JP7021174B2 - 変位検出方式の力検出構造及び力センサ - Google Patents

Description

本発明は、変位検出方式の力検出構造に関する。本発明はまた、変位検出方式の力検出構造を備えた力センサに関する。

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

また特許文献２は、直交３軸座標系における各軸方向の力成分及び各軸周りのモーメント成分を検出する変位検出方式の６軸力センサにおいて、力成分及びモーメント成分を第１検出部と第２検出部とで３軸ずつ分担して検出する構成を開示する。

特開２００４－３０１７３１号公報 特開２０１６－０７０８２４号公報

力によって変形した構成部品の変形に伴う変位量を検出することで３軸以上の力成分及びモーメント成分を取得する変位検出方式の力検出構造及び力センサにおいて、構成部品が温度や湿度等の、力以外の環境要因によって変形や特性変化を生じた場合の検出値の変動（本開示で「ドリフト」と称する。）を防止することが望まれている。

本開示の一態様は、第１端部と、第２端部と、第１端部と第２端部とを弾性的に連結する連結部と、連結部の弾性変形を伴う第１端部と第２端部との相対変位を検出する検出部であって、第１端部又は第２端部に加わる力の、第１軸の方向の第１力成分、第１軸に直交する第２軸の方向の第２力成分、及び第１軸と第２軸との双方に直交する第３軸の周りのモーメント成分を取得するための検出値を、相対変位に基づき出力する検出部とを具備し、検出部は、第１端部と第２端部との間に設けられ、第１端部と第２端部との相対的な移動に伴い変化する２個の第１ギャップと、２個の第１ギャップとは異なる位置で第１端部と第２端部との間に設けられ、第１端部と第２端部との相対的な移動に伴い変化する２個の第２ギャップと、第１軸に沿った第１端部と第２端部との相対的な移動に伴い２個の第１ギャップに生じる逆位相の変化を、互いに逆位相の信号に変換して差動式に演算処理することにより、第１移動データとして差動式に検出する第１差動検出部と、第２軸に沿った第１端部と第２端部との相対的な移動に伴い２個の第２ギャップに生じる逆位相の変化を、互いに逆位相の信号に変換して差動式に演算処理することにより、第２移動データとして差動式に検出する第２差動検出部と、第３軸に沿った中心軸線の周りの第１端部と第２端部との相対的な回転に伴い第１ギャップと第２ギャップとに生じる逆位相の変化を、互いに逆位相の信号に変換して差動式に演算処理することにより、回転データとして差動式に検出する第３差動検出部とを備え、第１移動データと第２移動データと回転データとに基づき検出値を出力する、力検出構造である。

本開示の他の態様は、上記した力検出構造を備えた力センサである。

一態様に係る力検出構造では、検出部の第１差動検出部、第２差動検出部及び第３差動検出部が、第１移動データ、第２移動データ及び回転データを差動式に検出するので、力以外の環境要因によって発生した第１ギャップ及び第２ギャップの寸法変化等に伴う信号の変動分が、逆位相の信号の差を取ることによって相殺される。その結果、力検出構造では、構成部品（特に検出部の構成要素）が温度や湿度等の、力以外の環境要因によって変形や特性変化を生じた場合であっても、力による変位を正確に表す第１移動データ、第２移動データ及び回転データを検出でき、以って検出値の確度及び精度を向上させることができる。

他の態様に係る力センサによれば、力検出構造を備えたことにより、検出部が出力する検出値の確度及び精度を向上させることができる。

第１の実施形態による力検出構造の全体構成を示す斜視図である。 図１の力検出構造の正面図である。 図２の線ＩＩＩ－ＩＩＩに沿った力検出構造の断面図である。 図３に対応する断面図で、図１の力検出構造の変位動作の一例を示す。 図２に対応する正面図で、図４Ａの変位動作を示す。 図３に対応する断面図で、図１の力検出構造の変位動作の他の例を示す。 図３に対応する断面図で、図１の力検出構造の変位動作のさらに他の例を示す。 図３に対応する断面図で、図１の力検出構造の変位動作のさらに他の例を示す。 ドリフト発生時の検出部の状態の一例を説明する図である。 図５Ａの一部拡大図である。 ドリフト発生時の検出部の状態の他の例を説明する図である。 検出部の変形例を示す図である。 検出部の変形例を示す図である。 ドリフト発生時の検出部の状態のさらに他の例を説明する図である。 図３に対応する断面図で、第２の実施形態による力検出構造を示す。 図３に対応する断面図で、第３の実施形態による力検出構造を示す。 図１の力検出構造を備えた６軸力センサの構成を概念図的に示す正面図である。 図１１の６軸力センサの力検出構造の動作を示す図である。 図１１の６軸力センサの力検出構造の動作を示す図である。 図１１の６軸力センサの力検出構造の動作を示す図である。 図１１の６軸力センサの付加検出構造の動作を示す図である。 図１１の６軸力センサの付加検出構造の動作を示す図である。 図１１の６軸力センサの付加検出構造の動作を示す図である。

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

図１～図３は、第１の実施形態による力検出構造１０の全体構成を示す。力検出構造１０は、第１端部１２と、第２端部１４と、第１端部１２と第２端部１４とを３自由度で弾性的に連結する連結部１６と、連結部１６の弾性変形を伴う第１端部１２と第２端部１４との相対変位を検出する検出部１８とを備える。

第１端部１２及び第２端部１４は、例えばロボットアーム等の機械や構造体（図示せず。以下、機械類。）に力検出構造１０を取り付ける際に、当該機械類に直接又は間接に固定される基礎部分として構成できる。また、第１端部１２及び第２端部１４は、例えばロボットハンド等の、力検出構造１０の検出対象となる力（荷重）を発生する物体（図示せず。以下、力発生体。）に取り付けられて、当該力を受ける力受け部分として構成できる。力検出構造１０は、第１端部１２及び第２端部１４のいずれか一方を基礎部分とし、他方を力受け部分として使用することができる。

