(57)【要約】      （修正有）【課題】容量素子を含む起歪体の構造を簡素化することにより、従来よりも安価な静電容量タイプの力覚センサを提供する。【解決手段】力覚センサは、Ｚ軸方向から見て原点Ｏを取り囲むように配置され、力ないしモーメントの作用によって弾性変形を生じる環状の変形体４０と、変形体に生じる弾性変形に基づいて、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検出回路と、を備えている。変形体は、ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された２つの固定部４１，４２と、変形体の周方向において固定部と交互に位置付けられ、力ないしモーメントの作用を受ける、２つの受力部４３，４４と、変形体の周方向において隣接する固定部と受力部との間に位置付けられた４つの変形部と、を有し、各変形部は、Ｚ軸方向に膨出した湾曲部を有し、検出回路は、湾曲部に生じる弾性変形に基づいて、電気信号を出力する。【選択図】図１
2020112569.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
Ｚ軸方向から見て原点Ｏを取り囲むように配置され、力ないしモーメントの作用によって弾性変形を生じる環状の変形体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、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検出回路と、を備え、
前記変形体は、ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された２つの固定部と、当該変形体の周方向において前記固定部と交互に位置付けられ、力ないしモーメントの作用を受ける、２つの受力部と、当該変形体の周方向において隣接する前記固定部と前記受力部との間に位置付けられた４つの変形部と、を有し、
各変形部は、Ｚ軸方向に膨出した湾曲部を有し、
前記検出回路は、前記湾曲部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。
【請求項２】
ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された固定体と、
力ないしモーメントの作用によって、前記固定部に対して相対移動する受力体と、を更に備え、
前記変形体の前記固定部は、前記固定体に接続され、
前記変形体の前記受力部は、前記受力体に接続されている
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】
前記固定体及び前記受力体には、Ｚ軸が挿通する貫通孔がそれぞれ形成されている
ことを特徴とする請求項２に記載の力覚センサ。
【請求項４】
前記２つの固定部は、Ｚ軸方向から見て、前記変形体がＸ軸と重なる部位にＹ軸に関して対称的に配置されており、
前記２つの受力部は、Ｚ軸方向から見て、前記変形体がＹ軸と重なる部位にＸ軸に関して対称的に配置されている
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項５】
前記変形体は、Ｚ軸方向から見て、原点Ｏを中心とする円環の形状を有している
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項６】
前記変形体は、Ｚ軸方向から見て、原点Ｏを中心とする矩形の形状を有している
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項７】
前記変形体の各湾曲部は、Ｚ軸負方向に膨出しており、
前記検出回路は、各湾曲部に１つずつ配置された合計４つの変位電極と、これらの変位電極に対向配置され、前記固定部に固定された固定電極と、を有し、
各変位電極と前記固定電極とは、４組の容量素子を構成し、
前記検出回路は、前記４組の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
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項８】
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４組の容量素子は、Ｚ軸方向から見て前記変形体がＶ軸及びＷ軸と交わる４つの部位に、１つずつ配置されている
ことを特徴とする請求項７に記載の力覚センサ。
【請求項９】
前記変形体の各湾曲部には、各１つの変形体側支持体が接続されており、
前記４つの変位電極は、それぞれ、対応する前記変形体側支持体によって支持されている
ことを特徴とする請求項８に記載の力覚センサ。
【請求項１０】
前記変形体の各湾曲部には、最もＺ軸負側に位置する部位にそれぞれ検出部位が規定されており、
前記変形体側支持体は、それぞれ、Ｚ軸方向から見て、当該変形体側支持体が接続された前記湾曲部の前記検出部位に重なるように配置された梁と、この梁の一端を前記検出部位とは異なる位置において前記湾曲部に接続する接続体と、を有し、
前記変位電極は、それぞれ、対応する前記変形体側支持体の前記梁によって支持されている
ことを特徴とする請求項９に記載の力覚センサ。
【請求項１１】
前記変形体の各湾曲部は、Ｚ軸負方向に膨出しており、
前記検出回路は、各湾曲部に２つずつ配置された合計８つの変位電極と、これらの変位電極に対向配置され、前記固定部に固定された固定電極と、を有し、
前記変位電極と前記固定電極とは、８組の容量素子を構成し、
前記検出回路は、
前記変形体の各湾曲部に２つずつ配置された容量素子から各１つを選択した合計４つの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第１電気信号を出力し、且つ、残りの各１つを選択した合計４つの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第２電気信号を出力し、
前記第１電気信号及び前記第２電気信号に基づいて、前記力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項１２】
前記検出回路は、前記第１電気信号と前記第２電気信号との差に基づいて、前記力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する
ことを特徴とする請求項１１に記載の力覚センサ。
【請求項１３】
各湾曲部は、Ｚ軸負方向に膨出しており、第１バネ定数を有する第１湾曲部と前記第１バネ定数とは異なる第２バネ定数を有する第２湾曲部とが前記変形体の周方向に連接されて構成されており、
前記検出回路は、前記第１湾曲部及び前記第２湾曲部に１つずつ配置された合計８つの変位電極と、これらの変位電極に対向配置され、前記固定部に固定された固定電極と、を有し、
各変位電極と前記固定電極とは、８組の容量素子を構成し、
前記検出回路は、
前記第１湾曲部に配置された４つの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第１電気信号を出力し、且つ、前記第２湾曲部に配置された４つの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第２電気信号を出力し、
前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率の変化に基づいて、前記力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項１４】
前記検出回路は、
前記力覚センサが正常に機能している状態における前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率を基準比率として記憶しており、
前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率と、前記基準比率と、の差、に基づいて前記力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する
ことを特徴とする請求項１３に記載の力覚センサ。
【請求項１５】
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、
ＸＹ平面の第１象限に配置された２つの前記変位電極は、正のＶ軸に関して対称的に配置されており、
ＸＹ平面の第２象限に配置された２つの前記変位電極は、正のＷ軸に関して対称的に配置されており、
ＸＹ平面の第３象限に配置された２つの前記変位電極は、負のＶ軸に関して対称的に配置されており、
ＸＹ平面の第４象限に配置された２つの前記変位電極は、負のＷ軸に関して対称的に配置されている
ことを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項１６】
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円形の固定体と、
前記固定体を取り囲むと共に当該固定体に接続され、力ないしモーメントの作用により弾性変形を生じる円環状の変形体と、
前記変形体を取り囲むと共に当該変形体に接続され、力ないしモーメントの作用により前記固定体に対して相対移動する円環状の受力体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、前記受力体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、
前記固定体、前記変形体及び前記受力体は、互いに同心であるように配置され、
前記受力体のＺ軸正側の端面のＺ座標値は、前記変形体のＺ軸正側の端面のＺ座標値よりも大きく、
前記固定体のＺ軸負側の端面のＺ座標値は、前記変形体のＺ軸負側の端面のＺ座標値よりも小さく、
前記変形体は、前記固定体に接続された２つの固定部と、前記受力体に接続され、当該変形体の周方向において前記固定部と交互に位置付けられた２つの受力部と、隣接する前記固定部と前記受力部との間に位置付けられた４つの変形部と、を有する
ことを特徴とする力覚センサ。
【請求項１７】
各変形部は、Ｚ軸方向に膨出した湾曲部を有し、
前記検出回路は、前記湾曲部に生じる弾性変形に基づいて、前記電気信号を出力する
ことを特徴とする請求項１６に記載の力覚センサ。
【請求項１８】
各変形部は、前記変形体の径方向に膨出した湾曲部を有し、
前記検出回路は、前記湾曲部に生じる弾性変形に基づいて、前記電気信号を出力する
ことを特徴とする請求項１５に記載の力覚センサ。
【請求項１９】
前記２つの固定部は、Ｚ軸方向から見て、前記変形体がＸ軸と重なる部位にＹ軸に関して対称的に配置されており、
前記２つの受力部は、Ｚ軸方向から見て、前記変形体がＹ軸と重なる部位にＸ軸に関して対称的に配置されている
ことを特徴とする請求項１６乃至１８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、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。力覚センサの市場が拡大するにつれて、力覚センサの低価格化及び高性能化が一層求められるようになった。
【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。このうち、歪ゲージタイプの力覚センサは、起歪体（弾性体）の構造が複雑であり、また、その製造工程において起歪体に歪ゲージを貼付するという工程が必要である。このように歪ゲージタイプの力覚センサは、製造コストがかかるため、低価格化が困難である。
【０００４】
これに対し、静電容量タイプの力覚センサは、１組の平行平板（容量素子）によって作用した力ないしモーメントを計測することができるため、容量素子を含む起歪体の構造を簡素化することができる。すなわち、静電容量タイプの力覚センサは、相対的に製造コストがかからないため、低価格化が容易である、というメリットを有する。したがって、容量素子を含む起歪体の構造を更に簡素化すれば、静電容量タイプの力覚センサにおいて、一層の低価格化を実現することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３５４０４９号公報
【０００６】
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、容量素子を含む起歪体の構造を簡素化することにより、従来よりも安価な静電容量タイプの力覚センサを提供することである。
【発明の開示】
【０００７】
本発明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うち少なくとも１つを検出するものであって、
Ｚ軸方向から見て原点Ｏを取り囲むように配置され、力ないしモーメントの作用によって弾性変形を生じる環状の変形体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、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検出回路と、を備え、
前記変形体は、ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された２つの固定部と、当該変形体の周方向において前記固定部と交互に位置付けられ、力ないしモーメントの作用を受ける、２つの受力部と、当該変形体の周方向において隣接する前記固定部と前記受力部との間に位置付けられた４つの変形部と、を有し、
各変形部は、Ｚ軸方向に膨出した湾曲部を有し、
前記検出回路は、前記湾曲部に生じる弾性変形に基づいて、前記電気信号を出力するようになっている。
【０００８】
本発明によれば、Ｚ軸方向に膨出した湾曲部を有する簡素な変形体によって、検出部位において、作用した力ないしモーメントに対応する変位をＺ軸方向に生じさせることができる。このため、容量素子を構成する一対の電極をＸＹ平面と平行に配置することがでるため、容量素子を構成することが容易である。つまり、従来の静電容量タイプの力覚センサでは、作用した力ないしモーメントに対応する変位がＺ軸と直交する方向に生じていたため、固定体の上面にＺ軸方向に延在する支持体を設けた上で、この支持体に対して他方の電極（固定電極）を設置しなければならず、構造がやや複雑であった。このような従来の電極の配置例に鑑みると、本発明の効果がより良く理解され得る。本発明によれば、以上のような簡素な構造が採用されていることにより、従来よりも安価な静電容量タイプの力覚センサを提供することができる。とりわけ、複数の容量素子を有する力覚センサにおいて、各一対の電極のうち固定電極（湾曲部に配置される変位電極に対向する電極）を、共通の基板を用いて構成することができる。更には、固定電極を、複数の容量素子に対応する共通の電極として構成することも可能である。
【０００９】
このような力覚センサは、ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された固定体と、
力ないしモーメントの作用によって、前記固定部に対して相対移動する受力体と、を更に備え、
前記変形体の前記固定部は、前記固定体に接続され、
前記変形体の前記受力部は、前記受力体に接続されている
というように構成されていても良い。
【００１０】
この場合、変形体に対して力ないしモーメントを作用させることが容易である。
【００１１】
前記固定体及び前記受力体には、Ｚ軸が挿通する貫通孔がそれぞれ形成されていて良い。この場合、力覚センサを軽量化することができ、更に、力覚センサの設置の自由度を高めることもできる。
【００１２】
前記２つの固定部は、Ｚ軸方向から見て、前記変形体がＸ軸と重なる部位にＹ軸に関して対称的に配置されており、
前記２つの受力部は、Ｚ軸方向から見て、前記変形体がＹ軸と重なる部位にＸ軸に関して対称的に配置されていて良い。
【００１３】
この場合、作用する力ないしモーメントを変形体に効果的に伝達することができる。
【００１４】
前記変形体は、Ｚ軸方向から見て、原点Ｏを中心とする円環の形状を有していて良い。
【００１５】
あるいは、前記変形体は、Ｚ軸方向から見て、原点Ｏを中心とする矩形の形状を有していて良い。
【００１６】
これらの場合、変形体がＸ軸及びＹ軸に関して対称的に配置されるため、作用した力ないしモーメントに起因して、変形体が対称的に変形する。このため、当該変形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が、容易である。
【００１７】
前記変形体の各湾曲部は、Ｚ軸負方向に膨出しており、
前記検出回路は、各湾曲部に１つずつ配置された合計４つの変位電極と、これらの変位電極に対向配置され、前記固定部に固定された固定電極と、を有し、
各変位電極と前記固定電極とは、４組の容量素子を構成し、
前記検出回路は、前記４組の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。
【００１８】
