JP2007010379A - 力覚センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体基板製の力覚センサ用チップに印加される外力（軸力）を適度に弱くし、また設置すべき場所や設置できるスペース等に応じて最適な形状または取付け状態で設置できる力覚センサを提供する。
【解決手段】 この力覚センサ１００は、力が印加される作用部２１と、この作用部を支持する支持部２２と、作用部と支持部の間に設けられる力検出用の複数の歪み抵抗素子等とを有する力覚センサ用チップ１１に対して、与えられた外力Ｆ１を減衰させて印加させる緩衝装置１２を備えた力覚センサであり、この緩衝装置は、外力が入力される入力部１０１と、力覚センサ用チップを外部に固定するセンサ固定部１０２と、外力を減衰させる減衰機構部１０４と、外力の減衰力を作用部に伝達する伝達部１０５とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は力覚センサに関し、特に、力覚センサ用チップに印加される力をやわらげるのに適した緩衝装置を備える力覚センサに関する。

本出願人は先に特許文献１によって６軸力センサを提案した。この６軸力センサでは、半導体基板製の６軸力センサチップの外力印加部分（力作用部）に印加される外力の大きさが小さくなるように、６軸力センサチップの周囲に緩衝装置を設けている。これにより６軸力センサチップで測定できる外力のレベルを飛躍的に高め、応用範囲を拡大することができる。またこの６軸センサは、緩衝装置を備えた構造であっても、多軸干渉の問題を解消することができる。

また特許文献２には力・モーメント検出装置が開示されている。この力・モーメント検出装置では、特許文献２の図１等に示されるごとく、シリコンの単結晶基板上に合計１２個の抵抗素子を形成し、機械的変形を電気信号に変換するトランスデューサを構成している。また上記の力・モーメント検出装置では、第１の起歪体（２０）と第２の起歪体（３０）を備え、第１の起歪体に上記シリコン単結晶基板を設け、第１の起歪体と第２の起歪体を腕状部材で連結している。
特開２００３−２５４８４３号公報 特開平１−７５９３０号公報（特許第２６０７０９６号公報）

上記のような力覚センサでは、力やモーメントに感応する部分として、半導体製造技術を適用した半導体センサチップが使われる場合がある。半導体センサチップは、半導体基板を利用して外力を受ける部分を形成するので、印加することができる力にも上限があり、必要以上に大きな力やモーメントが印加されると、当該半導体基板のチップが破損するおそれがある。そこで、力覚センサを構成するチップを保護すべく、外力を弱める外力減衰機構を有する緩衝装置を付設することが望まれる。さらに、かかる力覚センサを、例えば産業用ロボット等における外力印加部に利用するとき、その設置スペース上の制約からサイズ的にさほど大きな緩衝装置を付設することはできない。このようにロボット等内の設置すべき場所や設置できるスペース等の観点から、より最適な形態や構造を有する各種変形例に係る力覚センサの緩衝装置の開発が望まれている。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、力覚センサ用チップに印加される軸力を適度に弱くし、また設置すべき場所や設置できるスペース等に応じて最適な形状または取付け状態で設置できる力覚センサを提供することにある。

本発明に係る力覚センサは、上記目的を達成するために、次のように構成される。

請求項１に係る力覚センサは、力が印加される作用部と、この作用部を支持する支持部と、作用部および支持部の間で上記力を検出する力検出部とを有する力覚センサ用チップに対して、与えられた外力を減衰させて印加させる緩衝装置を備えた力覚センサである。この緩衝装置は、外力が入力される入力部と、力覚センサ用チップを固定するセンサ固定部と、外力を減衰させる減衰機構部と、外力の減衰力を作用部に伝達する伝達部とを備えるように構成される。

上記の力覚センサでは、外力を減衰させ当該外力の一部を力覚センサ用チップに印加させる減衰機構部（または緩衝機構部）を設けることにより、半導体基板等で作られた力覚センサ用チップの作用部に印加される外力（軸力）を所要レベルまで減衰させる。これにより大きな外力の検出が可能になる。外力緩衝作用を生じる減衰機構部は力覚センサにおいて緩衝装置の要部として機能するが、減衰機構部の形状・構造に応じて、立方体形状、円筒形状、円盤形状、棒形状等、様々の変形例の緩衝装置を製作することが可能である。この結果、かかる緩衝装置を備える力覚センサ自体も、様々な形状・形態を有するものを製作することができる。このようなバリエーションに富む力覚センサは利用範囲、および応用範囲を拡大することができると共に、利用箇所に最適な形状等を有する力覚センサを取り付けることが可能となる。

請求項２に係る力覚センサは、上記の力覚センサにおいて、好ましくは、力検出部は、作用部と支持部を連結する連結部に設けられた複数の歪み抵抗素子で構成されることで特徴づけられる。

請求項３に係る力覚センサは、上記の力覚センサにおいて、好ましくは、力検出部は、作用部に設けられた第１電極と、当該作用部以外の固定部に設けられた第２電極との間で形成される静電容量の変化で上記力を検出する静電容量検出素子で構成されることで特徴づけられる。

請求項４に係る力覚センサは、上記の力覚センサにおいて、好ましくは、入力部とセンサ固定部は板状部を有し、入力部とセンサ固定部とを減衰機構部で結合するように構成される。入力部およびセンサ固定部のそれぞれを、力覚センサの外観を形成するセンサ筐体として形成し、かつその一部として正方形等の形状を有する板状部を形成するとき、当該入力部とセンサ固定部とを減衰機構部で結合し、入力部に印加された外力を減衰機構部で減衰させるようにする。

請求項５に係る力覚センサは、上記の力覚センサにおいて、好ましくは、減衰機構部は、入力部とセンサ固定部のそれぞれの周縁部に設けられる柱部材であるように構成されることで特徴づけられる。

請求項６に係る力覚センサは、上記の力覚センサにおいて、好ましくは、減衰機構部は、入力部とセンサ固定部のそれぞれの周縁部に対応して設けられるＹ字形状の連結部材であるように構成される。連結部材の材質、形状、寸法等は、所要の緩衝作用を生じさせるために任意に調整することが可能である。

請求項７に係る力覚センサは、上記の力覚センサにおいて、好ましくは、連結部材は、入力部に結合される一端部とセンサ固定部に結合される二端部を有する部材であるように構成される。この連結部材はＹ字型に形成され、当該形状等を適宜に調整することによりその剛性を調整することが可能である。

請求項８に係る力覚センサは、上記の力覚センサにおいて、好ましくは、入力部とセンサ固定部は、内部に力覚センサ用チップを収容する柱形状の減衰機構部で結合されるように構成される。

請求項９に係る力覚センサは、上記の力覚センサにおいて、好ましくは、減衰機構部は円筒部材である。

請求項１０に係る力覚センサは、上記の力覚センサにおいて、好ましくは、円筒部材は、円周方向に例えば長形の複数の穴が形成されている。この穴の形状、個数、位置等を調整することにより円筒部材の剛性を適宜に調整することが可能となる。

請求項１１に係る力覚センサは、上記の力覚センサにおいて、好ましくは、入力部、センサ固定部、減衰機構部、および伝達部が力覚センサ用チップに対して同一面側に設けられ、センサ固定部の内周側に減衰機構部および伝達部が形成されている。

請求項１２に係る力覚センサは、上記の力覚センサにおいて、好ましくは、減衰機構部は、複数の穴が形成されていることで特徴づけられる。この穴を適宜に調整することにより減衰機構部の剛性を適宜に調整することが可能となる。

請求項１３に係る力覚センサは、上記の力覚センサにおいて、好ましくは、入力部とセンサ固定部が減衰機構部を介して棒状に結合され、力覚センサ用チップがセンサ固定部の側面に設けられ、一端が入力部に接続された腕部の他端が前達部に接続されていることで特徴づけられる。

請求項１４に係る力覚センサは、上記の力覚センサにおいて、好ましくは、入力部とセンサ固定部は減衰機構部を介して連結されるときに内側スペースを有するように形成され、内側スペースに位置するように力覚センサ用チップをセンサ固定部に設けるように構成される。

