特許 6999587 弾性体とそれを用いた力覚センサ

(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】

(24)【登録日】2021-12-24

(45)【発行日】2022-01-18

(54)【発明の名称】弾性体とそれを用いた力覚センサ

(51)【国際特許分類】

   G01L 5/1627 20200101AFI20220111BHJP

   G01L 1/22 20060101ALI20220111BHJP

   B25J 19/02 20060101ALI20220111BHJP

【ＦＩ】

G01L5/1627

G01L1/22 F

B25J19/02

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2019012326

(22)【出願日】2019-01-28

(65)【公開番号】P2020118647

(43)【公開日】2020-08-06

【審査請求日】2021-12-02

(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】遠藤 嵩幸

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 隆史

【審査官】森 雅之

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１８／０６６５５７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許第６８７１５５２（ＵＳ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｌ５／１６

Ｇ０１Ｌ１／２２

Ｂ２５Ｊ１９／０２

本件出願を優先基礎とする国際特許出願ＰＣＴ／ＪＰ２０１９／０４７０６７の調査結果が利用された。

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

６軸方向に変形可能な複数の第１弾性部が接続される第１構造体と、
前記６軸方向に変形可能な第２弾性部と、前記第２弾性部に接続された中継部を有する複数の第２構造体と、
前記第２構造体の前記中継部のそれぞれと前記第１弾性部のそれぞれとの間に設けられた複数の第３構造体と、
を具備し、
前記第１構造体、前記第２構造体、前記第３構造体、前記中継部、前記第１弾性部、及び前記第２弾性部は、１枚の金属板からなり、前記第２構造体、前記第３構造体、前記中継部、前記第１弾性部、及び前記第２弾性部は、折り曲げられた前記金属板であることを特徴とする弾性体。

【請求項2】

前記第１弾性部は、前記第２弾性部の剛性以下の剛性を有することを特徴とする請求項１記載の弾性体。

【請求項3】

前記第１弾性部は、前記第３構造体の幅方向の一部に設けられることを特徴とする請求項１記載の弾性体。

【請求項4】

前記第１弾性部は、前記第３構造体の長さ方向の一端部に設けられることを特徴とする請求項１記載の弾性体。

【請求項5】

６軸方向に変形可能な複数の第１弾性部が接続される第１構造体と、
前記６軸方向に変形可能な第２弾性部と、前記第２弾性部に接続された中継部を有する複数の第２構造体と、
前記第２構造体の前記中継部のそれぞれと前記第１弾性部のそれぞれとの間に設けられた複数の第３構造体と、
前記第１構造体と前記中継部のそれぞれとの間に設けられた複数の歪センサと、
を具備し、
前記第１構造体、前記第２構造体、前記第３構造体、前記中継部、前記第１弾性部、及び前記第２弾性部は、１枚の金属板からなり、前記第２構造体、前記第３構造体、前記中継部、前記第１弾性部、及び前記第２弾性部は、折り曲げられた前記金属板であることを特徴とする力覚センサ。

【請求項6】

前記第１弾性部は、前記第２弾性部の剛性以下の剛性を有することを特徴とする請求項５記載の力覚センサ。

【請求項7】

前記第１弾性部は、前記第３構造体の幅方向の一部に設けられることを特徴とする請求項５記載の力覚センサ。

【請求項8】

前記第１弾性部は、前記第３構造体の長さ方向の一端部に設けられることを特徴とする請求項５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等に用いられる弾性体とそれを用いた力覚センサに関する。

【背景技術】

【0002】

力覚センサは、例えばロボットアーム等に用いられ、直交する３軸（ｘ、ｙ、ｚ）に関して、力（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ）とモーメント（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）を検出する（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１８－４８９１５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

力覚センサは、６軸方向、例えば３軸方向及び３軸回り方向に変形可能な弾性体を具備し、この弾性体に複数の歪センサが設けられている。各歪センサは起歪体に複数の歪ゲージが設けられている。さらに、力覚センサは、弾性体や起歪体を外力から保護するため、ストッパが設けられている。

【0005】

弾性体及び起歪体（以下、これらを合わせてセンサ体とも言う）の剛性が高く、６軸方向の変位量が非常に小さい場合、ストッパの構造に高い加工精度が要求され、ストッパの実現が困難となる。

