6869710 起歪体およびその起歪体を備えた力覚センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6869710

(24)【登録日】2021年4月16日

(45)【発行日】2021年5月12日

(54)【発明の名称】起歪体およびその起歪体を備えた力覚センサ

(51)【国際特許分類】

   G01L 5/16 20200101AFI20210426BHJP

   G01L 1/22 20060101ALI20210426BHJP

   G01L 1/26 20060101ALI20210426BHJP

【ＦＩ】

   G01L5/16

   G01L1/22 F

   G01L1/26 B

【請求項の数】8

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2016-239668(P2016-239668)

(22)【出願日】2016年12月9日

(65)【公開番号】特開2018-96757(P2018-96757A)

(43)【公開日】2018年6月21日

【審査請求日】2019年11月7日

(73)【特許権者】

【識別番号】000105659

【氏名又は名称】日本電産コパル電子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001737

【氏名又は名称】特許業務法人スズエ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 隆史

(72)【発明者】

【氏名】新行内 成晃

(72)【発明者】

【氏名】赤田 豊彦

(72)【発明者】

【氏名】熊 四輩

【審査官】 岡田 卓弥

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００８−５３３４８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２３９６２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１０３７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６４−６９９２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０３４０５３７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第６８８６４１５（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｌ １／００− １／２６

Ｇ０１Ｌ ５／００− ５／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

中央部と、
前記中央部の周囲を囲む外周部と、
前記中央部と前記外周部とを接続する複数の接続部と、
前記接続部の主表面上に設けられる複数の歪センサと、
前記中央部の主表面上に設けられ、前記複数の歪センサと共にブリッジ回路を構成する複数の参照抵抗と、を具備し、
前記中央部は、外部の第１支持部材に接続され、
前記外周部は、外部の第２支持部材に接続され、
前記外周部および前記接続部の弾性は、前記中央部の弾性よりも大きい
起歪体。

【請求項2】

前記中央部の主表面上に設けられ、前記複数の歪センサおよび前記複数の参照抵抗と電気的に接続され、前記ブリッジ回路の検出信号を取り出すための電極と、
前記中央部および前記接続部の主表面上に設けられ、前記複数の歪センサ、前記複数の参照抵抗、および前記電極を電気的に接続する配線と、を更に具備する
請求項１に記載の起歪体。

【請求項3】

前記歪センサは、金属薄膜抵抗体である
請求項２に記載の起歪体。

【請求項4】

前記歪センサは、クロムおよび窒素を含む
請求項３に記載の起歪体。

【請求項5】

前記複数の歪センサ、前記複数の参照抵抗、前記電極、および前記配線のレイアウトは、前記外周部の角部を結んだ対角線において鏡像対称となるように構成される
請求項２乃至４のいずれかに記載の起歪体。

【請求項6】

請求項１に記載の起歪体と、
円筒状の本体と、
前記本体に対して動作可能な円筒状の可動体と、を具備し、
前記起歪体の前記中央部は、支持部材である前記本体または前記可動体の一方に接続され、
前記起歪体の前記外周部は、支持部材である前記本体または前記可動体の他方に接続される
力覚センサ。

【請求項7】

前記可動体の前記本体に対する動作に伴う前記外周部および前記接続部の弾性変形は、前記中央部の弾性変形よりも大きい
請求項６に記載の力覚センサ。

【請求項8】

前記可動体の周囲に等間隔に設けられた少なくとも３つの円形の開口部と、
前記開口部のそれぞれの内部に配置され、前記開口部の直径より小さな第１外径を有する第１側面を備えるストッパと、
前記ストッパを前記本体に固定する固定部材と、を更に具備する
請求項６または７に記載の力覚センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、例えばロボットアームに適用可能な起歪体を備えた６軸力覚センサ等に関する。

【背景技術】

【0002】

例えばロボットアーム等に用いられ、ＸＹＺ方向の外力およびトルクを検出する６軸力覚センサが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

【0003】

このような力覚センサにおいて、可動部としての受力体に加えられた外力は、起歪体に伝達され、起歪体に設けられた歪センサ（歪ゲージ）の変形が電気信号に変換されて検出される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１５−４２９２０９号公報

【特許文献2】特開２０１３−６１３０５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、高感度な歪センサを高密度かつ高精度に起歪体上に設けることは容易ではない。そのため、歪センサと共にブリッジ回路を構成するための参照抵抗を起歪体上に一体的に設けることは困難であった。その結果、歪センサと参照抵抗との間に生じる温度誤差および外部ノイズの影響が増大するため、検出精度が低減する。

