JP2022010551A - 力覚センサ - Google Patents

Abstract

【課題】煩雑な演算が不要な力覚センサを提供する。【解決手段】力覚センサ１０は、第１構造体１１、４つの起歪部１３および第２構造体１２を有する。第１構造体１１は、第３軸が貫通するように形成される。４つの起歪部は、第１軸および第２軸により形成される基準平面において第１軸および第２軸に沿って設けられる。第２構造体１２は、起歪部１３を介して第１構造体１１に接続する。上記起歪部１３は、第１軸または第２軸に沿って延伸する第１梁部１３６と、第１梁部１３６と直交する方向に延伸するとともに中間部で第１梁部１３６と接続する第２梁部１３７と、を有する。また、起歪部１３は、第３軸の方向に投影した場合に、第１軸および第２軸のいずれに対しても線対称となるように形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は力覚センサに関する。

２つの構造体の間に架け渡された起歪部を介して一方の構造体から他方の構造体へ所定の力が伝達される場合の力やモーメントを検出する力覚センサが知られている。この力覚センサは、起歪体に生じる歪を検出することにより、所望の軸方向の力や、所望の軸周りモーメントを算出する。

例えば、特許文献１には、１次側構造体と、２次側構造体と、の間に架け渡された金属製かつ梁状の起歪部を備え、起歪部を介して一方の構造体から他方の構造体へトルクが伝達されるトルク計測装置が記載されている。このトルク計測装置は、起歪部におけるトルク中心軸に垂直な面に配置され、起歪部の歪量を検出する薄膜型歪センサと、薄膜型歪センサによって検出された歪量に基づいて直接トルク計算を行う信号処理部とを有している。

特開２０１３－０１１５６７号公報

しかしながら、特許文献１に記載のトルク計測装置では、トルク中心軸周りのトルクを計測することに限られており、例えば３軸直交座標におけるその他の力や方向を併せて検出することができない。一方、例えば３軸直交座標系における力やモーメントを検出する６軸力覚センサも開発されている。しかしながら、このような力覚センサでは、複数の歪センサから検出される歪を非干渉化行列に入力して煩雑な演算をすることにより所望の力やモーメントを算出する必要がある。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、煩雑な演算が不要な力覚センサを提供するものである。

本発明の第１の態様における力覚センサは、互いに直交する第１軸、第２軸および第３軸により設定される直交座標系の各軸方向の力および各軸周りのモーメントの内少なくとも１つを検出する。上記力覚センサは、第１構造体、４つの起歪部および第２構造体を有する。第１構造体は、第３軸が貫通するように形成される。４つの起歪部は、第１軸および第２軸により形成される基準平面において第１軸および第２軸に沿って設けられる。第２構造体は、起歪部を介して第１構造体に接続する。上記起歪部は、第１軸または第２軸に沿って延伸する第１梁部と、第１梁部と直交する方向に延伸するとともに中間部で第１梁部と接続する第２梁部と、を有する。また、起歪部は、第３軸の方向に投影した場合に、第１軸および第２軸のいずれに対しても線対称となるように形成されている。

このような構成により、力覚センサが有する起歪部は、各軸方向に力が印加された場合に、印加された力の方向の歪を分離することが容易となる。

上記力覚センサは、起歪部の基準平面上に複数の歪センサ対をさらに備え、複数の歪センサ対は、基準平面に対して垂直な方向に投影した場合に、第１軸および第２軸のいずれに対しても線対称となるように配置されていることが好ましい。これにより、力覚センサは、煩雑な非干渉化演算を行うことなく、外力を検出できる。

上記力覚センサにおいて、複数の歪センサ対は、第１センサグループ、第２センサグループ、第３センサグループ、第４センサグループ、第５センサグループおよび第６センサグループの内少なくともいずれか１つを有していてもよい。第１センサグループは、第１軸に沿って延出する起歪部の第２梁部に配置されている複数の歪センサ対を有する。第２センサグループは、第２軸に沿って延出する起歪部の第２梁部に配置されている複数の歪センサ対を有する。第３センサグループは、第１軸上または第２軸上の第１梁部に配置されている複数の歪センサを有する。第４センサグループは、第２軸上の第１梁部に配置されている複数の歪センサ対を有する。第５センサグループは、第１軸上の第１梁部に配置されている複数の歪センサ対を有する。第６センサグループは、第１軸上に設けられている第１梁部と第１構造体または第２構造体とが接続する部分において第１軸を挟んで配置された複数の歪センサ対または、第２軸上に設けられている第１梁部と第１構造体または第２構造体とが接続する部分において第２軸を挟んで配置された複数の歪センサ対の少なくともいずれか一方を有する。

このような構成により、力覚センサは、それぞれのセンサグループに対応した外力を好適に検出できる。

上記力覚センサにおいて、起歪部は、第３軸に対して４回対称に形成され、複数の歪センサ対は、第３軸に対して４回対称に配置されているものであってもよい。これにより力覚センサは、バランスよく６軸力を検出できる。

上記力覚センサは、第１力検出回路、第２力検出回路、第３力検出回路、第１モーメント検出回路、第２モーメント検出回路および第３モーメント検出回路の内少なくともいずれか１つをさらに備えるものであってもよい。第１力検出回路は、第１センサグループに含まれる複数の歪センサ対を含むブリッジ回路を有し、第１軸方向の力を検出する。第２力検出回路は、第２センサグループに含まれる複数の歪センサ対を含むブリッジ回路を有し、第２軸方向の力を検出する。第３力検出回路は、第３センサグループに含まれる複数の歪センサ対を含むブリッジ回路を有し、第３軸方向の力を検出する。第１モーメント検出回路は、第４センサグループに含まれる複数の歪センサ対を含むブリッジ回路を有し、第１軸周りのモーメントを検出する。第２モーメント検出回路は、第５センサグループに含まれる複数の歪センサ対を含むブリッジ回路を有し、第２軸周りのモーメントを検出する。第３モーメント検出回路は、第６センサグループに含まれる複数の歪センサ対を含むブリッジ回路を有し、第３軸周りのモーメントを検出する。

