JP4072506B2

JP4072506B2 - 光学式変位センサおよび外力検出装置

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Publication number: JP4072506B2
Application number: JP2004051698A
Authority: JP
Inventors: 厚北村; 重之足立; 佐和田辺
Original assignee: Minebea Co Ltd
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Filing date: 2004-02-26
Publication date: 2008-04-09
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Description

本発明は、光学式変位センサおよび外力検出装置に関し、詳しくは、基準体と検出体との相対位置の変位を光の受光位置のずれによって検出する光学式変位センサ、および、その光学式変位センサの出力に基づいて前記検出体に印加された外力を検出する外力検出装置に関する。

従来から、支持部すなわち基準体に対する受力部すなわち検出体の相対変位を光学式変位センサによって検出し、光学式変位センサからの信号に基づいて受力部に印加された外力を算出する、光学式６軸力センサ等の外力検出装置が知られている。

たとえば光学式６軸力センサでは、６軸方向の変位に基づいて６軸方向の力を算出するようにしており、６軸方向の変位を計測するための光学式変位センサを設けた構成としている。

この光学式６軸力センサは、６軸方向の変位を計測するために光センサユニットをベースとしたＸＹ方向の２軸方向の変位を計測することができる光学式変位センサを３つ設けて構成される。

光センサユニットは、光源となるＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ、発光ダイオード）と受光素子となるＰＤ（ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ、フォトダイオード）の光軸を一致させて対向配置する。ＰＤは４分割されて、その中心部にＬＥＤからの光が照射され、光学式変位センサでは、このＰＤにおける光の受光位置の変位すなわちＬＥＤが取り付けられた部品とＰＤが取り付けられた部品との相対位置の変位を検出することができるようになっている。

光学式６軸力センサでは、このような各光学式変位センサからの出力に基づいて、ＬＥＤが取り付けられた部品とＰＤが取り付けられた部品との間に印加された６軸力を算出する。

図６は、特許文献１に記載された従来の６軸力センサを示す平面図である。

図６に示すように、従来の６軸力センサ１は、円筒状の支持部２と、その支持部２の中心部に配置される受力部３と、これら支持部２と受力部３との間を連結するスポーク状の弾性連結部４を３本有して構成されるフレーム５とを備えて構成される。

このフレーム５は、アルミ合金材から切削加工および放電加工によって削り出して形成した一体のもので、弾性連結部４は屈曲して形成され、全方向に弾性変形しやすくされている。

支持部２および受力部３は、計測すべき力が加えられる２部材にそれぞれ固着される。これによって、６軸力センサ１に力が作用したとき、支持部２と受力部３との間に３軸方向の微少変位と３軸回りの微少回転とが生じる。

図６に示すように、支持部２には３個の光源９が１２０度回転対称に配置され、受力部３には、３個の光センサ８が１２０度回転対称に、３個の光源９のそれぞれと光軸をあわせて対向して配置されており、光センサ８とそれと対向する光源９とで光センサユニット１０（光学式変位センサ）を構成する。

図７は、図６に示した従来の光センサユニット（光学式変位センサ）の説明をする概略斜視図である。

図７に示すように、光センサユニット１０の光センサ８は、ｘ軸およびｙ軸の上下左右に４分割配置されたＰＤ（フォトダイオード）８ａから成る。

支持部２には各光センサ８に対向する位置それぞれに各光源９が設けられている。この光源９は、赤外線高輝度ＬＥＤ（発光ダイオード）の前方にピンホールを設けたものであり、そのピンホールから拡散する光が光センサ８に投射されるようになっている。

このようにして、支持部２と受力部３との相対位置が変化したときには、各ＰＤ８ａへの光量の比率が変化し、この比率を計測することによってｘ軸、ｙ軸方向の変位が計測されるようになっている。６軸力センサ１は、この変位に基づいて６軸方向の力を算出して出力する。

以上説明し、図６および図７に示したように、従来の６軸力センサ１は、計測しようとする力が加えられることによって変形する構造材としての弾性連結部４を有する弾性フレーム５と、その変位を検出する光センサ８および光源９から成る３個の光センサユニット１０とを有して構成される。

特開平３−２４５０２８号公報

しかしながら、上述の従来の６軸力センサすなわち外力検出装置には以下のような問題があった。

すなわち、特許文献１に記載の６軸力センサでは、発光ダイオードとそれからの光を受光するフォトダイオードとが別々の部材に固定されている（図６では、光源９が支持部２に固定され、光センサ８が受力部３に固定される。）。このため、発光ダイオードやフォトダイオードに対する配線がばらばらになり、配線の引き回しが困難であるという問題があった。

