WO2014045685A1 - 力センサおよび力センサを有するロボット - Google Patents

力センサおよび力センサを有するロボット Download PDF

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force sensor
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俊弘 竹下
拓真 岩崎
有永　雄司
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Kyushu University NUC
Yaskawa Electric Corp
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Kyushu University NUC
Yaskawa Electric Corp
Yaskawa Electric Manufacturing Co Ltd
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    • A61B5/445—Evaluating skin irritation or skin trauma, e.g. rash, eczema, wound, bed sore
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Definitions

  • the disclosed embodiment relates to a force sensor and a robot having the force sensor.
  • One of the causes of pressure sores is the shear force (friction) acting on the body.
  • tilting the bed can create a shear force between the body and the bed, which can cause pressure ulcers.
  • An object of one embodiment of the present invention is to provide a force sensor that can detect a shearing force with a simple configuration and a robot having the force sensor.
  • a force sensor includes a light emitting unit, a pair of first light detection units, a reflection unit, and a first frame.
  • the light emitting unit emits diffused light.
  • the pair of first light detection units are arranged with the light emitting unit interposed therebetween in the first direction.
  • the reflecting unit is disposed opposite to the light emitting unit on the optical axis of the light emitting unit, and reflects the diffused light emitted from the light emitting unit toward the pair of first light detection units.
  • the first frame deforms the reflection destination of the diffused light by the reflection portion so as to be displaceable in the first direction.
  • the shear force generated between the body and the bedding can be detected with a simple configuration.
  • FIG. 1 is a schematic side view of the force sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic plan view of the displacement sensor.
  • FIG. 3A is a schematic perspective view of a variable frame.
  • FIG. 3B is a schematic rear view of the variable frame.
  • FIG. 4A is an explanatory diagram of a principle of detecting a shear force by the force sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 4B is an explanatory diagram of a principle of detecting a shear force by the force sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 5A is a schematic side view of a force sensor to which a force transmission body is attached.
  • FIG. 5B is a schematic perspective view of the force transmission body and the variable frame.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a change in the value S when the shear force is applied to the force sensor according to the first embodiment while increasing from ⁇ 40 N to 40 N every 5 N.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram of the detection principle of the pressing force by the force sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram illustrating an application example in which the force sensor according to the first embodiment is used for torque detection.
  • FIG. 9A is an explanatory diagram of the principle of torque detection by the force sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 9B is an explanatory diagram of the principle of torque detection by the force sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram illustrating an example of a torque detection experiment condition by the force sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 11A is an explanatory diagram illustrating an example of a torque detection experiment result by the force sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 11B is an explanatory diagram illustrating an example of a torque detection experiment result by the force sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 12A is an explanatory diagram illustrating an example of a torque detection experiment result by the force sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 12B is an explanatory diagram illustrating an example of a torque detection experiment result by the force sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 13 is a schematic side view of a variable frame for increasing the sensitivity of the force sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 14 is a schematic side view of a force sensor according to the second embodiment.
  • FIG. 15 is a schematic perspective view of a variable frame according to the third embodiment.
  • FIG. 16 is a schematic perspective view of a force sensor according to the fourth embodiment.
  • FIG. 17 is a schematic exploded perspective view of a force sensor according to the fourth embodiment.
  • FIG. 18A is a schematic side view illustrating the operation of the force sensor according to the fourth embodiment.
  • FIG. 18B is a schematic side view illustrating the operation of the force sensor according to the fourth embodiment.
  • FIG. 19A is a schematic side view illustrating the operation of the force sensor according to the fourth embodiment.
  • FIG. 19B is a schematic side view illustrating the operation of the force sensor according to the fourth embodiment.
  • FIG. 20 is a schematic perspective view of a force sensor according to the fifth embodiment.
  • FIG. 21 is an explanatory diagram illustrating a modification of the leg portion of the force sensor according to the fifth embodiment.
  • FIG. 22 is an explanatory diagram showing a robot having a force sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 23 is an explanatory diagram showing an end effector portion of the robot having the force sensor according to the first
  • FIG. 1 is a schematic side view of the force sensor according to the first embodiment.
  • the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction that are orthogonal to each other are defined, and the positive direction of the Z-axis is the vertically upward direction.
  • the force sensor 1 includes a base 10, a displacement sensor 20 provided on the top of the base 10, and a base 10 that is fixed above the displacement sensor 20.
  • a first frame hereinafter referred to as “variable frame 30”.
  • the force sensor 1 includes a reflecting portion (hereinafter referred to as “mirror 40”) provided on a surface of the variable frame 30 facing the displacement sensor 20.
  • the displacement sensor 20 includes a light emitting unit 21 and a light detecting unit 22.
  • the light emitting unit 21 emits diffused light, specifically diffused laser light.
  • a vertical cavity surface emitting laser (Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL) can be used.
  • the vertical cavity surface emitting laser is a surface emitting laser in which a cavity is formed perpendicular to a semiconductor substrate.
  • the light detection unit 22 detects the diffused laser light reflected by the mirror 40.
  • a photodiode can be used as the light detection unit 22.
  • the mirror 40 may be formed integrally with the variable frame 30.
  • FIG. 2 is a schematic plan view of the displacement sensor 20.
  • the displacement sensor 20 has a light emitting unit 21 disposed at the center, and light detection units 22a to 22d are disposed on four sides of the light emitting unit 21, respectively.
  • the light detection units 22b and 22d are arranged in the order of the light detection unit 22b ⁇ the light detection unit 22d along the first direction (here, the X-axis positive direction).
  • 22c are arranged along the second direction (here, the positive Y-axis direction) in the order of the light detection unit 22c ⁇ the light detection unit 22a.
  • the light detection units 22b and 22d may be referred to as first light detection units 22b and 22d
  • the light detection units 22a and 22c may be referred to as second light detection units 22a and 22c.
  • the size of the displacement sensor 20 is, for example, about 3.0 mm in length and width and about 1.6 mm in thickness.
  • FIG. 3A is a schematic perspective view of the variable frame 30.
  • FIG. 3B is a schematic rear view of the variable frame 30.
  • the variable frame 30 is a member having a substantially trapezoidal shape in a side view that covers the top of the displacement sensor 20. Specifically, the variable frame 30 is connected to the support portions 31a and 31b inclined with respect to the vertical direction (Z-axis direction) and the support portions 31a and 31b at both ends, and is horizontally supported by the support portions 31a and 31b. And a supported ceiling portion 32.
  • the support portion 31a is inclined to the X axis positive direction side with respect to the vertical direction
  • the support portion 31b is inclined to the X axis negative direction side with respect to the vertical direction.
  • the variable frame 30 has a degree of freedom at the connecting portion between the support portions 31a and 31b and the ceiling portion 32, that is, at the corner portion of the variable frame 30, and deforms when a force is applied in the X-axis direction.
  • 32 is configured to be inclined.
  • variable frame 30 since the support portions 31a and 31b and the ceiling portion 32 are connected at an angle other than a right angle, the connection position between the support portion 31a and the ceiling portion 32 when a force is applied in the X-axis direction. And the height of the connecting position between the support portion 31b and the ceiling portion 32 are caused, and the ceiling portion 32 is inclined.
  • variable frame 30 is arranged along the arrangement direction of the ceiling portion 32 having the facing surface 32a facing the light emitting portion 21 and the pair of light detection portions 22b and 22d, and has an angle other than a right angle to the ceiling portion 32. And a pair of support portions 31a and 31b that support the ceiling portion 32 in a connected manner.
  • the connecting portion between the ceiling portion 32 and the support portions 31a and 31b has a degree of freedom in the arrangement direction of the pair of light detection portions 22b and 22d.
  • fixed part 33 for fixing the variable frame 30 to the base 10 is each formed in the X-axis negative direction side of the support part 31a, and the X-axis positive direction side of the support part 31b (refer FIG. 3A). .
  • the mirror 40 is attached to the back surface (opposite surface 32a facing the light emitting unit 21) of the ceiling 32 in the variable frame 30 (see FIG. 3B), and is disposed immediately above the light emitting unit 21 of the displacement sensor 20.
  • the mirror 40 reflects the laser emitted from the light emitting unit 21 of the displacement sensor 20 and makes it incident on the light detection units 22a to 22d.
  • the size of the ceiling portion 32 is, for example, about 6 ⁇ 18 mm in length and width.
  • the height of the variable frame 30 (distance from the fixed portion 33 to the ceiling portion 32) is, for example, 4 mm.
  • the force sensor 1 is configured as described above.
  • the force sensor 1 is embedded in a bedding such as a pressure ulcer prevention mattress or a cushion, and detects a shear force generated between the bedding and the body. .
  • FIGS. 4A and 4B are explanatory diagrams of the principle of detection of shear force by the force sensor 1 according to the first embodiment.
  • the detection principle when the shearing force acting in the X-axis direction is detected using the light detection unit 22b and the light detection unit 22d will be described.
  • the force sensor 1 irradiates the diffused laser light from the light emitting unit 21 and reflects the diffused laser light by the mirror 40. Thereby, the reflected light of the diffused laser light is irradiated onto the displacement sensor 20.
  • the light detection units 22a to 22d are arranged at positions that partially overlap the irradiation region R of the reflected light of the diffused laser light and detect the intensity of the received reflected light, respectively. . 4A, the center of the irradiation region R coincides with the center of the light emitting unit 21 in a state where the ceiling portion 32 of the variable frame 30 is supported horizontally. In this state, each of the light detection units 22a to 22d overlaps the irradiation region R equally.
  • the detection unit 22d detects reflected light with different intensities.
  • the force sensor 1 includes a conversion processing unit that converts the calculated value S into a shearing force and outputs the shearing force.
  • the conversion processing unit converts the value S into the shear force using a conversion formula from the value S to the shear force or a table in which the value S and the shear force are associated with each other. These conversion formulas and table values are determined by actual measurement or structural calculation.
  • the ceiling portion 32 is inclined more greatly, so that the inclination angle of the mirror 40 increases.
  • the tilt angle of the mirror 40 increases, the difference between the output values from the light detection unit 22b and the light detection unit 22d increases, and the absolute value of the value S increases.
  • the shear force applied to the variable frame 30 and the value S are in a proportional relationship, and the force sensor 1 can detect the shear force applied to the variable frame 30 by detecting the value S. .
  • FIG. 5A is a schematic side view of the force sensor 1 to which the force transmission body is attached
  • FIG. 5B is a schematic perspective view of the force transmission body and the variable frame 30.
  • FIG. 6 shows a change in the value S when the shear force is applied to the force sensor 1 according to the first embodiment while increasing the shear force from -40N to 40N every 5N.
  • a force transmission body 50 is attached to the upper portion of the ceiling portion 32 so that a shearing force is accurately applied to the ceiling portion 32 of the variable frame 30.
  • the force transmission body 50 is a rectangular parallelepiped object, and transmits the force received from the outside to the ceiling portion 32 of the variable frame 30. That is, the surface shearing force is applied to the ceiling portion 32 of the variable frame 30 by pressing the force transmission body 50.
  • the shearing force acting in the negative direction of the X-axis is represented as positive. Therefore, for example, a shearing force of 40N applied in the positive direction of the X axis is represented by “ ⁇ 40N”.
  • the force transmission body 50 is pushed in the positive direction of the X axis, that is, when a force in the positive direction of the X axis is applied to the ceiling portion 32 of the variable frame 30, the value S becomes linear as the shearing force increases. Decreased. This is because the mirror 40 is tilted by applying a force in the X-axis positive direction to the ceiling portion 32, and the irradiation region R (see FIG. 4A) moves to the X-axis positive direction side, so that the output from the light detection unit 22b. This is because the value P2 is smaller than the output value P4 from the light detection unit 22d.
  • the force sensor 1 includes the light emitting unit 21, the displacement sensor 20, the variable frame 30, and the mirror 40.