例えば、第１端部１２を基礎部分とし第２端部１４を力受け部分として用いる場合、力発生体から第２端部１４に加わった力（荷重）は、第２端部１４から連結部１６に加わって連結部１６を弾性変形させながら、第２端部１４を第１端部１２に対し、所定の３自由度として定義される方向へ弾性的に変位させる。

例えば図示のように、空間に直交３軸座標系（Ｘ－Ｙ－Ｚ）を定義する場合、第１端部１２と第２端部１４とは、連結部１６の弾性変形の下で、第１軸（Ｘ軸）に沿った方向へ相対的に移動でき、第２軸（Ｙ軸）に沿った方向へ相対的に移動でき、第３軸（Ｚ軸）に沿った中心軸線の周りで相対的に回転できるように構成される。この場合、３自由度は、第１軸（Ｘ軸）及び第２軸（Ｙ軸）の各々に沿った方向への移動並びに第３軸（Ｚ軸）に沿った中心軸線の周りの回転として定義される。第１端部１２と第２端部１４とは、第１端部１２又は第２端部１４に加わる力に応じて、これら３方向のうちのいずれか１方向又は２方向以上の組合せ方向へ、相対的に変位できる。

なお本開示において「……に沿う」とは、座標系のいずれかの軸で概略の方向性を表現するための用語であって、当該軸に対し、平行な形態、平行から僅かに逸れた（つまり略平行な）形態、及び例えば４５度以下で交差する形態を包含するものである。

検出部１８は、第１端部１２と第２端部１４との上記した３方向の相対変位（つまり相対的変位量）を検出する。検出部１８は、検出した３方向の相対変位に基づき、第１端部１２又は第２端部１４に加わる力の、第１軸（図ではＸ軸）の方向の第１力成分、第１軸に直交する第２軸（図ではＹ軸）の方向の第２力成分、及び第１軸と第２軸との双方に直交する第３軸（図ではＺ軸）の周りのモーメント成分を取得するための検出値Ｄを出力する。

力検出構造１０は、上記したように２つの軸方向の力成分と１つの軸周りのモーメント成分とを検出可能な３軸の力センサとして使用できる。或いは力検出構造１０は、他の１軸以上の成分を検出可能な付加検出構造と組み合わせることで、４軸以上の力センサを構成することができる。この場合、第１端部１２又は第２端部１４を、付加検出構造に対し力の入力部又は出力部として用いることができる。そのような４軸以上の力センサの構成については後述する。

検出部１８は、第１軸（図ではＸ軸）に沿った第１端部１２と第２端部１４との相対的な移動を、互いに逆位相の信号を用いて第１移動データｄ１として差動式に検出する第１差動検出部２０と、第２軸（図ではＹ軸）に沿った第１端部１２と第２端部１４との相対的な移動を、互いに逆位相の信号を用いて第２移動データｄ２として差動式に検出する第２差動検出部２２と、第３軸（図ではＺ軸）に沿った中心軸線の周りの第１端部１２と第２端部１４との相対的な回転を、互いに逆位相の信号を用いて回転データｄ３として差動式に検出する第３差動検出部２４とを備える。

第１差動検出部２０は、第１端部１２に設けられる複数（図では２個）の第１面２６と、第２端部１４に設けられ、複数の第１面２６にそれぞれ対向する複数（図では２個）の第２面２８とを有し、複数の第１面２６と複数の第２面２８との間の複数（図では２個）の第１ギャップ３０に生じる逆位相の変化を第１移動データｄ１として検出する。

第２差動検出部２２は、第１端部１２に設けられる複数（図では２個）の第３面３２と、第２端部１４に設けられ、複数の第３面３２にそれぞれ対向する複数（図では２個）の第４面３４とを有し、複数の第３面３２と複数の第４面３４との間の複数（図では２個）の第２ギャップ３６に生じる逆位相の変化を第２移動データｄ２として検出する。

第３差動検出部２４は、第１端部１２に設けられる第１面２６及び第３面３２と、第２端部１４に設けられ、第１面２６に対向する第２面２８及び第３面３２に対向する第４面３４とを有し、第１面２６と第２面２８との間の第１ギャップ３０と第３面３２と第４面３４との間の第２ギャップ３６とに生じる逆位相の変化を回転データｄ３として検出する。

検出部１８は、第１差動検出部２０が検出した第１移動データｄ１と、第２差動検出部２２が検出した第２移動データｄ２と、第３差動検出部２４が検出した回転データｄ３とに基づき、検出値Ｄを出力する。

以下、図１～図４Ｅを参照して、力検出構造１０の具体的構成を詳細に説明する。なお以下の説明では、力検出構造１０に対し直交３軸座標系（Ｘ－Ｙ－Ｚ）を定義する一方で、理解を助けるために図面上での「上」、「下」等の方向性を示す語句を用いるが、これら語句は力検出構造１０の使用時の方向性を限定するものではない。

第１端部１２は、平面視で略正方形の平板形状を有する。第１端部１２は、第１軸（Ｘ軸）と第２軸（Ｙ軸）との成す仮想平面（ＸＹ平面）に沿って広がる平坦な上面１２ａを有し、上面１２ａの四隅に、第３軸（Ｚ軸）に沿った方向へ延びる弾性柱３８がそれぞれ上向きに突設される。連結部１６は、これら４本の弾性柱３８によって構成される。

第２端部１４は、第１端部１２に対応する平面視で略正方形の平板形状を有する。第２端部１４は、第１端部１２の上面１２ａに対向する平坦な下面１４ａを有し、下面１４ａの四隅に、連結部１６の４本の弾性柱３８がそれぞれの上端で固定される。第１端部１２及び第２端部１４は、第１端部１２又は第２端部１４に力が加わったときに、当該力に抗して自己形状を保持し得る剛性を有する。