請求項１５に係る力覚センサは、上記の力覚センサにおいて、好ましくは、入力部とセンサ固定部は、それぞれの両端が減衰機構部で結合されることを特徴とする。

請求項１６に係る力覚センサは、上記の力覚センサにおいて、好ましくは、減衰機構部を形成する材料の剛性は入力部とセンサ固定部を形成する材料の剛性よりも小さいように構成される。
さらに請求項１７に係る力覚センサは、上記の各力覚センサにおいて、好ましくは、力覚センサ用チップとセンサ固定部の間にチップ台座を有し、このチップ台座と、力覚センサ用チップとセンサ固定部のそれぞれとの間は陽極接合されていること特徴とする。

本発明によれば、力覚センサに緩衝装置を付設する構造とし、この緩衝装置を、入力部、センサ固定部、伝達部、減衰機構部（または緩衝機構部）で形成し、入力部とセンサ固定部と減衰機構部の形状・形態を利用状況または応用状況に応じて任意に調整することにより、力覚センサを様々なバリエーションで製作することができ、これにより、力覚センサ用チップに印加される軸力を適度に弱くし、さらに設置すべき場所や設置できるスペース等に応じて力覚センサを最適な形状または取付け状態で設置することができる。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

本発明に係る力覚センサは、センサ装置として、その構成を大きく捉えると、外側から与えられる外力（または軸力、荷重）に感応して当該外力を検出するセンサ部分すなわち力覚センサ用チップと、力覚センサに印加させる外力を所定分だけ減衰させて当該力覚センサ用チップに伝達する減衰機構部（または緩衝機構部）を含む緩衝装置と、から構成されている。以下の各実施形態の説明では、外観から見た形状に基づいて、力覚センサ（または緩衝装置を備えた力覚センサ）を分類している。力覚センサの形状は、装備された緩衝装置によって決まる。

第１実施形態に係る力覚センサは「立方体形状」の外観を有し、第２実施形態に係る力覚センサは「円筒形状」の外観を有し、第３実施形態に係る力覚センサは「円盤形状」の外観を有し、第４実施形態に係る力覚センサは「棒形状」の外観を有している。

各実施形態で使用されている力覚センサ用チップは同じものである。この力覚センサ用チップは半導体基板を利用して製作され、６軸力センサとして機能するものである。６軸力センサは、直交する３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の各々についての力とモーメントを検出するセンサ機能を有している。

さらに以下の第１〜第４の実施形態の説明では、それぞれ、単純な形状・構造によるものと、その変形例としての実際的な形状・構造によるものとが説明される。

図１〜図９を参照して本発明に係る力覚センサの第１実施形態を説明する。この実施形態に係る力覚センサは「立方体形状」を有している。

図１と図２を参照して第１実施形態に係る単純な形状・構造を有する力覚センサを説明する。図１は力覚センサ１００の外観の斜視図を示し、図２は力覚センサ１００の内部の構造を示す断面斜視図を示す。

力覚センサ１００の要部構成は、力覚センサ用チップ１１と緩衝装置１２とから構成されている。力覚センサ用チップ１１の構成の一例は図３と図４に示される。力覚センサ１００の構成を説明する前に、図３と図４を参照して力覚センサ用チップ１１の構成の一例を説明する。この力覚センサ用チップ１１は、歪み抵抗素子を利用して外力を検出するように構成されている。

図３は力覚センサ用チップ１１の斜視図を示し、図４は力覚センサ用チップ１１の平面図を示す。力覚センサ用チップ１１は、半導体基板を利用し、半導体製造プロセス技術を適用して形成される半導体センサ素子である。力覚センサ用チップ１１の平面形状は好ましくは正方形であり、平板状の形態を有している。力覚センサ用チップ１１の平面形状を示した図３において、力覚センサ用チップ１１は、中央部に位置するほぼ正方形の形状をした作用部２１と、この作用部２１を囲むような周囲位置にある正方形リング形状の支持部２２と、作用部２１と支持部２２の間に位置して四辺の各部分に対応して両者を連結するＴ字形状の４つの連結部２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄとから構成されている。４つの連結部２３Ａ〜２３Ｄの各々は、Ｔ字梁となっており、橋梁部と弾性部を有する。Ｔ字形状の４つの連結部２３Ａ〜２３Ｄの各々は、作用部２１に接続される境界部における、好ましくは、一方の面（表面２４）に３つの歪み抵抗素子(Sxa1,Sxa2,Sxa3),(Sxb1,Sxb2,Sxb3),(Sya1,Sya2,Sya3),(Syb1,Syb2,Syb3)が配置され ている。
作用部２１、支持部２２、連結部２３Ａ〜２３Ｄは、図３に示すごとく、力覚センサ用チップ１１に設けられた８つの貫通孔２５ａ〜２５ｈによって形成されている。貫通孔２５ａ〜２５ｈは、作用部２１に与えられた外力に応じた連結部２３Ａ〜２３Ｄの変形および作用部２１の変位を生じさせ、力検出が高精度にできるように、その形成位置および形状が調整されている。

図３と図４では、力覚センサ用チップ１１に対して、図示される通り、直交されるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が定義されている。図３では力覚センサ用チップ１１における上、下、右、左が便宜的に定められている。図４では横軸がＸ軸、縦軸がＹ軸として示されている。さらに図３では、各軸に係る力およびモーメントが矢印と符号で示されている。直交座標系の３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）に関して、Ｘ軸方向の力をＦｘとし、Ｙ軸方向の力をＦｙとし、Ｚ軸方向の力をＦｚとし、またＸ軸に対して回転方向に与えられるモーメントをＭｘとし、Ｙ軸に対して回転方向に与えられるモーメントをＭｙとし、Ｚ軸に対して回転方向に与えられるモーメントをＭｚとする。

上記の６軸成分（軸力）、すなわちＦｘ［Ｎ］，Ｆｙ［Ｎ］，Ｆｚ［Ｎ］，Ｍｘ［Ｎ・ｃｍ］，Ｍｙ［Ｎ・ｃｍ］，Ｍｚ［Ｎ・ｃｍ］が、支持部２２が固定された力覚センサ用チップ１１の作用部２１に直接印加させると、その印加力に応じて連結部２３Ａ〜２３Ｄの変形が生じる。この連結部２３Ａ〜２３Ｄの変形に従って、歪み抵抗素子(Sxa1,Sxa2,Sxa3),(Sxb1,Sxb2,Sxb3),(Sya1,Sya2,Sya3),(Syb1,Syb2,Syb3)が歪みので、歪み抵抗素子(Sxa1,Sxa2,Sxa3),(Sxb1,Sxb2,Sxb3),(Sya1,Sya2,Sya3),(Syb1,Syb2,Syb3)からの信号を解析することで６軸力の大きさと方向が検知できる。
なお、実際の力覚センサ用チップ１１では、チップ周縁部に複数の電極と、当該電極と各歪み抵抗素子とを接続する配線が設けられているが、これらは本発明の要部ではないので、図３および図４ではその図示は省略している。

図５を参照して６軸力の大きさと方向の検知方法の一例を概説する。なお、説明の便宜上、図５に示す各変形パターン３１は、その変形状態を誇張して示している。前述のごとく６つの軸力のいずれかまたは組み合せたものは力覚センサ用チップ１１におけるチップ中央部の作用部２１に印加される。軸力が印加された作用部２１は、チップ周囲部の支持部２２および連結部２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄによって支持されながら、その位置を変化する。その結果、作用部２１と支持部２２を連結する連結部２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄで、印加された軸力に応じた固有の変形が生じる。連結部２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄで変形が生じると、その変形の仕方に応じて特有の検知信号が出力されることになる。