【0006】

しかも、検出精度を補うためには、より多数の歪センサを配置する必要があり、起歪体の表面上だけでなく例えば起歪体の側面上に接着剤等を用いて歪センサを貼り付ける必要もあった。

【0007】

そこで、本発明の実施形態では、上記実情を鑑み、歪センサと参照抵抗との間に生じる温度誤差および外部ノイズの影響を低減でき、検出精度を向上できる起歪体およびその起歪体を備えた力覚センサを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

実施形態に係る起歪体は、中央部と、前記中央部の周囲を囲む外周部と、前記中央部と前記外周部とを接続する複数の接続部と、前記接続部の主表面上に設けられる複数の歪センサと、前記中央部の主表面上に設けられ、前記複数の歪センサと共にブリッジ回路を構成する複数の参照抵抗と、を具備し、前記中央部は、外部の第１支持部材に接続され、前記外周部は、外部の第２支持部材に接続され、前記外周部および前記接続部の弾性は、前記中央部の弾性よりも大きい。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】第１実施形態に係る起歪体の全体構成を示す斜視図。

【図2】図１の起歪体の平面構成を示す平面図。

【図3】図１の起歪体の主表面側から見た中央部および接続部を詳細に示す平面図。

【図4】図３の歪センサを含む接続部の断面図。

【図5】第１実施形態に係る起歪体のブリッジ回路を説明するための図表。

【図6】第１実施形態に係る起歪体の製造方法を説明するためのフローチャート。

【図7】第２実施形態に係る起歪体の全体構成を示す平面図。

【図8】第３実施形態に係る起歪体の全体構成を示す斜視図。

【図9】図８の起歪体の平面構造を示す平面図。

【図10】第１実施形態に係る起歪体を備えた力覚センサの外観を示す斜視図。

【図11】図１０の力覚センサを示す分解斜視図。

【図12】力覚センサに実装される状態の起歪体を示す断面図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、実質的に同一の機能及び要素については、同一符号を付し、必要に応じて説明を行う。また、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係や各層の厚みの比率などは現実のものと異なることがある。

【0011】

（第１実施形態）
［構成］
全体構成
図１、図２を用いて第１実施形態に係る起歪体の全体構成について説明する。図１は、第１実施形態に係る起歪体の全体構成を示す斜視図である。図２は、図１の起歪体の平面構成を示す平面図である。

【0012】

図１および図２に示すように、第１実施形態に係る起歪体１６は、中央部１６１、中央部１６１の周囲を囲む外周部１６２、中央部１６１と外周部１６２とを接続する４つの接続部１６３を備える。起歪体１６は、例えばステンレス等の所定の金属等により構成される。

【0013】

中央部１６１は、外周部１６２の角部を結んだ２本の対角線Ｌ１の交点である中心Ｏを含む。また、中央部１６１には、後述するブリッジ回路を構成するための複数の参照抵抗が設けられる。中央部１６１の角部には、外部部材である第１支持部材に固定するための４つのネジ穴１８ａが設けられる。各ネジ穴１８ａは、省スペース化のために、対角線Ｌ１の方向に沿って中心側から外側へ中空部ＯＰ１において突出するように設けられる。

【0014】

外周部１６２の角部には、外部部材である第１支持部材と異なる第２支持部材に固定するための４つのネジ穴１７ａが設けられる。各ネジ穴１７ａは、省スペース化のために、対角線Ｌ１の方向に沿って外側から中心側へ中空部ＯＰ１において突出するように設けられる。

【0015】

接続部１６３は、対角線Ｌ１の方向とは異なる方向に沿って中心Ｏから放射状に４つ設けられている。接続部１６３には、ここでは図示しないが、ＸＹＺ方向の外力およびトルクを検出するための複数の歪センサが設けられる。接続部１６３の幅は、中心Ｏから外側へ離れるに従って小さくなるように構成される。

【0016】

また、Ｚ方向に沿った起歪体１６の高さＨｚは、中央部１６１、外周部１６２、および接続部１６３において共通であるため、実質的に同一である。起歪体１６の高さＨｚは、Ｘ方向またはＹ方向に沿った外周部１６２の幅Ｗ１６２よりも大きくなるように構成される（Ｈｚ＞Ｗ１６２）。