この実施形態では、連結部１６が弾性変形していない平衡状態（図３）で、略正方形の上面１２ａ及び下面１４ａの四辺に平行に第１軸（Ｘ軸）及び第２軸（Ｙ軸）を配置し、上面１２ａ及び下面１４ａの中心を通る軸線に平行に第３軸（Ｚ軸）を配置するように、直交座標系が定義される。なお第１端部１２及び第２端部１４の形状は、図示の矩形平板状に限定されず、例えば円板状や他の多角形状とすることもできる。

４本の弾性柱３８の各々は、第３軸（Ｚ軸）に平行な方向の力によっては容易に変形（つまり伸縮）しない一方で、第１軸（Ｘ軸）に平行な方向の力、第２軸（Ｙ軸）に平行な方向の力、又は第３軸（Ｚ軸）の周りの回転方向の力によって、柱が傾くような撓みを弾性的に生ずるように構成される。第１端部１２又は第２端部１４に力が加わったときには、第１端部１２及び第２端部１４が有する剛性により、専ら４本の弾性柱３８がこのような弾性的変形を呈する。弾性柱３８が上記力を受けて弾性変形することにより、第１端部１２と第２端部１４とは、第１軸（Ｘ軸）及び第２軸（Ｙ軸）を含む仮想平面（ＸＹ平面）に沿った方向への移動又は第３軸（Ｚ軸）に沿った中心軸線の周りの回転を相対的に生ずる。

各弾性柱３８の形状は、図示の四角柱状でもよいし、円柱や他の多角柱状でもよい。また各弾性柱３８は、図示のように全体に一様な太さを有していてもよいし、或いは長手方向中央又は長手方向一端が細い又は太い形状や複数の曲面を組み合わせた形状であってもよい。４本の弾性柱３８は、図示のように互いに同じ長さを有してもよいし、或いは互いに異なる長さを有してもよい。４本の弾性柱３８の長さが同一の場合、第１端部１２の上面１２ａと第２端部１４の下面１４ａとは互いに平行に配置される。

弾性柱３８の位置は、第１端部１２の上面１２ａの四隅に限定されず、例えば上面１２ａの四辺に沿った位置に設けられてもよい。また、弾性柱３８の本数は４本に限定されず、３本や５本以上であってもよい。連結部１６は、第１端部１２と第２端部１４との前述した３自由度の変位を可能にするものであればよく、その前提で所望位置に所望個数の弾性柱３８を設けることができる。

第１端部１２には、上面１２ａから第３軸（Ｚ軸）に沿った方向へ各々突出する４個の第１ブロック４０、４２が設けられる（図１～図３）。各第１ブロック４０、４２は直方体形状を有し、上面１２ａの所定位置に配置される。２個の第１ブロック４０の各々は、第１軸（Ｘ軸）と第３軸（Ｚ軸）との成す仮想平面（ＸＺ平面）に沿って広がる第１面２６を有する（図３）。他の２個の第１ブロック４２の各々は、第２軸（Ｙ軸）と第３軸（Ｚ軸）との成す仮想平面（ＹＺ平面）に沿って広がる第３面３２を有する（図３）。

第２端部１４には、下面１４ａから第３軸（Ｚ軸）に沿った方向へ各々突出する４個の第２ブロック４４、４６が設けられる（図１～図３）。各第２ブロック４４、４６は直方体形状を有し、各第１ブロック４０、４２の位置に対応する下面１４ａの所定位置に配置される。２個の第２ブロック４４の各々は、第１軸（Ｘ軸）と第３軸（Ｚ軸）との成す仮想平面（ＸＺ平面）に沿って広がる第２面２８を有する（図３）。他の２個の第２ブロック４６の各々は、第２軸（Ｙ軸）と第３軸（Ｚ軸）との成す仮想平面（ＹＺ平面）に沿って広がる第４面３４を有する（図３）。

対応する位置で同じ仮想平面（ＸＺ平面）に沿って広がる第１面２６と第２面２８とは、連結部１６が弾性変形していない平衡状態で、互いに略平行に対向して配置される。これら２組の互いに対向する第１面２６と第２面２８との間のそれぞれに、第１ギャップ３０が形成される（図３）。連結部１６が弾性変形していない平衡状態で、２個の第１ギャップ３０は互いに同一の形状及び寸法を有することができる。

また、対応する位置で同じ仮想平面（ＹＺ平面）に沿って広がる第３面３２と第４面３４とは、連結部１６が弾性変形していない平衡状態で、互いに略平行に対向して配置される。これら２組の互いに対向する第３面３２と第４面３４との間のそれぞれに、第２ギャップ３６が形成される（図３）。連結部１６が弾性変形していない平衡状態で、２個の第２ギャップ３６は互いに同一の形状及び寸法を有することができる。

このように、第１端部１２に設けた２個の第１ブロック４０と第２端部１４に設けた２個の第２ブロック４４とは、第１差動検出部２０の構成要素である第１面２６と第２面２８とをそれぞれ有する。ここで、一組の並置される第１ブロック４０及び第２ブロック４４と、他の一組の並置される第１ブロック４０及び第２ブロック４４とは、第１軸（Ｘ軸）の方向において「第１」と「第２」との並置関係が反転するように、第１端部１２及び第２端部１４に設けられている（図３）。

また、第１端部１２に設けた２個の第１ブロック４２と第２端部１４に設けた２個の第２ブロック４６とは、第２差動検出部２２の構成要素である第３面３２と第４面３４とをそれぞれ有する。ここで、一組の並置される第１ブロック４２及び第２ブロック４６と、他の一組の並置される第１ブロック４２及び第２ブロック４６とは、第２軸（Ｙ軸）の方向において「第１」と「第２」との並置関係が反転するように、第１端部１２及び第２端部１４に設けられている（図３）。