図５では、作用部２１に対する印加軸力が例えばＦｘ，Ｆｚ，Ｍｙ，Ｍｚであるとき（図５の（１））、力覚センサ用チップ１１の変形パターン（図５の（２））とその印加軸力に特徴的な検知信号（図５の（３））を示している。力覚センサ用チップ１１の変形パターンは、平面形状での変形パターン３１と縦断面形状での変形パターン３２とが示されている。また検知信号は抵抗値増減の演算式で表現されている。なおここで、抵抗値増減の演算式で用いられている各抵抗変化量R11,R12,R13,R21,R22,R23,R31,R32,R33,R41,R42,R43は、前述した１２個の歪み抵抗素子(Sxa1,Sxa2,Sxa3),(Sxb1,Sxb2,Sxb3),(Sya1,Sya2,Sya3),(Syb1,Syb2,Syb3)に関して、それぞれ、(R11,R12,R13),(R31,R32,R33),(R21,R22,R23),(R41,R42,R43)としている。

図５に示されるごとく、軸力Ｆｘが印加されるときには矢印３３のごとく力が加わり、顕著な出力信号として（（Ｒ２１−Ｒ２３）＋（Ｒ４３−Ｒ４１））／４の演算式で決まる検知信号が得られる。軸力Ｆｚが印加されるときには矢印３４のごとく力が加わり、顕著な出力信号として−（Ｒ１２＋Ｒ２２＋Ｒ３２＋Ｒ４２）／４の演算式で決まる検知信号が得られる。軸力Ｍｙが印加されるときには矢印３５のごとく力が加わり、顕著な出力信号として（Ｒ１２−Ｒ３２）／２の演算式で決まる検知信号が得られる。軸力Ｍｚが印加されるときには矢印３６のごとく力が加わり、顕著な出力信号として（（Ｒ１３−Ｒ１１）＋（Ｒ２３−Ｒ２１）＋（Ｒ３３−Ｒ３１）＋（Ｒ４３−Ｒ４１））／８の演算式で決まる検知信号が得られる。これらの信号を適切に演算して（周知の行列演算など）、力覚船さ１００に印加される軸力を知ることができる。

力センサ用チップ１１内にブリッジ回路を形成して、ノイズ除去済みの検出信号が力覚センサ１００から出力されるようにしてもよい。さらに、力覚センサ１００の外部に、図示しない外部測定機器を接続し、歪み抵抗素子(Sxa1,Sxa2,Sxa3)からの出力信号を当該外部測定機器によって処理することで、６軸力をより詳細に検出し、その大きさおよび方向等を例えばモニタで確認できるようなシステムとしてもよい。本発明における力覚センサチップ１１の配線部や動作の詳細は、例えば特開２００３−２５４８４３号公報と同一のものが適用可能である。

なお図３〜図５では、力覚センサ用チップ１１の各連結部２３Ａ〜２３Ｄ上にそれぞれ３つの歪み抵抗素子が設けられた例を示したが、各連結部２３Ａ〜２３Ｄ上にそれぞれ２つずつの歪み抵抗素子が設けられた力覚センサ用チップ１１としてもよい。この場合、図５の（３）の各印加力に対して顕著に出力される信号は、Ｆｚ，Ｍｚに対して、それぞれ、−（Ｒ１１＋Ｒ１３＋Ｒ２１＋Ｒ２３＋Ｒ３１＋Ｒ３３＋Ｒ４１＋Ｒ４３）／８，（（Ｒ１１＋Ｒ１３）−（Ｒ３１＋Ｒ３３））／４となる。そして、ＦｘおよびＭｚに関する信号については、図５に示すものと同一でなる。

次に、再び図１および図２に戻り、これらの図に基づき力覚センサ１００の構成を説明する。力覚センサ１００は、前述した通り、上記の力覚センサ用チップ１１と、緩衝装置１２とによって構成される。緩衝装置１２は、外部から与えられる外力Ｆ１が直接に印加される入力部１０１と、力覚センサ１００を所要の場所に固定すると共に力覚センサ用チップ１１を取り付けるためのセンサ固定部１０２と、減衰機能または緩衝機能を有する例えば４本の柱状部材で構成される減衰機構部１０４と、伝達部１０５とから構成されている。なおセンサ固定部１０２において、力覚センサ用チップ１１はチップ台座１０３の上に取り付けられている。チップ台座１０３はセンサ固定部１０２の一部として作ることができるし、センサ固定部１０２とは別の部材として作ることもできる。

前述した力覚センサ用チップ１１の支持部２２は環状のチップ台座１０３に固定されている。チップ台座１０３はセンサ固定部１０２上に固定される。センサ固定部１０２は、その上面にチップ台座１０３が固定される円筒部１０２ｂと、この円筒部１０２ｂを有する支持板部１０２ａとから構成される。入力部１０１は、センサ固定部１０２の支持板部１０２ａと略同形の矩形状の上記板部１０１ａを有する。入力部１０１の板部１０１ａとセンサ固定部１０２の支持板部１０２ａとは実質的に平行に配置されている。入力部１０１の板部１０１ａとセンサ固定部１０２の支持板部１０２ａとの間には、それぞれの対応する４つの角部分を利用して上記減衰機構部１０４が配置され、入力部１０１とセンサ固定部１０２の両者を連結している。また入力部１０１の板部１０１ａの内側中心部と、センサ固定部１０２に固定された力覚センサ用チップ１１の作用部２１の中心部とは、棒状の上記伝達部１０５で結合されている。

ここで、入力部１０１、センサ固定部１０２、チップ台座１０３、伝達部１０５、および力覚センサ用チップ１１の中心は、略一致している。これによって外力Ｆ１の印加方向と力検出の対称性が容易に確保し易くなっている。

板部１０１ａ，１０２ａの中央部には、それぞれ保持部１０１ｂ，１０２ｃが設けられている。これによって力覚センサ１００の取付けおよび保持が容易になる。また保持部１０１ｂを伝達部１０５の真上に設けることで、センサ検出値の対称性が維持され、余計な変動を防止している。円筒部１０２ｂおよびチップ台座１０３を円筒形状にすることで旋盤加工が可能になると同時に、板部１０２上に面積を有効に活用することを実現している。すなわち、小さな平面積の板部１０１ａ，１０２ａであってもその四隅に減衰機構部１０４を配置しつつ、チップ台座１０３も中央部に組み込むことができる。また図１のような構造にすることで、力覚センサ用チップ１１の四辺にある図示しない電極にフレキシブルケーブルを接続することが容易になる。さらに、この力覚センサ１００では、歪み抵抗素子が設けられたチップ面と同一面に対して伝達部１０５が当接しているので、作用部２１に比較的小さな力が印加してもセンサ検出を行い易いという特徴を有している。

上記の構成において、４本の柱で形成される減衰機構部１０４は、入力部１０１に加わった外力Ｆ１が弱められかつチップ許容範囲内の力・モーメントで力覚センサ用チップ１１の作用部２１に印加されるように、当該外力Ｆ１を減衰させる。すなわち、外力Ｆ１が力覚センサ１００の入力部１０１に印加されると、その大部分（例えば外力Ｆ１の９０％）が減衰機構部１０４を介してセンサ固定部１０２の側に伝わり、その一部（例えば外力Ｆ１の１０％）が伝達部１０５を介して力覚センサ用チップ１１の作用部２１に印加される。力覚センサ用チップ１１への力伝達率は、減衰機構部１０４を含む緩衝装置１２を構成する各部の形状、サイズ、素材など適宜調整することで決定される。力覚センサ用チップ１１や緩衝装置１２の耐荷重や剛性などを考慮して、破壊や永久変形なく力覚センサ１００が高精度に外力Ｆ１を検知することができるように設計することが望ましい。

次に、上記の力覚センサ１００の各部の材料・材質について説明する。

力覚センサ１００の入力部１０１、センサ固定部１０２、チップ台座１０３、減衰機構部１０４、伝達部１０５は、一般的には、金属（アルミニウム、炭素鋼、ステンレス等）、プラスチック、セラミックス、ガラス等の固体材料で形成される。

上記において、２種以上の金属を使用しても良いが、製造工程やコストを考慮すると、１種類の金属を使用して入力部やセンサ固定部等のセンサ筐体を形成し、さらに形状、サイズ、スリット（穴）の形成の仕方等で変形作用を調整する方がより現実的である。またセラミックスやガラスを材料として使用する場合については、熱膨張を抑えることができるので、望ましい材料選択肢の１つである。