この場合、個々の容量素子の静電容量値の変動の組合せに着目することによって、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合計６つの成分のうち、複数の成分を検出することができる。
【００１９】
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４組の容量素子は、Ｚ軸方向から見て前記変形体がＶ軸及びＷ軸と交わる４つの部位に、１つずつ配置されていて良い。
【００２０】
この場合、容量素子がＸ軸及びＹ軸に関して対称的に配置されるため、特にＸ軸及びＹ軸に関して対称的な形状の変形体を作用した場合に、高い対称性をもって、各容量素子の静電容量値が変動する。このため、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極めて容易に計測することができる。
【００２１】
このような力覚センサにおいて、前記変形体の各湾曲部には、各１つの変形体側支持体が接続されており、
前記４つの変位電極は、それぞれ、対応する前記変形体側支持体によって支持されていて良い。
【００２２】
仮に変位電極が直接的に湾曲部に貼り付けられていれば、当該変位電極には、湾曲部の変形の影響によって反りが生じてしまうが、以上のような構成を採用すれば、変位電極に反りを生じさせることがないため、湾曲部に生じる弾性変形を効率的に容量素子の静電容量値の変動に変換することができる。
【００２３】
以上の力覚センサは、前記変形体の各湾曲部には、最もＺ軸負側に位置する部位にそれぞれ検出部位が規定されており、
前記変形体側支持体は、それぞれ、Ｚ軸方向から見て、当該変形体側支持体が接続された前記湾曲部の前記検出部位に重なるように配置された梁と、この梁の一端を前記検出部位とは異なる位置において前記湾曲部に接続する接続体と、を有し、
前記変位電極は、それぞれ、対応する前記変形体側支持体の前記梁によって支持されている
というように構成されていても良い。
【００２４】
この場合、梁が検出部位とは異なる位置において湾曲部に接続されているため、この梁によって支持された変位電極に生じる変位が増幅される。すなわち、ある大きさの力ないしモーメントが作用した場合に、このような力覚センサにおいて変位電極に生じる変位は、湾曲部の検出部位において変位電極が支持されている力覚センサにおいて当該変位電極に生じる変位よりも、大きい。このため、作用した力ないしモーメントに対する感度が高く、より精度の高い計測を行うことができる。
【００２５】
あるいは、次のような構成により、単一の力覚センサによって故障診断を行うことができる力覚センサを提供することができる。すなわち、前記変形体の各湾曲部は、Ｚ軸負方向に膨出しており、
前記検出回路は、各湾曲部に２つずつ配置された合計８つの変位電極と、これらの変位電極に対向配置され、前記固定部に固定された固定電極と、を有し、
前記変位電極と前記固定電極とは、８組の容量素子を構成し、
前記検出回路は、
前記変形体の各湾曲部に２つずつ配置された容量素子から各１つを選択した合計４つの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第１電気信号を出力し、且つ、残りの各１つを選択した合計４つの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第２電気信号を出力し、
前記第１電気信号及び前記第２電気信号に基づいて、前記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る。
【００２６】
このような力覚センサでは、前記検出回路は、前記第１電気信号と前記第２電気信号との差に基づいて、前記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、作用した力ないしモーメントを検出することができ、且つ、故障診断を行うことができる力覚センサを提供することができる。
【００２７】
あるいは、各湾曲部は、Ｚ軸負方向に膨出しており、第１バネ定数を有する第１湾曲部と前記第１バネ定数とは異なる第２バネ定数を有する第２湾曲部とが前記変形体の周方向に連接されて構成されており、
前記検出回路は、前記第１湾曲部及び前記第２湾曲部に１つずつ配置された合計８つの変位電極と、これらの変位電極に対向配置され、前記固定部に固定された固定電極と、を有し、
各変位電極と前記固定電極とは、８組の容量素子を構成し、
前記検出回路は、
前記第１湾曲部に配置された４つの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第１電気信号を出力し、且つ、前記第２湾曲部に配置された４つの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第２電気信号を出力し、
前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率の変化に基づいて、前記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。
【００２８】
具体的には、前記検出回路は、
前記力覚センサが正常に機能している状態における前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率を基準比率として記憶しており、
前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率と、前記基準比率と、の差、に基づいて前記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。
【００２９】
この場合、作用した力ないしモーメントを検出することができ、且つ、変形体に発現した金属疲労による故障をも診断可能な力覚センサを提供することができる。より詳細な故障診断の原理については、後述される。
【００３０】
以上の８つの容量素子を有する力覚センサにおいては、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、
ＸＹ平面の第１象限に配置された２つの前記変位電極は、正のＶ軸に関して対称的に配置されており、
ＸＹ平面の第２象限に配置された２つの前記変位電極は、正のＷ軸に関して対称的に配置されており、
ＸＹ平面の第３象限に配置された２つの前記変位電極は、負のＶ軸に関して対称的に配置されており、
ＸＹ平面の第４象限に配置された２つの前記変位電極は、負のＷ軸に関して対称的に配置されていて良い。
【００３１】
この場合、８つの容量素子がＸ、Ｙ、Ｖ、Ｗの各軸に関して対称的に配置されるため、作用した力ないしモーメントによって各容量素子に生じる静電容量値の変動量も対称的となる。このため、作用した力ないしモーメントの計測が容易である。
【００３２】
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円形の固定体と、
前記固定体を取り囲むと共に当該固定体に接続され、力ないしモーメントの作用により弾性変形を生じる円環状の変形体と、
前記変形体を取り囲むと共に当該変形体に接続され、力ないしモーメントの作用により前記固定体に対して相対移動する円環状の受力体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、前記受力体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、
前記固定体、前記変形体及び前記受力体は、互いに同心であるように配置され、
前記受力体のＺ軸正側の端面のＺ座標値は、前記変形体のＺ軸正側の端面のＺ座標値よりも大きく、
前記固定体のＺ軸負側の端面のＺ座標値は、前記変形体のＺ軸負側の端面のＺ座標値よりも小さく、
前記変形体は、前記固定体に接続された２つの固定部と、前記受力体に接続され、当該変形体の周方向において前記固定部と交互に位置付けられた２つの受力部と、隣接する前記固定部と前記受力部との間に位置付けられた４つの変形部と、を有している。
【００３３】
本発明の力覚センサによれば、容量素子を含む起歪体の構造を簡素化することにより、従来よりも安価な静電容量タイプの力覚センサを提供することである。更に、このような力覚センサは、ロボットの関節部分に装着された際に、当該力覚センサが他の部材と干渉することが無い。
【００３４】
各変形部は、Ｚ軸方向に膨出した湾曲部を有し、
前記検出回路は、前記湾曲部に生じる弾性変形に基づいて、前記電気信号を出力するようになっていて良い。
【００３５】
この場合、簡易な構成で、作用した力ないしモーメントによって弾性体にＺ軸方向の変位を生じさせることができるため、容量素子を構成する一対の電極の配置が容易である。
【００３６】
あるいは、各変形部は、前記変形体の径方向に膨出した湾曲部を有し、
前記検出回路は、前記湾曲部に生じる弾性変形に基づいて、前記電気信号を出力するようになっていても良い。
【００３７】
この場合、従来の変形体を用いても、ロボットの関節部分に装着された際に、他の部材と干渉することが無い力覚センサを提供することができる。
【００３８】
前記２つの固定部は、Ｚ軸方向から見て、前記変形体がＸ軸と重なる部位にＹ軸に関して対称的に配置されており、
前記２つの受力部は、Ｚ軸方向から見て、前記変形体がＹ軸と重なる部位にＸ軸に関して対称的に配置されていて良い。
【００３９】
この場合、作用する力ないしモーメントを変形体に効果的に伝達することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施の形態による力覚センサの基本構造を示す概略斜視図である。
【図２】図１の基本構造を示す概略平面図である。
【図３】図２の［３］−［３］線断面図である。
【図４】図１の基本構造に対してＸ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用したときに、各湾曲部に生じる弾性変形を説明するための概略平面図である。
【図５】図４の概略断面図である。図５（ａ）は、図４の［５ａ］−［５ａ］線断面図であり、図５（ｂ）は、図４の［５ｂ］−［５ｂ］線断面図である。
【図６】図１の基本構造に対してＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用したときに、各湾曲部に生じる弾性変形を説明するための概略平面図である。
【図７】図６の概略断面図である。図７（ａ）は、図６の［７ａ］−［７ａ］線断面図であり、図７（ｂ）は、図６の［７ｂ］−［７ｂ］線断面図である。
【図８】図１の基本構造に対してＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用したときに、各湾曲部に生じる弾性変形を説明するための概略平面図である。
【図９】図８の概略断面図である。図９（ａ）は、図８の［９ａ］−［９ａ］線断面図であり、図９（ｂ）は、図８の［９ｂ］−［９ｂ］線断面図である。
【図１０】図１の基本構造に対してＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときに、各湾曲部に生じる弾性変形を説明するための概略平面図である。
【図１１】図１０の概略断面図である。図１１（ａ）は、図１０の［１１ａ］−［１１ａ］線断面図であり、図１１（ｂ）は、図１０の［１１ｂ］−［１１ｂ］線断面図である。
【図１２】図１の基本構造を利用した力覚センサを示す概略平面図である。
【図１３】図１２の［１３］−［１３］線断面図である。
【図１４】図１２の力覚センサに対して、力ないしモーメントが作用した時に各容量素子に生じる静電容量値の変動を示す図表である。
【図１５】本発明の第２の実施の形態による力覚センサの概略平面図である。
【図１６】図１５の［１６］−［１６］線断面図である。
【図１７】図１５の［１７］−［１７］線断面図である。
【図１８】図１５に示す力覚センサの第１受力部に対してＸ軸負方向の力が作用したときの第１容量素子Ｃ１を示す概略断面図である。
【図１９】図１５に示す力覚センサの第１受力部に対してＸ軸正方向の力が作用したときの第１容量素子Ｃ１を示す部分的な概略断面図である。
【図２０】図１５に示す力覚センサの第１受力部に対してＺ軸正方向の力が作用したときの第１容量素子Ｃ１を示す部分的な概略断面図である。
【図２１】図１５に示す力覚センサの第１受力部に対してＺ軸負方向の力が作用したときの第１容量素子Ｃ１を示す部分的な概略断面図である。
【図２２】図１５に示す力覚センサの第１受力部に対してＸ軸負方向の力が作用したときの第２容量素子Ｃ２を示す部分的な概略断面図である。
【図２３】図１５に示す力覚センサの第１受力部に対してＸ軸正方向の力が作用したときの第２容量素子Ｃ２を示す部分的な概略断面図である。
【図２４】図１５に示す力覚センサの第１受力部に対してＺ軸正方向の力が作用したときの第２容量素子Ｃ２を示す部分的な概略断面図である。
【図２５】図１５に示す力覚センサの第１受力部に対してＺ軸負方向の力が作用したときの第２容量素子Ｃ２を示す部分的な概略断面図である。
【図２６】本発明の第３の実施の形態による力覚センサの概略平面図である。
【図２７】図２６の［２７］−［２７］線断面図である。
【図２８】図２６の［２８］−［２８］線断面図である。
【図２９】図２６の力覚センサに対して、力ないしモーメントが作用した時に各容量素子に生じる静電容量値の変動を示す図表である。
【図３０】本発明の第４の実施の形態による力覚センサの概略平面図である。
【図３１】図３０の［３１］−［３１］線断面図である。
【図３２】図３０の［３２］−［３２］線断面図である。
【図３３】図３０の力覚センサに対して、力ないしモーメントが作用した時に各容量素子に生じる静電容量値の変動を示す図表である。
【図３４】図３０に示す力覚センサに金属疲労が生じていない状態（初期状態）において、当該力覚センサに作用するＸ軸まわりのモーメントＭｘの大きさと、当該力覚センサから出力される電気信号と、の関係を示すグラフである。
【図３５】図３０の力覚センサに金属疲労が生じている状態において、力覚センサに作用するＸ軸まわりのモーメントＭｘの大きさと、当該力覚センサから出力される電気信号と、の関係を示すグラフである。
【図３６】本発明の第５の実施の形態による力覚センサの基本構造を示す概略平面図である。
【図３７】図３６の［３７］−［３７］線断面図である。
【図３８】図３６の基本構造の変形例を示す概略平面図である。
【図３９】図３８の［３９］−［３９］線断面図である。
【図４０】図３８の基本構造を用いた力覚センサの一例を示す概略平面図である。
【図４１】矩形の変形体を示す概略平面図である。
【図４２】図４１の概略断面図である。図４２（ａ）は、図４１の［４２ａ］−［４２ａ］線断面図であり、図４２（ｂ）は、図４１の［４２ｂ］−［４２ｂ］線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
＜＜＜  §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。
【００４２】
＜  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を示す概略斜視図であり、図２は、図１の基本構造１を示す概略平面図であり、図３は、図２の［３］−［３］線断面図である。図２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。本明細書では、Ｚ軸正方向を上方向と呼び、Ｚ軸負方向を下方向と呼ぶこととする。また、本明細書では、Ｘ軸正まわりとは、右ねじをＸ軸正方向に前進させるために当該右ねじを回転させる回転方向を意味し、Ｘ軸負まわりとは、その逆の回転方向を意味することとする。このような回転方向の規定の仕方は、Ｙ軸まわり及びＺ軸まわりについても、同様とする。
【００４３】
図１乃至図３に示すように、基本構造１は、ＸＹ平面と平行な上面を有する円盤状の固定体１０と、力ないしモーメントの作用を受けることにより固定体１０に対して相対移動する円盤状の受力体２０と、固定体１０及び受力体２０に接続され、固定体１０に対する受力体２０の相対移動によって弾性変形を生じる円環状の変形体４０と、を備えている。固定体１０、受力体２０及び変形体４０は、互いに同心であり、同一の外径を有している。なお、図２では、変形体４０を明確に図示するため、受力体２０の図示を省略してある。
【００４４】
本実施の形態による基本構造１は、変形体４０と固定体１０との間に形成されている間隙の所定位置に容量素子を配置し、この容量素子に所定の検出回路５０（図１２参照）を接続することにより、力覚センサとして機能することになる。検出回路５０は、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計測するためのものである。容量素子の具体的な配置態様、及び、作用した力ないしモーメントを計測するための具体的な方法は、後述される。
【００４５】