また、第１端部１２に設けた各２個の第１ブロック４０及び４２と第２端部１４に設けた各２個の第２ブロック４４及び４６とは、第３差動検出部２４の構成要素である第１面２６及び第３面３２と第２面２８及び第４面３４とをそれぞれ有する。ここで、二組の並置される第１ブロック４０及び第２ブロック４４と、二組の並置される第１ブロック４２及び第２ブロック４６とは、第３軸（Ｚ軸）の周りの回転方向において「第１」と「第２」との並置関係が反転するように、第１端部１２及び第２端部１４に設けられている（図３）。

図１～図３に示す平衡状態から、第１端部１２と第２端部１４とが第１軸（Ｘ軸）に沿った方向へ相対的に移動すると、それに伴い、Ｘ軸方向へ並置された第１ブロック４０と第２ブロック４４とが相対的に移動し、その移動距離に従って２個の第２ギャップ３０の寸法が変化する（図４Ａ～図４Ｃ）。同様に、第１端部１２と第２端部１４とが第２軸（Ｙ軸）に沿った方向へ相対的に移動すると、それに伴い、Ｙ軸方向へ並置された第１ブロック４２と第２ブロック４６とが相対的に移動し、その移動距離に従って２個の第１ギャップ３６の寸法が変化する（図４Ｄ）。また、第１端部１２と第２端部１４とが第３軸（Ｚ軸）に沿った中心軸線（図示の例では平面視で矩形状の第１端部１２の中心軸線１２ｂ）の周りで相対的に回転すると、それに伴い、第１ブロック４０と第２ブロック４４とが相対的に回転するとともに第１ブロック４２と第２ブロック４６とが相対的に回転し、その回転角度に従って各２個の第１ギャップ３０及び第２ギャップ３６の寸法が変化する（図４Ｅ）。これら相対的な移動及び回転の間、第１端部１２と第２端部１４とは変形せず、連結部１６（弾性柱３８）のみが弾性変形する。

例えば図４Ａ及び図４Ｂに示すように、第２端部１４が第１端部１２に対してＸ軸正方向（図で右方向）へ移動すると、一組の第１ブロック４０及び第２ブロック４４と他の一組の第１ブロック４０及び第２ブロック４４との並置関係がＸ軸方向において反転しているので、一方（図４Ａで下側）の第１ギャップ３０の寸法が増加し、その増加分に対応する量だけ、他方（図４Ａで上側）の第１ギャップ３０の寸法が減少する。また図４Ｃに示すように、第２端部１４が第１端部１２に対してＸ軸負方向（図で左方向）へ移動すると、一方（図４Ａで下側）の第１ギャップ３０の寸法が減少し、その減少分に対応する量だけ、他方（図４Ａで上側）の第１ギャップ３０の寸法が増加する。第１差動検出部２０は、２個の第１ギャップ３０のこのような逆位相の寸法変化を、互いに逆位相の信号に変換して差動式に演算処理することで、第１移動データｄ１として検出する。

なお、第１端部１２と第２端部１４とがＸ軸方向へ相対移動すると、それに伴い、第１ブロック４２と第２ブロック４６とがＸ軸方向へ相対移動するが、このときの第３面３２と第４面３４との面方向へのずれ率（したがって第２ギャップ３６の変化率）は、第１ギャップ３０の変化率に比べて十分に小さいので、第１移動データｄ１に含まないように処理することができる。

また、例えば図４Ｄに示すように、第２端部１４が第１端部１２に対してＹ軸正方向（図で上方向）へ移動すると、一組の第１ブロック４２及び第２ブロック４６と他の一組の第１ブロック４２及び第２ブロック４６との並置関係がＹ軸方向において反転しているので、一方（図４Ｄで左側）の第２ギャップ３６の寸法が増加し、その増加分に対応する量だけ、他方（図４Ｄで右側）の第２ギャップ３６の寸法が減少する。また図示しないが、第２端部１４が第１端部１２に対してＹ軸負方向（図で下方向）へ移動すると、一方（図４Ｄで左側）の第２ギャップ３６の寸法が減少し、その減少分に対応する量だけ、他方（図４Ｄで右側）の第２ギャップ３６の寸法が増加する。第２差動検出部２２は、２個の第２ギャップ３６のこのような逆位相の寸法変化を、互いに逆位相の信号に変換して差動式に演算処理することで、第２移動データｄ２として検出する。

なお、第１端部１２と第２端部１４とがＹ軸方向へ相対移動すると、それに伴い、第１ブロック４０と第２ブロック４４とがＹ軸方向へ相対移動するが、このときの第１面２６と第２面２８との面方向へのずれ率（したがって第１ギャップ３０の変化率）は、第２ギャップ３６の変化率に比べて十分に小さいので、第２移動データｄ２に含まないように処理することができる。

また、例えば図４Ｅに示すように、第２端部１４が第１端部１２に対してＺ軸正方向に関し右回り（図で反時計回り）に回転すると、二組の第１ブロック４０及び第２ブロック４４と二組の第１ブロック４２及び第２ブロック４６との並置関係がＺ軸周り回転方向において反転しているので、２個の第１ギャップ３０の寸法が増加し、その増加分に対応する量だけ、２個の第２ギャップ３６の寸法が減少する。また図示しないが、第２端部１４が第１端部１２に対してＺ軸正方向に関し左回り（図で時計回り）に回転すると、２個の第１ギャップ３０の寸法が減少し、その減少分に対応する量だけ、２個の第２ギャップ３６の寸法が増加する。第３差動検出部２４は、第１ギャップ３０と第２ギャップ３６とのこのような逆位相の寸法変化を、互いに逆位相の信号に変換して差動式に演算処理することで、回転データｄ３として検出する。

