WO2021033455A1 - 力センサ、及びそれを含むセンサアレイ並びに把持装置 - Google Patents

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WO2021033455A1
WO2021033455A1 PCT/JP2020/027073 JP2020027073W WO2021033455A1 WO 2021033455 A1 WO2021033455 A1 WO 2021033455A1 JP 2020027073 W JP2020027073 W JP 2020027073W WO 2021033455 A1 WO2021033455 A1 WO 2021033455A1
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WO
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light receiving
light
emitting element
light emitting
resin body
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PCT/JP2020/027073
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English (en)
French (fr)
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滉平 菅原
博 渡邊
加藤　貴敏
Original Assignee
株式会社村田製作所
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Publication date
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Priority to JP2021540665A priority Critical patent/JP7211522B2/ja
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G01L5/166—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using photoelectric means

Definitions

  • the present invention relates to a force sensor, particularly a force sensor using light, a sensor array including the force sensor, and a gripping device.
  • Such sensors include, for example, sensors that sense pressure and force as described in Patent Document 1.
  • the sensor of Patent Document 1 senses the pressure and force acting on the sensor surface using an optical principle.
  • the sensor 103 includes a light emitting element 105 that emits light, a light receiving element 107 that receives light emitted from the light emitting element 105, and a cover layer 113 that covers the entire sensor 103. Further, the sensor 103 is arranged in the cover layer 113 and is flexible enough to fill the space between the reflective layer 115 that reflects light, the carrier element 109 that supports them, and the reflective layer 115 and the carrier element 109. It comprises a filling element 111 made of a material.
  • the light emitted from the light emitting element 105 is reflected by the reflecting layer 115 and the amount of reflected light returned is detected by the light receiving element 107, so that the pressure and force of the object Bt6 pushing the sensor can be detected.
  • Patent Document 1 As shown in FIG. 25, when a load due to the object Bt6 is applied to the sensor 103, not only the cover layer 113 but also the reflection layer 115 in the sensor 103 is deformed. The deformation of the reflection layer 115 differs depending on the shape of the object, and the reflection profile differs even with the same load. As a result, the detected value of the reflected light amount may change depending on the shape of the object Bt6, that is, the contact area to which the load is applied, even though the same load is applied.
  • Patent Document 1 also shows a sensor 123 having an outer layer 133 made of a hard material and having a flat contact surface with an object Bt7 in the outer layer 133.
  • the sensor 123 cannot detect a change in load such that the reflective layer 115 is displaced in parallel with the plurality of light receiving elements 107.
  • An object of the present invention is to provide a force sensor, a sensor array, and a gripping device that can reduce the change in the detected value of the amount of light depending on the shape of an object and can detect the displacement in the direction parallel to the light receiving portion. It is in.
  • the force sensor includes a light emitting element that emits light and A light receiving unit having a first light receiving element and a second light receiving element that receives the emitted light from the light emitting element, and A substrate that supports the light emitting element and the light receiving portion, A first resin body which is arranged on the substrate, seals the light emitting element and the light receiving portion, and transmits light emitted from the light emitting element, and A reflective surface that reflects light from the light emitting element to the light receiving portion,
  • the first resin body is provided with an outer layer, which is arranged on the opposite side of the substrate and is harder than the first resin body.
  • the light emitting element is arranged between two straight lines that are orthogonal to the line segment connecting the first light receiving element and the second light receiving element and pass through each end point of the line segment.
  • the reflective surface is arranged on the substrate side of the outer layer or between the outer layer and the light emitting element, and is inclined or curved with respect to the extending direction of the line segment.
  • the sensor array according to the present invention includes a plurality of the above-mentioned force sensors.
  • the gripping device includes the above-mentioned sensor array.
  • a force sensor According to the force sensor according to the present invention, a force sensor, a sensor array, and a gripping device that reduce the change in the detected value of the amount of light depending on the shape of the object and can detect the displacement in the direction parallel to the light receiving portion are provided. Can be provided.
  • FIG. 2A Top view of the optical sensor of the first embodiment FIG. 2A, a longitudinal sectional view taken along the line IIB
  • Graph showing the amount of light received by the light receiving part during the contact process of an object The figure for demonstrating the reflected light when the contact surface is not loaded.
  • the figure which shows the modification of the optical sensor of Embodiment 1. The figure which shows the modification of the optical sensor of Embodiment 1.
  • the figure which shows the modification of the optical sensor of Embodiment 1. The figure which shows the modification of the optical sensor of Embodiment 1.
  • the figure which shows the modification of the optical sensor of Embodiment 1. The figure which shows the modification of the optical sensor of Embodiment 1.
  • the figure which shows the modification of the optical sensor of Embodiment 1. The figure which shows the modification of the optical sensor of Embodiment 1.
  • the figure which shows the modification of the optical sensor of Embodiment 1. The figure which shows the modification of the optical sensor of Embodiment 1.
  • the figure which shows the modification of the optical sensor of Embodiment 1. The figure which shows the modification of the optical sensor of Embodiment 1.
  • Top view of the optical sensor of the second embodiment The figure which shows the modification of the optical sensor of Embodiment 2.
  • the figure which shows the sensor array provided in the grip part The figure which shows the sensor array provided in the grip part
  • Top view of the modified optical sensor Top view of the modified optical sensor
  • the figure for demonstrating the outline of the conventional force sensor The figure for demonstrating the outline of the conventional force sensor
  • each embodiment is an example, and partial replacement or combination of the configurations shown in different embodiments is possible.
  • the modified example the description of the matters common to those of the first embodiment will be omitted, and only the differences will be described. In particular, similar actions and effects with the same configuration will not be mentioned sequentially for each embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining an outline of the force sensor 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 2A is a top view of the optical sensor 3.
  • FIG. 2B is a vertical cross-sectional view taken along the line IIB of FIG. 2A.
  • the force sensor 1 includes an optical sensor 3, a drive unit 15, an amplifier circuit unit 17, and a control unit 19.
  • the force sensor 1 can be applied to applications in which various objects to be gripped are objects to be sensed, for example, in a robot hand.
  • the optical sensor 3 includes a light emitting element 5, a light receiving unit 7, a substrate 9, a first resin body 11, and an outer layer 13.
  • the first resin body 11 is an example of a cover member arranged so as to cover the light emitting element 5 and the light receiving portion 7.
  • the direction in which the first resin body 11 protrudes from the substrate 9 is defined as the “Z direction”, and the two directions orthogonal to the Z direction and orthogonal to each other are the “X direction” and the “Y direction”.
  • the positive direction of the Z axis is upward, and the negative direction of the Z axis is downward.
  • the optical sensor 3 of the first embodiment causes the light emitting element 5 to emit light inside the first resin body 11, and receives the reflected light transmitted through the first resin body 11 and reflected on the reflecting surface 13a of the outer layer 13. 7 detects the light, and outputs a light receiving signal P1 according to the amount of light received from the light receiving unit 7.
  • the light emitting element 5 is, for example, a solid-state light emitting element such as a surface emitting laser (VCSEL) or an LED.
  • VCSEL surface emitting laser
  • LED light emitting diode
  • a surface emitting laser is used as the light emitting element 5
  • a laser having a narrow emission angle can be emitted.
  • the light emitted from the light emitting element 5 can be reduced from being emitted toward the side surface of the resin body 11, it is possible to reduce the light reflected from the side surface of the resin body 11 from being incident on the light receiving portion 7.
  • the emitted light from the light emitting element 5 can be reduced from leaking to the outside of the optical sensor 3, the emitted light leaked to the outside is reflected from the contact object of the optical sensor 3 or other objects and incident on the light receiving unit 7. Can be reduced. As a result, the offset of the light receiving unit 7 can be reduced, and the SN ratio can be improved.
  • the light emitting element 5 may be a solid-state light emitting element other than the surface emitting laser and the LED.
  • the optical sensor 3 may include a collimating lens that collimates the light from the light emitting element 5.
  • the light emitting element 5 emits light having a wavelength in the near infrared region, for example.
  • the peak wavelength of the light emitted from the light emitting element 5 is included, for example, between 700 nm and 1000 nm, and here is 850 nm.
  • Light whose peak wavelength is included in this range can be received by a light receiving element made of Si-based material.
  • the light receiving unit 7 receives the reflected light emitted from the light emitting element 5 and reflected by the reflecting surface 13a.
  • the light receiving unit 7 includes, for example, a light receiving element composed of a photodiode (PD).
  • the light receiving unit 7 includes at least two light receiving elements, and in FIG. 1, the light receiving unit 7 includes two light receiving elements 7a and 7b.
  • the light receiving unit 7 detects the amount of reflected light by receiving light and generating a light receiving signal P1 indicating the light receiving result.
  • the generated light receiving signal P1 is transmitted to the amplifier circuit unit 17.
  • the light receiving unit 7 is not limited to the photodiode, and may include various light receiving elements such as a position detection element (PSD) or a CMOS image sensor (CIS).
  • the substrate 9 is, for example, a resin substrate.
  • the substrate 9 supports the light emitting element 5 arranged on the same plane and the light receiving elements 7a and 7b of the light receiving unit 7.
  • the light emitting element 5 is arranged at the center of the plate-shaped substrate 9.