これにより、力覚センサは、煩雑な非干渉化演算を行うことなく外力を各軸力に分離して検出できる。

上記力覚センサにおいて、第１センサグループが、第２梁部の第１梁部に接続する側と第１構造体または第２構造体に接続する側のいずれにも複数の歪センサ対を有していることにより、２つのブリッジ回路を有するものであってもよい。これにより、力覚センサは第１センサグループの信頼性を向上できる。

上記力覚センサにおいて、第２センサグループが、第２梁部の第１梁部に接続する側と第１構造体または第２構造体に接続する側のいずれにも複数の歪センサ対を有していることにより、２つのブリッジ回路を有するものであってもよい。これにより、力覚センサは第２センサグループの信頼性を向上できる。

上記力覚センサにおいて、第３センサグループが、第１軸上および第２軸上の第１梁部において複数の歪センサ対を有していることにより、２つのブリッジ回路を有するものであってもよい。これにより、力覚センサは第３センサグループの信頼性を向上できる。

上記力覚センサにおいて、第６センサグループが、第１軸上に設けられている第１梁部および第２軸上に設けられている第１梁部のいずれにも複数の歪センサ対を有していることにより、２つのブリッジ回路を有するものであってもよい。これにより、力覚センサは第６センサグループの信頼性を向上できる。

上記力覚センサにおいて、第１梁部は、第１構造体から第１軸または第２軸に沿って延出するものであってもよい。これにより第１構造体の設計自由度が向上する。また上記力覚センサにおいて、第１梁部は、第２構造体から第１軸または第２軸に沿って延出するものであってもよい。これにより第２構造体の設計自由度が向上する。

本発明により、煩雑な演算が不要な力覚センサを提供することができる。

実施の形態にかかる力覚センサの斜視図である。 力覚センサの構造体と起歪部を示した正面図である。 力覚センサにおける歪センサの配置を示した正面図である。 第１センサグループが有するブリッジ回路の回路図である。 第２センサグループが有するブリッジ回路の回路図である。 第３センサグループが有するブリッジ回路の回路図である。 第４センサグループが有するブリッジ回路の回路図である。 第５センサグループが有するブリッジ回路の回路図である。 第６センサグループが有するブリッジ回路の回路図である。 起歪部のバリエーションの例を示した正面図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲にかかる発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。説明の明確化のため、以下の記載および図面は、適宜、省略、および簡略化がなされている。なお、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

＜実施の形態＞
実施の形態にかかる力覚センサは、２つの構造体の間に介在することにより、これら２つの構造体の間に伝達される力ないしモーメントを検出する。力覚センサは、例えばロボットの手首や足首などの関節、自動車のパワーステアリング、移動装置の駆動モータから移動面に設置する車輪までの動力伝達部または所定のコントローラのジョイスティック部分などに利用可能である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態にかかる力覚センサ１０の斜視図である。なお、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものとして、図１は、右手系の直交座標系が付されている。また、図２以降において、直交座標系が付されている場合、図１のＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸方向と、これらの直交座標系のＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸方向はそれぞれ一致している。本実施の形態において、Ｘ軸を第１軸、Ｙ軸を第２軸およびＺ軸を第３軸と称してもよい。

力覚センサ１０は、互いに直交するＸ軸（第１軸）、Ｙ軸（第２軸）およびＺ軸（第３軸）により設定される直交座標系の各軸方向の力および各軸周りのモーメントを検出する。力覚センサ１０は、全体の外径は略直方体である。略直方体の力覚センサ１０において、ＸＹ平面に平行、且つ、Ｚ軸プラス側の面は、平滑に加工された基準平面Ｆ１０である。図１は、基準平面Ｆ１０側から観察した力覚センサ１０の斜視図を示している。図に示すように、基準平面Ｆ１０は直交座標系のＸＹ平面と一致している。また、直交座標系の原点は、基準平面Ｆ１０の中心と一致している。

力覚センサ１０は、主な構成として、第１構造体１１、第２構造体１２および起歪部１３を有している。第１構造体１１、第２構造体１２および起歪部１３は、１個の金属部材（例えばステンレスやアルミニウム合金）を切削加工することにより形成される。

第１構造体１１は、Ｚ軸周りに形成された中空円筒状の構造体である。第１構造体１１は、Ｚ軸に平行に開けられた、基準孔１１０、第１位置決め孔１１１および第１ネジ孔１１２を有している。基準孔１１０は、第１構造体１１の中心部に設けられた丸孔であって、基準孔１１０の中心軸は、Ｚ軸と一致している。第１位置決め孔１１１は、Ｚ軸を中心軸とした径方向において等距離、且つ、Ｚ軸を中心軸とした円周方向において等間隔の位置に、４か所設けられている。第１ネジ孔１１２は、第１位置決め孔１１１の外周側（Ｚ軸から離れる側）において、４か所の第１位置決め孔１１１にそれぞれ対応して設けられている。第１構造体１１は、Ｘ軸プラス側、Ｘ軸マイナス側、Ｙ軸プラス側およびＹ軸マイナス側で、Ｚ軸を中心として基準平面Ｆ１０に沿ってそれぞれ放射状に延びる起歪部１３に接続している。

第２構造体１２は、起歪部１３を介して第１構造体１１に接続する。第２構造体１２は、Ｚ軸を中心として、第１構造体１１を囲むように形成されている。第２構造体１２は、第２位置決め孔１２０および第２ネジ孔１２１を有している。第２位置決め孔１２０は、Ｚ軸を中心軸とした径方向において等距離、且つ、Ｚ軸を中心軸とした円周方向において等間隔の位置であって、矩形の外形における四隅近傍それぞれに設けられている。第２ネジ孔１２１は、第２位置決め孔１２０の外周側において、４か所の第２位置決め孔１２０にそれぞれ対応して設けられている。第２構造体１２は、Ｘ軸上およびＹ軸上において、それぞれ第１構造体１１から延びている４つの起歪部１３に接続している。

起歪部１３は、基準平面Ｆ１０においてＸ軸およびＹ軸に沿って第１構造体１１から放射状にそれぞれ延出する梁状の部分である。力覚センサ１０は、起歪部１３を４つ有している。力覚センサ１０が４個有する起歪部１３は、Ｘ軸プラス側、Ｘ軸マイナス側、Ｙ軸プラス側およびＹ軸マイナス側で第１構造体１１と第２構造体１２とをそれぞれ接続する。

