センサ
【課題】複数のベクトル量を検出できるセンサを提供する。
【解決手段】ベース１０２と、ベース１０２に対して６自由度を有し、ベース１０２と対向して配置されたテーブル１０３と、テーブル１０３とベース１０２とを連結する並列配置された６つの連結部１０４とを備えてセンサ１０１を構成する。ここで、連結部１０４は、テーブル１０３の可動を受ける３自由度を有する軸受け１０６と、軸受け１０６の可動を受ける２自由度を有する軸受け１０７と、ベース１０２に固定され、軸受け１０７の可動を受けるアーム１０５と、を含んでいる。さらに、センサ１０１は、アーム１０５の変位および／または変形を検出する静電容量素子１０８と、静電容量素子１０８の検出値から、テーブル１０３もしくはベース１０２に作用する力の大きさおよび／または方向を計算する演算部を有する回路基板１１０と、を備えている。
【解決手段】ベース１０２と、ベース１０２に対して６自由度を有し、ベース１０２と対向して配置されたテーブル１０３と、テーブル１０３とベース１０２とを連結する並列配置された６つの連結部１０４とを備えてセンサ１０１を構成する。ここで、連結部１０４は、テーブル１０３の可動を受ける３自由度を有する軸受け１０６と、軸受け１０６の可動を受ける２自由度を有する軸受け１０７と、ベース１０２に固定され、軸受け１０７の可動を受けるアーム１０５と、を含んでいる。さらに、センサ１０１は、アーム１０５の変位および／または変形を検出する静電容量素子１０８と、静電容量素子１０８の検出値から、テーブル１０３もしくはベース１０２に作用する力の大きさおよび／または方向を計算する演算部を有する回路基板１１０と、を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサにおいて、特に、６軸力覚センサおよび６軸運動センサに適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
力覚センサは、力覚センサが有するトラベリングテーブル（物体）に作用する力（外力）を検出する装置であり、例えば、ロボットハンドにおいて人間の指先の触覚を実現するために用いられる。力覚センサには、三次元空間の直交座標系（ｘ軸、y軸、z軸）の３軸方向の力成分と、その３軸回りのモーメント成分の計６成分を同時に検出することができるものがある。このように、６成分を検出できる力覚センサは、６軸力覚センサとも呼ばれている。
【０００３】
特開平１０−２７４５７３号公報（特許文献１）には、トッププレートとボトムプレートとを複数のロッドで連結し、これらプレート相互の連結は一端側が２自由度のジョイントにより、他端側が３自由度のジョイントによる力覚センサが開示されている。そしてこの力覚センサのロッドにはロッド軸線方向の圧縮・引張力を検出できる検出素子が具備されている。
【０００４】
また、構造体が変形して力を検出する力センサ（構造変形モード）が、特開平９−３１８４６９号公報（特許文献２）に開示されている。例えば、歪ゲージと弾性体を組み合わせた型の６軸力センサは、力制御を行なうロボットにおける外力測定などの用途で広く用いられている。歪ゲージを取り付けた弾性体に力あるいはモーメントが作用して弾性体が変形すると、それに応じて各歪ゲージに応力が発生する。その結果生じる各歪ゲージの電気抵抗値の変化は、周知のブリッジ回路を介して電圧値として出力され、更に所定の計算処理回路あるいはソフトウェア処理によって６軸力に変換される。
【０００５】
また、特開平５−１４９８１１号公報（特許文献３）には、平板状の起歪体のＦＥＭ解析により設定された最適部位に貼付された複数の歪ゲージにより直交する３軸の力と、これら軸回りのモーメントを独立して検出する複数のブリッジ回路よりなる歪検出用回路を備えている６軸力覚センサが開示されている。
【０００６】
また、特開平９−１３１６９０号公報（特許文献４）には、複数のアクチュエータの協同により所定の可動板の位置・姿勢を制御する６軸荷重検出装置が開示されている。複数のアクチュエータの協同動作により可動板を所定の位置・姿勢に保持させることにより、予め決められた可動板上の所定の点に作用する６軸荷重を検出するものである。
【０００７】
また、特開２０００−１４８３８２号公報（特許文献５）には、ユーザに力覚を呈示伝達するための力覚呈示機構が、ユーザを接続するための操作機器と、その操作機器を装着するための運動プラットホームと、その運動プラットホームを支持する６つのリンクセットと、各リンクセットを独立して駆動する６つの駆動装置と、６つの位置センサとを備えた６軸のフォースフィードバックを有する力覚インタフェース装置が開示されている。
【０００８】
ところで、加速度センサは、質量を持つ物体の加速度を検出する装置であり、例えば、ロボットの姿勢制御や、自動車のエアバッグの衝突検知などに用いられる。また、角速度センサ（例えばジャイロセンサ）は、質量を持つ物体が回転する角速度を検出する装置であり、例えば、産業用ロボットや、自動車の横転検出などに用いられる。これら加速度センサおよび角速度センサは、物体に加えられた力（外力）を検出する力覚センサに対して、物体の動きから生じる慣性力から検出する装置（運動センサ）である。
【０００９】
ｘ軸、y軸、z軸方向の３軸加速度を検出するために、例えば、１軸加速度センサを用いる場合、３個の１軸加速度センサをそれぞれ直交する方向に配置する必要がある。また、ｘ軸、y軸、z軸の回転方向の３軸角速度を検出するために、例えば、１軸角速度センサを用いる場合も３個必要となる。このため、３軸加速度と３軸角速度を同時に検出する６軸運動センサが求められている。
【００１０】
なお、本願では、加速度センサおよび角速度センサの上位概念として運動センサを説明する。すなわち、運動センサは、加速度および／または角速度を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平１０−２７４５７３号公報
【特許文献２】特開平９−３１８４６９号公報
【特許文献３】特開平５−１４９８１１号公報
【特許文献４】特開平９−１３１６９０号公報
【特許文献５】特開２０００−１４８３８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
例えば、人間の指と同様の触覚を得るために、医療分野や日常生活分野用のロボットの指先に力覚センサを設けるような研究、開発が行われている。このような力覚センサには、小型化、高精度化が要求されている。また、加速度センサ、角速度センサなどの運動センサにおいても、産業用ロボットや、さらには民生機器などに設けられるために、小型化、高精度化が要求されている。
【００１３】
ところで、物体に係る力、加速度、角速度ともベクトル量であり、物体が受けた力を検出する力覚センサと、物体の動きを力から加速度、角速度として検出する運動センサとは、ベクトル量を検出する構造を共通とすることができると考えられる。したがって、多くのベクトル量の検出を同時に行うことができる新規な構造を用いれば、小型化、高精度化に対応した力覚センサ、運動センサを得ることも可能となる。
【００１４】
本発明の目的は、複数のベクトル量を検出するセンサを提供することにある。本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００１６】
ベースと、前記ベースに対して６自由度を有し、前記ベースと対向して配置されたテーブルと、前記テーブルと前記ベースとを連結する並列配置された６つの連結部と、を備えたセンサであって、前記連結部が、前記テーブルの可動を受ける３自由度を有する第１軸受けと、前記第１軸受けの可動を受ける２自由度を有する第２軸受けと、一端が前記第１軸受けと接続され、他端が前記第２軸受けと接続されたロッドと、一端が前記第２軸受けと接続され、他端が前記ベースと固定されたアームと、を含んで前記テーブルと前記ベースとを連結しており、前記アームの変位および／または変形を一方向で検出する検出素子を備えている。
【発明の効果】
【００１７】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すると、複数のベクトル量を検出するセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施の形態におけるセンサを模式的に示す上面図である。
【図２】図１のセンサを模式的に示す側面図である。
【図３】図１のセンサが有する回路の構成図である。
【図４】本発明の他の実施の形態におけるセンサを模式的に示す要部断面図である。
【図５】図４の磁気識別素子の原理を説明するための図である。
【図６】本発明の他の実施の形態におけるセンサを模式的に示す要部平面図である。
【図７】図６のＸ−Ｘ線におけるセンサを模式的に示す要部断面図である。
【図８】本発明の他の実施の形態におけるセンサを模式的に示す上面図である。
【図９】図８のセンサであってテーブルを除いて模式的に示す上面図である。
【図１０】図８のＹ−Ｙ線におけるセンサを模式的に示す断面図である。
【図１１】力を検出するための説明図である。
【図１２】本発明の他の実施の形態におけるセンサを模式的に示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
【００２０】
（実施の形態１）
本実施の形態では、ベクトル量を検出できる新規な構造を有するセンサとして力覚センサに適用した場合について説明する。本実施の形態におけるセンサ１０１（力覚センサ１０１）は、図８〜図１０に示すように、ベース１０２と、ベース１０２に対して６自由度を有し、ベース１０２と対向して配置されたトラベリングテーブル（以下、単にテーブルという）１０３と、テーブル１０３とベース１０２とを連結する並列配置された６つの連結部１０４とを備えている。この力覚センサ１０１は、テーブル１０３の６自由度により、三次元空間の直交座標系（ｘ軸、y軸、z軸）の３軸方向の力成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、その３軸回りのモーメント成分Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚの計６成分として、検出することができるものである。
【００２１】
連結部１０４は、テーブル１０３の可動を受ける３自由度を有する軸受け１０６と、軸受け１０６の可動を受ける２自由度を有する軸受け１０７と、ベース１０２に固定され、軸受け１０７の可動を受けるアーム１０５と、を含んでテーブル１０３とベース１０２とを連結している。軸受け１０６、１０７は、例えば鋼球を球面で保持し、３自由度または２自由度で可動できる球面軸受けである。
【００２２】
本実施の形態では、軸受け１０６および軸受け１０７とは、各軸受けの球が角度をもって、例えば溶接によって直接接続されている。すなわち、軸受け１０６、１０７は、物理的に大きさを持っているので、それらをある角度で直接接続している。理論的には、上下の軸受け１０６、１０７の中心がある距離と角度をもって接続されており、アーム１０５に力が伝達されていれば良い。このため、ベース１０２とテーブル１０３との間の距離を軸受け１０６、１０７によるものとでき、力覚センサ１０１は薄型化とすることができる。
【００２３】
このようにベース１０２とテーブル１０３との間の距離が短い場合、ベース１０２とテーブル１０３との間でアーム長さを確保することが困難となるが、本実施の形態では、アーム１０５をベース１０２平面と平行する面内に延在させている。
【００２４】
このようにテーブル１０３を複数の連結部１０４によって支持する構造は、パラレルリンク構造である。本実施の形態では、テーブル１０３の全方向（６軸方向）に動かそうとするため、連結部１０４を６本配置している。なお、テーブル１０３の平面上の点を移動するのであれば、最小２本の連結部１０４が必要である。
【００２５】
ここで、軸受け１０６が３自由度を有し、また軸受け１０７が２自由度を有することに関して説明する。ベース１０２とテーブル１０３とを連結部１０４（軸受け１０６、１０７、アーム１０５）ではなく、剛体のロッドのみで連結した場合を考える。この場合、テーブル１０３を例えばＭｚ全方向に動かそうとすると、ロッドは回転方向に倒れながら尚且つねじられることとなる。テーブル１０３からロッドの一点を見たとき、ロッドの回転方向の倒れは、テーブル１０３がその平面方向に動くことで生じる。このロッドの回転方向の倒れを逃がすために２自由度、かつ、ロッドのねじれを逃がすために、もう１自由度が必要となる。また、ベース１０２からロッドの一点を見たとき、ロッドのねじれは既に逃がされているので、ロッドの回転方向の倒れ分を考慮すれば２自由度となる。なお、ロッドを剛体ではなく弾性体とした場合、テーブル１０３は自由に可動できるが、ベース１０２には力が伝達されない。
【００２６】
このため、本実施の形態では、テーブル１０３と接続される軸受け１０６は３自由度を有するもの、また、ベース１０２と接続される軸受け１０７は２自由度を有するものを適用している。
【００２７】
テーブル１０３は円状の平面板を有してなり、例えば、腐食性、加工性に優れたステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）などの金属からなる剛体である。このテーブル１０３の外周側には、平面板を貫通する孔１０３ａが６つ形成されている。この孔１０３ａに嵌合するように球面軸受けである軸受け１０６が直接接続される。