また、特許文献１に記載の６軸力センサでは、発光ダイオードとそれからの光を受光するフォトダイオードとが別々の部材に固定されているため、発光ダイオードとフォトダイオードの光軸を合わせるアライメント作業（光軸調整作業）が困難であるという問題もあった。

本発明は上記の点にかんがみてなされたもので、光源と受光素子とを有する光学式変位センサおよびこの光学式変位センサからの信号に基づいて外力を算出する外力検出装置において、光学式変位センサの配線引き回しの困難性を解決するとともに、光源と受光素子の光軸を合わせるよう調整するアライメント作業を容易に行うことができるようにすることを目的とする。

本発明は上記の目的を達成するために、支持部に対する受力部の相対変位を光学式変位センサによって検出し、前記光学式変位センサからの信号に基づいて前記受力部に印加された外力を算出する外力検出装置において、前記光学式変位センサは、光源と受光素子と反射体とから成り、前記光源および前記受光素子は前記支持部または前記受力部のどちらかに設けられ、前記反射体は前記支持部および前記受力部のうち前記光源および前記受光素子が設けられているのとは別のほうに設けられ、前記光源から出射された光を前記反射体で反射させて前記受光素子で受光することによって、前記支持部に対する前記受力部の相対変位を検出し、前記光学式変位センサは、前記光源から出射される光の中心軸と直交する面内の２軸方向変位を検出可能な構成とし、前記反射体は、第１と第２と第３の反射面を有し、前記第１の反射面は、前記光源から出射された光をその中心軸と直交する方向に反射させ、前記第２の反射面は、前記第１の反射面からの反射光を、前記光源から出射される光の中心軸と直交する面内において、前記第１の反射面により反射された方向と直交する方向に反射し、前記第３の反射面は、前記第２の反射面からの反射光を前記受光素子側に反射させるように構成されていることを特徴とする。

また本発明は請求項１に記載の外力検出装置において、前記反射体は、三角プリズムまたはミラーの集合体であることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、光源と受光素子とを有する光学式変位センサおよびこの光学式変位センサからの信号に基づいて外力を算出する外力検出装置において、光学式変位センサの配線引き回しの困難性を解決するとともに、光源と受光素子の光軸を合わせるよう調整するアライメント作業を容易に行うことができる。

すなわち本発明によれば、支持部に対する受力部の相対変位を光学式変位センサによって検出し、前記光学式変位センサからの信号に基づいて前記受力部に印加された外力を算出する外力検出装置において、前記光学式変位センサは、光源と受光素子と反射体とから成り、前記光源および前記受光素子は前記支持部または前記受力部のどちらかに設けられ、前記反射体は前記支持部および前記受力部のうち前記光源および前記受光素子が設けられているのとは別のほうに設けられ、前記光源から出射された光を前記反射体で反射させて前記受光素子で受光することによって、前記支持部に対する前記受力部の相対変位を検出し、前記光学式変位センサは、前記光源から出射される光の中心軸と直交する面内の２軸方向変位を検出可能な構成とし、前記反射体は、第１と第２と第３の反射面を有し、前記第１の反射面は、前記光源から出射された光をその中心軸と直交する方向に反射させ、前記第２の反射面は、前記第１の反射面からの反射光を、前記光源から出射される光の中心軸と直交する面内において、前記第１の反射面により反射された方向と直交する方向に反射し、前記第３の反射面は、前記第２の反射面からの反射光を前記受光素子側に反射させるように構成したため、従来と同様の方向の変位を検出可能としながら、光学式変位センサの配線引き回しの困難性を解決でき、光源と受光素子の光軸を合わせるよう調整するアライメント作業を容易に行うことができるようになる。また、受光素子で受光する光の変位量は反射体の移動量の√２倍とすることができ、検出精度を向上させることができる。

また本発明によれば請求項１に記載の外力検出装置において、前記反射体は、三角プリズムまたはミラーの集合体であるとしたため、反射体としてコストが安く、容易に入手可能な部材を用いながら、請求項９に記載の発明の効果を奏することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

