JP7013303B2 - Force sensor - Google Patents
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Description
本発明は、受力部に作用する外力及びモーメントの複数の方向の成分を検出する力覚センサに関する。 The present invention relates to a force sensor that detects components in a plurality of directions of an external force and a moment acting on a receiving portion.
産業用ロボットのアームや医療用マニピュレータ等の関節部や先端部等の所定の部位に作用する外力を検出する手段として、力覚センサが用いられている。力覚センサの一例として、光学式変位センサを備える6軸力覚センサが特許文献1に開示されている。特許文献1に記載されている力覚センサは、支持部と、受力部と、これらを連結する弾性連結部と、支持部と受力部との間に配置される変位方向変換機構とを備える。変位方向変換機構には検出対象体が設けられ、検出対象体と対面するように支持部に設けられた変位検出素子により、検出対象体の変位(移動)を検出する。例えば、支持部が固定された状態で受力部に外力が作用すると弾性連結部が弾性変形し、受力部は支持部に対して外力の方向と大きさに応じた変位を生じる。このとき、変位方向変換機構も弾性連結部の変形に伴って変形するが、変位方向変換機構の変位方向は受力部の変位方向と直交する方向となる。
A force sensor is used as a means for detecting an external force acting on a predetermined portion such as a joint portion or a tip portion of an arm of an industrial robot or a medical manipulator. As an example of the force sensor, a 6-axis force sensor including an optical displacement sensor is disclosed in
上記特許文献1には、変位方向変換機構と弾性連結部とが別途に設けられた実施形態について説明されているが、変位方向変換機構を弾性連結部に組み込むことも可能であり、これにより、部品点数の削減と組立工程の簡略化を図ることができる。しかし、変位方向変換機構が弾性連結部に組み込まれた力覚センサでは、受力部に作用する外力の方向によっては、変位方向変換機構に設けられた検出対象体が変位検出素子と接触してしまうおそれがある。
Although the above-mentioned
ここで、剛体に対して所定の方向に荷重を印加したときに、その荷重をその方向への変位量で除した値を剛性値と定義する。剛体は、剛性値が高いほど変形し難い。よって、変位方向変換機構に設けられた検出対象体の変位検出素子への接触を防止するためには、変位変換機構を変形し難くする、つまり、剛性値を高くする必要がある。また、力覚センサには、センサ全体の薄型化や小型化も強く求められている。剛性の高い材料を用いれば、センサ全体の薄型化(小型化)を実現しながら、検出対象体の変位検出素子への接触を防止することが可能になると考えられる。 Here, when a load is applied to a rigid body in a predetermined direction, the value obtained by dividing the load by the amount of displacement in that direction is defined as the rigidity value. A rigid body is less likely to be deformed as the rigidity value is higher. Therefore, in order to prevent the detection target body provided in the displacement direction conversion mechanism from coming into contact with the displacement detecting element, it is necessary to make the displacement conversion mechanism difficult to deform, that is, to increase the rigidity value. Further, the force sensor is strongly required to be thinner and smaller as a whole. It is considered that if a material having high rigidity is used, it is possible to prevent the detection object from coming into contact with the displacement detection element while realizing the thinning (miniaturization) of the entire sensor.
しかし、剛性の高い材料を用いることは、コストの上昇につながってしまう。また、変位方向変換機構が弾性連結部に組み込まれた力覚センサの感度(検出感度)は、一般的に、変位変換機構の高さと正の相関があるため、感度を高めようとすると変位変換機構の高さを高くする必要が生じ、センサ全体の薄型化が妨げられてしまう。つまり、力覚センサについては、剛性を高め且つ感度を高めることが求められているが、一般的に、剛性を高めようとすると感度が低下し、逆に感度を高めようとすると剛性を低下させる必要が生じてしまう。同様に、センサ全体を薄型化させようとすると感度が低下してしまい、感度を高めようとするとセンサ全体の薄型化が困難になる。 However, using a highly rigid material leads to an increase in cost. In addition, the sensitivity (detection sensitivity) of the force sensor with the displacement direction conversion mechanism incorporated in the elastic connection generally has a positive correlation with the height of the displacement conversion mechanism. It becomes necessary to increase the height of the mechanism, which hinders the thinning of the entire sensor. That is, the force sensor is required to increase the rigidity and the sensitivity, but in general, the sensitivity decreases when the rigidity is increased, and conversely, the rigidity decreases when the sensitivity is increased. There will be a need. Similarly, if an attempt is made to make the entire sensor thinner, the sensitivity is lowered, and if an attempt is made to increase the sensitivity, it becomes difficult to make the entire sensor thinner.
本発明は、センサ全体を薄型化させると共に感度を高めることが可能な力覚センサを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a force sensor capable of reducing the thickness of the entire sensor and increasing the sensitivity.
本発明に係る力覚センサは、支持部と、外力の作用により前記支持部に対して変位する受力部と、前記支持部と前記受力部とを連結する弾性連結部と、前記弾性連結部に接合され、前記受力部へ入力された負荷に応じて変位する変位変換部と、前記変位変換部に設けられた検出対象体と、前記支持部に固定されたセンサ基板と、前記センサ基板に実装され、前記検出対象体の変位量を検出する変位検出素子と、を備える力覚センサであって、前記検出対象体は、前記変位変換部と前記弾性連結部との接合部の中心を通り、前記支持部と前記受力部を連結する方向と直交する直線よりも前記弾性連結部と前記受力部との接合部がある側に配置され、前記検出対象体の法線と前記直線は0度より大きい角度を成し、前記支持部と前記受力部とを連結する方向における前記検出対象体と前記支持部との間の距離が前記直線と平行な方向での前記変位変換部の高さよりも長いこと特徴とする。 The force sensor according to the present invention has a support portion, a force receiving portion that is displaced with respect to the support portion due to the action of an external force, an elastic connecting portion that connects the support portion and the force receiving portion, and the elastic connection portion. A displacement conversion unit joined to the unit and displaced according to a load input to the force receiving unit, a detection target provided in the displacement conversion unit, a sensor substrate fixed to the support unit, and the sensor. A force sensor equipped with a displacement detecting element mounted on a substrate and detecting a displacement amount of the detection target body, wherein the detection target body is the center of a joint portion between the displacement conversion portion and the elastic connection portion. Is arranged on the side where the joint portion between the elastic connecting portion and the receiving portion is located, rather than a straight line orthogonal to the direction in which the supporting portion and the receiving portion are connected. The straight line forms an angle larger than 0 degrees, and the displacement conversion in the direction in which the distance between the detection target and the support portion in the direction connecting the support portion and the receiving portion is parallel to the straight line. It is characterized by being longer than the height of the part.