図１及び図２に示すように、変形体４０は、全体として、ＸＹＺ三次元座標系の原点Ｏを中心とし、ＸＹ平面と平行に配置された円環の形状を有している。ここでは、図３に示すように、変形体４０のＺ軸方向の厚みの半分の位置にＸＹ平面が存在していることとする。図３に示すように、本実施の形態の変形体４０は、正方形の断面形状を有している。変形体４０の材質としては、例えば金属が採用され得る。図２に示すように、変形体４０は、正のＸ軸上に位置する第１固定部４１と、負のＸ軸上に位置する第２固定部４２と、正のＹ軸上に位置する第１受力部４３と、負のＹ軸上に位置する第２受力部４４と、を有している。後述されるように、各固定部４１、４２及び各受力部４３、４４は、変形体４０のうち固定体１０及び受力体２０が接続される領域であって、変形体４０の他の領域と異なる特性を有する部位ではない。したがって、各固定部４１、４２及び各受力部４３、４４の材質は、変形体４０の他の領域と同一である。但し、説明の便宜上、図面においては、変形体４０の他の領域とは異なる色で示してある。
【００４６】
図１乃至図３に示すように、変形体４０は、更に、第１固定部４１と第１受力部４３との間（ＸＹ平面の第１象限）に位置する第１変形部４５と、第１受力部４３と第２固定部４２との間（ＸＹ平面の第２象限）に位置する第２変形部４６と、第２固定部４２と第２受力部４４との間（ＸＹ平面の第３象限）に位置する第３変形部４７と、第２受力部４４と第１固定部４１との間（ＸＹ平面の第４象限）に位置する第４変形部４８と、を有している。各変形部４５〜４８の両端は、隣接する固定部４１、４２及び受力部４３、４４にそれぞれ一体的に連結されている。このような構造によって、受力部４３，４４に作用した力ないしモーメントが確実に各変形部４５〜４８に伝達され、これによって、当該作用した力ないしモーメントに応じた弾性変形が各変形部４５〜４８に生じるようになっている。
【００４７】
図１及び図３に示すように、基本構造１は、固定体１０と変形体４０とを接続する第１接続部材３１及び第２接続部材３２と、受力体２０と変形体４０とを接続する第３接続部材３３及び第４接続部材３４と、を更に有している。第１接続部材３１は、第１固定部４１の下面（図３における下方の面）と固定体１０の上面とを互いに接続し、第２接続部材３２は、第２固定部４２の下面と固定体１０の上面とを互いに接続している。第３接続部材３３は、第１受力部４３の上面（図３における上方の面）と受力体２０の下面とを互いに接続し、第４接続部材３４は、第２受力部４４の上面と受力体２０の下面とを互いに接続している。各接続部材３１〜３４は、実質的に剛体とみなせる程度の剛性を有している。このため、受力体２０に作用した力ないしモーメントは、効果的に各変形部４５〜４８に弾性変形を生じさせることになる。
【００４８】
更に、図１及び図３に示すように、変形体４０の各変形部４５〜４８は、Ｚ軸負方向に膨出するように湾曲した湾曲部４５ｃ〜４８ｃを有している。図示される例では、各変形部４５〜４８が全体として湾曲部４５ｃ〜４８ｃを形成している。このため、図１乃至図３では、変形部の符号４５〜４８と湾曲部の符号４５ｃ〜４８ｃとを併記してある。このことは、後述される他の実施の形態でも同様である。本実施の形態の変形体４０では、図３に示すように、第１湾曲部４５ｃのうち最も下方（Ｚ軸負方向）に位置する部位が、第１固定部４１から変形体４０の周方向に沿って反時計回りに４５°だけ周回した位置に存在している。そして、第１湾曲部４５ｃの、第１固定部４１から前記最も下方に位置する部位第に至るまでの形状は、第１受力部４３から前記最も下方に位置する部位に至るまでの形状と同一である。換言すれば、第１湾曲部４５ｃは、変形体４０の周方向において、前記最も下方に位置する部位に関して対称的な形状を有している。
【００４９】
このことは、残りの３つの湾曲部４６ｃ、４７ｃ、４８ｃにおいても、同様である。すなわち、第２湾曲部４６ｃは、最も下方に位置する部位が第１受力部４３から変形体４０の周方向に沿って反時計回りに４５°だけ周回した位置に存在しており、且つ、変形体４０の周方向においてこの最も下方に位置する部位に関して対称的な形状を有している。第３湾曲部４７ｃは、最も下方に位置する部位が第２固定部４２から変形体４０の周方向に沿って反時計回りに４５°だけ周回した位置に存在しており、且つ、変形体４０の周方向においてこの最も下方に位置する部位に関して対称的な形状を有している。第４湾曲部４８ｃは、最も下方に位置する部位が第２受力部４４から変形体４０の周方向に沿って反時計回りに４５°だけ周回した位置に存在しており、変形体４０の周方向においてこの最も下方に位置する部位に関して対称的な形状を有している。
【００５０】
結局、図２に示すように、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軸を定義すると、第１湾曲部４５ｃは、正のＶ軸に関して対称的であり、第２湾曲部４６ｃは、正のＷ軸に関して対称的であり、第３湾曲部４７ｃは、負のＶ軸に関して対称的であり、第４湾曲部４８ｃは、負のＷ軸に関して対称的である。
【００５１】
図２及び図３に示すように、基本構造１には、各湾曲部４５ｃ〜４８ｃの最も下方に位置する部位に、すなわちＺ軸方向から見て各湾曲部４５ｃ〜４８ｃがＶ軸及びＷ軸と重なる部位に、当該各湾曲部４５ｃ〜４８ｃに生じる弾性変形を検出するための検出部位Ａ１〜Ａ４が規定されている。なお、図２では、検出部位Ａ１〜Ａ４が変形体４０の上面（手前側の面）に設けられているように示されているが、実際は、変形体４０の下面（奥側の面）に設けられている（図３参照）。
【００５２】
＜  １−２．  基本構造の作用  ＞
次に、このような基本構造１の作用について説明する。
【００５３】
（１−２−１．  基本構造１にＸ軸まわりのモーメントＭｘが作用した場合）
図４は、図１の基本構造１に対してＸ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用したときに、各湾曲部４５ｃ〜４８ｃに生じる弾性変形を説明するための概略平面図である。また、図５は、図４の概略断面図である。図５（ａ）は、図４の［５ａ］−［５ａ］線断面図であり、図５（ｂ）は、図４の［５ｂ］−［５ｂ］線断面図である。なお、図４及び図５において、黒塗りの太い矢印は、作用する力ないしモーメントを示しており、白抜きの太い矢印は、検出部位Ａ１〜Ａ４の変位の方向を示している。このことは、他の図においても同様である。
【００５４】
図４に示すように、受力体２０（図１及び図３参照）を介して基本構造１にＸ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用すると、変形体４０の第１受力部４３に対してＺ軸正方向（図５（ａ）における上方向）の力が作用し、第２受力部４４に対してＺ軸負方向（図５（ｂ）における下方向）の力が作用する。図４において、第１受力部４３に付されている、黒点を丸で囲んだ記号は、Ｚ軸負方向からＺ軸正方向に向かって力が作用することを示しており、第２受力部４４に付されている、×印を丸で囲んだ記号は、Ｚ軸正方向からＺ軸負方向に向かって力が作用することを示している。これらの記号の意味は、図６、図８及び図１０においても同様である。
【００５５】
このとき、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、第１〜第４湾曲部４５ｃ〜４８ｃには次のような弾性変形が生じる。すなわち、第１受力部４３に作用するＺ軸正方向の力によって当該第１受力部４３が上方に移動するため、第１湾曲部４５ｃ及び第２湾曲部４６ｃのうち第１受力部４３に連結されている端部が上方に移動させられる。これにより、図５（ａ）に示すように、第１湾曲部４５ｃ及び第２湾曲部４６ｃは、第１及び第２固定部４１、４２に連結されている端部を除き、全体的に上方に移動する。すなわち、第１検出部位Ａ１及び第２検出部位Ａ２は、共に上方に移動する。他方、第２受力部４４に作用するＺ軸負方向の力によって当該第２受力部４４が下方に移動するため、第３湾曲部４７ｃ及び第４湾曲部４８ｃのうち第２受力部４４に連結されている端部が下方に移動させられる。これにより、図５（ｂ）に示すように、第３湾曲部４７ｃ及び第４湾曲部４８ｃは、第１及び第２固定部４１、４２に連結されている端部を除き、全体的に下方に移動する。すなわち、第３検出部位Ａ３及び第４検出部位Ａ４は、共に下方に移動する。
【００５６】
このような移動は、図４においては、各検出部位Ａ１〜Ａ４の位置に、丸で囲んだ「＋」または「−」の記号を付して表されている。すなわち、丸で囲んだ「＋」の記号が付された検出部位は、湾曲部の弾性変形によってＺ軸正方向に変位し、丸で囲んだ「−」の記号が付された検出部位は、湾曲部の弾性変形によってＺ軸負方向に変位する。このことは、図６、図８及び図１０においても同様である。
【００５７】
結局、基本構造１の受力体２０に対してＸ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用すると、第１及び第２検出部位Ａ１、Ａ２と固定体１０（図３参照）の上面との離間距離は、共に増大し、第３及び第４検出部位Ａ３、Ａ４と固定体１０の上面との離間距離は、共に減少する。
【００５８】
図示されていないが、基本構造１の受力体２０にＸ軸負まわりのモーメント−Ｍｘが作用した場合には、各検出部位Ａ１〜Ａ４の移動方向は、上述した方向とは逆になる。すなわち、Ｘ軸負まわりのモーメント−Ｍｘの作用によって、第１及び第２検出部位Ａ１、Ａ２と固定体１０（図２参照）の上面との離間距離は、共に減少し、第３及び第４検出部位Ａ３、Ａ４と固定体１０の上面との離間距離は、共に増大する。
【００５９】
（１−２−２．  基本構造１にＹ軸まわりのモーメントＭｙが作用した場合）
図６は、図１の基本構造１に対してＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用したときに、各湾曲部４５ｃ〜４８ｃに生じる弾性変形を説明するための概略平面図である。また、図７は、図６の概略断面図である。図７（ａ）は、図６の［７ａ］−［７ａ］線断面図であり、図７（ｂ）は、図６の［７ｂ］−［７ｂ］線断面図である。
【００６０】
図６及び図７に示すように、受力体２０（図１及び図３参照）を介して基本構造１に対してＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用すると、変形体４０の第１及び第２受力部４３、４４のＸ軸負側の領域にはＺ軸正方向の力が作用し、第１及び第２受力部４３、４４のＸ軸正側の領域にはＺ軸負方向の力が作用する。
【００６１】
このとき、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、第１〜第４湾曲部４５ｃ〜４８ｃには次のような弾性変形が生じる。すなわち、第１受力部４３のＸ軸正側（図７（ａ）における右側）に作用するＺ軸負方向の力によって当該Ｘ軸正側の領域が下方に移動するため、第１湾曲部４５ｃのうち第１受力部４３に連結されている端部が下方に移動させられる。これにより、図７（ａ）に示すように、第１湾曲部４５ｃは、第１固定部４１に連結されている端部を除き、全体的に下方に移動する。すなわち、第１検出部位Ａ１は、下方に移動する。他方、第１受力部４３のＸ軸負側（図７（ａ）における左側）に作用するＺ軸正方向の力によって当該Ｘ軸負側の領域が上方に移動するため、第２湾曲部４６ｃのうち第１受力部４３に連結されている端部が上方に移動する。これにより、図７（ａ）に示すように、第２湾曲部４６ｃは、第２固定部４２に連結されている端部を除き、全体的に上方に移動する。すなわち、第２検出部位Ａ２は、上方に移動する。
【００６２】
また、図７（ｂ）に示すように、第２受力部４４のＸ軸負側（図７（ｂ）における右側）に作用するＺ軸正方向の力によって当該Ｘ軸負側の領域が上方に移動するため、第３湾曲部４７ｃのうち第２受力部４４に連結されている端部が上方に移動させられる。これにより、図７（ｂ）に示すように、第３湾曲部４７ｃは、第２固定部４２に連結されている端部を除き、全体的に上方に移動する。すなわち、第３検出部位Ａ３は、上方に移動する。
【００６３】
他方、図７（ｂ）に示すように、第２受力部４４のＸ軸正側（図７（ｂ）における左側）に作用するＺ軸負方向の力によって当該Ｘ軸正側の領域が下方に移動するため、第４湾曲部４８ｃのうち第２受力部４４に連結されている端部が下方に移動させられる。これにより、図７（ｂ）に示すように、第４湾曲部４８ｃは、第１固定部４１に連結されている端部を除き、全体的に下方に移動する。すなわち、第４検出部位Ａ４は、下方に移動する。
【００６４】
結局、基本構造１の受力体２０に対してＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用すると、第１及び第４検出部位Ａ１、Ａ４と固定体１０（図３参照）の上面との離間距離は、共に減少し、第２及び第３検出部位Ａ２、Ａ３と固定体１０の上面との離間距離は、共に増大する。
【００６５】
図示されていないが、基本構造１の受力体２０にＹ軸負まわりのモーメント−Ｍｙが作用した場合には、各検出部位Ａ１〜Ａ４の移動方向は、上述した方向とは逆になる。すなわち、Ｙ軸負まわりのモーメント−Ｍｙの作用によって、第１及び第４検出部位Ａ１、Ａ４と固定体１０（図３参照）の上面との離間距離は、共に増大し、第２及び第３検出部位Ａ２、Ａ３と固定体１０の上面との離間距離は、共に減少する。
【００６６】
（１−２−３．  基本構造１にＺ軸まわりのモーメントＭｚが作用した場合）
図８は、図１の基本構造１に対してＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用したときに、各湾曲部４５ｃ〜４８ｃに生じる弾性変形を説明するための概略平面図である。また、図９は、図８の概略断面図である。図９（ａ）は、図８の［９ａ］−［９ａ］線断面図であり、図９（ｂ）は、図８の［９ｂ］−［９ｂ］線断面図である。
【００６７】
図８に示すように、受力体２０（図１及び図３参照）を介して基本構造１に対してＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用すると、変形体４０の第１受力部４３に対してＸ軸負方向（図８における左方向）の力が作用し、第２受力部４４に対してＸ軸正方向（図８における右方向）の力が作用する。
【００６８】
このとき、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、第１〜第４湾曲部４５ｃ〜４８ｃには次のような弾性変形が生じる。すなわち、第１受力部４３に作用するＸ軸負方向の力によって当該第１受力部４３がＸ軸負方向に移動するため、第１湾曲部４５ｃには、Ｘ軸方向に沿った引張力が作用する。これにより、第１湾曲部４５ｃは、その両端部のＺ座標値を維持したまま曲率半径が大きくなるように弾性変形する。すなわち、第１検出部位Ａ１は、上方に移動する。他方、第１受力部４３がＸ軸負方向に移動することにより、第２湾曲部４６ｃには、Ｘ軸方向に沿った圧縮力が作用する。これにより、第２湾曲部４６ｃは、その両端部のＺ座標値を維持したまま曲率半径が小さくなるように弾性変形する。すなわち、第２検出部位Ａ２は、下方に移動する。
【００６９】
また第２受力部４４に作用するＸ軸正方向の力によって当該第２受力部４４がＸ軸正方向に移動するため、第３湾曲部４７ｃには、Ｘ軸方向に沿った引張力が作用する。これにより、第３湾曲部４７ｃは、その両端部のＺ座標値を維持したまま曲率半径が大きくなるように弾性変形する。すなわち、第３検出部位Ａ３は、上方に移動する。他方、第２受力部４４がＸ軸正方向に移動することにより、第４湾曲部４８ｃには、Ｘ軸方向に沿った圧縮力が作用する。これにより、第４湾曲部４８ｃは、その両端部のＺ座標値を維持したまま曲率半径が小さくなるように弾性変形する。すなわち、第４検出部位Ａ４は、下方に移動する。
【００７０】
結局、基本構造１の受力体２０に対してＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用すると、第１及び第３検出部位Ａ１、Ａ３と固定体１０の上面との離間距離は、共に増大し、第２及び第４検出部位Ａ２、Ａ４と固定体１０（図２参照）の上面との離間距離は、共に減少する。
【００７１】
図示されていないが、基本構造１の受力体２０にＺ軸負まわりのモーメント−Ｍｚが作用した場合には、各検出部位Ａ１〜Ａ４の移動方向は、上述した方向とは逆になる。すなわち、Ｚ軸負まわりのモーメント−Ｍｚの作用によって、第１及び第３検出部位Ａ１、Ａ３と固定体１０の上面との離間距離は、共に減少し、第２及び第４検出部位Ａ２、Ａ４と固定体１０（図２参照）の上面との離間距離は、共に増大する。
【００７２】
（１−２−４．  基本構造１にＺ方向の力Ｆｚが作用した場合）
次に、図１０は、図１の基本構造１に対してＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときに、各湾曲部４５ｃ〜４８ｃに生じる弾性変形を説明するための概略平面図である。また、図１１は、図１０の概略断面図である。図１１（ａ）は、図１０の［１１ａ］−［１１ａ］線断面図であり、図１１（ｂ）は、図１０の［１１ｂ］−［１１ｂ］線断面図である。
【００７３】
