センサ
【課題】物体に作用する力を検出する新規な構造のセンサを提供する。
【解決手段】センサ１は、対向して設けられたベース２、テーブル３と、これらの間を連結するパラレルリンク機構４とを備えている。パラレルリンク機構４の各リンク機構５は、ロッド部９とアーム部６とを有して構成されている。ベース２、テーブル３よりも剛性が低く、弾性変形するアーム部６は、ベース２で片持ち支持されている。ベース２、テーブル３よりも剛性が低く、弾性変形するロッド部９は、一端がアーム部６と直接接続され、他端がテーブル３と直接接続されている。このセンサ１は、アーム部６の変形を検出する歪み計１１を備えている。
【解決手段】センサ１は、対向して設けられたベース２、テーブル３と、これらの間を連結するパラレルリンク機構４とを備えている。パラレルリンク機構４の各リンク機構５は、ロッド部９とアーム部６とを有して構成されている。ベース２、テーブル３よりも剛性が低く、弾性変形するアーム部６は、ベース２で片持ち支持されている。ベース２、テーブル３よりも剛性が低く、弾性変形するロッド部９は、一端がアーム部６と直接接続され、他端がテーブル３と直接接続されている。このセンサ１は、アーム部６の変形を検出する歪み計１１を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサに関し、特に、物体が受ける外力の大きさまたは方向の少なくともいずれか一方の成分を検出する力覚センサや、物体が受ける慣性力の大きさまたは方向の少なくともいずれか一方の成分を検出する運動センサなど、物体に力が作用したかを検出する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、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ている。また、運動センサである加速度センサは、質量を持つ物体の加速度を検出でき、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ている。また、運動センサである角速度センサ（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でき、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ている。
【０００３】
これら力覚センサおよび運動センサに関する技術が、特許第４３８９００１号公報（特許文献１）に開示されている。特許文献１には、対向して設けられた一対の対向物（ベースおよびテーブル）と、該一対の対向物間を連結するパラレルリンク機構とを備えたセンサが記載されている。このパラレルリンク機構の各リンク機構は、一端がベースに固定されたアームと、アームの他端と接続された２自由度の軸受けと、一端がこの２自由度の軸受けと接続されたロッドと、ロッドの他端と接続され、テーブルに固定された３自由度の軸受けとを備えている。このセンサによれば、テーブルに作用する力を、アームが一方向に変形した変形量から検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４３８９００１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載のような軸受けとして、例えば、鋼球を球面で保持し、多自由度で可動できる球面軸受けを用いることができる。球面軸受けは、軸部（ロッド）にジャーナルとしての鋼球が連結され、この鋼球を包み込むようにレースが設けられたものである。しかしながら、このような球面軸受けでは、軸部からの力がジャーナルに伝わると、ジャーナルとレースとの摺動抵抗は増加し、力のロスが発生してしまう。また、ジャーナルとレースとの間には内部すきまが存在し、この内部すきまによってガタを発生させてしまう。
【０００６】
また、このような球面軸受けの他に、ジャーナルとしての鋼球（太陽球）とレースの間に小さな鋼球（遊星球）を入れて摺動抵抗を抑えた球面軸受けとして、転がり球面軸受けがある。しかしながら、転がり球面軸受けは、鋼球同士が点接触であるため衝撃に弱く、転がるためには内部すきまを完全になくすことはできない。すなわち、内部すきまによってガタを発生させてしまう。また、転がり球面軸受けであっても、摺動箇所があるため、摺動抵抗を完全に除去することはできない。
【０００７】
このように実際には、軸受けに摺動抵抗があるため、特許文献１に記載のようなセンサでは、テーブルに加わった力を取り除いたとき、完全に力を加える前の状態に戻らず、ヒステリシスが生じてしまう。また、軸受けにガタがあるため、テーブル位置が固定されず、テーブルにあそびが生ずるおそれもある。このようなヒステリシスやテーブルにあそびが生ずる場合、センサの検出精度は低下してしまう。
【０００８】
本発明の目的は、物体に力が作用したかを検出する新規な構造の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】
【０００９】
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。本発明に係るセンサは、対向して設けられた一対の対向物と、該一対の対向物間を連結するパラレルリンク機構とを備えている。前記パラレルリンク機構の各リンク機構は、アーム部およびロッド部を有して構成されている。前記一対の対向物よりも剛性が低く、弾性変形する前記アーム部は、前記一対の対向物の一方で片持ち支持されている。前記一対の対向物よりも剛性が低く、弾性変形する前記ロッド部は、一端が前記アーム部と直接接続され、他端が前記一対の対向物の他方と直接接続されている。前記アーム部の変形または変位を検出する検出部を備えている。
【発明の効果】
【００１０】
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れば、次のとおりである。物体に力が作用したかを検出する新規な構造のセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態１におけるセンサの正面図である。
【図２】図１に示すセンサの右側面図である。
【図３】図１に示すセンサの左側面図である。
【図４】図１に示すセンサの上面図である。
【図５】図１に示すセンサの下面図である。
【図６】図１に示すセンサの俯瞰図である。
【図７】図１に示すセンサの演算部の回路構成図である。
【図８】図１に示すセンサにＦｘ成分の力を作用させたときの状態図である。
【図９】図１に示すセンサにＦｙ成分の力を作用させたときの状態図である。
【図１０】図１に示すセンサにＦｚ成分の力を作用させたときの状態図である。
【図１１】図１に示すセンサにＭｘ成分の力を作用させたときの状態図である。
【図１２】図１に示すセンサにＭｙ成分の力を作用させたときの状態図である。
【図１３】図１に示すセンサにＭｚ成分の力を作用させたときの状態図である。
【図１４】図１に示すセンサに６成分の力を作用させたときの各検出部で検出したアームの撓み方向の結果表である。
【図１５】図１に示すセンサの一測定条件の表である。
【図１６】図１５に示す測定条件における測定結果表である。
【図１７】本発明の実施形態２におけるセンサの側面図である。
【図１８】本発明の実施形態３におけるセンサの側面図である。
【図１９】本発明の実施形態４におけるセンサの上面図である。
【図２０】本発明の実施形態５におけるセンサの上面図である。
【図２１】本発明の実施形態６におけるセンサの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下の実施形態では、必要な場合に複数のセクションなどに分けて説明するが、原則、それらはお互いに無関係ではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細などの関係にある。このため、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。
【００１３】
また、実施形態で示す構成要素は、本発明において必ずしも必須のものとは限らない。また、構成要素の数（個数、数値、量、範囲などを含む）については、特に明示した場合や原理的に明らかに特定の数に限定される場合などを除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。また、構成要素などの形状に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合などを除き、実質的にその形状などに近似または類似するものなどを含むものとする。
【００１４】
（実施形態１）
まず、本実施形態におけるセンサ１の構造について図１〜図７を参照して説明する。図１は本実施形態におけるセンサ１の正面図、図２はセンサ１の右側面図、図３はセンサ１の左側面図、図４はセンサ１の上面図、図５はセンサ１の下面図、図６はセンサ１の俯瞰図である。また、図７はセンサ１の演算部１２の回路構成図である。図１などでは、三次元空間の直交座標系（ｘ軸、y軸、z軸）にセンサ１が位置している。以下では、ｘｙ面方向を水平方向とし、ｚ軸方向を鉛直方向として説明する。なお、図４、図５では、説明を明解にするために、一部を透視して破線で示している。
【００１５】
本実施形態におけるセンサ１は、対向して設けられた一対の対向物２、３と、一対の対向物２、３間を連結（接続）するパラレルリンク機構４とを備えている。パラレルリンク機構４は、並列に各リンク機構５を制御してテーブル３の動きを特定することとなる。センサ１は、パラレルリンク機構４が６つのリンク機構で構成された場合、一対の対向物２、３のうち、一方を固定側、他方を可動側としたとき、一方に対して他方が６自由度（並進３自由度、回転３自由度の計６自由度）を有する。
【００１６】
以下では、説明を明解にするために、一対の対向物２、３のうち、固定側を対向物２（物体）としてこれをベース２といい、可動側を対向物３（物体）としてこれをテーブル３という。対向して設けられたベース２およびテーブル３と、これらを６つのリンク機構５で連結するパラレルリンク機構４とを備えたセンサ１は、テーブル３の６自由度により、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成分を検出することができる。
【００１７】
なお、リンク機構５が６つ未満であるとベース２、テーブル３を拘束する力が弱くなってパラレルリンク機構４の形が崩れてしまうので、リンク機構５は、６つ以上であれば良い。また、テーブル３に作用する６成分の力を検出するためには、リンク機構５は、６つ以上であれば良い。
【００１８】
センサ１を構成するベース２は、例えばステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）などの金属などから構成され、センサ１において高い剛性を有する物体（対向物）である。ベース２は、理論的にはセンサ１において剛体となるが、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い。
【００１９】
このベース２は、平板２ａ（例えば円形状の円板）を含んで構成されている。また、ベース２は、図５に示すように、円形状の平板２ａの周縁に沿うように分割され、その平面からベース３側へ突起（図１参照）する複数（ここでは３個）の突起部２ｂを含んで構成されている。この突起部２ｂは、平面視（水平面を視ている）において円弧状となっている。これら平板２ａと複数の突起部２ｂとは直接接続されるように、一体成形されている。
【００２０】
テーブル３は、例えばステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）などの金属などから構成され、センサ１において高い剛性を有する物体（対向物）である。テーブル３は、理論的にはセンサ１において剛体となるが、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い。このテーブル３は、平板３ａ（例えば円形状の円板）を含んで構成されている。
【００２１】
これら円形状のベース２とテーブル３は、平面視で同心円となるように、対向して設けられている（図４、図５参照）。そして、これらベース２とテーブル３との間に、パラレルリンク機構４が設けられている（図１参照）。
【００２２】
パラレルリンク機構４の各リンク機構５は、アーム部６およびロッド部９を有して構成されている。ここで、アーム部６は、ベース２で片持ち支持され、ロッド部９は、一端がアーム部６と直接接続され、他端がテーブル３と直接接続されている。以下に、リンク機構５について具体的に説明する。
【００２３】