本発明によれば、力覚センサ全体の薄型化と感度の向上を両立させることができる。 According to the present invention, it is possible to achieve both a thinning of the entire force sensor and an improvement in sensitivity.
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。最初に、実施例及び比較例に共通する力覚センサの基本的な構成について説明する。図1は、力覚センサ100の外観斜視図である。力覚センサ100は、略円柱状の本体部2と、本体部2の下部を覆う円盤形状の下蓋1とを備える。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First, the basic configuration of the force sensor common to the examples and the comparative examples will be described. FIG. 1 is an external perspective view of the
説明の便宜上、図1に示すように、互いに直交するx軸、y軸及びz軸を定める。力覚センサ100は、略円板状或いは略円柱状の形状を有しており、その厚み方向をz方向とする。x方向とy方向は、図2を参照して後述するように、z方向から力覚センサ100を見たときにxy平面において力覚センサ100を4つの象限に分けるように設定される。なお、図1に示す中心軸Lは、z軸と平行であり、力覚センサ100におけるxy平面の中心を通る軸である。
For convenience of explanation, as shown in FIG. 1, x-axis, y-axis and z-axis orthogonal to each other are defined. The
図2(a)は、力覚センサ100のzx断面図である。図2(b)は、力覚センサ100の受力部4の上部を透視して力覚センサ100を上面側から見た平面図である。図2(c)は、下蓋1を取り外して力覚センサ100を底面側から見た平面図である。
FIG. 2A is a zx cross-sectional view of the
本体部2は、円筒形状を有する支持部6と、略円盤形状を有する受力部4と、支持部6と受力部4を連結する弾性連結部5とを有する。下蓋1は支持部6の下面に固定されており、支持部6と下蓋1により固定部が構成されている。受力部4は、弾性連結部5が変形することによって固定部に対してz方向に変位可能であり、また、xy平面に対して傾斜可能な可動部である。固定部は不図示の基台等に取り付けられ、受力部4は不図示のロボットアームやマニピュレータ等に取り付けられる。
The
弾性連結部5は、xy平面内において中心軸Lまわりに90°間隔で4箇所の配置されている。換言すれば、弾性連結部5は、支持部6と受力部4との間においてz方向での高さが同じとなるように、xy平面内で十字型に配置されている。4箇所の弾性連結部5のそれぞれに、y方向又はx方向から見たときに略U字型となっている変位方向変換部3(以下「変位変換部3」という)が設けられている。よって、力覚センサ100では、より正確には、弾性連結部5は変位変換部3を挟んで支持部6と受力部4とを連結している。変位変換部3の先端の外側の面には、検出対象体が取り付けられている。以下、4箇所の変位変換部3のそれぞれに取り付けられている4つの検出対象体を検出対象体8a,8b,8c,8dと記す。
The elastic connecting
なお、受力部4の4箇所から下蓋1側(-z方向)へ向けて柱状部が突出しており、それぞれの柱状部の先端にも検出対象体が取り付けられている。以下、4箇所の柱状部のそれぞれの先端に取り付けられている4つの検出対象体を検出対象体8e,8f,8g,8hと記す。検出対象体8a~8hは、同一方向(-z方向)を向くように、且つ、z方向において同じ高さに位置するように、変位変換部3又は柱状部に取り付けられている。支持部6にはセンサ基板7が固定されており、センサ基板7上には、z方向において検出対象体8a~8hと所定の間隔を隔てて正対するように、変位検出素子9a~9hが実装されている。
The columnar portions project from the four locations of the receiving
受力部4に負荷(外力又はモーメント)が作用すると、可動部である受力部4が固定部に対して変位することにより、弾性連結部5の受力部4側の端部が変位することで、変位変換部3に取り付けられている検出対象体8a~8dに変位が生じる。受力部4に-z方向(下蓋1側へ向かう方向)の外力Fzが作用したときの検出対象体8a~8dの変位について、図3を参照して説明する。
When a load (external force or moment) acts on the receiving
図3は、受力部4に下蓋1側へ向かう外力Fzが入力された場合の、検出対象体8dが設けられている変位変換部3の変形前後の様子をy方向から見て表した図である。受力部4に-z方向の外力Fzが入力されると、不図示の検出対象体8aはy方向へ、不図示の検出対象体8bはx方向へ、不図示の検出対象体8cは-y方向へ、検出対象体8dは-x方向へそれぞれ変位する。このとき、受力部4のz方向での変位量Δzは、弾性連結部5の剛性が高いほど小さくなる。
FIG. 3 shows the state before and after the deformation of the
ここで、変位検出素子9d(不図示)の受光面の法線と直交する方向における検出対象体8dの変位検出素子9d(不図示)に対する相対的な変位量を「感度」と定義する。力覚センサ100では、変位検出素子9d(不図示)の受光面はz方向と直交しているため、検出対象体8dの感度はx方向の変位量Δxで与えられる。図3から、変位変換部3の高さhが低くなると、感度は低下することがわかる。また、変位量Δxは、検出対象体8dの表面の中心を通り、x方向と直交する線23,24間の距離(間隔)として定められる。なお、略U字型の形状を有する変位変換部3の高さhは、弾性連結部5のz方向厚みを2等分する線21と変位変換部3の先端部のz方向厚みを2等分する線22の間の距離(間隔)で規定する。
Here, the relative displacement amount of the
なお、受力部4にx方向の外力Fxが入力されると、検出対象体8e~8hはx方向に変位し、受力部4にy方向の外力Fyが入力されると検出対象体8e~8hはy方向に変位する。受力部4にx軸まわりのモーメントMxが入力されると検出対象体8a,8cが-y方向に変位し、受力部4にy軸まわりのモーメントMyが入力されると検出対象体8b,8dがx方向に変位する。受力部4にz軸まわりのモーメントMzが入力された場合には、検出対象体8e,8fはy方向及び-x方向へ変位し、検出対象体8g,8hは-y方向及びx方向に変位する。このように、変位変換部3及び弾性連結部5は、受力部4に作用する力の方向を変換する変位方向変換機構として機能する。
When the external force Fx in the x direction is input to the receiving
次に、力覚センサ100における外力及びモーメントの検出方法について説明する。図4は、センサ基板7の平面図である。センサ基板7には、光源10a~10hと変位検出素子9a~9hが、1個の光源と1個の変位検出素子を1組として実装されている。各組の1個の光源と1個の変位検出素子は、一体的に構成されていてもよいし別体であってもよい。光源10a~10hは、例えばLEDであり、変位検出素子9a~9hはフォトダイオード(PD)であるが、これらに限定されるものではない。変位検出素子9a~9hは、光検出面である複数の受光面がストライプ状に配列された構造を有する。不図示であるが、検出対象体8a~8hはそれぞれ、ガラス等の基板の表面又は裏面に形成された金属反射膜等によって回折格子が形成された反射面を有する。