図１０及び図１１に示すように、受力体２０（図１及び図３参照）を介して基本構造１に対してＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すると、変形体４０の第１及び第２受力部４３、４４にはＺ軸正方向の力が作用する。
【００７４】
このとき、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示すように、第１〜第４各湾曲部４５ｃ〜４８ｃには次のような弾性変形が生じる。すなわち、第１及び第２受力部４３、４４に作用するＺ軸正方向の力によって各受力部４３、４４が上方に移動するため、各湾曲部４５ｃ〜４８ｃのうち第１及び第２受力部４３、４４に連結されている各端部が上方に移動させられる。これにより、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示すように、各検出部位Ａ１〜Ａ４は、上方に移動する。
【００７５】
結局、基本構造１の受力体２０に対してＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すると、第１〜第４検出部位Ａ１〜Ａ４と固定体１０（図２参照）の上面との離間距離は、全て増大する。
【００７６】
図示されていないが、基本構造１の受力体２０にＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用した場合には、各検出部位Ａ１〜Ａ４の移動方向は、上述した方向とは逆になる。すなわち、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚの作用によって、第１〜第４検出部位Ａ１〜Ａ４と固定体１０（図２参照）の上面との離間距離は、全て減少する。
【００７７】
＜  １−３．  容量素子型の力覚センサ  ＞
（１−３−１．  力覚センサの構成）
§１−１．及び§１−２．において詳述した基本構造１は、容量素子型の力覚センサ１ｃとして好適に使用することができる。ここでは、このような力覚センサ１ｃについて、以下詳細に説明する。
【００７８】
図１２は、図１の基本構造１を利用した力覚センサ１ｃを示す概略平面図であり、図１３は、図１２の［１３］−［１３］線断面図である。なお、図１３では、変形体４０を明確に図示するため、受力体２０の図示を省略してある。
【００７９】
図１２及び図１３に示すように、力覚センサ１ｃは、図１の基本構造１の検出部位Ａ１〜Ａ４に、各１つの容量素子Ｃ１〜Ｃ４が配置されることにより、構成されている。具体的には、図１３に示すように、力覚センサ１ｃは、第１検出部位Ａ１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、固定体１０に対して相対移動しない第１固定電極Ｅｆ１と、を有している。これらの電極Ｅｍ１、Ｅｆ１は、第１容量素子Ｃ１を構成している。更に、図１３に示すように、力覚センサ１ｃは、第２検出部位Ａ２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、固定体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。これらの電極Ｅｍ２、Ｅｆ２は、第２容量素子Ｃ２を構成している。
【００８０】
図示されていないが、力覚センサ１ｃは、第３検出部位Ａ３に配置された第３変位電極Ｅｍ３と、第３変位電極Ｅｍ３に対向して配置され、固定体１０に対して相対移動しない第３固定電極Ｅｆ３と、第４検出部位Ａ４に配置された第４変位電極Ｅｍ４と、第４変位電極Ｅｍ４に対向して配置され、固定体１０に対して相対移動しない第４固定電極Ｅｆ４と、を有している。電極Ｅｍ３及び電極Ｅｆ３は、第３容量素子Ｃ３を構成しており、電極Ｅｍ４及び電極Ｅｆ４は、第４容量素子Ｃ４を構成している。
【００８１】
図１３から理解されるように、各変位電極Ｅｍ１〜Ｅｍ４は、対応する検出部位Ａ１〜Ａ４に支持された第１〜第４変形体側支持体６１〜６４の下面に、第１〜第４変位基板Ｉｍ１〜Ｉｍ４を介して支持されている。更に、各固定電極Ｅｆ１〜Ｅｆ４は、固定体１０の上面に固定された固定体側支持体７１〜７４の上面に、第１〜第４固定基板Ｉｆ１〜Ｉｆ４を介して支持されている。各変位電極Ｅｍ１〜Ｅｍ４は、全て同一の面積であり、各固定電極Ｅｆ１〜Ｅｆ４も、全て同一の面積である。但し、力ないしモーメントの作用によって各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の実効対向面積が一定の値を維持するようにするための工夫として、変位電極Ｅｍ１〜Ｅｍ４の電極面積は、固定電極Ｅｆ１〜Ｅｆ４の電極面積よりも大きく構成されている。この点については、後に詳述される。初期状態において、容量素子Ｃ１〜Ｃ４を構成する各１組の電極の実効対向面積及び離間距離は、全て同一である。
【００８２】
更に、図１２及び図１３に示すように、力覚センサ１ｃは、変形体４０の各湾曲部４５ｃ〜４８ｃに生じる弾性変形に基づいて、受力体２０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５０を有している。図１２及び図１３では、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４と検出回路５０とを電気的に接続する配線は、図示が省略されている。
【００８３】
固定体１０、受力体２０及び変形体４０が金属などの導電材料で構成されている場合、各電極がショートしないように、第１〜第４変位基板Ｉｍ１〜Ｉｍ４及び第１〜第４固定基板Ｉｆ１〜Ｉｆ４は、絶縁体で構成される必要がある。
【００８４】
（１−３−２．  力覚センサ１ｃにＸ軸まわりのモーメントＭｘが作用したときの、各容量素子の静電容量値の変動について）
次に、図１４は、図１２の力覚センサ１ｃに対して、力ないしモーメントが作用した時に各容量素子Ｃ１〜Ｃ４に生じる静電容量値の変動を示す図表である。
【００８５】
まず、本実施の形態による力覚センサ１ｃに対して、Ｘ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用すると、§１−２−１にて説明した各検出部位Ａ１〜Ａ４の挙動から理解されるように、第１容量素子Ｃ１及び第２容量素子Ｃ２を構成する電極間の離間距離が、共に増大する。このため、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。他方、第３容量素子Ｃ３及び第４容量素子Ｃ４を構成する電極間の離間距離は、共に減少する。このため、第３容量素子Ｃ３及び第４容量素子Ｃ４の静電容量値は、共に増大する。各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変動は、図１４の「Ｍｘ」の欄に纏めて示されている。この図表において、「＋」は、静電容量値が増大することを示しており、「−」は、静電容量値が減少することを示している。なお、力覚センサ１ｃにＸ軸負まわりのモーメント−Ｍｘが作用すると、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変動は、上述した変動とは逆になる（図１４のＭｘの欄に示す符号が全て逆になる）。
【００８６】
（１−３−３．  力覚センサ１ｃにＹ軸まわりのモーメントＭｙが作用したときの、各容量素子の静電容量値の変動について）
次に、本実施の形態による力覚センサ１ｃに対して、Ｙ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用すると、§１−２−２にて説明した各検出部位Ａ１〜Ａ４の挙動から理解されるように、第１容量素子Ｃ１及び第４容量素子Ｃ４を構成する電極間の離間距離が、共に減少する。このため、第１容量素子Ｃ１及び第４容量素子Ｃ４の静電容量値は、共に増大する。他方、第２容量素子Ｃ２及び第３容量素子Ｃ３を構成する電極間の離間距離は、共に増大する。このため、第２容量素子Ｃ２及び第３容量素子Ｃ３の静電容量値は、共に減少する。各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変動は、図１４の「Ｍｙ」の欄に纏めて示されている。なお、力覚センサ１ｃにＹ軸負まわりのモーメント−Ｍｙが作用すると、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変動は、上述した変動とは逆になる（図１４のＭｙの欄に示す符号が全て逆になる）。
【００８７】
（１−３−４．  力覚センサ１ｃにＺ軸まわりのモーメントＭｚが作用したときの、各容量素子の静電容量値の変動について）
次に、本実施の形態による力覚センサ１ｃに対して、Ｚ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用すると、§１−２−３にて説明した各検出部位Ａ１〜Ａ４の挙動から理解されるように、第１容量素子Ｃ１及び第３容量素子Ｃ３を構成する電極間の離間距離は、共に増大する。このため、第１容量素子Ｃ１及び第３容量素子Ｃ３の静電容量値は、共に減少する。他方、第２容量素子Ｃ２及び第４容量素子Ｃ４を構成する電極間の離間距離は、共に減少する。このため、第２容量素子Ｃ２及び第４容量素子Ｃ４の静電容量値は、共に増大する。各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変動は、図１４の「Ｍｚ」の欄に纏めて示されている。なお、力覚センサ１ｃにＺ軸負まわりのモーメント−Ｍｚが作用すると、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変動は、上述した変動とは逆になる（図１４のＭｚの欄に示す符号が全て逆になる）。
【００８８】
（１−３−５．  力覚センサ１ｃにＺ軸方向の力Ｆｚが作用したときの、各容量素子の静電容量値の変動について）
次に、本実施の形態による力覚センサ１ｃに対して、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すると、§１−２−４にて説明した各検出部位Ａ１〜Ａ４の挙動から理解されるように、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４を構成する電極間の離間距離は、全て増大する。このため、容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値は、全て減少する。各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変動は、図１４の「Ｆｚ」の欄に纏めて示されている。なお、力覚センサ１ｃにＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用すると、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変動は、上述した変動とは逆になる（図１４のＦｚの欄に示す符号が全て逆になる）。
【００８９】
（１−３−６．  作用した力ないしモーメントの算出方法）
以上のような容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変動に鑑み、検出回路５０は、次の［式１］を用いて力覚センサ１ｃに作用したモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚ及び力Ｆｚを算出する。［式１］において、Ｃ１〜Ｃ４は、第１〜第４容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変動量を示している。
［式１］
Ｍｘ＝−Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４
Ｍｙ＝Ｃ１−Ｃ２−Ｃ３＋Ｃ４
Ｍｚ＝−Ｃ１＋Ｃ２−Ｃ３＋Ｃ４
Ｆｚ＝−（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４）
なお、力覚センサ１ｃに作用した力ないしモーメントが負方向である場合には、左辺のＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚ及びＦｚに代えて、−Ｍｘ、−Ｍｙ、−Ｍｚ及び−Ｆｚとすれば良い。
【００９０】
以上のような本実施の形態による力覚センサ１ｃによれば、Ｚ軸方向に膨出した湾曲部４５ｃ〜４８ｃを有する簡素な変形体４０によって、検出部位Ａ１〜Ａ４において、作用した力ないしモーメントに対応する変位をＺ軸方向に生じさせることができる。このため、容量素子Ｃ１〜Ｃ４を構成する一対の電極のうち一方を検出部位Ａ１〜Ａ４に、他方を例えば固定体１０の上面に、それぞれ配置して良いため、容量素子Ｃ１〜Ｃ４を構成することが容易である。したがって、本実施の形態によれば、このような簡素な構造が採用されていることにより、従来よりも安価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。
【００９１】
力覚センサ１ｃでは、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、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４が、Ｚ軸方向から見てＶ軸及びＷ軸に重なる４つの部位に１つずつ配置されている。したがって、容量素子Ｃ１〜Ｃ４がＸ軸及びＹ軸に関して対称的に配置されているため、高い対称性をもって各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値が変動することになる。このため、容量素子Ｃ１〜Ｃ４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極めて容易に計測することができる。
【００９２】
以上の説明においては、４つの容量素子Ｃ１〜Ｃ４は、個別の固定基板Ｉｆ１〜Ｉｆ４及び個別の固定電極Ｅｆ１〜Ｅｆ４を有していた。しかしながら、他の実施の形態においては、固定基板を４つの容量素子で共通となるように構成し、その固定基板上に個別の固定電極を設けても良い。あるいは、固定基板及び固定電極を４つの容量素子で共通となるように構成しても良い。これらのような構成によっても、前述した力覚センサ１ｃと同様にして、力ないしモーメントを計測することができる。なお、これらの構成は、後述される各実施の形態に対しても適用可能である。
【００９３】
また、力覚センサ１ｃは、変形体４０の断面形状が変更されることにより、作用する力ないしモーメントに対する感度が変化する。具体的には、次の通りである。すなわち、本実施の形態では、変形体４０の断面形状が正方形であった（図３参照）が、この断面形状を、Ｚ軸方向に長い縦長の長方形にすると、Ｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙ及びＺ軸方向の力Ｆｚに対する感度が、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚに対する感度よりも相対的に低くなる。その一方、変形体４０の断面形状を、当該変形体４０の径方向に長い横長の長方形にすると、先の場合とは逆に、Ｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙ及びＺ軸方向の力Ｆｚに対する感度が、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚに対する感度よりも相対的に高くなる。
【００９４】
あるいは、力覚センサ１ｃは、湾曲部４５ｃ〜４８ｃの曲率半径（湾曲の度合い）が変更されることによっても、作用する力ないしモーメントに対する感度が変化する。具体的には、湾曲部４５ｃ〜４８ｃの曲率半径が小さくされると（湾曲の度合いが大きくされると）、作用する力ないしモーメントに対する感度が高くなる。その一方、湾曲部４５ｃ〜４８ｃの曲率半径が大きくされると（湾曲の度合いが小さくされると）、作用する力ないしモーメントに対する感度が低くなる。
【００９５】
以上のような変形体４０の断面形状及び湾曲部４５ｃ〜４８ｃの曲率半径と、力ないしモーメントに対する感度と、の関係を考慮することにより、力覚センサ１ｃの感度を使用される環境において最適化することができる。もちろん、以上の説明は、後述される各実施の形態においても同様に当てはまる。
【００９６】
＜＜＜  §２．  本発明の第２の実施の形態による力覚センサ  ＞＞＞
＜  ２−１．  構成＞
次に、本発明の第２の実施の形態による力覚センサ２０１ｃについて説明する。
【００９７】
図１５は、第２の実施の形態による力覚センサ２０１ｃの概略平面図である。また、図１６は、図１５の［１６］−［１６］線断面図であり、図１７は、図１５の［１７］−［１７］線断面図である。但し、図１５では、図面の見やすさのため、受力体２０の図示を省略してある。
【００９８】