【0006】

また、センサ体の剛性が、軸方向毎に大きく異なると、ストッパの設計が複雑となり、ストッパの実現が困難となる。

【0007】

一方、ストッパを設けずにセンサ体を設計した場合、弾性体及び起歪体の変位を大きくすることが困難であるため、大きなセンサ出力を得ることができず、ノイズなどの外乱に弱く、測定精度が低いセンサとなってしまう。

【0008】

本発明の実施形態は、十分なセンサ出力を得ることができ、測定精度を向上させることが可能な弾性体とそれを用いた力覚センサを提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本実施形態の弾性体は、６軸方向に変形可能な複数の第１弾性部が接続される第１構造体と、前記６軸方向に変形可能な第２弾性部と、前記第２弾性部に接続された中継部を有する複数の第２構造体と、前記第２構造体の前記中継部のそれぞれと前記第１弾性部のそれぞれとの間に設けられた複数の第３構造体と、を具備し、前記第１構造体、前記第２構造体、前記第３構造体、前記中継部、前記第１弾性部、及び前記第２弾性部は、１枚の金属板からなり、前記第２構造体、前記第３構造体、前記中継部、前記第１弾性部、及び前記第２弾性部は、折り曲げられた前記金属板である。

【0010】

本実施形態の力覚センサは、６軸方向に変形可能な複数の第１弾性部が接続される第１構造体と、前記６軸方向に変形可能な第２弾性部と、前記第２弾性部に接続された中継部を有する複数の第２構造体と、前記第２構造体の前記中継部のそれぞれと前記第１弾性部のそれぞれとの間に設けられた複数の第３構造体と、前記第１構造体と前記中継部のそれぞれとの間に設けられた複数の歪センサと、を具備し、前記第１構造体、前記第２構造体、前記第３構造体、前記中継部、前記第１弾性部、及び前記第２弾性部は、１枚の金属板からなり、前記第２構造体、前記第３構造体、前記中継部、前記第１弾性部、及び前記第２弾性部は、折り曲げられた前記金属板である。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本実施形態に係る力覚センサを示す斜視図。

【図2】図１に示す力覚センサを分解して示す斜視図。

【図3】図２に示す力覚センサの一部を組み立てた状態を示す斜視図。

【図4】図２に示す力覚センサの一部をさらに組み立てた状態を示す斜視図。

【図5】図２に示す力覚センサの一部をさらに分解して示す斜視図。

【図6】本実施形態に係る弾性体を取り出して示す平面図。

【図7】本実施形態に係る弾性体の一部を取り出して示す斜視図。

【図8A】本実施形態に係る弾性体の変形の一例を示すものであり、一部を取り出して示す側面図。

【図8B】図８Ａに示す変形に伴う起歪体の変形の例を示す斜視図。

【図8C】参考例としての弾性体の変形の例を示すものであり、一部を取り出して示す側面図。

【図8D】図８Ｃに示す変形に伴う起歪体の変形の例を示す斜視図。

【図9】歪センサの一例を示す平面図。

【図10】ブリッジ回路の一例を示す回路図。

【図11】本実施形態に係る弾性体の変形例を示すものであり、一部を取り出して示す斜視図。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。図面において、同一部分には同一符号を付している。

【0013】

図１乃至図６を用いて、本実施形態に係る力覚センサ１０の構成について説明する。
力覚センサ１０は、例えばロボットアーム等に用いられ、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の力（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ）、及びＸ、Ｙ、Ｚ軸回りのトルク（モーメント：Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）を検出する。

【0014】

図１、図２に示すように、力覚センサ１０は、円筒状の本体１１と、本体１１を覆う円筒状のカバー１２とを備えている。カバー１２の内部には、本体１１に対して動作可能な可動体としての取付けプレート１３が設けられ、取付けプレート１３は、複数のネジ１４によりカバー１２に固定される。カバー１２及び取付けプレート１３は、本体１１に対して動作可能に設けられる。

【0015】

本体１１は、図示せぬロボットアームの例えば本体に固定される。取付けプレート１３は、ロボットアームの例えばハンド部分に固定される。

【0016】

本体１１とカバー１２との間には、リング状のシール部材１５が設けられている。シール部材１５は、弾性材、例えばゴム製又は発泡部材により形成され、本体１１とカバー１２との間隙をシールするとともに、カバー１２が本体１１に対して動作可能としている。