【００２８】
また、ベース１０２は円状の平面板を有してなり、例えば、腐食性、加工性に優れたステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）などの金属からなる剛体である。このベース１０２の中心部では突起部が形成されており、その突起部からベース１０２の外周部側へ枝状に延在するアーム１０５が６つ形成されている。各アーム１０５は、ベース１０２と一体成型で形成された場合、腐食性、加工性に優れたステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）などの金属からなるが、枝状に延在するように形成しているため、ベース１０２の変化量に対して十分大きな変化量を有する弾性体となっている。
【００２９】
このように各アーム１０５はベース１０２が有する平面と平行して枝状に延在している。各アーム１０５は、先端部が中空体で形成されており、この中空体内に通じる孔１０５ａを有している。この孔１０５ａに嵌合するように球面軸受けである軸受け１０７が直接接続される。この軸受け１０７は、前述したように例えば溶接によって角度をもって軸受け１０６と直接接続されることとなる。
【００３０】
また、力覚センサ１０１は、弾性体であるアーム１０５の変位および／または変形を検出する検出素子として静電容量素子１０８を備えている。この静電容量素子１０８は、アーム１０５の先端部の下方であってベース１０２上に配置されるものであって、具体的には、ベース１０２側とアーム側１０５に一対の電極が配置されてなる。この一対の電極間の静電容量の変化を、アーム１０５の変位および／または変形として検出する。
【００３１】
また、力覚センサ１０１は、静電容量素子１０８の検出値から、テーブル１０３に作用する力の大きさおよび／または方向を計算する演算部（例えばＣＰＵ）を有する回路基板１１０を備えている。この回路基板１１０は、ベース１０２においてテーブル１０３と対向する平面上に配置されている。
【００３２】
この回路基板１１０には、図３に示すような回路構成によって、アーム１０５の変位および／または変形を検出した静電容量素子１０８（検出素子ＳＤ）からの信号（アナログ信号）をアンプ１１によって増幅した後、そのアナログ信号をＡ／Ｄ変換器１２でデジタル信号に変換し、ＣＰＵ１３によってテーブル１０３に加わった力（荷重）を、メモリ１４からの定数を用いて計算する。すなわち、演算部であるＣＰＵ１３は、静電容量素子１０８（検出素子ＳＤ）が検出した検出値から、テーブル１０３に作用する力の大きさおよび／または方向を計算する。
【００３３】
この計算結果は、ＣＰＵ１３からデジタル出力とし、またＤ／Ａ変換器１５を用いてアナログ出力として出力される。このアーム１０５の変位および／または変形からテーブル１０３に加わった荷重を計算するには、例えば計算あるいは実測で求めた定数が必要である。この定数を基と、６つのアーム１０５のそれぞれに設けられた静電容量素子１０８（検出素子ＳＤ）からの検出値によって、ＣＰＵ１３を介してテーブル１０３に加わる６軸の力成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを同時に検出することができる。
【００３４】
なお、本実施の形態では、テーブル１０３が荷重を受ける場合を示すが、ベース１０２が力（荷重）を受ける場合であっても良い。この場合、回路基板１１０が備えるＣＰＵ１３は、静電容量素子１０８の検出値から、ベース１０２に作用する力の大きさおよび／または方向を計算する。
【００３５】
このような力覚センサ１０１のテーブル１０３に対して、垂直方向の力成分Ｆｚが加わった場合について順を追って説明する。まず、力（Ｆｚ）によりテーブル１０３は−Ｚ方向に移動しようとする。テーブル１０３に３自由度の軸受け１０６が接続され、その軸受け１０６に２自由度の軸受け１０７が接続されているため、軸受け１０６の軸方向に力（Ｆｚ／６）が加わる。すなわち、力（Ｆｚ／６）がテーブル１０３と軸受け１０６の取り付け角度で合成されて、力（Ｆｚ）となっている。
【００３６】
次いで、軸受け１０６とアーム１０５の先端部は２自由度の軸受け１０７により接続され、アーム１０５の他端とベース１０２は固定されているため、アーム１０５に力（Ｆｚ／６）が加わり、アーム１０５が一方向に変形（平面変形）する。このように、弾性体であるアーム１０５に正確に力を発生させるためには、軸受け１０６および軸受け１０７に摺動抵抗が無く、ベース１０２、テーブル１０３が剛体でなければならない。
【００３７】
このように、テーブル１０３に加わる力の大きさおよび／または方向を、アーム１０５において最も単純な平面変形に置き換えることができるので、高精度の力を検出することができる。
【００３８】
ここで、本実施の形態における力覚センサ１０１において、軸受け１０６と軸受け１０７とを直接接続した場合であっても、テーブル１０３に作用する力の大きさ／または方向を検出することができることについて、図１１に示す部材の節点をピン接続したトラス構造を参照して説明する。なお、軸受け１０６が軸受けＢ１に置き換えられ、軸受け１０７が軸受けＢ２、Ｂ３に置き換えられている。
【００３９】
図１１では、三角形の各頂点に軸受けＢ１、Ｂ２、Ｂ３が配置されている。また、軸受けＢ１と軸受けＢ２とはロッドＲ１で接続されており、軸受けＢ１と軸受けＢ３とはロッドＲ２で接続されている。例えば、軸受けＢ１へ力Ｆｚが加わり釣り合っている時、各ロッドＲ１、Ｒ２には軸方向の力Ｔ１、Ｔ２のみが働き、軸受けＢ２には力Ｔ１の反力、軸受けＢ３には力Ｔ２の反力が働く。これら力Ｔ１、Ｔ２の大きさは、次式で決定される。
【００４０】
Ｔ１＝Ｆｚ／ｓｉｎθ１
Ｔ２＝Ｆｚ／ｓｉｎθ２
【００４１】
このことから、力Ｔ１、Ｔ２は、各θ１、θ２のみに左右され、ロッド長には影響を受けないことが分かる。よって、本実施の形態における力覚センサ１０１では、ロッドを設け無くとも、軸受け１０６と軸受け１０７同士を直接接続し、角度を持たせて配置したとしても、テーブル１０３に作用する力を検出することができる。このように、ロッドを設けず、軸受け１０６と軸受け１０７同士を直接接続した力覚センサ１０１では、薄型化や小型化することができる。
【００４２】
力覚センサ１０１のパラレルリンク構造では、テーブル１０３を動かそうとした時、テーブル１０３に複数本の軸（ロッド）が接続され、アーム１０５の長さを可変することによって駆動するものである。軸の両端にはテーブル１０３の回転を逃がす軸受け１０６、１０７が必要であるが、本実施の形態では、軸受け１０６、１０７が軸（ロッド）として兼用していることとなる。
【００４３】
力覚センサ１０１の剛性は、テーブル１０３の移動量となり、テーブル１０３に力が加わった時、力覚センサ１０１が変形してしまう量である。本実施の形態では、ベース１０２、テーブル１０３、軸受け１０６、１０７を剛体としており、アーム１０５を所定のばね係数をもった弾性体としている。このため、アーム１０５の変形する量でテーブル１０２の移動量が決定される。なお、アーム１０５の変形量よりは力覚センサ１０１の剛性への影響は小さいが、軸受け１０６、１０７同士の取り付け角度や軸（ロッド）の長さも影響する。
【００４４】
構造体が変形して、その変形を検出素子（例えば歪ゲージ）で検出を行う力センサ（構造変形モード）では、定格荷重２５０Ｎを加えたとき、２５μｍの変形とした場合、被接触物が剛体として、１０Ｎの制御をするためには、１μｍの位置制御をしなければならない。これでは、精度の高い力制御は困難である。
【００４５】
また、例えば特許文献５に記載のようなフォースフィードバックを有する力覚インタフェース装置のような力の出力構造で力を検出しようとした場合を考える。この構造では、テーブルに加わった力によりアクチュエータの移動量を駆動手段にフィードバックし、テーブルを所定の位置に戻すことで加わった力と均衡させるので、テーブルを動かせなくなってしまう。
【００４６】
そこで、本実施の形態では、アーム１０５を弾性体とし、その変位を変えることで、力覚センサ１０１の剛性を容易に変化させることができる。すなわち、精度（分解能）が高い優しい力（細かい力）の検出をすることができる。
【００４７】
（実施の形態２）
前記実施の形態１では、３自由度を有する軸受けと、２自由度を有する軸受けとを直接接続して薄型化、小型化できるセンサについて説明した。このように、軸受けを直接接続した構造では、力を受けるテーブルの可動範囲が小さい。そこで、本実施の形態では、３自由度を有する軸受けと２自由度を有する軸受けとの間にロッドを設けてテーブルの可動範囲を広くすることによって、より精度が高い優しい力の検出を行うことができるセンサについて説明する。なお、複数のベクトル量を検出するセンサとして、ロッドを設けたことによる構造の違いの他は前記実施の形態１と同様である。
【００４８】
本実施の形態では、ベクトル量を検出できる新規な構造を有するセンサとして力覚センサに適用した場合について説明する。図１および図２に示すように、本実施の形態におけるセンサ１（力覚センサ１）は、ベース２と、ベース２に対して６自由度を有し、ベース２と対向して配置されたトラベリングテーブル（以下、単にテーブルという）３と、テーブル３とベース２とを連結する並列配置された６つの連結部とを備えている。
【００４９】
この連結部は、テーブル３の可動を受ける３自由度を有する軸受け６と、軸受け６の可動を受ける２自由度を有する軸受け７と、ベース２に固定され、軸受け７の可動を受けるアーム５と、一端が軸受け６と接続され、他端が軸受け７と接続されたロッド４と、を含んでテーブル３とベース２とを連結している。
【００５０】
前記実施の形態１で説明したように、本実施の形態における力覚センサ１は、テーブル３に加わる力を検出するにあたり、ロッド４の長さは影響しない。すなわち、本実施の形態ではロッド４を設けた力覚センサ１について示すが、理論的には、前記実施の形態１で示した力覚センサ１０１と同様である。
【００５１】
このように本実施の形態の力覚センサ１は、連結部にベース２とテーブル３とを連結する棒状のロッド４およびアーム５を備えている。テーブル３を複数の連結部によって支持する構造は、パラレルリンク構造である。なお、ベース２とテーブル３は、例えば図に示すように平板体で形成されており、互いに平行して配置されている。
【００５２】
力覚センサ１は、テーブル３に作用する力（荷重）の大きさおよび／または方向を、三次元空間の直交座標系（ｘ軸、y軸、z軸）の３軸方向の力成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、その３軸回りのモーメント成分Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚの計６成分として、検出することができるものである。なお、本実施の形態では、テーブル３が荷重を受ける場合を示すが、ベース２が荷重を受ける場合であっても良い。
【００５３】
力覚センサ１では、１つのロッド４と、１つのアーム５とを含んで、１つの連結部材を形成して、ベース２とテーブル３とを連結している。テーブル３の周方向に沿って連結部材が６本設けられ、２本ずつで並設されている。すなわち、ロッド４がテーブル３の周囲に沿って６本設けられ、２本ずつで並設されている。これにより、テーブル３に作用する力（荷重）の大きさおよび／または方向を、三次元空間の直交座標系の３軸方向の力成分と、その３軸回りのモーメント成分の計６成分として同時に検出することができる。
【００５４】
これらベース２、テーブル３、ロッド４、軸受け６、軸受け７のそれぞれの材質は、テーブル３へ加わる定格荷重に耐えられる剛体であり、アーム５は弾性体である。例えば、ベース２、テーブル３、ロッド４は、例えば、腐食性、加工性に優れたステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）などの金属からなる剛体である。また、アーム５は、例えば、一般にばね材として用いられるリン青銅などの金属からなる弾性体である。なお、テーブル３への荷重が１０Ｎ以下の低荷重であれば、金属ではなく、樹脂（ポリアセタールなど）で構成することもできる。
【００５５】
このように、ベース２、テーブル３、ロッド４は、剛体という前提であるが、測定荷重精度に対して影響を与えない剛性をもっていれば良く、すなわちアーム５の変形量に対して変形量が十分に小されば良い。アーム５は、変形する部分を細く、薄くしてばね係数を決定し、塑性変形が起こらない荷重範囲とすれば良い。なお、後述の実施の形態４では、塑性変形が起こらない荷重範囲内において、アーム５を磁性体で形成した場合について説明する。
【００５６】
テーブル３とロッド４の一端は、３自由度の軸受け６により接続されており、ロッド４の他端とアーム５の一端は、２自由度の軸受け７により接続されており、さらに、アーム５の他端とベース２は、固定されている。
【００５７】
本実施の形態では、アーム５の他端とベース２とは、アーム取付台９を介して固定されている場合を示すが、アーム５の他端とベース２とを直接固定しても良く、例えば、溶接、ボルト止め、ベース２とアーム５とを一体成型することができる。なお、剛体のベース２と弾性体のアーム５との一体成型は、ベース２の厚さに対してアーム５となる部分を薄くすれば、その部分が特定荷重内で弾性を持つことができるので、生産時の一体化によって成形される。