  • the two light receiving elements 7a and 7b of the light receiving unit 7 are arranged with the light emitting element 5 interposed therebetween, for example, and the light receiving element 7a, the light emitting element 5 and the light receiving element 7b are arranged in a straight line.
  • the substrate 9 supports a first resin body 11 that seals the light emitting element 5 and the light receiving portion 7.
  • the optical sensor 3 can be miniaturized and reduced in height.
  • the light receiving elements 7a and 7b have the same height from the substrate 9, the light emitting element 5 and the light receiving elements 7a and 7b may have different heights from the substrate 9. In other words, the light emitting element 5 and the light receiving unit 7 may be displaced from each other in the Z direction.
  • the first resin body 11 seals the light emitting element 5 and the light receiving portion 7.
  • the first resin body 11 has transparency so that the light emitted from the light emitting element 5 can be transmitted.
  • the first resin body 11 is formed in, for example, a quadrangular pyramid trapezoidal shape, or a rotating body shape such as a conical trapezoidal shape and a cylindrical shape.
  • the first resin body 11 is formed of an elastic body that deforms in response to an external force such as an external stress, and is formed of, for example, a silicone-based or epoxy-based resin.
  • the lower surface of the first resin body 11 is, for example, 0.5 to 50 mm square.
  • the area of the upper surface of the first resin body 11 is equal to or less than the area of the lower surface.
  • the shearing direction is the shearing direction of the first resin body 11 and also the direction parallel to the plurality of light receiving elements.
  • the outer layer 13 is arranged on the opposite side of the substrate 9 in the first resin body 11, and is harder than the first resin body 11.
  • the upper surface of the first resin body 11 is covered with an outer layer 13 which is harder than the first resin body 11.
  • the chemical adhesion at the interface between the first resin body 11 and the outer layer 13 can be strengthened. Further, the difference in linear expansion coefficient between the first resin body 11 and the outer layer 13 can be reduced. Therefore, peeling at the interface occurs when operating under environmental loads such as high temperature and low temperature, when an excessive load is applied, or when a repeated load is applied from the object Bt for a long period of time. It is possible to suppress and realize a sensor having excellent durability and reliability.
  • the first resin body 11 and the outer layer 13 can both be formed of, for example, a silicone-based material. Further, the first resin body 11 is formed of, for example, methyl silicone in which all the substituents are composed of methyl groups, or phenyl silicone in which the substituents are composed of methyl groups and phenyl groups.
  • the outer layer 13 is formed of, for example, a modified silicone having an organic substituent other than a methyl group and a phenyl group as a substituent. By adopting such a first resin body 11 and an outer layer 13, it is possible to realize an outer layer 13 which is harder than the first resin body 11 with the same material. In addition to the silicone-based resin, epoxy-based resins having different hardness may be used.
  • the outer layer 13 has a reflecting surface 13a that reflects the light emitted from the light emitting element 5 to the light receiving unit 7, and a contact surface 13b that comes into contact with the object Bt.
  • the reflective surface 13a is a surface of the outer layer 13 on the light emitting element 5 side, and is curved so that the central portion projects toward the substrate 9.
  • the upper surface of the first resin body 11 has a shape that fits the reflective surface 13a, and the central portion of the first resin body 11 is curved so as to be recessed toward the substrate 9.
  • the distance between the light emitting element 5 and the reflecting surface 13a on the central axis of the light emitting element 5 is 5 mm or less.
  • a reflective white pigment is added to the outer layer 13.
  • the light reflection function of the reflection surface 13a which is the surface of the outer layer 13 on the light emitting element 5 side, can be improved.
  • the first resin body 11 and the outer layer 13 are made of different materials, a difference in refractive index occurs between the first resin body 11 and the outer layer 13.
  • the interface of the outer layer 13 on the light emitting element 5 side can function as a reflecting surface.
  • the outer layer 13 may be made of an epoxy-based, acrylic-based, or polycarbonate-based resin, or may be made of metal.
  • the contact surface 13b has a planar shape. As a result, the contact area with the object Bt can be maximized, and the frictional force with the object Bt can be increased. Further, the contact surface 13b has a coefficient of static friction of, for example, 0.1 or more.
  • the contact surface 13b of the outer layer 13 has, for example, a size equal to or larger than the contact area with the object Bt which is the contact object. Further, the contact surface 13b is larger than a circle in which at least one of the light receiving elements 7a and 7b, which is centered on the light emitting element 5 and is farther from the light emitting element 5, is located on the circumference of the contact surface 13b. The size is smaller than the bottom surface of the resin body 11 of 1.
  • the straight line L1 is orthogonal to the line segment Ls connecting the light receiving element 7a and the light receiving element 7b, and passes through the end point Pe1 of the line segment Ls on the light receiving element 7a side.
  • the straight line L2 is orthogonal to the line segment Ls connecting the light receiving element 7a and the light receiving element 7b, and passes through the end point Pe2 on the light receiving element 7b side of the line segment Ls.
  • the light emitting element 5 is arranged between the straight line L1 and the straight line L2.
  • the reflecting surface 13a is curved in a direction intersecting the extending direction of the line segment Ls in the vertical cross-sectional view including the line segment Ls.
  • the reflecting surface 13a is curved with respect to the extending direction of the line segment Ls.
  • the reflecting surface 13a is a curved line in a vertical cross-sectional view including the line segment Ls.
  • the light receiving unit 7 can detect the amount of displacement of the reflecting surface 13a that is displaced in the line segment Ls direction.
  • the light emitting element 5 is arranged on a straight line L3 passing between the two light receiving elements 7a and 7b.
  • the straight line L3 is parallel to the straight lines L1 and L2. If the reflecting surface 13a is curved in a direction orthogonal to the straight line L3, the light receiving unit 7 can detect the amount of displacement of the reflecting surface 13a that is displaced in the direction orthogonal to the straight line L3.
  • the drive unit 15 supplies electric power to the light emitting element 5 according to the timing signal from the control unit 19 to drive the light emitting element 5. As a result, the light emitting element 5 can emit light at a predetermined cycle.
  • the amplifier circuit unit 17 amplifies the light receiving signal P1 detected by the light receiving elements 7a and 7b of the light receiving unit 7 and transmits the light receiving signal P1 to the control unit 19.
  • the control unit 19 analyzes the light receiving signal P1 from the light receiving unit 7 to detect the load of the object Bt (see FIG. 3A) on the optical sensor 3. Since the amount of light changes as the load from the object Bt increases, the distance from the substrate 9 to the reflecting surface 13a is detected according to the change in the amount of light profile. Thereby, the contact force according to the pushing distance by the object Bt can be detected. Further, the control unit 19 controls the light emission cycle of the light emitting element 5 and the light detection cycle of the light receiving unit 7.
  • the control unit 19 is composed of a CPU, a microprocessor, or an FPGA.
  • the optical sensor 3 may be provided as a module separate from the drive unit 15, the amplifier circuit unit 17, and the control unit 19.
  • FIGS. 3A and 3B illustrate a state in which the objects Bt and Bt2 each push the force sensor 1 in the negative direction of the Z axis.
  • FIG. 5A is a diagram for explaining the reflected light when the contact surface 13b is not loaded.
  • the light emitting element 5 emits light LH1 inside the first resin body 11 as illustrated in FIG. 5A.
  • the light LH1 emitted from the light emitting element 5 passes through the first resin body 11 and is reflected by the reflecting surface 13a of the outer layer 13 to generate the reflected light LH2.
  • the reflected light LH2 passes through the first resin body 11 again and is incident on the light receiving unit 7.
  • the first resin body 11 of the optical sensor 3 is deformed so as to expand laterally (in the XY plane direction) according to the contact force acting on the objects Bt and Bt2 in contact with each other. ing. Since the amount of reflected light to the light receiving unit 7 changes according to the distance from the reflecting surface 13a, the load value can be measured by detecting the change in the amount of reflected light from the light receiving unit 7.
  • the optical sensor 3 performs tactile sensing that senses a contact force in the Z-axis direction by outputting a light receiving result that changes in response to such deformation as a light receiving signal P1.
  • the area of contact with the contact surface 13b of the outer layer 13 is different between the objects Bt and Bt2.
  • the outer layer 13 is made of a material harder than the first resin body 11, it is less likely to be deformed than the first resin body 11. Therefore, while the first resin body 11 is pushed by the objects Bt and Bt2 and deformed, the amount of deformation of the outer layer 13 is smaller than that of the first resin body 11, and the amount of deformation of the reflecting surface 13a is also small.
  • the reflecting surface 13a approaches the light emitting element 5 and the light receiving unit 7 according to the load without being affected by the contact area with the object.
  • the light receiving unit 7 receives the same amount of light. can do.
  • FIG. 4 is a graph showing the amount of light received by the light receiving unit 7 in the contact process between the objects Bt and Bt2.
  • the graph shows the change in the output value of the optical sensor 3 when the objects Bt and Bt2 come into contact with the outer layer 13 of the optical sensor 3 and then are pushed further.
  • ⁇ indicates a graph of changes in the amount of light received by the light receiving unit 7 when the object Bt pushes the optical sensor 3.
  • the x mark is a graph of change in the amount of light received by the light receiving unit 7 when the object Bt2 pushes the optical sensor 3.
  • the force sensor 1 can accurately detect the pushing force of the object regardless of the shape of the object. it can.