またチップ台座１０３については、特に、力覚センサ１００としてのセンサ精度を高く維持する観点では、絶縁性が有することが望ましく、さらに力覚センサ用チップ１１と熱膨張係数が近い材料が望ましい。仮に熱膨張係数が近くないとすると、外部の温度変化によって力覚センサ用チップ１１が延伸することがある。これは、力覚センサ１００による検出での誤差（温度ドリフト）を生じさせる。力覚センサ１００から検出信号を取り出すためには、通常、バイアス電圧をかけてノイズの影響をなくすようにする。しかし、当該バイアス電圧が他の部分に印加されないようにするためには、チップ台座１０３は絶縁性を有することが望ましい。この観点からも、セラミックスやガラスは好適である。

さらにチップ台座１０３は、センサ固定部１０２の円筒部１０２ｂおよび力覚センサ用チップ１１に陽極接合により結合させるため、特にガラスを選択することが望ましい。なお陽極接合の代わりに、従来のようにエポキシ樹脂系などの接着剤を使用することもできる。なおセンサの使用態様によっては、耐熱性に優れたフェノール系の接着剤を使用してもよい。

入力部１０１、センサ固定部１０２、およびこれらの要素である板部１０１ａや支持板部１０２ａ、伝達部１０５は、入力される外力Ｆ１による変形が少ないことが望まれる。これらの要素は、金属等の剛体材料で形成される。さらに力覚センサ用チップ１１と熱膨張係数が近い方が、用途によってセンサ検出精度の上で有利であるので、インバー、エリンバー等の熱膨張係数の低い低熱膨張合金等を使用することが望ましい。

柱状部材で構成される減衰機構部１０４は、入力部１０１に入力される外力Ｆ１によって適度の変形を生じることで、その変形量に応じて力覚センサ用チップ１１が変形することにより外力Ｆ１の検出を行うことができるので、適度の剛性が必要である。また減衰機構部は、力覚センサ用チップ１１と熱膨張係数が近い方が、用途によっては、センサ精度上有利であるので、インバー、エリンバ−等の熱膨張係数の低い低熱膨張合金等を使用することが望ましい。

上記の減衰機構部１０４については、その形状やサイズ等によって剛性の程度を調整しているが、入力部１０１等より剛性の低い異なる材料で構成して減衰機能を実現してもよい。

さらにより好ましくは、一般的に、減衰機構部は、その他のセンサ筐体部分（入力部１０１とセンサ固定部１０２）に比較して、大きく変形するように、剛性の低い材料または変形度合いが大きい構造物で形成される。材料として入力部１０１等と同じ剛性の材料で作られる場合には、その形状や構造を変化させることによって変形度合いが入力部１０１等よりも大きくなるように調整される。減衰機構部に関するこれらの実施の具体的な形態は各実施形態で説明される。

以上に説明した力覚センサにおける入力部、センサ固定部、チップ台座、減衰機構部、伝達部の材料・材質は、以下で説明される各実施形態の力覚センサの各部についても同様である。

図６に、力覚センサ１００に対して例えば軸力Ｆｘ，Ｆｚ，Ｍｙ，Ｍｚが印加したときの力覚センサ１００の全体形状の変形例を示す。図６で、（Ａ）は軸力Ｆｘが印加されたときの変形状態を示し、（Ｂ）は軸力Ｆｚが印加されたときの変形状態を示し、（Ｃ）は軸力Ｍｙが印加されたときの変形状態を示し、（Ｄ）は軸力Ｍｚが印加されたときの変形状態を示している。変形状態（Ａ）〜（Ｄ）のそれぞれで各軸力に応じて減衰機構部１０４が変形を生じ、減衰機構部１０４は、入力部１０１に印加された軸力の大部分（例えば９０％）を吸収している。なお、説明の便宜上、図６に示す各変形パターンの変形状態を誇張して示している。

次に、図７と図８を参照して第１実施形態に係る力覚センサの変形例を説明する。この力覚センサ１１０は、使用態様によっては力覚センサ１００よりもより実用的であるといえる。図１と図２で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。力覚センサ１１０において、緩衝装置１２は、４つの減衰機構部１１１で構成される。４つの減衰機構部１１１は、入力部１０１の矩形形状の板部１０１ａと、センサ固定部１０２の矩形形状の支持板部１０２ａの４辺の各々に対応して配置され、入力部１０１とセンサ固定部１０２とを結合している。減衰機構部１１１はほぼ逆Ｙ字型の形状または構造を有し、下側は二股形状を有している。入力部１０１の板部１０１ａは減衰機構部１１１の上側の１つの端部と結合され、センサ固定部１０２の支持板部１０２ａは減衰機構部１１１の下側の２つの端部と結合されている。その他の構成は力覚センサ１００と同じである。

図９に、力覚センサ１１０に対して例えば軸力Ｆｘ，Ｆｚ，Ｍｙ，Ｍｚが印加したときの力覚センサ１１０の全体形状の変形例を示す。図９で、（Ａ）は軸力Ｆｘが印加されたときの変形状態を示し、（Ｂ）は軸力Ｆｚが印加されたときの変形状態を示し、（Ｃ）は軸力Ｍｙが印加されたときの変形状態を示し、（Ｄ）は軸力Ｍｚが印加されたときの変形状態を示している。変形状態（Ａ）〜（Ｄ）のそれぞれで各軸力に応じて減衰機構部１１１が変形を生じ、減衰機構部１１１は、入力部１０１に印加された軸力の大部分（例えば９０％）を吸収している。なお、説明の便宜上、図９に示す各変形パターンの変形状態を誇張して示している。

第１実施形態の変形例に係る力覚センサ１１０によれば、減衰機構部１１１の逆Ｙ字型部の大きさ、形状（太さや長さ等）などを任意に調整することによって外力Ｆ１に対する減衰機構部１１１の外力減衰機能を自由に調整することができる。より具体的には、例えば図７における減衰機構１１１の厚みや寸法Ｌ１〜Ｌ６等を適宜に調整することで、より高精度でバランスの取れた力検出が可能である。すなわち、上記力覚センサ１１０によれば、外力減衰機能の調整が図１で説明した力覚センサ１００よりも容易であり、耐荷重の調整や各軸力に対する感度の調整などの力覚センサの設計の自由度がより高いという利点を有している。なおＹ字型の減衰機構部１１１を上下逆にして板部１０１ａ，１０２ａ間に設けてもよい。なお、力覚センサ１００，１１０は、正方形の上面を有する板部１０１ａ，１０２ａを備えた例を説明したが、円または正三角形など他の上面形状を有する板部１０１ａ，１０２ａを備えたものであってもよい。

次に図１０〜図１５を参照して本発明の力覚センサの第２実施形態を説明する。この実施形態に係る力覚センサは「円筒形状」を有している。

図１０と図１１を参照して第２実施形態に係る単純な形状・構造を有する力覚センサ２００を説明する。図１０は力覚センサ２００の外観の斜視図を示し、図１１は力覚センサ２００の内部の構造を示す断面斜視図を示す。図１０と図１１において、上記第１実施形態で説明された要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

力覚センサ２００の要部構成は、力覚センサ用チップ１１と緩衝装置１２とから構成されている。力覚センサ用チップ１１は第１実施形態で説明した通りである。力覚センサ２００は、より詳しくは、外部から与えられる外力（軸力または荷重）Ｆ１が直接に印加される入力部２０１と、力覚センサ２００を所要の場所に固定するためのセンサ固定部２０２と、上記力覚センサ用チップ１１を取り付けるためのチップ台座１０３と、減衰または緩衝の機能を有する円筒部２０３と、入力部２０１と力覚センサ用チップ１１の作用部２１とを結合する伝達部１０５とから構成されている。円筒部２０３が前述の緩衝装置１２の減衰機構部を形成する。