【００５８】
このような力覚センサ１のテーブル３に対して、垂直方向の力成分Ｆｚが加わった場合について順を追って説明する。まず、力（Ｆｚ）によりテーブル３は−Ｚ方向に移動しようとする。テーブル３とロッド４の一端は３自由度の軸受け６により接続され、ロッド４の他端とアーム５の一端は２自由度の軸受け７により接続されているため、６本の各ロッド４の軸方向に力（Ｆｚ／６）が加わる。すなわち、力（Ｆｚ／６）がテーブル３とロッド４の取り付け角度で合成されて、力（Ｆｚ）となっている。
【００５９】
次いで、ロッド４の他端とアーム５の一端は２自由度の軸受け７により接続され、アーム５の他端とベース２は固定されているため、ロッド４からそれと接続されているアーム５に力（Ｆｚ／６）が加わり、アーム５が一方向に変形（平面変形）する。
【００６０】
ここで、アーム５に正確に力を発生させるためには、テーブル３とロッド４とを接続する軸受け６、ロッド４とアーム５とを接続する軸受け７に、摺動抵抗が無く、テーブル３、ロッド４が剛体でなければならない。このため、ロッド４の一端側とテーブル３とは３自由度の軸受け６により接続し、ロッド４の他端側とベース２とは２自由度の軸受け７により接続している。
【００６１】
このようにロッド４を剛体として、変位および／または変形を検出する対象としてアーム５を備えることで、テーブル３に加わる力の大きさおよび／または方向を、アーム５において最も単純な平面変形に置き換えることができる。これにより、特許文献１の技術のように、例えばロッドに歪ゲージを設けるような力覚センサよりも、更なる高性能化ができる。
【００６２】
力覚センサ１は、回路基板１０を有しており、図２に示すように、ベース２においてテーブル３と対向する面とは反対面（裏面）に回路基板１０が設けられている。この回路基板１０には、図３に示すような回路構成によって、アーム５の変位および／または変形を検出した歪ゲージ８（検出素子ＳＤ）からの信号（アナログ信号）をアンプ１１によって増幅した後、そのアナログ信号をＡ／Ｄ変換器１２でデジタル信号に変換し、ＣＰＵ１３によってテーブル３に加わった荷重を、メモリ１４からの定数を用いて計算する。すなわち、演算部であるＣＰＵ１３は、歪ゲージ８が検出した検出値から、テーブル３に作用する力の大きさおよび／または方向を計算する。
【００６３】
この計算結果は、ＣＰＵ１３からデジタル出力とし、またＤ／Ａ変換器１５を用いてアナログ出力として出力される。なお、このアーム５の変位および／または変形からテーブル３に加わった荷重を計算するには、例えば計算あるいは実測で求めた定数が必要である。
【００６４】
６つのアーム５のそれぞれに設けられた歪ゲージ８の検出によって、ＣＰＵ１３を介してテーブル３に加わる６軸の力成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを同時に検出することができる。歪ゲージ８は、アーム５において歪が最も大きく発生する箇所に設けることで、精度良く６軸の力を検出することができる。図１、図２では、アーム５に設ける歪ゲージ８を、テーブル３と対向する面側に設けた場合について示しているが、ベース２と対向する面側に設けても良いこととなる。
【００６５】
ここで、特許文献１の技術（従来技術）を用いた力覚センサを、本実施の形態の用語に対応させて説明する。従来技術を用いた力覚センサは、テーブルとロッドの一端が２自由度の軸受けにより接続され、ロッドの他端とベースが３自由度の軸受けにより接続された力覚センサであって、歪ゲージをロッドに設ける構造である。すなわち、ロッドの軸線方向の圧縮・引張力を検出するものとしている。このため、従来技術の力覚センサでは、アームの変位および／または変形を検出するものでない。
【００６６】
理論的には、従来技術の力覚センサのロッドには軸方向の圧縮・引張力のみが加わる。しかしながら、実際にはロッドが剛体ではないと、軸方向以外の変形（座屈）等を考慮した設計、つまり軸方向には弾性を持たせ、軸直径方向には剛性を持たせるという相反する条件を満たすことが必要となり、力覚センサを小型化した場合は、より設計が困難なものとなる。すなわち、ロッドに検出素子を設けている従来技術の力覚センサでは、精度良く、テーブルに加わった荷重を検出することができない。
【００６７】
これに対して、本実施の形態では、ロッド４を剛体とし、変位および／または変形を検出するアーム５を備えることで、ロッド４のベース２側端の位置検出として、ロッド４の圧縮・引張力を最も単純な平面変形に置き換えることができ、例えば力覚センサ１が小型化された場合であっても、そのテーブル３に加わった荷重を高精度で検出することができる。すなわち、テーブル３に全６方向から加えられた力成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを平面上で検出することができる。言い換えると、テーブル３に加えられた６方向の力成分であっても、単一方向の力が加えられた場合の検出と全く変わりなく行うことができる。
【００６８】
このように、本実施の形態における力覚センサ１は、複数の力（ベクトル量）を検出できる新規な構造を有するデバイスである。この新規な構造について以下に説明する。
【００６９】
本実施の形態の力覚センサ１とは異なり、構造体が変形して検出を行う力センサ（構造変形モード）では、ある大きさを持った構造体である限り、例えば、力センサの力を加える箇所（以下、テーブルという）にz軸方向の力成分Ｆｚを加えた時に、ｘ軸、y軸方向にも力成分Ｆｘ、Ｆｙが出てしまう（他軸感度）。また、z軸のモーメントを加えた上での出力特性などの非常に対処し難い、避けられない問題が生じ、さらに、特定な一カ所に６方向からの力を加えることも困難となる。
【００７０】
また、小型化を考慮した場合、力センサなどの構造体では、テーブルの大きさも縮小させることが考えられるが、テーブルの大きさが変形すると、テーブルから力が加わる箇所の構造自体の設計を見直さなければならない。また、力センサなどの構造体では、例えば、テーブルに力成分Ｍｚを加えた上で力成分Ｆｚを加えた時などの合成力が加わった場合、力成分Ｆｚ特性を検出することは困難となり、検出することができるとしても力センサの製造が困難であり、高額となってしまう。
【００７１】
しかしながら、本実施の形態では、アーム５に加わる一方向の力のみを検出すれば良いので、力覚センサ１のテーブル３を小さくしても、受感部であるアーム５も小さくすることができる。すなわち、小型化の力覚センサ１とした場合であっても、高精度に検出することができる。
【００７２】
また、力センサのような構造体と比較して本実施の形態における力覚センサ１は、歪ゲージ８からの配線などを任意の位置から取り出すことができる。これにより、例えば、力覚センサ１をロボットの腕などに設置できる大きさとした場合であっても、ベース２、テーブル３の軸の中央に配線を通すことができる。
【００７３】
また、力センサのような構造体においても高精度化、低コスト化、小型化の追求は、軸受けの構造の検討によるところが大きい。本実施の形態における力覚センサ１では、ロッド４を剛体とするため、構造変形モードの設計、解析に比べ容易となっている。
【００７４】
また、本実施の形態における力覚センサ１は、１つのロッド４と１つのアーム５とを含んで１つの連結部材（リンク）を形成し、６つ（複数）の連結部材（リンク）によってベース２とテーブル３とを連結している。このため、力覚センサ１は、６つのリンクを閉リンク構造にすることで、高剛性、高速駆動を実現することができる。
【００７５】
（実施の形態３）
本実施の形態では、前記実施の形態２におけるロッドに、リニアアクチュエータを設けた場合について説明する。なお、前記実施の形態２と重複する説明は省略する場合がある。
【００７６】
図１２に示すように、本実施の形態におけるセンサ１ａ（力覚センサ１ａ）では、ロッド４が軸方向に伸縮可能なリニアアクチュエータ４ａを有している。リニアアクチュエータ４ａは、例えば、サーボモータ、シリンダ、形状記憶合金、人工筋肉などからなり、ロッド４全体の長さを軸方向に伸縮することができる。よって、ロッド４内にリニアアクチュエータ４ａを設けることで、テーブル３面を自在に動かすことができる。
【００７７】
前記実施の形態１で説明したように、力覚センサ１ａでは、テーブル３に加わる力を検出するにあたり、ロッド４の長さは影響しない。すなわち、本実施の形態では全体の長さを軸方向に伸縮できるロッド４を設けた力覚センサ１ａについて示すが、理論的には、前記実施の形態１で示した力覚センサ１０１と同様である。ただし、テーブル３の力を検出する時、ロッド４は剛体でなければならない。すなわち、ロッド４自身の長さが変化しても、テーブル３の向きが変わるだけで、テーブル３に加わった力でロッド４は軸方向に伸縮するものではない。
【００７８】
力覚センサ１ａでは、ロッド４内にリニアアクチュエータ４ａを設けることで、そのリニアアクチュエータ４ａの伸縮によって移動されたテーブル３に加わる力の検出を行うことができる。前記実施の形態１で説明したように、ロッド４の長さはテーブル３に作用する力の検出に影響を与えないので、テーブル３の移動をロッド４の伸縮で行い、力検出をアーム５で行うことができるからである。
【００７９】
例えば、肘から手首までを有するロボットアームの場合、肘側にベース２、手首側にテーブル３、肘から手首までをリニアアクチュエータ４ａを備えたロッド４で構成することができる。これにより、手首に加わる力を可動させながら検出することができる。
【００８０】
（実施の形態４）
前記実施の形態２では、アームの変位および／または変形を歪ゲージ（検出素子）で検出する場合について説明したが、本実施の形態では、アームの変位および／または変形を磁気識別素子（検出素子）で検出する場合について説明する。なお、前記実施の形態２と重複する説明は省略する場合がある。
【００８１】
図４に示すように、磁気識別素子２０がアーム５の一端側であって、その下のベース２に埋め込まれている（設けられている）。なお、図４は本実施の形態における力覚センサを模式的に示す要部断面図であり、説明を容易にするため、一部のみにハッチングを付している。
【００８２】
この磁気識別素子２０は、２個１組の磁気抵抗素子２０ａと磁石２０ｂで構成されており、図５に示すように、基準電位（ＧＮＤ）に対して電源電圧（Ｖｃｃ）を印加しておき、磁気抵抗素子２０ａに加わる磁束の変化を出力電圧（Ｖｏｕｔ）として検出するものである。ここで、磁気抵抗素子２０ａは磁界の強さに比例して抵抗値が変化するものである。
【００８３】
アーム５は、テーブル３に加えられる定格荷重に耐えられる材質であれば良いが、本実施の形態では、アーム５は磁性体で形成されたものとしている。静的な磁界中に素子を２個おいて、その中で磁性体が動けば磁界が変化し、抵抗バランスが崩れる。このため、磁性体であるアーム５が変位（符号Ａで示している）すると、磁気抵抗素子２０ａに加わる磁束が変化するため、出力電圧（Ｖｏｕｔ）はアーム５の変位および／または変形として検出することができる。
【００８４】
本実施の形態では、磁気識別素子２０は、ロッド４の他端と接続されるアーム５の一端側であって、その下のベース２に設けられている。アーム５の他端側がベース２と固定されているので、アーム５に加わる力によって、アーム５の一端（先端）が最も変位するため、磁気識別素子２０をアーム５の一端側であって、その下のベース２に設けているのである。
【００８５】
また、図４に示すように、アーム５の一端が上下に移動するため、テーブル３に過負荷が加わった場合、アーム５がベース２（磁気識別素子２０）と接触することも考えられる。これを防止するために本実施の形態では、アーム５の一端側であって、ベース２と対向する面にストッパ２１を設けている。前述した力センサなどの構造体では、設計変更の自由度がないため困難であるが、本実施の形態における力覚センサでは、アーム５の一方向のみの変形を捉えれば良いので、そのアーム５に対して過負荷に対するストッパ構造を設ければ良い。
【００８６】
このようにロッド４を剛体として、変位および／または変形を検出する対象としてアーム５を備えることで、ロッド４の圧縮・引張力を最も単純な平面変形に置き換えることができるので、磁気識別素子２０を、アーム５の一端側であって、その下のベース２に設けても高性能にテーブル３に加わる荷重を検出することができる。
【００８７】
（実施の形態５）
前記実施の形態２では、アームの変位および／または変形を歪ゲージ（検出素子）で検出する場合について説明したが、本実施の形態では、ジンバル構造を用いてアームとベースとを一体成型し、そのアーム（ジンバル）の変位および／または変形を静電容量素子（検出素子）で検出する場合について説明する。なお、前記実施の形態２と重複する説明は省略する場合がある。
【００８８】
図６および図７に示すように、本実施の形態では、ジンバル構造として、アームであるジンバル５ａがベース２ａと一体成型されている。一体成型を説明するために、図６の平面図および図７の断面図では、ジンバル５ａとベース２ａとは同じハッチングを付している。
【００８９】
本実施の形態では、テーブル３の周方向に沿って設けられた６本のロッド４（図１および図２参照）のそれぞれにジンバル構造が採用されている。図６および図７では、１本のロッド４に対応させて示している。このロッド４の一端はテーブル３と接続され（図２参照）、ロッド４の他端は２自由度の軸受け７ａによりジンバル５ａと接続される（図７参照）こととなる。
