(57)【要約】【課題】製造コストを低減できる力覚センサを提供する。【解決手段】力覚センサは、受力体に設けられる複数の歪みゲージＲｇ１〜Ｒｇ６と、非反転入力端子および反転入力端子を有する複数のオペアンプＡ１〜Ａ６と、１個の固定抵抗Ｒｃ１と６個の歪みゲージＲｇ１〜Ｒｇ６とが直列に接続された直列接続部Ｅ１とを備える。２つ以上のオペアンプＡ１〜Ａ６が有する非反転入力端子が、同じ直列接続部Ｅ１の電位の異なる点に接続されている。【選択図】図３
2020204485.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受力体に設けられ、当該受力体に発生する歪みにより電気抵抗が変化する複数の歪みゲージと、
非反転入力端子および反転入力端子を有する複数のオペアンプと、
少なくとも１つの抵抗体と２つ以上の前記歪みゲージとが直列に接続された少なくとも１つの直列接続部とを備え、
前記複数のオペアンプのうちの２つ以上の前記オペアンプが有する前記非反転入力端子および前記反転入力端子の少なくとも一方が、同じ前記直列接続部の電位の異なる点に接続されている
ことを特徴とする力覚センサ。
【請求項２】
前記直列接続部は３つ以上の前記歪みゲージを含み、
少なくとも３つの前記オペアンプが有する前記非反転入力端子および前記反転入力端子のいずれか一方が、同じ前記直列接続部の電位の異なる点に接続されている
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２つ以上の前記オペアンプのうちの少なくとも１つの前記オペアンプの前記非反転入力端子および前記反転入力端子のいずれか一方が、２つの前記歪みゲージの中間点に接続され、当該中間点に対して高電位側に設けられた全ての前記歪みゲージおよび当該中間点に対して低電位側に設けられた全ての前記歪みゲージのうち、前記受力体に特定の力が作用したときに、一方の電気抵抗が増加するとともに他方の電気抵抗が減少するように構成されている
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】
受力体に設けられ、当該受力体が変位することにより静電容量が変化する複数の可変キャパシタと、
非反転入力端子および反転入力端子を有する複数のオペアンプと、
少なくとも１つの固定キャパシタと２つ以上の前記可変キャパシタとが直列に接続された少なくとも１つの直列接続部とを備え、
前記複数のオペアンプのうちの２つ以上の前記オペアンプが有する前記非反転入力端子および前記反転入力端子の少なくとも一方が、同じ前記直列接続部の電位の異なる点に接続されている
ことを特徴とする力覚センサ。
【請求項５】
前記直列接続部は３つ以上の前記可変キャパシタを含み、
少なくとも３つの前記オペアンプが有する前記非反転入力端子および前記反転入力端子のいずれか一方が、同じ前記直列接続部の電位の異なる点に接続されている
ことを特徴とする請求項４に記載の力覚センサ。
【請求項６】
前記２つ以上の前記オペアンプのうちの少なくとも１つの前記オペアンプの前記非反転入力端子および前記反転入力端子のいずれか一方が、２つの前記可変キャパシタの中間点に接続され、当該中間点に対して高電位側に設けられた全ての前記可変キャパシタおよび当該中間点に対して低電位側に設けられた全ての前記可変キャパシタのうち、前記受力体に特定の力が作用したときに、一方の静電容量が増加するとともに他方の静電容量が減少するように構成されている
ことを特徴とする請求項４または５に記載の力覚センサ。
【請求項７】
２つ以上の前記直列接続部が並列に接続され、
少なくとも１つの前記オペアンプが有する前記非反転入力端子および前記反転入力端子は、それぞれ異なる前記直列接続部に接続され、当該非反転入力端子および当該反転入力端子のうち、前記受力体に特定の力が作用したときに、一方に入力される電位が高くなるとともに、他方に入力される電位が低くなるように構成されている
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項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、受力体の歪みや変位を検出する力覚センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、力覚センサとして歪みゲージ式センサが記載されている。当該歪みゲージ式センサは、歪み検出素子である歪みゲージを備えており、２つの歪みゲージの中間点の電圧がオペアンプに入力され、互いに直交する３軸に平行な力と当該３軸まわりのモーメントとを算出する。
【０００３】
一般的に、直列に接続された２つの歪み検出素子により直列接続部が形成され、直列接続部はオペアンプの個数だけ設けられるとともに並列に接続され、直列接続部とオペアンプとは、１対１の関係で接続される。すなわち、一般的に、１つの直列接続部には、１つのオペアンプのみが接続され、他のオペアンプは接続されない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−９６２３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、６個のオペアンプを備えた特許文献１のセンサに、２つの歪み検出素子が直列に接続された直列接続部をオペアンプの個数だけ設けるとともに直列接続部とオペアンプとを１対１で接続する構成を適用すると、歪み検出素子として１２個の歪みゲージが必要になる。そのため、回路の構成部品が多く、製造コストがかかるという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、製造コストを低減することができる力覚センサを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の力覚センサは、受力体に設けられ、当該受力体に発生する歪みにより電気抵抗が変化する複数の歪みゲージと、非反転入力端子および反転入力端子を有する複数のオペアンプと、少なくとも１つの抵抗体と２つ以上の前記歪みゲージとが直列に接続された少なくとも１つの直列接続部とを備え、前記複数のオペアンプのうちの２つ以上の前記オペアンプが有する前記非反転入力端子および前記反転入力端子の少なくとも一方が、同じ前記直列接続部の電位の異なる点に接続されていることを特徴とする。
【０００８】
上記構成によれば、直列接続の２つの歪みゲージにより形成された直列接続部がオペアンプの個数だけ設けられる構成と比べて、歪み検出素子である歪みゲージの個数を少なくすることができる。そのため、回路の構成部品を少なくして、力覚センサの製造コストを低減することができる。
【０００９】
請求項２に記載の力覚センサは、請求項１に記載の力覚センサにおいて、前記直列接続部は３つ以上の前記歪みゲージを含み、少なくとも３つの前記オペアンプが有する前記非反転入力端子および前記反転入力端子のいずれか一方が、同じ前記直列接続部の電位の異なる点に接続されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の力覚センサは、請求項１または２に記載の力覚センサにおいて、前記２つ以上の前記オペアンプのうちの少なくとも１つの前記オペアンプの前記非反転入力端子および前記反転入力端子のいずれか一方が、２つの前記歪みゲージの中間点に接続され、当該中間点に対して高電位側に設けられた全ての前記歪みゲージおよび当該中間点に対して低電位側に設けられた全ての前記歪みゲージのうち、前記受力体に特定の力が作用したときに、一方の電気抵抗が増加するとともに他方の電気抵抗が減少するように構成されていることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項４に記載の力覚センサは、受力体に設けられ、当該受力体が変位することにより静電容量が変化する複数の可変キャパシタと、非反転入力端子および反転入力端子を有する複数のオペアンプと、少なくとも１つの固定キャパシタと２つ以上の前記可変キャパシタとが直列に接続された少なくとも１つの直列接続部とを備え、前記複数のオペアンプのうちの２つ以上の前記オペアンプが有する前記非反転入力端子および前記反転入力端子の少なくとも一方が、同じ前記直列接続部の電位の異なる点に接続されていることを特徴とする。
