されているC2=−0.50、C3=C6=0.50及びC7=−0.50を代入して得られた数値である。その他のマス目についても同様にして数値が算出されている。
以上のようにして作成された図37の図表は、6行6列の行列として見なすことができる。この逆行列が、図38に示されている。この逆行列を力覚センサ401cの検出回路450からの出力に乗じることによって、他軸感度を打ち消すことができるのである。
なお、以上の各力覚センサにおいては、図4に示す変形体40が作用されている。しかしながら、図4とは異なる構成の変形体を採用することも可能である。図39及び図40は、図4の変形例による変形体540A、540Bの一部を示す概略側面図である。具体的には、図39及び図40では、変形体540A、540Bのうち図4と対応する部分のみが図示されている。
図39に示す例では、主湾曲部546Apと固定部側湾曲部546Afとの間に、Z軸正側の面及びZ軸負側の面が互いに平行な平面となっている固定部側直線部546Afsが設けられている。更に、主湾曲部546Apと受力部側湾曲部546Amとの間に、Z軸正側の面及びZ軸負側の面が互いに平行な平面となっている受力部側直線部546Amsが設けられている。更に、変形部546AのZ軸正側の面が、図4に示す例とは異なる曲率を有している。すなわち、主湾曲部546ApのZ軸正側の面546pbは、図4と同様に点O1を中心とする半径r1の円弧に沿った湾曲面であるが、図39に示すように、固定部側湾曲部546AfのZ軸正側の面546fbは、点O5を中心とする半径r5の円弧に沿った湾曲面であり、Z軸正側に向かって湾曲している。更に、図39に示すように、受力部側湾曲部546AmのZ軸正側の面546mbは、点O7を中心とする半径r7の円弧に沿った湾曲面であり、Z軸正側に向かって湾曲している。
また、主湾曲部546Apの主湾曲面546paは、図4と同様に点O2を中心とする半径r2の円弧に沿った湾曲面であるが、図39に示すように、固定部側湾曲面546faは、点O6を中心とする半径r6の円弧に沿った湾曲面であり、Z軸正方向に向かって湾曲している。更に、図39に示すように、受力部側湾曲面546maは、点O8を中心とする半径r8の円弧に沿った湾曲面であり、Z軸正方向に向かって湾曲している。図示されていないが、以上のことは、残りの変形部545A、547A、548Dにおいても同様である。
すなわち、図39に示す変形体540AのZ軸負側の面は、固定部側直線部545Afs〜548Afs及び受力部側直線部545Ams〜548Amsが設けられている点を除き、図4に示す変形体40と同様の構成を有している。図示される例では、点O5及び点O6がZ軸と平行な直線上に配置され、点O7及び点O8がZ軸と平行な直線上に配置され、更に、r5=r6=r7=r8となっている。この場合、各変形部565A〜568Aが対応する計測部位A1〜A4に関して対称的に構成されるため、作用した力ないしモーメントを容易に算出することができる。
なお、固定部側直線部545Afs〜548Afsを介することなく、主湾曲部545Ap〜548Apと固定部側湾曲部545Af〜548Afとが直接接続されていても良い。更に、受力部側直線部545Ams〜548Amsを介することなく、主湾曲部545Ap〜548Apと受力部側湾曲部545Am〜548Amとが直接接続されていても良い。このような例が、図40に示されている。図40において、図39と対応する構成要素には図39と同様の符号を付し、ここでは、その詳細な説明を省略する。
これらの図39及び図40に示す変形体540A、540Bを採用した力覚センサにおいても、図4に示す変形体40を採用した力覚センサ1cと同様の作用を提供することができる。