入力部２０１とセンサ固定部２０２はセンサ筐体を形成する。入力部２０１はセンサ筐体としての円形形状の板部２０１ａを有する。センサ固定部２０２は、センサ筐体としての円形形状の支持板部２０２ａと、上面にチップ台座１０３が固定される円筒部２０２ｂとから構成される。板部２０１ａおよび支持板部２０２ａの各直径と、円筒部２０３の外径は略等しくなるように設計されている。板部２０１ａと支持板部２０２ａとは平行に配置され、それらの間に両者を結合するように円筒部２０３が配置される。力覚センサ２００は全体形状として円筒形に形成されている。ただし、板部２０１ａと支持板部２０２ａの直径を異ならせて、円錐形状の緩衝装置１２を有する力覚センサ２００としてもよい。

円筒部２０３は、入力部２０１に印加された外力Ｆ１を減衰させて力覚センサ用チップ１１に与える緩衝装置１２の減衰機構部としての機能を有する。

図１２に、力覚センサ２００に対して例えば軸力Ｆｘ，Ｆｚ，Ｍｙ，Ｍｚが印加したときの力覚センサ２００の全体形状の変形例を示す。図１２で、（Ａ）は軸力Ｆｘが印加されたときの変形状態を示し、（Ｂ）は軸力Ｆｚが印加されたときの変形状態を示し、（Ｃ）は軸力Ｍｙが印加されたときの変形状態を示し、（Ｄ）は軸力Ｍｚが印加されたときの変形状態を示している。変形状態（Ａ）〜（Ｄ）のそれぞれで各軸力に応じて減衰機構部である円筒部２０３が変形を生じ、円筒部２０３は、入力部２０１に印加された軸力の大部分（例えば９０％）を吸収している。なお説明の便宜上、図１２に示す各変形パターンの変形状態を誇張して示している。

力覚センサ２００は、全体形状が円筒形であるので、第１実施形態の力覚センサと比較すると、四隅の角部がなく、そのため空間的に適用自由度が高いというという利点を有している。例えば力覚センサ２００は、産業用ロボットのアーム部のような円筒形状を有する部分の内部に設けて使用するには好適である。

また力覚センサ２００によれば、センサ部品の機械加工を考えると、上下のセンサ筐体部分（入力部２０１とセンサ固定部２０２と円筒部２０３）が円筒形であるので、当該センサ筐体部分に対する旋盤加工がなじみ易い。そのため、製造が容易となり、かつ高い加工精度を得ることができるという利点を有する。さらに第１実施形態に係る立体型形状の上記力覚センサ１００，１１０に比較すると、減衰機構部（円筒部２０３）とセンサ入力部２０１、または円筒部２０３とセンサ固定部２０２とを一部品にし易く、製作コストを低減することができる。

次に、図１３と図１４を参照して第２実施形態に係る力覚センサの変形例を説明する。この力覚センサ２１０は実際的な形状・構造を有する。図１０と図１１で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。力覚センサ２１０において、減衰機構部である円筒部２１１には、全体形状は上記の円筒部２０３と同じであり、さらに円周方向に複数の穴２１２を形成するように穴加工が施されている。穴２１２は長穴として形成されている。穴２１２の個数、形状および位置は任意であるが、円筒部２１１の変形の対称性を考慮すると、穴２１２も予め力覚センサ２１０の軸に対称に設けておくことが現実的である。その他の構成については、図１０と図１１を参照して説明した力覚センサ２００と同じである。

図１５に、力覚センサ２１０に対して例えば軸力Ｆｘ，Ｆｚ，Ｍｙ，Ｍｚが印加したときの力覚センサ２１０の全体形状の変形例を示す。図１５で、（Ａ）は軸力Ｆｘが印加されたときの変形状態を示し、（Ｂ）は軸力Ｆｚが印加されたときの変形状態を示し、（Ｃ）は軸力Ｍｙが印加されたときの変形状態を示し、（Ｄ）は軸力Ｍｚが印加されたときの変形状態を示している。変形状態（Ａ）〜（Ｄ）のそれぞれで各軸力に応じて減衰機構部である円筒部２１１が変形を生じ、円筒部２１１は、入力部２０１に印加された軸力の大部分（例えば９０％）を吸収している。なお説明の便宜上、図１５に示す各変形パターンの変形状態を誇張して示している。

第２実施形態の変形例に係る力覚センサ２１０によれば、減衰機構部を形成する円筒部２１１に複数の穴２１２を設けることによって梁構造を形成している。穴２１２の大きさ、形状、個数、位置等を適宜に調整することにより、円筒部２１１の外力減衰機能を適宜調整することができる。上記力覚センサ２１０によれば、外力減衰機能の調整が図７等で説明した力覚センサ２００よりも容易であり、耐荷重の調整や各軸力に対する感度の調整などの力覚センサの設計の自由度がより高いという利点を有している。

なお、力覚センサ２００，２１０は、円形の上面を有する板部２０１ａ，２０２ａを備えた例を説明したが、正方形または正三角形など他の上面形状を有する板部２０１ａ，２０２ａを備えたものであってもよい。

ここで、力覚センサ２００，２１０は円筒部２０３，２１１が全周囲を囲った構造であるので、力覚センサ１００，１１０に比して力覚センサ用チップ１１に対する密閉性が高く、力覚センサの使用状況によっては、防塵・遮光などの観点から、より望ましい構造であると言える。また、力覚センサ２００，２１０は円筒部２０３，２１１が力覚センサ用チップ１１の中心から中心軸対称に全周囲を囲った構造であるので、４つの伝達部１０５または減衰機構部１１１で入力部１０１およびセンサ固定部１０２を連結する力覚センサ１００，１１０に比して外力Ｆ１に対する変形対称性が優れていると言える。

次に図１６〜図２１を参照して本発明の力覚センサの第３実施形態を説明する。この実施形態に係る力覚センサは「円盤形状」を有している。

図１６と図１７を参照して第３実施形態に係る単純な形状・構造を有する力覚センサを説明する。図１６は力覚センサの外観の斜視図を示し、図１７は力覚センサの内部の構造を示す断面斜視図を示す。図１６と図１７において、上記第１実施形態等で説明された要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

この実施形態に係る力覚センサ３００の要部は、力覚センサ用チップ１１と緩衝装置１２とから構成されている。力覚センサ用チップ１１は第１実施形態で説明した通りである。力覚センサ３００は、詳しくは、外部から与えられる外力（軸力または荷重）Ｆ１が直接に印加される円柱棒状の入力部３０１と、力覚センサ３００を所要の場所に固定するための軸方向の長さが短い比較的扁平な円筒形状（またはリング形状）のセンサ固定部３０２と、上記力覚センサ用チップ１１を取り付けるための円板形状のチップ台座３０３と、減衰または緩衝の機能を有する円板３０４と、入力部３０１と力覚センサ用チップ１１の作用部２１とを結合する伝達部１０５とから構成されている。上記円板３０４が前述の緩衝装置１２の減衰機構部を形成する。

円板３０４と円板形状のチップ台座３０３とは、比較的に接近した位置にて、平行に配置されている。円板３０４とチップ台座３０３は共に中心部に穴が形成されている。図１２に示すごとく、入力部３０１、センサ固定部３０２および円板３０４は組み合わされている。これらは一体化部分として製造してもよい。また円形形状のチップ台座３０３の中心部の穴の部分には、チップ台座３０３の下側（外側）の位置に力覚センサ用チップ１１が固定されている。棒状の伝達部１０５は、チップ台座３０３の穴を通して配置され、入力部３０１の下面と力覚センサ用チップ１１の作用部２１とを連結している。

前述の第１実施形態と第２実施形態の力覚センサではチップ台座と外力の伝達部とが力覚センサ用チップ１１に対して異なる側（表と裏）に接していたのに対して、上記構造を有する本実施形態の力覚センサ３００では、チップ台座３０３と伝達部１０５とが力覚センサ用チップ１１に対して同じ側で接している。また図１６および図１７に示す減衰装置１２のようなレイアウトを採用することで、減衰装置１２の全構成部が力覚センサ用チップ１１に対して同一側に存在することになり（図１７では力覚センサ用チップ１１の上側）、入力部３０１、円板３０４、センサ固定部３０２、伝達部１０５、およびチップ台座３０３の少なくとも２つ以上を一体的に形成してから後付けで力覚センサ用チップ１１を接着することが可能となり、製造工程の簡略化に貢献する。入力部３０１から円板３０４に到る部分の一部または全部を一体形成することは、接着剤の使用量の低減にもつながる。