【００１２】
上記構成によれば、直列接続の固定キャパシタおよび可変キャパシタにより形成された直列接続部がオペアンプの個数だけ設けられる構成と比べて、固定キャパシタの個数を少なくすることができる。そのため、回路の構成部品を少なくして、力覚センサの製造コストを低減することができる。
【００１３】
請求項５に記載の力覚センサは、請求項４に記載の力覚センサにおいて、前記直列接続部は３つ以上の前記可変キャパシタを含み、少なくとも３つの前記オペアンプが有する前記非反転入力端子および前記反転入力端子のいずれか一方が、同じ前記直列接続部の電位の異なる点に接続されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項６に記載の力覚センサは、請求項４または５に記載の力覚センサにおいて、前記２つ以上の前記オペアンプのうちの少なくとも１つの前記オペアンプの前記非反転入力端子および前記反転入力端子のいずれか一方が、２つの前記可変キャパシタの中間点に接続され、当該中間点に対して高電位側に設けられた全ての前記可変キャパシタおよび当該中間点に対して低電位側に設けられた全ての前記可変キャパシタのうち、前記受力体に特定の力が作用したときに、一方の静電容量が増加するとともに他方の静電容量が減少するように構成されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項７に記載の力覚センサは、請求項１〜６のいずれか一項に記載の力覚センサにおいて、２つ以上の前記直列接続部が並列に接続され、少なくとも１つの前記オペアンプが有する前記非反転入力端子および前記反転入力端子は、それぞれ異なる前記直列接続部に接続され、当該非反転入力端子および当該反転入力端子のうち、前記受力体に特定の力が作用したときに、一方に入力される電位が高くなるとともに、他方に入力される電位が低くなるように構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、構成部品を少なくして製造コストを低減できる力覚センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の第１実施形態に係る力覚センサの概要図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｆ）は、受力体に作用する力およびモーメントを示す斜視図である。
【図３】第１実施形態に係る力覚センサが備える電気回路の概略構成図である。
【図４】（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の第２実施形態に係る力覚センサの概要図である。
【図５】第２実施形態に係る力覚センサが備える電気回路の概略構成図である。
【図６】（Ａ）は、本発明の第３実施形態に係る力覚センサの概要図であり、（Ｂ）は、当該力覚センサが備える電気回路の概略構成図である。
【図７】（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の変形例に係る力覚センサが備える電気回路の概略構成図である。
【図８】（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の変形例に係る力覚センサが備える電気回路の概略構成図である。
【図９】（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の変形例に係る力覚センサが備える電気回路の概略構成図である。
【図１０】（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の変形例に係る力覚センサが備える電気回路の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図面を参照して、本発明の力覚センサを具体化した複数の実施形態を説明する。なお、図中の一点鎖線は、Ｘ軸、Ｙ軸、および、Ｚ軸を示しており、これらの３軸は、センサ原点Ｐで互いに直交している。
【００１９】
（第１実施形態）
図１（Ａ）は、第１実施形態に係る力覚センサ１の断面を簡略化して示す図であり、図１（Ｂ）は、力覚センサ１が備える歪みゲージＲの配置を示す図である。図１（Ａ）は、図１（Ｂ）中の二点鎖線で示すＳ−Ｓ線に沿った断面図である。
【００２０】
図１（Ａ）に示すように、力覚センサ１は、受力体１０と、蓋体２０と、複数の歪み検出素子としての歪みゲージＲとを備えた歪みゲージ式センサである。力覚センサ１は、歪みゲージＲの電気抵抗の変化量に基づいて、受力体１０に作用した力およびモーメントを検出する。
【００２１】
受力体１０は、下段部１０Ａと、上段部１０Ｂと、連結部１０Ｃとにより構成されている。受力体１０の一端を構成する下段部１０Ａには、歪みゲージＲが設けられており、受力体１０の他端を構成する上段部１０Ｂには、力覚センサ１の取付対象物（不図示）が設けられる。また、受力体１０は、下段部１０Ａおよび上段部１０Ｂの各々をＺ軸方向に薄くして形成されたダイアフラム部１１を有している。連結部１０Ｃは、ダイアフラム部１１に設けられており、下段部１０Ａと上段部１０Ｂとを連結している。下段部１０Ａ、上段部１０Ｂ、および、連結部１０Ｃは、それぞれ別々に制作した後に溶接で接合またはボルト等で締結して一体化されている。なお、単一の材料を切削加工することで下段部１０Ａ、上段部１０Ｂ、および、連結部１０Ｃを一体的に形成してもよい。
【００２２】
蓋体２０は、受力体１０の一端部に設けられており、歪みゲージＲを収納する空間を形成している。すなわち、蓋体２０は、下段部１０Ａに取り付けられて受力体１０を支持するとともに、受力体１０に設けられた歪みゲージＲを覆っている。
【００２３】
歪みゲージＲは、金属薄膜または半導体薄膜により構成されている。歪みゲージＲは、ダイアフラム部１１に設けられており、受力体１０が歪むことによって伸長および収縮する。歪みゲージＲの電気抵抗は、受力体１０の歪みにより変化する。具体的には、歪みゲージＲの電気抵抗は、その歪みゲージＲが設けられた受力体１０の一部が伸長することによって増加し、当該一部が収縮することによって減少する。
【００２４】
図１（Ｂ）は、蓋体２０が設けられる受力体１０の端面、すなわち、歪みゲージＲが設けられている面を示している。図１（Ｂ）において、歪みゲージＲに接続されているリード線、および、蓋体２０の図示は省略されている。
【００２５】
図１（Ｂ）に示すように、受力体１０には、ダイアフラム部１１として、センサ原点Ｐから等間隔、かつ、Ｚ軸まわりに等角度（１２０°）間隔で３つの円形状のダイアフラム部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃが設けられており、各ダイアフラム部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの中央に、連結部１０Ｃが設けられている。
【００２６】
力覚センサ１は、複数の歪みゲージＲとして、６個の歪みゲージＲｇ１〜Ｒｇ６を備えている。歪みゲージＲｇ１，Ｒｇ２と、歪みゲージＲｇ３，Ｒｇ４と、歪みゲージＲｇ５，Ｒｇ６とは、異なるダイアフラム部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃに設けられており、それぞれ一列に並ぶように配置されている。歪みゲージＲｇ１，Ｒｇ２、歪みゲージＲｇ３，Ｒｇ４、および、歪みゲージＲｇ５，Ｒｇ６は、それらの並び方向において大きな電気抵抗の変化が発生するように配置されている。歪みゲージＲｇ１〜Ｒｇ６は、力やモーメントを受けて歪みが発生しやすい連結部１０Ｃの近傍に設けられている。
【００２７】