なお、§1〜§5の各力覚センサでは、4個または8個の容量素子が配置されているが、5〜7個あるいは9個以上の容量素子が配置されていても良い。この場合も、各電気信号T1〜T3をそれぞれの場合に応じて出力することにより、上述した各力覚センサと同様の作用が提供され得る。また、§1〜§5の各力覚センサでは、固定部と受力部とが全て隣接しているが、このような態様には限定されない。すなわち、幾つかの受力部が隣接していても良いし、あるいは、幾つかの固定部が隣接していても良い。但し、この場合、互いに隣接する受力部と固定部との組が少なくとも1つ設けられている必要がある。
<<< §6. 変形例 >>>
< 変形例1 >
以上の各力覚センサでは、Z軸負側に向かって湾曲した主湾曲部、並びに、Z軸正側に向かって湾曲した固定部側湾曲面及び受力部側湾曲面が、変形体のZ軸負側の面に設けられていた。しかしながら、このような態様には限定されない。例えば、変形体のZ軸正側の面に、Z軸正側に向かって湾曲した主湾曲部と、Z軸負側に向かって湾曲した固定部側湾曲面及び受力部側湾曲面と、が設けられていても良い。この場合、各変形体の計測部位A1〜A4またはA1〜A8は、各主湾曲部のZ軸正側に規定される。
あるいは、変形体の変形部がZ軸方向ではなく径方向に湾曲していても良い。すなわち、図1に示す変形体40において、各変形部45〜48は、閉ループ状(円環状)の経路に対し内側(径方向内方)または外側(径方向外方)に向かって湾曲した主湾曲面を有する主湾曲部を有していて良い。そして、これらの主湾曲部と各固定部41、42とを接続し、閉ループ状の経路に対し内側または外側に向かって湾曲した固定部側湾曲面を有する固定部側湾曲部と、主湾曲部と受力部43、44とを接続し、閉ループ状の経路に対し内側または外側に向かって湾曲した受力部側湾曲面を有する受力部側湾曲部と、を有していて良い。
具体的には、主湾曲部が径方向外方に向かって湾曲している場合には、主湾曲面、固定部側湾曲面及び受力部側湾曲面は、変形体の外周面に規定される。このとき、固定部側湾曲面及び受力部側湾曲面は、閉ループ状の経路に対し径方向内方に向かって湾曲していれば良い。この場合、各変形体の計測部位A1〜A4またはA1〜A8は変形体の外周面(主湾曲部の径方向外方の面)に規定される。あるいは、主湾曲部が径方向内方に向かって湾曲している場合には、主湾曲面、固定部側湾曲面及び受力部側湾曲面は、変形体の内周面に規定される。このとき、固定部側湾曲面及び受力部側湾曲面は、閉ループ状の経路に対し径方向外方に向かって湾曲していれば良い。この場合、各変形体の計測部位A1〜A4またはA1〜A8は変形体の内周面(径方向内方の面)に規定される。
< 変形例2 >
次に、図1に示す固定体10及び受力体20を変更した変形例について、図48及び図49を参照して説明する。図48は、図1の基本構造1の変形例を示す概略平面図であり、図49は、図48の[48]−[48]線断面図である。
図1に示す例では、変形体40が固定体10と受力体20とに挟まれて配置されていた。これに対し、図48及び図49に示す例では、固定体10a及び受力体20aが、変形体40に関して同じ側に配置されている。具体的には、図49に示すように、2つの固定体10aと2つの受力体20aとが、閉ループ状の経路に沿って交互に配置されている。各固定体10aは、変形体40の各固定部41、42にZ軸正側から接続されており、各受力体20aは、変形体40の各受力部43、44にZ軸正側から接続されている。なお、各固定体10a及び各受力体20aは、Z軸負側から変形体40に接続されても良いし、各固定体10a及び各受力体20aのうち一方がZ軸正側から、他方がZ軸負側から、変形体40に接続されていても良い。