Next, a method of detecting an external force and a moment in the
変位検出素子9a~9hと検出対象体8a~8hは1対1で、検出対象体の反射面と変位検出素子の受光面とがz方向において正対するように配置されている。光源10a~10hから検出対象体8a~8hへ照射される発散光束は、検出対象体8a~8hで反射し、検出対象体8a~8hからの反射光は変位検出素子9a~9hの受光面に明暗の縞である回折光パターンを形成する。変位検出素子9a~9hの受光面の配列ピッチは、回折光パターンの1/4周期に一致している。したがって、検出対象体8a~8hが変位検出素子9a~9hの受光面の配列方向に変位すると、変位に伴って回折光パターンが移動する。こうして、複数の受光面からは90°の位相差を持った2相の正弦波状信号(sin,cos)が得られる。
The
不図示の演算回路は、得られた2相の正弦波状信号の逆正接演算(tan-1)を行って、検出対象体8a~8hの変位量を算出する。演算回路は更に、算出した変位量から外力Fx,Fy,Fz及びモーメントMx,My,Mzの6つの成分(6軸方向の力)を算出する。変位変換部3に検出対象体8a~8dを設置することにより、別途に変位方向変換機構を設ける必要がなくなることで、部品点数の削減による低コスト化を図ることができると共に力覚センサ100の小型化を図ることができる。
The calculation circuit (not shown) performs an inverse tangent calculation (tan -1 ) of the obtained two-phase sinusoidal signal to calculate the displacement amount of the
次に、力覚センサ100をベースとした本発明の実施例に係る力覚センサについて説明する。以下に説明する実施例1~3に係る力覚センサは、概略、上述した力覚センサ100の変位変換部3の構造等を改良し、これに伴って検出対象体8a~8dと変位検出素子9a~9dの配置を工夫したものである。
Next, the force sensor according to the embodiment of the present invention based on the
図5(a)は、実施例1に係る力覚センサ100Aの部分断面図であり、検出対象体8dが取り付けられている変位変換部3とその近傍が示されている。力覚センサ100Aにおいて長さ方向がx方向と平行になっている他方の弾性連結部の構造と、長さ方向がy方向と平行になっている2箇所の弾性連結部の構造はそれぞれ図5(a)に示す構造と同等であるため、図示と説明を省略する。なお、図5(a)中の座標軸は図2に示した座標軸に対応しており、よって、図5(a)に示されている部分の右側が不図示の中心軸L側となっている。説明の便宜上、図5(a)の状態で、z方向は鉛直方向と平行であり、x方向及びy方向は共に水平方向と平行であるものとし、このことは後述する力覚センサ100B,100C,100p~100vについても同様とする。
FIG. 5A is a partial cross-sectional view of the
力覚センサ100Aにおいて支持部6と受力部4(不図示)を連結する弾性連結部5と変位変換部3とが接合されている部分を接合部11と称呼し、後述する力覚センサ100B,100C,100p~100vについても同様の称呼を用いる。また、支持部6と受力部4を連結する方向と直交し、且つ、接合部11の中心を通る線、つまり、接合部11のx方向中心を通り、z方向と平行な直線、を「接合部鉛直線12」と規定する。力覚センサ100Aでは、接合部11は弾性連結部5の長さ方向中央(x方向中央)に設けられている。つまり、x方向において、支持部6の内周面から接合部鉛直線12までの距離Eは、弾性連結部5と受力部4との境界から接合部鉛直線12までの距離Fと同じ距離に設定されている。なお、詳細は後述するが、接合部11の位置は、弾性連結部5の長さ方向中央部に限られるものではなく、支持部6側(外周寄り)又は不図示の中心軸L側(中心寄り)に設けることもできる。
In the
変位変換部3には、センサ基板7側の先端部から不図示の中心軸Lへ向けて突出した張り出し部15が設けられている。検出対象体8dは、不図示の光源10dから照射された光を反射する反射面がz方向と平行となるように、張り出し部15の先端面に取り付けられている。なお、張り出し部15は、変位変換部3と一体的に形成されていてもよいし、別部品として準備されて変位変換部3に接合されていてもよい。力覚センサ100Aでは検出対象体8dは、接合部鉛直線12よりも弾性連結部5と受力部4との接合部がある側、つまり、中心軸L側に配置されている。変位検出素子9dは、検出対象体8dと正対するようにセンサ基板7に実装されている。
The
なお、力覚センサ100Aでは、変位変換部3の高さhは、図3に示した力覚センサ100と同様に規定される。ここで、図5(a)に示すように、検出対象体8dの弾性連結部5に対する垂直距離Gを、検出対象体8dの表面の中心から弾性連結部5のz方向厚みを2等分する線21に下ろした垂線の長さであると定義する。また、検出対象体8dの表面中心から接合部鉛直線12に下ろした垂線の長さを、検出対象体8dの接合部鉛直線12に対する水平距離Jと定義する。変位変換部3の高さh、垂直距離G、水平距離Jは、後述する力覚センサ100B,100C,100p~100vについても同様に定義される。
In the
図5(b),(c)はそれぞれ、力覚センサ100Aの第1の変形例と第2の変形例の部分断面図であり、図5(a)に示した部位に対応する部位が表されている。力覚センサ100Aは、変位変換部3が略U字型となっているため、検出対象体8b(不図示),8dは受力部4に加わったx方向の力を検出することができ、検出対象体8a,8c(共に不図示)は受力部4に加わったy方向の力を検出することができる。これに対して、図5(b),(c)にそれぞれ示す第1の変形例と第2の変形例は、力覚センサ100Aを水平方向に作用する力を検出しない構成へと変更したものである。
5 (b) and 5 (c) are partial cross-sectional views of a first modified example and a second modified example of the
力覚センサ100Aの第1の変形例は、接合部11からz方向と所定の角度θで交わり、且つ、中心軸L(不図示)とセンサ基板7へ近付く方向へ直線的に延びる変位変換部3Aを有する。力覚センサ100Aの第2の変形例は、接合部11からセンサ基板7(不図示)へz方向に延びた後に中心軸L(不図示)へ向かう方向へ延びる変位変換部3Bを有する。第1の変形例と第2の変形例の双方で、検出対象体8dは、接合部鉛直線12よりも中心軸L側において、反射面がz方向と平行となるように変位変換部に配置される。変位検出素子9d(不図示)は図5(a)に示した状態と同様に、検出対象体8dと正対するように配置される。
The first modification of the
図6(a)は、実施例2に係る力覚センサ100Bの部分断面図であり、図5(a)に示した部位に対応する部位が示されている。なお、力覚センサ100Bにおいて長さ方向がx方向と平行になっている他方の弾性連結部の構造と、長さ方向がy方向と平行になっている2箇所の弾性連結部の構造はそれぞれ図6(a)に示す構造と同等であるため、図示と説明を省略する。
FIG. 6A is a partial cross-sectional view of the