力覚センサ１０は、基準平面Ｆ１０上において、歪センサ１４、配線部１５および電極１６をさらに有している。歪センサ１４は、起歪部１３における基準平面Ｆ１０上に複数配置されている。歪センサ１４は、電圧が印加されると所定の抵抗値を示すとともに、歪を検出した場合には抵抗値が変化するように設定される。例えば歪センサ１４は、伸ばされることにより抵抗値が増加し、縮められることにより抵抗値が低下するように構成される。

歪センサ１４は、それぞれが生成する電気信号が配線部１５を介して電極１６に伝送されるように構成されている。配線部１５は、歪センサ１４が生成する信号が電極１６に伝送されるように歪センサ１４と電極１６とを接続している。電極１６は、電気信号の送受信を行うためのインタフェースであって、配線部１５を介して歪センサ１４に接続し、歪センサ１４が生成した信号を外部へ供給する。

上述の歪センサ１４、配線部１５および電極１６は、例えば以下のような工程により基準平面Ｆ１０上に設けることができる。まず、第１構造体１１、第２構造体１２および起歪部１３を構成するステンレスの基材に対して絶縁膜をスパッタリングにより形成する。絶縁膜は例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）である。次に、形成した絶縁膜上に、歪センサ１４、配線部１５および電極１６の導電部として、例えば窒化クロム（Ｃｒ－Ｎ）をスパッタリングにより成膜する。続いて、配線部１５および電極１６に相当する部分に対して金（Ａｕ）をスパッタリングにより成膜する。さらに、保護膜として二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）を歪センサ１４および配線部１５に相当する部分に成膜する。このような方法により歪センサ１４、配線部１５および電極１６を製造することにより、力覚センサ１０は、省スペースで所望の構成を実現できる。なお、上述の製法は、既に当業者に知られたものであり、ここではマスキングプロセス等の詳細な説明を省略している。

歪センサ１４、配線部１５および電極１６は、上述の工程に限らず、他の方法によっても構成可能である。例えば、配線部１５や電極１６は、ワイヤボンディングや半田付け等を利用して、導通する部材を接続することができる。また、歪センサ１４は、半導体歪みゲージやその他の一般的な歪みゲージを接続することによって実現してもよい。また、絶縁膜や保護膜は、上述のスパッタリング工程に代えて、塗装やディップなどにより形成されてもよい。

なお、以降の説明において、力覚センサ１０に外力が加わる場合には、第１構造体１１が受力部であり、第１構造体１１が受けた外力は起歪部１３を介して第２構造体１２に伝達されるものとする。第１構造体１１を１次側あるいは入力側の構造体と称し、第２構造体１２を２次側あるいは出力側の構造体と称してもよい。

次に、図２を参照して起歪部１３の形状について説明する。図２は、力覚センサの構造体と起歪部を示した正面図である。図２に示す力覚センサ１０は、起歪部１３の形状を説明するために、適宜構成を省略して模式的に示したものである。

第１構造体１１と第２構造体１２とは、４つの起歪部１３により接続されている。起歪部１３は第１構造体１１のＸ軸プラス側、Ｘ軸マイナス側、Ｙ軸プラス側およびＹ軸マイナス側の４か所から各軸に沿って第２構造体１２に向かって（放射状に）延出し、Ｚ軸周りの円周方向に沿って二股に分岐した後に、分岐した部分がそれぞれ第２構造体１２に接続している。

以降の説明において、４つの起歪部１３の内、Ｘ軸プラス側に位置するものを起歪部１３Ａ、Ｙ軸マイナス側に位置するものを起歪部１３Ｂ、Ｘ軸マイナス側に位置するものを起歪部１３ＣそしてＹ軸プラス側に位置するものを起歪部１３Ｄと称する。また以降の説明において起歪部１３Ａ～１３Ｄを総称して起歪部１３と表現する場合がある。

起歪部１３は、接続部１３５、第１梁部１３６、第２梁部１３７を有している。接続部１３５は、第１構造体１１と接続する部分である。接続部１３５は、Ｘ軸上またはＹ軸上に位置している。第１梁部１３６は、接続部１３５から第２構造体１２に向かって延伸する梁状部分である。第２梁部１３７は、第１梁部１３６と直交する方向に延伸するとともに中間部で第１梁部１３６と接続する梁状部分である。第１梁部１３６の一端側が第２梁部１３７の中間部で第２梁部と接続することにより、起歪部１３は、Ｔ字状に形成されている。

力覚センサ１０は、基準平面Ｆ１０（ＸＹ平面）に対して垂直な方向すなわちＺ軸方向に投影した場合に、起歪部１３がＸ軸およびＹ軸のいずれに対しても線対称となるように形成されている。例えば、起歪部１３Ａと起歪部１３ＣとはＹ軸に対して線対称であると同時に、起歪部１３Ａおよび起歪部１３Ｃは、いずれもＸ軸に対して線対称である。

また、本実施の形態における起歪部１３は、Ｚ軸に対して４回対称に形成されている。つまり、起歪部１３は、力覚センサ１０をＺ軸周りに９０度回転させる前と９０度回転させた後とが同じ形状になるように形成されている。例えば、起歪部１３ＡをＸＹ面に投影した形状は、Ｚ軸を中心として時計回りに９０度回転した場合に、起歪部１３Ｂの形状と一致する。

力覚センサ１０は、上述の形状を有していることにより、外力である各軸方向の力および各軸周りのモーメントが印加された場合に、次に示すような面内歪および面外歪を生じる。

面内歪とは、力覚センサ１０に外力が印加された場合に、起歪部の歪が基準平面Ｆ１０内で生じる歪である。面内歪は、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力ＦｙおよびＺ軸周りのモーメントＭｚにより生じる。力覚センサ１０にＦｘが印加された場合には、起歪部１３Ａ～起歪部１３Ｄに好適に歪が生じ、第１構造体１１はＸ軸に平行に変位する。力覚センサ１０に力Ｆｙが印加された場合には、起歪部１３Ａ～起歪部１３Ｄに好適に歪が生じ、第１構造体１１はＹ軸に平行に変位する。力覚センサ１０にモーメントＭｚが印加された場合には、起歪部１３Ａ～１３Ｄのそれぞれに均等に歪が生じ、第１構造体１１がＺ軸周りに回転する。