【0017】

図３に示すように、本体１１と取付けプレート１３との間には、弾性体１６が設けられる。弾性体１６は、後述するように、例えば１枚の金属を折り曲げて形成されており、１つの第１構造体１６－１と、複数の第２構造体１６－２と、第１構造体１６－１と第２構造体１６－２との間に設けられた複数の第３構造体１６－３等と、を具備する。複数の第２構造体１６－２は、第１構造体１６－１の周囲に等間隔に配置される。

【0018】

本実施形態において、弾性体１６は、例えば３つの第２構造体１６－２を具備している。しかし、第２構造体１６－２の数は３つに限定されるものではなく、３つ以上であってもよい。また、本実施形態を、力覚センサ以外の例えばトルクセンサに適用する場合、第２構造体１６－２の数は、２つであってもよい。

【0019】

第１構造体１６－１の周囲には、６つの第１弾性部１６－４が設けられている。第１弾性部１６－４は、第３構造体１６－３と連続し、第１構造体１６－１の周囲に配置される。

【0020】

第２構造体１６－２のそれぞれは、略Ｕ字状の２つの第２弾性部１６－５と、２つの第２弾性部１６－５の間で、２つの第２弾性部１６－５を繋ぐ直線上の中継部１６－６を具備している。

【0021】

第３構造体１６－３は、一端部が第１弾性部１６－４に接続され、他端部が中継部１６－６に接続される。第１構造体１６－１と１つの第２構造体１６－２との間に設けられた２つの第３構造体１６－３は、互いに平行に配置される。

【0022】

第２構造体１６－２は、複数のネジ１７により本体１１に固定され、第１構造体１６－１は、図２、図４に示すように、複数のネジ１８により取付けプレート１３に固定される。

【0023】

図２、図３に示すように、歪センサ１９は、第１構造体１６－１と中継部１６－６との間に設けられる。具体的には、歪センサ１９の一端部は、固定プレート２０と第１弾性部１６－４の裏面に挿入されたネジ２１により、２つの第１弾性部１６－４の間の第１構造体１６－１に固定され、歪センサ１９の他端部は固定プレート２２と中継部１６－６の裏面に挿入されたネジ２３により、中継部１６－６の中央部に固定される。歪センサ１９は、後述するように、金属製の起歪体の表面に複数の歪ゲージが配置されている。

【0024】

取付けプレート１３及びカバー１２が外力により、本体１１に対して動作すると、第３構造体１６－３、第１弾性部１６－４、第２弾性部１６－５、及び中継部１６－６が変形する。これに伴い、歪センサ１９の起歪体が変形し、歪ゲージから電気信号が出力される。

【0025】

各歪センサ１９の各歪ゲージは、後述するように、ブリッジ回路を構成し、ブリッジ回路により、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の力（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ）、及びＸ、Ｙ、Ｚ軸回りのトルク（モーメント：Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）が検出される。

【0026】

図２に示すように、本体１１には、弾性体１６を外力から保護する複数のストッパ３０が設けられている。各ストッパ３０は、円筒状のストッパ部材３１と、固定部材としてのネジ３２と、取付けプレート１３に設けられた複数の開口部１３ａと、により構成される。

【0027】

本実施形態は、３つのストッパ３０を具備する場合を示している。しかし、ストッパ３０の数は、３つに限定されるものではなく、３つ以上であってもよい。３つのストッパ３０は、３つの第２構造体１６－２の相互間にそれぞれ配置される。

【0028】

ストッパ３０を第２構造体１６－２の相互間に配置することにより、弾性体１６及び力覚センサ全体の直径及び外形の大型化を抑制することが可能である。

【0029】

本体１１の表面で、３つの第２構造体１６－２の相互間に対応する位置には、３つ突起１１ａがそれぞれ設けられている。

【0030】

図４に示すように、ストッパ部材３１は、取付けプレート１３の開口部１３ａ内に挿入された状態で、ネジ３２により本体１１の突起１１ａに固定される。ストッパ部材３１の外径は、後述するように、開口部１３ａの内径より若干小さく設定されている。取付けプレート１３が本体１１に対して動作し、ストッパ部材３１の外面が開口部１３ａの内面に当接すると、取付けプレート１３の動作が阻止され、弾性体１６及び歪センサ１９の起歪体の破壊が防止される。

【0031】

図５に示すように、本体１１の裏面部には、印刷基板４１、複数のフレキシブル印刷基板４２、裏蓋４３、リード線アセンブリ４４、中空管４５が設けられている。印刷基板４１は、ブリッジ回路に電源を供給したり、ブリッジ回路の出力信号を処理したりする図示せぬ処理回路などを具備している。