なお、本実施の形態では、外力検出装置の一例として光学式６軸力センサを挙げて説明するが、本発明が６軸力を検出するものに限られないことは言うまでもない。

図１は、本発明による６軸力センサの一実施の形態の外観を示す斜視図である。

図１に示すように、本実施の形態の６軸力センサ２０は、円柱状の形状に形成され、本体２１ａの上部に円板上の上部蓋２１ｂがされて構成される。

図２は、図１に示した６軸力センサ２０から上部蓋２１ｂを外して上から見た概略平面図である。

図２に示すように、本実施の形態の６軸力センサ２０は、円筒状の支持部２２と、その支持部２２の中心部に配置される受力部２３と、これら支持部２２と受力部２３との間を連結するスポーク状の弾性連結部２４を３本有するフレーム２５とを備えて構成される。

このフレーム２５は、アルミ合金材から切削加工および放電加工によって削り出して形成した一体のもので、弾性連結部２４は屈曲して形成され、全方向に弾性変形しやすくされている。

支持部２２および受力部２３は、計測すべき力が加えられる２部材にそれぞれ固着される。これによって、６軸力センサ２０に力が作用したとき、支持部２２と受力部２３との間に３軸方向の微少変位と３軸回りの微少回転とが生じる。

また、図２に示すように、支持部２２には３個の反射体２７が１２０度回転対称に配置されており、一方、受力部２３には、３個の光源２６が１２０度回転対称に配置され、さらに、３個の光源２６のそれぞれに１個ずつ対応付けて３個の光センサ（受光素子）２８がやはり１２０度回転対称に配置されている。

さらに、図２に示すように、反射体２７と、光源２６および光センサ２８とは対向して設けられ、光源２６からの光が反射体２７にて反射し光センサ２８に入射するように構成されており、光源２６と反射体２７と光センサ２８とで光センサユニット２９を構成する。

図３は、図２に示した光センサユニット２９の構成を説明する概略斜視図である。

図３に示すように、光源２６はＬＥＤ（発光ダイオード）２６ａとピンホール窓２６ｂとを有して構成され、ＬＥＤ２６ａから発光された光がピンホール窓２６ｂに設けられたピンホールを通過し、このピンホールを通過して拡散する光が反射体２７に投射されるようになっている。反射体２７に投射された光は、反射体２７で反射されて光センサ２８に投射される。

このように本実施の形態においては、光源２６および光センサ２８を両方とも受力部２３に設けたので、配線をまとめることができ、配線の引き回しが容易であるという効果がある。

また、本実施の形態においては、光源２６および光センサ２８を両方とも受力部２３に設けたので、光源２６と光センサ２８との光軸調整を行うアライメント作業が従来よりも容易に行うことができるという効果がある。特に、光源２６および光センサ２８を同一のハウジング内に配設するよう構成すれば、アライメント作業がよりやりやすくなるという効果がある。また、光源２６および光センサ２８、さらにアンプ等の電子回路部品をワンパッケージに一体化した光電子部品の適用も可能であり、６軸力センサ２０のより一層の小型化を達成することができる。

反射体２７は、本実施の形態では三角プリズムであり、２つの反射面を有し、この２つの反射面が形成する角度が９０度であるとともに、各反射面と光源２６から出射される光の中心軸とは４５度をなす。

なお、反射体２７として図３においては三角プリズムを用いているが、本発明はこれに限られるものではなく、上述の条件を満たすものであればよく、たとえば、ミラー（反射面を有する部材）を複数枚用いたり、台形プリズム、ハの字プリズム等を用いてもよい。

光センサ２８は、その受光面において、受光面の中央から受光面内の所定の方向に向かって４分割配置されたＰＤ（フォトダイオード）２８ａ〜２８ｄを有する。このＰＤ２８ａ〜２８ｄの分割の仕方は様々でよい。図３では反射体２７の２つの反射面が向かい合う方向およびそれに垂直な方向で４分割しているが、本発明はこれに限られるものではなく、反射体２７の２つの反射面が向かい合う方向と４５度の角度をなす方向およびそれに垂直な方向（これは、この光センサユニット２９によって変位を検出する２軸（ｘ軸およびｙ軸）であるが、この点については後に図５を参照して詳述する。）で４分割するものでもよい。

図４は、図３に示した光センサ２８の受光面を示す概略平面図である。

図４に示すように、光センサ２８の受光面には４分割されたＰＤ２８ａ〜２８ｄが設けられており、光源２６から出射され、さらに反射体２７で反射された光がこの受光面に入射する。