  • the light emitting unit 21 emits diffused light.
  • the displacement sensor 20 includes a pair of first light detection units 22b and 22d arranged with the light emitting unit 21 interposed therebetween in the first direction.
  • the variable frame 30 includes a facing surface 32a that faces the light emitting unit 21 on the optical axis of the light emitting unit 21, and is fixed to the base 10 that is an installation surface of the light emitting unit 21, and a pair of first light detection units 22b, It has a degree of freedom in the arrangement direction of 22d.
  • the mirror 40 is provided on the facing surface 32a facing the light emitting unit 21 of the variable frame 30, and reflects the diffused light emitted from the light emitting unit 21 toward the pair of first light detection units 22b and 22d.
  • the mirror 40 is disposed opposite to the light emitting unit 21 on the optical axis of the light emitting unit 21, and reflects the diffused light emitted from the light emitting unit 21 toward the pair of first light detection units 22b and 22d.
  • the variable frame 30 is fixed to the base 10 that is the installation surface of the light emitting unit 21 by providing a mirror 40 on an opposing surface 32 a that is disposed opposite to the light emitting unit 21 on the optical axis of the light emitting unit 21.
  • the reflection destination of the diffused light by the mirror 40 is deformed so as to be displaceable in the first direction. Therefore, according to the force sensor 1 according to the embodiment, the shearing force generated between the body and the bedding can be detected with a simple configuration.
  • the force sensor 1 according to the first embodiment uses the displacement sensor 20.
  • the displacement sensor 20 is less subject to temperature variations and individual differences than the piezoelectric sensor. Therefore, according to the force sensor 1 according to the first embodiment, it is possible to accurately detect the shearing force without depending on the external environment or individual differences as compared with the force sensor using the piezoelectric sensor.
  • variable frame 30 also has a degree of freedom in the vertical direction, and the force sensor 1 can detect a pressing force in addition to a shearing force. This point will be described with reference to FIG.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram of the detection principle of the pressing force by the force sensor 1 according to the first embodiment.
  • the force sensor 1 can detect torque in addition to shear force and pressing force. This point will be described with reference to FIGS. 8, 9A and 9B.
  • shaft a torque applied to the steering shaft
  • handle a force in the rotational direction to the steering wheel
  • the torque to be detected by the force sensor 1 is not limited to the torque applied to the shaft.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram showing an application example in which the force sensor 1 according to the first embodiment is used for torque detection
  • FIGS. 9A and 9B are views of torque generated by the force sensor 1 according to the first embodiment. It is explanatory drawing of a detection principle.
  • the force sensor 1 when detecting a torque applied to the shaft 101 by applying a force in the rotational direction to the handle 100, the force sensor 1 includes a shaft 101 and a steering spoke (hereinafter referred to as “spoke 102”). Between.
  • the force applied to the handle 100 in the rotational direction is applied to the ceiling portion 32 (see FIG. 1) of the force sensor 1 as a torque for rotating the shaft 101. It can be detected by the sensor 1.
  • the handle A force F is applied to the top of 100 in the negative X-axis direction.
  • a force is applied to the spoke 102 to rotate the spoke 102 counterclockwise from the handle 100, and the ceiling surface 32 is rotated counterclockwise from the spoke 102 to the ceiling portion 32 of the force sensor 1.
  • a torque of the size F ⁇ r to be applied is applied.
  • variable frame 30 is deformed so that the reflection destination of the diffused light by the mirror 40 is displaced in the positive direction of the X axis.
  • the support portion 31a tilts clockwise from the state shown in FIG. 9A
  • the support portion 31b tilts counterclockwise from the state shown in FIG. 9A
  • the ceiling portion 32 moves from the horizontal state shown in FIG. It is displaced to an inclined state with a downward gradient toward the negative axis direction.
  • the reflection destination of the diffused light by the mirror 40 is displaced in the positive direction of the X-axis from the state shown in FIG.
  • the received light intensity increases. That is, a difference occurs in the light reception intensity of the reflected light by the light detection unit 22b and the light detection unit 22d.
  • the difference in received light intensity increases as the tilt, which is the tilt angle of the mirror 40, increases.
  • the tilt of the mirror 40 increases as the torque applied to the ceiling portion 32 of the force sensor 1 increases. Therefore, according to the force sensor 1, the torque applied to the ceiling portion 32 is detected by calculating the inclination of the mirror 40 based on the difference in the received light intensity of the reflected light from the light detection unit 22b and the light detection unit 22d. Can do.
  • a calculation formula S (P2 ⁇ P4) / (P2 + P4) of a value S indicating the tilt of the mirror 40 used when detecting the shearing force can be used.
  • the calculated value S is converted into shear force
  • the value S is converted into shear force using a conversion formula from the value S to torque or a table in which the value S and the shear force are associated with each other. .
  • the mirror 40 is applied when the torque is applied to the force sensor 1 and when the shearing force is applied in the same direction.
  • the inclination direction is reversed.
  • torque acting on the force sensor 1 in the positive direction of the X axis that is, torque when the handle 100 is rotated clockwise.
  • torque acting on the force sensor 1 in the negative X-axis direction that is, the torque when the handle 100 is rotated counterclockwise is negative.
  • the force sensor 1 is provided between the spoke 102 to which the force for rotating the shaft 101 with respect to the shaft 101 is applied and the shaft 101, and thus the torque applied to the shaft 101. Can be detected.
  • the force sensor 1 can detect the torque applied to an arbitrary rotating body by being provided between an arbitrary rotating body and a member that applies a rotating force to the rotating body.
  • the force sensor 1 can change the torque detection sensitivity and the measurement range by changing the material of the variable frame 30 and the internal angle formed between the ceiling portion 32 of the variable frame 30 and the support portions 31a and 31b. .
  • variable frame 30 having a different material and an internal angle formed by the ceiling portion 32 and the support portions 31a and 31b is used, and a result of an experiment in which torque is detected by the force sensor 1 provided with each variable frame 30 is referred to. explain.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram showing an example of a torque detection experimental condition by the force sensor 1 according to the first embodiment
  • FIGS. 11A to 12B show torque detection by the force sensor 1 according to the first embodiment. It is explanatory drawing which shows an example of an experimental result.
  • the torque was detected by the force sensor 1 under the four experimental conditions (a) to (d). Specifically, a stainless variable frame 30 was used in the experimental conditions (a) and (b), and a copper variable frame 30 was used in the experimental conditions (c) and (d). As can be seen from the Young's modulus shown in FIG. 10, the variable frame 30 made of copper has higher elasticity than the variable frame 30 made of stainless steel.
  • the internal angle formed by the ceiling portion 32 of the variable frame 30 and the support portion 31a was 105 °
  • the internal angle formed by the ceiling portion 32 of the variable frame 30 and the support portion 31b was 110 °
  • the inner angle formed by the ceiling portion 32 of the variable frame 30 and the support portion 31a was 115 °
  • the inner angle formed by the ceiling portion 32 of the variable frame 30 and the support portion 31b was 120 °.
  • the internal angle formed by the ceiling portion 32 of the variable frame 30 and the support portion 31a was 111 °, and the internal angle formed by the ceiling portion 32 of the variable frame 30 and the support portion 31b was 112 °.
  • the internal angle formed by the ceiling portion 32 of the variable frame 30 and the support portion 31a was 118 °, and the internal angle formed by the ceiling portion 32 of the variable frame 30 and the support portion 31b was 122 °.
  • the internal angle formed by the ceiling portion 32 of the variable frame 30 and the support portions 31a and 31b is larger than 90 °.
  • the force sensor 1 is detected by applying a torque of ⁇ 0.3 [Nm] to 0.3 [Nm].
  • the force sensor 1 was detected by applying a torque of ⁇ 0.2 [Nm] to 0.2 [Nm].
  • the force sensor 1 detects a positive torque when a clockwise force is applied to the handle 100, and is negative when a counterclockwise force is applied to the handle 100. Torque is detected.
  • the round points are the experimental results under the experimental condition (a), and the triangular points are the experimental results under the experimental condition (b).
  • the round dots in FIGS. 12A and 12B are the experimental results under the experimental condition (c), and the triangular dots are the experimental results under the experimental condition (d).
  • the horizontal axis represents the torque applied to the force sensor 1
  • the vertical axis represents the value S indicating the inclination of the mirror 40.
  • the range of the inclination angle of the ceiling portion 32 becomes larger as the inner angle formed by the ceiling portion 32 and the support portions 31a and 31b is smaller. That is, when the force sensor 1 is made of the same material, the smaller the internal angle formed by the ceiling portion 32 and the support portions 31a and 31b, the larger the torque measurement range.
  • variable frame 30 when the material of the variable frame 30 is different, the higher the elasticity, the greater the inclination of the ceiling 32 when the same magnitude of torque is applied. That is, when the material of the force sensor 1 is different, the higher the elasticity, the higher the torque detection sensitivity.
  • the force sensor 1 changes the material of the variable frame 30 and the internal angle formed between the ceiling portion 32 of the variable frame 30 and the support portions 31a and 31b, thereby detecting the torque detection sensitivity. And the measurement range can be changed.
  • FIG. 13 is a schematic side view of a variable frame 30a for increasing the sensitivity of the force sensor 1 according to the first embodiment.
  • the variable frame 30 a includes thin portions 31 c and 31 d that are thinner than other portions at the joint between the ceiling portion 32 and the support portions 31 a and 31 b.
  • the ceiling portion 32 is inclined with a smaller torque as the thin portions 31c and 31d are formed thinner. That is, in the force sensor 1 including the variable frame 30a, the sensitivity is changed by changing the thickness of the thin portions 31c and 31d in the variable frame 30a, and the torque is detected as the thickness of the thin portions 31c and 31d is reduced. Sensitivity is increased.
  • the point that the detection sensitivity and measurement range of the torque by the force sensor 1 can be changed by changing the material and shape of the variable frame 30 has been described.
  • the material and shape of the variable frame 30 can be changed.
  • the detection sensitivity and measurement range of the shear force can be changed.
  • the force sensor 1 when detecting the shearing force, the force sensor 1 has a higher sensitivity for detecting the shearing force as the inner angle formed between the ceiling portion 32 and the support portions 31a and 31b is smaller than when detecting the torque. Further, the force sensor 1 has a higher shearing force detection sensitivity as the elasticity of the material used as the material of the variable frame 30 is higher.
  • the sensitivity for detecting the shearing force is higher as in the case of detecting the torque.
  • the force sensor 1 when the shear force is detected, as in the case of detecting the torque, the force sensor 1 has a larger measurement range as the inner angle formed between the ceiling portion 32 and the support portions 31a and 31b is smaller.
  • the displacement sensor 20 may further include a monitoring light detection unit for feeding back the output of the diffused laser light emitted from the light emitting unit 21.
  • a monitoring light detection unit for feeding back the output of the diffused laser light emitted from the light emitting unit 21.
  • FIG. 14 is a schematic side view of a force sensor according to the second embodiment. In the following description, parts that are the same as those already described are given the same reference numerals as those already described, and redundant descriptions are omitted.
  • the force sensor 1A according to the second embodiment includes a displacement sensor 20A instead of the displacement sensor 20 according to the first embodiment.
  • the force sensor 1A according to the second embodiment further includes a cover body 60.
  • the cover body 60 is a box-shaped transparent member that seals the displacement sensor 20A.
  • a reflective member 61 such as a gold foil is provided on the ceiling of the cover body 60.
  • the displacement sensor 20A further includes a monitor light detection unit 23 in addition to the configuration of the displacement sensor 20.
  • a monitor light detection unit 23 for example, a photodiode can be used.
  • the monitor light detection unit 23 is disposed in the vicinity of the light emitting unit 21 and detects the intensity of the diffused laser light reflected by the reflection member 61 of the cover body 60.