まず、リンク機構５を構成するアーム部６の構成について説明する。センサ１は、パラレルリンク機構４の各リンク機構５のそれぞれに設けられ、ベース２で片持ち支持された複数（ここでは６本）のアーム部６を備えている。言い換えると、アーム部６は、リンク機構５を構成する一部となる。
【００２４】
アーム部６は、図１に示すように、ベース２とテーブル３とが対向する方向（鉛直方向）と直交する方向（水平方向）に伸びるように、ベース２で片持ち支持されている。ベース２とテーブル３との間に設けられるパラレルリンク機構４のアーム部６を同一水平面内に設けることで、センサ１の薄型化を図ることもできる。
【００２５】
アーム部６は、アーム基部７により構成されている。このアーム基部７は、図４に示すように、平面視円弧状に形成されている。本実施形態では、アーム基部７は、平面視円形状のベース２を３等分（図４では境界として軸Ａを示す。）するようにベース２の平板２ａの周縁に沿うように３つ設けられている。
【００２６】
このアーム基部７は、ベース２の突起部２ｂ上で支持されて設けられている（図１参照）。より具体的には、平面視円弧状の突起部２ｂより長い円弧のアーム基部７は、その中央部が突起部２ｂと接続されて、ベース２に支持されて設けられている。アーム基部７とベース２の突起部２ｂとは、一体成形もしくはネジ止め、溶接によって剛接合され、直接接続されている。
【００２７】
突起部２ｂで支持された平面視円弧状のアーム基部７の両端部が、アーム部６として構成される。すなわち、１つのアーム基部７から２本のアーム部６が構成される。このため、アーム部６は、一端（先端）が自由端となり、ベース２の突起部２ｂ側の他端（基端）が固定端となり、センサ１においてベース２に片持ち支持されて延在している。このようにして、アーム部６は、ベース２に直接接続されている。
【００２８】
アーム部６（アーム基部７）は、例えば、リン青銅などの金属などから構成され、ベース２、テーブル３よりも剛性が低く、弾性変形する板バネ形状の物体となっている。アーム部６は、センサ１において弾性体となるが、荷重範囲内で塑性変形が起こらなければ良い。また、アーム部６の形状から剛性を調整し、アーム部６が弾性変形するようにしても良い。例えば、ベース２、テーブル３と同じ材料（例えばステンレス鋼）でアーム部６を構成する場合に有効で、形状を細くしたり、薄くしたりしてベース２、テーブル３よりも剛性を低くすることができる。
【００２９】
次に、リンク機構５を構成するロッド部９の構成について具体的に説明する。センサ１は、パラレルリンク機構４の各リンク機構５のそれぞれに設けられ、アーム部６の先端とテーブル３とを連結する複数（ここでは６本）のロッド部９を備えている。言い換えると、ロッド部９は、リンク機構５を構成する一部となる。
【００３０】
ロッド部９は、図１に示すように、水平方向に伸びるアーム部６の先端からテーブル３へ斜めに（鉛直方向と交差して）伸びるように、アーム部６上に起立してテーブル３へ連結（接続）されている。ロッド部９の一端とアーム部６の先端や、ロッド部９の他端とテーブル３は、例えば溶接などの接合によって剛接合されている。このため、ロッド部９は、両端が固定端として、センサ１において両持ち支持されて延在している。このようにして、ロッド部９は、一端がアーム部６と直接接続され、他端がテーブル３と直接接続されている。
【００３１】
ロッド部９は、図４に示すように、一端が接続点ｃ１でアーム部６の先端であって上面（テーブル３側の面）と直接接続され、他端が接続点ｃ２でテーブル３の下面（ベース２側の面）と直接接続されている。軸Ａを挟む接続点ｃ１は軸Ａと所定の角度θ１をなし、軸Ａを挟む接続点ｃ２は軸Ａと所定の角度θ２（≠θ１）をなしている。このように接続点ｃ１と接続点ｃ２とは平面視においてずれており、ロッド部９は一端と他端が平面視で重ならないようにずれて設けられている。
【００３２】
一端と他端が平面視で重なる場合は、ロッド部９がアーム部６の先端からテーブル３へ鉛直方向に平行に伸びていることになるが、テーブル３に作用する力のＭｚ成分が検出し難くなってしまう。そこで、ロッド部９は一端と他端が平面視で重ならないようにずれて設けられ、具体的には、アーム部６の先端からテーブル３へ斜めに伸びるようにアーム部６上に起立してロッド部９が設けられ、テーブル３へ連結されている。
【００３３】
ロッド部９は、例えばリン青銅などの金属などから構成され、ベース２、テーブル３よりも剛性が低く、弾性変形する柱状（円柱状であっても良い）の物体となっている。ロッド部９は、センサ１において弾性体となるが、荷重範囲内で塑性変形が起こらなければ良い。また、ロッド部９の形状から剛性を調整し、ロッド部９が弾性変形するようにしても良い。例えば、ベース２、テーブル３と同じ材料（例えばステンレス鋼）でロッド部９を構成する場合に有効で、形状を細くしたり、薄くしたりしてベース２、テーブル３よりも剛性を低くすることができる。
【００３４】
次に、リンク機構５の動作について、テーブル３に力が作用し（荷重され）、テーブル３が倒れたり、捩れたりする場合を説明する。まず、テーブル３に力が作用すると、テーブル３と直接接続されたロッド部９は、テーブル３から倒れや捩れ成分の力を受けて弾性変形し、倒れたり捩れたりして動く。続いて、ロッド部９が動くと、ロッド部９と直接接続されたアーム部６は、ロッド部９からの力を受け、弾性変形する。
【００３５】
ここで、アーム部６には、ロッド部９では取り切れなかった倒れや捩れ成分の力が作用する場合もある。この場合、アーム部６には、ロッド部９から、鉛直方向に押したり、引っ張ったり、水平方向に押したり、引っ張ったりする力が作用することも考えられる。この点、センサ１では、アーム部６がベース２で片持ち支持され、このアーム部６の自由端側でロッド部９が直接接続されているので、ロッド部９は自身が延在する方向の成分の力をアーム部６に伝え易い構成となり、この力を受けてアーム部６は一方向に撓み易い構成となっている。すなわち、アーム部６は、一方向に変形、変位し易い構成となっている。
【００３６】
したがって、リンク機構５では、ロッド部９から力を受けて弾性変形したアーム部６は、主として一方向に撓んで、変形、変位する。本実施形態では、アーム部６は、水平方向に延在するようにベース２で片持ち支持されているので、鉛直方向に撓み易くなっており、すなわち鉛直方向に変形、変位し易くなっている。
【００３７】
このアーム部６の変形、変位特性は、線形（比例）とみなすことができる。このため、例えばアーム部６に倒れや捻れの成分の力が発生したとしても、後述するキャリブレーション機能による補正を行うことで、これらの成分の力をキャンセルして一方向成分（撓み成分）の力を取り出すことができる。すなわち、センサ１は、キャリブレーション機能を備えることで、テーブル３に作用する力の検出精度を向上することができる。
【００３８】
このように、アーム部６が倒れたり、捩れたりした場合でも、これらの方向をキャンセルして撓み方向（一方向）の成分の力が取り出せる検出方法（キャリブレーション機能）を備えていることが好ましい。言い換えると、キャリブレーション機能により一方向に撓むようにみなすことができるアーム部６であることが好ましい。
【００３９】
本実施形態では、アーム部６をさらに一方向（鉛直方向）に撓み易くするために、アーム部６がロバーバル構造８を有している。具体的には、平面視円弧状のアーム部６の外側面と内側面とを水平方向に刳り貫いて貫通する２つの貫通孔が重なった開口部がアーム部６に形成されている。
【００４０】
このように水平方向に貫通する開口部の周辺が薄くなって構成されたロバーバル構造８には、鉛直方向の一方向に撓み易くなり、倒れや捩れ方向には強いといった特性がある。このため、ロバーバル構造８を有するアーム部６は、鉛直方向でない方向の剛性が維持され、鉛直方向の剛性が低くなる。これにより、アーム部６は、より鉛直方向に撓む、すなわち一方向により変形、変位するように構成される。
【００４１】
本実施形態におけるセンサ１は、鉛直方向（一方向）に撓むアーム部６の変形を検出する検出部として歪み計１１を備えている。歪み計１１は、最も変形するアーム部６のロバーバル構造８の周辺（刳り貫かれて薄くなった部分）に設けられている。これにより、アーム部６の変形量をより高精度に検出することができる。
【００４２】
歪み計１１は、アーム部６の上面（テーブル３と対向する面）に設けられても良いが、その上面にはロッド部９が連結されているため、取り付けるスペースを考慮してアーム部６の下面（ベース２と対向する面）に設けている。なお、ロバーバル構造８を有しないアーム部６（例えば単なる板バネ形状）の場合では、最も変形するアーム部６の基端側に歪み計１１を設けることが好ましい。
【００４３】
センサ１では、検出部として歪み計１１の代わりに、変位計を用いても良い。ベース２で片持ち支持されたアーム部６は、弾性変形により、例えばベース２に対して変位もするからである。変位計は、鉛直方向（一方向）に撓むアーム部６の変位を検出する検出部となる。この変位計は、ベース２の上面（テーブル３と対向する面）上であって各アーム部６の下方にそれぞれ設けられる。具体的には、変位計は、最も変位するアーム部６の先端の周辺に設けられることで、アーム部６の変位（距離）を高精度に検出することができる。
【００４４】
ここで、図８〜図１３のそれぞれに、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚの各成分の力をテーブル３に作用させた（荷重した）ときのセンサ１の状態を示す。また、図１４に、テーブル３に各成分を作用させたときの各歪み計１１（ＣＨ１〜ＣＨ６の配置は図５を参照）で検出したアーム部６の撓み方向の結果を示す。図１４では、アーム部６が水平面内にあるときを基準（初期状態）とし、テーブル３に力を作用させた状態において、水平面よりも鉛直方向上側に撓んだときを「＋」、鉛直方向下側に撓んだときを「−」として示している。なお、図８〜図１３では、説明を明解にするために、例えば図１で示した歪み計１１や演算部１２を図示していない。
【００４５】
図１４に示す結果は、内部すきまやガタがなく、摺動抵抗のない軸受けを用いて、テーブルとアームとを連結するロッドを剛体とした、理想的なセンサのシミュレーション結果と一致する。言い換えると、理想的な軸受けを備えたセンサでも、本実施形態のような軸受けを備えないセンサ１でも、アーム部６の撓み方向は一致する。
【００４６】
したがって、各歪み計１１（ＣＨ１〜ＣＨ６）により、鉛直方向に対して上側「＋」または下側「−」を少なくとも検出できれば、テーブル３に作用する力がどの成分のものかを区別することができる。このように、本実施形態によれば、テーブル３（物体）にどのような力が作用したかを検出する新規な構造のセンサを提供することができる。
【００４７】
さらに、本実施形態におけるセンサ１は、歪み計１１による検出値（変形量）を参照してテーブル３に作用する力の大きさまたは方向の少なくともいずれか一方の成分を算出（検出）する演算部１２（回路基板）を備えている。歪み計１１と演算部１２とは配線により電気的に接続されている。この演算部１２は、ベース２の裏面（テーブル３と対向する面とは反対の面）に設けられている。なお、演算部１２と歪み計１１とは配線により接続されるので、例えば別に設けたフレームに演算部１２を設けることもできる。
【００４８】
図７に、演算部１２の回路構成の一例を示す。演算部１２では、各アーム部６の変形量を検出した各歪み計１１（ＣＨ１〜ＣＨ６）からの信号（アナログ信号）を各アンプ１３（ＡＭＰ１〜ＡＭＰ６）によって増幅した後、そのアナログ信号をＡ／Ｄ変換器１４でデジタル信号に変換し、ＣＰＵ１５に送信する。ＣＰＵ１５では、メモリ１６からの定数を参照して、キャリブレーションを行い、テーブル３に作用する６成分（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）を算出する。このように演算部１２は、歪み計１１からの検出値を参照して補正するキャリブレーション機能を有している。これにより、センサ１のテーブル３に作用する力の検出精度を向上することができる。演算部１２による結果は、ＣＰＵ１５からデジタル出力とし、またＤ／Ａ変換器１７を用いてアナログ出力として出力される。
【００４９】
ところで、アーム部６の変形、変位を一方向で検出するようなセンサ１の構造であっても、誤差成分により他軸出力が生じてしまうことが考えられる。ここでの誤差成分とは、歪み計１１（検出部）の測定誤差や、構成部品の加工精度、一体成形することにより理想軸受けとの特性のズレなどによる特性のズレとを指す。
【００５０】
例えば、Ｆｘ成分のみをテーブル３に作用させた場合、本来であれば、検出特性としては、他の成分は出力（他軸出力）が０であり、Ｆｘ成分のみが線形（比例）で出力されなければならない。しかしながら、力成分Ｆｘの他にも、他の成分による出力、すなわち他軸出力が生じてしまう。また、他の成分のみをテーブル３に作用させた場合も同様に、他軸出力が生じてしまう。