【0017】

さらに、外周部１６２および接続部１６３の弾性は、中央部１６１の弾性よりも大きくなるように構成される。より好ましくは、外周部１６２および接続部１６３は弾性機能を有し、中央部１６１は弾性機能を有さないように構成されることである。ここで、弾性機能とは、入力される外力およびトルクによって積極的に弾性変形が生じる機能をいう。

【0018】

より具体的には、中央部１６１の弾性変形の歪量は、定格荷重時に３×１０^−６以下であることが望ましく、さらに望ましくは１×１０^−６以下であることである。接続部（梁部）１６３の弾性変形は、定格荷重時に材料弾性限界内であって、歪量で２×１０^−５以上であることが望ましく、さらに望ましくは２×１０^−４以上であることである。外周部１６２の弾性変形は、定格荷重時に材料弾性限界内であって、最大撓み部分の撓み量が２０μｍ以上であることが望ましく、さらに望ましくは５０μｍ以上であることである。

【0019】

詳細構成
図３を用いて第１実施形態に係る起歪体１６の詳細な平面構成について説明する。図３は、起歪体１６の歪センサ等が設けられた主表面側から見た中央部１６１および接続部１６３を詳細に示す平面図である。

【0020】

図３に示すように、接続部１６３の主表面上には、１６個の歪センサ（歪ゲージ）Ｓａ１、Ｓｂ１、Ｓａ２、Ｓｂ２、Ｓａ３、Ｓｂ３、Ｓａ４、Ｓｂ４、Ｓａ５、Ｓｂ５、Ｓａ６、Ｓｂ６、Ｓａ７、Ｓｂ７、Ｓａ８、Ｓｂ８が設けられる。歪センサＳａ１〜Ｓｂ８は、後述するように金属薄膜抵抗体であって、例えばクロム（Ｃｒ）および窒素（Ｎ）を含む抵抗体（Ｃｒ−Ｎ抵抗体）である。そのため、後述するようにパターンニングのみで所望な位置に複数の歪センサＳａ１〜Ｓｂ８を配置できる。また、Ｃｒ−Ｎ抵抗体は、温度係数が小さいため、温度補償を容易とすることができる。歪センサＳａ１〜Ｓｂ８の長手方向は、対角線Ｌ１に沿う方向となるように構成される。

【0021】

中央部１６１の主表面上には、１６個の参照抵抗Ｒａ１、Ｒｂ１、Ｒａ２、Ｒｂ２、Ｒａ３、Ｒｂ３、Ｒａ４、Ｒｂ４、Ｒａ５、Ｒｂ５、Ｒａ６、Ｒｂ６、Ｒａ７、Ｒｂ７、Ｒａ８、Ｒｂ８が設けられる。参照抵抗Ｒａ１〜Ｒｂ８の形状は、実質的に歪センサＳａ１〜Ｓｂ８と同一であり、その長手方向は対角線Ｌ１に沿う方向となるように構成される。さらに、中央部１６１の主表面上には、中央部１６１の対角線Ｌ１の方向の一方に沿って電極１７１が設けられる。

【0022】

歪センサＳａ１〜Ｓｂ８と参照抵抗Ｒａ１〜Ｒｂ８とは、後述する８つのブリッジ回路を構成するように、主表面上に設けられた電極１７１および配線１７２に電気的に接続される。配線１７２の線幅は、歪センサＳａ１〜Ｓｂ８と参照抵抗Ｒａ１〜Ｒｂ８とを接続する部分においては小さくなるように構成される一方、その他の部分においては配線抵抗を低減するために接続部分に比べて大きくなるように構成される。

【0023】

しかも、歪センサＳａ１〜Ｓｂ８、参照抵抗Ｒａ１〜Ｒｂ８、電極１７１、および配線１７２は、後述する薄膜技術を利用した製造方法を用いて、同一の主表面上に一体的に形成される。そのため、歪センサＳａ１〜Ｓｂ８、参照抵抗Ｒａ１〜Ｒｂ８、電極１７１、および配線１７２は、起歪体１６の対角線Ｌ１において鏡像対称となるようにレイアウト構成される。