第１ギャップ３０及び第２ギャップ３６は、それ自体の寸法変化を数量で表すための構成要素の一例として、静電容量を有することができる。この場合、検出部１８は、前述した３方向の相対変位を検出するために、互いに電気的に独立した３つ以上の静電容量形成部（つまり電極対）を第１ギャップ３０及び第２ギャップ３６に有することができる。力検出構造１０においては、計４個の第１ギャップ３０及び第２ギャップ３６の各々が１つの静電容量形成部を有する。検出部１８は、個々の静電容量形成部における静電容量の変化を検出することにより検出値Ｄを出力する。

例えば、図３に示す第１ブロック４０の第１面２６には電極４８が形成され、対向する第２ブロック４４の第２面２８には、電極４８と同じ表面積の電極５０が形成される。互いに対向する電極４８、５０（つまり電極対）は静電容量形成部を構成し、それら電極４８、５０の間を電気的に絶縁する第１ギャップ３０に、所定の静電容量を形成する。例えば、電極対の一方の電極４８に所定の周波数及び電圧を印加し、他方の電極５０に流れる電流値を測ることで、第１ギャップ３０の変化を検出することができる。

同様に、第１ブロック４２の第３面３２に電極５２が形成され、対向する第２ブロック４６の第４面３４に、電極５２と同じ表面積の電極５４が形成される。互いに対向する電極５２、５４（つまり電極対）は静電容量形成部を構成し、それら電極５２、５４の間を電気的に絶縁する第２ギャップ３６に、所定の静電容量を形成する。例えば、電極対の一方の電極５２に所定の周波数及び電圧を印加し、他方の電極５４に流れる電流値を測ることで、第２ギャップ３６の変化を検出することができる。

例えば図４Ａ～図４Ｃに示すように、第１端部１２と第２端部１４とが第１軸（Ｘ軸）に沿った方向へ相対移動すると、第１軸（Ｘ軸）方向へ対向する電極４８、５０が相互に接近又は離反する方向へ相対的に並進して、第１ギャップ３０を一様に縮小又は拡大する。このとき、前述したように２個の第１ギャップ３０の寸法は逆位相で変化するので、それら第１ギャップ３０の静電容量も逆位相で変化して、二組の電極対４８、５０を通して互いに逆位相の電気信号が得られる。第１差動検出部２０は、これら逆位相の電気信号を差動式に演算処理して、第１移動データｄ１として検出する。

また、例えば図４Ｄに示すように、第１端部１２と第２端部１４とが第２軸（Ｙ軸）に沿った方向へ相対移動すると、第２軸（Ｙ軸）方向へ対向する電極５２、５４が相互に接近又は離反する方向へ相対的に並進して、第２ギャップ３６を一様に縮小又は拡大する。このとき、前述したように２個の第２ギャップ３６の寸法は逆位相で変化するので、それら第２ギャップ３６の静電容量も逆位相で変化して、二組の電極対５２、５４を通して互いに逆位相の電気信号が得られる。第２差動検出部２２は、これら逆位相の電気信号を差動式に演算処理して、第２移動データｄ２として検出する。

また、例えば図４Ｅに示すように、第１端部１２と第２端部１４とが第３軸（Ｚ軸）に沿った中心軸線１２ｂの周りで相対回転すると、第１軸（Ｘ軸）方向へ対向する電極４８、５０が相対的に傾斜するとともに、第２軸（Ｙ軸）方向へ対向する電極５２、５４が相対的に傾斜して、それぞれの第１ギャップ３０及び第２ギャップ３６を、電極対の一端側で縮小し他端側で拡大する。このとき、前述したように第１ギャップ３０の寸法と第２ギャップ３６の寸法とは逆位相で変化するので、第１ギャップ３０の静電容量と第２ギャップ３６の静電容量とが逆位相で変化して、電極対４８、５０と電極対５２、５４とを通して互いに逆位相の電気信号が得られる。第３差動検出部２４は、これら逆位相の電気信号を差動式に演算処理して、回転データｄ３として検出する。

力検出構造１０において、第１ギャップ３０及び第２ギャップ３６の寸法変化を数量で表すための構成要素は、静電容量に限定されない。例えば、第１ギャップ３０又は第２ギャップ３６における磁気パーミアンスや光量等を測定したり、電極対４８、５０の一方又は電極対５２、５４の一方を巻線として渦電流を測定したりすることにより、第１ギャップ３０又は第２ギャップ３６の寸法変化を検出することができる。したがって、第１差動検出部２０は、複数の第１ギャップ３０の変化を、静電容量、渦電流、磁気パーミアンス又は光量を用いて検出することができる。また、第２差動検出部２２は、複数の第２ギャップ３６の変化を、静電容量、渦電流、磁気パーミアンス又は光量を用いて検出することができる。また、第３差動検出部２４は、第１ギャップ３０の変化及び第２ギャップ３６の変化を、静電容量、渦電流、磁気パーミアンス又は光量を用いて検出することができる。

力検出構造１０においては、構成部品（特に検出部１８の構成要素）が温度や湿度等の、力以外の環境要因によって変形や特性変化を生じた場合、第１移動データｄ１、第２移動データｄ２及び回転データｄ３が変動して検出値Ｄにドリフトが生ずることが懸念される。例えば図５Ａに示すように、互いに並置される第１ブロック４０と第２ブロック４４とが、環境の温度変化に伴って互いに同じ態様で（したがって鏡像的に）変形を生じる場合がある。図５Ｂに拡大して示すように、第１ブロック４０には絶縁層５６を介して電極４８が形成されるが、これら３つの部材の材料が異なるため、熱膨張率の差に起因して温度変化により図示のような変形が生じ得る。この変形は第２ブロック４６においても同じ態様で生じるので、力検出構造１０に力が加わらない状態にも拘らず、第１ギャップ３０の寸法が変化してしまう可能性が有る（図５Ａ）。第２ギャップ３６についても同様である。