【００５１】
そこで、他軸出力も線形で得られることに着目し、本実施形態におけるセンサ１では、キャリブレーション行列による補正を行うことで、他軸出力を抑え、本来の出力を得ることとしている。以下では、力の算出および補正方法について説明する。
【００５２】
センサ１においてアーム部６の変形から力を算出するには、次式の計算が必要になる。ここでｆ、Ｊ、ｄθは行列を表している。ｆはセンサ１へ働く力の６成分、Ｊはセンサ１の構造によって決まる係数行列、ｄθは力が働いた時のアーム変位角（変形量）である。
【数１】
【数２】
【数３】
【数４】
【００５３】
本実施形態では、実試験データを基にキャリブレーションを行い、力の６成分を得る手法を示す。キャリブレーション機能の実施として、例えば、１軸ずつ６軸の定格荷重におけるアーム部６の変形量を測定する。図１５に測定条件を示し、図１６に測定結果を示す。図１５に示す測定条件１〜６によって、図１６では各歪み計１１（検出器）のそれぞれ（ＣＨ１〜ＣＨ６）で検出されるアーム部６の変形量の測定結果を示している。なお、図１５の数値である「１００」は定格荷重に対する割合（単位［％］）を示している。
【００５４】
これら図１５に示す測定条件と図１６に示す測定結果から、次式を得ることができる。
【数５】
【００５５】
これから、キャリブレーション行列Ｃを算出すれば良い。すなわち、キャリブレーション行列Ｃは式（５）の両辺へ測定結果の逆行列を掛けることで求めることができる。
【数６】
【００５６】
得られたキャリブレーション行列Ｃを用いて、センサ１の演算部１２によって、各歪み計１１からの検出値に対してキャリブレーションを行う。これにより、例えば、Ｆｘ成分のみをテーブル３に作用させた場合、他軸出力はキャンセルされて、Ｆｘ成分のみが線形で出力されることとなる。また、他の成分のみをテーブル３に作用させた場合も同様に、各成分のみが線形で出力されることとなる。
【００５７】
センサ１では、他軸出力のアーム変位特性が線形であるため、キャリブレーション行列による補正を行うことで、他軸出力を抑えて本来の出力を得ることができる。したがって、鉛直方向（一方向）で撓んで変形、変位するアーム部６から、センサ１のテーブル３（物体）に作用する力の検出精度を向上することができる。
【００５８】
このように、センサ１は、特許文献１で開示されたセンサが備える球面軸受けなどの自由度を有する軸受けを設けずとも、テーブル３（物体）に作用する力の大きさまたは方向の少なくともいずれか一方の成分を検出することができる。これは、弾性変形するロッド部９を用いることで、このロッド部９が軸受け相当の機能（倒れや捩れを吸収する機能）を果たすからである。また、アーム部６がベース２に対して一方向に変形、変位するからである。さらに、歪み計１１（検出部）による検出値を演算部１２でキャリブレーション機能により補正することで、より正確な値とするからである。
【００５９】
よって、センサ１は、軸受けが有する内部抵抗やガタによる検出精度の低下を免れることができる。また、軸受けの部材が不要であるため、センサ１の小型化を図ることができ、製造コストも低減することができる。また、センサ１は、パラレルリンク機構４が軸受けを備えなくとも、閉リンク構造を構成することができ、高剛性、高速駆動を実現することができる。
【００６０】
次に、センサ１を力覚センサに適用した場合の動作について説明する。例えば、センサ１のテーブル３に対してＦｚ成分が加重された場合、図１０に示すように、Ｆｚ成分の力によりテーブル３は＋ｚ方向（鉛直方向上側）に移動しようとする。テーブル３には、６つのリンク機構５がロッド部９の他端（接続点ｃ２）で連結されているため、各リンク機構５を構成するロッド部９の軸方向にＦｚ成分の力が６等分されて加わる。
【００６１】
このロッド部９の一端（接続点ｃ１）はアーム部６の先端と連結され、アーム部６はベース２で水平面方向に延在して固定されているため、アーム部６が＋ｚ方向（鉛直方向上側）に撓み、ベース２に対して一方向（鉛直方向）に変形し、変位する。アーム部６の変形を検出した歪み計１１（検出部）からの検出値を参照して演算部１２では、キャリブレーション機能による補正を行う。これにより、力覚センサとしてのセンサ１は、テーブル３（物体）が受ける外力の大きさまたは方向の少なくともいずれか一方の成分を検出することができる。
【００６２】
次に、センサ１を運動センサの加速度センサに適用した場合の動作、例えばz軸方向の加速度ａｚの検出について説明する。例えば、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、センサ１内部では、各アーム部６にテーブル３とロッド部９の質量ｍが係っており、アーム部６が−ｚ方向（鉛直方向下側）に撓み、ベース２に対して一方向（鉛直方向）に変形し、変位する。
【００６３】
この変形量（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。アーム部６の変形を検出した歪み計１１（検出部）からの検出値を参照して演算部１２では、キャリブレーション機能による補正および加速度ａｚの計算を行う。これにより、運動センサとしてのセンサ１は、テーブル３（物体）が受ける慣性力の大きさまたは方向の少なくともいずれか一方の成分を検出することができる。
【００６４】
次に、センサ１を運動センサの角速度センサに適用した場合の動作、例えばz軸方向の角速度ωｚの検出について説明する。例えば、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、捩れが生じる。この時、図１３に示すように、隣り合う２つのアーム部６において、一方のアーム部６にはベース２に近づく方向の変位、もう一方のアーム部６にはベース２から離れる方向に変形、変位が現れ、z軸回りの力のモーメントＭｚが検出できる。
【００６５】
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。アーム部６の変形を検出した歪み計１１（検出部）からの検出値を参照して演算部１２では、キャリブレーション機能による補正および角速度ωｚの計算を行う。これにより、運動センサとしてのセンサ１は、テーブル３（物体）が受ける慣性力の大きさまたは方向の少なくともいずれか一方の成分を検出することができる。
【００６６】
（実施形態２）
前記実施形態１におけるセンサ１では、図４の接続点ｃ２に示すように、各リンク機構５（ロッド部９）の他端がテーブル３の平面内で異なる位置で接続される場合について説明した。本実施形態では、そのセンサ１の構成において、隣接するリンク機構５の他端どうしを共有の接続点ｃ２でテーブル３に直接接続する場合について図１７を参照して説明する。図１７は本実施形態におけるセンサ１の側面図である。なお、図１７では、説明を明解にするために、一部を省略している。
【００６７】
図１７に示すように、ロッド部９は、一端がアーム部６と接続点ｃ１で直接接続され、他端がテーブル３と接続点ｃ２で直接接続されている。そして、隣接するリンク機構５の各ロッド部９（１つのアーム基部７の両端から起立する２つのロッド部９）の他端どうしが、共有の接続点ｃ２で直接接続されている。
【００６８】
このような構成であっても、センサ１は、テーブル３に力が作用したかを歪み計１１（検出部）で検出することができる。また、センサ１は、歪み計１１による検出値を参照して演算部１２（図７参照）でキャリブレーション機能による補正を行うことで、テーブル３に作用する６成分の力の大きさまたは方向の少なくともいずれか一方の成分を検出することができる。
【００６９】
また、このような構成であれば、センサ１の小型化を図ることができる。小型化するにつれ、隣接するロッド部９間が狭まるため、隣接するリンク機構５（ロッド部９）の他端どうしを共有の接続点で直接接続することは有用となるからである。
【００７０】
（実施形態３）
前記実施形態１におけるセンサ１では、図４の接続点ｃ２に示すように、各リンク機構５（ロッド部９）の他端がテーブル３の平面内で異なる位置で接続される場合について説明した。本実施形態では、そのセンサ１の構成において、隣接するリンク機構５の他端どうしを共有の接続点ｃ２でテーブル３に直接接続するプレート部を用いる場合について図１８を参照して説明する。なお、図１８では、説明を明解にするために、一部を省略している。
【００７１】
図１８に示すように、センサ１は、アーム部６の先端とテーブル３とを連結し、テーブル３よりも剛性が低く、弾性変形をするものとして、三角形状のプレート部１０を備えている。言い換えると、プレート部１０は、リンク機構５を構成する一部である。このセンサ１では、隣接するリンク機構５の各ロッド部９を含んで一体に形成されたプレート部１０が設けられていることとなる。なお、６つのリンク機構５を構成するにあたり、３枚のプレート部１０を用いる。
【００７２】
プレート部１０は、例えばステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）などの金属などから構成され、プレート本体がセンサ１において高い剛性を有する物体である。このプレート部１０には、三角形状のプレート部１０の水平方向に沿う底辺部側の２つの頂点には、それぞれアーム部６と接続されるくびれ部１０ａが形成されている。また、三角形状のプレート部１０の鉛直方向上側の１つの頂点には、テーブル３と接続されるくびれ部１０ｂが形成されている。
【００７３】
これらくびれ部１０ａ、１０ｂは、細くしたり、薄くしたりしてベース２、テーブル３よりも剛性が低くなり、弾性変形をするものとなっている。すなわち、プレート部１０は、くびれ部１０ａ、１０ｂに、軸受け相当の機能（倒れや捩れを吸収する機能）を持たせている。
【００７４】
このような三角形状のプレート部１０は、斜辺部が鉛直方向と交差するようにくびれ部１０ｂを介してテーブル３と、くびれ部１０ａを介してアーム部６とにより両持ち支持される。これにより、テーブル３の動きを受けて、プレート部１０が倒れや捩れるように構成されている。
【００７５】
プレート部１０は、三角形状に形成されており、くびれ部１０ａが接続点ｃ１でアーム部６の先端と直接接続され、くびれ部１０ｂが接続点ｃ２でテーブル３と直接接続されている。プレート部１０のくびれ部１０ａとアーム部６の先端や、くびれ部１０ｂとテーブル３は、例えば溶接などの接合によって剛接合されている。なお、くびれ部１０ａ、１０ｂを有しているのであれば、プレート部１０は、四角形状などの多角形状であっても良い。
【００７６】
このような構成であっても、センサ１は、テーブル３に力が作用したかを歪み計１１（検出部）で検出することができる。また、センサ１は、歪み計１１による検出値を参照して演算部１２（図７参照）でキャリブレーション機能による補正を行うことで、テーブル３に作用する６成分の力の大きさまたは方向の少なくともいずれか一方の成分を検出することができる。
【００７７】
また、このような構成であれば、センサ１の小型化を図ることができる。小型化するにつれ、隣接するロッド部９間が狭まるため、隣接するリンク機構５（ロッド部９）の他端どうしを共有の接続点で直接接続することは有用となるからである。また、前記実施形態２のように、ロッド部９でセンサ１の小型化を図る場合、ロッド部９がより細くなって線状となり、加工が困難な場合もある。これに対して、プレート部１０であれば、面状であるため、センサ１の小型化に際しても加工が容易となる。
【００７８】
（実施形態４）
前記実施形態１におけるセンサ１では、６つのリンク機構５を有する場合について説明した。本実施形態では、そのセンサ１の構成において、８つのリンク機構５を有する場合について図１９を参照して説明する。図１９は、本実施形態におけるセンサ１の上面図である。なお、図１９では、説明を明解にするために、一部を透視して破線で示している。
【００７９】
図１９に示すように、本実施形態におけるセンサ１のパラレルリンク機構４は、８つのリンク機構５を備えている。各リンク機構５は、それぞれアーム部６およびロッド部９を有して構成される。すなわち、パラレルリンク機構４は、８本のアーム部６および８本のロッド部９を備えている。
【００８０】
アーム部６を構成するアーム基部７は、平面視円弧状に形成されている。図１９に示すように、４個のアーム基部７が、平面視円形状のベース２を４等分するようにベース２の周縁に沿うように設けられている。また、アーム基部７は、ベース２の突起部２ｂ上で支持されて設けられている（図１と同様）。突起部２ｂで支持された平面視円弧状のアーム基部７の両端部が、アーム部６として構成される。１つのアーム基部７から２本のアーム部６が構成され、センサ１では８本のアーム部６が構成される。これら８本のアーム部６とそれぞれに対応する８本のロッド部９とによって、８つのリンク機構５が構成される。