力覚センサ100Aでは、検出対象体8dの反射面がz方向と平行となっている。これに対して、力覚センサ100Bでは、検出対象体8dの反射面が所定の角度でz方向と交差してセンサ基板7側を向くように、張り出し部15の先端面がz方向に対して傾斜した面となっている。変位検出素子9dは、検出対象体8dと正対するようにセンサ基板7に実装されている。力覚センサ100Bのその他の構成は、力覚センサ100Aと同じであるので、重複する説明を省略する。なお、力覚センサ100Bでの垂直距離G、水平距離Jは、図5(a)を参照して説明した定義に従い、図6(a)に示す通りとなる。
In the
図6(b),(c)はそれぞれ、力覚センサ100Bの第1の変形例と第2の変形例の部分断面図であり、図6(a)に示した部位に対応する部位が表されている。力覚センサ100Bは、力覚センサ100Aと同様に、受力部4に加わったx方向とy方向の力を検出することができる。これに対して、図6(b),(c)にそれぞれ示す第1の変形例と第2の変形例は、力覚センサ100Bを水平方向に作用する力を検出しない構成へと変更したものである。
6 (b) and 6 (c) are partial cross-sectional views of a first modified example and a second modified example of the
力覚センサ100Bの第1の変形例は、力覚センサ100Aの第1の変形例(図5(b))と比較すると、検出対象体8dの受光面の角度が力覚センサ100Bと同様にz方向と所定の角度で交わるように変更されている点で異なるが、その他の構成は同じである。力覚センサ100Bの第2の変形例は、力覚センサ100Aの第2の変形例(図5(c))と比較すると、検出対象体8dの受光面の角度が力覚センサ100Bと同様にz方向と所定の角度で交差するように変更されている点で異なるが、その他の構成は同じである。変位検出素子9d(不図示)は図6(a)に示した状態と同様に、検出対象体8dと正対するように配置される。
In the first modification of the
図7(a)は、実施例3に係る力覚センサ100Cの部分断面図であり、図5(a)に示した部位に対応する部位が示されている。なお、力覚センサ100Cにおいて長さ方向がx方向と平行になっている他方の弾性連結部の構造と、長さ方向がy方向と平行になっている2箇所の弾性連結部の構造はそれぞれ図7(a)に示す構造と同等であるため、図示と説明を省略する。
FIG. 7A is a partial cross-sectional view of the
力覚センサ100Cは、実施例2に係る力覚センサ100Bと比較すると、変位検出素子9dの受光面が検出対象体8dの反射面に対して正対していない点で異なるが、その他の構成は同じであるので、共通する説明は省略する。力覚センサ100Cでは、変位検出素子9dは、受光面の法線がz方向と平行になるようにセンサ基板7に実装されている。
The
図7(b)は、検出対象体8dと変位検出素子9dの間の光路を説明する図である。検出対象体8dの反射面と直交する線は、変位検出素子9dの受光面と角度ηで交わる。図7(c)は、変位検出素子9dの拡大図である。力覚センサ100Cでは、検出対象体8dの反射面と平行となるように角度ηの傾斜を有する受光面が形成された回折格子13が変位検出素子9dの表面(受光面上)に配置されている。よって、検出対象体8dからの入射光は、回折格子13によって図7(c)に破線で示すように屈折し、変位検出素子9dの受光面に対して垂直に入射する。その結果、力覚センサ100Cでの検出対象体8dと変位検出素子9dとの光学的な関係は、力覚センサ100Bでの検出対象体8dと変位検出素子9dとの光学的な関係と同等になる。なお、力覚センサ100Cは、力覚センサ100Bの第1の変形例及び第2の変形例と同様にして、x方向とy方向に作用する力を検出しない構成へと変更することができる。
FIG. 7B is a diagram illustrating an optical path between the
次に、上述した実施例1~3に係る力覚センサ100A~100Cとの比較対象となる比較例1~7に係る力覚センサ100p~100vについて説明する。図8(a),(b)はそれぞれ、比較例1,2に係る力覚センサ100p,100qの部分断面図であり、図5(a)に示した部位に対応する部位が示されている。
Next, the
比較例1に係る力覚センサ100pは、実質的に図2を参照して説明した力覚センサ100と同等である。つまり、検出対象体8dと変位検出素子9dは、それぞれの中心が接合部鉛直線12上に位置するよう配置され、且つ、z方向で正対している。なお、図5(a)を参照して説明した定義に従い、力覚センサ100pでは、検出対象体8dの接合部鉛直線12に対する水平距離Jはゼロ(0)となる。また、力覚センサ100pでの検出対象体8dの弾性連結部5に対する垂直距離Gは、厳密には、変位変換部3の高さhに検出対象体8dの厚みを加えた長さとなる。但し、変位変換部3の高さhに比べて検出対象体8dの厚みは十分に小さいと見なして、力覚センサ100pでは、垂直距離Gは変位変換部3の高さhと同じであるとする。
The
比較例2に係る力覚センサ100qでは、検出対象体8dが接合部鉛直線12よりも支持部6側に配置されるように、変位変換部3にはセンサ基板7側の先端部から支持部6側へ突出した張り出し部15が設けられている。検出対象体8dは、反射面がz方向と平行になるように張り出し部15の先端面に取り付けられている。また、変位検出素子9dは、検出対象体8dと正対するようにセンサ基板7に実装されている。
In the
図9(a)~(c)はそれぞれ、比較例3,4,5に係る力覚センサ100r,100s,100tの部分断面図であり、図5(a)に示した部位に対応する部位で示されている。比較例3に係る力覚センサ100rは、実施例1に係る力覚センサ100Aが備える変位変換部3及び張り出し部15と同じ変位変換部を備えている。よって、力覚センサ100rにおいて検出対象体8dは接合部鉛直線12よりも中心軸L側に配置されている。但し、力覚センサ100rでは、検出対象体8dは、張り出し部15の先端部においてセンサ基板7と対面する面に取り付けられ、センサ基板7に実装された変位検出素子9dとz方向で正対しており、この点で力覚センサ100Aと異なっている。なお、図5(a)を参照して説明した定義に従い、力覚センサ100rにおいて検出対象体8dの接合部鉛直線12に対する水平距離Jは、検出対象体8dの表面の中心から接合部鉛直線12へ下ろした垂線の長さとなる。また、比較例1に係る力覚センサ100pと同様に、力覚センサ100rでは、垂直距離Gは変位変換部3の高さhと同じであるとする。
9 (a) to 9 (c) are partial cross-sectional views of the
比較例4に係る力覚センサ100sは、比較例2に係る力覚センサ100qと比較すると、検出対象体8dと変位検出素子9dの配置が異なるが、その他の構成は力覚センサ100qと同等である。力覚センサ100sでは、検出対象体8dは、張り出し部15の先端部においてセンサ基板7と対面する面に取り付けられ、接合部鉛直線12よりも支持部6側に配置されている。また、検出対象体8dは、センサ基板7に実装された変位検出素子9dとz方向で正対している。なお、比較例1に係る力覚センサ100pと同様に、力覚センサ100rでは、垂直距離Gは変位変換部3の高さhと同じであるとする。
The
比較例5に係る力覚センサ100tでは、検出対象体8dが接合部鉛直線12よりも支持部6側に配置されるように、変位変換部3にはセンサ基板7側の先端部から支持部6側へ突出した張り出し部15が設けられている。力覚センサ100tは、張り出し部15の先端面が所定の角度でz方向と交わるように設計されている点で、力覚センサ100q,100sと異なる。検出対象体8dは張り出し部15tの先端面に取り付けられており、よって、検出対象体8dの反射面はz方向と所定の角度で交差している。また、変位検出素子9dは、検出対象体8と正対するようにセンサ基板7に実装されている。