【0032】

複数のフレキシブル印刷基板４２の一端部は、図２に示すように、本体１１の上面側に配置され、各歪センサ１９に接続される。複数のフレキシブル印刷基板４２の他端部は、印刷基板４１の裏面において、処理回路などに接続される。複数のフレキシブル印刷基板４２は、歪ゲージに電源を供給したり、歪ゲージからの信号を処理回路に供給したりする。

【0033】

リード線アセンブリ４４は、印刷基板４１に接続され、処理回路に電源を供給したり、処理回路からの信号を伝送したりする。裏蓋４３は、複数のネジにより本体１１に固定され、印刷基板４１をカバーする。

【0034】

本体１１、カバー１２、取付けプレート１３、及び弾性体１６の第１構造体１６－１、印刷基板４１、裏蓋４３の中央部には、開口部が連通して設けられており、中空管４５は、この開口部内に設けられる。

【0035】

図２、図３に示すように、中空管４５の一端部は、裏蓋４３、印刷基板４１、第１構造体１６－１を貫通し、第１構造体１６－１の表面に突出される。中空管４５の第１構造体１６－１の表面に突出された一端部には、リング状のシール部材２６が設けられる。このシール部材２６は、例えばゴム又は発泡材料により形成され、取付けプレート１３の開口部と中空管２５の一端部との間隙をシールする。これにより、カバー１２の外部から取付けプレート１３の内部に塵埃が侵入することが防止される。

【0036】

（弾性体の構成）
図６は、本実施形態に係る弾性体１６を示している。前述したように、弾性体１６は、１枚の金属を折り曲げて形成される。弾性体１６は、１つの第１構造体１６－１と、３つの第２構造体１６－２、６つの第３構造体１６－３、各第３構造体１６－３に設けられた第１弾性部１６－４、各第２構造体１６－２に設けられた２つの第２弾性部１６－５、２つの第２弾性部１６－５の間と２つの第３構造体１６－３との間に設けられた中継部１６－６、及び第１構造体１６－１と中継部１６－６とを接続する梁部１６－７を具備している。

【0037】

図６のＡは、弾性体１６の一部を展開した状態を示している。第１構造体１６－１、第２構造体１６－２、第３構造体１６－３、第１弾性部１６－４、第２弾性部１６－５、中継部１６－６、及び梁部１６－７は、１枚の金属板から例えば打ち抜いて形成される。

【0038】

中継部１６－６は、梁部１６－７により第１構造体１６－１に接続されている。中継部１６－６の両側には、第２弾性部１６－５と第２構造体１６－２が連続して形成され、さらに、第３構造体１６－３と第１弾性部１６－４が連続して形成される。

【0039】

第１弾性部１６－４は、第３構造体１６－３の長さ方向の一端部（先端部）で、長さ方向と交差する方向（幅方向）に設けられている。

【0040】

第２構造体１６－２、第３構造体１６－３、第２弾性部１６－５の幅はＷであり、第１弾性部１６－４の幅Ｗ１は、幅Ｗより狭くされている。中継部の幅は、ほぼ２Ｗとされている。

【0041】

金属板の厚みＴ（図６に示す）、第１弾性部１６－４の幅Ｗ１、第２弾性部１６－５、第３構造体１６－３などの幅Ｗ、及び中継部１６－６の幅２Ｗの関係は、必要に応じて変更可能である。

【0042】

梁部１６－７の幅は、金属板の厚みＴと等しく、梁部１６－７の断面は、正方形とされている。このため、各軸方向の変形のし易さが等しくされている。梁部１６－７は、第１構造体１６－１と中継部１６－６とを接続するために用いている。しかし、例えば第１構造体１６－１と第３構造体１６－３又は第１弾性部１６－４とを接続する構造とすれば、梁部１６－７は、省略することが可能である。

【0043】

Ａに示すように打ち抜かれた金属板の破線で示す複数の折曲部Ｂを折り曲げることにより、図６に示す弾性体１６が形成される。金属板の各部を折り曲げた後、第１弾性部１６－４の先端部が例えばネジにより第１構造体１６－１に固定される。第１弾性部１６－４の固定方法は、これに限らず、第１弾性部１６－４の先端部を第１構造体１６－１に溶接したり、接着材を用いて接着したりすることも可能である。