  • FIG. 5B is a diagram for explaining reflected light when a load is applied in a direction parallel to a plurality of optical elements.
  • the light LH1 emitted from the light emitting element 5 Is reflected by the reflecting surface 13a, and the reflected light LH2 is uniformly received by, for example, the light receiving elements 7a and 7b.
  • the change in the amount of reflected light to the light receiving elements 7a and 7b is reversed with respect to the force in the direction opposite to the force shown in FIG. 5B.
  • the size of the component in the Ls direction can be detected.
  • the reflecting surface 13a has a convex shape toward the light emitting element 5 side and a curved surface shape, the angle of the reflecting surface can be gradually changed when a force in the shearing direction is applied. Therefore, the reflection angle of the light emitted from the light emitting element 5 can be gradually changed, and the influence of the positional deviation of the light emitting element 5 and the light receiving elements 7a and 7b at the time of manufacturing can be reduced.
  • the force sensor 1 of the first embodiment has a light emitting element 5 that emits light, and a light receiving unit having a first light receiving element 7a and a second light receiving element 7b that receive the light emitted from the light emitting element 5.
  • a first which is arranged on the substrate 9 and has a substrate 9 that supports the light emitting element 5 and the light receiving portion 7, seals the light emitting element 5 and the light receiving portion 7, and transmits the light emitted from the light emitting element 5.
  • the light emitting element 5 is arranged between two straight lines L1 and L2 that are orthogonal to the line segment Ls connecting the first light receiving element 7a and the second light receiving element 7b and pass through the respective end points Pe1 and Pe2 of the line segment Ls.
  • the reflecting surface 13a is curved with respect to the extending direction of the line segment Ls.
  • the reflecting surface 13a is curved with respect to the extending direction of the line segment Ls, when the outer layer 13 changes in the extending direction of the line segment Ls, the angle of the reflecting surface 13a gradually changes. Since the angle of the reflecting surface 13a changes, the directivity of the reflected light changes, and the amount of reflected light to the two light receiving elements 7a and 7b changes, respectively. From the rate of change in the amount of reflected light, it is possible to detect a force in the shearing direction such that the reflecting surface 13a moves in the direction in which the line segment Ls extends. In this way, according to the force sensor 1, it is possible to detect the contact force in the biaxial directions of the Z direction and the X direction.
  • the main materials of the first resin body 11 and the outer layer 13 may be the same resin. Since the first resin body 11 and the outer layer 13 are made of the same resin, the adhesive force between the resins is strong, and the resin is hard to peel off due to strong external force, repeated external force, and environmental load, so that the resin is hard to peel off for a long period of time. It is possible to improve the reliability during operation.
  • the contact surface 13b with an object in the outer layer 13 has a planar shape.
  • the contact area with the object Bt can be maximized. Therefore, the static frictional force acting on the load in the shearing direction for gripping the force sensor 1 becomes large, and a stable gripping operation can be realized. Further, the measurement range in the shear direction as a sensor can be improved.
  • FIGS. 7 to 19 are explanatory views for explaining a modification of the first embodiment, respectively. It should be noted that although the vertical cross-sectional views are shown in FIGS. 7 to 19, hatching is omitted in order to make the drawings easier to see.
  • the reflecting surface 13a may have an inclined shape having an apex angle instead of a curved surface shape.
  • the reflecting surface 13a In the vertical cross-sectional view including the line segment LS, the reflecting surface 13a is inclined toward the center, for example, in the direction of the substrate 9. Since the reflecting surface 13a is inclined with respect to the extending direction of the line segment Ls, when the outer layer 13 changes in the extending direction of the line segment Ls, the angle of the reflecting surface 13a gradually changes. Since the angle of the reflecting surface 13a changes, the directivity of the reflected light changes, and the amount of reflected light to the two light receiving elements 7a and 7b changes, respectively. From the rate of change in the amount of reflected light, it is possible to detect a force in the shearing direction such that the reflecting surface 13a moves in the direction in which the line segment Ls extends.
  • the outer layer 13 has a concave shape instead of a downward convex shape. That is, the reflecting surface 13a has a shape away from the light emitting element 5 toward the central portion of the reflecting surface 13a. In other words, the reflective surface 13a has a shape that is separated from the substrate 9 from the outer peripheral portion to the central portion in the vertical cross-sectional view including the line segment LS. As shown by the broken line, the reflecting surface 13a may have an inclination so as to have a concave shape instead of being curved.
  • the outer layer 13 may have a convex shape protruding downward, and the lowermost end portion may have a plane region having a predetermined area. .. With such a shape, it is possible to detect only when a large force is applied in the shearing direction to some extent, and it is possible to reduce erroneous detection due to noise. As shown by the broken line, the side portion of the reflecting surface 13a and the plane region may have an inclination instead of a curved surface.
  • the reflecting surface 13a does not have a downward convex shape, but has a curved surface shape that is uniformly bent from one side portion to the other side portion. As shown by the broken line, the reflecting surface 13a may not be curved, but may have an inclination having a constant inclination angle with respect to the substrate 9 from one side portion to the other side portion.
  • the reflecting surface 13a is not convex downward, but from one side portion of the reflecting surface 13a to the central portion via directly above one light receiving element 7a.
  • a flat surface is formed from one side portion of the reflecting surface 13a through directly above one light receiving element 7a to the central portion, and from the central portion of the reflecting surface 13a directly above the other light receiving element 7b. You may incline toward the substrate 9 side to the other side part.
  • the reflecting surface 13a is not convex downward, but from one side portion of the reflecting surface 13a to the central portion via directly above one light receiving element 7a.
  • a flat surface is formed from one side portion of the reflecting surface 13a through directly above one light receiving element 7a to the central portion, and from the central portion of the reflecting surface 13a directly above the other light receiving element 7b.
  • the contact surface 13b may be inclined to the other side.
  • the resin body below the outer layer 13 may have a reflective surface.
  • another resin body 21 having a different refractive index from the first resin body 11 may be arranged between the first resin body 11 and the outer layer 13.
  • the surface 21a on the substrate 9 side of the resin body 21 can function as a reflective surface. Since the difference in refractive index is used, the resin body 21 may have transparency.
  • the reflective ability on the surface 21a may be improved by adding a reflective pigment to the resin body 21.
  • the resin body 21 may have no difference in refractive index from the first resin body 11, and may be, for example, the same resin material as the first resin body 11.
  • a gap 23 may be provided between the outer layer 13 and the first resin body 11.
  • a recess is formed in the upper part of the first resin body 11, and the uppermost surface of the recess supports the outer layer 13.
  • the upper surface 11a of the first resin body 11 can be used as a reflecting surface by using the difference in the refractive index at the interface between the void 23 and the first resin body 11.
  • the reflecting surface 11b may be formed inside the first resin body 11.
  • the reflective surface 11b is formed, for example, by a resin layer containing a reflective pigment or a metal layer.
  • the contact surface 13b of the outer layer 13 may have an arc shape depending on the shape of the object to be contacted.
  • the contact surface 13b may have a convex shape, and the central portion of the contact surface 13b may project upward.
  • the contact surface 13b of the outer layer 13 may have a small uneven shape. The size of each unevenness is smaller than the contact area of the object Bt. By doing so, for example, when the contact surface of the object Bt is not planar, the frictional force between the object Bt and the contact surface 13b of the outer layer 13 can be improved.
  • the light receiving elements 7a to 7d are arranged on the same plane rotationally symmetrically with the light emitting element 5 as the center.
  • the light emitting element 5 is arranged in a quadrangular region having the light receiving elements 7a to 7d as vertices.
  • the light emitting element 5 is located between the light receiving elements 7a and 7b in the X direction, and the light emitting element 5 is located between the light receiving elements 7c and 7d in the Y direction.
  • the light emitting element 5 and the light receiving elements 7a to 7d are arranged at equal intervals.
  • the amount of displacement of the reflecting surface 13Da in the X direction can be detected from the balance of the amount of light detected by the light receiving elements 7a and 7b, and the amount of displacement of the reflecting surface 13Da in the Y direction is the amount of light detected by the light receiving elements 7c and 7d. It can be detected from the balance of.
  • the first resin body 11D has a shape that is rotationally symmetric with respect to the light emitting element 5.
  • the first resin body 11D has a shape that is rotationally symmetric with respect to the optical axis of the light emitted from the light emitting element 5, and has, for example, a truncated cone shape or a cylindrical shape.
  • the reflecting surface 13Da of the outer layer 13D is inclined or curved rotationally symmetrically with respect to the central axis of the light emitting element 5, and has, for example, a spherical convex shape.
  • the reflecting surface 13Da projects toward the light emitting element 5. Since the reflecting surface 13Da has a rotationally symmetric shape, a component in all horizontal directions is used as a shearing force that causes the contact surface 13b to move in the horizontal direction from the balance of changes in the amount of reflected light to the light receiving elements 7a to 7d.
  • the direction and size (biaxial directions of the X direction and the Y direction) can be detected.
  • the force sensor 1D may include an optical element 3E in which the light receiving unit 7E has three light receiving elements 7a to 7c. If the light receiving unit 7E has three light receiving elements, the force sensor 1D can detect the force in the three axial directions of the X direction, the Y direction, and the Z direction.