図２を参照して、Ｘ軸に平行な力Ｆｘ、Ｙ軸に平行な力Ｆｙ、Ｚ軸に平行な力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、および、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの各々を受力体１０の上段部１０Ｂに個別に作用させたときの、歪みゲージＲｇ１〜Ｒｇ６の電気抵抗の変化を説明する。
【００２８】
図２（Ａ）に示すように、上段部１０ＢにＸ軸に平行な力Ｆｘを作用させると、歪みゲージＲｇ２，Ｒｇ３，Ｒｇ６は伸長し、それらの電気抵抗は増加する。一方で、歪みゲージＲｇ１，Ｒｇ４，Ｒｇ５は収縮し、それらの電気抵抗は減少する。
【００２９】
図２（Ｂ）に示すように、上段部１０ＢにＹ軸に平行な力Ｆｙを作用させると、歪みゲージＲｇ２，Ｒｇ５は伸長し、それらの電気抵抗は増加する。一方で、歪みゲージＲｇ１，Ｒｇ６は収縮し、それらの電気抵抗は減少する。歪みゲージＲｇ３，Ｒｇ４は、それらの近傍に設けられた連結部１０Ｃに対してＹ軸に垂直な方向に並んでいるため、それらの電気抵抗は略変化しない。
【００３０】
図２（Ｃ）に示すように、上段部１０ＢにＺ軸に平行な力Ｆｚを作用させると、各連結部１０Ｃの近傍に配置された歪みゲージＲｇ１〜Ｒｇ６は伸長し、それらの電気抵抗は増加する。
【００３１】
図２（Ｄ）に示すように、上段部１０ＢにＸ軸まわりのモーメントＭｘを作用させると、力Ｆｚを作用させたときと同様に、連結部１０Ｃの近傍に配置された歪みゲージＲｇ３，Ｒｇ４の電気抵抗は増加する。一方で、歪みゲージＲｇ１，Ｒｇ２，Ｒｇ５，Ｒｇ６の電気抵抗は減少する。
【００３２】
図２（Ｅ）に示すように、上段部１０ＢにＹ軸まわりのモーメントＭｙを作用させると、力Ｆｚを作用させたときと同様に、連結部１０Ｃの近傍に配置された歪みゲージＲｇ１，Ｒｇ２の電気抵抗は増加する。一方で、歪みゲージＲｇ５，Ｒｇ６の電気抵抗は減少する。歪みゲージＲｇ３，Ｒｇ４の近傍の連結部１０ＣがＹ軸の近くに位置するため、歪みゲージＲｇ３，Ｒｇ４の電気抵抗は略変化しない。
【００３３】
図２（Ｆ）に示すように、上段部１０ＢにＺ軸まわりのモーメントＭｚを作用させると、歪みゲージＲｇ２，Ｒｇ４，Ｒｇ６は収縮し、それらの電気抵抗は減少する。一方で、歪みゲージＲｇ１，Ｒｇ３，Ｒｇ５は伸長し、それらの電気抵抗は増加する。
【００３４】
以上のように、Ｘ軸に平行な力Ｆｘ、Ｙ軸に平行な力Ｆｙ、Ｚ軸に平行な力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、および、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの各々を受力体１０に作用させたときの、歪みゲージＲｇ１〜Ｒｇ６の電気抵抗の変化を下記の［表１］にまとめる。表中の「＋」は電気抵抗が増加することを示し、表中の「−」は電気抵抗が減少することを示している。また、空欄は、電気抵抗が略変化しないことを示している。なお、図２（Ａ）〜（Ｃ）中の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと反対方向の力、および、図２（Ｄ）〜（Ｆ）中のモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚと反対方向のモーメントを、上段部１０Ｂに作用させた場合は、表中の符号は逆になる。
【００３５】
【表１】
2020204485.tif 000003
【００３６】
図３は、力覚センサ１が備える回路構成を示している。
図３に示すように、力覚センサ１は、１個の固定抵抗Ｒｃ１と６個の歪みゲージＲｇ１〜Ｒｇ６とが直列に接続された直列接続部Ｅ１と、７個の固定抵抗Ｒｃ２〜Ｒｃ８が直列に接続された直列接続部Ｅ２とを備えている。直列接続部Ｅ１，Ｅ２には、一定の電圧が印加される。固定抵抗Ｒｃ１〜Ｒｃ８は、電気抵抗が変化しない抵抗体である。各固定抵抗Ｒｃ１〜Ｒｃ８の電気抵抗と、受力体１０に歪みが生じていないときの各歪みゲージＲｇ１〜Ｒｇ６の電気抵抗とは略同じである。
【００３７】
また、力覚センサ１は、歪みゲージＲｇ１〜Ｒｇ６に接続された６個のオペアンプＡ１〜Ａ６を備えている。オペアンプＡ１〜Ａ６は、差動増幅回路であって、電位の異なる点に接続される非反転入力端子および反転入力端子を有している。オペアンプＡ１〜Ａ６は、非反転入力端子に入力された電位と反転入力端子に入力された電位との差を増幅して、出力端子から出力する。
【００３８】
ところで、受力体１０に作用した力およびモーメントを精度良く検出するためには、受力体１０に力Ｆｘ，Ｆｙ，ＦｚおよびモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚを作用させたとき、各オペアンプＡ１〜Ａ６に入力される電位差を大きく変動させて、オペアンプＡ１〜Ａ６の出力Ｖ１〜Ｖ６を高めることが好ましい。本実施形態では、オペアンプＡ１〜Ａ６に接続される歪みゲージＲｇ１〜Ｒｇ６は直列に接続されているため、直列接続部Ｅ１の任意の点における電位は、１つ以上の歪みゲージＲｇ１〜Ｒｇ６の電気抵抗を加算した値と電流値とを掛け合わせた値となるため、電気抵抗の変化量の加算値がセンサ感度に影響を与える。この性質を利用すれば、特定の力成分に絞って感度を大きくすることができる。
【００３９】
そこで、本実施形態では、例えば力Ｆｘに対する力覚センサ１の感度を優先的に向上させ、次いでモーメントＭｘに対する力覚センサ１の感度を向上させることを目的として、高電位側から低電位側にかけて、固定抵抗Ｒｃ１‐歪みゲージＲｇ５‐歪みゲージＲｇ４‐歪みゲージＲｇ１‐歪みゲージＲｇ３‐歪みゲージＲｇ６‐歪みゲージＲｇ２の順番で接続され、各オペアンプＡ１〜Ａ６の非反転入力端子および反転入力端子は、以下の箇条書きに記すように以下の中間点Ｐ１〜Ｐ６，Ｐ１１〜Ｐ１６に接続されている。
・オペアンプＡ１の非反転入力端子-歪みゲージＲｇ６，Ｒｇ２の中間点Ｐ１
・オペアンプＡ１の反転入力端子‐固定抵抗Ｒｃ３，Ｒｃ２の中間点Ｐ１１
・オペアンプＡ２の非反転入力端子-歪みゲージＲｇ３，Ｒｇ６の中間点Ｐ２
・オペアンプＡ２の反転入力端子-固定抵抗Ｒｃ４，Ｒｃ３の中間点Ｐ１２
・オペアンプＡ３の非反転入力端子-歪みゲージＲｇ１，Ｒｇ３の中間点Ｐ３
・オペアンプＡ３の反転入力端子-固定抵抗Ｒｃ５，Ｒｃ４の中間点Ｐ１３
・オペアンプＡ４の非反転入力端子-歪みゲージＲｇ４，Ｒｇ１の中間点Ｐ４
・オペアンプＡ４の反転入力端子-固定抵抗Ｒｃ６，Ｒｃ５の中間点Ｐ１４
・オペアンプＡ５の非反転入力端子-歪みゲージＲｇ５，Ｒｇ４の中間点Ｐ５
・オペアンプＡ５の反転入力端子-固定抵抗Ｒｃ７，Ｒｃ６の中間点Ｐ１５
・オペアンプＡ６の非反転入力端子-固定抵抗Ｒｃ１と歪みゲージＲｇ５との中間点Ｐ６
・オペアンプＡ６の反転入力端子-固定抵抗Ｒｃ８，Ｒｃ７の中間点Ｐ１６
【００４０】
上記の歪みゲージＲｇ１〜Ｒｇ６の接続順に［表１］の列を並び替えた結果を、以下の［表２］に示す。
【００４１】
【表２】
2020204485.tif 000004
【００４２】
以上のように、２つ以上のオペアンプＡ１〜Ａ６が有する非反転入力端子は、同じ直列接続部Ｅ１の電位の異なる点に接続されている。また、オペアンプＡ１〜Ａ６が有する反転入力端子は、同じ直列接続部Ｅ２の電位の異なる点に接続されている。すなわち、非反転入力端子は、直列接続部Ｅ１，Ｅ２の一方（直列接続部Ｅ１）に接続され、反転入力端子は、他方（直列接続部Ｅ２）に接続されている。このように、本実施形態では、非反転入力端子は直列接続部Ｅ１に接続されているため、非反転入力端子には受力体１０の歪みに応じた電圧が入力され、反転入力端子は直列接続部Ｅ２に接続されているため、反転入力端子には固定電圧が入力される。
【００４３】