このとき、受光面に入射する光の中心軸が受光面に垂直であり、かつ、受光面に入射する光の中心が４分割されたＰＤ２８ａ〜２８ｄの中心にくるように配置するのが望ましい。

図５は、図２に示した６軸力センサ２０を図２に示した方向Ａから見た概略側面図である。

図５に示すように、本実施の形態では、光センサユニット２９によって変位を検出する２軸（ｘ軸およびｙ軸）と反射体２７の２つの反射面が向かい合う方向とで角度的なずれを設けている。すなわち、本実施の形態では、反射体２７の２つの反射面が向かい合う方向を、この光センサユニット２９によって変位を検出する２軸（ｘ軸およびｙ軸）の中間方向（ｘ軸およびｙ軸の両方共と４５度をなす方向）と一致させている。

このようにすることにより、この光センサユニット２９によって２軸方向（ｘ軸方向およびｙ軸方向）の変位を検出することができる。

本実施の形態において、支持部２２と受力部２３との相対位置が変化したときには、３個設けた各光センサユニット２９の各ＰＤ２８ａ〜２８ｄへの光量の比率が変化し、この比率を計測することによって、各光センサユニット２９におけるｘ軸方向およびｙ軸方向の変位が計測されるようになっており、６軸力センサ２０は、この変位に基づき、従来からよく知られた方法によって６軸方向の力を算出して出力する。

なお、上述の実施の形態では、支持部２２側に反射体２７を設け、受力部２３側に光源２６および光センサ２８を設けるようにしたが、本発明はこれに限られるものではなく、これとは逆に、支持部２２側に光源２６および光センサ２８を設け、受力部２３側に反射体２７を設けるようにしてもよい。

次に、本発明による６軸力センサおよび光学式変位センサの別の実施の形態について説明する。

なお、本実施の形態でも、外力検出装置の一例として光学式６軸力センサを挙げて説明するが、本発明が６軸力を検出するものに限られないことは言うまでもない。

図８は、本発明による６軸力センサの図１とは別の実施の形態の外観を示す斜視図である。

図８に示すように、本実施の形態の６軸力センサ３０は、円柱状の形状に形成され、本体３１ａの上部に円板上の上部蓋３１ｂがされて構成される。

図９は、図８に示した６軸力センサ３０から上部蓋３１ｂを外して上から見た概略平面図である。

図９に示すように、本実施の形態の６軸力センサ３０は、円筒状の支持部３２と、その支持部３２の中心部に配置される受力部３３と、これら支持部３２と受力部３３との間を連結するスポーク状の弾性連結部３４を３本有するフレーム３５とを備えて構成される。

このフレーム３５は、アルミ合金材から切削加工および放電加工によって削り出して形成した一体のもので、弾性連結部３４は屈曲して形成され、全方向に弾性変形しやすくされている。

支持部３２および受力部３３は、計測すべき力が加えられる２部材にそれぞれ固着される。これによって、６軸力センサ３０に力が作用したとき、支持部３２と受力部３３との間に３軸方向の微少変位と３軸回りの微少回転とが生じる。

また、図９に示すように、支持部３２には、３個の反射体３７ａ、３７ｂおよび３７ｃを１組とした反射体が３組用意され、各組は１２０度回転対称に配置されており、一方、受力部３３には、３個の光源３６が１２０度回転対称に配置され、さらに、３個の光源３６のそれぞれに１個ずつ対応付けて３個の光センサ（受光素子）３８がやはり１２０度回転対称に配置されている。

さらに、図９に示すように、反射体３７ａ、３７ｂおよび３７ｃから成る１組の反射体と、光源３６および光センサ３８とは対向して設けられ、光源３６からの光が反射体３７ａ、３７ｂおよび３７ｃにて反射し光センサ３８に入射するように構成されており、光源３６と反射体３７ａ、３７ｂおよび３７ｃから成る１組の反射体と光センサ３８とで光センサユニット３９を構成する。

図１０は、図９に示した光センサユニット３９の構成を説明する図であり、（ａ）は光センサユニット３９の構成を示す概略斜視図であり、（ｂ）は反射体３７ａ、３７ｂおよび３７ｃから成る１組の反射体を、それぞれの形状がよくわかるように、（ａ）とは異なる向きから見た概略斜視図である。

図１０（ａ）に示すように、光源３６はＬＥＤ（発光ダイオード）３６ａとピンホール窓３６ｂとを有して構成され、ＬＥＤ３６ａから発光された光がピンホール窓３６ｂに設けられたピンホールを通過し、このピンホールを通過して拡散する光が反射体３７ａに投射されるようになっている。