In the
図10(a),(b)はそれぞれ、比較例6,7に係る力覚センサ100u,100vの部分断面図であり、図5(a)に示した部位に対応する部位で示されている。比較例6に係る力覚センサ100uでは、検出対象体8dと変位検出素子9dの位置関係は実施例1に係る力覚センサ100Aと同様であり、検出対象体8dは接合部鉛直線12よりも中心軸L側に配置されている。但し、変位変換部3の高さhが、後述する各部の寸法の通り、力覚センサ100uでは実施例1に係る力覚センサ100Aよりも高くなっている。具体的には、力覚センサ100uでは、図5(a)を参照して説明した距離Eと水平距離Jの和が変位変換部3の高さhよりも短い構造となっている。
10 (a) and 10 (b) are partial cross-sectional views of the
比較例7に係る力覚センサ100vは、比較例6に係る力覚センサ100uの変位変換部3と同じ変位変換部3を備えている。但し、力覚センサ100vでは、検出対象体8dの反射面がz方向と直交し、且つ、検出対象体8の中心が接合部鉛直線12上に位置するように配置されており、この点で力覚センサ100uと異なる。
The
次に、実施例1~3(力覚センサ100A~100C)と比較例1~7(力覚センサ100p~100v)の感度等について説明する。なお、力覚センサが備える4箇所の変位変換部3のそれぞれに取り付けられた検出対象体は等価であり、各検出対象体に対面する各変位検出素子も等価であるため、以下では「検出対象体8」及び「変位検出素子9」と記して説明を行う。
Next, the sensitivities of Examples 1 to 3 (force
実施例1~3と比較例1~7のそれぞれの力覚センサに対して以下の通りに形状(寸法)を設定する。実施例1~3及び比較例1~7に共通して、距離Eと距離Fは共に14.75mmである。弾性連結部5をyz平面で切断して現れる断面の断面積は、19.2mm2である。また、変位変換部3においてz方向と平行な2本の直線部をxy平面で切断して現れる2つの断面のそれぞれの断面積も19.2mm2である。実施例1~3及び比較例1~5に共通して、変位変換部3の高さhは9.1mmである。比較例6,7では、変位変換部3の高さは36mmである。実施例1~3及び比較例1~5に共通して、垂直距離Gは9.1mmである。比較例6,7では、垂直距離Gは36mmである。実施例1~3及び比較例2~5に共通して、水平距離Jは9.1mmである。比較例6では、水平距離Jは14.75mmである。なお、比較例1,7では、前述した通り、水平距離Jはゼロ(0)である。また、ここに規定した寸法は一例であり、実施例1~3に係る力覚センサ100A~100Cの各部の寸法を限定するものではない。
Shapes (dimensions) are set for each of the force sensors of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 7 as follows. Common to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 7, the distance E and the distance F are both 14.75 mm. The cross-sectional area of the cross section that appears when the elastic connecting
実施例1~3と比較例1~7に係る力覚センサ100の受力部4に-z方向に40Nの負荷を印加し、変位検出素子9により検知された感度(変位検出素子9に対する検出対象体8の相対移動距離)を計測した。なお、実施例3を除き、全ての力覚センサで変位検出素子9と検出対象体8とは正対しており、よって、変位検出素子9の受光面の法線と検出対象体8dの受光面の法線とは平行であるとする。
A load of 40 N is applied in the −z direction to the receiving
実施例1、比較例1,2の感度及び剛性の測定値を図11(a)に示す。なお、図11(a)中の「観測方向」とは、実施例3を除き検出対象体8と変位検出素子9とが正対している方向であり、図11(b),(c)でも同様である。実施例3では検出対象体9の受光面の法線方向である。例えば、実施例1では、検出対象体8と変位検出素子9とはxy平面(水平面)と平行な方向で正対しているため、観測方向を水平方向と定める。
The measured values of sensitivity and rigidity of Examples 1 and Comparative Examples 1 and 2 are shown in FIG. 11 (a). The "observation direction" in FIG. 11 (a) is the direction in which the
実施例1、比較例1,2の力覚センサでは、検出対象体8の弾性連結部5に対する垂直距離Gは等しい。検出対象体8が接合部鉛直線12よりも中心軸L側にある実施例1では、検出対象体8が支持部6側にある比較例2よりも感度が高くなっていることがわかる。また、検出対象体8が接合部鉛直線12上にある比較例1の感度は、比較例2よりも高いが、実施例1よりも低いことがわかる。これらのことから、検出対象体8の弾性連結部5に対する垂直距離Gが等しく、観測方向が水平方向である場合には、検出対象体8を接合部鉛直線12よりも中心軸L側に配置することで、感度を高めることが可能なことがわかる。なお、剛性に関しては、変位変換部3の形状に依存するため、各力覚センサで同等となっている。
In the force sensors of Examples 1 and Comparative Examples 1 and 2, the vertical distance G of the
実施例2,3及び比較例2,5の感度及び剛性の測定値を図11(b)に示す。これらの力覚センサでは、検出対象体8の弾性連結部5に対する垂直距離Gは等しい。実施例2と比較例5では、検出対象体8の表面(反射面)の法線と接合部鉛直線12とが成す角は0度より大きい。検出対象体8が接合部鉛直線12より中心軸L側にある実施例2,3の感度は、検出対象体8が支持部6側にある比較例2,5の感度よりも高い。なお、剛性に関しては、変位変換部3の形状に依存するため、各力覚センサで同等となっている。
The measured values of sensitivity and rigidity of Examples 2 and 3 and Comparative Examples 2 and 5 are shown in FIG. 11 (b). In these force sensors, the vertical distance G of the
比較例3,1,4の感度及び剛性の測定値を図11(c)に示す。これらの力覚センサでは、検出対象体8の弾性連結部5に対する垂直距離Gは等しい。検出対象体8の向きがz方向(鉛直方向)である場合、検出対象体8が接合部鉛直線12よりも中心軸L側か、接合部鉛直線12上か、支持部6側かは、感度に影響を与えないことがわかる。剛性に関しては、変位変換部3の形状に依存するため、各力覚センサで同等となっている。以上の比較から、検出対象体8を接合部鉛直線12よりも中心軸L側に配置し、且つ、検出対象体8の表面の法線と接合部鉛直線12との成す角を0度より大きい角度とすることで、感度を高めることができることがわかる。