【００８１】
このような構成であっても、センサ１は、テーブル３に力が作用したかを検出部で検出することができる。また、センサ１は、検出部による検出値を参照して演算部１２（図７参照）でキャリブレーション機能による補正を行うことで、テーブル３に作用する６成分の力の大きさまたは方向の少なくともいずれか一方の成分を検出することができる。本実施形態では、前記実施形態１よりも多い８つのリンク機構５によってパラレルリンク機構４を構成しているので、より多くの検出値を得ることができる。
【００８２】
（実施形態５）
前記実施形態１におけるセンサ１では、水平方向にベース２で片持ち支持されたアーム部６が平面視円弧状の場合について説明した。本実施形態では、そのセンサ１の構成において、アーム部６が平面視直線状の場合について図２０を参照して説明する。図２０は、本実施形態におけるセンサ１の上面図である。なお、図２０では、説明を明解にするために、一部を透視して破線で示している。
【００８３】
図２０に示すように、本実施形態におけるセンサ１は、対向して設けられた一対のベース２、テーブル３を備えている。これらベース２とテーブル３は平面視円形状であり、平面視で同心円となるように、対向して設けられる。そして、これらベース２とテーブル３との間に、パラレルリンク機構４が設けられる。図２０では、テーブル３よりベース２は直径が大きい場合を示している。
【００８４】
本実施形態におけるセンサ１は、パラレルリンク機構４の各リンク機構５のそれぞれにおいて、ベース２で片持ち支持された複数（ここでは６本）のアーム部６と、アーム部６の先端とテーブル３とを連結する複数（ここでは６本）のロッド部９とを備えている。
【００８５】
アーム部６は、アーム基部７Ａにより構成されている。このアーム基部７Ａは、中央部から放射状にアーム部６が伸びるように形成されている。このアーム基部７Ａは、ベース２の中央部で突起する突起部（図示しない）上で支持されて設けられている。アーム基部７Ａとベース２の突起部とは、一体成形もしくはネジ止め、溶接によって剛接合され、直接接続されている。
【００８６】
ベース２の突起部で支持された平面視直線状のアーム基部７Ａから水平方向に放射状に伸びた部分が、アーム部６として構成される。すなわち、１つのアーム基部７Ａから６本のアーム部６が構成される。このため、アーム部６は、一端（先端）が自由端とし、ベース２の突起部側の他端（基端）が固定端となり、センサ１においてベース２に片持ち支持されて延在している。このようにして、アーム部６は、ベース２に直接接続されている。
【００８７】
ロッド部９は、水平方向に伸びるアーム部６の先端からテーブル３へ斜めに（鉛直方向と交差して）伸びるように、アーム部６上に起立してテーブル３へ連結（接続）されている。ロッド部９の一端とアーム部６の先端や、ロッド部９の他端とテーブル３は、例えば溶接などの接合によって剛接合されている。このため、ロッド部９は、両端が固定端として、センサ１において両持ち支持されて延在している。このようにして、ロッド部９は、一端がアーム部６と直接接続され、他端がテーブル３と直接接続されている。
【００８８】
なお、ロッド部９が円形状のテーブル３の中心上に向いてしまう（放射線上にある）と、Ｍｚ成分の力を検出できなくなってしまうため、このセンサ１では、テーブル３の中心方向からずらしてロッド部９を延在させている。
【００８９】
このような構成であっても、センサ１は、テーブル３に力が作用したかを検出部で検出することができる。また、センサ１は、検出部による検出値を参照して演算部１２（図７参照）でキャリブレーション機能による補正を行うことで、テーブル３に作用する６成分の力の大きさまたは方向の少なくともいずれか一方の成分を検出することができる。
【００９０】
（実施形態６）
前記実施形態１におけるセンサ１では、アーム部６は水平方向にベース２で片持ち支持された場合について説明した。本実施形態では、アーム部６が水平方向と交差するようにベース２で片持ち支持される場合について図２１を参照して説明する。図２１は、本実施形態におけるセンサ１の側面図である。
【００９１】
図２１に示すように、アーム部６は、水平方向と交差してテーブル３側に伸びるように、ベース２の平面からベース３側へ突起する突起部２ｂにおいて片持ち支持されている。このアーム部６の先端では、ロッド部９の一端が直接接続されている。また、ロッド部９の他端がテーブル３に直接接続されている。
【００９２】
また、本実施形態では、一方向に撓むアーム部６の変位を検出する検出部として変位計１１Ａを備えている。変位計１１Ａは、ベース２上であって各アーム部６の先端の下方にそれぞれ設けられる。これにより、アーム部６の先端が最も変位するため、アーム部６の変位量を高精度に検出することができる。
【００９３】
このような構成であっても、センサ１は、テーブル３に力が作用したかを検出部で検出することができる。また、センサ１は、検出部による検出値を参照して演算部１２（図７参照）でキャリブレーション機能による補正を行うことで、テーブル３に作用する６成分の力の大きさまたは方向の少なくともいずれか一方の成分を検出することができる。
【００９４】
以上、本発明を実施形態に基づく具体的に説明したが、概略すれば、次のとおりである。
【００９５】
センサ１は、対向して設けられたベース２、テーブル３（一対の対向物）と、これらの間を連結するパラレルリンク機構４とを備えている。パラレルリンク機構４の各リンク機構５は、アーム部６およびロッド部９を有して構成されている。ベース２、テーブル３よりも剛性が低く、弾性変形するアーム部６は、ベース２（一方の対向物）で片持ち支持されている。ベース２、テーブル３よりも剛性が低く、弾性変形するロッド部９は、一端がアーム部６と直接接続され、他端がテーブル３（他方の対向物）と直接接続されている。このセンサ１は、アーム部６の変形を検出する歪み計１１または変位を検出する変位計１１Ａ（検出部）を備えている。
【００９６】
これにより、可動側のテーブル３（他方の対向物）に作用する力を受けたロッド部９は、弾性変形により、倒れたり、捩れたりして、アーム部６が一方向に撓むような力を、アーム部６へ伝え易い構成となっている。言い換えると、アーム部６が、固定側のベース２（一方の対向物）に対して一方向に撓んで変形、変位し易い構成となる。このため、センサ１は、各リンク機構５が軸受けで構成されない新規な構造であって、テーブル３（対向物）に力が作用したかをアーム部６の変形、変位によって検出することができる。
【００９７】
なお、センサ１では、可動側をベース２（一方の対向物）として、固定側をテーブル３（他方の対向物）として、ベース２に作用する力をアーム部６の撓み方向の一方向で検出することもできる。この場合、アーム部６が、テーブル３に対して一方向に撓んで変形、変位する構成となる。ベース２に作用する力を受けたロッド部９は、弾性変形により、倒れたり、捩れたりして、アーム部６が一方向に撓むような力を、アーム部６へ伝え易い構成となっているからである。
【００９８】
そして、センサ１は、アーム部６がロバーバル構造８を有していることが好ましい。これにより、アーム部６は、より一方向に撓んで変形、変位し易い構成となる。具体的には、アーム部６では、ロバーバル構造８により、撓み方向でない方向の剛性が維持され、撓み方向の剛性を低くすることができる。
【００９９】
そして、センサ１では、一対のベース２とテーブル３が対向する鉛直方向と直交する水平方向にアーム部６が延在していることが好ましい。これにより、アーム部６は、より一方向である鉛直方向に撓んで変形、変位し易い構成となる。また、センサ１の薄型化を図ることができる。
【０１００】
そして、センサ１のロッド部９は、隣接するリンク機構５の各ロッド部９の他端どうしが、共有の接続点ｃ２でテーブル３と直接接続されていることが好ましい。これにより、センサ１の小型化を図ることができる。
【０１０１】
そして、センサ１では、隣接するリンク機構５の各ロッド部９を含んで一体に形成されたプレート部１０が設けられていることが好ましい。また、プレート部１０は、アーム部６と接続される箇所でくびれたくびれ部１０ａが形成され、接続点ｃ２で直接接続される箇所でくびれたくびれ部１０ｂが形成されていることが好ましい。また、ロッド部９を含むプレート部１０は、くびれ部１０ａ、１０ｂにおいて一対のベース２、テーブル３よりも剛性が低く、弾性変形することが好ましい。これにより、センサ１を小型化する際の加工が容易となる。
【０１０２】
そして、センサ１では、歪み計１１による検出値を参照してテーブル３（またはベース２）に作用する力を算出する演算部１２を備えていることが好ましい。また、演算部１２は、歪み計１１による検出値を参照して補正を行うキャリブレーション機能を有していることが好ましい。これにより、歪み計１１による検出値の誤差成分をキャンセルし、テーブル３に作用する力の検出精度を向上することができる。
【０１０３】
以上、本発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施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。
【０１０４】
例えば、前記実施形態では、６つ以上のリンク機構を有するパラレルリンク機構を備えたセンサに適用して説明した。これに限らず、より少ないリンク機構を有するパラレルリンク機構を備えたセンサにも適用することができる。例えばテーブルが平面上のみ可動し、一方向の加速度を検出するセンサ（一軸加速度センサ）であれば、２本のリンク機構を有するパラレルリンク機構を備えていれば良い。
【０１０５】
例えば、前記実施形態では、リンク機構を構成する一部では、一対の対向物よりも剛性が低く、弾性変形を有する一部を、金属で構成する場合について説明した。これに限らず、測定荷重が１０Ｎ以下の低負荷であれば、例えばポリアセタールなどの樹脂で一部を構成することもできる。
【０１０６】
例えば、前記実施形態では、一方向におけるアームの変形または変位を検出する検出部として、歪み計または変位計を適用した場合について説明した。これに限らず、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）、磁気識別素子などを設けても良い。また、アームに水晶を埋め込み、固有振動の変化を捉えることもできる。
【符号の説明】
【０１０７】
１ センサ
２ ベース（対向物）
３ テーブル（対向物）
４ パラレルリンク機構
５ リンク機構
６ アーム部
７、７Ａ アーム基部
８ ロバーバル構造
９ ロッド部
１０ プレート部
１０ａ、１０ｂ くびれ部
１１ 歪み計（検出部）
１１Ａ 変位計（検出部）
１２ 演算部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサに関し、特に、物体が受ける外力の大きさまたは方向の少なくともいずれか一方の成分を検出する力覚センサや、物体が受ける慣性力の大きさまたは方向の少なくともいずれか一方の成分を検出する運動センサなど、物体に力が作用したかを検出する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、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ている。また、運動センサである加速度センサは、質量を持つ物体の加速度を検出でき、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ている。また、運動センサである角速度センサ（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でき、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ている。
【０００３】