【００９０】
このジンバル５ａには、対向する２つの板状の電極３０ａ、３０ｂからなる静電容量素子３０が設けられている。この静電容量素子３０は、ジンバル５ａの変位および／または変形を、静電容量の変化で検出する検出素子である。本実施の形態では、接続部３１を介してジンバル５ａに静電容量素子３０の一方の電極３０ａが設けられている。また、静電容量素子３０の他方の電極３０ｂは、ベース２ａにおいてテーブル３と対向する面とは反対面に固定して設けられた回路基板１０に設けられている。すなわち、ベース２ａに、静電容量素子３０の他方の電極３０ｂが設けられている。この静電容量素子３０の静電容量の変化を、ジンバル５ａの上下変位（例えば図７中の符号Ａで示す）に換算することができる。
【００９１】
本実施の形態における力覚センサにおいても、前記実施の形態２と同様にテーブル３に作用する力の大きさおよび／または方向をアームであるジンバル５ａの変位および／または変形によって検出するものである。ここで、本実施の形態では、静電容量素子３０を構成する電極３０ａは、剛体であるロッド４の他端に設けているが、弾性体であるジンバル５ａ（アーム）が変位することによって、ロッド４の他端と共に電極３０ａの位置が変位して静電容量素子３０の静電容量が変化する。すなわち、静電容量素子３０の静電容量の変化を、ジンバル５ａの変位として捉え、テーブル３に作用する力の大きさおよび／または方向として換算することができるのである。なお、ジンバル５ａの変位および／または変形を検出した静電容量素子３０（検出素子ＳＤ）の信号（検出値）は、回路基板１０に送られ、図３に示すような回路構成によって、処理される。
【００９２】
本実施の形態では、接続部３１を介して電極３０ａをジンバル５ａに設け、また、電極３０ａに対向する位置に電極３０ｂを設けて静電容量素子３０を構成している。これに限らず、接続部３１を介してではなく、電極３０ｂと対向する面側のジンバル５ａに電極３０ａを設けても良い。前述したように、静電容量素子３０の静電容量の変化を、ジンバル５ａの変位および／または変形として捉え、テーブル３に作用する力の大きさおよび／または方向として換算することができれば良いからである。
【００９３】
このようにロッド４を剛体として、変位および／または変形を検出する対象として弾性体のジンバル５ａ（アーム）を備えることで、ロッド４の圧縮・引張力を最も単純な平面変形に置き換えることができるので、本実施の形態における力覚センサは、高性能にテーブル３に加わる荷重を検出することができる。
【００９４】
また、本実施の形態では、アームをジンバル５ａとしてベース２ａと一体成型することによって、前記実施の形態２で示したような棒状のアーム５がベース２からテーブル３への高さ方向に延在していない。言い換えると、アームとなるジンバル５ａが、ベース２ａの平面方向に延在している。このため、前記実施の形態２で示したようなアーム５の高さ分を削ることができ、力覚センサをより小型化することができる。
【００９５】
（実施の形態６）
前記実施の形態１〜５では、ベクトル量を検出できる新規な構造を有するセンサとして、力覚センサに適用した場合について説明したが、本実施の形態では、運動センサに適用した場合について説明する。なお、前記実施の形態１〜５と重複する説明は省略する場合がある。
【００９６】
力覚センサは物体が受ける外力を検出する装置であり、運動センサは物体が受ける慣性力から加速度、角速度として検出する装置であり、共に力（外力、慣性力）を検出するものである。このため、本実施の形態における運動センサにおいても、前記実施の形態１〜５で説明した力を検出する新規な構造を、共通に用いることができる。
【００９７】
例えば、図１および図２を参照して説明すると、本実施の形態におけるセンサ１（運動センサ１）は、次の構造を備えている。まず、ベース２と、ベース２と対向して配置されたテーブル３と、ベース２とテーブル３とを連結するロッド４およびアーム５とを備えている。このテーブル３とロッド４の一端は、３自由度の軸受け６により接続されており、ロッド４の他端とアーム５の一端は、２自由度の軸受け７により接続されており、アーム５の他端とベース２は固定されている。さらに、運動センサ１は、可動部（テーブル３、ロッド４、および軸受け６、７）が受ける慣性力の大きさおよび／または方向をアーム５の変位および／または変形によって検出する歪ゲージ８（検出素子）と、歪ゲージ８の検出値から、可動部が受ける慣性力の大きさおよび／または方向を計算する演算部であるＣＰＵ１３（図３参照）を有している。
【００９８】
このような運動センサ１によるz軸方向の加速度ａｚを検出（計算）する場合について説明する。例えば、運動センサ１を固定された水平な台にベース２側で置いた時、センサ１は重力加速度を受ける。この時、運動センサ１内部では、各アーム５にテーブル３とロッド４と軸受け６、７の質量が係っており、全てのアーム５は、ベース２に近づく方向で同量に変位および／または変形（平面変形）する。変位量がz軸方向の力Ｆｚであるから、運動方程式ｍ・ａｚ＝Ｆｚにより、z軸方向の加速度ａｚを検出（計算）することができる。この加速度ａｚの計算は、例えば図３で示したＣＰＵ１３によって行うことができる。ここで、運動方程式中のｍは可動部（テーブル３、ロッド４、および軸受け６、７）の質量である。
【００９９】
また、運動センサ１によるz軸方向の角速度ωｚを検出（計算）する場合について説明する。水平方向に置かれた回転テーブルの中心にベース２側で運動センサ１を取り付け、その回転テーブルに回転運動を与えると、回転起動時にベース２とテーブル３との間に、ねじれが生じる。この時、隣り合う２つのアーム５において、一方のアーム５にはベース２に近づく方向の変位、もう一方のアーム５にはベース２から離れる方向の変位および／または変形（平面変形）が現れ、z軸回りの力のモーメントＭｚが検出できる。
【０１００】
この力のモーメントＭｚと慣性モーメントＩとの間には、Ｉ・ａｚ＝Ｍｚの関係が成り立つことから角加速度ａｚが計算できる。よって、微小時間ごとに角加速度ａｚを計算し積分することで、角速度ωｚを得ることができる。この角速度ωｚの計算は、例えば図３で示したＣＰＵ１３によって行うことができる。なお、慣性モーメントＩは、可動部（テーブル３、ロッド４、および軸受け６、７）を微小部分に分割した時、微小部分を質点とみなすことにより、ｉ番目の質点をｍｉ、可動部中心からの距離をｒｉとすると、Ｉ＝Σ（ｍｉ・ｒｉ２）である。
【０１０１】
ここで、特許文献１に記載のような従来技術のセンサを用いて、z軸回りの角速度を検出する場合について説明する。従来技術を用いたセンサは、テーブルとロッドの一端が２自由度の軸受けにより接続され、ロッドの他端とベースが３自由度の軸受けにより接続されたセンサであって、歪ゲージをロッドに設ける構造となる。すなわち、弾性体であるロッドの軸線方向の圧縮・引張力を検出するものとしている。
【０１０２】
回転テーブルの中心に従来技術のセンサを取り付け、z軸回りの角速度を検出しようとした時、ロッド自身の慣性質量のため弾性体のロッドでは、シナリが生じ、正確な力を検出することができないと考えられる。これに対して、本実施の形態における運動センサ１では、アーム５は、z軸方向のみ変位および／または変形（平面変形）を生じる機構であり、かつ、慣性質量による歪みの影響が非常に少ないため、高精度に慣性力を検出することができる。
【０１０３】
本実施の形態における運動センサ１では、ベース２、テーブル３、ロッド４、軸受け６、７を剛体とし、変位および／または変形を検出する対象としての弾性体をアーム５とすることによって、テーブル３、さらにはロッド４に加わる力の大きさおよび／または方向をアーム５で最も単純な平面変形として置き換えることができる。言い換えると、アーム５の変位および／または変形によって運動センサ１が受ける慣性力を検出し、加速度、角速度を検出することができる。
【０１０４】
運動センサ１では、１つのロッド４と、１つのアーム５とを含んで１つの連結部材を形成して、ベース２とテーブル３とを連結している。テーブル３の周方向に沿って連結部材が６本設けられ、連結部材が構成する仮想円錐面において全ての連結部材は、頂点を向かないよう配置されている。これにより、可動部（テーブル３、ロッド４、および軸受け６、７）が受ける慣性力の大きさおよび／または方向を、三次元空間の直交座標系の３軸方向の力成分と、その３軸回りのモーメント成分の計６成分として同時に検出することができる。
【０１０５】
したがって、本実施の形態の運動センサ１は、３軸方向の成分から３軸加速度を検出（計算）することができ、また、３軸回りのモーメント成分から３軸角速度を検出することができる６軸運動センサであるといえる。
【０１０６】
本実施の形態における運動センサ１では、演算部であるＣＰＵ１３が加速度を計算する処理、および角速度を計算する処理を含むものである。よって、運動センサ１は、例えばＣＰＵ１３によって加速度のみを検出すれば加速度センサとして、また、角速度のみを検出すれば角速度センサとして構成することもできる。
【０１０７】
なお、本実施の形態では、運動センサ１のベース２側で水平な台、あるいは回転テーブルの中心に運動センサ１を設けた場合について説明したが、運動センサ１のテーブル３側で設けても同様に加速度および角速度を検出することができる。
【０１０８】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【０１０９】
例えば、アームの変位および／または変形を検出する検出素子として、アームに圧電素子や、ベースに静電容量素子、光素子（例えばレーザ）などを設けても良い。また、アームを水晶で作製し、固有振動の変化を捉えることもできる。このように、アームの変位および／または変形の検出は、アームの歪、変化量などを例えば変換した電気信号から行うことができる。
【０１１０】
また、例えば、力覚センサや運動センサを設置部に設置する場合、その設置部をベースとみなして、その設置部上にアーム、軸受け、ロッド、テーブルなどを組み上げれば、ベース無しの構造の力覚センサや運動センサとすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１１】
本発明は、力覚センサ、運動センサおよびそれを用いたロボット分野に幅広く利用されるものである。
【符号の説明】
【０１１２】
１、１ａ センサ（力覚センサ、運動センサ）
２、２ａ ベース
３ テーブル
４ ロッド
４ａ リニアアクチュエータ
５ アーム
５ａ ジンバル（アーム）
６ 軸受け（第１軸受け）
７、７ａ 軸受け（第２軸受け）
８ 歪ゲージ（検出素子）
９ アーム取付台
１０ 回路基板
１１ アンプ
１２ Ａ／Ｄ変換器
１３ ＣＰＵ（演算部）
１４ メモリ
１５ Ｄ／Ａ変換器
２０ 磁気識別素子（検出素子）
２０ａ 磁気抵抗素子
２０ｂ 磁石
２１ ストッパ
２２ 磁気抵抗素子
２３ 磁石
３０ 静電容量素子（検出素子）
３０ａ、３０ｂ 電極
３１ 接続部
１０１ センサ（力覚センサ、運動センサ）
１０２ ベース
１０３ テーブル
１０３ａ 孔
１０４ 連結部
１０５ ベース
１０５ａ 孔
１０６ 軸受け（第１軸受け）
１０７ 軸受け（第２軸受け）
１０８ 静電容量素子（検出素子）
１１０ 回路基板
ＳＤ 検出素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサにおいて、特に、６軸力覚センサおよび６軸運動センサに適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
力覚センサは、力覚センサが有するトラベリングテーブル（物体）に作用する力（外力）を検出する装置であり、例えば、ロボットハンドにおいて人間の指先の触覚を実現するために用いられる。力覚センサには、三次元空間の直交座標系（ｘ軸、y軸、z軸）の３軸方向の力成分と、その３軸回りのモーメント成分の計６成分を同時に検出することができるものがある。このように、６成分を検出できる力覚センサは、６軸力覚センサとも呼ばれている。
【０００３】
特開平１０−２７４５７３号公報（特許文献１）には、トッププレートとボトムプレートとを複数のロッドで連結し、これらプレート相互の連結は一端側が２自由度のジョイントにより、他端側が３自由度のジョイントによる力覚センサが開示されている。そしてこの力覚センサのロッドにはロッド軸線方向の圧縮・引張力を検出できる検出素子が具備されている。
【０００４】
また、構造体が変形して力を検出する力センサ（構造変形モード）が、特開平９−３１８４６９号公報（特許文献２）に開示されている。例えば、歪ゲージと弾性体を組み合わせた型の６軸力センサは、力制御を行なうロボットにおける外力測定などの用途で広く用いられている。歪ゲージを取り付けた弾性体に力あるいはモーメントが作用して弾性体が変形すると、それに応じて各歪ゲージに応力が発生する。その結果生じる各歪ゲージの電気抵抗値の変化は、周知のブリッジ回路を介して電圧値として出力され、更に所定の計算処理回路あるいはソフトウェア処理によって６軸力に変換される。
【０００５】
また、特開平５−１４９８１１号公報（特許文献３）には、平板状の起歪体のＦＥＭ解析により設定された最適部位に貼付された複数の歪ゲージにより直交する３軸の力と、これら軸回りのモーメントを独立して検出する複数のブリッジ回路よりなる歪検出用回路を備えている６軸力覚センサが開示されている。