The measured values of sensitivity and rigidity of Comparative Examples 3, 1 and 4 are shown in FIG. 11 (c). In these force sensors, the vertical distance G of the
比較例6,7の感度及び剛性の測定値を図11(d)に示す。これらの力覚センサでは、検出対象体8の弾性連結部5に対する垂直距離Gは等しい。比較例6では、検出対象体8は中心軸L側にあるが、比較例6の感度は検出対象体8が接合部鉛直線12上にある比較例7の感度よりも低くなっていることがわかる。そして、比較例6,7では、実施例1~3及び比較例1~5と比較して、剛性が低下しており、これは、変位変換部3の高さの違いに起因するものと考えられる。更に比較例6では、検出対象体8の支持部6からの水平距離(距離E(14.75mm)と水平距離J(14.75mm)の和)が変位変換部3の高さh(36mm)よりも短い。このような条件が揃った場合、検出対象体8を接合部鉛直線12より中心軸L側に配置しても、検出対象体8が接合部鉛直線12上にあるものに比較して、感度を高める効果が得られないことがわかる。
The measured values of sensitivity and rigidity of Comparative Examples 6 and 7 are shown in FIG. 11 (d). In these force sensors, the vertical distance G of the
上述した実施例1~3及び比較例1~7の比較から、以下の第1乃至第3の条件が満たされることで、力覚センサの感度を高めることが可能になることがわかる。第1の条件は「検出対象体8が接合部鉛直線12よりも中心軸L側に配置されること」である。第2の条件は「変位変換部3が無変位の状態で検出対象体8の表面の法線方向(反射面と直交する方向)がz方向(鉛直方向)を向いていないこと」である。第3の条件は「支持部6の内周面から検出対象体8までの距離が変位変換部3の高さよりも長いこと」である。
From the comparison of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 7 described above, it can be seen that the sensitivity of the force sensor can be increased by satisfying the following first to third conditions. The first condition is that the
なお、上記実施例1~3及び比較例1~7の比較は、各例に対応する各力覚センサにおいて、検出対象体8の弾性連結部5に対する垂直距離Gは変位変換部3の高さhと等しいという条件の下で行っている。よって、上記第1乃至第3の条件は、力覚センサ全体の厚み(力覚センサのz方向で高さ)が等しい場合に感度を高める条件を示している。変位変換部3の高さhと感度とは正の相関関係にある。よって、設計上、比較例1で変位変換部3の高さを高くしたもの(力覚センサ全体の厚みが厚いもの)と、実施例1~3で変位変換部3の高さを低くしたもの(力覚センサ全体の厚みが薄いもの)とで、同等の感度を出すことが可能である。また、上記比較結果からわかるように、力覚センサの剛性は変位変換部3の高さが低いと向上する傾向がある。よって、実施例1~3に係る力覚センサでは、感度を維持したままセンサを薄型化、剛性を向上させることが可能になる。逆に、力覚センサの高さを従来からの高さと変えることなく検出対象体8の配置を実施例1~3の通りに変更することにより、感度を高めることができる。
In the comparison of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 7, in each force sensor corresponding to each example, the vertical distance G with respect to the elastic connecting
次に、上記第1乃至第3の条件が力覚センサの感度増大に寄与する理由について、図12を参照して説明する。図12(a)は、感度増大効果を奏する力覚センサの部分断面図である。ここでは、第2実施形態に係る力覚センサ100Bの第1の変形例を取り上げる。図12(b)は、図12(a)の弾性連結部5の右側にある不図示の受力部4に-z方向に外力が作用した後の弾性連結部5及び変位変換部3の変形後の状態を示す断面図である。なお、図12(a),(b)では、各部の寸法等を明記するために、各部でのハッチングを省略している。
Next, the reason why the first to third conditions contribute to the increase in the sensitivity of the force sensor will be described with reference to FIG. FIG. 12A is a partial cross-sectional view of a force sensor that has an effect of increasing sensitivity. Here, the first modification of the
図12(a)に示す変位変換部3の高さh、距離E、垂直距離G及び水平距離Jは、図5(a)及び図6(a)を参照して説明した定義に従う。ここでは、検出対象体8は、変位変換部3の高さhと垂直距離Gとが等しくなるように配置されている。線21と接合部鉛直線12との交点を接合部中心点14aとし、接合部中心点14aから検出対象体8の表面中心までの距離を“w”とする。また、接合部中心点14aと検出対象体8の表面中心とを結ぶ直線が接合部鉛直線12と成す角を“β”とし、検出対象体8における反射面の法線がz方向(接合部鉛直線12)と成す角を“γ”とする。なお、角度β,γについては、検出対象体8が接合部鉛直線12よりも不図示の中心軸L側(図12(a)において右側)にある場合に正の値をとり、支持部6側にある場合に負の値を取るものとする。また、力覚センサに外力が作用していない状態では、検出対象体8と変位検出素子9は正対しているものとする。図12(b)に示すように、変形後の弾性連結部5が水平面と成す角度を“dα”とする。接合部中心点14aは変形後に接合部中心点14bへ移動し、接合部鉛直線12は変形後に接合部鉛直線12´の通りに傾斜するものとする。
The height h, the distance E, the vertical distance G, and the horizontal distance J of the
変形時の検出対象体8の軌跡は、以下の第1の運動と第2の運動からなると考えることができる。第1の運動は、接合部中心点14aが支持部6と弾性連結部5との境界点を中心にdαだけ回転することによる-z方向(鉛直方向下向き)の運動である。第2の運動は、変形後の接合部中心点14bを中心にdαだけ回転する運動である。これらの運動を変位検出素子9による観測方向であるz方向(鉛直方向)に対して角度βを成す方向に射影するので、第1の運動と第2の運動によって検出対象体8はそれぞれ、zx平面上を下記式1,2のベクトルで表される分だけ移動する。以下の計算では、変位変換部3の高さh(=wcosβ)は一定として計算を行う。
The locus of the
下記式1,2で表される変位の和のベクトルを検出対象体8上に射影したものが感度である。zx平面上での検出対象体8の設置方向は、下記式3で表される。よって下記3で表される方向に下記式1,2の変位を足し合わせたものの射影成分の絶対値を取り、J=wsinβ、及び、h=wcosβであることに注意すると、感度は下記式4で表される。