【0044】

第１弾性部１６－４は、後述するように第３構造体１６－３に対して湾曲され、第３構造体１６－３などの幅Ｗより狭い幅Ｗ１を有している。このため、第１弾性部１６－４は、第２弾性部１６－５の剛性以下の曲げ又はねじれ剛性を有している。

【0045】

第２弾性部１６－５は、略Ｕ字状に折曲され、第２構造体１６－２に比べて低い曲げ又はねじれ剛性を有している。

【0046】

歪センサ１９は、２つの第１弾性部１６－４の間に位置する第１構造体１６－１と、中継部１６－６の中央部との間に設けられる。さらに、歪センサ１９は、２つの第３構造体１６－３の間に位置され、２つの第３構造体１６－３と平行に配置される。

【0047】

第１弾性部１６－４、第２弾性部１６－５、中継部１６－６、第１構造体１６－１、第２構造体１６－２、及び第３構造体１６－３の厚みは、金属板の厚みＴに等しい。第２弾性部１６－５は、Ｕ字状部の長さＬ１及びＬ２が長い程、及び金属板の厚みＴが薄い程、柔軟であり、第１弾性部１６－４及び中継部１６－６も、金属板の厚みＴが薄い程、及び又は幅が狭い程、柔軟である。

【0048】

歪センサ１９を構成する起歪体１９ａの厚みは、第１構造体１６－１、第２構造体１６－２、第３構造体１６－３、第１弾性部１６－４、第２弾性部１６－５、及び中継部１６－６の厚みより薄く、起歪体１９ａの幅は、第３構造体１６－３、第１弾性部１６－４、第２弾性部１６－５、及び中継部１６－６の厚みＴより広い。

【0049】

起歪体１９ａは、後述するように、厚みが薄い矩形状であり、平面の縦横比が大きい形状である。このため、起歪体１９ａが単体の場合、断面二次モーメントの相違により、起歪体１９ａは、Ｆｘ、Ｆｙ方向の力及びＭｚ方向のモーメントに対して変位が小さく、Ｍｘ、Ｍｙ方向のモーメント及びＦｚ方向の力に対して変位が大きい特性を有している。

【0050】

一方、弾性体１６の変位量が小さ過ぎる場合、上述したストッパ３０の構造に対して、高い加工精度が要求される。また、Ｆｘ、Ｆｙ方向の力及びＭｚ方向のモーメントに対する変位量と、Ｍｘ、Ｍｙ方向のモーメント及びＦｚ方向の力に対する変位量が大きい場合、ストッパ３０の構造が複雑となる。このため、簡単な構造のストッパで高精度な力覚センサを構成するためには、弾性体１６の各軸の変位量の差が小さいことが必要である。

【0051】

本実施形態に係る弾性体１６は、Ｘ－Ｙ平面（Ｘ軸、Ｙ軸を含む平面）に平行な方向への変位量を増加させ、起歪体１９ａは、僅かしか変位していないにも関わらず、センサ体としては、大きな変位量を実現することを可能とする。

【0052】

さらに、起歪体１９ａのＺ軸方向の剛性は、弾性体１６のＺ軸方向の剛性に比べて遥かに小さい。このため、力覚センサのＺ軸方向の曲げに係わる定格荷重を、起歪体１９ａ単体に印加することはできない。したがって、起歪体１９ａの変位量をコントロールする必要がある。

【0053】

したがって、弾性体１６に求められる機能は、（１）Ｘ－Ｙ平面内において、変位量が大きいこと。（２）Ｚ軸方向の負荷を受けて、起歪体１９ａの変位量をコントロールすることである。

【0054】

（第１弾性部１６－４の機能）
（１）Ｍｚ系（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｍｚ）の変形
図７に示すように、第１弾性部１６－４は、第３構造体１６－３に対して湾曲部１６－４ａの部分で湾曲され、第１弾性部１６－４の幅Ｗ１は、第３構造体１６－３などの幅Ｗより狭くされている。このため、第１弾性部１６－４は、第２弾性部１６－５の剛性以下の剛性を有し、図示矢印Ｃ、Ｄ方向に変形し易くなっている。

【0055】

弾性体１６にＦｘ、Ｆｙ方向の力が印加された場合、及びＭｚ方向のモーメントが印加された場合、第１構造体１６－１に対して第２構造体１６－２が相対的に移動し、第３構造体１６－３に接続された第１弾性部１６－４が、ねじれるように変形する。このため、第１構造体１６－１に対する第２構造体１６－２の変位量が増加する。起歪体１９aは、第３構造体１６－３の厚みと、起歪体１９aの幅、及び負荷に応じて変位し、起歪体１９aの変位量は、僅かである。すなわち、本実施形態の場合、起歪体１９ａの変位量に比べて、第１構造体１６－１に対する第２構造体１６－２の変位量を増加させることができる。