【０００６】
また、特開平９−１３１６９０号公報（特許文献４）には、複数のアクチュエータの協同により所定の可動板の位置・姿勢を制御する６軸荷重検出装置が開示されている。複数のアクチュエータの協同動作により可動板を所定の位置・姿勢に保持させることにより、予め決められた可動板上の所定の点に作用する６軸荷重を検出するものである。
【０００７】
また、特開２０００−１４８３８２号公報（特許文献５）には、ユーザに力覚を呈示伝達するための力覚呈示機構が、ユーザを接続するための操作機器と、その操作機器を装着するための運動プラットホームと、その運動プラットホームを支持する６つのリンクセットと、各リンクセットを独立して駆動する６つの駆動装置と、６つの位置センサとを備えた６軸のフォースフィードバックを有する力覚インタフェース装置が開示されている。
【０００８】
ところで、加速度センサは、質量を持つ物体の加速度を検出する装置であり、例えば、ロボットの姿勢制御や、自動車のエアバッグの衝突検知などに用いられる。また、角速度センサ（例えばジャイロセンサ）は、質量を持つ物体が回転する角速度を検出する装置であり、例えば、産業用ロボットや、自動車の横転検出などに用いられる。これら加速度センサおよび角速度センサは、物体に加えられた力（外力）を検出する力覚センサに対して、物体の動きから生じる慣性力から検出する装置（運動センサ）である。
【０００９】
ｘ軸、y軸、z軸方向の３軸加速度を検出するために、例えば、１軸加速度センサを用いる場合、３個の１軸加速度センサをそれぞれ直交する方向に配置する必要がある。また、ｘ軸、y軸、z軸の回転方向の３軸角速度を検出するために、例えば、１軸角速度センサを用いる場合も３個必要となる。このため、３軸加速度と３軸角速度を同時に検出する６軸運動センサが求められている。
【００１０】
なお、本願では、加速度センサおよび角速度センサの上位概念として運動センサを説明する。すなわち、運動センサは、加速度および／または角速度を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平１０−２７４５７３号公報
【特許文献２】特開平９−３１８４６９号公報
【特許文献３】特開平５−１４９８１１号公報
【特許文献４】特開平９−１３１６９０号公報
【特許文献５】特開２０００−１４８３８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
例えば、人間の指と同様の触覚を得るために、医療分野や日常生活分野用のロボットの指先に力覚センサを設けるような研究、開発が行われている。このような力覚センサには、小型化、高精度化が要求されている。また、加速度センサ、角速度センサなどの運動センサにおいても、産業用ロボットや、さらには民生機器などに設けられるために、小型化、高精度化が要求されている。
【００１３】
ところで、物体に係る力、加速度、角速度ともベクトル量であり、物体が受けた力を検出する力覚センサと、物体の動きを力から加速度、角速度として検出する運動センサとは、ベクトル量を検出する構造を共通とすることができると考えられる。したがって、多くのベクトル量の検出を同時に行うことができる新規な構造を用いれば、小型化、高精度化に対応した力覚センサ、運動センサを得ることも可能となる。
【００１４】
本発明の目的は、複数のベクトル量を検出するセンサを提供することにある。本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００１６】
ベースと、前記ベースに対して６自由度を有し、前記ベースと対向して配置されたテーブルと、前記テーブルと前記ベースとを連結する並列配置された６つの連結部と、を備えたセンサであって、前記連結部が、前記テーブルの可動を受ける３自由度を有する第１軸受けと、前記第１軸受けの可動を受ける２自由度を有する第２軸受けと、一端が前記第１軸受けと接続され、他端が前記第２軸受けと接続されたロッドと、一端が前記第２軸受けと接続され、他端が前記ベースと固定されたアームと、を含んで前記テーブルと前記ベースとを連結しており、前記アームの変位および／または変形を一方向で検出する検出素子を備えている。
【発明の効果】
【００１７】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すると、複数のベクトル量を検出するセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施の形態におけるセンサを模式的に示す上面図である。
【図２】図１のセンサを模式的に示す側面図である。
【図３】図１のセンサが有する回路の構成図である。
【図４】本発明の他の実施の形態におけるセンサを模式的に示す要部断面図である。
【図５】図４の磁気識別素子の原理を説明するための図である。
【図６】本発明の他の実施の形態におけるセンサを模式的に示す要部平面図である。
【図７】図６のＸ−Ｘ線におけるセンサを模式的に示す要部断面図である。
【図８】本発明の他の実施の形態におけるセンサを模式的に示す上面図である。
【図９】図８のセンサであってテーブルを除いて模式的に示す上面図である。
【図１０】図８のＹ−Ｙ線におけるセンサを模式的に示す断面図である。
【図１１】力を検出するための説明図である。
【図１２】本発明の他の実施の形態におけるセンサを模式的に示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
【００２０】
（実施の形態１）
本実施の形態では、ベクトル量を検出できる新規な構造を有するセンサとして力覚センサに適用した場合について説明する。本実施の形態におけるセンサ１０１（力覚センサ１０１）は、図８〜図１０に示すように、ベース１０２と、ベース１０２に対して６自由度を有し、ベース１０２と対向して配置されたトラベリングテーブル（以下、単にテーブルという）１０３と、テーブル１０３とベース１０２とを連結する並列配置された６つの連結部１０４とを備えている。この力覚センサ１０１は、テーブル１０３の６自由度により、三次元空間の直交座標系（ｘ軸、y軸、z軸）の３軸方向の力成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、その３軸回りのモーメント成分Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚの計６成分として、検出することができるものである。
【００２１】
連結部１０４は、テーブル１０３の可動を受ける３自由度を有する軸受け１０６と、軸受け１０６の可動を受ける２自由度を有する軸受け１０７と、ベース１０２に固定され、軸受け１０７の可動を受けるアーム１０５と、を含んでテーブル１０３とベース１０２とを連結している。軸受け１０６、１０７は、例えば鋼球を球面で保持し、３自由度または２自由度で可動できる球面軸受けである。
【００２２】
本実施の形態では、軸受け１０６および軸受け１０７とは、各軸受けの球が角度をもって、例えば溶接によって直接接続されている。すなわち、軸受け１０６、１０７は、物理的に大きさを持っているので、それらをある角度で直接接続している。理論的には、上下の軸受け１０６、１０７の中心がある距離と角度をもって接続されており、アーム１０５に力が伝達されていれば良い。このため、ベース１０２とテーブル１０３との間の距離を軸受け１０６、１０７によるものとでき、力覚センサ１０１は薄型化とすることができる。
【００２３】
このようにベース１０２とテーブル１０３との間の距離が短い場合、ベース１０２とテーブル１０３との間でアーム長さを確保することが困難となるが、本実施の形態では、アーム１０５をベース１０２平面と平行する面内に延在させている。
【００２４】
このようにテーブル１０３を複数の連結部１０４によって支持する構造は、パラレルリンク構造である。本実施の形態では、テーブル１０３の全方向（６軸方向）に動かそうとするため、連結部１０４を６本配置している。なお、テーブル１０３の平面上の点を移動するのであれば、最小２本の連結部１０４が必要である。
【００２５】
ここで、軸受け１０６が３自由度を有し、また軸受け１０７が２自由度を有することに関して説明する。ベース１０２とテーブル１０３とを連結部１０４（軸受け１０６、１０７、アーム１０５）ではなく、剛体のロッドのみで連結した場合を考える。この場合、テーブル１０３を例えばＭｚ全方向に動かそうとすると、ロッドは回転方向に倒れながら尚且つねじられることとなる。テーブル１０３からロッドの一点を見たとき、ロッドの回転方向の倒れは、テーブル１０３がその平面方向に動くことで生じる。このロッドの回転方向の倒れを逃がすために２自由度、かつ、ロッドのねじれを逃がすために、もう１自由度が必要となる。また、ベース１０２からロッドの一点を見たとき、ロッドのねじれは既に逃がされているので、ロッドの回転方向の倒れ分を考慮すれば２自由度となる。なお、ロッドを剛体ではなく弾性体とした場合、テーブル１０３は自由に可動できるが、ベース１０２には力が伝達されない。
【００２６】
このため、本実施の形態では、テーブル１０３と接続される軸受け１０６は３自由度を有するもの、また、ベース１０２と接続される軸受け１０７は２自由度を有するものを適用している。
【００２７】
テーブル１０３は円状の平面板を有してなり、例えば、腐食性、加工性に優れたステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）などの金属からなる剛体である。このテーブル１０３の外周側には、平面板を貫通する孔１０３ａが６つ形成されている。この孔１０３ａに嵌合するように球面軸受けである軸受け１０６が直接接続される。
【００２８】
また、ベース１０２は円状の平面板を有してなり、例えば、腐食性、加工性に優れたステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）などの金属からなる剛体である。このベース１０２の中心部では突起部が形成されており、その突起部からベース１０２の外周部側へ枝状に延在するアーム１０５が６つ形成されている。各アーム１０５は、ベース１０２と一体成型で形成された場合、腐食性、加工性に優れたステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）などの金属からなるが、枝状に延在するように形成しているため、ベース１０２の変化量に対して十分大きな変化量を有する弾性体となっている。
【００２９】
このように各アーム１０５はベース１０２が有する平面と平行して枝状に延在している。各アーム１０５は、先端部が中空体で形成されており、この中空体内に通じる孔１０５ａを有している。この孔１０５ａに嵌合するように球面軸受けである軸受け１０７が直接接続される。この軸受け１０７は、前述したように例えば溶接によって角度をもって軸受け１０６と直接接続されることとなる。
【００３０】
また、力覚センサ１０１は、弾性体であるアーム１０５の変位および／または変形を検出する検出素子として静電容量素子１０８を備えている。この静電容量素子１０８は、アーム１０５の先端部の下方であってベース１０２上に配置されるものであって、具体的には、ベース１０２側とアーム側１０５に一対の電極が配置されてなる。この一対の電極間の静電容量の変化を、アーム１０５の変位および／または変形として検出する。
【００３１】
また、力覚センサ１０１は、静電容量素子１０８の検出値から、テーブル１０３に作用する力の大きさおよび／または方向を計算する演算部（例えばＣＰＵ）を有する回路基板１１０を備えている。この回路基板１１０は、ベース１０２においてテーブル１０３と対向する平面上に配置されている。
【００３２】
この回路基板１１０には、図３に示すような回路構成によって、アーム１０５の変位および／または変形を検出した静電容量素子１０８（検出素子ＳＤ）からの信号（アナログ信号）をアンプ１１によって増幅した後、そのアナログ信号をＡ／Ｄ変換器１２でデジタル信号に変換し、ＣＰＵ１３によってテーブル１０３に加わった力（荷重）を、メモリ１４からの定数を用いて計算する。すなわち、演算部であるＣＰＵ１３は、静電容量素子１０８（検出素子ＳＤ）が検出した検出値から、テーブル１０３に作用する力の大きさおよび／または方向を計算する。
【００３３】
この計算結果は、ＣＰＵ１３からデジタル出力とし、またＤ／Ａ変換器１５を用いてアナログ出力として出力される。このアーム１０５の変位および／または変形からテーブル１０３に加わった荷重を計算するには、例えば計算あるいは実測で求めた定数が必要である。この定数を基と、６つのアーム１０５のそれぞれに設けられた静電容量素子１０８（検出素子ＳＤ）からの検出値によって、ＣＰＵ１３を介してテーブル１０３に加わる６軸の力成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを同時に検出することができる。
【００３４】
なお、本実施の形態では、テーブル１０３が荷重を受ける場合を示すが、ベース１０２が力（荷重）を受ける場合であっても良い。この場合、回路基板１１０が備えるＣＰＵ１３は、静電容量素子１０８の検出値から、ベース１０２に作用する力の大きさおよび／または方向を計算する。
【００３５】