また図６に示すように、環境の湿度変化により、互いに並置される第１ブロック４０の絶縁層５６と第２ブロック４４の絶縁層５６とが、互いに同じ態様で変形（吸湿膨張）を生じる場合がある。この場合も、力検出構造１０に力が加わらない状態にも拘らず、第１ギャップ３０の寸法が変化してしまう可能性が有る。なお、絶縁層５６の厚みが変動すると、それ自体の誘電率が変化したり第１ブロック４０との間の浮遊容量が変化したりする場合があり、このような絶縁層５６の特性変化が検出値Ｄに影響を及ぼす可能性も有る。第２ギャップ３６についても同様である。

例えば図７Ａ及び図７Ｂに示すように、互いに並置される第１ブロック４０と第２ブロック４４とにおいて、第２ブロック４４には電極５０の代わりに巻線（例えば電極用の金属板を渦巻き状にエッチングしたもの）５８を設ける構成の場合、巻線５８に所定の周波数及び電圧を印加し、第１ブロック４０の電極４８に発生する渦電流に起因する巻線５８の電流変化を測ることで、第１ギャップ３０の変化を検出することができる。この構成では、図８の等価回路から理解されるように、Ｓｉｇ＝｜Ｅ０×（Ｒ１＋Ｌ１ｊ）／（Ｒ０＋Ｒ１＋Ｌ１ｊ）｜の信号を得ることができる。したがって、環境の温度変化により電極４８や巻線５８の抵抗値が変動すると、第１ギャップ３０のインダクタンスが変動した（つまり寸法が変化した）と同様の信号変化が生じる。第２ギャップ３６についても同様である。

上記したような種々の状況において、力検出構造１０では前述したように、検出部１８の第１差動検出部２０、第２差動検出部２２及び第３差動検出部２４が、第１移動データｄ１、第２移動データｄ２及び回転データｄ３を差動式に検出するので、力以外の環境要因によって発生した第１ギャップ３０及び第２ギャップ３６の寸法変化等に伴う信号の変動分が、逆位相の信号の差を取ることによって相殺される。その結果、力検出構造１０では、構成部品（特に検出部１８の構成要素）が温度や湿度等の、力以外の環境要因によって変形や特性変化を生じた場合であっても、力による変位を正確に表す第１移動データｄ１、第２移動データｄ２及び回転データｄ３を検出でき、以って検出値Ｄの確度及び精度を向上させることができる。

図９は、第２の実施形態による力検出構造６０の全体構成を示す。力検出構造６０は、連結部１６の構成を除いて、前述した力検出構造１０と同様の構成を有する。よって、対応する構成要素にはその説明の繰り返しを避けるべく共通の参照符号を付す。

力検出構造６０は、第１端部１２と、第２端部１４（図１）と、第１端部１２と第２端部１４とを３自由度で弾性的に連結する連結部１６と、連結部１６の弾性変形を伴う第１端部１２と第２端部１４との相対変位を検出する検出部１８とを備える。連結部１６は、第１端部１２の上面１２ａの三辺の所定位置に、第３軸（Ｚ軸）に沿った方向へ上向きに突設される３本の弾性柱６２によって構成される。

力検出構造６０は、第１端部１２又は第２端部１４に力が加わったときに、第１差動検出部２０、第２差動検出部２２及び第３差動検出部２４が、力検出構造１０における変位検出動作と同様の変位検出動作を実行する。そして検出部１８は、第１差動検出部２０、第２差動検出部２２及び第３差動検出部２４がそれぞれ差動式に検出した第１移動データｄ１、第２移動データｄ２及び回転データｄ３に基づいて、検出値Ｄを出力する。よって力検出構造６０においても、力検出構造１０と同等の効果が奏される。

図１０は、第３の実施形態による力検出構造７０の全体構成を示す。力検出構造７０は、連結部１６の構成を除いて、前述した力検出構造１０と同様の構成を有する。よって、対応する構成要素にはその説明の繰り返しを避けるべく共通の参照符号を付す。

力検出構造７０は、第１端部１２と、第２端部１４（図１）と、第１端部１２と第２端部１４とを３自由度で弾性的に連結する連結部１６と、連結部１６の弾性変形を伴う第１端部１２と第２端部１４との相対変位を検出する検出部１８とを備える。連結部１６は、第１端部１２の上面１２ａの中心付近の４箇所に、第３軸（Ｚ軸）に沿った方向へ上向きに突設される４本の弾性柱７２によって構成される。

力検出構造７０は、第１端部１２又は第２端部１４に力が加わったときに、第１差動検出部２０、第２差動検出部２２及び第３差動検出部２４が、力検出構造１０における変位検出動作と同様の変位検出動作を実行する。そして検出部１８は、第１差動検出部２０、第２差動検出部２２及び第３差動検出部２４がそれぞれ差動式に検出した第１移動データｄ１、第２移動データｄ２及び回転データｄ３に基づいて、検出値Ｄを出力する。よって力検出構造７０においても、力検出構造１０と同等の効果が奏される。

力検出構造１０、６０、７０は、検出部１８による検出値Ｄから、第１端部１２又は第２端部１４に加わる力の、前述した第１力成分、第２力成分及びモーメント成分を検出できるようにするものである。これら力成分及びモーメント成分の検出は、力検出構造１０、６０、７０とは別の演算装置によって実施できる。或いは図１に示すように、力検出構造１０、６０、７０はそれ自体に、検出部１８が検出した検出値Ｄを用いて、第１端部１２又は第２端部１４に加わる力の、第１力成分、第２力成分及びモーメント成分を演算する演算部８０を備えることができる。