  • the light receiving elements 7a to 7c are arranged on the same plane rotationally symmetrically with respect to the light emitting element 5. For example, the light receiving elements 7a and 7b are arranged on the same straight line in the X direction, and the light receiving elements 7c and the light emitting element 5 are arranged on the same straight line in the Y direction.
  • the light emitting element 5 is arranged in the region of the triangle Tr having the light receiving elements 7a to 7c as vertices.
  • the light receiving elements 7a to 7c are arranged around the light emitting element 5 at intervals of, for example, 120 °. Further, the light emitting element 5 and the light receiving elements 7a to 7c are arranged at equal intervals.
  • the amount of displacement of the reflecting surface 13Da in the X direction can be detected from the balance of the amount of light detected by the light receiving elements 7a and 7b, and the amount of displacement of the reflecting surface 13Da in the Y direction is determined by the light receiving elements 7a, 7b and 7c. It can be detected from the balance of the amount of light to be detected.
  • 21 and 22 show, as an example, a gripping device 41 including a sensor array 31 in which a plurality of force sensors 1D are arranged and a sensor array 31.
  • the gripping device 41 that grips the objects Bt4 and Bt5 is connected to, for example, the tip of the robot arm.
  • the gripping device 41 has, for example, a first finger 41a and a second finger 42b that can be displaced in the Z direction by a motor, an actuator, or the like.
  • a plurality of force sensors 1D are arranged in a one-dimensional array, a two-dimensional array, or a two-dimensional matrix.
  • four force sensors 4D are arranged in an array in the X direction on the first finger 41a and the second finger 41b of the gripping device 41.
  • a plurality of optical sensors 3 or 3D may be arranged in an array to share the drive unit 15, the amplifier circuit unit 17, and the control unit 19.
  • the sensor array 31 in which a plurality of force sensors 1D are arranged in an array makes it possible to detect the size and contact position of an object by functioning the entire array surface as one sensor.
  • the gripping device 41 can detect the difference in length in the X direction between the objects Bt4 and Bt5. Further, since the force in the direction parallel to the contact surface (X direction) can be detected, the objects Bt4 and Bt5 can be gripped with an appropriate gripping force (force in the Z direction). Further, when the minus direction in the X direction is the gravity direction, it is possible to determine whether or not the object is sufficiently gripped against the gravity by detecting the frictional force between the objects Bt4 and Bt5 in the X direction.
  • the sensor array 31 may employ any of the force sensors 1, 1A, 1B, and 1C instead of the force sensor 1D.
  • the first resin body 11 directly seals the light emitting element 5 and the light receiving portion 7. Since a hard material is used as the outer layer 13, the force from the object is easily transmitted to the first resin body 11 through the hard outer layer 13, and the strain stress is easily propagated to the light emitting element 5 and the light receiving portion 7. Therefore, as shown in FIGS. 23 and 24, the second resin body 25, which is harder than the first resin body 11, places the light emitting element 5 and the light receiving portion 7 between the first resin body 11 and the substrate 9. The second resin body 25 may be sealed and the first resin body 11 may cover the second resin body 25.
  • the amount of deformation of the second resin body 25 is smaller than the amount of deformation of the first resin body 11, so even if the first resin body 11 is deformed by the object Bt, the load is applied to the light emitting element 5 and the light receiving portion. It is possible to reduce the participation in 7 and realize high reliability.
  • the second resin body 25 is, for example, a cube, a rectangular parallelepiped, or a rotating body, and the side portion of the second resin body 25 may be exposed to the outside.
  • the light receiving elements 7b and 7c are located on both sides of the light emitting element 5 (in the X direction).
  • the position of the light receiving unit 7 is not limited to the focal point, and can be appropriately set to various positions.
