(57)【要約】      （修正有）【課題】高精度且つ高感度なＺ軸周りのモーメントの検出が可能な力覚センサを提供する。【解決手段】力覚センサ１０１は、固定部１１０と、モーメントの作用により固定部１１０に対して相対移動する可動部１２０と、固定部１１０と可動部１２０とに接続され、可動部１２０が固定部１１０に対して相対移動することにより弾性変形を生じる円弧状の第１変形体１４１、第２変形体１４２と、第１変形体１４１、第２変形体１４２に生じる弾性変形に基づいて、可動部１２０に作用した力を示す電気信号を出力する検出回路と、を備えている。第１変形体１４１のバネ定数は、第２変形体１４２のバネ定数より大きい。【選択図】図９
2020115152.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸まわりのモーメントを検出する力覚センサであって、
ＸＹ平面上に固定され、Ｚ軸正方向から見て原点を中心とする固定体と、
Ｚ軸正方向から見て前記固定体と同心に配置された円環状の受力体と、
一端が前記固定体によって支持され、他端が前記受力体によって支持された弾性変形体と、
前記弾性変形体に配置された変位電極と、前記変位電極に対向するように前記受力体に配置された対向電極とを有する容量素子と、
を備え、
前記弾性変形体として、
Ｘ軸に関して対称に配置された第１および第２の弾性変形体を備え、
前記第１の弾性変形体は、一端および他端を有する第１の円弧状変形体と、前記第１の円弧状変形体の前記一端を前記固定体に連結する第１の連結体と、前記第１の円弧状変形体の前記他端を前記受力体に連結する第２の連結体とを有し、
前記第２の弾性変形体は、一端および他端を有する第２の円弧状変形体と、前記第２の円弧状変形体の前記一端を前記固定体に連結する第３の連結体と、前記第２の円弧状変形体の前記他端を前記受力体に連結する第４の連結体とを有し、
前記第１の円弧状変形体は前記第１および第２の連結体よりも肉厚が薄く、かつ前記第２の円弧状変形体は前記第３および第４の連結体よりも肉厚が薄く、
前記第２の連結体と前記第４の連結体との間に、前記固定体と前記受力体を接続する連結体が設けられ、
前記第１の円弧状変形体および前記第２の円弧状変形体は、径方向外側に膨らんだ円弧状に形成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項２】
前記固定体と前記受力体を接続する前記連結体は、前記第２の連結体および前記第４の連結体に平行に延在することを特徴とする請求項１に記載の力覚センサ。
【請求項３】
前記第１および第２の円弧状変形体は、前記円環状の受力体と同じ曲率を有することを特徴とする請求項１または２に記載の力覚センサ。
【請求項４】
前記固定体は、円環状に形成されており、前記第１および第２の円弧状変形体は、前記円環状の固定体と同じ曲率を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の力覚センサ。
【請求項５】
Ｙ軸に関して前記第１の弾性変形体と対称に配置された第３の弾性変形体をさらに備え、
前記第３の弾性変形体は、一端および他端を有する第３の円弧状変形体と、前記第３の円弧状変形体の前記一端を前記固定体に連結する第５の連結体と、前記第３の円弧状変形体の前記他端を前記受力体に連結する第６の連結体とを有し、
前記第３の円弧状変形体は、径方向外側に膨らんだ円弧状に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の力覚センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力覚センサに関し、特に、所定の軸方向に作用した力及び所定の回転軸まわりに作用したモーメント（トルク）を電気信号として出力する機能をもったセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
所定の軸方向に沿って作用した力及び所定の回転軸まわりに作用したモーメントを電気信号として出力する機能をもった力覚センサが、例えば特許文献１に記載されており、産業用ロボットの力制御に広く利用されている。近年では、生活支援ロボットへも採用されている。このような状況から、検出対象の力ないしモーメントの大きさが広範囲に亘っており、このような広範囲の力ないしモーメントを高精度且つ高感度に計測可能な力覚センサの開発が進められている。
【０００３】
ところで、力覚センサとしては、容量素子の静電容量値の変動量に基づいて力ないしモーメントを検出する静電容量タイプの力覚センサや、歪ゲージの電気抵抗値の変動量に基づいて力ないしモーメントを検出する歪ゲージタイプの力覚センサが利用されている。このため、静電容量タイプとして構成しても、歪ゲージタイプとして構成しても、高精度且つ高感度で力ないしモーメントの検出が可能な力覚センサを提供できれば、便利である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３５４０４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、以上のような事情に鑑みて創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、静電容量タイプとして構成しても、歪ゲージタイプとして構成しても、高精度且つ高感度で力ないしモーメントの検出が可能な力覚センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、一軸方向の力を検出する力覚センサであって、
固定部と、
力の作用により前記固定部に対して相対移動する可動部と、
前記固定部と前記可動部とに接続され、前記可動部が前記固定部に対して相対移動することにより前記一軸方向とは非平行な方向に弾性変形を生じる変形体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、前記可動部に作用した力を示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、第１バネ定数を有する第１検出部位と、前記第１バネ定数とは異なる第２バネ定数を有する第２検出部位と、を含み、
前記検出回路は、前記第１検出部位及び前記第２検出部位の少なくとも一方に生じる弾性変形に基づいて、前記電気信号を出力する
ことを特徴とする力覚センサである。
【０００７】
本発明によれば、バネ定数が相対的に小さい検出部位、すなわち相対的に大きい弾性変形が生じる検出部位に容量素子を配置することにより、高精度且つ高感度で力の検出が能な力覚センサを提供することができる。更に、バネ定数が相対的に大きい検出部位、すなわち弾性変形に伴って発現する応力が相対的に大きい検出部位に歪ゲージを配置することにより、高精度且つ高感度で力の検出が可能な力覚センサを提供することができる。以上から、本発明によれば、静電容量タイプとして構成しても、歪ゲージタイプとして構成しても、高精度且つ高感度で力の検出が可能な力覚センサを提供することができる。
【０００８】
前記第１検出部位及び前記第２検出部位は、前記可動部と前記固定部との間に並列に配置されていて良い。この場合、第１検出部位及び第２検出部位に大きな変形を生じさせることができるため、作用した力をより高精度且つ高感度で検出することができる。
【０００９】
前記第１検出部位は、所定の半径を有する円弧の一部に沿った形状を有し、
前記第２検出部位は、前記所定の半径とは異なる半径を有する円弧の一部に沿った形状を有していて良い。この場合、第１検出部位及び第２検出部位に、作用した力と直交する方向に変位を生じさせることができるため、力の計測が容易である。
【００１０】
以上の力覚センサは、静電容量タイプとして構成することができる。すなわち、力覚センサは、前記第１検出部位及び前記第２検出部位の少なくとも一方に配置された変位電極と、
前記変位電極に対向して配置され、前記固定部に対して相対移動しない固定電極と、を更に備え、
前記変位電極と前記固定電極とは、容量素子を構成し、
前記検出回路は、前記容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記可動部に作用した力を示す電気信号を出力するようになっていて良い。
【００１１】
あるいは、以上の力覚センサは歪ゲージタイプとして構成することができる。すなわち、力覚センサは、前記第１検出部位及び前記第２検出部位の少なくとも一方に、歪ゲージが設けられ、
前記検出回路は、前記歪ゲージの電気抵抗値の変動量に基づいて、前記可動部に作用した力を示す電気信号を出力するようになっていて良い。
【００１２】
また、前記第１検出部位は、第１変位部と、前記第１変位部の両側に設けられ、前記固定部及び前記可動部にそれぞれ接続された一対の第１変形部と、を有し、
前記第２検出部位は、第２変位部と、前記第２変位部の両側に設けられ、前記固定部及び前記可動部にそれぞれ接続された一対の第２変形部と、を有していて良い。
【００１３】
この場合、比較的小さいスペースで、作用した力と直交する方向の変位を第１検出部位及び第２検出部位に生じさせることができる。
【００１４】
このような第１検出部位及び第２検出部位を有する力覚センサにおいては、高精度且つ高感度の静電容量タイプの力覚センサを提供することが容易である。すなわち、前記第１検出部位の前記第１変位部及び前記第２検出部位の前記第２変位部の少なくとも一方に配置された変位電極と、
前記変位電極に対向して配置され、前記固定部に対して相対移動しない固定電極と、を更に備え、
前記変位電極と前記固定電極とは、容量素子を構成し、
前記検出回路は、前記容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記可動部に作用した前記一軸方向の力を示す電気信号を出力するようになっていて良い。
【００１５】
もちろん、このような第１検出部位及び第２検出部位を有する力覚センサを歪ゲージタイプとして構成することも可能である。すなわち、前記第１変位部及び前記第２変位部のうち少なくとも一方は、弾性を有する材料から構成され、その表面に歪ゲージが配置され、
前記検出回路は、前記歪ゲージの電気抵抗値の変動量に基づいて、前記可動部に作用した前記一軸方向の力を示す電気信号を出力するようになっていて良い。
【００１６】
あるいは、本発明は、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも１つを検出する力覚センサであって、
ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された固定部と、
力ないしモーメントの作用により前記固定部に対して相対移動する可動部と、
前記固定部と前記可動部とに接続され、前記可動部が前記固定部に対して相対移動することにより弾性変形を生じる変形体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、前記可動部に作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、
力ないしモーメントの作用により弾性変形を生じる材質からなり、第１貫通開口部を有する環状の第１変形体と、
力ないしモーメントの作用により弾性変形を生じる材質からなり、第２貫通開口部を有し、前記第１変形体を取り囲む環状の第２変形体と、を有し、
前記第１変形体及び前記第２変形体は、連結部材によって連結され、
前記第１変形体は、第１バネ定数を有する少なくとも１つの第１検出部位を有し、
前記第２変形体は、前記第１バネ定数とは異なる第２バネ定数を有する少なくとも１つの第２検出部位を有し、
前記検出回路は、前記第１検出部位及び前記第２検出部位の少なくとも一方に生じる弾性変形に基づいて、前記電気信号を出力することを特徴とする力覚センサである。
【００１７】
本発明によれば、バネ定数が相対的に小さい検出部位、すなわち相対的に大きい弾性変形が生じる検出部位に容量素子を配置することにより、高精度且つ高感度で力ないしモーメントの検出が可能な力覚センサを提供することができる。更に、バネ定数が相対的に大きい検出部位、すなわち弾性変形に伴って発現する応力が相対的に大きい検出部位に歪ゲージを配置することにより、高精度且つ高感度で力ないしモーメントの検出が可能な力覚センサを提供することができる。異常から、本発明によれば、静電容量タイプとして構成しても、歪ゲージタイプとして構成しても、高精度且つ高感度で力ないしモーメントの検出が可能な力覚センサを提供することができる。
【００１８】
前記第１変形体及び前記第２変形体は、共に円環状であり、互いに同心であって良い。この場合、簡易な構成で力覚センサを構成することができる。
【００１９】
以上の力覚センサは、静電容量タイプとして構成することができる。すなわち、前記第１変形体の前記第１検出部位及び前記第２変形体の前記第２検出部位の少なくとも一方に配置された変位電極と、
前記変位電極に対向して配置され、前記固定部に対して相対移動しない固定電極と、を更に備え、
前記変位電極と前記固定電極とは、容量素子を構成し、
前記検出回路は、前記容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力するようになっていて良い。
【００２０】
あるいは、以上の力覚センサは歪ゲージタイプとして構成することができる。すなわち、前記第１変形体及び前記第２変形体の少なくとも一方に歪ゲージが設けられ、
前記検出回路は、前記歪ゲージの電気抵抗値の変動量に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力するようになっていて良い。
【００２１】
前記連結部材は、Ｚ軸方向から見て、正のＸ軸が前記第１変形体及び前記第２変形体に重なる２つの部位を接続する第１連結部材と、正のＹ軸が前記第１変形体及び前記第２変形体に重なる２つの部位を接続する第２連結部材と、負のＸが前記第１変形体及び前記第２変形体に重なる２つの部位を接続する第３連結部材と、負のＹ軸が前記第１変形体及び前記第２変形体に重なる２つの部位を接続する第４連結部材と、を有していて良い。
【００２２】
更に、ＸＹ平面上に、原点Ｏを通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなすＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、
前記第１変形体は、Ｚ軸方向から見てＶ軸及びＷ軸に重なる４つの部位に前記第１検出部位を有し、
前記第２変形体は、Ｚ軸方向から見てＶ軸及びＷ軸に重なる４つの部位に前記第２検出部位を有していて良い。
【００２３】
この場合、作用した力ないしモーメントによって第１変形体及び第２変形体に対称的な弾性変形が生じるため、当該力ないしモーメントの検知が容易である。
【００２４】
また、前記第１変形体は、少なくとも１つの第１間隙を有し、
前記第１検出部位は、前記第１間隙内に介在し、
前記第１検出部位は、第１変位部と、前記第１変位部の両側に設けられ対応する第１間隙両端部に接続された一対の第１変形部と、を有し、
前記第２変形体は、少なくとも１つの第２間隙を有し、
前記第２検出部位は、前記第２間隙内に介在し、
前記第２検出部位は、第２変位部と、前記第２変位部の両側に設けられ対応する第２間隙両端部に接続された一対の第２変形部と、を有していて良い。
【００２５】
この場合、比較的小さいスペースで、作用した力と直交する方向の変位を第１検出部位及び第２検出部位に生じさせることができる。
【００２６】
このような第１検出部位及び第２検出部位を有する力覚センサにおいては、高精度且つ高感度の静電容量タイプの力覚センサを提供することが容易である。すなわち、前記第１検出部位の各第１変位部及び前記第２検出部位の各第２変位部の少なくとも一方に配置された変位電極と、
前記変位電極に対向して配置され、前記固定部に対して相対移動しない固定電極と、を更に備え、
前記変位電極と前記固定電極とは、容量素子を構成し、
前記検出回路は、前記容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記可動部に作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力するようになっていて良い。
【００２７】
もちろん、このような第１検出部位及び第２検出部位を有する力覚センサを歪ゲージタイプとして構成することも可能である。すなわち、各第１変位部及び各第２変位部のうち少なくとも一方は、弾性を有する材料から構成され、その表面に歪ゲージが配置され、
前記検出回路は、前記歪ゲージの電気抵抗値の変動量に基づいて、前記可動部に作用した前記一軸方向の力を示す電気信号を出力するようになっていて良い。
【００２８】
また、他の例においては、各第１検出部位は、前記第１変形体のうちの他の領域よりも肉厚が薄く、
各第２検出部位は、前記第２変形体のうちの他の領域よりも肉厚が薄くなっていて良い。
【００２９】
この場合、第１検出部位及び第２検出部位に生じる弾性変形の程度を所望に調整することができるため、より高精度且つ高感度の力覚センサを提供することができる。
【００３０】
以上のような力覚センサにおいて、前記第１検出部位及び前記第２検出部位は、円弧状の形状を有していて良い。この場合にも、比較的小さいスペースで、作用した力と直交する方向の変位を第１検出部位及び第２検出部位に生じさせることができる。
【００３１】
あるいは、本発明によれば、単一の力覚センサによって、当該力覚センサの故障診断を行うことが可能である。すなわち、このような力覚センサは、一軸方向の力を検出するものであって、
固定部と、
力の作用により前記固定部に対して相対移動する可動部と、
前記固定部と前記可動部とに接続され、前記可動部が前記固定部に対して相対移動することにより前記一軸方向とは非平行な方向に弾性変形を生じる変形体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、前記可動部に作用した力を示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、第１バネ定数を有する第１検出部位と、前記第１バネ定数とは異なる第２バネ定数を有する第２検出部位と、を含み、
前記検出回路は、
前記電気信号として、前記第１検出部位に生じる弾性変形に基づいて提供される第１電気信号と、前記第２検出部位に生じる弾性変形に基づいて提供される第２電気信号と、を出力し、
前記第１電気信号及び前記第２電気信号に基づいて、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する、という力覚センサである。
【００３２】
あるいは、故障診断が可能な力覚センサは、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも１つを検出するものであって、
ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された固定部と、
力ないしモーメントの作用により前記固定部に対して相対移動する可動部と、