  • the diffusion laser beam is detected by the monitor light detection unit 23 detecting the diffusion laser beam emitted from the light emitting unit 21 and reflected by the reflecting member 61. Can be fed back. As a result, it is possible to monitor changes in output due to the temperature and life of the diffused laser light.
  • FIG. 15 is a schematic perspective view of a variable frame according to the third embodiment.
  • variable frame 70 has a first frame 80 having a degree of freedom in the X-axis direction and a second frame 90 having a degree of freedom in the Y-axis direction stacked one above the other. It has the structure made.
  • the basic configuration of the first frame 80 and the second frame 90 is the same as that of the variable frame 30 according to the first embodiment and the second embodiment. That is, the first frame 80 is horizontally supported by a first leg portion (hereinafter referred to as “support portions 81a and 81b”) inclined with respect to the vertical direction (Z-axis direction) and the support portions 81a and 81b.
  • the ceiling portion 82 includes a first facing surface 82a supported by the support portions 81a and 81b so as to face the light emitting portion 21 on the optical axis of the light emitting portion 21.
  • the second frame 90 is horizontally supported by second leg portions (hereinafter referred to as “support portions 91a and 91b”) inclined with respect to the vertical direction (Z-axis direction) and support portions 91a and 91b.
  • the ceiling portion 92 includes a second facing surface 92 a that is supported by the support portions 91 a and 91 b so as to face the light emitting portion 21 on the optical axis of the light emitting portion 21.
  • the support portions 81a and 81b are arranged along the X-axis direction. For this reason, the first frame 80 is deformed along the X-axis direction when a force is applied in the X-axis direction. Further, since the support portions 91a and 91b are arranged along the Y-axis direction, the second frame 90 is deformed along the Y-axis direction when a force is applied in the Y-axis direction.
  • variable frame 70 causes the diffused laser light emitted from the light emitting unit 21 of the displacement sensors 20 and 20A to enter the mirror 93 through the opening 83 and reflects the reflected light from the mirror 93 to the displacement sensors 20 and 20A. Can be reflected.
  • the mirror 93 is supported by the first frame 80 and the second frame 90, and is disposed opposite to the light emitting unit 21 on the optical axis of the light emitting unit 21 to reflect the diffused light.
  • the first frame 80 is deformed so that the reflection destination of the diffused light by the mirror 93 can be displaced in the X-axis direction. Further, the second frame 90 is deformed so that the reflection destination of the diffused light by the mirror 93 can be displaced in the Y-axis direction.
  • the force sensor can detect a shearing force in both the X-axis direction and the Y-axis direction. That is, when a force is applied in the X-axis direction, the first frame 80 of the variable frame 70 is deformed so that the reflection destination of the diffused light by the mirror 93 is displaced in the Y-axis direction.
  • the shearing force acting in the X-axis direction can be detected by 22d (see FIG. 2).
  • the second frame 90 of the variable frame 70 is deformed so that the reflection destination of the diffused light by the mirror 93 is displaced in the Y-axis direction.
  • the shearing force acting in the Y-axis direction can be detected by 22c (see FIG. 2).
  • variable frame 70 that supports the second frame 90 by the ceiling portion 82 of the first frame 80, it is possible to detect shear forces in two orthogonal directions.
  • the variable frame that can detect the shear force in the direction is not limited to this. This point will be described in the fourth embodiment.
  • FIG. 16 is a schematic perspective view of a force sensor 1B according to the fourth embodiment
  • FIG. 17 is a schematic exploded perspective view of the force sensor 1B according to the fourth embodiment.
  • the force sensor 1 ⁇ / b> B includes a first frame 8 and a second frame 9 that are different in shape from the variable frame 70 described in the third embodiment.
  • the second frame 9 is laminated on the first frame 8.
  • the second frame 90 is supported by the ceiling portion 82 of the first frame 80
  • the second frame 9 is the ceiling portion of the first frame 8. It is supported by the first frame 8 on the installation surface side of the force sensor 1 ⁇ / b> B from 84. Thereby, the force sensor 1B can further reduce the thickness in the Z-axis direction.
  • the force sensor 1 ⁇ / b> B includes a displacement sensor 20, a first frame 8, and a second frame 9.
  • the displacement sensor 20 is installed on the installation surface 103 of the force sensor 1B. Since the displacement sensor 20 has the same configuration as that described in the first embodiment, the same reference numerals as those described in the first embodiment are used here, and the description thereof is omitted. .
  • the first frame 8 includes a pair of first leg portions 86 a and 86 b fixed to the installation surface 103 of the light emitting unit 21, and the first leg portions 86 a and 86 b that face the light emitting unit 21 on the optical axis of the light emitting unit 21. And a ceiling portion 84 having a first facing surface 84a supported by 86b.
  • the first leg portions 86a and 86b are provided on both sides of the first facing surface 84a in the first direction (here, the X-axis direction).
  • the first facing surface 84 a is provided with an opening 85 in a region including a position that intersects the optical axis of the light emitting unit 21.
  • the first frame 8 includes a pair of connecting arm portions 88a and 88b provided on both sides of the first facing surface 84a in the second direction (here, the Y-axis direction).
  • the connecting arm portions 88a and 88b are provided so as to have a downward slope from the first facing surface 84a toward the installation surface 103 side.
  • the first frame 8 is fixed to the installation surface 103 by the lower end portions 87a and 87b of the first leg portions 86a and 86b.
  • the connecting arm portions 88 a and 88 b of the first frame 8 are in a state where the lower end portions 89 a and 89 b are lifted from the installation surface 103.
  • the second frame 9 faces the light emitting unit 21 through a pair of second legs 96a and 96b connected to the first frame 8 and the opening 85 of the first facing surface 84a on the optical axis of the light emitting unit 21.
  • the second opposing surface 94a is supported by the second leg portions 96a and 96b.
  • the second legs 96a and 96b are provided on both sides of the second facing surface 94a in the second direction, and the lower ends 97a and 97b are closer to the installation surface 103 side of the light emitting unit 21 than the first facing surface 84a.
  • the mirror 95 which becomes a reflection part of force sensor 1B is provided in the area
  • FIG. 18A, FIG. 18B, FIG. 19A, and FIG. 19B are schematic side views showing the operation of the force sensor 1B according to the fourth embodiment.
  • the ceiling portion 84 of the first frame 8 and the ceiling portion 94 of the second frame 9 maintain a posture parallel to the installation surface 103.
  • the mirror 95 reflects the diffused light so that the reflected light of the diffused light partially overlaps with the light receiving regions of the first light detection units 22b and 22d.
  • the first frame 8 changes the reflection destination of diffused light by the mirror 95 to X It is deformed so as to be displaced in the negative axis direction.
  • the ceiling part 94 of the second frame 9 moves in the negative X-axis direction.
  • the lower end portions 97 a and 97 b of the second leg portions 96 a and 96 b of the second frame 9 are fixed to the first frame 8 by being connected to the connecting arm portions 88 a and 88 b of the first frame 8.
  • the connecting arm portions 88 a and 88 b are in a state of floating from the installation surface 103.
  • the ceiling portion 84 of the first frame 8 moves in the X-axis negative direction together with the ceiling portion 94 of the second frame 9.
  • lower end portions 87 a and 87 b of the first leg portions 86 a and 86 b of the first frame 8 are fixed to the installation surface 103. Accordingly, when the ceiling portion 84 of the first frame 8 moves in the negative X-axis direction, the first leg portions 86a and 86b of the first frame 8 tilt in the counterclockwise direction while maintaining the length.
  • the first facing surface 84a and the second facing surface 94a tilt so as to have a downward gradient toward the X-axis positive direction, so that the reflection destination of the diffused light by the mirror 95 is displaced in the X-axis negative direction. That is, in the first frame 8, the connecting portion 86 c between the first leg portions 86 a and 86 b and the first facing surface 84 a connected at an angle other than a right angle causes the diffused light from the mirror 95 by the shearing force in the X axis negative direction. The reflection destination is deformed so as to be displaced in the negative direction of the X axis.
  • the force sensor 1B is based on the same principle as in the first embodiment based on the difference in the light reception intensity. A shear force acting in the X-axis direction can be detected.
  • the ceiling portion 84 of the first frame 8 and the ceiling portion 94 of the second frame 9 have a posture parallel to the installation surface 103. maintain. Thereby, the mirror 95 reflects the diffused light so that the reflected light of the diffused light partially overlaps with the light receiving areas of the second light detection units 22c and 22a.
  • the ceiling portion 94 of the second frame 9 moves in the negative Y-axis direction, but the ceiling portion 84 of the first frame 8 does not move. Therefore, when the ceiling portion 94 of the second frame 9 moves in the negative Y-axis direction, the second leg portions 96a and 96b of the second frame 9 tilt in the counterclockwise direction while maintaining the length.
  • the second facing surface 94a is tilted so as to have a downward gradient toward the positive direction of the Y axis, so that the reflection destination of the diffused light by the mirror 95 is displaced in the negative direction of the Y axis. That is, in the second frame 9, the connecting portion 96 c between the second legs 96 a and 96 b connected at an angle other than a right angle and the second facing surface 94 a is diffused by the mirror 95 due to the shearing force F in the Y-axis negative direction. The light reflection destination is deformed so as to be displaced in the negative Y-axis direction.
  • the force sensor 1B is based on the same principle as in the first embodiment based on the difference in the light reception intensity.
  • a shearing force F acting in the Y-axis direction can be detected.
  • the shear force in two orthogonal directions can also be detected by the force sensor 1B according to the fourth embodiment.
  • the second frame 9 is supported by the first frame 8 on the installation surface 103 side of the force sensor 1B from the ceiling portion 84 of the first frame 8. Thereby, the force sensor 1B can further reduce the thickness in the Z-axis direction.
  • the force sensor 1B is further thinned in the Z-axis direction, the center of gravity can be lowered. Therefore, for example, when the force sensor 1B is provided on an inclined installation surface, the force sensor 1B detects the shearing force with high accuracy by suppressing the deformation of the first frame 8 and the second frame 9 due to gravity as much as possible. be able to.
  • FIG. 20 is a schematic perspective view of a force sensor 1C according to the fifth embodiment.
  • the force sensor 1C includes a displacement sensor 20 and a first frame 30c. Since the displacement sensor 20 has the same configuration as that described in the first embodiment, the same reference numerals as those described in the first embodiment are used here, and the description thereof is omitted. .
  • the first frame 30 c includes a ceiling portion 110 having a first facing surface 110 a that is disposed to face the light emitting portion 21 on the optical axis of the light emitting portion 21.
  • a mirror 111 serving as a reflecting portion is provided on the first facing surface 110a.
  • the first frame 30c supports the first facing surface 110a from four directions, and reflects the diffused light reflected by the mirror 111 in the first direction (here, the X-axis direction) and in the second direction (here, the Leg portions 112 to 115 which are deformable so as to be displaced only in both directions (Y-axis direction) are provided.
  • the leg portions 112 and 113 are provided on both sides of the first facing surface 110 a in the first direction, and the lower end portions 112 a and 113 a are fixed to the installation surface of the displacement sensor 20.
  • the leg portions 114 and 115 are provided on both sides of the first facing surface 110a in the second direction, and the lower end portions 114a and 115a are fixed to the installation surface of the displacement sensor 20.
  • the force sensor 1C supports the first facing surface 110a on which the mirror 111 is provided so as to face the displacement sensor 20 by the deformable four legs 112 to 115.
  • a first frame 30c is provided.
  • the force sensor 1 ⁇ / b> C configured in this way can also detect shear forces in two orthogonal directions.
  • the force sensor 1C can increase the detection sensitivity of the shear force by changing the shape of each of the four leg portions 112 to 115.
  • FIG. 21 is an explanatory diagram illustrating a modification of the leg portion of the force sensor 1C according to the fifth embodiment.
  • FIG. 21 shows one of the four legs.
  • the leg part 116 of the force sensor 1C is between a leg part body 116a extending from the ceiling part 110 of the first frame 30c and a lower end part 116a fixed to the installation surface.