  • the light receiving unit 7 may be configured by arranging four or more light receiving elements around the light emitting element 5. Further, instead of the plurality of light receiving elements, a plurality of light emitting elements 5 may be caused to emit light from a plurality of positions in a time division manner as a light emitting unit, and sensing by the optical sensor 3 may be performed.
  • the shape of the first resin body 11 of the optical sensor 3 is not limited to the rotating body, and may be formed by using various curved surfaces such as a spherical surface.

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Abstract

基板（９）上に配置され、発光素子（５）と受光部（７）とを封止し、発光素子（５）からの出射光を透過する第１の樹脂体（１１）と、発光素子（５）からの光を受光部（７）へ反射させる反射面（１３ａ）と、第１の樹脂体において基板の反対側に配置され、第１の樹脂体よりも硬い、外層（１３）と、を備える力センサ（１）である。第１受光素子（７ａ）と第２受光素子（７ｂ）とを結ぶ線分（Ｌｓ）と直交し、かつ、線分（Ｌｓ）のそれぞれの端点（Ｐｅ１、Ｐｅ２）を通る、２つの直線（Ｌ１、Ｌ２）間に発光素子（５）が配置され、反射面（１３ａ）は、外層（１３）の基板側または外層（１３）と発光素子（５）との間に配置され、線分（Ｌｓ）の延びる方向に対して傾斜または湾曲している。

Description

力センサ、及びそれを含むセンサアレイ並びに把持装置
　本発明は、力センサに関し、特に光を用いた力センサ、及びそれを含むセンサアレイ並びに把持装置に関する。
　近年、ロボットハンド等に搭載され、触覚のセンシングを可能とする各種センサが提案されている。このようなセンサには、例えば、特許文献１に記載されているような圧力及び力を感知するセンサがある。
　特許文献１のセンサは、光学的原理を用いてセンサ表面に作用する圧力及び力を感知する。図２５に示すように、センサ１０３は、光を発光する発光素子１０５と、発光素子１０５から出射された光を受光する受光素子１０７と、センサ１０３全体を覆うカバー層１１３とを備える。さらに、センサ１０３は、カバー層１１３内に配置され、光を反射する反射層１１５と、これらを支持するキャリア要素１０９と、反射層１１５とキャリア要素１０９との間の空間を充填する、柔軟な材料で形成された充填要素１１１と、を備える。
　発光素子１０５から出射された光が反射層１１５で反射して返ってくる反射光量を受光素子１０７にて検出することで、物体Ｂｔ６がセンサを押す圧力及び力を感知することができる。
米国特許出願公開第２０１４／０３２６８８２号
　しかしながら、特許文献１において、図２５に示すように、物体Ｂｔ６による荷重がセンサ１０３に加わると、カバー層１１３だけでなくセンサ１０３内の反射層１１５も変形する。反射層１１５の変形は、物体の形状に応じて異なり、同じ荷重であっても反射プロファイルが異なることになる。これにより、同じ荷重を受けているにもかかわらず、物体Ｂｔ６の形状、すなわち、荷重の加わる接触面積によって反射光量の検出値が変化するおそれがある。
　また、図２６に示すように、特許文献１には、硬い材質の外層１３３を備え、外層１３３において物体Ｂｔ７との接触面を平面としたセンサ１２３も示されている。この構造では、物体Ｂｔ７が充填要素１１１のせん断方向に変位する場合、反射光のプロファイルが変化しない。したがって、センサ１２３は、反射層１１５が複数の受光素子１０７に対して平行に変位するような荷重の変化を検出することができない。
　本発明の目的は、物体の形状により光量の検出値が変化するのを低減し、受光部に対して平行な方向の変位も検出可能な力センサ、センサアレイ、及び、把持装置を提供することにある。
　本発明に係る力センサは、光を出射する発光素子と、
　前記発光素子からの出射光を受光する、第１受光素子及び第２受光素子を有する受光部と、
　前記発光素子と前記受光部とを支持する基板と、
　前記基板上に配置され、前記発光素子と前記受光部とを封止し、前記発光素子からの出射光を透過する第１の樹脂体と、
　前記発光素子からの光を前記受光部へ反射させる反射面と、
　前記第１の樹脂体において前記基板の反対側に配置され、前記第１の樹脂体よりも硬い、外層と、を備え、
　前記第１受光素子と前記第２受光素子とを結ぶ線分とそれぞれ直交し、かつ、前記線分のそれぞれの端点を通る２つの直線間に、前記発光素子が配置され、
　前記反射面は、前記外層の前記基板側または前記外層と前記発光素子との間に配置され、前記線分の延びる方向に対して傾斜または湾曲している。
　本発明に係るセンサアレイは、上述の力センサを複数個備える。
　本発明に係る把持装置は、上述のセンサアレイを備える。
　本発明に係る力センサによると、物体の形状により光量の検出値が変化するのを低減し、受光部に対して平行な方向の変位も検出可能な力センサ、センサアレイ、及び、把持装置を提供することができる。
実施の形態１の力センサの概要を説明するための図 実施の形態１の光学センサの上面図 図２ＡのＩＩＢ矢視縦断面図 物体の荷重による光学センサの変形を説明するための図 物体の荷重による光学センサの変形を説明するための図 物体の接触過程で受光部が受光する光量を示すグラフ 接触面に荷重されていない場合の反射光を説明するための図 複数の光学素子と平行な方向に荷重された場合の反射光を説明するための図 図５Ａの状態から図５Ｂの状態へ荷重の変化に伴う反射光量の変化を示す図 実施の形態１の光学センサの変形例を示す図 実施の形態１の光学センサの変形例を示す図 実施の形態１の光学センサの変形例を示す図 実施の形態１の光学センサの変形例を示す図 実施の形態１の光学センサの変形例を示す図 実施の形態１の光学センサの変形例を示す図 実施の形態１の光学センサの変形例を示す図 実施の形態１の光学センサの変形例を示す図 実施の形態１の光学センサの変形例を示す図 実施の形態１の光学センサの変形例を示す図 実施の形態１の光学センサの変形例を示す図 実施の形態２の力センサの概要を説明するための図 実施の形態２の光学センサの上面図 実施の形態２の光学センサの変形例を示す図 把持部に備えられたセンサアレイを示す図 把持部に備えられたセンサアレイを示す図 変形例の光学センサの上面図 変形例の光学センサの上面図 従来例の力センサの概要を説明するための図 従来例の力センサの概要を説明するための図
　以下、添付の図面を参照して本発明に係る力センサの実施の形態を説明する。
　各実施の形態は例示であり、異なる実施の形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。変形例については実施の形態１と共通の事項についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については、実施の形態ごとには逐次言及しない。
（実施の形態１）
　実施の形態１では、本発明に係る力センサの一例として、光学センサを用いた簡単な光学的機構による物体との接触検出について説明する。
１．構成
　実施の形態１に係る力センサの構成について、図１、２Ａ、２Ｂを参照して説明する。図１は、実施の形態１に係る力センサ１の概要を説明するための図である。図２Ａは、光学センサ３の上面図である。図２Ｂは、図２ＡのＩＩＢ矢視縦断面図である。
　図１に示すように、実施の形態１に係る力センサ１は、光学センサ３と、駆動部１５と、アンプ回路部１７と、制御部１９とを備える。力センサ１は、例えばロボットハンドにおいて、把持する対象の各種物体をセンシングの対象物とする用途に適用可能である。
　光学センサ３は、発光素子５と、受光部７と、基板９と第１の樹脂体１１と、外層１３とを備える。第１の樹脂体１１は、発光素子５及び受光部７を覆うように配置されたカバー部材の一例である。以下では、光学センサ３において、第１の樹脂体１１が基板９から突出する方向を「Ｚ方向」とし、Ｚ方向に直交して且つ互いに直交する２方向を「Ｘ方向」及び「Ｙ方向」とする。なお、Ｚ軸のプラス方向を上方、Ｚ軸のマイナス方向を下方とする。
　実施の形態１の光学センサ３は、第１の樹脂体１１内部で発光素子５を発光させて、第１の樹脂体１１を透過して外層１３の反射面１３ａに反射した反射光を受光部７により検出して、受光部７から受光量に応じた受光信号Ｐ１を出力する。
　発光素子５は、例えば、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）やＬＥＤのような固体発光素子である。発光素子５として面発光レーザを用いると、狭出射角のレーザを発光することができる。これにより、発光素子５からの出射光が受光部７に直接入射するのを低減することができる。また、発光素子５からの出射光が樹脂体１１の側面方向に出射するのを低減できるので、樹脂体１１の側面での反射光が受光部７に入射するのを低減することができる。さらに、発光素子５からの出射光が、光学センサ３の外部へ漏れるのを低減できるので、外部へ漏れた出射光が光学センサ３の接触対象もしくはその他の物体から反射して受光部７に入射するのを低減することができる。この結果、受光部７のオフセットを低減することができ、ＳＮ比を向上することができる。なお、発光素子５として、ＬＥＤを用いる場合は、ＬＥＤにリフレクタを備えることでＬＥＤから照射される光に指向性をもたせることができる。発光素子５は、面発光レーザ及びＬＥＤ以外の固体発光素子であってもよい。また、光学センサ３は、発光素子５からの光をコリメートするコリメートレンズを備えてもよい。
　発光素子５は、例えば、近赤外線領域の波長を有する光を出射する。実施の形態１において、発光素子５から出射される光のピーク波長は、例えば、７００ｎｍから１０００ｎｍの間に含まれ、ここでは８５０ｎｍである。ピーク波長がこの範囲に含まれる光は、Ｓｉ系材料の受光素子で受光可能である。