面外歪とは、力覚センサ１０に外力が印加された場合に、起歪部の歪が基準平面Ｆ１０外に生じる歪である。面外歪は、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸周りのモーメントＭｘおよびＹ軸周りのモーメントＭｙにより生じる。力覚センサ１０にＦｚが印加された場合には、起歪部１３Ａ～１３Ｄのそれぞれに均等に歪が生じ、第１構造体１１は、Ｚ軸に平行に変位する。力覚センサ１０にＭｘが印加された場合には、起歪部１３Ａ～起歪部１３Ｄに好適に歪が生じ、第１構造体１１は、Ｘ軸周りに回転する。力覚センサ１０にモーメントＭｙが印加された場合には、起歪部１３Ａ～起歪部１３Ｄに好適に歪が生じ、第１構造体１１は、Ｙ軸周りに回転する。

上述のように、起歪部１３の形状が対称性を有することにより、起歪部１３の歪量は、外力が印加された場合に対称性を有する。これにより、力覚センサ１０は、煩雑な非干渉化演算を行うことなく外力を検出するように歪センサを配置することが可能となる。

なお、第２梁部１３７は、Ｚ軸周りの周方向に沿って延伸している必要はなく、直線上に延伸してもよいし、湾曲していてもよいし、幅や厚さが変化していてもよい。また、接続部１３５と第１梁部１３６とは緩やかに変化しており、明確に画定されるものではなく、その境界部分は接続部１３５および第１梁部１３６のどちらに属するものであってもよい。第1梁部１３６と第２梁部１３７との境界も同様である。また第１構造体１１と起歪部１３との境界および起歪部１３と第２構造体との境界も同様に緩やかに変化しており明確に確定されるものではない。

次に、図３を参照して歪センサ１４の配置について説明する。図３は、力覚センサ１０における歪センサの配置を示した正面図である。

起歪部１３Ａ～１３Ｄはそれぞれ１０個ずつの歪センサ１４を有している。また起歪部１３Ａ～１３Ｄがそれぞれ有する１０個の歪センサ１４は、それぞれの起歪部１３Ａ～１３Ｄにおいて、Ｚ軸に対して相対的に４回対称となる位置に配置されている。以下に、代表例として、起歪部１３Ａが有する歪センサ１４の配置について説明する。

起歪部１３Ａは、１０個の歪センサ１４として、センサＡ０１～Ａ１０を有している。センサＡ０１は、接続部１３５においてＸ軸上に設けられている。センサＡ０２は、第１梁部１３６と第２梁部１３７とが接続する部分においてＸ軸上に設けられている。センサＡ０３は、接続部１３５においてＸ軸上のセンサＡ０１と重ならない位置に設けられている。センサＡ０４は、第１梁部１３６と第２梁部１３７とが接続する部分においてＸ軸上のセンサＡ０２と重ならない位置に設けられている。センサＡ０５およびセンサＡ０６は、接続部１３５において、Ｘ軸を跨いでＸ軸に対して対称となる位置にそれぞれ設けられている。センサＡ０７およびセンサＡ０８は、第２梁部１３７の第１梁部１３６に近い側において、Ｘ軸を跨いでＸ軸に対して対称となる位置にそれぞれ設けられている。センサＡ０９およびセンサＡ１０は、第２梁部１３７の第２構造体１２との接続部に近い側において、Ｘ軸を跨いでＸ軸に対して対称となる位置にそれぞれ設けられている。

なお、一般的に、外力により片持ち梁が曲げられる場合の歪の量は、中立面から遠い位置ほど大きくなる。したがって、センサＡ０７～Ａ１０は、起歪部１３が面内歪を生じた場合の中立面から遠い位置に配置されることが好ましい。これにより力覚センサ１０は面内歪を感度よく検出できる。

起歪部１３Ｂ、１３Ｃおよび１３Ｄは、上述の起歪部１３Ａと同様に歪センサ１４を１０個ずつ有している。図３に示すように、それぞれの起歪部が有するセンサには、アルファベットと数字を組み合わせた符号が付されており、アルファベットＡ～Ｄは、起歪部１３Ａ～１３Ｄに対応し、数字０１～１０は、センサの配置に対応している。

以上、実施の形態にかかる力覚センサ１０は、このような構成により、第１構造体側の構成をシンプルにすることができる。よって、実施の形態にかかる力覚センサ１０は、第１構造体の設計自由度を向上させることができる。

続いて図４～図９を参照して歪センサ対およびセンサグループについて説明する。力覚センサ１０が有する歪センサ１４は、それぞれが歪センサ対を構成している。歪センサ対は、それぞれが１組のブリッジ回路を構成するための要素である。センサグループは、複数の歪センサ対を有し、１つのセンサグループは、対応する軸方向の力または対応する軸周りのモーメントを検出するためのブリッジ回路を有している。力覚センサ１０は、第１センサグループＳＧ１～第６センサグループＳＧ６を有している。

本実施の形態にかかるブリッジ回路は、２つの歪センサが並列接続された並列回路の一端に入力電圧Ｖｉが印加され、他端が接地され、並列回路の中間部の出力電圧Ｖｏが出力される。起歪部１３が歪むことにより、ブリッジ回路を構成する歪センサが伸縮すると、伸縮した歪センサ１４の抵抗値は変化する。そのため、歪センサ１４が歪を検出すると出力電圧Ｖｏの値がそれに応じて変化する。

図４は、第１センサグループＳＧ１の回路図である。力覚センサ１０は、力Ｆｘを検出する第１センサグループＳＧ１を有している。図に示した回路図において、それぞれの抵抗は、歪センサ１４を示している。第１センサグループＳＧ１は、ブリッジ回路ＢＦｘ１およびブリッジ回路ＢＦｘ２を有している。

ブリッジ回路ＢＦｘ１は、４つの歪センサ１４として、センサＡ０７、Ａ０８、Ｃ０７およびＣ０８を有している。センサＡ０７とＡ０８とはＸ軸に対して対称となる位置に配置されており、１組の歪センサ対を構成する。同様に、センサＣ０７とＣ０８とはＸ軸に対して対称となる位置に配置されており、１組の歪センサ対を構成する。