また、力覚センサ１は、オペアンプＡ１〜Ａ６の出力Ｖ１〜Ｖ６に基づいて、受力体１０の上段部１０Ｂに作用した３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）に平行な力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと、３軸まわりのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚとを算出する演算回路（図示略）を備えている。具体的には、演算回路は、以下の［数１］の式に従って、３軸に平行な力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと、３軸まわりのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚとを算出する。なお、６行６列の変換行列Ｔは、図２に示すように所定の力Ｆｘ，Ｆｙ，ＦｚおよびモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚを受力体１０に個別に作用させたときの出力Ｖ１〜Ｖ６の計測結果に基づいて算出することができる。具体的には、例えば、１０Ｎの力Ｆｘ、１０Ｎの力Ｆｙ、２５Ｎの力Ｆｚ、１５Ｎ・ｃｍのモーメントＭｘ、１５Ｎ・ｃｍのモーメントＭｙ、および、１５Ｎ・ｃｍのモーメントＭｚを上段部１０Ｂに個別に作用させたときの出力Ｖ１〜Ｖ６を計測し、力Ｆｘ，Ｆｙ，ＦｚおよびモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚに掛け合わせることで出力Ｖ１〜Ｖ６が算出される６行６列の特性行列Ａを算出し、この特性行列Ａの逆行列を変換行列Ｔとして算出することができる。
【００４４】
【数１】
2020204485.tif 000005
【００４５】
本実施形態の力覚センサ１の動作について説明する。
受力体１０の上段部１０Ｂに力Ｆｘが作用すると、上記の［表２］に記載したように、中間点Ｐ３に対して低電位側に設けられた全ての歪みゲージＲｇ３，Ｒｇ６，Ｒｇ２の電気抵抗が増加するとともに、中間点Ｐ３に対して高電位側に設けられた全ての歪みゲージＲｇ５，Ｒｇ４，Ｒｇ１の電気抵抗が減少する。その結果、２つの歪みゲージＲｇ１，Ｒｇ３の中間点Ｐ３の電位が高電位となるように変化し、オペアンプＡ３の出力Ｖ３が大きく変動する。なお、他の中間点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ４〜Ｐ６の電位も、歪みゲージＲｇ１〜Ｒｇ６の電気抵抗の大きさに応じて変化する。
【００４６】
また、受力体１０の上段部１０ＢにモーメントＭｘが作用すると、上記の［表２］に記載したように、中間点Ｐ２に対して高電位側に設けられた歪みゲージＲｇ３の電気抵抗が増加するとともに、中間点Ｐ２に対して低電位側に設けられた歪みゲージＲｇ６，Ｒｇ２の電気抵抗が減少する。その結果、２つの歪みゲージＲｇ３，Ｒｇ６の中間点Ｐ２の電位が低電位となるように変化し、オペアンプＡ２の出力Ｖ２が大きく変動する。なお、他の中間点Ｐ１，Ｐ３〜Ｐ６の電位も、歪みゲージＲｇ１〜Ｒｇ６の電気抵抗の大きさに応じて変化する。
【００４７】
また、受力体１０の上段部１０ＢにモーメントＭｚが作用すると、受力体１０の上段部１０ＢにモーメントＭｘが作用したときと同様に歪みゲージＲｇ３，Ｒｇ６，Ｒｇ２の電気抵抗が変化し（中間点Ｐ２に対して歪みゲージＲｇ３と歪みゲージＲｇ６，Ｒ２とが逆方向に電気抵抗が変化し）、その差分出力であるオペアンプＡ２の出力Ｖ２が大きく変動する。
【００４８】
以上のように、受力体１０に力ＦｘおよびモーメントＭｘ，Ｍｚが作用したときは、オペアンプＡ２，Ａ３の出力Ｖ２，Ｖ３（特にオペアンプＡ３の出力Ｖ３）の変化量が大きくなり、力ＦｘおよびモーメントＭｘ，Ｍｚを精度良く算出することができる。なお、力ＦｘおよびモーメントＭｘ，Ｍｚと出力Ｖ２，Ｖ３に注目して説明したが、受力体１０に他の力Ｆｙ，ＦｚおよびモーメントＭｙが作用した場合も、表２から出力Ｖ１〜Ｖ６に変化があることが判る。オペアンプＡ１〜Ａ６の出力Ｖ１〜Ｖ６の少なくとも１つが大きく変化すれば、出力Ｖ１〜Ｖ６に掛け合わせる変換行列Ｔの成分を小さくすることができるため、受力体１０に力ＦｘおよびモーメントＭｘ，Ｍｚが作用した場合に限られず、受力体１０に作用した力およびモーメントを精度良く算出することが可能となる。
【００４９】
上記の第１実施形態においては以下の効果が得られる。
（１）直列接続部Ｅ１のうち電位の異なる２点以上が、それぞれ異なるオペアンプＡ１〜Ａ６の非反転入力端子および反転入力端子の少なくとも一方に接続されている。具体的には、オペアンプＡ１〜Ａ６が有する非反転入力端子は、同じ直列接続部Ｅ１の電位の異なる点に接続されている。歪みゲージＲｇ１〜Ｒｇ６は互いに影響するように直列に接続されているため、歪みゲージＲｇ１〜Ｒｇ６のいずれか１つの電気抵抗が変化すれば、中間点Ｐ１〜Ｐ６の電位が変化するように構成されている。この構成によれば、直列接続の２つの歪みゲージにより形成された直列接続部がオペアンプの個数だけ設けられる構成と比べて、歪み検出素子である歪みゲージＲの個数を少なくすることができ、回路の構成部品を少なくして、力覚センサ１の製造コストを低減することができる。また、回路の構成部品が少なくなるため、小型化を図ることができる。また、歪みゲージ１個あたりに印加する電圧が等しいとして比較すると、各オペアンプがそれぞれ異なる１つの歪みゲージに接続される構成と比べて、１つ以上のオペアンプＡ１〜Ａ６の出力Ｖ１〜Ｖ６を大きく変動させることができ、受力体１０に作用した力およびモーメントの検出感度および検出精度を高めることができる。
【００５０】
（２）直列接続部Ｅ１は６つ以上の歪みゲージＲｇ１〜Ｒｇ６を含み、直列接続部Ｅ１のうち電位の異なる６点以上が、それぞれ異なるオペアンプＡ１〜Ａ６の非反転入力端子および反転入力端子の少なくとも一方に接続されているため、６方向の力（３軸に平行な力と３軸まわりのモーメント）を精度良く検出できる。
【００５１】
（３）中間点Ｐ３に対して高電位側に設けられた全ての歪みゲージＲｇ５，Ｒｇ４，Ｒｇ１および中間点Ｐ３に対して低電位側に設けられた全ての歪みゲージＲｇ３，Ｒｇ６，Ｒｇ２のうち、受力体１０に特定の力が作用したときに、一方の電気抵抗が増加するとともに他方の電気抵抗が減少するように構成されている。この構成によれば、中間点Ｐ３の電位の変動を大きくでき、特定の力（力Ｆｘ）に対して感度を上げることができる。なお、他の特定の力およびモーメントについても、電気抵抗の変化に基づいて直列接続部を構成する（歪みゲージの配列を変更する）ことで、感度を高めることができる。
【００５２】
（４）歪みゲージＲｇ１〜Ｒｇ６は薄膜により構成されているため、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）やフォトリソグラフィ等の半導体製造技術を用いて、歪みゲージＲを容易に多数形成することができる。
【００５３】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、上記第１実施形態と共通する構成については、その説明を省略する。
【００５４】
図４（Ａ）は、第２実施形態に係る力覚センサ２の断面を簡略化して示す図であり、図４（Ｂ）は、力覚センサ２が備える可変キャパシタＣの配置を示す図である。図４（Ａ）は、図４（Ｂ）中の二点鎖線で示すＳ−Ｓ線に沿った断面図である。
【００５５】
図４（Ａ）に示すように、力覚センサ２は、受力体１０と、蓋体２０と、複数の歪み検出素子としての可変キャパシタＣとを備えた静電容量式センサである。力覚センサ２は、可変キャパシタＣの静電容量の変化量に基づいて、受力体１０に作用した力およびモーメントを検出する。
【００５６】
受力体１０の一端を構成する下段部１０Ａには、可変キャパシタＣを構成する電極３１が設けられ、蓋体２０には、可変キャパシタＣを構成する電極３２が設けられている。蓋体２０は、下段部１０Ａに取り付けられて受力体１０を支持するとともに、受力体１０に設けられた可変キャパシタＣを覆っている。
【００５７】