図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示すように、反射体３７ａに投射された光は反射体３７ａで反射されて反射体３７ｂに投射される。また、反射体３７ｂに投射された光は反射体３７ｂで反射されて反射体３７ｃに投射される。さらに、反射体３７ｃに投射された光は反射体３７ｃで反射されて光センサ３８に投射される。

すなわち、反射体３７ａ、３７ｂおよび３７ｃから成る１組の反射体は、第１と第２と第３の反射面（すなわち反射体３７ａ、３７ｂおよび３７ｃ）を有し、前記第１の反射面（すなわち反射体３７ａ）は、光源３６から出射された光をその中心軸と直交する方向に反射させ、第２の反射面（すなわち反射体３７ｂ）は、第１の反射面からの反射光を、光源３６から出射される光の中心軸と直交する面内において、第１の反射面により反射された方向と直交する方向に反射し、第３の反射面（すなわち反射体３７ｃ）は、第２の反射面からの反射光を受光素子（すなわち光センサ３８）側に反射させるように構成されている。

このように本実施の形態においては、光源３６および光センサ３８を両方とも受力部３３に設けたので、配線をまとめることができ、配線の引き回しが容易であるという効果がある。

また、本実施の形態においては、光源３６および光センサ３８を両方とも受力部３３に設けたので、光源３６と光センサ３８との光軸調整を行うアライメント作業が従来よりも容易に行うことができるという効果がある。特に、光源３６および光センサ３８を同一のハウジング内に配設するよう構成すれば、アライメント作業がよりやりやすくなるという効果がある。また、光源３６および光センサ３８、さらにアンプ等の電子回路部品をワンパッケージに一体化した光電子部品の適用も可能であり、６軸力センサ３０のより一層の小型化を達成することができる。

反射体３７ａ、３７ｂおよび３７ｃのそれぞれは、表面で光を反射することが可能な三角ミラーである。なお、本発明は、これらの３個の三角ミラーの代わりに３枚の平面ミラーを用いてもよいことはいうまでもない。

光センサ３８は、その受光面において、受光面の中央から受光面内の所定の方向に向かって４分割配置されたＰＤ（フォトダイオード）３８ａ〜３８ｄを有する。このＰＤ３８ａ〜３８ｄの分割の仕方は様々でよい。図１０（ａ）では、光源３６と光センサ３８とを結ぶ直線に平行な方向およびそれに垂直な方向で４分割しているが、本発明はこれに限られるものではなく、反射体３７ａで反射されて反射体３７ｂに向かう光と平行な方向およびそれに垂直な方向（これは、この光センサユニット３９によって変位を検出する２軸（ｘ軸およびｙ軸）である。）で４分割するものでもよい。

光センサ３８の受光面については、図４に示した光センサ２８の受光面と同様であるので、ここでは説明を省略する。

図１１は、図９に示した６軸力センサ３０を図９に示した方向Ｂから見た概略側面図である。

本実施の形態では、光センサユニット３９によって変位を検出する２軸（ｘ軸およびｙ軸）に対して、図１１に示すように、光源３６、光センサ３８、さらに反射体３７ａ、３７ｂおよび３７ｃを配置している。

本実施の形態において、支持部３２と受力部３３との相対位置が変化したときには、３個設けた各光センサユニット３９の各ＰＤ３８ａ〜３８ｄへの光量の比率が変化し、この比率を計測することによって、各光センサユニット３９におけるｘ軸方向およびｙ軸方向の変位が計測されるようになっており、６軸力センサ３０は、この変位に基づき、従来からよく知られた方法によって６軸方向の力を算出して出力する。

なお、上述の実施の形態では、支持部３２側に反射体３７ａ、３７ｂおよび３７ｃから成る１組の反射体を設け、受力部３３側に光源３６および光センサ３８を設けるようにしたが、本発明はこれに限られるものではなく、これとは逆に、支持部３２側に光源３６および光センサ３８を設け、受力部３３側に反射体３７ａ、３７ｂおよび３７ｃから成る１組の反射体を設けるようにしてもよい。

なお、図９や図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示した例では、反射体３７ａ、３７ｂおよび３７ｃから成る１組の反射体すなわち３個の三角ミラーを用いて光源３６からの光を光センサ３８に反射させるようにしたが、本発明はこれに限られるものではなく、三角ミラーの代わりに三角プリズムを用いるものであってもかまわない。三角プリズムを用いた例について図１２を参照して説明する。