検出値Ｄから力成分やモーメント成分を求める演算は、例えば、検出値Ｄと予め求めた変換係数行列とを行列演算する手法により実行できる。変換係数行列は、力検出構造１０、６０、７０に対して既知の荷重を様々な方向に加えて、当該荷重の力及びモーメントの３軸方向成分に対応する変位データを収集し、それら変位データから公知の数学的手法により求めることができる。変位の検出に静電容量を用いる場合、静電容量は第１ギャップ３０及び第２ギャップ３６の寸法に反比例するので、検出部１８は、検出した静電容量の変化量の逆数から変位量を求めて検出値Ｄとして出力できる。或いは、公知の数学的手法を用いることで、検出部１８が検出した静電容量の変化量の生データ（つまり静電容量の検出値）に基づき、例えば演算部８０が、直接的に力成分及びモーメント成分を求めることもできる。この場合、検出部１８は、検出した静電容量の変化量を検出値Ｄとして出力することになる。演算部８０は、検出値Ｄに連結部１６の剛性値（既知の値）を乗じることで、力成分やモーメント成分を求めることができる。

力検出構造１０、６０、７０は、第１端部１２又は第２端部１４に加わる力の、前述した３軸の成分とは異なる他の１軸以上の成分を検出可能な付加検出構造と組み合わせることで、４軸以上の力センサを構成することができる。以下、図１１～図１３Ｃを参照してそのような力センサの一実施形態である６軸力センサ９０の構成を説明する。なお図１１～図１３Ｃでは、第２端部１４の構成を簡略化して示している。

６軸力センサ９０は、力検出構造１０と、第２端部１４を力検出構造１０と共有する付加検出構造９２とを備える。付加検出構造９２は、第２端部１４と、第２端部１４の反対側に位置する第３端部９４と、第２端部１４と第３端部９４とを、力検出構造１０の連結部１６の３自由度とは異なる第２の３自由度で弾性的に連結する第２連結部９６と、第２連結部９６の弾性変形を伴う第２端部１４と第３端部９４との相対変位を検出する第２検出部９８とを備える。

例えば図示のように、空間に直交３軸座標系（Ｘ－Ｙ－Ｚ）を定義する場合、第２端部１４と第３端部９４とは、第２連結部９６の弾性変形の下で、第１軸（Ｘ軸）に沿った中心軸線の周りで相対的に回転でき、第２軸（Ｙ軸）に沿った中心軸線の周りで相対的に回転でき、第３軸（Ｚ軸）に沿った方向へ相対的に移動できるように構成される。この場合、第２の３自由度は、第１軸（Ｘ軸）に沿った中心軸線及び第２軸（Ｙ軸）に沿った中心軸線の各々の周りの回転並びに第３軸（Ｚ軸）に沿った方向への移動として定義される。第２端部１４と第３端部９４とは、第３端部９４又は力検出構造１０の第１端部１２に加わる力に応じて、これら３方向のうちのいずれか１方向又は２方向以上の組合せ方向へ、相対的に変位できる。

第２検出部９８は、第２端部１４と第３端部９４との上記した３方向の相対変位（つまり相対的変位量）を検出する。第２検出部９８は、検出した３方向の相対変位に基づき、第３端部９４又は第１端部１２に加わる力の、第１軸（図ではＸ軸）の周りの第１モーメント成分、第１軸に直交する第２軸（図ではＹ軸）の周りの第２モーメント成分、及び第１軸と第２軸との双方に直交する第３軸（図ではＺ軸）の方向の第３力成分を取得するための第２検出値Ｄ２を出力する。

図１２Ａ～図１２Ｃは、力検出構造１０の検出部１８の構成及び動作の一例を模式的に示す。図４Ａ～図４Ｅを参照して説明したように、検出部１８は、第１差動検出部２０、第２差動検出部２２及び第３差動検出部２４が、第１移動データｄ１、第２移動データｄ２及び回転データｄ３を差動式に検出する。

図１３Ａ～図１３Ｃは、第２検出部９８の構成及び動作の一例を模式的に示す。図示の例では、第２端部１４は第５面１００を有し、第３端部９４は第５面１００に対向する第６面１０２を有し、第５面１００と第６面１０２との間に、第２端部１４と第３端部９４との相対変位に伴って寸法が変化する第３ギャップ１０４が形成される。第２検出部９８は、第３ギャップ１０４の寸法の変化を検出することにより第２検出値Ｄ２を出力する。

第２端部１４と第３端部９４とが第３軸（Ｚ軸）に沿った方向へ相対的に移動すると、その移動距離に従って第３ギャップ１０４の寸法が変化する（図１３Ａ、図１３Ｂ）。また、第２端部１４と第３端部９４とが第２軸（Ｙ軸）に沿った中心軸線（図示の例では直方体形状の第３端部９４の矩形断面の中心軸線９４ａ）の周りで相対的に回転すると、その回転角度に従って第３ギャップ１０４の寸法が変化する（図３Ｃ）。同様に、第２端部１４と第３端部９４とが第１軸（Ｘ軸）に沿った中心軸線の周りで相対的に回転すると、その回転角度に従って第３ギャップ１０４の寸法が変化する（図示せず）。これら相対的な移動及び回転の間、第２端部１４と第３端部９４とは変形せず、第２連結部９６のみが弾性変形する。

第３ギャップ１０４は、力検出構造１０の第１ギャップ３０及び第２ギャップ３６と同様に、それ自体の寸法変化を数量で表すための構成要素の一例として、静電容量を有する。或いは、渦電流、磁気パーミアンス、光量等を用いて、第３ギャップ１０４の寸法変化を検出することもできる。