これら力覚センサおよび運動センサに関する技術が、特許第４３８９００１号公報（特許文献１）に開示されている。特許文献１には、対向して設けられた一対の対向物（ベースおよびテーブル）と、該一対の対向物間を連結するパラレルリンク機構とを備えたセンサが記載されている。このパラレルリンク機構の各リンク機構は、一端がベースに固定されたアームと、アームの他端と接続された２自由度の軸受けと、一端がこの２自由度の軸受けと接続されたロッドと、ロッドの他端と接続され、テーブルに固定された３自由度の軸受けとを備えている。このセンサによれば、テーブルに作用する力を、アームが一方向に変形した変形量から検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４３８９００１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載のような軸受けとして、例えば、鋼球を球面で保持し、多自由度で可動できる球面軸受けを用いることができる。球面軸受けは、軸部（ロッド）にジャーナルとしての鋼球が連結され、この鋼球を包み込むようにレースが設けられたものである。しかしながら、このような球面軸受けでは、軸部からの力がジャーナルに伝わると、ジャーナルとレースとの摺動抵抗は増加し、力のロスが発生してしまう。また、ジャーナルとレースとの間には内部すきまが存在し、この内部すきまによってガタを発生させてしまう。
【０００６】
また、このような球面軸受けの他に、ジャーナルとしての鋼球（太陽球）とレースの間に小さな鋼球（遊星球）を入れて摺動抵抗を抑えた球面軸受けとして、転がり球面軸受けがある。しかしながら、転がり球面軸受けは、鋼球同士が点接触であるため衝撃に弱く、転がるためには内部すきまを完全になくすことはできない。すなわち、内部すきまによってガタを発生させてしまう。また、転がり球面軸受けであっても、摺動箇所があるため、摺動抵抗を完全に除去することはできない。
【０００７】
このように実際には、軸受けに摺動抵抗があるため、特許文献１に記載のようなセンサでは、テーブルに加わった力を取り除いたとき、完全に力を加える前の状態に戻らず、ヒステリシスが生じてしまう。また、軸受けにガタがあるため、テーブル位置が固定されず、テーブルにあそびが生ずるおそれもある。このようなヒステリシスやテーブルにあそびが生ずる場合、センサの検出精度は低下してしまう。
【０００８】
本発明の目的は、物体に力が作用したかを検出する新規な構造の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】
【０００９】
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。本発明に係るセンサは、対向して設けられた一対の対向物と、該一対の対向物間を連結するパラレルリンク機構とを備えている。前記パラレルリンク機構の各リンク機構は、アーム部およびロッド部を有して構成されている。前記一対の対向物よりも剛性が低く、弾性変形する前記アーム部は、前記一対の対向物の一方で片持ち支持されている。前記一対の対向物よりも剛性が低く、弾性変形する前記ロッド部は、一端が前記アーム部と直接接続され、他端が前記一対の対向物の他方と直接接続されている。前記アーム部の変形または変位を検出する検出部を備えている。
【発明の効果】
【００１０】
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れば、次のとおりである。物体に力が作用したかを検出する新規な構造のセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態１におけるセンサの正面図である。
【図２】図１に示すセンサの右側面図である。
【図３】図１に示すセンサの左側面図である。
【図４】図１に示すセンサの上面図である。
【図５】図１に示すセンサの下面図である。
【図６】図１に示すセンサの俯瞰図である。
【図７】図１に示すセンサの演算部の回路構成図である。
【図８】図１に示すセンサにＦｘ成分の力を作用させたときの状態図である。
【図９】図１に示すセンサにＦｙ成分の力を作用させたときの状態図である。
【図１０】図１に示すセンサにＦｚ成分の力を作用させたときの状態図である。
【図１１】図１に示すセンサにＭｘ成分の力を作用させたときの状態図である。
【図１２】図１に示すセンサにＭｙ成分の力を作用させたときの状態図である。
【図１３】図１に示すセンサにＭｚ成分の力を作用させたときの状態図である。
【図１４】図１に示すセンサに６成分の力を作用させたときの各検出部で検出したアームの撓み方向の結果表である。
【図１５】図１に示すセンサの一測定条件の表である。
【図１６】図１５に示す測定条件における測定結果表である。
【図１７】本発明の実施形態２におけるセンサの側面図である。
【図１８】本発明の実施形態３におけるセンサの側面図である。
【図１９】本発明の実施形態４におけるセンサの上面図である。
【図２０】本発明の実施形態５におけるセンサの上面図である。
【図２１】本発明の実施形態６におけるセンサの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下の実施形態では、必要な場合に複数のセクションなどに分けて説明するが、原則、それらはお互いに無関係ではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細などの関係にある。このため、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。
【００１３】
また、実施形態で示す構成要素は、本発明において必ずしも必須のものとは限らない。また、構成要素の数（個数、数値、量、範囲などを含む）については、特に明示した場合や原理的に明らかに特定の数に限定される場合などを除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。また、構成要素などの形状に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合などを除き、実質的にその形状などに近似または類似するものなどを含むものとする。
【００１４】
（実施形態１）
まず、本実施形態におけるセンサ１の構造について図１〜図７を参照して説明する。図１は本実施形態におけるセンサ１の正面図、図２はセンサ１の右側面図、図３はセンサ１の左側面図、図４はセンサ１の上面図、図５はセンサ１の下面図、図６はセンサ１の俯瞰図である。また、図７はセンサ１の演算部１２の回路構成図である。図１などでは、三次元空間の直交座標系（ｘ軸、y軸、z軸）にセンサ１が位置している。以下では、ｘｙ面方向を水平方向とし、ｚ軸方向を鉛直方向として説明する。なお、図４、図５では、説明を明解にするために、一部を透視して破線で示している。
【００１５】
本実施形態におけるセンサ１は、対向して設けられた一対の対向物２、３と、一対の対向物２、３間を連結（接続）するパラレルリンク機構４とを備えている。パラレルリンク機構４は、並列に各リンク機構５を制御してテーブル３の動きを特定することとなる。センサ１は、パラレルリンク機構４が６つのリンク機構で構成された場合、一対の対向物２、３のうち、一方を固定側、他方を可動側としたとき、一方に対して他方が６自由度（並進３自由度、回転３自由度の計６自由度）を有する。
【００１６】
以下では、説明を明解にするために、一対の対向物２、３のうち、固定側を対向物２（物体）としてこれをベース２といい、可動側を対向物３（物体）としてこれをテーブル３という。対向して設けられたベース２およびテーブル３と、これらを６つのリンク機構５で連結するパラレルリンク機構４とを備えたセンサ１は、テーブル３の６自由度により、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成分を検出することができる。
【００１７】
なお、リンク機構５が６つ未満であるとベース２、テーブル３を拘束する力が弱くなってパラレルリンク機構４の形が崩れてしまうので、リンク機構５は、６つ以上であれば良い。また、テーブル３に作用する６成分の力を検出するためには、リンク機構５は、６つ以上であれば良い。
【００１８】
センサ１を構成するベース２は、例えばステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）などの金属などから構成され、センサ１において高い剛性を有する物体（対向物）である。ベース２は、理論的にはセンサ１において剛体となるが、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い。
【００１９】
このベース２は、平板２ａ（例えば円形状の円板）を含んで構成されている。また、ベース２は、図５に示すように、円形状の平板２ａの周縁に沿うように分割され、その平面からベース３側へ突起（図１参照）する複数（ここでは３個）の突起部２ｂを含んで構成されている。この突起部２ｂは、平面視（水平面を視ている）において円弧状となっている。これら平板２ａと複数の突起部２ｂとは直接接続されるように、一体成形されている。
【００２０】
テーブル３は、例えばステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）などの金属などから構成され、センサ１において高い剛性を有する物体（対向物）である。テーブル３は、理論的にはセンサ１において剛体となるが、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い。このテーブル３は、平板３ａ（例えば円形状の円板）を含んで構成されている。
【００２１】
これら円形状のベース２とテーブル３は、平面視で同心円となるように、対向して設けられている（図４、図５参照）。そして、これらベース２とテーブル３との間に、パラレルリンク機構４が設けられている（図１参照）。
【００２２】
パラレルリンク機構４の各リンク機構５は、アーム部６およびロッド部９を有して構成されている。ここで、アーム部６は、ベース２で片持ち支持され、ロッド部９は、一端がアーム部６と直接接続され、他端がテーブル３と直接接続されている。以下に、リンク機構５について具体的に説明する。
【００２３】
まず、リンク機構５を構成するアーム部６の構成について説明する。センサ１は、パラレルリンク機構４の各リンク機構５のそれぞれに設けられ、ベース２で片持ち支持された複数（ここでは６本）のアーム部６を備えている。言い換えると、アーム部６は、リンク機構５を構成する一部となる。
【００２４】
アーム部６は、図１に示すように、ベース２とテーブル３とが対向する方向（鉛直方向）と直交する方向（水平方向）に伸びるように、ベース２で片持ち支持されている。ベース２とテーブル３との間に設けられるパラレルリンク機構４のアーム部６を同一水平面内に設けることで、センサ１の薄型化を図ることもできる。
【００２５】
アーム部６は、アーム基部７により構成されている。このアーム基部７は、図４に示すように、平面視円弧状に形成されている。本実施形態では、アーム基部７は、平面視円形状のベース２を３等分（図４では境界として軸Ａを示す。）するようにベース２の平板２ａの周縁に沿うように３つ設けられている。
【００２６】
このアーム基部７は、ベース２の突起部２ｂ上で支持されて設けられている（図１参照）。より具体的には、平面視円弧状の突起部２ｂより長い円弧のアーム基部７は、その中央部が突起部２ｂと接続されて、ベース２に支持されて設けられている。アーム基部７とベース２の突起部２ｂとは、一体成形もしくはネジ止め、溶接によって剛接合され、直接接続されている。
【００２７】
突起部２ｂで支持された平面視円弧状のアーム基部７の両端部が、アーム部６として構成される。すなわち、１つのアーム基部７から２本のアーム部６が構成される。このため、アーム部６は、一端（先端）が自由端となり、ベース２の突起部２ｂ側の他端（基端）が固定端となり、センサ１においてベース２に片持ち支持されて延在している。このようにして、アーム部６は、ベース２に直接接続されている。
【００２８】
アーム部６（アーム基部７）は、例えば、リン青銅などの金属などから構成され、ベース２、テーブル３よりも剛性が低く、弾性変形する板バネ形状の物体となっている。アーム部６は、センサ１において弾性体となるが、荷重範囲内で塑性変形が起こらなければ良い。また、アーム部６の形状から剛性を調整し、アーム部６が弾性変形するようにしても良い。例えば、ベース２、テーブル３と同じ材料（例えばステンレス鋼）でアーム部６を構成する場合に有効で、形状を細くしたり、薄くしたりしてベース２、テーブル３よりも剛性を低くすることができる。
【００２９】
次に、リンク機構５を構成するロッド部９の構成について具体的に説明する。センサ１は、パラレルリンク機構４の各リンク機構５のそれぞれに設けられ、アーム部６の先端とテーブル３とを連結する複数（ここでは６本）のロッド部９を備えている。言い換えると、ロッド部９は、リンク機構５を構成する一部となる。
【００３０】
ロッド部９は、図１に示すように、水平方向に伸びるアーム部６の先端からテーブル３へ斜めに（鉛直方向と交差して）伸びるように、アーム部６上に起立してテーブル３へ連結（接続）されている。ロッド部９の一端とアーム部６の先端や、ロッド部９の他端とテーブル３は、例えば溶接などの接合によって剛接合されている。このため、ロッド部９は、両端が固定端として、センサ１において両持ち支持されて延在している。このようにして、ロッド部９は、一端がアーム部６と直接接続され、他端がテーブル３と直接接続されている。