可変キャパシタＣは、対向する電極３１，３２により構成されており、電極３１，３２の相対的な変位量を検出する素子である。電極３１は、受力体１０の上段部１０Ｂに作用する力やモーメントに応じて変位する変位電極であり、電極３２は、変位しない固定電極である。なお、電極３２は、蓋体２０に取り付けた基板（図示略）に設けてもよい。可変キャパシタＣは、ダイアフラム部１１に設けられており、ダイアフラム部１１が変位するように受力体１０が歪むことによって電極３１，３２間の距離が変化する。可変キャパシタＣの静電容量は、受力体１０の変位により変化する。具体的には、可変キャパシタＣの静電容量は、対向する電極３１，３２間の距離が小さくなることによって増加し、対向する電極３１，３２間の距離が大きくなることによって減少する。
【００５８】
図４（Ｂ）は、下段部１０Ａの端面、すなわち、可変キャパシタＣが設けられている面を示している。図４（Ｂ）において、電極３１，３２に接続されているリード線、および、蓋体２０の図示は省略されている。
【００５９】
図４（Ｂ）に示すように、力覚センサ２は、複数の可変キャパシタＣとして、それぞれ電極３１，３２により構成された６個の可変キャパシタＣｖ１〜Ｃｖ６を備えている。可変キャパシタＣｖ１，Ｃｖ２と、可変キャパシタＣｖ３，Ｃｖ４と、可変キャパシタＣｖ５，Ｃｖ６とは、異なるダイアフラム部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃに設けられている。
【００６０】
Ｘ軸に平行な力Ｆｘ、Ｙ軸に平行な力Ｆｙ、Ｚ軸に平行な力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、および、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの各々を受力体１０の上段部１０Ｂに作用させたときの、可変キャパシタＣｖ１〜Ｃｖ６の静電容量の変化を下記の［表３］に示す。表中の「＋」は静電容量が増加することを示し、表中の「−」は静電容量が減少することを示している。また、空欄は、静電容量が略変化しないことを示している。力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと反対方向の力、および、モーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚと反対方向のモーメントを、上段部１０Ｂに作用させた場合は、表中の符号は逆になる。
【００６１】
【表３】
2020204485.tif 000006
【００６２】
図５は、力覚センサ２が備える回路構成を示している。
図５に示すように、力覚センサ２は、１個の固定キャパシタＣｃと６個の可変キャパシタＣｖ１〜Ｃｖ６とが直列に接続された直列接続部Ｅ３と、可変キャパシタＣｖ１〜Ｃｖ６に接続された６個の静電容量電圧変換回路４１（以下「ＣＶ変換回路４１」）を備えている。直列接続部Ｅ３には、周期的に大きさが変動する電圧、または、一定の電圧が印加される。ＣＶ変換回路４１は、可変キャパシタＣｖ１〜Ｃｖ６の静電容量に応じた電圧を出力する。
【００６３】
また、力覚センサ２は、ＣＶ変換回路４１を介して可変キャパシタＣｖ１〜Ｃｖ６に接続された６個のオペアンプＡ１〜Ａ６を備えている。本実施形態では、例えばモーメントＭｙに対する力覚センサ２の感度を優先的に向上させ、次いでモーメントＭｘに対する力覚センサ２の感度を向上させることを目的として、高電位側から低電位側にかけて、固定キャパシタＣｃ‐可変キャパシタＣｖ６‐可変キャパシタＣｖ５‐可変キャパシタＣｖ４‐可変キャパシタＣｖ３‐可変キャパシタＣｖ２‐可変キャパシタＣｖ１の順番で接続され、各オペアンプＡ１〜Ａ６の非反転入力端子は、以下の箇条書きに記すようにＣＶ変換回路４１を介して以下の中間点Ｐ２１〜Ｐ２６に接続され、オペアンプＡ１〜Ａ６の反転入力端子はグラウンドに接続されている。
・オペアンプＡ１の非反転入力端子-可変キャパシタＣｖ２，Ｃｖ１の中間点Ｐ２１
・オペアンプＡ２の非反転入力端子-可変キャパシタＣｖ３，Ｃｖ２の中間点Ｐ２２
・オペアンプＡ３の非反転入力端子-可変キャパシタＣｖ４，Ｃｖ３の中間点Ｐ２３
・オペアンプＡ４の非反転入力端子-可変キャパシタＣｖ５，Ｃｖ４の中間点Ｐ２４
・オペアンプＡ５の非反転入力端子-可変キャパシタＣｖ６，Ｃｖ５の中間点Ｐ２５
・オペアンプＡ６の非反転入力端子-固定キャパシタＣｃと可変キャパシタＣｖ６との中間点Ｐ２６
【００６４】
以上のように、２つ以上のオペアンプＡ１〜Ａ６が有する非反転入力端子は、同じ直列接続部Ｅ３の電位の異なる点に接続されている。また、オペアンプＡ１〜Ａ６が有する反転入力端子は、電位が略同じ点に接続されている。このように、本実施形態では、非反転入力端子は直列接続部Ｅ３に接続されているため、非反転入力端子には受力体１０の変位に応じた電圧が入力され、反転入力端子には固定電圧が入力される。
【００６５】
また、力覚センサ２は、オペアンプＡ１〜Ａ６の出力Ｖ１〜Ｖ６に基づいて、受力体１０の上段部１０Ｂに作用した３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）に平行な力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと、３軸まわりのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚとを算出する演算回路（図示略）を備えている。当該演算回路による、力Ｆｘ，Ｆｙ，ＦｚおよびモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚの算出方法は、第１実施形態と同様である。
【００６６】
本実施形態の力覚センサ２の動作について説明する。
受力体１０の上段部１０ＢにモーメントＭｙが作用すると、上記の［表３］に記載したように、中間点Ｐ２３に対して低電位側に設けられた全ての可変キャパシタＣｖ３，Ｃｖ２，Ｃｖ１の静電容量が増加するとともに、中間点Ｐ２３に対して高電位側に設けられた全ての可変キャパシタＣｖ６，Ｃｖ５，Ｃｖ４の静電容量が減少する。その結果、中間点Ｐ２３の電位が、可変キャパシタＣｖ３，Ｃｖ２，Ｃｖ１と可変キャパシタＣｖ６，Ｃｖ５，Ｃｖ４の静電容量の変化量に応じて変化し、中間点Ｐ２３の電圧がＣＶ変換回路４１を介してオペアンプＡ３に入力され、オペアンプＡ３の出力Ｖ３が大きく変動する。なお、他の中間点Ｐ２１，Ｐ２２，Ｐ２４〜Ｐ２６の電位も、可変キャパシタＣｖ１〜Ｃｖ６の静電容量の変化量の大きさに応じて変化する。
【００６７】
また、受力体１０の上段部１０ＢにモーメントＭｘが作用すると、上記の［表３］に記載したように、可変キャパシタＣｖ３，Ｃｖ４の静電容量が増加するとともに、可変キャパシタＣｖ１，Ｃｖ２，Ｃｖ５，Ｃｖ６の静電容量が減少する。その結果、中間点Ｐ２２の電位が変化し、中間点Ｐ２２の電圧がＣＶ変換回路４１を介してオペアンプＡ２に入力され、オペアンプＡ２の出力Ｖ２が大きく変動する。なお、他の中間点Ｐ２１，Ｐ２３〜Ｐ２６の電位も、可変キャパシタＣｖ１〜Ｃｖ６の静電容量の変化量の大きさに応じて変化する。
【００６８】
以上のように、受力体１０にモーメントＭｙが作用したときは、オペアンプＡ３の出力Ｖ３の変化量が大きくなり、モーメントＭｙを精度良く算出することができる。また、オペアンプＡ１〜Ａ６の出力Ｖ１〜Ｖ６の少なくとも１つが大きく変化すれば、出力Ｖ１〜Ｖ６に掛け合わせる変換行列Ｔの成分を小さくすることができるため、受力体１０にモーメントＭｙが作用した場合に限られず、受力体１０に作用した力およびモーメントを精度良く算出することが可能となる。
【００６９】
上記の第２実施形態においては以下の効果が得られる。
（５）直列接続部Ｅ３のうち電位の異なる２点以上が、それぞれ異なるオペアンプＡ１〜Ａ６の非反転入力端子および反転入力端子の少なくとも一方に接続されている。具体的には、オペアンプＡ１〜Ａ６が有する非反転入力端子は、同じ直列接続部Ｅ３の電位の異なる点に接続されている。可変キャパシタＣｖ１〜Ｃｖ６は互いに影響するように直列に接続されているため、可変キャパシタＣｖ１〜Ｃｖ６のいずれか１つの静電容量が変化すれば、中間点Ｐ２１〜Ｐ２６の電位が変化するように構成されている。この構成によれば、直列接続の固定キャパシタおよび可変キャパシタにより形成された直列接続部がオペアンプの個数だけ設けられる構成と比べて、固定キャパシタＣｃの個数を少なくすることができ、回路の構成部品を少なくして、力覚センサ２の製造コストを低減すること、および、小型化を図ることができる。また、各オペアンプがそれぞれ異なる１つの可変キャパシタに接続される構成と比べて、１つ以上のオペアンプＡ１〜Ａ６の出力Ｖ１〜Ｖ６を大きく変動させることができ、受力体１０に作用した力およびモーメントの検出感度および検出精度を高めることができる。