前記固定部と前記可動部とに接続され、前記可動部が前記固定部に対して相対移動することにより弾性変形を生じる変形体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、前記可動部に作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、
力ないしモーメントの作用により弾性変形を生じる材質からなり、第１貫通開口部を有する環状の第１変形体と、
力ないしモーメントの作用により弾性変形を生じる材質からなり、第２貫通開口部を有し、前記第１変形体を取り囲む環状の第２変形体と、を有し、
前記第１変形体及び前記第２変形体は、連結部材によって連結され、
前記第１変形体は、第１バネ定数を有する少なくとも１つの第１検出部位を有し、
前記第２変形体は、前記第１バネ定数とは異なる第２バネ定数を有する少なくとも１つの第２検出部位を有し、
前記検出回路は、
前記電気信号として、前記第１検出部位に生じる弾性変形に基づいて提供される第１電気信号と、前記第２検出部位の少なくとも一方に生じる弾性変形に基づいて提供される第２電気信号と、を出力し、
前記第１電気信号及び前記第２電気信号に基づいて、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する、という力覚センサである。
【００３３】
これらの力覚センサにおいて、前記検出回路は、力覚センサが正常に機能している状態における第１電気信号と第２電気信号との比率を基準比率として記憶する記憶部を有し、「第１電気信号と第２電気信号との比率と、基準比率と、の差」が所定の範囲内にあるか否かを判定することによって、力覚センサが正常に機能しているか否かを判定するようになっていて良い。この場合、力覚センサの故障を確実に判定することができる。なお、この判定の原理については、後に詳述される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１の実施の形態による力覚センサの基本構造を示す概略上面図である。
【図２】図１の基本構造の可動部がＺ軸負方向に１００μｍだけ変位したときに各検出部位に生じる、Ｘ軸方向の変位とＹ軸方向の応力とを示す図表である。
【図３】図１の基本構造による静電容量タイプの力覚センサを示す概略上面図である。
【図４】図１の基本構造による歪ゲージタイプの力覚センサを示す概略上面図である。
【図５】図１の基本構造の変形例を示す概略上面図である。
【図６】図５の基本構造に力が作用した状態を示す概略上面図である。図６（ａ）は、基本構造にＹ軸方向に沿った圧縮力ｆ１が作用した状態であり、図６（ｂ）は、基本構造にＹ軸方向に沿った引張力ｆ２が作用した状態である。
【図７】図５に示す変形例が採用された歪ゲージタイプの力覚センサの、第１検出部位Ａの部分的な概略上面図を示している。図７（ａ）は、第１検出部位Ａの初期状態を示す概略図であり、図７（ｂ）は、基本構造に圧縮力が作用した時の第１検出部位Ａを示す概略図であり、図７（ｃ）は、基本構造に引張力が作用した時の第１検出部位Ａを示す概略図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態による力覚センサの基本構造を示す概略上面図である。
【図９】可動部にＺ軸周りのモーメントが作用した時の図８の基本構造を示す概略上面図である。
【図１０】図８の基本構造の第２象限部分を示す概略上面図である。
【図１１】図８の基本構造による静電容量タイプの力覚センサを示す概略上図である。
【図１２】図８の基本構造による歪ゲージタイプの力覚センサを示す概略上面図である。
【図１３】図８の基本構造の第１の変形例を示す概略上面図である。
【図１４】図８の基本構造の第２の変形例を示す概略上面図である。
【図１５】図８の基本構造の第３の変形例を示す概略上面図である。
【図１６】図８の基本構造の可動部にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用した時に変形体に生じる弾性変形を説明するための図である。
【図１７】図８の基本構造の可動部にＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用した時に変形体に生じる弾性変形を説明するための図である。
【図１８】図８の基本構造の可動部にＸ軸正方向の力が作用した時に変形体の検出部位に生じる応力を説明するための図である。
【図１９】図８の基本構造の可動部にＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用した時に変形体の検出部に生じる応力を説明するための図である。
【図２０】変形体の検出部位に図５に示す構造が採用された図８の基本構造を示す概略上面図である。
【図２１】図２０に示す基本構造の第１−１検出部位Ａ１をＶ軸正方向から見た概略側面図である。
【図２２】図２０の基本構造の可動部に対してＺ軸周りのモーメントが作用した時に変形体の検出部位に生じる応力を説明するための図である。
【図２３】図２０の基本構造の可動部にＸ軸正方向の力が作用した時に変形体の検出部位に作用する力を説明するための図である。
【図２４】図３の力覚センサに金属疲労が生じていない場合（初期状態）において、力覚センサに作用する力の大きさと、当該力覚センサから出力される第１電気信号Ｔ１ａ及び第２電気信号Ｔ２ａと、の関係を示すグラフである。
【図２５】図３の力覚センサに金属疲労が生じている場合において、力覚センサに作用する力の大きさと、当該力覚センサから出力される第１電気信号Ｔ１ｂ及び第２電気信号Ｔ２ｂと、の関係を示すグラフである。
【図２６】図４の力覚センサに金属疲労が生じていない場合（初期状態）において、力覚センサに作用する力の大きさと、当該力覚センサから出力される第１電気信号Ｔ１ａ及び第２電気信号Ｔ２ａと、の関係を示すグラフである。
【図２７】図４の力覚センサに金属疲労が生じている場合において、力覚センサに作用する力の大きさと、当該力覚センサから出力される第１電気信号Ｔ１ｂ及び第２電気信号Ｔ２ｂと、の関係を示すグラフである。
【図２８】検出部位の変形例を示す概略図である。
【図２９】図２９（ａ）は、図２８に示す検出部位にＹ軸方向の圧縮力が作用した時当該検出部位を示す概略図であり、図２９（ｂ）は、図２８に示す検出部位にＹ軸方向の引張力が作用した時の、当該検出部位を示す概略図である。
【図３０】図２８に示す検出部位を有する変形体の一例を示す概略上面図である。
【図３１】図３１（ａ）は、図２８に示す検出部位を有する変形体の他の例を示す概略上面図であり、図３１（ｂ）は、図３１（ａ）のｂ−ｂ線断面図である。
【図３２】容量素子が配置された図２８の検出部位を示す概略図である。
【図３３】歪ゲージが配置された図２８の検出部位を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
＜＜＜  §１．  本発明の第１の実施の形態による力覚センサ  ＞＞＞
以下に、添付の図面を参照して、本発明の第１の実施の形態による力覚センサについて詳細に説明する。
【００３６】
＜  １−１．  基本構造  ＞
図１は、本発明の第１の実施の形態による力覚センサの基本構造１を示す概略上面図である。本図においては、左右方向にＸ軸が、上下方向にＹ軸が、奥行き方向にＺ軸が、それぞれ定められているものとする。図１に示すように、基本構造１は、固定部１０と、力の作用により固定部１０に対してＹ軸方向に沿って相対移動する可動部２０と、固定部１０と可動部２０とに接続され、可動部２０が固定部１０に対して相対移動することにより弾性変形を生じる変形体３０と、を備えている。
【００３７】
本実施の形態による基本構造１は、Ｙ軸方向の力の検出が可能な力覚センサに利用されるものである。図１に示すように、固定部１０と可動部２０とは、Ｙ軸方向に所定の間隔を空けて配置されている。可動部２０は、力を受ける受力体として機能するようになっている。
【００３８】
固定部１０と可動部２０とに接続された変形体３０は、Ｘ軸方向に並列に配置された第１変形体３１及び第２変形体３２を有している。第１変形体３１は、固定部１０に接続された第１固定部側接続部３１ｆと、可動部２０に接続されＹ軸方向において第１固定部側接続部３１ｆから離間して配置された第１可動部側接続部３１ｍと、第１固定部側接続部３１ｆ及び第１可動部側接続部３１ｍを接続する弾性変形可能な円弧状の第１弾性体３１ｅと、を有している。第２変形体３２は、固定部１０に接続された第２固定部側接続部３２ｆと、可動部２０に接続されＹ軸方向において第２固定部側接続部３２ｆから離間して配置された第２可動部側接続部３２ｍと、第２固定部側接続部３２ｆ及び第２可動部側接続部３２ｍを接続する弾性変形可能な円弧状の第２弾性体３２ｅと、を有している。本実施の形態では、図１に示すように、第１弾性体３１ｅ及び第２弾性体３２ｅは、共にＸ軸負方向（図１における右方向）に凸となるように配置されている。
【００３９】
第１弾性体３１ｅ及び第２弾性体３２ｅには、最もＸ軸負方向側（図１における右側）に位置する部位、すなわち、第１弾性体３１ｅ及び第２弾性体３２ｅのＸ軸負側の部位のうちＺ軸方向から見てＹ軸と平行な接線を与える部位に、それぞれ第１検出部位Ａ及び第２検出部位Ｂが規定されている。図１に示す基本構造１が力覚センサとして使用される際には、これら第１検出部位Ａ及び第２検出部位Ｂに生じる応力ないしＸ軸方向の変位に基づいて、可動部２０に作用した力が計測されるようになっている。図１に示すように、第１弾性体３１ｅ及び第２弾性体３２ｅは、曲率半径が互いに異なっている。具体的には、第１弾性体３１ｅの曲率半径よりも第２弾性体３２ｅの曲率半径の方が大きい。その一方で、図示されていないが、第１弾性体３１ｅ及び第２弾性体３２ｅは、ＸＺ平面で切断した断面形状が同一となっている。このことにより、第２弾性体３２ｅのバネ定数の方が第１弾性体３１ｅのバネ定数よりも小さくなっている。ここで、第１弾性体３１ｅ及び第２弾性体３２ｅのバネ定数とは、可動部２０に作用したＹ軸方向の力の大きさを検出部位Ａ、Ｂに生じたＸ軸方向の変位の大きさで除した値を、意味している。
【００４０】
図２は、図１の基本構造１の可動部２０がＺ軸負方向に１００μｍだけ変位したときに各検出部位Ａ、Ｂに生じる、Ｘ軸方向の変位とＹ軸方向の応力とを示す図表である。
【００４１】
図２に示すように、力の作用によって固定部１０に対して可動部２０がＹ軸負方向（図１における下方）に変位（相対移動）した場合に、各検出部位Ａ、Ｂに生じる、Ｘ軸方向の変位とＹ軸方向の応力とが、それぞれ異なっている。具体的には、固定部１０に対して可動部２０がＹ軸負方向に１００μｍだけ相対移動した場合、Ｘ軸方向に生じる変位の大きさは、第１検出部位Ａよりも第２検出部位Ｂの方が大きく、応力は、第２検出部Ｂよりも第１検出部位Ａの方が大きい。このことから、図１に示す基本構造１は、変位について見ると第１検出部位Ａよりも第２検出部位Ｂの方が高感度であり、応力について見ると第２検出部位Ｂよりも第１検出部位Ａの方が高感度である、という特性を有している。
【００４２】
＜  １−２．  静電容量タイプの力覚センサ  ＞
次に、以上のような基本構造１を用いた静電容量タイプの力覚センサ１ｃについて説明する。
【００４３】
図３は、図１の基本構造１による静電容量タイプの力覚センサ１ｃを示す概略上面図である。図３に示すように、力覚センサ１ｃは、第１検出部位Ａに配置された第１変位電極Ｅｍ１と、第１変位電極Ｅｍ１に対向して配置され、固定部１０に対して相対移動しない第１固定電極Ｅｆ１と、第２検出部位Ｂに配置された第２変位電極Ｅｍ２と、第２変位電極Ｅｍ２に対向して配置され、固定部１０に対して相対移動しない第２固定電極Ｅｆ２と、を有している。図１に示すように、第１変位電極Ｅｍ１及び第１固定電極Ｅｆ１は、第１容量素子Ｃ１を構成し、第２変位電極Ｅｍ２及び第２固定電極Ｅｆ２は、第２容量素子Ｃ２を構成している。本実施の形態では、第１変位電極Ｅｍ１及び第２変位電極Ｅｍ２は、同一の面積を有している。更に、第１固定電極Ｅｆ１及び第２固定電極Ｅｆ２は、同一の面積を有している。また、第１変位電極Ｅｍ１及び第１固定電極Ｅｆ１の実効対向面積及び電極間の距離は、第２変位電極Ｅｍ２及び第２固定電極Ｅｆ２の実効対向面積及び電極間の距離と等しい。各電極Ｅｍ１、Ｅｆ１、Ｅｍ２、Ｅｆ２は、いずれも、ＹＺ平面と平行であるように配置されている。
【００４４】
更に、図３に示すように、力覚センサ１ｃは、第１変形体３１及び第２変形体３２に生じる弾性変形に基づいて、可動部２０に作用したＹ軸方向の力を示す電気信号を出力する検出回路４０を有している。この検出回路４０は、各容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値の変動量に基づいて、可動部２０に作用した力を示す電気信号を出力するようになっている。なお、各容量素子Ｃ１、Ｃ２と検出回路４０とを電気的に接続する配線は、図示が省略されている。
【００４５】
次に力覚センサ１ｃの作用について説明する。
【００４６】
ここでは、Ｙ軸負方向（図３における下方向）の力が可動部２０に作用した場合を例に説明を行う。Ｙ軸負方向の力が可動部２０に作用すると、当該可動部２０は、固定部１０に対してＹ軸負方向に相対移動する。これにより、円弧状の第１弾性体３１ｅ及び第２弾性体３２ｅは、圧縮力の作用によって、弾性変形する。この弾性変形は、第１弾性体３１ｅ及び第２弾性体３２ｅの曲率半径が共に減少するような変形である。これにより、第１検出部位Ａ及び第２検出部位Ｂが共にＸ軸負方向に変位する。このため、第１容量素子Ｃ１及び第２容量素子Ｃ２は、極板間距離が減少することにより、静電容量値が共に増大する。本実施の形態では、前述したように、第２弾性体３２ｅのバネ定数の方が第１弾性体３１ｅのバネ定数よりも小さいため、第２検出部位ＢのＸ軸負方向への変位の方が第１検出部位ＡのＸ軸負方向への変位よりも大きい。このため、第２容量素子Ｃ２は、第１容量素子Ｃ１よりも静電容量値が大きく変動する。すなわち、第２容量素子Ｃ２は、第１容量素子Ｃ１よりも高感度である。
【００４７】
そして、検出回路４０は、第１容量素子Ｃ１及び第２容量素子Ｃ２の一方の静電容量値の変動量に基づいて、可動部２０に作用した力を計測する。静電容量タイプの力覚センサ１ｃにおいては、相対的に高感度である第２容量素子Ｃ２の静電容量値の変動量に基づいて作用した力を計測することにより、Ｓ／Ｎに優れた計測が可能となる。もちろん、第１容量素子Ｃ１の静電容量値の変動量に基づいて、可動部２０に作用した力を計測することも可能であるし、例えば、第１容量素子Ｃ１の静電容量値の変動量に基づいて計測された力と、第２容量素子Ｃ２の静電容量値の変動量に基づいて計測された力と、の平均値を、作用した力として扱うことも可能である。
【００４８】
なお、以上の説明においては、Ｙ軸負方向の力が可動部２０に作用した場合を例に説明を行ったが、これとは逆にＹ軸正方向（図３における上方向）の力が可動部２０に作用しても当該力の計測が可能である。この場合、第１弾性体３１ｅ及び第２弾性体３２ｅは、それらの曲率半径が共に増大するように、弾性変形する。これにより、第１検出部位Ａ及び第２検出部位Ｂは、共にＸ軸正方向（図３における左方向）に変位し、第１容量素子Ｃ１及び第２容量素子Ｃ２の静電容量値は、共に減少する。なお、この場合も、第２容量素子Ｃ２は、第１容量素子Ｃ１よりも静電容量値が大きく変動する。
【００４９】
＜  １−３．  歪ゲージタイプの力覚センサ  ＞
あるいは、以上のような基本構造１は、歪ゲージタイプの力覚センサ１ｓに用いることもできる。
【００５０】
図４は、図１の基本構造１による歪ゲージタイプの力覚センサ１ｓを示す概略上面図である。図４に示すように、力覚センサ１ｓは、第１検出部位Ａに配置された第１歪ゲージＲ１と、第２検出部位Ｂに配置された第２歪ゲージＲ２と、を有している。第１歪ゲージＲ１と第２歪ゲージＲ２とは、同一の特性を有している。その他の構成は、容量素子を有していない点を除き図３に示す力覚センサ１ｃと同様であるため、その詳細な説明は省略する。
【００５１】
なお、歪ゲージＲ１、Ｒ２としては、例えば金属箔歪ゲージや半導体歪ゲージが採用され得る。金属箔歪ゲージは、圧縮応力が作用すると抵抗値が減少し、逆に引張応力が作用すると抵抗値が増大するという性質を有している。また、半導体歪ゲージは、ピエゾ抵抗効果を利用した歪ゲージであり、この半導体歪ゲージに対して引張応力が作用すると、ｐ型の半導体歪ゲージにおいては抵抗値が増大し、ｎ型の半導体歪ゲージにおいては抵抗値が減少するという特性がある。一方、この半導体歪ゲージに対して圧縮応力が作用すると、ｐ型の半導体歪ゲージにおいては抵抗値が減少し、ｎ型の半導体歪ゲージにおいては抵抗値が増大する。ここでは、第１歪ゲージＲ１及び第２歪ゲージＲ２として、金属箔歪ゲージが採用されているものとする。
【００５２】
次に力覚センサ１ｓの作用について説明する。
【００５３】
Ｙ軸負方向の力が可動部２０に作用すると、当該可動部２０が固定部１０に対してＹ軸負方向に相対移動し、前述の通り、第１弾性体３１ｅ及び第２弾性体３２ｅは、その曲率半径が共に減少するように弾性変形する。これにより、円弧状の第１弾性体３１ｅ及び第２弾性体３２ｅのＸ軸負側の表面には、各検出部位Ａ、Ｂを含む領域に引張応力が生じる。前述したように、第１弾性体３１ｅのバネ定数が第２弾性体３２ｅのバネ定数よりも大きいため、第１検出部位Ａに生じる引張応力は、第２検出部位Ｂに生じる引張応力よりも大きい。このことは、図２を参照して前述したとおりである。このため、第１歪ゲージＲ１の方が第２歪ゲージＲ２よりも電気抵抗値が大きく変動（増大）する。
【００５４】
そして、検出回路４０は、第１歪ゲージＲ１及び第２歪ゲージＲ２の一方の電気抵抗値の変動量に基づいて、作用した力を計測する。歪ゲージタイプの力覚センサ１ｓにおいては、相対的に高感度である第１歪ゲージＲ１の電気抵抗値の変動量に基づいて作用した力を計測することにより、Ｓ／Ｎに優れた計測が可能となる。もちろん、第２歪ゲージＲ２の電気抵抗値の変動量に基づいて作用した力を計測することも可能であるし、例えば、第１歪ゲージＲ１の電気抵抗値の変動量に基づいて計測された力と、第２歪ゲージＲ２の電気抵抗値の変動量に基づいて計測された力と、の平均値を、作用した力として扱うことも可能である。
【００５５】
なお、以上の説明においては、Ｙ軸負方向の力が可動部２０に作用した場合を例に説明を行ったが、これとは逆にＹ軸正方向（図４における上方向）の力が可動部２０に作用しても当該力の計測が可能である。この場合、前述の通り、第１弾性体３１ｅ及び第２弾性体３２ｅは、その曲率半径が共に増大するように弾性変形する。これにより、円弧状の第１弾性体３１ｅ及び第２弾性体３２ｅのＸ軸負側の表面には、各検出部位Ａ、Ｂを含む領域に圧縮応力が生じ、各歪ゲージＲ１、Ｒ２の電気抵抗値が共に減少する。なお、この場合も、第１歪ゲージＲ１は、第２歪ゲージＲ２よりも電気抵抗値が大きく変動する。
【００５６】
以上のような本実施の形態による力覚センサ１ｃ、１ｓによれば、バネ定数が相対的に小さい第２検出部位Ｂ、すなわち弾性変形が相対的に大きい第２検出部位Ｂに第２容量素子Ｃ２を配置することにより、高精度且つ高感度で力の検出が可能な静電容量タイプの力覚センサ１ｃを提供することができる。あるいは、バネ定数が相対的に大きい第１検出部位Ａ、すなわち弾性変形に伴って発現する応力が相対的に大きい第１検出部位Ａに第１歪ゲージＲ１を配置することにより、高精度且つ高感度で力の検出が可能な力覚センサ１ｓを提供することができる。以上から、本実施の形態によれば、共通の基本構造１を有しながら静電容量タイプとして構成しても、歪ゲージタイプとして構成しても、高精度且つ高感度で作用した力の検出が可能な力覚センサ１ｃ、１ｓを提供することができる。