　受光部７は、発光素子５から出射した光が反射面１３ａで反射した反射光を受光する。受光部７は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ）で構成された受光素子を含む。受光部７は、少なくとも２個の受光素子を備え、図１では、２個の受光素子７ａ、７ｂを備える。受光部７は、光を受光して受光結果を示す受光信号Ｐ１を生成することで、反射光の光量を検出する。生成した受光信号Ｐ１は、アンプ回路部１７へ送信される。受光部７は、フォトダイオードに限らず、例えば、位置検出素子（ＰＳＤ）あるいはＣＭＯＳイメージセンサ（ＣＩＳ）など種々の受光素子を含んでもよい。
　基板９は、例えば、樹脂基板である。基板９は、同一平面上に配置された発光素子５と受光部７の受光素子７ａ、７ｂとを支持する。例えば、板状の基板９の中心には、発光素子５が配置される。受光部７の２つの受光素子７ａ、７ｂは、例えば、発光素子５を中心に発光素子５を挟んで配置され、受光素子７ａ、発光素子５及び受光素子７ｂが直線上に配置される。さらに、基板９は、発光素子５及び受光部７を封止する第１の樹脂体１１を支持する。発光素子５と受光素子７ａ、７ｂとが同一平面上に配置されているので、光学センサ３の小型化及び低背化を実現できる。なお、受光素子７ａ、及び、７ｂは、それぞれ基板９から同じ高さであるが、発光素子５と受光素子７ａ、７ｂとは、基板９からの高さが異なってもよい。言い換えると、発光素子５と受光部７とは、Ｚ方向に対して位置がずれていてもよい。
　第１の樹脂体１１は、発光素子５及び受光部７を封止する。第１の樹脂体１１は、発光素子５から発光される光が透過可能な透明性を有する。第１の樹脂体１１は、例えば、四角錐台形状、または、円錐台形及び円柱形等の回転体形状に形成される。第１の樹脂体１１は、外部応力等の外力に応じて変形する弾性体で形成され、例えば、シリコーン系またはエポキシ系樹脂で形成される。第１の樹脂体１１の下面は、例えば、０．５～５０ｍｍ角である。第１の樹脂体１１の上面の面積は下面の面積以下である。なお、光学センサ３において、せん断方向とは、第１の樹脂体１１のせん断方向であり、また、複数の受光素子と平行な方向でもある。
　外層１３は、第１の樹脂体１１において基板９の反対側に配置され、第１の樹脂体１１よりも硬い。第１の樹脂体１１の上面は、第１の樹脂体１１よりも硬い外層１３で覆われている。これにより、物体Ｂｔ（図３参照）が光学センサ３を押しても、物体Ｂｔの形状によって反射面１３ａの変形状態と変位状態とが変わるのを低減することができる。この結果、物体Ｂｔの形状が異なる場合でも、同じような反射光の状態変化が生じ、同じような信号変化を受光素子で検知できるので、接触力の検出精度を向上させることができる。また、力センサ１の耐久性、信頼性を向上することができる。
　第１の樹脂体１１と外層１３とのそれぞれの主材料が同一系樹脂であれば、第１の樹脂体１１と外層１３との界面における化学的な密着性を強くすることができる。また、第１の樹脂体１１と外層１３との線膨張係数の差を小さくすることができる。したがって、高温及び低温下などの環境負荷を受ける中で動作する場合や、過度な荷重が印加された場合や、長期間にわたって物体Ｂｔから繰り返し荷重を受ける場合での、界面での剥離の発生を抑制し、耐久性及び信頼性に優れたセンサを実現することができる。
　第１の樹脂体１１及び外層１３は、例えば、どちらもシリコーン系材料で形成することができる。さらに、第１の樹脂体１１が、例えば、置換基が全てメチル基で構成されたメチルシリコーン、又は、置換基がメチル基及びフェニル基で構成されたフェニルシリコーンで形成される。外層１３は、例えば、置換基にメチル基、フェニル基以外の有機置換基を備える変性シリコーンで形成される。このような第１の樹脂体１１及び外層１３を採用することで、同一系統の材料で、第１の樹脂体１１よりも硬い外層１３を実現することができる。なお、シリコーン系樹脂の他に、硬さの異なるエポキシ系樹脂を用いてもよい。
　外層１３は、発光素子５から出射された光を受光部７へ反射させる反射面１３ａと、物体Ｂｔと接触する接触面１３ｂとを有する。反射面１３ａは外層１３の発光素子５側の面であり、中央部が基板９側へ突出するように湾曲している。なお、第１の樹脂体１１の上面は反射面１３ａとフィットする形状を有しており、第１の樹脂体１１の中央部が基板９の方へ凹むように湾曲している。発光素子５の中心軸における発光素子５と反射面１３ａとの距離は、５ｍｍ以下である。
　外層１３には、例えば、反射性の白色顔料が添加されている。これにより、外層１３の発光素子５側の面である反射面１３ａの光の反射機能を向上させることができる。また、第１の樹脂体１１と外層１３とが別材料であれば、第１の樹脂体１１と外層１３とで屈折率差が生じる。これにより、外層１３の発光素子５側の界面を反射面として機能させることができる。外層１３は、シリコーン系材料の他にも、エポキシ系、アクリル系、及びポリカーボネイト系の樹脂で形成されてもよいし、金属製であってもよい。
　接触面１３ｂは、平面形状を有する。これにより、物体Ｂｔとの接触面積を最大限に大きくすることができ、物体Ｂｔとの摩擦力を強くすることができる。また、接触面１３ｂは、静止摩擦係数が、例えば、０．１以上の値を有する。外層１３の接触面１３ｂは、例えば、接触対象物である物体Ｂｔとの接触面積以上の大きさを有する。また、接触面１３ｂは、上面視で、例えば、発光素子５を中心とし、発光素子５からの距離が遠い方の受光素子７ａ、７ｂの少なくとも１つを円周に位置する円より大きく、第１の樹脂体１１の底面以下の大きさである。
　図２Ａに示すように、直線Ｌ１は、受光素子７ａと受光素子７ｂとを結ぶ線分Ｌｓと直交し、線分Ｌｓの受光素子７ａ側の端点Ｐｅ１を通る。また、直線Ｌ２は、受光素子７ａと受光素子７ｂとを結ぶ線分Ｌｓと直交し、線分Ｌｓの受光素子７ｂ側の端点Ｐｅ２を通る。発光素子５は、直線Ｌ１と、直線Ｌ２との間に配置されている。また、反射面１３ａは、図２Ｂに示すように、線分Ｌｓを含む縦断面視において線分Ｌｓの延びる方向と交差する方向に湾曲している。したがって、反射面１３ａは、線分Ｌｓの延びる方向に対して湾曲している。言い換えると、反射面１３ａは、線分Ｌｓを含む縦断面視において、曲線である。これにより、線分Ｌｓ方向に変位する反射面１３ａの変位量を受光部７が検出することができる。また、発光素子５は、２つの受光素子７ａ、７ｂ間を通る直線Ｌ３上に配置されている。直線Ｌ３は、直線Ｌ１及びＬ２と平行である。反射面１３ａは、直線Ｌ３と直交する方向に対して湾曲していれば、直線Ｌ３と直交する方向に変位する反射面１３ａの変位量を受光部７が検出することができる。
　駆動部１５は、制御部１９からのタイミング信号にしたがって、発光素子５に電力を供給して発光素子５を駆動する。これにより、発光素子５は、予め定められた周期で発光することができる。
　アンプ回路部１７は、受光部７の各受光素子７ａ、７ｂが検出した受光信号Ｐ１を増幅して制御部１９へ送信する。
　制御部１９は、受光部７からの受光信号Ｐ１を解析して、光学センサ３への物体Ｂｔ（図３Ａ参照）の荷重を検出する。物体Ｂｔからの荷重が増すと、光量が変化するので、光量プロファイルの変化に応じて基板９から反射面１３ａまでの距離が検出される。これにより、物体Ｂｔによる押し込み距離に応じた接触力を検出することができる。また、制御部１９は、発光素子５の発光周期及び受光部７の光検出周期を制御する。制御部１９は、ＣＰＵ、マイクロプロセッサ、または、ＦＰＧＡで構成される。なお、光学センサ３が、駆動部１５、アンプ回路部１７及び制御部１９とは別体のモジュールとして提供されてもよい。
２．動作
　次に、図３Ａ、図３Ｂ及び図５Ａを参照して、力センサ１の動作について以下に説明する。図３Ａ及び３Ｂは、物体Ｂｔ、Ｂｔ２がそれぞれ、力センサ１をＺ軸のマイナス方向に押し込んだ状態を例示している。図５Ａは、接触面１３ｂに荷重されていない場合の反射光を説明するための図である。
　力センサ１において発光素子５は、図５Ａに例示するように、第１の樹脂体１１の内部で光ＬＨ１を発光する。発光素子５から出射された光ＬＨ１は、第１の樹脂体１１を透過して、外層１３の反射面１３ａで反射することで反射光ＬＨ２が生じる。反射光ＬＨ２は再び第１の樹脂体１１を透過して、受光部７に入射する。
　図３Ａ及び図３Ｂの例では、光学センサ３の第１の樹脂体１１は、物体Ｂｔ、Ｂｔ２がそれぞれ接触して作用する接触力に応じて側方（ＸＹ平面方向）に拡がるように変形している。受光部７への反射光量は、反射面１３ａとの距離に応じて変化するので受光部７の反射光量の変化を検出することで、荷重の値を測定することができる。光学センサ３は、このような変形に対応して変化する受光結果を受光信号Ｐ１として出力することにより、Ｚ軸方向の接触力を感知する触覚センシングを行う。
　物体ＢｔとＢｔ２とでは、外層１３の接触面１３ｂと接触する面積がそれぞれ異なる。しかしながら、外層１３が、第１の樹脂体１１よりも硬い材質であるので、第１の樹脂体１１よりも変形しにくい。したがって、第１の樹脂体１１が物体Ｂｔ及びＢｔ２に押されて変形するのに対して、外層１３の変形量は第１の樹脂体１１よりも小さく、反射面１３ａの変形量も小さい。この結果、物体との接触面積に影響されることなく、反射面１３ａは、荷重に応じて発光素子５と受光部７へ接近する。これにより、物体の荷重面積の違いにより反射面１３ａでの反射光のプロファイルが変わるのを低減することができ、Ｚ方向の荷重の大きさが同じであれば、受光部７は同じ光量を受光することができる。
　図４は、物体Ｂｔ及びＢｔ２の接触過程での受光部７が受光する光量を示すグラフである。グラフは、物体Ｂｔ及びＢｔ２が、光学センサ３の外層１３に接触してから、さらに押し込んだ場合の、光学センサ３の出力値の変化を示す。図４において、○印は、物体Ｂｔが光学センサ３を押し込む場合の受光部７が受光する光量の変化グラフである。×印は、物体Ｂｔ２が光学センサ３を押し込む場合の受光部７が受光する光量の変化グラフである。図４に示すように、物体Ｂｔ及びＢｔ２のどちらの場合でも、検出光量の変化に違いがないので、力センサ１は、物体の形状に関係なく、正確に物体の押し込み力を検出することができる。
　次に、図５Ａ、５Ｂを参照して、物体がせん断方向に変位する場合の力の検出について説明する。図５Ｂは、複数の光学素子と平行な方向に荷重された場合の反射光を説明するための図である。