The sensitivity is the vector of the sum of the displacements represented by the following
接合部鉛直線12上に検出対象体8がある場合(例えば、比較例1に係る力覚センサ100pの場合)、β=0度、γ=0度、w=hとなるため、感度はhdαとなる。以下感度hdαを基準値として力覚センサの感度を評価する。
When the
所定の角度γに対して、角度βと感度の関係をグラフにしたものを図13(a),(b)に示す。図13(a),(b)中、縦軸の感度増大率とは、上記式4により計算した感度の値を基準値(=hdα)で除したものである。図13からわかるように、変位変換部3の高さhが一定の条件の下、角度γが正の値を取る場合には、角度βが正の値を取ると感度増大率が1以上となり、感度増大効果が顕著に現れることがわかる。また、角度βが大きいほど(水平距離Jが長い)、感度増大効果は大きいことがわかる。一方、角度γが負の値を取る場合でも、角度βが正の値を取って値が大きくなることで感度増大効果が得られる傾向は見られるが、感度増大効果が得られる角度βの範囲が限定されていることがわかる。
13 (a) and 13 (b) show a graph of the relationship between the angle β and the sensitivity with respect to a predetermined angle γ. In FIGS. 13 (a) and 13 (b), the sensitivity increase rate on the vertical axis is the value of the sensitivity calculated by the
β>0、γ=90度の場合(検出対象体8と変位検出素子9が水平方向で正対しており、接合部鉛直線12より中心軸L側にあり、反射面がxy平面と平行な場合)、上記式4は下記式5の通りに変形することができる。これより、感度増大条件は、下記式6で表される。これにより、検出対象体8から支持部6までの水平距離(=E+J)が変位変換部3の高さhより長い場合、感度増大効果があることがわかる。つまり、本実施形態に係る力覚センサの感度は、検出対象体8から支持部6までの水平距離(E+J)の関数で表され、よって、弾性連結部5に対して変位変換部3を設ける接合部中心点14aの位置に依存しないことがわかる。変位変換部3の高さhが、下記式6を満たしていない上述の比較例6では感度増大効果が得られず、また、比較例7よりも感度が劣る結果となっている。
When β> 0, γ = 90 degrees (the
γ=0度、つまり、受力部4(不図示)に外力が印加されていない状態で検出対象体8と変位検出素子9がz方向で正対している構成の場合、上記式4は下記式7の通りに変形することができる。下記式7より、角度βの値に依らず、γ=0度の場合には感度増大率は1となることがわかる。このことは、変位変換部3の高さhが一定であるとの条件の下、検出対象体8と変位検出素子9とがz方向で正対している構成(比較例1,3,4)では、どの位置に検出対象体8があっても感度は角度βによらず一定となり、感度増大効果は得られないことがわかる。この結果は、図11に示した結果と一致している。
When γ = 0 degrees, that is, when the
ところで、力覚センサを備える各種の装置では、受力部に作用する力によって受力部が大きく変形してしまうと、弾性連結部が自重で大きく振動してしまうおそれがある。例えば、ロボットアーム等の先端に取り付ける等、動作が大きい場所での力を検出する用途では、弾性連結部の振動が測定値にノイズとなって現れてしまう。また、ロボットハンドの所定の部位に掛かる力を検知するために力覚センサを用いる場合、ハンド取付部からハンド先端部までのストロークを短くしたいという要望があり、この要望に応えるために力覚センサの薄型化が求められている。更に、医療ロボットの一例であるマニピュレータ等のヒューマンインタラクティブなエンドエフェクタには、非常に小さな力を高精度で検知できる性能、つまり、感度の向上が求められている。 By the way, in various devices provided with a force sensor, if the receiving portion is greatly deformed by the force acting on the receiving portion, the elastic connecting portion may vibrate greatly due to its own weight. For example, in an application for detecting a force in a place where the movement is large, such as attaching to the tip of a robot arm or the like, the vibration of the elastic connecting portion appears as noise in the measured value. In addition, when a force sensor is used to detect the force applied to a predetermined part of the robot hand, there is a request to shorten the stroke from the hand mounting portion to the tip of the hand, and the force sensor is used to meet this demand. Is required to be thinner. Further, a human interactive end effector such as a manipulator, which is an example of a medical robot, is required to have a performance capable of detecting a very small force with high accuracy, that is, an improvement in sensitivity.
このような要求に対して上記第1乃至第3の条件を満たすように力覚センサを構成することにより、剛性を維持しながら、力覚センサ全体の厚みを増すことなく、感度を高めることが可能になる。逆に言えば、感度特性を維持しながら、力覚センサ全体の薄型化を実現することができる。これにより、力覚センサを装備する各種機器の性能向上を図ることが可能になる。 By configuring the force sensor so as to satisfy the first to third conditions in response to such a requirement, it is possible to increase the sensitivity without increasing the thickness of the entire force sensor while maintaining the rigidity. It will be possible. Conversely, it is possible to reduce the thickness of the entire force sensor while maintaining the sensitivity characteristics. This makes it possible to improve the performance of various devices equipped with a force sensor.