ブリッジ回路ＢＦｘ２は、センサＡ０９、Ａ１０、Ｃ０９およびＣ１０を有している。センサＡ０９とＡ１０とはＸ軸に対して対称となる位置に配置されており、１組の歪センサ対を構成する。同様に、センサＣ０９とＣ１０とはＸ軸に対して対称となる位置に配置されており、１組の歪センサ対を構成する。

第１センサグループＳＧ１は、以下に示す式（１）により力Ｆｘを検出する。

ここで、式（１）の右辺における各項は、それぞれが示すセンサの抵抗値の変化を示すものである。例えば、起歪部１３が歪むことにより、センサＡ０７の抵抗値が上がった場合には、ＲＡ０７には「（＋）」が当てはめられる。あるいは、センサＡ０７の抵抗値が下がった場合には、ＲＡ０７には「（－）」が当てはめられる。また、センサＡ０７の抵抗値に変化がなかった場合には、「（０）」が当てはめられる。なお、以降に示す力またはモーメントの式についても同様である。

次に、力覚センサ１０に対して所定の外力を印加した場合における第１センサグループＳＧ１の出力について説明する。第１センサグループＳＧ１は、各軸方向の力および各軸周りのモーメントが印加された場合に、以下のように表される。

ここで、Ｆｘ＋はＸ軸プラス方向の力、Ｆｙ＋はＹ軸プラス方向の力、Ｆｚ＋はＺ軸プラス方向の力、Ｍｘ＋はＸ軸周りのプラス方向のモーメント、Ｍｙ＋はＹ軸周りのプラス方向のモーメントそしてＭｚ＋はＺ軸周りのプラス方向のモーメントである。なお本実施の形態において、モーメントのプラス方向は、対応する軸のマイナス側からプラス側を見た時に時計回りに回転する方向である。

このように、第１センサグループＳＧ１は、Ｘ軸プラス方向の力Ｆｘ＋が印加された場合に、８（＋）となる。したがって、Ｆｘ検出回路は、高い感度によりＦｘを検出する。一方、第１センサグループＳＧ１は、例えばＹ軸方向の力Ｆｙ＋が印加された場合には、センサグループの歪センサ１４の抵抗値の変化はそれぞれが伸縮することにより（＋）や（－）にはなるものの、それぞれのセンサの伸縮が対称性を有しているため、結果的にゼロになる。またＺ軸方向の力Ｆｚ＋が印加された場合には、ひずみを生じない（不感である）ため全ての項が（０）になる。このように、その他の方向の外力が印加された場合には、センサグループの歪センサ１４の抵抗値の変化は、結果的にゼロになる。換言すると、第１センサグループＳＧ１の出力は、力Ｆｘではない外力に対しては、平衡状態となっている。

図５は、第２センサグループＳＧ２の回路図である。力覚センサ１０は、力Ｆｙを検出する第２センサグループＳＧ２を有している。第２センサグループＳＧ２は、ブリッジ回路ＢＦｙ１およびブリッジ回路ＢＦｙ２を有している。

ブリッジ回路ＢＦｙ１は、センサＤ０７、Ｄ０８、Ｂ０７およびＢ０８を有している。センサＤ０７とＤ０８とはＹ軸に対して対称となる位置に配置されており、１組の歪センサ対を構成する。同様に、センサＢ０７とＢ０８とはＹ軸に対して対称となる位置に配置されており、１組の歪センサ対を構成する。

センサＤ０９とＤ１０とはＹ軸に対して対称となる位置に配置されており、１組の歪センサ対を構成する。同様に、センサＢ０９とＢ１０とはＹ軸に対して対称となる位置に配置されており、１組の歪センサ対を構成する。

第２センサグループＳＧ２は、以下に示す式（２）により力Ｆｙを検出する。

次に、力覚センサ１０に対して所定の外力を印加した場合における第２センサグループＳＧ２の出力について説明する。第２センサグループＳＧ２は、各軸方向の力および各軸周りのモーメントが印加された場合に、以下のように表される。

このように、第２センサグループＳＧ２は、Ｙ軸プラス方向の力Ｆｙ＋が印加された場合に、８（＋）となる。したがって、Ｆｙ検出回路は、高い感度によりＦｙを検出する。一方、第２センサグループＳＧ２は、その他の方向の外力が印加された場合には、センサグループの歪センサ１４の抵抗値の変化はそれぞれが伸縮するものの対称性を有しているため結果的にゼロになるか、あるいは不感であるためにゼロになる。

図６は、第３センサグループＳＧ３の回路図である。力覚センサ１０は、力Ｆｚを検出する第３センサグループＳＧ３を有している。第３センサグループＳＧ３は、ブリッジ回路ＢＦｚ１およびブリッジ回路ＢＦｚ２を有している。

ブリッジ回路ＢＦｚ１は、センサＡ０１、Ｃ０１、Ａ０２およびＣ０２を有している。センサＡ０１とセンサＣ０１とはＹ軸に対して対称となる位置に配置されており、１組の歪センサ対を構成する。同様に、センサＡ０２とセンサＣ０２とはＹ軸に対して対称となる位置に配置されており、１組の歪センサ対を構成する。

ブリッジ回路ＢＦｚ２は、センサＢ０１、Ｄ０１、Ｂ０２およびＤ０２を有している。センサＢ０１とセンサＤ０１とはＸ軸に対して対称となる位置に配置されており、１組の歪センサ対を構成する。同様に、センサＢ０２とセンサＤ０２とはＸ軸に対して対称となる位置に配置されており、１組の歪センサ対を構成する。

第３センサグループＳＧ３は、以下に示す式（３）により力Ｆｚを検出する。

次に、力覚センサ１０に対して所定の外力を印加した場合における第３センサグループＳＧ３の出力について説明する。第３センサグループＳＧ３は、各軸方向の力および各軸周りのモーメントが印加された場合に、以下のように表される。