【0056】

（２）Ｆｚ系（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｆｚ）の変形
一方、弾性体１６にＦｚ方向の力が印加された場合、及びＭｘ、Ｍｙ方向のモーメントが印加された場合、第３構造体１６－３が接続された第１弾性部１６－４が、図７に示す矢印Ｃ、Ｄ方向に変形する。このため、第３構造体１６－３の幅方向の変位量が増加し、起歪体１９ａの厚み方向の変位量を増加させることができる。このため、後述するように、第３構造体１６－３を略Ｓ字状に変形させることができ、ブリッジ回路の出力電圧を増加させることができる。

【0057】

図８Ａは、本実施形態に係る弾性体１６の変形の一例を示している。
第１構造体１６－１及び第３構造体１６－３に接続された第１弾性部１６－４の剛性は、第２弾性部１６－５の剛性以下である。このため、弾性体１６に例えばＦｚ方向の力が印加された場合、第１弾性部１６－４が変形することにより第２弾性部１６－５の変形が減少し、中継部１６－６の吊り上げ量が低減される。このため、第３構造体１６－３は、略Ｓ字状に変形し、第１構造体１６－１と中継部１６－６との間に設けられた起歪体１９ａも、略Ｓ字状に変形される。

【0058】

図８Ｂは、図８Ａに示す弾性体１６の変形に伴う起歪体１９ａの変形を概略的に示している。起歪体１９ａの表面に複数の歪ゲージ５１～５４が図示のように配置されているものとする。

【0059】

弾性体１６の変形に伴い起歪体１９ａが略Ｓ字状に変形された場合、起歪体１９ａの表面に設けられた歪ゲージ５１、５２は、伸長され、歪ゲージ５３、５４は圧縮される。このため、歪ゲージ５１、５２の抵抗値と、歪ゲージ５３、５４の抵抗値との差が大きくなり、歪ゲージ５１～５４により構成されるブリッジ回路の出力電圧を増加させることができる。したがって、力覚センサの精度を向上させることができる。

【0060】

図８Ｃは、比較例としての弾性体６０の変形の様子を示している。この弾性体６０は、本実施形態の弾性体１６から第１弾性部１６－４を除いたものである。第１弾性部１６－４が無い場合、弾性体６０に例えばＦｚ方向の力が印加されると、第２構造体１６－２に比べて低い剛性を有する第２弾性部１６－５の曲げ又はねじれ変形により、第３構造体１６－３が湾曲される。これに伴い、中継部１６－６が吊り上げられる。このため、第１構造体１６－１と中継部１６－６との間に設けられた起歪体１９ａも湾曲される。

【0061】

図８Ｄは、図８Ｃに示す弾性体６０の変形に伴う起歪体１９ａの変形を示している。弾性体６０の湾曲に伴い起歪体１９ａが湾曲された場合、起歪体１９ａの表面に設けられた歪ゲージ５１、５２、及び歪ゲージ５３、５４は共に伸長される。このため、歪ゲージ５１、５２の抵抗値と、歪ゲージ５３、５４の抵抗値との差が小さく、歪ゲージ５１～５４により構成されるブリッジ回路の出力電圧も小さい。したがって、力覚センサの精度を向上させることが困難である。

【0062】

（第２弾性部１６－５の機能）
第２弾性部１６－５は、第２構造体１６－２に比べて曲げ又はねじれ剛性が低い。このため、弾性体１６にＦｘ、Ｆｙ方向の力が印加された場合、及びＭｚ方向のモーメントが印加された場合、第１構造体１６－１と中継部１６－６との間に設けられた起歪体１９ａが後述する第３構造体１６－３により制御された量しか変位しないにも関わらず、第１構造体１６－１に対する第２構造体１６－２の変位量を増加させることができる。

【0063】

具体的には、Ｕ字状の第２弾性部１６－５は、幅に比べて厚みが狭くされ、第２弾性部１６－５の断面二次モーメントが大きく異なっている。このため、第２弾性部１６－５は、Ｆｚ方向の力に対して剛性が高く、Ｍｚ方向のモーメントに対して剛性が低い。ねじれを考慮すると、第２弾性部１６－５は、Ｆｚ方向の力に対しても単純に曲げで想定している以上に柔軟性を有している。しかし、第２弾性部１６－５は、Ｍｚ方向のモーメントよりも、十分にＦｚ方向の力に対する剛性が高い。