図１５乃至図１７に示すように、力覚センサ２０１ｃは、次の点で、第１の実施の形態による力覚センサ１ｃとは異なる。すなわち、本実施の形態による力覚センサ２０１ｃでは、変位電極Ｅｍ１〜Ｅｍ４を支持する変形体側支持体２６１〜２６４が、各湾曲部４５ｃ〜４８ｃの検出部位Ａ１〜Ａ４とは異なる部位において当該各湾曲部４５ｃ〜４８ｃに接続されている。具体的には、図１５及び図１６に示すように、第１湾曲部４５ｃに接続されている第１変形体側支持体２６１は、Ｚ軸方向から見て、第１湾曲部４５ｃの第１検出部位Ａ１に重なるように配置された第１梁２６１ｂと、この第１梁２６１ｂのうち第１固定部４１側（図１６における右側）の端部を第１湾曲部４５ｃに接続する第１接続体２６１ｓと、を有する片持ち梁構造体となっている。第１接続体２６１ｓは、Ｚ軸と平行に延在しているため、当該第１接続体２６１ｓと第１湾曲部４５ｃとの接続位置は、第１検出部位Ａ１よりも第１固定部４１側である。第１変位電極Ｅｍ１は、この片持ち梁構造体の第１梁２６１ｂの下面に変位基板を介して支持されている。
【００９９】
また、第２湾曲部４６ｃに接続されている第２変形体側支持体２６２も、片持ち梁構造体として構成されている。すなわち、図１５及び図１６に示すように、第２変形体側支持体２６２は、Ｚ軸方向から見て、第２湾曲部４６ｃの第２検出部位Ａ２に重なるように配置された第２梁２６２ｂと、この第２梁２６２ｂのうち第２固定部４２側（図１６における左側）の端部を第２湾曲部４６ｃに接続する第２接続体２６２ｓと、を有する片持ち梁構造体となっている。第２接続体２６２ｓは、Ｚ軸と平行に延在しているため、当該第２接続体２６２ｓと第２湾曲部４６ｃとの接続位置は、第２検出部位Ａ２よりも第２固定部４２側である。第２変位電極Ｅｍ２は、この片持ち梁構造体の第２梁２６２ｂの下面に変位基板を介して支持されている。
【０１００】
更に、第３変形体側支持体２６３及び第４変形体側支持体２６４も、同様の片持ち梁構造体として構成されている。すなわち、図１５及び図１７に示すように、第３変形体側支持体２６３は、Ｚ軸方向から見て、第３湾曲部４７ｃの第３検出部位Ａ３に重なるように配置された第３梁２６３ｂと、この第３梁２６３ｂのうち第２固定部４２側（図１７における右側）の端部を第３湾曲部４７ｃに接続する第３接続体２６３ｓと、を有する片持ち梁構造体となっている。第３接続体２６３ｓは、Ｚ軸と平行に延在しているため、第３接続体２６３と第３湾曲部４７ｃとの接続位置は、第３検出部位Ａ３よりも第２固定部４２側である。第３変位電極Ｅｍ３は、第３梁２６３ｂの下面に変位基板を介して支持されている。
【０１０１】
また、第４変形体側支持体２６４は、Ｚ軸方向から見て、第４湾曲部４８ｃの第４検出部位Ａ４に重なるように配置された第４梁２６４ｂと、この第４梁２６４ｂのうち第１固定部４１側（図１７における左側）の端部を第４湾曲部４８ｃに接続する第４接続体２６４ｓと、を有する片持ち梁構造体となっている。第４接続体２６４ｓは、Ｚ軸と平行に延在しているため、第４接続体２６４ｓと第４湾曲部４８ｃとの接続位置は、第４検出部位Ａ４よりも第１固定部４１側である。第４変位電極Ｅｍ３４は、第４梁２６４ｂの下面に変位基板を介して支持されている。
【０１０２】
以上のような構成によって、各接続体２６１ｓ〜２６４ｓは、検出部位Ａ１〜Ａ４とは異なる部位において湾曲部４５ｃ〜４８ｃに接続されていながら、Ｚ軸方向から見て、第１〜第４変位電極Ｅｍ１〜Ｅｍ４が対応する検出部位Ａ１〜Ａ４と重なるように配置されている。
【０１０３】
なお、図１５乃至図２５に示されている例では、以上のように、各変形体側支持体２６１〜２６４は、片持ち梁構造体として構成されているが、他の実施の形態（不図示）では、梁２６１ｂ〜２６４ｂの先端が可撓性を有する材料によって固定体１０に連結された、両持ち梁構造体として構成されても良い。可撓性を有する材料は、直線状の形状でも湾曲した形状でも良く、例えばＺ軸と固定体１０の上面とが交わる部位の近傍にて、当該固定体１０に接続され得る。このような構成によれば、力覚センサ２０１ｃに作用する力ないしモーメントの作用によって生じる梁２６１ｂ〜２６４ｂの傾斜の挙動を外部振動から安定化させることができる。
【０１０４】
＜  ２−２．  作用＞
（２−２−１．  第１容量素子Ｃ１の静電容量値の変動）
本実施の形態による力覚センサ２０１ｃに対して力ないしモーメントが作用したときに、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４に生じる静電容量値の変動について検討する。ここでは、まず第１容量素子Ｃ１の静電容量値の変動について、図１８乃至図２１を参照して説明する。
【０１０５】
図１８は、図１５に示す力覚センサの第１受力部４３に対してＸ軸負方向の力が作用したときの第１容量素子Ｃ１を示す概略断面図であり、図１９は、図１５に示す力覚センサ２０１ｃの第１受力部４３に対してＸ軸正方向の力が作用したときの第１容量素子Ｃ１を示す部分的な概略断面図である。また、図２０は、図１５に示す力覚センサ２０１ｃの第１受力部４３に対してＺ軸正方向の力が作用したときの第１容量素子Ｃ１を示す部分的な概略断面図であり、図２１は、図１５に示す力覚センサ２０１ｃの第１受力部４３に対してＺ軸負方向の力が作用したときの第１容量素子Ｃ１を示す部分的な概略断面図である。
【０１０６】
図１８に示すように、第１受力部４３に対してＸ軸負方向（図１８における左方向）の力が作用すると、第１受力部４３は、当該方向に移動する。これに伴って、第１湾曲部４５ｃは、Ｘ軸方向に沿った引張力を受けるため、その曲率半径が大きくなるように弾性変形する。図１８において、初期状態の第１湾曲部４５ｃが破線で示されており、弾性変形している状態の第１湾曲部４５ｃが実線で示されている。図１８に示すように、この弾性変形によって、第１湾曲部４５ｃのうち第１接続体２６１ｓが接続されている部位の接線Ｌ１がより水平に寝た状態に変化する。図１８において、変化後の接線は、Ｌ１（Ｘ−）で示されている。すると、第１変形体側支持体２６１の第１梁２６１ｂは、この傾きの変化に相当する分だけ、水平の状態から左上がりの状態に変化する。この結果、第１容量素子Ｃ１を構成する電極間の離間距離が増大する。その増大の度合いは、Ｘ軸正側からＸ軸負側に向かって（図１８における右側から左側に向かって）次第に大きくなる（離間距離が次第に大きくなる）。
【０１０７】
先に説明した第１の実施の形態による力覚センサ１ｃでは、第１変形体側支持体６１と第１湾曲部４５ｃとが第１検出部位Ａ１にて接続されていたため、第１検出部位Ａ１がＺ軸方向に沿って変位した量と同じだけ、電極間の離間距離が一様に変化するようになっていた。ところが、図１８に示す例では、第１梁２６１ｂが左上がりに傾斜することから、とりわけ第１梁２６１ｂの左方領域において、第１検出部位Ａ１が上方に変位した量を超えて、電極間の離間距離が増大する。換言すれば、第１変形体側支持体２６１を片持ち梁構造体とし、この第１変形体側支持体２６１が第１検出部位Ａ１とは異なる位置において第１湾曲部４５ｃに接続されていることにより、第１検出部位Ａ１に生じるＺ軸方向の変位が増幅されることになる。
【０１０８】
このような構成により、第１受力部４３に対してＸ軸負方向の力が作用したとき、本実施の形態による力覚センサ２０１ｃの第１容量素子Ｃ１は、静電容量値が減少するが、その減少の程度は、第１の実施の形態による力覚センサ１ｃの第１容量素子Ｃ１よりも大きくなる。
【０１０９】
次に、図１９に示すように、第１受力部４３に対してＸ軸正方向（図１９における右方向）の力が作用すると、第１受力部４３は、当該方向に移動する。これに伴って、第１湾曲部４５ｃは、Ｘ軸方向に沿った圧縮力を受けるため、その曲率半径が小さくなるように弾性変形する。図１９において、初期状態の第１湾曲部４５ｃが破線で示されており、弾性変形している状態の第１湾曲部４５ｃが実線で示されている。図１９に示すように、この弾性変形によって、第１湾曲部４５ｃのうち第１接続体２６１ｓが接続されている部位の接線Ｌ１がより垂直に立った状態に変化する。図１９において、変化後の接線は、Ｌ１（Ｘ＋）で示されている。すると、第１変形体側支持体２６１の第１梁２６１ｂは、この傾きの変化に相当する分だけ、水平の状態から左下がりの状態に変化する。この結果、第１容量素子Ｃ１を構成する電極間の離間距離が減少する。その減少の度合いは、Ｘ軸正側からＸ軸負側に向かって（図１９における右側から左側に向かって）次第に大きくなる（離間距離が次第に小さくなる）。
【０１１０】
図１９に示す例では、第１梁２６１ｂが左下がりに傾斜することから、とりわけ第１梁２６１ｂの左方領域において、第１検出部位Ａ１が下方に変位した量を超えて、電極間の離間距離が減少する。換言すれば、前述したような片持ち梁構造体によって、第１検出部位Ａ１に生じるＺ軸方向の変位が増幅されることになる。
【０１１１】
このような構成により、第１受力部４３に対してＸ軸正方向の力が作用したとき、本実施の形態による力覚センサ２０１ｃの第１容量素子Ｃ１は、静電容量値が増大するが、その増大の程度は、第１の実施の形態による力覚センサ１ｃの第１容量素子Ｃ１よりも大きくなる。
【０１１２】
次に、図２０に示すように、第１受力部４３に対してＺ軸正方向（図２０における上方向）の力が作用すると、第１受力部４３は、当該方向に移動する。これに伴って、第１湾曲部４５ｃは、第１受力部４３に接続されたＸ軸負側の領域が上方に移動されるため、全体として、上方に移動するように弾性変形する。但し、Ｘ軸正側の端部は第１固定部４１に固定されているため、移動しない。図２０において、初期状態の第１湾曲部４５ｃが破線で示されており、弾性変形している状態の第１湾曲部４５ｃが実線で示されている。図２０に示すように、この弾性変形によって、第１湾曲部４５ｃのうち第１接続体２６１ｓが接続されている部位の接線Ｌ１がより水平に寝た状態に変化する。図２０において、変化後の接線は、Ｌ１（Ｚ＋）で示されている。すると、第１変形体側支持体２６１の第１梁２６１ｂは、この傾きの変化に相当する分だけ、水平の状態から左上がりの状態に変化する。この結果、第１容量素子Ｃ１を構成する電極間の離間距離が増大する。その増大の度合いは、Ｘ軸正側からＸ軸負側に向かって（図２０における右側から左側に向かって）次第に大きくなる（離間距離が次第に大きくなる）。
【０１１３】
図２０に示す例では、第１梁２６１ｂが左上がりに傾斜することから、とりわけ第１梁２６１ｂの左方領域において、第１検出部位Ａ１が上方に変位した量を超えて、電極間の離間距離が増大する。換言すれば、前述したような片持ち梁構造体によって、第１検出部位Ａ１に生じるＺ軸方向の変位が増幅されることになる。
【０１１４】
このような構成により、第１受力部４３に対してＺ軸正方向の力が作用したとき、本実施の形態による力覚センサ２０１ｃの第１容量素子Ｃ１は静電容量値が減少するが、その減少の程度は、第１の実施の形態による力覚センサ１ｃの第１容量素子Ｃ１よりも大きくなる。
【０１１５】
次に、図２１に示すように、第１受力部４３に対してＺ軸負方向（図２１における下方向）の力が作用すると、第１受力部４３は、当該方向に移動する。これに伴って、第１湾曲部４５ｃは、第１受力部４３に接続されたＸ軸負側の領域が下方に移動されるため、全体として、下方に移動するように弾性変形する。但し、Ｘ軸正側の端部は第１固定部４１に固定されているため、移動しない。図２１において、初期状態の第１湾曲部４５ｃが破線で示されており、弾性変形している状態の第１湾曲部４５ｃが実線で示されている。図２１に示すように、この弾性変形によって、第１湾曲部４５ｃのうち第１接続体２６１ｓが接続されている部位の接線Ｌ１がより垂直に立った状態に変化する。図２１において、変化後の接線は、Ｌ１（Ｚ−）で示されている。このような接線Ｌ１の傾きの変化から理解されるように、第１変形体側支持体２６１の第１梁２６１ｂは、この傾きの変化に相当する分だけ、水平の状態から左下がりの状態に変化する。この結果、第１容量素子Ｃ１を構成する電極間の離間距離が減少する。その減少の度合いは、Ｘ軸正側からＸ軸負側に向かって（図２１における右側から左側に向かって）次第に大きくなる（離間距離が次第に小さくなる）。
【０１１６】
図２１に示す例では、第１梁２６１ｂが左下がりに傾斜することから、とりわけ第１梁２６１ｂの左端領域において、第１検出部位Ａ１が下方に変位した量を超えて、電極間の離間距離が減少する。換言すれば、前述したような片持ち梁構造体によって、第１検出部位Ａ１に生じるＺ軸方向の変位が増幅されることになる。
【０１１７】
このような構成により、第１受力部４３に対してＺ軸負方向の力が作用したとき、本実施の形態による力覚センサ２０１ｃの第１容量素子Ｃ１は静電容量値が増大するが、その増大の程度は、第１の実施の形態による力覚センサ１ｃの第１容量素子Ｃ１よりも大きくなる。
【０１１８】
（２−２−２．  第２容量素子Ｃ２の静電容量値の変動）
次に、第２容量素子Ｃ２の静電容量値の変動について、図２２乃至図２５を参照して説明する。
【０１１９】
図２２は、図１５に示す力覚センサ２０１ｃの第１受力部４３に対してＸ軸負方向の力が作用したときの第２容量素子Ｃ２を示す部分的な概略断面図であり、図２３は、図１５に示す力覚センサ２０１ｃの第１受力部４３に対してＸ軸正方向の力が作用したときの第２容量素子Ｃ２を示す部分的な概略断面図である。また、図２４は、図１５に示す力覚センサ２０１ｃの第１受力部４３に対してＺ軸正方向の力が作用したときの第２容量素子Ｃ２を示す部分的な概略断面図であり、図２５は、図１５に示す力覚センサ２０１ｃの第１受力部に対してＺ軸負方向の力が作用したときの第２容量素子Ｃ２を示す部分的な概略断面図である。
【０１２０】
図２２に示すように、第１受力部４３に対してＸ軸負方向（図２２における左方向）の力が作用すると、第１受力部４３は、当該方向に移動する。これに伴って、第２湾曲部４６ｃは、Ｘ軸方向に沿った圧縮力を受けるため、その曲率半径が小さくなるように弾性変形する。図２２において、初期状態の第２湾曲部４６ｃが破線で示されており、弾性変形している状態の第２湾曲部４６ｃが実線で示されている。図２２に示すように、この弾性変形によって、第２湾曲部４６ｃのうち第２接続体２６２ｓが接続されている部位の接線Ｌ２がより垂直に立った状態に変化する。図２２において、変化後の接線は、Ｌ２（Ｘ−）で示されている。すると、第２変形体側支持体２６２の第２梁２６２ｂは、この傾きの変化に相当する分だけ、水平の状態から右下がりの状態に変化する。この結果、第２容量素子Ｃ２を構成する電極間の離間距離が減少する。その減少の度合いは、Ｘ軸負側からＸ軸正側に向かって（図２２における左側から右側に向かって）次第に大きくなる（離間距離が次第に小さくなる）。
【０１２１】
先に説明した第１の実施の形態による力覚センサ１ｃでは、第２変形体側支持体６２が第２湾曲部４６ｃの第２検出部位Ａ２にて当該第２湾曲部４６ｃ接続されていたため、第２検出部位Ａ２がＺ軸方向に沿って変位した量と同じだけ、電極間の離間距離が一様に変化するようになっていた。ところが、図２２に示す例では、第２梁２６２ｂが右下がりに傾斜することから、とりわけ第２梁２６２ｂの右側領域において、第２検出部位Ａ２が下方に変位した量を超えて、電極間の離間距離が減少する。換言すれば、第２変形体側支持体２６２を片持ち梁構造体とし、この第２変形体側支持体２６２が第２検出部位Ａ２とは異なる位置において第２湾曲部４６ｃに接続されていることにより、第２検出部位Ａ２に生じるＺ軸方向の変位が増幅されることになる。
【０１２２】
このような構成により、第１受力部４３に対してＸ軸負方向の力が作用したとき、本実施の形態による力覚センサ２０１ｃの第２容量素子Ｃ２は静電容量値が増大するが、その増大の程度は、第１の実施の形態による力覚センサ１ｃの第２容量素子Ｃ２よりも大きくなる。
【０１２３】
次に、図２３に示すように、第１受力部４３に対してＸ軸正方向（図２３における右方向）の力が作用すると、第１受力部４３は、当該方向に移動する。これに伴って、第２湾曲部４６ｃは、Ｘ軸方向に沿った引張力を受けるため、その曲率半径が大きくなるように弾性変形する。図２３において、初期状態の第２湾曲部４６ｃが破線で示されており、弾性変形している状態の第２湾曲部４６ｃが実線で示されている。図２３に示すように、この弾性変形によって、第２湾曲部４６ｃのうち第２接続体２６２ｓが接続されている部位の接線Ｌ２がより水平に寝た状態に変化する。変化後の接線は、Ｌ２（Ｘ＋）で示されている。すると、第２変形体側支持体２６２の第２梁２６２ｂは、この傾きの変化に相当する分だけ、水平の状態から右上がりの状態に変化する。この結果、第２容量素子Ｃ２を構成する電極間の離間距離が増大する。その増大の度合いは、Ｘ軸負側からＸ軸正側に向かって（図２３における左側から右側に向かって）次第に大きくなる（離間距離が次第に大きくなる）。
【０１２４】
図２３に示す例では、第２梁２６２ｂが右上がりに傾斜することから、とりわけ第２梁２６２ｂの右方領域において、第２検出部位Ａ２が上方に変位した量を超えて、電極間の離間距離が増大する。換言すれば、前述したような片持ち梁構造体によって、第２検出部位Ａ２に生じるＺ軸方向の変位が増幅されることになる。
【０１２５】
このような構成により、第１受力部４３に対してＸ軸正方向の力が作用したとき、本実施の形態による力覚センサ２０１ｃの第２容量素子Ｃ２は、静電容量値が減少するが、その減少の程度は、第１の実施の形態による力覚センサ１ｃの第２容量素子Ｃ２よりも大きくなる。