  • the leg part main body 116a and the connection part 116b narrower than the lower end part 116b are provided.
  • variable frame is formed in a substantially trapezoidal shape when viewed from the side, so that when a shearing force is applied to the variable frame, the ceiling of the variable frame is inclined, The irradiation region R was displaced (see FIGS. 4A and 4B).
  • the method of displacing the irradiation region R according to the shearing force is not limited to the above method.
  • the reflecting surface of the mirror is formed in a concave shape or a convex shape
  • the variable frame is formed in a substantially rectangular shape in side view, in other words, even if the ceiling portion of the variable frame is not inclined
  • the irradiation region R can be displaced. That is, when the variable frame is formed in a substantially rectangular shape when viewed from the side, the ceiling portion of the variable frame does not tilt even if a shearing force is applied to the variable frame, so that the mirror position changes. As a result, the reflection angle of the diffused laser light changes, so that the irradiation region R can be displaced.
  • the point that the force sensor described in the first embodiment can detect torque has been described.
  • FIG. 22 is an explanatory diagram showing a robot having a force sensor according to the first embodiment
  • FIG. 23 is an explanatory diagram showing an end effector portion of the robot having a force sensor according to the first embodiment.
  • the robot 200 having the force sensor according to the first embodiment includes a torso 201, a right arm 202 and a left arm 203 extending from the torso 201, a right arm 202 and a left arm. And an end effector 204 provided at each tip of the unit 203.
  • the right arm portion 202 and the left arm portion 203 are robot arms each having six degrees of freedom.
  • the end effector 204 is a robot hand having a pair of gripping claws 205 for gripping a workpiece to be worked.
  • the force sensor 1 which concerns on 1st Embodiment is provided in the surface side which mutually opposes in the front-end
  • the force sensor 1 is embedded in the gripping claw 205 so that the ceiling portion 32 (see FIG. 1) is flush with the gripping surface of the gripping claw 205 and the ceiling portion 32 is exposed from the gripping surface. Note that the ceiling portion 32 of the force sensor 1 may be covered with an elastic cover.
  • the shearing force acting on the gripping claws 205 can be detected during the workpiece gripping operation. Therefore, by performing the operation while monitoring the detected shearing force, the workpiece caused by excessive shearing force can be detected. Damage can be suppressed.
  • the dual-arm robot 200 including the right arm unit 202 and the left arm unit 203 is taken as an example, but the robot provided with the force sensor 1 may be a single-arm robot. Further, the number of gripping claws 205 of the end effector 204 is not limited to two. Further, the sensor 1 provided in the robot 200 is not limited to the one described in the first embodiment, and may be one described in each of the above-described embodiments.

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Abstract

　実施形態に係る力センサは、発光部と、一対の第１光検出部と、反射部と、第１フレームとを備える。発光部は、拡散光を照射する。一対の第１光検出部は、第１方向において発光部を挟んで配置される。反射部は、発光部の光軸上において発光部に対して対向配置され、発光部から照射される拡散光を一対の第１光検出部側へ反射する。第１フレームは、反射部による拡散光の反射先を、第１方向へ変位可能に変形する。さらに、力センサは、一対の第２光検出部と、第２フレームとを備える。一対の第２光検出部は、第１方向と直交する第２方向において発光部を挟んで配置される。第２フレームは、反射部による拡散光の反射先を、第２方向へ変位可能に変形する。

Description

力センサおよび力センサを有するロボット
　開示の実施形態は、力センサおよび力センサを有するロボットに関する。
　褥瘡の原因の一つとして、身体に作用するせん断力（摩擦）が挙げられる。たとえば、ベッドを傾斜させると、身体とベッドの間にせん断力が生じ、これによって褥瘡が生じる場合がある。
　このため、近年では、せん断力を検出するための力センサを褥瘡防止マットレス等の寝具に内蔵し、身体と寝具との間に生じるせん断力を検出する試みがなされている（たとえば、特許文献１参照）。
再表０３／０７９８９８号公報
　しかしながら、上述した従来技術には、せん断力を簡易な構成で検出するという点でさらなる改善の余地があった。
　実施形態の一態様は、せん断力を簡易な構成で検出することのできる力センサおよび力センサを有するロボットを提供することを目的とする。
　実施形態の一態様に係る力センサは、発光部と、一対の第１光検出部と、反射部と、第１フレームとを備える。発光部は、拡散光を照射する。一対の第１光検出部は、第１方向において前記発光部を挟んで配置される。反射部は、前記発光部の光軸上において前記発光部に対して対向配置され、前記発光部から照射される拡散光を前記一対の第１光検出部側へ反射する。第１フレームは、前記反射部による前記拡散光の反射先を、前記第１方向へ変位可能に変形する。
　実施形態の一態様によれば、身体と寝具等との間に生じるせん断力を簡易な構成で検出することができる。
図１は、第１の実施形態に係る力センサの模式側面図である。 図２は、変位センサの模式平面図である。 図３Ａは、可変フレームの模式斜視図である。 図３Ｂは、可変フレームの模式背面図である。 図４Ａは、第１の実施形態に係る力センサによるせん断力の検出原理の説明図である。 図４Ｂは、第１の実施形態に係る力センサによるせん断力の検出原理の説明図である。 図５Ａは、力伝達体が取り付けられた力センサの模式側面図である。 図５Ｂは、力伝達体および可変フレームの模式斜視図である。 図６は、第１の実施形態に係る力センサに対して、せん断力を－４０Ｎから４０Ｎまで５Ｎごとに上昇させつつ印加した場合の値Ｓの変化を示す図である。 図７は、第１の実施形態に係る力センサによる押圧力の検出原理の説明図である。 図８は、第１の実施形態に係る力センサをトルクの検出に用いた適用例を示す説明図である。 図９Ａは、第１の実施形態に係る力センサによるトルクの検出原理の説明図である。 図９Ｂは、第１の実施形態に係る力センサによるトルクの検出原理の説明図である。 図１０は、第１の実施形態に係る力センサによるトルクの検出実験条件の一例を示す説明図である。 図１１Ａは、第１の実施形態に係る力センサによるトルクの検出実験結果の一例を示す説明図である。 図１１Ｂは、第１の実施形態に係る力センサによるトルクの検出実験結果の一例を示す説明図である。 図１２Ａは、第１の実施形態に係る力センサによるトルクの検出実験結果の一例を示す説明図である。 図１２Ｂは、第１の実施形態に係る力センサによるトルクの検出実験結果の一例を示す説明図である。 図１３は、第１の実施形態に係る力センサを高感度化する可変フレームの模式側面図である。 図１４は、第２の実施形態に係る力センサの模式側面図である。 図１５は、第３の実施形態に係る可変フレームの模式斜視図である。 図１６は、第４の実施形態に係る力センサの模式斜視図である。 図１７は、第４の実施形態に係る力センサの模式分解斜視図である。 図１８Ａは、第４の実施形態に係る力センサの動作を示す模式側面図である。 図１８Ｂは、第４の実施形態に係る力センサの動作を示す模式側面図である。 図１９Ａは、第４の実施形態に係る力センサの動作を示す模式側面図である。 図１９Ｂは、第４の実施形態に係る力センサの動作を示す模式側面図である。 図２０は、第５の実施形態に係る力センサの模式斜視図である。 図２１は、第５の実施形態に係る力センサの脚部の変形例を示す説明図である。 図２２は、第１の実施形態に係る力センサを有するロボット示す説明図である。 図２３は、第１の実施形態に係る力センサを有するロボットのエンドエフェクタ部分を示す説明図である。