また、図49に示すように、受力体20aは、Z軸正方向(上方)を向いた受力体表面23aを有し、固定体10aは、Z軸正方向(上方)を向いた固定体表面13aを有している。本変形例では、変形体40から受力体表面23aまでの距離と、変形体40から固定体表面13aまでの距離と、が共に異なっている。より具体的には、固定体表面13aは、受力体表面20aより変形体40の遠位に配置されている。図示される例では、固定体10a及び受力体20aの上面(Z軸正側の面)がXY平面と平行な面となっており、固定体10aの上面のZ座標が、受力体20aの上面のZ座標より大きくなっている。このようなZ座標の相違は、図48及び図49に示す基本構造体1aが取り付けられる取付対象物の構成に応じて、設定されている。したがって、取付対象物の構成によっては、固定体表面13aのZ座標が受力体表面23aのZ座標より小さくなっていても良いし、固定体表面13aのZ座標と受力体表面23aのZ座標とが同じであっても良い。
< 変形例3 >
また、図50は、図1の基本構造1の更なる変形例を示す概略断面図である。図50に示す例では、固定体10bが接続部材33、34(図1、図3参照)を介さずに、各固定部41、42と一体的に形成されている。このような構成によっても、図1に示す基本構造と同様の作用を提供することができる。なお、図示されていないが、固定体10bに代えて受力体20bが接続部材31、32(図1参照)を介さずに、各受力部43、44と一体的に形成されていても良い。あるいは、固定体10bが各固定部41、42と一体的に形成され、且つ、受力体20bが各受力部43、44と一体的に形成さていても良い。
これらの変形例は、図16に示す変形体40及び図18に示す変形体640や、図28、図34に示す各力覚センサ301c、401cの変形体340、440にも、採用が可能である。そして、このような変形体を有する力覚センサにおいても、§1〜§5に示す各力覚センサと同様の機能が提供され得る。
<<< §7. 本発明の第4の実施の形態による力覚センサ >>>
次に、以上の各力覚センサをロボットなどの取付対象物に強固に取り付けるための工夫について説明する。
以上の各力覚センサは、固定体が例えばロボット本体に連結され、受力体にはグリッパーなどのエンドエフェクターが連結される。これにより、エンドエフェクターに作用する力ないしトルクが力覚センサにより計測されるようになっている。力覚センサとロボット本体及びエンドエフェクターとの連結は、一般に、ネジまたはボルトが、力覚センサの受力体及び固定体にそれぞれ設けられた2〜4カ所の締結部に締結されることによって実現される。
ところで、以上の各力覚センサは、高荷重の力及び/またはトルク(モーメント)を計測するのに好適に採用される。このため、ヒステリシスの問題が生じやすく、その対策が重要となる。特に、X軸方向の力Fx、Y軸方向の力Fy、及びZ軸周りのモーメントMzにおいて、ヒステリシスの対策が重要である。
ヒステリシスを回避するためには、力覚センサの締結部の締結力を大きくする必要がある。このためには、ボルトの径を大きくするか、締結部を増加させる必要がある。しかしながら、この場合、ヒステリシスの問題は解消あるいは低減されるが、力覚センサの外形の寸法が大きくなるという問題が生じる。このような問題を解消するため、力覚センサとロボット本体及び/またはエンドエフェクターとを図41に示すような組合せ体1000として構成することにより、力覚センサの外形の寸法を大きくすることなく、ヒステリシスの問題を解消ないし低減させることができる。
< 7−1.実施例1 >
図41は、図1の変形例による力覚センサ101cと、この力覚センサ101cが取り付けられる取付対象物2と、による組合せ体1000を示す概略断面図である。また、図42は、Z軸負方向から見た、図41に示す力覚センサ101cのセンサ側凸部110pを示す概略底面図である。