【００５７】
＜  １−４．  波形の検出部位を有する基本構造  ＞
次に、図５は、図１の基本構造１の変形例を示す概略上面図である。また、図６は、図５の基本構造１ｗにＹ軸方向の力が作用している状態を示す概略上面図である。図６（ａ）は、基本構造１ｗにＹ軸方向に沿った圧縮力ｆ１が作用している状態であり、図６（ｂ）は、基本構造１ｗにＹ軸方向に沿った引張力ｆ２が作用している状態である。
【００５８】
図５に示すように、本変形例では、図１の２つの円弧状の弾性体に代えて、２つの波形の弾性構造体が採用されている。ここでは、これらの波形の弾性構造体を第１検出部位Ａ及び第２検出部位Ｂと呼ぶことにする。図示されるように、第１検出部位Ａは、第１変位部６１ｄと、第１変位部６１ｄの両側に設けられ、Ｙ軸方向に間隔を空けて配置された接続部６１ｍ、６１ｆを介して固定部１０及び可動部２０にそれぞれ接続された一対の第１変形部６１ｅ１、６１ｅ２と、を有し、第２検出部位Ｂは、第２変位部６２ｄと、第２変位部６２ｄの両側に設けられ、Ｙ軸方向に間隔を空けて配置された接続部６２ｍ、６２ｆを介して固定部１０及び可動部２０にそれぞれ接続された一対の第２変形部６２ｅ１、６２ｅ２と、を有している。図５に示すように、一対の第２変形部６２ｅ１、６２ｅ２は、一対の第１変形部６１ｅ１、６１ｅ２よりもＹ軸方向により立ち上がった状態で構成されている。
【００５９】
ここに示す例の場合、一対の第１変形部６１ｅ１、６１ｅ２及び一対の第２変形部６２ｅ１、６２ｅ２は、可撓性を有する板状片によって構成され、第１変位部６１ｄ及び第２変位部６２ｄは、第３の板状片によって構成されている。各板状片は、各接続部６１ｆ、６１ｍ、６２ｆ、６２ｍと同一の材料から構成されているが、図５及び図６に示すように、相対的に肉厚の薄い板状の部材であるため、可撓性を有することになる。
【００６０】
なお、ここに示す例の場合、第１変位部６１ｄ及び第２変位部６２ｄも肉厚の薄い板状の部材であるため可撓性を有しているが、基本構造１ｗを静電容量タイプの力覚センサとして利用する場合には、当該第１変位部６１ｄ及び第２変位部６２ｄは、必ずしも可撓性をもった部材である必要はない。一方、基本構造１ｗを歪ゲージタイプの力覚センサとして利用する場合には、第１変位部６１ｄ及び第２変位部６２ｄが可撓性をもった部材である必要がある。図５及び図６に示す例では、第１変位部６１ｄ及び第２変位部６２ｄ（第３の板状片）は、左右両面がＹＺ平面に平行な面となっている。
【００６１】
次に、図６（ａ）及び図６（ｂ）を参照して、基本構造１ｗの可動部２０に対して、Ｙ軸方向に沿った力が作用した時の、各検出部位Ａ、Ｂの作用について説明する。図６（ａ）及び図６（ｂ）において、黒塗りの太い矢印は、作用する力の方向を示しており、白抜きの太い矢印は、各変位部６１ｄ、６２ｄの変位の方向を示している。
【００６２】
図６（ａ）に示すように、基本構造１ｗの可動部２０に対して、Ｙ軸方向に沿った圧縮力ｆ１が作用すると、各検出部位Ａ、Ｂには、Ｙ軸方向に沿った圧縮力が作用する。このため、一対の第１変形部６１ｅ１、６１ｅ２及び一対の第２変形部６２ｅ１、６２ｅ２の姿勢は、より水平に寝た状態に変化する。その結果、各変位部６１ｄ、６２ｄは、図に白抜きの矢印で示す通り、Ｘ軸負方向（図６（ａ）における右方向）に変位する。一方、図６（ｂ）に示すように、基本構造１ｗの可動部２０に対して、Ｙ軸正方向の引張力ｆ２が作用すると、各検出部位Ａ、Ｂには、Ｙ軸方向に沿った引張力が作用する。このため、一対の第１変形部６１ｅ１、６１ｅ２及び一対の第２変形部６２ｅ１、６２ｅ２の姿勢は、より垂直に立った状態に変化する。その結果、各変位部６１ｄ、６２ｄは、図に白抜きの矢印で示す通り、Ｘ軸正方向（図６（ｂ）における左方向）に変位する。
【００６３】
前述したように、一対の第１変形部６１ｅ１、６１ｅ２は、初期状態（図５参照）において、一対の第２変形部６２ｅ１、６２ｅ２よりもＹ軸方向により立ち上がった状態で構成されている。このため、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、力の作用によって生じる変位は、第１変位部６１ｄよりも第２変位部６２ｄの方が、相対的に大きい。換言すれば、第１検出部位Ａのバネ定数よりも第２検出部位Ｂのバネ定数の方が相対的に小さい。ここで、第１検出部位Ａ及び第２検出部位Ｂのバネ定数とは、可動部２０に作用した力を変位部６１ｄ、６２ｄに生じたＸ軸方向の変位で除した値を意味している。
【００６４】
基本構造１ｗを用いた力覚センサにおいては、このような変位を利用して、作用した力の向きおよび大きさが検出されるようになっている。すなわち、作用した力の向きは、各変位部６１ｄ、６２ｄの変位方向によって検出され、作用した力の大きさは、その変位の大きさによって検出されるようになっている。
【００６５】
以上のような本実施の形態による力覚センサによれば、バネ定数が相対的に小さい第２検出部位Ｂ、すなわち相対的に大きい弾性変形が生じる第２検出部位Ｂに容量素子Ｃ２を配置することにより、高精度且つ高感度で力の検出が可能な力覚センサ１ｃを提供することができる。
【００６６】
あるいは、以上のような基本構造１ｗを歪ゲージ式の力覚センサに用いることも可能である。歪ゲージ式の力覚センサを構成するには、静電容量タイプの力覚センサの各変位部６１ｄ、６２ｄに配置された容量素子に代えて、具体的には変位電極に代えて、歪ゲージＲ１、Ｒ２を配置すればよい。
【００６７】
図７は、このようにして構成された歪ゲージタイプの力覚センサの第１検出部位Ａの部分的な概略上面図を示している。図７（ａ）は、第１検出部位Ａの初期状態を示す概略図であり、図７（ｂ）は、基本構造１ｗに圧縮力が作用した時の第１検出部位Ａを示す概略図であり、図７（ｃ）は、基本構造１ｗに引張力が作用した時の第１検出部位Ａを示す概略図である。各図において、黒塗りの太い矢印は、作用する力の方向を示しており、細い矢印は、各変位部６１ｄ、６２ｄのＸ軸負側の表面に生じる応力（「→ ←」は圧縮応力、「← →」は引張応力）を示している。
【００６８】
図７（ａ）に示すように、初期状態における第１検出部位Ａの第１変位部６１ｄは、ＺＹ平面と平行である。そして、図７（ｂ）に示すように、基本構造１ｗに圧縮力が作用すると、前述したように、一対の第１変形部６１ｅ１、６１ｅ２の姿勢は、より水平に寝た状態に変化する。このことによって、図７（ｂ）に示すように、第１検出部位Ａの第１変位部６１ｄは、Ｘ軸負方向（図７（ｂ）における右方向）に凸となるように撓み変形する。すなわち、図示されるように、第１歪ゲージＲ１が配置されている第１変位部６１ｄのＸ軸負側の面には、Ｙ軸方向に沿って、引張応力が生じる。一方、図７（ｃ）に示すように、基本構造１ｗに引張力が作用すると、前述したように、一対の第１変形部６１ｅ１、６１ｅ２の姿勢は、より垂直に立った状態に変化する。このことによって、図７（ｃ）に示すように、第１検出部位Ａの第１変位部６１ｄは、Ｘ軸正方向（図７（ｃ）における左方向）に凸となるように撓み変形する。すなわち、図示されるように、第１歪ゲージＲ１が配置されている第１変位部６１ｄのＸ軸負側の面には、Ｙ軸方向に沿って、圧縮応力が生じる。結局、第１検出部位Ａ１に作用する力の向き（圧縮か引張か）と第１変位部６１ｄのＸ軸負側の面に生じる応力の向き（圧縮か引張か）とは、互いに逆になる。なお、図７（ｂ）及び図７（ｃ）の撓み変形の態様から理解されるように、第１変位部６１ｄのＸ軸正側の面に生じる応力の向き（圧縮か引張か）は、第１検出部位Ａ１に作用する力の向き（圧縮か引張か）と同じになる。
【００６９】
図７には、第２検出部位Ｂが示されていないが、当該第２検出部位Ｂにおいても、第２変位部６２ｄに同様の撓み変形が生じる。但し、前述したように、第１検出部位Ａよりも第２検出部位の方が相対的に小さいバネ定数を有することから、第１変位部６１ｄに生じる応力の方が、第２変位部６２ｄに生じる応力よりも、大きい。このことから、第１変位部６１ｄに配置された第１歪ゲージを用いて作用した力Ｆｙを検出することにより、高精度且つ高感度で力の検出が可能な力覚センサ１ｓを提供することができる。
【００７０】
以上から、本実施の形態によれば、静電容量タイプとして構成しても、歪ゲージタイプとして構成しても、高精度且つ高感度で力の検出が可能な力覚センサ１ｃ、１ｓを提供することができる。
【００７１】
また、第１検出部位Ａ及び第２検出部位Ｂは、可動部２０と固定部１０との間に並列に配置されているため、第１検出部位Ａ及び第２検出部位Ｂに大きな変形ないし変位を生じさせることができ、作用した力をより高精度且つ高感度で検出することができる。
【００７２】
更に、図１に示す基本構造１の第１検出部位Ａは、所定の半径を有する円弧の一部に沿った形状を有し、第２検出部位Ｂは、前記所定の半径とは異なる半径を有する円弧の一部に沿った形状を有していている。このため、第１検出部位Ａ及び第２検出部位Ｂに、作用した力と直交する方向に変位を生じさせることができるため、力の計測が容易である。こことは、図５に示す基本構造１ｗにおいても、同様である。
【００７３】
＜＜＜  §２．  本発明の第２の実施の形態による力覚センサ  ＞＞＞
次に、本発明の第２の実施の形態による力覚センサについて詳細に説明する。
【００７４】
＜  ２−１．  基本構造  ＞
図８は、本発明の第２の実施の形態による力覚センサの基本構造１０１を示す概略上面図であり、図９は、受力体としての可動部１２０にＺ軸周りのモーメントが作用した時の図８の基本構造１０１を示す概略上面図であり、図１０は、図８の基本構造１０１の第２象限部分を示す概略上面図である。
【００７５】
本実施の形態による力覚センサは、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントの少なくとも１つを検出するためのものである。図８乃至図１０に示すように、基本構造１０１は、ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された固定部１１０と、力ないしモーメントの作用により固定部１１０に対して相対移動する可動部１２０と、固定部１１０と可動部１２０とに接続され、可動部１２０が固定部１１０に対して相対移動することにより弾性変形を生じる変形体１４０と、を有している。
【００７６】
図８乃至図１０に示すように、固定部１１０は、ＸＹ平面上に固定され、Ｚ軸正方向から見て、原点を中心とする円盤の形状を有している。可動部１２０は、Ｚ軸正方向から見て、ＸＹ平面上に固定部１１０と同心に配置された円環の形状を有している。なお、固定部１１０も円環の形状を有していても良い。
【００７７】
また、図８乃至図１０に示すように、変形体１４０は、弾性体から構成された円環の形状の第１変形体１４１と、当該第１変形体１４１を取り囲むように配置され、弾性体から構成された円環の形状の第２変形体１４２と、を有している。Ｚ軸正方向から見て、第１変形体１４１は、固定部１１０を取り囲むように当該固定部１１０と同心に配置され、第２変形体１４２は、第１変形体１４１と可動部１２０との間にそれらと同心に配置されている。結局、固定部１１０、第１変形体１４１、第２変形体１４２及び可動部１２０は、Ｚ軸正方向から見て、互いに同心に、且つ、径方向外側に向かってこの順序で、配置されている。
【００７８】
また、本実施の形態による基本構造１０１の第１変形体１４１及び第２変形体１４２は、同一の断面形状を有している。このため、各変形体１４１、１４２の直径の相違から、第１変形体１４１の各検出部位Ａ１〜Ａ４のバネ定数は、第２変形体の各検出部位Ｂ１〜Ｂ４のバネ定数より大きい。ここで、各検出部位Ａ１〜Ａ４、Ｂ１〜Ｂ４のバネ定数とは、可動部２０に作用した力を各検出部位１〜Ａ４、Ｂ１〜Ｂ４に生じたＶ軸方向及びＷ軸方向の変位で除した値を意味している。
【００７９】
図８乃至図１０に示すように、固定部１１０と第１変形体１４１とは、互いの隙間において正のＹ軸上に配置された連結体１３３と負のＹ軸上に配置された連結体１３７とによって、互いに連結されている。更に、第１変形体１４１と第２変形体１４２とは、互いの隙間において正のＹ軸上に配置された連結体１３４と負のＹ軸上に配置された連結体１３８とによって、互いに連結されている。これらのことにより、第１変形体１４１及び第２変形体１４２は、Ｙ軸上に位置する各２つの部位が固定部１１０に対して相対移動しないようになっている。
【００８０】
更に、図８乃至図１０に示すように、第１変形体１４１と第２変形体１４２とは、互いの隙間において正のＸ軸上に配置された連結体１３１と負のＸ軸上に配置された連結体１３５とによって、互いに連結されている。更に、可動部１２０と第２変形体１４２とは、互いの隙間において正のＸ軸上に配置された連結体１３２と負のＸ軸上に配置された連結体１３６とによって、互いに連結されている。これらのことにより、第１変形体１４１及び第２変形体１４２は、Ｘ軸上に位置する各２つの部位が可動部１２０と一体的に固定部１１０に対して相対移動するようになっている。
【００８１】
次に、このような基本構造１０１の可動部１２０にＺ軸周りのモーメント−Ｍｚが作用した時の、当該基本構造１０１の作用について図９を参照して説明する。図９において、黒塗りの太い矢印は、作用する力の方向を示しており、白抜きの太い矢印は、各検出部位Ａ１〜Ａ４、Ｂ１〜Ｂ４の変位の方向を示している。
【００８２】
図９に示すように、モーメント−Ｍｚの作用によって可動部１２０が固定部１１０に対してＺ軸正方向から見て右回りに相対回転されると、第１及び第２変形体１４１、１４２のうち、連結体１３１、１３２によって連結されている正のＸ軸上の部位がＹ軸負方向（図９における下方）へ、連結体１３５、１３６によって連結されている負のＸ軸上の部位がＹ軸正方向（図９における上方）へ、それぞれ移動する。一方、第１及び第２変形体１４１、１４２のうち、連結体１３３、１３４、１３７、１３８で連結されているＹ軸上の部位は、移動しない。これらのことによって、各変形体１４１、１４２に次のような弾性変形が生じる。すなわち、ＸＹ平面上に、原点Ｏを通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなすＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、各変形体１４１、１４２のうち、Ｗ軸上に位置する部位においては、径方向外方への変位が生じ、Ｖ軸上に位置する部位においては、径方向内方への変位が生じる。一方、図示されていないが、可動部１２０に反対方向の力が作用して当該可動部１２０が固定部１１０に対して左回りに相対回転されると、Ｗ軸上に位置する部位においては、径方向内方への変位が生じ、Ｖ軸上に位置する部位においては、径方向外方への変位が生じる。
【００８３】
これらの変位は、Ｗ軸上及びＶ軸上で最大となることから、正のＺ軸方向から見て、各変形体１４１、１４２のうちＷ軸及びＶ軸と交わる部位の変位ないし応力に着目して作用した力ないしモーメントを計測することが効率的である。このため、ここでは、図９に示すように、第１変形体１４１のうちＷ軸及びＶ軸と交わる４つの部位を第１象限から順に第１−１検出部位Ａ１、第１−２検出部位Ａ２、第１−３検出部位Ａ３及び第１−４検出部位Ａ４とし、第２変形体１４２のうちＷ軸及びＶ軸と交わる４つの部位を第１象限から順に第２−１検出部位Ｂ１、第２−２検出部位Ｂ２、第３−３検出部位Ｂ３及び第２−４検出部位Ｂ４とする。
【００８４】
ここで、本実施の形態による基本構造１０１と第１の実施の形態による基本構造１との関連性について、図１０を参照して説明する。
【００８５】
前述したように、本実施の形態による基本構造１０１は、各変形体１４１、１４２のうち正のＹ軸上に位置する部位がＸＹＺ三次元座標系に対して固定されており、各変形体１４１、１４２のうち負のＸ軸上に位置する部位が可動部１２０と共に固定部１１０に対して一体的に相対移動するようになっている。このような構造は、各変形体１４１、１４２の正のＹ軸上に位置する部位を第１の実施の形態による基本構造１の固定部１０と捉え、各変形体１４１、１４２の負のＸ軸上に位置する部位を第１の実施の形態による基本構造１の可動部２０と捉えることによって、図１０に示す構造と第１の実施の形態による基本構造１とが実質的に同じ構造であると理解される。同様のことは、第１、第３及び第４象限においても成立する。更に、各変形体１４１、１４２のバネ定数の関係は、第１の実施の形態における基本構造１において、第１変形体３１の第１検出部位Ａのバネ定数が第２変形体３２の第２検出部位Ｂのバネ定数より大きい、ということとも対応している。
【００８６】
結局、図８及び図９に示す基本構造１０１は、第１の実施の形態による基本構造１を４つ組み合わせたものであると言える。すなわち、本実施の形態による基本構造１０１は、第１の実施の形態において説明したように、変位について見ると第１−１〜第１−４検出部位Ａ１〜Ａ４よりも第２−１〜第２−４検出部位Ｂ１〜Ｂ４の方が高感度であり、応力について見ると第２−１〜第２−４検出部位Ｂ１〜Ｂ４よりも第１−１〜第１−４検出部位Ａ１〜Ａ４の方が高感度である、という特性を有している。
【００８７】
＜  ２−２．  静電容量タイプの力覚センサ  ＞
次に、以上のような基本構造１０１を用いた、静電容量タイプの力覚センサ１０１ｃについて説明する。
【００８８】
図１１は、図８の基本構造１０１による静電容量タイプの力覚センサ１０１ｃを示す概略上図である。図１１に示すように、力覚センサ１０１ｃは、第１−１〜第１−４検出部位Ａ１〜Ａ４の外面に配置された第１−１〜第１−４変位電極Ｅｍ１１〜Ｅｍ１４と、各変位電極Ｅｍ１１〜Ｅｍ１４に対向して配置され、固定部１１０に対して相対移動しない第１−１〜第１−４固定電極Ｅｆ１１〜Ｅｆ１４と、第２−１〜第２−４検出部位Ｂ１〜Ｂ４の外面に配置された第２−１〜第２−４変位電極Ｅｍ２１〜Ｅｍ２４と、各変位電極Ｅｍ２１〜Ｅｍ２４に対向して配置され、固定部１１０に対して相対移動しない第２−１〜第２−４固定電極Ｅｆ２１〜Ｅｆ２４と、を有している。
【００８９】
図１１に示すように、第１−１変位電極Ｅｍ１１及び第１−１固定電極Ｅｆ１１は、第１−１容量素子Ｃ１１を構成し、第１−２変位電極Ｅｍ１２及び第１−２固定電極Ｅｆ１２は、第１−２容量素子Ｃ１２を構成し、第１−３変位電極Ｅｍ１３及び第１−３固定電極Ｅｆ１３は、第１−３容量素子Ｃ１３を構成し、第１−４変位電極Ｅｍ１４及び第１−４固定電極Ｅｆ１４は、第１−４容量素子Ｃ１４を構成している。更に、第２−１変位電極Ｅｍ２１及び第２−１固定電極Ｅｆ２１は、第２−１容量素子Ｃ２１を構成し、第２−２変位電極Ｅｍ２２及び第２−２固定電極Ｅｆ２２は、第２−２容量素子Ｃ２２を構成し、第２−３変位電極Ｅｍ２３及び第２−３固定電極Ｅｆ２３は、第２−３容量素子Ｃ２３を構成し、第２−４変位電極Ｅｍ２４及び第２−４固定電極Ｅｆ２４は、第２−４容量素子Ｃ２４を構成している。各固定電極Ｅｆ１１〜Ｅｆ２４は、例えばＸＹ平面に固定され正のＺ軸方向に延びる支持体（不図示）によって、可動部１２０に力が作用しても第１及び第２変形体１４１、１４２と干渉しない位置に、支持されている。
【００９０】