【0064】

（第３構造体１６－３の機能）
第３構造体１６－３は、第１弾性部１６－４と中継部１６－６との間に設けられ、且つ、歪センサ１９と平行に配置されている。このため、弾性体１６にＦｘ、Ｆｙ方向の力、及び／又はＭｚ方向のモーメントが印加された場合、歪センサ１９を構成する起歪体１９ａの厚み方向と幅方向の変位量を制御することができる。

【0065】

具体的には、第３構造体１６－３の幅Ｗは、起歪体１９ａの厚みより広くされ、第３構造体１６－３の厚みＴは、起歪体１９ａの幅より薄くされている。したがって、第３構造体１６－３により、断面二次モーメントの異なる起歪体１９ａの厚み方向と幅方向の変位量を制御することが可能である。

【0066】

（歪センサの構成）
図９は、歪センサ１９の一例を示している。前述したように、歪センサ１９は、起歪体１９ａと、起歪体１９ａの表面に設けられた複数の歪ゲージＲ１～Ｒ８により構成される。起歪体１９ａは、金属により構成され、その厚みは、幅より薄くされている。このため、起歪体１９ａは、厚み方向に変形しやすく、幅方向に変形し難い。

【0067】

起歪体１９ａの一端部は第１構造体１６－１に設けられ、他端部は第２構造体１６－２の中継部１６－６に設けられる。歪ゲージＲ１、Ｒ３、Ｒ５、Ｒ８は、起歪体１９ａの一端部近傍に設けられ、歪ゲージＲ２、Ｒ４、Ｒ６、Ｒ７は、起歪体１９ａの他端部近傍に設けられる。

【0068】

図１０は、上記歪ゲージＲ１～Ｒ８を用いたブリッジ回路の一例を示している。歪ゲージＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、第１ブリッジ回路ＢＣ１を構成し、歪ゲージＲ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８は、第２ブリッジ回路ＢＣ２を構成する。

【0069】

第１ブリッジ回路ＢＣ１は、電源Ｖと接地ＧＮＤとの間に歪ゲージＲ２と歪ゲージＲ１の直列回路と、歪ゲージＲ４と歪ゲージＲ３の直列回路が配置される。歪ゲージＲ２と歪ゲージＲ１の接続ノードから出力電圧Ｖｏｕｔ＋が出力され、歪ゲージＲ４と歪ゲージＲ３の接続ノードから出力電圧Ｖｏｕｔ－が出力される。出力電圧Ｖｏｕｔ＋及び出力電圧Ｖｏｕｔ－は、演算増幅器ＯＰ１に供給され、演算増幅器ＯＰ１の出力端から出力電圧Ｖｏｕｔが出力される。

【0070】

第２ブリッジ回路ＢＣ２は、電源Ｖと接地ＧＮＤとの間に歪ゲージＲ６と歪ゲージＲ５の直列回路と、歪ゲージＲ８と歪ゲージＲ７の直列回路が配置される。歪ゲージＲ６と歪ゲージＲ５の接続ノードから出力電圧Ｖｏｕｔ＋が出力され、歪ゲージＲ８と歪ゲージＲ７の接続ノードから出力電圧Ｖｏｕｔ－が出力される。出力電圧Ｖｏｕｔ＋及び出力電圧Ｖｏｕｔ－は、演算増幅器ＯＰ２に供給され、演算増幅器ＯＰ２の出力端から出力電圧Ｖｏｕｔが出力される。

【0071】

前述したように、起歪体１９ａが例えばＦｚ方向の力により、Ｓ字状に変形されることにより、第１ブリッジ回路ＢＣ１及び第２ブリッジ回路ＢＣ２から大きな出力電圧を得ることができる。