【０１２６】
次に、図２４に示すように、第１受力部４３に対してＺ軸正方向（図２４における上方向）の力が作用すると、第１受力部４３は、当該方向に移動する。これに伴って、第２湾曲部４６ｃは、第１受力部４３に接続されたＸ軸正側の端部が上方に移動されるため、全体として、上方に移動するように弾性変形する。但し、Ｘ軸負側の端部は第２固定部４２に固定されているため、移動しない。図２４において、初期状態の第２湾曲部４６ｃが破線で示されており、弾性変形している状態の第２湾曲部４６ｃが実線で示されている。図２４に示すように、この弾性変形によって、第２湾曲部４６ｃのうち第２接続体２６２ｓが接続されている部位の接線Ｌ２がより水平に寝た状態に変化する。変化後の接線は、Ｌ２（Ｚ＋）で示されている。すると、第２変形体側支持体２６２の第２梁２６２ｂは、この傾きの変化に相当する分だけ、水平の状態から右上がりの状態に変化する。この結果、第２容量素子Ｃ２を構成する電極間の離間距離が増大する。その増大の度合いは、Ｘ軸負側からＸ軸正側に向かって（図２４における左側から右側に向かって）次第に大きくなる（離間距離が次第に大きくなる）。
【０１２７】
図２３に示す例では、第２梁２６２ｂが右上がりに傾斜することから、とりわけ第２梁２６２ｂの右方領域において、第２検出部位Ａ２が上方に変位した量を超えて、電極間の離間距離が増大する。換言すれば、前述したような片持ち梁構造体によって、第２検出部位Ａ２に生じるＺ軸方向の変位が増幅されることになる。
【０１２８】
このような構成により、第１受力部４３に対してＺ軸正方向の力が作用したとき、本実施の形態による力覚センサ２０１ｃの第２容量素子Ｃ２は、静電容量値が減少するが、その減少の程度は、第１の実施の形態による力覚センサ１ｃの第２容量素子Ｃ２よりも大きくなる。
【０１２９】
次に、図２５に示すように、第１受力部４３に対してＺ軸負方向（図２５における下方向）の力が作用すると、第１受力部４３は、当該方向に移動する。これに伴って、第２湾曲部４６ｃは、第１受力部４３に接続されたＸ軸正側の端部が下方に移動されるため、全体として、下方に移動するように弾性変形する。但し、Ｘ軸負側の端部は第２固定部４２に固定されているため、移動しない。図２５において、初期状態の第２湾曲部４６ｃが破線で示されており、弾性変形している状態の第２湾曲部４６ｃが実線で示されている。図２５に示すように、この弾性変形によって、第２湾曲部４６ｃのうち第２接続体２６２ｓが接続されている部位の接線Ｌ２がより垂直に立った状態に変化する。変化後の接線は、Ｌ２（Ｚ−）で示されている。すると、第２変形体側支持体２６２の第２梁２６２ｂは、この傾きの変化に相当する分だけ、水平の状態から右下がりの状態に変化する。この結果、第２容量素子Ｃ２を構成する電極間の離間距離が減少する。その減少の度合いは、Ｘ軸負側からＸ軸正側に向かって（図２５における左側から右側に向かって）次第に大きくなる（離間距離が次第に小さくなる）。
【０１３０】
図２５に示す例では、第２梁２６２ｂが右下がりに傾斜することから、とりわけ第２梁２６２ｂの右方領域において、第２検出部位Ａ２が下方に変位した量を超えて、電極間の離間距離が減少する。換言すれば、前述したような片持ち梁構造体によって、第２検出部位Ａ２に生じるＺ軸方向の変位が増幅されることになる。
【０１３１】
このような構成により、第１受力部４３に対してＺ軸負方向の力が作用したとき、本実施の形態による力覚センサ２０１ｃの第２容量素子Ｃ２は、静電容量値が増大するが、その増大の程度は、第１の実施の形態による力覚センサ１ｃの第２容量素子Ｃ２よりも大きくなる。
【０１３２】
（２−２−３．  第３容量素子Ｃ３及び第４容量素子Ｃ４の静電容量値の変動）
本実施の形態による力覚センサ２０１ｃは、Ｙ座標が正である部分（図１６参照）とＹ座標が負である部分（図１７参照）とが対称的な構造となっている。このため、第３容量素子Ｃ３及び第４容量素子Ｃ４の静電容量値の変動については、§２−２−１及び§２−２−２の説明に基づいて、類推的に次のように理解され得る。
【０１３３】
すなわち、図示されていないが、第３湾曲部４７ｃ及び第４湾曲部４８ｃがＸ軸方向に沿って圧縮されたとき、及び、第３湾曲部４７ｃ及び第４湾曲部４８ｃの、第２受力部４４に接続された端部がＺ軸負方向に移動されたときには、各容量素子Ｃ３、Ｃ４の静電容量値が増大する。その一方、第３湾曲部４７ｃ及び第４湾曲部４８ｃがＸ軸方向に沿って引っ張られたとき、及び、第３湾曲部４７ｃ及び第４湾曲部４８ｃの、第２受力部４４に接続された端部がＺ軸正方向に移動されたときには、各容量素子Ｃ３、Ｃ４の静電容量値が減少する。
【０１３４】
第３湾曲部４７ｃ及び／または第４湾曲部４８ｃに弾性変形が生じると、前述したように第３及び／または第４梁２６３ｂ、２６４ｂが傾斜するため、第３容量素子Ｃ３及び第４容量素子Ｃ４の静電容量値の変動は、第１の実施の形態による力覚センサ１ｃの第３容量素子Ｃ３及び第４容量素子Ｃ４よりも、大きくなる。
【０１３５】
結局、本実施の形態による力覚センサ２０１ｃでは、受力体２０に作用する力ないしモーメントによって各容量素子Ｃ１〜Ｃ４に生じる静電容量値の変動は、図１４に示す通りであるが、以上の説明から理解されるように、その変動量は、第１の実施の形態による力覚センサ１ｃにおける変動量よりも大きい。換言すれば、本実施の形態による力覚センサ２０１ｃは、第１の実施の形態による力覚センサ１ｃよりも高感度である。
【０１３６】
以上のような本実施の形態によれば、梁２６１ｂ〜２６４ｂが対応する検出部位Ａ１〜Ａ４とは異なる位置において湾曲部４５ｃ〜４８ｃに接続されているため、この梁２６１ｂ〜２６４ｂによって支持された変位電極Ｅｍ１〜Ｅｍ４に生じる変位が増幅される。すなわち、ある大きさの力ないしモーメントが作用した場合に、変位電極Ｅｍ１〜Ｅｍ４に生じる変位は、湾曲部４５ｃ〜４８ｃの検出部位Ａ１〜Ａ４において変位電極Ｅｍ１〜Ｅｍ４が支持されている第１の実施の形態による力覚センサ１ｃにおいて当該変位電極Ｅｍ１〜Ｅｍ４に生じる変位よりも、大きい。このため、作用した力ないしモーメントに対する感度が高く、より精度の高い計測を行うことができる。
【０１３７】
＜＜＜  §３．  本発明の第３の実施の形態による力覚センサ  ＞＞＞
＜    ３−１．  構成  ＞
次に、本発明の第３の実施の形態による力覚センサ３０１ｃについて説明する。
【０１３８】
図２６は、第３の実施の形態による力覚センサ３０１ｃの概略平面図である。また、図２７は、図２６の［２７］−［２７］線断面図であり、図２８は、図２６の［２８］−［２８］線断面図である。但し、図２６では、図面の見やすさのため、受力体２０の図示を省略してある。
【０１３９】
図２６乃至図２８に示すように、力覚センサ３０１ｃは、湾曲部４５ｃ〜４８ｃに各２つの容量素子が設けられている点で、第１及び第２の実施の形態による力覚センサ１ｃ、２０１ｃと異なる。具体的には、図２６及び図２７に示すように、第１湾曲部４５ｃの下面には、第１検出部位Ａ１を挟んで、変形体４０の周方向に沿って２つの容量素子Ｃ１１、Ｃ１２が配置されている。同様に、第２湾曲部４６ｃの下面には、第２検出部位Ａ２を挟んで、変形体４０の周方向に沿って２つの容量素子Ｃ２１、Ｃ２２が配置されている。また、図２６及び図２８に示すように、第３湾曲部４７ｃの下面には、第３検出部位Ａ３を挟んで、変形体４０の周方向に沿って２つの容量素子Ｃ３１、Ｃ３２が配置されており、第４湾曲部４８ｃの下面には、第４検出部位Ａ４を挟んで、変形体４０の周方向に沿って２つの容量素子Ｃ４１、Ｃ４２が配置されている。
【０１４０】
図示される例において、第１−１容量素子Ｃ１１、第１−２容量素子Ｃ１２、第２−１容量素子Ｃ２１、第２−２容量素子Ｃ２２、第３−１容量素子Ｃ３１、第３−２容量素子Ｃ３２、第４−１容量素子Ｃ４１及び第４−２容量素子Ｃ４２は、Ｚ軸正方向から見て（上方から見て）、変形体４０の周方向に沿って反時計回り（左回り）にこの順序で配置されている。また、図２７及び図２８に示すように、各湾曲部４５ｃ〜４８ｃに２つずつ配置された容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２は、対応する検出部位Ａ１〜Ａ４から等間隔で配置されている。
【０１４１】
各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２の構成は、第１の実施の形態による力覚センサ１ｃに採用されている容量素子Ｃ１〜Ｃ４と、同様である。すなわち、図２７に示すように、第１−１容量素子Ｃ１１は、第１湾曲部４５ｃに支持された第１−１変位電極Ｅｍ１１と、この第１−１変位電極Ｅｍ１１に対向する位置に配置された第１−１固定電極Ｅｆ１１と、によって構成されている。第１−１変位電極Ｅｍ１１は、第１湾曲部４５ｃに接続された第１−１変形体側支持体３６１ａの下面に、第１−１変位基板Ｉｍ１１を介して支持されている。第１−１固定電極Ｅｆ１１は、固定体１０の上面に固定された第１固定体側支持体３７１上に、第１固定基板Ｉｆ１を介して支持されている。
【０１４２】
また、図２７に示すように、第１−２容量素子Ｃ１２は、第１湾曲部４５ｃに支持された第１−２変位電極Ｅｍ１２と、この第１−２変位電極Ｅｍ１２に対向する位置に配置された第１−２固定電極Ｅｆ１２と、によって構成されている。第１−２変位電極Ｅｍ１２は、第１湾曲部４５ｃに接続された第１−２変形体側支持体３６１ｂの下面に、第１−２変位基板Ｉｍ１２を介して支持されている。第１−２固定電極Ｅｆ１２は、第１−１固定電極Ｅｆ１１と同様に、固定体１０の上面に固定された第１固定体側支持体３７１上に、第１固定基板Ｉｆ１を介して支持されている。すなわち、第１固定体側支持体３７１及び第１固定基板Ｉｆ１は、第１−１容量素子Ｃ１１及び第１−２容量素子Ｃ１２に対して共通の構成要素である。
【０１４３】
図２７に示すように、第２−１容量素子Ｃ２１は、第２湾曲部４６ｃに支持された第２−１変位電極Ｅｍ２１と、この第２−１変位電極Ｅｍ２１に対向する位置に配置された第２−１固定電極Ｅｆ２１と、によって構成されている。第２−１変位電極Ｅｍ２１は、第２湾曲部４６ｃに接続された第２−１変形体側支持体３６２ａの下面に、第２−１変位基板Ｉｍ２１を介して支持されている。第２−１固定電極Ｅｆ２１は、固定体１０の上面に固定された第２固定体側支持体３７２上に、第２固定基板Ｉｆ２を介して支持されている。
【０１４４】
また、図２７に示すように、第２−２容量素子Ｃ２２は、第２湾曲部４６ｃに支持された第２−２変位電極Ｅｍ２２と、この第２−２変位電極Ｅｍ２２に対向する位置に配置された第２−２固定電極Ｅｆ２２と、によって構成されている。第２−２変位電極Ｅｍ２２は、第２湾曲部４６ｃに接続された第２−２変形体側支持体３６２ｂの下面に、第２−２変位基板Ｉｍ２２を介して支持されている。第２−２固定電極Ｅｆ２２は、第２−１固定電極Ｅｆ２１と同様に、固定体１０の上面に固定された第２固定体側支持体３７２上に、第２固定基板Ｉｆ２を介して支持されている。すなわち、第２固定体側支持体３７２及び第２固定基板Ｉｆ２は、第２−１容量素子Ｃ２１及び第２−２容量素子Ｃ２２に対して共通の構成要素である。
【０１４５】
図２８に示すように、第３−１容量素子Ｃ３１は、第３湾曲部４７ｃに支持された第３−１変位電極Ｅｍ３１と、この第３−１変位電極Ｅｍ３１に対向する位置に配置された第３−１固定電極Ｅｆ３１と、によって構成されている。第３−１変位電極Ｅｍ３１は、第３湾曲部４７ｃに接続された第３−１変形体側支持体３６３ａの下面に、第３−１変位基板Ｉｍ３１を介して支持されている。第３−１固定電極Ｅｆ３１は、固定体１０の上面に固定された第３固定体側支持体３７３上に、第３固定基板Ｉｆ３を介して支持されている。
【０１４６】
また、図２８に示すように、第３−２容量素子Ｃ３２は、第３湾曲部４７ｃに支持された第３−２変位電極Ｅｍ３２と、この第３−２変位電極Ｅｍ３２に対向する位置に配置された第３−２固定電極Ｅｆ３２と、によって構成されている。第３−２変位電極Ｅｍ３２は、第３湾曲部４７ｃに接続された第３−２変形体側支持体３６３ｂの下面に、第３−２変位基板Ｉｍ３２を介して支持されている。第３−２固定電極Ｅｆ３２は、第３−１固定電極Ｅｆ３１と同様に、固定体１０の上面に固定された第３固定体側支持体３７３上に、第３固定基板Ｉｆ３を介して支持されている。すなわち、第３固定体側支持体３７３及び第３固定基板Ｉｆ３は、第３−１容量素子Ｃ３１及び第３−２容量素子Ｃ３２に対して共通の構成要素である。
【０１４７】
更に、図２８に示すように、第４−１容量素子Ｃ４１は、第４湾曲部４８ｃに支持された第４−１変位電極Ｅｍ４１と、この第４−１変位電極Ｅｍ４１に対向する位置に配置された第４−１固定電極Ｅｆ４１と、によって構成されている。第４−１変位電極Ｅｍ４１は、第４湾曲部４８ｃに接続された第４−１変形体側支持体３６４ａの下面に、第４−１変位基板Ｉｍ４１を介して支持されている。第４−１固定電極Ｅｆ４１は、固定体１０の上面に固定された第３固定体側支持体３７３上に、第４固定基板Ｉｆ４を介して支持されている。
【０１４８】
また、図２８に示すように、第４−２容量素子Ｃ４２は、第４湾曲部４８ｃに支持された第４−２変位電極Ｅｍ４２と、この第４−２変位電極Ｅｍ４２に対向する位置に配置された第４−２固定電極Ｅｆ４２と、によって構成されている。第４−２変位電極Ｅｍ４２は、第４湾曲部４８ｃに接続された第４−２変形体側支持体３６４ｂの下面に、第４−２変位基板Ｉｍ４２を介して支持されている。第４−２固定電極Ｅｆ４２は、第４−１固定電極Ｅｆ４１と同様に、固定体１０の上面に固定された第４固定体側支持体３７４上に、第４固定基板Ｉｆ４を介して支持されている。すなわち、第４固定体側支持体３７４及び第４固定基板Ｉｆ４は、第４−１容量素子Ｃ４１及び第４−２容量素子Ｃ４２に対して共通の構成要素である。その他の構成は第１の実施の形態による力覚センサ１ｃとほぼ同様であるため、図面において対応する構成要素には同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【０１４９】
なお、第１−１〜第２−４容量素子Ｃ１１〜Ｃ２４は、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２４を構成する変位電極Ｅｍ１１〜Ｅｍ２４及び固定電極Ｅｆ１１〜Ｅｆ２４の実効対向面積が全て同一であり、電極間の離間距離も全て等しくなるように構成されている。
【０１５０】
＜    ３−２．  作用  ＞
次に、図２９は、図２６の力覚センサ３０１ｃに対して、力ないしモーメントが作用した時に各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２４に生じる静電容量値の変動を示す図表である。この図表において、「＋」は、容量素子の静電容量値が増大することを示しており、「−」は、容量素子の静電容量値が減少することを示している。
【０１５１】
本実施の形態による力覚センサ３０１ｃに対して、力ないしモーメントが作用すると、各湾曲部４５ｃ〜４８ｃには、作用した力ないしモーメントに応じて、図３〜図９で説明したような弾性変形が生じる。この弾性変形より、容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２の静電容量値は、図２９に示すように変動する。すなわち、第１−１容量素子Ｃ１１及び第１−２容量素子Ｃ１２は、第１の実施の形態による力覚センサ１ｃの第１容量素子Ｃ１と同様の挙動を示す（図１４のＣ１の列を参照）。また、第２−１容量素子Ｃ２１及び第２−２容量素子Ｃ２２は、第１の実施の形態による力覚センサ１ｃの第２容量素子Ｃ２と同様の挙動を示し（図１４のＣ２の列を参照）、第３−１容量素子Ｃ３１及び第３−２容量素子Ｃ３２は、第１の実施の形態による力覚センサ１ｃの第３容量素子Ｃ３と同様の挙動を示し（図１４のＣ３の列を参照）、第４−１容量素子Ｃ４１及び第４−２容量素子Ｃ４２は、第１の実施の形態による力覚センサ１ｃの第４容量素子Ｃ４と同様の挙動を示す（図１４のＣ４の列を参照）。
【０１５２】
図２９に示す図表に鑑み、検出回路２５０は、次の［式２］に基づいて力覚センサ３０１ｃに作用したモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚ及び力Ｆｚを算出する。本明細書に記載された各式において、Ｃ１１〜Ｃ２４の記号は、第１−１〜第２−４容量素子Ｃ１１〜Ｃ２４の静電容量値の変動量をそれぞれ示している。また、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ及びＦｚの末尾の符号は、［式２］を用いて計測された力ないしモーメントと、後述される［式３］を用いて計測された力ないしモーメントと、を区別するためのものである。
［式２］
Ｍｘ１＝−Ｃ１１−Ｃ２１＋Ｃ３１＋Ｃ４１
Ｍｙ１＝Ｃ１１−Ｃ２１−Ｃ３１＋Ｃ４１
Ｍｚ１＝−Ｃ１１＋Ｃ２１−Ｃ３１＋Ｃ４１
Ｆｚ１＝−（Ｃ１１＋Ｃ２１＋Ｃ３１＋Ｃ４１）
この［式２］は、各湾曲部４５ｃ〜４８ｃに配置されている各２つの容量素子のうち、Ｚ軸正方向から見て（上方から見て）、変形体４０の右回りの方向により進んでいる方の容量素子を用いて、作用した力ないしモーメントを計測するための式である。