以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて詳述してきたが、本発明はこれら特定の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。更に、上述した各実施形態は本発明の一実施形態を示すものにすぎず、各実施形態を適宜組み合わせることも可能である。例えば、上記実施形態では、検出対象体8と変位検出素子9との組み合わせに関して、光学的に変位を検出する手段を用いたが、静電容量や磁束密度を検出する手段を用いてもよい。
Although the present invention has been described in detail based on the preferred embodiments thereof, the present invention is not limited to these specific embodiments, and various embodiments within the range not deviating from the gist of the present invention are also included in the present invention. included. Further, each of the above-described embodiments is merely an embodiment of the present invention, and each embodiment can be appropriately combined. For example, in the above embodiment, with respect to the combination of the
3 変位変換部(変位方向変換部)
4 受力部
5 弾性連結部
6 支持部
7 センサ基板
8,8a~8h 検出対象体
9,9a~9h 変位検出素子
11 接合部
12 接合部鉛直線
100A,100B,100C 力覚センサ
3 Displacement conversion unit (displacement direction conversion unit)
4 Receiving
Claims (6)
外力の作用により前記支持部に対して変位する受力部と、
前記支持部と前記受力部とを連結する弾性連結部と、
前記弾性連結部に接合され、前記受力部へ入力された負荷に応じて変位する変位変換部と、
前記変位変換部に設けられた検出対象体と、
前記支持部に固定されたセンサ基板と、
前記センサ基板に実装され、前記検出対象体の変位量を検出する変位検出素子と、を備える力覚センサであって、
前記検出対象体は、前記変位変換部と前記弾性連結部との接合部の中心を通り、前記支持部と前記受力部を連結する方向と直交する直線よりも前記弾性連結部と前記受力部との接合部がある側に配置され、
前記検出対象体の法線と前記直線は0度より大きい角度を成し、
前記支持部と前記受力部とを連結する方向における前記検出対象体と前記支持部との間の距離が前記直線と平行な方向での前記変位変換部の高さよりも長いこと特徴とする力覚センサ。 Support part and
A receiving part that is displaced with respect to the support part due to the action of an external force,
An elastic connecting portion that connects the supporting portion and the receiving portion,
A displacement conversion unit that is joined to the elastic connection unit and displaces according to the load input to the force receiving unit.
The detection target provided in the displacement conversion unit and
The sensor board fixed to the support and
A force sensor that is mounted on the sensor board and includes a displacement detection element that detects the amount of displacement of the detection target.
The detection target passes through the center of the joint portion between the displacement conversion portion and the elastic connecting portion, and the elastic connecting portion and the receiving force are more than a straight line orthogonal to the direction in which the supporting portion and the receiving portion are connected. It is placed on the side where the joint with the part is located,
The normal of the detection target and the straight line form an angle larger than 0 degrees.
A force characterized in that the distance between the detection target body and the support portion in the direction connecting the support portion and the receiving portion is longer than the height of the displacement conversion portion in the direction parallel to the straight line. Sensory sensor.
外力の作用により前記支持部に対して変位する受力部と、
前記支持部と前記受力部とを連結する弾性連結部と、
前記弾性連結部に接合され、前記受力部へ入力された負荷に応じて変位する変位変換部と、
前記変位変換部に設けられた検出対象体と、
前記支持部に固定されたセンサ基板と、
前記センサ基板に実装され、前記検出対象体の変位量を検出する変位検出素子と、を備える力覚センサであって、
前記検出対象体は、前記変位変換部と前記弾性連結部との接合部の中心を通り、前記支持部と前記受力部を連結する方向と直交する直線よりも前記弾性連結部と前記受力部との接合部がある側に配置され、
前記検出対象体の法線と前記直線は0度より大きい角度を成し、
前記支持部と前記受力部とを連結する方向における前記検出対象体と前記支持部との間の距離が、前記直線と平行な方向での前記検出対象体から前記弾性連結部までの垂直距離よりも長いこと特徴とする力覚センサ。 Support part and
A receiving part that is displaced with respect to the support part due to the action of an external force,
An elastic connecting portion that connects the supporting portion and the receiving portion,
A displacement conversion unit that is joined to the elastic connection unit and displaces according to the load input to the force receiving unit.
The detection target provided in the displacement conversion unit and
The sensor board fixed to the support and
A force sensor that is mounted on the sensor board and includes a displacement detection element that detects the amount of displacement of the detection target.
The detection target passes through the center of the joint portion between the displacement conversion portion and the elastic connecting portion, and the elastic connecting portion and the receiving force are more than a straight line orthogonal to the direction in which the supporting portion and the receiving portion are connected. It is placed on the side where the joint with the part is located,
The normal of the detection target and the straight line form an angle larger than 0 degrees.
The distance between the detection target and the support in the direction of connecting the support and the receiving portion is the vertical distance from the detection target to the elastic connection in the direction parallel to the straight line. A force sensor characterized by being longer than.
前記変位検出素子は、前記光源から前記検出対象体へ照射された光の前記検出対象体からの反射光を受光して前記検出対象体の変位量を検出することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の力覚センサ。 A light source for irradiating the detection target with light is provided.
The displacement detecting element is characterized in that it receives the reflected light from the detection target body of the light emitted from the light source to the detection target body and detects the displacement amount of the detection target body. The force sensor according to any one of 4.
前記検出対象体は前記光源から照射された光を反射する反射面を有し、
前記変位検出素子は、前記検出対象体からの反射光を受光する受光面と、前記受光面の表面に設けられた回折格子と、を有し、
前記検出対象体と前記変位検出素子とは、前記反射面の法線と前記受光面の法線とが所定の角度で交差するように配置され、
前記回折格子は、前記検出対象体からの反射光を前記所定の角度で屈折させて前記受光面に垂直に入射させることを特徴とする請求項1、2、4、5のいずれか1項に記載の力覚センサ。 A light source for irradiating the detection target with light is provided.
The detection object has a reflecting surface that reflects the light emitted from the light source.
The displacement detecting element has a light receiving surface that receives the reflected light from the detection target body and a diffraction grating provided on the surface of the light receiving surface.
The detection target and the displacement detection element are arranged so that the normal of the reflection surface and the normal of the light receiving surface intersect at a predetermined angle.
According to any one of claims 1, 2, 4, and 5, the diffraction grating is characterized in that the reflected light from the detection target is refracted at the predetermined angle and vertically incident on the light receiving surface. The described force sensor.
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