本実施の形態では、第１−１〜第１−４変位電極Ｅｍ１１〜Ｅｍ１４及び第２−１〜第２−４変位電極Ｅｍ２１〜Ｅｍ２４は、全て同一の面積を有している。更に、第１−１〜第１−４固定電極Ｅｆ１１〜Ｅｆ１４及び第２−１〜第２−４固定電極Ｅｆ２１〜Ｅｆ２４は、全て同一の面積を有している。また、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２４を構成する各電極の実効対向面積及び対向する電極間の距離は、全て同一である。
【００９１】
更に、図１１に示すように、力覚センサ１０１ｃは、第１変形体１４１及び第２変形体１４２に生じる弾性変形に基づいて、可動部１２０に作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路１５０を有している。図１１に示す力覚センサ１０１ｃの検出回路１５０は、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２４の静電容量値の変動量に基づいて、可動部１２０に作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力するようになっている。なお、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２４と検出回路１５０とを電気的に接続する配線は、図示が省略されている。
【００９２】
次に力覚センサ１０１ｃの作用について説明する。
【００９３】
ここでは、Ｚ軸正方向から見て右回りの力（モーメント）が可動部１２０に作用した場合を例に説明を行う（図９参照）。この場合、前述したように、各変形体１４１、１４２のうち、Ｗ軸上に位置する第１−２、第２−２、第１−４、第２−４検出部位Ａ２、Ｂ２、Ａ４、Ｂ４においては、径方向外方への変位が生じ、Ｖ軸上に位置する第１−１、第２−１、第１−３、第２−３検出部位Ａ１、Ｂ１、Ａ３、Ｂ３においては、径方向内方への変位が生じる。これにより、第１−２、第２−２、第１−４、第２−４容量素子Ｃ１２、Ｃ２２、Ｃ１４、Ｃ２４は、それぞれの電極間距離が減少するため静電容量値が増大する。これに対し、第１−１、第２−１、第１−３、第２−３容量素子Ｃ１１、Ｃ２１、Ｃ１３、Ｃ２３は、それぞれの電極間距離が増大するため静電容量値が減少する。
【００９４】
本実施の形態では、前述したように、第２変形体１４２の各検出部位Ｂ１〜Ｂ４のバネ定数が第１変形体１４１の各検出部位Ａ１〜Ａ４のバネ定数よりも小さいため、各静電容量値の変動量の絶対値に着目すると、第２変形体１４２上に配置された第２−１〜第２−４容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４の静電容量値の変動量は、第１変形体１４１上に配置された第１−１〜第１−４容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４の静電容量値の変動量よりも大きい。
【００９５】
そして、検出回路１５０は、以下の［式１］を用いて、作用したＺ軸まわりのモーメントＭｚを計測する。［式１］においてＭｚ１は、第１変形体１４１の弾性変形に基づいて計測されたＺ軸まわりのモーメントであり、Ｍｚ２は、第２変形体１４２の弾性変形に基づいて計測されたＺ軸まわりのモーメントである。なお、以下の式において、Ｃ１１〜Ｃ２４は、第１−１〜第２−４容量素子Ｃ１１〜Ｃ２４の静電容量値の変動量を示している。このことは、本明細書における他の式においても、同様である。
［式１］
−Ｍｚ１＝−Ｃ１１＋Ｃ１２−Ｃ１３＋Ｃ１４
−Ｍｚ２＝−Ｃ２１＋Ｃ２２−Ｃ２３＋Ｃ２４
【００９６】
静電容量タイプの力覚センサ１０１ｃにおいては、相対的に高感度である第２−１〜第２−４容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４の静電容量値の変動量に基づいて、すなわち［式１］の−Ｍｚ２に基づいて、作用したモーメントを計測することにより、Ｓ／Ｎに優れた計測が可能となる。もちろん、第１−１〜第１−４容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４の静電容量値の変動量に基づいて、作用したモーメントを計測しても良い。なお、Ｚ軸周りのモーメントＭｚを計測するのみであれば、第１−１〜第１−４容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４及び第２−１〜第２−４容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４の一方のみが設けられていれば良い。
【００９７】
＜  ２−３．  歪ゲージタイプの力覚センサ  ＞
以上のような基本構造１０１は、歪ゲージタイプの力覚センサ１０１ｓに用いることもできる。
【００９８】
図１２は、図８の基本構造１０１による歪ゲージタイプの力覚センサ１０１ｓを示す概略上面図である。図１２に示すように、力覚センサ１０１ｓは、環状の第１変形体１４１の外面において、第１−１検出部位Ａ１に配置された第１−１歪ゲージＲ１１と、第１−２検出部位Ａ２に配置された第１−２歪ゲージＲ１２と、第１−３検出部位Ａ３に配置された第１−３歪ゲージＲ１３と、第１−４検出部位Ａ４に配置された第１−４歪ゲージＲ１４と、を有している。更に、力覚センサ１０１ｓは、環状の第２変形体１４２の外面において、第２−１検出部位Ｂ１に配置された第２−１歪ゲージＲ２１と、第２−２検出部位Ｂ２に配置された第２−２歪ゲージＲ２２と、第２−３検出部位Ｂ３に配置された第２−３歪ゲージＲ２３と、第２−４検出部位Ｂ４に配置された第２−４歪ゲージＲ２４と、を有している。各歪ゲージＲ１１〜Ｒ２４は、金属箔歪ゲージであり、全て同一の特性を有している。その他の構成は、容量素子を有していない点を除き図１１に示す力覚センサ１ｃと同様であるため、その詳細な説明は省略する。
【００９９】
次に力覚センサ１０１ｓの作用について説明する。
【０１００】
ここでも、Ｚ軸正方向から見て右回りの力（モーメント）が可動部１２０に作用した場合を例に説明を行う（図９参照）。この場合、前述したように、各変形体１４１、１４２のうち、Ｗ軸上に位置する第１−２、第２−２、第１−４、第２−４検出部位Ａ２、Ｂ２、Ａ４、Ｂ４においては、径方向外方への変位が生じ、Ｖ軸上に位置する第１−１、第２−１、第１−３、第２−３検出部位Ａ１、Ｂ１、Ａ３、Ｂ３においては、径方向内方への変位が生じる。これにより、Ｗ軸上に位置する第１−２、第２−２、第１−４、第２−４検出部位Ａ２、Ｂ２、Ａ４、Ｂ４には、引張応力が生じ、Ｖ軸上に位置する第１−１、第２−１、第１−３、第２−３検出部位Ａ１、Ｂ１、Ａ３、Ｂ３には、圧縮応力が生じる。前述したように、第１変形体１４１の各検出部位Ａ１〜Ａ４のバネ定数の方が第２変形体１４２の各検出部位Ｂ１１〜Ｂ１４のバネ定数よりも大きいため、第１変形体１４１の各検出部位Ａ１〜Ａ４に生じる応力の絶対値は、第２変形体１４２の各検出部位Ｂ１〜Ｂ４に生じる応力の絶対値よりも大きい。このため、第１−１〜第１−４歪ゲージＲ１１〜Ｒ１４の電気抵抗値は、第２−１〜第２−４歪ゲージＲ２１〜Ｒ２４の電気抵抗値よりも大きく変動する。
【０１０１】
そして、検出回路１５０は、以下の［式２］を用い、例えば、第１−１〜第１−４歪ゲージＲ１１〜Ｒ１４及び第２−１〜第２−４歪ゲージＲ２１〜Ｒ２４の少なくとも一方の電気抵抗値の変動量に基づいて、作用したＺ軸まわりのモーメントＭｚを計測する。［式２］においてＭｚ１は、第１変形体１４１の弾性変形に基づいて計測されたＺ軸まわりのモーメントであり、Ｍｚ２は、第２変形体１４２の弾性変形に基づいて計測されたＺ軸まわりのモーメントである。また、以下の式において、Ｒ１１〜Ｒ２４は、第１−１〜第２−４歪ゲージＲ１１〜Ｒ２４の電気抵抗値の変動量を示している。このことは、本明細書における他の式においても、同様である。
［式２］
−Ｍｚ１＝−Ｒ１１＋Ｒ１２−Ｒ１３＋Ｒ１４
−Ｍｚ２＝−Ｒ２１＋Ｒ２２−Ｒ２３＋Ｒ２４
【０１０２】
歪ゲージタイプの力覚センサ１０１ｃにおいては、相対的に高感度である第１−１〜第１−４歪ゲージＲ１１〜Ｒ１４の電気抵抗値の変動量に基づいて、すなわち［式２］の−Ｍｚ１に基づいて、作用したモーメントを計測することにより、Ｓ／Ｎに優れた計測が可能となる。もちろん、第２−１〜第２−４歪ゲージＲ２１〜Ｒ２４の電気抵抗値の変動量に基づいて作用したモーメントを計測しても良い。また、計測に当たり、第１−１〜第１−４歪ゲージＲ１１〜Ｒ１４または第２−１〜第２−４歪ゲージＲ２１〜Ｒ２４によりホイートストンブリッジ回路（不図示）を構成することによって、作用したモーメントを計測することも可能である。なお、Ｚ軸周りのモーメントＭｚを計測するのみであれば、第１−１〜第１−４歪ゲージＲ１１〜Ｒ１４及び第２−１〜第２−４歪ゲージＲ２１〜Ｒ２４の一方のみが設けられていれば良い。
【０１０３】
以上のような本実施の形態による力覚センサによれば、バネ定数が相対的に小さい、すなわち生じる弾性変形が相対的に大きい、第２−１〜第２−４検出部位Ｂ１〜Ｂ４に容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４を配置することにより、高精度且つ高感度なモーメントの検出が可能な力覚センサ１０１ｃを提供することができる。更に、バネ定数が相対的に大きい、すなわち弾性変形に伴って発現する応力が相対的に大きい、第１−１〜第１−４検出部位Ａ１〜Ａ４に歪ゲージＲ１１〜Ｒ１４を配置することにより、高精度且つ高感度でモーメントの検出が可能な力覚センサ１０１ｓを提供することができる。以上から、本実施の形態によれば、静電容量タイプとして構成しても、歪ゲージタイプとして構成しても、高精度且つ高感度で力の検出が可能な力覚センサ１０１ｃ、１０１ｓを提供することができる。
【０１０４】
以上の力覚センサ１０１ｃ、１０１ｓは、第１変形体１４１及び第２変形体１４２が共に円環状であり、互いに同心である。このため、簡易な構成で当該力覚センサ１０１ｃ、１０１ｓを構成することができる。
【０１０５】
更に、第１変形体１４１は、Ｚ軸方向から見てＶ軸及びＷ軸に重なる４つの部位に第１−１〜第１−４検出部位Ａ１〜Ａ４を有し、第２変形体１４２は、Ｚ軸方向から見てＶ軸及びＷ軸に重なる４つの部位に第２−１〜第２−４検出部位Ｂ１〜Ｂ４を有している。このため、作用したモーメントによって第１変形体１４１及び第２変形体１４２に対称的な弾性変形が生じるため、作用したモーメント以外の力の影響を受けることが無い。
【０１０６】
＜  ２−４．  基本構造の変形例  ＞
次に、以上の基本構造１０１の変形例について説明する。図１３は、図８の基本構造１０１の第１の変形例を示す概略上面図であり、図１４は、図８の基本構造１０１の第２の変形例を示す概略上面図であり、図１５は、図８の基本構造１０１の第３の変形例を示す概略上面図である。
【０１０７】
まず、図１３に示す変形例による基本構造１０１ａについて説明する。この基本構造１０１ａは、環状の第２変形体１４２に、肉厚が薄い薄肉部が設けられている点で、上述した基本構造１０１とは異なっている。具体的には、第２変形体１４２は、Ｖ軸上及びＷ軸上に位置する部位を含む領域に第２−１〜第２−４薄肉部１４２ｔ１〜１４２ｔ４を有している。このため、第２−１〜第２−４検出部位Ｂ１〜Ｂ４は、第２−１〜第２−４薄肉部１４２ｔ１〜１４２ｔ４にそれぞれ設けられている。一方、第１変形体１４１は、図８乃至図１０に示す基本構造１０１の第１変形体１４１と同じである。
【０１０８】
本変形例では、図１３に示すように、各薄肉部１４２ｔ１〜１４２ｔ４は、第２変形体１４２の径方向の肉厚を薄く構成することによって、形成されている。もちろん、他の変形例においては、第２変形体１４２のＺ軸方向の肉厚を薄く構成することによって、形成されても良い。その他の構成は図８乃至図１０に示す基本構造１０１と同じであるため、対応する構成には同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【０１０９】
このような構成の基本構造１０１ａに対して、例えばＺ軸正方向から見て右回り（図９と同じ方向）のモーメントが作用すると、各変形体１４１、１４２には、図９と同様の弾性変形が生じる。ただし、第２変形体１４２の薄肉部１４２ｔ１〜１４２ｔ４に生じる弾性変形は、図９の場合よりも大きい。
【０１１０】
このような構成の基本構造１０１ａによれば、各薄肉部１４２ｔ１〜１４２ｔ４の存在によって、第２−１〜第２−４検出部位Ｂ１〜Ｂ４のバネ定数が相対的に減少する。従って、基本構造１０１ａを静電容量タイプの力覚センサとして利用した際には、先に述べた基本構造１０１と比較して、第２−１〜第２−４検出部位Ｂ１〜Ｂ４に設けられる容量素子において、とりわけ大きな静電容量値の変動量が観察される。すなわち、静電容量タイプの力覚センサにおいては、相対的に高感度である第２−１〜第２−４容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４の静電容量値の変動量に基づいて作用した力ないしモーメントを計測することにより、より一層Ｓ／Ｎに優れた計測が可能となる。もちろん、第１−１〜第１−４容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４の静電容量値の変動量に基づいて作用した力を計測しても良い。
【０１１１】
このような薄肉部１４２ｔ１〜１４２ｔ４を有する変形体が設けられた基本構造の更なる変形例を、図１４を参照して説明する。
【０１１２】
図１４に示す基本構造１０１ｂは、第２変形体１４２ｂがＸ軸及びＹ軸によって４つに分割されている点で、第１の変形例による基本構造１０１ａと異なっている。すなわち、第２変形体１４２ｂは、ＸＹ平面の第１象限に配置された第２−１変形体１４２ｂ１と、ＸＹ平面の第２象限に配置された第２−２変形体１４２ｂ２と、ＸＹ平面の第３象限に配置された第２−３変形体１４２ｂ３と、ＸＹ平面の第４象限に配置された第２−４変形体１４２ｂ４と、を有している。図１４に示すように、第２−１変形体１４２ｂ１は、正のＹ軸近傍の部位がＹ軸と平行に延在する連結体１３４ａによって第１変形体１４１に接続され、正のＸ軸近傍の部位がＸ軸と平行に延在する連結体１３２ｂによって可動部１２０に接続されている。更に、第２−２変形体１４２ｂ２は、正のＹ軸近傍の部位がＹ軸と平行に延在する連結体１３４ｂによって第１変形体１４１に接続され、負のＸ軸近傍の部位がＸ軸と平行に延在する連結体１３６ａによって可動部１２０に接続されている。第２−３変形体１４２ｂ３は、負のＸ軸近傍の部位がＸ軸と平行に延在する連結体１３６ｂによって第１変形体１４１に接続され、負のＹ軸近傍の部位がＹ軸と平行に延在する連結体１３８ａによって可動部１２０に接続されている。第２−４変形体１４２ｂ４は、負のＹ軸近傍の部位がＹ軸と平行に延在する連結体１３８ｂによって第１変形体１４１に接続され、正のＸ軸近傍の部位がＸ軸と平行に延在する連結体１３２ａによって可動部１２０に接続されている。
【０１１３】
更に、図１４に示すように、Ｘ軸と平行に延在する２つの連結体１３２ａ、１３２ｂは、互いにＹ軸方向に離間しており、当該２つの連結体１３２ａ、１３２ｂの間には、第１変形体１４１と可動部１２０とを接続する連結体１３１ｌがＸ軸に沿って延在している。同様に、Ｘ軸と平行に延在する延在する２つの連結体１３６ａ、１３６ｂは、互いにＹ軸方向に離間しており、当該２つの連結体１３６ａ、１３６ｂの間には、第１変形体１４１と可動部１２０とを接続する連結体１３５ｌがＸ軸に沿って延在している。その他の構成は図１４に示す第１の変形例と同様であるため、同じ構成部分には同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【０１１４】
このような構成の基本構造１０１ｂに対して、例えばＺ軸正方向から見て右回り（図９と同じ方向）のモーメントが作用すると、各変形体１４１、１４２には、図９と同様の弾性変形が生じる。ただし、第２変形体１４２の薄肉部１４２ｔ１〜１４２ｔ４に生じる弾性変形は、図１３に示す第１の変形例による基本構造１０１ａと同じであり、図９の場合よりも大きい。
【０１１５】
次に、薄肉部１４２ｔ１〜１４２ｔ４を有する変形体が設けられた基本構造の第３の変形例を、図１５を参照して説明する。この第３の変形例による基本構造１０１ｂ’は、第２−１〜第２−４変形体１４２ｂ１〜１４２ｂ４が可動部１２０と直接的には連結されていない点で、図１４に示す第２の変形例による基本構造１０１ｂと異なっている。すなわち、図１５に示すように、第３の変形例による基本構造１０１ｂ’では、第２−１変形体１４２ｂ１及び第２−４変形体１４２ｂ４の正のＸ軸近傍の領域が連結体１３２ｄ、１３２ｅによって第１変形体１４１にそれぞれ連結されており、第２−２変形体１４２ｂ２及び第２−３変形体１４２ｂ３の負のＸ軸近傍の領域が連結体１３６ｃ、１３６ｄによって第１変形体１４１にそれぞれ連結されている。本変形例では、第２−１〜第２−４変形体１４２ｂ１〜１４２ｂ４はいずれも可動部１２０に連結されていないが、その代わりに、連結体１３１ｌと第１変形体１４１との連結部位の近傍にて連結体１３２ｄ、１３２ｅの端部が当該第１変形体１４１に連結されており、更に、連結体１３５ｌと第１変形体１４１との連結部位の近傍にて連結体１３６ｃ、１３６ｄの端部が当該第１変形体１４１に連結されている。このため、本変形例でも、実質的に図１３及び図１４に示す基本構造１０１ａ、１０１ｂと同様の作用が提供されることになる。
【０１１６】
＜  ２−５．  Ｘ軸方向の力Ｆｘ及びＹ軸方向の力Ｆｙの検出原理  ＞
以上の説明においては、力覚センサ１０１ｃ、１０１ｓによってＺ軸周りのモーメントＭｚを計測する方法について説明したが、本力覚センサ１０１ｃ、１０１ｓは、Ｘ軸方向の力Ｆｘ及びＹ軸方向の力Ｆｙをも計測することができる。
【０１１７】
まず、図１６を参照して、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘを計測するための原理について説明する。図１６は、図８の基本構造１０１の可動部１２０にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用した時に変形体１４０に生じる弾性変形を説明するための図である。第１変形体１４１及び第２変形体１４２に生じる弾性変形は、程度は異なるもののその傾向は同一であることから、図１６においては、簡単のため、単一の変形体１４０のみを示している。また、簡単のため、固定部１１０、及び、固定部１１０と変形体１４０とを連結する連結体の図示を省略しているが、図１６の点Ｐ１及び点Ｐ２は、原点Ｏに対して相対移動しない。変形体１４０のうち、Ｚ軸正方向から見てＶ軸及びＷ軸と交わる部位の外面には、第１象限から反時計回りに、４つの検出部位Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄがこの順序で設けられている。図１６において、黒塗りの太い矢印は、作用する力の方向を示しており、白抜きの太い矢印は、各検出部位Ａ〜Ｄの変位の方向を示している。
【０１１８】
図１６に示すように、基本構造１０１の可動部１２０にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、変形体１４０のうち、Ｘ軸上の部位は、可動部１２０と共にＸ軸正方向へ移動し、その一方で、点Ｐ１、Ｐ２に対応するＹ軸上の部位は、移動しない。このことから、変形体１４０は、４つの検出部位Ａ〜Ｄのうち、第１象限及び第４象限に位置する検出部位Ａ、Ｄが変形体１４０の径方向内方へ変位し、その一方、第２象限及び第３象限に位置する検出部位Ｂ、Ｃが変形体１４０の径方向外方へ変位するように、弾性変形する。