【０１５３】
あるいは、力覚センサ３０１ｃに作用したモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚ及び力Ｆｚは、次の［式３］を用いても、算出される。
［式３］
Ｍｘ２＝−Ｃ１２−Ｃ２２＋Ｃ３２＋Ｃ４２
Ｍｙ２＝Ｃ１２−Ｃ２２−Ｃ３２＋Ｃ４２
Ｍｚ２＝−Ｃ１２＋Ｃ２２−Ｃ３２＋Ｃ４２
Ｆｚ２＝−（Ｃ１２＋Ｃ２２＋Ｃ３２＋Ｃ４２）
この［式３］は、各湾曲部４５ｃ〜４８ｃに配置されている各２つの容量素子のうち、Ｚ軸正方向から見て（上方から見て）、変形体４０の左回りの方向により進んでいる方の容量素子を用いて、作用した力ないしモーメントを計測するための式である。
【０１５４】
＜    ３−３．  故障診断  ＞
本実施の形態による力覚センサ３０１ｃは、単一の力覚センサ３０１ｃによって、故障診断を行うことが可能である。ここでは、その診断方法について説明する。
【０１５５】
前述したように、力覚センサ３０１ｃに配置されている８つの容量素子Ｃ１１〜Ｃ２４は、電極間の実効対向面積及び離間距離が同一である。さらに、［式２］に用いられる４つの容量素子Ｃ１１、Ｃ２１、Ｃ３１、Ｃ４１と、［式３］に用いられる４つの容量素子Ｃ１２、Ｃ２２、Ｃ３２、Ｃ４２とは、第１〜第４湾曲部４５ｃ〜４８ｃに規定された検出部位Ａ１〜Ａ４に対して対称的に配置されている。これらのことから、正常に機能している力覚センサ３０１ｃでは、［式２］に基づいて計測された力ないしモーメントと［式３］に基づいて計測された力ないしモーメントとが、一致することになる。すなわち、正常に機能している力覚センサ３０１ｃでは、以下の［式４］の関係が成立する。
［式４］
Ｍｘ１＝Ｍｘ２
Ｍｙ１＝Ｍｙ２
Ｍｚ１＝Ｍｚ２
Ｆｚ１＝Ｆｚ２
【０１５６】
このことから、次のようにして力覚センサ３０１ｃの故障診断を行うことができる。すなわち、検出回路２５０は、力覚センサ３０１ｃに作用した力ないしモーメントを［式２］及び［式３］の両方に基づいて計測し、［式２］に基づいて計測された値（Ｍｘ１、Ｍｙ１、Ｍｚ１、Ｆｚ１）と、［式３］に基づいて計測された値（Ｍｘ２、Ｍｙ２、Ｍｚ２、Ｆｚ２）と、の差の絶対値が、全て、所定の閾値（［式５］におけるＣｍｘ、Ｃｍｙ、Ｃｍｚ、Ｃｆｚ）以下であれば、当該力覚センサ３０１ｃが正常に機能していると判定する。すなわち、次の［式５］が成立しているとき、検出回路２５０は、力覚センサ３０１ｃが正常に機能していると判定する。なお、本実施の形態では、所定の閾値Ｃｍｘ、Ｃｍｙ、Ｃｍｚ、Ｃｆｚは、予め検出回路２５０内に格納されている。
［式５］
｜Ｍｘ１−Ｍｘ２｜≦Ｃｍｘ  且つ
｜Ｍｙ１−Ｍｙ２｜≦Ｃｍｙ  且つ
｜Ｍｚ１−Ｍｚ２｜≦Ｃｍｚ  且つ
｜Ｆｚ１−Ｆｚ２｜≦Ｃｆｚ
【０１５７】
その一方、前記差のうち少なくとも１つが、所定の閾値Ｃ１よりも大きければ、検出回路２５０は、力覚センサ３０１ｃが正常に機能していない（故障している）と判定する。すなわち、次の［式６］が成立しているとき、検出回路２５０は、力覚センサ３０１ｃが正常に機能していないと判定する。
［式６］
｜Ｍｘ１−Ｍｘ２｜＞Ｃｍｘ  または
｜Ｍｙ１−Ｍｙ２｜＞Ｃｍｙ  または
｜Ｍｚ１−Ｍｚ２｜＞Ｃｍｚ  または
｜Ｆｚ１−Ｆｚ２｜＞Ｃｆｚ
【０１５８】
以上のような本実施の形態による力覚センサ３０１ｃによれば、第１〜第４湾曲部４５ｃ〜４８ｃに２つずつ配置された容量素子のうち、各１つ（合計４つ）を用いて計測された力ないしモーメントの値と、残りの各１つ（合計４つ）を用いて計測された力ないしモーメントの値と、の差に基づいて、単一の力覚センサ３０１ｃによってその故障を診断することができる。このことにより、力覚センサ３０１ｃの安全性及び信頼性が向上される。
【０１５９】
以上の説明では、力覚センサ３０１ｃの故障診断を行うために、［式２］に基づいて求められた特定の力ないしモーメントと［式３］に基づいて求められた当該特定の力ないしモーメントとを比較していたが、このような方法には限定されない。例えば、［式２］と「式３」との和に基づいて求められた特定の力ないしモーメント（例：Ｍｘ１＋Ｍｘ２）と、［式２］または「式３」のいずれか一方に基づいて求められた当該特定の力ないしモーメント（例：Ｍｘ１またはＭｘ２）とを比較することによって、故障診断を行っても良い。具体的な診断の方法は、上述した方法と同様である。すなわち、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘに着目して故障診断を行う場合、［式２］と「式３」との和であるＭｘ１＋Ｍｘ２に基づいて求められた特定の力ないしモーメントをＭ１２とすると、｜Ｍｘ１２−Ｍｘ１｜または｜Ｍｘ１２−Ｍｘ２｜が所定の閾値を超えているか否かが評価される。このことは、他の力ないしモーメントに基づいて故障診断を行う場合にも当てはまる。
【０１６０】
更に、以上の説明では、力ないしモーメントを測定するために、［式２］及び「式３」のうちの一方の式を用いたが、［式２］と「式３」との和（例：Ｍｘ１＋Ｍｘ２）を用いても良い。
【０１６１】
＜＜＜  §４．  本発明の第４の実施の形態による力覚センサ  ＞＞＞
＜  ４−１．  構成  ＞
次に、本発明の第４の実施の形態による力覚センサ４０１ｃについて説明する。
【０１６２】
図３０は、本発明の第４の実施の形態による力覚センサ４０１ｃの概略平面図であり、図３１は、図３０の［３１］−［３１］線断面図であり、図３２は、図３０の［３２］−［３２］線断面図である。但し、図３０では、図面の見やすさのため、受力体２０の図示を省略してある。
【０１６３】
図３０乃至図３２に示すように、本実施の形態による力覚センサ４０１ｃは、第１〜第４湾曲部４４５ｃ〜４４８ｃが互いに異なる２つのバネ定数を有する部分から構成されている点で、第３の実施の形態による力覚センサ３０１ｃと異なる。具体的には、図３０及び図３１に示すように、第１湾曲部４４５ｃは、正のＸ軸と正のＶ軸とで挟まれた領域に位置する、相対的にバネ定数が小さい第１低弾力部４４５Ｌと、正のＶ軸と正のＹ軸とで挟まれた領域に位置する、相対的にバネ定数が大きい第１高弾力部４４５Ｈと、によって構成されている。第１低弾力部４４５Ｌと第１高弾力部４４５Ｈとは、第１検出部位Ａ１において（Ｖ軸上において）一体的に接続されている。同様に、第２湾曲部４４６ｃは、正のＹ軸と正のＷ軸とで挟まれた領域に位置する、相対的にバネ定数が小さい第２低弾力部４４６Ｌと、正のＷ軸と負のＸ軸とで挟まれた領域に位置する、相対的にバネ定数が大きい第２高弾力部４４６Ｈと、によって構成されている。第２低弾力部４４６Ｌと第２高弾力部４４６Ｈとは、第２検出部位Ａ２において（Ｗ軸上において）一体的に接続されている。
【０１６４】
また、図３０及び図３２に示すように、第３湾曲部４４７ｃは、負のＸ軸と負のＶ軸とで挟まれた領域に位置する、相対的にバネ定数が小さい第３低弾力部４４７Ｌと、負のＶ軸と負のＹ軸とで挟まれた領域に位置する、相対的にバネ定数が大きい第３高弾力部４４７Ｈと、によって構成されている。第３低弾力部４４７Ｌと第３高弾力部４４７Ｈとは、第３検出部位Ａ３において（Ｖ軸上において）一体的に接続されている。同様に、第４湾曲部４４８ｃは、負のＹ軸と負のＷ軸とで挟まれた領域に位置する、相対的にバネ定数が小さい第４低弾力部４４８Ｌと、負のＷ軸と正のＸ軸とで挟まれた領域に位置する、相対的にバネ定数が大きい第４高弾力部４４８Ｈと、によって構成されている。第４低弾力部４４８Ｌと第４高弾力部４４８Ｈとは、第４検出部位Ａ４において（Ｗ軸上において）一体的に接続されている。
【０１６５】
図３１及び図３２に示すように、各低弾力部４４５Ｌ〜４４８Ｌは、各高弾力部４４５Ｈ〜４４８Ｈと比較して、Ｚ軸方向（上下方向）の厚みが小さく構成されている。もちろん、このような態様には限定されず、他の実施の形態では、各低弾力部４４５Ｌ〜４４８Ｌが各高弾力部４４５Ｈ〜４４８Ｈと比較して、径方向の幅が小さく構成されることによりバネ定数が相違していても良いし、互いに異なる材質で構成されることによりバネ定数が相違していても良い。
【０１６６】
図３０乃至図３２に示すように、各湾曲部４４５ｃ〜４４８ｃには、第３の実施の形態による力覚センサ３０１ｃと同様に、各２つの容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２が配置されている。当該各２つの容量素子は、対応する検出部位Ａ１〜Ａ４を挟んで、変形体４０の周方向に沿って配置されている。具体的には、第１−１容量素子Ｃ１１は、第１低弾力部４４５Ｌの下面に配置されており、第１−２容量素子Ｃ１２は、第１高弾力部４４５Ｈの下面に配置されている。第２−１容量素子Ｃ２１は、第２低弾力部４４６Ｌの下面に配置されており、第２−２容量素子Ｃ２２は、第２高弾力部４４６Ｈの下面に配置されている。第３−１容量素子Ｃ３１は、第３低弾力部４４７Ｌの下面に配置されており、第３−２容量素子Ｃ３２は、第３高弾力部４４７Ｈの下面に配置されている。第４−１容量素子Ｃ４１は、第４低弾力部４４８Ｌの下面に配置されており、第４−２容量素子Ｃ４２は、第４高弾力部４４８Ｈの下面に配置されている。その他の構成は第３の実施の形態と同様であるため、図面において対応する構成要素には同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【０１６７】
＜  ４−２．  作用  ＞
次に、図３３は、図３０の力覚センサ４０１ｃに対して、力ないしモーメントが作用した時に各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２４に生じる静電容量値の変動を示す図表である。この図表において、「＋」は、静電容量値が増大することを示しており、「＋＋」は、静電容量値が大きく増大することを示している。また、「−」は、静電容量値が減少することを示しており、「−−」は、静電容量値が大きく減少することを示している。
【０１６８】
本実施の形態による力覚センサ４０１ｃに対して、力ないしモーメントが作用すると、各湾曲部４４５ｃ〜４４８ｃには、全体として、作用した力ないしモーメントに応じて、図３〜図９で説明したような弾性変形が生じる。したがって、この弾性変形により、容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２の静電容量値が変動する。この変動は、第３の実施の形態による力覚センサ３０１ｃの各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２の静電容量値とほぼ同様である。但し、バネ定数の相違から、各湾曲部４４５ｃ〜４４８ｃでは、低弾力部４４４Ｌ〜４４８Ｌにおいて相対的に大きな弾性変形が生じ、高弾力部４４４Ｈ〜４４８Ｈにおいて相対的に小さな弾性変形が生じる。このため、図３３に示すように、低弾力部４４４Ｌ〜４４８Ｌに配置された容量素子Ｃ１１、Ｃ２１、Ｃ３１、Ｃ４１において相対的に大きな静電容量値の変動が生じ、高弾力部４４４Ｈ〜４４８Ｈに配置された容量素子Ｃ１２、Ｃ２２、Ｃ３２、Ｃ４２において相対的に小さな静電容量値の変動が生じる。
【０１６９】
力覚センサ４０１ｃに作用したモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚ及び力Ｆｚは、図３３に示す図表に基づき、次の［式７］を用いて算出される。Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ及びＦｚの末尾の符号は、［式７］を用いて算出される力ないしモーメントと、後述される［式８］を用いて算出される力ないしモーメントと、を区別するためのものである。
［式７］
Ｍｘ１＝−Ｃ１１−Ｃ２１＋Ｃ３１＋Ｃ４１
Ｍｙ１＝Ｃ１１−Ｃ２１−Ｃ３１＋Ｃ４１
Ｍｚ１＝−Ｃ１１＋Ｃ２１−Ｃ３１＋Ｃ４１
Ｆｚ１＝−（Ｃ１１＋Ｃ２１＋Ｃ３１＋Ｃ４１）
この［式７］は、第１〜第４湾曲部４４５ｃ〜４４８ｃに配置されている各２つの容量素子のうち、低弾力部４４５Ｌ〜４４８Ｌに配置されている方の４つの容量素子Ｃ１１、Ｃ２１、Ｃ３１、Ｃ４１を用いて、作用した力ないしモーメントを計測するための式である。
【０１７０】
あるいは、力覚センサ４０１ｃに作用したモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚ及び力Ｆｚは、次の［式８］を用いても算出される。
［式８］
Ｍｘ２＝−Ｃ１２−Ｃ２２＋Ｃ３２＋Ｃ４２
Ｍｙ２＝Ｃ１２−Ｃ２２−Ｃ３２＋Ｃ４２
Ｍｚ２＝−Ｃ１２＋Ｃ２２−Ｃ３２＋Ｃ４２
Ｆｚ２＝−（Ｃ１２＋Ｃ２２＋Ｃ３２＋Ｃ４２）
この［式８］は、第１〜第４湾曲部４４５ｃ〜４４８ｃに配置されている各２つの容量素子のうち、高弾力部４４５Ｈ〜４４８Ｈに配置されている方の４つの容量素子Ｃ１２、Ｃ２２、Ｃ３２、Ｃ４２を用いて、作用した力ないしモーメントを計測するための式である。
【０１７１】
本実施の形態では、図３３に示す図表に鑑み、検出回路４５０は、低弾力部４４５Ｌ〜４４８Ｌに配置されている４つの容量素子Ｃ１１、Ｃ２１、Ｃ３１、Ｃ４１の静電容量値の変動に基づく［式７］を用いて作用した力ないしモーメントを計測する。このことにより、Ｓ／Ｎに優れた高感度の計測が可能となる。もちろん、［式８］を用いて作用した力ないしモーメントを計測しても良い。
【０１７２】
＜  ４−３．  故障診断  ＞
本実施の形態による力覚センサ４０１ｃは、次の点で、第３の実施の形態による力覚センサ３０１ｃよりも高度な故障診断を行うことができる。すなわち、第３の実施の形態による力覚センサ３０１ｃは、電極が破損したときや、電極間に異物が混入したときには、故障を検知することが可能である。その一方、変形体４０に金属疲労が生じることによって当該力覚センサ３０１ｃが正常に機能しなくなった場合には、［式２］に基づいて計測された力ないしモーメント（Ｍｘ１、Ｍｙ１、Ｍｚ１、Ｆｚ１）と［式３］に基づいて計測された力ないしモーメント（Ｍｘ２、Ｍｙ２、Ｍｚ２、Ｆｚ２）との間に、相違が生じない可能性がある。この場合、力覚センサ３０１ｃは、故障診断を適正に行うことができない。変形体４０に金属疲労が生じると、変形体４０を構成する弾性体にクラック等が生じ、最終的には変形体４０が破断してしまう恐れがある。このため、金属疲労による故障をも検知することが可能な力覚センサを提供できれば、信頼性及び安全性を一層高めることができる。
【０１７３】
本実施の形態による力覚センサ４０１ｃは、このような問題に対処するためのものである。すなわち、力覚センサ４０１ｃは、変形体４０に金属疲労が生じることによって正常に機能しなくなった場合にも、適正に故障診断を行うことができるのである。以下、本実施の形態による力覚センサ４０１ｃによる故障診断について、詳細に説明する。
【０１７４】
まず、故障診断の原理について説明する。力覚センサ４０１ｃの変形体４０に繰り返しの負荷が作用すると、当該変形体４０には、金属疲労が生じる。この金属疲労が蓄積されると、変形体４０の強度が低下し、最終的には変形体４０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。このため、第１〜第４湾曲部４４５ｃ〜４４８ｃのバネ定数が、低下する。換言すれば、変形体４０は、金属疲労の蓄積によって、初期状態と比較して、作用する力ないしモーメントに対する感度が上昇する。
【０１７５】
図３４は、図３０に示す力覚センサ４０１ｃに金属疲労が生じていない状態（初期状態）において、当該力覚センサ４０１ｃに作用するＸ軸まわりのモーメントＭｘの大きさと、当該力覚センサ４０１ｃから出力される、モーメントＭｘを示す電気信号と、の関係を示すグラフであり、図３５は、図３０の力覚センサ４０１ｃに金属疲労が生じている状態において、力覚センサ４０１ｃに作用するＸ軸まわりのモーメントＭｘの大きさと、当該力覚センサ４０１ｃから出力される、モーメントＭｘを示す電気信号と、の関係を示すグラフである。図３４及び図３５の符号「Ｔ１」は、低弾力部４４５Ｌ〜４４８Ｌに配置された４つの容量素子の静電容量値の変動量に基づく電気信号である第１電気信号を示しており、符号「Ｔ２」は、高弾力部４４５Ｈ〜４４８Ｈに配置された４つの容量素子の静電容量値の変動量に基づく電気信号である第２電気信号を示している。また、「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。
【０１７６】
第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２を具体的に書き下すと、次の［式９］のようになる。
［式７］
Ｔ１（Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ）＝−Ｃ１１−Ｃ２１＋Ｃ３１＋Ｃ４１
Ｔ２（Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ）＝−Ｃ１２−Ｃ２２＋Ｃ３２＋Ｃ４２
【０１７７】