このように、第３センサグループＳＧ３は、Ｚ軸プラス方向の力Ｆｚ＋が印加された場合に、８（＋）となる。したがって、Ｆｚ検出回路は、高い感度によりＦｚを検出する。一方、第３センサグループＳＧ３は、その他の方向の外力が印加された場合には、センサグループの歪センサ１４の抵抗値は殆どの場合に変化せず（０）である。Ｍｘ＋およびＭｙ＋が印加された場合に、一部の歪センサ１４がそれぞれが伸縮することにより（＋）や（－）にはなるものの、それぞれのセンサの伸縮が対称性を有しているため、結果的に第３センサグループＳＧ３の出力はゼロになる。

図７は、第４センサグループＳＧ４の回路図である。力覚センサ１０は、モーメントＭｘを検出する第４センサグループＳＧ４を有している。第４センサグループＳＧ４は、ブリッジ回路ＢＭｘ１を有している。

ブリッジ回路ＢＭｘ１は、センサＢ０３、Ｄ０３、Ｂ０４およびＤ０４を有している。センサＢ０３とセンサＤ０３とはＸ軸に対して対称となる位置に配置されており、１組の歪センサ対を構成する。センサＢ０４センサＤ０４とはＸ軸に対して対称となる位置に配置されており、１組の歪センサ対を構成する。

第４センサグループＳＧ４は、以下に示す式（４）によりモーメントＭｘを検出する。

次に、力覚センサ１０に対して所定の外力を印加した場合における第４センサグループＳＧ４の出力について説明する。第４センサグループＳＧ４は、各軸方向の力および各軸周りのモーメントが印加された場合に、以下のように表される。

このように、第４センサグループＳＧ４は、Ｘ軸周りのプラス方向のモーメントＭｘ＋が印加された場合に、４（＋）となる。したがって、Ｍｘ検出回路は、高い感度によりＭｘを検出する。一方、第４センサグループＳＧ４は、その他の方向の外力が印加された場合には、センサグループの歪センサ１４の抵抗値は殆どの場合に変化せず（０）である。Ｆｚ＋が印加された場合に、一部の歪センサ１４がそれぞれが伸縮することにより（＋）や（－）にはなるものの、それぞれのセンサの伸縮が対称性を有しているため、結果的に第４センサグループＳＧ４の出力はゼロになる。

図８は、第５センサグループＳＧ５の回路図である。力覚センサ１０は、モーメントＭｙを検出する第５センサグループＳＧ５を有している。第５センサグループＳＧ５は、ブリッジ回路ＢＭｙ１を有している。

ブリッジ回路ＢＭｙ１は、センサＡ０３、Ｃ０３、Ａ０４およびＣ０４を有している。センサＡ０３とセンサＣ０３とはＹ軸に対して対称となる位置に配置されており、１組の歪センサ対を構成する。センサＡ０４センサＣ０４とはＹ軸に対して対称となる位置に配置されており、１組の歪センサ対を構成する。

第５センサグループＳＧ５は、以下に示す式（５）によりモーメントＭｙを検出する。

次に、力覚センサ１０に対して所定の外力を印加した場合における第５センサグループＳＧ５の出力について説明する。第５センサグループＳＧ５は、各軸方向の力および各軸周りのモーメントが印加された場合に、以下のように表される。

このように、第５センサグループＳＧ５は、Ｙ軸周りのプラス方向のモーメントＭｙ＋が印加された場合に、４（＋）となる。したがって、Ｍｙ検出回路は、高い感度によりＭｙを検出する。一方、第５センサグループＳＧ５は、その他の方向の外力が印加された場合には、センサグループの歪センサ１４の抵抗値は殆どの場合に変化せず（０）である。Ｆｚ＋が印加された場合に、一部の歪センサ１４がそれぞれが伸縮することにより（＋）や（－）にはなるものの、それぞれのセンサの伸縮が対称性を有しているため、結果的に第５センサグループＳＧ５の出力はゼロになる。

図９は、第６センサグループＳＧ６の回路図である。力覚センサ１０は、モーメントＭｚを検出する第６センサグループＳＧ６を有している。第６センサグループＳＧ６は、ブリッジ回路ＢＭｚ１およびブリッジ回路ＢＭｚ２を有している。

ブリッジ回路ＢＭｚ１は、センサＡ０５、Ｃ０６、Ｃ０５およびＡ０６を有している。センサＡ０５とＣ０６とはＹ軸に対して対称となる位置に配置されており、１組の歪センサ対を構成する。同様に、センサＣ０５とＡ０６とはＹ軸に対して対称となる位置に配置されており、１組の歪センサ対を構成する。

ブリッジ回路ＢＭｚ２は、センサＢ０５、Ｄ０６、Ｄ０５およびＢ０６を有している。センサＢ０５とＤ０６とはＸ軸に対して対称となる位置に配置されており、１組の歪センサ対を構成する。同様に、センサＤ０５とＢ０６とはＸ軸に対して対称となる位置に配置されており、１組の歪センサ対を構成する。

第６センサグループＳＧ６は、以下に示す式（６）によりモーメントＭｚを検出する。

次に、力覚センサ１０に対して所定の外力を印加した場合における第６センサグループＳＧ６の出力について説明する。第６センサグループＳＧ６は、各軸方向の力および各軸周りのモーメントが印加された場合に、以下のように表される。

このように、第６センサグループＳＧ６は、Ｚ軸周りのプラス方向のモーメントＭｚ＋が印加された場合に、８（＋）となる。したがって、Ｍｚ検出回路は、高い感度によりＭｚを検出する。一方、第６センサグループＳＧ６は、その他の方向の外力が印加された場合には、歪センサ１４がそれぞれが伸縮することにより（＋）や（－）にはなるものの、それぞれのセンサの伸縮が対称性を有しているため、結果的に第６センサグループＳＧ６の出力はゼロになる。

上述の通り、力覚センサ１０は、起歪部１３の形状がＸ軸およびＹ軸に対して対称であり、且つ、Ｚ軸に対して４回対称となっており、歪センサがＸ軸およびＹ軸に対して対称であり、且つ、Ｚ軸に対して４回対称となる位置に配置されている。そのため、力覚センサ１０は、各軸方向の力および各軸周りのモーメントを検出する場合に、煩雑な非干渉化演算を行うことなく、それぞれの方向の外力を分離して検出できる。