【0072】

尚、起歪体１９ａに対する歪ゲージＲ１～Ｒ８の配置、及びブリッジ回路ＢＣ１、ＢＣ２の構成は、これに限定されるものではなく、変形可能である。

【0073】

（弾性体１６及び力覚センサの効果）
本実施形態の弾性体１６は、第１構造体１６－１と、複数の第２構造体１６－２と、第２構造体１６－２のそれぞれに設けられた第２弾性部１６－５と、２つの第２弾性部１６－５の間に設けられた中継部１６－６と、中継部１６－６に設けられた２つの第３構造体１６－３と、第３構造体１６－３のそれぞれに設けられ、第１構造体１６－１に接続された第１弾性部１６－４と、を具備し、第２弾性部１６－５の剛性は、第２構造体１６－２の剛性よりも低く、第１弾性部１６－４の剛性は第２弾性部１６－５の剛性以下である。このため、弾性体１６の全体的な剛性を、第１弾性部１６－４及び第２弾性部１６－５が無い場合に比べて低くすることができ、Ｆｘ、Ｆｙ方向の力に対して、弾性体１６の変位量を増加させることができる。したがって、Ｆｘ、Ｆｙ方向の力に対して、起歪体１９ａの僅な変形に比べて、弾性体１６の変位量を増加させることができる。

【0074】

また、本実施形態の弾性体１６は、第１弾性部１６－４、第２弾性部１６－５、及び中継部１６－６を具備することにより、６軸方向の変位量をほぼ同等とすることができる。しかも、Ｆｚ方向の力を受けて、第３構造体１６－３及び中継部１６－６の変形を抑制でき、第１弾性部１６－４、第３構造体１６－３及び中継部１６－６を略Ｓ字状に変形させることができる。これに伴い、起歪体１９ａをＳ字状に変形させることができるため、Ｆｚ方向の力に対して起歪体１９ａに十分な歪を与えることができる。したがって、大きなセンサ出力を得ることができ、高精度の力覚センサを構成することが可能である。

【0075】

さらに、第１弾性部１６－４の剛性が、第２弾性部１６－５の剛性以下であるため、Ｆｚ方向の力に対して起歪体１９ａにより大きな歪を与えることができ、一層大きなセンサ出力を得ることができる。尚、ここで、剛性とは、軸剛性、曲げ剛性、せん断剛性、及びねじり剛性を含んでいる。

【0076】

しかも、弾性体１６は、６軸方向の変位量がほぼ同等であり、全体的な剛性が低い。このため、簡単な構成のストッパ３０により、起歪体１９ａを保護することができる。

【0077】

具体的には、高い剛性を有する弾性体の場合、ストッパ３０のストッパ部材３１の側面と、取付けプレート１３の開口部１３ａの内面との隙間を例えば２０μｍ以下とする必要がある。このため、機械加工が困難である。しかし、本実施形態のように、弾性体１６の全体的な剛性が低い場合、定格荷重時の弾性体１６の変位量を例えば１００μｍ～２００μｍに増加させることができる。このため、ストッパ部材３１の側面と、取付けプレート１３の開口部１３ａの内面との間隔を広げることができるため、過負荷時のストッパ３０の設計が容易となり、ストッパ３０の機械加工が容易となる。

【0078】

さらに、過負荷時、剛性が高いストッパ３０によって、弾性体１６及び起歪体１９ａの変位を抑制することができるため、定格荷重の範囲において、起歪体１９ａに十分な歪を与えることが可能である。したがって、高いセンサ出力を得ることが可能である。仮に、ストッパ３０が無い場合、過負荷時も想定して、十分な安全率を見込んだ定格荷重を設定する必要がある。このため、起歪体に十分な歪を与えることができず、高いセンサ出力を取り出すことが困難である。

【0079】

（弾性体１６の変形例）
図１１は、弾性体１６の変形例を示している。
上記実施形態において、第１弾性部１６－４は、第３構造体１６－３の長さ方向の一端部（先端部）で、長さ方向と交差する方向（幅方向）に設けられ、湾曲部１６－４ａを有している。

【0080】

これに対して、図１１に示す変形例において、第１弾性部１６－４は、第３構造体１６－３の長さ方向の一端部で、金属板の厚み方向に折り曲げて形成される。このようにして形成された第１弾性部１６－４は、第２弾性部１６－５の剛性以下の剛性を有しており、図示矢印Ｃ、Ｄ方向に変形し易い構造とされている。

【0081】

上記変形例によっても、上記実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
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】

【0082】

１０…力覚センサ、１１…本体、１６…弾性体、１６－１…第１構造体、１６－２…第２構造体、１６－３…第３構造体、１６－４…第１弾性部、１６－５…第２弾性部、１６－６…中継部、１９…歪センサ、１９ａ…起歪体。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図8D】

【図9】

【図10】

【図11】