【0024】

図４を用いて起歪体１６の詳細な断面構成について説明する。図４は、図３の歪センサＳａ１を含む接続部１６３の断面図である。

【0025】

図４に示すように、接続部１６３の主表面上に絶縁膜１７０が設けられる。絶縁膜１７０上に感歪膜としてのＣｒ−Ｎ抵抗体である歪センサＳａ１が設けられる。歪センサＳａ１上に銅（Ｃｕ）にて形成された電極リード膜である配線１７２が設けられる。歪センサＳａ１上および配線１７２上を覆うようにオバーガラス（ＯＧ）膜１７５が設けられる。また、配線１７２と歪センサＳａ１との界面および配線１７２とＯＧ膜１７５との界面には、密着性を高めるためにクロム（Ｃｒ）を含む接着膜１７２ａが設けられる。

【0026】

尚、この断面では図示していないが、中央部１６１における配線１７２の端部には、電極１７１が設けられる。電極１７１は、接着膜１７２ａ上に順次設けられた銅（Ｃｕ）と金（Ａｕ）との積層構造により構成される。

【0027】

ブリッジ回路
図５を用いて第１実施形態に係る起歪体１６のブリッジ回路について説明する。図５は、第１実施形態に係る起歪体１６のブリッジ回路を説明するための図表である。

【0028】

図５に示すように、起歪体１６は、８つのブリッジ回路Ｂａ１、Ｂａ２、Ｂａ３、Ｂａ４、Ｂａ５、Ｂａ６、Ｂａ７、Ｂａ８を含む。

【0029】

ブリッジ回路Ｂａ１は、歪センサＳａ１、Ｓａ２と参照抵抗Ｒａ１、Ｒａ２とを備える。電源端子Ｅと接地Ｇとの間に、順次、歪センサＳａ１および参照抵抗Ｒａ１、並びに参照抵抗Ｒａ２および歪センサＳａ２が直列接続される。直列接続された歪センサＳａ１および参照抵抗Ｒａ１と、直列接続された参照抵抗Ｒａ２および歪センサＳａ２とは、電源端子Ｅと接地Ｇとの間で並列接続される。一方の端子Ｖ−は、歪センサＳａ１と参照抵抗Ｒａ１との結線に接続される。他方の端子Ｖ＋は、参照抵抗Ｒａ２と歪センサＳａ２との結線に接続される。その他のブリッジ回路Ｂａ２〜Ｂａ４についても、上記ブリッジ回路Ｂａ１と同様である。

【0030】

ブリッジ回路Ｂｂ１は、歪センサＳｂ１、Ｓｂ２と参照抵抗Ｒｂ１、Ｒｂ２とを備える。電源端子Ｅと接地Ｇとの間に、順次、歪センサＳｂ１および参照抵抗Ｒｂ１、並びに歪センサＳｂ２および参照抵抗Ｒｂ２が直列接続される。直列接続された歪センサＳｂ１および参照抵抗Ｒｂ１と、直列接続された歪センサＳｂ２および参照抵抗Ｒｂ２とは、電源端子Ｅと接地Ｇとの間で並列接続される。一方の端子Ｖ−は、歪センサＳｂ１と参照抵抗Ｒｂ１との結線に接続される。他方の端子Ｖ＋は、歪センサＳｂ２と参照抵抗Ｒｂ２との結線に接続される。その他のブリッジ回路Ｂｂ２〜Ｂｂ４についても、上記ブリッジ回路Ｂｂ１と同様である。

【0031】

上記構成において、外部から力およびトルクが加わると、中央部１６１の位置が外周部１６２の位置に比較して相対的に変化するため、接続部１６３が力およびトルクに応じて変形する。この接続部１６３の変形に応じ、接続部１６３に設けられた各歪センサＲａ１〜Ｒａ８に応力が加わり、各ブリッジ回路Ｂａ１〜Ｂｂ４の各端子Ｖ−、Ｖ＋の電圧のバランスが崩れ、力およびトルクに応じた所定の検出信号が検出される。

【0032】

［製造方法］
図６を用いて第１実施形態に係る起歪体１６の製造方法について説明する。図６は、第１実施形態に係る起歪体１６の製造方法を説明するためのフローチャートである。

【0033】

図６に示すように、まず起歪体１６の寸法検査等の所定の検査を行った後、起歪体１６に対して所定の前処理を行う。前処理としては、例えば検査後の起歪体１６の主表面上を、超音波や所定の薬剤等を用いた洗浄処理等が含まれる（Ｂ１）。