このような力覚センサ１０１のテーブル１０３に対して、垂直方向の力成分Ｆｚが加わった場合について順を追って説明する。まず、力（Ｆｚ）によりテーブル１０３は−Ｚ方向に移動しようとする。テーブル１０３に３自由度の軸受け１０６が接続され、その軸受け１０６に２自由度の軸受け１０７が接続されているため、軸受け１０６の軸方向に力（Ｆｚ／６）が加わる。すなわち、力（Ｆｚ／６）がテーブル１０３と軸受け１０６の取り付け角度で合成されて、力（Ｆｚ）となっている。
【００３６】
次いで、軸受け１０６とアーム１０５の先端部は２自由度の軸受け１０７により接続され、アーム１０５の他端とベース１０２は固定されているため、アーム１０５に力（Ｆｚ／６）が加わり、アーム１０５が一方向に変形（平面変形）する。このように、弾性体であるアーム１０５に正確に力を発生させるためには、軸受け１０６および軸受け１０７に摺動抵抗が無く、ベース１０２、テーブル１０３が剛体でなければならない。
【００３７】
このように、テーブル１０３に加わる力の大きさおよび／または方向を、アーム１０５において最も単純な平面変形に置き換えることができるので、高精度の力を検出することができる。
【００３８】
ここで、本実施の形態における力覚センサ１０１において、軸受け１０６と軸受け１０７とを直接接続した場合であっても、テーブル１０３に作用する力の大きさ／または方向を検出することができることについて、図１１に示す部材の節点をピン接続したトラス構造を参照して説明する。なお、軸受け１０６が軸受けＢ１に置き換えられ、軸受け１０７が軸受けＢ２、Ｂ３に置き換えられている。
【００３９】
図１１では、三角形の各頂点に軸受けＢ１、Ｂ２、Ｂ３が配置されている。また、軸受けＢ１と軸受けＢ２とはロッドＲ１で接続されており、軸受けＢ１と軸受けＢ３とはロッドＲ２で接続されている。例えば、軸受けＢ１へ力Ｆｚが加わり釣り合っている時、各ロッドＲ１、Ｒ２には軸方向の力Ｔ１、Ｔ２のみが働き、軸受けＢ２には力Ｔ１の反力、軸受けＢ３には力Ｔ２の反力が働く。これら力Ｔ１、Ｔ２の大きさは、次式で決定される。
【００４０】
Ｔ１＝Ｆｚ／ｓｉｎθ１
Ｔ２＝Ｆｚ／ｓｉｎθ２
【００４１】
このことから、力Ｔ１、Ｔ２は、各θ１、θ２のみに左右され、ロッド長には影響を受けないことが分かる。よって、本実施の形態における力覚センサ１０１では、ロッドを設け無くとも、軸受け１０６と軸受け１０７同士を直接接続し、角度を持たせて配置したとしても、テーブル１０３に作用する力を検出することができる。このように、ロッドを設けず、軸受け１０６と軸受け１０７同士を直接接続した力覚センサ１０１では、薄型化や小型化することができる。
【００４２】
力覚センサ１０１のパラレルリンク構造では、テーブル１０３を動かそうとした時、テーブル１０３に複数本の軸（ロッド）が接続され、アーム１０５の長さを可変することによって駆動するものである。軸の両端にはテーブル１０３の回転を逃がす軸受け１０６、１０７が必要であるが、本実施の形態では、軸受け１０６、１０７が軸（ロッド）として兼用していることとなる。
【００４３】
力覚センサ１０１の剛性は、テーブル１０３の移動量となり、テーブル１０３に力が加わった時、力覚センサ１０１が変形してしまう量である。本実施の形態では、ベース１０２、テーブル１０３、軸受け１０６、１０７を剛体としており、アーム１０５を所定のばね係数をもった弾性体としている。このため、アーム１０５の変形する量でテーブル１０２の移動量が決定される。なお、アーム１０５の変形量よりは力覚センサ１０１の剛性への影響は小さいが、軸受け１０６、１０７同士の取り付け角度や軸（ロッド）の長さも影響する。
【００４４】
構造体が変形して、その変形を検出素子（例えば歪ゲージ）で検出を行う力センサ（構造変形モード）では、定格荷重２５０Ｎを加えたとき、２５μｍの変形とした場合、被接触物が剛体として、１０Ｎの制御をするためには、１μｍの位置制御をしなければならない。これでは、精度の高い力制御は困難である。
【００４５】
また、例えば特許文献５に記載のようなフォースフィードバックを有する力覚インタフェース装置のような力の出力構造で力を検出しようとした場合を考える。この構造では、テーブルに加わった力によりアクチュエータの移動量を駆動手段にフィードバックし、テーブルを所定の位置に戻すことで加わった力と均衡させるので、テーブルを動かせなくなってしまう。
【００４６】
そこで、本実施の形態では、アーム１０５を弾性体とし、その変位を変えることで、力覚センサ１０１の剛性を容易に変化させることができる。すなわち、精度（分解能）が高い優しい力（細かい力）の検出をすることができる。
【００４７】
（実施の形態２）
前記実施の形態１では、３自由度を有する軸受けと、２自由度を有する軸受けとを直接接続して薄型化、小型化できるセンサについて説明した。このように、軸受けを直接接続した構造では、力を受けるテーブルの可動範囲が小さい。そこで、本実施の形態では、３自由度を有する軸受けと２自由度を有する軸受けとの間にロッドを設けてテーブルの可動範囲を広くすることによって、より精度が高い優しい力の検出を行うことができるセンサについて説明する。なお、複数のベクトル量を検出するセンサとして、ロッドを設けたことによる構造の違いの他は前記実施の形態１と同様である。
【００４８】
本実施の形態では、ベクトル量を検出できる新規な構造を有するセンサとして力覚センサに適用した場合について説明する。図１および図２に示すように、本実施の形態におけるセンサ１（力覚センサ１）は、ベース２と、ベース２に対して６自由度を有し、ベース２と対向して配置されたトラベリングテーブル（以下、単にテーブルという）３と、テーブル３とベース２とを連結する並列配置された６つの連結部とを備えている。
【００４９】
この連結部は、テーブル３の可動を受ける３自由度を有する軸受け６と、軸受け６の可動を受ける２自由度を有する軸受け７と、ベース２に固定され、軸受け７の可動を受けるアーム５と、一端が軸受け６と接続され、他端が軸受け７と接続されたロッド４と、を含んでテーブル３とベース２とを連結している。
【００５０】
前記実施の形態１で説明したように、本実施の形態における力覚センサ１は、テーブル３に加わる力を検出するにあたり、ロッド４の長さは影響しない。すなわち、本実施の形態ではロッド４を設けた力覚センサ１について示すが、理論的には、前記実施の形態１で示した力覚センサ１０１と同様である。
【００５１】
このように本実施の形態の力覚センサ１は、連結部にベース２とテーブル３とを連結する棒状のロッド４およびアーム５を備えている。テーブル３を複数の連結部によって支持する構造は、パラレルリンク構造である。なお、ベース２とテーブル３は、例えば図に示すように平板体で形成されており、互いに平行して配置されている。
【００５２】
力覚センサ１は、テーブル３に作用する力（荷重）の大きさおよび／または方向を、三次元空間の直交座標系（ｘ軸、y軸、z軸）の３軸方向の力成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、その３軸回りのモーメント成分Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚの計６成分として、検出することができるものである。なお、本実施の形態では、テーブル３が荷重を受ける場合を示すが、ベース２が荷重を受ける場合であっても良い。
【００５３】
力覚センサ１では、１つのロッド４と、１つのアーム５とを含んで、１つの連結部材を形成して、ベース２とテーブル３とを連結している。テーブル３の周方向に沿って連結部材が６本設けられ、２本ずつで並設されている。すなわち、ロッド４がテーブル３の周囲に沿って６本設けられ、２本ずつで並設されている。これにより、テーブル３に作用する力（荷重）の大きさおよび／または方向を、三次元空間の直交座標系の３軸方向の力成分と、その３軸回りのモーメント成分の計６成分として同時に検出することができる。
【００５４】
これらベース２、テーブル３、ロッド４、軸受け６、軸受け７のそれぞれの材質は、テーブル３へ加わる定格荷重に耐えられる剛体であり、アーム５は弾性体である。例えば、ベース２、テーブル３、ロッド４は、例えば、腐食性、加工性に優れたステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）などの金属からなる剛体である。また、アーム５は、例えば、一般にばね材として用いられるリン青銅などの金属からなる弾性体である。なお、テーブル３への荷重が１０Ｎ以下の低荷重であれば、金属ではなく、樹脂（ポリアセタールなど）で構成することもできる。
【００５５】
このように、ベース２、テーブル３、ロッド４は、剛体という前提であるが、測定荷重精度に対して影響を与えない剛性をもっていれば良く、すなわちアーム５の変形量に対して変形量が十分に小されば良い。アーム５は、変形する部分を細く、薄くしてばね係数を決定し、塑性変形が起こらない荷重範囲とすれば良い。なお、後述の実施の形態４では、塑性変形が起こらない荷重範囲内において、アーム５を磁性体で形成した場合について説明する。
【００５６】
テーブル３とロッド４の一端は、３自由度の軸受け６により接続されており、ロッド４の他端とアーム５の一端は、２自由度の軸受け７により接続されており、さらに、アーム５の他端とベース２は、固定されている。
【００５７】
本実施の形態では、アーム５の他端とベース２とは、アーム取付台９を介して固定されている場合を示すが、アーム５の他端とベース２とを直接固定しても良く、例えば、溶接、ボルト止め、ベース２とアーム５とを一体成型することができる。なお、剛体のベース２と弾性体のアーム５との一体成型は、ベース２の厚さに対してアーム５となる部分を薄くすれば、その部分が特定荷重内で弾性を持つことができるので、生産時の一体化によって成形される。
【００５８】
このような力覚センサ１のテーブル３に対して、垂直方向の力成分Ｆｚが加わった場合について順を追って説明する。まず、力（Ｆｚ）によりテーブル３は−Ｚ方向に移動しようとする。テーブル３とロッド４の一端は３自由度の軸受け６により接続され、ロッド４の他端とアーム５の一端は２自由度の軸受け７により接続されているため、６本の各ロッド４の軸方向に力（Ｆｚ／６）が加わる。すなわち、力（Ｆｚ／６）がテーブル３とロッド４の取り付け角度で合成されて、力（Ｆｚ）となっている。
【００５９】
次いで、ロッド４の他端とアーム５の一端は２自由度の軸受け７により接続され、アーム５の他端とベース２は固定されているため、ロッド４からそれと接続されているアーム５に力（Ｆｚ／６）が加わり、アーム５が一方向に変形（平面変形）する。
【００６０】
ここで、アーム５に正確に力を発生させるためには、テーブル３とロッド４とを接続する軸受け６、ロッド４とアーム５とを接続する軸受け７に、摺動抵抗が無く、テーブル３、ロッド４が剛体でなければならない。このため、ロッド４の一端側とテーブル３とは３自由度の軸受け６により接続し、ロッド４の他端側とベース２とは２自由度の軸受け７により接続している。
【００６１】
このようにロッド４を剛体として、変位および／または変形を検出する対象としてアーム５を備えることで、テーブル３に加わる力の大きさおよび／または方向を、アーム５において最も単純な平面変形に置き換えることができる。これにより、特許文献１の技術のように、例えばロッドに歪ゲージを設けるような力覚センサよりも、更なる高性能化ができる。
【００６２】
力覚センサ１は、回路基板１０を有しており、図２に示すように、ベース２においてテーブル３と対向する面とは反対面（裏面）に回路基板１０が設けられている。この回路基板１０には、図３に示すような回路構成によって、アーム５の変位および／または変形を検出した歪ゲージ８（検出素子ＳＤ）からの信号（アナログ信号）をアンプ１１によって増幅した後、そのアナログ信号をＡ／Ｄ変換器１２でデジタル信号に変換し、ＣＰＵ１３によってテーブル３に加わった荷重を、メモリ１４からの定数を用いて計算する。すなわち、演算部であるＣＰＵ１３は、歪ゲージ８が検出した検出値から、テーブル３に作用する力の大きさおよび／または方向を計算する。
【００６３】
この計算結果は、ＣＰＵ１３からデジタル出力とし、またＤ／Ａ変換器１５を用いてアナログ出力として出力される。なお、このアーム５の変位および／または変形からテーブル３に加わった荷重を計算するには、例えば計算あるいは実測で求めた定数が必要である。
【００６４】
６つのアーム５のそれぞれに設けられた歪ゲージ８の検出によって、ＣＰＵ１３を介してテーブル３に加わる６軸の力成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを同時に検出することができる。歪ゲージ８は、アーム５において歪が最も大きく発生する箇所に設けることで、精度良く６軸の力を検出することができる。図１、図２では、アーム５に設ける歪ゲージ８を、テーブル３と対向する面側に設けた場合について示しているが、ベース２と対向する面側に設けても良いこととなる。
【００６５】
ここで、特許文献１の技術（従来技術）を用いた力覚センサを、本実施の形態の用語に対応させて説明する。従来技術を用いた力覚センサは、テーブルとロッドの一端が２自由度の軸受けにより接続され、ロッドの他端とベースが３自由度の軸受けにより接続された力覚センサであって、歪ゲージをロッドに設ける構造である。すなわち、ロッドの軸線方向の圧縮・引張力を検出するものとしている。このため、従来技術の力覚センサでは、アームの変位および／または変形を検出するものでない。