次に、実施の形態にかかる力覚センサ１０が採用している多重化構成について説明する。種々のアクチュエータに搭載される力覚センサは、高い信頼性が期待される場合がある。そこで、実施の形態にかかる力覚センサ１０は、所定の方向の外力を検出する場合に、複数の歪センサを利用している。

より具体的には、図４に示すように、力覚センサ１０は、Ｆｘを検出する際にブリッジ回路ＢＦｘ１およびブリッジ回路ＢＦｘ２を利用している。このように、力覚センサ１０は、１方向の外力を検出する場合に、２つのブリッジ回路からの出力を検出している。このような構成により、力覚センサ１０は、信頼性の低下を抑制している。

図５に示すＦｙ検出回路、図６に示すＦｚ検出回路および図９に示すＭｚ検出回路についても、同様に、２つのブリッジ回路からの信号を検出することにより、実施の形態にかかる力覚センサ１０は、検出回路の多重化を実現している。

なお、図７に示すモーメントＭｘおよび図８に示すモーメントＭｙは、多重化されていない例を示しているが、これらを多重化することは可能である。具体的には、例えばＭｘ検出回路を多重化する場合、起歪部１３ＢのＹ軸上に、１組の歪センサ対を配置するとともに、起歪部１３ＤのＹ軸上に、もう１組の歪センサ対を、Ｘ軸に対して対称な位置に配置すればよい。

実施の形態にかかる力覚センサ１０は、複数のブリッジ回路を利用した多重化を採用した例を示したが、実施の形態にかかる力覚センサ１０は、これに限られず、多重化を採用しない構成としてもよい。その場合、力覚センサ１０は、例えば、第１センサグループＳＧ１において、ブリッジ回路ＢＦｘ１を有し、ブリッジ回路ＢＦｘ２を有さない構成であってもよい。このように、多重化を行う場合であっても多重化を行わない場合であっても、力覚センサ１０は、Ｘ軸およびＹ軸に対して対称形状となるように歪センサ対を配置することにより、非干渉化演算を行うことなく、外力を検出できる。

また、力覚センサ１０は、６軸力覚センサの例を示したが、力覚センサ１０は、６軸のうち、１以上の外力を検出するものであってもよい。例えば、力覚センサ１０は、第１センサグループＳＧ１のみを有している場合、Ｆｘのみを検出することができる。

また、上述の力覚センサ１０において、起歪部１３の形状は、４回対称の例を示したが、力覚センサ１０は、Ｘ軸およびＹ軸に対して対称形状であって、４回対称ではない形状であってもよい。同様に、歪センサ１４の配置は、Ｘ軸およびＹ軸に対して対称であって、４回対称ではないものであってもよい。すなわち、例えば、力覚センサは楕円形であって、同じ軸上に延出する起歪部は、対称形状であり、４回対称でないものであってもよい。

＜実施の形態の変形例＞
次に、図１０を参照して実施の形態の変形例についてさらに説明する。図１０は、起歪部のバリエーションの例を示した正面図である。図１０に示す力覚センサ１０は、起歪部１３に代えて起歪部２３を有している点において、上述の力覚センサと異なる。

以降の説明において、４つの起歪部２３の内、Ｘ軸プラス側に位置するものを起歪部２３Ａ、Ｙ軸マイナス側に位置するものを起歪部２３Ｂ、Ｘ軸マイナス側に位置するものを起歪部２３ＣそしてＹ軸プラス側に位置するものを起歪部２３Ｄと称する。また以降の説明において起歪部２３Ａ～２３Ｄを総称して起歪部１３と表現する場合がある。

第１構造体１１と第２構造体１２とは、４つの起歪部２３により接続されている。起歪部２３は第２構造体１２のＸ軸プラス側、Ｘ軸マイナス側、Ｙ軸プラス側およびＹ軸マイナス側の４か所から各軸に沿って第１構造体に向かって延伸し、Ｚ軸周りの円周方向に沿って二股に分岐した後に、分岐した部分がそれぞれ第１構造体１１に接続している。

起歪部２３は、接続部２３５、第１梁部２３６、第２梁部２３７を有している。接続部２３５は、第２構造体１２と接続する部分である。接続部２３５は、Ｘ軸上またはＹ軸上に位置している。第１梁部２３６は、接続部２３５から第１構造体１１に向かって延伸する梁状部分である。第２梁部２３７は、第１梁部２３６と直交する方向に延伸するとともに中間部で第１梁部２３６と接続する梁状部分である。第１梁部２３６の一端側が第２梁部２３７の中間部で第２梁部と接続することにより、起歪部１３は、Ｔ字状またはＹ字状に形成されている。

次に、歪センサ１４の配置について説明する。以下に、代表例として、起歪部２３Ａが有する１０個の歪センサ１４の配置について説明する。

起歪部２３Ａは、１０個の歪センサ１４として、センサＡ０１～Ａ１０を有している。センサＡ０１は、接続部２３５においてＸ軸上に設けられている。センサＡ０２は、第１梁部２３６と第２梁部２３７とが接続する部分においてＸ軸上に設けられている。センサＡ０３は、接続部２３５においてＸ軸上のセンサＡ０１と重ならない位置に設けられている。センサＡ０４は、第１梁部２３６と第２梁部２３７とが接続する部分においてＸ軸上のセンサＡ０２と重ならない位置に設けられている。センサＡ０５およびセンサＡ０６は、接続部２３５において、Ｘ軸を跨いでＸ軸に対して対称となる位置にそれぞれ設けられている。センサＡ０７およびセンサＡ０８は、第２梁部２３７の第１梁部２３６に近い側において、Ｘ軸を跨いでＸ軸に対して対称となる位置にそれぞれ設けられている。センサＡ０９およびセンサＡ１０は、第２梁部２３７の第１構造体１１との接続部に近い側において、Ｘ軸を跨いでＸ軸に対して対称となる位置にそれぞれ設けられている。

なお、一般的に、外力により片持ち梁が曲げられる場合の歪の量は、中立面から遠い位置ほど大きくなる。したがって、センサＡ０７～Ａ１０は、起歪部１３が面内歪を生じた場合の中立面から遠い位置に配置されることが好ましい。これにより力覚センサ１０は面内歪を感度よく検出できる。