また、力覚センサ３００は上下方向の薄型化を実現している。これは、力覚センサ１００（図２），２００（図１１）と比較すると顕著である。力覚センサ３００では、薄型化を図るために、伝達部１０５、減衰機構部３０４、およびチップ台座３０３を力覚センサ用チップ１１の同一面側に配置し、さらにセンサ固定部３０２の内周側に減衰機構部３０４を設け、チップ台座３０３の内周側に伝達部１０５を設けている。

減衰機構部である円板３０４は、円筒形状またはリング形状のセンサ固定部３０２に対してその内面部分に固定される。またチップ台座３０３はセンサ固定部３０２の下縁部に固定されている。減衰機構部として作用する円板３０４は、センサ固定部３０２とチップ台座３０３に対して、その剛性が低くなるように設定されている。従って入力部３０１に外力Ｆ１が印加されると、外力Ｆ１によって円板３０４が変形し、当該外力Ｆ１を減衰させて弱くし、力覚センサ用チップ１１の作用部２１に伝達する。こうして減衰機構部である円板３０４は、入力部３０１に印加された外力Ｆ１を減衰させて力覚センサ用チップ１１に与える緩衝装置１２の機能を実現する。

図１８に、力覚センサ３００に対して例えば軸力Ｆｘ，Ｆｚ，Ｍｙ，Ｍｚが印加したときの力覚センサ３００の全体形状の変形例を示す。図１８で、（Ａ）は軸力Ｆｘが印加されたときの変形状態を示し、（Ｂ）は軸力Ｆｚが印加されたときの変形状態を示し、（Ｃ）は軸力Ｍｙが印加されたときの変形状態を示し、（Ｄ）は軸力Ｍｚが印加されたときの変形状態を示している。変形状態（Ａ）〜（Ｄ）のそれぞれで各軸力に応じて減衰機構部である円板３０４が変形を生じ、円板３０４は、入力部３０１に印加された軸力の大部分（例えば９０％）を吸収している。なお説明の便宜上、図１８に示す各変形パターンの変形状態を誇張して示している。

次に、図１９と図２０を参照して第３実施形態に係る力覚センサの変形例を説明する。この力覚センサ３１０は実際的な形状・構造を有する。図１６と図１７で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。力覚センサ３１０において、緩衝装置１２の減衰機構部として機能する円板３１１は、全体形状および配置位置は上記の円板３０４と同じである。しかし、この円板３１１はより大きな厚みを有すると共に複数の穴３１２を形成するように穴加工が施されている。穴３１２の個数は任意である。その他の構成については、図１６と図１７を参照して説明した力覚センサ３００と同じである。

第３実施形態の変形例に係る力覚センサ３１０によれば、減衰機構部を形成する円板３１１に複数の穴３１２を設けることによって梁構造を形成している。穴３１２の大きさ、形状、個数、位置等を適宜に調整することにより、円板３１１の外力減衰機能を自由に調整することができる。上記力覚センサ３１０によれば、外力減衰機能の調整が図１６等で説明した力覚センサ３００よりも容易であり、耐荷重の調整や各軸力に対する感度の調整などの力覚センサの設計の自由度がより高いという利点を有している。
穴３１２の個数、形状および位置は任意であるが、円板３１１の変形の対称性を考慮すると、穴３１２も予め力覚センサ３１０の軸に対称に設けておくのが現実的である。
なお力覚センサ３００，３１０は、円形の上面を有するセンサ固定部３０２、円板３０４、３１１等を備えた例を説明したが、正方形または正三角形など他の上面形状を有するセンサ固定部３０２、円板３０４，３１１等を備えたものであってもよい。

図２１に、力覚センサ３１０に対して例えば軸力Ｆｘ，Ｆｚ，Ｍｙ，Ｍｚが印加したときの力覚センサ３１０の全体形状の変形例を示す。図２１で、（Ａ）は軸力Ｆｘが印加されたときの変形状態を示し、（Ｂ）は軸力Ｆｚが印加されたときの変形状態を示し、（Ｃ）は軸力Ｍｙが印加されたときの変形状態を示し、（Ｄ）は軸力Ｍｚが印加されたときの変形状態を示している。変形状態（Ａ）〜（Ｄ）のそれぞれで各軸力に応じて減衰機構部である円板３１１が変形を生じ、円板３１１は、入力部３０１に印加された軸力の大部分（例えば９０％）を吸収している。なお説明の便宜上、図２１に示す各変形パターンの変形状態を誇張して示している。

次に図２２〜図２７を参照して本発明の力覚センサの第４実施形態を説明する。この実施形態に係る力覚センサは棒状形状を有している。

図２２と図２３を参照して第４実施形態に係る単純な形状・構造を有する力覚センサを説明する。図２２は力覚センサの外観の斜視図を示し、図２３は力覚センサの内部の構造を示す断面斜視図を示す。図２２と図２３において、上記第１実施形態等で説明された要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

この実施形態に係る力覚センサ４００の要部は、力覚センサ用チップ１１と緩衝装置１２とから構成されている。力覚センサ用チップ１１は第１実施形態で説明した通りである。力覚センサ４００は、詳しくは、外部から与えられる外力（軸力または荷重）Ｆ１が直接に印加されるブロック形状の入力部４０１と、力覚センサ４００を所要の場所に固定するためのブロック形状のセンサ固定部４０２と、上記力覚センサ用チップ１１を取り付けるためのリング形状のチップ台座４０３と、減衰または緩衝の機能を有する連結部４０４と、入力部４０１と力覚センサ用チップ１１の作用部２１とを結合する伝達部１０５とから構成されている。入力部４０１とセンサ固定部４０２は、上下の位置関係にあり、力覚センサ４００それ自体が全体形状として棒状に形成される。入力部４０１は下方に延びる腕部４０１ａを有する。連結部４０４は、棒状の力覚センサ４００において、入力部４０１とセンサ固定部４０２の間に位置する連結手段として機能する。この連結部４０４が、前述した緩衝装置１２の減衰機構部を形成する。

チップ台座４０３は、下側に位置するセンサ固定部４０２の壁面に設けられている。力覚センサ用チップ１１は、棒状の力覚センサ４００の壁面に力覚センサ用チップ１１を貼付等して取り付けることで、力覚センサ４００の表面に縦方向に配置される。従って、この実施形態の力覚センサ４００によれば、縦方向により細い棒状の力覚センサを製作することができる。

上記の力覚センサ４００は、一端のセンサ固定部４０２が固定され、他の一端である入力部４０１に外力Ｆ１が作用して当該外力を検出する構成の場合など、棒状の構造物に組み入れる場合に、より適したセンサ形状として用いられる。

図２４に、力覚センサ４００に対して例えば軸力Ｆｘ，Ｆｚ，Ｍｙ，Ｍｚが印加したときの力覚センサ４００の全体形状の変形例を示す。図２４で、（Ａ）は軸力Ｆｘが印加されたときの変形状態を示し、（Ｂ）は軸力Ｆｚが印加されたときの変形状態を示し、（Ｃ）は軸力Ｍｙが印加されたときの変形状態を示し、（Ｄ）は軸力Ｍｚが印加されたときの変形状態を示している。変形状態（Ａ）〜（Ｄ）のそれぞれで各軸力に応じて減衰機構部である連結部４０４が変形を生じ、連結部４０４は、入力部４０１に印加された軸力の大部分（例えば９０％）を吸収している。なお説明の便宜上、図２４に示す各変形パターンの変形状態を誇張して示している。

次に、図２５と図２６を参照して第４実施形態に係る力覚センサの変形例を説明する。この力覚センサ４１０は実際的な形状・構造を有する。図２５と図２６で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