図１２は、三角プリズムを用いた光センサユニット４９の構成を説明する図であり、（ａ）は光センサユニット４９の構成を示す概略斜視図であり、（ｂ）は三角プリズムである反射体４７ａ、４７ｂおよび４７ｃから成る１組の反射体を、それぞれの形状がよくわかるように、（ａ）とは異なる向きから見た概略斜視図である。

図１２（ａ）に示すように、光源４６はＬＥＤ（発光ダイオード）４６ａとピンホール窓４６ｂとを有して構成され、ＬＥＤ４６ａから発光された光がピンホール窓４６ｂに設けられたピンホールを通過し、このピンホールを通過して拡散する光が反射体４７ａに投射されるようになっている。

図１２（ａ）、図１２（ｂ）に示すように、反射体４７ａに投射された光は反射体４７ａで反射されて反射体４７ｂに投射される。また、反射体４７ｂに投射された光は反射体４７ｂで反射されて反射体４７ｃに投射される。さらに、反射体４７ｃに投射された光は反射体４７ｃで反射されて光センサ４８に投射される。

この図１２（ａ）、図１２（ｂ）に示す例における動作、作用、効果は、図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示した例と同様であるので説明は省略する。

ところで、この図１０（ａ）、図１０（ｂ）や図１２（ａ）、図１２（ｂ）に示した例においては、受光部すなわち光センサで受光する光の変位量は反射体の移動量の√２倍となることが実験により確認できた。このため、これらの例によれば、検出精度を向上させることができるという効果を奏することができる。

次に、本発明による６軸力センサおよび光学式変位センサのさらに別の実施の形態について説明する。

図１３は、本発明による外力検出装置の図２や図９に示した例とは別の実施の形態を示す図であり、（ａ）は６軸力センサ５０を上から見た概略平面図であり、（ｂ）は６軸力センサ５０を（ａ）のＸＩＩＩｂ方向から見た側断面図である。

図１３（ａ）に示すように、本実施の形態の６軸力センサ５０は、円筒状の支持部５２と、その支持部５２の中心部に配置される受力部５３と、これら支持部５２と受力部５３との間を連結するスポーク状の弾性連結部５４を３本有するフレーム５５とを備えて構成される。

このフレーム５５は、アルミ合金材から切削加工および放電加工によって削り出して形成した一体のもので、図１３（ｂ）に側断面を示すように、弾性連結部５４は屈曲して形成され、全方向に弾性変形しやすくされている。

支持部５２および受力部５３は、計測すべき力が加えられる２部材にそれぞれ固着される。これによって、６軸力センサ５０に力が作用したとき、支持部５２と受力部５３との間に３軸方向の微少変位と３軸回りの微少回転とが生じる。

また、図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示すように、受力部５３には、再帰性反射材であるコーナーキューブミラー５７が３個用意され、３個のコーナーキューブミラー５７は１２０度回転対称に配置されており、一方、支持部５２には、３個の光源５６が１２０度回転対称に配置され、さらに、３個の光源５６のそれぞれに１個ずつ対応付けて３個の光センサ（受光素子）５８がやはり１２０度回転対称に配置されている。

さらに、図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示すように、コーナーキューブミラー５７と、光源５６および光センサ５８とは対向して設けられ、光源５６からの光がコーナーキューブミラー５７ａにて反射し光センサ５８に入射するように構成されており、光源５６とコーナーキューブミラー５７と光センサ５８とで光センサユニット５９を構成する。

次に、上述の図９に示した実施の形態での課題と、その課題を解決する本実施の形態の動作について説明する。

図１４は、図１３（ａ）に示した６軸力センサ５０にその中心軸５１回りの偶力が加わった状態で、６軸力センサ５０を上から見た概略平面図である。なお、この図１４は変位を１００倍に拡大して示している。

６軸力センサの中心軸回りの偶力（Ｍｚ偶力）は、本来、３個の変位センサのそれぞれにおいては、Ｘ軸方向での変位が生じたことを検出し、Ｙ軸方向での変位は生じていないと検出するべきである。ここで、Ｘ軸方向とは、光源と光センサとからなる各光学系と反射体との相対位置が、支持部５２が固定され受力部５３がその中心軸５１を中心に回転する方向に変位した場合の方向を言い、Ｙ軸方向とは、受力部５３の中心軸５１と平行な方向を言う。