図41に示すように、組合せ体1000に含まれる力覚センサ101cは、取付凹部2rを有する取付対象物2に取り付けられるようになっている。取付対象物2とは、例えば上述したロボット本体である。力覚センサ101cの固定体110は、取付対象物2に面する領域に取付凹部2rに収容されるセンサ側凸部110pを有している。更に、固定体110は、その外縁部に貫通孔110aが形成されている。貫通孔110aは、Z軸から等距離で、固定体110の周方向に等間隔で複数設けられていて良い。図40に示すように、取付対象物2には、貫通孔110aに対応する位置に、取付孔2aが形成されている。取付孔2aの内周面には、ネジ溝が形成されている。貫通孔110a及び取付孔2aは、それぞれの中心軸線がZ軸と平行であるように形成されている。
図41に示すように、力覚センサ101cが取付対象物2に取り付けられる際の取付方向(Z方向)に対し、センサ側凸部110pの外周面110fがなす鋭角θ1は、当該取付方向に対し、取付凹部2rの内周面2fがなす鋭角θ2より小さい。そして、センサ側凸部110pは、取付対象物2の取付凹部2rに収容される際に、取付凹部2rの内周面2fによって、取付凹部2rの内側に向かって押圧されるようになっている。また、図42に示すように、センサ側凸部110pは、Z軸負方向(図41における下方)から見て、間隔を空けて互いに対向する一対の凸部として固定体110上に設けられている。力覚センサ101cのその他の構成は、第1の実施の形態による力覚センサ1cと同じであるため、ここではその詳細な説明は省略する。
このような力覚センサ101cは、固定具としてのボルト3によって取付対象物2に固定される。すなわち、貫通孔110aと同数のボルト3が用意され、これらのボルト3が、取付対象物2が存在している側とは反対側から各貫通孔110aに挿入される。そして、各ボルト3が、対応する取付孔2aに螺着される。この螺着の過程で、センサ側凸部110pは、取付凹部2rの内周面2fに当接する。この状態から、更に各ボルト3を締めることにより、センサ側凸部110pは、取付凹部2rの内周面2fによって、取付凹部2rの内側に向かって、すなわちセンサ側凸部110pを構成する一対の凸部が互いに近接する側に、押圧される。この押圧により、センサ側凸部110pは取付凹部2rの内側に向かって弾性変形(撓み変形)する。このようなセンサ側凸部110pの弾性変形は、取付凹部2rの内周面2fに関する角度θ2と、センサ側凸部110pの外周面110fに関する角度θ1と、の関係によって、スムーズにもたらされる。
そして、各ボルト3を更に締めることにより、センサ側凸部110pが、取付凹部2rの内周面2fの内側に向かって更に弾性変形しながら、力覚センサ101cと取付対象物2との間隙が次第に減少し、やがて当該間隙がゼロになる。これにより、取付対象物2に対する力覚センサ101cの取付が完了する。このとき、センサ側凸部110pの外周面110fは、取付凹部2rの内周面2fと実質的に同じ傾斜となる。この結果、センサ側凸部110pの復元力により、センサ側凸部110pと取付凹部2rとの間に大きな力が作用するのである。
力覚センサ101c及び取付対象物2を以上のような組合せ体1000として構成すれば、力覚センサ101cを取付対象物2に対してぐらつくこと無く強固に固定することができ、ヒステリシスの問題を効果的に解消ないし低減させることができる。もちろん、以上のような取り付け態様は、受力体(不図示)とエンドエフェクターとの連結部位においても採用されることが好ましい。
なお、上述した例とは逆に、力覚センサ側にセンサ側凹部を設け、取付対象物側に、センサ側凹部に収容される取付凸部を設けても良い。この場合、上述したセンサ側凸部110pに対応する構造を取付凸部に採用し、上述した取付凹部2rに対応する構造をセンサ側凹部に採用すればよい。この場合も、上述した例と同様に、力覚センサを取付対象物に対してぐらつくこと無く強固に固定することができる。