　以下、添付図面を参照して、本願の開示する力センサおよび力センサを有するロボットの実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
（第１の実施形態）
　図１は、第１の実施形態に係る力センサの模式側面図である。なお、以下においては、位置関係を明確にするために、互いに直交するＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向を規定し、Ｚ軸正方向を鉛直上向き方向とする。
　図１に示すように、第１の実施形態に係る力センサ１は、基台１０と、基台１０の上部に設けられる変位センサ２０と、基台１０に固定され、変位センサ２０の上方を覆う第１フレーム（以下、「可変フレーム３０」と記載する）とを備える。また、力センサ１は、可変フレーム３０の変位センサ２０と対向する面に設けられた反射部（以下、「ミラー４０」と記載する）を備える。
　変位センサ２０は、発光部２１と、光検出部２２とを備える。発光部２１は、拡散光、具体的には拡散レーザ光を照射する。かかる発光部２１としては、たとえば垂直共振器面発光レーザ（Vertical　Cavity　Surface　Emitting　Laser、ＶＣＳＥＬ）を用いることができる。なお、垂直共振器面発光レーザとは、共振器を半導体基板と垂直に作り込んだ面発光レーザである。
　光検出部２２は、ミラー４０によって反射された拡散レーザ光を検出する。光検出部２２としては、たとえばフォトダイオードを用いることができる。なお、ミラー４０は、可変フレーム３０と一体に形成されてもよい。
　ここで、発光部２１および光検出部２２の配置について図２を参照して説明する。図２は、変位センサ２０の模式平面図である。
　図２に示すように、変位センサ２０は、中央に発光部２１が配置され、かかる発光部２１の四方に光検出部２２ａ～２２ｄがそれぞれ配置される。図２に示す例では、光検出部２２ｂ，２２ｄが第１方向（ここでは、Ｘ軸正方向）に沿って、光検出部２２ｂ→光検出部２２ｄの順に並べて配置され、光検出部２２ａ，２２ｃが第２方向（ここでは、Ｙ軸正方向）に沿って、光検出部２２ｃ→光検出部２２ａの順に並べて配置される。以下では、光検出部２２ｂ，２２ｄを第１光検出部２２ｂ，２２ｄ、光検出部２２ａ，２２ｃを第２光検出部２２ａ，２２ｃと称することがある。
　なお、変位センサ２０の大きさは、たとえば、縦横それぞれ約３．０ｍｍ、厚さ約１．６ｍｍである。
　つづいて、可変フレーム３０およびミラー４０の構成について図１、図３Ａおよび図３Ｂを参照して説明する。図３Ａは、可変フレーム３０の模式斜視図である。また、図３Ｂは、可変フレーム３０の模式背面図である。
　可変フレーム３０は、図１に示すように、変位センサ２０の上方を覆う側面視略台形状の部材である。具体的には、可変フレーム３０は、鉛直方向（Ｚ軸方向）に対して傾斜した支持部３１ａ，３１ｂと、両端部において支持部３１ａ，３１ｂとそれぞれ連接し、支持部３１ａ，３１ｂによって水平に支持された天井部３２とを備える。なお、図１に示す例では、支持部３１ａが鉛直方向に対してＸ軸正方向側に傾斜し、支持部３１ｂが鉛直方向に対してＸ軸負方向側に傾斜している。
　かかる可変フレーム３０は、支持部３１ａ，３１ｂと天井部３２との連接部、つまり、可変フレーム３０の角部に自由度を有しており、Ｘ軸方向に力が加わると変形して天井部３２が傾斜するように構成される。
　すなわち、可変フレーム３０は、支持部３１ａ，３１ｂと天井部３２とが直角以外の角度で連接されるため、Ｘ軸方向に力が加わった場合に、支持部３１ａと天井部３２との連接位置の高さと、支持部３１ｂと天井部３２との連接位置の高さとに差が生じて天井部３２が傾斜する。
　このように、可変フレーム３０は、発光部２１と対向する対向面３２ａを有する天井部３２と、一対の光検出部２２ｂ，２２ｄの配列方向に沿って配置され、天井部３２と直角以外の角度で連接して天井部３２を支持する一対の支持部３１ａ，３１ｂとを備える。そして、可変フレーム３０は、天井部３２と支持部３１ａ，３１ｂとの連接部が一対の光検出部２２ｂ，２２ｄの配列方向に自由度を有する。
　なお、支持部３１ａのＸ軸負方向側および支持部３１ｂのＸ軸正方向側には、可変フレーム３０を基台１０に固定するための固定部３３がそれぞれ形成されている（図３Ａ参照）。
　ミラー４０は、可変フレーム３０における天井部３２の背面（発光部２１と対向する対向面３２ａ）に取り付けられて（図３Ｂ参照）、変位センサ２０の発光部２１の直上に配置される。かかるミラー４０は、変位センサ２０の発光部２１から照射されたレーザを反射させ、光検出部２２ａ～２２ｄへ入射させる。
　なお、天井部３２の大きさは、たとえば、縦横約６×１８ｍｍである。また、可変フレーム３０の高さ（固定部３３から天井部３２までの距離）は、たとえば、４ｍｍである。
　第１の実施形態に係る力センサ１は上記のように構成されており、たとえば褥瘡防止マットレスなどの寝具やクッション等の内部に埋め込まれ、寝具等と身体との間に生じるせん断力を検出する。
　次に、力センサ１によるせん断力の検出原理について図４Ａおよび図４Ｂを用いて説明する。図４Ａおよび図４Ｂは、第１の実施形態に係る力センサ１によるせん断力の検出原理の説明図である。なお、ここでは、光検出部２２ｂおよび光検出部２２ｄを用いてＸ軸方向に作用するせん断力を検出する場合の検出原理について説明する。
　図４Ａの上図に示すように、第１の実施形態に係る力センサ１は、発光部２１から拡散レーザ光を照射させ、かかる拡散レーザ光をミラー４０で反射させる。これにより、拡散レーザ光の反射光が変位センサ２０上に照射される。
　光検出部２２ａ～２２ｄは、図４Ａの下図に示すように、拡散レーザ光の反射光の照射領域Ｒと部分的に重複する位置に配置されており、受光した反射光の強度をそれぞれ検出する。なお、図４Ａに示すように、可変フレーム３０の天井部３２が水平に支持された状態において、照射領域Ｒの中心は、発光部２１の中心と一致する。また、この状態において、光検出部２２ａ～２２ｄの各々は、照射領域Ｒと均等に重複する。
　つづいて、図４Ｂの上図に示すように、可変フレーム３０の天井部３２にＸ軸負方向のせん断力が印加されると、天井部３２が傾斜する。天井部３２が傾斜すると、天井部３２に設けられたミラー４０が傾斜して、拡散レーザ光による反射光の反射先となる照射領域Ｒの位置が変位する（図４Ｂの下図参照）。
　照射領域Ｒの位置が変位すると、光検出部２２ｂと照射領域Ｒとが重複する範囲と、光検出部２２ｄと照射領域Ｒとが重複する範囲とに差が生じるため、光検出部２２ｂおよび光検出部２２ｄは、異なる強度の反射光を検出することとなる。
　力センサ１では、かかる反射光の強度差からミラー４０の傾きを算出する。具体的には、光検出部２２ｂからの出力値をＰ２、光検出部２２ｄからの出力値をＰ４とすると、ミラー４０の傾きを示す値Ｓは、Ｓ＝（Ｐ２－Ｐ４）／（Ｐ２＋Ｐ４）で表される。
　また、力センサ１は、算出した値Ｓをせん断力に変換して出力する変換処理部を備える。変換処理部は、値Ｓからせん断力への変換式、あるいは、値Ｓとせん断力とが対応付けられたテーブルを用いて値Ｓをせん断力へ変換する。これら変換式やテーブル値は、実測あるいは構造計算等により決定される。
　可変フレーム３０に印加されるせん断力が大きくなるほど、天井部３２が大きく傾斜するため、ミラー４０の傾斜角が増大する。そして、ミラー４０の傾斜角が増大すると、光検出部２２ｂおよび光検出部２２ｄからの出力値の差が大きくなり、値Ｓの絶対値が大きくなる。このように、可変フレーム３０に印加されるせん断力と値Ｓとは比例関係にあり、力センサ１は、値Ｓを検出することによって可変フレーム３０に印加されるせん断力を検出することができる。
　かかる点について図５Ａ，図５Ｂおよび図６を用いてより具体的に説明する。図５Ａは、力伝達体が取り付けられた力センサ１の模式側面図であり、図５Ｂは、力伝達体および可変フレーム３０の模式斜視図である。また、図６は、第１の実施形態に係る力センサ１に対して、せん断力を－４０Ｎから４０Ｎまで５Ｎごとに上昇させつつ印加した場合の値Ｓの変化を示している。
　なお、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、ここでは、可変フレーム３０の天井部３２にせん断力が正確に印加されるように、天井部３２の上部に力伝達体５０を取り付けている。力伝達体５０は、直方体状の物体であり、外部から受けた力を可変フレーム３０の天井部３２へ伝達する。つまり、力伝達体５０が押されることにより、可変フレーム３０の天井部３２に表面せん断力が印加される。
　また、ここでは、Ｘ軸負方向に作用するせん断力を正で表している。したがって、たとえばＸ軸正方向へ印加される４０Ｎのせん断力は、「－４０Ｎ」で表される。
　図６に示すように、力伝達体５０をＸ軸負方向に押した場合、すなわち、可変フレーム３０の天井部３２にＸ軸負方向のせん断力を加えた場合、値Ｓは、せん断力の増加に伴って直線的に増加した。これは、天井部３２にＸ軸負方向の力を加えることで、ミラー４０が傾斜して照射領域Ｒ（図４Ａ参照）がＸ軸負方向側に移動した結果、光検出部２２ｂからの出力値Ｐ２が光検出部２２ｄからの出力値Ｐ４よりも大きくなったためである。
　一方、力伝達体５０をＸ軸正方向に押した場合、すなわち、可変フレーム３０の天井部３２にＸ軸正方向の力を加えた場合、値Ｓは、せん断力の増加に伴って直線的に減少した。これは、天井部３２にＸ軸正方向の力を加えることで、ミラー４０が傾斜して照射領域Ｒ（図４Ａ参照）がＸ軸正方向側に移動した結果、光検出部２２ｂからの出力値Ｐ２が光検出部２２ｄからの出力値Ｐ４よりも小さくなったためである。
　このように、可変フレーム３０の天井部３２に対して一方（ここでは、Ｘ軸負方向）からせん断力を印加した場合、せん断力の増加にともなって値Ｓが直線的に増加し、他方（ここでは、Ｘ軸正方向）からせん断力を印加した場合には直線的に減少した。これらの結果から、力センサ１を用いることによってせん断力の方向および大きさを検出できることがわかる。
　上述してきたように、第１の実施形態に係る力センサ１は、発光部２１と、変位センサ２０と、可変フレーム３０と、ミラー４０とを備える。発光部２１は、拡散光を照射する。変位センサ２０は、第１方向において発光部２１を挟んで配置される一対の第１光検出部２２ｂ，２２ｄを備える。
　可変フレーム３０は、発光部２１の光軸上において発光部２１と対向する対向面３２ａを備えるとともに、発光部２１の設置面である基台１０に固定され、一対の第１光検出部２２ｂ，２２ｄの配列方向に自由度を有する。ミラー４０は、可変フレーム３０の発光部２１と対向する対向面３２ａに設けられ、発光部２１から照射される拡散光を一対の第１光検出部２２ｂ，２２ｄ側へ反射する。
　言い換えれば、ミラー４０は、発光部２１の光軸上において発光部２１に対して対向配置され、発光部２１から照射される拡散光を一対の第１光検出部２２ｂ，２２ｄ側へ反射する。可変フレーム３０は、発光部２１の光軸上において発光部２１に対して対向配置される対向面３２ａにミラー４０が設けられて発光部２１の設置面である基台１０に固定されるとともに、ミラー４０による拡散光の反射先を、第１方向へ変位可能に変形する。したがって、実施形態に係る力センサ１によれば、身体と寝具等との間に生じるせん断力を簡易な構成で検出することができる。
　また、第１の実施形態に係る力センサ１は、変位センサ２０を用いることとした。変位センサ２０は、圧電センサと比較して温度によるバラつきや個体差も少ない。したがって、第１の実施形態に係る力センサ１によれば、圧電センサを用いる力センサと比較して、せん断力を外部環境や個体差に寄らず正確に検出することができる。
　なお、可変フレーム３０は鉛直方向にも自由度を有しており、力センサ１は、せん断力に加え押圧力を検出することも可能である。かかる点について図７を参照して説明する。図７は、第１の実施形態に係る力センサ１による押圧力の検出原理の説明図である。
　図７に示すように、力センサ１は、鉛直下方（Ｚ軸負方向）に押されると、支持部３１ａ，３１ｂが撓み、天井部３２およびミラー４０が水平に支持された状態で変位センサ２０に近づく。この結果、各光検出部２２ａ～２２ｄが拡散レーザ光の反射を受光する面積が縮小するため、各光検出部２２ａ～２２ｄからの出力値は均一に減少する。