【００７０】
（６）直列接続部Ｅ３は６つ以上の可変キャパシタＣｖ１〜Ｃｖ６を含み、直列接続部Ｅ３のうち電位の異なる６点以上が、それぞれ異なるオペアンプＡ１〜Ａ６の非反転入力端子および反転入力端子の少なくとも一方に接続されているため、６方向の力（３軸に平行な力と３軸まわりのモーメント）を精度良く検出できる。
【００７１】
（７）中間点Ｐ３に対して高電位側に設けられた全ての可変キャパシタＣｖ６，Ｃｖ５，Ｃｖ４および中間点Ｐ３に対して低電位側に設けられた全ての可変キャパシタＣｖ３，Ｃｖ２，Ｃｖ１のうち、受力体１０に特定の力が作用したときに、一方の静電容量が増加するとともに他方の静電容量が減少するように構成されている。この構成によれば、中間点Ｐ３の電位の変動を大きくでき、特定の力（モーメントＭｙ）に対して感度を上げることができる。なお、他の特定の力およびモーメントについても、静電容量の変化に基づいて直列接続部を構成する（可変キャパシタの配列を変更する）ことで、感度を高めることができる。
【００７２】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。なお、上記第１実施形態と共通する構成については、その説明を省略する。
【００７３】
図６（Ａ）は、第３実施形態に係る力覚センサ１が備える歪みゲージＲの配置を示す図である。図６（Ａ）は、蓋体２０が設けられる受力体１０の端面、すなわち、歪みゲージＲが設けられている面を示している。図６（Ａ）において、歪みゲージＲに接続されているリード線、および、蓋体２０の図示は省略されている。
【００７４】
図６（Ａ）に示すように、受力体１０には、ダイアフラム部１１として、センサ原点Ｐから等間隔、かつ、Ｚ軸まわりに等角度（９０°）間隔で４つの円形状のダイアフラム部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄが設けられており、各ダイアフラム部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄの中央に、連結部１０Ｃが設けられている。つまり第３実施形態は、第１実施形態と略同じでダイアフラム部の数が異なる構造となっている。
【００７５】
力覚センサ１は、複数の歪みゲージＲとして、８個の歪みゲージＲｇ１〜Ｒｇ８を備えている。歪みゲージＲｇ１，Ｒｇ２と、歪みゲージＲｇ３，Ｒｇ４と、歪みゲージＲｇ５，Ｒｇ６と、歪みゲージＲｇ７，Ｒｇ８とは、異なるダイアフラム部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄに設けられている。歪みゲージＲｇ１〜Ｒｇ８は、連結部１０Ｃの近傍に設けられている。
【００７６】
Ｘ軸に平行な力Ｆｘ、Ｙ軸に平行な力Ｆｙ、Ｚ軸に平行な力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、および、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの各々を受力体１０の上段部１０Ｂに作用させたときの、歪みゲージＲｇ１〜Ｒｇ８の電気抵抗の変化を下記の［表４］にまとめる。表中の「＋」は電気抵抗が増加することを示し、表中の「−」は電気抵抗が減少することを示している。また、空欄は、電気抵抗が略変化しないことを示している。なお、力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと反対方向の力、および、モーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚと反対方向のモーメントを、上段部１０Ｂに作用させた場合は、表中の符号は逆になる。
【００７７】
【表４】
2020204485.tif 000007
【００７８】
図６（Ｂ）は、力覚センサ１が備える回路構成を示している。
図６（Ｂ）に示すように、力覚センサ１は、４つの直列接続部Ｅ１１〜Ｅ１４を備えている。直列接続部Ｅ１１〜Ｅ１４は、並列に接続されている。直列接続部Ｅ１１は、直列に接続された１個の固定抵抗Ｒｃ１と２個の歪みゲージＲｇ１，Ｒｇ２とで構成され、直列接続部Ｅ１２は、直列に接続された１個の固定抵抗Ｒｃ２と２個の歪みゲージＲｇ３，Ｒｇ４とで構成され、直列接続部Ｅ１３は、直列に接続された１個の固定抵抗Ｒｃ３と２個の歪みゲージＲｇ５，Ｒｇ６とで構成され、直列接続部Ｅ１４は、直列に接続された１個の固定抵抗Ｒｃ４と２個の歪みゲージＲｇ７，Ｒｇ８とで構成されている。各固定抵抗Ｒｃ１〜Ｒｃ４の電気抵抗と、受力体１０に歪みが生じていないときの各歪みゲージＲｇ１〜Ｒｇ８の電気抵抗とは略同じである。
【００７９】
本実施形態では、力Ｆｘ，Ｆｙ，ＦｚおよびモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚに対する力覚センサ１の感度を向上させることを目的として、高電位側から低電位側にかけて、固定抵抗Ｒｃ１‐歪みゲージＲｇ２‐歪みゲージＲｇ１、歪みゲージＲｇ３‐歪みゲージＲｇ４-固定抵抗Ｒｃ２、固定抵抗Ｒｃ３‐歪みゲージＲｇ６‐歪みゲージＲｇ５、および、歪みゲージＲｇ７‐歪みゲージＲｇ８-固定抵抗Ｒｃ４の順番で接続され、各オペアンプＡ１〜Ａ６の非反転入力端子および反転入力端子は、以下の箇条書きに記すように以下の中間点Ｐ５１〜Ｐ５８に接続されている。
・オペアンプＡ１の非反転入力端子-歪みゲージＲｇ２，Ｒｇ１の中間点Ｐ５１
・オペアンプＡ１の反転入力端子‐歪みゲージＲｇ６，Ｒｇ５の中間点Ｐ５５
・オペアンプＡ２の非反転入力端子-固定抵抗Ｒｃ１と歪みゲージＲｇ２との中間点Ｐ５２
・オペアンプＡ２の反転入力端子-固定抵抗Ｒｃ３と歪みゲージＲｇ６との中間点Ｐ５６
・オペアンプＡ３の非反転入力端子-歪みゲージＲｇ４と固定抵抗Ｒｃ２との中間点Ｐ５３
・オペアンプＡ３の反転入力端子-歪みゲージＲｇ８と固定抵抗Ｒｃ４との中間点Ｐ５７
・オペアンプＡ４の非反転入力端子-歪みゲージＲｇ３，Ｒｇ４の中間点Ｐ５４
・オペアンプＡ４の反転入力端子-歪みゲージＲｇ７，Ｒｇ８の中間点Ｐ５８
・オペアンプＡ５の非反転入力端子-固定抵抗Ｒｃ３と歪みゲージＲｇ６との中間点Ｐ５６
・オペアンプＡ５の反転入力端子-歪みゲージＲｇ４と固定抵抗Ｒｃ２との中間点Ｐ５３
・オペアンプＡ６の非反転入力端子-歪みゲージＲｇ２，Ｒｇ１の中間点Ｐ５１
・オペアンプＡ６の反転入力端子-歪みゲージＲｇ７，Ｒｇ８の中間点Ｐ５８
【００８０】
以上のように、２つのオペアンプＡ１，Ａ２が有する非反転入力端子は、同じ直列接続部Ｅ１１の電位の異なる点に接続され、２つのオペアンプＡ３，Ａ４が有する非反転入力端子は、同じ直列接続部Ｅ１２の電位の異なる点に接続されている。また、２つのオペアンプＡ１，Ａ２が有する反転入力端子は、同じ直列接続部Ｅ１３の電位の異なる点に接続され、２つのオペアンプＡ３，Ａ４が有する反転入力端子は、同じ直列接続部Ｅ１４の電位の異なる点に接続されている。
【００８１】
本実施形態の力覚センサ１の動作について説明する。
受力体１０の上段部１０Ｂに力Ｆｘが作用したときは、［表４］に記載したように、歪みゲージＲｇ３の電気抵抗が増加し、歪みゲージＲｇ４の電気抵抗が減少し、歪みゲージＲｇ７の電気抵抗が減少し、歪みゲージＲｇ８の電気抵抗が増加する。その結果、オペアンプＡ４の非反転入力端子および反転入力端子に入力される電位のうち、一方（歪みゲージＲｇ７，Ｒｇ８の中間点Ｐ５８の電位）が高くなるとともに他方（歪みゲージＲｇ３，Ｒｇ４の中間点Ｐ５４の電位）が低くなるため、オペアンプＡ４の出力Ｖ４が大きく変動する。
【００８２】