【０１１９】
以上から、次のことが理解される。すなわち、図１１に示す力覚センサ１０１ｃの可動部１２０にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、第１象限に配置された第１−１容量素子Ｃ１１及び第２−１容量素子Ｃ２１、並びに、第４象限に位置する第１−４容量素子Ｃ１４及び第２−４容量素子Ｃ２４は、固定電極と変位電極との離間距離が増大するため、静電容量値が減少する。その一方、第２象限に位置する第１−２容量素子Ｃ１２及び第２−２容量素子Ｃ２２、並びに、第３象限に位置する第１−３容量素子Ｃ１３及び第２−３容量素子Ｃ２３は、固定電極と変位電極との離間距離が減少するため、静電容量値が増大する。
【０１２０】
したがって、検出回路１５０は、以下の［式３］を用いて、作用したＸ軸方向の力Ｆｘを計測する。［式３］においてＦｘ１は、第１変形体１４１の弾性変形に基づいて計測されたＸ軸方向の力であり、Ｆｘ２は、第２変形体１４２の弾性変形に基づいて計測されたＸ軸方向の力である。
［式３］
Ｆｘ１＝−Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ１３−Ｃ１４
Ｆｘ２＝−Ｃ２１＋Ｃ２２＋Ｃ２３−Ｃ２４
【０１２１】
次に、図１７を参照して、Ｙ軸正方向の力＋Ｆｙを計測するための原理について説明する。図１７は、図８の基本構造１０１の可動部１２０にＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用した時に変形体１４０に生じる弾性変形を説明するための図である。第１変形体１４１及び第２変形体１４２に生じる弾性変形は、程度は異なるもののその傾向は同一であることから、図１７においても、簡単のため、単一の変形体１４０のみを示している。また、簡単のため、固定部１１０、及び、固定部１１０と変形体１４０とを連結する連結体の図示を省略しているが、図１７の点Ｐ１及び点Ｐ２は、原点Ｏに対して相対移動しない。また、変形体１４０のうち、Ｚ軸正方向から見てＶ軸及びＷ軸と交わる部位には、４つの検出部位Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄが第１象限から反時計回りにこの順序で設けられている。図１７において、黒塗りの太い矢印は、作用する力の方向を示しており、白抜きの太い矢印は、各検出部位Ａ〜Ｄの変位の方向を示している。
【０１２２】
図１７に示すように、基本構造１０１の可動部１２０にＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用すると、変形体１４０のうち、Ｘ軸上の部位は、可動部１２０と共にＹ軸正方向へ移動し、その一方で、点Ｐ１、Ｐ２に対応するＹ軸上の部位は、移動しない。このことから、変形体１４０は、４つの検出部位Ａ〜Ｄのうち、第１象限及び第２象限に位置する検出部位Ａ、Ｂが変形体１４０の径方向外方へ移動し、その一方、第３象限及び第４象限に位置する検出部位Ｃ、Ｄが変形体１４０の径方向内方へ移動するように、弾性変形する。
【０１２３】
以上から、次のことが理解される。すなわち、図１１に示す力覚センサ１０１ｃの可動部１２０にＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用すると、第１象限に位置する第１−１容量素子Ｃ１１及び第２−１容量素子Ｃ２１、並びに、第２象限に位置する第１−２容量素子Ｃ１２及び第２−２容量素子Ｃ２２は、固定電極と変位電極との離間距離が減少するため、静電容量値が増大する。その一方、第３象限に位置する第１−３容量素子Ｃ１３及び第２−３容量素子Ｃ２３、並びに、第４象限に位置する第１−４容量素子Ｃ１４及び第２−４容量素子Ｃ２４は、固定電極と変位電極との離間距離が増大するため、静電容量値が減少する。
【０１２４】
したがって、検出回路１５０は、以下の［式４］を用いて、作用したＹ軸方向の力Ｆｙを計測する。［式４］においてＦｙ１は、第１変形体１４１の弾性変形に基づいて計測されたＹ軸方向の力であり、Ｆｙ２は、第２変形体１４２の弾性変形に基づいて計測されたＹ軸方向の力である。
［式４］
Ｆｙ１＝Ｃ１１＋Ｃ１２−Ｃ１３−Ｃ１４
Ｆｙ２＝Ｃ２１＋Ｃ２２−Ｃ２３−Ｃ２４
【０１２５】
前述したように、静電容量タイプの力覚センサ１０１ｃにおいては、相対的に高感度である第２−１〜第２−４容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４の静電容量値の変動量に基づいて、すなわち、Ｘ軸方向の力Ｆｘを求める際には［式３］のＦｘ２に基づいて、Ｙ軸方向の力Ｆｙを求める際には［式４］のＦｙ２に基づいて、作用した力を計測することにより、Ｓ／Ｎに優れた計測が可能となる。もちろん、第１−１〜第１−４容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力を計測しても良い。
【０１２６】
ここでは、第１−１〜第１−４容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４及び第２−１〜第２−４容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４の合計８つの容量素子が設けられた力覚センサ１０１ｃを例に説明を行った。しかしながら、Ｘ軸方向の力Ｆｘ及び／またはＹ軸方向の力Ｆｙを計測するのみであれば、第１−１〜第１−４容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４及び第２−１〜第２−４容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４の一方のみが設けられていれば良い。
【０１２７】
なお、作用する力の向きがＸ軸負方向である場合には、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２４の静電容量値の変動がすべて逆になる。このため、［式３］によって計測される力Ｆｘ１及びＦｘ２は、共に符号が逆になる。すなわち、［式３］によって、作用した力Ｆｘの向き（符号）と大きさとが計測されることになる。このことは、［式４］を用いてＹ軸方向の力Ｆｙを計測する場合においても同様である。
【０１２８】
次に、歪ゲージタイプの力覚センサ１０１ｓによってＸ軸方向の力を計測する方法について、図１８を参照して説明する。
【０１２９】
図１８は、図８の基本構造１０１の可動部１２０にＸ軸正方向の力が作用した時に変形体１４０の検出部位Ａ〜Ｄに生じる応力を説明するための図である。第１変形体１４１及び第２変形体１４２に生じる弾性変形は、程度は異なるもののその傾向は同一であることから、図１８においては、簡単のため、単一の変形体１４０のみを示している。各検出部位Ａ〜Ｄの配置は、図１６及び図１７と同様である。図１８において、黒塗りの太い矢印は、作用する力の方向を示しており、細い矢印は、各検出部位Ａ〜Ｄに生じる応力（「→ ←」は圧縮応力、「← →」は引張応力）を示している。
【０１３０】
図１８に示すように、基本構造１０１の可動部１２０にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、変形体１４０は、図１６と同様に弾性変形する。このとき、各検出部位Ａ〜Ｄにおける曲率半径の変化に着目すると、図１８に示すように、第１象限及び第４象限に位置する検出部位Ａ、Ｄは、曲率半径が大きくなるように撓み、その一方、第２象限及び第３象限に位置する検出部位Ｂ、Ｃは、曲率半径が小さくなるように撓む。このような撓み変形に起因して、第１象限及び第４象限に位置する検出部位Ａ、Ｄにおいては、圧縮応力が生じ、第２象限及び第３象限に位置する検出部位Ｂ、Ｃにおいては、引張応力が生じる。
【０１３１】
以上から、次のことが理解される。すなわち、図１２に示す力覚センサ１０１ｓの可動部１２０にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、第１象限に配置された第１−１歪ゲージＲ１１及び第２−１歪ゲージＲ２１、並びに、第４象限に位置する第１−４歪ゲージＲ１４及び第２−４歪ゲージＲ２４は、圧縮応力によって、電気抵抗値が減少する。その一方、第２象限に配置された第１−２歪ゲージＲ１２及び第２−２歪ゲージＲ２２、並びに、第３象限に位置する第１−３歪ゲージＲ１３及び第２−３歪ゲージＲ２３は、引張応力によって、電気抵抗値が増大する。
【０１３２】
したがって、検出回路１５０は、以下の［式５］を用いて、作用したＸ軸方向の力Ｆｘを計測する。［式５］においてＦｘ１は、第１変形体１４１の弾性変形に基づいて計測されたＸ軸方向の力であり、Ｆｘ２は、第２変形体１４２の弾性変形に基づいて計測されたＸ軸方向の力である。
［式５］
Ｆｘ１＝−Ｒ１１＋Ｒ１２＋Ｒ１３−Ｒ１４
Ｆｘ２＝−Ｒ２１＋Ｒ２２＋Ｒ２３−Ｒ２４
【０１３３】
次に図１９を参照して、Ｙ軸正方向の力＋Ｆｙを計測するための原理について説明する。図１９は、図８の基本構造１０１の可動部にＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用した時に変形体の検出部１４０に生じる応力を説明するための図である。第１変形体１４１及び第２変形体１４２に生じる弾性変形は、程度は異なるもののその傾向は同一であることから、図１９においても、簡単のため、単一の変形体１４０のみを示している。また、簡単のため、固定部１１０、及び、固定部１１０と変形体１４０とを連結する連結体の図示を省略しているが、図１９の点Ｐ１及び点Ｐ２は、原点Ｏに対して相対移動しない。各検出部位Ａ〜Ｄの配置は、図１６及び図１７と同様である。図１９において、黒塗りの太い矢印は、作用する力の方向を示しており、細い矢印は、各検出部位Ａ〜Ｄに生じる応力（「→ ←」は圧縮応力、「← →」は引張応力）を示している。
【０１３４】
図１９に示すように、基本構造１０１の可動部１２０にＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用すると、変形体１４０は、図１７と同様に弾性変形する。このとき、各検出部位Ａ〜Ｄにおける曲率半径の変化に着目すると、図１９に示すように、第１象限及び第２象限に位置する検出部位Ａ、Ｂは、曲率半径が小さくなるように撓み、その一方、第３象限及び第４象限に位置する検出部位Ｃ、Ｄは、曲率半径が大きくなるように撓む。このような撓み変形に起因して、第１象限及び第２象限に位置する検出部位Ａ、Ｂにおいては、引張応力が生じ、第３象限及び第４象限に位置する検出部位Ｃ、Ｄにおいては、圧縮応力が生じる。
【０１３５】
以上から、次のことが理解される。すなわち、図１２に示す力覚センサ１０１ｓの可動部１２０にＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用すると、第１象限に配置された第１−１歪ゲージＲ１１及び第２−１歪ゲージＲ２１、並びに、第２象限に位置する第１−２歪ゲージＲ１２及び第２−２歪ゲージＲ２２は、引張応力によって、電気抵抗値が増大する。その一方、第３象限に配置された第１−３歪ゲージＲ１３及び第２−３歪ゲージＲ２３、並びに、第４象限に位置する第１−４歪ゲージＲ１４及び第２−４歪ゲージＲ２４は、圧縮応力によって、電気抵抗値が減少する。
【０１３６】
したがって、検出回路１５０は、以下の［式６］を用いて、作用したＹ軸方向の力Ｆｙを計測する。［式６］においてＦｙ１は、第１変形体１４１の弾性変形に基づいて計測されたＹ軸方向の力であり、Ｆｙ２は、第２変形体１４２の弾性変形に基づいて計測されたＹ軸方向の力である。
［式６］
Ｆｙ１＝Ｒ１１＋Ｒ１２−Ｒ１３−Ｒ１４
Ｆｙ２＝Ｒ２１＋Ｒ２２−Ｒ２３−Ｒ２４
【０１３７】
歪ゲージタイプの力覚センサ１０１ｓにおいては、相対的に高感度である第１−１〜第１−４歪ゲージＲ１１〜Ｒ１４の電気抵抗値の変動量に基づいて、作用した力を計測することにより、Ｓ／Ｎに優れた計測が可能となる。もちろん、第２−１〜第２−４歪ゲージＲ２１〜Ｒ２４の電気抵抗値の変動量に基づいて、作用した力を計測しても良い。
【０１３８】
ここでは、第１−１〜第１−４歪ゲージＲ１１〜Ｒ１４及び第２−１〜第２−４歪ゲージＲ２１〜Ｒ２４の合計８つの歪ゲージが設けられた力覚センサ１０１ｓを例に説明を行った。しかしながら、Ｘ軸方向の力Ｆｘ及び／またはＹ軸方向の力Ｆｙを計測するのみであれば、第１−１〜第１−４歪ゲージＲ１１〜Ｒ１４及び第２−１〜第２−４歪ゲージＲ２１〜Ｒ２４の一方のみが設けられていれば良い。
【０１３９】
なお、作用する力の向きがＸ軸負方向あるいはＹ軸負方向である場合には、各歪ゲージＲ１１〜Ｒ２４の電気抵抗値の変動量がすべて逆になる。このため、［式５］によって計測される力Ｆｘ１及びＦｘ２は、共に符号が逆になる。すなわち、［式５］によって、作用した力の向き（符号）と大きさとが計測されることになる。このことは、［式６］を用いてＹ軸方向の力を計測する場合においても同様である。
【０１４０】
以上に説明した歪ゲージタイプの力覚センサ１０１ｓでは、各歪ゲージＲ１１〜Ｒ２４がＶ軸及びＷ軸上において変形体１４１、１４２の径方向内側の面に配置されていても良い。この場合の各歪ゲージＲ１１〜Ｒ２４の電気抵抗値、各歪ゲージＲ１１〜Ｒ２４が変形体１４１、１４２の径方向外側の面に配置されている場合に可動部１２０に作用した力による電気抵抗値の変動とは、逆の変動が生じる。従って、以上に説明した［式５］及び［式６］の右辺または左辺の符号を反転させることで、この場合においても作用した力ないしモーメントの向き（符号）及び大きさの計測が可能となる。
【０１４１】
＜  ２−５．  波形の検出部位を有する基本構造  ＞
次に、図２０は、変形体１４１、１４２の各検出部位Ａ１〜Ａ４、Ｂ１〜Ｂ４に図５に示す構造が採用された環状の基本構造１０１ｗを示す概略上面図であり、図２１は、図２１に示す基本構造１０１ｗの第１−１検出部位Ａ１をＶ軸正方向から見た概略側面図である。
【０１４２】
図２０及び図２１に示すように、基本構造１０１ｗの各検出部位Ａ１〜Ａ４、Ｂ１〜Ｂ４は、すべて、図５に示す構造を有する、下に凸の波形の検出部位である。第１変形体１４１の各検出部位Ａ１〜Ａ４は、すべて同一の構造を有している。更に、第２変形体１４２の各検出部位Ｂ１〜Ｂ４は、すべて同一の構造を有している。一方、第２変形体１４２の各検出部位Ｂ１〜Ｂ４は、第１変形体１４１の各検出部位Ａ１〜Ａ４よりも、周方向において相対的に長い。具体的には、各変形体１４１、１４２の周方向において、第２−１〜第２−４検出部位Ｂ１〜Ｂ４の一対の第２変形部６２ｅ１、６２ｅ２は、第１−１〜第１−４検出部位Ａ１〜Ａ４の一対の第１変形部６１ｅ１、６１ｅ２よりも、長く、よりＸＹ平面に対して寝た状態となっている。更に、各変形体１４１、１４２の周方向において、第２−１〜第２−４検出部位Ｂ１〜Ｂ４の第２変位部６２ｄは、第１−１〜第１−４検出部位Ａ１〜Ａ４の第１変位部６１ｄよりも、長い。このような構成によって、力ないしモーメントの作用によって生じる変位は、第１変位部６１ｄよりも第２変位部６２ｄの方が、相対的に大きい。換言すれば、第１−１〜１−４検出部位Ａ１〜Ａ４のバネ定数よりも第２検出部位Ｂのバネ定数の方が相対的に小さい。ここで、バネ定数とは、可動部２０に作用した力を各検出部位Ａ１〜Ａ４、Ｂ１〜Ｂ４に生じたＺ軸方向の変位で除した値を意味している。
【０１４３】
次に、このような基本構造１０１ｗの作用について、図２２を参照して説明する。
【０１４４】
図２２は、図２０の基本構造１０１ｗの可動部１２０に対してＺ軸周りのモーメントＭｚが右回りに作用した時に、各変形体１４１、１４２の検出部位Ａ１〜Ａ４、Ｂ１〜Ｂ４に生じる応力を説明するための図である。図２２において、可動部１２０上に示された黒塗りの太い矢印は、作用するモーメント−Ｍｚを示しており、第１変形体１４１と第２変形体１４２との隙間に示された黒塗りの太い矢印は、各検出部位Ａ１〜Ａ４、Ｂ１〜Ｂ４に作用する力の方向を示している。
【０１４５】
図２２に示すように、第１象限に位置する第１−１検出部位Ａ１及び第２−１検出部位Ｂ１、並びに、第３象限に位置する第１−３検出部位Ａ３及び第２−３検出部位Ｂ３には、引張力が生じる。一方、第２象限に位置する第１−２検出部位Ａ２及び第２−２検出部位Ｂ２、並びに、第４象限に位置する第１−４検出部位Ａ４及び第２−４検出部位Ｂ４には、圧縮力が生じる。
【０１４６】
基本構造１０１ｗを静電容量タイプの力覚センサとして利用する際には、第１−１〜第１−２検出部位Ａ１〜Ａ４及び第２−１〜第２−４検出部位Ｂ１〜Ｂ４の各変位部６１ｄ、６２ｄに容量素子を配置すればよい。具体的な配置方法としては、例えば第１−１検出部位Ａ１においては、図２１に示すように、変位部６１ｄに変位基板Ｉｍ１１を介して変位電極Ｅｍ１１を設け、これらの変位電極Ｅｍ１１に対向するように、固定部１１０に対して相対移動しないように固定電極Ｅｆ１１を配置すればよい。固定電極Ｅｆ１１は、固定基板Ｉｆ１１（絶縁体）を介して固定基板７３上に配置されている。このような配置は、他の変位部６１ｄ、６２ｄにおいても同じである。図２１から理解されるように、ここで採用される変位電極Ｅｍ１１及び固定電極Ｅｆ１１は、いずれもＸＹ平面と平行な面を有し、Ｚ軸方向において所定の距離で離間している。このようにして、対向する各８つの変位電極及び固定電極の組によって、合計８つの容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４、Ｃ２１〜Ｃ２４が構成される。
【０１４７】
このような静電容量タイプの力覚センサにＺ軸正方向から見て右回りのモーメント−Ｍｚが作用した時の、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２４の静電容量値の変動について検討すると、次の通りである。すなわち、各検出部位Ａ１〜Ａ４、Ｂ１〜Ｂ４には、上述したとおりの引張力ないし圧縮力が作用する。このため、第１象限に配置された第１−１容量素子Ｃ１１及び第２−１容量素子Ｃ２１、並びに、第３象限に配置された第１−３容量素子Ｃ１３及び第２−３容量素子Ｃ２３は、いずれも、変位電極と固定電極との間の離間距離が増大するため、静電容量値は減少する。一方、第２象限に配置された第１−２容量素子Ｃ１２及び第２−２容量素子Ｃ２２、並びに、第４象限に配置された第１−４容量素子Ｃ１４及び第２−４容量素子Ｃ２４は、いずれも、変位電極と固定電極との間の離間距離が減少するため、静電容量値は増大する。
【０１４８】
したがって、検出回路１５０は、以下の［式７］を用いて、作用したＺ軸まわりのモーメントＭｚを計測する。［式７］においてＭｚ１は、第１変形体１４１の弾性変形に基づいて計測されたＺ軸周りのモーメントであり、Ｍｚ２は、第２変形体１４２の弾性変形に基づいて計測されたＺ軸まわりのモーメントである。
［式７］
−Ｍｚ１＝−Ｃ１１＋Ｃ１２−Ｃ１３＋Ｃ１４
−Ｍｚ２＝−Ｃ２１＋Ｃ２２−Ｃ２３＋Ｃ２４
【０１４９】