【0034】

続いて、前処理後の起歪体１６の主表面上に、例えば熱酸化法等を用いて絶縁膜１７０を成膜する（Ｂ２）。

【0035】

続いて、例えば所定のアニーリング処理等による熱処理を起歪体１６に行い、成膜した絶縁膜１７０の絶縁性等の特性が所定値以上となるように特性出しを行う（Ｂ３）。

【0036】

続いて、絶縁膜１７０上に、例えば所定のターゲットを用いたスパッタ法等を用いて、クロム（Ｃｒ）および窒素（Ｎ）を含んだＣｒ−Ｎ薄膜を形成する。さらに、形成したＣｒ−Ｎ薄膜上にフォトレジストを塗布し、塗布したフォトレジストにパターニングを行う。具体的には、中央部１６１の参照抵抗Ｒａ１〜Ｒｂ８が配置される位置に参照抵抗Ｒａ１〜Ｒｂ８と同一の平面形状のパターンをフォトレジストに転写し、接続部１６３の歪センサＳａ１〜Ｓｂ８が配置される位置に歪センサＳａ１〜Ｓｂ８と同一の平面形状のパターンをフォトレジストに転写し、パターンが転写された部分以外のフォトレジストを除去する。さらに、残存するパターンが転写されたフォトレジストをマスクとして、所定のエッチング処理を絶縁膜１７０の表面上まで行うことで、中央部１６１および接続部１６３の所定の位置に所望の形状の参照抵抗Ｒａ１〜Ｒｂ８および歪センサＳａ１〜Ｓｂ８を形成する（Ｂ４）。

【0037】

続いて、中央部１６１および接続部１６３に、例えば上記ステップＢ４と同様の製造工程等を用いて、密着性を高めるためのクロム（Ｃｒ）薄膜による接着膜１７２ａを形成し、当該接着膜１７２ａ上に、銅（Ｃｕ）を含む所定の電極リード膜を成膜して歪センサＳａ１〜Ｓｂ８および参照抵抗Ｒａ１〜Ｒｂ８を電気的に接続するための配線１７２を形成する。さらに、形成した配線１７２上に、同様の製造工程によりクロム薄膜による接着膜１７２ａを形成する（Ｂ５）。

【0038】

続いて、一方の対角線Ｌ１の方向に沿って、中央部１６１における配線１７２の端部の接着膜１７２ａ上に、例えば上記ステップＢ４と同様の製造工程等を用いて、銅（Ｃｕ）と金（Ａｕ）からなる積層構造を順次形成して所定の電極膜を成膜し、電極１７１を形成する（Ｂ６）。

【0039】

続いて、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等を用いて、電極１７１上を除く起歪体１６の主表面上に、ＯＧ膜１７５を形成する（Ｂ７）。

【0040】

続いて、起歪体１６の主表面上に形成した歪センサＳａ１〜Ｓｂ８等に対して所定の歪特性検査およびストレス検査等を施し、形成した歪センサＳａ１〜Ｓｂ８等に要求される特性を確認する（Ｂ８）。

【0041】

以上の製造方法により、第１実施形態に係る起歪体１６を製造する。

【0042】

［作用効果］
以上説明したように、第１実施形態に係る起歪体１６は、実質的に歪が生じない中央部１６１の主要面上に設けられ、複数の歪センサＳａ１〜Ｓｂ８と共にブリッジ回路Ｂａ１〜Ｂｂ４を構成する複数の参照抵抗Ｒａ１〜Ｒｂ８を備える（図３）。そのため、参照抵抗Ｒａ１〜Ｒｂ８は、歪センサＳａ１〜Ｓｂ８と同一の起歪体１６の主表面上に一体的に設けられる。その結果、歪センサＳａ１〜Ｓｂ８と参照抵抗Ｒａ１〜Ｒｂ８との間に生じる温度誤差および外部ノイズの影響を低減でき、検出精度を向上することができる。

【0043】

しかも、歪センサＳａ１〜Ｓｂ８、参照抵抗Ｒａ１〜Ｒｂ８、電極１７１、および配線１７２は、起歪体１６の対角線Ｌ１において鏡像対称の関係となるように、そのレイアウトが構成される（図３）。そのため、中央部１６１および接続部１６３の主表面上の限られたスペースに歪センサＳａ１〜Ｓｂ８等を配置するのに最適な構成となっている。