また、上述した例では、センサ側凸部110pが、互いに対向する一対の凸部である場合について説明した。しかしながら、このような例には限定されない。例えば、図43や図44に示す取付凸部も採用され得る。図43及び図44は、力覚センサの取付凸部の他の例を示す概略低面図である。図43は、環状の経路に沿って連続的に設けられた突出部110Apを示しており、図44は、環状の経路に沿って断続的に設けられた突出部110Bpを示している。これらの突出部110Ap、110Bpが採用された力覚センサでも、上述した例と同様に、力覚センサを取付対象物2に対してぐらつくこと無く強固に固定することができる。もちろん、図43または図44に示す環状の取付凸部を採用した場合には、取付対象物に形成される取付凹部も環状に構成されることになる。
更には、矩形、三角形、多角形などの各種の閉ループ状の経路に沿って、連続的に、または断続的に、取付凸部を構成しても良い。
< 7−2.実施例2 >
次に、ヒステリシスの問題を解消ないし低減させるための他の例について、図45を参照して説明する。
図45は、図1の変形例による力覚センサ101Acと、この力覚センサが取り付けられる取付対象物2Aと、による他の組合せ体1001を示す概略断面図である。図45に示すように、組合せ体1001を構成する力覚センサ101Acは、固定体110Aの貫通孔110Aaの取付対象物2A側(Z軸負側)の縁部に、取付対象物2Aに向かって突出した突出部110Apが設けられている。この突出部110Apは、貫通孔110Aaの縁部に沿って連続的に設けられていても良く、あるいは、当該縁部に沿って断続的に設けられていても良い。突出部110Apの外周面には、取付対象物2Aに向かって先細となるセンサ側テーパ面110Atが形成されている。
更に、組合せ体1001を構成する取付対象物2Aは、取付孔2Aaの力覚センサ101Ac側の縁部が面取りされており、当該縁部にすり鉢状の取付側テーパ面2Atが形成されている。力覚センサ101Acが取付対象物2Aに取り付けられる際の取付方向(Z軸方向)に対し上述したセンサ側テーパ面110Atがなす鋭角θ3は、当該取付方向に対し取付側テーパ面2Atがなす鋭角θ4より小さい。なお、センサ側テーパ面110Atは、貫通孔110Aaの縁部の全周にわたって一定である必要は無いが、前記取付方向に対して成す鋭角が、常に、対応する取付側テーパ面2Atが前記取付方向に対して成す鋭角より小さく構成される。組合せ体1001のその他の構成は、図41に示す組合せ体1000と同じであるため、ここではその詳細な説明は省略する。ただし、本実施例では、上述したセンサ側凸部110p及び取付凹部2rが設けられている必要は無い。
このような力覚センサ101Acは、固定具としてのボルト3によって取付対象物2Aに固定される。すなわち、貫通孔110Aaと同数のボルト3が用意され、これらのボルト3が、取付対象物2Aが存在している側とは反対側から各貫通孔110Aaに挿入される。そして、各ボルト3が、対応する取付孔2Aaに螺着される。この螺着の過程で、センサ側テーパ面110Atは、取付側テーパ面2Atに当接する。この状態から、更に各ボルト3を締めることにより、突出部110Apは、取付孔2Aaの縁部、すなわち取付側テーパ面2Atを押圧する。換言すれば、突出部110Apが、取付側テーパ面2Atによって、取付孔2Aaの内側に向かって押圧される。この押圧により、突出部110Apは、取付孔2Aaの内側に向かって弾性変形(撓み変形)する。このような突出部110Apの弾性変形は、センサ側テーパ面110Atに関する鋭角θ3と、取付側テーパ面2Atに関する鋭角θ4と、の大小関係によって、スムーズにもたらされる。