前述したように、基本構造１０１ｗを用いた静電容量タイプの力覚センサにおいては、相対的に高感度である第２−１〜第２−４容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４の静電容量値の変動量に基づいて作用した力を計測することにより、Ｓ／Ｎに優れた計測が可能となる。もちろん、第１−１〜第１−４容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力を計測しても良い。
【０１５０】
なお、作用するモーメントの向きが逆向き（Ｚ軸正方向から見て左回り）である場合には、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２４の静電容量値の変動量がすべて逆になる。このため、［式７］によって計測されるモーメントＭｚ１及びＭｚ２は、共に符号が逆になる。すなわち、［式７］によって、作用したモーメントＭｚの向きと大きさとが計測されることになる。
【０１５１】
あるいは、基本構造１０１ｗを歪ゲージタイプの力覚センサとして利用する際には、第１−１〜第１−２検出部位Ａ１〜Ａ４及び第２−１〜第２−４検出部位Ｂ１〜Ｂ４の各変位部６１ｄ、６２ｄに設けられた容量素子Ｃ１１〜Ｃ２４に代えて、具体的には変位電極に代えて、歪ゲージＲ１１〜Ｒ２４を配置すればよい。この場合、変位部６１ｄ、６２ｄは弾性体で構成されていることが必要である。
【０１５２】
このような歪ゲージタイプの力覚センサにＺ軸正方向から見て右回りのモーメント−Ｍｚが作用した時の、各歪ゲージＲ１１〜Ｒ２４の電気抵抗値の変動について検討すると、次の通りである。すなわち、各検出部位Ａ１〜Ａ４、Ｂ１〜Ｂ４には、上述したとおりの引張力ないし圧縮力が作用する。このため、第１象限に配置された第１−１歪ゲージＲ１１及び第２−１歪ゲージＲ２１、並びに、第３象限に配置された第１−３歪ゲージＲ１３及び第２−３歪ゲージＲ２３は、いずれも、圧縮応力の作用（図７（ｃ）参照）によって、電気抵抗値が減少する。一方、第２象限に配置された第１−２歪ゲージＲ１２及び第２−２歪ゲージＲ２２、並びに、第４象限に配置された第１−４歪ゲージＲ１４及び第２−４歪ゲージＲ２４は、いずれも、引張応力の作用（図７（ｂ）参照）によって、電気抵抗値が増大する。
【０１５３】
したがって、検出回路１５０は、以下の［式８］を用いて、作用したＺ軸まわりのモーメントＭｚを計測する。［式８］においてＭｚ１は、第１変形体１４１の弾性変形に基づいて計測されたＺ軸周りのモーメントであり、Ｍｚ２は、第２変形体１４２の弾性変形に基づいて計測されたＺ軸まわりのモーメントである。
［式８］
−Ｍｚ１＝−Ｒ１１＋Ｒ１２−Ｒ１３＋Ｒ１４
−Ｍｚ２＝−Ｒ２１＋Ｒ２２−Ｒ２３＋Ｒ２４
【０１５４】
前述したように、基本構造１０１ｗを用いた歪ゲージタイプの力覚センサにおいては、相対的に高感度である第１−１〜第１−４歪ゲージＲ１１〜Ｒ１４の電気抵抗値の変動量に基づいて作用した力を計測することにより、Ｓ／Ｎに優れた計測が可能となる。もちろん、第２−１〜第２−４歪ゲージＲ２１〜Ｒ２４の電気抵抗値の変動量に基づいて、作用した力を計測しても良い。また、計測に当たり、第１−１〜第１−４歪ゲージＲ１１〜Ｒ１４または第２−１〜第２−４歪ゲージＲ２１〜Ｒ２４によりホイートストンブリッジ回路（不図示）を構成することによって、作用したモーメントを計測することも可能である。
【０１５５】
＜  ２−６．  波形の検出部位を有する基本構造による、Ｘ軸方向の力Ｆｘ及びＹ軸方向の力Ｆｙの計測原理  ＞
以上の説明においては、図２０に示す基本構造１０１ｗを用いてＺ軸周りのモーメントＭｚを計測する方法について説明したが、本力覚センサは、Ｘ軸方向の力Ｆｘ及びＹ軸方向の力Ｆｙをも計測することが可能である。一例として、図２３を参照してＸ軸正方向の力＋Ｆｘを計測するための原理について説明する。
【０１５６】
図２３は、図２０の基本構造の可動部１２０にＸ軸正方向の力が作用した時に変形体の検出部位Ａ１〜Ａ４、Ｂ１〜Ｂ４に作用する力を説明するための図である。図２３において、Ｘ軸と平行に示された黒塗りの太い矢印は、作用する力＋Ｆｘを示しており、第１変形体１４１と第２変形体１４２との隙間に示された黒塗りの太い矢印は、各検出部位Ａ１〜Ａ４、Ｂ１〜Ｂ４に作用する力の方向を示している。
【０１５７】
図２３に示すように、基本構造１０１ｗの可動部１２０にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、各変形体１４１、１４２のうち、第１象限に位置する第１−１検出部位Ａ１及び第２−１検出部位Ｂ１、並びに、第４象限に位置する第１−４検出部位Ａ４及び第２−４検出部位Ｂ４には、引張力が作用する。一方、各変形体１４１、１４２のうち、第２象限に位置する第１−２検出部位Ａ２及び第２−２検出部位Ｂ２、並びに、第３象限に位置する第１−３検出部位Ａ３及び第２−３検出部位Ｂ３には、圧縮力が作用する。このことは、図１６及び図１８に示す変形体１４０の弾性変形の様子から、理解され得る。このため、基本構造１０１ｗにおいては、第１象限に位置する第１−１検出部位Ａ１及び第２−１検出部位Ｂ１、並びに、第４象限に位置する第１−４検出部位Ａ４及び第２−４検出部位Ｂ４においては、変位部６１ｄ、６２ｄがＺ軸正方向（図２３における手前方向）に変位する。一方、第２象限に位置する第１−２検出部位Ａ２及び第２−２検出部位Ｂ２、並びに、第３象限に位置する第１−３検出部位Ａ３及び第２−３検出部位Ｂ３においては、変位部６１ｄ、６２ｄがＺ軸負方向（図２３における奥行き方向）に変位する。
【０１５８】
換言すれば、基本構造１０１ｗを静電容量タイプの力覚センサとして利用した場合、第１象限に配置された第１−１容量素子Ｃ１１及び第２−１容量素子Ｃ２１、並びに、第４象限に配置された第１−４容量素子Ｃ１４及び第２−４容量素子Ｃ２４は、いずれも、静電容量値が減少する。一方、第２象限に配置された第１−２容量素子Ｃ１２及び第２−２容量素子Ｃ２２、並びに、第３象限に配置された第１−３容量素子Ｃ１３及び第２−３容量素子Ｃ２３は、いずれも、静電容量値が増大する。
【０１５９】
したがって、検出回路１５０は、以下の［式９］を用いて、作用したＸ軸方向の力Ｆｘを計測する。［式１０］においてＦｘ１は、第１変形体１４１の弾性変形に基づいて計測されたＸ軸方向の力であり、Ｆｘ２は、第２変形体１４２の弾性変形に基づいて計測されたＸ軸方向の力である。
［式９］
Ｆｘ１＝−Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ１３−Ｃ１４
Ｆｘ２＝−Ｃ２１＋Ｃ２２＋Ｃ２３−Ｃ２４
【０１６０】
一方、図示されていないが、可動部１２０にＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用すると、図１７及び図１９に示す変形体１４０の弾性変形の様子から理解されるように、次のような静電容量値の変動が生じる。すなわち、第１象限に位置する第１−１容量素子Ｃ１１及び第２−１容量素子Ｃ２１、並びに、第２象限に位置する第１−２容量素子Ｃ１２及び第２−２容量素子Ｃ２２の静電容量値が増大し、第３象限に位置する第１−３容量素子Ｃ１３及び第２−３容量素子Ｃ２３、並びに、第４象限に位置する第１−４容量素子Ｃ１４及び第２−４容量素子Ｃ２４の静電容量値が減少する。
【０１６１】
したがって、検出回路１５０は、以下の［式１０］を用いて、作用したＹ軸方向の力Ｆｙを計測する。［式１０］においてＦｙ１は、第１変形体１４１の弾性変形に基づいて計測されたＹ軸方向の力であり、Ｆｙ２は、第２変形体１４２の弾性変形に基づいて計測されたＹ軸方向の力である。
［式１０］
Ｆｙ１＝Ｃ１１＋Ｃ１２−Ｃ１３−Ｃ１４
Ｆｙ２＝Ｃ２１＋Ｃ２２−Ｃ２３−Ｃ２４
【０１６２】
前述したように、基本構造１０１ｗを用いた静電容量タイプの力覚センサにおいては、相対的に高感度である第２−１〜第２−４容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４の静電容量値の変動量に基づいて作用した力を計測することにより、Ｓ／Ｎに優れた計測が可能となる。もちろん、第１−１〜第１−４容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力を計測しても良い。
【０１６３】
なお、作用する力の向きがＸ軸負方向あるいはＹ軸負方向である場合には、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２４の静電容量値の変動量がすべて逆になる。このため、［式９］によって計測される力Ｆｘ１及びＦｘ２は、共に符号が逆になる。すなわち、［式９］によって得られた力Ｆｘの符号と大きさとを検討することにより、作用した力の向きと大きさとが計測されることになる。このことは、［式１０］を用いてＹ軸方向の力を計測する場合においても同様である。
【０１６４】
一方、第１−１〜第１−４検出部位Ａ１〜Ａ４の各変位部６１ｄに歪ゲージを配置すれば、基本構造１０１ｗを歪ゲージタイプの力覚センサとして利用することもできる。基本構造１０１ｗに力が作用した場合の各変位部６１ｄに生じる応力については、既に図８にて説明した通りである。従って、図２３に示す力Ｆｘによれば、第１象限に配置された第１−１歪ゲージＲ１１及び第２−１歪ゲージＲ２１、並びに、第４象限に配置された第１−４歪ゲージＲ１４及び第２−４歪ゲージＲ２４は、圧縮応力の作用によって、電気抵抗値が減少する（図７（ｃ）参照）。一方、第２象限に配置された第１−２歪ゲージＲ１２及び第２−２歪ゲージＲ２２、並びに、第３象限に配置された第１−３歪ゲージＲ１３及び第２−３歪ゲージＲ２３は、引張応力の作用によって、電気抵抗値が増大する（図７（ｂ）参照）。
【０１６５】
ここで、以下の点に注意して観察する必要がある。すなわち、図７において、変形体に圧縮応力が作用すると（図７（ｂ）参照）、図中の細い矢印で示されるように、変位部６１ｄのＸ軸負側の面に引張応力が生じ、変形体に引張力（図７（ｃ）参照）が作用すると、変位部６１ｄのＸ軸負側の面に圧縮応力が生じる。そのため、図２２の第１象限に配置された歪ゲージＲ１１、Ｒ２１及び第４象限に配置された歪ゲージＲ１４、Ｒ２４は、圧縮応力の作用によって電気抵抗値が減少し、第２象限に配置された歪ゲージＲ１２、Ｒ２２及び第３象限に配置された歪ゲージＲ１３、Ｒ１４は、引張応力の作用によって電気抵抗値が増大する。
【０１６６】
このことから、検出回路１５０は、以下の［式１１］を用いて、作用したＸ軸方向の力Ｆｘを計測する。［式１１］においてＦｘ１は、第１変形体１４１の弾性変形に基づいて計測されたＸ軸方向の力であり、Ｆｘ２は、第２変形体１４２の弾性変形に基づいて計測されたＸ軸方向の力である。
［式１１］
Ｆｘ１＝−Ｒ１１＋Ｒ１２＋Ｒ１３−Ｒ１４
Ｆｘ２＝−Ｒ２１＋Ｒ２２＋Ｒ２３−Ｒ２４
【０１６７】
一方、図示されていないが、可動部１２０にＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用すると、図１６及び図１８に示す変形体１４０の弾性変形の様子から理解されるように、次のような電気抵抗値の変動が生じる。すなわち、第１象限に位置する第１−１歪ゲージＲ１１及び第２−１歪ゲージＲ２１、並びに、第２象限に位置する第１−２歪ゲージＲ１２及び第２−２歪ゲージＲ２２は、引張応力の作用（図７（ｃ）参照）によって、電気抵抗値が増大する。その一方、第３象限に位置する第１−３歪ゲージＲ１３及び第２−３歪ゲージＲ２３、並びに、第４象限に位置する第１−４歪ゲージＲ１４及び第２−４歪ゲージＲ２４は、圧縮応力の作用（図７（ｂ）参照）によって、電気抵抗値が減少する。
【０１６８】
したがって、検出回路１５０は、以下の［式１２］を用いて、作用したＹ軸方向の力Ｆｙを計測する。［式１２］においてＦｙ１は、第１変形体１４１の弾性変形に基づいて計測されたＹ軸方向の力であり、Ｆｙ２は、第２変形体１４２の弾性変形に基づいて計測されたＹ軸方向の力である。
［式１２］
Ｆｙ１＝Ｒ１１＋Ｒ１２−Ｒ１３−Ｒ１４
Ｆｙ２＝Ｒ２１＋Ｒ２２−Ｒ２３−Ｒ２４
【０１６９】
以上のような歪ゲージタイプの力覚センサの場合には、相対的に大きい応力が生じる第１−１〜第１−４検出部位Ａ１１〜Ａ１４に配置された歪ゲージＲ１１〜Ｒ１４の電気抵抗値の変動量に基づいて作用した力ないしモーメントを計測することにより、Ｓ／Ｎに優れた高感度の計測が可能となる。
【０１７０】
＜＜＜  §３．  本発明による力覚センサの故障診断の原理  ＞＞＞
本発明による基本構造１、１０１、１０１ｗを用いた力覚センサは、単一の力覚センサによって、故障診断を行うことが可能である。基本構造１、１０１、１０１ｗの各変形体３０、１４１、１４２は、可撓性を有するため、過負荷や繰り返し荷重によって金属疲労を生じる。このことにより、当該変形体３０、１４１、１４２を構成する弾性体にクラック等が生じ、最終的には破断してしまう恐れがある。このため、故障診断を行うことが可能な力覚センサを提供できれば、力覚センサの信頼性及び安全性を高めることができる。なお、故障診断の原理については、例えば、本件出願人による国際出願ＰＣＴ／ＪＰ２０１６／７５２３６にも記載されている。
【０１７１】
＜  ３−１．  静電容量タイプの力覚センサにおける故障診断＞
まず、図１乃至図４に戻って、基本構造１を例にして、故障診断の原理を説明する。
【０１７２】
図１至図４に示す基本構造１に繰り返しの負荷（力−Ｆｙ）が作用すると、第１変形体３１及び第２変形体３２に金属疲労が生じる。この金属疲労が蓄積されると、第１変形体３１及び第２変形体３２の強度が低下し、最終的には各変形体３１、３２が破断することになる。一般的に、金属材料に金属疲労が蓄積すると、当該金属材料が軟化するため、各変形体３１、３２は、バネ定数が低下することになる。換言すれば、各変形体３１、３２は、金属疲労の蓄積によって、初期状態と比較して、力−Ｆｙに対する感度が上昇する。このことは、図２４と図２５とを比較することによって、理解される。なお、本力覚センサ１ｃにおいて、金属疲労は、相対的に大きな応力が生じる第１変形体３１において、顕著に発現する。このため、バネ定数の変化（低下）、すなわち力−Ｆｙに対する感度の上昇は、第１変形体３１において顕著である。
【０１７３】
図２４は、図３の力覚センサ１ｃに金属疲労が生じていない場合（初期状態）において、力覚センサ１ｃに作用する力の大きさと、当該力覚センサ１ｃから出力される第１電気信号Ｔ１ａ及び第２電気信号Ｔ２ａと、の関係を示すグラフであり、図２５は、図３の力覚センサ１ｃに金属疲労が生じている場合において、力覚センサ１ｃに作用する力の大きさと、当該力覚センサ１ｃから出力される第１電気信号Ｔ１ｂ及び第２電気信号Ｔ２ｂと、の関係を示すグラフである。Ｔ１及びＴ２の末尾の符号は、初期状態における電気信号（末尾にａを付加）と、金属疲労が蓄積している状態における電気信号（末尾にｂを付加）と、を区別するためのものである。第１電気信号Ｔ１ａ、Ｔ１ｂとは、第１容量素子Ｃ１の静電容量値の変動量を示す電気信号であり、第２電気信号Ｔ２ａ、Ｔ２ｂとは、第２容量素子Ｃ２の静電容量値の変動量を示す電気信号である。
【０１７４】
図２４から理解されるように、バネ定数の低下（感度の上昇）が相対的に大きい第１変形体３１に設けられた第１容量素子Ｃ１に対応する第１電気信号Ｔ１に着目すると、初期状態においては、第１電気信号Ｔ１ａの直線の傾き（感度）は０．５である。その一方、図２５を参照すると、金属疲労が蓄積している状態においては、第１電気信号Ｔ１ｂを示す直線の傾き（感度）は０．７５である。従って、感度が５０％上昇している。
【０１７５】
一方、バネ定数の低下（感度の上昇）が相対的に小さい第２変形体３２に設けられた第２容量素子Ｃ２に対応する第２電気信号Ｔ２に着目すると、図２４から理解されるように、初期状態においては、第２変形体３２に配置された第２容量素子Ｃ２に対応する第２電気信号Ｔ２ａを示す直線の傾き（感度）は２．０である。一方、図２５から理解されるように、金属疲労が蓄積している状態においては、第２容量素子Ｃ２に対応する第２電気信号Ｔ２ｂを示す直線の傾き（感度）は２．４である。従って、感度の上昇は２０％にとどまっている。
【０１７６】
ここで着目すべきは、第１変形体３１と第２変形体３２とで、金属疲労の発現の程度が異なっているということである。すなわち、初期状態においては、第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの比率（Ｔ１ａ／Ｔ２ａ）は、０．２５であるのに対し、金属疲労が蓄積している状態においては、第１電気信号Ｔ１ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率（Ｔ１ｂ／Ｔ２ｂ）は、０．３１２５に上昇しているということである。この比率Ｔ１／Ｔ２は、繰り返しの負荷が作用することに伴って、０．２５から０．３１２５まで次第に上昇するため、この比率の変化に着目することによって、力覚センサ１ｃの故障診断が行われるのである。
【０１７７】
具体的には、力−Ｆｙを第２変形体３２に配置された第２容量素子Ｃ２の静電容量値の変動量に基づいて計測しつつ、第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率と、初期状態における第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの比率と、の差が所定の範囲内にあるか否かを評価することによって、力覚センサ１ｃが正常に機能しているか否かが判定される。もちろん、作用した力−Ｆｙは、第１容量素子Ｃ１の静電容量値の変動量に基づいて計測されても良い。
【０１７８】
＜  ３−２．  歪ゲージタイプの力覚センサにおける故障診断＞
歪ゲージタイプの力覚センサ１ｓにおいても、同様にして故障新診断を行うことができる。すなわち、図示されていないが、力覚センサ１ｓにＹ軸負方向の力−Ｆｙが作用すると、前述したように、第１歪ゲージＲ１及び第２歪ゲージＲ２は、電気抵抗値が共に増大する。従って、電気抵抗値を縦軸に、作用したＹ軸負方向の力−Ｆｙを横軸にとり、これらの関係をグラフに表すと、図２４及び図２５と同様の直線となる。但し、この場合も、力覚センサ１ｓの使用に伴って、すなわち各変形体３１、３２に金属疲労が蓄積することに伴って、当該各変形体３１、３２が軟化（バネ定数が低下）する。この軟化によって、各変形体３１、３２の検出部位Ａ、Ｂに生じる変位が増加し、それに応じて歪ゲージに作用する応力は増大する。本力覚センサ１ｓにおいても、金属疲労は、相対的に大きな応力が生じる第１変形体３１において、顕著に発現する。このため、バネ定数の変化（低下）は、第１変形体３１において顕著である。歪ゲージタイプの力覚センサ１ｓにおいては、変形体３０のバネ定数が小さいほど当該変形体に生じる応力が小さいことから、バネ定数が低下すると感度は上昇することになる。すなわち、バネ定数の低下によって、各弾性体３１、３２は、力−Ｆｙに対する感度が上昇する。
【０１７９】
以上から、第１歪ゲージの電気抵抗値の変動量を表す電気信号をＴ１とし、第２歪ゲージＲ２の電気抵抗値の変動量を表す電気信号をＴ２とすると、第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率（Ｔ１／Ｔ２）が、初期状態の場合と金属疲労が蓄積した場合とで異なることになる。このことを利用して、力覚センサ１ｓの故障診断が行われるのである。
【０１８０】