ところが、図９の６軸力センサ３０や図１３（ａ）の６軸力センサ５０のような構造の場合、６軸力センサにその中心軸回りの偶力（Ｍｚ偶力）が加わると、図１４に示すように、弾性連結部３４にはその力によってネジレ（回転）が生じ、反射体と受光部および発光部との相対変位としては、ΔＸ変位を生じると同時に回転が生じ、図９の６軸力センサ３０ではＳｙ成分（受光素子上のＹ軸成分）も検出してしまう。

このように図９の６軸力センサ３０では、Ｍｚ偶力の際にＹ軸成分も生じていると検出してしまうため、偶力負荷時に精度の高いセンシングを行うために、定格荷重を下げ、回転による影響を低減するなどの工夫が必要であった。

本実施の形態はこれを解決するために、図９の６軸力センサ３０における反射体３７ａ、３７ｂおよび３７ｃから成る反射体の代わりに、コーナーキューブミラー５７を用いることとした。

図１５は、図１３（ａ）に示した実施の形態で用いるコーナーキューブミラー５７における入射光と反射光との関係を説明するためのコーナーキューブミラー５７の斜視図である。

コーナーキューブミラー５７は、回転角度依存性のほとんどない反射特性を有することから、図１５に示すように、反射光は入射光に対して常に平行で、且つ変位等をほとんど発生しない。

図１６は、図１３（ａ）に示した実施の形態で用いるコーナーキューブミラー５７の形状の一例を示す図であり、（ａ）はコーナーキューブミラー５７を光の入射面の反対側から見た平面図であり、（ｂ）はコーナーキューブミラー５７を光の入射面を下側にした状態での側面図であり、（ｃ）はコーナーキューブミラー５７を光の入射面側から見た底面図であり、（ｄ）はコーナーキューブミラー５７を（ｂ）に示す方向Ｄ側から見た側面図であり、（ｅ）はコーナーキューブミラー５７を（ｂ）に示す方向Ｅ側から見た側面図であり、（ｆ）はコーナーキューブミラー５７の斜視図である。

図１６（ａ）〜図１６（ｆ）に示すように、コーナーキューブミラー５７では、図１６（ｂ）に二点鎖線で示している部分である三角錐の頂点部分を切り欠き、６軸力センサ５０の径方向の寸法を小さくすることができるようにしている。

この図１６（ａ）〜図１６（ｆ）に示すコーナーキューブミラー５７の形状は、その一例に過ぎず、本発明では、あらゆる形状のコーナーキューブミラーを用いることができることはいうまでもない。また、３つの平面ミラーを内側の角のところで互いに直交するように合わせたリトロリフレクターであってもよい。

図１７は、図１３（ａ）に示した６軸力センサ５０に対して、図１４に示したように中心軸５１回りのＭｚ偶力を加えた場合の実験結果であり、光センサユニット５９による検出結果のグラフを示す図である。

図１７において、横軸はＭｚ偶力によってコーナーキューブミラー５７が回転する角度の変化量を示し、縦軸はそのＭｚ偶力の際の光センサ５８における光源５６からの光線の受光位置の変化量を示す。また、図１７において、◆はＸ軸方向での変化量を示し、□はＹ軸方向での変化量を示す。

実験の結果、図１３（ａ）に示した６軸力センサ５０のように反射体としてコーナーキューブ５７を用いることにより、Ｍｚ偶力の際にＹ軸方向の変位を検出することをなくすことができることを検証できた。

ところで、この図１３（ａ）に示した例においては、受光部すなわち光センサで受光する光の変位量は反射体すなわちコーナーキューブミラーの移動量の２倍となることが実験により確認できた。このため、この例によれば、検出精度を向上させることができるという効果を奏することができる。

本発明による光学式変位センサは、すでに説明したように６軸力センサなどの外力検出装置にも適用することができるが、そのほか、変位に基づいて検出することができる様々な物理量の計測に用いることができる。