【0044】

さらに、ブリッジ回路Ｂａ１〜Ｂｂ４を構成するために必要な歪センサＳａ１〜Ｓｂ８、参照抵抗Ｒａ１〜Ｒｂ８、電極１７１、および配線１７２は、薄膜技術を利用した製造方法により、起歪体１６の主要面上のみに設けられる（図４、図６）。そのため、高感度なセンサＳａ１〜Ｓｂ８を高密度かつ高精度に起歪体１６の接続部１６３に設けることができる。従って、検出精度を補うために多数（例えば９０個程度）の歪センサを配置する必要がなく、起歪体の表面上だけでなく例えば起歪体の側面上に接着剤等を用いて歪センサを貼り付ける必要もない。例えば本実施形態のような製造方法を用いない場合、歪センサの位置は、所望の位置より数百μｍ程度の誤差を生じ得るため、特定軸以外の力およびトルクが検出される多軸干渉の影響が増大する。また、例えば参照抵抗を起歪体の外部に設ける場合には温度誤差や外部ノイズが増大するため、温度誤差や外部ノイズを校正する必要もある。しかし、本実施形態では、このような不都合が生じることはない。

【0045】

また、Ｚ方向に沿った起歪体１６の高さＨｚは、中央部１６１、外周部１６２、および接続部１６３において実質的に同一である。起歪体１６の高さＨｚは、Ｘ方向またはＹ方向に沿った外周部１６２の幅Ｗ１６２よりも大きくなるように構成される（Ｈｚ＞Ｗ１６２）。さらに、外周部１６２および接続部１６３の弾性は、中央部１６３の弾性よりも大きくなるように構成される。外周部１６２および接続部１６３は弾性機能を有し、中央部１６３の弾性機能を有さないように構成されることがより望ましい。上記構成により、ＸＹＺ軸の各出力ゲインおよび各剛性をより適正に調整することが可能となる点で有利である。

【0046】

（第２実施形態（起歪体のその他の形状の一例））
図７を用いて第２実施形態に係る起歪体１６Ａを説明する。図７は、第２実施形態に係る起歪体１６Ａの平面構造を示す平面図である。第２実施形態は、起歪体のその他の形状の一例に関する。

【0047】

図７に示すように、起歪体１６Ａは、対角線Ｌ２の方向における中央部１６１および外周部の各角部がほぼ直角形状である点で、第１実施形態に係る起歪体１６と相違する。歪センサＳａ１〜Ｓｂ８は、同様に結合部１６３に設けられる。尚、参照抵抗等のその他の構成は、ここでの図示を省略している。

【0048】

その他の構造は、上記第１実施形態と実質的に同様であるため、その詳細な説明を省略する。また、動作に関しても、上記第１実施形態と実質的に同様であるため、その詳細な説明を省略する。

【0049】

［作用効果］
第２実施形態に係る起歪体１６Ａの構造および動作によれば、少なくとも第１実施形態と同様の作用効果が得られる。また、必要に応じて、第２実施形態に係る起歪体１６Ａを適用することが可能である。

【0050】

（第３実施形態（３ビーム方式の起歪体の一例））
図８および図９を用いて第３実施形態に係る起歪体１６Ｂを説明する。図８は、第３実施形態に係る起歪体１６Ｂの全体構成を示す斜視図である。図９は、図８の起歪体１６Ｂの平面構造を示す平面図である。第３実施形態は、３ビーム方式の起歪体の一例に関する。

【0051】

図８および図９に示すように、起歪体１６Ｂは、第１実施形態に係る起歪体１６と比較して、ビーム部である接続部１６３が３つの３ビーム方式として構成されている。そのため、接続部１６３には、１２個の歪センサＳａ１〜Ｓｂ６が設けられる点で、上記第１実施形態と相違する。従って、ここでの図示は省略しているが、歪センサＳａ１〜Ｓｂ６に対応する中央部１６１に設けられる参照抵抗も１２個である。

【0052】

外周部１６１の平面形状は、３本の対角線Ｌ３の方向に設けられる３つの角部を頂点とする三角形状である。また、外周部１６１の角部は、対角線Ｌ３を半径とする円に接し、ネジ穴１７ａの円形状と同心の円形状となるように構成される。

【0053】

その他の構造および動作は、上記第１実施形態と実質的に同様であるため、その詳細な説明を省略する。

【0054】

［作用効果］
第３実施形態に係る起歪体１６Ｂの構造および動作によれば、少なくとも第１実施形態と同様の作用効果が得られる。

【0055】

さらに、第３実施形態に係る起歪体１６Ｂは、ビーム部である接続部１６３が３つである３ビーム方式として構成されるため、接続部１６３には１２個の歪センサＳａ１〜Ｓｂ６が設けられ、中央部１６１には１２個の参照抵抗が設けられる（図８、図９）。