受力体１０の上段部１０Ｂに力Ｆｙが作用したときは、［表４］に記載したように、歪みゲージＲｇ１の電気抵抗が減少し、歪みゲージＲｇ２の電気抵抗が増加し、歪みゲージＲｇ５の電気抵抗が増加し、歪みゲージＲｇ６の電気抵抗が減少する。こうして、オペアンプＡ１の非反転入力端子および反転入力端子に入力される電位のうち、一方（歪みゲージＲｇ６，Ｒｇ５の中間点Ｐ５５の電位）が高くなるとともに他方（歪みゲージＲｇ２，Ｒｇ１の中間点Ｐ５１の電位）が低くなるため、オペアンプＡ１の出力Ｖ１が大きく変動する。
【００８３】
受力体１０の上段部１０Ｂに力Ｆｚが作用したときは、［表４］に記載したように、歪みゲージＲｇ３〜Ｒｇ６の電気抵抗が増加する。こうして、オペアンプＡ５の非反転入力端子および反転入力端子に入力される電位のうち、一方（固定抵抗Ｒｃ３と歪みゲージＲｇ６との中間点Ｐ５６の電位）が高くなるとともに他方（歪みゲージＲｇ４と固定抵抗Ｒｃ２との中間点Ｐ５３の電位）が低くなるため、オペアンプＡ５の出力Ｖ５が大きく変動する。
【００８４】
受力体１０の上段部１０ＢにモーメントＭｘが作用したときは、［表４］に記載したように、歪みゲージＲｇ３，Ｒｇ４の電気抵抗が増加し、歪みゲージＲｇ７，Ｒｇ８の電気抵抗が減少する。こうして、オペアンプＡ３の非反転入力端子および反転入力端子に入力される電位のうち、一方（歪みゲージＲｇ８と固定抵抗Ｒｃ４との中間点Ｐ５７の電位）が高くなるとともに他方（歪みゲージＲｇ４と固定抵抗Ｒｃ２との中間点Ｐ５３の電位）が低くなるため、オペアンプＡ３の出力Ｖ３が大きく変動する。
【００８５】
受力体１０の上段部１０ＢにモーメントＭｙが作用したときは、［表４］に記載したように、歪みゲージＲｇ１，Ｒｇ２の電気抵抗が増加し、歪みゲージＲｇ５，Ｒｇ６の電気抵抗が減少する。こうして、オペアンプＡ２の非反転入力端子および反転入力端子に入力される電位のうち、一方（固定抵抗Ｒｃ１と歪みゲージＲｇ２との中間点Ｐ５２の電位）が高くなるとともに他方（固定抵抗Ｒｃ３と歪みゲージＲｇ５との中間点Ｐ５６の電位）が低くなるため、オペアンプＡ２の出力Ｖ２が大きく変動する。
【００８６】
受力体１０の上段部１０ＢにモーメントＭｚが作用したときは、［表４］に記載したように、歪みゲージＲｇ１の電気抵抗が増加し、歪みゲージＲｇ２の電気抵抗が減少し、歪みゲージＲｇ７の電気抵抗が増加し、歪みゲージＲｇ８の電気抵抗が減少する。こうして、オペアンプＡ６の非反転入力端子および反転入力端子に入力される電位のうち、一方（歪みゲージＲｇ２，Ｒｇ１との中間点Ｐ５１の電位）が高くなるとともに他方（歪みゲージＲｇ７，Ｒｇ８との中間点Ｐ５８の電位）が低くなるため、オペアンプＡ６の出力Ｖ６が大きく変動する。
【００８７】
以上のように、受力体１０に力Ｆｘ，Ｆｙ，ＦｚおよびモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚが作用したときは、オペアンプＡ１〜６の出力Ｖ１〜６の変化量が大きくなり、力Ｆｘ，Ｆｙ，ＦｚおよびモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚを精度良く算出することができる。また、出力Ｖ１〜Ｖ６に掛け合わせる変換行列Ｔの成分を小さくすることができるため、受力体１０に力Ｆｘ，Ｆｙ，ＦｚおよびモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚが個別に作用した場合に限られず、受力体１０に作用した力およびモーメントを精度良く算出することが可能となる。
【００８８】
上記の第３実施形態においては以下の効果が得られる。
（８）直列接続部Ｅ１１のうち電位の異なる２点以上が、それぞれ異なるオペアンプＡ１，Ａ２，Ａ６の入力端子に接続され、直列接続部Ｅ１２のうち電位の異なる２点以上が、それぞれ異なるオペアンプＡ３，Ａ４，Ａ５の入力端子に接続され、直列接続部Ｅ１３のうち電位の異なる２点以上が、それぞれ異なるオペアンプＡ１，Ａ２，Ａ５の入力端子に接続され、直列接続部Ｅ１４のうち電位の異なる２点以上が、それぞれ異なるオペアンプＡ３，Ａ４，Ａ６の入力端子に接続されている。すなわち、オペアンプＡ１，Ａ２が有する非反転入力端子は、同じ直列接続部Ｅ１１の電位の異なる点に接続され、オペアンプＡ１，Ａ２が有する反転入力端子は、同じ直列接続部Ｅ１３の電位の異なる点に接続されている。また、オペアンプＡ３，Ａ４が有する非反転入力端子は、同じ直列接続部Ｅ１２の電位の異なる点に接続され、オペアンプＡ３，Ａ４が有する反転入力端子は、同じ直列接続部Ｅ１４の電位の異なる点に接続されている。この構成によれば、上記（１）と同様に、力覚センサ１の製造コストを低減することができ、小型化を図ることができ、受力体１０に作用した力およびモーメントの検出感度および検出精度を高めることができる。
【００８９】
（９）２つ以上の直列接続部Ｅ１１〜Ｅ１４が並列に接続され、オペアンプＡ１〜Ａ６が有する非反転入力端子および反転入力端子は、それぞれ異なる直列接続部Ｅ１１〜Ｅ１４に接続され、当該非反転入力端子および当該反転入力端子のうち、受力体１０に特定の力（力Ｆｘ，Ｆｙ，ＦｚおよびモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）が作用したときに、一方に入力される電位が高くなるとともに、他方に入力される電位が低くなるように構成されている。この構成によれば、非反転入力端子および反転入力端子に入力される電位のうち一方が高くなるとともに他方が低くなることで４アクティブフルブリッジのように動作するので、非反転入力端子または反転入力端子に一定の電位が入力される構成（２アクティブフルブリッジや１アクティブフルブリッジ）と比べて、１つ以上のオペアンプＡ１〜Ａ６の出力Ｖ１〜Ｖ６の変化量を大きくでき、受力体１０に作用した力およびモーメントの検出感度および検出精度を高めることができる。
【００９０】
（１０）受力体１０に６方向の力（３軸に平行な力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと３軸まわりのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）を個別に作用させたとき、受力体１０にいずれの力が作用した場合にも１つ以上のオペアンプＡ１〜Ａ６の非反転入力端子および反転入力端子に入力される電位のうち、一方が高くなるとともに他方が低くなるように構成されている。このため、６方向の力（３軸に平行な力と３軸まわりのモーメント）をより精度良く検出できる。
【００９１】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、上記構成を適宜変更することもできる。例えば、上記実施形態を、以下のように変更して実施してもよく、以下の変更を適宜組み合わせてもよい。
【００９２】
歪みゲージ式センサにおいて、１つ以上のオペアンプの非反転入力端子または反転入力端子を電位が同じ点に接続してもよい。例えば、図７（Ａ）に示すように、オペアンプＡ１〜Ａ６の反転入力端子をグラウンドに接続してもよく、図７（Ｂ）に示すように、オペアンプＡ１〜Ａ６の非反転入力端子または反転入力端子をグラウンドに接続してもよい
【００９３】
また、直列接続部の構成を適宜変更してもよい。また、歪みゲージの個数がオペアンプと同数以上になるのであれば、１つの直列接続部を構成する固定抵抗および歪みゲージの個数、ならびに、オペアンプの個数を適宜変更してもよい。同様に、可変キャパシタの個数がオペアンプと同数以上になるのであれば、１つの直列接続部を構成する固定キャパシタおよび可変キャパシタの個数、ならびに、オペアンプの個数を適宜変更してもよい。また、並列に接続される直列接続部の数を適宜変更してもよい。
【００９４】