【００３１】
ロッド部９は、図４に示すように、一端が接続点ｃ１でアーム部６の先端であって上面（テーブル３側の面）と直接接続され、他端が接続点ｃ２でテーブル３の下面（ベース２側の面）と直接接続されている。軸Ａを挟む接続点ｃ１は軸Ａと所定の角度θ１をなし、軸Ａを挟む接続点ｃ２は軸Ａと所定の角度θ２（≠θ１）をなしている。このように接続点ｃ１と接続点ｃ２とは平面視においてずれており、ロッド部９は一端と他端が平面視で重ならないようにずれて設けられている。
【００３２】
一端と他端が平面視で重なる場合は、ロッド部９がアーム部６の先端からテーブル３へ鉛直方向に平行に伸びていることになるが、テーブル３に作用する力のＭｚ成分が検出し難くなってしまう。そこで、ロッド部９は一端と他端が平面視で重ならないようにずれて設けられ、具体的には、アーム部６の先端からテーブル３へ斜めに伸びるようにアーム部６上に起立してロッド部９が設けられ、テーブル３へ連結されている。
【００３３】
ロッド部９は、例えばリン青銅などの金属などから構成され、ベース２、テーブル３よりも剛性が低く、弾性変形する柱状（円柱状であっても良い）の物体となっている。ロッド部９は、センサ１において弾性体となるが、荷重範囲内で塑性変形が起こらなければ良い。また、ロッド部９の形状から剛性を調整し、ロッド部９が弾性変形するようにしても良い。例えば、ベース２、テーブル３と同じ材料（例えばステンレス鋼）でロッド部９を構成する場合に有効で、形状を細くしたり、薄くしたりしてベース２、テーブル３よりも剛性を低くすることができる。
【００３４】
次に、リンク機構５の動作について、テーブル３に力が作用し（荷重され）、テーブル３が倒れたり、捩れたりする場合を説明する。まず、テーブル３に力が作用すると、テーブル３と直接接続されたロッド部９は、テーブル３から倒れや捩れ成分の力を受けて弾性変形し、倒れたり捩れたりして動く。続いて、ロッド部９が動くと、ロッド部９と直接接続されたアーム部６は、ロッド部９からの力を受け、弾性変形する。
【００３５】
ここで、アーム部６には、ロッド部９では取り切れなかった倒れや捩れ成分の力が作用する場合もある。この場合、アーム部６には、ロッド部９から、鉛直方向に押したり、引っ張ったり、水平方向に押したり、引っ張ったりする力が作用することも考えられる。この点、センサ１では、アーム部６がベース２で片持ち支持され、このアーム部６の自由端側でロッド部９が直接接続されているので、ロッド部９は自身が延在する方向の成分の力をアーム部６に伝え易い構成となり、この力を受けてアーム部６は一方向に撓み易い構成となっている。すなわち、アーム部６は、一方向に変形、変位し易い構成となっている。
【００３６】
したがって、リンク機構５では、ロッド部９から力を受けて弾性変形したアーム部６は、主として一方向に撓んで、変形、変位する。本実施形態では、アーム部６は、水平方向に延在するようにベース２で片持ち支持されているので、鉛直方向に撓み易くなっており、すなわち鉛直方向に変形、変位し易くなっている。
【００３７】
このアーム部６の変形、変位特性は、線形（比例）とみなすことができる。このため、例えばアーム部６に倒れや捻れの成分の力が発生したとしても、後述するキャリブレーション機能による補正を行うことで、これらの成分の力をキャンセルして一方向成分（撓み成分）の力を取り出すことができる。すなわち、センサ１は、キャリブレーション機能を備えることで、テーブル３に作用する力の検出精度を向上することができる。
【００３８】
このように、アーム部６が倒れたり、捩れたりした場合でも、これらの方向をキャンセルして撓み方向（一方向）の成分の力が取り出せる検出方法（キャリブレーション機能）を備えていることが好ましい。言い換えると、キャリブレーション機能により一方向に撓むようにみなすことができるアーム部６であることが好ましい。
【００３９】
本実施形態では、アーム部６をさらに一方向（鉛直方向）に撓み易くするために、アーム部６がロバーバル構造８を有している。具体的には、平面視円弧状のアーム部６の外側面と内側面とを水平方向に刳り貫いて貫通する２つの貫通孔が重なった開口部がアーム部６に形成されている。
【００４０】
このように水平方向に貫通する開口部の周辺が薄くなって構成されたロバーバル構造８には、鉛直方向の一方向に撓み易くなり、倒れや捩れ方向には強いといった特性がある。このため、ロバーバル構造８を有するアーム部６は、鉛直方向でない方向の剛性が維持され、鉛直方向の剛性が低くなる。これにより、アーム部６は、より鉛直方向に撓む、すなわち一方向により変形、変位するように構成される。
【００４１】
本実施形態におけるセンサ１は、鉛直方向（一方向）に撓むアーム部６の変形を検出する検出部として歪み計１１を備えている。歪み計１１は、最も変形するアーム部６のロバーバル構造８の周辺（刳り貫かれて薄くなった部分）に設けられている。これにより、アーム部６の変形量をより高精度に検出することができる。
【００４２】
歪み計１１は、アーム部６の上面（テーブル３と対向する面）に設けられても良いが、その上面にはロッド部９が連結されているため、取り付けるスペースを考慮してアーム部６の下面（ベース２と対向する面）に設けている。なお、ロバーバル構造８を有しないアーム部６（例えば単なる板バネ形状）の場合では、最も変形するアーム部６の基端側に歪み計１１を設けることが好ましい。
【００４３】
センサ１では、検出部として歪み計１１の代わりに、変位計を用いても良い。ベース２で片持ち支持されたアーム部６は、弾性変形により、例えばベース２に対して変位もするからである。変位計は、鉛直方向（一方向）に撓むアーム部６の変位を検出する検出部となる。この変位計は、ベース２の上面（テーブル３と対向する面）上であって各アーム部６の下方にそれぞれ設けられる。具体的には、変位計は、最も変位するアーム部６の先端の周辺に設けられることで、アーム部６の変位（距離）を高精度に検出することができる。
【００４４】
ここで、図８〜図１３のそれぞれに、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚの各成分の力をテーブル３に作用させた（荷重した）ときのセンサ１の状態を示す。また、図１４に、テーブル３に各成分を作用させたときの各歪み計１１（ＣＨ１〜ＣＨ６の配置は図５を参照）で検出したアーム部６の撓み方向の結果を示す。図１４では、アーム部６が水平面内にあるときを基準（初期状態）とし、テーブル３に力を作用させた状態において、水平面よりも鉛直方向上側に撓んだときを「＋」、鉛直方向下側に撓んだときを「−」として示している。なお、図８〜図１３では、説明を明解にするために、例えば図１で示した歪み計１１や演算部１２を図示していない。
【００４５】
図１４に示す結果は、内部すきまやガタがなく、摺動抵抗のない軸受けを用いて、テーブルとアームとを連結するロッドを剛体とした、理想的なセンサのシミュレーション結果と一致する。言い換えると、理想的な軸受けを備えたセンサでも、本実施形態のような軸受けを備えないセンサ１でも、アーム部６の撓み方向は一致する。
【００４６】
したがって、各歪み計１１（ＣＨ１〜ＣＨ６）により、鉛直方向に対して上側「＋」または下側「−」を少なくとも検出できれば、テーブル３に作用する力がどの成分のものかを区別することができる。このように、本実施形態によれば、テーブル３（物体）にどのような力が作用したかを検出する新規な構造のセンサを提供することができる。
【００４７】
さらに、本実施形態におけるセンサ１は、歪み計１１による検出値（変形量）を参照してテーブル３に作用する力の大きさまたは方向の少なくともいずれか一方の成分を算出（検出）する演算部１２（回路基板）を備えている。歪み計１１と演算部１２とは配線により電気的に接続されている。この演算部１２は、ベース２の裏面（テーブル３と対向する面とは反対の面）に設けられている。なお、演算部１２と歪み計１１とは配線により接続されるので、例えば別に設けたフレームに演算部１２を設けることもできる。
【００４８】
図７に、演算部１２の回路構成の一例を示す。演算部１２では、各アーム部６の変形量を検出した各歪み計１１（ＣＨ１〜ＣＨ６）からの信号（アナログ信号）を各アンプ１３（ＡＭＰ１〜ＡＭＰ６）によって増幅した後、そのアナログ信号をＡ／Ｄ変換器１４でデジタル信号に変換し、ＣＰＵ１５に送信する。ＣＰＵ１５では、メモリ１６からの定数を参照して、キャリブレーションを行い、テーブル３に作用する６成分（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）を算出する。このように演算部１２は、歪み計１１からの検出値を参照して補正するキャリブレーション機能を有している。これにより、センサ１のテーブル３に作用する力の検出精度を向上することができる。演算部１２による結果は、ＣＰＵ１５からデジタル出力とし、またＤ／Ａ変換器１７を用いてアナログ出力として出力される。
【００４９】
ところで、アーム部６の変形、変位を一方向で検出するようなセンサ１の構造であっても、誤差成分により他軸出力が生じてしまうことが考えられる。ここでの誤差成分とは、歪み計１１（検出部）の測定誤差や、構成部品の加工精度、一体成形することにより理想軸受けとの特性のズレなどによる特性のズレとを指す。
【００５０】
例えば、Ｆｘ成分のみをテーブル３に作用させた場合、本来であれば、検出特性としては、他の成分は出力（他軸出力）が０であり、Ｆｘ成分のみが線形（比例）で出力されなければならない。しかしながら、力成分Ｆｘの他にも、他の成分による出力、すなわち他軸出力が生じてしまう。また、他の成分のみをテーブル３に作用させた場合も同様に、他軸出力が生じてしまう。
【００５１】
そこで、他軸出力も線形で得られることに着目し、本実施形態におけるセンサ１では、キャリブレーション行列による補正を行うことで、他軸出力を抑え、本来の出力を得ることとしている。以下では、力の算出および補正方法について説明する。
【００５２】
センサ１においてアーム部６の変形から力を算出するには、次式の計算が必要になる。ここでｆ、Ｊ、ｄθは行列を表している。ｆはセンサ１へ働く力の６成分、Ｊはセンサ１の構造によって決まる係数行列、ｄθは力が働いた時のアーム変位角（変形量）である。
【数１】
【数２】
【数３】
【数４】
【００５３】
本実施形態では、実試験データを基にキャリブレーションを行い、力の６成分を得る手法を示す。キャリブレーション機能の実施として、例えば、１軸ずつ６軸の定格荷重におけるアーム部６の変形量を測定する。図１５に測定条件を示し、図１６に測定結果を示す。図１５に示す測定条件１〜６によって、図１６では各歪み計１１（検出器）のそれぞれ（ＣＨ１〜ＣＨ６）で検出されるアーム部６の変形量の測定結果を示している。なお、図１５の数値である「１００」は定格荷重に対する割合（単位［％］）を示している。
【００５４】
これら図１５に示す測定条件と図１６に示す測定結果から、次式を得ることができる。
【数５】
【００５５】
これから、キャリブレーション行列Ｃを算出すれば良い。すなわち、キャリブレーション行列Ｃは式（５）の両辺へ測定結果の逆行列を掛けることで求めることができる。
【数６】
【００５６】
得られたキャリブレーション行列Ｃを用いて、センサ１の演算部１２によって、各歪み計１１からの検出値に対してキャリブレーションを行う。これにより、例えば、Ｆｘ成分のみをテーブル３に作用させた場合、他軸出力はキャンセルされて、Ｆｘ成分のみが線形で出力されることとなる。また、他の成分のみをテーブル３に作用させた場合も同様に、各成分のみが線形で出力されることとなる。
【００５７】
センサ１では、他軸出力のアーム変位特性が線形であるため、キャリブレーション行列による補正を行うことで、他軸出力を抑えて本来の出力を得ることができる。したがって、鉛直方向（一方向）で撓んで変形、変位するアーム部６から、センサ１のテーブル３（物体）に作用する力の検出精度を向上することができる。
【００５８】
このように、センサ１は、特許文献１で開示されたセンサが備える球面軸受けなどの自由度を有する軸受けを設けずとも、テーブル３（物体）に作用する力の大きさまたは方向の少なくともいずれか一方の成分を検出することができる。これは、弾性変形するロッド部９を用いることで、このロッド部９が軸受け相当の機能（倒れや捩れを吸収する機能）を果たすからである。また、アーム部６がベース２に対して一方向に変形、変位するからである。さらに、歪み計１１（検出部）による検出値を演算部１２でキャリブレーション機能により補正することで、より正確な値とするからである。
【００５９】