【0056】

このように、第３実施形態に係る起歪体１６Ｂは、４つの接続部１６３が設けられる４ビーム方式の起歪体１６、１６Ａと比較して、１セットの歪センサおよび参照抵抗、並びにこれに伴う配線や電極を低減することができる。そのため、起歪体１６Ｂの大きさを縮小化できる点で有利である。さらに、冗長な１セットの歪センサおよび参照抵抗が不要となるため、最小数のブリッジ回路構成にて６軸方向の力およびトルクを検出でき、製造コストも低減できる点で有利である。

【0057】

（第４実施形態（力覚センサに適用した一例））
図１０乃至図１２を用いて第４実施形態を説明する。第４実施形態は、第１実施形態に係る起歪体１６を力覚センサに適用した一例に関する。第４実施形態に係る力覚センサは、例えばロボットアーム等に用いられ、ＸＹＺ方向の力およびトルクを検出するための６軸力覚センサである。

【0058】

［構成］
図１０は、第１実施形態に係る起歪体１６を備えた力覚センサ１０の外観を示す斜視図である。図１１は、図１０の力覚センサ１０を示す分解斜視図である。

【0059】

図１０および図１１に示すように、力覚センサ１０は、円筒状の本体１１と、本体１１に対して動作可能な円筒状の可動体１２とを備える。本体１１は、本体１１の底部に形成された複数のネジ穴１９ａを貫通する複数の取付ネジ１９により、図示せぬロボットアームの本体に固定される。可動体１２は、その上面に図示せぬロボットアームのハンド部分を取り付けるためのハンド取付プレートとして機能する。

【0060】

本体（ベース）１１は、力覚センサ１０の本体となるベース部材であり、可動体１２は、弾性変形が可能な起歪体１６を介在して本体１１に対して、６軸方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向、及び各軸周り方向）に動作可能に取着されている。

【0061】

すなわち、図１１に示すように、起歪体１６の中央部１６１は、複数のネジ穴１８ａをそれぞれ貫通するハンドプレート固定ネジ１８により可動体（第１支持部材）１２に固定される。起歪体１６の外周部１６２は、複数のネジ穴１７ａをそれぞれ貫通する起歪体固定ネジ１７により、本体１１（第２支持部材）に固定される。

【0062】

起歪体１６の主表面および裏面は、Ｘ軸、Ｙ軸により形成される面と平行に配置され、起歪体１６の中心Ｏを垂直に通る線は、Ｚ軸と一致されている。上記構成において、可動体１２に外力が加えられると、可動体１２が動作し、起歪体１６の接続部１６３が変形する。上記のように、起歪体１６の接続部１６３には歪センサＳａ１〜Ｓｂ８が設けられているため、歪センサＳａ１〜Ｓｂ８により起歪体１６の変形が電気信号として検出される。

【0063】

可動体１２の周面には、例えば４つの円形の開口部１３が等間隔に設けられている。すなわち、各開口部１３は、Ｘ軸方向とＹ軸方向に配置されている。開口部１３の数は、４つに限定されず、３つ以上であればよい。各開口部１３の内部にはストッパ１４が配置され、各ストッパ１４は、ストッパ取付ボルト１５により、本体１１に固定されている。

【0064】

ストッパ１４は、可動体１２の動作範囲を規制するものであり、ストッパ１４の最外周部には、開口部１３の内面が当接可能な第１側面１４ａを備えている。すなわち、第１側面１４ａは、可動体１２の動作に伴って起歪体１６が変形した際、可動体１２の開口部１３の内面が第１側面１４ａに当接し、起歪体１６の接続部１６３の過剰な変形を防止する保護機構として機能する。

【0065】

本体１１の内部には、起歪体１６に対向して基板２０が設けられる。基板２０は、複数のねじ穴２１ａを有し、各ネジ穴２１ａを貫通する固定ネジ２１により、本体１１に固定される。基板２０には、起歪体１６に設けられた歪センサが電気的に接続される。この詳細については後述する。

【0066】

本体１１の底部には、開口部１１ａを閉塞するカバー２２が装着される。すなわち、カバー２２は、複数のねじ穴２３ａを有し、これらネジ穴２３ａを貫通する固定ネジ２３により、本体１１に固定される。