このように、６軸力センサ９０は、第１端部１２と第２端部１４とが連結部１６により第１の３自由度で互いに連結されるとともに、第２端部１４と第３端部９４とが第２連結部９６により、第１の３自由度とは異なる第２の３自由度で互いに連結され、検出部１８が第１端部１２と第２端部１４との第１の３自由度での相対変位を検出する一方で、検出部１８とは異なる第２検出部９８が第２端部１４と第３端部９４との第２の３自由度での相対変位を検出するように構成されている。したがって、第１端部１２と第３端部９４との間の６自由度の相対変位を、検出部１８と第２検出部９８とで３自由度ずつ分担して検出できる。検出部１８と第２検出部９８とは、第１の３自由度での相対変位に基づく第１の検出値Ｄと、第２の３自由度での相対変位に基づく第２検出値Ｄ２とを、それぞれに分担して出力できるから、３軸の力成分及び３軸のモーメント成分を取得するための検出値Ｄ及び第２検出値Ｄ２の確度が向上する。

特に６軸力センサ９０は、力検出構造１０を備えているから、構成部品（特に検出部１８の構成要素）が温度や湿度等の、力以外の環境要因によって変形や特性変化を生じた場合であっても、力による変位を正確に表す第１移動データｄ１、第２移動データｄ２及び回転データｄ３を検出でき、以って検出値Ｄの確度及び精度を向上させることができる。説明は省略するが、付加検出構造９２の第２検出部９８においても、検出部１８と同様の差動式変位検出機構を採用することができる。

１０、６０、７０ 力検出構造
１２ 第１端部
１４ 第２端部
１６ 連結部
１８ 検出部
２０ 第１差動検出部
２２ 第２差動検出部
２４ 第３差動検出部
２６ 第１面
２８ 第２面
３０ 第１ギャップ
３２ 第３面
３４ 第４面
３６ 第２ギャップ
３８ 弾性柱
４０、４２ 第１ブロック
４４、４６ 第２ブロック
４８、５０、５２、５４ 電極
６２、７２ 弾性柱
８０ 演算部
９０ ６軸力センサ
９２ 付加検出構造

Claims (10)

1. 第１端部と、
   前記第１端部と対向する第２端部と、
   前記第１端部から前記第２端部に向かう第１方向に沿って前記第１端部と前記第２端部とを弾性的に連結する連結部と、
   前記連結部の弾性変形を伴う前記第１端部と前記第２端部との前記第１方向に交差する平面に沿う方向の相対変位を検出する検出部とを具備し、
   前記検出部は、
   前記第１端部と前記第２端部との間に設けられ、前記相対変位に伴い変化する少なくとも２個の第１ギャップと、
   前記第１ギャップとは異なる位置で前記第１端部と前記第２端部との間に設けられ、前記相対変位に伴い変化する少なくとも２個の第２ギャップと、
   前記第１ギャップに生じる逆位相の変化を処理することにより、第１移動データとして検出する第１差動検出部と、
   前記第２ギャップに生じる逆位相の変化を処理することにより、第２移動データとして検出する第２差動検出部とを備え、
   前記連結部は複数の弾性柱を含んでおり、
   該複数の弾性柱の各々は、前記第１方向に平行な方向の力によっては容易に変形しない一方で、前記第１方向に交差する前記平面に平行な方向の力、又は前記第１方向の周りの回転方向の力によって、傾くような撓みを弾性的に生ずるように構成される、
   力検出構造。
2. 前記検出部は、前記第１方向に沿う軸周りの前記第１端部と前記第２端部との相対的な回転に伴い前記第１ギャップと前記第２ギャップとに生じる逆位相の変化を処理することにより、回転データとして検出する第３差動検出部と、を備える請求項１に記載の力検出構造。
3. 前記検出部は、前記第１移動データと前記第２移動データと前記回転データに基づいて、前記第１端部と前記第２端部に生じる力成分及びモーメント成分を取得するための検出値を出力する請求項２に記載の力検出構造。
4. 前記検出値に基づいて、前記力成分及び前記モーメント成分を演算する演算部をさらに具備する、請求項３に記載の力検出構造。
5. 前記第１差動検出部は、前記第１ギャップの前記変化を、静電容量、渦電流、磁気パーミアンス又は光量を用いて検出する、請求項１に記載の力検出構造。
6. 前記第２差動検出部は、前記第２ギャップの前記変化を、静電容量、渦電流、磁気パーミアンス又は光量を用いて検出する、請求項１に記載の力検出構造。
7. 前記第３差動検出部は、前記第１ギャップの前記変化及び前記第２ギャップの前記変化を、静電容量、渦電流、磁気パーミアンス又は光量を用いて検出する、請求項２に記載の力検出構造。
8. 第１端部と、
   前記第１端部と対向する第２端部と、
   前記第１端部から前記第２端部に向かう第１方向に沿って前記第１端部と前記第２端部とを弾性的に連結する連結部と、
   前記連結部の弾性変形を伴う前記第１端部と前記第２端部との前記第１方向に交差する平面に沿う方向の相対変位を検出する検出部とを具備し、
   前記検出部は、
   前記第１端部と前記第２端部との間に設けられ、前記相対変位に伴い逆位相に変化可能な少なくとも２個の第１ギャップと、
   前記第１ギャップとは異なる位置で前記第１端部と前記第２端部との間に設けられ、前記相対変位に伴い逆位相に変化可能な少なくとも２個の第２ギャップと、を備え、
   前記連結部は複数の弾性柱を含んでおり、
   該複数の弾性柱の各々は、前記第１方向に平行な方向の力によっては容易に変形しない一方で、前記第１方向に交差する前記平面に平行な方向の力、又は前記第１方向の周りの回転方向の力によって、傾くような撓みを弾性的に生ずるように構成される、
   力検出構造。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の力検出構造を備えた力センサ。
10. 請求項９に記載の力センサを備えたロボット。

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