本発明による６軸力センサの一実施の形態の外観を示す斜視図である。図１に示した６軸力センサ２０から上部蓋２１ｂを外して上から見た概略平面図である。図２に示した光センサユニット２９の構成を説明する概略斜視図である。図３に示した光センサ２８の受光面を示す概略平面図である。図２に示した６軸力センサ２０を図２に示した方向Ａから見た概略側面図である。特許文献１に記載された従来の６軸力センサを示す平面図である。図６に示した従来の光センサユニットを説明する概略斜視図である。図８は、本発明による６軸力センサの図１とは別の実施の形態の外観を示す斜視図である。図８に示した６軸力センサ３０から上部蓋３１ｂを外して上から見た概略平面図である。図９に示した光センサユニット３９の構成を説明する図であり、（ａ）は光センサユニット３９の構成を示す概略斜視図であり、（ｂ）は反射体３７ａ、３７ｂおよび３７ｃから成る１組の反射体を、それぞれの形状がよくわかるように、（ａ）とは異なる向きから見た概略斜視図である。図９に示した６軸力センサ３０を図９に示した方向Ｂから見た概略側面図である。三角プリズムを用いた光センサユニット４９の構成を説明する図であり、（ａ）は光センサユニット４９の構成を示す概略斜視図であり、（ｂ）は三角プリズムである反射体４７ａ、４７ｂおよび４７ｃから成る１組の反射体を、それぞれの形状がよくわかるように、（ａ）とは異なる向きから見た概略斜視図である。本発明による外力検出装置の図２や図９に示した例とは別の実施の形態を示す図であり、（ａ）は６軸力センサ５０を上から見た概略平面図であり、（ｂ）は６軸力センサ５０を（ａ）のＸＩＩＩｂ方向から見た側断面図である。図１３（ａ）に示した６軸力センサ５０にその中心軸５１回りの偶力が加わった状態で、６軸力センサ５０を上から見た概略平面図である。図１３（ａ）に示した実施の形態で用いるコーナーキューブミラー５７における入射光と反射光との関係を説明するためのコーナーキューブミラー５７の斜視図である。図１３（ａ）に示した実施の形態で用いるコーナーキューブミラー５７の形状の一例を示す図であり、（ａ）はコーナーキューブミラー５７を光の入射面の反対側から見た平面図であり、（ｂ）はコーナーキューブミラー５７を光の入射面を下側にした状態での側面図であり、（ｃ）はコーナーキューブミラー５７を光の入射面側から見た底面図であり、（ｄ）はコーナーキューブミラー５７を（ｂ）に示す方向Ｄ側から見た側面図であり、（ｅ）はコーナーキューブミラー５７を（ｂ）に示す方向Ｅ側から見た側面図であり、（ｆ）はコーナーキューブミラー５７の斜視図である。図１３（ａ）に示した６軸力センサ５０に対して、図１４に示したように中心軸５１回りのＭｚ偶力を加えた場合の実験結果であり、光センサユニット５９による検出結果のグラフを示す図である。

符号の説明

２０、３０、５０６軸力センサ
２１ａ、３１ａ本体
２１ｂ、３１ｂ上部蓋
５１中心軸
２２、３２、５２支持部
２３、３３、５３受力部
２４、３４、５４弾性連結部
２５、３５、５５フレーム
２６、３６、４６、５６光源
２６ａ、３６ａ、４６ａＬＥＤ（発光ダイオード）
２６ｂ、３６ｂ、４６ｂピンホール窓
２７、３７ａ〜３７ｃ、４７ａ〜４７ｃ反射体
５７コーナーキューブミラー
２８、３８、４８、５８光センサ
２８ａ〜２８ｄ、３８ａ〜３８ｄ、４８ａ〜４８ｄＰＤ（フォトダイオード）
２９、３９、４９、５９光センサユニット

Claims

支持部に対する受力部の相対変位を光学式変位センサによって検出し、前記光学式変位センサからの信号に基づいて前記受力部に印加された外力を算出する外力検出装置において、
前記光学式変位センサは、光源と受光素子と反射体とから成り、前記光源および前記受光素子は前記支持部または前記受力部のどちらかに設けられ、前記反射体は前記支持部および前記受力部のうち前記光源および前記受光素子が設けられているのとは別のほうに設けられ、前記光源から出射された光を前記反射体で反射させて前記受光素子で受光することによって、前記支持部に対する前記受力部の相対変位を検出し、
前記光学式変位センサは、前記光源から出射される光の中心軸と直交する面内の２軸方向変位を検出可能な構成とし、
前記反射体は、第１と第２と第３の反射面を有し、前記第１の反射面は、前記光源から出射された光をその中心軸と直交する方向に反射させ、前記第２の反射面は、前記第１の反射面からの反射光を、前記光源から出射される光の中心軸と直交する面内において、前記第１の反射面により反射された方向と直交する方向に反射し、前記第３の反射面は、前記第２の反射面からの反射光を前記受光素子側に反射させるように構成されていることを特徴とする外力検出装置。
前記反射体は、三角プリズムまたはミラーの集合体であることを特徴とする請求項１に記載の外力検出装置。