　このように、ミラー４０が変位センサ２０に近づくほど、言い換えれば、力センサ１が受ける鉛直向きの押圧力が大きくなるほど、各光検出部２２ａ～２２ｄからの出力値は均一に減少する。したがって、力センサ１は、各光検出部２２ａ～２２ｄからの出力値に基づいて押圧力を検出することが可能である。
　また、力センサ１は、せん断力、押圧力に加え、トルクを検出することも可能である。かかる点について図８、図９Ａおよび図９Ｂを参照して説明する。ここでは、一例として、車両のステアリングホイール（以下、「ハンドル」と記載する）に対して回転方向へ力を加えて、ステアリングシャフト（以下、「シャフト」と記載する）へ掛るトルクを検出する場合について説明する。なお、力センサ１の検出対象となるトルクは、シャフトへ掛るトルクに限定されるものではない。
　図８は、第１の実施形態に係る力センサ１をトルクの検出に用いた適用例を示す説明図であり、図９Ａおよび図９Ｂは、第１の実施形態に係る力センサ１によるトルクの検出原理の説明図である。
　図８に示すように、ハンドル１００に対して回転方向へ力を加えて、シャフト１０１へ掛るトルクを検出する場合、力センサ１は、シャフト１０１とステアリングスポーク（以下「スポーク１０２」と記載する）との間に設けられる。
　これにより、力センサ１の天井部３２（図１参照）には、ハンドル１００に対して回転方向へ加えられる力が、シャフト１０１を回転させるトルクとなって掛るため、シャフト１０１に掛るトルクを力センサ１によって検出することが可能となる。
　例えば、図９Ａに示すように、力センサ１の天井部３２からハンドル１００のＺ軸正方向における端部（以下、「最上部」と記載する）までの距離がｒであった場合に、ハンドル１００の最上部にＸ軸負方向へ力Ｆを加える。このとき、スポーク１０２には、ハンドル１００からスポーク１０２を反時計回に回転させようとする力が加わり、力センサ１の天井部３２には、スポーク１０２から天井面３２を反時計回りに回転させようとする大きさＦ×ｒのトルクが掛る。
　これにより、図９Ｂに示すように、可変フレーム３０は、ミラー４０による拡散光の反射先を、Ｘ軸正方向へ変位させるように変形する。具体的には、支持部３１ａが図９Ａに示す状態から時計回りに傾動し、支持部３１ｂが図９Ａに示す状態から反時計回りに傾動し、天井部３２が図９Ａに示す水平状態からＸ軸負方向へ向けて下り勾配となる傾斜状態に変位する。
　その結果、ミラー４０による拡散光の反射先が図９Ａに示す状態からＸ軸正方向へ変位するので、光検出部２２ｂによる反射光の受光強度が低下するとともに、光検出部２２ｄによる反射光の受光強度が上昇する。つまり、光検出部２２ｂおよび光検出部２２ｄによる反射光の受光強度に差が生じる。
　かかる受光強度の差は、ミラー４０の傾斜角である傾きが大きくなるほど増大する。そして、ミラー４０の傾きは、力センサ１の天井部３２に掛るトルクが増大するほど大きくなる。したがって、力センサ１によれば、光検出部２２ｂおよび光検出部２２ｄによる反射光の受光強度の差に基づいて、ミラー４０の傾きを算出することにより、天井部３２に掛るトルクを検出することができる。
　なお、ミラー４０の傾きを算出する方法には、せん断力を検出する際に使用したミラー４０の傾きを示す値Ｓの算出式Ｓ＝（Ｐ２－Ｐ４）／（Ｐ２＋Ｐ４）を用いることができる。そして、算出した値Ｓをせん断力に変換する場合には、値Ｓからトルクへの変換式、あるいは、値Ｓとせん断力とが対応付けられたテーブルを用いて値Ｓをせん断力へ変換する。これら変換式やテーブル値は、実測あるいは構造計算等により決定される。
　ただし、図９Ｂと図４Ｂとを参照すれば分かるように、力センサ１に対してトルクが掛る場合と、せん断力が掛る場合とでは、トルクまたはせん断力の掛る方向が同じ場合に、ミラー４０の傾斜方向が逆となる。
　例えば、図４Ｂに示すように、力センサ１に対してＸ軸負方向のせん断力が掛る場合、ミラー４０は、Ｘ軸正方向へ向けて下り勾配となる。一方、図９Ｂに示すように、力センサ１に対してＸ軸負方向のトルクが掛る場合、ミラー４０は、Ｘ軸負方向へ向けて下り勾配となる。
　このため、上記値Ｓの算出式を用いてトルクを検出する場合には、力センサ１に対して、Ｘ軸正方向に作用するトルク、つまり、ハンドル１００が時計方向へ回転される場合のトルクを正とする必要がある。一方、力センサ１に対して、Ｘ軸負方向に作用するトルク、つまり、ハンドル１００が反時計回りに回転される場合のトルクを負とする。
　このように、第１の実施形態に係る力センサ１は、シャフト１０１に対してシャフト１０１を回転させる力が加えられるスポーク１０２と、シャフト１０１との間に設けられることで、シャフト１０１に掛るトルクを検出することができる。なお、力センサ１は、任意の回転体と、回転体に対して回転力を印加する部材との間に設けられることで、任意の回転体に掛るトルクを検出することができる。
　また、力センサ１は、可変フレーム３０の材質や、可変フレーム３０の天井部３２と支持部３１ａ，３１ｂとのなす内角を変更することで、トルクの検出感度や測定範囲を変更することができる。
　次に、かかる点について、図１０、図１１Ａ、図１１Ｂ、図１２Ａ、および図１２Ｂを参照して説明する。ここでは、材質、および天井部３２と支持部３１ａ，３１ｂとのなす内角が異なる可変フレーム３０を用い、各可変フレーム３０が設けられた力センサ１によってトルクを検出する実験の結果を参照しながら説明する。
　図１０は、第１の実施形態に係る力センサ１によるトルクの検出実験条件の一例を示す説明図であり、図１１Ａ～図１２Ｂは、第１の実施形態に係る力センサ１によるトルクの検出実験結果の一例を示す説明図である。
　トルクの検出実験では、図１０に示すように、（ａ）～（ｄ）の４つの実験条件で力センサ１によるトルクの検出を行った。具体的には、実験条件（ａ）および（ｂ）では、ステンレス製の可変フレーム３０を用い、実験条件（ｃ）および（ｄ）では、銅製の可変フレーム３０を用いた。図１０に示すヤング率から分かるように、銅製の可変フレーム３０は、ステンレス製の可変フレーム３０よりも高い弾性を有する。
　また、実験条件（ａ）では、可変フレーム３０の天井部３２と支持部３１ａとのなす内角を１０５°、可変フレーム３０の天井部３２と支持部３１ｂとのなす内角を１１０°とした。また、実験条件（ｂ）では、可変フレーム３０の天井部３２と支持部３１ａとのなす内角を１１５°、可変フレーム３０の天井部３２と支持部３１ｂとのなす内角を１２０°とした。
　また、実験条件（ｃ）では、可変フレーム３０の天井部３２と支持部３１ａとのなす内角を１１１°、可変フレーム３０の天井部３２と支持部３１ｂとのなす内角を１１２°とした。また、実験条件（ｄ）では、可変フレーム３０の天井部３２と支持部３１ａとのなす内角を１１８°、可変フレーム３０の天井部３２と支持部３１ｂとのなす内角を１２２°とした。なお、ここでは、可変フレーム３０の天井部３２と支持部３１ａ、３１ｂとのなす内角が９０°よりも大きいことを前提とする。
　そして、実験条件（ａ）および（ｂ）では、力センサ１へ－０．３［Ｎｍ］～０．３［Ｎｍ］のトルクを掛けて検出させ、実験条件（ｃ）および（ｄ）では、力センサ１へ－０．２［Ｎｍ］～０．２［Ｎｍ］のトルクを掛けて検出させた。
　なお、力センサ１は、ハンドル１００に対して時計回り方向の力が加えられた場合に、正のトルクを検出し、ハンドル１００に対して反時計回り方向の力が加えられた場合に、負のトルクを検出する。
　図１１Ａおよび図１１Ｂにおける丸点は、実験条件（ａ）での実験結果であり、三角点は、実験条件（ｂ）での実験結果である。また、図１２Ａおよび図１２Ｂにおける丸点は、実験条件（ｃ）での実験結果であり、三角点は、実験条件（ｄ）での実験結果である。なお、図１１Ａ～図１２Ｂに示すグラフの横軸は、力センサ１へ加えるトルクであり、縦軸は、ミラー４０の傾きを示す値Ｓである。
　図１１Ａ～図１２Ｂに示すように、可変フレーム３０は、材質が同一の場合、天井部３２と支持部３１ａ，３１ｂとのなす内角が大きいほど、加えられるトルクの変化量に対する天井部３２の傾斜角の変化量が大きい。つまり、力センサ１は、可変フレーム３０の材質が同一の場合、天井部３２と支持部３１ａ，３１ｂとの内角が大きいほど、トルクの検出感度が高くなる。
　また、可変フレーム３０は、材質が同一の場合、天井部３２と支持部３１ａ，３１ｂとのなす内角が小さいほど、天井部３２の傾斜角度の範囲が大きくなる。つまり、力センサ１は、材質が同一の場合、天井部３２と支持部３１ａ，３１ｂとのなす内角が小さいほど、トルクの測定範囲が大きくなる。
　また、可変フレーム３０は、材質が異なる場合、弾性が高い材質であるほど、同じ大きさのトルクを掛けた際に天井部３２が大きく傾斜する。つまり、力センサ１は、材質が異なる場合、弾性が高い材質であるほど、トルクの検出感度が高くなる。
　このように、第１の実施形態に係る力センサ１は、可変フレーム３０の材質や、可変フレーム３０の天井部３２と支持部３１ａ，３１ｂとのなす内角を変更することで、トルクの検出感度や測定範囲を変更することができる。
　また、力センサ１の感度を変更する方法は、これに限定されるものではない。図１３は、第１の実施形態に係る力センサ１を高感度化する可変フレーム３０ａの模式側面図である。図１３に示すように、可変フレーム３０ａは、天井部３２と支持部３１ａ，３１ｂとの接合部に、他の部位よりも肉薄な肉薄部３１ｃ，３１ｄを備える。
　かかる可変フレーム３０ａによれば、肉薄部３１ｃ，３１ｄの厚さが薄く形成されるほど、小さなトルクで天井部３２が傾斜する。つまり、可変フレーム３０ａを備える力センサ１は、可変フレーム３０ａにおける肉薄部３１ｃ，３１ｄの厚さが変更されることで感度が変更され、肉薄部３１ｃ，３１ｄの厚さが薄くなるほど、トルクの検出感度が高くなる。
　なお、ここでは、可変フレーム３０の材質や形状を変更することで、力センサ１によるトルクの検出感度および測定範囲が変更可能な点について説明したが、可変フレーム３０の材質や形状を変更することで、せん断力の検出感度および測定範囲も変更可能である。
　例えば、せん断力を検出する場合、力センサ１は、トルクを検出する場合とは逆に、天井部３２と支持部３１ａ，３１ｂとのなす内角が小さいほど、せん断力の検出感度が高くなる。また、力センサ１は、可変フレーム３０の材質として用いる材質の弾性が高いほど、せん断力の検知感度が高くなる。
　なお、可変フレーム３１ａを備える力センサ１は、トルクを検出する場合と同様に、肉薄部３１ｃ，３１ｄの厚さが厚いほど、せん断力の検知感度が高くなる。
　測定範囲については、せん断力を検出する場合も、トルクを検出する場合と同様に、力センサ１は、天井部３２と支持部３１ａ，３１ｂとのなす内角が小さいほど、測定範囲が大きくなる。
（第２の実施形態）
　変位センサ２０は、発光部２１から照射される拡散レーザ光の出力をフィードバックするためのモニタ用光検出部をさらに備えてもよい。以下では、変位センサ２０がモニタ用光検出部を備える場合の例について図１４を参照して説明する。図１４は、第２の実施形態に係る力センサの模式側面図である。なお、以下の説明では、既に説明した部分と同様の部分については、既に説明した部分と同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
　図１４に示すように、第２の実施形態に係る力センサ１Ａは、第１の実施形態に係る変位センサ２０に代えて、変位センサ２０Ａを備える。また、第２の実施形態に係る力センサ１Ａは、カバー体６０をさらに備える。
　カバー体６０は、変位センサ２０Ａを密閉する箱状の透明部材である。かかるカバー体６０によって変位センサ２０Ａを密閉することにより、発光部２１からの拡散レーザ光を透過させつつ、変位センサ２０Ａの防湿性、気密性等を確保することができる。カバー体６０の天井部には、たとえば金箔などの反射部材６１が設けられる。
　変位センサ２０Ａは、変位センサ２０が備える構成に加えて、モニタ用光検出部２３をさらに備える。モニタ用光検出部２３としては、たとえばフォトダイオードを用いることができる。モニタ用光検出部２３は、発光部２１の近傍に配置され、カバー体６０の反射部材６１によって反射された拡散レーザ光の強度を検出する。
　このように、第２の実施形態に係る力センサ１Ａによれば、発光部２１から照射され反射部材６１によって反射された拡散レーザ光をモニタ用光検出部２３で検出することにより、拡散レーザ光の出力をフィードバックすることができる。これにより、拡散レーザ光の温度や寿命等による出力変化を監視することができる。