よって、センサ１は、軸受けが有する内部抵抗やガタによる検出精度の低下を免れることができる。また、軸受けの部材が不要であるため、センサ１の小型化を図ることができ、製造コストも低減することができる。また、センサ１は、パラレルリンク機構４が軸受けを備えなくとも、閉リンク構造を構成することができ、高剛性、高速駆動を実現することができる。
【００６０】
次に、センサ１を力覚センサに適用した場合の動作について説明する。例えば、センサ１のテーブル３に対してＦｚ成分が加重された場合、図１０に示すように、Ｆｚ成分の力によりテーブル３は＋ｚ方向（鉛直方向上側）に移動しようとする。テーブル３には、６つのリンク機構５がロッド部９の他端（接続点ｃ２）で連結されているため、各リンク機構５を構成するロッド部９の軸方向にＦｚ成分の力が６等分されて加わる。
【００６１】
このロッド部９の一端（接続点ｃ１）はアーム部６の先端と連結され、アーム部６はベース２で水平面方向に延在して固定されているため、アーム部６が＋ｚ方向（鉛直方向上側）に撓み、ベース２に対して一方向（鉛直方向）に変形し、変位する。アーム部６の変形を検出した歪み計１１（検出部）からの検出値を参照して演算部１２では、キャリブレーション機能による補正を行う。これにより、力覚センサとしてのセンサ１は、テーブル３（物体）が受ける外力の大きさまたは方向の少なくともいずれか一方の成分を検出することができる。
【００６２】
次に、センサ１を運動センサの加速度センサに適用した場合の動作、例えばz軸方向の加速度ａｚの検出について説明する。例えば、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、センサ１内部では、各アーム部６にテーブル３とロッド部９の質量ｍが係っており、アーム部６が−ｚ方向（鉛直方向下側）に撓み、ベース２に対して一方向（鉛直方向）に変形し、変位する。
【００６３】
この変形量（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。アーム部６の変形を検出した歪み計１１（検出部）からの検出値を参照して演算部１２では、キャリブレーション機能による補正および加速度ａｚの計算を行う。これにより、運動センサとしてのセンサ１は、テーブル３（物体）が受ける慣性力の大きさまたは方向の少なくともいずれか一方の成分を検出することができる。
【００６４】
次に、センサ１を運動センサの角速度センサに適用した場合の動作、例えばz軸方向の角速度ωｚの検出について説明する。例えば、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、捩れが生じる。この時、図１３に示すように、隣り合う２つのアーム部６において、一方のアーム部６にはベース２に近づく方向の変位、もう一方のアーム部６にはベース２から離れる方向に変形、変位が現れ、z軸回りの力のモーメントＭｚが検出できる。
【００６５】
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。アーム部６の変形を検出した歪み計１１（検出部）からの検出値を参照して演算部１２では、キャリブレーション機能による補正および角速度ωｚの計算を行う。これにより、運動センサとしてのセンサ１は、テーブル３（物体）が受ける慣性力の大きさまたは方向の少なくともいずれか一方の成分を検出することができる。
【００６６】
（実施形態２）
前記実施形態１におけるセンサ１では、図４の接続点ｃ２に示すように、各リンク機構５（ロッド部９）の他端がテーブル３の平面内で異なる位置で接続される場合について説明した。本実施形態では、そのセンサ１の構成において、隣接するリンク機構５の他端どうしを共有の接続点ｃ２でテーブル３に直接接続する場合について図１７を参照して説明する。図１７は本実施形態におけるセンサ１の側面図である。なお、図１７では、説明を明解にするために、一部を省略している。
【００６７】
図１７に示すように、ロッド部９は、一端がアーム部６と接続点ｃ１で直接接続され、他端がテーブル３と接続点ｃ２で直接接続されている。そして、隣接するリンク機構５の各ロッド部９（１つのアーム基部７の両端から起立する２つのロッド部９）の他端どうしが、共有の接続点ｃ２で直接接続されている。
【００６８】
このような構成であっても、センサ１は、テーブル３に力が作用したかを歪み計１１（検出部）で検出することができる。また、センサ１は、歪み計１１による検出値を参照して演算部１２（図７参照）でキャリブレーション機能による補正を行うことで、テーブル３に作用する６成分の力の大きさまたは方向の少なくともいずれか一方の成分を検出することができる。
【００６９】
また、このような構成であれば、センサ１の小型化を図ることができる。小型化するにつれ、隣接するロッド部９間が狭まるため、隣接するリンク機構５（ロッド部９）の他端どうしを共有の接続点で直接接続することは有用となるからである。
【００７０】
（実施形態３）
前記実施形態１におけるセンサ１では、図４の接続点ｃ２に示すように、各リンク機構５（ロッド部９）の他端がテーブル３の平面内で異なる位置で接続される場合について説明した。本実施形態では、そのセンサ１の構成において、隣接するリンク機構５の他端どうしを共有の接続点ｃ２でテーブル３に直接接続するプレート部を用いる場合について図１８を参照して説明する。なお、図１８では、説明を明解にするために、一部を省略している。
【００７１】
図１８に示すように、センサ１は、アーム部６の先端とテーブル３とを連結し、テーブル３よりも剛性が低く、弾性変形をするものとして、三角形状のプレート部１０を備えている。言い換えると、プレート部１０は、リンク機構５を構成する一部である。このセンサ１では、隣接するリンク機構５の各ロッド部９を含んで一体に形成されたプレート部１０が設けられていることとなる。なお、６つのリンク機構５を構成するにあたり、３枚のプレート部１０を用いる。
【００７２】
プレート部１０は、例えばステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）などの金属などから構成され、プレート本体がセンサ１において高い剛性を有する物体である。このプレート部１０には、三角形状のプレート部１０の水平方向に沿う底辺部側の２つの頂点には、それぞれアーム部６と接続されるくびれ部１０ａが形成されている。また、三角形状のプレート部１０の鉛直方向上側の１つの頂点には、テーブル３と接続されるくびれ部１０ｂが形成されている。
【００７３】
これらくびれ部１０ａ、１０ｂは、細くしたり、薄くしたりしてベース２、テーブル３よりも剛性が低くなり、弾性変形をするものとなっている。すなわち、プレート部１０は、くびれ部１０ａ、１０ｂに、軸受け相当の機能（倒れや捩れを吸収する機能）を持たせている。
【００７４】
このような三角形状のプレート部１０は、斜辺部が鉛直方向と交差するようにくびれ部１０ｂを介してテーブル３と、くびれ部１０ａを介してアーム部６とにより両持ち支持される。これにより、テーブル３の動きを受けて、プレート部１０が倒れや捩れるように構成されている。
【００７５】
プレート部１０は、三角形状に形成されており、くびれ部１０ａが接続点ｃ１でアーム部６の先端と直接接続され、くびれ部１０ｂが接続点ｃ２でテーブル３と直接接続されている。プレート部１０のくびれ部１０ａとアーム部６の先端や、くびれ部１０ｂとテーブル３は、例えば溶接などの接合によって剛接合されている。なお、くびれ部１０ａ、１０ｂを有しているのであれば、プレート部１０は、四角形状などの多角形状であっても良い。
【００７６】
このような構成であっても、センサ１は、テーブル３に力が作用したかを歪み計１１（検出部）で検出することができる。また、センサ１は、歪み計１１による検出値を参照して演算部１２（図７参照）でキャリブレーション機能による補正を行うことで、テーブル３に作用する６成分の力の大きさまたは方向の少なくともいずれか一方の成分を検出することができる。
【００７７】
また、このような構成であれば、センサ１の小型化を図ることができる。小型化するにつれ、隣接するロッド部９間が狭まるため、隣接するリンク機構５（ロッド部９）の他端どうしを共有の接続点で直接接続することは有用となるからである。また、前記実施形態２のように、ロッド部９でセンサ１の小型化を図る場合、ロッド部９がより細くなって線状となり、加工が困難な場合もある。これに対して、プレート部１０であれば、面状であるため、センサ１の小型化に際しても加工が容易となる。
【００７８】
（実施形態４）
前記実施形態１におけるセンサ１では、６つのリンク機構５を有する場合について説明した。本実施形態では、そのセンサ１の構成において、８つのリンク機構５を有する場合について図１９を参照して説明する。図１９は、本実施形態におけるセンサ１の上面図である。なお、図１９では、説明を明解にするために、一部を透視して破線で示している。
【００７９】
図１９に示すように、本実施形態におけるセンサ１のパラレルリンク機構４は、８つのリンク機構５を備えている。各リンク機構５は、それぞれアーム部６およびロッド部９を有して構成される。すなわち、パラレルリンク機構４は、８本のアーム部６および８本のロッド部９を備えている。
【００８０】
アーム部６を構成するアーム基部７は、平面視円弧状に形成されている。図１９に示すように、４個のアーム基部７が、平面視円形状のベース２を４等分するようにベース２の周縁に沿うように設けられている。また、アーム基部７は、ベース２の突起部２ｂ上で支持されて設けられている（図１と同様）。突起部２ｂで支持された平面視円弧状のアーム基部７の両端部が、アーム部６として構成される。１つのアーム基部７から２本のアーム部６が構成され、センサ１では８本のアーム部６が構成される。これら８本のアーム部６とそれぞれに対応する８本のロッド部９とによって、８つのリンク機構５が構成される。
【００８１】
このような構成であっても、センサ１は、テーブル３に力が作用したかを検出部で検出することができる。また、センサ１は、検出部による検出値を参照して演算部１２（図７参照）でキャリブレーション機能による補正を行うことで、テーブル３に作用する６成分の力の大きさまたは方向の少なくともいずれか一方の成分を検出することができる。本実施形態では、前記実施形態１よりも多い８つのリンク機構５によってパラレルリンク機構４を構成しているので、より多くの検出値を得ることができる。
【００８２】
（実施形態５）
前記実施形態１におけるセンサ１では、水平方向にベース２で片持ち支持されたアーム部６が平面視円弧状の場合について説明した。本実施形態では、そのセンサ１の構成において、アーム部６が平面視直線状の場合について図２０を参照して説明する。図２０は、本実施形態におけるセンサ１の上面図である。なお、図２０では、説明を明解にするために、一部を透視して破線で示している。
【００８３】
図２０に示すように、本実施形態におけるセンサ１は、対向して設けられた一対のベース２、テーブル３を備えている。これらベース２とテーブル３は平面視円形状であり、平面視で同心円となるように、対向して設けられる。そして、これらベース２とテーブル３との間に、パラレルリンク機構４が設けられる。図２０では、テーブル３よりベース２は直径が大きい場合を示している。
【００８４】
本実施形態におけるセンサ１は、パラレルリンク機構４の各リンク機構５のそれぞれにおいて、ベース２で片持ち支持された複数（ここでは６本）のアーム部６と、アーム部６の先端とテーブル３とを連結する複数（ここでは６本）のロッド部９とを備えている。
【００８５】
アーム部６は、アーム基部７Ａにより構成されている。このアーム基部７Ａは、中央部から放射状にアーム部６が伸びるように形成されている。このアーム基部７Ａは、ベース２の中央部で突起する突起部（図示しない）上で支持されて設けられている。アーム基部７Ａとベース２の突起部とは、一体成形もしくはネジ止め、溶接によって剛接合され、直接接続されている。
【００８６】
ベース２の突起部で支持された平面視直線状のアーム基部７Ａから水平方向に放射状に伸びた部分が、アーム部６として構成される。すなわち、１つのアーム基部７Ａから６本のアーム部６が構成される。このため、アーム部６は、一端（先端）が自由端とし、ベース２の突起部側の他端（基端）が固定端となり、センサ１においてベース２に片持ち支持されて延在している。このようにして、アーム部６は、ベース２に直接接続されている。
【００８７】
ロッド部９は、水平方向に伸びるアーム部６の先端からテーブル３へ斜めに（鉛直方向と交差して）伸びるように、アーム部６上に起立してテーブル３へ連結（接続）されている。ロッド部９の一端とアーム部６の先端や、ロッド部９の他端とテーブル３は、例えば溶接などの接合によって剛接合されている。このため、ロッド部９は、両端が固定端として、センサ１において両持ち支持されて延在している。このようにして、ロッド部９は、一端がアーム部６と直接接続され、他端がテーブル３と直接接続されている。