【００６６】
理論的には、従来技術の力覚センサのロッドには軸方向の圧縮・引張力のみが加わる。しかしながら、実際にはロッドが剛体ではないと、軸方向以外の変形（座屈）等を考慮した設計、つまり軸方向には弾性を持たせ、軸直径方向には剛性を持たせるという相反する条件を満たすことが必要となり、力覚センサを小型化した場合は、より設計が困難なものとなる。すなわち、ロッドに検出素子を設けている従来技術の力覚センサでは、精度良く、テーブルに加わった荷重を検出することができない。
【００６７】
これに対して、本実施の形態では、ロッド４を剛体とし、変位および／または変形を検出するアーム５を備えることで、ロッド４のベース２側端の位置検出として、ロッド４の圧縮・引張力を最も単純な平面変形に置き換えることができ、例えば力覚センサ１が小型化された場合であっても、そのテーブル３に加わった荷重を高精度で検出することができる。すなわち、テーブル３に全６方向から加えられた力成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを平面上で検出することができる。言い換えると、テーブル３に加えられた６方向の力成分であっても、単一方向の力が加えられた場合の検出と全く変わりなく行うことができる。
【００６８】
このように、本実施の形態における力覚センサ１は、複数の力（ベクトル量）を検出できる新規な構造を有するデバイスである。この新規な構造について以下に説明する。
【００６９】
本実施の形態の力覚センサ１とは異なり、構造体が変形して検出を行う力センサ（構造変形モード）では、ある大きさを持った構造体である限り、例えば、力センサの力を加える箇所（以下、テーブルという）にz軸方向の力成分Ｆｚを加えた時に、ｘ軸、y軸方向にも力成分Ｆｘ、Ｆｙが出てしまう（他軸感度）。また、z軸のモーメントを加えた上での出力特性などの非常に対処し難い、避けられない問題が生じ、さらに、特定な一カ所に６方向からの力を加えることも困難となる。
【００７０】
また、小型化を考慮した場合、力センサなどの構造体では、テーブルの大きさも縮小させることが考えられるが、テーブルの大きさが変形すると、テーブルから力が加わる箇所の構造自体の設計を見直さなければならない。また、力センサなどの構造体では、例えば、テーブルに力成分Ｍｚを加えた上で力成分Ｆｚを加えた時などの合成力が加わった場合、力成分Ｆｚ特性を検出することは困難となり、検出することができるとしても力センサの製造が困難であり、高額となってしまう。
【００７１】
しかしながら、本実施の形態では、アーム５に加わる一方向の力のみを検出すれば良いので、力覚センサ１のテーブル３を小さくしても、受感部であるアーム５も小さくすることができる。すなわち、小型化の力覚センサ１とした場合であっても、高精度に検出することができる。
【００７２】
また、力センサのような構造体と比較して本実施の形態における力覚センサ１は、歪ゲージ８からの配線などを任意の位置から取り出すことができる。これにより、例えば、力覚センサ１をロボットの腕などに設置できる大きさとした場合であっても、ベース２、テーブル３の軸の中央に配線を通すことができる。
【００７３】
また、力センサのような構造体においても高精度化、低コスト化、小型化の追求は、軸受けの構造の検討によるところが大きい。本実施の形態における力覚センサ１では、ロッド４を剛体とするため、構造変形モードの設計、解析に比べ容易となっている。
【００７４】
また、本実施の形態における力覚センサ１は、１つのロッド４と１つのアーム５とを含んで１つの連結部材（リンク）を形成し、６つ（複数）の連結部材（リンク）によってベース２とテーブル３とを連結している。このため、力覚センサ１は、６つのリンクを閉リンク構造にすることで、高剛性、高速駆動を実現することができる。
【００７５】
（実施の形態３）
本実施の形態では、前記実施の形態２におけるロッドに、リニアアクチュエータを設けた場合について説明する。なお、前記実施の形態２と重複する説明は省略する場合がある。
【００７６】
図１２に示すように、本実施の形態におけるセンサ１ａ（力覚センサ１ａ）では、ロッド４が軸方向に伸縮可能なリニアアクチュエータ４ａを有している。リニアアクチュエータ４ａは、例えば、サーボモータ、シリンダ、形状記憶合金、人工筋肉などからなり、ロッド４全体の長さを軸方向に伸縮することができる。よって、ロッド４内にリニアアクチュエータ４ａを設けることで、テーブル３面を自在に動かすことができる。
【００７７】
前記実施の形態１で説明したように、力覚センサ１ａでは、テーブル３に加わる力を検出するにあたり、ロッド４の長さは影響しない。すなわち、本実施の形態では全体の長さを軸方向に伸縮できるロッド４を設けた力覚センサ１ａについて示すが、理論的には、前記実施の形態１で示した力覚センサ１０１と同様である。ただし、テーブル３の力を検出する時、ロッド４は剛体でなければならない。すなわち、ロッド４自身の長さが変化しても、テーブル３の向きが変わるだけで、テーブル３に加わった力でロッド４は軸方向に伸縮するものではない。
【００７８】
力覚センサ１ａでは、ロッド４内にリニアアクチュエータ４ａを設けることで、そのリニアアクチュエータ４ａの伸縮によって移動されたテーブル３に加わる力の検出を行うことができる。前記実施の形態１で説明したように、ロッド４の長さはテーブル３に作用する力の検出に影響を与えないので、テーブル３の移動をロッド４の伸縮で行い、力検出をアーム５で行うことができるからである。
【００７９】
例えば、肘から手首までを有するロボットアームの場合、肘側にベース２、手首側にテーブル３、肘から手首までをリニアアクチュエータ４ａを備えたロッド４で構成することができる。これにより、手首に加わる力を可動させながら検出することができる。
【００８０】
（実施の形態４）
前記実施の形態２では、アームの変位および／または変形を歪ゲージ（検出素子）で検出する場合について説明したが、本実施の形態では、アームの変位および／または変形を磁気識別素子（検出素子）で検出する場合について説明する。なお、前記実施の形態２と重複する説明は省略する場合がある。
【００８１】
図４に示すように、磁気識別素子２０がアーム５の一端側であって、その下のベース２に埋め込まれている（設けられている）。なお、図４は本実施の形態における力覚センサを模式的に示す要部断面図であり、説明を容易にするため、一部のみにハッチングを付している。
【００８２】
この磁気識別素子２０は、２個１組の磁気抵抗素子２０ａと磁石２０ｂで構成されており、図５に示すように、基準電位（ＧＮＤ）に対して電源電圧（Ｖｃｃ）を印加しておき、磁気抵抗素子２０ａに加わる磁束の変化を出力電圧（Ｖｏｕｔ）として検出するものである。ここで、磁気抵抗素子２０ａは磁界の強さに比例して抵抗値が変化するものである。
【００８３】
アーム５は、テーブル３に加えられる定格荷重に耐えられる材質であれば良いが、本実施の形態では、アーム５は磁性体で形成されたものとしている。静的な磁界中に素子を２個おいて、その中で磁性体が動けば磁界が変化し、抵抗バランスが崩れる。このため、磁性体であるアーム５が変位（符号Ａで示している）すると、磁気抵抗素子２０ａに加わる磁束が変化するため、出力電圧（Ｖｏｕｔ）はアーム５の変位および／または変形として検出することができる。
【００８４】
本実施の形態では、磁気識別素子２０は、ロッド４の他端と接続されるアーム５の一端側であって、その下のベース２に設けられている。アーム５の他端側がベース２と固定されているので、アーム５に加わる力によって、アーム５の一端（先端）が最も変位するため、磁気識別素子２０をアーム５の一端側であって、その下のベース２に設けているのである。
【００８５】
また、図４に示すように、アーム５の一端が上下に移動するため、テーブル３に過負荷が加わった場合、アーム５がベース２（磁気識別素子２０）と接触することも考えられる。これを防止するために本実施の形態では、アーム５の一端側であって、ベース２と対向する面にストッパ２１を設けている。前述した力センサなどの構造体では、設計変更の自由度がないため困難であるが、本実施の形態における力覚センサでは、アーム５の一方向のみの変形を捉えれば良いので、そのアーム５に対して過負荷に対するストッパ構造を設ければ良い。
【００８６】
このようにロッド４を剛体として、変位および／または変形を検出する対象としてアーム５を備えることで、ロッド４の圧縮・引張力を最も単純な平面変形に置き換えることができるので、磁気識別素子２０を、アーム５の一端側であって、その下のベース２に設けても高性能にテーブル３に加わる荷重を検出することができる。
【００８７】
（実施の形態５）
前記実施の形態２では、アームの変位および／または変形を歪ゲージ（検出素子）で検出する場合について説明したが、本実施の形態では、ジンバル構造を用いてアームとベースとを一体成型し、そのアーム（ジンバル）の変位および／または変形を静電容量素子（検出素子）で検出する場合について説明する。なお、前記実施の形態２と重複する説明は省略する場合がある。
【００８８】
図６および図７に示すように、本実施の形態では、ジンバル構造として、アームであるジンバル５ａがベース２ａと一体成型されている。一体成型を説明するために、図６の平面図および図７の断面図では、ジンバル５ａとベース２ａとは同じハッチングを付している。
【００８９】
本実施の形態では、テーブル３の周方向に沿って設けられた６本のロッド４（図１および図２参照）のそれぞれにジンバル構造が採用されている。図６および図７では、１本のロッド４に対応させて示している。このロッド４の一端はテーブル３と接続され（図２参照）、ロッド４の他端は２自由度の軸受け７ａによりジンバル５ａと接続される（図７参照）こととなる。
【００９０】
このジンバル５ａには、対向する２つの板状の電極３０ａ、３０ｂからなる静電容量素子３０が設けられている。この静電容量素子３０は、ジンバル５ａの変位および／または変形を、静電容量の変化で検出する検出素子である。本実施の形態では、接続部３１を介してジンバル５ａに静電容量素子３０の一方の電極３０ａが設けられている。また、静電容量素子３０の他方の電極３０ｂは、ベース２ａにおいてテーブル３と対向する面とは反対面に固定して設けられた回路基板１０に設けられている。すなわち、ベース２ａに、静電容量素子３０の他方の電極３０ｂが設けられている。この静電容量素子３０の静電容量の変化を、ジンバル５ａの上下変位（例えば図７中の符号Ａで示す）に換算することができる。
【００９１】
本実施の形態における力覚センサにおいても、前記実施の形態２と同様にテーブル３に作用する力の大きさおよび／または方向をアームであるジンバル５ａの変位および／または変形によって検出するものである。ここで、本実施の形態では、静電容量素子３０を構成する電極３０ａは、剛体であるロッド４の他端に設けているが、弾性体であるジンバル５ａ（アーム）が変位することによって、ロッド４の他端と共に電極３０ａの位置が変位して静電容量素子３０の静電容量が変化する。すなわち、静電容量素子３０の静電容量の変化を、ジンバル５ａの変位として捉え、テーブル３に作用する力の大きさおよび／または方向として換算することができるのである。なお、ジンバル５ａの変位および／または変形を検出した静電容量素子３０（検出素子ＳＤ）の信号（検出値）は、回路基板１０に送られ、図３に示すような回路構成によって、処理される。
【００９２】
本実施の形態では、接続部３１を介して電極３０ａをジンバル５ａに設け、また、電極３０ａに対向する位置に電極３０ｂを設けて静電容量素子３０を構成している。これに限らず、接続部３１を介してではなく、電極３０ｂと対向する面側のジンバル５ａに電極３０ａを設けても良い。前述したように、静電容量素子３０の静電容量の変化を、ジンバル５ａの変位および／または変形として捉え、テーブル３に作用する力の大きさおよび／または方向として換算することができれば良いからである。
【００９３】
このようにロッド４を剛体として、変位および／または変形を検出する対象として弾性体のジンバル５ａ（アーム）を備えることで、ロッド４の圧縮・引張力を最も単純な平面変形に置き換えることができるので、本実施の形態における力覚センサは、高性能にテーブル３に加わる荷重を検出することができる。
【００９４】
また、本実施の形態では、アームをジンバル５ａとしてベース２ａと一体成型することによって、前記実施の形態２で示したような棒状のアーム５がベース２からテーブル３への高さ方向に延在していない。言い換えると、アームとなるジンバル５ａが、ベース２ａの平面方向に延在している。このため、前記実施の形態２で示したようなアーム５の高さ分を削ることができ、力覚センサをより小型化することができる。
【００９５】
（実施の形態６）
前記実施の形態１〜５では、ベクトル量を検出できる新規な構造を有するセンサとして、力覚センサに適用した場合について説明したが、本実施の形態では、運動センサに適用した場合について説明する。なお、前記実施の形態１〜５と重複する説明は省略する場合がある。
【００９６】
力覚センサは物体が受ける外力を検出する装置であり、運動センサは物体が受ける慣性力から加速度、角速度として検出する装置であり、共に力（外力、慣性力）を検出するものである。このため、本実施の形態における運動センサにおいても、前記実施の形態１〜５で説明した力を検出する新規な構造を、共通に用いることができる。