【0067】

本体１１の側面には、検出信号を外部に伝達するための配線２５が引き出されている。配線２５は、基板２０と電気的に接続されている。

【0068】

力覚センサに実装される状態の起歪体
図１２を用いて力覚センサ１０に実装される状態の起歪体１６について詳細に説明する。図１２は、力覚センサ１０に実装される状態の起歪体１６を示す断面図である。

【0069】

図１２に示すように、起歪体１６の主表面上に、絶縁膜１７０が設けられ、絶縁膜１７０上に電極１７１が設けられる。さらに、力覚センサ１０に実装するために、電極１７１上に異方性導電フィルム（ＡＣＦ：Anisotropic Conductive Film）１８１が設けられる。異方性導電フィルム１８１上に、電極１７１と基板２０とを電気的に接続するためのリード配線１８２が設けられる。リード配線１８２は、ここでは、絶縁性の柔軟なフィルムと当該フィルムに配線された所定の電気回路とを備えており、可動体１２の動きに合わせて自在に曲がることが可能な構成なＦＰＣ（Flexible printed circuits）である。また、起歪体１６の主表面上を覆うように、保護シール１８３が設けられる。

【0070】

［検出動作］
上記構成の力覚センサ１０の検出動作について簡単に説明する。ここでは、Ｚ軸方向において可動体１２のほぼ中央部分に加えられた外力（荷重）を検出する場合を一例に挙げる。

【0071】

Ｚ軸方向において可動体１２のほぼ中央部分に外力が加えられると、外力によって可動体１２がＺ軸方向に沿って下方に移動する。本体１１は固定されており外力によっても移動しないため、可動体１２は、開口部１３の上側の内面がストッパ１４の上側の第１側面１４ａに当接するまで、下方に移動する。

【0072】

そのため、可動体１２の下面が起歪体１６の上面を加圧し、加圧された起歪体１６の接続部１６３は変形を起こす。ストッパ１４により、起歪体１６の変形は所定の範囲に限定されているため、過剰な外力による破壊から起歪体１６が保護される。起歪体１６の変形は、上述した歪センサＳａ１〜Ｓｂ８により検出され、ブリッジ回路Ｂａ１〜Ｂｂ４により電気信号に変換される。検出された電気信号は、電極１７１からリード配線１８２および基板２０を介して配線２５により外部に伝達され、外力を検出することができる。

【0073】

その後、可動体１２への外力の印加が解除されると、起歪体１６の接続部１６３は、弾性変形により、元の形状に復帰する。

【0074】

尚、ここでは、Ｚ軸方向における外力検出動作を一例に挙げたが、Ｘ軸方向およびＹ軸方向におけるその他の外力検出動作も同様である。また、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向における各トルク検出動作についても、上記外力検出動作と実質的に同様であるため、詳細な説明を省略する。

【0075】

［作用効果］
第４実施形態に係る起歪体１６を備えた力覚センサ１０の構造および動作によれば、少なくとも第１実施形態と同様の作用効果が得られる。

【0076】

さらに、必要に応じて、本実施形態の起歪体１６を力覚センサ１０に適用することが可能である。

【0077】

また、力覚センサ１０は、可動体１２の動作範囲を規制するものであり、その最外周部に開口部１３の内面と当接可能な第１側面１４ａを有するストッパ１４を備える。このように、ストッパ１４は、非常にシンプルな形状であり、かつ６軸方向の全てに対して保護機能を有している。その結果、高感度かつ製造コストの低減化に有利な力覚センサ１０を提供することが可能となる。

【0078】

（変形例）
以上、第１乃至第４実施形態を一例に挙げて説明したが、本発明の実施形態は、上記第１乃至第３実施形態に係る起歪体１６、１６Ａ、１６Ｂに限定されるものではなく、必要に応じて種々の変形が可能であることは勿論である。

【0079】

さらに、起歪体１６、１６Ａ、１６Ｂが適用可能な対象は、第４実施形態において説明した力覚センサ１０に限定されず、各種のセンサに適用可能であることは勿論である。

【0080】

その他、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

【符号の説明】

【0081】

１０…力覚センサ、１１…本体、１２…可動体、１６、１６Ａ、１６Ｂ…起歪体、１６１…中央部、１６２…外周部、１６３…接続部（ビーム部）、１７１…電極、１７２…配線、Ｓａ１〜Ｓｂ８…歪センサ、Ｒａ１〜Ｒｂ８…参照抵抗、Ｂａ１〜Ｂｂ４…ブリッジ回路。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】