例えば、図８（Ａ）に示すように、力覚センサは、並列に接続された２つの直列接続部Ｅ２１，Ｅ２２を備えていてもよい。直列接続部Ｅ２１は、直列に接続された１個の固定抵抗Ｒｃ１と３個の歪みゲージＲｇ１〜Ｒｇ３とで構成され、直列接続部Ｅ２２は、直列に接続された１個の固定抵抗Ｒｃ２と３個の歪みゲージＲｇ４〜Ｒｇ６とで構成されている。また、図８（Ｂ）に示すように、力覚センサは、並列に接続された３つの直列接続部Ｅ３１〜Ｅ３３を備えていてもよい。直列接続部Ｅ３１は、直列に接続された１個の固定抵抗Ｒｃ１と２個の歪みゲージＲｇ１，Ｒｇ２とで構成され、直列接続部Ｅ３２は、直列に接続された１個の固定抵抗Ｒｃ２と２個の歪みゲージＲｇ３，Ｒｇ４とで構成され、直列接続部Ｅ３３は、直列に接続された１個の固定抵抗Ｒｃ３と２個の歪みゲージＲｇ５，Ｒｇ６とで構成されている。
【００９５】
また、直列接続部を構成する固定抵抗を、他の抵抗体に置換してもよい。すなわち、直列接続部が備える抵抗体として、所定の電気抵抗値を有する抵抗素子のほか、受力体において力を受けても歪みが発生しない部分に設けられた歪みゲージを用いることができる。歪みが発生しない受力体の一部に設けた歪みゲージを抵抗体として用いた場合には、受力体に発生する歪みにより電気抵抗が変化する歪みゲージと温度特性を略同じにすることができ、オペアンプの出力温度特性を良好にできる。
【００９６】
また、例えば、図９（Ａ）に示すように、力覚センサが、３個の歪みゲージＲｇ１，Ｒｇ３，Ｒｇ５と、３個のオペアンプＡ１〜Ａ３と、並列に接続された２つの直列接続部Ｅ４１，Ｅ４２とを備えるように構成してもよい。直列接続部Ｅ４１は、直列に接続された１個の固定抵抗Ｒｃ１と３個の歪みゲージＲｇ１，Ｒｇ３，Ｒｇ５とで構成され、直列接続部Ｅ４２は、直列に接続された４個の固定抵抗Ｒｃ２〜Ｒｃ５とで構成されている。また、図９（Ｂ）に示すように、力覚センサが、３個の可変キャパシタＣｖ１，Ｃｖ３，Ｃｖ５と、３個のオペアンプＡ１〜Ａ３と、１つの直列接続部Ｅ４３とを備えるように構成してもよい。直列接続部Ｅ４３は、直列に接続された１個の固定キャパシタＣｃと３個の可変キャパシタＣｖ１，Ｃｖ３，Ｃｖ５とで構成されている。図９（Ａ）および（Ｂ）に記載の構成によれば、３方向の力（例えば力Ｆｘ，ＦｙおよびモーメントＭｚ）を精度良く検出できる。
【００９７】
静電容量電圧変換回路を介さずに可変キャパシタとオペアンプとを接続してもよい。具体的には、第２実施形態では中間点Ｐ２１〜Ｐ２６の電圧がＣＶ変換回路４１を介してオペアンプＡ１〜Ａ６に入力されるように構成したが、ＣＶ変換回路４１を省略し、中間点Ｐ２１〜Ｐ２６の電圧がオペアンプＡ１〜Ａ６に直接入力されるように構成してもよい。この場合、静電容量電圧変換回路の部品点数を削減でき、製造コストを低減できる。
【００９８】
また、各オペアンプが有する非反転入力端子および反転入力端子が、同じ直列接続部に接続されていてもよい。例えば、図１０（Ａ）に示すように、オペアンプＡ１〜Ａ６が有する非反転入力端子および反転入力端子が直列接続部Ｅ１に接続されていてもよい。図１０（Ａ）では、オペアンプＡ１の非反転入力端子、ならびに、オペアンプＡ２〜Ａ６の非反転入力端子および反転入力端子は、以下の箇条書きに記すように中間点Ｐ１〜Ｐ６に接続され、オペアンプＡ１の反転入力端子はグラウンドに接続されている。
・オペアンプＡ１の非反転入力端子-歪みゲージＲｇ６，Ｒｇ２の中間点Ｐ１
・オペアンプＡ２の非反転入力端子-歪みゲージＲｇ３，Ｒｇ６の中間点Ｐ２
・オペアンプＡ２の反転入力端子-歪みゲージＲｇ６，Ｒｇ２の中間点Ｐ１
・オペアンプＡ３の非反転入力端子-歪みゲージＲｇ１，Ｒｇ３の中間点Ｐ３
・オペアンプＡ３の反転入力端子-歪みゲージＲｇ３，Ｒｇ６の中間点Ｐ２
・オペアンプＡ４の非反転入力端子-歪みゲージＲｇ４，Ｒｇ１の中間点Ｐ４
・オペアンプＡ４の反転入力端子-歪みゲージＲｇ１，Ｒｇ３の中間点Ｐ３
・オペアンプＡ５の非反転入力端子-歪みゲージＲｇ５，Ｒｇ４の中間点Ｐ５
・オペアンプＡ５の反転入力端子-歪みゲージＲｇ４，Ｒｇ１の中間点Ｐ４
・オペアンプＡ６の非反転入力端子-固定抵抗Ｒｃ１と歪みゲージＲｇ５との中間点Ｐ６
・オペアンプＡ６の反転入力端子-歪みゲージＲｇ５，Ｒｇ４の中間点Ｐ５
【００９９】
また、図１０（Ｂ）に示すように、オペアンプＡ１〜Ａ６が有する非反転入力端子および反転入力端子が直列接続部Ｅ３に接続されていてもよい。図１０（Ｂ）では、オペアンプＡ１の非反転入力端子、ならびに、オペアンプＡ２〜Ａ６の非反転入力端子および反転入力端子は、以下の箇条書きに記すように中間点Ｐ２１〜Ｐ２６に接続され、オペアンプＡ１の反転入力端子はグラウンドに接続されている。
・オペアンプＡ１の非反転入力端子-可変キャパシタＣｖ２，Ｃｖ１の中間点Ｐ２１
・オペアンプＡ２の非反転入力端子-可変キャパシタＣｖ３，Ｃｖ２の中間点Ｐ２２
・オペアンプＡ２の反転入力端子-可変キャパシタＣｖ２，Ｃｖ１の中間点Ｐ２１
・オペアンプＡ３の非反転入力端子-可変キャパシタＣｖ４，Ｃｖ３の中間点Ｐ２３
・オペアンプＡ３の反転入力端子-可変キャパシタＣｖ３，Ｃｖ２の中間点Ｐ２２
・オペアンプＡ４の非反転入力端子-可変キャパシタＣｖ５，Ｃｖ４の中間点Ｐ２４
・オペアンプＡ４の反転入力端子-可変キャパシタＣｖ４，Ｃｖ３の中間点Ｐ２３
・オペアンプＡ５の非反転入力端子-可変キャパシタＣｖ６，Ｃｖ５の中間点Ｐ２５
・オペアンプＡ５の反転入力端子-可変キャパシタＣｖ５，Ｃｖ４の中間点Ｐ２４
・オペアンプＡ６の非反転入力端子-固定キャパシタＣｃと可変キャパシタＣｖ６との中間点Ｐ２６
・オペアンプＡ６の反転入力端子-可変キャパシタＣｖ６，Ｃｖ５の中間点Ｐ２５
【０１００】
図１０（Ａ）および（Ｂ）に記載の構成によれば、オペアンプの非反転入力端子および反転入力端子に入力される電圧が、１つの歪み検出素子（歪みゲージまたは可変キャパシタ）に対応しているため、オペアンプのオフセット調整が容易である。
【０１０１】
また、受力体の歪みまたは変位を検出することができるのであれば、歪みゲージおよび可変キャパシタの構成および配置等を適宜変更してもよい。例えば、ピエゾ抵抗素子、感圧抵抗体、または、感圧抵抗インク等を歪み検出素子として採用してもよい。また、歪み検出素子を含む回路構成を適宜変更してもよく、例えば、複数の可変キャパシタを１つの静電容量変換回路を介してオペアンプに接続してもよい。
【０１０２】
また、受力体における歪みゲージおよび可変キャパシタの配置に応じて、直列接続部における歪みゲージおよび可変キャパシタの接続順、および、オペアンプの非反転入力端子および反転入力端子の接続箇所を適宜変更してもよい。例えば、第１〜第３実施形態において、１つ以上のオペアンプＡ１〜Ａ６の非反転入力端子の接続点と反転入力端子の接続点とを入れ替えてもよい。
【０１０３】
また、各歪み検出素子の中間点（直列接続部の接続点）を異なるオペアンプの非反転入力端子または反転入力端子に接続する場合、必要に応じてボルテージフォロー回路（バッファ）を介してそれらを接続してもよい。このようにすれば、オペアンプ間の干渉を軽減できるため正確に６軸の力やモーメントを検出できる。
【符号の説明】
【０１０４】
１，２  力覚センサ
１０  受力体
１０Ａ  下段部
１０Ｂ  上段部
１０Ｃ  連結部
１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ  ダイアフラム部
２０  蓋体
３１，３２  電極
４１  静電容量電圧変換回路
Ａ１〜Ａ６  オペアンプ
Ｃ  可変キャパシタ（歪み検出素子）
Ｃｃ  固定キャパシタ
Ｃｖ１〜Ｃｖ６  可変キャパシタ（歪み検出素子）
Ｅ１〜Ｅ３，Ｅ１１〜Ｅ１４，Ｅ２１，Ｅ２２，Ｅ３１〜Ｅ３３  直列接続部
Ｒ  歪みゲージ（歪み検出素子）
Ｒｃ１〜Ｒｃ８  固定抵抗（抵抗体）
Ｒｇ１〜Ｒｇ８  歪みゲージ（歪み検出素子）
【図１】
2020204485.tif 000008
【図２】
2020204485.tif 000009
【図３】
2020204485.tif 000010
【図４】
2020204485.tif 000011
【図５】
2020204485.tif 000012
【図６】
2020204485.tif 000013
【図７】
2020204485.tif 000014
【図８】
2020204485.tif 000015
【図９】
2020204485.tif 000016
【図１０】
2020204485.tif 000017