　図５Ａに示すように、外層１３の接触面１３ｂが荷重を受けていない場合、及び、外層１３の接触面１３ｂがＺ方向の荷重を受けている場合は、発光素子５から出射された光ＬＨ１は反射面１３ａで反射し、その反射光ＬＨ２は、例えば、受光素子７ａ及び７ｂにより均等に受光される。
　これに対して、図５Ｂに示すように、外層１３の接触面１３ｂが、線分ＬＳの延びる方向（Ｘ軸のマイナス方向）に移動するような成分を有する力を受けると、反射面１３ａが線分ＬＳの延びる方向に対して湾曲しているので、反射光ＬＨ２の指向性が変化する。この結果、例えば図６に示すように、各受光素子７ａ、７ｂが検出する反射光量が変化する。図６において、○印は第２受光素子７ｂが受光する光量の変化を示し、×印は第１受光素子７ａが受光する光量の変化を示す。
　図５Ｂで示す力と逆向きの力に対しては、受光素子７ａ、７ｂへの反射光量の変化は逆転する。このように、２つの受光素子７ａ、７ｂへの反射光量の変化のバランスから、接触面１３ｂが水平方向に移動するようなせん断方向の力のうち、２つの受光素子７ａ、７ｂを結ぶ線分Ｌｓ方向の成分の大きさを検出することができる。また、反射面１３ａが、発光素子５側に凸形状で、かつ、曲面形状であるので、せん断方向の力を受けた際に反射面の角度を徐々に変化することができる。したがって、発光素子５からの出射光の反射角を緩やかに変化させることができ、製造時における発光素子５や受光素子７ａ、７ｂの位置ズレの影響を低減することができる。
　以上のように、実施の形態１の力センサ１は、光を出射する発光素子５と、発光素子５からの出射光を受光する、第１受光素子７ａ及び第２受光素子７ｂを有する受光部７と、発光素子５と受光部７とを支持する基板９と、基板９上に配置され、発光素子５と受光部７とを封止し、発光素子５からの出射光を透過する第１の樹脂体１１と、発光素子５からの光を受光部７へ反射させる反射面１３ａと、第１の樹脂体１１において基板９の反対側に配置され、第１の樹脂体１１よりも硬い、外層１３と、を備える。発光素子５は、第１受光素子７ａと第２受光素子７ｂとを結ぶ線分Ｌｓと直交し、かつ、線分Ｌｓのそれぞれの端点Ｐｅ１、Ｐｅ２を通る、２つの直線Ｌ１、Ｌ２間に配置され、反射面１３ａは、線分Ｌｓの延びる方向に対して湾曲している。この構成により、物体と接触する外層１３が、第１の樹脂体よりも硬いので、物体の荷重が加わる面積が異なった場合でも反射面の形状が変化しにくい。したがって、荷重の加わる面積に影響されることなく、荷重の強さを正確に測定することができる。また、反射面１３ａが、線分Ｌｓの延びる方向に対して湾曲しているので、外層１３が線分Ｌｓの延びる方向に変異すると、反射面１３ａの角度が徐々に変化する。反射面１３ａの角度が変化するので、反射光の指向性が変化し、２個ある受光素子７ａ、７ｂへの反射光量がそれぞれ変化する。それらの反射光量の変化の割合から反射面１３ａが線分Ｌｓの延びる方向に移動するようなせん断方向の力を検出することができる。このように、力センサ１によれば、Ｚ方向とＸ方向との２軸方向の接触力を検出することができる。
　また、第１の樹脂体１１と外層１３とは、それぞれの主材料が同一系樹脂でもよい。第１の樹脂体１１と外層１３とが、同一系樹脂にて構成されているため、樹脂同士の密着力が強く、強い外力や繰り返しの外力、環境負荷によって、樹脂が剥がれにくいので、長期間動作時の信頼性を向上することができる。
　また、外層１３における物体との接触面１３ｂは、平面形状である。これにより、物体Ｂｔとの接触面積を最大限に大きくすることができる。したがって、力センサ１を把持用のせん断方向の荷重に対して作用する静止摩擦力が大きくなり、安定な把持動作を実現できる。さらに、センサとしてのせん断方向の測定レンジを向上することができる。
　次に、実施の形態１の変形例について順に説明する。図７から図１９は、それぞれ、実施の形態１の変形例を説明する説明図である。なお、図７から図１９において、それぞれ縦断面図を示しているが、図を見やすくするために、ハッチングを省略して示している。
　図７に示す実施の形態１の変形例１における力センサ１において、反射面１３ａが曲面形状ではなく、頂角をもつ傾斜状の形状を有してもよい。反射面１３ａは、線分ＬＳを含む縦断面視において、例えば、中央部に向けて基板９の方向に傾いて傾斜している。反射面１３ａが、線分Ｌｓの延びる方向に対して傾斜しているので、外層１３が線分Ｌｓの延びる方向に変異すると、反射面１３ａの角度が徐々に変化する。反射面１３ａの角度が変化するので、反射光の指向性が変化し、２個ある受光素子７ａ、７ｂへの反射光量がそれぞれ変化する。それらの反射光量の変化の割合から反射面１３ａが線分Ｌｓの延びる方向に移動するようなせん断方向の力を検出することができる。
　図８に示す実施の形態１の変形例２における力センサ１において、外層１３が、下方に凸形状ではなく、凹形状を有している。すなわち、反射面１３ａは、反射面１３ａの中央部に向けて発光素子５から離れる形状を有する。言い換えると、反射面１３ａは、線分ＬＳを含む縦断面視において、外周部から中央部にかけて基板９から離れる形状を有する。なお、破線で示すように、反射面１３ａが湾曲ではなく、凹形状となるような傾斜を有してもよい。
　図９に示す実施の形態１の変形例３における力センサ１において、外層１３が下方に突出した凸形状を有し、最下端部が予め定められた面積を有する平面領域を有してもよい。このような形状とすることで、せん断方向に対してある程度大きな力が荷重された場合だけ検出することができ、ノイズによる誤検出を低減することができる。なお、破線で示すように、反射面１３ａの側部と平面領域との間が曲面ではなく、傾斜を有してもよい。
　図１０に示す実施の形態１の変形例４における力センサ１において、反射面１３ａが下方に凸形状ではなく、一方の側部から他方の側部へ一様に曲げられた曲面形状を有する。なお、破線で示すように、反射面１３ａが湾曲ではなく、一方の側部から他方の側部へ基板９に対して一定の傾斜角度を有する傾斜を有してもよい。
　図１１に示す実施の形態１の変形例５における力センサ１において、反射面１３ａが下方に凸形状ではなく、反射面１３ａの一方の側部から一方の受光素子７ａの直上を経て中央部までが平面であり、反射面１３ａの中央部から他方の受光素子７ｂの直上を経て他方の側部まで受光素子７ｂに対して凹型に湾曲している。なお、破線で示すように、反射面１３ａの一方の側部から一方の受光素子７ａの直上を経て中央部までが平面であり、反射面１３ａの中央部から他方の受光素子７ｂの直上を経て他方の側部まで基板９側に傾斜してもよい。
　図１２に示す実施の形態１の変形例６における力センサ１において、反射面１３ａが下方に凸形状ではなく、反射面１３ａの一方の側部から一方の受光素子７ａの直上を経て中央部までが平面であり、反射面１３ａの中央部から他方の受光素子７ｂの直上を経て他方の側部まで受光素子７ｂに対して凸型に湾曲している。なお、破線で示すように、反射面１３ａの一方の側部から一方の受光素子７ａの直上を経て中央部までが平面であり、反射面１３ａの中央部から他方の受光素子７ｂの直上を経て他方の側部まで接触面１３ｂ側に傾斜してもよい。
　図１３に示す実施の形態１の変形例７における力センサ１Ａにおいて、外層１３の基板９側に反射面１３ａが配置される代わりに、外層１３と発光素子５との間に配置されてもよく、例えば、外層１３の下方の樹脂体が反射面を有してもよい。例えば、第１の樹脂体１１と外層１３との間に、第１の樹脂体１１と屈折率の異なる別の樹脂体２１を配置してもよい。第１の樹脂体１１と樹脂体２１との界面の屈折率差を用いて、樹脂体２１の基板９側の面２１ａを反射面として機能させることができる。屈折率差を用いるので、樹脂体２１は、透明性を有していてもよい。また、樹脂体２１に反射性の顔料を添加することで、面２１ａでの反射能力を向上してもよい。この場合、樹脂体２１は、第１の樹脂体１１と屈折率の差がなくてもよく、例えば、第１の樹脂体１１と同じ樹脂材料であってもよい。
　図１４に示す実施の形態１の変形例８における力センサ１Ｂにおいて、外層１３が反射面１３ａを有する代わりに、外層１３と第１の樹脂体１１の間に空隙２３を有してもよい。この場合、第１の樹脂体１１の上部に凹部が形成されており、凹部の最上面が外層１３を支持する。これにより、空隙２３と第１の樹脂体１１との界面の屈折率の差を用いて、第１の樹脂体１１の上面１１ａを反射面として利用することができる。
　図１５に示す実施の形態１の変形例９における力センサ１Ｃにおいて、外層１３が反射面１３ａを有する代わりに、第１の樹脂体１１の内部に反射面１１ｂを形成してもよい。反射面１１ｂは、例えば、反射性顔料を含む樹脂の層または金属製の層により形成される。
　図１６に示す実施の形態１の変形例１０における力センサ１において、外層１３の接触面１３ｂが平面形状である代わりに、接触対象の物体の形状に応じて、円弧状でもよい。例えば、接触面１３ｂが凸形状を有し、接触面１３ｂの中央部が上方にむけて突出してもよい。また、図１７に示すように、外層１３の接触面１３ｂが小さな凹凸形状を有してもよい。それぞれの凹凸の大きさは、物体Ｂｔの接触面積よりも小さい。このようにすることで、例えば、物体Ｂｔの接触面が平面形状でない場合に、物体Ｂｔと外層１３の接触面１３ｂとの摩擦力を向上させることができる。
（実施の形態２）
　実施の形態１における力センサ１は、受光部７が２つの受光素子７ａ、７ｂを備えるので、Ｘ方向及びＺ方向の２軸方向の力を検出することができる。これに対して、実施の形態２の力センサ１Ｄは、光学センサ３Ｄの受光部７Ｄが４つの受光素子７ａ～７ｄを備えるので、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向の３軸方向の力を検出することができる。
　受光素子７ａ～７ｄは、それぞれ発光素子５を中心に回転対称に同一平面上に配置されている。発光素子５は、受光素子７ａ～７ｄをそれぞれ頂点とする四角形の領域内に配置されている。例えば、Ｘ方向において受光素子７ａと７ｂとの間に発光素子５が位置し、Ｙ方向において、受光素子７ｃと７ｄとの間に発光素子５が位置するようにそれぞれ配置されている。また、発光素子５と各受光素子７ａ～７ｄとは等間隔に配置されている。これにより、反射面１３ＤａのＸ方向の変位量は受光素子７ａと７ｂが検出する光量のバランスから検知することができ、反射面１３ＤａのＹ方向の変位量は受光素子７ｃと７ｄが検出する光量のバランスから検知することができる。