そして、各ボルト3を更に締めることにより、突出部110Apが、取付孔2Aaの内側に向かって更に弾性変形しながら、力覚センサ101Acと取付対象物2Aとの間隙が次第に減少し、やがて当該間隙がゼロになる。これにより、取付対象物2Aに対する力覚センサ101Acの取付が完了する。このとき、突出部110Apのセンサ側テーパ面110Atは、取付側テーパ面2Atと実質的に同じ傾斜となる。この結果、突出部110Apの復元力により、センサ側テーパ面110Atと取付側テーパ面2Atとの間に大きな力が作用するのである。
力覚センサ101Ac及び取付対象物2Aを以上のような組合せ体1001として構成すれば、力覚センサ101Acを取付対象物2Aに対してぐらつくこと無く強固に固定することができ、ヒステリシスの問題を効果的に解消ないし低減させることができる。もちろん、以上のような取り付け態様は、受力体(不図示)とエンドエフェクターとの連結部位においても採用されることが好ましい。
<<< §8. 変形体の製造方法 >>>
次に、図46及び図47を参照して、変形体の製造方法の一例について説明する。図46及び図47は、図1に示す変形体40の製造方法を説明するための図である。図46は、受力部側湾曲部46m及び固定部側湾曲部46fが形成される前の第2変形部46を示す概略側面図であり、図47は、受力部側湾曲部46m及び固定部側湾曲部46fが形成された後の第2変形部46を示す概略側面図である。
図46に示すように、まず、受力部側湾曲部46m及び固定部側湾曲部46fが形成されていない状態の第2変形部46が準備される。この第2変形部46は、Z軸負側に向かって湾曲し、Z軸負側の面に主湾曲面46paが設けられている。この主湾曲面46paと固定部42との接続部分、及び、主湾曲面46paと受力部43との接続部分が、共に鋭角を成している。
次に、図47に示すように、第2変形部46と受力部43との接続部分、及び第2変形部46と固定部42との接続部分に、Z軸と直交する方向(変形体の径方向、図47における奥行き方向)に延在する貫通孔H1、H2を形成する。これらの貫通孔H1、H2は、径方向から見て、Z軸正側の弧が主湾曲部46pの主湾曲面46pa(図39に示す変形体540Aを製造する場合には、固定部側直線部545Afs〜548Afs及び受力部側直線部545Ams〜548Ams)と滑らかに接続するように形成される。この結果、図47に示すように、第2変形部46と固定部42との接続部分に形成された貫通孔H1のZ軸正側の湾曲面が固定部側湾曲面46faを構成し、第2変形部46と受力部43との接続部分に形成された貫通孔H2のZ軸正側の湾曲面が受力部側湾曲面46maを構成する。従って、図47に示すように、貫通孔H1のZ軸正側の部分が固定部側湾曲部46fとなり、貫通孔H2のZ軸正側の部分が受力部側湾曲部46mとなる。
以上の説明においては、第2変形部46を形成する方法についてのみ説明を行ったが、第1、第3及び第4変形部45、47、48も同様にして形成することにより、変形体40を容易に製造することができる。更に、このような製造方法は、上述した各力覚センサの変形体において採用され得る。この際、当該製造方法は、各変形体の形状に応じて、適宜に変更され得る。例えば、§6で説明した、変形体の径方向内方または径方向外方に湾曲した主湾曲面、固定部側湾曲面、受力部側湾曲面を有する変形体においては、上述した貫通孔H1、H2は、Z軸と平行な方向に形成されることになる。更に、主湾曲面、固定部側湾曲面、受力部側湾曲面がZ軸正側に設けられている変形体、すなわち主湾曲面がZ軸正側に向かって湾曲し、固定部側湾曲面及び受力部側湾曲面がZ軸負側に向かって湾曲した変形体においては、上述した貫通孔H1、H2は、第2変形部46と固定部42との接続部分に形成された貫通孔H1のZ軸負側の湾曲面が固定部側湾曲面46faを構成し、第2変形部46と受力部43との接続部分に形成された貫通孔H2のZ軸負側の湾曲面が受力部側湾曲面46maを構成する。従って、貫通孔H1のZ軸負側の部分が固定部側湾曲部46fとなり、貫通孔H2のZ軸負側の部分が受力部側湾曲部46mとなる。