図３４を参照すると、初期状態の第１電気信号Ｔ１ａを示すグラフ（直線）の傾き（感度）は、２．０であり、初期状態の第２電気信号Ｔ２ａを示すグラフ（直線）の傾き（感度）は、０．５である。その一方、図３５を参照すると、金属疲労が蓄積している状態の第１電気信号Ｔ１ｂを示すグラフ（直線）の傾き（感度）は、３．０であり、金属疲労が蓄積している状態の第２電気信号Ｔ２ｂを示すグラフ（直線）の傾き（感度）は、０．６である。
【０１７８】
これらのことから、力覚センサ４０１ｃは、変形体への金属疲労の蓄積によって、作用するＸ軸まわりのモーメントＭｘに対する感度が上昇していることが分かる。とりわけ、低弾力部４４５Ｌ〜４４８Ｌに配置された４つの容量素子の検出感度が５０％も上昇している。その一方、高弾力部４４５Ｈ〜４４８Ｈに配置された４つの容量素子の検出感度も上昇してはいるが、その割合は２０％にとどまっている。
【０１７９】
ここで着目すべきは、低弾力部４４５Ｌ〜４４８Ｌに配置された４つの容量素子Ｃ１１、Ｃ２１、Ｃ３１、Ｃ４１と高弾力部４４５Ｈ〜４４８Ｈに配置された４つの容量素子Ｃ１２、Ｃ２２、Ｃ３２、Ｃ４２とで、感度の変化が異なっているということである。このような差異は、高弾力部４４５Ｈ〜４４８Ｈに生じる歪よりも低弾力部４４５Ｌ〜４４８Ｌに生じる歪の方が大きいため、相対的に低弾力部４４５Ｌ〜４４８Ｌに金属疲労が多く蓄積することに起因している。このような感度の変化を第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率に着目して定量的に評価すると、次のとおりである。すなわち、初期状態では、第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの比率（Ｔ１ａ／Ｔ２ａ）は、４．０であったが、金属疲労が蓄積すると、第１電気信号Ｔ１ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率（Ｔ１ｂ／Ｔ２ｂ）は、５．０に上昇した。
【０１８０】
金属疲労が発現するメカニズムを踏まえれば、この比率Ｔ１／Ｔ２は、繰り返しの負荷（力ないしモーメント）が作用することに伴って４．０から５．０まで次第に上昇する。本実施の形態による力覚センサ４０１ｃは、作用した力ないしモーメントの計測に加え、前記比率Ｔ１／Ｔ２の変化に着目することによって、力覚センサ１ｃの故障診断をも行う。故障診断は、検出回路４５０が、計測時点における第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率（Ｔ１／Ｔ２）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（Ｔ１ａ／Ｔ２ａ）と、の差（（Ｔ１／Ｔ２）−（Ｔ１ａ／Ｔ２ａ））が所定の値（閾値Ｃ）を超えているか否かを評価することによって、行われる。すなわち、以下の［式１０］が成立しているとき、検出回路４５０は、力覚センサ４０１ｃが正常に機能していると判定する。なお、本実施の形態では、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）及び閾値Ｃは、予め検出回路４５０内に記憶されている。
［式１０］
（Ｔ１／Ｔ２）−（Ｔ１ａ／Ｔ２ａ）≦Ｃ  （Ｃ：閾値）
【０１８１】
一方、以下の［式１１］が成立しているとき、検出回路４５０は、力覚センサ４０１ｃが正常に機能していない（故障している）と判定する。
［式１１］
（Ｔ１／Ｔ２）−（Ｔ１ａ／Ｔ２ａ）＞Ｃ  （Ｃ：閾値）
【０１８２】
以上の説明においては、力覚センサ４０１ｃに対してＸ軸まわりのモーメントＭｘが作用した場合を例に説明を行ったが、その他のモーメントＭｙ、Ｍｚないし力Ｆｚが作用した場合も、同様にして故障診断を行うことができる。具体的には、着目する力ないしモーメントについて、［式７］に記載された式を第１電気信号Ｔ１とし、且つ、［式８］に記載された式を第２電気信号Ｔ２とする。このとき、力覚センサ４０１ｃに作用する力ないしモーメントと第１及び第２電気信号Ｔ１、Ｔ２との関係は、初期状態では図３４に示すグラフと同様であり、変形体４０に金属疲労が蓄積している状態では図３５に示すグラフと同様である。但し、Ｚ軸方向の力Ｆｚが作用した場合には、横軸の「モーメント」を「力」と読み替えることとする。したがって、いずれの力ないしモーメントが作用した場合であっても、前述した［式１０］及び［式１１］に基づいて適正に力覚センサ４０１ｃの故障診断が行われる。
【０１８３】
以上のような本実施の形態によれば、力ないしモーメントを計測しつつ、変形体４０に発現した金属疲労による故障をも検知可能な力覚センサ４０１ｃを提供することができる。これにより、力覚センサ４０１ｃの信頼性及び安全性が一層高められる。
【０１８４】
＜＜＜  §５．  本発明の第５の実施の形態による力覚センサ  ＞＞＞
次に、本発明の第５の実施の形態による力覚センサ５０１ｃについて説明する。
【０１８５】
図３６は、本発明の第５の実施の形態による力覚センサ５０１ｃの基本構造５０１を示す概略平面図であり、図３７は、図３６の［３７］−［３７］線断面図である。
【０１８６】
図３６及び３７に示すように、基本構造５０１は、固定体５１０及び受力体５２０の構造が第１の実施の形態による力覚センサ１ｃの基本構造１とは異なっている。具体的には、基本構造５０１の固定体５１０及び受力体５２０は、共に円環（円筒）の形状を有している。そして、図３６及び図３７に示すように、Ｚ軸方向から見て、固定体５１０は変形体４０の内側に配置されており、受力体５２０は、変形体４０の外側に配置されている。固定体５１０、受力体５２０及び変形体４０は、それらの中心軸線がいずれもＺ軸と重なっており、互いに同心となっている。また、図３７に示すように、固定体５１０は、その下端のＺ座標値が変形体４０の下端（検出部位Ａ１〜Ａ４）のＺ座標値よりも小さくなるように配置されている。更に、受力体５２０は、その上端のＺ座標値が変形体４０の上端のＺ座標値よりも大きくなるように配置されている。
【０１８７】
以上のような固定体５１０、受力体５２０及び変形体４０の配置に伴って、第１〜第４接続部材５３１〜５３４の配置も、第１の実施の形態による力覚センサ１ｃとは異なっている。すなわち、図３６及び図３７に示すように、第１接続部材５３１は、正のＸ軸上にて、固定体５１０の外側面（Ｘ軸正方向に面する側面）と変形体４０の内側面（Ｘ軸負方向に面する側面）とを接続している。他方、第２接続部材５３２は、負のＸ軸上にて、固定体５１０の外側面（Ｘ軸負方向に面する側面）と変形体４０の内側面（Ｘ軸正方向に面する側面）とを接続している。更に、図３６に示すように、正のＹ軸上において、受力体５２０の内側面（Ｙ軸負方向に面する側面）と変形体４０の外側面（Ｙ軸正方向に面する側面）とが第３接続部材５３３によって接続されており、負のＹ軸上において、受力体５２０の内側面（Ｙ軸正方向に面する側面）と変形体４０の外側面（Ｙ軸負方向に面する側面）とが第４接続部材５３４によって接続されている。その他の構成は第１の実施の形態による力覚センサ１ｃの基本構造１と同様である。このため、図面において、対応する構成要素には同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【０１８８】
図示されていないが、以上のような基本構造５０１に対して、第１の実施の形態による力覚センサ１ｃと同様の配置にて４つの容量素子を配置することにより、力覚センサ５０１ｃを構成することができる。なお、図３７には、固定電極を配置するための部材が示されていないが、力覚センサ５０１ｃが取り付けられる部位に適宜固定電極を配置しても良いし、あるいは固定体５１０に付加的な部材を固定し、この部材に固定電極を配置しても良い。
【０１８９】
以上のような力覚センサ５０１ｃは、例えばロボットの関節など、互いに相対移動する第１部材及び第２部材から構成される機構部に好適に設置され得る。すなわち、第１部材に固定体５１０を連結し、第２部材に受力体５２０を連結すれば、限られたスペースに、他の部材と干渉しないような態様で、力覚センサ５０１ｃを配置することができる。
【０１９０】
なお、力覚センサ５０１ｃに作用した力ないしモーメントを計測するための方法は、第１の実施の形態による力覚センサ１ｃと同様であるため、ここでは、その詳細な説明は省略する。
【０１９１】
以上のような基本構造５０１の変形例として、次のような基本構造５０２も考えられる。
【０１９２】
図３８は、図３６の基本構造５０１の変形例を示す概略平面図であり、図３９は、図３８の［３９］−［３９］線断面図である。
【０１９３】
図３８及び図３９に示すように、本変形例による基本構造５０２は、変形体５４０に湾曲部が設けられていない点で、図３６及び図３７に示す基本構造５０１と異なる。したがって、本変形例の変形体５４０は、円環（円筒）の形状を有し、その上面及び下面は、ＸＹ平面と平行になっている。その他の構成は、前述した基本構造５０１と同様であるため、図面において、対応する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。
【０１９４】
図４０は、図３８の基本構造５０２を用いた力覚センサ５０２ｃの一例を示す概略平面図である。図４０に示す力覚センサ５０２ｃは、作用した力ないしモーメントによって生じる変形体４０の弾性変形によって、内側面（原点Ｏに面する側面）に生じる径方向の変位を用いて、当該力ないしモーメントを計測するようになっている。この場合、図４０に示すように、変形体５４０の内側面のうち、Ｖ軸及びＷ軸と重なる４つの部位に、それぞれ変位電極Ｅｍ１〜Ｅｍ４を設け、固定体５１０の外側面のうち、各変位電極Ｅｍ１〜Ｅｍ４に対向する部位に固定電極Ｅｆ１〜Ｅｆ４を設ければよい。このような構成によって、Ｖ軸上及びＷ軸上の４箇所に、４つの容量素子Ｃ１〜Ｃ４が構成される。本変形例による基本構造５０２を用いた力覚センサ５０２ｃでは、これら４つの容量素子Ｃ１〜Ｃ４に基づいて作用した力ないしモーメントを検出することになる。
【０１９５】
以上のような力覚センサ５０２ｃを用いて作用した力ないしモーメントを計測するための具体的な原理は、例えば、本件出願人名義の特許第４９４８６３０号に記載されているため、ここでは、その詳細な説明は省略する。
【０１９６】
以上のような基本構造５０１、５０２は、受力体５２０、変形体４０、５４０、接続部材５３１〜５３４及び固定体５１０が同心円状に、且つ、ＸＹ平面に沿って、配置されている。このため、基本構造５０１、５０２の各構成要素を切削加工によって一体的に成形することができる。このような加工により、ヒステリシスの無い力覚センサ５０１ｃ、５０２ｃを提供することができる。
【０１９７】
＜＜＜  §６．  その他の変形例  ＞＞＞
次に、図４１及び図４２を参照して、以上の各実施の形態による力覚センサないし基本構造に対して適用可能な変形体６４０の変形例について説明する。
【０１９８】
図４１は、矩形の変形体６４０を示す概略平面図である。また、図４２は、図４１の概略断面図であり、図４２（ａ）は、図４１の［４２ａ］−［４２ａ］線断面図であり、図４２（ｂ）は、図４１の［４２ｂ］−［４２ｂ］線断面図である。
【０１９９】
本変形例による変形体６４０は、全体として矩形の形状を有している。ここでは、図４１に示すように、正方形の変形体６４０を例に挙げて説明する。変形体６４０は、正のＸ軸上に位置する第１固定部６４１と、負のＸ軸上に位置する第２固定部６４２と、正のＹ軸上に位置する第１受力部６４３と、負のＹ軸上に位置する第２受力部６４４と、を有している。各固定部６４１、６４２及び各受力部６４３、６４４は、変形体６４０のうち固定体１０及び受力体２０が接続される領域であって、変形体６４０の他の領域と異なる特性を有する部位ではない。したがって、各固定部６４１、６４２及び各受力部６４３、６４４の材質は、変形体６４０の他の領域と同一である。但し、説明の便宜上、図面においては、変形体６４０の他の領域とは異なる色で示してある。
【０２００】
図４１に示すように、変形体６４０は、更に、第１固定部６４１と第１受力部６４３との間（ＸＹ平面の第１象限）に位置する第１変形部６４５と、第１受力部６４３と第２固定部６４２との間（ＸＹ平面の第２象限）に位置する第２変形部６４６と、第２固定部６４２と第２受力部６４４との間（ＸＹ平面の第３象限）に位置する第３変形部６４７と、第２受力部６４４と第１固定部６４１との間（ＸＹ平面の第４象限）に位置する第４変形部６４８と、を有している。各変形部６４５〜６４８の両端は、隣接する固定部６４１、６４２及び受力部６４３、６４４にそれぞれ一体的に連結されている。このような構造によって、受力部４３，４４に作用した力ないしモーメントが確実に各変形部６４５〜６４８に伝達され、これによって、当該作用した力ないしモーメントに応じた弾性変形が各変形部６４５〜６４８に生じるようになっている。
【０２０１】
図４１に示すように、第１〜第４変形部６４５〜６４８は、Ｚ軸方向から見て全て直線状に構成されている。また、原点Ｏから各固定部６４１、６４２及び各受力部６４３、６４４までの距離は全て等しいため、各変形部６４５〜６４８は、それぞれ、正方形の一辺を構成するように配置されている。
【０２０２】
更に、図４２（ａ）及び図４２（ｂ）に示すように、変形体６４０の各変形部６４５〜６４８は、Ｚ軸負方向に膨出するように湾曲した湾曲部６４５ｃ〜６４８ｃを有している。図示される例では、各変形部６４５〜６４８が全体として湾曲部６４５ｃ〜６４８ｃを形成している。このため、図４２（ａ）及び図４２（ｂ）では、変形部の符号と湾曲部の符号とを併記してある。図示されるように、第１湾曲部６４５ｃのうち最も下方（Ｚ軸負方向）に位置する部位は、正のＶ軸上に存在している。そして、第１湾曲部６４５ｃの、第１固定部６４１から前記最も下方に位置する部位第に至るまでの形状は、第１受力部６４３から前記最も下方に位置する部位に至るまでの形状と同一である。換言すれば、第１湾曲部６４５ｃは、変形体６４０の長さ方向において、正のＶ軸に関して対称的な形状を有している。
【０２０３】
このことは、残りの３つの湾曲部６４６ｃ、６４７ｃ、６４８ｃにおいても、同様である。すなわち、第２湾曲部６４６ｃは、最も下方に位置する部位が正のＷ軸上に存在しており、且つ、正のＷ軸に関して対称的な形状を有している。第３湾曲部６４７ｃは、最も下方に位置する部位が負のＶ軸上に存在しており、且つ、負のＶ軸に関して対称的な形状を有している。第４湾曲部６４８ｃは、最も下方に位置する部位が負のＷ軸上に存在しており、且つ、負のＶ軸に関して対称的な形状を有している。
【０２０４】
図４２（ａ）及び図４２（ｂ）に示すように、変形体６４０には、第１〜第４湾曲部６４５ｃ〜６４８ｃの最も下方に位置する部位に、すなわちＺ軸方向から見て各湾曲部６４５ｃ〜６４８ｃがＶ軸及びＷ軸と重なる部位の下部に、各湾曲部６４５ｃ〜６４８ｃに生じる弾性変形を検出するための検出部位Ａ１〜Ａ４が規定されている。なお、図４１では、検出部位Ａ１〜Ａ４が変形体６４０の上面（手前側の面）に設けられているように示されているが、実際は、変形体６４０の下面（奥側の面）に設けられている（図４２参照）。
【０２０５】
＜＜＜  §７．  極板間の実効対向面積を一定に保つための工夫  ＞＞＞
以上の各力覚センサでは、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。
【０２０６】
これまでに説明してきた各実施の形態及び変形例の各々は、対応する各図面に示されているように、固定電極の面積の方が変位電極の面積よりも大きく構成されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年4月16日(2020.4.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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つを検出するロボット用の力覚センサであって、
ＸＹＺ三次元座標系に配置された第１の円環状部材と、
前記第１の円環状部材を取り囲むと共に、力ないしモーメントの作用により前記第１の 円環状部材に対して相対移動する第２の円環状部材と、
前記第１の円環状部材と前記第２の円環状部材との間の相対変位を検出する検出手段と、を備え、前記検出手段は、
前記第１の円環状部材と前記第２の円環状部材との間に配置され、力ないしモーメント の作用により弾性変形を生じる変形体と、
この変形体の弾性変形を検出する容量素子とを有し、
前記第１の円環状部材及び前記第２の円環状部材は、それらの中心軸線がいずれもＺ軸   と重なるよう互いに同心状に配置され、
前記第２の円環状部材のＺ軸正側の端面は、前記第１の円環状部材のＺ軸正側の端面よ りＺ軸正方向に延び、前記第１の円環状部材のＺ軸負側の端面は、前記第２の円環状部材 のＺ軸負側の端面よりＺ軸負側に延び、
前記第２の円環状部材のＺ軸負側の端面は、前記変形体のＺ軸負側の端面と同一平面上 に位置するとともに、前記第1の円環状部材のＺ軸正側の端面は、前記変形体のＺ軸正側
の端面と同一平面上に位置する、
ことを特徴とする力覚センサ。
【請求項２】
前記第１の円環状部材と前記第２の円環状部材との間の相対変位は、
前記第１の円環状部材と前記第２の円環状部材のＺ軸まわりの相対変位である、ことを 特徴とする請求項１記載の力覚センサ。