（第３の実施形態）
　上述してきた各実施形態では、Ｘ軸方向に沿って配置された第１光検出部２２ｂ，２２ｄを用いて、Ｘ軸方向に沿って作用するせん断力を検出する場合の例について説明した。しかしながら、本願の開示する力センサは、上述した検出原理を適用し、第２光検出部２２ａ，２２ｃをさらに用いることで、Ｘ軸方向のみならずＹ軸方向に作用するせん断力を検出することも可能である。
　かかる場合には、上述した可変フレーム３０に代えて、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の両方向に変形可能な可変フレームを用いればよい。そこで、以下では、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に変形可能な可変フレームの構成の一例について図１５を参照して説明する。図１５は、第３の実施形態に係る可変フレームの模式斜視図である。
　図１５に示すように、第３の実施形態に係る可変フレーム７０は、Ｘ軸方向に自由度を有する第１フレーム８０と、Ｙ軸方向に自由度を有する第２フレーム９０とが上下に積層された構成を有する。
　第１フレーム８０および第２フレーム９０の基本的な構成は、第１の実施形態および第２の実施形態に係る可変フレーム３０と同様である。すなわち、第１フレーム８０は、鉛直方向（Ｚ軸方向）に対して傾斜した第１脚部（以下、「支持部８１ａ，８１ｂ」と記載する）と、支持部８１ａ，８１ｂによって水平に支持された天井部８２とを備える。かかる天井部８２は、発光部２１の光軸上において発光部２１と対向するように支持部８１ａ，８１ｂによって支持される第１対向面８２ａを備える。
　また、第２フレーム９０は、鉛直方向（Ｚ軸方向）に対して傾斜した第２脚部（以下、「支持部９１ａ，９１ｂ」と記載する）と、支持部９１ａ，９１ｂによって水平に支持された天井部９２とを備える。かかる天井部９２は、発光部２１の光軸上において発光部２１と対向するように支持部９１ａ，９１ｂによって支持される第２対向面９２ａを備える。
　第１フレーム８０は、支持部８１ａ，８１ｂがＸ軸方向に沿って配置される。このため、第１フレーム８０は、Ｘ軸方向に力が加わった場合に、Ｘ軸方向に沿って変形する。また、第２フレーム９０は、支持部９１ａ，９１ｂがＹ軸方向に沿って配置されるため、Ｙ軸方向に力が加わった場合に、Ｙ軸方向に沿って変形する。
　また、第１フレーム８０の天井部８２には、開口部８３が形成され、第２フレーム９０の天井部９２には、ミラー９３が設けられる。これにより、可変フレーム７０は、変位センサ２０，２０Ａの発光部２１から照射された拡散レーザ光を開口部８３を介してミラー９３へ入射させるとともに、ミラー９３からの反射光を変位センサ２０，２０Ａへ反射させることができる。
　このように、可変フレーム７０では、ミラー９３が、第１フレーム８０および第２フレーム９０によって支持され、発光部２１の光軸上において発光部２１に対向配置されて拡散光を反射する。
　そして、第１フレーム８０は、ミラー９３による拡散光の反射先を、Ｘ軸方向へ変位可能に変形する。また、第２フレーム９０は、ミラー９３による拡散光の反射先を、Ｙ軸方向へ変位可能に変形する。
　かかる可変フレーム７０を備えることにより、力センサは、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の両方向についてせん断力を検出することが可能となる。すなわち、Ｘ軸方向に力が加わった場合には、可変フレーム７０の第１フレーム８０がミラー９３による拡散光の反射先を、Ｙ軸方向へ変位させるように変形するため、光検出部２２ｂ，２２ｄ（図２参照）によってＸ軸方向に作用するせん断力を検出することができる。
　また、Ｙ軸方向に力が加わった場合には、可変フレーム７０の第２フレーム９０がミラー９３による拡散光の反射先を、Ｙ軸方向へ変位させるように変形するため、光検出部２２ａ，２２ｃ（図２参照）によってＹ軸方向に作用するせん断力を検出することができる。
　なお、第３の実施形態では、第１フレーム８０の天井部８２によって第２フレーム９０を支持する可変フレーム７０を設けることで、直交する２方向のせん断力を検出可能としたが、直交する２方向のせん断力を検出可能な可変フレームは、これに限定されない。かかる点については、第４の実施形態において説明する。
（第４の実施形態）
　図１６は、第４の実施形態に係る力センサ１Ｂの模式斜視図であり、図１７は、第４の実施形態に係る力センサ１Ｂの模式分解斜視図である。図１６に示すように、力センサ１Ｂは、第３の実施形態に記載の可変フレーム７０とは形状の異なる第１フレーム８と、第２フレーム９とを備える。
　かかる力センサ１Ｂにおいても、第２フレーム９は、第１フレーム８に積層される。ただし、第３の実施形態では、第２フレーム９０が第１フレーム８０の天井部８２によって支持されていたのに対し、第４の実施形態では、第２フレーム９が第１フレーム８の天井部８４よりも力センサ１Ｂの設置面側で、第１フレーム８によって支持される。これにより、力センサ１Ｂは、Ｚ軸方向の厚さをさらに薄型化することができる。
　具体的には、図１７に示すように、力センサ１Ｂは、変位センサ２０と、第１フレーム８と、第２フレーム９とを備える。変位センサ２０は、力センサ１Ｂの設置面１０３に設置される。なお、変位センサ２０は、第１の実施形態で説明したものと同一構成であるため、ここでは、第１の実施形態に記載した符号と同一の符号を付することにより、その説明を省略する。
　第１フレーム８は、発光部２１の設置面１０３に固定される一対の第１脚部８６ａ，８６ｂと、発光部２１の光軸上において発光部２１と対向するように第１脚部８６ａ，８６ｂによって支持される第１対向面８４ａを有する天井部８４とを備える。
　第１脚部８６ａ，８６ｂは、第１対向面８４ａにおける第１方向（ここでは、Ｘ軸方向）の両側に設けられる。また、第１対向面８４ａには、発光部２１の光軸と交わる位置を含む領域に、開口部８５が設けられる。
　さらに、第１フレーム８は、第１対向面８４ａにおける第２方向（ここでは、Ｙ軸方向）の両側に設けられる一対の連結腕部８８ａ，８８ｂを備える。連結腕部８８ａ，８８ｂは、第１対向面８４ａから設置面１０３側へ向けて下り勾配となるように設けられる。
　かかる第１フレーム８は、第１脚部８６ａ，８６ｂの下端部８７ａ，８７ｂによって設置面１０３に固定される。設置面１０３に固定された場合、第１フレーム８の連結腕部８８ａ，８８ｂは、下端部８９ａ，８９ｂが設置面１０３から浮いた状態となる。
　第２フレーム９は、第１フレーム８に連結される一対の第２脚部９６ａ，９６ｂと、発光部２１の光軸上において第１対向面８４ａの開口部８５を介して発光部２１と対向するように第２脚部９６ａ，９６ｂによって支持される第２対向面９４ａとを備える。
　第２脚部９６ａ，９６ｂは、第２対向面９４ａにおける第２方向の両側に設けられ、下端部９７ａ，９７ｂが第１対向面８４ａよりも発光部２１の設置面１０３側で第１フレーム８の連結腕部８８ａ，８８ｂの下端部８９ａ，８９ｂに連結される。また、力センサ１Ｂの反射部となるミラー９５は、第２対向面９４ａにおける発光部２１の光軸と交わる位置を含む領域に設けられる。
　そして、力センサ１Ｂでは、第２フレーム９の天井部９４に第１方向のせん断力が加わる場合、第１フレームがミラー９５による拡散光の反射先を第１方向に変位させるように変形する。一方、第２フレーム９の天井部９４に第２方向のせん断力が加わる場合、力センサ１Ｂでは、第２フレーム９がミラー９５による拡散光の反射先を第２方向へ変位させるように変形する。次に、かかる力センサ１Ｂの動作について、図１８Ａ～図１９Ｂを参照して説明する。
　図１８Ａ、図１８Ｂ、図１９Ａ、および図１９Ｂは、第４の実施形態に係る力センサ１Ｂの動作を示す模式側面図である。図１８Ａに示すように、Ｘ軸方向のせん断力が加わっていない場合、第１フレーム８の天井部８４および第２フレーム９の天井部９４は、設置面１０３に対して平行な姿勢を維持する。これにより、ミラー９５は、拡散光の反射光が第１光検出部２２ｂ，２２ｄの各受光領域と均等に一部重複するように拡散光を反射する。
　そして、第１フレーム８は、図１８Ｂに示すように、第２フレーム９の天井部９４に、例えば、Ｘ軸負方向のせん断力Ｆが加わると、ミラー９５による拡散光の反射先を、Ｘ軸負方向へ変位させるように変形する。
　具体的には、第２フレーム９の天井部９４に、Ｘ軸負方向のせん断力Ｆが加わると、第２フレーム９の天井部９４は、Ｘ軸負方向へ移動する。ここで、第２フレーム９は、第２脚部９６ａ，９６ｂの下端部９７ａ，９７ｂが、第１フレーム８の連結腕部８８ａ，８８ｂに連結されて第１フレーム８に固定されている。このとき、連結腕部８８ａ，８８ｂは、設置面１０３から浮いた状態である。
　このため、第１フレーム８の天井部８４は、第２フレーム９の天井部９４とともに、Ｘ軸負方向へ移動する。ここで、第１フレーム８の第１脚部８６ａ，８６ｂは、下端部８７ａ，８７ｂが設置面１０３に固定されている。したがって、第１フレーム８の天井部８４がＸ軸負方向へ移動すると、第１フレーム８の第１脚部８６ａ，８６ｂが、ともに長さを維持した状態で反時計方向へ傾動する。
　これに伴って第１対向面８４ａおよび第２対向面９４ａがＸ軸正方向へ向けて下り勾配となるように傾動するので、ミラー９５による拡散光の反射先がＸ軸負方向へ変位する。つまり、第１フレーム８では、直角以外の角度で連接される第１脚部８６ａ，８６ｂと第１対向面８４ａとの連接部８６ｃが、Ｘ軸負方向のせん断力によって、ミラー９５による拡散光の反射先をＸ軸負方向へ変位させるように変形する。
　その結果、各第１光検出部２２ｂ，２２ｄによって受光される拡散光の受光強度に差が生じるので、力センサ１Ｂは、かかる受光強度の差に基づき、第１の実施形態と同様の原理によってＸ軸方向に作用するせん断力を検出することができる。
　また、図１９Ａに示すように、Ｙ軸方向のせん断力が加わっていない場合、第１フレーム８の天井部８４および第２フレーム９の天井部９４は、設置面１０３に対して平行な姿勢を維持する。これにより、ミラー９５は、拡散光の反射光が第２光検出部２２ｃ，２２ａの各受光領域と均等に一部重複するように拡散光を反射する。
　そして、第２フレーム９は、図１９Ｂに示すように、第２フレーム９の天井部９４に、例えば、Ｙ軸負方向のせん断力Ｆが加わると、ミラー９５による拡散光の反射先を、Ｙ軸負方向へ変位させるように変形する。
　具体的には、第２フレーム９の天井部９４に、Ｙ軸負方向のせん断力Ｆが加わると、第２フレーム９の天井部９４は、Ｙ軸負方向へ移動する。ここで、第２フレーム９は、第２脚部９６ａ，９６ｂの下端部９７ａ，９７ｂが、第１フレーム８の連結腕部８８ａ，８８ｂに連結されて第１フレーム８に固定されている。そして、第１フレーム８は、第１脚部８６ａ，８６ｂの下端部８７ａ，８７ｂが設置面１０３に固定されている。
　このため、第２フレーム９の天井部９４は、Ｙ軸負方向へ移動するが、第１フレーム８の天井部８４は移動しない。したがって、第２フレーム９の天井部９４がＹ軸負方向へ移動すると、第２フレーム９の第２脚部９６ａ，９６ｂが、ともに長さを維持した状態で反時計方向へ傾動する。
　これに伴って第２対向面９４ａがＹ軸正方向へ向けて下り勾配となるように傾動するので、ミラー９５による拡散光の反射先がＹ軸負方向へ変位する。つまり、第２フレーム９では、直角以外の角度で連接される第２脚部９６ａ，９６ｂと第２対向面９４ａとの連接部９６ｃが、Ｙ軸負方向のせん断力Ｆによって、ミラー９５による拡散光の反射先をＹ軸負方向へ変位させるように変形する。
　その結果、各第２光検出部２２ｃ，２２ａによって受光される拡散光の受光強度に差が生じるので、力センサ１Ｂは、かかる受光強度の差に基づき、第１の実施形態と同様の原理によってＹ軸方向に作用するせん断力Ｆを検出することができる。このように、第４の実施形態に係る力センサ１Ｂによっても、直交する２方向のせん断力を検出することができる。
　しかも、力センサ１Ｂでは、第２フレーム９が第１フレーム８の天井部８４よりも力センサ１Ｂの設置面１０３側で、第１フレーム８によって支持される。これにより、力センサ１Ｂは、Ｚ軸方向の厚さをさらに薄型化することができる。