【００９７】
例えば、図１および図２を参照して説明すると、本実施の形態におけるセンサ１（運動センサ１）は、次の構造を備えている。まず、ベース２と、ベース２と対向して配置されたテーブル３と、ベース２とテーブル３とを連結するロッド４およびアーム５とを備えている。このテーブル３とロッド４の一端は、３自由度の軸受け６により接続されており、ロッド４の他端とアーム５の一端は、２自由度の軸受け７により接続されており、アーム５の他端とベース２は固定されている。さらに、運動センサ１は、可動部（テーブル３、ロッド４、および軸受け６、７）が受ける慣性力の大きさおよび／または方向をアーム５の変位および／または変形によって検出する歪ゲージ８（検出素子）と、歪ゲージ８の検出値から、可動部が受ける慣性力の大きさおよび／または方向を計算する演算部であるＣＰＵ１３（図３参照）を有している。
【００９８】
このような運動センサ１によるz軸方向の加速度ａｚを検出（計算）する場合について説明する。例えば、運動センサ１を固定された水平な台にベース２側で置いた時、センサ１は重力加速度を受ける。この時、運動センサ１内部では、各アーム５にテーブル３とロッド４と軸受け６、７の質量が係っており、全てのアーム５は、ベース２に近づく方向で同量に変位および／または変形（平面変形）する。変位量がz軸方向の力Ｆｚであるから、運動方程式ｍ・ａｚ＝Ｆｚにより、z軸方向の加速度ａｚを検出（計算）することができる。この加速度ａｚの計算は、例えば図３で示したＣＰＵ１３によって行うことができる。ここで、運動方程式中のｍは可動部（テーブル３、ロッド４、および軸受け６、７）の質量である。
【００９９】
また、運動センサ１によるz軸方向の角速度ωｚを検出（計算）する場合について説明する。水平方向に置かれた回転テーブルの中心にベース２側で運動センサ１を取り付け、その回転テーブルに回転運動を与えると、回転起動時にベース２とテーブル３との間に、ねじれが生じる。この時、隣り合う２つのアーム５において、一方のアーム５にはベース２に近づく方向の変位、もう一方のアーム５にはベース２から離れる方向の変位および／または変形（平面変形）が現れ、z軸回りの力のモーメントＭｚが検出できる。
【０１００】
この力のモーメントＭｚと慣性モーメントＩとの間には、Ｉ・ａｚ＝Ｍｚの関係が成り立つことから角加速度ａｚが計算できる。よって、微小時間ごとに角加速度ａｚを計算し積分することで、角速度ωｚを得ることができる。この角速度ωｚの計算は、例えば図３で示したＣＰＵ１３によって行うことができる。なお、慣性モーメントＩは、可動部（テーブル３、ロッド４、および軸受け６、７）を微小部分に分割した時、微小部分を質点とみなすことにより、ｉ番目の質点をｍｉ、可動部中心からの距離をｒｉとすると、Ｉ＝Σ（ｍｉ・ｒｉ２）である。
【０１０１】
ここで、特許文献１に記載のような従来技術のセンサを用いて、z軸回りの角速度を検出する場合について説明する。従来技術を用いたセンサは、テーブルとロッドの一端が２自由度の軸受けにより接続され、ロッドの他端とベースが３自由度の軸受けにより接続されたセンサであって、歪ゲージをロッドに設ける構造となる。すなわち、弾性体であるロッドの軸線方向の圧縮・引張力を検出するものとしている。
【０１０２】
回転テーブルの中心に従来技術のセンサを取り付け、z軸回りの角速度を検出しようとした時、ロッド自身の慣性質量のため弾性体のロッドでは、シナリが生じ、正確な力を検出することができないと考えられる。これに対して、本実施の形態における運動センサ１では、アーム５は、z軸方向のみ変位および／または変形（平面変形）を生じる機構であり、かつ、慣性質量による歪みの影響が非常に少ないため、高精度に慣性力を検出することができる。
【０１０３】
本実施の形態における運動センサ１では、ベース２、テーブル３、ロッド４、軸受け６、７を剛体とし、変位および／または変形を検出する対象としての弾性体をアーム５とすることによって、テーブル３、さらにはロッド４に加わる力の大きさおよび／または方向をアーム５で最も単純な平面変形として置き換えることができる。言い換えると、アーム５の変位および／または変形によって運動センサ１が受ける慣性力を検出し、加速度、角速度を検出することができる。
【０１０４】
運動センサ１では、１つのロッド４と、１つのアーム５とを含んで１つの連結部材を形成して、ベース２とテーブル３とを連結している。テーブル３の周方向に沿って連結部材が６本設けられ、連結部材が構成する仮想円錐面において全ての連結部材は、頂点を向かないよう配置されている。これにより、可動部（テーブル３、ロッド４、および軸受け６、７）が受ける慣性力の大きさおよび／または方向を、三次元空間の直交座標系の３軸方向の力成分と、その３軸回りのモーメント成分の計６成分として同時に検出することができる。
【０１０５】
したがって、本実施の形態の運動センサ１は、３軸方向の成分から３軸加速度を検出（計算）することができ、また、３軸回りのモーメント成分から３軸角速度を検出することができる６軸運動センサであるといえる。
【０１０６】
本実施の形態における運動センサ１では、演算部であるＣＰＵ１３が加速度を計算する処理、および角速度を計算する処理を含むものである。よって、運動センサ１は、例えばＣＰＵ１３によって加速度のみを検出すれば加速度センサとして、また、角速度のみを検出すれば角速度センサとして構成することもできる。
【０１０７】
なお、本実施の形態では、運動センサ１のベース２側で水平な台、あるいは回転テーブルの中心に運動センサ１を設けた場合について説明したが、運動センサ１のテーブル３側で設けても同様に加速度および角速度を検出することができる。
【０１０８】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【０１０９】
例えば、アームの変位および／または変形を検出する検出素子として、アームに圧電素子や、ベースに静電容量素子、光素子（例えばレーザ）などを設けても良い。また、アームを水晶で作製し、固有振動の変化を捉えることもできる。このように、アームの変位および／または変形の検出は、アームの歪、変化量などを例えば変換した電気信号から行うことができる。
【０１１０】
また、例えば、力覚センサや運動センサを設置部に設置する場合、その設置部をベースとみなして、その設置部上にアーム、軸受け、ロッド、テーブルなどを組み上げれば、ベース無しの構造の力覚センサや運動センサとすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１１】
本発明は、力覚センサ、運動センサおよびそれを用いたロボット分野に幅広く利用されるものである。
【符号の説明】
【０１１２】
１、１ａ センサ（力覚センサ、運動センサ）
２、２ａ ベース
３ テーブル
４ ロッド
４ａ リニアアクチュエータ
５ アーム
５ａ ジンバル（アーム）
６ 軸受け（第１軸受け）
７、７ａ 軸受け（第２軸受け）
８ 歪ゲージ（検出素子）
９ アーム取付台
１０ 回路基板
１１ アンプ
１２ Ａ／Ｄ変換器
１３ ＣＰＵ（演算部）
１４ メモリ
１５ Ｄ／Ａ変換器
２０ 磁気識別素子（検出素子）
２０ａ 磁気抵抗素子
２０ｂ 磁石
２１ ストッパ
２２ 磁気抵抗素子
２３ 磁石
３０ 静電容量素子（検出素子）
３０ａ、３０ｂ 電極
３１ 接続部
１０１ センサ（力覚センサ、運動センサ）
１０２ ベース
１０３ テーブル
１０３ａ 孔
１０４ 連結部
１０５ ベース
１０５ａ 孔
１０６ 軸受け（第１軸受け）
１０７ 軸受け（第２軸受け）
１０８ 静電容量素子（検出素子）
１１０ 回路基板
ＳＤ 検出素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースと、
前記ベースに対して６自由度を有し、前記ベースと対向して配置されたテーブルと、
前記テーブルと前記ベースとを連結する並列配置された６つの連結部と、
を備えたセンサであって、
前記連結部が、前記テーブルの可動を受ける３自由度を有する第１軸受けと、前記第１軸受けの可動を受ける２自由度を有する第２軸受けと、一端が前記第１軸受けと接続され、他端が前記第２軸受けと接続されたロッドと、一端が前記第２軸受けと接続され、他端が前記ベースと固定されたアームと、を含んで前記テーブルと前記ベースとを連結しており、
前記アームの変位および／または変形を一方向で検出する検出素子を備えていることを特徴とするセンサ。
【請求項２】
前記検出素子の検出値から、前記テーブルもしくは前記ベースに作用する力の大きさおよび／または方向を計算する演算部を備えていることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
【請求項３】
前記検出素子の検出値から、前記テーブルもしくは前記ベースが受ける慣性力の大きさおよび／または方向を計算する演算部を備えていることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
【請求項４】
前記検出素子は、前記ベースに設けられており、前記アームの変位および／または変形を一方向で検出することを特徴とする請求項１、２または３記載のセンサ。
【請求項５】
前記アームは、塑性変形が起こらないものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項６】
前記ベース、前記テーブルおよび前記ロッドの変形量は、前記アームの変形量に対して小さいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項７】
前記ベース、前記テーブルおよび前記ロッドは、剛体であり、
前記アームは、弾性体であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項１】
ベースと、
前記ベースに対して６自由度を有し、前記ベースと対向して配置されたテーブルと、
前記テーブルと前記ベースとを連結する並列配置された６つの連結部と、
を備えたセンサであって、
前記連結部が、前記テーブルの可動を受ける３自由度を有する第１軸受けと、前記第１軸受けの可動を受ける２自由度を有する第２軸受けと、一端が前記第１軸受けと接続され、他端が前記第２軸受けと接続されたロッドと、一端が前記第２軸受けと接続され、他端が前記ベースと固定されたアームと、を含んで前記テーブルと前記ベースとを連結しており、
前記アームの変位および／または変形を一方向で検出する検出素子を備えていることを特徴とするセンサ。
【請求項２】
前記検出素子の検出値から、前記テーブルもしくは前記ベースに作用する力の大きさおよび／または方向を計算する演算部を備えていることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
【請求項３】
前記検出素子の検出値から、前記テーブルもしくは前記ベースが受ける慣性力の大きさおよび／または方向を計算する演算部を備えていることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
【請求項４】
前記検出素子は、前記ベースに設けられており、前記アームの変位および／または変形を一方向で検出することを特徴とする請求項１、２または３記載のセンサ。
【請求項５】
前記アームは、塑性変形が起こらないものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項６】
前記ベース、前記テーブルおよび前記ロッドの変形量は、前記アームの変形量に対して小さいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項７】
前記ベース、前記テーブルおよび前記ロッドは、剛体であり、
前記アームは、弾性体であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−１９０８８３（Ｐ２０１０−１９０８８３Ａ）
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１８６４１７（Ｐ２００９−１８６４１７）
【出願日】平成２１年８月１１日（２００９．８．１１）
【分割の表示】特願２００９−５９６７９（Ｐ２００９−５９６７９）の分割
【原出願日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【特許番号】特許第４５１９９４１号（Ｐ４５１９９４１）
【特許公報発行日】平成２２年８月４日（２０１０．８．４）
【出願人】（５０９００６８２０）有限会社レプトリノ (10)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月１１日（２００９．８．１１）
【分割の表示】特願２００９−５９６７９（Ｐ２００９−５９６７９）の分割
【原出願日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【特許番号】特許第４５１９９４１号（Ｐ４５１９９４１）
【特許公報発行日】平成２２年８月４日（２０１０．８．４）
【出願人】（５０９００６８２０）有限会社レプトリノ (10)
【Ｆターム（参考）】
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