　第１の樹脂体１１Ｄは、発光素子５に対して回転対称の形状を有する。第１の樹脂体１１Ｄは、発光素子５からの出射光の光軸に対して回転対称の形状を有し、例えば、円錐台形状または円柱形状である。発光素子５及び受光部７を封止する樹脂体の形状を回転対称体とすることで、水平方向における全ての方向からの荷重に対しても、反射面１３Ｄａが等しく変位する。これにより、水平方向における全方位の荷重を等しく検出することができる。
　外層１３Ｄの反射面１３Ｄａは、発光素子５の中心軸に対して回転対称に傾斜または湾曲しており、例えば、球面の凸型形状を有する。反射面１３Ｄａは、発光素子５の方に突出している。反射面１３Ｄａが回転対称な形状を有することで、受光素子７ａ～７ｄへの反射光量の変化のバランスから、接触面１３ｂが水平方向に移動するようなせん断方向の力として、水平全方向の成分（Ｘ方向及びＹ方向の２軸方向）の向きと大きさを検出することができる。
　また、図２０に示すように、力センサ１Ｄは、受光部７Ｅが３つの受光素子７ａ～７ｃを有する光学素子３Ｅを備えてもよい。受光部７Ｅが３つの受光素子を有していれば、力センサ１Ｄは、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向の３軸方向の力を検出することができる。受光素子７ａ～７ｃは、それぞれ発光素子５を中心に回転対称に同一平面上に配置されている。例えば、Ｘ方向において受光素子７ａと７ｂが同一直線上に配置され、Ｙ方向において、受光素子７ｃと発光素子５と同一直線上に配置されている。発光素子５は、受光素子７ａ～７ｃをそれぞれ頂点とする三角形Ｔｒの領域内に配置されている。受光素子７ａ～７ｃは、発光素子５を中心に、例えば、１２０°間隔で配置されている。また、発光素子５と各受光素子７ａ～７ｃとは等間隔に配置されている。これにより、反射面１３ＤａのＸ方向の変位量は受光素子７ａと７ｂが検出する光量のバランスから検知することができ、反射面１３ＤａのＹ方向の変位量は受光素子７ａ、７ｂと７ｃとが検出する光量のバランスから検知することができる。
　次に、図２１及び図２２を参照して、力センサ１～１Ｄを複数個配列したセンサアレイ及びセンサアレイを備える把持装置を説明する。図２１及び図２２には、一例として、力センサ１Ｄを複数個配列したセンサアレイ３１及びセンサアレイ３１を備える把持装置４１を示す。物体Ｂｔ４及びＢｔ５を把持する把持装置４１は、例えば、ロボットアームの先端に接続されている。把持装置４１は、例えば、モータ及びアクチュエータ等によりＺ方向に変位可能な第１指４１ａと第２指４２ｂとを有する。
　センサアレイ３１において、複数個の力センサ１Ｄが１次元アレイ状、２次元アレイ状または２次元マトリックス状に配置されている。センサアレイ３１は、例えば、４つの力センサ４Ｄが把持装置４１の第１指４１ａ及び第２指４１ｂにＸ方向にアレイ状に配置されている。なお、複数個の光学センサ３又は３Ｄをアレイ状に配置して、駆動部１５、アンプ回路部１７、及び制御部１９を共通化してもよい。
　複数個の力センサ１Ｄをアレイ状に配置したセンサアレイ３１により、アレイ面全体を１つのセンサとして機能することで、物体のサイズや接触位置の検出を可能にする。例えば、把持装置４１は、物体Ｂｔ４とＢｔ５とにおけるＸ方向の長さの違いを検出することができる。また、接触面と平行な方向（Ｘ方向）の力を検出することができるので適切な把持力（Ｚ方向の力）で物体Ｂｔ４、Ｂｔ５を把持することができる。また、Ｘ方向のマイナス方向が重力方向の場合、物体Ｂｔ４とＢｔ５のＸ方向の摩擦力を検出することにより、重力に対抗して物体を十分に把持しているかどうかを判定することもできる。なお、センサアレイ３１は、力センサ１Ｄの代わりに、力センサ１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃのいずれかを採用してもよい。
（他の実施の形態）
　本発明は、上記実施の形態のものに限らず、次のように変形実施することができる。
　（１）上記各実施の形態において、第１の樹脂体１１は、発光素子５及び受光部７を直接封止していた。外層１３として硬質な材料を採用するので、物体からの力が硬い外層１３を介して第１の樹脂体１１に伝わりやすく、発光素子５及び受光部７に歪み応力が伝播されやすい。そこで、図２３及び図２４に示すように、第１の樹脂体１１よりも硬い第２の樹脂体２５が、第１の樹脂体１１と基板９との間で発光素子５及び受光部７を封止し、第２の樹脂体２５を第１の樹脂体１１が覆う構成でもよい。これにより、第２の樹脂体２５の変形量は第１の樹脂体１１の変形量よりも小さいので、第１の樹脂体１１が物体Ｂｔにより変形してもその荷重が発光素子５及び受光部７に加わるのを低減することができ、高信頼性を実現することができる。第２の樹脂体２５は、例えば、立方体、直方体また回転体であり、第２の樹脂体２５の側部が外部に露出していてもよい。
　（２）上記各実施の形態では、発光部として１つの発光素子５を用いる例を説明したが、発光素子の個数は特に１つに限定されず、複数の個数を採用してもよい。また、発光素子５の位置は中央に限定されず、種々の位置に適宜、設定可能である。
　（３）実施の形態１の例において、受光素子７ｂ及び７ｃは、（Ｘ方向における）発光素子５の両側に位置する。受光部７の位置は焦点に限らず、種々の位置に適宜、設定可能である。受光部７は、発光素子５の周囲に４個以上の受光素子を並べて構成されてもよい。また、複数の受光素子の代わりに、発光部として複数の発光素子５を複数の位置から時分割で発光させて、光学センサ３によるセンシングが行われてもよい。
　（４）上記各実施の形態において、光学センサ３の第１の樹脂体１１の形状は、回転体に限定されず、球面など各種曲面を用いて構成されてもよい。
　　　１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ　力センサ
　　　３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ　光学センサ
　　　５　　発光素子
　　　７　　受光部
　　　７ａ　第１受光素子
　　　７ｂ　第２受光素子
　　　７ｃ　第３受光素子
　　　７ｄ　第４受光素子
　　　９　　基板
　　１１　　第１の樹脂体
　　１１ａ　上面
　　１１ｂ　反射面
　　１３、１３Ｄ　外層
　　１３ａ、１３Ｄａ　反射面
　　１３ｂ　接触面
　　１５　　駆動部
　　１７　　アンプ回路部
　　１９　　制御部
　　２１　　樹脂体
　　２１ａ　面
　　２３　　空隙
　　２５　　第２の樹脂体
　　３１　　センサアレイ
　　４１　　把持装置
　　４１ａ　第１指
　　４１ｂ　第２指
　　４５　　アーム
　１０３　　センサ
　１０５　　発光素子
　１０７　　受光素子
　１０９　　キャリア要素
　１１１　　充填要素
　１１５　　反射層
　　Ｂｔ、Ｂｔ２、Ｂｔ３、Ｂｔ４、Ｂｔ５　物体
　　Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３　直線
　　Ｌｓ　線分
　　Ｐ１　　受光信号
　　Ｓｑ　　四角形
　　Ｔｒ　　三角形

Claims (14)

  1. 　光を出射する発光素子と、
    　前記発光素子からの出射光を受光する、第１受光素子及び第２受光素子を有する受光部と、
    　前記発光素子と前記受光部とを支持する基板と、
    　前記基板上に配置され、前記発光素子と前記受光部とを封止し、前記発光素子からの出射光を透過する第１の樹脂体と、
    　前記発光素子からの光を前記受光部へ反射させる反射面と、
    　前記第１の樹脂体において前記基板の反対側に配置され、前記第１の樹脂体よりも硬い、外層と、を備え、
    　前記第１受光素子と前記第２受光素子とを結ぶ線分とそれぞれ直交し、かつ、前記線分のそれぞれの端点を通る２つの直線間に、前記発光素子が配置され、
    　前記反射面は、前記外層の前記基板側または前記外層と前記発光素子との間に配置され、前記線分の延びる方向に対して傾斜または湾曲している、
    　力センサ。
  2. 　前記反射面は、前記発光素子に対して回転対称に傾斜または湾曲している、
    　請求項１に記載の力センサ。
  3. 　前記受光部は、前記発光素子からの出射光を受光する第３受光素子を備え、
    　前記発光素子は、前記第１受光素子、前記第２受光素子及び前記第３受光素子をそれぞれ頂点とする三角形の領域内に配置されている、
    　請求項１または２に記載の力センサ。
  4. 　前記受光部は、前記発光素子からの出射光を受光する、第３受光素子及び第４受光素子を備え、
    　前記発光素子は、前記第１受光素子、前記第２受光素子、前記第３受光素子及び前記第４受光素子をそれぞれ頂点とする四角形の領域内に配置されている、
    　請求項１または２に記載の力センサ。
  5. 　前記第１受光素子、前記第２受光素子、前記第３受光素子及び前記第４受光素子は、前記発光素子を中心として回転対称に配置される、
    　請求項４に記載の力センサ。
  6. 　前記第１の樹脂体と前記外層とは、それぞれの主材料が同一系樹脂である、
    　請求項１から５のいずれか１つに記載の力センサ。
  7. 　前記反射面は、前記外層の発光素子側の面である、
    　請求項１から６のいずれか１つに記載の力センサ。
  8. 　前記外層における物体との接触面が平面形状である、
    　請求項１から７のいずれか１つに記載の力センサ。
  9. 　前記接触面は、前記物体との接触面積以上の大きさを有する、
    　請求項８に記載の力センサ。
  10. 　　前記第１の樹脂体は、円柱形状または円錐台形状である、
    　請求項１から９のいずれか１つに記載の力センサ。
  11. 　前記第１の樹脂体よりも硬く、前記第１の樹脂体と前記基板との間で前記発光素子と前記受光部とを封止する、第２の樹脂体を備える、
    　請求項１から１０のいずれか１つに記載の力センサ。
  12. 　前記反射面からの反射光を受光した前記受光部の信号に基づいて、前記反射面と前記受光部との距離を検出することにより、前記外層に接触する物体による接触力を検出する、
    　請求項１から１１のいずれか１つに記載の力センサ。
  13. 　請求項１から１２のいずれか１つに記載の前記力センサを複数個備える、
    　センサアレイ。
  14. 　請求項１３に記載の前記センサアレイを備える、
    　把持装置。
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