以上、実施の形態の変形例にかかる力覚センサ１０は、このような構成により、第２構造体側の構成をシンプルにすることができる。よって、実施の形態の変形例にかかる力覚センサ１０は、第２構造体の設計自由度を向上させることができる。

以上、実施の形態について説明した。実施の形態によれば、煩雑な演算が不要な力覚センサを提供することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１０ 力覚センサ
１１ 第１構造体
１２ 第２構造体
１３ 起歪部
１４ 歪センサ
１５ 配線部
１６ 電極
１１０ 基準孔
１３５、２３５ 接続部
１３６、２３６ 第１梁部
１３７、２３７ 第２梁部
Ａ０１～Ａ１０ センサ
Ｂ０１～Ｂ１０ センサ
Ｃ０１～Ｃ１０ センサ
Ｄ０１～Ｄ１０ センサ
ＢＦｘ１、ＢＦｘ２、 ブリッジ回路
ＢＦｙ１、ＢＦｙ２ ブリッジ回路
ＢＦｚ１、ＢＦｚ２ ブリッジ回路
ＢＭｘ１ ブリッジ回路
ＢＭｙ１ ブリッジ回路
ＢＭｚ１、ＢＭｚ２ ブリッジ回路
Ｆ１０ 基準平面
Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ 力
Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ モーメント
Ｖｉ 入力電圧
Ｖｏ 出力電圧

Claims (11)

1. 互いに直交する第１軸、第２軸および第３軸により設定される直交座標系の各軸方向の力および各軸周りのモーメントの内少なくとも１つを検出する力覚センサであって、
   第３軸が貫通するように形成される第１構造体と、
   前記第１軸および前記第２軸により形成される基準平面において前記第１軸および前記第２軸に沿って設けられる４つの起歪部と、
   前記起歪部を介して前記第１構造体に接続する第２構造体と、を有し、
   前記起歪部は、前記第１軸または前記第２軸に沿って延伸する第１梁部と、前記第１梁部と直交する方向に延伸するとともに中間部で前記第１梁部と接続する第２梁部と、を有し
   前記起歪部を前記第３軸の方向に投影した場合に、前記第１軸および前記第２軸のいずれに対しても線対称となるように形成されている
   力覚センサ。
2. 前記起歪部の前記基準平面上に複数の歪センサ対をさらに備え、
   前記複数の歪センサ対は、前記第３軸の方向に投影した場合に、前記第１軸および前記第２軸のいずれに対しても線対称となるように配置されている
   請求項１に記載の力覚センサ。
3. 前記第１軸に沿って延出する前記起歪部の前記第２梁部に配置されている前記複数の歪センサ対を有する第１センサグループと、
   前記第２軸に沿って延出する前記起歪部の前記第２梁部に配置されている前記複数の歪センサ対を有する第２センサグループと、
   前記第１軸上または前記第２軸上の前記第１梁部に配置されている前記複数の歪センサを有する第３センサグループと、
   前記第２軸上の前記第１梁部に配置されている前記複数の歪センサ対を有する第４センサグループと、
   前記第１軸上の前記第１梁部に配置されている前記複数の歪センサ対を有する第５センサグループと、
   前記第１軸上に設けられている前記第１梁部と前記第１構造体または前記第２構造体とが接続する部分において前記第１軸を挟んで配置された前記複数の歪センサ対または、前記第２軸上に設けられている前記第１梁部と前記第１構造体または前記第２構造体とが接続する部分において前記第２軸を挟んで配置された前記複数の歪センサ対の少なくともいずれか一方を有する第６センサグループと、
   の内少なくともいずれか１つを有する
   請求項２に記載の力覚センサ。
4. 前記起歪部は、前記第３軸に対して４回対称に形成され、
   前記複数の歪センサ対は、前記第３軸に対して４回対称に配置されている
   請求項３に記載の力覚センサ。
5. 前記第１センサグループに含まれる前記複数の歪センサ対を含むブリッジ回路を有し、前記第１軸方向の力を検出する第１力検出回路と、
   前記第２センサグループに含まれる前記複数の歪センサ対を含むブリッジ回路を有し、前記第２軸方向の力を検出する第２力検出回路と、
   前記第３センサグループに含まれる前記複数の歪センサ対を含むブリッジ回路を有し、前記第３軸方向の力を検出する第３力検出回路と、
   前記第４センサグループに含まれる前記複数の歪センサ対を含むブリッジ回路を有し、前記第１軸周りのモーメントを検出する第１モーメント検出回路と、
   前記第５センサグループに含まれる前記複数の歪センサ対を含むブリッジ回路を有し、前記第２軸周りのモーメントを検出する第２モーメント検出回路と、
   前記第６センサグループに含まれる前記複数の歪センサ対を含むブリッジ回路を有し、前記第３軸周りのモーメントを検出する第３モーメント検出回路と、の内少なくともいずれか１つをさらに備える
   請求項３または４に記載の力覚センサ。
6. 前記第１センサグループが、前記第２梁部の前記第１梁部に接続する側と前記第１構造体または前記第２構造体に接続する側のいずれにも前記複数の歪センサ対を有していることにより、２つのブリッジ回路を有する
   請求項５に記載の力覚センサ。
7. 前記第２センサグループが、前記第２梁部の前記第１梁部に接続する側と前記第１構造体または前記第２構造体に接続する側のいずれにも前記複数の歪センサ対を有していることにより、２つのブリッジ回路を有する
   請求項５に記載の力覚センサ。
8. 前記第３センサグループが、前記第１軸上および前記第２軸上の前記第１梁部において前記複数の歪センサ対を有していることにより、２つのブリッジ回路を有する
   請求項５に記載の力覚センサ。
9. 前記第６センサグループが、前記第１軸上に設けられている前記第１梁部および前記第２軸上に設けられている前記第１梁部のいずれにも前記複数の歪センサ対を有していることにより、２つのブリッジ回路を有する
   請求項５に記載の力覚センサ。
10. 前記第１梁部は、前記第１構造体から前記第１軸または前記第２軸に沿って延出する
    請求項１～９のいずれか一項に記載の力覚センサ。
11. 前記第１梁部は、前記第２構造体から前記第１軸または前記第２軸に沿って延出する
    請求項１～９のいずれか一項に記載の力覚センサ。

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