【００８８】
なお、ロッド部９が円形状のテーブル３の中心上に向いてしまう（放射線上にある）と、Ｍｚ成分の力を検出できなくなってしまうため、このセンサ１では、テーブル３の中心方向からずらしてロッド部９を延在させている。
【００８９】
このような構成であっても、センサ１は、テーブル３に力が作用したかを検出部で検出することができる。また、センサ１は、検出部による検出値を参照して演算部１２（図７参照）でキャリブレーション機能による補正を行うことで、テーブル３に作用する６成分の力の大きさまたは方向の少なくともいずれか一方の成分を検出することができる。
【００９０】
（実施形態６）
前記実施形態１におけるセンサ１では、アーム部６は水平方向にベース２で片持ち支持された場合について説明した。本実施形態では、アーム部６が水平方向と交差するようにベース２で片持ち支持される場合について図２１を参照して説明する。図２１は、本実施形態におけるセンサ１の側面図である。
【００９１】
図２１に示すように、アーム部６は、水平方向と交差してテーブル３側に伸びるように、ベース２の平面からベース３側へ突起する突起部２ｂにおいて片持ち支持されている。このアーム部６の先端では、ロッド部９の一端が直接接続されている。また、ロッド部９の他端がテーブル３に直接接続されている。
【００９２】
また、本実施形態では、一方向に撓むアーム部６の変位を検出する検出部として変位計１１Ａを備えている。変位計１１Ａは、ベース２上であって各アーム部６の先端の下方にそれぞれ設けられる。これにより、アーム部６の先端が最も変位するため、アーム部６の変位量を高精度に検出することができる。
【００９３】
このような構成であっても、センサ１は、テーブル３に力が作用したかを検出部で検出することができる。また、センサ１は、検出部による検出値を参照して演算部１２（図７参照）でキャリブレーション機能による補正を行うことで、テーブル３に作用する６成分の力の大きさまたは方向の少なくともいずれか一方の成分を検出することができる。
【００９４】
以上、本発明を実施形態に基づく具体的に説明したが、概略すれば、次のとおりである。
【００９５】
センサ１は、対向して設けられたベース２、テーブル３（一対の対向物）と、これらの間を連結するパラレルリンク機構４とを備えている。パラレルリンク機構４の各リンク機構５は、アーム部６およびロッド部９を有して構成されている。ベース２、テーブル３よりも剛性が低く、弾性変形するアーム部６は、ベース２（一方の対向物）で片持ち支持されている。ベース２、テーブル３よりも剛性が低く、弾性変形するロッド部９は、一端がアーム部６と直接接続され、他端がテーブル３（他方の対向物）と直接接続されている。このセンサ１は、アーム部６の変形を検出する歪み計１１または変位を検出する変位計１１Ａ（検出部）を備えている。
【００９６】
これにより、可動側のテーブル３（他方の対向物）に作用する力を受けたロッド部９は、弾性変形により、倒れたり、捩れたりして、アーム部６が一方向に撓むような力を、アーム部６へ伝え易い構成となっている。言い換えると、アーム部６が、固定側のベース２（一方の対向物）に対して一方向に撓んで変形、変位し易い構成となる。このため、センサ１は、各リンク機構５が軸受けで構成されない新規な構造であって、テーブル３（対向物）に力が作用したかをアーム部６の変形、変位によって検出することができる。
【００９７】
なお、センサ１では、可動側をベース２（一方の対向物）として、固定側をテーブル３（他方の対向物）として、ベース２に作用する力をアーム部６の撓み方向の一方向で検出することもできる。この場合、アーム部６が、テーブル３に対して一方向に撓んで変形、変位する構成となる。ベース２に作用する力を受けたロッド部９は、弾性変形により、倒れたり、捩れたりして、アーム部６が一方向に撓むような力を、アーム部６へ伝え易い構成となっているからである。
【００９８】
そして、センサ１は、アーム部６がロバーバル構造８を有していることが好ましい。これにより、アーム部６は、より一方向に撓んで変形、変位し易い構成となる。具体的には、アーム部６では、ロバーバル構造８により、撓み方向でない方向の剛性が維持され、撓み方向の剛性を低くすることができる。
【００９９】
そして、センサ１では、一対のベース２とテーブル３が対向する鉛直方向と直交する水平方向にアーム部６が延在していることが好ましい。これにより、アーム部６は、より一方向である鉛直方向に撓んで変形、変位し易い構成となる。また、センサ１の薄型化を図ることができる。
【０１００】
そして、センサ１のロッド部９は、隣接するリンク機構５の各ロッド部９の他端どうしが、共有の接続点ｃ２でテーブル３と直接接続されていることが好ましい。これにより、センサ１の小型化を図ることができる。
【０１０１】
そして、センサ１では、隣接するリンク機構５の各ロッド部９を含んで一体に形成されたプレート部１０が設けられていることが好ましい。また、プレート部１０は、アーム部６と接続される箇所でくびれたくびれ部１０ａが形成され、接続点ｃ２で直接接続される箇所でくびれたくびれ部１０ｂが形成されていることが好ましい。また、ロッド部９を含むプレート部１０は、くびれ部１０ａ、１０ｂにおいて一対のベース２、テーブル３よりも剛性が低く、弾性変形することが好ましい。これにより、センサ１を小型化する際の加工が容易となる。
【０１０２】
そして、センサ１では、歪み計１１による検出値を参照してテーブル３（またはベース２）に作用する力を算出する演算部１２を備えていることが好ましい。また、演算部１２は、歪み計１１による検出値を参照して補正を行うキャリブレーション機能を有していることが好ましい。これにより、歪み計１１による検出値の誤差成分をキャンセルし、テーブル３に作用する力の検出精度を向上することができる。
【０１０３】
以上、本発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施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。
【０１０４】
例えば、前記実施形態では、６つ以上のリンク機構を有するパラレルリンク機構を備えたセンサに適用して説明した。これに限らず、より少ないリンク機構を有するパラレルリンク機構を備えたセンサにも適用することができる。例えばテーブルが平面上のみ可動し、一方向の加速度を検出するセンサ（一軸加速度センサ）であれば、２本のリンク機構を有するパラレルリンク機構を備えていれば良い。
【０１０５】
例えば、前記実施形態では、リンク機構を構成する一部では、一対の対向物よりも剛性が低く、弾性変形を有する一部を、金属で構成する場合について説明した。これに限らず、測定荷重が１０Ｎ以下の低負荷であれば、例えばポリアセタールなどの樹脂で一部を構成することもできる。
【０１０６】
例えば、前記実施形態では、一方向におけるアームの変形または変位を検出する検出部として、歪み計または変位計を適用した場合について説明した。これに限らず、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）、磁気識別素子などを設けても良い。また、アームに水晶を埋め込み、固有振動の変化を捉えることもできる。
【符号の説明】
【０１０７】
１ センサ
２ ベース（対向物）
３ テーブル（対向物）
４ パラレルリンク機構
５ リンク機構
６ アーム部
７、７Ａ アーム基部
８ ロバーバル構造
９ ロッド部
１０ プレート部
１０ａ、１０ｂ くびれ部
１１ 歪み計（検出部）
１１Ａ 変位計（検出部）
１２ 演算部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向して設けられた一対の対向物と、該一対の対向物間を連結するパラレルリンク機構とを備えたセンサであって、
前記パラレルリンク機構の各リンク機構は、アーム部およびロッド部を有して構成されており、
前記一対の対向物よりも剛性が低く、弾性変形する前記アーム部は、前記一対の対向物の一方で片持ち支持されており、
前記一対の対向物よりも剛性が低く、弾性変形する前記ロッド部は、一端が前記アーム部と直接接続され、他端が前記一対の対向物の他方と直接接続されており、
前記アーム部の変形または変位を検出する検出部を備えていることを特徴とするセンサ。
【請求項２】
請求項１記載のセンサにおいて、
前記アーム部が、ロバーバル構造を有していることを特徴とするセンサ。
【請求項３】
請求項１または２記載のセンサにおいて、
前記一対の対向物が対向する方向と直交する方向に前記アーム部が延在していることを特徴とするセンサ。
【請求項４】
請求項１、２または３記載のセンサにおいて、
隣接する前記リンク機構の各ロッド部の他端どうしが、共有の接続点で前記一対の対向物の他方と直接接続されていることを特徴とするセンサ。
【請求項５】
請求項４記載のセンサにおいて、
隣接する前記リンク機構の各ロッド部を含んで一体に形成されたプレート部が設けられており、
前記プレート部は、前記接続点で接続される箇所と前記アーム部と接続される箇所でくびれたくびれ部が形成されており、
前記ロッド部を含む前記プレート部は、前記くびれ部において前記一対の対向物よりも剛性が低く、弾性変形することを特徴とするセンサ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のセンサにおいて、
前記検出部による検出値を参照して前記一方または他方の対向物に作用する力を算出する演算部を備えており、
前記演算部は、前記検出部による検出値を参照して補正を行うキャリブレーション機能を有していることを特徴とするセンサ。
【請求項１】
対向して設けられた一対の対向物と、該一対の対向物間を連結するパラレルリンク機構とを備えたセンサであって、
前記パラレルリンク機構の各リンク機構は、アーム部およびロッド部を有して構成されており、
前記一対の対向物よりも剛性が低く、弾性変形する前記アーム部は、前記一対の対向物の一方で片持ち支持されており、
前記一対の対向物よりも剛性が低く、弾性変形する前記ロッド部は、一端が前記アーム部と直接接続され、他端が前記一対の対向物の他方と直接接続されており、
前記アーム部の変形または変位を検出する検出部を備えていることを特徴とするセンサ。
【請求項２】
請求項１記載のセンサにおいて、
前記アーム部が、ロバーバル構造を有していることを特徴とするセンサ。
【請求項３】
請求項１または２記載のセンサにおいて、
前記一対の対向物が対向する方向と直交する方向に前記アーム部が延在していることを特徴とするセンサ。
【請求項４】
請求項１、２または３記載のセンサにおいて、
隣接する前記リンク機構の各ロッド部の他端どうしが、共有の接続点で前記一対の対向物の他方と直接接続されていることを特徴とするセンサ。
【請求項５】
請求項４記載のセンサにおいて、
隣接する前記リンク機構の各ロッド部を含んで一体に形成されたプレート部が設けられており、
前記プレート部は、前記接続点で接続される箇所と前記アーム部と接続される箇所でくびれたくびれ部が形成されており、
前記ロッド部を含む前記プレート部は、前記くびれ部において前記一対の対向物よりも剛性が低く、弾性変形することを特徴とするセンサ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のセンサにおいて、
前記検出部による検出値を参照して前記一方または他方の対向物に作用する力を算出する演算部を備えており、
前記演算部は、前記検出部による検出値を参照して補正を行うキャリブレーション機能を有していることを特徴とするセンサ。
【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１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２０１３−６４７０６（Ｐ２０１３−６４７０６Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０４９３５（Ｐ２０１１−２０４９３５）
【出願日】平成２３年９月２０日（２０１１．９．２０）
【出願人】（５１１２２８０２３）
【出願人】（５１１２２８０３４）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２０日（２０１１．９．２０）
【出願人】（５１１２２８０２３）
【出願人】（５１１２２８０３４）
【Ｆターム（参考）】
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