以下、力覚センサ１ｓにおいて故障診断を行うための原理について、図２６及び図２７を参照して説明する。図２６は、図４の力覚センサ１ｓに金属疲労が生じていない場合（初期状態）において、力覚センサ１ｓに作用するＹ軸負方向の力−Ｆｙの大きさと、当該力覚センサ１ｓから出力される第１電気信号Ｔ１ａ及び第２電気信号Ｔ２ａと、の関係を示すグラフであり、図２７は、図４の力覚センサ１ｓに金属疲労が生じている場合において、力覚センサ１ｓに作用するＹ軸負方向の力−Ｆｙの大きさと、当該力覚センサ１ｓから出力される第１電気信号Ｔ１ｂ及び第２電気信号Ｔ２ｂと、の関係を示すグラフである。第１電気信号Ｔ１ａ、Ｔ１ｂとは、第１歪ゲージＲ１の電気抵抗値の変動量を示す電気信号であり、第２電気信号Ｔ２ａ、Ｔ２ｂとは、第２歪ゲージＲ２の電気抵抗値の変動量を示す電気信号である。ここでも、Ｔ１及びＴ２の末尾の符号は、初期状態における電気信号（末尾にａを付加）と、金属疲労が蓄積している状態における電気信号（末尾にｂを付加）と、を区別するためのものである。
【０１８１】
図２６から理解されるように、バネ定数の低下（感度の上昇）が相対的に大きい第１変形体に設けられた第１歪ゲージＲ１に対応する第１電気信号Ｔ１に着目すると、初期状態においては、第１電気信号Ｔ１ａの直線の傾き（感度）は２．０である。その一方、図２７を参照すると、金属疲労が蓄積している状態においては、第１電気信号Ｔ１ｂを示す直線の傾き（感度）は２．８である。従って、感度が４０％上昇している。
【０１８２】
一方、バネ定数の低下（感度の上昇）が相対的に小さい第２変形体３２に設けられた第２歪ゲージＲ２に対応する第２電気信号Ｔ２に着目すると、図２６から理解されるように、初期状態においては、第２電気信号Ｔ２ａを示す直線の傾き（感度）は０．５である。一方、図２７から理解されるように、金属疲労が蓄積している状態においては、第２歪ゲージＲ２に対応する第２電気信号Ｔ２ｂを示す直線の傾き（感度）は０．６である。従って、感度の上昇は２０％にとどまっている。
【０１８３】
ここで着目すべきは、第１変形体３１と第２変形体３２とで、金属疲労の発現の程度が異なっているということである。すなわち、初期状態においては、第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの比率（Ｔ１ａ／Ｔ２ａ）は、４．０であるのに対し、金属疲労が蓄積している状態においては、第１電気信号Ｔ１ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率（Ｔ１ｂ／Ｔ２ｂ）は、４．６６７に増大しているということである。この比率Ｔ１／Ｔ２は、繰り返しの負荷が作用することに伴って、４．０から４．６６７まで次第に増大するため、この比率の変化に着目することによって、力覚センサ１ｓの故障診断が行われるのである。
【０１８４】
具体的には、力−Ｆｙを第１変形体３１に配置された第１歪ゲージＲ１の電気抵抗値の変動量に基づいて計測しつつ、第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率と、初期状態における第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの比率と、の差が所定の範囲内にあるか否かを評価することによって、力覚センサ１ｓが正常に機能しているか否かが判定される。もちろん、作用した力−Ｆｙは、第２歪ゲージＲ２の電気抵抗値の変動量に基づいて計測されても良い。
【０１８５】
＜  ３−３．  その他の力覚センサにおける故障診断＞
（３−３−１．  図１１に示す力覚センサ１０１ｃの場合）
以上のような故障診断は、図１１の静電容量タイプの力覚センサ１０１ｃにおける故障診断においても採用が可能である。
【０１８６】
一例として、力覚センサ１０１ｃの受力体１２０に作用する右周りのモーメント−Ｍｚ（図９と同じモーメント）を利用して故障診断を行う方法について説明する。まず、上述した［式１］の−Ｍｚ１及び−Ｍｚ２に相当する電気信号を、第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２とおく。すなわち、改めて第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２を書き下すと、次の［式１３］のようになる。
［式１３］
Ｔ１＝−Ｃ１１＋Ｃ１２−Ｃ１３＋Ｃ１４
Ｔ２＝−Ｃ２１＋Ｃ２２−Ｃ２３＋Ｃ２４
【０１８７】
図１１に示す力覚センサ１０１ｃにおいても、第１変形体１４１及び第２変形体１４２に金属疲労が蓄積することに伴って第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率に変化が生じることを利用して、力覚センサの故障診断を行う。従って、ここでも、以下の説明においては、第１変形体１４１及び第２変形体１４２に金属疲労が蓄積していない初期状態での第１及び第２電気信号をそれぞれＴ１ａ、Ｔ２ａとし、第１変形体１４１及び第２変形体１４２に金属疲労が蓄積している状態での第１及び第２電気信号をそれぞれＴ１ｂ、Ｔ２ｂとして、互いに区別することとする。
【０１８８】
第１変形体１４１及び第２変形体１４２に金属疲労が蓄積していない初期状態において、力覚センサ１０１ｃに作用するモーメント−Ｍｚの大きさと、この時の第１及び第２電気信号Ｔ１ａ、Ｔ２ａと、の関係は、図２４に示すグラフと同じである。また、第１変形体１４１及び第２変形体１４２に金属疲労が蓄積している状態において、力覚センサに作用するモーメント−Ｍｚの大きさと、この時の第１及び第２電気信号Ｔ１ａ、Ｔ２ａと、の関係は、図２５に示すグラフと同じである。
【０１８９】
力覚センサ１０１ｃが正常に機能しているか否かを判定するための原理及び方法は、上述の３−１．と同じである。すなわち、３−１．における第１電気信号Ｔ１（Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ）及び第２電気信号Ｔ２（Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ）を［式１３］に読み替えることによって、力覚センサ１０１ｃの故障診断の原理及び方法が理解される。このため、ここでは、当該原理及び方法の詳細な説明は省略する。なお、逆回りのモーメント＋Ｍｚが作用しても、同様にして故障診断を行うことができる。
【０１９０】
また、受力体１２０に作用するＸ軸方向の力Ｆｘを利用して故障診断を行うことも可能である。この場合には、上述した［式３］のＦｘ１及びＦｘ２に相当する電気信号を、第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２とすれば良い。すなわち、改めて第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２を書き下すと、次の［式１４］のようになる。
［式１４］
Ｔ１＝−Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ１３−Ｃ１４
Ｔ２＝−Ｃ２１＋Ｃ２２＋Ｃ２３−Ｃ２４
【０１９１】
ここでも、以下の説明においては、第１変形体１４１及び第２変形体１４２に金属疲労が蓄積していない初期状態での第１及び第２電気信号をそれぞれＴ１ａ、Ｔ２ａとし、第１変形体１４１及び第２変形体１４２に金属疲労が蓄積している状態での第１及び第２電気信号をそれぞれＴ１ｂ、Ｔ２ｂとして、互いに区別することとする。
【０１９２】
第１変形体１４１及び第２変形体１４２に金属疲労が蓄積していない初期状態において、力覚センサ１０１ｃに作用する力Ｆｘの大きさと、この時の第１及び第２電気信号Ｔ１ａ、Ｔ２ａと、の関係は、図２４に示すグラフと同じである。また、第１変形体１４１及び第２変形体１４２に金属疲労が蓄積している状態において、力覚センサ１０１ｃに作用する力Ｆｘの大きさと、この時の第１及び第２電気信号Ｔ１ａ、Ｔ２ａと、の関係は、図２５に示すグラフと同じである。
【０１９３】
力覚センサ１０１ｃが正常に機能しているか否かを判定するための原理及び方法は、上述の３−１．と同じである。すなわち、３−１．における第１電気信号Ｔ１（Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ）及び第２電気信号Ｔ２（Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ）を［式１４］に読み替えることによって、力覚センサ１０１ｃの故障診断の原理及び方法が理解される。このため、ここでは、当該原理及び方法の詳細な説明は省略する。
【０１９４】
更に、受力体１２０に作用するＹ軸方向の力Ｆｙを利用して力覚センサ１０１ｃの故障診断を行うことも可能である。この場合には、上述した［式４］のＦｙ１及びＦｙ２に相当する電気信号を、第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２とすれば良い。第１変形体１４１及び第２変形体１４２に金属疲労が蓄積していない初期状態において、力覚センサ１０１ｃに作用する力Ｆｙの大きさと、この時の第１及び第２電気信号Ｔ１ａ、Ｔ２ａと、の関係は、図２４に示すグラフと同じである。また、第１変形体１４１及び第２変形体１４２に金属疲労が蓄積している状態において、力覚センサに作用する力Ｆｙの大きさと、この時の第１及び第２電気信号Ｔ１ａ、Ｔ２ａと、の関係は、図２５に示すグラフと同じである。
【０１９５】
力覚センサ１０１ｃが正常に機能しているか否かを判定するための原理及び方法は、力Ｆｘに基づいて故障診断をする場合と同じであるため、ここでは、その詳細な説明は省略する。
【０１９６】
（３−３−２．  図１２に示す力覚センサ１０１ｓの場合）
次に、以上のような故障診断は、図１２に示す歪ゲージタイプのタイプの力覚センサ１０１ｓにおける故障診断においても採用が可能である。
【０１９７】
一例として、力覚センサ１０１ｓの受力体１２０に作用する右周りのモーメント−Ｍｚ（図９と同じモーメント）を利用して故障診断を行う方法について説明する。まず、上述した［式２］の−Ｍｚ１及び−Ｍｚ２に相当する電気信号を、第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２とおく。すなわち、改めて第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２を書き下すと、次の［式１５］のようになる。
［式１５］
Ｔ１＝−Ｒ１１＋Ｒ１２−Ｒ１３＋Ｒ１４
Ｔ２＝−Ｒ２１＋Ｒ２２−Ｒ２３＋Ｒ２４
【０１９８】
図１２に示す力覚センサ１０１ｓにおいても、第１変形体１４１及び第２変形体１４２に金属疲労が蓄積することに伴って第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率に変化が生じることを利用して、力覚センサの故障診断を行う。従って、ここでも、以下の説明においては、第１変形体１４１及び第２変形体１４２に金属疲労が蓄積していない初期状態での第１及び第２電気信号をそれぞれＴ１ａ、Ｔ２ａとし、第１変形体１４１及び第２変形体１４２に金属疲労が蓄積している状態での第１及び第２電気信号をそれぞれＴ１ｂ、Ｔ２ｂとして、互いに区別することとする。
【０１９９】
第１変形体１４１及び第２変形体１４２に金属疲労が蓄積していない初期状態において、力覚センサ１０１ｓに作用するモーメント−Ｍｚの大きさと、この時の第１及び第２電気信号Ｔ１ａ、Ｔ２ａと、の関係は、図２６に示すグラフと同じである。また、第１変形体１４１及び第２変形体１４２に金属疲労が蓄積している状態において、力覚センサ１０１ｓに作用するモーメント−Ｍｚの大きさと、この時の第１及び第２電気信号Ｔ１ａ、Ｔ２ａと、の関係は、図２７に示すグラフと同じである。
【０２００】
力覚センサ１０１ｓが正常に機能しているか否かを判定するための原理及び方法は、上述の３−２．と同じである。すなわち、３−２．における第１電気信号Ｔ１（Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ）及び第２電気信号Ｔ２（Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ）を［式１５］に読み替えることによって、力覚センサ１０１ｓの故障診断の原理及び方法が理解される。このため、ここでは、当該原理及び方法の詳細な説明は省略する。もちろん、逆回りのモーメント＋Ｍｚが作用しても、同様にして故障診断を行うことができる。
【０２０１】
また、受力体１２０に作用するＸ軸方向の力Ｆｘを利用して故障診断を行うことも可能である。この場合には、上述した［式５］のＦｘ１及びＦｘ２に相当する電気信号を、第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２とすれば良い。すなわち、改めて第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２を書き下すと、次の［式１６］のようになる。
［式１６］
Ｔ１＝−Ｒ１１＋Ｒ１２＋Ｒ１３−Ｒ１４
Ｔ２＝−Ｒ２１＋Ｒ２２＋Ｒ２３−Ｒ２４
【０２０２】
ここでも、以下の説明においては、第１変形体１４１及び第２変形体１４２に金属疲労が蓄積していない初期状態での第１及び第２電気信号をそれぞれＴ１ａ、Ｔ２ａとし、第１変形体１４１及び第２変形体１４２に金属疲労が蓄積している状態での第１及び第２電気信号をそれぞれＴ１ｂ、Ｔ２ｂとして、互いに区別することとする。
【０２０３】
第１変形体１４１及び第２変形体１４２に金属疲労が蓄積していない初期状態において、力覚センサ１０１ｓに作用する力Ｆｘの大きさと、この時の第１及び第２電気信号Ｔ１ａ、Ｔ２ａと、の関係は、図２６に示すグラフと同じである。また、第１変形体１４１及び第２変形体１４２に金属疲労が蓄積している状態において、力覚センサ１０１ｓに作用する力Ｆｘの大きさと、この時の第１及び第２電気信号Ｔ１ａ、Ｔ２ａと、の関係は、図２７に示すグラフと同じである。
【０２０４】
力覚センサ１０１ｓが正常に機能しているか否かを判定するための原理及び方法は、上述の３−２．と同じである。すなわち、３−２．における第１電気信号Ｔ１（Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ）及び第２電気信号Ｔ２（Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ）を［式１６］に読み替えることによって、本実施の形態による力覚センサの故障診断の原理及び方法が理解される。このため、ここでは、当該原理及び方法の詳細な説明は省略する。
【０２０５】
更に、受力体１２０に作用するＹ軸方向の力Ｆｙを利用して故障診断を行うことも可能である。この場合には、上述した［式６］のＦｙ１及びＦｙ２に相当する電気信号を、第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２とすれば良い。第１変形体１４１及び第２変形体１４２に金属疲労が蓄積していない初期状態において、力覚センサ１０１ｓに作用する力Ｆｙの大きさと、この時の第１及び第２電気信号Ｔ１ａ、Ｔ２ａと、の関係は、図２６に示すグラフと同じである。また、第１変形体１４１及び第２変形体１４２に金属疲労が蓄積している状態において、力覚センサ１０１ｓに作用する力Ｆｙの大きさと、この時の第１及び第２電気信号Ｔ１ａ、Ｔ２ａと、の関係は、図２７に示すグラフと同じである。
【０２０６】
力覚センサ１０１ｓが正常に機能しているか否かを判定するための原理及び方法は、力Ｆｘに基づいて故障診断をする場合と同じであるため、ここでは、その詳細な説明は省略する。
【０２０７】
（３−３−３．  図１３乃至図１５に示す基本構造１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｂ’を用いた力覚センサの場合）
次に、図１３に示す基本構造１０１ａを用いた、静電容量タイプの力覚センサにおける故障診断について説明する。この力覚センサは、図示されていないが、当該力覚センサのうちＶ軸及びＷ軸上に位置する８つの部位（第１−１〜第１−４検出部位Ａ１〜Ａ４及び第２−１〜第２−４検出部位Ｂ１〜Ｂ４）の全てに、容量素子Ｃ１１〜Ｃ２４が配置されているものとする。各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２４を構成する電極の離間距離は全て同じであり、実効対向面積も全て同じであるものとする。
【０２０８】
このような力覚センサにおける故障診断の原理及び方法は、３−３−１．にて説明した図１０に示す静電容量タイプの力覚センサ１０１ｃの場合と実質的に同じである。但し、第２−１〜第２−４容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４が第２変形体１４２の薄肉部１４２ｔ１〜１４２ｔ４上に配置されている。このため、作用した力（Ｆｘ、Ｆｙ）ないしモーメント（Ｍｚ）と、第１電気信号Ｔ１（Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ）及び第２電気信号Ｔ２（Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ）と、の関係を示すグラフは、図２４及び図２５に示す第２電気信号Ｔ２ａ、Ｔ２ｂの傾きよりも共に大きな傾きを有することになる。ただし、それらの傾きの比率は同じである。
【０２０９】
このことから、初期状態において、第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの比率（Ｔ１ａ／Ｔ２ａ）は、０．２５となり、金属疲労が蓄積している状態において第１電気信号Ｔ１ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率（Ｔ１ｂ／Ｔ２ｂ）は、０．３１２５となる。
【０２１０】
次に、図１４及び図１５に示す基本構造１０１ｂ、１０１ｂ’を用いた、静電容量タイプの力覚センサにおける故障診断について説明する。これらの力覚センサにおいても、図示されていないが、各力覚センサのうちＶ軸及びＷ軸上に位置する８つの部位（第１−１〜第１−４検出部位Ａ１〜Ａ４及び第２−１〜第２−４検出部位Ｂ１〜Ｂ４）の全てに、容量素子Ｃ１１〜Ｃ２４が配置されているものとする。更に、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２４を構成する電極の離間距離は全て同じであり、実効対向面積も全て同じであるものとする。
【０２１１】
これらの力覚センサも、前述したように、図１３に示す基本構造１０１ａを用いた力覚センサと同様に、第２−１〜第２−４容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４が配置されている第２変形体１４２のみに薄肉部１４２ｔ１〜１４２ｔ４が設けられていることから、初期状態における第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの比率（Ｔ１ａ／Ｔ２ａ）、及び、金属疲労が蓄積している状態における第１電気信号Ｔ１ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率（Ｔ１ｂ／Ｔ２ｂ）は、図１３に示す基本構造１０１ａを用いた力覚センサの場合と同様の値となる。換言すれば、図１４及び図１５に示す基本構造１０１ｂ、１０１ｂ’を用いた静電容量タイプの力覚センサは、基本構造１０１ａを用いた静電容量タイプの力覚センサと同様の特性を有している。従って、これらの力覚センサにおいても、故障診断の原理及び方法は、３−３−１．にて説明した図１０に示す力覚センサ１０１ｃの場合と実質的に同じである。