力覚センサ４１０は全体形状として棒状でかつ円柱形状を有する。力覚センサ４１０は、外部から与えられる外力（軸力または荷重）Ｆ１が直接に印加される略半円柱のブロック形状の入力部４１１と、力覚センサ４１０を所要の場所に固定するための略半円柱のブロック形状のセンサ固定部４１２と、上記力覚センサ用チップ１１を取り付けるためのリング形状のチップ台座４０３と、減衰機構部である２つの連結部４０４と、入力部４１１と力覚センサ用チップ１１の作用部２１とを結合する伝達部１０５とから構成されている。

入力部４１１とセンサ固定部４１２は、全体として円柱体形状の力覚センサ４１０を形成する。入力部４１１とセンサ固定部４１２は、それぞれから見た場合に、対称な形状になるように作られている。入力部４１１とセンサ固定部４１２は、それぞれの両端の２箇所で連結部４０４によって結合されている。力覚センサ４１０の内部は、スペース４１３が形成されている。当該スペース４１３を利用して、センサ固定部４１２の内側壁面にチップ台座４０３が設けられ、かつ力覚センサ用チップ１１が固定されている。この力覚センサ用チップ１１の作用部２１と入力部４１１の対向面とが伝達部１０５によって連結される。

入力部４１１とセンサ固定部４１２は、上下の位置関係にあり、力覚センサ４１０それ自体が全体形状として棒状に形成される。このことは、上記力覚センサ４００の入力部４０１とセンサ固定部４０２の関係と同じである。減衰機構部としての２つの連結部４０４は、略円柱体の棒状の力覚センサ４１０において、入力部４１１とセンサ固定部４１２の間に位置する連結手段として機能する。これらの２つの連結部４０４が、前述したの緩衝装置１２の機能を実現する。

図２７に、力覚センサ４１０に対して例えば軸力Ｆｘ，Ｆｚ，Ｍｙ，Ｍｚが印加したときの力覚センサ４１０の全体形状の変形例を示す。図２７で、（Ａ）は軸力Ｆｘが印加されたときの変形状態を示し、（Ｂ）は軸力Ｆｚが印加されたときの変形状態を示し、（Ｃ）は軸力Ｍｙが印加されたときの変形状態を示し、（Ｄ）は軸力Ｍｚが印加されたときの変形状態を示している。変形状態（Ａ）〜（Ｄ）のそれぞれで各軸力に応じて減衰機構部である連結部４０４が変形を生じ、連結部４０４は、入力部４１１に印加された軸力の大部分（例えば９０％）を吸収している。なお説明の便宜上、図２７に示す各変形パターンの変形状態を誇張して示している。

第４実施形態の変形例に係る力覚センサ４１０では、入力部４１１、センサ固定部４１２および２つの連結部４０４の中心に力覚センサ用チップ１１が配置されている。このため、力覚センサ４１０の緩衝装置１２の変形中心と力覚センサ用チップ１１の変形中心が一致する。この結果、各軸力間のバランスが取り易くなり、設計上有利である。また力覚センサ４１０では、力覚センサ用チップ１１を内部に配置させるので、腕部４０１ａや力覚センサ用チップ１１自体の出っ張りが生じず、表面が余計な角のない力覚センサを実現する。

前述した第１から第４の実施形態において、入力部とセンサ固定部は、センサ筐体の共通部分として説明したが、センサ筐体とは別の部分として構成することもできる。さらに緩衝装置として機能する減衰機構部の形状・構造等は、各実施形態で説明されたものに限定されず、同一または類似の機能を発揮する別の任意の形状・構造等で形成することもできる。

さらに前述した第１から第４の実施形態において、緩衝装置１２の各要素部材の結合手段としては、各要素部材の材料・材質に応じて、ネジ止め、接着剤（エポキシ樹脂系）、陽極接合などのいずれかを任意に選択して利用することができる。

特に、ガラスとシリコン、またはガラスと金属を接合する場合、陽極接合技術を使用することが望ましい。接着剤による接合の場合、基板との温度特性（熱膨張係数）の差異が大きく、経年劣化の程度も陽極接合よりも大きいからである。これらは、センサ検出精度を低下させる原因となる。

ところで、図１〜図２７を用いて説明した本発明による緩衝装置１２は、歪み抵抗素子を用いた力覚センサ用チップ１１に限らず、他のタイプのセンサ用チップにも適用可能である。続いて、図２８〜図３１を参照して本発明が適用され得る静電容量式の力覚センサ用チップを概説する。図２８は静電容量式の力覚センサ用チップの縦断面図を示し、図２９は上側のガラス板の下面図を示し、図３０は下側の半導体基板の上面図を示し、図３１は上側の電極ＵＥ１〜ＵＥ８と下側の電極ＬＥ１〜ＬＥ８との位置関係を下側が見た図として示す。

図２８では、厚みを誇張して描いている。この力覚センサ用チップ５０１は、図２８に示すごとく、下側に位置する半導体基板５０２と上側に位置するガラス板５０３とを陽極接合等で貼り合せて形成されている。半導体基板５０２とガラス板５０３のそれぞれには、図２９〜図３１に示すごとく、それぞれの所定位置に８個の電極ＬＥ１〜ＬＥ８，ＵＥ１〜ＵＥ８が設けられている。半導体基板５０２の８個の電極ＬＥ１〜ＬＥ８とガラス板５０３の８個の電極ＵＥ１〜ＵＥ８は個々に上下位置にて部分的に重なり部分を有するように対向する位置関係にある。半導体基板５０２の中央部は外力を受けて変位し、半導体基板５０２の全体の形状は変形する。半導体基板５０２は、力覚センサ用チップ５０１の要部として機能する。

半導体基板５０２は、２種類の孔５１１，５１２によって中央部（作用部）５０２ａと周縁部（支持部）５０２ｂが形成される。中央部５０２ａは外力の作用を受けて変位する。周縁部５０２はその位置が動かないように固定される。上記の８個の電極ＬＥ１〜ＬＥ８は、図３０に示すごとく半導体基板５０２の中央部５０２ａの周縁位置に取り付けられている。ガラス板５０３は、中央孔５０３ａが形成されると共に、４つの周囲突起５０３ｂが形成されている。ガラス板５０３は中央孔５０３ａには、前述した緩衝装置１２等の伝達部１０５が挿通される。ガラス板５０３の中央孔５０３ａを通過した伝達部１０５の先端は、半導体基板５０２の中央部５０２ａに接合等で固定される。ガラス板５０３の４つの周囲突起５０３ｂは半導体基板５０２に対して周知の陽極接合等で固定される。ガラス板５０３の周囲突起５０３ｂは半導体基板５０２の周縁部５０２ｂに接合等される。

図３１に示すごとく対向関係にある電極ＬＥ１〜ＬＥ８と電極ＵＥ１〜ＵＥ８において、それぞれで、対向する部分の面積が変化し、この対向面積と距離とに応じて静電容量が決められる。図２８に示すように、例えば、下側の半導体基板５０２に対しては、伝達部１０５によって外力が印加される。また下側の半導体基板５０２には前述のチップ台座１０３を介してセンサ固定部１０２に結合される。従って、静電容量式の力覚センサ用チップ５０１を備えた力覚センサに外力が印加されると、減衰された外力の一部が伝達部１０５を介して半導体基板５０２の中央部５０２ａに印加される。その結果、実質的にセンサ固定部１０２に対して固定されたガラス板５０３に対して半導体基板５０２の中央部５０２ａの位置が変化する。半導体基板５０２の中央部５０２ａの動きに応じて、上記の電極ＵＥ１〜ＵＥ８と電極ＬＥ１〜ＬＥ８のそれぞれの対向する電極対で、相対的な位置関係に変化が生じ、静電容量が減少する。従って、８個の対向する電極対での静電容量の変化を検出することにより印加された外力を検知することが可能となる。

上記において、半導体基板５０２やガラス板５０３の上には他の配線接続用の電極および配線が設けられているが、図２８〜図３１ではそれらの図示を省略している。これらの電極や配線には白金、アルミニウム、金等が使用されている。またガラス板５０３に設けられた電極ＵＥ１〜ＵＥ８と半導体基板５０２に設けられた電極ＬＥ１〜ＬＥ８との間の空間には、通常、空気が満たされている。また上記で説明された電極の形状、位置、数や孔の形状、位置、数は上記説明のものに限定されず、任意である。