　さらに、力センサ１Ｂは、Ｚ軸方向の厚さがさらに薄型化されるので、低重心化が可能である。したがって、力センサ１Ｂは、例えば、傾斜した設置面に設けられる場合に、重力による第１フレーム８および第２フレーム９の変形を可及的に抑制することによって、高精度にせん断力を検出することができる。
（第５の実施形態）
　次に、第５の実施形態に係る力センサ１Ｃについて、図２０を参照して説明する。図２０は、第５の実施形態に係る力センサ１Ｃの模式斜視図である。図２０に示すように、力センサ１Ｃは、変位センサ２０と、第１フレーム３０ｃとを備える。なお、変位センサ２０は、第１の実施形態で説明したものと同一構成であるため、ここでは、第１の実施形態に記載した符号と同一の符号を付することにより、その説明を省略する。
　第１フレーム３０ｃは、発光部２１の光軸上において発光部２１に対して対向配置される第１対向面１１０ａを有する天井部１１０を備える。第１対向面１１０ａには、反射部となるミラー１１１が設けられる。
　さらに、第１フレーム３０ｃは、第１対向面１１０ａを四方から支持するとともに、ミラー１１１による拡散光の反射先を第１方向（ここでは、Ｘ軸方向）、および、第２方向（ここでは、Ｙ軸方向）の両方向にのみ変位可能に変形する脚部１１２～１１５を備える。
　脚部１１２，１１３は、第１対向面１１０ａにおける第１方向の両側に設けられ、各下端部１１２ａ、１１３ａが変位センサ２０の設置面に固定される。また、脚部１１４，１１５は、第１対向面１１０ａにおける第２方向の両側に設けられ、各下端部１１４ａ、１１５ａが変位センサ２０の設置面に固定される。
　このように、第５の実施形態に係る力センサ１Ｃは、変形可能な４本の脚部１１２～１１５によって、ミラー１１１が設けられる第１対向面１１０ａを変位センサ２０と対向するように支持する第１フレーム３０ｃを備える。このように構成した力センサ１Ｃによっても、直交する２方向のせん断力を検出することができる。
　なお、力センサ１Ｃは、４本の各脚部１１２～１１５の形状を変更することによって、せん断力の検出感度を高めることができる。図２１は、第５の実施形態に係る力センサ１Ｃの脚部の変形例を示す説明図である。なお、図２１には、４本の脚部のうちの１本を示している。
　図２１に示すように、変形例に係る力センサ１Ｃの脚部１１６は、第１フレーム３０ｃの天井部１１０から延伸する脚部本体１１６ａと、設置面に固定される下端部１１６ａとの間に、脚部本体１１６ａおよび下端部１１６ｂよりも幅狭な連結部１１６ｂを備える。
　このように、脚部本体１１６ａと下端部１１６ｂとの間に、脚部本体１１６ａおよび下端部１１６ｂよりも幅狭な連結部１１６ｃを設けることにより、天井部１１０により小さなせん断力が加わる場合であっても、連結部１１６ｃが変形する。したがって、かかる脚部１１６を設けることにより、力センサ１Ｃによるせん断力の検出感度を、さらに高めることができる。
（その他の実施形態）
　上述してきた各実施形態では、可変フレームを側面視略台形状に形成することで、可変フレームにせん断力が印加された場合に可変フレームの天井部が傾斜して、拡散レーザ光の反射光の照射領域Ｒが変位するようにした（図４Ａ，図４Ｂ参照）。
　しかしながら、せん断力に応じて照射領域Ｒを変位させる方法は、上記の方法に限定されない。たとえば、ミラーの反射面を凹状または凸状に形成すれば、可変フレームを側面視略矩形状に形成した場合であっても、言い換えれば、可変フレームの天井部が傾斜しない構成であっても、照射領域Ｒを変位させることができる。すなわち、可変フレームを側面視略矩形状に形成した場合、可変フレームにせん断力が印加されても可変フレームの天井部は水平状態を保ったまま移動するため傾斜しないが、ミラーの位置が変化することにより拡散レーザ光の反射角度が変化するため、照射領域Ｒを変位させることができる。
　また、上述してきた各実施形態では、変位センサが発光部を備える場合の例、すなわち、変位センサと発光部とが一体的に構成される場合の例を示したが、変位センサと発光部とは、別構成であってもよい。
　また、上述してきた実施形態では、第１の実施形態に記載の力センサがトルクを検出可能である点について説明したが、第２～第５の実施形態に記載の力センサについても同様である。つまり、第２～第５の実施形態に記載の力センサは、任意の回転体と、回転体に対して回転力を印加する部材との間に設けられることで、任意の回転体に掛るトルクを検出することができる。
　また、上述した各実施形態に係る力センサは、例えば、ロボットに設けられる。図２２は、第１の実施形態に係る力センサを有するロボット示す説明図であり、図２３は、第１の実施形態に係る力センサを有するロボットのエンドエフェクタ部分を示す説明図である。
　図２２に示すように、第１の実施形態に係る力センサを有するロボット２００は、胴部２０１と、胴部２０１の方部から延伸する右腕部２０２および左腕部２０３と、右腕部２０２および左腕部２０３の各先端部に設けられるエンドエフェクタ２０４とを備える。右腕部２０２および左腕部２０３は、それぞれが６軸の自由度を有するロボットアームである。
　エンドエフェクタ２０４は、図２３に示すように、作業対象となるワークを把持する一対の把持爪２０５を有するロボットハンドである。そして、第１の実施形態に係る力センサ１は、一対の把持爪２０５の先端部分における互いに対向する面側、つまり、ワークを把持する際にワークと接触する把持面側に設けられる。
　また、力センサ１は、天井部３２（図１参照）が把持爪２０５における把持面と面一となり、天井部３２が把持面から露出するように把持爪２０５の内部に埋め込まれる。なお、力センサ１の天井部３２は、弾性を有するカバーによって被覆されてもよい。
　かかるロボット２００によれば、ワークの把持作業中に把持爪２０５に作用するせん断力を検出することができるので、検出されるせん断力をモニタしながら作業を行うことで、過度なせん断力によるワークの損傷を抑制することができる。
　なお、ここでは、右腕部２０２および左腕部２０３を備える双腕のロボット２００を例に挙げたが、力センサ１が設けられるロボットは、単腕のロボットであってもよい。また、エンドエフェクタ２０４の把持爪２０５の本数についても、２本に限定されるものではない。また、ロボット２００に設けられるセンサ１は、第１の実施形態に記載のものに限定されるものではなく、上述した各実施形態に記載のものであってもよい。
　さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
　１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ　力センサ
　１０　基台
　２０，２０Ａ　変位センサ
　２１　発光部
　２２，２２ｂ，２２ｄ　（第１）光検出部
　２２ａ，２２ｃ　（第２）光検出部
　２３　モニタ用光検出部
　３０　可変フレーム（第１フレーム）
　３１ａ，３１ｂ　支持部
　３１ｃ，３１ｄ　肉薄部
　３２，８２，９２，８４，９４，１１０　天井部
　３２ａ　対向面
　３３　固定部
　４０，９３，９５，１１１　ミラー（反射部）
　５０　力伝達体
　８１ａ，８１ｂ　支持部（第１脚部）
　８２ａ，８４ａ，１１０ａ　第１対向面
　８３，８５　開口部
　８６ａ，８６ｂ　第１脚部
　８８ａ，８８ｂ　連結腕部
　９１ａ，９１ｂ　支持部（第２脚部）
　９２ａ，９４ａ　第２対向面
　９６ａ，９６ｂ　第２脚部
　１００　ハンドル
　１０１　シャフト
　１０２　スポーク
　１０３　設置面
　２００　ロボット
　２０４　エンドエフェクタ
　２０５　把持爪

Claims (10)

  1. 　拡散光を照射する発光部と、
    　第１方向において前記発光部を挟んで配置される一対の第１光検出部と、
    　前記発光部の光軸上において前記発光部に対して対向配置され、前記発光部から照射される拡散光を前記一対の第１光検出部側へ反射する反射部と、
    　前記反射部による前記拡散光の反射先を、前記第１方向へ変位可能に変形する第１フレームと
    　を備えることを特徴とする力センサ。
  2. 　前記第１方向と直交する第２方向において前記発光部を挟んで配置される一対の第２光検出部と、
    　前記反射部による前記拡散光の反射先を、前記第２方向へ変位可能に変形する第２フレームと
    　を備えることを特徴とする請求項１に記載の力センサ。
  3. 　前記第１フレームは、
    　前記発光部の設置面に固定される第１脚部と、
    　前記発光部の光軸上において前記発光部と対向するように該第１脚部によって支持される第１対向面と
    　を備え、
    　第１対向面には、
    　前記発光部の光軸と交わる位置を含む領域に開口部が設けられ、
    　前記第２フレームは、
    　前記第１フレームに連結される第２脚部と、
    　前記発光部の光軸上において前記第１対向面の前記開口部を介して前記発光部と対向するように該第２脚部によって支持される第２対向面と
    　を備え、
    　前記反射部は、
    　前記第２対向面における前記発光部の光軸と交わる位置を含む領域に設けられる
    　ことを特徴とする請求項２に記載の力センサ。
  4. 　前記第１フレームの前記第１脚部は、
    　前記第１対向面における前記第１方向の両側に設けられ、
    　前記１フレームは、
    　前記第１対向面における前記第２方向の両側に設けられる連結腕部
    　をさらに備え、
    　前記第２フレームの前記第２脚部は、
    　前記第２対向面における前記第２方向の両側に設けられ、前記第１対向面よりも前記発光部の設置面側で前記第１フレームの前記連結腕部に連結される
    　ことを特徴とする請求項３に記載の力センサ。
  5. 　前記第１フレームは、
    　前記第１脚部と前記第１対向面とが直角以外の角度で連接される連接部を備え、
    　該連接部は、
    　前記反射部による前記拡散光の反射先を前記第１方向へ変位可能に変形する
    　ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の力センサ。
  6. 　前記第２フレームは、
    　前記第２脚部と前記第２対向面とが直角以外の角度で連接される連接部を備え、
    　該連接部は、
    　前記反射部による前記拡散光の反射先を前記第２方向へ変位可能に変形する
    　ことを特徴とする請求項３～５のいずれか一つに記載の力センサ。
  7. 　前記第１方向と直交する第２方向において前記発光部を挟んで配置される一対の第２光検出部
    　をさらに備え、
    　前記第１フレームは、
    　前記発光部の光軸上において前記発光部に対して対向配置される第１対向面と、
    　前記第１対向面を四方から支持するとともに、前記反射部による前記拡散光の反射先を、前記第１方向および前記第２方向の両方向にのみ変位可能に変形する脚部と
    　を備え、
    　前記反射部は、
    　前記第１対向面に設けられる
    　ことを特徴とする請求項１に記載の力センサ。
  8. 　拡散光を照射する発光部と、
    　前記発光部を挟んで配置される一対の第１光検出部と、
    　前記発光部の光軸上において該発光部と対向する対向面を備えるとともに、前記発光部の設置面に固定され、前記一対の第１光検出部の配列方向に自由度を有する１自由度のフレームと、
    　前記フレームの対向面に設けられ、前記発光部から照射される拡散光を前記一対の第１光検出部側へ反射する反射部と
    　を備えることを特徴とする力センサ。
  9. 　拡散光を照射する発光部と、
    　第１方向において前記発光部を挟んで配置される一対の第１光検出部と、
    　前記発光部の光軸上において前記発光部に対して対向配置され、前記発光部から照射される拡散光を前記一対の第１光検出部側へ反射する反射部と、
    　前記発光部の光軸上において前記発光部に対して対向配置される対向面に前記反射部が設けられて前記発光部の設置面に固定されるとともに、前記反射部による前記拡散光の反射先を、前記第１方向へ変位可能に変形する第１フレームと
    　を備えることを特徴とする力センサ。
  10. 　請求項１～９のいずれか１つに記載の力センサを有する
    　ことを特徴とするロボット。
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