【０２１２】
次に、図１３に示す基本構造１０１ａを用いた、歪ゲージタイプの力覚センサにおける故障診断について説明する。この力覚センサにおいては、図示されていないが、当該力覚センサのうちＶ軸及びＷ軸上に位置する８つの部位（第１−１〜第１−４検出部位Ａ１〜Ａ４及び第２−１〜第２−４検出部位Ｂ１〜Ｂ４）の全てに、歪ゲージＲ１１〜Ｒ２４が配置されているものとする。更に、各歪ゲージＲ１１〜Ｒ２４は、全て同じ特性を有しているものとする。
【０２１３】
このような力覚センサにおける故障診断の原理及び方法は、３−３−２．にて説明した図１１に示す力覚センサ１０１ｓの場合と実質的に同じである。但し、第２−１〜第２−４歪ゲージＲ２１〜Ｒ２４が第２変形体１４２の薄肉部１４２ｔ１〜１４２ｔ４上に配置されている。このため、作用した力（Ｆｘ、Ｆｙ）ないしモーメント（Ｍｚ）と、第１電気信号（Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ）及び第２電気信号Ｔ２（Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ）と、の関係を示すグラフは、図２６及び図２７に示す第２電気信号Ｔ２ａ、Ｔ２ｂの傾きよりも共に大きな傾きを有することになる。但し、それらの傾きの比率は同じである。すなわち、初期状態において、第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの比率（Ｔ１ａ／Ｔ２ａ）は、４．０となり、金属疲労が蓄積している状態において第１電気信号Ｔ１ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率（Ｔ１ｂ／Ｔ２ｂ）は、４．６６７となる。
【０２１４】
次に、図１４及び図１５に示す基本構造１０１ｂ、１０１ｂ’を用いた、歪ゲージタイプの力覚センサにおける故障診断について説明する。これらの力覚センサにおいても、図示されていないが、各力覚センサのうちＶ軸及びＷ軸上に位置する８つの部位（第１−１〜第１−４検出部位Ａ１〜Ａ４及び第２−１〜第２−４検出部位Ｂ１〜Ｂ４）の全てに、歪ゲージＲ１１〜Ｒ２４が配置されているものとする。更に、各歪ゲージＲ１１〜Ｒ２４は、全て同じ特性を有するものとする。
【０２１５】
これらの力覚センサも、前述したように、図１３に示す基本構造１０１ａを用いた力覚センサと同様に、第２−１〜第２−４歪ゲージＲ１１〜Ｒ２４が配置されている第２変形体１４２のみに薄肉部１４２ｔ１〜１４２ｔ４が設けられていることから、初期状態における第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの比率（Ｔ１ａ／Ｔ２ａ）、及び、金属疲労が蓄積している状態における第１電気信号Ｔ１ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率（Ｔ１ｂ／Ｔ２ｂ）は、図１３に示す基本構造１０１ａを用いた力覚センサの場合と同様の値となる。換言すれば、図１４及び図１５に示す基本構造１０１ｂ、１０１ｂ’を用いた歪ゲージタイプの力覚センサは、基本構造１０１ａを用いた歪ゲージタイプの力覚センサと同様の特性を有している。従って、これらの力覚センサにおいても、故障診断の原理及び方法は、３−３−２．にて説明した図１１に示す力覚センサ１０１ｓの場合と実質的に同じである。
【０２１６】
＜＜＜  §４．  検出部位の更なる変形例  ＞＞＞
次に、図２８は、以上の各実施の形態における基本構造の検出部位の変形例を示す概略側面図である。図２８に示すように、本変形例による検出部位Ｅは、互いに一軸方向（図２８におけるＹ軸方向）に相対移動可能であるように配置された第１接続部７１及び第２接続部７２の間に配置されている。検出部位Ｅは、弾性を有する材料（例えば金属）によって均一の厚さにて構成されており、Ｘ軸負方向（図２９における右側）に膨らむように滑らかに湾曲した円弧状の形状を有している。図２９に示すように、検出部位Ｅは、最もＸ軸負側（右側）に位置する部位を通るようにＸ軸と平行な仮想軸線Ｌを考慮したときに、Ｚ軸方向から見て、当該仮想軸線に対して対称である。
【０２１７】
次に、このような検出部位Ｅの作用について、図２９を参照して説明する。図２９（ａ）は、図２８に示す検出部位ＥにＹ軸方向の圧縮力が作用した時の、当該検出部位Ｅを示す概略図であり、図２９（ｂ）は、図２８に示す検出部位ＥにＹ軸方向の引張力が作用した時の、当該検出部位Ｅを示す概略図である。後述されるように、検出部位Ｅが仮想軸線Ｌと交わる部位のうち、Ｘ軸負側の位置Ｒに検出素子（容量素子ないし歪ゲージ）が配置される。このため、ここでは、位置Ｒの変位ないし当該位置Ｒに生じる応力について詳述する。初期状態において、検出部位Ｅの表面には応力が生じていないものとする。また、図２９において、黒塗りの太い矢印は、Ｙ軸方向に沿って作用する力の方向を示しており、Ｘ軸と平行に配置された白抜きの太い矢印は、検出部位Ｅのうち最もＸ軸負側の位置Ｒに生じる変位の方向を示しており、細い矢印は、位置Ｒに生じる応力（「→ ←」は圧縮応力、「← →」は引張応力）を示している。
【０２１８】
まず、図２９（ａ）に示すように、Ｙ軸方向に沿って、第１接続部７１が第２接続部７２に近接するように相対移動されると、検出部位Ｅは、Ｙ軸方向において圧縮される。これにより、位置Ｒは、Ｘ軸負方向に変位する。更に、この時、位置Ｒ近傍の曲率半径が小さくなるため、当該位置Ｒに、Ｙ軸方向に沿って引張応力が生じる。一方、図２９（ｂ）に示すように、Ｙ軸方向に沿って、第１接続部７１が第２接続部７２から離間するように相対移動されると、検出部位Ｅは、Ｙ軸方向において伸張される。これにより、位置Ｒは、Ｘ軸正方向に変位する。
【０２１９】
また、検出部位Ｅに力が作用した時に位置Ｒに生じる応力について検討する。図２９（ａ）に示すように、第１接続部７１と第２接続部７２の間に圧縮力が作用すると、位置Ｒ近傍の曲率半径が小さくなるため、位置Ｒには、Ｙ軸方向に沿って引張応力が生じる。一方、図２９（ｂ）に示すように、第１接続部７１と第２接続部７２の間に引張力が作用すると、位置Ｒ近傍の曲率半径が大きくなるため、位置Ｒには、Ｙ軸方向に沿って圧縮応力が生じる。結局、検出部位Ｅに作用する力の向き（圧縮か引張か）と位置Ｒに生じる応力の向き（圧縮か引張か）とは、互いに逆になる。なお、検出部位Ｅが仮想軸線Ｌと交わる部位のうち、Ｘ軸正側の位置Ｒ’に生じる応力の向き（圧縮か引張か）は、図２９（ａ）及び図２９（ｂ）の変形の態様から理解されるように、検出部位Ｅに作用する力の向き（圧縮か引張か）と同じである。
【０２２０】
このような検出部位を図１に示す基本構造１に採用する場合には、第１変形体３１に代えて、第１可動部側接続部３１ｍ及び第１固定部側接続部３１ｆの間に上述した検出部位Ｅを第１検出部位Ｅ１として配置し、第２変形体３２に代えて、第２可動部側接続部３２ｍ及び第２固定部側接続部３２ｆの間に上述した検出部位Ｅを第２検出部位Ｅ２として配置すればよい。ただし、第２検出部位Ｅ２は、第１検出部位Ｅ１よりも大きな曲率半径を有するように構成される。このことにより、第２検出部位Ｅ２のバネ定数が第１検出部位Ｅ１のバネ定数よりも小さく設定される。
【０２２１】
あるいは、このような検出部位を図８に示す環状の変形体１４１、１４２を有する基本構造１０１に採用する場合には、第１−１〜第１−４検出部位Ａ１〜Ａ４及び第２−１〜第２−４検出部位Ｂ１〜Ｂ４に対応する位置に上述した検出部位Ｅをそれぞれ配置すればよい。すなわち、第１−１〜第１−４検出部位Ａ１〜Ａ４及び第２−１〜第２−４検出部位Ｂ１〜Ｂ４に対応する８つの位置に周方向に沿って間隙を設け、当該間隙内に介在するように、図２８に示す検出部位Ｅを配置すればよい。但し、第２−１〜第２−４検出部位Ｂ１〜Ｂ４に配置される４つの検出部位Ｅである第２検出部位Ｅ２は、第１−１〜第１−４検出部位Ａ１〜Ａ４に配置される４つの検出部位Ｅである第１検出部位Ｅ１よりも大きな曲率半径を有するように構成される。このことにより、第２検出部位Ｅ２のバネ定数が第１検出部位Ｅ１のバネ定数よりも小さく設定される。なお、第１検出部位Ｅ１の４つの検出部位Ｅは、互いに同一の構成で良く、更に、第２検出部位Ｅ２の４つの検出部位Ｅは、互いに同一の構成で良い。
【０２２２】
具体的な配置例を、図３０及び図３１を参照して説明する。図３０は、図２８に示す検出部位を有する変形体の一例を示す概略上面図である。また、図３１（ａ）は、図２８に示す検出部位を有する変形体の他の例を示す概略上面図であり、図３１（ｂ）は、図３１（ａ）のｂ−ｂ線断面図である。検出部位は、第１変形体１４１及び第２変形体１４２に共通の形態で設けて良いため、図３０及び図３１においては、２つの変形体１４１、１４２を代表して、第１変形体１４１のみを図示している。
【０２２３】
図３０に示す第１変形体１４１は、Ｚ軸方向から見てＶ軸及びＷ軸と重なる位置を含む領域が図２８に示す検出部位Ｅ１で置換されている。ここでは、各検出部位Ｅ１は、当該検出部位Ｅ１の円弧を提供する円がＸＹ平面と平行に存在するような態様で、形成されている。各検出部位Ｅ１は、径方向外側に凸となるように配置されている。
【０２２４】
このような検出部位Ｅ１を有する第１変形体１４１に力ないしモーメントが作用すると、当該検出部位Ｅ１は、第１変形体の周方向において圧縮力または引張力を受ける。このため、上述したように、検出部位Ｅ１のうちＶ軸及びＷ軸と重なる部位が、第１変形体１４１の径方向に沿って（Ｖ軸方向あるいはＷ軸方向に沿って）変位する。更に、当該部位には、圧縮応力または引張応力が生じる。
【０２２５】
一方、図３１（ａ）に示す第１変形体１４１は、図３０に示す第１変形体１４１と同様に、Ｚ軸方向から見てＶ軸及びＷ軸と重なる位置を含む領域が図２８に示す検出部位Ｅ１で置換されているが、その配置が図３０とは異なっている。すなわち、図３１（ｂ）に示すように、図３１（ａ）の第１変形体１４１では、第１象限及び第３象限に配置された検出部位Ｅ１は、これらの検出部位Ｅ１の円弧を提供する円がＷＺ平面と平行に存在するような態様で、形成されており、第２象限及び第４象限に配置された検出部位Ｅ１は、これらの検出部位Ｅ１の円弧を提供する円がＶＺ平面と平行に存在するような態様で、形成されている。
【０２２６】
このような検出部位Ｅ１を有する第１変形体１４１に力ないしモーメントが作用すると、当該検出部位Ｅ１は、第１変形体の周方向において圧縮力または引張力を受ける。このため、上述したように、検出部位Ｅ１のうちＶ軸及びＷ軸と重なる部位が、Ｚ軸方向に沿って（Ｖ軸方向あるいはＷ軸方向に沿って）変位する。更に、当該部位には、圧縮応力または引張応力が生じる。
【０２２７】
図３２は、容量素子Ｃが配置された図２８の検出部位Ｅを示す概略図である。容量素子Ｃは、一例として、図３２に示すように、位置Ｒに変位基板Ｉｍ（絶縁体）を介して変位電極Ｅｍを配置し、この変位電極Ｅｍに対向する位置に、固定基板Ｉｆ（絶縁体）を介して、ＸＹＺ三次元座標系において移動しない固定電極Ｅｆを配置することによって、構成され得る。容量素子Ｃを有する検出部位Ｅは、図１に示す基本構造１を利用した力覚センサにおいても、図８に示す環状の基本構造１０１を利用した力覚センサにおいても、もちろん採用可能である。なお、位置Ｒは、検出部位Ｅのうち、当該検出部位Ｅに作用する力（圧縮力及び引張力）によって最も大きくＸ軸方向に変位する位置である。このため、位置Ｒにおいて容量素子Ｃを構成すれば、最も高感度で作用した力ないしモーメントを計測することができる。
【０２２８】
図３２に示す検出部位Ｅに圧縮力が作用すると、前述したように、位置ＲはＸ軸負方向に移動する（図２９（ａ）参照）。このため、変位電極Ｅｍと固定電極Ｅｆとの離間距離が減少し、容量素子Ｃの静電容量値は増大する。一方、図３２に示す検出部位Ｅに引張力が作用すると、前述したように、位置ＲはＸ軸正方向に移動する（図２９（ｂ）参照）。このため、変位電極Ｅｍと固定電極Ｅｆとの離間距離が増大し、容量素子Ｃの静電容量値は減少する。結局、図３及び図１１に示す力覚センサ１ｃ、１０１ｃ、並びに、図５及び図２０に示す基本構造１ｗ、１０１ｗを用いた力覚センサの各検出部位を図２８に示す検出部位Ｅに置換して新たな力覚センサを構成しても、この新たな力覚センサは、置換を行う前の各力覚センサに対して力ないしモーメントが作用した場合と同様の挙動（出力特性）を示すことになる。
【０２２９】
図３２に示すように、固定基板７３が固定部１１０と同一平面上に配置されていれば、第１変形体１４１の４つの変位電極Ｅｍに対向する固定電極Ｅ（４つ）と第２変形体の４つの変位電極Ｅｍに対向する固定電極（４つ）との合計８つの固定電極を単一の基板（固定基板７３）で構成することができるため、有利である。
【０２３０】
また、図３３は、歪ゲージＲが配置された図２８の検出部位Ｅを示す概略図である。歪ゲージは、一例として、位置Ｒに配置されれば良い。このような検出部位Ｅは、図１に示す基本構造１に採用することも、図８に示す環状の基本構造１０１に採用することも、可能である。なお、位置Ｒは、検出部位Ｅのうち、当該検出部位Ｅに作用する力（圧縮力及び引張力）によって最も大きな応力が作用する位置である。このため、位置Ｒに歪ゲージＲを配置すれば、最も高感度で作用した力ないしモーメントを計測することができる。
【０２３１】
図３３に示す検出部位Ｅに圧縮力が作用すると、前述したように、位置Ｒには引張応力が作用する（図２９（ａ）参照）。このため、歪みゲージＲの電気抵抗値は増大する。一方、図３３に示す検出部位Ｅに引張力が作用すると、前述したように、位置Ｒは圧縮応力が作用する。（図２９（ｂ）参照）。このため、歪みゲージＲの電気抵抗値は減少する。結局、図４及び図１２に示す力覚センサ１ｓ、１０１ｓ、並びに、図５及び図２０に示す基本構造１ｗ、１０１ｗを用いた力覚センサの各検出部位を図２８に示す検出部位Ｅに置換して新たな力覚センサを構成しても、この新たな力覚センサは、置換を行う前の各力覚センサに対して力ないしモーメントが作用した場合と同様の挙動（出力特性）を示すことになる。
【０２３２】
＜＜＜  §５．  静電容量タイプの力覚センサにおいて、極板間の実効対向面積を一定に保つための工夫  ＞＞＞
なお、静電容量タイプの力覚センサにおいては、各軸方向の力ないし各軸まわりのモーメントが作用した結果、固定電極に対する変位電極の相対位置が変化した場合にも、容量素子を構成する一対の電極の実効対向面積が変化しないように、各容量素子を構成する固定電極および変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定することも考えられる。これは、面積が小さい方の電極（例えば変位電極）の輪郭を、面積が大きい方の電極（例えば固定電極）の表面に当該電極の法線方向に投影して正射影投影像を形成した場合、面積が小さい方の電極の投影像が、面積が大きい方の電極の表面内に完全に含まれるような状態である。この状態が維持されれば、両電極によって構成される容量素子の実効面積は、小さい方の電極の面積に等しくなり、常に一定になる。すなわち、力の検出精度を向上させることができる。
【０２３３】
これまでに説明してきた実施の形態のうち、図３に示す力覚センサ１ｃ、図１１に示す力覚センサ１０１ｓ、及び、図１９に示す構造においては、それぞれの図面に示されるように、固定電極の面積が変位電極の面積よりも大きく構成されている。
【符号の説明】
【０２３４】
１  基本構造
１ｃ  静電容量タイプの力覚センサ
１ｓ  歪ゲージタイプの力覚センサ
１ｗ  基本構造
１０  固定部
２０  可動部
３０  変形体
３１  第１変形体
３１ｅ  第１弾性体
３１ｆ  第１固定部側接続部
３１ｍ  第１可動部側接続部
３２  第２変形体
３２ｅ  第２弾性体
３２ｆ  第２固定部側接続部
３２ｍ  第２可動部側接続部
４０  検出回路
６１ｄ  第１変位部
６１ｅ１、６１ｅ２  一対の第１変形部
６１ｆ、６１ｍ  接続部
６２ｄ  第２変位部
６２ｅ１、６２ｅ２  一対の第２変形部
６２ｆ、６２ｍ  接続部
７１  第１接続部
７２  第２接続部
７３  固定基板
１０１  基本構造
１０１ａ  基本構造
１０１ｂ  基本構造
１０１ｃ  静電容量タイプの力覚センサ
１０１ｓ  歪ゲージタイプの力覚センサ
１０１ｗ  基本構造
１１０  固定部
１２０  可動部
１３１  連結体
１３１ｌ  連結体
１３２  連結体
１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃ、１３２ｄ  連結体
１３３  連結体
１３４、１３４ａ、１３４ｂ  連結体
１３５  連結体
１３５ｌ  連結体
１３６、１３６ａ、１３６ｂ  連結体
１３７  連結体
１３８、１３８ａ、１３８ｂ  連結体
１４０  変形体
１４１  第１変形体
１４２  第２変形体
１４２ｔ１、１４２ｔ２、１４２ｔ３、１４２ｔ４  薄肉部
１４２ｂ、１４２ｂ１、１４２ｂ２、１４２ｂ３、１４２ｂ４  変形体
１５０  検出回路
【図１】
2020115152.tif 000003
【図２】
2020115152.tif 000004
【図３】
2020115152.tif 000005
【図４】
2020115152.tif 000006
【図５】
2020115152.tif 000007
【図６】
2020115152.tif 000008
【図７】
2020115152.tif 000009
【図８】
2020115152.tif 000010
【図９】
2020115152.tif 000011
【図１０】
2020115152.tif 000012
【図１１】
2020115152.tif 000013
【図１２】
2020115152.tif 000014
【図１３】
2020115152.tif 000015
【図１４】
2020115152.tif 000016
【図１５】
2020115152.tif 000017
【図１６】
2020115152.tif 000018
【図１７】
2020115152.tif 000019
【図１８】
2020115152.tif 000020
【図１９】
2020115152.tif 000021
【図２０】
2020115152.tif 000022
【図２１】
2020115152.tif 000023
【図２２】
2020115152.tif 000024
【図２３】
2020115152.tif 000025
【図２４】
2020115152.tif 000026
【図２５】
2020115152.tif 000027
【図２６】
2020115152.tif 000028
【図２７】
2020115152.tif 000029
【図２８】
2020115152.tif 000030
【図２９】
2020115152.tif 000031
【図３０】
2020115152.tif 000032
【図３１】
2020115152.tif 000033
【図３２】
2020115152.tif 000034
【図３３】
2020115152.tif 000035