また図３２は力覚センサ用チップ５０１の変形例を示す。図３２において、図２８で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付している。上記の力覚センサ用チップ５０１の取付け構造に関して、図３２に示すごとく、ガラス板５０３の位置する場所の反対側の場所から半導体基板５０２の中央部５０２ａに伝達部１０５を結合することもできる。この場合、ガラス板５０３に上記の中央孔５０３ａを形成する必要がなくなる。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明は、産業用ロボットの関節部など、力が加わる箇所に最適な形状・形態で力覚センサを取りつける場合に利用される。

本発明に係る力覚センサの第１実施形態を示す力覚センサの外観斜視図である。 第１実施形態に係る力覚センサの断面斜視図である。 第１実施形態に係る力覚センサで使用される力覚センサ用チップの斜視図である。 第１実施形態に係る力覚センサで使用される力覚センサ用チップの平面図である。 ４種類の軸力（Ｆｚ，Ｆｚ，Ｍｙ，Ｍｚ）に対する力覚センサ用チップの変形パターンと検知信号を表す式とを示す図である。 第１実施形態に係る力覚センサの４種類の軸力（Ｆｚ，Ｆｚ，Ｍｙ，Ｍｚ）に対する変形状態を示す斜視図である。 第１実施形態の力覚センサの変形例を示す外観斜視図である。 第１実施形態の力覚センサの変形例を示す断面斜視図である。 第１実施形態の変形例に係る力覚センサの４種類の軸力（Ｆｚ，Ｆｚ，Ｍｙ，Ｍｚ）に対する変形状態を示す斜視図である。 本発明に係る力覚センサの第２実施形態を示す力覚センサの外観斜視図である。 第２実施形態に係る力覚センサの断面斜視図である。 第２実施形態に係る力覚センサの４種類の軸力（Ｆｚ，Ｆｚ，Ｍｙ，Ｍｚ）に対する変形状態を示す斜視図である。 第２実施形態の力覚センサの変形例を示す外観斜視図である。 第２実施形態の力覚センサの変形例を示す断面斜視図である。 第２実施形態の変形例に係る力覚センサの４種類の軸力（Ｆｚ，Ｆｚ，Ｍｙ，Ｍｚ）に対する変形状態を示す斜視図である。 本発明に係る力覚センサの第３実施形態を示す力覚センサの外観斜視図である。 第３実施形態に係る力覚センサの断面斜視図である。 第３実施形態に係る力覚センサの４種類の軸力（Ｆｚ，Ｆｚ，Ｍｙ，Ｍｚ）に対する変形状態を示す斜視図である。 第３実施形態の力覚センサの変形例を示す外観斜視図である。 第３実施形態の力覚センサの変形例を示す断面斜視図である。 第３実施形態の変形例に係る力覚センサの４種類の軸力（Ｆｚ，Ｆｚ，Ｍｙ，Ｍｚ）に対する変形状態を示す斜視図である。 本発明に係る力覚センサの第４実施形態を示す力覚センサの外観斜視図である。 第４実施形態に係る力覚センサの断面斜視図である。 第４実施形態に係る力覚センサの４種類の軸力（Ｆｚ，Ｆｚ，Ｍｙ，Ｍｚ）に対する変形状態を示す斜視図である。 第４実施形態の力覚センサの変形例を示す外観斜視図である。 第４実施形態の力覚センサの変形例を示す断面斜視図である。 第４実施形態に係る力覚センサの４種類の軸力（Ｆｚ，Ｆｚ，Ｍｙ，Ｍｚ）に対する変形状態を示す斜視図である。 本発明に係る力覚センサで使用される力覚センサ用チップの他の例である静電容量式の力覚センサ用チップを示す縦断面図である。 静電容量式の力覚センサ用チップの上側のガラス板の下面を示す図である。 静電容量式の力覚センサ用チップの下側の半導体基板の上面を示す図である。 ガラス板の電極と半導体基板の電極との位置関係を示す図である。 静電容量式の力覚センサ用チップの構造例を示す縦断面図である。

符号の説明

１１ 力覚センサ用チップ
１２ 緩衝装置
２１ 作用部
２２ 支持部
１００ 力覚センサ
１０１ 入力部
１０２ センサ固定部
１０３ チップ台座
１０４ 減衰機構部
１０５ 伝達部
１１０ 力覚センサ
１１１ 減衰機構部
２００ 力覚センサ
２１０ 力覚センサ
３００ 力覚センサ
３１０ 力覚センサ
４００ 力覚センサ
４１０ 力覚センサ
５０１ 力覚センサ用チップ
５０２ 半導体基板
５０３ ガラス基板

Claims (17)

1. 力が印加される作用部と、この作用部を支持する支持部と、前記作用部および前記支持部の間で前記力を検出する力検出部とを有する力覚センサ用チップに対して、与えられた外力を減衰させて印加させる緩衝装置を備えた力覚センサであって、
   前記緩衝装置は、
   前記外力が入力される入力部と、
   前記力覚センサ用チップを固定するセンサ固定部と、
   前記外力を減衰させる減衰機構部と、
   前記外力の減衰力を前記作用部に伝達する伝達部とを備える、
   ことを特徴とする力覚センサ。
2. 前記力検出部は、前記作用部と前記支持部を連結する連結部に設けられた複数の歪み抵抗素子であることを特徴とする請求項１記載載の力覚センサ。
3. 前記力検出部は、前記作用部に設けられた第１電極と、前記作用部以外の固定部に設けられた第２電極との間で形成される静電容量の変化で前記力を検出する静電容量検出素子であることを特徴とする請求項１記載の力覚センサ。
4. 前記入力部と前記センサ固定部は板状部を有し、前記入力部と前記センサ固定部とを前記減衰機構部で結合したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の力覚センサ。
5. 前記減衰機構部は、前記入力部と前記センサ固定部のそれぞれの周縁部に設けられる柱部材であることを特徴とする請求項４記載の力覚センサ。
6. 前記減衰機構部は、前記入力部と前記センサ固定部のそれぞれの周縁部に設けられるＹ字形状の連結部材であることを特徴とする請求項４記載の力覚センサ。
7. 前記連結部材が備える二端部は、前記入力部と前記センサ固定部のいずれかにそれぞれ結合されることを特徴とする請求項６記載の力覚センサ。
8. 前記入力部と前記センサ固定部は、内部に前記力覚センサ用チップを収容する柱形状の前記減衰機構部で結合されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の力覚センサ。
9. 前記減衰機構部は円筒部材であることを特徴とする請求項８記載の力覚センサ。
10. 前記円筒部材は、円周方向に複数の穴が形成されていることを特徴とする請求項９記載の力覚センサ。
11. 前記入力部、前記センサ固定部、前記減衰機構部、および前記伝達部が前記力覚センサ用チップに対して同一面側に設けられ、前記センサ固定部の内周側に前記減衰機構部および前記伝達部が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の力覚センサ。
12. 前記減衰機構部は、複数の穴が形成されていることを特徴とする請求項１１記載の力覚センサ。
13. 前記入力部と前記センサ固定部が前記減衰機構部を介して棒状に結合され、前記力覚センサ用チップが前記センサ固定部の側面に設けられ、一端が前記入力部に接続された腕部の他端が前記伝達部に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の力覚センサ。
14. 前記入力部と前記センサ固定部は前記減衰機構部を介して連結されるときに内側スペースを有するように形成され、前記内側スペースに位置するように前記力覚センサ用チップを前記センサ固定部に設けたことを特徴とする請求項１３記載の力覚センサ。
15. 前記入力部と前記センサ固定部は、それぞれの両端が前記減衰機構部で結合されることを特徴とする請求項１４記載の力覚センサ。
16. 前記減衰機構部を形成する材料の剛性は前記入力部と前記前記センサ固定部を形成する材料の剛性よりも小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の力覚センサ。
17. 前記力覚センサ用チップと前記センサ固定部の間にチップ台座を有し、このチップ台座と、前記力覚センサ用チップと前記センサ固定部のそれぞれとの間は陽極接合されていること特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の力覚センサ。
    

Images